KR100425306B1 - 버블젯 방식의 잉크젯 프린트헤드 - Google Patents

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Abstract

버블젯 방식의 잉크젯 프린트헤드가 개시된다. 개시된 프린트헤드는, 베이스 플레이트와 격벽과 노즐 플레이트가 적층된 구조를 가진다. 베이스 플레이트는 그 표면에 소정 깊이의 오목홈이 형성된 기판과, 기판상에 형성되는 단열층과, 단열층 위에 형성되어 열에너지를 발생시키는 히터와, 히터 위에 형성되어 히터를 보호하는 보호층을 포함한다. 격벽은 베이스 플레이트 위에 적층되며 오목홈 상부에 위치하여 그 바닥면이 오목하게 형성된 잉크 챔버와 잉크 챔버와 연통되는 잉크 유로를 한정한다. 노즐 플레이트는 격벽 위에 적층되며, 잉크 챔버에 대향하는 위치에 잉크의 토출이 이루어지는 노즐이 형성된다. 이와 같은 구성에 의하면, 오목홈에 의해 잉크 챔버를 둘러싸는 격벽의 높이가 보다 낮아지게 되므로, 잉크가 격벽 내부로 스며들어 발생되는 층리 현상이 억제되며, 잉크 액적의 직진성과 토출 속도 등 인쇄 성능이 개선된다.

Description

버블젯 방식의 잉크젯 프린트헤드{Bubble-jet type inkjet printhead}
본 발명은 버블젯 방식의 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 잉크 챔버의 바닥면이 위치하는 기판 상에 오목홈이 형성된 잉크젯 프린트헤드에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 프린트헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린터의 잉크 토출 방식으로는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 이 힘으로 잉크를 토출시키는 전기-열 변환 방식(electro-thermal transducer, 버블젯 방식)과, 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적 변화에 의해 잉크를 토출시키는 전기-기계 변환 방식(electro-mechanical transducer)이 있다.
상술한 버블젯 방식의 잉크젯 프린트헤드에 있어서, 잉크는 잉크 저장고(inkreservoir)로부터 잉크 유로를 통해 잉크 챔버(ink chamber) 내로 공급된다. 잉크 챔버 내에 채워진 잉크는 그 내부에 마련된 히터에 의해 가열되며, 이에 의해 발생된 버블의 압력에 의해 노즐을 통해 액적의 형태로 토출된다.
도 1은 종래의 버블젯 방식의 잉크젯 프린트헤드의 구성을 나타내 보인 개략적인 부분 절개 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 종래의 잉크젯 프린트헤드의 수직 구조를 나타내 보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 잉크젯 프린트헤드는 기판 상에 수 개의 물질층이 적층되어 이루어진 베이스 플레이트(10)와, 베이스 플레이트(10) 위에 적층되어 잉크 챔버(22)와 잉크 유로(26)를 한정하는 격벽(barrier, 20)과, 격벽(20) 위에 적층되는 노즐 플레이트(30)로 이루어져 있다. 잉크 챔버(22) 내에는 잉크가 채워지며, 잉크 챔버(22)의 바닥면(24) 아래에는 잉크를 가열하여 버블을 생성시키기 위한 히터(도 2의 13)가 마련되어 있다. 잉크 유로(26)는 잉크 챔버(22) 내부로 잉크를 공급하기 위한 통로로서 도시되지 않은 잉크 저장고와 연결되어 있다. 노즐 플레이트(30)에는 각각의 잉크 챔버(22)에 대응하는 위치에 잉크의 토출이 이루어지는 다수의 노즐(32)이 형성되어 있다.
