KR20050067041A

KR20050067041A - 잉크젯 헤드, 이를 구동하는 방법 및 잉크젯 기록 장치

Info

Publication number: KR20050067041A
Application number: KR1020040111728A
Authority: KR
Inventors: 오이까와마사끼
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2005-06-30
Also published as: EP1547778B1; TW200530046A; CN1636735A; US7172268B2; TWI252174B; CN100346973C; US20050140734A1; EP1547778A2; DE602004029132D1; EP1547778A3

Abstract

잉크젯 헤드 기부 본체에는 열 축적 층, 잉크를 토출시키도록 사용되는 열 에너지를 발생시키는 히터, 및 히터를 보호하는 보호 막이 기판 상에 순차적으로 형성된다. 잉크젯 헤드 기부 본체는 보호 막 내의 히터로부터 위의 부분의 총 두께는 0.2 ㎛ 내지 0.6 ㎛의 범위이고, 보호 막 내의 히터로부터 위의 부분의 열 저항 값은 5x10^-9 m²·K/W 내지 50x10^-9 m²·K/W의 범위이며, 열 축적 층 내의 히터로부터 아래의 부분의 열 저항값은 보호 막 내의 히터로부터 위의 부분의 열 저항값의 2배보다 낮지 않은 것을 특징으로 한다.

Description

잉크젯 헤드, 이를 구동하는 방법 및 잉크젯 기록 장치 {INK JET HEAD, METHOD FOR DRIVING THE SAME, AND INK JET RECORDING APPARATUS}

본 발명은 기록 매체 상으로의 기록을 수행하기 위하여 잉크젯 방식에 따라 잉크를 토출시키는 잉크젯 헤드 및 잉크젯 기록 장치를 구동시키는 방법에 관한 것이며, 상세하게는 잉크를 토출시키기 위하여 열 에너지를 이용하는 잉크젯 헤드 및 잉크젯 기록 장치를 구동시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명에서, 용어 "기록"(recording)은 기록 매체에 소정의 의미를 갖는 문자 및 그림과 같은 화상을 제공하는 것뿐만 아니라 기록 매체에 의미를 갖지 않는 패턴과 같은 화상을 제공하는 것도 의미한다.

최근, 다양한 종류의 기록 장치들이 프린터, 복사기, 통신 시스템을 갖춘 팩시밀리, 프린터 유닛을 갖춘 워드 프로세서, 및 다양한 처리 장치와 조합된 기록 장치를 위해 사용된다. 이들 기록 장치들은 종이, 스트링(string), 섬유, 천, 금속, 플라스틱, 유리, 목재 및 세라믹과 같은 기록 매체에 대한 기록을 수행한다. 고속 기록, 고해상도, 높은 화상 품질, 낮은 노이즈 등이 기록 장치에 대해 요구된다. 잉크젯 기록 장치는 이러한 요구에 부합하는 기록 장치의 예로서 인용될 수 있다. 잉크젯 기록 장치에서, 토출 포트를 갖는 잉크젯 헤드가 잉크(기록 용액) 액적을 배출하도록 사용되며, 잉크 액적은 기록 수행하도록 기록 매체에 부착된다. 잉크젯 헤드는 잉크젯 기록 장치 내의 기록 매체와 접촉하지 않기 때문에, 매우 안정적인 기록 화상이 얻어질 수 있다.

종래의 잉크젯 헤드 중에서, 잉크를 토출시키기 위하여 열 에너지를 이용하는 잉크젯 헤드는 많은 토출 포트를 고밀도로 배치할 수 있다. 그러므로, 잉크를 토출시키기 위하여 열 에너지를 이용하는 잉크젯 헤드는 고해상도 기록이 수행될 수 있고 소형화가 용이하게 달성될 수 있다는 점에서 장점을 갖는다.

열 에너지를 이용하는 종래의 잉크젯 헤드에서, 일반적으로 고밀도는 복수의 열 발생 부재를 실리콘과 같은 기부 본체 상에 일렬로 배치시킴으로써 달성되며, 공동 열 축적 층 및 공동 전기 절연 막이 복수의 열 발생 부재를 위해 형성된다.(일본 특허 출원 공개 제2001-171127호 및 일본 특허 출원 공개 제2002-11886호 참조)

도15는 열 에너지를 이용하는 종래의 잉크젯 헤드의 열 발생 부재(히터)를 도시하는 개략적인 단면도이다.

도15에 도시된 바와 같이, 잉크젯 헤드(100)는 열 발생 부재(123)가 그 내부에 형성되는 기부 본체(120)와, 기부 본체(120) 상에 연결되는 노즐 재료(110)를 갖는다. 기부 본체(120)는 열 산화 막(thermal oxide film)과 같은 복수의 층이 실리콘 기판의 표면 상에 형성되는 열 축적 층(122), 열 축적 층(122) 상에 부분적으로 형성된 열 발생 부재(123), 열 발생 부재(123)에 전력을 공급하는 전극 배선(124, 125), 열 발생 부재(123)와 열 축적 층(122)을 덮도록 형성되는 절연 막(126), 및 절연 막(126) 상에 형성되고 Ta로 제조된 캐비테이션 방지 막(cavitation-resistant film)을 갖는다. 절연 막(126)과 캐비테이션 방지 막(127) 모두가 보호 막(128)을 구성한다. 노즐 재료(110)는 열 발생 부재(123) 위에 위치된 잉크 챔버(112)를 포함하는 액체 통로를 형성하도록 기부 본체(120)에 접합된다. 노즐 재료(110)에서, 토출 포트(111)는 열 발생 부재(123)와 대향하는 위치에 형성된다.

잉크 챔버(112)는 잉크로 충전되고, 열 발생 부재(123)는 전극 배선(124, 125)을 통해 열 발생 부재(123)로 전압을 인가함으로써 가열된다. 잉크 챔버(112) 내의 잉크는 열 발생 부재(123)의 열 발생에 의한 막 비등(film boiling)을 발생시키도록 급격히 가열된다. 그러므로, 버블이 잉크 내에서 발생되고, 잉크는 버블의 성장에 의한 압력에 의해 토출 포트(111)로부터 토출된다.

