KR100717022B1 - 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 잉크젯 프린트헤드는, 토출될 잉크가 채워지는 잉크챔버가 상면 쪽에 형성되고, 잉크챔버로 잉크를 공급하기 위한 잉크피드홀이 하면 쪽에 형성되며, 잉크챔버와 잉크피드홀 사이에는 잉크챔버와 잉크피드홀을 연결하는 리스트릭터가 형성된 기판; 기판 상에 형성되는 복수의 보호층; 보호층들 사이에 형성되는 것으로, 잉크챔버의 상부에 위치하는 히터 및 상기 히터에 전류를 인가하기 위한 도체; 보호층들 위에 소정 형태로 형성되는 열전달층; 및 보호층들 및 열전달층을 덮도록 형성되는 것으로 잉크챔버와 연결되는 노즐이 형성된 에폭시 노즐층;을 구비한다.
Description
도 1은 종래 백-슈팅 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일례를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2의 A부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ' 선을 따라 본 단면도이다.
도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ'선을 따라 본 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 변형예를 도시한 단면도이다.
도 7a 내지 도 7i는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100... 기판 101... 산화물층
102... 잉크피드홀 103... 트렌치
105... 리스트릭터 106... 잉크챔버
111... 제1 보호층 112... 히터
113... 도체 114... 제2 보호층
115,115'... 열전달층 116... 에포시 노즐층
117... 노즐 118a... 서멀 플러그
118b... 노즐 비아홀 120... 희생층
131... 패드 133... 잉크토출부
본 발명은 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 히터로부터 발생되는 열을 효과적으로 분산시킴으로써 잉크의 토출 특성을 향상시킬 수 있는 백슈팅 방식의 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 잉크젯 프린터는 잉크젯 프린트헤드로부터 잉크의 미소한 액적(droplet)을 인쇄 매체 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상을 형성하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린터에는 잉크젯 프린트헤드가 인쇄매체의 이송방향과 직각방향으로 왕복이동하면서 인쇄작업을 수행하는 셔틀 방식의 잉크젯 프린터와, 최근 고속인쇄의 구현을 위하여 개발되고 있는 것으로 인쇄매체의 폭에 해당하는 크기의 어레이 프린트헤드(array printhead)를 구비한 라인프린팅 방식의 잉크젯 프린터가 있다. 상기 어레이 프린트헤드에는 복수의 잉크젯 프린트헤드가 소정 형태로 배열되어 있다. 이러한 라인프린팅 방식의 잉크젯 프린터에서는 어레이 프 린트헤드는 고정된 상태에서 인쇄 매체만이 이송하면서 인쇄작업이 수행되므로 고속 인쇄의 구현이 가능해진다.
한편, 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 프린트헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 압전구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이다.
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 내에 채워진 잉크에 압력을 가하게 된다. 이로 인해 노즐 부근에 있던 잉크가 노즐을 통해 액적의 형태로 잉크 챔버 밖으로 토출된다.
여기에서, 상기 백슈팅 방식의 잉크젯 프린트헤드는 버블의 성장방향과 잉크 액적의 토출 방향에 따라 다시 탑-슈팅(top-shooting) 방식의 잉크젯 프린트헤드, 사이드-슈팅(side-shooting) 방식의 잉크젯 프린트헤드, 백-슈팅(back-shooting) 방식의 잉크젯 프린트헤드로 분류될 수 있다. 탑-슈팅 방식의 잉크젯 프린트헤드에서는 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 서로 동일하며, 사이드-슈팅 방식의 잉크젯 프린트헤드에서는 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 서로 직각을 이룬다. 그리고, 백-슈팅 방식의 잉크젯 프린트헤드에서는 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 서로 반대인 잉크 액적 토출 방식을 말한다.
도 1에는 종래 백-슈팅 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일례로서, 미국특허 제5,841,452호에 개시된 잉크젯 프린트헤드의 단면을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 기판(10)의 상부에는 토출될 잉크가 채워지는 잉크챔버(15)가 형성되어 있고, 상기 기판(10)의 하부에는 잉크챔버(15)로 잉크를 공급하기 위한 잉크피드홀(ink feedhole,17)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 잉크챔버(15)와 잉크피드홀(17) 사이에는 잉크챔버(15)와 잉크피드홀(17)을 연결하는 리스트릭터(restrictor,13)가 기판(10)의 표면에 수직하게 형성되어 있다. 상기 기판(10) 상에는 잉크 액적(30)이 토출되는 노즐(21)이 형성된 노즐플레이트(20)가 적층되어 있다. 여기서, 상기 노즐플레이트(20)는 기판(10) 표면에 형성되는 실리콘 산화물층(23), 상기 실리콘 산화물층(23) 상에서 노즐(21)을 둘러싸도록 형성되는 히터(22) 및 상기 히터(22)를 보호하기 위한 보호층(passivation layer,25)으로 구성된다. 그리고, 상기 보호층(25) 내부에는 잉크 토출후 히터(22) 주변에 축적된 열을 기판(10) 쪽으로 분산(dissipation)시키기 위한 서멀 션트(thermal shunt,24)가 마련되어 있다.
