KR20010015481A - 고 효율 잉크 이송 프린트헤드, 잉크 이송 시스템 및 고효율 프린트헤드 제조 방법 - Google Patents

고 효율 잉크 이송 프린트헤드, 잉크 이송 시스템 및 고효율 프린트헤드 제조 방법 Download PDF

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파트릭 제이. 바렛트
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Abstract

고효율 열 잉크젯 프린트헤드(80, 196)는 신규한 저항 시스템을 사용한다. 프린트헤드(80, 196)는 지지 구조체(202, 208), 적어도 하나의 개구(108)를 포함하는 적어도 하나의 재료층(104), 및 개구(108)를 갖는 재료층(104)과 지지 구조체(202, 208) 사이의 프린트헤드(80, 196) 내에 위치되는 적어도 하나의 잉크 배출 저항기(86)를 포함한다. 저항기(86)는 적어도 하나의 금속 실리콘 옥시나이트라이드(oxynitride) 조성물로 형성된다. 본 개발로 인해 (A) 저항기(86) 전류 소비를 감소시키고 에너지 효율을 높이며; (B) 종래의 장치와 비교해 저항기 요소(86)의 저항력을 크게하며; (C) 프린트헤드(80, 196) 작동을 냉각시키며; (D) 적은 비용, 고전압/낮은 전력 서플라이를 사용할 수 있는 것을 포함한 다수의 경제적인 장점, 및 (E) 프린트헤드(80, 196) 및 저항기 요소(86)와 연관된 향상된 신뢰성, 안정성 및 수명을 포함해 다수의 장점이 달성된다.

Description

고 효율 잉크 이송 프린트헤드, 잉크 이송 시스템 및 고 효율 프린트헤드 제조 방법{HIGH EFFICIENCY PRINTHEAD CONTAINING A NOVEL OXYNITRIDE-BASED RESISTOR SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 잉크 이송 시스템에 관한 것이며, 특히 개량된 신뢰성, 증대된 수명, 저감된 제조 코스트, 보다 낮은 프린트헤드 작동 온도 및 보다 큰 전체 인쇄 효율을 특징으로 하는 열 잉크젯 프린트헤드에 관한 것이다. 이러한 목적은 이해 가능하게 상세히 후술되는 바와 같이 규정화된 합금 조성물로 제조된 것으로 프린트헤드내에 위치되는 하나 또는 그 이상의 새로운 저항기 요소의 사용을 통하여 이룩된다.
실질적인 개발은 전자 인쇄 기술의 분야에서 이루어 졌다. 광범위한 고효율 인쇄 시스템은 신속하고 정확한 방법으로 잉크를 배출할 수 있게 현재 존재한다. 열 잉크젯 시스템은 이런 관점에서 특히 중요하다. 열 잉크젯 시스템을 사용하는 인쇄 유닛은 다수의 얇은 필름식 가열 저항기를 그상에 구비하는 기판[바람직하게는 실리콘(Si) 및/또는 다른 유사한 재료로 제조됨]과 유체 연통하는 적어도 하나의 잉크 저장실을 포함하는 장치를 기본적으로 포함한다. 기판 및 저항기는 프린트헤드로 통상적으로 특정화된 구조체내에 유지된다. 저항기의 선택적인 활성화는 저장실 내측에 저장된 잉크 재료의 열적 여기 및 프린트헤드로부터의 그것의 배출을 발생시킨다. 대표적인 열 잉크젯 시스템은 버크 등의 미국 특허 제 4,500,895 호, 베이커 등의 미국 특허 제 4,771,295 호, 키프 등의 미국 특허 제 5,278,548 호 및 휴렛-펙카드 잡지 39권 4호(1998년 8월)에 개시되어 있으며, 상기 문헌은 본 명세서에서 참고로 인용된다.
상술된 잉크 이송 시스템(및 열 잉크젯 시스템에 사용하는 유사한 인쇄 유닛)은 잉크의 자체 수납식 공급부를 그내에 구비한 잉크 수납 유닛(예를 들면, 하우징, 용기 또는 탱크)을 전형적으로 포함하여 잉크 카트리지를 형성한다. 표준 잉크 카트리지에 있어서, 잉크 수납 유닛은 카트리지의 잔류 구성 요소에 직접 부착되어 일체형의 단일 구조체를 형성하며, 잉크 공급부는 예를 들면, 베이커 등의 미국 특허 제 4,771,295 호에 도시된 바와 같이 "내장형(on-board)"인 것으로 이해된다. 그러나, 다른 경우에 있어서, 잉크 수납 유닛은 프린터내에서 멀리 떨어진 위치에 제공될 것이며, 잉크 수납 유닛은 하나 또는 그 이상의 잉크 전달 도관을 사용하여 프린트헤드와 유효하게 접속되고 유체 연통된다. 이러한 특정 시스템은 "편축" 인쇄 유닛으로 통상적으로 공지되어 있다. 대표적이고 비제한적인 편축 잉크 이송 시스템은 발명의 명칭이 "내외부 필름층으로 형성된 다수의 벽식 백을 포함하는 잉크 수납 시스템"인 개류중인 올센 등의 미국 특허 출원 제 08/869,446 호(1997년 5월 6일 출원됨) 및 발명의 명칭이 "비잉크성(free-ink) 잉크젯 펜용 조절기"인 개류중인 호크 등의 미국 특허 출원 제 08/873,612 호(1997년 11월 6일 출원됨)에 개시되어 있으며, 상기 문헌은 본 명세서에서 참고로 각각 인용된다. 본 발명은 내장형 및 편축 시스템 모두에 적용 가능하다(뿐만 아니라 하기에서 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이 적어도 하나의 잉크 분출 저항기를 수납한 프린트헤드와 직접 또는 멀리 떨어져 유체 연통되는 적어도 하나의 잉크 수납 용기를 포함하는 어떤 다른 타입에도 적용 가능하다).
특정 잉크 이송 시스템을 사용하는 것과 무관하게, 고려될 중요 인자는 프린트헤드 작동 동안에 요구되는 잉크를 배출하는데 사용되는 저항기 요소에 대하여 특히 프린트헤드의 작동 효율을 포함한다. 용어 "자동 효율"은 내부 온도 레벨, 잉크 이송 속도, 배출 주파수, 요구 에너지(예를 들면, 전류 소비량) 등을 포함하나 이것으로만 제한하지 않는 다수의 상이한 항목을 포함한다. 열 잉크젯 프린트헤드에 있어서의 잉크 배출에 사용되는 전형적인 종래의 저항기 요소는 탄탈륨 원소(Ta) 및 알루미늄 원소(Al)의 혼합물(또한 "TaAl"로 공지됨), 뿐만 아니라 탄탈륨 나이트라이드("Ta2N)를 포함하는 다른 유사한 재료를 포함하나 이것으로만 제한하지 않는 다수의 조성물로 제조된다. 표준 잉크 이송 저항기 시스템은 라이트 등의 미국 특허 제 4,535,343 호, 로이드의 미국 특허 제 4,616,408 호 및 헤스 등의 미국 특허 제 5,122,812 호에 이해 가능하게 상세히 개시되어 있으며, 상기 모든 문헌은 본 명세서에서 참고로 인용된다.
그러나, 열 잉크젯 프린트헤드용으로 선택된 저항기 요소의 화학 및 물리적 특성은 프린트헤드의 전체적인 작동 효율에 직접적인 영향을 미칠 것이다. 저항기 요소(및 이와 연관된 저항 재료)가 가능한 한 충분한 에너지를 갖고, 저전류 레벨에서 작동할 수 있다는 것이 특히 중요하다. 고전류를 요구하는 저항 화합물은 고려되는 프린터 유닛에 있어서 높은 코스트, 고전류 전원의 필요성을 포함하는 여러 단점을 전형적으로 갖는다. 유사하게, 전기 효율의 추가 손실은 저항기에 부착된 프린트헤드내의 전기적 "상호 접속 구조체"(회로 트레이스 등)를 통하여 보다 큰 전류 레벨의 통로에 의해서 유발되어 발생할 수 있으며, 이러한 상호 접속 구조체는 "와류 저항(parasitic resistances)"을 나타낸다. 와류 저항은 보다 큰 전류 레벨이 통과하는 경우에 에너지 손실이 증가하며, 이러한 에너지 손실은 전류 레벨이 저감되는 때에 감소된다. 유사하게, 저항기 요소에 있어서 높은 요구 전류 및 상기 "와류 저항"은 ① 프린트헤드[특히, (보다 상세히 후술되는)프린트헤드 구성 요소가 그상에 위치되는 기판 또는 "다이"에 대하여]내의 전체 온도를 보다 크게 할 수 있고, ② 프린트헤드의 신뢰성/수명 레벨을 보다 낮게 한다.
TaAl 및 Ta2N을 포함하는 종래의 저항기 재료는 상술된 타입의 열 잉크젯 인쇄 시스템으로 적절하게 기능하는 반면에, 상술된 단점은 그럼에도 불구하고 개선의 여지를 남기는 중요한 고려 사항이다. 이러한 관점에서, 고효율/저전류로 작동 가능한 모든 타입의 열 잉크젯 인쇄 시스템에 사용하기에 적합한 저항기 시스템에 대한 (본 발명의 개발전의)필요성이 남아있다. 본 발명은 종래의 저항기 유닛을 능가하는 실질적인 개선을 나타내는 새로운 저항기 요소를 제공함으로써 이러한 필요성을 만족시킨다. 특히, 청구된 발명의 저항기 요소는 ① 전기 효율을 개선하는 감소된 요구 전류와; ② 특히 기판 또는 "다이"에 대하여 프린트헤드 작동 온도의 감소(저항기에 부착된 "상호 접속 구조체"로부터의 전류에 기초한 와류 가열 손실을 그에 따라 감소시키는 감소된 요구 전류에 의해 이루어짐)와; ③ 프린트헤드내의 보다 양호한 온도 조건의 전반적인 조성과; ④ 싼 고전압/저전류 전원 사용성을 포함하는 여러 경제적 잇점과; ⑤ 프린트헤드 및 저항기 요소와 연관된 전체적인 신뢰성, 안정성 및 수명 레벨의 개선과; ⑥ 저항기의 고온 "스폿", 저항의 절대 한계 등을 이끌 수 있는 가열 효율 문제점의 방지와; ⑦ TaAl 및 Ta2N과 같은 종래의 저항기 재료와 비교하여 하기에 규정되는 바와 같은 보다 큰 "체적 저항률"과; ⑧ 상기 나열된 감소된 작동 온도의 관점에서 주어진 프린트헤드내에 보다 많은 저항기를 위치시키는 능력과; ⑨ 전자 이동 문제점의 감소와; ⑩ 대체로 보다 우수한 장기간 작동 성능을 포함하나 이것으로만 제한하지 않는 다수의 장점을 제공한다. 하기에 설명되는 것으로부터 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 청구된 저항기 요소를 제조하는데 사용하기 위해 선택된 새로운 재료가 이러한 중요 잇점 및 다른 중요한 잇점을 제공한다. 그러므로, 본 명세서에 설명된 구조체는 종래(예를 들면, 통상)의 시스템과 비교하여 열 잉크젯 프린트헤드 디자인의 기술 분야에 있어서 실질적인 진보를 이루고 있다.
후술되는 상세한 정보에 따르면, 본 발명은 구조, 구성 재료 및 기능성의 독창성을 갖는 하나 또는 그 이상의 새로운 저항기 요소를 그내에 구비한 열 잉크젯 프린트헤드를 포함한다. 또한, 본 발명은 청구된 프린트헤드를 사용하는 잉크 이송 시스템 및 프린트헤드를 제조하기 위한 제조 방법을 포함한다. 각각의 이러한 개발은 이해 가능하게 상세히 후술될 것이다. 따라서, 본 발명은 인쇄 시스템의 중요한 목표인 고 레벨의 작동 효율, 우수한 상질, 신속한 처리율 및 수명 증대를 보장하는 열 잉크젯 기술의 중요한 진보를 나타내고 있다.
본 발명의 목적은 작동 효율을 개선하는 것을 특징으로 하는 고효율 열 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 보다 우수한 열적 안정성을 제공하는 내부 구조체를 이용하는 고효율 열 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 적어도 하나 또는 그 이상의 가열 저항기를 그내에 사용하는 상당히 유효한 열 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 것으로 가열 저항기는 감소된 전류 요구에 따른 향상된 전기 효율을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 목적은 저항기 및 상호 접속 구조체가 그상에 위치된 특히 기판 및 "다이"에 대하여 프린트헤드 작동 온도의 감소를 특징으로 하는 적어도 하나 또는 그 이상의 가열 저항기를 이용하는 고효율 열 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 보다 고속 인쇄, 보다 양호한 상질 등을 갖는 것으로 상술된 바와 같은 프린트헤드내의 온도 조건을 양호하게 향상시키는 적어도 하나 또는 그 이상의 가열 저항기를 이용하는 고효율 열 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 종래의 시스템과 비교하여 단위 면적당 증가된 수의 가열 저항기를 이용하는 고효율 열 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 적어도 하나 또는 그 이상의 가열 저항기를 포함하는 상당히 유효한 열 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 것으로 가열 저항기는 고려하에서 적은 비용 및 프린트 시스템내에 높은 전압/낮은 전력 서플라이를 사용할 수 있는 능력을 포함하지만 이들에 한정되지 않는 다수의 경제적인 장점을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 목적은 적어도 하나 또는 그 이상의 가열 저항기를 포함하는 상당히 유효한 열 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 것으로 가열 저항기는 저항기 "열 점(hot spots)" 및 저항에 있어서 절대적인 한계 등을 야기할 수 있는 가열 효율성 문제의 회피를 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 목적은 적어도 하나 또는 그 이상의 가열 저항기를 포함하는 상당히 유효한 열 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 것으로 가열 저항기는 제한없이 다수의 상이한 형상, 크기 및 배향성으로 구성되지만 앞의 모든 장점을 제공하는 능력을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 목적은 추가적인 재료의 층 및 프린트헤드에 사용되는 구성요소의 요구를 회피하는 반면 전술된 목적을 달성하는 상당히 유효한 열 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상당히 유효한 열 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 것으로, 그의 이로운 특징은 신속한 작동 및 안정한 프린트 이미지를 형성하는 것을 특징으로 하는 프린트 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상당히 유효한 열 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 것으로, 청구된 구조체는 경제적인 방법으로 대량 생산 스케일로 쉽게 제조될 수 있다.
본 발명의 또다른 목적은 이로운 특징, 특성 및 본원에 약술된 장점을 갖는 열 잉크젯 프린트헤드를 제조하기 위한 신속하고 효과적인 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 최소의 공정 단계를 사용하지만 본원에 약술된 이로운 특징, 특성 및 장점을 갖는 열 잉크젯 프린트헤드를 제조하기 위한 신속하고 효과적인 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 각종 상이한 잉크 이송 시스템에 쉽게 적용할 수 있는 위에 상술된 형태의 특정 프린트헤드를 제공하는 것으로, 이 잉크 이송 시스템은 (1) 잉크의 자체 수납 서플라이를 갖는 내장 카트리지형 유닛; 및 (2) 전술된 바와 같은 편 축 시스템을 포함하며, 여기서 청구된 프린트헤드는 하나 또는 그 이상의 관형 도관을 사용해 멀리 위치된 잉크 수납 용기에 효과적으로 연결된다.
신규하고 매우 유효한 열 잉크젯 프린트헤드가 하기에 상술되어 있으며 이는 종래의 시스템보다 많은 장점을 제공한다. 전술된 바와 같이, 청구된 프린트헤드는 적어도 하나의 저항기 요소(또는 보다 간단히 "저항기")를 사용하며, 저항기 요소는 종래의 시스템과 비교해 다수의 장점을 특징으로 한다. 그러한 장점은 향상된 전기 효율성(예를 들면, 감소된 전류 소비), 감소된 기판 또는 "다이" 온도를 포함하는 프린트헤드 구조체내의 보다 양호한 온도 조건의 촉진, 및 전반적으로 향상된 레벨의 신뢰성, 수명 및 안정성을 포함한다. 청구된 발명과 관련해 그러한 및 다른 장점은 하기의 바람직한 실시예 섹션의 상세한 설명에 제공된 설명으로부터 쉽게 명백해진다.
정보의 서론으로서, 본원에 달리 상술되지 않는다면 본 발명은 특정 형태, 크기 또는 내부 프린트헤드 구성요소의 구성에 한정되지 않는다. 또한, 본 섹션 및 하기의 다른 섹션에 상술된 치수 변수는 최적 결과를 제공하도록 계획된 바람직한 실시예를 구성하며 본 발명을 어느 면에서도 한정하지 않는다. 본원에 제공된 모든 화학식 및 구조의 상술은 청구된 발명에 사용될 수 있는 재료의 형태를 일반적으로 나타내도록 의도된다. 하기에 나타낸 일반식내에 있는 특정한 화학 성분의 목록은 예시적으로만 제공되며 비한정적으로 생각된다.
청구된 발명 및 그의 신규한 개발은 제공되는 모든 형태의 열 잉크젯 프린트 시스템에 적용될 수 있는 것으로, 열 잉크젯 프린트 시스템은 (1) 바람직한 실시예 섹션의 상세한 설명에 상술된 바와 같은 적어도 하나의 지지 구조체, 및 (2) 프린트헤드 내측에 위치된 적어도 하나의 잉크 분사 저항기 요소를 포함하며, 저항기 요소는 전기가 여기될 때 충분한 열을 재공하여 그와 가까운 곳의 잉크 재료가 프린트헤드로부터 열 배출되도록 한다. 따라서 청구된 발명은 프린트헤드 또는 지지 구조체-스페시픽으로 생각되지 않으며 특정 적용, 사용 및 잉크 조성물에 한정되지 않는다. 또한, "저항기 요소" 및/또는 "저항기"라는 용어는 1개의 저항기 또는 형상, 재료-내용물 또는 치수 특성에 관계없이 다수의 저항기 그룹을 포함하도록 해석된다.
제 1 목적은 본 발명의 프린트헤드 구조체에 있어서 향상된 안정성, 경제성, 신뢰성 및 수명을 제공하는 것이다. 명확성 및 본 발명의 충분한 설명을 위해서, 특정 재료 및 공정이 바람직한 실시예 섹션의 상세한 설명에 언급되며 이해를 위해 이러한 아이템은 예시적인 목적으로 비한정적인 방법으로 상술된다.
청구된 발명은 하기에 달리 언급되지 않을 경우 특정 구성 기술(주어진 재료 용착 공정을 포함함)에 한정되지 않음을 알 수 있다. 예를 들면, 청구된 프린트헤드의 조립체를 설명하기 위해 본 설명에 걸쳐 사용된 "형성", "적용함(applying)", "이송" 및 "위치시킴" 등과 같은 용어는 적절한 제조 공정을 광범위하게 포함한다. 이러한 공정은 박막 제조 기술 및 스퍼터 용착 방법에서 당해 구성요소의 사전 제조(저항기 요소를 포함함) 및 그런 후 이들 아이템을 본 목적을 위해 본 기술분야에 공지된 하나 또는 그 이상의 접착 화합물을 사용해 설계된 지지 구조체에 부착하는 범위이다. 이러한 점에서, 본원에 달리 언급되지 않을 경우 본 발명은 "생산 방법 스페시픽(production method specific)"으로 생각되지 않는다.
전술된 바와 같이, 잉크 이송 시스템내에 사용할 수 있는 하나 또는 그 이상의 신규한 저항기 요소를 수납하는 상당히 효과적이고 내구성 있는 프린트헤드가 제공된다. "잉크 이송 시스템"이라는 용어는 제한없이 잉크가 저장되는 서플라이를 갖는 "자체 수납형"의 카트리지 유닛을 구비하는 각종 상이한 장치를 포함한다. 또한 "편 축"의 프린트 유닛은 이 용어내에 포함되며 이 프린트 유닛은 하나 또는 그 이상의 도과 부재에 의해 탱크, 용기, 하우징 또는 다른 동등한 구조체의 형태인 멀리 위치된 잉크 수납 유닛에 연결되는 프린트헤드를 사용한다. 잉크 이송 시스템이 청구된 프린트헤드와 관련해 사용되는 것에 관계없이, 본 발명은 보다 효과적이고 신속한 작동을 포함하는 위에 상술된 장점을 제공할 수 있다.
