KR100875810B1 - 열 잉크젯 저항기 구조체, 열 잉크젯 프린터, 열 잉크젯 저항기 구조체 형성 방법 및 잉크젯 프린터 작동 방법 - Google Patents

열 잉크젯 저항기 구조체, 열 잉크젯 프린터, 열 잉크젯 저항기 구조체 형성 방법 및 잉크젯 프린터 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열 잉크젯 내결함성 저항기 설계(thermal ink jet defect tolerant resistor designs)를 기술한다. 열 잉크젯 저항기 구조체는 제 1 저항기 소자 및 적어도 하나의 다른 저항기 소자를 포함한다. 저항기 소자들은 병렬로 접속되며, 실질적으로 동일한 저항을 갖는다. 저항기 소자들은 여분으로 구성되어, 저항기 소자들 중 하나가 고장이 나는 경우에, 하나 이상의 나머지 저항기 소자가 잉크 분사를 실행하도록 기능할 수 있다. 전압 펄스의 소스는 적어도 하나의 저항기 어레이와 동작가능하게 관련되며, 저항기 어레이에 전압 펄스를 공급하여 저항기 어레이를 가열함으로써, 관련된 잉크 챔버(chamber) 내의 잉크를 응집하도록 구성된다.

Description

열 잉크젯 저항기 구조체, 열 잉크젯 프린터, 열 잉크젯 저항기 구조체 형성 방법 및 잉크젯 프린터 작동 방법{THERMAL INK JET DEFECT TOLERANT RESISTOR DESIGN}
본 발명은 열 잉크젯 프린터(thermal ink jet printer)용 프린트 헤드(print head)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 프린트 헤드 시스템과 열 잉크젯 프린터의 작동 방법에 관한 것이다.
열 잉크젯 인쇄 분야에서, 공통 기판 상에 가열 저항기(heater resistors)를 제공하고, 이들 가열 저항기를 개별 잉크통(ink reservoirs) 및 외부 노즐판 내의 대응하는 잉크 분사 구멍(ink ejection orifice)과 정렬시키는 것이 일반적인 관례가 되었다. 이들 가열 저항기는 물리적으로 정의되어, 탄탈-알루미늄(tantalum-aluminum)과 같은 적절한 저항기층 재료의 표면 상에 리소그래픽적으로 형성될 수 있는 도전 트레이스에 의해 전기적으로 구동된다. 전형적으로, 이들 가열 저항기는 탄화규소 및 질화규소와 같은 유전 재료에 의해 상부의 잉크통으로부터 분리된다. 이러한 유형의 열 잉크젯 프린트 헤드는, 예를 들면, Hewlett Packard Journal, Vol.36, No.5, May 1985의 문헌에 기술되어 있으며, 이 문헌은 본 명세서에서 참조로써 인용된다.
예를 들어, 예시적인 잉크통 및 잉크 분사용 저항기의 단면도를 도시하는 도 1을 고려한다. 구체적으로, 규소와 같은 기판(102)은 다수의 잉크통(104)을 지지한다. 각각의 잉크통은 분사될 잉크를 수용하도록 구성된다. 가열기 또는 저항기(106)는 잉크통 내에 배치되며, 유전 재료를 포함하는 패시베이션층(107)이 저항기(106) 위에 형성된다. 잉크를 분사하기 위해, 가열기 또는 저항기가 신속하게 가열되어, 증기 방울(vapor bubble)(108)이 잉크통(104) 내에 형성되도록 한다. 그 후, 이러한 증기 방울은 상당량의 잉크(110)가 채널로부터 분사되어, 인쇄될 페이지 쪽으로 향하게 한다.
