KR100556008B1 - 프린트헤드,잉크카트리지,오리피스판보호방법및분리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 잉크젯 프린팅 시스템의 내구성이 높은 프린트헤드(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900)를 제공한다. 이 프린트헤드(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900)는 잉크 분사기(예를 들어, 레지스터)(86)를 갖는 기판(82)과, 상기 기판(82) 상부에 배치된 오리피스판(104)을 구비한다. 오리피스판(104)(비금속 중합체막이 바람직함)은 상부 표면(110), 바닥 표면(112) 및 그것을 통과하는 다수의 개구(124)를 갖는다. 오리피스판(104)의 내구성을 향상하기 위해서, 보호 코팅(202, 302, 502, 702)이 상부 표면(110) 및/또는 판(104)의 바닥 표면(112)에 도포된다. 대표적인 코팅(202, 302, 502, 702)으로 유전체 성분(다이아몬드상 카본 등) 또는 적어도 하나의 금속층을 들 수 있다. 이러한 시도는 판(104)의 마멸 저항과 변형 저항을 향상하며 "딤플링" 문제를 피한다. 마찬가지로, 다이아몬드상 카본으로 이루어진 중간 배리어층(156)이 오리피스판(104)과 기판(82) 사이에 사용될 수 있다. 결과적으로, 오리피스판(104)과 프린트헤드(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900)에 의해서 구조적 일체성 레벨이 향상되었다.

Description

프린트헤드, 잉크 카트리지, 오리피스판 보호 방법 및 분리 방법{IMPROVED PRINTHEAD STRUCTURE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 프린팅 기술에 관한 것으로, 특히 잉크 카트리지(예를 들어 열 잉크젯 시스템)를 위한 개선된 높은 내구성을 가진 프린트헤드 및 오리피스판 구조체에 관한 것이다. 본 발명은, 본 발명과 동일한 일자에 닐 더블유 마이어(Neal W. Meyer) 등을 대신하여 출원되고 휴렛-팩커드 컴퍼니에 양도된 "Printhead for an Inkjet Cartridge and Method for Producing the Same"이라는 제목의 미국 특허 출원 제 08/922,272 호와 관계가 있다.
전자 프린팅 기술분야에는 실질적인 발전이 있었다. 상세하게는, 잉크를 신속하고 정확한 방식으로 분배할 수 있는 다양한 고 효율의 프린팅 시스템이 현재 존재한다. 이점에 있어서는 열 잉크젯 시스템이 특히 중요하다. 열 잉크젯 프린팅 기술에 사용되는 프린팅 시스템은 복수개의 레지스터를 갖는 기판과 유체 연통되는 기본적으로 적어도 하나의 잉크 저장 챔버를 갖는다. 레지스터의 선택적 활성화는 잉크의 열적 여기를 일으켜 잉크가 카트리지로부터 분사되게 한다. 대표적인 열 잉크젯 시스템이 버크(Buck) 등에게 허여된 미국 특허 제 4,500,895 호와, 베이커(Baker) 등에게 허여된 미국 특허 제 4,771,295 호와, 키페(Keefe) 등에게 허여된 미국 특허 5,78,584 호 및 휴렛-팩커드 저널 39권 4호(1988년 8월)에 개시되어 있으며, 이들 모두는 참고로 본 명세서에서 인용되었다.
잉크 재료를 선택된 기판에 효과적으로 전달하기 위해서, 열 잉크젯 프린트헤드는 일반적으로 "오리피스판" 또는 "노즐판"으로 알려진 외판 부재를 구비하는데, 이것은 복수개의 잉크 분사 오리피스(예를 들어 개구)를 구비한다. 우선, 이들 오리피스판은 금-도금된 니켈과 유사 재료에 제한되지 않고 하나 또는 그 이상의 금속 성분으로 제조되었다. 그러나, 최근의 열 잉크젯 프린트헤드 설계의 발전에 의해 비금속으로 오리피스판을 생산할 수 있으며, "비금속"이란 원소 금속, 금속 아말감 또는 금속 합금을 포함하지 않는 하나 또는 그 이상의 재료층으로 규정된다. 바람직한 실시예에 있어서, 이들 비금속 오리피스판은 폴리테트라플루오로에틸렌[예를 들어 Teflon(등록상표)], 폴리이미드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌-테레프탈레이트 및 그것들의 혼합물로 구성된 막 제품 등을 포함하며 이에 한정되지 않는 다양한 유기 중합체로 제조된다. 대표적인 중합체(예를 들어 폴리이미드계) 성분으로는 미국 델라웨어주 윌밍톤 소재의 듀퐁사의 등록상표명 "KAPTON"으로 시판되는 제품이 있다. 전술한 비금속 성분으로 제조된 오리피스판 구조체는 약 1.0mil 내지 2.0mil의 균일한 평균 두께를 갖는다. 마찬가지로, 이들은 프린트헤드 구조체의 제조 비용 감소 및 실질적인 단순화에 이르는 많은 장점, 즉 향상된 신뢰성, 성능, 경제성 및 제조의 용이성 등의 장점을 제공한다. 막형 비금속 오리피스판의 제조 및 그에 대응하는 전체 프린트헤드 구조체의 제조는 디온(Dion)에게 허여된 미국 특허 제 4,944,850 호에 일반적으로 개시되어 있는 종래의 테이프 자동 본딩(Tape Automated Bonding : TAB)을 사용하여 달성된다. 마찬가지로, 전술한 유형의 중합체 비금속 오리피스판에 관한 상세한 정보가 키페 등에게 허여된 미국 특허 제 5,278,584 호와 샨츠(Schantz) 등에게 허여된 미국 특허 제 5,305,015 호에 개시되어 있다.
그러나, 잉크젯 오리피스판의 제조에 사용되는 재료(특히 상기의 중합체 성분)의 선택에 관한 주요 고려사항은 완성된 판 구조체의 전체적인 내구성에 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 "내구성"이란 용어는 마멸 및 변형 저항성을 포함하며 이에 한정되지 않는 넓은 의미의 특성을 내포한다. 오리피스판의 마멸 및 변형은 모두 종래의 프린팅 시스템내에 결합되어 있는 와이퍼형 구조체(통상 고무 등으로 제조됨)를 갖는 프린팅 공정중에 발생하는 다양한 구조체와 오리피스판 사이의 접촉중에 발생할 수 있다.
오리피스판의 변형과 마멸은 프린트헤드와 그와 관련된 카트리지의 전체적인 수명을 감소시킬 뿐만 아니라, 시간의 경과에 따른 프린트 품질의 저하를 가져온다. 상세하게는, 오리피스판의 변형은 그에 상응하는 분해능의 손실에 의해서 왜곡되고 희미한 인쇄 화상을 야기할 수 있다. "내구성"이란 용어는 또한 오리피스판이 "딤플링(dimpling)"과 관련된 문제를 피하기 위해서 충분히 강성이어야 하는 상황을 포함한다. 딤플링은 통상적으로 비금속 중합체 함유 재료로 제조된 오리피스판이 프린트헤드 또는 카트리지의 조립중 변형이 야기되어 오리피스판이 실질적으로 비평면이 되고 노즐 축이 어긋나게되는 상황에서 일어난다. 러플링(Ruffling)은 오리피스판과 프린터 와이퍼 등과의 물리적 마멸에 의해서 일어나며, 마찬가지로 노즐의 출구와 관련이 있다. 러플링과 딤플링은 잉크 방울이 잘못된 방향으로 방출되어, 결과적으로 부적절한 화상을 인쇄한다는 문제점을 갖는다. 따라서, 이들 모든 요인은 수명이 길고 시스템의 전체 수명 동안 선명하고 뚜렷한 화상을 생산할 수 있는 완성된 열 잉크젯 시스템을 제조하는데 중요하다.
본 발명의 개발전에는, 내구성이 향상된 (금속 성분뿐만 아니라) 비금속 중합체 성분으로 제조되는 잉크젯 오리피스판이 필요하였다. 마찬가지로, 구조적 일체성이 큰 프린트헤드에 대한 필요성도 존재한다. 본 발명은 내구성이 향상된 특수한 프린트헤드와 오리피스판 구조체를 제공함으로써 독특한 방법으로 이들 목표를 만족시키며, 이들 구성요소는 열 잉크젯과 다른 유형의 잉크젯 프린팅 시스템에 적용 가능하다. 따라서, 청구된 본 발명은 하기와 같이 잉크젯 프린팅 기술에 실질적인 진보를 가져왔다
본 발명의 목적은 향상된 잉크젯 프린팅 시스템(특히 열 잉크젯 프린팅 유닛)을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 높은 레벨의 내구성, 즉 마멸, 변형 및 딤플링에 대한 저항성을 갖는 특수한 오리피스판을 갖는 잉크젯 프린팅 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 비금속 유기 중합체 성분으로 제조되고 내구성 레벨을 향상하도록 간단히 처리되는 특수 오리피스판을 갖는 잉크젯 프린팅 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 열 잉크젯 유닛을 갖는 여러 유형의 잉크 카트리지 시스템에 적용되고 용이하게 제조되는 오리피스판을 갖는 잉크젯 프린팅 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 실질적으로 제조 비용을 감소시키기 위해서 대량 생산 기술을 사용하여 제조될 수 있는 오리피스판을 갖는 잉크젯 프린팅 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 오리피스판을 마멸, 변형, 딤플링 등으로부터 보호하도록 설계된 하나 또는 그 이상의 재료층으로 이루어진 외부 코팅을 갖는 비금속 유기 중합체계 오리피스를 구비하는 프린트헤드를 갖는 잉크젯 프린팅 시스템(예를 들어 열 잉크젯 프린팅 장치)을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 오리피스판과 프린트헤드가 소망의 목표를 달성할 수 있는 효과적이고 신속한 방식으로 제조되는 독특한 제조 공정을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 비금속 오리피스판을 구비하고 내구성과 강도가 향상된 잉크젯 프린트헤드 시스템이 제공된다. 오피리스판이 통상적으로 공칭 두께(약 25㎛ 내지 50㎛)의 비금속 유기 중합체막으로 제조될지라도, 마멸 저항성이 있으며 마찬가지로 전술한 "딤플링"과 변형에 관련된 문제를 회피할 수 있다. 결과적으로, 카트리지 유닛의 수명과 작동 효율이 향상된다. 이하의 설명은 본 발명의 간단한 요약을 나타낸다. 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명은 이하에서 자세히 제공될 것이다. 또한 본 발명이 열 잉크젯 시스템을 주로 참고로 하여 본 명세서에서 설명하고 있지만, 이하의 다른 유형의 잉크젯 프린팅 장치에 적용 가능하다. 따라서, 본 발명은 하나 또는 그 이상의 잉크 분사 장치(분사기)를 갖는 기판 위에 배치되거나 그것을 관통하는 다수의 개구를 갖는 오리피스판을 구비하는 잉크 카트리지 시스템의 유형과 함께 사용될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 잉크젯 프린팅 기술의 특정 유형에 제한되지 않을 것이다.
본 발명에 따르면, 기본적으로 두 개의 구성요소를 갖는 잉크 분출 시스템을 갖는 프린트헤드 구조체가 제공된다. 하나는 기판으로 실리콘으로 제조된다. 기판은 적어도 하나 바람직하게는 다수의 잉크 분사기(예를 들어, 잉크를 프린트헤드로부터 분사 또는 분출하는 장치)가 설치되어 있는 상부 표면을 갖는다. 열 잉크젯 기술에 관련된 본 명세서에서 논의하는 바람직하지만 제한되지 않은 실시예에 있어서, 기판은 완성된 프린트헤드로부터 잉크 재료를 선택적으로 가열, 증기화하고 분출시키는 다수의 박막 가열 레지스터(예를 들어 탄탈륨-알루미늄형)를 가질 것이다. 후술하는 바와 같이, 열 잉크젯 시스템의 기판은 복수개의 논리 레지스터와, 상기 레지스터와 전기적으로 접속되어 요구만큼 가열될 수 있는 관련된 금속 트레이스(전도성 경로)를 구비할 수 있다.
오리피스판 부재는 잉크 분사기(예를 들어 가열 레지스터)를 갖는 기판의 상부 표면 위에 고정 배치된다. 본 발명에 있어서, 오리피스판은 바람직하게는 비금속 유기 중합체 막 성분으로 구성된다. 이 목적을 위해서 다양한 재료가 사용될 수 있지만, 특정 유기 중합체에 제한되지는 않는다. 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌[예를 들어 Teflon(등록상표)], 폴리이미드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌-테레프탈레이트 및 그것들의 혼합물로 제조될 것이다. 본 발명의 오리피스판에 대해서 박막형 유기 중합체를 사용하면, 재료 비용의 감소와 제조 효율을 포함하여, 종래의 금속(예를 들어 금도금된 니켈) 오리피스판에 비해서 많은 장점을 제공한다. 특히, 유기 중합체 성분으로 제조되는 오리피스판은 하기에 설명하는 테이프 자동 본딩(TAB) 제조법과 관련하여 적합하다. 오리피스판은 또한 상부 표면, 바닥 표면 및 오리피스판을 전체적으로 통과하는 다수의 개구(예를 들어 오리피스)를 포함하며, 각각의 개구는 아래 기판의 상부 표면상의 적어도 하나의 잉크 분사기(예를 들어 레지스터)에 접근할 수 있게 한다.
끝으로, 본 발명에 따르면, 보호 코팅 재료층이 오리피스판의 상부 표면이나 바닥 표면중 적어도 하나(예를 들어 바람직한 실시예에서 오리피스판을 관통하는 개구 근처나 주위)에 배치된다. 비금속 유기 중합체 오리피스판이 보호 재료층을 코팅하는 이 단계는 종래의 방법과 차이를 보인다. 이러한 접근은 전술한 오리피스판을 생산하기 위해서 비금속 유기 중합체막을 사용하는 것과 관련된 본래의 장점뿐만 아니라 마멸, 변형 및 딤플링에 대한 저항성을 갖는 완성된 구조체를 제공한다.
