DE4407839A1

DE4407839A1 - Verfahren zur Beeinflußung des Benetzungswinkels der Düsenaustrittsfläche von Tintendruckköpfen

Info

Publication number: DE4407839A1
Application number: DE4407839A
Authority: DE
Inventors: Behrooz Dr Bayat
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1994-03-09
Filing date: 1994-03-09
Publication date: 1995-09-14
Also published as: GB2287908A; GB9504430D0; US5633664A; GB2287908B

Description

Verfahren zur Beeinflussung des Benetzungswinkels der Ober fläche eines flächigen Werkstücks, insbesonders der Düsen austrittsfläche von Tintendruckköpfen, bei dem die Düsenaus trittsfläche der Tintendruckköpfe mit einer Polymerschicht versehen wird.

Die Druckschrift DE-A-42 10 160 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Hydrophobierungs mittels, bei dem das Eindringen des Hydrophobierungsmittels in die freizuhaltenden Öffnungen verhindert wird. Ein Auf tragswerkzeug, bestehend aus einem elastischen Teil mit Kapillarsystem, wird über die Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks bewegt. Dabei dichtet eine voreilende Kontakt fläche des elastischen Teils die Öffnungen ab. Hinter der Kontaktfläche wird das gelöste Hydrophobierungsmittel aufge bracht, das über das Kapillarsystem des elastischen Teil der Oberfläche des Werkstücks zugeführt wird. Um die Tinten kanäle von Hydrophobierungsmittel freizuhalten, werden diese zusätzlich mit Inertgas beaufschlagt.

Ein Hydrophobierungsmittel und ein anderes Anwendungsver fahren, insbesonders für Tintendruckköpfe, wird in der WO 90/14958 vorgeschlagen. Das Hydrophobierungsmittel umfaßt als wirksame Komponente ein Silan, bei dem eine zumindest teilweise fluorierte organische Gruppe über einen gesättig ten Rest an das Silizium angebunden ist. Ein Tintendruckkopf wird in einer Kammer mit dem Hydrophobierungsmittel be dampft. Dazu wird eine bestimmte Menge des Hydrophobierungs mittels verdampft, und setzt sich anschließend als Nieder schlag auf der Düsenaustrittsfläche des Tintendruckkopfes fest. Ein Eindringen des Hydrophobierungsmittels in die Tin tenkanäle wird mittels eines durchströmenden Inertgases ver hindert. Der bedampfte Tintendruckkopf wird einer anschlie ßenden Temperaturbehandlung unterzogen, bei der einzelne Moleküle des Hydrophobierungsmittels an die Materialien der Oberfläche der Tintendruckkopfes angebunden und zum Teil miteinander vernetzt werden.

In den beiden vorstehend erwähnten Verfahren zur Hydrophobi sierung müssen zusätzliche Vorkehrungen, wie durch Spülen der Tintenkanäle mit Inertgas, Füllen der Tintenkanäle mit Quecksilber, etc., getroffen werden, die das Eindringen des Hydrophobierungsmittels in die Tintenkanäle verhindern. Dies ist überaus wichtig, da die Tintenkanäle in der Regel hydro phil sind, damit die Tintenflüssigkeit auf Wasserbasis in den engen Tintenkanälen gut fließen kann. Gebiete oder Inseln mit hydrophoben Eigenschaften in Inneren der Tinten kanäle würde die Tintenversorgungsrate der Düsenöffnungen nachteilig beeinflussen. Hinzu kommt, daß die Haftung der Hydrophobierungsschichten unter Tinteneinwirkung nachlassen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Beeinflussung des Benetzungswinkels der Düsenaustrittsfläche von Tintendruckköpfen zu schaffen, ohne daß dabei die Innen wände der Tintenkanäle beeinflußt werden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß

a) ein hochtemperaturbeständiges Polymer aus Lösung auf die mit Kanalmaterial bedeckte Düsenaustrittsfläche aufgebracht wird, daß anschließend
b) die bedeckten Düsenöffnungen durch Laser-Ablation mit Maskenverfahren geöffnet werden, und daß abschließend
c) durch UV-Laserlicht die Oberfläche der Polymerschicht derart modifiziert wird, daß der Benetzungswinkel zwi schen 0 und 130° eingestellt werden kann.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, daß beim Aufbringen der zur Einstellung des Benetzungswin kels verwendeten Polymerschicht die Düsenöffnungen des Tin tendruckkopfes noch mit dem Kanalmaterial verschlossen sind. Somit sind keine zusätzliche Vorkehrungen notwendig, die das Eindringen der Polymerlösung in die Tintenkanäle verhindert.

