KR100733939B1 - 감광성 수지 조성물, 이것을 사용한 잉크젯 기록 헤드 및그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 신규한 감광성 수지 조성물에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 감광성 수지 조성물을 사용한 잉크젯 기록 헤드 및 그의 제조 방법에 관한 것이며, 특히 잉크를 토출하기 위한 압력 발생 소자가 형성된 기판과, 상기 기판과 접합하여 잉크 유로를 형성하기 위한 유로 형성 부재와의 밀착력의 향상 방법, 및 상기 기판을 관통하여 잉크 유로에 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급구의 형성 방법에 관한 것이다.
종래, 잉크젯 기록 헤드의 제조 방법, 및 잉크 토출 압력 발생 소자가 형성된 기판과 접합하여 액로를 형성하는 액로 형성 부재에 대해서는 다양한 제안이 이루어지고 있다. 일본 특허 공개 (소)57-208255호, 동 (소)57-208256호 공보에는, 잉크 토출 압력 발생 소자가 형성된 기판 상에 감광성 수지로 액로 패턴을 형성하고, 유리 등으로 이루어진 상부판을 기판과 접합하고, 조립체를 절단함으로써 잉크젯 기록 헤드를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 문헌 [Hewlett-Packard Journal 36, 5 (1985)]에서는 잉크 토출 압력 발생 소자가 형성된 기판 상에 감광성 수지로 액로 패턴을 형성하고, Ni 전기 주조에 의해 제조한 오리피스 플레이트를 기판과 접합시킴으로써 잉크젯 기록 헤드를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
또한 일본 특허 공개 (소)61-154947호에는, 잉크 토출 압력 발생 소자가 형성된 기판의 잉크 토출 압력 발생 소자 상에 용해 가능한 수지로 액로 패턴을 형성하고, 상기 패턴을 에폭시 수지 등으로 코팅, 경화하고, 기판 절단 후에 용해 가능한 수지를 용출하여 잉크젯 기록 헤드를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
또한 일본 특허 공개 (평)3-184868호에는, 상기한 일본 특허 공개 (소)61-154947호에 기재된 잉크젯 기록 헤드의 제조에 최적인 코팅 수지 조성물로서 방향족 에폭시 화합물의 양이온 중합 경화물이 유용하다고 개시되어 있다.
상술한 어떤 방법에서든, 잉크 토출 압력 발생 소자가 형성된 기판과 액로 형성 부재의 접합 강도는 기본적으로 액로 형성 부재가 되는 수지 재료(감광성 수지층, 코팅 수지층)의 밀착력에 의존하고 있다.
또한 상술한 어떤 구성에서든, 헤드에 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급계를 부착할 필요가 있다. 여기서, 잉크의 토출구가 압력 발생 소자에 대향하여 설치된 구조를 갖는 소위 사이드 슈터(side shooter) 타입의 잉크젯 기록 헤드에서는, 지지 기판에 관통 구멍을 형성하여 지지 기판의 이면으로부터 잉크를 공급하는 구조가 일반적으로 알려져 있다. 이러한 잉크젯 기록 헤드의 제조 방법의 알려진 예는, 미국 특허 제5,478,606호에 기재된 바와 같이, (1) 잉크 토출 압력 발생 소자가 형성된 기판 상에 용해 가능한 수지로 잉크 유로 패턴을 형성하는 단계, (2) 고 상 에폭시 수지를 함유하는 코팅 수지를 실온에서 용매에 용해시키고, 얻어진 용액을 용해 가능한 수지층에 용매 코팅하여, 용해 가능한 수지층 상에 잉크 유로벽이 되는 액로 형성 부재로서 코팅 수지층을 형성하는 단계, (3) 잉크 토출 압력 발생 소자 위에 코팅층 상의 잉크 토출구를 형성하는 단계, 및 (4) 용해 가능한 수지층을 용출하는 단계를 포함한다.
<발명이 이루고자 하는 기술적 과제>
잉크 토출 압력 발생 소자로서 발열 저항체를 사용하고, 잉크의 막 비등에 의한 버블 형성을 이용하여 잉크를 토출시키는 소위 버블젯 기록 헤드의 경우, 잉크에 의한 전기 부식이나 버블 소포시의 공동 현상에 의한 손상을 저감하기 위해서, 발열 저항체 상에는 SiN이나 SiO2라는 무기 절연층과 Ta 등의 반공동화층을 설치하는 것이 일반적이다. 그러나, Ta막은 상술한 액로 형성 부재가 되는 수지 재료와의 밀착력이 매우 낮기 때문에, Ta막으로부터 액로 형성 부재가 박리된다는 문제가 발생하는 경우가 있다.
이 문제를 회피하기 위해서, 액로 형성 부재가 되는 수지 재료의 밀착력을 향상시킬 목적으로, 액로 형성 부재가 되는 수지 재료가 설치되는 부분의 Ta막을 제거하는 것을 생각할 수 있지만, 이 경우 기판 상의 전기 열 변환체를 포함하는 잉크 토출 압력 발생 소자에 접속하는 전극이 배치된 부분에는 상술한 무기 절연층만을 개재시켜 액로 형성 부재를 구성하는 수지 재료가 적층된다. SiN이나 SiO2라는 무기 절연층은 통상 다공성 막 재료이기 때문에, 수지 중에 함유되는 이온이 무 기 절연층을 투과하여, 이 이온에 의해서 전극이 부식되어 버릴 가능성이 있다.
또한, 잉크 토출 압력 발생 소자가 형성된 기판과 액로 형성 부재의 밀착력 향상을 위해, 기판에 실란 커플링 처리를 실시하거나, 폴리이미드(예를 들면, 상품명: 포토니스(PHOTONEECE), 도레이 인더스트리사(Toray Industries) 제조)를 포함하는 언더코트(밀착력 향상 및 패시베이션층)를 사용하는 예가 알려져 있다.
