KR20050067035A

KR20050067035A - 잉크 제트 헤드, 잉크 제트 헤드의 구동 방법, 및 잉크제트 기록 장치

Info

Publication number: KR20050067035A
Application number: KR1020040111600A
Authority: KR
Inventors: 오이까와마사끼; 가네꼬미네오
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2005-06-30
Also published as: CN1636734A; EP1547777A1; US7216961B2; TW200526416A; TWI250086B; EP1547777B1; US20050140732A1; CN100346972C

Abstract

본 발명은 축열층, 잉크를 토출하도록 사용되는 열 에너지를 발생시키는 발열 부재, 및 상기 발열 부재를 보호하기 위한 보호 필름이 기판 상에 연속적으로 형성되어 있는 잉크 제트 헤드용 기부 부재에 관한 것이며, 발열 부재 아래에 있는 축열층 부분의 열 저항값은 발열 부재 상에 있는 보호 필름 부분의 열 저항값의 2배 이상 5배 미만인 것을 특징으로 한다.

Description

잉크 제트 헤드, 잉크 제트 헤드의 구동 방법, 및 잉크 제트 기록 장치 {Ink Jet Head, Method of Driving the Ink Jet Head, and Ink Jet Recording Apparatus}

본 발명은 잉크 제트 공정에 따라 잉크를 토출하여 기록 매체 상에 기록을 달성하기 위한 잉크 제트 헤드의 구동 방법과, 특히 잉크를 토출하기 위해 열 에너지를 이용하는 잉크 제트 헤드 및 잉크 제트 기록 장치에 관한 것이다.

본 발명의 "기록"은 문자 및 그림과 같은 의미가 있는 화상을 부가할 뿐만 아니라 패턴과 같은 의미가 없는 화상을 부가하는 것을 의미한다.

최근에, 많은 기록 장치가 종이, 얀, 섬유, 천, 금속, 플라스틱, 유리, 목재 및 세라믹과 같은 기록 매체 상에 기록을 달성하기 위한 프린터, 복사기, 통신 시스템을 갖는 팩시밀리 장치, 및 프린터부를 갖는 워드 프로세서와 같은 장치와, 또한 다양한 처리 장치와 복합적으로 조합된 기록 장치로서 사용되고 있다. 고속 기록, 고해상도, 고품질 화상, 저소음 등이 이러한 기록 장치에 대해 요구된다. 잉크 제트 기록 장치가 그러한 요구를 만족시키는 기록 장치로서 언급될 수 있다. 잉크 제트 기록 장치는 토출 포트를 갖는 잉크 제트 헤드를 사용하여, 토출 포트로부터 잉크(기록액) 액적을 토출하고, 액적을 기록 매체에 부착시켜서 기록을 달성한다. 잉크 제트 기록 장치에서, 잉크 제트 헤드 및 기록 매체는 서로 접촉하지 않고, 따라서 매우 안정된 기록 화상 등이 얻어질 수 있다.

그러한 잉크 제트 헤드 중에서, 잉크를 토출하기 위해 열 에너지를 이용하는 잉크 제트 헤드는 복수의 토출 포트가 매우 조밀하게 배열되어 고해상도의 기록이 달성될 수 있고 헤드를 콤팩트하게 만들기 쉬운 장점을 갖는다.

열 에너지를 이용하는 종래의 잉크 제트 헤드에서, 복수의 발열 저항 부재가 실리콘 등의 기부 부재 상에 일렬로 배열되어 고밀도를 이루고, 복수의 발열 저항 부재에 대한 공통 축열층 및 절연 필름을 갖는 구성이 인기가 있다 (일본 특허 출원 공개 제2001-171127호 및 일본 특허 출원 공개 제2002-011886호).

첨부된 도면의 도14는 발열 저항 부재의 부분 내에서 열 에너지를 이용하는 종래의 잉크 제트 헤드의 전형적인 단면도를 도시한다.

도14에 도시된 바와 같이, 잉크 제트 헤드(100)는 발열 저항 부재(123; 히터)를 구비하여 형성된 기부 부재(120)와, 기부 부재(120) 상으로 결합된 노즐 재료(110)를 갖는다. 기부 부재(120)는 실리콘으로 형성된 기판(121)의 표면 상에, 열 산화된 필름과 같은 복수의 층에 의해 구성된 축열층(122)과, 축열층(122) 상에 부분적으로 형성된 발열 저항 부재(123)와, 발열 저항 부재(123)에 전력을 공급하기 위한 전극 와이어(124, 125)와, 발열 저항 부재(123) 및 축열층(122)을 덮도록 형성된 절연 필름(126)과, 절연 필름(126) 상에 형성되고 Ta로 구성된 내 캐비테이션 필름(127)을 갖는다. 절연 필름(126) 및 내 캐비테이션 필름(127)은 함께 보호 필름(128)을 구성한다. 노즐 재료(110)는 기부(120)에 결합되어, 발열 저항 부재(123) 위에 잉크 챔버(112)를 갖는 액체 경로를 형성한다. 또한, 노즐 재료(110)는 발열 저항 부재(123)에 대향한 위치에 형성된 토출 포트(122)를 갖는다.

잉크 챔버(112)는 잉크로 충전되고, 이러한 상태에서 전압이 전극 와이어(124, 125)를 통해 발열 저항 부재(123)로 인가되고, 이에 의해 발열 저항 부재(123)가 열을 발생시킨다. 발열 저항 부재(123)의 발열에 의해, 잉크 챔버(112) 내의 잉크가 갑작스럽게 가열되어 막비등한다. 이에 의해, 버블이 잉크 내에서 생성되고, 버블의 성장에 기초한 압력에 의해 잉크가 토출 포트(121)로부터 토출된다.

발열 저항 부재(123)에 의해 발생된 열 에너지를 잉크로 효율적으로 전달하기 위해, 지금까지 기부 부재(120)의 필름 구성에 대한 다양한 고안이 제안되었다.

이제 발열 저항 부재(123)의 발열에 의한 열 전달의 원리를 설명하기 위해 첨부된 도면의 도15가 참조된다. 도15에서, 발열 저항 부재(123)는 전력을 공급받고, 이에 의해 일정량의 열(Q)이 인가된다. 열(Q)의 양은 발열 저항 부재(123) 위와 아래로 확산되어 Q1 및 Q2가 된다. 위로 확산된 열(Q1)의 양은 보호 필름(128) 상의 잉크(130)로 전달된다. 이에 의해, 버블(131)이 잉크(130) 내에서 생성되고, 전술한 바와 같이 토출이 달성된다.

본 발명의 목적은 축열층, 잉크를 토출하는데 사용되는 열 에너지를 발생시키는 발열 부재, 및 기판 상에 연속적으로 형성된 발열 부재를 보호하기 위한 보호 필름을 갖는 잉크 제트 헤드를 위한 기부 부재에 관한 것이고, 발열 부재 아래에 놓인 축열층 부분의 열 저항값은 발열 부재 위에 놓인 보호 필름 부분의 열 저항값의 2배 이상 5배 미만이고, 이에 의해 잉크로의 열 전달 효율을 감소시키지 않고서 보호 필름의 열화를 효과적으로 방지하고 발열 저항 부재의 긴 수명을 실현하고, 방열 특성을 개선하고 고주파에서의 구동을 실현하는 것을 특징으로 한다.

발열 저항 부재 상의 층에 대해, 열이 잉크로 균일하게 전달될 수 있도록 열 전도도가 비교적 낮으며 작은 두께를 갖는 필름으로서 보호 필름이 형성된다. 보호 필름은 또한 잉크와의 절연부로서 역할한다.

다른 한편으로, 발열 저항 부재 아래의 층의 두께는 제조 방법 및 발열 저항 부재의 내구성 등에 의해 결정된다. 또한, 기록 속도의 고속화의 관점에서, 발열 저항 부재의 구동 전력 공급 시간(펄스 폭)을 단축하기 위한 고안이 이루어졌다. 예를 들어, 구동 주파수가 30 kHz이고 구동이 16-분할 구동이면, 발열 저항 부재는 약 2 ㎲ 이하로 구동되어야 한다. 구동 여유를 고려하여, 훨씬 더 짧은 펄스가 양호하다. 구동 전력 공급 시간은 단축되며 열유속은 증가되고, 이에 의해 더 안정된 버블링이 얻어지고, 안정된 버블링은 버블을 주위와 연통시키는 토출 방법에서 가장 효과적이고, 고품질 기록을 위한 잉크 제트 헤드에서, 구동 전력 공급 시간이 약 0.5 - 1.2 ㎲인 것이 필수 요소이다. 또한, 구동 펄스는 복수의 펄스, 즉 이중 통과 또는 삼중 통과로 분할되고, 이에 의해 토출 효율이 더욱 개선될 수 있다.

