KR20000034820A - 마이크로 인젝팅 디바이스와 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 인젝팅 디바이스와 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에서는 멤브레인의 메인 동작부 구조를 높은 인장력 전달 특성을 갖는 금속막 영역, 예컨대, 니켈막 영역과 높은 신축성을 갖는 유기막 영역, 예컨대, 폴리이미드막 영역으로 이원화하고, 이원화된 각각의 영역이 잉크를 강하게 밀어올리는 충격력 전달매체 역할, 신속한 초기화매체 역할과 함께 응력을 분산하여 제거하는 힌지역할을 아울러 수행하도록 함으로써, 멤브레인의 변형을 방지하고, 내 응력성 및 동작 응답성을 동시에 향상시킨다. 이에 따라, 본 발명에서는 장치의 전체적인 프린팅 성능이 현저히 향상된다.
Description
본 발명은 마이크로 인젝팅 디바이스에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 마이크로 인젝팅 디바이스의 멤브레인(Membrane)의 구조를 개선하여 변형을 미연에 방지함으로써, 전체적인 프린팅 성능을 현저히 향상시킬 수 있도록 하는 마이크로 인젝팅 디바이스에 관한 것이다. 더욱이 본 발명은 이와 같은 마이크로 인젝팅 디바이스를 제조하기 위한 제조방법에 관한 것이다.
통상, 마이크로 인젝팅 디바이스는 잉크, 주사액 및 휘발유 등의 목적물을 특정 대상물, 예컨대, 인쇄용지, 인체 및 자동차 등에 미량으로 공급하고자 하는 경우, 목적물에 일정 크기의 전기적·열적 에너지를 가하여, 목적물의 체적변화를 유도함으로써, 미량의 목적물을 원하는 대상물에 공급할 수 있도록 설계된 장치를 일컫는다.
최근, 전기·전자 기술의 발달에 힘입어 이러한 마이크로 인젝팅 디바이스 또한 빠른 발전을 거듭하고 있으며, 전반적인 생활영역에 걸쳐 광범위한 영역을 확대해 가고 있다. 마이크로 인젝팅 디바이스가 실제의 생활에 적용되는 예로 잉크젯 프린터를 예시할 수 있다.
마이크로 인젝팅 디바이스의 한 종류인 잉크젯 프린터는 도트 프린터와 달리 카트리지의 사용에 따라 다양한 칼라의 구현이 가능하고 소음이 적으며, 인자품질이 미려하다는 많은 장점을 갖고 있어 점차 그 사용영역이 확대되는 추세에 있다.
이러한 장점을 지닌 잉크젯 프린터에는 통상, 미소직경의 노즐을 갖는 프린터 헤드가 장착되며, 이러한 프린터 헤드는 외부로부터 온/오프되는 전기적인 신호를 통해 액체상태의 잉크를 기포상태로 변환·팽창시킨 후 이를 외부로 분사시킴으로써, 인쇄용지에 원활한 인쇄작업이 진행되도록 하는 역할을 수행한다.
종래의 기술에 따른 마이크로 인젝팅 디바이스, 예컨대, 잉크젯 프린터의 다양한 구성, 동작원리 등은 예컨대, 미국특허공보 제 4490728 호 "써멀 잉크젯 프린터(Thermal inkjet printer)", 미국특허공보 제 4809428 호 "마이크로 인젝팅 디바이스용 박막 디바이스와 그 제조방법(Thin film device for an ink jet printhead and process for the manufacturing same)", 미국특허공보 제 5140345 호 "리퀴드 젯 레코딩 헤드용 기판의 제조방법과 그 제조방법에 의해 제조된 기판(Method of manufacturing a substrate for a liquid jet recording head and substrate manufactured by the method)", 미국특허공보 제 5274400 호 "잉크젯 프린트헤드의 고온구동을 위한 잉크 경로 배열(Ink path geometry for high temperature operation of ink-jet printheads), 미국특허공보 제 5420627 호 "잉크젯 프린트헤드(Inkjet Printhead)" 등에 상세하게 제시되어 있다.
통상, 이러한 종래의 마이크로 인젝팅 디바이스에서는 잉크를 외부로 분사하기 위해 가열층에 의한 고열을 이용하게 되는데, 이때, 가열층에 의해 발생된 고열의 영향이 장시간 잉크챔버 내부의 잉크에 미치게 되면 잉크성분의 열적변화가 발생하여 이를 수용하고 있는 장치의 내구성이 급격히 저하되는 문제점이 야기될 수 있다.
최근들어, 이러한 문제점을 해결하기 위한 하나의 방안으로, 가열층과 잉크 챔버 사이에 판상의 멤브레인을 개재시키고, 가열챔버를 채운 워킹용액(Working liquid)의 증기압을 통해 맴브레인의 동적변형을 유도함으로써, 잉크챔버내의 잉크를 외부로 원활히 분사하는 새로운 방법이 제안되고 있다.
이 경우, 잉크챔버와 가열층 사이에는 멤브레인이 개재되기 때문에, 잉크와 가열층은 서로 직접적인 접촉을 피할 수 있음으로써, 잉크는 자신의 열적변화를 최소화할 수 있다.
상술한 종래의 마이크로 인젝팅 디바이스에서, 멤브레인은 가열챔버내의 워킹용액으로부터 전달되는 증기압에 의해 수축/팽창되어 체적변형을 일으킨 후, 잉크챔버 내부의 잉크로 일정크기의 충격력을 연이어 전달함으로써, 잉크가 외부의 용지로 강하게 분사되도록 하는데, 이때, 멤브레인은 상술한 체적변형을 자신의 전면에 걸쳐서 동시에 일으키게 된다.
