KR100741215B1 - 압전 요소, 액츄에이터 장치, 액체 분사 헤드 및 액체 분사장치 - Google Patents

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Abstract

제공된 것은, 우수한 변위 특성을 나타내는 압전 요소, 액츄에이터 장치, 액체 분사 헤드 및 액체 분사 장치이고; 상기 압전 요소는 하부 전극, 압전층 및 상부 전극으로 형성되며, 상기 압전층이 광각 X-레이 회절 방법에 의해 측정될 때, (100) 평면의 절반 폭이 0.2도보다 크지 않고, (200) 평면의 절반 폭이 0.25도보다 작지 않은 것이다.

Description

압전 요소, 액츄에이터 장치, 액체 분사 헤드 및 액체 분사 장치{PIEZOELECTRIC ELEMENT, ACTUATOR DEVICE, LIQUID-JET HEAD AND LIQUID-JET APPARATUS}
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 기록 헤드의 대략적인 형태를 도시하는 분해 사시도이다.
도 2a 및 2b는 각각 본 발명의 실시예 1에 따른 기록 헤드의 평면도 및 단면도이다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 실시예 1에 따른 기록 헤드를 제조하는 방법을 나타내는 단면도이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 실시예 1에 따른 기록 헤드를 제조하는 방법을 나타내는 단면도이다.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 실시예 1에 따른 기록 헤드를 제조하는 방법을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기록 기계의 대략적인 형태를 나타내는 다이어그램이다.
본 발명은 하부 전극, 압전층 및 상부 전극으로 형성되는 압전 요소; 압전 요소들을 기판 위에 진동판을 개재시켜 제공하는 것에 의해 만들어지는 액츄에이터 장치; 상기 액츄에이터 장치를 사용하여 노즐 오리피스로부터 물방울을 분사하는 액체 분사 헤드; 및 액체 분사 장치에 관한 것이다.
후술하는 형태를 가진 잉크젯 기록 헤드(inkjet recording head)는 실용적으로 사용되고 있다. 이 형태에 따르면, 잉크 방울이 토출되는 노즐 오리피스와 연통하는 각각의 압력 발생 챔버의 부분들이 진동판(vibration plate)으로 구성된다. 상기 진동판은 압전 요소에 의해 변형되므로, 상기 압력 발생 챔버 각각의 잉크가 가압된다. 따라서, 잉크 방울은 상기 노즐 오리피스의 각각으로부터 분사된다. 예를 들면, 후술하는 방법으로 구성된 잉크젯 기록 헤드는, 이러한 잉크젯 기록 헤드들 중 하나이다. 압전 재료로 만들어진 평탄한 층은 필름-형성 기술(film-forming technique)의 사용으로 상기 진동판의 전체 표면 위에 형성된다. 그런 다음, 상기 압전 재료로 만들어진 이 층은 석판 인쇄 방법(lithography method)에 의해 상기 압력 발생 챔버에 상응한 형태로 잘라 내어진다. 그것에 의해, 상기 압전 요소들은 서로 독립적일 수 있도록 상기 압력 발생 챔버들에 개별적으로 형성된다.
후술하는 바와 같이 압전층을 가진 압전 요소는 이러한 잉크젯 기록 헤드용으로 사용되는 압전 요소들 중 하나이다. 상기 압전층은 압전 요소를 구성하며, 압전층의 표면이 광각(廣角) X-레이 회절 방법으로 측정될 때 압전층의 (100)평면의 절반 폭 값이 2.0도보다 크지 않게 되도록 규정된다(예를 들면, 일본 특허 공개 공보 No.2001-203404 내에 청구항 및 그와 유사한 것의 참조)
그러나, 상기 압전층의 (100) 평면의 절반 폭은 이러한 방법으로 규정되지만, B-사이트 원자에 대한 정보는 알려져 있지 않다. 이것은, 상기 압전층의 변위량과 같은 변위 특성이 여전히 알려져 있지 않다는 문제점을 야기한다. 즉, 상기 B-사이트 원자의 편향은, 후술하는 이유로 (100) 평면의 절반 값을 측정하는 것만으로는 구별될 수 없다. 결정의 중심으로부터 B-사이트 원자의 편향이 작으면 상기 압전층의 변위량 또한 작고, 상기 중심으로부터 B-사이트 원자의 편향이 크면 상기 압전층의 변위량 또한 크기 때문이다.
부가적으로, 이러한 문제점은 잉크젯 기록 헤드로 대표되는 액체 분사 기록 헤드에 한정되지 않고, 압전 요소의 다른 종류 및 압전 요소를 사용하는 액츄에이터 장치의 다른 종류에서 유사하게 나타난다.
상술한 상태를 감안하여, 본 발명의 목적은, 우수한 변위 특성을 나타내는 압전 요소, 액츄에이터 장치, 액체 분사 헤드 및 액체 분사 장치를 제공하는 것이다.
상기 문제들을 해결하기 위한 본 발명의 제 1 관점은, 하부 전극, 압전층 및 상부 전극으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 요소이다. 동시에 상기 압전 요소는, 압전층의 표면이 광각 X-레이 회절 방법에 의해 측정될 때, (100) 평면의 절반 폭이 0.2도보다 크지 않고, 동시에 (200) 평면의 절반 폭이 0.25도보다 작지 않은 것을 특징으로 한다.
제 1 관점은 (200) 평면의 절반 폭에 의해 결정 내에서 B-사이트 원자의 편위를 측정할 수 있게 한다. 상기 (200) 평면의 절반 폭을 0.25도보다 작지 않게 유지하는 것은, 중심으로부터 B-사이트 원자의 편향을 규정할 수 있게 하고, 따라서 우수한 변위 특성을 얻을 수 있게 한다.
본 발명의 제 2 관점은, 상기 제 1 관점에서 언급한 바와 같이, 상기 압전 층이 300nm보다 작지 않은 두께인 것을 특징으로 하는 상기 압전 요소이다.