기록 속도의 고속화가 발전되고, 이와 함께 잉크 제트 헤드(발열 저항 부재)는 고주파로 구동되게 되었다. 따라서, 잉크의 버블링이 종료된 후의 잔열량이 충분히 방열되기 전에, 잉크의 버블링이 반복되어 기부 부재가 그 안에 열을 축적하는 것이 때때로 발생한다. 결과적으로, 재비등으로 불리는 현상이 발생하여 토출 특성이 현저하게 감소되고, 버블링 소멸 중의 캐비테이션에 의한 기계적 파괴가 촉진되며, 이는 발열 저항 부재의 내구성의 현저한 감소의 원인이었다.

버블을 주위와 연통시키는 방법에서, 캐비테이션이 회피될 수 있지만, 공급된 에너지가 전압 강하 등으로 인해 작아질 때, 캐비테이션이 더욱 현저해 진다. 따라서, 에너지가 몇몇의 경우에 과도하게 공급되지만, 그러한 경우에 보호 필름 상의 잉크의 열화학적 반응이 촉진되고, 이에 의해 잉크의 성분이 탄화되어 보호 필름에 부착하는 소위 "코게이션(눌어 붙음)"이 발생하고 토출 특성이 감소될 수 있다. 또한, 보호 필름 자체는 그의 산화를 촉진하여 강도가 감소되고, 이는 발열 저항 부재의 내구성의 현저한 감소의 원인이 되었다.

또한, 기록 장치에 의한 고품질 기록이 발전되었고, 토출 액적의 크기는 날로 감소되어 왔으며, 현재는 수 pl의 미소한 크기이다. 그러므로, 종래 기술과 비교하여, 공급되는 에너지에 대한 토출량, 즉 토출 효율을 수배 내지 약 10배로 증가시키는 것이 필요하고, 이는 어려운 문제였다.

이러한 문제를 회피하기 위해, 발열 저항 부재의 수를 증가시키는 방법이 있다. 그러나, 발열 저항 부재 수의 임의의 증가는 그를 위한 상당한 수의 구동 회로 및 메모리 등에 대한 요구로 이어지고, 기부의 크기가 커질 뿐만 아니라 구동이 어려워지고, 기록 장치 본체의 구동 IC의 고집적 및 소프트웨어의 복잡성 등이 비용 증가를 야기할 것이다.

본 발명은 전술한 문제의 관점에서 이루어졌고, 본 발명의 일 실시예가 이하에서 도면을 참조하여 설명될 것이다.

"(수치 A) - (수치 B)"는 본원에서 "수치 A이상 수치 B이하"의 범위를 표시한다. 또한, 발열 부재 또는 발열 저항 부재는 축열층 상에 형성된 전체 층이 아닌 전력 공급에 의해 발생된 열이 잉크 상에 작용하게 하기 위한 영역의 부분, 즉 보호 필름의 부재 시에 잉크와 직접 접촉하여 잉크를 가열하는 부분을 말한다.

<본 발명의 잉크 제트 헤드의 개요 (본 발명자에 의한 연구)>

본 발명의 개요가 먼저 설명될 것이다. 본 발명의 요점은 발열 저항 부재 위와 아래의 필름 구성을 적절한 열 저항을 갖는 구성으로 만드는 것이다. 먼저, 도14에 도시된 바와 같은 필름 구성을 갖는 잉크 제트 헤드에서, 열화학적인 반응에 의한 보호 필름의 "눌어 붙음" 및 열화와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명자는 3차원 열 전도 시뮬레이션을 사용하여, 보호 필름이 0.3 ㎛의 필름 두께를 갖는 SiN 필름(절연 필름) 및 0.23 ㎛의 필름 두께를 갖는 Ta 필름(내 캐비테이션 필름)인 조건 하에서, 축열층이 2.5 ㎛의 필름 두께를 갖는 SiO₂ 필름인 경우 및 축열층이 1.5 ㎛의 필름 두께를 갖는 SiO₂ 필름인 경우에 대해, 발열 저항 부재가 0.8 ㎲의 구동 펄스 폭으로 구동되었을 때의 구동 펄프의 시점으로부터 발열 저항 부재의 표면 온도의 시간 경과에 따른 변동을 계산했다. 계산 결과가 도1에 도시되어 있다.

도1로부터 명확한 바와 같이, 두 종류의 축열층을 비교하면, 최대 피크 온도는 양자에서 500℃ 정도, 즉 대체로 동일하지만, 그 이후의 온도는 더 작은 필름 두께를 갖는 층에서 더욱 신속하게 낮아진다. 이러한 결과로부터, 축열층의 두께를 작게 만듦으로써 방열 특성이 잉크의 열 전달 효율이 감소되지 않고서 개선될 수 있다고 고려된다.

따라서, 보호 필름이 0.3 ㎛의 필름 두께를 갖는 SiN 필름(절연 필름) 및 0.23 ㎛의 필름 두께를 갖는 Ta 필름(내 캐비테이션 필름)에 의해 구성되고 축열층의 두께가 상이한 여러 잉크 제트 헤드가 실험에 기초하여 만들어졌고, 그의 내구성, 즉 잉크가 정상적으로 토출되지 않게 될 때까지의 구동 펄스수가 평가되었다.

평가 결과는 축열층의 두께와 펄스 지속 회수 사이의 관계로서 도2에 도시되어 있다. 도2로부터, 축열층의 필름 두께가 1.7 ㎛ 이하일 때 내구성이 크게 개선된다는 것이 새롭게 발견되었다. 즉, 발열층의 두께가 더 작게 만들어질 수록, 내구성이 더욱 개선된다.

다음으로, 본 발명자는 3차원 열 전도 시뮬레이션을 사용하여, 잉크로의 열 전달 효율이 감소되지 않고서 축열층이 얼마나 얇게 만들어질 수 있는지를 계산하였다. 결과는 도3에 도시되어 있다.

도3은 축열층의 두께와 전술한 시뮬레이션에 의해 얻어진 발열 저항 부재의 단위 면적당 잉크 임계 버블링 에너지 사이의 관계를 도시하는 그래프이다. 발열 저항 부재의 단위 면적당 잉크 임계 버블링 에너지는 잉크로의 열 전달 효율의 지수가 된다. 잉크 임계 버블링 에너지는 발열 저항 부재의 표면 온도가 잉크의 버블링 온도인 300℃를 초과하는 임계 열 에너지값이고, 이 값이 클 수록 열 전달 효율이 악화된다. 계산은 0.5 ㎲ 내지 3.0 ㎲로 변화되는 구동 전력 공급 시간인 열 에너지 인가 시간(Pw)에서 수행되었다. 이러한 열 에너지 인가 시간은 잉크 제트 헤드의 기록 속도의 관점에서 헤드를 고속으로 구동하기 위해 필요한 조건으로서 얻어진 적절한 시간이고, 열 에너지 인가 시간은 구동 펄스 정확성으로부터 너무 짧지 않다. 또한, 이러한 시간은 버블을 주위와 연통시키는 토출 방법에서 안정된 토출을 달성하기 위한 높은 열유속의 적절한 조건, 즉 0.5 내지 1.2 ㎲의 전술한 구동 전력 공급 시간을 포함한다.

도3으로부터 명확한 바와 같이, 축열층의 두께가 약 0.7 ㎛보다 작을 때, 잉크로의 열 전달 효율은 갑작스럽게 악화된다. 이로부터, 축열층의 두께가 양호하게는 0.7 ㎛ 이상이어야 한다는 것을 알게 된다. 또한, 0.7 ㎛보다 얇은 축열층은 안정적으로 형성하기 어렵다.

도3으로부터, 열 전달 효율이 열 에너지 인가 시간(Pw)이 길어짐에 따라 악화되고, Pw가 길수록 축열층의 두께의 영향이 크다는 것 또한 알게 된다. 특히, 1.2 내지 2 ㎲의 Pw에 대해, 축열층의 두께는 효율 감소 없이 1.0 내지 1.7 ㎛일 수 있고, 높은 열유속의 적절한 조건인 0.5 내지 1.2 ㎲의 Pw에 대해, 축열층의 두께는 효율 감소 없이 0.7 내지 1.5 ㎛일 수 있으며, 이러한 범위가 적절하다는 것 또한 알게 된다.

전술한 내용으로부터, 보호 필름이 0.3 ㎛의 필름 두께를 갖는 SiN 필름 및 0.23 ㎛의 필름 두께를 갖는 Ta 필름에 의해 구성된 경우에, 내구성을 개선하기 위해 효율을 감소시키지 않고서 방열 특성을 양호하게 만들기 위해서는 0.7 내지 1.7 ㎛가 SiO₂로 형성된 축열층의 두께로서 가장 적절하고, 또한 0.5 내지 1.2 ㎲의 Pw에 대해서는, 0.7 내지 1.5 ㎛가 축열층의 두께로서 적절하고, 1.0 ㎛ 이하가 더욱 적절하다고 말할 수 있다. 구동 전력 공급은 단일 펄스의 경우로 제한되지 않고, 복수로 분할된 펄스 구동일 수 있으며, 이러한 경우에 각각의 펄스의 총 전력 공급 시간은 Pw에 대응한다. 도3에 도시된 관계는 시뮬레이션과 일치하는 결과가 실험에 기초하여 만들어진 전술한 헤드에서도 얻어졌다는 것을 보여준다.

