KR101684727B1 - 열 저항기 유체 토출 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

열 저항기 유체 토출 어셈블리는 절연 기판 및 이 기판에 형성되는 제 1 및 2 전극을 포함한다. 가변적인 폭을 갖는 복수의 개별적인 저항기 요소가 기판상에 병렬로 배치되고 또한 제 1 단부에서 제 1 전극에 전기적으로 연결되고 또한 제 2 단부에서는 제 2 전극에 전기적으로 연결되어 있다.

Description

열 저항기 유체 토출 어셈블리{THERMAL RESISTOR FLUID EJECTION ASSEMBLY}
본 발명은 열 저항기 유체 토출 어셈블리에 관한 것이다.
잉크젯 인쇄 장치는 유체 액적의 드롭-온-디맨드(drop-on-demand; DOD) 토출을 제공하는 유체 토출 장치의 일 예이다. 통상적인 DOD 잉크젯 인쇄기에서, 프린트헤드는 복수의 노즐을 통해 종이와 같은 인쇄 매체를 향해 유체 액적(예컨대, 잉크)을 토출하여 그 인쇄 매체 상에 이미지를 인쇄하게 된다. 상기 노즐은 일반적으로 하나 이상의 열로 배열되며, 따라서 프린트헤드와 인쇄 매체가 서로에 대해 상대 이동할 때 노즐에서 잉크가 적절히 순차적으로 토출되면 문자나 다른 이미지가 인쇄 매체 상에 인쇄된다.
DOD 잉크젯 인쇄기의 일 예는 열 잉크젯(TIJ) 인쇄기이다. TIJ 인쇄기에서, 프린트헤드는 유체로 채워진 챔버 안에서 저항기 가열 요소를 포함하며, 이 가열 요소는 유체를 증발시켜 신속 팽창 기포를 생성하게 되며, 이 기포에 의해 유체 액적이 프린트헤드 노즐 밖으로 나가게 된다. 상기 가열 요소에 흐르는 전류는 열을 발생시켜 챔버내 유체의 소량 부분을 증발시킨다. 가열 요소가 냉각됨에 따라 기포가 붕괴되어, 노즐을 통해 다른 액적을 토출시키기 위한 준비로 저장부로부터 유체가 상기 챔버 안으로 더 흡인된다.
불행하게도, TIJ 프린트헤드의 발사 기구에서의 열 및 전기적 비효율성(즉, 유체가 과열되어 기포가 형성됨)은, TIJ 인쇄기의 가격을 증가시키고 또한 그의 전체적인 인쇄 품질을 저하시키는 많은 단점을 나타낸다. 일 단점은, 예컨대 저항기 가열 요소의 발사 표면 상에서의 잔류물(koga)의 쌓임으로 인해 잉크젯 펜의 수명 동안에 발사 성능이 저하되는 것이다. 액적 토출률 또는 발사 속도를 증가시킬 때(예컨대, 인쇄면 처리량을 유지하면서 이미지 해상도를 증가시키기 위해)의 다른 단점은, 프린트헤드가 과열되어 증기 로크(lock) 상태가 초래될 수 있고 이 때문에 더 이상의 발사가 억제되고 또한 프린트헤드에 대한 잠재적인 손상이 있게 된다는 것이다. 다른 단점은, 열적으로 비효율적인 저항기 가열 요소를 구동하는 파워 버스(power bus) 및 큰 전자 장치가 TIJ 프린트헤드에서 값비싼 실리콘 공간을 차지한다는 것이다.
문제 및 해결 방안의 개관
위에서 언급한 바와 같이, 열 잉크젯(TIJ) 장치는 일반적으로 TIJ 프린트헤드 발사 기구에서의 열적 및 전기적 비효율성과 관련된 다양한 단점들을 갖고 있다. 열적 및 전기적 비효율성은 보다 구체적으로는 TIJ 저항기 가열 요소의 핵형성 표면(즉, 기포 형성이 일어나는 저항기/유체 계면)에서의 온도 불균일로 나타나며, 그 결과 가열 요소에 더 큰 에너지를 전달할 필요가 있다. 그러나, 온도 불균일 문제를 해결하기 위해 TIJ 저항기 가열 요소에 주어지는 발사 에너지를 증가시키면 다른 다양한 문제가 생긴다.
이러한 문제들 중의 하나는 TIJ 프린트헤드에서의 유체 액적 토출률(즉, 발사 속도)에 영향을 준다. 더 높은 토출률이 증가된 이미지 해상도, 더 빠른 페이지 처리량 또는 이들 둘다를 얻을 수 있게 해주므로 유리하다. 그러나, TIJ 저항기 가열 요소의 핵형성 표면으로부터 유체(예컨대, 잉크)로의 에너지 전달에 있어서의 비효율성으로 인해 잔류 열이 생기게 되는데, 이 잔류 열은 프린트헤드의 온도를 증가시키게 된다. 액적 토출률이 증가하면, 주어진 기간에 걸쳐 가열 요소를 통해 전달되는 에너지의 양이 증가된다. 그러므로, 액적 토출률의 증가로 인해 추가적인 잔류 열이 생기면 이에 상응하여 프린트헤드 온도가 증가되며, 결국에는, 더 이상의 발사를 못하게 만드는 증기 로크(vapor lock) 상태(과열) 및 프린트헤드에 대한 잠재적인 손상이 유발된다. 따라서, 저항기 가열 요소의 표면으로부터 잉크로의 에너지 전달이 비효율적이면 액적 토출률을 제한하거나 조정할 필요가 있게 되는데, 이는 예컨대 고속 출판 시장에서는 상당한 단점이 된다.
