KR100973614B1 - 고립노즐을 구비한 잉크젯 프린트헤드 - Google Patents

Abstract

노즐(3) 사이의 오염을 최소화하기에 적합한 프린트헤드가 제공된다. 이 프린트헤드는 잉크방울을 프린트매체 위에 분사하기 위한 복수의 노즐(3)을 포함하는 기판(8)으로 구성된다. 각각의 노즐(3)은 이 기판(8)의 잉크분사표면에 규정된 노즐구멍(5)을 구비한다. 또한, 이 프린트헤드는 잉크분사표면에 복수의 형성물을 포함한다. 이 표면 형성물은 적어도 하나의 인접노즐(3)로부터 각각의 노즐(3)을 고립시킬 수 있게 형성되며, 일반적으로는 각각의 노즐(3)을 포위하는 외장(60)의 형태를 갖는다.

Description

고립노즐을 구비한 잉크젯 프린트헤드 {INKJET PRINTHEAD HAVING ISOLATED NOZZLES}

관련 특허출원의 교차 참조

본 발명의 출원인이나 양수인에 의해 제출된 아래의 특허나 특허출원은 교차 참조에 의해 여기에 통합된다.

일부 특허출원은 명부번호(docket number)로 기재되었다. 이들은 출원번호 가 알려질 때 교체될 것이다.

본 발명의 분야

본 발명은 잉크젯 프린터 분야에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 미세전자기계 시스템(ＭＥＭＳ: microelectro-mechanical systems) 기술로 제작된 프린트헤드를 사용하는 잉크젯 프린팅 시스템을 개시한다.

여러 다양한 유형의 인쇄술이 발명되어 있으며, 그 중 많은 수가 현재 사용되고 있다. 이미 알고 있는 인쇄방식에는 적당한 마킹매체로 프린트매체를 인쇄하기 위한 다양한 방법이 있다. 통상적으로 사용되는 인쇄방식은 오프셋(offset) 프린팅, 레이저 프린팅 장치와 레이저 복사 장치, 도트 매트릭스(dot matrix) 충격식 프린터(impact printers), 감열기록지 프린터(thermal paper printers), 필름 리코더(film recorders), 열 왁스 프린터(thermal wax printers), 염료승화 프린터(dye sublimation printers) 및 요구적출형(drop on demand)과 연속유동방식(continuous flow type)의 양쪽 모두로 제공되는 잉크젯 프린터를 포함한다. 각 유형의 프린터는 가격, 속도, 품질, 신뢰성, 구조와 작동 등의 단순성을 고려할 때 나름대로 장점과 단점이 있다.

최근 잉크젯 프린팅 분야에서는, 하나 이상의 잉크노즐에서 분사되는 잉크로 각각의 개별 화소(individual pixel)를 형성하는 방식이 가격에 비해 품질이 좋고 또 다목적으로 사용할 수 있는 특징으로 인해 점점 인기를 끌고 있다.

잉크젯 프린팅에 관한 여러 다양한 기술들이 발명되어 왔다. 제이 무어(J Moore)는 논문(Non-Impact Printing: Introduction and Historical Perspective, Output Hard Copy Devices, Editors R Dubeck and S Sherr, page 207-220(1988))에서 이 분야의 개관(survey)에 대해 언급했다.

잉크젯 프린터들은 여러 다양한 유형이 있다. 잉크젯 프린팅에서 잉크의 연속스트림(continuous stream)의 이용은 적어도 1929년으로 소급되는 것으로 여겨지며 그중 한셀(Hansell)의 미국특허 No.1,941,001에는 연속스트림 정전기 잉크젯 프린팅의 단순한 형태가 개시되어 있다.

또한, 스위트(Sweet)의 미국특허 3,596,275에는 방울분리(drop separation)를 야기할 수 있도록 잉크젯스트림이 고주파 정전기장(electro-static field)에 의해 변형되는 단계를 포함하는 연속 잉크젯 프린팅 공정이 개시되어 있다. 이 기술은 엘엠젯(Elmjet)과 사이텍스(Scitex)를 포함한 몇 개의 제조회사에서 아직도 이용되고 있다. (미국특허 No.3,373,437 스위트 외 참조)

또한, 압전 잉크젯 프린터가 통상적으로 사용되는 잉크젯 프린팅 장치 중의 한 형태이다. 압전 시스템은 다이어프램구동모드(diaphragm mode of operation)를 이용하는 카이저(Kyser) 등의 미국특허 No.3,946,398(1970), 압전 결정의 압착구동모드(squeeze mode of operation of a piezooelectric crystal)를 발표한 졸턴(Zolten)의 미국특허 3,683,212(1970), 벤드모드(bend mode)의 압전구동을 발표한 스템(Stemme)의 미국특허 No.3,747,120(1972), 잉크젯 스트림의 압전푸시모드구동작용(piezoelectric push mode actuation of the ink jet stream)을 발표한 호킨 스(Howkins)의 미국특허 No.4,459,601 및 전단모드형태의 압전변환소자(shear mode type of piezoelectric transducer element)를 발표한 피쉬벡(Fischbeck)의 미국특허 4,584,590에 개시되어 있다.

최근, 서멀 잉크젯 프린팅이 잉크젯 프린팅의 매우 인기있는 방식이 되고 있다. 이 잉크젯 프린팅 기술은 엔도(Endo) 등에 의해 발표된 GB 2007162(1979)와 바우어(Vaught) 등에 의해 발표된 미국특허 4,490,728을 포함한다. 상기 참조문헌 양쪽 모두에는 노즐과 같은 수축공간(constricted space)에서 기포(버블)의 생성을 초래하는 전열 액츄에이터(electrothermal actuator)의 활동에 따르는 잉크젯 프린팅 기술이 개시되어 있는데, 이 노즐에 의해서, 한정된 공간에 접속된 구멍으로부터 적당한 프린트 매체 위로 잉크의 분사를 야기한다. 전열 액츄에이터를 이용하는 프린팅 장치는 캐논과 휴렛팩커드 같은 제조사에서 만들어지고 있다.