그런데, 이때, 충격력 전달특성 또는 동작 복원성을 고려하여 멤브레인을 예컨대, 니켈재질로 형성하는 경우, 니켈재질의 멤브레인은 잦은 체적변형에 의해 자신의 전체표면 중 구조적으로 취약한 특정부분, 예컨대, "가열챔버의 형성에 의해 멤브레인이 지지되지 못하는 부분"에 변형을 일으킴으로써, 링클링 현상을 야기한다.
더욱이, "가열챔버의 형성에 의해 지지되지 못하는 부분"은 멤브레인이 잉크를 밀어올리는 메인 동작부이기 때문에, 이러한 메인 동작부에 링클링 등의 변형이 진행되면, 멤브레인의 기계적인 특성은 현저히 저하된다.
또한, 가열챔버/잉크챔버와의 접촉성 또는 내 응력성 등을 고려하여, 멤브레인을 예컨대, 폴리이미드재질로 형성하는 경우, 멤브레인의 메인 동작부는 일정한 연성을 유지하여 링클링 등의 변형은 어느정도 견딜 수 있지만, 충격력 전달특성, 복원성 등은 매우 취약해져, 가열챔버의 증기압 발생에 신속한 동작응답을 취할 수 없음으로써, 원활한 잉크분사 기능을 수행할 수 없다.
이러한 각 문제점 결과, 프린터 헤드의 전체적인 프린팅 성능은 현저히 저하된다.
따라서, 본 발명의 목적은 멤브레인의 전체영역 중 구조적으로 취약한 특정부분, 예컨대, 메인 동작부에 걸리는 응력을 분산시킴으로써, 링클링 등의 손상을 미리 방지하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 링클링 등의 손상을 미리 방지함으로써, 메인 동작부의 기계적특성을 향상시키는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 메인 동작부의 동작응답성을 향상시킴으로써, 멤브레인의 전체적인 잉크분사 기능을 향상시키는데 있다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부된 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로 인젝팅 디바이스를 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 단면도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 멤브레인의 형상을 도시한 평면도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로 인젝팅 디바이스의 제 1 작용을 도시한 예시도.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로 인젝팅 디바이스의 제 2 작용을 도시한 예시도.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 멤브레인의 제 1 동작상태를 도시한 예시도.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 멤브레인의 제 2 동작상태를 도시한 예시도.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로 인젝팅 디바이스를 도시한 사시도.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 마이크로 인젝팅 디바이스의 제조방법을 순차적으로 도시한 단면공정도.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 멤브레인의 제조방법을 순차적으로 도시한 단면공정도.
도 11a 내지 도 11b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 멤브레인의 제조방법을 순차적으로 도시한 단면공정도.
도 12a 내지 도 12e는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 멤브레인의 제조방법을 순차적으로 도시한 단면공정도.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 멤브레인의 메인 동작부 구조를 높은 인장력 전달 특성을 갖는 금속막 영역, 예컨대, 니켈막 영역과 높은 신축성을 갖는 유기막 영역, 예컨대, 폴리이미드막 영역으로 이원화하고, 이원화된 각각의 영역이 잉크를 강하게 밀어올리는 충격력 전달매체 역할, 신속한 초기화매체 역할과 함께 응력을 분산하여 제거하는 힌지역할을 아울러 수행하도록 함으로써, 멤브레인의 변형을 방지하고, 내 응력성 및 동작 응답성을 동시에 향상시킨다.
이에 따라, 본 발명에서는 전체적인 프린팅 성능이 현저히 향상된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 마이크로 인젝팅 디바이스와 이의 제조방법을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 인젝팅 디바이스에서 예컨대, Si 재질의 기판(1) 상부에는 SiO2재질의 보호막(2)이 형성되며, 보호막(2)의 상부에는 외부로부터 인가되는 전기적인 에너지에 의해 가열되는 가열층(11)이 형성되고, 가열층(11)의 상부에는 외부의 전기적인 에너지를 가열층(11)으로 공급하는 전극층(3)이 형성된다. 전극층(3)은 공통전극(12)과 연결되며, 전극층(3)으로부터 공급된 전기적인 에너지는 가열층(11)에 의해 열에너지로 변환된다.
한편, 가열층(11)이 커버되도록 전극층(3)의 상부에는 가열챔버 베리어층(5)에 의해 둘러싸인 가열챔버(4)가 형성되며, 가열층(11)에 의해 변환된 열은 가열챔버(4)로 전달된다.
이때, 가열챔버(4)의 내부에는 증기압 발생이 용이한 워킹용액이 충진되며, 워킹용액은 가열층(11)으로부터 전달된 열에 의해 급속히 기화된다. 또한, 워킹용액의 기화에 의해 발생된 증기압은 가열챔버 베리어층(5)상에 형성된 멤브레인(20)으로 전달된다.
여기서, 멤브레인(20)의 상부에는 잉크챔버 베리어층(7)에 의해 둘러싸여지고, 상술한 가열챔버(4)와 동일축상에 놓이는 잉크챔버(9)가 형성되며, 잉크챔버(9)의 내부에는 적정량의 잉크가 채워진다.
이때, 잉크챔버(9)가 커버되도록 잉크챔버 베리어층(7)의 상부에는 노즐(10)이 형성되어 외부로 드롭되는 잉크의 분사게이트(Jet gate) 역할을 수행한다. 이러한 노즐(10)은 상술한 가열챔버(4), 잉크챔버(9)와 동일축상에 놓이도록 노즐 플레이트(8)를 관통하여 형성된다.