TIJ 저항기 가열 요소의 표면으로부터 잉크로의 에너지 전달이 비효율적이면, 잉크젯 인쇄 시스템의 전체 가격이 또한 증가된다. 열적으로 비효율적인 TIJ 저항기의 큰 뱅크(bank)를 구동하기 위해 증가된 에너지를 전달하기 위해서는 큰 FET 및 파워 버스가 필요하게 된다. 더 큰 장치와 버스는 귀중한 실리콘 공간을 차지할 뿐만 아니라, 그와 관련된 전기적 기생이 또한 결국에는 프린트헤드 다이 수축의 양을 제한하게 된다. 따라서, 비효율적인 TIJ 저항기를 지지하는데 더 큰 실리콘 공간이 필요하다라는 것은, 실리콘이 많은 잉크젯 인쇄 시스템의 전체 가격 중의 상당한 부분을 계속 차지함을 의미한다.
TIJ 저항기의 핵형성 표면에서의 온도 불균일을 극복하기 위해 그 TIJ 저항기에 주어지는 발사 에너지를 증가시키면, TIJ 저항기의 표면에서의 온도가 결과적으로 더 높게 되는 것과 관련한 다른 문제가 생기게 된다. 핵형성 표면에서의 온도가 전체적으로 증가하면 액적 중량, 액적 속도, 액적 궤도 및 액적 형상과 같은 토출된 유체 액적의 어떤 바람직한 특성들이 유지되지만, 코게이션(kogation)이 증가되는 부작용도 나타난다. 이 코게이션은 저항기의 표면에 잔류물(koga)이 쌓이는 것이다. 시간이 지남에 따라, 코게이션은 액적 중량, 액적 속도, 액적 궤도 및 액적 형상과 같은 유체 액적 특성에 나쁜 영향을 주게 되며, 결국에는 TIJ 인쇄 시스템에서 전체적인 인쇄 품질을 저하시키게 된다.
TIJ 저항기 가열 요소에서의 열적 비효율성 및 비균일성의 문제에 대한 종래의 해결 방안은, TIJ 저항기와 토출 유체(잉크) 모두를 바꾸는 것을 포함한다. 그러나, 이러한 해결 방안에는 단점이 있다. 예컨대, 저항기를 부유식으로 설계하면, 유체에 침지되어 있는 박막 저항기의 양 측에서 가열을 할 수 있어, 유체에 노출되는 저항기 표면 영역의 양이 증대되어 열/에너지 전달 효율이 개선된다. 그러나, 취약한 박막 비임은 액적 토출 중에 격렬한 핵형성 상황에 노출되면 비신뢰적으로 될 수 있으며 또한 비용을 증가시키는 전문화된 제작 공정을 필요로 한다. 다른 예는 중심 영역이 제거되어 있는 도넛형 저항기인데, 이러한 저항기는 저항기 효율을 개선하고 또한 TIJ 저항기에 공통적인 열점(hot spot)을 제거하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 만곡된 "도넛" 형상에 대해 근본적인 전기적 경로 길이의 변화로 인해 전류 혼잡 및 전류 밀도 불균일의 문제가 나타나게 되며, 이리 하여 결국에는 열점이 발생되어 저항기에서 온도 불균일이 유발된다. 상기 코게이션에 대한 종래의 해결 방안은, 프린트헤드의 수명 동안에 덜 반응적인 화학적 결합을 결정하기 위해 잉크 조성을 조정하는 것을 주로 포함한다. 그러나, 이 해결 방안은 비용을 상당히 증가시키고 또한 TIJ 프린트헤드에서 이용될 수 있는 유체/잉크의 이용가능성을 감소시켜 결국에는 TIJ 인쇄 시스템에 이용될 수 있는 인쇄 시장이 제한된다.
