KR100997985B1 - 잉크젯 헤드 구동부 및 그 제작방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 잉크젯 헤드 구동부 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면은, 상면에 홈이 형성된 진동판과, 상기 홈의 저면 및 측벽을 덮도록 형성된 제1 전극과, 상기 홈을 메우도록 상기 제1 전극 상에 형성된 압전체 및 상기 압전체 상에 형성된 제2 전극을 포함하고, 상기 진동판의 상면 및 상기 압전체의 상면이 서로 동일한 평면을 이루는 잉크젯 헤드 구동부를 제공한다.
본 발명에 따르면, 박막 압전체 및 진동판을 구비하여 진동 변위가 크고 구동 전압이 낮은 잉크젯 헤드 구동부 및 이를 제작할 수 있는 방법을 얻을 수 있다.
잉크젯 헤드, 구동부, 엑츄에이터, actuator, 압전체, 벌크
Description
본 발명은 잉크젯 헤드 구동부 및 그 제작방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 박막 압전체 및 진동판을 구비하여 진동 변위가 크고 구동 전압이 낮은 잉크젯 헤드 구동부에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 용지나 직물 등 인쇄 매체 상의 원하는 위치에 토출시켜 인쇄 매체의 표면에 소정 색상의 화상을 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 헤드는 잉크 토출 방식에 따라 여러 가지로 나뉠 수 있다. 그 중 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크를 토출시키는 열 구동 방식의 잉크젯 헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크를 토출 시키는 압전 방식의 잉크젯 헤드이다.
압전 방식의 잉크젯 헤드에서 구동부(Actuator)는 리스트릭터, 리저버, 챔버 및 노즐 부분을 제외한 부분으로서 도 1에 도시된 바와 같이, 챔버판(101), 진동 판(102), 압전체(104), 상부 및 하부전극(105, 104)을 통칭하는 구성이며, 이 중 챔버판(101)을 제외하고 칭할 수도 있다. 이 경우, 상기 상부전극(105)과 하부전극(104) 사이에 압전체(104)가 배치되며, 상기 하부전극(104)의 하면은 진동판(102)과 결합 된다. 또한, 상기 진동판(102)의 하면은 챔버판(101)이 결합 된다. 이러한 압전 방식의 잉크젯 헤드 구동부는 잉크젯 헤드의 잉크 토출 성능을 결정하는 중요한 요소로서 전압 인가시 진동할 수 있는 변위가 크고 구동 전압은 낮을수록 유리하다. 이를 위해서는 상기 압전체(104)와 진동판(102)을 되도록 얇게 만들 필요가 있다.
본 발명의 일 목적은 박막 압전체 및 진동판을 구비하여 진동 변위가 크고 구동 전압이 낮은 잉크젯 헤드 구동부를 제공하는 데에 있다. 나아가, 본 발명의 다른 목적은 상기 잉크젯 헤드 구동부를 용이하게 제작할 수 있는 방법을 제공하는 데에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 측면은,
상면에 홈이 형성된 진동판과, 상기 홈의 저면 및 측벽을 덮도록 형성된 제1 전극과, 상기 홈을 메우도록 상기 제1 전극 상에 형성된 압전체 및 상기 압전체 상에 형성된 제2 전극을 포함하고, 상기 진동판의 상면 및 상기 압전체의 상면이 서로 동일한 평면을 이루는 잉크젯 헤드 구동부를 제공한다.
진동 변위의 향상 측면에서, 상기 압전체의 두께는 20 ~ 30㎛인 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시 예에서, 상기 압전체는 상기 제1 전극에 접합 되어 형성된 것일 수 있다.
또한, 상기 진동판은 실리콘으로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면은,
진동판의 일면에 홈을 형성하는 단계와, 상기 홈의 저면 및 측벽에 제1 전극을 형성하는 단계와, 상기 홈을 메우도록 상기 제1 전극 상에 압전체를 형성하는 단계와, 상기 진동판 및 상기 압전체의 두께가 얇아지도록 상기 진동판의 상기 홈 형성 면과 상기 압전체의 노출면을 연마하는 단계 및 상기 압전체 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 진동판의 상기 홈 형성 면과 상기 압전체의 노출면을 연마하는 단계는 연마 후의 상기 진동판 및 상기 압전체의 표면이 서로 동일한 평면을 이루도록 실행되는 잉크젯 헤드 구동부의 제작방법을 제공한다.
