KR100553561B1 - 잉크젯 프린터용 프린트헤드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 노즐(22)의 어레이(14)를 구비한 잉크젯 프린터용 노즐 가드(80)와 인쇄될 매체 위에 잉크를 분사하기 위한 각각의 잉크분사수단을 포함한다. 상기 노즐 가드(80)는, 주위의 노즐의 작동을 방해하거나 상기 매체 위에 잉크를 떨어뜨리는 손상된 노즐로부터 어떠한 잘못 인도된 잉크방울이나 잉크누출을 중지시키는 잉크 봉쇄형성부(146)를 구비한다. 인쇄품질을 유지하면서 손상된 노즐에 잉크공급을 중지시키기 위하여, 각 봉쇄형성부(146)는 잉크센서를 구비한다. 상기 봉쇄형성부 내의 노즐이나 노즐(22)들은 일정 양의 잉크가 존재하면 차단된다.

Description

잉크젯 프린터용 프린트헤드{Printhead for Ink Jet Printer}
본 발명은 인쇄된 매체 생산제품(Printed Media Production), 특히 잉크젯 프린터(Ink Jet Printer)에 관한 것이다.
잉크젯 프린터는 인쇄된 매체 생산제품 형태로 잘 알려져 있으며 널리 사용되고 있다. 잉크는 프린트헤드 상의 마이크로 프로세서(Micro-Processor)로 제어된 노즐 어레이(Array of Nozzle)로 공급된다. 프린트헤드가 상기 매체를 넘어 지나갈 때, 잉크는 노즐 어레이로부터 분사되어 상기 매체 위에 이미지를 형성한다.
프린터 성능은, 작동 코스트(Cost), 프린트 품질, 작동 속도 및 사용의 용이성 등의 요소에 달려 있다. 노즐로부터 분사되는 개개 잉크방울들의 질량, 주기 및 속도는 이러한 성능 요소에 영향을 미칠 것이다.
최근, 노즐 어레이는 마이크로 일렉트로 메카니컬 시스템(Microelectromechanical Systems, MEMS) 기술을 이용하여 형성되어 왔으며, 이는 마이크론 이하(Sub-micron)의 두께를 갖춘 기계적 구조를 갖고 있다. 이는, 피코리터(Picolitre, ×10-12litre) 범위로 사이즈가 형성된 잉크방울을 빠르게 분사시킬 수 있는 프린트헤드의 생산을 가능하게 한다.
이러한 프린트헤드의 미세구조(Microscopic Structure)는, 상대적으로 낮은 비용으로 빠른 속도와 우수한 인쇄품질을 제공할 수 있는 반면, 그 사이즈로 인해 노즐이 극히 취약하고 상처를 입기 쉬워, 손가락, 먼지 또는 매체층과 약간만 접촉하더라도 손상될 수 있다. 이로 인해, 상기 프린트헤드는 어느 정도의 강도가 요구되는 많은 응용분야에 실용적이지 못하게 될 수 있다. 더욱이, 손상된 노즐은 분사된 방울을 잘못 인도하거나 제대로 잉크를 분사할 수 없게 될 수도 있다. 상기 노즐이 잉크를 분사하지 못하면, 구슬모양으로 되기 시작하여 주위의 노즐에 영향을 줄 수 있다. 동시에 프린트기판 위에 잉크를 누출할 수도 있다.
분사된 잉크가 잘못 인도되거나 상기 잉크가 프린트헤드의 표면 위에서 구슬모양으로 되는, 두가지 상황은 프린트 품질을 저하시킨다. 이러한 문제에 역점을 두어, 상기 프린트헤드는 상기 노즐의 외부에 대해 구멍이 형성된 노즐 가드(Apertured Nozzle Guard)를 구비하여 손상된 접촉 지문, 먼지 또는 매체를 방지할 수 있다. 그러나, 상기 노즐 가드는 잘못 인도된 잉크방울이나 손상된 노즐로부터 누출된 어떠한 잉크를 수용하는데 사용될 수도 있다. 어떠한 잉크의 누출을 국한시킴으로써, 영향을 받는 노즐의 숫자를 제한할 수 있다. 또한, 상기 노즐 가드는 잘못 인도된 잉크방울이 상기 매체에 이르는 것을 방지할 수 있다.
불행하게도, 상기 손상된 노즐로부터 잉크를 더 이상 내포하지 않기 때문에 여전히 인쇄품질이 문제이다. 더욱이, 봉쇄형성부(Containment Formation)가 잉크로 채워지면서, 상기 노즐 가드의 외부 위에서 여전히 구슬모양이 되어 주위의 구멍(Aperture)을 막거나 상기 매체 위에 누출될 수 있다.
