KR100366652B1 - 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터 - Google Patents

형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하부공간부와; 상기 하부공간부가 형성된 실리콘기판과; 형상기억합금의 박막을 노즐방향과 반대방향으로 당겨주는 작용을 하는 실리콘질화막으로 이루어지거나 형상기억합금의 박막을 노즐방향으로 밀어주는 작용을 하는 실리콘산화막과 형상기억합금의 박막을 노즐방향의 반대방향으로 당겨주는 작용을 하는 실리콘질화막으로 이루어져, 상기 실리콘기판의 표면에 형성된 절연막과; 상기 절연막의 상부에 형성된 형상기억합금층을 포함하여 구성된 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터에 관한 것으로, 적절한 성분 및 두께의 절연막을 형성함으로써 초기변형의 방향과 크기를 조절하여 반복사용에 의한 액츄에이터의 피로현상을 최소화할 수 있어 반복사용에 따른 인쇄상태의 열화를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터{Actuator for ink jet printer head using shape memory alloy}
본 발명은 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절연막과 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터에 관한 것이다.
도 1a 내지 도 1f는 종래의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터의 제조방법을 도시한 것이다.
실리콘기판(10)에 포토레지스트(12)를 도포하여 패턴을 형성한 후 에칭을 한다. 에칭에 의하여 제거된 부분을 폴리실리콘(14)으로 막아주고, 실리콘기판(10)의 상부에 원하는 패턴으로 형상기억합금층(16)을 형성한다.
형상기억합금층(16)이 형성된 후에는 폴리실리콘(14)을 에칭에 의하여 제거하며, 폴리실리콘(14)이 제거되면 형상기억합금층(16)은 도 1f에 도시한 바와 같이 휨변형된 외팔보구조로 된다.
도 2a 내지 도 2d는 일반적인 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터의 제조방법을 도시한 것이다.
형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터에서 기판으로는 실리콘기판(20)을 사용한다.
실리콘기판(20)의 상부에 절연막(22)을 형성하고, 형성된 절연막(22)의 상부에 형상기억합금층(24)을 형성한다.
형상기억합금층(24)이 형성되면 하부의 실리콘기판(20)을 에칭하여 하부공간부를 형성한다. 이때 절연막(22)은 에칭을 중지시키는 에칭중지층의 기능을 한다.
에칭 후 응력에 의해 절연막(22)이 휨변형을 하게 되고, 절연막(22)의 휨변형에 의해 형상기억합금층(24)도 휨변형을 하게 된다.
상기의 방법에 의하여 제조된 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터는 일반적으로 하부공간부가 형성된 실리콘기판(20)과, 실리콘기판(20)의 상부에 하부공간부를 덮도록 형성된 절연막(22)과, 절연막(22)의 상부에 형성된 형상기억합금층(24)으로 구성된다.
도 3은 도 2a 내지 도 2d의 방법에 의하여 제조된 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터를 도시한 것이며, 도 4는 도 3의 액츄에이터를 적용한 잉크젯 프린터 헤드의 분사장치부분을 도시한 것이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 도 3의 형상기억합금을 이용한 액츄에이터의 상부에 챔버(26)와 노즐(28)이 형성된다.
액츄에이터에 전원이 인가되면 액츄에이터의 형상기억합금층(24)은 모상인 평평한 상태로 되돌아가고, 이러한 상변화에 의하여 형상기억합금층(24)의 상부에 형성된 챔버(26)의 용적이 감소하게 된다. 챔버(26)의 용적이 감소하면 챔버(26)내의 잉크는 노즐(28)을 통하여 토출되어 인쇄를 하게 된다.
상기와 같은 종래의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터에서는 절연막으로 실리콘산화막만을 사용하므로 실리콘산화막의 압축응력을 이용하여 형상기억합금층의 초기변형을 제어하고 있다.
