KR20020096920A - 잉크젯 기록헤드용 기판, 잉크젯 기록헤드, 및 잉크젯기록 장치 - Google Patents

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Abstract

공급 전압이 3.3V 이하인 전압 조건하에서도 드라이버의 임의의 고장없이 안정된 작동이 구현된다. 이러한 목적을 위해, 잉크를 토출하기 위한 잉크 오리피스와, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 열 에너지를 발생하기 위한 복수의 열 발생 소자와 열 발생 소자를 내포하고 잉크 오리피스와 연통하는 잉크 채널을 갖는 잉크젯 기록헤드에 있어서, 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버와, 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로가 단일 기판 상에 형성된다. 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께는 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께보다 크다.

Description

잉크젯 기록헤드용 기판, 잉크젯 기록헤드, 및 잉크젯 기록 장치 {INK-JET PRINTHEAD BOARD, INK-JET PRINTHEAD, AND INK-JET PRINTING APPARATUS}
본 발명은 기록헤드용 기판, 이 기판를 이용한 기록헤드, 및 기록헤드가 장착된 기록 장치에 관한 것이다.
잉크젯 기록 작업은 작은 기록 노이즈와 고속의 기록 작업으로 인해 다른 기록 방법에 비해 현저한 특징을 갖는 기록 방법이다.
이 기록 방법을 채용하는 종래의 기록 방법의 기록헤드에 있어서, 잉크와 같은 액체를 토출하도록 형성된 오리피스와, 오리피스와 연통하고 잉크 액적 등을 가열 및 토출하기 위해 잉크를 방출하기 위한 에너지 발생 소자로서 소정의 열 에너지를 발생하는 전열 변환기(electrothermal transducers, 히터)는 기록헤드 소자 기판[이후로 히터 기판(HB)으로 또한 기술] 상에 배열된다.
또한, 각각의 히터를 구동시키기 위한 복수의 드라이버, 직렬 기록 데이터를 병렬 데이터로서 각각의 드라이버에 전송하기 위해 기록 장치로부터 입력된 기록 데이터를 임시 저장하는 메모리, 소정의 타이밍에 데이터를 출력하기 위해 메모리로부터 출력된 데이터를 보유하는 래치 회로(latch circuit)와 같은 로직 회로(logic circuit)는 복수의 히터에 부가하여 동일한 기판(HB) 상에 통상 장착된다.
기록헤드용 기판은 (1) 히터를 구동시키기 위한 전원, (2) 메모리, 로직 회로 등을 구동시키기 위한 2개의 전원이 필요하다. 로직 회로용 전원은 통상 5V의 전원 전압을 사용한다. 이 전원은 기록 장치 본체 상의 CPU, 메모리 등을 위한 IC 전원으로 단일화된다. 이는 전용 로직 전원을 준비할 필요를 제거할 수 있고 회로 배치의 공간 감소, 소형화(downsizing) 및 비용 감소를 달성할 수 있다.
일반적으로, 병렬 인터페이스는 잉크젯 프린터와, 예컨대 프린터를 제어하는 퍼스널 컴퓨터를 접속하기 위한 인터페이스(interface)로 채용된다. 이 경우에 있어서, 프린터 본체의 로직 전원 전압(VL)은 5V이고, 헤드의 잉크젯 기록헤드용 기판은 로직 전원에 대해 5V를 또한 사용한다. 따라서, 전술된 종래의 기술은 VL을 5V로 설정한다. 일부 IC가 프린터 기록 회로의 IC에서 5V의 전원을 필요로 하기 때문에 5V의 로직 전압(VL)이 사용되었다.
최근, IC 기술의 향상과 새로운 인터페이스의 사용과 함께 비용 및 크기 면에서 프린터 본체의 로직 전원에 대해 5V를 준비하는 것은 불리해지고 있다. 프린터 본체의 로직 전원 전압(VL)의 현 추세는 3.3V로 이동되고 있다.
그러나, 헤드 기판이 로직 회로와, 히터를 구동시키기 위한 높은 절연파괴전압 드라이버(high-breakdown-voltage driver)를 함께 갖기 때문에 로직 전원 전압을 3.3 V로 단순히 최적화하는 것은 어렵다.
종래의 헤드 기판의 로직 전원 전압을 5V에서 3.3V로 감소시키는 데에 내재된 여러 문제가 기술될 것이다.
(1) 작동 속도에 대한 문제
잉크젯 기록헤드용 기판의 화상 데이터 전송 능력(작동 속도)의 감소는 문제중 하나로 기술될 것이다.
도15는 잉크젯 기록헤드용 기판의 배열을 도시한다. 도15에 있어서, 도면부호(1003)는 외부 신호를 수용하기 위한 각 패드를 가리킨다. 패드(1003)는 로직 전원 전압(logic power-supply voltage)을 수용하기 위한 VDD 단자(1006), 히터 구동 전원 전압을 수용하기 위한 VH 단자(1008), 접지에 접속된 GNDH 단자(1005), CSS 단자(1007) 등을 가진다. 직렬 화상 데이타를 수용하고 병렬 데이터를 출력하기 위한 시프트 레지스터(shift register)와 같은 로직 회로(1002), 히터를 구동시키기 위한 드라이버(1001), 및 히터(1004) 등은 단일의 실리콘 기판 상에 배열된다.
도16은 640 비트 히터가 형성된 경우를 상세히 도시한다. 이 경우에, 640 비트 히터 중 40비트가 동시에 최대로 구동된다. 이 작동은 640 비트 히터(한 주기) 모두를 구동시키도록 16회 반복된다. 도17은 타이밍을 도시한다. 640 비트 모두가 소정의 고속 기록 작업에 필요한 (기존 제품에 사용된) 15 kHz의 구동 주파수로 구동될 때 화상 데이터를 송신하는 데에 필요한 속도가 기술될 것이다.
15 kHz의 주파수는 66.67 ㎲의 주기를 가진다. 40 비트의 화상 데이터는 이 기간 내에 16 시분할(블록)로 전송되어야 한다. 화상 데이터 전송율은 적어도 12 kHz 이상으로 연산된다. 이 비율은 통상의 CPU 등에 비해 그다지 높지 않다. 그러나, 잉크젯 기록헤드에 대해, 구동될 캐리지(carriage)와 본체가 긴 가요성 보드 등에 의해 접속되고 캐리지가 소형 프린터용으로 크기가 작아져야 되므로 12 MHz는 낮지 않다.
로직 전원 전압이 이 상황에서 5 V에서 3.3 V로 감소될 때 전송 능력의 감소는 도18a 및 도18b를 참조하여 기술될 것이다. 도18a는 로직 신호의 전압(전원)과 화상 데이터를 전송할 수 있는 최대 CLK 주파수 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도18a에 도시된 바와 같이, CLK 주파수는 로직 신호의 전압(전원)이 감소함에 따라 감소하는 경향이 있다. 이는 예컨대 화상 데이터를 전송하기 위한 CLK 입력 회로부의 구동 능력과 시프트 레지스터 유닛에 사용되는 MOS 트랜지스터의 구동 능력이 CMOS의 게이트 전압으로 직접 사용된 로직 전원 전압의 감소와 동시에 저하되기 때문이다. 도18a에 도시된 바와 같이, 구동 능력(드레인 전류 Id)은 게이트 전압의 감소와 함께 감소된다.
잉크젯 기록헤드용 기판은 기판 상의 히터를 구동시킴으로써 만족할만한 온도 상승을 달성해야 한다. 이는 히터에 의해 잉크를 토출하기 위한 잉크젯 기록헤드용 기판에 요구되는 특성 능력이다. 도18b는 기판 온도와 최대 CLK 주파수 사이의 관계를 도시하는 그래프이다. 도18b에 도시된 바와 같이, 로직 전원 전압이 3.3 V인 경우에 능력은 열악하고, 온도가 상승함에 따라 더 저하되는 경향이 있다.