제 2 관점은 압전층이 기판 또는 그와 유사한 것에 의해 억제되는 것을 방지하고, 따라서 상기 각각의 (100) 평면 및 (200) 평면의 절반 폭 값을 정확하게 측정할 수 없는 것을 방지한다.
본 발명의 제 3 관점은, 상기 제 1 또는 제 2 관점에서 언급한 바와 같이, 상기 압전층이 납-지르콘산염-티탄산염으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 압전 요소이다.
제 3 관점은, 중심으로부터, PZT의 지르코늄 또는 티타늄인 B-사이트 원자의 편위를 규정할 수 있게 하고, 따라서 우수한 변위 특성을 나타내는 압전층을 얻을 수 있게 한다.
본 발명의 제 4 관점은, 제 1 내지 제 3 관점 중 어느 하나에서 언급한 바와 같이, 상기 압전 요소들을 기판 위에 진동판을 개재시켜 제공함으로써 만들어지는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치이다.
제 4 관점은 우수한 변위 특성을 나타내는 액츄에이터 장치를 실현할 수 있게 한다.
본 발명의 제 5 관점은, 노즐 오리피스로부터 액체를 분사하는 액체 분사 수단으로서 제 4 관점에서 언급한 액츄에이터 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
제 5 관점은 우수한 액체 분사 특성을 나타내는 액체 분사 헤드를 실현할 수 있게 한다.
본 발명의 제 6 관점은 제 5 관점에서 언급한 바와 같이 액체 분사 헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 분사 장치이다.
제 6 관점은 우수한 액체 분사 특성을 나타내는 액체 분사 장치를 실현할 수 있게 한다.
이하에서는, 실시예에 기초한 본 발명의 상세한 설명이 제공될 것이다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 잉크젯 기록 헤드의 분해 사시도이다. 도 2a는 도 1에 도시한 잉크젯 기록 헤드의 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A'에 따른 잉크젯 기록 헤드의 단면도이다.
본 실시예의 경우에, 경로-형성 기판(10)은 단일 결정 실리콘 기판으로 만들어진다. 도시된 바와 같이, 탄성력 있는 필름(50)은 상기 경로-형성 기판(10)의 한 표면 위에 형성된다. 상기 탄성력 있는 필름(50)은 열적 산화에 의해 미리 형성된 실리콘 이산화물로 만들어지고 0.5 내지 2㎛의 두께를 가진다.
상기 경로-형성 기판(10)에서, 복수의 압력 발생 챔버(12)는 다른 쪽으로부터 상기 경로-형성 기판(10)을 이방성을 가지게 에칭하는 방법에 의해 구획벽(11)에 의해 구획되어 배열된다. 길이 방향으로 상기 경로-형성 기판(10)의 바깥쪽 부분에서, 연통 부분(13)이 형성된다. 상기 연통 부분(13)은 상기 압력 발생 챔버(12)용의 공통 잉크 챔버인 저장소(100)의 일부를 구성한다. 상기 연통 부분(13)은 상응하는 잉크 공급 경로(14)를 통하여 길이 방향으로 상기 압력 발생 챔버(12) 각각의 일단과 연통한다. 상기 잉크 공급 경로(14)는 상기 압력 발생 챔버(12)의 폭보다 더 좁게 형성되므로, 상기 연통 부분(13)에서부터 상기 각각의 압력 발생 챔버(12)로 잉크 흐름의 경로 저항을 일정하게 유지한다.
게다가, 노즐판(20)은, 접착제, 열 접착 필름 또는 그와 유사한 것을 사이에 삽입하여 상기 경로-형성 기판(10)의 오리피스 표면에 고정된다. 상기 노즐 판(20)에서, 노즐 오리피스(21) 구멍이 뚫린다. 상기 노즐 오리피스(21)는 상기 잉크 공급 경로(14)에 반대되는 압력 발생 챔버(12) 측에서 상기 압력 발생 챔버(12)와 함께 각각 연통한다. 덧붙여 말하자면, 상기 노즐판(20)은, 예를 들면, 0.01 내지 1mm의 두께를 가지고, 예를 들면, 300℃보다 높지 않은 온도에서, 2.5 내지 4.5[×10-6/℃]의 선형 팽창 계수를 가진 유리 세라믹 또는 스테인리스강 또는 그와 비슷한 것으로 만들어진다. 상기 노즐판(20)의 한 표면은 전체적으로 상기 경로-형성 기판(10)의 한쪽 표면을 덮으므로, 충격 및 외부 힘으로부터 상기 단일 결정 실리 콘 기판을 보호하기 위한 보강판의 역할을 수행한다. 게다가, 상기 노즐판(20)은 상기 경로-형성 기판(10)의 열 팽창 계수와 거의 같은 열 팽창 계수를 가진 물질로 형성되어도 문제가 되지 않는다. 이 경우에서, 상기 경로-형성 기판(10)의 열왜(熱歪) 및 상기 노즐판(20)의 열왜는 서로 거의 동일하다. 이러한 이유로, 상기 경로-형성 기판(10) 및 상기 노즐판(20)은 열 경화성 접착제 또는 그와 유시한 것을 사용함으로써 서로 쉽게 결합될 수 있다.