그러나, 상기와 같은 구조의 잉크젯 프린트헤드에서는 히터(22)로부터 발생된 열 중 잉크 토출에 기여하는 열 이외의 잉여열이 열전도도가 낮은 실리콘 산화물층(23)을 통하여 기판(10) 쪽으로 분산되므로, 노즐플레이트(20) 내부에는 잉크 토출 후에도 상당한 열이 축적된다는 문제가 있다. 이렇게 노즐플레이트(20) 내부 에 축적된 열은 잉크챔버(15) 내에 있는 잉크의 온도를 증가시킴으로써 잉크의 점도를 변화시키게 되며, 이러한 잉크의 점도 변화는 잉크의 토출 특성을 떨어뜨리는 원인이 된다.
또한, 최근에는 프린트헤드의 고집적화, 고속화 요구에 따라 라인프린팅 방식의 잉크젯 프린터의 개발이 활발해지고 있는데, 이러한 라인프린팅 방식의 잉크젯 프린터에서는 복수의 잉크젯 프린트헤드를 구비한 어레이 프린트헤드가 주로 사용된다. 어레이 프린트헤드에서는 매우 많은 수의 히터가 마련되어 있으므로 히터로부터 발생되어 축적되는 열도 상당히 많아지게 된다. 따라서, 상기와 같은 잉크젯 프린트헤드들을 어레이 프린트헤드에 사용하게 되면 잉크의 토출 특성은 더욱 나빠지게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 히터로부터 발생되는 열을 효과적으로 분산시킴으로써 잉크의 토출 특성을 향상시킬 수 있는 백-슈팅 방식의 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 구현예에 따른 잉크젯 프린트헤드는,
토출될 잉크가 채워지는 잉크챔버가 상면 쪽에 형성되고, 상기 잉크챔버로 잉크를 공급하기 위한 잉크피드홀이 하면 쪽에 형성되며, 상기 잉크챔버와 잉크피 드홀 사이에는 상기 잉크챔버와 잉크피드홀을 연결하는 리스트릭터가 형성된 기판;
상기 기판 상에 형성되는 복수의 보호층;
상기 보호층들 사이에 형성되는 것으로, 상기 잉크챔버의 상부에 위치하는 히터 및 상기 히터에 전류를 인가하기 위한 도체;
상기 보호층들 위에 소정 형태로 형성되는 열전달층; 및
상기 보호층들 및 열전달층을 덮도록 형성되는 것으로 상기 잉크챔버와 연결되는 노즐이 형성된 에폭시 노즐층;을 구비한다.
상기 보호층들에는 상기 기판의 상면을 노출시키는 서멀 플러그(thermal plug)가 관통되어 형성되어 있으며, 상기 열전달층은 상기 서멀 플러그를 통하여 상기 기판의 상면에 접촉하는 것이 바람직하다.
상기 보호층들에는 상기 노즐이 위치하는 부분에 노즐 비아홀(via hole)이 관통되어 형성되어 있으며, 상기 에폭시 노즐층은 상기 노즐 비아홀의 내벽을 덮도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 열전달층은 상기 보호층들의 상면 전체에 형성되거나 또는 상기 보호층들의 상면에 상기 히터의 측면으로부터 소정 간격 이격되게 형성될 수 있다.
상기 열전달층은 Ag로 이루어질 수 있으며, 상기 열전달층은 5㎛ 이상의 두께를 가질 수 있다.
상기 에폭시 노즐층은 감광성 에폭시로 이루어질 수 있으며, 상기 에폭시 노즐층은 20㎛ ~ 30㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 보호층들은 상기 기판 상에 순차적으로 적층되는 제1 보호층 및 제2 보 호층을 포함하며, 상기 히터는 상기 제1 보호층과 제2 보호층 사이에 형성되며, 상기 도체는 상기 히터와 제2 보호층 사이에 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 보호층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
상기 리스트릭터는 상기 잉크챔버와 동일 평면 상에 형성될 수 있으며, 상기 잉크챔버 및 리스트리터의 내벽에는 산화물층이 형성될 수 있다.