잉크젯 프린터와 관련된 문제점들, 특히 잉크를 가열하는 가열기로서 사용되는 저항기와 관련된 문제점들 중 하나는, 시간에 걸쳐, 저항기의 재료에 존재하는 결함으로 인해 저항기가 부적절하게 동작하기 시작할 수 있다는 것이다. 또한, 부적절한 저항기 동작은 저항기의 위 또는 아래에 있는 층의 오염 또는 공극과 같은 것, 및 공극 또는 캐비테이션(cavitation) 손상 때문일 수 있다. 구체적으로, 저항기는 탄탈 알루미늄과 같은 도전 재료가 기판 상에 증착되고, 에칭되어 원하는 저항기를 형성하는 박막 기술을 이용하여 형성되는 것이 전형적이다. 이러한 층은 매우 얇은 층이다. 저항기층은, 시간에 걸쳐, 주로 계속되는 재료의 가열 및 냉각에 기인하여, 저항기가 사실상 오동작하고, 오픈 업(open up)되며, 끊어지도록 하는 재료 결함을 가질 수 있다. 저항기가 동작하지 않을 경우에는, 잉크통으로부터 잉크가 분사될 수 없으며, 따라서 저항기가 존재하는 프린터의 무결성이 손상될 수 있다.
발명의 개요
열 잉크젯 내결함성 저항기 설계(thermal ink jet defect tolerant resistor designs)를 기술한다. 일 실시예에서, 열 잉크젯 저항기 구조체는 제 1 저항기 소자 및 적어도 하나의 다른 저항기 소자를 포함한다. 저항기 소자들은 병렬로 접속되며, 실질적으로 동일한 저항을 갖는다. 저항기 소자들은 여분으로 구성되어, 저항기 소자들 중 하나가 고장이 나는 경우에, 하나 이상의 나머지 저항기 소자가 잉크 분사를 실행하도록 기능할 수 있다.
다른 실시예에서, 열 잉크젯 프린터는 잉크를 수용하고, 인쇄 매체 쪽으로 잉크를 분사하도록 구성된 다수의 잉크통을 포함한다. 적어도 하나의 저항기 어레이가 각 잉크통 내에 배치된다. 각각의 저항기 어레이는 서로 병렬로 접속되는 다수의 여분 저항기 소자를 포함하여, 임의의 한 저항기 소자의 고장으로 인해 관련된 잉크통의 동작 불능이 초래되지 않도록 할 것이다. 전압 펄스의 소스는 하나의 저항기 어레이와 동작가능하게 관련되며, 저항기 어레이에 전압 펄스를 공급하여 저항기 어레이를 가열함으로써, 관련된 잉크통 내의 잉크를 응집하도록 구성된다. 다른 양상에서, 저항 감지기가 제공되며, 전압 펄스의 소스에 접속된다. 저항 감지기는 하나의 저항기 어레이의 저항 변화를 감지하도록 구성된다. 전압 펄스의 소스는 저항 변화에 응답하여, 하나의 저항기 어레이에 공급되는 전압 펄스를 수정한다.
삭제
도 1은 상당량의 분사용 잉크를 응집하기 위해 저항기를 이용하는 예시적인 잉크젯 통의 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 공정에서의 기판 단편의 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 공정에서의 도 2의 기판 단편의 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 공정에서의 도 3의 기판 단편의 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 공정에서의 도 4의 기판 단편의 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 공정에서의 도 5의 기판 단편의 단면도이다.
도 7은 도 6의 기판 단편의 정면도이다.
도 8은 기술된 일 실시예에 따른 다수의 여분 저항기 소자를 포함하는 예시적인 저항기 어레이의 개략도이다.
도 9는 다양한 실시예가 구현될 수 있는 예시적인 잉크젯 프린터를 도시하는 도면이다.
