KR102346952B1 - 열 잉크젯 프린트 헤드 및 열 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체를 전달하는 유체 공급 채널, 유체 공급 채널 근처에 배열된 유체 챔버, 챔버들 내에서 유체를 작동시키고, 수직 인쇄 라인들에 대해 스태거된 패턴으로 배열된 저항기들을 포함하는 열 잉크젯 프린트 헤드에 관한 것이다. 프린트 헤드의 후면 측의 반대편인 유체 공급 채널 중 적어도 일부는 칩 표면에 실질적으로 직교하게 연장하고, 스태거된 엣지들을 갖는 유체 채널은 저항기 엣지와 대응하는 스태거된 엣지 사이의 유체 경로가 각 저항기에 대해 실질적으로 유사하도록 저항기들의 스태거된 패턴이 후속하는 스태거된 엣지들을 갖는다.

Description

열 잉크젯 프린트 헤드 및 열 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법

본 발명은 열 잉크젯 프린트 헤드 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 높은 성능의 단일체를 나타내는 프린트 헤드에 관한 것이다.

여러 종류의 열 잉크젯 프린트 헤드들에서, 잉크는 기판 - 종종 실리콘 칩임 - 의 내부에 세로 방향으로 이루어진 하나 이상의 슬롯들을 통하여, 저장부로부터 분사 챔버들(ejection chambers)로 공급된다. 잉크는 기판의 후방 표면으로부터 전면으로 흐르며, 전자 회로들은 물론, 미소유체 회로들(microfluidic circuitries)도 구현된다. 단일 슬롯은 세로 방향의 칩 축의 방향으로 슬롯 엣지들을 따라 있는, 하나 또는 두 개의 히터 열(컬럼)들(heater columns)을 공급할 수 있다.

회로를 구현하기 위하여, 보통, 전도성, 저항성, 유전성 및 보호성(protective) 박막들이 배치되고 패턴화된다. 트랜지스터들, 다이오드들, 메모리들 등과 유사한 가능한 디바이스들이 실리콘의 반도전성 특성을 이용하여 회로에 집적될 수 있다.

히터들은 분사 장소들 방향으로 잉크를 공급하는데 필요한, 관통 슬롯에 인접한 복수의 세로 방향 열(컬럼)들로 배열된다. 단일 슬롯이 두 개의 열(컬럼)들에 공급하거나, 수 개의 평행 슬롯이 대응하는 수의 열(컬럼) 쌍들에 공급하는 것이 가능하다.

따라서, 예를 들어, 중합체 층은 슬롯으로부터 흐르는 잉크를 공급하기 위한 채널들과 각 히터 주위에 분사 챔버를 생성하기 위하여, 실리콘 칩의 표면에 배치되고 패턴화된다. 패턴화된 프로파일의 벽들이 잉크를 함유하는 배리어(barrier)로 작용하기 때문에, 중합체 층은 <<배리어 층>>으로 불린다.

노즐판은 배리어 층의 상부에 조립된다. 이는 분사 챔버의 천장(ceiling)을 구성하고, 복수의 히터들과 일대일로 대응하는 복수의 노즐들을 하우징한다. 그러므로, 노즐도 컬럼 어레이들(columnar arrays)에 배열된다.

잉크 공급 슬롯, 실리콘 칩, 표면 및 분사 챔버들 및 노즐들에 의해 생성된 구조는 프린트 헤드의 유체 회로를 구성한다.

디지털 인쇄에서 잉크는 행들 및 열들로 배열된 도트들(dots)의 행렬 어레이로 매체에 분배된다. 행들은 프린트 헤드와 매체 사이의 상대적인 움직임의 방향으로 연장한다. 수평 라인(행)에서 인접한 도트들 사이의 거리의 역수(reciprocal)는 수평 해상도이다. 수직 라인(열)에서 인접한 도트들 사이의 거리의 역수는 수직 해상도이다.

수직 해상도는 프린트 헤드 열들에서 노즐들 사이의 거리에 실질적으로 의존한다. 수평 해상도는 상대적인 이동 속도와 분사 반복률의 조합에 의해 결정된다.

열 프린트 헤드에서 잉크 버블(ink bubble)의 성장은 가열 저항기에 인가되는 짧은 전류 펄스(short current pulse)에 의해 야기된다. 표준 열 프린트 헤드는 보통, 수백 개의 노즐들(최대 수천개)을 갖는다. 모든 노즐들이 동시에 작동될 경우, 회로 내에 흐르는 총 전류는 과도한 강도(수십 암페어)에 도달할 것이다. 이러한 높은 전류 수준은 실리콘 칩의 회로를 손상시킬 수 있고, 인쇄 스테이션에서 매우 크고 비용이 많이 드는 전원 공급 장치를 요구할 것이며, 생성된 소음이 문제가 될 수 있다.

이 문제를 해소하기 위하여, 전류 펄스들의 일반적인 중첩을 피할 필요가 있으며 즉, 노즐들의 서브세트만이 동시에 방울(drop)을 분사하도록 허용되어야 한다. 그러므로, 프린트헤드에서 복수의 노즐들은 수개의 서브세트들 또는 <<점화 그룹들>>로 나뉠 수 있다. 각 그룹에 대하여, 모든 노즐들은 동시에 점화될 수 있고, 상이한 그룹들은 하나의 그룹과 다음 그룹 사이의 프로그래밍된 지연을 통하여 순차적으로 점화될 수 있다.

이 방식으로, 모든 프린트 헤드 노즐들을 활성화시키는 전류 펄스들은 보다 큰 시간 간격으로 분배된다; 디바이스에서 최대 전류 강도는 단일 히터의 전류에 동일한 점화 그룹에 속하는 히터들의 개수를 곱한 전류와 동일하다.

프린트 헤드가 매체에 대하여 이동하기 때문에, 상이한 점화 그룹들을 그들 자신의 활성화 타이밍에 따라, 상대적인 이동 방향으로 스태거링(stagger) 할 필요가 있다.

그러므로, 열(컬럼) 내의 복수의 노즐들은, 이들이 함께 활성화되지 않기 때문에 수직 인쇄 라인들로 정렬될 수 없다.

도 19에서, 수직으로 적층된, 경사진 선형 열(컬럼) 단편들(블록들)에 대한 하나의 가능성이 도시된다; 동일한 점화 그룹에 속하는 노즐들은 동일한 수직 인쇄 라인에 중첩된다.

도 19에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 슬롯 프로파일은 실질적으로 직선이며, 그러므로 스태거된 히터들은 그들 자신의 활성화 타이밍에 의존하여 슬롯 엣지로부터 상이한 거리들을 갖는다. 그러므로, 가장 가까운 히터의 유체 회로는 가장 먼 히터의 것보다 짧다. 채널 길이의 차이는 상이한 유체 거동을 제공한다. 가장 가까운 히터는 또한, 최단 재충전 시간을 갖기 때문에 더욱 빠르며, 최대 인쇄 빈도수를 제공한다. 나머지 히터들은 더욱 긴 잉크 경로에 기인하여, 슬롯으로부터의 거리에 의존하는 더욱 긴 재충전 시간을 가지며, 따라서 이들은 더욱 낮은 빈도수를 나타낸다. 이 확산(spread)은 프린트 헤드 빈도수를 가장 느린 히터의 빈도수로 제한한다.

분사 장소들의 유체 거동에서 이 확산을 보상하기 위하여, 유체 레이아웃에서 적합한 조정들이 각 히터에 대하여 필요하다.

문서 US 8,714,710 B2는 공급 채널로부터 스태거된 저항기들 쪽으로 흐르는 유체에 대해 실질적으로 동일한 경로 길이를 생성하는 것을 제안한다. 이는 유체 채널 위로 연장하는 캔틸레버(cantilever)에 의해 달성된다. 이는 캔틸레버에만 남아 있는 중앙 부분에서 제거되는 박막에 의해 달성되고, 이에 후속하여 레이저 및/또는 건조/습식 식각을 사용하여 뒤쪽으로부터 실리콘을 제거하여 공정이 완료된다. 서술된 바와 같이 유체 채널 위로 연장하는 캔틸레버를 실현하기 위하여, 소프트 식각 방법들(soft etching methods)이 웨이퍼의 양면에 요구된다. 이러한 종류의 공정은 단일체의 프린트 헤드에 대해 적합하며, (노즐판을 포함하는) 모든 층들과 모든 홀들 또는 캐비티들은 사진 석판술 공정들(photolithographic processes)을 통하여 형성된다.

US 7,427,125 B1은 배열된 저항기들의 지그재그 프로파일에 적합한 공급 채널의 형성을 완료하기 위한 마지막 단계로서 습식 식각 공정을 제안한다. 습식 식각 공정을 통해, 경사진 측벽들이 달성된다. 이 습식 식각 공정은 예를 들어, 중합체 층에 증착될 수 없는 단단한 마스크들을 요구한다. 습식 식각이 웨이퍼의 뒤쪽에서만 이루어지더라도, 생성되는 벽의 각도는 서로 인접한 평행한 슬롯들을 갖는 레이아웃에 맞지 않는다.

본 발명에 의해 해결되는 문제점들

본 발명은 기판의 세로 방향 축에 대하여 가열 저항기들의 거리의 확산에 기인한 문제들을 비용 및 작업 효율적인 방식으로 해소할 수 있는 열 프린트 헤드에서 잉크 공급 슬롯을 설계하는 것을 목표로 한다.