잉크젯 기록 헤드는 통상 그 사용 환경하에서 잉크와 항상 접촉하고 있는 부분을 갖지만, 잉크의 영향으로 인해, 토출 압력 발생 소자가 형성된 기판과 액로 형성 부재가 박리하는 것은 피해야 한다. 한편, 최근의 잉크젯 기록 방식에 대해서는 용지 선택성, 화상의 내수성 등의 요구가 높아지고 있고, 이러한 요구에 대응하기 위해서 잉크의 pH를 알칼리측으로 하는 것이 검토되고 있다. 이러한 알칼리성 잉크에 대해서는 잉크 토출 압력 발생 소자가 형성된 기판과 액로 형성 부재의 밀착력을 장기간에 걸쳐 유지하는 것이 곤란한 경우가 있다.
상술한 바를 고려하여, 본 발명의 발명자들은 미국 특허 제6,390,606호에서 폴리에테르아미드 수지로 이루어지는 밀착층을 개재시켜, 잉크 토출 압력 발생 소자가 형성된 기판과 액로 형성 부재를 접합하는 방법을 제안하였다. 이에 따라, 알칼리성 잉크에 대해서도 장기간에 걸쳐 우수한 밀착력을 유지할 수 있으며, 접착면에 Ta 등의 금속면이 노출되고 있는 경우에도 장기간에 걸쳐 우수한 밀착력을 유지할 수 있는 신뢰성이 높은 잉크젯 기록 헤드를 제공할 수 있다는 것을 발견하였다.
또한, 기판에 잉크 공급구가 되는 관통 구멍을 형성하는 방법으로는, 절삭, 샌드 블러스트(sand blast), 레이저 가공, 습식 에칭 등 다양한 방법이 시도되고 있다. 그러나, 절삭, 샌드 블러스트, 레이저 가공 등의 방법은 기판이나 각 구성 부재에 대한 손상이 크고, 최악의 경우에는 가공시에 기판이 파손될 수 있다는 문제가 발생한다.
기판에 기계적인 힘을 가하지 않고 관통 구멍을 형성하는 방법으로서 습식 에칭이 있다. 본 발명의 발명자들은 미국 특허 제6,379,571호에서 기판으로서 실리콘 기판을 사용하고, 무기 유전체막과 폴리에테르아미드 수지를 마스크로 사용하고, 알칼리성 에칭제를 사용하여 실리콘에 이방성 에칭을 실시함으로써 잉크 공급구를 형성하는 방법을 제안하였다. 이 방법에 따르면, 기판에 기계적인 힘을 가하지 않고 관통 구멍을 형성할 수 있다.
이와 같이, 폴리에테르아미드 수지는 내알칼리성이 우수하기 때문에, 알칼리성 잉크에 접하는 잉크젯 기록 헤드의 구성 재료로서, 또한 알칼리성 에칭제를 사용한 습식 에칭시의 마스크재로서 우수한 재료이다. 그러나, 상술한 용도로 사용되는 폴리에테르아미드 수지는 한층 더 개선이 요구되고 있다. 자세하게는, 폴리에테르아미드 수지는 그 자체로서는 감광성을 갖고 있지 않기 때문에, 폴리에테르아미드 수지를 패턴화하는 경우에는 포토레지스트를 패턴화하여 마스크재를 형성하고, 에칭에 의해 패턴화를 행할 필요가 있다. 또한, 폴리에테르아미드 수지는 습식 에칭이 곤란하기 때문에, 건식 에칭을 행해야 하므로, 공정이 길어짐과 동시에, 대규모 설비가 필요해진다.
본 발명은 상기 여러 가지 사항을 감안하여 이루어진 것이고, 잉크젯 용도에 바람직한 감광성 수지 조성물을 제공함으로써, 신뢰성이 높은 잉크젯 기록 헤드를 간편한 방법으로 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 감광성 수지 조성물은 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 갖는 폴리에테르아미드 수지와, 광 조사에 의해 산을 발생하는 화합물과, 산성 조건하에서 작용하는 상기 폴리에테르아미드 수지용 가교제를 포함한다.
감광성 수지 조성물의 다른 측면에서, 폴리에테르아미드 수지용 가교제가 축합성 멜라민 화합물 또는 축합성 우레아 화합물이고, 축합성 멜라민 화합물이 하기 화학식 2로 표시되는 멜라민 화합물 및(또는) 그의 축합물이며, 축합성 멜라민 화합물이 헥사메톡시메틸 멜라민의 단량체를 90 중량% 이상 함유한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 잉크젯 기록 헤드는 잉크를 토출하기 위한 토출구와, 상기 토출구에 연통하는 잉크 액로와, 상기 토출구로부터 잉크를 토출시키기 위한 압력을 발생하는 압력 발생 소자가 형성된 기판과, 상기 기판과 접합하여 상기 잉크 유로를 형성하는 잉크 유로 형성 부재를 포함하며,
상기 잉크 유로 형성 부재는 상기 화학식 1로 표시되는 구성 단위를 갖는 폴리에테르아미드 수지와, 광 조사에 의해 산을 발생하는 화합물과, 산성 조건하에서 작용하는 상기 폴리에테르아미드 수지용 가교제를 포함하는 감광성 수지 조성물의 경화물층을 개재시켜 상기 기판에 접합되어 있다.
