KR100641286B1 - Micro high density ink jet print head and method of fabricating the same using piezoelectric film type - Google Patents
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Abstract
Description
도1은 종래 기술에 따른 헤드의 측단면도.1 is a side sectional view of a head according to the prior art;
도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액적분사헤드의 측단면도.Figure 2 is a side cross-sectional view of a droplet ejection head in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도3은 압전액츄에이터의 측단면 확대도.3 is an enlarged side cross-sectional view of a piezoelectric actuator.
도4는 상부기판의 상부면을 도시한 평면도.4 is a plan view showing an upper surface of the upper substrate.
도5는 하부기판의 상부면을 도시한 평면도.5 is a plan view showing an upper surface of the lower substrate.
도6은 상부기판의 상면에 배치된 압전액츄에이터의 배치를 알 수 있는 평면도.Figure 6 is a plan view showing the arrangement of the piezoelectric actuator disposed on the upper surface of the upper substrate.
도7a 내지 도7k는 상부기판의 제작단계를 도시한 평면도. 7A to 7K are plan views illustrating manufacturing steps of an upper substrate.
도8a 내지 도8e는 하부기판의 제작단계를 도시한 평면도. 8A to 8E are plan views illustrating manufacturing steps of the lower substrate.
도9는 상부기판과 하부기판을 접합하여 완성된 헤드의 단면도.9 is a cross-sectional view of the head completed by bonding the upper substrate and the lower substrate.
* 도면의 주요부호에 대한 간단한 설명** Brief description of the major symbols in the drawings *
200 : 상부기판 300 : 하부기판200: upper substrate 300: lower substrate
20 : 상부기초기판 30 : 하부기초기판20: upper base substrate 30: lower base substrate
40 : 탄성막 50 : 압전액츄에이터40: elastic membrane 50: piezoelectric actuator
60 : 유체분사부60: fluid injection unit
본 발명은 압전방식의 액적분사헤드와 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분사대상유체의 원활한 흐름을 유도할 수 있는 유로구조와 단순화된 적층구조를 갖는 액적분사헤드와 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a piezoelectric droplet ejection head and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a droplet ejection head having a flow path structure and a simplified lamination structure capable of inducing a smooth flow of the injection target fluid and a method of manufacturing the same. will be.
압전방식의 액적분사헤드는 주로 사무용 잉크젯프린터에서 인쇄용 미세잉크방울을 기록용지상의 원하는 위치에 토출시키는데 사용되는 장치로서 잉크가 채워져 있는 압력챔버의 일부를 탄성막으로 구성하고 인가된 전압에 의해 기계적인 변형을 일으키는 압전소자를 상기 탄성막의 일면에 부착시켜 압전소자의 굽힘변형에 의해 상기 탄성막이 변형됨에 따라 상기 잉크챔버실의 부피가 감소되고 압력이 증가되어 상기 잉크가 상기 잉크챔버실에서 이와 연통된 노즐을 통해 액적(미세유체방울, droplet)형태로 외부에 토출되도록 하는 장치이다. Piezoelectric droplet ejection head is a device mainly used to eject micro ink droplets for printing at a desired position on a recording paper in an office inkjet printer. A part of a pressure chamber filled with ink is composed of an elastic film and mechanically applied by an applied voltage. As the elastic membrane is deformed by attaching a piezoelectric element that causes deformation to one surface of the elastic membrane, and the elastic membrane is deformed by bending deformation of the piezoelectric element, the volume of the ink chamber chamber is reduced and the pressure is increased so that the ink communicates with the ink chamber chamber. It is a device to discharge to the outside in the form of droplets (microfluidic droplets, droplets) through the nozzle.
또한 이와 같은 액적분사장치는 기존의 잉크젯프린터에서 뿐만 아니라 유기 EL, LCD 등과 같은 디스플레이에 있어서 전자물질의 도포나 전자 제품에 필요한 회로 등을 구현하기 위해 기존의 반복적인 성막 및 부식 기술 없이 직접적으로 원하 는 재료를 원하는 위치에 형성시킬 수 있는 대체 기술수단으로도 최근 주목받고 있다.In addition, such droplet spraying devices can be directly applied without conventional repetitive film formation and corrosion technology to implement electronic circuits or circuits required for electronic products in displays such as organic EL and LCD, as well as in conventional inkjet printers. Has recently attracted attention as an alternative technical means by which the material can be formed in a desired position.
한편 액적분사헤드는 전술한 압전방식 외에 히터에 의해 발생된 열에 의해 형성된 버블이 잉크챔버안의 잉크를 노즐밖으로 밀어내는 방식으로 액적을 토출시키는 열방식이 있으나 열에 민감한 물질에는 적용이 어려운 문제점이 있어 그 응용산업분야가 압전방식에 비해 제한적이다. Meanwhile, the droplet ejection head has a thermal method in which a bubble formed by heat generated by a heater pushes ink in an ink chamber out of a nozzle in addition to the above-described piezoelectric method, but it is difficult to apply to a heat sensitive material. The application industry is more limited than piezoelectric.
