KR101356333B1 - Printhead having polysilsesquioxane coating on ink ejection face - Google Patents

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Abstract

소수성 고분자 재료로 코팅된 잉크토출면을 갖는 프린트헤드가 개시된다. 고분자 재료는 폴리(메틸실세스퀴옥산) 또는 폴리(페닐실세스퀴옥산)와 같은, 폴리실세스퀴옥산으로 구성되어 있다. 프린트헤드는 잉크토출면과의 접촉을 필요로 하는 다양한 프린트헤드 유지보수 작업에 호환성이 있다.A printhead having an ink ejection surface coated with a hydrophobic polymer material is disclosed. The polymeric material is composed of polysilsesquioxanes, such as poly (methylsilsesquioxane) or poly (phenylsilsesquioxane). The printhead is compatible with various printhead maintenance tasks that require contact with the ink ejection surface.

Description

잉크토출면에 폴리실세스퀴옥산 코팅을 갖는 프린트헤드{PRINTHEAD HAVING POLYSILSESQUIOXANE COATING ON INK EJECTION FACE}Printhead with polysilsesquioxane coating on ink ejection surface {PRINTHEAD HAVING POLYSILSESQUIOXANE COATING ON INK EJECTION FACE}

본 발명은 프린터 분야에 관한 것으로서, 특히 잉크젯 프린트헤드에 관한 것이다. 고해상도 프린트헤드에서는 인쇄 품질과 프린트헤드 유지보수를 향상시키는 것이 주로 개발되어 왔다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of printers and, more particularly, to inkjet printheads. In high resolution printheads, improvements in print quality and printhead maintenance have been primarily developed.

많은 다양한 인쇄 형태들이 발명되어 왔으며, 그 중 다수가 현재 이용되고 있다. 공지된 인쇄 형태들은 적절한 표시 매체(marking media)로 인쇄 매체(print media)에 표시하기 위한 여러 가지 방법들을 갖고 있다. 일반적으로 이용되는 인쇄 형태들은 옵셋 인쇄(offset printing), 레이저 인쇄 및 복사 장치들, 도트 매트릭스 타입 충격식 프린터(dot matrix type impact printer)들, 감열지 프린터(thermal paper printer)들, 필름 기록기(film recorder)들, 열 왁스 프린터(thermal wax printer)들, 염료 승화 프린터(dye sublimation printer)들, 그리고 드롭 온 디멘드(drop on demend) 및 연속(continuous flow) 타입의 둘 다인 잉크젯 프린터들을 포함한다. 각 타입의 프린터는, 비용, 속도, 품질, 신뢰성, 구조 및 조작의 단순성 등을 고려할 때, 그만의 이점들과 문제점들을 갖고 있다.Many different printing forms have been invented, many of which are currently in use. Known print forms have a variety of methods for marking on print media with suitable marking media. Commonly used printing forms are offset printing, laser printing and copying devices, dot matrix type impact printers, thermal paper printers, film recorders ), Thermal wax printers, dye sublimation printers, and inkjet printers of both drop on demend and continuous flow types. Each type of printer has its advantages and problems when considering cost, speed, quality, reliability, structure and simplicity of operation.

최근에, 잉크젯 인쇄 분야는, 각각의 개별적인 잉크 픽셀(pixel)이 하나 이상의 잉크 노즐들로부터 얻어진다는 점에서, 주로 그것의 저렴함과 다용도성 때문에 점점 인기가 많아지고 있다.In recent years, the field of inkjet printing has become increasingly popular, mainly because of its low cost and versatility, in that each individual ink pixel is obtained from one or more ink nozzles.

많은 다양한 기술이 잉크젯 인쇄와 관련하여 발명되어 있다. 이 분야를 살펴보기 위해, 제이 무어(J Moore)의 논문, "비 충격식 인쇄: 소개와 역사적인 관점 (Non-Impact Printing: Introduction and Historical Perspective)", 출력 하드카피 장치(Output Hard Copy Device)들, 편집자들 알 듀벡(R Dubeck) 및 에스 셔(S Sherr), 페이지 207-220(1988)을 참조한다.Many different techniques have been invented in connection with inkjet printing. To explore this area, J Moore's paper, "Non-Impact Printing: Introduction and Historical Perspective", Output Hard Copy Devices See Editors Du Dubeck and S Sherr, pages 207-220 (1988).

잉크젯 프린터들 그 자체는 많은 다양한 타입들로 되어 있다. 잉크젯 인쇄에서, 연속적인 잉크 흐름의 이용은, 한셀(Hansell)의 미국 특허번호 1,941,001에, 단순한 형태의 연속 흐름 정전 잉크젯 인쇄(continuous stream electrostatic ink jet printing)이 개시되어 있다는 점에서, 적어도 1929년까지 거슬러 올라가는 것 같다.Inkjet printers themselves are of many different types. In inkjet printing, the use of continuous ink flow is at least 1929 in that Hansell, US Patent No. 1,941,001, discloses a simple form of continuous stream electrostatic ink jet printing. It seems to date back.

또, 스위트(Sweet)의 미국 특허 3,596,275에는 방울 분리(drop separation)를 일으키기 위해, 잉크젯 흐름이 고주파 정전기장(high frequency electro-static field)에 의해 조절되는 단계를 포함하는 연속 잉크젯 인쇄 공정이 개시되어 있다. 이 기술은 이엘엠젯(Elmjet) 및 싸이텍스(Scitex)를 포함한 여러 제조사들에 의해 여전히 이용되고 있다(스위트 등의 미국 특허번호 3,373,437도 참조).Sweet US Pat. No. 3,596,275 also discloses a continuous inkjet printing process comprising the step of adjusting inkjet flow by a high frequency electro-static field to cause drop separation. have. This technology is still used by several manufacturers, including Elmjet and Scitex (see also US Pat. No. 3,373,437 to Sweet et al.).

압전 잉크젯 프린터(Piezoelectric ink jet printer)들도 일반적으로 사용되는 잉크젯 인쇄 장치의 한 형태이다. 압전 시스템들은 격막 모드 작동(diaphragm mode of operation)을 이용하는 미국 특허번호 3,946,398(1970)에서 카이저(Kyser) 등에 의해, 압전 결정(piezoelectric crystal)의 압착 모드 작동(squeeze mode of operation)을 개시한 미국 특허 3,683,212(1970)에서 졸튼(Zolten)에 의해, 굽힘 모드(bend mode)의 압전 작동을 개시한 미국 특허번호 3,747,120(1972)에서 슈템메(Stemme)에 의해, 잉크젯 흐름의 압전 푸시 모드 작동(piezoelectric push mode actuation)을 개시한 미국 특허번호 4,459,601에서 호킨스(Howkins)에 의해, 그리고 전단 모드(shear mode) 타입의 압전 변환기 소자(piezoelectric transducer element)를 개시한 미국 특허 4,584,590에서 피슈벡(Fischbeck)에 의해 공개되어 있다.Piezoelectric ink jet printers are also a form of inkjet printing apparatus that are commonly used. Piezoelectric systems are described in US Pat. No. 3,946,398 (1970) using diaphragm mode of operation by Kyser et al. To disclose a squeeze mode of operation of piezoelectric crystals. Piezoelectric push of inkjet flow by Zolten at 3,683,212 (1970) and by Stetemme in US Pat. No. 3,747,120 (1972), which initiated the piezoelectric operation of the bend mode. published by Howkins in US Pat. No. 4,459,601, which discloses mode actuation, and by Fischbeck in US Pat. No. 4,584,590, which discloses a piezoelectric transducer element of shear mode type. It is.

최근, 서멀 잉크젯 인쇄(thermal ink jet printing)는 잉크젯 인쇄 중 대단히 인기가 있는 한 형태로 되어 있다. 잉크젯 인쇄 기술들은 GB 2007162(1979)에서 엔도(Endo) 등에 의해, 미국 특허 4,490,728에서 보트(Vaught) 등에 의해 개시된 것들을 포함한다. 상기 참조문헌들 둘 다는, 노즐과 같은 수축 공간에서 버블의 발생을 야기하는 전열 액츄에이터(electrothermal actuator)의 활성화에 의해, 밀폐 공간에 연결된 구멍(aperture)을 통해, 적절한 인쇄 매체 상으로 잉크의 토출을 야기하는 잉크젯 인쇄 기술들을 공개했다. 전열 액츄에이터를 이용하는 인쇄 장치들은 캐논(Canon) 및 휴렛 팩커드(Hewlett Packard)와 같은 제조사들에 의해 제조되고 있다.In recent years, thermal ink jet printing has become one of the most popular forms of ink jet printing. Inkjet printing techniques include those disclosed by Endo et al. In GB 2007162 (1979) and by Vaught et al. In US Pat. No. 4,490,728. Both of these references allow for the ejection of ink onto an appropriate print medium, through an aperture connected to a confined space, by activation of an electrothermal actuator that causes the generation of bubbles in a constricted space, such as a nozzle. Disclosed inkjet printing techniques. Printing apparatuses using electrothermal actuators are manufactured by manufacturers such as Canon and Hewlett Packard.

상기 내용으로부터 알 수 있는 바와 같이, 많은 다른 타입의 인쇄 기술들이 이용 가능하다. 인쇄 기술은 많은 바람직한 특성들을 갖는 것이 이상적이다. 이들 특성들은 저렴한 구성 및 작동, 고속 작동, 장기간에 걸친 안전하고 연속적인 작동 등을 포함한다. 각각의 기술은 비용, 속도, 품질, 신뢰성, 전력 사용, 구성 및 작동의 단순성, 내구성과 소모성의 측면에서 그 자체의 장단점들을 가질 수 있다.As can be seen from the above, many other types of printing techniques are available. It is ideal that printing techniques have many desirable properties. These features include inexpensive configuration and operation, high speed operation, long term safe and continuous operation, and the like. Each technology may have its own advantages and disadvantages in terms of cost, speed, quality, reliability, power usage, simplicity of configuration and operation, durability and consumption.

어떤 잉크젯 인쇄 시스템의 구성에서, 대형 프린트헤드들, 특히 페이지폭 형태의 프린트헤드들이 구성될 때, 특히 서로 교환되어야 하는, 고려해야 할 많은 중요한 요인들이 있다. 많은 이들 요인들이 이하에 개략적으로 설명된다.In the construction of any inkjet printing system, there are many important factors to consider when large printheads, especially printheads in the form of pagewidths, are to be exchanged with one another. Many of these factors are outlined below.

우선, 잉크젯 프린트헤드들은 통상적으로, 미소전기기계 시스템(MEMS) 기술들을 이용하여 구성된다. 이와 같이, 잉크젯 프린트헤드들은 실리콘 웨이퍼 상에 평면 층(planar layer)들을 퇴적하고 나서 평면 층들의 어떤 부분들을 에칭하는 표준 집적회로 구성/제조(standard integrated circuit construction/fabrication) 기술들에 의존하는 경향이 있다. 실리콘 회로 제조 기술 중에, 어떤 기술들은 다른 것들보다 더 많이 알려져 있다. 예를 들면, CMOS 회로들의 생성과 관련이 있는 기술들은 First, inkjet printheads are typically constructed using microelectromechanical system (MEMS) techniques. As such, inkjet printheads tend to rely on standard integrated circuit construction / fabrication techniques that deposit planar layers on a silicon wafer and then etch certain portions of the planar layers. have. Among silicon circuit fabrication techniques, some techniques are more known than others. For example, techniques related to the generation of CMOS circuits

강유전체(ferroelectric)들, 갈륨 비소(gallium arsenide) 등을 포함하는 특수 회로(exotic circuit)들의 생성과 관련이 있는 기술들보다 더 손쉽게 이용될 가능성이 있다. 따라서 어떤 MEMS 구성들에서는, 어떤 "특수한" 공정들 또는 재료들을 필요로 하지 않는 입증된 반도체 제조 기술들을 잘 이용하는 것이 바람직하다. 물론, 만약 파격적인 특수 재료를 사용하는 이점들이 그것의 단점들보다 중요하다면, 그때는 어쨌든 그 재료를 이용하는 것이 바람직한 것이 될 수 있다는 점에서, 어느 정도의 교환(trade off)은 행해질 것이다. 그러나 만약 더 일반적인 재료들을 이용하여 동일 또는 유사한 특성들을 달성하는 것이 가능하다면, 특수 재료들의 문제점들은 피할 수 있다.There is a potential to be more readily available than techniques related to the creation of exotic circuits, including ferroelectrics, gallium arsenide and the like. Thus, in some MEMS configurations, it is desirable to make good use of proven semiconductor fabrication techniques that do not require any "special" processes or materials. Of course, if the advantages of using exceptional special materials are more important than its shortcomings, then some degree of trade off will be made, in which case it may be desirable to use those materials anyway. However, if it is possible to achieve the same or similar properties using more general materials, the problems of special materials can be avoided.

