DE69815189T2

DE69815189T2 - Strahlungshärtbare Harzschicht enthaltender Tintenstrahldruckkopf

Info

Publication number: DE69815189T2
Application number: DE69815189T
Authority: DE
Inventors: Girish P. Lexington Patil; Gary R. Lexington Williams; Paul T. Lexington Spivey
Original assignee: Lexmark International Inc
Current assignee: Lexmark International Inc
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2018-03-28
Also published as: ATE242299T1; US5907333A; JP4051467B2; JPH10338798A; EP0867488A1; CN1119245C; KR100527608B1; DE69815189D1; EP0867488B1; KR19980080815A; TW412633B; CN1197817A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf mit einer verbesserten durch Strahlung härtbaren Harzschicht.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der Tintenstrahldruckkopf eines Tintenstrahldruckers besteht im allgemeinen aus einer Düsenplatte mit Düsen oder Injektionsteilen zum Ausstoß von Tinte zum Aufzeichnen auf einem Substrat, Tintenkanälen, welche die Düsen mit einem Tintenvorrat verbinden, und einem energieverleihenden Element zum Ausstoß von Tinte aus dem Druckkopf durch die Düsen. Die Energie für den Ausstoß der Tinte während der Aufzeichnung wird in den meisten Fällen durch Widerstandselemente oder piezoelektrische Elemente erzeugt.
Verfahren zur Herstellung der Tintenkanäle für Tintenstrahldruckköpfe umfassen zum Beispiel die Bildung von feinen Rillen in einer dünnen Schicht Glas, Metall oder Kunststoff durch Ritzen oder Ätzen und das anschließende Aufkleben einer weiteren dünnen Materialschicht auf die Schicht, auf der sich diese ausgebildeten Rillen befinden, um Flüssigkeitskanäle zu bilden. Ein weiteres Verfahren umfaßt die Bildung von Rillen in einem photosensitiven Harz, mit dem ein Substrat beschichtet ist, welches das energieverleihende Element enthält, durch photolithographische Verfahren. Sobald die Rillen in dem photosensitiven Harz gebildet sind, wird ein weiteres dünnschichtiges Material auf dem mit Rillen versehenen Harz befestigt, um zum Beispiel Düsenplatten zu bilden.
Unter diesen Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes ist die Verwendung eines photosensitiven Harzes zur Bereitstellung wenigstens eines Teils der Tintenkanalschicht vorteilhafter als andere Verfahren, da die Flüssigkeitskanäle mit höherer Präzision und Ausbeute erzeugt werden können und die Flüssigkeitsstrahlschreibköpfe in besserer Qualität und mit geringeren Kosten erhalten werden können. Das photosensitive Harz muß (1) als ausgehärteter Film eine hervorragende Haftung auf einem Substrat besitzen, (2) nach der Aushärtung eine hervorragen de mechanische Festigkeit und Haltbarkeit besitzen und (3) eine hervorragende Empfindlichkeit und Auflösung bei der Strukturierung mit einer Strahlungsquelle besitzen.
Von den bekannten photohärtbaren Harzen beschreibt das US-Patent Nr. 4 623 676 eine durch Strahlung härtbare Zusammensetzung zur Verwendung als Schutzbeschichtung für ein Photoelement, die eine polymerisierbare Acrylverbindung, ein polymerisierbares epoxidfunktionelles Silan, einen radikalischen aromatischen Komplexsalz-Photoinitiator, der in der Lage ist, die Polymerisation der genannten Acrylverbindung zu initiieren, und einen kationischen aromatischen Komplexsalz-Photoinitiator, der in der Lage ist, die Polymerisation des genannten epoxidfunktionellen Silans zu initiieren, enthält.
Das US-Patent Nr. 4 688 053 beschreibt einen Flüssigkeitstrahlschreibkopf mit einer Schicht aus einer durch Strahlung härtbaren Harzzusammensetzung, die ein lineares Polymer mit einer Glasübergangstemperatur von wenigstens 50°C und einem massegemittelten Molekulargewicht von wenigstens 3,0 × 10⁴, ein Monomer mit einer ethylenisch ungesättigten Bindung, ein Epoxidharz mit einer oder mehreren Epoxidgruppen und einen Polymerisationsinitiator, der in der Lage ist, durch Bestrahlung mit einer wirksamen Energiequelle eine Lewissäure zu erzeugen, enthält.
Das US-Patent Nr. 4 090 936 beschreibt eine photohärtbare Zusammensetzung, die eine organische Verbindung mit einer mittleren Epoxidfunktionalität im Bereich von etwa 1 bis 1,3, ein organisches Polymer, ausgewählt aus Polymeren, die aus Acrylat- oder Methacrylatmonomeren hergeleitet sind, Copolymeren aus Styrol und Allylalkohol und Polyvinylbutyralpolymeren, und einen aus einem aromatischen Komplexsalz bestehenden aromatischen Komplexsalz-Photoinitiator enthält.
Jedoch liefert keines der bekannten photosensitiven Harze alle erforderlichen Eigenschaften, um bei Tintenstrahldruckkopfanwendungen anwendbar zu sein. Zum Beispiel besitzen photosensitive Harze, die zur Musterbildung in Druckplatten, Heizelementen usw. verwendet werden, eine minderwertige Haftung auf Glas, Metall, Keramik und Kunststoff und eine ungenügende mechanische Festigkeit und Haltbarkeit, wenn sie ausgehärtet sind, obwohl sie eine gute Empfindlichkeit und Auflösung besitzen können. Aus diesen Gründen ist es wahrscheinlich, daß, wenn photosensitive Harze in einem Druckkopf verwendet werden, eine Deformation oder Delaminierung vom Substrat oder eine Zersetzung der photosensitiven Harzschicht während der Verwendung stattfindet, was die Zuverlässigkeit des Tintenstrahldruckkopfes verringert, indem der Tintenfluß in den Tintenkanälen behindert oder der Tintentröpfchenausstoß merklich instabil gemacht wird.
