KR100687570B1 - 잉크젯 헤드용 노즐 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

잉크젯 헤드용 노즐 및 그 제조방법이 개시된다. 노즐홀이 천공된 제1 기판과, 제1 기판에 적층되며, 노즐홀에 대응하는 부분이 천공된 중간층과, 중간층에 적층되며, 노즐홀에 대응하는 부분이 천공된 제2 기판을 포함하되, 노즐홀의 내주면과 제1 기판상의 노즐홀 주변에 발수층이 결합되는 잉크젯 헤드용 노즐은, 발수층의 깊이를 균일하게 제어할 수 있고 노즐 후면까지 발수층이 증착되는 것을 방지할 수 있으므로, 발수처리된 노즐들의 균일성 및 재현성이 향상되는 효과가 있다.
잉크젯, 헤드, 노즐, 발수층, 발수처리, MEMS

Description

잉크젯 헤드용 노즐 및 그 제조방법{Nozzle for ink jet head and method of the same}
도 1은 종래의 복합 도금법에 의한 잉크젯 헤드용 노즐의 발수처리 방법을 나타낸 개념도.
도 2는 종래의 진공 증착법에 의한 잉크젯 헤드용 노즐의 발수처리 방법을 나타낸 개념도.
도 3은 잉크젯 헤드용 노즐의 발수층을 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드용 노즐의 구조를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 제조방법을 나타낸 순서도.
도 6는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 제조공정을 도시한 개념도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
120 : 제1 기판 122 : 노즐홀
124, 144 : 산화막 130 : 중간층
140 : 제2 기판 141 : 발수층
142 : 잉크유로 146 : 압력챔버
본 발명은 노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 잉크젯 헤드용 노즐 및 그 제조방법에 관한 것이다.
잉크젯 프린터는 헤드의 내부에 형성되어 있는 압력챔버에 구동력을 인가하여 잉크액적이 노즐을 통해 분사되도록 함으로써 인쇄를 수행하는 장치이다. 잉크젯 헤드의 노즐을 통해 분사되는 잉크는 통상 액적의 형태로 분사되며, 잉크젯 헤드의 인쇄 기능을 높이기 위해서는 잉크가 완전한 액적 형태로 안정되게 분사되어야 한다.
이를 위해 잉크젯 헤드의 노즐 부위에는 발수(Hydrophobicity)처리가 필요하며, 이와 같은 발수처리를 통해 노즐에서 잉크 액적의 매니스커스(Meniscus)가 원활하게 형성되도록 하는 것이다.
일반적으로 잉크젯 헤드의 노즐표면이 발수성을 가져야 하는 이유는, 잉크의 분사가 반복됨으로써 노즐 표면이 젖게 되는 웨팅(wetting) 현상이 발생하기 때문이다. 이러한 웨팅 현상이 발생하면 분사되는 잉크가 노즐의 표면에 젖어있는 잉크와 덩어리를 형성하게 되고, 이에 따라 분사되는 잉크가 완전한 액적의 형태를 가지지 못한 채 흘러내리게 된다. 그 결과 인쇄의 품질이 저하되고 잉크액적의 분사 후 형성되는 매니스커스도 불안정하게 된다. 즉, 잉크젯을 통한 인쇄의 신뢰성 을 확보하기 위해서는 잉크젯 헤드의 노즐 표면을 효과적으로 발수처리하는 것이 필수적이라고 할 수 있다.
잉크젯 헤드의 노즐에 발수처리를 하기 위해, 종래에는 전주 도금법에 의하여 노즐을 형성하는 방법, 마이크로 펀칭과 연마 공정에 의하여 노즐을 형성하는 방법 등이 사용되어 왔다. 상기 방법들에 의하여 형성되는 노즐의 출구 부위는 잉크젯 헤드에서 분사되는 잉크 액적의 크기, 잉크의 분사 성능, 잉크 분사의 안정성 및 연속 분사에 중요한 영향을 미치는 인자이다.
종래의 전주 도금법은 반영구적으로 잉크젯 프린터 헤드의 노즐 표면을 발수처리하기 위해 발수성 물질을 일정 조건의 전장이 걸린 도금조에서 도금처리하는 방법이다. 이 경우 발수성 물질은 테플론(Teflon)계 물질이 주로 사용되며, 테플론계 물질중 대표적인 것은 PTFE(Polytetrafluroethylene)이다.
