KR101988870B1 - 가요성 판을 사용하여 간극 중합체 평면화를 위한 방법 - Google Patents
가요성 판을 사용하여 간극 중합체 평면화를 위한 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 잉크 제트 프린트 헤드를 형성하는 방법에 관한 것으로서, 이 방법은
압전 소자들의 배열 상에 미경화된 유전체 간극 층을 제공하고;
상기 미경화된 유전체 간극 층과 상부 프레스 판 사이에 이형제 및 가요성 상부 판을 개재시키고;
상기 미경화된 유전체 간극 층과 상기 이형제를 접촉시키고;
상기 미경화된 유전체 간극 층과 상기 이형제 간의 접촉을 유지하면서 상기 상부 프레스 판을 사용하여 상기 미경화된 유전체 간극 층에 압력을 가하고, 상기 가요성 상부 판은 상기 미경화된 유전체 간극 층에 압력을 가하는 중에 휘고;
상기 미경화된 유전체 간극 층과 상기 이형제 간의 접촉을 유지하면서 상기 유전체 간극 층을 경화시키고 상기 상부 프레스 판을 사용하여 상기 미경화된 유전체 간극 층에 압력을 가하는 것을 포함한다.
압전 소자들의 배열 상에 미경화된 유전체 간극 층을 제공하고;
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Description
본 발명은 가요성 판을 사용하여 간극 중합체 평면화를 위한 방법에 관한 것이다.
드랍 온 디멘드(drop on demand) 잉크 제트 기술은 인쇄 산업계에 널리 사용된다. 드랍 온 디멘드 잉크 제트 기술을 사용하는 프린터들이 열전사(thermal) 잉크 제트 기술 또는 압전 기술을 사용할 수 있는 열전사 잉크 제트들보다 제조하기에 더 고가이지만, 압전 잉크 제트들은 광범위한 잉크들을 사용할 수 있고 코게이션(kogation)과 관련한 문제점들을 감소 또는 제거하므로 일반적으로 선호된다.
압전 잉크 제트 프린트 헤드들은 전형적으로 가요성 다이어프램과, 이 다이어프램에 부착되는 압전 소자(즉, 트랜스듀서 또는 PZT)들의 배열을 전형적으로 포함한다. 전압이 압전 소자에 인가될 때, 전형적으로 전압원에 전기적으로 커플링된 전극과의 전기 접속을 통해, 압전 소자는 구부러지거나 편향되어, 다이어프램이 휘게 하고 이는 일정량의 잉크를 챔버로부터 노즐로 배출시킨다. 이 휨은 배출된 잉크를 대체하도록 구멍을 통해 주 잉크 저장소로부터 챔버에 잉크를 추가로 인입시킨다.
압전 잉크 제트 기술을 사용하는 잉크 제트 프린터의 인쇄 해상도를 증가시키는 것은 설계 기술자들의 목표이다. 압전 잉크 제트 프린트 헤드의 제트 밀도를 증가시키면 인쇄 해상도를 증가시킬 수 있다. 제트 밀도를 증가시키는 하나의 방식은 제트 스택(jet stack) 내측의 다기관(manifold)들을 제거하는 것이다. 이 디자인에서, 각각의 제트에 대한 제트 스택의 뒤(back)와 통하는 단일 포트를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이 포트는 저장소로부터 각각의 제트 챔버로의 잉크의 전달을 위한 경로로서 기능한다. 고밀도 프린트 헤드의 다량의 제트때문에, 다수의 포트(각각의 제트에 대해 하나의 포트)가 다이어프램을 지나 수직으로 및 압전 소자들 사이를 지나가야 한다.
제트 스택을 형성하는 공정들은 각각의 압전 소자 사이의, 몇몇 공정들에서 각각의 압전 소자의 상부 상의, 중합체 재료로부터 간극 층의 형성을 포함할 수 있다. 간극 층이 각각의 압전 소자의 상부 상에서 제공되면, 전도성 압전 소자를 노출하도록 제거된다. 다음에, 그 안에 구멍들을 갖는 패터닝된 고립(standoff) 층이 간극 층에 도포될 수 있고, 여기서 구멍들은 각각의 압전 소자의 상부를 노출시킨다. 전도성 에폭시, 전도성 페이스트, 또는 다른 전도성 재료와 같은 일정 량의(즉, 하나의 미세 방울(microdrop))의 도체가 각각의 압전 소자의 상부에 개별적으로 제공된다. 가요성 인쇄회로(즉, 가요성 회로) 또는 인쇄 회로 기판(PCB)의 전극들이 가요성 회로 또는 PCB의 전극들과 각각의 압전 소자 간의 전기 소통을 돕도록 각각의 전도성 미세 방울과 접촉하게 배치된다. 고립 층은 압전 소자들의 상부에서 원하는 위치들에 전도성 미세 망울들의 흐름을 억제하게(contain) 기능하고, 또한 가요성 회로 또는 PCB와 간극 층 사이에서 접착제로서 기능한다.
제트 스택의 형성 중에, 제트 스택의 표면에 걸쳐 간극 층과 같은 제트 스택들을 균일한 두께로 유지하는 것이 중요하다. 두께 적합성(thickness conformity)은 제트 스택 두께 편차, PZT 두께 편차, 또는 부착물 두께 편차로 인한 문제들을 완화하는 것을 도울 수 있기 때문에 유익하다. 간극 층을 균일한 두께로 형성하는 것은 완성된 프린트헤드 내의 열악한 잉크 소통과 같은 문제점들을 감소시키고, 프린트헤드 내의 잉크 누설 발생정도를 감소시킬 수 있다.
일 실시예에서, 잉크 제트 프린트 헤드를 형성하는 방법은 압전 소자들의 배열 상에 미경화 유전체 간극 층을 제공하고, 상부 프레스 판과 미경화 유전체 간극 층 사이에 이형제와 가요성 상부 판을 개재하고, 이형제와 미경화 유전체 간극 층을 접촉시키고 이형제와 미경화 유전체 간극 층 간의 접촉을 유지하면서 상부 프레스 판을 사용하여 미경화 유전체 간극 층에 압력을 가하는 것을 포함할 수 있고, 가요성 상부 판은 미경화 유전체 간극 층에 압력을 가하는 중에 휜다. 또한, 이형제와 미경화 유전체 간극 층 간의 접촉을 유지하면서 유전체 간극 층을 경화시키고 상부 프레스 판을 사용하여 미경화 유전체 간극 층에 압력을 가한다.
