KR100937074B1 - 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법 및 잉크젯 프린트헤드 - Google Patents

잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법 및 잉크젯 프린트헤드 Download PDF

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Abstract

기판(21)의 제 1 표면(21a)상에 유체 방울 발생기 구조체(25)의 일부를 형성하는 단계와, 기판의 제 2 표면(21b)에 좁은 슬롯(35')을 형성하는 단계와, 고정 홈(33)을 형성하기 위해 좁은 슬롯을 에칭하는 단계를 포함하는, 잉크젯 인쇄 장치 등의 유체 방울 분사 장치를 형성하는 방법을 개시하고 있다.

Description

잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법 및 잉크젯 프린트헤드{MICROMACHINED SILICON INTERLOCK STRUCTURE FOR DIE TO PEN BODY ATTACHMENT}
도 1은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드를 포함할 수 있는 프린트 카트리지의 개략적인 사시도,
도 2는 프린트헤드의 개략적인 측면 입면도,
도 3a는 프린트헤드의 개략적인 횡단면도,
도 3b는 프린트헤드의 고정 홈을 나타내는 단면도,
도 3c는 프린트헤드의 고정 홈의 예의 일부를 나타내는 평면도,
도 3d는 도 3c의 고정 홈의 상세 단면도,
도 4a는 프린트헤드의 고정 홈의 배열을 나타내는 개략적인 평면도,
도 4b는 프린트헤드의 고정 홈의 다른 배열을 나타내는 개략적인 평면도,
도 5 내지 도 11은 프린트헤드의 제조에 있어서의 다양한 단계를 나타내는 개략적인 횡단면도,
도 12는 프린트헤드를 이용할 수 있는 인쇄 시스템의 예를 나타내는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 인쇄 카트리지 11 : 카트리지 본체
13 : 프린트헤드 15 : 전기 접촉부
17 : 노즐 21 : 실리콘 기판
23 : 유체 방울 발생기 하부 구조체 25 : 박막 적층체
27 : 오리피스 구조체 29 : 잉크
31 : 잉크 공급 슬롯 33 : 고정 홈
34 : 고정 공동 35 : 접착제
35' : 좁은 슬롯 41 : 산화층
45 : 포토레지스트층 47 : 트렌치
110 : 잉크젯 인쇄 시스템 111 : 프린터부
113 : 스캐닝 캐리지 115 : 매체 트레이
117 : 인쇄 매체
본 발명은 잉크젯 인쇄 장치와 같은 유체 분사 장치에 관한 것으로, 특히 카트리지 본체에 접착되는 부분에 형성된 접착체 보유 고정 홈을 갖는 유체 분사 장치에 관한 것이다.
잉크젯 인쇄 기술은 비교적 잘 발달되어 있다. 컴퓨터 프린터, 그래픽 플로터, 및 팩시밀리 기기 등의 상용 제품들에는 매체를 인쇄하기 위한 잉크젯 기술이 제공되어 왔다. 잉크젯 기술에 대한 휴렛-팩커드사의 공헌은, 예를 들어 휴렛-팩커드 저널 제 36권 5호(1985년 5월), 제 39권 5호(1988년 10월), 제 43권 4호(1992년 8월), 제 43권 6호(1992년 12월), 제 45권 1호(1994년 2월)에 실린 다양한 기사들에 개시되어 있으며, 본 명세서에 모두 참고로 인용되었다.
일반적으로, 잉크젯 화상은 잉크젯 프린트헤드로 알려진 잉크 방울 발생 장치에 의해 분사된 잉크 방울을 인쇄 매체상에 정확하게 배치하는 것에 의해 형성된다. 통상적으로, 잉크젯 프린트헤드는 예를 들어, 인쇄 매체의 표면을 횡단하는 이동 가능한 프린트 캐리지상에 지지된 프린트 카트리지 본체에 부착된다. 잉크젯 프린트헤드는 마이크로컴퓨터 또는 다른 제어기의 명령에 따라 적절한 횟수로 잉크 방울을 분사하도록 제어되며, 잉크 방울의 분사 시기는 인쇄되는 이미지의 화소의 패턴에 대응하도록 되어 있다.