상술한 구성에서, 본 발명의 요지를 이루는 멤브레인(20)은 가열챔버(4) 상부를 커버하도록 가열챔버 베리어층(5) 전면에 형성되는 유기막(21)과, 가열챔버(4)와 동일축상에 위치되고, 가열챔버(4) 형성영역에 대응되도록 유기막(21)상에 형성되는 접촉막(23)과, 접촉막(23)상에 형성되는 금속막(24)의 연속적인 적층구조로 이루어진다. 즉, 가열챔버(4)의 형성위치에 대응하는 멤브레인(20)의 메인 동작부에는 금속막(24)이 위치하고, 그것의 저부에는 유기막(21)이 금속막(24)과 맞붙어 형성된다.
여기서, 금속막(24)은 신속한 체적변형을 일으켜, 그 상부에 형성된 잉크챔버(9) 내부의 잉크로 강한 충격력을 전달하는 역할을 수행하고, 유기막(21)은 양호한 신축성을 유지한 상태로 상술한 금속막(24)의 동작과 함께 신속한 체적변형을 일으킴으로써, 금속막(24)에 걸리는 응력을 분산하여 제거하는 역할을 수행한다.
이때, 바람직하게, 유기막(21)은 신축성, 연성이 우수한 폴리이미드재질로 형성된다. 여기서, 유기막(21)은 멤브레인(20)의 상부에 형성되는 잉크챔버 베리어층(7)과 서로 접착되는 구조를 이룬다. 통상, 잉크챔버 베리어층(7)은 잉크에 강한 내성을 지닌 폴리이미드 재질로 형성되는데, 이때, 상술한 바와 같이, 본 발명의 유기막(21)은 이와 동일한 재질의 폴리이미드 재질로 이루어짐으로써, 잉크챔버 베리어층(7)과 견고한 접착력을 유지할 수 있다.
또한, 바람직하게, 금속막(24)은 우수한 인장력을 지닌 니켈로 형성된다. 이에 따라, 니켈재질의 금속막(24)은 워킹용액의 기화에 따른 증기압 발생에 신속히 응답하여 빠른 체적변형을 일으킴으로써, 그 상부에 형성된 잉크챔버(9) 내부의 잉크를 노즐(10) 쪽으로 신속히 밀어올릴 수 있다.
한편, 유기막(21)과 금속막(24) 사이에는 이들의 접촉력을 향상시키기 위한 접촉막(23)이 형성된다. 이에 따라, 서로 다른 재질의 유기막(21)과 금속막(24)은 견고한 접촉력을 유지할 수 있다.
이때, 바람직하게, 접촉막(23)은 바나듐, 티타늄, 크롬들로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진다.
종래에서, 멤브레인이 니켈재질로 형성되는 경우, 멤브레인의 메인 동작부에서는 링클링 등의 변형이 발생되었고, 이에 따라, 멤브레인의 기계적인 특성은 현저히 저하되었다.
또한, 멤브레인이 폴리이미드 재질로 형성되는 경우, 멤브레인의 메인 동작부는 가열챔버의 증기압에 신속한 동작응답성을 취할 수 없었고, 이에 따라, 장치의 전체적인 인쇄기능은 현저히 저하되었다.
그러나, 본 발명의 경우, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 니켈 재질과 폴리이미드 재질을 멤브레인(20)의 메인 동작부 구성에 한꺼번에 적용한다. 즉, 본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 멤브레인(20)의 메인 동작부에 인장력이 우수한 금속막(24)을 형성하고, 그것의 저부에 연성이 우수한 유기막(21)을 연이어 형성한다. 이에 따라, 가열챔버(4)의 증기압에 의해 금속막(24)에 걸리는 응력은 신축성이 양호한 유기막(21)으로 전달된 후 적절히 분산되어 제거될 수 있음으로써, 멤브레인(20)은 변형을 일으키지 않으면서도, 워킹용액의 증기압 발생에 신속한 동작응답성을 유지할 수 있다. 결과적으로, 전체적인 인쇄품질이 현저히 향상된다.
이하, 이러한 본 발명에 따른 멤브레인의 작용을 상세히 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 먼저, 외부의 전원으로부터 전극층(3)으로 전기적인 신호가 인가되면, 전극층(3)과 접촉된 가열층(11)은 이러한 전기적인 에너지를 공급받아 순간적으로 500℃ 이상의 고온으로 급속 히팅된다. 이 과정에서 전기적인 에너지는 500℃~550℃ 정도의 열에너지로 변환된다.
이어서, 변환된 열은 가열층(11)과 접촉된 가열챔버(4)로 전달되고, 가열챔버(4) 내부에 충진된 워킹용액은 전달된 열에 의해 급속히 기화되어, 일정 크기의 증기압을 발생시킨다.
계속해서, 증기압은 가열챔버 베리어층(5) 상부에 놓여진 멤브레인(20)으로 전달되며, 이에 따라, 멤브레인(20)에는 일정크기의 충격력 P가 가해진다.
이러한 경우, 멤브레인(20)은 도 4에 도시된 바와 같이, 화살표 방향으로 급속히 팽창되어 라운드형으로 굽어진다. 이에 따라, 그 상부에 형성된 잉크챔버(9) 내부에 채워진 잉크(100)에는 강한 충격력이 전달되며, 잉크(100)는 상술한 충격력에 의해 포화되어 분사직전의 상태에 놓여진다.
이때, 상술한 바와 같이, 본 발명의 멤브레인(20)은 우수한 충격력 전달특성을 갖는 금속막(24)과, 이러한 금속막(24)에 걸리는 응력을 분산하여 제거하는 유기막(21)으로 이원화되어 형성되기 때문에, 종래의 멤브레인에서 발생되던 링클링 등의 변형을 일으키지 않는다.
여기서, Ni재질의 금속막(24)은 폴리이미드재질의 유기막(21)보다 단위 면적당 중량이 크기 때문에, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 금속막은 P=mV(여기서, P는 충격력, m은 막의 중량, V:막의 체적)로 표현되는 충격력 전달공식에 따라, 그 상부에 형성된 잉크챔버(9) 내부의 잉크로 강한 충격력을 전달할 수 있다.
