KR20040082740A - 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 및 그 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 및 그 형성 방법이 개시된다. 개시된 압전 액츄에이터는, 압력 챔버의 상부벽을 이루는 진동판 위에 형성되는 하부 전극과, 하부 전극 위에 압력 챔버에 대응하는 위치에 형성되며 그 가장자리 부위와 하부 전극 사이에 공간이 형성된 압전막과, 압전막 위에 형성되어 압전막에 전압을 인가하는 상부 전극을 구비한다. 한편, 상기 압전막은 가장자리 부위에 형성된 공간 대신에 그 측면이 하부 전극의 상면에 대하여 실질적으로 직각을 이루도록 형성될 수 있다. 그리고, 개시된 압전 액츄에이터의 형성 방법에 의하면, 상기 압전막은 포토리소그라피 공정에 의해 상기한 형상으로 형성된다. 이와 같은 구성에 의하면, 보다 넓은 상부 전극을 형성할 수 있어서 충분한 압전 효과를 발휘할 수 있으며, 폴링 공정이나 구동시에 압전막의 절연파괴를 방지할 수 있다.

Description

잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 및 그 형성 방법{Piezoelectric actuator of ink-jet printhead and method for forming threrof}
본 발명은 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드에서 잉크를 토출시키는 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터 및 그 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 프린트헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린트헤드는 잉크 토출 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 그 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크를 토출시키는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크를 토출시키는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드이다.
상기한 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일반적인 구성은 도 1a에 도시되어 있다. 도 1a를 참조하면, 유로 형성판(10)의 내부에는 잉크 유로를 이루는 리저버(2), 리스트릭터(3), 압력 챔버(4) 및 노즐(5)이 형성되어 있으며, 유로 형성판(10)의 상부에는 압전 액츄에이터(20)가 마련되어 있다. 리저버(2)는 도시되지 않은 잉크 컨테이너로부터 유입된 잉크를 저장하는 곳이며, 리스트릭터(3)는 리저버(2)로부터 압력 챔버(4)로 잉크가 유입되는 통로이다. 압력 챔버(4)는 토출될 잉크가 채워지는 곳으로, 압전 액츄에이터(20)의 구동에 의해 그 부피가 변화함으로써 잉크의 토출 또는 유입을 위한 압력 변화를 생성하게 된다. 이를 위해, 유로 형성판(10)의 압력 챔버(4) 상부벽을 이루게 되는 부위는 압전 액츄에이터(20)에 의해 변형되는 진동판(1)의 역할을 하게 된다.
이러한 구성을 가진 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 작동을 설명하면, 압전 액츄에이터(20)의 구동에 의해 진동판(1)이 변형되면 압력 챔버(4)의 부피가 감소하게 되고, 이에 따른 압력 챔버(4) 내의 압력 변화에 의해 압력 챔버(4) 내의 잉크는 노즐(5)을 통해 외부로 토출된다. 이어서, 압전 액츄에이터(20)의 구동에 의해 진동판(1)이 원래의 형태로 복원되면 압력 챔버(4)의 부피가 증가하게 되고, 이에 따른 압력 변화에 의해 리저버(2)에 저장되어 있는 잉크가 리스트릭터(3)를 통해 압력 챔버(4) 내로 유입된다.
도 1b에는 상기 압전 액츄에이터의 구조가 상세하게 도시되어 있다. 도 1b를 참조하면, 유로 형성판(10)은 주로 세라믹 재료, 금속 재료, 합성수지 재료 또는 실리콘 기판으로 이루어진 다수의 얇은 플레이트(11, 12, 13)를 각각 가공하여 상기한 잉크 유로의 부분을 형성한 뒤, 이들 다수의 플레이트(11, 12, 13)를 접착제를 사용하여 접착함으로써 이루어진다. 압력 챔버(4)의 상부에 적층되는 플레이트(13)는 상기한 바와 같이 진동판(1)의 역할을 하게 된다. 그리고, 압전 액츄에이터(20)는, 하부 전극(21)과 압전막(22)과 상부 전극(23)으로 구성되며, 이들은 진동판(1)의 상부에 순차 적층되어 있다. 상기 하부 전극(21)은 진동판(1)의 상면에 소정의 금속물질을 스퍼터링함으로써 형성되며, 상기 압전막(22)은 압전 성질을 가진 페이스트(paste) 상태의 세라믹 재료를 하부전극(21) 위에 스크린 프린팅(screen printing)법에 의해 소정 두께로 도포한 뒤 소결함으로써 형성된다. 그리고, 상부 전극(23)은 압전막(22)의 상면에 도전성 물질을 스크린 프린팅에 의해 도포하거나, 스퍼터(sputter), evaporator 또는 E-beam 등을 이용하여 증착함으로써 형성된다.
