KR100440109B1 - 잉크젯 프린트 헤드 장치 - Google Patents

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KR100440109B1 KR10-1999-0013796A KR19990013796A KR100440109B1 KR 100440109 B1 KR100440109 B1 KR 100440109B1 KR 19990013796 A KR19990013796 A KR 19990013796A KR 100440109 B1 KR100440109 B1 KR 100440109B1
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Abstract

잉크젯 프린트 헤드 장치는 잉크 웰(30, 130)과 기재상에 형성된 잉크 분출 장치(13, 113)를 포함한다. 보호 층(17, 117)은 잉크 웰(30, 130)과 분출 장치(13, 113) 사이에 형성되고, 그 층은 감소된 두께로서 바람직하게는 7400Å 이하의 두께를 가지며 분출 장치로의 에너지 공급을 감소시킨다. 보호 층(17, 117)은 전기 절연 재료를 갖는 전기 패시베이션 층을 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 다른 다양한 층 배열은 액체 부식에 대해 보호하는 캐비테이션 층(18, 118')을 포함한다.

Description

잉크젯 프린트 헤드 장치{PRINTHEAD HAVING A PASSIVATION LAYER WITH REDUCED THICKNESS}
본 발명은 잉크젯 프린터에 관한 것으로, 특히 잉크젯 프린트 헤드로부터 분출되는 잉크 방울의 용적을 감소시키는 것에 관한 것이다.
잉크젯 프린터의 몇몇의 유형은 기술 분야에서 주지되어 왔고, 이들은 엡슨(Epson), 캐논(Canon) 및 휴렛트-팩카드(Hewlett-Packard) 등에 의해 제조된 것을 포함한다. 이미지 품질을 개선시키기 위하여, 잉크젯 제조사들은 단위 면적(일반적으로 제곱인치)당 프린트 헤드에 의해 분출되는 잉크 도트의 수를, 예를 들면, 300 내지 600 도트/in2(dots per square inch : dpi)로 증가시키기 위해 계속해서 노력해 왔다. 이것은 각각의 개별적인 도트의 크기를 감소시키는 것에 의해 부분적으로 달성되는데, 이러한 것은 각각의 도트를 형성하기 위해 이용되는 잉크의 용적을 감소시키는 것에 의해 달성된다. 일반적으로 잉크젯 프린트 헤드는 분출 챔버 또는 웰(well)(이하, "웰"이라고 함)을 포함하고, 이러한 분출 챔버 또는 웰은 모세관 작용(capillary action)에 의해 이송되고 그 안의 분출 오리피스를 갖는 커버판에 의해 한정된다. 열 잉크젯 프린터내의 가열 요소 또는 기계적 잉크젯 프린터내의 피에조-전자 액츄에이터(piezo-electronic actuator)와 같은 잉크 방울 분출 장치가 웰에 인접하여 위치한다. 잉크 방울을 웰로부터 분출시키고자 하는 경우, 분출 장치는 잉크 방울이 분출 오리피스를 통과하여 분출되도록 여기(excited)시킨다.
종래 기술에서는 잉크 용적을 감소시키기 위해서 감소하는 웰 용적을 포함하고 있다. 웰 용적이 감소되고 커버판 두께가 동일하게 유지된다면, 잉크 방울이 분출되기 전에 이동되어야 하는 상대 거리가 증가된다. 이러한 증가된 거리는 추가의 에너지(증가된 열 또는 기계적인 압력 등)를 요구하고, 따라서 프린트 헤드는 불합리한 에너지 소모를 일으키게 되고, 증가된 작동 온도 또는 추가의 기계적인 압력 등과 관련된 응력(stresses)으로 인해 신뢰성이 감소된다. 또한, 높은 작동 온도는 프린트 품질에 영향을 미친다.
