KR100374589B1 - 마이크로 액츄에이터 및 이를 적용한 잉크젯 프린터 헤드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판과; 상기 기판에 기판과 일체로 형성되고, 하부만이 개방된 공간부와; 상기 공간부 상부의 기판부분 위에 형성되고, 전압이 인가되면 액츄에이팅하는 제1압전체와; 상기 공간부 상부 외의 기판부분 위에 상기 공간부의 외곽선형태와 대칭되는 부분의 압전체만이 제거된 형태로 형성되고, 전압이 인가되어도 액츄에이팅하지 않는 제2압전체와; 상기 제1압전체의 상부에 형성된 상부전극을 포함하여 구성되며, 상기 제2압전체에 의하여 전체적인 구조의 강성이 높아지고 판진동이 감소되는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터 및 이러한 마이크로 액츄에이터를 적용한 잉크젯 프린터 헤드에 관한 것으로, 에칭되는 압전체의 양이 감소됨으로써 에칭액의 열화가 감소되어 경제적이고 로딩효과(loading effect)가 감소되어 공정의 재현성 및 에칭의 균일성이 향상되는 효과가 있으며 각 공간부 사이에 남은 압전체는 전체적인 구조의 강성을 높여주어 판진동을 감소시키며 각 챔버간의 혼선(crosstalk)을 억제하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 마이크로 액츄에이터 및 이를 적용한 잉크젯 프린터 헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에칭법을 이용하여 압전체를 패터닝함으로써 제조된 마이크로 액츄에이터 및 이를 적용하여 제조된 잉크젯 프린터 헤드에 관한 것이다.
일반적으로 마이크로 액츄에이터는 진동판과 챔버로 이루어진 하부구조와, 기판의 상부에 결합되어 전원이 인가되면 기계적 변형을 일으키는 압전체와, 압전체에 전원을 전달하는 전극(들)으로 구성된다.
도 1은 종래의 일반적인 마이크로 액츄에이터를 도시한 것이다. 이러한 구성을 가진 마이크로 액츄에이터는 전극들(114)(118)에 전원이 인가되면 그에 따라 압전체(116)가 변형과 복원을 반복하면서 진동을 하게 된다.
마이크로 액츄에이터를 제조하기 위하여 종래에는 다음과 같은 방법들을 사용하여 왔다.
첫 번째 방법은 얇고 정확한 크기로 미리 패터닝된 기판의 상부에 하부전극을 형성하여 1200℃ 이상에서 소성하고, 하부전극의 상부에 압전체 페이스트를 스크린 프린팅법으로 성형하여 1000℃ 이상의 고온에서 소성한 후, 압전체의 상부에 상부전극을 형성하여 약 800℃에서 소성함으로써 마이크로 액츄에이터를 제조하는 방법이다.
기판위에 압전체의 박막이나 후막을 직접 성형할 경우 압전체의 소결온도가 높아서 이로 인하여 기판이 변질되기 쉬우므로 압전체의 소결온도에도 견딜 수 있는 세라믹을 기판으로 사용하며, 세라믹중에서도 특히 지르코니아가 많이 사용된다.
또한 스크린 프린팅법을 사용하는 경우 압전체 페이스트를 원하는 미세한 패턴으로 정확하게 패터닝하기 어렵다는 문제점이 있다.
다음은 금속기판에 별도로 성형 또는 제작한 압전체를 제3의 물질로 접착한 후 압전체판을 일정한 크기로 기계가공하여 원하는 수량만큼의 액츄에이터를 구성하거나 금속기판위에 1개의 액츄에이터에 적합한 크기로 가공된 압전체를 접착하여 액츄에이터를 구성하는 방법이다.
이 방법은 기판으로 금속을 사용하므로 세라믹의 미세가공과 같은 고난이도의 공정을 피할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 원하는 수량의 액츄에이터를 얻기 위하여 압전체판을 기계적으로 가공하는 경우 기계가공의 한계로 인하여 집적도를 높이는데 한계가 있어 정밀도와 신뢰성이 낮아져 품질과 생산성에서 경쟁력을 갖기 어렵다는 문제점이 있다.
또한 일정한 크기로 기계가공한 압전체를 접착하는 경우에는 개개의 액츄에이터에 대한 수율이 낮으므로 복수개로 형성된 액츄에이터를 제조하기 어려운 문제점이 있다.
상기의 문제점들을 해소하기 위하여 본 출원인의 선출원인 특허출원 제98-29816호에서는 기판의 상부에 일정한 두께를 갖는 압전체를 부착한 다음 압전체를 에칭하여 원하는 두께의 압전체를 형성함으로써 마이크로 액츄에이터를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
이 방법은 마이크로 액츄에이터를 제작할 때 일정한 두께를 갖는 압전체중 기판과 일체가 되어 셀의 구동에 쓰이는 압전체부분을 제외한 나머지 압전체부분을전체적으로 에칭으로 제거하는 방법이다.
상기와 같이 에칭법을 이용하여 마이크로 액츄에이터를 제조하면 종래의 방법의 문제점들을 해결할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 에칭에 의하여 제거되는 압전체의 양이 많으므로 에칭액의 소모 및 열화가 심하고 에칭액이 기판에 영향을 주는 경우가 발생하는 문제점이 있다.
상기와 같은 마이크로 액츄에이터는 여러 가지 물품에 사용될 수 있으며, 마이크로 액츄에이터가 사용될 수 있는 물품중 대표적인 것으로는 잉크젯 프린터 헤드가 있다.
