KR20010045309A - 정전인력방식의 잉크분사장치 및 그 제작방법 - Google Patents
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Abstract
정전인력방식의 잉크분사장치는, 잉크가 수용되는 잉크챔버 및 잉크챔버로부터 연장되어 외측으로 개구된 노즐공을 구비한 기판, 기판상에 적층된 멤브레인, 잉크챔버 내에 수용된 하부전극, 및 멤브레인의 외측면에 설치된 상부전극을 포함한다. 상부전극 및 하부전극간에 전위차 인가시 발생되는 정전인력에 의해 멤브레인이 잉크챔버 내측으로 변형되며, 이에 따라 멤브레인에 의해 잉크챔버 내의 잉크가 가압되어 노즐공을 통해 외측으로 분사되게 된다. 멤브레인을 별도로 제작하지 않고 구동부 제작시 구동부와 함께 제작하므로, 제작공정이 단순하고 정전인력이 효과적으로 발생되며 잉크 토출이 원활하게 수행되게 된다.
Description
본 발명은 잉크젯 프린터(Inkjet Printer)나 팩시밀리 등의 잉크분사장치에 관한 것으로서, 특히, 잉크챔버와 작동유체챔버를 일체화 함으로써 별도의 작동유체챔버 없이도 잉크분사작동을 수행할 수 있는 정전인력방식 잉크분사장치에 관한 것이다.
잉크젯 프린터나 팩시밀리 등과 같은 출력장치의 프린터헤드에 사용되는 잉크분사장치는 잉크가 수용되어 있는 잉크챔버 내부에 물리적인 힘을 가하여 소정량의 잉크를 노즐을 통해 외부로 분사시킨다. 이러한 유체분사장치는 유체에 물리력을 가하는 방식에 따라 가열방식, 정전인력방식, 압전방식, 및 열압축방식 등으로 구분된다.
이 중에서 정전인력방식의 유체분사장치가 도 1에 도시되어 있다. 유체분사장치는 구동부(20)와 노즐부(40)로 구성되어 있다.
구동부(20)는 기판(15), 기판(15) 위에 적층되는 산화막(14), 작동유체챔버(27)를 갖는 작동유체배리어(25), 작동유체챔버(27)내에 개재되는 하부전극(17), 작동유체챔버(27)의 상부에 설치된 멤브레인(30), 및 멤브레인(30)의 상부에 설치된 상부전극(37)으로 구성되어 있다. 작동유체챔버(27)는 진공상태로 유지되거나, 또는 후술되는 바와 같이 정전인력의 발생을 촉진시키기 위해 유전율이 높은 구동유체가 충진된다.
노즐부(40)는 잉크챔버(57)를 갖는 잉크챔버배리어(45), 및 잉크챔버배리어(45)의 상부에 결합되는 노즐플레이트(47)를 포함하여 구성된다. 노즐플레이트(47)의 상면에는 잉크챔버(57) 내의 잉크를 분사하기 위한 노즐공(49)이 형성되어 있다. 잉크챔버(57) 내에는 도시않은 잉크공급원으로부터 잉크가 지속적으로 공급된다.
상부전극(37)과 하부전극(17)에 전압이 인가되어 이들간에 전위차가 발생하면, 이 전위차에 의해 멤브레인(30)은 작동유체챔버(27) 내측으로 만곡되도록 변형된다. 이때, 멤브레인(30)을 변형시키는 힘은 다음과 같은 공식에 따라 정해진다.
F = e A V2/ 2 D2
여기서, e는 작동유체챔버(27) 내부의 유전율, A는 상부전극(37)의 넓이, V는 상부전극(31)과 하부전극(17)간의 전위차, D는 상부전극(31)과 하부전극(17)간의 거리이다.