상술한 내용에서 알 수 있듯이, 여러 다양한 유형의 프린팅 기술이 이용 가능하다. 이론적으로, 프린팅 기술은 여러 바람직한 특징들을 가져야 한다. 이들 특징은 가격에 비해 품질이 우수한 구조와 작동, 고속 작동, 안전 및 연속적인 장기 작동(continuous long term operation) 등을 포함한다. 각 기술은 가격, 속도, 품질, 신뢰성, 전력사용량, 구조와 작동의 단순성, 내구성과 소모성 측면에서 나름대로 장·단점을 갖고 있을 것이다.

잉크젯 프린트헤드, 특히 높은 노즐 밀도(high nozzle density)를 갖는 잉크젯 프린트헤드가 안고 있는 문제점은, 프린트헤드 표면 전체에 걸쳐 잉크가 유출되어 인접노즐을 오염시킬 수 있다는 것이다. 이것은 프린트 품질을 저하시키는 결 과를 가져오기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 프린트헤드 표면 전역에 걸친 잉크 간 오염(cross-contamination of ink)은 잠재적으로 노즐 액츄에이터의 전기분해와 부식촉진을 야기할 수 있다.

프린트헤드 표면 전체에 걸친 잉크유출을 최소화기 위한 종래 시도에서는 일반적으로 소수성(hydrophobic) 재료로 프린트헤드를 코팅하는 것을 수반한다. 하지만, 소수성 코팅만으로는 유출 범위를 최소화하는데 한계가 있었다.

잉크젯 프린트헤드, 특히 프린트헤드의 잉크분사표면(ink ejection surface)에 형성된 민감한 ＭＥＭＳ노즐을 구비한 잉크젯 프린트헤드가 안고 있는 다른 문제점은, 프린트헤드 표면을 청소함으로써 노즐구조가 손상될 수 있다는 것이다. 일반적으로, 프린트헤드는 종이먼지(paper dust)나 종이섬유(paper fibers)의 입자들을 제거하기 위해 정기적으로 닦여지는데, 이 입자들은 잉크분사표면에 축적된다. 청소기구(wiping mechanism)가 프린트헤드 표면의 노즐구조와 접촉할 때, 노즐을 손상시킬 위험이 있다는 것은 분명하다.

본 발명은 잉크 유출로 인한 인접노즐 간의 오염(교차오염)을 최소화하는 프린트헤드를 제공하는데 목적이 있다. 또한, 본 발명은 프린트헤드의 노즐구조를 손상시킬 위험 없이 청소기구로 프린트헤드 표면을 정기적으로 청소하는 프린트헤드를 제공하는데 다른 목적이 있다.

제1 양상(aspect)에서는,

잉크방울(ink droplets)을 프린트매체 상에 분사하기 위해, 각 노즐이 잉크분사표면(ink ejection surface) 내에 규정된 노즐구멍을 갖는 복수의 노즐을 포함하는 기판; 및

표면 형성물(surface formations)이 적어도 하나의 인접노즐로부터 각 노즐을 고립시키도록 형성된, 상기 잉크분사표면에 형성되는 복수의 형성물;

로 이루어진 프린트헤드가 제공된다.

제2 양상에서는,

인접노즐 사이의 잉크 간 오염을 최소화하면서 프린트헤드를 작동하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은,

⒜ 잉크방울들을 프린트매체 상에 분사하기 위해, 각각의 노즐이 잉크분사표면 내에 규정된 노즐구멍을 구비한 복수의 노즐을 포함하는 기판; 그리고

표면 형성물이 적어도 하나의 인접노즐로부터 각 노즐을 고립하도록 형성된, 상기 잉크분사표면에 형성되는 복수의 형성물; 로 이루어진 프린트헤드를 제공하는 단계: 및

⒝ 상기 프린트헤드를 사용하여 프린트매체 위에 프린팅하는 단계:

로 이루어진다.

제3 양상에서는,

고립노즐을 구비한 프린트헤드를 제작하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은,

⒜ 잉크방울들을 프린트매체 상에 분사하기 위해, 각(各) 노즐이 잉크분사표면 내에 규정된 노즐구멍을 구비하는 복수의 노즐을 포함한 기판을 제공하는 단계;

⒝ 상기 잉크분사표면 위에 포토레지스트로 된 층(layer)을 적층하는 단계;

⒞ 각 노즐구멍을 포위하는 상기 잉크분사표면의 일부가 노출되도록 상기 포토레지스트에 리세스(recesses)를 규정하는 단계;

⒟ 상기 포토레지스트 위와 상기 리세스 내에 루프재료(roof material)를 적층하는 단계;

⒠ 루프(roof)와 상기 루프로부터 잉크분사표면을 향해 연장한 측벽에 규정된 개구(opening)를 가진 노즐외장(nozzle enclosure)을 각(各) 노즐구멍의 둘레에 형성하기 위해 루프재료를 에칭하는 단계; 및

⒡ 상기 포토레지스트를 제거하는 단계;

로 이루어진다.

선택적으로, 상기 형성물은 소수성 표면을 갖는다. 잉크젯 잉크는 일반적으로 수용성 잉크이므로 소수성 형성물은 유출된 잉크(any flooded ink)를 밀어낼 것이다. 따라서 소수성 형성물은 물리적인 방해물(physical barrier)로서의 작용과 분자간 척력(intermolecular repulsive forces)에 의해 가능한 한 잉크 간 오염을 최소화한다. 또한, 소수성 형성물은 각각의 노즐챔버와 잉크공급채널 안으로 되돌아가는 유출된 잉크의 회수(ingestion)를 촉진한다. 노즐챔버는 대체로 친수성(hydrophilic)이므로, 잉크는 에워싸고 있던 소수성 형성물로부터 떨어져 나와 노즐 안으로 되돌아가기 쉽다.