그런데, 종래의 스크린 프린팅법에 의해 형성된 압전막(22)은, 페이스트 상태의 재료 특성상 옆으로 퍼지게 되어 정확한 크기 및 직사각형을 이루지 못하며, 도시된 바와 같이 중간 부분은 두껍고 양측 가장자리 부분은 얇아지게 된다. 이에 따라, 종래에는 상부 전극(23)을 압전막(22)의 얇은 가장자리 부분을 제외하고 두꺼운 중간 부분에만 형성하였다. 그 이유는, 상부 전극(23)이 압전막(22) 위의 정확한 위치에 형성되지 못하고 조금만 어긋나게 되면, 상부 전극(23)과 하부 전극(21)이 단락되는 문제점이 발생할 가능성이 높아지기 때문이다. 그리고, 압전막(22)의 소결 후에는 압전막(22)에 전계를 가하여 압전특성을 발생시키기 위한 폴링(polling) 공정이 수행되는데, 이 폴링 공정에서는 상부 전극(23)과 하부전극(21) 사이에 대략 10㎸/cm 정도의 높은 전기장이 인가된다. 이 때, 압전막(22)의 얇은 가장자리 부위에 상부 전극(23)이 형성되었을 경우에는, 상부 전극(23)과 하부 전극(21) 사이의 간격이 매우 작아지게 되어 절연파괴(breakdown)가 일어나 압전막(22)에 크랙이 발생하거나 압전막(22)의 압전 특성에 상당한 악영향을 미치게 된다.
이와 같은 이유로 인해, 종래에는 상기한 바와 같이 상부 전극(23)을 압전막(22)의 얇은 가장자리 부분을 피하여 두꺼운 중간 부분에만 형성하였으므로, 상부 전극(23)의 폭은 압전막(22)의 폭에 비해 상당히 좁아지게 되어, 결과적으로 압전막(22)이 충분한 압전 효과를 발휘할 수 없는 문제점이 있었다.
그리고, 보다 높은 인쇄 품질, 즉 고해상도와 높은 인쇄 속도를 얻기 위해서는 노즐 밀도를 높이는 것이 필요하다. 이를 위해서는, 압력 챔버(4)의 크기와 인접한 압력 챔버(4) 사이의 간격을 줄여야 하는데, 이에 따라 압전막(22)의 폭도 줄어들게 된다. 그러나, 압전막(22)의 폭이 더욱 미세하게 될 경우, 종래의 압전 액츄에이터의 형성 방법에 의해서는 상부 전극(23)을 압전막(22) 위에 형성시키기가 더욱 어려워지게 되고, 이는 압전 액츄에이터(20)의 형성에 있어서 제약으로 작용하게 된다. 상기한 종래의 방법에 의할 경우, 일반적으로 50㎛의 선폭이 한계로 알려져 있다.
한편, 미국특허 US 5,956,829호에는, 구동 전극을 진동판에 직접 접촉하게 형성시키고, 구동전극과 압전막의 폭을 진동판의 폭보다 좁게 형성시킨 압전 액츄에이터가 개시되어 있다. 그리고, 미국특허 US 5,929,881호에는, 진동판의 효율적인 진동을 위해 하부 전극의 폭을 압력 챔버의 폭보다 좁게 형성시킨 압전 액츄에이터가 개시되어 있다. 그러나, 상기한 압전 액츄에이터들은 이하에서 설명되는 본 발명에 따른 압전 액츄에이터와는 다른 구조를 가지고 있으며, 그 형성 방법도 본 발명과는 차이가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 충분한 압전 효과를 발휘할 수 있도록 보다 넓은 상부 전극을 형성할 수 있으며, 폴링 공정이나 구동시에 압전막의 절연파괴를 방지할 수 있는 구조를 가진 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터와 그 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a는 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일반적인 구성을 도시한 도면이고, 도 1b는 종래의 압전 액츄에이터의 구조를 상세하게 나타낸 도 1a에 표시된 A-A'선을 따른 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터의 구조를 도시한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 압전막과 상부 전극의 형상에 따른 진동판의 변위를 해석한 결과를 도시한 도면들이다.
도 5a 내지 도 5h는 도 2에 도시된 압전 액츄에이터의 형성 방법을 단계적으로 보여주는 도면들이다.
도 6a 내지 도 6e는 도 3에 도시된 압전 액츄에이터의 형성 방법을 단계적으로 보여주는 도면들이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6a 내지 도 6e에 도시된 방법에 의해 형성된 압전 액츄에이터의 SEM 사진들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
111,211...베이스 기판 112,212...챔버형성 기판
113,213...진동판 114,214...압력 챔버
115,215...실리콘 산화막 120,220...압전 액츄에이터
121,221...하부 전극 121a,221a...Ti 층
121b,221b...Pt 층 122,222...압전막
123,223...상부 전극
상기의 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액츄에이터는,
압력 챔버의 상부벽을 이루는 진동판의 상부에 형성되어, 상기 진동판을 변형시킴으로써 상기 압력 챔버에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터에 있어서,
상기 진동판 위에 형성되는 하부 전극;
상기 하부 전극 위에 상기 압력 챔버에 대응하는 위치에 형성되며, 그 가장자리 부위와 상기 하부 전극 사이에 공간이 형성된 압전막; 및
상기 압전막 위에 형성되어 상기 압전막에 전압을 인가하는 상부 전극;을 구비한다.
