KR100408268B1 - 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조방법 - Google Patents

버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100408268B1
KR100408268B1 KR10-2000-0041747A KR20000041747A KR100408268B1 KR 100408268 B1 KR100408268 B1 KR 100408268B1 KR 20000041747 A KR20000041747 A KR 20000041747A KR 100408268 B1 KR100408268 B1 KR 100408268B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ink
ink chamber
manifold
substrate
heater
Prior art date
Application number
KR10-2000-0041747A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20020008274A (ko
Inventor
이충전
문재호
권오근
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR10-2000-0041747A priority Critical patent/KR100408268B1/ko
Priority to US09/835,348 priority patent/US6649074B2/en
Publication of KR20020008274A publication Critical patent/KR20020008274A/ko
Priority to US10/663,796 priority patent/US6926389B2/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100408268B1 publication Critical patent/KR100408268B1/ko

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/16Production of nozzles
    • B41J2/1601Production of bubble jet print heads
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/015Ink jet characterised by the jet generation process
    • B41J2/02Ink jet characterised by the jet generation process generating a continuous ink jet
    • B41J2/035Ink jet characterised by the jet generation process generating a continuous ink jet by electric or magnetic field
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14016Structure of bubble jet print heads
    • B41J2/14032Structure of the pressure chamber
    • B41J2/1404Geometrical characteristics
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14016Structure of bubble jet print heads
    • B41J2/14072Electrical connections, e.g. details on electrodes, connecting the chip to the outside...
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14016Structure of bubble jet print heads
    • B41J2/14088Structure of heating means
    • B41J2/14112Resistive element
    • B41J2/14137Resistor surrounding the nozzle opening
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/1433Structure of nozzle plates
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/16Production of nozzles
    • B41J2/1621Manufacturing processes
    • B41J2/1626Manufacturing processes etching
    • B41J2/1628Manufacturing processes etching dry etching
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/16Production of nozzles
    • B41J2/1621Manufacturing processes
    • B41J2/1631Manufacturing processes photolithography
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/16Production of nozzles
    • B41J2/1621Manufacturing processes
    • B41J2/164Manufacturing processes thin film formation
    • B41J2/1642Manufacturing processes thin film formation thin film formation by CVD [chemical vapor deposition]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/16Production of nozzles
    • B41J2/1621Manufacturing processes
    • B41J2/164Manufacturing processes thin film formation
    • B41J2/1643Manufacturing processes thin film formation thin film formation by plating
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/16Production of nozzles
    • B41J2/1621Manufacturing processes
    • B41J2/164Manufacturing processes thin film formation
    • B41J2/1646Manufacturing processes thin film formation thin film formation by sputtering
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2002/1437Back shooter

Abstract

본 발명은 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 프린트 헤드는, 잉크 공급을 위한 매니폴드와, 반구형의 잉크 챔버가 기판의 동일 표면으로부터 리세스되어 일체적으로 형성되고, 기판 상부의 노즐이 형성된 노즐판과 노즐 주위를 둘러싸는 환상의 히터가 본딩 등의 복잡한 공정없이 일체적으로 형성된다. 따라서, 제조가 간편해지고, 대량생산이 용이해진다. 또한, 환상 히터는 도우넛 모양의 버블을 형성하여 잉크를 토출함으로써 잉크의 역류가 방지되고, 화질을 떨어뜨리는 부 액적(satellite droplet)이 억제된다.