Andererseits besitzen photohärtbare Harze, die auf Glas, Metall, Keramik und Kunststoff haften und eine zufriedenstellende mechanische Festigkeit und Haltbarkeit nach der Aushärtung aufweisen, eine minderwertige Empfindlichkeit und Auflösung. Die inhärenten Eigenschaften von photohärtbaren Harzen machen sie für die Verwendung zur Bereitstellung von Tintenkanälen ungeeignet, da sie nicht in den präzisen Mustern, die zur Verwendung in Tintenstrahldruckköpfen erforderlich sind, gehärtet werden können.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes durch Strahlung härtbares Harz zur Verwendung in Tintenstrahldruckköpfen zur Verfügung zu stellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Tintenstrahldruckkopf zur Verfügung zu stellen, der eine Tintenkanalschicht enthält, die aus einem Harz hergestellt ist, das alle oben erwähnten erforderlichen Eigenschaften erfüllt, preiswert, präzise, in hohem Maße zuverlässig und mit hervorragender Haltbarkeit ausgestattet ist.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Tintenstrahldruckkopf mit präzise hergestellten Tintenkanälen zur Verfügung zu stellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt einen Tintenstrahldruckkopf zur Verfügung, der Tintenkanäle in einem durch Strahlung härtbaren Harz enthält, welches an ein Substrat gebunden ist, das eine energieverleihende Vorrichtung zum Ausstoß von Tinte aus dem Druckkopf enthält. Die Kanäle werden in dem Harz gebildet, indem eine Schicht aus durch Strahlung härtbarem Harz einem vorbestimmten Bestrahlungsmuster unterworfen wird, um dadurch gehärtete Bereiche des Harzes zu bilden. Ungehärtete Bereiche des Harzes können dann entfernt werden. Was die obigen und anderen Ziele betrifft, so stellt die Erfindung einen Tintenstrahldruckkopf mit Tintenkanälen, welche verbunden sind mit einer Tintenaustrittsöffnung, bereitgestellt auf einem Substrat, zur Verfügung, wobei die genannten Kanäle gebildet werden, indem eine Schicht aus einer durch Strahlung härtbaren Harzzusammensetzung einer Bestrahlung mit der genannten Strahlung in einem vorbestimmten Muster unterworfen wird, um dadurch einen gehärteten Bereich der genannten Harzzusammensetzung zu bilden, und der ungehärtete Harzzusammensetzungsbereich von der genannten Schicht entfernt wird, wobei die genannte durch Strahlung härtbare Harzzusammensetzung umfaßt:

(A) 5 bis 50 Gew.-% einer ersten bifunktionellen Epoxidverbindung,
(B) 0,05 bis 20 Gew.-% einer zweiten multifunktionellen vernetzenden Epoxidverbindung,
(C) 1,0 bis 10 Gew.-% eines Photoinitiators, der in der Lage ist, ein Kation zu erzeugen,
(D) ein Silan mit einer funktionellen Gruppe, die in der Lage ist, mit wenigstens einem Element, ausgewählt aus A, B und C, zu reagieren, und
(E) 20 bis 90 Gew.-% eines nicht-photoreaktiven Lösungsmittels, wobei die Gewichtsprozente auf das Gesamtgewicht der Harzzusammensetzung bezogen sind, wobei die genannte härtbare Harzzusammensetzung an einer Seite an das Substrat und an der gegenüberliegenden Seite an eine mit Phenolbutyral beschichtete Düsenplatte gebunden ist. Die Erfindung verwendet eine durch Strahlung härtbare Harzzusammensetzung, die umfaßt: 5 bis 50 und vorzugsweise 10 bis 20 Gew.-% einer ersten bifunktionellen Epoxidverbindung, 0,05 bis 20 und vorzugsweise 0,1 bis 5,0 Gew.-% einer zweiten multifunktionellen vernetzenden Epoxidverbindung, 1,0 bis 10 und vorzugsweise 1,5 bis 5 Gew.-% eines Photoinitiators, der in der Lage ist, ein Kation zu erzeugen, wie z. B. ein aromatischer Komplexsalz-Photoinitiator, ein Silan mit einer funktionellen Gruppe, die in der Lage ist, mit wenigstens einem Element, ausgewählt aus A, B und C, zu reagieren, und 20 bis 90 und vorzugsweise 45 bis 75 Gew.-% eines nichtphotoreaktiven Lösungsmittels, wobei die Gewichtsprozente auf das Gesamtgewicht der Harzzusammensetzung bezogen sind und alle darin zusammengefaßten Bereiche umfaßt sein können.

Die Harzzusammensetzung verwendet ein nicht-photoreaktives Lösungsmittelsystem (das wäßrig oder nichtwäßrig sein könnte), welches umweltfreundlich ist. Die durch Strahlung gehärtete Harzschicht, die bei der Erfindung verwendet wird, weist eine größere Auflösung, höhere Aspekt-Verhältnisse und eine verbesserte Haftung auf Metalloberflächen wie Gold oder Gold/Tantal auf, wodurch sich ihre Anwendung auf derzeitige und geplante Produktanforderungen erweitert. Zusätzlich stellt das ausgehärtete Harz eine dauerhaft definierte und gegen hohen Tinten-pH resistente Sperrschicht zur Verfügung, die zu einer gesteuerten Tintentröpfchengröße in Tintenstrahldruckköpfen beitragen kann, während sie einer Korrosion oder einem chemischen Angriff durch die Tinte selbst standhält.