열 발생 부재(123)에 의해 발생된 열 에너지를 잉크로 효율적으로 전달하기 위하여, 기부 본체(120)의 막 구조에 대한 다양한 착상이 제안되어 왔다.

도16을 참조하여, 열 발생 부재(123)의 열 발생에 의한 열전달의 원리를 설명하기로 한다. 도16에서, 열량(Q)은 열 발생 부재(123)를 여기(energizing)시킴으로써 열 발생 부재(123)에 인가된다. 열량(Q)은 열량(Q1, Q2)이 되도록 수직으로 분산된다. 상향으로 분산된 열량(Q1)은 절연 막과 캐비테이션 방지 막에 의해 형성된 보호 막(128) 상으로 잉크(130)를 전달한다. 이는 전술된 바와 같은 토출을 수행하도록 잉크(130) 내에 버블(131)이 발생되게 한다.

본 발명의 목적은 보호 막의 절연 신뢰도를 감소시키지 않고 캐비테이션 방지 특성도 감소시키지 않은 상태에서 잉크로의 열전달 효율을 최적화하는 것이다.

본 발명은 열 축적 층, 잉크를 토출시키도록 사용되는 열 에너지를 발생시키는 열 발생 부재, 및 열 발생 부재를 보호하는 보호 막이 기판 상에 순차적으로 형성된 잉크젯 헤드 기부 본체이며, 잉크젯 헤드 기부 본체는 보호 막 내의 열 발생 부재로부터 위의 부분의 총 두께가 0.2 ㎛ 내지 0.6 ㎛의 범위이고, 보호 막 내의 열 발생 부재로부터 위의 부분의 열 저항값이 5x10^-9 m²·K/W 내지 50x10^-9 m²·K/W 범위이며, 열 축적 층 내의 열 발생 부재로부터 아래의 부분의 열 저항값이 보호 막 내의 열 발생 부재로부터 위의 부분의 열 저항값의 2배보다 낮지 않은 것을 특징으로 한다.

열 발생 저항 부재 위의 층과 관련하여, 열을 잉크로 고르게 전달하기 위하여, 보호 막은 열 전도율이 비교적 낮고 막 두께가 얇아지도록 형성된다. 보호 막은 또한 열 발생 저항 부재를 잉크로부터 전기적으로 절연시키는 기능을 갖는다. 보호 막이 0.2 ㎛보다 낮은 두께를 갖는 경우에는 전극 배선과 열 발생 저항 부재 사이의 경계 부분에서 발생되는, 전극 배선의 두께를 갖는 단차(step)에 의해 컷 오프(cut-off)가 보호 막에서 발생하기 쉽다. 보호 막이 너무 두꺼운 경우, 열 발생 저항 부재에서 발생하는 열은 잉크로 전달되기 어려워 에너지 효율이 악화된다.

다른 한편, 열 발생 저항 부재 아래의 층은 열 발생 저항 부재의 제조 방법 또는 내구성에 의해 결정된다. 열 발생 저항 부재의 구동 여기 시간(drive energization time)(펄스 폭)을 단축시키는 착상이 고속 기록의 관점에서 제안되었다. 예를 들면, 16-분할 구동이 30 kHz의 구동 주파수로 수행될 때, 약 2 ㎲보다 낮은 펄스로 구동시키는 것이 필요하다. 구동의 여유(margin)를 고려하여, 더 짧은 펄스가 바람직하다. 구동 여기 시간이 단축되고 열 플럭스(flux)가 증가되어, 버블링이 안정적으로 얻어질 수 있다. 안정된 버블링은 버블이 대기와 연통되는 토출 방식에 큰 영향을 미친다. 따라서, 고품질 기록 잉크젯 헤드에서, 구동 여기 시간은 약 0.5 내지 약 1.2 ㎲의 범위를 갖는 것이 필요하다. 토출 효율은 2중 통과 또는 3중 통과를 수행하도록 구동 펄스를 복수의 펄스로 분할함으로써 더 개선될 수 있다.

고품질 기록이 기록 장치에서 진행됨에 따라, 토출된 액적의 크기는 수 피코리터(picoliter)의 체적을 갖는 마이크로 액적으로 수월하게 감소된다. 그러므로, 토출양을 증가시키도록 에너지를 입력할 필요가 있는데, 즉 토출 효율을 종래 기술과 비교할 때 수 배 내지 10 배 정도로 증가시킬 필요가 있어, 어려운 문제점을 초래하게 된다.

이 문제점을 방지하기 위하여, 열 발생 저항 부재 상의 보호 막을 얇게 하는 기술이 실현된다. 그러나, 전술된 바와 같이, 리드(lead)의 단차에서의 절연 상태를 높은 신뢰도로 유지하기 위하여, 보호 막의 두께는 생산시 변동을 고려하여 0.2 ㎛만큼 얇게 제한된다. 양호한 열 전도율을 갖는 재료가 보호 막으로서 사용되는 경우에도, 때때로 절연 특성이 불충분하여 열이 보호 막의 표면 상에서 평면내 방향을 향해 확산된다. 이는 효율 감소의 다양한 사이클로 귀결된다. 보호 막의 적절한 두께와 열 전도율은 알려져 있지 않다.

Ta로 제조된 캐비테이션 방지 막이 잉크의 열 반응에 의해 또는 잉크 성분의 탄화(carbonization)에 의해 발생되는 "코게이션"(kogation)의 부착에 의해 초래되는 토출 저하를 방지하기 위하여 보호 막의 표면 상에 형성된다. 캐비테이션 방지 막으로 높은 내구성을 나타내는 Ir과 같은 귀금속 재료를 사용하는 것이 캐비테이션 방지 특성을 개선하기 위하여 연구된다. 그러나, Ir은 높은 열 전도율을 갖기 때문에, 열 발생 저항 부재에 의해 발생된 열 에너지는 Ir의 막 두께를 충분한 커버링(covering) 특성을 제공하도록 증가시킬 경우 막의 평면내 방향을 향해 확산되어, 이는 토출 효율이 감소되는 결과로 귀결된다. 캐비테이션 방지 막의 적절한 두께와 열 전도율은 알려져 있지 않다.