선택적으로, 상기 형성물은 복수의 노즐 외장으로 배치되고, 각(各) 노즐 외장은 각각의 노즐을 포위하는 측벽을 포함하며, 이 측벽은 잉크분사표면과 함께 씰(seal)을 형성한다. 그러므로 각 노즐은 노즐외장에 의해 자신의 인접노즐로부터 고립된다.

선택적으로, 각 노즐외장은 각각의 노즐로부터 공간적으로 떨어져 있는 루프를 더 포함하며, 이 루프는 프린트매체 상에 잉크방울이 분사될 수 있도록, 각각의 노즐개구(nozzle opening)와 일치되는 루프개구를 구비한다. 따라서 각 노즐외장은, 일반적으로 잉크분사표면의 개별노즐을 덮거나 에워싸는(encapsulate) 캡(cap)의 형태로 제공될 수 있다. 이 루프는 유출잉크의 추가적인 오염뿐만 아니라, 예를 들면, 종이먼지나 종이섬유 또는 청소로 인한 잠재적인 손상으로부터 각 노즐을 보호하는 효과를 제공한다.

일반적으로, 이 측벽들은 각(各) 루프의 둘레(perimeter region)로부터 잉크분사표면을 향해 연장된다. 인접한 노즐외장의 측벽들은 통상적으로 잉크분사표면 전체에 걸쳐 공간적으로 떨어져 있다.

선택적으로, 이 프린트헤드는 페이지폭 잉크젯 프린트헤드와 같은 잉크젯 프린트헤드이다. 선택적으로, 상기 프린트헤드는 1600ｄｐｉ에 달하는 프린트를 하기에 충분한 노즐 밀도를 갖는다. 본 발명은 높은 노즐 밀도를 갖는 프린트헤드용에 특히 유익한데, 그 이유는 고밀도 프린트헤드가 인접노즐들 사이에서 유출하기가 특히 쉽기 때문이다.

본 발명의 범위 안에 있는 어떤 형태는 누락될 수도 있지만, 본 발명의 바람직한 예들이 단순히 예로서 첨부도면들을 참조하여 지금부터 설명될 것이다.

도 1은 버블형성 히터요소를 사용한 일 실시예에 따른 프린트헤드의 단위 셀의 잉크챔버를 나타낸 개략 단면도이다.

도 2는 다른 작동단계에서, 도 1의 잉크챔버를 나타낸 개략 단면도이다.

도 3은 또 다른 작동단계에서, 도 1의 잉크챔버를 나타낸 개략 단면도이다.

도 4는 또 다른 작동단계에서, 도 1의 잉크챔버를 나타낸 개략 단면도이다.

도 5는 증기 버블(vapor bubble)의 붕괴를 나타낸 본 발명의 일 실시예에 따른 프린트헤드의 단위 셀(unit cell)을 나타낸 개략 단면도이다.

도 6은 프린트헤드의 단위 셀의 다른 실시예를 나타낸 개략적인 부분절개 사시도이다.

도 7 내지 20은 프린트헤드의 제조공정의 다양한 연속단계에서, 도 6에 나타낸 단위 셀의 개략 사시도이다.

버블형성 히터요소 액츄에이터

첨부된 도 1 내지 4에는, 본 발명의 프린트헤드 중 어느 한 프린트헤드의 단위 셀(1)이 도시되어 있다. 상기 단위 셀(1)은 내측에 노즐(3)들이 형성된 노즐플레이트(2)를 포함하는데, 이 노즐들은 노즐림(4)과 상기 노즐플레이트를 관통하여 연장한 구멍(5)을 구비하고 있다. 이 노즐플레이트(2)는, 나중에 에칭(蝕刻)되는 희생 재료(sacrificial material) 위로, 화학기상성장법(ＣＶＤ)에 의해 적층되는 질화 실리콘 조직(silicon nitride structure)으로부터 플라즈마 에칭된다.

또한, 이 프린트헤드는, 각(各) 노즐(3)에 대해, 그 위에 노즐플레이트가 지지되는 측벽(6), 이 측벽과 노즐플레이트(2)에 의해 규정되는 챔버(7), 다층 기판(multi-layer substrate)(8) 및 이 다층 기판을 관통하여 기판 건너편(far side, 미도시)까지 연장된 유입통로(inlet passage)(9)를 포함한다. 루프형의 긴 히터요소(looped, elongate heater element)(10)가 챔버(7) 내에 현수되어 있기 때문에, 이 히터요소는 현수빔(suspended beam)의 형태가 된다. 도시된 바와 같이 상기 프린트헤드는 미세전자기계 시스템(ＭＥＭＳ) 구조이며, 이 구조는 아래에서 더 상세히 설명되는 리소그래피 공정(lithographic process)에 의해 만들어진다.

프린트헤드가 사용 중일 때, 잉크(11)가 잉크통(reservoir, 미도시)으로부터 상기 유입통로(9)를 통해 챔버(7) 안으로 들어가기 때문에, 도 1에 도시된 높이까지 상기 챔버가 채워진다. 그 후, 이 히터요소(10)는 1마이크로초(microsecond)보다 약간 짧은 시간 동안 가열되기 때문에, 이 가열은 열 펄스(thermal pulse)의 형태가 된다. 히터요소가 가열될 때, 이것이 잉크 내에서 증기버블(12)의 생성을 야기할 수 있도록 히터요소(10)가 챔버(7) 안의 잉크(11)와 열접촉(thermal contact)된다는 것을 알 수 있다. 따라서 상기 잉크(11)는 액체로 형성되는 버블을 만들어 낸다. 도 1은 열 펄스 발생 후 약 1 마이크로초 동안의 버블(12)의 형성, 즉 버블 이 히터요소(10) 상에 핵(nucleated)을 막 이룬 때를 나타낸다. 열이 펄스 형태로 공급되는 것처럼, 버블(12)을 생성하는데 필요한 모든 에너지가 그와 같은 짧은 시간 내에 공급될 것이라는 점을 알 수 있다.