Description

버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조방법{Bubble-jet type ink-jet printhead and manufacturing method thereof}
본 발명은 잉크 젯 프린트 헤드에 관한 것으로, 특히 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
잉크 젯 프린터의 잉크 토출 방식으로는 열원을 이용하여 잉크에 기포(버블)를 발생시켜 이 힘으로 잉크를 토출시키는 전기-열 변환 방식(electro-thermal transducer, 버블 젯 방식)과, 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적 변화에 의해 잉크를 토출시키는 전기-기계 변환 방식(electro-mechanical transducer)이 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하여 버블 젯 방식의 잉크 토출 메카니즘을 설명하면 다음과 같다. 노즐(11)이 형성된 잉크 유로(10)에 저항 발열체로 이루어진 히터(12)에 전류 펄스를 인가하면, 히터(12)에서 발생된 열이 잉크(14)를 가열하여 잉크 유로(10) 내에 버블(15)이 생성되고 그 힘에 의해 잉크 액적(droplet, 14')이 토출된다.
그런데, 이와 같은 버블 젯 방식의 잉크 토출부를 가지는 잉크 젯 프린트 헤드는 다음과 같은 요건들을 만족하여야 한다.
첫째, 가능한 한 그 제조가 간단하고 제조비용이 저렴하며, 대량 생산이 용이하여야 한다.
둘째, 선명한 화질을 얻기 위해서는, 토출되는 주 액적(main droplet)에 뒤따르는 주 액적보다 작은 미세한 부 액적(satellite droplet)들의 생성이 억제되어야 한다.
셋째, 하나의 노즐에서 잉크를 토출하거나 잉크의 토출후 잉크 챔버로 잉크가 다시 채워질 때, 잉크를 토출하지 않는 인접한 다른 노즐과의 간섭(cross talk)이 억제되어야 한다. 이를 위해서는 잉크 토출시 노즐 반대방향으로 잉크가 역류하는 현상(back flow)을 억제하여야 한다. 도 1a 및 도 1b에서 또 하나의 히터(13)는 이를 위한 것이다.
넷째, 고속 프린트를 위해서는, 가능한 한 잉크 토출후 잉크가 다시 채워지는 주기가 짧아야 한다.
그런데, 이러한 요건들은 서로 상충하는 경우가 많고, 또한 잉크 젯 프린트헤드의 성능은 결국 잉크 챔버, 잉크 유로 및 히터의 구조, 그에 따른 버블의 생성 및 팽창 형태, 또는 각 요소의 상대적인 크기와 밀접한 관련이 있다.
이에 따라, 미국특허 US 4339762호, US 4882595호, US 5760804호, US 4847630호, US 5850241호, 유럽특허 EP 317171호, Fan-Gang Tseng, Chang-Jin Kim, and Chih-Ming Ho, "A Novel Microinjector with Virtual Chamber Neck", IEEE MEMS '98, pp.57-62 등 다양한 구조의 잉크 젯 프린트 헤드가 제안되었다. 그러나, 이들 특허나 문헌에 제시된 구조의 잉크 젯 프린트 헤드는 전술한 요건들중 일부는 만족할지라도 전체적으로 만족할 만한 수준은 아니여서 여전히 많은 개선이 요구된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 요건들을 만족시키는 구조의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 전술한 요건들을 만족시키는 구조의 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 구조 및 잉크 토출 메카니즘을 도시한 단면도들이다.
도 2는 도우넛형 버블을 생성하여 잉크를 토출하는, 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드의 일예를 도시한 개략적인 평면도이다.
도 3은 도 2의 3-3을 따라 본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드를 도시한 개략적인 평면도이다.
도 5는 도 4의 5-5선에 따라 본 단면도이다.
도 6a는 도 4의 단위 잉크 토출부를 도시한 평면도이다.
도 6b는 도 4의 단위 잉크 토출부의 변형예를 도시한 평면도이다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 각각 본 발명의 실시예들에 따라 도 6a의 7-7선을 따라 본 단면도들이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 프린트 헤드의 잉크 토출부에서 잉크가 토출되는 메카니즘을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 프린트 헤드의 잉크 토출부에서 잉크가 토출되는 메카니즘을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드를 도시한 개략적인 평면도이다.
도 11는 도 10의 11-11선에 따라 본 단면도이다.
도 12는 도 10의 단위 잉크 토출부를 도시한 평면도이다.
도 13은 도 12의 13-13선을 따라 본 단면도이다.
도 14a 내지 도 14f는 본 발명의 일실시예에 따른 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 잉크 공급 매니폴드와 잉크 챔버가 동일한 표면에서 리세스되어 일체로 형성된 기판, 노즐이 형성된 노즐판, 저항 발열체로 이루어진 히터, 히터에 전류를 인가하는 전극을 구비하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드를 제공한다.
상기 잉크 챔버는 매니폴드와 연결되고 토출될 잉크가 채워지는 공간으로 그형상이 실질적으로 반구형으로 되어 있다.
상기 노즐판은 기판 상에 적층되어 매니폴드 및 잉크 챔버를 덮고, 잉크 챔버의 중앙부에 대응되는 위치에는 노즐이 형성되어 있다.
상기 히터는 노즐판에 형성되고 노즐을 둘러싸는 환상으로 형성되어 있다.
또한, 상기 잉크 챔버와 매니폴드는 직접 연결될 수도 있고, 그 사이에 잉크 채널을 더 둘 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 잉크 챔버는 그 단면이 타원형일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 노즐의 가장자리에서 잉크 챔버의 깊이 방향으로 연장된 버블 및 액적 가이드가 형성되어, 버블 성장시 그 성장방향 및 버블의 모양을 가이드하고 잉크 토출시 잉크 액적의 토출방향을 가이드한다.
또한, 상기 히터를 "C"자 또는 "O"자 모양으로 하여 생성되는 버블의 모양을 실질적으로 도우넛 모양이 되도록 한다.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에 따른 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법은, 기판의 표면 쪽에서 기판을 식각하여 잉크 챔버와 매니폴드를 형성함으로써 잉크 젯 프린트 헤드를 기판과 일체적으로 제조한다.
