KR20040033001A - 잉크젯 콜리메이터 - Google Patents

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KR20040033001A
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Abstract

프린트헤드(printhead)는, 각각의 잉크 노즐(nozzle, 22)에 결합되어, 손상된 노즐(22)로부터 방향이 잘못되어 분사되는 잉크 방울(150)을 보유하는 콜리메이터(collimator, 84)를 구비한다. 상기 콜리메이터(84)는, 외부 또는 노즐 어레이(array)를 덮는 노즐 가드(guard, 80)에 형성된다. 각각의 콜리메이터(84)는, 세로 방향의 수치가 통로의 보어(bore)를 훨씬 초과하는 긴 통로의 형태를 갖는 구멍(aperture)이다.

Description

잉크젯 콜리메이터{INK JET COLLIMATOR}
잉크젯 프린터는 잘 알려지고 널리 사용되는 프린팅 형식이다. 잉크(ink)는, 디지털방식으로 제어되는 프린트헤드(printhead)상의 노즐 어레이(an array of nozzles)로 공급된다. 프린트헤드가 매체상을 지나갈 때, 상기 노즐 어레이로부터 잉크가 분사되어 상기 매체 기판상에 프린팅을 형성한다.
프린터 작업은, 비용, 프린트 품질, 작동속도 및 사용의 용이함과 같은 인자(factors)에 의존한다. 노즐로부터 분사되는 각 잉크 방울의 질량, 빈도 및 속도가 이러한 작업 인자에 영향을 미칠 것이다.
최근, 노즐 어레이는 마이크로 일렉트로 메카니컬 시스템(micro electro mechanical systems, MEMS) 기술을 이용하여 형성되어 왔으며, 이는 마이크론 이하(sub-micron)의 두께를 갖춘 기계적 구조를 가지고 있다. 이러한 구조는, 피코리터(×10-12리터) 범위 크기의 잉크방울을 신속하게 분사할 수 있는 프린트헤드의제조를 가능하게 한다.
이러한 프린트헤드의 미세(microscopic)구조는 높은 속도로 상대적으로 저가의 좋은 프린트 품질을 얻을 수 있는 반면, 그 크기로 인하여 노즐이 극도로 취약하고 상처를 입기 쉬워, 손가락, 먼지 또는 매체 기판과 약간만 접촉하여도 손상될 수 있다. 이로 인하여, 상기 프린트헤드는 어느 정도의 강도(robustness)가 요구되는 많은 응용분야에 대해서는 비실용적이 될 수 있다. 더욱이, 손상된 노즐은 공급되는 잉크를 분사하지 못할 수도 있다. 잉크가 노즐의 외부에 구슬(bead) 모양으로 부착됨에 따라, 주위 노즐로부터의 잉크의 분사가 영향을 받거나 손상된 노즐로부터 잉크가 기판(substrate)상으로 누출될 수 있다. 양쪽 상황 모두 프린트 품질에 악영향을 미친다.
다른 경우에는, 손상된 노즐이 잉크 방울을 단순하게 잘못된 방향으로 분사할 수 있다. 명백하게, 이것은 또한 프린트 품질을 손상시킨다.
본 발명은 디지털 프린터(digital printer)의 제조에 관한 것으로, 특히 잉크젯 프린터(ink jet printer)에 관한 것이다.
도 1은, 잉크젯 프린트헤드용 노즐 어셈블리의 3차원 개략도,
도 2 내지 도 4는, 도 1의 노즐 어셈블리의 개략적인 3차원 작동 일례도,
도 5는, 노즐 가드 또는 격리벽을 구비하는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드를 구성하는 노즐 어레이의 3차원도,
도 5a는, 노즐 가드와 격리벽을 구비한 프린트헤드의 3차원 단면도,
도 5b는, 각 노즐을 격리시키는 격리벽을 가로지르도록 잘리워진 노즐의 평면단면도,
도 6은, 도 5의 어레이의 부분 확대도,
도 7은, 격리벽이 없는 노즐 가드를 포함하는 잉크젯 프린트헤드의 3차원도,
도 8a 내지 도 8r은, 잉크젯 프린트헤드의 노즐 어셈블리의 제조단계에 대한 3차원도,
도 9a 내지 도 9r은, 제조단계에 대한 측단면도,
도 10a 내지 도 10k는, 상기 제조공정의 여러 단계에서 사용되는 마스크의 레이아웃(layout)을 도시한 도면,
도 11a 내지 도 11c는, 도 8 및 도 9의 방법에 따라 제조된 노즐 어셈블리의 작동에 대한 3차원도,
도 12a 내지 도 12c는, 도 8 및 도 9의 방법에 따라 제조된 노즐 어셈블리의 작동에 대한 측단면도.
따라서, 본 발명은, 잉크젯 프린터(ink jet printer)용 프린트헤드(printhead)에 있어서,
프린트되는 매체(media)위로 잉크를 분사하기 위한 노즐 어셈블리 어레이(an array of nozzle assemblies)와;
상기 노즐 어레이를 덮는 노즐 가드(nozzle guard)로서, 상기 노즐 어셈블리의 각각에 개별적으로 대응하는 구멍의 배열을 구비하는 노즐 가드;를 포함하고,상기 가드의 상기 구멍의 각각은, 상기 노즐 어셈블리로부터 분사된 방향이 잘못된 잉크가 상기 매체에 도달하는 것이 방지되도록, 크기설정되고 배열되는 것을 특징으로 하는 프린트헤드를 제공한다.