하기의 설명은 본 발명의 간단하고 일반적인 개요를 구성한다. 특정 실시예, 최상의 모드 및 본 발명의 다른 중요한 특징에 관한 보다 특정한 설명이 하기의 바람직한 실시예 섹션의 상세한 설명에 나타내진다. 특별한 정의가 본원에 제공되지 않을 경우 본 설명에 걸쳐 사용된 모든 과학적인 용어는 본 발명의 기술분야에 속하는 숙련공에 의해 그에 귀착된 일반적인 의미로 해석된다.
청구된 발명은 신규한 저항기 수납 잉크젯 프린트헤드를 포함하는 것으로 이는 향상된 기능적인 특성, 즉 감소된 전류 소비를 갖는 보다 효과적인 작동 및 프린트헤드내의 양호한 온도 조건을 특징으로 한다. 결과적으로, 상당한 정도의 냉각이 잉크 분사 사이클, 감소된 피크 작동 온도, 감소된 에너지 요구, 유닛 면적당 다수의 저항기를 사용할 수 있는 능력 등 사이에서 발생할 수 있다. 본 시스템의 구성요소 및 신규한 특징이 상술된다. 청구된 프린트헤드를 형성하기 위해서, 지지 구조체는 초기에 제공되며 그 상에 본 발명의 저항기 요소가 위치된다. 비록 본 발명이 하기에 약술된 다수의 다른 변형을 갖는 재료에 배타적으로 한정되지 않을 지라도, 지지 구조체는 일반적으로 실리콘(Si) 원소로 최적으로 제조된 기판을 포함한다. 지지 구조체는 적어도 하나 또는 그 이상의 재료의 층을 가질 수 있으며 그 상에는 예를 들면 이산화 규소(SiO2)로 형성된 전기 절연 베이스 층을 포함하지만 그에 한정되지 않는다. 따라서 본원에 사용된 "지지 구조체"라는 용어는 (1) 어떠한 베이스 층 또는 다른 재료가 그 상에 위치되지 않을 경우 자체로서의 기판, 및 (2) 그 상의 기판 및 다른 재료 층을 포함하며, 이는 조성물 구조체를 형성하며 그 상에 저항기 요소가 놓이거나 달리 위치된다. 이러한 점에서, "지지 구조체"라는 용어는 (그들이 무엇이건 간에) 그 상에 저항기 요소가 위치/형성되는 재료의 층을 포함한다.
바람직하고 비한정적인 실시예에 있어서 적어도 하나의 재료의 층이 프린트헤등의 부분으로서 제공되며 이 재료의 층은 특히 적어도 하나의 개구 또는 "오리피스"를 포함한다. 재료의 오리피스 수납 층은 "오리피스 플레이트", "오리피스 구조체" 및 "상부 층" 등을 특징으로 할 수 있다. 또한, 재료의 단일 또는 다중 층이 제한없이 본 목적을 위해 사용될 수 있으며, "오리피스 플레이트" 및 "오리피스 구조체" 등과 같은 용어는 단일 및 다중 층 실시예를 포함하도록 정의된다. 본 발명의 저항기 요소는 하기에 상술되는 바와 같이 재료의 오리피스 수납 층과 지지 구조체 사이에 위치된다. 또한, 이러한 구성요소에 관한 추가적인 자세한 설명, 즉 무엇으로 만들어졌고, 어떻게 배열되었으며, 조립/제조되는 방법이 바람직한 실시예 섹션의 상세한 설명에 약술된다.
전술된 프린트헤드 구성요소를 참조하면, 적어도 하나의 저항기 요소는 프린트헤드내의 지지 구조체와 필요시 프린트헤드로부터 잉크를 배출하기 위한 오리피스 수납 층 사이에 위치된다. 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 저항기는 잉크의 서플라이와 유체 연통하여 효과적인 프린트가 이루어질 수 있다. 또한, 바람직한 실시예에 있어서 저항기는 지지 구조체상에 위치되며, 지지 구조체상에 저항기의 위치되는 것과 관련해 "놓이고", "위치설정 되며", "위치되고", "배향되고", "효과적으로 부착되고" 및 "형성되고" 등과 같은 용어는 (1) 저항기가 개재 재료 층없이 기판의 상면에 및 상면으로 직접 고정되거나, 또는 (2) 저항기가 기판에 의해 "지지되는" 상황을 포함하며, 그럼에도 불구하고 여기서 하나 또는 그 이상의 중간 재료 층(절연 베이스 층을 포함함)은 기판과 저항기 사이에 위치된다. 이들 변형예는 동일하다고 생각되며 본 특허청구범위내에 포함된다.
청구된 발명의 신규한 특징에 따르면, 저항기 요소(또한 전술된 바와 같이 본원에 간단히 "저항기"로서 특징됨)는 적어도 하나의 구성요소로 형성되며 이는 본원에서 "금속 실리콘 옥시나이트라이드" 화합물로서 나타내진다. 소망의 특성을 갖는 옥시나이트라이드 조성물을 형성하기 위해 그러한 재료는 기본적으로 적어도 하나 또는 그 이상의 금속(M), 실리콘(Si), 산소(O) 및 질소(N)의 합금을 포함한다. 일반적인 관점에서, 청구된 발명의 금속 실리콘 옥시나이트라이드는 하기의 식, 즉 "MSiON" 및 보다 구체적으로 "MwSixOyNz"을 포함하며, 여기서 "M"은 전술된 적어도 하나의 금속, "W"는 약 13 내지 50(최적은 약 20 내지 35), "Si"=실리콘, "X"는 약 18 내지 40(최적은 약 24 내지 34), "O"는 산소, "Y"는 약 4 내지 35(최적은 약 6 내지 30), "N"은 질소, "Z"는 약 10 내지 50(최적은 약 18 내지 40)이며, 앞은 숫자는 비한정적이며 예로서 본원에 제공된다. 또한 전술된 수치 및 범위는 본 발명에 따라 제한없이 각종 조합으로 사용될 수 있다. 따라서 가장 일반적인 형태로 본 발명은 실리콘, 산소 및 질소로 조합된 적어도 하나의 금속을 조합해 포함하는 저항기 구조체를 포함함을 알 수 있으며, 저항기 구조체는 지지 구조체와 프린트헤드내의 오리피스 수납 층 사이에 위치된다. 달리 언급되지 않을 경우, 본원에서 동일한 특정 재료, 특성 및 제조 기술 등은 대표적이고 비한정적으로 생각된다.
많은 상이한 금속(M)은 제한없이 전술된 식에 포함될 수 있다. 그러나, 최적의 결과를 제공하도록 설계된 바람직한 실시예에 있어서, 전이 금속(예를 들면, 주기율표의 그룹 IIIB 에서 IIB내의 금속)이 최상이며, 이러한 그룹에서 최적의 재료는 탄탈륨 원소(Ta), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf) 및 그들의 혼합물을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 또한, 비록 적어도 하나 또는 그 이상의 전이 금속이 바람직할지라도, 전술된 식에 앞으로 적용할 수 있는 다른 금속(M)은 일반적인 이전 시험에 의해 선택된 비전이 금속[예를 들면, 알루미늄(Al)]을 포함한다. 본원에 상술된 일반적인 화학 구조내에 있는 많은 특정한 식이 형성될 수 있지만, 최적의 결과를 제공하는 다수의 특정 금속 실리콘 옥시나이트레이드는 W17Si36O20N27, W22Si30O10N37, W17Si33O17N33, W19Si31O27N23, W15Si35O9N41, W21Si29O33N17, W14Si36O6N44, W23Si31O15N31, W27Si27O27N18, W20Si33O7N40, W32Si27O14N27, W35Si25O20N20, W29Si29O8N33, W44Si22O11N22, W50Si19O19N12, W40Si25O5N30, Ta20Si36O10N34, Ta17Si33O17N33, Ta19Si31O27N23, Ta15Si35O9N41, Ta21Si29O33N17, Ta14Si36O6N44, Ta23Si31O15N31, Ta27Si27O27N18, Ta20Si33O7N40, Ta32Si27O14N27, Ta35Si25O20N20, Ta29Si29O8N33, Ta44Si22O11N22, Ta50Si19O19N12, Ta40Si25O5N30및 그들의 혼합물을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 또한, 이들 재료는 예로서만 나열된 것이며 어느 면에서도 본 발명을 한정하지 않는다.
본원에 상술된 금속 실리콘 옥시나이트라이드 저항기는 열 잉크젯 프린트헤드에 사용하기 위한 신규하고 효과적인 잉크 배출 시스템을 형성한다. 전술된 바와 같이, 이들은 다수의 중요한 장점을 특징으로 한다. 중요한 결과중 하나는 탄탈륨-알루미늄(TaAl) 및 탄탈륨 나이트라이드(Ta2N) 혼합물/합금으로 제조된 저항기를 포함하는 종래의 재료와 비교하여 상당히 큰 체적 저항율이다. 본 발명의 일 측면이 하기에 보다 자세히 상술되지만, "체적 저항율"(또는 보다 간단히 "저항율")이라는 용어는 미국 오하이오주 클리블랜드 소재의 케이컬 러버 출판사/CRC 프레스의 CRC 핸드북 오브 케미스트리 앤드 피직스 55판(1974-1975), p.F-108에 나와 있는 바와 같이 "전류가 2개의 평행한 면에 수직으로 흐를때 물질의 1입방 미터에 전기의 통과를 제공하는 것에 대해 저항과 동일한 상이한 물질의 비례 계수"를 포함하도록 본원에 정의된다. 일반적으로 체적 저항율(또는 전술된 바와 같이 저항율)은 하기의 수학식 1로 정의된다.
ρ=Rㆍ(A/L)
여기서,
R = 당해 재료의 저항
A = 저항기의 단면적
L = 저항기의 길이이다.
체적 저항율/저항율 값은 마이크로옴-센티미터 또는 "μΩ-㎝"로 일반적으로 표시된다. 전술된 바와 같이, 높은 체적 저항율 값은 종래의 저항 화합물과 비교하여 높은 전기적 및 열 효율을 제공하는 특성을 갖는 구조체의 능력을 포함하는 각종 이유로 열 잉크젯 프린트 유닛에 사용되는 저항기 구조체에 바람직하다. 일반적인 변수, 공식 및 전술된 다른 정보에 따르면, 비록 청구된 발명이 하기의 값에 한정되지 않지만, 본 발명과 관련되 청구된 금속 실리콘 나이트라이드 재료는 약 1400 내지 30,000 μΩ-㎝(최적=약 3000 내지 10,000 μΩ-㎝)의 바람직하고 대표적인 체적 저항율 값을 갖는다. 비교를 위해, 예를 들면 TaAl 및/또는 Ta2N로 형성된 비교가능한 크기, 형상 및 구성의 일반적인 저항 재료 및 저항기는 약 200 내지 250 μΩ-㎝의 체적 저항율 값을 가지며, 이는 청구된 금속 실리콘 옥시나이트라이드와 관련해 전술된 것보다 상당히 낮다. 이러한 점에서, 본 발명의 장점은 자명하고 쉽게 명백하다.
추가적인 정보가 프린트헤드내의 청구된 저항기 요소의 배향성에 관한 것이지만, 그의 두께치 및 다른 관련 변수는 하기의 바람직한 실시예 섹션의 상세한 설명에 언급되며, 특정한 관련 장점의 각종 요소는 이번에 더욱 상술된다. 예를 들면, 적어도 하나 또는 그 이상의 금속 실리콘 옥시나이트라이드 재료로 형성되는 각각의 저항기는 예시적으로 및 바람직하게 (비한정적으로) 약 300 내지 4000Å의 두께를 갖는다. 그러나, 주어진 저항기의 궁극적인 두께는 고려하에서 프린트헤드의 형상 및 사용되는 특정 구조 재료를 포함하는 다수의 요소를 포함하는 이전 선행 시험에 따라 결정되고 변할 수 있다. 하기에 상술되고 첨부된 도면에 도시된 바와 같이, 각각의 청구된 저항기는 재료의 오리피스 수납 층내의 적어도 하나의 개구와 최적하게 적어도 부분적으로 또는 (바람직하게는) 완전히 축 정렬(예를 들면, "일치")하여, 신속하고, 정확하며 효과적인 잉크젯 프린트가 이루어진다.
바람직한 실시예 섹션의 상세한 설명은 프린트헤드내의 지지 구조체상에 저항기 요소를 가하거나 또는 달리 형성하는데 사용될 수 있는 제조 기술을 포함하는 보다 특정한 데이타를 제공한다. 본 발명은 특정 제조 기술에 한정되지 않으며 하기에 약술되는 바와 같은 다수의 접근법이 적용가능하다. 특정한 관심은 다음 섹션에서 광범위하게 검토되는 하나 또는 그 이상의 스퍼터링 방법의 사용이다.
본 발명에 따르면, "잉크 이송 시스템"이 제공되며 잉크 수납 용기는 전술된 프린트헤드에 효과적으로 연결되고 유체 연통되며 프린트헤드는 금속 실리콘 옥시나이트라이드 저항기를 수납한다. 하기에 특별히 상술된 바와 같이, 프린트헤드 및 잉크 수납 용기에 대해 "효과적으로 연결된다"라는 용어는 (1) 잉크 수납 용기가 시스템을 형성하기 위해 프린트헤드에 직접 부착되는 "자체 수납"형의 카트리지 유닛이 "내장형" 잉크 서플라이를 가지는, 및 (2) "편 축"의 프린트 유닛이 하나 또는 그 보다 많은 도관 부재(또는 유사한 구조체)에 의해 탱크, 용기, 하우징 또는 다른 동등한 구조체의 형태인 멀리 위치된 잉크 수납 유닛에 연결되는 프린트헤드를 사용하는 것을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다수의 상이한 상황을 포함한다. 본 발명의 신규한 프린트헤드 구조체는 특정 잉크 수납 용기와의 사용, 이 용기가 프린트헤드에 가깝우며, 용기 및 프린트헤드가 서로에 대해 부착되는 수단에 한정되지 않는다.
마지막으로, 본 발명은 신규한 금속 실리콘 옥시나이트라이드 저항기를 사용하는 청구된 프린트헤드 구조체를 형성하기 위한 방법을 포함한다. 이러한 목적을위해 일반적으로 사용되는 제조 단계는 전술된 재료 및 구성요소를 포함하며, 이러한 아이템의 전술된 요약은 본 설명에 참조로서 인용된다. 기본 생성 단계는 (1) 지지 구조체(위에 정의됨)를 형성하는 단계와, (2) 적어도 하나의 저항기 요소를 그 위에 형성하는 단계로서, 저항기 요소는 하나 또는 그 이상의 금속 실리콘 옥시나이트라이드 조성물(앞에서 상술됨)을 포함하며, (3) 적어도 하나의 개구를 포함하는 재료의 적어도 일 층을 제공하는 단계와(본 구조체와 관련해 전술된 설명 및 정의 참조), 및 (4) 프린트헤드를 형성하기 위해 기판 및 저항기 요소 위의 제 위치에 개구를 포함하는 재료의 층을 고정하는 단계이다. 저항기 요소를 기판상에 위치시키는 것에 대해 "형성하다", "제조하다" 및 "생성하다" 등의 용어는 하기의 상황 (A) 앞에서 정의된 바와 같이 하나 또는 그 이상의 금속 층 제조 단계를 사용해 지지 구조체상에 저항기 구조체를 형성하는 단계(스퍼터링이 바람직함), 또는 (B) 당해 저항기 요소를 사전 제조하고 그런 후 이를 화학적 또는 물리적 부착 수단(납땜 및 접착 부가물 등)을 사용해 지지 구조체상에 고정하는 단계를 포함하며, 동일하다고 생각된다.
또한 저항기 요소는 "안정화되어" 계속적인 사용동안 저항으로 소망하지 않는 요동을 방지할 수 있다. 많은 상이한 안정화 공정이 제한없이 사용될 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예에 있어서, 저항기 안정화는 (1) 금속 실리콘 옥시나이트라이드 저항기 요소를 약 800 내지 1000℃의 온도로 약 10 초에서 수 분의 비한정 시간 주기동안 가열시키거나, 또는 (2) 약 1×102내지 1×107의 전기 에너지의 펄스를 저항기 요소에 가함으로써 달성될 수 있으며, 각각의 펄스는 고려하에서 저항기 요소의 "시동 에너지"보다 약 20 내지 500% 큰 에너지를 가지며(적용가능한 전압 및 전류 변수는 저항기의 저항값 및 전술된 에너지로부터 쉽게 결정됨), 약 0.6 내지 100 μsec.(마이크로초)의 펄스 폭, 약 10 내지 160 볼트의 펄스 전압, 약 0.03 내지 0.2 암페어의 펄스 전류, 및 약 5 내지 100 ㎑의 펄스 진동수를 갖는다. 비한정 및 대표적인(예를 들면, 바람직한) 실시예에 있어서, 2.0 μJ의 시동 에너지를 갖는 30 μm × 30 μm 300 Ω금속 실리콘 옥시나이트라이드 저항기에 대해, 일반적인 안정화 펄스 처리 공정은 앞은 시동 값보다 80% 큰 에너지 레벨인, 46.5 볼트, 0.077 암페어, 1 μsec.펄스 폭, 50 ㎑ 펄스 진동수 및 1×103펄스 변수를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 수치는 예시적인 목적으로 제공된 것이며 일반적인 이전 선행 시험을 통해 본 발명의 범위내에서 변할 수 있다.
완성된 프린트헤드는 저항기로 전달되는 다수의 연속적인 전기 펄스에 반응해 잉크 서플라이(프린트헤드/저항기와 유체 연통함)로부터 인쇄된 이미지를 형성하도록 설계된다. 본원에 약술된 본 발명의 신규한 특징에 따르면, 선택된 금속 실리콘 옥시나이트라이드 화합물의 사용은 프린트 시스템에서 전반적인 전류 요구치를 감소시켜, 전력 서플라이 비용 감소 및 프린트헤드내의 보다 양호한 열 프로파일을 포함해 많은 장점을 이룩한다. 특정한 화학적 조성물, 수치 변수, 바람직한 체적 저항율 값(약 1400 내지 30,000 μΩ-㎝), 및 금속 실리콘 옥시나이트라이드 재료와 연관된 다른 상술된 데이타는 청구된 방법에 전부 적용가능하다. 또한, 지지 구조체상에 소망의 저항기 요소를 형성하는 단계는 약 300 내지 4000Å의 바람직하고 비한정적인 두께를 갖는 저항기를 그 상에 제조하는 단계를 포함한다(저항기는 일반적인 이전 시험에 따라 필요시 변할 수 있음).
마지막으로, 제조 공정은 오리피스가 저항기와 부분적으로 또는 (바람직하게는) 완전히 축 정렬(예를 들면, "일치")하도록 및 그 반대로도 되도록 적어도 하나의 오리피스(예를 들면, 개구)를 갖는 적어도 하나의 재료 층을 기판 및 저항기의 위의 제 위치에 부착(예를 들면, 적용, 사출 등)함으로써 완결된다. 오리피스는 잉크 이송중에 잉크 재료가 프린트헤드를 관통해 밖으로 나가도록 한다. 이러한 공정의 결과로서, 완성된 프린트헤드는 (1) 지지 구조체; (2) 지지 구조체 위에 위치되고 그로부터 이격되며 적어도 하나의 관통 개구를 가지는 적어도 하나의 재료 층, 및 (3) 프린트헤드내의 프린트헤드로부터의 요구시 잉크를 배출하기 위한 오리피스 수납 층과 지지 구조체 사이에 위치된 적어도 하나의 저항기 요소를 포함하며, 여기서 저항기 요소는 앞에서 정의된 바와 같은 적어도 하나의 금속 실리콘 옥시나이트라이드 조성물을 포함한다. 전술된 바와 같이 본 발명에 의해 제공된 많은 장점은 청구된 프린트헤드내의 금속 실리콘 옥시나이트라이드 저항기 시스템의 사용에 직접적으로 기여한다.