본원에서, 보호 필름 및 축열층의 재료 및 두께가 특별히 도시되었지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명은 인가된 열 에너지를 잉크로 효율적으로 전달하며, 열을 축열층으로 적절하게 방출하고, 따라서 전술한 조건은 보호 필름 및 축열층의 열 저항 비에 의해 대체될 수 있다.

대체 결과가 도4에 도시되어 있다. 도4는 축열층의 조건이 보호 필름의 전술한 조건에서 축열층 및 보호 필름의 열 저항 비로 대체된, 축열층의 두께와 축열층/보호 필름의 열 저항 비 사이의 관계를 도시하는 그래프이다. 이 때 각각의 필름의 열 전도도는 얇은 필름(SiN)에 대해 1.2 w/m·K(실험에 기초하여 만들어진 물품의 측정 결과에 따름), 얇은 필름(Ta)에 대해 54 w/m·K, 그리고 얇은 필름(SiO₂)에 대해 1.38 w/m·K였다. 얇은 필름(Ta) 및 얇은 필름(SiO₂)의 열 전도도로서, 통상 문헌 등에 의해 얻어진 값이 사용되었다. 얇은 필름의 열 저항값(Rs)은 얇은 필름을 형성하는 재료의 열 전도도가 K로 정의되고 그의 필름 두께가 d로 정의될 때, Rs = d/K에 의해 주어진다. 또한, 적층된 필름의 열 저항값은 각각의 필름의 열 저항값을 서로 더함으로써 얻어진 결과이다.

도4로부터 명확한 바와 같이, 축열층의 필름 두께 조건, 즉 0.7 ㎛ 이상 1.7 ㎛ 이하는 0.3 ㎛의 필름 두께를 갖는 SiN 필름 및 0.23 ㎛의 필름 두께를 갖는 Ta 필름을 포함하는 보호 필름에서, 축열층/보호 필름의 열 저항 비의 관점에서 2배 이상 5배 미만의 범위에 의해 대체될 수 있다. 이로부터, 2배 이상 5배 미만의 범위가 발열 저항 부재 위의 보호 필름의 열 저항에 대한 발열 저항 부재 아래의 축열층의 열 저항의 비율로서 적절하다는 것을 알게 된다.

이하에서, 열의 그러한 유입 및 유출이 내구성에 대해 어떠한 영향을 주는지에 대해 더욱 고려될 것이다. 내구성에 대한 영향을 갖는 중요한 인자는 "눌어 붙음" 및 파손이다. "눌어 붙음"은 잉크 내에 함유된 염료의 분해된 재료 등이 발열 저항 부재 상의 보호 필름 부분인 발열부에 부착되어 균일한 버블링을 방해하거나 버블링 에너지를 약화시키는 작용을 하는 현상이고, "눌어 붙음"의 부착량은 발열부의 표면 온도가 높아짐에 따라 커지는 것으로 알려져 있다. 다른 한편으로, 파손은 화학적 작용 및 기계적 작용의 인자를 갖는다. 전술한 바와 같이, 절연 필름 및 내 캐비테이션 필름을 포함하는 보호 필름은 발열 저항 부재의 상부층 상에 형성되지만, 절연 필름으로 사용되는 SiN 등의 무기 필름은 잉크 저항 및 기계적 저항 특성이 열악하고, 내 캐비테이션 필름에 결함이 발생하면, 잉크가 그로부터 진입하여 발열 저항 부재를 부식시켜서 파손시킨다. 따라서, 내 캐비테이션 필름의 수명은 내구성에 크게 영향을 준다. 전형적으로 내 캐비테이션 필름으로서 탄탈륨을 예로 들면, 산화물(산화층)이 내구성 테스트를 받은 내 캐비테이션 필름의 표면 상에 형성되는 것이 관찰된다. 산화의 정도는 탄탈륨의 표면의 변색, 전자 탐침 미세 분석기(EPMA) 등에 의한 표면 조성 분석, 또는 집중 이온 비임 작동 관찰 장치(FIB)에 의한 필름 단면의 관찰과 같은 수단에 의해 알 수 있다. 산화층은 화학 및 기계적 강도가 열악하고, 캐비테이션의 충격에 의해 박리된다. 내 캐비테이션 필름은 산화 및 박리가 반복되는 동안 그의 손상이 커지고, 최종적으로 손상은 절연층에 도달한다. 또한, 캐비테이션이 발생하지 않도록 버블을 주위와 연통시키는 구성에서, 내구성은 개선되지만 최종적으로 파손이 일어난다. 이는 잉크 내의 성분이 산화층을 화학적으로 부식시키기 때문이며, 필름 두께가 내구성 테스트 후에 FIB 등에 의해 측정될 때, 필름 두께가 펄스수와 일치하여 작아진 것이 관찰된다. 또한, 온도가 높을 수록, 산화층은 부식되기 쉽다. 따라서, 내 캐비테이션 필름의 산화가 빠를 수록, 그의 내구 수명이 단축된다는 것이 이해될 것이다.

따라서, 발열 저항의 파손은 기계적 인자 및 화학적 인자에 있어서 내 캐비테이션 필름의 산화에 기인하고, 산화 작용을 억제하는 것이 내구성을 개선하는데 효과적이다. 내 캐비테이션 필름의 산화는 고열 하에서 내 캐비테이션 필름 상에 존재하는 잉크로 인해 발생하지만, 잉크의 성분은 염료의 용해성 및 인쇄 매체로의 정착 특성으로부터 결정되며 선택의 자유도가 낮고, 따라서 보호 필름의 표면 온도를 낮추는 것이 산화를 방지하기 위한 대책으로서 현실적으로 효과적이다. 보호 필름의 표면 온도를 낮추기 위해, 다음과 같은 수단이 있다.

(1) 최고 도달 온도를 낮추는 수단, 및

(2) 냉각을 빠르게 하는 수단.

또한, 최고 도달 온도를 낮추기 위해, 다음의 두 가지 방법이 있다.

(1a) 표면 온도를 균일화하는 방법, 및

(1b) 공급되는 에너지를 감소시키는 방법.

표면 온도를 균일화하기 위해, 열이 필름 표면의 내부를 향해 탈출하는 것을 방지하는 것이 필요하고, 보호 필름의 필름 두께를 가능한 한 작게 만들고 표면의 내부를 향한 방향으로의 열 저항을 높이고 보호 필름을 단시간 내에 빠르게 가열하여 열이 보호 필름 표면의 내부를 향해 전달되기 전에 충분한 열을 잉크에 제공하여 잉크를 버블링시키는 것이 중요하다. 공급되는 에너지에 대해, 개별 발열 저항 부재의 특성의 불균일성 및 전원 전압의 변동을 고려하여 특정 계수에 의해 곱해진 버블링 한계값 전압으로부터 생성된 값을 제공하는 것이 일반적이지만, 최고 도달 온도는 이러한 계수에 의존하여 상승하며 산화 또한 촉진(behement)되고, 따라서 공급되는 에너지를 가능한 한 낮게 설정하는 것이 바람직하다. 구동 전압을 버블링 한계값 전압에 비해 1.1 내지 1.2배로 유지하는 것이 바람직하고, 구동 전압이 1.3배(에너지 변환의 관점에서 제곱)를 초과하면, 산화는 갑작스럽게 진행되며 이는 양호하지 않다. 전술한 단시간 내의 가열은 균일한 막비등을 일으키기 용이하여 불균일성이 거의 없고, 또한 공급된 에너지를 억제하는데 효과적이다.

다른 한편으로, 냉각 속도를 높이기 위해, 주연부로의 열 전달을 촉진하는 것이 필요하지만, 절연 필름 및 내 캐비테이션 필름의 열 전달을 개선하는 것은 전술한 이유로 최고 도달 온도를 상승시키고, 이는 바람직하지 않다. 따라서, 축열층을 통한 실리콘 기판으로의 열 전달을 개선하는 것이 양호하다. 실리콘 기판으로의 열 전달을 개선하기 위해, 축열층의 두께를 가능한 한 작게 만드는 것이 양호하지만, 이러한 두께가 너무 작게 만들어지면, 열은 잉크의 가열 과정에서 막비등의 시작 이전에 실리콘 기판으로 탈출하여, 추가의 에너지가 막비등을 일으키기 위해 필요하게 된다. 임의의 초과 에너지는 실리콘 기판 내에 저장되고, 이는 표면 온도의 억제에 반하며 양호하지 않다. 따라서, 전술한 바와 같이, 보호 필름 및 축열층의 필름 두께 및 재료는 발열 저항 부재 아래의 축열층의 열 저항값이 발열 저항 부재 상의 보호 필름의 열 저항값의 2배 이상 5배 미만의 범위 내에 있을 수 있도록 설정되고, 이에 의해 잉크로의 열 전달 효율을 감소시키지 않고서 보호 필름의 열화를 효과적으로 방지하고 발열 저항 부재의 내구성을 개선하고 또한 방열 특성을 개선하는 것이 가능해 지고, 0.5 내지 2.0 ㎲의 매우 짧은 구동 전력 공급 시간 동안의, 즉 고주파에서의 구동이 가능해진다. 전술한 구성을 채택함으로써, 보호 필름의 냉각은 빠르고, 따라서 보호 필름의 표면 온도는 잉크 토출후 버블 소멸 중의 캐비테이션의 발생 중에 또는 버블이 주위와 연통할 때 낮아지고, 종래 기술과 비교하여 보호 필름의 산화를 방지하는 것도 가능해진다.

