KR101257841B1 - 압전 방식 잉크젯 헤드와 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

압전 방식 잉크젯 헤드와 그 제조 방법이 개시된다. 개시된 잉크젯 헤드는 서로 접합되는 세 개의 단결정 실리콘 기판을 구비한다. 상부 기판에는 잉크 인렛과, 다수의 압력 챔버와, 압전 액츄에이터가 형성되고, 중간 기판에는 매니폴드와, 다수의 리스트릭터와, 다수의 제1 댐퍼가 형성되며, 하부 기판에는 다수의 노즐이 형성된다. 그리고, 중간 기판에는, 매니폴드의 하부에 위치하여 매니폴드 내부의 압력 변화를 완화시키는 것으로, 중간 기판과는 다른 물질로 이루어진 멤브레인이 마련된다. 중간 기판 또는 하부 기판에는, 멤브레인의 하부에 위치하는 캐비티와, 캐비티를 외부와 연통시키는 적어도 하나의 벤팅 채널이 형성된다. 이와 같은 구성에 의하면, 매니폴드의 하부에 형성되며 유연성을 가진 멤브레인이 잉크의 역류로 인한 매니폴드 내부의 급격한 압력 변화를 완화시키게 되고, 이에 따라 잉크 토출 시 인접한 압력 챔버들 상호간의 크로스 토크를 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

Description

압전 방식 잉크젯 헤드와 그 제조 방법{Piezoelectric inkjet head and method of manufacturing the same}

도 1은 종래의 압전 방식 잉크젯 헤드의 구체적인 일 예를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 헤드를 부분 절단하여 도시한 분해 사시도이다.

도 3은 도 2에 표시된 A-A'선을 따른 잉크젯 헤드의 조립 상태의 수직 단면도이다.

도 4는 도 2에 도시된 매니폴드의 변형예를 도시한 중간 기판의 사시도이다.

도 5는 도 4에 도시된 중간 기판을 뒤집어 도시한 사시도이다.

도 6은 도 2에 도시된 벤팅 채널의 변형예를 도시한 중간 기판과 하부 기판의 사시도이다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 헤드를 부분 절단하여 도시한 분해 사시도이다.

도 8은 도 7에 표시된 B-B'선을 따른 잉크젯 헤드의 조립 상태의 수직 단면도이다.

도 9a 내지 도 9e는 도 2에 도시된 상부 기판에 압력 챔버와 잉크 인렛을 형 성하는 단계들을 도시한 도면들이다.

도 10a 내지 도 10f는 도 2에 도시된 중간 기판에 멤브레인, 캐비티, 벤팅 채널, 리스트릭터, 매니폴드 및 제1 댐퍼를 형성하는 단계들을 도시한 도면들이다.

도 11a 내지 도 11d는 도 2에 도시된 하부 기판에 제2 댐퍼와 노즐을 형성하는 단계들을 도시한 도면들이다.

도 12a 내지 도 12e는 도 7에 도시된 중간 기판에 멤브레인, 리스트릭터, 매니폴드 및 제1 댐퍼를 형성하는 단계들을 도시한 도면들이다.

도 13a와 도 13b는 도 7에 도시된 하부 기판에 캐비티와 벤팅 채널을 형성하는 단계들을 도시한 도면들이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110...상부 기판 120...중간 기판

130...하부 기판 140...압전 액츄에이터

141...하부 전극 142...압전막

143...상부 전극 151...필터링 홀

152...잉크 인렛 153,253...매니폴드

154...리스트릭터 155...압력 챔버

156...제1 댐퍼 157...제2 댐퍼

158...노즐 160,360...멤브레인

162,362...캐비티 164,264,364...벤팅 채널

166...지지벽 168...연결홈

253a...개별 매니폴드 253b...격벽

본 발명은 잉크젯 헤드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 크로스 토크 억제를 위한 멤브레인을 구비한 압전 방식 잉크젯 헤드와 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 잉크젯 헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록매체 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 최근, 이러한 잉크젯 헤드는 액정디스플레이(LCD; Liquid Crystal Display), 유기발광다이오드(OLED; Organic Light Emitting Diode) 및 플라즈마 디스플레이 패널(PDP; Plasma Display Panel) 등의 평판 디스플레이 분야, 금속 배선과 저항 등을 포함하는 인쇄회로기판(PCB; Printed Circuit Board) 분야, 그리고 반도체 패키징 분야로 그 응용 범위를 넓혀가고 있다.

상기한 잉크젯 헤드는 잉크 토출 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 그 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 토출시키는 압전 방식의 잉크젯 헤드이다.

도 1에는 종래의 잉크젯 헤드의 구체적인 일 예로서, 본 출원인의 한국 공개특허공보 제2003-0050477호(미국 공개특허공보 제2003-0112300호)에 개시된 압전 방식 잉크젯 헤드가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 종래의 잉크젯 헤드는, 세 개의 실리콘 기판(30, 40, 50)이 적층되어 접합된 구조를 가진다. 세 개의 기판(30, 40, 50) 중 상부 기판(30)의 저면에는 소정 깊이를 가진 다수의 압력 챔버(32)가 형성되어 있다. 그리고, 상부 기판(30)에는 도시되지 않은 잉크 저장고와 연결된 잉크 인렛(31)이 관통 형성되어 있다. 상기 다수의 압력 챔버(32)는 중간 기판(40)에 형성된 매니폴드(41)의 양측에 2열로 배열되어 있다. 그리고, 상부 기판(30)의 상면에는 다수의 압력 챔버(32) 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터(60)가 형성되어 있다. 상기 중간 기판(40)에는 잉크 인렛(31)과 연결되는 매니폴드(41)가 형성되어 있으며, 이 매니폴드(41)의 양측에 다수의 압력 챔버(32) 각각과 연결되는 리스트릭터(42)가 형성되어 있다. 또한, 중간 기판(40)에는 다수의 압력 챔버(32)에 대응하는 위치에 다수의 제1 댐퍼(43)가 수직으로 관통 형성되어 있다. 그리고, 하부 기판(50)의 상부쪽에는 상기 다수의 제1 댐퍼(43)와 연결되는 다수의 제2 댐퍼(53)가 형성되어 있으며, 하부 기판(50)의 하부쪽에는 상기 다수의 제2 댐퍼(53)에 연결되는 다수의 노즐(51)이 형성되어 있다.

그런데, 상기한 구성을 가진 종래의 압전 방식 잉크젯 헤드에 있어서, 압전 액츄에이터(60)의 구동에 의해 각 압력 챔버(32)의 압력이 높아지게 되면, 그 압력 챔버(32) 내의 잉크는 노즐(51)을 통해 토출됨과 동시에 일부의 잉크는 리스트릭터(42)를 통해 매니폴드(41) 쪽으로 역류하게 된다. 이러한 잉크의 역류에 의해 매니폴드(41) 내부의 압력이 불균일하게 변하게 되고, 이러한 압력 변화는 인접한 압 력 챔버들(32)에도 영향을 미치게 되는데, 이러한 현상을 크로스 토크(crosstalk)라고 한다. 이와 같은 크로스 토크는 인접한 압력 챔버들(32)에 연결된 노즐(51) 내부의 잉크의 메니스커스(meniscus)를 불안정하게 하고, 이에 따라 다수의 노즐(51) 각각을 통해 토출되는 잉크 액적의 속도 및 체적에 편차가 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 잉크의 역류로 인한 매니폴드 내부의 압력 변화를 완화시키는 멤브레인을 매니폴드 하부에 형성하여 크로스 토크를 억제한 압전 방식 잉크젯 헤드와 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전 방식 잉크젯 헤드는,