잉크젯 프린트헤드들의 바람직한 특성은 소수성 잉크토출면("전면" 또는 "노즐 면(nozzle face)"), 바람직하게는 친수성 노즐 챔버들 및 잉크 공급 채널들과의 결합일 것이다. 친수성 노즐 챔버들과 잉크 공급 채널들은 모세관 작용(capillary action)을 제공하므로, 각각의 방울 토출 후에 노즐 챔버들로의 잉크의 재공급(re-supply)과 프라이밍(priming)에 최적이다. 소수성 전면은 잉크가 프린트헤드 전면의 전역에 걸쳐 플러딩하는 경향을 최소화한다. 소수성 전면과 함께, 수성 잉크젯 잉크는 노즐 개구들의 횡방향 외측으로 플러딩할 가능성이 더 적다. 또한, 노즐 개구들로부터 플러딩하는 어떤 잉크도 표면 전체에 퍼져 전면 상에서 혼합될 가능성이 더 낮다-그 대신, 노즐 개구들은 적절한 유지보수 동작들에 의해 더 쉽게 취급될 수 있는 각각의 구형 미세 방울들을 형성할 것이다.Preferred properties of the inkjet printheads will be in combination with a hydrophobic ink discharging surface ("front" or "nozzle face"), preferably with hydrophilic nozzle chambers and ink supply channels. Hydrophilic nozzle chambers and ink supply channels provide capillary action, which is optimal for re-supply and priming of ink into nozzle chambers after each drop ejection. The hydrophobic front minimizes the tendency for ink to flood across the entire printhead front. Along with the hydrophobic front, aqueous inkjet inks are less likely to flood out transversely of the nozzle openings. Also, any ink flooding from the nozzle openings is less likely to spread across the surface and mix on the front surface—instead, the nozzle openings form respective spherical microdroplets that can be more easily handled by appropriate maintenance operations. something to do.

지금까지, 본 출원인은 프린트헤드의 전면을 코팅하여 소수성 표면을 제공하기 위한 PDMS(폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane))의 이용을 설명해 왔다. 그러나 PDMS가 우수한 소수성을 갖고 있고 또 프린트헤드 MEMS 제조 공정에 용이하게 편입될 수 있다고 해도, PDMS는 비교적 내마모성이 불충분하여, 프린트헤드 유지보수에 이용되는 와이퍼 블레이드에 의해 긁히거나 손상당할 수 있다(예를 들면, 참조에 의해 본 명세서에 포함되는 2008.01.16자 출원의 미국 출원번호 12/014,772) 참조). 따라서 소수성 잉크토출면을 갖는 프린트헤드를 제공하는 것이 바람직할 것인데, 이 소수성 잉크토출면은 MEMS 제조 공정에 의해 용이하게 제조될 수 있으며, 우수한 내마모성을 갖는다.To date, applicants have described the use of PDMS (polydimethylsiloxane) to coat the front surface of a printhead to provide a hydrophobic surface. However, even though PDMS has good hydrophobicity and can be easily incorporated into the printhead MEMS manufacturing process, the PDMS is relatively poor in wear resistance and can be scratched or damaged by the wiper blades used for printhead maintenance (eg See, eg, US Application No. 12 / 014,772, filed Jan. 16, 2008, incorporated herein by reference). It would therefore be desirable to provide a printhead having a hydrophobic ink ejecting surface, which can be easily produced by a MEMS manufacturing process and has excellent wear resistance.

제1 특징으로, 잉크토출면(ink ejection face)을 갖는 프린트헤드가 제공되는데, 잉크토출면의 적어도 일부는 소수성 고분자 재료(hydrophobic polymeric material)로 코팅되며, 고분자 재료는 폴리실세스퀴옥산(polysilsesquioxanes)으로 구성되어 있다. 본 발명에 따른 프린트헤드들은, 잉크토출면과의 접촉(예컨대, 와이핑(wiping))을 필요로 하는 다양한 프린트헤드 유지보수 작업에서 프린트헤드들을 호환성 있게 하는 우수한 내구성과 내마모성을 갖는다. 또한, 폴리실세스퀴옥산은 스핀-온 공정(spin-on process)에 의해 얇은 층(0.5 내지 2미크론)으로 퇴적될 수 있어, MEMS 프린트헤드 제조 공정에 용이하게 도입된다.In a first aspect, a printhead having an ink ejection face is provided, wherein at least a portion of the ink ejection face is coated with a hydrophobic polymeric material, wherein the polymeric material is polysilsesquioxanes. ) Printheads according to the present invention have excellent durability and wear resistance that make the printheads compatible in a variety of printhead maintenance operations that require contact (eg, wiping) with the ink ejection surface. In addition, polysilsesquioxanes can be deposited into thin layers (0.5 to 2 microns) by a spin-on process, so they are easily incorporated into MEMS printhead manufacturing processes.

선택적으로, 폴리실세스퀴옥산(polysilsesquioxanes)은 폴리(알킬실세스퀴옥산(alkylsilsesquioxane))과 폴리(아릴실세스퀴옥산(arylsilsesquioxane))으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, polysilsesquioxanes are selected from the group consisting of poly (alkylsilsesquioxane) and poly (arylsilsesquioxane).

선택적으로, 폴리실세스퀴옥산은 폴리(메틸실세스퀴옥산(methylsilsesquioxane))과 폴리(페닐실세스퀴옥산(phenylsilsesquioxane))으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the polysilsesquioxane is selected from the group consisting of poly (methylsilsesquioxane) and poly (phenylsilsesquioxane).

선택적으로, 고분자 재료는 MEMS 프린트헤드 제조 중에, 프린트헤드의 노즐 플레이트(nozzle plate) 위에 퇴적되어 경화(hardback)된다.Optionally, the polymeric material is deposited and hardback onto the nozzle plate of the printhead during MEMS printhead manufacture.

선택적으로, 프린트헤드는 기판(substrate)에 형성된 복수의 노즐 조립체(nozzle assembly)를 포함하며, 각각의 노즐 조립체는 노즐 챔버(nozzle chamber), 노즐 챔버의 루프(roof)에 형성된 노즐 개구(nozzle opening) 및 노즐 개구를 통해 잉크를 토출하기 위한 액츄에이터(actuator)를 포함한다.Optionally, the printhead comprises a plurality of nozzle assemblies formed in a substrate, each nozzle assembly comprising a nozzle chamber, a nozzle opening formed in a roof of the nozzle chamber. And an actuator for ejecting ink through the nozzle opening.

선택적으로, 고분자 재료는 프린트헤드의 노즐 플레이트에 코팅되며, 노즐 플레이트는 각각의 노즐 챔버의 루프에 의해 적어도 부분적으로 형성된다.Optionally, the polymeric material is coated on the nozzle plate of the printhead, the nozzle plate being formed at least in part by a loop of each nozzle chamber.

선택적으로, 각각의 루프는 소수성 코팅(hydrophobic coating)에 의해 각각의 노즐 챔버의 내부 표면(inside surface)에 대해 소수성 외부 표면(hydrophobic outside surface)을 갖는다.Optionally, each loop has a hydrophobic outside surface relative to the inside surface of each nozzle chamber by hydrophobic coating.

선택적으로, 각각의 노즐 챔버는 세라믹 재료(ceramic material)로 구성된 루프와 측벽(sidewall)을 포함한다.Optionally, each nozzle chamber includes a roof and sidewalls made of ceramic material.

선택적으로, 세라믹 재료는 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘 산화물(silicon oxide) 및 실리콘 산화질화물(silicon oxynitride)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the ceramic material is selected from the group consisting of silicon nitride, silicon oxide and silicon oxynitride.

선택적으로, 루프는 기판으로부터 간격을 두고 떨어져 있어, 각각의 노즐 챔버의 측벽이 노즐 플레이트와 기판 사이에 뻗어 있다.Optionally, the loops are spaced apart from the substrate such that sidewalls of each nozzle chamber extend between the nozzle plate and the substrate.

선택적으로, 액츄에이터는 가스 버블(gas bubble)을 형성하기 위해 챔버 안의 잉크를 가열함으로써 노즐 개구를 통해 잉크 방울(droplet)을 강제 토출하도록 형성된 히터 소자(heater element)이다.Optionally, the actuator is a heater element configured to forcibly eject an ink droplet through the nozzle opening by heating the ink in the chamber to form a gas bubble.

선택적으로, 히터 소자는 노즐 챔버 안에 떠 있다.Optionally, the heater element is suspended in the nozzle chamber.

선택적으로, 액츄에이터는,Optionally, the actuator

구동 회로(drive circuitry)에 연결하기 위한 제1 능동 소자(first active element); 및A first active element for connecting to drive circuitry; And

제1 소자와 기계적으로 협동하는 제2 수동 소자(second passive element)를 포함하는 서멀 벤드 액츄에이터(thermal bend actuator)여서,A thermal bend actuator comprising a second passive element mechanically cooperating with the first element,

전류가 제1 소자를 통해 흐르면, 제1 소자가 제2 소자보다 팽창하여, 액츄에이터의 굽힘(bending)이 생긴다.When a current flows through the first element, the first element expands than the second element, causing bending of the actuator.

선택적으로, 서멀 벤드 액츄에이터가 각각의 노즐 챔버의 루프의 적어도 일부를 형성함으로써, 액츄에이터의 작동이 루프의 변동부(moving portion)를 노즐 챔버의 플로어(floor) 쪽으로 변동시킨다.Optionally, the thermal bend actuator forms at least a portion of the loop of each nozzle chamber, such that operation of the actuator causes the moving portion of the loop to move toward the floor of the nozzle chamber.

선택적으로, 노즐 개구는 루프의 변동부에 형성된다.Optionally, nozzle openings are formed in the fluctuations of the loop.

선택적으로, 노즐 개구는 루프의 고정부(stationary portion)에 형성된다.Optionally, the nozzle opening is formed in a stationary portion of the loop.

선택적으로, 고분자 재료가 루프의 변동부와 고정부 사이에 기계적 밀봉(mechanical seal)을 형성함으로써, 액츄에이터의 작동 중에 잉크 누출을 최소화한다.Optionally, the polymeric material forms a mechanical seal between the fluctuations of the loop and the fixture, thereby minimizing ink leakage during operation of the actuator.

제2 특징으로, 잉크토출면을 갖는 프린트헤드가 제공되는데, 잉크토출면의 적어도 일부는 고분자 재료로 코팅되며, 고분자 재료는 나노입자(nanoparticle)들을 포함하는 중합 실록산(polymerized siloxane)으로 구성되어 있다. 제2 특징에 따라, 나노입자들은 고분자 코팅에 대해 내구성(durability), 내마모성(wear-resistance), 내피로성(fatigue-resistance), 소수성(hydrophobicity), 친수성(hydrophilicity) 등과 같은 바람직한 특성을 부여한다.In a second aspect, there is provided a printhead having an ink ejection surface, wherein at least a portion of the ink ejection surface is coated with a polymeric material, the polymeric material consisting of polymerized siloxane comprising nanoparticles. . According to a second feature, the nanoparticles impart desirable properties such as durability, wear-resistance, fatigue-resistance, hydrophobicity, hydrophilicity and the like to the polymer coating.

선택적으로, 중합 실록산은 폴리(알킬실세스퀴옥산), 폴리(아릴실세스퀴옥산) 및 폴리디알킬실록산(polydialkylsiloxane)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the polymeric siloxane is selected from the group consisting of poly (alkylsilsesquioxanes), poly (arylsilsesquioxanes) and polydialkylsiloxanes.

선택적으로, 중합 실록산은 폴리(메틸실세스퀴옥산), 폴리(페닐실세스퀴옥산) 및 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the polymeric siloxane is selected from the group consisting of poly (methylsilsesquioxane), poly (phenylsilsesquioxane) and polydimethylsiloxane.

선택적으로, 나노입자들은 무기 나노입자(inorganic nanoparticle)들과 유기 나노입자(organic nanoparicle)들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the nanoparticles are selected from the group consisting of inorganic nanoparticles and organic nanoparicles.

선택적으로, 무기 나노입자들은 금속 산화물(metal oxide)들, 금속 탄산염(metal carbonate)들 및 금속 황산염(metal sulfate)들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the inorganic nanoparticles are selected from the group consisting of metal oxides, metal carbonates and metal sulfates.

선택적으로, 무기 나노입자들은 실리카(silica), 산화지르코늄(zirconium oxide), 산화티타늄(titanium oxide), 산화알루미늄(aluminium oxide), 탄산칼슘(calcium carbonate), 산화주석(tin oxide), 산화아연(zinc oxide), 산화구리(copper oxide), 산화크로뮴(chromium oxide), 산화칼슘(calcium oxide), 산화텅스텐(tungsten oxide), 산화철(iron oxide), 산화코발트(cobalt oxide) 및 황산바륨(barium sulfate)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the inorganic nanoparticles may be silica, zirconium oxide, titanium oxide, aluminum oxide, calcium carbonate, tin oxide, zinc oxide. zinc oxide, copper oxide, chromium oxide, calcium oxide, tungsten oxide, iron oxide, cobalt oxide and barium sulfate Is selected from the group consisting of

선택적으로, 유기 나노입자들은 가교 실리콘 수지 입자(cross-linked silicone resin particle)들, 가교 폴리올레핀 수지 입자(cross-linked polyolefin resin particle)들, 가교 아크릴 수지 입자(cross-linked acryl resin particle)들, 가교 스티렌-아크릴 수지 입자(cross-linked styrene-acryl resin particle)들, 가교 폴리에스테르 입자(cross-linked polyester particle)들, 폴리이미드 입자(polyimide particle)들, 멜라민 수지 입자(melamine resin particle)들 및 탄소 나노튜브(carbon nanotube)들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the organic nanoparticles may be cross-linked silicone resin particles, cross-linked polyolefin resin particles, cross-linked acryl resin particles, crosslinking Styrene-acryl resin particles, cross-linked polyester particles, polyimide particles, melamine resin particles and carbon Selected from the group consisting of carbon nanotubes.

선택적으로, 나노입자들은 중합 실록산에 1부터 70 wt.%까지 범위의 양으로 포함된다.Optionally, the nanoparticles are included in the polymerized siloxane in amounts ranging from 1 to 70 wt.%.

선택적으로, 나노입자들은 1 내지 100㎚ 범위의 평균 입자 크기를 갖는다.Optionally, the nanoparticles have an average particle size in the range of 1 to 100 nm.