잉크젯 기록 헤드의 다른 측면에서, 잉크 유로 형성 부재는 에폭시 수지의 양이온 중합 화합물에 의해 형성되고, 잉크를 토출하기 위한 토출구는 압력 발생 소자와 대향하는 측에 설치되어 있으며, 토출 압력 발생 소자는 전기 열 변환체를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 잉크를 토출하기 위한 토출구와, 상기 토출구에 연통하는 잉크 유로와, 상기 토출구로부터 상기 잉크를 토출하기 위한 압력을 발생하는 압력 발생 소자가 형성된 기판과, 상기 기판과 접합하여 상기 잉크 유로를 형성하는 잉크 유로 형성 부재를 포함하는 잉크젯 기록 헤드의 제조 방법은 압력 발생 소자가 형성된 기판 상에 상기 화학식 1로 표시되는 구성 단위를 갖는 폴리에테르아미드 수지와, 광 조사에 의해 산을 발생하는 화합물과, 산성 조건하에서 작용하는 상기 폴리에테르아미드 수지용 가교제를 포함하는 감광성 수지 조성물의 패턴을 형성하는 단계; 상기 감광성 수지 조성물의 패턴이 형성된 기판 상에 용 해 가능한 수지로 잉크 유로 패턴을 형성하는 단계; 상기 잉크 유로 패턴 상에 잉크 유로 형성 부재를 형성하는 단계; 상기 기판의 상기 압력 발생 소자의 설치 위치에 대향하는 상기 잉크 유로 형성 부재의 영역에 잉크 토출구를 형성하는 단계; 및 상기 잉크 유로 패턴을 용해 제거하여 잉크 유로를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면은 잉크를 토출하기 위한 토출구와, 상기 토출구에 연통하는 잉크 유로와, 상기 토출구로부터 상기 잉크를 토출하기 위한 압력을 발생하는 압력 발생 소자가 형성된 기판과, 상기 기판과 접합하여 상기 잉크 유로를 형성하는 잉크 유로 형성 부재와, 상기 기판을 관통하여 상기 잉크 유로에 연통하는 잉크 공급구를 포함하는 잉크젯 기록 헤드의 제조 방법이며, 화학식 1로 표시되는 구성 단위를 갖는 폴리에테르아미드 수지와, 광 조사에 의해 산을 발생하는 화합물과, 산성 조건하에서 작용하는 상기 폴리에테르아미드 수지용 가교제를 포함하는 감광성 수지 조성물을 내에칭 마스크로서 사용하여 에칭에 의해 상기 기판을 관통하여 잉크 공급구를 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록 헤드의 제조 방법이다.
도 1은 본 발명의 실리콘 기판의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 잉크 토출 압력 발생 소자가 형성된 실리콘 기판의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 수지층(밀착층)이 형성된 실리콘 기판의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 액로 패턴이 형성된 실리콘 기판의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 액로 형성 부재가 되는 수지 재료가 형성된 실리콘 기판의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 잉크 반발층(ink repellent layer)이 형성된 실리콘 기판의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 잉크 토출구가 형성된 실리콘 기판의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 이면에 감광성 수지층이 형성된 실리콘 기판의 단면도이다.
도 9는 감광성 수지층이 패턴화된 실리콘 기판의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 잉크 공급구가 형성된 실리콘 기판의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 완성된 잉크젯 기록 헤드의 단면도이다.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
이하에 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태를 더욱 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 11은, 본 발명에 의한 잉크젯 기록 헤드의 구성 및 그의 제조 방법의 단면도를 모식적으로 나타낸 것이다.
본 발명에서는, 예를 들면 도 1에 표시되는 것과 같은 실리콘 기판 (9)를 준비한다. 이러한 기판은, 후술하는 잉크 유로 및 잉크 토출구를 형성하는 액로 형성 부재의 지지체로서 기능할 수 있는 것이면, 그 형상, 재질 등에 특별히 한정되지 않고 사용할 수 있지만, 본 실시 형태와 같이 이방성 에칭에 의해 기판을 관통하는 잉크 공급구를 형성하는 경우에는 실리콘 기판이 사용된다.
상기 실리콘 기판 (9) 상에는, 전기 열 변환 소자 또는 압전 소자 등의 잉크 토출 압력 발생 소자 (2)가 원하는 개수로 배치된다 (도 2). 이러한 잉크 토출 압력 발생 소자 (2)에 의해서, 기록 액적을 토출시키기 위한 토출 에너지가 잉크액에 공급되어 기록이 행해진다. 예를 들면, 상기 잉크 토출 압력 발생 소자 (2)로서 전기 열 변환 소자를 사용할 때에는, 이 소자가 근방의 기록액을 가열함으로써, 기록액에 상태 변화를 일으켜 토출 에너지를 발생한다. 또한, 예를 들어 압전 소자를 사용할 때에는, 이 소자의 기계적 진동에 의해서 토출 에너지가 발생된다.
이들 토출 압력 발생 소자 (2)에는 소자를 작동시키기 위한 제어 신호 입력용 전극(도시하지 않음)이 접속되어 있다. 일반적으로는 이들 토출 압력 발생 소자 (2)의 내구성 향상의 목적으로, 보호층 등(도시하지 않음)의 각종 기능층이 설치되며, 물론 본 발명에서도 이러한 기능층을 설치하는 것은 조금도 지장을 받지 않는다.
토출 압력 발생 소자로서 통상 사용되는 전기 열 변환 소자는 발열 저항층 상에 전극층을 적층한 적층 구조를 소정의 배선 패턴으로 패턴화하고, 전극층의 소정부를 제거하여 하부에 있는 발열 저항층을 노출시킴으로써, 1쌍의 전극사이에 이들 전극에 접속한 발열 저항층의 노출부(전기 열 변환 소자)가 배치된 구성을 갖고 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 두께 1 내지 3 ㎛의 수지층(밀착층) (10)을 스핀 코팅법, 롤 코팅법, 슬릿 코팅법 등의 코팅 방법에 의해 형성한다. 여기서 사용되는 수지층 (10)은 후술하는 액로 형성 부재 (4)와 지지 기판과의 밀착성을 향상시 키기 위해 사용하며, 실리콘 기판 (9) 상에 형성되는 SiN층이나 SiO2층 등의 무기 절연층(도시하지 않음) 및 액로 형성 부재의 유기 재료 모두에 대하여 우수한 밀착력을 가질 필요가 있다. 또한, 상기 수지층은 잉크에 접촉할 가능성이 있는 부재이기 때문에, 이들 구성 부재에 대하여 알칼리 조건하에서도 우수한 밀착성을 유지할 것이 특히 요구된다.