본 명세서에서 "노즐 어셈블리"라는 말은, 특히, 개구를 형성하는 부재의 어셈블리로서 이해되어야 한다. 이것은 개구 자체를 언급하는 것으로 해석되어서는 안된다.
바람직하게는, 상기 가드의 구멍은, 상기 노즐의 각각에 콜리메이터(collimator)를 제공하기 위하여, 세로의 치수가 보어(bore) 크기를 상당히 초과하는 통로이다.
본 발명의 목적에 비추어, 상기 구멍의 단면은 어떠한 편리한 형태일 수 있으며, 상기 구멍의 보어 크기에 관한 언급은 원형 단면으로 제한하는 것을 함축하는 것은 아니다.
더욱 바람직한 형태에서는, 상기 프린트헤드는, 상기 노즐 어셈블리의 오작동(operational fault)을 검출하고, 그들에게로의 잉크의 공급을 중단시키도록 구성된다. 이 형태에서는, 상기 프린트헤드는, 손상된 노즐 어셈블리를 보상하기 위하여, 상기 어레이 안의 다른 노즐 어셈블리의 작동을 조절하는 내오류기능(fault tolerance facility)을 더 포함할 수 있다.
이들 실시예에서는, 최소한 하나의 노즐 어셈블리로부터 누출되거나 방향이 잘못된 잉크를, 나머지 노즐 어셈블리로부터 격리시키기 위한 격리 구조(containment formation)를 제공하는 것이 바람직하다. 특히 바람직한 형태에서는, 어레이의 각각의 노즐 어셈블리는, 각각의 개별적인 노즐 어셈블리에서 누출되거나 방향이 잘못된 잉크를 나머지의 노즐 어셈블리로부터 격리시키기 위한, 각각의 격리 구조를 구비한다.
한 형태에서는, 각각의 노즐 어셈블리는, 방울을 분사하기 위한 열적 벤드 액츄에이터(thermal bend actuator)와, 상기 액츄에이터를 굽히는 데에 필요한 에너지를 감지하고, 이것을, 작동 오류를 검출하기 위하여, 노즐 어셈블리를 바르게 작동시키는 데에 사용되는 에너지와 비교하는 콘트롤 유니트(control unit)를 사용한다. 바람직한 실시예에서는, 상기 노즐은, 컨트롤 유니트가 요구되는 에너지를 회로가 계산할 때까지 액츄에이터가 움직이는 데에 걸리는 시간과 소비되는 동력을 측정할 수 있도록, 벤드 액츄에이터가 작동중의 이동의 한계에 있을 때에, 회로가 닫히도록 위치된 접촉면을 구비한다. 만일, 상기 콘트롤이 상기 노즐의 작동 오류를 감지하면, 이것은 상기 내오류기능을 촉발시키고, 상기 노즐 어셈블리로의 잉크의 더 이상의 공급을 중지시킨다.
상기 격리 구조는 필연적으로 상기 프린트헤드의 표면 영역의 일부를 차지하며, 이것은 노즐 충진 밀도(nozzle packing density)에 악영향을 미친다. 요구되는 여분의 프린트헤드 칩(chip) 영역은 칩의 제조 비용을 20% 증가시킬 수 있다. 그러나, 노즐 제조가 신뢰할 수 없는 경우에는, 이는 결함율을 효과적으로 낮출 것이다.
특히 바람직한 형태에서는, 상기 노즐 가드는, 상기 노즐과의 해로운 접촉을 억제하기 위하여 구성된다. 더욱이, 상기 노즐 가드가 실리콘으로부터 형성된다면유익하다.
상기 노즐 가드는, 상기 노즐 어레이에 외부 입자가 축적되는 것을 억제하기 위하여, 통로를 통하여 유체를 안내하기 위한 유체 흡입 개구(fluid inlet opening)를 더 포함할 수 있다.
상기 노즐 가드는, 프린트헤드상에 노즐 쉴드(nozzle shield)를 지지하기 위한 지지수단을 포함할 수 있다. 상기 지지수단은, 일체적으로 형성되며, 상기 가드의 각각의 단부에 배열되는 한 쌍의 이격된 지지부재를 포함할 수 있다.
이러한 실시예에서는, 상기 유체 흡입 개구는 상기 지지부재 중의 하나에 배열될 수 있다.
공기가 상기 개구를 통하여 안내되고 상기 노즐 어레이를 지나 상기 통로를 통하여 나갈 때에, 상기 노즐 어레이상의 외부 입자의 축적은 억제된다.
상기 유체 흡입 개구는, 상기 노즐 어레이의 본드 패드(bond pad)로부터 이격되어 상기 지지부재 중의 하나에 배열될 수 있다.