Das durch Strahlung gehärtete Harz führt auch zu einer unerwarteterweise verbesserten Haftung zwischen der Düsenplatte und dem Substrat, wenn die Düsenplatte ein mit Phenolbutyral beschichtetes Polymer, wie z. B. eine mit Phenolbutyral beschichtete Polyimid-Düsenplatte, ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und anderen Merkmale der Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung, die in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung betrachtet wird, näher beschrieben, wobei:
1 eine Querschnittsansicht eines Tintenstrahldruckkopfes mit einer durch Strahlung gehärteten Harzzusammensetzung gemäß der Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Diese Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf mit Tintenkanälen, welche in einer durch Strahlung gehärteten Harzschicht ausgebildet sind, die an einem Substrat haftet. Die Kanäle sind in Flüssigkeitsströmungsverbindung mit einer Tintenaustrittsöffnung, bereitgestellt von einer Düsenplatte, verbunden. Um die Kanäle in der Harzschicht zu bilden, wird die Harzzusammensetzung mit einer Strahlungsquelle in einem vorbestimmten Muster bestrahlt, um bestimmte Bereiche der Harzschicht zu härten, während andere Bereiche, welche die Kanäle ergeben, ungehärtet bleiben. Die ungehärteten Bereiche werden von der Harzschicht entfernt, wobei die erwünschten Kanäle zurückbleiben. Die Harzzusammensetzung, die zur Bildung der durch Strahlung härtbaren Schichten verwendet wird, ist eine Harzzusammensetzung, die umfaßt: eine erste bifunktionelle Epoxidverbindung, eine zweite multifunktionelle vernetzende Epoxidverbindung, einen Photoinitiator, der in der Lage ist, ein Kation zu erzeugen, ein nicht-photoreaktives Lösungsmittel und ein Silan mit einer funktionellen Gruppe, die in der Lage ist, mit wenigstens einem Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus der ersten bifunktionellen Epoxidverbindung, der zweiten multifunktionellen vernetzenden Epoxidverbindung und dem Photoinitiator, zu reagieren. Ein solches Silan ist vorzugsweise ein Silan mit einer epoxidfunktionellen Gruppe, wie z. B. ein Glycidoxyalkyltrialkoxysilan wie gamma-Glycidoxypropyltrimethoxysilan. Das Silan liegt in einer Menge von 0,05 bis 10 Gew.-% und vorzugsweise von 0,1 bis 2,0 Gew.-% vor, bezogen auf das Gesamtgewicht der Harzzusammensetzung, einschließlich aller davon umfaßter Bereiche. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Harzzusammensetzung ferner ein filmverbesserndes Mittel, wie z. B. ein Acrylat- oder Methacrylatpolymer. Ein filmverbesserndes Mittel, so wie es hier verwendet wird, bedeutet definitionsgemäß ein organisches Material, das in der Harzzusammensetzung löslich ist, welches die Filmbildungseigenschaften der Harzzusammensetzung fördert.
Die erste Komponente der Harzzusammensetzung ist eine erste bifunktionelle Epoxidverbindung, die eine beliebige organische Verbindung mit zwei Oxiranringen umfaßt, welche durch Ringöffnung polymerisierbar ist. Multifunktionell bedeutet mit einer durchschnittlichen Epoxidfunktionalität von mehr als 1,0 und vorzugsweise mehr als oder gleich 2. Es wird ferner darauf hingewiesen, daß die erste bifunktionelle Epoxidverbindung und/oder die zweite multifunktionelle Epoxidverbindung polymerisieren und/oder vernetzen kann/können. Vorzugsweise ist die zweite multifunktionelle Epoxidverbindung das Haupt-Vernetzungsmittel. Die erste bifunktionelle Epoxidverbindung umfaßt monomere bifunktionelle Epoxidverbindungen und polymere bifunktionelle Epoxidverbindungen, die in der Beschaffenheit ihrer Hauptkette und ihrer Substituentengruppen variieren können. Darüber hinaus besitzt die erste bifunktionelle Epoxidverbindung vorzugsweise eine Hydroxygruppe als Substituent. Zusätzlich zum bevorzugten Hydroxygruppensubstituenten sind andere zulässige Substituentengruppen u. a. zum Beispiel Halogene, Estergruppen, Ether, Sulfonatgruppen, Siloxangruppen, Nitrogruppen und Phosphatgruppen. Das Molekulargewicht (Mn) der ersten bifunktionellen Epoxidverbindungen kann von 75 bis 100000 variieren.
Die bifunktionelle Epoxidverbindung oder die Mischung aus bifunktionellen Epoxidverbindungen besteht vorzugsweise aus Flüssigkeiten, es können jedoch ein oder mehrere feste bifunktionelle Epoxidverbindungen in der Mischung enthalten sein, mit der Maßgabe, daß die fertige Mischung in der flüssigen Phase vorliegt.
Bifunktionelle Epoxidverbindungen, die verwendet werden können, sind u. a. Diglycidylether von Bisphenol A (z. B. diejenigen, die unter den Handelsbezeichnungen "Epon 828", "Epon 1004", "Epon 1001F", "Epon SU-8" und "Epon 1010" von Shell Chemical Co., "DER-331", "DER-332" und "DER-334" von Dow Chemical Co. erhältlich sind), 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexencarboxylat (z. B. "ERL-4221" von Union Carbide Corp.), 3,4-Epoxy-6-methylcyclohexylmethyl-3,4-epoxy-6-methylcyclohexencarboxylat (z. B. "ERL-4201" von Union Carbide Corp.), Bis(3,4-epoxy-6-methylcyclohexylmethyl)adipat (z. B. "ERL-4289" von Union Carbide Corp.), Bis(2,3-epoxycyclopentyl)ether (z. B. "ERL-0400" von Union Carbide Corp.). Die bifunktionelle Epoxidverbindung liegt in der Zusammensetzung in einer Menge von 5 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise von 10 bis 20 Gew.-%, vor.