이 경우, 상기 홈을 메우도록 상기 제1 전극 상에 압전체를 형성하는 단계는 상기 제1 전극에 상기 압전체를 접합시키는 단계인 것이 바람직하다.
또한, 상기 진동판의 상기 홈 형성 면과 상기 압전체의 노출면을 연마하는 단계는 상기 진동판 및 상기 압전체를 동시에 연마하는 단계일 수 있다.
삭제
또한, 상기 진동판의 상기 홈 형성 면과 상기 압전체의 노출면을 연마하는 단계는 상기 압전체의 두께가 20 ~ 30㎛가 되도록 실행될 수 있다.
또한, 상기 진동판의 상기 홈 형성 면과 상기 압전체의 노출면을 연마하는 단계는 화학기계적 연마(CMP)에 의해 실행되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 홈을 메우도록 상기 제1 전극 상에 압전체를 형성하는 단계는 상 기 압전체의 두께가 80 ~ 120㎛가 되도록 실행될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예의 경우, 상기 진동판은 내부에 형성된 식각저지층을 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 진동판의 일면에 홈을 형성하는 단계는 상기 진동판을 상기 식각저지층까지 식각하는 단계일 수 있다.
본 발명에 따르면, 박막 압전체 및 진동판을 구비하여 진동 변위가 크고 구동 전압이 낮은 잉크젯 헤드 구동부 및 이를 제작할 수 있는 방법을 얻을 수 있다. 이러한 잉크젯 헤드 구동부의 박막화는 구동 파형을 단순화시킬 수 있으며, 이에 따라 구동부의 진동 셀 간의 간섭을 저감시켜 토출 주파수 특성을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 잉크젯 헤드 구동부를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 잉크젯 헤드 구동부(200)는 챔버판(201), 진동판(202), 하부전극(203), 압전체(204) 및 상부전극(205)을 갖추어 구성된다. 상기 챔버판(201)은 내부에 토출 하고자하는 액체를 수용할 수 있는 공간을 구비하며 상기 진동판(202)의 진동에 의해 액체를 토출할 수 있다. 이 경우, 상기 챔버판(201)와 진동판(202)은 실리콘 등으로 이루어진 일체 구조일 수 있다. 다만, 상기 챔버판(201)을 제외한 구성을 잉크젯 헤드 구동부(200)로 칭할 수도 있다.
상기 진동판(202)은 상기 압전체(204)의 진동에 의해 상기 챔버판(201)의 액체 수용 공간의 체적을 변화시키며, 특히, 본 실시 형태의 경우, 그 상부에 홈이 형성된 구조이다. 상기 진동판(202)의 홈에는 상기 하부전극(203) 및 상기 압전체(204)가 순차적으로 형성되어 상기 진동판(202)의 홈을 메운다. 즉, 상기 진동판(202)의 홈의 저면 및 측벽을 덮도록 도전성 물질을 증착하는 등의 방법으로 하부전극(203)을 형성하며, 상기 하부전극(203) 상에 전기적 신호에 의해 진동할 수 있는 압전체(204)를 형성한다.
후술할 바와 같이, 상기 압전체(204)는 처음부터 박막 상태로 형성되는 것이 아니며, 약 100㎛ 이상의 비교적 두꺼운 벌크 상태에서 상기 하부전극(203)에 접합 된 후 연마되어 원하는 두께(t1)를 갖도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 압전체(204) 는 두께(t1)가 20 ~ 30㎛ 정도로서 박막 형태가 된다면 진동 변위가 커질 수 있으며, 이에 따라, 구동 전압을 낮출 수 있다. 또한, 잉크젯 헤드 구동부의 박막화는 구동 파형을 단순화시킬 수 있으며, 이에 따라 구동부의 진동 셀 간의 간섭을 저감시켜 토출 주파수 특성을 향상시킬 수 있다. 한편, 상기 압전체(204)는 당 기술 분야에서 사용되는 어떠한 물질, 예컨대, 세라믹 압전체나 수정(crystal) 편 등을 사용할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 구조를 갖는 잉크젯 헤드 구동부의 제작기법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
우선, 도 3a에 도시된 바와 같이, 챔버판(201)와 진동판(202)을 마련한다. 상세히 도시하지는 않았으나, 원하는 형상을 갖도록 상기 챔버판(201)를 적절히 에칭하여 액체 수용 공간을 형성하며, 상기 진동판(202)과 접합시킨다. 이 경우, 상기 진동판(202)은 후속 공정에 의해 연마되어 두께가 얇아지므로, 소정 수준 이상의 두께, 예컨대, 압전체를 접합한 후 함께 연마하는 공정이 용이하게 제어될 수 있는 수준의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 진동판(202)을 그 상부로부터 두께 방향으로 일부 제거하여 홈을 형성한다. 상기 진동판(202)에 홈을 형성하는 이유는 상술한 바와 같이, 하부전극과 압전체를 매립하기 위한 것이다. 이 경우, 홈 형성 공정은 당 기술 분야에서 공지된 어떠한 식각 공정(ICP, 습식 식각 등)을 이 용할 수 있으며, 후술할 바와 같이, 도 5에 개시된 식각저지층을 이용하면 보다 용이하게 홈을 형성할 수 있다.