중합체 오리피스판에 보호 코팅 재료층으로 많은 특수 성분이 사용될 수 있다. 예를 들어, 선택적 유전체 성분이 사용될 수 있는데, "유전체"란 절연성이며 실질적으로 비전도성인 재료를 말하는 것으로 정의된다. 이 목적에 적합한 대표적인 유전체 재료로는 질화 규소(Si3N4), 이산화 규소(SiO2), 질화붕소(BN), 탄화 규소(SiC) 및 미국 뉴욕주 버팔로 소재의 어드밴스드 리프랙토리 테크놀로지스 잉크(Advanced Refractory Technologies Inc.)의 Dylyn(등록상표)이란 이름으로 시판되는 "실리콘 카본 옥사이드"로서 공지된 성분을 들 수 있으며, 이것에 한정되지는 않는다. 마찬가지로, 많은 다양한 방법과 공정 과정이 이들 재료를 오리피스판에 침착하는데 사용될 수 있으며, 본 발명은 이런 특정 제조 기술에 제한되지 않는다. 예를 들어, 아래에 설명하는 바와 같이, 이들 재료의 도포는 플라즈마 증착법, 화학 증착법, 스퍼터링, 침착 처리 및 다른 방법을 포함한 다양한 공지 방법을 사용하여 달성될 수 있다. 바람직한 이러한 단계가 박막 중합체 오리피스판의 제조중에 수행되고 다른 프린트헤드 구성요소가 부착되기 전일지라도, 이들 보호 코팅 재료층은 제조 공정중의 어느 단계에서나 적용될 수 있다. 그러나, 이들 단계와 관련된 반응 과정은 처리될 특정 재료와 사전 파일롯 테스팅(preliminary pilot testing)에 의해 결정되는 코팅 재료층에 사용되는 선택 성분에 따라 변화될 수 있다.
유전체 특성뿐만 아니라 실질적인 내구성과 마멸 저항성을 갖는 또 다른 중요한 재료는 "다이아몬드상 카본" 또는 "DLC(Diamond-like Carbon)"로 공지된 성분이다. 이 재료(이하에서 상당히 상세하게 설명할 것임)는 또한 "비결정성 카본"으로 공지되어 있다. 많은 다양한 방법과 처리 시퀀스가 DLC를 오리피스판의 상부 표면 및/또는 바닥 표면상에 침착하는데 사용될 것이며, 본 발명은 특정 기술에 제한되지 않을 것이다. 오리피스판에 DLC를 도포하는 플라즈마 증착법, 화학 증착법, 스퍼터링, 침착 공정 및 다른 방법을 포함한 다양한 공지 방법을 사용하여 달성될 수 있다. DLC 보호층은 제조 공정중의 어느 단계에서도 제공될 수 있지만 이 단계는 중합체 오리피스판의 제조 동안 다른 프린트헤드 구성요소가 고정되기 전에 달성되는 것이 바람직하다.
유전체 성분(예를 들어 DLC 등)이 오리피스판에 도포되도록 선택되는 지와 관계없이, 오리피스판의 적어도 상부 표면에 위치되는 것이 바람직하다. 그러나, 선택된 유전체 재료층이 (1) 오리피스판의 상부 표면과 바닥 표면 모두에, (2) 그리고 아래에 기술하는 바와 같이, 오리피스판의 바닥 표면에만 도포할 수 있는 본 발명의 변형예가 고려될 수 있다. 따라서, 오리피스판의 바닥 표면과 상부 표면중 "적어도" 하나에 대한 유전체 코팅 재료층의 도포는 상기의 변형예뿐만 아니라 코팅 재료가 단지 오리피스판의 상부 표면에만 도포되는 초기의 실시예에도 적용될 수 있다. 오리피스판에 대한 유전체 재료(DLC 등)의 오리피스판에 대한 도포는 금-도금된 니켈과 같은 금속으로 제조되는 판을 포함하는 종래의 오리피스판에 적용될 수 있다. 그러므로, 본 발명을 중합체, 비금속 오리피스판을 주로 참고로 이하에서 설명할 것이며, 마찬가지로 마멸 저항성의 향상과 다른 장점을 제공하기 위해서 금속 오리피스판에 적용 가능하다. 이 오리피스판의 바닥 표면상에 DLC을 사용하는 것은 오리피스판과 프린트헤드내의 아래 재료층(예를 들어 이하에서 설명하는 배리어층) 사이의 접착성을 향상하는 부가의 장점을 제공한다. 접착 레벨의 향상은 이하에서 추가로 설명할 DLC의 독특한 화학적 특성에 의해서 직접 제공될 것이다.
전술한 바와 같이, 전술한 재료(예를 들어 DLC나 다른 유전체 성분)를 오리피스판(특히 비금속, 유기 중합체계 성분으로 제조된 것)에 도포하는 것은 본 발명의 독특한 특징이다. 독특한 본 발명의 변형예(특히 비금속 유기 중합체계 성분으로 제조된 것)에 따르면, 보호 코팅 재료층이 오리피스판의 상부 표면과 바닥 표면의 적어도 하나에 배치되고, 보호층이 적어도 하나의 금속 성분으로 구성된다. 본 명세서에 사용된 "금속 성분"이란 원소 금속, 금속 합금 또는 금속 아말감을 포함하는 것으로 정의된다. 특히 하나 또는 그 이상의 선택된 금속 성분의 층이 종래의 기술(예를 들어 화학 증착법, 플라즈마 증착법, 스퍼터링, 침착 공정 등)을 사용하여 오리피스판의 상부 표면 및/또는 바닥 표면에 도포된다. 본 발명의 실시예는 어떠한 특정 침착 방법, 특정 수의 금속-함유층 및 특정 금속 성분으로도 제한되지 않을 것이다. 중합체 오리피스판상에 하나 또는 그 이상의 불연속 층으로 도포될 수 있는 대표적인 금속은 크롬(Cr), 니켈(Ni), 납(Pd), 금(Au), 티탄늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al) 및 그것들의 혼합물(화합물)일 것이다. 마찬가지로, 많은 다른 방법 및 공정 시퀀스가 선택된 금속 성분을 오리피스판에 제공하는데 사용될 수 있으며, 본 발명은 특정 제조 기술에 제한되지 않는다. 중합체 오리피스판의 제조중 그리고 다른 프린트헤드 구성요소가 부착되기 전에 수행되는 것이 바람직하지만 보호 금속 성분은 제조 공정중 어느 단계에서 도포될 수 있다. 그러나, 이들 단계와 관련된 반응 시퀀스가 처리될 특정 재료에 따라 사전 테스팅에 의해서 결정된 바와 같이 금속 코팅 재료층을 생산하는데 사용되는 선택 성분에 따라 변화될 것이다.
요컨대, 본 발명의 실시예는 중합체 오리피스판에 선택된 하나 또는 그 이상의 금속 성분층을 도포하는 것에 관한 것이다. 하나 또는 그 이상의 금속-함유층을 오리피스판에 도포하는 것은 본 발명의 넓은 의미에 포함되며, 대표적이지만 제한적이지 않은 본 발명의 실시예는 3개의 분리된 금속층이 오리피스판의 상부 표면에 도포하는 것과 관련이 있다. 상세하게는, 제 1 금속 코팅층이 제 1 금속 성분으로 구성된 오리피스판의 상부 표면상에 배치된다. 제 1 금속 성분은 다른 금속층이 중합체 오리피스판에 적당히 부착될 수 있도록 하는 "시드"층으로서 기능을 하도록 설계된다. 이러한 목적에 적합한 대표적인 금속은 크롬(Cr), 니크롬, 질화탄탈륨, 탄탈륨-알루미늄 및 이들의 혼합물을 포함한다. 다음으로, 제 2 금속 코팅층이 제 1 금속 코팅층 위에 배치된다. 제 2 금속 코팅층은 부가된 강도와 강성을 제공하는 제 2 금속 성분으로 이루어진다. 상기의 3층 실시예에서 이러한 목적에 적합한 예시적인 금속은 제 1 금속과 관련하여 상기에 언급한 금속과는 다른 것이 바람직하며, 니켈(Ni), 티탄늄(Ti) 및 구리(cu)를 들 수 있다. 마지막으로, 제 3 금속 코팅층이 제 2 금속 코팅층상에 배치된다. 제 3 금속 코팅층은 내부식성과 평활성을 제공하는 제 3 금속 성분으로 구성된다. 이 목적에 적합한 대표적인 금속 성분은 제 2 금속 성분과 관련하여 상기에 언급한 금속과는 다른 것이 바람직하며, 금(Au), 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)을 들 수 있다.
이 실시예에서, 상기 오리피스판에 침착될 선택된 금속층과 관련하여, 이들 재료가 상기 오리피스판의 적어도 상부 표면에 도포되는 것이 바람직하다. 그러나, 마찬가지로 선택된 금속층이 (1) 오리피스판의 상부 표면과 바닥 표면 모두에, (2) 그리고 아래에 기술하는 바와 같이, 오리피스판의 바닥 표면에만 도포될 수 있는 본 발명의 변형예가 고려될 수 있다. 따라서, 오리피스판의 바닥 표면과 상부 표면중 "적어도 하나"에 대한 유전체 코팅 재료층의 도포는 상기의 변형예 뿐만 아니라 코팅 재료가 단지 오리피스판의 상부 표면에만 도포되는 초기의 실시예에도 적용될 수 있다.
비금속 중합체 오리피스판과 마멸/변형 저항 코팅(예를 들어 금속 또는 유전체 재료로 제조)의 조합에 의한 장점을 갖는 완성된 프린트헤드는 향상된 구조와 효율을 갖는 열 잉크젯 카트리지를 생산하는데 사용될 수 있다. 유전체 및 금속 코팅을 사용하는 모든 실시예에 있어서, 이것은 그 내부에 잉크 보유 격실을 포함하는 하우징을 제공함으로써 달성된다. 완성된 프린트헤드는 하우징에 고정되어, 프린트헤드가 하우징내의 격실(잉크 재료)과 유체 연통하게 한다. 본 발명이 특정 카트리지 구조에 제한되지 않고, 본 발명의 프린트헤드, 오리피스판 및 이와 관련된 특징부가 다른 잉크 카트리지에 적용 가능하다는 것은 중요하다. 마찬가지로, 본 발명과 관련한 기본적인 방법은 프린트헤드의 오리피스판이 적절히 보호될 수 있도록 하는 잉크젯 기술의 중요한 발전에 관한 것이다. 이 방법은 (1) 잉크 분사기(예를 들어 다수의 레지스터) 및 상부 표면과 복수개의 개구를 갖는 기판 위로 배치된 오리피스판을 구비하는 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 단계와, (2) 오리피스판의 상부 표면과 바닥 표면중 적어도 하나에 직접 보호 코팅 재료층을 침착하는 단계를 포함한다. 보호 코팅은 다시 (A) 선택된 유전체 성분, (B) 독특한 특성을 갖는 유전체인 다이아몬드상 카본, (C) 하나 또는 그 이상의 금속-함유층을 들 수 있다. 이 방법은 동일 결과를 달성하는 전술한 공정의 처리 순서 변형에 따라 전술한 바와 같이 달성될 수 있다. 그러므로, 개선된 프린트헤드 구조체를 생산하는데 사용되는 단계에 상관없이, 넓은 의미에서 본 발명은 잉크젯 프린팅 기술의 진보를 나타낸다.
이상과 함께 본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 도면의 간단한 설명과 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명에서 논의될 것이다.
본 발명은 잉크가 통과하는 특수 오리피스판 구조체를 구비하는 잉크젯 프린팅 시스템용의 독특한 프린트헤드에 관한 것이다. 잉크는 종래의 잉크 프린팅 기술을 사용하여 선택된 프린트 매체 재료(예를 들어 종이)에 이송된다. 열 잉크젯 프린팅 시스템은 특히 이러한 목적에 적합하다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 프린트헤드 시스템은 하기의 특정예에 따라 비금속 유기 중합체막에 형성되는 다수의 개구를 갖는 오리피스판을 채용한다. 이 구조체(전체 프린트헤드)의 내구성을 증가시키기 위해, 하나 또는 그 이상의 보호 코팅층이 구조체의 부식, 변형 및/또는 딤플링을 방지하도록 오리피스판의 상부 표면(및/또는 바닥 표면)에 도포된다. 이러한 모든 특징은 높은 레벨의 프린트 품질을 유지하면서 내구성과 긴 수명을 갖는 프린트헤드를 제조하는데 기여한다.
열 잉크젯 기술의 개관 및 대표적인 카트리지 유닛
전술한 바와 같이, 본 발명은 (1) 하나 또는 그 이상의 개구를 갖는 상판 부재와, (2) 그 위에 또는 결합상태로 적어도 하나 또는 그 이상의 잉크 "분사기(ejector)"를 갖는 상기 상판 부재 아래의 기판을 구비하는 다양한 잉크 카트리지 프린트헤드에 적용 가능하다. "잉크 분사기"란 용어는 판부재를 통해 잉크 재료를 프린트헤드로부터 선택적으로 분사 또는 분출시키는 모든 유형의 구성요소 또는 시스템을 포함하도록 정의될 것이다. 이러한 목적을 위해서는 다수의 가열 레지스터를 잉크 분사기로 사용하는 열 잉크젯 프린팅 시스템이 바람직하다. 그러나, 본 발명은 전술한 바와 같이, 모든 특정 유형의 잉크 분사기 또는 잉크젯 프린팅 시스템에 제한되지 않을 것이다. 대신에, 여러 가지 많은 잉크젯 장치가 스미스(Smith)에게 허여된 미국 특허 제 4,329,698 호에 개시된 일반적인 유형의 압전식 드롭 시스템 및 고바야시(Kobayashi) 등에게 허여된 미국 특허 제 4,749,291 호에 개시된 다양한 도트 매트릭스 시스템과, 또한 하나 또는 그 이상의 잉크 분사기를 사용하여 잉크를 이송하도록 의도된 다른 비교할 만하거나 기능적으로 동등한 시스템에 제한되지 않고 본 발명의 범위내에 포함된다. 이들 여러 시스템(예를 들어, 미국 특허 제 4,329,698 호의 시스템의 압전식 구성요소)과 함께 특정의 잉크 배출 장치가 전술한 바와 같이 "잉크 분사기"란 용어에 포함될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에서 열 잉크젯 기술을 주로 참고하여 설명되지만, 다른 시스템이 청구의 기술범위에 동등하게 적용 가능하며 적절하다는 것이 이해될 것이다.