또한, 폴리이미드재질의 유기막(21)은 Ni재질의 금속막(24)보다 신축성이 우수하기 때문에, 도 6에 도시된 바와 같이, 금속막(24)에 걸리는 응력 δ2을 응력 δ1으로 흡수하여 적절히 분산/제거할 수 있다.
한편, 이러한 상태에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 외부의 전원으로부터 공급되던 전기적인 신호가 차단되어 가열층(11)이 급속히 냉각되면, 가열챔버(4)의 내부에서 유지되던 증기압은 급속히 저감되며, 이에 따라, 가열챔버(4) 내부는 신속한 진공상태를 이룬다. 이러한 진공은 멤브레인(20)으로 상술한 충격력에 대응하는 강한 버클링력 B를 가함으로써, 멤브레인(20)이 순간적으로 수축되어 초기화되도록 한다.
이러한 경우, 멤브레인(20)은 도 5에 도시된 바와 같이, 화살표 방향으로 급속히 수축되어 잉크챔버의 내부로 강한 버클링력을 전달한다. 이에 따라, 멤브레인(20)의 팽창과정을 통하여 분사직전의 상태에 놓여있던 잉크(100)는 자체의 중량에 의해 타원형/원형으로 차례로 변형되어, 외부의 인쇄용지로 분사된다. 이에 따라, 외부의 인쇄용지에는 신속한 프린팅이 이루어진다.
이때, 본 발명의 멤브레인(20)은 우수한 인장력을 유지하는 금속막(24)과 이러한 금속막(24)에 걸리는 응력을 분산하여 제거하는 유기막(21)으로 이원화되어 형성되기 때문에, 종래의 멤브레인에서 발생되던 링클링 등의 변형을 일으키지 않음은 물론, 가열챔버(4) 쪽으로 신속히 초기화됨으로써, 양호한 동작응답성을 취할 수 있다.
여기서, 폴리이미드재질의 유기막(21)은 Ni재질의 금속막(24)보다 신축성이 우수하기 때문에, 도 7에 도시된 바와 같이, 유기막(21)은 금속막(24)에 걸리는 응력 δ4을 응력 δ3으로 흡수하여 적절히 분산/제거할 수 있다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 인젝팅 디바이스에서, 멤브레인(20)의 유기막(21)상에는 금속막(24)의 측면에 접촉되며, 가열챔버(4)의 가장자리 상부와 겹쳐져 배치되는 보조유기막(22)이 더 형성된다.
이 경우, 보조유기막(22)은 유기막(21)의 신축성 정도를 더욱 보강하는 역할을 수행하기 때문에, 유기막(21)은 금속막(24)에 걸리는 응력을 상술한 실시예의 경우 보다 좀더 원활히 제거할 수 있다.
상술한 다른 실시예의 구성을 통해, 유기막(21)의 상부에 보조유기막(22)이 추가로 형성되면, 보조유기막(22)은 멤브레인(20)의 상부에 형성되는 잉크챔버 베리어층(7)과 서로 접착되는 구조를 이루는데, 이때, 보조유기막(22)은 상술한 유기막(21)과 마찬가지로, 잉크챔버 베리어층(7)과 동일한 재질의 폴리이미드로 이루어짐으로써, 잉크챔버 베리어층(7)과 좀더 견고한 접착력을 유지할 수 있다.
이하, 상술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 마이크로 인젝팅 디바이스의 첫번째 제조방법을 상세히 설명한다.
이때, 본 발명에 따른 마이크로 인젝팅 디바이스의 첫번째 제조방법은 서로 별개로 진행되는 제 1 공정, 제 2 공정, 제 3 공정의 조합으로 이루어지는데, 이와 같은 개별적인 공정을 통해 제조된 각 부품, 예컨대, 가열층(11)/가열챔버 베리어층(5) 어셈블리, 멤브레인(20), 노즐 플레이트(8)/잉크챔버 베리어층(7) 어셈블리 등은 추후에 진행되는 얼라인 과정을 통해 적정 위치에서 서로 조립됨으로써, 최종의 마이크로 인젝팅 디바이스로 완성된다.
첫번째 제조방법에서는 먼저, 제 1 공정을 진행하여, 도 9a에 도시된 바와 같이, SiO2등의 보호막(2)이 형성된 Si기판(1) 상에 금속물질, 예컨대, 폴리 실리콘을 증착하고, 패턴막(미도시)을 통해, 보호막(2)의 일부가 노출되도록 폴리 실리콘을 식각함으로써, 보호층(2)의 상부에 가열층(11)을 형성한다.
이어서, 가열층(11)이 커버되도록 보호막(2)의 상부에 금속물질, 예컨대, 알루미늄을 증착하고, 패턴막을 통해, 가열층(11)의 중앙부 표면이 노출되도록 알루미늄을 식각함으로써, 가열층(11)의 양 측부와 접촉된 형상의 전극층(3)을 형성한다.
계속해서, 가열층(11)이 커버되도록 전극층(3)의 상부에 유기물질, 예컨대, 폴리이미드를 증착하고, 패턴막을 통해, 가열층(11)의 일부 표면과 그 주변의 전극층(3)이 노출되도록 폴리이미드를 식각하여, 가열챔버(4)의 형성영역을 정의하는 가열챔버 베리어층(5)을 형성함으로써, 제 1 공정을 완료한다.
한편, 이러한 제 1 공정과 별개로, 도 9b에 도시된 바와 같은, 멤브레인을 형성하기 위한 제 2 공정이 진행된다.
