KR100808902B1 - 잉크젯 헤드의 제조방법 - Google Patents

Abstract

잉크젯 헤드의 제조방법이 개시된다. 압력챔버와, 압력챔버의 일면에 포함되는 멤브레인과, 멤브레인에 결합되는 압전소자와, 압력챔버에 연결되어 잉크액적을 토출하기 위한 노즐을 포함하는 잉크젯 헤드를 제조하는 방법으로서, (a) 기판 상에 하부전극층을 적층하고, 하부전극층에 압전막을 적층하고, 압전막에 상부전극층을 적층하여 형성되는 압전박판을 소정의 크기로 다이싱하여 복수의 압전소자를 제작하는 단계, (b) 복수의 압전소자 각각에 대해 전기적 특성을 측정하여 측정치를 생성하고, 측정치를 미리 설정된 하나 이상의 기준치와 비교하여, 기준치별로 측정치가 기준치로부터 소정의 오차범위 이내인 압전소자를 선별하여 하나 이상의 그룹을 생성하는 단계, 및 (c) 하나 이상의 그룹 중 어느 하나의 그룹에 속하는 압전소자를 표면실장기술을 적용하여 멤브레인 상에 실장하는 단계를 포함하는 잉크젯 헤드의 제조방법은, 압전소자 간의 불균일한 특성이 최소화되고, 압전소자의 전기적, 기계적 특성을 예상할 수 있으므로 설계 유동성을 확보할 수 있으며, 잉크젯 헤드의 불량율이 감소되어 수율이 향상된다.

다이싱, 압전소자, 표면실장

Description

잉크젯 헤드의 제조방법{Manufacturing method of ink jet head}

도 1은 종래기술에 따른 잉크젯 헤드에 프린팅된 압전소자를 나타낸 단면도.

도 2는 종래기술에 따른 잉크젯 헤드의 구조를 나타낸 분해사시도.

도 3은 종래기술에 따른 잉크젯 헤드의 구조를 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 제조방법을 나타낸 순서도.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 제조공정을 나타낸 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 압전소자

2 : 멤브레인

3 : SMT 장치

본 발명은 잉크젯 헤드의 제조방법에 관한 것이다.

압전구동식 잉크젯 헤드는 잉크가 수용되는 압력챔버의 일면에 멤브레인을 형성하고, 멤브레인에 PZT 등의 압전소자를 결합한 후, 압전소자의 구동에 의해 압력챔버를 가압함으로써 노즐을 통해 잉크액적을 토출하는 방식으로 인쇄를 수행한다.

이와 같은 압전구동식 잉크젯 헤드에는 액츄에이터로서 PZT가 주로 이용되는데, PZT는 스크린 프린팅법 등의 박막 형성법, 또는 상용 PZT를 접착제를 이용하여 멤브레인에 접합하는 방법으로 형성된다. 그러나 멀티 노즐 잉크젯 헤드에서 압력챔버별로 전기적, 기계적 성능이 균일하지 않은 PZT가 결합될 경우에는 노즐별 잉크액적의 분사 품질을 저하시키는 요인으로 작용하여, 이를 개선하기 위해 균일한 특성의 PZT를 선별하여 결합하는 방법이 요구되는 실정이다.

도 1은 종래기술에 따른 잉크젯 헤드에 프린팅된 압전소자를 나타낸 단면도이고, 도 2는 종래기술에 따른 잉크젯 헤드의 구조를 나타낸 분해사시도이다.

종래의 압전식 액츄에이터는, 기판 위에 티타늄(Ti)층과 백금(Pt)층을 순차적으로 적층하여 하부 전극을 형성하는 단계와, 하부 전극 위에 압전막을 형성하는 단계와, 압전막 위에 상부 전극을 형성하는 단계를 거쳐 압전박판이 형성되며, 기판 상에 접합된 상태의 압전박판을 칩 단위로 절단하는 다이싱 단계와, 칩 단위의 압전 액츄에이터의 압전막에 전계를 가하여 압전특성을 발생시키는 폴링 단계를 거쳐 제작된다.