전형적인 휴렛-팩커드 잉크젯 프린트헤드는 잉크 발사 가열 저항기, 및 이 저항기를 작동하게 하는 장치를 제공하는 박막 구조체에 차례로 부착되는 잉크 배리어 구조체에 부착되거나 또는 그것과 일체인 오리피스 구조체내에 정밀하게 형성된 노즐의 배열을 구비한다. 잉크 배리어 구조체는 연관된 잉크 발사 저항기 위로 배치된 잉크 챔버를 구비하는 잉크 채널을 규정하며, 오리피스 구조체내의 노즐은 연관된 잉크 챔버와 정렬된다. 잉크 방울 발생기 영역은 잉크 챔버, 및 잉크 챔버에 인접한 박막 구조체와 오리피스 구조체 부분에 의해 형성된다.
잉크젯 프린트헤드에 대한 고려 대상은 프린트 카트리지 본체로의 프린트헤드의 부착의 신뢰성이다.
도 1은 본 발명의 유체 방울 분사 장치를 포함할 수 있는 잉크젯 프린트 카트리지(10)의 일 유형을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 프린트 카트리지(10)는 카트리지 본체(11), 프린트헤드(13) 및 전기 접촉부(15)를 구비한다. 카트리지 본체(11)는 프린트헤드(13)에 공급되는 잉크 또는 다른 적절한 유체를 수용하며, 전기 접촉부(15)에는 전기 신호가 제공되어 잉크 방울 발생기에 개별적으로 전압을 인가하여 선택된 노즐(17)로부터 유체의 방울을 분사한다. 프린트 카트리지(10)는 카트리지 본체(11)내에 다량의 잉크를 수용하는 일회용 타입일 수 있다. 또다른 적절한 프린트 카트리지는, 프린트 카트리지상에 장착되거나 또는 튜브 등의 도관에 의해 프린트 카트리지에 유체적으로 연결된 외부 잉크 공급원으로부터 잉크를 수용하는 타입일 수 있다.
개시된 구조체들은 잉크 방울 분사와 관련하여 설명되지만, 개시된 구조체들은 다른 유체 방울의 분사에 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 2 및 도 3a를 참조하면, 프린트헤드(13)는 실리콘 기판(21), 및 이 실리콘 기판(21)의 전방 표면(21a)상에 형성된 유체 방울 발생기 소구조체(23)를 구비한다. 유체 방울 발생기 소구조체(23)는 예를 들어, 열식 잉크 방울 발생기를 구비하는 열 잉크 방울 분사 소구조체를 제공한다. 잉크 방울 발생기는 예를 들어 가열기 저항기, 발사 챔버 및 노즐을 구비한다. 예시의 방법에 의해, 프린트헤드(13)는 종방향 기준 축(L)을 따른 종방향 연장부를 가지며, 노즐(17)은 기준 축(L)과 정렬된 종형 배열로 배치될 수 있다.
유체 방울 발생기 소구조체(23)는 예를 들어, 잉크 방울 발사 가열 저항기, 및 구동 회로 및 어드레싱 회로 등의 관련 전기 회로를 제공하는 박막층의 집적회로 박막 적층체(25)를 구비한다. 박막 적층체(25)상에는 잉크 채널, 및 잉크 발사 챔버, 잉크 채널 및 노즐(17)을 포함하는 오리피스 소구조체(27)가 배치되어 있다. 잉크 채널과 오리피스 구조체(27)는 SU8로 불리는 광규정성 스펀-온 에폭시(photodefinable spun-on epoxy)로 제조된 일체형 구조체일 수 있다. 변형적으로는, 잉크 채널 및 오리피스 구조체(27)는 잉크 배리어층 및 오리피스 플레이트로 이루어진 박층 구조체일 수 있다.
잉크(29)는 실리콘 기판(21)에 형성된 하나 또는 그 이상의 잉크 공급 슬롯(31)에 의해 카트리지 본체(11)내의 저장소로부터 유체 방울 발생기 소구조체(23)까지 이송된다. 변형적으로는, 잉크는 기판(21)의 에지 주변으로 이송될 수 있다. 각각의 잉크 공급 슬롯(31)은 프린트헤드의 종방향 축(L)을 따라 연장하며, 잉크 방울 발생기는 긴 잉크 공급 슬롯(31)의 일측 또는 양측상에 배치될 수 있다. 각각의 잉크 공급 슬롯(31)은 실리콘 기판(21)의 후방 표면(21b)상에 배치된 산화층(41)의 후방 표면으로부터 실리콘 기판(21)의 전방 표면(21a)까지 더 연장한다.