본 발명의 실시형태는 일반적으로 핵형성 표면에서 온도 균일성을 얻기 위해 개별적으로 설정되는 폭과 공간을 갖는 복수의 평행한 저항기 요소를 사용하는 TIJ 저항기 구조체를 통해, TIJ 저항기의 핵형성 표면에서의 온도 불균일과 관련된 TIJ 장치의 단점(예컨대, 열적 및 전기적 비효율성)을 극복하는데 도움을 준다. 결과적인 TIJ 저항기 구조체는 개별적인 리지(ridge) 또는 "빗살형 부분" 사이에 형성되는 홈 또는 채널을 갖는 3차원 구조이다. 저항기 요소의 3차원 표면 및 가변적인 폭과 공간은 TIJ 저항기의 핵형성 표면에서의 개선된 온도 균일성 및 저항기 재료의 단위 영역 당 핵형성 표면 영역의 증가에 기여한다. 핵형성 표면 영역이 더 커지고 또한 그 핵형성 표면에서의 온도 균일성이 개선되면, TIJ 저항기 구조체와 유체 간의 에너지 또는 열 전달의 효율이 개선된다. 그리고, 개선된 열효율과 균일성은 각 유체 액적을 토출하는데 필요한 에너지의 양을 감소시켜 주며, 그 결과 예컨대 증기 로크 상태의 유발 없이 유체 액적 토출률을 증가시킬 수 있고 FET 및 파워 버스 폭을 감소시켜 더욱 적극적인 다이 수축을 가능케 하며 또한 실리콘 비용을 저감시킬 수 있으며 그리고 코게이션을 감소시켜 TIJ 프린트헤드의 수명 동안에 액적 토출 성능을 개선시키는 것을 포함하여 많은 이점들이 얻어진다.
일 예시적인 실시형태에서, 열 저항기 유체 토출 어셈블리는 절연 기판을 포함하고, 이 절연 기판에는 제 1 및 2 전극이 형성된다. 가변적인 폭을 갖는 복수의 개별 저항기 요소들이 상기 기판에 병렬로 배치되며 제 1 단부에서 제 1 전극에 전기적으로 연결되고 또한 제 2 단부에서는 제 2 전극에 전기적으로 연결된다.
다른 실시형태에서, 유체 토출 장치는 복수의 저항기 요소를 갖는 저항기 구조체를 갖는 유체 토출 어셈블리를 포함한다. 이 저항기 구조체는 상기 저항기 요소로 가열되면 유체를 증발시키기 위해 홈형 채널에 의해 분리되어 있는 돌출 리지를 갖는 편평하지 않는 핵형성 표면(정상층으로서 형성됨)을 갖는다. 각 돌출 리지의 폭은 핵형성 표면 아래에 있는 관련된 저항기 요소와 맞게 되어 있다.
다른 실시형태에서, 열 저항기 구조체는 병렬로 연결되는 복수의 저항기 요소를 포함하며, 이 저항기 요소는 불균일한 폭을 갖는다. 매 2개의 저항기 요소 사이에는 공간이 있다. 박막 공동화(cavitation) 층이 저항기 요소와 상기 공간 위에 형성되어 있어, 각각의 저항기 요소 위에 리지가 형성되고 각각의 공간 위에는 채널이 형성되며, 상기 공동화 층은 저항기 요소로부터 열을 전달하여 챔버내의 유체를 증발시키고 그 챔버로부터 유체 액적을 토출시키기 위해 핵형성 표면을 형성한다.
이제 본 실시형태들을 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 설명하도록 한다.
도 1은 일 실시형태에 따른 유체 토출 어셈블리를 결합하는데 적합한 잉크젯 펜의 일 예를 나타낸다.
도 2a는 일 실시형태에 따른 부분 유체 토출 어셈블리의 횡단면도를 나타낸다.
도 2b는 일 실시형태에 따른 도 2a의 부분 유체 토출 어셈블리(90도 회전되어 있음)의 횡단면도를 나타낸다.
도 2c는 작동 중에 있는 일 실시형태에 다른 부분 유체 토출 어셈블리의 횡단면도를 나타낸다.
도 2d는 일 실시형태에 따라 부분적인 전기 회로에서 전기적으로 병렬 연결된 저항기 가열 요소를 나타낸다.
도 3은 일 실시형태에 따른 부분 3차원 저항기 구조체의 확대 횡단면도를 나타낸다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 실시형태에 따라 가변적인 수의 저항기 요소를 갖는 저항기 구조체의 상면도를 나타낸다.
도 5는 일 실시형태에 따라 폭의 크기가 요소 사이의 공간과 같지 않는 저항기 요소를 갖는 저항기 구조체의 상면도를 나타낸다.
도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d는 일 실시형태에 따라 저항기 요소의 폭 및 그 요소 사이의 공간에 있어 다양한 차이를 갖는 저항기 구조체들의 상면도를 나타낸다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 실시형태에 따라 빗살형 부분의 가변적인 높이 치수를 갖는 저항기 구조체의 횡단면도를 나타낸다.
도 8은 일 실시형태에 따라 빗살형 부분이 경사 코너를 갖고 있는 저항기 구조체의 횡단면도이다.
도 9는 일 실시형태에 따른 기본적인 유체 토출 장치의 블럭도를 나타낸다.