전술된 바와 같이, 적절한 회로 작동은 5 V에서 CLK 주파수가 12 MHz인 경우에 달성되었다. 로직 전원 전압이 예컨대 3.3 V로 감소됨에 따라, 작동 속도는 증가되어야 한다.
(2) 노이즈 문제
전력선의 임피던스에 의한 전압 강하 또는 전력선의 임피던스에 의해 발생된 전압 강하에 의한 고장 또는 오버슈팅(overshooting)과 같은 노이즈 성분은 최근 기록헤드 및 이를 사용하는 기록 장치(프린터)의 속도 및 비트 수 증가의 영향으로 발생할 수도 있다.
예컨대, 전형적인 A4용 프린터에 대해, 본체의 전원으로부터 헤드로 연장하는 가요성 기판 등을 위한 전력 케이블의 길이는 약 40 cm이다. 케이블의 저항(R) 성분은 케이블 재료와 병렬 접속선 개수에 따라 변하지만 약 20 mΩ 내지 100 mΩ이다. 인덕턴스(L) 성분은 약 0.1 μH 내지 0.5 μH이다. 전력선의 기생 임피던스(parasitic impedance)는 헤드와의 접촉부에서의 접촉 저항 또는 헤드의 전기용량(C) 성분이다. 접촉 저항은 접촉 재료와 전원 단자로 사용되는 패드의 개수에 따라 변하지만 약 30 mΩ 내지 200 mΩ이다 전기 용량은 약 10 ㎊ 내지 100 ㎊이다.
전력선을 통해 흐르는 전류는 세그먼트당 약 150 ㎃이고 색상당 동시에 구동되는 세그먼트의 최대 개수가 16개인 경우에는 0.9 A이다. 최신 6색상 프린터에있어서, 순간 총전류는 5.4 A로 크다.
만일 5.4 A 전류가 전술된 임피던스 성분(R, L, C)을 갖는 전력선을 통해 흐른다면, 오버슈팅(overshooting)은 전력선의 전압을 요동시키는 링잉(ringing)을 유발한다. 전압 요동(voltage fluctuation)은 실제 측정 및 전기 회로 모의 실험에서 약 0.5 V 내지 1.0 V이다.
특히, 드라이버 트랜지스터의 GND 선에 발생된 전압 요동은 전압 구동 고장을 유발할 수 있다. 전압 요동시에도 임의의 고장을 방지하기 위한 수단이 채용되어야 한다.
(3) 로직 유닛의 커먼 전압(common voltage)의 문제
최근의 기록헤드 및 기록헤드를 사용하는 기록 장치(프린터)에 있어서, 로직 신호 전압은 고속 히터 구동 회로와 CPU 및 정밀한 디자인 룰(design rule)과 같은 외부 신호 처리 회로에 때문에 감소되는 경향이 있다. 로직 신호 전압은 5 V에서 3.3 V의 전류 전압으로 갑자기 변환하고 있다.
CPU의 전압은 제조 공정이 보다 정밀해짐에 따라 감소된다. 예컨대, 전원 전압은 0.5 ㎛ 룰 공정(rule process)의 사용시에 약 2.0 V, 0.15 내지 0.18 ㎛ 룰 공정의 사용시에 1.5 V 이하로 예측된다. 외부 프로세싱 회로의 신호 전압과 헤드의 내부 로직 신호 전압을 상호 동일하게 설정하는 것이 전압 공용(sharing)의 면에서 전체 장치의 비용 감소를 위해 중요하다. 헤드의 내부 로직 신호 전압은 3.3V -> 2.0V -> 1.5V -> 이하 전압으로 감소될 것이다. 전압이 감소함에 따라 고장이 유발될 가능성은 로직 회로에 의한 드라이버 트랜지스터를 구동시키기 위한회로 블록에서 증가한다. 저전압에 대처하는 수단 및 임의의 역효과를 제거하기 위한 수단이 채택되어야 한다.
기록 장치 본체 상의 IC의 전원 전압은 5V에서 3.3 또는 2 V이하로 감소되고 있다. 이 상황에서, 문제(a) 및 (b)은 기록 장치가 기판(HB) 상의 회로 배열을 변경시키지 않고 전압의 감소에 대처하려 할 때 발생한다.
(a) 로직 회로의 전용 전원 전압(5V)용 전원이 기록 장치 본체 상에 새로 준비되고, 기록 장치가 기판(HB)의 로직 회로를 구동시키기 위해 전압원을 수용할 때, 장치의 전력 시스템의 개수는 더 증가한다. 기록 장치 본체가 커져서, 장치의 소형화에 불리하고 비용을 상승시킨다. 그 결과, 제품은 저비용으로의 현추세에 부합하기 어렵게 된다.
(b) 장치 본체가 기판(HB) 상의 회로 배열을 변화시키지 않고 3.3V의 전원 전압을 공급하고, 로직 회로 IC의 설계 스펙이 5 V와 같은 높은 전원치로 설정될 때, 3.3 V로의 전압의 단순 감소는 로직 회로의 구동 전압의 감소를 초래한다. 로직 회로를 구동시키기 위한 ON-OFF 구동 능력(즉, 속도)은 저하된다. 도8은 구동 전압과 데이터 전송율 사이의 관계를 정성적으로 도시한 그래프이다. 전압이 5 V에서 3.3 V로 감소한다면, 데이터 전송율 또한 감소한다.
요즘에, 로직 회로 등의 클럭(clock)은 고속 기록 작업에 대해 더욱 고속으로 전송되어야 한다. 이 상황에서, 로직 구동 성능은 열악해져서, 기록 성능의 스펙을 저하시킨다. 따라서, 화상 데이터 전송율을 유지하고 고전송율에 대한 요구에 만족시키는 것은 어려워진다.
구동 전압의 감소와 로직 회로의 구동 성능의 유지를 균형을 맞추는 문제(b)에 대한 해결책으로, 기판(HB) 상의 회로 배열이 변화될 수도 있고, 로직 회로를 구성하는 트랜지스터의 임계치(threshold)가 감소될 수도 있다. 이 경우에 있어서, 문제(c)이 발생한다.
도5a, 도5b, 및 도5c는 기판(HB) 상에 형성된 전력(power) 트랜지스터의 일예를 도시한다. 요즘에, 잉크젯 기록헤드용 기판(HB)은 비용 및 구동 능력면에서 히터 드라이버로서 NMOS 트랜지스터를 주로 채용한다.
기판(HB) 상에서, 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로는 드라이버의 NMOS 트랜지스터와 동일한 임계치를 갖는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터(enhancement NMOS transistor)와 로직 CMOS 회로를 형성하기 위한 PMOS 트랜지스터(또는 로직 회로가 NMOS 트랜지스터만으로 형성될 때 순확산(pure diffusion)에 의해 형성된 디플리션(depletion) NMOS 트랜지스터 또는 레지스터)로 구성된다. 도6a 및 도6b는 NMOS 트랜지스터의 전송 특성을 도시하는 그래프이다. 도7a 및 도7b는 히터에 연결된 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터와 트랜지스터의 구조를 각각 도시하는 도면이다.
(c) 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 작동 임계치가 감소하기 때문에, 로직 회로의 구동 능력은 종래보다 낮은 전압을 공급해도 유지될 수 있다. 그러나, 보통의 반도체 제조 공정이 비용 절감을 위해 사용된다면, 히터 드라이버의 트랜지스터의 임계치는 동일한 게이트 산화막 두께로 인해 동시에 감소한다. 이는 잉크젯 기록 장치에 국한된 다음 문제를 내포할 수도 있다.