선택적으로, 프린트헤드는 기판에 형성된 복수의 노즐 조립체를 포함하며, 각각의 노즐 조립체는, 노즐 챔버, 노즐 챔버의 루프에 형성된 노즐 개구 및 노즐 개구를 통해 잉크를 토출하기 위한 액츄에이터를 포함한다.Optionally, the printhead includes a plurality of nozzle assemblies formed in the substrate, each nozzle assembly including a nozzle chamber, a nozzle opening formed in a loop of the nozzle chamber, and an actuator for ejecting ink through the nozzle opening.

선택적으로, 고분자 재료는 프린트헤드의 노즐 플레이트에 코팅되며, 노즐 플레이트는 각각의 노즐 챔버의 루프에 의해 적어도 부분적으로 형성된다.Optionally, the polymeric material is coated on the nozzle plate of the printhead, the nozzle plate being formed at least in part by a loop of each nozzle chamber.

선택적으로, 각각의 노즐 챔버는 실리콘 질화물, 실리콘 산화물 및 실리콘 산화질화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 세라믹 재료로 구성된 루프와 측벽들을 포함한다.Optionally, each nozzle chamber comprises loops and sidewalls made of a ceramic material selected from the group consisting of silicon nitride, silicon oxide and silicon oxynitride.

선택적으로, 루프는 기판으로부터 간격을 두고 떨어져 있어, 각각의 노즐 챔버의 측벽들이 노즐 플레이트와 기판 사이에 뻗어 있다.Optionally, the loops are spaced apart from the substrate such that sidewalls of each nozzle chamber extend between the nozzle plate and the substrate.

선택적으로, 액츄에이터는 가스 버블을 형성하기 위해 챔버 안의 잉크를 가열함으로써 노즐 개구를 통해 잉크 방울을 강제 토출하도록 형성된 히터 소자이다.Optionally, the actuator is a heater element configured to forcibly eject ink droplets through the nozzle opening by heating the ink in the chamber to form gas bubbles.

선택적으로, 히터 소자는 노즐 챔버 안에 떠 있다.Optionally, the heater element is suspended in the nozzle chamber.

선택적으로, 액츄에이터는,Optionally, the actuator

구동 회로에 연결하기 위한 제1 능동 소자; 및A first active element for connecting to a drive circuit; And

제1 소자와 기계적으로 협동하는 제2 수동 소자를 포함하는 서멀 벤드 액츄에이터여서,A thermal bend actuator comprising a second passive element that mechanically cooperates with the first element,

전류가 제1 소자를 통해 흐르면, 제1 소자가 제2 소자보다 팽창하여, 액츄에이터의 굽힘이 생긴다.When a current flows through the first element, the first element expands than the second element, causing bending of the actuator.

선택적으로, 서멀 벤드 액츄에이터가 각각의 노즐 챔버의 루프의 적어도 일부를 형성함으로써, 액츄에이터의 작동이 루프의 변동부를 노즐 챔버의 플로어 쪽으로 변동시킨다.Optionally, the thermal bend actuator forms at least a portion of the loop of each nozzle chamber, such that operation of the actuator causes the fluctuation of the loop to move toward the floor of the nozzle chamber.

선택적으로, 노즐 개구는 루프의 변동부 또는 루프의 고정부 중 어느 하나에 형성된다.Optionally, nozzle openings are formed in either the fluctuations of the loop or the fastenings of the loop.

선택적으로, 고분자 재료가 루프의 변동부와 고정부 사이에 기계적 밀봉을 형성함으로써, 액츄에이터의 작동 중에 잉크 누출을 최소화시킨다.Optionally, the polymeric material forms a mechanical seal between the fluctuations of the loop and the fixture, thereby minimizing ink leakage during operation of the actuator.

제3 특징으로, 토출 가능한 유체(ejectable fluid)를 토출하기 위한 잉크젯 프린트헤드가 제공되는데, 프린트헤드는 나노입자들을 포함하는 고분자 재료로 코팅된 잉크토출면을 갖고, 나노입자들은 잉크토출면에 대해 하나 이상의 예정된 특성들을 부여하며, 예정된 특성들은,In a third aspect, an inkjet printhead is provided for ejecting an ejectable fluid, the printhead having an ink ejection surface coated with a polymeric material comprising nanoparticles, the nanoparticles having an ink ejection surface relative to the ink ejection surface. One or more predetermined characteristics, the predetermined characteristics,

토출 가능한 유체의 고유 특성(inherent property);Inherent properties of the ejectable fluid;

프린트헤드와 관련된 프린트헤드 유지보수 방식(regime); 및Printhead maintenance regime associated with the printhead; And

노즐 액츄에이터의 타입 중 하나 이상을 보완한다.Complement one or more of the types of nozzle actuators.

제3 특징에 따른 본 발명은, 잉크토출면의 표면 특성들을 프린터의 예정된 특성에 적합하게 할 수 있다. 예를 들면, 프린트헤드 유지보수가 우선시되는 프린터들이 있는가 하면, 최적 유체 토출이 우선시되는 다른 프린터들이 있을 수 있다. 이와 달리, 나노입자들이 프린터 특성들의 절충(compromise)을 제공하기 위해 선택될 수 있다.The present invention according to the third aspect can make the surface characteristics of the ink ejecting surface suitable for the predetermined characteristics of the printer. For example, there may be printers where printhead maintenance is a priority, while other printers may be prioritized for optimal fluid discharge. Alternatively, nanoparticles can be selected to provide a compromise of printer characteristics.

선택적으로, 하나 이상의 예정된 특성들은 친수성, 소수성, 내마모성, 및 내피로성으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the one or more predetermined properties are selected from the group consisting of hydrophilicity, hydrophobicity, abrasion resistance, and fatigue resistance.

선택적으로, 하나 이상의 예정된 특성들은 나노입자들의 표면 에너지 특성, 나노입자들의 크기, 나노입자들의 양, 및 나노입자의 내구성 중 하나 이상에 의해 부여된다.Optionally, one or more predetermined properties are imparted by one or more of the surface energy properties of the nanoparticles, the size of the nanoparticles, the amount of nanoparticles, and the durability of the nanoparticles.

선택적으로, 나노입자들은 무기 나노입자들과 유기 나노입자들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the nanoparticles are selected from the group consisting of inorganic nanoparticles and organic nanoparticles.

선택적으로, 무기 나노입자들은 실리카, 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화알루미늄, 탄산칼슘, 산화주석, 산화아연, 산화구리, 산화크로뮴, 산화칼슘, 산화텅스텐, 산화철, 산화코발트 및 황산바륨으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the inorganic nanoparticles are from the group consisting of silica, zirconium oxide, titanium oxide, aluminum oxide, calcium carbonate, tin oxide, zinc oxide, copper oxide, chromium oxide, calcium oxide, tungsten oxide, iron oxide, cobalt oxide and barium sulfate Is selected.

선택적으로, 유기 나노입자들은 가교 실리콘 수지 입자들, 가교 폴리올레핀 수지 입자들, 가교 아크릴 수지 입자들, 가교 스티렌-아크릴 수지 입자들, 가교 폴리에스테르 입자들, 폴리이미드 입자들, 멜라민 수지 입자들 및 탄소 나노튜브들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the organic nanoparticles may be crosslinked silicone resin particles, crosslinked polyolefin resin particles, crosslinked acrylic resin particles, crosslinked styrene-acrylic resin particles, crosslinked polyester particles, polyimide particles, melamine resin particles and carbon. Selected from the group consisting of nanotubes.

선택적으로, 토출 가능한 유체의 고유 특성은 친수성, 소수성, 점성(viscosity), 표면장력(surface tension), 및 끓는점(boiling point)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the intrinsic properties of the ejectable fluid are selected from the group consisting of hydrophilicity, hydrophobicity, viscosity, surface tension, and boiling point.

선택적으로, 토출 가능한 유체는 수성 유체(aqueous fluid)들과 비수성 유체(non-aqueous fluid)들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the dischargeable fluid is selected from the group consisting of aqueous and non-aqueous fluids.

선택적으로, 프린트헤드 유지보수 방식은 프린트헤드 캐핑(capping), 프린트헤드 와이핑(wiping), 프린트헤드 플러딩(flooding), 및 비접촉 잉크 제거(non-contact ink removal)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 작업을 포함한다.Optionally, the printhead maintenance scheme is one or more operations selected from the group consisting of printhead capping, printhead wiping, printhead flooding, and non-contact ink removal. It includes.

선택적으로, 고분자 재료는 중합 실록산으로 구성된다.Optionally, the polymeric material consists of polymeric siloxanes.

선택적으로, 중합 실록산은 폴리(알킬실세스퀴옥산), 폴리(아릴실세스퀴옥산) 및 폴리디알킬실록산으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the polymerization siloxane is selected from the group consisting of poly (alkylsilsesquioxanes), poly (arylsilsesquioxanes) and polydialkylsiloxanes.

선택적으로, 중합 실록산은 폴리(메틸실세스퀴옥산), 폴리(페닐실세스퀴옥산) 및 폴리디메틸실록산으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.Optionally, the polymerization siloxane is selected from the group consisting of poly (methylsilsesquioxane), poly (phenylsilsesquioxane) and polydimethylsiloxane.

제3 특징에 따른 프린트헤드의 그 밖의 선택 가능한 실시형태들은 제1 및 제2 특징에 따른 선택 가능한 실시형태들과 흡사하다.Other selectable embodiments of the printhead according to the third feature are similar to selectable embodiments according to the first and second features.

이하, 본 발명의 선택 가능한 실시형태들이 첨부도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것인데, 첨부도면에서,
도 1은 서멀 잉크젯 프린트헤드의 노즐 조립체 배열을 나타낸 부분 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 노즐 조립체 단위 셀(unit cell)의 측면도,
도 3은 도 2에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 4는 희생 포토레지스트층(sacrificial photoresist layer)상에 측벽과 루프 재료를 퇴적시킨 후 부분적으로 형성된 노즐 조립체,
도 5는 도 4에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 6은 도 7에 나타낸 노즐 림(rim) 에칭에 관련된 마스크(mask),
도 7은 노즐 개구 림(nozzle opening rim)을 형성하기 위한 루프층(roof layer)의 에칭을 나타내며,
도 8은 도 7에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 9는 도 10에 도시된 노즐 개구 에칭(nozzle opening etch)에 관련된 마스크,
도 10은 타원형 노즐 개구를 형성하기 위한 루프 재료의 에칭을 나타내고,
도 11은 도 10에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 12는 제1 및 제2 희생층의 산소 플라즈마 애슁(oxygen plasma ashing)을 나타내며,
도 13은 도 12에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 14는 웨이퍼의 반대쪽(opposing side)도 애슁한 후의 노즐 조립체를 나타내고,
도 15는 도 14에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 16은 도 17에 도시된 배면 에칭(backside etch)에 관련된 마스크,
도 17은 웨이퍼 안으로의 잉크 공급 채널(ink supply channel)의 배면 에칭을 나타내며,
도 18은 도 17에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 19는 소수성 고분자 코팅(hydrophobic polymeric coating)의 퇴적 후 도 7의 노즐 조립체를 나타내고,
도 20은 도 19에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 21은 보호 금속 박막(protective metal film)의 퇴적 후 도 19의 노즐 조립체를 나타내며, 또한
도 22는 보호 금속 박막, 고분자 코팅 및 노즐 루프를 관통하는 에칭 후 도 21의 노즐 조립체를 나타내고,
도 23은 배면 MEMS 처리(backside MEMS processing) 및 포토레지스트의 제거 후 완성된 노즐 조립체,
도 24는 도 23에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 25는 노즐 챔버 측벽들이 형성되는 일련의 제1 단계 후 부분적으로 제조된 다른 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 26은 도 25에 도시된 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 사시도,
도 27은 노즐 챔버가 폴리이미드(polyimide)로 충전되는 일련의 제2 단계 후 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 28은 도 27에 도시된 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 사시도,
도 29는 커넥터 기둥(connector post)들이 챔버 루프까지 형성되는 일련의 제3 단계 후 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 30은 도 29에 도시된 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 사시도,
도 31은 전도성 금속판(conductive metal plate)들이 형성되는 일련의 제4 단계 후 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 32는 도 31에 도시된 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 사시도,
도 33은 서멀 벤드 액츄에이터(thermal bend actuator)의 능동 빔 부재(active beam member)가 형성되는 일련의 제5 단계 후 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 34는 도 33에 도시된 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 사시도,
도 35는 고분자층으로 코팅하고, 금속층으로 보호하며 또 노즐 개구를 에칭한 후의 일련의 제6 단계 후 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 36은 배면 MEMS 처리 및 포토레지스트의 제거 후, 완성된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 37은 도 36에 도시된 잉크젯 노즐 조립체의 단면 사시도이다.
Selectable embodiments of the invention will now be described by way of example only with reference to the accompanying drawings, in which:
1 is a partial perspective view showing the arrangement of the nozzle assembly of the thermal inkjet printhead;
FIG. 2 is a side view of the nozzle assembly unit cell shown in FIG. 1; FIG.
3 is a perspective view of the nozzle assembly shown in FIG. 2, FIG.
4 shows a nozzle assembly partially formed after depositing sidewalls and loop material onto a sacrificial photoresist layer;
5 is a perspective view of the nozzle assembly shown in FIG. 4;
6 is a mask related to the nozzle rim etching shown in FIG.
FIG. 7 shows etching of a roof layer to form a nozzle opening rim,
8 is a perspective view of the nozzle assembly shown in FIG. 7, FIG.
9 is a mask related to the nozzle opening etch shown in FIG. 10,
10 illustrates etching of loop material to form an elliptical nozzle opening,
11 is a perspective view of the nozzle assembly shown in FIG. 10, FIG.
12 shows oxygen plasma ashing of the first and second sacrificial layers,
FIG. 13 is a perspective view of the nozzle assembly shown in FIG. 12; FIG.
FIG. 14 shows the nozzle assembly after the opposing side of the wafer is also ashed;
15 is a perspective view of the nozzle assembly shown in FIG. 14;
FIG. 16 is a mask associated with the backside etch shown in FIG. 17;
FIG. 17 shows a back etch of an ink supply channel into the wafer,
18 is a perspective view of the nozzle assembly shown in FIG. 17;
FIG. 19 shows the nozzle assembly of FIG. 7 after deposition of a hydrophobic polymeric coating,
20 is a perspective view of the nozzle assembly shown in FIG. 19, FIG.
FIG. 21 shows the nozzle assembly of FIG. 19 after deposition of a protective metal film, and
22 shows the nozzle assembly of FIG. 21 after etching through the protective metal thin film, polymer coating and nozzle loop,
23 shows the completed nozzle assembly after backside MEMS processing and removal of photoresist;
24 is a perspective view of the nozzle assembly shown in FIG. 23, FIG.
25 is a cross-sectional side view of another inkjet nozzle assembly partially manufactured after a series of first steps in which nozzle chamber sidewalls are formed;
FIG. 26 is a perspective view of the partially manufactured inkjet nozzle assembly shown in FIG. 25;
FIG. 27 is a side cross-sectional view of an inkjet nozzle assembly partially manufactured after a series of second steps in which the nozzle chamber is filled with polyimide; FIG.
FIG. 28 is a perspective view of the partially manufactured inkjet nozzle assembly shown in FIG. 27;
FIG. 29 is a cross sectional side view of a partially manufactured inkjet nozzle assembly after a series of third steps in which connector posts are formed to the chamber loop; FIG.
30 is a perspective view of the partially manufactured inkjet nozzle assembly shown in FIG. 29;
31 is a cross sectional side view of a partially manufactured inkjet nozzle assembly after a series of fourth steps in which conductive metal plates are formed;
32 is a perspective view of the partially manufactured inkjet nozzle assembly shown in FIG. 31;
33 is a sectional side view of a partially manufactured inkjet nozzle assembly after a series of fifth steps in which an active beam member of a thermal bend actuator is formed;
FIG. 34 is a perspective view of the partially manufactured inkjet nozzle assembly shown in FIG. 33;
35 is a cross sectional side view of a partially produced inkjet nozzle assembly after a sixth step after coating with a polymer layer, protecting with a metal layer and etching the nozzle opening;
36 is a side cross-sectional view of the completed inkjet nozzle assembly after backside MEMS treatment and removal of photoresist;
FIG. 37 is a cross-sectional perspective view of the inkjet nozzle assembly shown in FIG. 36.