본 발명이 열 잉크젯 기술(주요 과제인 바람직한 시스템)에 적용됨에 따라, 본 발명의 완전한 이해를 돕기 위해서, 열 잉크젯 기술의 개관이 이하에 제공될 것이다. 본 발명이 어떠한 특정 유형의 열 잉크젯 카트리지 유닛에도 제한되지 않는다는 것을 강조하는 것은 중요하다. 다양한 카트리지 시스템은 본 발명의 재료 및 공정과 관련하여 사용될 수 있다. 이에 관하여, 본 발명은 잉크 재료가 내부에 다수의 개구를 갖는 오리피스판을 통과함으로써 선택적으로 잉크 재료를 이송하는 "잉크 분사기"로서 기판상에 장착된 복수개의 박막 열 레지스터를 사용하는 어떠한 유형의 열 잉크젯 시스템에도 적용 가능할 것이다. 도면에 개략적으로 도시된 잉크 이송 시스템은 비제한적인 예시의 목적으로 제공된다.
도 1을 참조하면, 대표적인 열 잉크젯 잉크 카트리지(10)가 도시되어 있다. 키페(Keefe) 등에게 허여된 미국 특허 제 5,278,584 호와 휴렛-팩커드 저널(Hewlett-Packard Journal), 39권 4호(1988년 8월)에 도시 및 설명된 유형으로, 이들은 모두 본 명세서에 참고로 인용되었다. 카트리지(10)는 개략적인 형태로 도시되며, 카트리지(10)에 관한 보다 상세한 정보는 미국 특허 제 5,278,584 호에 제공된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 카트리지(10)는 우선 플라스틱, 금속 또는 이들의 조합으로 바람직하게 제조된 하우징(12)을 구비한다. 하우징(12)은 상부 벽(16), 하부 벽(18), 제 1 측벽(20) 및 제 2 측벽(22)을 더 포함한다. 도 1의 실시예에 있어서, 상부 벽(16)과 하부 벽(18)은 서로 실질적으로 평행하다. 이와 마찬가지로, 제 1 측벽(20)과 제 2 측벽(22)도 서로 실질적으로 평행하다.
하우징(12)은 전방 벽(24) 및 후방 벽(26)을 더 구비한다. 아래에 설명하는 바와 같이 내부에 잉크 공급부를 갖도록 설계된 하우징(12)(도 1에 가상선으로 도시됨)내의 내부 챔버 또는 격실(30)이 전방 벽(24), 상부 벽(16), 하부 벽(18), 제 1 측벽(20), 제 2 측벽(22) 및 후방 벽(26)에 의해서 둘러싸여 있다. 전방 벽(24)은 외측에 배치되고 외부를 향해 연장되는 프린트헤드 지지 구조체(34)를 더 구비하며, 이것은 그 내부에 실질적으로 직사각형인 중앙 공동(50)을 포함한다. 중앙 공동(50)은 그 내부에 잉크 출구 포트(54)를 갖는 도 1에 도시된 하부 벽(52)을 갖는다. 잉크 출구 포트(54)는 완전히 하우징(12)을 통과하며, 결과적으로 하우징(12) 내측의 격실(30)과 연통하여 잉크 재료가 잉크 출구 포트(54)를 통해서 격실(30)로부터 외부로 흘러나갈 수 있다.
또한 중앙 공동(50)내에 직사각형의 상방 연장 장착 프레임(56)이 위치되며, 이것의 기능을 아래에서 설명할 것이다. 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 장착 프레임(56)은 프린트헤드 지지 구조체(34)의 전방면(60)과 거의 균등(동일 평면)하다. 장착 프레임(56)은 마찬가지로 아래에 보다 상세하게 설명될 이중의 길다란 측벽(62, 64)을 특히 갖는다.
계속해서 도 1을 참조하면, 잉크 카트리지 유닛(10)[예를 들어 외측으로 연장되는 프린트헤드 지지 구조체(34)에 부착됨]의 하우징(12)에 프린트헤드(80)가 견고하게 고정되어 있다. 본 발명의 목적을 위해서 그리고 종래 기술에 따라서, 프린트헤드(80)는 실제적으로 서로 견고하게 고정된 두 개의 주요 구성요소(그들 사이에 임의의 하부 구성요소가 위치됨)를 구비한다. 프린트헤드(80)에 관한 이들 구성요소와 부가의 정보가 키페 등에게 허여된 미국 특허 제 5,278,584 호에 제공되어 있으며, 상기 특허는 잉크 카트리지(10)에 관해 논의하며 본 명세서에서 참고로 인용되어 있다. 프린트헤드(80)를 제조하는데 사용되는 제 1 주요 구성요소는 바람직하게는 실리콘으로 제조되는 기판(82)으로 이루어진다. 종래의 박막 제조 기술을 사용하는 기판(82)의 상부 표면(84)에 개별적으로 여자되는 복수개의 박막 레지스터(86)가 고정되어 있는데, 이것은 "잉크 분사기"로서 기능을 하며 바람직하게는 레지스터 제조 기술분야에 공지된 탄탈륨-알루미늄 성분으로 제조된다. 적은 수의 레지스터(86)만이 도 1에 개략적으로 도시되어 있으며, 명확성을 위해 레지스터(86)는 확대된 형태로 도시되어 있다. 종래의 광인쇄 기술을 사용하여 기판(82)의 상부 표면상에 복수개의 금속제 전도성 트레이스(90)가 형성되어 있는데, 이것은 레지스터(86)와 전기적으로 연통되어 있다. 전도성 트레이스(90)는 또한 상부 표면(84)상의 기판(82)의 단부(94, 95)에 위치되는 다수의 금속 패드형 접속 영역(92)과 연통한다. 본 명세서에서 레지스터 조립체(96)로서 집합적으로 설계된 이들 모든 구성요소의 기능이 아래에 설명될 것이다. 다양한 재료와 설계 구성이 레지스터 조립체(96)를 구성하는데 사용될 것이며, 본 발명은 이러한 목적을 위한 어떠한 특정 요소, 재료 및 구성요소에도 제한되지 않는다. 그러나, 키페 등에게 허여된 미국 특허 제 5,278,584 호에 개시된 바람직하고 대표적이나 이에 제한되지 않는 실시예에 있어서, 레지스터 조립체(96)는 대략 1.5㎝(0.5 인치) 길이일 것이며, 마찬가지로 300개의 레지스터(86)를 포함하며, 따라서 600 DPI(inch per dot)의 분해능을 가질 것이다. 레지스터(86)가 설치되어 있는 기판(82)은 장착 프레임(56)의 측벽(62, 64) 사이의 거리 D1 이하의 폭 W1을 가지는 것이 바람직하다(도 1). 결과적으로, 잉크 유동 통로(100, 102)(도 2에 개략적으로 도시됨)는 기판(82)의 양측에 형성되어, 중앙 공동(50)안에 잉크 출구 포트(54)로부터의 잉크 흐름이 이하에 더 설명되는 바와 같이 레지스터(86)와 궁극적으로 접속될 수 있다. 기판(82)은 고려되는 잉크 카트리지 유닛(10)의 유형에 따라 그 위에 다수의 다른 구성요소(도시하지 않음)를 구비할 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다. 예를 들어, 기판(82)은 마찬가지로 레지스터(86)의 작동을 정밀하게 제어하는 복수개의 논리 트랜지스터뿐만 아니라, 미국 특허 제 5,278,584 호에 개시된 바와 같이 종래 구성의 "디멀티플렉서(demultiplexer)"를 구비할 것이다. 디멀티플렉서는 도입되는 다중 신호를 디멀티플렉스한 후에 이들 신호를 다양한 박막 레지스터(86)로 분산시키는데 사용된다. 이러한 목적을 위한 디멀티플렉서의 사용은 기판(82)상에 형성된 회로[예를 들어 수축 영역(92)과 트레이스(90)]의 복잡성과 수량의 감소를 가능하게 한다. 기판(82)[예를 들어 레지스터 조립체(96)]의 다른 특징은 아래에 설명될 것이다.
기판(82)의 상부 표면(84)에는 프린트헤드(80)의 제 2 주요 구성요소가 견고하게 고정된다(도 1의 종래의 설계에서 이들 사이에는 배리어층과 접착층을 포함한 다수의 재료층이 개재됨). 상세하게는, 오리피스판(104)은 지정된 프린트 매체(종이)에 선택된 잉크 성분을 분사하도록 사용된다. 종래의 오리피스판 설계는 불활성 금속 성분(예를 들어, 금-도금된 니켈)으로 제조된 복잡한 강성판 구조체를 포함한다. 그러나, 최근 열 잉크젯 기술의 발전으로 오리피스판(104)을 구성하는데 비금속 유기 중합체막이 사용된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이런 유형의 오리피스판(104)은 대표적인 실시예에 있어서 약 25㎛ 내지 50㎛의 공칭 두께를 갖는 선택된 비금속 유기 중합체막으로 제조된 가요성 필름 타입의 기판(106)으로 구성될 것이다. 아래에 설명한 바와 같은 본 발명의 목적을 위해, "비금속"이란 용어는 어떠한 원소 금속, 금속 합금 또는 금속 아말감도 포함하지 않는 성분에 관한 것이다. 마찬가지로, "유기 중합체"란 어구는 반복되는 화학적 소단위의 장쇄(long-chain) 카본 함유 구조체에 관한 것이다. 이러한 목적을 위해 다양한 중합체 성분이 사용될 수 있으며, 본 발명은 어떠한 특정 구성 재료에도 제한되지 않는다. 예를 들어, 중합체 기판(106)은 다음의 성분, 폴리테트라플루오로에틸렌[예를 들어 Teflon(등록상표)], 폴리이미드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌-테레프탈레이트 또는 이들의 혼합물로 제조될 것이다. 마찬가지로, 기판(106)을 구성하는데 적합한 대표적인 상용 유기 중합체(예를 들어 폴리이미드계) 성분으로는 미국 델라웨어주 윌밍톤 소재의 듀퐁사의 등록상표명 "KAPTON"으로 시판되는 제품이 있다. 도 1의 개략적인 도면에 도시된 바와 같이, 가요성 오리피스판(104)은 완성된 잉크 카트리지(10)의 외측으로 연장되는 프린트헤드 지지 구조체(34)를 "둘러싸도록" 설계된다.
막형 기판(106)[예를 들어 오리피스판(104)]은 상부 표면(110)과 바닥 표면(112)(도 1과 도 2)을 더 갖는다. 다수의 금속(예를 들어 구리) 회로 트레이스(114)가 도 1에 점선으로 도시되어 있고 기판(106)의 바닥 표면(112)상에 형성되어 있으며, 이것은 공지의 금속 침착법과 광인쇄 기술을 사용하여 바닥 표면(112)에 형성된다. 다양한 회로 트레이스 패턴이 막형 기판(106)[오리피스판(104)]의 바닥 표면(112)상에 채용될 수 있으며, 상세한 패턴은 고려되는 특정 유형의 잉크 카트리지 유닛(10) 및 프린팅 시스템에 따라 상이하다. 또한, 다수의 금속(예를 들어 금이 도금된 구리) 접속 패드(120)가 기판(106)의 상부 표면(110)상의 위치(116)에 설치되어 있다. 접속 패드(120)는 기판(106)을 통하여 개구(도시되지 않음)를 거쳐 기판의 바닥 표면(112) 아래의 회로 트레이스(114)와 연통한다. 프린터 유닛의 잉크 카트리지(10)의 사용중, 패드(120)는 프린터로부터 접속 패드(120)와 레지스터 조립체(96)로 궁극적으로 오리피스판(104)의 회로 트레이스(114)에 전기적 제어 신호를 전달하기 위해서 대응하는 프린터 접속부와 접속한다.
오리피스판(104)을 제조하는데 사용된 기판(106)의 중앙 영역(122)안에 기판(104)을 완전히 관통하는 다수의 개구 또는 오리피스(124)가 배치되어 있다. 이들 오리피스(124)는 도 1에 확대된 형태로 도시되어 있다. 대표적인 실시예의 각각의 오리피스(124)는 약 0.01mm 내지 0.05㎜의 직경을 가질 것이다. 완성된 프린트헤드(80)에 있어서, 상기의 모든 구성요소는 아래에 같이 조립되어 각 오리피스(124)가 기판(82)상에서 레지스터(86)(예를 들어, 잉크 분사기)중 적어도 하나와 정렬된다. 결과적으로, 소정의 레지스터(86)가 여자되면 잉크가 오리피스판(104)을 통해서 소망의 오리피스(124)로부터 배출될 것이다. 본 발명은 오리피스판(104)과 관련하여 특정 크기, 형상 또는 치수 특징에 제한되지 않을 것이며, 마찬가지로 어떠한 오리피스(124)의 개수나 배열에도 제한되지 않을 것이다. 도 1에 제시된 바와 같은 대표적인 실시예에 있어서, 오리피스(124)는 기판(106)상에 2열(126, 130)로 배열된다. 마찬가지로 이러한 오리피스(124)의 배열이 이용되는 경우, 레지스터 조립체(96)[예를 들어 기판(82)]의 레지스터(86)도 또한 대응하는 2열(132, 134)로 배열될 수 있어서, 레지스터(86)의 열(132, 134)이 오리피스(124)의 열(126, 130)과 실질적으로 일치한다.