또한, 본 발명은 슬롯 엣지와 가열 저항기들 사이의 유로 길이의 실질적인 균등화를 달성하기 위하여, 적합한 슬롯 형태를 설계하고, 이에 대한 적절한 제조 공정을 개발하는 것을 목표로 한다.

본 발명은 이들 요구를 다루고, 종래기술의 단점들을 해소하는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

개요

상술한 종래의 개념들의 문제점들 및 단점들은 본 발명의 실시예의 주제에 의해 해소된다.

상세한 설명

일 태양에 따라, 본 발명은 유체를 전달하는 유체 공급 채널, 유체 공급 채널 근처에 배열된 유체 챔버, 챔버들 내에서 유체를 작동시키고, 수직 인쇄 라인들에 대해 스태거된 패턴으로 배열된 저항기들을 포함하는 열 잉크젯 프린트 헤드를 제안한다. 프린트 헤드에서 프린트 헤드의 후면 측의 반대편에 있는 유체 공급 채널 중 적어도 일부는 칩 표면에 실질적으로 직교하게 연장하며, 유체 채널은 저항기들의 스태거된 패턴이 후속하는 스태거된 엣지들을 가지며, 저항기 엣지와 대응하는 스태거된 엣지 사이의 유로 길이가 각 저항기에 대해 실질적으로 유사하다.

공급 채널은 예를 들어, 전체가 레이저 기계가공 된 경우, 전체 길이에 걸쳐 칩 표면에 실질적으로 직교하게 연장한다. 예를 들어 혼합된 공정(샌드 블래스팅 + 레이저)로 만들어진 경우, 적어도 레이저 기계가공 된 부분은 실질적으로 직교한다. 방법들은 아래에서 더 서술된다.

본 발명은 모든 작동 조건들을 영향을 받지 않도록 유지함으로써 프린트 헤드가 더욱 높은 작동 빈도수를 달성하도록 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 스태거된 패턴 및 유체 채널은 톱니 형태이다.

다른 태양에 따라, 본 발명은 스태거된 패턴에 따라 기판에 저항기들을 제공하는 단계, 채널이 칩 표면에 실질적으로 직교하게 연장하도록 기판을 통하여 유체 공급 채널을 형성하는 단계 - 유체 공급 채널은 저항기 엣지와 대응하는 스태거된 엣지 사이의 유로 길이가 각 저항기에 대해 실질적으로 유사하도록 저항기들의 스태거된 패턴이 후속하는 스태거된 엣지들을 가짐 -를 포함하는 열 잉크젯 프린트 헤드를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이로써, 유체 공급 채널은 레이저 삭마를 포함하는 방법에 의해 형성된다. 바람직한 실시예에서, 방법은 반대편 표면에 도달하지 않고 기판의 후면 측으로부터 시작하는 샌드 블래스팅과, 관통 슬롯에 대한 후속 레이저 삭마를 포함할 수 있다.

그러므로, 본 발명에 따른 방법을 통하여, 웨이퍼의 후면으로부터 전면으로 레이저 삭마되는 웨이퍼 두께 중 적어도 일부에서 거의 직선인 벽들을 갖는 유체 채널의 톱니 프로파일을 생성하는 것이 가능하다. 캔틸레버와 단단한 마스크 모두 필요치 않다.

발명된 해결책은 방울 분사에서 더 나은 성능들과 더욱 높은 안정도를 갖는 프린트 헤드의 제조를 허용한다. 아이디어는 슬롯 엣지가 어레이를 따른 히터 분포에 실질적으로 따르도록, 기판 내에 슬롯을 기계가공 할 수 있는 제조 공정을 구현하는 것이다. 이 방식에서, 슬롯과 저항기 사이의 거리는 유체 파라미터들이 균등해지도록 전체 히터 어레이에 대해 거의 동일하며, 디바이스의 최대 작동 빈도수를 증가시키고, 인쇄의 균일성을 개선한다.

이 해결책은 프린트 헤드의 성능에서 더욱 높은 균일성을 달성하고, 또한 미소유체 회로의 설계를 더욱 쉽게 만든다.

바람직한 실시예에 따르면 레이저 삭마는 반대 표면 상에 적용된다.

레이저 삭마는 둘레 상에서 수행되는 것이 바람직하다. 이 공정은 매우 얇은 기판들을 기계 가공할 때 특히 이로울 수 있다.

또한, 레이저 삭마는 전체 슬롯 표면 상에서 수행되는 것이 가능하다. 이 바람직한 실시예는 파편으로부터의 좁은 커프(kerf)의 차폐를 방지하는데 도움을 줄 수 있다. 일부 예시들에서, 내부 구역의 전체 삭마는 둘레의 주기적인 윤곽 형성(cyclic contouring) 보다 빠를 수 있다.

확장된 둘레 상에서 추가적인 레이저 삭마가 수행될 수 있다. 단일 둘레 라인을 요구하는 것 대신, 외측 경계로서 둘레를 갖는 더욱 큰 스트라이프 위에서 삭마가 수행된다. 이 방법을 사용하면, 슬롯의 전체 내부 구역을 삭마할 필요는 없고 단지 더욱 작은 경계 스트라이프를 삭마한다. 다른 한편으로, 재료 제거가 더 효율적인데, 왜냐하면 삭마는 좁은 커프에 제한되지 않고, 어쩌면 다시 떨어진 파편이 전체 스트라이프 구역을 덮을 수 없기 때문이다.

레이저 빔의 이동들을 시계 방향 및 반시계 방향으로 번갈아 함으로써 레이저 삭마가 수행되는 경우, 양호한 결과들이 달성될 수 있다. 이러한 실시에는 기계가공된 피처들의 더 나은 정확도를 이끌고, 스캐닝 헤드에 기인한 레이저 스폿 위치에서 가능한 오차들을 보상할 수 있다.

정의

본 발명의 목적들에 대하여, "실질적으로 수직인"이란 용어는 엄격하게 수직을 의미하는 것은 아니다. 판을 통한 레이저 삭마는 (하지만, 샌드 블래스팅(sand blasting) 및 다른 드릴링 또는 식각 방법들도) 특정 테이퍼링 각도(tapering angle)를 갖는 홀들(또는 슬롯들)을 생성한다. 일부 경우들에서, 레이저 진입 측에서의 단면은 출구 측에서의 단면보다 크다. 이는 웨이퍼의 후면 측 상에 있는 진입 측에서의 슬롯 폭이 디바이스 디바이스 측에서 출구 폭보다 조금 더 넓다는 것을 의미한다. 폭 차이와 웨이퍼 두께 사이의 비율은 바람직하게는 0.5% 내지 10%의 범위 내에 있다. 테이퍼링은 대게, 광학 효과들과 파편 차폐(debris shielding)의 혼합에 기인한다. 이는 본 발명에 따라 "실질적으로 직교하는"것으로 여겨져야 한다. 반대로, 샌드 블래스팅은 더욱 마킹된(marked) 테이퍼링을 생성하는 경향이 있다. 디바이스의 일반적 묘사인 도 5에서, 슬롯은 테이퍼된 것으로 보인다. 또한, 이는 본 발명에 따라 "실질적으로 수직인"것으로 이해되어야 한다.

본 서술에 따른 "스태거된 패턴"은 열(컬럼)에서, 노즐들이 엄격히 직선을 따라 분포되지 않음을 서술한다. 잉크를 상이한 시간들에 분사하는 것을 허용하기 위하여, 노즐 레이아웃(또는 패턴)에서 의도적으로 실현되는 프린트 헤드와 매체 사이의 상대적인 이동 방향(즉, 노즐 열(컬럼)과 직교함)으로 각 노즐(및 각 저항기)의 변위(displacement)가 존재하여, 회로에서 과도한 전류 피크를 회피한다.

본 발명에 따라 추가적인 "실질적으로 유사한"은 히터의 중앙과 슬롯 엣지 사이의 거리가 유사한 방식으로 슬롯이 성형됨을 의미한다. 도 19 및 도 21에 의해 그 의미를 잘 이해할 수 있다.

"샌드블래스팅" 또는 샌드 블래스팅은 프린트 헤드 칩에서 관통 슬롯들을 구현하는데 널리 사용되는 공정이다. 적합한 장비가 연마 재료(예를 들어, 알루미나 입자들, 실리카 입자들 등)의 작은 입자들을 함유하는 고압 공기의 얇은 젯(jet)을 노즐을 통하여 보낸다. 칩의 실리콘 표면에 대한 연마재 입자들의 충돌은 출구 표면이 도달될 때까지 재료를 점차 분쇄한다.

서술에 따른 "후면 측"은 웨이퍼의 뒤쪽 표면으로 지칭된다. 프린트 헤드 회로는 전면 측 또는 디바이스 측인 다른 반대 측에서 실현된다. 전면에 충격을 가하는 스큐 입자들(skew particles)에 기인하여 가능한 디바이스 손상을 감소시키기 위해, 샌드 블래스팅은 그 중에서도 후면 측으로부터 시작해야 한다. 또한, 레이저 삭마는 후면 측으로부터 시작한다.

"레이저 삭마"는 (주로) 집속된 레이저 빔이 기판에 충돌하고, 재료 중 일부를 제거하는 공정이다. 기판에 대해 빔을 이동시킴으로써 기하학적 삭마 패턴이 획득될 수 있다.