본 발명은 어떤 타입의 프린트헤드에도 이용될 수 있다. 본 출원인은 많은 잉크젯 프린트헤드들을 이전에 설명했었다. 본 발명의 이해를 돕기 위해 그러한 모든 프린트헤드를 여기서 설명할 필요는 없다. 그러나 이하에서, 서멀 버블-형성 잉크젯 프린트헤드(thermal bubble-forming inkjet printhead) 및 기계식 서멀 벤드 작동형 잉크젯 프린트헤드(mechanical thermal bend actuated inkjet printhead)와 관련하여 본 발명이 설명될 것이다. 본 발명의 이점들은 후술하는 논의로부터 용이하게 명백해질 것이다.
The present invention can be used with any type of printhead. Applicant has previously described many inkjet printheads. It is not necessary to describe all such printheads here in order to facilitate understanding of the present invention. In the following, however, the present invention will be described with reference to a thermal bubble-forming inkjet printhead and a mechanical thermal bend actuated inkjet printhead. Advantages of the present invention will be readily apparent from the following discussion.

서멀 버블-형성 잉크젯 프린트헤드Thermal Bubble-Forming Inkjet Printheads

도 1을 참조하여, 복수의 노즐 조립체를 포함하는 프린트헤드의 일부가 도시되어 있다. 도 2와 3은 이들 노즐 조립체들 중 하나를 측면 단면도와 부분 사시도로 나타낸다.Referring to FIG. 1, a portion of a printhead including a plurality of nozzle assemblies is shown. 2 and 3 show one of these nozzle assemblies in side cross-sectional and partial perspective views.

각각의 노즐 조립체는 실리콘 웨이퍼 기판(2)상에 MEMS 제조 기술로 형성된 노즐 챔버(24)를 포함한다. 노즐 챔버(24)는 루프(21)와, 루프(21)로부터 실리콘 기판(2)까지 뻗은 측벽(22)들로 형성되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 루프는 노즐 표면(56)의 일부로 형성되어 있는데, 노즐 표면은 프린트헤드의 토출면을 가로질러 걸친다. 노즐 표면(56)과 측벽(22)들은 동일 재료로 형성되어 있으며, 이 재료는 MEMS 제조 중에 포토레지스트의 희생 지지체(sacrificial scaffold) 위로 PECVD에 의해 퇴적된다. 일반적으로, 노즐 표면(56)과 측벽(22)들은 이산화규소(silicon dioxide) 또는 질화규소와 같은 세라믹 재료로 형성되어 있다. 이들 경질 재료(hard material)들은 프린트헤드 구조안전성(robustness)에 대해 우수한 특성을 갖고 있으며, 또, 이들의 본질적으로 친수성인 성질은 모세관 작용(capillary action)에 의해 노즐 챔버(24)들에 잉크를 공급하는데 유리하다. 그러나 노즐 표면(56)의 외부 표면(잉크토출면)도 친수성이어서, 이것이 어떤 플러딩된 잉크를 표면상에서 퍼지게 한다.Each nozzle assembly includes a nozzle chamber 24 formed by MEMS fabrication technology on a silicon wafer substrate 2. The nozzle chamber 24 is formed of a loop 21 and sidewalls 22 extending from the loop 21 to the silicon substrate 2. As shown in FIG. 1, each loop is formed as part of the nozzle surface 56, which spans the discharge surface of the printhead. The nozzle surface 56 and the sidewalls 22 are formed of the same material, which is deposited by PECVD onto the sacrificial scaffold of the photoresist during MEMS fabrication. In general, the nozzle surface 56 and sidewalls 22 are formed of a ceramic material such as silicon dioxide or silicon nitride. These hard materials have excellent properties for printhead robustness, and their inherently hydrophilic nature draws ink into the nozzle chambers 24 by capillary action. It is advantageous to supply. However, the outer surface (ink ejection surface) of the nozzle surface 56 is also hydrophilic, which causes some flooded ink to spread on the surface.

노즐 챔버(24)의 세부 구성으로 돌아가서, 노즐 개구(26)가 각각의 노즐 챔버(24)의 루프에 형성되어 있는 것이 보일 것이다. 각각의 노즐 개구(26)는 일반적으로 타원형이며, 관련 노즐 림(25)을 갖고 있다. 노즐 림(25)은 인쇄 중에 방울 방향성(drop directionality)을 도울 뿐만 아니라, 적어도 어느 정도까지, 노즐 개구(26)로부터 플러딩하는 잉크를 줄인다. 노즐 챔버(24)로부터 잉크를 토출하기 위한 액츄에이터는 노즐 개구(26) 밑에 위치되고 또 피트(pit)(8)를 가로질러 떠 있는 히터 소자(29)이다. 전류는 하부에 있는 기판(2)의 CMOS층(5)들 내의 구동 회로에 연결된 전극(9)들을 통해 히터 소자(29)에 공급된다. 전류가 히터 소자(29)를 통해 흐르면, 히터 소자는 가스 버블을 형성하기 위해 주위의 잉크를 급속히 과열시키는데, 이 가스 버블이 노즐 개구를 통해 잉크를 강제로 토출시킨다. 히터 소자(29)를 떠 있게 함으로써, 노즐 챔버(24)가 작동할 수 있게 준비되어 있을 때 히터 소자가 잉크 내에 완전히 잠기게 된다. 더 적은 열이 하부의 기판(2)으로 분산되고 더 많은 투입 에너지가 버블을 발생시키는데 이용되기 때문에, 이것이 프린트헤드 효율을 향상시킨다.Returning to the detailed configuration of the nozzle chamber 24, it will be seen that a nozzle opening 26 is formed in the loop of each nozzle chamber 24. Each nozzle opening 26 is generally elliptical and has an associated nozzle rim 25. The nozzle rim 25 not only helps drop directionality during printing, but at least to some extent reduces ink flooding from the nozzle opening 26. The actuator for ejecting ink from the nozzle chamber 24 is a heater element 29 positioned below the nozzle opening 26 and floating across the pit 8. Current is supplied to the heater element 29 via electrodes 9 connected to the drive circuit in the CMOS layers 5 of the substrate 2 at the bottom. As current flows through the heater element 29, the heater element rapidly overheats the surrounding ink to form gas bubbles, which forcibly eject ink through the nozzle openings. By floating the heater element 29, the heater element is completely submerged in the ink when the nozzle chamber 24 is ready for operation. This improves printhead efficiency because less heat is dissipated to the underlying substrate 2 and more input energy is used to generate bubbles.

도 1에 가장 명확히 도시된 바와 같이, 노즐들은 여러 열로 배치되어 있으며, 열을 따라 종방향으로 뻗은 잉크 공급 채널(27)이 줄지어 있는 각각의 노즐에 잉크를 공급한다. 잉크 공급 채널(27)은 각각의 노즐을 위한 잉크 주입 통로(ink inlet passage)(15)로 잉크를 공급하며, 잉크 주입 통로는 노즐 챔버(24) 내의 잉크 도관(ink conduit)(23)을 통해 노즐 개구(26) 측으로 잉크를 공급한다.As most clearly shown in FIG. 1, the nozzles are arranged in rows, supplying ink to each nozzle lined with longitudinally extending ink supply channels 27. Ink supply channel 27 supplies ink to an ink inlet passage 15 for each nozzle, which passes through an ink conduit 23 in nozzle chamber 24. Ink is supplied to the nozzle opening 26 side.

이러한 프린트헤드들을 제조하기 위한 MEMS 제조 공정은 2005년 10월 11자로 출원된 본 발명자들의 선출원 미국출원번호 11/246,684에 상세히 개시되어 있으며, 이 미국특허출원의 내용들은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 이 제조 공정의 후단계들이 명료함을 위해 여기에 간단히 다시 소개된다.The MEMS manufacturing process for manufacturing such printheads is disclosed in detail in the inventor's prior US application Ser. No. 11 / 246,684, filed Oct. 11, 2005, the contents of which are incorporated herein by reference. . The later steps of this manufacturing process are briefly reintroduced here for clarity.

도 4 및 5는 희생 포토레지스트(10("SAC1")과 16("SAC2"))를 밀봉하는 노즐 챔버(24)를 구성하는 부분적으로 제조된 프린트헤드를 나타낸다. SAC1 포토레지스트(10)는 떠 있는 히터 소자(29)를 형성하는 히터 재료의 퇴적을 위한 지지체로서 이용된다. SAC2 포토레지스트(16)는 측벽(22)들과 (노즐 표면(56)의 일부를 형성하는) 루프(21)의 퇴적을 위한 지지체로서 이용된다.4 and 5 show a partially manufactured printhead constituting a nozzle chamber 24 that seals sacrificial photoresist 10 (" SAC1 " and 16 (" SAC2 ")). The SAC1 photoresist 10 is used as a support for the deposition of the heater material forming the floating heater element 29. The SAC2 photoresist 16 is used as a support for the deposition of the side walls 22 and the loop 21 (which forms part of the nozzle surface 56).

종래 기술의 공정에서, 도 6 내지 8을 참조하면, MEMS 제조의 다음 단계는 2미크론의 루프 재료(20)를 에칭하여 제거함으로써 루프(21)에 타원형 노즐 림(25)을 형성한다. 이 에칭은 도 6에 도시된 어두운 색의 림 마스크(rim mask)에 의해 노출되는 포토레지스트 층(도시하지 않음)을 이용하여 형성된다. 타원형 림(25)은 그들 각각의 서멀 액츄에이터(29) 위에 위치된, 2개의 동축 림 테두리(coaxial rim lip)(25a, 25b)를 포함한다.In the prior art process, referring to FIGS. 6-8, the next step in MEMS fabrication is to form an elliptical nozzle rim 25 in the loop 21 by etching away the 2 micron loop material 20. This etching is formed using a photoresist layer (not shown) exposed by the dark colored rim mask shown in FIG. The elliptical rim 25 includes two coaxial rim lips 25a, 25b, positioned over their respective thermal actuators 29.

도 9 내지 11을 참조하여, 다음 단계는 남아 있는 루프 재료를 완전히 관통하여 에칭함으로써 루프(21)에 타원형 노즐 구멍(nozzle aperture)(26)을 형성하는데, 타원형 노즐 구멍은 림(25)에 의해 경계가 지워진다. 이 에칭은 도 9에 도시된 어두운 색의 루프 마스트(roof mask)에 의해 노출되는 포토레지스트 층(도시하지 않음)을 이용하여 형성된다. 타원형 노즐 구멍(26)은 도 11에 도시된 바와 같이, 서멀 액츄에이터(29) 위에 위치된다.9 to 11, the next step forms an elliptical nozzle aperture 26 in the loop 21 by etching through the remaining loop material completely, which is formed by the rim 25. The boundary is cleared. This etching is formed using a photoresist layer (not shown) exposed by the dark colored roof mask shown in FIG. The elliptical nozzle hole 26 is located above the thermal actuator 29, as shown in FIG. 11.

