KR100560718B1 - 채널 댐퍼를 갖는 잉크젯 헤드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

채널 댐퍼를 구비하는 잉크젯 헤드 및 그 제조방법을 제공한다. 상기 잉크젯 헤드는 기판 상에 배치되어 잉크 토출을 위한 압력을 생성하는 발열 저항기를 구비한다. 상기 기판 상에, 적어도 하나의 개방부를 제공하도록 상기 발열 저항기를 둘러싸고 상기 기판으로 부터 제1 높이를 갖는 챔버층이 배치된다. 상기 개방부에 상기 챔버층과 함께 상기 발열저항기를 완전히 둘러싸되, 상기 제1 높이 보다 낮은 제2 높이를 갖는 채널 댐퍼가 배치된다. 상기 발열 저항기와 대응되는 노즐을 갖는 노즐층이 상기 챔버층의 상부면과 접하도록 배치된다.

잉크젯, 배리어, 댐퍼, 역류

Description

채널 댐퍼를 갖는 잉크젯 헤드 및 그 제조방법{ink jet head having channel damper and method of fabricating the same}

도 1은 종래 잉크젯 헤드의 배리어 구조물을 나타낸 평면도이다.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 의한 배리어 구조물을 나타낸 평면도이다.

도 2b는 도 2a의 Ⅰ~Ⅰ′에 따라 취해진 단면도이다.

도 2c는 도 2a에 도시한 배리어 구조물의 사시도이다.

도 3a 내지 도 7b는 본 발명의 다른 실시예들에 의한 배리어 구조물들을 나타낸 도면들이다.

도 8a 내지 도 11b는 본 발명의 또 다른 실시예들에 의한 배리어 구조물들을 나타낸 도면들이다.

도 12a 내지 도 14b는 본 발명의 또 다른 실시예들에 의한 배리어 구조물들을 나타낸 도면들이다.

도 15는 본 발명의 일실시예에 의한 배리어 구조물을 갖는 잉크젯 헤드를 나타낸 일부 평면도이다.

도 16a 내지 도 16 e는 본 발명의 일실시예에 의한 잉크젯 헤드의 제조방법을 설명하기 위하여 도 15의 Ⅱ~Ⅱ′에 따라 취해진 단면도들이다.

도 17a 및 도 17b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 잉크젯 헤드의 제조방법 을 설명하기 위하여 도 15의 Ⅱ~Ⅱ′에 따라 취해진 단면도들이다.

도 18a는 본 발명의 일실시예에 의한 잉크젯 헤드의 컴퓨터 시뮬레이션에 사용된 배리어 구조물의 규격 및 치수를 나타낸 평면도이다.

도 18b는 도 18a의 Ⅲ~Ⅲ′에 따라 취해진 단면도이다.

도 19a 내지 도 19f는 도 18a 및 도 18b에 도시된 배리어 구조물을 갖는 잉크젯 헤드의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면들이다.

본 발명은 잉크젯 헤드 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 채널 댐퍼를 갖는 잉크젯 헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

잉크젯 기록장치(ink jet recording device)는 인쇄용 잉크의 미소한 액적을 기록매체 상의 원하는 위치에 토출시켜서 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 기록장치는 가격이 저렴하고 수 많은 종류의 색상을 높은 해상도로 인쇄할 수 있어 광범위하게 사용되고 있다. 상기 잉크젯 기록장치는 기본적으로 잉크가 실질적으로 토출되는 잉크젯 헤드(ink jet head)와 상기 잉크젯 헤드와 유체 연통되는 잉크 수납용기를 포함한다. 상기 잉크젯 기록장치의 잉크 토출 방식은 전기-열 변환기(electro-thermal transducer)를 사용하는 열 방식과 전기-기계 변환기 (electro- mechanical transducer)를 사용하는 압전방식으로 분류된다.

상기 열 방식의 잉크젯 기록장치에 사용되는 잉크젯 헤드는 전기-열 변환기 로써 제공되는 발열 저항기(heat-generating resistor)와 기록 매체 상으로 토출될 잉크가 임시로 저장되는 잉크 챔버를 포함한다. 상기 잉크 챔버는 상기 발열 저항기 주변에 배치된 챔버층과 같은 배리어 구조물(barrier structure)에 의하여 그 내부에 상기 발열 저항기를 포함하도록 한정 된다.

발열 저항기의 세 변을 둘러싸는 배리어 구조물을 갖는 종래 잉크젯 헤드가 미국특허 제4,794,410호에 "열 잉크젯 프린트 헤드용 배리어 구조물(Barrier Structure For Thermal Ink-jet Printheads)"이라는 제목으로 하워드(Howard H. Taub) 등에 의해 개시된 바 있다.

도 1은 상기 미국특허 제4,794,410호에 개시된 배리어 구조물을 나타낸 평면도이다.