본 발명은 열 잉크젯 기술의 분야 및 향상된 신뢰성, 속도, 수명, 안정성 및 전기/열 효율을 가지고 고품질 이미지의 형성에 상당한 진전을 나타낸다. 본원에 상술된 신규한 구조체, 구성요소 및 방법은 (1) 향상된 전기 효율을 가져오는 감소된 전류 요구치; (2) 기판 또는 "다이"를 참조하여 프린트헤드 작동 온도에서의 감소; (3) 프린트헤드내에서 보다 양호한 온도 조건의 일반적인 촉진(이는 감소된 전류 요구에 의한 결과로서 저항기에 부착된 "상호연결 구조체"로부터 전류에 근거한 기생적인 열 손실을 감소시킴); (4) 적은 비용 및 높은 전압/낮은 전력 서플라이를 사용할 수 있는 능력을 포함한 많은 경제적인 장점; (5) 프린트헤드 및 저항기 요소와 관련된 전반적으로 향상된 신뢰성, 안정성 및 긴 수명; (6) 저항기의 "열 점(hot spots)" 및 저항에 있어서 절대적인 한계 등을 가져올 수 있는 가열 효율 문제점의 회피; (7) TaAl 및 Ta2N과 같은 종래의 저항기 재료와 비교해 하기에 정의된 바와 같은 "체적 저항율"의 증가; (8) 전술된 감소된 작동 온도의 관점에서 주어진 프린트헤드내에 보다 많은 저항기를 위치시킬 수 있는 능력; (9) 일렉트로마이그레이션(electromigration) 문제에 있어서 감소; 및 (10) 일반적으로 길어진 작동 성능을 포함하지만 이들에 한정되지 않는 많은 중요한 장점을 제공한다. 본 발명의 이러한 및 다른 장점, 목적, 특징 및 이점은 하기의 도면의 간단한 설명 및 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 쉽게 명백해질 것이다.
하기에 제공된 도면은 단지 개략적이고 대표적인 도면이다. 본 도면은 어떤면에서도 본 발명의 범위를 한정하지 않는다. 마찬가지로, 한 도면에서 다른 도면에 걸쳐 나타난 참조부호는 고려하에서 도면에 고통 요지를 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 구성요소 및 방법과 사용하기 적합한 잉크 카트리지 형태의 전형적인 잉크 이송 시스템의 개략적인 전개 사시도로서, 도 1의 잉크 카트리지는 본원에 권리범위가 청구된 프린트헤드에 직접 부착되는 잉크 수납 용기를 구비하여 "내장형(on-board)" 잉크 서플라이가 제공되는 도면,
도 2는 본 발명의 프린트헤드에 효과적으로 연결될 수 있는 것과 마찬가지로 변형적인 "편축(off-axis)"형 잉크 이송 시스템에 사용되는 잉크 수납 용기의 개략적인 사시도,
도 3은 도 2의 3-3 선을 따라 취한 것으로 잉크 수납 용기의 부분 단면도,
도 4는 (조립된 형태로) 도 1의 4-4 선을 따라 취한 둥근 영역의 개략적인 확대 단면도로서, 본 도면은 대표적이며 비한정적인 실시예와 관련한 재료층 및 신규한 저항기 요소에 특별한 참조를 갖는 본 발명의 구성요소를 도시하는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
80 : 프린트헤드 82 : 기판
86 : 저항기 90 : 회로 요소
104 : 오리피스 플레이트 118 : 회로 부재
210 : 저항 층 260 : 차단층
본 발명에 따르면, 잉크 이송 시스템용 고효율 열 잉크젯 프린트헤드가 개시되어 있으며 향상된 에너지 효율 및 최적화된 열 특성을 갖는다. 이러한 신규한 프린트헤드는 감소된 내부 온도, 사용되는 저비용의 동력 서플라이를 가능하게 하는 최소의 전류 요구치, 시스템내에서 감소된 에너지 손실(하기에 자세히 상술됨), 및 연장된 시간 주기에 걸쳐 높은 정도의 많은 기능 및 신뢰성을 포함해 많은 중요한 특성을 특징으로 한다. 모든 이러한 장점은 한정된 재료(즉, 적어도 하나의 금속 실리콘 옥시나이트라이드 화합물)에 직접적으로 기인하며, 이 재료는 청구된 저항기 요소를 제조하기 위해 사용된다. 따라서, 탄탈륨-알루미늄 혼합물("TaAl") 및/또는 탄탈륨 나이트라이드("Ta2N")로 제조되는 것과 관련하여 본원에 상술된 신규한 저항기는 종래의 저항기 구조체보다 많은 장점을 제공한다. 본원에 사용된 "열 잉크젯 프린트헤드"라는 용어는 제한없이 프린트헤드내에 적어도 하나의 가열 저항기를 갖는 형태의 프린트헤드를 포함하도록 광범위하게 해석될 수 있으며, 가열 저항기는 잉크 재료가 프린트 매체 재료(종이, 금속, 플라스틱 등)로 이송되도록 잉크 재료를 열에 의해 자극하도록 사용된다. 이와 관련하여, 본 발명은 특정 열 잉크젯 프린트헤드 설계에 한정되지 않으며 많은 상이한 구조 및 내부 구성요소 구조를 갖는 저항기 형상/구조가 제공될 수 있으며 이들은 열 프로세스를 사용해 필요시 잉크를 배출하는 상술된 저항기 구조를 포함한다.
마찬가지로, 전술한 바와 같이, 청구된 프린트헤드는 (1) 자체 수납된 잉크의 서플라이를 그 내에 가지며 프린트헤드와 효과적으로 연결되어 유체 연통하는 내장 카트리지형 유닛과, (2) 하나 또는 그 이상의 유체 전달 도관을 사용해 프린트헤드에 효과적으로 연결되어 유체 연통하는 멀리 위치된 잉크 수납 용기를 사용하는 "편축(off-axis)" 유닛을 포함해 많은 상이한 잉크 이송 시스템에 사용될 수 있다. 따라서 본 발명의 프린트헤드는 그와 연관된 잉크 저장 장치에 대해 "시스템 스페시픽(system specific)"으로 생각될 수 없다. 본 발명을 명확하고 완전하게 이해하도록, 하기의 자세한 설명은 4개의 섹션, 즉 (1) "A. 열 잉크젯 기술의 일반적인 개요", (2) "B. 프린트헤드내의 저항기 요소 및 관련된 구조체의 일반적인 관찰", (3) "C. 본 발명의 신규한 저항기 요소", 및 (4) "D. 신규한 프린트헤드를 사용하는 잉크 이송 시스템 및 그와 관련된 제조 방법"으로 나뉘어진다.
A. 열 잉크젯 기술의 일반적인 개요
본 발명은 (1) 프린트헤드, (2) 프린트헤드와 관련된 적어도 하나의 가열 저항기, 및 (3) 그내에 잉크 서플라이를 가지며 프린트헤드에 효과적으로 연결되어 유체 연통하는 잉크 수납 용기를 포함하는 광범위한 잉크 이송 시스템에 적용할 수 있다. 잉크 수납 용기는 프린트헤드에 직접 연결될 수 있거나 또는 상술된 바와 같이 하나 또는 그 이상의 잉크 전달 도관을 사용해 "편축" 시스템으로 프린트헤드에 원격식으로 연결될 수 있다. 프린트헤드 및 잉크 수납 용기에 적용될 때 "효과적으로 연결된다(operatively connected)"라는 문장은 이러한 변형 및 동등한 구조를 포함할 수 있다.
청구된 발명을 완전하게 이해할 수 있도록, 열 잉크젯 기술의 개요가 제공된다. 열 잉크젯 카트리지 유닛의 형태에 있어서 대표적인 잉크 이송 시스템이 도 1에 참조부호(10)로 도시되어 있다. 카트리지(10)는 도 1에 개략적인 형태로 도시되어 있으며, 카트리지(10)에 관한 보다 자세한 설명 및 (유사한 시스템 뿐만 아니라) 그의 다양한 특성이 버크 등의 미국 특허 제 4,500,895 호, 베이커 등의 미국 특허 제 4,771,295 호, 키프 등의 미국 특허 제 5,278,584 호, 및 휴렛 팩커드 저널 Vol. 39, No. 4(1988년 8월)에 제공되어 있으며, 이들 모두는 본원에 참조로 인용됨을 알 수 있다.
도 1을 참조하면, 카트리지(10)는 우선 하우징(12)의 형상인 잉크 수납 용기(11)를 포함한다. 상술된 바와 같이, 하우징(12)은 본 발명의 잉크 저장 유닛을 구성할 수 있으며, "잉크 수납 유닛", "잉크 저장 유닛", "하우징", "용기", 및 "탱크"라는 용어 모두는 기능적인 및 구조적인 관점에서 동일하게 생각된다. 하우징(12)은 상벽(16), 하벽(18), 제 1 측면 패널(20), 및 제 2 측면 패널(22)을 더 포함한다. 도 1의 실시예에 있어서, 상벽(16) 및 하벽(18)은 서로 실질적으로 평행하다. 마찬가지로, 제 1 측면 패널(20) 과 제 2 측면 패널(22) 또한 서로에 대해 실질적으로 평행하다.
도시된 바와 같이 하우징(12)은 전방 벽(24) 및 전방 벽(24)에 최적하게 평행한 후방 벽(26)을 더 포함한다. 하우징(12)내의 내부 챔버 또는 구획(30)(도 1에 점선으로 도시됨)은 전방 벽(24), 후방 벽(26), 상벽(16), 하벽(18), 제 1 측면 패널(20), 및 제 2 측면 패널(22)에 의해 둘러싸여 있으며, 이는 그내에 잉크 조성물(32)의 서플라이를 수납하도록 설계되어 있으며, 잉크 조성물은 비제한(예를 들면, "자유 유동(free-flowing)" 형상이거나 또는 다세포 폼형 구조(multicellular foam-type structure)내에 수납된다. 제한없이 잉크 조성물(32)과 관련하여 많은 상이한 재료가 사용될 수 있다. 따라서 청구된 발명은 "잉크-스페시픽(ink-specific)"이 아니다. 잉크 조성물은 적어도 하나의 착색제를 우선 수납한다. 다시, 본 발명은 다른 특정 착색제 또는 그의 혼합물에 한정되지 않는다. 많은 상이한 재료가 "착색제"라는 용어에 포함될 수 있지만, 본 설명은 착색된 또는 검정색 염료 생성물 양자에 초점을 맞춘다. 관심있는 잉크 조성물에 사용하기 적합한 예시적인 검정색 염료는 힌다골라의 미국 특허 제 4,963,189 호에 나열되어 있으며, 미국 특허 제 4,963,189 호는 본원에 참조로 인용된다. 대표적인 착색된 염료 재료는 영국 요크셔 소재의 다이어 및 컬러리스트 협회(The Society of Dyers and Colourists)에서 발간한 (1971) 칼라 인덱스, Vol. 4, 3판에 상술되어 있으며, 이 또한 본원에 참조로 인용되며 본 기술분야에 널리 공지된 표준 책자이다. 위의 칼라 인덱스에 나열된 본원에 사용하기 적합한 예시적인 화학적인 염료는 하기의 조성물, C.I. Direct Yellow 11, C.I. Direct Yellow 86, C.I. Direct Yellow 132, C.I. Direct Yellow 142, C.I. Direct Red 9, C.I. Direct Red 24, C.I. Direct Red 227, C.I. Direct Red 239, C.I. Direct Blue 9, C.I. Direct Blue 86, C.I. Direct Blue 189, C.I. Direct Blue 199, C.I. Direct Black 19, C.I. Direct Black 22, C.I. Direct Black 51, C.I. Direct Black 163, C.I. Direct Black 169, C.I. Acid Yellow 3, C.I. Acid Yellow 17, C.I. Acid Yellow 23, C.I. Acid Yellow 73, C.I. Acid Red 18, C.I. Acid Red 33, C.I. Acid Red 52, C.I. Acid Red 289, C.I. Acid Blue 9, C.I. Acid Blue 61:1, C.I. Acid Blue 72, C.I. Acid Black 1, C.I. Acid Black 2, C.I. Acid Black 194, C.I. Reactive Yellow 58, C.I. Reactive Yellow 162, C.I. Reactive Yellow 163, C.I. Reactive Red 21, C.I. Reactive Red 159, C.I. Reactive Red 180, C.I. Reactive Blue 79, C.I. Reactive Blue 216, C.I. Reactive Blue 227, C.I. Reactive Black 5, C.I. Reactive Black 31, C.I. Basic Yellow 13, C.I. Basic Yellow 60, C.I. Basic Yellow 82, C.I. Basic Blue 124, C.I. Basic Blue 140, C.I. Basic Blue 154, C.I. Basic Red 14, C.I. Basic Red 46, C.I. Basic Red 51, C.I. Basic Black 11, 및 그의 혼합물 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 이러한 재료는 미국 뉴저지주 이스트 하노버 소재의 산도즈 코포레이션, 미국 뉴욕주 어드슬레이 소재의 시바 가이기 및 다른 곳을 포함하지만 이들에 한정되지 않는 많은 곳으로부터 상업적으로 입수가능하다.
또한 "착색제"라는 용어는 본 기술분야에 공지된 안료 분산을 포함하며 안료 분산은 분산제(예를 들면, 아크릴 화합물)와 관련하여 용해가능한 물에 불용성인 착색제(즉, 안료)를 기본적으로 포함한다. 안료 분산을 일으키도록 사용될 수 있는 특정 안료는 본 기술분야에 공지되어 있으며, 본 발명은 이러한 점에서 특정한 화학적 조성물에 한정되지 않는다. 그러한 안료의 예는 칼라 인덱스, 서프라에 나열된 하기의 화합물, C.I. Pigment Black 7, C.I. Pigment Blue 15, C.I. Pigment Red 2를 포함한다. 그러한 및 다른 안료와 조합할 수 있는 분산제 재료는 본 기술분야에 공지된 단량체 및 중합체를 포함한다. 예시적인 상업적인 분산제는 미국 메인주 렉싱톤 소재의 더불유.알. 그레이스 앤드 코포레이션에 의해 DAXAD(등록상표)로 판매되는 생성물로 이루어진다. 바람직하고 비한정적인 실시예에 있어서, (단일 착색제 또는 조합된 착색제가 사용될 지라도) 관심있는 잉크 조성물은 전체 착색제중 약 2 중량% 내지 7 중량%를 포함한다. 그러나, 사용되는 착색제의 양은 잉크 조성물이 의도되는 궁극적인 목적 및 잉크중의 다른 성분에 의존해 필요에 따라 변할 수 있다.
본 발명에 사용하기 적합한 잉크 조성물은 잉크 "전색제(vehicle)"를 포함하며, 전색제는 다른 잉크 성분을 위한 이송 매체 및 메인 용제로서 기본적으로 기능한다. 많은 상이한 재료가 잉크 전색제로서 사용될 수 있으며, 본 발명은 본 목적을 위해 특정 제품에 한정되지 않는다. 바람직한 잉크 전색제는 다른 성분(예를 들면, 유기 용제 등등)과 화합된 물로 이루어진다. 그러한 유기 용제는 2-파롤리돈(2-pyrrolidone), 1,5-펜탄디올(1,5-pentanediol), 엔-메틸 파롤리돈(N-methyl pyrrolidone), 2-프로판올(2-propanol), 에톡실레이트 글리세롤(ethoxylated glycerol), 2-에틸-2-하이드록시메틸-1,3-프로판디올(2-ehty-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol), 사이클로헥사놀(cyclohexanol), 및 용재 및/또는 습윤제 목적을 위해 본 기술분야에 공지된 다른 것들을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 그러한 모든 화합물은 관계된 잉크 조성물에 관한 이전의 선행 시험에 의해 결정된 바와 같이 여러 조합으로 사용될 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예에 있어서, 잉크 배합물(ink formulations)은 전체 조합된 잉크 전색제중 약 70 내지 80 중량%를 수납하며, 전체 잉크 전색제중 적어도 약 30 중량%는 대체로 물로 이루어진다(밸런스는 위에서 나열된 유기 용제 단독으로 또는 조합된 거중 하나를 포함함). 예시적인 잉크 전색제는 약 60 내지 80 중량%의 물과 약 10 내지 30 중량%의 하나 또는 그 이상의 유기 용제를 수납한다.
또한 잉크 조성물은 가변적인 양으로 다수의 선택적인 성분을 포함할 수 있다. 예를 들면, 선택적인 살충제가 첨가되어 최종 잉크 생성물에서 미생물의 증식을 방지할 수 있다. 이러한 목적에 적합한 예시적인 살충제는 영국 맨체스터 소재의 임페리얼 케미컬 인더스트리의 PROXEL GXL(등록상표); 미국 코넥티컷주 댄버리 소재의 유니온 카바이드의 UCARCID(등록상표); 및 미국 뉴저지주 피스카타웨이 소재의 헐스 아메리카 인코포레이티드의 NUOSEPT(등록상표)로 판매되는 적절한 생성물을 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 살충제가 사용되는 경우, 최종 잉크 조성물은 약 0.05 내지 0.5 중량%의 살충제를 일반적으로 포함하며, 바람직하게는 약 0.30 중량%의 살충제를 포함한다.
잉크 조성물에 사용되는 다른 선택적인 성분은 하나 또는 그 이상의 완충제를 포함한다. 소망 또는 필요한 경우, 선택된 완충제 또는 다중 (조합된) 완충제의 사용은 잉크 배합물의 pH를 안정화하도록 설계된다. 바람직한 실시예에 있어서, 잉크 조성물의 최적 pH는 약 4 내지 9의 범위이다. 본 목적에 적합한 예시적인 완충제는 pH 제어를 위해 본 기술분야에 공지된 붕산 나트륨, 붕산 및 인산염 완충재를 포함한다. 특정 완충제 및 (일반적으로 완충제의 사용의 결정 뿐만 아니라) 사용되는 완충제의 양의 선택은 관심있는 특정 잉크 조성물에 대한 이전의 선행 시험에 의해 결정된다. 또한 필요한 경우, 추가적인 성분(예를 들면, 계면 활성제)이 잉크 조성물내에 들어갈 수 있다. 또한, 많은 다른 잉크 재료가 미국 특허 제 5,185,034 호에 개시된 것을 포함하는 잉크 조성물(32)로서 사용될 수 있으며, 미국 특허 제 5,185,034 호는 본원에 참조로 인용된다.
도 1을 참조하면, 전방 벽(24)은 실질적으로 직사각형의 중앙 캐비티(50)를 포함하는 바깥쪽에 위치되고 외측으로 연장하는 프린트헤드 지지 구조체(34)를 포함한다. 중앙 캐비티(50)는 잉크 출구(54)를 갖는 바닥 벽(52)(도 1에 도시됨)을 포함한다. 잉크 출구(54)는 하우징(12)을 완전히 관통하며, 결과적으로 하우징(12)내의 구획(30)과 연통하여 잉크 재료는 잉크 출구(54)를 통해 구획(30)으로부터 바깥으로 유동할 수 있다. 또한 직사각형의 상방향으로 연장하는 장착 프레임(56)은 중앙 캐비티(50)내에 위치되며, 그의 기능은 하기에 상술된다. 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 장착 프레임(56)은 프린트헤드 지지 구조체(34)의 전방 면(60)과 실질적으로 평평하다(같은 높이임). 특히 장착 프레임(56)은 이중의 기다란 측벽(62, 64)을 포함한다.
도 1을 참조하면, 프린트헤드는 잉크 카트리지(10)의 하우징(12)[예를 들면, 외측으로 연장하는 프린트헤드 지지 구조체(34)]에 고정적으로 부착되며, 도 1에 참조부호(80)로 표시되어 있다. 프린트헤드(80)의 신규한 특징이 다음 섹션에 명확하게 상술되어 있지만, 프린트헤드(80)의 간단한 개요는 기초 정보를 위해 제공된다. 종래의 기술에 따르면, 프린트헤드(80)는 서로 고정적으로 부착된 2개의 메인 구성요소를 실제적으로 포함한다(소 구성요소가 그들 사이에 위치되며 소 구성요소는 중요하게 고려됨). 프린트헤드(80)를 제조하기 위해 사용되는 제 1 메인 구성요소는 기판(82)으로 이루어진다(기판은 하기에 자세히 상술되는 바와 같이 저항기 요소용 "지지 구조체"로서 기능함). 기판(82)은 규소(Si), 탄화 규소(SiC)의 층을 갖는 질화 규소(SiN), 알루미나(Al2O3), 및 다양한 재료[예를 들면, 알루미늄(Al) 원소] 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다수의 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 적어도 하나 바람직하게는 다수의 개별적으로 전압이 가해질 수 있는 얇은 필름 저항기(86)(본원에 "저항기 요소"로 표시됨)는 표준의 얇은 필름 제조 기술을 사용해 도 1의 종래의 프린트헤드(80)내의 기판(82)의 상면(84)에 고정되며, 저항기(86)는 "잉크 분출기"로서 기능하다. 변형 실시예에 있어서, 저항기(86)는 다음 섹션(섹션 "B")에 상술되고 도 4에 도시된 바와 같이 기판(82)상에 사전 형성된 적어도 하나의 절연층에 고정될 수 있다. 그러나, 본 설명의 섹션에서 명확성 및 편리성을 위해, 저항기(86)는 도 1의 기판(82)상에 직접 도시된다.