또한 도 3에 나타낸 바와 같이, 수지층(밀착층) (10)은 잉크 토출 압력 발생 소자 (2) 및 후술하는 잉크 공급구 (7) 상에는 형성되지 않도록 패턴화할 필요가 있기 때문에, 감광성을 갖는 것을 사용한다. 본 발명자들은 예의 검토한 결과, 이들 특성을 만족하는 재료로서, 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 갖는 폴리에테르아미드 수지와, 광 조사에 의해 산을 발생하는 화합물(산 발생제)과, 산성 조건하에서 작용하는 상기 폴리에테르아미드 수지용 가교제를 포함하는 감광성 수지 조성물이 바람직하게 사용되는 것을 발견하였다.
폴리에테르아미드 수지, 산 발생제 및 가교제는 폴리에테르아미드 수지 100에 대하여 산 발생제 0.5 내지 10, 가교제 1 내지 40의 비율로 배합되는 것이 바람직하고, 산 발생제 1 내지 5, 가교제 10 내지 30의 비율로 배합되는 것이보다 바람직하다.
본 발명의 감광성 수지 조성물에 사용되는 폴리에테르아미드 수지로는, 예를 들면 하기 화학식 1로 표시되는 수지가 바람직하게 사용된다. 화학식 1로 표시되는 폴리에테르아미드 수지는, 예를 들면 일본 특허 공개 (소)63-6112호 공보에 기 재되어 있는 이미 알려져 있는 방법에 의해 합성할 수 있다.
<화학식 1>
식 중, R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소 원자, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 1 내지 4의 알콕시기 또는 할로겐 원자를 나타내고, R5 및 R6은 각각 독립적으로 수소 원자, 탄소수 1 내지 4의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 4의 할로겐화 알킬기를 나타내며, Ar1은 치환 또는 비치환된 페닐렌, 비페닐렌 또는 나프틸렌을 나타내고, n은 양의 정수이다.
본 발명에 사용되는 폴리에테르아미드 수지는, 예를 들면 테레프탈산, 이소프탈산, 옥시디벤조산, 비페닐디카르복실산 또는 나프탈렌디카르복실산의 디클로라이드와, 2,2-비스{4-(4-아미노페녹시)페닐}프로판 또는 2,2-비스{3-메틸-4-(4-아미노페녹시)페닐}프로판 등의 디아민을 중축합시켜 얻어진다. 상기 성분 이외의 성분으로서, 예를 들어 내열성 향상의 목적으로 4,4'-디아미노디페닐메탄, 3,3'-디아미노디페닐술폰 등의 디아민류를 첨가하여 중축합시켜 얻은 수지를 사용할 수도 있다.
폴리에테르아미드 수지는 중량 평균 분자량()이 100000 이상인 경우에는 해상성이 저하하며, 또한 코팅 용제에 대한 용해성이 저하한다. 반면, 이 5000 이하인 경우에는 코팅성 및 피막성이 극단적으로 저하한다.
또한, Ar1로는 p-페닐렌, m-페닐렌이 바람직하다.
광 조사에 의해 산을 발생하는 화합물로는, 예를 들면 요오드늄염이나 술포늄염과 같은 오늄염, 할로겐화 트리아진 화합물, 디술폰 화합물, 술폰산에스테르 화합물 등을 바람직하게 사용할 수 있다.
산성 조건하에서 작용하는 폴리에테르아미드 수지용 가교제의 예로는 산성 조건하에서 상술한 폴리에테르아미드 수지 중 이미노기와 축합 반응을 일으키는 멜라민 화합물이나, 우레아 화합물이 바람직하게 사용될 수 있고, 특히 헥사메틸올 멜라민, 테트라메틸올 멜라민, 헥사메톡시메틸 멜라민, 테트라메톡시메틸 멜라민, 헥사에톡시메틸 멜라민, 테트라에톡시메틸 멜라민 등의 메틸올화 멜라민, 그의 알킬에테르 화합물, 및 이들의 부분 축합 화합물이 바람직하게 사용된다. 또한, 광 반응성 및 저장 안정성이 우수하기 때문에, 헥사메톡시메틸 멜라민의 단량체를 90 중량% 이상 함유하는 가교제가 특히 바람직하게 사용된다.
이들 성분을 포함하는 감광성 수지 조성물을 N-메틸-2-피롤리돈을 포함하는 용제에 5 내지 20 중량%의 농도로 희석하여, 스핀 코팅법, 롤 코팅법, 슬릿 코팅법 등의 코팅 방법에 의해 기판 상에 도포된다. 용제로는 N-메틸-2-피롤리돈 이외에도, 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 등을 사 용할 수 있다. 그 후, 통상의 포토리소그래피 공정에 의해 패턴화하고, 필요에 따라 가열 처리를 실시하여 조성물을 열경화시켜 도 3에 나타낸 바와 같이 수지층(밀착층) (10)을 형성한다. 상기 감광성 수지 조성물은 코팅 용제 이외에, 기재와의 밀착성 향상을 목적으로 실란 커플링제나, 광 감도 향상을 목적으로 증감제를 함유할 수도 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 잉크 토출 압력 발생 소자 (2)를 갖는 실리콘 기판 (9) 상에 용해 가능한 수지로 잉크 유로 패턴 (3)을 형성한다. 가장 일반적인 방법으로는 감광성 재료로 형성하는 방법을 들 수 있다. 상기 유로 패턴 (3)은 후속 공정에서 용해 제거할 필요가 있기 때문에, 포지티브형 레지스트를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 폴리메틸 이소프로페닐 케톤, 폴리비닐 케톤 등의 비닐 케톤계 광 붕괴형 고분자 화합물 또는 아크릴계 광 붕괴형 고분자 화합물을 바람직하게 사용할 수 있다.
예를 들면, 막 두께가 10 ㎛인 상기 광 붕괴형 고분자 화합물을 포함하는 막을 스핀 코팅법, 롤 코팅법, 슬릿 코팅법 등의 코팅 방법으로 형성한다. 그 후, 포토리소그래피법에 의해 원하는 유로 패턴 (3)을 형성한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 두께가 20 ㎛(평판상)인 액로 형성 부재 (4)를 형성하기 위한 재료를 유로 패턴 (3)이 형성된 실리콘 기판 (9) 상에 스핀 코팅법, 롤 코팅법, 슬릿 코팅법 등의 통상의 코팅 방법으로 형성한다. 액로 형성 부재 (4)를 형성하기 위해서는 유로 패턴 (3)을 변형시키지 않는 등의 특성이 필요해진다. 즉, 액로 형성 부재 (4)를 용제에 용해시키고, 얻어진 용액을 스핀 코팅, 롤 코팅 등으로 유로 패턴 (3) 상에 오버코팅하는 경우, 용해 가능한 유로 패턴 (3)이 용해되지 않도록 용제를 선택할 필요가 있다.