도 1을 참조하면, 발열 저항기(1)의 세 변을 둘러싸도록 배리어 구조물(3)이 배치된다. 상기 배리어 구조물(3)은 상기 발열 저항기(1)의 세변을 둘러싸고 서로 연결된 세개의 벽으로 구성되어 상기 발열 저항기(1)의 남은 한 변을 개방시킨다. 상기 배리어 구조물(3)에 의하여 상기 발열 저항기(1)를 그 내부에 포함하는 잉크 챔버가 한정된다. 상기 배리어 구조물(3)에 의하여 개방된 부분은 도시되지 않은 잉크 공급구와 상기 잉크 챔버를 연결하는 잉크 채널(ink channel;5)로써 제공 된다. 상기 잉크 공급구를 통하여 유입된 잉크가 상기 잉크 채널(5)을 거쳐 상기 잉크 챔버에 임시로 저장된다. 상기 잉크 챔버에 저장된 잉크는 상기 발열 저항기 (1)에 의하여 순간적으로 가열되며, 잉크 내부에 버블이 생성된다. 상기 버블은 상기 잉크 챔버 내의 압력을 증가시키고 이로 인하여 상기 잉크 챔버내의 잉크가 도시되지 않은 노즐을 통하여 액적의 형태로 토출된다. 이때, 상기 잉크 챔버 내의 잉크는 상기 노즐을 통하여 외부로 토출됨과 동시에 상기 잉크 채널(5)을 통하여 상기 잉크 공급구 쪽으로 역류(back flow)하게 된다. 이러한, 역류 현상은 상기 발열 저항기(1)에 의하여 발생한 버블이 상기 잉크 채널(5)을 통하여 잉크 공급로 쪽으로 확장되는 것에 기인한다. 상기 역류 현상은 잉크 토출에 필요한 압력을 감소시켜 상기 노즐을 통하여 토출되는 잉크 액적의 속도 및 직진성을 저하시킨다. 또한, 잉크 토출 후 상기 잉크 챔버 내부로 잉크가 재충전되는 속도를 감소시켜 잉크 토출 주파수를 감소시킨다.

상기 역류 현상의 관점에서 볼때, 도 1에 도시된 바와 같은 배리어 구조물을 갖는 잉크젯 헤드는 문제점을 가질 수 있다. 즉, 상기 잉크 채널(5)이 상기 발열 저항기(1)의 한변을 모두 개방시킴으로써 잉크 토출시 상기 잉크 채널(5)을 통하여 많은 양의 잉크가 잉크 공급로 쪽으로 역류할 수 있다. 그 결과, 잉크 액적의 토출 속도 및 직진성이 저하되고, 토출 주파수가 감소될 수 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 잉크 채널의 단면적을 감소시킬 목적으로상기 배리어 구조물의 양단에 리스트릭터(restrictor)를 형성하는 방법이 제안되었다. 상기 리스트릭터를 갖는 잉크젯 헤드의 일예가 미국 특허 제4,882,595호에 개시되어 있다. 그러나, 상기 리스트릭터를 형성하는 경우 잉크의 역류 현상을 감소시킬 수 있지만, 잉크 채널의 단면적이 감소함에 따라 잉크 챔버 내부로 잉크가 재충전되는 속도가 감소될 수 있다.

결론적으로, 발열 저항기에 의하여 생성된 버블이 잉크 챔버 외부로 확장되 는 것을 최대한 억제하여 잉크 액적의 토출 속도 및 직진성을 향상시키고 동시에 잉크 토출 후 잉크 재충전 속도를 향상시켜 잉크 토출 주파수를 향상시킬 수 있는 잉크젯 헤드에 관한 연구가 지속적으로 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 향상된 잉크 토출 속도 및 주파수를 갖는 잉크젯 헤드를 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 잉크젯 헤드의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 채널 댐퍼를 갖는 잉크젯 헤드를 제공한다. 상기 잉크젯 헤드는 기판 상에 배치되어 잉크 토출을 위한 압력을 생성하는 발열 저항기를 구비한다. 상기 기판 상에, 적어도 하나의 개방부를 제공하도록 상기 발열 저항기를 둘러싸고 상기 기판으로 부터 제1 높이를 갖는 챔버층이 배치된다. 상기 개방부에 상기 챔버층과 함께 상기 발열저항기를 완전히 둘러싸되, 상기 제1 높이 보다 낮은 제2 높이를 갖는 채널 댐퍼가 배치된다. 상기 발열 저항기와 대응되는 노즐을 갖는 노즐층이 상기 챔버층의 상부면과 접하도록 배치된다.

상기 챔버층은 상기 기판으로 부터 제1 높이를 갖는 단일의 수지층으로 이루어질 수 있다. 이와는 달리, 상기 챔버층은 하부 챔버층 및 상기 하부 챔버층을 덮는 상부 챔버층을 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 하부 챔버층은 상기 채널 댐퍼와 동일한 물질층으로 이루어지고 동일한 높이를 갖는다. 즉, 상기 하부 챔버층과 상기 채널 댐퍼는 상기 발열저항기를 완전히 둘러싸도록 배치된 동일 수지층일 수 있다.

본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 채널 댐퍼 및 상기 하부 챔버층은 상기 발열 저항기로 부터 소정거리 이격되어 상기 발열저항기를 둘러싸되, 평면도로 부터 보여질때 사각테의 구조를 이루도록 배치될 수 있다. 이와는 달리, 상기 채널 댐퍼 및 상기 하부 챔버층은 평면도로 부터 보여질때 상기 발열 저항기를 둘러싸는 환형 구조를 이루도록 배치될 수 있다.