잉크가 유입되는 잉크 인렛이 관통 형성되고, 저면에는 토출될 잉크가 채워지는 다수의 압력 챔버가 형성되며, 상면에는 상기 다수의 압력 챔버 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터가 형성된 상부 기판;

상기 상부 기판의 저면에 접합되는 것으로, 상면에는 상기 잉크 인렛과 연결되는 매니폴드와, 상기 매니폴드와 상기 다수의 압력 챔버 각각을 연결하는 다수의 리스트릭터가 형성되고, 상기 다수의 압력 챔버에 대응되는 위치에 다수의 제1 댐퍼가 관통 형성된 중간 기판; 및

상기 중간 기판의 저면에 접합되는 것으로, 상기 다수의 제1 댐퍼에 대응되는 위치에 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐이 관통 형성된 하부 기판;을 구비하며,

상기 중간 기판에는, 상기 매니폴드의 하부에 위치하여 상기 매니폴드 내부의 압력 변화를 완화시키는 것으로, 상기 중간 기판과는 다른 물질로 이루어진 멤브레인이 마련되고,

상기 중간 기판 또는 하부 기판에는, 상기 멤브레인의 하부에 위치하는 캐비티와, 상기 캐비티를 외부와 연통시키는 적어도 하나의 벤팅 채널이 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 중간 기판은 실리콘으로 이루어지고, 상기 멤브레인은 실리콘 질화막으로 이루어진 것이 바람직하다. 그리고, 상기 멤브레인은 1㎛ ~ 3㎛ 정도의 두께를 가진 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 매니폴드의 폭보다 넓은 폭을 가진 것이 바람직하며, 상기 캐비티는 상기 멤브레인의 폭과 같거나 보다 넓은 폭을 가진 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐비티는 상기 중간 기판의 저면에 소정 깊이로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 적어도 하나의 벤팅 채널은 상기 중간 기판의 저면에 상기 캐비티와 동일한 깊이로 형성되거나, 또는 상기 하부 기판을 수직으로 관통하도록 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 중간 기판의 저면으 로부터 돌출되도록 형성되고, 상기 캐비티는 상기 하부 기판의 상면에 소정 깊이로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 적어도 하나의 벤팅 채널은 상기 하부 기판의 상면에 상기 캐비티와 동일한 깊이로 형성되거나, 또는 상기 하부 기판을 수직으로 관통하도록 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 매니폴드는 다수의 격벽에 의해 상기 다수의 챔버 각각에 대응하도록 구획된 다수의 개별 매니폴드를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 캐비티 내부에는 상기 멤브레인을 지지하는 지지벽들이 형성될 수 있으며, 상기 지지벽들에는 상기 캐비티의 전 부분을 연결하는 연결 홈이 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 잉크 인렛의 상부에는 다수의 필터링 홀이 형성된 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 하부 기판의 상면에는 상기 다수의 제1 댐퍼와 다수의 노즐을 각각 연결하는 다수의 제2 댐퍼가 소정 깊이로 형성될 수 있다.

그리고, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법은,

(가) 실리콘 기판으로 이루어진 상부 기판, 중간 기판 및 하부 기판을 준비하는 단계;

(나) 준비된 상기 상부 기판을 미세 가공하여, 잉크가 유입되는 잉크 인렛과, 토출될 잉크가 채워지는 다수의 압력 챔버를 형성하는 단계;

(다) 준비된 상기 중간 기판을 미세 가공하여, 상기 잉크 인렛과 연결되는 매니폴드와, 상기 매니폴드와 상기 다수의 압력 챔버 각각을 연결하는 다수의 리스트릭터와, 상기 다수의 압력 챔버 각각에 대응되는 위치에 다수의 제1 댐퍼를 형성하는 단계;

(라) 준비된 상기 하부 기판을 미세 가공하여, 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐을 형성하는 단계;

(마) 상기 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판을 순차 적층하여 서로 접합하는 단계; 및

(바) 상기 상부 기판상에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터를 형성하는 단계;를 구비하며,

상기 (다) 단계에서, 상기 중간 기판에 상기 매니폴드의 하부에 위치하여 상기 매니폴드 내부의 압력 변화를 완화시키는 것으로, 상기 중간 기판과는 다른 물질로 이루어진 멤브레인을 형성하고,

상기 (다) 단계 또는 (라) 단계에서, 상기 중간 기판의 저면 또는 하부 기판의 상면에 상기 멤브레인의 하부에 위치하는 캐비티와, 상기 캐비티를 외부와 연통시키는 적어도 하나의 벤팅 채널을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 상기 멤브레인은 실리콘 질화막으로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 멤브레인은 1㎛ ~ 3㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법의 일 실시예에 있어서, 상기 (다) 단계는, 상기 중간 기판의 저면을 소정 깊이로 식각하여 상기 캐비티를 형성하는 단계와, 상기 중간 기판의 저면과 상기 캐비티의 내면에 실리콘 산화막을 형성하는 단계와, 상기 실리콘 산화막의 전 표면에 실리콘과는 다른 물질막을 형성하는 단계와, 화학기계적 연마(CMP)에 의해 상기 캐비티 이외의 부분에 형성된 실리콘 산화막과 물질막을 제거하여, 상기 캐비티 내면에 잔존된 상기 물질막으로 이루어진 상기 멤브레인을 형성하는 단계와, 상기 중간 기판을 그 상면으로부터 식각하여 상기 매니폴드, 다수의 리스트릭터 및 다수의 제1 댐퍼를 형성하는 단계와, 상기 실리콘 산화막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 물질막은 실리콘 질화막인 것이 바람직하다. 또한, 상기 매니폴드와 다수의 리스트릭터는 식각 정지층으로서의 역할을 하는 상기 실리콘 산화막에 의해 상기 다수의 제1 댐퍼에 비해 얕은 깊이를 가지도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 캐비티를 형성하는 단계에서, 상기 중간 기판의 저면에 상기 적어도 하나의 벤팅 채널도 함께 형성될 수 있다. 한편, 상기 적어도 하나의 벤팅 채널은, 상기 (라) 단계에서 상기 하부 기판을 수직으로 관통하도록 형성될 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 다른 실시예에 있어서, 상기 (다) 단계는, 상기 중간 기판의 저면에 실리콘 산화막과 실리콘과는 다른 물질막을 순차적으로 형성하는 단계와, 식각에 의해 실리콘 산화막과 물질막을 부분적으로 제거하여 상기 매니폴드가 형성될 부위에 잔존된 상기 물질막으로 이루어진 상기 멤브레인을 형성하는 단계와, 상기 중간 기판을 그 상면으로부터 식각하여 상기 매니폴드, 다수의 리스트릭터 및 다수의 제1 댐퍼를 형성하는 단계와, 상기 실리콘 산화막을 제거하는 단계를 포함하고, 상기 (라) 단계는, 상기 하부 기판의 상면을 소정 깊이로 식각하여 상기 캐비티를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 캐비티를 형성하는 단계에서, 상기 하부 기판의 상면에 상기 적어도 하나의 벤팅 채널도 함께 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계는, 상기 잉크 인렛의 상부에 다수의 필터링 홀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 (다) 단계에서, 상기 매니폴드는 다수의 격벽에 의해 상기 다수의 챔버 각각에 대응하도록 구획된 다수의 개별 매니폴드를 포함하도록 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 (다) 단계 또는 (라) 단계에서, 상기 캐비티 내부에 상기 멤브레인을 지지하는 지지벽들을 형성할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 (라) 단계는, 상기 하부 기판의 상면에 상기 다수의 제1 댐퍼와 다수의 노즐을 각각 연결하는 다수의 제2 댐퍼를 소정 깊이로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 그 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 헤드를 부분 절단하여 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2에 표시된 A-A'선을 따른 잉크젯 헤드의 조립 상태의 수직 단면도이다.