상기와 같은 구성의 종래의 잉크젯 프린트헤드의 수직 구조를 도 2를 참조하여 설명하면, 실리콘으로 이루어진 기판(11) 상에는 히터(13)에서 발생된 열에너지가 기판(11)쪽으로 빠져나가는 것을 억제하기 위한 단열층(12)이 형성되어 있다. 단열층(12)은 주로 기판(11) 상에 증착된 실리콘 산화막으로 이루어진다. 단열층(12) 위에는 다시 잉크 챔버(22) 내의 잉크를 가열하여 버블을 발생시키기위한 히터(13)가 형성되어 있다. 이 히터(13)는 예컨대 탄탈륨-알루미늄 합금을 박막의 형태로 스퍼터링함으로써 증착된다. 히터박막(13) 위에는 여기에 전류를 인가하기 위한 도체(conductor)(14)가 마련되어 있다. 이 도체(14)는 예컨대 알루미늄-구리 합금으로 이루어진다. 히터박막(13)과 도체(14) 위에는 이들을 보호하기 위한 보호층(passivation layer)(15a, 15b)이 형성되어 있다. 보호층(15a, 15b)은 히터(13)와 도체(14)가 산화되거나 잉크와 직접 접촉되는 것을 방지하기 위한 것으로 실리콘 질화막으로 이루어진 제1 보호층(15a)과 실리콘 카바이드막으로 이루어진 제2 보호층(15b)의 두 개의 층으로 형성된다. 그리고, 제2 보호층(15b) 위에는 잉크 챔버(22)가 형성되는 부위에 캐비테이션 방지층(anticavitation layer)(16)이 형성되어 있다. 캐비테이션 방지층(16)은 그 상면이 잉크 챔버(22)의 바닥면(24)을 형성하여 잉크 챔버(22) 내의 버블이 소멸될 때 발생하는 높은 기압에 의해 히터(13)가 손상되는 것을 방지하기 위한 것으로, 주로 탄탈륨 박막이 이용된다.
이와 같이 기판(11) 상에 수 개의 층이 적층되어 형성된 베이스 플레이트(10) 위에는 잉크 챔버(22)와 잉크 유로(26)를 형성하기 위한 격벽(20)이 적층되어 있다. 격벽(20)은 감광성 폴리머(photosensitive polymer)를 베이스 플레이트(10) 상에 가열, 가압하여 압착하는 라미네이션(lamination)방법에 의해 도포한 뒤, 이를 패터닝함으로써 형성된다. 이때, 감광성 폴리머의 도포 두께는 대략 25~35㎛ 정도이며, 이는 토출되는 잉크 액적의 부피에 따라 요구되는 잉크 챔버(22)의 높이에 의해 정해진다.
격벽(20) 위에는 노즐(32)이 형성되어 있는 노즐 플레이트(30)가 적층되어있다. 노즐 플레이트(30)는 폴리이미드(polyimide) 또는 니켈로 이루어져 있으며, 격벽(20)을 이루는 감광성 폴리머의 접착성을 이용하여 격벽(20) 위에 가열, 가압하여 접착하게 된다.
이와 같은 종래의 잉크젯 프린트헤드의 구조에 있어서, 격벽(20)을 이루는 감광성 폴리머는 베이스 플레이트(10)와 노즐 플레이트(30) 사이에서 접착층의 역할과 함께 잉크 챔버(22)를 둘러싸는 역할도 하게 된다. 그런데, 잉크 챔버(22) 내에 채워지는 잉크는 60~70% 정도의 물을 함유하고 있으며, 이 물은 베이스 플레이트(10), 격벽(20) 및 노즐 플레이트(30) 각각의 사이의 접착 계면으로 스며들며, 또한 격벽(20)을 이루는 폴리머 내부로도 스며들게 된다. 이러한 형상은 프린트헤드를 형성하는 각 구성요소간의 층리(delamination)를 야기시키므로 프린트헤드의 불량의 주요 요인이 된다.
또한, 잉크 토출시 잉크 유로(26)를 통해 인접한 잉크 챔버(22)에 그 압력이 전파되어 버블의 형성과 잉크의 토출 특성에 영향을 미치게 되는 간섭(crosstalk) 현상도 발생하기 쉽다.
그리고, 베이스 플레이트(10) 상에 격벽(20)을 형성한 후 노즐 플레이트(30)를 접착하게 되므로, 격벽(20)의 높이가 높은 경우에는 노즐 플레이트(30)의 가열, 가압에 의한 접착시 격벽(20)이 변형되기 쉽다. 이에 따라 노즐(32)과 잉크 챔버(22) 및 히터(13) 사이에 오정렬이 발생하여 프린트헤드의 성능에 악영향을 미치는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 잉크 챔버의 바닥면이 위치하는 기판 상에 오목홈을 형성함으로써 잉크 챔버의 격벽 높이를 낮추어 층리를 방지하고 잉크 액적의 토출 특성을 개선한 버블젯 방식의 잉크젯 프린트헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 버블젯 방식의 잉크젯 프린트헤드의 구성을 나타내 보인 개략적인 부분 절개 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 종래의 잉크젯 프린트헤드의 수직 구조를 나타내 보인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구성을 나타내 보인 개략적인 부분 절개 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 수직 구조를 나타내 보인 단면도이다.