종래의 열 잉크젯 기술에 따르면, 저항기(86)는 탄탈륨(Ta) 원소 및 알루미늄(Al) 원소의 공지된 혼합물("TaAl"), 탄탈륨 나이트라이드("Ta2N")를 생성하기 위한 탄탈륨(Ta) 원소와 질소(N)의 조합, 또는 다른 비교가능한 재료로 일반적으로 제조된다. 하기의 섹션 "C"에 표시된 바와 같이, 본 발명은 신규한 저항기 구조체 및 TaAl Ta2N(또는 다른 공지된 열 잉크젯 저항기 조성물)로 제조된 것을 대체하는 재료의 사용을 포함한다. 본원에 청구된 저항기 요소는 특정 재료로 제조되는데, 이 재료는 감소된 전류 소비(이는 내부 온도 곡선을 보다 유리하게 할 수 있으며/냉각시킴); 보다 적은 비용의 전력 서플라이의 사용을 가능하게 하는 능력; 및 신뢰성, 수명, 안정성 및 작동 효율의 전반적인 레벨의 상승을 포함해 많은 중요한 장점을 제공한다. 달성되는 모든 이러한 장점 및 방법은 섹션 "C"에 약술된다.
단지 소수의 저항기(86)가 도 1에 개략적으로 도시되어 있으며, 저항기(86)는 명확성을 위해 확대된 형태로 표시된다. 마찬가지로 다수의 중요한 재료층은 저항기(86) 위ㆍ아래에 존재할 수 있으며, 저항기는 섹션 하기의 "B"에 자세히 상술된다. 일반적으로 금(Au) 및/또는 알루미늄(Al)으로 제조되는 다수의 금속성 전도 트레이스(90)["버스 부재(bus members)", "기다란 전도 회로 요소", "상호연결 구조체", 또는 간단히 "회로 요소"로서 본원에서 불리움]는 표준 사진 석판술 얇은 필름 기술에 사용하여 기판(82)의 상면(84)에 제공되며, 금속 전도 트레이스는 저항기(86)와 전기적으로 통한다. 마찬가지로 회로 요소(90)는 상면(84)상의 기판(82)의 단부(94, 95)에 위치된 다중 금속 패드형 접촉 영역(92)과 통하며, 상면은 위에서 입증된 회로 요소(90)와 동일 재료로 제조될 수 있다. 본원에 조합하여 "저항기 조립체"(96)로 집합적으로 설계된 모든 그러한 구성요소의 기능은 또한 하기에 요약된다. 그러나, 단지 소수의 회로 요소(90)가 도 1에 개략적으로 도시되어 있으며, 회로 요소(90)는 명확성을 위해 확대된 형태로 다시 표시됨을 알 수 있다. 마찬가지로, 저항기(86)가 첨부된 모든 도면에 간략화된 "사각형" 형태로 개략적으로 도시되어 있지만, 저항기는 도 1에 표시된 것에서 부터 "분할된", 기다란, 및/또는 "사행(snake-like)" 구조까지의 범위의 많은 상이한 형상, 크기, 및 디자인으로 구성될 수 있음을 알 수 있다. 그러한 구조적인 상이성은 본 발명의 저항기에 적용할 수 있으며 전술한 바와 같이 본 발명은 다음 섹션에서 상세하게 상술된다.
저항기 조립체(96)를 구성하기 위해 많은 상이한 재료 및 설계 구조가 사용될 수 있으며, 본 발명은 본 목적을 위해 본원(예를 들면, 섹션 "C" 참조)에 달리 지적되지 않을 경우 특정 요소, 재료, 및 구조체에 한정되지 않는다. 그러나, 바람직하고, 대표적이며, 비한정적인 실시예에 있어서, 저항기 조립체(96)는 대략 0.5 inch의 길이를 가지며, 더우기 약 300개의 저항기(86)를 수납하여 약 600 dpi의 해상도가 가능하다. 그러한 값은 본 발명의 신규한 저항기 요소에 의해 비한정적인 방법으로 변할 수 있으며, 이 저항기 요소는 하나 또는 그 이상의 금속 질화 규소 화합물로 생성되어 프린트헤드상에 약 600 내지 1200개의 저항기를 가져서 약 1200 dpi[예를 들면, "트루(true)" 1200 dpi 또는 적어도 2개 또는 그 이상의 600 dpi 저항기의 열은 1200 dpi 피치로 설정됨]의 프린트 해상도를 갖는 시스템의 제작을 가능하게 한다. 저항기(86)를 수납하는 기판(82)은 장착 프레임(56)의 측벽(62, 64) 사이의 거리(D)보다 작은 폭(W)(도 1)을 가지는 것이 바람직하다. 결과적으로, 잉크 유동 경로는 기판(82)의 양 측면에 형성되어 중앙 캐비티(50)내의 잉크 출구(54)로부터 유동하는 잉크는 궁극적으로 저항기(86)와 접촉할 수 있다. 기판(82)은 고려하에 잉크 카트리지(10)의 형태에 의존하는 다수의 다른 구성요소(도시되지 않음)를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들면, 기판(82)은 미국 특허 제 5,278,584 호에 개시된 바와 같은 종래 구조의 "디멀티플렉서(demultiplexer)" 뿐만 아니라 저항기(86)의 정확한 제어 작동을 위해 로직 트랜지스터(logic transistors)를 포함할 수 있다. 디멀티플렉서는 들어오는 다중 송신된 신호를 디멀티플렉스하고 그 후 그러한 신호를 각종 저항기(86)에 분배시키기도록 사용된다. 그러한 목적을 위한 디멀티플렉서의 사용은 기판(82)상에 형성된 전기의 회로도(circuitry)[예를 들면, 접촉 영역(92) 및 회로 요소(90)]의 복잡성 및 양을 감소시킬 수 있다.
프린트헤드(80)의 제 2 메인 구성요소는 [저항기(86) 및 다음 섹션에 약술된 바와 같이 잉크 차단층을 포함하는 저항기 사이에 다수의 개재된 재료층과 함께] 기판(82)에 단단히 부착된다. 특히, 도 1에 도시된 바와 같이 오리피스 플레이트(104)가 제공되며, 이 오리피스 플레이트(104)는 선택된 잉크 조성물을 명시된 프린트 매체 재료(예를 들면, 종이)에 분포시키도록 사용된다. 일반적으로, 오리피스 플레이트(104)는 패널 부재(106)(도 1에 개략적으로 도시됨)로 이루어지며, 패널 부재(106)는 하나 또는 그 이상의 금속 조성물[예를 들면, 금도금 니켈[Ni] 등]로 제조된다. 일반적인 및 비한정적인 대표적인 실시예에 있어서, 오리피스 플레이트(104)는 약 5 내지 30㎜의 길이(L) 및 약 3 내지 15㎜의 폭(W1)을 갖는다. 그러나, 청구된 발명은 본원에 달리 언급되지 않는한 특정 오리피스 플레이트 변수에 한정되지 않는다.
오리피스 플레이트(104)는 그를 관통하는 적어도 하나, 바람직하게는 다수의 개구(즉, "오리피스")를 더 포함하며, 개구는 참조부호(108)로 표시된다. 그러한 오리피스(108)는 도 1에 확대되 형태로 도시되어 있다. 대표적인 실시예에 있어서, 각각의 오리피스(108)는 약 0.01 내지 0.05 ㎜의 직경을 갖는다. 완전한 프린트헤드(80)에 있어서, 위에서 나열된 모든 구성요소는 각각의 오리피스(108)가 기판(82)상의 적어도 하나의 저항기(86)와 함께 부분적으로 또는 (바람직하게는) 완전하게 축방향으로 정렬[예를 들면, 실질적으로 "일치(registry)"]하도록 및 그 반대로 조립된다. 결과적으로, 주어진 저항기(86)에의 전압 인가는 잉크가 소망의 오리피스(108)를 통해 배출되도록 한다. 청구된 발명은 오리피스 플레이트(104)와 관련한 특정 크기, 형상 또는 치수 특성에 한정되지 않으며 오리피스(108)의 개수 또는 구성에 한정되지 않는다. 도 1에 도시된 바와 같은 예시적인 실시예에 있어서, 오리피스(108)는 오리피스 플레이트(104)와 관련하여 패널 부재(106)상에 2개 열(110, 112)로 배열된다. 만일 이러한 구성의 오리피스(108)가 사용되는 경우, 저항기 조립체(96)[예를 들면, 기판(82)]상의 저항기(86)는 2개의 대응하는 열(114, 116)로 배열되어 저항기(86)의 열(114, 116)은 오리피스(108)의 열(110, 112)과 실질적으로 일치한다. 이러한 형태의 금속 오리피스 플레이트 시스템에 관한 더욱 일반적인 정보는 예를 들면 버크 등의 미국 특허 제 4,500,895 호에 개시되어 있으며, 이 미국 특허 제 4,500,895 호는 본원에 참조로 인용된다.
배경 기술을 위해 금속 오리피스 플레이트를 포함하는 전술된 시스템 외에, 변형적인 프린트 유닛은 비금속 유기 중합체 조성물로 구성된 효과적으로 사용된 오리피스 플레이트를 가짐을 알 수 있다. 그러한 구조체는 일반적으로 대표적이고 비한정적인 약 1.0 내지 2.0 밀의 두께를 갖는다. 이와 관련하여, "비금속"이라는 용어는 금속 원소, 금속 합금, 또는 금속 아말감/혼합물을 포함하지 않는 제품을 포함한다. "유기 중합체"라는 용어가 바람직한 실시예 섹션의 상세한 설명에 사용될 때마다, "유기 중합체"라는 용어는 화학적인 서브유닛이 반복하는 긴 사슬 탄소 함유 구조를 포함한다. 다수의 상이한 중합체성 조성물은 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 비금속 오리피스 플레이트 부재는 하기의 조성물, 즉 폴리테트라플루오르에틸렌[예를 들면, Teflon(등록상표)], 폴리이미드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 또는 그들의 혼합물로 제조될 수 있다. 마찬가지로, 열 잉크젯 프린트 시스템내에 비금속 유기 중합체계 오리피스 플레이트 부재를 구성하기에 적합한 대표적인 상업적인 유기 중합체(예를 들면, 폴리이미드계) 조성물은 미국 델러웨이주 윌밍톤 소재의 이.아이. 듀 폰트 드 내모어스 앤드 캄파니의 "KAPTON"(등록상표)로 판매되는 제품이다. 비금속 유기 중합체 오리피스 플레이트 시스템의 사용과 관련한 다른 데이타는 미국 특허 제 5,278,584 호에 제공된다(미국 특허 제 5,278,584 호는 본원에 참조로 인용됨). 마찬가지로, 오리피스 구조체로서 프린트헤드 차단층을 사용하는 것을 포함해 본 섹션에 약술된 것 외에 다른 오리피스 구조체가 사용될 수 있다. 그러한 실시예에 있어서, 차단층은 그 내에 적어도 하나의 개구를 갖는 일 층의 재료를 구성할 수 있으며 이는 다음 섹션에 상술하는 바와 같이 오리피스 플레이트/구조체로서 효과적으로 기능할 수 있다.
도 1을 참조하면, 필름형 가요성 회로 부재(118)는 카트리지(10)와 연결되어 제공될 수 있으며 이 회로 부재는 완성된 잉크 카트리지(10)에서 외측으로 연장하는 프린트헤드 지지 구조체(34)를 "둘러 싸도록(wrap around)" 디자인 되었다. 회로 부재(118)를 제조하기 위해 많은 상이한 재료가 사용될 수 있으며 이는 비한정적인 실시예로 폴리테트라플루오르에틸렌[예를 들면, Teflon(등록상표)], 폴리이미드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 또는 그들의 혼합물을 포함한다. 마찬가지로, 가요성 회로 부재(118)를 제조하기에 적합한 대표적인 상업적인 유기 중합체(예를 들면, 폴리이미드계) 조성물은 전술한 바와 같이 미국 델러웨이주 윌밍톤 소재의 이.아이. 듀 폰트 드 내모어스 앤드 캄파니의 "KAPTON"(등록상표)로 판매되는 제품이다. 가요성 회로 부재(118)는 종래의 접착 재료(예를 들면, 본 목적을 위해 본 기술분야에 공지된 에폭시 수지 조성물)를 사용하는 접착 부가물에 의해 프린트헤드 지지 구조체(34)에 고정된다. 가요성 회로 부재(118)는 하기에 상술하는 바와 같이 전기 신호를 프린트헤드 유닛으로부터 기판(82)상의 저항기(86)로 전송 또는 전달할 수 있다. 필름형 가요성 회로 부재(118)는 상면(120)과 하면(122)을 더 포함한다(도 1). 다수의 금속(예를 들면, 금도금 구리) 회로 트레이스(124)는 회로 부재(118)의 하면(122)에 형성되고 도 1에 점선으로 도시되어 있으며, 이 금속 회로 트레이스(124)는 공지된 금속 용착 및 사진 석판 기술을 사용해 하면(122)에 가해진다. 고려하에서 잉크 카트리지(10) 및 프린트 시스템의 특정 형태에 의존하는 특정 패턴을 갖는 많은 상이한 회로 트레이스 패턴이 가요성 회로 부재(118)의 하면(122)에 사용될 수 있다. 또한 다수의 금속(예를 들면, 금도금 구리) 접촉 패드(130)는 회로 부재(118)의 상면(120)상의 위치(126)에 제공된다. 접촉 패드(130)는 회로 부재(118)를 관통하는 개구 또는 "비아(vias)"(도시되지 않음)를 통해 회로 부재(118)의 하면(122)상에 놓이는 회로 트레이스(124)와 연통한다. 프린터 유닛내의 잉크 카트리지(10)의 사용동안, 전기 제어 신호 또는 "임펄스"를 궁극적으로 저항기 조립체(96)로 전송하기 위해, 전기 제어 신호 또는 "임펄스"를 프린터 유닛으로부터 회로 부재(118)상의 접촉 패드(130) 및 트레이스(124)로 전달하도록 패드(130)는 대응하는 프린터 전극과 접촉한다. 저항기 조립체(96) 및 가요성 회로 부재(118) 사이의 전기 소통은 하기에 약술된다.
창(134)은 필름형 가요성 회로 부재(118)의 중간 영역(132)내에 위치되고 오리피스 플레이트(104)를 수납하도록 크기가 정해진다. 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 창(134)은 상부 종방향 에지(136)와 하부 종방향 에지(138)를 포함한다. 빔형 리드(140)는 상부 및 하부 종방향 에지(136, 138)에서 창(134)내에 부분적으로 위치되며, 대표적인 실시예에 있어서 빔형 리드(140)는 금도금 구리이며 가요성 회로 부재(118)의 하면(122)상에 위치된 회로 트레이스(124)의 말단부[예를 들면, 접촉 패드(130)와 대향된 단부]를 구성한다. 리드(140)는 납땜 및 열압축식 결합 등에 의해 저항기 조립체(96)와 관련된 기판(82)의 상면(84)상의 접촉 영역(92)과의 전기적인 연결을 위해 설계된다. 결과적으로, 전기적인 연결은 가요성 회로 부재(118)상의 회로 트레이스(124)에 의해 접촉 패드(130)로부터 저항기 조립체(96)에서 이루어진다. 그런 후 프린터 유닛으로부터의 전기 신호 또는 임펄스는 기판(82)상의 기다란 전도 회로 요소(90)를 통해 저항기(86)로 전송되어 저항기(86)의 필요 가열(on-demand)(전압 인가)이 일어날 수 있다.
본 발명은 도 1에 도시되고 상술된(생략되고 개략적인 형태로 도시됨) 특정 프린트헤드(80)에 한정되지 않으며, 본 발명에 따라 많은 다른 프린트헤드 디자인이 사용하기 적합함은 중요하다. 예시적인 목적을 위해 도 1의 프린트헤드(80)가 제공되었으며 어느 면에서도 본 발명을 제한하지 않는다. 마찬가지로, 비금속 유기 중합체형 오리피스 플레이트 시스템을 소망하는 경우, 오리피스 플레이트(104) 및 가요성 회로 부재(118)는 미국 특허 제 5,278,584 호에 개시된 바와 같은 단일 유닛으로 제조될 수 있음을 알 수 있다.
오리피스(108)는 기판(82)상의 저항기(86)와 부분적인 또는 완전한 축방향 정렬하도록 및 그 반대로도 되도록 완성된 프린트헤드(80)를 제조하는데 있어서 마지막 중요 단계는 프린트헤드(80)(하기에 상술하는 바와 같이 잉크 차단층을 포함함)의 기반 부분상의 위치에 오리피스 플레이트(104)의 물리적인 부착부를 포함한다. 하기에 보다 자세히 약술된 바와 같이, 그러한 구성요소의 부착은 종래의 접착재(예를 들면, 본 목적을 위해 본 기술분야에 공지된 에폭시 및/또는 시아노아크릴레이트 접착제)의 사용에 의해 달성될 수 있다. 본 단계에 있어서, 잉크 카트리지(10)의 제조는 완성된다. 그런 후 잉크 조성물(32)은 프린트 매체 재료에 프린트된 이미지(152)를 생성하기 위해 필요시 선택된 프린트 매체 재료(150)에 배출된다. 많은 상이한 조성물이 프린트 매체 재료(150)와 연관되어 사용될 수 있으며, 프린트 매체 재료는 종이, 플라스틱(예를 들면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 다른 필적한 중합체성 화합물), 금속 및 유리 등을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 또한, 카트리지(10)는 적절한 프린터 유닛(160)(도 1)내에 배치되거나 또는 달리 위치될 수 있으며, 프린터 유닛(160)은 필요시 이미지(152)의 인쇄가 일어날 수 있도록 전기적인 임펄스/신호를 카트리지 유닛(10)에 전달한다. 많은 상이한 프린터 유닛이 제한없이 청구된 발명[카트리지(10)를 포함]의 잉크 이송 시스템과 연관되어 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 프린트헤드 및 잉크 이송 시스템과 함께 사용하기 적합한 예시적인 프린트 유닛은 미국 캘리포니아주 팔로 알토 소재의 휴렛-팩카드 캄파니에 의해 DESKJET 400C, 500C, 540C, 660C, 693C, 820C, 850C, 870C, 1200C 및 1600C(등록상표)로 제조 및 판매되는 것들을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다.