압전막은 압력 챔버에 대응되는 위치의 하부 전극 위에 페이스트 상태의 압전재료를 도포한 뒤 이를 소결시킴으로써 형성되며, 압전재료의 도포는 스크린 프린팅 방법에 의해 수행된다.

도 3은 종래기술에 따른 잉크젯 헤드의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 3에 도시된 하부 전극(191, 192) 위에 압전막과 상부 전극을 형성하는데, 구체적으로, 페이스트 상태의 압전재료를 스크린 프린팅(screen printing)에 의해 압력 챔버(120)의 상부에 소정 두께로 도포한 뒤, 이를 소정 시간 동안 건조시킨다. 압전재료로는 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료 등 여러 가지가 사용될 수 있다. 이어서, 건조된 압전막(193) 위에 예컨대 Ag-Pd 페이스트와 같은 전극 재료를 프린팅하고, 압전막(193)을 소정 온도에서 소결시킨다. 이때, 압전막(193)의 고온 소결과정에서 발생할 수 있는 압전막(193)과 상부 기판(100) 사이의 상호 확산(inter-diffusion)은 Ti/Pt층(191, 192)에 의해 방지된다. 이로써, 상부 기판(100) 위에 하부 전극(191, 192)과, 압전막(193)과, 상부 전극(194)으로 이루어진 압전 액츄에이터(190)가 형성된다.

그러나, 종래기술에 따른 압전소자는 멤브레인 등의 기판 상에 압전물질을 도포하여 소결시킨 후 칩 단위로 다이싱하여 형성되므로, 압전소자 간의 전기적, 기계적 특성의 균일도를 확보할 수 없으며, 이는 멀티 노즐 잉크젯 헤드에서 토출 품질의 저하를 가져올 수 있다는 문제가 있다.

본 발명은, 압전식 잉크젯 헤드에서 액츄에이터인 압전소자 간의 균일성을 확보하고, 멀티 노즐 잉크젯 헤드의 토출 품질을 향상시킬 수 있는 잉크젯 헤드의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 압력챔버와, 압력챔버의 일면에 포함되는 멤브레인과, 멤브레인에 결합되는 압전소자와, 압력챔버에 연결되어 잉크액적을 토출하기 위한 노즐을 포함하는 잉크젯 헤드를 제조하는 방법으로서, (a) 기판 상에 하부전극층을 적층하고, 하부전극층에 압전막을 적층하고, 압전막에 상부전극층을 적층하여 형성되는 압전박판을 소정의 크기로 다이싱하여 복수의 압전소자를 제작하는 단계, (b) 복수의 압전소자 각각에 대해 전기적 특성을 측정하여 측정치를 생성하고, 측정치를 미리 설정된 하나 이상의 기준치와 비교하여, 기준치별로 측정치가 기준치로부터 소정의 오차범위 이내인 압전소자를 선별하여 하나 이상의 그룹을 생성하는 단계, 및 (c) 하나 이상의 그룹 중 어느 하나의 그룹에 속하는 압전소자를 표면실장기술을 적용하여 멤브레인 상에 실장하는 단계를 포함하는 잉크젯 헤드의 제조방법이 제공된다.

전기적 특성에는 압전정수, 비유전율이 포함되며, 오차범위는 1%인 것이 바람직하다. 단계 (b)는 복수의 압전소자 각각에 대해 기계적 특성을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 기계적 특성에는 탄성계수가 포함될 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 잇점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

이하, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드의 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동 일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 제조방법을 나타낸 순서도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 제조공정을 나타낸 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 압전소자(1), 멤브레인(2), SMT 장치(3)가 도시되어 있다.