이제, 모든 MEMS 노즐 특징들이 완전히 형성됨에 따라, 다음 단계는 산소 플라즈마 애슁(O2 plasma ashing)(도 12 및 13)에 의해 SAC1 포토레지스트층(10)과 SAC2 포토레지스트층(16)을 제거한다. 도 14와 15는 SAC1 포토레지스트층(10)과 SAC2 포토레지스트층(16)을 애슁한 후 실리콘 웨이퍼(2)의 전체 두께(150미크론)를 나타낸다.Now, as all MEMS nozzle features are fully formed, the next step is to remove the SAC1 photoresist layer 10 and SAC2 photoresist layer 16 by O 2 plasma ashing (FIGS. 12 and 13). . 14 and 15 show the total thickness (150 microns) of the silicon wafer 2 after the SAC1 photoresist layer 10 and the SAC2 photoresist layer 16 are ashed.

도 16 내지 18을 참조하여, 일단 웨이퍼의 전면(frontside) MEMS 처리가 완료되면, 잉크 공급 채널(27)들은 표준 이방성 심도반응성 이온식각(standard anisotropic DRIE)을 이용하여, 잉크 주입 통로(15)들과 만나도록 웨이퍼의 배면으로부터 에칭된다. 이 배면 에칭은 도 16에 도시된 어두운 색의 마스크에 의해 노출되는 포토레지스트 층(도시하지 않음)을 이용하여 형성된다. 잉크 공급 채널(27)은 웨이퍼의 배면과 잉크 주입 통로(15)들 사이에 유체 연결(fluidic connection)을 형성한다.16 to 18, once the frontside MEMS processing of the wafer is completed, the ink supply channels 27 may be filled with ink injection passages 15 using standard anisotropic DRIE. Is etched from the back of the wafer to meet This back etch is formed using a photoresist layer (not shown) exposed by the dark colored mask shown in FIG. The ink supply channel 27 forms a fluidic connection between the back side of the wafer and the ink injection passages 15.

마지막으로, 도 2와 3을 참조하여, 웨이퍼는 배면 에칭에 의해 약 135미크론까지 얇아진다. 도 1은 완성된 프린트헤드 집적회로의 단면 사시도로 3개의 인접한 노즐 열(row)들을 나타낸다. 각각의 노즐 열은 길이방향을 따라 뻗고 또 각각의 열에 있는 복수의 잉크 주입 통로(15)에 잉크를 공급하는 각각의 잉크 공급 채널(27)을 갖는다. 잉크 주입 통로들은, 결과적으로, 각각의 열의 잉크 도관(23)에 잉크를 공급하며, 각각의 노즐 챔버는 그 열의 공통 잉크 도관(common ink conduit)으로부터 잉크를 받아들인다.Finally, referring to Figures 2 and 3, the wafer is thinned down to about 135 microns by back etching. 1 is a cross-sectional perspective view of a completed printhead integrated circuit showing three adjacent nozzle rows. Each nozzle row has a respective ink supply channel 27 which extends along the longitudinal direction and supplies ink to a plurality of ink injection passages 15 in each row. The ink injection passages, as a result, supply ink to each row of ink conduits 23, and each nozzle chamber receives ink from a common ink conduit of that row.

이미 상술한 바와 같이, 이 종래 기술의 MEMS 제조 공정은, 이산화규소(silicon dioxide), 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘 산화질화물(silicon oxynitride), 질화 알루미늄(aluminium nitride) 등과 같은 세라믹 재료들로 형성되어 있는 노즐 표면(56) 때문에 친수성 잉크토출면(ink ejection face)을 필연적으로 남긴다.As already mentioned above, this prior art MEMS manufacturing process is formed of ceramic materials such as silicon dioxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum nitride, and the like. Because of the nozzle surface 56, the hydrophilic ink ejection face is inevitably left.

노즐 표면(56)을 소수화(hydrophobizing)하기 위한 바람직한 공정(US 2009/0139961에 개시된 바와 같고, 그 내용들은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다)에서, 노즐 림이 도 7과 8에 예시된 단계에서 에칭된 후, 웨이퍼가 소수성 고분자(80)로 즉시 코팅된다.In a preferred process for hydrophobizing the nozzle surface 56 (as disclosed in US 2009/0139961, the contents of which are incorporated herein by reference), the nozzle rim is provided in the steps illustrated in FIGS. 7 and 8. After etching, the wafer is immediately coated with hydrophobic polymer 80.

도 19 및 20에 도시된 부분적으로 제조된 프린트헤드를 제공하기 위해, 소수성 고분자(100)로 된 박층(thin layer)(약 1 내지 2미크론)이 웨이퍼 상에 스피닝되어 경화(hardback)된다.To provide the partially manufactured printhead shown in FIGS. 19 and 20, a thin layer (about 1 to 2 microns) of hydrophobic polymer 100 is spun onto the wafer and hardened.

이제, 도 21을 참조하여, 그 다음으로 보호 금속 박막(protective metal film)(약 100㎚ 두께)이 고분자 층(80) 상에 퇴적된다. 금속 박막은 일반적으로 티타늄이나 알루미늄으로 구성되며, 말기(late-stage) 산소 애슁 조건(oxygen ashing condition)으로부터 소수성 고분자(80)를 보호한다. 이런 이유로, 고분자 층(80)은 공격적인 애슁 조건에 노출되지 않으며, MEMS 처리 단계 전반에 걸쳐 소수 특성을 유지한다.Referring now to FIG. 21, a protective metal film (about 100 nm thick) is next deposited on polymer layer 80. The metal thin film is generally composed of titanium or aluminum and protects the hydrophobic polymer 80 from late-stage oxygen ashing conditions. For this reason, the polymer layer 80 is not exposed to aggressive ashing conditions and maintains hydrophobic properties throughout the MEMS treatment step.

도 22는 금속 박막(110), 고분자 층(80) 및 노즐 루프(21)를 관통하여 노즐 개구(26)를 에칭한 후의 웨이퍼를 나타낸다. 이 에칭 단계는 종래의 패턴이 부여된 포토레지스트 층(도시하지 않음)을 모든 노즐 에칭 단계들에 대한 공통 마스크(common mask)로 이용한다. 전형적인 에칭 순서에서, 표준 건식(dry) 금속-에칭(예를 들면, BCl3/Cl2) 또는 습식(wet) 금속-에칭(예를 들면, H2O2 또는 HF) 중 어느 하나에 의해, 금속 박막(90)이 맨 먼저 에칭된다. 그 다음으로, 두 번째 건식 에칭이 고분자 층(80)과 노즐 루프(21)를 관통하여 에칭하는데 이용된다. 일반적으로, 두 번째 에칭 단계는 산소와 불소계 에칭 가스(예를 들면, SF6 또는 CF4)를 이용하는 건식 에칭이다.FIG. 22 shows the wafer after etching the nozzle opening 26 through the metal thin film 110, the polymer layer 80, and the nozzle loop 21. This etching step uses a conventional patterned photoresist layer (not shown) as a common mask for all nozzle etching steps. In a typical etching sequence, by either standard dry metal-etching (eg BCl 3 / Cl 2 ) or wet metal-etching (eg H 2 O 2 or HF), The metal thin film 90 is etched first. A second dry etch is then used to etch through the polymer layer 80 and the nozzle loop 21. Generally, the second etching step is dry etching using oxygen and a fluorine based etching gas (eg SF 6 or CF 4 ).

일단 노즐 개구(26)가 도 22에 도시된 바와 같이 형성되면, 배면 MEMS 처리 단계들(예를 들면, 잉크 공급 채널들을 에칭, 웨이퍼 박화(thinning) 등)과 포토레지스트의 말기 애슁은, 도 14 내지 18과 관련하여 상술한 단계들과 유사한, 공지의 수순에 따라 진행할 수 있다. H2O2 또는 HF 세정액(rinse)을 이용한 금속 박막(90)의 최종 제거(final removal)는, 소수성 고분자 층(80)을 갖고 있는, 도 23과 24에 도시되어 있는 완성된 노즐 조립체를 생산한다.
Once the nozzle opening 26 is formed as shown in FIG. 22, back MEMS processing steps (eg, etching ink supply channels, thinning the wafer, etc.) and end ashing of the photoresist are shown in FIG. 14. Proceed according to known procedures, similar to the steps described above with respect to 18 to. Final removal of the metal thin film 90 using H 2 O 2 or HF rinse produces the finished nozzle assembly shown in FIGS. 23 and 24 having a hydrophobic polymer layer 80. do.

서멀 벤드 액츄에이터 프린트헤드Thermal Bend Actuator Printhead

상술한 내용으로부터, 어떤 타입의 프린트헤드도 유사한 방식으로 소수화될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 그러나 고분자 층이 프린트헤드의 움직이는 루프 부분과 고정체 사이에서 기계적 밀봉으로서 작용하기 때문에, 고분자 코팅은 본 출원인의 서멀 벤드 액츄에이터 노즐 조립체들에 사용하는데 특히 유리하다. 이들 이점은 본 출원인의 US 공개번호 2008/0225076에 더 상세히 개시되어 있으며, 그 내용들은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.From the foregoing, it will be appreciated that any type of printhead can be hydrophobized in a similar manner. However, because the polymer layer acts as a mechanical seal between the moving loop portion of the printhead and the fixture, the polymer coating is particularly advantageous for use in Applicants' thermal bend actuator nozzle assemblies. These advantages are disclosed in more detail in Applicant's US Publication No. 2008/0225076, the contents of which are incorporated herein by reference.

도 25 내지 37은 본 발명자들의 선출원 미국 공개번호 US 2008/0309728에 개시된 잉크젯 노즐 조립체(100)를 위한 MEMS 제조 단계들의 수순을 나타내며, 그 내용들은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 도 36 및 37에 도시되어 있는 완성된 잉크젯 노즐 조립체(100)가 서멀 벤드 작동(thermal bend actuation)을 이용함에 따라, 루프의 변동부가 기판(substrate) 쪽으로 구부러져 잉크 토출을 야기한다.25-37 show the procedure of the MEMS manufacturing steps for the inkjet nozzle assembly 100 disclosed in the inventor's prior application US 2008/0309728, the contents of which are incorporated herein by reference. As the finished inkjet nozzle assembly 100 shown in FIGS. 36 and 37 utilizes thermal bend actuation, the fluctuations of the loop bend toward the substrate, causing ink ejection.

MEMS 제조를 위한 출발점은 실리콘 웨이퍼의 상부에 형성된 CMOS 구동 회로를 갖는 표준 CMOS 웨이퍼이다. MEMS 제조 공정의 종료시, 이 웨이퍼는 각각의 프린트헤드 집적회로(ICs)로 절단(dice)되며, 각각의 IC는 구동 회로와 복수의 노즐 조립체를 포함한다.The starting point for MEMS fabrication is a standard CMOS wafer with a CMOS drive circuit formed on top of the silicon wafer. At the end of the MEMS fabrication process, the wafer is diced into respective printhead integrated circuits (ICs), each IC including a drive circuit and a plurality of nozzle assemblies.

도 25 및 26에 도시된 바와 같이, 기판(101)은 기판의 상부에 형성된 전극(electrode)(102)을 갖는다. 전극(102)은 잉크젯 노즐(100)의 액츄에이터에 전력을 공급하기 위한 한 쌍의 인접한 전극들(양극(positive) 및 접지(earth)) 중 하나이다. 전극들은 기판(101)의 상부 층들에 있는 CMOS 구동 회로(도시하지 않음)로부터 전력을 받아들인다.As shown in FIGS. 25 and 26, the substrate 101 has an electrode 102 formed on top of the substrate. The electrode 102 is one of a pair of adjacent electrodes (positive and earth) for powering the actuator of the inkjet nozzle 100. The electrodes receive power from a CMOS drive circuit (not shown) in the upper layers of the substrate 101.

도 25 및 26에 도시된 다른 전극(103)은 인접한 잉크젯 노즐에 전력을 공급하기 위한 것이다. 일반적으로, 도면들은 하나의 노즐 조립체를 위한 MEMS 제조 단계들을 나타내는데, 이 노즐 조립체는 다수의 노즐 조립체들 중 하나이다. 이하의 설명은 이들 노즐 조립체들 중 하나에 대한 제조 단계들에 초점을 맞춘다. 그러나 웨이퍼 상에 형성되고 있는 모든 노즐 조립체들에 대해 해당 단계들이 동시에 수행되고 있다는 것이 물론 이해될 것이다. 인접한 노즐 조립체가 도면들에 부분적으로 도시된 경우에는, 당면한 목적을 위해 이것은 무시될 수 있다. 그래서 인접한 노즐 조립체의 모든 특징들과 전극(103)은 본 명세서에 상세히 설명되지 않을 것이다. 사실, 명료하게 하기 위해, 몇몇 MEMS 제조 단계들은 인접한 노즐 조립체들에 도시되지 않을 것이다.The other electrode 103 shown in Figs. 25 and 26 is for supplying power to an adjacent ink jet nozzle. Generally, the figures show MEMS manufacturing steps for one nozzle assembly, which is one of a number of nozzle assemblies. The description below focuses on the manufacturing steps for one of these nozzle assemblies. However, it will of course be understood that the steps are being performed simultaneously for all nozzle assemblies being formed on the wafer. If an adjacent nozzle assembly is partially shown in the figures, this may be ignored for the purpose at hand. So all features of the adjacent nozzle assembly and electrode 103 will not be described in detail herein. In fact, for clarity, some MEMS fabrication steps will not be shown in adjacent nozzle assemblies.