도 5는 잉크 챔버를 둘러싸는 격벽의 두께에 따른 잉크 액적의 부피와 토출 속도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 기판 상에 형성된 오목홈 부위의 단면 확대 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 기판 상에 형성된 오목홈 부위의 평면 확대 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110...베이스 플레이트 111...기판
112...단열층 113...히터
114...도체 115...보호층
116...캐비테이션 방지층 119...오목홈
120...격벽 122...잉크 챔버
124...잉크 챔버 바닥면 126...잉크 유로
130...노즐 플레이트 132...노즐
상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 그 표면에 소정 깊이의 오목홈이 형성된 기판과, 상기 기판상에 형성되는 단열층과, 상기 단열층 위에 형성되어 열에너지를 발생시키는 히터와, 상기 히터 위에 형성되어 상기 히터를 보호하는 보호층을 포함하는 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트 위에 적층되며, 상기 오목홈 상부에 위치하여 그 바닥면이 오목하게 형성된 잉크 챔버와 상기 잉크 챔버와 연통되는 잉크 유로를 한정하는 격벽; 및 상기 격벽 위에 적층되며, 상기 잉크 챔버에 대향하는 위치에 잉크의 토출이 이루어지는 노즐이 형성된 노즐 플레이트;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 오목홈은 상기 잉크 챔버가 형성될 상기 기판 표면의 소정 부위를 습식 또는 건식 식각함으로써 형성되며, 그 깊이는 1~20㎛, 바람직하게는 5~15㎛로 형성된다.
그리고, 상기 단열층은 상기 기판의 표면을 산화시켜 형성한 실리콘 산화막으로 이루어질 수 있으며, 그 두께는 1~5㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 히터는 탄탈륨-알루미늄 합금 또는 폴리실리콘으로 이루어질 수 있으며, 그 두께는 500~5,000Å인 것이 바람직하다.
또, 상기 보호층은 상기 히터 위에 증착된 실리콘 질화막으로 이루어지거나, 상기 히터 위에 순차 증착된 실리콘 질화막과 실리콘 카바이드막의 두 개의 막으로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 보호층 위에 상기 히터의 손상을 방지하기 위한 탄탈륨막으로 이루어진 캐비테이션 방지층이 형성되는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 실리콘 질화막, 실리콘 카바이드막 및 탄탈륨막의 두께는 0.1~1.0㎛인 것이 바람직하다.
한편, 상기 격벽은 감광성 폴리머를 사용한 포토리소그라피 공정에 의해 형성될 수 있다. 그리고, 상기 감광성 폴리머는 건조된 필름 형태로 되어 있으며, 라미네이션 방법에 의해 상기 베이스 플레이트 상에 5~24㎛의 두께로 도포되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 노즐 플레이트는 폴리이미드 또는 니켈로 이루어질 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 상기 기판상에 형성된 오목홈에 의해 잉크 챔버를 둘러싸는 격벽의 높이가 보다 낮아지게 되므로, 잉크가 격벽 내부로 스며들어 발생되는 층리 현상이 억제되며, 잉크 액적의 직진성과 토출 속도 등 인쇄 성능이 개선된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 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 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 그 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구성을 나타내 보인 개략적인 부분 절개 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 버블젯 방식의 잉크젯 프린트헤드는 베이스 플레이트(110)와 격벽(barrier)(120)과 노즐 플레이트(130)가 순차 적층된 구조를 가진다. 격벽(120)은 잉크가 그 내부에 채워지는 잉크 챔버(122)와 잉크를 도시되지 않은 잉크 저장고로부터 잉크 챔버(122) 내부로 공급하는 잉크 유로(126)를 한정한다. 즉, 격벽(120)은 잉크 챔버(122)와 잉크 유로(126)를 둘러싸는 측벽을 이루게 된다. 베이스 플레이트(110)는 기판(도 4의 111) 상에 수 개의 물질층이 적층되어 이루어지며, 그 상면 중 잉크 챔버(122)의 바닥면(124)을 이루는 부위는 오목하게 형성되어 있다. 이는 결과적으로 잉크 챔버(122)를 둘러싸는 격벽(120)의 높이를 낮출 수 있게 하는데, 이에 대해서는 뒤에서 상세히 설명하기로 한다. 노즐 플레이트(130)에는 각각의 잉크 챔버(122)에 대응하는 위치에 잉크의 토출이 이루어지는 다수의 노즐(132)이 형성되어 있다.
