KR100644706B1 - 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 잉크젯 프린트헤드는 잉크공급을 위한 매니폴드가 관통되어 형성되며, 표면에는 복수의 히터가 형성된 기판; 기판 상의 각 히터 주위에 서로 이격되게 마련되어 매니폴드로부터 공급되는 잉크가 채워지는 잉크챔버를 형성하는 다수의 필라(pillar); 및 필라들 위에 적층되는 것으로, 잉크챔버 내의 잉크가 외부로 토출되는 노즐이 형성된 노즐층;을 구비한다.

Description

잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법{Inkjet printhead and method of manufacturing the same}

도 1a 및 도1b는 종래 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드의 절개 사시도 및 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 단면도이다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드에서, 히터 및 히터 주위에 마련되는 다수의 필라(pillar)을 도시한 평면도들이다.

도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110... 기판 112... 히터

114... 필라 116... 노즐

118... 노즐층 122... 매니폴드

130... 벽체 140... 패드(pad)

본 발명은 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 고속 인쇄를 구현할 수 있고, 인쇄 품질을 향상시킬 수 있는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 잉크젯 프린트헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린트헤드는 잉크 액적의 토출 메카니즘에 따라 크게 두가지 방식으로 분류될 수 있다. 그 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 열구동 방식의 잉크젯 프린터헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 압전구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이다.

상기 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에서의 잉크 액적 토출 메카니즘을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 저항 발열체로 이루어진 히터에 펄스 형태의 전류가 흐르게 되면, 히터에서 열이 발생되면서 히터에 인접한 잉크는 대략 300℃로 순간 가열된다. 이에 따라 잉크가 비등하면서 버블이 생성되고, 생성된 버블은 팽창하여 잉크 챔버 내부에 채워진 잉크에 압력을 가하게 된다. 이로 인해 노즐 부근에 있던 잉크가 노즐을 통해 액적의 형태로 잉크 챔버 밖으로 토출된다.

이와 같은 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드는 일반적으로 다음과 같은 요건들을 만족하여야 한다. 첫째, 가능한 한 그 제조가 간단하고 제조비용이 저렴하며, 대량 생산이 가능하여야 한다. 둘째, 고화질의 화상을 얻기 위해서는 인접한 노즐 사이의 간섭(cross talk)은 억제하면서도 인접한 노즐 사이의 간격은 가능한 한 좁 아야 한다. 즉, DPI(dots per inch)를 높이기 위해서는 다수의 노즐을 고밀도로 배치할 수 있어야 한다. 셋째, 고속 인쇄를 위해서는, 잉크 챔버로부터 잉크가 토출된 후 잉크 챔버에 잉크가 리필되는 주기가 가능한 한 짧아야 한다. 즉, 가열된 잉크와 히터의 냉각이 빨리 이루어져 구동 주파수를 높일 수 있어야 한다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드의 절개 사시도 및 단면도이다.

도 1a와 도 1b를 참조하면, 종래의 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드는, 기판(10)과, 기판(10) 상에 적층되는 것으로 토출될 잉크(29)가 채워지는 잉크챔버(26)를 한정하는 격벽층(14)과, 잉크챔버(26)의 바닥면에 마련되는 히터(12)와, 격벽층(14) 상에 적층되는 것으로 잉크챔버(26)로부터 잉크 액적(29')이 토출되는 노즐(16)이 형성된 노즐층(18)를 구비하고 있다. 이와 같은 구조에서, 히터(12)에 펄스 형태의 전류가 공급되어 열이 발생되면 잉크챔버(26) 내에 채워진 잉크(29)가 가열되면서 버블(28)이 생성된다. 이렇게 생성된 버블(28)은 계속적으로 팽창하게 되고, 이에 따라 잉크챔버(26) 내에 채워진 잉크(29)에는 압력이 가해져 노즐(16)을 통해 잉크액적(29')이 외부로 토출된다. 그 다음에, 매니폴드(22)로부터 잉크유입구(24)을 통해 잉크 챔버(26) 내부로 잉크(29)가 흡입되어 잉크 챔버(26)는 다시 잉크(29)로 채워진다.