본 발명은, 손상된 노즐 어셈블리로부터 분사되는 방향이 잘못된 잉크를 보유함으로써, 프린트 품질을 유지한다. 가드를 지나는 긴 통로들는 그들의 측벽에 잉크를 모을 수 있는 콜리메이터로서 작용한다. 더욱이, 상기 가드는, 대부분의 다른 표면에 닿거나 충돌되는 것으로부터, 섬세한 노즐 구조를 보호한다. 실리콘으로부터 쉴드를 형성함으로써, 이것의 열팽창 계수는 노즐 어레이의 그것과 실질적으로 조화된다. 이는 상기 가드의 통로의 배열이 상기 노즐 어레이와 불일치하는 것을 방지한다. 또한, 실리콘을 사용함으로써, 상기 쉴드는 MEMS 기술을 사용하여 정확하게 미세가공(micro-machined)된다. 더욱이, 실리콘은 아주 강하고, 실질적으로 변형가능하지 않다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 통해 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 노즐 어셈블리(nozzle assembly)는 일반적으로 참조부호 10으로 명기되어 있다. 잉크젯 프린트헤드(ink jet printhead)는 실리콘 기판(16) 위의 어레이(array, 14)(도 5 및 도 6) 내에 배치된 복수개의 노즐 어셈블리(10)를 구비한다. 상기 어레이(14)는 아래에 더 상세히 기재될 것이다.
상기 어셈블리(10)는, 유전체층(dielectric layer, 18)이 증착된 실리콘 기판(16)을 포함한다. CMOS 부동태층(passivation layer, 20)은, 상기 유전체층(18) 위에 증착된다.
각 노즐 어셈블리(10)는, 노즐 개구(nozzle opening, 24)를 형성하는 노즐(22), 레버 아암(lever arm, 26)의 형태인 연결부재(connecting member) 및 액츄에이터(actuator, 28)를 포함하고 있다. 상기 레버 아암(26)은, 상기 액츄에이터(28)와 상기 노즐(22)을 연결한다.
도 2 내지 도 4에 보다 상세하게 도시된 바와 같이, 상기 노즐(22)은, 그 크라운부(crown portion, 30) 및 상기 크라운부에 연결된 스커트부(skirt portion, 32)를 포함한다. 상기 스커트부(32)는, 노즐 챔버(nozzle chamber, 34)의주벽(peripheral wall)의 일부를 형성한다. 상기 노즐 개구(24)는 상기 노즐 챔버(34)와 유체가 흐르도록 연결된다. 주목할 것은, 상기 노즐 개구(24)가 상기 노즐 챔버(34) 내에서 잉크체(body of ink, 40)의 메니스커스(meniscus, 38)를 "구속하는" 돌출된 림(raised rim, 36)에 의해 둘러싸여 있다는 것이다.
잉크 흡입 구멍(ink inlet aperture, 42, 도 6에 가장 명확하게 도시됨)은, 상기 노즐 챔버(34)의 바닥(floor, 46) 내에 형성된다. 상기 흡입 구멍(42)은, 기판(16)를 통과하여 형성되는 잉크 흡입 채널(ink inlet channel, 48)과 유체가 흐르도록 연결된다.
벽부(wall portion, 50)는, 상기 흡입 구멍(42)과 경계를 이루고, 상기 바닥부(floor portion, 46)로부터 위쪽으로 연장된다. 상기 노즐(22)의 스커트부(32)는, 전술한 바와 같이, 상기 노즐 챔버(34)의 주벽의 제1 부분을 형성하고, 상기 벽부(50)는 상기 노즐 챔버(34)의 주벽의 제2 부분을 형성한다.
상기 벽부(50)는, 이하에서 보다 상세히 기재하는 바와 같이, 상기 노즐(22)이 이동될 때, 잉크가 새는 것을 방지하는 유체 씰(fluidic seal)로서 작용하는 립(lip, 52)이 그 자유단(free end)에서 안쪽을 향해 있다. 잉크(40)의 점성 및 상기 립(52)과 상기 스커트부(32) 사이의 적은 치수의 공간때문에, 안쪽으로 향해 있는 립(52)과 표면장력은, 상기 노즐 챔버(34)로부터 잉크가 새는 것을 방지하기 위한 효과적인 씰로서 작용한다.
상기 액츄에이터(28)는, 열적 벤드 액츄에이터(thermal bend actuator)이며, 상기 기판(16), 자세히는 상기 CMOS 부동태층(20)으로부터 위쪽으로 연장되는앵커(anchor, 54)에 연결된다. 상기 앵커(54)는, 상기 액츄에이터(28)와 전기적인 접속을 형성하는 도체패드(conductive pad, 56) 위에 장착된다.
상기 액츄에이터(28)는, 제2 수동빔(passive beam, 60) 위에 배열된 제1 능동빔(active beam, 58)을 포함한다. 바람직한 실시예로는, 빔(58, 60)이 모두 질화티타늄(TiN)과 같은 전도성 세라믹 재료로 되거나 전도성 세라믹 재료를 포함하는 것이다.