도 1과 관련하여 상술된 잉크 카트리지(10)는 "내장형" 잉크 서플라이를 포함하는 "자체 수납된" 잉크 이송 시스템을 포함한다. 청구된 발명은 프린트헤드와 멀리 이격되어 있지만 프린트헤드에 효과적으로 연결되고 프린트헤드와 유체 연통하는 잉크 수납 용기내에 저장되는 잉크의 서플라이와 프린트헤드를 사용하는 다른 시스템과 사용될 수 있다. 유체 연통은 대체로 하나 또는 그 이상의 관형 도관을 사용해 성취될 수 있다. 그러한 시스템["편축(off-axis)" 장치로 공지됨]의 예는 올샌 등에 의해 "내측 및 외측 필름 층으로 형성된 다중 차단된 백을 갖는 잉크 수납 시스템"이라는 명칭으로 1997년 5월 6일자로 출원되고 계류중인 미국 특허 출원번호 제 08/869,446 호 및 하우크 등에 의해 "비잉크성 잉크젯 펜용 조절기"라는 명칭으로 1997년 11월 6일자로 출원되고 계류중인 미국 특허 출원번호 제 08/873,612 호에 개시되어 있으며, 이들은 본원에 참조로 인용된다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 선택된 열 잉크젯 프린트헤드에 원격 작동 연결[바람직하게는 중력 충전(gravity feed) 또는 다른 필적할만한 기부상에서]하도록 설계된 탱크형 잉크 수납 용기(170)를 포함하는 대표적인 편축 잉크 이송 시스템이 도시되어 있다. 또한, "잉크 수납 유닛", "잉크 저장 유닛", "용기", "하우징" 및 "탱크"라는 용어는 본 실시예에서 동일하게 생각될 수 있다. 잉크 수납 용기(170)는 외측 셀 또는 하우징(172) 형태로 구성되며, 패널 부재를 관통하는 유입/유출 구멍(178)을 갖는 패널 부재(176)와 메인 몸체부(174)를 포함한다(도 2 및 도 3). 본 실시예가 하우징(172)과 관련하여 특정 조립 방법에 한정되지 않지만, 패널 부재(176)는 메인 몸체부(174)로부터 이격된 구조로 바람직하게 제조된다. 그 후 패널 부재(176)는 공지된 열 용접 방법 또는 종래의 접착제(예를 들면, 에폭시 수지 또는 시아노아크릴레이트 화합물)를 사용하여 도 3에 도시된 바와 같이 메인 몸체부(174)에 고정된다. 그러나, 바람직한 실시예에 있어서, 패널 부재(176)는 전반적인 잉크 수납 용기(170)/하우징(172)의 부분으로 생각될 수 있다.
도 3을 참조하면, 하우징(172)은 그내에 잉크 조성물(32)의 서플라이를 저장하기 위한 내부 챔버 또는 캐비티(180)를 갖는다. 또한, 하우징(172)은 외측으로 연장하는 관형 부재(182)를 더 포함하며, 이 관형 부재(182)는 패널 부재(176)를 관통하며, 바람직한 실시예에 있어서 패널 부재에 일체형으로 형성된다. 본 상세한 설명에 걸쳐 사용된 "관형"이라는 용어는 외벽에 의해 둘러싸인 적어도 하나 또는 그 이상의 중앙 통로를 포함하는 구조체를 둘러싸는 것으로 정의될 수 있다. 관형 부재(182)는 도 3에 도시된 바와 같이 그내에 유입/유출 구멍(178)을 가지며, 이 유입/유출 구멍(178)은 하우징(172) 내측의 내부 캐비티(180)로 액세스 할 수 있도록 한다.
하우징(172)의 패널 부재(176)내에 위치된 관형 부재(182)는 하우징(172)의 외측에 위치된 외측 섹션(184)과 내측 캐비티(180)내의 잉크 조성물(32)내에 위치된 내측 섹션(186)을 갖는다(도 3). 관형 부재(182)의 외측 섹션(184)은 접착재(예를 들면, 종래의 시아노아크릴레이트 또는 에폭시 화합물) 및 마찰 결합 등에 의해 도 3에 개략적으로 도시된 구멍(178)내에 위치된 관형 잉크 전달 도관(190)에 유효하게 접착된다. 도 3의 실시예에 있어서, 잉크 전달 도관(190)은 상술된 방법에 의해 관형 부재(182)의 외측 섹션(184)에 부착되고 구멍(178)내에 있는 제 1 단부(192)를 포함한다. 잉크 전달 도관(190)은 프린트헤드(196)에 유효하고 이격되게 부착된 제 2 단부(194)를 더 포함하며, 프린트헤드(196)는 도 1에 도시된 프린트헤드(80)[프린트헤드(196)와 동일하다고 생각될 수 있음]와 관련된 것을 포함해 다수의 상이한 디자인, 구성 및 시스템을 포함할 수 있다. 모든 그러한 구성요소는 전체 잉크 이송 시스템의 형태, 크기 및 전반적인 구조에 따라 선택된 프린터 유닛[프린터 유닛(160)을 포함함]내의 소정 위치에 적절하게 장착된다. 또한 잉크 전달 도관(190)은 잉크의 전달을 촉진하기 위해 종래 디자인의 적어도 하나의 선택적인 직렬식 펌프(도시되지 않음)를 포함할 수 있음을 알 수 있다.
도 1 내지 도 4에 도시된 시스템 및 구성요소는 실제의 도면이다. 사실 그들은 고려하에서 특정 장치에 따라 추가적인 작동 구성요소를 포함할 수 있다. 상술된 설명은 본 발명 및 그의 각종 실시예를 제한하거나 한정하지 않는다. 대신에, 도 1 내지 도 4의 시스템은 필요에 따라 변할 수 있으며, 청구된 발명이 구성요소의 많은 상이한 배열을 사용하는 잉크 이송 시스템에 적용할 수 있음을 입증하는 것을 전적으로 나타낸다. 이와 관련하여, 특정 잉크 이송 시스템, 잉크 수납 용기 및 관련된 데이타의 설명은 단지 좋은 예로 생각될 수 있다.
B. 프린트헤드내의 저항기 요소 및 관련된 구조체의 일반적인 관찰
본 섹션은 가열 저항기 및 관련된 구성요소에 대한 특별한 참조를 갖는 일반적인 프린트헤드[상술된 프린트헤드(80)를 포함함]의 내부의 기초 정보를 위한 포괄적인 설명을 제공한다. 하기의 설명은 어떤 면에서도 본 발명을 제한하지 않으며 예시적인 목적을 위해서만 제공된다. 또한, 본 발명은 앞으로 광범위하고 상이한 열 잉크젯 시스템 및 프린트헤드 유닛에 적용할 수 있음을 알 수 있으며, 그들은 최소로 지지 구조체 및 적어도 하나의 저항기 요소를 포함하며, 저항기 요소는 잉크 조성물을 프린트 매체 재료에 분출시키기 위해 잉크 조성물을 선택적으로 가열시키도록 사용된다.
도 4를 참조하면, 프린트헤드(80)의 부분(198)이 단면으로 도시되어 있다. 참조 목적을 위해, 부분(198)은 도 1에 나타내진 원형 영역(200)내에 포함된 구성 요소 및 구조체를 포함한다. 도 4에 도시된 구성요소는 조립된 구조로 도시되어 있다. 또한, 도 4에 제공된 각종 층은 반드시 축척에 맞춰 도시된 것은 아니며 명확성을 위해 확대되었음을 알 수 있다. 도 4의 단면도에 따르면, 대표적인 저항기(86)(전술한 바와 같이 본원에서 "저항기 요소"로서 특징지어짐)는 저항기(86)의 위 아래에 위치된 각종 재료층[오리피스 플레이트(104)를 포함함]을 따라 개략적으로 도시되어 있다. 모든 그러한 구조체(및 본 섹션에 약술된 다른 층)는 라이트 등의 미국 특허 제 4,535,343 호 및 로이드의 미국 특허 제 4,616,408 호 및 헤스 등의 미국 특허 제 5,122,812 호에 도시되고 자세히 상술되어 있으며, 위의 특허들은 본원에 참조로서 인용된다. 그러나, 명확성을 위해서 및 자세한 설명을 제공하기 위해서, 하기의 추가적인 설명이 제공된다.
도 4를 참조하면, 프린트헤드(80)[즉, 부분(198)]는 우선 실리콘(Si) 원소로 최적하게 제조된 기판(202)을 포함한다. 이러한 목적을 위해 사용되는 실리콘은 단결정, 다결정 또는 비결정일 수 있다. (그들 구성요소의 혼합물과 함께) 알루미나(Al2O3), 탄화 규소(SiC)의 층을 갖는 질화 규소(SiN) 및 각종 금속[예를 들면, 알루미늄 원소(Al)] 등을 포함하지만 이들에 한정되지 않는 제한없이 다른 재료가 기판(202)과 연관되 사용될 수 있다. 바람직한 및 대표적인 실시예에 있어서, 기판(202)은 약 500㎛ 내지 925㎛의 범위(및 다른 모든 범위 및 본원에 나타난 수치 변수는 달리 언급되지 않을 경우 일상적인 사전 시험에 의해 필요시 변함)의 두께(T)를 가질 수 있다. 기판(202)의 크기는 고려하에서 프린트헤드 시스템의 형태에 따라 실질적으로 변할 수 있다. 그러나, 대표적인 실시예(및 도 1을 참조)에 있어서, 기판(202)은 약 3 내지 15㎜의 예시적인 폭(W) 및 약 5 내지 40㎜의 길이(L1)를 갖는다. 부수적으로, 도 4의 기판(202)은 섹션 "A"에서 상술된 기판(82)과 동일하며, 기판(82)은 명확성을 위해 본 섹션에서 번호가 다시 매겨졌다.
다음으로, 선택적인 유전성 베이스 층(206)은 기판(202)의 상면(204)에 위치되고 도 4에 도시된 저항기(86)로부터 기판(202)을 전기적으로 절연시키도록 설계된다. 본원에 일반적으로 사용되는 "유전성"이라는 용어는 전기적인 절연체인 또는 전기장이 최소 전력 소산을 가지고 유지될 수 있는 재료를 포함한다.
표준 열 잉크젯 시스템에 있어서, 베이스 층(206)은 이산화 규소(SiO2)로 제조되는 것이 바람직하며, 이산화 규소는 미국 특허 제 5,122,812 호에 개시된 바와 같이 기판(202)이 실리콘(Si)으로 제조될 때 기판(202)의 상면(204)상에 형성된다. 베이스 층(206)을 형성하기 위해 사용된 이산화 규소는 상면(204)을 실란, 산소 및 아르곤의 혼합물중에서 약 300 내지 400℃의 온도로 가열시킴으로써 형성된다. 이러한 공정은 슈의 미국 특허 제 4,513,298 호에 더욱 상술되어 있으며, 미국 특허 제 4,513,298 호는 본원에 참조로 인용된다. 화학 증착법(CVD), 플라즈마 강화 화학 증착법(PECVD), 저압 화학 증착법(LPCVD)을 포함하는 본원에 상술된 열 산화 방법 및 다른 기본 층 형성 기술, 및 층 정의/형성을 위해 사용되는 마스킹/이미징 방법은 본 기술분야에 널리 공지되어 있으며 미국 뉴욕주 소재의 맥그로-힐 출판사의 (1982) 엘리옷, 디. 제이., 통합된 회로 제조 방법(ISBN No. 0-07-019238-3)이라는 책의 pp. 1-40, 43-85, 125-143, 165-229 및 245-286에 개시되어 있으며, 이것은 기초 정보를 위하여 본원에 참조로서 인용된다. 대표적이고 비한정 실시예에 있어서, 베이스 층(206)(사용되는 경우)은 미국 특허 제 5,122,812 호에 약술된 바와 같이 약 10,000 내지 24,000Å의 두께(T0)(도 4)를 갖는다.
이러한 점에서, 베이스 층(206)을 갖는 기판(202)은 "지지 구조체"(208)로서 본원에 집합적으로 나타내지며, 본원에 사용된 "지지 구조체"라는 용어는 (1) 만일 어떠한 베이스 층(206)도 사용되지 않았을 경우 기판(202) 자체; 및 (2) 저항기 요소(86)가 존재하거나 또는 달리 위치되는 조성물 구조체를 형성하는 기판(202) 및 다른 재료를 포함함을 알 수 있다. 이러한 점에서, "지지 구조체"라는 용어는 일반적으로 (그들이 무엇이건 간에) 재료의 층을 포함하며 이 재료의 층상에 저항기 요소가 위치된다.
층의 나머지 및 도 4에 도시된 프린트헤드(80)와 연관된 제조 단계는 하기(예를 들면, 섹션 "C"참조)에 언급된 것을 제외하고는 일반적이며 라이트 등의 미국 특허 제 4,535,343 호, 로이드의 미국 특허 제 4,616,408 호 및 헤스 등의 미국 특허 제 5,122,812 호에 개시되어 있다. 도 4를 참조하면, 지지 구조체(208), 즉 베이스 층(206)의 상면(212), 또는 만일 베이스 층(206)이 사용되지 않을 경우 직접 기판(202)의 상면(204)에 위치되고/형성된 저항 층(210)(본원에서 "저항 재료의 층"으로 특징지어짐)이 제공된다. 이러한 점에서, 저항 층(210), 종래의 시스템에서 사용된 저항기(86), 또는 본 발명의 저항기 요소는 지지 구조체(208)에 "놓이고", "위치되며", "배치되고", "배향되며", "유효하게 부착되고", "형성되며", 달리 고정되며, 지지 구조체는 다수의 상태를 포함한다. 그러한 상태는 (1) 기판(202)의 상면(204) 사이에 개재 재료 층없이 저항 층(210)/저항기(86)가 기판(202)의 상면(204)상에 직접적으로 고정되거나, 또는 (2) 저항 층(210)/저항기(86)가 기판(202)에 의해 지지되는 것을 포함하며, 그럼에도 불구하고 하나 또는 그 이상의 중간 재료층[예를 들면, 베이스 층(206) 및 다른 것]은 기판(202)과 저항기(86)/저항 층(210) 사이에 위치된다. 이들 양 변형예는 동일하게 생각될 수 있으며 본 청구범위내에 포함된다. 저항 층(210)은 시스템내에 저항기[도 4에 도시된 저항기 요소(86)를 포함함]를 생성 또는 "형성"하도록 종래에 사용되며, 그러한 목적을 위해 사용되는 단계는 본 섹션의 후반에 상술된다. 저항 층(210)[및 저항 층에 의해 형성된 저항기 요소는 저항기(86)를 포함함]은 일반적인 및 종래의 열 잉크젯 프린트헤드에 있어서 약 250 내지 10,000Å의 두께(T1)를 갖는다.
제한없이 표준 프린트헤드 시스템내에 저항 층(210)을 제조하기 위해 다수의 상이한 재료가 사용된다. 예를 들면, 전술한 바와 같이, 본 목적에 적합한 대표적인 조성물은 알루미늄(Al) 원소 및 탄탈륨(Ta) 원소의 혼합물(예를 들면, "TaAl")를 포함하지만 이에 한정되지 않으며, 위의 혼합물(TaAl)은 미국 특허 제 5,122,812 호에 개시된 바와 같이 얇은 필름 저항기 제조를 위한 기술분야에 공지되어 있다. 이 재료는 가압된 알루미늄의 분말 타겟 및 탄탈륨 분말을 도 4의 시스템내의 베이스 층(206)의 상면(212)상으로 스퍼터링(sputtering)함으로써 형성된다. 바람직한 실시예에 있어서, 이후 "TaAl"로 나타내지는 최종 혼합물은 약 40 내지 60 원자(At.)% 탄탈륨(약 50 원자%가 최적임) 및 약 40 내지 60 원자% 알루미늄(약 50 원자%가 최적임)으로 이루어진다.
저항 층(210)내에 저항재로서 사용되는 다른 조성물은 하기의 예시적이고 비한정적인 물질인, 인이 도프된 다결정 실리콘(phosphorous-doped polycrystalline)(Si), 탄탈륨 나이트라이드(Ta2N), 니크롬(nichrome)(NiCr), 하프늄 브롬화물(hafnium bromide)(HfBr4), 니오븀(Nb) 원소, 바나듐(V) 원소, 하프늄(Hf) 원소, 티타늄(Ti) 원소, 지르코늄(Zr) 원소, 이트륨(Y) 원소 및 그들의 혼합물을 포함한다. 아래 섹션 "C"에 제공된 정보에 따르면, 본 발명의 신규한 특징은 상술된 재료, 구성요소 및 구조로부터 명확하고 실질적인 저항기 시스템을 제공한다. 또한, 본원에 상술되고 청구된 특정 시스템은 종래의 프린트헤드에서 사용된 것과 비교해 감소된 전류 요구 및 보다 긴 안정성을 포함해 많은 장점 및 개선을 제공한다.
종래의 열 잉크젯 프린트헤드내의 저항 층(210)은 금속 재료가 포함될 때 스퍼터링 방법에서 각종 용착 방법[저압 화학 증착법(LPCVD)을 포함함]까지 변동하는 다수의 상이한 기술(고려하에서 저항 재료에 의존함)을 사용해 제 위치에 가해질 수 있으며, 그러한 상이한 기술은 위에 약술되어 있으며 미국 뉴욕주 소재의 맥그로-힐 출판사의 (1982) 엘리옷, 디. 제이., 통합된 회로 제조 방법(ISBN No. 0-07-019238-3)이라는 책의 pp. 1-40, 43-85, 125-143, 165-229 및 245-286에 개시되어 있으며, 이것은 본원에 참조로 인용된다.
예를 들면, 미국 특허 제 5,122,812 호에 개시된 바와 같이, LPCVD 기술은 층(210)과 연관된 저항 재료로서 인이 도프된 다결정 실리콘을 가하는데 사용하기 특히 적합하다.
일반적인 열 잉크젯 프린트헤드는 제조되는 프린트헤드의 형태 및 전반적인 캐비티에 따라 약 300개 또는 그 이상의 개별 저항기(86)(도 1)를 수납할 수 있다. 그러나, 본 발명과 연관된 신규한 저항기(86)의 사용은 필요 또는 소망하는 경우 프린트헤드 구조체가 약 600개 내지 1200개 정도의 저항기(86)를 가질 수 있다. 프린트헤드(80)내의 개별 저항기(86)(도 1)와 연관된 특정 구조가 고려하에 잉크 이송 시스템의 형태에 따른 필요에 따라 상당히 변할 수 있지만, 예시적인 "사각형" 저항기(86)[저항 층(210)으로 제조됨]는 비한정된 약 5 내지 100㎛의 길이 및 약 5 내지 100㎛의 폭을 갖는다. 그러나, 청구된 발명은 프린트헤드(80)내의 저항기(86)와 관련하여 주어진 치수로 한정되지 않는다. 또한, 고려하에 특정 장치 및 이송되는 잉크의 형태에 따라 저항기(86)는 잉크 조성물(32)을 적어도 약 300℃ 또는 그 이상의 온도로 가열될 수 있다.
도 4를 참조하면, 종래의 열 잉크젯 시스템에 따라 저항 층(210)으로 개별적인 저항기(86)를 형성하는 것이 상술된다. 특히, 전도 층(214)은 저항 층(210)의 상면(216)에 위치된다. 도 4에 도시된 바와 같은 전도 층(214)은 서로 이격된 이중 부분(220)을 포함한다. 각 부분(220)의 내측 단부(222)는 하기에 약술되는 바와 같이 저항기(86)의 "경계"를 실제적으로 형성한다. 전도 층(214)[및 부분(220)]은 저항 층(210)의 상면(216)상에 직접 위치된 적어도 하나의 전도 금속으로 형성되고, 종래의 사진 석판술, 스퍼터링, 금속 용착 및 미국 뉴욕주 소재의 맥그로-힐 출판사의 (1982) 엘리옷, 디. 제이., 통합된 회로 제조 방법(ISBN No. 0-07-019238-3)이라는 책의 pp. 1-40, 43-85, 125-143, 165-229 및 245-286에 일반적으로 개시된 바와 같은 다른 공지된 기술을 사용해 패턴이 형성된다. 전도 층(214)을 형성하기에 적합한 대표적인 금속(및 그의 혼합물)은 본 섹션의 뒤쪽에 나열된다.
상술되고 도 4에 도시된 바와 같이, 전도 층(214)(미국 특허 제 5,122,812 호에 상당히 자세히 개시됨)은 내측 단부(222)를 각기 갖는 이중 부분(220)을 포함한다. 내측 단부(222) 사이의 거리는 도 1 및 도 4에 도시된 저항기(86)를 형성하는 경계를 형성한다. 특히, 저항기(86)는 저항 층(210)의 섹션으로 이루어지며 저항 층의 섹션은 전도 층(214)의 이중 부분(220)의 내측 단부(222)를 메운다(예를 들면, 내측 단부 사이에 있음). 저항기(86)의 경계는 도 4에 점선으로 된 수직선(224)으로 도시되어 있다.
