KR100561865B1 - Piezo-electric type inkjet printhead and manufacturing method threrof - Google Patents
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Abstract
압전 방식의 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드는 세 개의 단결정 실리콘 기판을 적층하여 접합함으로써 이루어진다. 세 개의 기판 중 상부 기판에는 잉크 도입구와 다수의 압력 챔버가 형성된다. 중간 기판에는, 그 저면으로부터 소정 깊이로 매니폴드가 형성되고, 매니폴드와 다수의 압력 챔버 각각의 일단부를 연결하는 것으로 압력 챔버의 내측 벽면으로부터 소정 간격 떨어진 위치에 형성된 출구를 가진 리스트릭터가 형성되며, 다수의 압력 챔버 각각의 타단부에 연결되는 다수의 댐퍼가 수직으로 관통 형성된다. 하부 기판에는 다수의 노즐이 형성된다. 실리콘으로 이루어진 진동판을 형성하는 상부 기판 위에는 압전 액츄에이터가 일체형으로 형성된다. 그리고, 세 개의 기판을 순차적으로 적층하여 접합함으로써 잉크 도입구와 매니폴드로 이루어진 공통 유로와 리스트릭터, 압력 챔버, 댐퍼 및 노즐로 이루어진 개별 유로가 형성된다. 이와 같은 구성에 의하면, 리스트릭터의 출구가 상부 기판과는 상관 없이 중간 기판 만에 의해 정의되므로, 상부 기판과 중간 기판 사이에 정렬 오차가 발생하더라도 리스트릭터의 출구 단면적은 일정하게 유지되어 잉크 토출 성능이 향상된다.A piezoelectric inkjet printhead and a method of manufacturing the same are disclosed. The piezoelectric inkjet printhead disclosed is made by laminating and bonding three single crystal silicon substrates. The upper substrate of the three substrates is formed with an ink inlet and a plurality of pressure chambers. In the intermediate substrate, a manifold is formed at a predetermined depth from its bottom surface, and a restrictor having an outlet formed at a predetermined distance from an inner wall surface of the pressure chamber by connecting the manifold and one end of each of the plurality of pressure chambers is formed. A plurality of dampers connected to the other end of each of the plurality of pressure chambers are vertically penetrated. A plurality of nozzles are formed on the lower substrate. A piezoelectric actuator is integrally formed on the upper substrate forming the diaphragm made of silicon. Then, three substrates are sequentially stacked and bonded to form a common flow path consisting of an ink inlet and a manifold, and an individual flow path consisting of a restrictor, a pressure chamber, a damper, and a nozzle. According to this configuration, since the outlet of the restrictor is defined only by the intermediate substrate irrespective of the upper substrate, even if an alignment error occurs between the upper substrate and the intermediate substrate, the outlet cross-sectional area of the restrictor is kept constant so that the ink ejection performance This is improved.
Description
도 1은 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일반적인 구성을 설명하기 위한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view for explaining a general configuration of a conventional piezoelectric inkjet printhead.
도 2는 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 구체적인 일례를 나타내 보인 분해 사시도이다.2 is an exploded perspective view showing a specific example of a conventional piezoelectric inkjet printhead.
도 3은 도 2에 도시된 압력 챔버의 길이 방향으로 절단한 종래의 프린트헤드의 부분 단면도이고, 도 4는 도 3에 표시된 A-A선을 따른 단면도이다. 3 is a partial cross-sectional view of a conventional printhead cut in the longitudinal direction of the pressure chamber shown in FIG. 2, and FIG. 4 is a cross-sectional view along the line A-A shown in FIG.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이다. 5 is an exploded perspective view of a piezoelectric inkjet printhead partially cut according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 6은 도 5에 도시된 압력 챔버의 길이 방향으로 절단한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프린트헤드의 조립상태의 수직 단면도이다.FIG. 6 is a vertical cross-sectional view of an assembled state of a printhead according to a preferred embodiment of the present invention cut in the longitudinal direction of the pressure chamber shown in FIG. 5.
도 7은 도 6에 표시된 B-B 선을 따른 수평 단면도이다. FIG. 7 is a horizontal cross-sectional view along the line B-B shown in FIG. 6.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 바람직한 제조방법에 있어서 상부 기판에 베이스 마크를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다. 8A to 8E are cross-sectional views for explaining a step of forming a base mark on an upper substrate in a method of manufacturing a piezoelectric inkjet printhead according to the present invention.
도 9a 내지 도 9g는 상부 기판에 압력 챔버를 형성하는 단계를 설명하기 위 한 단면도들이다. 9A to 9G are cross-sectional views illustrating a step of forming a pressure chamber on an upper substrate.
도 10a 내지 도 10d는 상부 기판에 잉크 도입구를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.10A to 10D are cross-sectional views for describing a step of forming an ink inlet on an upper substrate.
도 11a 내지 도 11h는 중간 기판에 매니폴드, 리스트릭터 및 댐퍼를 형성하는 방법을 단계별로 보여주는 단면도들이다. 11A through 11H are cross-sectional views showing step by step methods of forming a manifold, a restrictor and a damper on an intermediate substrate.
도 12a 내지 도 12h는 하부 기판에 노즐을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.12A to 12H are cross-sectional views illustrating a process of forming a nozzle on a lower substrate.
도 13은 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판을 순차 적층하여 접합하는 단계를 보여주는 단면도이다. 13 is a cross-sectional view illustrating a step of sequentially stacking and bonding a lower substrate, an intermediate substrate, and an upper substrate.
도 14a 및 도 14b는 상부 기판 위에 압전 액츄에이터를 형성하여 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 완성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다. 14A and 14B are cross-sectional views illustrating a step of forming a piezoelectric actuator on an upper substrate to complete a piezoelectric inkjet printhead according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100...상부 기판 101...제1 실리콘 기판100 ...
102...중간 산화막 103...제2 실리콘 기판102
110...잉크 도입구 120...압력 챔버110
180...실리콘 산화막 190...압전 액츄에이터180
191,192...하부 전극 193...압전막191,192
194...상부 전극 200...중간 기판194
210...매니폴드 215...격벽210
217...천정벽 220...리스트릭터217.Ceiling Wall 220 ... Lister
221...리스트릭터 출구 230...댐퍼221 ... List of
300...하부 기판 310...노즐300
311...잉크 유도부 312...잉크 토출구311 Ink inlet 312 Ink outlet
본 발명은 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세 가공 기술을 이용하여 실리콘 기판 상에 구현되는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드와 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an inkjet printhead, and more particularly, to a piezoelectric inkjet printhead implemented on a silicon substrate using a microfabrication technique and a method of manufacturing the same.
일반적으로 잉크젯 프린트헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린터의 잉크 토출 방식으로는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 이 힘으로 잉크를 토출시키는 전기-열 변환 방식(electro-thermal transducer, 버블젯 방식)과, 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적 변화에 의해 잉크를 토출시키는 전기-기계 변환 방식(electro-mechanical transducer, 압전 방식)이 있다. In general, an inkjet printhead is an apparatus for ejecting a small droplet of printing ink to a desired position on a recording sheet to print an image of a predetermined color. The ink ejection method of the inkjet printer includes an electro-thermal transducer (bubble jet method) in which a bubble is generated in the ink by using a heat source to eject the ink with this force, and a piezoelectric material. There is an electro-mechanical transducer (piezoelectric method) in which ink is ejected by a volume change of ink caused by deformation of the piezoelectric body.
상기한 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일반적인 구성은 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 유로 형성판(1)의 내부에는 잉크 유로를 이루는 매니폴드(2), 리스트릭터(3), 압력 챔버(4)와 노즐(5)이 형성되어 있으며, 유로 형 성판(1)의 상부에는 압전 액츄에이터(6)가 마련되어 있다. 매니폴드(2)는 도시되지 않은 잉크 저장고로부터 유입된 잉크를 각 압력 챔버(4)로 공급하는 통로이며, 리스트릭터(3)는 매니폴드(2)로부터 압력 챔버(4)로 잉크가 유입되는 통로이다. 압력 챔버(4)는 토출될 잉크가 채워지는 곳으로, 압전 액츄에이터(6)의 구동에 의해 그 부피가 변화함으로써 잉크의 토출 또는 유입을 위한 압력 변화를 생성하게 된다. The general configuration of the piezoelectric inkjet printhead described above is shown in FIG. Referring to FIG. 1, a
유로 형성판(1)은 주로 세라믹 재료, 금속 재료 또는 합성수지 재료의 다수의 박판을 각각 절삭 가공하여 상기한 잉크 유로의 부분을 형성한 뒤, 이들 다수의 박판을 적층함으로써 이루어진다. 그리고, 압전 액츄에이터(6)는 압력 챔버(4)의 위쪽에 마련되며, 압전박판과 이 압전박판에 전압을 인가하기 위한 전극이 적층된 형태를 가지고 있다. 이에 따라, 유로 형성판(1)의 압력 챔버(4) 상부벽을 이루게 되는 부위는 압전 액츄에이터(6)에 의해 변형되는 진동판(1a)의 역할을 하게 된다. The flow
이러한 구성을 가진 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 작동을 설명하면, 압전 액츄에이터(6)의 구동에 의해 진동판(1a)이 변형되면 압력 챔버(4)의 부피가 감소하게 되고, 이에 따른 압력 챔버(4) 내의 압력 변화에 의해 압력 챔버(4) 내의 잉크는 노즐(5)을 통해 외부로 토출된다. 이어서, 압전 액츄에이터(6)의 구동에 의해 진동판(1a)이 원래의 형태로 복원되면 압력 챔버(4)의 부피가 증가하게 되고, 이에 따른 압력 변화에 의해 잉크가 매니폴드(2)로부터 리스트릭터(3)를 통해 압력 챔버(4) 내로 유입된다. Referring to the operation of a conventional piezoelectric inkjet printhead having such a configuration, when the
이와 같은 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 구체적인 예로서, 도 2에는 미국특허 US 5,856,837호에 개시된 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드가 도시되 어 있다. 그리고, 도 3은 도 2에 도시된 압력 챔버의 길이 방향으로 절단한 종래의 프린트헤드의 부분 단면도이고, 도 4는 도 3에 표시된 A-A선을 따른 단면도이다. As a specific example of such a piezoelectric inkjet printhead, FIG. 2 shows a conventional piezoelectric inkjet printhead disclosed in US Pat. No. 5,856,837. 3 is a partial cross-sectional view of a conventional printhead cut in the longitudinal direction of the pressure chamber shown in FIG. 2, and FIG. 4 is a cross-sectional view along the line A-A shown in FIG.