상기 제1 실시예에서, 상기 압전막의 상기 하부 전극에 접촉되는 부위의 폭은 상기 압력 챔버의 폭의 70 ~ 90% 정도인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액츄에이터는,
압력 챔버의 상부벽을 이루는 진동판의 상부에 형성되어, 상기 진동판을 변형시킴으로써 상기 압력 챔버에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터에 있어서,
상기 진동판 위에 형성되는 하부 전극;
상기 하부 전극 위에 상기 압력 챔버에 대응하는 위치에 형성되며, 그 측면은 상기 하부 전극의 상면에 대하여 실질적으로 직각을 이루는 압전막; 및
상기 압전막 위에 형성되어 상기 압전막에 전압을 인가하는 상부 전극;을 구비한다.
상기 제2 실시예에서, 상기 압전막은 높이가 일정한 직사각형의 단면 형상을 가지는 것이 바람직하며, 그 폭은 압력 챔버의 폭의 70 ~ 90% 정도인 것이 바람직하고, 상기 상부 전극의 폭은 상기 압전막의 폭과 동일한 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명은 상기한 구조를 가진 압전 액츄에이터의 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액츄에이터의 형성 방법은,
압력 챔버의 상부벽을 이루는 진동판의 상부에 형성되어, 상기 진동판을 변형시킴으로써 상기 압력 챔버에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 형성 방법에 있어서,
상기 진동판 위에 하부 전극을 형성하는 단계;
상기 하부 전극의 전 표면에 포토레지스트를 소정 두께로 도포하는 단계;
상기 포토레지스트를 패터닝하여 상기 압력 챔버에 대응되는 위치에 개구부를 형성하는 단계;
상기 개구부에 의해 노출된 상기 하부 전극 위에 압전물질을 상기 개구부의 폭보다 넓게 도포함으로써 압전막을 형성하는 단계;
상기 압전막 위에 상부 전극을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트를 제거하여 상기 압전막의 가장자리 부위와 상기 하부 전극 사이에 공간을 형성하는 단계;
상기 압전막을 소결시키는 단계; 및
상기 압전막에 압전특성을 발생시키기 위해 전계를 가하는 폴링 단계;를 구비한다.
상기 방법에 있어서, 상기 포토레지스트의 도포 두께는 2 ~ 8㎛인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액츄에이터의 형성 방법은,
압력 챔버의 상부벽을 이루는 진동판의 상부에 형성되어, 상기 진동판을 변형시킴으로써 상기 압력 챔버에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 형성 방법에 있어서,
상기 진동판 위에 하부 전극을 형성하는 단계;
상기 하부 전극의 전 표면에 포토레지스트를 소정 두께로 도포하는 단계;
상기 포토레지스트를 패터닝하여 상기 압력 챔버에 대응되는 위치에 개구부를 형성하는 단계;
상기 개구부의 내부에 압전물질을 도포하여 상기 개구부에 의해 노출된 상기 하부 전극 위에 그 측면이 상기 하부 전극의 상면에 대해 실질적으로 직각을 이루는 압전막을 형성하는 단계;
상기 압전막 위에 상기 개구부를 벗어나지 않도록 상부 전극을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트를 제거하는 단계;
상기 압전막을 소결시키는 단계; 및
상기 압전막에 압전특성을 발생시키기 위해 전계를 가하는 폴링 단계;를 구비한다.
상기 방법에 있어서, 상기 포토레지스트의 도포 두께는 20 ~ 40㎛인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 압전막은 높이가 일정한 직사각형의 단면 형상으로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 상부 전극은 상기 압전막의 폭과 동일한 폭으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 두 가지 방법들에 있어서, 상기 개구부의 폭은 상기 압력 챔버의 폭의 70 ~ 90%인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 압전물질은 스크린 프린팅에 의해 도포될 수 있다.
또한, 상기 압력 챔버와 상기 진동판은 실리콘 기판에 형성되고, 상기 실리콘 기판과 상기 하부 전극 사이에는 실리콘 산화막이 형성될 수 있다.
또한, 상기 하부 전극은 상기 진동판 위에 스퍼터링에 의해 Ti 층과 Pt 층을 순차적으로 증착함으로써 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상부 전극은, 전극물질을 상기 압전막 위에 프린팅하거나, 스퍼터(sputter), evaporator 및 E-beam 중 어느 하나를 사용하여 전극물질을 상기 압전막 위에 증착함으로써 형성될 수 있다.