Die zweite Komponente der Harzzusammensetzung ist eine zweite multifunktionelle vernetzende Verbindung. Die zweite multifunktionelle Epoxidverbindung erhöht die Vernetzungsdichte, wodurch die Auflösung erhöht und die Lösungsmittelaufquellbeständigkeit verbessert werden. Die Art der zweiten multifunktionellen Epoxidverbindung unterliegt im allgemeinen keinen Einschränkungen, solange sie eine Verbindung ist, die in der Lage ist, das erwünschte Harz zu ergeben. Eine beispielhafte Liste einer solchen zweiten multifunktionellen Epoxidverbindung umfaßt zum Beispiel diejenigen Verbindungen, die das Reaktionsprodukt von Phenol, Aldehyden und Epoxiden sind wie DEN-431, DEN-438, DEN 439 (im Handel erhältlich von Dow Plastics).
Die zweite multifunktionelle Epoxidverbindung liegt in der Zusammensetzung in einer Menge von 0,05 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise von 0,1 bis 10 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt von 0,1 bis 5 Gew.-%, vor, bezogen auf das Gesamtgewicht der Harzzusammensetzung. Wenn die erste und die zweite Epoxidverbindung dieser Erfindung beschrieben werden, bedeutet Verbindung sowohl Monomere als auch Polymere.
Die dritte Komponente der Harzzusammensetzung ist ein Photoinitiator, der in der Lage ist, ein Kation zu erzeugen, wie z. B. ein aromatischer Komplexsalz-Photoinitiator, der ausgewählt sein kann aus Oniumsalzen eines Gruppe-VA-Elements, Oniumsalzen eines Gruppe-VIA-Elements und aromatischen Haloniumsalzen. Diese Komplexsalze sind bei der Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlung oder Elektronenstrahlen in der Lage, Reste zu erzeugen, welche Reaktionen mit Epoxiden initiieren. Der aus einem aromatischen Komplexsalz bestehende aromatische Komplexsalz-Photoinitiator liegt in den Zusammensetzungen in einer Menge von 1,0 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise von 1,5 bis 5 Gew.-%, vor, bezogen auf das Gesamtgewicht der Harzzusammensetzung.
Bevorzugte aromatische Komplexsalz-Photoinitiatoren sind u. a. aromatische Iodonium-Komplexsalze und aromatische Sulfonium-Komplexsalze. Beispiele für aromatische Iodonium-Komplexsalze als aromatische Komplexsalz-Photoinitiatoren sind u. a.:
Diphenyliodoniumtetrafluorborat
Di(4-methylphenyl)iodoniumtetrafluorborat
Phenyl-4-methylphenyliodoniumtetrafluorborat
Di(4-hephylphenyl)iodoniumtetrafluorborat
Di(3-nitrophenyl)iodoniumhexafluorphosphat
Di(4-chlorphenyl)iodoniumhexafluorphosphat
Di(naphthyl)iodoniumtetrafluorborat
Di(4-trifluormethylphenyl)iodoniumtetrafluorborat
Diphenyliodoniumhexafluorphosphat
Di(4-methylphenyl)iodoniumhexafluorphosphat
Diphenyliodoniumhexafluorarsenat
Di(4-phenoxyphenyl)iodoniumtetrafluorborat
Phenyl-2-thienyliodoniumhexafluorphosphat
3,5-Dimethylpyrazolyl-4-phenyliodoniumhexafluorphosphat
Diphenyliodoniumhexafluorantimonat
2,2'-Diphenyliodoniumtetrafluorborat
Di(2,4-dichlorphenyl)iodoniumhexafluorphosphat
Di(4-bromphenyl)iodoniumhexafluorphosphat
Di(4-methoxyphenyl)iodoniumhexafluorphosphat
Di(3-carboxyphenyl)iodoniumhexafluorphosphat
Di(3-methoxycarbonylphenyl)iodoniumhexafluorphosphat
Di(3-methoxysulfonylphenyl)iodoniumhexafluorphosphat
Di(4-acetamidophenyl)iodoniumhexafluorphosphat
Di(2-benzoethienyl)iodoniumhexafluorphosphat
Von den aromatischen Iodonium-Komplexsalzen, die sich zur Verwendung in den Zusammensetzungen der Erfindung eignen, sind die bevorzugten Salze das Diaryliodoniumhexafluorphosphat und das Diaryliodoniumhexafluorantimonat. Diese Salze sind bevorzugt, da sie im allgemeinen thermisch stabiler sind, eine schnellere Reaktion begünstigen und in inerten organischen Lösungsmitteln löslicher sind als andere aromatische Iodoniumsalze von Komplexionen.