이러한 PTFE를 사용하여 노즐의 표면을 발수처리하기 위해서는 일정 조건의 전장이 걸린 도금조에서 PTFE를 복합도금 처리하는 방법을 사용한다. 이러한 복합도금에 의한 발수처리 방법은 방향성이 없으므로 발수층이 형성되어야 할 노즐의 표면만이 아니라 발수층이 형성되어서는 안 될 노즐의 후면까지 도금되어 발수층이 형성된다.
따라서 복합 도금법에 의하여 발수처리를 하는 경우에는 노즐의 후면에 발수층이 형성되는 것을 방지하기 위한 전처리가 추가로 필요하게 된다. 즉, 노즐의 표면에만 발수처리하기 위해서 종래에는 노즐의 후면에 부도체로 절연막을 형성한 후 발수층을 도금함으로써 노즐의 후면에는 발수층이 형성되지 않도록 하였다.
여기서 절연막으로 사용되는 대표적인 물질은 포토레지스터이며 이와 같은 포토레지스터를 이용하여 노즐의 후면에 절연막을 형성하는 방법은 도 1에 도시된 바와 같다. 도 1은 종래의 복합 도금법에 의한 잉크젯 헤드용 노즐의 발수처리 방법을 나타낸 개념도이다.
도 1과 같이 노즐에 발수처리를 하기 전에 먼저 노즐(10)의 후면에 포토레지스터를 스크린 프린팅 등의 방법으로 도포하여 절연막(12)을 형성한다. 절연막(12) 형성 후 일반적인 방법인 복합 도금처리 공정에 의하여 PTFE의 발수층(14)을 노즐(10)의 표면에 형성한다.
도 2는 종래의 진공 증착법에 의한 잉크젯 헤드용 노즐의 발수처리 방법을 나타낸 개념도로서, 노즐의 후면에 진공 증착법의 직진성을 이용하여 균일한 부도체박막을 형성하고 노즐 전면에 전체적으로 발수 물질을 도금하는 방법을 도시한 것이다.
도 2와 같이 노즐(30)의 전면에 발수처리를 하기 전에 노즐의 후면에 진공 증착법에 의하여 부도체 박막(32)을 형성한다. 부도체 박막(32)이 형성된 노즐(30)의 전면에 테플론계 발수 물질을 도금하여 발수층(34)을 형성한다. 발수층(34) 형성 후 노즐(30)을 열처리하여 발수처리를 완료한다.
일반적으로 잉크젯 헤드용 노즐의 발수층은 노즐의 입구에 위치하며, 노즐 내부로 수 ㎛ 안쪽까지 형성된다. 전술한 종래의 잉크젯 헤드용 노즐의 발수층 형성 방법들은 노즐 후면에 발수층이 증착되는 것을 완전하게 방지하기 어렵고, 발수층이 노즐 내부로 균일한 깊이로 형성되도록 제어하는 것이 곤란하다는 문제가 있 다. 이로 인해, 발수처리 후 액적 분사시 액적의 크기가 균일하지 못하거나 반복 인쇄의 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 전술한 종래 기술은 공정이 복잡하여 공정 조건을 관리하기 어렵고, 발수처리를 위해 코팅된 노즐 플레이트의 수율이 낮거나 노즐마다 코팅된 정도가 불균일하다는 문제점이 있다.
잉크젯 헤드용 노즐의 발수처리에 관한 종래기술들 중, 콘택트 프린팅 방법을 사용하여 안정적으로 발수층 형성하기 위한 발명의 경우 발수층을 노즐 내부로 균일한 깊이로 형성하기 어렵다는 문제가 있고, 발수층을 형성한 후 노즐을 후가공함으로써 노즐의 정밀도를 향상시키기 위한 발명의 경우 발수층을 노즐 내부로 균일한 깊이로 형성하기 어렵다는 문제가 있으며, 잉크젯 헤드의 노즐구조를 MEMS 공정을 적용하여 제조하는 발명의 경우 발수층을 노즐 내부로 균일한 깊이로 형성하기 위한 기술은 개시되어 있지 않다는 한계가 있다.
본 발명은 잉크젯 헤드의 노즐에 형성되는 발수층의 깊이를 균일하게 제어하고, 노즐의 발수처리를 용이하게 하기 위한 잉크젯 헤드용 노즐 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 노즐홀이 천공된 제1 기판과, 제1 기판에 적층되며, 노즐홀에 대응하는 부분이 천공된 중간층과, 중간층에 적층되며, 노즐홀에 대응하는 부분이 천공된 제2 기판을 포함하되, 노즐홀의 내주면과 제1 기판상의 노 즐홀 주변에 발수층이 결합되는 잉크젯 헤드용 노즐이 제공된다.
