KR19990067769A - A piezoelectric impulse ink-jet printhead and a method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전 재료를 이용한 초미세 잉크 젯트 프린터 헤드 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드는, Si을 이용해서 노즐, 공통 잉크 유로 및 잉크 주입 채널이 압력 챔버와 일체형으로 형성되고, 벌크 Si 웨이퍼를 사용해서 압력 챔버의 격벽 구조를 경사지게 제조하여 압력파가 노즐쪽으로 집중되게 함으로써 압력 챔버 내부에의 압력파 손실이 적도록 한다.The present invention relates to an ultrafine ink jet printer head using a piezoelectric material and a manufacturing method thereof. In the inkjet printer head using the piezoelectric material according to the present invention, the nozzle, the common ink flow path and the ink injection channel are formed integrally with the pressure chamber using Si, and the bulkhead structure of the pressure chamber is inclined by using a bulk Si wafer. By concentrating the pressure wave toward the nozzle, there is less pressure wave loss inside the pressure chamber.
Description
본 발명은 압전 재료를 이용한 잉크 젯트 프린터 헤드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ink jet printer head using a piezoelectric material and a manufacturing method thereof.
종래에는 프린터 헤드로 주로 열 버블젯 방식의 프린터 헤드가 사용되어 왔다. 버블 젯(thermal bubble jet)(Cannon & HP basic patent) 방식은 열로서 기포를 발생시켜서 잉크를 토출 시키는 방식이다. 프린터 헤드(printhead) 내부에서 잉크와 직접 접촉하는 열 변환 박막에 순간적으로 전류가 흐르면 열 변환막의 고유 저항 때문에 열이 발생한다. 이 열이 열 변환막과 접촉하고 있는 잉크로 전달되어 수용성 잉크가 비등점 이상으로 온도가 급격히 상승하게 된다. 잉크의 온도가 비등점 이상으로 상승하게 되면 기포가 형성되고, 형성된 기포는 주변의 잉크에 압력을 가한다. 압력을 받은 잉크는 대기압과의 압력 차이로 인해 노즐을 통해 토출된다. 이 때 토출되는 잉크는 잉크 고유의 표면 에너지를 최소화하기 위해 잉크 방울을 형성하면서 지면으로 토출된다. 이런 과정을 컴퓨터를 이용해서 필요할 때 마다 작동시키는 방식을 드롭-온-디맨드(Drop-on-demand) 방식이라고 한다.Conventionally, a thermal bubble jet printer head has been mainly used as a print head. Thermal bubble jet (Cannon & HP basic patent) is a method of ejecting ink by generating bubbles as heat. Instantaneous current flows through the heat conversion film in direct contact with the ink inside the printhead to generate heat due to the intrinsic resistance of the heat conversion film. This heat is transferred to the ink in contact with the heat conversion film so that the water-soluble ink rapidly rises above the boiling point. When the temperature of the ink rises above the boiling point, bubbles are formed, and the formed bubbles apply pressure to the surrounding ink. The pressurized ink is ejected through the nozzle due to the pressure difference from the atmospheric pressure. At this time, the ejected ink is ejected to the ground while forming ink drops to minimize the surface energy inherent in the ink. This process is called drop-on-demand, which uses a computer to operate whenever needed.
열 버블젯(Thermal bubble jet)에서 기포가 발생된 후 기포가 소멸되는 순간에는, 작아진 기포의 높은 곡률로 인하여, 기포가 열 변환막 위에 있는 보호막에 가하는 충격이 커져서 공동화 손상(Cavitation Damage)이 발생된다. 이런 이유 때문에 프린터 헤드의 수명을 연장시키는데에는 많은 제약이 따른다. 또 기포가 발생되어야만 잉크가 토출되는 원리를 사용하기 때문에 잉크는 적절한 온도에서 비등을 해야 하므로 이런 적정 온도에서 비등할 수 있는 잉크만 사용될 수 있다. 이런 잉크의 물성적 제한으로 인해 열 버블 제트(thermal bubble jet)에서 사용될 수 있는 잉크는 그 종류가 많지 않다. 잉크 사용시의 제한 요소는 열 버블젯(thermal bubble jet)이 주로 데스크탑 출판(desktop publication)에만 한정되어 활용되는 등의 열 버블젯 자체의 응용 범위를 좁히는 결과를 낳는다.At the moment when the bubbles disappear after the bubbles are generated in the thermal bubble jet, the high curvature of the smaller bubbles increases the impact of the bubbles on the protective film on the thermal conversion film, resulting in cavitation damage. Is generated. For this reason, there are many restrictions on extending the life of the print head. In addition, since the ink is ejected only when bubbles are generated, the ink must be boiled at an appropriate temperature, so only ink that can boil at such an appropriate temperature can be used. Due to the physical properties of these inks, there are not many kinds of inks that can be used in thermal bubble jets. The limiting factor in the use of ink results in narrowing the application of the thermal bubble jet itself, such as thermal bubble jets being primarily confined to desktop publications.
또한, 기포 발생시 생성시키는 높은열로 인하여 잉크의 유기성 첨가물들이 열 변환막 상부에 위치하는 보호막과 반응하여 보호막에 흡착되는 경향이 있다. 이런 흡착물들은 열전달을 방해하여 열 변환막에서 발생되는 열이 잉크에 효과적으로 전달되지 못한다. 따라서, 기포를 발생시키기에는 충분한 열량이 열 변환막에 의해 생성되었다 하더라도 결국 보호막에 형성된 흡착물들에 의해 충분히 잉크로 전달되지 않아서 잉크가 정상적으로 토출되지 못하는 경우가 생기기도 한다.In addition, due to the high heat generated when bubbles are generated, the organic additives of the ink tend to react with the protective film located on the heat conversion film and adsorb to the protective film. These adsorbates interfere with heat transfer, so that the heat generated in the heat conversion film is not effectively transferred to the ink. Therefore, even if a sufficient amount of heat to generate bubbles is generated by the heat conversion film, in some cases, the adsorbents formed on the protective film are not sufficiently transferred to the ink, so that the ink cannot be ejected normally.
한편, 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것이, 비가열 방식의 압전 재료를 이용한 프린터 헤드이다. 그러나, 압전 재료를 이용한 잉크 젯트 프린터 헤드는 일반적으로 압전재료의 특성상 조립하는 과정이 많아서 그 성능이 우수함에도 불구하고 복잡한 조립 공정에서 파생되는 원가 상승 때문에 널리 이용되는데 제한을 받아왔다.On the other hand, what has been proposed to solve the above problems is a printer head using a piezoelectric material of the non-heating method. However, ink jet printer heads using piezoelectric materials are generally limited in their use due to the cost increase resulting from complex assembly processes despite the excellent performance due to the assembly process due to the characteristics of piezoelectric materials.
즉, 압전 임펄스 잉크젯(Piezo-electrinc impulse ink-jet)은 압전 소자가 전기장을 순간적으로 받게 되면 부피가 변화하는 현상을 이용한 인쇄법이다. 압전소자가 순간적으로 부피변화를 일으키게 되면 잉크에 압력파를 전달하게 되는데 이 압력파는 음속(speed of sound)의 속도로 노즐까지 진행하게 된다. 따라서, 노즐에서는 전달된 압력과 대기압과의 차이에 의해 잉크가 토출되는데 이런 원리를 사용한 다양한 설계 사례가 발표되어 있다(Ulmann's encyclopedia of industrial chemistry).That is, Piezo-electrinc impulse ink-jet is a printing method using a phenomenon that the volume changes when the piezoelectric element receives an electric field momentarily. When the piezoelectric element instantaneously changes its volume, it transmits a pressure wave to the ink, which travels to the nozzle at a speed of sound. Therefore, the nozzle ejects ink by the difference between the delivered pressure and atmospheric pressure. Various design examples using this principle have been published (Ulmann's encyclopedia of industrial chemistry).