구체적으로, 기판의 표면에 절연막을 형성하고, 절연막 상에 환상의 히터 및 히터에 전류를 인가하기 위한 전극을 형성한다. 절연막을 식각하여 환상 히터의 안쪽에 환상 히터의 직경보다 작은 직경의 잉크 챔버 형성용 홈과, 환상 히터의 바깥쪽에 매니폴드 형성용 홈을 형성한다. 식각된 절연막에 의해 노출된 기판을 식각하여, 환상 히터의 직경보다 큰 직경을 가지고 실질적으로 반구형의 형상을 가지는 잉크 챔버와, 실질적으로 반원기둥 형상의 매니폴드를 형성한다. 기판 전면에, 잉크 챔버의 중앙부에 대응되는 위치에 노즐이 형성된 보호막을 적층함으로써 매니폴드를 덮는다.
또한, 상기 잉크 챔버 및 매니폴드는 먼저, 식각된 절연막에 의해 노출된 기판을 소정 깊이로 이방성 식각한 후, 이어서 기판을 등방성 식각하여 형성함으로써 각각 반구형 및 반원기둥 형상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 절연막을 식각할 때, 환상 히터 바깥쪽에서 매니폴드 형성용 홈과 연결된 잉크 채널 형성용 홈을 함께 형성함으로써, 상기 기판을 식각할 때 잉크 챔버 및 매니폴드와 함께 잉크 채널이 형성되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 절연막을 식각하는 단계와 기판을 식각하는 단계 사이에, 상기 절연막 상에 잉크 챔버 형성용 홈을 노출하는 식각마스크를 형성하고, 이 식각마스크 및 절연막에 의해 노출된 기판을 소정 깊이로 이방성 식각하여 홀을 형성하는 단계, 및 홀의 측벽에 스페이서를 형성하는 단계를 더 포함함으로써, 노즐 가장자리에서 잉크 챔버의 깊이 방향으로 연장된 버블 및 액적 가이드를 형성할 수도 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 잉크 챔버 형성용 홈을 타원형으로 함으로써, 상기 잉크 챔버가 실질적으로 반구형이면서 그 단면이 타원형이 되도록 할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 버블이 도우넛 모양으로 되어 전술한 잉크 토출시의 제반 요건들을 만족할 만하게 되고, 그 제조방법도 단순하며, 프린트 헤드를 칩 단위로 대량생산할 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 것을 지칭하며, 도면상에서 각 요소의 두께나 크기는 설명의 편의와 명료성을 위해 과장되어 있을 수 있다. 또한, 어떤 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 존재할 수도 있다.
본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서 먼저 도 2 및 도 3에 도시된 프린트 헤드에 대해 설명한다. 도 2는 도우넛형 버블을 생성하여 잉크를 토출하는, 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드의 일예를 도시한 개략적인 평면도이고, 도 3은 도 2의 3-3선 단면도로서, 도 2 및 도 3에 도시된 프린트 헤드는 본 출원인에 의해 출원된 특허출원 제2000-22260호에 개시되어 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 프린트 헤드는, 기판(20)의 배면으로부터 식각하여 형성된 매니폴드(23)를 중심으로 좌우에 지그재그로 잉크 토출부(U)들이 2열로 배치되고, 각 잉크 토출부(U)와 전기적으로 연결되고 가요성 인쇄회로 기판(Flexible Printed Circuit Board)의 리드가 본딩될 본딩 패드(28)들이 배치되어 있다. 또한,매니폴드(23)는 잉크를 담고 있는 잉크통의 잉크 공급구(미도시)와 연결된다.
각각의 잉크 토출부(U)는, 기판(20) 표면쪽에서 식각되어 기판과 일체로 형성되는, 대략 반구형의 잉크 챔버(24)와, 잉크 챔버(24)와 매니폴드(23)를 연결하는 잉크 채널(26)을 구비한다. 잉크 챔버(24)는 기판(20) 상에 적층된 노즐판(21)에 의해 노즐(25)을 제외한 부분이 덮이게 되고, 노즐판(21) 위에는 저항발열체로 이루어진 환상의 히터(22)가 형성된다. 여기서, 잉크 챔버(24) 및 잉크 채널(26)은 각각 노즐(25) 및 잉크 채널 형성용 홈(27)이 형성된 노즐판(21)을 식각마스크로 하여 기판(20)을 등방성 식각함으로써 형성된다.
이와 같이 구성된 프린트 헤드는 본 발명과 마찬가지로 도우넛형 버블을 생성하고, 대량생산이 용이하여 전술한 잉크 젯 프린트 헤드의 제반 요건을 충족하지만, 여전히 개선해야 할 사항이 있다. 예컨대, 도 2 및 도 3에 도시된 프린트 헤드의 매니폴드(23)는 기판 배면으로부터 두꺼운 기판(20)을 식각하여 형성하므로 시간이 매우 오래 걸려 생산성이 떨어지고, 프린트 헤드의 중앙부가 매우 얇게 되므로 기계적으로 충격에 약해 쉽게 부러지는 등의 문제가 있다. 본 발명은 이러한 문제점을 개선한 구조 및 제조방법을 제공한다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드의 구조를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 5는 도 4의 5-5선 단면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 프린트 헤드는, 기판(100)의 표면으로부터 리세스되어 형성된 대략 반원기둥 형상의 매니폴드(210)를 중심으로 좌우에 지그재그로 잉크 토출부(6)들이 2열로 배치되고, 각 잉크 토출부(6)와 전기적으로 연결되고 가요성 인쇄회로 기판의 리드가 본딩될 본딩 패드(28)들이 배치되어 있다. 또한, 매니폴드(210)는 잉크를 담고 있는 잉크통의 잉크 공급구(미도시)와 프린트 헤드의 측면(도 4에서 상하방향)에서 연결된다.
한편, 도 4에서 잉크 토출부(6)들은 2열로 배치되어 있지만, 1열로 배치될 수도 있고, 해상도를 더욱 높이기 위해 3열 이상으로 배치될 수도 있다. 또한, 도면에는 한 가지 색상의 잉크만을 사용하는 프린트 헤드가 도시되어 있지만, 컬러 인쇄를 위해 각 색상별로 3 또는 4군의 잉크 토출부군이 배치될 수도 있다.
각각의 잉크 토출부(6)는, 기판(100)의 표면으로부터 리세스되어 기판과 일체로 형성되는, 대략 반구형의 잉크 챔버(200)와, 잉크 챔버와 매니폴드(210)를 연결하며 잉크 챔버(200)보다 얕은 깊이로 형성된 잉크 채널(220)을 구비한다. 또한, 잉크 챔버(200)와 잉크 채널(210)이 만나는 지점에는 기판의 표면쪽으로 약간 돌출되어 버블이 팽창할 때 잉크 채널(210) 쪽으로 밀리는 것을 방지하는 버블 걸림턱(202)이 형성되어 있다. 기판(100) 상에는 잉크 챔버(200), 매니폴드(210) 및 잉크 채널(220)의 중앙부에 대응되는 위치에 각각 잉크 챔버 형성용 홈(150), 매니폴드 형성용 홈(160) 및 잉크 채널 형성용 홈(170)이 형성된 절연막(110)이 적층되고, 절연막(110) 상에는 저항발열체로 이루어진 환상의 히터(120, 도 6a 참조)가 형성되어 있다. 히터(120)에는 히터 구동 전류를 인가하기 위한 전극(도 6a의 125)이 접속된다. 히터(120) 및 절연막(110) 상에는 노즐(240)이 형성된 보호막(230)이 적층되어 매니폴드 형성용 홈(160) 및 잉크 채널 형성용 홈(170)을덮는다. 여기서, 절연막(110) 및 보호막(230)은 통칭하여 노즐판으로 지칭될 수 있다.