종래 기술에서도, 내구성을 개선하기 위해 표면 온도를 낮추는 것이 제안되었다. 그러나, 종래 기술에서는, 잉크의 재비등으로 인한 캐비테이션 파괴를 방지하는 것이 주요 목적이다. 잉크의 재비등으로 인한 캐비테이션 파괴는 잉크가 보호 필름의 표면과 접촉할 때 보호 필름의 표면 온도가 100℃ 이상인 경우에 발생하는 현상이다. 본 발명에서, 보호 필름의 표면의 산화에 관심이 집중되고, 이러한 현상은 잉크의 재비등에 관계없이 100℃ 이하에서도 발생된다. 또한, 이후에 설명될 도14 및 도5에 도시된 측면 분사형(side shooter type) 잉크 제트 헤드에서, 발열부의 대체로 중심에서 파손이 발생한다는 것이 발견되었다. 이는 버블링 후에 잉크가 발열부 상으로 유동하고, 도5에서 보이는 바와 같이 발열부의 세 개의 측면이 노즐 벽에 의해 둘러싸여 있기 때문에 잉크의 유입이 공급 포트가 개방되어 있는 잉크 챔버로부터 그리고 발열부에 대향한 토출 포트로부터 대부분 일어나서, 토출 포트의 주변으로부터 유입된 잉크가 발열부의 중심과 처음으로 접촉하는 사실로 인한 것으로 고려된다. 발열부의 중심은 전술한 바와 같이, 최고 도달 온도가 높아지고 또한 그의 주연부가 냉각 중에 먼저 냉각되는 경향을 갖고, 따라서 중심은 최후에 고온이 되는 경향이 있다. 잉크가 이러한 부분과 접촉할 때, 산화가 진행될 뿐만 아니라 주위와의 온도 차이로 인한 기계적 파괴 또한 가속되고, 이는 양호하지 않다. 그러므로, 더 균일한 가열 및 빠른 냉각이 요구된다. (토출 방향이 발열 표면에 대해 평행한 방향인) 모서리 분사형에서, 발열부의 그러한 파손은 발생하지 않는다. 이는 잉크의 유입 방향이 발열부의 표면에 대해 평행하고 잉크가 발열부 둘레의 온도가 낮은 측면으로부터 유입되기 때문으로 고려된다.

따라서, 온도는 잉크 제트 헤드의 내구성에 크게 영향을 주는 "눌어 붙음" 및 파손에서의 중요한 인자이고, 내구성을 개선하기 위해 보호 필름과 축열층의 사이의 전술한 관계를 만족시키는 것이 효과적이라는 것이 이해될 것이다.

<잉크 제트 기록 장치>

본 발명의 잉크 제트 헤드가 장착된 잉크 제트 기록 장치를 설명하기 위해 이제 도12가 참조된다.

도12는 본 발명의 잉크 제트 기록 장치의 일례를 도시하는 전형적인 사시도이다. 도12에서, 나선 홈(5005)을 구비하여 형성된 리드 스크류(5004)가 본체 프레임에 회전 가능하게 저널링된다. 리드 스크류(5004)는 구동 모터(5013)의 정방향 및 역방향 회전과 작동식으로 연결된 구동력 전달 기어(5009 - 5011)를 통해 회전식으로 구동된다.

또한, 캐리지(HC)를 활주 가능하게 안내하기 위한 안내 레일(5003)이 본체 프레임에 고정된다. 캐리지(HC)는 나선 홈(5005)과 결합된 (도시되지 않은) 핀을 구비하고, 리드 스크류(5004)는 구동 모터(5013)의 회전에 의해 회전되고, 이에 의해 캐리지(HC)가 화살표(a, b)의 방향으로 왕복 이동될 수 있다. 종이 가압판(5002)이 캐리지(HC)의 이동 방향에 걸쳐 플래튼 롤러(5000)에 대해 기록 매체(P)를 가압한다.

잉크 제트 기록 유닛(IJC)이 캐리지(HC) 상에 장착된다. 잉크 제트 기록 유닛(IJC)은 전술한 잉크 제트 헤드가 잉크 탱크(IT)와 일체로 만들어진 카트리지 형태, 또는 잉크 탱크들이 별도의 부재로서 서로 탈착식으로 조합된 형태를 취할 수 있다. 또한, 이러한 잉크 제트 기록 유닛(IJC)은 캐리지(HC) 상에 제공된 위치 설정 수단 및 전기 접점에 의해 캐리지(HC) 상에 고정식으로 지지되어, 캐리지(HC)에 대해 탈착식으로 장착 가능하게 제공된다.

광 커플러(5007, 5008)들이 함께 기본 위치 검출 수단을 구성하여, 이러한 영역 내에서 캐리지(HC)의 레버(5006)의 존재를 확인하며 구동 모터(5013)의 회전 방향의 역전 등을 달성한다. 잉크 제트 헤드의 전방 표면(토출 포트가 개방되어 있는 표면)을 캡핑하기 위한 캡 부재(5022)가 지지 부재(5016)에 의해 지지되며, 또한 흡입 수단(5015)을 구비하고, 캡 내의 개구(5023)를 통해 잉크 제트 헤드의 흡입 복원을 달성한다. 지지판(5019)이 본체 지지판(5018) 상에 장착되고, 이러한 지지판(5018) 상에 활주 가능하게 지지되는 세척 블레이드(5017)가 도시되지 않은 구동 수단에 의해 전후로 이동된다. 세척 블레이드(5017)의 형태는 도시된 것으로 제한되지 않고, 당연히 공지된 형태가 적용될 수 있다. 레버(5021)는 잉크 제트 헤드의 흡입 복원 작동을 시작하기 위한 것이며, 캐리지(HC)에 대해 맞닿은 캠(5020)의 이동에 의해 이동되고, 그의 이동은 모터(5013)로부터 기어(5010) 또는 래치 변환기와 같은 종래의 전달 수단에 의해 전달되는 구동력에 의해 제어된다.

캡핑, 세척, 및 흡입 복원의 과정은 캐리지(HC)가 기본 위치측 영역으로 이동되었을 때 리드 스크류(5004)의 작용에 의해 각각의 대응 위치에서 수행되도록 되어 있지만, 원하는 작동이 공지된 시점에 수행되도록 설계되면, 이들 중 하나가 본 실시예에 적용될 수 있다.

도13은 전술한 잉크 제트 기록 장치의 작동을 제어하기 위한 제어 회로의 블록 선도를 도시한다. 도13에 도시된 제어 회로는 기록 신호가 컴퓨터와 같은 외부 장치로부터 입력되는 인터페이스(1700)와, 인터페이스(1700)를 통해 입력된 기록 신호에 기초하여 잉크 제트 기록 장치의 작동을 관리하기 위한 제어부와, 기록 헤드(1708; 잉크 제트 헤드)를 구동하기 위한 헤드 구동기(1705)와, 기록 매체를 이송하기 위한 (도12에 도시된 플래튼 롤러(5000)를 회전시키기 위한) 이송 모터(1709)를 구동하기 위한 모터 구동기(1706)와, (도12의 구동 모터(5013)에 대응하는) 캐리어 모터(1710)를 구동하기 위한 모터 구동기(1707)를 갖는다.

제어부는 인터페이스(1700)로부터의 기록 신호에 응답하여 기록 헤드(1708)로의 기록 데이터 공급의 제어를 달성하기 위한 게이트 어레이(1704; G.A.)와, MPU(1801)와, MPU(1701)가 실행하는 제어 프로그램을 내부에 저장하는 ROM(1702)과, 전술한 기록 신호 및 기록 헤드로 공급되는 기록 데이터와 같은 다양한 데이터를 내부에 보존하는 DRAM(1703)을 갖는다. 게이트 어레이(1704)는 또한 MPU(1701)와 DRAM(1703) 사이에서 데이터 전송 제어를 달성한다.

기록 신호가 인터페이스(1700)로 입력되면, 기록 신호는 게이트 어레이(1704)와 MPU(1701) 사이에서 기록을 위한 기록 데이터로 변환된다. 그 다음, 이송 모터(1709) 및 캐리어 모터(1710)는 각각의 모터 구동기(1706, 1707)에 의해 구동되고, 또한 기록 헤드(1708)는 헤드 구동기(1705)로 보내진 기록 데이터에 따라 구동되고, 이에 의해 기록이 달성된다. 전술한 발열 저항 부재의 구동 전력 공급 시간 또한 MPU(1701)에 의해 제어된다.