이와 같이 압전방식의 액적분사헤드는 노즐, 잉크챔버, 압전소자, 유로, 리저버(reservoir, 잉크저장소)를 주요구성요소로 하며 이러한 부분들을 형성하기 위해 3개 이상의 다수 기판(plate)이 적층된 방식을 택하는 것이 일반적이나 2개의 기판을 사용하여 그 구조를 단순화한 종래기술이 미국등록특허 US6378996로 개시되었으며 그 대표도면이 도1에 도시되어 있다. As such, the piezoelectric droplet ejection head has a nozzle, an ink chamber, a piezoelectric element, a flow path, and a reservoir (reservoir) as a main component, and three or more plates are stacked to form these parts. It is common to select but prior art that simplifies its structure using two substrates has been disclosed in US Patent US6378996, a representative drawing of which is shown in FIG.
도1을 참고하여 설명하면 종래 액적분사헤드는 크게 유로형성기판(1)과 노즐형성기판(2)으로 구성되며 상기 유로형성기판과 노즐형성기판 사이에 탄성막(3)이 형성되어 있다. 또한 유로형성기판에는 잉크가 유입되는 유로를 따라 잉크저장소(4), 연통부(5), 협소부(6)와 압력챔버(7)가 형성되어 있고 노즐형성기판에는 노즐(8)과 압전소자유지부(9)가 형성되어 있으며 상기 압전소자유지부에 대응되는 위치의 탄성막(10) 상면에는 하부전극(11)과 압전소자(12), 상부전극(13) 순으로 적층된 압전체층이 형성되어 있다. Referring to FIG. 1, a conventional droplet ejection head includes a flow path forming substrate 1 and a
상기와 같은 구성과 구조를 가진 종래 액적분사헤드의 개괄적인 제조방법을 기술하면 먼저 유로형성기판으로 사용될 실리콘 단결정의 일측면에 마스크를 이용 한 에칭에 의해 상기 연통부, 협소부와 압력챔버를 형성시킨 후 희생층을 충전한다. 이후 상기 희생층이 충전된 유로형성기판의 상면에 탄성막과 압전체층을 형성한 후 상기 유로형성기판의 하면에 습식식각을 통해 잉크저장소를 형성하고 다시 습식식각이나 건식식각을 통해 상기 희생층을 제거함으로써 재차 상기 연통부, 협소부와 압력챔버를 형성시킨다. When describing the general manufacturing method of the conventional droplet ejection head having the configuration and structure as described above, first, the communicating part, the narrow part and the pressure chamber are formed by etching using a mask on one side of the silicon single crystal to be used as the flow path forming substrate. After filling, the sacrificial layer is filled. Thereafter, an elastic film and a piezoelectric layer are formed on an upper surface of the flow path forming substrate filled with the sacrificial layer, and then an ink reservoir is formed on the lower surface of the flow path forming substrate by wet etching, and then the sacrificial layer is formed by wet etching or dry etching. By removing, the communication part, the narrow part, and the pressure chamber are formed again.
그러나 전술한 제조공정에서 알 수 있듯이 종래기술의 제조방법에는 희생층의 형성 및 습식식각에 의한 제거공정이 수반되어 제조 공정이 복잡하므로 직접적으로 소요되는 공간을 형성시킬 수 있는 제조공법의 개발이 요망된다. However, as can be seen in the above-described manufacturing process, the manufacturing method of the prior art involves the formation of a sacrificial layer and the removal process by wet etching, and thus, the manufacturing process is complicated. Therefore, it is desirable to develop a manufacturing method that can directly form a space required. do.
또한 앞서 살펴본 바와 같이 잉크젯기술을 다양한 응용산업분야에 적용하기 위해서는 점도(粘度, viscosity) 기타 다양한 물성(物性)을 갖는 물질에 적용할 수 있어야 하고, 이를 위해 액적분사헤드 내에서 분사 대상 물질의 보다 원활한 흐름을 유도하며 액적의 분사성능을 향상시킬 수 있는 유로구조의 개발이 필요하다. In addition, as described above, in order to apply the inkjet technology to various application fields, it should be applicable to a material having viscosity and other various physical properties. It is necessary to develop a flow path structure that can induce a smooth flow and improve the spraying performance of the droplets.
상기한 종래기술의 문제점과 기술개발의 필요에 따라 본 발명은 보다 단순한 액적분사헤드구조와 그 제작방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. According to the problems of the prior art and the need for technology development, the present invention has a purpose to provide a simple droplet ejection head structure and its manufacturing method.