두 빔(58, 60)은 상기 앵커(54)에 고정되는 제1 끝단과 상기 아암(26)과 연결되는 대향하는 끝단을 갖는다. 상기 능동빔(58)을 통해 전류가 흐를 때 상기 능동빔(58)의 열팽창이 초래된다. 전류가 흐르지 않는 수동빔(60)은 동일한 속도로 팽창되지 않으므로, 벤딩 모멘트(bending moment)가 상기 아암(26)에 생겨, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 노즐(22)이 상기 기판(16) 쪽으로 아래로 변위하게 된다. 이로 인해, 도 3에서 62로 도시된 바와 같이, 노즐 개구(24)를 통해 잉크의 분사를 일으킨다. 열원이 상기 능동빔(58)으로부터 제거될 때, 즉 전류 흐름이 차단됨으로써, 상기 노즐(22)이 도 4에 도시된 바와 같은 정지 위치로 돌아간다. 상기 노즐(22)이 정지 위치로 돌아갈 때, 잉크 방울(64)은, 도 4에서 66으로 도시된 바와 같이, 잉크 방울의 네크(neck)가 파단된 결과로서 형성된다. 그 다음, 상기 잉크 방울(64)은, 종이와 같은 인쇄 매체(print media) 위로 이동한다. 상기 잉크 방울(64)이 형성된 결과로서, 도 4에서 68로 도시된 바와 같이, "음"의 메니스커스(meniscus)가 형성된다. 이러한 "음"의 메니스커스(68)는, 상기 노즐 챔버(34) 내로 상기 잉크(40)의 유입을 초래함으로써, 상기 노즐 어셈블리(10)로부터의 다음 잉크 방울 분사에 대비하여 새로운 메니스커스(38, 도 2)가 형성되도록 한다.
도 5 및 도 6을 참조하여, 상기 노즐 어레이(14)를 보다 자세히 설명한다. 상기 어레이(14)는 4색 프린트헤드용이다. 따라서, 상기 어레이(14)는 노즐 어셈블리의 4그룹(70)을 포함하며, 각 색깔당 하나의 그룹이다. 각 그룹(70)은 2열(row, 72, 74)로 배열된 노즐 어셈블리(10)를 갖는다. 하나의 그룹(70)이 도 6에 보다 자세히 도시되어 있다.
상기 열(72, 74)에 있는 노즐 어셈블리(10)의 밀집된 배치를 용이하게 하기 위해서, 상기 열 74에 있는 노즐 어셈블리(10)는 상기 열 72에 있는 노즐 어셈블리(10)에 대하여 경사지거나 또는 엇갈리게 놓여 있다. 또한, 상기 열 74에 있는 노즐 어셈블리(10)의 레버 아암(26)이, 상기 열 72에 있는 어셈블리(10)의 인접한 노즐(22) 사이를 지날 수 있도록, 상기 열 72에 있는 노즐 어셈블리(10)는 서로 충분한 공간을 두고 떨어져 있다. 각 노즐 어셈블리(10)는, 상기 열 72에 있는 노즐(22)이 상기 노즐(22)과 상기 열 74에 있는 인접한 노즐 어셈블리(10)의 액츄에이터(28) 사이 끼워지도록, 실질적으로 아령(dumbbell) 형상으로 되어 있다.
또한, 상기 열(72, 74)에 있는 노즐(22)의 밀집된 배치를 용이하게 하기 위하여, 각 노즐(22)은 실질적으로 6각형 형상이다.
이 분야의 당업자라면, 상기 노즐(22)이 기판(16)쪽으로 변위될 때, 사용 시, 상기 노즐 개구(24)가 상기 노즐 챔버(34)에 대하여 약간의 각도를 이루기 때문에, 잉크가 수직에서 약간 벗어나 분사된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 도5 및 도 6에 도시된 배열의 장점은, 상기 열(72, 74)에 있는 노즐 어셈블리(10)의 액츄에이터(28)가 상기 열(72, 74)의 한쪽면에 대해 동일한 방향으로 확장된다는 것이다. 따라서, 상기 열 72의 노즐(22)로부터 분사된 잉크와 상기 열 74의 노즐(22)로부터 분사된 잉크는, 같은 각도로 서로에 대하여 나란히 놓여 있어 개선된 인쇄 품질을 가져온다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 기판(16)은, 상기 패드(76)를 경유하여 상기 노즐 어셈블리(10)의 액츄에이터(28)에 전기적인 접속을 제공하도록 배열된 본드패드(bond pad, 76)를 갖는다. 이들 전기적인 접속은 상기 CMOS층(미도시)을 경유하여 형성된다.
도5a 및 도5b를 참조하면, 도5에 도시된 노즐 어레이(14)는, 각 노즐 어셈블리(10)를 둘러싸는 격리 구조(containment formation)를 수용하기 위하여 이격되어 있다. 상기 격리 구조는, 노즐(22)을 둘러싸며, 격리 챔버(containment chamber, 146)를 형성하기 위하여 실리콘 기판(16)으로부터 구멍이 형성된 노즐 가드(80)의 아래쪽까지 연장되는 격리벽(144)이다. 각각의 격리 챔버에서의 누출은, 상기 노즐 개구(24)로부터 잉크 방울(64)를 분사하는 데에 필요한 동력을 모니터링(monitoring)함으로써 탐지된다. 만일, 누출되거나 방향이 잘못된 잉크에 의해 격리 챔버(146)가 넘친다면, 상기 노즐 개구(24)로부터 분사되고 있는 잉크에 대한 저항은 증가할 것이다. 마찬가지로, 상기 열적 벤드 액츄에이터(28)에 의해 소비되는 에너지는 증가할 것이며, 이는 손상된 노즐 어셈블리(10)를 정지시킬 것이다. 상기 프린트헤드 콘트롤러(printhead controller)로의 피드백(feedback)은,상기 액츄에이터(28)의 더 이상의 작동과 상기 노즐 어셈블리(10)로의 잉크의 공급을 정지시킨다. 내오류기능(fault tolerance facility)을 사용하여, 상기의 손상은 어레이(14) 내의 나머지 노즐에 의하여 보충될 수 있으며, 이에 의하여 프린트 품질을 유지할 수 있다. 도 9I를 참조하면, 상기 CMOS 부동태층(20)은, 상기 웨이퍼 기판(16)으로부터 상방향으로 연장되는 자유단(free end)을 구비한다.
