KR101060798B1 - 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 압전 엑츄에이터의 제조방법은 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록을 마련하는 단계; 상기 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록을 희생 기판에 접합하는 단계; 상기 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록을 래핑하여 두께가 감소된 압전체를 제조하는 단계; 상기 두께가 감소된 압전체를 폴리싱하는 단계; 상기 폴리싱 된 압전체를 상기 희생 기판으로부터 분리하는 단계; 상기 압전체의 양면에 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 및 제2 전극이 형성된 압전체를 절단하는 단계; 및 상기 절단된 압전체를 폴링(poling)하는 단계;를 포함한다.
잉크젯 헤드, 압전 엑츄에이터, 압전체, 희생 기판, 래핑, 폴리싱.

Description

잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조 방법{Manufacturing Method of Piezo Actuator for inkjet head}
본 발명은 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구동 효율이 증가된 고성능의 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 헤드는 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록 용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치로써, 최근에는 산업용 잉크젯 프린터에서도 사용되고 있다.
예를 들어, 인쇄회로기판(PCB) 상에 금, 은 등의 금속을 포함하는 잉크를 분사해 회로 패턴을 직접 형성시켜 산업 그래픽이나 액정 디스플레이(LCD), 유기발광다이오드(OLED)의 제조, 태양전지 등에 사용되고 있다.
잉크젯 헤드는 잉크 토출 방식에 따라 크게 두가지로 나뉠 수 있는다. 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크를 토출시키는 열 구동 방식의 잉크 젯 헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하 여 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크를 토출하는 압전 방식의 잉크젯 헤드이다.
압전 방식의 잉크젯 헤드는 카트리지에서 잉크를 유입 및 유출하는 유입구와 유출구, 유입되는 잉크를 저장하는 리저버, 그리고 상기 리저버 내의 잉크를 노즐로 이동시키기 위한 압력 챔버 등이 형성되며, 상기 압력 챔버의 표면에는 잉크를 외부로 토출시키기 위한 압전 엑츄에이터가 장착된다.
압전 방식의 잉크젯 헤드의 성능은 압전 엑츄에이터의 구동변위 및 구동주파수에 따른 구동 효율에 의해서 결정된다. 최근에는 잉크젯 헤드가 슬림화되는 추세이므로 압전 엑츄에이터도 얇게 제조되고 있다. 이러한 기술적인 추세에 따라 잉크젯 헤드의 성능을 향상시키기 위한 압전 엑츄에이터의 두께를 낮출 수 있는 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 상술된 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 구동 효율이 증가된 고성능의 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태는 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록을 마련하는 단계; 상기 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록을 희생 기판에 접합하는 단계; 상기 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록을 래핑하여 두께가 감소된 압전체를 제조하는 단계; 상기 두께가 감소된 압전체를 폴리싱하는 단계; 상기 폴리싱 된 압전체를 상기 희생 기판으로부터 분리하는 단계; 상기 압전체의 양면에 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 및 제2 전극이 형성된 압전체를 절단하는 단계; 및 상기 절단된 압전체를 폴링(poling)하는 단계;를 포함하는 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조방법을 제공한다.
상기 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록은 100㎛ 이상의 두께를 가질 수 있다.
상기 희생 기판은 실리콘 웨이퍼, 글라스 웨이퍼 또는 쿼츠 웨이퍼일 수 있다.
상기 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록은 가열에 의하여 접합력이 저하되는 접합 물질에 의하여 상기 희생 기판에 접합될 수 있다.
상기 래핑 단계는 상기 압전체의 원하는 두께보다 5 내지 10㎛의 큰 두께를 갖도록 수행될 수 있다.
상기 폴리싱 단계는 상기 압전체의 표면조도가 10Å이하가 되도록 수행될 수 있다.
상기 폴리싱 단계 이후의 압전체는 10㎛ 이상의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극의 형성은 도금 공정에 의하여 동시에 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 잉크 젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조방법은 희생 기판을 이용하여 래핑 및 폴리싱 공정을 수행하여 두께가 얇은 압전체를 제조할 수 있다.
또한, 도금 공정에 의하여 한번에 제1 및 제2 전극의 형성이 가능하여 공정수가 단축된다.
또한, 압전 엑츄에이터의 두께가 감소하여 구동 전압 대비 구동 효율이 증가하여 구동 변위가 커지고, 고주파수에서 작동이 가능해진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 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 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 압전 엑츄에이터(40)를 포함하는 잉크 젯 헤드를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 잉크 젯 헤드는 유로형성 기판(10), 노즐 기판(20)을 포함한다. 상기 유로형성 기판(10)에는 잉크 유로를 구성하는 매니폴드(13), 다수의 리스트릭터(12) 및 다수의 압력 챔버(11)가 형성되어 있다. 상기 노즐 기판(20)에는 다수의 압력 챔버(11) 각각에 대응하는 다수의 노즐(22)이 형성되어 있다.
또한, 상기 유로형성 기판(10)의 상부에는 압전 액츄에이터(40)가 장착되어 있다.
매니폴드(13)는 잉크 저장고(미도시)로부터 유입된 잉크를 다수의 압력 챔버(11)로 공급하는 통로이며, 리스트릭터(12)는 매니폴드(13)로부터 압력 챔버(11) 내부로 잉크가 유입되는 통로이다. 다수의 압력 챔버(11)는 토출될 잉크가 채워지는 곳으로, 매니폴드(13)의 일측 또는 양측에 배열되어 있다.
압력 챔버(11)는 압전 액츄에이터(40)의 구동에 의해 그 부피가 변화함으로써 잉크의 토출 또는 유입을 위한 압력 변화를 생성하게 된다. 압전 액츄에이터(40)는 유로형성 기판(10) 위에 순차 적층된 하부 전극(41), 압전체(42), 상부 전극(43)을 포함한다. 하부 전극(41)과 유로형성 기판(10)사이에는 절연막으로서 실리콘 산화막(31)이 형성될 수 있다. 상부 전극(43)은 압전체(42) 상에 형성되며, 압전체(42)에 전압을 인가하는 구동 전극의 역할을 하게 된다. 상부 전극(43) 에는 전압 인가용 플렉시블 인쇄 회로(FPC; Flexible Printed Circuit, 50)가 연결된다.
상부 전극(43)에 구동 펄스를 인가하면, 압전체(42)가 변형되어 압력 챔버(11)의 부피를 변화시켜 압력 챔버(11) 내의 잉크가 노즐(22)을 통하여 토출된다.