다른 실시예에서, 잉크 제트 프린트 헤드를 형성하기 위한 장치는 하부 프레스 카세트와 상부 프레스 판을 갖는 프레스, 이형제, 및 유리, 실리콘, 석영, 사파이어, 및 금속 중 적어도 하나를 포함하는 가요성 상부 판을 포함할 수 있고, 유리, 실리콘, 석영, 사파이어, 및 금속 중 하나는 약 25㎛ 내지 약 12,700㎛의 두께를 갖고, 여기서 이형제와 가요성 상부 판은 상부 프레스 판과 미경화 간극 층 사이에 개재되게 구성된다.
다른 실시예에서, 잉크 제트 프린터를 형성하는 방법은 압전 소자들의 배열 상에 미경화된 유전체 간극 층을 제공하고; 상기 미경화된 유전체 간극 층과 상부 프레스 판 사이에 이형제 및 가요성 상부 판을 개재시키고; 상기 미경화된 유전체 간극 층과 상기 이형제를 접촉시키고; 상기 미경화된 유전체 간극 층과 상기 이형제 간의 접촉을 유지하면서 상기 상부 프레스 판을 사용하여 상기 미경화된 유전체 간극 층에 압력을 가하고, 상기 가요성 상부 판은 상기 미경화된 유전체 간극 층에 압력을 가하는 중에 휘는 것을 포함하는 방법을 사용하여 하나 이상의 잉크 제트 프린트 헤드를 형성한다. 또한, 상기 미경화된 유전체 간극 층과 상기 이형제 간의 접촉을 유지하면서 상기 유전체 간극 층을 경화시키고 상기 상부 프레스 판을 사용하여 상기 미경화된 유전체 간극 층에 압력을 가한다. 이 방법은 상기 하나 이상의 프린트 헤드를 프린터 하우징 내에 설치하는 것을 추가로 포함한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공중(in-progress) 장치의 중간 압전 소자들의 사시도들.
도 3 내지 도 8 및 도 11 내지 도 19는 가공중 장치의 제트 스택을 포함하는 잉크 제트 프린트 헤드의 형성을 예시하는 단면도들.
도 9 및 도 10은 강성의 상부 판과 가요성 상부 판을 각각 사용하여 형성되는 간극 층에 대한 두께들을 예시하는 그래프들.
도 20은 제트 스택을 포함하는 프린트 헤드의 단면도.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 프린트 헤드를 포함하는 인쇄 장치.
도 3 내지 도 8 및 도 11 내지 도 19는 가공중 장치의 제트 스택을 포함하는 잉크 제트 프린트 헤드의 형성을 예시하는 단면도들.
도 9 및 도 10은 강성의 상부 판과 가요성 상부 판을 각각 사용하여 형성되는 간극 층에 대한 두께들을 예시하는 그래프들.
도 20은 제트 스택을 포함하는 프린트 헤드의 단면도.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 프린트 헤드를 포함하는 인쇄 장치.
도면들의 일부 세부사항들은 간략화되었을 수 있고 엄격한 구조적 정확성, 상세, 및 축척을 유지하기보다 본 발명의 실시예들의 이해를 돕도록 작도되었음을 알아야 한다.
본원에서 사용될 때, 단어 "프린터"는 디지털 복사기, 제책(bookmaking) 장치, 팩스 장치, 다기능 장치, 정전기록(electrostatographic) 장치 등과 같은 임의의 목적을 위한 인쇄 출력 기능을 수행하는 임의의 장치를 포괄한다. 용어 "중합체"는 열경화성 폴리이미드, 열가소성 플라스틱, 수지, 폴리카보네이트, 에폭시, 당업계에 공지된 관련 화합물들을 포함하는 장쇄(long-chain) 분자들로부터 형성되는 광범위한 탄소계 화합물들 중 임의의 것을 포괄한다.
도 1의 사시도에서, 압전 소자 층(10)이 접착제(14)로 전달 캐리어(12; transfer carrier)에 분리가능하게 접합되어 있다. 압전 소자 층(10)은 예를 들어, 내부 유전체로서 기능하도록, 약 25㎛ 내지 약 150㎛ 두께의 티탄산 지르콘산 납(lead zirconate titanate)을 포함할 수 있다. 이 유전체 층은 예를 들어, 이 유전체 층의 각각의 측면 상에 전도성 소자들을 제공하도록 무전해 도금 공정을 사용하여, 니켈로 양면이 도금될 수 있다. 니켈-도금된 유전체 구조물(10)은 평행한 판 콘덴서로서 실질적으로 기능하고 이는 내부 유전체 재료에 걸쳐 전위차를 형성한다. 캐리어(12)는 금속 시트, 플라스틱 시트, 또는 다른 전달 캐리어를 포함할 수 있다. 전달 캐리어(12)에 압전 소자 층(10)을 부착하는 접합제 층(14)은 다이싱(dicing) 테이프, 열가소성 플라스틱, 또는 다른 접착제를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 전달 캐리어(12)는 별개의 접합제 층(14)이 필요하지 않도록 접착제가 발라져 있는 열가소성 수지 층과 같은 재료일 수 있다.
도 1의 구조물을 형성한 후, 압전 소자 층(10)은 도 2에 예시된 바와 같이 다수의 개개의 압전 소자(20)를 형성하도록 절단(dicing)된다. 도 2는 4×3 배열의 압전 소자들을 예시하지만, 더 큰 배열이 형성될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 현재의 프린트 헤드는 344×20 배열의 압전 소자들을 가질 수 있다. 상기 절단은 웨이퍼 절단 톱과 같은 톱으로와 같은 기계적 기술들을 사용하여, 건식 에칭 공정을 사용하여, 레이저 절제 공정 등을 사용하여 수행될 수 있다. 각각의 인접한 압전 소자(20)의 완전한 분리를 보장하기 위해, 상기 절단 공정은 접착제의 일부분을 제거하고 전달 캐리어(12) 상에서 정지된 후에, 또는 접착제(14)를 통해 절단되고 캐리어(12)로 잘라져 들어간 후에 종료될 수 있다.