먼저, 자아르(Xaar) 방식은 제조 공정에서 소결된 압전(piezo-electric)판에 기계적인 가공을 통해 홈을 파서 잉크가 흐르는 유로를 형성한다. 유로가 형성된 압전판에 전극, 노즐판, 보호막 등이 부가적으로 형성되어 프린터 헤드가 제조된다. 압전판은 일반적으로 분채 공정을 거치고, 소결 과정을 거친 후 제조되는데 규칙적인 입자들의 불규칙한 집합체 형태로 이루어진다. 잉크 유로를 형성하기 위해 압전판에 기계적인 가공을 할 때 다정질 압전판은 입자들을 불규칙하게 손실한다(grain pull out). 입자들이 손실된 자리는 압전재료의 빈 틈으로 되는데 이런 빈틈들이 이론적으로 적은 응력을 받아도 금이 가는 크랙 중심(crack center)이 된다. 따라서 생산 수율은 현저히 낮아지게 되며, 생산 원가는 상승하게 된다.First, in the Xaar method, grooves are formed through mechanical processing on piezo-electric plates sintered in a manufacturing process to form flow paths through which ink flows. An electrode, a nozzle plate, a protective film, etc. are additionally formed in the piezoelectric plate in which the flow path was formed, and a printer head is manufactured. Piezoelectric plates are generally manufactured after the separation process and after the sintering process, and are made in the form of irregular aggregates of regular particles. When mechanically processing a piezoelectric plate to form an ink flow path, the amorphous piezoelectric plate irregularly pulls out particles. Particles where the particles are lost become voids in the piezoelectric material, which are theoretically cracked crack centers under low stress. As a result, production yields are significantly lower and production costs rise.
다음에, 엡슨 푸쉬 로드 설계(Epson Push Rod Design) 방식은 다층으로 이루어진 압전판을 기계적으로 가공해서 복수의 막대가 있는 형태로 사용된다. 각각의 막대기는 막대기 상단에 위치하는 진동판에 연결되어 있는데 압전 막대기가 전기장을 받아서 부피 변화를 할 때 진동판이 진동된다. 이와같은 프린터 헤드는 상당히 많은 조립공정을 거치게 되고 조립을 할 때에도 정밀하게 조립하지 않으면 잉크 방울이 일정하게 토출되지 않으므로 고 정밀도의 조립 공정이 요구된다. 이와 같은, 고 정밀 조립 과정이 원가를 상승시키고, 또한 막대를 기계적으로 가공해서 사용하기 때문에 노즐의 집적 밀도(Packing Density)를 증가시키는데 제약이 따른다.Next, the Epson Push Rod Design method is used in the form of a plurality of rods by mechanically processing a piezoelectric plate composed of multiple layers. Each bar is connected to a diaphragm at the top of the bar, which vibrates as the piezoelectric bar receives an electric field and changes its volume. Such a print head undergoes a considerable number of assembling processes, and even when the assembly is performed, ink droplets are not discharged uniformly unless precise assembly is required, so a high precision assembling process is required. This high precision assembly process increases the cost and also increases the packing density of the nozzle because the rod is mechanically used.
엡슨 카이저(Epson Kyser) 방식(특허)에 있어서, 진동판 및 잉크 유로는 ZrO2으로 구성된다. 일반적으로 세라믹(Ceramics) 물질을 이루는 화학 결합은 이온결합에 의해 이루어지기 때문에 소성 변형성이 취약하고, 고온에서 가열하여야 원하는 물성을 갖는 물질을 얻게 되므로 고온 공정을 거처야 된다. 또한 성형성은 상당히 취약하고 또 강한 이온 결합으로 인해 습식 식각 하는데도 어려움이 있다. 단결정으로 충분히 큰 형태를 얻는 것이 어렵기 때문에 일반적으로 다정질을 사용한다. 그러나 다정질의 경우는 입자가 불규칙하게 분포되어 있으므로 습식 식각할 때 균일하게 수행하는 것이 어렵다. 따라서 아주 정밀하게 공정을 제어하지 못하면 프린터 헤드(printhead)의 균일도(Uniformity)를 실현하는데 어려움이 있고, 또 정밀 공정이 수반 되므로 생산 수율이 현저하게 낮아진다. 이 방식은 이와 같이 저 생산 수율로 인해 생산 원가가 쉽게 상승하게 되는 약점이 있다.In the Epson Kyser method (patent), the diaphragm and the ink flow path are made of ZrO 2 . In general, chemical bonds forming ceramic materials are weakly deformable because they are formed by ionic bonding, and must be subjected to a high temperature process because a material having desired physical properties is obtained by heating at a high temperature. Formability is also very weak and difficult to wet etch due to strong ionic bonds. Polycrystalline is usually used because it is difficult to obtain a sufficiently large form with a single crystal. However, in the case of polycrystalline, since the particles are irregularly distributed, it is difficult to perform uniformly when wet etching. Therefore, if the process control is not very precise, it is difficult to realize the uniformity of the printhead, and the precision process is accompanied, so that the production yield is significantly lowered. This approach has the disadvantage of easily increasing production costs due to this low production yield.
한편, 도 1은 유럽 특허 제 0 659 562 A2 호에 기재된 라미네이티드 잉크젯 기록 헤드(a laminated ink jet recording head)의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 라미네이티드 잉크젯 기록 헤드는 기본적으로 노즐(100)이 형성된 노즐판(101), 3개의 커뮤니케이팅 홀 형성 보드(201a, 201b, 201c), 압력 발생 챔버 형성용 보드(301) 및 진동판(400)이 순차로 겹쳐진(laminated) 구조로 되어 있다. 압력 발생 챔버(300)에는 잉크 저장 용기(800)에 저장된 잉크가 인입구(700)을 지나 저장 챔버(600a)에 일시 저장되었다가 잉크 주입구(600c) 및 커뮤니케이션홀(600b)를 통하여 채워지게 된다. 잉크 저장 용기(800)에는 외부의 잉크통으로부터 제공되는 잉크가 필터(900)를 통하여 유입된다. 진동판(400)에는 압전 진동자(500)가 부착되어 인가되는 전압 신호에 따라 압력 발생 챔버(300)에 채워진 잉크에 압력을 발생시키게 된다. 압력을 받은 잉크는 커뮤니케이팅 홀들(200a, 200b, 200c)을 지나 노즐(100)을 통하여 토출된다. 그러나, 이와 같은 구조의 잉크젯 기록 헤드에서는 진동판(400)과 대향하는 면에 노즐(100)과 잉크 주입구(600c)가 함께 존재하기 때문에 진동판(400)의 진동에 의한 잉크의 토출 압력이 양분되는 문제점이 존재한다. 즉, 노즐(100)을 통하여 잉크가 토출되는 압력이 잉크 주입구(600c)로도 전달되기 때문에 압력 발생 챔버(300)로 주입되는 잉크가 역류하는 현상이 발생하기 쉽다.1 is a sectional view of a laminated ink jet recording head described in European Patent No. 0 659 562 A2. As shown, the laminated inkjet recording head basically comprises a nozzle plate 101 on which a nozzle 100 is formed, three communicating hole forming boards 201a, 201b, and 201c, and a pressure generating chamber forming board 301. ) And the diaphragm 400 are sequentially laminated (laminated) structure. In the pressure generating chamber 300, the ink stored in the ink storage container 800 is temporarily stored in the storage chamber 600a after passing through the inlet 700, and then filled through the ink inlet 600c and the communication hole 600b. Ink provided from an external ink container flows into the ink storage container 800 through the filter 900. The piezoelectric vibrator 500 is attached to the diaphragm 400 to generate pressure in the ink filled in the pressure generating chamber 300 according to a voltage signal applied thereto. The pressurized ink is discharged through the nozzle 100 through the communicating holes 200a, 200b, and 200c. However, in the inkjet recording head having such a structure, since the nozzle 100 and the ink injection hole 600c are together on the surface facing the diaphragm 400, the discharge pressure of the ink due to the vibration of the diaphragm 400 is divided. This exists. That is, since the pressure through which the ink is discharged through the nozzle 100 is transferred to the ink injection hole 600c, the phenomenon in which the ink injected into the pressure generating chamber 300 flows back easily occurs.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 노즐 및 잉크 유로를 일체형으로 하고 진동판에 압전재료를 직접 붙이거나 형성하는 방법으로 그 구조 및 제조 공정을 최대한 단순화하고, 잉크 토출시의 잉크 역류 현상을 최대한 방지하는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above problems, and the structure and the manufacturing process are simplified as much as possible by integrating a nozzle and an ink flow path and directly attaching or forming a piezoelectric material to a diaphragm, and ink backflow during ink ejection. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an inkjet printer head using a piezoelectric material that prevents the phenomenon as much as possible and a method of manufacturing the same.