압전 엑츄에이터(40)의 성능은 구동 변위 및 구동 주파수에 의하여 결정되는데, 압전 엑츄에이터(40)의 두께가 감소하면, 구동 전압 대비 구동 효율이 증가되어 구동 변위가 커지고 고주파수에서 작동이 가능해진다. 이에 따라 고성능의 저전압 구동의 잉크젯 헤드의 제작이 가능해진다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 압전 엑츄에이터의 제조방법을 설명한다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 압전 엑츄에이터의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
우선, 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록을 마련한다. 이에 제한되는 것은 아니나, 벌크 상태의 압전 물질로된 블록은 100㎛ 이상의 두께를 가질 수 있다.
압전 물질을 얻는 방법으로는 원료 분말에 여러가지 첨가제를 혼합한 페이스트를 제조하고, 마스크를 통하여 프린팅 한 후 열처리 하는 스크린 프린팅 방법, 초미립자 분말이 분말장치와 기판 간의 내부 압력 차이와 반송 가스에 의해 초음속 의 속도로 분사되어 기판 표면에 코팅되는 에어로졸 증착법, 스퍼터링 타겟과 이온이 충돌하여 타겟 재료가 기판에 증착되는 스퍼터렁법 등이 있다.
본 실시형태에서는 벌크 상태의 압전 물질을 이용하는 것으로, 벌크 상태의 압전 물질은 블록으로 제조되어 사용된다.
압전 물질은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, PZT 등을 사용할 수 있다.
다음으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 벌크 상태의 압전 벌크 물질로 된 블록(42a)을 희생 기판(100)에 접합한다. 희생 기판(100)은 기판 전체의 두께 편차가 ±1 이내로 가공될 수 있는 물질이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 실리콘 웨이퍼, 글라스 웨이퍼, 쿼츠 웨이퍼 등을 사용할 수 있다.
희생 기판(100)은 이에 제한되는 것은 아니나, 300㎛ 이상의 두께를 가질 수 있다.
벌크 상태의 압전 물질로 된 블록(42a)은 접합물질(미도시)에 의하여 희생 기판(100)에 접합될 수 있다. 접합물질은 가열에 의하여 쉽게 접합력을 상실하는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 보다 구체적으로, 상기 접합 물질은 약 80℃의 온도에서 녹는 왁스를 사용할 수 있으며, 이에 따라 희생 기판(100)과 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록(42a)을 쉽게 분리할 수 있다.
도 2는 6인치 웨이퍼에 다수의 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록을 접합한 상태를 도시한 것이고, 웨이퍼의 크기 및 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록의 크기 에 따라 접합되는 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록의 갯수는 조절될 수 있다.
도 3a는 도 2의 I-I'선을 따라 취한 단면도이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 희생 기판에 접합된 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록(42a)을 래핑(lapping)한다. 이에 따라, 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록에 비하여 두께가 감소된 압전체(42b)를 제조한다.
이때, 원하는 최종 두께보다 큰 두께를 갖도록 래핑한다. 보다 구체적으로, 최종 설계된 두께보다 약 5 내지 10㎛의 큰 두께를 갖도록 래핑한다. 이는 후속 공정인 폴리싱 공정을 통하여 표면 조도를 형성하기 위한 것이다.
도 3b는 래핑 공정이 수행된 이후의 압전체(42b)의 표면을 촬영한 SEM사진이다.
다음으로, 도 4a에 도시된 바와 같이, 두께가 감소된 압전체(42b)를 폴리싱(polishing)한다. 폴리싱 공정에 의하여 두께가 감소된 압전체(42b)의 표면에는 표면 조도가 형성된다. 표면 조도는 이에 제한되는 것은 아니나, 10Å이하일 수 있다. 도 4b는 폴리싱 공정이 수행된 이후의 표면 조도가 형성된 압전체(42c)의 표면을 촬영한 SEM사진이다.
폴리싱 공정에 의하여, 압전체(43c)에 표면 조도가 형성되면, 구동시 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
폴리싱 공정 이후의 압전체(43c)는 10㎛이상의 두께를 가질 수 있다.
다음으로, 상기 표면 조도가 형성된 압전체(43c)를 상기 희생 기판(100)으로부터 분리한다.
보다 구체적으로, 희생 기판(100)을 핫 플레이트(hotplate) 등에 배치하고, 약 80℃로 가열한다. 이에 따라 접합 물질의 접합력이 약화되고, 표면 조도가 형성된 압전체(43c)는 희생기판(100)으로부터 용이하게 분리된다.
다음으로, 도 5에 도시된 바와같이, 표면 조도가 형성된 압전체(43c)의 양면에 제1 및 제2 전극(41c, 43c)을 형성한다.
상기 제1 및 제2 전극의 형성은 도금 공정으로 수행될 수 있다. 표면 조도가 형성된 압전체(43c)를 도금조에 담금으로써, 양면에 제1 및 제2 전극을 한번에 형성할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 전극을 각각 형성하는 공정에 비하여 공정 수가 단축된다.
제1 및 제2 전극의 두께는 이에 제한되는 것은 아니나, 10nm 내지 10㎛일 수 있다. 또한, 전극 물질은 도금 공정이 가능한 물질이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, Au, Ag, Pt, Cu 등을 사용할 수 있다.
도금 공정은 무전해 도금을 공정 또는 전해 도금 공정을 이용할 수 있다. 전해 도금 공정을 이용하는 경우에는 시드 층(seed layer)을 형성하고, 전해 도금 공정을 수행할 수 있다. 시드 층의 형성방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 스퍼터(sputter). CVD, E-beam evaporator를 사용할 수 있다.
다음으로, 제1 및 제2 전극(41c, 43c)이 형성된 압전체(42c)를 최종 설계된크기로 절단한다.
이후, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전극(41c, 43c)에 전압을 인가하여 절단된 압전체(42)를 폴링한다. 폴링이란, 압전체의 상부 및 하부에 형성된 제1 및 제2 전극에 전압을 인가하면, 전기장이 발생되고, 전기장에 의하여 인접한 도메인들의 다이폴 방향이 점차 일치하게 되는 공정이다.
본 실시형태에서는 도금 공정에 의하여 한번에 전극 형성이 가능하나, 전극 형성 이후에, 압전체를 절단하여, 압전체의 측면에는 전극이 형성되어 있지 않는 특징을 갖는다. 이에 따라 폴링 공정의 수행이 가능하다.
본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 압전 엑츄에이터는 도 1에 도시된 바와 같이, 잉크 헤드의 압력 챔버 등에 장착되어 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 희생 기판을 이용한 래핑 및 폴리싱 공정을 통하여 두께가 얇은 압전체를 제조할 수 있고, 도금 공정에 의하여 한번에 제1 및 제2 전극의 형성이 가능하여 공정수가 단축된다. 또한, 압전 엑츄에이터의 두께가 감소하여 구동 전압 대비 구동 효율이 증가하여 구동 변위가 커지고, 고주파수에서 작동이 가능해진다.
본 발명은 상술한 실시형태 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 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 압전 엑츄에이터를 포함하는 잉크 젯 헤드를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 유로 형성 기판 20: 노즐 기판
40: 압전 액츄에이터 42a: 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록
42b, 42c: 압전체 41, 43: 전극
100: 희생 기판