Beispiele für aromatische Sulfonium-Komplexsalze als aromatische Komplexsalz-Photoinitiatoren sind u. a.:
Triphenylsulfoniumtetrafluorborat
Methyldiphenylsulfoniumtetrafluorborat
Dimethylphenylsulfoniumhexafluorphosphat
Triphenylsulfoniumhexafluorphosphat
Triphenylsulfoniumhexafluorantimonat
Diphenylnaphthylsulfoniumhexafluorarsenat
Tritolylsulfoniumhexafluorphosphat
Anisyldiphenylsulfoniumhexafluorantimonat
4-Butoxyphenyldiphenylsulfoniumtetrafluorborat
4-Chlorphenyldiphenylsulfoniumhexafluorantimonat
Tris(4-phenoxyphenyl)sulfoniumhexafluorphosphat
Di(4-ethoxyphenyl)methylsulfoniumhexafluorarsenat
4-Acetoxyphenyldiphenylsulfoniumtetrafluorborat
Tris(4-thiomethoxyphenyl)sulfoniumhexafluorphosphat
Di(methoxysulfonylphenyl)methylsulfoniumhexafluorantimonat
Di(methoxynaphthyl)methylsulfoniumtetrafluorborat
Di(carbomethoxyphenyl)methylsulfoniumhexafluorphosphat
4-Acetamidophenyldiphenylsulfoniumtetrafluorborat
Dimethylnaphthylsulfoniumhexafluorphosphat
Trifluormethyldiphenylsulfoniumtetrafluorborat
Methyl(n-methylphenothiazinyl)sulfoniumhexafluorantimonat
Phenylmethylbenzylsulfoniumhexafluorphosphat
Von den aromatischen Sulfonium-Komplexsalzen, die sich zur Verwendung in den Zusammensetzungen der Erfindung eignen, sind die bevorzugten Salze die triarylsubstituierten Salze, wie z. B. Triphenylsulfoniumhexafluorphosphat. Die triarylsubstituierten Salze sind bevorzugt, da sie thermisch stabiler sind als die mono- und diarylsubstituierten Salze, so daß sie ein Ein-Komponenten-System mit langer Lagerzeit zur Verfügung stellen. Die triarylsubstituierten Komplexsalze sind auch für die Farbstoff-Sensibilisierung leichter zugänglich. Folglich führt die Verwendung solcher Komplexsalze zu Zusammensetzungen, die bei Anwendungen, wo nahes Ultraviolettlicht und sichtbares Licht für die Bestrahlung verwendet werden, viel geeigneter sind. Falls erwünscht, kann die Zusammensetzung in lagerstabiler Konzentratform (d. h. mit hohen Komplexsalzkonzentrationen), die sich für die spätere Verdünnung zu einer kommerziell besser anwendbaren Beschichtungszusammensetzung eignet, hergestellt werden.
Der bevorzugteste Photoinitiator, der in der Lage ist, ein Kation zu erzeugen, ist ein gemischtes Triarylsulfoniumhexafluorantimonatsalz, das von Union Carbide im Handel erhältlich ist (UV 1-6975).
Die vierte Komponente der Harzzusammensetzung ist ein nichtphotoreaktives Lösungsmittel. Dieses Lösungsmittel ist nur in dem Maße eingeschränkt, daß die erwünschten Komponenten sich darin vor der Härtung lösen. Bevorzugte nicht-photoreaktive Lösungsmittel sind u. a. gamma-Butyrolacton, C_1-6-Acetate, Tetrahydrofuran, Ketone mit niedrigem Molekulargewicht, Mischungen davon und dergleichen.
Das nicht-photoreaktive Lösungsmittel liegt in der Zusammensetzung in einer Menge von 20 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise von 45 bis 75 Gew.-%, vor, bezogen auf das Gesamtgewicht der Harzzusammensetzung.
Vorzugsweise kann die Harzzusammensetzung der vorliegenden Erfindung bis zu 35 Gew.-% und vorzugsweise 10 bis 20 Gew.-% eines Acrylat- oder Methacrylatpolymers umfassen, welches aus wenigstens einem Acrylat- oder Methacrylatmonomer hergeleitet ist. Das Polymer kann ein Homopolymer, ein Copolymer oder eine Mischung sein. Die Bezeichnung "Polymer", so wie sie hier verwendet wird, soll Oligomere (z. B. Materialien mit einem zahlengemittelten Molekulargewicht von so niedrig wie etwa 1000) sowie hohe Polymere (die ein zahlengemitteltes Molekulargewicht im Bereich von bis zu etwa 1000000 besitzen können) umfassen. Vorzugsweise liegt das zahlengemittelte Molekulargewicht des Acrylat- oder Methacrylatpolymers im Bereich von 10000 bis 60000 und besonders bevorzugt von 20000 bis 30000.
Bevorzugte Acrylat- oder Methacrylatpolymere können aus verschiedenen Monomeren hergeleitet sein, solange wenigstens eines dieser Monomere ein Acrylat- oder Methacrylatmonomer ist. Zum Beispiel sind repräsentative geeignete Acrylat- und Methacrylatmonomere u. a.: Methylmethacrylat, n-Butylacrylat, Hydroxyethylacrylat, Hydroxyethylmethacrylat, n-Butylmethacrylat, Hydroxypropylacrylat, Hydroxypropylmethacrylat und Ethylacrylat. Vorzugsweise sind die Acrylat- und Methacrylatmonomere Ester von Acryl- oder Methacrylsäure mit einem aliphatischen Alkohol mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder einem aliphatischen Diol mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen.
Repräsentative geeignete Acrylat- oder Methacrylatpolymere, die aus den obigen Monomeren hergeleitet sind, sind u. a.: Methylmethacrylat/Styrol/n-Butylacrylat/Hydroxyethylacrylat, Methylmethacrylat/n-Butylmethacrylat/Hydroxyethylmethacrylat und Methylmethacrylat/n-Butylmethacrylat. Im allgemeinen enthält die Hauptkette des Acrylat- oder Methacrylatpolymers eine große Menge (nach Gewicht) Acrylat- oder Methacrylat-Bestandteile, wohingegen Nicht-Acrylat-Bestandteile, falls überhaupt vorhanden, einen kleinen Teil der Hauptkette ausmachen.