도 2는 마이크로 액츄에이터를 사용하는 잉크젯 프린터 헤드의 한 예를 도시한 것이다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이 잉크젯 프린터 헤드는 노즐(220)이 형성된 노즐 플레이트(222)와, 리저버(224)가 형성되는 리저버판(226)과, 유로(228)가 형성되는 유로판(230)과, 리스트릭터(232)가 형성되는 리스트릭터판(234)과, 챔버(212)를 형성하는 챔버판(210)과, 상부전극(218)과 압전체(216)와 하부전극(214)으로 구성된 액츄에이터가 차례로 적층되어 형성되는 것이 일반적이다.
상기의 구성에 의하여 잉크젯 프린터 헤드에는 서로 다른 크기와 형상의 노즐(220), 리저버(224), 유로(228), 리스트릭터(232), 챔버(212)와 같은 잉크의 이동로가 형성된다.
잉크통(도시되지 않음)에서 공급된 잉크는 리저버(224)에 저장되어 있다가유로(228)를 통하여 챔버(212)내로 유입된다. 이때 유로(228)와 챔버(212)사이에 형성된 리저버(224)가 잉크가 챔버(212)내로 유입되는 속도를 일정하게 유지시켜 준다.
챔버(212)의 상부에 형성된 액츄에이터의 상부전극(218)과 하부전극(214)에 전압이 인가되면 압전체(216)가 액츄에이팅을 하게 되고, 이러한 압전체(216)의 액츄에이팅에 의하여 챔버(212)의 부피가 순간적으로 감소하면서 챔버(212)내의 잉크는 노즐(220)을 통해 분사된다.
상기와 같은 잉크젯 프린터 헤드는 잉크를 분사하기 위하여 마이크로 액츄에이터를 사용함으로써 상기 마이크로 액츄에이터에 대하여 설명한 바와 같은 문제점이 있다.
상기의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은 마이크로 액츄에이터에 있어서, 압전체중 기판과 일체가 되어 셀의 구동에 쓰이는 압전체부분을 제외한 나머지 압전체부분 전체를 에칭으로 제거하지 않고 전원이 인가되어 구동되는 압전체면적의 경계부분만 제거함으로써 경제적이고 공정의 재현성이 향상되는 마이크로 액츄에이터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기의 마이크로 액츄에이터를 적용한 잉크젯 프린터 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 일반적인 마이크로 액츄에이터의 한 예를 도시한 단면도,
도 2는 일반적인 잉크젯 프린터 헤드의 한 예를 도시한 단면도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 마이크로 액츄에이터를 제조하는 방법을 도시한 공정도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 마이크로 액츄에이터를 제조하는 방법을 도시한 공정도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 마이크로 액츄에이터를 도시한 단면도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 마이크로 액츄에이터를 도시한 단면도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 마이크로 액츄에이터를 도시한 단면도,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 마이크로 액츄에이터를 도시한 단면도,
도 9는 본 발명의 마이크로 액츄에이터를 적용한 잉크젯 프린터 헤드의 일실시예를 도시한 단면도,
도 10은 본 발명의 마이크로 액츄에이터를 적용한 잉크젯 프린터 헤드의 다른 실시예를 도시한 단면도,
도 11은 에칭되는 넓이에 따른 에칭시간과 에칭깊이의 관계를 도시한 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 : 기판
11, 21, 31, 41, 51, 61, 71 : 공간부
12, 32, 52, 62, 72 : 하부전극
14, 24, 34, 44, 54, 64, 74 : 접착층
16, 26 : 압전체
17, 27, 37, 47, 57, 67, 77, 87 : 제1압전체
18, 28, 38, 48, 58, 68, 78, 88 : 상부전극
19, 29, 39, 49, 59, 69, 79, 89 : 제2압전체
90 : 노즐 91 : 노즐 플레이트
92 : 리저버 93 : 리저버판
94 : 유로 95 : 유로판
96 : 리스트릭터 97 : 리스터릭터판
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판과; 상기 기판에 기판과 일체로형성되고, 하부만이 개방된 공간부와; 상기 공간부 상부의 기판부분 위에 형성되고, 전압이 인가되면 액츄에이팅하는 제1압전체와;상기 공간부 상부의 기판부분 위에 형성되어 전압이 인가되면 액츄에이팅하는 제1압전체와; 상기 공간부 상부 외의 기판부분 위에 상기 공간부의 외곽선형태와 대칭되는 부분의 압전체만이 제거된 형태로 형성되어, 전압이 인가되어도 액츄에이팅하지 않는 제2압전체와; 상기 제1압전체의 상부에 형성된 상부전극을 포함하여 구성되며, 상기 제2압전체에 의하여 전체적인 구조의 강성이 높아지고 판진동이 감소되는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터에 그 특징이 있다.
또한 본 발명은 기판과; 상기 기판에 기판과 일체로 형성되고, 하부만이 개방된 공간부와; 상기 기판의 하부에 형성된 노즐 플레이트와; 상기 노즐 플레이트에 형성되어 잉크를 분사하여 기록을 하는 노즐과; 상기 공간부와 상기 노즐 플레이트에 의하여 형성되어 잉크를 함유하는 챔버와; 상기 공간부 상부의 기판부분 위에 형성되고, 전압이 인가되면 액츄에이팅하는 제1압전체와; 상기 공간부 상부 외의 기판부분 위에 상기 공간부의 외곽선형태와 대칭되는 부분의 압전체만이 제거된 형태로 형성되어, 전압이 인가되어도 액츄에이팅하지 않는 제2압전체와; 상기 제1압전체의 상부에 형성된 상부전극을 포함하여 구성되며, 상기 제2압전체에 의하여 전체적인 구조의 강성이 높아지고 판진동이 감소되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드에 그 특징이 있다.