이와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 수직 구조는 도 4에 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 베이스 플레이트(110)는 기판(111) 상에 수 개의 물질층이적층되어 형성된다. 여기에서 사용되는 기판(111)은 실리콘 기판인 것이 바람직한데, 이는 반도체 소자의 제조에 널리 사용되는 실리콘 웨이퍼를 그대로 사용할 수 있어 대량생산에 효과적이기 때문이다.
그리고, 본 발명의 특징부로서, 기판(111)의 표면 소정 부위, 즉 잉크 챔버(122)가 형성될 부위에는 오목홈(recess)(119)이 형성된다. 오목홈(119)은 잉크 챔버(122)의 형상에 맞추어 기판(111)의 표면에 식각될 영역을 한정하는 식각마스크를 형성하고 그 영역을 에칭액(etchant)을 사용하여 습식 식각하거나 또는 반응성 가스와 플라즈마를 사용하여 건식 식각함으로써 형성될 수 있다. 그리고, 오목홈(119)은 대략 1~20㎛ 정도의 깊이로 형성되는데, 그 깊이가 20㎛ 보다 큰 경우에는 그 위에 단열층(112), 히터(113) 및 보호층(115) 등을 증착시키는 것이 곤란하게 되며, 그 깊이가 1㎛ 보다 작은 경우에는 그 효과가 크게 나타나지 않게 된다. 따라서, 오목홈(119)은 토출되는 잉크 액적의 부피와 토출 속도를 고려하여 정해진 잉크 챔버(122)의 높이와 격벽(120)의 두께에 따라 상기한 범위 내에서 적정한 깊이를 가지도록 형성되며, 바람직하게는 5~15㎛ 정도의 깊이를 갖게 된다. 도 6을 참조하면, 기판(111)의 표면에 형성된 오목홈(119)은 그 깊이가 대략 14㎛ 정도이고, 그 측면은 경사져 있다. 오목홈(119)의 측면이 경사지게 형성되는 것은 그 위에 다른 물질층들이 보다 쉽게 적층될 수 있도록 하기 위함이다. 그리고, 오목홈(119)의 평면 형상은 잉크 챔버(122)의 평면 형상에 따라 원형 또는 다각형으로 될 수 있는데, 도 7에는 한 변의 길이가 대략 130㎛ 정도인 사각형 형상으로 형성된 오목홈(119)이 도시되어 있다.
상기한 바와 같이 오목홈(119)이 형성되어 있는 기판(111)의 표면에는 히터(113)에서 발생된 열에너지가 기판(111)쪽으로 빠져나가는 것을 억제하기 위한 단열층(112)이 형성된다. 단열층(112)은 기판(111)의 표면을 산화시켜 형성하는 실리콘 산화막으로 이루어지는 것이 바람직하며, 그 두께는 대략 1~5㎛ 정도이다.
단열층(112) 위에는 잉크 챔버(122) 내의 잉크를 가열하여 버블을 발생시키기 위한 히터(113)가 형성된다. 이 히터(113)는 저항 발열체로서 예컨대 탄탈륨-알루미늄 합금을 500~5,000Å 정도, 바람직하게는 500~2,000Å 정도의 두께를 가진 박막의 형태로 기판(111) 상에 스퍼터링함으로써 증착될 수 있다. 또한, 이 히터(113)는 기판(111) 상에 불순물이 도핑된 폴리 실리콘막을 증착시킨 다음 이를 패터닝함으로써 형성될 수도 있다. 히터(113)가 폴리 실리콘으로 이루어지는 경우에는, 기판(111) 전면에 저압 화학기상증착법으로 불순물, 예컨대 인(P)의 소스가스와 함께 폴리 실리콘을 증착한 뒤, 증착된 폴리 실리콘막을 포토마스크와 포토레지스트를 이용한 사진공정과 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 식각하는 식각공정에 의해 패터닝하게 된다.
