KR100499148B1 - 잉크젯 프린트헤드 - Google Patents

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Abstract

잉크젯 프린트헤드가 개시된다. 개시된 잉크젯 프린트헤드는, 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버가 그 표면쪽에 형성되고, 잉크 챔버로 잉크를 공급하기 위한 매니폴드가 그 배면쪽에 형성된 기판; 기판상에 적층되며 절연물질로 이루어진 다수의 보호층과, 이 보호층 위에 적층되며 열전도성있는 금속물질로 이루어진 열발산층을 포함하며, 잉크 챔버와 연결되는 노즐이 관통되어 형성된 노즐 플레이트; 및 노즐 플레이트의 보호층들 사이에 마련되는 것으로, 잉크 챔버의 상부에 위치하여 잉크 챔버 내부의 잉크를 가열하는 히터와, 이 히터에 전류를 인가하는 도체;를 구비하며, 잉크 챔버와 매니폴드 사이에는 잉크 챔버의 바닥벽을 이루는 동시에 매니폴드의 상부벽을 이루는 물질층이 개재되고, 이 물질층에는 잉크 챔버와 매니폴드를 연결하는 다수의 잉크 채널이 형성된다.

Description

잉크젯 프린트헤드{Inkjet printhead}
본 발명은 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 특히 잉크의 리필 시간을 줄일 수 있는 동시에 불순물을 여과할 수 있는 열구동 방식 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 잉크젯 프린트헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 압전구동 방식 잉크젯 프린트헤드이다.
상기 열구동 방식은 버블의 성장방향과 잉크 액적의 토출 방향에 따라 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 방식 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.
열구동 방식 잉크젯 프린트헤드에서 잉크 액적의 토출 메카니즘을 설명하면 다음과 같다. 발열 저항체로 이루어진 히터에 펄스 형태의 전류가 흐르게 되면, 히터에서 열이 발생되면서 히터에 인접한 잉크는 대략 300℃로 순간 가열된다. 이에 따라 잉크가 비등하면서 버블이 생성되고, 생성된 버블은 팽창하여 잉크가 충만된 잉크 챔버 내부에 압력을 가하게 된다. 이로 인해 노즐 부근에 있던 잉크가 노즐을 통해 액적의 형태로 잉크 챔버 밖으로 토출된다.
한편, 버블이 소멸되면 토출된 잉크 양에 해당하는 새로운 잉크가 잉크 채널을 통해 잉크 챔버로 공급되는데, 이때 상기 잉크 채널은 잉크 유동에 대한 저항으로 작용한다. 따라서, 잉크가 잉크 챔버로 유입되는 과정에서는 잉크 채널은 유동저항이 작도록 설계되어야 한다. 그러나, 잉크 액적이 노즐을 통하여 토출될 때는 잉크 채널은 잉크의 역류를 방지하기 위해 유동저항을 갖도록 설계되어야 한다. 따라서, 노즐과 잉크 채널의 유동저항은 통상적으로 설계된 토출 액적의 운동량과 잉크의 리필 시간에 따라 적절하게 조절된다.
도 1은 불순물 입자를 여과할 수 있는 종래 잉크젯 프린트헤드의 일 예로서, 미국 특허공보 US 5,734,399호에 개시된 잉크젯 프린트헤드의 평면도이다. 도면을 참조하면, 잉크는 매니폴드(407)로부터 잉크 채널(409,411,413,415)을 통하여 히터(401,403) 부위로 공급된다. 여기서, 잉크젯 프린트헤드는 잉크 유로에 포토레지스트를 이용한 일종의 섬(island, 417,419,423,425,427,429,431) 구조를 이용하여 불순물 입자(433,435)가 히터(401,403) 부위로 유입되는 것을 방지하고 있다.
그러나, 상기와 같은 구조는 단순히 불순물에 의한 유로 막힘 방지를 위한 구조로서 잉크 액적 토출 시와 잉크 리필 시의 유동저항을 달리 할 수는 없다.
미국 특허공보 US 5,940,099호에는 다공성 물질을 이용한 잉크젯 프린트헤드가 개시되어 있다. 다공성 물질의 유동 저항은 속도의 제곱에 비례하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 다공성 물질로 이루어진 잉크 채널은 잉크의 토출 시에는 유체의 속도가 커서 유동저항이 크게 되고, 잉크의 리필 시에는 유체의 속도가 작아서 유동저항이 작아지는 장점이 있다. 그러나, 이러한 다공성 물질을 이용하여 잉크젯 프린트헤드를 제작하는 것은 가격도 비싸고, 그 제작 공정도 용이하지 않다는 단점이 있다.