상기 채널 댐퍼 및 상기 하부 챔버층이 사각테의 구조를 갖도록 배치되는 경우에, 상기 채널 댐퍼가 배치되는 개방부는 상기 발열저항기의 적어도 한변을 개방시키도록 제공될 수 있다. 또한, 상기 개방부는 상기 발열저항기의 적어도 한 모서리를 개방시키도록 제공될 수 있다. 이와는 달리, 상기 개방부는 상기 발열저항기의 선택된 한 변과 상기 선택된 한 변 양단의 모서리를 개방시키도록 제공될 수 있다. 또한, 상기 개방부는 상기 발열 저항기의 대각선 상에 위치하는 두 모서리와 상기 두 모서리 사이의 두 변을 개방시키도록 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 잉크젯 헤드는 상기 기판을 관통하는 잉크 공급로를 더 포함할 수 있다. 상기 잉크 공급로는 상기 발열저항기를 둘러싸는 상기 챔버층 및 상기 채널댐퍼의 일측부를 지나는 라인형태를 갖도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 발열저항기의 일측의 상기 기판 상에는 차단벽이 상기 챔버층 및 상기 채널댐퍼로 부터 이격되도록 배치될 수 있다. 상기 차단벽은 평면도로 부터 보여질때 상기 발열저항기의 한 변과 평행한 바 형상을 갖도록 배치될 수 있다.

상기 다른 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 상기 잉크젯 헤드의 제조방법을 제공한다. 이 방법은 기판 상에 잉크 토출을 위한 압력을 생성하는 발열저항기를 형성하는 것을 포함한다. 상기 발열저항기를 갖는 기판 상에 상기 발열저항기를 완전히 둘러싸는 챔버/댐퍼층을 형성한다. 상기 챔버/댐퍼층을 갖는 기판 상에 상부 챔버층 및 노즐층을 형성하되, 상기 상부 챔버층은 상기 챔버/댐퍼층의 소정영역 상에 형성되어 상기 상부 댐퍼층에 의하여 노출된 부분의 상기 챔버/댐퍼층에 적어도 하나의 채널 댐퍼를 한정하고, 상기 노즐층은 상기 상부 챔버층의 상부면과 접하고 상기 발열저항기와 대응되는 노즐을 갖도록 형성된다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명 하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 의한 배리어 구조물을 나타낸 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 Ⅰ~Ⅰ′에 따라 취해진 단면도이다. 또한, 도 2c는 도 2a에 도시한 배리어 구조물의 사시도이다.

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 기판(S) 상에 발열저항기(R)가 배치된다. 상 기 발열저항기(R)는 탄탈륨(Ta)과 같은 고융점 금속 또는 상기 고융점 금속을 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 상기 발열저항기(R)는 평면도로 부터 보여질 때 정사각형의 형상을 갖을 수 있다. 또한, 직사각형의 형상을 갖는 두개의 서브 발열체(sub heat-generating body)로 구성되어 전체적으로 정사각형의 형상을 갖을 수 도 있다. 본 발명에 의한 잉크젯 헤드는 상기 발열저항기(R)를 완전히 둘러싸는 배리어 구조물(B)을 갖는다. 상기 배리어 구조물(B)은 적어도 하나의 개방부 (O)를 제공하도록 상기 발열 저항기를 둘러싸는 챔버층(C)과 상기 챔버층(C)에 의하여 한정된 개방부(O)에 배치되어 상기 챔버층(C)과 함께 상기 발열저항기를 완전히 둘러싸는 채널 댐퍼(D)를 포함한다. 상기 챔버층(C)은 상기 기판(S)으로 부터 제1 높이를 갖으며(H1), 상기 채널 댐퍼(D)는 상기 제1 높이 보다 낮은 제2 높이 (H2)를 갖는다. 상기 챔버층(C)의 상부면과 접하도록 노즐층(NL)이 배치된다. 상기 노즐층(NL)은 상기 발열저항기(R)와 대응되는 노즐(N)을 갖는다. 상기 배리어 구조물(B) 및 상기 노즐층(N)에 의하여 상기 발열 저항기(R)의 상부 공간에 잉크 챔버(IC)가 한정된다. 상기 챔버층(C)에 의하여 한정된 개방부(O)는 잉크 공급로 (도시하지 않음)와 상기 잉크 챔버(IC)를 연결하는 잉크 채널(I)로 제공된다. 본 발명에 의하면, 상기 잉크 채널(I)은 상기 개방부(O)에 배치된 채널 댐퍼(D)에 의하여 그 높이가 결정된다. 즉, 상기 챔버층(C)이 갖는 제1 높이(H1)와 상기 채널 댐퍼(D)가 갖는 제2 높이(H2)의 차에 의하여 상기 잉크 채널(I)의 높이(H3)가 결정된다.