도 2와 도 3을 함께 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 헤드는, 적층된 세 개의 기판, 즉 상부 기판(110), 중간 기판(120) 및 하부 기판(130)으로 이루어진다. 그리고, 상기 세 개의 기판(110, 120, 130)에는 잉크 유로가 형성되며, 상부 기판(110)의 상면에는 잉크의 토출을 위한 구동력을 발생시키는 압전 액츄에이터(140)가 마련된다. 상기 상부 기판(110), 중간 기판(120) 및 하부 기판(130)으로는 반도체 집적 회로의 제조에 널리 사용되는 단결정 실리콘 기판이 사용될 수 있다.

상기 잉크 유로는, 도시되지 않은 잉크 저장고로부터 잉크가 유입되는 잉크 인렛(152)과, 상기 잉크 인렛(152)을 통해 유입된 잉크가 통과하는 통로인 매니폴드(153)와, 상기 매니폴드(153)로부터 공급된 잉크가 채워지는 다수의 압력 챔버(155)와, 상기 다수의 압력 챔버(155)로부터 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐(158)을 포함한다. 그리고, 상기 잉크 유로는, 다수의 압력 챔버(155) 각각을 상기 매니폴드(153)와 연결하는 다수의 리스트릭터(154)와, 다수의 압력 챔버(155)와 다수의 노즐(158)을 각각 연결하는 제1 댐퍼(156)와 제2 댐퍼(157)를 더 포함한다. 이러한 잉크 유로를 형성하는 구성요소들은 상술한 바와 같이 세 개의 기판(110, 120, 130)에 나뉘어져 배치된다.

구체적으로, 상부 기판(110)에는 상기 잉크 인렛(152)과 다수의 압력 챔버(155)가 형성된다.

상기 잉크 인렛(152)은 상부 기판(110)을 수직으로 관통하도록 형성되어 후 술하는 중간 기판(120)에 형성되는 매니폴드(153)와 연결된다. 상기 잉크 인렛(152)은 상기 매니폴드(153)와 대응되도록 매니폴드(153)의 길이 방향을 따라 길게 형성될 수 있다. 그리고, 상기 잉크 인렛(152)은 그 상부에 형성된 다수의 필터링 홀(151)을 포함할 수 있다. 상기 다수의 필터링 홀(151)은, 각각 10㎛ ~ 20㎛ 정도의 직경을 가지며, 도시되지 않은 잉크 저장고로부터 잉크 인렛(152)으로 잉크가 유입될 때, 잉크 내에 함유된 불순물이나 이물질을 필터링하는 역할을 하게 된다.

상기 다수의 압력 챔버(155)는 상부 기판(110)의 저면에 소정 깊이로 형성될 수 있다. 상기 다수의 압력 챔버(155)는 상기 매니폴드(153)의 일측에 1열로 배열될 수 있으며, 그 각각은 잉크의 흐름 방향으로 보다 긴 직육면체의 형상을 가질 수 있다. 한편, 상기 다수의 압력 챔버(155)는 상기 매니폴드(153)의 양측에 2열로 배열될 수도 있다.

상기 상부 기판(110)은, 상기한 바와 같이 단결정 실리콘 기판으로 이루어지며, 특히 SOI(Silicon-On-Insulator) 기판으로 이루어진 것이 바람직하다. SOI 기판은 일반적으로 제1 실리콘층(111)과, 제1 실리콘층(111) 상에 형성된 중간 산화막(112)과, 중간 산화막(112) 상에 적층된 제2 실리콘층(113)의 적층 구조를 가지고 있다. 이와 같이 상부 기판(110)으로서 SOI 기판을 사용하는 이유는 상기 압력 챔버(155)의 깊이를 정확하게 조절할 수 있기 때문이다. 즉, 상기 압력 챔버(155)의 형성 과정에서 SOI 기판의 중간 산화막(112)이 식각 정지층(etch stop layer)의 역할을 하게 되므로, 제1 실리콘층(111)의 두께가 정해지면 상기 압력 챔버(155)의 깊이도 따라서 정해진다. 또한, 상기 압력 챔버(155)의 상부벽을 이루는 제2 실리콘층(113)은 압전 액츄에이터(140)에 의해 진동됨으로써 압력 챔버(155) 내의 압력 변화를 발생시키는 진동판의 역할을 하게 되는데, 이 진동판의 두께도 제2 실리콘층(113)의 두께에 의해 정해진다.

상기 압전 액츄에이터(140)는 상부 기판(110)의 상면에 형성될 수 있다. 상기 압전 액츄에이터(140)는 공통 전극의 역할을 하는 하부 전극(141)과, 전압의 인가에 따라 변형되는 압전막(142)과, 구동 전극의 역할을 하는 상부 전극(143)을 구비할 수 있다. 상기 하부 전극(141)은 상부 기판(110)의 전 표면에 형성될 수 있으며, 도전성 금속 물질층으로 이루어질 수 있다. 상기 압전막(142)은 하부 전극(141) 위에 형성되며, 상기 다수의 압력 챔버(155) 각각의 상부에 위치하도록 배치된다. 이러한 압전막(142)은 압전물질, 바람직하게는 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료로 이루어질 수 있다. 상기 압전막(142)은 전압의 인가에 의해 변형되며, 그 변형에 의해 상기 압력 챔버(155)의 상부벽을 이루는 상부 기판(110)의 제2 실리콘층(113), 즉 진동판을 진동시키는 역할을 하게 된다. 상기 상부 전극(143)은 압전막(142) 위에 형성되며, 압전막(142)에 전압을 인가하는 구동 전극의 역할을 하게 된다.

상기 중간 기판(120)에는 상기 매니폴드(153)와, 다수의 리스트릭터(154)와, 다수의 제1 댐퍼(156)가 형성된다. 그리고, 상기 중간 기판(120)에는, 본 발명의 특징부로서, 상기 매니폴드(153)의 하부에 멤브레인(160)이 형성되고, 이 멤브레인(160)의 하부에 캐비티(162)가 형성되며, 이 캐비티(162)와 외부를 연결하는 벤 팅 채널(venting channel, 164)이 형성된다.

상기 매니폴드(153)는 중간 기판(120)의 상면으로부터 소장 깊이로 형성되며, 일방향으로 길게 연장된 형상을 가질 수 있다. 상기 다수의 리스트릭터(124) 각각은 대략 "T"자 형상의 단면을 가질 수 있으며, 상기 매니폴드(153)의 깊이와 동일한 깊이로 형성될 수 있다. 한편, 상기 다수의 리스트릭터(154)는 도 2에 도시된 형상과는 다른 다양한 형상으로 형성될 수도 있다. 상기 다수의 제1 댐퍼(156) 각각은 상기 다수의 압력 챔버(155) 각각과 연결되도록 중간 기판(120)을 수직으로 관통하도록 형성된다.

본 발명의 특징부인, 상기 멤브레인(160)은 상기 매니폴드(153)의 하부에 형성되어 잉크의 역류로 인한 매니폴드(153) 내부의 급격한 압력 변화를 완화시키는 역할을 한다. 상기 멤브레인(160)은 중간 기판(120)의 물질, 즉 실리콘과는 다른 물질로 형성된다. 상기 멤브레인(160)은 내열성이 있고 실리콘 산화막에 대한 식각 선택비가 높은 물질막, 예컨대 실리콘 질화막으로 이루어진 것이 바람직하다. 그리고, 상기 멤브레인(160)은 적정한 유연성을 가질 수 있도록 그 두께가 대략 1㎛ ~ 3㎛ 정도인 것이 바람직하며, 1㎛ ~ 2㎛인 것이 더 바람직하다. 상기 멤브레인(160)의 두께가 너무 두꺼우면 유연성이 떨어지고, 너무 얇으면 내구성이 떨어지게 된다. 또한, 상기 멤브레인(160)은 중간 기판(120)과의 결합 강도를 높이기 위해 상기 매니폴드(153)의 폭보다 약간 넓은 폭으로 형성된 것이 바람직하다. 즉, 상기 멤브레인(160)의 가장자리 부위는 소정 폭만큼 중간 기판(120)의 저면에 결합된다. 한편, 상기 메브레인(160)은 상기 매니폴드(153)의 폭보다 좁거나 동일한 폭 으로 형성될 수도 있다.