또한, 유사한 방식으로 열 발생 저항 부재의 효율 또는 내구성을 개선시키기 위하여, 열 발생 저항 부재의 개수를 증가시키는 방법이 있다. 그러나, 열 발생 저항 부재의 개수가 증가된 경우, 상당한 개수의 구동 회로와 메모리가 요구되기 때문에 기부 본체의 크기가 증가할 뿐만 아니라 장치 본체의 구동 IC가 고도로 집적되고 소프트웨어가 복잡한 구동에 의해 복잡해지며, 이는 비용 상승을 초래한다.

본 발명은 종래 기술의 전술된 문제점의 관점에서 이루어진다. 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 양호한 실시예를 이하에 설명하기로 한다.

용어 "열 발생 부재" 또는 "열 발생 저항 부재"는 열 축적 층 상에 형성된 전체 층이 아니라 여기(energization)에 의해 발생된 열이 잉크로 전달되는 층의 일부, 즉 보호 막이 형성되지 않는 한 잉크를 가열하기 위하여 잉크와 직접 접촉하는 부분을 의미하고자 한다.

본 발명의 잉크젯 헤드의 일반적인 개요

(본 발명자의 연구)

본 발명의 일 실시예의 일반적인 개요를 먼저 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예는 열 발생 저항 부재 상의 보호 막이 적절한 열 저항을 갖는 구성을 갖는다. 도15에 도시된 막 구조를 갖는 잉크젯 헤드에서, 열 발생 저항 부재 상의 보호 막의 경험적인 최적 값이 절연 신뢰도와 캐비테이션 방지 특성의 관점에서 0.3 ㎛(3000 Å) 내지 0.5 ㎛(500 Å)의 범위를 갖는 것으로 가정하면, 보호 막의 총 열 저항은 보호 막의 열 전도율을 변경시킴으로써 변경되고, 보호 막의 열 전도율의 변경에 의해 야기되는 버블링 효율의 변경은 3차원 열 전도율 시뮬레이션을 사용하여 추정된다. 버블링 효율의 변경의 결과가 도1에 도시되어 있다.

도1은 보호 막의 열 저항 값과 임계 버블링 펄스 폭 사이의 관계를 도시하는 그래프이다. 임계 버블링 펄스는 열 전도율의 척도이며, 임계 버블링 펄스는 잉크를 토출시키기 위하여 필요한 최대 구동 여기 시간이다. 이 점에서, 열 발생 저항 부재의 두께는 0.05 ㎛로 설정되고, 전극 배선의 두께는 0.2 ㎛로 설정되며, 전극 배선은 알루미늄으로 제조된다. 열 플럭스의 경우, 열 발생 저항 부재의 단위면적당 입력 에너지는 4.55x10¹⁶ W/m³으로 설정된다. 이는 저항값이 100 Ω이고 120 mA의 전류가 26 ㎛의 변(side)을 갖는 정사각형 열 발생 저항 부재로 흐르는 경우에 해당한다. 이 점에서, 열 발생 저항 부재의 중앙 바로 위에 위치된 상온의 물이 300 ℃에 도달하는 동안의 시간이 추정되어 임계 버블링 펄스로서 지칭되는 것으로 가정한다. 도1에서, 임계 버블링 폭이 감소함에 따라, 버블링은 더 적은 에너지에 의해 발생되어, 열 발생 저항 부재의 버블링 효율은 개선된다.

도1로부터 알 수 있는 것과 같이, 동일한 경향이 0.3 ㎛(3000 Å), 0.4 ㎛(4000 Å), 및 0.5 ㎛(5000 Å)의 막 두께에 대해 도시되며, 임계 버블링 펄스 폭은 보호 막의 열 저항값이 약 5x10^-9 m²·K/W 내지 10x10^-9 m²·K/W의 범위를 갖는 경우 최대가 된다. 즉, 열 발생 저항 부재의 버블링 효율이 최대가 되는 최대 지점이 발견된다. 0.3 ㎛의 두께를 갖는 SiN 절연 막과 0.23 ㎛의 두께를 갖는 Ta 캐비테이션 방지 막에 의해 형성된 종래의 보호 막에서, 열 저항값은 약 2.5x10^-7 m²·K/W이다. 이는 두께가 0.3 ㎛ 내지 0.5 ㎛의 범위인 얇은 보호 막에서, 열 저항값이 상기의 범위로 감소되는 경우에도 열 발생 저항 부재에 의해 발생된 열 에너지가 평면내 방향으로 확산되지 않으며 버블링 효율이 개선된 것을 나타낸다.

열 저항값이 상기의 범위보다 더 감소된 경우, 임계 버블링 펄스 폭은 증가하고, 버블링 효율은 악화된다. 이는 열 발생 저항 부재에 의해 발생된 열 에너지가 0.3 ㎛ 내지 0.5 ㎛ 범위의 두께를 갖는 얇은 보호 막에서도 보호 막의 평면내 방향으로 확산되는 것을 나타낸다.

또한, 도1에 도시된 바와 같이, 임계 버블링 펄스 폭이 최소가 되는 면적이 비교적 넓고, 버블링 효율은 10x10^-9 m²·K/W보다 높게 약 50x10^-9 m²·K/W까지로 크게 변경되지 않는다. 물론, 가장 양호한 열 저항값은 5x10^-9 m²·K/W 내지 10x10 ^-9 m²·K/W의 범위이다.

도1은 또한 보호 막의 두께가 0.3 ㎛ 내지 0.5 ㎛의 범위일 때의 시뮬레이션의 결과를 도시하며, 시뮬레이션은 보호 막의 두께가 0.2 ㎛ 내지 0.6 ㎛의 범위일 때 유사한 특성이 나타난다는 것을 확인시켜 준다.