도9a는 기록 장치 본체와 기록헤드 사이의 접속을 개략적으로 설명하기 위한 블록 선도이다. 도9b는 화상 데이터(DATA)와 클럭(CLK)를 출력하기 위한 회로를 등가 표현하기 위한 LCR 회로를 도시한다. 도9a에 도시된 바와 같이, 기록 장치 본체는 클럭(CLKs)과 동기식으로 화상 데이터(DATA)를 직렬 출력하고, 데이터는 시프트 레지스터(901)에 의해 수용된다. 수용된 화상 데이터(DATA)는 래치 회로(902)에 임시 저장되고, 각 화상 데이터치("0" 또는 "1")에 대응하는 ON/OFF 출력은 래치 회로로부터 출력된다. ON 출력에 기초하여 선택된 히터에 대응하는 히터 드라이버(903)는 입력 ON 출력의 기간에 의해서만 구동된다. 그런 후, 전류는 기록 작동을 수행하도록 대응 히터(904)를 통해 흐른다.
고속 기록을 구현하기 위해서, 다수의 기록 소자가 배열되어야 된다. 기록 소자는 기록헤드의 캐리지 상에 장착되고, 기록 장치 본체와 기록헤드를 접속시키는 플렉서블(가요성) 케이블(905)을 통해 헤드 제어 신호 등과 함께 헤드 구동 전력을 수용한다.
가요성 케이블을 통해 흐르고 히터를 구동하는 헤드 구동 전압은 시분할로 구동된 히터의 개수와 히터를 구동하기 위한 패턴 듀티에 따라 변화한다. 등가 회로의 리액턴스(L) 성분은 전력 배선 상에서 중첩되어 히터 드라이버는 즉시 오동작한다.
이 경우에 있어서, 비정상적인 전류는 히터 소자를 통해 흘러서 소자의 파손 및 치명적인 결함을 유발한다.
5 V의 전압에 기초한 종래의 설계 조건이 3.3 V 이하의 사용에 적용되면, 로직 회로 및 드라이버 회로의 기능이 구현되는 것은 매우 어렵다. 낮은 전력 소모를 향한 추세에서 2개의 회로의 기능을 동시에 만족하기 위해서, 기판에서의 접속 밸런스는 동시에 유지되어야 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의하면, 기록헤드용 기판, 상기 기판을 사용하는 기록헤드, 및 상기 기록헤드가 장착되는 기록 장치는 다음 배열을 가진다.
즉, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자, 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버, 및 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 갖는 잉크젯 기록헤드용 기판이며, 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 전압 임계치는 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 전압 임계치보다 작은 잉크젯 기록헤드용 기판이 제공된다.
또한, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자, 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버, 및 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 갖는 잉크젯 기록헤드용 기판이며, 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께는 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께보다 큰 잉크젯 기록헤드용 기판이 제공된다.
또한, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자, 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버, 및 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 갖는 잉크젯 기록헤드용 기판이며, 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 농도는 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 농도와 상이한 잉크젯 기록헤드용 기판이 제공된다.
또한, 잉크를 토출하기 위한 잉크 오리피스와, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자, 에너지 발생 소자를 내포하고 잉크 오리피스와 연통하는 잉크 채널, 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버, 및 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 갖고 발생 소자, 드라이버 및 로직 회로는 단일 기판 상에 형성되는 잉크젯 기록헤드이며, 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 전압 임계치는 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 전압 임계치보다 낮은 잉크젯 기록헤드가 제공된다.
또한, 잉크를 토출하기 위한 잉크 오리피스와, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자, 에너지 발생 소자를 내포하고 잉크 오리피스와 연통하는 잉크 채널, 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버, 및 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 가지고 발생 소자, 드라이버 및 로직 회로는 단일 기판 상에 형성되는 잉크젯 기록헤드이며, 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께는 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께보다 큰 잉크젯 기록헤드가 제공된다.
또한, 잉크를 토출하기 위한 잉크 오리피스와, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자, 에너지 발생 소자를 내포하고 잉크 오리피스와 연통하는 잉크 채널, 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버, 및 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 가지고 발생 소자, 드라이버 및 로직 회로는 단일 기판 상에 형성되는 잉크젯 기록헤드이며, 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 농도는 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 농도와 상이한 잉크젯 기록헤드가 제공된다.
또한, 잉크를 토출하기 위한 잉크 오리피스와, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자, 에너지 발생 소자를 내포하고 잉크 오리피스와 연통하는 잉크 채널, 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버, 및 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 가지고 발생 소자, 드라이버 및 로직 회로는 단일 기판 상에 형성되는 잉크젯 기록헤드와, 잉크젯 기록헤드로부터 토출된 잉크를 수용하는 기록 매체를 이송하기 위한 이동 수단을 포함한 잉크젯 기록 장치이며, 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 전압 임계치는 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 전압 임계치보다 낮은 잉크젯 기록 장치가 제공된다.
또한, 잉크를 토출하기 위한 잉크 오리피스와, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자, 에너지 발생 소자를 내포하고 잉크 오리피스와 연통하는 잉크 채널, 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버, 및 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 가지고 발생 소자, 드라이버 및 로직 회로는 단일 기판 상에 형성되는 잉크젯 기록헤드와, 잉크젯 기록헤드로부터 토출된 잉크를 수용하는 기록 매체를 이송하기 위한 이동 수단을 포함한 잉크젯 기록 장치이며, 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께는 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께보다 큰 잉크젯 기록 장치가 제공된다.
또한, 잉크를 토출하기 위한 잉크 오리피스와, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자, 에너지 발생 소자를 내포하고 잉크 오리피스와 연통하는 잉크 채널, 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버, 및 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 가지고 발생 소자, 드라이버 및 로직 회로는 단일 기판 상에 형성되는 잉크젯 기록헤드와, 잉크젯 기록헤드로부터 토출된 잉크를 수용하는 기록 매체를 이송하기 위한 이동 수단을 포함한 잉크젯 기록 장치에 있어서, 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 농도는 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 농도와 상이한 잉크젯 기록 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 동일한 도면부호가 전체 도면에 걸쳐 동일한또는 유사한 부분을 가리키는 첨부된 도면과 함께 다음 설명으로부터 명백해질 것이다.
구체화되어 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 상세한 설명과 함께 본 발명의 실시예를 설명하고 발명의 원리를 설명하는 기능을 한다.
도1a는 본 발명에 의한 기록헤드용 기판의 배치를 설명하기 위한 블록 선도.
도1b는 본 발명에 의한 다른 기록헤드용 기판의 배치를 설명하기 위한 블록 선도.
도2a는 상이한 산화막 두께를 갖는 로직 회로부 및 드라이버 회로부의 NMOS 트랜지스터를 개략적으로 도시하는 도면.
도2b는 상이한 채널 불순물 농도를 갖는 로직 회로부 및 드라이버 회로부의 NMOS 트랜지스터를 개략적으로 도시하는 도면.
도2c는 상이한 산화막 두께와 상이한 채널 불순물 농도를 갖는 로직 회로부 및 드라이버 회로부의 NMOS 트랜지스터를 개략적으로 도시하는 도면.
도3은 본 발명의 실시예에 의한 기판을 사용하여 구성된 기록헤드의 일예의 외형을 도시하는 사시도.
도4는 도3에 도시된 기록헤드와 잉크 탱크(ink tank)가 데이터를 기록하도록 장착된 잉크젯 기록 장치의 일예를 도시하는 개략 사시도.
도5a 내지 도5c는 기판(HB) 상에 형성된 파워 트랜지스터의 일예를 도시하는 회로 선도.
도6a 및 도6b는 NMOS 트랜지스터의 전송 특성을 도시하는 그래프.
도7a 내지 도7b는 트랜지스터의 구조 및 히터에 접속된 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 각각 도시하는 도면.
도8은 구동 전압과 데이터 전송율 사이의 관계를 정량적으로 도시하는 그래프.
도9a는 기록 장치 본체와 기록헤드 사이의 접속을 개략적으로 설명하기 위한 블록 선도.
도9b는 화상 데이터(DATA)와 클록(CLK)을 출력하기 위한 회로를 동등하게 나타내기 위한 LCR 회로를 도시하는 회로 선도.
도10은 본 발명의 양호한 실시예에 의한 프린터의 외형을 도시하는 사시도.