따라서 압축응력의 변형방향과 크기를 제어하는 것이 어렵고 반복사용에 의한 피로현상이 발생한다는 문제점이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 형상기억합금과 적층구조를 이루어 변형을 일으키는 절연막의 재질과 두께를 통하여 내부응력을 조절함으로써 형상기억합금의 형상기억효과에 의한 잉크토출특성이 최적화된 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1a 내지 도 1f는 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터의 제조방법을 도시한 공정도,
도 2a 내지 도 2d는 일반적인 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터의 제조방법을 도시한 공정도,
도 3은 도 2a 내지 도 2d의 방법에 의하여 형성된 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터를 도시한 단면도,
도 4는 도 3의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터를 적용한 잉크젯 프린터 헤드의 분사장치부분을 도시한 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 실리콘기판 12 : 포토레지스트
14 : 폴리실리콘 16 : 형상기억합금층
20 : 실리콘기판 22 : 절연막
24 : 형상기억합금층 26 : 챔버
28 : 노즐
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하부공간부와; 상기 하부공간부가 형성된 실리콘기판과; 형상기억합금의 박막을 노즐방향과 반대방향으로 당겨주는 작용을 하는 실리콘질화막으로 이루어져, 상기 실리콘기판의 표면에 형성된 절연막과; 상기 절연막의 상부에 상기 하부공간부를 덮도록 형성된 형상기억합금층을 포함하여 구성되어, 초기변형의 방향과 크기가 조절된 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터에 그 특징이 있다.
또한 본 발명은 하부공간부와; 상기 하부공간부가 형성된 실리콘기판과; 형상기억합금의 박막을 노즐방향으로 밀어주는 작용을 하는 실리콘산화막과 형상기억합금의 박막을 노즐방향의 반대방향으로 당겨주는 작용을 하는 실리콘질화막으로 이루어져, 상기 실리콘기판의 표면에 형성된 절연막과; 상기 절연막의 상부에 상기 하부공간부를 덮도록 형성된 형상기억합금층을 포함하여 구성되어, 초기변형의 방향과 크기가 조절된 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터에 그 특징이 있다.
이하 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
기판은 평판형태의 실리콘기판을 사용한다.
실리콘기판의 표면에 실리콘질화막 또는 실리콘산화막/질화막의 절연막을 형성한다.
실리콘질화막 또는 실리콘산화막/질화막은 열처리, 화학증착(chemical vapor deposition), 스퍼터링 등의 방법에 의하여 형성한다.
실리콘기판의 표면에 형성된 절연막은 실리콘기판이 에칭되면 형상기억합금층이 응력에 의하여 휨변형하도록 한다.
실리콘산화막은 형상기억합금의 박막을 노즐방향으로 밀어주는 작용을 하고, 실리콘질화막은 형상기억합금의 박막을 그 반대방향으로 당겨주는 작용을 하므로, 필요로 하는 내부응력의 크기에 따라 적절한 성분 및 두께의 절연막을 형성한다. 또한 절연막의 성장조건을 변화시켜 절연막의 내부응력을 조절한다.
이와 같이 절연막의 성분 및 성분비를 조절함으로써 내부응력을 조절하여 형상기억합금층의 초기변형의 방향과 크기를 조절할 수 있다.
절연막은 0.5-3㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
형성된 절연막의 상부에 형상기억합금층의 구성원소를 진공증착시키거나 스퍼터링하여 형상기억합금층을 형성한다. 형상기억합금층은 1-3㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 2㎛의 두께로 형성하는 것이 특히 바람직하다.
형상기억합금층을 형성하기 위한 구성성분으로는 2성분계 또는 3성분계를 사용하는 것이 바람직하다.
2성분계의 형상기억합금층을 형성하는 경우에는 형상기억합금의 구성성분으로 니켈(Ni)과 티타늄(Ti)을 사용하는 것이 바람직하다.
3성분계의 형상기억합금층을 형성하는 경우에는 형상기억합금의 구성성분으로 니켈, 티타늄 및 구리(Cu)를 사용하거나 니켈, 티타늄 및 하프늄(Hf)을 사용하는 것이 바람직하다.
형성된 형상기억합금층을 열처리하고 냉각하는 공정을 반복함으로써 구성성분과 열탄성변태특성을 조절하여 형상기억합금층에 형상기억특성을 부여한다.
부여되는 형상기억특성은 열처리온도, 열처리시간, 열처리방법, 냉각시간 및 공정의 반복정도에 따라 달라진다.
형상기억특성이 부여된 형상기억합금은 필요에 따라 소정의 패턴으로 패터닝할 수 있다.
형상기억합금을 패터닝하는 방법으로는 섀도우마스크(Shadow mask)나 포토레지스트(Photoresist)를 사용하여 마스킹한 후 에칭하여 패터닝하는 방법을 사용한다.