다른 한편, 상술한 바와 같이, 상기 탄성력 있는 필름(50)은 경로-형성 기판(10)의 상기 오리피스 면에 반대되는 다른 표면 위에 형성된다. 실리콘 이산화물로 만들어진 상기 탄성력 있는 필름(50)은, 예를 들면, 대략 1㎛의 두께를 가진다. 절연 필름(55)은 이 탄성력 있는 필름(50) 위에서 적층됨으로써 탄성력 있는 필름(50) 위에 형성된다. 상기 절연 필름(55)은 지르코니아(ZrO2) 및 그와 유사한 것으로 만들어지고, 그 두께는 대략 0.4㎛이다. 더욱이, 하부 전극 필름(60), 압전층(70) 및 상부 전극 필름(80)은 아래에 서술하는 공정에 의해 적층됨으로써 절연 필름(55) 위에 형성된다. 상기 하부 전극 필름(60), 하나의 압전층(70) 및 하나의 상부 전극 필름(80)은 각각의 압전 요소(300)를 구성한다. 이리듐(Ir)으로 만들어진 상기 하부 전극 필름(60)은, 예를 들면, 대략 0.1 내지 0.5㎛의 두께를 가진다. 각각의 압전층(70)은 납 지르콘산염 티탄산염(lead zirconate titanate)(PZT) 또는 그와 유사한 것으로 만들어지고, 그리고, 예를 들면, 대략 1.0㎛의 두께를 가진다. 각각의 상부 전극(80)은 금, 플레티늄(platinum), 이리듐(iridum) 또는 그와 유사한 것으로 만들어지고, 그리고, 예를 들면, 대략 0.05㎛의 두께를 가진다. 이러한 점에서, 상기 압전 요소(300)는 상기 하부 전극 필름(60), 하나의 압전층(70) 및 하나의 상부 전극 필름(80)을 포함하는 부분이다. 일반적으로, 상기 압전 요소(300)는 후술하는 방법으로 형성된다. 상기 압전 요소(300)의 두 개의 전극 중 하나는 공통 전극으로 사용된다. 상기 압전 요소(300) 및 압전층(70)의 두 개의 전극 중 다른 것은 각각의 압력 발생 챔버(12) 안에서 패터닝(patterning)된다. 패턴닝된 압전층(70)으로 구성된 부분 및 상응하게 패터닝된 상기 두 개의 전극 중 하나에서, 압전 스트레인이 상기 두 개의 전극에서 전압의 인가 때문에 일어난다. 이러한 부분은 "압전 활동 부분"(320)이라고 부른다. 본 실시예의 경우에서, 상기 하부 전극 필름(60)은 상기 압전 요소(300)용 공통 전극으로서 사용되고, 그리고 상기 상부 전극 필름(80)은 상기 압전 요소(300)의 개별 전극으로서 사용된다. 그러나, 드라이브 회로의 배열 편의 및 상호접속을 위하여 그 사용이 반대로 되어도 문제가 되지 않는다. 두 경우 모두, 상기 압전 활동 부분은 각각의 압전 발생 챔버 내에서 개별적으로 형성된다. 더욱이, 하나의 압전 요소(300)와 진동판의 결합은 "압전 액츄에이터(actuator)"로 부른다. 진동판은 상기 압전 요소(300)의 구동에 의존하는 변위를 제공한다. 덧붙여 말하자면, 상술한 예에서, 상기 탄성력 있는 필름(50) 및 상기 절연 필름(55)은 상기 진동판으로서 연대적으로 기능한다. 상기 압전 요소(300)를 구성하는 상기 하부 전극 필름(60)은 상기 진동판의 기능을 수행하도록 설계될 수 있다.
게다가, 상기 압전층(70)용 재료로서, 예를 들면, 압전 재료(강유전성 재료) 및 그 재료에 금속 산화물을 첨가하여 얻어진 것이 바람직하다. 이러한 압전 재료(강유전성)의 예는 납 지르콘산염 티탄산염(PZT)을 포함한다. 이러한 금속 산화물의 예는 니오븀 산화물(niobium oxide), 니켈 산화물 및 마그네슘 산화물을 포함한다. 특히, 납 티탄산염(PbTiO3), 납 지르콘산염 티탄산염(Pb(Zr, Ti)O3), 납 지르콘산염(PbZrO3), 납 란탄(lanthanum) 티탄산염((Pb, La), TiO3), 납 란탄 지르콘산염 티탄산염((Pb, La)(Zr, Ti)O3), 납 지르코늄 티탄산염 마그네슘 니오브산염(Pb(Zr, Ti)(Mg, Nb)O3) 또는 이와 유사한 것이 사용될 수 있다. 상기 압전층(70)은 제조 공정에서 상기 압전층(70) 내에서 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있을 정도로 충분히 작고, 상기 압전층(70)이 충분하게 그 변위 특성을 나타낼 수 있을 정도로는 충분히 큰 두께로 형성된다. 본 실시예의 경우에, 예를 들면, 상기 압전층(70)이 대략 0.5㎛ 내지 2㎛의 두께로 형성된다.
게다가, 본 실시예에 따른 각 상기 압전층(70)의 경우에, 상기 압전층(70)의 표면이 광각 X-레이 회절 방법의 사용에 의해 측정될 때, (100) 평면의 절반 폭이 0.2도보다 크지 않고, 동시에 상기 (200) 평면의 절반 폭이 0.25보다 작지 않다.
이와 관련하여, 상기 압전층(70)의 표면이 상기 광각 X-레이 회절 방법의 사용에 의해 측정될 때, 상기 (100) 평면 및 (200) 평면에 각각 상응하는 회절 강도의 최고점이 발생된다. 게다가, "절반 폭"은 각 결정면에 상응하는 최고 세기의 반값에서의 고정 곡선의 폭을 의미하고, 상기 고정 곡선은 광각 X-레이 회절 방법에 의해 상기 결정면을 측정함으로써 얻어지는 X-레이 회절 챠트에 의해 나타내어진다.
상기 (100) 평면의 절반 폭이 두께 방향으로 상기 압전층(70)의 결정 격자의 편위를 나타내는 것을 주의해야 한다. 두께 방향으로 상기 압전층(70)의 결정 격자가 크기에 있어서 균일한 경우, 상기 압전층(70)의 변위 특성이 우수하다. 이러한 이유로, 상기 (100) 평면의 절반 폭은 가능한 작을수록 바람직하다. 이 경우, 상기 (100) 평면의 절반 폭은 크기에 있어서 상기 압전층(70)의 결정 격자의 편위를 나타낸다.