도11은 도10의 프린터의 제어 배열을 도시하는 블록 선도.
도12는 도10의 프린터의 잉크 카트리지를 도시하는 사시도.
도13은 반도체 장치 제조 공정의 흐름을 설명하기 위한 흐름도.
도14는 웨이퍼 처리를 설명하기 위한 흐름도.
도15는 종래의 잉크젯 기록헤드용 기판의 배치를 도시하는 도면.
도16은 잉크젯 기록헤드용 기판을 도시하는 블록 선도.
도17은 잉크젯 기록헤드용 기판의 구동 타이밍을 설명하기 위한 타이밍 선도.
도18a 및 도18b는 로직 전원 전압의 기능으로서 화상 데이터를 전송할 수 있는 최대 CLK 주파수를 도시하는 그래프.
도19a 내지 도19f는 단일 기판 상에 상이한 산화막 두께를 갖는 트랜지스터를 형성하는 전형적인 공정의 단계 흐름을 설명하기 위한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200B : 기판
210 : 오리피스
904, 1004 : 히터
203, 902, 1002 : 로직 회로
905 : 플렉스블 케이블
본 발명의 양호한 실시예는 첨부 도면을 참조하여 상세히 기술될 것이다.
다음 실시예는 잉크젯 기록 방법을 이용한 기록 장치로서 프린터를 예시할 것이다.
본 명세서에서, "기록"는 정보가 중요하거나 중요하지 않거나 또는 사람이 시각적으로 인지하도록 정보가 시각화되었는 지와는 관계없이 문자, 숫자 등과 같은 중요한 정보 형식뿐만 아니라, 매체를 기록하여 처리할 때의 화상, 디자인, 패턴 등의 형식을 의미한다.
"기록 매체"는 일반적인 기록 장치에 사용되는 종이뿐만 아니라 천, 플라스틱막, 금속판, 유리, 세라믹, 나무 및 가죽과 같은 잉크 수용성 재료이다.
"잉크"(또한 "액체"로 지칭)는 "기록"의 정의만큼 넓게 해석되어져야 한다. "잉크"는 화상, 디자인, 패턴 등을 형성하도록 기록 매체에 인가되고, 기록 매체를 처리하거나, 또는 잉크 프로세싱(예를 들어, 기록 매체에 인가된 잉크의 착색물질의 응고화 또는 불용화)에 기여하도록 인가되는 액체를 가리킨다.
<장치 본체의 일반적 기술>
도10은 잉크젯 프린터(IJRA)의 외형을 개략적으로 도시하는 사시도이다.도10에서, 핀(도시 생략)은 구동 모터(5013)의 전/후 회전과 연동하면서 구동력 전달 기어(5009 내지 5011)를 통해 회전하는 리드 나사(5005)의 나선형 홈(5004)과 결합한 캐리지(HC)에 부착된다. 캐리지(HC)는 가이드 레일(5003)에 의해 지지되며, 화살표(a, b)에 의해 지시되는 방향으로 왕복 운동한다. 캐리지(HC)는 기록헤드(IJH)와 잉크 탱크(IT)를 포함하는 일체형 잉크젯 카트리지(IJC)를 지지한다.
도면부호(5002)는 캐리지(HC)의 이동 방향으로 압반(5000)에 대항하여 기록 시트(P)를 가압하는 시트 가압판을 가리키고, 도면부호(5007, 5008)는 모터(5013)의 회전 방향을 절환하고 해당 영역 내의 캐리지 레버(5006)의 존재를 검출하기 위한 원위치(home position) 검출기로서 기능하는 포토커플러(photocouplers)를 가리킨다.
도면부호(5016)는 기록헤드(IJH)의 전방 단부를 막는 마개 부재(5022)를 지지하는 부재, 도면부호(5015)는 마개의 내부를 흡입하여 내부마개 개구(5023)를 통해 기록헤드의 흡입 회수를 수행하는 흡입 유닛, 도면부호(5017)는 세척 블레이드, 도면부호(5019)는 세척 블레이드를 전/후방으로 이동시킬 수 있는 부재를 가리킨다. 이 세척 블레이드(5017) 및 부재(5019)는 본체 지지판(5018)에 의해 지지된다. 블레이드는 이에 제한되지 않고, 공지된 세척 블레이드가 본원에 적용될 수 있다.
도면부호(5021)는 흡입 회수를 위한 흡입을 시작하고, 캐리지와 결합한 캠(5020)의 이동과 함께 이동하는 레버를 가리킨다. 구동 모터로부터의 구동력은 클러치 절환과 같은 공지된 전달 장치에 의해 제어된다.
마개로 막기(capping), 세척, 흡입 회수(suction recovery)는 캐리지가 원위치 영역에 도달했을 때 리드 나사(5005)의 작동에 의해 대응 위치에서 원하는 공정에 의해 수행된다. 임의의 공정은 공지된 타이밍에 원하는 작동이 이루어지는 한 본원에 적용될 수 있다.
<제어 장치의 기술>
전술된 장치의 기록 제어를 수행하기 위한 제어 장치가 기술될 것이다.
도11은 잉크젯 프린터(IJRA)용 제어회로 장치를 도시하는 블록 선도이다. 제어 회로를 도시하는 도11에서, 도면부호(1700)는 기록 신호를 입력하기 위한 인터페이스, 도면부호(1701)는 MPU, 도면부호(1702)는 MPU(1701)에 의해 수행된 제어 프로그램을 저장하는 롬(ROM), 도면부호(1703)는 다양한 데이타(기록 신호, 헤드에 제공되는 기록 데이타 등과 같은)를 저장하기 위한 동적 램(RAM), 도면부호(1704)는 기록헤드(IJH)로의 기록 데이터의 공급을 제어하고 인터페이스(1700), MPU(1701) 및 램(1703) 사이의 데이터 전송을 또한 제어하는 게이트 어레이(G.A.), 도면부호(1710)는 기록헤드(IJH)를 운반하는 운반 모터, 도면부호(1709)는 기록 시트를 이송하는 이송 모터, 도면부호(1705)는 기록헤드를 구동하기 위한 헤드 드라이버 그리고 도면부호(1706 및 1707)는 이송 모터(1709)와 운반 모터(1710)를 각각 구동하기 위한 모터 드라이버를 가리킨다.
이 제어 장치의 작동이 기술될 것이다. 기록 신호가 인터페이스(1700)로 입력되면, 기록 신호는 게이트 어레이(1704)와 MPU(1701) 사이에서 기록 데이터로 변환된다. 그런 후, 모터 드라이버(1706, 1707)는 구동되고, 기록헤드는 데이터를기록하기 위해 헤드 드라이버(1705)로 송신된 기록 데이터와 함께 구동된다.
본 실시예에서, MPU(1701)에 의해 수행된 제어 프로그램은 롬(1702)에 저장된다. EEPROM과 같은 삭제/쓰기 가능한 저장 매체를 부가하고 잉크젯 프린터(IJRA)에 연결된 호스트 컴퓨터로부터 제어 프로그램을 변경하는 것이 또한 가능하다.
잉크 탱크(IT) 및 기록헤드(IJH)는 전술된 바와 같이 교환가능한 잉크 카트리지(IJC)로 일체 형성될 수도 있다. 선택적으로는, 잉크 탱크(IT)와 기록헤드(IJH)는 분리식으로 구성될 수도 있고, 잉크가 소모되었을 때, 잉크 탱크(IT)만 교체될 수도 있다.
도12는 잉크 탱크와 헤드로 분리가능한 잉크 카트리지(IJC)의 외형을 도시하는 사시도이다. 도12에서 도시된 바와 같이, 잉크 카트리지(IJC)는 경계(K)에서 잉크 탱크(IT)와 기록헤드(IJH)로 분리될 수 있다. 잉크 카트리지(IJC)가 캐리지(HC) 상에 장착될 때 잉크 카트리지(IJC)는 캐리지(HC)로부터 공급된 전기 신호를 수신하기 위한 전극(도시 생략)을 가진다. 기록헤드(IJH)는, 전술된 바와 같이, 잉크를 토출하기 위한 전기 신호에 의해 구동된다.