본 실시예는 산업용, 사무용 및 개인용 등으로 사용되고 있는 잉크젯 헤드 중 압전식 잉크젯 헤드에 액츄에이터로 사용되는 압전소자(1)를 결합하는 방법으로서, 압전정수, 비유전율, 탄성계수, 두께 등 전기적, 기계적 특성이 유사한 압전소자(1)를 선별하여 액츄에이터마다 SMT(surface mount technology) 공법을 적용하여 접합함으로써 멀티 노즐 전체가 균일한 성능을 낼 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

즉, 압전식 잉크젯 헤드의 엑츄에이터를 제작하는 과정에서, 다이싱(Dicing) 등에 의해 형성된 복수의 압전소자(1)를, 압전상수, 영율, 유전율, 두께 등 압전체로서의 특성을 물리적, 전기적 방법으로 측정한 후, 물리적, 전기적으로 결함이 없는 압전소자(1)만을 선별하여 액츄에이터를 제작한다. 또한 엑츄에이터 제작시 SMT 공정 및 장치를 이용하여 압전소자(1)의 접착위치의 정밀도 및 빠른 공정 속도를 확보할 수 있다.

이를 위해 먼저, 도 5의 (a)와 같이 복수의 압전소자(1)를 제작한다. 즉, 기판 상에 하부전극층을 적층하고, 그 위에 압전막을 적층하고, 그 위에 상부전극층 을 적층하여 압전박판을 형성한 후, 이를 칩 단위로 다이싱하여 복수의 압전소자(1)를 제작한다(P1). 이는 종래기술에 따른 스크린 프린팅법에 의한 압전소자(1) 형성방법에 상응하는 공정으로서, 잉크젯 헤드의 멤브레인(2) 상에 직접 압전소자(1)를 프린팅하여 형성하지 않고, 별도의 기판 상에 압전박판을 형성한 후 다이싱하여 칩 단위의 복수의 압전소자(1)를 제작하는 것이다.

다음으로, 제작된 복수의 압전소자(1)를 도 5의 (b)와 같이 전기적, 기계적 특성에 따라 선별한다(P2). 즉, 복수의 압전소자(1) 각각에 대해 전기적, 기계적 특성을 측정하고, 측정된 값을 기준치에 따라 선별하여 그룹별로 분류한다.

압전소자(1)의 전기적 특성으로는 압전정수, 비유전율, 유전상수 등을 들 수 있다. 압전정수는 압전재료 및 전기왜곡재료의 전기 기계 변환 특성을 표시하는 상수로서, 압전 응력 상수(e, h)와 압전 왜곡 상수(d, g)가 있다. 상수 e는 전계(E)가 일정한 상태에서 단위 왜곡(S)를 주었을 때 생기는 전기 변위(D), 또는 왜곡이 일정한 상태에서 단위 전계를 가했을 때 생기는 응력(T)을 나타내며, 단위는 C/㎡ 또는 m/V로 표시한다. 상수 h는 전기 변위가 일정한 상태에서 단위 왜곡을 주었을 때 생기는 전계, 또는 왜곡이 일정한 상태에서 단위 전기 변위를 주었을 때 생기는 응력을 나타내며 단위는 V/m 또는 N/C로 표시한다. 상수 d는 응력(T)이 일정한 상태에서 단위 전계(E)를 가했을 때 생기는 왜곡(S), 또는 전계가 일정한 상태에서 단위 응력을 가했을 때 생기는 전기 변위(D)를 나타내며, 단위는 m/V 또는 C/N로 표시한다. 상수 g는 응력이 일정한 상태에서 단위 전기 변위를 주었을 때 생기는 왜곡, 또는 전기 변위가 일정한 상태에서 단위 응력을 가하였을 때 생기는 전계를 나타내며, 단위는 ㎡/C 또는 m/N로 표시한다.

비유전율은 MKSA 단위계에서 물질의 유전율의 진공의 유전율에 대한 비를 나타내며, 유전상수는 축전지의 두 전극 사이에 유전체를 넣었을 경우와 넣지 않았을 경우의 전기용량의 비를 나타낸다.