더욱이, 상기 (200) 평면의 절반 폭은 결정의 중심에서 지르코늄(Zr) 또는 티타늄(Ti)인 B-사이트 원자의 편위를 나타낸다. 또한, 중심에서 B-사이트 원자의 편향이 큰 경우, 상기 압전층(70)은, 우수한 변위량을 포함한 우수한 변위 특성을 나타낸다. 이러한 이유로, 상기 (200) 평면의 절반 폭은 가능한 클수록 바람직하다. 이 경우, 상기 (200) 평면의 절반 폭은 상기 압전층(70)의 결정에서 중심으로부터 B-사이트 원자의 편위를 나타낸다.
상술한 바와 같이, 우수한 변위 특성은, 본 실시예에 따른 상기 압전층(70)의 표면이 광각 X-레이 회절 방법에 의해 측정될 때, 상기 (100) 평면의 절반 폭이 0.2도보다 크지 않고, 동시에 상기 (200) 평면의 절반 폭이 0.25도보다 작지 않은 경우에 얻어질 수 있다. 즉, 큰 스트레인은 작은 구동 전압의 사용에 의해 얻어질 수 있다. 따라서, 이것은 큰 변위를 제공하는 상기 압전 요소(300)를 실현할 수 있게 한다.
더욱이, 납 전극(90)은 상기 각 압전 요소(300)용 개별 적극인 상부 전극 필 름(80)의 각각에 연결된다. 상기 납 전극(90)은 상응하는 잉크 공급 경로(14)의 단부 부근에서부터 끄집어 내어지고, 상기 절연판(55)의 상부로 연장된다. 상기 납 전극(90)은, 예를 들면, 금 또는 그와 유사한 것으로 만들어진다.
보호판(30)은, 접착제(34)를 상기 보호판(30)과 상기 경로-형성 기판(10) 사이에 삽입한 상태로, 압전 요소(300)가 형성되는 곳, 즉, 하부 전극 필름(60), 상기 탄성력 있는 필름(50) 및 납 전극(90) 위쪽에서, 상기 경로-형성 기판(10)의 상단에 접속된다. 상기 보호판(30)은 저장소(100)의 적어도 일부를 구성하는 저장소 부분(31)을 포함한다. 본 실시예의 경우에서, 이 저장소 부분(31)은, 상기 저장소 부분(31)이 두께 방향으로 상기 보호판(30)을 통과하는 방법으로 형성되고, 그리고 상기 저장소 부분(31)은 압력 발생 챔버(12)의 폭 방향과 같은 방향으로 연장된다. 상기 저장소 부분(31)은, 경로-형성 기판(10)의 연통 부분(13)으로 연통하므로, 상기 압력 발생 챔버(12)용 공통 잉크 챔버로서 사용되는 저장소(100)를 구성한다.
더구나, 압전 요소 고정 부분(32)은 상기 압전 요소(300)와 반대 영역인 상기 보호판(30) 영역에서 제공된다. 상기 압전 요소 고정 부분(32)은 압전 요소(300)가 방해 없이 움직이기 위해 충분히 큰 공동을 가진다. 상기 보호판(30)이 압전 요소(300)가 방해 없이 움직이기 위해 충분히 큰 공동을 가지고 있으면 그것으로 충분하다. 그 공동이 밀봉되고 폐쇄된 것이든, 아니든 상관이 없다.
상기 경로-형성 기판(10)의 열 팽창 계수와 동일한 열 팽창 계수를 가진 재료가 이러한 보호판(30)으로 사용되면 바람직하다. 그 물질의 예들은 유리 및 세라 믹 또는 그와 유사한 것을 포함한다. 본 실시예의 경우에서, 상기 보호판(30)은 상기 경로-형성 기판(10)을 형성하는 재료과 같은 재료인 단일 결정 실리콘 기판으로 형성된다.
더욱이, 상기 보호판(30)에는 두께 방향으로 상기 보호판(30)을 통과하는 통과 구멍(33)이 제공된다. 게다가, 상기 압전 요소(300)로부터 개별적으로 인출된 상기 납 전극(90)의 끝단 부근은 그 부근이 상기 통과 구멍(33)으로 노출되는 방법으로 구성된다.
마찬가지로, 드라이브 회로(110)는 상기 보호판(30)의 상단에 고정된다. 상기 드라이브 회로(110)는 나란히 배열된 압전 요소(300)를 구동한다. 예를 들면, 회로판, 반도체 집적 회로(IC) 및 그와 유사한 것이 이러한 드라이브 회로(110)로서 사용될 수 있다. 덧붙여, 상기 드라이브 회로(110) 및 각각의 상기 납 전극(90)은 상호 연결부(120)를 통하여 서로 전기적으로 연결된다. 상기 상호 연결부(120)는 본딩 와이어와 같은 전도성 있는 와이어로 만들어진다.
더욱이, 컴플라이언스 판(40)은 상기 보호판(30)의 상단에 연결된다. 상기 컴플라이언스 판(40)은 밀봉 필름(41) 및 고정판(42)으로 구성된다. 이와 관련하여, 상기 밀봉 필름(41)은 낮은 강도를 가진 신축성 있는 재료로 만들어진다(예를 들면, 6㎛의 두께를 가진 폴리페닐렌 황화물(polyphenylen sulfide(PPS))). 상기 저장소 부분(31)의 일단은 이러한 밀봉 필름(41)에 의해 밀봉된다. 덧붙여, 상기 고정판(42)은 금속(예를 들면, 스테인리스강(SUS) 또는 30㎛의 두께를 가진 그와 같은 것)과 같은 딱딱한 재료로 형성된다. 상기 저장소(100)와 반대되는 영역인 이 고정판(42) 영역은 두께 방향으로 고정판(42)으로부터 상기 영역에 상응한 부분을 완벽하게 제거함으로써 얻어지는 개방 부분(43)이다. 따라서, 상기 저장소(100)의 일단은 오직 신축성 있는 상기 밀봉 필름(41)에 의해서만 봉쇄된다.
상기 저장소(100)에 잉크를 공급하기 위한 잉크 도입 포트(44)는 상기 컴플라이언스 판(40)의 일부에 형성된다. 상기 컴플라이언스 판(40)의 부분은 이 저장소(100)의 외부에 위치하고, 상기 위치는 길이 방향으로 상기 저장소(100)의 중심에 대략 상응한다. 게다가, 상기 보호판(30)에는 상기 잉크 도입 포트(44) 및 저장소(100)의 측벽이 서로 연통하는 잉크 도입 경로(35)가 제공된다.
