KR100464307B1 - 압전효과를이용한잉크젯프린터헤드및그제조방법 - Google Patents

압전효과를이용한잉크젯프린터헤드및그제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압전 재료를 이용한 초미세 잉크 젯트 프린터 헤드 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드는, Si을 이용해서 노즐, 공통 잉크 유로 및 잉크 주입 채널이 압력 챔버와 일체형으로 형성되고, (110)면 벌크 Si 웨이퍼를 사용해서 압력 챔버의 격벽 구조를 노즐판과 수직하게 제조하여 프린트 헤드의 사이즈를 작게함으로써 프린트 헤더를 고밀도로 작착할 수 있어 프린트 해상도를 높일 수 있다.

Description

압전 효과를 이용한 잉크젯 프린터 헤드 및 그 제조 방법{A piezo-electric ink-jet printhead and a fabricating method thereof}
본 발명은 압전 재료를 이용한 잉크 젯트 프린터 헤드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래에는 프린터 헤드로 주로 열 버블젯 방식의 프린터 헤드가 사용되어 왔다. 버블 젯(thermal bubble jet)(Cannon & HP basic patent) 방식은 열로서 기포를 발생시켜서 잉크를 토출 시키는 방식이다. 프린터 헤드(printhead) 내부에서 잉크와 직접 접촉하는 열 변환 박막에 순간적으로 전류가 흐르면 열 변환막의 고유 저항 때문에 열이 발생한다. 이 열이 열 변환막과 접촉하고 있는 잉크로 전달되어 수용성 잉크가 비등점 이상으로 온도가 급격히 상승하게 된다. 잉크의 온도가 비등점 이상으로 상승하게 되면 기포가 형성되고, 형성된 기포는 주변의 잉크에 압력을 가한다. 압력을 받은 잉크는 대기압과의 압력 차이로 인해 노즐을 통해 토출된다. 이 때 토출되는 잉크는 잉크 고유의 표면 에너지를 최소화하기 위해 잉크 방울을 형성하면서 지면으로 토출된다. 이런 과정을 컴퓨터를 이용해서 필요할 때 마다 작동시키는 방식을 드롭-온-디맨드(Drop-on-demand) 방식이라고 한다.
열 버블젯(Thermal bubble jet)에서 기포가 발생된 후 기포가 소멸되는 순간에는, 작아진 기포의 높은 곡률로 인하여, 기포가 열 변환막 위에 있는 보호막에 가하는 충격이 커져서 공동화 손상(Cavitation Damage)이 발생된다. 이런 이유 때문에 프린터 헤드의 수명을 연장시키는데에는 많은 제약이 따른다. 또 기포가 발생되어야만 잉크가 토출되는 원리를 사용하기 때문에 잉크는 적절한 온도에서 비등을 해야 하므로 이런 적정 온도에서 비등할 수 있는 잉크만 사용될 수 있다. 이런 잉크의 물성적 제한으로 인해 열 버블 제트(thermal bubble jet)에서 사용될 수 있는 잉크는 그 종류가 많지 않다. 잉크 사용시의 제한 요소는 열 버블젯(thermal bubble jet)이 주로 데스크탑 출판(desktop publication)에만 한정되어 활용되는 등의 열 버블젯 자체의 응용 범위를 좁히는 결과를 낳는다.
또한, 기포 발생시 생성시키는 높은열로 인하여 잉크의 유기성 첨가물들이 열 변환막 상부에 위치하는 보호막과 반응하여 보호막에 흡착되는 경향이 있다. 이런 흡착물들은 열전달을 방해하여 열 변환막에서 발생되는 열이 잉크에 효과적으로 전달되지 못한다. 따라서, 기포를 발생시키기에는 충분한 열량이 열 변환막에 의해 생성되었다 하더라도 결국 보호막에 형성된 흡착물들에 의해 충분히 잉크로 전달되지 않아서 잉크가 정상적으로 토출되지 못하는 경우가 생기기도 한다.
한편, 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것이, 비가열 방식의 압전 재료를 이용한 프린터 헤드이다. 그러나, 압전 재료를 이용한 잉크 젯트 프린터 헤드는 일반적으로 압전재료의 특성상 조립하는 과정이 많아서 그 성능이 우수함에도 불구하고 복잡한 조립 공정에서 파생되는 원가 상승 때문에 널리 이용되는데 제한을 받아왔다.
즉, 압전 임펄스 잉크젯(Piezo-electrinc impulse ink-jet)은 압전 소자가 전기장을 순간적으로 받게 되면 부피가 변화하는 현상을 이용한 인쇄법이다. 압전소자가 순간적으로 부피변화를 일으키게 되면 잉크에 압력파를 전달하게 되는데 이 압력파는 음속(speed of sound)의 속도로 노즐까지 진행하게 된다. 따라서, 노즐에서는 전달된 압력과 대기압과의 차이에 의해 잉크가 토출되는데 이런 원리를 사용한 다양한 설계 사례가 발표되어 있다(Ulmann's encyclopedia of industrial chemistry).