프린트헤드(13)는 후방 표면(21b)에 인접한 실리콘 기판의 일부 및 산화층(41)에 형성된 미세 가공된 고정 홈(33)을 더 구비한다. 프린트헤드는 고정 홈(33)을 부분적으로 또는 전부 채우는 접착제(35)에 의해 카트리지 본체에 부착되며, 산화층(41)과 카트리지 본체(11) 사이에 접착층을 형성한다. 접착제(35)와 고정 홈(33)은 프린트헤드와 카트리지 본체 사이의 부착을 개선할 수 있는 인터로크(interlock) 구조를 형성한다.
도 3b 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 특히 각각의 고정 홈(33)은 실리콘 기판의 후방 표면(21b)에 인접한 실리콘 기판내의 확장된 고정 공동(34)과; 이 확장된 공동(34)과 접착 계면을 형성하는 산화층(41)의 후방 표면 사이에서 연장하는 입구 개구(42)를 포함한다. 확장된 고정 공동(34)은 대응하는 입구 개구(42)의 최소 폭(W1)보다 큰 최대 폭(W2)을 갖는다. 즉, 공동의 폭(W2)은 대응하여 배치된 입구 개구 폭(W1)보다 크다. 특히 입구 개구는 산화층(41)과, 기판(21)의 후방 표면(21b)에 형성된다. 예를 들어, 각각의 고정 홈(33)의 확장된 공동(34)은 단면이 대체로 다이아몬드형일 수 있으며, 산화층의 후방 표면에서 고정 홈의 개구로부터 소정 거리로 벌어진 벽을 구비한다. 보다 일반적으로는, 각각의 고정 홈(33)은 홈의 입구 개구의 최소 폭(W1)보다 큰 최대 내부 폭(W2)을 갖는 홈 또는 슬롯을 포함하며, 입구 개구는 프린트헤드의 접착 표면과 고정 공동(34) 사이에서 연장한다. 산화층(41)이 생략된 경우, 그러한 접착 계면은 산화층(41)의 후방 표면 또는 실리콘 기판의 후방 표면(21b)을 포함한다.
도 3c 및 도 3d에 도시된 바와 같이, 예를 들어 고정 홈내로의 접착제 침투를 용이하게 하거나 또는 프린트헤드의 카트리지 본체(11)로의 접착 커플링을 개선 하기 위해, 고정 홈(33)은 그 길이를 따라 상이한 개구 폭(W1), 및 대응하는 공동 폭(W2)을 가질 수 있다. 즉, 고정 홈(33)은 상이한 개구 폭(W1) 및 공동 폭(W2)을 갖는 섹션 또는 부분을 가질 수 있다.
고정 홈(33)은 길이가 상이할 수 있으며, 다양한 방법으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 바와 같이, 복수의 고정 홈은 종방향 기준 축(L)에 실질적으로 평행한 고정 홈의 오프셋된 열로 배치될 수 있다. 또한 고정 홈은 예를 들어 잉크 공급 슬롯(31)의 단부에서의 소정 영역에서 종방향 기준 축(L)에 실질적으로 수직으로 배향될 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 고정 홈은 프린트헤드의 대부분의 종방향 범위를 따라 더 연장할 수 있다.
도 5 내지 도 11은 도 2 내지 도 3d의 프린트헤드의 제작에 사용될 수 있는 다양한 단계의 예를 도시한다.