따라서, 본 발명은,
인쇄될 매체 위에 잉크를 분사하기 위한 노즐 어레이(Array of Nozzle)를 운반하는 기판과,
상기 분사된 잉크가 구멍(Aperture)을 통해 상기 매체 위를 지나도록 적어도 하나의 노즐 위에 위치한 구멍이 형성된 노즐 가드(Apertured Nozzle Guard)를 포함하고,
상기 노즐 가드와 노즐은, 상기 노즐로부터 누출되거나 잘못 인도된 잉크를 상기 어레이의 적어도 다른 일부 노즐로부터 격리하기 위한 봉쇄형성부(Containment Formation)를 적어도 부분적으로 형성하며,
상기 봉쇄형성부의 일정한 잉크의 양을 감지하고 상기 노즐에 더 이상의 잉크를 공급하는 것을 중지하기 위한 감지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드를 제공한다..
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본 명세서에서 "노즐"이라는 말은 개구부(Openings)를 형성하는 부재로서 이해되어야 하며, 개구부 자체로 이해되어서는 안된다.
바람직하게는, 상기 어레이의 각 노즐은, 상기 어레이의 다른 노즐로부터 각 노즐을 격리하도록 각각의 봉쇄형성부를 구비하고, 상기 감지수단은, 복수개의 감지부로 이루어져 있고, 각각의 감지부는 각각의 봉쇄형성부의 일정한 잉크의 양을 감지하여 상기 각각의 봉쇄형성부의 노즐에 더 이상의 잉크를 공급하는 것을 중지하도록 배치된다.
그러나, 본 발명의 일부 형태는, 상기 어레이의 다른 노즐로부터 일정 그룹의 노즐들을 격리하도록 구성된 봉쇄형성부를 구비할 수 있으며;
상기 각각의 봉쇄형성부와 관련된 상기 감지수단은, 상기 봉쇄형성부의 일정량의 잉크 레벨을 감지하여 상기 일정한 그룹의 노즐에 더 이상의 잉크공급을 중지하도록 구성된다.
하나의 형태에서는, 각 노즐은 잉크 분사를 위한 패들(Paddle)에 부착된 벤드액츄에이터(Bend Actuator)를 사용하고, 상기 감지수단이 상기 노즐에 더 이상의 잉크공급을 중지하도록 벤드액츄에이터(Bend Actuator)를 차단한다.
하나의 바람직한 형태로, 상기 감지수단은, 비교기(Comparator)가 상기 액츄에이터를 차단하도록 하는 전기적 회로를 일정양의 잉크의 축적에 의해 닫도록, 상기 봉쇄접촉부에 위치한 한쌍의 전기접점을 구비한다.
일부 실시예에서는, 상기 봉쇄형성부는 상기 노즐 가드로부터 상기 노즐의 외부로 연장되는 봉쇄벽(Containment Wall)을 추가로 포함한다. 보다 바람직한 형태로, 상기 노즐 가드는 실리콘으로 형성되는 것이다.
특히 바람직한 형태로, 상기 감지수단은, 피드백(Feedback)하여 상기 손상된 노즐을 보상하도록 상기 어레이의 다른 노즐의 작동을 조정하기 위한 오작동 허용기능(Fault Tolerance Facility)을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 잉크젯 프린터 프린트헤드는, 단일노즐이나 다수의 노즐에 함유되도록 어떠한 잉크 누출을 격리만 하는 것이 아니라, 잉크의 축적을 감지하고 상기 단일노즐이나 다수의 노즐에 더 이상의 잉크공급을 중지한다. 이는 검사되지 않은 손상된 노즐에 잉크의 공급을 방지한다.
상기 봉쇄벽은 반드시 상기 프린트헤드의 표면적의 일부를 다 소모하며, 이것은 반대로 노즐적층밀도(Nozzle Packing Density)에 영향을 준다. 필요한 여분의 프린트헤드 칩 영역이 상기 칩을 제조하는 비용에 대하여 20% 추가될 수 있다. 그 러나, 노즐 제조를 신뢰할 수 없는 상황에서, 본 발명은 상당히 높은 노즐 결함율에도 불구하고 인쇄품질을 유지할 것이다.
상기 노즐 가드는, 상기 노즐 어레이 상에 외부입자들의 적층을 방지하도록 상기 통로를 통해 유체를 보내기 위한 유체 인입개구부(Fluid Inlet Openings)들을 추가로 포함할 수 있다.
상기 유체 인입개구부들은, 상기 노즐 어레이의 본드패드(Bond Pad)로부터 떨어져 위치할 수 있다.
상기 프린트헤드를 위한 노즐 가드를 제공함으로써, 상기 노즐 구조들은 다른 대부분의 표면에 대한 접촉이나 충돌로부터 보호받을 수 있다. 이러한 보호를 최적화시키기 위하여, 상기 노즐 가드는 상기 노즐의 외부 측면을 덮는 평편한 실드(Shield)를 형성하고, 잉크방울의 분사를 허용하기에 충분히 크지만 부주의로 인한 접촉이나 대부분의 먼지 입자들의 침입을 방지하도록 충분히 작은 일련의 구멍들을 구비한다. 상기 실드를 실리콘으로 형성함으로써, 실질적으로 그 열팽창계수는 상기 노즐 어레이의 것과 부합된다. 이는 상기 프린트헤드가 작동온도 이상으로 가열될 때 상기 실드 내의 일련의 구멍들이 상기 노즐 어레이와 불일치되는 것을 방지하는데 도움이 될 것이다. 또한, 실리콘을 사용하는 것은 상기 실드가 MEMS 기술을 사용하는 정밀한 마이크로 기계가 되도록 허용한다. 더욱이, 실리콘은 매우 강하고 실질적으로 변형되지 않는다.
