KR100499147B1 - 보조 히터를 가진 일체형 잉크젯 프린트헤드 - Google Patents

보조 히터를 가진 일체형 잉크젯 프린트헤드 Download PDF

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Abstract

보조 히터를 가진 일체형 잉크젯 프린트헤드가 개시된다. 개시된 잉크젯 프린트헤드는, 잉크 챔버, 매니폴드 및 잉크 채널이 형성된 기판; 기판 상에 적층된 복수의 물질층으로 이루어지며, 잉크 챔버와 연결되는 노즐이 관통되어 형성된 노즐 플레이트; 노즐 플레이트 내부에 마련되는 것으로, 잉크 챔버의 상부에 위치하도록 노즐의 양측에 배치된 주 히터와, 주 히터의 양단부에 접속된 주 전극; 및 주 히터와 주 전극을 덮고 있는 보호층 위에 형성되는 것으로, 보조 히터와, 보조 히터의 양단부에 접속된 보조 전극;을 구비한다. 그리고, 상기 보조 히터는 주 히터가 배치되지 아니한 노즐의 다른 양측에 배치되며, 상기 보조 전극의 적어도 일부는 주 히터의 상부에 배치된다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 주 히터가 손상된 경우에 보조 히터를 사용하여 버블을 발생시킬 수 있으므로 프린트헤드의 수명이 증가하며, 주 히터의 상부에 배치된 보조 전극을 통해 주 히터로부터 발생된 열이 빠르게 발산될 수 있으므로 높은 구동 주파수로 안정된 고속 인쇄가 가능하게 된다.

Description

보조 히터를 가진 일체형 잉크젯 프린트헤드{Monolithic inkjet printhead having auxiliary heater}
본 발명은 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보조 히터를 가진 일체형 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 프린트헤드는 잉크 액적의 토출 메카니즘에 따라 크게 두가지 방식으로 분류될 수 있다. 그 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 열구동 방식(thermal type)의 잉크젯 프린터헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 압전구동 방식(piezoelectric type)의 잉크젯 프린트헤드이다.
상기 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에서의 잉크 액적 토출 메카니즘을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 저항 발열체로 이루어진 히터에 펄스 형태의 전류가 흐르게 되면, 히터에서 열이 발생되면서 히터에 인접한 잉크를 순간적으로 가열함에 따라 잉크가 비등하면서 버블이 생성되고, 생성된 버블은 팽창하여 잉크 챔버 내에 채워진 잉크에 압력을 가하게 된다. 이로 인해 노즐 부근에 있던 잉크가 노즐을 통해 액적의 형태로 잉크 챔버 밖으로 토출된다.
여기에서, 버블의 성장방향과 잉크 액적의 토출 방향에 따라 상기 열구동 방식은 다시 탑-슈팅(top-shooting), 사이드-슈팅(side-shooting), 백-슈팅(back-shooting) 방식으로 분류될 수 있다. 탑-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 동일한 방식이고, 사이드-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 직각을 이루는 방식이며, 그리고 백-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 서로 반대인 잉크 액적 토출 방식을 말한다.
이와 같은 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드는 일반적으로 다음과 같은 요건들을 만족하여야 한다. 첫째, 가능한 한 그 제조가 간단하고 제조비용이 저렴하며, 대량 생산이 가능하여야 한다. 둘째, 고화질의 화상을 얻기 위해서는 인접한 노즐 사이의 간섭(cross talk)은 억제하면서도 인접한 노즐 사이의 간격은 가능한 한 좁아야 한다. 즉, DPI(dots per inch)를 높이기 위해서는 다수의 노즐을 고밀도로 배치할 수 있어야 한다. 셋째, 고속 인쇄를 위해서는, 잉크 챔버로부터 잉크가 토출된 후 잉크 챔버에 잉크가 리필되는 주기가 가능한 한 짧아야 한다. 즉, 가열된 잉크의 냉각이 빨리 이루어져 구동 주파수를 높일 수 있어야 한다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일 예로서, 미국특허 US 4,882,595호에 개시된 잉크젯 프린트헤드의 구조를 나타내 보인 부분 절개 사시도 및 그 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1a와 도 1b를 참조하면, 종래의 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드는, 기판(10)과, 그 기판(10) 위에 설치되어 잉크(29)가 채워지는 잉크 챔버(26)를 한정하는 격벽(14)과, 잉크 챔버(26) 내에 설치되는 히터(12)와, 잉크 액적(29')이 토출되는 노즐(16)이 형성된 노즐 플레이트(18)를 구비하고 있다. 상기 히터(12)에 펄스 형태의 전류가 공급되어 히터(12)에서 열이 발생되면 잉크 챔버(26) 내에 채워진 잉크(29)가 가열되어 버블(28)이 생성된다. 생성된 버블(28)은 계속적으로 팽창하게 되고, 이에 따라 잉크 챔버(26) 내에 채워진 잉크(29)에 압력이 가해져 노즐(16)을 통해 잉크 액적(29')이 외부로 토출된다. 그 다음에, 매니폴드(22)로부터 잉크 채널(24)을 통해 잉크 챔버(26) 내부로 잉크(29)가 흡입되어 잉크 챔버(26)는 다시 잉크(29)로 채워진다.