개요
기술된 실시예에 따르면, 여분의 잉크젯 저항기 어레이가 제공된다. 분사용 잉크를 포함하는 각각의 잉크통에는 잉크를 응집하거나, 증기 방울을 제공하는 하나의 저항기 어레이가 구비된다. 각 저항기 어레이는 병렬로 접속된 다수의 저항기를 포함한다. 병렬 저항기들은 실질적으로 동일한 저항을 갖는다. 저항기 어레이는 잉크 분사를 위해 이용되는 유일한 저항성 구조체이다. 잉크를 분사하기 위해, 규정된 크기의 전압 펄스가 저항기 어레이에 인가되어, 잉크를 유효하게 가열하여 증기 방울을 형성한다. 저항기 어레이는 단일의 저항기인 경우에 발생할 수 있는 국부적인 결함, 입자 또는 공극에 의한 전류의 재배전을 막는다. 어레이의 저항기들 중 하나가 고장이 나는 경우에, 다른 병렬 저항기들이 잉크 분사 동작을 계속할 수 있다.
잉크젯 프린터에서의 추가적인 배경 정보에 대해서는 미국 특허 제 5,016,023 호, 제 5,610,644 호, 제 5,870,125 호, 제 4,695,853 호 및 제 5,491,502 호를 참조하면 되고, 그 개시 내용은 본 명세서에서 참조로써 인용된다.
다양한 실시예가 구현될 수 있는 예시적인 잉크젯 프린터는 도 9에서 참조 번호(900)로 도시된다.
예시적인 실시예
도 2를 참조하면, 기판 단편(112)이 도시되어 있으며, 그 상부에 저항기 어레이가 형성될 기판을 포함하고 있다. 기판(112)은 임의의 적절한 재료를 포함할 수 있다. 예시 및 기술된 실시예에서, 기판은 유리, SiO2, Si 상의 SiO2, 또는 유리 상의 SiO2를 포함할 수 있다. 도전층(114)은 기판(112) 상에 형성되며, 저항기 어레이를 형성하게 될 재료를 포함한다. 임의의 적절한 도전 재료를 이용할 수 있다. 예시 및 기술된 실시예에서, 층(114)은 전형적으로 잉크젯 가열기/저항기 소자를 형성하는 데 사용되는 탄탈 알루미늄 재료를 포함한다. 다른 적절한 도전 재료는 내열성(refractory) 재료 합금과 같은 내열성 재료를 포함하지만, 제한은 없다. 이하의 설명에서는, 다수의 저항기를 포함하는 하나의 저항기 어레이에 대하여 저항기 어레이 형성 공정이 기술된다. 기판 상의 다른 곳에서도 다른 저항기 어레이가 동시에 형성됨을 이해할 것이다.
도 3을 참조하면, 도전층(114) 상에 마스킹층(116)이 형성된다. 임의의 적절한 마스킹층 재료가 사용될 수 있다. 하나의 예시적인 재료에는 포토레지스트가 포함된다.
도 4를 참조하면, 마스킹층(116)이 노출 및 패터닝되어 저항기 어레이 패턴(일반적으로 참조 번호(118)로 표시됨)을 형성한다. 알려진 표준의 기법을 이용하여 마스킹층(116)을 노출 및 패터닝할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 도전층(114)이 에칭되어, 복수의 저항기 소자(120)를 형성한다. 집합적으로, 저항기 소자들은 병렬로 접속되어 하나의 저항기 어레이(122)를 형성한다. 유리하게, 각각의 저항기 소자는 실질적으로 동일한 저항을 갖는다. 임의의 적절한 개수의 저항기 소자가 제공될 수 있다. 예시 및 기술된 실시예에서는, 그러한 10 개의 저항기가 도시된다. 각각의 저항기 어레이는 잉크를 분사하는 데 이용되는, 유일한 저항성 구조체 또는 가열기/저항기 구조체를 포함한다.
도 7을 참조하면, 저항기 어레이(122)의 정면도가 도시되어 있다. 어레이의 각각의 저항기들은, 구체적으로 도시되지 않은 도체 접합부에서를 제외하고는, 서로 분리되어 있다.