상기한 본 발명에 따르면, 보다 넓은 상부 전극을 형성할 수 있어서 충분한 압전 효과를 발휘할 수 있으며, 폴링 공정이나 구동시에 압전막의 절연파괴를 방지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 그 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터의 구조를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터(120)는, 압력 챔버(114)의 상부벽을 이루는 진동판(113)의 상부에 형성되어, 상기 진동판(113)을 변형시킴으로써 압력 챔버(114)에 잉크의 토출을 위한구동력을 제공하는 역할을 한다. 이러한 압전 액츄에이터(120)는 공통 전극의 역할을 하는 하부 전극(121)과, 전압의 인가에 따라 변형되는 압전막(122)과, 구동 전극의 역할을 하는 상부 전극(113)을 구비하며, 하부 전극(121), 압전막(122) 및 상부 전극(123)이 상기 진동판(113) 위에 순차 적층된 구조를 가진다.
전술한 바와 같이, 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드에는 토출될 잉크가 채워지는 압력 챔버(114)와, 상기 압력 챔버(114)에 잉크를 공급하거나 압력 챔버(114)로부터 잉크를 토출시키기 위한 잉크 유로(미도시)가 마련된다. 이러한 잉크 유로는 베이스 기판(111)과 챔버형성 기판(112)을 포함하는 다수의 플레이트에 형성된다.
상기 하부 전극(121)은 상기 진동판(113) 위에 형성된다. 상기 하부 전극(121)은 전도성을 가진 단일의 금속층으로 이루어질 수도 있으나, 도시된 바와 같이 Ti 층(121a)과 Pt 층(121b)의 두 개의 금속층으로 이루어진 것이 바람직하다. 상기 Ti/Pt 층(121a, 121b)은 공통 전극의 역할을 할 뿐만 아니라, 그 위에 형성되는 압전막(122)과 그 아래의 진동판(113) 사이의 상호 확산(inter-diffusion)을 방지하는 확산방지층(diffusion barrier layer)의 역할도 하게 된다. 특히, 아래의 Ti 층(121a)은 Pt(121b)층의 접착성을 높이는 역할도 하게 된다.
한편, 상기 진동판(113)이 실리콘으로 이루어진 경우에는, 진동판(113)과 하부 전극(121) 사이에는 절연막으로 실리콘 산화막(115)이 형성될 수 있다. 이 실리콘 산화막(115)은 절연막으로서의 기능뿐만 아니라, 진동판(113)과 하부 전극(121) 사이의 물질 확산을 억제하고 열적 스트레스를 조절하는 기능도 가진다.
상기 압전막(122)은 하부 전극(121) 위에 형성되며, 압력 챔버(114)에 대응하는 위치에 배치된다. 그리고, 압전막(122)의 가장자리 부위와 하부 전극(121) 사이에는 소정의 폭과 높이를 가진 공간(S)이 형성된다. 이 때, 압전막(122) 양측에 형성된 공간(S) 사이의 간격, 즉 압전막(122)의 하부 전극(121)에 접촉되는 부위의 폭은 압력 챔버(114)의 폭의 70 ~ 90% 정도인 것이 바람직하다.
상기 상부 전극(123)은 압전막(122) 위에 형성되며, 압전막(122)에 전압을 인가하는 구동 전극의 역할을 하게 된다.
상기한 바와 같은 구조를 가진 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액츄에이터(120)에서는, 압전막(122)의 가장자리 부위와 하부 전극(121) 사이에 공간(S)이 형성되어 있으므로, 상부 전극(123)을 종래 보다 넓게 형성하여도 상부 전극(123)과 하부 전극(121) 사이에 단락이 발생하지 않으며, 폴링 공정이나 압전 액츄에이터(120)의 구동시에 압전막(122)의 절연파괴도 일어나지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 압전 액츄에이터(120)는 보다 넓은 상부 전극(123)에 의해 충분한 압전 효과를 발휘할 수 있는 장점을 가진다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터의 구조를 도시한 단면도이다. 본 실시예에 따른 압전 액츄에이터는 압전막의 형상을 제외하고는 전술한 제1 실시예와 동일하다. 따라서, 이하에서는 전술한 제1 실시예와 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하거나 간략하게 하도록 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액츄에이터(220)도 공통 전극의 역할을 하는 하부 전극(221)과, 전압의 인가에 따라 변형되는 압전막(222)과, 구동 전극의 역할을 하는 상부 전극(223)을 구비한다. 상기 하부 전극(221), 압전막(222) 및 상부 전극(223)은 진동판(213) 위에 순차 적층된다.
상기 압력 챔버(214)와 잉크 유로(미도시)는 베이스 기판(211)과 챔버형성 기판(212)을 포함하는 다수의 플레이트에 형성되며, 상기 진동판(213)은 압력 챔버(214)의 상부벽을 이루게 된다.