도 2 내지 도 4를 함께 참조하면, 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드는 다수의 얇은 플레이트(11 ~ 16)를 적층하여 접합함으로써 이루어진다. 즉, 프린트헤드의 제일 아래에는 잉크를 토출하기 위한 노즐(11a)이 형성된 제1 플레이트(11)가 배치되고, 그 위에 매니폴드(12a)와 잉크 배출구(12b)가 형성되어 있는 제2 플레이트(12)가 적층되며, 다시 그 위에는 잉크 유입구(13a)와 잉크 배출구(13b)가 형성되어 있는 제3 플레이트(13)가 적층된다. 그리고, 제3 플레이트(13)에는 잉크 컨테이너(미도시)로부터 매니폴드(12a)로 잉크를 도입하기 위한 잉크 도입구(17)가 마련되어 있다. 제3 플레이트(13) 위에는 잉크 유입구(14a)와 잉크 배출구(14b)가 형성되어 있는 제4 플레이트(6)가 적층되며, 그 위에는 양단부가 각각 잉크 유입구(14a)와 잉크 배출구(14b)에 연통된 압력 챔버(15a)가 형성되어 있는 제5 플레이트(15)가 적층된다. 상기한 잉크 유입구들(13a, 14a)은 매니폴드(12a)로부터 압력 챔버(15a)로 잉크가 흘러 들어가는 통로 역할을 하게 되며, 잉크 배출구들(12b, 13b, 14b)은 압력 챔버(15a)로부터 노즐(11a) 쪽으로 잉크가 배출되는 통로 역할을 하게 된다. 제5 플레이트(15) 위에는 압력 챔버(15a)의 상부를 폐쇄하는 제6 플레이트(16)가 적층되며, 그 위에는 압전 액츄에이터로서 구동 전극(20)과 압전막(21)이 형성되어 있다. 따라서, 제6 플레이트(16)는 압전 액츄에이터에 의해 진동하게 되는 진동판으로서의 기능을 하게 되며, 그 휨 변형에 의해 그 아래의 압력 챔버(15a)의 부피를 변화시키게 된다. 2 to 4 together, a conventional piezoelectric inkjet printhead is formed by stacking and bonding a plurality of
상기한 제1, 제2 및 제3 플레이트(11, 12, 13)는 일반적으로 금속 박판을 에칭 또는 프레스 가공함에 의해 성형되며, 상기 제4, 제5 및 제6 플레이트(14, 15, 16)는 일반적으로 박판 형태의 세라믹 재료를 절삭 가공함에 의해 성형된다. 한편, 매니폴드(12a)가 형성된 제5 플레이트(12)는 얇은 플라스틱 재료나 필름 형태의 접착제를 사출 몰딩(injection molding)이나 프레스 가공함에 의해 성형될 수 있으며, 또는 페이스트(paste) 형태의 접착제를 스크린 프린팅(screen printing)함에 의해 성형될 수 있다. 그리고, 제6 플레이트(16) 위에 형성되는 압전막(21)은 압전 성질을 가진 페이스트 상태의 세라믹 재료를 도포한 뒤 소결함으로써 성형된다. The first, second and
상술한 바와 같이 도 2에 도시된 종래의 압전 방식의 잉크 젯 프린트헤드를 제조하기 위해서는, 다수의 금속 플레이트와 세라믹 플레이트 각각을 다양한 가공 방법에 의해 별도로 가공한 뒤, 이들을 적층하여 소정의 접착제에 의해 서로 접합시키는 공정을 거치게 된다. 그런데, 종래의 프린트헤드에서는, 이를 구성하는 플레이트들의 수가 비교적 많으며, 이에 따라 플레이트들을 정렬시키는 공정이 많아져서 정렬 오차도 따라서 커지게 되는 단점이 있다. 정렬 오차가 발생하게 되면 잉크 유로를 통한 잉크의 흐름이 원활하지 못하며, 이는 프린트헤드의 잉크 토출 성능을 저하시킨게 된다. 특히, 해상도 향상을 위해 프린트헤드를 고밀도로 제작하는 최근의 추세에 따라, 상기한 정렬 공정에서의 정밀도 향상은 더욱 더 요구되며, 이는 제품의 가격 상승으로 이어지게 된다. As described above, in order to manufacture the conventional piezoelectric inkjet printhead shown in FIG. 2, each of a plurality of metal plates and ceramic plates are separately processed by various processing methods, and then laminated and laminated with a predetermined adhesive. Joining process with each other. By the way, in the conventional printhead, the number of plates constituting it is relatively large, and thus there is a disadvantage in that the number of processes for aligning the plates increases, thereby increasing the alignment error. When an alignment error occurs, the flow of ink through the ink flow path is not smooth, which degrades the ink ejection performance of the printhead. In particular, with the recent trend of manufacturing printheads at higher densities for improved resolution, the improvement in precision in the above-described alignment process is increasingly required, which leads to an increase in the price of the product.
그리고, 프린트헤드를 이루는 다수의 플레이트들이 서로 다른 재료로써 서로 다른 방법에 의해 제조되므로, 그 제조 공정의 복잡성과 이종 재료간의 접합에 따 른 어려움은 제품 수율을 저하시키게 된다. 또한, 다수의 플레이트들이 제조 과정에서 정확하게 정렬되어 접합되었다 하더라도, 사용 중에 주위 온도의 변화에 따라 이종 재료간의 열팽창계수의 차이로 인한 정렬 오차 또는 변형이 발생될 수 있는 문제점도 있다. In addition, since a plurality of plates constituting the printhead are manufactured by different methods with different materials, the complexity of the manufacturing process and the difficulty in joining dissimilar materials lowers product yield. In addition, even if a plurality of plates are precisely aligned and bonded in the manufacturing process, there is a problem that alignment error or deformation may occur due to the difference in the coefficient of thermal expansion between different materials in accordance with the change of the ambient temperature during use.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 2001년 12월 18일자로 출원되어 공개번호 2003-0050477호로 공개된 특허출원에서 세 개의 실리콘 기판이 적층된 형태로 구성되며 그 상부 기판상에 압전 액츄에이터가 일체화되어 있는 구조를 가진 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 제안한 바 있다. 이러한 구조를 가진 프린트헤드는, 세 개의 기판이 모두 단결정 실리콘 기판으로 이루어져 서로간의 접합성이 우수하며, 이종 물질간의 적층 공정에서 나타나는 종래의 문제점들이 해소되는 장점을 가진다. In order to solve this problem, the present applicant is composed of three silicon substrates laminated in a patent application filed on December 18, 2001 and published as a publication No. 2003-0050477, and a piezoelectric actuator is integrated on the upper substrate. A piezoelectric inkjet printhead having a structure has been proposed. A printhead having such a structure has all three substrates made of a single crystal silicon substrate, and thus has excellent adhesion to each other, and has the advantage that conventional problems appearing in the lamination process between dissimilar materials are solved.
그런데, 상기한 프린트헤드에 있어서 정렬 오차의 발생 가능성이 줄었다 하더라도 이러한 정렬 오차를 완전히 없애는 것은 매우 곤란하다. 특히, 상기한 프린트헤드에 있어서는, 압력 챔버와 리스트릭터가 연결되는 부위에서의 리스트릭터의 출구가 그 위에 덮여지는 상부 기판에 의해 정의되는 구조를 가지고 있다. 따라서, 압력 챔버가 형성된 상부 기판과 리스트릭터가 형성된 중간 기판 사이에 미세한 정렬 오차가 발생하더라도, 매니폴드의 양측에 배열된 리스트릭터의 출구 단면적이 서로 달라지게 된다. 이와 같이, 리스트릭터 각각의 출구 단면적이 서로 달라지게 되면, 리스트릭터를 통해 압력 챔버에 공급되는 잉크의 체적이 달라지거나 잉크 재충전 시간이 달라지게 되고 압력 챔버 내의 압력에도 차이가 발생하게 되므로, 다 수의 노즐 각각을 통해 토출되는 잉크 액적의 체적과 속도에 편차가 발생하게 되어 잉크 토출 성능이 저하될 수 있다. By the way, even if the possibility of occurrence of alignment error in the printhead is reduced, it is very difficult to completely eliminate such alignment error. In particular, the printhead has a structure defined by an upper substrate on which an outlet of the restrictor at the site where the pressure chamber and the restrictor are connected is covered thereon. Therefore, even if a fine alignment error occurs between the upper substrate on which the pressure chamber is formed and the intermediate substrate on which the restrictor is formed, the outlet cross-sections of the restrictors arranged on both sides of the manifold are different from each other. As such, when the outlet cross-sectional area of each of the restrictors is different from each other, the volume of ink supplied to the pressure chamber through the restrictor may be changed or the ink refill time may be changed, and the pressure in the pressure chamber may be different. Deviation may occur in the volume and speed of the ink droplets ejected through the nozzles of the ink, thereby degrading the ink ejection performance.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 리스트릭터의 출구 단면적이 기판 사이의 정렬 오차에 의해 영향을 받지 않는 구조를 가짐으로써, 잉크 토출 성능의 편차를 줄일 수 있는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드와 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was created to solve the above problems of the prior art, and in particular, since the exit cross-sectional area of the restrictor is not affected by the alignment error between the substrates, the variation in ink ejection performance can be reduced. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric inkjet printhead and a method of manufacturing the same.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, The present invention to achieve the above technical problem,
잉크가 도입되는 잉크 도입구가 관통 형성되고, 토출될 잉크가 채워지는 다수의 압력 챔버가 그 저면에 형성된 상부 기판; An upper substrate on which an ink inlet through which ink is introduced is formed, and on which a plurality of pressure chambers filled with ink to be discharged are formed;
상기 잉크 도입구와 연결되는 매니폴드가 그 저면으로부터 소정 깊이로 형성되고, 상기 매니폴드와 상기 다수의 압력 챔버 각각의 일단부를 연결하는 것으로 상기 압력 챔버의 내측 벽면으로부터 소정 간격 떨어진 위치에 형성된 출구를 가진 리스트릭터가 형성되며, 상기 다수의 압력 챔버 각각의 타단부에 연결되는 다수의 댐퍼가 수직으로 관통 형성된 중간 기판;A manifold connected to the ink inlet is formed at a predetermined depth from a bottom surface thereof, and has an outlet formed at a predetermined distance from an inner wall surface of the pressure chamber by connecting the manifold and one end of each of the plurality of pressure chambers. An intermediate substrate on which a restrictor is formed and a plurality of dampers connected to the other ends of each of the plurality of pressure chambers are vertically penetrated;
상기 다수의 댐퍼 각각에 대응되는 위치에 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐이 관통 형성된 하부 기판; 및A lower substrate having a plurality of nozzles therethrough for discharging ink at a position corresponding to each of the plurality of dampers; And
상기 상부 기판 위에 일체형으로 형성되어 상기 다수의 압력 챔버 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터;를 구비하며,A piezoelectric actuator integrally formed on the upper substrate to provide a driving force for ejecting ink to each of the plurality of pressure chambers;
상기 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판은 모두 단결정 실리콘 기판으로 이루어지며, 순차적으로 적층되어 서로 접합됨으로써, 상기 잉크 도입구와 매니폴드로 이루어진 공통 유로와 상기 리스트릭터, 압력 챔버, 댐퍼 및 노즐로 이루어진 개별 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 제공한다.The lower substrate, the intermediate substrate, and the upper substrate are all made of a single crystal silicon substrate, and are sequentially stacked and bonded to each other, so that the common flow path formed of the ink inlet and the manifold and the individual of the restrictor, the pressure chamber, the damper, and the nozzle are formed. It provides a piezoelectric inkjet printhead, characterized in that the flow path is formed.