<잉크 제트 헤드>

이제 본 발명에서 적합하게 사용되는 잉크 제트 헤드의 일례에 대해 설명될 것이다.

(잉크 제트 헤드의 구성예 1)

도5는 토출 포트측에서 본, 본 발명에서 적합하게 사용되는 잉크 제트 헤드의 구성예 1의 주요 부분의 평면도이다. 도6은 도5에 도시된 발열 저항 부재들 중 하나를 확대하여 도시하는 기부 부재의 평면도이다. 도5에서, 노즐 재료(10)가 내부 구조가 보일 수 있도록 투과된 상태로 도시되어 있다.

잉크 제트 헤드(1)는 복수의 발열 저항 부재(23)를 구비하여 형성된 기부 부재(20)와, 기부 부재(20)에 결합된 노즐 재료(10)를 갖는다. 발열 저항 부재(23)는 일렬로 배열된다. 그러나, 컬러용 잉크 제트 헤드의 경우에, 발열 저항 부재는 복수의 열로 배열될 수도 있다. 노즐 재료(10) 내에, 토출 포트(11)들이 그의 중심이 발열 저항 부재(23)의 중심에 위치한 채로 각각의 발열 저항 부재(23)에 대향한 위치에 형성된다. 또한, 노즐 재료(10)는 발열 저항 부재(23)들 중 인접한 것들을 분리하는 노즐 벽(13)을 구비하여 형성되고, 서로 결합된 기부 부재(20) 및 노즐 재료(10)에 의해, 토출 포트(11)가 개방되어 있는 유동 경로가 각각의 발열 저항 부재(23)에 대해 형성된다.

기부 부재(20) 내에, (도시되지 않은) 공급 포트가 이러한 잉크 제트 헤드(1)의 외부로부터 각각의 발열 저항 부재(23) 상으로 잉크를 공급하기 위해 기부 부재(20)를 통해 형성된다. 공급 포트는 유동 경로들에 대해 공통인 잉크 챔버로 개방된다. 또한, 기둥형 구조의 필터(29)가 잉크 제트 헤드(1) 내로의 이물질의 진입을 차단하기 위해 잉크 챔버와 각각의 유동 경로 사이에 제공된다. (도6에 도시되지 않은) 절연 필름 및 내 캐비테이션 필름(27)은 일렬로 배열되어 있는 모든 발열 저항 부재(23)를 공통으로 덮도록 제공된다. 또한, 도6에 도시된 바와 같이, 전극 배선(25)이 발열 저항 부재(23)에 연결된다.

잉크는 공급 포트로부터 유동 경로 내로 공급되어 발열 저항 부재(23) 상으로 유동한다. 이러한 상태에서, 발열 저항 부재(23)는 전극 배선(25)을 통해 전력을 공급받아 열 에너지를 발생시키고, 이에 의해 잉크가 발열 저항 부재(23) 상에서 버블링되고, 이에 의해 잉크가 토출 포트(11)로부터 토출된다. 이러한 실시예의 잉크 제트 헤드(1)는 발열 저항 부재(23) 및 토출 포트(11)가 서로 대향되어 있는 소위 측면 분사형이다. 측면 분사형 잉크 제트 헤드(1)의 토출 방법은 발열 저항 부재(23)의 구동에 의해 생성된 버블을 주위와 연통시키는 방법과, 버블을 주위와 연통시키지 않는 방법으로 크게 분류된다. 본 발명은 이들 모두에 적용될 수 있다. 후자의 토출 방법에서, 생성된 버블은 주위와 연통하지 않고 소멸된다.

도7은 도5의 선 Ⅶ-Ⅶ을 따라 취한 도5의 잉크 제트 헤드의 단면도이다. 본 실시예의 잉크 제트 헤드(1)는 이하에서 주로 도7을 참조하여 기부 부재(20)의 층 구성에 대해 설명될 것이다.

기부 부재(20)는 실리콘으로 형성된 기판(21)과, 그의 표면 상에 형성되어 절연 필름으로도 역할하는 축열층(22)과, 축열층(22) 상에 부분적으로 형성된 발열 저항 부재(23)와, 발열 저항 부재(23)에 전력을 공급하기 위한 전극 와이어(24, 25)와, 발열 저항 부재(23) 및 축열층(22)을 덮도록 형성된 절연 필름(26)과, 절연 필름(26)의 일부 상에 형성된 내 캐비테이션 필름(27)을 갖는다. 보호 필름은 절연 필름(26) 및 내 캐비테이션 필름(27)에 의해 구성된다. 본 실시예에서, 절연 필름(26)은 0.3 ㎛의 필름 두께를 갖는 SiN 필름에 의해 구성되고, 내 캐비테이션 필름(27)은 0.23 ㎛의 필름 두께를 갖는 Ta 필름에 의해 구성된다. 따라서, 보호 필름의 층 두께는 0.53 ㎛이다.

축열층(22)은 열 산화된 필름(22a), 중간층 필름(22b), 및 중간층 필름(22c)이 기판(21)측으로부터 연속적으로 적층된 3층 구조이다. 그러나, 열 산화된 필름(22a)은 발열 저항 부재(23)에 대향한 영역 내에 존재하지 않도록 부분적으로 형성되고, 본 실시예에서, 이는 단지 두 개의 층, 즉 축열층(22)으로서 실질적으로 기능하는 중간층 필름(22b) 및 중간층 필름(22c)이다. 열 산화된 필름(22a)은 열 산화 방법에 의해 형성된 SiO₂ 필름에 의해 구성되고, 중간층 필름(22b) 및 중간층 필름(22c)은 CVD 방법에 의해 형성된 SiO₂에 의해 구성된다. 또한, 중간층 필름(22b) 및 중간층 필름(22c) 각각의 필름 두께는 0.7 ㎛이고, 본 실시예의 발열 저항 부재(23) 아래의 축열층(22)의 층 두께(b)는 1.4 ㎛이다.

본 실시예의 발열 저항 부재(23)는 500 Å의 필름 두께를 갖는 TaSiN에 의해 구성된다. 또한, 전극 와이어(24, 25)는 AlCu로 형성된다.

노즐 재료(10)는 기부 부재(20) 상으로 결합되어, 발열 저항 부재(23)와 토출 포트(11) 사이의 유동 경로의 일부를 구성하는 잉크 챔버(12)를 형성한다.

여기서 중요한 것은 발열 저항 부재(23) 위와 아래에서 보호 필름의 열 저항에 대한 축열층(22)의 열 저항의 비율을 적절하게 만드는 것, 또는 보호 필름 및 축열층(22)의 조성 및 필름 두께를 적절하게 만드는 것이다. 도14에 도시된 종래의 잉크 제트 헤드의 구성에서, 보호 필름은 SiN으로 형성되어 0.3 ㎛의 필름 두께를 갖는 절연 필름, 및 Ta로 형성되어 0.23 ㎛의 필름 두께를 갖는 내 캐비테이션 필름에 의해 구성되고, 축열층은 약 1 ㎛의 필름 두께를 갖는 SiO₂ 필름 및 약 1 ㎛의 필름 두께를 각각 갖는 두 개의 SiO₂ 층을 포함하는 중간층 필름에 의해 구성되고, 그의 전체 두께는 3 ㎛이다. 따라서, 전술한 열 저항 비(축열층의 열 저항/보호 필름의 열 저항)는 8.56이다. 대조적으로, 본 실시예의 잉크 제트 헤드에서, 보호 필름은 종래의 기술의 것과 동일하지만, 발열 저항 부재(23) 아래의 축열층(22)은 0.7 ㎛의 필름 두께를 각각 갖는 두 개의 SiO₂ 필름 층에 의해 구성되고, 따라서 전술한 열 저항 비는 3.99이다.

따라서, 본 실시예의 잉크 제트 헤드에서, 전술한 바와 같이, 내구성은 발열 저항 부재(23)가 그의 구동 전력 공급 시간의 0.5 ㎲ 내지 2.0 ㎲의 범위 내에서 구동될 때 특히 개선될 수 있다. 또한, 중간층 필름(22b, 22c)은 또한 전극 와이어(24, 25)의 절연체와 같은 다른 회로의 절연체로서 역할하고, 따라서 안정된 필름 형성을 목적으로 각각의 층의 두께는 0.7 ㎛ 이상일 필요가 있고, 본 실시예에서 각각의 층은 최소 두께로 형성되지만 축열층(22)의 전체 두께는 1.4 내지 1.7 ㎛일 수도 있다. 축열층을 구성하는 필름의 재료, 층의 개수, 및 축열층(22)의 구조는 축열층(22)의 열 저항값이 보호 필름의 열 저항값의 2배 이상 5배 미만인 범위 내에서 임의로 변경될 수 있다. 예를 들어, 축열층(22)의 적어도 하나의 층은 SiOx 필름 또는 보로-포스포실리케이트(boro-phosphosilicate) 유리(BPSG) 필름일 수 있고, 그를 위한 필름 형성 방법으로서, 열 산화 방법 또는 CVD 방법과 같은 임의의 방법이 사용될 수 있다.