상기 하부 전극(221)은 상기 진동판(213) 위에 형성되며, 도시된 바와 같이 Ti 층(221a)과 Pt 층(221b)의 두 개의 금속층으로 이루어질 수 있다. 상기 Ti/Pt 층(221a, 221b)의 역할은 전술한 제1 실시예에서와 동일하다. 그리고, 상기 진동판(213)이 실리콘으로 이루어진 경우에는, 전술한 제1 실시예에서와 같이 진동판(213)과 하부 전극(221) 사이에 절연막으로서 실리콘 산화막(215)이 형성될 수 있다.
상기 압전막(222)은 하부 전극(221) 위에 형성되며, 압력 챔버(214)에 대응하는 위치에 배치된다. 그리고, 압전막(222)은 그 측면이 하부 전극(221)의 상면에 대하여 실질적으로 직각을 이루도록 형성된다. 또한, 상기 압전막(222)은 높이가 일정한 직사각형의 단면 형상을 가지는 것이 바람직하며, 그 폭은 압력 챔버(214)의 폭의 70 ~ 90% 정도인 것이 바람직하다.
상기 상부 전극(223)은 압전막(222) 위에 형성되며, 그 폭은 압전막(222)의 폭과 동일한 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 구조를 가진 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액츄에이터(220)에서는, 압전막(222)의 측면이 하부 전극(221)의 상면에 대해 실질적으로 직각으로 형성되므로, 상기 압전막(222)은 얇은 가장자리 부위를 가지지 않으며 높이가 일정한 직사각형의 단면 형상을 가질 수 있게 된다. 따라서, 상부 전극(223)의 폭을 압전막(222)의 폭과 같도록 할 수 있게 되어 동일 면적에 대해 최대의 압전 효과를 나타낼 수 있으며, 이 경우에도 상부 전극(223)과 하부 전극(221)의 단락이나 압전막(222)의 절연파괴가 일어나지 않는다. 그리고, 압전막(222)을 일정한 두께로 보다 얇게 형성할 수 있으므로, 압전 액츄에이터(220)를 보다 미세한 크기로 정밀하고 형성할 수 있으며, 인접한 압전막(220) 사이의 간격도 줄일 수 있다. 따라서, 상기 압전 액츄에이터(220)를 고밀도로 배치할 수 있게 되어, 고해상도를 가진 잉크젯 프린트헤드를 구현하기가 용이하다.
도 4a 내지 도 4d는 압전막과 상부 전극의 형상에 따른 진동판의 변위를 해석한 결과를 도시한 도면들이다. 도면들에서 좌측에는 압전 액츄에이터의 구조가 도시되어 있고, 오른쪽에는 좌측에 도시된 압전 액츄에이터 각각에 대해 구조 해석한 결과가 도시되어 있다.
도 4a에는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 압전 액츄에이터에 의한 진동판의 변위를 해석한 결과가 도시되어 있다. 여기에서, 압전막은 직사각형 단면을 가지며, 압전막과 전극들은 압력 챔버 폭(W)의 75%의 폭으로 형성된다. 이와 같은 압전 액츄에이터에 의해 변형되는 진동판의 변위는 해석 결과 0.493㎛로 나타났다.
도 4b에서는, 압전막의 폭은 압력 챔버의 폭(W)과 동일하게 하되, 전극들의폭은 압력 챔버 폭(W)의 75%로 형성된다. 이와 같은 압전 액츄에이터에 의해 변형되는 진동판의 변위는 해석 결과 0.280㎛로 나타났으며, 이는 도 4a의 경우에 비해 57% 정도이다.
도 4c에서는, 압전막은 압력 챔버(W)의 폭과 동일하게 하되 가장자리 부위가 얇은 형상을 가지며, 전극들의 폭은 압력 챔버 폭(W)의 75%로 형성된다. 이와 같은 압전 액츄에이터에 의해 변형되는 진동판의 변위는 해석 결과 0.368㎛로 나타났으며, 이는 도 4a의 경우에 비해 75% 정도이다.
도 4d에서는, 압전막은 압력 챔버(W) 폭의 90%의 폭으로 형성하되 가장자리 부위가 얇은 형상을 가지며, 상부 전극의 폭은 압력 챔버 폭(W)의 65%로 형성된다. 이와 같은 압전 액츄에이터에 의해 변형되는 진동판의 변위는 해석 결과 0.467㎛로 나타났으며, 이는 도 4a의 경우에 비해 94% 정도이다.
상기한 바와 같이, 압전막을 직사각형 단면 형상으로 형성하고, 그 폭을 압력 챔버의 폭보다 좁게 형성한 경우에서, 진동판의 변위가 가장 크게 나타난다. 따라서, 도 4a에 도시된 구조를 가진 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액츄에이터에 의하면 진동판을 효율적으로 진동시킬 수 있음을 알 수 있다. 그리고, 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액츄에이터에 있어서도, 압전막의 하부 전극에 접촉되는 부위의 폭이 압력 챔버의 폭에 비해 좁은 것이 상기한 바와 같은 이유로 바람직함을 알 수 있다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터를 형성하는 방법을 설명하기로 한다.