여기에서, 상기 상부 기판은 제1 실리콘 기판과, 중간 산화막과, 제2 실리콘 기판이 순차 적층된 구조를 가진 SOI 웨이퍼로 이루어지고, 상기 제1 실리콘 기판에 상기 압력 챔버가 형성되며, 상기 제2 실리콘 기판이 진동판으로서의 역할을 하도록 된 것이 바람직하다. Here, the upper substrate is composed of an SOI wafer having a structure in which a first silicon substrate, an intermediate oxide film, and a second silicon substrate are sequentially stacked, and the pressure chamber is formed on the first silicon substrate, and the second It is preferable that the silicon substrate is made to serve as a diaphragm.
상기 리스트릭터는 상기 매니폴드의 측면을 따라 상기 중간 기판을 수직으로 관통하도록 형성될 수 있으며, "T"자 형상의 단면을 가진 것이 바람직하다.The restrictor may be formed to vertically penetrate the intermediate substrate along the side of the manifold, and preferably has a cross section of a “T” shape.
상기 압력 챔버는 상기 매니폴드의 양측에 2 열로 배열될 수 있으며, 이 경우에는 상기 매니폴드의 내부에 그 길이 방향으로 격벽이 형성된 것이 바람직하다.The pressure chambers may be arranged in two rows on both sides of the manifold, and in this case, it is preferable that partition walls are formed in the longitudinal direction of the manifold.
상기 압전 액츄에이터는; 상기 상부 기판 위에 형성되는 하부 전극과, 상기 하부 전극 위에 상기 압력 챔버의 상부에 위치하도록 형성되는 압전막과, 상기 압전막 위에 형성되어 상기 압전막에 전압을 인가하기 위한 상부 전극을 포함할 수 있다. The piezoelectric actuator; And a lower electrode formed on the upper substrate, a piezoelectric film formed on the lower electrode to be positioned above the pressure chamber, and an upper electrode formed on the piezoelectric film to apply a voltage to the piezoelectric film. .
상기 노즐은 상기 하부 기판의 아래 부분에 형성되는 잉크 토출구와, 상기 하부 기판의 윗 부분에 형성되어 상기 댐퍼와 상기 잉크 토출구를 연결하는 잉크 유도부를 포함할 수 있다.The nozzle may include an ink discharge port formed in a lower portion of the lower substrate, and an ink guide portion formed in an upper portion of the lower substrate to connect the damper and the ink discharge hole.
그리고, 본 발명은 상기한 구조의 프린트헤드를 제조하는 방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a method of manufacturing a printhead of the above-described structure.
본 발명의 제조방법은: The preparation method of the present invention is:
단결정 실리콘 기판으로 이루어진 상부 기판, 중간 기판 및 하부 기판을 준비하는 단계;Preparing an upper substrate, an intermediate substrate, and a lower substrate composed of a single crystal silicon substrate;
준비된 상기 상부 기판을 미세 가공하여, 잉크 도입구와 다수의 압력 챔버를 형성하는 상부 기판 가공 단계;An upper substrate processing step of finely processing the prepared upper substrate to form an ink inlet and a plurality of pressure chambers;
준비된 상기 중간 기판을 미세 가공하여, 상기 잉크 도입구와 연결되는 매니폴드를 상기 중간 기판의 저면으로부터 소정 깊이로 형성하고, 상기 매니폴드와 상기 다수의 압력 챔버 각각의 일단부를 연결하는 다수의 리스트릭터를 상기 매니폴드의 측면을 따라 상기 중간 기판을 수직으로 관통하도록 형성하면서 상기 리스트릭터의 출구를 상기 압력 챔버의 내측 벽면으로부터 소정 간격 떨어진 위치에 형성하며, 상기 다수의 압력 챔버 각각의 타단부에 연결되는 다수의 댐퍼를 상기 중간 기판을 관통하도록 형성하는 중간 기판 가공 단계; By processing the prepared intermediate substrate to form a manifold connected to the ink inlet to a predetermined depth from the bottom of the intermediate substrate, a plurality of restrictors for connecting the manifold and one end of each of the plurality of pressure chambers The outlet of the restrictor is formed at a predetermined distance from the inner wall surface of the pressure chamber while being formed to vertically penetrate the intermediate substrate along the side of the manifold, and is connected to the other ends of each of the plurality of pressure chambers. An intermediate substrate processing step of forming a plurality of dampers through the intermediate substrate;
준비된 상기 하부 기판을 미세 가공하여, 상기 댐퍼와 연결되는 노즐을 관통되도록 형성하는 하부 기판 가공 단계;A lower substrate processing step of finely processing the prepared lower substrate so as to pass through a nozzle connected to the damper;
상기 하부기판, 중간 기판 및 상부 기판을 적층하여 접합시키는 단계; 및Stacking and bonding the lower substrate, the intermediate substrate, and the upper substrate; And
상기 상부 기판 위에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터를 형성하는 단계;를 구비한다.And forming a piezoelectric actuator on the upper substrate to provide a driving force for discharging ink.
그리고, 상기 기판 가공 단계 전에, 상기 세 개의 기판 각각에 상기 접합 단계에서의 정렬 기준으로 이용되는 베이스 마크를 형성하는 단계가 더 구비될 수 있 으며, 상기 압전 액츄에이터 형성 단계 전에, 상기 상부 기판 위에 실리콘 산화막을 형성하는 단계가 더 구비될 수 있다. The method may further include forming a base mark on each of the three substrates to be used as an alignment reference in the bonding step before the substrate processing step, and before forming the piezoelectric actuator, silicon on the upper substrate. Forming an oxide film may be further provided.
상기 상부 기판 가공 단계에서는, 상기 상부 기판의 저면을 소정 깊이로 건식 식각하여 상기 압력 챔버와 상기 잉크 도입구를 형성하는 것이 바람직하다.In the upper substrate processing step, it is preferable to dry-etch the bottom surface of the upper substrate to a predetermined depth to form the pressure chamber and the ink inlet.
상기 상부 기판 가공 단계에서, 상기 상부 기판으로서 제1 실리콘 기판과, 중간 산화막과, 제2 실리콘 기판이 순차 적층된 구조를 가진 SOI 웨이퍼를 사용하며, 상기 중간 산화막을 식각 정지층으로 하여 상기 제1 실리콘 기판을 건식 식각함으로써 상기 압력 챔버와 잉크 도입구를 형성하는 것이 바람직하다. In the upper substrate processing step, an SOI wafer having a structure in which a first silicon substrate, an intermediate oxide film, and a second silicon substrate are sequentially stacked as the upper substrate is used, and the first oxide substrate is an etch stop layer. It is preferable to form the pressure chamber and the ink inlet by dry etching the silicon substrate.
상기 중간 기판 가공 단계는; 상기 중간 기판의 상면에 소정 패턴의 제1 식각 마스크를 형성하는 단계와, 상기 제1 식각 마스크를 이용하여 상기 중간 기판의 상면을 소정 깊이로 식각함으로써, 상기 댐퍼의 상부와 상기 리스트릭터의 출구를 형성하는 단계와, 상기 중간 기판의 저면에 소정 패턴의 제2 식각 마스크를 형성하는 단계와, 상기 제2 식각 마스크를 이용하여 상기 중간 기판의 저면을 소정 깊이로 식각함으로써, 상기 댐퍼의 상부와 연결되는 상기 댐퍼의 하부와, 상기 리스트릭터 출구와 연결되는 리스트릭터와, 상기 매니폴드를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. The intermediate substrate processing step; Forming a first etching mask having a predetermined pattern on the upper surface of the intermediate substrate, and etching the upper surface of the intermediate substrate to a predetermined depth by using the first etching mask to thereby form an upper portion of the damper and an outlet of the restrictor. Forming a second etching mask having a predetermined pattern on a bottom surface of the intermediate substrate, and etching the bottom surface of the intermediate substrate to a predetermined depth by using the second etching mask, thereby connecting to the upper portion of the damper. And forming a lower portion of the damper, a restrictor connected to the restrictor outlet, and the manifold.