상기 격리벽(144)은 부득이하게 실리콘 기판(16)의 일부분을 점유하므로, 어레이의 노즐 충진 밀도(nozzle packing density)를 저하시킨다. 이는, 또한 프린트헤드 칩(chip)의 제조원가를 상승시킨다. 그러나, 상기 제조기술이 상대적으로 높은 노즐 마모율을 초래하긴 하지만, 각각의 노즐 격리 구조는 프린트 품질에 미치는 악영향을 피하거나, 적어도 최소화할 수 있게 한다.
이 분야의 당업자라면, 상기 격리 구조가 또한, 노즐 그룹을 격리하도록 형성될 수 있음을 이해할 것이다. 격리된 노즐 그룹은, 주위 노즐 그룹을 사용하여 손상된 노즐을 보충하는 것이 더욱 어렵다는 것을 제외하고는, 더 나은 노즐 충진 밀도를 제공한다.
도 7을 참조하면, 격리벽이 없는 노즐 어레이 및 노즐 가드가 도시되어 있다. 앞의 도면과 관련하여, 특별한 명기가 없으면, 동일한 참조부호는 동일한 부품을 나타낸다.
노즐 가드(80)는 상기 어레이(14)의 기판(16) 위에 장착된다. 상기 노즐 가드(80)는, 관통하는 복수개의 구멍(84)을 구비한 쉴드(shield, 82)를 포함한다. 잉크가 어떤 하나의 노즐 개구(24)로부터 분사될 때, 상기 잉크가 인쇄 매체에 도달하기 전에 연관된 구멍(84)을 통과하도록, 상기 구멍(84)은 상기 어레이(14)의 노즐 어셈블리(10)의 노즐 개구(24)와 일치한다.
상기 가드(80)는 실리콘으로서, 종이, 먼지 또는 사용자의 손가락에 접촉으로 인한 손상으로부터 노즐 어레이(14)를 보호하기 위하여 필요한 강도와 강성(rigidity)을 가진다. 실리콘으로 상기 가드를 만들기 때문에, 그 열팽창계수는 실질적으로 노즐 어레이의 열팽창계수와 부합하게 된다. 가드를 실리콘으로 한 것은, 프린트헤드가 통상의 작동온도 이상으로 가열됨에 따라, 쉴드(82) 내의 구멍(84)이 상기 노즐 어레이(14)와 일치하지 않게 되는 것을 방지하고자 한 것이다. 실리콘은 또한, 노즐 어셈블리(10)의 제조와 관련하여 이하에서 보다 자세하게 설명될 MEMS 기술을 이용한 정확한 미세가공(micro-machining)에 아주 적합하다.
상기 쉴드(82)는, 다리(limb) 또는 지주(strut)(86)에 의해 상기 노즐 어셈블리(10)에 대하여 상대적으로 공간을 두고 장착된다. 하나의 지주(86)는, 그 속에서 형성된 공기 흡입 개구(air inlet opening, 88)를 갖는다.
사용 시, 상기 어레이(14)가 작동할 때, 공기는 상기 공기 흡입 개구(88)를 통해 공급되어, 상기 구멍(84)을 통과하는 잉크와 함께 상기 구멍(84)을 강제로 지나게 된다.
상기 잉크 방울(64)의 속도와 다른 속도로 공기가 상기 구멍(84)을 통하여 공급되기 때문에, 상기 잉크는 공기 속에 부유되어 운반되지 않는다. 예컨대, 상기 잉크 방울(64)은 상기 노즐(22)로부터 약 3m/s의 속도로 분사된다. 공기는 약 1m/s의 속도로 구멍(84)을 통하여 공급된다.
공기를 공급하는 목적은, 상기 구멍(84)을 외부 입자로부터 깨끗하게 유지하기 위함이다. 먼지 입자와 같은 외부 입자들은 상기 노즐 어셈블리(10) 위에 떨어져, 그 작동에 나쁜 영향을 줄 수 있는 위험이 존재한다. 이러한 문제는, 상기 노즐 가드(80)에 공기 흡입 개구(88)를 제공함으로써 상당 정도 방지된다.