히터박막(113) 위에는 여기에 전류를 인가하기 위한 도체(conductor)(114)가 형성된다. 이 도체(114)는 예컨대 알루미늄-구리 합금으로 이루어진다.
히터박막(113)과 도체(114) 위에는 이들을 보호하기 위한 보호층(passivation layer)(115)이 형성된다. 보호층(115)은 히터(113)와 도체(114)가 산화되거나 잉크와 직접 접촉되는 것을 방지하기 위한 것으로, 실리콘 질화막(SiN:H)으로 이루어진 것이 바람직하다. 이 실리콘 질화막은 저압 화학기상증착법(Low pressure chemical vapor deposition; LPCVD)에 의해 0.1~1.0㎛ 정도의 두께, 바람직하게는 0.3~0.7㎛ 정도의 두께로 증착된다.
한편, 상기 보호층(115)은 두 개의 층으로 이루어질 수 있으며, 이 경우에는 상기한 실리콘 질화막 상에 다시 내화학성을 증진시키기 위한 실리콘 카바이드막(SiC:H)이 0.1~1.0㎛ 정도의 두께, 바람직하게는 0.3~0.7㎛ 정도의 두께로 증착된다.
그리고, 상기 보호층(115) 위에는 잉크 챔버(122)가 형성되는 부위에 캐비테이션 방지층(anticavitation layer)(116)이 형성된다. 캐비테이션 방지층(116)은 그 상면이 잉크 챔버(122)의 바닥면(124)을 형성하여 잉크 챔버(122) 내의 버블이 소멸될 때 발생하는 높은 기압에 의해 히터(113)가 손상되는 것을 방지하기 위한 것이다. 이러한 캐비테이션 방지층(116)은 0.1~1.0㎛ 정도의 두께, 바람직하게는 0.3~0.7㎛ 정도의 두께를 가진 탄탈륨 박막으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 기판(111) 상에 수 개의 층이 적층되어 베이스 플레이트(110)를 이루게 되는데, 기판(111) 상에 형성된 오목홈(119)에 의해 캐비테이션 방지층(116)의 상면은 오목한 면을 이루게 된다. 이는 결과적으로 잉크 챔버(122)의 바닥면(124)을 그 주위보다 오목홈(119)의 깊이만큼 오목하게 만든다. 따라서, 베이스 플레이트(110) 위에 적층되어 잉크 챔버(122) 잉크 유로(도 3의 126)를 형성하는 격벽(120)의 높이를 낮출 수 있게 된다. 즉, 잉크 챔버(122)의 바닥면(124)이 소정 깊이 오목하게 되어 있으므로, 격벽(120)의 높이가 종래에 비해 낮아도 요구되는 잉크 챔버(122)의 높이를 확보할 수 있기 때문이다.
격벽(120)은 감광성 폴리머(photosensitive polymer)를 베이스 플레이트(110) 상에 소정 두께로 도포한 뒤, 이를 패터닝하는 포토리소그라피(photolithography) 공정에 의해 형성된다. 본 발명에 따르면, 격벽(120)의 두께는 대략 5~24㎛ 정도이며, 바람직하게는 5~20㎛ 정도이다. 이러한 격벽(120)의 두께는 종래의 25~35㎛ 정도의 두께에 비해 오목홈(119)의 깊이, 즉 1~20㎛ 만큼 낮아진 것이다. 이와 같이, 격벽(120)의 높이가 종래에 비해 낮아지게 되면, 잉크가 격벽(120)을 이루는 감광성 폴리머 내부로 스며드는 것이 그 만큼 감소되며, 이에 따라 프린트헤드를 구성하는 각 요소가 층리되는 현상을 억제할 수 있게 된다. 또한, 격벽(120)을 이루는 감광성 폴리머의 두께가 얇으면 노광에 의해 패터닝되는 최소 선폭(critical dimension)이 작아져 밀집도가 보다 높은 고해상도의 프린트헤드의 제작이 용이해지는 장점이 있다.