도 8은 잉크 분사를 위해 잉크통과 관련하여 사용하도록 구성된 하나의 예시적인 저항기 어레이의 전기적인 개략도이다. 잉크를 분사하기 위해, 펄스 발생기(124)에 의해 일련의 전압 펄스가 생성되어, 저항기 어레이에 인가된다. 하나 이상의 저항기가 고장이 나는 경우에도, 다른 병렬로 접속된 저항기가 여전히 잉크를 응집하도록 기능하여, 잉크가 분사되도록 한다. 다른 실시예에서, 전압 펄스 발생기는 저항 감지기(125)를 포함할 수 있다. 저항 감지기(125)의 용도는 다수의 병렬 저항기의 저항을 감지하는 것이다. 하나 이상의 저항기가 고장이 나는 경우에, 병렬 저항기 어레이의 전체 저항이 변한다. 저항기의 전체 저항 변화를 감지함에 따라, 전압 펄스 발생기는 저항기 어레이에 전달되는 전력 입력 또는 전압 펄스를 수정할 수 있다.
본 실시예는 다수의 여분 저항기 어레이가 제공된다는 점에서, 종래의 잉크젯 저항기 구성에 비해 개선되었다. 하나 이상의 개별적인 저항기 소자의 고장은 반드시 어레이가 일부를 포함하는 개별적인 분사기 구조체의 고장을 의미하는 것은 아니다. 더욱이, 다수의 병렬 저항기와 관련하여, 기술된 전압 펄스를 사용하는 것은 (하나 이상의 소자의 손실 이후에) 임의의 나머지 저항기 소자가 과도하게 스트레스를 받지 않도록 보장할 것이다.
본 발명자는 전기 에너지를 열 에너지로 변환하는 한 쌍의 소위 변환기와, 변환기에 의해 생성된 열 에너지를 분배 또는 분산시키는 소위 분배기를 사용하는 하나의 특정한 저항기 구성을 알고 있다. 이는 미국 특허 제 5,933,166 호에 기술되어 있다. 현재 기술된 실시예는 이러한 구성과는 상이하며, 그러한 구성에서 구현되지 않는 이점을 제공한다. 예를 들어, 본 실시예에서, 모든 다수의 저항기 소자는 구성, 재료, 저항성 등에 있어서 본질적으로 동일하다. 이러한 유사성은 저항기 어레이의 유리한 여분 특성을 향상시킨다. '166 특허에서 기술된 구성은 여분인 저항기를 갖지 않는다. 또한, 변환기들 중 하나 또는 분배기의 고장은 잉크 분사를 위한 시스템을 쓸모없게 만들어 버릴 것이다.
본 발명은 구조적인 특성 및/또는 방법적인 단계에 대해 특정한 용어로 기술되었지만, 첨부된 특허 청구 범위에 정의된 본 발명이 반드시 기술된 특정의 특성 또는 단계로 제한되는 것은 아님을 이해해야 한다. 오히려, 특정의 특성 및 단계는 청구된 본 발명을 구현하는 바람직한 형태로 개시된다.

Claims (23)

  1. 열 잉크젯 저항기 구조체(a thermal ink jet resistor structure)에 있어서,
    제 1 저항기 소자와,
    적어도 하나의 다른 저항기 소자―상기 저항기 소자들은 병렬로 접속되고 실질적으로 동일한 저항을 가짐―와,
    상기 저항기 소자들과 동작가능하게 관련되며, 상기 저항기 소자들에 전압 펄스를 공급하여 상기 저항기 소자들을 가열함으로써, 잉크를 분출시키는 전압 펄스의 소스와,
    상기 전압 펄스의 소스에 결합되며, 상기 저항기 소자들의 저항 변화를 감지하는 저항 감지기를 포함하되, 상기 전압 펄스의 소스는 저항 변화에 응답하여, 상기 저항기 소자들에 공급되는 상기 전압 펄스를 수정하는
    열 잉크젯 저항기 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항기 소자들은 동일한 재료를 포함하는
    열 잉크젯 저항기 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항기 소자들은 잉크 분사를 위해 이용되는 유일한 저항성 구조체인 저항기 어레이를 포함하는
    열 잉크젯 저항기 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항기 소자들은 탄탈 알루미늄(tantalum aluminum)을 포함하는
    열 잉크젯 저항기 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항기 소자들은 내열성(refractory) 재료를 포함하는
    열 잉크젯 저항기 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항기 소자들은 잉크 분사를 위해 이용되는 유일한 저항성 구조체인 저항기 어레이를 포함하되, 상기 저항기 소자들은 동일한 재료를 포함하는
    열 잉크젯 저항기 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항기 소자들은 잉크 분사를 위해 이용되는 유일한 저항성 구조체인 저항기 어레이를 포함하되, 상기 저항기 소자들은 탄탈 알루미늄을 포함하는
    열 잉크젯 저항기 구조체.