이하, 상기 배리어 구조물(B)에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

상술한 바와 같이 상기 배리어 구조물(B)은 챔버층(C) 및 채널 댐퍼(D)를 포함한다. 상기 챔버층(C)은 상기 기판으로 부터 제1 높이를 갖는 단일 수지층으로 이루어지거나, 하부 챔버층(LC) 및 상부 챔버층(UC)를 포함하는 두개의 수지층으로 이루어질 수 있다. 상기 챔버층(C)이 상기 하부 챔버층(LC) 및 상부 챔버층 (UC)을 포함하는 경우에, 상기 하부 챔버층(LC) 및 상기 채널 댐퍼(D)는 동일한 수지층으로 이루어지고 기판 상으로 부터 동일한 제2 높이를 갖는다. 공정측면에서 보면, 상기 하부 챔버층(LC) 및 상기 채널 댐퍼(D)는 동일 공정단계에서 동일한 물질을 사용하여, 상기 발열 저항기(R)를 둘러싸도록 형성된다. 이하에서는, 상기 챔버층(C)이 하부 챔버층(LC) 및 상부 챔버층(UC)을 포함하는 경우에 대하여 설명하기로 한다. 또한, 상기 하부 챔버층(LC) 및 상기 채널 댐퍼(D)를 함께 지칭하는 경우 챔버/댐퍼층이라는 용어가 사용될 것이다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 상기 챔버/댐퍼층은 열경화성 수지 또는 네가티브 감광성을 갖는 수지층일 수 있다. 또한, 상기 챔버/댐퍼층은 상기 발열 저항기(R)를 둘러싸되, 평면도로 부터 보여질 때 내변과 외변 사이에 제1 폭(W1)을 갖는 사각테의 구조를 갖을 수 있다. 상기 상부 챔버층(UC)은 상기 챔버/댐퍼층을 선택적으로 덮도록 배치된다. 도 2c에 도시된 바와 같이 상기 상부 챔버층(UC)은 상기 발열저항기(R)의 네 모서리 부분을 개방시키도록 배치될 수 있다. 그 결과, 상기 상부 챔버층(UC)에 의하여 노출된 부분의 상기 챔버/댐퍼층에 채널 댐퍼(D)가 한정되고, 상기 상부 챔버층(UC)에 의하여 덮혀진 부분의 상기 챔버/댐퍼층에 하부 챔버층(LC)가 한정된다. 상기 상부 챔버층(UC)은 열경화성 수지 또는 네가티브 감 광성을 갖는 수지층일 수 있다. 상기 상부 챔버층(UC)은 상기 발열 저항기로 부터 상기 하부 챔버층(LC)의 내변과 동일거리 이격된 내변을 갖고, 그 내변과 외변 사이에 상기 제1 폭(W1)과 같거나 큰 제2 폭(W2)을 갖을 수 있다. 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 상부 챔버층(UC)은 상기 제1 폭(W1) 보다 큰 폭을 갖는 것이 상기 기판(S)과의 접착성 향상을 위하여 바람직하다.

도 2a 내지 도 2c에 도시된 배리어 구조물(B)은 상기 발열저항기(R)의 네 모서리 부분을 개방시키는 개방부(O)를 제공하는 챔버층 (C)과 상기 개방부(O)에 배치된 채널 댐퍼(D)를 포함한다. 상기 개방부(O)에 상기 채널 댐퍼(D)에 의하여 한정된 높이(H3)를 갖는 네개의 잉크채널(I)들이 한정된다. 잉크 공급로(도시하지 않음)로 부터 제공된 잉크가 상기 잉크채널(I)들을 통하여 상기 잉크챔버(IC)로 유입된다. 상기 유입된 잉크는 상기 발열저항기(R)에 의하여 순간적으로 가열되며 버블이 생성된다. 본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 버블의 확장이 네개의 잉크채널(I)을 통하여 분산될 수 있다. 그 결과, 삼면 배리어 구조물(three sided barrier structure)을 갖는 종래 잉크젯 헤드에 비하여 잉크 토출시 상기 잉크 챔버(IC) 외부로 버블이 확장되는 것을 감소시킬 수 있다. 따라서, 잉크 토출후 상기 네개의 잉크 채널(I)을 통하여 잉크가 빨리 재충전될 수 있다.

한편, 상기 발열 저항기(R)를 둘러싸는 배리어 구조물(B)의 형상은 다양한 형태로 변형실시 될 수 있다. 이하의 실시예들에 있어서, 별도의 설명이 부가되지 않는 경우 도 2a 내지 도 2c에서와 동일명칭을 갖는 구성요소들은 도 2a 내지 도 2c를 참조한 설명이 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 참조부호 'S'는 기판을 지칭 한다.

도 3a 내지 도 7b는 본 발명의 다른 실시예들에 의한 배리어 구조물들을 나타낸 도면들이다. 도 3a 내지 도 7b에 있어서, 도 3a, 도 4a, 도 5a 도 6a 및 도 7a는 본 발명의 다른 실시예들에 의한 배리어 구조물들을 나타내는 평면도들이고, 도 3b, 도 4b, 도 5b 도 6b 및 도 7b는 각각 상기 도 3a, 도 4a, 도 5a 도 6a 및 도 7a에 도시한 배리어 구조물을 나타낸 사시도들이다.

도 3a 내지 도 7b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예들에 의한 배리어 구조물들은 각각 발열저항기(R)의 적어도 한변을 개방시키는 개방부들(O3, O4, O5, O6 및 O7)을 제공하는 챔버층들(C3, C4, C5, C6 및 C7) 및 상기 개방부들(O3, O4, O5, O6 및 O7)에 각각 배치되어 상기 각각의 챔버층들(C3, C4, C5, C6 및 C7)과 함께 상기 발열저항기(R)를 완전히 둘러싸는 채널 댐퍼들(D3, D4, D5, D6 및 D7)을 포함한다.

도 8a 내지 도 11b는 본 발명의 또 다른 실시예들에 의한 배리어 구조물들을 나타낸 도면들이다. 도 8a 내지 도 11b에 있어서, 도 8a, 도 9a, 도 10a 및 도 11a는 본 발명의 또 다른 실시예들에 의한 배리어 구조물들을 나타내는 평면도들이고, 도 8b, 도 9b, 도 10b 및 도 11b는 각각 상기 도 8a, 도 9a, 도 10a 및 도 11a에 도시한 배리어 구조물을 나타낸 사시도들이다.