그런데, 이러한 구조를 가진 종래의 탑-슈팅 방식의 잉크젯 프린트헤드를 제조하기 위해서는, 격벽(14)이 형성된 기판(10) 상에 노즐(16)이 형성된 노즐 플레이트(18)를 별도로 제작하여 본딩하여야 하므로, 제조 공정이 복잡하고 노즐 플레이트(18)와 기판(10)의 본딩시에 오정렬의 문제가 발생될 수 있는 단점이 있다. 또한, 잉크 챔버(26), 잉크 채널(24) 및 매니폴드(22)가 평면상에 배치되어 있으므로, 단위 면적당 노즐(16)의 수, 즉 노즐 밀도를 높이는데 한계가 있으며, 이에 따라 높은 인쇄 속도와 고해상도를 가진 잉크젯 프린트헤드를 구현하기가 곤란하다.
최근에는, 상기한 바와 같은 종래의 잉크젯 프린트헤드의 문제점을 해소하기 위하여 다양한 구조를 가진 잉크젯 프린트헤드가 제안되고 있으며, 도 2a와 도 2b에는 그 일 예로서 2002년 1월 29일에 특허공개번호 2002-007741호로 공개된 본 출원인의 한국특허출원에 개시된 일체형(monolithic) 잉크젯 프린트헤드가 도시되어 있다.
도 2a와 도 2b를 참조하면, 실리콘 기판(30)의 표면쪽에는 반구형의 잉크 챔버(32)가 형성되어 있고, 기판(30)의 배면쪽에는 잉크 공급을 위한 매니폴드(36)가 형성되어 있으며, 잉크 챔버(32)의 바닥에는 잉크 챔버(32)와 매니폴드(36)를 연결하는 잉크 채널(34)이 관통 형성되어 있다. 그리고, 기판(30) 상에는 다수의 물질층(41, 42, 43)이 적층되어 이루어진 노즐 플레이트(40)가 기판(30)과 일체로 형성되어 있다. 노즐 플레이트(40)에는 잉크 챔버(32)의 중심부에 대응되는 위치에 노즐(47)이 형성되어 있으며, 노즐(47)의 둘레에는 전극(46)에 연결된 히터(45)가 배치되어 있다. 노즐(47)의 가장자리에는 잉크 챔버(32)의 깊이 방향으로 연장된 노즐 가이드(44)가 형성되어 있다. 상기 히터(45)에서 발생된 열은 절연층(41)을 통해 잉크 챔버(32) 내부의 잉크(48)로 전달되고, 이에 따라 잉크(48)는 비등되어 버블(49)이 생성된다. 생성된 버블(49)은 팽창하며 잉크 챔버(32) 내에 채워진 잉크(48)에 압력을 가하게 되고, 이에 따라 잉크(48)는 노즐(47)을 통해 액적(48')의 형태로 토출된다. 그 다음에, 대기와 접촉되는 잉크(48)의 표면에 작용하는 표면장력에 의해, 매니폴드(36)로부터 잉크 채널(34)을 통해 잉크(48)가 흡입되면서 잉크 챔버(32)에 다시 잉크(48)가 채워진다.
상기한 바와 같은 구조를 가진 종래의 일체형 잉크젯 프린트헤드에 있어서는, 실리콘 기판(30)과 노즐 플레이트(40)가 일체로 형성되어 제조 공정이 간단하고 오정렬의 문제점이 해소되는 장점이 있으며, 또한 노즐(46), 잉크 챔버(32), 잉크 채널(34) 및 매니폴드(36)가 수직으로 배열됨으로써, 도 1a 도시된 잉크젯 프린트헤드에 비해 노즐 밀도를 높일 수 있는 장점이 있다.