예시적인 실시형태
도 1은 일 실시형태에 따른 본 명세서에 개시된 바와 같은 유체 토출 어셈블리(102)를 결합하는데 적합한 잉크젯 펜(100)의 일 예를 나타낸다. 이 실시형태에서, 유체 토출 어셈블리(102)는 유체 액적 분출 프린트헤드(102)로서 나타나 있다. 잉크젯 펜(100)은 펜 카트리지 몸체(104), 프린트헤드(102) 및 전기 접촉부(106)를 포함한다. 프린트헤드(102) 내부의 개별적인 유체 액적 발생기(200)(예컨대, 도 2 참조요)가 접촉부(106)에서 제공되는 전기 신호로 통전되면, 선택된 노즐(108)로부터 유체 액적을 토출시키게 된다. 유체는 다양한 인쇄가능한 유체, 잉크, 전처리 조성물, 정착제(fixer) 등과 같은, 인쇄 과정에서 사용되는데 적절한 어떤 유체라도 될 수 있다. 일부 실시예에서, 유체는 인쇄 유체 외의 다른 유체일 수 있다. 상기 펜(100)은 카트리지 몸체(104) 내부에서 그 자체의 유체 공급부를 포함할 수 있으며, 또는 예컨대 관을 통해 펜(100)에 연결되는 유체 저장부와 같은 외부 공급부(미도시)로부터 유체를 받을 수도 있다. 자체의 유체 공급부를 포함하는 펜(100)은 일단 그 유체 공급부가 소모되면 일반적으로 버려질 수 있다.
도 2a는 본 개시의 일 실시형태에 따른 부분 유체 토출 어셈블리(102)의 횡단면도를 나타낸다. 도 2b는 본 개시의 일 실시형태에 따른 도 2a의 동일한 부분 유체 토출 어셈블리(102)(90도 회전되어 있음)의 횡단면도를 나타낸다. 부분 유체 토출 어셈블리(102)는 개별적인 유체 액적 발생기 어셈블리(200)로 나타나 있다. 액적 발생기 어셈블리(200)는 강성적인 바닥 기판(202) 및 강성적인(또는 가요적인) 정상 노즐 판(204)을 가지며, 이 노즐 판은 유체 액적이 토출될 때 통과하는 노즐 출구(206)를 갖고 있다. 상기 기판(202)은 전형적으로 그의 정상 표면에서 산화물 층(208)을 갖는 실리콘 기판이다. 박막 적층체(210)는 일반적으로 산화물 층, 복수의 개별적인 저항기 가열/발사 요소(212)를 형성하는 금속층, 전도성 전극 트레이스(trace; 214)(도 2b), 부동태화(passivation) 층(216), 및 공동화 층(218)(예컨대, 탄탈륨)을 포함한다. 상기 박막 적층체(210)는, 도 3 내지 도 8과 관련하여 더 자세히 설명하는 바와 같이, 개별적인 리지 또는 "빗살형 부분" 사이에 홈 또는 채널이 형성되어 있는 3차원 저항기 구조체(300)를 형성한다.
상기 유체 액적 발생기 어셈블리(200)는 측벽(220A, 220B)(총칭적으로 측벽(220)이라고 한다)과 같은 복수의 측벽들을 또한 포함한다. 측벽(220)은 노즐 판(204)과 기판 바닥(202)을 서로 분리시킨다. 기판 바닥(202), 노즐 판(204) 및 측벽(220)은 유체 챔버(222)를 형성하게 되며, 이 챔버는 노즐 출구(206)를 통해 유체 액적으로서 토출될 유체를 포함한다. 측벽(220B)은 결국에는 노즐 출구(206)를 통해 액적으로서 토출되는 유체를 받는 유체 입구(224)를 갖는다. 이 유체 입구(224)의 배치는 측벽(220B)에 한정되지 않는다. 다른 실시형태에서, 예컨대 유체 입구(224)는 다른 측벽(220A) 또는 기판 바닥(202)에 배치될 수 있으며, 또는 다양한 측벽(220) 또는 기판(202)에 배치되는 복수의 유체 입구를 포함할 수도 있다.
도 2c는 작동 중에 있는 본 발명의 일 실시형태에 따른 부분 유체 토출 어셈블리(102)의 횡단면도를 나타낸다. 작동 중에, 액적 발생기(200)는 저항기 요소(212)에 전류를 흐르게 하여 노즐(206)을 통해 유체(226)의 액적을 토출시킨다. 일반적으로 도 2d의 부분 전기 회로도에서 보는 바와 같이, 개별적인 저항기 가열 요소(212)가 전도성 전극 트레이스(214) 사이에 전기적으로 병렬 연결되어 있다. 저항기 요소(212)에 흐르는 전류(232)는 열을 발생시키고 발사 챔버(222) 내의 저항기 구조체(300)의 표면(즉, 기포 형성이 일어나는 저항기 가열 요소(212)의 근처에 있는 탄탈륨 공동화 층(218)/유체 계면)에서 유체(226)의 소량 부분을 증발시킨다. 전류 펄스가 공급되면, 저항기 요소(212)에 의해 발생되는 열은 신속하게 팽창되는 기포(228)를 생성시키는데, 이 기포에 의해 작은 유체 액적(230)이 발사 챔버 노즐(206) 밖으로 나가게 된다. 저항기 요소(212)가 냉각되면, 기포가 신속히 붕괴되어, 노즐(206)로부터 다른 액적(226)을 토출시키기 위한 준비로 입구(224)를 통해 유체(226)가 발사 챔버(222) 안으로 더 흡인된다.