이 중, 압전정수를 제1의 기준치로 하여 압전소자(1)를 선별한다. 즉, 압전소자(1)의 압전정수를 우열(優劣)에 따라 몇 개의 급으로 나누고, 측정된 압전정수 값을 기준치와 비교하여 측정치가 기준치로부터 소정의 오차범위 이내에 들 경우 당해 압전소자(1)를 같은 그룹으로 선별한다. 오차범위는 실질적으로 동일한 전기적 특성을 나타내는 범위가 되도록 설정할 수 있다.

압전정수를 기준으로 하여 복수의 압전소자(1)를 그룹핑(grouping)한 후, 같은 그룹에 속하는 압전소자(1)를 후술하는 표면실장 공정을 통해 멤브레인(2)에 실장함으로써 잉크젯 헤드의 성능을 균일하게 확보할 수 있다.

압전정수만으로는 압전소자(1)의 전기적 특성의 균일성을 확보하기 어려운 경우, 비유전율을 제2의 기준치로 하여 압전소자(1)를 선별한다. 즉, 압전소자(1)의 비유전율을 우열(優劣)에 따라 몇 개의 급으로 나누고, 측정된 비유전율 값을 기준치와 비교하여 측정치가 기준치로부터 소정의 오차범위 이내에 들 경우 당해 압전소자(1)를 같은 그룹으로 선별한다. 오차범위는 실질적으로 동일한 전기적 특성을 나타내는 범위가 되도록 설정할 수 있다. 이에 따라, 압전정수를 기준으로 할 때 같은 그룹에 속하는 압전소자(1)들이 비유전율을 기준으로 하여 다른 그룹으로 분류될 수 있다.

압전정수 및 비유전율과 같은 전기적 특성에 부가하여 탄성계수와 같은 압전소자(1)의 기계적 특성을 기준으로 압전소자(1)를 다시 분류할 수 있다. 탄성계수는, 임의 재질의 탄성특성을 나타내는 척도로서 재질 내 임의의 공간위치와 시간에 대하여 응력과 변형률 사이의 비례계수이다. 상태에서 물체에 가한 힘과 그것에 의한 변형량은 비례관계에 있는데, 어떤 종류의 변형에 대해서는 양쪽의 비가 물체의 모양이나 크기에 따르지 않는 물질 고유의 상수가 된다. 탄성계수에는 영률, , 등이 포함되며, 이들을 일반적으로 그 물질의 탄성률이라 한다.

영률과 (比)는, 철사나 막대의 신장(伸長)ㅇ수축 정도를 나타내는 것으로, 막대의 단위단면적에 걸리는 힘(T)과, 그것에 의해 생기는 막대의 단위길이 당 신축량인 신축률(A)과의 비(T/A)로 표시한다. 막대의 굵기나 길이에 관계없는 물질 고유의 상수로 이것이 큰 재료일수록 신축력이 약하다. 또 막대가 늘어났을 때 그 굵기는 가늘어지지만 이 경우, 길이의 늘어난 비율과 굵기의 수축률 비도 각각의 물질에 따라 일정한 값을 가진다. 이 값을 푸아송비라고 한다.

체적탄성률은 압축하였을 때 물체 각 면에 걸려 있는 압력(p)과 그것에 의한 단위부피 당 수축량인 (v)과의 비(p/v)이다.

강성률은 전단탄성률(剪斷彈性率) 또는 층밀리기탄성률이라고도 하며, 면에 따라 평행한 힘을 가했을 때 물체 부피는 변하지 않고 형상이 변하는 것을 전단변형이라고 하는데, 이 때 힘(F)은 단면의 전단각(θ)에 비례하며, (F/θ)는 재질에 따라 일정한 상수가 된다. 이 값이 그 물질의 강성률이다.