본 실시예에 따른 이러한 잉크젯 기록 헤드는, 도시하지 않은 외부 잉크 공급 수단과 연결된 잉크 도입 포트(44)로부터 잉크를 도입하고, 노즐 오리피스(21)를 통하여 잉크를 저장소(100)로부터 내부 구역을 채운다. 그 후, 상기 잉크젯 기록 헤드는, 상기 드라이브 회로의 신호에 따라, 상기 하부 전극 필름(60)과 상기 압력 발생 챔버(12)에 상응하는 각각의 상부 전극 필름(80) 사이에 전압을 인가한다. 그러므로, 상기 잉크젯 기록 헤드는, 상기 탄성력 있는 필름(50), 하부 전극 필름(60) 및 압전층(70)을 굴곡이 가게 왜곡시킨다. 이러한 왜곡은 상기 압력 발생 챔버(12)의 각각에 상기 압력을 발생하고, 그것에 의해 잉크 방울이 상기 노즐 오리피스(21)로부터 분사된다.
이하에서는, 도 3 내지 5를 참조하여 이러한 잉크젯 기록 헤드를 제조하는 방법을 위한 설명이 제공된다. 부가적으로, 도 3 내지 5는 상기 압력 발생 기판(12)의 길이 방향 단면도이다. 제일 먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 단일 결정 실리콘 기판으로 만들어진 상기 경로-형성 기판(10)은 대략 1100℃에서 확산 용광로에서 열적으로 산화된다. 그것에 의해, 나중에 상기 탄성력 있는 필름(50) 및 보호 필름(51)으로 전환될, 실리콘 이산화물(52)은, 상기 경로-형성 기판(10)의 표면 위에 형성된다. 그 후에, 도 3b에 도시된 바와 같이, 지르코늄(Zr) 층은 상기 탄성력 있는 필름(상기 실리콘 이산화물 필름(52)) 위에 형성된다. 그 후에, 지르콘산염(ZrO2)으로 만들어진 상기 절연층(55)은, 예를 들면, 500℃ 내지 1200℃에서 상기 확산 용광로 내에서 상기 지르코늄(Zr) 층을 열적으로 산화하는 방법으로 형성된다.
다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 이리듐, 또는 그와 유사한 것으로 만들어진 하부 전극 필름(60)이 상기 경로-형성 기판(10)의 전체 표면 위에 형성되고, 그 후에, 소정의 모양으로 패터닝된다.
그 다음으로, 납-지르콘산염-티탄산염(PZT)로 만들어진 상기 압전층(70)이 형성된다. 이와 관련하여, 본 실시예의 경우, 상기 압전층(70)은 졸-겔(sol-gel) 방법이라고 불리는 것에 의해 형성된다. 상기 졸-겔 방법에 따라, 졸이라고 불리는 것은 촉매작용으로 금속 유기 물질을 용해하고 분산하는 것에 의해 얻어지는 것이다. 이 졸은 도포 및 건조에 의해 겔로 전환된다. 그런 다음, 상기 겔은 더 높은 온도에서 구워진다. 그것에 의해, 금속-산화 물질로 만들어진 압전층(70)이 얻어진다. 부가적으로, 상기 압전층(70)용 재료는 납-지르콘산염-티탄산염에 한정되지 않는다. 다른 압전 재료들, 예를 들면, 완화 강유전체(예를 들면, PMN-PT, PZN-PT, PNN-PT 또는 그와 유사한 것)가 사용되어도 문제가 되지 않는다. 게다가, 상기 압전층(70)을 제조하는 방법은 상기 졸-겔 방법으로 한정되지 않는다. 예를 들면, MOD(Metal-Organic Decomposition) 방법 또는 그와 유사한 것이 사용되어도 문제가 되지 않는다.
상기 압전층(70)을 형성하는 구체적인 절차는 다음과 같다. 첫째로, 티타늄(Ti)으로 만들어진 접착층은, 비록 접착층이 도시되어 있지는 않지만, 상기 하부 전극 필름(60) 위에 형성된다. 그 후, 도 4a에 도시된 바와 같이, 압전 전조 필름(71)은 상기 하부 전극 필름(60)의 상부에 형성된다. 상기 압전 전조 필름은 PZT 전조 필름이다. 즉, 금속 유기 물질을 포함하는 상기 졸(액체 상태)은 상기 경로-형성 기판(10) 위쪽에 형성된 하부 전극 필름(60)의 상부에 도포된다. 다음으로, 이러한 압전 전조 필름(71)은 소정의 온도에서 가열되므로, 일정한 길이의 시간 동안 건조된다. 본 실시예의 경우에서, 상기 압전 전조 필름(71)은, 예를 들면, 170 내지 180℃에서 8 내지 30분 동안 상기 압전 전조 필름(71)을 유지하여 건조될 수 있다. 더불어, 건조 단계에서 온도 상승 비율이 0.5 내지 1.5℃/sec인 것이 바람직하다. 부수적으로, 이 관점에서 언급된 상기 "온도 상승 비율"은, 시간에 관하여 온도 1로부터 온도 2를 통한 온도의 변화 비율로서 정의된다. 온도 1과 2는 후술하는 방법으로 계산된다. 우선, 가열이 시작된 데에서, 온도(실온)와, 압전 전조 필름(71)이 상기 가열에 의해 이르는 온도와의 사이에서의 차이가 얻어진다. 그런 다음, 온도 1은, 가열이 시작된 온도에, 상기 온도 차이의 20%를 더함으로써 얻어진다. 온도 2는, 가열이 시작된 온도에, 상기 온도 차이의 80%를 더함으로써 얻어진다. 예를 들면, 상기 온도가 50초 동안 실온(25℃)에서 100℃로 상승하는 경우에는, 온도 상승 비율이 아래에 공식으로 나타내어진다.