도 3은 본 개시의 일 실시형태에 따른 부분 3차원 저항기 구조체(300)의 일 실시형태의 확대 횡단면도를 나타낸다. 주어진 저항기 구조체(300)내의 저항기 요소(212)의 수는 가변적이다. 저항기 구조체(300)의 핵형성 표면에서의 온도 균일성에 대한 상당한 개선이 6개 또는 7개의 저항기 요소(212)를 갖는 저항기 구조체(300)를 사용하여 달성되지만(그 결과, 열적 및 전기적 효율에 있어서 상당한 이득이 얻어진다), 상기 구조체(300)에 있는 요소(212)의 수는 요구되는 핵형성 표면 영역 및 저항기 요소의 폭, 공간 및 높이의 선택에 근거하여 이 범위를 벗어나 크게 변할 수 있다.
저항기 구조체(300)에 있는 각각의 저항기 요소(212) 사이에는 공간(302)이 있다. 일반적으로, 각 저항기 요소(212)의 폭(304)과 매 2개의 요소(212) 사이의 공간(302)은 가변적이다. 저항기 요소(212)의 폭 및 공간(302)은 상기 구조체(300)내에 존재하는 요소(212)의 수에 따라 당연히 변하게 되다. 예컨대, 특정 폭을 갖는 주어진 저항기 구조체(300)에 대해, 그 구조체(300)내에서 요소(212)의 수가 증가되면, 요소 폭(304) 및/또는 요소(212) 사이의 공간(302)은 줄어들 것이다. 추가로, 그러나 요소 폭(304) 및 공간(302)은 구조체(300)에 있는 요소(212)의 수에는 독립적인 방식으로 구조체(300)에서 개별적으로 변할 수도 있다. 예컨대, 7개의 저항기 요소(212)를 포함하는 저항기 구조체(300)에서, 그 7개의 요소들 중 서로 다른 것들 또는 모두는 서로 다른 폭(304)을 가질 수 있다. 개별적인 저항기 요소(212)와 같이, 저항기 요소(212) 사이의 공간(302) 역시 구조체(300)에 있는 요소(212)의 수에 독립적인 방식으로 구조체(300)에서 개별적으로 변할 수 있다. 더욱이, 저항기 구조체(300)에 존재하는 각 저항기 요소(212)로 인해, 역시 가변적인 높이(306)를 갖는 빗살형 부분이 나타나게 된다. 그래서, 저항기 구조체(300) 내에서는 3개의 가변적인 치수가 있게 된다. 이들은 각 저항기 요소(212)의 폭, 매 2개의 저항기 요소(212) 사이의 공간(302) 및 각 저항기 요소(212)와 관련된 각 빗살형 부분의 높이(306)를 포함한다.
일반적으로, 빗형 저항기에서의 가변적인 요소 폭, 공간 및 높이는 맞춤형 열 분포를 제공한다. 저항기 요소(212)의 가변적인 수, 저항기 요소(212)의 가변적인 폭(304)과 공간(302) 및 빗살형 부분의 가변적인 높이(306)는 저항기 요소(212)와 유체(226) 사이의 열 에너지 전달 효율을 개선시켜 주며 또한 온도 균일성이 최대화될 수 있도록 저항기 구조체(300)의 핵형성 표면에서의 온도 분포에 대한 높은 정도의 제어를 가능케 해준다. 보다 구체적으로, 도 3에서 보는 바와 같이, 3차원 저항기 구조체(300)로 인해, 저항기 요소(212)의 결합 영역 당 증가된 양의 핵형성 표면 영역(308)이 얻어지며, 그리하여 유체(226)에 대한 열 에너지 전달량이 증가된다(또한 프린트헤드로의 잔류 열에너지 손실이 감소된다). 핵형성 표면 영역(308)의 양이 증가되고 또한 작용하는 저항기 요소(212)에 대한 그의 근접도를 제어할 수 있으므로(예컨대, 상기 폭(304), 공간(302) 및 빗살형 부분의 높이(306)를 변화시켜), 저항기 구조체(300)의 전체 표면 영역에서의 열 에너지 분포와 온도 균일성을 더 잘 제어할 수 있다.