또한 액적분사헤드의 내부구조에 있어서 분사 대상 물질의 분사 성능을 향상시키기 위해서 보다 원활한 흐름과 분사를 유도할 수 있는 유로구조 및 분사구조를 제시하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to propose a flow path structure and an injection structure capable of inducing a more smooth flow and injection in order to improve the injection performance of the injection target material in the internal structure of the droplet injection head.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims are defined in the technical spirit of the present invention on the basis of the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain his invention in the best way. It must be interpreted to mean meanings and concepts.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 일측에 잉크가 유입되어 저장되는 리저버(23)와 상기 리저버(23)에 연결되며 상기 리저버(23)로부터 유입된 유체가 토출되기 전에 머무르는 압력챔버(22)가 일측과 타측에 각각 관통형성된 상부기판(200); 상기 압력챔버(22)에 연결되어 관통형성된 유체토출구(61)와 유체가 분사되며 상기 유체토출구(61)보다 직경이 큰 유체분사구(63)와 상기 유체토출구(61)로와 유체분사구(63)에 연결되며 상기 유체토출구(61)로부터 유체분사구(63) 쪽으로 갈수록 점차 그 단면적이 증가하는 분사디퓨저(62)로 이루어진 유체분사부(60)와, 상기 상부기판(200)의 리저버(23)에 연결되어 유체가 이동되는 유체유로(31), 및 상기 유체유로(31)와 압력챔버(22)에 연결되며 상기 유체유로(31)로부터 압력챔버(22)쪽으로 갈수록 단면적이 증가하는 유로디퓨저(33)로 이루어진 하부기판(300); 및 상기 상부기판(200)의 압력챔버(22) 상면에 일체형성되어 굽힘변형에 의해 상기 압력챔버(22)의 부피를 변화시켜 상기 압력챔버(22) 내의 유체에 토출압력을 제공하는 압전액츄에이터(50);를 포함하여 구비되며 상기 하부기판(300) 및 압 전액츄에이터(50)가 형성된 상기 상부기판(200)이 상호 접합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전방식을 이용한 초소형 정밀 액적분사헤드를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention is connected to the
또한, 상기 상부기판(200)의 상기 압력챔버(22)의 상부는 실리콘산화막(41)과 실리콘질화막(42)이 순차적으로 증착되어 상기 압전액츄에이터(50)의 구동에 의해 휨변형되는 탄성막(40)의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 압전방식을 이용한 초소형 정밀 액적분사헤드를 제공한다. In addition, the upper portion of the
또한, 상기 탄성막(40)의 상면에 다시 실리콘산화막을 성막하여 형성된 완충막(43)을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전방식을 이용한 초소형 정밀 액적분사헤드를 제공한다. In addition, it provides a microscopic precision droplet injection head using a piezoelectric method characterized in that it further comprises a
또한, 단결정실리콘으로 이루어진 상부기초기판(20)과 하부기초기판의 준비단계; 상기 상부기초기판(20)의 상면에 굽힘변형이 용이한 탄성막(40)을 형성시키는 탄성막형성단계;와, 상기 상부기초기판(20)의 상면에 유체의 토출을 위한 압력을 제공하는 압전액츄에이터(50)를 형성시키는 압전액츄에이터형성단계;와 상기 압전액츄에이터(50)의 위치에 대응되는 상기 상부기초기판(20)의 일측에 압력챔버(22)를 형성하고 타측에 유체가 유입되어 저장되는 리저버(23)를 형성시키는 압력챔버 및 리저버형성단계;로 이루어지는 상부기판(200)제조단계;와 상기 하부기초기판에 관통형성된 유체분사부(60)와 상기 하부기초기판의 상면에 유로디퓨저(33) 및 유체유로(31)를 식각공정에 의해 형성시키는 하부기판(300)제조단계; 및 상기 상부기판(200)과 하부기판(300)을 접합하여 액적분사헤드를 형성시키는 접합단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전방식을 이용한 초소형 정밀 액적분사헤 드의 제조 방법을 제공한다. In addition, the preparing step of the
또한, 상기 압력챔버 및 리저버형성단계는 Deep-RIE 식각기술과 RIE 식각기술을 이용하여 압력챔버 및 리저버를 형성시키는 것을 특징으로 하는 압전방식을 이용한 초소형 정밀 액적분사헤드의 제조 방법을 제공한다. In addition, the pressure chamber and the reservoir forming step provides a method of manufacturing a microscopic precision droplet injection head using a piezoelectric method, characterized in that for forming the pressure chamber and the reservoir using the Deep-RIE etching technology and RIE etching technology.
또한, 상기 유체분사부(60)와 상기 하부기초기판의 상면에 유로디퓨저(33) 및 유체유로(31)는 식각공정에 의해 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 압전방식을 이용한 초소형 정밀 액적분사헤드의 제조 방법을 제공한다. In addition, the microfluidic droplet injection head using the piezoelectric method, characterized in that the flow path diffuser 33 and the
또한, 상기 유체분사부(60)의 분사디퓨저(62)는 유체의 분사방향에 대해 단면적이 점차 증가되는 디퓨저형상을 구현하기 위해 비등방 습식식각에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 압전방식을 이용한 초소형 정밀 액적분사헤드의 제조 방법을 제공한다. In addition, the
또한, 상기 유체분사부(60)의 유체토출구(61)는 Deep-RIE 식각기술에 의해 하부기판(300)을 관통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 압전방식을 이용한 초소형 정밀 액적분사헤드의 제조 방법을 제공한다. In addition, the
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the illustrated drawings.