상기 하부 기판 가공 단계는; 상기 하부 기판의 상면을 소정 깊이 식각하여 상기 댐퍼와 연결되는 잉크 유도부를 형성하는 단계와, 상기 하부 기판의 저면을 식각하여 상기 잉크 유도부와 연결되는 잉크 토출구를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The lower substrate processing step; Etching an upper surface of the lower substrate to form an ink guide part connected to the damper, and forming an ink discharge hole connected to the ink guide part by etching the bottom surface of the lower substrate.
상기 접합 단계에서, 상기 세 개의 기판 사이의 접합은 실리콘 직접 접착(SDB) 방법에 의해 수행되는 것이 바람직하다.In the bonding step, the bonding between the three substrates is preferably performed by a silicon direct bonding (SDB) method.
상기 압전 액츄에이터 형성 단계는; 상기 상부 기판 위에 Ti 층과 Pt 층을 순차적으로 적층하여 하부 전극을 형성하는 단계와, 상기 하부 전극 위에 압전막을 형성하는 단계와, 상기 압전막 위에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The piezoelectric actuator forming step may include; The method may include forming a lower electrode by sequentially stacking a Ti layer and a Pt layer on the upper substrate, forming a piezoelectric film on the lower electrode, and forming an upper electrode on the piezoelectric film.
상기한 본 발명에 따르면, 리스트릭터의 출구가 상부 기판과는 상관 없이 중간 기판 만에 의해 정의되므로, 상부 기판과 중간 기판 사이에 정렬 오차가 발생하더라도 리스트릭터의 출구 단면적은 일정하게 유지되어 잉크 토출 성능이 향상된다.According to the present invention described above, since the outlet of the restrictor is defined by only the intermediate substrate irrespective of the upper substrate, even if an alignment error occurs between the upper substrate and the intermediate substrate, the outlet cross-sectional area of the restrictor is kept constant to discharge the ink. Performance is improved.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 그 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, like reference numerals refer to like elements, and the size of each element may be exaggerated for clarity and convenience of description. In addition, when one layer is described as being on top of a substrate or another layer, the layer may be present over and in direct contact with the substrate or another layer, with a third layer in between.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이며, 도 6은 도 5에 도시된 압력 챔버의 길이 방향으로 절단한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프린트헤드의 조립상태의 수직 단면도이고, 도 7은 도 6에 표시된 B-B 선을 따른 수평 단면도이다. FIG. 5 is an exploded perspective view showing a piezoelectric inkjet printhead partially cut according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a cutaway view in a longitudinal direction of the pressure chamber shown in FIG. FIG. 7 is a vertical cross-sectional view of the printhead assembled, and FIG. 7 is a horizontal cross-sectional view along the BB line shown in FIG. 6.
도 5 내지 도 7을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드는 세 개의 기판(100, 200, 300)을 적층하여 접합함으로써 이루어진다. 그리 고, 세 개의 기판(100, 200, 300) 각각에는 잉크 유로를 이루게 되는 구성요소들이 형성되며, 상부 기판(100) 위에는 잉크의 토출을 위한 구동력을 발생시키는 압전 액츄에이터(190)가 마련된다. 특히, 세 개의 기판(100, 200, 300)은 모두 단결정 실리콘 웨이퍼로 이루어져 있다. 이에 따라, 포토리소그라피(photolithography)와 식각(etching)과 같은 미세 가공(micromachining) 기술을 이용하여 세 개의 기판(100, 200, 300) 각각에 잉크 유로를 이루게 되는 구성요소들을 보다 미세한 크기로 정밀하고 용이하게 형성할 수 있다. 5 to 7 together, the piezoelectric inkjet printhead according to the present invention is formed by laminating and bonding three
상기한 잉크 유로는, 도시되지 않은 잉크 저장고로부터 잉크가 도입되는 잉크 도입구(110)와, 토출될 잉크가 채워지며 잉크를 토출시키기 위한 압력 변화를 발생시키는 압력 챔버(120)와, 잉크 도입구(110)를 통해 유입된 잉크를 다수의 압력 챔버(120)에 공급하는 공통 유로인 매니폴드(210)와, 매니폴드(210)로부터 각각의 압력 챔버(120)로 잉크를 공급하기 위한 개별 유로인 리스트릭터(220)와, 압력 챔버(120)로부터 잉크가 토출되는 노즐(310)로 이루어진다. 그리고, 압력 챔버(120)와 노즐(310) 사이에는 압전 액츄에이터(190)에 의해 압력 챔버(120)에서 발생된 에너지를 노즐(310)쪽으로 집중시키고 급격한 압력 변화를 완충하기 위한 댐퍼(230)가 형성될 수 있다. 이러한 잉크 유로를 형성하는 구성요소들은 상술한 바와 같이 세 개의 기판(100, 200, 300)에 나뉘어져 배치된다. The ink flow path includes an
먼저, 상부 기판(100)의 저면에는 소정 깊이의 압력 챔버(120)가 형성되고, 그 일측에는 관통된 잉크 도입구(110)가 형성된다. 압력 챔버(120)는 잉크의 흐름 방향으로 보다 긴 직육면체의 형상으로 되어 있으며, 중간 기판(200)에 형성되는 매니폴드(210)의 양측에 2 열로 배열되어 있다. 그러나, 압력 챔버(120)는 매니폴드(210)의 일측에 1 열로만 배열될 수도 있다. First, a
상부 기판(100)은 집적회로의 제조에 널리 사용되는 단결정 실리콘 웨이퍼로 이루어지며, 특히 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼로 이루어진 것이 바람직하다. SOI 웨이퍼는 일반적으로 제1 실리콘 기판(101)과, 제1 실리콘 기판(101) 상에 형성된 중간 산화막(102)과, 중간 산화막(102) 상에 접착되는 제2 실리콘 기판(103)의 적층 구조를 가지고 있다. 제1 실리콘 기판(101)은 실리콘 단결정으로 이루어지고 대략 수백 ㎛ 정도의 두께를 가지고 있으며, 중간 산화막(102)은 제1 실리콘 기판(101)의 표면을 산화시킴으로써 형성될 수 있으며, 그 두께는 대략 1~2㎛ 정도이다. 제2 실리콘 기판(103)도 실리콘 단결정으로 이루어지며, 그 두께는 대략 수㎛ 내지 수십㎛ 정도이다. 이와 같이 상부 기판(100)으로서 SOI 웨이퍼를 사용하는 이유는 압력 챔버(120)의 높이를 정확하게 조절할 수 있기 때문이다. 즉, SOI 웨이퍼의 중간 층을 이루는 중간 산화막(102)이 식각 정지층(etch stop layer)의 역할을 하게 되므로, 제1 실리콘 기판(101)의 두께가 정해지면 압력 챔버(120)의 높이도 따라서 정해진다. 또한, 압력 챔버(120) 상부벽을 이루는 제2 실리콘 기판(103)은 압전 액츄에이터(190)에 의해 휨 변형됨으로써 압력 챔버(120)의 부피를 변화시키는 진동판의 역할을 하게 되는데, 이 진동판의 두께도 제2 실리콘 기판(103)의 두께에 의해 정해진다. 이에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명하기로 한다. The
상부 기판(100) 위에는 압전 액츄에이터(190)가 일체형으로 형성된다. 그리고, 상부 기판(100)과 압전 액츄에이터(190) 사이에는 실리콘 산화막(180)이 형성 된다. 실리콘 산화막(180)은 절연막으로서의 기능뿐만 아니라, 상부 기판(100)과 압전 액츄에이터(190) 사이의 확산을 억제하고 열적 스트레스를 조절하는 기능도 가진다. 압전 액츄에이터(190)는 공통 전극의 역할을 하는 하부 전극(191, 192)과, 전압의 인가에 따라 변형되는 압전막(193)과, 구동 전극의 역할을 하는 상부 전극(194)을 구비한다. 하부 전극(191, 192)은 상기한 실리콘 산화막(180)의 전 표면에 형성되며, Ti 층(191)과 Pt 층(192)의 두 개 금속박막층으로 이루어진 것이 바람직하다. 이와 같은 Ti/Pt 층(191, 192)은 공통 전극의 역할을 할 뿐만 아니라, 그 위에 형성되는 압전막(193)과 그 아래의 상부 기판(100) 사이의 상호 확산(inter-diffusion)을 방지하는 확산방지층(diffusion barrier layer)의 역할도 하게 된다. 압전막(193)은 하부 전극(191, 192) 위에 형성되며, 압력 챔버(120)의 상부에 위치하도록 배치된다. 압전막(193)은 전압의 인가에 의해 변형되며, 그 변형에 의해 압력 챔버(120)의 상부벽을 이루는 상부 기판(100)의 제2 실리콘 기판(103), 즉 진동판을 휨 변형시키는 역할을 하게 된다. 상부 전극(194)은 압전막(193) 위에 형성되며, 압전막(193)에 전압을 인가하는 구동 전극의 역할을 하게 된다. The