마지막으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 이중의 직사각형 창(150, 152)이 오리피스(124)의 열(126, 130)의 각 단부에 형성된다. 대표적인 실시예에 있어서, 금-도금된 구리이며 기판(106)/오리피스판(104)의 바닥 표면(112)상에 배치된 회로 트레이스(114)의 단자 단부[예를 들어, 접속 패드(120)와 마주보는 단부들]를 이루는 빔 타입 리드(154)가 창(150, 152)내에 부분적으로 위치된다. 리드(154)는 납땜, 열압축 접착 등에 의해서 레지스터 조립체(96)와 관련된 기판(82)의 상부 표면(84)상의 접속 영역(92)에 전기적으로 접속되도록 설계된다. 이들 구성요소로의 중간 접근을 가능하게 하는 창(150, 152)에 의해서 대량 생산 제조 공정 동안 기판(82)의 접속 영역(92)에 대한 리드(154)의 부착이 용이해진다. 결과적으로, 전기적 연통은 접속 패드(120)로부터 오리피스판(104)의 회로 트레이스(114)를 거쳐 레지스터 조립체(96)까지 형성될 것이다. 프린터 유닛(도시되지 않음)으로부터의 전기적 신호는 기판(82)의 전도성 트레이스(90)를 거쳐 레지스터(86)로 전달될 수 있어서, 레지스터(86)의 요구 가열(on-demand heating)(여자)이 발생할 수 있다.
이 때, 프린트헤드(80)를 제조하는데 사용되는 상술한 구조체와 관련된 제조 기술을 간략히 논의하는 것이 중요하다. 오리피스판(104)에 관하여, 창(150, 152)과 오리피스(124)를 포함한 모든 개구가 일반적으로 키페 등에게 허여된 미국 특허 제 5,278,584 호에 개시된 바와 같은 종래의 레이저 애블레이션 기술을 사용하여 통상적으로 형성된다. 상세하게는, 이러한 목적을 위해 통상의 리소그래피 기술을 사용하여 최초로 제조되는 마스크 구조체가 이용된다. 바람직한 실시예에 있어서, F2, ArF, KrCl, KrF 또는 XeCl로부터 선택된 유형의 엑시머 레이저를 사용하는 종래의 설계에 따른 레이저 시스템이 선택된다. 이러한 특정 시스템(약 100 밀리주울(millijoules)/㎠ 보다 큰 펄스 에너지와 1 마이크로세컨드보다 짧은 펄스 지속 기간을 가짐)을 이용하면, 정확도, 정밀도 및 제어도가 높은 개구[예를 들어 오리피스(124)]가 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명은 모든 특정의 제조 방법에 제한되지 않을 것이며, 다른 방법도 또한 완전한 오리피스판(104)을 제조하기에 적합하며, 종래의 자외선 애블레이션 공정(예를 들어, 약 150 내지 400㎚ 범위의 자외선 광을 사용함)뿐만 아니라 표준 화학 에칭, 스탬핑, 반응성 이온 에칭, 이온 빔 밀링 및 다른 공지의 공정을 들 수 있다.
오리피스판(104)이 전술한 바와 같이 제조된 후, 레지스터 조립체(96)[예를 들어, 기판(82)이 레지스터(86)를 가짐]를 오리피스판(104)에 부착함으로써 프린트헤드(80)가 완성된다. 바람직한 실시예에 있어서, 프린트헤드(80)의 제조는 테이프 자동 본딩(TAB) 기술을 사용하여 달성된다. 프린트헤드(80)를 제조하기 위한 이러한 특정 공정의 사용은 미국 특허 제 5,278,584 호에 상당히 상세히 설명되어 있다. 마찬가지로, TAB 기술에 관한 배경 정보가 또한 디온(Dion)의 미국 특허 제 4,944,850 호에 제공되어 있다. TAB형 제조 시스템에 있어서, 회로 트레이스(114)와 접속 패드(120)로 이미 제거(ablation)되어 패턴화된 피처리 기판(106)[예를 들어 완성된 오리피스판(104)]이 실질적으로 다수의 상호연결된 기다란 "테이프"상의 "프레임"의 형태로 존재하며, 각각의 "프레임"은 하나의 오리피스판(104)에 해당한다. 종래의 방식으로 세정하여 불순물과 다른 잔여 재료를 제거한 후 테이프(도시안함)가 광학 정렬 서브시스템을 갖는 TAB 본딩 장치에 위치된다. 이러한 장치는 본 기술분야에 널리 알려져 있으며, 일본의 신카와 코포레이션의 모델 번호 IL-20 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 소오스로부터 상업적으로 유용하다. TAB 본딩 장치내에, 레지스터 조립체(96)와 관련된 기판(82)과 오리피스판(104)이 적절히 배향되어, (1) 오리피스(124)가 기판(82)상의 레지스터(86)와 정밀하게 정렬되며, (2) 오리피스판(104)상의 회로 트레이스(114)와 관련된 빔형 리드(154)가 기판(82)상의 접촉 영역(92)에 대해서 정렬되어 위치되어 있다. TAB 본딩 장치는 "갱-본딩(gang-bonding)" 방법(또는 다른 유사한 공정)을 사용하여 리드선(154)을 접촉 영역(92)에 대해 가압한다[오리피스판(104)의 개방창(150, 152)을 통해 이루어짐]. 그 후, TAB 본딩 장치는 이들 구성요소를 서로 고정하기 위해서 종래의 본딩 공정에 따라 열을 인가한다. 초음파 본딩, 전도성 에폭시 본딩, 고상 페이스트 도포 공정 및 다른 유사 방법을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다른 종래의 결합 기술이 마찬가지로 이런 목적을 위해서 사용될 수 있다는 것을 주목하는 것이 또한 중요하다. 이에 관하여, 본 발명은 프린트헤드(80)와 관련된 어떠한 특정 공정 기술에도 제한되지 않을 것이다.
도 1의 종래의 카트리지 유닛(10)과 관련하여 이미 전술한 바와 같이, 부가의 재료층이 오리피스판(104)과 레지스터 조립체(96)[예를 들어 레지스터(86)를 갖는 기판(82)] 사이에 통상 존재한다. 이들 부가의 층은 오리피스판(104)의 레지스터 조립체(96) 등에 전기적 유전체, 접착을 포함하는 여러 기능을 수행한다. 도 2를 참조하면, 프린트헤드(80)는 카트리지 유닛(10)의 하우징(12)에 부착후의 단면을 도시하며, 이들 구성요소의 부착은 이하에 더 자세히 설명될 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(82)의 상부 표면(84)은 마찬가지로 전도성 트레이스(90)(도 1)를 덮는 중간 배리어층(156)을 가지며, 이것은 레지스터(86)를 덮지 않고 그 주위에 그리고 그들 사이에 배치된다. 결과적으로, 잉크 증기화 챔버(160)(도 2)는 각각의 레지스터(86) 위에 직접 형성된다. 각각의 챔버(160)내에서, 잉크 재료가 가열되고 증기화되어, 이하에 나타내는 오리피스판(104)의 오리피스(124)를 통해서 분출되었다.
배리어층(156)(키페 등의 미국 특허 제 5,278,584 호에 개관된 바와 같이 종래의 유기 중합체, 광레지스트 재료 또는 유사한 성분으로 통상 제조됨)이 이러한 목적을 위해서 기술분야에 공지된 표준 광리소그래피 기술 또는 다른 방법을 사용하여 기판(82)에 도포된다. 증기화 챔버(160)를 명백히 규정하는 것에 부가하여, 배리어층(156)은 또한 화학적 및 전기적 유전체층으로서 기능을 한다. 도 2에 도시된 바와 같이 배리어층의 상부에는 종래의 광리소그래피 및 다른 공지의 방법으로 도포된 비경화 폴리-이소프렌 광레지스트를 포함한 다양한 성분을 포함할 수 있는 접착층(164)이 위치된다. 배리어층(156)의 상면이 어떤 식으로든 접착성을 갖는다면(예를 들어 가열시에 접착성을 갖는 재료로 구성되는 경우), 분리 접착층(164)의 사용이 실제로 필요치 않을 수 있다. 그러나, 도 1 및 도 2에 도시된 종래의 구조와 재료에 따라서, 분리 접착층(164)이 채용된다.
전술한 TAB 본딩 공정 동안, 프린트헤드(80)(전술한 구성요소를 가짐)는 궁극적으로 TAB 본딩 장치의 가열/가압 스테이션내에서 최종 가열 및 가압된다. 이 단계[프린트헤드(80)의 외부 가열 등의 다른 가열 방법을 사용하여 마찬가지로 달성될 수 있음]는 내부 구성요소와 함께 열 접착된다[예를 들어, 도 2의 실시예에 도시된 접착층(164)을 이용함]. 결과적으로, 프린트헤드 조립 공정이 이 단계에서 완성된다.
TAB 스트립상의 개별 "프레임"[각각의 "프레임"은 개별적인 완성 프린트헤드(80)]을 절단하고 분리하는 단계 다음에, 프린트헤드(80)를 잉크 카트리지 유닛(10)의 하우징(12)에 부착하는 단계를 갖는다. 프린트헤드(80)를 하우징(12)에 부착하는 것은 다양한 방법으로 달성될 수 있다. 그러나, 도 2에 개략적으로 도시된 바람직한 실시예에 있어서, 접착 재료(166)의 일부가 하우징(12)의 장착 프레임(56) 및/또는 오리피스판(104)의 바닥 표면(112)의 선택된 위치에 도포될 수 있다. 오리피스판(104)은 하우징(12)[예를 들어, 도 1에 도시된 외부로 연장된 프린트헤드 지지 구조체(34)와 관련된 장착 프레임(56)상]에 접착 고정된다. 이러한 목적에 적합한 대표적인 접착 재료로서 당해 기술분야에 공지된 상업적으로 사용 가능한 에폭시 수지와 시아노아크릴레이트 접착제를 들 수 있다. 고정 공정 동안, 레지스터 조립체(96)와 관련된 기판(82)은 장착 프레임(56)의 중앙에 배치되도록(상술되고 도 2에 도시됨), 도 2에 도시된 바와 같이 중앙 공동(50)내에 정밀하게 위치된다. 이와 같이, 잉크 유동 통로(100, 102)(도 2)는 카트리지 유닛(10)으로부터 오리피스판(104)의 오리피스(124)를 통해서 배출하도록 중앙 공동(50)내의 잉크 출구 포트(54)로부터 증기화 챔버(160)로 잉크 재료를 유동시킬 수 있도록 형성된다.
카트리지 유닛(10)을 사용하여 인쇄 화상(170)을 선택된 화상 수용 매개물(172)상에 형성하기 위해서, 하우징(12)의 내부 격벽(30)내에 있는 선택된 잉크 구성요소(174)(도 1에 개략적으로 도시됨)의 공급부가 중앙 공동(50)의 하부 벽(52)내의 잉크 출구 포트(54)를 통과한다. 잉크 구성요소(174)는 화살표(176, 180)의 방향으로 잉크 유동 통로(100, 102)로 그리고 이 통로를 통해서 레지스터(86)를 갖는 기판(82)[예를 들어 레지스터 조립체(96)]을 향해서 흐른다. 다음으로, 잉크 구성요소(174)는 그 때 레지스터(86) 바로 위의 증기화 챔버(160)로 도입된다. 챔버(160)내에서 잉크 구성요소(174)가 레지스터(86)와 접촉한다. 레지스터(86)를 활성화(예를 들어 여자)시키기 위해서, 카트리지 유닛(10)을 수납하는 프린터 시스템(도시되지 않음)이 전기 신호를 프린터 유닛으로부터 오리피스판(104)의 기판(106)의 상부 표면(110)상의 접속 패드(120)에 전달한다. 그 때 전기적 신호가 패드(104)내의 비아(도시되지 않음)를 통과하고, 결과적으로 판(104)의 바닥 표면(112)상의 회로 트레이스(114)를 따라 레지스터(86)를 갖는 레지스터 조립체(96)로 이동한다. 이와 같이, 프린트헤드(80)로부터 오리피스(124)를 거쳐 오리피스판(104)을 통해서 잉크가 증기화되고 합성되어 분출된다. 잉크 성분(174)은 화상(170)을 형성하기 위해, 선택된 화상 수용 매체(172)로의 요구량에 따라 매우 선택적으로 이송될 수 있다(도 1).
전술한 프린팅 공정은 매우 광범위한 종류의 열 잉크젯 카트리지 장치에 적용 가능하다는 것을 강조하는 것이 중요하다. 이에 관하여, 아래에서 설명하는 본 발명의 개념은 어떠한 특정 프린팅 시스템에도 제한되지 않을 것이다. 그러나, 청구된 발명에 관련하여 사용될 전술한 유형의 열 잉크젯 카트리지의 대표적이지만 이에 제한되지 않는 예로서 미국 캘리포니아주 팔로 알토 소재의 휴렛-팩커드 컴퍼니에 의해서 시판되는 "51645A"라는 명칭의 잉크젯 카트리지를 들 수 있다. 마찬가지로, 휴렛-팩커드 저널 39권, 4호(1998년 8월), 버크 등에게 허여된 미국 특허 출원 제 4,500,895 호와 베이커 등에게 허여된 미국 특허 제 4,771,295 호에 열 잉크젯 공정에 관한 세부사항이 상세히 개시되어 있다. 종래의 열 잉크젯 구성요소와 이와 관련된 프린팅 방법을 토의하였지만, 이제 청구한 발명과 그 특징에 관해 설명할 것이다.