"관통 슬롯" 또는 쓰루-슬롯(throu-slot)은 홀에 대한 본 서술에서 웨이퍼 (또는 칩) 두께와 완전히 교차하는 슬롯의 형태로 사용되며, 실리콘 칩의 후면 측 및 전방 측 표면들의 유체 연통을 초래한다.

"둘레"란 용어는 슬롯의 기하학적 외측 프로파일을 서술한다. 바람직하게, 이는 닫힌 선(closed line)이다.

"확장된 둘레(enlarged perimeter)"는 외부 프로파일에 의해 제한되며, 일정 길이에 대해 안쪽으로 연장하는 더 넓은 영역을 서술해야 한다. 이는 닫힌 선 대신 닫힌 스트라이프(stripe)(예를 들어, 도 30 참조)이다.

본 발명은 더 나은 이해를 돕기 위하여 예시적인 실시예를 통해 서술될 것이다. 이들 실시예는 다음의 도면들을 고려함으로써 더 잘 이해될 수 있다. 이들 도면에서,
도 1은 열 잉크 프린트 헤드를 도시한다.
도 2는 프린트 헤드들을 갖는 실리콘 웨이퍼를 도시한다.
도 3은 연성 회로 및 프린트 헤드를 갖는 카트리지를 도시한다.
도 4는 유체 회로 및 히터들의 세부 사항을 도시한다.
도 5는 프린트 헤드의 단면도를 도시한다.
도 6은 a) 유체 회로에 대한 예시, 및 b) 전기 RLC 등가 집중 파라미터 모델(electrical RLC equivalent lumped parameter model)을 나타낸다.
도 7은 노즐 재충전 단계 동안 분사 챔버의 단면도를 도시한다.
도 8은 상이한 값들의 감쇠율(ζ)에 대한 RLC 회로의 스텝 응답이다.
도 9는 a) 등가 RL 회로, 및 b) 원통형 노즐에 대해 재충전된 체적 대 시간을 도시한다.
도 10은 잉크 메니스커스 초과량(ink meniscus overshooting)을 갖는 재충전 이후 노즐의 단면도를 도시한다.
도 11은 a) 표면 - 임계값(β_cr) -과 액체 사이의 접촉 각도(β), b) 표면 - β < β_cr인 경우, 안정도를 가짐 -과 액체 사이의 접촉 각도(β), 및 c) 표면 - β > β_cr인 경우 불안정성을 갖고 확산함 -과 액체 사이의 접촉 각도(β)를 도시한다.
도 12는 잉크 메니스커스의 과도한 초과량의 영향으로 습식된 노즐 판 표면을 도시한다.
도 13은 a) 소수성 코팅을 통한 노즐판 표면 처리, 및 b) 소수성 그룹들을 통한 플라즈마 기능화(plasma functionalization)에 의한 노즐판 표면 처리를 도시한다.
도 14는 복수의 히터들의 그룹들(행들) 및 블록들(열들)의 논리적 구조를 도시한다.
도 15는 블록 내의 스태거된 히터 레이아웃을 도시한다.
도 16은 상이한 채널 길이를 갖는 노즐들의 유체 거동의 수치 시뮬레이션을 도시한다.
도 17은 a) 스태거되지 않고, 히터들의 단일 블록을 갖는 노즐 열(컬럼), 및 b) 스태거되지 않고, 복수의 블록들로 구조화된 노즐 열(컬럼)을 도시한다.
도 18은 점진적인 스태거링을 통한 히터들의 단일 블록을 도시한다.
도 19는 톱니 슬롯 엣지를 갖는 프린트 헤드에서 일련의 인접한 블록들을 도시한다.
도 20은 서브 블록들로 나뉘어진 분포 스태거링을 통한 히터들의 단일 블록을 도시한다.
도 21은 톱니 슬롯 엣지를 갖는 프린트 헤드에서 서브 블록들로 나뉘어진 일련의 인접한 블록들을 도시한다.
도 22는 실리콘 웨이퍼 미세 기계가공을 위한 샌드 블래스팅 장비를 도시한다.
도 23은 a) 샌드 블래스팅 공정을 통한 재료 제거, 및 b) 최종 관통홀을 도시한다.
도 24는 프린트 헤드에서 기계 가공된 슬롯들을 도시한다.
도 25는 샌드 블래스팅 공정에서 실리콘 치핑(silicon chipping)에 기인하여 손상된 기판을 도시한다.
도 26은 미세 기계가공을 위한 레이저 작업 스테이션을 도시한다.
도 27은 둘레 절단 공정을 도시한다.
도 28은 슬롯 미세 기계가공을 위한 둘레 절단 공정에서 분리되는(dropping) 플러그를 도시한다.
도 29는 전체 내부 삭마 공정을 도시한다.
도 30은 경계 스트라이프 삭마 공정을 도시한다.
도 31은 슬롯 미세 기계가공을 위한 경계 스트라이프 삭마 공정에서 분리되는 감소된 크기의 플러그를 도시한다.
도 32는 조합된 샌드 블래스팅 + 레이저 슬롯 미세 기계가공 공정을 도시한다.
도 33은 시계 방향 및 반시계 방향 궤적들을 보상하는 톱니 슬롯 엣지를 도시한다.

바람직한 실시예의 서술

열 잉크젯 프린트 헤드(도 1)는 그 표면 상에서 하나 이상의 열들(컬럼들)(3)로 배열된 복수의 히터들(2)을 하우징하는 기판(1)으로 구성된다. 종종 열들(컬럼들)은 잉크 재충전을 허용하기 위하여, 칩의 내부 부분에 형성되는 관통 슬롯(4)의 부근에 배치된다. 종종, 열 프린트 헤드들은 고유한 실리콘 웨이퍼(5) 내에서 제조되고(도 2), 그 후, 박막 증착, 사진 석판술, 습식 및 건식 식각 기법들, 이온 주입, 산화 등과 같은 반도체 기법을 사용하여, 단일 칩들로 다이싱된다(diced). 히터들(2)은 저항성 막으로 이루어지고, 적합한 전도성 트레일들(conducting trails)과 접촉된다. 칩의 주변 영역은 예를 들어, TAB 공정에 의해 유연한 인쇄 회로에 접착되는 접촉 패드들(6)의 세트를 포함한다. 도 3을 참조하면, 연성 회로(7)가 프린트 헤드 카트리지 몸체(8)에 부착되고, 프린터와 전기 신호를 교환하기 위하여 더 큰 접촉 패드들(9)을 하우징한다. 히터들의 수가 증가할수록, 전자 레이아웃의 복잡도도 증가한다. 기판(1)의 작동 부분(10)은 저항기들을 다루기 위한 트렌지스터들(11)의 어레이들, 논리 회로들(12), 프로그래밍 가능 메모리들(13) 및 다른 디바이스들을 포함한다. 도 4 및 도 5에 묘사된 바와 같이, 저항성, 전도성 및 유전성 막들(14)이 이전에 배치되고 패턴화된 칩 표면으로, 미소유체 회로가 실현된다. 잉크는 적합한 채널들(15)을 통해 미소유체 회로 내로 흐르고, 벽들이 가열 저항기(2)를 둘러싸는 분사 챔버(16)에 도달한다. 미소유체 회로는 배리어 층으로 불리는 적합한 중합체 층(17)에 패턴화된다. 노즐판(18)은 배리어 층 위에 조립되며, 밑에 있는 가열 저항기들과 정렬되고, 잉크 액적들(20)이 분사되는 복수의 노즐들(19)을 하우징한다. 사실, 짧은 전류 펄스는 저항기(20)를 가열하고, 차례로 그 바로 위의 얇은 잉크 층을 증기화시키고, 증기 버블(21)을 형성한다. 증기화된 층에서의 압력은 급작스럽게 증가하여, 노즐로부터 위에 놓인 액체 중 일부를 분사한다. 잉크 방울은 매체 쪽으로 이동하여, 그 표면 상에 잉크 점을 생성한다. 그 후, 안정 상태에 도달할 때까지 분사된 방울을 대체하기 위하여 새로운 잉크가 챔버 내로 리콜된다(recalled): 잉크 흐름은 흐름에 대한 구동력, 관성 및 저항을 나타내는 유체 역학에 의해 결정된다. 유체 파라미터들(밀도, 점도, 표면 장력 등)뿐만 아니라 회로의 기하학적 형상도 역할을 수행하여, 짧고 넓은 경로들에 비해 길고 좁은 경로들이 더 높은 흐름 저항을 생성한다. 흐름 저항은 챔버 재충전 시간, 및 그에 따른 프린트 헤드의 최대 작동 빈도수에도 영향을 미치는 파라미터들 중 하나이다.

더 나은 이해를 돕기 위하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 시스템의 유체 거동의 모델을 채택하는 것이 편리하다. "집중 파라미터 모델"은 유압 회로의 특성들을 나타내는데 충분하다. 이는 RLC 전기 회로로 도식화되며, L은 유체의 관성 방향(aspect)을 나타내고, R은 회로에 흐르는 유체의 점성 저항에 의존하며, C는 무선 인터페이스에서 잉크 메니스커스 진동을 포함하는 회로 경계의 유연성을 나타낸다. 유체 회로의 내부 부분과 외부 대기압 사이에 확립된 추가적인 압력 차이가 전기 회로에서 전압원과 유사하게 도입될 수 있다. 등가 모델에서, 흐름 속도는 전기 회로의 역할을 한다.