먼저, 자아르(Xaar) 방식은 제조 공정에서 소결된 압전(piezo-electric)판에 기계적인 가공을 통해 홈을 파서 잉크가 흐르는 유로를 형성한다. 유로가 형성된 압전판에 전극, 노즐판, 보호막 등이 부가적으로 형성되어 프린터 헤드가 제조된다. 압전판은 일반적으로 분채 공정을 거치고, 소결 과정을 거친 후 제조되는데 규칙적인 입자들의 불규칙한 집합체 형태로 이루어진다. 잉크 유로를 형성하기 위해 압전판에 기계적인 가공을 할 때 다정질 압전판은 입자들을 불규칙하게 손실한다(grain pull out). 입자들이 손실된 자리는 압전재료의 빈 틈으로 되는데 이런 빈틈들이 이론적으로 적은 응력을 받아도 금이 가는 크랙 중심(crack center)이 된다. 따라서 생산 수율은 현저히 낮아지게 되며, 생산 원가는 상승하게 된다.
다음에, 엡슨 푸쉬 로드 설계(Epson Push Rod Design) 방식은 다층으로 이루어진 압전판을 기계적으로 가공해서 복수의 막대가 있는 형태로 사용된다. 각각의 막대기는 막대기 상단에 위치하는 진동판에 연결되어 있는데 압전 막대기가 전기장을 받아서 부피 변화를 할 때 진동판이 진동된다. 이와같은 프린터 헤드는 상당히 많은 조립공정을 거치게 되고 조립을 할 때에도 정밀하게 조립하지 않으면 잉크 방울이 일정하게 토출되지 않으므로 고 정밀도의 조립 공정이 요구된다. 이와 같은, 고 정밀 조립 과정이 원가를 상승시키고, 또한 막대를 기계적으로 가공해서 사용하기 때문에 노즐의 집적 밀도(Packing Density)를 증가시키는데 제약이 따른다.
엡슨 카이저(Epson Kyser) 방식(특허)에 있어서, 진동판 및 잉크 유로는 ZrO2으로 구성된다. 일반적으로 세라믹(Ceramics) 물질을 이루는 화학 결합은 이온결합에 의해 이루어지기 때문에 소성 변형성이 취약하고, 고온에서 가열하여야 원하는 물성을 갖는 물질을 얻게 되므로 고온 공정을 거처야 된다. 또한 성형성은 상당히 취약하고 또 강한 이온 결합으로 인해 습식 식각 하는데도 어려움이 있다. 단결정으로 충분히 큰 형태를 얻는 것이 어렵기 때문에 일반적으로 다정질을 사용한다. 그러나 다정질의 경우는 입자가 불규칙하게 분포되어 있으므로 습식 식각할 때 균일하게 수행하는 것이 어렵다. 따라서 아주 정밀하게 공정을 제어하지 못하면 프린터 헤드(printhead)의 균일도(Uniformity)를 실현하는데 어려움이 있고, 또 정밀 공정이 수반 되므로 생산 수율이 현저하게 낮아진다. 이 방식은 이와 같이 저 생산 수율로 인해 생산 원가가 쉽게 상승하게 되는 약점이 있다.
한편, 도 1은 유럽 특허 제 0 659 562 A2 호에 기재된 라미네이티드 잉크젯 기록 헤드(a laminated ink jet recording head)의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 라미네이티드 잉크젯 기록 헤드는 기본적으로 노즐(100)이 형성된 노즐판(101), 3개의 커뮤니케이팅 홀 형성 보드(201a, 201b, 201c), 압력 발생 챔버 형성용 보드(301) 및 진동판(400)이 순차로 겹쳐진(laminated) 구조로 되어 있다. 압력 발생 챔버(300)에는 잉크 저장 용기(800)에 저장된 잉크가 인입구(700)을 지나 저장 챔버(600a)에 일시 저장되었다가 잉크 주입구(600c) 및 커뮤니케이션홀(600b)를 통하여 채워지게 된다. 잉크 저장 용기(800)에는 외부의 잉크통으로부터 제공되는 잉크가 필터(900)를 통하여 유입된다. 진동판(400)에는 압전 진동자(500)가 부착되어 인가되는 전압 신호에 따라 압력 발생 챔버(300)에 채워진 잉크에 압력을 발생시키게 된다. 압력을 받은 잉크는 커뮤니케이팅 홀들(200a, 200b, 200c)을 지나 노즐(100)을 통하여 토출된다. 그러나, 이와 같은 구조의 잉크젯 기록 헤드에서는 진동판(400)과 대향하는 면에 노즐(100)과 잉크 주입구(600c)가 함께 존재하기 때문에 진동판(400)의 진동에 의한 잉크의 토출 압력이 양분되는 문제점이 존재한다. 즉, 노즐(100)을 통하여 잉크가 토출되는 압력이 잉크 주입구(600c)로도 전달되기 때문에 압력 발생 챔버(300)로 주입되는 잉크가 역류하는 현상이 발생하기 쉽다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 노즐 및 잉크 유로를 일체형으로 하고 진동판에 압전재료를 직접 붙이거나 형성하는 방법으로 그 구조 및 제조 공정을 최대한 단순화하고, 잉크 토출시의 잉크 역류 현상을 최대한 방지하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한여 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드는, 하나의 격벽을 사이에 두고 압력 챔버와 공통 잉크 유로가 형성된 (110)면 