또한 본 발명은 기판과; 상기 기판에 기판과 일체로 형성되고, 하부만이 개방된 공간부와; 상기 기판의 하부에 형성된 리스트릭터판과; 상기 기판의 상기 공간부와 상기 리스트릭터판에 의하여 형성된 챔버와; 상기 리스트릭터판에 의하여 형성되어 챔버로 유입되는 잉크의 속도를 일정하게 유지해주는 리스트릭터와; 상기 리스트릭터판의 하부에 형성된 유로판과; 상기 유로판에 의하여 형성되어 잉크의 이동통로가 되는 유로와; 상기 유로판의 하부에 형성된 리저버판과; 상기 리저버판에 의하여 형성되어 잉크를 저장하는 리저버와; 상기 리저버판의 하부에 형성된 노즐 플레이트와; 상기 노즐 플레이트에 형성되어 잉크를 분사하여 기록을 하는 노즐과; 상기 공간부 상부의 기판부분 위에 형성되고, 전압이 인가되면 액츄에이팅하는 제1압전체와; 상기 공간부 상부 외의 기판부분 위에 상기 공간부의 외곽선형태와 대칭되는 부분의 압전체만이 제거된 형태로 형성되어, 전압이 인가되어도 액츄에이팅하지 않는 제2압전체와; 상기 제1압전체의 상부에 형성된 상부전극을 포함하여 구성되며, 상기 제2압전체에 의하여 전체적인 구조의 강성이 높아지고 판진동이 감소되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드에 그 특징이 있다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에서 마이크로 액츄에이터의 기판으로는 금속박판 또는 세라믹박판을 사용하는 것이 바람직하다.
금속박판으로는 대표적으로 구성성분중 10% 이상의 크롬(Cr)과 70% 이상의 철(Fe)을 포함하는 스테인레스 스틸(Stainless Steel)박판이나, 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)함량의 합이 전체 구성성분의 90% 이상인 금속박판을 사용하는 것이 바람직하다.
또한 기판으로 사용하는 금속박판의 두께는 3-200㎛의 두께를 가지는 금속박판을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 금속박판은 부분적으로 습식에칭하거나, 프레스가공하거나, 전기주조(Electroforming)하여 전체박판중 필요한 부분에 공간부를 만들 수 있다. 이때 공간부는 기판의 하부에 하부만이 개방된 형태로 형성한다.
세라믹박판으로는 여러 가지를 사용할 수 있으나, 대표적으로는 산화지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3), 이산화규소(SiO2)의 함유량이 전체 구성성분의 80% 이상인 것을 사용한다.
상기의 산화물분말이 함유된 슬러리(slurry)를 그린시트(green sheet)형태로 만든 후 소결하거나 슬러리상태에서 공간부를 형성하는 등 필요한 기판형태로 만든 후 소결함으로써 기판으로 사용되는 세라믹박판을 제조한다. 이때에도 공간부는 기판의 하부에 하부만이 개방된 형태로 형성한다.
기판으로 사용되는 세라믹박판의 경우 두께를 5-300㎛로 하는 것이 바람직하다.
금속박판을 기판으로 사용하는 경우에는 그 자체가 도전성이 있으므로 별도의 하부전극을 성형할 필요가 없다.
그러나 세라믹박판을 기판으로 사용하는 경우에는 그 자체로 도전성이 없으므로 세라믹박판의 상부에 하부전극을 형성한다.
하부전극으로는 백금(Pt), 은(Ag), 은/팔라듐(Ag/Pd)의 합금, 니켈(Ni), 구리(Cu) 중 선택하여 사용하며, 이때 하부전극의 두께는 20㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
압전체의 원료로는 세라믹을 사용하며, 압전체의 원료로 사용되는 세라믹중 대표적인 것으로는 PZT[Pb(Zr1/2Ti1/2)O3], PLZT[Pb1-xLax(Zr1/2Ti1/2)O3], 티타늄산바륨(BaTiO3), 티타늄산납(PbTiO3) 등이 있다.
PZT, PLZT, 티타늄산바륨, 티타늄산납은 모두 순도가 95% 이상이며 구성성분중 지르코늄과 티타늄의 비(Zr/Ti)가 4:6 - 6:4의 범위내인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 단 PLZT의 경우는 성분중 란탄(La)의 함량이 5% 미만인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한 이러한 세라믹에 스트론튬(Sr), 망간(Mn), 니오브(Nb) 등을 소량 첨가할 수 있으며, 이들의 첨가량은 전체 구성원소의 5% 미만으로 하는 것이 바람직하다.
상기의 세라믹을 사용하여 후막형태의 압전체를 제조한다. 이때 압전체는 5-300㎛의 두께를 가지는 얇은 판 형태로 형성하는 것이 바람직하다.
제조된 압전체를 금속기판 또는 하부전극이 형성된 세라믹기판에 부착한다. 이때 압전체가 우수한 액츄에이팅특성을 가지도록 하기 위해서는 기판에 압전체를 단단하게 부착하여야 한다.
압전체를 기판에 부착시키기 위한 방법으로는 종래의 많은 방법들이 사용될 수 있으나 대표적인 방법으로는 접착제를 사용하여 부착하는 방법과 메탈라이징(metalizing)공정을 사용하여 부착하는 방법 등이 있다.
압전체를 기판에 부착시키기 위하여 접착제를 사용하는 경우에는 기판 또는압전체에 페이스트상태의 접착제를 스크린 프린팅 등의 방법으로 도포한 후 기판과 압전체를 접착한다.