본 발명은 상부기판(200)과 하부기판(300)을 적층하여 상호 접합함으로써 이루어지며 상기 상부기판(200) 및 하부기판(300)은 건식 또는 습식식각이나 포토마스킹 및 미세가공작업을 보다 용이하게 적용하기 위해 단결정 실리콘기판으로 제작 되는 것이 바람직하다. The present invention is made by stacking the
그리고 상기 상부기판(200)과 하부기판(300) 각각에는 유체유로(31)를 이루게 되는 구성요소들이 형성되며, 상부 기판 위에는 유체의 토출을 위해 구동력을 발생시키는 압전액츄에이터(50)가 구비된다. Each of the
상기한 유체유로(31)는 도시되지 않은 컨테이너로부터 유체가 도입되어 저장되는 리저버(23)와, 리저버(23)로부터 압력챔버(22)로 유체를 공급하기 위한 공급유로 및 유로디퓨저(33)와, 토출될 유체가 채워지며 유체를 토출시키기 위해 압전액츄에이터(50)에 의해 부피변화가 변화되는 압력챔버(22)와, 유체가 토출되는 유체분사부(60)로 이루어진다. The
도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액적분사헤드의 측단면도이고, 도3은 압전액츄에이터(50)의 측단면확대도이며, 도4는 상부기판(200)의 상부면을 도시한 평면도이다. 2 is a side cross-sectional view of the droplet ejection head according to a preferred embodiment of the present invention, FIG. 3 is an enlarged side cross-sectional view of the
도2 내지 도4를 함께 참조하여 먼저 상부기판(200)을 설명하면, 도2와 도3에 도시된 바와 같이 상부기판(200)을 구성하기 위해 출발기판으로 준비된 상부기초기판(20)의 양측에는 관통된 상부압력챔버(22a)와 리저버(23)가 각각 형성되고, 상기 상부기초기판(20)의 상면에는 실리콘산화막(41)과 실리콘질화막(42)이 적층된 탄성막(40)이 형성되며, 상기 탄성막(40)의 상면에는 후술되는 압전액츄에이터(50)의 용이한 형성을 돕는 완충막으로서 실리콘산화막(43)이 추가형성된다. Referring to FIG. 2 to FIG. 4 together, the
상기 탄성막(40)은 이와 일체로 형성되고, 인가된 전압에 의해 굽힘변형되는 압전액츄에이터(50)의 구동에 따라 상기 압전액츄에이터(50)와 일체로 변형되어 상 부압력챔버(22a)의 부피를 변화시키는 진동판의 역할을 하게 된다. The
또한 상기 실리콘산화막(41)은 후술하게 되는 제조공정에 있어서 상기 압력챔버(22)와 리저버(23)를 형성하기 위한 식각공정에서 식각정지층(etch stop layer)의 역할을 할 수 있는 재료이며, 상기 실리콘질화막(42)은 응력이 제어되어 낮은 잔류응력을 구현할 수 있는 성막방법(주로 최적화된 화학기상증착법)을 사용한다면 안정적인 탄성막(40)을 형성함에 있어 보다 유리한 재료이다. In addition, the
그리고 상기 탄성막(40)의 상면에 접착되는 실리콘산화막(43)은 압전액츄에이터(50)의 구성요소 중 상부전극(53)과의 전극증착이 용이하도록 하며 상부기초기판(20)과 압전액츄에이터(50) 사이의 확산을 억제하고 열적스트레스를 조절하는 완충막 역할을 한다. In addition, the
한편, 상기 완충막은 일반적으로 두 물질간의 상호 확산 또는 두 물질간의 잔류 응력 차이에 의해 전체 다층 박막 구조에 변형을 가져올 수 있는 충격완화시켜 줄 수 있는 박막을 의미하는 것으로써, 전술한 바와 같이 실리콘산화막으로 형성된 완충막은 후술되는 탄성막, 전극 그리고 압전막을 단계적으로 형성시키는 공정에 있어 발생가능한 다층 박막 구조의 좌굴(buckle) 현상을 방지하는 기능을 수행한다. On the other hand, the buffer film generally refers to a thin film that can mitigate the deformation of the entire multilayer thin film structure by the mutual diffusion between the two materials or the residual stress difference between the two materials, as described above, the silicon oxide film The buffer film formed as a function serves to prevent buckling of the multilayer thin film structure that may occur in a step of forming the elastic film, the electrode, and the piezoelectric film described later.
압전액츄에이터(50)는 상부기초기판(20) 상부에 형성된 탄성막의 상면에 형성된 공통전극의 역할을 하는 하부전극(51)과, 전압의 인가에 따라 굽힘변형되는 압전막(52)과, 압전막(52)에 전압을 인가하는 구동전극의 역할을 하는 상부전극(53)이 순차적으로 적층되어 구비된다. 하부전극(51)은 상기 압전막(52)의 면적보 다 넓게 분포되도록 성막하고 상부전극(53)과 하부전극(51)간 절연을 위해 상기 압전막(52)의 둘레에 층간절연막을 삽입한 후 상부전극(53)을 적층하는 것이 바람직하다. The
또한, 압전액츄에이터(50) 각각의 구성요소는 굽힘모드로 구동될 수 있는 다이아프램(diaphragm)구조를 갖는 재료로서 상부전극(53)과 하부전극(51)의 재료는 Pt, Au, Al등의 물질들이 사용될 수 있고 압전막(52)은 통상적인 PZT(Lead Zircomate Titanate) 세라믹 재료가 사용된다. In addition, each
한편 하부기판(300)의 경우 도3에 도시된 바와 같이, 상부기판(200)과 마찬가지로 하부기판(300)을 구성하기 위해 출발기판으로 준비된 하부기초기판(30)의 상면 일측에는 상기 상부기판(200)의 리저버(23)와 연결되는 유체유로(31)가 소정깊이로 길게 형성되고, 또한 상기 유체유로(31)와 상부압력챔버(22a)의 일단부를 연결하는 유로디퓨저(33)가 상기 유체유로(31)의 깊이보다 얕은 깊이로 형성된다. Meanwhile, in the case of the