기판(100)은 실리콘으로 이루어져 있으며, 절연막(110)은 실리콘 기판(100)의 표면을 산화시켜 형성한 실리콘 산화막이나 실리콘 기판(100) 상에 증착된 실리콘 질화막 등으로 이루어진다. 히터(120)는 불순물이 도핑된 다결정 실리콘이나 Ta-Al 합금으로 이루어진다. 보호막(230)은 폴리이미드 필름으로 이루어지며 각각의 잉크 토출부를 구동하기 위한 전원 및 배선이 형성된 가요성 인쇄회로 기판을 겸할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 잉크 토출부(6)를 확대하여 도시한 평면도이고, 도 7a 내지 도 7c는 각각 본 발명의 실시예들에 따른 잉크 챔버(200, 200')의 구조를 도 6a의 7-7선을 따라 본 단면도들이다.
도 6a 내지 도 7c를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 잉크 토출부(6)의 구조를 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 기판(100)에는, 그 표면쪽에 대략 반구형으로 형성되어 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버(200)가 형성되어 있고, 절연막(110) 상에 환상의 히터(120, 120')가 형성되어 있는데, 도 6a에 도시된 히터(120)는 대략 "C"자형으로 끝이 열린 곡선을 이루며 각 단부에 전극(125)이 접속된다. 전극(125)은 도전성이 좋고 증착과 패터닝이 용이한 Al이나 Al 합금으로 이루어지며, 본딩 패드(도 4의 28)에 전기적으로 연결된다. 도 6b에 도시된 히터(120')는 변형예로서, 대략 "O"자형으로 닫힌 곡선을 이루며 서로 대칭되는 위치에 전극(125)이 접속된다. 즉, 도 6a에 도시된 히터(120)는 전극(125) 사이에 직렬 접속됨에 비해, 도 6b에 도시된 히터(120')는 전극(125) 사이에서 병렬 접속된다. 한편, 히터(120, 120')는 도 7b에 도시된 바와 같이, 절연막(120)의 하부에 형성되어 있을 수도 있다.
도 7c에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 프린트 헤드는 잉크 챔버(200')와 노즐(240)의 구조가 전술한 실시예와 다르다. 즉, 잉크 챔버(200')의 바닥면은 전술한 실시예의 잉크 챔버(200)와 같이 대략 구면을 이루지만, 상부는 노즐(240)의 가장자리로부터 잉크 챔버(200') 쪽으로 연장되는 액적 가이드(250)와, 잉크 챔버(200')의 상부 벽을 이루는 절연막(110)의 아래 액적 가이드(250) 주위에 기판 물질이 약간 남아 있는 버블 가이드(204)가 형성되어 있다. 액적 가이드(250)와 버블 가이드(204)의 기능은 후술한다.
이와 같이 이루어진 일실시예 및 다른 실시예의 잉크 젯 프린트 헤드의 기능과 효과를 그 잉크 토출 메카니즘과 함께 상세히 설명한다.
도 8a 및 도 8b는 전술한 일실시예의 프린트 헤드의 잉크 토출 메카니즘을 도시한 단면도들이다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 모세관 현상에 의해 매니폴드(210), 잉크 채널(220)을 통해 공급된 잉크(300)가 잉크 챔버(200)에 채워진 상태에서, 환상 히터(120)에 펄스상 전류를 인가하면 히터(120)에서 발생된 열이 아래의 절연막(110)을 통해 전달되고 히터(120) 아래의 잉크(300)가 비등하여 버블(310)이 생성된다. 이 버블(310)의 형상은 환상 히터(120)의 모양에 따라 도 8a의 오른쪽에 도시된 바와 같이, 대략 도우넛 형상이 된다.
도우넛 형상의 버블(310)이 시간이 지남에 따라 팽창하면, 도 8b에 도시된 바와 같이, 노즐(240) 아래에서 합쳐져 중앙부가 오목한 대략 원반형의 버블(310')로 된다. 동시에, 팽창된 버블(310')에 의해 잉크 챔버(200) 내의 잉크가 토출된다(300' 참조).
인가했던 전류를 차단하면 냉각이 되면서 버블은 축소하거나, 아니면 그 전에 터뜨려지고, 잉크 챔버 내에는 다시 잉크(300)가 채워진다.
본 실시예의 잉크 토출 메카니즘에 따르면, 잉크 채널(220)과의 연결 통로를 제외하고 잉크 챔버(200)가 폐쇄된 구조이므로, 버블(310, 310')의 팽창이 반구형의 잉크 챔버(200) 내부로 한정되면서 잉크(300)의 역류가 방지되므로 인접한 다른 잉크 토출부와의 간섭(cross talk)이 일어나지 않는다. 더욱이, 도 5에 도시된 바와 같이, 잉크 챔버(200)와 잉크 채널(220)이 만나는 지점에는 버블 걸림턱(202)이 형성되어 있어, 버블(310, 310') 자체가 잉크 채널(210) 쪽으로 밀리는 것을 방지하는데 더욱 효과적이다.
또한, 도우넛 모양의 버블이 합쳐짐으로써 토출되는 잉크(300')의 꼬리를 잘라주게 되어 전술한 부 액적(satellite droplet)이 생기는 것을 억제한다.
도 9a 및 도 9b는 전술한 다른 실시예의 프린트 헤드의 잉크 토출 메카니즘을 도시한 단면도들이다.
전술한 일실시예의 잉크 토출 메카니즘과 다른 점만을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 버블(310")이 팽창할 때 버블 가이드(204)에 의해 잉크 챔버(200')의 아래쪽으로 팽창하고 노즐(240) 아래에서 합쳐질 확률은 적어진다. 그러나, 이 팽창된 버블(300")이 노즐(240) 아래에서 합쳐질 확률은 액적 가이드(250)와 버블 가이드(204)의 아래쪽으로 연장된 길이를 조절함으로써 조절할 수 있다. 한편, 토출되는 액적(300')은 노즐(240) 가장자리에서 아래로 연장된 액적 가이드(250)에 의해 토출방향이 가이드되어 정확히 기판(100)에 수직한 방향으로 토출되게 된다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드의 구조를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 11은 도 10의 11-11선 단면도이다. 또한, 도 12는 도 10의 단위 잉크 토출부(12)의 상세 평면도이고, 도 13은 도 12의 13-13선 단면도이다.
도 10 내지 도 13에 도시된 프린트 헤드의 구조를 전술한 일실시예 및 다른 실시예의 프린트 헤드와 다른 점을 중심으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 실시예의 프린트 헤드는 전술한 일실시예의 잉크 채널(도 4 및 도 5의 220)이 없이 잉크 챔버(200")와 매니폴드(210')가 바로 연결된다. 따라서, 전술한 일실시예에서 절연막(110)에 형성되었던 잉크 채널 형성용 홈(도 4 및 도 5의 170)도 없다.
또한, 잉크 챔버(200")가 기본적으로 반구형이긴 하지만 그 단면이 타원형으로 장반경의 일측이 매니폴드(210')와 직접 연결된다. 물론, 본 실시예에서 잉크 챔버는 반드시 그 단면이 타원형일 필요는 없고, 전술한 일실시예에서와 같이, 그 단면이 원형이더라도 상관없다. 그러나, 잉크 채널이 따로 없는 본 실시예에서 단면이 타원형인 잉크 챔버(200")는, 매니폴드(210')의 폭이 균일하지 않거나 설계된 치수를 넘어서 과도하게 넓어질 경우 매니폴드(210')와 잉크 챔버(200")간의 연결통로가 급격히 넓어지는 것을 방지한다. 즉, 잉크 챔버의 단면이 원형인 경우에 비해 단면이 타원형인 경우는 그 장반경의 일측을 절취하여 본 단면(원형)의 반경이 절취한 위치에 따른 변화가 완만하므로, 궁극적으로 공정 마진을 확보할 수 있게 해준다. 잉크 젯 프린터에 있어서, 잉크 챔버의 형상과 함께 잉크 챔버의 열린 부분 즉 잉크 채널 또는 매니폴드와의 연결 통로의 크기는, 챔버 내부압, 버블의 균일한 팽창여부, 잉크의 매니폴드 쪽으로의 역류, 잉크 토출에 걸리는 시간, 잉크 리필 시간, 전체적인 구동주파수 등 잉크 젯 프린터의 성능에 미치는 영향이 크다는 사실을 고려하면, 단면이 타원형인 잉크 챔버(200")가 더욱 바람직하다.
