KR101280194B1 - 연장된 표면 요소를 갖는 프린트헤드, 프린트헤드 형성방법 및 냉각방법 - Google Patents

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Abstract

열 잉크젯 헤드(thermal ink-jet head)는, 잉크를 기화시키는 것에 참여하지 않고 기판(122)을 통해 전도되는, 레지스터(130)에 의해 방산된 열의 일부를 냉각하는 데에 사용되는 핀(fin)(350) 또는 돌출부(650)와 같은 연장된 표면 요소를 구비한다. 이 헤드는 라이트 빔 및 비등방성 에칭을 사용하여 제조된다.

Description

연장된 표면 요소를 갖는 프린트헤드, 프린트헤드 형성방법 및 냉각방법{PRINT HEAD HAVING EXTENDED SURFACE ELEMENTS}
열 잉크젯 프린트헤드는 보통, 예를 들어 사진 석판술(photolithography) 등과 같은 반도체 처리 방법을 사용하여 실리콘 등의 기판 상에 형성된 프린트 다이(print die)를 포함한다.
프린트 다이는 통상 레지스터(resistor), 및 레지스터에 잉크를 전달하는 잉크 전달 채널을 포함하고, 잉크는 레지스터를 덮는다. 레지스터를 활성화시키기 위해, 전기적 신호가 레지스터에 보내진다. 종이 시트와 같은 기록 매체 상에 잉크 도트(dot)를 인쇄하기 위해, 활성화된 레지스터는 레지스터를 덮은 잉크를 급속하게 가열하여, 잉크가 기화하여 레지스터와 정렬된 오리피스를 통해 분사되도록 한다.
잉크를 기화시키는 데에 참여하지 않는 레지스터에 의해 방산된 열의 일부는 기판을 통해 전도되고, 이어서 잉크 전달 채널을 통해 유동하는 잉크에 의해 대류순환된다. 하지만, 프린트 다이는 여전히 과열(overheat)되어, 프린트헤드가 인쇄 를 정지하는 것을 야기할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프린트헤드의 실시예의 일부의 사시 절취도,
도 2는 본 발명에 따른 프린트헤드 기판 및 잉크 분사 구성요소의 실시예의 평면도,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른, 잉크 공급 채널의 실시예를 형성하는 실시예의 여러 단계 동안의, 프린트헤드 기판의 실시예의 일부의 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프린트헤드 기판의 실시예의 저면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 도 4의 선 5-5를 따라 취한 사시도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 잉크-공급 슬롯의 내벽의 실시예의 사시도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 프린트헤드의 실시예의 평면도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른, 도 7의 선 8-8을 따라 취한 도면.
이하의 본 실시예의 상세한 설명에 있어서, 본 실시예의 일부를 형성하는 첨부된 도면을 참조하고, 첨부된 도면에는 실행될 수 있는 특정 실시예가 예시의 목적으로 도시된다. 이들 실시예는 당업자가 개시된 주제를 실행하는 것을 가능하게 하기에 충분히 상세하게 설명되고, 그리고 다른 실시예가 활용될 수 있으며, 공정상, 전기적 또는 기계적 변경이 청구된 주제의 범위를 일탈하지 않고 행해질 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 제한적인 의미로 취해진 것이 아니고, 청구된 주제의 범위는 첨부된 청구항 및 그 동등물에 의해서만 한정된다.
도 1은 프린트헤드(120)의 일부의 사시 절취도로서, 실시예에 따른 잉크를 분사하는 구성요소를 도시한다. 프린트헤드(120)의 구성요소는 이산화 실리콘층과 같은 유전층(124)을 포함하는, 예를 들어 실리콘으로 제조된 웨이퍼(122) 상에 형성된다. 이하, 기판(또는 프린트헤드 기판)(125)의 용어는 적어도 웨이퍼(122)의 일부 및 적어도 유전층(124)의 일부를 포함하는 것으로서 고려될 것이다. 개별적인 프린트헤드를 각각 구비한 많은 프린트헤드 기판이 단일 웨이퍼 다이(die) 상에 동시에 형성될 수 있다.