본 발명을 다음과 같이 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 통해 설명한다.
도1은, 잉크젯 프린트헤드용 노즐 어셈블리의 3차원 개략도를 도시하고;
도2 내지 도4는, 도1의 노즐 어셈블리의 개략적인 3차원 작동 일례도를 도시하며;
도5는, 잉크젯 프린트헤드를 구성하는 노즐 어레이의 3차원도를 도시하고;
도5a는, 노즐 가드와 봉쇄벽을 구비한 본 발명에 따른 프린트헤드의 부분 단면도를 도시하며;
도5b는, 잉크 센서의 회로도를 도시하고;
도6은, 도5의 어레이의 부분 확대도를 도시하며;
도7은, 본 발명에 따른 노즐 가드를 포함한 잉크젯 프린트헤드의 3차원도를 도시하고;
도8a 내지 도8r은, 잉크젯 프린트헤드의 노즐 어셈블리의 제조단계에 대한 3차원도를 도시하며;
도9a 내지 도9r은, 제조공정에 대한 측단면도를 도시하고;
도10a 내지 도10k는, 상기 제조공정에서 여러 단계에 사용되는 마스크의 레이아웃(Layout)을 도시하며;
도11a 내지 도11c는, 도8과 도9의 방법에 따라 제조된 노즐 어셈블리의 작동에 대한 3차원도를 도시하고;
도12a 내지 도12c는, 도8과 도9의 방법에 따라 제조된 노즐 어셈블리의 작동에 대한 측단면도를 도시한다.
먼저, 도면 중 도1을 참조하면, 본 발명에 따른 노즐 어셈블리(Nozzle Assembly)는 일반적으로 참조부호 10으로 명기되어 있다. 잉크젯 프린트헤드는 실리콘 기판(16) 위의 잉크 어레이(14)(도5와 도6) 내에 배치된 복수개의 노즐 어셈블리(10)를 구비한다. 상기 어레이(14)는 아래에 더 상세히 기재될 것이다.
상기 어셈블리(10)는, 유전체층(Dielectric Layer, 18)이 증착된 실리콘 기판(16)을 포함한다. CMOS 부동태층(Passivation Layer)(20)은, 상기 유전체층(18) 위에 증착된다.
각 노즐 어셈블리(10)는, 노즐 개구부(24)를 형성하는 노즐(22), 레버 아암(Lever Arm, 26)의 형태인 연결부재(Connecting Member)와 액츄에이터(Actuator)(28)를 포함하고 있다. 상기 레버 아암(26)은 상기 액츄에이터(28)와 상기 노즐(22)을 연결한다.
도2 내지 도4에 보다 상세히 도시된 바와 같이, 상기 노즐(22)은 그 크라운부(Crown Portion, 130) 및 상기 크라운부에 연결된 스커트부(Skirt Portion)(32)를 포함한다. 상기 스커트부(32)는, 노즐 챔버(34)의 주벽(Peripheral Wall) 일부를 형성한다. 상기 노즐 개구부(24)는 상기 노즐 챔버(34)와 유체가 흐르도록 연결된다. 주목할 것은, 상기 노즐 개구부(24)가 상기 노즐 챔버(34) 내에서 잉크체(Body of Ink)(40)의 메니스커스(Meniscus)(38)를 "구속하는" 돌출된 림(Raised Rim)(36)에 의해 둘러싸여 있다는 것이다.
잉크 입구구멍(Ink Inlet Aperture, 도6에 가장 명확히 도시됨)(42)은, 상기 노즐 챔버(34)의 바닥(Floor)(46) 내에 형성된다. 상기 입구구멍(42)은, 기판(16) 을 통과하여 형성되는 잉크 입구 채널(48)과 유체가 흐르도록 연결된다.
벽부(Wall Portion)(50)는, 상기 입구구멍(42)과 경계를 이루고, 상기 바닥부(Floor Portion)(46)로부터 위쪽으로 연장된다. 상기 노즐(22)의 스커트부(32)는, 상기한 바와 같이, 상기 노즐 챔버(34)의 주벽의 제1 부분을 형성하고, 상기 벽부(50)는 상기 노즐 챔버(34)의 주벽의 제2 부분을 형성한다.
상기 벽부(50)는, 이하에서 보다 상세히 기재하는 바와 같이, 상기 노즐(22)이 배치될 때, 잉크가 새는 것을 방지하는 유체 씰(Fluidic Seal)로서 작용하는 립(lip)(52)이 그 자유단(Free End)에서 안쪽을 향해 있다.