제1 기판 또는 제2 기판은 단결정 실리콘을 포함하며, 중간층은 산화막인 것이 바람직하다. 발수층은 테플론(Teflon)계 물질 또는 파릴린(Parylene)을 포함할 수 있다. 발수층은 진공 증착법 또는 도금법에 의해 결합되는 것이 바람직하다.
또한, 노즐홀이 천공된 제1 기판과, 노즐홀의 내주면과 제1 기판상의 노즐홀 주변에 결합되는 발수층과, 제1 기판에 적층되며, 노즐홀에 대응하는 부분이 천공된 중간층과, 중간층에 적층되며, 노즐홀에 대응하는 부분이 천공된 제2 기판을 포함하되, 제2 기판에는 압력챔버, 잉크유로, 잉크주입 채널, 매니폴드 중 어느 하나 이상을 포함하는 헤드구조가 형성되는 잉크젯 헤드가 제공된다.
제1 기판 또는 제2 기판은 단결정 실리콘을 포함하며, 중간층은 산화막인 것이 바람직하다. 노즐홀은 및 헤드구조는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정에 의해 형성될 수 있다.
또한, (a) 제1 기판과 제2 기판이 중간층을 개재하여 접합된 SOI(Silicon on Insulator) 기판의 표면에 산화막을 증착하는 단계, (b) 제1 기판에 노즐홀을 형성하고, 제2 기판에 노즐홀의 위치에 대응하는 잉크유로를 포함한 헤드구조를 형성하는 단계, (c) 제1 기판의 표면 및 노즐홀의 내주면에 발수층을 증착하는 단계, 및 (d) 중간층을 천공하여 잉크유로와 노즐홀을 연결하는 단계를 포함하는 잉크젯 헤드의 제조방법이 제공된다.
단계 (a)는 산화막을 증착하기 전에 제1 기판을 래핑(lapping)하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제1 기판 또는 제2 기판은 단결정 실리콘을 포함하며, 중간층 은 산화막인 것이 바람직하다. 단계 (b)는 패터닝 및 식각공정에 의해 수행될 수 있다. 식각공정은 실리콘은 식각되고, 산화막은 식각되지 않는 공정으로, ICP RIE(Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etch)인 것이 바람직하다.
헤드구조는 압력챔버, 잉크주입 채널, 매니폴드 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 노즐홀 및 잉크유로는 각각 중간층에 접하도록 형성되는 것이 바람직하다. 발수층은 진공 증착법 또는 도금법에 의해 증착되는 것이 바람직하다.
단계 (b) 또는 단계(c)에 후행하여 제2 기판에 산화막을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다. 단계 (d)에서 중간층은 엑시머 레이저(excimer laser) 또는 MEMS 공정을 이용하는 건식 또는 습식 식각방법에 의해 천공될 수 있다. 단계 (c)는 발수층을 패터닝 및 식각하여 노즐홀 부분 외의 발수층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드용 노즐 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 잉크젯 헤드용 노즐의 발수층을 도시한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 노즐(120a), 노즐홀(122), 발수층(141)이 도시되어 있다.
일반적으로 잉크젯 헤드용 노즐의 발수층은 도 3과 같은 형상을 가지고 있다. 즉, 발수층(141)이 노즐표면으로부터 노즐홀의 안쪽으로 수 ㎛까지 위치하도록 증착되는 것이 보통이다.
발수층(141)은 전술한 바와 같이 잉크액적의 분사 및 매니스커스(Meniscus) 형성을 원활하게 하는 역할을 하므로, 발수처리가 용이하고 발수층(141)이 형성되는 깊이를 균일하게 제어하는 것이 인쇄품질의 신뢰성 및 수율을 향상시키는 데에 있어서 매우 중요하다.
본 발명 잉크젯 헤드용 노즐은 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼(wafer)를 이용하여 제작함으로써, 발수층(141)이 노즐홀(122)의 안쪽으로 증착되는 깊이의 제어를 용이하게 하고, 노즐 후면에는 발수층이 형성되는 것을 방지한 것이다.