방울 분사 이후, 기체 버블은 분사 챔버로 소멸되어(collapses), 유체 채널을 통하여, 노즐에 남아있는 잔여 액체와 저장부로부터의 다른 액체 모두를 끌어당긴다. 그리고 나서, 노즐의 재충전 단계가 이루어진다. 재충전 동작(도 7 참조)의 구동력은 노즐 벽에 대한 액체 잉크의 내부의 메니스커스 굴곡에 기인한다. 모세관 압력은 노즐 엣지에 도달할 때까지 액체를 당기고, 그리고 나서 메니스커스는 감쇠 진동(damped oscillation)을 겪는다. 소실은 전체 회로를 통한 액체의 점성 저항에 기인하고, 이는 길이, 단면적, 종횡비와 유사한, 후자의 기하학적 파라미터들에 명백히 관련된다.

집중 요소 모델에서, 물리적 및 기하학적 파라미터들 사이의 관계가 폭넓게 다루어진다 (H.Schaedel, "A Theoretical Investigation of Fluidic Transmission with Rectangular Cross Section", Third Cranfield Fluidics Conference, May 1968 Turin); 균일한 단면적을 갖는 선형 회로 단편(△x)에 대한 R 및 L의 값들은 다음과 같다:

L=1.15 * ρ * △x /S

여기서, ρ는 잉크 밀도이고, S는 단면적이다;

R=8*π*μ*△x/(r^4) 반지름(r)을 갖는 원형 단면

R=8*π*μ*△x*K / (a^2*b^2) 면들(a, b)을 갖는 직사각형 단면

여기서, μ는 잉크 점도이고, K는 직사각형의 종횡비(b/a)에 의존하는 계수이다; 거의 정사각형인 단면(a=b)에 대해, R은 1/(a^2*b^2)에 비례하는 한편, b/a >>1일 때, R은 1/(a^3*b)에 비례하게 된다. 회로 부분의 단면이 균일하지 않은 경우, 파라미터 값들을 획득하기 위하여 적분이 수행되어야 한다.

회로의 경계 벽들이 단단하고, 시스템의 유연성만이 노즐 엣지에서 메니스커스 진동에 기인한 경우, "커패시턴스" C에 대한 평균 값은:

C= (π*d^4)/(64* σ)

이며, 여기서, d는 노즐 직경이고, σ는 잉크의 표면 장력이다.

적합한 감쇠 인자(ζ)가 정의될 수 있고:

ζ = R/2 *sqrt(C/L)

이는 감쇠 진동 시스템을 특징 짓는다. ζ >1인 경우, 진동은 과감쇠 된다(overdamped); 사실 진동은 시스템 내에서 발생하지 않는다. ζ<1인 경우, 시스템은 저감쇠되고(underdamped), 실제로 감쇠 진동을 겪는다; 진동의 지수 진폭 감소의 시간 척도는 다음의 감쇠(attenuation)에 의해 특징 지어지며, 이는 다음과 같다:

α =R/2L

ζ =1 (임계값)인 경우, 도달되는 시스템의 임계 감쇠 즉, 임계 감쇠된 응답은 진동 없이 가능한 가장 빠른 시간 내에 감소하는 유체 회로 응답을 나타낸다. 이 거동은 가능한 빨리 안정 상태로 도달하는 것이 요구될 때 바람직하다; 과감쇠는 더욱 많은 진동들을 제거하지만, 안정화에 더욱 긴 시간을 필요로 한다. 사실, 제어된 저 감쇠 상황은 유체 회로 설계에서 추구되는데, 이는 그렇지 않은 경우 유체 역학의 타이밍이 너무 길어지고, 고속 인쇄에 부적합해질 것이다. 감쇠 인자의 상이한 값들에 대한 RCL 회로의 스텝 응답이 도 8에 도시된다.

동적인 액체 거동의 시간 간극의 정확한 결정은 정교한 알고리즘들(sophisticated algorithms)을 통하여 이루어진 수학적 시뮬레이션을 요구하지만, 간단한 모델을 통한 분석 접근법을 이용하여 유체 회로의 특성들의 이해가 얻어질 수 있다.

상술한 바와 같이, 증기화된 기체 버블의 소멸 및 잔여 잉크의 회수(withdrawal) 이후에, 노즐 재충전은 잉크 저장부와 챔버 사이의 공급 채널을 포함하는, 유체 회로의 R _total 및 L _total 에 의해 정의되는 임피던스를 통하여 흐르는 액체에 대한 구동력으로 작용하는 모세관 압력에 기인한다.

단순화만을 위하여 잉크로 부분적으로 채워지는, 직경이 d인 원통형 노즐을 고려하고, 내부 노즐 벽의 완벽한 습윤성을 가정하면(이상적인 상황), 액체 상에서 메니스커스에 의해 가해지는 모세관 압력(p)은 다음과 같이 정의될 수 있다:

p=4*σ /d

노즐 임피던스가 챔버 및 공급 채널 양자를 포함하는 후방 회로 부분의 임피던스 미만인 경우, R 및 L 값들은 후자의 항목들에 실질적으로 의존한다. 노즐 엣지에 도달하기 전에는 어떠한 메니스커스 진동도 없기 때문에, 용량 파라미터(C)는 전체 노즐 재충전 단계 동안 역할을 하지 않고(C=무한대로 가정될 수 있음), 등가 회로는 간단한 RL 회로가 되며, 여기서, 모세관 압력은 DC 전압원과 유사하게 작용한다.

재충전 시간(T)은 분사된 방울 체적에 의존하는 노즐의 빈 체적에 의존한다(이는 동적 액체 반동(recoil)에 기인하여 약간 더 크다). 간단한 RL 등가 시스템(도 9a)에 대하여, 흐름 속도 추세(flow rate trend) 의 지수 부분은 시간 상수(τ)에 의해 특징지어 진다;

τ=L/R;

흐름 속도(q)는 다음과 같다:

q = p/R *(1-e^(-t/τ))

적분에 의해, 액체의 변위된 체적에 대한 식이 획득될 수 있다:

V = (p/R)*t- (p/R)*τ*(1-e^(-t/τ))

통상적으로, 액체가 노즐 엣지에 닿을(get) 때, 지수 부분의 기여는 거의 0이다; 관성 파라미터(L)의 존재는, 순수한 소산 회로(dissipative circuit)의 경우와 비교하여 재충전 시간에 지연(τ)을 야기한다. 도 9b에는, 재충전된 체적 대 시간의 추세가 나타난다; 점선 직선은 순수한 소산 회로를 나타낸다(즉, 관성이 0임). 점근적으로, 두 개의 선들은 RL 등가 회로의 시간 상수인 τ와 동일한 수평 변위를 갖는다. 그러므로, 재충전된 노출 체적(V_nozzle )에 대하여 단순화된 식이 얻어진다:

V _nozzle = (p/R)*(T- τ)

차례로, 재충전 시간(T)에 대한 값이 얻어진다:

T=V _nozzle *(R/p) + τ

원칙적으로, 큰 방울의 체적은 낮은 모세관 압력을 생성하는 큰 직경의 노즐을 필요로 한다: 위의 식은 큰 방울의 체적이 긴 재충전 시간을 수반함을 나타낸다. 방울의 체적을 줄이기 위해 노즐 직경을 축소하면, 더욱 짧은 T의 달성을 허용한다.

액체가 노즐 엣지에 접근하면, 메니스커스의 감쇠 진동이 이루어진다. 이 단계는 완전한 RLC 모델의 사용이 안정 상태 지점 주위에서 흔들리는 메니스커스에 대해 고려할 것을 요구한다. 진동 감쇠 인자(ζ)는 또한, 시간 상수(τ)에 대하여 표현될 수 있다:

ζ = R/2 *sqrt(C/L) = (1/2)*sqrt(R*C/τ)

ζ >1이면, 진동이 과감쇠된다: 사실, 시스템 내에는 어떠한 진동도 발생하지 않는다; 시스템이 저감쇠되면((ζ<1)), 이는 이전에 정의된 감쇠(α)로 진동한다; 저감쇠된 진동자에 대하여, α는 식 α=1/(2 *τ)에 의해, 시간 상수(τ)에 관련된다. 상술한 바와 같이, 일반적으로 임계적으로 감쇠된 전류(여기서, ζ=1)가 최선인 것으로 여겨지지만, 실제로는, 예측된 방울 체적 및 작동 빈도수에 기인한 회로 파라미터들로부터의 제약들이 미소유체 패턴의 설계에서 보다 낮은 ζ 값을 수용하도록 강제하여, 제어된 저감쇠 상황을 구한다.

완벽히 안정적이고 반복 가능한 방울 분사를 보장하기 위하여, 대응하는 챔버에서 액체가 그 안정 상태에 도달할 때에만 새로운 분사 펄스가 히터에 인가될 수 있지만, 이 접근법은 고속 인쇄에 호환 되기엔 너무 긴, 연속적인 펄스들 사이의 시간을 요구할 것이다. 사실, 메니스커스가 그의 안정 상태에 도달하지 못했을 때 인가되는 분사 펄스들은 방울 체적 및 속도에서 일정한 산란을 야기할 수 있지만, 이는 대부분의 응용들에 대해 수용 가능하다; 그러므로, 다음 방울의 분사 이전에, 완전한 진동 감쇠를 기다리는 것이 필요하지는 않다. 유일한 필수 요건은 완전한 노즐 재충전이다. 잉크 액적을 균일하고 예측 가능하게 분사하기 위하여, 챔버 내의 히터의 열 활성화는 노즐의 재충전이 완료될 때에만 이루어진다. 그렇지 않은 경우, 방울 체적이 갑작스럽게 감소하고, 액체의 분무가 후속하여, 인쇄 품질에 해로운 영향들을 미친다. 반대로, 노즐 재충전 이후 바로 분사 펄스를 인가하면, 최대 작동 빈도수에 페널티 없이 정확한 액적 분사가 가능해져서, 고속 인쇄가 가능해진다.