액로 형성 부재 (4)로는 잉크 토출구 (6)을 포토리소그래피로 쉽고 정밀하게 형성할 수 있기 때문에 감광성 부재가 바람직하다. 이러한 감광성 코팅 수지에는, 구조 재료로서의 높은 기계적 강도, 기재와의 밀착성, 내잉크성과 동시에 잉크 토출구의 미세한 패턴을 패턴화하기 위한 해상성이 요구된다. 이들 특성을 만족하는 재료로 양이온 중합형의 에폭시 수지 조성물을 바람직하게 사용할 수 있다.
본 발명에 사용되는 에폭시 수지로는, 예를 들면 비스페놀 A와 에피클로로히드린과의 반응물 중 분자량이 약 900 이상인 것, 브로모페놀 A와 에피클로로히드린과의 반응물, 페놀 노볼락 또는 o-크레졸 노볼락과 에피클로로히드린과의 반응물, 일본 특허 공개 (소)60-161973호 공보, 일본 특허 공개 (소)63-221121호 공보, 일본 특허 공개 (소)64-9216호 공보, 일본 특허 공개 (평)2-140219호 공보에 기재된 옥시시클로헥산 골격을 갖는 다관능 에폭시 수지를 들 수 있지만, 이들 화합물에 한정되는 것은 아니다.
상술한 에폭시 화합물에서는 바람직하게는 에폭시 당량이 2000 이하, 더욱 바람직하게는 에폭시 당량이 1000 이하인 화합물이 바람직하게 사용된다. 이것은 에폭시 당량이 2000을 초과하면, 경화 반응시 가교 밀도가 저하하고, 밀착성, 내잉크성에 문제가 발생하는 경우가 있기 때문이다.
상기 에폭시 수지를 경화시키기 위한 광 양이온 중합 개시제로는, 상술한 광 조사에 의해 산을 발생하는 화합물을 사용할 수 있고, 예를 들면 아사히 덴까사 (Asahi Denka Co.) 제조의 SP-150, SP-170, SP-172 등의 시판품을 바람직하게 사용할 수 있다.
상술한 광 양이온 중합 개시제는 환원제를 병용하여 가열함으로써, 양이온 중합을 촉진시킬 수 있다 (단독의 광 양이온 중합에 비해 가교 밀도가 향상됨). 그러나, 광 양이온 중합 개시제와 환원제를 병용하는 경우, 상온에서는 반응하지 않고 일정 온도 이상(바람직하게는 60 ℃ 이상)에서 반응하는 소위 산화 환원형의 개시제계가 되도록 환원제를 선택할 필요가 있다. 이러한 환원제로는 구리 화합물, 특히 반응성과 에폭시 수지에의 용해성을 고려하여 구리 트리플레이트(트리플루오로메탄술폰산 구리(II))가 가장 적합하다. 필요에 따라, 상기 조성물에 첨가제 등을 적절히 첨가할 수 있다. 예를 들면, 에폭시 수지의 탄성률을 낮출 목적으로 가요성 부여제를 첨가하거나, 기재와의 밀착력을 보다 높이기 위해서 실란 커플링제를 첨가할 수 있다.
액로 형성 부재 (4) 상에 감광성을 갖는 잉크 반발층 (5)를 형성한다 (도 6). 잉크 반발층 (5)는 스핀 코팅법, 롤 코팅법, 슬릿 코팅법 등의 코팅 방법에 의해 형성 가능하지만, 미경화된 액로 형성 부재 (4) 상에 형성되기 때문에, 양자가 필요 이상으로 상용하지 않을 필요가 있다. 상술한 바와 같이 액로 형성 부재 (4)로서 양이온 중합성 조성물을 사용하는 경우에는, 감광성을 갖는 잉크 반발층 (5)에도 양이온 중합 가능한 관능기를 함유시켜 두는 것이 바람직하다. 액로 형성 부재 (4)는 광중합 개시제를 필수 성분으로서 포함하지만, 잉크 반발층 (5)에는 광중합 개시제를 반드시 포함시킬 필요는 없고, 액로 형성 부재 (4)의 노즐 재료 경 화시에 발생하는 양이온으로 반응, 경화시켜도 좋다.
마스크(도시하지 않음)를 개재시켜 패턴 노광을 행하고, 현상 처리를 실시하여 잉크 토출구 (6)을 기판 상에 설치된 잉크 토출 압력 발생 소자 (2)와 대향하는 위치에 형성한다 (도 7). 패턴 노광된 액로 형성 부재 (4) 및 잉크 반발층 (5)를 적당한 용제를 사용하여 현상함으로써, 도 7에 나타낸 바와 같이 잉크 토출구 (6)을 형성할 수 있다. 이 때, 현상과 동시에 유로 패턴 (3)을 용해 제거하는 것도 가능하지만, 일반적으로 실리콘 기판 (9) 상에는 복수개의 헤드가 배치되고, 절단 공정을 거쳐 잉크젯 기록 헤드로서 사용되기 때문에, 절단시 먼지에 대한 대책으로서, 도 7에 나타낸 바와 같이 잉크 유로 패턴 (3)을 남기고(유로 패턴 (3)이 잔존하기 때문에, 절단시에 발생하는 먼지가 액로 내에 들어가는 것을 방지할 수 있음), 절단 공정 후에 유로 패턴 (3)을 용해 제거하는 것이 바람직하다.