이때 접착제는 기판의 전면에 도포할 수도 있고 기판이나 압전체 박막의 필요한 부분에만 부분적으로 도포할 수도 있다.
접착제를 기판의 전면에 도포하는 경우에는 기판의 전면에 도포된 접착제가 압전체를 산으로 에칭할 때 기판을 보호하는 보호막 역할을 할 수 있다.
또한 도전성 기판의 전면에 접착제를 도포하는 경우에는 도전성 기판을 각 액츄에이터에서의 공통적인 하부전극으로 사용할 수 있다.
기판과 압전체를 부착하기 위한 또다른 방법인 메탈라이징공정을 압전체의 한면에 금속을 도포하고 이 압전체면과 다른 금속판 사이에 제3의 물질을 매개체로 하여 납땜(brazing)으로 접합하는 공정이다.
압전체를 기판에 고정시키는 방법으로 메탈라이징공정을 사용하는 경우에는 접착제를 사용하는 경우보다 훨씬 단단하게 압전체를 기판에 고정시킬 수 있으며, 제조된 액츄에이터의 컴플라이언스(compliance)를 낮추어서 액츄에이팅 특성을 향상시킬 수 있다.
기판에 압전체를 부착하고 압전체를 에칭하고자 하는 패턴으로 패터닝한 후 압전체를 에칭한다.
이때 압전체를 패터닝하는 방법으로는 섀도우마스크(Shadow mask)를 사용하여 마스킹하는 방법, 포토레지스터(Photoresister)를 도포한 후 포토리소그라피(Photolithography)에 의하여 포토레지스터를 패터닝하는 방법 등을사용한다.
압전체를 에칭함에 있어서, 본 발명에서는 전압이 인가되면 액츄에이팅하지 않는 압전체를 전체적으로 에칭하지 않고 공간부 상부의 기판부분 위에 위치하여 전압이 인가되면 액츄에이팅하는 제1압전체와 공간부 상부 외의 기판부분 위에 위치하여 전압이 인가되어도 액츄에이팅하지 않는 제2압전체의 경계부분만이 에칭되도록 패터닝하여 에칭한다.
이때 제거되는 압전체의 선폭은 다양하게 조절할 수 있으나, 공간부의 폭을 W, 압전체의 두께를 T, 에칭후 공간부의 상부에 남는 제1압전체의 폭을 D, 제거되는 압전체의 선폭을 d라 할 때, 공간부의 상부에 남는 제1압전체의 폭(D)과 제거되는 압전체의 선폭(d)이 다음의 관계를 가지도록 패터닝을 하는 것이 바람직하다.
제거되는 압전체의 선폭(d)의 범위는 생산을 용이하게 하기 위한 것이므로 비교적 광범위하게 설정될 수 있으며, 공간부의 상부에 남는 제1압전체의 선폭(D)의 범위는 활성부분이어서 민감하므로 그 범위를 좁게 설정하는 것이 바람직하다.
공간부의 상부에 남는 제1압전체의 폭(D)은 공간부의 폭(W)의 0.5-0.9배로 하는 것이 특히 바람직하다.
또한 공간부의 상부에 남는 제1압전체를 전체가 수직방향의 2부분으로 분할되도록 에칭하거나 일부만이 2부분으로 분할되도록 에칭하는 것도 가능하다. 공간부의 상부에 남는 제1압전체를 분할하는 경우 전원이 공급될 때 압전체의 진동이 쉬워진다.
압전체를 원하는 패턴으로 패터닝한 후 압전체를 에칭한다. 압전체를 에칭하는 방법으로는 습식에칭법과 건식에칭법을 모두 사용할 수 있다.
습식에칭법에서는 압전체를 에칭용액에 담지하여 에칭을 하며, 압전체를 에칭하는 에칭용액으로는 플루오르화수소(HF)가 0.3% 이상 함유된 에칭액, 염화수소(HCl)가 0.5% 이상 함유된 에칭액, 플루오르질산(HNF4)이 0.5% 이상 함유된 에칭액, 질산(HNO3)이 0.5% 이상 함유된 에칭액, 염화암모늄(NH4Cl)이 0.5% 이상 함유된 에칭액 등을 사용한다.
습식에칭법으로 압전체를 에칭하는 경우 결정방향에 따른 에칭율의 차이로 인하여 에칭면이 수직이 되지 못하고 일정한 각도를 가진 형태가 되므로 압전체사이의 거리가 멀어진다.
반면 건식에칭법에서는 에칭액대신 플라즈마(Plasma), 플루오르가 포함된 반응가스, 염소가 포함된 반응가스 등을 사용하여 압전체를 에칭하며, 에칭공정은 습식에칭의 공정과 유사하다.
건식에칭법을 사용하여 압전체를 에칭하는 경우 에칭면이 수직면으로 형성되므로 압전체사이의 거리를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 노즐의 밀집도를 높일 수 있으므로 프린터 헤드의 각 구조를 작게 할 수 있어 전체적인 프린터 헤드를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라 인쇄의 해상도를 높일 수 있으므로 건식에칭법을 사용하는것이 바람직하다.
상기와 같이 에칭함으로써, 전압이 인가되면 액츄에이팅하는 제1압전체만이 아니라 전압이 인가되어도 액츄에이팅하지 않는 제2압전체도 기판 위에 남게 된다.
압전체의 상부에는 상부전극을 형성한다. 이러한 상부전극은 에칭되기 전의 압전체의 표면에 전면도포한 후 압전체와 함께 에칭하여 패터닝하여 형성할 수도 있고, 에칭된 후의 압전체중 제1압전체에만 형성할 수도 있다.