상기 노즐은 출구쪽으로 갈수록 좁아지는 테이퍼 형상을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은,
(가) 기판의 상면 쪽에 잉크챔버 및 리스트릭터를 정의하는 소정 형상의 트렌치를 형성하고, 상기 트렌치의 내벽을 포함한 상기 기판의 상면에 산화물층을 형성하는 단계;
(나) 상기 트렌치의 내부에 소정 물질의 희생층을 채우는 단계;
(다) 상기 기판 및 희생층의 상면에 보호층들을 적층하고, 상기 보호층들 사이에 히터 및 도체를 형성하는 단계;
(라) 상기 보호층들을 패터닝하여 상기 희생층의 상면을 노출시키는 노즐 비아홀을 형성하는 동시에 상기 기판의 상면을 노출시키는 서멀 플러그를 형성하는 단계;
(마) 상기 보호층들 상에 상기 서멀 플러그를 채우도록 열전달층을 소정 두께로 형성하는 단계;
(바) 상기 보호층들 및 열전달층을 덮도록 형성되는 것으로, 상기 노즐 비아 홀의 내측에 상기 희생층의 상면을 노출시키는 노즐이 관통되어 형성된 에폭시 노즐층을 형성하는 단계;
(사) 상기 트렌치의 바닥에 형성된 상기 산화물층이 노출되도록 상기 기판의 하면 쪽을 식각하여 잉크피드홀을 형성하는 단계;
(아) 상기 노즐을 통하여 노출된 상기 희생층을 제거하여 상기 잉크챔버 및 리스트릭터를 형성하는 단계; 및
(자) 상기 잉크피드홀과 리스트릭터 사이에 있는 상기 산화물층을 제거하는 단계;를 포함한다.
상기 (나) 단계는, 상기 기판의 산화물층 상에 폴리실리콘을 에픽텍셜(epitaxial) 방법으로 성장시켜 상기 트렌치의 내부를 채우는 단계; 및 상기 기판의 상면이 노출되도록 화학적 기계적 연마(CMP;Chemical Mechanical Polshing) 공정에 의하여 상기 폴리실리콘의 상면을 평탄화시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (다) 단계는, 상기 기판 및 희생층의 상면에 제1 보호층을 형성하는 단계; 상기 제1 보호층의 상면에 히터를 형성하고, 상기 히터의 상면에 도체를 형성하는 단계; 및 상기 제1 보호층의 상면에 상기 히터 및 도체를 덮도록 제2 보호층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (마) 단계는 상기 노즐 비아홀 및 서멀 플러그를 채우도록 상기 보호층들 상에 감광성 Ag 페이스트(paste)를 소정 두께로 도포하고, 이를 리소그라피(lithography) 공정에 의하여 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (바) 단계는, 상기 보호층들 및 열전달층 상에 상기 노즐 비아홀을 채 우도록 감광성 에폭시를 도포하고, 이를 리소그라피 공정에 의하여 패터닝하여 상기 노즐 비아홀의 내측에 상기 노즐을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 백-슈팅 방식의 잉크젯 프린트헤드를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드에는 잉크 토출부(133)들이 2열로 배치되고, 각 잉크토출부(133)와 전기적으로 연결될 본딩 패드(131)들이 배치되어 있다. 도 2에는 잉크토출부(133)들이 2열로 배치되어 있는 경우가 도시되어 있지만, 상기 잉크토출부들(133)은 1열로 배치될 수도 있고, 해상도를 더욱 높이기 위해 3열 이상으로 배치될 수도 있다.
도 3은 도 2의 A부분을 확대하여 도시한 개략적인 평면도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ' 선을 따라 본 단면도이며, 도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ'선을 따라 본 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 기판(100)의 상면 쪽에 토출될 잉크가 채워지는 잉크챔버(106)가 소정 깊이로 형성되어 있고, 상기 기판(100)의 하면 쪽에는 잉크챔버(106)로 잉크를 공급하기 위한 잉크피드홀(ink feedhole,102)이 형성되어 있다. 상기 기판(100)으로는 일반적으로 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 그리고, 상기 잉크챔버(106)와 잉크피드홀(102) 사이에는 이들을 서로 연결하는 리스트릭터(restrictor,105)가 형성되어 있다. 여기서, 상기 리스트릭터(105)는 상기 잉크챔 버(106)와 동일 평면 상에서 기판(100)의 상면에 나란하게 형성될 수 있다. 한편, 상기 잉크챔버(106) 및 리스트릭터(105)의 내벽에는 실리콘 산화물 등으로 이루어진 산화물층(101)이 형성되어 있다.