앞에서 설명한 바와 같이 상기 히터요소(10)가 가열되면, 버블(12)이 히터요소의 길이를 따라 형성되는데, 도 1의 단면도에서, 이 버블은 각 히터요소 부분마다 하나씩, 4개의 버블 부분이 단면으로 나타나 있다.

버블(12)은 한번 발생하면 챔버(7) 안의 압력을 증가시키기 때문에, 이로 인해 노즐(3)을 통한 잉크(11) 방울(16)의 분사가 생긴다. 림(4)은 잉크방울(16)이 올바른 방향으로 분사되도록 도우므로, 잘못된 방향으로 잉크방울이 분사되는 것을 최소화할 수 있다.

유입통로(9) 하나에 챔버(7)와 노즐(3)이 하나씩 있는 이유는, 히팅요소(10)의 가열 및 버블(12)의 형성에 따라, 챔버 내에서 발생된 압력파(pressure wave)가 인접챔버들과 그 인접챔버에 대응한 노즐에 악영향을 미치지 않도록 하기 위해서이다. 챔버 내에서 발생된 압력파는 상기 챔버 벽에 상당한 스트레스(significant stress)를 준다. 질화규소(silicon nitride), 이산화규소(silicon dioxide(유리)) 또는 질산화규소(silicon oxynitride)와 같은 아몰퍼스(amorphous) 세라믹으로 챔버를 형성하는 것은, 결정 구조로 된 재료의 사용을 피하면서 챔버 벽에 높은 내구 력(high strength)을 준다. 결정체의 결함(crystalline defects)은 스트레스 집중점(stress concentration point: 응력 집중점)과 잠재적인 취약 부분 및 궁극적으로는 파손 부분으로 작용할 수 있다.

도 2와 3은 프린트헤드의 작동 중 2개의 연속하는 후 단계에서의 단위 셀(1)을 나타낸 것이다. 버블(12)이 더 발생해서 성장하고, 그 결과 노즐(3)을 통해 잉크(11)가 더 돌출한 것을 볼 수 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 버블이 성장함에 따라 버블(12)의 형상은 잉크(11)의 표면장력과 관성력(inertial dynamics)의 조합에 의해 결정된다. 표면장력은 버블(12)의 표면적을 최소화하는 경향이 있기 때문에, 일정량의 액체가 증발해 버릴 때까지, 이 버블은 본질적으로 디스크 형(disk-shaped)이다.

챔버(7) 안의 압력 증가는 잉크(11)를 노즐(3) 밖으로 밀어낼 뿐 아니라, 유입통로(9)를 통해 잉크 일부를 뒤로 밀어낸다. 하지만, 유입통로(9)는 길이가 약 200 내지 300 마이크론이고, 지름이 약 16 마이크론에 불과하다. 따라서 상당한 점성항력(viscous drag)이 있다. 그 결과, 챔버(7) 안의 압력증가에 따른 주된 효과(predominant effect)는, 잉크가 유입통로(9)를 통해 뒤로 밀린다기보다는 분사된 잉크방울(16)처럼 노즐(3)을 통해 바깥으로 강제로 배출된다는 것이다.

이제 도 4로 돌아가서, 이 프린트헤드는 그 후의 작동단계를 나타낸 것인데, 방울이 분리되기 전의 "네킹 페이즈(necking phase)" 동안, 분사되고 있는 잉크방울(16)이 도시된 것이다. 이 단계에서, 상기 버블(12)은 이미 최대 크기에 도달해 있어 그 후 붕괴점(point of collapse)(17)을 향해 붕괴하기 시작하였는데, 그러한 것이 도 21에 더 상세히 나타나 있다.

붕괴점(17)을 향한 버블(12)의 붕괴는 잉크(11) 일부가 노즐(3) 안으로부터 당겨지게 하고(방울의 측면(18)으로부터), 또 일부가 붕괴점을 향해, 유입통로(9)로부터 당겨지게 한다. 이러한 방식으로 당겨진 대부분의 잉크(11)는 노즐(3)로부터 당겨져, 방울의 분리 전에 방울(16)의 베이스에 환상의 네크(annular neck)(19)를 형성한다.

분리되기 위해서, 이 방울(16)은 표면장력을 극복할 수 있는 소정량의 모멘텀(certain amount of momentum)을 필요로 한다. 잉크(11)가 버블(12)의 붕괴로 인해 노즐(3)로부터 끌어 당겨짐에 따라, 네크(19)의 지름은 줄며 그로 인해 상기 방울의 상태를 유지하는 전체 표면장력의 합력은 줄어들고, 그 결과 노즐 밖으로 분사되는 잉크방울의 모멘텀은 방울을 분리하기에 충분하다.

방울(16)이 분리되면, 상기 버블(12)이 붕괴점(17)으로 붕괴함에 따라, 화살표 20으로 나타낸 바와 같이 캐비테이션 력(cavitation force)이 생기게 된다. 캐비테이션이 효과를 가질 수 있는 붕괴점(17) 근처에 고체표면(solid surface)이 없 다는 것에 주의해야 한다.

노즐외장의 장점

도 6에는, 본 발명에 따른 단위 셀(1)의 일 실시예가 나타나 있다. 구멍(5)은 노즐외장(60)에 의해 포위되어 있는데, 그것이 프린트헤드 상의 인접구멍들을 고립시킨다. 노즐외장(60)은 루프(61)와 측벽(62)을 구비하며, 이 측벽은 루프에서 노즐플레이트(2)로 연장되어 그것과 함께 씰(seal)을 형성한다. 이 루프(61)에 개구(opening)(63)가 규정되어 있으며, 이 개구는 잉크방울(미도시)이 노즐외장을 통해 프린트매체(미도시) 위로 이동하는 것을 허용한다.