또한, 미국 특허공보 US 6,260,957호에는 잉크가 잉크 챔버로 유입되기 전에 불순물을 여과하는 구조의 잉크젯 프린트헤드가 개시되어 있다. 그러나, 상기와 같은 잉크젯 프린트헤드는 잉크 채널과 필터를 따로 구성하여야 한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로, 잉크 챔버와 매니폴드 사이에 다수의 잉크 채널을 형성함으로써 잉크의 리필 시간을 줄여 작동주파수를 향상시키는 동시에, 불순물을 여과하여 프린트헤드의 오작동을 방지할 수 있는 개선된 구조의 열구동 방식 잉크젯 프린트헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 잉크제 프린트헤드는,
토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버가 그 표면쪽에 형성되고, 상기 잉크 챔버로 잉크를 공급하기 위한 매니폴드가 그 배면쪽에 형성된 기판;
상기 기판상에 적층되며 절연물질로 이루어진 다수의 보호층과, 상기 보호층 위에 적층되며 열전도성있는 금속물질로 이루어진 열발산층을 포함하며, 상기 잉크 챔버와 연결되는 노즐이 관통되어 형성된 노즐 플레이트; 및
상기 노즐 플레이트의 상기 보호층들 사이에 마련되는 것으로, 상기 잉크 챔버의 상부에 위치하여 상기 잉크 챔버 내부의 잉크를 가열하는 히터와, 상기 히터에 전류를 인가하는 도체;를 구비하며,
상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드 사이에는 상기 잉크 챔버의 바닥벽을 이루는 동시에 상기 매니폴드의 상부벽을 이루는 물질층이 개재되고, 상기 물질층에는 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 연결하는 다수의 잉크 채널이 형성된다.
여기서, 상기 물질층은 실리콘 산화물층인 것이 바람직하다.
상기 기판은 하부 실리콘 기판과 절연층과 상부 실리콘 기판이 순차적으로 적층된 SOI 기판인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 잉크 챔버는 상기 상부 실리콘 기판에 형성되고, 상기 매니폴드는 상기 하부 실리콘 기판에 형성되며, 상기 잉크 채널들은 상기 절연층에 형성된다.
상기 물질층의 두께는 1 ~ 4㎛인 것이 바람직하며, 상기 잉크 채널들의 직경은 1 ~ 4㎛인 것이 바람직하다.
상기 노즐은 상기 잉크 챔버의 중심부에 대응하는 위치에 배치되고, 상기 히터는 상기 노즐의 양측에 배치될 수 있다.
또한, 상기 노즐과 히터는 상기 잉크 챔버의 중심부를 기준으로 그 양측에 각각 배치될 수 있다.
상기 보호층들은 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 제1 보호층, 제2 보호층 및 제3 보호층을 포함하며, 상기 히터는 상기 제1 보호층과 상기 제2 보호층 사이에 마련되며, 상기 도체는 상기 제2 보호층과 상기 제3 보호층 사이에 마련될 수 있다.
상기 다수의 보호층에는 상기 노즐의 하부가 형성되며, 상기 열발산층에는 상기 노즐의 상부가 형성된다. 여기서, 상기 열발산층에 형성되는 상기 노즐의 상부는 출구쪽으로 갈수록 단면적이 작아지는 테이퍼 형상으로 되는 것이 바람직하다.
상기 열발산층은 적어도 하나의 금속층으로 이루어지며, 상기 금속층 각각은 니켈, 구리, 알루미늄 및 금으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나의 금속물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 열발산층은 전기도금에 의해 10 ~ 100㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 열발산층은 상기 보호층들에 형성된 컨택홀을 통해 상기 기판의 표면에 접촉되는 것이 바람직하다.
상기 보호층들 위에는 상기 열발산층의 전기도금을 위한 시드층이 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 시드층은 적어도 하나의 금속층으로 이루어지며, 상기 금속층 각각은 구리, 크롬, 티타늄, 금 및 니켈로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나의 금속물질로 이루어질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 요소를 지칭하며, 도면 상에서 각 요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 평면도이다.
도 2를 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 3은 도 2의 B 부분을 확대하여 도시한 평면도이고, 도 4는 도 3에 표시된 X-X'선을 따른 잉크젯 프린트헤드의 수직 단면도이다.
도 3과 도 4를 함께 참조하면, 잉크젯 프린트헤드는 기판(110)과, 상기 기판(110)의 상부에 적층되는 노즐 플레이트(120)를 구비한다.