잉크챔버(106), 리스트릭터(105) 및 잉크피드홀(102)이 형성된 기판(100) 상에는 복수의 보호층(111,114)이 형성되며, 상기 보호층들(111,114) 사이에는 잉크챔버(106)에 채워진 잉크를 가열하여 버블을 발생시키기 위한 히터(112) 및 상기 히터(112)에 전류를 인가하기 위한 도체(conductor,113)가 형성되어 있다. 구체적으로, 상기 기판(100)의 상면에는 잉크챔버(106)의 상부벽을 이루는 제1 보호층(111)이 형성된다. 상기 제1 보호층(111)은 히터(112)와 기판(100) 사이의 절연 및 히터(112)의 보호를 위한 물질층으로서 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
상기 잉크챔버(106)의 상부에 위치하는 제1 보호층(111)의 상면에는 히터(112)가 형성된다. 여기서, 상기 히터(112)는 잉크챔버(106) 각각에 대응하여 복수개로 형성될 수도 있으며, 그 위치나 형상도 도면에 도시된 것과 달리 다양하게 할 수 있다. 상기 히터(112)는 탄탈륨-알루미늄 합금, 탄탈륨 질화물(tantalum nitride), 티타늄 질화물(titanium nitride) 또는 텅스텐 실리사이드(tungsten silicide) 등과 같은 발열 저항체로 이루어질 수 있다. 상기 히터(112)의 상면에는 상기 히터(112)와 전기적으로 연결되어 상기 히터(112)에 전류를 인가하기 위한 도체(113)가 형성된다. 상기 도체(113)는 전기전도성이 좋은 금속 예를 들면, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, 금(Au) 또는 은(Ag) 등으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 보호층(111)의 상면에는 상기 히터(112) 및 도체(113)를 덮도록 제2 보호층(114)이 형성된다. 상기 제2 보호층(114)은 히터(112) 및 도체(113)를 보호하기 위한 물질층으로서 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다. 한편, 상기 제1 및 제2 보호층(111,114)에는 후술하는 노즐(117)이 형성될 부분에 노즐 비아홀(via hole,118b)이 관통되어 형성되어 있다. 그리고, 상기 제1 및 제2 보호층(111,114)의 양측에는 기판(100)의 상면을 노출시키는 서멀 플러그(thermal plug,118a)가 관통되어 형성되어 있다.
상기 제2 보호층(114)의 상면에는 열전달층(115)이 소정 두께로 형성되어 있으며, 상기 열전달층(115)은 상기 서멀 플러그(118a)를 통하여 상기 기판(100)의 상면에 접촉되도록 형성된다. 여기서, 상기 열전달층(115)은 상기 제2 보호층(114)의 상면 전체를 덮도록 형성되어 있다. 상기 열전달층(115)은 열전도도가 매우 우수한 금속인 은(Ag)로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 열전달층(115)의 두께(t1)는 대략 5㎛ 이상이 될 수 있다. 이러한 열전달층(115)은 히터(112)로부터 발생된 열을 상기 서멀 플러그(118a)를 통하여 기판(100) 쪽으로 빠르게 분산시키는 역할을 한다. 이에 따라, 본 실시예에서는 잉크 토출 후 히터(112)로부터 발생된 열이 상기 열전달층(115)을 통하여 기판(100) 쪽으로 효과적으로 분산됨으로써 잉크의 토출 특성이 향상될 수 있다. 이상에서는 상기 열전달층(115)이 제2 보호층(114)의 상면 전체를 덮도록 형성되는 경우가 설명되었으나, 이와 달리 상기 열전달층(115)은 제2 보호층(114)의 상면 일부를 덮도록 형성될 수도 있다. 그 일 예로서 도 6에 는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 변형예가 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 열전달층(115')은 히터(112)의 측면으로부터 소정 간격(d) 이격되게 형성되어 있다.