전술된 열 저항값을 실현하기 위하여, 보호 막의 열 전도율이 계산된다. 도15에 도시된 캐비테이션 막(재료: Ta, 막 두께: 0.23 ㎛)은 종래의 잉크젯 헤드를 위한 조건이 가능한 한 많이 변경되지 않고 보호 막의 두께(0.1 ㎛(1000 Å), 0.2 ㎛(2000 Å), 및 0.3 ㎛(3000 Å))와 열 전도율이 추정을 다시 수행하기 위하여 변경되도록 사용된다. 이는 캐비테이션 방지 막을 형성하는 Ta의 열 전도율이 절연 막을 형성하는 SiN의 열 전도율보다 커서 Ta가 버블링 효과에 대해 거의 영향을 미치지 않기 때문인데, 즉 버블링 효율은 절연 막에 주로 의존하기 때문이다. 박막의 열 전도율은 막 두께 또는 침착 공정에 의존하여 변경된다. 그러나, 시뮬레이션을 위해 사용되는 열 전도율의 특정값은 참고문헌으로부터 통상 얻어지는 값이다. 54 W/m·K가 박막(Ta)의 열 전도율로서 사용되고, 1.2 W/m·K가 박막(SiN)의 열 전도율로서 사용된다. 예를 들면, 박막(SiN)의 열 전도율이 약 1.2 내지 약 32 W/m·K의 범위로 변경되더라도, 박막(SiN)의 열 전도율은 여전히 Ta의 열 전도율보다 낮다.

도2는 시뮬레이션에 의해 결정된, 열 전도율과 임계 버블링 펄스 폭 사이의 관계를 도시한다. 도2로부터 알 수 있는 바와 같이, 임계 버블링 펄스 폭은 절연 막의 열 전도율이 10 내지 200 W/m·K의 범위일 때 최소화된다. 10 내지 200 W/m·K 범위에서, 임계 버블링 펄스 폭은 사실상 변경되지 않고 양호한 버블링 효율이 얻어지는 것으로 확인되었다. 도2는 절연 막의 두께가 0.1 내지 0.3 ㎛ 범위일 때의 시뮬레이션의 결과를 도시하지만, 동일한 특성이 절연 막의 두께가 0.3 내지 0.4 ㎛인 경우에도 얻어진다.

절연 막의 두께가 0.3 ㎛인 경우, 도3은 물과 접촉하는 보호 막 상의 온도 분포를 도시하며, 열 발생 저항 부재 바로 위의 물은, 즉 버블링 바로 전에 절연 막의 열 전도율을 2 내지 500 W/m·K의 범위로 변경시킴으로써 약 300 ℃가 된다. 도3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 열 전도율이 증가함에 따라, 온도가 300 ℃가 되는 열 발생 저항 부재의 표면적은 감소된다. 이는, 전술된 바와 같이, 열 발생 저항 부재에 의해 발생된 열 에너지는 열 전도율이 높은 경우 평면내 방향으로 확산되기 때문이다. 도3에 따르면, 평면내 방향으로 향한 열 에너지의 확산은 약 100 W/m·K의 열 전도율까지 사실상 일어나지 않으며, 시뮬레이션 결과는 종래의 잉크젯 헤드의 절연 막의 열 전도율과 유사하다. 그러나, 열 전도율이 약 500 W/m·K가 되는 경우, 300 ℃의 평형 면적은 사실상 제거되고 열 에너지는 평면내 방향으로 확산되는 것이 확인되었다.

그러므로, 보호 막이 절연 막과 Ta 캐비테이션 방지 막에 의해 형성된 경우, 버블링 효율을 개선하기 위하여, 절연 막의 열 전도율이 10 내지 200 W/m·K의 범위인 것이 바람직하며, 절연 막의 열 전도율이 10 내지 100 W/m·K의 범위인 것이 더욱 바람직하며, 절연 막의 열 전도율이 10 내지 50 W/m·K의 범위인 것이 가장 바람직하다.

도1과 도2를 참조하면, 임계 버블링 펄스 폭은 약 0.2 내지 약 0.6 ㎲의 범위이다. 그러나, 잉크의 버블링이 잉크를 토출시키도록 실제로 수행될 때, 생산시의 변동을 고려하여 임계 버블링 펄스 폭이 일정한 비율로 증가하는 구동 펄스가 제공되며, 이로써 구동 펄스는 버블이 대기와 연통되는 토출 방식에서 안정된 토출을 수행하기 위한 높은 열 플럭스의 적절한 조건인 0.5 내지 1.2 ㎲의 범위를 갖는 종래의 구동 조건과 사실상 동일하게 된다. 또한, 잉크젯 헤드의 생산시의 변동뿐만 아니라 잉크젯 헤드가 실제로 사용되는 온도 환경을 고려하여, 잉크를 토출시키기 위한 구동 펄스 폭은 0.2 내지 2.0 ㎲의 범위인 것이 바람직하다.

본 발명자는 잉크의 열전달 효율에 대한 열 축적 층의 영향을 연구하였다. 도15에 도시된 막 구조를 갖는 잉크젯 헤드에서, 두께가 0.3 ㎛인 SiN 막(절연 막)과 두께가 0.23 ㎛인 Ta 막(캐비테이션 방지 막)에 의해 보호 막이 형성되는 조건에 대해, 열 발생 저항 부재가 0.8 ㎲의 구동 펄스 폭에 의해 구동되는 경우, 구동 펄스가 열 발생 저항 부재에 인가된 이후의 표면 온도와 경과 시간의 변경은 3차원 열 전도 시뮬레이션에 사용하여 열 축적 층이 2.5 ㎛의 두께를 갖는 SiO₂ 막에 의해 형성된 경우와 열 축적 층이 1.5 ㎛의 두께를 갖는 SiO₂ 막에 의해 형성된 경우에 대해 추정된다. 도4는 시뮬레이션의 결과를 도시한다.

도4로부터 알 수 있는 바와 같이, 2개의 열 축적 층을 서로 비교하는 경우, 2개의 열 축적 층은 최대 정점 온도가 약 500 ℃이고 두께가 1.5 ㎛인 SiO₂ 막에 의해 형성된 열 축적 층 내의 온도가 빠르게 감소하는 점에서 서로 유사하다. 이러한 결과로부터, 잉크에 대한 열 전도율은 열 축적의 두께가 감소하는 경우에도 감소하지 않을 것으로 생각된다.

그 다음, 잉크에 대한 열전달 효과의 감소 없이 열 축적 층이 감소될 수 있는 정도가 3차원 열 전도 시뮬레이션을 사용하여 추정된다. 도5는 시뮬레이션의 결과를 도시한다.