상기 기판(110)에는 표면쪽에 잉크 챔버(106)가 형성되고, 배면쪽에 상기 잉크 챔버(106)로 잉크를 공급하는 매니폴드(102)가 형성된다. 그리고, 잉크 챔버(106)와 매니폴드(102) 사이에는 매니폴드(102)로부터 잉크 챔버(106)로 잉크를 공급하는 잉크 유로인 다수의 잉크 채널(104)이 형성된다. 이때, 상기 잉크 채널들(104)은 잉크 챔버(106)와 매니폴드(102) 사이에 개재된 소정의 물질층(110b), 예를 들면 실리콘 산화물층에 형성된다. 여기서, 상기 물질층의 두께는 대략 1 ~ 4㎛인 것이 바람직하다.
상기 기판(110)으로는 하부 실리콘 기판(110a)과 절연층(110b)과 상부 실리콘 기판(110c)이 순차적으로 적층된 SOI(Silicon on Insulator) 기판이 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 SOI 기판(110)이 사용될 때, 매니폴드(102)는 하부 실리콘 기판(110a)에 형성되고, 잉크 챔버(106)는 상부 실리콘 기판(110c)에 형성된다. 그리고, 다수의 잉크 채널(104)은 하부 실리콘 기판(110a)과 상부 실리콘 기판(110c) 사이에 마련된 절연층(110b)에 형성된다. 여기서, 상기 절연층의 두께는 대략 1 ~ 4㎛인 것이 바람직하다.
상기 잉크 챔버(106)는 토출될 잉크가 채워지는 공간으로서, SOI 기판(110)의 상부 실리콘 기판(110c)을 등방성 식각함으로써 형성된다. 상기 잉크 챔버(106)는 그 평면 형상과 넓이를 한정하는 측벽(111)과 그 깊이를 한정하는 바닥벽(112)에 의해 그 측면과 바닥면이 정의된다. 여기서, 상기 측벽(111)은 SOI 기판(110)의 상부 실리콘 기판(110c)을 소정 형상으로 식각하여 형성된 트렌치에 실리콘 산화물을 채움으로써 형성된다. 그리고, 상기 바닥벽(112)은 상기 SOI 기판(110)에 마련된 절연층(110b)으로 이루어진다. 여기서, 상기 절연층(110b)은 잉크 챔버(106)의 바닥벽을 이루는 동시에 매니폴드(102)의 상부벽으로 이루는 층으로, 실리콘 산화물로 이루어져 있다.
상기 측벽과(111)과 바닥벽(112)은 상부 실리콘 기판(110c)의 식각에 의한 잉크 챔버(106)의 형성 과정에서 식각저지벽(etch stop)으로서 기능한다. 따라서, 본 발명에 있어서 상기 잉크 챔버(106)는 상기 측벽(111)과 바닥벽(112)에 의해 원하는 치수대로 매우 정확하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 잉크 챔버(106)는 비교적 큰 사이즈의 잉크 액적의 토출에 필요한 충분한 잉크를 담을 수 있는 최적의 부피, 구체적으로 최적의 면적과 깊이를 가질 수 있게 된다. 또한, 잉크 챔버(106)에 많은 양의 잉크가 저장될 수 있도록 잉크 챔버(106)를 형성하면, 히터(122) 부근에 존재하는 잉크의 양이 많아지므로, 히터(122)의 온도 상승을 감소시킬 수 있다.
상기 측벽(111)에 의해 한정되는 잉크 챔버(106)는 다양한 평면 형상으로 형성될 수 있다. 특히, 상기 잉크 챔버(106)는 사각형, 바람직하게는 노즐 배열방향의 폭이 좁고 노즐 배열방향과 직교하는 방향의 길이가 긴 직사각형의 평면 형상을 가지도록 형성될 수 있다. 이와 같이 잉크 챔버(106)의 폭이 감소하게 되면, 노즐들(108) 사이의 간격을 줄일 수 있게 되므로, 다수의 노즐(108)을 보다 고밀도로 배열할 수 있게 되어 고해상도의 화상을 인쇄할 수 있는 높은 DPI의 잉크젯 프린트헤드를 구현할 수 있게 된다.
상기 매니폴드(102)는 SOI 기판(110)의 하부 실리콘 기판(110a)을 절연층(110b)의 하면이 노출될 때까지 습식 또는 건식 식각함으로써 형성된다. 이러한 매니폴드(102)는 잉크를 담고 있는 잉크 저장고(미도시)와 연결되어 잉크 저장고로부터 잉크 챔버(106)로 잉크를 공급하는 역할을 한다.
한편, 절연층(110b)으로 이루어진 잉크 챔버(106)의 바닥벽(112)에는 잉크 챔버(106)와 매니폴드(102)를 연결하도록 다수의 잉크 채널(104)이 관통되어 형성되어 있다. 이때, 잉크 챔버(106)의 바닥벽(112)에는 수십 내지 수백개의 잉크 채널(104)들이 형성된다. 이러한 잉크 채널(104)들은 매니폴드(102)로부터 잉크 챔버(106)로 잉크를 공급하는 잉크 유로가 된다.