도 5a 내지 도 5h는 도 2에 도시된 압전 액츄에이터의 형성 방법을 단계적으로 보여주는 도면들이다.
먼저 도 5a와 도 5b를 함께 참조하면, 압력 챔버(114)의 상부벽을 이루는 진동판(113)은, 도시된 바와 같이 실리콘 기판(112)을 그 저면으로부터 소정 깊이로 식각하여 압력 챔버(114)를 형성함과 동시에 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 5a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(112)을 산화로에서 습식 또는 건식 산화시켜 실리콘 기판(112)의 표면에 실리콘 산화막(115, 116)을 형성한다. 이어서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(112)의 저면에 형성된 산화막(116)을 포토레지스트 패턴을 사용하여 패터닝함으로써 압력 챔버(114)가 형성될 부위의 기판(112)을 노출시킨 후, 노출된 기판(112)을 소정 깊이로 건식 또는 습식 식각하여 압력 챔버(114)를 형성한다. 이 때, 식각되고 남은 기판(112)의 잔존 부분이 진동판(113)을 이루게 된다.
한편, 상기 압력 챔버(114)와 진동판(113)은 알려진 다른 방법으로 형성할 수도 있다. 예컨대, 압력 챔버(114)와 진동판(113)은 각각 다른 기판에 형성될 수 있다. 이 경우에는, 압력 챔버(114)가 관통 형성된 기판 상에 별도의 기판을 접착하여 진동판(113)을 형성하게 된다.
다음으로, 도 5c에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(112)의 상면에 형성된 산화막(115)의 전 표면에 하부 전극(121)을 형성한다. 하부 전극(121)은 전술한 바와 같이 Ti 층(121a)과 Pt 층(121b)의 두 개의 금속층으로 이루어질 수 있다. 상기 Ti 층(121a)은 산화막(115)의 전 표면에 Ti를 스퍼터링(sputtering)에 의해 대략 400Å 정도의 두께로 증착함으로써 형성될 수 있으며, Pt 층(121b)은 상기 Ti 층(121a)의 전 표면에 Pt를 스퍼터링(sputtering)에 의해 대략 5,000Å 정도의 두께로 증착함으로써 형성될 수 있다.
다음으로, 도 5d에 도시된 바와 같이, 하부 전극(121)의 전 표면에 포토레지스트(PR1)를 소정 두께, 예컨대 2 ~ 8㎛ 정도의 두께로 도포한다. 이어서, 포토레지스트(PR1)를 노광과 현상 공정을 거쳐 패터닝함으로써, 도 5e에 도시된 바와 같이 압력 챔버(114)에 대응되는 위치에, 압력 챔버(114) 폭의 대략 70 ~ 90% 정도의 폭을 가지는 개구부(h1)를 형성한다. 이 개구부(h1)에 의해 하부 전극(121)의 일부가 노출된다.
다음으로, 스크린 프린팅(screen printing)에 의해 페이스트 상태의 압전물질을 노출된 하부 전극(121) 위에 개구부(h1)의 폭보다 약간 넓게 도포함으로써, 도 5f에 도시된 바와 같이 압전막(122)을 형성한다. 이 때, 상기 압전물질로는 여러가지가 사용될 수 있으나, 바람직하게는 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료가 사용될 수 있다.
다음으로, 도 5g에 도시된 바와 같이, 압전막(122) 위에 상부 전극(123)을 형성한다. 구체적으로, 상부 전극(123)은 압전막(122) 위에 전극 재료, 예컨대 Ag-Pd 페이스트를 프린팅함으로써 형성될 수 있다. 한편, 상부 전극(123)은 스퍼터(sputter), evaporator 또는 E-beam 등을 사용하여 전극물질을 새도우 마스크를 이용하여 압전막(122) 위에 소정 두께로 증착함으로써 형성될 수도 있다. 이어서, 압전막(122)과 상부 전극(123)을 100 ~ 110℃에서 약 5 ~ 10분 정도 건조시킨다.
다음으로, 포토레지스트(PR1)를 아세톤을 사용하여 제거하면, 도 5h에 도시된 바와 같이 압전막(122)의 가장자리 부위와 하부 전극(121) 사이에 소정 폭과 높이를 가진 공간(S)이 형성된다.
마지막으로, 압전막(122)을 소정 온도, 예컨대 900 ~ 1,000℃에서 소결시킨 후, 압전막(122)에 전계를 가하여 압전특성을 발생시키는 폴링(polling) 공정을 거치게 되면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액츄에이터(120)가 완성된다.
도 6a 내지 도 6e는 도 3에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액츄에이터의 형성 방법을 단계적으로 보여주는 도면들이다.