상기 제1 및 제2 보호층(111,114) 및 열전달층(115) 상에는 에폭시 노즐층(116)이 형성된다. 그리고, 상기 에폭시 노즐층(116)에는 잉크의 토출이 이루어지는 노즐(117)이 상기 노즐 비아홀(118b)의 내측에 형성되어 있다. 여기서, 상기 에폭시 노즐층(116)은 제1 및 제2 보호층(111,114)에 형성된 노즐 비아홀(118b)의 내벽을 덮도록 형성된다. 상기 노즐(117)은 잉크 토출 후 잉크 표면의 메니스커스(meniscus)가 보다 빨리 안정될 수 있도록 출구쪽으로 갈수록 좁아지는 테이퍼 형상을 가지는 것이 바람직하다. 상기 에폭시 노즐층(116)은 성형성이 우수한 감광성 에폭시로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 노즐들(117)은 그 형상 및 크기가 균일하게 형성될 수 있다. 그리고, 상기 에폭시 노즐층(116)의 두께(t2)는 비교적 두꺼운 대략 20㎛ ~ 30㎛ 정도가 될 수 있다. 이에 따라, 상기 노즐(117)의 길이가 충분히 길게 확보될 수 있으므로 상기 노즐(117)을 통하여 토출되는 잉크 액적의 방향성이 향상될 수 있다. 또한, 상기 에폭시 노즐층(116)은 금속으로 이루어진 열전달층(115)이 잉크와 접촉하는 것을 차단함으로써 상기 열전달층(115)이 잉크에 의하여 부식되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드에서는 잉크 토출 후 히터(112)로부터 발생된 열은 열발산층(115)을 통하여 기판(100) 쪽으로 빠르게 분 산되므로 잉크의 토출 특성이 향상될 수 있으며, 또한 에폭시 노즐층(116)에 노즐(117)이 비교적 길게 형성될 수 있으므로 노즐(117)을 통하여 토출되는 잉크 액적의 방향성이 향상될 수 있다.
이하에서는, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법을 설명하기로 한다. 도 7a 내지 도 7i는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7a를 참조하면, 준비된 기판(100)의 상면을 소정 형태로 식각하여 잉크챔버(도 4의 106) 및 리스트릭터(도 4의 105)를 정의하는 트렌치(103)를 형성한다. 여기서, 상기 기판(100)으로는 일반적으로 실리콘 웨이퍼가 사용된다. 구체적으로, 상기 기판(100)의 상면에 식각될 부위를 한정하는 식각마스크(미도시)를 형성한 다음, 상기 식각마스크를 통하여 노출된 기판(100)을 식각함으로써 소정 형상의 상기 트렌치(103)를 형성한다. 여기서, 상기 기판(100)의 식각은 반응성 이온식각(RIE; Reactive Ion Etching)과 같은 건식식각 방법에 의하여 수행될 수 있다. 상기 트렌치(103)는 기판(100)의 상면을 식각하여 형성되므로, 식각 형태에 따라 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 이에 따라 원하는 형상의 잉크챔버(106) 및 리스트릭터(105)를 얻을 수 있다. 이러한 트렌치(103)를 형성한 후에는 기판(100) 상에 형성된 식각마스크는 제거된다. 다음으로, 상기 트렌치(103)가 형성된 기판(100)의 상면을 산화시켜 트렌치(103)의 내벽을 포함하는 상기 기판(100)의 상면에 산화물층(101)을 형성한다. 역기서, 상기 산화물층(101)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
도 7b를 참조하면, 상기 트렌치(103)의 내부에 소정 물질로 이루어진 희생층(120)을 채운다. 여기서, 상기 희생층(120)은 폴리실리콘(poly silicon)으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 기판(100)의 산화물층(101) 상에 폴리실리콘을 에픽텍셜(epitaxial) 방법으로 성장시켜 상기 트렌치(103)의 내부를 채운다. 이어서, 화학적 기계적 연마(CMP;Chemical Mechanical Polishing) 공정에 의하여 상기 폴리실리콘의 상면을 평탄화시킨다. 이때, 외부로 노출된 산화물층(103)도 함께 제거되어 기판(100)의 상면이 노출된다.