도 8a 내지 도 11b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예들에 의한 배리어 구조물들은 각각 발열저항기(R)의 적어도 한 모서리를 개방시키는 개방부들(O8, O9, O10 및 O11)을 제공하는 챔버층들(C8, C9, C10 및 C11) 및 상기 개방부들(O8, O9, O10 및 O11)에 각각 배치되어 상기 각각의 챔버층들(C8, C9, C10 및 C11)과 함께 상기 발열저항기(R)를 완전히 둘러싸는 채널 댐퍼들(D8, D9, D10 및 D11)을 포함한다. 본 명세서에서 발열저항기의 모서리를 개방시킨다는 표현은 상기 모서리를 포함하여 상기 모서리와 연결된 상기 발열저항기의 두변의 소정부분을 개방시킨 다는 의미로 이해될 수 있다.

도 12a 내지 도 14b는 본 발명의 또 다른 실시예들에 의한 배리어 구조물들을 나타낸 도면들이다. 도 12a 내지 도 14b에 있어서, 도 12a, 도 13a, 및 도 14a는 본 발명의 또 다른 실시예들에 의한 배리어 구조물들을 나타내는 평면도들이고, 도 12b, 도 13b 및 도 14b는 각각 상기 도 12a, 도 13a 및 도 14a에 도시한 배리어 구조물을 나타낸 사시도들이다.

도 12a 및 도 12b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 배리어 구조물은 발열저항기(R)의 선택된 한 변과 상기 선택된 한변 양단의 모서리를 개방시키는 개방부(O12)을 제공하는 챔버층(C12) 및 상기 개방부(O12)에 배치되어 상기 챔버층(C12)과 함께 상기 발열저항기(R)를 완전히 둘러싸는 채널 댐퍼(D12)을 포함한다.

도 13a 및 도 13b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 배리어 구조물은 발열저항기(R)의 대각선 상에 위치하는 두 모서리와 상기 두 모서리 사이의 두 변을 개방시키는 개방부(O13)을 제공하는 챔버층(C13) 및 상기 개방부(O13)에 배치되어 상기 챔버층(C13)과 함께 상기 발열저항기(R)를 완전히 둘러싸는 채널 댐퍼(D13)을 포함한다.

계속해서, 도 14a 및 도 14b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 배리어 구조물은 발열저항기(R)을 둘러싸는 환형구조를 갖을 수 있다. 즉, 발열저항기(R)의 선택된 영역을 개방시키는 개방부(O14)을 제공하는 챔버층(C13) 및 상기 개방부들(O14)에 배치되어 상기 챔버층(C13)과 함께 환형 구조를 갖도록 상기 발열저항기를 완전히 둘러싸는 채널 댐퍼(D14)를 포함한다. 도 2a 내지 도 2c에 설명된 바와 같이, 상기 챔버층(C13)은 도시되지 않은 하부 챔버층 및 상부 챔버층을 포함할 수 있으며, 본 실시예에 의하면 상기 하부 챔버층 및 상기 채널 댐퍼(D14)를 포함하는 챔버/댐퍼층이 상기 발열 저항기를 둘러싸는 환형구조를 갖는다.

도 15는 본 발명의 일실시예에 의한 배리어 구조물을 갖는 잉크젯 헤드를 나타낸 일부 평면도이다.

도 15를 참조하면, 기판(100) 상에 복수개의 발열저항기들(R)이 배치된다. 상기 발열저항기들(R)은 일정한 규칙을 가지고 상기 기판(100) 상에 배열될 수 있다. 예를 들어, 상기 발열저항기들(R)은 잉크 공급로(110)를 사이에 두고 2열로 배치될 수 있다. 또한, 상기 잉크 공급로(110)가 적절한 위치에 배치되는 경우 매트릭스 타입으로 배치될 수 도 있다. 상기 기판(100) 상에는 상기 발열저항기들 (R)이외에 다른 층들 및 구조물들이 더 배치될 수 있다. 예를들어, 상기 기판 (100)은 실리콘 산화막과 같은 열장벽층(thermal barrier layer)으로 덮힐 수 있으며, 이 경우 상기 발열저항기들(R)은 상기 열장벽층 상에 배치될 수 있다. 또한, 상기 발열 저항기들 (R)에 잉크 토출을 위한 전기적 신호를 제공하기 위한 금속 배선들, 상기 발열저항기들(R) 및 상기 금속배선들을 덮는 절연성 패시배이션층 (passivation layer)이 더 배치될 수 있다.