또한, 본 발명 잉크젯 헤드의 제조방법은, SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(wafer)의 상부에 산화막을 개재하여 실리콘을 래핑(lapping)하여 준비하는 단계와, 하부 실리콘 기판을 MEMS 공정을 이용하여 식각(etching)하여 잉크젯 헤드의 내부구조인 압력챔버, 공통 잉크 유로, 잉크 주입 채널, 매니폴드 등을 형성하는 단계와, SOI 웨이퍼의 상부 실리콘 기판의 두께가 조절가능하다는 특성을 이용하여 상부 기판을 그 두께만큼만 식각하는 단계와, SOI 기판의 중간에 개재된 산화막을 이용하여 발수층을 상부 실리콘 기판에만 증착하고 하부 실리콘 기판에 형성되는 것을 방지하는 단계와, MEMS 공정을 이용하여 노즐 주변에 증착된 발수층을 필요한 부분만을 남기고 제거하는 단계와, 상부 기판과 하부 기판 사이에 개재된 산화막을 관통하여 식각하는 단계를 포함하는 것으로써 노즐홀 안쪽으로 균일한 깊이로 발수층을 형성하는 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드용 노즐의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 4를 참조하면, 제1 기판(120), 내주면(121), 노즐홀(122) 산화막(124, 144), 중간층(130), 제2 기판(140), 발수층(141), 잉크유로(142), 압력챔버(146)가 도시되어 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 사이에 중간층(130)을 개재한 제1 기판(120) 및 제2 기판(140)은 실리콘과 실리콘을 산화막을 중간층으로 하여 접합한 SOI 웨이퍼로서, 상부 실리콘을 래핑(lapping)함으로써 원하는 두께로 제어할 수 있다는 특징을 가지고 있다.
이와 같이 구성된 SOI 기판에 MEMS 공정을 이용하여 제2 기판(140)에 매니폴드(미도시), 공통 잉크 유로(미도시), 압력챔버(146) 및 잉크 주입 채널(미도시)과 같은 헤드에 필요한 구조를 형성한다. 이 과정에서 제2 기판(140)은 건식(ICP RIE: Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etch) 또는 습식 비등방성 식각 공정(TMAH 에칭, KOH 등)으로 가공하게 되는데, 상기 식각 공정들은 중간층(130)인 산화막까지만 식각이 되고 산화막은 식각되지 않는 특성을 있으므로 노즐홀(122)이 형성되는 제1 기판(120)은 제2 기판(140)의 가공에 영향을 받지 않고 보호할 수 있다.
한편, 잉크가 토출되는 노즐 부위인 제1 기판(120)에 노즐홀(122)을 형성하는 과정은 미리 제어된 상부 실리콘의 두께만큼을 식각하는 것이므로, 이 과정에서 발수층(141)이 노즐홀(122)의 안쪽으로 증착되는 깊이가 제어될 수 있다. 이 깊이는 SOI 웨이퍼 제작 당시에 원하는 두께로 상부 실리콘을 래핑함으로서 조절된다.
노즐홀(122)을 형성하기 위해 제1 기판(120)에 건식(Dry) 또는 습식(Wet) 식각 공정을 수행하는데, 이 때 제1 기판(120)은 중간층(130)인 산화막까지만 식각되고 산화막은 식각이 되지 않는 특성을 이용하여 발수층(141)이 형성될 노즐홀(122)의 깊이를 조절할 수 있다.
즉, 미리 조절된 제1 기판(120)의 두께만큼 식각된 노즐홀(122)에 테플론(Teflon), PTFE(Polytetrafluroethylene), 파릴린(Parylene) 등을 진공 증착법 또는 도금 등의 방법으로 증착한다. 이 때 중간층(130)인 산화막 때문에 발수층(141) 증착시 노즐 후면에 발수층이 증착되는 것을 방지할 수 있다.
증착된 발수층(141)을 O2 플라즈마(plasma) 에칭 또는 리프트 오프(Lift-off) 등의 MEMS 공정으로 제거하여 노즐홀(122)의 주변 및 내주면(121)과 같이 원하는 부위에만 발수층(141)이 증착되도록 한다. 다음으로 건식, 습식 식각 또는 엑시머 레이저(excimer laser) 등을 사용하여 산화막을 관통시켜 잉크가 분사될 수 있도록 경로를 형성한다.
본 발명 잉크젯 헤드용 노즐은, 중간층(130)을 사이에 개재하여 결합된 제1 기판(120)과 제2 기판(140)에 있어서, 제1 기판(120)의 두께를 조절할 수 있고 중간층(130)이 식각되지 않는 성질을 이용하여 제1 기판(120)에는 필요한 깊이만큼 노즐홀(122)을 천공하고 노즐홀(122)에 발수층(141)을 증착시킨 후, 제2 기판(140)에는 잉크유로(142)를 형성하고 노즐홀(122)과 잉크유로(142)를 연결함으로써 발수층(141)이 증착되는 깊이를 균일하게 제어할 수 있다.