다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 진동판(202)의 홈의 저면 및 측벽을 덮도록 하부전극(203)을 형성한다. 상기 하부전극(203)은 상부전극과 함께 압전체에 전압을 인가하기 위한 것으로서 도전성 물질을 도금이나 증착하는 등의 방법으로 형성될 수 있다. 한편, 도 3c에서는 상기 진동판(202)의 상면에까지 하부전극(203)이 형성된 것을 설명하였으나, 이와 달리, 상기 하부전극(203)은 상기 진동판(202)의 홈 영역에만 국한되어 형성될 수도 있다.
다음으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 진동판(202)의 홈을 메우도록 상기 하부전극(203) 상에 압전체(204)를 형성한다. 상기 압전체(204)는 전압 인가시 진동할 수 있는 세라믹 물질이나 수정 편 등으로 이루어진다. 특히, 본 실시 형태의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 압전체(204)는 벌크 형태로 미리 마련된 후 상기 하부전극(203)에 접합 된다. 이 경우, 연마되어 두께가 얇아지기 전의 상기 압전체(204)의 두께(t2)는 본 발명에서 원하는 얇은 두께일 필요가 없으며, 80 ~ 120㎛ 정도의 두께여도 무방하다.
본 실시 형태와 달리, 세라믹 분말을 폴리머 바인더 등과 섞어 이를 스크린 인쇄 후 소성하는 방법으로 압전체를 형성하는 방법의 경우, 압전체의 두께를 비교 적 용이하게 조절할 수는 있으나 압전체의 내구성 등이 약하며 그 성능도 본 발명과 같이 벌크 형태의 압전체를 사용할 경우에 비해 떨어진다. 그러나, 벌크 형태의 압전체를 100㎛ 이하 수준으로 가공하기가 어려운 문제가 있으며, 이에 따라, 벌크 형태의 박막 압전체를 진동판에 접합하는 방식으로는 잉크젯 헤드 구동부를 형성하기가 용이하지 않다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 실시 형태에서는 100㎛ 수준의 상대적으로 두꺼운 압전체(204)를 진동판(202)의 홈에 매립하고 후속 공정에서 진동판(202)과 함께 연마하는 방법을 사용하였다.
이를 도 3e를 참조하여, 설명하면, 상기 압전체(204)가 접합 된 상태에서, 상기 진동판(202), 압전체(204) 및 하부전극(203)의 상면을 연마하여 상기 압전체(204)가 20 ~ 30㎛의 두께가 되도록 한다. 이 경우, 상기 하부전극(203)도 함께 연마될 수 있다. 본 연마 공정은 화학 기계적 연마(CMP)를 이용하여 수행될 수 있으며, 상기 압전체(204)가 매립된 상태로 상기 진동판(202)과 함께 연마되므로 종래와 같이 별도로 압전체(204)를 연마한 후 접합하는 경우에 비해 공정의 정밀성과 편의성이 향상될 수 있다. 즉, 상기 압전체(204)가 상기 진동판(202) 및 챔버판(201)과 접합 된 상태에서 연마될 수 있어 연마 공정을 제어하기가 용이한 것이다.
다음으로, 상기 압전체(204)의 상면에 상부전극을 도금, 증착 등의 공정으로 형성한다. 상부전극까지 형성되어 완성된 잉크젯 헤드 구동부의 구조는 도 2에 도 시된 것과 같다.