잉크 방울은, 기판(125)에 형성된, 보다 구체적으로, 일 실시예에 있어서 프린트헤드 기판(125) 상으로 적층된 후 노출, 현상되고, 챔버(126)를 규정하는 형상으로 경화되는 감광성 재료(photosensitive material)로부터 제조될 수 있는 배리어층(barrier layer)(128)에 형성된 챔버(126)로부터 분사된다.
챔버(126)로부터 잉크 방울을 분사하는 주요 메커니즘은 박막 레지스터(thin-film resistor)(130)이다. 레지스터(130)는 프린트헤드 기판(125) 상에 형성된다. 레지스터(130)는 당업계에 알려진 바와 같이 적당한 패시베이션(passivation) 및 다른 층으로 덮어지고, 레지스터를 가열하기 위한 전류 펄스를 전달하는 전도성 층에 접속된다. 하나의 레지스터가 챔버(126) 각각에 위치된다.
잉크 방울은 대부분의 프린트헤드를 덮는 오리피스 플레이트(134)에 형성된 오리피스(132)(오리피스 중 하나가 도 1에 절취되어 도시됨)를 통해 분사된다. 오리피스 플레이트(134)는 레이저-제거된(laser ablated) 폴리이미드 재료로부터 제조될 수 있다. 오리피스 플레이트(134)는 배리어층(128)에 접착되고, 각 챔버(126)가 잉크 방울이 그로부터 분사되는 오리피스(132) 중 하나와 연속하도록 정렬된다.
챔버(126)는 각 방울이 분사된 후 잉크로 재충전된다. 이것에 관해, 각 챔버는 배리어층(128)에 형성된 채널(136)과 연속적이다. 채널(136)은 기판을 통하여 형성된 기다란 잉크 공급 채널(140)(도 2)을 향해 연장한다. 잉크 공급 채널(140)은, 다른 실시예에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이 잉크 공급 채널(140)의 대향하는 긴 측면 상에 위치되는 챔버(126)의 열(row) 사이에 중심설정된다. 일 실시예에 있어서, 잉크 공급 채널(140)은 잉크-분사 구성요소[오리피스 플레이트(134) 제외]가 기판(125) 상에 형성된 후에 만들어진다.
잉크 방울을 분사하기 위한, 바로 위에서 언급한 구성요소[배리어 층(128), 레지스터(130) 등]가 기판(125)의 상부(142)에 장착된다. 일 실시예에 있어서, 프린트헤드의 바닥은 잉크 카트리지의 잉크 저장소(ink reservoir) 부분에 장착되고, 잉크 공급 채널(140)은 바닥에서 예를 들어 도관에 의해 별개의 [또는 오프-축(off-axis)] 잉크 저장소에 결합되어, 잉크 공급 채널(140)이 저장소에 대한 개구들과 연통할 수 있다. 따라서, 재충전 잉크는 잉크 공급 채널(140)을 통해 바닥으로부터 기판(125)의 상부(142)를 향해 유동한다. 잉크는 그 후 상부(142)를 가로질러[즉, 채널(136)로 그리고 채널(136)을 통해, 그리고 오리피스 플레이트(134) 아래에서] 유동하여 챔버(126)를 충전한다.
도 3a 내지 도 3d는 다른 실시예에 따른, 잉크 공급 채널(140)의 형성의 여러 단계 동안 프린트헤드 기판(125)(도 1 및 도 2)의 일부의 단면도이다. 배리어 층, 레지스터 등과 같은 상술된 잉크 분사 구성요소는 간명함을 위해 단일 층(310)으로서 도시된다. 도 3a에 있어서, 기판(125)의 바닥(144) 상에 형성된 이산화 실리콘으로 제조된 것과 같은 유전층(320)은 기판(125)의 바닥(144)의 일부를 노출시키도록 패터닝(patterning) 및 에칭된다. 도 3b에 있어서, 잉크 공급 채널(140)의 일부는 레이저 빔과 같은 라이트 빔(light beam)을 사용하여 기판(125) 내에 형성되어, 잉크 공급 채널(140)은 바닥(144)으로부터 기판(125)을 부분적으로 관통하여 연장한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "라이트(light)"의 용어는 임의의 적용가능한 파장의 전자기적 에너지를 말한다.