단면이 타원형인 잉크 챔버(200")에 따라, 본 실시예의 히터(120")도 노즐(240)을 중심으로 타원형이다. 그러나, 잉크 챔버(200")의 단면이 타원형이더라도 히터는 노즐(240)을 중심으로 원형으로 형성되어도 무방하다. 다만, 히터(120")가 타원형인 경우는 팽창하는 버블이 잉크 챔버(200")의 타원형 경계를 따라 더욱 균일하게 팽창할 수 있게 된다.
또한, 전술한 일실시예에서는 잉크 챔버 형성용 홈(도 5의 150)이 노즐(240)과 대략 일치하였지만, 본 실시예에서는 일치하지 않는다. 즉, 단면이 타원형인 잉크 챔버(200")를 형성하기 위해 절연막(110)에 형성된 잉크 챔버 형성용 홈(150') 역시 타원형으로 이루어진다.
나머지 구조 예컨대, 히터(120")와 절연막(110)의 위치관계, 히터(120")와 전극(125)의 직/병렬 접속 여부, 버블 가이드(도 7c의 204) 및 액적 가이드(도 7c의 250) 등은 전술한 실시예들에서와 마찬가지로 본 실시예에서도 가능하다. 또한,타원 도우넛형 버블의 생성 및 팽창, 그에 따른 잉크 토출 메카니즘도 전술한 실시예들과 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
다음으로, 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드를 제조하는 방법을 설명한다.
도 14a 내지 도 14f는 전술한 일실시예의 프린트 헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들로서, 도 4의 5-5선을 따라 본 단면도이다.
먼저, 기판(100)을 준비한다. 본 실시예에서 기판(100)은 그 두께가 대략 500㎛인 실리콘 기판을 사용한다. 이는, 반도체 소자의 제조에 널리 사용되는 실리콘 웨이퍼를 그대로 사용할 수 있어 대량생산에 효과적이기 때문이다.
이어서, 실리콘 웨이퍼를 배치식(batch type) 또는 매엽식(single wafer type) 산화장치에 넣고 습식 또는 건식 산화하면, 도 14a에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(100)의 표면이 산화되어 절연막(110)인 실리콘 산화막이 성장된다. 도 14a에 도시된 것은 실리콘 웨이퍼의 극히 일부를 도시한 것으로서, 본 발명에 따른 프린트 헤드는 하나의 웨이퍼에서 수십 내지 수백 개의 칩 상태로 제조되며, 제조후 절단되어 각각의 프린트 헤드가 된다. 또, 도 14a에서는 기판(100)의 표면과 배면 모두에 실리콘 산화막(110 및 112)이 성장된 것으로 도시되었는데, 이는 실리콘 웨이퍼의 배면도 산화 분위기에 노출되는 배치식 산화로를 사용하였기 때문이다. 그러나, 웨이퍼의 표면만 노출되는 매엽식 산화장치를 사용하는 경우는 배면에 실리콘 산화막(112)이 형성되지 않는다. 이와 같이 사용하는 장치에 따라 표면에만 또는 배면까지 소정의 물질막이 형성되는 것은 이하의 도 15b까지 같다. 이하에서는 편의상 다른 물질막(후술하는 실리콘 질화막 등)은 표면에만 형성되는 것으로 도시한다.
도 14b는 환상 히터(120) 및 그 위의 보호막(130, 140)이 형성된 상태를 도시한 것으로서, 이 환상 히터(120)는 절연막(110) 상에 다결정 실리콘이나 Ta-Al 합금을 증착한 다음 이를 환상으로 패터닝함으로써 형성된다. 구체적으로, 다결정 실리콘은 저압 화학기상증착법(low pressure chemical vapor deposition)으로 예컨대 대략 0.7∼1㎛ 두께로 증착될 수 있으며, Ta-Al 합금은 Ta-Al 합금 타겟 또는 Ta 타겟과 Al 타겟을 별로도 하는 멀티 타겟을 사용하여 스퍼터링(sputtering) 방법으로 예컨대 대략 0.1∼0.2㎛ 두께로 증착될 수 있다. 절연막(110) 상에 증착된 다결정 실리콘층이나 Ta-Al 합금층은 포토마스크와 포토레지스트를 이용한 사진공정과 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 다결정 실리콘층 또는 Ta-Al층을 식각하는 식각공정에 의해 패터닝된다.
이어서, 환상 히터(120)가 형성된 절연막(110) 전면에 히터 보호막으로서 실리콘 질화막(130)을 증착한다. 실리콘 질화막(130)은 예컨대 대략 0.5㎛ 두께로 역시 저압 화학기상증착법으로 증착될 수 있다.
이어서, 도시되지 않았지만, 사진식각공정으로 히터(120)와 전극(도 6a의 125)이 접속될 위치의 실리콘 질화막(130)을 식각하여 컨택홀을 형성한다. 전극(125)이 접속될 위치가 노출된 히터(120)와 실리콘 질화막(130)상에 도전성 금속 예컨대, Al이나 Al 합금을 스퍼터링 방법으로 증착하고 사진식각공정으로 패터닝함으로써 전극(125)을 형성한다. 이 Al이나 Al 합금층은 동시에 칩의 끝부분에서 본딩 패드(도 4의 28)를 이루도록 패터닝된다. 따라서, Al이나 Al 합금층은, 본딩패드(28)가 이후 가요성 인쇄회로 기판의 리드와 안정적으로 본딩되도록 대략 1㎛ 정도로 증착하는 것이 바람직하다. 한편, 전극(125)으로서 구리를 사용할 수도 있는데, 이 경우는 전기 도금을 이용하는 것이 바람직하다.
이어서, 히터(120) 및 전극(125)의 보호막으로서 TEOS(Tetraethyleorthosilane) 산화막(140)을 증착하면 도 14b에 도시된 바와 같이 된다. TEOS 산화막(140)은 예컨대 대략 1㎛ 두께로 화학기상증착법으로 증착될 수 있다.
한편, 위에서는 전극(125)이 실리콘 질화막(130)을 개재하여 컨택에 의해 히터(120)와 연결되는 것으로 설명했지만, 전극(125)은 직접 히터(120)와 접속될 수 있으며, 이 경우 전극 상에 형성되는 보호막은 실리콘 질화막이나 산화막의 어느 하나만을 형성해도 된다. 또한, 전극(125)은 실리콘 질화막(130)과 TEOS 산화막(140) 둘다를 개재하여 형성해도 된다.
도 14c에서는 환상 히터(120)의 안쪽에 환상 히터(120)의 직경보다 작은 직경의 잉크 챔버 형성용 홈(150), 환상 히터(120) 바깥쪽에 매니폴드 형성용 홈(160), 및 환상 히터(120) 바깥쪽에서 매니폴드 형성용 홈(160)과 연결되는 잉크 채널 형성용 홈(170)을 형성한다. 즉, 도 14b에 도시된 바와 같은 상태에서 TEOS 산화막(140) 상에 잉크 챔버 형성용 홈(150), 매니폴드 형성용 홈(160) 및 잉크 채널 형성용 홈(170)을 정의하는 식각마스크 예컨대 포토레지스트 패턴을 형성한 후, TEOS 산화막(140), 실리콘 질화막(130), 절연막(110)을 순차 식각하여 기판(100)을 노출한다. 잉크 챔버 형성용 홈(150)은 그 직경이 대략 16∼20㎛이 되도록 하고,잉크 채널 형성용 홈(170)은 그 폭이 대략 2㎛ 정도가 되도록 하며, 매니폴드 형성용 홈(160)은 그 폭이 대략 160㎛∼1㎜ 정도가 되도록 한다.