벌크 실리콘 기판의 양면에 각각 노즐판과 진동판이 형성되되, 상기 압력 챔버를 사이에 두고 상기 노즐판의 노즐과 상기 진동판 외측에 부착된 압전판이 서로 대향하도록 일체형으로 형성되고 상기 격벽에는 상기 공통 잉크 유로의 잉크가 상기 압력 챔버로 유입되도록 하는 잉크 유입 채널이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 잉크 유입 채널은 상기 진동판에 접하도록 형성되고, 상기 노즐판은 단결정 혹은 다결정 실리콘으로 형성되며, 상기 진동판은 단결정 실리콘으로 형성되는 동시에 주 잉크통의 잉크를 상기 공통 잉크 유로로 주입하기 위한 주입홀이 형성되며, 상기 압력 챔버 내부의 양쪽 격벽 상면과 상기 공통 잉크 유로의 격벽 상면 및 상기 노즐판의 양면 상에 잉크가 Si와 반응하는 것을 방지하기 위한 SiO2막 혹은 Si3N4 막이 더 형성되며, 상기 잉크 유입 채널의 크기는 상기 노즐의 직경 보다 크게 형성되며, 상기 노즐의 직경은 20~50㎛ 범위로 형성되고, 상기 잉크 유입 채널의 크기는 50㎛ 이상으로 형성되며, 상기 압력 챔버의 양쪽 벽의 경사도는 상기 노즐판과 수직하게 형성되며, 상기 압력챔버의 크기는 상기 노즐판과 진동판 사이의 간격이 200㎛ 이상이고, 상기 압력 챔버 양쪽 격벽 간의 간격이 100㎛ 로 형성되며, 상기 압전판은 Pb(ZrxTi1-x)O3로 형성되며, 상기 압전판의 양면 상에는 각각 하부 공통 전극 및 상부 전극이 각각 형성되며, 상기 하부 공통 전극은 도전성 페이스트로 형성되거나 혹은 금속을 증착하여 형성되며, 상기 진동판과 상기 압전판 사이에 확산 방지막이 더 형성되며, 상기 확산 방지막은 Si3N4 혹은 ZrO2 으로 형성된 것도 바람직하다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한여 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법은, (가) (110)면 벌크 실리콘 기판의 양면에 SiO2막을 각각 형성하고, 상기 일측 SiO2막 상면에 노즐판용 Si층을 형성하는 단계; (나) 잉크 유입 채널을 형성하기 위하여 상기 타측 SiO2막에 소정의 패턴을 형성하고, 상기 SiO2 패턴을 마스크로 하여 상기 잉크 유입 채널과 공통 잉크 유로 및 압력 챔버에 해당하는 상기 (110)면 벌크 실리콘 기판을 상기 잉크 유입 채널의 깊이 만큼 식각하는 단계; (다) 상기 SiO2 패턴 마스크를 제거하는 단계; (라) 상기 식각 부분의 상면 및 상기 SiO2 패턴 마스크가 제거된 벌크 실리콘의 타측면 전체에 걸쳐 재차 SiO2 막을 형성하는 단계; (마) 상기 재차 형성된 SiO2 막을 패터닝하여 상기 압력 챔버와 공통 잉크 유로가 형성될 부분에 형성된 SiO2 막을 제거하는 단계; (바) 상기 패터닝된 SiO2 막을 마스크로 하여 상기 벌크 실리콘 기판을 식각하여 상기 압력 챔버 및 상기 공통 잉크 유로를 형성하는 단계; (사) 잉크와 Si 사이의 상호 화학 작용을 방지 하기 위해 상기 압력 챔버 내벽과 공통 잉크 유로의 내벽 및 잉크 주입 채널 상면을 SiO2 로 코팅하여 SiO2 막을 형성하는 단계; (아) 노즐을 형성 하기 위해 레이저를 이용하여 상기 일측면 상에 형성된 SiO2 막들의 영역 중 상기 잉크 챔버 내의 소정 영역을 식각하여 상기 노즐판용 Si층이 노출되도록하는 제1홀을 형성하는 단계; (자) 상기 제1홀에 의해 노출된 상기 Si층을 습식 식각하여 노즐을 형성하는 단계; (차) 미리 확보된 Si 진동판을 상기 공정들에 의해 형성된 구조물의 노즐판 대향면에 부착하는 단계; 및 (카) 상기 Si 진동판 상에 압전 구조물을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계에서 상기 SiO2막 대신에 Si3N4막을 형성하고, 상기 (나) 단계에서 상기 Si3N4 패턴은 리액티브 이온 에칭법으로 형성하며, 상기 (가) 단계에서 상기 노즐판용 Si층은 단결정 혹은 다결정 실리콘으로 형성되며, 상기 (나) 단계에서 상기 SiO2 패턴은 포토리소그래피법으로 형성하되 식각액으로는 HF용액을 사용하며, 상기 (나) 단계에서 상기 벌크 실리콘을 식각하는 공정에서 식각액으로 KOH 용액을 사용하며, 상기 (마) 단계에서 상기 재차 형성된 SiO2 막은 포토리소그래피법으로 패터닝되며, 상기 (바) 단계에서 상기 벌크 실리콘 기판을 식각하는 에챈트로 KOH 용액이 사용되며, 상기 (아) 단계에서 사용되는 레이저는 엑시머 레이저를 사용하며, 상기 (자) 단계에서 Si층 식각액으로 KOH 용액을 사용하며, 상기 (자) 단계 및 (차) 단계 사이에 상기 노즐이 형성된 Si층 표면에 수용성 잉크가 퍼지는것을 방지하기 위해 SiO2 혹은 Si3N4 막을 증착하여 퍼짐 방지막을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 (차) 단계에서 상기 Si 진동판의 부착은 양극 본딩법이나 고온 가열법에 의해 이루어지며, 상기 (카) 단계는, (카-1) 상기 Si 진동판 상에 소결시 압전 물질의 확산을 방지하기 위하여 확산 방지막을 형성하는 서브 단계; (카-2) 상기 확산 방지막 상에 하부 공통 전극용 도전성 페이스트를 코팅하는 서브 단계; (카-3) 압전판을 상기 도전성 페이스트 상에 부착하는 서브 단계; (카-4) 상기 압전판을 소결하는 서브 단계; 및 (카-5) 상기 압전판 상면에 상부 전극을 형성하는 서브 단계;를 포함하되, 상기 (카-1) 서브 단계에서 상기 확산 방지막은 Si3N4 혹은 ZrO2으로 형성하며, 상기 (카-3) 서브 단계에서 상기 압전판은 Pb(ZrxTi1-x)O3를 재료로 하되, 스크린 프린팅법으로 소성되지 않은 상태로 부착하며, 상기 (카-4) 서브 단계에서 상기 소결 온도는 1000℃ 이하인 것이 바람직하며, 상기 (카) 단계에서, 상기 (카-1) 단계를 없애고, 상기 (카-3) 서브 단계에서 소결된 압전판을 상기 도전성 페이스트 상에 부착하며, 상기 (카-4) 서브 단계를 없앤 것도 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드를 노즐면에서 투시하여 본 개략적 투시 평면도이다. 이 도면은 프린터 헤드(Printhead)의 노즐면에서 본 잉크 주입 채널(flow channel)의 구조 및 노즐의 위치를 보여준다. SOI (Silicon on Insulator)를 사용해서 제작된 헤드의 잉크 주입 채널(flow channel)은 (110) 벌크 실리콘 기판을 식각해서 제작된다. 부재번호 1은 압전판(도 3 참조) 하부에 위치하는 압력 챔버(chamber), 부재번호 2는 잉크가 토출되는 노즐, 부재번호 3은 상기 압력 챔버(1)로 잉크를 공급하기 위한 잉크 주입 채널(ink feed-in channel), 부재번호 4는 압전판(도 3 참조) 하부에 위치하는 각각의 압력 챔버(1)에 잉크 주입 채널(3)를 통해 잉크를 공급하기 위한 공통 잉크 유로(manifold), 그리고 부재번호 5는 잉크통 (ink bottle)으로부터 공통 잉크 유로(4)에 잉크를 공급하기 위한 유로 혹은 진동판의 홀이다. 여기서, 압력 챔버(1) 및 공통 잉크 유로(4)가 각각 α(=109.47°) 및 β(=70.53°)의 각도로 기울어지게 형성된 것은 (110) 실리콘 기판을 사용하여 제작했기 때문이다.
도 3은 도 2의 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드를 압전판이 형성된 진동판에서 투시하여 본 개략적 투시 평면도이다. 이 도면은 주로 프린터 헤드의 진동판에서 본 압력챔버 및 잉크 유로의 구조, 압전판 및 상부와 하부 전극의 배치를 보여준다. 여기서, 부재번호 1, 3, 4 및 5는 도 2에 설명된 바와 같은 소자를 나타내며, 부재번호 6은 상부전극, 부재번호 7은 압전판, 그리고 부재번호 8은 압전판 하부에 형성된 공통전극(common electrode)이다.
도 4는 도 3의 A-A'라인을 따라 절개한 단면을 보여주는 수직 단면도이다. 이 도면은 도 2와 도 3에 도시된 좌표의 x-y 평면에서 x축을 기준으로 y축 쪽으로 β°만큼 기울어진 방향의 단면도로서 박막들의 구조를 자세하게 보여준다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드는, 기본적으로 압력 챔버(chamber)(1), 잉크 주입 채널(ink feed-in channel)(3) 및 공통 잉크 유로(4)를 형성하기 위하여 챔버용 공간이 형성된 Si 기판(11)의 양면에 SiO2 박막(10, 12)들이 형성되고, 노즐(2)을 형성하기 위하여 SiO2 박막(12) 상에 Si 박막(13) 및 SiO2 박막(14)이 형성된다. 그리고 압력 챔버(1) 내의 잉크가 노즐(2)을 통하여 토출되도록 하는 압력을 발생시키기 위한 Si 진동판(9)이 노즐과 대향하는 면 상에 형성된다. Si 진동판(9) 상면에는 진동판(9)이 진동할 수 있도록 하기 위한 상부 전극(6), 압전판(7) 및 하부전극(8)으로 형성된 압전 소자가 부착된다. 경우에 따라서는 진동판(9)과 하부 전극(8) 사이에는 압전판(7) 형성시 압전 물질의 확산을 방지하기 위하여 Si3N4 혹은 ZrO2로 형성된 확산 방지막(15)이 삽입되기도 한다. 여기서, 압전판(7)은 PbZrTi(lead zirconium titanate)계 화합물 특히 Pb(ZrxTi1-x)O3로 제조한다. 특히, 잉크 챔버(1)의 규격은 노즐판면과 진동판면 사이의 간격을 200㎛ 정도로 하고, 양쪽 벽면 간의 간격은 100㎛ 정도로 하며, 진동판(9)의 진동에 의해 생성된 압력이 최대한 노즐(2) 쪽으로 전달되어 잉크 토출이 용이하도록 다음과 같이 잉크 챔버(1)가 제작된다.