상기 발열저항기들(R)을 각각 둘러싸는 배리어 구조물들(B)이 배치된다. 상기 배리어 구조물들(B)은 기판으로 부터 제1 높이를 갖는 챔버층(C) 및 상기 제1 높이 보다 낮은 제2 높이를 갖는 채널 댐퍼(D)를 포함한다. 상기 배리어 구조물들 (B)에 의하여 상기 발열저항기들(R)의 상부에 잉크챔버(IC)가 한정된다. 상기 배리어 구조물들 (B)은 도 2a 내지 도 2c에서 설명된 바와 같은 구조를 갖을 수 있으며, 그밖에 본 발명의 범위 내에서 상술한 바와 같이 다양하게 변형된 구조를 갖을 수 있다. 상기 잉크 공급로(110)는 상기 기판(100)을 관통하도록 배치되며, 상기 배리어 구조물(B)의 일측부를 지나는 라인형태를 갖도록 배치될 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 챔버층(C)상에는 상기 챔버층(C)의 상부면과 접하는 평판 구조의 노즐층이 배치된다. 상기 노즐층은 상기 발열저항기들(R)의 상부와 대응되는 위치에 잉크 토출을 위한 노즐을 갖는다. 상기 발열저항기들(R) 사이의 상기 기판 (100) 상에는 상기 배리어 구조물(B)로 부터 이격된 차단벽들 (blocking layer ;105)이 배치될 수 있다. 상기 차단벽들(105)은 잉크 토출 및 재충전시 인접한 노즐들 간의 간섭(cross talk)을 방지하기 위하여 배치되며 상기 발열저항기 (R)의 한변과 평행한 바 형상을 갖을 수 있다. 상기 차단벽들(105)은 상기 챔버층 (C)과, 더욱 구체적으로는 도 2a 내지 도 2c에서 설명된 상부 챔버층과 동일한 공정단계에서 형성될 수 있으며, 그 결과 상기 상부 챔버층과 동일한 물질층으로 이루어지고 동일한 높이를 갖을 수 있다. 그러나, 상기 배리어 구조물들(B)에 의하여 인접 노즐간의 간섭이 방지되는 경우 상기 차단벽들(105)은 생략될 수 있다. 상기 기판(100) 상의 양측부에는 상기 기판(100) 상에서 잉크의 이동통로로 제공되는 유로의 측단을 한정하는 측벽들(104b)이 더 배치될 수 있다. 상기 측벽들 (104b) 또한, 상기 차단벽들(105)과 마찬가지로, 상기 상부 챔버층과 동일한 공정단계에서 형성될 수 있으며, 그 결과 상기 상부챔버층과 동일한 물질층으로 이루어지고 동일한 높이를 갖을 수 있다.

도 16a 내지 도 16 e는 본 발명의 일실시예에 의한 잉크젯 헤드의 제조방법을 설명하기 위하여 도 15의 Ⅱ~Ⅱ′에 따라 취해진 단면도들이다.

도 16a를 참조하면, 기판(300) 상에 발열저항기들(R)을 형성한다. 상기 발열 저항기들(R)은 탄탈륨과 같은 고융점 금속 또는 상기 고융점 금속을 포함하는 합금으로 형성될 수 있다. 상기 발열 저항기들(R)은 당업자에게 공지된 방법에 의하여 형성될 수 있으며, 이에 대한 설명은 생략한다. 상기 발열 저항기들(R)을 갖는 기판(300) 상에 챔버/댐퍼 수지층(302)을 형성한다. 상기 챔버/댐퍼 수지층 (302)은 스핀 코팅법을 사용하여 잉크에 대하여 화학적 내성을 갖는 열경화성 수지 또는 네가티브 감광성 수지층으로 형성될 수 있다.

도 16b를 참조하면, 상기 챔버/댐퍼 수지층(302)을 패터닝하여 상기 발열저항기들(R)을 완전히 둘러싸는 챔버/댐퍼층(302′)을 형성한다. 상기 챔버/댐퍼층 (302′)은 평면도로부터 보여질때 상기 발열저항기들(R)의 각각을 둘러싸는 사각테의 구조를 갖도록 패터닝될 수 있다. 상기 챔버/댐퍼 수지층(302)은 포토리소그래피 공정 또는 이방성식각 공정에 의하여 패터닝될 수 있다. 이와는 달리, 상기 챔버/댐퍼층(302′)은 평면도로 부터 보여질때 상기 발열저항기들(R)의 각각을 둘러 싸는 환형 구조를 갖도록 형성될 수 도 있다. 상기 챔버/댐퍼층(302′)은 도 2b에서 설명된 채널 댐퍼(도 2b의 D)와 같은 높이(H2)를 갖도록 형성된다.

도 16c를 참조하면, 상기 챔버/댐퍼층(302′)을 갖는 상기 기판(300) 상에 챔버 수지층(도시하지 않음)을 형성한다. 상기 챔버 수지층은 상기 챔버/댐퍼층 (302′)을 덮고 상기 기판(300)으로 부터, 도 2b에서 설명된 챔버층(C)과 같은 높이(H1)을 갖도록 형성된다. 이후, 상기 챔버 수지층을 패터닝하여 상기 챔버/댐퍼층(302′)의 소정영역을 덮는 상부 챔버층(304a)을 형성한다. 상기 상부 챔버층 (304a)은 상기 발열저항기(R)의 소정 부분을 개방시키도록 형성된다. 일실시예에 있어서, 상기 상부 챔버층(304a)은 도 15에 도시된 바와 같이 상기 발열저항기(R)의 네 모서리를 개방시키도록 형성될 수 있다. 그 결과, 상기 상부 챔버층(304a)에 의하여 노출된 부분의 상기 챔버/댐퍼층(302′)의 네 모서리 부분에 채널 댐퍼가 한정되고, 상기 상부 챔버층(304a)과 중첩된 하부의 상기 챔버/댐퍼층(302′)에 하부 챔버층(302′)이 한정된다. 상기 상부 챔버층(304a)은 상기 챔버/댐퍼층(302′)상에만 형성될 수 도 있지만, 도 16c에 도시된 바와 같이 상기 기판(300)접하도록 상기 챔버/댐퍼층(302) 보다 큰 폭을 갖도록 형성하는 것이 상기 기판(300)과의 접착성 향상을 위하여 바람직하다. 한편, 상기 챔버 수지층을 패터닝하는 과정에서, 상기 차단벽(도 15의 105)이 함께 형성될 수 있다. 또한, 상기 기판(300) 상의 양측부에는 상기 기판(300) 상에서 잉크의 이동통로로 제공되는 유로의 측단을 한정하는 측벽들(304b)이 더 형성될 수 있다.