도 7c를 참조하면, 상기 기판(100) 및 희생층(120)의 상면에 보호층들(111,114)을 적층하고, 상기 보호층들(111,114) 사이에는 히터(112) 및 도체(도 5의 113)를 형성한다. 구체적으로, 상기 기판(100) 및 희생층(120)의 상면에 제1 보호층(111)을 형성한다. 상기 제1 보호층(111)은 기판(100) 및 희생층(120)의 상면에 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 증착함으로써 형성될 수 있다. 이어서, 상기 제1 보호층(111)의 상면에 히터(112)를 형성한다. 상기 히터(112)는 제1 보호층(111)의 상면에 탄탈륨-알루미늄 합금, 탄탈륨 질화물(tantalum nitride), 티타늄 질화물(titanium nitride) 또는 텅스텐 실리사이드(tungsten silicide) 등의 발열 저항체를 소정 두께로 증착한 다음 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 다음으로, 상기 히터(112)의 상면에 도체(113)를 형성한다. 상기 도체(113)는 히터(112)의 상면에 전기전도성이 양호한 금속, 예를 들면 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, 금(Au) 또는 은(Ag)을 소정 두께로 증착하고, 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다.
도 7d를 참조하면, 상기 히터(112) 및 도체(113)를 덮도록 상기 제1 보호층 (111)의 상면에 제2 보호층(114)을 형성한다. 상기 제2 보호층(114)은 제1 보호층(111)의 상면에 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 증착함으로써 형성될 수 있다. 이어서, 상기 제1 및 제2 보호층(111,114)을 리소그라피(lithography) 공정 및 식각 공정에 의하여 패터닝함으로써 상기 희생층(120)의 상면을 노출시키는 노즐 비아홀(via hole,118b)을 형성하는 동시에 상기 기판(100)의 상면을 노출시키는 서멀 플러그(thermal plug,118a)를 형성한다. 여기서, 상기 노즐 비아홀(118b)은 노즐(도 4의 117)이 형성될 부분에 위치하게 된다. 그리고, 상기 서멀 플러그(118a)는 기판(100)의 양측을 노출시키도록 형성될 수 있다.
도 7e를 참조하면, 상기 제2 보호층(114)의 상면에 상기 서멀 플러그(118a)를 채우도록 열전달층(115)을 소정 두께로 형성한다. 여기서, 상기 열전달층(115)의 두께(t1)는 대략 5㎛ 이상이 될 수 있다. 구체적으로, 상기 열전달층(115)은 노즐 비아홀(118b)과 서멀 플러그(118a)를 채우도록 상기 제2 보호층(114) 상에 감광성 Ag 페이스트(paste)를 소정 두께로 도포한 다음, 이를 리소그라피 공정에 의하여 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 이 과정에서, 상기 열전달층(115)에는 상기 희생층(120)의 상면을 노출시키는 노즐 비아홀(118b)의 상부에 상기 노즐 비아홀(118b)과 연통하는 관통공(115a)이 형성된다. 이상에서는 상기 열전달층(115)이 제2 보호층(114)의 상면 전체에 형성되는 경우가 설명되었지만, 이와 달리 도 6에 도시된 바와 같이 열전달층(115')이 히터(112)의 측면으로부터 소정 간격(d) 이격되게 형성될 수도 있다.
도 7f를 참조하면, 상기 제1 및 제2 보호층(111,114)과 열전달층(115)을 덮도록 에폭시 노즐층(116)을 형성한다. 상기 에폭시 노즐층(116)에는 상기 노즐 비아홀(118b)의 내측에 희생층(120)의 상면을 노출시키는 노즐(117)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 에폭시 노즐층(116)의 두께(t2)는 대략 20㎛ ~ 30㎛가 될 수 있다. 구체적으로, 상기 에폭시 노즐층(116)은 상기 제1 및 제2 보호층(111,114)과 열전달층(115) 상에 상기 노즐 비아홀(118b)을 채우도록 감광성 에폭시를 소정 두께로 도포하고, 이를 리소그라피 공정에 의하여 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 이 과정에서, 상기 노즐 비아홀(118b)의 내측에는 희생층(120)의 상면을 노출시키는 노즐(117)이 형성된다. 여기서, 상기 노즐(117)은 출구쪽으로 갈수록 좁아지는 테이퍼 형상으로 형성될 수 있다.
도 7g를 참조하면, 상기 기판(100)의 하면쪽을 식각하여 잉크피드홀(102)을 형성한다. 이 과정에서, 상기 잉크피드홀(102)을 통하여 트렌치(103)의 바닥에 형성된 산화물층(101)이 노출된다. 상기 잉크피드홀(102)은 상기 기판(100)의 하면에 식각될 부위를 한정하는 식각마스크(미도시)를 형성한 다음, 상기 식각마스크를 통하여 노출된 기판(100)을 산화물층(101)이 노출될 때까지 건식식각 또는 습식식각함으로써 형성될 수 있다.