개개의 압전 소자(20)들을 형성한 후, 도 2의 조립체는 도 3의 단면으로 예시된 바와 같이 제트 스택 하위-조립체(30)에 부착될 수 있다. 도 3의 단면은 개선된 세부사항에 대해 도 2의 구조로부터 확대되어 있고, 하나의 부분적 및 2개의 완전한 압전 소자(20)들의 단면들을 예시한다. 제트 스택 하위-조립체(30)는 공지된 기술들을 사용하여 제조될 수 있다. 제트 스택 하위-조립체(30)는 예를 들어, 접착제 다이어프램 부착 재료(38)를 사용하여 본체 판(34)에 부착된 다이어프램(36), 본체 판(34), 입구/출구 판(32)을 포함할 수 있다. 다이어프램(36)은 후술하는 바와 같이 완성된 장치에서 잉크의 통과를 위해 다수의 구멍(40)을 포함할 수 있다. 도 3의 구조물은 공정의 이 시점에서 대기중 공기로 채워질 수 있는 다수의 공극(42; void)을 추가로 포함한다. 다이어프램 부착 재료(38)는 다이어프램(36)을 지나는 구멍(40)들이 커버되도록 단일 시트 중합체와 같은 중실 시트의 재료일 수 있다.
일 실시예에서, 도 2의 구조물이 압전 소자(20)들과 다이어프램(36) 사이에 접착제를 사용하여 제트 스택 하위-조립체(30)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 측정된 양의 접착제(개별적으로 예시되지 않음)가 압전 소자(20)들의 상부 표면 상에, 또는 다이어프램(36) 상에 중 어느 하나에, 또는 둘 다에 분포, 스크린 인쇄, 압연 등이 될 수 있다. 일 실시예에서, 단 한 방울의 접착제가 각각의 개별적인 압전 소자(20)에 대해 다이어프램 상에 배치될 수 있다. 접착제를 도포한 후, 제트 스택 하위-조립체(30)와 압전 소자(20)들이 서로 정렬된 다음에, 압전 소자(20)들이 접착제로 다이어프램(36)에 기계적으로 연결된다. 접착제는 그 접착제에 적합한 기술들에 의해 경화되어 도 3의 구조물이 된다.
이후에, 전달 캐리어(12)와 접착제(14)가 도 3의 구조물로부터 제거되어 도 4의 구조물이 된다.
다음에, 도 5에 예시된 바와 같이 도 4의 구조물 상에 미경화 유전체 간극 층(50)이 제공된다. 이 간극 층은 중합체, 예를 들어, 미국 오하이오주 콜럼버스 소재의 Hexion Specialty Chemicals로부터 입수가능한 EpikureTM 3277 경화제(49 중량부(parts by weight))와, 코네티컷주 Danbury 소재의 Miller-Stephenson Chemical Co.로부터 입수가능한 EponTM 828 에폭시 수지(100 중량부)의 조합일 수 있다. 이 간극 층(50)은 다이어프램(36)의 상부 표면(52)의 노출된 부분들을 커버하고 경화 이후에 압전 소자(20)들을 밀봉하기에 충분한 양으로 제공될 수 있다. 간극 층(50)은 예시된 바와 같이 다이어프램(36) 내의 구멍(40)들을 추가로 채울 수 있다. 다이어프램(36) 내의 구멍(40)들을 커버하는 다이어프램 부착 재료(38)는 유전체 충전 재료들이 구멍(40)들을 통해 통과하는 것을 방지한다.
간극 층(50)의 경화 전에, 레벨링 과정이 수행되어 균일한 두께를 갖는 간극 층(50)을 제공한다. 레벨링 과정은 동일한 재료 두께를 갖는 각각의 압전 소자(20)를 커버하도록 간극 층(50)을 제공하도록 수행된다. 간극 층(50)이 레벨링되지 않거나 잘 레벨링되지 않으면, 다른 것보다 몇몇 압전 소자(20)들 상에서 더 두꺼울 수 있다. 간극 층(50)이 압전 소자(20)들을 노출하도록 제거하는 중에 비교적 늦은 에칭 속도를 갖기 때문에, 열악한 레벨링으로 인한 작은 두께 증가조차도 각각의 압전 소자(20)들이 노출됨을 보장하는데 상당한 가공 시간 증가를 일으킬 수 있고, 이는 생산 수율을 감소시키고 비용을 증가시킨다. 압전 소자(20)들을 노출시키기 위한 간극 층(50)의 에칭 시간은 4㎛두께 중합체 간극 층을 제거하는데 30분을 초과할 수 있다. 또한, 불균일한 간극 층 두께는 완성된 장치에서 잉크 소통 문제들을 일으킬 수 있다.
본 발명의 레벨링 공정의 일 실시예에서, 도 5의 장치는 도 6에 예시된 바와 같이 지지면 상에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 도 4의 장치는 간극 층(50)을 제공하기 전에 지지면 상에 배치된 다음에 간극 층(50)이 증착될 수 있다. 지지면은 스택 프레스 히터(60), 종래의 하부 프레스 카세트와 같은 기판(62), 재사용가능한 또는 1회용 라이너(64), 및 이형제 코팅(66)을 포함할 수 있다. 라이너(64)는 중합체, 폴리이미드, 또는 플라스틱의 시트와 같은 재료를 포함할 수 있다. 이형제 코팅(66)은 일부 제트 스택(30)이 라이너(64)에 접착되는 것을 방지하기에 충분한 두께로 라이너(64) 상에 코팅된 불소중합체의 층을 포함할 수 있다. 이형체 코팅(66)은 분무 코팅과 같은, 다양한 기술들에 의해 또는 고무롤러(squeegee)를 사용하여 도포될 수 있다.