도 5에 있어서, 가열기 저항기를 구비한 박막층의 집적회로 박막 적층체(25)는 예를 들어, <100> 결정 배향을 갖는 실리콘 기판(21)의 전방 표면(21a)상에 형성되어 있고, 산화층(41)은 실리콘 기판(21)의 후방 표면(21b)상에 형성되어 있다. 박막 적층체(25) 및 산화층(41)은 예를 들어 집적회로 기술에 의해 형성될 수 있다. 변형적으로는, 산화층(41)은 탄화규소 또는 질화규소 등의 적절한 마스킹 재료로 대체될 수 있다. 박막 적층체(25)는 실리콘 기판(21)의 상부 표면(21a)의 선택된 영역(22)이 노출되도록 패터닝될 수 있다. 이들 노출 영역(22)은 본원에 더 설명되는 바와 같이 잉크 공급 슬롯이 형성될 수 있는 영역을 구비한다. 변형적으로는, 박막 적층체(25)는 실리콘 기판(21)의 전체 전방 표면(21a)을 실질적으로 모두 커버할 수 있다.
도 6에 있어서, 박막 적층체(25) 및, 상부 표면(21a)의 노출 영역(22) 위에는 포토레지스트층(43)이 도포되며, 산화층(41) 위에는 포토레지스트층(45)이 도포된다.
도 7에 있어서, 포토레지스트층(45)에는 좁은 개구(46)가 형성되며, 산화층(41)에는 포토레지스트층(45)의 대응 개구(46)와 정렬하여 좁은 개구(42)가 형성된다.
도 8에 있어서, 실리콘 기판(11)의 후방 표면(21b)은 디프 리엑티브 이온 에칭(deep reactive ion etching ; DRIE) 등의 기판 에칭 공정이 수행되어, 실리콘 기판(21)에 좁은 슬롯(35')을 형성한다. 예시의 방법에 의하면, 디프 리엑티브 이온 에칭은 폴리머 증착 건식 에칭 공정을 이용하여 수행된다. 좁은 슬롯(35')은 대체로 수직인 벽을 가질 수 있다.
변형적으로는, 좁은 슬롯(35')은 레이저 절삭에 의해 형성될 수 있다.
포토레지스트층(43, 45)이 제거되며, 기판(21)에 TMAH(테트라메틸암모늄하이드록사이드) 또는 KOH(수산화 칼륨) 등의 습식 에칭이 수행되어, 실리콘 기판(21)의 상부 표면(21a)의 노출 영역에 트렌치(trench)(47)를 형성하고, 도 9에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(21)의 후방 표면(21b)에 미세 가공된 고정 홈(33)의 확장된 공동(34)을 형성한다. 선택적인 이방성 습식 에칭은 대체로 다이아몬드 형상인 오목한 단면 프로파일을 달성한다.
도 10에 있어서, 실리콘 기판에는 예를 들어 연마재 블라스팅(blasting), 화학적 에칭 또는 레이저 절삭에 의해 잉크 공급 슬롯(31)이 형성된다.
도 11에 있어서, 집적회로 박막 적층체(25)상에는 잉크 채널 및 오리피스 구조체(27)가 형성된다. 그 후 프린트헤드는 접착제에 의해 프린트 카트리지 본체에 부착될 수 있다.
도 12는 개시된 프린트 카트리지(10)가 적용될 수 있는 잉크젯 인쇄 시스템(110)의 예시적인 실시예의 사시도이다. 인쇄 시스템(110)은 스캐닝 캐리지(113)내에 설치된 적어도 하나의 프린트 카트리지(10)를 갖는 프린터부(111)를 구비한다. 프린터부(111)는 인쇄 매체(117)를 수용하기 위한 매체 트레이(115)를 구비한다. 인쇄 매체의 시트가 프린터부(111)내의 인쇄 구역으로 들어감에 따라, 스캐닝 캐리지가 프린트 카트리지(10)를 인쇄 매체를 가로질러 이동시킨다. 프린트부(111)는 인쇄 매체상에 잉크를 증착하도록 프린트 카트리지(10)의 프린트헤드의 방울 발생기를 선택적으로 작동시켜 인쇄를 수행한다.
따라서 상술한 내용은 잉크젯 인쇄뿐만 아니라 의료용 장치 등의 다른 방울 분사 장치에 유용한 유체 방울 분사 장치, 및 그러한 유체 방울 분사 장치를 제조하기 위한 기술에 대한 설명이다.
상기에서 본 발명의 특정한 실시예를 설명하고 도시하였지만, 다음의 청구범위에 의해 규정된 바와 같은 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변경이 당업자들에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 카트리지 본체와의 부착을 개선한 유체 분사 장치 및 그 제조 방법이 제공된다.