도 7h를 참조하면, 상기 노즐(117)을 통하여 노출된 희생층(120)을 식각하여 제거함으로써 잉크챔버(106) 및 리스트릭터(105)를 형성한다. 이에 따라, 상기 잉크챔버(106) 및 리스트릭터(105)는 동일 평면 상에서 기판(100)의 상면에 나란하게 형성된다. 상기 잉크챔버(106) 및 리스트릭터(105)는 예를 들면 XeF2 가스 또는 BrF3 가스를 식각가스로 사용하여 노즐(117)을 통하여 노출된 희생층(120)을 건식식각함으로써 형성될 수 있다. 이 과정에서, 트렌치(103)의 내벽에 형성된 산화물층(101)은 식각저지벽의 역할을 하게 된다.
마지막으로 도 7i를 참조하면, 리스트릭터(105)와 잉크피드홀(102) 사이에 있는 산화물층(101)을 건식식각하여 제거하게 되면 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드가 완성된다.
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. 예를 들면, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 각 요소는 예시된 물질과 다른 물질이 사용될 수 있으며, 각 물질의 적층방법 및 형성방법도 단지 예시된 것으로서, 다양한 다른 적층방법 및 형성방법이 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법에 있어서, 각 단계의 순서는 경우에 따라서 예시된 바와 달리할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 잉크 토출 후 히터로부터 발생된 열이 열전도도가 우수한 금속으로 이루어진 열발산층을 통하여 기판 쪽으로 빠르게 분산되므로 잉크의 토출 특성이 향상될 수 있다.
둘째, 노즐들은 성형성이 우수한 감광성 에폭시로 이루어진 에폭시 노즐층에 형성되므로 그 형상 및 크기가 균일하게 형성될 수 있다.
셋째, 에폭시 노즐층은 비교적 두꺼운 두께로 형성되므로, 노즐의 길이를 충분히 길게 확보할 수 있다. 이에 따라, 노즐을 통하여 토출되는 잉크 액적의 방향성이 향상될 수 있다.
넷째, 에폭시 노즐층이 금속으로 이루어진 열전달층이 잉크와 접촉하는 것을 차단함으로써 상기 열전달층이 잉크에 의하여 부식되는 것을 방지할 수 있다.
다섯째, 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드는 셔틀방식의 잉크젯 프린터에 사용되는 잉크젯 프린트헤드 뿐만 아니라 라인프린팅 방식의 잉크젯 프린터에 사용되는 어레이 프린트헤드에도 당연히 적용될 수 있다. 특히 어레이 프린트헤드에서는 잉크젯 프린트헤드가 다수로 배열되어 있기 때문에 히터들로부터 매우 많은 양의 열이 발생하게 되므로, 본 발명은 어레이 프린트헤드에 유용하게 적용될 수 있다.
Claims (29)
- 토출될 잉크가 채워지는 잉크챔버가 상면 쪽에 형성되고, 상기 잉크챔버로 잉크를 공급하기 위한 잉크피드홀이 하면 쪽에 형성되며, 상기 잉크챔버와 잉크피드홀 사이에는 상기 잉크챔버와 잉크피드홀을 연결하는 리스트릭터가 형성된 기판;상기 기판 상에 형성되는 복수의 보호층;상기 보호층들 사이에 형성되는 것으로, 상기 잉크챔버의 상부에 위치하는 히터 및 상기 히터에 전류를 인가하기 위한 도체;상기 보호층들 위에 형성되는 열전달층; 및상기 보호층들 및 열전달층을 덮도록 형성되는 것으로 상기 잉크챔버와 연결되는 노즐이 형성된 에폭시 노즐층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호층들에는 상기 기판의 상면을 노출시키는 서멀 플러그(thermal plug)가 관통되어 형성되어 있으며, 상기 열전달층은 상기 서멀 플러그를 통하여 상기 기판의 상면에 접촉하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
- 제 2 항에 있어서,상기 보호층들에는 상기 노즐이 위치하는 부분에 노즐 비아홀(via hole)이 관통되어 형성되어 있으며, 상기 에폭시 노즐층은 상기 노즐 비아홀의 내벽을 덮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
- 제 2 항에 있어서,상기 열전달층은 상기 보호층들의 상면 전체에 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
- 제 2 항에 있어서,상기 열전달층은 상기 보호층들의 상면에 상기 히터의 측면으로부터 소정 간격 이격되게 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
- 제 2 항에 있어서,상기 열전달층은 Ag로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
- 제 2 항에 있어서,상기 열전달층은 5㎛ 이상의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
- 제 2 항에 있어서,상기 에폭시 노즐층은 감광성 에폭시로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크 젯 프린트헤드.