도 1은 종래의 라미네이티드 잉크젯 기록 헤드의 수직 단면도이고,1 is a vertical sectional view of a conventional laminated inkjet recording head,
도 2는 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드를 노즐면에서 투시하여 본 개략적 투시 평면도이고,2 is a schematic perspective plan view of the inkjet printer head using the piezoelectric material according to the present invention as viewed from the nozzle face;
도 3은 도 2의 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드를 압전판이 형성된 진동판에서 투시하여 본 개략적 투시 평면도이며,3 is a schematic perspective plan view of the inkjet printer head using the piezoelectric material of FIG. 2 as viewed from a diaphragm having a piezoelectric plate formed thereon;
도 4는 도 3의 A-A'라인을 따라 절개한 단면을 보여주는 수직 단면도이며,4 is a vertical cross-sectional view showing a cross section taken along the line AA ′ of FIG. 3,
도 5a 내지 도 5o는 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법을 공정 단계별로 공정후의 단면을 보여주는 수직 단면도이다.5A to 5O are vertical cross-sectional views showing cross-sections after the step-by-step processing of the inkjet printer head using the piezoelectric material according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1. 압력 챔버(pressure chamber) 2. 노즐1. pressure chamber 2. nozzle
3. 잉크주입채널(ink feed-in channel) 4. 공통잉크유로(manifold)3. ink feed-in channel 4. common manifold
5. 주 잉크 유로 6. 상부전극5. Main ink flow path 6. Upper electrode
7. 압전판 8. 하부공통전극(common electrode)7. Piezoelectric Plate 8. Common electrode
9. 진동판 10. SiO2박막9. Diaphragm 10. SiO 2 thin film
11. Si 기판 12. SiO2박막11.Si substrate 12.SiO 2 thin film
13. Si 박막(노즐판) 14. SiO2박막(잉크 퍼짐 방지막)13. Si thin film (nozzle plate) 14. SiO 2 thin film (ink spreading prevention film)
15. 확산 방지막15. Diffusion barrier
상기와 같은 목적을 달성하기 위한여 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드는, 하나의 격벽을 사이에 두고 압력 챔버와 공통 잉크 유로가 형성된 벌크 실리콘 기판의 양면에 각각 노즐판과 진동판이 형성되되, 상기 압력 챔버를 사이에 두고 상기 노즐판의 노즐과 상기 진동판 외측에 부착된 압전판이 서로 대향하도록 일체형으로 형성되고 상기 격벽에는 상기 공통 잉크 유로의 잉크가 상기 압력 챔버로 유입되도록 하는 잉크 유입 채널이 형성된 것을 특징으로 한다.The inkjet printer head using the piezoelectric material according to the present invention for achieving the above object, the nozzle plate and the diaphragm are formed on both sides of the bulk silicon substrate on which the pressure chamber and the common ink flow path are formed with one partition therebetween. An ink inflow channel is formed integrally so that the nozzle of the nozzle plate and the piezoelectric plate attached to the outside of the diaphragm are opposed to each other with the pressure chamber interposed therebetween, and the partition wall allows ink of the common ink flow path to flow into the pressure chamber. Characterized in that formed.
본 발명에 있어서, 상기 잉크 유입 채널은 상기 진동판에 접하도록 형성되고, 상기 노즐판은 단결정 혹은 다결정 실리콘으로 형성되며, 상기 진동판은 단결정 실리콘으로 형성되며, 상기 진동판에는 주 잉크통의 잉크를 상기 공통 잉크 유로로 주입하기 위한 주입홀이 형성되며, 상기 압력 챔버 내부의 양쪽 격벽 상면과 상기 공통 잉크 유로의 격벽 상면 및 상기 노즐판의 양면 상에 잉크가 Si와 반응하는 것을 방지하기 위한 SiO2막이 더 형성되며, 상기 잉크 유입 채널의 크기는 상기 노즐의 직경 보다 크게 형성되되, 상기 노즐의 직경은 20~50㎛ 범위로 형성되고, 상기 잉크 유입 채널의 크기는 50㎛ 이상으로 형성되며, 상기 압력 챔버의 양쪽 벽의 경사도는 상기 노즐판의 수직면을 기준으로 30°~ 40°의 기울기를 갖도록 형성되어 진동판 쪽으로 갈수록 더욱 벌어지도록 형성되며, 상기 압력챔버의 크기는 상기 노즐판과 진동판 사이의 간격이 200㎛ 이고, 상기 압력 챔버 양쪽 격벽 간의 간격 중 노즐판 쪽의 격벽 간격이 100㎛ 로 형성되며, 상기 압전판은 Pb(ZrxTi1-x)O3로 형성되며, 상기 압전판의 양면 상에는 각각 하부 공통 전극 및 상부 전극이 각각 형성되며, 상기 하부 공통 전극은 도전성 페이스트로 형성되거나 금속 증착법에 의해 형성된 것이 바람직하며, 상기 진동판과 상기 압전판 사이에 Si3N4혹은 ZrO2확산 방지막이 더 형성된 것도 바람직하다.In the present invention, the ink inflow channel is formed in contact with the diaphragm, the nozzle plate is formed of monocrystalline or polycrystalline silicon, the diaphragm is formed of monocrystalline silicon, and the diaphragm includes ink of a main ink bottle in the common ink. Injection holes for injecting into the flow path are formed, and SiO 2 films are further formed on the upper surfaces of both partition walls in the pressure chamber, on the upper surfaces of the partition walls of the common ink flow path, and on both surfaces of the nozzle plate. The size of the ink inflow channel is formed larger than the diameter of the nozzle, the diameter of the nozzle is formed in the range of 20 ~ 50㎛, the size of the ink inflow channel is formed to 50㎛ or more, the pressure of the chamber The inclination of both walls is formed to have an inclination of 30 ° to 40 ° with respect to the vertical plane of the nozzle plate, so that the more toward the diaphragm. It is formed so as to open, the size of the pressure chamber is 200㎛ gap between the nozzle plate and the diaphragm, and the partition wall spacing of the nozzle plate side of the gap between the two partition walls of the pressure chamber is formed to 100㎛, the piezoelectric plate is It is formed of Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 , the lower common electrode and the upper electrode are formed on each side of the piezoelectric plate, respectively, the lower common electrode is preferably formed of a conductive paste or formed by a metal deposition method In addition, the Si 3 N 4 or ZrO 2 diffusion barrier is further formed between the vibration plate and the piezoelectric plate.