실리콘 기판 (9)를 관통하는 잉크 공급구를 형성한다. 잉크 공급구의 형성 방법으로는, 본 발명에 의한 감광성 수지 조성물을 마스크로서 사용하여 이방성 에칭을 행한다. 결정 방위로서, <100> 또는 <110>의 방위를 갖는 실리콘 기판은 알칼리계의 화학 에칭을 행함으로써, 에칭의 진행 방향에 관해 깊이 방향과 폭 방향의 선택성을 가질 수 있고, 이에 따라 에칭의 이방성을 얻을 수 있다. 특히, <100>의 결정 방위를 갖는 실리콘 기판은 에칭이 행해지는 폭에 의해서 에칭되는 기판의 깊이가 기하학적으로 결정되기 때문에, 에칭 깊이를 제어할 수 있고, 예를 들면 에칭의 개시면에서 깊이 방향으로 54.7°의 경사를 갖는 좁아지는 구멍을 형성할 수 있다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 우선 실리콘 기판 (9)의 이면에 본 발명에 의한 감광성 수지 조성물층 (11)을 형성하고, 마스크(도시하지 않음)를 사용하여 포트리소그래피에 의해 패턴화를 행한 후(도 9), 알칼리계 에칭액인 수산화칼륨, 수산화나트륨, 테트라메틸암모늄 히드록시드 등의 수용액에 침지시키고 에칭을 행하여 잉크 공급구 (7)을 형성한다 (도 10). 이 때, 일본 특허 공개 제2001-10070호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 핀홀 등의 결함을 방지할 목적으로 산화 실리콘, 질화 실리콘 등의 유전체막과의 2층 구성의 마스크로도 아무런 문제는 없다. 또한, 에칭 마스크는 밀착층 형성시 기판의 이면에 미리 형성시킬 수도 있다.
절단 분리 공정을 거친 후(도시하지 않음), 유로 패턴 (3)을 용해 제거하고, 필요에 따라 에칭 마스크로서 사용한 감광성 수지 조성물층 (10)을 제거한다. 또한, 필요에 따라 가열 처리를 실시함으로써, 액로 형성 부재 (4) 및 잉크 반발층 (5)를 완전히 경화시킨 후, 잉크 공급을 위한 부재(도시하지 않음)와의 접합, 잉크 토출 압력 발생 소자를 구동하기 위한 전기적 접합(도시하지 않음)을 행하여 잉크젯 기록 헤드를 완성하였다 (도 11).
이하에, 실시예에 근거하여 본 발명을 더 자세히 설명한다.
(실시예 1)
·잉크젯 기록 헤드의 제조
본 실시예에서는, 상술한 도 1 내지 도 11에 나타낸 순서에 따라서 잉크젯 기록 헤드를 제조하여 평가를 행하였다.
잉크 토출 압력 발생 소자 (2)로서의 전기 열 변환 소자(HfB2 재료로 이루어진 히터)와 잉크 액로 및 노즐 형성 부위에 SiN과 Ta의 적층막(도시하지 않음)을 갖는 실리콘 기판 (9)를 준비하였다 (도 1, 도 2). 하기에 나타내는 조성을 갖는 감광성 폴리에테르아미드 수지 조성물을 사용하여 수지층(밀착층) (10)을 형성하였다 (도 3).
가교제 헥사메톡시메틸 멜라민 E-2151(상품명: 산와 케미컬사(Sanwa Chemical Co.)제) 2 중량부
광중합 개시제 SP-172(상품명: 아사히 덴까사 제조) 0.5 중량부
N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 77.5 중량부
패턴화는 이하에 나타내는 공정 조건(이하, "패턴화 조건 (1)"로 지칭함)으로 행하였다. 자세하게는, 상기 감광성 폴리에테르아미드 수지 조성물을 실리콘 기판 (9)에 스핀 코팅으로 도포하여 두께 3.0 ㎛의 수지 조성물 막을 형성하였다. 이 막을 90 ℃에서 2 분간 핫 플레이트로 예비 소성하였다. 이 막을 캐논사(Canon Inc.) 제조의 마스크 얼라이너 MPA-600을 사용하여 1,000 mJ/㎝2로 노광시킨 후, 120 ℃에서 2 분간 핫 플레이트로 후노광 소성(PEB)을 실시하였다. 이 막을 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)에서 60 초간, IPA(이소프로필 알코올)에서 30 초간 스핀 현상 처리를 실시하고, 30 초간 건조시키고, 250 ℃의 오븐에서 30 분간 경화하였다.
피처리 기판 상에 폴리메틸 이소프로페닐 케톤(상표명: ODUR-1010, 도꾜 오까 고교사(Tokyo Ohka Kogyo Co.) 제조)을 사용하여 유로 패턴 (3)을 형성하였다 (도 4).
패턴화는 이하에 나타내는 공정 조건(이하, "패턴화 조건 (2)"로 지칭함)에 의해 행하였다. 자세하게는, 막 두께 10 ㎛의 액로 패턴막을 스핀 코팅법으로 형성하고, 120 ℃에서 20 분간 핫 플레이트로 예비 소성하고, 캐논사 제조의 마스크 얼라이너 PLA-620을 사용하여 파장 254 nm의 빛에 1,500 mJ/㎝2으로 노광시켰다. 이 막을 메틸 이소부틸 케톤/크실렌=2/1 (중량비)의 혼합 용제에서 60 초간, 크실렌 용액에서 30 초간 스핀 현상 처리를 실시하고, 30 초간 건조시켰다.
피처리 기판 상에 이하의 조성을 갖는 감광성 수지 조성물을 스핀 코팅으로 도포하고(평판상 막 두께 20 ㎛), 100 ℃에서 2 분간 핫 플레이트로 소성하여 액로 형성 부재 (4)를 형성하였다 (도 5).
에폭시 수지(다이셀 케미컬 인더스트리즈사(Daicel Chemical Industries) 제조 상품명: EHPE) 100 중량부
추가 수지(센트럴 글래스사(Central Glass Co.)제 상품명: 1.4HFAB) 20 중량부
광 양이온 중합 촉매(아사히 덴까사 제조 상품명: SP-170) 2 중량부
실란 커플링제(닛뽄 유니까사(Nippon Unicar Co.) 제조 상품명: A-187) 5 중량부
메틸 이소부틸 케톤 100 중량부
디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(디글라임) 100 중량부
피처리 기판 상에 이하의 조성을 포함하는 감광성 수지 조성물을 스핀 코팅에 의해 1 ㎛의 막 두께가 되도록 도포하고, 80 ℃에서 3 분간 핫 플레이트로 소성하여 잉크 반발층 (5)를 형성하였다 (도 6).