레벨링 공정은 상부 프레스 판(68), 가요성 중간 기판(70), 가요성 편평한 판(상부 판)(72), 및 이형제(74)를 추가로 포함할 수 있다. 이형제(74)는 가요성 상부 판(72)의 표면에 도포된 코팅이거나, 또는 이형제(74)는 불소중합체와 같은 이형제 화합물로 코팅되고 가요성 상부 판(72)과 간극 층(50) 사이에 개재된 라이너(예를 들어, 중합체, 폴리이미드, 플라스틱, 금속)일 수 있다. 가요성 중간 기판(70)은 예를 들어, 약 1mm 내지 약 25mm 두께의 실리콘 고무의 층일 수 있다. 가요성 상부 판(72)은 예를 들어, 가요성이기 충분하게 얇은 유리 또는 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 일 실시예에서, 가요성 상부 판(72)은 미국 켄터키주 Louisville 소재의 Schott North America, Inc.로부터 입수가능한 Borofloat® 유리 웨이퍼일 수 있다. 다른 실시예들에서, 가요성 상부 판은 석영, 사파이어, 금속 등과 같은 재료로부터 제조될 수 있고, 전기 도체 또는 전기 절연체 중 어느 하나일 수 있다. 가요성 상부 판(72)은 약 25㎛ 내지 약 12,700㎛, 또는 약 500㎛ 내지 약 900㎛, 또는 약 650㎛ 내지 약 750㎛, 예를 들어, 약 700㎛일 수 있다.
일 실시예에서, "가요성" 상부 판은 강성 재료로부터 제조되지만, 파열 또는 영구적 변형없이 약간 구부러지거나 편향되는 것을 허용하기에 충분히 얇은 것일 수 있다. "가요성" 상부 판은 약 1MPa 내지 약 300MPa, 또는 약 5MPa 내지 약 100MPa, 또는 약 10MPa 내지 약 50MPa, 예를 들어, 약 25MPa의 굽힘 강도(즉, 휨 강도 또는 파괴 계수)를 갖는 재료로부터 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 가요성 상부 판은 10MPa보다 작지 않고 50MPa보다 많지 않은 굽힘 강도를 갖는다. 너무 강성이거나 너무 가요성인 재료는 간극 층을 충분히 레벨링하지 않는다. 가요성 상부 판은 약 1.0㎚ 내지 약 5.0㎛의 평면도(flatness)(피크 대 밸리)를 가질 수 있다.
레벨링을 수행하기 위해, 가요성 중간 기판(70), 가요성 상부 판(72), 및 이형제(74)가 상부 프레스 판(68)과 간극 층(50) 사이에 개재된다. 이는 이형제(74), 가요성 상부 판(72), 및 가요성 중간 기판(70)을 제트 스택과 정렬한 다음에 이들을 간극 층(50) 상에 배치하여 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 가요성 중간 기판(70)은, 선택적으로, 상부 프레스 판(68)에 부착될 수 있고, 가요성 상부 판(72)은, 선택적으로, 가요성 중간 기판(70)에 부착될 수 있고, 이형제(74)는, 선택적으로, 가요성 상부 판(72) 상에 코팅되거나 부착될 수 있다.
이후에, 상부 프레스 판(68)이 압전 소자(20)들을 커버하는 간극 층(50)을 향해 이동된다. 가압 하의 물리적 접촉이 도 7에 예시된 바와 같이 이형제(74)와 간극 층(50) 사이에 형성된 후, 프레스는 약 10psi 내지 약 500psi, 또는 약 100psi 내지 약 300psi, 또는 약 225psi 내지 약 275psi의 압력에서 간극 층(50)과 접촉하게 가요성 상부 판(72)을 유지할 수 있다. 스택 프레스 히터(60)는 제트 스택 하위-조립체(30)를 통한 간극 층(50)으로의 열전달에 의해 간극 층(50)의 경화를 가속시키기 위해 약 50℃ 내지 약 250℃의 온도로 가열될 수 있다. 간극 층(50)은 간극 층(50)을 적절히 경화시키기에 충분한 지속기간 동안 또는 약 10분 내지 약 120분동안 가압 하에 가열된다.
간극 층(50)의 제공 및 경화 중에, 라이너(64)는 간극 재료가 편평하게 짜내진 후에 하부 카세트 상으로 흐르는 것을 방지한다. 라이너(64)는 레벨링 공정의 완료 후 폐기 및 교체되거나, 또는 청소되고 재사용될 수 있다. 라이너(64)는 선택적이고, 다른 실시예에서, 하부 프레스 카세트(62)는 라이너(64)를 사용하는 것이 아니라, 간극 층을 경화한 후에 청소될 수 있다.
프레스로부터 제거한 후, 도 8에 예시한 것과 유사한 제트 스택 하위-조립체가 남을 수 있다.
압축 및 경화 과정에서 강성 상부 판과 가요성 상부 판의 사용을 비교하는 시험 중에, 설명된 바와 같이 가요성 상부 판을 사용하는 것이 강성 상부 판을 사용한 공정보다 더 균일한 상부 표면을 갖는 간극 층(50)을 형성함을 발견했다. 압축 및 경화 공정 중에 강성 상부 판을 사용하여 압전 전극들의 배열 상에 형성된 간극 층은 왕관 또는 볼록한 형상을 갖는 것이 밝혀졌다. 도 9는 강성 상부 판을 사용한 결과들을 예시하고, 압전 배열의 행렬에 따라 약 0㎛(즉, 노출된 압전 전극) 내지 약 4㎛의 두께 편차가 발생했다. 대조적으로, 도 10은 그 결과인 간극 층의 두께의 편차가 강성 상부 판을 사용하여 형성된 간극 층의 편차의 약 1/2인 가요성 상부 판을 사용한 결과들을 예시한다.