저항기 요소(212)의 폭(304)과 공간(302) 및 빗살형 부분의 높이(306)의 특정한 상대적인 치수는 저항기 구조체(300)의 표면에서의 개선된 열효율 및 온도 균일성에 기여함으로써 액적 발생기(200)의 유체 액적 토출 성능에 가변적인 영향을 준다. 예컨대, 유체 액적 토출 성능(즉, 원하는 액적 중량, 액적 속도, 액적 궤도, 액정 형상)은 저항기 요소(212)의 폭(304)과 공간(302)이 더 작아짐에 따라 개선되는 경향이 있다. 현재, 저항기 요소(212)의 폭(304) 및 그 요소의 공간(302) 둘다에 대한 0.25 ~ 3.00㎛의 범위가 가장 큰 성능 이익을 주는 것으로 생각되고 있다. 중요하다고 생각되는 현재의 높이(306)는 0.25㎛ ~ 1.00㎛이다. 그러나, 이들 범위는 제한적인 것이 아니고, 관련된 제작 기술이 발전함에 함에 따라 더 넓은 범위(예컨대, 더 낮은 한계)도 고려되고 있다. 따라서, 예컨대 약 0.1㎛와 같은 더욱더 작은 치수에서도 근본적인 이익이 존재할 수 있다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 실시형태에 따라 가변적인 수의 저항기 요소(212)를 갖는 저항기 구조체(300)의 상면도를 나타낸다. 위에서 언급한 바와 같이, 특정한 수의 저항기 요소(212)를 갖는 저항기 구조체(300)는 단지 예일 뿐이고, 저항기 구조체(300)에 존재할 수 있는 요소(212)의 수를 제한하고자 하는 것은 아니다. 그래서, 각 구조체(300)에 있는 요소(212)의 수는 제공되어 있는 예에서 벗어나 변할 수 있다. 따라서, 예컨대 도 4a에 있는 저항기 구조체(300)는 두개의 저항기 요소(212)를 갖는다. 도 4b 및 도 4c에서, 저항기 구조체(300)는 3개 및 4개의 저항기 요소(212)를 각각 갖는다. 저항기 구조체(300)는 가변적인 수의 저항기 요소(212)를 가질 수 있다는 것을 보여주는 것 외에도, 도 4a 내지 도 4c는 요소(212)의 폭(304) 및 요소 사이의 공간(302)이 상기 구조체(300) 내에 존재하는 요소(212)의 수에 따라 어떻게 변하는 가도 보여준다. 저항기 요소(212)의 수가 2개에서 4개로 증가되면, 요소 폭(304) 및 요소(212) 사이의 공간(302)은 감소된다.
도 4a 내지 도 4c에 있는 저항기 구조체(300)는 요소(212)의 폭(304) 및 공간(302)이 동일한 실시예를 나타내지만, 다른 실시형태에서 폭(304) 및 공간(302)은 같지 않다. 예컨대, 도 5는 본 개시의 일 실시형태에 따라 폭(304)의 크기가 요소(212) 사이의 공간(302)과 같지 않는 저항기 요소(212)를 갖는 저항기 구조체(300)의 상면도를 나타낸다. 이 실시예에서, 요소(212)의 폭(304)은 서로 같고 요소(212) 사이의 공간(302)도 서로 같지만, 폭은 공간과 같지 않다. 구체적으로, 요소 폭(304)은 공간(302) 보다 넓게 되어 있다. 그러나, 다른 실시형태에서, 요소(212)의 폭(304)은 요소 사이의 공간(302) 보다 좁게 되어 있다.
도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d는 본 개시의 실시형태에 따라 저항기 요소(212)의 폭(304) 및 그 요소 사이의 공간(302)에 있어 다양한 차이를 갖는 저항기 구조체(300)들의 상면도를 나타낸다. 도 6a에 나타나 있는 실시형태에서, 7개의 저항기 요소(212)가 저항기 구조체(300)의 표면에서 6개의 공간(302)으로 분리되어 있다. 요소(212)의 폭(304)은 구조체(300)의 가장자리 쪽으로 더 넓게 되어 있고 중심 쪽으로는 더 좁게 되어 있다. 공간(302)은 구조체(300)에서 일정하다. 도 6b에 나타나 있는 실시형태에서도 7개의 저항기 요소(212)가 저항기 구조체(300)의 표면에서 6개의 공간(302)으로 분리되어 있다. 그러나, 요소(212)의 폭(304)은 구조체(300)의 가장자리 쪽으로 더 좁게 되어 있고 중심 쪽으로는 더 넓게 되어 있다. 여기서도 공간(302)은 구조체(300)에서 일정하다. 도 6c에 나타나 있는 실시형태에서, 4개의 저항기 요소(212)가 저항기 구조체(300)의 표면에서 3개의 공간(302)으로 분리되어 있다. 이 경우, 요소(212)의 폭(304)과 그 요소 사이의 공간(302) 모두는 구조체(300)의 중심 쪽으로 더 좁게 되어 있고 그 구조체의 가장자리 쪽으로는 더 넓게 되어 있다. 도 6d에 나타나 있는 실시형태에서, 5개의 저항기 요소(212)가 저항기 구조체(300)의 표면에서 4개의 공간(302)으로 분리되어 있다. 