이어서, 각 홈들(150, 160, 170)을 정의한 식각마스크를 제거한 후, 노출된 실리콘 기판(100)을 등방성 식각하면 도 14d에 도시된 바와 같이 된다. 구체적으로 XeF2가스를 식각가스로 사용하여 소정시간 예컨대, 15∼30분 동안 건식식각한다. 그러면 도시된 바와 같이, 그 깊이와 반경이 대략 20㎛인 대략 반구형의 잉크 챔버(200)와, 깊이가 대략 20∼40㎛이고 폭이 500㎛∼2㎜인 매니폴드(210)가 형성되고, 잉크 챔버(200)와 매니폴드(210)를 연결하는 그 깊이와 반경이 대략 8㎛인 잉크 채널(220)이 형성된다. 또한, 잉크 챔버(200)와 잉크 채널(220)의 연결부위에는 식각에 의해 형성되는 잉크 챔버(200)와 잉크 채널(220)이 만나면서 형성되는 돌출된 버블 걸림턱(202)이 형성된다.
한편, 이와 같은 실리콘 기판(100)의 식각과정은, 보다 균일하고 정확한 수치의 잉크 챔버(200), 매니폴드(210), 잉크 채널(220)을 형성하기 위해, 이방성 식각과 등방성 식각의 두 단계로 진행될 수도 있다. 즉, 도 14e에 도시된 바와 같이, 도 14c의 결과물 상에, 잉크 챔버 형성용 홈(150) 및 매니폴드 형성용 홈(160)의 중앙 일부를 노출하는 포토레지스트 패턴(PR)을 형성한 다음, 기판(100)을 소정 깊이로 이방성 식각하여 각각 홀(180, 190)을 형성한다. 이 이방성 식각은 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma)를 이용한 건식식각이나 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching)을 이용할 수 있다. 이어서, 포토레지스트 패턴(PR)을 제거하고, 노출된 실리콘 기판(100)을 전술한 바와 같이 등방성 식각함으로써 도14d에 도시된 바와 같은 구조를 얻을 수 있다. 물론, 각 홈들(150, 160, 170)의 개구폭의 차에 의해 기판(100)의 식각율은 달라지므로, 이러한 두 단계의 식각이 반드시 필요한 것은 아니다.
마지막으로, 도 14d의 결과물 전면에 폴리이미드 등의 내열성 폴리머 필름을 부착하여 보호막(230)을 형성하고 노즐(240)을 뚫음으로써 본 실시예에 따른 프린트 헤드를 완성한다. 구체적으로, 15∼20㎛ 정도의 두께를 가지는 폴리이미드 필름을 기판 상에 올려 놓고 가열·가압하여 부착한다. 이로써 각각 잉크 챔버(200), 매니폴드(210) 및 잉크 채널(220)을 형성하기 위해 형성했던 잉크 챔버 형성용 홈(150), 매니폴드 형성용 홈(160) 및 잉크 채널 형성용 홈(170)이 모두 덮이게 된다. 이후, 엑시머 레이저 등을 이용하여 보호막(230)에 노즐(240)을 형성한다. 노즐(240)은 대략 16∼18㎛ 정도의 직경을 가지도록 한다.
한편, 이 보호막(230)은 각 잉크 토출부를 구동하기 위한 전원과 배선들이 형성된 가요성 인쇄회로 기판을 겸할 수 있다. 또한, 노즐(240)은 보호막(230) 부착전에 미리 뚫을 수도 있다.
도 15a 및 도 15b는 전술한 다른 실시예(도 7c 참조)의 프린트 헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들이다.
본 실시예의 제조방법은 전술한 일실시예의 제조방법중 도 14c까지는 동일하고, 그 이후에 도 15a 및 도 15b에 도시된 단계를 더 수행한다.
즉, 도 14c의 결과물 전면에 잉크 챔버 형성용 홈(150)만을 노출하는 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한 다음, 기판(100)을 소정 깊이로 식각하여 홀(180)을형성한다. 이어서, 포토레지스트 패턴을 제거하고, 홀(180)의 측벽에 스페이서(250)를 형성한다. 구체적으로, 홀(180)이 형성된 기판(100) 전면에 소정의 물질층 예컨대 TEOS 산화막을 대략 1㎛ 두께로 증착하고, TEOS 산화막을 실리콘 기판(100)이 노출될 때까지 이방성 식각하면 도 15a에 도시된 바와 같이, 홀(180), 매니폴드 형성용 홈(160) 및 잉크 채널 형성용 홈(170)의 측벽에 스페이서(250, 252)가 형성된다.
도 15a에 도시된 상태에서 전술한 일실시예에서와 같이, 노출된 실리콘 기판(100)을 등방성 식각하면, 도 15b에 도시된 바와 같이 노즐(240) 가장자리에 버블 가이드(204) 및 액적 가이드(250)가 형성된 잉크 챔버(200'), 매니폴드(210) 및 잉크 채널(220)이 형성된다. 마지막으로 전술한 실시예에서와 같이 보호막(230)을 형성하고 노즐(240)을 뚫음으로써 다른 실시예의 프린트 헤드가 완성된다.
한편, 전술한 또 다른 실시예의 프린트 헤드(도 10 내지 도 13 참조)도 전술한 실시예들의 제조방법을 응용하면, 잉크 챔버 형성용 홈(170)을 형성하지 않는다는 점을 제외하고, 거의 동일한 방식으로 제조할 수 있으므로 그 상세한 설명은 생략한다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명했지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 다양한 균등한 변형예가 가능하다. 예컨대, 본 발명의 프린트 헤드의 각 요소를 구성하는 물질은 예시되지 않은 물질로 이루어질 수도 있다. 즉, 기판(100)은 반드시 실리콘이 아니라도 가공성이 좋은 다른 물질로 대체될 수 있고, 히터(120)나 전극(125), 실리콘 산화막, 질화막 등도 마찬가지이다. 또, 각 물질막의 적층 및 형성방법도 단지 예시된 것으로서, 다양한 증착방법과 식각방법이 적용될 수 있다.
아울러, 각 단계에서 예시된 구체적인 수치는 제조된 프린트 헤드가 정상적으로 동작할 수 있는 범위 내에서 예시된 범위를 넘어 얼마든지 변경가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 버블의 모양을 도우넛 형태로 함으로써 잉크의 역류를 방지할 수 있어 다른 잉크 토출부와의 간섭을 피할 수 있다. 잉크 챔버의 형상을 반구형으로 한 점, 잉크 채널의 깊이를 잉크 챔버보다 얕게 한 점 및 잉크 챔버와 잉크 채널의 연결부위에 돌출된 걸림턱을 형성한 점 등도 잉크의 역류를 방지하는 효과를 가져온다.
이러한 본 발명의 프린트 헤드의 잉크 챔버, 매니폴드와의 잉크 챔버의 연결관계 및 히터의 형상은 궁극적으로 프린트 헤드의 빠른 응답 속도와 높은 구동 주파수를 보장한다.
또한, 도우넛 모양의 버블을 중앙에서 합쳐지게 함으로써 부 액적(satellite droplet)의 발생을 억제할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 의하면 노즐 가장자리에 버블 및 액적 가이드를 형성함으로써 액적이 기판에 정확히 수직인 방향으로 토출되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 프린트 헤드 제조방법에 의하면, 잉크 챔버 및 매니폴드가 동일 표면에 형성된 기판과, 노즐판, 환상 히터 등을 기판에 일체화하여 형성함으로써, 공정이 단순해진다.
아울러, 본 발명의 제조방법에 의하면, 일반적인 반도체 소자의 제조공정과 호환이 가능하며 대량생산이 용이해진다.