상기 노즐외장(60)은 각 노즐의 바로 옆에 어느 정도 유출잉크를 가두어 둠으로써 인접구멍(5) 간의 오염(cross-contamination)을 최소화한다. 각 노즐에서의 잉크유출은 다양한 이유에 의해, 예컨대 노즐불량(nozzle misfire)이나 잉크공급채널의 압력변동(pressure fluctuation)에 의해 야기될 수 있다. 이 노즐외장은 제조공정 중에 소수성 재료로 코팅되거나 소수성 재료로 만들어질 수 있는데, 이것이 교차오염(cross-contamination)의 위험을 더욱 감소시킨다.

본 발명에 따른 프린트헤드의 또 다른 장점은 민감한 노즐구조를 손상시키는 일없이 프린트헤드의 노즐플레이트(2)가 청소될 수 있다는 점이다. 대체로, 잉크젯 프린트헤드는 예열기간(warm-up cycle) 중에 청소기구(wiping mechanism)에 의해 청소된다. 상기 노즐외장(60)은 노즐과 청소기구(미도시) 사이에 보호장벽으로 제공된다.

제조공정

간결하게, 도 6의 단위 셀만 대상으로 하여 제조단계가 도시되었다(도 7에서 20 참조). 그외 단위 셀은 다른 형태의 마스킹(masking)을 갖고 동일한 제조단계를 사용할 것이라는 점을 알 수 있다.

도 7에는, 도 13에 도시된 서멀 잉크젯 노즐을 제조하기 위한 스타팅 포인트가 도시되어 있다. 실리콘 웨이퍼의 ＣＭＯＳ처리는 구동회로(22)를 갖는 실리콘 기판(21)과 층간 절연막(interlayer dielectric)("상호연결층(interconnect))(23)을 제공한다. 상호연결층(23)은 4개의 금속층으로 구성되며, 이 금속층들은 상호연결층을 통하여 에칭될 유입통로(9)용 씰링(seal ring)을 함께 형성한다. 최상단 금속층(26)은, 도 7에서 볼 수 있는 것처럼, 씰링의 상부를 형성한다. 상기 금속 씰링은 유입통로(9)가 잉크로 채워져 있을 때 잉크수분(ink moisture)이 상호연결층(23)으로 스며나오는 것을 방지한다.

패시배이션층(Passivation layer)(24)이 플라즈마를 이용한 화학기상성장법(ＰＥＣＶＤ: plasma-enhanced chemical vapour deposition)에 의해서 최상단 금속층(26) 위에 적층된다. 패시배이션층(24)의 적층 후, 원형리세스를 규정하기 위해 패시배이션층이 에칭되며, 그 원형리세스가 유입통로(9)의 일부를 형성한다. 리세스를 에칭하는 것과 같은 방식으로, 복수의 통로(via)(50)가 또한 에칭되며, 이 통 로는 패시배이션층(24)을 통해 최상단 금속층(26)까지 전기 연결을 허용한다. 에칭 패턴은 무늬가 있는 포토레지스트(미도시)의 층에 의해 규정되며, 이 포토레지스트의 층은 에칭 후 산소 애싱(Ｏ_２ ashing)에 의해 제거된다.

도 8과 관련하여, 그 다음 제조공정에서, 하나의 포토레지스트의 층이 패시배이션 층(24) 위에 스핀코팅된다. 원형개구(circular opening)를 규정하기 위해, 이 포토레지스트는 노광(expose)되고 나서 현상(develop)된다. 제자리에 패턴이 형성된 포토레지스트(51)와 함께, 유전체로 된 상호연결층(23)이 적당한 산소­에칭 가스 케미스트리(예컨대 O₂/C₄F₈)를 사용하여 상기 실리콘 기판(21)까지 에칭된다. 상기 실리콘 기판까지의 에칭은, 적당한 실리콘­에칭 가스 케미스트리(예컨대 'Bosch etch')를 사용하여, 프론트 잉크 구멍(52)을 규정하기 위해, 밑으로 약 20 마이크론까지 계속된다. 동일한 포토레지스트 마스크(51)가 양쪽 에칭단계 모두에 사용될 수 있다. 도 9는 포토레지스트(51)의 제거와 프론트 잉크 구멍(52)을 에칭한 후의 단위 셀을 나타낸 것이다.

도 10과 관련하여, 그 다음 제조공정에서, 프론트 플러그(53)를 제공하기 위해, 상기 프론트 잉크 구멍(51)이 포토레지스트로 채워진다. 동시에, 포토레지스트의 층이 패시배이션 층(24) 위에 적층된다. 프론트 플러그(53) 위의 제1 희생판(54)과 상기 단위 셀의 가장자리를 따르는 트랙(scaffolding track)(35)을 규정 하기 위해서, 이 포토레지스트의 층은 노광되고 나서 현상된다. 그 뒤 즉시 제1 희생판(54)은 뒤따르는 히터재료(38)의 적층에 사용되며 또한 이에 의해 히터요소(도 10의 히터요소(10) 참조)의 휨(buckling)을 회피하기 위해서 상부평면(planar upper surface)으로 형성된다. 제1 희생판(54)은, 자신의 상면 위에 행해지는 뒤이은 고온적층(subsequent high­temperature deposition) 동안 포토레지스트의 역류를 방지하기 위하여, ＵＶ처리(cured) 및 가열경화(hardbaked) 된다.

중요하게는, 상기 제1 희생판(54)이 경사지거나 각을 이루는 측면(sloped or angled side faces)(55)을 구비한다. 이들 각을 이루는 측면(55)은 포토레지스트를 노광할 때 노광장치(예를 들면 스테퍼(stepper))의 포커싱을 조절함으로써 형성된다. 이 경사진 측면(55)은 제1 희생판(54) 위로 히터 재료(38)가 대체로 고르게 적층되는 것을 편리하게 허용한다.