(100-25)×(0.8-0.2)/50=0.9[℃/sec]
다음으로, 건조되고 있는 상기 압전 전조 필름(71)은, 상기 압전 전조 필름(71)을 소정의 온도로 상승하는 가열과 일정한 길이의 시간 동안 그 온도에서 상기 필름을 유지하는 방법에 의해 탈(脫)그리스(grease)화 된다. 본 실시예의 경우에, 예를 들면, 상기 압전 전조 필름(71)이 대략 300 내지 400℃의 온도로 상기 필름을 상승하는 가열 및 대략 10 내지 30분 동안 그 온도에서 상기 필름을 유지하는 방법에 의해 탈그리스화 된다. 부가적으로, 이러한 관점에서 언급하고 있는 상기 탈그리스화는, 예를 들면, NO2, CO2, H2O 및 그와 유사한 것과 같은 압전 전조 필름(71)에 포함된 유기물이 제거됨을 의미한다. 상기 탈그리스화 단계에서, 온도 상승 비율이 0.5 내지 1.5℃/sec인 것이 바람직하다.
그런 다음, 상기 압전 전조 필름(71)은 소정의 온도로 상승 가열되고, 일정한 길이의 시간 동안 그 온도에서 유지되어, 결정화 된다. 따라서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 압전 필름(72)이 형성된다(굽는 단계에서). 상기 굽는 단계에서, 상기 압전 전조 필름(71)이 680 내지 900℃의 온도로 상승 가열되는 것이 바람직하다. 본 실시예의 경우에서, 상기 압전 전조 필름(71)은 680℃에서 5 내지 30분 동안 상기 압전 전조 필름(71)을 가열하는 방법으로 구워진다. 게다가, 본 실시예에 따른 상기 굽는 단계에서, 온도 상승 비율은 120℃/sec이다.
예를 들면, RTZ(Rapid Thermal Annealing) 시스템이 상기 건조, 탈그리스화 및 굽는 단계에서 사용되는 가열 시스템으로 사용될 수 있다는 것을 주의해야 한다. 상기 RTA 시스템은 열판, 확산 용광로 또는 적외선 램프로부터의 방사에 의해 상기 열 공정을 수행한다. 본 실시예에서, 상기 온도 상승 비율은 120℃/sec만큼 높다. 이러한 이유로, 이러한 온도 비율의 고비율에서 상기 굽는 공정을 수행할 수 있는 상기 RTA 시스템이 사용된다.
마찬가지로, 본 실시예의 경우, 상술한 바와 같이, 도시하지 않은, 티타늄(Ti)으로 만들어지는 접착층은 상기 하부 전극 필름(60) 위에 형성된다. 그 후, 압전 필름(72)이 형성된다. 그것에 의해, PZT는 코어로서 티타늄 결정을 사용함에 의해 성장된다. 이것은 상기 하부 전극 필름(60)으로부터 결정이 성장하게 하므로, 조밀한 원주 결정을 얻을 수 있게 한다. 이러한 접착층은 굽기 후에 상기 압전 필름(72) 내부로 확산된다.
그런 다음, 상술한 적용, 건조, 탈그리스화 및 굽는 단계를 포함하는 상기 압전층 형성 단계는 여러 번 반복된다. 본 실시예의 경우, 상기 압전층 형성 단계는 10번 반복된다. 그것에 의해, 상기 압전층(70)은 도 4c에 도시된 바와 같이 형성된다. 상기 압전층(70)은 소정의 두께를 가지고 10개의 압전 필름(72)을 포함한다. 예를 들면, 매번 제공되는 졸이 대략 0.1㎛의 두께인 경우, 압전 필름(70)의 총 필름 두께는 대략 1.1㎛이다.
이러한 방법으로 형성된 상기 압전층(70)이 광각 X-레이 회절 방법에 의해 측정될 때, 상기 (100) 평면의 절반 폭은 0.2도보다 크지 않고, 동시에 상기 (200) 평면의 절반 폭은 0.25도보다 작지 않다. 이러한 방법으로, 만약 상기 압전층이 각각 소정의 값에 상응될 수 있는 절반 폭으로 형성되면, 우수한 변위 특성을 얻을 수 있다.
게다가, 상기 압전층(70)이 도 4a 내지 4c에 도시된 바와 같은 단계를 통하여 형성된 후, 상부 전극 필름(80)이, 도 5a에 도시된 바와 같이, 경로-형성 기판(10)의 전체 표면 바로 위에 형성된다. 상부 전극 필름(80)은 예를 들면 이리듐으로 만들어진다. 그 다음에, 상기 압전층(70) 및 상부 전극 필름(80)은 상기 압력 발생 챔버(12)에 각각 대향하는 영역에 각각 패터닝된다. 그러므로, 상기 압전 요소(300)가 형성된다. 다음으로, 상기 납 전극(90)이 형성된다. 특히, 상기 납 전극(90)이 후술하는 방법으로 형성된다. 첫 번째로, 납 전극(90)이 도 5b에 도시된 바와 같이 경로-형성 기판(10)의 전체 표면 위쪽에 형성된다. 상기 납 전극(90)은, 예를 들면, 금(Au) 및 그와 유사한 것으로 만들어진다. 그런 후에, 상기 납 전극(90)은, 예를 들면, 저항제 또는 그와 유사한 것으로 만들어진 마스크 패턴(mask pattern)(도시 생략)의 사용에 의해 각각의 상기 압전 요소(300)에 패터닝된다.
다음으로, 상기 보호판(30)은, 도 5c에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 접착제(34)로, 상기 경로-형성 기판(10)의 상부에 연결된다. 상기 보호판(30)은 이와 같이 패턴된 복수의 압전 요소(300)를 지지한다. 부가적으로, 상기 저장소 부분(31), 압전 요소 고정 부분(32) 및 그와 유사한 것은 상기 보호판(30)에 미리 형성된다. 게다가, 상기 보호판(30)은, 예를 들면, 대략 400㎛의 두께를 가진 단일 결정 실리콘 기판으로 만들어진다. 상기 경로-형성 기판(10)에의 상기 보호판(30)의 결합은 최종 경로-형성 기판(10)의 강성을 현저하게 증가한다.