도12에서, 참조번호(500)는 잉크 오리피스 선을 가리킨다. 잉크 탱크(IT)는 잉크를 보유하기 위해 섬유 또는 다공성 잉크 흡수체를 가진다.
<제1 실시예 : 산화막 두께>
도1a는 제1 실시예에 따른 기록헤드용 기판를 도시한다. 256 비트 히터(256-bit heater)를 포함하는 히터 어레이(201), 각각의 히터를 구동하기 위한드라이버를 가지는 드라이버 어레이(202) 및 드라이버들을 구동하기 위한 로직 회로(203)가 단일 기판(200) 상에 형성된다. 기판을 외부에 전기 접속하기 위한 패드(204)는 기판(200) 상에 형성된다.
도3은 제1 실시예에 따른 기록헤드용 기판를 사용하여 구성된 기록헤드의 일예의 외형을 도시하는 사시도이다. 도3에서 도시된 바와 같이, 기록헤드는 도1a에서 도시된 잉크 공급 포트(205)의 2개의 측부상에 배열된 히터 어레이(201)와 대응하는 2열의 오리피스들(210)을 가진다. 오리피스(210)는 오리피스판(206) 상에서 소정의 피치(pitch)로 대응열에 배열된다. 두개의 이점 쇄선에 의해 표시된 잉크 탱크(IT)는 제1 실시예의 기록헤드에 탈착식으로 부착된다.
도4는 도3에서 도시된 기록헤드와 잉크 탱크가 데이터를 기록하기 위해 장착된 잉크젯 기록 장치의 일예를 도시하는 개략적인 사시도이다.
옐로우(Y), 마젠타(M), 시안(C), 블랙(B) 잉크에 대응하는 기록헤드(21Y, 21M, 21C, 21B)(및 그 잉크 탱크 (IT))는 캐리지(20) 상에 탈착식으로 장착된다. 캐리지(20)는 가이드 축(23)과 활주식으로 결합되고, 풀리(25, 26)와 벨트(28)를 통해 모터(27)의 구동력을 수용한다. 헤드(21Y, 21M, 21C, 21B)는 목표 기록 매체로서 기능하는 기록 시트(P)를 스캔할 수 있다. 기록 시트(P)의 소정의 개수는 스캔중에 한쌍의 이송 롤러(22A 및 22B)에 의해 이송된다. 각 기록헤드의 토출 회수 공정을 수행하기 위한 회수 유닛(24)은 기록헤드 이동 범위의 일단에 부착된다.
<기록헤드용 기판 제조 공정>
도13은 반도체 장치의 전체 제조 공정의 흐름도를 도시한다. 단계 S1301(회로 설계)에서, 반도체 장치 회로는 설계된다. 단계 S1302(마스크 제조)에서, 설계된 회로 패턴을 갖는 마스크가 형성된다. 단계 S1303(웨이퍼 제조)에서, 웨이퍼는 실리콘과 같은 물질을 사용하여 형성된다. 전처리라 불리는 단계 S1304(웨이퍼 프로세스)에서, 실제 회로는 준비된 마스크와 웨이퍼를 사용한 석판기록(lithography)에 의해 웨이퍼 상에 형성된다.
후처리라 불리는 단계 S1305(조립)는 단계 S1304에서 형성된 웨이퍼를 사용하여 반도체 칩을 형성하는 단계로 조립 공정(다이싱 작업 및 접합 작업) 및 패키징 공정(칩 캡슐화)을 구비한다. 단계 S1306(검사)에서는, 단계 S1305에서 제조된 반도체 장치는 작동 확인 테스트 및 내구성 테스트와 같은 검사를 받는다. 상기 단계 후에, 반도체 장치는 완성되고, 출하된다(단계 S1307).
도14는 웨이퍼 프로세스(S1304)의 상세한 흐름도를 도시한다.
단계 S1401(산화)에서, 웨이퍼 표면은 산화막을 형성하기 위해 산화된다. 장치가 작동하는 작동 전압의 임계치는 형성된 산화막의 두께에 따라 변한다. 복수의 산화 공정에 의해, 상이한 산화막 두께를 갖는 장치가 형성될 수 있다.
단계 S1420(CVD)에서는, 절연막이 웨이퍼 표면에 형성된다. 단계 S1430(전극 형성)에서는, 전극이 증착(vapor deposition)에 의해 웨이퍼 위에 형성된다.
단계 S1440(이온 주입)에서는, 불순물 원자가 이온화되고, 이온은 수에서 수백 킬로볼트(kV)의 범위내에서 가속화되어 웨이퍼로 주입된다. 트랜지스터의 전압은 MOS 트랜지스터의 채널 도핑(channel dopping)에 이온 주입을 적용함으로써 조절될 수 있다.
단계 S1450[리지스트 처리(resist processing)]에서, 리지스트 용제는 웨이퍼에 인가된다.
단계 S1460(노광)에서는, 노광 장치가 마스크의 회로 패턴에 웨이퍼를 노광시키고, 웨이퍼 상에 회로 패턴을 기록한다. 단계 S1470(현상)에서는, 노광된 웨이퍼가 현상된다. 단계 S1480(에칭)에서는, 리지스트는 현상된 리지스트 화상을 제외하고 에칭된다. 단계 S1490(리지스트 제거)에서는, 에칭 후에, 불필요한 리지스트 물질이 제거된다. 상기 단계들은 웨이퍼 상에 여러 회로 패턴을 형성하도록 반복된다.
단일 기판상에 상이한 산화막 두께를 갖는 트랜지스터를 형성하는 전형적인 공정의 단계 순서는 도19a 내지 도19f에서 기판의 단면도를 참조하여 기술될 것이다. 소자 분리 절연막(6002)을 갖는 소자 분리 영역(LOCOS)과 제1 산화막(6003)을 갖는 소자 영역은 열적산화(thermal oxidation)에 의해 반도체 기판(6001) 상에 형성된다(도19a).
어닐링(annealing)은 전체 표면을 질화하기 위해 질소 가스 대기에서 수행된다(도19b).
포토리지스트(6004)를 사용하여 선택적으로 질화된 제1 산화막(6006)은, 예컨대 플루오르화수소산으로 제거된다(도19c). 그런 후, 제2 산화막(6005)은 열적 산화에 의해 형성된다. 이 때, 질화된 제1 산화막(6006)은 거의 산화되지 않고, 막의 두께는 증가하지 않는다(도19d).
게이트 전극(6010)은 다중 규소막(poly-Si film)으로 형성된다(도19e). 소스와 드레인으로 기능하는 확산층(6011)이 형성되고, 절연 중간층(6012)이 형성된다. 접촉 구멍은 배선 전극(6013)을 형성하도록 형성되고, 절연막(6014)은 최종 구조 상에 형성된다(도19f). 그 후, 기록헤드에 필요한 히터와 최상의 보호막으로서 기능하는 절연막이 단계를 완성하도록 형성된다.
게이트 전극 아래로 상이한 농도를 갖는 불순물을 확산시키는 소위 채널 도핑단계는 트랜지스터의 임계치 전압을 제어하기 위해 삽입될 수도 있다. 이 경우, 불순물은 제1 산화막의 형성 이후에 도19a 내지 도19f의 a 부분에서 전체 표면으로 확산될 수도 있다. 선택적으로는, 불순물은 제1 산화막 형성 이후에 도19a 내지 도19f의 a 부분에서 로직부 및 드라이버부 중 하나에 대해 마스크를 사용하여 확산될 수도 있다. 선택적으로는, 불순물은 개별 마스크(분리된 로직부 및 드라이버부를 위한)를 사용하여 확산될 수도 있다. 다음 단계에서 어닐링의 영향을 고려하면, 채널 도핑 단계는 게이트 전극의 형성 바로 전에 삽입될 수도 있다.