이와 같이 멤브레인(30)이 변형되는 힘에 의해 잉크챔버(57)의 압력이 하강하여 잉크공급원으로부터 잉크챔버(57) 내로 잉크가 흡입되게 된다. 상부전극(37)과 하부전극(17)간의 전위차를 발생시키는 전압의 공급이 중단되면, 멤브레인(30)은 원상태로 복원한다. 이때, 잉크챔버(57) 내부의 압력이 상승하여 노즐공(49)을 통해 잉크챔버(57) 내의 잉크가 토출되게 된다. 이와 같이 상부전극(37)과 하부전극(17)간의 반복적인 전위차 인가에 의해 잉크토출작동이 수행되게 된다.
상기와 같은 정전인력방식의 잉크토출장치에서 구동부(20)는 다음과 같은 공정에 의해 제조된다. 도 2 내지 도 9는 종래의 정전인력방식 잉크토출장치의 구동부(20) 제작공정을 나타낸 것이다. 구동부(20)를 제작하기 위해서는 멤브레인(30)과 다른 부분을 별도로 제작하여 결합시키는 방식을 사용한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 산화막(61)이 증착된 기판(60) 위에 스핀코터(spin coater)를 이용하여 폴리아미드 재질의 멤브레인(30)을 도포한다. 이 멤브레인(30) 위에 도 3에 도시된 바와 같이 수정유리(quarz glass)로 제조된 오링(O-ring)(63)을 부착한다. 그리고 나서, 도 4에 도시된 바와 같이 기판(30)을 산화막(61)과 함께 멤브레인(30)으로부터 분리한다. 이에 따라 멤브레인(30)이 얻어진다.
도 5에 도시된 바와 같이, 산화막(14)이 증착된 기판(15) 위에 사진식각공정을 이용하여 하부전극(17)을 제작한다. 그리고 나서, 도 6에 도시된 바와 같이 잉크챔버베리어(25)를 제작한다. 잉크챔버베리어(25)는 폴리아미드를 산화막(14) 위에 스핀코터(spin coater)를 이용하여 도포한 후 그 중앙부위를 사진식각공정에 의해 식각함으로써 형성된다.
잉크챔버베리어(25)가 완성되면, 도 7에 도시된 바와 같이, 잉크챔버베리어(25)의 상부에 도 4에 도시된 멤브레인(30)을 오링(63)이 하부에 위치하도록 뒤집은 후 부착한다. 그리고 나서, 도 8에 도시된 바와 같이 오링(63)을 제거하고, 도 9에 도시된 바와 같이 멤브레인(30)에 상부전극(37)을 증착한다. 이에 따라 구동부(30)의 제작이 완료된다. 그 후, 구동부(30)상에 별도의 제작 공정을 거쳐 얻어진 노즐부(40)를 부착함으로써 정전인력방식의 잉크분사장치가 완성된다.
그런데, 상기와 같은 종래의 잉크분사장치는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. 즉, 멤브레인(30)의 제작 공정이 별도로 이루어지고, 또한 멤브레인(30)의 제작시 오링(63)의 접착 및 기판(60)의 분리 등과 같은 여러 공정이 소요된다. 따라서, 멤브레인(30)과 작동유체베리어(25)간의 접착을 위한 공정이 추가적으로 필요하며, 멤브레인(30)의 제작을 위한 웨이퍼가 추가적으로 소모되게 된다.
또한, 상기와 같은 종래의 잉크분사장치는 작동유체챔버(27)와 잉크챔버(57)가 분리되어 있어, 이들을 갖는 구동부(20)와 노즐부(40)가 각각 별도로 제작되어야 하므로 제작 공정이 필연적으로 복잡하게 된다.