즉, 본 발명 잉크젯 헤드용 노즐은 노즐홀(122)이 천공된 제1 기판(120)에, 노즐홀(122)에 대응하는 부분이 천공된 중간층(130) 및 노즐홀(122)에 대응하는 부분이 천공된 제2 기판(140)이 적층되고, 노즐홀(122)의 주변 및 내주면(121)에 발수층(141)이 증착되는 구조로 이루어진다.
또한, 이와 같은 구조의 잉크젯 헤드는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정에 의해 제조되는 것이 바람직하다. MEMS, 즉 마이크로 전자기계 시스템은 전자기계 소자를 육안으로는 보이지 않을 정도로 작은 마이크로 규모로 제작하는 기술로서, 아주 작은 기계 구조물을 제작하는 모든 분야에 응용되는 기술이다.
MEMS 기술은 미세 가공 기술을 마이크로 단위의 초소형 센서나 구동기 및 전기 기계적 구조물을 제작하는데 응용한 것으로, 기존의 반도체 공정, 특히 집적회로 기술을 응용한 미세 가공 기술에 해당한다. 이와 같은 MEMS 가공기술로 제작된 미세 기계는 ㎛ 이하의 정밀도까지 구현할 수 있다.
잉크젯 헤드용 노즐 및 발수층은 ㎛ 단위의 크기를 갖는 기계적 구조물이므로 전술한 MEMS 공정에 의해 제조되는 것이 좋다. 다만, 본 발명이 잉크젯 헤드구조의 제조공정을 MEMS에 한정하는 것은 아니며, 당업자에게 자명한 범위 내에서 발명의 효과를 도출할 수 있는 모든 제조공정을 포함할 수 있음은 물론이다.
MEMS 공정을 적용하기 위해서는 제1 기판(120)과 제2 기판(140)은 단결정 실리콘을 포함하는 실리콘 기판이고, 중간층(130)은 산화막인 것이 바람직하다. 즉, 실리콘 기판의 경우 MEMS 제조공정을 적용하여 패터닝 및 식각에 의해 노즐홀(122) 및 헤드구조를 형성하는 데에 적합하며, 산화막의 경우 제1 기판(120)과 제2 기판(140) 사이를 차단하여 노즐홀(122)에 증착되는 발수층(141)이 제2 기판(140)까지 증착되지 않도록 하는 데에 적합하다.
다만, 본 발명이 반드시 기판(120, 140) 및 중간층(130)의 재질로서 실리콘 기판 및 산화막에 한정되는 것은 아니며, 잉크젯 헤드구조를 형성하고 노즐홀(122)과 헤드구조 간의 경계를 유지할 수 있는 당업자에게 자명한 범위 내에서 다른 재질이 적용될 수 있음은 물론이다.
전술한 바와 같이, 발수층(141)은 테플론(Teflon)계 물질, 파릴린(Parylene) 등이 바람직하며, 발수층(141)은 진공 증착법 또는 도금법에 의해 증착된다. 발수층(141)의 재질 및 증착방법은 공지된 기술을 응용하여 적용할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기와 같은 노즐을 구비한 잉크젯 헤드는 제2 기판(140)에 노즐홀(122)과 연결되는 잉크유로(142) 및 압력챔버(146), 잉크유로, 잉크주입 채널, 매니폴드 등 잉크액적의 분사를 위한 헤드구조를 형성함으로써 이루어진다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 제조방법을 나타낸 순서도이고, 도 6는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 제조공정을 도시한 개념도이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 기판(120), 내주면(121), 노즐홀(122) 산화막(124, 144), 중간층(130), 제2 기판(140), 발수층(141), 잉크유로(142), 압력챔버(146)가 도시되어 있다.
본 발명에 다른 잉크젯 헤드의 제조는, 먼저 제1 기판(120)과 제2 기판(140) 사이에 중간층(130)을 개재하여 접합된 SOI(Silicon on Insulator) 기판을 준비하고 그 표면에 산화막(124, 144)을 증착시킨다(100). 제1 기판(120)의 두께는 노즐홀(122)의 안쪽으로 발수층(141)이 증착되는 깊이에 해당하게 되므로 필요한 두께의 제1 기판(120)을 접합하거나, 또는 산화막(124)을 증착하기 전에 발수층(141)의 증착 깊이에 대응하여 제1 기판(120)을 래핑(lapping)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 패터닝 및 식각 공정에 의해 제1 기판(120)에 노즐홀(122)을 형성하고 제2 기판(140)에 잉크유로(142)를 포함한 헤드구조를 형성한다(102). 여기서 상기 잉크유로(142)는 잉크액적이 분사되는 통로에 해당하므로 제1 기판(120)에 형성된 노즐홀(122)의 위치에 대응하도록 해야 한다.