첫째, 잉크 주입 채널(3)을 진동판(9)과 동일면 상에 접하도록 배치하여 그 수직방향으로 진동하는 진동판의 압력이 잉크 주입 채널(3) 쪽으로 전달되어 잉크가 역류하는 것을 최대한 방지한다.
둘째, 잉크 주입 채널(3)의 구경을 노즐(2)의 구경인 20~50㎛ 이상으로 하여 토출되는 잉크에 비해 충분한 양의 잉크가 유입되도록 한다.
셋째, 압력 챔버(1)의 양쪽 벽면은 Si 노즐판(13)면과 수직하도록 (110) Si 기판을 식각하여 형성함으로써 측방으로의 프린트 헤드의 사이즈를 줄인다. 따라서, 프린트 헤드의 밀집도를 높일 수 있어 인쇄의 해상도를 높일 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드는 Si을 이용해서 노즐(2), 공통 잉크 유로(4) 및 잉크 주입 채널(3)이 압력 챔버(1)와 일체형으로 형성되므로, 구조가 간단하면서도 그 규격을 작게할 수 있다. 또한, 압전판(7)은 압전 재료를 간단한 형태로 가공을 해서 진동판(9)에 부착하든가 혹은 진동판(9)에 직접 압전재료의 패턴(pattern)을 형성해서 진동판(9)에서 직접 소결하는 방식으로 제작된다. 후자의 경우 진동판(9)과 하부 전극(8) 사이에 압전 재료 소결시 압전 재료 물질이 진동판(9)으로 확산되는 것을 방지하기 위한 확산 방지막(15)이 삽입된다.
이상과 같은 구조를 갖는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드는 다음과 같이 제조된다.
본 발명에 따른 압젼 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드는 SOI(Silicon-on-insulator)를 이용해서 노즐 및 잉크 유로가 압력 챔버와 일체형으로 형성되고, 압전판은 압전 재료를 간단한 형태로 가공을 해서 진동판에 부착하든가 혹은 진동판에 직접 압전재료의 패턴(pattern)을 형성해서 진동판(9)에서 직접 소결하는 방식으로 제작된다. 노즐 및 잉크 유로 형성 공정에서는 습식 식각 방식이 이용된다. 이 방식은 널리 알려진 방식이고 경제적인 방식이다. 이러한 Si 에 적용되는 미세 가공(micro-fabrication) 공정을 도입함으로써 프린터 헤드 설계의 범위가 넓어지는 이점이 있고, 제조원가를 낯출 수 있으며, 또 정밀하게 프린터 헤드를 제작할 수 있게 된다. 이는 결국 고해상도의 인쇄물을 제작할 수 있는 프린터 헤드를 경제적으로 제작할 수 있음을 의미한다. 이러한 제작 방법을 도 5a 내지 도 5o를 참조하면서 상세하게 설명한다.
먼저, 벌크(bulk) 식각을 통한 압력 챔버 및 압력 챔버로 잉크를 공급하기 위한 잉크 주입 채널(ink feed-in channel)를 형성 하기 위한 공정으로, 도 5a에 도시된 바와 같이, 잉크 주입 채널(ink feed-in channel)에 해당하는 부분의 식각 패턴(Pattern) 형성이 필요하다. 도 5a에서는 벌크 형태의 (110)면 Si 기판(11)의 양면에 SiO2 박막(10a, 12)을 각각 코팅한다. 여기서, 식각 방지층으로 사용되는 SiO2 박막(10a, 12)은 Si3N4로 형성되기도 한다. 다음에, SiO2 박막(12) 상면에는 노즐 형성용 Si박막을 도포하거나 미리 제조된 Si 박판을 봉착하고, 그 대향면 상의 SiO2 박막(10a) 상에는 포토레지스트(Photoresist)를 코팅(coating)한 후 잉크 주입 채널(ink feed-in channel) 및 압력 챔버에 해당하는 부분에 자외선(UV light)을 조사하여 노광한다. 이후 노광된 부분을 제거하면 잉크 주입 채널(ink feed-in channel) 및 압력 챔버에 해당하는 부분이 노출된다.
다음에, 도 5b에 도시된 바와 같이, 노출된 SiO2층(10a)을 식각하여 SiO2 패턴(10b)을 형성하고, 이 SiO2 패턴(10b)을 마스크로 하여 잉크 주입 채널(ink feed-in channel) 및 압력 챔버에 해당되는 부분의 Si 기판을 잉크 유로의 사이즈 만큼 식각한다. 이 때 노출된 SiO2층(10a) 부분은 수용성 HF 용액을 사용해서 습식 식각을 행한다. 이 때 연관되는 화학 반응은 다음과 같다.
SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O
SiO2층(10a)은 식각이 진행 되면서 Si 기판(11)에 도달 하면, Si 기판(11)의 식각은 상당히 느린 속도로 진행되기 때문에 Si가 HF 수용액을 사용한 SiO2 식각 공정에서의 식각 방지벽 역할을 한다(Semiconductor integrated circuit processing technology, W. R. Runyan, K. E. Bean, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 1990, New York, U.S.A). 여기서, 식각 방지막으로 SiO2층 대신에 Si3N 4층(10)이 형성되었다면 리액티브 이온 에칭(Reactive Ion Etching)법으로 식각한다. 그리고, (110) Si 기판(11)은 KOH 수용액을 사용해서 식각한다. Si 원자들이 식각되는 과정에 관계되는 화학 반응은 다음과 같다.
Si + H2O + 2KOH → K2SiO3 + 2H2
Si 습식 식각 과정동안 SiO2 는 거의 식각되지 않으므로(예, KOH 250 grams, Normal Propanol 200 grams, H2O 800 grams 을 혼합한 식각용액을 사용할 경우 섭시 80 도에서 Si 은 분당 1 μm 의 속도로 식각이 되고 SiO2 는 분당 20 Å 의 속도로 식각이 된다, Semiconductor integrated circuit processing technology, W. R. Runyan, K. E. Bean, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 1990, New York, U.S.A), KOH 수용액을 사용해서 Si 을 식각할 경우 SiO2 가 식각 방지벽 역할을 한다.
다음에, 도 5c에 도시된 바와 같이, 식각용 마스크인 SiO2 패턴(10b)를 식각하여 제거한다.
다음에, 도 5d에 도시된 바와 같이, 다시 SiO2 층(10c)을 코팅한다. 이는 압력 챔버 및 공통 잉크 유로 (manifold)를 형성하기 위한 (110) Si 기판 식각용 마스크 패턴을 형성하기 위해 필요한 것이다.
다음에, 도 5e에 도시된 바와 같이, 도 5a 및 도5b에서와 같은 포토리소그래피(Photolithograpy) 공정을 이용하여 SiO2 층(10c)을 식각함으로써, 압력 챔버 및 공통 잉크 유로(manifold) 형성을 위한 식각용 SiO2 패턴(10d)을 형성한다. 잉크 주입 채널(ink feed-in channel) 상면 및 압력 챔버의 일측 격벽을 이룰 부분 상면에 도포된 SiO2 는 잔류하고, 나머지 SiO2 층은 제거된다.
다음에, 도 5f에 도시된 바와 같이, SiO2 패턴(10d)을 마스크로 하여 (110)면 Si 기판(11)을 식각함으로써, 압력 챔버(1) 및 공통 잉크 유로(manifold; 4)를 형성한다. 이 때, 벌크 Si 기판(11)은 (110)면이므로 KOH 용액으로 식각하면 기판의 수직 방향의 벽면이 형성된다.
다음에, 도 5g에 도시된 바와 같이, 잉크와 Si 사이의 상호 화학 작용을 방지 하기 위해 압력 챔버(1)와 공통 잉크 유로(4) 및 잉크 주입 채널(ink feed-in channel)(3)을 SiO2 로 코팅하여 SiO2 막(10e)을 형성한다.
다음에, 도 5h에 도시된 바와 같이, 노즐을 형성 하기 위해 엑시머 레이저(excimer laser)를 이용하여 SiO2층들(10e, 12)을 식각한다.
다음에, 도 5i에 도시된 바와 같이, 엑시머 레이저(excimer laser)로 식각되어 노출된 Si층(13)을 습식 식각하여 노즐(2)을 형성한다.
다음에, 도 5j에 도시된 바와 같이, Si층(13) 표면에 수용성 잉크가 퍼지는것을 방지하기 위해 SiO2 를 증착하여 퍼짐 방지(non-wetting coating)막(43)을 형성한다.
다음에, 도 5k에 도시된 바와 같이, 미리 확보된 단결정 Si 진동판(membrane 형태; 9)을 앞서의 공정에서 형성된 구조물에서 노즐판(13)의 대향면에 부착한다. 이 때, Si 진동판은 상기 구조물에 양극 본딩(anodic bonding)법을 이용하거나 고온 가열 접합을 통해서 부착한다.
다음에, 도 5l은 압전 물질(Piezo-electrinc materials)을 소결할 때 압전 물질이 확산되는 것을 방지하기 위하여 Si3N4 혹은 ZrO2으로 확산 방지막(15)을 형성한다. 이 공정은 압전판을 별도로 제작하여 부착하는 경우에는 실시할 필요가 없다.
다음에, 도 5m에 도시된 바와 같이, 하부 공통 전극(common electrode ; 8)을 형성한다. 하부공통전극(8)은 스크린 프린팅(screen printing)법으로 도전성 페이스트를 코팅하여 형성한다. 이 도전성 페이스트는 압전판(7)을 부착하기 위한 접착제 역할을 하게된다.
다음에, 도 5n에 도시된 바와 같이, PbZrTi(lead zirconium titanate)계 화합물 특히 Pb(ZrxTi1-x)O3로 제작된 압전판(7)을 하부 공통 전극(8) 즉 도전성 페이스트를 접착제로 하여 부착한 다음 1000°C 이하에서 소결한다.