상기 중간 기판(200)에는 상기 잉크 도입구(110)와 연결되어 잉크 도입구(110)를 통해 유입된 잉크를 다수의 압력 챔버(120)에 공급하는 공통 유로인 매니폴드(210)가 형성된다. 상기 매니폴드(210)는 중간 기판(200)의 저면으로부터 소정 깊이만큼 형성되고, 이에 따라 매니폴드(210)의 상부에는 소정 두께의 천정벽(217)이 잔존된다. 즉, 상기 매니폴드(210)의 하단은 하부 기판(300)에 의해 한정되고, 그 상단은 중간 기판(200)의 잔존된 부분인 천정벽(217)에 의해 한정된다. 그리고, 상술한 바와 같이, 압력 챔버(120)가 매니폴드(210)의 양측에 2 열로 배열되는 경우에는, 매니폴드(210)의 내부에 그 길이방향으로 격벽(215)을 형성하여 매니폴드(210)를 좌우로 분리시킨 것이 잉크의 원활한 흐름과 매니폴드(210) 양측의 압전 액츄에이터(190)를 구동시킬 때 상호 간의 크로스토크(cross-talk)를 방지하는 데 있어서 바람직하다. The
상기 중간 기판(200)에는 매니폴드(210)와 압력 챔버(120) 각각의 일단부를 연결하는 개별 유로인 리스트릭터(220)가 형성된다. 상기 리스트릭터(220)는 매니폴드(210)의 측면을 따라 중간 기판(200)을 수직으로 관통하도록 형성되며, 그 출구(221)는 압력 챔버(210)의 일단부와 연통되도록 형성된다. 특히, 상기 리스트릭터(220)의 출구(221)는 중간 기판(200)에 의해서만 정의되며, 상부 기판(100)에 형성된 압력 챔버(120)의 내측 벽면으로부터 소정 간격(D) 떨어진 위치에 형성된다. 또한, 상기 리스트릭터(220)는 "T"자 형상의 단면을 가질 수 있다. 이러한 리스트릭터(220)는 매니폴드(210)로부터 압력 챔버(120)로 적정 량의 잉크를 공급하는 역할 뿐만 아니라, 잉크가 토출될 때 압력 챔버(120)로부터 매니폴드(210)쪽으로 잉크가 역류하는 것을 억제하는 역할도 하게 된다. The
그리고, 상기 중간 기판(200)에는 압력 챔버(120)의 타단부에 대응되는 위치에 압력 챔버(120)와 노즐(310)을 연결하는 댐퍼(230)가 수직으로 관통 형성된다. In addition, a
상기한 바와 같이, 매니폴드(210)의 상부에 천정벽(217)이 형성되고, 리스트릭터(220)의 출구(221)가 상부 기판(100)과는 상관 없이 중간 기판(200) 만에 의해 정의되면, 리스트릭터(220)의 출구(221)와 압력 챔버(120)의 내측 벽면 사이의 간격(D)보다 작은 범위 내에서 상부 기판(100)과 중간 기판(200) 사이에 정렬 오차가 발생하더라도 리스트릭터(220)의 출구(221) 단면적이 변하지 않는다. 따라서, 다수의 리스트릭터(220)를 통해 다수의 압력 챔버(120)에 공급되는 잉크의 체적과 잉크 재충전 시간이 균일하게 유지될 수 있으므로, 매니폴드(210)의 양측에 배열된 노즐(310)을 통해 토출되는 잉크 액적의 체적과 속도에 편차가 발생하지 않게 되어 잉크 토출 성능이 향상될 수 있다. As described above, the
상기 하부 기판(300)에는 댐퍼(230)와 대응되는 위치에 관통된 노즐(310)이 형성된다. 노즐(310)은 하부 기판(300)의 아래 부분에 형성되며 잉크가 토출되는 잉크 토출구(312)와, 하부 기판(300)의 윗 부분에 형성되어 댐퍼(230)와 잉크 토출구(312)를 연결하며 댐퍼(230)로부터 잉크 토출구(312)쪽으로 잉크를 가압 유도하는 잉크 유도부(311)로 이루어져 있다. 잉크 토출구(312)는 일정한 직경을 가진 수직 홀의 형상으로 되어 있으며, 잉크 유도부(311)는 댐퍼(230)로부터 잉크 토출구(312)쪽으로 가면서 점차 그 단면적이 감소하는 사각뿔 형상으로 되어 있다. 한편, 잉크 유도부(311)는 사각뿔 형상이 아니더라도 원뿔 등의 형상으로 될 수도 있다. 그러나, 후술하는 바와 같이 단결정 실리콘 웨이퍼로 이루어진 하부 기판(300)에는 사각뿔 형상의 잉크 유도부(311)를 형성하는 것이 용이하다. The
이와 같이 형성된 세 개의 기판(100, 200, 300)은 전술한 바와 같이 적층되어 서로 접합됨으로써 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드를 이루게 된다. 그리고, 세 개의 기판(100, 200, 300) 내부에는 잉크 도입구(110), 매니폴드(210), 리스트릭터(220), 압력 챔버(120), 댐퍼(230) 및 노즐(310)이 차례대로 연결되어 이루어진 잉크 유로가 형성된다. The three
이러한 구성을 가진 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 작동을 설명하면 다음과 같다. 잉크 저장고(미도시)로부터 잉크 도입구(110)를 통해 매니폴드(210) 내부로 유입된 잉크는 다수의 리스트릭터(220)를 통해 다수의 압력 챔버(120) 각각의 내부로 공급된다. 이때, 상기한 바와 같이 리스트릭터(220)의 출구(221) 단면적이 일정하므로, 다수의 리스트릭터(220)를 통해 다수의 압력 챔버(120)에 공급되는 잉크의 체적과 잉크 재충전 시간이 균일하게 유지된다. 이와 같이, 압력 챔버(120) 내부에 잉크가 채워진 상태에서, 압전 액츄에이터(190)의 상부 전극(194)을 통해 압전막(193)에 전압이 인가되면 압전막(193)은 변형되며, 이에 따라 진동판 역할을 하는 상부 기판(100)의 제2 실리콘 기판(103)은 아래쪽으로 휘어지게 된다. 제2 실리콘 기판(103)의 휨 변형에 의해 압력 챔버(120)의 부피가 감소하게 되고, 이에 따른 압력 챔버(120) 내의 압력 상승에 의해 압력 챔버(120) 내의 잉크는 댐퍼(230)를 거쳐 노즐(310)을 통해 외부로 토출된다. 이때, 본 발명에 의하면, 매니폴드(210)의 양측에 배열된 노즐(310)을 통해 토출되는 잉크 액적의 체적과 속도에 편차가 발생하지 않게 되어 잉크 토출 성능이 향상될 수 있다. Referring to the operation of the piezoelectric inkjet printhead according to the present invention having such a configuration is as follows. Ink introduced into the manifold 210 from the ink reservoir (not shown) through the
이어서, 압전 액츄에이터(190)의 압전막(193)에 인가되던 전압이 차단되면 압전막(193)은 원상 복원되고, 이에 따라 진동판 역할을 하는 제2 실리콘 기판(103)이 원상으로 복원되면서 압력 챔버(120)의 부피가 증가하게 된다. 이에 따른 압력 챔버(120) 내의 압력 감소와 노즐(310) 내에 형성된 잉크의 메니스커스 에 의한 표면장력에 의해 매니폴드(210)로부터 잉크가 리스트릭터(220)를 통해 압력 챔버(120) 내로 유입된다.Subsequently, when the voltage applied to the
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법을 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of manufacturing a piezoelectric inkjet printhead according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
우선, 본 발명의 바람직한 제조방법을 개괄적으로 설명하면, 먼저 잉크 유로를 이루는 구성요소들이 형성된 상부 기판, 중간 기판 및 하부 기판을 각각 제조하고, 이어서 제조된 세 개의 기판을 적층하여 접합한 뒤, 마지막으로 상부 기판 위에 압전 액츄에이터를 형성함으로써 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드가 완성된다. 한편, 상부 기판, 중간 기판 및 하부 기판을 제조하는 단계들은 순서에 관계없이 수행될 수 있다. 즉, 하부 기판이나 중간 기판이 먼저 제조될 수도 있으며, 두 개 또는 세 개의 기판이 동시에 제조될 수도 있다. 다만, 설명의 편의상 아래에서는 상부 기판, 중간 기판, 하부 기판의 순서로 그 각각의 제조방법을 설명하기로 한다. First, a general description of the preferred manufacturing method of the present invention, first manufacturing the upper substrate, the intermediate substrate and the lower substrate on which the components constituting the ink flow path, respectively, and then laminated and bonded three prepared substrates, and finally By forming a piezoelectric actuator on the upper substrate, the piezoelectric inkjet printhead according to the present invention is completed. Meanwhile, the steps of manufacturing the upper substrate, the intermediate substrate, and the lower substrate may be performed in any order. That is, the lower substrate or the intermediate substrate may be manufactured first, or two or three substrates may be manufactured at the same time. However, for convenience of description, the respective manufacturing methods will be described in the order of the upper substrate, the intermediate substrate, and the lower substrate.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 바람직한 제조방법에 있어서 상부 기판에 베이스 마크를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다. 8A to 8E are cross-sectional views for explaining a step of forming a base mark on an upper substrate in a method of manufacturing a piezoelectric inkjet printhead according to the present invention.