다음으로, 노즐홀(122)이 형성되어 있는 제1 기판(120)의 표면 및 노즐홀(122)의 내주면(121)에 발수층을 증착한다(104). 발수층(141)의 증착은 전술한 바와 같이 진공 증착법 또는 도금법 등 공지된 기술을 적용할 수 있다. 노즐홀(122)에 증착되는 발수층(141)은 중간층(130) 때문에 제2 기판(140)까지 적용되지 않게 되며, 제1 기판(120)에 형성된 노즐홀(122)의 깊이만큼만 안쪽으로 증착된다.
따라서, 중간층(130)이 식각되지 않는 성질을 이용하여 제1 기판(120)의 두께만큼만 노즐홀(122)을 형성한 경우, 결과적으로 제1 기판(120)의 두께를 조절함으로써 노즐홀(120)의 안쪽으로 증착되는 발수층(141)의 깊이를 제어할 수 있게 된다. 제1 기판(120)의 두께는 접합 후 래핑 등을 통해 조절할 수 있음은 전술한 바와 같다.
산화막(124, 144)의 증착 후 제1 기판(120)에 형성된 노즐홀(122)과 제2 기 판(140)에 형성된 잉크유로(142) 사이에는 중간층(130) 및 이에 증착된 산화막(124)만이 존재하게 된다. 따라서, 마지막으로 잔존하는 중간층(130)을 천공하여 잉크유로(142)와 노즐홀(122)을 연결하게 되면 잉크젯 헤드가 완성된다(108). 이를 위해 제1 기판(120)에 형성되는 노즐홀(122)과 제2 기판(140)에 형성되는 잉크유로(142)는 서로 대응되는 위치에서 각각 중간층(130)에 접하도록 형성되는 것이 좋다.
전술한 바와 같이 이와 같은 공정은 MEMS 공정에 의해 수행될 수 있으며, 이를 위해 제1 기판(120) 및 제2 기판(140)은 단결정 실리콘층이고, 중간층(130)은 산화막인 것이 바람직하다.
본 발명은 노즐홀(122)측인 제1 기판(120)과 잉크유로(142)측인 제2 기판(140) 사이에 중간층(130)인 산화막을 잔존시켜 노즐홀(122)에 증착되는 발수층(141)의 깊이를 균일하게 제어하기 위한 것이므로, 제1 기판(120)에 노즐홀(122)을 형성하고 제2 기판(140)에 잉크유로(142)를 포함한 헤드구조를 형성하는 식각 공정은, 실리콘은 식각되고 산화막은 식각되지 않는 공정인 것이 좋다. ICP RIE(Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etch)도 바람직하다.
물론 이와 같은 선택적 식각 공정은 제1 기판(120), 제2 기판(140) 및 중간층(130)의 재질에 따라 기판은 식각되고 중간층은 식각되지 않도록 하는 공정으로 하는 것이 좋다.
제2 기판(140)에 형성되는 헤드구조는 잉크유로(142) 뿐만 아니라 압력챔버(146), 잉크주입 채널(미도시), 매니폴드(미도시) 등 잉크가 분사되도록 하는 헤드 구조를 모두 포함하는 것이 좋다. 이를 통해 한 번의 공정으로 노즐에 발수층이 증착된 구조를 포함한 전체 잉크젯 헤드를 제조할 수 있다. 물론 필요에 따라 일부의 구조물은 별도로 제작된 후 조립될 수도 있다.
제2 기판(140)에 헤드구조를 형성한 후 그 표면에 산화막(144)을 증착한다. 이와 같이 패터닝, 식각, 산화막 증착의 공정은 헤드구조의 단차, 구조 등 형상에 따라 수회 반복될 수 있다. 제2 기판(140)의 표면에 산화막(144)을 증착하는 공정은 제1 기판(120)에 적용되는 공정의 순서와는 독립적으로 할 수 있다. 즉, 제2 기판(140)에 산화막(144)을 증착하는 공정이 반드시 제2 기판(140)에 헤드구조를 형성한 직후에 수행되어야 하는 것은 아니다.