에폭시 수지(다이셀 케미컬 인더스트리즈사 제조(상품명: EHPE-3158)) 35 중량부
2,2-비스(4-글리시딜옥시페닐)헥사플루오로프로판 25 중량부
1,4-비스(2-히드록시헥사플루오로이소프로필)벤젠 25 중량부
3-(2-퍼플루오로헥실)에톡시-1,2-에폭시프로판 16 중량부
실란 커플링제(닛뽄 유니까사 제조 상품명: A-187) 4 중량부
광 양이온 중합 촉매(아사히 덴까사 제조 상품명: SP-170) 2 중량부
디에틸렌 글리콜 모노에틸에테르 100 중량부
이하에 나타내는 조건에 의해 액로 형성 부재 (4) 및 잉크 반발층 (5)의 패턴화를 행하여 잉크 토출구 (6)을 형성하였다 (도 7). 자세하게는, 캐논사 제조의 마스크 얼라이너 MPA-600으로 200 mJ/㎝2에서 기판을 노광하고, 노광 후 120 ℃에서 90 분간 핫 플레이트로 예비 소성하였다. 기판을 메틸 이소부틸 케톤에 60 초간, 이소프로필 알코올(IPA)에 30 초간 침지한 다음, 30 초간 건조하고, 130 ℃의 오븐에서 20 분간 경화시켜 스핀 현상 처리를 실시하였다. 본 실시예에서는 개구 직경이 15 ㎛인 토출구 패턴을 형성하였다.
피처리 기판의 이면에 패턴화 조건 (1)과 마찬가지의 조건으로 상술한 감광성 폴리에테르아미드 수지 조성물을 사용하여 폭 1 mm, 길이 10 mm의 개구부 형상을 패턴화하고, 200 ℃에서 60 분간의 열 처리를 행하여 에칭 마스크를 제조하였다. 80 ℃로 유지한 22 중량%의 TMAH 수용액 중에 피처리 기판을 침지하여 실리콘 기판 (9)의 이방성 에칭을 행하여, 잉크 공급구 (7)을 형성하였다 (도 8 내지 도 10). 이 때 에칭액으로부터 잉크 반발층 (5)를 보호할 목적으로, 보호막(도꾜 오까 고교사 제조 상품명: OBC)을 잉크 반발층 (5) 상에 도포하여 이방성 에칭을 행하였다.
보호막으로서 사용한 OBC를 크실렌을 사용하여 용해 제거한 후, 피처리 기판을 상술한 패턴화 조건 (2)에서 사용한 PLA-620로 3000 mJ/㎠의 전체면 노광을 행하여 유로 패턴 (3)을 가용화하였다. 메틸 이소부틸 케톤 중에 초음파를 인가하면서 기판을 침지하고, 유로 패턴 (3)을 용해 제거함으로써 잉크젯 기록 헤드를 제조하였다 (도 11). 에칭 마스크로서 사용한 감광성 폴리에테르아미드 수지 조성물층은 건식 에칭에 의해 제거하였다.
·밀착성의 평가
얻어진 잉크젯 기록 헤드를 이하에 나타내는 조성을 갖는 알칼리 잉크 중에 침지하여 압력솥 시험(PCT) (121 ℃ 포화 조건-100 시간)을 행하여 액로 형성 부재가 되는 수지 재료를 관찰하였더니, 변화는 관찰되지 않았다.
흑색 염료 3 중량부
에틸렌 글리콜 5 중량부
요소 3 중량부
이소프로필 알코올 2 중량부
이온 교환수 87 중량부
(실시예 2)
광중합 개시제(아사히 덴까사 제조 상품명: SP-172)의 절반량의 증감제(아사히 덴까사 제조 상품명: SP-100)를 첨가한 감광성 폴리에테르아미드 수지 조성물을 사용하고, 패턴화할 때의 노광량을 500 mJ/㎠로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 잉크젯 기록 헤드를 제조하고, PCT 시험을 행하였다. 그 결과, 변화는 관찰되지 않았다.
(실시예 3)
폴리에테르아미드 수지로서 하기의 반복 단위를 갖는 중량 평균 분자량() 32000의 폴리에테르아미드 수지를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 잉크젯 헤드를 제조하고, PCT 시험을 행하였다. 그 결과, 변화는 관찰되지 않았다.
(비교예 1)
수지층(밀착층) (10)을 형성하지 않는 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 잉크젯 기록 헤드를 제조하고, PCT 시험을 행하였다. 그 결과, 액로 형성 부재 (4)와 실리콘 기판 (9) 사이에 박리가 확인되었다. 이것은 실리콘 기판 (9) 상에 형성된 SiN+Ta층과 액로 형성 부재 (4)와의 밀착성이 불충분하기 때문에 발생한 것으로 생각된다.
(비교예 2)
수지층(밀착층) (10)으로서, 감광성 폴리이미드(도레이 인더스트리즈사 제조 상품명: 포토니스 UR3100)를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 잉크젯 기록 헤드를 제조하고, PCT 시험을 행하였다. 감광성 폴리이미드의 패턴화는 전용 현상액을 사용하여 제조자가 지정한 조건으로 행하고, 경화 조건은 130 ℃에서 30분+300 ℃에서 1 시간으로 하였다. 그 결과, 수지층(밀착층) (10)으로서 사용한 감광성 폴리이미드가 완전히 소실되어, 액로 형성 부재 (4)의 박리가 관찰되었다.