이론에 의해 묶이고자 하는 것은 아니지만, 상부 판의 가요성은 가요성 상부 판이 PZT 배열에 및 기판에 순응할 때 적층체(stack-up)에 순응성을 생성한다. 가요성 상부 판은 기판(62)의 모든 불균일한 외형이 균형이 잡아지도록, 프레스를 사용하여 압력을 가하는 중에 휘어질 수 있다. 판이 다소 강성이므로, 간극 영역으로 또는 PZT 배열 주변 둘레로의 좌굴(buckling)은 일어나지 않는다. 강성 상부 판을 사용할 때 간극 왕관(interstitial crown)에 대한 이유는 알려져 있지 않지만, 중합체가 경화될 때 지지면의 기판(62)이 PZT 배열에 걸쳐 적절한 및/또는 균일한 지지력을 제공하지 않아, 전체 PZT 배열, 예를 들어, 배열의 중심이 압축 및 경화 과정 중에 강성 상부 판에 대해서보다 균일하게 가압되지 않았기 때문일 것이다. 기판(62)에 대해 광학적 평면(optical flat)을 제공하는 것은 간극 층 균일성을 개선할 수 있지만, 열 장벽으로서 작용하여 경화 과정 중에 간극 층에 가해지는 열을 감소시켜, 간극 경화 시간을 증가시킨다. 열전도성 기판이 경화 중에 하부 프레스 카세트로부터 간극 층으로의 열전달을 개선하지만, 광학적 평면들, 예를 들어, 이 목적에 대해 충분한, 다듬질된 알루미늄 또는 몰리브덴 광학적 평면이, 제조하기 어렵고 고가이다. 비용은 프린트헤드 사이즈가 증가함에 따라 더 중요한 요인이 되고, 이는 12인치까지 또는 더 긴 PZT 배열을 포함할 수 있다.
도 8의 구조물을 형성한 후, 예를 들어, 압전 소자(20)들의 상부 표면으로부터 간극 층(50)의 제 1 부분을 제거하고 인접한 압전 소자(20)들 사이에 간극 층의 제 2 부분을 남겨 프린트헤드 가공이 계속될 수 있다. 일 실시예에서, 패터닝된 포토레지스트 마스크와 같은 패터닝된 마스크(110)가 도 11에 예시된 것과 같은 공지된 포토리소그래피 기술들을 사용하여 구멍(112)들을 갖게 형성될 수 있다. 구멍(112)들은 각각의 압전 소자(20)를 커버하는 간극 층(50)의 일부분을 노출시키고, 예시된 바와 같이 각각의 압전 소자(20)의 일부분을 추가로 노출시킨다.
다른 실시예에서, 패터닝된 마스크(110)가 열가소성 폴리이미드의 층일 수 있다. 예를 들어, 패터닝된 마스크(110)가 레이저 절제, 천공 공정, 에칭 등을 사용하여 패터닝되는, DuPont® 100ELJ의 층일 수 있다. DuPont® 100ELJ는 전형적으로 25㎛(0.001인치)의 두께로 제조 및 제공되지만, 예를 들어, 약 20㎛ 내지 약 40㎛의 다른 두께들이 사용가능하면 적절할 수 있다. 일 실시예에서, 열가소성 폴리이미드 마스크가 가열 적층 프레스(heat lamination press)를 사용하여 중합체 간극 층(50)의 표면에 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 이 부착은 약 180℃ 내지 약 200℃, 예를 들어, 약 190℃의 온도에서 일어날 수 있다. 일 실시예에서, 이 부착은 약 90psi 내지 약 110psi, 예를 들어, 약 100psi의 압력에서 일어날 수 있다. 이 부착 과정은 약 5분 내지 약 15분, 예를 들어, 약 10분의 지속시간동안 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 마스크는 간극 층(50), 압전 소자(20)들, 또는 다른 구조물들을 들어올리거나 또는 다르게는 손상시키지 않도록 충분히 쉽게 노출된 간극 층(50)의 제거 후에 간극 층(50)으로부터 해제될 수 있는 재료일 수 있다. 플라즈마 에칭과 같은 에칭 중의 온도들은 150℃에 도달할 수 있고 이는, 이론에 묶이고자 하는 것은 아니지만, 마스크 재료를 경화(cure, harden), 고밀도화, 및/또는 배기(outgas)시키고 간극 층(50)으로부터 제거하기 더 어렵게 할 수 있다.
마스크의 구멍(112)들은 각각의 압전 소자(20)의 상부 표면과 중합체만을 노출시키게 배치될 수 있고 압전 소자에는 전기 접속이 이후에, 예를 들어, 인쇄회로기판(PCB) 전극과 접촉하는 실버 에폭시(silver epoxy)로 이루어진다. 구멍(112)들은 이후에 형성된 전극과 압전 소자(20)들 간의 전기 저항이 허용가능한 신뢰성으로 기능하는 장치에 제공되는 허용가능한 한계 내이도록 충분한 사이즈이어야 한다. 구멍들 자체는 둥글거나, 타원형, 정사각형, 직사각형 등일 수 있다.
이후에, 플라즈마 에칭과 같은 에칭이 노출된 간극 층(50)을 제거하도록 도 11의 구조물에 수행된다. 일 실시예에서, 플라즈마 에칭은 가공 시간을 줄이기 충분한 조건 하에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 활성 이온 포집(trap) 플라즈마 모드가 산소 처리 가스와 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 산소 가스는 약 100mTorr 내지 약 200mTorr, 예를 들어, 약 150mTorr의 평형 챔버 압력을 제공하기에 충분한 전달율에서 플라즈마 에칭 챔버에 도입될 수 있다. 플라즈마는 약 800W 내지 약 1,000W, 예를 들어, 약 900W의 고주파(RF) 출력에서 점화될 수 있다. 활성 이온 에칭 플라즈마 모드에서, 도 11의 조립체는 두 인접한 활성 전극들 사이에 배치될 수 있다. 두 인접한 활성 전극들은 두 접지된 전극들 사이에 배치될 수 있다. 간극 재료에 따라, 에칭 시간은 약 1초 내지 약 1시간, 예를 들어, 약 5분 내지 약 15분, 보다 상세하게는 약 5분 내지 10분의 범위일 수 있다. 25㎛ 두께의 DuPont 100ELJ 층을 사용하여, 처리 시간이 약 1초 내지 약 15분, 예를 들어, 약 1초 내지 약 10분일 수 있다. 반응성 이온 에칭, 무-전자 에칭, 황성 에칭, 무-전자 이온 포집과 같은 모드들을 포함하는 활성 이온 포집 모드 이외의 플라즈마 모드들이 사용될 수 있고, 이 모드는 플라즈마 챔버에서 선반들의 구성(즉, 활성, 접지, 및 부유(floating))에 따른다.