Geeignete im Handel erhältliche Acrylat- oder Methacrylatpolymere sind u. a. "Elvacite 2008", "Elvacite 2013" (erhältlich von ICI Acrylics), welches Methylmethacrylat(73)/n-Butylmethacrylat(27)-Copolymer ist; "B-48N" (erhältlich von Rohm and Haas), welches ein Acrylpolymer ist; "Ionac X-208" (erhältlich von Ionac Chemical Company), welches ein Methylmethacrylat(44)/n-Butylmethacrylat(45)/Hydroxyethylacrylat(11)-Copolymer ist; "QR-572" (erhältlich von Rohm and Haas), welches ein n-Butylacrylat(80)/ Hydroxyethylacrylat(15)/Vinylacetat(5)-Copolymer ist; und "G-Cure 868" (erhältlich von General Mills), welches ein Methylmethacrylat(30)/n-Butylacrylat(50)/Hydroxyethylacrylat(20)-Copolymer ist. Kombinationen aus Acrylat- oder Methacrylatmonomeren können ebenfalls verwendet werden.
Die Harzzusammensetzung der Erfindung kann auch verschiedene Additive enthalten, wie z. B. herkömmliche Füllstoffe (z. B. Bariumsulfat, Talk, Glasperlen), Viskositätsmodifizierungsmittel (z. B. pyrogene Kieselsäure), Pigmente usw.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Zusammensetzung 45 bis 75 Gew.-% gamma-Butyrolacton, 10 bis 20 Gew.-% erste bifunktionelle Epoxidverbindung, 0,1 bis 5,0 Gew.-% einer zweiten multifunktionellen vernetzenden Epoxidverbindung, 1,5 bis 5 Gew.-% eines aromatischen Komplexsalz-Photoinitiators und 0,1 bis 2 Gew.-% gamma-Glycidoxypropytrimethoxysilan. Bei einer weiteren Ausführungsform enthält die Zusammensetzung 45 bis 75 Gew.-% gamma-Butyrolacton, 10 bis 20 Gew.-% Polymethylmethylacrylatcomethacrylsäure, 10 bis 20 Gew.-% erste bifunktionelle Epoxidverbindung, 0,1 bis 5,0 Gew.-% zweite multifunktionelle Epoxidverbindung, 1,5 bis 3,0 Gew.-% aromatischen Komplexsalz-Photoinitiator und 0,1 bis 2 Gew.-% gamma-Glycidoxypropytrimethoxysilan.
Ein Verfahren zum Auftragen der Zusammensetzung auf ein Substrat umfaßt das Zentrieren des Substrats auf einer geeignet dimensionierten Einspannvorrichtung entweder eines Resist-Spinners oder eines herkömmlichen Wafer-Resist-Abscheiders. Die Zusammensetzung wird entweder per Hand oder mechanisch in die Mitte des Substrats gegeben. Die Einspannvorrichtung, die das Substrat hält, wird dann mit einer vorbestimmten Anzahl von Umdrehungen pro Minute gedreht, um die Zusammensetzung von der Mitte des Substrats aus gleichmäßig zu den Rändern des Substrats hin zu verteilen. Um die Dicke des resultierenden Films zu variieren, kann die Drehgeschwindigkeit des Substrats eingestellt oder die Viskosität des Materials geändert werden. Das resultierende beschichtete Substrat wird anschließend entweder per Hand oder mechanisch aus der Einspannvorrichtung entfernt und entweder auf eine temperaturgeregelte Heizplatte oder in einen temperaturgeregelten Ofen gegeben, bis das Material "weichgebacken" ist. Dieser Schritt entfernt einen Teil des Lösungsmittels aus der Flüssigkeit und ergibt einen teilgetrockneten Film auf dem Substrat. Das Substrat wird von der Heizquelle genommen, und man läßt es auf Raumtemperatur abkühlen.
Um Muster in dem resultierenden Film zu definieren, muß das Material mit einer Maske versehen, mit einer kollimierten Ultraviolettlichtquelle bestrahlt, nach der Bestrahlung wärmebehandelt und entwickelt werden, um das fertige Muster durch Entfernen von nichtbenötigtem Material zu definieren. Dieses Verfahren ist einem Standard-Lithographieverfahren für Halbleiter sehr ähnlich. Die Maske ist ein klares flaches Substrat, üblicherweise Glas oder Quarz, mit opaken Bereichen, welche das von dem beschichteten Film zu entfernende Muster definieren (d. h. ein negativ wirkendes Photoresist). Die opaken Bereiche verhindern, daß das Ultraviolettlicht den darunterliegenden maskierten Film vernetzt. Das nichtvernetzte Material wird dann durch einen Entwickler löslich gemacht und entfernt, wobei das vorbestimmte Muster auf dem Substrat zurückbleibt.
Der Entwickler kommt entweder durch Eintauchen und Rühren in einem behälterartigen Aufbau oder durch Besprühen mit dem beschichteten Substrat in Kontakt. Sowohl das Besprühen als auch das Eintauchen und Rühren des Substrats wird überschüssiges Material, das durch die Photomaskierung und Bestrahlung abgegrenzt wird, angemessen entfernen. Beispielhafte Entwickler sind u. a. zum Beispiel eine Mischung aus Xylol und Butylcellosolve-Acetat und C_1-6-Acetate wie Butylacetat.