도 16d를 참조하면, 상기 상부 챔버층(304a)을 갖는 기판(300) 상에 희생 몰 드층(306′)을 형성한다. 상기 희생 몰드층(306′)은 상기 챔버/댐퍼층(302′), 상부 챔퍼층(304a) 및 상기 측벽들(304b) 사이의 빈 공간을 채우고, 상기 상부 챔버층(304a)과 같은 높이를 갖도록 형성된다. 상기 희생 몰드층(306′)은 용매를 사용하여 제거될 수 있는 포지티브 감광성 수지층으로 형성될 수 있다. 이후, 상기 희생 몰드층(306′)을 갖는 결과물 상에 노즐 수지층(도시하지 않음)을 형성하고, 상기 노즐 수지층을 패터닝하여 상기 발열저항기(R)의 상부와 대응되는 위치에 노즐(308′)을 갖는 노즐층(308)을 형성한다. 상기 노즐 수지층은 네가티브 감광성 수지층으로 형성될 수 있으며, 포토리소그래피 공정에 의하여 패터닝될 수 있다.

도 16e를 참조하면, 상기 기판(300)의 중심부를 관통하는 잉크 공급로(310)를 형성한다. 상기 잉크 공급로(310)은 공지의 이방성식각 공정을 통하여 형성될 수 있다. 이후, 적절한 용매를 사용하여 상기 희생 몰드층(306′)을 습식으로 제거하여 상기 희생 몰드층(306′)이 제거된 영역에 잉크의 이동통로로 제공되는 유로를 최종적으로 형성한다.

도 17a 및 도 17b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 잉크젯 헤드의 제조방법을 설명하기 위하여 도 15의 Ⅱ~Ⅱ′에 따라 취해진 단면도들이다.

도 17a를 참조하면, 도 16a 및 도 16b에서 설명된 바와 같은 공정을 수행하여 기판(500) 상에 발열저항기(R)을 둘러싸는 챔버/댐퍼층(502′)을 형성한다. 이후, 상기 챔버/댐퍼층(502′)을 갖는 기판(500) 상에 몰드 수지층(506)을 형성 한다. 상기 몰드 수지층(506)은 포지티브 감광성 수지층으로 형성될 수 있다. 상기 몰드 수지층(506)은 도 16c에서 설명된 챔버 수지층과 같은 높이를 갖도록 형성된다.

도 17b를 참조하면, 상기 포토리소그래피 공정을 수행하여 상기 몰드 수지층 (506)을 패터닝하여 희생 몰드층(506′)을 형성한다. 상기 희생 몰드층(506′)은 도 16d에서 설명된 바와 같은 영역을 덮도록 형성된다. 상기 희생 몰드층 (506′)을 갖는 기판(500) 상의 전면에 패터닝 가능한 수지층(도시하지 않음), 예를 들어 네가티브 감광성 수지층을 형성한다. 이후, 상기 수지층을 패터닝하여 상부 챔버층(504a), 측벽(504b) 및 상기 발열저항기(R)와 대응되는 노즐을 갖는 노즐층 (508)을 동시에 형성한다. 이후, 도 16e에서 설명된 바와 같은 공정을 수행하여 잉크젯 헤드를 제조한다.

<실험예>

본 발명에 의한 배리어 구조물을 갖는 잉크젯 헤드의 잉크 토출특성을 알아보기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하였다.

도 18a는 본 발명의 일실시예에 의한 잉크젯 헤드의 컴퓨터 시뮬레이션에 사용된 배리어 구조물의 규격 및 치수를 나타낸 평면도이고, 도 18b는 도 18a의 Ⅲ~Ⅲ′에 따라 취해진 단면도이다. 도 18a 및 도 18b에 있어서, 상기 배리어 구조물은 도 2a 내지 도 2c에 도시된 구조를 갖도록 설계되었다. 다만, 챔버층(도 2a의 C)의 폭(W2)는 채널 댐퍼(도 2a의 D)의 폭(W1)과 같도록 설계되었다.

도 19a 내지 도 19f는 도 18a 및 도 18b에 도시된 배리어 구조물을 갖는 잉크젯 헤드의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면들이다. 도 19a 내지 도 19f 는 발열저항기로 부터 열에너지가 발생된 시점을 기준으로 하여 각각 0㎲ec, 2㎲ec, 4㎲ec, 6㎲ec, 9㎲ec 및 21㎲ec이 경과된 후의 결과를 나타낸 도면들이다.

도 19a 내지 도 19f를 참조하면, 2㎲ec가 경과된 시점에서 잉크 액적이 토출되기 시작하였다. 이때 발생된 버블은 도 19b와 같이 잉크 챔버 밖으로 확장된다. 그러나, 상기 버블의 확장은 도 18a 및 도 18b에 도시된 바와 같은 네개의 잉크채널(I)을 통하여 분산되었으며 잉크 챔버(IC) 외부로 버블이 확장되는 길이가 감소하였다. 그 결과, 잉크 토출후 잉크 재충전 속도가 증가하여 약 20㎲ec가 경과된 후에는 잉크 재충전이 완료되었다. 그 밖에, 잉크 토출 주파수, 잉크 토출 속도 및 액적 부피의 최대값은 각각 30KHz, 19.5m/sec 및 4.2pℓ로 계산되었다. 이러한 결과는, 종래 3면 구조의 배리어 구조물을 갖는 잉크젯 헤드의 경우 각각 약 18KHz, 약 13m/s 및 약 4.5pℓ의 값을 갖는 것에 비하여 잉크 토출특성이 개선되었음을 보여준다. 즉, 잉크 토출 주파수가 높다는 것은 잉크 토출 후 잉크 챔버 내로 잉크의 재충전이 용이하게 이루어졌음을 의미하며, 잉크 토출 속도가 높다는 것은 고속인쇄가 가능함을 의미한다. 또한, 액적 부피의 측면에서는 종래와 동등이상의 수준을 유지함으로써, 고해상도를 유지하면서 고속인쇄가 가능함을 보여준다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 잉크젯 헤드에 있어서, 채널 댐퍼를 구비하는 배리어 구조물을 형성함으로써 잉크 토출시 잉크의 역류 현상을 감소시킴으로써 잉크 토출 주파수 및 잉크 토출 속도를 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (20)