(비교예 3)
비감광성 폴리에테르아미드 수지(히다찌 케미컬사(Hitachi Chemical Co.) 제조 상품명: HIMAL-1200)를 사용하고, 포지티브형 레지스트(도꾜 오까 고교사제 상 품명: OFPR800)를 사용하여 산소 플라즈마에 의한 건식 에칭을 행한 후, 포지티브형 레지스트를 용해 제거하여 수지층(밀착층) (10)을 형성한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 잉크젯 기록 헤드를 제조하고, PCT 시험을 행하였다. 그 결과, 변화는 관찰되지 않았지만, 공정 단계가 증가하여 공정이 복잡해졌다.
(비교예 4)
실리콘 기판 (9)의 이면용 에칭 마스크로서, 비감광성 폴리에테르아미드 수지(히다찌 케미컬사 제조 상품명: HIMAL-1200)를 사용하고, 포지티브형 레지스트(도꾜 오까 고교사제 상품명: OFPR800)를 사용하여 산소 플라즈마에 의한 건식 에칭을 행한 후, 포지티브형 레지스트를 용해 제거하여 수지 조성물층 (11)을 형성한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 잉크젯 기록 헤드를 제조하였다. 그 결과, 문제없이 잉크 공급구 (7)을 형성할 수 있었지만, 공정 단계가 증가하여 공정이 복잡해졌다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 잉크젯 기록 헤드의 제조에 바람직한 감광성 수지 조성물을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 감광성 수지 조성물을 사용함으로써, 잉크 토출 압력 발생 소자가 형성된 기판과 액로 형성 부재와의 밀착력을 높이고, 그 결과 신뢰성이 높은 잉크젯 기록 헤드를 제공할 수 있다. 또한, 간편한 방법으로 신뢰성이 높은 잉크젯 기록 헤드를 제조하는 것이 가능해진다.
Claims (12)
- 하기 화학식 1을 반복 단위로 하는 폴리에테르아미드 수지와, 광 조사에 의해 산을 발생하는 화합물과, 산성 조건하에서 작용하는 상기 폴리에테르아미드 수지용 가교제를 포함하는 감광성 수지 조성물.<화학식 1>식 중, R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소 원자, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 1 내지 4의 알콕시기 또는 할로겐 원자를 나타내고, R5 및 R6은 각각 독립적으로 수소 원자, 탄소수 1 내지 4의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 4의 할로겐화 알킬기를 나타내며, Ar1은 치환 또는 비치환된 페닐렌, 비페닐렌 또는 나프틸렌을 나타내고, n은 양의 정수이다.
- 제1항에 있어서, 폴리에테르아미드 수지용 가교제가 축합성 멜라민 화합물 또는 축합성 우레아 화합물인 감광성 수지 조성물.
- 제3항에 있어서, 축합성 멜라민 화합물이 헥사메톡시메틸 멜라민의 단량체를 90 중량% 이상 함유하는 감광성 수지 조성물.
- 잉크를 토출하기 위한 토출구와, 상기 토출구에 연통하는 잉크 유로와, 상기 토출구로부터 잉크를 토출하기 위한 압력을 발생하는 압력 발생 소자가 형성된 기판과, 상기 기판과 접합하여 상기 잉크 유로를 형성하는 잉크 유로 형성 부재를 포함하며, 상기 잉크 유로 형성 부재가 제1항에 기재된 감광성 수지 조성물의 경화물층을 개재시켜 상기 기판에 접합되어 있는 잉크젯 기록 헤드.
- 제5항에 있어서, 잉크 유로 형성 부재가 수지에 의해 형성되어 있는 잉크젯 기록 헤드.
- 제5항 또는 제6항에 있어서, 잉크 유로 형성 부재가 에폭시 수지의 양이온 중합 화합물에 의해 형성되어 있는 잉크젯 기록 헤드.
- 제5항 또는 제6항에 있어서, 잉크를 토출하기 위한 토출구가 압력 발생 소자와 대향하는 측에 설치되어 있는 잉크젯 기록 헤드.
- 제5항 또는 제6항에 있어서, 압력 발생 소자가 전기 열 변환체를 포함하는 잉크젯 기록 헤드.
- 잉크를 토출하기 위한 토출구와, 상기 토출구에 연통하는 잉크 유로와, 상기 토출구로부터 잉크를 토출하기 위한 압력을 발생하는 압력 발생 소자가 형성된 기판과, 상기 기판과 접합하여 상기 잉크 유로를 형성하는 잉크 유로 형성 부재를 포함하는 잉크젯 기록 헤드의 제조 방법이며,상기 압력 발생 소자가 형성된 기판 상에 적어도 제1항에 기재된 감광성 수지 조성물의 패턴을 형성하는 단계,상기 감광성 수지 조성물의 패턴이 형성된 기판 상에 용해 가능한 수지로 잉크 유로 패턴을 형성하는 단계,상기 잉크 유로 패턴 상에 잉크 유로 형성 부재를 형성하는 단계,상기 기판의 상기 압력 발생 소자의 설치 위치에 대향하는 상기 잉크 유로 형성 부재의 영역에 잉크 토출구를 형성하는 단계, 및상기 잉크 유로 패턴을 용해 제거하여 잉크 유로를 형성하는 단계를 포함하는, 잉크젯 기록 헤드의 제조 방법.
- 잉크를 토출하기 위한 토출구와, 상기 토출구에 연통하는 잉크 유로와, 상기 토출구로부터 잉크를 토출하기 위한 압력을 발생하는 압력 발생 소자가 형성된 기판과, 상기 기판과 접합하여 상기 잉크 유로를 형성하는 잉크 유로 형성 부재와, 상기 기판을 관통하여 상기 잉크 유로에 연통하는 잉크 공급구를 갖는 잉크젯 기록 헤드의 제조 방법이며,적어도 제1항에 기재된 감광성 수지 조성물을 내에칭 마스크로서 사용하여 에칭에 의해 상기 기판을 관통하는 잉크 공급구를 형성하는 것을 포함하는, 잉크젯 기록 헤드의 제조 방법.
- 제11항에 있어서, 기판으로서 실리콘 기판을 사용하고, 이방성 에칭에 의해 상기 기판을 관통하는 잉크 공급구를 형성하는, 잉크젯 기록 헤드의 제조 방법
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