먼저, 도 8a을 참조하면, 본 실시예에서 상부 기판(100)은 단결정 실리콘 기판으로 이루어진다. 이는, 반도체 소자의 제조에 널리 사용되는 실리콘 웨이퍼를 그대로 사용할 수 있어 대량생산에 효과적이기 때문이다. 상부 기판(100)의 두께는 대략 100 ~ 200㎛, 바람직하게는 대략 150㎛ 정도이며, 이는 상부 기판(100)의 저 면에 형성되는 압력 챔버(도 5의 120)의 높이에 따라 적절하게 정해질 수 있다. 그리고, 상부 기판(100)으로서 SOI 웨이퍼를 사용하는 것이 압력 챔버(도 5의 120)의 높이를 정확하게 형성할 수 있으므로 바람직하다. SOI 웨이퍼는 전술한 바와 같이 제1 실리콘 기판(101)과, 제1 실리콘 기판(101) 상에 형성된 중간 산화막(102)과, 중간 산화막(102) 상에 접착된 제2 실리콘 기판(103)의 적층 구조를 가지고 있다. 특히, 제2 실리콘 기판(103)은 상기한 진동판의 두께를 최적화하기 위한 조건으로 수㎛ 내지 수십㎛의 두께를 가진다. First, referring to FIG. 8A, in the present embodiment, the
이러한 상부 기판(100)을 산화로에 넣고 습식 또는 건식 산화시키면, 상부 기판(100)의 상면과 저면이 산화되어 실리콘 산화막(151a, 151b)이 형성된다. When the
다음에, 도 8b에 도시된 바와 같이, 상부 기판(100)의 상면과 저면에 형성된 실리콘 산화막(151a, 151b) 표면에 각각 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 현상하여 상부 기판(100)의 가장자리 부근에 베이스 마크를 형성하기 위한 개구부(141)를 형성한다. Next, as shown in FIG. 8B, photoresist PR is applied to the surfaces of the
다음으로, 도 8c에 도시된 바와 같이, 상기 개구부(141)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(151a, 151b)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 습식 식각하여 제거함으로써 상부 기판(100)을 부분적으로 노출한 뒤, 포토레지스트(PR)를 스트립한다. Next, as illustrated in FIG. 8C, the
다음에는, 도 8d에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 상부 기판(100)을 실리콘 산화막(151a, 151b)을 식각 마스크로 하여 소정 깊이로 습식 식각함으로써, 베이스 마크(140)를 형성한다. 이때, 상부 기판(100)의 습식 식각에서는 실리콘용 에 칭액(etchant)으로서, 예컨대 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide ; 테트라메틸 수산화 암모늄) 또는 KOH(수산화 칼륨)를 사용할 수 있다. 베이스 마크(140)가 형성된 후에는, 잔존된 실리콘 산화막(151a, 151b)을 습식 식각에 의해 제거할 수 있다. 이는 상기한 단계들을 거치는 과정에서 발생되는 부산물 등 이물질을 실리콘 산화막(151a, 151b)의 제거와 함께 세척하기 위한 것이다. Next, as shown in FIG. 8D, the
이로써, 도 8e에 도시된 바와 같이, 상면과 저면 가장자리 부근에 베이스 마크(140)가 형성된 상태의 상부 기판(100)이 준비된다. As a result, as shown in FIG. 8E, the
상기한 단계들을 거쳐 형성되는 베이스 마크(140)는 상부 기판(100)과 후술되는 중간 기판 및 하부 기판을 적층하여 접합할 때, 이들을 정확하게 정렬시키기 위한 기준으로 사용된다. 따라서, 상부 기판(100)의 경우에는 상기 베이스 마크(140)는 그 저면에만 형성될 수도 있다. 또한, 다른 정렬 방법이나 장치가 사용되는 경우에는 상기한 베이스 마크(140)는 필요 없을 수도 있으며, 이 경우에는 상기한 단계들은 수행되지 않는다. The
도 9a 내지 도 9g는 상부 기판에 압력 챔버를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다. 9A to 9G are cross-sectional views illustrating a process of forming a pressure chamber on an upper substrate.
먼저, 도 9a에 도시된 바와 같이, 준비된 상부 기판(100)을 습식 또는 건식 산화시켜, 상부 기판(100)의 상면과 저면에 실리콘 산화막(152a, 152b)을 형성한다. 이때, 상부 기판(100)의 저면에만 실리콘 산화막(152b)을 형성할 수 있다. First, as shown in FIG. 9A, the prepared
다음에, 도 9b를 참조하면, 상부 기판(100) 저면의 실리콘 산화막(152b) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 포토레지스트(PR)를 현상하여 상부 기 판(100)의 저면에 압력 챔버를 형성하기 위한 개구부(121)를 형성한다. Next, referring to FIG. 9B, photoresist PR is applied to the surface of the
다음으로, 도 9c에 도시된 바와 같이, 상기 개구부(121)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(152b)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 RIE(Reactive Ion Etching ; 반응성 이온 식각)와 같은 건식 식각에 의해 제거함으로써 상부 기판(100)의 저면을 부분적으로 노출시킨다. 이때, 실리콘 산화막(152b)은 건식 식각이 아니라 습식 식각에 의해 제거될 수도 있다. Next, as illustrated in FIG. 9C, the
다음에는, 도 9d에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 상부 기판(100)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 소정 깊이 식각함으로써, 압력 챔버(120)를 형성한다. 이때, 상부 기판(100)의 식각은 ICP(Inductively Coupled Plasma ; 유도결합 플라즈마)에 의한 건식 식각법에 의해 수행될 수 있다. Next, as shown in FIG. 9D, the
그리고, 도시된 바와 같이 상부 기판(100)으로서 SOI 웨이퍼를 사용하면, SOI 웨이퍼의 중간 산화막(102)이 식각 정지층(etch stop layer)의 역할을 하게 되므로, 이 단계에서는 제1 실리콘 기판(101)만 식각된다. 따라서, 제1 실리콘 기판(101)의 두께를 웨이퍼 연마 공정에서 조절하게 되면 압력 챔버(120)를 원하는 높이로 정확하게 맞출 수 있게 된다. 한편, 압력 챔버(120)의 상부벽을 이루는 제2 실리콘 기판(103)은 전술한 바와 같이 진동판의 역할을 하게 되는데, 그 두께도 마찬가지로 웨이퍼 연마 공정에서 쉽게 조절될 수 있다.In addition, when the SOI wafer is used as the
압력 챔버(120)가 형성된 후에, 포토레지스트(PR)를 스트립하면, 도 9e에 도시된 바와 같은 상태의 상부 기판(100)이 준비된다. 그런데, 이와 같은 상태에서는 전술한 식각 과정에서 발생되는 부산물이나 폴리머 등의 이물질이 상부 기판(100) 의 표면에 부착되어 있을 수 있다. 따라서, 이들 이물질을 제거하기 위해 황산 용액 또는 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide ; 테트라메틸 수산화 암모늄)를 사용하여 상부 기판(100) 전표면을 세척하는 것이 바람직하다. 이 때, 잔존된 실리콘 산화막(152a, 152b)도 습식 식각에 의해 제거되며, 상부 기판(100)의 중간 산화막(102)의 일부, 즉 압력 챔버(120)의 상부 벽면을 이루는 부위도 제거된다. After the
이로써, 도 9f에 도시된 바와 같이, 상면과 저면 가장자리 부근에 베이스 마크(140)가 형성되고 그 저면에 압력 챔버(120)가 형성된 상태의 상부 기판(100)이 준비된다. As a result, as shown in FIG. 9F, the
위에서는, 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 상부 기판(100)을 건식 식각하여 압력 챔버(120)를 형성한 후 포토레지스트(PR)를 스트립하는 것으로 도시되고 설명되었다. 그러나, 이와는 달리 먼저 포토레지스트(PR)를 스트립한 뒤 실리콘 산화막(152b)을 식각 마스크로 하여 상부 기판(100)을 건식 식각함으로써 압력 챔버(120)를 형성할 수도 있다. In the above, the
그리고, 도 9g에 도시된 바와 같이, 도 9f에 도시된 상태의 상부 기판(100)의 상면과 저면에 다시 실리콘 산화막(153a, 153b)을 형성할 수 있다. 이 때, 도 9f에 도시된 단계에서 일부 제거되었던 중간 산화막(102)이 상기 실리콘 산화막(153b)에 의해 보충된다. 이와 같이, 실리콘 산화막(153a, 153b)을 형성하게 되면, 후술하는 도 15a의 단계에서 상부 기판(100) 상에 절연막으로서 실리콘 산화막(180)을 형성하는 단계를 생략할 수 있다. 또한, 잉크 유로를 형성하는 압력 챔버(120)의 내면에 실리콘 산화막(153b)이 형성되면, 실리콘 산화막(153b)의 특성상 잉크와의 반응성이 거의 없으므로 다양한 종류의 잉크를 사용할 수 있게 된다. As illustrated in FIG. 9G, the
한편, 도시되지는 않았지만 잉크 도입구(도 10a의 110)도 도 9a 내지 도 9g에 도시된 단계를 거쳐 압력 챔버(120)와 함께 형성된다. 즉, 도 9e에 도시된 단계에 이르면, 도 10a에 도시된 바와 같이 상부 기판(100)의 저면에는 소정 깊이의 압력 챔버(120)와 함께 이와 같은 깊이의 잉크 도입구(110)가 형성된다. 이와 같이 상부 기판(100)의 저면에 소정 깊이로 형성된 잉크 도입구(110)는, 기판들의 접합과 압전 액츄에이터의 설치 공정이 완료된 후, 상부 기판(100)을 관통시키는 후가공을 통해 잉크 저장고(미도시)와 연결될 수 있다. 즉, 상기 잉크 도입구(100)의 관통은 압전 액츄에이터의 형성 단계가 완료된 후에 수행될 수 있다. 한편, 이와 같은 상부 기판(100)을 관통시키는 후가공은, 도 9f에 도시된 단계에서 잉크 도입구(100) 위에 남은 제2 실리콘 기판(103)을 가공함으로써 형성될 수 있다. On the other hand, although not shown, an ink inlet (110 in FIG. 10A) is also formed together with the
또한, 상기와 같은 상부 기판(100)의 가공 공정 중 도 9e에 도시된 단계 후에, 추가적인 제2 실리콘 기판(103)의 건식 식각 공정을 수행함으로써 잉크 도입구(100)의 개방이 이루어질 수 있다. 이 방법을 아래의 도면들을 참조하며 보다 상세하게 설명하기로 한다.In addition, after the process illustrated in FIG. 9E of the
도 10a 내지 도 10d는 상부 기판에 잉크 도입구를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.10A to 10D are cross-sectional views for describing a step of forming an ink inlet on an upper substrate.
도 10a를 참조하면, 잉크 도입구(110)는 도 9a 내지 도 9g에 도시된 단계를 거쳐 압력 챔버(120)와 함께 형성될 수 있다. Referring to FIG. 10A, the
다음에, 도 10b에 도시된 바와 같이, 상부 기판(100)의 상면에 형성된 실리 콘 산화막(152a) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 현상하여 상부 기판(100)의 상면에 잉크 도입구(110)의 관통을 위한 개구부(111)를 형성한다. Next, as shown in FIG. 10B, photoresist PR is applied to the surface of the
다음으로, 도 10c에 도시된 바와 같이, 상기 개구부(111)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(152a)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 RIE(반응성 이온 식각)와 같은 건식 식각에 의해 제거함으로써 상부 기판(100)의 상면을 부분적으로 노출시킨다. 이때, 실리콘 산화막(152a)은 건식 식각이 아니라 습식 식각에 의해 제거될 수도 있다. Next, as shown in FIG. 10C, the
다음에는, 도 10d에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 상부 기판(100)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 소정 깊이 식각한 후, 포토레지스트(PR)를 스트립한다. 이때, 상부 기판(100)의 식각은 ICP(유도결합 플라즈마)에 의한 건식 식각법에 의해 수행될 수 있다. 그리고, 전술한 바와 같이, 포토레지스트(PR)를 먼저 스트립한 후, 실리콘 산화막(152a)을 식각 마스크로 하여 상부 기판(100)을 식각할 수도 있다. 이 단계에서는, 상부 기판(100)으로 사용한 SOI 웨이퍼의 중간 산화막(102)이 식각 정지층(etch stop layer)의 역할을 하게 되므로, 제2 실리콘 기판(103)만 식각되고, 잉크 도입구(110) 위에 중간 산화막(102)은 잔존하게 된다. 잔존된 중간 산화막(102)는 전술한 바와 같이 후가공을 통해 제거되고, 이에 따라 잉크 도입구(110)는 관통된다. Next, as illustrated in FIG. 10D, the exposed
이 후에는 전술한 바와 같이 도 9f와 도 9g의 단계를 거쳐 상부 기판(100)이 완성될 수 있다. Thereafter, as described above, the
도 11a 내지 도 11h는 중간 기판에 매니폴드, 리스트릭터 및 댐퍼를 형성하는 방법을 단계별로 보여주는 단면도들이다. 11A through 11H are cross-sectional views showing step by step methods of forming a manifold, a restrictor and a damper on an intermediate substrate.