도 5는 도 3에서 설명한 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 잉크젯 헤드 구동부의 제작기법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도 5a 내지 5e를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 잉크젯 헤드 구동부의 제작기법은 도 3에서 설명한 바와 같이, 챔버판(501) 및 진동판(502) 마련 단계, 식각을 통해 진동판(502)에 홈을 형성하는 단계, 하부전극(503) 형성 단계, 압전체(504) 접합 단계, 진동판(502) 및 압전체(504) 연마 단계를 구비한다. 도 3에서와 차이점은 진동판(502)의 내부에 식각저지층(506)을 형성하여 후속되는 홈 형성 공정을 보다 용이하게 하도록 한 것이다. 상기 식각저지층(506)은 SiO2와 같은 산화물로 이루어질 수 있으며, 원하는 진동판(502)의 두께에 해당하는 위치에 배치될 경우, 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 진동판(502)의 홈 깊이를 적절히 조절할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드 구동부를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 잉크젯 헤드 구동부를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 구조를 갖는 잉크젯 헤드 구동부의 제작기법을 설명하기 위한 공정별 단면도이며, 도 4는 도 3d에 도시된 공정을 상세히 나타낸 것이다.
도 5는 도 3에서 설명한 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 잉크젯 헤드 구동부의 제작기법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
201: 챔버판 202: 진동판
203: 하부전극 204: 압전체
205: 상부전극
Claims (14)
- 상면에 홈이 형성된 진동판;상기 홈의 저면 및 측벽을 덮도록 형성된 제1 전극;상기 홈을 메우도록 상기 제1 전극 상에 형성된 압전체; 및상기 압전체 상에 형성된 제2 전극을 포함하고,상기 진동판의 상면 및 상기 압전체의 상면이 서로 동일한 평면을 이루는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 구동부.
- 제1항에 있어서,상기 압전체의 두께는 20 ~ 30㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 구동부.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 압전체는 상기 제1 전극에 접합 되어 형성된 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 구동부.
- 제1항에 있어서,상기 진동판은 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 구동부.
- 진동판의 일면에 홈을 형성하는 단계;상기 홈의 저면 및 측벽에 제1 전극을 형성하는 단계;상기 홈을 메우도록 상기 제1 전극 상에 압전체를 형성하는 단계;상기 진동판 및 상기 압전체의 두께가 얇아지도록 상기 진동판의 상기 홈 형성 면과 상기 압전체의 노출면을 연마하는 단계; 및상기 압전체 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,상기 진동판의 상기 홈 형성 면과 상기 압전체의 노출면을 연마하는 단계는 연마 후의 상기 진동판 및 상기 압전체의 표면이 서로 동일한 평면을 이루도록 실행되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 구동부의 제작방법.
- 제6항에 있어서,상기 홈을 메우도록 상기 제1 전극 상에 압전체를 형성하는 단계는 상기 제1 전극에 상기 압전체를 접합시키는 단계인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 구동부의 제작방법.
- 제6항에 있어서,상기 진동판의 상기 홈 형성 면과 상기 압전체의 노출면을 연마하는 단계는 상기 진동판 및 상기 압전체를 동시에 연마하는 단계인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 구동부의 제작방법.
- 삭제
- 제6항에 있어서,상기 진동판의 상기 홈 형성 면과 상기 압전체의 노출면을 연마하는 단계는 상기 압전체의 두께가 20 ~ 30㎛가 되도록 실행되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 구동부의 제작방법.
- 제6항에 있어서,상기 진동판의 상기 홈 형성 면과 상기 압전체의 노출면을 연마하는 단계는 화학기계적 연마(CMP)에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 구동부의 제작방법.
- 제6항에 있어서,상기 홈을 메우도록 상기 제1 전극 상에 압전체를 형성하는 단계는 상기 압전체의 두께가 80 ~ 120㎛가 되도록 실행되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 구동부의 제작방법.
- 제6항에 있어서,상기 진동판은 내부에 형성된 식각저지층을 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 구동부의 제작방법.
- 제13항에 있어서,상기 진동판의 일면에 홈을 형성하는 단계는 상기 진동판을 상기 식각저지층까지 식각하는 단계인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 구동부의 제작방법.
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