격벽(120)을 이루게 되는 감광성 폴리머는 노광되면 저분자량에서 고분자량으로 변화되며, 고분자 사슬이 그물 구조(network strusture)를 형성하여 경화되는 성질을 가지고 있다. 그리고, 감광성 폴리머의 경화되지 않은 부분은 저분자량, 예컨대 모노머(monomer) 또는 올리고머(oligomer)로 존재하게 되며, 이러한 부분은 용매에 의해 쉽게 용해되는 성질을 가진다.
이러한 성질을 가진 감광성 폴리머로는 건조되어 필름화된 것이거나 액상의 것이 사용될 수 있다. 감광성 폴리머가 건조된 필름(dry film)인 경우에는, 이를 베이스 플레이트(110) 상에 가열, 가압하여 압착하는 라미네이션(lamination) 방법에 의해 도포되며, 감광성 폴리머가 액상인 경우에는, 이를 베이스 플레이트(110)상에 스핀 코팅 방법에 의해 도포하게 된다. 바람직한 방법은 건조된 필름 형태의 감광성 폴리머를 라미네이션 방법에 의해 도포하는 것이다. 이 방법은, 잉크 챔버(122)의 바닥면(124)이 오목하게 되어 있으므로 필름 형태의 감광성 폴리머가 그 바닥면(124)에는 접촉하지 않게 되어, 패터닝 후 바닥면(124)에 폴리머 또는 용매의 잔류물이 남지 않는 장점이 있다.
이와 같이 베이스 플레이트(110) 상에 도포된 감광성 폴리머를 잉크 챔버(122)와 잉크 유로(도 3의 126)가 형성될 부위를 보호하는 포토마스크를 사용하여 선택적으로 노광시키면, 노광된 부위는 경화됨으로써 내화학성 및 높은 기계적 강도를 갖게 된다. 이어서, 감광성 폴리머의 경화되지 않은 부위를 용매를 사용하여 용해시켜 제거하면, 잉크 챔버(122)와 잉크 유로(도 3의 126)가 형성됨과 동시에 노광에 의해 경화된 부위는 이들을 둘러싸는 격벽(120)을 형성하게 된다. 이때, 격벽(120)의 내측면이 잉크 챔버(122) 바닥면(124)의 오목한 부위의 가장자리로부터 대략 1~5㎛ 정도 떨어져 형성되도록 패터닝하는 것이 바람직하다.
격벽(120) 위에는 노즐(132)이 형성되어 있는 노즐 플레이트(130)가 적층된다. 노즐 플레이트(130)는 폴리이미드(polyimide) 또는 니켈로 이루어져 있으며, 격벽(120)을 이루는 감광성 폴리머의 접착성을 이용하여 격벽(120) 위에 가열, 가압하여 접착하게 된다. 이때, 본 발명에 의하면 격벽(120)의 높이가 종래에 비해 낮으므로, 노즐 플레이트(130)의 가열, 가압에 의한 접착시 격벽(120)의 변형이 거의 발생하지 않게 되고, 격벽(120)의 변형으로 인해 발생되는 구성요소간의 오정렬도 해소될 수 있게 된다.