이 경우, 요소(212)의 폭(304)은 구조체(300)의 중심 쪽으로 더 좁게 되어 있고 그 구조체의 가장자리 쪽으로는 더 넓게 되어 있으며, 요소 사이의 공간(302)은 구조체(300)의 중심 쪽으로 더 넓게 되어 있고 그 구조체의 가장자리 쪽으로는 더 좁게 되어 있다. 따라서, 상기 구조체(300)에서 최적의 온도 균일성을 얻고 또한 그 구조체와 유체(226) 사이에 최적의 열 에너지 전달 효율을 얻기 위해, 저항기 구조체(300)에서 사실상 저항기 요소(212)의 어떤 구성이라도 또한 어떤 폭(304) 및 공간(302)이라도 가능하다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 본 개시의 실시형태에 따라 빗살형 부분의 가변적인 높이(306) 치수를 갖는 저항기 구조체(300)의 횡단면도를 나타낸다. 높이(306)는 빗살형 부분의 정상부(700)에 있는 저항기 구조체(300)의 표면(즉, 탄탈륨 공동화 층(218)의 표면)에서부터 빗살형 부분의 바닥(702)에 있는 저항기 구조체(300)의 표면까지의 거리이다. 저항기 요소(212)의 폭(304) 및 공간(302)의 경우처럼, 빗살형 부분의 높이(306)도 가변적이다. 상기 폭(304), 공간(302) 및 빗살형 부분의 높이(306)를 변화시켜, 핵형성 표면 영역(308)의 양 및 저항기 요소(212)에 대한 그의 근접도(즉, 가까운 정도)를 제어할 수 있다. 따라서, 높이(306) 치수를 변화시키면, 저항기 구조체(300)의 표면에서 온도 균일성 및 열 에너지 전달 효율을 최적화하는데 또한 도움이 된다. 더욱이, 저항기 수명을 제어 또는 조절하는데 도움을 주기 위해 높이(306)의 제한 또는 최소화를 또한 사용할 수 있다.
도 7a에 나타나 있는 실시형태에서, 저항기 구조체(300)의 빗살형 부분의 높이(306)는 일 예시적인 상한에 있는 것으로 나타나 있고, 도 7b에 나타나 있는 실시형태에서 높이(306)는 일 예시적인 하한에 있는 것으로 나타나 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 0.25㎛ ~ 1.00㎛의 현재 높이(306) 범위가 가장 큰 성능 이익을 주는 것으로 생각되고 있는데, 하지만 다른 높이를 사용해서도 이익이 존재하므로, 이 범위는 제한적인 것이 아니다. 예컨대, 아마도 높이를 0.0㎛로 더 제한하면(즉, 평평한 핵형성 표면), 저항기 수명의 최적화에 영향을 줄 수 있다. 도 7c는 구조체(300)의 표면에서 빗살형 부분의 높이(306)가 변하는 저항기 구조체(300)를 나타낸다. 따라서, 특정 저항기 구조체(300)에서 폭(304) 및 공간(302)이 변할 수 있으므로, 빗살형 부분의 높이(306)도 변할 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시형태에 따라 빗살형 부분이 경사 코너를 갖고 있는 저항기 구조체(300)의 횡단면도이다. 빗살형 부분의 경사 코너(800)(즉, 탄탈륨 공동화 층(218)의 표면에 있음)로 인해, 저항기 구조체(300)의 핵형성 표면 영역이 증가된다. 추가로, 경사 코너(800)에 의해, 구조체(300)의 표면에서 추가적인 온도 균일성을 제공하기 위해 개별적인 저항기 요소(212) 주변의 핵형성 표면 영역의 근접도가 더 조절된다. 경사부(800)가 없으면, 빗살형 부분의 날카로운 코너는 요소(212)로부터 더 멀리 떨어져 있게 되고 그래서 상기 표면에 있어서 저항기 요소(212)에 더 일정하게 가까운 영역보다 큰 온도 편차를 갖게 된다. 도 8에서 보는 바와 같이, 밑에 있는 부동태화 층(216)의 윤곽은 또한 코너(800)의 경사진 형상을 따를 수 있다. 또한, 일반적으로 박막 증착 공정으로 인해, 빗살형 부분의 가파른 수직 측벽에 있는 박막은 전형적으로 수평 정상 표면의 막의 두께의 약 1/2이다. 수직 측벽에서의 이러한 막형성 범위의 차이로 인해 저항기 요소(212)에서부터 채널 또는 공간(302)까지의 열 경로 길이가 단축되는데, 이는 요소로부터 채널 또는 공간(302)으로의 횡방향 열전달에 도움이 된다.
도 9는 본 개시의 일 실시형태에 따른 기본적인 유체 토출 장치의 블럭도를 나타낸다. 이 유체 토출 장치(900)는 전자 제어기(902) 및 유체 토출 어셈블리(102)를 포함한다. 유체 토출 어셈블리(102)는 본 발명에서 설명되고, 도시 및/또는 고려되는 유체 토출 어셈블리(102)의 어떤 실시형태라도 될 수 있다. 전자 제어기(902)는 전형적으로 유체 액적을 정확하게 토출시키기 위해 상기 어셈블리(102)와 통신하여 그 어셈블리를 제어하기 위한 프로세서, 펌웨어(firmware) 및 다른 전자 장비를 포함한다.