이러한 단점을 극복하기 위해 멤브레인(30)을 별도로 제작하지 않고, 노즐부(40)의 제작시 노즐부(40)의 잉크챔버베리어(25)와 일체로 멤브레인(30)을 제작하는 방식을 채용한 정전인력방식 잉크분사장치가 제안된 바 있다. 이러한 잉크분사장치에서는, 잉크챔버베리어(25)와 멤브레인(30)이 일체로 하나의 공정에서 제작되므로, 제작공정이 단축되게 된다. 이러한 잉크분사장치에서는 하부전극(17)과의 사이에서 정전인력을 발생시키기 위한 상부전극(37)을 제작하기 어려우므로, 멤브레인(30)에 해당하는 부위를 도핑함으로써 도전성을 가지도록 하는 방식을 채용한다.
그런데, 이러한 잉크분사장치에서는 하부전극(17)과 멤브레인(30)간의 간격이 미세하게 유지되기 어렵다는 단점이 있다. 전술한 바와 같은 공식에 의하면, 정전인력은 하부전극(17)과 상부전극(37)간의 간격이 좁을수록 크게 된다. 그런데, 이러한 방식에서는 이 간격이 상대적으로 커지게 되므로, 멤브레인(30)의 변형을 위한 적절한 크기의 정전인력을 발생시키기 위해서는 큰 전위차가 필요하게 된다는 단점이 있게 된다. 또한, 이러한 방식하에서는 멤브레인(30)의 두께가 얇게 되도록 제조하기가 어렵게 된다. 따라서, 보다 큰 정전인력이 발생되어야만 한다는 단점이 있다. 또한, 이러한 방식하에서도, 작동유체챔버(27)와 잉크챔버(57)가 별도의 공정하에서 제작되어야 하는 단점은 여전히 있게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 멤브레인을 별도로 제작하지 않고 구동부 제작시 구동부와 함께 제작함으로써 제작공정이 단순하며, 또한, 정전인력이 효과적으로 발생되고 잉크 토출이 원활하게 수행될 수 있는 정전인력방식 잉크분사장치 및 이러한 잉크분사장치의 제작방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 작동유체챔버와 잉크챔버가 일체로 형성되어 있어 제작공정이 단순한 잉크분사장치 및 이러한 잉크분사장치의 제작방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 정전인력방식 잉크분사장치의 단면도,
도 2 내지 도 9는 도 1에 도시된 잉크분사장치의 구동부의 제작 공정을 순차적으로 도시한 도면,
도 10 내지 도 14는 본 발명에 따른 잉크분사장치의 제작 과정을 순차적으로 도시한 도면,
도 15 및 도 16은 본 발명에 따른 잉크분사장치의 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
115 : 기판, 웨이퍼 117 : 하부전극
127 : 잉크챔버 130 : 멤브레인
137 : 상부전극 190 : 잉크주입공
200 : 잉크병
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 정전인력방식의 잉크분사장치는, 외부의 잉크공급원으로부터 공급되는 잉크가 수용되는 잉크챔버 및 상기 잉크챔버로부터 외측으로 연장되어 외측으로 개구된 노즐공을 구비한 기판; 상기 기판상에 적층된 멤브레인; 상기 잉크챔버 내에 수용된 하부전극; 및 상기 멤브레인의 외측면에 설치된 상부전극을 포함한다. 상기 상부전극 및 상기 하부전극간에 전위차 인가시 발생되는 정전인력에 의해 상기 멤브레인이 상기 잉크챔버 내측으로 변형되며, 이에 따라 상기 멤브레인에 의해 상기 잉크챔버 내의 잉크가 가압되어 상기 노즐공을 통해 외측으로 분사되게 된다.