다음으로, 도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 보호 필름(51)은, 상기 압전 요소(300)가 형성된 표면에 대향하는 표면인, 상기 경로-형성 기판(10)의 표면 위에서, 소정의 모양으로, 실리콘 이산화물 필름(52)을 패터닝하는 방법에 의해 형성된다. 마스크로 사용되는 보호 필름(51)으로, 상기 경로-형성 기판(10)은 KOH와 같은 알카리성 액체의 사용으로 이방성의 에칭(웨이트-에칭(wet-etching))을 겪게 된다. 그것에 의해, 상기 압력 형성 챔버(12), 연통 부분(13), 잉크 공급 경로(14) 및 그와 유사한 것은 상기 경로-형성 기판(10) 내에 형성된다.
다음으로, 노즐판(20)은, 보호판(30)이 결합된 표면에 대향하는 표면인, 상기 경로-형성 기판(10)의 표면에 연결된다. 노즐 오리피스(21)는 상기 노즐판(20)에서 구멍이 뚫어진다. 동시에, 상기 컴플라이언스 판(40)은 상기 보호판(30)에 연결된다. 그것에 의해, 도 1에 도시된 바와 같이, 잉크젯 기록 헤드는 형성된다.
많은 수의 칩이 실제로 상술한 일련의 필름 편성 및 이방성의 에칭을 통하여 동시에 단일 웨이퍼(wafer) 위에 형성되는 것을 주의해야 한다. 상기 공정이 완료된 후, 상기 웨이퍼는 도 1에 도시된 바와 같이 칩 크기로 각각 경로-형성 기판(10)으로 나누어진다. 그렇게 하여, 상기 잉크젯 기록 헤드는 형성된다.
(예)
납-지르콘산염-티탄산염(PZT)으로 만들어진 압전 필름은 상기 RTA 시스템에 의해 120℃/sec의 온도 상승 비율로 구워진다. 이러한 압전 필름들은 다른 것들 위로 적층되고, 그것에 의해 예에 따른 압전층이 만들어진다.
(비교예 1)
납-지르콘산염-티탄산염(PZT)으로 만들어진 압전 필름은 상기 RTA 시스템에 의해 10℃/sec의 온도 상승 비율로 구워진다. 이러한 압전 필름들은 다른 것들 위로 적층되고, 그것에 의해 비교예 1에 따른 압전층이 만들어진다.
(비교예 2)
납-지르콘산염-티탄산염(PZT)으로 만들어진 압전 필름은 상기 RTA 시스템에 의해 1℃/sec의 온도 상승 비율로 구워진다. 이러한 압전 필름들은 다른 것들 위로 적층되고, 그것에 의해 비교예 2에 따른 압전층이 만들어진다.
(실험예)
비교예 1 및 2뿐만 아니라 예에 따른 각각의 압전층의 표면에 관련하여, 상기 (100) 평면의 절반 폭 및 (200) 평면의 절반 폭은 광각 X-레이 회절 방법에 의해 측정된다. 게다가, 비교예 1 및 2뿐만 아니라 예에 따른 각각의 압전층의 표면에 관련하여, 중심에서 상기 B-사이트 원자의 편향은 라만 분광 분석 방법(Raman spectroscopic analysis method)에 의해 측정된다. 더욱이, 비교예 1 및 2뿐만 아니라 예에 따른 각각의 압전층의 표면에 관련하여, 상기 변위 상수가 측정된다. 아래 표는 그 결과를 나타낸다.
Figure 112007023174592-pat00016
비교예 1의 (100) 평면의 절반 폭은 비교예 2의 그것보다 더 크다는 것을 표 1로부터 알 수 있다. 대조적으로, 비교예 2의 (200) 평면의 절반 폭은 비교예 1의 그것보다 더 크다는 것을 표 1로부터 알 수 있다. 게다가, 비교예 2의 압전층의 변위 상수는 비교예 1의 그것보다 더 크다. 그러므로, 비교예 2의 압전층은 변위 상수 부분에서 비교예 1의 그것보다 더 낫다. 그 결과, 압전층의 변위 특성(변위 상수)은 광각 X-레이 회절 방법에 의해 측정되는 (200) 평면의 절반 폭에 의존하여 결정된다. 더욱이, 라만 분광 분석 방법에 의해 측정되는 비교예 1의 결정의 B-사이트 원자의 편향은 같은 방법으로 측정되는 비교예 2의 그것보다 더 크다. 그 결과, (200) 평면의 절반 폭에서의 값이 라만 분광 분석 방법에 의해 측정되는 중심에서 B-사이트 원자의 편향에 대응한다는 것을 알 수 있다.
비슷하게, 예시의 압전층이 후술하는 이유로 우수한 변위 특성이 수행된다는 것을 알 수 있다. 예 및 비교예 1의 (100) 평면의 절반 폭이 0.2도보다 작지 않지만, 비교예 1의 압전층의 (200) 평면의 반값이 0.25도보다 작음에 대하여, 예의 압전층의 (200) 평면의 반값은 0.25도보다 작지 않다. 게다가, 예의 압전층의 변위 상수는 비교예 1의 그것보다 더 크다. 그 결과, 예의 압전층은 우수한 변위 특성을 수행할 수 있다.
만약, 예의 압전층과 같이, 압전층이 0.2도보다 크지 않은 (100) 평면의 절반 폭과, 0.25도보다 작지 않은 (200) 평면의 절반 폭을 가지면, 우수한 변위 특성이 상기 압전층으로부터 얻어진다는 것을 상술한 것으로부터 알 수 있다..
더욱이, 만약, 압전층이 구워지는 동안 사용되는 온도 상승 비욜이 120℃/sec만큼 높으면, 이것은 우수한 변위 특성을 나타내는 압전층을 형성할 수 있게 한다.