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한여 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 제조 방법은, (가) 벌크 실리콘 기판의 양면에 SiO2막을 각각 형성하고, 상기 일측 SiO2막 상면에 노즐판용 Si층을 형성하는 단계; (나) 상기 타측 SiO2막에 소정의 패턴을 형성하고, 상기 SiO2패턴을 마스크로 하여 상기 잉크 유입 채널과 공통 잉크 유로 및 압력 챔버에 해당하는 상기 벌크 실리콘 기판을 상기 잉크 유입 채널의 깊이 만큼 식각하는 단계; (다) 상기 SiO2패턴 마스크를 제거하는 단계; (라) 상기 식각 부분의 상면 및 상기 SiO2패턴 마스크가 제거된 벌크 실리콘의 타측면 전체에 걸쳐 재차 SiO2막을 형성하는 단계; (마) 상기 재차 형성된 SiO2막을 패터닝하여 상기 압력 챔버와 공통 잉크 유로가 형성될 부분에 형성된 SiO2막을 제거하는 단계; (바) 상기 패터닝된 SiO2막을 마스크로 하여 상기 벌크 실리콘 기판을 식각하여 상기 압력 챔버 및 상기 공통 잉크 유로를 형성하는 단계; (사) 잉크와 Si 사이의 상호 화학 작용을 방지 하기 위해 상기 압력 챔버 내벽과 공통 잉크 유로의 내벽 및 잉크 주입 채널 상면을 SiO2로 코팅하여 SiO2막을 형성하는 단계; (아) 노즐을 형성 하기 위해 레이저를 이용하여 상기 일측면 상에 형성된 SiO2막들의 영역 중 상기 잉크 챔버 내의 소정 영역을 식각하여 상기 노즐판용 Si층이 노출되도록하는 제1홀을 형성하는 단계; (자) 상기 제1홀에 의해 노출된 상기 Si층을 습식 식각하여 노즐을 형성하는 단계; (차) 미리 확보된 Si 진동판을 상기 공정들에 의해 형성된 구조물의 노즐판 대향면에 부착하는 단계; 및 (카) 상기 Si 진동판 상에 압전 구조물을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the production method of the W ink jet printer head using a piezoelectric material according to the present invention for achieving the above object, comprises: (a) forming each of the bulk silicon substrate on both sides in the SiO 2 film of the upper surface of the one side SiO 2 film Forming a Si layer for a nozzle plate; (B) A predetermined pattern is formed on the other SiO 2 film, and the bulk silicon substrate corresponding to the ink inflow channel, the common ink flow path and the pressure chamber is formed by the depth of the ink inflow channel using the SiO 2 pattern as a mask. Etching; (C) removing the SiO 2 pattern mask; (D) again forming an SiO 2 film over the upper surface of the etched portion and the other side of the bulk silicon from which the SiO 2 pattern mask is removed; (E) patterning the again formed SiO 2 film to remove the SiO 2 film formed in a portion where the pressure chamber and the common ink flow path are to be formed; (F) etching the bulk silicon substrate using the patterned SiO 2 film as a mask to form the pressure chamber and the common ink flow path; (G) a step of coating an inner wall and an ink injection channel an upper surface of the inner wall of the pressure chamber and the common ink passage to the SiO 2 film is formed SiO 2 in order to prevent mutual chemical reactions between the ink and the Si; (H) forming a first hole to expose the Si layer for the nozzle plate by etching a predetermined region in the ink chamber among regions of SiO 2 films formed on the one side using a laser to form a nozzle; (I) wet etching the Si layer exposed by the first hole to form a nozzle; (D) attaching a previously secured Si diaphragm to the nozzle plate opposing surface of the structure formed by the above processes; And (k) forming a piezoelectric structure on the Si diaphragm.
본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계에서 상기 노즐판용 Si층은 단결정 혹은 다결정 실리콘으로 형성되고, 상기 (나) 단계에서 상기 SiO2패턴은 감광성 고분자를 이용해서 포토리소그래피법으로 형성하되 식각액으로는 HF용액을 사용하며, 상기 벌크 실리콘을 식각하는 공정에서 식각액으로 KOH 용액을 사용하며, 상기 (마) 단계에서 상기 재차 형성된 SiO2막은 포토리소그래피법으로 패터닝되며, 상기 (바) 단계에서 상기 벌크 실리콘 기판을 식각하는 식각액으로 KOH 용액이 사용되며, 상기 (아) 단계에서 사용되는 레이저는 엑시머 레이저이며, 상기 (자) 단계에서 Si층 식각액으로 KOH 용액을 사용하며, 상기 (자) 단계 및 (차) 단계 사이에 상기 노즐이 형성된 Si층 표면에 수용성 잉크가 퍼지는것을 방지하기 위해 SiO2를 증착하여 퍼짐 방지막을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 (차) 단계에서 상기 Si 진동판의 부착은 양극 본딩법이나 고온 가열법에 의해 이루어지며, 상기 (카) 단계는,(카-1) 상기 Si 진동판 상에 소결시 압전 물질의 확산을 방지하기 위하여 확산 방지막을 형성하는 서브 단계; (카-2) 상기 확산 방지막 상에 하부 공통 전극용 도전성 페이스트를 코팅하는 서브 단계; (카-3) 압전판을 상기 도전성 페이스트 상에 부착하는 서브 단계; (카-4) 상기 압전판을 소결하는 서브 단계; 및 (카-5) 상기 압전판 상면에 상부 전극을 형성하는 서브 단계;를 포함하며, 상기 (카-1) 서브 단계에서 상기 확산 방지막은 Si3N4혹은 ZrO2으로 형성하며, 상기 (카-3) 서브 단계에서 상기 압전판은 리드-지르코늄-타이타네이트를 재료로 하되, 스크린 프린팅법으로 소성되지 않은 상태로 부착하며, 상기 (카-4) 서브 단계에서 상기 소결 온도는 1000℃ 이하인 것이 바람직하며, 상기 (카) 단계에서,상기 (카-1) 단계를 없애고, 상기 (카-3) 서브 단계에서 소결된 압전판을 상기 도전성 페이스트 상에 부착하며, 상기 (카-4) 서브 단계를 없앤 것도 바람직하다.In the present invention, in the step (a), the Si layer for the nozzle plate is formed of single crystal or polycrystalline silicon, and in step (b), the SiO 2 pattern is formed by photolithography using a photosensitive polymer. An HF solution is used, and a KOH solution is used as an etching solution in the process of etching the bulk silicon, and the SiO 2 film formed again in the step (e) is patterned by photolithography, and in the step (bar), A KOH solution is used as an etchant to etch the substrate, and the laser used in the step (a) is an excimer laser, and the KOH solution is used as the Si layer etchant in the step (r), and the (step) and (difference) ) between the step forming a film by spreading the deposited SiO 2 in order to prevent the nozzle is an aqueous ink to spread on the surface Si layer formed Further, in the step (d), the attachment of the Si diaphragm is performed by an anode bonding method or a high temperature heating method, and the step (ka) is performed by (ka-1) of the piezoelectric material upon sintering on the Si diaphragm. Forming a diffusion barrier layer to prevent diffusion; (K-2) a sub step of coating a conductive paste for a lower common electrode on the diffusion barrier layer; (K-3) a sub step of attaching a piezoelectric plate on the conductive paste; (C-4) sub-sintering the piezoelectric plate; And (Ka-5) a sub-step of forming an upper electrode on the piezoelectric plate, wherein the diffusion barrier layer is formed of Si 3 N 4 or ZrO 2 in the (K-1) sub-step. -3) In the sub-step, the piezoelectric plate is made of lead-zirconium-titanate, and is attached without being fired by screen printing. In the sub-step (K-4), the sintering temperature is 1000 ° C or less. Preferably, in the step (ka), the step (ka-1) is eliminated, the piezoelectric plate sintered in the step (ka-3) is attached onto the conductive paste, and the (ka-4) sub It is also desirable to eliminate the steps.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, an inkjet printer head using a piezoelectric material according to the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the drawings.