이때 상부전극은 일반적으로 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt) 등을 사용한다.
상기에서 설명한 바와 같이 불필요한 압전체부분을 전체적으로 에칭하지 않고 일부만을 에칭하는 경우에는 에칭시간이 단축되고 일정한 깊이까지 에칭이 일어나면 에칭반응이 멈추는 자기제한(self-restriction)이 일어난다.
패터닝을 하지 않은 경우와, 넓은 에칭폭을 가지도록 패터닝한 경우와, 본 발명에서의 방법에 의하여 좁은 에칭폭을 가지도록 패터닝한 경우의 에칭시간에 따른 에칭깊이의 변화관계를 도 11에 도시하였다.
도 11에 도시한 바와 같이 패터닝을 하지 않은 경우는 에칭시간에 비례하여 에칭깊이가 증가하고, 넓은 에칭폭을 가지도록 에칭한 경우에는 완전한 직선은 아니지만 에칭시간에 따라 에칭깊이가 증가하였다.
반면 본 발명의 방법에 의하여 압전체를 좁은 에칭폭으로 에칭한 경우에는 처음의 어느 정도는 다른 경우보다 빠른 속도로 에칭이 일어났고, 어느 정도의 깊이까지 에칭이 된 후에는 더 이상 에칭이 일어나지 않았다.
상기의 방법에 의하여 제조된 마이크로 액츄에이터는 여러 가지 물품에 적용될 수 있으며, 이하에서 마이크로 액츄에이터가 적용된 잉크젯 프린터 헤드에 대하여 설명한다.
상기와 같은 본 발명의 마이크로 액츄에이터를 적용한 잉크젯 프린터 헤드는 기판과; 상기 기판에 기판과 일체로 형성되고, 하부만이 개방된 공간부와; 상기 기판의 하부에 형성된 노즐 플레이트와; 상기 노즐 플레이트에 형성되어 잉크를 분사하여 기록을 하는 노즐과; 상기 기판의 상기 공간부와 상기 노즐 플레이트에 의하여 형성되어 잉크를 함유하는 챔버와; 상기 공간부 상부의 기판부분 위에 형성되고, 전압이 인가되면 액츄에이팅하는 제1압전체와; 상기 공간부 상부 외의 기판부분 위에 상기 공간부의 외곽선형태와 대칭되는 부분의 압전체만이 제거된 형태로 형성되어, 전압이 인가되어도 액츄에이팅하지 않는 제2압전체와; 상기 제1압전체의 상부에 형성된 상부전극을 포함하여 구성되며, 기판과 압전체 사이에 하부전극을 더 포함할 수도 있다.
상기와 같이 구성된 잉크젯 프린터 헤드에서 잉크는 챔버에 저장되어 있다. 기판의 상부에 형성된 마이크로 액츄에이터에 전압이 인가되어 액츄에이터가 액츄에이팅을 하게 되면 순간적으로 챔버의 부피가 감소하면서 챔버내의 잉크가 노즐을 통하여 분사된다. 잉크가 분사된 후에는 챔버에 잉크가 다시 공급되어 상기 과정이 반복된다.
또한 상기 잉크젯 프린터 헤드는 상기 기판과 상기 노즐 플레이트사이에 리스트릭터가 형성되는 리스트릭터판과, 유로가 형성되는 유로판과, 리저버가 형성되는 리저버판을 더 포함할 수도 있다.
상기의 구성요소들을 더 포함한 잉크젯 프린터 헤드는 기판과; 상기 기판에 기판과 일체로 형성되고, 하부만이 개방된 공간부와; 상기 기판의 하부에 형성된 리스트릭터판과; 상기 기판의 상기 공간부와 상기 리스트릭터판에 의하여 형성된 챔버와; 상기 리스트릭터판에 의하여 형성되어 챔버로 유입되는 잉크의 속도를 일정하게 유지해주는 리스트릭터와; 상기 리스트릭터판의 하부에 형성된 유로판과; 상기 유로판에 의하여 형성되어 잉크의 이동통로가 되는 유로와; 상기 유로판의 하부에 형성된 리저버판과; 상기 리저버판에 의하여 형성되어 잉크를 저장하는 리저버와; 상기 리저버판의 하부에 형성된 노즐 플레이트와; 상기 노즐 플레이트에 형성되어 잉크를 분사하여 기록을 하는 노즐과; 상기 공간부 상부의 기판부분 위에 형성되고, 전압이 인가되면 액츄에이팅하는 제1압전체와; 상기 공간부 상부 외의 기판부분 위에 상기 공간부의 외곽선형태와 대칭되는 부분의 압전체만이 제거된 형태로 형성되어, 전압이 인가되어도 액츄에이팅하지 않는 제2압전체와; 상기 제1압전체의 상부에 형성된 상부전극을 포함하여 구성되며, 이때에도 기판과 압전체 사이에 하부전극을 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성에 의하여 잉크젯 프린터 헤드에는 서로 다른 크기와 형상의 리저버, 유로, 리스트릭터와 같은 잉크의 이동로가 추가로 형성된다.
이러한 구성의 잉크젯 프린터 헤드에서 잉크통에서 공급된 잉크는 리저버에 저장되어 있다가 유로를 통하여 챔버내로 유입된다. 이때 유로와 챔버사이에 형성된 리저버가 잉크가 챔버내로 유입되는 속도를 일정하게 유지시켜 준다.