B. 본 발명의 프린트헤드 구조와 방법
전술한 바와 같이, 본 발명과 그 다양한 실시예는 내구성이 향상된 오리피스판 및 열 잉크젯 프린트헤드의 제조를 가능하게 한다. "내구성"이란 용어는 마멸 및 변형 저항뿐만 아니라 구조적 일체성을 포함하는 다양한 특성에 관한 것이다. 오리피스판의 마멸 및 변형은 모두, 고무 등으로 제조된 와이퍼형 구조체 및 통상적인 프린터 유닛에 포함되는 구조체를 포함하는 프린팅 공정중 마주치는 다양한 구조체와 오리피스판 사이의 접촉 동안 발생될 수 있다. 오리피스판의 변형 및 마멸은 프린트헤드와 잉크 카트리지의 전체 수명을 단축시킬 뿐만 아니라, 마찬가지로 시간이 경과한 후에 프린트 품질의 악화를 야기한다. 상세하게는, 오리피스판의 변형은 분해능의 손실로 인해 왜곡되고 희미해진 인쇄 화상을 야기한다. "내구성"이라는 용어는 또한 오리피스판이 "딤플링"과 관련된 문제를 피할 수 있을 정도의 충분한 강성을 갖는 상황을 포함한다. 러플링은 통상적으로 비금속, 중합체 재료로 제조된 오리피스판에 물리적 마멸에 의한 오리피스 출구의 변형 및 다른 왜곡이 발생하는 것과 관계가 있다. 프린트헤드를 카트리지 유닛에 비평형 상태로 장착하거나 조립하는 동안, 오리피스 출입구 주위의 중합체 재료의 변형이 발생하여 잉크 방울이 잘못된 방향으로 떨어지게 될 것이다. 딤플링은 마찬가지로 프린트헤드의 조립 동안 비평면 오리피스판 표면 또는 프린트헤드를 카트리지 유닛에 장착하는 동안 비평면 장착부와 관련이 있다. 따라서 오리피스에는 비평면 오리피스판으로 인하여 궤적 에러(trajectory error)가 나타날 것이다. 이것은 오리피스를 직접 둘러싸는 오리피스 부재의 표면에 대략 수직인 궤적을 잉크 방울이 취하기 때문이다. 따라서, 러플링 및 딤플링은 잉크 방울이 프린트헤드로부터 부정확한 방향으로 분사되어 부적절한 인쇄 화상을 형성하는 것을 포함한 상당한 문제를 야기한다. 따라서, 이런 모든 요인으로 인하여 수명이 길고, 선명하고 분명한 화상을 인쇄할 수 있는 완성된 잉크젯 프린팅 시스템을 제공하는 것이 중요하다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따라 제조되는 열 잉크젯 프린트헤드(200)의 개략적인 확대도가 도시되어 있다. 도 2의 참조부호에 대응하는 도 3의 참조부호는 양 도면에 도시된 프린트헤드의 공통되는 부품, 구성요소 및 요소를 표시한다. 이러한 공통 구성요소는 도 2의 프린트헤드(80)와 관련하여 전술되며, 이들 요소에 관한 논의는 도 3에 도시된 프린트헤드(200)에 관해서 참고로 인용된다. 도 3의 실시예의 오리피스판(104)을 제조하는데 사용되는 기판(106)은 비금속(예를 들어, 비금속 코팅)이며, 선택된 유기 중합체의 막으로 이루어진다. "비금속"이란 용어는 모든 금속, 금속 합금 및 금속 아말감을 포함하는 것을 의미한다. 마찬가지로, "유기 중합체"란 반복되는 화학적 소단위의 장쇄 카본 함유 구조체를 말한다. 도 3의 실시예에서 오리피스판(104)과 관련된 기판(106)을 생산하기에 적합한 대표적인 유기 중합체는 폴리테트라플루오로에틸렌[예를 들어 Teflon(등록상표)], 폴리이미드, 폴리메틸메스아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌-테레프탈레이트 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 마찬가지로, 기판(106)을 구성하는데 적합한 대표적인 상업적인 유기 중합체(예를 들어 폴리이미드계) 성분으로는 미국 델라웨어주 윌밍톤 소재의 듀퐁사의 등록상표명 "KAPTON"으로 시판되는 제품이 있다. 도 2의 종래 기술의 프린트헤드 설계와 도 3의 본 발명의 설계의 차이점이 이하에 설명될 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상당한 기능적 장점(예를 들어, 강도, 내구성, 강성, 딤플링 저항, 균일한 습윤성 등)을 제공하는 오리피스판(104)을 생산하는데 사용되는 기판(106)의 상부 표면에 부가의 금속층이 형성된다. 도 3을 참조하면, 보호 코팅 재료층(202)이 오리피스판(104)과 관련하여 기판(106)의 상부 표면(110)의 적어도 일부(예를 들어 전면 또는 일부분)에 직접 침착된다. 도 3의 프린트헤드(200)에 있어서, 코팅 재료(202)는 적어도 하나의 유전체 성분으로 구성되며, "유전체"란 용어는 전기 절연성이며 실질적으로 비전도성인 재료로 규정된다. 이러한 목적에 적합한 대표적인 유전체 재료는 질화 규소(Si3N4), 이산화 규소(SiO2), 질화붕소(BN), 탄화규소(SiC) 및 미국 뉴욕주 버팔로 소재의 어드밴스드 리프랙토리 테크놀로지스 잉크.(Advanced Refractory Technologies Inc.)의 Dylyn(등록상표)이란 이름으로 시판되는 "실리콘 카본 옥사이드"로 공지된 성분을 포함하며, 이것에 한정되지는 않는다. 바람직한 실시예에 있어서, 코팅 재료층(202)은 오리피스판(104)에 직접 인접하여 둘러싸는 영역으로 규정된 오리피스판(104)의 중앙 영역(112)의 기판(106)에 제공될 것이다. 그러나, 기판(106)/오리피스판(104)의 상부 표면(110)의 전체(또는 어떤 다른 선택된 부분)를 보호 코팅 재료층(202)으로 코팅한 후, 필요에 따라 코팅 재료(202)를 예를 들어 종래의 반응성 이온 에칭, 화학 에칭 또는 다른 공지의 에칭 기술에 의해 에칭하는 것이 또한 고려될 수 있다. 유전체 코팅 재료층(202)이 어디에 침착되었는지에 상관없이, 사전 파일롯 테스팅에 의해서 결정되는 바와 같이 프린트헤드(200)에 사용되는 특정 구성요소와 다른 외부 요인에 사용되는 따라, 소정 상황에서 이용될 정확한 두께 레벨이 변할지라도, 약 1000Å 내지 3000Å의 균일한 두께를 갖는 것이 바람직하다.
이 점에서, 바람직한 실시예에 있어서, 도 3의 시스템의 오리피스판(104)을 생산하는데 사용되는 기판(106)이 비금속(예를 들어 비금속-함유)이고, 전술한 바와 같이 선택된 유기 중합체의 막 성분으로 구성된다. 오리피스판을 제조하는데 특정 재료를 사용하는 것은 금속(예를 들어 금-도금 니켈) 구조체를 사용하는 종래의 기술에서 벗어나 있음을 나타낸다. 선택된 유전체 성분을 직접 비금속 유기 중합체 오리피스판(104)상에 도포하는 것은 이 경우에 중요한 본 발명의 발전이다. 이들 재료의 조합은 경량이며, 대량 생산 기술을 사용하여 용이하게 제조되고, (전술한 바와 같이) 마멸 저항성, 변형 저항성, 딤플링 저항성을 갖는 오리피스판(104)을 생산한다. 따라서, 본 명세서에서 설명한 유형의 비금속 오리피스판(104)에 선택된 유전체 재료의 도포하는 것은 열 잉크젯 기술의 진보를 나타낸다.
다양한 제조 기술과 처리 장치가 오리피스판(104)과 관련된 기판(106)의 상부 표면(110)에 보호 코팅 재료층(202)을 도포하도록 사용된다. 이에 관하여, 본 발명은 어떤 특정의 처리 단계 또는 기술에 제한되지 않을 것이다. 예를 들어, 다음의 방법 (1) 플라즈마 증착법(PVD); (2) 화학 증착법(CVD); (3) 스퍼터링 및 (4) 도포 시스템이 선택된 유전체 코팅 재료(202)를 기판(106)에 도포(예를 들어 직접 침착)하는데 사용될 수 있다. 이러한 방법 (1) 내지 (3)은 집적 회로 제조 기술(Integrated Circuit Fabrication Technology)이란 명칭의 엘리오트 디 제이(Elliott D.J)의 저서에 개시되었다. 기본적으로, PVD 공정은 rf-계 시스템을 사용하여 화학 성분을 증기화하도록 가스상 재료를 변화시키는 기술에 관한 것이다. 이들 반응성 가스종은 고려에 따라 재료를 증착하는데 사용된다. 플라즈마 증착 공정에 관한 추가적인 정보는 키저 등에게 허여된 미국 특허 제 4,661,409 호에 개시되어 있다. CVD 법은 PVD 기술과 유사하며, 소망 산물을 얻기 위해 여러 가지 가스를 열적으로 분해하는 시스템내에서 기판상에 선택된 재료의 코팅이 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판상의 질화 실리콘(Si3N4) 막을 생산하는데 사용되는 가스 재료로 SiH4와 NH3를 들 수 있다. 마찬가지로, SiH4와 CO는 기판상에 이산화 실리콘(SiO2)의 코팅층을 형성하는데 사용될 수 있다. CVD 공정에 관한 추가적인 정보는 이아미 등에게 허여된 미국 특허 제 4,740,263 호에 개시되어 있다. 스퍼터링 기술은 고에너지 전자기장을 사용하여 생산되어 침착될 재료 공급부로 전달되는 이온화 가스 재료를 이용한다. 결과적으로, 이 재료는 선택된 기판상에 분산된다. 유전체 코팅 재료의 선택층(202)을 침착하는데 사용될 수 있는 상기의 것에 부가하여, 다른 종래의 공정은 (A) 이온 침착법, (B) 열 증기화 기술 등을 포함한다.
보호 코팅 재료층(202)으로 선택된 유전체 성분의 도포는 디온에게 허여된 미국 특허 제 4,944,850 호에 통상 개시된 테이프 자동 본딩(예를 들어 TAB)의 광범위한 사용에 의한 프린트헤드 제조 공정중의 임의의 시기에 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명의 제조 공정은 특정 시퀀스 또는 단계의 순서에 제한되지 않을 것이다. 그러나, 바람직한 실시예에 있어서, 선택 코팅 재료(202)는 오리피스판(104)과 관련된 제조 공정중 상기 기술중 하나에 의해 오리피스판(104)에 부착될 것이다. 특히, 코팅은 레지스터 조립체(96)에 기판(106)을 부착하기 전에, 그리고 오리피스판(104)을 통해서 오리피스(124)를 형성하기 위한 기판(106)의 레이저 애블레이션 이전에 수행되는 것이 바람직하다. 유전체 코팅 재료층(202)이 도포된 후, 종래의 레이저 애블레이션 공정이 전술한 바와 같이 오리피스판(104)의 오리피스(124)를 형성하도록 수행될 수 있다. 그러나, 사전 시험에 의해서 결정되는 특정 경우에 있어서, 오리피스(124)가 기판(106)에 형성된 후 코팅 재료층(202)이 도포될 수 있다.
프린트헤드(200)의 다른 변형예가 프린트헤드(300)로 도 4에 도시되어 있다. 도 4의 프린트헤드(300)에 있어서, 기판(106)의 상부 표면(110)에 장착된 코팅 재료층(202)과 결합하여 보호 코팅 재료층(302)이 또한 오리피스판(104)을 제조하는데 사용되는 기판(100)의 바닥 표면(112)에 도포될 수도 있다. 추가 코팅 재료층(302)이 코팅 재료(202)의 전층에 관련하여 전술한 동일 유전체 재료를 선택적으로 포함할 것이다. 마찬가지로, 코팅 재료(202)에 관련하여 상기에 제공된 다른 모든 정보(약 1000Å 내지 3000Å의 바람직한 막 두께뿐만 아니라 침착 및 제조 방법 포함)가 추가적인 코팅 재료층(302)에 동등하게 적용 가능하다. 도 3과 도 4의 실시예 사이의 유일한 차이는 코팅 재료층(202)이 기판(106)의 상부 표면(110)에 침착되는 동시에 기판(106)의 바닥 표면(112)에 코팅 재료층(302)이 도포되는 것이 최적이라는 것이다. 결과적으로, 오리피스판(104)은 상부 표면(110)과 바닥 표면(112) 양자가 전체 프린트헤드(300)의 구조적 일체성을 더 향상하도록 강도-부여, 딤플-저항 유전체 재료로 코팅되어 형성된다.
도 4에 도시된 프린트헤드(300)는 오리피스판(104)의 상부 표면(110)으로부터 코팅 재료층(202)을 제거하도록 더 변형될 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 결과적으로, 기판(106)/오리피스판(104)의 바닥 표면(112)상의 코팅 재료층(302)만이 도 5에 도시된 바와 같이 제공된다. 이러한 "변형된" 프린트헤드는 도 5에서 참조부호(400)로 표시된다. 기판(106)의 상부 표면(110)상의 코팅 재료층(202)은 오리피스판(104)의 최대 보호를 달성하도록 제공되는 것이 바람직하지만, 오리피스판(104)상에 하나의 강도-부여 재료층만이 필요한 저-응력 상황과 관련하여서는, 바닥 표면(112)의 코팅 재료층(302)만을 구비하는 도 5에 도시된 전술한 변형 오리피스판(104)이 유용할 수 있다.