내 캐비테이션 필름(27)은 Ta 필름의 단일 층에 의해 구성되지만, 복수의 얇은 필름 층의 적층된 구조일 수도 있다. 이에 의해, 전극 와이어(25)에 의해 발열 저항 부재(23) 상에 생성된 수준 차이 부분 상의 덮음 특성이 개선될 수 있다. 이는 절연 필름(26)이 복수의 얇은 필름 층의 적층된 구조일 때도 유효하다. 또한, 내 캐비테이션 필름(27)은 Ta 이외에, TaCr, Cr, Ir, Pt, 또는 Ir 합금의 필름에 의해 형성될 수 있다. 내 캐비테이션 필름(27)이 복수의 필름 층의 적층된 구조일 때, 그의 적어도 하나의 층은 이러한 재료들 중 하나로 형성될 수도 있다.

본 실시예에서 발열 저항 부재(23)가 0.05 ㎛의 필름 두께를 갖는 TaSiN으로 형성되지만, 이는 제한적이지 않고, 발열 저항 부재(23)는 TaN으로 형성될 수도 있으며, 발열 저항 부재(23)를 형성하는 재료가 발열 저항 부재(23)의 위와 아래에서 보호 필름과 축열층(22)의 열 저항의 균형을 깨지 않는 0.01 내지 0.1 ㎛의 두께를 갖는 재료이면, 내구성과 구동 전력 공급 시간이 0.5 ㎲ 내지 2.0 ㎲의 범위 내에 있는 고주파 구동에 대해 문제가 발생하지 않는다는 것이 발견되었다.

본 실시예에서, 발열 저항 부재(23)의 평면 크기는 26 ㎛ × 26 ㎛의 정사각형이다. 그러나, 발열 저항 부재(23)의 크기는 그에 제한되지 않고, 16 ㎛ × 16 ㎛ 내지 39 ㎛ × 39 ㎛까지는 문제를 일으키지 않는 것으로 확인되었다. 또한, 발열 저항 부재(23)의 형상은 정사각형으로 제한되지 않고, 직사각형일 수 있다. 또한, 토출 포트(12)당 발열 저항 부재(23)의 개수는 복수이고, 예를 들어 10 ㎛ × 24 ㎛의 두 개의 직사각형 부재가 연속하여 연결된 구성이 채택될 수 있다.

전술한 바와 같이, 발열 저항 부재(23) 위와 아래에서 보호 필름에 대한 축열층(22)의 열 저항 비는 적절하게 만들어지고, 또한 구동 전력 공급 시간이 0.5 ㎲ 내지 2.0 ㎲의 범위 내에 있는 고주파 구동이 달성되고, 이에 의해 토출 방법이 발열 저항 부재(23)의 구동에 의해 생성된 버블을 주위와 연통시키는 방법이거나 또는 버블을 주위와 연통시키지 않는 방법인 것에 관계없이, 잉크로의 열 전달 효율을 감소시키지 않고서 보호 필름의 열화를 효과적으로 방지하고, 발열 저항 부재의 긴 수명을 실현하고 또한 방열 특성을 개선하고 고주파에서의 구동을 실현하는데 있어서 크게 다르지 않고 동일하게 우수한 효과가 얻어질 수 있다.

(잉크 제트 헤드의 구성예 2)

도8은 본 발명에서 적합하게 사용되는 잉크 제트 헤드의 구성예 2를 도시하는, 도7과 유사한 단면도이다. 도8에서, 도7에서와 유사한 구성요소는 도7에서와 동일한 도면 부호가 주어진다.

본 실시예의 잉크 제트 헤드는 축열층(22)의 일부를 구성하는 중간층 필름(22b) 및 중간층 필름(22c)의 두 개의 층 중에서, 중간층 필름(22b)만이 열 산화된 필름(22a)과 유사하게 부분적으로 형성될 수 있으며 다른 중간층 필름(22c)만이 발열 저항 부재(23) 아래에 존재할 수 있도록 축열층(22)이 형성된 점에서 잉크 제트 헤드의 구성예 1과 다르다. 즉, 본 실시예에서, 축열층(22)으로서 실질적으로 기능하는 것을 중간층 필름(22c)의 단일 층이다. 다른 점에서는, 본 실시예의 구성은 잉크 제트 헤드의 구성예 1의 구성과 동일하다.

중간층 필름(22c)의 필름 두께는 0.7 ㎛이고, 따라서 발열 저항 부재(23) 아래의 축열층(22)의 두께 또한 0.7 ㎛이다. 또한, 중간층 필름(22c)은 잉크 제트 헤드의 구성예 1에서와 같이 SiO₂로 형성되고, 발열 저항 부재(23) 상의 보호 필름, 즉 절연 필름(26) 및 내 캐비테이션 필름(27) 또한 잉크 제트 헤드의 구성예 1에서와 유사한 재료 및 필름 두께로 형성되고, 따라서 본 실시예에서 보호 필름에 대한 축열층(22)의 열 저항 비는 2.00이다.

따라서, 본 실시예의 잉크 제트 헤드에 따르면, 전술한 바와 같이 발열 저항 부재(23)가 0.5 ㎲ 내지 2.0 ㎲의 범위 내의 구동 전력 공급 시간 동안 구동될 때, 내구성은 잉크 제트 헤드의 구성예 1과 비교하여 더욱 개선될 수 있다. 잉크로의 열 전달 효율을 감소시키지 않기 위해, 구동 전력 공급 시간이 0.5 ㎲ 내지 2.0 ㎲인 것이 양호하다. 또한, 중간층 필름(22c), 즉 축열층(22)의 두께는 0.7 ㎛ 내지 1.4 ㎛의 범위 내에서 변경될 수 있다.

(잉크 제트 헤드의 구성예 3)

도9는 본 발명에서 적합하게 사용되는 잉크 제트 헤드의 구성예 3을 도시하는, 도7과 유사한 단면도이고, 도9에서 도7에서와 유사한 구성요소는 도7에서와 동일한 도면 부호가 주어진다.

본 실시예의 잉크 제트 헤드는 축열층(22) 내에서 열 산화된 필름(22a)이 유동 경로에 대응하는 영역 내에 형성되지 않은 점에서 잉크 제트 헤드의 구성예 1과 다르다. 내 캐비테이션 필름(27), 절연 필름(26), 및 중간층 필름(22b, 22c)의 재료, 필름 두께 및 다른 구성은 잉크 제트 헤드의 구성예 1에서와 동일하다.

열 산화된 필름(22a)은 에칭에 의해 형성될 수 있는 중간층 필름(22b, 22c)과 비교하여 얇은 패턴에 의해 형성하기 힘들고, 따라서 열 산화된 필름(22a)이 유동 경로에 대응하는 영역 내에 남겨지면, 유동 경로가 길어지는 경향이 있다. 본 실시예에 따르면, 열 산화된 필름(22a)은 유동 경로에 대응하는 영역 내에 존재하지 않고, 따라서 잉크 제트 헤드의 구성예 1과 비교하여, 유동 경로가 단축될 수 있다. 결과적으로, 단축된 유동 경로로 이어지는 (도시되지 않은) 잉크 챔버가 발열 저항 부재(23)에 근접할 수 있고, 잉크 챔버로부터 발열 저항 부재(23) 상으로의 잉크의 공급이 효율적으로 달성될 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 잉크 제트 헤드의 구성예 1과 유사한 효과에 추가하여, 고주파 구동을 극복하는 것과 같은 설계 자유도가 더욱 개선될 수 있다. 이러한 관점에서, 열 산화된 필름(22a)은 본 실시예에서 항상 제공될 필요는 없다.

(잉크 제트 헤드의 구성예 4)

도10은 본 발명에서 적합하게 사용되는 잉크 제트 헤드의 구성예 4를 도시하는, 도7과 유사한 단면도이고, 도10에서 도7에서와 유사한 구성요소는 도7에서와 동일한 도면 부호가 주어진다.

본 실시예의 잉크 제트 헤드는 또한 축열층(22)의 구조에서 전술한 실시예와 다르고, 특히 발열부에 대응하는 부분 내에서, 열 산화된 필름(22a)에 인접한 중간층 필름(22b)은 에칭에 의해 제거되고, 또한 열 산화된 필름(22a)은 반에칭에 의해 작게 만들어진 필름 두께를 갖는다. 본 실시예에서, 축열층(22)으로서 실질적으로 기능하는 것은 중간층 필름(22c)과 열 산화된 필름(22a)의 좌측 부분이고, 축열층(22)의 전체 두께는 중간층 필름(22c)의 필름 두께 및 열 산화된 필름(22a)의 잔여부의 필름 두께의 합으로 고려될 수 있다. 본 실시예는 중간층 필름(22c)의 필름 두께를 비교적 크게 유지하면서 축열층(22)의 전체 두께를 만드는데 효과적인 구성이다. 중간층 필름(22c)을 두껍게 만듦으로써, 중간층 필름(22c) 아래의 전극 와이어(24)의 두께를 크게 만들어서 전극 와이어(24)의 배선 저항을 감소시키는 것이 가능하다.