만일, 외부의 입자가 상기 노즐 어셈블리에 달라붙으면, 분출되는 잉크는 방향이 잘못된다. 또한, 이와 유사하게, 제조중의 부정확한 노즐 구조(nozzle formation)는 방향이 잘못된 잉크 방울을 초래할 수 있다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 노즐 가드(80)의 구멍(84)은, 방향이 잘못된 잉크 방울을 보유하는 콜리메이터로서 사용될 수 있다. 각각의 노즐(22)에 대하여 상기 가드 구멍(guard aperture, 84)을 주의깊게 정렬함으로써, 손상된 노즐(22)로부터의 잉크는, 상기 가드(80)에 의해 모여지고, 상기 매체에 도달되는 것이 방지된다. 도 7a에는, 손상된 노즐 어셈블리(10)으로부터 분사된, 방향이 잘못된 잉크 방울(150)이 도시되어 있다. 상기 방울(150)은, 의도된 잉크 궤도로부터 벗어나서, 상기 가드 구멍(84)의 측벽에 충돌하고 부착된다. 도 7b에는, 상기 가드(80)으로부터 방해를 받지 않고, 프린트될 매체를 향하여 의도된 궤도를 따라 잉크 방울(150)을 분사하는, 손상되지 않은 노즐 어셈블리(10)가 도시되어 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 격리벽(144)은, 방향이 잘못된 잉크의 축적이 주위의 노즐의 작동에 영향을 미치는 것을 방지하는 데에 사용될 수 있다. 또한, 상기 격리벽과 관련하여 위에 언급된 검출센서(detection sensor)는, 상기 격리 챔버(146)안의 잉크의 존재를 감지하고, 프린트헤드를 제어하는마이크로프로세서(microprocessor)로 피드백을 제공하여, 손상된 노즐로의 잉크의 공급을 중단시킨다. 프린트 품질을 유지하기 위하여, 내오류기능은, 상기 어레이(14)의 다른 노즐(22)의 작동을 조절함으로써, 상기 손상된 노즐(22)을 보상한다.
도면 중 도8 내지 도10을 참조하면, 상기 노즐 어셈블리(10)를 제조하기 위한 공정이 기재되어 있다.
우선, 실리콘 기판 또는 웨이퍼(wafer, 16)로 설명하면, 유전체층(18)은 상기 웨이퍼(16)의 표면 위에 증착된다. 상기 유전체층(18)은 약 1.5마이크론(micron)의 CVD 산화물 형태이다. 상기 유전체층(18) 위에는 레지스트(resist)가 스핀코팅되며, 상기 유전체층(18)은 마스크(100)에 노광되고 실질적으로 현상된다.
현상된 후, 상기 유전체층(18)은 실리콘층(16)을 향하여 아래로 플라즈마 에칭된다. 그 다음, 상기 레지스트는 벗겨지고 상기 유전체층(18)은 청정하게 된다. 이러한 단계에서 잉크 흡입 구멍(42)이 형성된다.
도 8b에는, 약 0.8마이크론의 알루미늄(aluminum, 102)이 상기 유전체층(18) 위에 증착되고 있다. 레지스트가 스핀코팅되며, 상기 알루미늄(102)이 마스크(104)에 노광되고 현상된다. 상기 알루미늄(102)은 상기 유전체층(18)을 향해 아래로 플라즈마 에칭되고, 상기 레지스트는 벗겨지며 장치는 깨끗하게 된다. 이러한 단계에서 본드 패드가 제공되며, 상기 잉크젯 액츄에이터(28)와 상호 연결된다. 이러한 상호 연결은 NMOS 구동 트랜지스터(drive transistor)와 CMOS층(미도시)에 만들어진 결선(connection)을 구비한 파워면(power plane)을 연결한다.
약 0.5마이크론의 PECVD 질화물이 CMOS 부동태층(20)으로서 증착된다. 레지스트가 스핀코팅되며, 상기 부동태층(20)은 마스크(106)에 노광되고, 그 후 현상된다. 현상 후, 상기 질화물은, 흡입 구멍(42)의 지역에 있는 알루미늄층(102)과 상기 실리콘층(16)을 향해 플라즈마 에칭된다. 상기 레지스트는 벗겨지며 장치는 깨끗하게 된다.
희생물질(sacrificial material)로 이루진 층(108)이 상기 부동태층(20) 위에 스핀코팅된다. 상기 층(108)은 6마이크론의 감광성 폴리이미드(photo-sensitive polyimide) 또는 약 4㎛의 고온 레지스트(resist)이다. 상기 층(108)은 소프트베이크(softbaked)되며, 그 후 마스크(110)에 노광되고, 그 다음 현상된다. 그 후, 상기 층(108)이 폴리이미드를 포함할 경우 상기 층(108)은 400℃에서 1시간 동안 또는 상기 층(108)이 고온 레지스트인 경우 300℃보다 높은 온도에서 하드베이크(hardbake)된다.
도면에서 주목해야 할 것은, 수축에 의한 폴리이미드층(108)의 패턴 의존성 변형(pattern-dependent distortion)이 상기 마스크(110)의 설계에서 고려된다는 것이다.
다음 단계에서는, 도 8e에 도시된 바와 같이, 제2 희생층(second sacrificial layer, 112)이 적용된다. 상기 층(112)은, 스핀코팅된 2㎛의 감광성 폴리이미드 또는 약 1.3㎛의 고온 레지스트이다. 상기 층(112)은 소프트베이크되고 마스크(114)에 노광된다. 상기 마스크(114)에 노광된 후, 상기 층(112)은 현상된다. 상기 층(112)이 폴리이미드인 경우에, 상기 층(112)은 약 1시간 동안 400℃에서 하드베이크된다. 상기 층(112)이 레지스트인 경우, 약 1시간 동안 300℃보다 높은 온도에서 하드베이크된다.