도 5는 절연층(110b)으로 이루어진 잉크 챔버(106)의 바닥벽(112)에 다수의 잉크 채널(104)이 형성된 상태를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도 5를 참조하면, 잉크 챔버(106)의 바닥벽(112)에는 소정 직경을 가진 다수의 잉크 채널(104)이 전체적으로 균일하게 형성되어 있다. 여기서, 상기 잉크 채널(104) 각각의 직경은 대략 1 ~ 4㎛인 것이 바람직하다. 한편, 상기 잉크 채널(104)들의 개수 및 그 직경은 프린트헤드의 설계 조건에 따라 다양하게 바꿀 수 있다. 그리고, 잉크 챔버(106)의 바닥벽(112)에 형성되는 잉크 채널(104)들의 배치도 도 5에 도시된 바와 달리할 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이 다수의 잉크 채널(104')이 프린트헤드의 설계 조건에 따라 잉크 챔버(106)의 바닥벽(112) 양측에 형성될 수도 있다.
상기와 같이, 잉크 챔버(106)의 바닥벽(112)에 잉크 챔버(106)와 매니폴드(102)를 연결하는 다수의 잉크 채널(104)이 형성되면, 잉크 흐름의 속도에 따라 유동 저항이 달라진다. 즉, 잉크의 토출 단계에서는 매니폴드(102)쪽으로 역류하는 잉크의 속도가 크므로 유동 저항이 커진다. 따라서, 노즐(108)을 통하여 토출되는 잉크 액적의 운동량이 커진다. 그리고, 잉크의 리필 단계에서는 매니폴드(102)로부터 잉크 챔버(106)로 유입되는 잉크의 속도가 작으므로 유동 저항이 작아진다. 따라서, 잉크의 리필 시간이 줄어들어 프린트헤드의 작동주파수가 향상된다.
한편, 매니폴드(102)로부터 잉크 챔버(106)로 불순물이 유입되면, 상기 불순물이 노즐(108)을 막게 되어 프린트헤드를 오작동시키는 문제가 발생한다. 그러나, 상기와 같이 잉크 챔버(106)의 바닥벽(112)에 다수의 잉크 채널(104)을 형성하게 되면, 상기 잉크 채널(104)들은 필터로서의 역할을 하게 되어 매니폴드(102)에 존재하는 불순물이 잉크 챔버(104)로 들어오는 것을 막을 수 있게 된다.
그리고, SOI 기판(110)에 마련된 절연층(110b)은 일정한 두께의 실리콘 산화물로 이루어져 있기 때문에 상기 절연층(110b)에 형성된 잉크 채널(104)들은 일정한 길이를 갖게 된다. 따라서, 상기 잉크 채널(104)들은 공정 오차에 영향을 받지 않아 웨이퍼의 어느 위치에서든지 균일한 유동 저항을 확보할 수 있다.
상기한 바와 같이 잉크 챔버(106), 다수의 잉크 채널(104) 및 매니폴드(102)가 형성되어 있는 SOI 기판(110)의 상부에는 노즐 플레이트(120)가 마련된다. 이러한 노즐 플레이트(120)는 잉크 챔버(106)의 상부벽을 이룬다. 상기 노즐 플레이트(120)에는 잉크 챔버(106)로부터 잉크의 토출이 이루어지는 노즐(108)이 잉크 챔버(106)의 중심부에 대응하는 위치에 수직으로 관통되어 형성된다.
상기 노즐 플레이트(120)는 SOI 기판(110) 상에 적층된 다수의 물질층으로 이루어진다. 이 물질층들은 제1, 제2 및 제3 보호층(121)(123)(125)과 열발산층(128)을 포함한다. 그리고, 제1 보호층(121)과 제2 보호층(123) 사이에는 히터(122)가 마련되며, 제2 보호층(123)과 제3 보호층(125) 사이에는 도체(124)가 마련된다.