또한, 반에칭에 의해 열 산화된 필름(22a)을 남겨두는 것은 유동 경로로 이어지는 (도시되지 않은) 잉크 챔버의 형성에 대해 양호한 효과를 준다. 유동 경로에 잉크를 공급하기 위해, 보통 관통 구멍이 노즐 부재(10)가 결합되어 있는 기부 부재(20)의 표면에 대향한 표면으로부터 실리콘으로 형성된 기부 부재(20) 내에 형성되고, 이러한 관통 구멍이 개방되어 있는 부분은 공급 포트로 사용된다 (도5 참조). 관통 구멍의 형성을 위해, 단결정 실리콘의 비등방성 에칭에 의한 방법이 치수 정확성에 대해 우수하다. 예를 들어, <100> 기판이 기부 부재(20)의 기부를 제공하는 실리콘 기판으로서 사용되는 경우에, 벽 표면으로서 (111) 표면을 갖는 정사각형 원추의 잉크 챔버가 비등방성 에칭에 의해 얻어진다. (111) 표면은 기판의 표면에 대해 약 54°만큼 기울어져서, 도10의 점선에 의해 표시된 단면을 취한다.

이제, 결정 효과 등이 실리콘 기판 내에 거의 존재하지 않을 수 있다. 또한 비등방성 에칭에 의한 관통 구멍의 형성 시에, 결정 결함 등이 존재하면, 에칭은 그러한 부분 내에서만 선택적으로 진행되고, 치수 이상이 잉크 챔버의 일부에 발생할 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 도10에 도시된 바와 같이 에칭 속도가 단결정 실리콘보다 더 높은 희생층(28)이 중간층 필름(22b)이 제거된 후에 기부 부재(20)의 관통 구멍이 형성되는 영역 내에 형성되는 것이 바람직하다. 희생층(28)은 에칭 정치층으로서 사용되고, 이는 불균일성이 제조 공정에서 에칭 시에 발생했을 때 또는 다결정 실리콘 층의 에칭 속도의 불균일성이 발생했을 때, 관통 구멍이 설계값에 대한 불균일성을 일으키기 때문이다. 전술한 불균일성이 크게 발생하지 않는 한, 희생층은 필요 없을 수 있지만, 희생층의 세부 사항이 아래에서 설명될 것이다. 희생층(28)은 관통 구멍의 형성에 의해 제거된다. 다결정 실리콘 또는 알루미늄이 희생층(28)으로서 적합하다. 알루미늄이 사용될 때, 희생층(28)은 전극 와이어(24)와 동시에 형성될 수 있고, 따라서 희생층(28) 형성으로 인해 단계의 수가 증가되지 않고, 이는 또한 제조 비용의 상승을 억제하는데 유리하다.

그러나, 알루미늄은 다결정 실리콘과 비교하여 에칭 속도가 높고, 따라서 관통 구멍을 형성할 때, 에칭 시간이 실리콘 기판의 두께의 불균일성을 고려하여 약간 길게 설정되는 경우에, 관통 구멍은 과도한 에칭에 의해 설계값보다 크게 되는 경향이 있다. 이 때, 도10에 도시된 바와 같이 열 산화된 필름(22a)이 희생층(28) 근방에 존재하면, 규소 산화물은 에칭액(예를 들어, TMAH: 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드) 내에서 불용성이기 때문에 에칭 정지층으로서 작용하고, 도10의 일점 쇄선에 의해 표시된 바와 같이, 관통 구멍의 확장은 열 산화된 필름(22a)의 단부와 접촉하는 위치로 제한된다. 축열층(22)을 구성하는 동일한 필름의 경우에도, 중간층 필름(22b, 22c) 내에서 사용되는 BPSG 필름 또는 플라즈마 CVD에 의한 필름은 양호하지 않으며 에칭액 내에서 용해되고, 따라서 에칭 정지층으로 적합하지 않다.

전술한 바와 같이, 열 산화된 필름(22a)은 관통 구멍이 비등방성 에칭에 의해 형성될 때 에칭 정지층으로 사용될 수 있고, 따라서 열 산화된 필름(22a)이 관통 구멍이 형성되는 영역을 둘러싸도록 형성되면, 희생층(28)은 항상 제공될 필요는 없다.

구성예 1 내지 4에서 전술한 바와 같이, 다양한 조합을 발열 저항 부재(23) 아래 및 근방의 필름 구성으로서 생각할 수 있지만, 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 발열 저항 부재(23) 아래의 열 저항은 발열 저항 부재(23) 위의 열 저항에 대해 소정의 범위 내에 있을 수 있고, 각각의 필름 두께는 다른 요구 조건에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 절연성을 확보하기 위해, 필름 두께는 큰 것이 양호하지만, 접촉 구멍에 의한 층들 사이의 전도를 확보하기 위해서는, 중간층 필름의 필름 두께를 상부층 전극의 수준 차이 부분 내의 개구를 방지하도록 만드는 것이 더 양호하다.

또한, 전술한 각각의 실시예에서, 토출 포트(12)가 발열 저항 부재(23)에 대향한 위치에 형성된 소위 측면 분사형 잉크 제트 헤드를 예로 들어 설명되었지만, 본 발명은 그에 제한되지 않고, 도11에 도시된 바와 같은 소위 모서리 분사형 잉크 제트 헤드(30)에 적용될 수도 있다.

모서리 분사형 잉크 제트 헤드(30)는 측면 분사형 잉크 제트 헤드와 유사하게, 기부 부재(50) 및 그에 결합된 노즐 재료(40)를 갖지만, 노즐 재료(40)의 구조는 측면 분사형 잉크 제트 헤드와 다르다. 특히, 토출 포트(41)는 발열 저항 부재(53)에 대향한 위치가 아닌 노즐 재료(40)의 단부 표면 상에 형성되고, 잉크는 기부 부재(50)의 상부 표면에 대해 대체로 평행한 방향으로 토출된다.

또한, 그러한 모서리 분사형 잉크 제트 헤드(30)에서, 본 발명의 전술한 구성이 기부 부재(50) 내의 보호 필름 및 축열층(52)의 구성에 적용되고, 이에 의해 측면 분사형 잉크 제트 헤드와 유사한 효과가 얻어진다.

전술한 바와 같이, 잉크 제트 헤드가 2.0 ㎲ 이하의 구동 펄스 폭으로 구동되는 경우에, 발열 저항 부재 아래의 축열층의 열 저항은 발열 저항 부재 위의 보호 필름의 열 저항의 2배 이상 5배 미만의 범위로 설정되고, 발열 저항 부재 상에서의 열에 의한 "눌어 붙음"의 발생은 잉크로의 열 전달 효율이 감소되지 않고서 억제될 수 있고, 또한 보호 필름의 열화가 방지되어 발열 저항 부재의 긴 수명을 실현할 수 있다. 또한, 방열 특성은 재비등 및 축열의 방지에 의해 개선될 수 있고, 고주파에서의 구동이 실현될 수 있다.

또한, 토출되는 잉크 액적의 크기가 작게 만들어지더라도, 본 발명의 구성을 채택함으로써, 잉크 제트 헤드의 내구성을 종래 기술과 비교하여 수배 내지 약 10배만큼 개선하는 것이 가능해지고, 또한 초고품질 화상의 기록이 실현될 수 있는 효과가 얻어진다. 내구성을 개선함으로써, 장기적인 관점에서 보았을 때 운전 비용을 감소시키는 것이 가능하다. 또한, 개선된 내구성에 의해, 토출되는 잉크 액적이 작게 만들어지더라도 발열 저항 부재의 수를 증가시키거나 발열 저항 부재를 무분별하게 고밀도로 배열할 필요가 없고, 이는 잉크 제트 헤드의 제조 공정 및 잉크 제트 헤드의 구동 회로 등의 단순화를 포함한 전반적인 비용 감소로 이어진다. 또한, 축열층 두께의 일정한 공차가 있더라도, 잉크로의 열 전달 효율은 감소되지 않는 효과가 있고, 따라서 잉크 제트 헤드의 제조 공차 여유가 증가되고, 또한 수득율이 개선되고 설계 자유도도 개선된다.

축열층, 발열 저항 부재, 및 보호 필름을 갖는 본 발명에 따른 잉크 제트 헤드에 의하면, 잉크로의 열 전달 효율을 감소시키지 않고서 보호 필름의 열화를 효과적으로 방지하며 발열 저항 부재의 수명을 연장하고, 아울러 방열 특성을 개선하며 고주파에서의 잉크 제트 헤드의 구동을 실현할 수 있다.

도1은 발열 저항 부재가 0.8 ㎲에서 구동되었을 때, 구동 펄스의 인가 시점으로부터의 시간 경과에 따른 발열 저항 부재의 표면 온도의 변동 관계를 도시하는, 본 발명의 개요를 시뮬레이션에 의해 설명하는 그래프.