<산화막 두께에 의한 임계 전압의 조정>
MOS 트랜지스터의 특징으로, 작동 전압 임계치(Vth)는 다음과 같다.
..(1)
VFB : 평형 밴드 전압
φF : 채널 영역의 페르미 수준
TOX: 산화막 두께
εOX : 산화막의 유전율
q : 전자의 전하량
εSi : 규소의 유전율
NA : 채널 불순물 농도
등식(1)의 산화막 두께는 중요 매개변수로 설정되고, 도14의 단계 S1410의 공정은 산화막 두께(TOX)를 변화시키는 공정을 채택한다. 이 경우에, 단계 S1410과 동등한 특정 막두께를 형성하는 산화 단계는 여러 차례 적용될 수도 있다. 특정 산화 단계를 장치에 적용함으로써, 소정의 막두께는 각각의 장치에 대해 형성될 수 있다. 이는 히터를 구동하기 위한 드라이버를 구성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 작동 임계치와 드라이버를 구동하기 위한 로직 회로를 구성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 작동 임계치를 변경할 수 있게 한다.
식(1)의 관계로부터, 트랜지스터의 작동 전압 임계치는 큰 산화막 두께(TOX)에 대해 더 높아진다. 도2a의 도면부호(2010, 2020)는 상이한 산화막 두께를 갖는 로직 회로부 및 구동 회로부의 NMOS 트랜지스터를 개략적으로 도시하는 도면이다.
제1 실시예에서, 도2a의 도면부호(2020)로 도시된 바와 같이, 드라이버를 구성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터는 70 nm의 게이트 산화막 두께로 형성된다. 도2a의 도면부호(2010)로 도시된 바와 같이, 로직 회로를 구성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터는 35 nm의 게이트 산화막 두께로 형성된다.
드라이버측 상의 산화막 두께가 로직 회로측 상의 트랜지스터의 산화막 두께 보다 크다. 이러한 조건하에서 형성되는 장치의 임계치는 드라이버측 상에서 1.5 V만큼 더 크다. 히터 비트당 140 mA의 전류가 흐르고 최대 16 비트의 히터가 동시에 순간 구동될 때, 약 2.2 A는 절환되고 약 0.5 V의 노이즈는 기판 상에 발생된다. 그러나, 드라이버는 어떠한 고장도 없이 안정되게 작동할 수 있다.
로직 회로는 드라이버 회로보다 산화막 두께가 얇게 때문에, 임계치는 더 낮아진다. 소자의 구동 능력은 장치 본체로부터 공급된 3.3 V이하의 전압에서도 향상된다. 전원 전압이 5V에서 3.3V로 변화되어도, 기록 장치는 12 MHz 이상의 데이터 전송율을 유지하고 고속 기록 작업에 대처할 수 있다.
제1 실시예에 의하면, 드라이버부의 산화막 두께는 종래의 드라이버보다 크게 설정될 수 있다. 절연파괴 전압은 구동 능력에 부가하여 또한 증가될 수 있다. 결론적으로, 전류는 감소될 수 있고, 임의의 손실 및 노이즈는 감소될 수 있다.
<제2 실시예: 채널 불순물 농도>
제2 실시예에 의한 기록헤드용 기판의 배열은 제1 실시예의 도1a의 배열과 동일하며, 이에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다.
히터 소자의 고장을 방지하고 비정상적인 전류가 흐르는 것을 방지하기 위해서, 제2 실시예는 도14의 단계 S1440의 공정의 중요 매개변수로서 등식(1)의 채널 불순물 농도(NA)를 사용하여 트랜지스터의 작동 전압 임계치를 제어한다. 보다 구체적으로는, 히터를 구동하기 위한 드라이버를 구성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 작동 임계치 및 드라이버를 구동시키기 위한 로직 회로를 구성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 작동 임계치는 다음과 같이 변화한다. 채널 불순물 농도(NA)는 잉크젯 기록 장치의 기록 성능을 유지하기 위해 2개의 트랜지스터의 채널 불순물 농도를 제어하도록 변경된다.
등식(1)의 관계로부터, 임계치(Vth)는 높은 채널 불순물 농도(NA)에 대해 높다.
도2b의 도면부호(2030, 2040)는 상이한 채널 농도를 갖는 로직 회로부 및 드라이버 회로부의 NMOS 트랜지스터를 개략적으로 도시하는 도면이다. 드라이버 및 로직 회로의 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트를 형성하는데 있어서, B 이온 주입량은 채널 불순물 농도(NA)를 드라이버의 트랜지스터에 대해서 높고(강하고) 로직 회로의 트랜지스터에 대해서 낮게(약하게) 설정하도록 제어된다.
이 경우에 있어서, 드라이버측상의 채널 불순물 농도는 로직 회로측의 농도보다 높다. 드라이버측의 임계치는 로직 회로측보다 1.5 V 만큼 높다. 히터 비트당 140 mA의 전류가 흐르면, 최대 16비트의 히터는 동시에 순간 구동되고, 약 2.2 A는 절환되고 약 0.5 V의 노이즈는 기판 상에서 발생된다. 그러나, 드라이버는 어떠한 고장도 없이 안정되게 작동할 수 있다.
로직 회로는 채널 불순물 농도에서 드라이버 회로보다 낮기 때문에, 임계치는 낮아진다. 구동 능력은 장치 본체로부터 공급된 3.3 V 이하의 전압에서도 향상될 수 있다. 전원 전압이 5 V에서 3.3 V로 변경되어도, 기록 장치는 12 MHz 이상의 데이터 전송율을 유지할 수 있고 고속 기록 작업에 대처할 수 있다.
제2 실시예는 종래의 제조 공정에서 로직 회로의 채널 농도를 제어하는 것만으로도 달성될 수 있다. 기록헤드용 기판은 제1 실시예보다 용이하게 제조될 수 있다.
<제3 실시예: 산화막 두께 + 채널 불순물 농도>
히터 소자의 고장을 방지하고 비정상적인 전류가 흐르는 것을 방지하기 위해서, 제3 실시예는 도14의 단계 S1401 및 S1440의 주요 매개변수로 등식(1)의 산화막 두께(TOX)와 채널 불순물 농도(NA)의 제어를 사용하여 트랜지스터의 작동 전압 임계치를 제어한다. 보다 구체적으로는, 히터를 구동하기 위한 드라이버를 구성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 작동 임계치와 드라이버를 구동시키기 위한 로직 회로를 구성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 작동 임계치는 다음과 같이 변경된다. 산화막 두께와 채널 불순물 농도(NA)는 잉크젯 기록 장치의 양호한 기록 성능을 유지하기 위해 2개의 트랜지스터의 임계 전압을 제어하도록 중첩 방식(superposition manner)으로 변경된다.
제3 실시예에 의한 잉크젯 기록헤드용 기판을 도시하는 도1b에 있어서, 512 비트 히터를 구비한 히터 어레이(201B), 각각의 히터를 구동시키기 위한 드라이버를 갖는 드라이버 어레이(202B), 및 드라이버를 구동시키기 위한 로직 회로(203B)는 단일 기판(200B) 상에 형성된다. 기판을 그 외부에 전기 접속하기 위한 패드(204B)는 기판(200B) 상에 형성된다. 잉크 공급 포트(205B)는 기판의 중앙에 형성된다.
도2c의 도면부호(2050, 2060)는 상이한 산화막 두께와 상이한 채널 불순물 농도를 갖는 로직 회로부 및 드라이버 회로부의 NMOS 트랜지스터를 개략적으로 도시하는 도면이다.
제3 실시예에 있어서, 도2c의 도면부호 2060에 도시된 바와 같이, 드라이버를 구성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터는 70 nm의 게이트 산화막 두께와 높은(강한) 채널 불순물 농도로 형성된다.