그런데, 상기한 바와 같은 구조를 가진 종래의 잉크젯 프린트헤드에 있어서는, 히터에서 발생된 열에너지의 상당한 부분, 대략 50% 정도가 기판이나 히터를 감싸고 있는 물질층들로 전도되어 흡수된다. 즉, 히터에서 발생된 열에너지는 잉크를 가열하여 버블을 발생시키는데 사용되어야 하는데, 이 열에너지의 상당한 부분이 다른 부분으로 흡수되어 버리고, 나머지 열에너지만이 버블 형성에 사용되는 것이다. 이와 같이 다른 부분으로 전도되는 열은 인쇄 사이클이 진행됨에 따라 프린트헤드 전체의 온도를 상승시키게 된다. 이에 따라, 잉크의 토출을 위해 가열된 히터와 잉크 및 그 주변이 초기 상태까지 충분히 냉각되는 데에는 비교적 많은 시간이 소요되므로 높은 구동 주파수를 구현하기 어렵게 되며, 프린트헤드에 여러가지 열적 문제점이 발생되어 장시간의 안정적인 작동이 어렵게 된다.
그리고, 히터에 가해지는 열적 스트레스에 의해 히터가 손상 또는 파손될 수 있으며, 이 경우에는 프린트헤드의 정상적인 작동이 곤란하게 되므로, 고해상도의 화상을 인쇄하기가 힘들고 프린트헤드의 수명이 단축된다.
한편, 최근에는 노즐의 양측에 두 개의 사각형 히터를 배치한 프린트헤드가 제안되고 있다. 그러나, 이 경우에도 상기한 열적 문제점은 그대로 가지고 있다. 그리고, 어느 한쪽의 히터가 손상 또는 파손된 경우에는 버블의 발생이 불완전하여 정상적인 잉크 토출 성능을 얻을 수 없으며, 다른 한쪽의 히터도 과밀집된 전류에 의해 쉽게 파손될 수 있으므로 고해상도의 화상을 인쇄하기가 힘들다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 주 히터 위에 보조 히터와 보조 전극을 설치함으로써 주 히터로부터 발생된 열을 쉽게 방출할 수 있으며 주 히터의 손상시 보조 히터로서 버블을 발생시킬 수 있는 구조를 가진 일체형 잉크젯 프린트헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 일체형 잉크젯 프린트헤드는,
토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버와, 상기 잉크 챔버에 잉크를 공급하기 위한 매니폴드와, 상기 잉크 챔버와 매니폴드를 연결하는 잉크 채널이 형성된 기판;
상기 기판 상에 적층된 복수의 물질층으로 이루어지며, 상기 잉크 챔버와 연결되는 노즐이 관통되어 형성된 노즐 플레이트;
상기 노즐 플레이트 내부에 마련되는 것으로, 상기 잉크 챔버의 상부에 위치하도록 상기 노즐의 양측에 배치된 주 히터와, 상기 주 히터의 양단부에 접속된 주 전극; 및
상기 주 히터와 주 전극을 덮고 있는 보호층 위에 형성되는 것으로, 보조 히터와, 상기 보조 히터의 양단부에 접속된 보조 전극;을 구비한다.
여기에서, 상기 보조 히터는 상기 주 히터가 배치되지 아니한 상기 노즐의 다른 양측에 배치되며, 상기 보조 전극의 적어도 일부는 상기 주 히터의 상부에 배치되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 주 히터는 제1 방향으로 보다 긴 직사각형으로 형성되며, 상기 보조 히터는 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 보다 긴 직사각형으로 형성된 것이 바람직하다.
상기 주 전극은 상기 주 히터를 병렬로 연결하는 구조로 배치될 수 있으며, 상기 보조 히터는 상기 주 전극의 상부에 상기 주 전극과 나란하도록 배치될 수 있다.
상기 보조 전극의 적어도 일부는 상기 주 히터와 나란하도록 배치된 것이 바람직하며, 상기 보조 히터를 병렬로 연결하는 구조로 배치될 수 있다.
상기 보조 전극은 전기 및 열의 전도성이 있는 금속, 예컨대 알루미늄, 알루미늄 합금, 금 또는 은으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 잉크 챔버는 상기 기판의 표면으로부터 소정 깊이로 형성된 측벽들에 의해 사각형으로 둘러싸인 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 측벽들은 상기 기판을 이루는 물질과는 다른 물질, 예컨대 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 잉크 챔버는 반구형으로 형성될 수도 있다.
상기 노즐 플레이트는 상기 기판 상에 적층된 복수의 보호층과, 상기 보호층 위에 적층되며 열전도성 있는 금속물질로 이루어진 열발산층을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 보호층들은 상기 기판 상에 순차 적층된 제1, 제2 및 제3 보호층들을 포함하며, 상기 제1 보호층과 제2 보호층 사이에 상기 주 히터와 주 전극이 마련되고, 상기 제2 보호층과 제3 보호층 사이에 상기 보조 히터와 보조 전극이 마련될 수 있다.