여기서, 제 2 공정을 도 10a 내지 도 10d를 참조하여 좀더 상세히 설명한다.
먼저, 도 10a에 도시된 바와 같이, SiO2등의 보호막(201)이 형성된 Si기판(200) 상에 유기물질, 바람직하게, 폴리이미드를 증착하여 유기막(21)을 형성한다.
이때, 바람직하게, 유기막(21)은 박막두께의 조절이 용이한 스핀코팅법에 의해 증착되며, 유기막(21)의 증착두께는 바람직하게, 2μm~2.5μm를 유지한다.
이어서, 유기막(21)을 바람직하게, 130℃~290℃의 온도에서 일정한 시간간격을 두고 2회정도 열처리한다. 이러한 열처리 결과, 유기막(21)은 전 표면에 걸쳐 양호한 인성(Toughness)을 갖게 됨으로써, 후술하는 접촉막(23)이 견고히 증착될 수 있는 조건을 마련한다. 이때, 바람직하게, 유기막(21)의 열처리 과정은 150℃와 280℃의 온도에서 각각 이루어진다.
계속해서, 도 10b에 도시된 바와 같이, 유기막(21)의 상부에 스퍼터링 등의 증착법을 이용하여 금속물질, 바람직하게, 바나듐, 티타늄, 크롬 등을 증착함으로써, 접촉막(23)을 형성한다. 이때, 바람직하게, 접촉막(23)의 증착두께는 0.1μm~0.2μm를 유지한다.
이어서, 접촉막(23)의 상부에 스퍼터링 등의 증착법을 이용하여 금속물질, 바람직하게, 니켈을 증착함으로써, 금속막(24)을 형성한다. 이때, 바람직하게, 금속막(24)의 증착두께는 0.2μm~0.5μm를 유지한다. 여기서, 금속막(24)은 바람직하게, 150℃~180℃의 온도에서 어닐링처리되는데, 이는 금속막(24)이 자신의 전면에 걸쳐 양호한 인성 및 기계적내성을 갖게하기 위함이다.
계속해서, 최종 형성될 금속막(24)/접촉막(23)의 형상을 완성하기 위하여 금속막(24)의 일부표면에 패턴막(30)을 형성한 후, 패턴막(30)을 마스크로 이용하여 금속막(24)/접촉막(23)을 식각하고, 잔존하는 패턴막(30)을 케미컬에 의해 제거함으로써, 금속막(24)/접촉막(23)의 양쪽 주변으로 유기막(21)이 노출되도록 하여 도 10c에 도시된 바와 같은, 최종구조의 멤브레인(20)을 완성한다.
이때, 첫번째 제조방법의 다른 실시예로써, 상술한 금속막(24)/접촉막(23)을 식각하여 유기막(21)의 일부를 노출시키는 단계후에 유기막(21)의 신축성을 보강하는 보조유기막(22)을 형성하는 과정이 추가로 진행될 수 있다.
이러한 추가과정에서는, 먼저, 도 11a에 도시된 바와 같이, 금속막(24)/접촉막(23)이 커버되도록 유기막(21)의 상부에 화학기상증착 등의 증착법을 이용하여, 유기물질, 바람직하게, 폴리이미드(22´)를 증착한다.
이어서, 도 11b에 도시된 바와 같이, 금속막(24)의 표면이 노출될 때까지 에치백 과정을 진행하여 폴리이미드(22´)를 식각함으로써, 금속막(24)/접촉막(23)의 양측과 접촉되는 완성된 구조의 보조유기막(22)을 형성한다.
이러한 추가의 공정에 따라, 형성된 보조유기막(22)은 금속막(24)/접촉막(23)의 양측과 접촉됨과 아울러 유기막(21)의 상부에 견고히 접착됨으로써, 최종적으로 완성되는 멤브레인(20)의 전체적인 신축성을 좀더 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.
이후, 상술한 과정을 통해 멤브레인(20)의 구조가 완성되면, 도 10d에 도시된 바와 같이, HF 등의 케미컬을 사용하여 보호층(201)이 형성된 기판(200)으로부터 완성된 멤브레인(20)을 박리시킴으로써, 제 2 공정을 완료한다.
한편, 이러한 제 2 공정과 별도로 첫번째 제조방법의 제 3 공정이 진행된다.
제 3 공정에서는 먼저, 도 9c에 도시된 바와 같이, SiO2등의 보호막(301)이 형성된 Si기판(300) 상에 전기도금법 등의 증착방법을 이용하여 금속물질, 예컨대, 니켈을 증착하고, 패턴막을 통해, 보호막(301)의 일부가 노출되도록 니켈을 식각함으로써, 노즐(10)의 형성영역을 정의하는 노즐 플레이트(8)를 형성한다.
이어서, 보호막(301)이 커버되도록 노즐 플레이트(8)의 상부에 유기물질, 예컨대, 폴리이미드를 증착하고, 패턴막을 통해, 보호막(301)의 일부 표면과 그 주변의 노즐 플레이트(8)가 노출되도록 폴리이미드를 식각함으로써, 잉크챔버(9)의 형성영역을 정의하는 잉크챔버 베리어층(7)을 형성한다.
이후, 상술한 과정을 통해 노즐 플레이트(8)/잉크챔버 베리어층(7) 어셈블리의 구조가 완성되면, HF 등의 케미컬을 사용하여 보호층(301)이 형성된 기판(300)으로부터 완성된 노즐 플레이트(8)/잉크챔버 베리어층(7) 어셈블리를 박리시킴으로써, 제 3 공정을 완료한다.
한편, 상술한 제 1 공정 내지 제 3 공정이 모두 완료되면, 각 공정에 의해 제조된 어셈블리들을 하나의 조립품으로 조립하는 공정이 진행된다.