거리를 감소시키기 위하여, 분출을 시도하기 전에 이동되어야 할 잉크 방울은 (이것과 관련된 요구되는 에너지를 감소시키기 위하여) 커버판의 두께를 감소시키도록 제조되어야 한다. 그러나, 이러한 두께는 커버판 두께의 물리적인 제한으로 인해 다른 구성요소와 함께 일정한 척도(in scale)로 감소될 수 없다. 예를 들면, 소정의 상업적으로 이용가능한 유닛에서 커버판 두께는 이미 인간 머리카락 두께의 약 1/3인 45㎛로 감소되었다. 이러한 두께보다 종래 기술을 이용하여 커버판 두께를 감소시키면서 구조적 일체성을 유지하기는 어렵다.
따라서, 상당히 증가된 분출 에너지를 요구하지 않으며, 또한 커버판 두께와 실질적으로 무관한 방법을 통해 달성되는 감소된 웰 용적(방울 용적)의 잉크젯 프린트 헤드가 필요하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 감소된 용적의 잉크 방울을 생성하는 잉크젯 프린트 헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 잉크 방울을 분출시키는 데에 필요한 에너지의 양이 감소되는 잉크젯 프린트 헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 분출 장치가 잉크 웰에 보다 근접하여 위치한 잉크젯 프린트 헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 잉크 웰을 분출 장치로부터 분리하는 패시베이션 또는 보호 층의 두께를 감소시키는 것이다.
본 발명의 이러한 및 다른 목적은 본 명세서에 기술된 바와 같이 감소된 방울 용적 잉크젯 프린트 헤드를 이용하여 달성된다.
본 발명의 전술한 관련된 이점 및 특징의 달성은 도면과 함께 본 발명의 다음의 보다 상세한 설명을 통해 당업자에게 보다 명확하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 잉크젯 프린트 헤드 구조의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 전기 패시베이션 층 두께(자홍색 잉크용) 대 턴 온 에너지(TOE)의 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 전기 패시베이션 층 두께(모든 칼라 잉크용) 대 턴 온 에너지(TOE)의 그래프,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저용적 열 잉크젯 프린트 헤드 구조의 단면도,
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11, 111 : 기재 12 : 기재 열 패시베이션 층13, 113 : 잉크 분출 장치 또는 저항기 17, 117 : 패시베이션 층18, 118' : 캐비테이션 층 28 : 오리피스
30, 130 : 웰
이하의 설명에 있어서, 본 발명의 실시예는 열 잉크젯 프린터(thermal ink jet printer)의 배경내에서 설명된다. 특히 분출 장치와 잉크 웰 사이의 차단벽을 감소시키는 것과 관련된 본 발명의 요지는 기계식/피에조-전기 장치 등과 같은 다른 분출 장치를 이용하는 잉크젯 프린터에 적용될 수 있다는 것을 인지하여야 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열 잉크젯 프린트 헤드 구조체(10)의 단면도가 도시되어 있다. 구조체(10)는 기재 열 패시베이션 층(substrate thermal passivation layer)(12)이 그 위에 형성된 바람직하게는 반도체 또는 세라믹 재료의 기재(11)를 포함한다. 저항 층(14)은 기재(또는 열 패시베이션 층)상에 형성되고, 전도 층(16)이 저항 층상에 형성되는 것이 바람직하다. 전기 패시베이션 층(17)은 도시된 바와 같이 저항 층(14) 및 전도 층(16)상에 형성되고, 제 1 및 제 2 캐비테이션 층(18, 19)(cavitation layer)은 각각 전기 패시베이션 층 및 전도 층상에 형성되는 것이 바람직하다. 접촉 패드(21)를 구비하는 제 2 전도 층(20)은 제 2 캐비테이션 층(19)상에 형성되는 것이 바람직하다.
작동시에, 여기 신호(excitation signal)는 접촉 패드(21)로 전달되고, 제 2 전도 층(20), 제 2 캐비테이션 층(19), 전도 층(16), 저항 층(14)의 일부분[이하, "저항기(resistor)(13)"라고 함]을 통하여 그리고 다시 전도 층(16)을 통하여 접지부(22)로 전파된다. 점선(A)은 구조체(10)를 통과하는 여기 전류(excitation current)의 경로를 도시한 것이다. 저항기(13)를 통과하는 전류의 경로는 전기 패시베이션 층(17) 및 캐비테이션 층(18)을 통하여 웰(well)(30)내의 가열 잉크로 전파되는 열의 생성을 초래한다. 웰(30)은 캐비테이션 층(18), 잉크 차단벽(24), 커버판(26) 및 오리피스(28)의 구조에 의해 규정된다. 웰(30)내의 잉크는 소정의 잉크 용적(잉크 방울)의 분출을 유발하도록 버블(bubble)화될 때까지 가열된다.