상기 캐비티(162)는 상기 멤브레인(160)의 하부에 형성되어 상기 멤브레인(160)의 자유로운 변형이 가능하도록 한다. 상기 캐비티(162)는 중간 기판(120)의 저면으로부터 소정 깊이로 형성될 수 있으며, 그 폭은 상기 멤브레인(160)의 폭과 실질적으로 동일할 수 있다.

상기 벤팅 채널(164)은 중간 기판(120)의 저면으로부터 소정 깊이, 바람직하게는 캐비티(162)의 깊이와 동일한 깊이로 형성되며, 상기 캐비티(162)로부터 중간 기판(120)의 가장자리까지 연장되어 외부와 연통된다. 이는, 상기 캐비티(162)가 밀폐되는 경우에는, 그 내부 압력에 의해 멤브레인(160)의 자유로운 변형이 방해받을 수 있기 때문이다. 상기 벤팅 채널(164)은 하나만 형성될 수도 있으나, 상기 캐비티(162)의 길이 방향을 따라 서로 적정 간격 이격되도록 복수개가 형성될 수도 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 매니폴드(153)의 하부에 형성되며 유연성을 가진 멤브레인(162)이 잉크의 역류로 인한 매니폴드(153) 내부의 급격한 압력 변화를 완화시키게 되고, 이에 따라 잉크 토출 시 인접한 압력 챔버들(155) 상호간의 크로스 토크를 효과적으로 방지할 수 있게 된다. 따라서, 다수의 노즐(158)을 통해 균일한 잉크 토출 성능을 얻을 수 있어서, 인쇄 품질이 향상되는 장점이 있다. 또한, 잉크 토출 후, 노즐(158) 내의 잉크의 메니스커스가 빠르게 안정될 수 있어서, 토출 주파수를 높일 수 있는 장점도 있다.

상기 하부 기판(130)에는, 다수의 제2 댐퍼(157)와 다수의 노즐(158)이 형성 된다.

상기 다수의 제2 댐퍼(157)는 하부 기판(130)의 상면으로부터 소정 깊이로 형성된다. 상기 제2 댐퍼(157)는 사각형의 단면 형상을 가지며, 그 측면들은 이방성 습식 식각 특성에 의해 경사지게 형성될 수 있다. 즉, 상기 제2 댐퍼(157)는 하부 기판(130)의 상면으로부터 아래쪽으로 갈수록 점차 그 단면적이 좁아지는 형상을 가지게 된다. 상기 다수의 노즐(158) 각각은 상기 제2 댐퍼(157)의 바닥면으로부터 하부 기판(130)을 수직으로 관통하도록 형성된다. 상기 다수의 노즐(158) 각각은 일정한 직경을 가진 원형 홀의 형상을 가질 수 있다.

상기한 바와 같이 형성된 세 개의 기판(110, 120, 130)은 적층되어 서로 접합됨으로써 본 발명에 따른 압전 방식 잉크젯 헤드를 구성하게 된다.

도 4는 도 2에 도시된 매니폴드의 변형예를 도시한 중간 기판의 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 중간 기판을 뒤집어 도시한 사시도이다.

먼저, 도 4를 참조하면, 중간 기판(120)에 형성되는 매니폴드(253)는 다수의 격벽(253b)에 의해 다수의 압력 챔버(155) 각각에 대응하도록 구획된 다수의 개별 매니폴드(253a)를 포함할 수 있다. 상기 다수의 개별 매니폴드(253a) 각각은 다수의 리스트릭터(154) 각각을 통해 다수의 압력 챔버(155) 각각에 연결된다. 상기 다수의 압력 챔버(155)와 상기 다수의 개별 매니폴드(253a)는 동일한 방향으로 평행하게 배열될 수 있다.

상기한 바와 같이, 다수의 압력 챔버(155) 각각에 대응하여 격벽들(253b)에 의해 구획된 개별 매니폴드(253a)가 마련됨으로써, 잉크의 토출 과정에서 압력 챔 버(155)로부터 리스트릭터(154)를 통해 개별 매니폴드(253a)로 잉크가 역류하더라도 그 역류된 잉크로 인한 압력 변화가 인접한 다른 압력 챔버(155)에 직접 영향을 미치는 것이 차단될 수 있다. 따라서, 잉크 토출 과정에서의 잉크의 역류로 인한 크로스 토크가 더욱 효과적으로 방지될 수 있다.

다음으로, 도 5를 참조하면, 상기 캐비티(162)의 내부에는 상기 격벽들(253b)에 대응되는 지지벽들(166)이 형성될 수 있다. 상기 지지벽들(166)은 멤브레인(160)을 지지함으로써 멤브레인(160)의 과도한 변형으로 인한 파손을 방지한다. 그리고, 상기 지지벽들(166) 각각에는 연결홈(168)이 형성될 수 있다. 상기 연결홈들(168)은 캐비티(162) 전 부분을 연결함으로써 캐비티(162)를 외부와 연통시키는 벤팅 채널(164)의 수를 줄일 수 있도록 한다.

한편, 상기 지지벽들(166)과 연결홈들(168)은 도 2에 도시된 매니폴드(153)의 하부에 형성된 캐비티(162) 내에도 형성될 수 있다.

도 6은 도 2에 도시된 벤팅 채널의 변형예를 도시한 중간 기판과 하부 기판의 사시도이다.

도 6을 참조하면, 캐비티(162)를 외부와 연통시키는 벤팅 채널(264)은 하부 기판(130)을 수직으로 관통하여 형성될 수 있다. 상기 벤팅 채널(264)은 하부 기판(130)에 형성되는 제2 댐퍼(157)와 노즐(158)을 합한 형상과 동일한 형상을 가진 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 제2 댐퍼(157) 및 노즐(158)과 함께 상기 벤팅 채널(264)을 형성할 수 있어서, 벤팅 채널(264)의 형성을 위한 별도의 추가적인 공정이 필요 없는 장점이 있다. 상기 벤팅 채널(264)은 하나만 형성될 수도 있으나, 상 기 캐비티(162)의 길이 방향을 따라 서로 적정 간격 이격되도록 복수개가 형성될 수도 있다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 헤드를 부분 절단하여 도시한 분해 사시도이고, 도 8은 도 7에 표시된 B-B'선을 따른 잉크젯 헤드의 조립 상태의 수직 단면도이다. 본 발명의 제2 실시예는 멤브레인, 캐비티 및 벤팅 채널의 형성 위치에 있어서만 제1 실시예와 차이가 있을 뿐 다른 구성요소들은 서로 동일하다. 따라서, 이하에서는 상기한 차이점을 상세하게 설명하고 나머지 구성요소들은 간략하게 설명하기로 한다.

도 7과 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 헤드도, 적층된 세 개의 단결정 실리콘 기판, 즉 상부 기판(110), 중간 기판(120) 및 하부 기판(130)으로 이루어지며, 상기 세 개의 기판(110, 120, 130)에는 잉크 유로가 형성되고, 상부 기판(110)의 상면에는 압전 액츄에이터(140)가 마련된다.