도 25 및 26에 도시된 단계들의 수순으로, 이산화규소(silicon dioxide)로 된 8미크론의 층이 기판(101) 상에 초기에 퇴적된다. 이산화규소의 깊이는 잉크젯 노즐용 노즐 챔버(105)의 깊이를 규정한다. SiO2 층의 퇴적 후, 벽(104)들을 형성하기 위해 SiO2 층이 에칭되는데, 이 벽들은 도 26에 가장 명확하게 도시된, 노즐 챔버(105)의 측벽들이 될 것이다.In the order of the steps shown in FIGS. 25 and 26, a layer of 8 microns of silicon dioxide is initially deposited on the substrate 101. The depth of silicon dioxide defines the depth of the nozzle chamber 105 for inkjet nozzles. After deposition of the SiO 2 layer, the SiO 2 layer is etched to form the walls 104, which will be the sidewalls of the nozzle chamber 105, most clearly shown in FIG. 26.

도 27 및 28에 도시된 바와 같이, 그 후에, 노즐 챔버(105)가 포토레지스트 또는 폴리이미드(polyimide)(106)로 채워지는데, 포토레지스트 또는 폴리이미드는 후속 퇴적 단계들을 위한 희생 지지체로서 작용한다. 폴리이미드(106)는 표준 기술을 이용하여 웨이퍼 상에 스피닝되며, UV 처리(cured) 및/또는 경화(hardbaked)되고 나서, SiO2 벽(104)의 상단면(top surface)에서 정지하는 화학적 기계적 평탄화(chemical mechanical planarization: CMP)를 받게 된다.27 and 28, the nozzle chamber 105 is then filled with a photoresist or polyimide 106, which acts as a sacrificial support for subsequent deposition steps. . Polyimide 106 is spun onto a wafer using standard techniques, UV cured and / or hardbaked, and then SiO 2 Receive chemical mechanical planarization (CMP) that stops at the top surface of the wall 104.

도 29 및 30에서, 노즐 챔버(105)의 루프 부재(roof member)(107)는 전극(102)들에 이르기까지 아래로 뻗어 있는 고 전도성 커넥터 기둥(connector post)들(108)과 함께 형성되어 있다. 처음에, SiO2로 된 1.7미크론 층이 폴리이미드(106)와 벽(104) 위에 퇴적된다. SiO2로 된 이 층은 노즐 챔버(105)의 루프(107)를 형성한다. 다음으로, 한 쌍의 비아(via)가 표준 이방성 심도반응성 이온식각을 이용하여 전극(102)들에 이르기까지 벽(104)에 형성된다. 이 에칭은 각각의 비아들을 통해 전극(102)들의 쌍을 노출시킨다. 다음으로, 비아들은 무전해 도금(electroless plating)을 이용하여, 구리와 같은 고 전도성 금속으로 채워진다. 퇴적된 구리 기둥(108)들은 평면 구조(planar structure)를 제공하기 위해 SiO2 루프 부재(107) 상에 정지하는, CMP를 받게 된다. 루프 부재(107)에 이르는 직선 모양의 전도성 패스(conductive path)를 제공하기 위해, 무전해 구리 도금 중에 형성된 구리 커넥터 기둥(108)들이 각각의 전극(102)들과 만나는 것을 볼 수 있다.In FIGS. 29 and 30, the roof member 107 of the nozzle chamber 105 is formed with high conductive connector posts 108 extending down to the electrodes 102. have. Initially, a 1.7 micron layer of SiO 2 is deposited over the polyimide 106 and the wall 104. This layer of SiO 2 forms a loop 107 of the nozzle chamber 105. Next, a pair of vias are formed in the wall 104 up to the electrodes 102 using standard anisotropic depth reactive ion etching. This etching exposes the pair of electrodes 102 through respective vias. Next, the vias are filled with a high conductivity metal, such as copper, using electroless plating. The deposited copper pillars 108 are subjected to CMP, stopping on the SiO 2 loop member 107 to provide a planar structure. It can be seen that the copper connector pillars 108 formed during the electroless copper plating meet each of the electrodes 102 to provide a straight conductive path leading to the loop member 107.

도 31 및 32에서, 금속 패드(metal pad)(109)들은 루프 부재(107)와 커넥터 기둥(108)들 위에 알루미늄으로 된 0.3미크론 층을 초기에 퇴적시킴으로써 형성된다. 고 전도성 금속(예를 들면, 알루미늄, 티타늄 등)이라면 어떤 것이라도 이용될 수 있으며, 노즐 조립체의 전체 평면성(planarity)에 너무 심하게 영향을 주지 않도록 약 0.5미크론 또는 그보다 얇은 두께로 퇴적되어야 한다. 금속 패드(109)들은 커넥터 기둥(108)들 위에 그리고 열탄성 능동 빔 부재(thermoelastic active beam member)의 예정된 '굽힘 영역(bend region)'에 있는 루프 부재(107) 상에 위치되어 있다.In FIGS. 31 and 32, metal pads 109 are formed by initially depositing a 0.3 micron layer of aluminum over the loop member 107 and the connector posts 108. Any high conductivity metal (eg, aluminum, titanium, etc.) may be used and should be deposited to a thickness of about 0.5 micron or thinner so as not to affect the overall planarity of the nozzle assembly too severely. The metal pads 109 are located over the connector pillars 108 and on the loop member 107 in a predetermined 'bend region' of the thermoelastic active beam member.

도 33 및 34에서, 열탄성 능동 빔 부재(110)는 SiO2 루프(107) 위에 형성된다. 능동 빔 부재(110)와 융합됨으로써, SiO2 루프 부재(107) 부분은 기계적 서멀 벤드 액츄에이터의 하부 수동 빔 부재(lower passive beam member)(116)로서 기능하는데, 이 기계적 서멀 벤드 액츄에이터는 능동 빔(110)과 수동 빔(116)으로 형성된다. 열탄성 능동 빔 부재(110)는 티타늄 질화물(titanium nitride), 티타늄 알루미늄 질화물(titanium aluminium nitride) 및 알루미늄 합금(aluminium alloy)들과 같은 어떤 적당한 열탄성 재료로도 구성될 수 있다. 본 출원인의 선출원 미국 공개번호 US 2008/0129793에 설명된 바와 같이(그 내용들은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다), 바나듐-알루미늄 합금(vanadium-aluminium alloy)들은 큰 열팽창, 낮은 밀도 및 높은 영 계수(Young's modulus)라는 유리한 특성들을 갖기 때문에, 바람직한 재료이다.33 and 34, a thermoelastic active beam member 110 is formed over the SiO 2 loop 107. By fusion with the active beam member 110, a portion of the SiO 2 loop member 107 functions as a lower passive beam member 116 of the mechanical thermal bend actuator, which acts as an active beam ( 110 and passive beam 116. The thermoelastic active beam member 110 may be composed of any suitable thermoelastic material, such as titanium nitride, titanium aluminum nitride, and aluminum alloys. As described in Applicant's prior application US 2008/0129793 (the contents of which are incorporated herein by reference), vanadium-aluminum alloys have large thermal expansion, low density and high Young's modulus. It is a preferred material because it has advantageous properties called Young's modulus.

능동 빔 부재(110)를 형성하기 위해, 1.5미크론의 능동 빔 재료 층이 표준 PECVD에 의해 초기에 퇴적된다. 빔 재료는 그 후 능동 빔 부재(110)를 형성하기 위해, 표준 금속 에칭을 이용하여 에칭된다. 금속 에칭의 완료 후, 도 33 및 34에 도시된 바와 같이, 능동 빔 부재(110)는 부분적인 노즐 개구(111)와 빔 소자(112)를 포함하는데, 이 빔 소자는 각각의 단부에서 커넥터 기둥(108)들을 통해 양극 및 접지 전극(102)에 전기적으로 연결된다. 평면 빔 소자(112)는 제1(양극) 커넥터 기둥의 상단으로부터 뻗은 다음 제2(접지) 커넥터 기둥의 상단으로 되돌아가도록 180도 돌아서 구부려진다.To form the active beam member 110, a 1.5 micron layer of active beam material is initially deposited by standard PECVD. The beam material is then etched using standard metal etching to form the active beam member 110. After completion of the metal etching, as shown in FIGS. 33 and 34, the active beam member 110 includes a partial nozzle opening 111 and a beam element 112, which at each end have a connector post. Electrically connected to the anode and ground electrode 102 via 108. The planar beam element 112 is bent 180 degrees to extend from the top of the first (anode) connector post and then back to the top of the second (ground) connector post.

계속해서 도 33 및 34를 참조하여, 금속 패드(109)들은 잠재적으로 저항이 더 큰 영역에서도 전류가 용이하게 흐르도록 하기 위해 위치된다. 하나의 금속 패드(109)는 빔 소자(112)의 굽힘 영역에 위치되어, 능동 빔 부재(110)와 수동 빔 부재(116) 사이에 끼워진다. 다른 금속 패드(109)들은 커넥터 기둥(108)들의 상단과 빔 소자(112)의 단부(end)들 사이에 위치된다.With continued reference to FIGS. 33 and 34, the metal pads 109 are positioned to facilitate current flow even in areas of potentially higher resistance. One metal pad 109 is located in the bending area of the beam element 112 and is sandwiched between the active beam member 110 and the passive beam member 116. The other metal pads 109 are located between the top of the connector pillars 108 and the ends of the beam element 112.

도 35를 참조하여, 소수성 고분자 층(80)은 웨이퍼 상에 퇴적된 다음, 보호 금속 층(90)(예를 들면, 100㎚ 알루미늄)으로 덮인다. 적절하게 마스킹한 후, 금속 층(90), 고분자 층(80) 및 SiO2 루프 부재(107)는 루프의 변동부(114)와 노즐 개구(113)를 완전히 형성하기 위해 그 후에 에칭된다. 에칭은 도 22와 관련하여 상술한 바와 같이, 일반적으로, 2단계 에칭 공정이다.Referring to FIG. 35, hydrophobic polymer layer 80 is deposited on a wafer and then covered with a protective metal layer 90 (eg, 100 nm aluminum). After properly masking, the metal layer 90, the polymer layer 80 and the SiO 2 loop member 107 are then etched to fully form the fluctuations 114 and nozzle openings 113 of the loop. Etching is generally a two step etching process, as described above with respect to FIG. 22.

변동부(114)는 서멀 벤드 액츄에이터(115)를 포함하는데, 서멀 벤드 액츄에이터는 그 자체로 능동 빔 부재(110)와 아래에 있는 수동 빔 부재(116)로 구성되어 있다. 노즐 개구(113)는, 작동하는 중에, 노즐 개구가 액츄에이터와 함께 움직이도록, 루프의 변동부(114)에 형성된다. 미국 공개번호 2008/0129793에 개시된 바와 같이, 노즐 개구(113)가 변동부(114)에 대해 정지된 구조들도 가능하며, 본 발명의 범위 내에 있다.The fluctuation section 114 includes a thermal bend actuator 115, which itself consists of an active beam member 110 and a passive beam member 116 below. The nozzle opening 113 is formed in the fluctuation portion 114 of the loop such that during operation, the nozzle opening moves with the actuator. As disclosed in US Publication No. 2008/0129793, structures in which the nozzle opening 113 is stationary relative to the variation 114 are also possible and are within the scope of the present invention.

루프의 변동부(114)를 둘러싸는 주변 공간 또는 간격(gap)(117)은 변동부를 루프의 고정부(118)로부터 분리시킨다. 이 간격(117)은 액츄에이터(115)의 작동 중에 변동부(114)가 노즐 챔버(105) 안으로 기판(101)을 향해 구부러질 수 있도록 한다. 소수성 고분자 층(80)은 루프(107)의 고정부(118)와 변동부(114) 사이에 기계적 밀봉을 제공하기 위해 간격(117)을 채운다. 작동하는 동안, 잉크가 간격(117)을 통해 누출되는 것을 방지하는 한편, 액츄에이터가 기판(101)을 향해 구부려질 수 있도록, 고분자는 충분히 낮은 영 계수를 갖고 있다.A peripheral space or gap 117 surrounding the fluctuations 114 of the loop separates the fluctuations from the fixing part 118 of the loop. This spacing 117 allows the fluctuation portion 114 to bend toward the substrate 101 into the nozzle chamber 105 during operation of the actuator 115. The hydrophobic polymer layer 80 fills the gap 117 to provide a mechanical seal between the fixture 118 and the fluctuation 114 of the loop 107. During operation, the polymer has a sufficiently low Young's modulus to prevent the ink from leaking through the gap 117 while allowing the actuator to bend towards the substrate 101.

최종 MEMS 처리 단계들에서, 도 36 및 37에 도시된 바와 같이, 잉크 공급 채널(120)이 기판의 배면으로부터 노즐 챔버(105)까지 관통하여 에칭된다. 비록 잉크 공급 채널(120)이 도 36과 37에서는 노즐 개구(113)와 정렬되어 도시되지만, 잉크 공급 채널(120)이 노즐 개구로부터 오프셋(offset)되어 위치될 수 있는 것도 물론이다.In the final MEMS processing steps, as shown in FIGS. 36 and 37, the ink supply channel 120 is etched through from the back of the substrate to the nozzle chamber 105. Although the ink supply channel 120 is shown aligned with the nozzle opening 113 in FIGS. 36 and 37, it is of course possible that the ink supply channel 120 can be positioned offset from the nozzle opening.

잉크 공급 채널 에칭 후에, 노즐 조립체(100)를 제공하기 위해, 노즐 챔버(105)에 채워진 폴리이미드(106)가 산화 플라즈마를 이용한 애슁으로 제거되며, 금속 박막(90)이 HF 또는 H2O2 세정액에 의해 제거된다.
After the ink supply channel etch, to provide the nozzle assembly 100, the polyimide 106 filled in the nozzle chamber 105 is removed by ashing using an oxidizing plasma, and the metal thin film 90 is HF or H 2 O 2. It is removed by the cleaning liquid.