하지만, 진동 단계 동안 노즐판의 외부 표면에 대하여 초과한 메니스커스의 습식 영향으로부터 가능한 단점이 발생할 수 있다(도 10). 노즐 엣지로부터 (구형 단편으로 도식화된) 잉크 메니스커스(22)의 외측 돌출부는 노즐판 표면(23)과의 각도(β)를 결정한다. 메니스커스가 더 초과할수록, 표면과의 접촉 각도가 더 커진다. 이 각도가 액체와 표면 사이의 임계 습윤성 각도(즉, 액체 방울이 퍼지지 않으면서 표면 상에서 그 형태를 유지할 수 있는 최대 접촉 각도)에 도달하면, 액체 잉크는 노즐 경계 내로 국한되어 남아있는 것 대신에, 노즐판 표면 전체에 걸쳐 퍼질 수 있다. 도 11a, 도 11b 및 도 11c에는, 접촉 각도가 임계 습윤성 각도(β _cr. ) 미만 또는 이를 초과할 때 액체 거동이 도시된다. 노즐판 표면을 잉크로 적시는 것(도 12)은 인쇄 품질에 상당한 영향들을 야기하며, 유체 회로의 적합한 선택을 통하여 최대 메니스커스 초과량을 제어하여 절대적으로 회피되어야 한다. 종종, 노즐판 표면은 임계 습윤성 각도를 증가시키기 위해 다루어진다(도 13a 및 도 13b). 소수성 재료들(24)의 박막 증착 및 소수성 기능 그룹들(25)을 통한 플라즈마 표면 변형이 이 목적으로 널리 사용된다. 다른 한편으로, 내부 노즐 벽들의 높은 습윤성을 유지하는 것이 중요하며, 이는 노즐 재충전 단계를 가속화하는데 기여한다.

요약하면, 분사기 성능의 최적화는 두 개의 주요 파라미터들에 기반한다. 높은 작업 빈도수를 갖기 위해 가능한 짧은 재충전 시간(T)과, 메니스커스 진동을 임계 습윤성 각도 아래로 유지하는 적합한 감쇠 인자(ζ)가 있다. 사실, 감쇠 인자는 메니스커스의 초과량 및 접촉 각도에 영향을 미치는데, 이는 강한 감쇠가 억제된 액체 돌출부를 생성하는 경향이 있기 때문이다. 이 목적으로, 가능한 가장 큰 감쇠 인자가 바람직하지만, 불행히도 이는 다른 유체의 양들에 영향을 미치지 않고는 독립적으로 조정될 수 없다: 사실, ζ를 매우 크게 만드는 파라미터 선택은 T 값에도 영향을 미친다. 상술한 바와 같이, 높은 빈도수와 인쇄 품질 사이의 균형에 도달하기 위해 제어된 저감쇠가 추구된다. 보다 상세히 진행하기 위하여, 미리 결정된 값(β _ref )은 유체 회로 설계에서 기준 각도로 가정되고, 파라미터들은 메니스커스 각도가 검사 없이 이 극한값을 얻도록 최적화된다. β _ref. 는 메니스커스 진동에 대한 안전 여유(safety margin)를 남기도록 임계 습식 각도 바로 아래로 설정된다; 한정적으로, β _ref. 는 표면이 잉크로부터 젖는 것을 방지하기 위하여, 유체 회로의 최적화에서 우세한 파라미터(dominating parameter)이다.

재충전 시간 T=V _nozzle *(R/p)+τ= V _nozzle * (R/p)+(L/R) 은 시간 상수(τ)의 높은 값에 의해 페널티를 받고, 그러므로 낮은 τ 값이 재충전 시간을 감소시키고, 차례로 감쇠 인자(ζ)를 증가시키며, 표면 습식의 위험을 감소시킨다. 공급 채널에 의해 구성되는 후방 회로 부분은 파라미터들(L 및 R)의 값을 크게 결정한다. 단순화를 위해 채널의 정사각형의 단면을 가정하면, 비율(L/R)은 단면(S)에 비례한다. 채널 단면의 크기를 감소시키면, 보다 낮은 값의 τ 를 제공할 것이다. 하지만 다른 한편으로, 생성된 더욱 높은 값의 R은 (R/p) 항을 증가시키며, 전체 재충전 시간(T)을 증가시킬 것이다. 그러므로, R의 값을 한정하기 위하여, 채널 길이를 짧게 하는 것도 필요하다. 반복적인 최적화 절차는 기준 값에서 감쇠 인자를 유지하여, 재충전 시간을 가능한 많이 최소화한다.

이전에 언급한 바와 같이, 프린트 헤드에서, 실리콘 칩은 잉크 저장부인 카트리지에 조립된다. 다수의 경우들에서, 잉크는 기판의 내부 영역에서 절단되는 하나 이상의 슬롯들을 통하여 미소유체 회로 쪽으로 흐른다: 슬롯들은 반대편의 기판들에 유체 연통하게 되고, 잉크는 슬롯들을 통하여 분사 챔버들에 도달할 수 있다. 상이한 접근법들이 슬롯 설계 및 제조에 후속될 수 있다: 보통, 하나 이상의 슬롯들은 기판 전체에 걸쳐 세로 방향으로 연장하고, 하나 이상의 노즐 열들(컬럼들)은 실질적으로 선형인 슬롯 엣지들에 접한다. 세로 방향의 칩 축을 따른 노즐 열들(컬럼들)의 확장은 소위 "스와트(swat)"로 불린다. 세로 방향의 칩 축에 수직인 방향으로 프린트 헤드를 매체에 대하여 이동시키면, 스와스(swath) 높이를 갖는 매체의 인쇄 영역이 획득될 수 있다.

어레이 내의 히터가 전류 펄스에 의해 에너지가 공급되기 때문에, 다수의 히터들이 동시에 에너지를 공급 받을 때 기판 상에서 전자 회로를 통하여 높은 전류가 흐른다. 인쇄 동안 전류 피크들을 최소화하기 위하여, 프린트 헤드는 열에서 히터들이 행렬 배열로 조직되는 방식으로 설계된다. 한편으로, 어레이의 히터들은 "그룹들"로 나누어지고, 여기서, 동일한 그룹에 속하는 히터들만이 동시에 에너지를 공급받을 수 있다; 다른 한편으로, 노즐 열(컬럼들)은 때때로 "기초요소들(primitives)"로 불리는 "블록들"에 의해 구성되고, 상이한 그룹들에 속하는 히터들이 존재한다: 블록 내에서 한 번에 하나의 저항기 만이 에너지를 공급받는 한편, 다양한 블록들에서 대응하는 저항기들(즉, 동일한 그룹에 속하는 저항기들)은 동시에 방울을 분사할 수 있다. (그룹들에 대응하는) m개의 행들 및 (블록들에 대응하는) n개의 열들(컬럼들)을 갖는 행렬에서 복수의 가열 저항기들의 논리적 구성이 도 14에 도시된다. 상이한 그룹들이 특정 지연으로 연속적으로 (t 1< t2 … < tm) 구동되어 전류 펄스들을 보다 긴 시간 간극으로 분배시키며, 회로에 흐르는 과도한 수준의 전류에 기인한 가능한 문제들을 감소시킨다; 그룹이 활성화될 때, 다양한 블록들 전체에 걸쳐 분배된 그룹 히터들은 에너지를 함께 공급 받을 수 있다; 그러므로, 최대 전류 피크는 단일 히터 피크와 전체 블록들의 개수의 곱과 동일하다.

양한 그룹들의 분사 타이밍의 차이를 보상하기 위하여, 노즐 및 대응하는 밑에 있는 저항기들은 그 자신의 시간 지연에 따라, 매체와 프린트 헤드 사이의 상대적인 이동 방향을 따라 스태거된다. 다양한 블록들에서 분배된 동일한 그룹에 속하는 모든 저항기들은 동일한 스태거링 값을 갖는다. 그러므로, 각 히터 컬럼 어레이는 엄밀하게 선형이기 보다는 "물결 모양(waviness)"의 종류이다. 도 15에는, 히터들(2)의 물결 모양이 도시된다. 히터가 프린트 헤드의 상대적인 이동 방향에 가까워질수록, 활성화가 보다 빨리 이루어진다. 반대로, 종래기술에서 슬롯(4)의 외부 프로파일은 기술적인 이유들에 기인하여 실질적으로 선형이다; 그러므로, 저항기와 슬롯 엣지 사이의 실제 거리는 히터가 속하는 그룹에 의존하여 상이하다. 이 사실은 어레이에서 다양한 분사 장소들의 유체 저항에서 확산을 야기하여, 차례로, 프린트 헤드의 안정성과 작동 빈도수에 영향을 미친다.