특히, 상부 기판(110)은 제1 실리콘층(111)과, 중간 산화막(112)과, 제2 실리콘층(113)의 적층 구조를 가진 SOI(Silicon-On-Insulator) 기판으로 이루어질 수 있다. 상기 상부 기판(110)에는 잉크 인렛(152)과 다수의 압력 챔버(155)가 형성되며, 상기 잉크 인렛(152)은 그 상부에 형성된 다수의 필터링 홀(151)을 포함할 수 있다. 그리고, 상부 기판(110)의 상면에는 하부 전극(141)과, 압전막(142)과, 상부 전극(143)을 포함하는 압전 액츄에이터(140)가 형성된다.

상기 중간 기판(120)에는 매니폴드(153)와, 다수의 리스트릭터(154)와, 다수의 제1 댐퍼(156)가 형성되며, 하부 기판(130)에는 다수의 제2 댐퍼(157)와, 다수 의 노즐(158)이 형성된다.

그리고, 본 발명의 제2 실시예에 있어서, 잉크의 역류로 인한 매니폴드(153) 내부의 급격한 압력 변화를 완화시키는 역할을 하는 멤브레인(360)은 중간 기판(120)에 형성되고, 상기 멤브레인(360)의 자유로운 변형이 가능하도록 하는 캐비티(362)와, 상기 캐비티(362)를 외부와 연통시키는 벤팅 채널(364)은 하부 기판(130)에 형성된다.

구체적으로 설명하면, 상기 멤브레인(360)은 상기 매니폴드(153)의 하부에 위치하도록 상기 중간 기판(120)의 저면에 결합된다. 따라서, 상기 멤브레인(360)은 중간 기판(120)의 저면으로부터 약간 돌출된다. 상기 멤브레인(360)은 중간 기판(120)의 물질, 즉 실리콘과는 다른 물질, 예컨대 실리콘 질화막으로 이루어진 것이 바람직하며, 적정한 유연성과 내구성을 가질 수 있도록 대략 1㎛ ~ 3㎛ 정도의 두께를 가진 것이 바람직하다. 또한, 상기 멤브레인(360)은 중간 기판(120)과의 결합 강도를 높이기 위해 상기 매니폴드(153)의 폭보다 약간 넓은 폭으로 형성된 것이 바람직하다. 즉, 상기 멤브레인(360)의 가장자리 부위는 소정 폭만큼 중간 기판(120)의 저면에 결합된다.

상기 캐비티(362)는 상기 하부 기판(130)의 상면으로부터 소정 깊이로 형성되며, 그 폭은 상기 멤브레인(362)의 폭과 동일하거나 약간 클 수 있다. 상기 캐비티(362)의 깊이는, 상기 캐비티(362) 내에 멤브레인(360)이 삽입된 후에도 소정의 공간이 남을 수 있도록 상기 멤브레인(360)의 두께보다 크게 형성된다.

상기 벤팅 채널(364)은 하부 기판(130)의 상면으로부터 소정 깊이, 바람직하 게는 캐비티(362)의 깊이와 동일한 깊이로 형성되며, 상기 캐비티(362)로부터 하부 기판(130)의 가장자리까지 연장되어 외부와 연통된다. 상기 벤팅 채널(364)은 하나만 형성될 수도 있으나, 상기 캐비티(362)의 길이 방향을 따라 서로 적정 간격 이격되도록 복수개가 형성될 수도 있다.

한편, 도 7과 도 8에 도시된 제2 실시예에 따른 잉크젯 헤드에도, 도 4 내지 도 6에 도시된 변형예들이 적용될 수 있다.

상기한 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 헤드에 있어서도, 전술한 제1 실시예에서와 동일한 효과를 얻을 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 반복을 피하기 위해 생략한다.

이하에서는, 상기한 본 발명에 따른 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법을 설명하기로 한다.

우선, 본 발명의 바람직한 제조 방법을 개괄적으로 설명하면, 먼저 잉크 유로를 이루는 구성요소들이 형성된 상부 기판, 중간 기판 및 하부 기판을 각각 제조하고, 이어서 제조된 세 개의 기판을 적층하여 접합한 뒤, 마지막으로 상부 기판 위에 압전 액츄에이터를 형성함으로써 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 헤드가 완성된다. 한편, 상부 기판, 중간 기판 및 하부 기판을 제조하는 단계들은 순서에 관계없이 수행될 수 있다. 즉, 하부 기판이나 중간 기판이 먼저 제조될 수도 있으며, 두 개 또는 세 개의 기판이 동시에 제조될 수도 있다. 다만, 설명의 편의상 아래에서는 상부 기판, 중간 기판, 하부 기판의 순서로 그 각각의 제조방법을 설명하기로 한다.

먼저, 도 2에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법을 설명한다.

도 9a 내지 도 9e는 도 2에 도시된 상부 기판에 압력 챔버와 잉크 인렛을 형성하는 단계들을 도시한 도면들이다.

먼저, 도 9a를 참조하면, 잉크젯 헤드의 상부 기판(110)으로서 SOI 기판을 준비한다. SOI 기판은 전술한 바와 같이 제1 실리콘층(111)과, 제1 실리콘층(111) 상에 형성된 중간 산화막(112)과, 중간 산화막(112) 상에 접착된 제2 실리콘층(113)의 적층 구조를 가지고 있다. 준비된 상부 기판(110)을 건식 또는 습식 산화시켜, 상부 기판(110)의 상면과 저면에 실리콘 산화막(171a, 171b)을 형성한다.

이어서, 도 9b에 도시된 바와 같이, 상부 기판(110)의 저면에 형성된 실리콘 산화막(171b)을 건식 또는 습식 식각하여 잉크 인렛(152)을 형성하기 위한 개구(181)와 압력 챔버(155)를 형성하기 위한 개구(182)를 형성한다.

다음으로, 도 9c에 도시된 바와 같이, 상기 개구들(181, 182)을 통해 노출된 상부 기판(110)의 저면을 식각한다. 이때, 상부 기판(110)에 대한 식각은 유도결합 플라즈마(ICP)를 이용한 반응성 이온 식각(RIE)과 같은 건식 식각 방법에 의해 수행될 수 있다. 그리고, 도시된 바와 같이 상부 기판(110)으로서 SOI 기판을 사용하면, SOI 기판의 중간 산화막(112)이 식각 정지층(etch stop layer)의 역할을 하게 되므로, 이 단계에서는 제1 실리콘층(111)만 식각된다. 따라서, 상부 기판(110)의 제1 실리콘층(111)에 잉크 인렛(152)과 압력 챔버(155)가 형성된다.

다음으로, 도 9d에 도시된 바와 같이, 상부 기판(110)의 상면에 형성된 실리 콘 산화막(171a)을 건식 또는 습식 식각하여 다수의 필터링 홀(151)을 형성하기 위한 개구들(183)을 형성한다.

이어서, 도 9e에 도시된 바와 같이, 상기 개구들(183)을 통해 노출된 상부 기판(110)의 상면을 식각하여 잉크 인렛(152)의 상부에 다수의 필터링 홀(151)을 형성한다. 이때, 상부 기판(110)의 제2 실리콘층(113)과 중간 산화막(112)이 순차 식각됨으로써, 대략 10㎛ ~ 20㎛ 정도의 직경을 가진 다수의 필터링 홀(151)이 형성된다.

다음으로, 상부 기판(110)의 표면에 잔존된 실리콘 산화막(171a, 171b)을 습식 식각 등에 의해 제거한다.

도 10a 내지 도 10f는 도 2에 도시된 중간 기판에 멤브레인, 캐비티, 벤팅 채널, 리스트릭터, 매니폴드 및 제1 댐퍼를 형성하는 단계들을 도시한 도면들이다.