미국 특허 제 5,122,812 호에 개시된 바와 같이, 저항기(86)는 전도 층(214)의 이중 부분(220) 사이에서 "전도 브리지"로서 작동하며 전기적인 관점에서 이중 부분(220)을 서로 효과적으로 연결시킨다. 결과적으로, 프린터 유닛(160)(상술됨)으로부터 전기적인 임펄스 또는 신호 형태로 전기가 저항기(86)에 의해 형성된 "브리지" 구조체를 통과할 때, 저항 층(210)/저항기(86)를 제조하도록 사용되는 재료의 저항 특성에 따라 열이 발생된다. 기술적인 관접에서, 저항 층(210) 위의 전도 층(214)의 존재는 기본적으로 저항 재료가 충분한 양의 열을 발생시키지 않도록 한다. 특히, 저항이 적은 경로를 통해 흐르는 전류는 전도 층(214)에 국한되며, 그에 따라 최소의 열 에너지를 발생시킨다. 따라서, 저항 층(210)만이 "저항기"[예를 들면, 저항기(86)]로 효과적으로 기능하며, 저항기는 도 4에 도시된 바와 같이 이중 부분(220) 사이에서 열려진다.
본 발명은 전도 층(214) 및 그의 부분(220)과 관련하여 특정 재료, 구조 및 치수 등에 한정되지 않으며, 청구된 시스템은 "전도 층 스페시픽(conductive layer specific)"이 아니다. 전도 층(214)을 제조하기 위해 많은 상이한 조성물이 사용될 수 있으며, 전도 층은 대표적인 재료인 알루미늄(Al) 원소, 금(Au) 원소, 구리(Cu) 원소, 텅스텐(W) 원소 및 실리콘(Si) 원소을 포함하지만 이들에 한정되지 않으며, 알루미늄 원소가 바람직하다. 또한 (미국 특허 제 5,122,812 호에 약술된 바와 같이), 전도 층(214)은 선택적으로 특정 조성물로 제조될 수 있으며 이 특정 조성물은 각종 재료 또는 구리 원소 및/또는 실리콘 원소[전도 층(214)에 주요 성분으로서 다른 조성물이 사용될 수 있음을 가정함]를 포함하는 "도프제(dopants)"가 조합된 것이다. ("도프제"로서 첨가되는 구리 원소와 함께) 알루미늄 원소가 전도 층(214)에 주요 성분으로서 사용된다면, 구리는 전기 이동과 관련한 문제를 제어하도록 특별히 설계된다. 실리콘 원소가 (단독으로 또는 구리와 조합되어) 알루미늄계 시스템내에 첨가물로서 사용되는 경우, 실리콘은 알루미늄과 시스템내의 다른 실리콘 함유 층 사이에서 부작용을 효과적으로 방지한다. 전도 층(214)을 형성하기 위해 사용되는 예시적인 및 바람직한 재료는 약 95.5 중량%의 알루미늄 원소, 약 3.0 중량%의 구리 원소 및 약 1.5 중량%의 실리콘 원소을 함유하며, 비록 본 발명이 그러한 재료에 한정되지는 않지만, 예시적인 목적으로 제공된 것이다. 전도 층(214)[및 도 4에 도시된 바와 같이 전도 층과 연관된 이중 부분(220)]의 전반적인 두께(T2)를 고려할 때, 본 구조체에 적합한 대표적인 값은 약 2000 내지 10,000Å이다. 그러나, 바람직한 두께 범위를 포함해 위에 제공된 모든 정보는 고려하에서 특정 잉크 이송 시스템 및 그의 소망 능력을 포함하는 이전 선행 시험에 따른 필요에 따라 변할 수 있다.
도 4를 참조하면, 선택적인 제 1 부동태화 층(passivation layer)(230)은 전도 층(214)의 이중 부분(220) 및 저항기(86) 위에 위치된다. 특히 제 1 부동태화 층(230)은 (1) 전도 층(214)과 연관된 각 부분(220)의 상면(232); 및 (2) 저항기(86)의 상면(234) 상에 직접적으로 위치/용착된다. (만일 이전 선행 시험에 의해 결정된 바와 같이 사용되는 경우) 제 1 부동태화 층(230)의 주용 기능은 저항기(86)(및 상술된 다른 구성요소)를 카트리지(10)에 사용되는 잉크 조성물(32)의 부식 효과로부터 보호하는 것이다. 제 1 부동태화 층(230)의 보호 기능은 저항기(86)와 관련하여 특히 중요한데, 이는 본 구조체에 대한 물리적인 손상이 그의 기본 작동 능력을 급격하게 손상시키기 때문이다. 제 1 부동태화 층(230)과 관련하여 이산화 규소(SiO2), 질화 규소(SiN), 산화 알루미늄(Al2O3) 및 탄화 규소(SiC)를 포함하지만 이들에 한정되지 않는 다수의 상이한 재료가 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 질화 규소를 전도 층(214)과 연관되어 각 부분(220)의 상면(232) 및 저항기(86)의 상면(234)에 이송시키기 위해 플라즈마 강화 화학 증착법(PECVD)을 사용하여 최적으로 가해지는 질화 규소가 사용된다. 이러한 것은 미국 특허 제 5,122,812 호에 개시된 바와 같이 약 2 토르의 압력과 약 300 내지 400℃의 온도에서 암모니아와 혼합된 실란의 분해에 의해 질화 규소를 가하기 위한 종래의 PECVD 시스템을 사용함으로써 달성될 수 있으며, 위의 미국 특허 제 5,122,812 호는 본원에 참조로서 인용된다. 청구된 발명이 주어진 구조재로 제조된 부동태화 층(230)에 한정되지 않거나 또는 달리 이 부동태화 층(230)에 제한될 때, 상술된 화합물은 최상의 결과를 제공한다. 또한, 제 1 부동태화 층(230)과 연관된 예시적인 두께(T3)는 약 1000 내지 10,000Å이다. 그럼에도 불구하고 이 값은 고려하에서 특정 프린트헤드 시스템을 포함하는 일반적인 사전 시험에 따라 변할 수 있다.
다음으로, 최대의 보호 능력을 제공하기 위해 설계된 바람직한 실시예에 있어서, 선택적인 제 2 부동태화 층(236)은 상술된 제 1 부동태화 층(230)의 상면(240)에 직접 위치된다. 그러한 목적을 위해 질화 규소(SiN), 이산화 규소(SiO2) 또는 산화 알루미늄(Al2O3)이 사용될 수 있을지라도, 제 2 부동태화 층(236)(이전 선행 시험에 의해 결정되는 것을 사용)은 탄화 규소(SiC)로 제조되는 것이 바람직하다. (본원에 상술된 모든 각종 재료 층의 경우에서 처럼) 제 2 부동태화 층(236)을 제 1 부동태화 층(230)에 용착시키기 위해 다수의 상이한 기술이 사용될 수 있지만, 플라즈마 강화 화학 증착법(PECVD)이 본 단계에서 최적의 결과를 제공한다. 예를 들면, 탄화 규소가 포함되는 경우, PECVD 방법은 대표적인 실시예에서 약 300 내지 450℃의 온도에서 실란과 메탄의 조합물을 사용함으로써 달성된다. 제 2 부동태화 층(236)은 전술한 바와 같이 잉크 조성물(32)의 부식 효과에 대한 추가적인 화학적 배리어를 제공함으로써 제 1 부동태화 층(230)의 보호 능력을 증대시키도록 사용된다. 청구된 발명이 제 2 부동태화 층(236)과 관련해 특정 치수로 한정시키지는 않지만, 본 구조체를 위한 대표적인 두께(T4)는 약 1000 내지 10,000Å 이다. 결과적으로, 효율이 높은 "이중 부동태화 구조체"(242)가 형성되며, 이 "이중 부동태화 구조체"(242)는 (1) 제 1 부동태화 층(230)과; (2) 제 2 부동태화 층(236)으로 이루어진다.
도 4를 참조하면, 대표적인 프린트헤드(80)의 다음 층은 제 2 부동태화 층(236)의 상면(252)에 가해진 선택적인 전기 전도 캐비테이션 층(250)을 포함한다. 캐비테이션 층(250)(이전 선형 시험에 의해 결정된 것을 사용)은 프린트헤드(80)내의 아래 구조체에 관해 보호 정도를 더욱 제공한다. 특히, 이는 물리적인 손상 저항을 프린트헤드(80)내의 캐비테이션 층(250) 아래의 재료의 층에 전달하기 위해 사용되며, 그의 아래의 제 1 및 제 2 부동태화 층(230, 236) 및 저항기(86)를 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 캐비테이션 층(250)의 보호 기능에 따르면, 캐비테이션 층은 바람직한 재료인, 탄탈륨(Ta) 원소, 몰리브덴(Mo) 원소, 텅스텐(W) 원소 및 그들의 혼합물/합금을 포함하지만 이들에 한정되지 않는 선택된 금속으로 최적으로 제조된다. 도 4의 실시예에 있어서, 다수의 상이한 기술이 제 2 부동태화 층(236)의 상면(252)상의 제 위치에 캐비테이션 층(250)을 용착시키기 위해 사용될 수 있지만, 본 단계는 표준 스퍼터링 방법 및/또는 미국 뉴욕주 소재의 맥그로-힐 출판사의 (1982) 엘리옷, 디. 제이., 통합된 회로 제조 방법(ISBN No. 0-07-019238-3)이라는 책의 pp. 1-40, 43-85, 125-143, 165-229 및 245-286에 개시된 다른 적용가능한 방법에 따라 최적으로 달성된다. 또한, 최적의 결과(고려하에서 특정 구조체를 포함하는 이전 선행 시험에 따라 변함)를 제공하기 위해 설계된 비한정적인 예시적인 실시예에 있어서, 캐비테이션 층(250)은 약 1000 내지 6000Å의 바람직한 두께(T5)를 갖는다.
본 단계에서, 다수의 추가적인 구성요소가 프린트헤드(80)내에 사용되며 이는 도 4를 참조하여 상술된다. 이러한 정보는 기본 정보를 위해 제공되며 본 발명을 어느면에서도 한정하지 않는다. 도 4에 도시되고 미국 특허 제 4,535,343 호에 약술된 바와 같이, 선택적인 제 1 접착 층(254)은 캐비테이션 층(250)의 상면(256)상의 제 위치에 가해지며 제한없이 다수의 상이한 성분을 포함할 수 있다. 이러한 목적을 위해 적합한 대표적인 재료는 종래의 에폭시 수지재, 표준 시아노아크릴레이트 접착제 및 실란 열결재 등을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 제 1 접착층(254)은 "선택적"으로 생각되며, 위에 놓인 차단층(하기에 상술됨)과 관련하여 사용될 수 있는 다수의 재료는 캐비테이션 층(250)에 대해 실질적으로 "자체 접착제(self-adhesive)"일 수 있다. 따라서 제 1 접착층(254) 사용의 결정은 고려하에서 특정 프린트헤드 구성요소를 포함하는 일반적인 선행 시험에 따라 결정된다. 사용되는 경우, 제 1 접착층(254)은 스핀 피복, 롤 피복 및 본 목적에 적합한 다른 공지된 적용 재료를 포함하지만 이들에 한정되지 않는 종래의 방법에 의해 캐비테이션 층(250)의 상면(256)에 가해질 수 있다. 제 1 접착층(254)은 선택적인 특성이지만, 위에 놓인 차단층(후술됨)이 제 위치에 단단히 유지되는 것을 자동적으로 보장하기 위한 예방 근거를 위한 "디폴트(default)" 치수로 사용될 수 있다. 사실, 제 1 접착층(254)이 사용되는 경우, 약 100 내지 1000Å의 예시적인 두께(T6)를 갖는다.
다음에, 특정 조성물이 프린트헤드(80)내에 제공될 수 있으며 이는 본원에서 잉크 차단층(260)으로 특징된다. 차단층(260)은 제 1 접착층(254)(사용되는 경우)의 상면(262) 또는 제 1 접착층(254)이 사용되지 않는 경우 캐비테이션 층(250)의 상면(256)상의 제 위치에 가해진다. 차단층(260)은 잉크 조성물(32)의 부식 효과로부터 구성요소의 추가적인 보호 및 프린트 시스템내의 인접 저항기(86) 사이의 "혼신(cross-talk)"의 최소화를 포함하지만 이들에 한정되지 않는 다수의 중요한 기능을 제공한다. 특정 관심은 차단층(260)의 보호 기능으로서, 차단층(260)은 회로 요소(90)/저항기(86)(도 1)를 서로로부터 및 프린트헤드(80)의 다른 인접 부품으로부터 전기적으로 절연시켜 단락 및 이들 구성요소에 대한 물리적인 손상이 예방된다. 특히, 차단층(260)은 회로 요소(90)를 덮으며 회로 요소가 잉크 재료[본 실시예에 있어서 잉크 조성물(32)]와 접촉하는 것을 방지하는 전기 절연체 및 "밀봉재(sealant)"로서 기능한다. 또한 차단층(260)은 구성요소를 물리적인 쇼크 및 마모 손상으로부터 보호한다. 이러한 장점은 프린트헤드(80)의 일정하고 오랜 시간동안의 작동을 보장한다. 또한, 도 4에 도시된 차단층(260)의 구조적인 특징 및 특성은 프린트헤드(80)내의 분리된 "점화실"(264)의 정확한 형성을 촉진한다. 점화실(264)은 프린트헤드(80)내에 특정 영역을 포함하며 그 곳에서 잉크 재료[즉, 잉크 조성물(32)]는 저항기(86)에 의해 가열되어, 기포 핵형성이 일어나고 프린트 매체 재료(150)상으로 배출된다.
잉크 차단층(260)과 관련해 많은 상이한 화학 증착법이 사용될 수 있으며, 높은 유전성 유기 화합물(예를 들면, 중합체 또는 단량체)이 바람직하다. 본 목적에 적합한 대표적인 유기 재료는 상업적으로 입수가능한 아크릴레이트 감광성 내식막, 광이미지성(photoimagable) 폴리이미드, 열가소성 접착제 및 잉크 차단층용으로 본 기술분야에 공지된 다른 필적할 만한 재료를 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 예를 들면, 잉크 차단층(260)을 제조하기에 적합한 하기의 대표적이고 비한정적인 화합물은 (1) 비스-페놀의 하프 아크릴롤 에스테르(half acrylol esters of bis-phenol)을 함유하는 건식 감광성 내식막; (2) 에폭시 단량체; (3) 아크릴 및 멜라민 단량체[예를 들면, 미국 델러웨이주 윌밍톤 소재의 이.아이. 듀 폰트 드 내모어스 앤드 캄파니에 의해 "Vacrel"(등록상표)로 판매되는 것임]; 및 (4) 에폭시-아크릴레이트 단량체[예를 들면, 미국 델러웨이주 윌밍톤 소재의 이.아이. 듀 폰트 드 내모어스 앤드 캄파니에 의해 "Parad"(등록상표)로 판매되는 것임]이다. 차단재에 관한 다른 정보는 미국 특허 제 5,278,584 호에 개시되어 있으며 본원에 참조로서 인용된다. 청구된 발명은 다른 특정 차단 조성물 또는 차단층(260)을 제 위치에 위치시키기 위한 방법에 한정되지 않는다. 바람직한 적용 방법에 관해, 차단층(260)은 고속 원심 스핀 피복 장치, 스프레이 피복 유닛 및 롤러 피복 시스템 등에 의해 이송된다. 그러나, 주어진 상황에 대한 특정 적용 방법은 고려하에 차단층(260)에 의존한다.
도 4를 참조하면, 단면이 도시된 차단층(260)은 2개의 섹션(266, 270)으로 이루어지며, 이 섹션(266, 270)은 상술된 바와 같이 점화실(264)을 형성하도록 서로 이격되어 있다. 저항기(86)[제 1 부동태화 층(230), 제 2 부동태화 층(236) 및 캐비테이션 층(250)을 포함함] 및 그 상의 층은 점화실(264)의 바닥(272)에 위치된다. 열은 상술된 층(230, 236, 250)을 통해 저항기(86)로부터 점화실(264)내의 잉크 재료[예를 들면, 잉크 조성물(32)]로 전달된다. 배리어 층(260)과 연관된 마지막 두께 및 구조가 사용되는 프린트헤드의 형태에 기초해 필요에 따라 변할 수 있지만, 차단층(260)은 약 5 내지 30㎛의 대표적이고 비한정적인 두께(T7)를 갖는 것이 바람직하다.
다음에, 잉크 차단층(260)의 상면(282)에 위치된 선택적인 제 2 접착층(280)이 제공된다. 제 2 접착층(280)과 관련해 사용하기 적합한 대표적인 재료는 종래의 에폭시 수지재, 표준 시아노아크릴레이트 접착제 및 실란 연결제 등을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 제 2 접착층(280)은 "선택적"으로 생각되며 위에 놓인 오리피스 플레이트(104)(후술됨)와 연관되 사용될 수 있는 다수의 재료는 차단층(260)에 대해 실질적으로 "자체-접착제"이다. 따라서 제 2 접착층(280)을 사용하는 결정은 고려하에서 특정 프린트헤드 구성요소를 포함하는 일반적인 이전 시험에 따라 결정된다. 사용되는 경우, 제 2 접착층(280)은 스핀 피복, 롤 피복 및 본 목적에 적합한 다른 공지된 응용 방법을 포함하지만 이들에 한정되지 않는 종래의 방법에 의해 차단층(260)의 상면(282)에 가해질 수 있다. 제 2 접착층(280)이 선택적인 특성일 수 있지만, 위에 놓인 오리피스 플레이트(104)가 제 위치에 단단히 유지되는 것을 자동적으로 보장하기 위한 예방 근거를 위한 "디폴트(default)" 치수로 사용될 수 있다. 사실, 제 2 접착층(280)이 사용되는 경우, 약 100 내지 1000Å의 예시적인 두께(T8)를 갖는다.
사실 제 2 접착층(280)은 미국 특허 제 5,278,584 호(본원에 참조로 인용됨)에 개시된 경화되지 않은 폴리-이소프렌 감광성 내식막 화합물 뿐만 아니라, (1) 폴리아크릴산, 또는 (2) 선택된 실란 연결제의 사용을 포함할 수 있음을 알 수 있다. "폴리아크릴산"이라는 용어는 기본적인 화학 구조[CH2CH(COOH)n](n=25 ∼ 10,000 임)를 갖는 화합물을 포함하는 것으로 정의된다. 폴리아크릴산은 많은 곳에서 상업적으로 입수가능하며 미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미컬 코포레이션을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 제 2 접착층(280)과 관련되 사용하기 적합한 다수의 실란 연결제는 미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미컬 코포레이션에서 시판되는 각종 제품(제품 번호 6011, 6020, 6030 및 6040) 뿐만 아니라 미국 코넥티컷주 댄버리 소재의 OSI 특제품(제품 번호 "Silquest" A-1100)을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 그러나, 상술된 재료는 예시적으로만 제공되었고 어느 면에서도 본 발명을 제한하지 않는다.
마지막으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 오리피스 플레이트(104)는 제 2 접착층(280)의 상면(284) 또는 만일 제 2 접착층(280)이 사용되지 않을 경우 차단층(260)의 상면(282)에 고정된다. 오리피스 플레이트(104)와 관련해 상술된 각종 재료 외에[금도금 니켈(Ni)로 제조된 구조체의 사용을 포함함], 예를 들면 로듐(Rh) 원소로 피복된 니켈(Ni) 원소로 제조된 금속 구조체를 포함하는 오리피스 플레이트(104)와 관련해 실제적인 다수의 추가 조성물이 사용될 수 있다. 또한, 오리피스 플레이트(104)는 미국 특허 제 5,278,584 호(전술됨)에 약술된 중합체성 조성물로 제조될 수 있다. 도 4에 도시되고 전술된 바와 같이, 오리피스 플레이트(104)내의 오리피스(108)는 저항기(86) 위에 위치되고 그와 부분적으로 또는 (바람직하게는) 완전히 축방향 정렬(예를 들면, "일치")되어 잉크 조성물이 프린트헤드(80)로부터 효과적으로 배출될 수 있다. 또한, 바람직하고 비한정적인 실시예에 있어서, 오리피스 플레이트(104)는 약 12 내지 60㎛의 대표적인 두께(T9)를 갖는다.