챔버의 상부에 형성된 액츄에이터에 전압이 인가되면 액츄에이터가 액츄에이팅을 하게 되고, 이러한 액츄에이터의 액츄에이팅에 의하여 챔버의 부피가 순간적으로 감소하면서 챔버내의 잉크는 노즐을 통해 분사된다. 잉크가 분사된 후에는 챔버에 잉크가 다시 공급된다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 설명한다. 그러나 다음의 실시예들은 본 발명을 예시하는 것으로 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 액츄에이터의 제조방법의 공정을 도시한 것이다.
기판(10)으로는 실리콘을 사용하였다. 기판(10)에는 공간부(11)를 형성하고, 실리콘기판(10)의 상부에 하부전극(12)을 형성하고, 형성된 하부전극(12)의 상부에 접착층(14)을 도포하였다.
접착층(14)의 상부에 별도로 성형된 후막형태의 압전체(16)를 접착하고, 접착된 압전체(16)의 상부에 전체적으로 상부전극(18)을 형성하였다.
상부전극(18)이 형성된 압전체(16)를 포토레지스터로 패터닝한 후 건식에칭법으로 에칭하였다. 이때 압전체(16)를 공간부(11)의 외곽선형태와 대칭되는 부분만을 에칭하여 제1압전체(17)만이 아니라 셀의 구동에 사용되지 않는 제2압전체(19)도 하부구조의 챔버판이 되는 기판(10)의 부분과 대칭의 형태로 남아서 전체적인 강성을 높여주도록 하였다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 액츄에이터의 제조방법의 공정을 도시한 것이다.
기판(20)으로는 금속박판을 사용하였다. 금속기판(20)에는 공간부(21)가 형성되며, 금속기판(20)은 자체가 도전성을 가지고 있으므로 금속기판(20)의 상부에 바로 접착층(24)을 도포하였다.
접착층(24)의 상부에 별도로 성형된 후막형태의 압전체(26)를 접착하고, 접착된 압전체(26)를 포토레지스터를 사용하여 에칭하고자 하는 패턴으로 패터닝하엿다. 이때에도 압전체(26)가 공간부(21)의 외곽선형태의 부분만이 에칭되도록 패터닝하였다.
패터닝한 압전체(26)를 건식에칭법으로 에칭하여 제1압전체(27)만이 아니라 셀의 구동에 사용되지 않는 제2압전체(29)도 하부구조의 챔버판이 되는 기판(20)의 부분과 대칭의 형태로 남아서 전체적인 강성을 높여주도록 하였다.
에칭된 압전체(26)들 중 셀의 구동에 사용되는 제1압전체(27)부분에만 상부전극이 형성되도록 패터닝하여 상부전극(28)을 형성하였다.
이러한 방법들에 의하여 제조된 마이크로 액츄에이터는 압전체가 공간부의 외곽선형태로 제거되므로 전체적인 구조의 강성이 높아지고 건식에칭법에 의하여 제조함으로서 노즐의 밀집도가 높다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 액츄에이터를 도시한 것이다.
이 실시예에서의 마이크로 액츄에이터는 공간부(31)가 형성된 실리콘기판(30)과, 기판(30)의 상부에 형성된 하부전극(32)과, 형성된 하부전극(32)의 상부에 습식에칭법에 의하여 에칭되어 형성된 제1압전체(37) 및제2압전체(39)와, 압전체들(37)(39)의 상부에 형성된 상부전극(38)을 포함하여 구성된다.
이때에도 압전체는 챔버벽의 상부에 위치하는 제2압전체(39)가 남도록 패터닝하였다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 액츄에이터를 도시한 것이다.
이 실시예에서의 마이크로 액츄에이터는 공간부(41)가 형성된 금속기판(40)과, 기판(40)의 상부에 습식에칭법에 의하여 에칭되어 형성된 제1압전체(37) 및 제2압전체(49)와, 압전체들(47)(49)의 상부에 형성된 상부전극(48)을 포함하여 구성된다.
이때에도 압전체는 챔버벽의 상부에 위치하는 제2압전체(49)가 남도록 패터닝하였다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 액츄에이터를 도시한 것이다.
도 7에 도시한 마이크로 액츄에이터에서는 챔버판이 되는 기판(50)부분의 상부에 위치하는 제2압전체(59)가 남도록 패터닝하되, 공간부(51)의 상부에 위치하여 셀의 구동에 쓰이는 제1압전체(57)는 그 상부를 에칭하여 수직방향으로 분할하여 형성하였다. 이때 제1압전체(57)의 전체를 2부분으로 분할하지 않고 제1압전체(57)의 상부만을 분할하였다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 액츄에이터를 도시한 것으로, 도 8에 도시한 마이크로 액츄에이터에서는 챔버판이 되는 기판(60) 부분의 상부에 위치하는 제2압전체(69)가 남도록 패터닝하되, 공간부(61)의 상부에 위치하여 셀의 구동에 쓰이는 제1압전체(67)는 전체를 에칭하여 수직방향의 2부분으로 분할하여 형성하였다.
도 9는 본 발명의 마이크로 액츄에이터를 적용한 잉크젯 프린터 헤드의 일실시예를 도시한 것이다.
이러한 잉크젯 프린터 헤드는 공간부가 형성된 기판(70), 기판(70)의 하부에 형성된 노즐 플레이트(74), 기판(70)의 공간부와 노즐 플레이트(74)에 의하여 형성된 챔버(71), 노즐 플레이트(74)에 형성된 노즐(73), 기판(70)의 상부에 형성된 하부전극(72), 하부전극(72)의 상부에 형성된 제1압전체(77)와 제2압전체(79) 및 압전체들(77)(79)의 상부에 형성된 상부전극(78)으로 구성된다.