히터가 슬롯 엣지로부터 보다 멀리 떨어질수록, 잉크가 분사 챔버로 흐르는 후면 공급 채널이 길어진다. 채널 확장은 최적화된 상황으로부터 시스템을 멀리 이동시켜서, 재충전 시간(T)을 감소시키고, 접촉 각도(β)를 감소시킨다. 후자의 파라미터는 기준 값(β _ref. )에 대하여 덜 중요하지만, T는 프린트 헤드 작동 빈도수의 큰 감소를 방지하도록 조정되어야 한다. 더욱 긴 채널에 기인하여, 증가된 재충전 시간을 조정하기 위하여, 채널 단면에 작용할 필요가 있으며, 그 크기를 확장한다. 사실, 증가된 T로부터 발생하는 문제를 보상하기 위하여 (예를 들어, US6042222 및 US 6565195 참조), 종래 기술에서는 이 방법을 사용하여 미소유체 회로 레이아웃의 개별적인 조정이 이루어졌다. 채널 단면의 폭을 넓히는 것은 감쇠 인자의 감소도 야기한다; 더욱 긴 채널이 여분의 감쇠를 야기하였기 때문에, β가 기준 값(β _ref. .)으로 복귀할 때까지, 단면을 넓히는데 일부 여유가 있다.

이 방법은 상이한 경로 길이에 기인한 문제들을 완화시키는데 도움을 줄 수 있지만, 이는 유체 회로의 설계를 더욱 복잡하게 하고, 배리어 층의 패턴화 이후 시각적 가공 제어가 어려워지게 하는데, 왜냐하면 상이한 채널 형태들이 검사되어야 하기 때문이다. 하지만, 상술한 방법에 의해 생성된 유체 회로 조정은 단지 부분적이다. 다양한 유체의 양들이 상이한 기능 관계들을 갖는 기하학적 회로 파라미터들에 의존하기 때문에, 임계 감쇠 값 아래로 떨어지지 않는 한, 스태거된 노즐 어레이에 기인한 상이한 채널 길이를 완전히 보상하는 재충전 시간을 완전히 만회할 수는 없다. 그러므로, 종래 기술에서, 작동 빈도수의 일정 페널티를 갖는 완벽하게 최적화되지 못한 상황이 수용되어야 한다. 이 태양은 실제(이상적이지 않음) 유체 회로의 시뮬레이션을 통하여 도 16에 도시되며, 여기서 재충전 체적 및 접촉 각도 양자 대 시간이 도면에 도시된다. 슬롯 엣지에 가장 근접한 노즐은 가장 짧은 채널과 최소 재충전 시간을 가지며, 그러므로 이는 최대 작동 빈도수를 갖는다: 이는 유체 회로 설계에서 기준으로 가정되며, 파라미터들은 메니스커스 각도가 임계 습식 각도 바로 아래의 한계 값을 갖도록 최적화된다; 반대로, 가장 먼 노즐은 더욱 긴 재충전 시간 및 더욱 작은 접촉 각도를 갖는다. 가장 빠른 노즐의 한계 접촉 각도에 도달할 때까지, 채널의 기하학적 파라미터들에 대해 작용하는 감소된 작동 빈도수에 기반한 단점의 교정이 시도될 수 있다. 재충전 지연이 부분적으로만 만회될 수 있고, 프린트 헤드의 전체 작동 빈도수는 가장 느린 노즐로 축소되어야 한다.

이 고려로부터, 그리고 위와 같이 수행되는 수학적 분석으로부터, 최선의 해결책은 모든 노즐에 대해 동일한 길이를 갖는 짧은 채널들을 구비하는 것이다. 이는 노즐의 유체 역학의 실제 균등화를 허용하여, 최대 작동 빈도수를 달성할 수 있게 할 것이다. 상이한 분사 장소들의 유체 거동을 균등하게 하기 위한 새로운 접근법은 히터와 슬롯 엣지 사이의 거리들의 확산을 제거한다.

자명한 해결책은 열(컬럼) 내의 모든 히터들이 슬롯 엣지에 평행한 직선 상에 있는 레이아웃을 설계하는 것이다. 모든 저항기들이 동일한 선상에 있을 것이기 때문에, 프린트 헤드는 저항기들의 동시적인 활성화에서 발생되는 과도한 전류 피크를 피하기 위하여, 상대적인 이동 방향에 수직인 일정 각도만큼 회전되어야 한다. 반대로, 회전은 이전의 것에 대하여 각 저항기의 지연된 활성화를 허용할 것이다.

두 개의 연속적인 수직 인쇄 라인들 사이의 간극(G)의 역수에 대응하는, 예측된 수평 인쇄 해상도와 노즐 위치를 매칭시키기 위하여, 회전 각도에서 두 개의 가능한 선택들이 있으며, 이는 다음의 조건들: 1) 열(컬럼) 내의 첫 번째 및 마지막 노즐의 상대적인 이동 축에 대하여 정투영(orthographic projection) 사이의 거리를 간극(G)에 동일하게 하는 것; 2) 열(컬럼) 내의 두 개의 인접한 블록들의 (즉, 동일한 그룹에 속하는) 대응하는 노즐들의 상대적인 이동 축에 대하여 정투영 사이의 거리를 간극(G)에 동일하게 하는 것을 번갈아 수행한다. 제1 경우에서(도 17a), 열(컬럼)은 고유한 블록으로 구성될 것이고, 경사는 매우 작을 것이며, 연속적인 활성화 펄스들 사이의 지연은 펄스 기간에 대하여 너무 짧아서, 사실상 다수의 전류 펄스들의 중첩을 야기할 것이다. 전류 피크는 어떤 방법으로도 초과될 것이고, 채택된 해결책은 실제로는 문제를 해결하지 못할 것이다. 제2 경우에서(도 17b), 복수의 블록들로의 노즐 구성을 유지하는 것이 가능할 수 있으며, 여기서 한 번에 하나의 노즐만이 에너지를 공급 받아서, 최대 전류 피크는 어레이 내의 블록들의 개수에 관련된다. 이 경우에서, 회전 각도는 매우 클 것이고, 생성된 실제 스와트는 크게 감소될 것이다. 비 회전 프린트 헤드의 동일한 수직 해상도는 물론 동일한 스와스를 유지하기 위하여, 칩의 길이를 증가시키는 것이 필요할 것이다. 따라서, 실제 칩의 영역은 너무 커질 것이며, 이 해결책은 높은 수율(yield)의 제조 공정에 적합하지 않을 것이다.

본 발명에 따라, 세로 축에 대하여 히터들의 스태거된 배열 및 "스태거링 그룹들" 및 "원래의 블록들(primitive blocks)"의 행렬 구성은 유지되지만, 그 엣지가 스태거된 저항기들의 위치를 뒤따르는 방식으로 슬롯에 적합한 형태를 제공하는 흐름 경로 길이들의 균등화가 달성된다. 도 18에 도시된 일 실시예에서, 단일 블록(26)에 속하는 히터들의 세로 방향 프린트 헤드 축에 대하여 스태거된 위치가, 상이한 스태거링 그룹에 속하는 히터들의 점진적 변위를 통하여 구현될 수 있다. 이러한 배열에서, 블록의 모든 노즐들은 경사진 단편을 따르므로, 점화 순서는 상대적인 이동 방향으로부터 점진적으로 더욱 멀어지는 스태거링 위치(SP1, SP2, ?? 등)에 따라 하나의 히터로부터 다음 히터로 이어서 이루어지며, 그러므로 동일한 수직 인쇄 라인에 잇따라 도달한다. 슬롯 엣지 프로파일(27)의 톱니 형태는 이 상황에 잘 맞을 것이다: 각 "이"의 길이는 열(컬럼)을 따라 하나의 블록의 길이에 실질적으로 대응하고, 히터들은 슬롯 엣지에 대하여 실질적으로 균일한 거리들을 유지하여, 유체 거동의 균일성을 초래할 것이다.

이 노즐 배열은 잇따라 활성화되는 히터들의 인접함에 기인하여 잠정적인 결함을 겪는다. 사실, 전류 펄스가 저항기를 통과할 때, 얇은 잉크 층의 바로 위가 증기화 된다; 갑작스럽게, 증기 층은 위에 있는 유체로부터 전달된 강한 압력 상승을 겪으며, 이는 빠른 유체 이동과 노즐로부터 잉크 액적의 분사를 야기한다; 분사 이후, 새로운 잉크가 노즐로 유입되며, 재충전이 완료되면 시스템은 다른 전류 펄스를 수신할 준비를 한다. 버블 확장, 방울 분사 및 노즐 재충전을 포함하는 저항기의 여기(excitation) 이후의 시간 간격 동안, 주변 환경에서 일부 물리적인 영향(압력 피크, 유체 흐름, 난류(turbulence) 등이 발생하여, 이웃하는 분사 챔버들에 섭동을 일으킬 수 있다.

그러므로, 상이한 노즐 배열이 바람직하다: 분사 타이밍 시퀀스에서, 인접한 펄스들은 먼 히터에 기인하여 가능한 섭동들이 매우 약해지도록 인접한 노즐들에서 발생하지 않는다. 이러한 배열에서(도 20), 각 블록(26)은 거의 인접하게 정렬된 히터들의 수개의 서브 블록들(28))로 나뉠 수 있다: 연속적인 펄스들은 상이한 서브 블록들에 속하는 저항기들로 전송되어, 간섭들을 회피한다. 이 경우에서, 흐름 경로 길이들을 균등하게 할 수 있는 가능한 엣지 프로파일은 더욱 짧은 길이를 갖는 더욱 많은 개수의 "이"들을 갖는 톱니 형태를 여전히 가질 것이다(도 21).