상기 제1 보호층(passivation layer, 121)은 노즐 플레이트(120)를 이루는 다수의 물질층 중 가장 아래쪽의 물질층으로서 기판(110)의 상면에 형성된다. 상기 제1 보호층(121)은 그 위에 형성되는 히터(122)와 그 아래의 기판(110) 사이의 절연과 히터(122)의 보호를 위한 물질층으로서 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
상기 제1 보호층(121) 위에는 잉크 챔버(106)의 상부에 위치하여 잉크 챔버(106) 내부의 잉크를 가열하는 히터(122)가 형성된다. 이 히터(122)는 불순물이 도핑된 폴리 실리콘, 탄탈륨-알루미늄 합금, 탄탈륨 질화물(tantalum nitride), 티타늄 질화물(titanium nitride) 또는 텅스텐 실리사이드(tungsten silicide)와 같은 발열 저항체로 이루어질 수 있다. 상기 히터(122)는 노즐(108)의 양측에 각각 배치될 수 있으며, 그 형상은 사각형, 바람직하게는 노즐(108)의 배열방향과 평행한 방향으로 긴 직사각형으로 형성될 수 있다. 한편, 상기 히터(122)는 하나만 마련될 수도 있으며, 그 배치나 형상도 도 3에 도시된 것과는 달리할 수 있다. 예컨대, 상기 히터(122)는 노즐(108)을 둘러싸는 환상으로 형성될 수도 있다.
상기 제2 보호층(123)은 제1 보호층(121)과 히터(122) 위에 마련된다. 상기 제2 보호층(123)은 그 위에 마련되는 열발산층(128)과 그 아래의 히터(122) 사이의 절연과 히터(122)의 보호를 위해 마련된다. 상기 제2 보호층(123)도 제1 보호층(121)과 마찬가지로 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
상기 제2 보호층(123) 위에는 히터(122)와 전기적으로 연결되어 히터(122)에 펄스 형태의 전류를 인가하는 도체(conductor, 124)가 마련된다. 상기 도체(124)의 일단부는 제2 보호층(123)에 형성된 제1 컨택홀(C1)을 통해 히터(122)의 양단부 각각에 접속되며, 그 타단부는 상기 본딩 패드(101)에 전기적으로 연결된다. 그리고, 상기 도체(124)는 도전성이 양호한 금속, 예컨대 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 금이나 은으로 이루어질 수 있다.
상기 제3 보호층(125)은 상기 도체(124)와 제2 보호층(123) 위에 마련될 수 있다. 상기 제3 보호층(125)은 TEOS(Tetraethylorthosilicate) 산화물, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다. 한편, 상기 제3 보호층(125)은, 그 절연 기능을 손상하지 않는 범위 내에서, 상기 도체(124)의 상부와 이에 인접한 부위에만 형성하고, 그 이외의 부위, 예컨대 적어도 히터(122)의 상부에는 가능한 한 형성하지 않는 것이 바람직하다. 이는, 후술하는 열발산층(128)과 히터(122) 사이의 간격 및 열발산층(128)과 기판(110) 사이의 간격이 좁아짐으로써 열발산층(128)의 방열 능력이 보다 향상될 수 있기 때문이다. 이 경우에도, 상기 열발산층(128)과 히터(122) 사이의 절연은 제2 보호층(123)에 의해 이루어질 수 있다.
상기 열발산층(128)은 제3 보호층(125)과 제2 보호층(123) 위에 마련되며, 제2 보호층(123)과 제1 보호층(121)을 관통하여 형성된 제2 컨택홀(C2)을 통해 SOI 기판(110)의 상면에 접촉된다. 상기 열발산층(128)은 적어도 하나의 금속층으로 이루어질 수 있으며, 이때 상기 금속층 각각은 열전도성이 양호한 금속물질, 예컨대 니켈, 구리, 알루미늄 또는 금 등으로 이루어진다. 이러한 열발산층(128)은 제3 보호층(125)과 제2 보호층(123) 위에 상기 금속물질을 전기도금함으로써 10 ~ 100㎛ 정도의 비교적 두꺼운 두께로 형성될 수 있다. 이를 위해, 제3 보호층(125)과 제2 보호층(123) 위에는 상기 금속물질의 전기도금을 위한 시드층(seed layer, 127)이 마련될 수 있다. 상기 시드층(127)은 적어도 하나의 금속층으로 이루어질 수 있으며, 이때 상기 금속층 각각은 전기전도성이 양호한 금속물질, 예컨대 구리, 크롬, 티타늄, 금 또는 니켈 등으로 이루어진다.
상기한 바와 같이, 금속으로 이루어진 열발산층(128)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(128)은 상기 제2 컨택홀(C2)을 통해 SOI 기판(110)의 상면에 접촉되어 히터(122) 및 그 주변의 열을 SOI 기판(110)으로 전달하는 역할을 한다. 즉, 잉크가 토출된 후에 히터(122) 및 그 주변에 잔류하는 열은 열발산층(128)을 통해 SOI 기판(110)으로 전달되어 외부로 발산된다. 따라서, 잉크가 토출된 후에 보다 빠른 방열이 이루어지고 노즐(108) 주위의 온도가 낮아지게 되므로, 높은 작동주파수로 안정적인 인쇄가 가능하게 된다.