상기 열발산층은 니켈, 구리, 알루미늄 및 금으로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나의 금속물질로 이루어질 수 있으며, 전기도금에 의해 10 ~ 100㎛ 두께로 형성된 것이 바람직하다. 그리고, 상기 열발산층은 상기 보호층들에 형성된 컨택홀을 통해 상기 기판의 표면에 접촉되는 것이 바람직하다.
상기 보호층들 위에 상기 열발산층의 전기도금을 위한 시드층이 형성될 수 있으며, 상기 시드층은 구리, 크롬, 티타늄, 금 및 니켈로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나의 금속물질로 이루어질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 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 일체형 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 평면도이다.
도 3을 참조하면, 칩 상태로 제조되는 잉크젯 프린트헤드의 표면에는 다수의 노즐(108)이 2열로 배치되어 있으며, 그 양측 가장자리 부위에는 와이어에 본딩될 본딩 패드들(101)이 배치되어 있다. 도면에서는, 상기 노즐들(108)이 2열로 배치되어 있지만, 1열로 배치될 수도 있고, 해상도를 더욱 높이기 위해 3열 이상으로 배치될 수도 있다.
도 4와 도 5는 도 3의 B 부분을 확대하여 도시한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형 잉크젯 프린트헤드의 평면도들로서, 도 4는 주 히터와 주 전극의 배치 구조를 보여주는 도면이고, 도 5는 보조 히터와 보조 전극의 배치 구조를 보여주는 도면이며, 도 6과 도 7은 도 4와 도 5에 표시된 X-X'선과 Y-Y'선을 따른 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형 잉크젯 프린트헤드의 수직 단면도들이다.
도 4 내지 도 8을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드는 잉크를 담고 있는 잉크 저장고(미도시)로부터 매니폴드(102), 잉크 채널(104), 잉크 챔버(106) 및 노즐(108)로 이어지는 잉크유로를 가진다.
상기 매니폴드(102)는 기판(110)의 배면쪽에 형성되어 잉크를 담고 있는 잉크 저장고(미도시)와 연결된다. 따라서, 상기 매니폴드(102)는 잉크 저장고로부터 잉크 챔버(106)로 잉크를 공급하는 역할을 한다. 상기 매니폴드(102)는 기판(110)의 배면을 습식 식각 또는 이방성 건식 식각함으로써 형성될 수 있다.
여기에서, 상기 기판(110)으로는 반도체 소자의 제조에 널리 사용되는 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다.
상기 잉크 채널(104)은 잉크 챔버(106)와 매니폴드(102) 사이의 기판(110)을 수직으로 관통하여 형성된다. 상기 잉크 채널(104)은 잉크 챔버(106)의 양측 가장자리 부위에 두 개가 형성될 수 있다. 한편, 상기 잉크 채널(104)은 잉크 챔버(106)의 중심부에 대응하는 위치에 하나만 형성될 수도 있다. 이와 같이, 상기 잉크 채널(104)은 잉크 챔버(106)와 매니폴드(102)를 수직으로 연결 가능한 어떠한 위치에도 형성될 수 있으며, 또한 잉크의 공급 속도 등을 고려하여 하나 또는 복수개가 마련될 수 있다. 그리고, 상기 잉크 채널(104)은 원형이나 다각형 등 다양한 단면 형상을 가질 수 있다. 이러한 잉크 채널(104)은 반응성이온식각법(RIE)에 의해 매니폴드(102)와 잉크 챔버(106) 사이의 기판(110)을 건식 식각함으로써 형성될 수 있다.
상기 잉크 챔버(106)는 토출될 잉크가 채워지는 공간으로서, 기판(110)의 표면쪽에 소정 깊이, 예컨대 10㎛ ~ 80㎛ 정도의 깊이로 형성된다. 그리고, 상기 잉크 챔버(106)는 이를 둘러싸는 측벽들(111)에 의해 한정된다. 상기 측벽들(111)은 잉크 챔버(106)를 사각형으로 둘러싸도록 형성된 것이 바람직하다.
상기 측벽들(111)은 기판(110)을 이루는 물질과는 다른 물질로 이루어진다. 이는, 기판(110)의 등방성 식각에 의한 잉크 챔버(106)의 형성 과정에서 측벽들(111)이 식각저지벽(etch stop)으로서 기능할 수 있도록 하기 위함이다. 따라서, 기판(110)이 실리콘 웨이퍼로 이루어진 경우에는, 상기 측벽들(111)은 실리콘 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 측벽들(111)은, 기판(110)의 표면을 식각하여 소정 깊이의 트렌치(trench)를 형성한 후, 상기 트렌치 내부에 실리콘 산화물을 채움으로써 형성될 수 있다. 그리고, 상기 잉크 챔버(106)는, 측벽들(111)에 의해 둘러싸인 기판(110)을 후술하는 노즐(108)을 통해 등방성 식각함으로써 형성될 수 있다. 이 때, 상기 측벽들(111)이 상기한 바와 같이 식각저지벽으로서의 역할을 함으로써, 잉크 챔버(106)의 측면은 측벽들(111)에 의해 정의되고, 잉크 챔버(106)의 바닥면은 등방성 식각에 의해 대략 곡면을 이루게 된다. 따라서, 상기 잉크 챔버(106)는 측벽들(111)에 의해 설계된 치수대로 매우 정확하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 잉크 챔버(106)는 잉크 액적의 토출 성능을 향상시킬 수 있도록 설계된 최적의 부피를 가질 수 있게 된다.