상기와 같은 잉크젯 프린트헤드는 잉크챔버(26)를 형성하기 위하여 격벽층(14)의 내벽이 히터(12) 주위의 3면을 둘러싸는 구조를 취하고 있다. 그러나, 상기와 같은 구조의 잉크젯 프린트헤드에서는, 히터(12)에 의하여 발생된 버블(28)이 잉크를 토출시키는 이외에 잉크를 매니폴드(22) 쪽으로 밀어내는 잉크의 역류 현상이 발생하게 된다. 이러한 잉크의 역류 현상이 심해지면 잉크 토출에 충분한 압력이 전달되지 않아 잉크의 토출 불량이 발생하게 되고, 그 결과 인쇄 품질이 떨어지게 된다. 한편, 잉크의 역류 현상을 줄이기 위하여 잉크유입구(24)에 유체 저항을 증대시키는 리스트릭터가 마련될 수 있으나, 이러한 리스트리터는 잉크가 토출된 후 매니폴드(22)로부터 새로운 잉크가 잉크챔버(26)로 원활하게 공급되지 않아 구동주파수를 떨어뜨리게 되며, 그 결과 고속 인쇄의 구현이 불가능해 진다. 따라서, 버블의 성장으로 인한 잉크의 역류를 감소시키면서, 잉크의 공급을 원활하게 할 수 있는 구조의 잉크젯 프린트헤드의 개발이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 고속 인쇄를 구현할 수 있고, 인쇄 품질을 향상시킬 수 있는 개선된 구조의 열구동 방식 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여,

본 발명의 구현예에 따른 잉크젯 프린트헤드는,

잉크공급을 위한 매니폴드가 관통되어 형성되며, 표면에는 복수의 히터가 형성된 기판;

상기 기판 상의 각 히터 주위에 서로 이격되게 마련되어 상기 매니폴드로부터 공급되는 잉크가 채워지는 잉크챔버를 형성하는 다수의 필라(pillar); 및

상기 필라들 위에 적층되는 것으로, 상기 잉크챔버 내의 잉크가 외부로 토출되는 노즐이 형성된 노즐층;을 구비한다.

여기서, 상기 필라들은 상기 히터 주위를 둘러싸도록 배치되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 기판과 노즐층 사이의 가장자리에는 잉크의 밀봉을 위한 벽체가 마련되는 것이 바람직하다.

본 발명의 구현예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은,

기판의 표면에 복수의 히터를 형성하는 단계;

상기 기판 상의 각 히터 주위에 서로 이격되게 배치되어 잉크챔버의 형성을 위한 다수의 필라를 형성하는 단계;

상기 필라들을 덮도록 상기 기판 상에 희생층을 형성하고, 평탄화 공정을 통하여 상기 필라들 및 희생층을 소정 높이로 가공하는 단계;

상기 희생층 및 필라들의 상면에 노즐이 형성된 노즐층을 적층하는 단계;

상기 기판을 상기 희생층이 노출될 때 까지 식각하여 매니폴드를 형성하는 단계; 및

상기 희생층을 제거하여 상기 잉크챔버를 형성하는 단계;을 포함한다.

도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 존재할 수도 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드를 도시한 단면도이다. 그리고, 도 3a는 도 2에 도시된 히터 및 히터 주위에 배치되는 필라들을 도시한 평면도이다.