Hinzu kommt, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren die Benetzungseigenschaft der Oberfläche der Polymerschicht ge zielt beeinflußt werden kann. Dabei wird das gleiche Poly mermaterial für ein breites Spektrum der Benetzungseigen schaften verwendet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungs beispiels wird der Gegenstand der Erfindung beschrieben. Die Zeichnung zeigt in der

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Aufbaus eines Tin tendruckkopfes gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Düsenaustrittsfläche,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Düsen austrittsfläche eines Tintendruckkopfes nach der Beschichtung mit dem hochtemperaturbeständigen Polymer,

Fig. 4 einen Teilquerschnitt des Tintendruckkopfes, wobei bereits ein Teil der Düsenöffnungen mittels Laser- Ablation geöffnet wurden,

Fig. 5 einen Teilquerschnitt des Tintendruckkopfes mit be reits geöffneten Düsen, wobei die gesamte Düsenaus trittsfläche mit Laserlicht zur Einstellung des ge eigneten Benetzungswinkels bestrahlt wird, und

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Benetzungswinkels als Funktion der Bestrahlung.

Ein Tintendruckkopf 10 kann beispielsweise, wie in Fig. 1 dargestellt ist, in Dünnschichtbauweise hergestellt werden. Auf einem Metallplättchen 1, zum Beispiel aus Aluminium, ist als Substrat 2 ein Siliziumwafer aufgeklebt. Darüber befin det sich eine Isolations- und Abdeckschicht 3 und 4, zwi schen denen nicht dargestellte elektrische Leitungen und Widerstandsheizelemente eingebettet sind, die beim Betrieb eines solchen Tintendruckkopfes den Ausstoß der Tintentröpf chen bewirken und steuern. Die eigentlichen Tintenkanäle 6 sind zum Beispiel in einer Photolackschicht 5 realisiert. Für die Strukturierung der Tintenkanäle wird ein licht empfindliches Polymer verwendet. Als besonders vorteilhaft hat sich das Photopolymer erwiesen, das unter dem Waren zeichen "VACREL" (Nr. 1 013 245) von der Firma Du Pont de Nemours erhältlich ist. Die obere Begrenzung der Tinten kanäle 6 bildet eine mittels einer Photolackschicht 7 auf gekelbte Glasplatte 8.

Die Vielzahl der auf einem Wafer hergestellten Tintendruck köpfe werden derart vereinzelt, daß die Düsenöffnungen 13 noch mit einer Abdeckung aus dem für den Tintenkanalaufbau verwendeten Photolack verschlossen bleiben. Im folgenden wird der für den Kanalaufbau verwendete Photolack als Kanal material bezeichnet. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Düsenaustrittsfläche 12 des Tintendruckkopfes, die mit einer Schicht 14 aus Kanalmaterial bedeckt ist. Die gestrichelten Quadrate stellen die Düsenöffnungen 13 dar, die in diesem Stadium des Verfahren, wie vorstehend erwähnt, noch durch das Kanalmaterial verschlossen sind.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils des Tintendruckkopfes nach dem Aufbringen der Schicht aus hoch temperaturbeständigen Polymer auf die Schicht 14 aus Kanal material. Das hochtemperaturbeständige Polymer ist aus der Klasse der Poly(ether-ketone). Diese Polymere können bei Temperaturen von mehr als 200°C eingesetzt werden, ohne daß sie oxydieren oder ihre Materialeigenschaften ändern bzw. verlieren. Desweiteren sind sie in den meisten Lösungs mitteln bei Zimmertemperatur unlöslich. Bei erhöhter Tempe ratur sind diese Polymere in Benzophenon, α-Chlornaphthalin oder einer Mischung aus Phenol und Trichlorbenzol mit einer Konzentration zwischen 0,001 bis 0,1% löslich. Eine zusätz liche Eigenschaft dieser Polymere ist, daß deren Ober flächeneigenschaften hinsichtlich der Benetzbarkeit mit Flüssigkeiten auf Wasserbasis mittels Laserbestrahlung im UV-Bereich beeinflußt werden können. Das Polymer wird aus Lösung auf die mit Kanalmaterial bedeckte Düsenaustritts fläche 12 aufgebracht. Dadurch entsteht auf der Düsenaus trittsfläche 12 eine weitere, die Düsenaustrittsfläche 12 vollständig bedeckende, Polymerschicht 16. Poly(aryl-ether ether-ketone) (PEEK) wird bevorzugt verwendet. PEEK wird zum Aufbringen auf die Schicht 14 aus Kanalmaterial beispiels weise in den vorstehend erwähnten Lösungsmitteln gelöst.