그리고 상기 하부기초기판(30)의 상면 타측에는 상부기판(200) 상부압력챔버(22a)에 대응되는 위치에 상기 상부기판(200)의 상부압력챔버(22a)와 동일한 면적의 하부압력챔버(32a)가 형성되어 상부기판(200)과 하부기판(300)의 접합에 의해 상부압력챔버(22a)와 하부압력챔버(32a)로 이루어진 압력챔버(22)가 형성된다. 그러나 상기 압력챔버(22)는 하부기판(300)의 두께와 후술하게 되는 유체분사부(60)의 깊이나 형상에 따라 상부압력챔버(22)만으로 구성될 수 있으나 이와 같은 구성을 갖도록 하는 제조방법은 상부 기판의 제조공정수를 증가시키고 실리콘 기판 자체의 손상을 가져올 수 있어, 상부 및 하부 기판에 제조공정수를 분산시켜 전술한 구성을 갖도록 실리콘기판을 제조하는 바람직하다.In addition, the
상기 하부압력챔버(22)의 하면에는 유체분사부(60)가 형성된다. 유체분사부(60)는 하부압력챔버(22)의 하부에 형성되며 일정한 직경을 가지고 수직으로 관통한 유체토출구(61)와, 하부기판(300) 하면에 형성된 산화질화막(34)의 상기 유체토출구(61)에 대응되는 위치에 상기 산화질화막(34)과 동일한 깊이와 상기 유체토출구(61)보다 큰 직경을 갖는 유체분사구(63)와, 상기 유체토출구(61)로부터 유체분사구(63)쪽으로 가면서 단면적이 점차 증가하는 분사디퓨저(62)로 이루어져 있다. 분사디퓨저(62)는 전술한 유로디퓨저(33)의 경우와 반대로 고속으로 분사되는 유체가 보다 원활하게 분사될 수 있도록 분사되는 방향으로 단면적이 증가되는 디퓨저형상을 가진다. The lower surface of the
도5는 하부기판의 상부면을 도시한 평면도이고, 도6은 상부기판의 상면에 배치된 압전액츄에이터의 배치를 알 수 있는 상부기판의 평면도이다. FIG. 5 is a plan view showing an upper surface of the lower substrate, and FIG. 6 is a plan view of an upper substrate which shows the arrangement of the piezoelectric actuators disposed on the upper surface of the upper substrate.
상기 유로디퓨저(33)는 도5에 도시된 바와 같이 리저버(23)에 연결된 유체유로(31)에서 압력챔버(22)로 공급되는 유체의 흐름을 보다 원활하게 하고 압전액츄에이터(50)에 의해 유체가 토출될 때 압력챔버(22)로부터 유체유로(31)로 유체가 역류하는 것을 억제하기 위해 유체유로(31)에서 압력챔버(22)쪽으로 가면서 단면적이 증가되는 디퓨저형상을 갖는 것이 바람직하다. The flow path diffuser 33 smoothly flows the fluid supplied from the
따라서 고속의 유체분사를 위해 높은 주파수로 압전액츄에이터(50)가 작동하는 경우 이로 인해 발생되는 압력챔버(22)내의 급격한 압력변화는 유체의 유속을 급격히 증가시키게 되고 압력챔버(22)로부터 유체유로(31)로 갈수록 단면적이 작아 지는 상기 유로디퓨저(33)의 구조로 인해 유체유로(31)쪽으로는 유체의 운동이 제한됨에 따라 그 압력변화가 유체토출구(61)쪽에 보다 집중되어 유체의 운동을 상기 유체토출구(61)쪽으로 유도하게 된다.Therefore, when the
이러한 구성을 가진 본 발명에 따른 압전방식 액적분사헤드의 작동을 설명하면 다음과 같다. 유체컨테이너(미도시)로부터 리저버(23)내부로 공급된 유체는 유체유로(31)와 유로디퓨저(33)를 통해 압력챔버(22)내부로 유입된다. Referring to the operation of the piezoelectric droplet injection head according to the present invention having such a configuration as follows. The fluid supplied from the fluid container (not shown) into the
이후 압력챔버(22)내에 유체가 채워진 상태에서 압전액츄에이터(50)의 상부전극(53)을 통해 압전막(52)에 전압이 인가되면 압전막(52)은 굽힘변형되며 이에 따라 탄성막(40)이 아래쪽으로 휨변형된다. Thereafter, when a voltage is applied to the
이러한 탄성막(40)의 변형에 의해 압력챔버(22)의 부피가 감소하게 되고, 이에 따른 압력챔버(22)내의 압력상승에 의해 압력챔버내의 유체는 유체토출구(61), 분사디퓨저(62)와 유체분사구(63)를 통해 외부로 분사된다. Due to the deformation of the
그런 다음에 압전액츄에이터(50)의 압전막(52)에 인가되던 전압이 차단되면 압전막(52)은 원래의 형태로 복원되고 이에 따라 탄성막(40)이 복원되어 상대적으로 부피가 증가함에 따라 압력챔버(22)내의 압력감소현상이 발생된다. 이와 같은 압력챔버(22)내의 압력감소로 인해 유체유로(31)에 있던 유체가 유로디퓨저(33)를 통해 압력챔버(22)로 유입된다. Then, when the voltage applied to the
도5는 상부기판(200)의 상면에 배치된 압전액츄에이터(50)의 배치를 알 수 있는 평면도이며 도6은 하부기판의 상부면을 도시한 평면도이다.5 is a plan view showing the arrangement of the
도5에 도시된 바와 같이 압전액츄에이터 각각에 상부전극과 하부전극이 연결 형성되어 있으며, 각각 별도의 전압을 인가할 수 있는 독립적 배치구조를 가지며, 리저버와 유체유로, 유로디퓨저 및 압력챔버는 서로 연결형성 되어 유체의 전체 유로를 형성한다. As shown in FIG. 5, the upper electrode and the lower electrode are connected to each of the piezoelectric actuators, and each has an independent arrangement structure to which a separate voltage can be applied, and the reservoir, the fluid flow path, the flow path diffuser, and the pressure chamber are connected to each other. Formed to form the entire flow path of the fluid.