보통, 관통 슬롯을 실현하기 위한 흔한 방법은 샌드 블래스팅 처리를 사용하는 것이다(도 22). 샌드 블래스팅 장비(40)에서, 알루미나 입자들의 얇은 젯(29)은 기계가공 할 기판에 대해 고속으로 분출된다(shot). 샌드 블래스팅 유닛(30)은 저장부(32)로부터 알루미나(31)를 끌어당기며, 입구(34)로부터 들어오는 고압 공기 흐름에 의해 입자들을 노즐(33)로 주입한다(driving). 노즐로부터 분출된 알루미나 입자는 실리콘 웨이퍼(36)의 기판(35)에 충돌하여, 기판의 작은 조각들(37)을 제거한다(도 23a). 이 방식으로, 홀 또는 트렌치(38)가 재료 블래스팅을 통해 파일 수 있다: 공정이 연장되는 경우, 반대편 표면에도 취해져서, 관통홀(39)(도 23b), 또는 도 24에 도시된 바와 같이 관통 슬롯을 생성할 수 있으며, 도 24에는 두 개의 평행한 슬롯들(4)을 갖는 단일 실리콘 칩이 도시된다. 다이싱 공정은 슬롯 기계가공 이후 이루어지는 단계들 중 하나이다. 소잉 장비(sawing equipment)에 의해, 그 둘레 엣지(41)에 의해 제한되는 단일 칩(1)이 웨이퍼로부터 획득된다. 샌드 블래스팅 장비는 정렬 및 검사를 위한 현미경, 카메라, 프레임 그래버(frame grabber) 등과 같은 광학 기구들은 물론, 큰 작업물의 기계가공을 위한 모터 구동 슬라이드들(motorized slides)을 구비할 수 있다(도면에는 미도시됨). 샌드 블래스팅 공정은 매우 저렴하고 빠르다. 이는 다수의 제조업자들에 의해, 프린트 헤드들에 잉크 공급 슬롯들을 생성하는데 널리 사용된다. 그렇지만, 이는 수개의 문제들을 갖는다: 프린트 헤드를 위한 관통 슬롯 공정에서 기계 가공 동안 생성된 조각(알루미나 또는 블래스팅된 실리콘에 기인함)은 중합체 층 내에 형성되는 미소유체 회로를 손상시킬 수 있다; 또한, 출구 슬롯 엣지는 종종 불규칙적인데, 이는 기계가공된 패턴의 기하학적 해상도를 정밀하게 제어하기 어렵기 때문이다. 도 25에 도시된 바와 같이, 때때로 치핑(chipping) 또는 실리콘 벽개(silicon cleavage)(42)가 샌드 블래스팅 동안 발생하여, 디바이스들에서 야기되는 결함을 높일 수 있다. 전자의 문제가 적합한 코팅 재료(예를 들어, 수용성인, Emulsitone Company에 의한 EMULSITONE 1146)를 이용하여 제어될 수 있는 경우, 후자는 더욱 더 위험해지며, 이는 더욱 작은 피처들을 갖는 관통 슬롯을 기계가공하기 위한 샌드 블래스팅 공정을 이용하여, 디바이스를 축소하는 가능성을 제한한다.

대안적인 공정들은 습식 및 건식 식각을 수반할 수 있다: 이들 공정은 양호한 해상도로 실리콘 웨이퍼 내에 비아들, 트렌치들 및 또한 관통홀들을 생성하는데 실제로 효율적일 수 있다; 하지만, 이들 공정들에 대한 마스크 요건들은 심각한 제약들을 초래하며, 기판에 존재하는 미소유체 배리어와의 호환성은 다루기가 다소 복잡하다; 또한, 관통 슬롯이 이미 기계가공 된 기판 상에 미소유체 배리어층을 적용하기가 어려울 것이다. 그럼에도, 언급된 해결책들은 복잡한 기법들을 통해 수행되어, 본 발명에 규정된 톱니 프로파일을 제공할 수 있다. 그렇지만, 바람직한 실시예에서, 전술한 혼란 없이, 공급 슬롯들에 대해 양호한 품질의 톱니 엣지를 제공할 수 있는 방법이 바람직하다.

레이저 삭마는 다수의 종류의 상이한 재료들의 패턴을 실현하기 위한 효과적인 방법이다. 보통, 이는 금속들, 세라믹들, 유리, 반도체들, 플라스틱을 절단하는데 사용된다. 레이저의 특성들(주로: 분사 모드, 파장, 펄스 기간) 및 재료의 특성들은 상호작용의 결과들을 결정한다. 일반적으로, 방사의 흡수 계수가 높을 때, 상호 작용은 매우 강하고, 레이저 빔 에너지는 재료의 작은 체적으로 효율적으로 전달되며, 화학 결합들 및 파편 분사의 저해를 야기할 수 있다. 이 결과는 펄스화된 레이저들이 사용될 때 더욱 더 강하다. 게다가, 레이저 펄스가 매우 짧을 때, 기판 내부의 HAZ(열 영향 구역, heat affected zone)의 확장이 감소되며, 기계가공 된 패턴의 해상도 향상에 따라 삭마 효율을 증가시키고 열적 부작용을 약화시킨다. 고체 상태의 레이저들은 미세 기계가공 가공들을 수행하는데 매우 효율적이다. 이들은 높은 반복률들로 높은 에너지 방사 펄스들을 전달할 수 있다. 방출된 파장은 특히, 더욱 높은 고조파들 발생이 활용될 때, 실리콘 기판에 의해 충분히 흡수될 수 있다. 산업용 고체 상태 레이저들이 현재 이용 가능하다. 이들은 적절한 성능들, 적은 구동 비용들, 높은 MTBF(평균 고장 간격, Mean Time Between Failures)을 가지며, 매우 신뢰성이 있다. 그러므로, 이들은 열 프린트 헤드들의 제조에 매우 적합하다.

고체 상태 레이저에 의해 방출된 방사는 수 마이크론의 직경을 갖는 스폿으로 작업물 상에 집속되어, 표면 에너지 밀도를 증가시키며, 피처들을 높은 해상도로 기계 가공하게 할 수 있다. 삭마 패턴을 수행하기 위하여, 작업물은 모터 구동 슬라이드들을 사용하여 레이저 빔 아래로 이동될 수 있지만, 피에조 구동된 미러들을 사용하여 빔으로 기판을 가로지르는 스캔을 하는 것이 더욱 편리한데, 이는 이 방식에서 기판의 높은 가속 피크들이 회피되기 때문이다. 주로, 큰 기판이 작업되어야 할 때, 때때로, 양 방법들이 적용되는 조합된 공정이 사용된다. 도 26에는, 레이저 작업 스테이션이 묘사된다. 레이저원(42)은 스캔 헤드(44)로 진행하는 전자기 방사 빔(43)을 방출한다: 적합한 굴절을 통하여, 집속 렌즈(45)를 구비한 스캔 헤드는 xy 작업물 표면 상에 집속된 스폿을 생성하는 미리 결정된 궤적에 따라 출구 빔(exit beam, 46)을 조향하여 삭마 패턴(47)을 결정할 수 있다.

실리콘 기판에서 관통 슬롯을 드릴링하는 가능한 방식은 슬롯 둘레를 절단하는 것이다(도 27). 레이저는 슬롯의 외측 프로파일(48)을 따라 주기적으로 이동될 수 있다: 각 주기는 내부 플러그(49)가 분리될 때까지 둘레에 생성된 좁은 커프로 깊이를 증가시켜, 도 28에 도시된 단면에 나타난 것처럼 완전히 개방된 슬롯 영역을 남긴다. 명백히 빠르고 간단함에도 불구하고, 이 방법이 매우 효율적이진 않다. 매우 얇은 기판(예를 들어, 200 마이크론 미만의 두께를 갖는 실리콘 웨이퍼)을 기계가공 하는 것이 이로울 수 있고, 여기서 수개의 레이저 샷들(shots)이 반대편의 표면에 도달할 수 있지만, 더욱 두꺼운 기판이 작업될 때 이는 너무 오래 걸린다. 사실, 전체 가공 시간은 웨이퍼 두께에 비례하지 않는다. 반대로, 두꺼운 기판의 가공은 커프로의 삭마 파편의 부분적인 재증착에 의해 페널티를 받는다. 배기 배출이 이 영향을 다소 완화시킬 수는 있지만, 이전에 제거된 재료 중 상당한 부분이 다시 삭마되어야 하며, 내부 실리콘 플러그(49)를 완전히 절단하는데 필요한 가공 시간을 늘린다.

좁은 커프가 파편으로부터 차폐되는 것을 방지하기 위하여, 대안적인 방법은 슬롯 둘레 내부의 전체 표면에 걸쳐 레이저 삭마를 확산하는 것이다(도 29). 명백히, 단일 표면 스윕(sweep)에서 레이저 스폿에 의해 덮이는 전체 경로 길이는 슬롯 둘레의 길이보다 더 길다. 그럼에도 불구하고, 삭마된 영역의 파편 차폐는 슬롯의 완전한 관통(breakthrough)까지, 전체 내부 구역이 하나의 층 단위로 기계 가공될 때 극적으로 감소된다. 명백하게, 내부 구역의 전체 삭마는 둘레의 주기적인 윤곽 형성보다 빠를 것이다.