도 11에서, 그 다음 제조공정은 상기 제1 희생판(54), 패시배이션 층(24) 및 가장자리의 트랙(35) 위로 히터재료(38)를 적층한다. 이 히터재료(38)는 일반적으로 TiAlN 단층(monolayer)이다. 그렇지만, 이 히터재료(38)는, 예를 들면 탄탈이나 탄탈 질화물(tantalum nitride)과 같은 상·하부 보호재료 사이에 TiAlN이 끼워진, 다른 방식으로 구성될 수 있다. 히터요소(10)의 보호층(passivating layer)은 히터의 부식을 최소화하고 또한 히터 수명을 연장한다.

도 12에서, 이 히터재료(38)는 그 후 상기 히터요소(10)를 규정하기 위해서 아래로 제1 희생판(54)까지 에칭된다. 동시에, 접촉 전극들(15)이 히터요소(10)의 어느 한 면에 규정된다. 이 전극들(15)은 최상단 금속층(26)과 접촉하여 상기 CMOS와 히터요소(10) 사이에 전기적 연결을 제공한다. 상기 히터재료가 상기 판(54) 둘레에 충분한 두께로 적층되므로, 상기 제1 희생판(54)의 경사진 측면이 히터요소(10)와 전극(15) 사이의 우수한 전기적 연결을 확실하게 한다. 히터재료의 다소 얇은 영역(불충분한 측면 적층으로 인해)은 고유저항(resistivity)을 증가시키며 또한 히터 성능에 악영향을 미친다.

인접한 단위 셀들은 각(各) 단위 셀의 가장자리를 따라 에칭된 그루브에 의해 상호 간에 전기적으로 절연된다. 이 그루브는 히터요소(10)를 규정할 때 동시에 에칭된다.

도 13과 관련하여, 그 다음 공정에서, 포토레지스트로 이루어지는 제2 희생판(39)이 히터재료 위로 적층된다. 원통형 노즐챔버의 측벽과 각 단위 셀의 측벽을 규정하기 위해서 상기 제2 희생판(39)이 노광되고 또한 현상된다. 뒤이은 실리콘 질화물 루프재료의 고온 적층(subsequent high­temperature deposition) 동안 포토레지스트의 역류를 방지하기 위해 제2 희생판(39)이 UV처리 및 가열경화된다.

도 14에서, 실리콘 질화물이 플라즈마를 이용한 화학기상성장법에 따라 상기 제2 희생판(39) 위에 적층된다. 실리콘 질화물은 각(各) 단위 셀 위로 루프(44)를 형성하는데, 이 루프가 노즐들의 열(row of nozzles)을 위한 노즐플레이트(2)로 된다. 챔버 측벽(6)과 단위 셀 측벽(56)은 실리콘 질화물의 적층에 의해 형성된다.

도 15에서, 적절한 패턴이 형성된 포토레지스트 마스크를 상기 루프 위에 두고, 정해진 시간 동안 에칭한 다음 애싱(ashing)에 의해 포토레지스트를 제거함으로써, 노즐 림(4)이 루프(44)를 관통하여 부분적으로 에칭된다.

도 16에서, 노즐구멍(5)이 상기 루프(24)를 관통하여 아래로 제2 희생판(39)까지 에칭된다. 다시, 이 에칭은 적절한 패턴이 형성된 포토레지스트 마스크를 루프 위에 두고, 밑으로 상기 판(scaffold)(39)까지 에칭한 다음 포토레지스트를 제거함으로써 수행된다.

도 17과 관련하여, 그 다음 공정에서 제3 희생판(64)이 상기 루프(44) 위로 적층된다. 각각의 구멍(5) 위로 원통형 노즐외장의 측벽을 규정하기 위해서 상기 제3 희생판(64)이 노광되고 또한 현상된다. 뒤이은 노즐외장 재료의 고온 적층 동안 포토레지스트의 역류를 방지하기 위해 제3 희생판(64)이 또한 UV처리 및 가열경화된다.

도 18에서, 플라즈마를 이용한 화학기상성장법에 의해 실리콘 질화물이 제3 희생판(64) 위에 적층된다. 실리콘 질화물은 각각의 구멍(5) 위로 외장루프(61)를 형성한다. 외장 측벽(62)이 또한 실리콘 질화물의 적층에 의해서 형성된다. 도시된 실시예에서 실리콘 질화물이 적층되는 동안, 외장루프(61)가 산화규소, 질산화규소 등으로 똑같게 형성될 수 있다. 선택적으로, 적층 이후 소수성 재료(예컨대 플루오로폴리머)의 층이 외장루프(61) 위에 적층된다. 이러한 부가적인 적층 공정(extra deposition step)은 적층 후의 어떤 단계에서도 실행될 수 있다. (예컨대 에칭 후 또는 애싱 후)

도 19에서, 상기 노즐외장(60)은 외장루프층(61)을 관통하여 에칭됨으로써 형성된다. 외장개구(enclosure opening)(63)는 이러한 에칭으로 규정된다. 또한, 외장측벽(62)의 바깥쪽에 위치되는 외장루프 재료는 제거된다. 이 에칭패턴은 표준 포토레지스트 마스킹에 의해 규정된다.

실리콘 기판(21)의 프론트면(frontside)에 완전히 형성된 노즐외장(60)을 포함하는 노즐구조에서, 잉크공급채널(32)이 프론트 플러그(53)와 만나는 기판(21)의 뒤쪽(backside)에서부터 에칭된다.

도 20에서, 상기 잉크공급채널(32)의 형성 후, 상기 프론트 플러그(53)와 함께 포토레지스트로 이루어진 제1, 2 희생판이 O₂플라즈마를 사용하여 애싱된다. 따라서 유체연결(fluid connection)은 잉크공급채널(32)에서부터 노즐구멍(5)과 노즐 외장개구(63)까지 이루어진다.