한편, 상기 잉크 챔버(106)는 측벽들(111) 없이도 형성될 수 있다. 이 경우에, 잉크 챔버(106)는 노즐(108)을 통한 기판(110)의 등방성 식각에 의해 도 2a와 도 2b에 도시된 것처럼 반구형으로 형성된다.
상기한 바와 같이 잉크 챔버(106), 잉크 채널(104) 및 매니폴드(102)가 형성되어 있는 기판(110)의 상부에는 노즐 플레이트(120)가 마련된다. 상기 노즐 플레이트(120)는 잉크 챔버(106)의 상부벽을 이룬다. 이 노즐 플레이트(120)에는 잉크 챔버(106)로부터 잉크의 토출이 이루어지는 노즐(108)이 수직으로 관통되어 형성된다.
상기 노즐 플레이트(120)는 기판(110) 상에 적층된 복수의 물질층들로 이루어진다. 이 물질층들은 복수의 보호층들(passivation layers, 121, 124, 127)을 포함하며, 바람직하게는 금속으로 이루어진 열발산층(129)을 더 포함할 수 있다. 그리고, 상기 보호층들(121, 124, 127) 사이에는 주 히터(122) 및 주 전극(123)과 보조 히터(125) 및 보조 전극(126)이 마련된다.
제1 보호층(121)은 노즐 플레이트(120)를 이루는 복수의 물질층 중 가장 아래쪽의 물질층으로서 기판(110)의 상면에 형성된다. 상기 제1 보호층(121)은 그 위에 형성되는 주 히터(122)와 그 아래의 기판(110) 사이의 절연과 주 히터(122)의 보호를 위한 물질층으로서, 기판(110)의 표면에 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 증착함으로써 형성될 수 있다.
상기 제1 보호층(121) 위에는 잉크 챔버(106)의 상부에 위치하여 잉크 챔버(106) 내의 잉크를 가열하는 주 히터(122)와, 상기 주 히터(122)에 전기적으로 연결되어 주 히터(122)에 펄스 형태의 전류를 인가하는 주 전극(123)이 형성된다.
상기 주 히터(122)는 노즐(108)의 양측에 두 개가 배치되며, 그 형상은 사각형, 바람직하게는 제1 방향으로 보다 긴 직사각형으로 형성될 수 있다. 상기 주 히터(122)는 제1 보호층(121)의 전 표면에 불순물이 도핑된 폴리 실리콘, 탄탈륨-알루미늄 합금, 탄탈륨 질화물(tantalum nitride), 티타늄 질화물(titanium nitride) 또는 텅스텐 실리사이드(tungsten silicide)와 같은 저항 발열체를 대략 0.1 ~ 1.0㎛ 정도의 두께로 증착한 다음 이를 소정 형상, 예컨대 직사각형으로 패터닝함으로써 형성될 수 있다.
상기 주 전극(123)은 상기 주 히터(122)의 양단부 각각에 접속된다. 상기 주 전극(123) 중 어느 하나는 접지 전극이고 다른 하나는 전류 신호를 인가하기 위한 신호 전극이다. 상기 주 전극(123)은 도 4에 도시된 바와 같이 두 개의 주 히터(122)를 병렬로 연결하는 구조로 배치될 수 있다. 한편, 상기 주 전극(123)은 두 개의 주 히터(122) 각각에 직렬로 연결되도록 배치될 수도 있다. 즉, 상기 주 전극(123)은 잉크 챔버(106)의 형상과 주 히터(122)의 형상 등에 따라 다양하게 배치될 수 있다. 이러한 주 전극(123)는 도전성이 양호한 금속, 예컨대 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 금이나 은을 스퍼터링에 의해 대략 0.5㎛ ~ 2㎛ 정도의 두께로 증착하고 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다.
한편, 상기 주 히터(122)와 주 전극(123) 사이에 절연막이 형성될 수 있다. 이 경우에 주 히터(122)와 주 전극(123)은 절연막에 형성된 비아홀을 통해 서로 접속될 수 있다.