그 다음, 0.2마이크론 다층 금속층(multi-layer metal layer)이 증착된다. 이 층(116)의 일부는 상기 액츄에이터(28)의 수동빔(60)을 형성한다.
상기 층(116)은, 약 300℃에서 1000Å의 질화티타늄(TiN)을 스퍼터링(sputtering)하고, 그 후 50Å의 질화탄탈룸(TaN)이 스퍼터링함으로써 형성된다. 또한, 1000Å의 TiN이 더 스퍼터링되고, 그 위에 50Å의 TaN과 다시 1000Å의 TiN이 추가로 스퍼터링된다. TiN 대신에 사용될 수 있는 다른 재료는 TiB2, MoSi2또는 (Ti, Al)N이다.
그 다음, 상기 층(116)은 마스크(118)에 노광되며, 현상되고, 상기 층(112)을 향해 아래로 플라즈마 에칭되며, 그 후 상기 층(116)에 적용된 레지스트는 경화된 층(108 또는 112)이 제거되지 않도록 주의하면서 습식으로 벗겨진다.
제3 희생층(120)은, 4㎛의 감광성 폴리이미드 또는 대략 2.6㎛ 고온 레지스트를 스핀코팅함으로써 적용된다. 상기 층(120)은 소프트베이크되고, 그 후 마스크(122)에 노광된다. 그 다음, 상기 노광된 층은 현상된 후 하드베이크된다. 폴리이미드의 경우, 상기 층(120)은 대략 1시간 동안 400℃에서 하드베이크되거나, 상기 층(120)이 레지스트를 포함한 경우 300℃보다 높은 온도에서 하드베이크된다.
제2 다층 금속층(124)이 상기 층(120)에 적용된다. 상기 층(124)의 구성은상기 층(116)과 같으며, 동일한 방식으로 적용된다. 상기 층(116, 124)은 모두 전기적 전도층이다.
상기 층(124)는, 마스크(126)로 노광된 후 현상된다. 상기 층(124)은 상기 폴리이미드 또는 레지스트층(120)을 향하여 아래로 플라즈마 에칭되며, 그 후 상기 층(124)에 적용된 레지스트는 상기 경화된 층(108, 112 또는 120)이 제거되지 않도록 주의하면서 습식으로 벗겨진다. 상기 층(124)의 나머지 부분은 상기 액츄에이터(28)의 능동빔(58)을 형성한다.
제4 희생층(128)은, 4㎛의 감광성 폴리이미드 또는 대략 2.6㎛의 고온 레지스트를 스핀코팅하여 적용된다. 상기 층(128)은 소프트베이크되며, 마스크(130)에 노광되고, 그 후 도 9k에 도시된 바와 같은 섬 부분(island portion)이 남도록 현상된다. 상기 층(128)의 나머지 부분은, 폴리이미드인 경우 대략 1시간 동안 400℃에서 하드베이크되거나, 레지스트인 경우 300℃보다 높은 온도에서 하드베이크된다.
도 8l에 도시된 바와 같이, 높은 영률(Young's modulus)의 유전체층(132)이 증착된다. 상기 층(132)은, 대략 1㎛의 질화실리콘 또는 산화알루미늄으로 구성된다. 상기 층(132)은, 상기 희생층(108, 112, 120, 128)의 하드베이크 온도(hardbake temperature)보다 낮은 온도에서 증착된다. 이러한 유전체층(132)에 요구되는 주된 특징은, 고탄성율, 화학적 불활성 및 TiN과의 양호한 접합성이다.
제5 희생층(134)은, 2㎛의 감광성 폴리이미드 또는 대략 1.3㎛의 고온 레지스트로 스핀코팅함으로써 적용된다. 상기 층(134)은 소프트베이크되며,마스크(136)에 노광되고 현상된다. 상기 층(134)의 나머지 부분은, 폴리이미드인 경우 1시간 동안 400℃에서 하드베이크되거나, 레지스트인 경우 300℃보다 높은 온도에서 하드베이크된다.
상기 유전체층(132)은, 어떠한 희생층(134)도 제거되지 않도록 주의하면서, 상기 희생층(128)을 향하여 아래로 플라즈마 에칭된다.
이러한 단계는, 상기 노즐 어셈블리(10)의 노즐 개구(24), 레버 아암(26) 및 앵커(54)를 형성한다.
높은 영률의 유전체층(138)이 증착된다. 상기 층(138)은 상기 희생층(108, 112, 120 및 128)의 하드베이크 온도보다 낮은 온도에서 0.2㎛의 질화실리콘 또는 질화알루미늄을 증착함으로써 형성된다.
그 다음, 도 8p에 도시된 바와 같이, 상기 층(138)은 0.35마이크론의 깊이로 이방적(異方的)으로 플라즈마 에칭된다. 이 에칭은, 상기 유전체층(132) 및 희생층(134)의 측벽을 제외한 모든 표면으로부터 유전물질을 제거하려는 것이다. 이러한 단계에서는, 상술한 바와 같이, 상기 노즐 개구(24) 둘레에 잉크의 메니스커스를 "구속하는" 노즐 림(nozzle rim, 36)을 형성한다.