한편, 상기한 바와 같이 열발산층(128)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 SOI 기판(110)의 표면에 대해 정확히 수직한 방향으로 토출될 수 있다.
상기 노즐 플레이트(120)에는 하부 노즐(108a)과 상부 노즐(108b)로 이루어진 노즐(108)이 관통되어 형성된다. 상기 하부 노즐(108a)은 노즐 플레이트(120)의 제1, 제2 및 제3 보호층(121, 123, 125)을 관통하는 기둥 형상으로 형성된다. 그리고, 상기 상부 노즐(108b)은 열발산층(128)을 관통하여 형성되는데, 이 상부 노즐(108b)의 형상은 기둥 형상으로 될 수도 있으나, 도시된 바와 같이 출구쪽으로 갈수록 단면적이 작아지는 테이퍼 형상으로 된 것이 바람직하다. 이와 같이, 상부 노즐(108b)의 형상이 테이퍼 형상으로 된 경우에는, 잉크의 토출 후 잉크 표면의 메니스커스가 보다 빨리 안정되는 장점이 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구조를 보여주는 평면도이다. 도 7에 도시된 잉크젯 프린트헤드의 구조는 도 3과 도 4에 도시된 잉크젯 프린트헤드의 구조와 유사하므로, 아래에서는 이들 사이의 차이점을 중심으로 간략하게 설명하기로 한다.
도 7을 참조하면, 측벽(211)과 바닥벽(212)에 의해 한정되는 잉크 챔버(206)는 대략 사각형의 형상, 바람직하게는 노즐 배열방향의 폭이 좁고 노즐 배열방향과 직교하는 방향의 길이가 긴 직사각형의 평면 형상을 가지도록 형성된다. 상기 잉크 챔버(206)의 중심부에 대응하는 위치에는 노즐(208)이 형성되며, 상기 잉크 챔버(206)의 바닥벽(212)에는 다수의 잉크 채널(204)이 형성된다. 그리고, 상기 잉크 챔버(206)의 상부에는 히터(222)가 형성되는데, 이 히터(222)는 노즐(208)의 양측에 각각 배치되며, 그 형상은 사각형, 바람직하게는 잉크 챔버(206)의 길이방향과 평행한 방향으로 긴 직사각형으로 형성된다. 상기 히터(222)의 양단부 각각에는 제1 컨택홀(C1)을 통해 도체(224)가 접속된다. 그리고, 상기 잉크 챔버(206)의 양측에는 열발산층(도 4의 128)을 SOI 기판(도 4의 110)에 접촉시키기 위한 제2 컨택홀(C2)이 배치된다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구조를 보여주는 평면도이다. 도 8에 도시된 잉크젯 프린트헤드의 구조도 도 3과 도 4에 도시된 잉크젯 프린트헤드의 구조와 유사하므로, 아래에서는 이들 사이의 차이점을 중심으로 간략하게 설명하기로 한다.
도 8을 참조하면, 측벽(311)과 바닥벽(312)에 의해 한정되는 잉크 챔버(306)는 대략 사각형의 형상, 바람직하게는 노즐 배열방향의 폭이 좁고 노즐 배열방향과 직교하는 방향의 길이가 긴 직사각형의 평면 형상을 가지도록 형성된다. 그리고, 상기 잉크 챔버(306)의 바닥벽(312)에는 다수의 잉크 채널(304)이 형성된다. 한편, 본 실시예에서는, 노즐(308)이 잉크 챔버(306)의 길이방향 중심부위에서 어느 한쪽으로 벗어난 위치에 형성되며, 히터(322)는 상기 노즐(308)의 일측에 배치되며, 그 형상은 사각형, 바람직하게는 잉크 챔버(306)의 폭방향과 평행한 방향으로 긴 직사각형으로 형성된다. 상기 히터(322)의 양단부 각각에는 제1 컨택홀(C1)을 통해 도체(324)가 접속된다. 그리고, 상기 잉크 챔버(306)의 양측에는 열발산층(도 4의 128)을 SOI 기판(도 4의 110)에 접촉시키기 위한 제2 컨택홀들(C2)이 배치된다.
이하에서는 도 9a 내지 9d를 참조하여 도 4에 도시된 잉크젯 프린트헤드에서 잉크가 토출되는 메카니즘을 설명하기로 한다.