(다른 실시예)
이제까지 본 발명의 실시예 1이 상술되었다. 그러나, 잉크젯 기록 헤드의 기본적인 형태는 상술한 형태에 한정되지 않는다. 상술하고 있는 실시예 1의 경우에, 예를 들면, 상기 압전 전조 필름(71)이 도포, 건조 및 탈그리스화 후에 구워져서, 상기 압전 필름(72)이 형성된다. 그러나, 압전층(72)을 형성하는 방법은 이것으로 한정되지 않는다. 상기 압전 필름(72)이 후술하는 방법으로 형성되어도 문제가 없다. 첫 번째로, 압전 전조 필름(71)의 도포, 건조, 및 탈그리스화의 공정은 여러 번 반복되는데, 예를 들면, 두 번일 수 있다. 그 후, 상기 압전 전조 필름(71)은 구워진다. 그것에 의해, 압전 필름(72)이 형성된다.
더욱이, 실시예 1의 경우, 상기 하부 전극(60)은 패터닝에 의해 형성된다. 그 후, 상기 압전층(70)이 형성된다. 그러나, 제작 장치의 편의를 위해, 첫 번째 압전 필름은 하부 전극 필름 위에 형성될 수도 있고, 그후, 상기 하부 전극 필름이 상기 압전층과 함께 패턴될 수도 있다.
마찬가지로, 실시예 1의 경우, 이리듐(Ir)은 상기 하부 전극 필름(60)용 재료로서 사용된다. 그러나 그 재료는 이것에 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 본질적으로 이리듐(Ir)을 포함하는 전도성 있는 재료가 상기 하부 전극 필름(60)용 재료로 사용되어도 좋다. 그렇지 않으면, 상기 하부 전극 필름(60)은 연속적으로 이리듐(Ir), 플래티늄(Pt) 및 이리듐(Ir)을 겹쳐놓는 것에 의해 형성되어도 좋다.
덧붙여서, 각각의 그 실시예에 따른 상기 잉크젯 기록 헤드는 잉크 카트리지 및 그와 유사한 것에 연통하는 잉크 경로가 제공된 기록 헤드 유니트의 일부분을 구성하고, 잉크젯 기록 장치 내에 설치된다. 도 8은 상기 잉크젯 기록 장치의 예를 나타내는 대략적인 형태의 다이어그램이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 각각 잉크젯 기록 헤드를 포함하는 기록 헤드 유니트 1A 및 1B는 잉크 공급 수단을 구성하는 카트리지 2A 및 2B에 분리가능하게 제공된다. 상기 기록 헤드 유니트 1A 및 1B가 장착되는 수송대(3)는 축이 연장하는 방향에서 수송대(3)가 자유롭게 움직일 수 있는 방법으로, 장치 본체에 고정된 수송대 축(5)에 제공된다. 이러한 기록 헤드 유니트 1A 및 1B는 검은 잉크 성분 및 컬러 잉크 성분을 각각 분사하도록 할당된다
게다가, 드라이브 모터로부터의 구동력은, 도시하지 않은 복수의 기어 및 타이밍 벨트(7)를 통하여 상기 수송대(3)에 전달된다. 그것에 의해, 상기 기록 헤드 유니트 1A 및 1B가 장착하는 상기 수송대(3)는 상기 수송대 축(5)에 따라 움직이게 된다. 한편, 상기 장치 본체(4)에는 수송대 축(5)에 따라 플래튼(platen)(8)이 제공된다. 종이 시트와 같은 기록 매체인 기록 시트(S)는 상기 플래튼(8) 위에서 전달되도록 설계된다. 상기 기록 시트(S)는, 공급 롤러가 도시되지는 않지만, 공급 롤러 및 그와 유사한 것에 의해 공급된다.
본 발명은 실시예 1이 액체 분사 헤드의 예로서 상술한 잉크젯 기록 헤드를 들고 있을지라도, 액체 분사 헤드의 전 영역에 넓게 적용될 수 있다는 것을 주의해야 한다. 본 발명이 잉크 외 다른 액체를 분사하는 어떤 액체 분사 헤드에 적용될 수 있는 것은 언급할 필요조차 없다. 잉크 이외의 다른 액체를 분사하는 액체 분사 헤드의 예는: 프린터와 같은 이미지 기록 장치용으로 사용되는 다양한 기록 헤드; 액체 결정 디스플레이 장치 및 그와 유사한 것의 컬러 필터를 제조하는 데에 사용되는 컬러-재료-제트; 오리지날 EL 디스플레이 장치, FED(Field Emission Display)장치 및 그와 유사한 것의 전극을 형성하는 데에 사용되는 전극-재료-제트; 바이오-칩을 제조하는 데에 사용되는 바이오-유기물-기판-제트 헤드;를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 (200) 평면의 절반 폭에 의해 결정 내에서 B-사이트 원자의 편향을 측정할 수 있게 한다. 상기 (200) 평면의 절반 폭을 0.25도보다 작지 않게 유지하는 것은, 중심으로부터 B-사이트 원자의 편향을 규정할 수 있게 하고, 따라서 우수한 변위 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 압전 요소는:
    하부 전극;
    압전층; 및
    상부 전극을 포함하고,
    상기 압전층의 표면이 광각 X-레이 회절 방법에 의해 측정될 때, (100) 평면의 절반 폭이 0.2도보다 크지 않고, (200) 평면의 절반 폭이 0.25도보다 작지 않은 압전 요소.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압전층의 두께가 300nm보다 작지 않은 압전 요소.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 압전층은 납-지르콘산염-티탄산염으로 만들어지는 압전 요소.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 복수의 압전 요소가, 진동판을 개재시켜 기판 위에 제공되는 액츄에이터 장치.
  5. 노즐 오리피스로부터 액체를 분사하는 액체 분사 수단으로서 제 4항의 상기 액츄에이터 장치를 포함하는 액체 분사 헤드.
  6. 제5항의 상기 액체 분사 헤드를 포함하는 액체 분사 장치.
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