특히, 구조체(10)를 참조하면, 바람직한 실시예의 기재가 실리콘으로 제조되면, 기재의 열 패시베이션 층은 산화 규소(SiO2)인 것이 바람직하다. 저항 층(14)은 탄탈 알루미늄(TaAl) 또는 유사한 특성을 갖는 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 전도 층(16, 20)은 각각 알루미늄(Al) 및 금(Au) 또는 관련된 열 및 기계적인 응력을 대해 적절한 다른 전도성 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 전기 패시베이션 층(17)은 질화 규소(SiN)의 층으로 형성되고, 그 위에 탄화 규소(SiC)의 층이 형성되는 것이 바람직하다. 탄화 규소(SiC)는 잉크에 의해 발생되는 액체 부식으로부터 전도 및 저항 트레이스(traces)를 보호한다. 바람직한 실시예에 있어서, 질화 규소(SiN)가 전기 패시베이션 층의 두께의 약 2/3이고, 탄화 규소(SiC)가 이러한 층의 두께의 약 1/3이 된다. 예를 들면, 3000Å(Angstrom)의 두께를 갖는 전기 패시베이션 층(17)은 질화 규소(SiN)의 약 2000Å 및 탄화 규소(SiC)의 1000Å인 것이 바람직하다.
캐비테이션 층(18)은 캐비테이션 손상에 대해 층(17)을 보호하고, 경험적으로 프린트 품질을 향상시키는 보다 큰 방울 용적(50ng보다 큰 안정 상태에서의 건조 중량)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 캐비테이션 층(18, 19)을 위한 적절한 물질은 탄탈 등이고, 이러한 층의 형성은 종래 기술에 공지되어 있다. 잉크 차단벽은 웰 높이를 규정하고 주지된 바와 같이 모세관 채널의 형성을 허용하는 건조된 포토레지스트(photoresist) 등과 같은 물질이다. 커버판 또는 오리피스판(26)은 전기도금된(electroplated) 니켈 등인 것이 바람직하다. 또한, 적절하게 얇은 커버판은 본 출원인에 의해 허여된 "잉크젯 프린터용 감소된 크기의 프린트헤드(Reduced Size Printhead For an Inkjet Printer)"라는 명칭의 미국 특허 출원 제 08/920,478 호에 개시되어 있고, 본 명세서에 참조로 인용된다. 전기 패시베이션 층(17)과 캐비테이션 층(18)이 아래에 보다 상세히 설명되겠지만, 구조체(10)의 구성요소의 몇몇의 바람직한 규격은 다음과 같다. 즉 오리피스(28)의 직경(18㎛), 오리피스판(26)의 두께(28.5㎛), 잉크 차단벽(24)의 두께(14㎛) 및 저항기의 폭(22㎛) 등이 있다. 이러한 규격은 실시예적인 이유에 의해 제공되고, 본 발명에 제한되는 방법은 아니다.
다른 실시예에서, 본 발명은 전기 패시베이션 층의 두께를 변경시킴으로써 잉크 방울을 분출하는데 요구되는 에너지의 양을 감소시키게 된다. 오리피스판 두께(비사진석판술로 형성된 층)를 감소시키는 것에 초점을 두고 있는 방울 용적을 감소시키는 종래 기술과는 대조적으로, 본 발명은 사진석판술로(photolitho graphically) 형성된 층을 변경시킴으로써 그 소망하는 목적을 이루게 된다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전기 패시베이션 층(17)의 두께(자홍색 잉크용) 대 턴 온 에너지(turn-on energy: TOE)의 그래프가 도시되어 있다. 복수개의 데이터 점과 회귀선(regression line)이 도시되어 있다. 턴 온 에너지는 사전에 규정된 크기(용적)의 잉크 방울을 분출하는데 요구되는 에너지이고, 방울의 크기는 10ng(정상 상태에서의 건조 중량)인 것이 바람직하다. 턴 온 에너지는 기구에 의해 측정되고, 프린트 헤드로 전달되는 에너지와 상대적인 프린트 헤드 온도의 방울 질량의 간단한 관계는 아래의 수학식 1과 같다.