In Fig. 4 ist ein Teilquerschnitt des Tintendruckkopfes dar gestellt, bei dem die Düsenöffnungen 13 mit Laser-Ablation im Maskenverfahren geöffnet werden. Bei der Laser-Ablation wird sowohl die PEEK-Schicht 16 als auch die Schicht 14 aus Kanalmaterial abgetragen. Für die Laser-Ablation wird bevor zugterweise ein Eximer-Laser verwendet, der Licht 20 mit einer Wellenlänge von 248 nm aussendet. Obwohl das erfin dungsgemäße Verfahren eine bestimmte Lichtwellenlänge ver wendet, können die gleichen Ergebnisse ebenso mit Laserlicht anderer Wellenlängen erzielt werden.

Nachdem die Düsen 13 geöffnet sind, wird, wie in Fig. 5 ge zeigt, die gesamte Düsenaustrittsfläche 12 mit einer stark reduzierten Laserlichtintensität 11 bestrahlt. Die redu zierte Bestrahlung wird auf einfache Weise durch Strahlauf weitung erreicht. Es wird dieselbe Wellenlänge verwendet wie bei der Laser-Ablation. Die während dieses Verfahrens schrittes auf die PEEK-Schicht einwirkende Strahlung führt zu einer Modifikation der Oberfläche 22 dieser Schicht. Dabei betrifft die Modifikation der Oberfläche hauptsächlich auf die Beseitigung der Kohlenwasserstoffkontamination. Daraus resultiert eine chemisch aktivierte oder deaktivierte Oberfläche des Polymers. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, können bei der Verwendung eines Eximer-Lasers die Benetzungseigenschaften der Oberfläche 22 eingestellt wer den. Es ist möglich, in Abhängigkeit von der Bestrahlung, die Oberfläche 22 entweder hydrophob oder hydrophil zu machen. Bei einer Bestrahlung zwischen 0,2 und 0,5 J/cm² kann ein Benetzungswinkel auf der bestrahlten PEEK-Ober fläche im Bereich zwischen größer 90° und kleiner 130° ein gestellt werden. Die resultierende Oberfläche ist somit hydrophob. Ist die Bestrahlung größer als 0,5 J/cm², aber noch so gering, daß keine weitere Ablation der Oberfläche 22 der Düsenaustrittsfläche 12 stattfindet, so können Be netzungswinkel kleiner als 90° erreicht werden. Die resul tierende Oberfläche ist somit hydrophil.

Claims

1. Verfahren zur Beeinflussung des Benetzungswinkels der Oberfläche eines flächigen Werkstücks, insbesonders der Düsenaustrittsfläche (12) von Tintendruckköpfen (10), bei dem die Düsenaustrittsfläche (12) der Tintendruck köpfe (10) mit einer Polymerschicht (16) versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein hochtemperaturbeständiges Polymer aus Lösung auf die mit einer Schicht (14) aus Kanalmaterial (5) be deckte Düsenaustrittsfläche (12) aufgebracht wird, daß anschließend
b) die bedeckten Düsenöffnungen (13) durch Laser- Ablation mit Maskenverfahren geöffnet werden, und daß abschließend
c) durch UV-Laserlicht die Oberfläche (22) der Polymer schicht (16) derart modifiziert wird, daß der Be netzungswinkel zwischen 0 und 130° eingestellt wer den kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Ablation und die Modifizierung der Oberfläche (22) der Polymerschicht (16) mit dem Laserlicht eines Eximer-Lasers durchgeführt wird, und daß die verwendete Wellenlänge in beiden Verfahrensschritten gleich ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeich net, daß die Wellenlänge des Laserlichts 248 nm be trägt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekenn zeichnet, daß die Bestrahlung bei der Modifizierung der Oberfläche (22) zwischen 0,2 bis 0,5 J/cm² liegt, wo durch die Oberfläche (22) hydrophob wird und der Be netzungswinkel größer als 90° ist.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekenn zeichnet, daß die Bestrahlung bei der Modifizierung der Oberfläche (22) größer als 0,5 J/cm² ist, wodurch die Oberfläche (22) hydrophil wird und der Benetzungswinkel kleiner als 90° ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeich net, daß das hochtemperaturbeständige Polymer Poly(Aryl-ether-ether-keton) (PEEK) ist.