도 3c에 있어서, 잉크 공급 채널(140)은 예를 들어 비등방성 에칭을 사용하여 에칭되어, 잉크 공급 채널(140)은 상부(142)를 통해 연장한다. 일 실시예에 있어서, 에칭은 잉크 공급 채널(140)을 넓히는 작용을 하고, 도 3c에 도시된 바와 같이 상부(142)로 테이퍼진 테이퍼부(330)를 생성한다. 몇몇 실시예에 있어서, 에칭은 라이트 빔으로 절단하는 동안 형성된 임의의 산화물을 제거하기 위한 버퍼 산화물 에칭(buffered oxide etch)과 같은 클린-업 에칭(clean-up etch)를 포함하는 습식 에칭이다. 클린-업 에칭에 이어 예를 들어 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드(tetramethyl ammonium hydroxide)(TMAH)를 사용하여 테이퍼부(330)를 형성하는 비등방성 습식 에칭이 행해진다.
레이저 없이 에칭하는 것과는 대조적으로 잉크 공급 채널의 일부를 절단하기 위해 라이트 빔을 사용하는 것은 잉크 공급 채널의 크기를 제한하는 작용을 하고, 이것은 소형 프린트헤드에 중대한 것임을 주지하여야 한다. 잉크 공급 채널을 전방 표면(142)으로 개방시키기 위해 나머지 부분을 에칭하는 것은 전방 표면(142) 상에 형성된 잉크 분사 구성요소의 파괴를 방지하며, 이러한 파괴는 만약 라이트 빔이 잉크 공급 채널을 전방 표면(142)에 개방시키기 위해 사용되는 경우 발생할 것이다.
라이트 빔은 그 후 잉크 공급 채널(140)로부터 연장하고 그리고 잉크 공급 채널(140)에 유체적으로 결합된 복수의 슬롯(360)을 절삭하는 것에 의해, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(125)에 핀(fin)(350)을 형성하기 위해 이용된다. 도 3d는 도 4의 선 3D-3D를 따라 본 단면이고, 따라서 레이저가 잉크 공급 채널(140)의 길이를 따라 선택된 위치에서 단면을 넓혀, 일 실시예로서, 한 쌍의 대향 슬롯(360)을 형성함을 주지하여야 한다. 또한, 기판 재료의 핀(350)은 슬롯(360)에 인접하여 형성됨을 주지하여야 한다. 일 실시예에 있어서, 상술된 클린-업 에칭은 그 형성 후에 슬롯(360)을 청결하게 하도록 수행된다. 슬롯(360) 및 따라서 핀(350)은, 도 4의 선 5-5를 따라 취한 사시도인 도 5에 도시된 바와 같이, 바닥으로부터 대략 테이퍼부(330)까지 또는 테이퍼부(330) 바로 전까지 연속적으로 연장함을 주지하여야 한다.
다른 실시예에 있어서, 라이트 빔은, 잉크 공급 채널(140)의 내벽의 사시도인 도 6에 도시된 바와 같이, 잉크 공급 채널(140)의 내벽의 표면적을 증가시키는 작용을 하는, 잉크 공급 채널(140)의 내벽에 울퉁불퉁한 요소(650)를 형성하도록 비등방성 습식 에칭 후에 사용된다. 이것에 이어 산화물 제거를 위해 버퍼 산화물 에칭이 행해진다. 울퉁불퉁 요소(650)는 정사각형, 원형, 타원형, 직사각형과 같은 다수의 형상을 갖거나, 또는 표면으로부터 연장하는 원통형 핀형상 핀(cylindrical pin fin) 등일 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 울퉁불퉁 요소(650) 사이의 슬롯(360) 또는 공간(660)은, 라이트 빔을 사용하여 레지스트(resist)를 패터닝하는 비등방성 에칭을 수행하고, 예를 들어 등방성 습식 에칭을 사용하여 노출된 기판 재료를 제거함으로써 슬롯(360) 또는 공간(660)을 형성한 후에, 도 3c의 구성의 잉크 공급 채널(140) 내에 레지스트를 스프레이(spray)함으로써 형성될 수 있다.