형상기억합금을 원하는 패턴으로 패터닝한 후 필요에 따라 형상기억합금의 하부에 형성된 절연막을 패터닝할 수 있으며, 절연막을 패터닝하는 방법은 형상기억합금을 패터닝하는 방법과 동일한 방법을 사용할 수 있다.
필요한 경우에는 형상기억합금과 절연막이 형성된 기판에 원하는 패턴으로 전극을 형성한다. 이때 전극의 재료로는 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag)중 선택하여 사용하는 것이 일반적이다.
상기 공정들이 완료되면 실리콘기판에 패턴을 형성한 후 실리콘기판을 전체적으로 에칭하여 하부공간부를 형성한다.
에칭법으로는 습식에칭법과 건식에칭법을 모두 사용할 수 있으며, 형상기억합금을 이용한 마이크로 액츄에이터를 적용한 잉크젯 프린터 헤드의 전체적인 구조를 소형화하기 위해서는 건식에칭법을 사용하는 것이 바람직하다.
이때 실리콘기판의 표면에 형성된 절연막이 에칭중지층의 기능을 한다.
형상기억합금이 형성된 실리콘기판을 에칭하여 하부에 공간부를 형성하게 되면 실리콘기판의 내부응력에 의하여 절연막이 휘게 되고 그에 따라 형상기억합금층도 휨변형을 하여 휨변형을 한 상태로 있게 된다.
상기와 같이 제조된 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터는 하부공간부와; 하부공간부가 형성된 실리콘기판과; 실리콘기판의 표면에 형성된 절연막과; 절연막의 상부에 하부공간부를 덮도록 형성된 형상기억합금층을 포함하여 구성되며, 상기 절연막은 실리콘산화막이 아닌 실리콘질화막 또는 실리콘산화막/실리콘질화막으로 구성된다.
상기와 같은 본 발명의 액츄에이터는 절연막인 실리콘질화막 또는 실리콘산화막/질화막에서 형성되는 힘, 즉 내부응력이 실리콘산화막과 다르고 또한 실리콘산화막/질화막에서의 실리콘산화막과 질화막의 조성에 따라 달라지므로 초기 휨변형의 정도가 종래의 실리콘산화막을 절연막으로 사용한 액츄에이터와 다르다.
따라서 절연막의 휨변형정도에 따라 휨변형되는 형상기억합금층의 휨변형정도도 달라지며, 동일한 전압을 가했을 때 형상기억합금층과 절연막의 변형정도도달라지게 된다.
상기와 같은 본 발명은 적절한 성분 및 두께의 절연막을 형성함으로써 초기변형의 방향과 크기를 조절하여 반복사용에 의한 액츄에이터의 피로현상을 최소화할 수 있어 반복사용에 따른 인쇄상태의 열화를 방지할 수 있으며, 따라서 균일한 인쇄상태를 유지할 수 있어 시스템의 신뢰성이 향상된다.

Claims (8)

  1. 하부공간부와;
    상기 하부공간부가 형성된 실리콘기판과;
    형상기억합금의 박막을 노즐방향과 반대방향으로 당겨주는 작용을 하는 실리콘질화막으로 이루어져, 상기 실리콘기판의 표면에 형성된 0.5-3㎛ 두께의 절연막과;
    상기 절연막의 상부에 상기 하부공간부를 덮도록 형성되어 소정의 패턴으로 패터닝된 형상기억합금층을 포함하여 구성되어,
    초기변형의 방향과 크기가 조절된 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 형상기억합금층의 상부에 형성된 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 하부공간부와;
    상기 하부공간부가 형성된 실리콘기판과;
    형상기억합금의 박막을 노즐방향으로 밀어주는 작용을 하는 실리콘산화막과 형상기억합금의 박막을 노즐방향의 반대방향으로 당겨주는 작용을 하는 실리콘질화막으로 이루어져, 상기 실리콘기판의 표면에 형성된 0.5-3㎛ 두께의 절연막과;
    상기 절연막의 상부에 상기 하부공간부를 덮도록 형성되어 소정의 패턴으로 패터닝된 형상기억합금층을 포함하여 구성되어,
    초기변형의 방향과 크기가 조절된 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 형상기억합금층의 상부에 형성된 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터.
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