먼저 도 6a를 참조하면, 기판(212)의 상면과 저면에는 각각 산화막(215, 216)이 형성되고, 기판(212)에는 압력 챔버(214)와 진동판(213)이 형성된다. 그리고, 산화막(215)의 상부에는 Ti 층(221a)과 Pt 층(221b)으로 이루어진 하부 전극(221)이 형성된다. 상기한 바와 같이, 하부 전극(221)을 형성하는 단계까지는 전술한 도 5a 내지 도 5c에 도시된 단계와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이어서, 하부 전극(221)의 전 표면에 포토레지스트(PR2)를 소정 두께, 예컨대 20 ~ 40㎛ 정도의 두께로 도포한다. 이 때, 포토레지스트(PR2)의 도포 두께는 도 5d에 도시된 포토레지스트(PR1)의 두께보다 두껍게 형성된다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR2)를 노광과 현상 공정을 거쳐 패터닝함으로써, 도 6b에 도시된 바와 같이 압력 챔버(214)에 대응되는 위치에, 압력 챔버(214) 폭의 대략 70 ~ 90% 정도의 폭을 가지는 개구부(h2)를 형성하여 하부 전극(221)의 일부를 노출시킨다.
다음으로, 도 6c에 도시된 바와 같이, 페이스트 상태의 압전물질을 노출된 하부 전극(221) 위에 스크린 프린팅(screen printing)에 의해 도포하는데, 이 때 상기 압전물질이 상기 개구부(h2)를 벗어나지 않도록 한다. 이에 따라, 개구부(h2) 내부에만 압전막(222)이 형성된다. 이 때, 상기 압전물질로는 전술한 바와 같이 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료가 사용될 수 있다.
다음으로, 도 6d에 도시된 바와 같이, 압전막(222) 위에 상부 전극(223)을 형성한다. 상부 전극(223)의 형성 방법은 도 5g에 도시된 단계에서 설명된 바와 동일하다. 다만, 본 실시예에서 상부 전극(223)은 압전막(222)과 같이 개구부(h2) 내부에 형성된다. 이를 위해, 상기한 바와 같이 포토레지스트(PR2)를 비교적 높게 형성하는 것이 바람직하다. 이어서, 압전막(222)과 상부 전극(223)을 100 ~ 110℃에서 약 5 ~ 10분 정도 건조시킨다.
다음으로, 아세톤을 사용하여 포토레지스트(PR2)를 제거하면, 도 6e에 도시된 바와 같이 하부 전극(221) 위에는 측면이 하부 전극(221)의 상면에 대해 실질적으로 직각을 이루는 압전막(222)과, 압전막(222)의 폭과 동일한 폭을 가진 상부 전극(223)만 잔존하게 된다.
마지막으로, 압전막(222)을 소정 온도, 예컨대 900 ~ 1,000℃에서 소결시킨 후, 압전막(222)에 전계를 가하여 압전특성을 발생시키는 폴링(polling) 공정을 거치게 되면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액츄에이터(220)가 완성된다.
상기한 바와 같이 형성된 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액츄에이터의 SEM 사진들이 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있다.
도 7a와 도 7b를 보면, 압전막(222)의 측면이 하부 전극(221)의 상면에 대해 거의 직각을 이루고 있음을 알 수 있다. 또한, 압전막(222)의 단면 형상도 높이가 거의 일정한 직사각형을 이루고 있으며, 그 전체 형상은 직육면체를 이루고 있음을 알 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예컨대, 본 발명에서 압전 액츄에이터의 각 구성요소를 형성하는 방법은 단지 예시된 것으로서, 다양한 식각방법과 증착방법이 적용될 수 있으며, 각 단계의 순서도 예시된 바와 달리할 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 및 그 형성 방법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 하부 전극과 압전막의 가장자리 사이에 공간이 형성된 경우에는, 상부전극을 보다 넓게 형성하여도 단락이 일어나지 않으며, 폴링 공정이나 구동시에 압전막의 절연파괴도 일어나지 않는다. 따라서, 충분한 압전 효과를 발휘할 수 있다.
둘째, 압전막의 측면이 하부 전극의 상면에 대해 실질적으로 직각으로 형성된 경우에는 압전막의 단면 형상이 직사각형을 이루게 된다. 따라서, 상부 전극의 폭을 압전막의 폭과 같도록 할 수 있으므로, 동일 면적에 대해 최대의 압전 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 상부 전극 아래의 압전막의 두께가 일정해 단락이나 압전막의 절연파괴도 일어나지 않는다. 그리고, 압전막을 일정한 두께로 보다 얇게 형성할 수 있으므로, 압전 액츄에이터를 보다 미세한 크기로 정밀하고 용이하게 형성할 수 있다. 따라서, 해상도 향상을 위해 프린트헤드를 고밀도로 제작하는 최근의 추세에 적합하다.