도 5는 잉크 챔버를 둘러싸는 격벽의 두께에 따른 잉크 액적의 부피와 토출 속도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 격벽의 두께가 얇을수록 토출되는 잉크 액적의 부피가 증가되며, 일정 부피 이상의 액적을 토출할 수 있는 조건에서 격벽의 두께가 얇을수록 잉크 액적의 토출 속도도 높아지는 것을 알 수 있다. 이는 잉크 챔버의 바닥면이 오목하게 되어 있으므로 잉크 챔버가 그 상부에 위치한 노즐 쪽을 향하여 점차 벌어진 형상을 갖게 되어, 버블의 성장 방향이 노즐 쪽으로 향하게 되므로 토출되는 잉크 액적의 직진성이 향상되기 때문이다. 또한, 버블에 의해 발생된 압력이 잉크 챔버의 형상에 따라 그 상부에 위치한 노즐쪽으로 향하게 되고, 그 측방향에 위치한 잉크 유로쪽으로의 방향성은 감소되므로 잉크 토출시 잉크 유로를 통해 인접한 잉크 챔버에 영향을 미치게 되는 간섭(crosstalk) 현상도 줄어드는 장점이 있다. 이와 같이, 본 발명에 의하면 잉크 액적의 토출 성능이 향상되는 장점이 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다. 예컨대, 본 발명에서 프린트헤드의 각 요소를 구성하기 위해 사용되는 물질은 예시되지 않은 물질을 사용할 수도 있다. 즉, 기판은 반드시 실리콘이 아니라도 가공성이 좋은 다른 물질로 대체될 수 있다. 또, 각 물질의 적층 및 형성방법도 단지 예시된 것으로서, 다양한 증착방법과 식각방법이 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 버블젯 방식의 잉크젯 프린트헤드는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명에 의하면 잉크 챔버를 둘러싸는 격벽의 높이가 보다 낮아지게 되므로, 잉크가 격벽 내부로 스며들어 발생되는 층리 현상이 억제된다. 또한, 격벽을 이루는 감광성 폴리머의 두께가 보다 얇아지게 되어 노광에 의해 패터닝되는 최소 선폭이 작아지게 되므로 밀집도가 보다 높은 고해상도의 프린트헤드의 제작이 용이해진다.
둘째, 잉크 챔버의 바닥면이 오목하게 되어 있으므로 버블의 성장 방향이 노즐 쪽으로 향하게 되어 토출되는 잉크 액적의 직진성이 향상되고, 그 토출 속도도 빨라지게 된다. 또한, 잉크 토출시 잉크 유로를 통해 인접한 잉크 챔버에 영향을 미치게 되는 간섭 현상도 줄어들게 되어 잉크 액적의 토출 성능이 향상된다.
셋째, 잉크 챔버의 바닥면이 오목하게 되어 있으므로 필름 형태의 감광성 폴리머가 그 바닥면에는 접촉하지 않게 되어, 패터닝 후 바닥면에 폴리머 또는 용매의 잔류물이 남지 않는 장점이 있다. 또한, 격벽의 높이가 종래에 비해 낮으므로, 노즐 플레이트의 접착시 격벽의 변형이 감소되어 구성요소들이 오정렬되는 문제점이 해소된다.

Claims (17)

  1. 그 표면에 소정 깊이의 오목홈이 형성된 기판과, 상기 기판상에 형성되는 단열층과, 상기 단열층 위에 형성되어 열에너지를 발생시키는 히터와, 상기 히터 위에 형성되어 상기 히터를 보호하는 보호층을 포함하는 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트 위에 적층되며, 상기 오목홈 상부에 위치하여 그 바닥면이 오목하게 형성된 잉크 챔버와 상기 잉크 챔버와 연통되는 잉크 유로를 한정하는 격벽; 및
    상기 격벽 위에 적층되며, 상기 잉크 챔버에 대향하는 위치에 잉크의 토출이 이루어지는 노즐이 형성된 노즐 플레이트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 오목홈은 상기 잉크 챔버가 형성될 상기 기판 표면의 소정 부위를 습식 또는 건식 식각함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 오목홈은 그 깊이가 1~20㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 오목홈은 그 깊이가 5~15㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 단열층은 상기 기판의 표면을 산화시켜 형성한 실리콘 산화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 실리콘 산화막의 두께는 1~5㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 히터는 탄탈륨-알루미늄 합금 또는 폴리실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 히터의 두께는 500~5,000Å인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 히터 위에 증착된 실리콘 질화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 히터 위에 순차 증착된 실리콘 질화막과 실리콘 카바이드막의 두 개의 막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 보호층 위에 상기 히터의 손상을 방지하기 위한 캐비테이션 방지층이 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 캐비테이션 방지층은 탄탈륨막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  13. 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막의 두께는 0.1~1.0㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 격벽은 감광성 폴리머를 사용한 포토리소그라피 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 감광성 폴리머는 상기 베이스 플레이트 상에 5~24㎛의 두께로 도포되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 감광성 폴리머는 건조된 필름 형태로 되어 있으며, 라미네이션 방법에 의해 상기 베이스 플레이트 상에 도포되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 노즐 플레이트는 폴리이미드 또는 니켈로 이루어진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
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