플라즈마 에칭은 니켈-도금된 PZT 압전 소자(20)들의 표면으로부터 간극 층(50)을 효과적으로 제거할 수 있다. 니켈-도금된 PZT 압전 소자(20)의 표면은 큰 표면 거칠기를 가짐이 밝혀졌고 이는 간극 층(50)을 비교적 깊고 좁은(즉, 높은 형상비) 홈들로부터 제거하기 어렵게 한다. 니켈 도금의 홈들에 남아 있는 유전체 재료는 압전 소자(20)와 PCB 전극 간의 전기 저항을 증가시킬 수 있고 이 PCB 전극은 이후에 압전 소자(20)와 전기적으로 커플링된다. 압전 소자(20)들의 에칭된 표면으로부터 간극 재료(50)의 효과적인 제거는 저항을 감소시키고 장치의 전기적 특성들을 개선한다. 본원에 설명한 바와 같은 마스킹된 플라즈마 에칭의 사용은 종래의 제거 방법들보다 더 효과적으로 이러한 홈들로부터 유전체 재료를 제거한다. 압전 소자(20) 내의 비교적 좁은 홈들로부터 간극 재료(50)의 에칭 속도는 비교적 넓게 이격된 압전 소자(20)들 사이에서 간극 재료(50)의 에칭 속도보다 작다. 마스킹되지 않은 플라즈마 에칭은 인접한 압전 소자(20)들 사이의 간극 재료(50)의 과다한 손실을 일으킬 수 있으므로, 압전 소자(20)들 위에 있는 위치들에서 간극 재료(50)를 노출시키고 압전 소자(20)들 사이의 위치들에서 간극 재료(50)를 보호하는 마스킹된 플라즈마 에칭이 이러한 손실을 방지하도록 사용될 수 있다.
간극 층(50)의 에칭 후, 패터닝된 마스크(110)가 제거되어 도 12의 구조물이 된다. 패터닝된 마스크(110)가 패터닝된 포토레지스트 마스크이면, 패터닝된 마스크(110)는 표준 기술들을 사용하여 제거될 수 있다. 패터닝된 마스크(110)가 DuPont 100ELJ와 같은 열가소성 중합체이면, 패터닝된 마스크는 예를 들어, 박피(peeling)에 의해 제거될 수 있다.
다른 실시예에서, 도 8의 구조물의 마스킹되지 않은 에칭이 수행되어 도 12에 예시된 것과 유사하고 일반적으로 도 12의 구조물과 기능적으로 동일한 구조물이 될 수 있다. 상술한 플라즈마 에칭은 전기 접점이 각각의 압전 소자에 만들어질 수 있도록 모든 압전 소자들이 충분히 노출되자마자 에칭이 중지되도록 시간 설정될 수 있다. 이러한 마스킹되지 않은 에칭은 압전 소자(20)들 사이의 간극 층 두께의 일부분을 제거하지만, 에칭은 장치 성능이 악영향을 받지 않도록 과다한 양의 간극 층(50)을 제거하기 전에 중지된다.
다른 실시예에서, 마스킹된 또는 마스킹되지 않은 레이저 절제 공정이 도 8의 구조물에서 수행되어 압전 소자(20)들을 커버하는 간극 층(50)을 제거하여 도 12의 구조물이 될 수 있다.
마스킹된 또는 마스킹되지 않은 제거 공정을 사용하여 압전 소자(20)들을 노출시킨 후, 패터닝된 접착제 층(130)과 패터닝된 제거가능한 라이너(132)를 포함하는 조립체가 도 13에 예시된 바와 같이 도 12의 구조물에 정렬 및 부착되어 있다. 접착제(130)는 예를 들어, 열경화성 또는 열가소성 수지 시트일 수 있다. 제거가능한 라이너(132)는 폴리이미드 재료, 또는 접착제(130)로부터 제거될 수 있는 다른 재료일 수 있다. 접착제 층(130)과 제거가능한 라이너(132)를 포함하는 조립체가 압전 소자(20)를 노출시키는 그 안에 사전형성된 구멍(134)들의 패턴을 포함한다. 라이너(132)와 접착제(130) 내의 구멍(134)들은 예를 들어, 레이저 절제, 천공 공정, 에칭 등을 사용하여, 부착 전에 형성될 수 있다. 구멍(134)들의 사이즈는 예시된 바와 같이 간극 층(50)의 구멍(112)들의 사이즈와 일치하는 것을 목표로 할 수 있지만, 이들은 사이즈 불일치가 이후의 처리에 악영향을 미치지 않는 한 약간 더 크거나 작을 수 있다. 제거가능한 라이너(132)와 접착제(130)의 조합된 두께는, 부분적으로, 이후의 처리 후에 압전 소자(20)들에 남아 있는 도체의 양을 결정한다. 제거가능한 라이너(132)와 접착제(130)는 약 15㎛ 내지 약 100㎛, 또는 다른 적절한 두께일 수 있다.
다음에, 도 14에 예시된 바와 같이, 전도성 페이스트와 같은 도체(140)가 예를 들어, 스텐실(stencil)로서 제거가능한 라이너(132)를 사용하여 스크린 인쇄 공정으로 도 13의 조립체에 도포된다. 다르게는, 접착제는 조립체 상에 분배될 수 있다.
이후에, 제거가능한 라이너(132)가 도 15에 예시한 것과 유사한 구조물이 남도록 예를 들어, 박피에 의해 도 14의 구조물로부터 제거된다.
다음에, 다수의 바이어스(162; vias)와 다수의 PCB 전극(164)을 갖는 PCB(160)가 접착체(130)를 사용하여 도 10의 조립체에 부착되어 도 16의 구조물이 된다. 도체(140)는 전도성 경로가 PCB 전극(164)들로부터 도체(140)를 통해 압전 소자(20)들로 연장하도록 압전 소자(20)들을 PCB 전극(164)들에 전기적으로 커플링한다.