Claims (19)

  1. 압력 챔버의 상부벽을 이루는 진동판의 상부에 형성되어, 상기 진동판을 변형시킴으로써 상기 압력 챔버에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터에 있어서,
    상기 진동판 위에 형성되는 하부 전극;
    상기 하부 전극 위에 상기 압력 챔버에 대응하는 위치에 형성되며, 그 가장자리 부위와 상기 하부 전극 사이에 공간이 형성된 압전막; 및
    상기 압전막 위에 형성되어 상기 압전막에 전압을 인가하는 상부 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압전막의 상기 하부 전극에 접촉되는 부위의 폭은 상기 압력 챔버의 폭의 70 ~ 90%인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터.
  3. 압력 챔버의 상부벽을 이루는 진동판의 상부에 형성되어, 상기 진동판을 변형시킴으로써 상기 압력 챔버에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터에 있어서,
    상기 진동판 위에 형성되는 하부 전극;
    상기 하부 전극 위에 상기 압력 챔버에 대응하는 위치에 형성되며, 그 측면은 상기 하부 전극의 상면에 대하여 실질적으로 직각을 이루는 압전막; 및
    상기 압전막 위에 형성되어 상기 압전막에 전압을 인가하는 상부 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 압전막은 높이가 일정한 직사각형의 단면 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 압전막의 폭은 상기 압력 챔버의 폭의 70 ~ 90%인 것을 특징으로 하는잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 상부 전극의 폭은 상기 압전막의 폭과 동일한 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터.
  7. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 하부 전극은 Ti 층과 Pt 층이 순차 적층된 2층 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터.
  8. 압력 챔버의 상부벽을 이루는 진동판의 상부에 형성되어, 상기 진동판을 변형시킴으로써 상기 압력 챔버에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 형성 방법에 있어서,
    상기 진동판 위에 하부 전극을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극의 전 표면에 포토레지스트를 소정 두께로 도포하는 단계;
    상기 포토레지스트를 패터닝하여 상기 압력 챔버에 대응되는 위치에 개구부를 형성하는 단계;
    상기 개구부에 의해 노출된 상기 하부 전극 위에 압전물질을 상기 개구부의 폭보다 넓게 도포함으로써 압전막을 형성하는 단계;
    상기 압전막 위에 상부 전극을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트를 제거하여 상기 압전막의 가장자리 부위와 상기 하부 전극 사이에 공간을 형성하는 단계;
    상기 압전막을 소결시키는 단계; 및
    상기 압전막에 압전특성을 발생시키기 위해 전계를 가하는 폴링 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 형성 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 포토레지스트의 도포 두께는 2 ~ 8㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 형성 방법.
  10. 압력 챔버의 상부벽을 이루는 진동판의 상부에 형성되어, 상기 진동판을 변형시킴으로써 상기 압력 챔버에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 형성 방법에 있어서,
    상기 진동판 위에 하부 전극을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극의 전 표면에 포토레지스트를 소정 두께로 도포하는 단계;
    상기 포토레지스트를 패터닝하여 상기 압력 챔버에 대응되는 위치에 개구부를 형성하는 단계;
    상기 개구부의 내부에 압전물질을 도포하여 상기 개구부에 의해 노출된 상기 하부 전극 위에 그 측면이 상기 하부 전극의 상면에 대해 실질적으로 직각을 이루는 압전막을 형성하는 단계;
    상기 압전막 위에 상기 개구부를 벗어나지 않도록 상부 전극을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트를 제거하는 단계;
    상기 압전막을 소결시키는 단계; 및
    상기 압전막에 압전특성을 발생시키기 위해 전계를 가하는 폴링 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 형성 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 포토레지스트의 도포 두께는 20 ~ 40㎛인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 형성 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 압전막은 높이가 일정한 직사각형의 단면 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터의 형성 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 상부 전극은 상기 압전막의 폭과 동일한 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터의 형성 방법.
  14. 제 8항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 개구부의 폭은 상기 압력 챔버의 폭의 70 ~ 90%인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 형성 방법.
  15. 제 8항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 압전물질은 스크린 프린팅에 의해 도포되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 형성 방법.
  16. 제 8항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 압력 챔버와 상기 진동판은 실리콘 기판에 형성되고, 상기 실리콘 기판과 상기 하부 전극 사이에는 실리콘 산화막이 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 형성 방법.
  17. 제 8항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 하부 전극은 상기 진동판 위에 스퍼터링에 의해 Ti 층과 Pt 층을 순차적으로 증착함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 형성 방법.
  18. 제 8항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 상부 전극은 전극물질을 상기 압전막 위에 프린팅함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 형성 방법.
  19. 제 8항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 상부 전극은 스퍼터(sputter), evaporator 및 E-beam 중 어느 하나를 사용하여 전극물질을 상기 압전막 위에 증착함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 압전 액츄에이터 형성 방법.
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