마지막 단계인 중간층(130)의 천공은 레이저 또는 식각에 의해 수행된다. 중간층(130)의 천공을 위한 식각 공정은 산화막을 제거할 수 있는 식각 방법이어야 함은 당업자에게 자명하다. 또한, 전술한 바와 같이 중간층(130)의 재질에 대응하여 이를 제거할 수 있는 다른 방법도 포함될 수 있음은 물론이다.
노즐홀(122)이 형성된 제1 기판(120)의 표면에 발수층(141)을 증착한 후 상기 발수층(141)은 패터닝 및 식각에 의해 필요한 부분 외의 부분에서 제거되도록 할 수 있다. 필요한 부분에만 발수층을 잔존시키고 나머지 부분을 제거하는 방법에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하 도 6을 참조하며 본 발명에 따른 잉크젯 헤드용 노즐의 제조 공정을 설명한다.
먼저, 도 6의 (a)와 같이 발수층(141)이 증착될 깊이만큼의 두께(수 ㎛~수 백 ㎛)를 가진 제1 기판(120)이 접합된 SOI(Silicon on insulator) 웨이퍼를 준비한다. 도 6의 (b)와 같이 SOI 웨이퍼의 표면에 산화막(124, 144)을 수㎛ 성장시킨다.
도 6의 (c)와 같이 제2 기판(140)의 산화막(144)을 일 회 또는 수 회 패터닝, 식각하여 잉크젯 헤드에 필요한 잉크 유로(142), 압력챔버(146), 잉크 주입 채널, 매니폴드 등의 헤드구조를 형성한다. 공정상 복잡성 등의 이유로 한꺼번에 제작하지 못하는 부분은 다른 기판에서 제작하여 나중에 접합할 수도 있음은 물론이다.
도 6의 (d)와 같이 헤드구조가 형성된 제2 기판(140)의 표면에 다시 산화막(144)을 수 ㎛ 성장시킨다. 이 단계에서 잉크액적의 분사를 원활히 하기 위해 잉크유로(142)의 내부는 진공 증착법 등을 이용한 증착에 의해 친수화(Hydrophilicity)할 수 있다.
도 6의 (e)을 참조하면 제1 기판(120)의 산화막(124)을 패터닝, 식각하여 노즐홀(122)을 형성한다. 여기서 식각은 건식 식각(ICP RIE: Inductive Coupled Plasma Reactive Ion etch) 방법을 사용하여 실리콘을 수직으로 식각할 수 있다. 다만, 본 발명이 식각방법을 한정하는 것은 아니며, 노즐홀, 헤드구조 등의 형성, 발수층 제거, 산화막 관통에 적용할 수 있는 당업자에게 자명한 모든 식각방법을 포함할 수 있다.
도 6의 (f)를 참조하면 테플론(Teflon)계 물질, 파릴린(Parylene) 등의 발수층(141)을 진공증착법을 이용하여 균일하게 증착한다. 이 때 중간층(130)인 산화 막이 제1 기판(120)과 제2 기판(140)을 차단하기 때문에 발수층(141)이 노즐 후면인 제2 기판(140)에까지 증착되는 것을 방지할 수 있다.
도 6의 (g)를 참조하면 O2 플라즈마(plasma) 에칭(etching) 식각 또는 리프트 오프(Lift-off) 등과 같은 MEMS 공정을 이용하여 제1 기판(120)의 표면에 전체적으로 형성된 발수층(141)을 필요한 부분만 남기고 제거한다.
도 6의 (h)를 참조하면 노즐홀(122)과 잉크유로(142)의 사이에 잔존하는 산화막을 관통함으로써 발수층(141)이 균일한 깊이로 증착된 노즐구조가 제조되며, 잉크유로(142)를 통해 공급된 잉크액적의 분사 및 노즐에서의 매니스커스(Meniscus)의 형성이 원활하게 이루어진다.
본 발명의 기술 사상이 상술한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상술한 실시예는 그 설명을 위한 것이지 그 제한을 위한 것이 아니며, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 발수층의 깊이를 균일하게 제어할 수 있고 노즐 후면까지 발수층이 증착되는 것을 방지할 수 있으므로, 발수처리된 노즐들의 균일성 및 재현성이 향상되는 효과가 있다. 또한 발수처리된 노즐들이 균일하므로 분사되는 잉크 액적의 크기가 균일하게 되고, 발수처리에 의해 잉크젯 헤드의 노즐에 웨팅(wetting) 현상이 발생하지 않으므로 인쇄 성능이 향상된다.