상기 멤브레인 및 상기 상부전극에는 상기 잉크공급원으로부터 상기 잉크챔버 내로 잉크가 공급되는 잉크 유입로를 제공하는 잉크공급공이 형성된다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 잉크분사장치 제작방법은, 웨이퍼를 식각하여, 외부의 잉크공급원으로부터 공급되는 잉크가 수용되는 잉크챔버 및 상기 잉크챔버로부터 연장되어 상기 웨이퍼의 외측으로 개구된 노즐공을 형성하는 단계; 상기 잉크챔버 내에 하부전극을 증착하는 단계; 상기 웨이퍼상에 폴리아미드시트를 부착하는 단계; 상기 폴리아미드시트를 식각하여 멤브레인을 형성하는 단계; 및 상기 멤브레인상에 상부전극을 증착하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 잉크챔버와 상기 노즐공을 형성하는 단계는 습식식각에 의해 수행되며, 상기 멤브레인 형성단계는 건식식각에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상부전극 증착단계 후에는, 상기 멤브레인 및 상기 상부전극에 상기 잉크공급원으로부터 상기 잉크챔버 내로 잉크가 공급되는 잉크 유입로를 제공하는 잉크공급공을 형성하는 단계가 수행된다. 여기서, 상기 잉크공급공 형성단계는, 상기 상부전극을 사진식각하여 상기 상부전극의 잉크공급공을 형성하는 단계; 및 상기 멤브레인을 건식식각하여 상기 멤브레인의 잉크공급공을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 제작공정이 간단하고 구동이 신속하게 수행될 수 있는 정전인력방식의 잉크분사장치 및 이러한 잉크분사장치의 제작 방법이 제공된다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 발명에 대한 설명에서, 구동부를 제외한 노즐부의 구성은 도 1에 도시한 바와 같은 종래의 잉크분사장치와 동일하며, 그 상세한 설명은 생략된다. 또한, 이들 부위에 대해서는 동일한 참조부호를 부여한다.
도 10 내지 도 14는 본 발명에 따른 잉크분사장치의 제작과정을 순차적으로 도시한 것이다.
먼저, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 기판에 해당하는 웨이퍼(115)를 식각하여 잉크챔버(127), 잉크토출로(148) 및 노즐공(149)을 형성한다. 잉크챔버(127)에는 후술하는 바와 같이 외부의 잉크공급원으로부터 공급되는 잉크가 수용된다. 잉크토출로(148) 및 노즐공(149)은 잉크챔버(127)와 일체로 형성된다. 즉, 잉크토출로(148) 및 노즐공(149)은 잉크챔버(127)로부터 웨이퍼(115)의 판면을 따라 측방으로 연장되며, 이에 따라 노즐공(149)은 기판(115)의 외측으로 연장되어 기판(115)의 측방으로 개구되게 된다.
잉크챔버(127) 형성 공정은, 잉크챔버(127)가 형성될 곳을 제외하고 나머지 부분을 실리콘나이트라이드로 마스킹한 후 습식식각을 수행함으로써 수행된다. 습식식각의 깊이 조절은 식각 시간과 식각 용액의 농도를 조절함으로써 행해진다. 또한, 실리콘 웨이퍼(115)가 습식식각된 상태에서 경사지게 에칭이 되도록 방향성이 (1 0 0)인 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다. 방향성이 (1 0 0)인 웨이퍼는 습식식각시 수평면과 54.74°를 유지하면서 식각되기 때문에 전극 제조를 위한 금속 증착시에 스텝커버리지(step coverage)가 좋게 된다.
잉크챔버(127)의 식각이 완료되면 기판(115)상에 산화막 또는 질화막 등으로 이루어지는 절연막(도시되지 않음)을 증착하고, 잉크챔버(127) 내에 사진식각공정으로 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이 하부전극(117)을 증착한다. 그리고 나서, 도 12에 도시된 바와 같이 폴리아미드시트(130a)를 부착한다. 폴리아미드시트(130a)는 라미네이션 방법에 의해 부착된다.
폴리아미드시트(130a)를 식각하면 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같은 멤브레인(130)이 형성되게 된다. 멤브레인(130)이 낮은 전압에서도 잘 구동되기 위해서는 두께가 수 마이크로미터 정도로 얇아야 하는데, 폴리아미드시트(130a)는 수십 마이크로미터의 두께를 가지므로 이를 식각하므로써 정전인력에 의해 적절한 양만큼 변형될 수 있는 두께를 갖는 멤브레인(130)을 얻을 수 있다. 이때, 폴리아미드시트(130a)의 에칭은 건식식각공정으로 수행된다. 건식식각공정에 의해 에칭을 하므로 원하는 멤브레인(130)의 두께를 용이하게 얻을 수 있게 된다.