도 2는 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드를 노즐면에서 투시하여 본 개략적 투시 평면도이다. 이 도면은 프린터 헤드(Printhead)의 노즐면에서 본 잉크 주입 채널(flow channel)의 구조 및 노즐의 위치를 보여준다. SOI (Silicon on Insulator)를 사용해서 제작된 헤드의 잉크 주입 채널(flow channel)는 실리콘 기판을 식각해서 제작된다. 부재번호 1은 압전판(도 3 참조) 하부에 위치하는 압력 챔버(chamber), 부재번호 2는 잉크가 토출되는 노즐, 부재번호 3은 상기 압력 챔버(1)로 잉크를 공급하기 위한 잉크 주입 채널(ink feed-in channel), 부재번호 4는 압전판(도 3 참조) 하부에 위치하는 각각의 압력 챔버(1)에 잉크 주입 채널(3)를 통해 잉크를 공급하기 위한 공통 잉크 유로(manifold), 그리고 부재번호 5는 잉크통 (ink bottle)으로부터 공통 잉크 유로(4)에 잉크를 공급하기 위한 유로 혹은 진동판의 홀이다.Fig. 2 is a schematic perspective plan view of the inkjet printer head using the piezoelectric material according to the present invention as viewed from the nozzle face. This figure shows the structure of the ink flow channel and the position of the nozzle from the nozzle face of the printhead. An ink flow channel of a head manufactured using a silicon on insulator (SOI) is manufactured by etching a silicon substrate. A reference numeral 1 denotes a pressure chamber positioned below the piezoelectric plate (see FIG. 3), a reference numeral 2 denotes a nozzle through which ink is discharged, and a reference numeral 3 denotes an ink injection channel for supplying ink to the pressure chamber 1. (ink feed-in channel), reference numeral 4 denotes a common ink manifold for supplying ink through the ink injection channel 3 to each of the pressure chambers 1 located below the piezoelectric plate (see FIG. 3). And reference numeral 5 denotes holes of the flow path or diaphragm for supplying ink from the ink bottle to the common ink flow path 4.
도 3은 도 2의 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드를 압전판이 형성된 진동판에서 투시하여 본 개략적 투시 평면도이다. 이 도면은 주로 프린터 헤드의 진동판에서 본 잉크 유로의 구조, 압전판 및 상부와 하부 전극의 배치를 보여준다. 여기서, 부재번호 1, 3, 4 및 5는 도 2에 설명된 바와 같은 소자를 나타내며, 부재번호 6은 상부전극, 부재번호 7은 압전판, 그리고 부재번호 8은 압전판 하부에 형성된 공통전극(common electrode)이다.FIG. 3 is a schematic perspective plan view of the inkjet printer head using the piezoelectric material of FIG. 2 as viewed from a diaphragm having a piezoelectric plate. This figure mainly shows the structure of the ink flow path as seen from the diaphragm of the printer head, the piezoelectric plate and the arrangement of the upper and lower electrodes. Here, members 1, 3, 4, and 5 represent elements as described in FIG. 2, wherein member 6 is an upper electrode, member 7 is a piezoelectric plate, and member 8 is a common electrode formed under the piezoelectric plate ( common electrode).
도 4는 도 3의 A-A'라인을 따라 절개한 단면을 보여주는 수직 단면도이다. 이 도면은 도 2와 도 3에 도시된 좌표의 y 방향의 단면도로서 박막들의 구조를 자세하게 보여준다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드는, 기본적으로 압력 챔버(chamber)(1), 잉크 주입 채널(ink feed-in channel)(3) 및 공통 잉크 유로(4)를 형성하기 위하여 챔버용 공간이 형성된 벌크Si 기판(11)의 양면에 SiO2혹은 Si3N4박막(10, 12)들이 형성되고, 노즐(2)을 형성하기 위하여 SiO2혹은 Si3N4박막(12) 상에 Si 박막(13) 및 SiO2박막(14)이 형성된다. 그리고 압력 챔버(1) 내의 잉크가 노즐(2)을 통하여 토출되도록 하는 압력을 발생시키기 위한 Si 진동판(9)이 노즐과 대향하는 면 상에 형성된다. Si 진동판(9) 상면에는 진동판(9)이 진동할 수 있도록 하기 위한 상부 전극(6), 압전판(7) 및 하부전극(8)으로 형성된 압전 소자가 부착된다. 경우에 따라서는 진동판(9)과 하부 전극(8) 사이에는 압전판(7) 형성시 압전 물질의 확산을 방지하기 위하여 Si3N4혹은 ZrO2로 형성된 확산 방지막(15)이 삽입되기도 한다. 여기서, 압전판(7)은 PbZrTi(lead zirconium titanate)계 화합물 특히 Pb(ZrxTi1-x)O3로 제조한다. 특히, 벌크 실리콘 기판(11)으로는 (100)면 벌크 실리콘을 사용하며, 잉크 챔버(1)의 규격은 노즐판면과 진동판면 사이의 간격을 200㎛ 정도로 하고, 양쪽 벽면 간의 간격은 노즐판쪽의 간격을 100㎛ 정도로 하며, 진동판(9)의 진동에 의해 생성된 압력이 최대한 노즐(2) 쪽으로 전달되어 잉크 토출이 용이하도록 다음과 같이 잉크 챔버(1)가 제작된다.4 is a vertical cross-sectional view showing a cross section taken along the line AA ′ of FIG. 3. This figure shows in detail the structure of the thin films as a cross-sectional view in the y direction of the coordinates shown in FIGS. 2 and 3. As shown, the inkjet printer head using the piezoelectric material according to the present invention basically includes a pressure chamber 1, an ink feed-in channel 3, and a common ink flow path 4. SiO 2 or Si 3 N 4 thin film to form the SiO 2 or Si 3 N 4 thin films are formed, (10, 12), the nozzle (2) on both sides of the bulk Si substrate 11 for chamber space is formed in order to form The Si thin film 13 and the SiO 2 thin film 14 are formed on (12). And Si diaphragm 9 for generating the pressure which causes the ink in the pressure chamber 1 to discharge through the nozzle 2 is formed on the surface which opposes a nozzle. On the upper surface of the Si diaphragm 9, a piezoelectric element formed of the upper electrode 6, the piezoelectric plate 7, and the lower electrode 8 for vibrating the diaphragm 9 is attached. In some cases, a diffusion barrier 15 formed of Si 3 N 4 or ZrO 2 may be inserted between the diaphragm 9 and the lower electrode 8 to prevent diffusion of the piezoelectric material when the piezoelectric plate 7 is formed. Here, the piezoelectric plate 7 is made of PbZrTi (lead zirconium titanate) compound, in particular Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 . Particularly, the bulk silicon substrate 11 uses (100) surface bulk silicon. The ink chamber 1 has a size of about 200 μm between the nozzle plate surface and the diaphragm surface, and the space between both wall surfaces of the nozzle plate side. An interval of about 100 μm, and the pressure generated by the vibration of the diaphragm 9 is transferred to the nozzle 2 as much as possible, so that the ink chamber 1 is manufactured as follows.