Claims (20)

  1. 잉크를 공급하는 매니폴드 및 상기 매니폴드와 연결되고 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버가 동일한 표면에서 리세스되어 일체로 형성된 기판;
    상기 매니폴드와 잉크 챔버 사이에, 상기 매니폴드와 잉크 챔버를 연결하며 상기 기판의 상기 동일한 표면에서 리세스되어 일체로 형성된 잉크 채널;
    상기 기판 상에 적층되어 상기 매니폴드 및 잉크 챔버를 덮고, 상기 잉크 챔버의 중앙부에 대응되는 위치에는 노즐이 형성된 노즐판;
    상기 노즐판에 형성되고, 상기 노즐의 주위에 환상으로 형성된 히터; 및
    상기 히터와 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 전극을 구비하고,
    상기 잉크 챔버는 그 형상이 실질적으로 반구형인 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 잉크 채널의 깊이는 상기 잉크 챔버의 깊이보다 얕은 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
  4. 제1항에 있어서, 상기 잉크 챔버와 잉크 채널의 연결 부위에, 상기 잉크 채널의 바닥보다 높게 돌출된 버블 걸림턱이 형성된 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
  5. 잉크를 공급하는 매니폴드 및 상기 매니폴드와 연결되고 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버가 동일한 표면에서 리세스되어 일체로 형성된 기판;
    상기 기판 상에 적층되어 상기 매니폴드 및 잉크 챔버를 덮고, 상기 잉크 챔버의 중앙부에 대응되는 위치에는 노즐이 형성된 노즐판;
    상기 노즐판에 형성되고, 상기 노즐의 주위에 환상으로 형성된 히터; 및
    상기 히터와 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 전극을 구비하고,
    상기 잉크 챔버는 그 형상이 실질적으로 반구형이며 그 단면 형상이 타원형이고 그 장반경의 일측이 상기 매니폴드쪽에 위치하여, 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드가 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
  6. 제5항에 있어서, 상기 히터는 단면이 타원형인 상기 잉크 챔버의 형상에 따라 타원형인 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
  7. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 노즐판은,
    상기 기판 상에 적층되고, 상기 잉크 챔버의 중앙부에 대응되는 위치에 잉크 챔버 형성용 홈과 상기 매니폴드 중앙부에 대응되는 위치에 매니폴드 형성용 홈이 형성된 절연막; 및
    상기 절연막 상에 적층되어 상기 매니폴드 형성용 홈을 덮으며 상기 노즐이 형성된 보호막을 구비하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
  8. 제7항에 있어서, 상기 보호막은 폴리이미드 필름으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
  9. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 노즐의 가장자리에서 상기 잉크 챔버의 깊이 방향으로 연장된 버블 및 액적 가이드가 형성된 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
  10. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 히터는 "C"자 모양이고 상기 전극이 상기 "C"자 모양 히터의 양단부에 각각 접속되는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
  11. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 히터는 "O"자 모양이고 상기 전극이 상기 "O"자 모양 히터의 대칭되는 두 지점에 각각 접속되는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
  12. 기판의 표면에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 절연막 상에 환상의 히터를 형성하는 단계;
    상기 절연막 상에 상기 환상 히터와 전기적으로 연결되는 전극을 형성하는 단계;
    상기 절연막을 식각하여 상기 환상 히터의 안쪽에 상기 환상 히터의 직경보다 작은 직경의 잉크 챔버 형성용 홈과, 상기 환상 히터의 바깥쪽에 매니폴드 형성용 홈을 형성하는 단계;
    상기 잉크 챔버 형성용 홈과 매니폴드 형성용 홈이 형성된 절연막을 식각마스크로 하여 상기 기판을 식각하여, 상기 환상 히터의 직경보다 큰 직경을 가지고 실질적으로 반구형의 형상을 가지는 잉크 챔버와, 매니폴드를 형성하는 단계; 및
    상기 잉크 챔버의 중앙부에 대응되는 위치에 노즐이 형성된 보호막을 상기 기판 전면에 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 기판을 식각하는 단계는,
    상기 잉크 챔버 형성용 홈과 매니폴드 형성용 홈이 형성된 절연막을 식각마스크로 하여 상기 기판을 소정 깊이로 이방성 식각하는 단계; 및
    상기 이방성 식각에 이어 상기 기판을 등방성 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 절연막을 식각하는 단계에서 상기 환상 히터의 바깥쪽에서 상기 매니폴드 형성용 홈과 연결되는 잉크 채널 형성용 홈을 더 형성함으로써, 상기 기판을 식각하는 단계에서 상기 잉크 챔버 및 매니폴드와 함께 상기 잉크 챔버와 매니폴드를 연결하는 잉크 채널을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 잉크 챔버 형성용 홈은 타원형인 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 절연막을 식각하는 단계와 기판을 식각하는 단계 사이에,
    상기 절연막 상에 상기 잉크 챔버 형성용 홈을 노출하는 식각마스크를 형성하는 단계;
    상기 식각마스크 및 절연막에 의해 노출된 상기 기판을 소정 깊이로 이방성 식각하여 홀을 형성하는 단계;
    상기 식각마스크를 제거하는 단계; 및
    상기 홀의 측벽에 스페이서를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 기판은 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 절연막은 상기 실리콘 기판의 표면을 산화함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
  19. 제12항에 있어서, 상기 히터는 불순물이 도핑된 다결정 실리콘 또는 Ta-Al 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
  20. 제12항에 있어서, 상기 보호막은 폴리이미드 필름으로 이루어진 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
KR10-2000-0041747A 2000-07-20 2000-07-20 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조방법 KR100408268B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2000-0041747A KR100408268B1 (ko) 2000-07-20 2000-07-20 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조방법
US09/835,348 US6649074B2 (en) 2000-07-20 2001-04-17 Bubble-jet type ink-jet print head and manufacturing method thereof
US10/663,796 US6926389B2 (en) 2000-07-20 2003-09-17 Bubble-jet type ink-jet print head and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2000-0041747A KR100408268B1 (ko) 2000-07-20 2000-07-20 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20020008274A KR20020008274A (ko) 2002-01-30
KR100408268B1 true KR100408268B1 (ko) 2003-12-01