등식(1)에 있어서, NMOS 트랜지스터의 작동 전압 임계치는 큰 산화막 두께(TOX)에 대해 높다. 임계치(Vth)는 채널 불순물 농도(NA)가 증가함에 따라 증가한다.
산화막 두께와 채널 불순물 농도는 제어될 매개변수로 선택 및 변경된다. 2개 매개변수의 중첩 효과는 각각의 장치의 임계치를 변경시킬 수 있다.
이에 따라, 드라이버가 하나의 매개변수에 의해 조정된 임계치 보다 높은 임계치를 갖는 소자가 형성될 수 있다. 히터 비트당 140 mA의 전류가 흐르고 최대 32 비트의 히터는 동시에 순간 구동될 때, 약 4.4 A는 절환되고 약 1.0 V의 노이즈는 기판 상에서 발생된다. 그러나, 드라이버는 어떠한 고장도 없이 안정하게 작동할 수 있다.
로직 회로를 구성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터는 10 nm의 게이트 산화막 두께와 낮은 채널 불순물 농도로 형성된다. 이 경우에 있어서, 하나의 매개변수에 의해 조정된 임계치보다 낮은 임계치를 갖는 소자는 형성될 수 있다. 소자의 구동 능력은 장치 본체로부터 공급된 2V 이하의 전원 전압에서도 향상될 수 있다. 기록 장치는 20 MHz 내지 30 MHz의 데이터 전송율을 유지하고 고속 기록 작업에 대처할 수 있다.
제3 실시예는 게이트 산화막 두께와 채널 불순물 농도를 개별적으로 설정할 수 있고, 이들의 최적 조합에 의한 임계치를 설정할 수 있다. 이 실시예는 많은 전류가 안정되게 절환되면서 고속 기록 작업에 대처할 수 있는 기판을 제공할 수 있다.
채널 불순물 농도를 설정하는데 있어서, 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 불순물 농도는 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 농도보다 크게 설정된다. 선택적으로는, 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 불순물 농도는 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 농도보다 작게 설정된다. 이 설정은 제3 실시예에서도 구비된다.
전술된 실시예에 있어서, 기록헤드로부터 토출된 액적은 잉크이고, 잉크 탱크에 저장된 액체는 잉크이다. 잉크 탱크의 내용물은 잉크에 제한되지 않는다. 예컨대, 잉크 탱크는 고정 특성, 내수성, 또는 기록 화상의 질을 증가시키기 위해서 기록 매체 상에 토출될 처리 용액(processing solution)을 내장할 수도 있다.
전술된 실시예는 잉크를 토출하기 위한 에너지 발생 소자와 같은 열 발생 소자 또는 압전 소자와 같은 소자를 채용할 수 있다. 잉크제트 기록 시스템에서 실시예는 잉크를 토출시키는데 이용되는 에너지로서 열 에너지를 발생하기 위한 수단(예컨대, 전열 변환기)을 포함하여 열 에너지에 의해 잉크의 상태 변화를 유발하는 시스템을 채용할 수 있다.
대표 장치 또는 원리로서, 본 발명은 예컨대 미국 특허 제4723129호 또는 제4740796호에 개시된 기본 원리를 사용하는 것이 바람직하다. 이 시스템은 소위 온디멘드(on-demand) 장치 및 연속장치 모두에 적용가능하다. 시스템은 다음 이유로 인해 온디맨드 장치에 특히 효과적이다. 기록 정보에 대응하고 핵비등(nuclear boiling)을 초과하는 신속한 온도 상승을 제공하는 적어도 하나의 구동 신호는 시트 또는 액체(잉크)를 보유한 액체 채널에 대응하는 전열 변환기에 인가된다. 이 신호는 전열 변환기가 열 에너지를 발생하게 하고 기록헤드의 열 작용면 상의 막비등(film boiling)을 유발시킨다. 결론적으로, 버블(bubble)은 구동 신호와 일대일로 대응하여 액체(잉크)에 형성될 수 있다.
이 버블의 성장/수축은 적어도 하나의 액적을 형성하도록 오리피스로부터 액체(잉크)를 토출시킨다. 이 구동 신호는 버블의 성장 및 수축이 순간적으로 적절하게 수행되기 때문에 펄스 신호인 것이 더욱 바람직하다. 고 응답성을 갖는 액체(잉크)의 토출이 달성된다.
전술된 실시예는 잉크를 토출하기 위한 에너지 발생 소자로서 압전 소자 또는 열 발생 소자와 같은 소자를 채용할 수 있다. 잉크젯 기록 시스템에서, 실시예는 잉크를 토출하는 데 사용되는 에너지로서 열에너지를 발생하기 위한 수단(예컨대 전열 변환기)을 가지고 열 에너지에 의해 잉크 상태를 변경하는 시스템을 채용할 수 있다. 이 잉크젯 기록 시스템은 고밀도 및 고정밀 기록 작업을 구현할 수 있다.
기록헤드의 장치는 전술된 명세서에 개시된 오리피스, 액체 채널, 및 전열 변환기의 조합(선형 액체 채널 또는 직각 액체 채널)일 수 있다. 본 발명은 열 작용면이 굴곡 영역에 배치된 미국 특허 제4558333호 및 제4459600호에 개시된 장치를 또한 구비한다. 본 발명은 공통 슬롯이 복수의 전열 변환기의 토출부로 사용되는 일본특허공개공보 제59-123670호 또는 열 에너지의 압력파를 흡수하기 위한 개구가 토출부에 대향된 일본특허공개공보 제59-138461호에 의거한 장치를 또한 사용한다.
기록 장치에 의해 기록가능한 최대 기록 매체의 폭에 대응되는 길이를 갖는 풀라인형(full-line type) 기록헤드는 전술된 명세서에 개시된 바와 같이 복수의 기록헤드를 조합함으로써 이 길이에 상응하는 구조를 가질 수 있고, 단일의 일체형 기록헤드일 수 있다.
잉크 탱크가 기록헤드 자체와 일체로 형성되는 상기 실시예에 설명된 카트리지형 기록헤드뿐만 아니라 장치 본체에 부착되었을 때 장치 본체에 전기 접속될 수 있고 장치 본체로부터 잉크가 공급될 수 있는 호환식 칩형 기록헤드를 사용하는 것이 가능하다.
기록헤드용 회수 수단 또는 예비 수단을 전술된 기록 장치의 배열에 부가하는 것은 기록 작업을 더 안정화시키기 때문에 더욱 바람직하다. 기록헤드용 부가 수단의 실예로는 캡핑 수단, 세척 수단, 가압 및 견인 수단, 및 전열 변환기 또는 다른 가열 소자, 또는 이들을 조합한 예비 가열 수단이 있다. 기록 작업과 별개의 토출을 수행하기 위한 사전토출 모드는 안정된 기록 작업을 수행하는 데에 또한 효과적이다.
기록 장치의 기록 모드는 흑색과 같은 주요 색상만을 사용하는 기록 모드에 제한되지 않는다. 장치는 기록헤드가 일체형 헤드 또는 복수의 헤드의 조합인지에 상관없이 적어도 다색을 사용하는 혼합 색상 모드와 혼합된 색상을 사용하는 전색(full color) 모드를 가진다.
전술된 실시예는 잉크가 액체인 것으로 가정하고 설명된다. 그러나, 실온이하에서 응고되지만 실온에서는 연화 또는 액화되는 잉크를 사용하는 것은 가능하다. 잉크젯 시스템에 있어서, 일반적인 해결책은 30 ℃이상 70 ℃이하의 범위 내로 잉크 자체의 온도를 조정하여 잉크의 점도가 안정된 토출 범위 내에 있도록 온도를 제어하는 것이다. 따라서, 사용된 기록 신호가 인가될 때에만 잉크가 액체일 것이 요구된다.