이하에서는 예시도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전방식 액적분사헤드의 제조방법에 대해 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of manufacturing a piezoelectric droplet injection head according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the exemplary drawings.
도7a 내지 도7j는 본 발명에 따른 압전방식 액적분사헤드의 바람직한 제조방법에 있어서 상부기초기판(20)에 탄성막(40)과 압전액츄에이터(50) 및 리저버(23)와 상부압력챔버(22)를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다. 7A to 7J illustrate an
그 중 도7a 내지 도7c는 상부기초기판(20)에 실리콘산화막(41)과 실리콘질화막(42)으로 이루어진 탄성막(40)을 형성시키는 단계를 나타낸다. 7A to 7C illustrate a step of forming the
먼저 도7a와 도7b를 참조하면, 전술한 바와 같이 단결정 실리콘기판으로 이루어진 상부기초기판(20)을 준비하고 이 상부기초기판(20)을 저압의 반응용기 내에서 열에너지에 의해 화학반응을 유발시킴으로써 잔류응력을 최소화할 수 있는 증착방법인 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition : 저압화학 기상증착)와 같은 증착방법을 사용하여 실리콘산화막과 실리콘질화막을 순차적으로 형성시킨다.First, referring to FIGS. 7A and 7B, as described above, by preparing an
다음에는, 전술한 바와 같이 실리콘산화막(41)과 실리콘질화막(42)이 순차적으로 형성된 상부기초기판(20)의 상면에 압전액츄에이터(50)의 안정적인 형성을 위하여 실리콘산화막으로 이루어진 완충막(43)은 플라스마상태를 형성시켜 기체의 이온화를 가속시키는 증착방식인 PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition))방식으로 증착되어 추가형성된다. Next, as described above, the
이로써 도7c에 도시된 바와 같이 전술한 단계를 거쳐 상부기초기판(20)의 상면에는 실리콘산화막(41) 및 실리콘질화막(42)으로 이루어진 탄성막(40)과 완충막(43)이 완성된다. Thus, the
도7d 내지 도7h는 탄성막(40)이 형성된 상부기초기판(20)의 상면에 압전액츄에이터(50)를 형성시키는 단계를 나타낸다. 도7d를 참조하면 탄성막(40)이 형성된 상부기초기판(20)의 상면에 하부전극(51)과 압전재료를 증착한다.7D to 7H illustrate a step of forming the
하부전극(51)은 Ti나 Pt, Au, Al 등의 전극재료를 소정두께로 스퍼터링(sputtering)함으로써 얻어질 수 있고, 압전층(52a)는 Sol-gel공정을 이용하여 페이스트상태의 압전재료를 스핀 코팅(spin coating)에 의한 용액코팅 또는 스크린 프린팅(screen printing) 후 건조나 열처리하여 형성한다. The
상기 압전층(52a)의 재료로는 여러가지가 사용될 수 있으나, 바람직하게는 통상적인 PZT(Lead Zirconate Titanate)세라믹 재료가 사용된다. Various materials may be used as the material of the
이와 같이 상부기초기판(20)의 상면 전체에 형성된 압전층(52a)을 압전막(52)으로 사용될 필요부분만 형상화시키기 위해 도시되지 않았으나 상기 압전층(52a)의 표면에 감광성 마스킹 재료인 포토레지스트(PR, PhotoResist)를 도포한 후 압전막(52)으로 사용될 필요부분만 제외하고 현상하여 압전층(52a)을 노출시키는 포토마스킹공정을 수행한다. As such, although the
다음에, 압전막(52)으로 형성될 부분을 제외하고 압전층(52a)이 노출된 상부기판(200)을 압전막(52)으로 형성될 부분의 포토레지스트를 식각 마스크로 하여 소 정깊이 식각하여 상기 압전층(52a)을 패터닝함으로써 도7e와 같이 선택적으로 필요한 부분에 압전막(52)을 형성한다. Next, except for the portion to be formed of the
이 때의 식각은 이온에너지를 증가시키지 않고도 이온 밀도를 높일 수 있으며 이온 입자들에 방향성을 가할 수 있어 박막의 건식식각에 널리 이용되는 유도결합 플라즈마(ICP:Inductively Coupled Plasma)를 이용하는 건식식각법에 의해 수행되는 것이 바람직하다. Etching at this time can increase ion density without increasing ion energy, and can apply directionality to ion particles, so that dry etching method using Inductively Coupled Plasma (ICP), which is widely used for dry etching of thin films, is used. It is preferably carried out by.