도5는 시뮬레이션에 의해 얻어진 열 축적 층의 두께와 열 발생 저항 부재의 단위면적당 잉크 임계 버블링 에너지 사이의 관계를 도시하는 그래프이다. 열 발생 저항 부재의 단위면적당 잉크 임계 버블링 에너지는 잉크에 대한 열전달 효율의 지수(index)이다. 잉크 임계 버블링 에너지는 열 발생 저항 부재의 표면 온도가 잉크의 버블링 온도인 300 ℃를 초과하는 데에 필요한 임계 열 에너지이다. 잉크 임계 버블링 에너지가 증가함에 따라, 열전달 효율은 악화된다. 구동 여기 시간인 열 에너지 인가 시간(Pw)이 0.5 ㎲ 내지 3.0 ㎲의 범위로 변경되는 동안 추정이 수행된다. 잉크젯 헤드의 기록 속도의 관점에서, 잉크젯 헤드를 고속으로 구동시키는 것이 필요하다. 구동 펄스 정확성의 관점에서, 열 에너지 인가 시간이 너무 짧지 않을 것이 필요하다. 그러므로, 열 에너지 인가 시간은 이들 조건으로부터 적절하게 얻어진다. 열 에너지 인가 시간은 버블이 대기와 연통되는 토출 방식에서 안정된 토출을 수행하기 위하여 높은 열 플럭스의 적절한 조건을 포함하는데, 즉 구동 여기 시간은 0.5 내지 1.2 ㎲의 범위를 갖는다.

도5로부터 알 수 있는 바와 같이, 열 축적 층의 두께가 약 0.7 ㎛보다 낮은 경우, 잉크에 대한 열전달 효율은 급격히 악화된다. 도5로부터, 적어도 0.7 ㎛의 두께가 열 축적 층에 대해 요구되는 것이 확인되었다. 두께가 0.7 ㎛보다 낮은 열 축적 층에서, 침착을 안정적으로 수행하는 것은 어렵다.

또한, 도5는 열 에너지 인가 시간(Pw)이 증가함에 따라 열전달 효율이 악화되고 Pw가 증가함에 따라 열 축적 층의 두께의 영향이 증가하는 것을 도시한다. 구체적으로, Pw가 1.2 ㎲ 내지 2 ㎲의 범위일 때, 열전달 효율은 열 축적 층의 두께가 1.0 ㎛보다 낮지 않은 한 감소하지 않는다. Pw가 높은 열 플럭스의 조건인 1.2 ㎲를 초과하는 않은 경우, 열전달 효율은 열 축적 층의 두께가 0.7 ㎛보다 낮지 않은 경우에도 감소되지 않는다.

그러므로, 보호 막이 0.3 ㎛의 두께를 갖는 SiN 막과 0.23 ㎛의 두께를 갖는 Ta 막에 의해 형성된 경우, 양호한 열전달 효율을 확보하기 위하여, SiO₂로 제조된 열 축적 층의 두께는 1.0 ㎛보다 낮지 않은 것이 바람직하다. 구동 여기 시간의 경우, Pw가 1.2 ㎲를 초과하지 않은 경우, 열 축적 층의 두께는 0.7 ㎛보다 낮지 않은 것이 바람직하다. 구동 여기 시간은 하나의 펄스로 제한되지 않으며, 펄스가 펄스 구동을 수행하도록 복수의 펄스로 분할되는 것이 가능하다. 이러한 경우, 각각의 펄스 폭에 대한 총 여기 시간은 Pw에 해당한다. 도5에 도시된 관계는 또한 이후에 언급되는 샘플 헤드에서 얻어진다.

보호 층과 열 축적 층의 재료와 두께가 일 예로서 특정하게 도시되어 있지만, 본 발명의 전술한 예로 제한되지 않는다. 본 발명은 인가된 열 에너지가 효율적으로 잉크로 전달되어, 열 저항 비율이 전술된 조건을 대체할 수 있는 것이다.

도6은 대체 결과를 도시한다. 도6은 열 발생 저항 부재 축적 층과 열 축적 층/보호 막의 열 저항 비율 사이의 관계를 도시하며, 보호 막에 대한 열 축적 층의 열 저항 비율은 보호 막의 전술된 조건의 열 축적 층의 조건으로 대체된다. 각각의 막의 열 전도율의 경우, SiN 박막과 Ta 박막은 전술된 값으로 설정되고, SiO₂ 박막은 참고문헌으로부터 일반적으로 얻어지는 1.38 W/m·K로 설정된다. 박막의 열 저항값(Rs)은 Rs = d/K로 주어지며, 여기서 d는 막 두께이고 K는 박막을 구성하는 재료의 열 전도율이다. 다중 층 막의 열 저항값은 다중 층 막을 구성하는 막들의 열 저항값들이 더해진 것이다.

도6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 0.3 ㎛의 두께를 갖는 SiN 막과 0.23 ㎛의 두께를 갖는 Ta 막에 의해 형성된 보호 막에서, 열 축적 층/보호 막의 열 저항 비율의 적어도 약 2배가 0.7 ㎛보다 낮지 않은 두께를 갖는 열 축적 층에 대한 조건으로 대체될 수 있다. 그러므로, 보호 막의 열 저항에 대한 열 축적 층의 열 저항의 비율은 2배를 초과하는 것이 바람직하다.

전술된 관계는 시뮬레이션에 의해 얻어진다. 그러나, 실제로 생산되는 잉크젯 헤드에서도, 시뮬레이션에 의해 얻은 결과와 유사한 결과가 열 전도율과 버블링 효율에 대해 얻어진다.

잉크젯 기록 장치

그 다음, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드가 장착되는 잉크젯 기록 장치를 도13을 참조하여 설명하기로 한다.

도13은 본 발명의 잉크젯 기록 장치의 일 예를 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도13에서, 나선형 홈(5005)이 형성된 리드 나사(lead screw; 5004)가 본체 프레임에 저널링(journaled)된다. 리드 나사(5004)는 구동 모터(5013)의 정회전 및 역회전에 의해 연결되며, 리드 나사(5004)는 구동력 전달 기어(5009, 5011)를 통해 회전된다.