다음에, 다이어프램(36)을 관통하는 구멍(40)들이 청소되어 다이어플램을 통해 잉크가 통과할 수 있다. 구멍들을 청소하는 것은 구멍(40)을 커버하는 다이어프램 부착 재료(38), 간극 층(50), 접착제(130)의 일부분을 제거하는 것을 포함한다. 다양한 실시예들에서, 화학적 또는 기계적 제거 기술들이 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 자기-정렬된(self-aligned) 제거 공정은 특히 입구/출구 판(32), 본체 판(34), 및 다이어프램(36)이 금속으로부터 형성된 경우에, 도 17에 예시한 바와 같이 레이저 빔(170)의 사용을 포함할 수 있다. 입구/출구 판(32), 본체 판(34), 및 선택적으로, 디자인에 따라, 다이어프램(36)은 자기-정렬된 레이저 절제 공정을 위해 레이저 빔을 마스킹할 수 있다. 이 실시예에서, CO2 레이저, 엑시머 레이저, 고체 레이저(solid state laser), 구리 증기 레이저, 및 광섬유 레이저와 같은 레이저가 사용될 수 있다. CO2 레이저와 엑시머 레이저는 전형적으로 에폭시들을 포함하는 중합체들을 절제할 수 있다. CO2 레이저는 적은 운전 비용과 높은 제조 수율을 가질 수 있다. 2개의 레이저 빔(170)이 도 17에 예시되어 있지만, 단일 레이저 빔이 하나 이상의 레이저 펄스를 사용하여 순차적으로 각각의 구멍을 열 수 있다. 다른 실시예에서, 둘 이상의 구멍들이 단일 작업으로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 마스크가 표면에 적용된 다음에 단일의 넓은 레이저 빔이 단일의 넓은 레이저 빔으로부터 1회 이상의 펄스들을 사용하여 둘 이상의 구멍들 또는 모든 구멍들을 열 수 있다. 입구/출구 판(32), 본체 판(34), 및 가능하면 다이어프램(36)에 의해 제공되는 마스크를 과다-충전(over-fill)할 수 있는 CO2 레이저 빔은 각각의 구멍(40)을 순차적으로 조사하여 다이어프램 부착 재료(38), 간극 층(50), 및 접착제(130)를 통해 연장된 구멍들을 형성하여 도 18의 구조물이 된다.
이후에, 개구(aperture) 판(190)이 도 19에 예시된 바와 같이 접착제(개별적으로 예시하지 않음)로 입구/출구 판(32)에 부착될 수 있다. 개구 판(190)은 인쇄 중에 잉크가 그를 통해 배출되는 다수의 노즐(192)을 포함할 수 있다. 일단 개구 판(190)이 부착되면, 제트 스택(194)이 완성된다.
이후에, 다기관(200)이 PCB(160)에 예를 들어, 접합제와 같은 유체가-새지 않는 밀봉된 연결(201)을 사용하여 접합되어 도 20에 예시한 바와 같은 잉크 제트 프린트 헤드(202)가 된다. 잉크 제트 프린트 헤드(202)는 일정 체적의 잉크를 저장하기 위해 다기관(200) 내의 저장소(204)를 포함할 수 있다. 저장소(204)로부터의 잉크는 PCB(160)의 바이어스(162)를 통해 제트 스택(194) 내의 포트(206)들에 전달된다. 도 20은 개략도이고, 도면의 좌측과 우측에 부가적인 구조물들을 가질 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 도 20은 2개의 포트(206)들을 예시하지만, 전형적인 제트 스택은 예를 들어, 포트들의 344×20 배열을 가질 수 있다.
사용시, 프린트 헤드(202)의 다기관(200)의 저장소(204)는 일정 체적의 잉크를 포함할 수 있다. 프린트 헤드의 초기 프라이밍(priming)은 잉크가 저장소(204)로부터, PCB(160)의 바이어스(162)를 통해, 제트 스택(194)의 포트(206)들을 통해, 제트 스택(194)의 챔버(208)들로 흐르게 하기 위해 사용될 수 있다. 각각의 전극(164)에 가해지는 전압에 반응하여, 각각의 PZT 압전 소자(20)는 디지털 신호에 반응하여 적절한 시간에 편향 또는 변형한다. 압전 소자(20)의 편향은 다이어프램(36)이 휘게 하고 이는 챔버(208) 내의 압력 펄스를 생성하여 한 방울의 잉크가 노즐(192)로부터 배출되게 한다.
상술한 방법들 및 구조는 이에 의해 잉크 제트 프린터를 위한 제트 스택(194)을 형성한다. 일 실시예에서, 제트 스택(194)은 도 20에 예시한 바와 같이, 잉크 제트 프린트 헤드(202)의 일부로서 사용될 수 있다.
도 21은 하나 이상의 프린트 헤드(202)가 설치되는 프린터 하우징(212)을 포함하는 프린터를 예시한다. 작동 중에, 잉크(214)가 본 발명의 실시예에 따라 하나 이상의 노즐(192)로부터 사출된다. 프린트 헤드(202)는 종이 시트, 플라스틱 등과 같은 인쇄 매체(216)에 원하는 이미지를 생성하기 위해 디지털 명령들에 따라 작동된다. 프린트 헤드(202)는 구획별로(swath by swath) 인쇄된 이미지를 생성하도록 스캐닝 운동으로 인쇄 매체(216)에 대해 전후로 이동할 수 있다. 다르게는, 프린트 헤드(202)는 고정되게 유지되고 인쇄 매체(216)가 이에 대해 움직여, 단일 통과로 프린트 헤드(202) 만큼 넓은 이미지를 생성할 수 있다. 프린트 헤드(202)는 인쇄 매체(216)만큼 넓거나, 이보다 좁을 수 있다.
상술한 바와 같이 압전 소자로부터 에폭시 재료를 제거하기 위한 플라즈마 에칭은 상술한 특정 실시예들에 부가하여 다른 구조들의 형성 중에 수행될 수 있다. 예를 들어, PZT 압전 구조물이 압전 구조물에 대한 감쇠(damping) 등을 공급하기 위해, 고체 구조물과의 물리적 접촉으로부터의 손상을 방지하기 위해, 가스 또는 액체들이 압전 구조물과 접촉하는 것에 대해 보호하기 위해 밀봉될 수 있다. 도금된 또는 도금되지 않은 PZT 압전 구조물은 물리적 또는 전기적 접촉 지점을 제공하기 위해 상술한 바와 같이 플라즈마 에칭을 사용하여 노출될 수 있다.