도2는 실험에 기초하여 만들어진 헤드에 의한 축열층의 두께와 펄스의 지속 회수 사이의 관계를 도시하는, 본 발명의 개요를 설명하는 그래프.

도3은 시뮬레이션에 의한 축열층의 두께와 발열 저항 부재의 단위 면적당 잉크 임계 버블링 에너지 사이의 관계를 도시하는, 본 발명의 개요를 설명하는 그래프.

도4는 축열층의 두께와 축열층/보호 필름의 열 저항 비 사이의 관계를 도시하는, 본 발명의 개요를 설명하는 그래프.

도5는 토출 포트측에서 본, 본 발명에서 적합하게 사용되는 잉크 제트 헤드의 구성예 1의 주요 부분의 평면도.

도6은 도5에 도시된 발열 저항기들 중 하나를 확대하여 도시하는 기부의 평면도.

도7은 선 Ⅶ-Ⅶ을 따라 취한 도5에 도시된 잉크 제트 헤드의 단면도.

도8은 본 발명에서 적합하게 사용되는 잉크 제트 헤드의 구성예 2를 도시하는, 도7과 유사한 단면도.

도9는 본 발명에서 적합하게 사용되는 잉크 제트 헤드의 구성예 3을 도시하는, 도7과 유사한 단면도.

도10은 본 발명에서 적합하게 사용되는 잉크 제트 헤드의 구성예 4를 도시하는, 도7과 유사한 단면도.

도11은 본 발명이 적용된 모서리 분사형(edge shooter type) 잉크 제트 헤드의 일례의 단면도.

도12는 본 발명의 잉크 제트 기록 장치의 일례를 도시하는 전형적인 사시도.

도13은 도12에 도시된 잉크 제트 기록 장치의 작동을 제어하기 위한 제어 회로의 일례의 블록 선도.

도14는 발열 저항기 부분 내의 종래의 잉크 제트 헤드의 전형적인 사시도.

도15는 잉크 제트 헤드 내의 열 전달 원리를 설명하는 전형적인 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 잉크 제트 헤드

10 : 노즐 재료

11 : 토출 포트

12 : 잉크 챔버

20 : 기부 부재

22 : 축열층

22a : 열 산화된 필름

22b : 중간층 필름

22c : 중간층 필름

23 : 발열 저항 부재

24, 25 : 전극 와이어

26 : 절연 필름

27 : 내 캐비테이션 필름

Claims

축열층, 잉크를 토출하도록 사용되는 열 에너지를 발생시키는 발열 부재, 및 상기 발열 부재를 보호하기 위한 보호 필름이 기판 상에 연속적으로 형성되어 있는 잉크 제트 헤드용 기부 부재이며,

상기 발열 부재 아래에 있는 상기 축열층 부분의 열 저항값은 상기 발열 부재 상에 있는 상기 보호 필름 부분의 열 저항값의 2배 이상 5배 미만인 잉크 제트 헤드용 기부 부재.
제1항에 있어서, 상기 축열층은 복수의 얇은 필름 층을 포함하는 잉크 제트 헤드용 기부 부재.
제2항에 있어서, 상기 축열층을 형성하는 적어도 하나의 얇은 필름 층은 SiOx 필름 또는 BPSG 필름인 잉크 제트 헤드용 기부 부재.
제1항에 있어서, 상기 보호 필름은 복수의 얇은 필름 층을 포함하는 잉크 제트 헤드용 기부 부재.
제1항에 있어서, 상기 보호 필름은 SiN 필름을 포함하는 잉크 제트 헤드용 기부 부재.
제1항에 있어서, 상기 보호 필름은 Ta 필름을 포함하는 잉크 제트 헤드용 기부 부재.
제1항에 있어서, 상기 보호 필름은 TaCr, Cr, Ir, Pt 또는 Ir 합금으로 형성된 필름을 포함하는 잉크 제트 헤드용 기부 부재.
제1항에 있어서, 상기 보호 필름은 적어도 0.3 ㎛의 필름 두께를 갖는 SiN 필름 및 0.23 ㎛의 필름 두께를 갖는 Ta 필름을 포함하는 적층된 구조를 갖고, 상기 축열층은 0.7 ㎛ 이상 1.7 ㎛ 이하의 전체 두께를 가지며 적어도 하나의 Si 산화물 필름 층을 포함하는 잉크 제트 헤드용 기부 부재.
제8항에 있어서, 상기 발열 부재는 TaSiN 또는 TaN으로 형성되고, 0.01 ㎛ 이상 0.1 ㎛ 이하의 두께를 갖는 잉크 제트 헤드용 기부 부재.
축열층, 잉크를 토출하도록 사용되는 열 에너지를 발생시키는 발열 부재, 및 상기 발열 부재를 보호하기 위한 보호 필름이 기판 상에 연속적으로 형성되어 있는 기부 부재와, 상기 발열 부재에 대응하여 제공된 잉크를 토출하기 위한 토출 포트를 갖는 잉크 제트 헤드이며,

상기 발열 부재 아래에 있는 상기 축열층 부분의 열 저항값은 상기 발열 부재 상에 있는 상기 보호 필름 부분의 열 저항값의 2배 이상 5배 미만인 잉크 제트 헤드.
제10항에 있어서, 상기 축열층은 복수의 얇은 필름 층인 잉크 제트 헤드.
제11항에 있어서, 상기 축열층은 상기 토출 포트와 연통하는 유동 경로에 대응하는 영역 내에 열 산화된 필름을 포함하지 않는 잉크 제트 헤드.
제11항에 있어서, 상기 기판은 실리콘으로 형성되고, 열 산화된 필름은 상기 발열 부재 상으로 잉크를 공급하기 위해 상기 기부 부재 내에 형성된 관통 구멍 둘레에 제공되는 잉크 제트 헤드.
제10항에 있어서, 상기 보호 필름은 적어도 0.3 ㎛의 필름 두께를 갖는 SiN 필름 및 0.23 ㎛의 필름 두께를 갖는 Ta 필름을 포함하는 적층된 구조를 갖고, 상기 축열층은 0.7 ㎛ 이상 1.7 ㎛ 이하의 전체 두께를 가지며 적어도 하나의 Si 산화물 필름 층을 포함하는 잉크 제트 헤드.
축열층, 잉크를 토출하도록 사용되는 열 에너지를 발생시키는 발열 부재, 및 상기 발열 부재를 보호하기 위한 보호 필름이 기판 상에 연속적으로 형성되어 있는 기부 부재와, 상기 발열 부재에 대응하여 제공된 잉크를 토출하기 위한 토출 포트를 갖는 잉크 제트 헤드를 사용하여, 구동하기 위한 잉크 제트 헤드의 구동 방법이며,

상기 발열 부재 아래에 있는 상기 축열층 부분의 열 저항값은 상기 발열 부재 상에 있는 상기 보호 필름 부분의 열 저항값의 2배 이상 5배 미만이고, 상기 발열 부재는 5 ㎲ 이상 2.0 ㎲ 이하의 구동 전력 공급 시간 동안 구동되어 상기 토출 포트로부터 잉크를 토출하는 잉크 제트 헤드의 구동 방법.
제15항에 있어서, 상기 구동 전력 공급 시간은 0.5 ㎲ 이상 1.2 ㎲ 이하인 잉크 제트 헤드의 구동 방법.
제15항에 있어서, 잉크를 토출하기 위한 상기 발열 부재의 구동은 복수의 펄스의 인가에 의한 구동이고, 상기 구동 전력 공급 시간은 상기 복수의 펄스의 총 전력 공급 시간인 잉크 제트 헤드의 구동 방법.
제16항에 있어서, 상기 보호 필름은 적어도 0.3 ㎛의 필름 두께를 갖는 SiN 필름 및 0.23 ㎛의 필름 두께를 갖는 Ta 필름을 포함하는 적층된 구조를 갖고, 상기 축열층은 0.7 ㎛ 이상 1.7 ㎛ 이하의 전체 두께를 가지며 적어도 하나의 Si 산화물 필름 층을 포함하는 잉크 제트 헤드를 사용함으로써, 상기 발열 부재는 0.5 내지 2.0 ㎲의 구동 전력 공급 시간 동안 구동되어 상기 토출 포트로부터 잉크를 토출하는 잉크 제트 헤드의 구동 방법.
축열층, 잉크를 토출하도록 사용되는 열 에너지를 발생시키는 발열 부재, 및 상기 발열 부재를 보호하기 위한 보호 필름이 기판 상에 연속적으로 형성되어 있는 기부 부재와, 상기 발열 부재에 대응하여 제공된 잉크를 토출하기 위한 토출 포트를 갖는 잉크 제트 헤드와,

0.5 ㎲ 이상 2.0 ㎲ 이하의 구동 전력 공급 시간 동안 상기 발열 부재를 구동하기 위한 구동 수단을 포함하고,

상기 발열 부재 아래에 있는 상기 축열층 부분의 열 저항값은 상기 발열 부재 상에 있는 상기 보호 필름 부분의 열 저항값의 2배 이상 5배 미만인 잉크 제트 기록 장치.