캐리지(HC)를 활주식으로 안내하는 안내 레일(5003)이 본체 프레임에 장착된다. 나선형 홈(5005)과 결합하는 핀(도시 안됨)이 캐리지(HC) 내에 마련된다. 캐리지(HC)는 구동 모터(5013)의 회전에 의한 리드 나사(5004)의 회전으로 화살표(a) 및 화살표(b)의 방향으로 왕복식으로 운동될 수 있다. 종이 가압판(paper pressing plate; 5002)이 기록 매체(P)를 캐리지(HC)의 운동 방향을 가로질러 압반(platen; 5000)에 대항하여 가압한다.

잉크젯 기록 유닛(IJC)이 캐리지(HC) 상에 장착된다. 잉크젯 기록 유닛(IJC)은 잉크젯 헤드가 잉크 탱크(IT)와 통합된 형태를 가질 수 있으며, 또는 잉크젯 기록 유닛은 잉크젯 헤드와 잉크 탱크(IT)가 별개로 형성되어 탈착가능하게 조합된 형태를 가질 수 있다. 잉크젯 기록 유닛(IJC)은 캐리지(HC) 내에 마련된 전기 접촉부와 위치설정 수단에 의해 캐리지(HC)에 고정되어 이에 의해 지지되며, 잉크젯 기록 유닛(IJC)은 캐리지(HC)에 탈착가능한 상태로 제공된다.

광커플러(photocoupler; 5007, 5008)는 구동 모터(5013)의 회전 방향 등을 역전시키도록 캐리지(HC)의 레버(5006)의 이러한 영역 내의 존재를 확인하는 홈(home) 위치 검출 수단을 구성한다. 잉크젯 헤드의 전방면(토출 포트가 개방되는 표면)을 캡핑하는 캡핑 부재(capping member; 5022)가 지지 부재(5016)에 의해 지지된다. 캡핑 부재(5022)는 흡인 수단(5015)을 포함하여, 캡핑 부재(5022)는 잉크젯 헤드를 캡 내부 개구(5023)를 통해 흡인하여 회수한다. 지지판(5019)이 본체 지지판(5018)에 부착되고, 지지판(5019)에 의해 활주식으로 지지된 세척 블레이드(5017)가 구동 수단(도시 안됨)에 의해 전후방향으로 이동된다. 세척 블레이드(5017)의 형태는 도13에 도시된 형태로 제한되지 않으며, 공지된 세척 블레이드를 적용하는 것도 가능하다. 레버(5021)는 잉크젯 헤드의 흡인 및 회수 작동을 개시하는 부재이다. 레버(5021)는 캐리지(HC) 상에 맞닿아 있는 캠(5020)의 운동에 따라 이동하고, 구동 모터(5013)로부터의 구동력은 기어(5010)와 래치 스위치와 같은 잘 알려진 전달 수단에 의해 제어된다.

각각의 캡핑, 세척, 및 흡인 및 회수 프로세스는 캐리지(HC)가 홈 위치측 영역으로 이동될 때 리드 나사(5004)의 작동에 의해 각각의 대응 위치에서 수행된다. 요구되는 작동이 소정의 시점에서 수행된 때, 각각의 프로세스가 본 발명에 적용될 수 있다.

도14는 잉크젯 기록 장치의 작동을 제어하는 제어 회로의 블록도를 도시한다. 도14에 도시된 제어 회로는 기록 신호가 컴퓨터와 같은 외부 장치로부터 입력되는 인터페이스(1700), 인터페이스(1700)를 통해 입력된 기록 신호에 기초하여 잉크젯 기록 장치의 작동을 제어하는 제어 유닛, 기록 헤드(잉크젯 헤드)(1708)를 구동시키는 헤드 드라이버(1705), 기록 매체를 (도14에 도시된 압반(5000)을 회전시켜) 이송하는 이송 모터(1709)를 구동시키는 모터 드라이버(1706), 및 캐리어 모터(1710)(도13의 구동 모터(5013)에 해당함)를 구동시키는 모터 드라이버(1707)를 갖는다.

제어 유닛은 인터페이스(1700)로부터 기록 데이터의 준비를 제어하도록 기록 헤드(1708)로의 기록 신호를 수신하는 게이트 어레이(gate array; G.A.)(1704), MPU(1701), MPU(1701)에 의해 수행되는 제어 프로그램이 저장된 ROM(1702), 및 기록 헤드(1708)로 제공되는 기록 신호와 기록 데이터와 같은 다양한 종류의 데이터가 저장된 DRAM(1703)을 갖는다. 게이트 어레이(1704)는 또한 MPU(1701)와 DRAM(1703) 사이의 데이터 전달을 제어한다.

기록 신호가 인터페이스(1700)로 입력된 때, 기록 신호는 게이트 어레이(1704)와 MPU(1701) 사이에서 기록을 위한 기록 데이터로 변환된다. 모터 드라이버(1706, 1707)가 이송 모터(1709)와 캐리어 모터(1710)를 각각 구동시키는 동안, 기록 헤드(1708)는 헤드 드라이버(1705)로 전달된 기록 데이터에 따라 구동되고, 기록이 수행된다. 열 발생 저항 부재의 구동 여기 시간은 MPU(1701)에 의해 제어된다.

잉크젯 헤드

그 다음, 본 발명에 바람직하게 사용되는 잉크젯 헤드의 일 예를 설명하기로 한다.

잉크젯 헤드의 구성예 1

도7은 토출 포트측으로부터 바라본, 본 발명을 위해 바람직하게 사용되는 잉크젯 헤드의 일 예의 주요 부분을 도시하는 평면도이고, 도8은 도7에 도시된 하나의 열 발생 저항 부재를 도시하는 확대 평면도이다. 도7에서, 내부 구조의 이해를 위하여, 노즐 재료(10)가 사시도로서 도시되어 있다.