본 발명의 다른 변형예에 있어서, 도 3 내지 도 5의 실시예의 오리피스판(104)상의 코팅 재료층(202) 및/또는 보호 코팅 재료층(302)으로 이용될 수 있는 특정 유전체 재료는 "다이아몬드상 카본" 또는 "DLC"로서 공지된 성분이다. 이 재료는 그 강도, 가요성, 탄성, 높은 경도 계수, 양호한 접착성 및 불활성의 관점에서 특히 이러한 목적에 적합하다. DLC는 기글리아(Giglia) 등에게 허여된 미국 특허 제 4,698,256 호에 상세히 개시되며, 특히 다이아몬드와 유사한 특징을 갖는 매우 단단하고 내구성 있는 카본계 재료가 개시되어 있다. 원자 준위에 관해, DLC(역시 "비결정성 카본"의 특징을 가짐)는 sp2 본드가 존재할지라도 sp3 본딩을 사용하여 분자상으로 부착된 카본 원자로 구성되어 있다. 결과적으로, DLC는 종래의 다이아몬드 재료의 많은 형질(예를 들어 경도, 불활성 등)을 나타내는 한편, 흑연(sp2 본딩으로 형성됨)과 관련된 특정 성질을 갖는다. 또한 이것은 열 잉크젯 프린트헤드에 통상적으로 존재하는 상층 재료와 하층 재료(예를 들어 중합체 배리어층 등)에 강하고 안전하게 부착된다. 기판에 도포될 때, DLC는 상당한 경도와 마멸 저항을 가지며 매우 매끈하다. 이에 관하여, 이것은 프린트헤드(200, 300, 400)의 오리피스판(104)의 보호 코팅 재료층(202)[및/또는 코팅 재료층(302)]으로서 사용되는 이상적인 재료이다(도 3 내지 도 5). DLC에 관한 부가의 정보뿐만 아니라 이 재료를 선택된 기판에 도포하는 제조 기술이 기글리아 등에게 허여된 미국 특허 제 4,698,256 호와, 얀센 등에게 허여된 미국 특허 제 5,073,785 호와, 키저 등에게 허여된 미국 특허 제 4,661,409 호 및 이마이 등에게 허여된 미국 특허 제 4,740,263 호에 개시되어 있다. 그러나, 다른 유전체 재료를 오리피스판(104)(두께를 가짐)에 도포하는 것에 관하여 상기에 제공된 모든 정보는 동등하게 DLC를 오리피스판(104)에 도포하는데 적합할 것이다. 상세하게는, 이하의 도포 방법, (1) 플라즈마 증기 침착법(PVD), (2) 화학 증착법(CVD), (3) 스퍼터링; (4) 이온 빔 침착법; 및 (5) 열 증기화 방법이 상술한 바와 같이 오리피스판(104)의 상부 표면(110) 및/또는 바닥 표면(112)상의 DLC 침착용으로 사용될 것이다. DLC 침착에 관한 공정 단계(이것을 착수하는 순서)는 도 3 내지 도 5의 실시예의 오리피스판(104)에 도포되는 다른 유전체 재료에 관하여 상술한 바와 같다. 그러므로, 전술한 정보는 본 발명의 상세한 설명란에서 참고로 인용되었다. 그러나, 비금속 유기 중합체 함유 오리피스판의 외면상의 보호 코팅으로서 DLC의 사용은 특유의 복합 구조(예를 들어 하나 또는 그 이상의 다이아몬드상 카본층 + 중합체 유기층)를 이루는 중요한 발전이라는 것을 강조하는 것은 중요하다. 이러한 프린트헤드(200, 300, 400)의 특정 구조와 그 사용은 기대되는 마멸-저항 및 딤플링의 제어에 대한 높은 경도 계수와 향상된 부착 특성에 걸쳐 많은 장점을 제공한다.
비금속 중합체 함유 오리피스판(104)과 그 위의 마멸 저항, 높은 내구성 유전체 코팅 재료(202, 203)의 조합된 장점을 갖는 도 3 내지 도 5에 도시된 완성된 프린트헤드(200, 300, 400)는 구성과 효과면에서 향상된 열 잉크젯 카트리지 유닛을 제공하도록 사용될 수 있다. 이것은 완성된 프린트헤드(200)[또는 프린트헤드(300, 400)]를 도 1에 도시된 잉크젯 카트리지(10)의 하우징(12)에 프린트헤드(80)를 하우징(12)에 부착하는 것과 관련하여 전술한 방식으로 달성된다. 결과적으로, 프린트헤드(200)[또는 프린트헤드(300, 400)]는 선택된 잉크 성분(174)을 수납하는 하우징(12)의 내측에 내부 챔버(30)와 유체 연통할 것이다. 따라서, 프린트헤드(80)의 하우징(12)에 대한 부착에 관하여 전술한 논의는 내구성이 향상된 완성된 열 잉크젯 카트리지(10)를 생산하기 위해서 제 위치에 프린트헤드(200)[또는 프린트헤드(300, 400)]를 부착하는데 동등하게 적용 가능하다. 또한, 이러한 프린트헤드(200, 300, 400)와 이와 관련된 장점이 어떤 특정 카트리지의 형상 또는 구성에 제한되지 않고 본 발명에 따라 다른 많은 열 잉크젯 카트리지 시스템에 적용 가능하다. 프린트헤드(200)[또는 프린트헤드(300, 400)]와 조합하여 이용될 수 있는 대표적인 카트리지 시스템이 키페 등에게 허여된 미국 특허 제 5,278,584 호에 개시되어 있으며, 미국 캘리포니아주 팔로 알토 소재의 휴렛-팩커드 컴퍼니의 제품(제품 번호 51645A)이 시판되고 있다. 또한, 도 3 내지 도 5의 실시예와 관련하여 전술한 본 발명은 주로 비금속 유기 중합체 성분으로 구성된 오리피스판(104)에 관한 것이지만, 버크 등에게 허여된 미국 특허 제 4,500,895 호에 개시된 유형의 금속 오리피스판(예를 들어 금-도금 니켈)이 마찬가지로 선택된 유전체 성분(예를 들어 DLC)으로 처리될 수 있다. 유기 중합체형 오리피스판(104)에 이들 성분을 도포하는 것에 관하여 상기에 제공된 모든 정보(예를 들어 두께 레벨, 침착 방법 등)는 금속 오리피스판 시스템에 동등하게 적용 가능하다. 마찬가지로, 도 3 내지 도 5에 관련된 기본 방법은 열 프린팅 기술의 중요한 발전이라고 할 수 있다. 이러한 기본 방법은 (1) 그 표면에 다수의 잉크 분사기(예를 들어 레지스터)를 갖는 기판과, 상부 표면, 바닥 표면 및 그들을 통과하는 오리피스를 갖는 기판 위에 배치된 오리피스판을 구비하는 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 단계와, (2) 오리피스판의 상부 표면 및/또는 바닥 표면에 직접 보호성 강도-부여 코팅 재료층을 침착하는 단계를 포함한다. 도 3 내지 도 5의 실시예의 보호 코팅(통상의 코팅 재료의 사용에 관련됨)은 선택된 유전체 성분을 포함하며, DLC가 우수한 결과를 제공한다. 프린트헤드상의 오리피스판을 보호하는 이 방법은 상술한 기술 또는 상기의 공정의 일반적인 변형을 통해서 달성될 수 있다. 도 3 내지 도 5의 향상된 프린트헤드(200, 300, 400)를 제조하는데 실제로 어떤 단계가 이용되는가에 상관없이, 넓은 의미에서 청구의 방법(프린트헤드의 오리피스판에 보호 유전체 코팅을 도포하는 단계를 포함)은 열 잉크젯 기술분야에서의 진보를 나타낸다.
프린트헤드의 다른 변형예는 도 6에 확대된 형태로 개략적으로 도시되어 있으며 참조부호(500)로 표시된다. 이 실시예는 마찬가지로 상기와 동일한 장점, 즉 향상된 내구성을 제공한다. 그러나, 아래에 설명하는 바와 같이, 오리피스판(104)을 제조하는데 사용되는 기판(106)의 상부 표면상에 바로 적어도 하나의 선택된 금속 성분층을 침착하는 단계를 포함한다. 도 6에 도시된 본 발명은 이 목적을 위한 특정 금속 재료에 한정되지 않을 것이며 크롬(Cr), 니켈(Ni), 납(Pd), 금(Au), 티탄늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al) 또는 그들의 혼합물(화합물)을 포함하는 다양한 많은 금속이 사용에 적합할 것이다. 이 실시예에 있어서, "금속 성분"이란 용어는 원소 금속, 금속 합금 및 금속 아말감을 포함하는 것으로 정의될 것이다. 마찬가지로, 도 6에 도시된 금속-함유층(이하에서 설명)에 관련하여 "적어도 하나"라는 어구는 하나 또는 다수의 층이 이용될 수 있는 상황을 나타내며, 프린트헤드(500)와 관련된 최종 구조체는 사전 파일럿 테스팅(preliminary pilot testing)에 의해서 결정된다. 따라서, 본 발명의 이러한 실시예는 특정 수량이나 구성의 오리피스판(104)의 금속-함유층으로 제한되지 않을 것이며, 하나 또는 그 이상의 층이 효과적으로 기능할 것이다. 넓은 의미에서 도 6의 본 발명은 오리피스판이 비금속, 유기 중합체로 바람직하게 구성된 잉크 분사기-수납 프린트헤드의 오리피스판에 선택된 금속 성분의 적어도 일층을 제공하는 새로운 개념을 포함할 것이다. 결과적으로, 균일한 "금속 + 중합체" 오리피스판 시스템이 프린트헤드(500)에 제공된다.
도 6을 상세히 참조하면, 프린트헤드(500)의 개략적인 확대 단면도가 도시되어 있다. 도 2의 참조부호에 대응하는 도 6의 참조부호는 양 도면에 도시된 프린트헤드에 대해 공통적인 부품, 구성요소 및 요소를 나타낸다. 이러한 공통의 요소는 도 2의 프린트헤드(80)에 관련하여 전술되어 있으며, 이들 요소에 관한 논의는 도 6에 도시된 프린트헤드(500)에 관해서 참고로 인용되어 있다. 이 점에서, 도 6의 실시예의 오리피스판(104)을 생산하는데 사용되는 기판(106)이 비금속(예를 들어 비금속-함유)인 것이 바람직하며, 선택된 유기 중합체막으로 구성된다는 것을 강조하는 것은 중요하다. "비금속"이란 용어는 모든 원소 금속, 금속 합금 및 금속 아말감을 함유하지 않는 성분에 관한 것일 것이다. 마찬가지로, "유기 중합체"란 용어는 반복되는 화학적 소단위의 장쇄 카본-함유 구조체를 포함할 것이다. 도 6의 실시예의 오리피스판(104)과 관련된 기판(106)을 제조하기에 적합한 유기 중합체는 다시 폴리테트라플루오로에틸렌[예를 들어 Teflon(등록상표)], 폴리이미드, 폴리메틸메스아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌-테레프탈레이트 또는 그들의 혼합물로 제조될 것이다. 마찬가지로, 기판(106)을 구성하는데 적합한 대표적인 상업적인 유기 중합체(예를 들어 폴리이미드계) 성분으로는 미국 델라웨어주 윌밍톤 소재의 듀퐁사의 등록상표명 "KAPTON"으로 시판되는 제품이 있다. 도 2의 종래 기술의 프린트헤드 장치와 도 6의 본 발명의 장치의 차이점이 이하에 설명될 것이다.
상기의 논의에 따라서, 프린트헤드(500)의 오리피스판(104)을 제조하는데 사용되는 기판(106)의 상부 표면(110)의 적어도 일부(예를 들어 일부 또는 전부)가 하나 또는 그 이상의 금속 성분으로 구성된 코팅 재료의 적어도 일층으로 코팅된다. 도 6에서, 금속 코팅 재료층은 참조부호(502)로 표시된다. 코팅 재료층(502)과 관련된 금속 성분은 이 목적을 위한 특정 금속 재료에 제한되지 않으며, 크롬(Cr), 니켈(Ni), 납(Pd), 금(Au), 티탄늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al) 및 그들의 혼합물(화합물)을 포함하는 다양한 많은 금속이 사용에 적합할 것이다. 금속 코팅 재료(502)의 침착은 도 3 내지 도 5의 실시예에서 기재한 모든 것을 포함하는 목적을 위해서 당해 기술분야에 공지된 종래의 기술을 사용하여 달성된다. 이들 방법은 (1) 플라즈마 증착법(PVD); (2) 화학 증착법(CVD); (3)스퍼터링; (4) 이온 빔 침착법; 및 (5) 열 증기화 기술을 포함한다. 이들 기술에 관한 정의, 정보 및 배경 기술 문헌은 상기에 개시되어 있으며, 본 발명의 상세한 설명란에 인용되어 있다. 소정의 침착 방법의 선택은 프린트헤드(500)에 사용되기 위해서 선택되는 특정 재료에 따른 사전 파일럿 연구에 의해서 결정될 것이다. 마찬가지로, 최적의 결과를 얻기 위해서, 금속 코팅 재료층(502)이 약 200Å 내지 약 5000Å의 두께를 가질 것이며, 소정의 상황에 대한 정확한 두께 레벨이 사전 분석에 의해서 결정된다.
도 6의 전형적인 예는 단일 코팅 재료층(502)을 포함한다. 그러나, 오리피스판(104)의 상부 표면(110)에 도포되는 금속 코팅층에 적용될 때 "적어도 하나"라는 용어는 하나 또는 그 이상의 개별 금속층을 말하는 것으로 정의된다. 도 7은 코팅 재료(502)의 기본층이 실질적으로 각기 코팅 재료의 개별층으로 기능하는 3개의 분리된 금속-함유 하부층으로 구성된 프린트헤드(500)의 변형예(600)에 관한 것이다. 도 7의 특정예(이상적인 강도와 접착 특성을 제공하도록 설계됨)에 도시된 바와 같이, 보호 금속 코팅 재료층(502)은 기판(106)/오리피스판(104)의 상부 표면(110)상에 직접 침착되어 있는 제 1 금속층(604)(예를 들어 하부층)으로 최초로 구성된다. 제 1 금속층(604)은 도 7에 도시된 바와 같이 다른 금속의 하부층(606, 610)을 오리피스판(101)에 효과적으로 결합하는 "시드"층으로서 기능을 하도록 설계된다. 이 목적으로 선택된 금속 성분은 오리피스판(104)과 결합하여 사용되는 유기 중합체에 강하게 접착할 수 있어야 한다. 도 7의 3층 실시예에 있어서, 제 1 금속층(604)에 사용하기 적합한 대표적인 금속은 크롬(Cr), 니크롬, 탄탈륨, 질소, 탄탈륨-알루미늄 및 그들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 제 1 금속 성분을 들 수 있다. 다시, 제 1 금속층(604)이 기본 코팅 재료층(502)과 관련하여 상기에 기재된 하나 또는 그 이상의 침착을 사용하여 기판(106)/오리피스판(104)의 상부 표면(110)상에 직접 침착된다. 제 1 금속층(604)의 침착전에, 기판(106)의 상부 표면(110)이 그로부터의 흡수된 종과 오염물을 제거하도록 사전 처리된다면 이상적인 결과가 달성될 수 있다. 사전-처리 공정은 종래의 이온 충돌 공정(ion bombardment processes) 등을 포함한 공지의 기술을 사용하여 달성될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 제 1 "시드" 금속층(604)은 약 25Å 내지 600Å의 균일한 두께를 가질 것이다.