첫째, 잉크 주입 채널(3)을 진동판(9)과 동일면 상에 접하도록 배치하여 그 수직방향으로 진동하는 진동판의 압력이 잉크 주입 채널(3) 쪽으로 전달되어 잉크가 역류하는 것을 최대한 방지한다.First, the ink injection channel 3 is arranged to be in contact with the diaphragm 9 so that the pressure of the diaphragm vibrating in the vertical direction is transmitted toward the ink injection channel 3 to prevent the ink from flowing back as much as possible.
둘째, 잉크 주입 채널(3)의 구경을 노즐(2)의 구경인 50㎛ 이상으로 하여 토출되는 잉크에 비해 충분한 양의 잉크가 유입되도록 한다.Secondly, the aperture of the ink injection channel 3 is set to 50 µm or more, which is the aperture of the nozzle 2, so that a sufficient amount of ink flows into the ejected ink.
셋째, 벌크 Si 기판(11)을 식각하여 형성되는 압력 챔버(1)의 양쪽 벽면을 Si 노즐판(13)면과 수직하는 방향과 30°~ 40°정도의 기울기로 진동판(9) 쪽으로 벌어지도록 형성하여 진동판(9)에 의한 압력이 노즐(2) 쪽으로 집중되도록 한다. (100)면 벌크 Si 기판(11)을 사용하는 경우 압력 챔버(1)의 양쪽 벽면은 노즐판(13)면의 수직 방향과 약 35.26°의 기울기를 갖게된다.Third, both wall surfaces of the pressure chamber 1 formed by etching the bulk Si substrate 11 are opened toward the diaphragm 9 in a direction perpendicular to the surface of the Si nozzle plate 13 and at an inclination of about 30 ° to 40 °. Forming so that the pressure by the diaphragm 9 is concentrated towards the nozzle 2. When the (100) plane bulk Si substrate 11 is used, both wall surfaces of the pressure chamber 1 have an inclination of about 35.26 ° with the vertical direction of the plane of the nozzle plate 13.
이와 같이, 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드는 Si을 이용해서 노즐(2), 공통 잉크 유로(4) 및 잉크 주입 채널(3)이 압력 챔버(1)와 일체형으로 형성되므로, 구조가 간단하면서도 그 규격을 작게할 수 있다. 또한, 압전판(7)은 압전 재료를 간단한 형태로 가공을 해서 진동판(9)에 부착하든가 혹은 진동판(9)에 직접 압전재료의 패턴(pattern)을 형성해서 진동판(9)에서 직접 소결하는 방식으로 제작된다. 후자의 경우 진동판(9)과 하부 전극(8) 사이에 압전 재료 소결시 압전 재료 물질이 진동판(9)으로 확산되는 것을 방지하기 위한 확산 방지막(15)이 삽입된다.As described above, the inkjet printer head using the piezoelectric material according to the present invention has a structure in which the nozzle 2, the common ink flow passage 4 and the ink injection channel 3 are formed integrally with the pressure chamber 1 using Si. Can be made simple but its size is small. In addition, the piezoelectric plate 7 processes the piezoelectric material in a simple form and attaches it to the diaphragm 9 or forms a pattern of the piezoelectric material directly on the diaphragm 9 and sinters it directly on the diaphragm 9. Is produced by. In the latter case, a diffusion barrier 15 is inserted between the diaphragm 9 and the lower electrode 8 to prevent the piezoelectric material material from diffusing into the diaphragm 9 when the piezoelectric material is sintered.
이상과 같은 구조를 갖는 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드는 다음과 같이 제조된다.An inkjet printer head using a piezoelectric material having the above structure is manufactured as follows.
본 발명에 따른 압젼 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드는 SOI(Silicon-on-insulator)를 이용해서 노즐 및 잉크 유로가 압력 챔버와 일체형으로 형성되고, 압전판은 압전 재료를 간단한 형태로 가공을 해서 진동판에 부착하든가 혹은 진동판에 직접 압전재료의 패턴(pattern)을 형성해서 진동판(9)에서 직접 소결하는 방식으로 제작된다. 노즐 및 잉크 유로 형성 공정에서는 습식 식각 방식이 이용된다. 이 방식은 널리 알려진 방식이고 경제적인 방식이다. 이러한 Si 에 적용되는 미세 가공(micro-fabrication) 공정을 도입함으로써 프린터 헤드 설계의 범위가 넓어지는 이점이 있고, 제조원가를 낯출 수 있으며, 또 정밀하게 프린터 헤드를 제작할 수 있게 된다. 이는 결국 고해상도의 인쇄물을 제작할 수 있는 프린터 헤드를 경제적으로 제작할 수 있음을 의미한다. 이러한 제작 방법을 도 5a 내지 도 5o를 참조하면서 상세하게 설명한다.In the inkjet printer head using the piezoelectric material according to the present invention, the nozzle and the ink flow path are integrally formed with the pressure chamber using a silicon-on-insulator (SOI), and the piezoelectric plate is processed into a vibrating plate by processing the piezoelectric material in a simple form. It is produced by attaching or forming a pattern of piezoelectric material directly on the vibration plate and sintering it directly on the vibration plate 9. A wet etching method is used in the nozzle and ink flow path forming process. This is a well known and economic way. By introducing a micro-fabrication process applied to such Si, there is an advantage of widening the range of the print head design, manufacturing costs can be reduced, and the print head can be manufactured precisely. This means that it is possible to economically produce a print head capable of producing high-resolution prints. Such a manufacturing method will be described in detail with reference to FIGS. 5A to 5O.
먼저, 벌크(bulk) 식각을 통한 압력 챔버 및 압력 챔버로 잉크를 공급하기 위한 잉크 주입 채널(ink feed-in channel)를 형성 하기 위한 공정으로, 잉크 주입 채널(ink feed-in channel)에 해당하는 부분의 완벽한 식각을 위하여, 도 5a에 도시된 바와 같은 식각 패턴(Pattern)의 형성이 필요하다. 도 5a에서는 (100)면 벌크 Si 기판(11)의 양면에 SiO2박막(10a, 12)을 각각 코팅한다. 여기서, 식각 방지층으로 사용되는 SiO2박막(10a, 12)은 Si3N4박막으로 형성되기도 한다. 다음에, SiO2박막(12) 상면에는 노즐 형성용 Si박막을 도포하거나 미리 제조된 Si 박판을 봉착하고, 그 대향면 상의 SiO2박막(10a) 상에는 포토레지스트(Photoresist)를 코팅(coating)한 후 잉크 주입 채널(ink feed-in channel) 및 잉크 챔버에 해당하는 부분에 자외선(UV light)을 조사하여 노광한다. 이후 노광된 부분을 제거하면 잉크 주입 채널(ink feed-in channel) 및 잉크 챔버에 해당하는 부분이 노출된다.First, a process for forming an ink feed-in channel for supplying ink to the pressure chamber and the pressure chamber through bulk etching, which corresponds to an ink feed-in channel. For complete etching of the part, it is necessary to form an etching pattern (Pattern) as shown in Figure 5a. In FIG. 5A, SiO 2 thin films 10a and 12 are coated on both surfaces of the (100) plane bulk Si substrate 11, respectively. Here, the SiO 2 thin films 10a and 12 used as the etch stop layer may be formed of a Si 3 N 4 thin film. Next, an upper surface of the SiO 2 thin film 12 is coated with a Si thin film for forming a nozzle or a previously prepared Si thin plate is sealed, and a photoresist is coated on the SiO 2 thin film 10a on the opposite surface. Afterwards, UV light is exposed to the ink feed-in channel and the ink chamber. Subsequently, when the exposed portion is removed, portions corresponding to the ink feed-in channel and the ink chamber are exposed.