즉, 제 1 공정으로 기 형성된 가열층(11)/가열챔버 베리어층(5) 어셈블리의 상부에 상술한 제 2 공정으로 기 형성된 멤브레인(20)을 조립하며, 멤브레인(20)의 상부에 상술한 제 3 공정으로 기 형성된 노즐 플레이트(8)/잉크챔버 베리어층(7) 어셈블리를 조립한다. 이때, 멤브레인(20)의 금속막(24)/접촉막(23)은 가열층(11)/가열챔버 베리어층(5) 어셈블리의 가열챔버(4)와 동일위치에 얼라인되며, 노즐 플레이트(8)/잉크챔버 베리어층(7) 어셈블리의 노즐(10)은 가열챔버(4), 금속막(24)/접촉막(23)과 동일위치에 얼라인된다.
결국, 상술한 제 1 공정 내지 제 3 공정을 거쳐 완성된 각 구조물들은 얼라인과정과 조립과정을 거쳐 하나의 조립품으로 조립되고, 도 9d에 도시된 바와 같은 완성된 프린터 헤드로 제조·완료된다.
한편, 본 발명의 마이크로 인젝팅 디바이스는 상술한 첫번째 제조방법과 다른 두번째 제조방법으로 제조될 수도 있다.
후술하는 본 발명의 두번째 제조방법은 상술한 첫번째 제조방법과 비교하여 다수개의 금속막(24)/접촉막(23)과 다수개의 가열챔버(4)를 한꺼번에 동일위치에 신속히 얼라인할 수 있는 효과를 나타낸다.
이하, 본 발명의 두번째 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명의 두번째 제조방법에서는 먼저, 상술한 첫번째 제조방법과 마찬가지로 도 9a에 도시된 바와 같은, 제 1 공정을 진행하여, SiO2등의 보호막(2)이 형성된 Si기판(1) 상에 폴리 실리콘 재질의 가열층(11)을 형성하고, 가열층(11)의 양측부에 그것과 접촉된 알루미늄 재질의 전극층(3)을 형성하며, 가열층(11)을 포함하는 전극층(3)의 상부에 가열챔버(4)의 형성영역을 정의하는 폴리이미드 재질의 가열챔버 베리어층(5)을 형성한다.
한편, 이러한 제 1 공정과 별개로, 멤브레인을 형성하기 위한 두번째 제조방법의 제 2, 제 3 공정이 진행된다.
후술하는 두번째 제조방법의 제 2, 제 3 공정은 상술한 첫번째 제조방법에서 진행되던 멤브레인(20)의 제조공정과 달리, 금속막(24)/접촉막(23)이 형성되지 않은 유기막(21)을 가열층(11)/가열챔버 베리어층(5) 어셈블리에 먼저 조립한 후, 조립이 완료된 유기막(21)상에 금속막(24)/접촉막(23)을 형성하게 된다.
여기서, 두번째 제조방법의 제 2, 제 3 공정을 도 12a 내지 도 12e를 참조하여 좀더 상세히 설명한다.
먼저, 도 12a에 도시된 바와 같이, SiO2등의 보호막(201)이 형성된 Si기판(200) 상에 유기물질, 바람직하게, 폴리이미드를 증착하여 유기막(21)을 형성한다.
이때, 바람직하게, 유기막(21)은 상술한 첫번째 제조방법과 마찬가지로 박막두께의 조절이 용이한 스핀코팅법에 의해 증착되며, 유기막(21)의 증착두께는 바람직하게, 2μm~2.5μm를 유지한다.
이어서, 유기막(21)을 바람직하게, 130℃~290℃의 온도에서 일정한 시간간격을 두고 2회정도 열처리한다. 이러한 열처리 결과, 유기막(21)은 전 표면에 걸쳐 양호한 인성을 갖게 됨으로써, 후술하는 접촉막(23)이 견고히 증착될 수 있는 조건을 마련한다. 이때, 바람직하게, 유기막(21)의 열처리 과정은 150℃와 280℃의 온도에서 각각 이루어진다.
계속해서, 유기막(21)의 구조가 완성되면, 도 12b에 도시된 바와 같이, HF 등의 케미컬을 사용하여 보호막(201)이 형성된 기판(200)으로부터 유기막(21)을 박리시킨 후 박리된 유기막(21)을 상술한 제 1 공정을 통해 완성된 가열층(11)/가열챔버 베리어층(5) 어셈블리상에 조립한다.
계속해서, 도 12c에 도시된 바와 같이, 가열층(11)/가열챔버 베리어층(5) 어셈블리 상에 조립된 유기막(21)의 상부에 스퍼터링 등의 증착법을 이용하여 금속물질, 바람직하게, 바나듐, 티타늄, 크롬 등을 증착함으로써, 접촉막(23)을 형성한다. 이때, 바람직하게, 접촉막(23)의 증착두께는 0.1μm~0.2μm를 유지한다.
이어서, 접촉막(23)의 상부에 스퍼터링 등의 증착법을 이용하여 금속물질, 바람직하게, 니켈을 증착함으로써, 금속막(24)을 형성한다.
이때, 바람직하게, 금속막(24)의 증착두께는 상술한 첫번째 제조방법과 마찬가지로 0.2μm~0.5μm를 유지한다. 여기서, 금속막(24)은 바람직하게, 150℃~180℃의 온도에서 어닐링처리되는데, 이는 금속막(24)이 자신의 전면에 걸쳐 양호한 인성 및 기계적내성을 갖게하기 위함이다.