여기서, m은 분출된 방울의 질량이고, Cp는 잉크의 (정압) 비열이며, ΔT는 프린트 헤드가 고밀도 프린팅을 위해 가열될 때의 정상 상태의 온도이다. 상이한 칼라의 잉크가 약간 상이한 TOE를 갖고 있기 때문에 자홍색 칼라 잉크의 그래프 비가 제공된다.
통상적으로, 전기 패시베이션 층은 750nm보다 작은 두께로 제조되지는 않는다. 도 2의 그래프는 전기 패시베이션 층 두께를 감소시킴으로써 TOE 및 저항기(13)를 가열해야 하는 열이 감소되는 것이 도시되어 있다. 예를 들면, 패시베이션 층(17)의 두께를 750nm로부터 560nm로 25% 감소시키면 TOE는 17%(1.8μJ로부터 1.5μJ까지) 강하된다.
도 3을 참조하면, 전기 패시베이션 층(17)의 두께(자홍색, 청록색 및 노란색의 모든 잉크용) 대 턴 온 에너지(TOE)의 그래프가 도시되어 있다. 데이터 점 및 회귀선이 제공된다. 이러한 그래프는 전기 패시베이션 층 두께가 감소되면 턴 온 에너지가 감소되는 것을 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 저용적 열 잉크젯 프린트 헤드 구조체(100)를 도시한 것이다. 이러한 구조체는 도 1에 도시된 구조체와 유사하고, 유사한 구성요소는 도 1의 도면부호에 100을 추가했다.
잉크 방울 용적이 감소되면, 잉크를 버블화함으로써 야기되는 캐비테이션 손상(cavitation damage)이 감소된다. 이러한 현상을 인지하면, 캐비테이션 층(18)(도 1)이 감소 또는 제거되고 전기 패시베이션 층(17)(도 1)이 잠재적으로 더 감소되는 소정의 다른 실시예의 형성이 가능하다. 도 4는 캐비테이션 층(18)이 제거되어 있는 제 1 다른 실시예를 도시한 것이다. 이러한 경우에, 패시베이션 층(117)은 잉크 웰의 바닥을 규정하고, SiN/SiC 패시베이션 층이 이용된다면, SiC가 웰 바닥(즉, 잉크 접촉면)을 규정하게 된다. 제 2 다른 실시예에 있어서, 캐비테이션 층(18)(도 1) 등은 액체 부식에 대해 보호하는 패시베이션 층(17)의 일부분(전술되어 있음, 예를 들어 SiC 층)과 결합되거나 또는 그 대신에 이용된다. 이것은 바람직하게 SiN으로 구성되는 전기 절연 층과, 탄탈 등의 금속, SiC 등 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있는 전도 부식 보호 층(118')을 포함하는 패시베이션 층(177)으로 달성된다.
본 발명은 열 잉크젯 프린터의 배경에 기술되어 있지만, 이러한 기술은 다른 잉크젯 프린터에 적용가능하다는 것을 인지하여야 한다. 예를 들면, 저항기(13, 113)가 피에조 전기 액츄에이터(13, 113)로 교체된다면, 패시베이션 층(17, 117)을 감소시킴으로써 및/또는 캐비테이션 층을 감소 또는 제거시킴으로써 액츄에이터로부터 잉크 방울로 기계적 에너지를 보다 직접 전달하게 한다.
상기에서는, 본 발명의 특정 실시예에 대해 설명되었지만, 본 발명의 범위와 첨부된 청구범위내에서 또다른 실시예가 가능하고, 본 출원이 임의의 변경, 이용 또는 다음의 본 발명의 적합성, 일반적으로 본 발명의 원리 및 본 발명에 속하는 종래 기술의 주지된 또는 통상의 실시내에 오게 될 때 본 발명의 명세서로부터 이러한 출발을 포함한다는 것이 이해될 것이다.