상기 립(52)과 상기 스커트부(32) 사이의 적은 치수의 공간과 잉크(40)의 점성 때문에, 안쪽으로 향해 있는 립(52)과 표면장력은, 상기 노즐 챔버(34)로부터 잉크가 새는 것을 방지하기 위한 효과적인 씰로서 작용한다.
상기 액츄에이터(28)는, 열적 벤드 액츄에이터(Thermal Bend Actuator)이며, 상기 기판(16), 자세히는 상기 CMOS 부동태층(20)으로부터 위쪽으로 연장되는 앵커(Anchor)(54)에 연결된다. 상기 앵커(54)는 상기 액츄에이터(28)와 전기적인 접속을 형성한 도체패드(Conductive Pad)(56) 위에 실장된다.
상기 액츄에이터(28)는, 제2 수동빔(Passive Beam)(60) 위에 배열된 제1 능동빔(Active Beam)(58)을 포함한다. 바람직한 실시예로는, 빔(58, 60)이 모두 질화티타늄(TiN)과 같은 전도성 세라믹 재료로 되거나 전도성 세라믹 재료를 포함하는 것이다.
두 빔(58, 60)은 상기 앵커(54)에 고정된 제1 끝단과 상기 아암(26)과 결합 된 대향하는 끝단을 갖는다. 상기 능동빔(58)을 통해 전류가 흐를 때 상기 능동빔(58)의 열팽창이 초래된다. 전류가 흐르지 않는 수동빔(60)은 동일한 속도로 팽창되지 않으므로, 벤딩 모멘트(Bending Moment)가 상기 아암(26)에 생겨, 도3에 도시된 바와 같이, 상기 노즐(22)이 상기 기판(16) 쪽으로 아래로 변위하게 된다. 이로 인해, 62로 도시된 바와 같이, 노즐 개구부(24)를 통해 잉크의 분사를 일으킨다. 열원이 상기 능동빔(58)으로부터 제거될 때, 즉 전류 흐름이 차단됨으로써, 상기 노즐(22)이 도4에 도시된 바와 같은 정지 위치로 돌아간다. 상기 노즐(22)이 정지 위치로 돌아갈 때, 잉크 방울(64)은 도4에 66으로 도시된 바와 같이 잉크 방울의 네크(Neck)가 파단된 결과로서 형성된다. 그 다음, 상기 잉크 방울(64)은, 종이와 같은 인쇄 매체 위로 이동한다. 상기 잉크 방울(64)이 형성된 결과로서, 도면 중 도4에 68로 도시된 바와 같이, "음"의 메니스커스(Meniscus)를 형성한다. 이러한 "음"의 메니스커스(68)는, 상기 노즐 챔버(34) 내로 상기 잉크(40)의 유입을 초래하며, 새로운 메니스커스(38)(도2)가 상기 노즐 어셈블리(10)로부터 다음의 잉크 방울 분사를 위하여 즉시 준비되도록 한다.
도면 중 도5 및 도6을 참조하여, 상기 노즐 어레이(14)를 보다 자세히 설명한다. 상기 어레이(14)는 4색 프린트헤드용이다. 따라서, 상기 어레이(14)는 노즐 어셈블리의 4그룹(70)을 포함하며, 각 색깔당 하나의 그룹이다. 각 그룹(70)은 2열(Row)(72, 74)로 배열된 노즐 어셈블리(10)를 갖는다. 하나의 그룹(70)은 도6에 보다 자세히 도시되어 있다.
상기 열(72, 74)에 있는 노즐 어셈블리(10)의 밀집된 배치를 용이하게 하기 위해서, 상기 열 74에 있는 상기 노즐 어셈블리(10)는 상기 열 72에 있는 노즐 어셈블리(10)에 대하여 경사지거나 또는 엇갈리게 놓여 있다. 또한, 상기 열 74에 있는 노즐 어셈블리(10)의 레버 아암(26)이, 상기 열 72에 있는 어셈블리(10)의 인접한 노즐(22) 사이를 지날 수 있도록, 상기 열 72에 있는 노즐 어셈블리(10)는, 서로 충분한 공간을 두고 떨어져 있다. 각 노즐 어셈블리(10)는, 상기 열 72에 있는 노즐(22)이 상기 노즐(22)과 상기 열 74에 있는 인접한 노즐 어셈블리(10)의 액츄에이터(28) 사이 끼워지도록 실질적으로 아령(Dumbbell) 형상으로 되어 있다.
또한, 상기 열(72, 74)에 있는 노즐(22)의 밀집된 배치를 용이하게 하기 위하여, 각 노즐(22)은 실질적으로 6각형 형상이다.