계속해서, 최종 형성될 금속막(24)/접촉막(23)의 형상을 완성하기 위하여 도 12d에 도시된 바와 같이, 금속막(24)의 일부표면에 패턴막(30)을 형성한 후, 패턴막(30)을 마스크로 이용하여 금속막(24)/접촉막(23)을 식각하고, 잔존하는 패턴막(30)을 케미컬에 의해 제거함으로써, 금속막(24)/접촉막(23)의 양쪽 주변으로 유기막(21)이 노출되도록 하여 도 12e에 도시된 바와 같은, 최종구조의 멤브레인(20)을 완성한다.
이때, 금속막(24)/접촉막(23)은 가열챔버(4)의 형성위치와 동일한 위치에 형성된다.
이와 같이, 본 발명의 두번째 제조방법에서는 유기막(21)이 가열챔버 상부에 미리 조립된 상태에서 가열챔버(4)의 형성위치와 대응되도록 금속막(24)/접촉막(23)을 형성하기 때문에, 상술한 첫번째 제조방법과 달리 가열층(11)/가열챔버 베리어층(5) 어셈블리의 상부에 멤브레인(20)을 조립할 때, 다수개의 금속막(24)/접촉막(23)과 다수개의 가열챔버(4)를 동일위치에 일일이 얼라인하여야 하는 부수적인 얼라인작업을 수행하지 않아도 된다. 그 결과, 장치의 전체적인 제조공정 수율은 현저히 향상된다.
이때, 두번째 제조방법의 다른 실시예로써, 상술한 첫번째 제조방법과 마찬가지로 금속막(24)/접촉막(23)을 식각하여 유기막(21)의 일부를 노출시키는 단계후에는 유기막(21)의 신축성을 보강하는 보조유기막(22)을 형성하는 과정이 추가로 진행될 수 있다.
이러한 추가의 공정에 따라, 형성된 보조유기막(22)은 금속막(24)/접촉막(23)의 양측과 접촉됨과 아울러 유기막(21)의 상부에 견고히 접착됨으로써, 최종 완성된 멤브레인(20)의 전체적인 신축성을 좀더 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.
한편, 이러한 제 2, 제 3 공정과 별도로 두번째 제조방법의 제 4 공정이 진행된다.
두번째 제조방법의 제 4 공정에서는 상술한 첫번째 제조방법과 마찬가지로 도 9c에 도시된 바와 같은 공정을 진행하여, SiO2등의 보호막(301)이 형성된 Si기판(300) 상에 노즐(10)의 형성영역을 정의하는 니켈재질의 노즐 플레이트(8)를 형성한다.
이어서, 노즐 플레이트(8)의 상부에 잉크챔버(9)의 형성영역을 정의하는 폴리이미드 재질의 잉크챔버 베리어층(7)을 형성한다.
이후, 상술한 과정을 통해 노즐 플레이트(8)/잉크챔버 베리어층(7) 어셈블리의 구조가 완성되면, HF 등의 케미컬을 사용하여 보호층(301)이 형성된 기판(300)으로부터 완성된 노즐 플레이트(8)/잉크챔버 베리어층(7) 어셈블리를 박리시킴으로써, 제 4 공정을 완료한다.
한편, 상술한 제 1 공정 내지 제 4 공정이 모두 완료되면, 각 공정들을 통해 제조된 어셈블리들을 하나의 조립품으로 조립하는 공정이 진행된다.
이때, 두번째 제조방법에서는 상술한 바와 같이, 각 부품들이 하나의 조립품으로 조립되기 이전에, 제 1 공정으로 기 형성된 가열층(12)/가열챔버 베리어층(5) 어셈블리의 상부에 제 2, 제 3 공정으로 기 형성된 멤브레인(20)이 미리 조립되어 형성되기 때문에, 본격적인 조립공정에서는 단지 제 3 공정으로 기 형성된 노즐 플레이트(8)/잉크챔버 베리어층(7) 어셈블리만 멤브레인(20)의 상부에 조립하면 된다. 이에 따라, 제품의 전체적인 제조공정 수율은 현저히 향상된다.
이 경우, 노즐 플레이트(8)/잉크챔버 베리어층(7) 어셈블리의 노즐(10)은 가열챔버(4), 금속막(24)/접촉막(23)과 동일위치에 얼라인된다.
결국, 상술한 제 1 공정 내지 제 4 공정을 거쳐 완성된 각 구조물들은 얼라인과정과 조립과정을 거쳐 하나의 조립품으로 조립되고, 도 9d에 도시된 바와 같은 완성된 프린터 헤드로 제조·완료된다.
이와 같이, 본 발명에서는 멤브레인의 구조를 팽창력 전달을 담당하는 금속막과, 금속막에 걸리는 응력을 분산하여 제거하는 유기막으로 이원화하고, 이를 통해 메인 동작부의 변형을 미연에 방지함과 아울러 그것의 신속한 동작응답성을 달성 시킴으로써, 프린터 헤드의 전체적인 프린팅 성능을 현저히 향상시킬 수 있다.
이러한 본 발명은 생산라인에서 제조되는 전 기종의 마이크로 인젝팅 디바이스에서 전반적으로 유용한 효과를 나타낸다.
그리고, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.
이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 첨부된 특허청구의 범위안에 속한다 해야 할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 인젝팅 디바이스와 이의 제조방법에서는 멤브레인의 메인 동작부 구조를 높은 인장력 전달 특성을 갖는 금속막 영역, 예컨대, 니켈막 영역과 높은 신축성을 갖는 유기막 영역, 예컨대, 폴리이미드막 영역으로 이원화하고, 이원화된 각각의 영역이 잉크를 강하게 밀어올리는 충격력 전달매체 역할, 신속한 초기화매체 역할과 함께 응력을 분산하여 제거하는 힌지역할을 아울러 수행하도록 함으로써, 멤브레인의 변형을 방지하고, 내 응력성 및 동작 응답성을 동시에 향상시킨다. 이에 따라, 본 발명에서는 장치의 전체적인 프린팅 성능이 현저히 향상된다.