상기 제1 보호층(121)과 주 히터(122) 및 주 전극(123) 위에는 제2 보호층(124)이 형성된다. 상기 제2 보호층(124)은 그 위에 형성되는 보조 히터(125) 및 보조 전극(126)과 그 아래의 주 히터(122) 및 주 전극(123) 사이의 절연을 위해 마련된다. 상기 제2 보호층(124)도 제1 보호층(121)과 마찬가지로 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물을 대략 0.2㎛ ~ 1㎛ 정도의 두께로 증착함으로써 형성될 수 있다.
상기 제2 보호층(124) 위에는 보조 히터(125)와, 상기 보조 히터(125)에 전기적으로 연결되는 보조 전극(126)이 형성된다.
상기 보조 히터(125)는 주 히터(122)가 배치되지 않은 노즐(108)의 다른 양측에 두 개가 배치되며, 그 형상은 사각형, 바람직하게는 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 보다 긴 직사각형으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 보조 히터(125)는 도 5에 도시된 바와 같이 두 개의 주 전극(123) 각각의 상부에 주 전극(123)과 나란하도록 배치될 수 있다. 그리고, 상기 보조 히터(125)의 양단부는 주 히터(122)의 양단부와 겹쳐질 수 있다. 이러한 보조 히터(125)는 전술한 주 히터(122)의 구성 물질과 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 또한 전술한 주 히터(122)의 형성 방법과 동일한 방법으로 형성될 수 있다.
상기 보조 전극(126)은 상기 보조 히터(125)의 양단부 각각에 접속된다. 상기 보조 전극(126) 중 어느 하나는 접지 전극이고 다른 하나는 전류 신호를 인가하기 위한 신호 전극이다. 상기 보조 전극(126)의 적어도 일부는 도 5에 도시된 바와 같이 두 개의 주 히터(122) 각각의 상부에 주 히터(122)와 나란하도록 배치된다. 그리고, 상기 보조 전극(126)은 두 개의 보조 히터(125)를 병렬로 연결하는 구조로 배치될 수 있다. 이러한 보조 전극(126)는 전기 및 열의 전도성이 양호한 금속, 예컨대 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 금이나 은을 스퍼터링에 의해 대략 0.5㎛ ~ 2㎛ 정도의 두께로 증착하고 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다.
한편, 상기 보조 히터(125)와 보조 전극(126) 사이에도 절연막이 형성될 수 있으며, 이 경우에 보조 히터(125)와 보조 전극(126)은 절연막에 형성된 비아홀을 통해 서로 접속될 수 있다.
상기한 보조 히터(125)는, 주 히터(122)가 손상되거나 파손되어 제 기능을 발휘할 수 없을 때, 상기 보조 전극(126)을 통해 전류를 공급 받아 열을 발생시킴으로써, 잉크 챔버(106) 내의 잉크를 가열하여 버블을 발생시키는 기능을 하게 된다. 즉, 보조 히터(125)는 손상된 주 히터(122)를 대체하는 역할을 하는 것으로, 이에 따라 프린트헤드의 수명이 연장되는 장점이 있다.
그리고, 주 히터(122)의 상부에 배치된 상기 보조 전극(126)은 열전도성이 우수한 금속으로 이루어지므로, 주 히터(122)로부터 발생된 열을 흡수하여 발산시키는 기능을 할 수 있게 되며, 이에 따라 잉크가 토출된 후에 빠른 방열이 이루어질 수 있게 되어 높은 구동 주파수로 인쇄가 가능하게 된다. 또한, 보조 전극(126)은, 상기한 바와 같이 주 히터(122)가 손상되거나 파손되어 제 기능을 발휘할 수 없을 때, 보조 히터(125)에 전류를 인가하는 기능을 할 수 있게 된다.
상기 제2 보호층(124)과 보조 히터(125) 및 보조 전극(126) 위에는 제3 보호층(127)이 형성된다. 상기 제3 보호층(127)은 그 위에 형성되는 열발산층(129)과 그 아래의 보조 히터(125) 및 보조 전극(126) 사이의 절연을 위한 것으로, TEOS(Tetraethylorthosilicate) 산화물, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 대략 0.7㎛ ~ 3㎛ 정도의 두께로 증착함으로써 형성될 수 있다. 한편, 상기 제3 보호층(127)은, 그 절연 기능을 손상하지 않는 범위 내에서, 상기 보조 히터(125) 및 보조 전극(126)의 상부와 이에 인접한 부위에만 형성될 수 있다.