도 10a를 참조하면, 잉크젯 헤드의 중간 기판(120)으로서 단결정 실리콘 기판을 준비한다. 이어서, 준비된 중간 기판(120)의 저면에 캐비티(162)를 소정 깊이로 형성한다. 이때, 캐비티(162)를 외부와 연통시키는 벤팅 채널(164)도 동시에 형성될 수 있다. 상기 캐비티(162)와 벤팅 채널(164)은 중간 기판(120)의 저면을 습식 또는 건식 식각함으로써 형성될 수 있다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 캐비티(162) 내부에 지지벽(166)과 연결 홈(168)이 형성되는 경우에는, 도 10a의 단계에서 상기 지지벽(166)이 형성될 부위의 중간 기판(120)의 저면은 식각되지 않는다.

다음으로, 도 10b에 도시된 바와 같이, 캐비티(162)와 벤팅 채널(164)이 형 성된 중간 기판(120)을 습식 또는 건식 산화시켜 그 상면과 저면에 실리콘 산화막(172a, 172b)을 형성한다. 이때, 중간 기판(120)의 저면에 형성되는 실리콘 산화막(172b)은 상기 캐비티(162)와 벤팅 채널(164)의 내면에도 형성된다. 이어서, 상기 중간 기판(120)의 저면에 형성된 실리콘 산화막(172b)의 전 표면에 중간 기판(120)의 물질, 즉 실리콘과는 다른 물질을 화학기상증착법(CVD) 또는 물리기상증착법(PVD)에 의해 소정 두께, 예컨대 1㎛ ~ 3㎛, 바람직하게는 1㎛ ~ 2㎛의 두께로 증착하여 물질막(160')을 형성한다. 상기 물질막(160')은 전술한 바와 같이 내열성이 있고 실리콘 산화막(172b)에 대한 식각 선택비가 높은 물질막, 예컨대 실리콘 질화막으로 이루어질 수 있다.

다음으로, 도 10c에 도시된 바와 같이, 화학기계적 연마(CMP)에 의해 캐비티(162)와 벤팅 채널(164) 이외의 부분에 형성된 실리콘 질화막(160')과 실리콘 산화막(172b)을 제거한다. 그러면, 상기 캐비티(162)와 벤팅 채널(164) 내면에 형성된 실리콘 질화막(160')만 잔존된다. 상기 캐비티(162) 내면에 잔존된 실리콘 질화막(160')은 멤브레인(160)을 구성하게 된다.

다음으로, 도 10d를 참조하면, 중간 기판(120)의 상면에 형성된 실리콘 산화막(172a)을 건식 또는 습식 식각하여 매니폴드(153)와 리스트릭터(154)를 형성하기 위한 개구(184)와 제1 댐퍼(156)를 형성하기 위한 개구(185)를 형성한다.

이어서, 도 10e에 도시된 바와 같이, 상기 개구들(184, 185)을 통해 노출된 중간 기판(120)의 상면을 식각한다. 상기 중간 기판(120)에 대한 식각은 유도결합 플라즈마(ICP)를 이용한 반응성 이온 식각(RIE)과 같은 건식 식각 방법에 의해 수 행될 수 있으며, 제1 댐퍼(156)가 중간 기판(120)을 수직으로 관통할 때까지 진행된다. 이때, 매니폴드(153)와 리스트릭터(154)는 식각 정지층으로서의 역할을 하는 실리콘 산화막(172b)에 의해 제1 댐퍼(156)에 비해 얕은 깊이를 가지도록 형성된다. 이와 같이, 본 발명에 의하면, 깊이가 서로 다른 제1 댐퍼(156)와 매니폴드(153)를 한 번의 식각 공정에 의해 함께 형성할 수 있으므로, 공정이 단순화되는 장점이 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 중간 기판(120)에 격벽들(253b)에 의해 구획된 다수의 개별 매니폴드(253a)를 가진 매니폴드(253)를 형성하는 경우에는, 도 10e의 단계에서 상기 격벽들(253b)이 형성될 부위의 중간 기판(120)은 식각되지 않는다.

다음으로, 중간 기판(120)의 표면에 잔존된 실리콘 산화막(172a, 172b)을 습식 식각 등에 의해 제거한다. 이때, 매니폴드(153) 하부에 위치한 실리콘 산화막(172b)은 제거되는데 반하여, 도 10f에 도시된 바와 같이, 매니폴드(153)의 하부에 위치한 멤브레인(160)은 실리콘 산화막(172b)에 대한 식각 선택비가 높은 실리콘 질화막으로 이루어져 있으므로, 제거되지 않고 잔존하게 된다.

도 11a 내지 도 11d는 도 2에 도시된 하부 기판에 제2 댐퍼와 노즐을 형성하는 단계들을 도시한 도면들이다.

도 11a 도시된 바와 같이, 잉크젯 헤드의 하부 기판(130)으로서 단결정 실리콘 기판을 준비한 후, 준비된 하부 기판(130)을 습식 또는 건식 산화시켜 그 상면과 저면에 실리콘 산화막(173a, 173b)을 형성한다. 이어서, 하부 기판(130)의 상면 에 형성된 실리콘 산화막(173a)을 건식 또는 습식 식각하여 제2 댐퍼(157)를 형성하기 위한 개구(186)를 형성한다.

다음으로, 도 11b에 도시된 바와 같이, 상기 개구(186)를 통해 노출된 하부 기판(130)의 상면을 소정 깊이로 습식 식각한다. 이때, 습식 식각은 실리콘용 에칭액(etchant)으로서, 예컨대 테트라메틸 수산화 암모늄(TMAH: Tetramethyl Ammonium Hydroxide) 또는 수산화 칼륨(KOH)을 사용하여 수행될 수 있다. 그러면, 하부 기판(130)의 상면에는 이방성 습식 식각 특성에 의해 경사진 측면들을 가진 제2 댐퍼(157)가 형성된다.

다음으로, 도 11c에 도시된 바와 같이, 하부 기판(130)의 저면에 형성된 실리콘 산화막(173b)을 건식 또는 습식 식각하여 노즐(158)을 형성하기 위한 개구(187)를 형성한다.

다음으로, 도 11d에 도시된 바와 같이, 상기 개구(187)를 통해 노출된 하부 기판(130)의 저면을 소정 깊이로 식각한다. 이때, 하부 기판(130)에 대한 식각은 유도결합 플라즈마(ICP)를 이용한 반응성 이온 에칭(RIE)과 같은 건식 식각 방법에 의해 수행된다. 그러면, 하부 기판(130)에는 일정한 직경의 원형 단면을 가진 노즐(158)이 형성된다.

이어서, 하부 기판(130)의 표면에 잔존된 실리콘 산화막(173a, 173b)을 습식 식각 등에 의해 제거할 수 있다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 하부 기판(130)에 벤팅 채널(264)이 형성되는 경우에는, 상기한 도 11a 내지 도 11d에 도시된 단계에서, 상기 제2 댐퍼(157) 및 노즐(158)과 함께 상기 벤팅 채널(264)도 동시에 형성될 수 있다.

다음으로, 전술한 단계들을 거쳐 준비된 하부 기판(130), 중간 기판(120) 및 상부 기판(110)을 도 2에 도시된 바와 같이 순차 적층하고, 이들을 서로 접합시킨다. 이때, 세 개의 기판(110, 120, 130) 사이의 접합은 잘 알려져 있는 실리콘 직접 접합(SDB: Silicon Direct Bonding) 방법에 의해 수행될 수 있다.