먼저 도 9a를 참조하면, 잉크 챔버(106)와 노즐(108) 내부에 잉크(131)가 채워진 상태에서, 도체(124)을 통해 히터(122)에 펄스 형태의 전류가 인가되면 히터(122)에서 열이 발생된다. 발생된 열은 히터(122) 아래의 제1 보호층(121)을 통해 잉크 챔버(106) 내부의 잉크(131)로 전달된다. 이에 따라, 도 9b에 도시된 바와 같이, 잉크(131)가 비등하여 버블(132)이 생성된다. 생성된 버블(132)은 계속적인 열의 공급에 따라 팽창하게 되고, 이에 따라 노즐(108) 내부의 잉크(131)는 노즐(108) 밖으로 밀려나가게 된다. 이때, 잉크 챔버(106)의 바닥벽(112)에 형성된 다수의 잉크 채널(104)로 인하여 잉크 챔버(106)에서 매니폴드(102)쪽으로 역류하는 고속의 잉크는 유동 저항이 증가하며, 이에 따라 노즐(108) 밖으로 밀려 나가는 잉크의 운동량은 커진다.
이어서, 도 9c를 참조하면, 버블(132)이 최대로 팽창된 시점에서 인가했던 전류를 차단하면, 버블(132)은 수축하여 소멸된다. 이 때, 잉크 챔버(106) 내에는 부압이 걸리게 되어 노즐(108) 내부의 잉크(131)는 다시 잉크 챔버(106) 쪽으로 되돌아 오게 된다. 이와 동시에 노즐(108) 밖으로 밀려 나갔던 부분은 관성력에 의해 액적(131')의 형태로 노즐(108) 내부의 잉크(131)와 분리되어 토출된다.
잉크 액적(131')이 분리된 후 노즐(108) 내부에 형성되는 잉크(131) 표면의 메니스커스는 잉크 챔버(106)쪽으로 후퇴하게 된다. 이 때, 본 발명에서는 두꺼운 노즐 플레이트(120)에 의해 충분히 긴 노즐(108)이 형성되어 있으므로, 메니스커스의 후퇴는 노즐(108) 내에서만 이루어지게 되고 잉크 챔버(106) 내에까지 후퇴하지 않는다. 따라서, 잉크 챔버(106) 내부로 외기가 유입되는 것이 방지되며, 메니스커스의 초기 상태로의 복귀도 빨라지게 되어 잉크 액적(131')의 고속 토출을 안정적으로 유지할 수 있다. 또한, 이 과정에서는 잉크 액적(131')의 토출 후 히터(122)와 그 주변에 잔류된 열이 열발산층(128)을 통해 기판(110) 또는 외부로 발산되므로, 히터(122)와 노즐(108) 및 그 주변의 온도가 보다 빠르게 낮아지게 된다.
다음으로 도 9d를 참조하면, 잉크 챔버(106) 내부의 부압이 사라지게 되면, 노즐(108) 내부에 형성되어 있는 메니스커스에 작용하는 표면장력에 의해 잉크(131)는 다시 노즐(108)의 출구 단부쪽으로 상승하게 된다. 이때, 상부 노즐(108b)이 테이퍼 형상으로 된 경우에는, 잉크(131)의 상승 속도가 보다 빨라지게 되는 장점이 있다. 이에 따라 잉크 챔버(106) 내부는 잉크 채널(104)을 통해 공급되는 잉크(131)로 다시 채워진다. 이때, 잉크 챔버(106)의 바닥벽(112)에 형성된 다수의 잉크 채널(104)로 인하여 매니폴드(102)로부터 잉크 챔버(106)로 유입되는 저속의 잉크는 유동 저항이 감소하며, 이에 따라 잉크의 리필 속도는 빨라진다. 또한, 상기 잉크 채널(104)들은 필터로서의 역할을 하게 되어 매니폴드(102)에 존재하는 불순물이 잉크 챔버(104)로 들어오는 것을 방지한다. 이어서, 잉크(131)의 리필이 완료되어 초기상태로 복귀하게 되면, 상기한 과정이 반복된다. 이 과정에서도, 열발산층(128)을 통해 방열이 이루어지게 되어 열적으로도 초기상태로의 복귀가 보다 빨리 이루어질 수 있다.
이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예가 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 예컨대, 본 발명에서 잉크젯 프린트헤드의 각 요소를 구성하기 위해 사용되는 물질은 예시되지 않은 물질이 사용될 수도 있다. 아울러, 본 실시예에서 예시된 구체적인 수치는 프린트헤드가 정상적으로 작동할 수 있는 범위 내에서 얼마든지 예시된 범위를 벗어나 조정가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 잉크의 토출 단계에서는 잉크 채널의 유동 저항이 커서 노즐을 통하여 토출되는 잉크 액적의 운동량을 향상시킬 수 있고, 잉크의 리필 단계에서는 잉크 채널의 유동 저항이 작아서 잉크 챔버로 유입되는 잉크의 리필 시간을 줄일 수 있으므로 프린트헤드의 작동주파수가 향상된다.