Claims (8)

  1. 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록을 마련하는 단계;
    상기 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록을 희생 기판에 접합하는 단계;
    상기 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록을 래핑하여 두께가 감소된 압전체를 제조하는 단계;
    상기 두께가 감소된 압전체를 폴리싱하는 단계;
    상기 폴리싱 된 압전체를 상기 희생 기판으로부터 분리하는 단계;
    상기 압전체의 양면에 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 및 제2 전극이 형성된 압전체를 절단하는 단계; 및
    상기 절단된 압전체를 폴링(poling)하는 단계;
    를 포함하는 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록은 100㎛ 이상의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 희생 기판은 실리콘 웨이퍼, 글라스 웨이퍼 또는 쿼츠 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 벌크 상태의 압전 물질로 된 블록은 가열에 의하여 접합력이 저하되는 접합 물질에 의하여 상기 희생 기판에 접합되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 래핑 단계는 상기 압전체의 원하는 최종 두께보다 5 내지 10㎛의 큰 두께를 갖도록 수행되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 폴리싱 단계는 상기 압전체의 표면조도가 10Å이하가 되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 폴리싱 단계 이후의 압전체는 10㎛ 이상의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극의 형성은 도금 공정에 의하여 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조방법.
KR1020090112030A 2009-11-19 2009-11-19 잉크젯 헤드용 압전 엑츄에이터의 제조 방법 KR101060798B1 (ko)

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JP2002305334A (ja) 2001-04-09 2002-10-18 Canon Inc 機能性薄膜の転写方法

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