상기한 바와 같이, 하부 기판(110), 중간 기판(120) 및 상부 기판(130)을 순차 적층하여 접합한 상태에서, 상부 기판(110)의 상면에 압전 액츄에이터(140)를 형성한다. 구체적으로, 먼저 상부 기판(110)의 상면에 도전성 금속 물질을 증착하여 하부 전극(141)을 형성한다. 이때, 하부 전극(141)은 대략 2,000Å 정도의 두께로 형성되고, 상부 기판(110)에 미리 형성된 다수의 필터링 홀(151)은 대략 10㎛ ~ 20㎛ 정도의 직경을 가지므로, 상기 하부 전극(141)에 의해 다수의 필터링 홀(151)이 막히지는 않는다. 다음으로, 상기 하부 전극(141) 위에 압전막(142)과 상부 전극(143)을 형성한다. 상기 압전막(142)은 페이스트 상태의 압전재료를 스크린 프린팅(screen printing)에 의해 압력 챔버(155)의 상부에 소정 두께로 도포한 뒤, 이를 소정 시간 동안 건조시킴으로써 형성된다. 상기 압전재료로는 여러 가지가 사용될 수 있으나, 바람직하게는 통상적인 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료가 사용된다. 이어서, 건조된 압전막(142) 위에 전극 재료, 예컨대 Ag-Pd 페이스트를 프린팅하여 상부 전극(143)을 형성한다. 다음으로, 압전막(142)과 상부 전극(143)을 소정 온도, 예컨대 900 ~ 1,000℃에서 소결시키면, 상부 기판(110) 위에 하부 전극(141)과, 압전막(142)과, 상부 전극(143)으로 이루어진 압전 액츄에이 터(140)가 형성된다.

이로써, 도 2에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 헤드가 완성된다.

다음으로, 도 7에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법을 설명한다. 도 7에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 헤드에 있어서, 상부 기판(110)의 제조 방법은 전술한 제1 실시예의 제조 방법과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.

도 12a 내지 도 12e는 도 7에 도시된 중간 기판에 멤브레인, 리스트릭터, 매니폴드 및 제1 댐퍼를 형성하는 단계들을 도시한 도면들이다.

도 12a를 참조하면, 잉크젯 헤드의 중간 기판(120)으로서 단결정 실리콘 기판을 준비한 후, 준비된 중간 기판(120)을 습식 또는 건식 산화시켜 그 상면과 저면에 실리콘 산화막(174a, 174b)을 형성한다. 이어서, 상기 중간 기판(120)의 저면에 형성된 실리콘 산화막(174b)의 전 표면에 중간 기판(120)의 물질, 즉 실리콘과는 다른 물질을 화학기상증착법(CVD) 또는 물리기상증착법(PVD)에 의해 소정 두께, 예컨대 1㎛ ~ 3㎛, 바람직하게는 1㎛ ~ 2㎛의 두께로 증착하여 물질막(360')을 형성한다. 상기 물질막(360')은 전술한 바와 같이 내열성이 있고 실리콘 산화막(174b)에 대한 식각 선택비가 높은 물질막, 예컨대 실리콘 질화막으로 이루어질 수 있다.

다음으로, 도 12b에 도시된 바와 같이, 중간 기판(120)의 저면에 형성된 실리콘 산화막(174b)과 실리콘 질화막(360')을 습식 또는 건식 식각에 의해 부분적으 로 제거하여 매니폴드(153)가 형성될 부위에만 잔존시킨다. 이와 같이 잔존된 실리콘 질화막(360')은 멤브레인(360)을 구성하게 된다.

다음으로, 도 12c에 도시된 바와 같이, 중간 기판(120)의 상면에 형성된 실리콘 산화막(174a)을 건식 또는 습식 식각하여 매니폴드(153)와 리스트릭터(154)를 형성하기 위한 개구(188)와 제1 댐퍼(156)를 형성하기 위한 개구(189)를 형성한다.

이어서, 도 12d에 도시된 바와 같이, 상기 개구들(188, 189)을 통해 노출된 중간 기판(120)의 상면을 식각한다. 상기 중간 기판(120)에 대한 식각은 유도결합 플라즈마(ICP)를 이용한 반응성 이온 식각(RIE)과 같은 건식 식각 방법에 의해 수행될 수 있으며, 제1 댐퍼(156)가 중간 기판(120)을 수직으로 관통할 때까지 진행된다. 이때, 매니폴드(153)와 리스트릭터(154)를 위한 중간 기판(120)의 식각은 식각 정지층으로서의 역할을 하는 실리콘 산화막(174b)까지 진행된다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 중간 기판(120)에 격벽들(253b)에 의해 구획된 다수의 개별 매니폴드(253a)를 가진 매니폴드(253)를 형성하는 경우에는, 도 12d의 단계에서 상기 격벽들(253b)이 형성될 부위의 중간 기판(120)은 식각되지 않는다.

다음으로, 중간 기판(120)의 표면에 잔존된 실리콘 산화막(174a, 174b)을 습식 식각 등에 의해 제거한다. 이때, 매니폴드(153) 하부에 위치한 실리콘 산화막(174b)은 제거되는데 반하여, 도 12e에 도시된 바와 같이, 매니폴드(153)의 하부에 위치한 멤브레인(360)은 실리콘 질화막으로 이루어져 있으므로, 제거되지 않고 잔존하게 된다.

도 13a와 도 13b는 도 7에 도시된 하부 기판에 캐비티와 벤팅 채널을 형성하는 단계들을 도시한 도면들이다.

도 13a를 참조하면, 잉크젯 헤드의 하부 기판(130)으로서 단결정 실리콘 기판을 준비한 후, 준비된 하부 기판(130)을 습식 또는 건식 산화시켜 그 상면과 저면에 실리콘 산화막(175a, 175b)을 형성한다. 이어서, 하부 기판(130)의 상면에 형성된 실리콘 산화막(175a)을 건식 또는 습식 식각하여 캐비티(362)와 벤팅 채널(364)을 형성하기 위한 개구(190)를 형성한다.

이어서, 도 13b에 도시된 바와 같이, 상기 개구(190)를 통해 노출된 하부 기판(130)의 상면을 소정 깊이로 건식 또는 습식 식각하여 캐비티(362)와 벤팅 채널(364)을 형성한다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 캐비티(362) 내부에 지지벽(166)과 연결 홈(168)이 형성되는 경우에는, 도 13b의 단계에서 상기 지지벽(166)이 형성될 부위의 하부 기판(130)의 상면은 식각되지 않는다.

다음으로, 하부 기판(130)에는 제2 댐퍼(157)와 노즐(158)이 형성되는데, 제2 댐퍼(157)와 노즐(158)의 형성 단계들은 도 11a 내지 도 11d에 도시된 단계들과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

다음으로, 전술한 단계들을 거쳐 준비된 하부 기판(130), 중간 기판(120) 및 상부 기판(110)을 도 7에 도시된 바와 같이 순차 적층하고, 이들을 서로 접합시킨 후, 상부 기판(110)의 상면에 압전 액츄에이터(140)를 형성한다. 이 단계들도 전술한 바와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이로써, 도 7에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 헤드가 완성된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 매니폴드의 하부에 형성되며 유연성을 가진 멤브레인이 잉크의 역류로 인한 매니폴드 내부의 급격한 압력 변화를 완화시키게 되고, 이에 따라 잉크 토출 시 인접한 압력 챔버들 상호간의 크로스 토크를 효과적으로 방지할 수 있게 된다. 따라서, 다수의 노즐을 통해 균일한 잉크 토출 성능을 얻을 수 있어서, 인쇄 품질이 향상되는 장점이 있으며, 잉크 토출 후, 노즐 내의 잉크의 메니스커스가 빠르게 안정될 수 있어서, 토출 주파수를 높일 수 있는 장점도 있다.