MSQMSQ 를 포함하는 고분자 층Polymer layer containing

소수성 고분자 층(80)은 본 출원인의 프린트헤드들의 중요 특징인 것으로 증명되었다. 소수성 고분자 층은 프린트헤드의 전면을 소수화하는데, 이것은 인쇄 품질을 전반적으로 개선하는데 도움이 될뿐만 아니라, 작동 가능한 조건에서 프린트헤드를 유지보수하는데 사용되는 프린트헤드 유지보수 수단(예를 들면, 와이퍼 블레이드(wiper blade))를 위한 평평한 소수성 표면(planar hydrophobic surface)을 제공함으로써 프린트헤드 유지보수에도 도움이 된다. 물론, 상술한 서멀 벤드 작동형 프린트헤드(100)들의 경우, 고분자(80)는 프린트헤드의 본체(body)로부터 노즐의 변동부를 기계적으로 밀봉하는 부가적인 기능을 제공한다.Hydrophobic polymer layer 80 has proven to be an important feature of Applicants' printheads. The hydrophobic polymer layer hydrophobicizes the front of the printhead, which not only helps to improve overall print quality, but also printhead maintenance means (e.g. wiper blades) used to maintain the printhead under operational conditions. It also helps to maintain printheads by providing a planar hydrophobic surface for the wiper blade. Of course, for the thermal bend-operated printheads 100 described above, the polymer 80 provides an additional function of mechanically sealing the fluctuations of the nozzle from the body of the printhead.

지금까지, 본 출원인은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane(PDMS))의 이용을 제안해 왔다. 이 재료는 MEMS 제조 공정들에 용이하게 편입될 수 있으며, 효과적인 서멀 벤드 작동을 가능하게 하는 영 계수와 뛰어난 소수성을 갖고 있다. 그러나 PDMS는 비교적 내마모성이 불충분하여, 예를 들면, 와이퍼 블레이드와의 반복 접촉에 의해 긁히거나 손상당할 수 있다.To date, the applicant has proposed the use of polydimethylsiloxane (PDMS). This material can be easily incorporated into MEMS manufacturing processes and has a Young's modulus and excellent hydrophobicity to enable effective thermal bend operation. PDMS, however, is relatively poor in wear resistance, and can be scratched or damaged, for example, by repeated contact with the wiper blades.

그런데 본 출원인은 폴리실세스퀴옥산들이 PDMS의 모든 이점들을 여전히 유지함과 아울러, PDMS보다 더 우수한 내마모성을 제공함을 발견하였다. 폴리실세스퀴옥산들은 중합된 실록산들 또는 실리콘들로 알려진 고분자들의 일반적인 부류에 속하며, 화학실험식 (RSiO1 .5)n으로 나타내는데, 여기서 R은 수소 또는 유기기(organic group)이며, n은 고분자 사슬의 길이를 나타내는 정수(integer)이다. 유기기는 C1 - 12알킬(alkyl)(예를 들면, 메틸(methyl)), C1 -10아릴(arly)(예를 들면, 페닐(phenyl)) 또는 C1 - 16아릴알킬(arylalkyl)(예를 들면, 벤질(benzyl))일 수 있다. 고분자 사슬은 이 기술분야에서 알려진 어떤 길이(예를 들면, n은 2부터 10,000)일 수 있다.Applicants have found, however, that polysilsesquioxanes still retain all the benefits of PDMS and provide better wear resistance than PDMS. Polysilsesquioxane belong to the general class of known with a polymerized siloxane or silicone polymer, chemical empirical formula (RSiO 1 .5) for indicating to n, where R is hydrogen or an organic group (organic group), n is a polymer An integer representing the length of the chain. The organic group is C 1 - 12 alkyl (alkyl) (for example, methyl (methyl)), C 1 -10 aryl (arly) (for example, phenyl (phenyl)), or C 1 - 16 aryl-alkyl (arylalkyl) ( For example, benzyl). The polymer chain can be any length known in the art (eg, n is from 2 to 10,000).

폴리(메틸실세스퀴옥산) 및 폴리(페닐실세스퀴옥산)와 같은, 폴리(알킬실세스퀴옥산들)와 폴리(아릴실세스퀴옥산들)는 본 출원인의 프린트헤드들에서 고분자 층(80)으로서 이용될 때 우수한 소수성, 내구성 및 내마모성을 갖는 것으로 나타나고 있었다. 예를 들면, MSQ 또는 PSQ로 코팅된 프린트헤드들은, 잉크와 종이 섬유들이 1시간 동안 프린트헤드 상에서 굳어진 후조차, 손상 없이 깨끗하게 와이핑될 수 있다.Poly (alkylsilsesquioxanes) and poly (arylsilsesquioxanes), such as poly (methylsilsesquioxane) and poly (phenylsilsesquioxane), may be selected from the polymer layer ( 80 has been shown to have excellent hydrophobicity, durability and wear resistance. For example, printheads coated with MSQ or PSQ can be wiped clean without damage even after the ink and paper fibers have solidified on the printhead for one hour.

폴리(메틸실세스퀴옥산)는 이 기술분야에서 메틸실세스퀴옥산, MSQ, MSSQ, PMSQ 및 PMSSQ로 알려져 있다. 폴리(페닐실세스퀴옥산)는 이 기술분야에서 페닐실세스퀴옥산, PSQ, PSSQ, PPSQ 및 PPSSQ로도 알려져 있다. 간결함을 위해, 본 출원인은 이하에서 폴리(메틸실세스퀴옥산)는 MSQ로 나타내고 폴리(페닐실세스퀴옥산)는 PSQ로 나타낸다.Poly (methylsilsesquioxane) is known in the art as methylsilsesquioxane, MSQ, MSSQ, PMSQ and PMSSQ. Poly (phenylsilsesquioxane) is also known in the art as phenylsilsesquioxane, PSQ, PSSQ, PPSQ and PPSSQ. For the sake of brevity, Applicants hereafter refer to poly (methylsilsesquioxane) as MSQ and poly (phenylsilsesquioxane) as PSQ.

MSQ는 낮은 유전율(dielectric constant)(k=2.7)을 갖고 있으며, 이전에는 절연 재료로 이용되어 왔다. 그러나 MEMS 잉크젯 프린트헤드들을 위한 소수성 코팅으로서의 MSQ의 이용이 이전에는 알려져 있지 않았다.MSQ has a low dielectric constant (k = 2.7) and has previously been used as an insulating material. However, the use of MSQ as a hydrophobic coating for MEMS inkjet printheads was previously unknown.

MSQ 또는 PSQ는 상술한 MEMS 제조 공정에 의해 고분자 층(80)으로서 프린트헤드들에 편입될 수 있다. MSQ 또는 PSQ 용액은 웨이퍼 상에 약 0.5 내지 5미크론(예를 들면, 1미크론)의 두께로 스피닝되고 나서, 노즐 플레이트에 대한 부착력을 증진시키기 위해 또 프린트헤드에 대해 내구성이 있는 잉크토출면을 제공하기 위해 경화된다. 경화는 UV 처리 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전형적인 경화 공정(hardbaking process)은 이하의 단계들을 포함할 수 있다.MSQ or PSQ may be incorporated into the printheads as polymer layer 80 by the MEMS fabrication process described above. The MSQ or PSQ solution is spun on a wafer to a thickness of about 0.5 to 5 microns (eg 1 micron) and then provides a durable ink ejection surface for the printhead to enhance adhesion to the nozzle plate. To harden. Curing may include a UV treatment step. For example, a typical hardbaking process may include the following steps.

1. 코팅 후 즉시 2분 동안 110℃에서 접촉 베이크(contact bake)1. Contact bake at 110 ° C. for 2 minutes immediately after coating

2. 6.5분 동안 300℃에서 접촉 베이크2. Bake contact at 300 ° C. for 6.5 minutes

3. 130초 동안 UV 노출(∼1300mJ)3. UV exposure (~ 1300mJ) for 130 seconds

4. 1시간 동안 오븐 처리(oven cure)(180℃에서 시작하여 ∼4℃/분으로 상승시킴)4. Oven cure for 1 hour (start at 180 ° C and rise to -4 ° C / min)

상술한 본 출원인의 경화 공정은 우수한 내구성을 갖는 MSQ 코팅된 또는 PSQ 코팅된 프린트헤드들을 제공하지만, 경화가 어떤 종래의 수순에 뒤따를 수 있다는 것이 이해될 것이다.Applicant's curing process described above provides MSQ coated or PSQ coated printheads with good durability, but it will be appreciated that the curing can follow any conventional procedure.

MSQ와 PSQ 각각은 약 3㎬의 영 계수를 갖는데, 이것은 PDMS의 영 계수보다 약간 더 높은 것이다. 그러나 본 출원인은 영 계수가 더 높은데도 불구하고, 고분자 층(80)이 MSQ 또는 PSQ로 구성되어 있을 때, 서멀 벤드 작동형 프린트헤드들이 여전히 효과적으로 작동한다는 것을 알아냈다. 또한, MSQ와 PSQ의 전반적인 구조안전성(robustness)은 일반적으로, 그들의 더 높은 영 계수들에 기인한 어떤 부정적인 면들보다 더 중요하다. 물론, 변동부들이 없는 서멀 버블-형성 프린트헤드들에서, 고분자 층(80)의 영 계수는 노즐 작동에 관계가 없다.Each of the MSQ and PSQ has a Young's modulus of about 3 dB, which is slightly higher than the Young's modulus of PDMS. However, the Applicant has found that thermal bend-operated printheads still work effectively when the polymer layer 80 is composed of MSQ or PSQ despite the higher Young's modulus. In addition, the overall robustness of MSQ and PSQ is generally more important than any negative aspects due to their higher Young's modulus. Of course, in thermal bubble-forming printheads without fluctuations, the Young's modulus of the polymer layer 80 is independent of nozzle operation.

본 발명자들은 MSQ 또는 PSQ의 이용이 잉크젯 프린트헤드 기술에서 상당한 발전을 나타낸다고 생각한다. 잉크젯 프린트헤드들, 특히 MEMS 제조 공정에 의해 제조된 잉크젯 프린트헤드들을 소수화하는 것은, 모든 업계관계자들에게 매우 중요한 도전으로 여겨졌었다. 본 출원인은 MSQ 또는 PSQ가 MEMS 제조 공정에 편입될 수 있고 또한 우수한 내구성과 내마모성을 갖는 소수성 잉크토출면을 제공한다는 것을 증명했다. 이 바람직한 특징들의 조합이 이전에는 이 기술분야에서 달성되지 못했었다.
We believe that the use of MSQ or PSQ represents a significant advance in inkjet printhead technology. The hydrophobicization of inkjet printheads, especially inkjet printheads made by MEMS manufacturing processes, has been considered a very important challenge for all industry stakeholders. Applicant has demonstrated that MSQ or PSQ can be incorporated into the MEMS manufacturing process and also provide a hydrophobic ink dispensing surface having excellent durability and wear resistance. Combinations of these desirable features have not previously been accomplished in the art.

나노입자들을 포함하는 고분자 층Polymer layer containing nanoparticles

상술한 바와 같이, MSQ와 PSQ는 고분자 코팅으로서의 이용에 있어 PDMS보다 상당히 많은 이점을 갖고 있지만, PDMS가 여전히 재료로 선택되는 몇몇 경우들이 있다. 예를 들면, 저전력 서멀 벤드 작동형 프린트헤드(low-powered thermally bend-actuated printhead)들에서, PDMS의 더 낮은 영 계수는 방울 토출 에너지를 최소화하는데 유리할 수 있다. 예를 들면, 낮은 영 계수로 구성됨이 없이 PDMS의 내마모 특성을 향상시키는 것이 바람직할 것이다.As mentioned above, MSQ and PSQ have significant advantages over PDMS in their use as polymer coatings, but there are some cases where PDMS is still chosen as the material. For example, in low-powered thermally bend-actuated printheads, the lower Young's modulus of PDMS may be beneficial to minimize droplet discharge energy. For example, it would be desirable to improve the wear resistance of PDMS without being composed of low Young's modulus.

다른 상황들에서, 프린트헤드의 고분자 코팅은 프린트헤드로부터 토출되는 특정 유체에 적합하지 않은 특성들을 가질 수도 있다. 주목해야 할 것은 서멀 벤드 작동형 프린트헤드들이 수성 및 비수성 액체들(예를 들면, OLED 인쇄용 고분자들)을 둘 다 토출할 수 있고, 또 프린트헤드의 잉크토출면이 토출되는 유체의 고유 특성들을 보완하는 특성들을 가질 수도 있다는 것이다. 이들 특성들은, 예를 들면, 유체의 친수성, 소수성, 점성, 표면장력 및/또는 끓는점을 포함할 수 있다.In other situations, the polymeric coating of the printhead may have properties that are not suitable for the particular fluid ejected from the printhead. It should be noted that thermal bend-operated printheads can eject both aqueous and non-aqueous liquids (eg, polymers for OLED printing), and the inherent properties of the fluid from which the ink ejection surface of the printhead is ejected It may have complementary characteristics. These properties may include, for example, the hydrophilicity, hydrophobicity, viscosity, surface tension and / or boiling point of the fluid.