다음에, 도 5o에 도시된 바와 같이, 압전판 상면에 상부 전극(6)을 형성하여 소자를 완성한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드는, (110)면 Si 기판을 이용해서 노즐, 공통 잉크 유로 및 잉크 주입 채널이 압력 챔버와 일체형으로 형성됨으로써, 구조가 간단하면서도 그 규격을 작게할 수 있다. 따라서, 인쇄물의 해상도를 높일 수 있다. (110)면 벌크 Si 웨이퍼를 사용해서 압력 챔버의 격벽 구조를 노즐판과 수직되게 제조하므로 프린트 헤더의 사이즈가 작아지므로 프린트 헤드를 고밀도로 집적시킬 수 있어 인쇄물의 해상도를 높일 수 있으며, 작은 압력 챔버를 사용하므로 작은 두께의 압전판을 사용할 수 있다.
또한, 그 제조 방법에 있어서는, 노즐이 일체형으로 제작되기 때문에 노즐을 프린터 헤드에 부착 하기 위한 Pick & Place 장비를 사용할 필요가 없어므로 공정이 단순하고, 별도의 노즐판을 사용하지 않으므로 노즐을 제조하는데 필요한 경비가 줄어든다. 잉크가 이동되는 유로 형성을 Si 웨이퍼를 직접 습식 식각법을 이용하여 형성하므로 공정이 용이하고 생산원가가 적다. Si 웨이퍼를 이용한 습식 식각은 복잡한 잉크 유로를 형성 하는데도 용이하므로 다양한 형태의 프린터 헤드를 제조할 수 있다. 진동판으로서는 Si 박판을 사용하기 때문에 일정한 진동판 두개를 사용할 수 있다. 압전판의 재질은 리드-지르코늄-타이타네이트(lead zirconium titanate)를 사용하여 1300℃ 이하(1000℃ 이하가 바람직함)에서 소결되므로 압전판 부착시 Si 위에서 직접 소결 할 수 있다. 압전판을 Si 위에서 직접 소결 할때 패턴은 스크린 프린팅을 사용해서 형성하므로 노즐간의 간격을 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 라미네이티드 잉크젯 기록 헤드의 수직 단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드를 노즐면에서 투시하여 본 개략적 투시 평면도이고,
도 3은 도 2의 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드를 압전판이 형성된 진동판에서 투시하여 본 개략적 투시 평면도이며,
도 4는 도 3의 A-A'라인을 따라 절개한 단면을 보여주는 수직 단면도이며,
도 5a 내지 도 5o는 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법을 공정 단계별로 공정후의 단면을 보여주는 수직 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1. 압력 챔버(pressure chamber) 2. 노즐
3. 잉크주입채널(ink feed-in channel) 4. 공통잉크유로(manifold)
5. 주 잉크 유로 6. 상부전극
7. 압전판 8. 하부공통전극(common electrode)
9. 진동판 10. SiO2 박막
11. (110) Si 기판 12. SiO2 박막
13. Si 박막(노즐판) 14. SiO2 박막(잉크 퍼짐 방지막)
15. 확산 방지막

Claims (32)

  1. 하나의 격벽을 사이에 두고 압력 챔버와 공통 잉크 유로가 형성된 (110)면 벌크 실리콘 기판의 양면에 각각 노즐판과 진동판이 형성되되, 상기 압력 챔버를 사이에 두고 상기 노즐판의 노즐과 상기 진동판 외측에 부착된 압전판이 서로 대향하도록 일체형으로 형성되고 상기 격벽에는 상기 공통 잉크 유로의 잉크가 상기 압력 챔버로 유입되도록 하는 잉크 유입 채널이 형성되며,
    상기 압력 챔버 내부의 양쪽 격벽 상면과 상기 공통 잉크 유로의 격벽 상면 및 상기 노즐판의 양면 상에 잉크가 Si와 반응하는 것을 방지하기 위한 SiO2막 혹은 Si3N4 막이 더 형성된 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 잉크 유입 채널은 상기 진동판에 접하도록 형성된 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노즐판은 단결정 혹은 다결정 실리콘으로 형성된 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 진동판은 단결정 실리콘으로 형성된 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 진동판에는 주 잉크통의 잉크를 상기 공통 잉크 유로로 주입하기 위한 주입홀이 형성된 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 잉크 유입 채널의 크기는 상기 노즐의 직경 보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 노즐의 직경은 20~50㎛ 범위로 형성되고, 상기 잉크 유입 채널의 크기는 50㎛ 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압력 챔버의 양쪽 벽의 경사도는 상기 노즐판과 수직하게 형성된 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 압력챔버의 크기는 상기 노즐판과 진동판 사이의 간격이 200㎛ 이상이고, 상기 압력 챔버 양쪽 격벽 간의 간격이 100㎛ 로 형성된 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 압전판은 PbZrTi계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 압전판의 양면 상에는 각각 하부 공통 전극 및 상부 전극이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하부 공통 전극은 도전성 페이스트로 형성되거나 혹은 금속을 증착하여 형성된 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드.
  13. 하나의 격벽을 사이에 두고 압력 챔버와 공통 잉크 유로가 형성된 (110)면 벌크 실리콘 기판의 양면에 각각 노즐판과 진동판이 형성되되, 상기 압력 챔버를 사이에 두고 상기 노즐판의 노즐과 상기 진동판 외측에 부착된 압전판이 서로 대향하도록 일체형으로 형성되고 상기 격벽에는 상기 공통 잉크 유로의 잉크가 상기 압력 챔버로 유입되도록 하는 잉크 유입 채널이 형성되며,
    상기 진동판과 상기 압전판 사이에 확산 방지막이 더 형성된 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 확산 방지막은 Si3N4 혹은 ZrO2 으로 형성된 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드.