Claims (31)

  1. 잉크가 유입되는 잉크 인렛이 관통 형성되고, 저면에는 토출될 잉크가 채워지는 다수의 압력 챔버가 형성되며, 상면에는 상기 다수의 압력 챔버 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터가 형성된 상부 기판;
    상기 상부 기판의 저면에 접합되는 것으로, 상면에는 상기 잉크 인렛과 연결되는 매니폴드와, 상기 매니폴드와 상기 다수의 압력 챔버 각각을 연결하는 다수의 리스트릭터가 형성되고, 상기 다수의 압력 챔버에 대응되는 위치에 다수의 제1 댐퍼가 관통 형성된 중간 기판; 및
    상기 중간 기판의 저면에 접합되는 것으로, 상기 다수의 제1 댐퍼에 대응되는 위치에 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐이 관통 형성된 하부 기판;을 구비하며,
    상기 중간 기판에는, 상기 매니폴드의 하부에 위치하여 상기 매니폴드 내부의 압력 변화를 완화시키는 것으로, 상기 중간 기판과는 다른 물질로 이루어진 멤브레인이 마련되고,
    상기 중간 기판 또는 하부 기판에는, 상기 멤브레인의 하부에 위치하는 캐비티와, 상기 캐비티를 외부와 연통시키는 적어도 하나의 벤팅 채널이 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 중간 기판은 실리콘으로 이루어지고, 상기 멤브레인은 실리콘 질화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 멤브레인은 1㎛ ~ 3㎛ 정도의 두께를 가진 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 멤브레인은 상기 매니폴드의 폭보다 넓은 폭을 가진 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드.
  5. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 캐비티는 상기 멤브레인의 폭과 같거나 보다 넓은 폭을 가진 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 캐비티는 상기 중간 기판의 저면에 소정 깊이로 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 벤팅 채널은 상기 중간 기판의 저면에 상기 캐비티와 동일한 깊이로 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 벤팅 채널은 상기 하부 기판을 수직으로 관통하도록 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 멤브레인은 상기 중간 기판의 저면으로부터 돌출되도록 형성되고, 상기 캐비티는 상기 하부 기판의 상면에 소정 깊이로 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 벤팅 채널은 상기 하부 기판의 상면에 상기 캐비티와 동일한 깊이로 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 벤팅 채널은 상기 하부 기판을 수직으로 관통하도록 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 매니폴드는 다수의 격벽에 의해 상기 다수의 챔버 각각에 대응하도록 구획된 다수의 개별 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 캐비티 내부에는 상기 멤브레인을 지지하는 지지벽들이 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 지지벽들에는 상기 캐비티의 전 부분을 연결하는 연결 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 잉크 인렛의 상부에는 다수의 필터링 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 기판의 상면에는 상기 다수의 제1 댐퍼와 다수의 노즐을 각각 연결하는 다수의 제2 댐퍼가 소정 깊이로 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크 젯 헤드.
  17. (가) 실리콘 기판으로 이루어진 상부 기판, 중간 기판 및 하부 기판을 준비하는 단계;
    (나) 준비된 상기 상부 기판을 미세 가공하여, 잉크가 유입되는 잉크 인렛과, 토출될 잉크가 채워지는 다수의 압력 챔버를 형성하는 단계;
    (다) 준비된 상기 중간 기판을 미세 가공하여, 상기 잉크 인렛과 연결되는 매니폴드와, 상기 매니폴드와 상기 다수의 압력 챔버 각각을 연결하는 다수의 리스트릭터와, 상기 다수의 압력 챔버 각각에 대응되는 위치에 다수의 제1 댐퍼를 형성하는 단계;
    (라) 준비된 상기 하부 기판을 미세 가공하여, 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐을 형성하는 단계;
    (마) 상기 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판을 순차 적층하여 서로 접합하는 단계; 및
    (바) 상기 상부 기판상에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터를 형성하는 단계;를 구비하며,
    상기 (다) 단계에서, 상기 중간 기판에 상기 매니폴드의 하부에 위치하여 상기 매니폴드 내부의 압력 변화를 완화시키는 것으로, 상기 중간 기판과는 다른 물질로 이루어진 멤브레인을 형성하고,
    상기 (다) 단계 또는 (라) 단계에서, 상기 중간 기판의 저면 또는 하부 기판 의 상면에 상기 멤브레인의 하부에 위치하는 캐비티와, 상기 캐비티를 외부와 연통시키는 적어도 하나의 벤팅 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 멤브레인은 실리콘 질화막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 멤브레인은 1㎛ ~ 3㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 (다) 단계는, 상기 중간 기판의 저면을 소정 깊이로 식각하여 상기 캐비티를 형성하는 단계와, 상기 중간 기판의 저면과 상기 캐비티의 내면에 실리콘 산화막을 형성하는 단계와, 상기 실리콘 산화막의 전 표면에 실리콘과는 다른 물질막을 형성하는 단계와, 화학기계적 연마(CMP)에 의해 상기 캐비티 이외의 부분에 형성된 실리콘 산화막과 물질막을 제거하여, 상기 캐비티 내면에 잔존된 상기 물질막으로 이루어진 상기 멤브레인을 형성하는 단계와, 상기 중간 기판을 그 상면으로부터 식각하여 상기 매니폴드, 다수의 리스트릭터 및 다수의 제1 댐퍼를 형성하는 단계와, 상기 실리콘 산화막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 물질막은 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 매니폴드와 다수의 리스트릭터는 식각 정지층으로서의 역할을 하는 상기 실리콘 산화막에 의해 상기 다수의 제1 댐퍼에 비해 얕은 깊이를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  23. 제 20항에 있어서,
    상기 캐비티를 형성하는 단계에서, 상기 중간 기판의 저면에 상기 적어도 하나의 벤팅 채널도 함께 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  24. 제 20항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 벤팅 채널은, 상기 (라) 단계에서 상기 하부 기판을 수직으로 관통하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  25. 제 17항에 있어서,
    상기 (다) 단계는, 상기 중간 기판의 저면에 실리콘 산화막과 실리콘과는 다른 물질막을 순차적으로 형성하는 단계와, 식각에 의해 실리콘 산화막과 물질막을 부분적으로 제거하여 상기 매니폴드가 형성될 부위에 잔존된 상기 물질막으로 이루어진 상기 멤브레인을 형성하는 단계와, 상기 중간 기판을 그 상면으로부터 식각하여 상기 매니폴드, 다수의 리스트릭터 및 다수의 제1 댐퍼를 형성하는 단계와, 상기 실리콘 산화막을 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 (라) 단계는, 상기 하부 기판의 상면을 소정 깊이로 식각하여 상기 캐비티를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 물질막은 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  27. 제 25항에 있어서,
    상기 캐비티를 형성하는 단계에서, 상기 하부 기판의 상면에 상기 적어도 하나의 벤팅 채널도 함께 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  28. 제 17항에 있어서,
    상기 (가) 단계는, 상기 잉크 인렛의 상부에 다수의 필터링 홀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  29. 제 17항에 있어서,
    상기 (다) 단계에서, 상기 매니폴드는 다수의 격벽에 의해 상기 다수의 챔버 각각에 대응하도록 구획된 다수의 개별 매니폴드를 포함하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  30. 제 17항에 있어서,
    상기 (다) 단계 또는 (라) 단계에서, 상기 캐비티 내부에 상기 멤브레인을 지지하는 지지벽들을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  31. 제 17항에 있어서,
    상기 (라) 단계는, 상기 하부 기판의 상면에 상기 다수의 제1 댐퍼와 다수의 노즐을 각각 연결하는 다수의 제2 댐퍼를 소정 깊이로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 헤드의 제조 방법.
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