이때에도 압전체는 전압이 인가되어도 액츄에이팅하지 않는 부분중 공간부의 외곽선형태와 대칭되는 부분만을 제거하여 전체적인 잉크젯 프린터 헤드의 강성을 높여주었다.
도 10은 본 발명의 마이크로 액츄에이터를 적용한 잉크젯 프린터 헤드의 다른 실시예를 도시한 단면사시도이다.
도 10의 잉크젯 프린터 헤드는 공간부가 형성된 기판(80), 기판(80)의 하부에 형성된 리스트릭터판(97), 리스트릭터판(97)에 형성된 리스트릭터(96), 리스트릭터판(97)의 하부에 형성된 유로판(95), 유로판에 형성된 유로(94), 유로판(95)의 하부에 형성된 리저버판(93), 리저버판(93)에 의해 형성된 리저버(92),리저버판(93)의 하부에 형성된 노즐 플레이트(91), 노즐 플레이트(91)에 형성된 노즐(90), 기판(80)과 리저버판(97)에 의하여 형성된 챔버(98), 기판(80)의 상부에 형성된 제1압전체(87)와 제2압전체(89) 및 압전체들(87)(89)의 상부에 형성된 상부전극(88)으로 구성된다.
이때에도 압전체는 전압이 인가되어도 액츄에이팅하지 않는 부분중 공간부의 외곽선형태와 대칭되는 부분만을 제거하여 전체적인 잉크젯 프린터 헤드의 강성을 높여준다.
상기의 구성을 갖는 본 발명의 마이크로 액츄에이터는 에칭되는 압전체의 양이 감소됨으로써 에칭액의 열화가 감소되어 경제적이고, 로딩효과(loading effect)가 감소되어 공정의 재현성 및 에칭되는 균일성이 향상되는 효과가 있다.
또한 에칭되는 경계면의 폭을 조절함으로써 일정한 깊이만큼 에칭된 후에는 에칭반응이 멈추는 자기억제반응(self-restriction)의 효과를 볼 수 있어, 압전체를 에칭하는 에칭액이 기판에 줄 수 있는 영향을 원천적으로 방지할 수 있으며 재현성도 향상되는 효과가 있다.
또한 기판의 상부에 남은 제2압전체는 전체적인 구조의 강성을 높여주어 판진동을 감소시키며 각 챔버간의 혼선(crosstalk)을 억제하는 효과가 있다.
또한 셀의 구동에 쓰이는 제1압전체를 수직방향으로 분할한 경우 제1압전체가 진동할 때 진동판이 쉽게 휠 수 있으므로 진동에 소모되는 에너지의 양이 적어지는 효과가 있다.
상기 마이크로 액츄에이터를 적용한 잉크젯 프린터 헤드도 상기 마이크로 액츄에이터에서의 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
Claims (45)
- 기판과; 상기 기판에 기판과 일체로 형성되고, 하부만이 개방된 공간부와; 상기 공간부 상부의 기판부분 위에 형성되고, 전압이 인가되면 액츄에이팅하는 제1압전체와; 상기 공간부 상부 외의 기판부분 위에 상기 공간부의 외곽선형태와 대칭되는 부분의 압전체만이 제거된 형태로 형성되고, 전압이 인가되어도 액츄에이팅하지 않는 제2압전체와; 상기 제1압전체의 상부에 형성된 상부전극;을 포함하여서 상기 제2압전체에 의하여 전체적인 구조의 강성이 높아지고 판진동이 감소되도록 구성되며,상기 기판에 형성된 공간부의 폭을 W, 압전체의 두께를 T, 제1압전체의 폭을 D, 제거되는 압전체의 선폭을 d라 할 때, 제1압전체의 폭(D)과 제거되는 압전체의 선폭(d)이 다음의 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판과 상기 압전체들 사이에 하부전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
- 제 2 항에 있어서, 상기 하부전극의 두께는 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 세라믹 또는 금속인 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
- 제 4 항에 있어서, 상기 세라믹기판의 두께는 5-300㎛인 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
- 제 4 항에 있어서, 상기 금속기판의 두께는 3-200㎛인 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 압전체의 두께는 5-300㎛인 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 제1압전체의 폭(D)을 공간부의 폭(W)의 0.5 - 0.9배로 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 제1압전체를 수직방향의 2부분으로 분할한 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
- 제 2 항에 있어서, 제1압전체를 수직방향의 2부분으로 분할한 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
- 제 12 항에 있어서, 제1압전체의 일부만을 분할한 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
- 제 13 항에 있어서, 제1압전체의 일부만을 분할한 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
- 기판과; 상기 기판에 기판과 일체로 형성되고, 하부만이 개방된 공간부와; 상기 기판의 하부에 형성된 노즐 플레이트와; 상기 노즐 플레이트에 형성되어 잉크를 분사하여 기록을 하는 노즐과; 상기 공간부와 상기 노즐 플레이트에 의하여 형성되어 잉크를 함유하는 챔버와; 상기 공간부 상부의 기판부분 위에 형성되고, 전압이 인가되면 액츄에이팅하는 제1압전체와; 상기 공간부 상부 외의 기판부분 위에 상기 공간부의 외곽선형태와 대칭되는 부분의 압전체만이 제거된 형태로 형성되어, 전압이 인가되어도 액츄에이팅하지 않는 제2압전체와; 상기 제1압전체의 상부에 형성된 상부전극;을 포함하여서 상기 제2압전체에 의하여 전체적인 구조의 강성이 높아지고 판진동이 감소되도록 구성되며,공간부의 폭을 W, 압전체의 두께를 T, 제1압전체의 폭을 D, 제거되는 압전체의 선폭을 d라 할 때, 제1압전체의 폭(D)과 제거되는 압전체의 선폭(d)이 다음의 관계를 가지도록 한 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 16 항에 있어서, 상기 기판과 상기 압전체들 사이에 하부전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 17 항에 있어서, 상기 하부전극의 두께는 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 16 항에 있어서, 상기 기판은 세라믹 또는 금속인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 19 항에 있어서, 상기 세라믹기판의 두께는 5-300㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 19 항에 있어서, 상기 금속기판의 두께는 3-200㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 16 항에 있어서, 상기 압전체의 두께는 5-300㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 삭제
- 삭제
- 제 16 항에 있어서, 제1압전체의 폭(D)을 공간부의 폭(W)의 0.5-0.9배로 하는 것을 특징으로 한 잉크젯 프린터 헤드.