멤브레인(130)의 제작이 완료되면 사진식각공정에 의해 멤브레인(130)상에 금속막을 증착한다. 금속막을 증착한 후 사진식각공정에 의해 필요한 부분을 제거하여 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이 잉크챔버(127)의 상부를 덮는 상부전극(137) 및 상부전극(137)으로부터 외측으로 연장된 도선(137a) 만을 남기고 나머지 부분을 제거한다. 도선(137a)과 하부전극(117)에는 각각 외부 전원의 양 극이 연결되게 되며, 이에 의해 전원의 공급시 상부전극(137)과 하부전극(117)간에 전위차가 형성되게 된다.
멤브레인(130)과 상부전극(137)에는 잉크공급공(190)이 형성된다. 상부전극(137)의 잉크공급공(190a)은 상부전극(137)과 도선(137a)의 형성을 위한 사진식각공정시 금속막의 중앙부에 형성되며, 멤브레인(130)의 잉크공급공(190b)은 상부전극(137)의 잉크공급공(190a)이 형성된 후 건식식각에 의해 형성된다.
잉크공급공(190)의 형성이 완료되면, 멤브레인(130)의 상부에 잉크공급원인 잉크병(ink bottle)(200)이 조립되며, 이에 따라 도 15에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 잉크분사장치의 제작이 완료된다.
이하에서는 본 발명에 따른 잉크공급장치의 동작을 도 15 및 도 16을 참조하여 설명한다.
잉크병(200)으로부터의 잉크는 잉크공급공(190)을 통해 잉크챔버(127)에 공급되며, 이에 따라 잉크챔버(127) 내에는 잉크가 충진되게 된다. 상부전극(137)과 하부전극(117)에 전원이 인가되면 상부전극(137)과 하부전극(117)간에 전위차가 발생한다. 이 전위차에 의해 멤브레인(130)에는 전술한 바와 같은 공식에 의해 산출되는 크기의 정전인력이 가해지며, 이에 따라 도 16에 도시된 바와 같이 멤브레인(130)이 잉크챔버(127) 내측을 향해 만곡되도록 변형된다. 멤브레인(130)이 변형됨에 따라 잉크챔버(127) 내부의 압력이 상승하여 잉크토출로(148) 및 노즐공(149)을 통해 잉크가 외측으로 분사되게 된다.
상부전극(137)과 하부전극(117)에 전원의 공급이 차단되면 상부전극(137)가 하부전극(117)간의 전위차가 없어지게 되고, 이에 따라 멤브레인(130)은 도 15에 도시된 바와 같이 원상태로 복원된다. 이에 따라 잉크챔버(127) 내의 압력이 하강하여, 잉크공급공(190)을 통해 잉크병(200)내의 잉크가 잉크챔버(127) 내로 흡입된다. 이와 같은 과정이 반복되어 잉크의 분사작동이 수행되게 된다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 멤브레인(130)이 구동부(120) 제작시 함께 제작되므로 별도의 멤브레인(130) 제작 공정이 필요없게 되며, 또한, 멤브레인(130)을 접착시키기 위한 별도의 공정이 필요없게 된다. 또한, 멤브레인(130) 제작을 위한 추가적인 웨이퍼 및 기타 재료의 소모가 없게 되며, 멤브레인(130)의 두께가 얇게 제조될 수 있으므로 낮은 전위차에 의해서도 잉크분사장치의 구동이 효과적으로 수행되게 된다.