도 2 및 도 3a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드는 표면에 복수의 히터(112)가 형성된 기판(110)과, 상기 기판(110) 상의 각 히터(112) 주위에 서로 이격되게 소정 높이로 마련되는 다수의 필라(pillar,114)와, 상기 필라들(114) 위에 적층되는 노즐층(118)을 구비한다. 상기 기판(110)으로는 실리콘 기판이 일반적으로 사용된다. 그리고, 상기 기판(110)에는 잉크공급을 위한 매니폴드(122)가 관통되어 형성되어 있다. 상기 다수의 필라(114)는 도 3a에 도시된 바와 같이 각 히터(112) 주위를 둘러싸도록 마련되어 그 내부에 토출될 잉크가 채워지는 잉크챔버(126)를 형성한다. 상기 노즐층(118)에는 상기 잉크챔버(112)와 연통하여 잉크의 토출이 이루어지는 노즐(116)이 관통되어 형성되어 있다. 한편, 상기 기판(110)과 노즐층(118) 사이의 가장자리에는 잉크가 외부로 누설되지 않도록 벽체(130)가 마련되어 있다. 여기서, 상기 벽체(130)는 필라들(114)과 동일한 높이로 형성된다. 한편, 도 3a에는 각 히터(112) 주위에 삼각형의 단면을 가지는 필라들(114)이 배치되는 경우가 도시되어 있으나, 이외에도 본 실시예에서는 상기 필라들은 다양한 단면형상을 가질 수 있다. 이에 대한 일 예로서, 도 3b에는 사각형의 단면 형상을 가지는 필라들(114a), 도 3c에는 원형의 단면 형상을 가지는 필라들(114b), 도 3d에는 원형 및 삼각형의 단면형상을 가진 필라들(114c)이 도시되어 있다.

상기와 같은 구조에서는, 잉크챔버(126)의 4측면을 이루는 상기 필라들(114) 사이의 공간은 모두 잉크챔버(126)로 잉크가 유입되는 잉크유입로들이 된다. 따라서, 히터(112)에 의한 버블의 생성 성장시 버블이 종래와 같이 하나의 잉크유입로 쪽으로 크게 성장하는 것이 아니라, 필라들(114) 사이에 형성되는 다수의 잉크유입로로 분산되어 성장하기 때문에 잉크의 역류 현상을 방지할 수 있게 되며, 또한 잉크의 토출에 필요한 압력의 손실을 최소화할 수 있다. 그리고, 잉크의 토출 후 새로운 잉크는 매니폴드(122)로부터 상기 필라들(114) 사이의 공간, 즉 다수의 잉크유입로를 통하여 각 잉크챔버(126)로 공급된다. 따라서, 새로운 잉크가 매니폴드(122)로부터 잉크챔버(126)로 원활하게 공급될 수 있으며, 그 결과 구동주파수를 향상시킬 수 있게 된다.

이하에서는, 4a 내지 도 4g를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 설명하기로 한다.

먼저, 도 4a를 참조하면, 소정 두께의 기판(110) 표면에 복수의 히터(112)를 형성한다. 그리고, 이와 동시에 상기 기판(110) 표면의 가장자리에 외부로부터 프린트헤드에 전기신호를 인가하기 위한 패드들(140)을 형성한다. 한편, 도면에는 도시되어 있지 않지만 상기 기판(110)의 표면에는 또한 상기 패드들(140)과 각 히터(112)을 전기적으로 연결하여 상기 히터(112)에 전류를 인가하기 위한 배선들이 형성된다.

이어서, 도 4b를 참조하면, 상기 기판(110) 상에 각 히터(112) 주위를 둘러싸도록 서로 이격되게 마련되어 그 내부에 잉크챔버(도 2의 126)를 형성하는 다수의 필러(114)를 형성한다. 그리고, 이와 동시에 상기 필러들(114)의 외곽에 위치한 기판(110) 상에는 잉크의 밀봉을 위한 벽체(130)를 형성한다. 상기 필러들(114) 및 벽체(130)는 히터들(112)이 형성된 기판(110) 상에 소정의 물질, 예를 들면 수지(resin)를 도포하고, 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다.