Claims (17)
- 보호막이 형성된 기판과;상기 보호막상에 형성된 가열층과;상기 보호막상에 형성되며, 상기 가열층과 접촉되어 전기적인 신호를 전달하는 전극층과;상기 가열층과 접촉되는 가열챔버를 정의하기 위해 상기 전극층상에 형성되는 가열챔버 베리어층과;상기 가열챔버 베리어층상에 형성되어 상기 가열챔버와 접촉되며, 상기 가열챔버에 채워진 용액의 체적변화에 따라 신축되어 진동하는 멤브레인과;상기 가열챔버와 동일축상에 위치된 잉크챔버를 정의하기 위해 상기 멤브레인상에 형성되는 잉크챔버 베리어층과;상기 잉크챔버와 접촉되는 노즐을 정의하기 위해 상기 잉크챔버 베리어층상에 형성되는 노즐 플레이트를 포함하며,상기 멤브레인은 상기 가열챔버 상부를 커버하도록 상기 가열챔버 베리어층 전면에 형성되는 유기막과;상기 가열챔버와 동일축상에 위치되며, 상기 가열챔버 형성영역에 대응되도록 상기 유기막상에 형성되는 금속막을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유기막상에는 상기 금속막의 양측 측면과 접촉되며, 상기 가열챔버의 가장자리 상부와 겹쳐져 배치되는 보조유기막이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유기막은 폴리이미드로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속막은 니켈로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속막과 상기 유기막 사이에는 상기 금속막과 상기 유기막의 접촉력 향상을 위한 접촉막이 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스.
- 제 5 항에 있어서, 상기 접촉막은 바나듐, 티타늄, 크롬들로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스.
- 제 1 공정으로 기 형성된 가열층/가열챔버 베리어층 어셈블리상에 제 2 공정으로 기 형성된 멤브레인을 조립한 후 상기 멤브레인상에 제 3 공정으로 기형성된 노즐 플레이트/잉크챔버 베리어층 어셈블리를 조립하는 단계를 포함하며,상기 제 1 공정은 보호막이 형성된 제 1 기판상에 가열층을 형성한 후 상기 보호막상에 상기 가열층과 접촉되도록 전극층을 형성하는 단계와;상기 가열층과 접촉되는 가열챔버를 정의하기위해 상기 전극층상에 가열챔버 베리어층을 형성하는 단계를 포함하고,상기 제 2 공정은 보호막이 형성된 제 2 기판상에 유기막을 형성하는 단계와;상기 유기막상에 접촉막을 형성하는 단계와;상기 접촉막상에 금속막을 형성하는 단계와;패턴막을 마스크로 상기 금속막과 접촉막을 식각하여 상기 유기막의 일부를 노출시키는 단계와;상기 접촉막, 금속막을 상기 제 2 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하며,상기 제 3 공정은 보호막이 형성된 제 3 기판상에 노즐을 갖는 노즐 플레이트를 형성하는 단계와;상기 노즐 플레이트상에 잉크챔버를 갖는 잉크챔버 베리어층을 형성하는 단계와;상기 노즐 플레이트, 잉크챔버 베리어층을 상기 제 3 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 금속막과 접촉막을 식각하여 상기 유기막의 일부를 노출시키는 단계후에,상기 금속막을 커버하도록 상기 유기막 전면에 보조유기막을 형성하는 단계와;상기 금속막이 노출되도록 상기 보조유기막을 에치백하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 유기막은 스핀코팅법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 유기막은 2μm~2.5μm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 유기막은 130℃~290℃의 온도에서 시간간격을 두고 수 회 열경화처리되는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 유기막은 2회 열경화처리되는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스의 제조방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 열경화처리는 각각 150℃와 280℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 접촉막은 0.1μm~0.2μm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 금속막은 150℃~180℃의 온도에서 어닐링처리되는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 금속막은 0.2μm~0.5μm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스의 제조방법.
- 제 1 공정으로 기 형성된 가열층/가열챔버 베리어층 어셈블리상에 제 2 공정으로 일부 형성된 멤브레인을 조립하고, 제 3 공정으로 상기 멤브레인의 형성을 완료한 후 상기 멤브레인상에 제 4 공정으로 기 형성된 노즐 플레이트/잉크챔버 베리어층 어셈블리를 조립하는 단계를 포함하며,상기 제 1 공정은 보호막이 형성된 제 1 기판상에 가열층을 형성한 후 상기 보호막상에 상기 가열층과 접촉되도록 전극층을 형성하는 단계와;상기 가열층과 접촉되는 가열챔버를 정의하기위해 상기 전극층상에 가열챔버 베리어층을 형성하는 단계를 포함하고,상기 제 2 공정은 보호막이 형성된 제 2 기판상에 유기막을 형성하는 단계와;상기 보호막으로부터 상기 유기막을 분리하는 단계와;상기 유기막을 상기 가열챔버 베리어층상에 조립하는 단계를 포함하며,상기 제 3 공정은 상기 유기막상에 접촉막을 형성하는 단계와;상기 접촉막상에 금속막을 형성하는 단계와;패턴막을 마스크로 상기 금속막과 접촉막을 식각하여 상기 유기막의 일부를 노출시키는 단계를 포함하고,상기 제 4 공정은 보호막이 형성된 제 3 기판상에 노즐을 갖는 노즐 플레이트를 형성하는 단계와;상기 노즐 플레이트상에 잉크챔버를 갖는 잉크챔버 베리어층을 형성하는 단계와;상기 상기 노즐플레이트, 상기 잉크챔버 베리어층을 상기 제 3 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 인젝팅 디바이스의 제조방법.
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