다수의 상이한 구조체가 오리피스 플레이트(104)와 관련하여 사용될 수 있음을 알 수 있으며, 여기서 청구된 발명은 재료의 단일 또는 다중 층(금속 및 플라스틱 등으로 제조됨)을 포함하며, 제한없이 이 층은 적어도 한개의 개구 또는 오리피스를 포함한다. 재료의 오리피스 수납 층은 "오리피스 플레이트", "오리피스 구조체" 및 "상부 층" 등을 특징으로 할 수 있다. 또한, 재료의 단일 또는 다중 층은 본 목적을 위해 제한없이 사용될 수 있으며, "오리피스 플레이트" 및 "오리피스 구조체" 등의 용어는 단일 및 다중 층 실시예 양자를 포함하는 것으로 정의된다. 따라서, 본 구조체와 관련해 사용된 "층"이라는 용어는 단일 및 복수 사용을 포함한다. 재료의 층을 관통하는 개구(잉크 배출을 위해 사용됨)를 갖는 재료의 층은 오리피스 플레이트(104)와 관련해 전술된 지지 구조체 위에 위치된다. 변형적인 오리피스 구조체(예를 들면, 그를 관통하는 적어도 하나의 개구를 갖는 재료의 층)의 추가적인 예는 도 4에 도시된 바와 같은 차단층(260)이 자체로 오리피스 플레이트(104) 및 접착층(280) 없이 사용되는 상황을 포함한다. 다른 말로, 잉크 차단재 및 오리피스 플레이트/구조체로서 기능할 수 있는 차단층(260)이 선택된다. 따라서, "그를 관통하는 적어도 하나의 개구를 포함하는 적어도 하나의 재료층"이라는 문장은 제한없이 종래의 금속 또는 플라스틱 오리피스 플레이트, 자체로서의 차단층 또는 다른 층과의 조합 등을 포함해 많은 변형을 포함하는 것으로 해석될 수 이다. 또한, 지지 구조체(예를 들면, 기판)에 대해 오리피스 수납 층과 관련해 사용되는 "위에 위치되는" 및 "위의 제 위치"라는 문구는 (1) 오리피스 수납 층이 지지 구조체 위에 및 이와 이격되어 위치되는 것(그들 사이에 하나 또는 이상의 재료층과 함께 할 수 있음); 및 (2) 그들 사이에 개재되는 재료층없이 오리피스 수납 층이 지지 구조체 위에 및 그상에 직접 설치되는 것을 포함해 다수의 상태를 포함할 수 있다. 또한, "오리피스 수납 층" 및 "적어도 하나의 개구를 포함하는 재료의 층"이라는 문구는 동일하다고 생각될 수 있다.
C. 본 발명의 신규한 저항기 요소
전술된 장점을 제공할 수 있는 본 발명의 신규한 특징부 및 구성요소가 상술된다. 이러한 장점은 프린트헤드내의 전반적으로 감소된 전류 소비(이는 프린트헤드의 열 프로파일을 일반적으로 향상시키며 내부 온도를 감소시킴)에서부터 프린트헤드의 수명에 걸쳐 안정도의 증가 범위이다. 이러한 모든 목적은 하기에 약술되는 바와 같이 기본적으로 "자동" 방법으로 달성되며 이는 큰 제품 스케일에서 열 잉크젯 프린트헤드의 효과적인 제조와 부합할 수 있다. 따라서 청구된 발명은 인크 프린트 기술분야에 있어서 상당한 진보를 나타내며 높은 작동 효율, 우수한 인쇄 품질 및 증가된 수명을 보장한다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 저항 층(210) 및 저항 층으로부터 형성된 저항기(86)는 상술된 종래의 재료와 명확하게 구별될 수 있는 특정 재료 뿐만 아니라 저항기 요소 제조에 일반적으로 사용되는 다른 공지된 화합물로 제조된다. 특히, 본 섹션에 상술된 저항기 요소[예를 들면, 저항기(86)/저항 층(210)]를 형성하기 위해 사용되는 본 발명의 특정 조성물은 본원에 "금속 실리콘 옥시나이트라이드"로서 표시된다. 그러한 재료는 소망의 특성을 갖는 옥시나이트라이드 조성물을 형성하기 위해 기본적으로 적어도 하나 또는 그 이상의 금속(M), 실리콘(Si), 산소(O) 및 질소(N)의 합금으로 이루어진다. 사용되는 제조 방법의 형태, 다음의 열 처리, 및 다음의 전기 펄스 처리(후술됨)를 포함해 각종 경험 요소에 따라 이 합금은 비결정질, 부분 결정질, 나노 결정질(nanocrystalline), 마이크로 결정질(microcrystalline), 다중 결정질 및/또는 상-편석성(phase-segregated nature)으로 제조될 수 있다. 일반적인 관점에서, 청구된 발명의 금속 실리콘 옥시나이트라이드는 하기의 식, 즉 "MSiON" 및 보다 구체적으로 "MwSixOyNz"을 포함하며, 여기서 "M"은 전술된 적어도 하나의 금속, "W"는 약 13 내지 50(최적은 약 20 내지 35), "Si"=실리콘, "X"는 약 18 내지 40(최적은 약 24 내지 34), "O"는 산소, "Y"는 약 4 내지 35(최적은 약 6 내지 30), "N"은 질소, "Z"는 약 10 내지 50(최적은 약 18 내지 40)이며, 앞은 숫자는 비한정적이며 예로서 본원에 제공된다. 다소 상이하고 대표적인 방법으로 표현된 청구된 금속 실리콘 옥시나이트라이드 재료(예를 들면, "MSiON")는 MSiON 조성물내의 다양한 성분을 위해 아래와 같은 바람직한 원자%(At.%)값, 즉 (1) 선택된 금속(M)의 약 15 내지 40 At.%(한개 이상의 금속이 사용되는 경우, 조합된 전체를 나타내는 앞의 범위와 함께); (2)약 25 내지 45 At.% 실리콘(Si); (3) 약 15 내지 40 At.% 산소(O); 및 (4) 약 20 내지 50 At.% 질소(N)를 갖는다. 또한, 그러한 값은 단지 대표적이며 본 발명을 어느 면에서도 제한하지 않는다.
또한, 전술된 모든 숫자 및 범위는 본 발명에 따라 제한없이 각종 조합으로 사용될 수 있다. 이러한 점에서, 본 발명은 가장 일반적이고 창의성 있는 형태로 지지 구조체(위에 정의됨)와 프린트헤드내의 오리피스 수납 층 사이에 위치된 실리콘, 산소 및 질소와 조합된 적어도 하나의 금속으로 조합해 형성된 저항기 요소(86)를 포함한다. 본원에 약술된 특정 재료, 특성 및 제조 기술 등은 예시적이고 비한정적으로 생각된다.
많은 상이한 금속(M)은 제한없이 전술된 식내에 포함될 수 있다. 그러나, 최적의 결과를 제공하도록 설계된 바람직한 실시예에 있어서, 전이 금속(예를 들면, 주기율표의 그룹 IIIB 에서 IIB내의 금속)이 최상이며, 이러한 그룹에서 최적의 재료는 탄탈륨 원소(Ta), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf) 및 그들의 혼합물을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 또한, 비록 적어도 하나 또는 그 이상의 전이 금속이 바람직할지라도, 전술된 식에 앞으로 적용할 수 있는 다른 금속(M)은 일반적인 이전 시험에 의해 선택된 비전이 금속[예를 들면, 알루미늄(Al)]을 포함한다. 전이 금속(전술된 것을 참조함)은 완전히 이해되지는 않지만 상술될 적어도 하나 또는 그 이상의 이유로 인해 최상의 결과를 제공한다. 기본적으로, 관심있는 저항 영역에 전이 금속을 포함하는 무질서 합금에 대해(특히 바람직한 카테고리에서), 영국 옥스포드 소재의 클라랜돈 프레스의 1993년 모트.엔., 비결정재의 전도 pp. 14-16에 상술된 바와 같이 전자 전도 장치는 sp 전자로부터 빈(vacant) d 상태(밴드)로의 전이에 기초한다. 이러한 전도 장치는 전술된 범위의 조성물과 연결될 때 저하없이 고온에서 작동할 수 있는 안정한 저항기로 된다. 필요할 경우 열 및 전기 처리(후술됨)와 함께 용착 방법을 조절함으로써, 저항 안정성 및 저항의 온도 계수(TCR)는 마찬가지로 제어될 수 있다. TCR은 일반적으로 -700 내지 200 ppm/C 범위이다. 열 및 전기 처리는 저항기의 성공적인 작동을 위해 반드시 필요하지는 않으며 단지 예로서 본원에 상술된 하기의 변화: 비결정질 네트워크의 구조적인 완화, 위상 세그리게이션(phase segregation)(비결정성 및 결성성), 나노 결정질, 마이크로 결정질 및 그레인 성장을 이끈다. 이러한 재료 변화는 저항성, TCR 및 전도 장치 등에서의 변화와 연관될 수 있으며, (바람직한 실시예에서) 저항기 성능에 대한 장점을 증명할 수 있다.
본원에 상술된 일반적인 화학 구조내에 있는 많은 특정한 식이 형성될 수 있지만, 최적의 결과를 제공하는 다수의 특정 금속 실리콘 옥시나이트레이드는 W17Si36O20N27, W22Si30O10N37, W17Si33O17N33, W19Si31O27N23, W15Si35O9N41, W21Si29O33N17, W14Si36O6N44, W23Si31O15N31, W27Si27O27N18, W20Si33O7N40, W32Si27O14N27, W35Si25O20N20, W29Si29O8N33, W44Si22O11N22, W50Si19O19N12, W40Si25O5N30, Ta20Si36O10N34, Ta17Si33O17N33, Ta19Si31O27N23, Ta15Si35O9N41, Ta21Si29O33N17, Ta14Si36O6N44, Ta23Si31O15N31, Ta27Si27O27N18, Ta20Si33O7N40, Ta32Si27O14N27, Ta35Si25O20N20, Ta29Si29O8N33, Ta44Si22O11N22, Ta50Si19O19N12, Ta40Si25O5N30및 그들의 혼합물을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 또한, 이들 재료는 예로서만 나열된 것이며 어느면에서도 본 발명을 한정하지 않는다. 하기에 약술된 바람직한 제조 방법(및 가능한 다른 적용가능한 제조 방법)에 따르면, 다수의 금속 불순물이 완성된 금속 실리콘 옥시나이트라이드 저항기(86)내에 검출가능한 양이 존재할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 금속 불순물은 최송 생성물에 실제적으로 함유되었는가에 관계없이 예를 들면, 이트륨(Y), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al) 또는 그들의 조합을 포함할 수 있다. 그러한 금속은 완성된 구조체의 최소 부분을 집합적으로 형성한다(그러한 금속의 존재는 관심있는 특정 실시예에 의도되지 않음을 가정함). (모든 곳에 있다면) 불순물로서 전체 저항기 구조체의 약 1 내지 3 중량% 또는 그 이하만이 일반적으로 포함할 수 있으며, 상술된 소망의 특성에 악영향을 미치지 않으며 몇몇 경우에는 장점을 나타낸다. 그러한 불순물은 용착 방법에 따라 존재할 수도 존재하지 않을 수도 있다.
청구된 금속 실리콘 옥시나이트라이드 저항기는 열 잉크젯 프린트헤드에 사용하기 위한 신규한 잉크 배출 시스템을 구성한다. 전술된 바와 같이, 이들은 전술된 다수의 중요한 발전을 특징으로 한다. 중요한 결과중 하나는 탄탈륨-알루미늄 혼합물(TaAl) 및 탄탈륨 나이트라이드(Ta2N)로 제조된 저항기를 포함하는 종래의 재료와 비교하여 상당히 큰 체적 저항율이다. "체적 저항율"(또는 보다 간단히 "저항율")이라는 용어는 미국 오하이오주 클리블랜드 소재의 케이컬 러버 출판사/CRC 프레스의 CRC 핸드북 오브 케미스트리 앤드 피직스 55판(1974-1975), p.F-108에 나와 있는 바와 같이 "전류가 2개의 평행한 면에 수직으로 흐를때 물질의 1입방 미터에 전기의 통과를 제공하는 것에 대해 저항과 동일한 상이한 물질의 비례 계수"를 포함하도록 본원에 정의된다. 일반적으로 "체적 저항율"(ρ)은 하기의 수학식 1로 정의된다.
수학식 1
ρ=Rㆍ(A/L)
여기서,
R = 당해 재료의 저항
A = 저항기의 단면적
L = 저항기의 길이이다.
체적 저항율 값은 마이크로옴-센티미터 또는 "μΩ-㎝"로 일반적으로 표시된다. 전술된 바와 같이, 높은 체적 저항율 값은 종래의 저항 화합물과 비교하여 높은 전기적 및 열 효율을 제공하는 특성을 갖는 구조체의 능력을 포함하는 각종 이유로 열 잉크젯 프린트 유닛에 사용되는 저항기 구조체에 바람직하다. 예시적인 실시예 및 일반적인 변수, 공식 및 전술된 다른 정보에 따르면, 청구된 금속 실리콘 옥시나이트라이드 재료 및 그로 제조된 저항기는 약 1400 내지 30,000 μΩ-㎝(최적=약 3000 내지 10,000 μΩ-㎝)의 바람직한 체적 저항율 값을 갖는다. 그러나, 청구된 발명은 본원에 전술된 대표적인 값에 한정되지 않는다. 비교를 위해, TaAl 및/또는 Ta2N 조성물 및 비교가능한 크기, 형상 및 치수 특성의 위의 조성물로 형성된 저항기는 약 200 내지 250 μΩ-㎝의 체적 저항율 값을 갖는다. 그러한 수치는 청구된 저항기와 관련해 전술된 것보다 상당히 낮다. 이러한 점에서, 그러한 장점이 하기에 더욱 상술될 것이지만, 본 발명의 장점은 자명하고 쉽게 명백하다.
하나 또는 그 이상의 금속 실리콘 옥시나이트라이드 재료로 제조된 저항기 요소는 제한없이 도 1에 개략적으로 도시된 "사각형" 구조 및 전술된 바와 같은 "분할된" 또는 "사행형(snake-shaped)" 디자인의 사용을 포함해 다수의 형상 및 크기 등으로 구성될 수 있다. 따라서, 청구된 발명은 "저항기 구조 스페시픽"으로 생각될 수 없다. 본원에 상술된 특정 금속 실리콘 옥시나이트라이드 공식을 사용하여 형성된 각 저항기(86)의 전반적인 두께와 관련하여, 다수의 상이한 두께 값이 제한없이 본 목적을 위해 사용될 수 있다. 저항기 요소(86)와 관련해 주어진 두께 값의 선택은 사용되는 프린트헤드의 소망 크기/형상 및 사용을 위해 선택된 특정 금속 실리콘 옥시나이트라이드 등을 포함해 다양한 인자를 포함하는 일반적인 이전 선행 시험에 근거하였다. 그러나, 대표적이고 바람직한 실시예에 있어서, 각각의 저항기(86)[뿐만 아니라 초기 저항층(210)]은 약 300 내지 4000Å(최적=약 500 내지 2000Å)의 두께(T1)(도 4)를 갖는다. 본 발명에 사용되는 저항기(86)의 다른 크기 특성은 섹션 "A" 및 "B"에 상술된 것과 동일하다. 또한, 하기에 상술되고 첨부된 도면에 도시된 바와 같이, 청구된 저항기 각각은 최적하게 재료의 오리피스 수납 층[예를 들면, 오리피스 플레이트(104)]내의 적어도 하나의 개구(108)와 부분적으로 또는 (바람직하게는) 완전히 축 정렬(예를 들면, "일치")되어, 신속하고, 정확하며 효과적인 잉크젯 인쇄를 할 수 있다. 이러한 관계는 도 4에 도시되어 있으며, 여기서 저항기(86)의 종방향 중심축("A")은 오리피스 플레이트(104)를 관통하는 오리피스(108)의 종방향 중심축("A1")과 실질적으로 완전히 축 정렬되고 연장된다. 본 바람직한 구조 설계에 따르면, 저항기(86)에 의해 배출되는 잉크 재료는 소망의 프린트 매체 재료(150)로의 최종 이송을 위해 오리피스(108)를 통해 상방향 및 외측으로 통과한다.
마지막으로, 청구된 발명은 금속 실리콘 옥시나이트라이드 함유 저항 층(210) 및 그로부터 형성된 저항기(86)를 제조하기 위한 특정 방법에 한정되지 않는다. 그러나, 비한정적인 방법에서 스퍼터링 기술이 저항 재료를 지지 구조체(208)(위에 정의됨)에 초기에 가하기 위해 사용되는 것이 바람직하며, 그에 대한 일반적인 설명은 미국 뉴욕주 소재의 맥그로-힐 출판사의 (1982) 엘리옷, 디. 제이., 통합된 회로 제조 방법(ISBN No. 0-07-019238-3), pp. 346-347에 제공된다. 예시적인 방법으로, 본 발명의 금속 실리콘 옥시나이트라이드 조성물은 지지 구조체(208)상에 용착되어 (1) 소망의 금속 실리콘 옥시나이트라이드 재료(예를 들면, 본 섹션에서 위에 상술된 것을 포함하는 선택된 "MSiON" 조성물로 형성됨)로 형성된 단일 스퍼터링 타켓을 이용; (2) 질소 및 산소 함유 가스 생성물[아르곤/질소/산소(Ar/N2/O2)의 조성물]이 있는 곳에서 소망의 금속-실리콘(MSi) 조성물로 형성된 반응성 좋게 스퍼터링된 이원 합금 타켓을 사용; (3) 질소 및 산소 함유 가스 생성물[아르곤/질소/산소(Ar/N2/O2)의 조성물]이 있는 곳에서 소망의 금속(M) 및 실리콘(Si)으로 각기 제조된 2개 원소 타겟을 사용하는 반응성 동시 스퍼터링에 의한 것과 같은 3개의 기본 스퍼터링 방법에 따라 저항 층(210)/저항기(86)를 형성할 수 있다.
다수의 상이한 스퍼터링 장치가 이러한 방법과 관련해 제한없이 사용될 수 있으며, 이들은 (A) 영국 햄프셔 하밴트 소재의 시메즈 코포레이션의 자회사인 노디코 인코포레이티드에 의해 시판되는 장치(모델 번호 "Nordiko 9550"); 및 (B) 미국 아리조나주 길버트 소재의 도쿄 일렉트로닉스의 자회사인 도쿄 일렉트록 아리조나 인코포레이티드에 의해 시판되는 장치(제품명 "Eclipse Mark-Ⅳ")인 대표적인 예를 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 청구된 발명에 사용되는 이러한 및 다른 비교가능한 스퍼터링 시스템과 관련해 사용될 수 있는 예시적이고 비한정적인 반응 조건은 (일반적인 이전 시험에 따라 필요에 따라 변형됨) (ⅰ) 가스 압력=약 2 내지 40 mTorr; (ⅱ) 스퍼터링 가스 : 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 산소(O2), 및/또는 질소(N2), 특정 스퍼터링 방법에 따라 선택된 가스 재료가 사용됨; (ⅲ) 타겟 전력=약 100 내지 5000 와트, (약 3 내지 13 인치 범위의 일반적인 타겟 크기와 함께) 일반적인 이전 실험에 의해 결정된 바와 같이 타겟의 전반적인 크기에 의존함; (ⅳ) 타겟-기판 간격=약 1 내지 6 인치; 및 (ⅴ) 전력 서플라이 형태=RF, DC-펄스, 또는 DC이다.
전술된 스퍼터링 기술은 형성되는 금속 실리콘 옥시나이트라이드 저항기의 형태를 포함하지만 그에 한정되지 않는 다수의 인자 및 다른 부대적인 고려에 따른 필요에 따라 변화될 수 있음을 알 수 있다. 또한 유사한 변화가 적절한 타겟 제조에 의해 일반적으로 달성되는 소망의 스퍼터링 타겟을 제조하는데 있어서 가능하다. 예를 들면, WSiON 조성물(즉, 텅스텐 실리콘 옥시나이트라이드 재료)을 사용하는 저항기 시스템과 관련하여 사용될 수 있는 대표적이고 비한정적인 스퍼터링 타겟이 상술된다. 단일 타겟 스퍼터링 상황[전술된 스퍼터링 옵션(1) 참조]에 있어서, 효과적인 타겟은 텅스텐(W) 원소, 질화 규소(Si3N4) 및 이산화 규소(SiO2) 분말의 혼합물로 형성될 수 있다. 그러나, 모든 정보, 실시예, 그리고 타겟 및 스퍼터링 방법 등을 포함해 위에 나타난 다른 데이타는 비한정적이고, 단지 대표적이며, 필요 및 소망할 시에 변형될 수 있음을 알 수 있다.