10: 압전 소자 층 12: 전달 캐리어
14: 접착제 20: 압전 소자
30: 제트 스택 하위-조립체 32: 입구/출구 판
34: 본체 판 36: 다이어프램
38: 다이어프램 부착 재료 40: 구멍
14: 접착제 20: 압전 소자
30: 제트 스택 하위-조립체 32: 입구/출구 판
34: 본체 판 36: 다이어프램
38: 다이어프램 부착 재료 40: 구멍
Claims (10)
- 잉크 제트 프린트 헤드를 형성하는 방법으로서,
압전 소자들의 배열(array) 상에 미경화된 유전체 간극 층을 제공하는 단계;
상기 미경화된 유전체 간극 층과 상부 프레스 판 사이에 이형제 및 가요성 상부 판을 개재시키는 단계;
상기 미경화된 유전체 간극 층과 상기 이형제를 접촉시키는 단계;
상기 미경화된 유전체 간극 층과 상기 이형제 사이의 접촉을 유지하면서 상기 상부 프레스 판을 사용하여 상기 미경화된 유전체 간극 층에 압력을 가하는 단계로서, 상기 가요성 상부 판은 상기 미경화된 유전체 간극 층에 압력을 가하는 중에 휘는, 상기 압력을 가하는 단계; 및
상기 미경화된 유전체 간극 층과 상기 이형제 사이의 접촉을 유지하면서 상기 유전체 간극 층을 경화시키고 상기 상부 프레스 판을 사용하여 상기 미경화된 유전체 간극 층에 압력을 가하는 단계;를 포함하는, 잉크 제트 프린트 헤드 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 가요성 상부 판과 상기 상부 프레스 판 사이에 1mm 내지 25mm의 두께를 갖는 실리콘 고무 층을 개재시키는 단계; 및
상기 간극 층의 경화 중에 상기 실리콘 고무 층을 상기 가요성 상부 판 및 상기 상부 프레스 판과 접촉시키는 단계;를 추가로 포함하는 잉크 제트 프린트 헤드 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 가요성 상부 판은 상기 상부 판이 휘는 중에 유리, 실리콘, 석영, 사파이어, 및 금속 중 하나 이상을 포함하는 조성과 25㎛ 내지 12,700㎛의 두께를 갖는 잉크 제트 프린트 헤드 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
압전 소자들의 상기 배열을 노출시키도록 상기 미경화된 유전체 간극 층의 제 1 부분을 제거하고 인접한 압전 소자들 사이에 상기 미경화된 유전체 간극 층의 제 2 부분을 남기는 단계를 추가로 포함하는 잉크 제트 프린트 헤드 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
10MPa 내지 50MPa의 굽힘 계수를 갖는 가요성 상부 판을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 잉크 제트 프린트 헤드 형성 방법. - 잉크 제트 프린트 헤드를 형성하는 장치로서,
하부 프레스 카세트와 상부 프레스 판을 포함하는 프레스;
이형제; 및
유리, 실리콘, 석영, 사파이어, 및 금속 중 하나 이상을 포함하는 가요성 상부 판으로서, 상기 유리, 실리콘, 석영, 사파이어, 및 금속 중 하나는 25㎛ 내지 12,700㎛의 두께를 갖는, 상기 가요성 상부 판; 및
복수의 압전 소자 위에 걸쳐서 커버하는 미경화된 간극 층을 포함하는 프린트 헤드 제트 스택 하위-조립체;를 포함하고,
상기 이형제와 상기 가요성 상부 판은 상기 상부 프레스 판과 상기 미경화된 간극 층 사이에 개재되고, 상기 이형제는 상기 미경화된 간극 층에서만 상기 프린트 헤드 제트 스택 하위-조립체와 물리적으로 접촉하고, 상기 복수의 압전 소자는 상기 미경화된 간극 층을 통해서 노출되지 않는 잉크 제트 프린트 헤드 형성 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 유리, 실리콘, 석영, 사파이어, 및 금속 중 하나는 500㎛ 내지 900㎛의 두께를 갖는 잉크 제트 프린트 헤드 형성 장치. - 잉크 제트 프린터를 형성하는 방법으로서,
압전 소자들의 배열 상에 미경화된 유전체 간극 층을 제공하는 단계;
상기 미경화된 유전체 간극 층과 상부 프레스 판 사이에 이형제 및 가요성 상부 판을 개재시키는 단계;
상기 미경화된 유전체 간극 층과 상기 이형제를 접촉시키는 단계;
상기 미경화된 유전체 간극 층과 상기 이형제 간의 접촉을 유지하면서 상기 상부 프레스 판을 사용하여 상기 미경화된 유전체 간극 층에 압력을 가하는 단계로서, 상기 가요성 상부 판은 상기 미경화된 유전체 간극 층에 압력을 가하는 중에 휘는, 상기 압력을 가하는 단계; 및
상기 미경화된 유전체 간극 층과 상기 이형제 간의 접촉을 유지하면서 상기 유전체 간극 층을 경화시키고 상기 상부 프레스 판을 사용하여 상기 미경화된 유전체 간극 층에 압력을 가하는 단계;를 포함하는,
방법을 사용하여 하나 이상의 잉크 제트 프린트 헤드를 형성하는 단계; 및
상기 하나 이상의 프린트 헤드를 프린터 하우징 내에 설치하는 단계;를 포함하는 잉크 제트 프린터 형성 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 가요성 상부 판은 상기 상부 판이 휘는 중에 유리, 실리콘, 석영, 사파이어, 및 금속 중 하나 이상을 포함하는 조성과 25㎛ 내지 12,700㎛의 두께를 갖는 잉크 제트 프린터 형성 방법. - 제 8 항에 있어서,
10MPa 내지 50MPa의 굽힘 계수를 갖는 가요성 상부 판을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 잉크 제트 프린터 형성 방법.
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