본 발명은 잉크젯 프린트 헤드로부터 분출되는 잉크 방울의 용적을 감소시키고, 잉크 방울을 분출시키는 데에 필요한 에너지의 양을 감소시킨다.

Claims (12)

  1. 잉크젯 프린트 헤드 장치에 있어서,
    기재(11, 111)와,
    상기 기재상에 형성되며 오리피스를 갖는 잉크 웰(ink well)(30, 130)로서, 상기 오리피스를 통해 잉크가 분출되는 잉크 웰(30, 130)과,
    상기 기재와 상기 잉크 웰(30, 130) 사이에 형성된 잉크 분출 장치(13, 113)와,
    상기 잉크 웰과 상기 분출 장치 사이에 형성되며, 7400Å보다 작은 두께를 가진 보호 층(17, 117 또는 17, 117 및 18, 118')을 포함하며,
    상기 보호 층은 적어도 질화물 층과 SiC 층을 구비하는
    잉크젯 프린트 헤드 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호 층이 전기 절연 물질을 갖는 전기 패시베이션 층(electrical passivation layer)(17, 117)을 포함하는
    잉크젯 프린트 헤드 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 패시베이션 층(17, 117)이 액체(잉크) 부식에 대해 보호하는 재료를 포함하는
    잉크젯 프린트 헤드 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분출 장치(13, 113)가 열 공급원(heat source)을 포함하는
    잉크젯 프린트 헤드 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열 공급원이 저항기를 포함하는
    잉크젯 프린트 헤드 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 보호 층(17, 117)과 상기 잉크 웰(30, 130) 사이에 형성되며, 상기 잉크 웰내의 잉크로부터 캐비테이션 손상(cavitation damage)에 대해 보호하는 캐비테이션 층(18, 118')을 더 포함하는
    잉크젯 프린트 헤드 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 캐비테이션 층(18, 118')이 상기 전기 절연 물질상에 직접 형성되는
    잉크젯 프린트 헤드 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 잉크 웰(30, 130)이 상기 패시베이션 층(17, 117)상에 직접 형성되는
    잉크젯 프린트 헤드 장치.
  9. 잉크젯 프린트 헤드 장치에 있어서,
    기재(11, 111)와,
    상기 기재상에 형성되며 오리피스를 갖는 잉크 웰(ink well)(30, 130)로서, 상기 오리피스를 통해 잉크가 분출되는 잉크 웰(30, 130)과,
    상기 기재와 상기 잉크 웰(30, 130) 사이에 형성된 잉크 분출 장치(13, 113)와,
    상기 잉크 웰과 상기 분출 장치 사이에 형성되며, 7400Å보다 작은 두께를 가진 보호 층(17, 117 또는 17, 117 및 18, 118')을 포함하며,
    약 10ng(정상 상태에서의 건조 중량)의 방울에 대해 요구되는 턴 온 에너지(turn on energy)가 약 1.7μJ 또는 그 이하인
    잉크젯 프린트 헤드 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 분출 장치가 피에조 전기 액츄에이터(13, 113)를 포함하는
    잉크젯 프린트 헤드 장치.
  11. 유체 분출 장치에 있어서,
    기재(11, 111)와,
    상기 기재상에 형성된 유체 분출 요소(13, 113)와,
    상기 유체 분출 요소상에 형성되며, 7000Å보다 작은 두께를 가지며, SiC 층 및 질화물 층을 포함하는 별개의 패시베이션 층(17, 117)과,
    상기 패시베이션 층상에 형성된 별개의 캐비테이션 층(18, 118')과,
    상기 캐비테이션 층상에 형성되어 유체 웰을 규정하는 차단벽(24, 124)을 포함하는
    유체 분출 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 SiC 층이 상기 질화물 층 위에 형성되는
    잉크젯 프린트 헤드 장치.
KR10-1999-0013796A 1998-04-22 1999-04-19 잉크젯 프린트 헤드 장치 KR100440109B1 (ko)

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