일 실시형태에서, 상기 유체 토출 장치(900)는 잉크젯 인쇄 장치일 수 있다. 그래서, 유체 토출 장치(900)는 유체 토출 어셈블리(102)에 유체를 공급하는 유체/잉크 공급 어셈블리(904), 토출된 유체 액적의 패턴을 받는 매체를 제공하는 매체 전달 어셈블리(906) 및 전력 공급부(908)를 포함한다. 일반적으로, 전자 제어기(902)는 컴퓨터와 같은 호스트 시스템으로부터 데이터(910)를 받는다. 이 데이터는 예컨대 인쇄될 문서 및/또는 파일을 나타내며, 하나 이상의 인쇄 작업 명령 및/또는 명령 파라미터를 포함하는 인쇄 작업을 형성한다. 상기 데이터로부터 전자 제어기(902)는 문자, 기호 및/또는 다른 그래픽 또는 이미지를 형성하는 토출 대상 액적의 패턴을 정하게 된다.

Claims (15)

  1. 열 저항기 유체 토출 어셈블리에 있어서,
    절연 기판과,
    상기 기판에 형성되는 제 1 및 2 전극과,
    불균일한 폭을 가지며, 상기 기판상에 병렬로 배치되고 또한 제 1 단부에서는 제 1 전극에 전기적으로 연결되고 또한 제 2 단부에서는 제 2 전극에 전기적으로 연결되며, 하나의 액적을 토출하기 위해 서로 협력하는 복수의 개별적인 저항기 요소와,
    상기 각각의 개별적인 저항기 요소 위에 형성되는 리지(ridge) 및 상기 저항기 요소의 양 측의 공간에 형성되는 채널을 갖는 3차원 빗살형 구조체를 포함하고,
    각각의 상기 리지의 정상부로부터 상기 채널의 바닥부까지 연장되는 상기 빗살형 구조체의 높이들이 불균일한 것을 특징으로 하는
    열 저항기 유체 토출 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 2개의 개별적인 저항기 요소 사이의 공간을 더 포함하고, 각각의 공간은 동일한 폭을 갖는
    열 저항기 유체 토출 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각각의 2개의 개별적인 저항기 요소 사이의 공간을 더 포함하고, 적어도 두개의 공간은 다른 폭을 갖는
    열 저항기 유체 토출 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항기 요소들은 저항기 구조체를 형성하고, 상기 저항기 요소의 불균일한 폭은 상기 저항기 구조체의 가장자리 쪽으로 더 넓게 되어 있고 또한 상기 저항기 구조체의 중심 쪽으로는 더 좁게 되어 있는
    열 저항기 유체 토출 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항기 요소들은 저항기 구조체를 형성하고, 상기 저항기 요소의 불균일한 폭은 상기 저항기 구조체의 가장자리 쪽으로 더 좁게 되어 있고 또한 상기 저항기 구조체의 중심 쪽으로는 더 넓게 되어 있는
    열 저항기 유체 토출 어셈블리.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    각 빗살형 구조체의 코너는 경사져 있는
    열 저항기 유체 토출 어셈블리.
  11. 유체 토출 장치에 있어서,
    복수의 저항기 요소들을 갖는 저항기 구조체를 구비하는 유체 토출 어셈블리와,
    홈형 채널에 의해 분리되어 있는 돌출 리지를 가지며 상기 저항기 구조체의 정상층으로서 형성되어, 상기 저항기 요소에 의해 가열될 때 유체를 증발시키는 편평하지 않는 핵형성 표면을 포함하며,
    상기 각 돌출 리지의 폭은 핵형성 표면의 아래에 있는 관련된 저항기 요소와 맞게 되어 있고,
    상기 홈형 채널로부터 상기 돌출 리지의 높이들은 불균일한 것을 특징으로 하는
    유체 토출 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 돌출 리지의 폭은 모두 동일한 것은 아닌
    유체 토출 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    인쇄 작업시의 명령에 따라 저항기 요소를 정확하게 가열함으로써 유체의 증발을 제어하는 전자 제어기를 더 포함하는
    유체 토출 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    유체 챔버와,
    상기 유체 챔버에 배치되어 유체 챔버내의 유체 증발시에 유체 액적을 토출시키는 노즐 출구를 더 포함하는
    유체 토출 장치.
  15. 열 저항기 구조체에 있어서,
    병렬로 연결되며 불균일한 폭을 갖는 복수의 저항기 요소와,
    매 2개의 저항기 요소 사이에 있는 공간과,
    각각의 저항기 요소 위에 리지가 형성되고 또한 각각의 공간 위에는 채널이 형성되도록 상기 저항기 요소와 상기 공간 위에 형성되는 박막 층을 포함하고,
    상기 층은 챔버내의 유체를 증발시켜 상기 챔버로부터 유체 액적을 토출시키기 위해 저항기 요소로부터 열을 전달하는 핵형성 표면을 형성하고,
    복수의 상기 리지는 상기 채널로부터 리지의 정상부까지의 높이가 불균일한 리지를 포함하는 것을 특징으로 하는
    열 저항기 구조체.
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