슬롯의 내부 구역이 큰 경우, 심지어 제조 요건들에 대한 전체 삭마 공정도 너무 길다. 이 경우, 확장된 둘레 윤곽 형성으로 정의될 수 있는 다른 접근법이 사용될 수 있다. 단일 둘레 라인을 요구하지 않고, 외측 경계로서 둘레를 갖는 더욱 큰 스트라이프 위에서 삭마가 수행된다. 스트라이프 폭은 삭마 파편의 효율적인 제거를 허용하도록 충분히 커야 한다: 양호한 삭마 속도를 얻기 위하여 세 배 이상의 스폿 직경이 필요하다(도 30). 스트라이프 표면은 남아있는 내부의 더욱 작은 플러그가 절단될 때까지, 하나의 층씩 기계 가공된다(도 31). 이 방법을 사용하면, 슬롯의 전체 내부 구역을 삭마할 필요는 없고, 단지 더욱 작은 경계의 스트라이프를 삭마한다. 다른 한편으로, 삭마가 좁은 커프에 제한되지 않고, 어쩌면 다시 떨어진 파편이 전체 스트라이프 영역을 덮을 수 없기 때문에 재료의 제거가 더욱 효율적이다.

기계가공 공정에서 후속하는 스폿들 사이의 중첩에는 주의가 필요하다. 사실, 빠른 가공은 물론 기계가공된 패턴의 품질에 대하여 스폿의 중첩을 최적화하기 위하여 스폿 직경, 레이저 반복률, 선형 스캔 속도 및 삭마 전략 간의 적절한 관계가 발견되어야 한다.

두꺼운 기판의 경우에서 삭마 공정을 더욱 고속화하기 위하여, 레이저 삭마는 샌드 블래스팅 또는 습식 및 건식 식각 공정들과 유사한 다른 기법들과 조합될 수 있다. 이들 보조적인 기법은 재료 중 일부를 제거하기 위해 사용되어, 최종적으로는 레이저로 차례로 삭마되는 더욱 얇은 실리콘 두께를 남길 수 있다. 예를 들어, 초기에, 샌드 블래스팅은 반대편 표면에 도달하지 않고 큰 트렌치를 팔 수 있다(도 32a). 그 후, 레이저 빔은 트렌치 내부의 적절한 영역에서 스캔되어, 더 나은 해상도를 갖는 삭마를 완료할 수 있다(도 32b). 일 실시예에서, 공정들 양자는 웨이퍼의 후면부로부터 수행되어, 디바이스 표면은 공정의 최종 부분에서만 삭마 파편으로부터 영향을 받는다.

바람직한 실시예에서, 미소유체 회로는 각 가열 저항기와 이웃하는 슬롯 엣지 사이에 고정된 거리(D)를 갖도록 설계되어, 유체 파라미터들이 복수의 노즐들 전체에 걸쳐 균등화된다. 상이한 패턴화된 층들은 전자 및 유체 회로를 실현하는 프린트 헤드 칩을 구성한다. 모든 필요한 모듈들을 생성하기 위하여 유전성, 저항성, 전도성 보호층들이 기판 상에 배열된다. 다수의 층들은 다음과 같이 프린트 헤드 칩을 형성하기 위해 서로의 위에 형성될 수 있다. 일반적으로, 전도층들은 회로의 상이한 수준들 사이의 전기 접촉을 의도적으로 허용하기 위하여, 홀들이 유전층에 생성되는 접촉 비아들을 제외하고 적합한 유전층들에 의해 기판으로부터 그리고 서로로부터 분리된다. 유전층들은 또한, 저항기들 위의 영역에서 "열 전달 층들"의 역할을 할 수 있다: 사실, 저항기를 통하여 전류 펄스에 의해 발생한 열은 저항기 그 자체의 위의 하나 이상의 유전층들을 가로질러서 잉크까지 흐른다. 이러한 유전층은 질화 규소, 탄화 규소 또는 다른 종류의 막들(층들)을 포함할 수 있다. 추가적인 층은 종종 소멸하는 버블에 의해 생성된 기계적 충격에 대한 보호로써 추가적인 층이 종종 채택된다; 이 목적으로 굴절 금속(refractive metal) 예를 들어, 탄탈룸이 흔히 사용된다. 잉크 공급 슬롯의 기계 가공이 대체적으로, 디바이스 막들(층들)에 기계적인 크랙(crack)을 야기할 수 있기 때문에, 적합한 패턴화 형태들을 통한 슬롯 기계 가공 동안 임의의 막 또는 층의 손상을 회피하기 위하여, 슬롯 영역 내부와 그 근처의 층들을 제거하는 것이 편리하다. 특히, 저항기들 위의 굴절 금속층 및 유전체가 제거되어, 상기 슬롯 영역이 이들 층에 없도록 해야한다. 대안적으로, 슬롯 영역은 다른 층들을 제조하는 동안 남겨질 수도 있다. 이 방식은 기판 상에 이전에 적용된 층들을 제거할 필요가 없다. 슬롯 엣지가 실질적으로 직선인 종래 기술에서, 층들의 외측 프로파일은 선형이기도 하지만, 개시된 발명에서, 그들의 프로파일이 톱니 윤곽을 재현하도록 잉크 공급 슬롯에 대향하는 모든 층들을 적합하게 성형하는 것이 필요하다.

레이저로 후속적으로 삭마할 더욱 얇은 두께를 남기고 재료 중 일부를 제거하기 위하여 웨이퍼의 후면부로부터 예비 샌드 블래스팅 단계가 수행된다. 각 칩 상에 위치된 유체 피처들은, 샌드 블래스팅에 의해 생성된 트렌치들이 슬롯 영역들에 정밀하게 중첩되도록 정확한 정렬을 가능케 한다. 이 단계 이후, 실제 레이저 삭마 공정이 수행된다. 레이아웃에서 기계가공 된 영역들의 정밀한 관련성을 보장하기 위하여 동일한 기준들이 사용된다. 레이저 빔은 슬롯 프로파일을 따라, 그리고 적합한 인접 내부 스트라이프 내부에서 이동하여, 슬롯 구역 경계에서 재료를 효율적으로 제거하며, 마지막으로 내부 플러그가 분리되게 한다. 삭마된 깊이가 증가하는 한, 가공 효율을 최적화하기 위하여 집속 교정이 필요할 수 있다. 이는 적합한 광학계를 통하여, 또는 스캔 렌즈와 웨이퍼 표면 사이의 상대적인 거리를 변경함으로써 획득될 수 있다.

빔 궤적이 직선일 때, 이동 동안 레이저 스폿 상에서 공칭 위치와 실제 위치 사이에 상당한 차이는 없다. 반대로(도 33), 전환점들 부근에서는, 스캔 헤드의 거동에 기인하여 공칭 궤적과 인식 가능한 편차들이 있을 수 있다. 초래된 부정확도를 보상하기 위하여, 슬롯 프로파일(50) 주위에서 레이저 빔을 시계 방향(51) 및 반시계 방향(52)으로 번갈아 이동시키는 것은 기계적 피처들의 더 나은 정밀도를 이끌며, 스캐닝 헤드에 기인한 레이저 스폿 위치의 가능한 오차들을 보상할 수 있다. 때때로, 세로 방향 축의 반대편들에서 슬롯의 열 위치들은 추가적인 삭마 단계를 필요로 할 수 있는데, 세 면들에서 영역의 좁음에 기인하여, 파편 제거가 중앙에서보다 끝 부분에서 덜 효율적이기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 추가적인 삭마는 매우 빠르고, 이는 전체 가공 시간을 단지 조금만 증가시킨다.

서술된 공정은 양호한 정밀도, 높은 수율 및 반복성, 그리고 경감된 가공 시간으로 엣지 형태의 홀들과 특히 톱니 형태의 공급 슬롯들의 기계 가공을 허용하며, 높은 빈도수의 프린트 헤드를 생성하는데 필요한 유체 회로를 구현한다.

Claims (8)

1. 열 잉크젯 프린트 헤드 제조 방법으로서,
   스태거된 패턴에 따라 기판에 저항기들을 제공하는 단계, 및
   채널이 칩 표면에 대해 실질적으로 직교하게 연장하도록 상기 기판을 통하여 유체 공급 채널을 형성하는 단계 - 상기 유체 공급 채널은 상기 저항기들의 상기 스태거된 패턴을 따르는 스태거된 엣지를 가져 저항기 엣지와 대응하는 스태거된 엣지 사이의 유로 길이가 각 저항기에 대해 실질적으로 유사하도록 함-;
   를 포함하고,
   상기 유체 공급 채널은,
   상기 기판의 후면 측으로부터 시작하여 반대편 표면에 도달하지 않는 샌드 블래스팅, 및
   관통 슬롯에 대한 후속 레이저 삭마에 의해 형성되고,
   상기 후속 레이저 삭마는 상기 기판의 후면 측으로부터 시작하여 수행되는 것을 특징으로 하는 열 잉크젯 프린트 헤드 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 삭마는 둘레 상에서 수행되는 열 잉크젯 프린트 헤드 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 레이저 삭마는 전체 슬롯 표면 상에서 수행되는 열 잉크젯 프린트 헤드 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 레이저 삭마는 확장된 둘레 상에서 수행되는 열 잉크젯 프린트 헤드 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 레이저 삭마는 레이저 빔의 이동을 시계 방향 및 반시계 방향으로 번갈아 함으로써 수행되는 열 잉크젯 프린트 헤드 제조 방법.
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