다음으로, 도 4c를 참조하면, 상기 기판(110) 상에 필러들(114) 및 벽체(130)를 덮도록 희생층(150)을 소정 두께로 도포한다. 이에 따라, 상기 필러들(114)에 의하여 형성된 잉크챔버(126)는 희생층(150)으로 채워지게 된다. 그리고, 도 4d를 참조하면, 잉크챔버(126)를 원하는 높이로 형성하기 위하여 평탄화 공정, 예를 들면 화학적 기계적 평탄화(CMP; Chemical Mechanical Polishing)공정을 통하여 상기 희생층(150)과 상기 필러들(114) 및 벽체(130)의 상부를 평탄화시킨다.

이어서, 도 4e를 참조하면, 희생층(150), 필러들(114) 및 벽체(130)의 평탄화된 상면에 노즐들(116)이 형성된 노즐층(118)을 적층한다. 여기서, 상기 노즐층(118)은 상기 희생층(150), 필러들(114) 및 벽체(130)의 상면에 소정 물질을 도포하고, 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다.

다음으로, 도 4f를 참조하면, 기판(110)의 배면쪽을 상기 희생층(150)의 하면이 노출될 때 까지 식각하게 되면, 상기 기판(110)에는 잉크공급을 위한 매니폴드(122)가 관통되어 형성된다.

마지막으로, 도 4g를 참조하면, 노즐들(116) 및 매니폴드(122)를 통하여 희생층(150)을 식각하여 제거하게 되면, 각 히터(112) 주위에 배치되는 필라들(114) 이 그 안쪽에 잉크챔버(126)를 형성하게 된다. 그리고, 이때 상기 기판(110) 표면의 가장 자리에 형성되어 있는 패드들(140)도 노출되게 된다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 다수의 필라가 각 히터 주위를 둘러싸도록 마련됨으로써 잉크챔버의 측면 모두가 잉크챔버로 잉크가 유입되는 잉크유입로들이 된다. 이에 따라, 버블이 종래와 같이 하나의 잉크유입로 쪽으로 크게 성장하는 것이 아니라, 다수의 잉크유입로로 분산되어 성장하기 때문에 잉크의 역류 현상을 방지할 수 있게 되며, 잉크의 토출에 필요한 압력의 손실을 최소화할 수 있으므로 인쇄 품질을 향상시킬 수 있다. 그리고, 잉크의 토출 후 새로운 잉크는 매니폴드로부터 필라들 사이에 형성되는 다수의 잉크유입로를 통하여 각 잉크챔버로 원활하게 공급할 수 있으므로 구동주파수를 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 잉크공급을 위한 매니폴드가 관통되어 형성되며, 표면에는 복수의 히터가 형성된 기판;

   상기 기판 상의 각 히터 주위에 서로 이격되게 마련되어 상기 매니폴드로부터 공급되는 잉크가 채워지는 잉크챔버를 형성하는 다수의 필라(pillar); 및

   상기 필라들 위에 적층되는 것으로, 상기 잉크챔버 내의 잉크가 외부로 토출되는 노즐이 형성된 노즐층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 필라들은 상기 히터 주위를 둘러싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판과 노즐층 사이의 가장자리에는 잉크의 밀봉을 위한 벽체가 마련되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
4. 기판의 표면에 복수의 히터를 형성하는 단계;

   상기 기판 상의 각 히터 주위에 서로 이격되게 배치되어 잉크챔버의 형성을 위한 다수의 필라를 형성하는 단계;

   상기 필라들을 덮도록 상기 기판 상에 희생층을 형성하고, 평탄화 공정을 통하여 상기 필라들 및 희생층을 소정 높이로 가공하는 단계;

   상기 희생층 및 필라들의 상면에 노즐이 형성된 노즐층을 적층하는 단계;

   상기 기판을 상기 희생층이 노출될 때 까지 식각하여 매니폴드를 형성하는 단계; 및

   상기 희생층을 제거하여 상기 잉크챔버를 형성하는 단계;을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 필라들은 상기 히터 주위를 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.

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