다음에, 도 5b에 도시된 바와 같이, 노출된 SiO2층(10a)을 식각하여 SiO2패턴(10b)을 형성하고, 이 SiO2패턴(10b)을 마스크로 하여 잉크 주입 채널(ink feed-in channel) 및 잉크 챔버에 해당되는 부분의 Si 기판을 잉크 주입 채널의 깊이로 식각한다. 이 때 노출된 SiO2층(10a) 부분은 수용성 HF 용액을 사용해서 습식 식각을 행한다. 이 때 연관되는 화학 반응은 다음과 같다.Next, an ink injection channel and etching the exposed SiO 2 layer (10a) to form a SiO 2 pattern (10b), and the SiO 2 pattern (10b) as a mask, as shown in Figure 5b (ink feed- in-channel) and portions of the Si substrate corresponding to the ink chamber are etched to the depth of the ink injection channel. At this time, the exposed SiO 2 layer 10a portion is wet etched using a water-soluble HF solution. The chemical reactions involved are as follows.
SiO2+ 6HF → H2SiF6+ 2H2OSiO 2 + 6 HF → H 2 SiF 6 + 2H 2 O
SiO2층(10)은 식각이 진행 되면서 Si 기판(11)에 도달 하면, Si 기판(11)의 식각은 상당히 느린 속도로 진행되기 때문에 Si가 HF 수용액을 사용한 SiO2식각 공정에서의 식각 방지벽 역할을 한다(Semiconductor integrated circuit processing technology, W. R. Runyan, K. E. Bean, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 1990, New York, U.S.A). 여기서, 식각 방지막으로 SiO2층 대신에 Si3N4층(10)이 형성되었다면 리액티브 이온 에칭(Reactive Ion Etching)법으로 식각한다. 그리고, 벌크 Si 기판(11)은 KOH 수용액을 사용해서 식각한다. Si 원자들이 식각되는 과정에 관계되는 화학 반응은 다음과 같다.When the SiO 2 layer 10 reaches the Si substrate 11 as the etching proceeds, the etching of the Si substrate 11 proceeds at a relatively slow speed, so Si is an etch barrier in the SiO 2 etching process using HF aqueous solution. Semiconductor integrated circuit processing technology, WR Runyan, KE Bean, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 1990, New York, USA. If the Si 3 N 4 layer 10 is formed instead of the SiO 2 layer as an etch stop layer, etching is performed by reactive ion etching. The bulk Si substrate 11 is etched using KOH aqueous solution. The chemical reactions involved in the etching of Si atoms are:
Si + H2O + 2KOH → K2SiO3+ 2H2 Si + H 2 O + 2KOH → K 2 SiO 3 + 2H 2
Si 습식 식각 과정동안 SiO2는 거의 식각되지 않으므로(예, KOH 250 grams, Normal Propanol 200 grams, H2O 800 grams 을 혼합한 식각용액을 사용할 경우 섭시 80 도에서 Si 은 분당 1 μm 의 속도로 식각이 되고 SiO2는 분당 20 Å 의 속도로 식각이 된다, Semiconductor integrated circuit processing technology, W. R. Runyan, K. E. Bean, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 1990, New York, U.S.A), KOH 수용액을 사용해서 Si 을 식각할 경우 SiO2가 식각 방지벽 역할을 한다.During Si wet etching process, SiO 2 is hardly etched (e.g., when etching solution containing KOH 250 grams, Normal Propanol 200 grams, H 2 O 800 grams), Si is etched at a rate of 1 μm per minute at 80 degrees Celsius. SiO 2 is etched at 20 kW / min, Semiconductor integrated circuit processing technology, WR Runyan, KE Bean, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 1990, New York, USA) In etching, SiO 2 serves as an etch barrier.
다음에, 도 5c에 도시된 바와 같이, 식각용 마스크인 SiO2혹은 Si3N4패턴(10b)를 식각하여 제거한다.Next, as shown in Figure 5c, the etching mask SiO 2 or Si 3 N 4 pattern (10b) is removed by etching.
다음에, 도 5d에 도시된 바와 같이, 다시 SiO2층(10c)을 코팅한다. 이는 압력 챔버 및 공통 잉크 유로 (manifold)를 형성하기 위한 Si 기판 식각용 마스크 패턴을 형성하기 위해 필요한 것이다.Next, as shown in FIG. 5D, the SiO 2 layer 10c is again coated. This is necessary to form a mask pattern for etching an Si substrate for forming a pressure chamber and a common ink manifold.
다음에, 도 5e에 도시된 바와 같이, 도 5a 및 도5b에서와 같은 포토리소그래피(Photolithograpy) 공정을 이용하여 SiO2층(10c)을 식각함으로써, 압력 챔버 및 공통 잉크 유로(manifold) 형성을 위한 식각용 SiO2패턴(10d)을 형성한다. 잉크 주입 채널(ink feed-in channel) 상면 및 압력 챔버의 일측 격벽을 이룰 부분 상면에 도포된 SiO2는 잔류하고, 나머지 SiO2층은 제거된다.Next, as shown in FIG. 5E, the SiO 2 layer 10c is etched using a photolithograpy process as in FIGS. 5A and 5B to form a pressure chamber and a common ink manifold. An etching SiO 2 pattern 10d is formed. The SiO 2 applied on the upper surface of the ink feed-in channel and the upper surface of the portion forming the one side partition of the pressure chamber remains, and the remaining SiO 2 layer is removed.
다음에, 도 5f에 도시된 바와 같이, SiO2패턴(10d)을 마스크로 하여 (100)면 Si 기판(11)을 식각함으로써, 압력 챔버(1) 및 공통 잉크 유로(manifold; 4)를 형성한다. 이 때, 벌크 Si 기판(11)은 (100)면이므로 KOH 용액으로 식각하면 기판의 수직 방향과 약 35.26°의 기울기를 갖는 경사면을 이루도록 식각된다. 즉, 식각되어 형성되는 경사면의 기울기는 기판의 수직방향으로부터 30°~ 40°의 범위내에서 결정된다 .Next, as shown in FIG. 5F, the pressure chamber 1 and the common ink manifold 4 are formed by etching the (100) plane Si substrate 11 using the SiO 2 pattern 10d as a mask. do. In this case, since the bulk Si substrate 11 is a (100) plane, the bulk Si substrate 11 is etched to form an inclined surface having an inclination of about 35.26 ° with the vertical direction of the substrate when etched with a KOH solution. That is, the inclination of the inclined surface formed by etching is determined within the range of 30 ° to 40 ° from the vertical direction of the substrate.