상기 열발산층(129)은 제3 보호층(127) 위에 형성되며, 상기 보호층들(127, 124, 121)을 관통하여 형성된 컨택홀(C)을 통해 기판(110)의 상면에 접촉된다. 상기 열발산층(129)은 열전도성이 양호한 금속물질, 예컨대 니켈, 구리, 알루미늄 또는 금과 같은 금속물질로 이루어진다. 그리고, 상기 열발산층(129)은 하나의 금속층 또는 복수의 금속층으로 이루어질 수 있다. 이러한 열발산층(129)은 제3 보호층(127) 위에 상기 금속물질을 전기도금함으로써 10 ~ 100㎛ 정도의 비교적 두꺼운 두께로 형성될 수 있다. 이를 위해, 제3 보호층(127) 위에는 상기 금속물질의 전기도금을 위한 시드층(seed layer, 128)이 마련될 수 있다. 상기 시드층(128)은 구리, 크롬, 티타늄, 금 또는 니켈 등의 도전성이 양호한 금속물질을 스퍼터링에 의해 대략 500 ~ 3000Å 정도의 두께로 증착함으로써 형성될 수 있다. 그리고, 상기 시드층(128)도 하나의 금속층 또는 복수의 금속층으로 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같이, 금속으로 이루어진 열발산층(129)은 도금 공정에 의해 형성되므로, 잉크젯 프린트헤드의 다른 구성요소들과 일체로 형성될 수 있으며, 또한 비교적 두꺼운 두께로 형성될 수 있으므로 효과적인 방열이 이루어질 수 있다.
이러한 열발산층(129)은 상기 컨택홀(C)을 통해 기판(110)의 상면에 접촉되어 주 히터(122) 및 그 주변의 열을 외부로 발산하는 기능을 한다. 따라서, 잉크가 토출된 후에 주 히터(122)와 그 주변에 잔존된 열은 상기한 보조 전극(126)과 열발산층(129)을 통해 기판(110)으로 전도되어 외부로 발산된다. 이와 같이, 상기한 보조 전극(127) 뿐만 아니라 열발산층(129)이 구비된 경우에는, 잉크가 토출된 후에 보다 빠른 방열이 이루어질 수 있으므로, 보다 높은 구동 주파수로 안정적인 인쇄가 가능하게 된다.
또한, 상기한 바와 같이 열발산층(129)은 비교적 두꺼운 두께로 형성될 수 있으므로, 노즐(108)의 길이를 충분히 길게 확보할 수 있게 된다. 따라서, 안정적인 고속 인쇄가 가능하게 되고, 노즐(108)을 통해 토출되는 잉크 액적의 직진성이 향상된다. 즉, 토출되는 잉크 액적이 기판(110)에 대해 정확히 수직한 방향으로 토출될 수 있다.
상기 노즐 플레이트(120)에는 노즐(108)이 관통되어 형성된다. 상기 노즐(108)은 도시된 바와 같이 출구쪽으로 갈수록 단면적이 작아지는 테이퍼 형상으로 된 것이 바람직하다. 이와 같이, 노즐(108)의 형상이 테이퍼 형상으로 된 경우에는, 잉크의 토출 후 잉크 표면의 메니스커스가 보다 빨리 안정되는 장점이 있다. 이러한 노즐(108)은, 상기 보호층들(127, 124, 121)을 반응성이온식각법에 의해 순차적으로 식각한 후, 포토레지스트 또는 감광성 폴리머를 사용하여 노즐 형상의 도금틀(plating mold)을 형성한 다음, 전기도금에 의해 상기 열발산층(129)을 형성한 후 도금틀을 제거함으로써 형성될 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예들을 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 있고, 측벽, 히터, 전극, 보호층이나 열발산층 등도 마찬가지이다. 또한, 각 물질의 적층 및 형성방법도 단지 예시된 것으로서, 다양한 증착방법과 식각방법이 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 일체형 잉크젯 프린트헤드는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 주 히터와 주 전극의 상부에 보호막을 개재하여 보조 히터와 보조 전극이 마련되어, 주 히터가 손상되거나 파손되어 제 기능을 발휘할 수 없을 때, 상기 보조 히터로서 잉크를 가열하여 버블을 발생시킬 수 있게 되므로, 프린트헤드의 수명이 연장될 수 있다.
둘째, 주 히터의 상부에 배치된 보조 전극을 통해 주 히터로부터 발생된 열이 빠르게 발산될 수 있으므로, 높은 구동 주파수로 안정된 고속 인쇄가 가능하게 된다.