이 분야의 당업자라면, 상기 노즐(22)이 기판(16) 쪽으로 변위될 때, 사용 시, 상기 노즐 개구부(24)가 상기 노즐 챔버(34)에 대하여 약간의 각도를 이루기 때문에, 잉크가 수직에서 약간 벗어나 분사된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 도면 중 도5 및 도6에 도시된 배열의 장점은, 상기 열(72, 74)에 있는 노즐 어셈블리(10)의 액츄에이터(28)가 상기 열(72, 74)의 한쪽면에 대해 동일한 방향으로 확장되는 것이다. 따라서, 상기 열 72의 노즐(22)로부터 분사된 잉크와 상기 열 74의 노즐(22)로부터 분사된 잉크는, 같은 각도로 서로에 대하여 나란히 놓여 있어 개선된 인쇄 품질을 가져온다.
또한, 도면 중 도5에 도시된 바와 같이, 상기 기판(16)은, 상기 패드(56)를 경유하여 상기 노즐 어셈블리(10)의 액츄에이터(28)에 전기적인 접속을 제공하도록 배열된 본딩패드(76)를 갖는다. 이들 전기적인 접속은 상기 CMOS층(미도시)을 경유 하여 형성된다.
도5a 및 도5b를 참조하면, 도5에 도시된 상기 노즐 어레이(14)는, 각 노즐 어셈블리(10)를 둘러싼 봉쇄형성부(146)를 수용하도록 공간을 두고 있다. 상기 봉쇄형성부(146)는 상기 노즐(22)을 둘러싸며 상기 실리콘 기판(16)으로부터 상기 구멍이 형성된 노즐 가드(80)의 하측면까지 연장되는 봉쇄벽(144)을 포함한다. 만일 노즐 손상 때문에 잉크가 적절히 분사되지 못하면, 누출은 주위의 노즐의 기능에 영향을 주지 않도록 제한된다. 특히 도5b를 참조하면, 각 봉쇄형성부(146)는 누출된 잉크의 존재를 감지하는 능력을 구비할 것이다. 감지전극들은, 누출되거나 잘못 인도된 잉크의 적층으로 상기 회로가 동작하도록 상기 봉쇄형성부(146) 내에 위치한다. 이는, 노즐 오작동회로를 트리거(Trigger)하여 상기 노즐(14)의 또 다른 작동을 중지시킨다. 오작동 허용기능을 사용하면, 상기 손상된 노즐(22)은, 인쇄될 데이타를 상기 어레이(14)에서의 다른 노즐들에 재분배함으로써 보정될 수 있다.
상기 봉쇄벽(144)들은 상기 어레이의 노즐적층밀도를 감소시키는 실리콘 기판(16)의 일부를 반드시 차지하고 있다. 이는, 차례로 프린트헤드 칩의 제조비용을 증가시킨다. 그러나, 제조기술은 상대적으로 높은 노즐마찰율을 초래하는 반면, 각 노즐 봉쇄형성부들은 인쇄품질에 미치는 어떠한 악영향을 방지하거나 적어도 최소화시킬 것이다.
이 기술분야의 종사자라면, 상기 봉쇄형성부는 다수의 노즐을 격리시키도록 구성할 수 있다는 점을 이해할 것이다. 격리된 노즐 그룹들은 노즐적층밀도를 더 양호하게 하지만 상기 주위의 노즐 그룹들을 이용하여 손상된 노즐을 보상하기에는 더욱 어렵다.
도7을 참조하면, 상기 봉쇄벽이 없는 노즐 어레이와 노즐 가드가 도시되어 있다. 앞의 도면과 관련하여, 특별한 명기가 없으면, 동일한 참조부호는 동일한 부품을 나타낸다.
노즐 가드(80)가 상기 어레이(14)의 기판(16) 위에 실장된다. 상기 노즐 가드(80)는, 관통하는 복수개의 구멍(Apertures, 84)을 구비한 실드(Shield, 82)를 포함한다. 잉크가 어떤 하나의 노즐 개구부(24)로부터 분사될 때, 상기 잉크가 인쇄 매체에 도달하기 전에 연관된 통로를 통과하도록, 상기 구멍(84)은 상기 어레이(14)의 노즐 어셈블리(10)의 노즐 개구부(24)와 일치한다.
상기 노즐 가드(80)는, 종이와의 손상을 입히는 접촉, 먼지나 사용자의 손으로부터 상기 노즐 어레이(14)를 보호하기 위하여 필요한 강도와 강성(Rigidity)을 구비하도록 실리콘으로 되어 있다. 상기 노즐 가드를 실리콘으로 형성함으로써, 그 열팽창계수는 실질적으로 상기 노즐의 그것과 부합된다. 이는 상기 프린트헤드가 정상작동온도 이상으로 가열될 때 상기 실드(82) 내의 일련의 구멍(84)들이 상기 노즐 어레이(14)와 불일치되는 것을 방지하는데 도움이 될 것이다. 또한, 실리콘은, 상기 노즐 어셈블리(10)의 제조와 관련하여 이하에서 더 상세히 설명될 MEMS 기술을 사용하는 정밀한 마이크로 기계에 더 적합하다.
상기 실드(82)는, 다리(Limb) 또는 지주(Strut)(86)에 의해 상기 노즐 어셈블리(10)에 대하여 상대적으로 공간을 두고 실장된다. 하나의 지주(86)는, 그 속에서 형성된 공기입구 개구부(Air Inlet Opening)(88)를 갖는다.