Das Härten der Harzzusammensetzung der Erfindung findet bei der Bestrahlung der Zusammensetzung mit einer beliebigen geeigneten Strahlungsquelle, die aktinische Strahlung mit einer Wellenlänge in den Spektralbereichen von Ultraviolettlicht und sichtbarem Licht aussendet, statt. Die Bestrahlungszeiten können von weniger als etwa 1 Sekunde bis 10 Minuten oder länger betragen, abhängig von den Mengen an speziellen Epoxidmaterialien und aromatischen Komplexsalzen, die verwendet werden, und abhängig von der Strahlungsquelle und dem Abstand zur Quelle und der Dicke des zu härtenden Resist-Musters. Die Harzzusammensetzungen können auch durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen gehärtet werden.
Das Substrat des Tintenstrahldruckkopfes mit den energieverleihenden Elementen ist eine dielektrische Schicht aus Glas, Metall, Keramik oder Silicium.
Das Härten ist eine ausgelöste Reaktion, d. h. sobald die Zersetzung des aromatischen Komplexsalzes durch Bestrahlung mit einer Strahlungsquelle initiiert worden ist, läuft die Härtungsreaktion weiter, und sie setzt sich auch fort, nachdem die Strahlungsquelle entfernt worden ist. Die Verwendung von Wärmeenergie während oder nach der Bestrahlung mit einer Strahlungsquelle wird im allgemeinen die Härtungsreaktion beschleunigen, und selbst eine moderate Erhöhung der Temperatur kann die Härtungsgeschwindigkeit stark beschleunigen.
Die Harzzusammensetzungen der Erfindung werden zum Beispiel durch einfaches Vermischen der ersten und der zweiten multifunktionellen Epoxidverbindung, des Silans, der Acrylate und des nicht-photoreaktiven Lösungsmittels unter Bedingungen, welche die Härtung nicht fördern, hergestellt. Sobald die Harzmischung hergestellt ist, wird sie durch ein im Stand der Technik bekanntes Beschichtungsverfahren, wie z. B. Spinnbeschichtung, Aufsprühen, Walzenbeschichtung und dergleichen, als Beschichtung zum Beispiel auf ein Tintenstrahldruckkopfsubstrat aufgetragen.
Was die Zeichnungen betrifft, so ist 1 eine schematische Veranschaulichung des Tintenstrahldruckkopfes der Erfindung. Der Tintenstrahldruckkopf umfaßt ein Substrat 2, eine durch Strahlung gehärtete Harzschicht 4 auf dem Substrat, eine Tintenausstoßkammer 10, eine Düse 12 und einen Kanal 6. Der Kanal 6 steht in Flüssigkeitsströmungsverbindung mit der Düse 12. Der Druckkopf enthält ein energieverleihendes Element 18, um die Tinte durch die Düse 12 auszustoßen. Die Energie für den Ausstoß der Tinte wird erzeugt, indem nach Belieben elektronische Signale an das energieverleihende Element 18 ausgesandt werden. Diese energieverleihenden Elemente umfassen Wärmewiderstandselemente oder piezoelektrische Elemente, die in vorbestimmten Mustern auf dem Substrat 2 angeordnet sind.
Die folgenden Materialien werden in den Beispielen verwendet.
ELVACITE 2008 ist ein Polymethylmethacrylat mit niedrigem Molekulargewicht (umfassend 2–3% Carbonsäurefunktionalität), welches ein nicht-photoreaktives stoßdämpfendes Bindemittel ist, das hervorragende Filmbildungsfähigkeiten aufweist sowie die gute thermische Klebrigkeit und Haftung zur Verfügung stellt, welche zur thermischen Druckbindung benötigt werden. ELVACITE 2008 ist von ICI Acrylics erhältlich.
EPON 1001F ist eine bifunktionelle Epoxidverbindung, die dem aufgeschleuderten Film zusätzliche Zugfestigkeit und verbesserte Elastomereigenschaften verleiht. EPON 1001F ist von Shell Chemical Company erhältlich.
DEN 431 ist ein multifunktionelles Epoxidharz, das die Vernetzungsdichte erhöht und dadurch die Auflösung erhöht und die Lösungsmittelaufquellbeständigkeit verbessert. DEN 431 ist von Dow Chemical Company erhältlich.
Cyracure UVI 6974 ist ein aromatischer Komplexsalz-Photoinitiator, der die Abgrenzung von Mustern in dem Film ermöglicht, wenn UV-Licht durch eine Lichtmaske auf einen darunterliegenden Film gestrahlt wird. Die resultierenden Bilder werden durch Entfernen des nichtvernetzten Films durch Entwicklung definiert, wobei hochaufgelöste Bilder in dem dicken Epoxidfilm zurückbleiben.
Die folgenden nichtlimitierenden Beispiele veranschaulichen weitere Aspekte der Erfindung
Beispiel 1
Eine 50g/50g-Lösung von ELVACITE 2008 in gamma-Butyrolacton wurde hergestellt. Die Mischung wurde 16 Stunden lang auf einer Walzenmühle rotiert. EPON 1001F, 40 Gramm, wurde zu einem Pulver zermahlen und zu der Lösung hinzugegeben. Die Lösung wurde 16 Stunden lang auf einer Walzenmühle rotiert. DEN 431, 10 Gramm, und 5 Gramm Limonenoxid (ein flüssiges monofunktionelles Epoxid mit niedriger Viskosität) wurden zu der Lösung hinzugegeben und vermischt, bis die Lösung homogen war. UVI 6974, 10 Gramm, wurde zugegeben und gründlich vermischt.