작동시, 잉크는 도 5 및 도 6에서 화살표로 도시된 바와 같이, 잉크 공급 채널(140) 및 슬롯(360) 또는 공간(660)을 통해, 프린트헤드의 바닥으로부터 상부로 유동한다. 핀(350) 또는 울퉁불퉁한 요소(650)는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 잉크 공급 채널(140)의 내벽에 대해 실질적으로 수직하고, 잉크 유동에 대해 실질적으로 수직하다. 잉크가 유동하면, 층(310)의 레지스터(resistor)는 기판(125)에 열을 가한다. 열은 잉크 공급 채널(140) 및 핀(350) 또는 울퉁불퉁 요소(650)를 향해 전도되고, 차례로 잉크 유동에 의해 대류순환된다. 도 4 및 도 5의 핀(350)과 도 6의 울퉁불퉁 요소(650)는 잉크에 대한 열 유동의 가용 면적을 증가시키고, 따라서 잉크 유동에 열전달을 증가시키는 작용을 하며, 따라서 기판(125)의 온도를 감소시키는 작용을 함을 주지하여야 한다.
도 7은 실시예에 따른, 프린트헤드(700)의 기판(725)의 상부(742)의 평면도를 도시한다. 프린트헤드(700)는 기판(725) 상에 형성된 레지스터(710)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 레지스터(710)는 기판(725)의 대향 외측면(730, 732)에 인접하여 형성된다. 레지스터(710)는, 도 2에 도시된 바와 같이 기판을 통과하는 내부 채널에 인접하지 않고, 기판의 대향 외측면(730, 732)에 인접하여 위치되는 점을 제외하고는, 도 1 및 도 2의 레지스터(130)와 유사하게 구성되고 기능한다.
핀(fin), 분산된 울퉁불퉁한 요소와 같은 복수의 연장된 표면 요소(750), 예를 들어 표면으로부터 연장하는 핀(pin)형상 핀(fin) 등은 각각의 측면(730, 732) 상에 형성된다. 일 실시예에 있어서, 연장된 표면 요소(750)는, 도 7의 선 8-8을 따라 취한 도면인 도 8에 도시된 바와 같이, 기판(725)의 상부(742)로부터 바닥(744)으로 연장하는 연속적인 핀이다. 일 실시예에 있어서, 라이트 빔은, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 측면(730, 732) 각각에 복수의 슬롯(760)을 절삭함으로써 기판(725)에 연장된 표면 요소(750)를 형성하기 위해 사용된다. 일 실시예에 있어서, 상술된 클린-업 에칭은 그 형성 후에 슬롯(760)을 청결하게 하도록 수행된다. 다른 실시예에 있어서, 라이트 빔은 측면(730, 732) 각각에 분산된 울퉁불퉁한 요소를 형성하기 위해 사용된다.
일 실시예에 있어서, 프린트헤드(700)는, 도 8의 화살표로 표시된 바와 같이 연장된 표면 요소(750)에 실질적으로 평행하게, 잉크가 측면(730, 732)을 따라 바닥(744)으로부터 상부(742)로 유동하도록 구성된다. 잉크는 그 후, 예를 들어 도 1의 채널(136)과 유사한 채널에 의해 레지스터(710)로 지향된다.
비록 특정 실시예가 본 명세서에서 예시되고 설명되었지만, 청구된 주제의 범위는 이하의 청구범위 및 그 동등물에 의해서만 제한되는 것이 명백하게 의도된다.

Claims (10)

  1. 프린트헤드(120)에 있어서,
    잉크 공급 채널(140)을 갖는 기판(125)으로서, 상기 잉크 공급 채널(140)은 상기 기판(125)을 통과하고, 상기 기판(125)은 잉크 분사 구성요소(128, 130, 310)를 구비하는 제 2 표면(142)에 대향하는 제 1 표면(144)을 가지는, 상기 기판(125)과,
    상기 잉크 공급 채널(140)의 하나 이상의 내부 측벽으로부터 상기 잉크 공급 채널(140) 내로 연장하는 복수의 연장된 표면 요소(350)를 포함하고,
    상기 제 1 표면(144)의 일 부분은 상기 연장된 표면 요소(350)의 단부 표면을 형성하고,
    상기 연장된 표면 요소(350) 각각은, 상기 제 1 표면(144)으로부터 상기 잉크 공급 채널(140)을 따르는 방향으로 연장하며, 상기 제 2 표면(142) 전에 상기 기판(125) 내에서 종결하고,
    상기 잉크 공급 채널(140)은 상기 연장된 표면 요소(350)가 종결하는 곳으로부터 상기 제 2 표면(142)으로 테이퍼짐으로써, 상기 잉크 공급 채널(140)은 상기 연장된 표면 요소(350)가 종결하는 곳에서보다 상기 제 2 표면(142)에서 더 좁은
    프린트헤드.