잉크젯 헤드(1)는 복수의 열 발생 저항 부재(23)가 형성된 기부 본체(20)와 기부 본체(20)에 연결된 노즐 재료(10)를 구비한다. 열 발생 저항 부재(23)는 일렬로 배열된다. 그러나, 컬러 잉크젯 헤드의 경우, 열 발생 저항 부재(23)의 복수의 열이 각각의 컬러로 배열될 수 있다. 노즐 재료(10)에서, 토출 포트(11)는 각각의 열 발생 저항 부재(23)와 반대편 위치에 형성되고, 한편 토출 포트의 중앙부는 열 발생 저항 부재(23)의 중앙부 위에 위치된다. 인접한 열 발생 저항 부재(23)들을 서로로부터 분리하는 노즐 벽(13)이 노즐 재료(10) 내에 형성되고, 토출 포트(11)가 개방되는 액체 통로가 기부 본체(20)와 노즐 재료(10)를 접합시킴으로써 각각의 열 발생 저항 부재(23) 내에 형성된다.

잉크를 잉크젯 헤드(1)의 외측으로부터 각각의 열 발생 저항 부재(23) 상으로 공급하기 위하여, 공급 포트(도시 안됨)가 기부 본체(20)를 관통하는 상태로 기부 본체(20) 내에 형성된다. 공급 포트는 각각의 액체 통로에 대해 공동의 잉크 챔버로 개방된다. 원주형(columnar) 구조인 필터(29)가 외부 재료의 채널 내부로의 침투를 방지하도록 잉크 챔버와 각각의 채널 사이에 마련된다. 절연 막(도8에는 도시 안됨)과 캐비테이션 방지 막(27)이 일렬로 배열된 모든 열 발생 저항 부재(23)를 절연 막과 캐비테이션 방지 막(27) 모두에 의해 덮이는 상태로 마련된다. 도5에 도시된 바와 같이, 전극 배선(25)은 열 발생 저항 부재(23)에 연결된다.

잉크는 열 발생 저항 부재(23) 상으로 유동하도록 공급 포트로부터 채널로 공급된다. 이러한 상태에서, 열 발생 저항 부재(23) 상의 잉크의 버블링은 잉크를 토출 포트(11)로부터 토출시키는 열 에너지를 발생시키도록 전극 배선(25)을 통해 열 발생 저항 부재(23)를 여기시킴으로써 이루어진다. 잉크젯 헤드(1)는 열 발생 저항 부재(23)가 토출 포트(11)와 마주보는 사이드 슈트형(side shoot type) 잉크젯 헤드로서 언급된다. 사이드 슈트 형 잉크젯 헤드(1)를 위한 토출 방식은 주로 열 발생 저항 부재(23)를 구동시킴으로써 발생되는 버블이 대기와 연통되는 방법과 버블이 대기와 연통되지 않는 방식을 포함한다. 버블이 대기와 연통되지 않는 방식에서, 발생되는 버블은 대기와의 연통없이 소멸된다. 본 발명은 두 방법 모두에 적용될 수 있다.

도9는 도7에 도시된 잉크젯 헤드의 선 IX-IX를 따라 취한 단면도이다. 도9를 참조하여, 예 1의 잉크젯 헤드(1) 내의 기부 본체(20)의 층 구조를 주로 설명하기로 한다.

기부 본체(20)는 실리콘으로 제조된 기판(21), 기판(21)의 표면 상에 형성되고 절연 막으로서도 역할하는 열 축적 층(22), 열 축적 층(22) 상에 부분적으로 형성된 열 발생 저항 부재(23), 열 발생 저항 부재(23)에 전력을 제공하는 전극 배선(24, 25), 열 발생 저항 부재(23)와 열 축적 층(23)을 덮는 절연 막(26), 및 절연 막(26) 상에 부분적으로 형성된 캐비테이션 방지 막(27)을 구비한다. 열 축적 층(22)은 열 산화 막(22a)과 층간 막(interlayer film; 22b, 22c)이 기판(21)측으로부터 이 순서로 적층되는 3중 층 구조를 갖는다. 예 1에서, 열 산화 막(22a)과 층간 막(22b, 22c)은 SiO₂로 제조되고, 열 축적 층(22)의 총 두께는 열 축적 층(22)의 총 열 저항이, 열 발생 저항 부재(23)가 막, 즉 보호 막으로 덮이는 상태로 형성된 막(절연 막(26) 및 캐비테이션 방지 막(27))의 총 열 저항의 2배보다 낮지 않도록 설정된다. 그러나, 열 축적 층(22)을 구성하는 막의 재료 및 열 축적 층(22)의 층의 개수와 구조는 총 열 저항이 상기의 조건을 만족하는 범위 내에서 임의로 변경될 수 있다. 예를 들면, 열 축적 층(22) 내의 적어도 하나의 층은 SiO_x 막 또는 BPSG(Bro-Phosopho Silicate Glass) 막에 의해 형성될 수 있다. 열 산화(thermal oxidation) 방식 또는 CVD 방식과 같은 임의의 방식이 침착 방식으로서 채택될 수 있다.

예 1에서, 열 발생 저항 부재(23)는 TaSiN으로 제조된다. 전극 배선(24, 25)은 AlCu로 제조된다. 그러나, 전극 배선(24, 25)은 AlCu로 제한되지 않는다. 전극 배선(24, 25)은 AL 또는 Al 합금으로 제조될 수 있다. 전극 배선의 두께는 0.1 내지 1.0 ㎛의 범위가 가능하다.

절연 막(26)은 SiC 막(26b)이 SiN 막(26a) 상에 형성된 2중 층 구조를 갖는다. SiN 막(26a)의 두께는 0.05 ㎛으로 설정되고, SiC 막(26b)의 두께는 0.2 ㎛으로 설정된다. 그러므로, 열 저항은 감소될 수 있고, 절연 신뢰도는 복수의 층으로 절연 막(26)을 형성함으로써 전극 배선(25)의 단차의 커버링과 관련하여 최적화될 수 있다. 그러나, 절연 막(26)의 구조는 예 1로 제한되지 않는다. 예를 들면, 절연 막은 적어도 3개의 층에 의해 형성될 수 있으며, SiC 막(26b)의 두께는 0.2 ㎛보다 낮지 않은 값으로 설정되는 것이 가능하고, 또는 SiN 막(26a)의 두께는 0.05 ㎛보다 낮지 않은 값으로 설정되는 것이 가능하다. 캐비테이션 방지 막(27)은 Ta로 제조되고, 캐비테이션 방지 막(27)의 두께는 0.23 ㎛으로 설정된다. 즉, 예 1에서, 열 발생 저항 부재(23) 상의 보호 막의 총 두께는 0.48 ㎛으로 설정된다.