또는, 잉크토출면이, 이용된 특정 타입의 프린트헤드 유지보수 방식을 보완하는 특성들을 가질 수도 있다(예를 들면, 참조에 의해 본 명세서에 포함되는 미국 출원번호 12/014,772에 개시된 프린트헤드 캐핑(capping)/와이핑(wiping); 또는 참조에 의해 본 명세서에 포함되는 미국 특허번호 7,401,886에 개시된 프린트헤드 플러딩(flooding)/비접촉 유지보수). 예를 들면, 내마모성은 프린트헤드와의 접촉을 수반하는 프린트헤드 유지보수 방식들에서는 중요하지만, 비접촉 유지보수 방식들에서는 덜 중요하다.Alternatively, the ink ejection surface may have properties that complement the particular type of printhead maintenance scheme employed (e.g., printhead capping disclosed in US Application No. 12 / 014,772, incorporated herein by reference). capping / wiping; or printhead flooding / contactless maintenance as disclosed in US Pat. No. 7,401,886, incorporated herein by reference. For example, wear resistance is important in printhead maintenance schemes involving contact with the printhead, but less important in non-contact maintenance schemes.

또는, 잉크토출면이 특정 타입의 노즐 액츄에이터를 보완하는 특성들을 가질 수도 있다. 예를 들면, 내피로성은, 고분자 재료가 프린트헤드의 본체에 대해 노즐의 변동부를 밀봉하는 서멀 벤드 액츄에이터들에서는 중요하다. 그러나 상술한 서멀 버블-형성 노즐들처럼, 변동하지 않는 노즐들에서는, 내피로성이 덜 중요하다.Alternatively, the ink ejection surface may have properties that complement a particular type of nozzle actuator. For example, fatigue resistance is important in thermal bend actuators in which the polymeric material seals the fluctuations of the nozzle with respect to the body of the printhead. However, in nozzles that do not fluctuate, such as the thermal bubble-forming nozzles described above, fatigue resistance is less important.

MEMS 제조 공정을 근본적으로 변화시킴이 없이 잉크토출면의 특성들을 '조정(tune)'하는 능력은 매우 바람직할 것이다. 이 '조정'은, 예를 들면, 잉크토출면의 인성(toughness), 내마모성, 내피로성 및/또는 표면에너지 특성들을 향상시킬 수도 있다. 사소한 예로서, 고분자들과 같은 소수성 액체들을 인쇄할 때, 잉크토출면은 소수성보다 상대적으로 친수성인 것이 오히려 나을 것이다(수성 잉크를 인쇄하는 것과는 대조적으로).It would be highly desirable to be able to 'tune' the properties of the ink ejection surface without fundamentally changing the MEMS manufacturing process. This 'adjustment' may, for example, improve the toughness, wear resistance, fatigue resistance and / or surface energy characteristics of the ink ejection surface. As a trivial example, when printing hydrophobic liquids such as polymers, it would be better for the ink ejection surface to be relatively hydrophilic than hydrophobic (as opposed to printing an aqueous ink).

나노입자(이전에는 이 기술분야에서 "충전재(filler)"로 알려짐)들을 포함하는 실리콘 고분자들의 유용성은, 실리콘 고분자에 포함되는 나노입자들을 바꿈으로써, 실리콘 고분자(예를 들면, PDMS, MSQ, PSQ)의 특성들이 조절될 수 있다는 것을 의미한다. 서로 다른 나노입자들의 이용은 고분자 층(80)으로 형성된 잉크토출면의 특성들을 그에 대응하여 '조정'할 것이다.The usefulness of silicone polymers, including nanoparticles (formerly known as "fillers" in the art), can be used to modify silicone polymers (eg, PDMS, MSQ, PSQ) by changing the nanoparticles contained in the silicone polymer. ) Means that the characteristics of can be adjusted. The use of different nanoparticles will 'adjust' the properties of the ink ejection surface formed from the polymer layer 80 correspondingly.

물론, 나노입자들은 특정 용도에 따른 어떤 적절한 타입, 사이즈 및 형상일 수 있다. 나노입자들은 무기 입자(inorganic particle)들, 유기 입자(organic particle)들 또는 둘 다의 조합을 포함할 수 있다. 무기 나노입자들의 몇몇 예로서, 금속 산화물들, 금속 탄산염들 및 금속 황산염들을 들 수 있다. 더 구체적으로, 무기 나노입자들은, 예를 들면, 실리카(콜로이드 실리카를 포함), 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화알루미늄, 탄산칼슘, 산화주석, 산화아연, 산화구리, 산화크로뮴, 산화칼슘, 산화텅스텐, 산화철, 산화코발트, 황산바륨 등일 수 있다. 유기 나노입자들의 몇몇 예로서, 가교 실리콘 수지 입자(예를 들면, PDMS, MSQ, PSQ)들, 가교 폴리올레핀 수지 입자(예를 들면, 폴리스티렌(polystyrene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene))들, 가교 아크릴 수지 입자들, 가교 스티렌-아크릴 수지 입자들, 가교 폴리에스테르 입자들, 폴리이미드 입자들, 멜라민 수지 입자들, 탄소 나노튜브들 등을 들 수 있다.Of course, the nanoparticles can be of any suitable type, size and shape depending on the particular application. Nanoparticles can include inorganic particles, organic particles, or a combination of both. Some examples of inorganic nanoparticles include metal oxides, metal carbonates and metal sulfates. More specifically, inorganic nanoparticles are, for example, silica (including colloidal silica), zirconium oxide, titanium oxide, aluminum oxide, calcium carbonate, tin oxide, zinc oxide, copper oxide, chromium oxide, calcium oxide, tungsten oxide , Iron oxide, cobalt oxide, barium sulfate, and the like. Some examples of organic nanoparticles include crosslinked silicone resin particles (eg PDMS, MSQ, PSQ), crosslinked polyolefin resin particles (eg polystyrene, polyethylene, polypropylene) And crosslinked acrylic resin particles, crosslinked styrene-acrylic resin particles, crosslinked polyester particles, polyimide particles, melamine resin particles, carbon nanotubes, and the like.

본 명세서에 사용된 바와 같이, "나노입자(들)"라는 용어는 1-1000㎚, 통상적으로는 1-100㎚, 더 통상적으로는 1-50㎚ 범위 내의 평균 입경(average particle size)을 갖는 입자(들)를 나타낸다. 약 20㎚의 평균 입경이 일반적으로 바람직하다. 입자들은 단분산(monodisperse) 또는 다분산(polydisperse)일 수 있다.As used herein, the term "nanoparticle (s)" has an average particle size in the range of 1-1000 nm, typically 1-100 nm, more typically 1-50 nm. Represents particle (s). An average particle diameter of about 20 nm is generally preferred. The particles can be monodisperse or polydisperse.

나노입자들은 1-70wt%, 선택적으로 5-60wt%, 선택적으로 10-50wt% 범위의 양으로 존재할 수 있다. 존재하는 나노입자들의 양은 고분자 필름의 필수적인 특성들에 따를 것이다.Nanoparticles may be present in amounts ranging from 1-70 wt%, optionally 5-60 wt%, optionally 10-50 wt%. The amount of nanoparticles present will depend on the essential properties of the polymer film.

나노입자들은 졸-겔 공정(sol-gel process)과 같은, 어떤 적절한 공정에 의해 고분자 내에 포함될 수 있는데, 이것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있다. 그 결과로서 얻어진 고분자는, 경화가 뒤따르는 스핀-온 공정(spin-on process)과 같은, 어떤 적절한 공정에 의해 퇴적될 수 있다.Nanoparticles can be incorporated into a polymer by any suitable process, such as a sol-gel process, which is well known to those of ordinary skill in the art. The resulting polymer can be deposited by any suitable process, such as a spin-on process followed by curing.

실리카 나노입자들을 포함하는 PDMS 고분자들은 이 기술분야에서 알려져 있으며, 그러한 고분자들은 본 발명에서 고분자 층(80)으로 이용될 수 있다. 실리카 나노입자들은 PDMS 고분자에 대해 내마모성 및 내피로성과 같은 바람직한 특성들을 부여한다. 존재하는 실리카 입자들의 양에 따라, PDMS는 몇몇 애플리케이션들에서 유용한 비교적 친수성인 표면도 가질 수 있다.PDMS polymers comprising silica nanoparticles are known in the art, and such polymers may be used as the polymer layer 80 in the present invention. Silica nanoparticles impart desirable properties such as wear resistance and fatigue resistance for PDMS polymers. Depending on the amount of silica particles present, PDMS may also have a relatively hydrophilic surface that is useful in some applications.

이 분야에 종사하는 통상의 기술자는, 광범위하게 개시된 본 발명의 정신 또는 범위로부터 벗어남이 없이, 특정 실시형태들로 도시된 본 발명에 따라, 수많은 변형 및/또는 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 실시형태들은 모든 점에서 실례이며 제한적이지 않은 것으로 고려되어야 한다.Those skilled in the art will understand that numerous modifications and / or changes may be made in accordance with the invention shown in the specific embodiments without departing from the spirit or scope of the invention as broadly disclosed. Accordingly, the present embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive.

Claims (17)

기판(substrate) 상에 형성된 복수의 노즐 조립체(nozzle assembly)를 포함하는 프린트헤드(printhead)에 있어서,
각 노즐 조립체는,
노즐 챔버(nozzle chamber);
노즐 챔버의 루프(roof)에 형성된 노즐 개구(nozzle opening); 및
각 노즐 챔버의 루프의 변동부(moving portion)를 형성하는 서멀 벤드 액츄에이터(thermal bend actuator)를 포함하며,
상기 서멀 벤드 액츄에이터는,
구동 회로(drive circuitry)에 연결하는 제1 능동 소자(first active element); 및
제1 능동 소자와 기계적으로 협동하는 제2 수동 소자(second passive element)를 포함함으로써, 전류가 제1 능동 소자를 통해 흐르면, 제1 능동 소자가 제2 수동 소자보다 팽창하여, 노즐 챔버의 플로어(floor)를 향해 액츄에이터의 굽힘(bending)이 생기며,
소수성 고분자 재료(hydrophobic polymeric material)가 프린트헤드의 노즐 플레이트 상에 코팅되어 있고, 상기 노즐 플레이트는 각 노즐 챔버의 루프에 의해 적어도 부분적으로 형성되어 있으며,
소수성 고분자 재료는 폴리실세스퀴옥산(polysilsesquioxanes)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 프린트헤드.
A printhead comprising a plurality of nozzle assemblies formed on a substrate, the printhead comprising:
Each nozzle assembly
A nozzle chamber;
A nozzle opening formed in a roof of the nozzle chamber; And
A thermal bend actuator forming a moving portion of the loop of each nozzle chamber,
The thermal bend actuator,
A first active element connecting to drive circuitry; And
By including a second passive element mechanically cooperating with the first active element, when a current flows through the first active element, the first active element expands above the second passive element, thereby providing a floor of the nozzle chamber ( bending of the actuator towards the floor,
Hydrophobic polymeric material is coated on the nozzle plate of the printhead, the nozzle plate formed at least in part by a loop of each nozzle chamber,
The hydrophobic polymer material is selected from the group consisting of polysilsesquioxanes.
제1항에 있어서,
상기 소수성 고분자 재료는 폴리(알킬실세스퀴옥산(alkylsilsesquioxanes))과 폴리(아릴실세스퀴옥산(arylsilsesquioxanes))으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 프린트헤드.
The method of claim 1,
The hydrophobic polymer material is selected from the group consisting of poly (alkylsilsesquioxanes) and poly (arylsilsesquioxanes).
제1항에 있어서,
상기 소수성 고분자 재료는 폴리(메틸실세스퀴옥산(methylsilsesquioxane))과 폴리(페닐실세스퀴옥산(phenylsilsesquioxane))으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 프린트헤드.
The method of claim 1,
And the hydrophobic polymer material is selected from the group consisting of poly (methylsilsesquioxane) and poly (phenylsilsesquioxane).
제1항에 있어서,
각 루프는 소수성 코팅에 의해 각 노즐 챔버의 내부 표면(inside surface)에 관하여 소수성 외부 표면(hydrophobic outside surface)을 갖는 프린트헤드.
The method of claim 1,
Each loop having a hydrophobic outside surface with respect to the inside surface of each nozzle chamber by a hydrophobic coating.
제1항에 있어서,
각 노즐 챔버는 세라믹 재료(ceramic material)로 구성된 루프와 측벽(sidewall)을 포함하는 프린트헤드.
The method of claim 1,
Each nozzle chamber includes a loop and sidewalls made of ceramic material.
제5항에 있어서,
세라믹 재료는 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘 산화물(silicon oxide) 및 실리콘 산화질화물(silicon oxynitride)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 프린트헤드.
The method of claim 5,
The ceramic material is selected from the group consisting of silicon nitride, silicon oxide and silicon oxynitride.
제1항에 있어서,
상기 루프는 기판으로부터 간격을 두고 떨어져 있어, 각 노즐 챔버의 측벽이 상기 노즐 플레이트와 상기 기판 사이에 뻗어 있는 프린트헤드.
The method of claim 1,
The loops spaced apart from the substrate such that sidewalls of each nozzle chamber extend between the nozzle plate and the substrate.
제1항에 있어서,
상기 노즐 개구는 루프의 변동부에 형성되어 있는 프린트헤드.
The method of claim 1,
And the nozzle opening is formed in the fluctuation portion of the loop.
제1항에 있어서,
상기 노즐 개구는 루프의 고정부(stationary portion)에 형성되어 있는 프린트헤드.
The method of claim 1,
And the nozzle opening is formed in a stationary portion of the loop.
제1항에 있어서,
상기 고분자 재료는 루프의 변동부와 고정부 사이에 기계적 밀봉(mechanical seal)을 형성함으로써, 액츄에이터의 작동 중에 잉크 누출을 최소화하는 프린트헤드.
The method of claim 1,
The polymeric material minimizes ink leakage during operation of the actuator by forming a mechanical seal between the fluctuations of the loop and the fixture.
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