Claims (12)

  1. 잉크젯 프린트헤드(13)를 제조하는 방법으로서, 카트리지 본체(11)의 저장소로부터의 잉크(29)가 상기 잉크젯 프린트헤드(13)의 결정 기판(21) 내에 형성된 잉크 공급 슬롯(31)을 통해 상기 잉크젯 프린트헤드(13)의 유체 방울 발생기 구조체(23)에 공급되고, 그리고 상기 유체 방울 발생기 구조체(23)의 선택된 노즐(17)로부터 분사되는, 잉크젯 프린트헤드(13)를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 결정 기판(21)의 제 1 표면(21a) 상에 상기 유체 방울 발생기 구조체(23)의 일부(25)를 형성하는 단계와,
    상기 결정 기판(21)의 제 2 표면(21b)에 좁은 슬롯(35')을 형성하는 단계와,
    상기 좁은 슬롯(35')을 에칭하여 상기 결정 기판(21)에 고정 홈(anchor groove)(33)을 형성하는 단계로서, 상기 고정 홈(33) 각각은 고정 캐비티(anchor cavity)(34), 및 상기 고정 캐비티(34)와 상기 제 2 표면(21b) 사이에서 연장하는 개구(42)를 포함하고, 상기 고정 캐비티(34)의 최대폭(W2)은 상기 개구(42)의 최소폭(W1)보다 큰, 상기 고정 홈(33)을 형성하는 단계를 포함하는
    잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정 기판(21)의 제 1 표면(21a) 상에 상기 유체 방울 발생기 구조체(23)의 일부(25)를 형성하는 단계는, <100> 결정 배향을 갖는 실리콘 기판(21) 상에 박막 적층체(25)를 형성하는 것을 포함하는
    잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 좁은 슬롯(35')을 형성하는 단계는, 상기 결정 기판(21)의 제 2 표면(21b)을 건식 반응 이온 에칭하는 것을 포함하는
    잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 좁은 슬롯(35')을 에칭하는 단계는, 상기 좁은 슬롯(35')을 습식 에칭하는 것을 포함하는
    잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 결정 기판(21)의 제 1 표면(21a)을 습식 에칭하여 트렌치 영역(47)을 형성하는 단계를 더 포함하는
    잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 결정 기판(21) 내에 잉크 공급 슬롯(31)을 형성하는 단계를 더 포함하는
    잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항의 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법에 따라 제조된
    잉크젯 프린트헤드.
  8. 잉크젯 프린트헤드(13)에 있어서,
    기판(21)과,
    상기 기판(21)의 제 1 표면(21a) 상에 형성된 유체 방울 발생기 구조체(23)와,
    상기 기판(21)의 제 2 표면(21b)에 형성된 복수의 고정 홈(33)으로서, 상기 고정 홈(33) 각각은 고정 캐비티(34), 및 상기 고정 캐비티(34)와 상기 제 2 표면(21b) 사이에서 연장하는 개구(42)를 포함하고, 상기 고정 캐비티(34)의 최대폭(W2)은 상기 개구(42)의 최소폭(W1)보다 큰, 상기 복수의 고정 홈(33)을 포함하고,
    카트리지 본체(11)의 저장소로부터의 잉크(29)가 상기 기판(21) 내에 형성된 잉크 공급 슬롯(31)을 통해 상기 잉크젯 프린트헤드(13)의 유체 방울 발생기 구조체(23)에 공급되고, 그리고 상기 유체 방울 발생기 구조체(23)의 선택된 노즐(17)로부터 분사되는
    잉크젯 프린트헤드.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유체 방울 발생기 구조체(23)는 열식 방울 분사 구조체를 포함하는
    잉크젯 프린트헤드.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 고정 캐비티(34)는 단면이 대체로 다이아몬드 형상인
    잉크젯 프린트헤드.
  11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 기판(21)은 <100> 결정 배향을 갖는 실리콘 기판(21)을 포함하는
    잉크젯 프린트헤드.
  12. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 고정 캐비티(34)는 습식 에칭에 의해 형성된
    잉크젯 프린트헤드.
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