  8. 열 잉크젯 프린터에 있어서,
    잉크를 수용하고 인쇄 매체 쪽으로 분사하도록 구성된 다수의 잉크통(ink reservoir)과,
    각각의 잉크통 내에 배치된 적어도 하나의 제 1 항에 기재된 열 잉크젯 저항기 구조체를 포함하는
    열 잉크젯 프린터.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 저항기 소자들 각각은 실질적으로 동일한 재료를 포함하고, 상기 저항기 구조체는 상기 잉크를 응집하는 유일한 저항성 구조체인
    열 잉크젯 프린터.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 저항기 소자들 각각은 실질적으로 동일한 저항을 가지며, 각각의 상기 저항기 구조체는 상기 잉크를 응집하는 유일한 저항성 구조체인
    열 잉크젯 프린터.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 저항기 소자들 각각은 실질적으로 동일한 저항을 가지는
    열 잉크젯 프린터.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 저항기 소자들 각각은 탄탈 알루미늄을 포함하는
    열 잉크젯 프린터.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 잉크젯 프린터를 작동시키는 방법에 있어서,
    잉크를 가열하여 인쇄 매체 쪽으로 분사하는 적어도 하나의 저항기 구조체를 제공하는 단계―상기 하나의 저항기 구조체는 제 1 저항기 소자와, 적어도 하나의 다른 저항기 소자와, 상기 저항기 소자들과 동작가능하게 관련되는 전압 펄스 소스와, 상기 전압 펄스 소스와 연결된 저항 감지기를 포함하되, 잉크를 가열 및 분사하는 데 이용되는 유일한 저항성 구조체를 포함하는 상기 저항기 소자들은 병렬로 접속되고, 실질적으로 동일한 저항을 가지며―와,
    상기 전압 펄스 소스에 의해 생성된 일련의 전압 펄스를 상기 저항기 소자들에 인가함으로써, 상기 저항기 소자들을 이용하여 상당량의 잉크를 가열하는 단계―상기 가열은 잉크가 상기 인쇄 매체 쪽으로 분사되기에 충분함―와,
    상기 저항 감지기를 이용하여 상기 저항기 구조체와 관련되며 저항기 소자의 고장을 나타내는 저항 변화를 감지하고, 이에 응답하여 상기 저항기 소자들에 인가되는 상기 일련의 펄스를 수정하는 단계를 포함하는
    잉크젯 프린터 작동 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항기 소자가 고장이 나는 경우에, 잉크를 상기 인쇄 매체 쪽으로 분사하기에 충분한 상기 가열 동작을 계속하는 단계를 더 포함하는
    잉크젯 프린터 작동 방법.
  20. 삭제
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항기 구조체를 제공하는 단계는 동일한 재료를 포함하는 저항기 소자를 제공하는 단계를 포함하는
    잉크젯 프린터 작동 방법.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항기 구조체를 제공하는 단계는 탄탈 알루미늄 재료를 포함하는 저항기 소자를 제공하는 단계를 포함하는
    잉크젯 프린터 동작 방법.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항기 구조체를 제공하는 단계는 각각의 저항기 구조체에 10 개의 저항기 소자를 제공하는 단계를 포함하는
    잉크젯 프린터 작동 방법.
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