Claims (20)

  1. 노즐홀이 천공된 제1 기판과;
    상기 제1 기판에 적층되며, 상기 노즐홀에 대응하는 부분이 천공된 중간층과;
    상기 중간층에 적층되며, 상기 노즐홀에 대응하는 부분이 천공된 제2 기판을 포함하되,
    상기 노즐홀의 내주면과 상기 제1 기판상의 상기 노즐홀 주변에 발수층이 결합되며,
    상기 중간층은, 상기 노즐홀을 천공하기 위해 상기 제1 기판을 식각하는 공정에 의해 식각되지 않는 재질인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드용 노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판은 단결정 실리콘을 포함하는 잉크젯 헤드용 노즐.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중간층은 산화막인 잉크젯 헤드용 노즐.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발수층은 테플론(Teflon)계 물질 또는 파릴린(Parylene)을 포함하는 잉크젯 헤드용 노즐.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발수층은 진공 증착법 또는 도금법에 의해 결합되는 잉크젯 헤드용 노즐.
  6. 노즐홀이 천공된 제1 기판과;
    상기 노즐홀의 내주면과 상기 제1 기판상의 상기 노즐홀 주변에 결합되는 발수층과;
    상기 제1 기판에 적층되며, 상기 노즐홀에 대응하는 부분이 천공된 중간층과;
    상기 중간층에 적층되며, 상기 노즐홀에 대응하는 부분이 천공된 제2 기판을 포함하되,
    상기 제2 기판에는 압력챔버, 잉크유로, 잉크주입 채널, 매니폴드 중 어느 하나 이상을 포함하는 헤드구조가 형성되며,
    상기 중간층은, 상기 노즐홀을 천공하기 위해 상기 제1 기판을 식각하는 공정에 의해 식각되지 않는 재질인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판은 단결정 실리콘을 포함하며, 상기 중간층은 산화막인 잉크젯 헤드.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 노즐홀은 및 상기 헤드구조는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정에 의해 형성되는 잉크젯 헤드.
  9. (a) 제1 기판과 제2 기판이 중간층을 개재하여 접합된 SOI(Silicon on Insulator) 기판의 표면에 산화막을 증착하는 단계;
    (b) 상기 제1 기판에 노즐홀을 형성하고, 상기 제2 기판에 상기 노즐홀의 위치에 대응하는 잉크유로를 포함한 헤드구조를 형성하는 단계;
    (c) 상기 제1 기판의 표면 및 상기 노즐홀의 내주면에 발수층을 증착하는 단계; 및
    (d) 상기 중간층을 천공하여 상기 잉크유로와 상기 노즐홀을 연결하는 단계를 포함하는 잉크젯 헤드의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단계 (a)는 산화막을 증착하기 전에 제1 기판을 래핑(lapping)하는 단계를 더 포함하는 잉크젯 헤드의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판은 단결정 실리콘을 포함하며, 상기 중간층은 산화막인 잉크젯 헤드의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 단계 (b)는 패터닝 및 식각공정에 의해 수행되는 잉크젯 헤드의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 식각공정은 실리콘은 식각되고, 산화막은 식각되지 않는 공정인 잉크젯 헤드의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 식각공정은 ICP RIE(Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etch)인 잉크젯 헤드의 제조방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 헤드구조는 압력챔버, 잉크주입 채널, 매니폴드 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 잉크젯 헤드의 제조방법.
  16. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐홀 및 상기 잉크유로는 각각 상기 중간층에 접하도록 형성되는 잉크젯 헤드의 제조방법.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 발수층은 진공 증착법 또는 도금법에 의해 증착되는 잉크젯 헤드의 제조방법.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 단계 (b) 또는 상기 단계(c)에 후행하여 상기 제2 기판에 산화막을 증착하는 단계를 더 포함하는 잉크젯 헤드의 제조방법.
  19. 제9항에 있어서,
    상기 단계 (d)에서 상기 중간층은 레이저 또는 MEMS 공정을 이용하는 건식 또는 습식 식각방법에 의해 천공되는 잉크젯 헤드의 제조방법.
  20. 제9항에 있어서,
    상기 단계 (c)는 상기 발수층을 패터닝 및 식각하여 상기 노즐홀 부분 외의 발수층을 제거하는 단계를 더 포함하는 잉크젯 헤드의 제조방법.
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