잉크의 고체상에서 액체상으로의 상변화의 에너지로서 이 온도 상승을 실제로 사용하여 열 에너지에 의해 유발되는 온도 상승을 실제로 방지하기 위해서, 또는 잉크의 증발을 방지하기 위해서, 방치한 경우에 고화되고 가열된 경우에 액화되는 잉크가 사용될 수 있다. 본 발명은 기록 신호에 대응하는 열 에너지로 인가된 경우에 액화되어 액체 잉크로 토출되는 잉크, 또는 기록 매체에 도달할 때 이미 고화되기 시작하는 잉크와 같이 열 에너지가 인가된 경우에만 액화되는 임의의 잉크에 적용가능하다.
일본 특허 공개 공보 제54-56847호 또는 제60-71260호에 기술된 바와 같이, 이 잉크 형태는 다공성 시트의 리세스 또는 관통 구멍에 액체 또는 고체로 보유되어서 이 상태에서 전열 변환기에 대면될 수 있다. 본 발명에 있어서, 전술된 막비등 구성을 수행하는 것은 전술된 잉크 각각에 대해 가장 효과적이다.
또한, 본 발명에 의한 기록 장치는 컴퓨터와 같은 정보 처리 장치용의 일체형 또는 개별형 화상 출력 터미널, 판독기 등과 조합된 복사 장치, 및 송수신 기능을 갖는 팩시밀리 장치와 같은 임의의 형태를 취할 수 있다.
전술된 바와 같이, 드라이버측 상의 트랜지스터의 임계치는 본 발명에 의한 잉크젯 기록 장치, 잉크젯 기록헤드용 기판, 및 잉크젯 기록헤드의 로직 회로측 상의 트랜지스터의 임계치보다 높다. 기록 장치 본체에서 공급된 전압이 3.3V 이하인 경우에도, 안정된 작동은 이 전압 조건하에서도 드라이버의 임의의 고장없이 구현될 수 있다.
소자의 구동 능력은 향상될 수 있다. 전원 전압이 5V에서 3.3V로 변경되어도, 기록 장치는 높은 데이터 전송율을 유지하여 고속 기록 작업에 대처할 수 있다.
본 발명의 매우 다양한 실시예가 본 발명의 범위 및 기술사상을 벗어나지 않고서도 가능하기 때문에, 본 발명은 특허청구범위에서 한정된 것을 제외한 특정 실시예에 제한되지 않는다는 것을 알 것이다.

Claims (21)

  1. 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자와, 상기 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버와, 상기 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 상기 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 갖는 잉크젯 기록헤드용 기판이며,
    상기 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 전압 임계치는 상기 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 전압 임계치보다 낮은 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록헤드용 기판.
  2. 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자와, 상기 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버와, 상기 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 상기 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 갖는 잉크젯 기록헤드용 기판이며,
    상기 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께는 상기 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록헤드용 기판.
  3. 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자와, 상기 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버와, 상기 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 상기 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 갖는 잉크젯 기록헤드용 기판이며,
    상기 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 농도는 상기 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 농도와 상이한 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록헤드용 기판.
  4. 제3항에 있어서, 상기 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 불순물 농도는 상기 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 불순물 농도보다 높은 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록헤드용 기판.
  5. 제3항에 있어서, 상기 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께는 상기 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록헤드용 기판.
  6. 제1항에 있어서, 상기 로직 회로는 3.3V 이하에서 작동하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록헤드용 기판.
  7. 제1항에 있어서, 상기 에너지 발생 소자는 잉크를 토출하는 데에 필요한 열 에너지를 발생하기 위한 전열 변환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록헤드용 기판.
  8. 잉크를 토출하기 위한 잉크 오리피스와, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자와, 상기 에너지 발생 소자를 내포하고 상기 잉크 오리피스와 연통하는 잉크 채널과, 상기 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버와, 상기 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 상기 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 갖고 상기 발생 소자, 드라이버 및 로직 회로는 단일 기판 상에 형성되는 잉크젯 기록헤드이며,
    상기 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 전압 임계치는 상기 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 전압 임계치보다 낮은 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록헤드.
  9. 잉크를 토출하기 위한 잉크 오리피스와, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자와, 상기 에너지 발생 소자를 내포하고 상기 잉크 오리피스와 연통하는 잉크 채널과, 상기 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버와, 상기 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 상기 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 갖고 상기 발생 소자, 드라이버 및 로직 회로는 단일 기판 상에 형성되는 잉크젯 기록헤드이며,
    상기 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께는 상기 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록헤드.
  10. 잉크를 토출하기 위한 잉크 오리피스와, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자와, 상기 에너지 발생 소자를 내포하고 상기 잉크 오리피스와 연통하는 잉크 채널과, 상기 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버와, 상기 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 상기 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 갖고 상기 발생 소자, 드라이버 및 로직 회로는 단일 기판 상에 형성되는 잉크젯 기록헤드이며,
    상기 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 농도는 상기 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 농도와 상이한 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록헤드.
  11. 제10항에 있어서, 상기 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 불순물 농도는 상기 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 불순물 농도보다 높은 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록헤드.
  12. 제10항에 있어서, 상기 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께는 상기 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록헤드.
  13. 제8항에 있어서, 상기 로직 회로는 3.3V 이하에서 작동하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록헤드.
  14. 제8항에 있어서, 상기 에너지 발생 소자는 잉크를 토출하는 데에 필요한 열 에너지를 발생하기 위한 전열 변환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록헤드.
  15. 잉크를 토출하기 위한 잉크 오리피스와, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자와, 상기 에너지 발생 소자를 내포하고 상기 잉크 오리피스와 연통하는 잉크 채널과, 상기 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버와, 상기 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 상기 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 가지고 상기 발생 소자, 상기 드라이버 및 로직 회로는 단일 기판 상에 형성되는 잉크젯 기록헤드와,
    상기 잉크젯 기록헤드로부터 토출된 잉크를 수용하는 기록 매체를 이송하기 위한 이송 수단을 포함하는 잉크젯 기록 장치이며,
    상기 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 전압 임계치는 상기 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 전압 임계치보다 낮은 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록 장치.
  16. 잉크를 토출하기 위한 잉크 오리피스와, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자와, 상기 에너지 발생 소자를 내포하고 상기 잉크 오리피스와 연통하는 잉크 채널과, 상기 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버와, 상기 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 상기 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 가지고 상기 발생 소자, 상기 드라이버 및 로직 회로는 단일 기판 상에 형성되는 잉크젯 기록헤드와,
    상기 잉크젯 기록헤드로부터 토출된 잉크를 수용하는 기록 매체를 이송하기 위한 이송 수단을 포함하는 잉크젯 기록 장치이며,
    상기 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께는 상기 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록 장치.
  17. 잉크를 토출하기 위한 잉크 오리피스와, 잉크를 토출하는 데에 사용되는 에너지를 발생하기 위한 복수의 에너지 발생 소자와, 상기 에너지 발생 소자를 내포하고 상기 잉크 오리피스와 연통하는 잉크 채널과, 상기 에너지 발생 소자를 구동하기 위한 드라이버와, 상기 드라이버를 제어하기 위한 로직 회로를 구비하고 상기 로직 회로와 드라이버가 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터를 가지고 상기 발생 소자, 상기 드라이버 및 로직 회로는 단일 기판 상에 형성되는 잉크젯 기록헤드와,
    상기 잉크젯 기록헤드로부터 토출된 잉크를 수용하는 기록 매체를 이송하기 위한 이송 수단을 포함하는 잉크젯 기록 장치이며,
    상기 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 농도는 상기 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 농도와 상이한 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 불순물 농도는 상기 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 채널부에서의 불순물 농도보다 높은 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 드라이버를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께는 상기 로직 회로를 형성하는 인핸스먼트 NMOS 트랜지스터의 게이트 산화막 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록 장치.
  20. 제15항에 있어서, 상기 로직 회로는 3.3V 이하에서 작동하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록 장치.
  21. 제15항에 있어서, 상기 에너지 발생 소자는 잉크를 토출하는 데에 필요한 열 에너지를 발생하기 위한 전열 변환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 기록 장치.
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