Family

ID=19679065

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2000-0041747A KR100408268B1 (ko) 2000-07-20 2000-07-20 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조방법

Country Status (2)

Country Link
US (2) US6649074B2 (ko)
KR (1) KR100408268B1 (ko)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW510858B (en) * 2001-11-08 2002-11-21 Benq Corp Fluid injection head structure and method thereof
US7252368B2 (en) * 2002-07-12 2007-08-07 Benq Corporation Fluid injector
KR100642689B1 (ko) * 2002-07-18 2006-11-10 캐논 가부시끼가이샤 잉크젯 기록 헤드, 잉크젯 기록 헤드의 구동 방법 및 잉크젯 기록 헤드용 기판
KR100438842B1 (ko) * 2002-10-12 2004-07-05 삼성전자주식회사 금속 노즐 플레이트를 가진 일체형 잉크젯 프린트헤드 및그 제조방법
KR100493160B1 (ko) * 2002-10-21 2005-06-02 삼성전자주식회사 테이퍼 형상의 노즐을 가진 일체형 잉크젯 프린트헤드 및그 제조방법
TWI253986B (en) * 2003-06-24 2006-05-01 Benq Corp Fluid ejection apparatus
US7213908B2 (en) * 2004-08-04 2007-05-08 Eastman Kodak Company Fluid ejector having an anisotropic surface chamber etch
US7105456B2 (en) * 2004-10-29 2006-09-12 Hewlett-Packard Development Company, Lp. Methods for controlling feature dimensions in crystalline substrates
WO2007064021A1 (ja) * 2005-11-29 2007-06-07 Canon Kabushiki Kaisha 液体吐出方法、液体吐出ヘッド、及び液体吐出装置
KR101155991B1 (ko) * 2007-06-27 2012-06-18 삼성전자주식회사 잉크젯 화상형성기기의 헤드칩 및 그 제조방법
US8167406B2 (en) * 2009-07-29 2012-05-01 Eastman Kodak Company Printhead having reinforced nozzle membrane structure
US8919928B2 (en) 2011-01-31 2014-12-30 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Fluid ejection device having firing chamber with mesa
US8783831B2 (en) 2011-01-31 2014-07-22 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Fluid ejection device having firing chamber with contoured floor
JP5740371B2 (ja) * 2012-09-11 2015-06-24 東芝テック株式会社 インクジェットヘッド
DE112012007239B4 (de) * 2012-12-20 2021-11-25 Hewlett-Packard Development Co.,L.P. Fluidausstossvorrichtung mit partikeltoleranter Schichterweiterung
US9895885B2 (en) 2012-12-20 2018-02-20 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Fluid ejection device with particle tolerant layer extension
JP6463034B2 (ja) * 2013-09-24 2019-01-30 キヤノン株式会社 液体吐出ヘッド

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3717294C2 (de) * 1986-06-10 1995-01-26 Seiko Epson Corp Tintenstrahlaufzeichnungskopf
US6019457A (en) * 1991-01-30 2000-02-01 Canon Information Systems Research Australia Pty Ltd. Ink jet print device and print head or print apparatus using the same
JPH05338178A (ja) 1991-12-23 1993-12-21 Canon Inf Syst Res Australia Pty Ltd インクジェットプリントデバイス
IT1250371B (it) * 1991-12-24 1995-04-07 Olivetti & Co Spa Testina di stampa a getto d'inchiostro perfezionata.
US5278584A (en) * 1992-04-02 1994-01-11 Hewlett-Packard Company Ink delivery system for an inkjet printhead
AUPN623895A0 (en) * 1995-10-30 1995-11-23 Eastman Kodak Company A manufacturing process for lift print heads with nozzle rim heaters
JPH09267494A (ja) * 1996-01-31 1997-10-14 Sony Corp プリンタ装置及びその製造方法
SE509932C2 (sv) * 1997-06-06 1999-03-22 David Westberg Vätskestrålemunstycke
US6267904B1 (en) * 1997-07-15 2001-07-31 Skyerbrook Research Pty Ltd Method of manufacture of an inverted radial back-curling thermoelastic ink jet
US6171510B1 (en) * 1997-10-30 2001-01-09 Applied Materials Inc. Method for making ink-jet printer nozzles
US6180536B1 (en) * 1998-06-04 2001-01-30 Cornell Research Foundation, Inc. Suspended moving channels and channel actuators for microfluidic applications and method for making

Also Published As

Publication number Publication date
US6926389B2 (en) 2005-08-09
KR20020008274A (ko) 2002-01-30
US20040165036A1 (en) 2004-08-26
US20020008733A1 (en) 2002-01-24
US6649074B2 (en) 2003-11-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100397604B1 (ko) 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조방법
KR100429844B1 (ko) 일체형 잉크 젯 프린트헤드 및 그 제조방법
US6868605B2 (en) Method of manufacturing a bubble-jet type ink-jet printhead
KR100408268B1 (ko) 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조방법
KR100374788B1 (ko) 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드, 그 제조방법 및잉크 토출방법
KR100400015B1 (ko) 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법
KR100552660B1 (ko) 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드
KR100506082B1 (ko) 반구형 잉크 챔버를 가진 잉크 젯 프린트 헤드의 제조 방법
KR100668294B1 (ko) 반구형 잉크 챔버를 가진 잉크 젯 프린트 헤드 및 그제조방법
KR100433530B1 (ko) 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법
KR100552662B1 (ko) 다중 배열 구조를 가진 고밀도 잉크 젯 프린트 헤드
KR100400229B1 (ko) 버블젯 방식의 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법
KR100421216B1 (ko) 버블젯 방식의 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제작방법
KR100506080B1 (ko) 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조 방법
KR100474838B1 (ko) 반구형 잉크 챔버를 가진 잉크 젯 프린트 헤드
KR100668295B1 (ko) 반구형 잉크 챔버를 가진 잉크 젯 프린트 헤드 및 soi웨이퍼를 이용한 그 제조 방법
KR100438837B1 (ko) 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드
KR100400228B1 (ko) 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법
KR100421027B1 (ko) 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법
KR20020061983A (ko) 반구형 잉크 챔버를 가진 잉크 젯 프린트 헤드

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20111028

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121030

Year of fee payment: 10

LAPS Lapse due to unpaid annual fee