사용 시, 상기 어레이(14)가 작동할 때, 공기는 상기 공기입구 개구부(88)를 통해 공급되어, 상기 구멍(84)을 통과하여 지나는 잉크와 함께 상기 구멍(84)을 강제로 지나게 된다.
상기 잉크 방울(64)의 속도와 다른 속도로 공기가 상기 구멍(84)을 지나도록 공급되기 때문에, 상기 잉크는 공기 속에 부유되어 운반되지 않는다. 예컨대, 상기 잉크 방울(64)은 상기 노즐(22)로부터 약 3m/s의 속도로 분사된다. 공기는 약 1m/s의 속도로 구멍(84)을 통과하여 공급된다.
공기를 공급하는 목적은, 상기 구멍(84)을 외부 입자로부터 깨끗하게 유지하기 위함이다. 먼지 입자와 같은 외부 입자들은 상기 노즐 어셈블리(10) 위에 떨어져, 그 작동에 나쁜 영향을 줄 수 있다는 위험이 존재한다. 상기 노즐 가드(80)에서 공기입구 개구부(88)가 제공되기 때문에, 이러한 문제는 상당히 제거된다.
도면 중 도8 내지 도10을 참조하면, 상기 노즐 어셈블리(10)를 제조하기 위한 공정이 기재되어 있다.
우선, 실리콘 기판 또는 웨이퍼(Wafer, 16)로 설명하면, 유전체층(18)은 상기 웨이퍼(16)의 표면 위에 증착된다. 상기 유전체층(18)은 약 1.5마이크론의 CVD 산화물 형태이다. 상기 유전체층(18) 위에는 레지스트(Resist)가 스핀코팅되며, 상기 유전체층(18)은 마스크(Mask, 100)에 노광되고 실질적으로 현상된다.
현상된 후, 상기 유전체층(18)은 실리콘층(16)을 향하여 아래로 플라즈마 에칭(Plazma Eteched)된다. 그 다음, 상기 레지스트는 벗겨지고 상기 유전체층(18)은 청정하게 된다. 이러한 단계에서 잉크 입구구멍(42)이 형성된다.
도8b에는, 약 0.8마이크론의 알루미늄(102)이 상기 유전체층(18) 위에 증착되고 있다. 레지스트가 스핀코팅되며, 상기 알루미늄(102)이 마스크(104)로 노광되고 현상된다. 상기 알루미늄(102)은 상기 유전체층(18)을 향해 아래로 플라즈마 에칭되고, 상기 레지스트는 벗겨지며 디바이스(Device)가 청정하게 된다. 이러한 단계에서 본딩패드가 제공되며, 상기 잉크젯 액츄에이터(28)와 상호 접속된다. 이러한 상호 접속은 NMOS 구동 트랜지스터(Drive Transistor)와 CMOS층(미도시) 내에 만들어진 결선(Connection)을 구비한 파워면(Power Plane)을 연결한다.
약 0.5마이크론의 PECVD 질화물이 CMOS 부동태층(20)으로서 증착된다. 레지스트가 스핀코팅되며, 상기 부동태층(20)은 마스크(106)로 노광되고, 그 후 현상된다. 현상 후, 상기 질화물은 알루미늄층(102)과 입구구멍(42)의 지역에 있는 상기 실리콘층(16)을 향해 플라즈마 에칭된다. 상기 레지스트는 벗겨지며 디바이스는 청정하게 된다.
희생물질(Sacrificial Material)로 이루진 층(108)이 상기 부동태층(20) 위에 스핀코팅된다. 상기 층(108)은 6마이크론의 감광성 폴리이미드(Photo-sensitive Polyimide) 또는 약 4㎛의 고온 레지스트이다. 상기 층(108)은 소프트베이크(Softbaked)되며, 그 후 마스크(110)로 노광되고, 그 다음 현상된다. 그 후, 상기 층(108)이 폴리이미드를 포함할 경우 상기 층(108)은 400℃에서 1시간 동안 또는 상기 층(108)이 고온 레지스트인 경우 300℃보다 높은 온도에서 하드베이크(Hardbake)된다.
도면에서 주목해야 할 것은, 수축에 의한 폴리이미드층(108)의 패턴 의존성 변형(Pattern-dependent Distortion)이 상기 마스크(110)의 설계에서 고려된다는 것이다.
도면 중 도8e에 도시된 바와 같이, 다음 단계에서는, 제2 희생층(Second Sacrificial Layer)(112)이 적용된다. 상기 층(112)은 스핀코팅된 2㎛의 감광성 폴리이미드이거나 약 1.3㎛의 고온 레지스트이다. 상기 층(112)는 소프트베이크되고 마스크(114)로 노광된다. 상기 마스크(114)로 노광된 후, 상기 층(112)은 현상된다. 상기 층(112)이 폴리이미드인 경우에, 상기 층(112)는 약 1시간 동안 400℃에서 하드베이크된다. 상기 층(112)이 레지스트인 경우, 약 1시간 동안 300℃보다 높은 온도에서 하드베이크된다.