  2. 삭제
  3. 프린트헤드(120)를 형성하는 방법에 있어서,
    라이트 빔(light beam)을 사용하여, 기판(125)의 제 1 표면(144)으로부터 연장하고 상기 기판(125) 내에서 종결하는 잉크 공급 채널(140)의 제 1 부분을 형성하는 단계와,
    비등방성 에칭을 사용하여 상기 잉크 공급 채널(140)을 넓혀 상기 기판(125)의 나머지 부분을 제거하는 단계로서, 상기 잉크 공급 채널(140)의 제 2 부분은 상기 제 1 부분으로부터 연장하고, 상기 제 1 표면(144)에 대향하는 상기 기판(125)의 제 2 표면(142)을 통과하도록, 상기 기판(125)의 나머지 부분을 제거하는 단계와,
    라이트 빔을 사용하여, 상기 잉크 공급 채널(140)의 하나 이상의 내벽으로부터 상기 잉크 공급 채널(140)의 내부로 연장하는 표면 요소(350, 650)를 형성하는 단계를 포함하는
    프린트헤드를 형성하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    비등방성 에칭을 사용하여 상기 기판(125)의 나머지 부분을 제거하는 단계는, 상기 채널(140)이 상기 제 2 표면(142)을 향해 연장함에 따라 상기 채널(140)을 테이퍼지게 하는
    프린트헤드를 형성하는 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 채널(140) 내에 연장된 표면 요소(350, 650)를 형성하는 단계는, 라이트 빔을 사용하여 상기 채널(140)의 내벽 내에 슬롯(360)을 형성하는 단계를 포함하는
    프린트헤드를 형성하는 방법.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 채널(140) 내에 연장된 표면 요소(350, 650)를 형성하는 단계는, 상기채널(140)의 내벽에 레지스트(resist)를 붙이고, 상기 라이트 빔을 사용하여 상기 레지스트를 패터닝(patterning)하며, 에칭함으로써, 상기 채널(140)의 내벽 내에 슬롯(360)을 형성하는 단계를 포함하는
    프린트헤드를 형성하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 내벽에 레지스트를 붙이는 단계는 상기 레지스트를 스프레이(spray)하는 단계를 포함하는
    프린트헤드를 형성하는 방법.
  8. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 채널(140)을 형성하는 단계 전에, 상기 기판의 제 2 측면(142) 상에 잉크 분사 구성요소(128, 130, 310)를 형성하는 단계를 더 포함하는
    프린트헤드를 형성하는 방법.
  9. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 채널(140) 내에 연장된 표면 요소(350, 650)를 형성하는 단계는, 상기 비등방성 에칭 후에, 상기 라이트 빔을 사용하여 상기 채널(140)의 내부를 울퉁불퉁하게 하는 단계를 포함하는
    프린트헤드를 형성하는 방법.
  10. 청구항 1의 프린트헤드(120)를 냉각하는 방법에 있어서,
    상기 프린트헤드(120)의 기판(125)을 통해, 상기 프린트헤드(120)의 기판(125)의 제 1 표면(142) 상에 형성된 하나 이상의 레지스터(resistor)(130)로부터, 상기 연장된 표면 요소(350)로 열을 전도시키는 단계와,
    잉크가 상기 잉크 공급 채널(140)을 통해 그리고 상기 연장된 표면 요소(350) 위로 유동함에 따라, 상기 연장된 표면 요소(350)로부터의 열을 잉크 내로 대류순환시키는 단계를 포함하는
    프린트헤드를 냉각하는 방법.
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