노즐챔버 측벽(6)의 어느 한쪽에 있는 포토레지스트의 일부는 루프(44), 단위 셀 측벽(56) 및 챔버측벽(6)으로 에워싸여 있다는 것에 주의해야 한다. 포토레지스트의 이 부분은 O₂ 애싱 플라즈마로부터 밀폐되어 있어, 그 결과 프린트헤드의 제조 후에도 그대로 남아 있다. 이 에워싸인 포토레지스트가 유리하게는 노즐 플레이트(2)를 지지함으로써 프린트헤드에 부가적인 견고성을 제공한다. 따라서 이 프린트헤드는 벽들을 지지하는 것 외에, 노즐들의 열들(rows) 위에 연속적으로 놓여 있으면서 또한 단단해진 포토레지스트의 고체 블록(solid block)에 의해 지지되어 있는 견고한 노즐플레이트를 가진다.

그외 실시예

버블형성 히터요소를 사용하는 프린트헤드와 관련하여 본 발명이 위에서 설명되었다. 하지만, 다음과 같은 것을 포함하는 넓은 범위의 프린팅 시스템에 대해서도 잠재적으로 적합하다.

: 컬러 및 흑백(monochrome) 오피스 프린터, 숏 런 디지털 프린터, 고속 디지털 프린터, 오프셋프레스 보조 프린터(offset press supplemental printers), 저가 스캐닝 프린터, 고속 페이지폭 프린터, 내장형 페이지폭 프린터를 가진 노트북 컴퓨터(notebook computers with inbuilt pagewidth printers), 휴대형 컬러 및 흑 백 프린터, 컬러 및 흑백 복사기, 컬러 및 흑백 팩시밀리 장치, 컴바인드 프린터, 팩시밀리 및 복사 장치, 라벨 프린터, 대형 포맷 플로터, 사진 복사기, 디지털 사진 "미니랩"용 프린터, 비디오 프린터, PHOTO CD(PHOTO CD는 이스트맨 코닥 회사의 등록상표임) 프린터, PDA용 휴대형 프린터, 월페이터 프린터, 인도어 사인 프린터, 빌보드 프린터, 패브릭 프린터, 카메라 프린터 및 고장방지 상업용 프린터 어레이.

광범위하게 설명된 바와 같이 본 발명의 정신 또는 범위로부터 벗어나는 일 없이 구체적인 실시예에서 도시된 것처럼 많은 변화 및/또는 변형이 본 발명에 따라 만들어질 수 있다는 것을 이 분야의 당업자에 의해 인식되어야 할 것이다. 그러므로 본 실시예들은 설명된 모든 점에서 고려되는 것이며 제한되지 않는다.

잉크젯 기술

본 발명의 실시예들은 잉크젯 프린터 타입 장치를 사용한다. 물론 여러 다양한 장치들이 사용될 수 있다. 하지만, 최근 인기 있는 잉크젯 프린팅 기술은 적절하지 않을 것 같다.

서멀 잉크젯이 안고 있는 가장 두드러진 문제점은 에너지 소비이다. 이것은 고속에서 요구되었던 것의 거의 100배이며, 또 에너지효율이 나쁜 방울분사 수단으로부터 유래한다. 이것은 잉크를 배출하는 증기버블을 생산하기 위해 물의 급속비등(rapid boiling)을 필요로 한다. 물은 매우 큰 열용량(heat capacity)을 가지고 있으며, 또한 서멀 잉크젯 응용(applications)에서 비등점 이상으로 가열되어야 한다. 종래 서멀 잉크젯 프린트헤드에서, 이것은 전기 입력(electricity input)에서 방울모멘텀(그리고 증가된 표면적) 출력까지, 약 0.02%의 효율에 이른다.

압전 잉크젯이 안고 있는 가장 두드러진 문제는 사이즈와 가격이다. 압전 결정은 적정한 구동전압에서 매우 작은 편차(deflection)를 갖고 있어, 그 결과 각(各) 노즐에서 넓은 면적을 필요로 한다. 또한, 각각의 압전 액츄에이터는 분리된 기판상에 있는 자신의 구동회로에 연결되어야 한다. 이것은 프린트헤드 당 약 300개의 노즐로 이루어진 현행 제한(current limit)에서는 아주 큰 문제가 아니지만, 19,200개의 노즐을 갖는 페이지폭 프린트헤드의 제조에서는 주된 장애가 된다.

이론상, 사용된 잉크젯 기술은 인­카메라 디지털 컬러 프린팅의 엄격한 요구와 그 외 고품질, 고속, 저비용 프린팅 적용(application)을 충족시킨다. 디지털 사진술의 요구를 충족시키기 위해, 새로운 잉크젯 기술들이 창작되어 있다. 목표로 하는 특징들은 다음과 같다.

저전력(10와트 미만)

고해상도(1600ｄｐｉ 이상)

사진품질급 출력

낮은 제조단가

소형(페이지폭×최소 단면적)

고속(＜페이지당 2초)

이 특징들 모두는 난이도를 달리하여 아래에서 설명되는 잉크젯 시스템에 의해 충족되거나 달성될 수 있다. 대규모 생산에 광범위한 선택의 범위를 주기 위해서 45개의 상이한 잉크젯 기술들이 본 양수인에 의해 개발되어 있다. 이 기술들은 관련 특허출원의 교차 참조라는 표제 하에 있는 테이블에 개시한 바와 같이 본 양수인에게 양도된 개별 출원들의 부분을 형성한다.

여기에 도시된 잉크젯 구성은 일회용 배터리를 사용하는 디지털 카메라로부터 데스크톱 및 네트워크 프린터까지, 그리고 상업용 프린팅 시스템까지, 광범위한 디지털 프린팅 시스템에 적합하다.