정보의 궁극적인 점으로서, 다수의 선택적인 "안정화" 단계가 사용되어 저항에 있어서 변화를 제어하거나 또는 달리 최소화하도록 사용될 수 있으며 이는 완성된 금속 실리콘 옥시나이트라이드 저항기(86)에서 초기에 발생할 수 있다. 그러한 변화(발생할 경우)는 저항기(86)가 초기에 전기 에너지로 "점화"되거나 또는 "맥동(pulsed)"될 때 일반적으로 관찰되며, 저항기(86)는 그후에 안정하게 된다. 향상된 안정성은 저항기 수명을 연장시키며 따라서 이는 바람직하다. 저항기 안정화 목적을 위해 (선택적인 필요에 따라) 다수의 기술이 사용될 수 있다. 일 방법은 저항기(86)/저항 층(210)을 약 800 내지 1000℃의 온도로 가열 또는 "풀림"하는 단계를 포함하며, 이는 비한정적이고 대표적인 시간 주기인 약 10 초에서 수 분에 걸쳐 선택적으로 일어난다(시간 주기는 일반적인 이전 실험을 사용해 결정될 수 있음). 가열 단계는 다수의 종래의 오븐 시스템, 신속한 열 풀림 시스템 또는 다른 표준 가열 장치를 사용해 달성될 수 있다. 변형 방법에 있어서, 저항기(86)(초기 형성 후)는 안정화 효과를 갖는 일련의 높은 에너지 펄스를 받는다. 비한정 실시예에 있어서 그러한 것은 약 1×102내지 1×107의 전기 에너지의 펄스를 저항기 요소에 가함으로서 달성될 수 있으며, 각각의 펄스는 고려하에서 저항기 요소의 "시동 에너지"보다 약 20 내지 500% 큰 에너지를 가지며, 약 0.6 내지 100 μsec.(마이크로초)의 펄스 폭, 약 10 내지 160 볼트의 펄스 전압, 약 0.03 내지 0.2 암페어의 펄스 전류, 및 약 5 내지 100 ㎑의 펄스 진동수를 갖는다. 비한정 및 대표적인(예를 들면, 바람직한) 실시예에 있어서, 2.0 μJ의 시동 에너지를 갖는 30 μm × 30 μm 300 Ω금속 실리콘 나이트라이드 저항기에 대해, 일반적인 안정화 펄스 처리 단계는 앞은 시동 값보다 80% 큰 에너지 레벨인, 46.5 볼트, 0.077 암페어, 1 μsec.펄스 폭, 50 ㎑ 진동수 및 1×103펄스 변수를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 수치는 예시적인 목적으로 제공된 것이며 일반적인 이전 선행 시험을 통해 본 발명의 범위내에서 변할 수 있다. 이러한 방법에서, 저항기 안정화가 달성되어 저항에 있어서 소망하지 않는 변동이 실질적으로 방지된다. 본원에 상술된 바와 같이 저항기 안정화는 일반적으로 저항 변화를 약 1 내지 2% 또는 그 이하의 최소 값으로 감소시킨다. 그러나, 본 발명은 특정 안정화 방법에 한정되지 않으며 (위에 약술된 특정 안정화 방법과 함께) 일반적인 개념으로서 안정화는 청구된 발명의 신규한 측면을 구성한다. 본 섹션에 상술된 바와 같은 저항기 안정화는 청구된 방법을 충족시킬 필요가 없으며 대신에 조건 및 재료 보증으로서 사용됨을 알 수 있다.
변형 실시예에 있어서, 종래의 열 또는 화학적 산화/질화 공정은 금속-실리콘(MSi) 필름을 소망의 금속 실리콘 옥시나이트라이드 생성물로 변환시키기 위해 사용될 수 있다. 초기 금속-실리콘 필름은 화학 증착법(CVD), 플라즈마 강화 화학 증착법(PECVD), 저압 화학 증착법(LPCVD) 및 스퍼터링 등을 포함하는 다수의 기술을 사용해 지지 구조체(208)(위에 정의됨)에 가해질 수 있다. 그러한 방법은 본 기술분야에 널리 공지되어 있으며 또한 미국 뉴욕주 소재의 맥그로-힐 출판사의 (1982) 엘리옷, 디. 제이., 통합된 회로 제조 방법(ISBN No. 0-07-019238-3)이라는 책의 pp. 1-40, 43-85, 125-143, 165-229 및 245-286에 개시되어 있다. 그러나, 위에 상술된 스퍼터링 공정은 전술된 바와 같이 바람직하다.
열 잉크젯 프린트 시스템내의 금속 실리콘 옥시나이트라이드 저항기의 사용은 TaAl 및 Ta2N을 포함하는 종래의 저항 화합물과 비교해 많은 중요한 장점을 제공한다. 이러한 장점은 (1) 향상된 전기 효율을 가져오는 감소된 전류 요구(본 발명의 저항기는 표준 저항 화합물과 비교해 일반적으로 전류 요구를 적어도 약 70% 또는 그 이상 감소시킴); (2) 기판 또는 "다이스(die)"을 참조하여 프린트헤드 작동 온도를 감소시킴; (3) 프린트헤드내에서 보다 양호한 온도 조건의 일반적인 촉진(이는 감소된 전류 요구에 의한 결과로서 저항기에 부착된 "상호연결 구조체"로부터 전류에 근거한 기생적인 열 손실을 감소시킴); (4) 적은 비용 및 높은 전압/낮은 전력 서플라이를 사용할 수 있는 능력을 포함한 많은 경제적인 장점; (5) 프린트헤드 및 저항기 요소와 관련된 전반적으로 향상된 신뢰성, 안정성 및 긴 수명; (6) 저항기의 "열 점(hot spots)" 및 저항에 있어서 절대적인 한계 등을 가져올 수 있는 가열 효율 문제점의 회피; (7) TaAl 및 Ta2N과 같은 종래의 저항기 재료와 비교해 위에 정의된 바와 같은 "체적 저항율"의 증가; (8) 전술된 감소된 작동 온도의 관점에서 주어진 프린트헤드내에 보다 많은 저항기를 위치시킬 수 있는 능력; (9) 일렉트로마이그레이션(electromigration) 문제에 있어서 감소; 및 (10) 일반적으로 길어진 작동 성능을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 이와 관련하여, 청구된 발명은 열 잉크젯 기술분야에 있어서 실질적인 진보를 나타내며 이는 보다 높은 정도의 작동 효율, 프린트 품질 및 수명에 기여한다.
D. 신규한 프린트헤드를 사용하는 잉크 이송 시스템 및 그와 관련된 제조 방법
위에 제공된 정보에 따르면, 높은 정도의 열 안정성 및 효율을 갖는 단일의 프린트헤드(80)가 상술되었다. 본 구조체[청구된 금속 실리콘 옥시나이트라이드 재료로 형성된 신규한 저항기(86)에 제공됨]와 연관된 장점은 이전 섹션에서 요약되었다. 본원에 상술된 구성요소 외에, 본 발명은 (1) 청구된 프린트헤드를 사용해 구성될 수 있는 "잉크 이송 시스템"; 및 (2) 프린트헤드를 제조할 수 있는 신규한 방법을 포함할 수 있으며, 이 신규한 방법은 섹션 "A" 내지 "C"에서 상술된 특정 재료 및 구조체를 포함한다. 따라서, 섹션 "A" 내지 "C"의 모든 데이타는 본 섹션(섹션 "D")에서 참조로서 인용된다.
본 발명의 잉크 이송 시스템을 형성하기 위해서, 잉크 수납 용기가 제공되며 이는 청구된 프린트헤드에 효과적으로 연결 및 유체 연통된다. "잉크 수납 용기"라는 용어는 위에서 정의되었으며 하우징, 탱크 또는 그내에 잉크의 서플라이를 보유하도록 설계된 구조체의 형태를 포함할 수 있다. "잉크 수납 용기", "잉크 저장 용기", "하우징", "챔버", 및 "탱크"라는 용어 모두는 기능적인 및 구조적인 관점에서 동일하다. 예를 들면, 잉크 수납 용기는 도 1의 자체 수납된 카트리지(10)에 사용되는 하우징(12) 또는 도 2 및 도 3의 "편축" 시스템과 관련된 하우징(172)을 포함할 수 있다. 또한, "효과적으로 연결된다"라는 문구는 도 1에 도시된 바와 같이 프린트헤드가 잉크 수납 용기에 직접 연결되거나 또는 도 3에 도시된 바와 같이 "편축" 방법으로 잉크 수납 용기에 원격적으로 연결되는 상황을 포함한다. 또한, 도 1에 나타내진 형태의 "내장형" 시스템의 예는 베이커 등의 미국 특허 제 4,771,295 호에 개시되어 있으며, "편축" 잉크 이송 유닛은 "내측 및 외측 필름 층으로 형성된 다중 차단된 백을 갖는 잉크 수납 시스템"이라는 명칭으로 1997년 5월 6일자로 출원되고 계류중인 미국 특허 출원번호 제 08/869,446 호 및 하우크 등에 의해 "비잉크성 잉크젯 펜용 조절기"라는 명칭으로 1997년 11월 6일자로 출원되고 계류중인 미국 특허 출원번호 제 08/873,612 호에 개시되어 있으며, 이들 특허출원서 및 특허는 본원에 참조로 인용된다. 위의 참조문헌은 청구된 프린트헤드[예를 들면, 프린트헤드(80 또는 196)]의 적절한 잉크 수납 용기로의 "효과적인 연결"을 상술 및 지지하며, 섹션 "A" 내지 "C"에 나열된 데이타 및 장점은 본 섹션(섹션 "D")에 참조로서 인용된다. 본 데이타는 대표적인 금속 실리콘 옥시나이트라이드 구조 재료 및 저항기(86)/저항 층(210)과 연관된 다수의 변수를 포함한다. 또한, 청구된 잉크 이송 시스템은 적어도 하나의 개구(예를 들면, 오리피스)를 가지며 이 개구를 통해 도 4의 프린트헤드(80)내의 저항기(86)/지지 구조체(208) 위의 제 위치에 고정되는 적어도 하나의 재료층을 더 포함하며 따라서 개구는 저항기(86)와 부분적으로 또는 (바람직하게는) 완전히 축 정렬(예를 들면, "일치") 및 그 반대로 된다. 또한, 개구/오리피스는 잉크 재료가 프린트헤드(80)를 관통해 밖으로 통과하도록 설계된다. 재료의 오리피스 수납 층[예를 들면, 그내에 오리피스(108)를갖는 오리피스 플레이트(104) 또는 다른 동등한 구조체]과 연관되 사용될 수 있는 구조체의 형태에 관한 다른 정보는 섹션 "B"에 상술되어 있다.
청구된 방법과 관련해, 섹션 "A" 및 "B"에 상술된 바와 같은 지지 구조체(208)가 초기에 제공된다. "지지 구조체"라는 용어는 앞에서 정의 되었으며 기판(202) 만을 포함할 수 있거나 또는 적어도 하나의 재료의 추가적인 층을 가지며 이는 기본 층(106)을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 그런 후 저항기(86)는 섹션 "B" 및 "C"에 전술된 바와 같이 지지 구조체(208)상에 형성된다. 마찬가지로, 지지 구조체(208)상에 저항 층(210)/저항기(86)를 "형성"하는 것은 (1) 저항 층(210)/저항기(86)가 그들 사이에 개재되는 재료 층없이 기판(202)의 상면(204)에 직접 고정되는, 또는 (2) 저항 층(210)/저항기(86)가 기판(202)에 의해 지지되며 그럼에도 불구하고 여기서 하나 또는 그 이상의 중간 재료 층[예를 들면, 기본 층(206) 및 다른 것]이 기판(202)과 저항 층(210)/저항기(86) 사이에 위치되는 상황을 포함한다. 이러한 변형 실시예 양자는 동일하다고 생각될 수 있으며 본 청구범위내에 포함된다. 저항 층(210)은 시스템[도 4에 도시된 저항기(86)를 포함함]내에 저항기를 생성 또는 "형성"하도록 일반적으로 사용되며, 이러한 목적을 위해 사용되는 단계는 섹션 "B" 및 "C"에 상술된다. 또한, 변형 실시예에 있어서, 저항기(86)의 "형성"은 저항기(86)가 사전 제조되고 그런 후 접착제 및 납땜 등을 포함하는 화학적 또는 물리적인 수단을 사용하여 지지 구조체(208)에 고정되는 상황을 포함한다. 저항 층(210)[및 그로부터 형성되며 저항기(86)를 포함하는 저항기 요소)는 전술한 바와 같이 약 300 내지 4000Å의 두께(T1) 및 약 1400 내지 30,000μΩ-㎝의 체적 저항율을 갖는다. 금속 실리콘 옥시나이트라이드 저항기(86)의 다른 특징, 특성 및 장점은 섹션 "B" 및 "C"에 상술된다.
마지막으로, 적어도 하나의 개구를 갖는 적어도 하나의 재료의 층[예를 들면, 대표적이고 비한정적인 실시예에 있어서 그내에 오리피스(108)를 갖는 오리피스 플레이트(104)]이 제공되며 그 후 프린트헤드(80)(도 4)내의 저항기(86) 위의 제 위치에 부착되어 개구/오리피스는 저항기(86)와 적어도 부분적으로 또는 (바람직하게는) 완전히 축 정렬(예를 들면, "일치") 및 그 반대로 된다. 개구는 관심있는 잉크 조성물이 프린트헤드(80)를 관통해 밖으로 통하도록 한다. 본 발명의 이러한 면을 포함하는 다른 데이타는 섹션 "B"에 상술된다.
결론으로서, 본 발명은 많은 장점을 특징으로 하는 신규한 프린트헤드 구조체를 포함한다. 이러한 장점은 위에 자세히 상술되어 있으며 열 잉크젯 기술에 있어서 실질적인 진보를 구성한다. 본원에 본 발명의 바람직한 실시예가 상술되어 있으며, 본 발명의 범위내에서도 불구하고 관련된 기술분야의 숙련공에 의해 각종 변형이 이루어질 수 있음을 알 수 있다. 예를 들면, 본원에 달리 언급되지 않을 경우 위에 개시된 일반적인 가이드라인내에서 본 발명은 특정 잉크 이송 시스템, 작동 변수, 수치 값, 치수, 잉크 조성물 및 구성요소 배향성에 한정되지 않는다. 따라서 본 발명은 하기의 특허청구범위에 의해서만 해석된다.
본 발명은 저항기 전류 소비를 감소시키고 에너지 효율을 높이며; 종래의 장치와 비교해 저항기 요소의 저항력을 크게하며; 프린트헤드 작동을 냉각시키며; 적은 비용, 고전압/낮은 전력 서플라이를 사용할 수 있는 것 등의 경제적인 장점을 제공하며; 프린트헤드 및 저항기 요소와 연관된 향상된 신뢰성, 안정성 및 수명을 제공한다.

Claims (10)

  1. 고 효율 잉크 이송 프린트헤드(80, 196)에 있어서,
    지지 구조체(202, 208)과,
    필요시 잉크(32)를 상기 프린트헤드로부터 분출시키기 위해 상기 프린트헤드(80, 196)내에 위치된 적어도 하나의 저항기 요소(86)를 포함하며, 상기 저항기 요소(86)는 적어도 하나의 금속 실리콘 옥시나이트라이드 조성물로 이루어지는
    고 효율 잉크 이송 프린트헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 실리콘 옥시나이트라이드 조성물은 식 MwSixOyNz을 가지며, 여기서 M=적어도 하나의 금속, W=약 13 내지 50, X=약 18 내지 40, Y=약 4 내지 35, 및 Z=약 10 내지 50인
    고 효율 잉크 이송 프린트헤드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    M은 탄탈륨, 텅스텐, 크롬, 몰리브덴, 티타늄, 지르코늄, 하프늄 및 그들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는
    고 효율 잉크 이송 프린트헤드.
  4. 인쇄된 이미지를 형성하는데 사용하기 위한 잉크 이송 시스템에 있어서,
    ① 지지 구조체(202, 208)와, ② 재료의 층을 관통하는 적어도 하나의 개구(108)를 포함하는 적어도 하나의 재료의 층(104)과, ③ 필요시 상기 프린트헤드(80, 196)로부터 잉크(32)를 분출시키기 위한 적어도 하나의 저항기 요소(86)로서, 상기 저항기 요소(86)는 상기 프린트헤드(80, 196) 내의 상기 지지 구조체(202, 208)와 그를 관통하는 상기 개구(108)를 포함하는 상기 재료의 층(104) 사이에 위치되며, 적어도 하나의 금속 실리콘 옥시나이트라이드 조성물로 이루어지는, 저항기 요소(86)를 포함하는 프린트헤드(80, 196)와,
    상기 프린트헤드(80, 196)와 유효하게 연결되고 그와 유체 연통하는 잉크 수납 용기(12, 172)를 포함하는
    잉크 이송 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 프린트헤드(80, 196)내에 상기 저항기 요소(86)를 형성하기 위해 사용되는 상기 금속 실리콘 옥시나이트라이드 조성물은 식 MwSixOyNz을 가지며, 여기서 M=적어도 하나의 금속, W=약 13 내지 50, X=약 18 내지 40, Y=약 4 내지 35, 및 Z=약 10 내지 50인
    잉크 이송 시스템.
  6. 인쇄된 이미지를 형성하는데 사용하기 위한 잉크 이송 시스템에 있어서,
    필요시 프린트헤드(80, 196)로부터 잉크(32)를 분출시키기 위해 그내에 위치된 적어도 하나의 저항기 요소(86)를 포함하는 프린트헤드(80, 196)로서, 상기 저항기 요소(86)는 적어도 하나의 금속 실리콘 옥시나이트라이드 조성물로 이루어지는, 프린트헤드(80, 196)와,
    상기 저항기 요소(86)와 유체 연통하는 적어도 하나의 잉크 조성물(32)의 서플라이를 포함하는
    잉크 이송 시스템.
  7. 잉크 이송 시스템에서 사용하기 위한 고 효율 프린트헤드(80, 196)를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    지지 구조체(202, 208)를 제공하는 단계와,
    상기 지지 구조체(202, 208)상에 적어도 하나의 금속 실리콘 옥시나이트라이드 조성물로 이루어지는 적어도 하나의 저항기 요소(86)를 형성하는 단계와,
    재료의 층을 관통하는 적어도 하나의 개구(108)를 포함하는 적어도 하나의 재료의 층(104)을 제공하는 단계와,
    상기 프린트헤드(80, 196)를 형성하기 위해 상기 개구(108)를 포함하는 상기 재료의 층(104)을 상기 지지 구조체(202, 208) 및 상기 저항기 요소(86) 위의 제 위치에 고정시키는 단계를 포함하는
    고 효율 프린트헤드 제조 방법.
  8. 잉크 이송 시스템에서 사용하기 위한 고 효율 프린트헤드(80, 196)를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    지지 구조체(202, 208)를 제공하는 단계와,
    상기 지지 구조체(202, 208)상에 적어도 하나의 금속 실리콘 옥시나이트라이드 조성물로 이루어지는 적어도 하나의 저항기 요소(86)를 형성하는 단계와,
    저항에 의한 요동을 제어하기 위해 상기 저항기 요소(86)를 안정화시키는 단계를 포함하는
    고 효율 프린트헤드 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 저항기 요소(86)의 안정화 단계는 상기 저항기 요소(86)를 약 800 내지 1000℃의 온도로 가열시키는 단계를 포함하는
    고 효율 프린트헤드 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 저항기 요소(86)의 안정화 단계는 약 1×102내지 1×107의 전기 에너지의 펄스를 상기 저항기 요소(86)에 가하는 단계를 포함하며, 각각의 펄스는 약 0.6 내지 100 μsec.의 펄스 폭, 약 5 내지 100 ㎑의 펄스 진동수, 약 10 내지 160 볼트의 펄스 전압 및 약 0.03 내지 0.2 암페어의 펄스 전류를 가지는
    고 효율 프린트헤드 제조 방법.
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