다음으로, 제 2 금속층(606)(예를 들어 하부층)은 하나 또는 그 이상의 전술한 침착 기술을 사용하여 제 1 금속층(604)의 상부에 직접 침착된다. 제 2 금속층(606)은 오리피스판(104)에 강도, 강성, 딤플링 저항성 및 변형 저항성을 부여하도록 설계된다. 이 목적에 적합한 대표적인 금속으로는 티탄늄(Ti), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 그들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 제 2 금속 성분을 들 수 있으며, 제 2 금속층(606)은 약 1000Å 내지 약 3000Å의 바람직한 두께를 갖는다.
도 7에 도시된 최종 제 3 및 최종 금속층(예를 들어, 하부층)(610)이 제 2 금속층(606)의 상부에 직접 침착된다. 제 3 금속층(610)의 도포는 하나 또는 그 이상의 상술한 침착 기술을 사용하여 수행된다. 제 3 금속층(610)은 [특히 제 3 금속층(610) 아래에 위치되는 제 1, 제 2 금속층(604, 606)에 관해서] 완성된 오리피스판(104)에 내식성 및 감소된 마찰을 모두 부여하도록 설계된다. 최적의 결과를 달성하기 위해서, 제 3 금속층(610)은 약 100Å 내지 약 300Å 두께일 것이다.
도 6과 도 7에 도시된 결과적인 보호 금속 코팅 재료층(502)[도 7의 비제한적인 실시예에 있어서, 다수의(예를 들어 3개) 금속층(604, 606, 610)의 복합층을 포함함]이 상기의 장점, 즉 마멸 저항성의 증가, 딤플링 제어 및 균일한 습윤성을 제공한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 어떠한 수의 금속-함유층(예를 들어 하나 또는 그 이상)도 오리피스판(104)과 관련된 기판(106)의 상부 표면(110)상에 침착될 수 있다. 예를 들어, 티탄늄(Ti)은 우수한 "시드" 특성과 강도-부여 특성을 갖는다. 따라서 두께가 증가된 단일 티타늄층이 상기 이중층(604, 606) 대신에 사용될 수 있고, 이어서 최종 층(610)이 티타늄층 위에 도포된다. 도 6과 도 7의 실시예에 있어서, 단일 금속층 또는 다수의 금속층이 보호 코팅 재료층(502)으로 사용 여부에 상관없이, 코팅 재료층(502)은 약 200Å 내지 약 5000Å의 총(조합) 두께 레벨을 갖는다. 다시, 이 값은 관심이 되는 특정 프린트헤드 구성요소에 관한 사전 검사에 따라 변할 수 있다.
보호 금속 코팅 재료층(502)을 오리피스판(104)과 관련된 기판(106)에 도포하는 것은 전술한 바와 같이 디온에게 허여된 미국 특허 제 4,944,850 호에 개시된 테이프 자동 본딩(예를 들어 TAB) 방법을 주로 사용하는 프린트헤드 제조 공정중 어느 때나 수행될 수 있다. 그러므로, 청구의 발명과 제조 공정은 어떠한 특정 공정 단계 및 이들 단계가 수행되는 순서에 제한되지 않을 것이다. 그러나, 최적의 결과를 달성하기 위해서, 보호 코팅 재료층(502)을 형성하는데 사용되는 금속 성분이 레지스터 조립체(96)에 기판(106)을 부착하기 전에 중합체 기판(106)/오리피스판(104)에 도포될 것이다. 오리피스(124)를 형성하기 위한 기판(106)의 레이저 애블레이션에 관하여, 애블레이션이 금속층 침착 이전에 또는 이후에 수행되어야 할지를 결정하는 사전 검사가 이용될 것이다. 도 7에 도시되고 상술한 실시예에 있어서, 레이저 애블레이션은 "시드" 또는 제 1 금속층(604)의 침착 이후에, 그리고 제 2 및 제 3 금속층(606, 610)을 제 1 금속층(604)에 도포하기 이전에 수행하는 것이 최적이다. 프린트헤드(500)[프린트헤드(600)는 코팅 재료(502)의 주요층과 관련된 다수의 금속의 "하부층"을 가짐)의 변형예에 있어서, 제거(ablation)될 침착 금속이 약 400Å 이하의 두께를 갖는 상황에서 금속이 도포된 후에 레이저 애블레이션이 수행될 것이다. 침착된 금속층이 400Å 또는 그 이상의 조합 두께를 갖는 경우에, 금속 침착전에 애블레이션이 수행될 것이다. 그러나, 본 발명은 일반적인 사전 분석에 따라 결정될 수 있는 어떠한 특정 제조 방법에도 한정되지 않을 것이다.
상술한 도 6에 도시된 다른 변형예가 참조부호(700)로 도 8에 도시되어 있다. 프린트헤드(700)에서, 보호 금속 코팅 재료층(702)이 오리피스판(104)을 생산하는데 사용되는 기판(106)의 바닥 표면(112)에 도포된다. 이 부가의 코팅 재료층(702)은 주요 코팅 재료층(502)과 관련하여 전술한 바와 같은 동일 금속(예를 들어 하나 또는 그 이상의 상술한 대표적인 금속층)을 포함할 것이다. 마찬가지로, 코팅 재료층(502)과 관련하여 상기에 제공한 다른 모든 정보(두께 값, 침착 공정 및 제조 방법)는 부가적인 코팅 재료층(702)에 동일하게 적용 가능하다. 도 6과 도 8의 실시예 사이의 결과의 유일한 차이점은 오리피스판(104)의 바닥 표면(112)에 제공되는 부가의 금속 코팅 재료층(702)이 있다는 것이다. 부가의 금속 코팅 재료층(702)은 동시에 오리피스판(104)의 바닥 표면(112)에 도포될 수 있기 때문에 금속 코팅 재료층(502)은 기판(106)의 상부 표면(110)상에 침착되거나 또는 다른 시기에 제공될 수 있다. 결과적으로, 오리피스판(104)은 상부 표면(110)과 바닥 표면(112) 모두가 강도-부여, 딤플-저항 재료 성분으로 코팅되어 전체 프린트헤드(700)의 구조적 일체성을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 도 8의 실시예에서 오리피스판(104)의 상부 표면(110)상의 금속 코팅 재료층(502)은 3개의 분리된 금속 "하부층(604, 606, 610)"이 이러한 목적으로 사용되는 도 7에 도시된 다층의 코팅 구조도 포함할 수 있다.
도 8의 실시예가 오리피스판(104)의 바닥 표면(112)상의 코팅 재료(702)와 관련하여 단일 금속층을 사용하지만, 선택된 금속 성분중 하나 또는 그 이상의 개별 금속층이 이러한 목적을 위해서 이용될 수 있다. 도 9를 참조하면, 변형된 프린트헤드(800)는 코팅 재료층(702)과 관련하여 순차적으로 도포된 다수의 금속층을 사용하여 형성된다. 상세하게는, 주요 금속층(예를 들어 하부층)(804)은 기판(106)/오리피스판(104)의 바닥 표면(112)상에 직접 침착된다. 주요 금속층(804)은 도 9에 도시된 바와 같이 오리피스판(104)에 다른 금속 하부층(806, 810)(아래에 설명)을 효과적으로 결합하는 "시드"층으로서 기능을 하도록 설계된다. 이러한 목적을 위해서 선택된 금속 성분은 오리피스판(104)을 형성하는데 사용되는 유기 중합체에 강하게 접착될 수 있어야 한다. "시드" 금속(804)의 주요층에 사용하기에 적합한 대표적인 금속은 바람직하게는 도 7의 실시예에 있어서 제 1 금속층(604)과 관련하여 상술한 동일 성분을 포함한다. 상세하게는, 제 1 금속층(804)은 크롬(Cr), 니크롬, 티타늄 질화물, 탄탈륨-알루미늄 및 그들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 제 1 금속 성분으로 구성되는 것이 최적일 것이다. 또한, 제 1 금속층(804)은 하나 이상의 상기 침착 기법을 이용하여 기판(106)의 바닥 표면(112)상에 직접 침착된다. 기판(106)상에 제 1 금속층(804)을 침착하기 전에, 기판(106)의 바닥 표면(112)이 사전 처리되어 흡수된 종과 오염물이 제거되면, 이상적인 결과가 얻어질 것이다. 사전 처리는 통상적인 이온 충돌 처리 등을 포함하며 이에 한정되지 않는 공지된 기법을 이용하여 수행될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 제 1 금속층(804)은 약 25Å 내지 600Å의 균일한 두께를 가질 것이다.
다음으로, 상술한 침착 기법중 하나를 이용하여 제 1 금속층(804)상에 제 2 금속층(806)(도 9 참조)이 직접 침착된다. 제 2 금속층(806)은 오리피스판(104)에 부가적인 강도, 강성, 딤플링 저항성, 변형 저항성을 제공하도록 설계되어 있다. 바람직하게는, 이러한 목적에 적합한 대표적인 금속은 도 7의 실시예에서의 제 2 금속층(606)과 관련하여 상술한 것들과 동일하다. 상세하게는, 도 9에서 제 2 금속층(806)은 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 구리(Cu) 및 그것들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 제 2 금속 성분으로 구성되는 것이 최적일 것이며, 이 제 2 금속층(806)은 바람직하게 약 1000Å 내지 2000Å의 두께를 가질 것이다.
도 9에 도시된 제 3 및 최종 금속층(810)(예를 들어 하부층)은 제 2 금속층(806)상에 직접 침착된다. 상술한 하나 이상의 침착 기법을 이용하여 제 3 금속층(810)이 도포된다. 제 3 금속층(810)은 주로 완성된 오리피스판(104)에[특히 제 3 금속층(810) 위에 위치하는 제 1 및 제 2 금속층(804, 806)에 대해] 부식 저항을 제공하도록 설계되어 있다. 최적의 결과를 얻기 위해, 제 3 금속층(810)은 약 100Å 내지 300Å 두께가 될 것이다. 그러나, 오리피스판(104)과 관련된 기판(106)의 바닥 표면(112)상에는 어떠한 수의(예를 들어 하나 또는 그 이상) 금속-함유층도 침착될 수 있다. 예를 들어, 티타늄(Ti)은 우수한 "시드" 및 강도를 제공하는 특성을 갖는다. 따라서, 상기 이중 층(804, 806) 대신에, 두께가 증가된 하나의 티타늄층이 사용될 수 있으며, 이어서 티타늄층상에 최종 층(810)이 도포된다. 또한, 도 9의 실시예에서 오리피스판(104)의 상부 표면(110)상의 금속 코팅 재료(502)는 도 7에 도시된 다층 코팅 구성을 포함할 수도 있으며 여기서는 이러한 목적을 위해 3개의 개별적인 금속 "하부층"(604, 606, 610)이 사용된다.
도 8 및 도 9의 프린트헤드(700, 800)는 도 10에 도시된 추가적인 프린트헤드(900)를 생산하도록 더 변경될 수도 있다. 프린트헤드(900)에서, 오리피스판(104)의 상부 표면(110)상의 금속 코팅 재료(502)의 주요 층이 제거된다. 따라서, 도 10에 도시된 바와 같이 기판(106)/오리피스판(104)의 바닥 표면(112)상에는 오직 추가적인 코팅 재료층(702)만이 제공될 것이다. 오리피스판(104)을 최대로 보호하기 위해서는 기판(106)의 상부 표면(110)상에 코팅 재료층(502)이 제공되는 것이 바람직하지만, 도 10에서 설명 및 도시된 변경된 오리피스판(104)은 바닥 표면(112)상에 오직 코팅 재료(702)만을 포함하며, 오리피스판(104)상에 오직 하나의 강도 부여 재료층만이 필요한 저응력 상황과 관련하여서는 유용할 수도 있다.
비금속 중합체를 함유하는 오리피스판(104) 및 마멸 저항성이 있는 코팅 재료(502, 702)의 금속-함유층의 장점을 조합한 도 6 내지 도 10에 도시된 완성된 프린트헤드(500, 600, 700, 800, 900)는 개선된 설계 및 효율을 갖는 열 잉크젯 카트리지 장치를 생산하는데 사용될 수 있다. 이것은 하우징(12)에 프린트헤드(80)를 부착하는 것과 관련하여 상술한 바와 동일한 방식으로 도 1에 도시된 잉크젯 카트리지(10)의 하우징(12)에 완성된 프린트헤드(500)[또는 프린트헤드(600 내지 900)]를 고정함으로써 수행된다. 따라서, 프린트헤드(500)[상술한 다른 프린트헤드(600 내지 900)]는 선택된 잉크 성분(174)을 함유하는 하우징(12)의 내부에서 내부 챔버(30)와 유체 연통할 것이다. 따라서, 하우징(12)에 프린트헤드(80)를 부착하는 것에 관한 이전의 설명은 프린트헤드(500)[또는 다른 프린트헤드(600 내지 900)]를 제 위치에 부착하는 것에 동등하게 적용하여 개선된 내구성을 갖는 완성된 열 잉크젯 카트리지(10)를 생산할 수 있다. 본 발명의 프린트헤드(500 내지 900) 및 이와 관련된 장점은 광범위한 각종 열 잉크젯 카트리지 시스템(또는 다른 유형의 잉크젯 전송 장치)에 적용할 수 있으며, 본 발명에서는 임의의 특정 카트리지 설계 또는 구성으로 한정되지 않는다는 점에 또한 주의해야 한다. 프린트헤드(500 내지 900)를 조합하여 사용되는 대표적인 카트리지 시스템은 키페(keefe) 등에게 허여된 미국 특허 제 5,278,584 호에 개시되어 있으며, 미국 캘리포니아주 팔로 알토에 소재한 휴렛-팩커드 컴퍼니의 제품(제품 번호 51645A)이 시판되고 있다. 상술한 목적 및 부가적인 장점을 위해 상부 표면 또는 바닥 표면상의 임의의 위치에서 상술한 금속 성분은 선택된 오프리스판 구조의 전부 또는 일부에 도포될 수 있음에 또한 주의해야 한다. 따라서, 본 발명은 선택된 금속 성분이 도포되는 오리피스판의 임의의 위치로만 한정되지는 않을 것이다.