1. 기판 상에 배치되어 잉크 토출을 위한 압력을 생성하는 발열 저항기;

   적어도 하나의 개방부를 제공하도록 상기 발열 저항기를 둘러싸되, 상기 기판으로 부터 제1 높이를 갖는 챔버층;

   상기 개방부에 배치되어 상기 챔버층과 함께 상기 발열저항기를 둘러싸되, 상기 제1 높이 보다 낮은 제2 높이를 갖는 채널 댐퍼;및

   상기 발열 저항기와 대응되는 노즐을 갖고, 상기 챔버층의 상부면과 접하는 노즐층을 포함하는 잉크젯 헤드.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 챔버층은 하부 챔버층 및 상기 하부 챔버층을 덮는 상부 챔버층을 포함하되, 상기 하부 챔버층은 상기 채널 댐퍼와 동일한 물질층으로 이루어지고 동일한 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 발열저항기는 평면도로 부터 보여질때 사각형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 채널 댐퍼 및 상기 하부 챔버층은 상기 발열저항기로 부터 소정거리 이격되어 상기 발열저항기를 둘러싸되, 평면도로 부터 보여질때 내변과 외변 사이에 제1 폭을 갖는 사각테의 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 상부 챔버층은 평면도로 부터 보여질때 상기 발열저항기로 부터 상기 하부 챔버층의 내변과 동일거리 이격된 내변을 갖고, 그 내변과 외변 사이에 상기 제1 폭과 같거나 큰 제2 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
6. 제 3 항에 있어서,

   상기 개방부는 상기 발열 저항기의 적어도 한변을 개방시키도록 제공되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
7. 제 3 항에 있어서,

   상기 개방부는 상기 발열 저항기의 적어도 한 모서리를 개방시키도록 제공되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
8. 제 3 항에 있어서,

   상기 개방부는 상기 발열 저항기의 선택된 한 변과 상기 선택된 한 변 양단의 모서리를 개방시키도록 제공되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
9. 제 3 항에 있어서,

   상기 개방부는 상기 발열 저항기의 대각선 상에 위치하는 두 모서리와 상기 두 모서리 사이의 두 변을 개방시키도록 제공되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
10. 제 3 항에 있어서,

    상기 채널 댐퍼 및 상기 하부 챔버층은 평면도로 부터 보여질때 상기 발열 저항기를 둘러싸는 환형 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
11. 제 3 항에 있어서,

    상기 기판을 관통하는 잉크 공급로를 더 포함하는 잉크젯 헤드.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 잉크 공급로는 상기 발열저항기를 둘러싸는 상기 챔버층 및 상기 채널댐퍼의 일측부를 지나는 라인형태를 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
13. 제 3 항에 있어서,

    상기 발열저항기의 일측의 상기 기판 상에 상기 챔버층 및 상기 채널댐퍼로 부터 이격되도록 배치된 차단벽을 더 포함하는 잉크젯 헤드.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 차단벽은 상기 상부 챔버층과 동일한 물질층으로 이루어지고 상기 챔버층과 동일한 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 차단벽은 평면도로 부터 보여질때 상기 발열저항기의 한 변과 평행한 바 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
16. 기판 상에 잉크 토출을 위한 압력을 생성하는 발열저항기를 형성하고,

    상기 발열저항기를 갖는 기판 상에 상기 발열저항기를 둘러싸는 챔버/댐퍼층을 형성하고,

    상기 챔버/댐퍼층을 갖는 기판 상에 상부 챔버층 및 노즐층을 형성하는 것을 포함하되, 상기 상부 챔버층은 상기 챔버/댐퍼층의 소정영역 상에 형성되어 상기 상부 챔버층에 의하여 노출된 부분의 상기 챔버/댐퍼층에 적어도 하나의 채널 댐퍼를 한정하고, 상기 노즐층은 상기 상부 챔버층의 상부면과 접하고 상기 발열저항기와 대응되는 노즐을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드의 제조방법.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 챔버/댐퍼층을 형성하는 것은,

    상기 발열저항기를 갖는 기판 상의 전면에 챔버/댐퍼 수지층을 형성하고,

    상기 챔버/댐퍼 수지층을 패터닝하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드의 제조방법.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 챔버/댐퍼층은 평면도로 부터 보여질때 상기 발열 저항기를 둘러싸는 사각테의 구조를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드의 제조방법.
19. 제 17 항에 있어서,

    상기 챔버/댐퍼층은 평면도로 부터 보여질때 상기 발열 저항기를 둘러싸는 환형 구조를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드의 제조방법.
20. 제 16 항에 있어서,

    상기 기판을 관통하는 잉크 공급로를 형성하는 것을 더 포함하는 잉크젯 헤드의 제조방법.

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