즉, 압전정수와 비유전율과 같은 압전소자(1)의 전기적 특성만으로는 압전소 자(1)의 균일성을 확보하기 어려운 경우, 압전소자(1)의 기계적 특성인 탄성계수를 제3의 기준치로 하여 압전소자(1)를 선별한다. 즉, 압전소자(1)의 탄성계수를 우열(優劣)에 따라 몇 개의 급으로 나누고, 측정된 탄성계수 값을 기준치와 비교하여 측정치가 기준치로부터 소정의 오차범위 이내에 들 경우 당해 압전소자(1)를 같은 그룹으로 선별한다. 오차범위는 실질적으로 동일한 기계적 특성을 나타내는 범위가 되도록 설정할 수 있다. 이에 따라, 전기적 특성을 기준으로 할 때 같은 그룹에 속하는 압전소자(1)들이 기계적 특성을 기준으로 하여 다른 그룹으로 분류될 수 있다.

전술한 압전소자(1)의 압전정수, 비유전율, 탄성계수 외에도 잉크젯 헤드의 액츄에이터로서 압전소자(1)의 균일성을 확보하는 데에 필요한 범위 내에서 다른 전기적, 기계적 특성을 기준으로 압전소자(1)를 분류할 수도 있음은 물론이다.

마지막으로, 이와 같이 분류된 그룹 중 어느 하나의 그룹에 속하는 압전소자(1), 즉 전기적, 기계적 특성이 균일한 압전소자(1)를 도 5의 (c)와 같이 SMT 장치(3)를 사용하여 잉크젯 헤드의 멤브레인(2) 상에 실장한다(P3). 이와 같이 압전소자를 결합시키는 데에 SMT 공정을 적용함으로써 압전소자를 정확한 위치에 접합할 수 있으며, 잉크젯 헤드의 멤브레인 상에 압전소자를 프린팅한 후 다이싱할 경우 발생할 수 있는 헤드구조의 손상을 미연에 방지할 수 있게 된다.

이이로써 잉크젯 헤드의 액츄에이터 간의 균일성이 확보될 수 있으며, 멀티 노즐 잉크젯 헤드의 토출 품질의 신뢰성이 향상된다.

전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한 다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압전소자 간의 불균일한 특성이 최소화되고, 압전소자의 전기적, 기계적 특성을 예상할 수 있으므로 설계 유동성을 확보할 수 있으며, 잉크젯 헤드의 불량율이 감소되어 수율이 향상된다.

또한, 액츄에이터인 압전소자의 성능에 따라 목표 토출속도를 고려하여 잉크 유로 등 다른 구조물의 설계를 변경함으로써 Lot별로 품질을 유지할 수 있으며, 일정 규격 이상의 성능을 가지는 압전소자를 사용함으로써 압전소자의 성능향상에 따른 잉크젯 헤드 전체의 성능 향상이 가능하다.

Claims (5)

1. 압력챔버와, 상기 압력챔버의 일면에 포함되는 멤브레인과, 상기 멤브레인에 결합되는 압전소자와, 상기 압력챔버에 연결되어 잉크액적을 토출하기 위한 노즐을 포함하는 잉크젯 헤드를 제조하는 방법으로서,

   (a) 기판 상에 하부전극층을 적층하고, 상기 하부전극층에 압전막을 적층하고, 상기 압전막에 상부전극층을 적층하여 형성되는 압전박판을 소정의 크기로 다이싱하여 복수의 압전소자를 제작하는 단계;

   (b) 복수의 상기 압전소자 각각에 대해 압전정수, 비유전율 및 탄성계수로 이루어진 군으로부터 선택된 복수의 특성을 측정하여 측정치를 생성하고, 상기 측정치를 미리 설정된 하나 이상의 기준치와 비교하여, 상기 기준치별로 상기 측정치가 상기 기준치로부터 소정의 오차범위 이내인 상기 압전소자를 선별하여 하나 이상의 그룹을 생성하는 단계; 및

   (c) 상기 하나 이상의 그룹 중 어느 하나의 그룹에 속하는 상기 압전소자를 표면실장기술을 적용하여 상기 멤브레인 상에 실장하는 단계를 포함하는 잉크젯 헤드의 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제

Images