그 다음, 0.2마이크론 다층 금속층이 증착된다. 이 층(116)의 일부는 상기 액츄에이터(28)의 수동빔(60)을 형성한다.
상기 층(116)은, 약 300℃에서 1000Å의 질화티타늄(TiN)을 스퍼터링(Spttering)하고, 그 후 50Å의 질화탄탈륨(TaN)을 스퍼터링함으로써 형성된다. 또한, 1000Å의 TiN이 더 스퍼터링되고, 그 위에 50Å의 TaN과 다시 1000Å의 TiN이 추가로 스퍼터링된다.
TiN 대신에 사용될 수 있는 다른 재료는 TiB2, MoSi2 또는 (Ti, Al)N이다.
그 다음, 상기 층(116)은 마스크(118)로 노광되며, 현상되고, 상기 층(112)을 향해 아래로 플라즈마 에칭되며, 그 후 상기 층(116)에 적용된 레지스트는 경화된 층(108 또는 112)이 제거되지 않도록 주의하면서 습식으로 벗겨진다.
제3 희생층(120)은, 4㎛의 감광성 폴리이미드 또는 약 2.6㎛ 고온 레지스트를 스핀코팅함으로써 적용된다. 상기 층(120)은 소프트베이크되고, 그 후 마스크(122)로 노광된다. 그 다음, 상기 노광된 층은 현상되며 하드베이크된다. 폴리이미드의 경우, 상기 층(120)은 약 1시간 동안 400℃에서 하드베이크되거나, 상기 층(120)이 레지스트를 포함한 경우 300℃보다 높은 온도에서 하드베이크된다.
제2 다층 금속층(124)이 상기 층(120)에 적용된다. 상기 층(124)의 구성은 상기 층(116)과 같으며, 동일한 방식으로 적용된다. 상기 층(116, 124)은 모두 전기적 전도층이다.
상기 층(124)은, 마스크(126)로 노광된 후 현상된다. 상기 층(124)은 상기 폴리이미드 또는 레지스트층(120)을 향하여 아래로 플라즈마 에칭되며, 그 후 상기 층(124)에 적용된 레지스트는 상기 경화된 층(108 또는 120)이 제거되지 않도록 주의하면서 습식으로 벗겨진다. 상기 층(124)의 나머지 부분은 상기 액츄에이터(28)의 능동빔(58)을 형성한다.
제4 희생층(128)은 4㎛의 감광성 폴리이미드 또는 약 2.6㎛의 고온 레지스트를 스핀코팅하여 적용된다. 상기 층(128)은 소프트베이크되며, 마스크(130)로 노광되고, 그 후 도면 중 도9k에 도시된 바와 같은 섬 부분(Island Portion)이 남도록 현상된다. 상기 층(128)의 나머지 부분은 폴리이미드인 경우 약 1시간 동안 400℃에서 하드베이크되거나, 레지스트인 경우 300℃보다 높은 온도에서 하드베이크된다.
도8l에 도시된 바와 같이, 높은 영률(Young's Modulus)의 유전체층(132)이 증착된다. 상기 층(132)은 약 1㎛의 질화실리콘 또는 산화알루미늄으로 구성된다. 상기 층(132)은 상기 희생층(108, 112, 120, 128)의 하드베이크 온도(Hardbake Temperature) 아래의 온도에서 증착된다. 이러한 유전체층(132)에 요구되는 주된 특징은 고탄성율, 화학적 불활성 및 TiN과의 양호한 접합성이다.
제5 희생층(134)은 2㎛의 감광성 폴리이미드 또는 약 1.3㎛의 고온 레지스트로 스핀코팅함으로써 적용된다. 상기 층(134)은 소프트베이크되며, 마스크(136)로 노광되고 현상된다. 상기 층(134)의 나머지 부분은 폴리이미드인 경우 1시간 동안 400℃에서 하드베이크되거나, 레지스트인 경우 300℃보다 높은 온도에서 하드베이크된다.
상기 유전체층(132)은 어떠한 희생층(134)도 제거되지 않도록 주의하면서 상기 희생층(128)을 향하여 아래로 플라즈마 에칭된다.
이러한 단계는 상기 노즐 어셈블리(10)의 노즐 개구부(24), 레버 아암(26) 및 앵커(54)를 형성한다.
높은 영률의 유전체층(138)이 증착된다. 상기 층(138)은 상기 희생층(108, 112, 120 및 128)의 하드베이크 온도 이하의 온도에서 약 0.2㎛의 질화실리콘 또는 질화알루미늄을 증착함으로써 형성된다.
그 다음, 도면 중 도8p에 도시된 바와 같이, 상기 층(138)은 0.35마이크론의 깊이로 이방적(異方的)으로 플라즈마 에칭된다. 이 에칭은 상기 유전체층(132) 및 희생층(134)의 측벽을 제외한 모든 표면으로부터 유전물질을 제거하려는 것이다. 이러한 단계에서는 상술한 바와 같이, 상기 노즐 개구부(24) 둘레에 잉크의 메니스 커스를 "구속하는" 노즐 림(Nozzle Rim)(36)을 형성한다.