마찬가지로, 도 6 내지 도 10의 실시예와 관련된 기본 방법은 잉크젯 프린팅 기술에서 있어서 중요한 발전을 보여준다. 이러한 기본 방법은 (1) 다수의 잉크 배출기(예를 들어 저항기)를 갖는 기판 및 상부 표면, 바닥 표면, 다수의 오리피스를 가지며 기판상에 위치하는 오리피스판을 포함하는 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 단계와, (2) 오리피스판의 상부 표면 및 바닥 표면중 적어도 한 면상에 보호 코팅 재료층을 직접 침착하는 단계를 포함한다. 도 6 내지 도 10의 실시예에서 (통상적인 코팅 재료의 사용과 관련이 있는) 보호 코팅 재료는 선택된 금속 성분을 또한 포함한다. 본 방법은 프린트헤드상에 비금속의 중합체 함유 오리피스판을 보호하는 것으로서 상술한 기법 또는 나열된 처리에 일반적인 변경을 가하여 성취될 수 있다. 도 6 내지 도 10의 개선된 프린트헤드(500 내지 900)를 제조하는데 실질적으로 사용되는 단계에 관계없이, 본 방법(바람직한 실시예에서, 비금속, 중합체를 함유하는 유기 오리피스판에 보호 금속 코팅 재료를 도포하는 것을 포함함)은 폭넓은 의미에서의 잉크젯 기술분야의 진보를 보여준다.
상술한 모든 실시예는 공통적인 장점, 즉 실질적으로 개선된 강도, 내구성, 구조적 통합성 및 작동 효율을 갖는 잉크젯 프린트헤드를 제공한다. 상세하게는, 본 발명의 프린트헤드 및 오리피스판은 (1) 치수적으로 안정적이고, (2) 딤플링 및 마멸 저항성이 있으며, (3) 변형에 저항성이 있고, (4) 바람직한(균일한) 잉크 웨팅 특성을 갖는다. 이러한 목적은 잉크젯 기술분야에서 현저한 진보를 나타내는 상술한 고유의 프린트헤드 설계에 의해 달성된다. 본 명세서에서는 본 발명의 바람직하며 최적인 실시예에 대해 기술하였으나, 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는다면 수정이 이루어질 수 있음을 예상할 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 프린트헤드, 오리피스판, 잉크 카트리지 및 그 방법과 관련하여 임의의 특정 제조 방법, 치수 및 다른 제조 파라미터에 한정되지는 않을 것이다. 따라서, 본 발명은 후술하는 청구범위에 의해서만 해석된다.
본 발명에 따르면, 비금속 오리피스판을 구비하고 내구성과 강도가 향상된 잉크젯 프린트헤드 시스템이 제공되어 오피리스판이 통상 표준 두께(약 25㎛ 내지 50㎛)의 비금속 유기 중합체막으로 제조될 지라도, 마멸 저항성이 있으며 마찬가지로 전술한 "딤플링"과 변형에 관련된 문제를 회피할 수 있다. 결과적으로, 카트리지 유닛의 수명과 작동 효율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 프린트헤드와 오리피스판과 함께 사용될 수 있는 대표적인 열 잉크젯 카트리지 유닛의 개략적인 도면,
도 2는 도 1의 열 잉크젯 카트리지 유닛과 결합된 프린트헤드의 개략적인 확대 단면도,
도 3은 오리피스판의 상부 표면상에 배치된 유전체 성분의 적어도 하나의 보호 코팅층을 갖는 본 발명에 따라 제조된 대표적인 열 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 확대 단면도,
도 4는 오리피스판의 상부 표면과 바닥 표면 모두에 배치된 유전체 성분의 적어도 하나의 보호 코팅층을 갖는 본 발명의 변형예에 따라 제조된 대표적인 열 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 확대 단면도,
도 5는 오리피스판의 바닥 표면에만 배치된 유전체 성분의 적어도 하나의 보호 코팅층을 갖는 본 발명의 다른 변형예에 따라 제조된 대표적인 열 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 확대 단면도,
도 6은 오리피스판의 상부 표면에 배치된 선택된 금속 성분의 적어도 하나의 보호 코팅층을 갖는 본 발명의 다른 변형예에 따라 제조된 대표적인 열 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 확대 단면도,
도 7은 다수의 금속-함유층의 특정 그룹이 오리피스판의 상부 표면에 배치된 보호 금속 코팅층과 함께 사용되는 도 6의 실시예에 따라 제조되는 대표적인 열 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 확대 단면도,
도 8은 오리피스판의 상부 표면과 바닥 표면 모두에 배치된 선택된 금속 성분의 적어도 하나의 보호 코팅층을 구비하는 본 발명의 다른 변형예에 따라 제조된 대표적인 열 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 확대 단면도,
도 9는 특정 그룹의 다수의 금속-함유층이 오리피스판의 바닥 표면에 배치된 보호 금속 코팅층과 함께 사용되는 도 8의 실시예에 따라 제조되는 대표적인 열 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 확대 단면도,
도 10은 오리피스판의 바닥 표면에만 배치되는 선택된 금속 성분의 적어도 하나의 보호 코팅층을 갖는 본 발명의 다른 변형예에 따라 제조된 대표적인 열 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 확대 단면도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
82 : 기판 104 : 오리피스판
110 : 상부 표면 112 : 바닥 표면
156 : 배리어층 202, 302, 502, 702 : 보호 피막
200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 : 프린트헤드

Claims (10)

  1. 잉크 카트리지(10)에 사용되는 프린트헤드(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900)에 있어서,
    적어도 하나의 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상부 표면(84)을 구비한 기판(82)과,
    상기 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상기 기판(82)의 위쪽에 배치되고 비금속 유기 중합체 성분으로 이루어진 오리피스판 부재(104)로서, 상부 표면(110), 바닥 표면(112) 및 상기 오리피스판 부재(104)를 완전히 통과하는 다수의 개구(124)를 더 포함하는, 상기 오리피스판 부재(104)와,
    상기 오리피스판 부재(104)의 상부 표면(110)과 바닥 표면(112)중 적어도 하나에 위치되고, 유전체 성분과 적어도 하나의 금속 성분으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 구성된 보호 코팅 재료층(202, 302, 502,702)을 포함하는
    프린트헤드.
  2. 잉크 카트리지(10)에 사용되는 프린트헤드(200, 300, 400)에 있어서,
    적어도 하나의 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상부 표면(84)을 구비한 기판(82)과,
    상기 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상기 기판(82)의 위쪽에 배치되고 비금속 유기 중합체 성분으로 이루어진 오리피스판 부재(104)로서, 상부 표면(110), 바닥 표면(112) 및 상기 오리피스판 부재(104)를 완전히 통과하는 다수의 개구(124)를 더 포함하는, 상기 오리피스판 부재(104)와,
    상기 오리피스판 부재(104)의 상부 표면(110)과 바닥 표면(112)중 적어도 하나에 배치되고, 다이아몬드상 카본으로 구성된 보호 코팅 재료층(202, 302)을 포함하는
    프린트헤드.
  3. 잉크 카트리지(10)에 사용되는 프린트헤드(200, 300, 400)에 있어서,
    적어도 하나의 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상부 표면(84)을 구비한 기판(82)과,
    상기 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상기 기판(82)의 위쪽에 배치된 오리피스판 부재(104)로서, 상부 표면(110), 바닥 표면(112) 및 상기 오리피스판 부재(104)를 완전히 통과하는 다수의 개구(124)를 더 포함하는, 상기 오리피스판 부재(104)와,
    상기 오리피스판 부재(104)의 상부 표면(110)과 바닥 표면(112)중 적어도 하나에 위치되고, 실리콘 니트라이드, 실리콘 디옥사이드, 실리콘 카바이드 및 실리콘 카본 옥사이드로 구성된 그룹으로부터 선택된 유전체 성분으로 이루어진 보호 코팅 재료층(202, 302)을 포함하는
    프린트헤드.
  4. 잉크 카트리지(10)에 사용되는 프린트헤드(200, 300, 400)에 있어서,
    적어도 하나의 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상부 표면(84)을 구비한 기판(82)과,
    상기 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상기 기판(82)의 위쪽에 배치된 오리피스판 부재(104)로서, 상부 표면(110), 바닥 표면(112) 및 상기 오리피스판 부재(104)를 완전히 통과하는 다수의 개구(124)를 더 포함하는, 상기 오리피스판 부재(104)와,
    상기 오리피스판 부재(104)의 상부 표면(110)과 바닥 표면(112)중 적어도 하나에 배치되고, 다이아몬드상 카본으로 구성된 보호 코팅 재료층(202, 302)을 포함하는
    프린트헤드.
  5. 잉크 카트리지(10)에 사용되는 프린트헤드(600)에 있어서,
    적어도 하나의 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상부 표면(84)을 구비한 기판(82)과,
    상기 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상기 기판(82)의 위쪽에 배치되고 비금속 유기 중합체 성분으로 이루어진 오리피스판 부재(104)로서, 상부 표면(110), 바닥 표면(112) 및 상기 오리피스판 부재(104)를 완전히 통과하는 다수의 개구(124)를 더 포함하는, 상기 오리피스판 부재(104)와,
    상기 오리피스판 부재(104)의 상부 표면(110)에 배치되고, 제 1 금속 성분으로 구성된 제 1 코팅 재료층(604)과,
    상기 제 1 코팅 재료층(604)에 배치되고, 상기 제 1 금속 성분과는 다른 제 2 금속 성분으로 구성된 제 2 코팅 재료층(606)과,
    상기 제 2 코팅 재료층(606)에 배치되고, 제 2 금속 성분과는 다른 제 3 금속 성분으로 구성된 제 3 코팅 재료층(610)을 포함하는
    프린트헤드
  6. 잉크 카트리지(10)에 사용되는 프린트헤드(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900)에 있어서,
    적어도 하나의 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상부 표면(84)을 구비한 기판(82)과,
    상기 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상기 기판(82)의 위쪽에 배치된 오리피스판 부재(104)로서, 상부 표면(110), 바닥 표면(112) 및 상기 오리피스판 부재(104)를 완전히 통과하는 다수의 개구(124)를 더 포함하는, 상기 오리피스판 부재(104)와,
    상기 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상기 기판(82)과 상기 오리피스판 부재(104) 사이에 배치된 다이아몬드상 카본으로 구성된 중간 배리어층(156)을 포함하는
    프린트헤드.
  7. 잉크 카트리지(10)에 있어서,
    잉크-수납 격실(30)을 내부에 갖는 하우징(12)과,
    상기 하우징(12)에 부착되고 상기 격실(30)과 유체 연통하는 프린트헤드(200, 300, 400)를 포함하며;
    상기 프린트헤드(200, 300, 400)가, ① 적어도 하나의 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상부 표면(84)을 구비한 기판(82)과, ② 상기 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상기 기판(82)의 위쪽에 위치되고 비금속 유기 중합체 성분으로 이루어진 오리피스판 부재(104)로서, 상부 표면(110), 바닥 표면(112) 및 상기 오리피스판 부재(104)를 완전히 통과하는 다수의 개구(124)를 더 포함하는, 상기 오리피스판 부재(104)와, ③ 상기 오리피스판 부재(104)의 상부 표면(110)과 바닥 표면(112)중 적어도 하나에 배치되고, 다이아몬드상 카본으로 구성된 보호 코팅 재료층(202, 302)을 포함하는
    잉크 카트리지.
  8. 잉크 카트리지(10)에 있어서,
    내부에 잉크-수납 격실(30)을 갖는 하우징(12)과,
    상기 하우징(12)에 부착되고 상기 격실(30)과 유체 연통하는 프린트헤드(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900)를 포함하며;
    상기 프린트헤드(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900)가, ① 적어도 하나의 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상부 표면(84)을 구비한 기판(82)과, ② 상기 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상기 기판(82)의 위쪽에 위치된 오리피스판 부재(104)로서, 상부 표면(110), 바닥 표면(112) 및 상기 오리피스판 부재(104)를 완전히 통과하는 다수의 개구(124)를 더 포함하는, 상기 오리피스판 부재(104)와, ③ 상기 잉크 분사기(86)를 갖는 상기 기판(82)과 상기 오리피스판 부재(104) 사이에 배치된 다이아몬드상 카본으로 구성된 중간 배리어층(156)을 포함하는
    잉크 카트리지.
  9. 잉크 카트리지 프린트헤드(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900)의 오리피스판 부재(104)를 보호하는 방법에 있어서,
    ① 적어도 하나의 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상부 표면(84)을 구비한 기판(82)과, ② 상기 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상기 기판(82)의 위쪽에 위치되고 비금속 유기 중합체 성분으로 이루어진 오리피스판 부재(104)로서, 상부 표면(110), 바닥 표면(112) 및 상기 오리피스판 부재(104)를 완전히 통과하는 다수의 개구(124)를 더 포함하는, 상기 오리피스판 부재(104)를 포함하는 프린트헤드(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900)를 제공하는 단계와,
    상기 오리피스판 부재(104)의 상부 표면(110)과 바닥 표면(112)중 적어도 하나에 배치되고, 유전체 성분과 적어도 하나의 금속 성분으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 구성된 보호 코팅 재료층(202, 302, 502,702)을 침착하는 단계를 포함하는
    잉크 카트리지 프린트헤드의 오리피스판 부재를 보호하는 방법.
  10. 잉크 카트리지 프린트헤드(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900)에서 적어도 하나의 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 기판(82)으로부터 오리피스판 부재(104)를 분리하는 방법에 있어서,
    ① 적어도 하나의 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상부 표면(84)을 구비한 기판(82)과, ② 상기 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상기 기판(82)의 위쪽에 배치된 오리피스판 부재(104)로서, 상부 표면(110), 바닥 표면(112) 및 상기 오리피스판 부재(104)를 완전히 통과하는 다수의 개구(124)를 더 포함하는, 상기 오리피스판 부재(104)를 포함하는 프린트헤드(80)를 제공하는 단계와,
    상기 잉크 분사기(86)가 설치되어 있는 상기 기판(82)의 상부 표면(84)과 상기 오리피스판 부재(104)의 상기 바닥 표면(112) 사이에 다이아몬드상 카본으로 구성된 중간 배리어층(156)을 배치하는 단계를 포함하는
    기판으로부터 오리피스판 부재를 분리하는 방법.
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