이와 같이 압전층(52a)을 패터닝하여 압전막(52)을 형성한 후에는 상기 하부전극(51)도 상기와 같이 압전막(52)과 동일한 포토레지스트 도포 및 감광 그리고 건식식각의 공정을 사용하여 원하는 형상으로 패터닝하여 도7f와 같이 하부전극(51)을 형성한다. After forming the
다음은 후술되는 바와 같이 압전막(52)의 상면에 형성되는 상부전극(53)과 하부전극(51)이 압전막(52)에 전압을 인가하기 위해 서로 절연상태를 유지하기 위한 절연요소로서 층간절연막(ILD:Inter Layer Dielectrics)을 형성하는 단계로서 이산화규소(SiO2)나 기타 절연재료를 사용한다. Next, as described below, the
상기 층간절연막(54)은 도시되지 않았으나 포토레지스트 도포 및 감광 그리고 리프트 오프(Lift Off) 공정을 이용하여 도7g와 같이 필요한 부분만 형성한다. Although not shown, the
그런 다음엔 상기 상부전극은 포토레지스트를 이용하여 필요한 부분만이 노출되도록 패턴을 형성 한 후, 노출된 부분에 필요한 물질을 증착하며, 추후 photoresist 위에 증착되었던 물질들은 포토레지스트를 제거할 때 같이 제거 되어 원래 증착하고자 하는 부분에만 필요한 물질이 남아 있도록 하는 리프트 오프(Lift Off) 공정을 이용하여 도7h에 도시된 바와 같이 압전액츄에이터(50)가 상부기초기판(20)의 상면 탄성막(40) 위에 형성된다. Then, the upper electrode is formed using a photoresist to form a pattern to expose only the necessary portion, and then deposit the necessary material on the exposed portion, the material deposited on the photoresist afterwards is removed together when removing the photoresist
다음으로 도7i와 도7k는 상부기초기판(20)에 압력챔버(22)와 리저버(23)를 형성하기 위한 식각공정을 나타내는 단면도이다. 먼저 도7i에서처럼 상부기초기판(20)의 아랫면에 형성되어 있는 탄성막(40)을 반응성 이온식각(RIE:Reactive Ion Etching)을 이용하여 제거하고, 상부기초기판(20)의 아랫면을 탄성막(40)의 하부 실리콘산화막(41)을 식각정지층(etch stop layer)으로 하여 Deep-RIE(Deep Reactive Ion Etching)에 의해 건식식각함으로써 상부기초기판(20)의 아랫면 일측에 리저버(23) 일부와 타측의 압전액츄에이터(50)에 대응하는 위치에 압력챔버(22)를 도7j에 도시된 바와 같이 각각 동시에 형성할 수 있다. 7I and 7K are cross-sectional views illustrating an etching process for forming the
한편 상기 Deep RIE 기술은 고밀도 플라즈마를 형성하고 강한 전계를 가해 주어 플라즈마에 의해 이온화된 식각 가스의 이온화된 이온 래디컬들이 식각되어야할 기판 쪽으로 고속으로 큰 물리적 힘을 갖고 충돌하여 식각하는 기술로서, 두꺼운 실리콘 기판을 수직으로 관통시키기 위해 연속적인 식각을 하지 않고, 주기적으로 식각되는 부분의 측면에 식각 방지막을 입혀주어 측면 부위 시각을 억제하고 아래쪽으로만 식각을 유도하여 수직의 관통로를 만들 수 있는 기술이다. 반면, 반응성 이온식각(RIE)은 강한 전계에 의한 물리적 충돌을 심하게 만들어주지 않고, 플라즈마에 의해 이온화된 식각 가스의 래디컬들에 의해 화학 반응이 일어나 재료가 식각되게 되는 것이다. Meanwhile, the Deep RIE technology forms a high-density plasma and applies a strong electric field so that ionized ion radicals of the etching gas ionized by the plasma collide and etch with high physical force at a high speed toward the substrate to be etched. It is a technology that creates vertical through-path by applying an etch barrier to the side of periodically etched part without continuous etching to penetrate the substrate vertically, suppressing the side view and inducing etching only downward. . On the other hand, reactive ion etching (RIE) does not cause severe physical collisions due to strong electric fields, but chemical reactions are caused by radicals of the etching gas ionized by plasma, causing the material to be etched.