표준공정설비를 사용하는 제조의 용이함을 위해, 이 프린트헤드는 MEMS 후처리공정에서 모놀리식 0.5 마이크론 CMOS칩이 되도록 설계된다. 컬러사진응용을 위해, 이 프린트헤드는 길이가 100㎜이며, 잉크젯 유형에 따른 폭을 갖는다. 설계된 최소형 프린트헤드는, 폭이 0.35㎜이고 칩 면적이 35㎟로 주어지는, IJ38이다. 이 프린트헤드들은 각각 19,200개의 노즐에 더하여 데이터 및 제어 회로를 포함한다.

사출성형된 플라스틱 잉크채널을 통해 잉크가 프린트헤드의 뒤쪽으로 공급된다. 몰딩은 50 마이크론 형상들(features)을 필요로 하며, 이것은 표준 사출몰딩 장치에 리소그래피적으로(lithographically) 미세기계가공된 인서트를 사용하여 제조될 수 있다. 잉크는 웨이퍼를 관통하여 에칭된 구멍을 통해 상기 웨이퍼의 프론트 표면에 형성된 노즐챔버 쪽으로 흐른다. 이 프린트헤드는 테이프 자동 본딩에 의해 카메라 회로에 연결된다.

요구적출형 잉크젯의 테이블

각 잉크젯 노즐의 기본 작동의 11개 중요 특징들이 나타나 있다. 이 특징들은 대부분 무관하며, 11차원 매트릭스로 설명될 수 있다. 이 매트릭스의 11개 축 대부분은 본 양수인에 의해 개발된 엔트리(entries)를 포함한다.

다음에 설명하는 테이블들은 잉크젯 유형의 11차원 테이블의 축을 형성한다.

액츄에이터 기구(18개 유형)

기본 작동 방식(7개 유형)

보조 기구(8개 유형)

액츄에이터 증폭 또는 변형 방법(17개 유형)

액츄에이터 이동(19개 유형)

노즐 재충전 방법(4개 유형)

유입구를 통한 역류 제한방법(10개 유형)

노즐 청소 방법(9개 유형)

노즐플레이트 구조(9개 유형)

방울 분사 방향(5개 유형)

잉크 타입(7개 유형)

이 축들로 나타낸 완전한 11차원 테이블은 369억 개의 실시가능한 잉크젯 노즐의 구성을 포함한다. 실시가능한 조합 모두가 실행가능한 잉크젯 기술이 되는 것은 아니겠지만, 수많은 구성이 실행가능하다. 실시가능한 구성 전부를 설명한다는 것은 명백하게 비현실적이다. 그 대신, 몇몇 잉크젯 유형들이 자세히 연구되었다. 이들은 관련 특허출원의 교차 참조라는 표제 하에 있는 테이블에서 명부번호와 대응하는 IJ01-IJ45로 명시되어 있다.

11개 축들 중 하나 이상을 따라 대안적인 구성들을 치환함으로써 그 외의 잉크젯 구성이 이들 45개의 예들로부터 용이하게 얻어질 수 있다. IJ01-IJ45 사례들 중의 대부분은 현재 사용가능한 잉크젯 기술보다 우수한 특징들을 가진 잉크젯 프린트헤드로 구성될 수 있다.

선행기술 사례들이 본 발명자에게 알려진 경우에, 이들 사례 중 하나 이상이 후술하는 테이블들의 사례 항목(column)에 기재된다. IJ01-IJ45 시리즈 또한 사례 항목에 기재된다. 몇몇 경우에, 프린트 기술이 하나 이상의 엔트리와 특징들을 공유하는 테이블에 한 번 이상 기재될 수 있다.

잉크젯 기술에 적합한 응용(applications)은 다음의 것을 포함한다.

: 홈 프린터, 오피스 네트워크 프린터, 숏 런 디지털 프린터, 커머셜 프린트 시스템, 패브릭 프린터, 포켓 프린터, 인터넷 WWW 프린터, 메디컬 이미징, 와이드 포맷 프린터, 노트북 PC 프린터, 팩스 기계, 산업용 프린팅 시스템, 사진 복사기, 포토그래픽 미니랩 등.

상술한 11차원 매트릭스와 관련된 정보가 다음의 테이블에 기재된다.

Claims (30)

1. 잉크방울을 프린트매체 위에 분사하기 위해, 각(各) 노즐이 잉크분사표면에 형성된 노즐구멍을 구비하는, 복수의 노즐을 포함한 기판; 및

   표면 형성물(surface formations)이 적어도 하나의 인접 노즐로부터 각 노즐을 고립하도록 형성된, 상기 잉크분사표면에 형성되는 복수의 형성물;

   를 포함하며,

   상기 표면 형성물은 복수의 노즐 외장(nozzle enclosure)으로 형성되고, 각각의 노즐 외장은 각 노즐구멍으로부터 떨어져 있는 루프와 상기 루프의 둘레부분으로부터 뻗어 상기 잉크분사표면과 씰을 형성하는 측벽을 포함하며, 상기 루프는 각각의 노즐구멍과 정렬되는 루프 개구를 구비하고, 그로 인해, 분사된 잉크방울이 노즐구멍과 루프 개구를 통해 프린트매체 위로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 표면 형성물 각각은

   소수성 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 프린트헤드는

   페이지폭 잉크젯 프린트헤드인 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 프린트헤드는

   1600ｄｐｉ에 달하는 프린트를 하기에 충분한 노즐 밀도를 가진 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
5. 청구항 1에 기재된 프린트헤드를 포함하는 프린터.
6. 인접 노즐 사이의 잉크 간 오염(cross-contamination of ink)을 최소화하면서, 청구항 1의 프린트헤드로 프린팅하는 방법으로서,

   상기 방법은,

   ⒜ 청구항 1에 따른 프린트헤드를 제공하는 단계; 및

   ⒝ 상기 프린트헤드를 사용하여 프린트매체 위에 프린팅하는 단계:

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 프린팅 방법.
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