셋째, 두꺼운 두께를 가진 금속으로 이루어진 열발산층에 의해 방열 능력이 보다 향상될 수 있다. 또한, 노즐의 길이를 충분히 길게 확보할 수 있어서, 메니스커스를 노즐 내에 유지할 수 있으므로 안정적인 잉크의 리필이 가능하고, 토출되는 잉크 액적의 직진성이 향상될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일 예를 보여주는 도면들로서, 도 1a는 부분 절개 사시도이고, 도 2b는 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 종래의 일체형 잉크젯 프린트헤드의 일 예를 보여주는 도면들로서, 도 2a는 평면도이고, 도 2b는 도 2a에 표시된 A-A'선을 따른 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 일체형 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 평면도이다.
도 4와 도 5는 도 3의 B 부분을 확대하여 도시한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형 잉크젯 프린트헤드의 평면도들로서, 도 4는 주 히터와 주 전극의 배치 구조를 보여주는 도면이고, 도 5는 보조 히터와 보조 전극의 배치 구조를 보여주는 도면이다.
도 6과 도 7은 도 4와 도 5에 표시된 X-X'선과 Y-Y'선을 따른 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형 잉크젯 프린트헤드의 수직 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
102...매니폴드 104...잉크 채널
106...잉크 챔버 108...노즐
110...실리콘 기판 111...측벽
120...노즐 플레이트 121...제1 보호층
122...주 히터 123...주 전극
124...제2 보호층 125...보조 히터
126...보조 전극 127...제3 보호층
128...시드층 129...열발산층

Claims (24)

  1. 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버와, 상기 잉크 챔버에 잉크를 공급하기 위한 매니폴드와, 상기 잉크 챔버와 매니폴드를 연결하는 잉크 채널이 형성된 기판;
    상기 기판 상에 적층된 복수의 물질층으로 이루어지며, 상기 잉크 챔버와 연결되는 노즐이 관통되어 형성된 노즐 플레이트;
    상기 노즐 플레이트 내부에 마련되는 것으로, 상기 잉크 챔버의 상부에 위치하도록 상기 노즐의 양측에 배치된 주 히터와, 상기 주 히터의 양단부에 접속된 주 전극; 및
    상기 주 히터와 주 전극을 덮고 있는 보호층 위에 형성되는 것으로, 보조 히터와, 상기 보조 히터의 양단부에 접속된 보조 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 보조 히터는 상기 주 히터가 배치되지 아니한 상기 노즐의 다른 양측에 배치되며, 상기 보조 전극의 적어도 일부는 상기 주 히터의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 주 히터는 제1 방향으로 보다 긴 직사각형으로 형성되며, 상기 보조 히터는 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 보다 긴 직사각형으로 형성된 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 보조 히터의 양단부는 상기 주 히터의 양단부와 겹쳐지도록 배치된 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 주 전극은 상기 주 히터를 병렬로 연결하는 구조로 배치된 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 보조 히터는 상기 주 전극의 상부에 상기 주 전극과 나란하도록 배치된 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 보조 전극의 적어도 일부는 상기 주 히터와 나란하도록 배치된 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 보조 전극은 상기 보조 히터를 병렬로 연결하는 구조로 배치된 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 보조 전극은 전기 및 열의 전도성이 있는 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 보조 전극은 알루미늄, 알루미늄 합금, 금 및 은으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 잉크 챔버는 상기 기판의 표면으로부터 소정 깊이로 형성된 측벽들에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 측벽들은 상기 잉크 챔버를 사각형으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 측벽들은 상기 기판을 이루는 물질과는 다른 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 측벽들을 이루는 물질은 실리콘 산화물인 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  15. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 잉크 챔버는 반구형으로 형성된 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  16. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 노즐 플레이트는 상기 기판 상에 적층된 복수의 보호층과, 상기 보호층 위에 적층되며 열전도성 있는 금속물질로 이루어진 열발산층을 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 보호층들은 절연물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 일체형 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 보호층들은 상기 기판 상에 순차 적층된 제1, 제2 및 제3 보호층들을 포함하며, 상기 제1 보호층과 제2 보호층 사이에 상기 주 히터와 주 전극이 마련되고, 상기 제2 보호층과 제3 보호층 사이에 상기 보조 히터와 보조 전극이 마련되는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트헤드.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 노즐은 출구쪽으로 갈수록 단면적이 작아지는 테이퍼 형상으로 된 것을 특징으로 하는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 열발산층은 니켈, 구리, 알루미늄 및 금으로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나의 금속물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  21. 제 16항에 있어서,
    상기 열발산층은 전기도금에 의해 10 ~ 100㎛ 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  22. 제 16항에 있어서,
    상기 열발산층은 상기 보호층들에 형성된 컨택홀을 통해 상기 기판의 표면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  23. 제 16항에 있어서,
    상기 보호층들 위에 상기 열발산층의 전기도금을 위한 시드층이 형성된 것을 특징으로 하는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 시드층은 구리, 크롬, 티타늄, 금 및 니켈로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나의 금속물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드.
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