  15. (가) (110)면 벌크 실리콘 기판의 양면에 SiO2막을 각각 형성하고, 상기 일측 SiO2막 상면에 노즐판용 Si층을 형성하는 단계;
    (나) 잉크 유입 채널을 형성하기 위하여 상기 타측 SiO2막에 소정의 패턴을 형성하고, 상기 SiO2 패턴을 마스크로 하여 상기 잉크 유입 채널과 공통 잉크 유로 및 압력 챔버에 해당하는 상기 (110)면 벌크 실리콘 기판을 상기 잉크 유입 채널의 깊이 만큼 식각하는 단계;
    (다) 상기 SiO2 패턴 마스크를 제거하는 단계;
    (라) 상기 식각 부분의 상면 및 상기 SiO2 패턴 마스크가 제거된 벌크 실리콘의 타측면 전체에 걸쳐 재차 SiO2 막을 형성하는 단계;
    (마) 상기 재차 형성된 SiO2 막을 패터닝하여 상기 압력 챔버와 공통 잉크 유로가 형성될 부분에 형성된 SiO2 막을 제거하는 단계;
    (바) 상기 패터닝된 SiO2 막을 마스크로 하여 상기 벌크 실리콘 기판을 식각하여 상기 압력 챔버 및 상기 공통 잉크 유로를 형성하는 단계;
    (사) 잉크와 Si 사이의 상호 화학 작용을 방지 하기 위해 상기 압력 챔버 내벽과 공통 잉크 유로의 내벽 및 잉크 주입 채널 상면을 SiO2 로 코팅하여 SiO2 막을 형성하는 단계;
    (아) 노즐을 형성 하기 위해 레이저를 이용하여 상기 일측면 상에 형성된 SiO2 막들의 영역 중 상기 잉크 챔버 내의 소정 영역을 식각하여 상기 노즐판용 Si층이 노출되도록하는 제1홀을 형성하는 단계;
    (자) 상기 제1홀에 의해 노출된 상기 Si층을 습식 식각하여 노즐을 형성하는 단계;
    (차) 미리 확보된 Si 진동판을 상기 공정들에 의해 형성된 구조물의 노즐판 대향면에 부착하는 단계; 및
    (카) 상기 Si 진동판 상에 압전 구조물을 형성하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 (가) 단계에서 상기 SiO2막 대신에 Si3N4막을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 (나) 단계에서 상기 Si3N4 패턴은 리액티브 이온 에칭법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 (가) 단계에서 상기 노즐판용 Si층은 단결정 혹은 다결정 실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 (나) 단계에서 상기 SiO2 패턴은 포토리소그래피법으로 형성하되 식각액으로는 HF용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 (나) 단계에서 상기 벌크 실리콘을 식각하는 공정에서 식각액으로 KOH 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 (마) 단계에서 상기 재차 형성된 SiO2 막은 포토리소그래피법으로 패터닝되는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 (바) 단계에서 상기 벌크 실리콘 기판을 식각하는 에챈트로 KOH 용액이 사용되는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 (아) 단계에서 사용되는 레이저는 엑시머 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 (자) 단계에서 Si층 식각액으로 KOH 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  25. 제15항에 있어서,
    상기 (자) 단계 및 (차) 단계 사이에 상기 노즐이 형성된 Si층 표면에 수용성 잉크가 퍼지는것을 방지하기 위해 SiO2 혹은 Si3N4 막을 증착하여 퍼짐 방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  26. 제15항에 있어서,
    상기 (차) 단계에서 상기 Si 진동판의 부착은 양극 본딩법이나 고온 가열법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  27. 제15항에 있어서, 상기 (카) 단계는,
    (카-1) 상기 Si 진동판 상에 소결시 압전 물질의 확산을 방지하기 위하여 확산 방지막을 형성하는 서브 단계;
    (카-2) 상기 확산 방지막 상에 하부 공통 전극용 도전성 페이스트를 코팅하는 서브 단계;
    (카-3) 압전판을 상기 도전성 페이스트 상에 부착하는 서브 단계;
    (카-4) 상기 압전판을 소결하는 서브 단계; 및
    (카-5) 상기 압전판 상면에 상부 전극을 형성하는 서브 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 (카-1) 서브 단계에서 상기 확산 방지막은 Si3N4 혹은 ZrO2으로 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 (카-3) 서브 단계에서 상기 압전판은 PbZrTi계 화합물을 포함하는 재료를 사용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 (카-3) 서브 단계에서 상기 압전판은 스크린 프린팅법으로 소성되지 않은 상태로 부착하는 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  31. 제27항에 있어서,
    상기 (카-4) 서브 단계에서 상기 소결 온도는 1300℃ 이하인 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
  32. 제15항에 있어서, 상기 (카) 단계에서,
    상기 (카-1) 단계를 없애고, 상기 (카-3) 서브 단계에서 소결된 압전판을 상기 도전성 페이스트 상에 부착하며, 상기 (카-4) 서브 단계를 없앤 것을 특징으로 하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법.
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