상기와 같은 공정에 의해 상부기초기판(20) 일측 하부에 형성된 리저버 일부 (23a)의 상부벽을 이루는 탄성막(40)을 제거하기 위해 다시 포토레지스트 도포 및 감광 그리고 반응성 이온식각을 이용함으로써 도7k와 같이 압력챔버(22)와 리저버(23), 탄성막(40)과 압전액츄에이터(50)가 형성된 상부기판(200)이 완성된다. In order to remove the
도8a 내지 도8e는 유체분사부(60)와 유로를 구비하기 위한 하부기판(300)의 제조단계를 도시한 단면도들이다.8A through 8E are cross-sectional views illustrating a manufacturing step of the
먼저 도8a를 참조하면 하부기판(300)의 형성에 기초가 되는 하부기초기판(30)은 전술한 상부기초기판(20)과 마찬가지로 단결정 실리콘기판을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 준비된 하부기초기판(30)의 상면과 하면에 실리콘질화막(34)을 도포하며, 이 실리콘질화막은 후술하게 되는 유로분사부(60) 및 유체유로(31)와 유로디퓨저(33)를 형성시키는 습식식각공정에서 식각정치층의 역할을 수행한다. First, referring to FIG. 8A, the
전술한 바와 같은 포토레지스트 도포 및 감광 그리고 반응성 이온식각을 이용하여 실리콘질화막(34)을 건식식각함으로써 도8b와 같이 유체분사구(63)를 형성한다. The
이와 같은 공정을 통해 하부기초기판(30) 하면에 형성된 유체분사구(63)를 통해 노출된 단결정실리콘은 실리콘질화막(34)을 식각마스크로 하고 수산화 칼륨 등의 에칭액을 이용하여 비등방성 습식식각함으로써 유체분사구(63)쪽으로 단면적이 점차 증가하는 디퓨저형태의 분사디퓨저(62)가 도8c와 같이 형성된다. The single crystal silicon exposed through the
이어서, 도8d에 도시된 바와 같이 유체분사구(63)와 분사디퓨저(62)가 형성된 하부기초기판(30)에는 포토레지스트 도포 및 감광 그리고 Deep-RIE를 이용하여 상기 유체분사구(63)의 직경보다 작은 직경을 갖는 유체토출구(61)가 상기 하부기초기판(30)을 관통하여 형성된다. Subsequently, as shown in FIG. 8D, the
다음에는, 압력챔버(22)와 유로디퓨저(33) 및 유체유로(31)가 형성시키기 위해 포토레지스트 도포 및 감광과 반응성이온식각을 통해 하부기초기판의 상면에 형성되어 있는 실리콘질화막(34) 중 상기 하부압력챔버(32a)와 유로디퓨저(33) 및 유체유로(31)에 해당되는 영역이 식각된다. Next, in order to form the
다음에, 하부기초기판(30)의 상부는 실리콘질화막(34)을 식각마스크로 하여 습식식각 함으로써 상기 압력챔버(22)와 유로디퓨저(33) 및 유체유로(31)가 생성될 영역에 노출된 단결정 실리콘이 식각되어 상기 압력챔버(22)와 유로디퓨저(33) 및 유체유로(31)가 동시에 형성됨으로써 하부기판(300)이 완성된다. Next, the upper portion of the
마지막으로 도9에 도시된 바와 같이 상술한 제조공정에 의해 제조된 상부기판(200)과 하부기판(300)은 고분자 접합 재료를 도포한 후 접합하거나 서로 밀착시킨 상태에서 열처리를 통해 직접 접합하는 실리콘직접접합(SDB : Silicon Direct Bonding)에 의해 접합할 수 있으나, 상하 기판의 접합면에 실리콘이 노출된 상태에서 금(Gold) 박막을 양쪽 두 기판의 접합 표면에 입히고, 서로 밀착시켜 압력이 가해진 조건에서 융해(Eutectic Reaction) 반응이 일어나는 온도를 가해줌으로써 상기 실리콘 기판과 금박막 사이에 융해반응을 유도하여 접합하는 방식을 채택하여 헤드를 완성시키는 것이 바람직하다. Finally, as shown in FIG. 9, the
이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하 고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.While the invention has been described and illustrated in connection with a preferred embodiment for illustrating the principles of the invention, the invention is not limited to the construction and operation as shown and described as such. Rather, it will be apparent to those skilled in the art that many changes and modifications to the present invention are possible without departing from the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, all such suitable changes and modifications and equivalents should be considered to be within the scope of the present invention.
상기한 구성과 제작단계를 통해 본 발명은 희생층을 사용하지 않고 단지 2개의 실리콘 기판만을 사용하여 헤드구조를 구현함으로써 보다 단순한 액적분사헤드구조와 그 제작방법을 제공한다. Through the above configuration and fabrication step, the present invention provides a simple droplet ejection head structure and its manufacturing method by implementing the head structure using only two silicon substrates without using a sacrificial layer.
또한 본 발명은 액적분사헤드의 내부구조에 있어서 분사 대상 물질의 분사 성능을 향상시키기 위해서 보다 디퓨저구조를 유로와 유체분사부에 도입함으로써 헤드구조내에서 원활한 흐름과 분사를 유도할 수 있는 유로구조 및 분사구조를 제공한다.In addition, the present invention provides a flow path structure capable of inducing a smooth flow and injection in the head structure by introducing a diffuser structure to the flow path and the fluid injection portion to improve the injection performance of the injection target material in the internal structure of the droplet injection head and Provide an injection structure.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020050059974A KR100641286B1 (en) | 2005-07-05 | 2005-07-05 | Micro high density ink jet print head and method of fabricating the same using piezoelectric film type |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020050059974A KR100641286B1 (en) | 2005-07-05 | 2005-07-05 | Micro high density ink jet print head and method of fabricating the same using piezoelectric film type |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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KR100641286B1 true KR100641286B1 (en) | 2006-11-01 |
Family
ID=37621370
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020050059974A KR100641286B1 (en) | 2005-07-05 | 2005-07-05 | Micro high density ink jet print head and method of fabricating the same using piezoelectric film type |
Country Status (1)
Country | Link |
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KR (1) | KR100641286B1 (en) |
-
2005
- 2005-07-05 KR KR1020050059974A patent/KR100641286B1/en not_active IP Right Cessation
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