둘째, 잉크에 포함된 불순물이 잉크 챔버로 유입되는 것을 방지함으로써 프린트헤드가 오작동되는 것을 방지할 수 있다.
셋째, 기판으로 산화막의 두께가 일정한 SOI 기판을 사용하기 때문에 웨이퍼의 어느 위치에서든지 균일한 유동 저항을 확보할 수 있다.
넷째, 종래에 비하여 히터 칩 주위에 많은 양의 잉크가 존재하게 되므로, 히터 칩의 온도 상승이 감소된다는 장점이 있다.
도 1은 종래 잉크젯 프린트헤드의 일 예를 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구조를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2의 B부분을 확대하여 도시한 평면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅹ-Ⅹ'을 따라 본 잉크젯 프린트헤드의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 다수의 잉크 채널이 형성된 잉크 챔버의 바닥벽을 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명에 적용될 수 있는 잉크 챔버의 다른 바닥벽을 도시한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구조를 보여주는평면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구조를 보여주는 평면도이다.
도 9a 내지 도 9d는 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드에서 잉크가 토출되는 메카니즘을 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101... 본딩 패드 102... 매니폴드
104,104',204,304... 잉크 채널 106,206,306... 잉크 챔버
108,208,308... 노즐 108a... 하부 노즐
108b... 상부 노즐 110... SOI 기판
110a... 하부 실리콘 기판 110b... 절연층
110c... 상부 실리콘 기판 111,211,311... 잉크 챔버의 측벽
112,212,312... 잉크 챔버의 바닥벽 120... 노즐 플레이트
121... 제1 보호층 122,222,322... 히터
123... 제2 보호층 124,224,324... 도체
125... 제3 보호층 127... 시드층
128... 열발산층 C1,C2... 컨택홀

Claims (16)

  1. 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버가 그 표면쪽에 형성되고, 상기 잉크 챔버로 잉크를 공급하기 위한 매니폴드가 그 배면쪽에 형성된 기판;
    상기 기판상에 적층되며 절연물질로 이루어진 다수의 보호층과, 상기 보호층 위에 적층되며 열전도성있는 금속물질로 이루어진 열발산층을 포함하며, 상기 잉크 챔버와 연결되는 노즐이 관통되어 형성된 노즐 플레이트; 및
    상기 노즐 플레이트의 상기 보호층들 사이에 마련되는 것으로, 상기 잉크 챔버의 상부에 위치하여 상기 잉크 챔버 내부의 잉크를 가열하는 히터와, 상기 히터에 전류를 인가하는 도체;를 구비하며,
    상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드 사이에는 상기 잉크 챔버의 바닥벽을 이루는 동시에 상기 매니폴드의 상부벽을 이루는 물질층이 개재되고, 상기 물질층에는 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 연결하는 다수의 잉크 채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 물질층은 실리콘 산화물층인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 하부 실리콘 기판과 절연층과 상부 실리콘 기판이 순차적으로 적층된 SOI 기판인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 잉크 챔버는 상기 상부 실리콘 기판에 형성되고, 상기 매니폴드는 상기 하부 실리콘 기판에 형성되며, 상기 잉크 채널들은 상기 절연층에 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 물질층의 두께는 1 ~ 4㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 잉크 채널들의 직경은 1 ~ 4㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐은 상기 잉크 챔버의 중심부에 대응하는 위치에 배치되고, 상기 히터는 상기 노즐의 양측에 배치되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐과 히터는 상기 잉크 챔버의 중심부를 기준으로 그 양측에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호층들은 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 제1 보호층, 제2 보호층 및 제3 보호층을 포함하며, 상기 히터는 상기 제1 보호층과 상기 제2 보호층 사이에 마련되며, 상기 도체는 상기 제2 보호층과 상기 제3 보호층 사이에 마련되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 보호층에는 상기 노즐의 하부가 형성되며, 상기 열발산층에는 상기 노즐의 상부가 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열발산층에 형성되는 상기 노즐의 상부는 출구쪽으로 갈수록 단면적이 작아지는 테이퍼 형상으로 된 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 열발산층은 적어도 하나의 금속층으로 이루어지며, 상기 금속층 각각은 니켈, 구리, 알루미늄 및 금으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나의 금속물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 열발산층은 전기도금에 의해 10 ~ 100㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 열발산층은 상기 보호층들에 형성된 컨택홀을 통해 상기 기판의 표면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호층들 위에 상기 열발산층의 전기도금을 위한 시드층이 형성된 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 시드층은 적어도 하나의 금속층으로 이루어지며, 상기 금속층 각각은 구리, 크롬, 티타늄, 금 및 니켈로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나의 금속물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
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