또한, 잉크챔버(127)가 작동유체챔버의 기능을 함께 수행하므로 별도의 작동유체챔버를 형성할 필요가 없게 된다. 따라서, 노즐부와 구동부로 구성된 종래의 잉크분사장치에 비해 그 구조가 간단하고 제작 공정이 단순하게 된다.
또한, 잉크챔버(127) 내에 충진되는 잉크는 그 유전율이 공기 또는 진공에 비해 약 80배 정도로 높다. 따라서, 전술한 바와 같은 정전인력 산출공식에 의하면 본 발명에서의 정전인력은 종래의 잉크분사장치에 비해 매우 높게 되므로, 낮은 전위차로도 동일한 정전인력을 얻을 수 있게 되어 잉크분사장치의 구동이 보다 신속하게 이루어질 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 제작공정이 간단하고 구조가 단순하며, 구동이 신속하게 수행될 수 있는 잉크분사장치 및 이러한 잉크분사장치의 제작벙법이 제공된다.
Claims (9)
- 정전인력방식의 잉크분사장치에 있어서,외부의 잉크공급원으로부터 공급되는 잉크가 수용되는 잉크챔버 및 상기 잉크챔버로부터 외측으로 연장되어 외측으로 개구된 노즐공을 구비한 기판;상기 기판상에 적층된 멤브레인;상기 잉크챔버 내에 수용된 하부전극; 및상기 멤브레인의 외측면에 설치된 상부전극을 포함하며,상기 상부전극 및 상기 하부전극간에 전위차 인가시 발생되는 정전인력에 의해 상기 잉크챔버 내측으로 변형되는 상기 멤브레인에 의해 상기 잉크챔버 내의 잉크가 가압되어 상기 노즐공을 통해 외측으로 분사되는 것을 특징으로 하는 정전인력방식의 잉크분사장치.
- 제 1항에 있어서,상기 노즐공은 상기 잉크챔버로부터 상기 기판의 판면을 따라 연장되어 상기 기판의 측방으로 개구되어 있는 것을 특징으로 하는 정전인력방식의 잉크분사장치.
- 제 1항에 있어서,상기 멤브레인 및 상기 상부전극에는 상기 잉크공급원으로부터 상기 잉크챔버 내로 잉크가 공급되는 잉크 유입로를 제공하는 잉크공급공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전인력방식의 잉크분사장치.
- 잉크분사장치 제작방법에 있어서,웨이퍼를 식각하여, 외부의 잉크공급원으로부터 공급되는 잉크가 수용되는 잉크챔버 및 상기 잉크챔버로부터 연장되어 상기 웨이퍼의 외측으로 개구된 노즐공을 형성하는 단계;상기 잉크챔버 내에 하부전극을 증착하는 단계;상기 웨이퍼상에 폴리아미드시트를 부착하는 단계;상기 폴리아미드시트를 식각하여 멤브레인을 형성하는 단계; 및상기 멤브레인상에 상부전극을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크분사장치 제작방법.
- 제 4항에 있어서,상기 잉크챔버와 상기 노즐공을 형성하는 단계는 습식식각에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 잉크분사장치 제작방법.
- 제 4항에 있어서,상기 폴리아미드시트 부착단계는 라미네이션 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 잉크분사장치 제작방법.
- 제 6항에 있어서,상기 멤브레인 형성단계는 건식식각에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 잉크분사장치 제작방법.
- 제 4항에 있어서,상기 상부전극 증착단계 후, 상기 멤브레인 및 상기 상부전극에 상기 잉크공급원으로부터 상기 잉크챔버 내로 잉크가 공급되는 잉크 유입로를 제공하는 잉크공급공을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크분사장치 제작방법.
- 제 8항에 있어서,상기 잉크공급공 형성단계는,상기 상부전극을 사진식각하여 상기 상부전극의 잉크공급공을 형성하는 단계; 및상기 멤브레인을 건식식각하여 상기 멤브레인의 잉크공급공을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크공급장치 제작방법.
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