- 제 2 항에 있어서,상기 에폭시 노즐층은 20㎛ ~ 30㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
- 제 2 항에 있어서,상기 보호층들은 상기 기판 상에 순차적으로 적층되는 제1 보호층 및 제2 보호층을 포함하며, 상기 히터는 상기 제1 보호층과 제2 보호층 사이에 형성되며, 상기 도체는 상기 히터와 제2 보호층 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
- 제 8 항에 있어서,상기 제1 및 제2 보호층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
- 제 2 항에 있어서,상기 리스트릭터는 상기 잉크챔버와 동일 평면 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
- 제 12 항에 있어서,상기 잉크챔버 및 리스트리터의 내벽에는 산화물층이 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
- 제 2 항에 있어서,상기 노즐은 출구쪽으로 갈수록 좁아지는 테이퍼 형상의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
- (가) 기판의 상면 쪽에 잉크챔버 및 리스트릭터를 정의하는 트렌치를 형성하고, 상기 트렌치의 내벽을 포함한 상기 기판의 상면에 산화물층을 형성하는 단계;(나) 상기 트렌치의 내부에 소정 물질의 희생층을 채우는 단계;(다) 상기 기판 및 희생층의 상면에 보호층들을 적층하고, 상기 보호층들 사이에 히터 및 도체를 형성하는 단계;(라) 상기 보호층들을 패터닝하여 상기 희생층의 상면을 노출시키는 노즐 비아홀을 형성하는 동시에 상기 기판의 상면을 노출시키는 서멀 플러그를 형성하는 단계;(마) 상기 보호층들 상에 상기 서멀 플러그를 채우도록 열전달층을 소정 두께로 형성하는 단계;(바) 상기 보호층들 및 열전달층을 덮도록 형성되는 것으로, 상기 노즐 비아홀의 내측에 상기 희생층의 상면을 노출시키는 노즐이 관통되어 형성된 에폭시 노즐층을 형성하는 단계;(사) 상기 트렌치의 바닥에 형성된 상기 산화물층이 노출되도록 상기 기판의 하면 쪽을 식각하여 잉크피드홀을 형성하는 단계;(아) 상기 노즐을 통하여 노출된 상기 희생층을 제거하여 상기 잉크챔버 및 리스트릭터를 형성하는 단계; 및(자) 상기 잉크피드홀과 리스트릭터 사이에 있는 상기 산화물층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 기판은 실리콘 웨이퍼로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
- 제 16 항에 있어서,상기 산화물층은 실리콘 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 희생층은 폴리실리콘(poly silicon)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
- 제 18 항에 있어서,상기 (나) 단계는,상기 기판의 산화물층 상에 폴리실리콘을 에픽텍셜(epitaxial) 방법으로 성장시켜 상기 트렌치의 내부를 채우는 단계; 및상기 기판의 상면이 노출되도록 화학적 기계적 연마(CMP;Chemical Mechanical Polshing) 공정에 의하여 상기 폴리실리콘의 상면을 평탄화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 (다) 단계는,상기 기판 및 희생층의 상면에 제1 보호층을 형성하는 단계;상기 제1 보호층의 상면에 히터를 형성하고, 상기 히터의 상면에 도체를 형성하는 단계; 및상기 제1 보호층의 상면에 상기 히터 및 도체를 덮도록 제2 보호층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
- 제 20 항에 있어서,상기 제1 및 제2 보호층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 (마) 단계는 상기 노즐 비아홀 및 서멀 플러그를 채우도록 상기 보호층들 상에 감광성 Ag 페이스트(paste)를 소정 두께로 도포하고, 이를 리소그라피(lithography) 공정에 의하여 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 열전달층은 5㎛ 이상의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 열전달층은 상기 보호층들의 상면 전체에 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 열전달층은 상기 보호층들의 상면에 상기 히터의 측면으로부터 소정 간격 이격되게 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 (바) 단계는, 상기 보호층들 및 열전달층 상에 상기 노즐 비아홀을 채우도록 감광성 에폭시를 도포하고, 이를 리소그라피 공정에 의하여 패터닝하여 상기 노즐 비아홀의 내측에 상기 노즐을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 에폭시 노즐층은 20㎛ ~ 30㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 (아) 단계에서, 상기 희생층은 건식식각 방법에 의하여 제거되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 (자) 단계에서, 상기 산화물층은 건식식각 방법에 의하여 제거되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
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