자외선(UV) 릴리스 테이프(Release Tape)(140)가 적용된다. 4㎛의 레지스트가 상기 실리콘 웨이퍼(16)의 배면에 스핀코팅된다. 상기 웨이퍼(16)는 마스크(142)로 노광하고, 상기 웨이퍼(16)를 백에칭(Back Etching)하여 상기 잉크 입구 채널(48)을 형성한다. 그 다음, 상기 레지스트는 상기 웨이퍼(16)로부터 벗겨진다.
또 다른 UV 릴리스 테이프(미도시)가 상기 웨이퍼(16)의 배면에 적용되고, 상기 테이프(140)는 제거된다. 상기 희생층(108, 112, 120, 128 및 134)은, 도면 중 도8r과 도9r에 도시된 바와 같이, 최종 노즐 어셈블리(10)를 제공하기 위하여 산소 플라즈마로 벗겨진다. 쉽게 참조하기 위하여, 이들 두개 도면에서 예시된 참조부호들은 상기 노즐 어셈블리(10)의 관련 부품을 나타내기 위하여 도면 중 도1의 그것과 동일하다. 도11 및 도12는, 도8과 도9에 관하여 상술한 공정에 의해 제조된 상기 노즐 어셈블리(10)의 작동을 도시하고 있으며, 이들 도면들은 도면 중 도2 내지 도4에 대응한다.
명백히 기재된 바와 같이, 이 기술분야의 당업자라면, 본 발명의 요지 및 영역을 벗어나지 않고 상기 특정한 실시예에서 도시된 본 발명에 대한 여러 실시예 및/또는 변형예들을 만들 수 있다고 여겨진다. 따라서, 본 발명의 실시예는 모든 관점에서 한정되는 것이 아니라 예시적으로 생각되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 인쇄될 매체 위에 잉크를 분사하기 위한 노즐 어레이(Array of Nozzle)를 운반하는 기판과,
    상기 분사된 잉크가 구멍(Aperture)을 통해 상기 매체 위를 지나도록 적어도 하나의 노즐 위에 위치한 구멍이 형성된 노즐 가드(Apertured Nozzle Guard)를 포함하고,
    상기 노즐 가드와 노즐은, 상기 노즐로부터 누출되거나 잘못 인도된 잉크를 상기 어레이의 적어도 다른 일부 노즐로부터 격리하기 위한 봉쇄형성부(Containment Formation)를 적어도 부분적으로 형성하며,
    상기 봉쇄형성부의 일정한 잉크의 양을 감지하여 상기 노즐에 더 이상의 잉크를 공급하는 것을 중지하기 위한 감지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 어레이의 각 노즐은, 상기 어레이의 다른 노즐로부터 각 노즐을 격리하도록 각각의 봉쇄형성부를 구비하고, 상기 감지수단은, 복수개의 감지부로 이루어져 있고, 각각의 감지부는 각각의 봉쇄형성부의 일정한 잉크의 양을 감지하여 상기 각각의 봉쇄형성부의 노즐에 더 이상의 잉크를 공급하는 것을 중지하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 봉쇄형성부는, 상기 어레이의 다른 노즐로부터 일정 그룹의 노즐들을 격리하고;
    상기 각각의 봉쇄형성부와 관련된 상기 감지수단은, 상기 봉쇄형성부의 일정량의 잉크 레벨을 감지하여 상기 일정한 그룹의 노즐에 더 이상의 잉크공급을 중지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각 노즐은, 잉크 분사를 위한 패들(Paddle)에 부착된 벤드액츄에이터(Bend Actuator)를 사용하고, 상기 감지수단이 상기 노즐에 더 이상의 잉크공급을 중지하도록 벤드액츄에이터(Bend Actuator)를 차단하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 감지수단은, 비교기가 상기 액츄에이터를 차단하도록 하는 전기적 회로를 일정양의 잉크의 축적에 의해 닫도록, 상기 봉쇄접촉부에 위치한 한쌍의 전기접점을 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 봉쇄형성부는, 상기 노즐 가드로부터 상기 노즐의 외부로 연장되는 봉쇄벽(Containment Wall)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 노즐 가드는 실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 감지수단은, 피드백(Feedback)하여 상기 손상된 노즐을 보상하도록 상기 어레이의 다른 노즐의 작동을 조정하기 위한 오작동 허용기능(Fault Tolerance Facility)을 제공하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  9. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 노즐 가드는, 상기 노즐 어레이 상에 외부입자들의 적층을 방지하도록 상기 통로를 통해 유체를 보내기 위한 유체 인입개구부(Fluid Inlet Openings)들을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유체 인입개구부들은, 상기 노즐 어레이의 본드패드(Bond Pad)로부터 떨어져 위치하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
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