도 11a을 참조하면, 중간 기판(200)은 단결정 실리콘 기판으로 이루어지며, 그 두께는 대략 200 ~ 300㎛ 정도이다. Referring to FIG. 11A, the
먼저, 중간 기판(200)의 상면과 저면 가장자리 부근에 베이스 마크(240)를 형성한다. 중간 기판(200)에 베이스 마크(240)를 형성하는 단계들은 도 8a 내지 도 8e에 도시된 단계들과 동일하므로, 중간 기판(200)을 위해 별도의 도시와 그 설명은 생략한다. First, the
이와 같이 베이스 마크(240)가 형성된 상태의 중간 기판(200)을 산화로에 넣고 습식 또는 건식 산화시키면, 도 11a에 도시된 바와 같이 중간 기판(200)의 상면과 저면이 산화되어 실리콘 산화막(251a, 251b)이 형성된다. When the
다음에, 도 11b에 도시된 바와 같이, 중간 기판(200)의 상면에 형성된 실리콘 산화막(251a) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 도 5에 도시된 중간 기판(200)의 상면과 같은 패턴으로 현상하여, 다수의 댐퍼를 형성하기 위한 제1 개구부(241)과 다수의 리스트릭터 출구를 형성하기 위한 제2 개구부(242)를 형성한다. 이때, 도시되지는 않았지만, 상부 기판(100)에 형성된 잉크 도입구(110)와 연통되는 매니폴드(210)의 입구가 형성될 부위에도 개구부가 형성된다. Next, as shown in FIG. 11B, photoresist PR is applied to the surface of the
다음으로, 도 11c에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 개구부(241, 242)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(251a)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하 여 습식 식각하여 제거함으로써 중간 기판(200)의 상면을 부분적으로 노출한다. 이때, 실리콘 산화막(251a)은 습식 식각이 아니라 RIE(반응성 이온 식각)와 같은 건식 식각에 의해 제거될 수도 있다. Next, as shown in FIG. 11C, the
이어서, 포토레지스트(PR)를 스트립한 후, 도 11d에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 중간 기판(200)을 실리콘 산화막(251a)을 제1 식각 마스크로 하여 소정 깊이로 건식 식각하면, 중간 기판(200)의 상면으로부터 소정 깊이의 리스트릭터 출구(221)과 댐퍼(230)의 상부가 형성된다. 이때, 중간 기판(200)의 식각은 ICP(유도결합 플라즈마)에 의한 건식 식각법에 의해 수행될 수 있다. Subsequently, after the photoresist PR is stripped, as shown in FIG. 11D, when the
다음에, 도 11e에 도시된 바와 같이, 중간 기판(200)의 저면에 형성된 실리콘 산화막(251b) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 도 7에 도시된 바와 같은 패턴으로 현상하여, 다수의 댐퍼를 형성하기 위한 제3 개구부(243)과 매니폴드와 다수의 리스트릭터를 형성하기 위한 제4 개구부(244)를 형성한다. 이때, 매니폴드의 내부에 격벽을 형성할 경우에는, 격벽이 형성될 부위에 포토레지스트(PR)를 잔존시키고, 리스트릭터가 형성될 부위의 포토레지스트(PR)는 "T"자형으로 패터닝될 수 있다. Next, as shown in FIG. 11E, photoresist PR is applied to the surface of the
다음으로, 도 11f에 도시된 바와 같이, 상기 제3 및 제4 개구부(243, 244)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(251b)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 습식 식각하여 제거함으로써 중간 기판(200)의 저면을 부분적으로 노출한다. 이때, 실리콘 산화막(251b)은 습식 식각이 아니라 RIE(반응성 이온 식각)와 같은 건식 식각에 의해 제거될 수도 있다. Next, as illustrated in FIG. 11F, the
이어서, 포토레지스트(PR)를 스트립한 후, 도 11g에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 중간 기판(200)을 실리콘 산화막(251b)을 제2 식각 마스크로 하여 소정 깊이로 건식 식각한다. 이때, 중간 기판(200)의 식각은 ICP(유도결합 플라즈마)에 의한 건식 식각법에 의해 수행될 수 있다. 그러면, 중간 기판(20)의 상면에 미리 형성된 댐퍼(230)의 상부와 중간 기판(200)의 저면에 형성된 댐퍼(230)의 하부가 연결되어 중간 기판(200)을 수직으로 관통하는 댐퍼(230)가 형성된다. 그리고, 중간 기판(200)의 저면으로부터 소정 깊이로 형성된 매니폴드(210)가 형성되고, 이 매니폴드(210)의 상부에는 천정벽(217)이 형성되며, 매니폴드(210) 내부에는 이를 좌우로 분리시키는 격벽(215)이 형성된다. 또한, 중간 기판(200)의 저면에 소정 깊이로 형성된 리스트릭터(220)가 중간 기판(200)의 상면에 미리 형성된 출구(221)와 연결되어, 매니폴드(210)의 측면을 따라 중간 기판(200)을 수직으로 관통하는 리스트릭터(220)가 형성된다.Subsequently, after stripping the photoresist PR, as illustrated in FIG. 11G, the
다음으로, 잔존된 실리콘 산화막(251a, 251b)을 습식 식각에 의해 제거할 수 있다. 이는 상기한 단계들을 거치는 과정에서 발생되는 부산물 등 이물질을 실리콘 산화막(251a, 251b)의 제거와 함께 세척하기 위한 것이다. 한편, 이물질은 황산 등과 같은 용액으로 세척할 수도 있다.Next, the remaining
이로써, 도 11h에 도시된 바와 같이, 베이스 마크(240)가 형성되어 있고, 중간 기판(200)을 관통하는 댐퍼(230)와 리스트릭터(220) 및 그 저면으로부터 소정 깊이의 매니폴더(210)가 형성되어 있는 상태의 중간 기판(200)이 준비된다. As a result, as shown in FIG. 11H, the
도 12a 내지 도 12h는 하부 기판에 노즐을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다. 12A to 12H are cross-sectional views illustrating a process of forming a nozzle on a lower substrate.
도 12a을 참조하면, 하부 기판(300)은 단결정 실리콘 기판으로 이루어지며, 그 두께는 대략 100 ~ 200㎛ 정도이다. Referring to FIG. 12A, the
먼저, 하부 기판(300)의 상면과 저면 가장자리 부근에 베이스 마크(340)를 형성한다. 하부 기판(300)에 베이스 마크(340)를 형성하는 단계들은 도 8a 내지 도 8e에 도시된 단계들과 동일하므로, 그 설명은 생략한다. First, the
이와 같이 베이스 마크(340)가 형성된 상태의 하부 기판(300)을 산화로에 넣고 습식 또는 건식 산화시키면, 도 12a에 도시된 바와 같이 하부 기판(300)의 상면과 저면이 산화되어 실리콘 산화막(351a, 351b)이 형성된다. When the
다음에, 도 12b에 도시된 바와 같이, 하부 기판(300)의 상면에 형성된 실리콘 산화막(351a) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 현상하여 하부 기판(300)의 상면에 노즐의 잉크 유도부를 형성하기 위한 개구부(315)를 형성한다. 상기 개구부(315)는 도 11h에 도시된 중간 기판(200)에 형성된 댐퍼(230)에 대응되는 위치에 형성된다. Next, as shown in FIG. 12B, photoresist PR is applied to the surface of the
다음으로, 도 12c에 도시된 바와 같이, 상기 개구부(315)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(351a)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 습식 식각 또는 건식 식각하여 제거함으로써 하부 기판(300)의 상면을 부분적으로 노출한 뒤, 포토레지스트(PR)을 스트립한다. Next, as shown in FIG. 12C, the
다음에는, 도 12d에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 하부 기판(300)을 실리콘 산화막(351a)을 식각 마스크로 하여 소정 깊이로 습식 식각함으로써, 잉크 유 도부(311)를 형성한다. 이때, 하부 기판(300)의 습식 식각에서는 에칭액(etchant)으로서 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide ; 테트라메틸 수산화 암모늄) 또는 KOH(수산화 칼륨)를 사용한다. 그리고, 하부 기판(300)으로서 (100)면 실리콘 기판을 사용하게 되면, (100)면과 (111)면의 이방성 습식 식각 특성을 이용하여 사각뿔 형태의 잉크 유도부(311)를 형성할 수 있다. 즉, (111)면의 식각 속도는 (100)면의 식각 속도에 비해 상당히 느리므로, 결과적으로 하부 기판(300)은 (111)면을 따라 경사 식각되어 사각뿔 형태의 잉크 유도부(311)를 형성한게 된다. 그리고, 잉크 유도부(311)의 바닥면은 (100)면이 된다. Next, as shown in FIG. 12D, the
다음에는, 도 12e에 도시된 바와 같이, 하부 기판(300)의 저면에 형성된 실리콘 산화막(351b) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 현상하여 하부 기판(300)의 저면에 노즐의 잉크 토출구를 형성하기 위한 개구부(316)를 형성한다. Next, as shown in FIG. 12E, photoresist PR is applied to the surface of the
다음으로, 도 12f에 도시된 바와 같이, 상기 개구부(316)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(351b)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 습식 식각 또는 건식 식각하여 제거함으로써 하부 기판(300)의 저면을 부분적으로 노출한다. Next, as illustrated in FIG. 12F, the
다음에는, 도 12g에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 하부 기판(300)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 관통되도록 식각함으로써, 잉크 유도부(311)와 연결되는 잉크 토출구(312)를 형성한다. 이때, 하부 기판(300)의 식각은 ICP(유도결합 플라즈마)에 의한 건식 식각법에 의해 수행될 수 있다. Next, as shown in FIG. 12G, the
이어서, 포토레지스트(PR)를 스트립하면, 도 12h에 도시된 바와 같이, 상면 과 저면 가장자리 부근에 베이스 마크(340)가 형성되고, 잉크 유입구(311)와 잉크 토출구(312)로 이루어진 노즐(310)이 형성된 상태의 하부 기판(300)이 준비된다. Subsequently, when the photoresist PR is stripped, as shown in FIG. 12H, a
한편, 하부 기판(300)의 상면과 저면에 형성되어 있는 실리콘 산화막(351a, 351b)은 세척을 위해 제거될 수 있으며, 이어서 하부 기판(300)의 전 표면에 새로운 실리콘 산화막을 다시 형성할 수도 있다. Meanwhile, the
도 13은 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판을 순차 적층하여 접합하는 단계를 보여주는 단면도이다. 13 is a cross-sectional view illustrating a step of sequentially stacking and bonding a lower substrate, an intermediate substrate, and an upper substrate.