- 삭제
- 제 16 항에 있어서, 제1압전체를 수직방향의 2부분으로 분할한 것을 특징으로 한 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 17 항에 있어서, 제1압전체를 수직방향의 2부분으로 분할한 것을 특징으로 한 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 27 항에 있어서, 제1압전체의 일부만을 분할한 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 28 항에 있어서, 제1압전체의 일부만을 분할한 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 기판과;상기 기판에 기판과 일체로 형성되고, 하부만이 개방된 공간부와;상기 기판의 하부에 형성된 리스트릭터판과;상기 기판의 상기 공간부와 상기 리스트릭터판에 의하여 형성된 챔버와;상기 리스트릭터판에 의하여 형성되어 챔버로 유입되는 잉크의 속도를 일정하게 유지해주는 리스트릭터와;상기 리스트릭터판의 하부에 형성된 유로판과;상기 유로판에 의하여 형성되어 잉크의 이동통로가 되는 유로와;상기 유로판의 하부에 형성된 리저버판과;상기 리저버판에 의하여 형성되어 잉크를 저장하는 리저버와;상기 리저버판의 하부에 형성된 노즐 플레이트와;상기 노즐 플레이트에 형성되어 잉크를 분사하여 기록을 하는 노즐과;상기 공간부 상부의 기판부분 위에 형성되고, 전압이 인가되면 액츄에이팅하는 제1압전체와;상기 공간부 상부 외의 기판부분 위에 상기 공간부의 외곽선형태와 대칭되는 부분의 압전체만이 제거된 형태로 형성되어, 전압이 인가되어도 액츄에이팅하지 않는 제2압전체와;상기 제1압전체의 상부에 형성된 상부전극을 포함하여 구성되며,상기 제2압전체에 의하여 전체적인 구조의 강성이 높아지고 판진동이 감소되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 31 항에 있어서, 상기 기판과 상기 압전체들 사이에 하부전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 32 항에 있어서, 상기 하부전극의 두께는 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 31 항에 있어서, 상기 기판은 세라믹 또는 금속인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 34 항에 있어서, 상기 세라믹기판의 두께는 5-300㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 34 항에 있어서, 상기 금속기판의 두께는 3-200㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 31 항에 있어서, 상기 압전체의 두께는 5-300㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 31 항에 있어서, 공간부의 폭을 W, 압전체의 두께를 T, 제1압전체의 폭을 D, 제거되는 압전체의 선폭을 d라 할 때, 제1압전체의 폭(D)과 제거되는 압전체의 선폭(d)이 다음의 관계를 가지도록 한 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 32 항에 있어서, 공간부의 폭을 W, 압전체의 두께를 T, 제1압전체의 폭을 D, 제거되는 압전체의 선폭을 d라 할 때, 제1압전체의 폭(D)과 제거되는 압전체의 선폭(d)이 다음의 관계를 가지도록 한 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 38 항에 있어서, 제1압전체의 폭(D)을 공간부의 폭(W)의 0.5-0.9배로 하는 것을 특징으로 한 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 39 항에 있어서, 제1압전체의 폭(D)을 공간부의 폭(W)의 0.5-0.9배로 하는 것을 특징으로 한 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 31 항에 있어서, 제1압전체를 수직방향의 2부분으로 분할한 것을 특징으로 한 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 32 항에 있어서, 제1압전체를 수직방향의 2부분으로 분할한 것을 특징으로 한 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 42 항에 있어서, 제1압전체의 일부만을 분할한 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
- 제 43 항에 있어서, 제1압전체의 일부만을 분할한 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드.
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|---|---|---|---|
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| KR20000047431A KR20000047431A (ko) | 2000-07-25 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7887635B2 (en) | 2003-11-06 | 2011-02-15 | Korea Institute Of Machinery & Materials | Printing head for nano patterning |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5948163A (ja) * | 1982-09-13 | 1984-03-19 | Ricoh Co Ltd | インク噴射ヘツド |
| JPH09254386A (ja) * | 1995-04-03 | 1997-09-30 | Seiko Epson Corp | インクジェット記録用プリンタヘッド及びその製造方法 |
-
1999
- 1999-07-07 KR KR10-1999-0027327A patent/KR100374589B1/ko not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5948163A (ja) * | 1982-09-13 | 1984-03-19 | Ricoh Co Ltd | インク噴射ヘツド |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7887635B2 (en) | 2003-11-06 | 2011-02-15 | Korea Institute Of Machinery & Materials | Printing head for nano patterning |
| US7988785B2 (en) | 2003-11-06 | 2011-08-02 | Korea Institute Of Machinery & Materials | Printing head for nano patterning |
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| KR20000047431A (ko) | 2000-07-25 |
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