Die Lösung wurde in einem Spinner mit 2500 U/Minute 30 Sekunden lang auf ein Substrat, das in Form eines Siliciumwafers zur Herstellung eines Druckkopfes für einen Tintenstrahldrucker verwendet wird, geschleudert, um einen 30 Mikron dicken Film zu ergeben, der anschließend entwickelt wurde. Anschließend wurde eine Tintenstrahldüsenplatte durch ein herkömmliches Klebeverfahren an dem Substrat befestigt, um einen Tintenstrahldruckkopf zu erzeugen. Etwa 1 Monat, nachdem der Tintenstrahldruckkopf in eine herkömmliche Tintenstrahltinte (bei 60°C) gegeben worden war, begann die Düsenplatte sich abzulösen.
Beispiel 2
Eine 50g/50g-Lösung von ELVACITE 2008 in gamma-Butyrolacton wurde hergestellt. Die Mischung wurde 16 Stunden lang auf einer Walzenmühle rotiert. EPON 1001F, 40 Gramm, wurde zu einem Pulver zermahlen und zu der Lösung hinzugegeben. Die Lösung wurde 16 Stunden lang auf einer Walzenmühle rotiert. DEN 431, 10 Gramm, wurde zu der Lösung hinzugegeben und vermischt, bis die Lösung homogen war. UVI 6974, 5 Gramm, wurde zugegeben und gründlich vermischt. Zu der resultierenden Lösung wurde 1 Gramm Glycidoxypropyltrimethoxysilan hinzugegeben.
Die Lösung wurde in einem Spinner mit 2500 U/Minute 30 Sekunden lang auf ein Substrat, das in Form eines Siliciumwafers zur Herstellung eines Druckkopfes für einen Tintenstrahldrucker verwendet wird, geschleudert, um einen 30 Mikron dicken Film zu ergeben, der entwickelt wurde. Anschließend wurde eine mit Phenolbutyral beschichtete Polyimid-Tintenstrahldüsenplatte durch ein herkömmliches Verfahren an dem Substrat befestigt, um einen Tintenstrahldruckkopf zu erzeugen. Etwa 1 Monat, nachdem der Tintenstrahldruckkopf in eine herkömmliche Tintenstrahltinte (bei 60°C) gegeben worden war, war keine Ablösung der Düsenplatte, nicht einmal im Entferntesten, zu beobachten.
Beispiel 3
Ein härtbares Harz und ein Tintenstrahldruckkopf wurden auf eine ähnliche Weise wie in Beispiel 2 beschrieben hergestellt, außer daß das Elvacite 2008: gamma-Butyrolacton-Verhältnis 50g/100g betrug, der Spinner auf 3,0 U/Minute für einen Zeitraum von 60 Sekunden eingestellt wurde und der Film 2,5 Mikron dick war. Der resultierende Druckkopf wurde in eine herkömmliche Tintenstrahltinte bei 60°C gegeben. Nach etwa 1 Monat war keine Ablösung der Düsenplatte von dem Substrat, nicht einmal im Entferntesten, zu beobachten.

Claims

Tintenstrahldruckkopf mit Tintenkanälen, welche verbunden sind mit einer Tintenaustrittsöffnung, bereitgestellt auf einem Substrat, wobei die genannten Kanäle gebildet werden, indem eine Schicht aus einer durch Strahlung härtbaren Harzzusammensetzung einer Bestrahlung mit der genannten Strahlung in einem vorbestimmten Muster unterworfen wird, um dadurch einen gehärteten Bereich der genannten Harzzusammensetzung zu bilden, und der ungehärtete Harzzusammensetzungsbereich von der genannten Schicht entfernt wird, wobei die genannte durch Strahlung härtbare Harzzusammensetzung umfaßt: (A) 5 bis 50 Gew.-% einer ersten bifunktionellen Epoxidverbindung, (B) 0,05 bis 20 Gew.-% einer zweiten multifunktionellen vernetzenden Epoxidverbindung, (C) 1,0 bis 10 Gew.-% eines Photoinitiators, der in der Lage ist, ein Kation zu erzeugen, (D) ein Silan mit einer funktionellen Gruppe, die in der Lage ist, mit wenigstens einem Element, ausgewählt aus A, B und C, zu reagieren, und (E) 20 bis 90 Gew.-% eines nicht-photoreaktiven Lösungsmittels, wobei die Gewichtsprozente auf das Gesamtgewicht der Harzzusammensetzung bezogen sind, wobei die genannte härtbare Harzzusammensetzung an einer Seite an das Substrat und an der gegenüberliegenden Seite an eine mit Phenolbutyral beschichtete Düsenplatte gebunden ist.
Tintenstrahldruckkopf gemäß Anspruch 1, wobei das Molekulargewicht der ersten bifunktionellen Epoxidverbindung 100 bis 100000 beträgt.
Tintenstrahldruckkopf gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die erste bifunktionelle Epoxidverbindung ein Diglycidylether von Bisphenol A ist.
Tintenstrahldruckkopf gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Photoinitiator ein aromatischer Komplexsalz-Photoinitiator ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Onium-Salzen eines Gruppe-VA-Elements, Onium-Salzen eines Gruppe VIA-Elements, aromatischen Halonium-Salzen und Kombinationen davon.
Tintenstrahlkopf gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Harzzusammensetzung ferner bis zu etwa 35 Gew.-% eines Acrylat- oder Methacrylatpolymers umfaßt.
Tintenstrahldruckkopf gemäß Anspruch 5, wobei das Acrylat- oder Methacrylatpolymer ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Copolymeren aus Methylmethacrylat/n-Butylmethacrylat, Methylmethacrylat/n-Butylmethacrylat/Hydroxyethylmethacrylat, Methylmethacrylat/Styrol/n-Butylacrylat/Hydroxyethylacrylat, Styrol/Hydroxyethylacrylat und n-Butylacrylat/ Hydroxyethylacrylat/Vinylacetat.