다음에, 도 5g에 도시된 바와 같이, 잉크와 Si 사이의 상호 화학 작용을 방지 하기 위해 압력 챔버(1)와 공통 잉크 유로(4) 및 잉크 주입 채널(ink feed-in channel)(3)을 SiO2로 코팅하여 SiO2막(10e)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 5G, the pressure chamber 1 and the common ink flow path 4 and the ink feed-in channel 3 are replaced to prevent the mutual chemical interaction between the ink and Si. coated with SiO 2 to form an SiO 2 film (10e).
다음에, 도 5h에 도시된 바와 같이, 노즐을 형성 하기 위해 엑시머 레이저(excimer laser)를 이용하여 SiO2층들(10e, 12)을 식각한다.Next, as shown in FIG. 5H, the SiO 2 layers 10e and 12 are etched using an excimer laser to form a nozzle.
다음에, 도 5i에 도시된 바와 같이, 엑시머 레이저(excimer laser)로 식각되어 노출된 Si층(13)을 습식 식각하여 노즐(2)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 5I, the nozzle 2 is formed by wet etching the exposed Si layer 13 by etching with an excimer laser.
다음에, 도 5j에 도시된 바와 같이, Si층(13) 표면에 수용성 잉크가 퍼지는것을 방지하기 위해 SiO2를 증착하여 퍼짐 방지(non-wetting coating)막(43)을 형성한다.Next, as shown in Fig. 5J, in order to prevent the water-soluble ink from spreading on the surface of the Si layer 13, SiO 2 is deposited to form a non-wetting coating film 43.
다음에, 도 5k에 도시된 바와 같이, 미리 확보된 단결정 Si 진동판(membrane 형태; 9)을 앞서의 공정에서 형성된 구조물에서 노즐판(13)의 대향면에 부착한다. 이 때, Si 진동판은 상기 구조물에 양극 본딩(anodic bonding)법을 이용하거나 고온 가열 접합을 통해서 부착한다.Next, as shown in Fig. 5K, a single-crystal Si diaphragm 9 secured in advance is attached to the opposing surface of the nozzle plate 13 in the structure formed in the above process. At this time, the Si diaphragm is attached to the structure by using anodic bonding (anodic bonding) method or by high temperature heating bonding.
다음에, 도 5l은 압전 물질(Piezo-electrinc materials)을 소결할 때 압전 물질이 확산되는 것을 방지하기 위하여 Si3N4혹은 ZrO2으로 확산 방지막(15)을 형성한다. 이 공정은 압전판을 별도로 제작하여 부착하는 경우에는 실시할 필요가 없다.Next, FIG. 5L forms a diffusion barrier 15 of Si 3 N 4 or ZrO 2 to prevent the piezoelectric material from diffusing when the piezo-electrinc materials are sintered. This step does not need to be performed when the piezoelectric plate is separately manufactured and attached.
다음에, 도 5m에 도시된 바와 같이, 하부 공통 전극(common electrode ; 8)을 형성한다. 하부공통전극(8)은 스크린 프린팅(screen printing)법으로 도전성 페이스트를 코팅하여 형성한다. 이 도전성 페이스트는 압전판(7)을 부착하기 위한 접착제 역할을 하게된다.Next, as shown in FIG. 5M, a lower common electrode 8 is formed. The lower common electrode 8 is formed by coating a conductive paste by screen printing. This conductive paste serves as an adhesive for attaching the piezoelectric plate 7.
다음에, 도 5n에 도시된 바와 같이, PbZrTi(lead zirconium titanate)계 화합물 특히 Pb(ZrxTi1-x)O3로 제작된 압전판(7)을 하부 공통 전극(8) 즉 도전성 페이스트를 접착제로 하여 부착한 다음 소결한다.Next, as shown in FIG. 5N, a piezoelectric plate 7 made of a lead zirconium titanate (PbZrTi) -based compound, in particular, Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 , is used as a lower common electrode 8, that is, a conductive paste. Attach with adhesive and sinter.
다음에, 도 5o에 도시된 바와 같이, 압전판 상면에 상부 전극(6)을 형성하여 소자를 완성한다.Next, as shown in FIG. 5O, the upper electrode 6 is formed on the upper surface of the piezoelectric plate to complete the device.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 잉크젯 프린터 헤드는, Si을 이용해서 노즐, 공통 잉크 유로 및 잉크 주입 채널이 압력 챔버와 일체형으로 형성되므로, 구조가 간단하면서도 그 규격을 작게할 수 있다. 따라서, 인쇄물의 해상도를 높일 수 있다. 벌크 Si 웨이퍼를 사용해서 압력 챔버의 격벽 구조를 경사지게 제조하므로 압력파가 노즐쪽으로 집중되므로 압력 챔버 내부에의 압력파 손실이 적어 에너지 사용이 효율적이며, 작은 압력 챔버를 사용하므로 작은 두께의 압전판을 사용할 수 있다.As described above, in the inkjet printer head using the piezoelectric material according to the present invention, since the nozzle, the common ink flow path, and the ink injection channel are formed integrally with the pressure chamber using Si, the structure can be simplified and the size thereof can be reduced. . Therefore, the resolution of a printed matter can be raised. The bulkhead structure of the pressure chamber is made obliquely by using a bulk Si wafer, so the pressure wave is concentrated toward the nozzle, so the pressure wave loss inside the pressure chamber is small, so the energy use is efficient. Can be used.
또한, 그 제조 방법에 있어서는, 노즐이 일체형으로 제작되기 때문에 노즐을 프린터 헤드에 부착 하기 위한 Pick & Place 장비를 사용할 필요가 없어므로 공정이 단순하고, 별도의 노즐판을 사용하지 않으므로 노즐을 제조하는데 필요한 경비가 줄어든다. 잉크가 이동되는 유로 형성을 Si 웨이퍼를 직접 습식 식각법을 이용하여 형성하므로 공정이 용이하고 생산원가가 적다. Si 웨이퍼를 이용한 습식 식각은 복잡한 잉크 유로를 형성 하는데도 용이하므로 다양한 형태의 프린터 헤드를 제조할 수 있다. 진동판으로서는 Si 박판을 사용하기 때문에 일정한 진동판 두개를 사용할 수 있다. 압전판의 재질은 리드-지르코늄-타이타네이트(lead zirconium titanate)를 사용하여 1300℃ 이하(1000℃ 이하가 바람직함)에서 소결되므로 압전판 부착시 Si 위에서 직접 소결 할 수 있다. 압전판을 Si 위에서 직접 소결 할때 패턴은 스크린 프린팅을 사용해서 형성하므로 노즐간의 간격을 줄일 수 있다.In addition, in the manufacturing method, since the nozzle is integrally manufactured, there is no need to use Pick & Place equipment for attaching the nozzle to the print head, so the process is simple and no nozzle plate is used to manufacture the nozzle. The cost required is reduced. The formation of the flow path through which the ink is moved forms the Si wafer using a direct wet etching method, thereby facilitating the process and reducing the production cost. Wet etching using Si wafers is easy to form complex ink flow paths, and therefore, various types of print heads can be manufactured. As a diaphragm, since a Si thin plate is used, two regular diaphragms can be used. The material of the piezoelectric plate is sintered at 1300 ° C. or less (preferably 1000 ° C. or less) using lead zirconium titanate, so that the piezoelectric plate may be directly sintered on Si when the piezoelectric plate is attached. When the piezoelectric plate is sintered directly on Si, the pattern is formed using screen printing, which reduces the gap between the nozzles.
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