도 13을 참조하면, 전술한 단계들을 거쳐 준비된 하부 기판(300), 중간 기판(200) 및 상부 기판(100)을 순차 적층하고, 이들을 서로 접합시킨다. 이때, 하부 기판(300) 위에 중간 기판(200)을 접합시킨 후, 다시 중간 기판(200) 위에 상부 기판(300)을 접합시키게 되나, 그 순서는 바뀔 수 있다. 세 개의 기판(100, 200, 300)은 마스크 정렬장치(mask aligner)를 사용하여 정렬시키게 되며, 더욱이 세 개의 기판(100, 200, 300) 각각에 정렬용 베이스 마크(140, 240 340)가 형성되어 있으므로, 정렬 정밀도가 높다. 그리고, 세 개의 기판(100, 200, 300) 사이의 접합은 잘 알려져 있는 SDB(Silicon Direct Bonding ; 실리콘 직접 접착) 방법에 의해 수행될 수 있다. 한편, SDB(실리콘 직접 접착) 공정에 있어서, 실리콘과 실리콘 사이의 접합성보다 실리콘과 실리콘 산화막 사이의 접합성이 우수하다. 따라서, 바람직하게는, 도 13에 도시된 바와 같이, 상부 기판(100)과 하부 기판(300)은 그 표면에 각각 실리콘 산화막(153a, 153b, 351a, 351b)이 형성되어 있는 상태로 사용되고, 중간 기판(200)은 그 표면에 실리콘 산화막이 형성되어 있지 않은 상태로 사용될 수 있다. Referring to FIG. 13, the
이상과 같이 세 개의 기판(100, 200, 300)을 적층하여 접합하면 잉크젯 헤드에 있어서 잉크 유동을 위한 잉크 유로가 모두 연결되어 완성된다. 즉, 잉크 저장고(미도시)로부터 잉크 도입구(110)를 통해 잉크가 공급되어 공통 유로인 매니폴드(210)를 통해 다수의 압력 챔버(120)에 공급될 수 있도록 유로가 형성된다. 또한, 상기 접합 공정에 의해 매니폴드(210)와 연결된 리스트릭터(220), 압력 챔버(120), 댐퍼(230)와 노즐(310)이 모두 잉크 유동이 가능하도록 연결된다. When the three
도 14a 및 도 14b는 상부 기판 위에 압전 액츄에이터를 형성하여 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 완성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다. 14A and 14B are cross-sectional views illustrating a step of forming a piezoelectric actuator on an upper substrate to complete a piezoelectric inkjet printhead according to the present invention.
먼저, 도 14a를 참조하면, 하부 기판(100), 중간 기판(200) 및 상부 기판(300)을 순차 적층하여 접합한 상태에서, 상부 기판(100)의 상면에 절연막으로서 실리콘 산화막(180)을 형성한다. 그러나, 이 실리콘 산화막(180)을 형성하는 단계는 생략될 수 있다. 즉, 도 13에 도시된 바와 같이 상부 기판(100)의 상면에 이미 실리콘 산화막(153a)이 형성되어 있는 경우에는, 다시 그 위에 절연막으로서 도 14a에 도시된 실리콘 산화막(180)을 형성할 필요가 없다. First, referring to FIG. 14A, in a state in which the
이어서, 실리콘 산화막(180) 위에 압전 액츄에이터의 하부 전극(191, 192)을 형성한다. 하부 전극(191, 192)은 Ti 층(191)과 Pt 층(192)의 두 개 금속박막층으로 이루어진다. Ti 층(191)과 Pt 층(192)은 실리콘 산화막(180)의 전 표면에 소정 두께로 스퍼터링(sputtering)함으로써 형성될 수 있다. 이와 같은 Ti/Pt 층(191, 192)은 압전 액츄에이터의 공통 전극의 역할을 할 뿐만 아니라, 그 위에 형성되는 압전막(도 14b의 193)과 그 아래의 상부 기판(100) 사이의 상호 확산(inter-diffusion)을 방지하는 확산방지층의 역할도 하게 된다. 특히, 아래의 Ti 층(191)은 Pt(192)층의 접착성을 높이는 역할도 하게 된다. Subsequently,
다음으로, 도 14b에 도시된 바와 같이, 하부 전극(191, 192) 위에 압전막(193)과 상부 전극(194)을 형성한다. 구체적으로, 페이스트 상태의 압전재료를 스크린 프린팅(screen printing)에 의해 압력 챔버(120)의 상부에 소정 두께로 도포한 뒤, 이를 소정 시간 동안 건조시킨다. 상기 압전재료로는 여러가지가 사용될 수 있으나, 바람직하게는 통상적인 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료가 사용된다. 이어서, 건조된 압전막(193) 위에 전극 재료, 예컨대 Ag-Pd 페이스트를 프린팅한다. 다음으로, 압전막(193)을 소정 온도, 예컨대 900 ~ 1,000℃에서 소결시킨다. 이때, 압전막(193)의 고온 소결과정에서 발생할 수 있는 압전막(193)과 상부 기판(100) 사이의 상호 확산(inter-diffusion)은 상기한 Ti/Pt 층(191, 192)에 의해 방지된다. Next, as shown in FIG. 14B, the
이로써, 상부 기판(100) 위에 하부 전극(191, 192)과, 압전막(193)과, 상부 전극(194)으로 이루어진 압전 액츄에이터(190)가 형성된다. As a result, the
한편, 압전막(193)의 소결은 대기하에서 수행되므로, 그 단계에서 세 개의 기판(100, 200, 300)에 형성된 잉크 유로의 내면에 실리콘 산화막이 형성된다. 이와 같이 형성된 실리콘 산화막은 거의 모든 종류의 잉크와 반응성이 없으므로 다양한 잉크를 사용할 수 있게 된다. 또한, 실리콘 산화막은 친수성(hydrophilic)을 가 지므로 잉크의 초기 유입시 기포(air bubble)의 유입이 방지되며, 잉크의 토출시에도 기포의 발생이 억제된다. On the other hand, since the sintering of the
마지막으로, 접합된 상태의 세 개의 기판(100, 200, 300)을 칩 단위로 절단하는 다이싱(dicing) 공정과, 압전막(193)에 전계를 가하여 압전특성을 발생시키는 폴링(polling) 공정을 거치게 되면, 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드가 완성된다. 한편, 다이싱은 상기한 압전막(193)의 소결 단계 전에 이루어질 수도 있다. Finally, a dicing process of cutting the three
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예컨대, 본 발명에서 프린트헤드의 각 구성요소를 형성하는 방법은 단지 예시된 것으로서, 다양한 식각방법이 적용될 수 있으며, 제조방법의 각 단계의 순서도 예시된 바와 달리할 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.While the preferred embodiments of the present invention have been described in detail, these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. For example, the method of forming each component of the printhead in the present invention is merely exemplary, and various etching methods may be applied, and the order of each step of the manufacturing method may be different from that illustrated. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the appended claims.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 리스트릭터의 출구가 상부 기판과는 상관 없이 중간 기판 만에 의해 정의되므로, 상부 기판과 중간 기판 사이에 정렬 오차가 발생하더라도 리스트릭터의 출구 단면적은 변하지 않는다. 따라서, 매니폴드의 양측에 배열된 노즐을 통해 토출되는 잉크 액적의 체적과 속도가 균일하게 유지되므로, 잉크 토출 성능이 향상된다.As described above, according to the present invention, since the outlet of the restrictor is defined only by the intermediate substrate irrespective of the upper substrate, even if an alignment error occurs between the upper substrate and the intermediate substrate, the outlet cross-sectional area of the restrictor does not change. Therefore, the volume and speed of the ink droplets ejected through the nozzles arranged on both sides of the manifold are kept uniform, so that the ink ejection performance is improved.
Claims (19)
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KR1020040013563A KR100561865B1 (en) | 2004-02-27 | 2004-02-27 | Piezo-electric type inkjet printhead and manufacturing method threrof |
Applications Claiming Priority (1)
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KR1020040013563A KR100561865B1 (en) | 2004-02-27 | 2004-02-27 | Piezo-electric type inkjet printhead and manufacturing method threrof |
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KR1020040013563A KR100561865B1 (en) | 2004-02-27 | 2004-02-27 | Piezo-electric type inkjet printhead and manufacturing method threrof |
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- 2004-02-27 KR KR1020040013563A patent/KR100561865B1/en not_active IP Right Cessation
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KR20050087639A (en) | 2005-08-31 |
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