자외선(UV) 릴리스 테이프(release tape, 140)가 적용된다. 4㎛의 레지스트가 상기 실리콘 웨이퍼(16)의 배면에 스핀코팅된다. 상기 웨이퍼(16)는 마스크(142)에 노광되고, 상기 웨이퍼(16)를 백에칭(back etching)하여 상기 잉크 흡입 채널(48)을 형성한다. 그 다음, 상기 레지스트는 상기 웨이퍼(16)로부터 벗겨진다.
또 다른 UV 릴리스 테이프(미도시)가 상기 웨이퍼(16)의 배면에 적용되고, 상기 테이프(140)는 제거된다. 상기 희생층(108, 112, 120, 128 및 134)은, 도 8r 및 도 9r에 도시된 바와 같이, 최종 노즐 어셈블리(10)를 제공하기 위하여 산소 플라즈마로 벗겨진다. 쉽게 참조하기 위하여, 이들 두개의 도면에서 예시된 참조부호들은, 상기 노즐 어셈블리(10)의 관련 부품을 나타내기 위하여, 도 1의 그것과 동일하다. 도 11 및 도 12는, 도 8 및 도 9를 참조하여 전술한 공정에 의해 제조된 상기 노즐 어셈블리(10)의 작동을 도시하고 있으며, 이들 도면들은 도 2 내지 도 4에 대응한다.
명백히 기재된 바와 같이, 이 기술분야의 당업자라면, 상기 특정한 실시예에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 요지 및 영역을 벗어나지 않고 본 발명에 대한 여러 실시예 및/또는 변형예들을 만들 수 있다고 여겨진다. 따라서, 본 발명의 실시예는, 모든 관점에서 한정적인 것이 아니라 예시적인 것으로 고려되어져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 잉크젯 프린터(ink jet printer)용 프린트헤드(printhead)에 있어서,
    프린트되는 매체(media)위로 잉크를 분사하기 위한 노즐 어셈블리 어레이(an array of nozzle assemblies)와;
    상기 노즐 어레이를 덮는 노즐 가드(nozzle guard)로서, 상기 노즐 어셈블리의 각각에 개별적으로 대응하는 구멍의 배열을 구비하는 노즐 가드;를 포함하고,
    상기 가드의 상기 구멍의 각각은, 상기 노즐 어셈블리로부터 분사된 방향이 잘못된 잉크가 상기 매체에 도달하는 것이 방지되도록, 크기설정되고 배열되는 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가드의 구멍은, 상기 노즐의 각각에 콜리메이터(collimator)를 제공하기 위하여, 세로의 치수가 보어(bore) 크기를 상당히 초과하는 통로인 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프린트헤드는, 상기 노즐 어셈블리의 오작동(operational fault)을 검출하고, 그들에게로의 잉크의 공급을 중단시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
  4. 제1항에 있어서,
    손상된 노즐 어셈블리를 보상하기 위하여, 상기 어레이 안의 다른 노즐 어셈블리의 작동을 조절하는 내오류기능(fault tolerance facility)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
  5. 제4항에 있어서,
    최소한 하나의 노즐 어셈블리로부터 누출되거나 방향이 잘못된 잉크를, 나머지 노즐 어셈블리로부터 격리시키기 위한 격리 구조(containment formation)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
  6. 제4항에 있어서,
    어레이의 각각의 노즐 어셈블리는, 각각의 개별적인 노즐 어셈블리에서 누출되거나 방향이 잘못된 잉크를 격리시키기 위한, 각각의 격리 구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    각각의 격리 챔버(containment chamber)는, 상기 챔버 안의 잉크의 미리 예정된 수준(predetermined level)에 작용하고, 상기 손상된 노즐을 보상하기 위하여, 상기 어레이 안의 다른 노즐의 작동을 조절하는 내오류기능을 위한피드백(feedback)을 제공하는, 잉크 검출 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 노즐은, 컨트롤 유니트(control unit)가 요구되는 에너지를 회로가 계산할 때까지 액츄에이터(actuator)가 움직이는 데에 걸리는 시간과 소비되는 동력을 측정할 수 있도록, 벤드 액츄에이터(bend actuator)가 작동중의 이동의 한계에 있을 때에, 회로가 닫히도록 위치된 접촉면을 구비하는 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 컨트롤 유니트는, 상기 노즐 어셈블리로의 잉크의 더 이상의 공급을 중지시키기 위하여, 상기 노즐의 작동 오류를 감지하는 때에, 상기 내오류기능을 촉발시키는 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 가드는, 상기 노즐과의 해로운 접촉을 억제하기 위하여 구성되는 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 노즐 가드는, 실리콘으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 노즐 가드는, 상기 노즐 어레이에 외부 입자가 축적되는 것을 억제하기 위하여, 통로를 통하여 유체를 안내하기 위한 유체 흡입 개구(fluid inlet opening)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
  13. 제12항에 있어서,
    프린트헤드상에 노즐 쉴드(nozzle shield)를 지지하기 위한 지지 받침대(support strut)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 지지 받침대는, 상기 가드의 각각의 단부에 일체적으로 형성되고 배열되는 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 유체 흡입 개구는, 상기 노즐 어레이의 본드 패드(bond pad)로부터 이격되어 상기 지지 받침대 중의 하나에 배열되는 것을 특징으로 하는 프린트헤드.
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