노즐 재료(10)는 열 발생 저항 부재(23)와 토출 포트(11) 사이에 잉크 챔버(12)를 형성하도록 기부 본체(20)에 접합된다.

열 발생 저항 부재(23) 상의 보호 막인 절연 막(26)과 캐비테이션 방지 막(27)의 열 저항값은 적절한 값으로 설정되는 것이 바람직하다. 도15에 도시된 종래의 잉크젯 헤드의 구조에서, 보호 막은 0.3 ㎛의 두께를 갖는 SiN 절연 막과 0.23 ㎛의 두께를 갖는 Ta 캐비테이션 방지 막에 의해 형성된다. Ta 박막의 열 전도율이 54 W/m·K라고 가정하면, SiN 박막의 열 전도율은 1.2 W/m·K이고, SiC 박막의 열 전도율은 70 W/m·K이며, 종래의 잉크젯 헤드 내의 보호 막의 열 저항이 추정된 때 보호 막의 열 저항값은 약 2.5x10^-7 m²·K/W이 된다. 한편, 예 1의 잉크젯 헤드(1)에서, 열 저항값은 약 48x10^-9 m²·K/W이 된다. 또한, 열 축적 층(22)에서, 열 산화 막(22a)의 두께는 1.0 ㎛으로 설정되고, 층간 막(22b)의 두께는 0.8 ㎛으로 설정되며, 층간 막(22c)의 두께는 0.7 ㎛으로 설정된다. SiO₂ 박막의 열 전도율이 1.38 W/m·K로 설정된 때, 열 축적 층(22)의 열 저항값은 약 1.81x10^-6 m²·K/W이 된다. 따라서, 예 1에서, 열 축적 층(22)의 총 열 저항값은 보호 막의 총 열 저항의 39배가 된다.

예 1에서, 열 발생 저항 부재(23)의 평면 크기는 26 ㎛ x 26 ㎛의 정사각형으로 형성된다. 그러나, 열 발생 저항 부재(23)의 크기는 예 1로 제한되지 않으며, 16 ㎛ x 16 ㎛ 내지 39 ㎛ x 39 ㎛ 범위의 정사각형으로 형성된 열 발생 저항 부재(23)가 본 발명을 위해 사용될 수 있음이 확인되었다. 열 발생 저항 부재(23)의 형상은 정사각형으로 제한되지 않는다. 열 발생 저항 부재(23)는 또한 직사각형으로 형성될 수 있다. 토출 포트(11) 하나당 열 발생 저항 부재의 개수는 적어도 2개일 수 있다. 열 발생 저항 부재(23)는 2개의 열 발생 저항 부재가 일렬로 연결된 상태로, 10 ㎛ x 24 ㎛의 크기를 갖는 2개의 직사각형 열 발생 저항 부재에 의해 형성될 수 있다.

그러므로, 버블이 대기와 연통되는 토출 방식과 버블이 대기와 연통되지 않는 토출 방식 모두에서, 잉크에 대한 열전달 효율은 보호 막의 절연 신뢰도와 캐비테이션 방지 특성을 감소시키지 않고 최적화되는 동일한 우수한 효과가 보호 막의 두께와 열 저항 값을 최적화함으로써 얻어질 수 있다.

잉크젯 헤드의 구성예 2

도10은 본 발명을 위해 바람직하게 사용되는 잉크젯 헤드의 다른 예를 도시하는 단면도이다. 도10에서, 도9와 동일한 구성요소는 도9와 동일한 도면 부호로 나타낸다.

예 2의 잉크젯 헤드는 절연 막(26)이 단일 층을 갖고 캐비테이션 방지 막(27)이 2중 층 구조를 갖는다는 점에서 예 1의 잉크젯 헤드와 상이하다. 예 2의 다른 구성은 예 1과 유사하다.

예 2에서, 보호 막(26)은 SiC로 제조되며, 절연 막(26)의 두께는 0.35 ㎛으로 설정된다. 캐비테이션 방지 막(27)은 Ta 막(27a)과 Ir 막(27b)이 절연 막(26)측으로부터 이 순서로 적층되는 구조를 갖는다. Ta 막(27a)의 두께는 0.2 ㎛으로 설정되고, Ir 막(27b)의 두께는 0.05 ㎛으로 설정된다. 따라서, 열 발생 저항 부재(23) 상의 보호 막의 총 두께는 0.6 ㎛이 된다.

그러므로, 2중 층 구조로 캐비테이션 방지 막(27)을 형성함으로써, 커버링 특성을 유지한 상태에서 열 저항이 감소될 수 있을 뿐만 아니라 잉크의 열 반응에 의해 또는 잉크 성분의 탄화로 발생되는 "코게이션"에 의해 초래되는 토출 특성의 감소도 방지될 수 있다. 캐비테이션 방지 막(27)이 예 2의 2중 층 구조를 갖지만, 캐비테이션 방지 막(27)은 적어도 3개의 층이 적층되는 구조를 가질 수도 있다. 캐비테이션 방지 막(27)의 일부는 예 2에서 Ir로 제조되지만, Ir 대신에, 0.05 ㎛보다 낮지 않은 막 두께를 갖는 Pt 또는 귀금속의 합금과 같은 귀금속을 사용할 수도 있다.

Ir 박막의 열 전도율이 127 W/m·K인 것으로 가정하면, 보호 막의 열 저항값이 예 2에서 추정된 때, 약 9.1x10^-2 m²·K/W의 열 저항값이 얻어진다. 열 축적 층(22)의 총 열 저항값은 예 1과 동일하기 때문에, 열 축적 층(22)의 총 열 저항값은 예 2의 보호 막의 총 열 저항값의 약 199배가 된다.

잉크젯 헤드의 구성예 3

도11은 본 발명을 위해 바람직하게 사용되는 잉크젯 헤드의 또 다른 예를 도시하는 단면도이다. 도11에서, 도9와 동일한 구성요소는 도9와 동일한 도면 부호로 나타낸다.

예 3의 잉크젯 헤드는 절연 막(26)과 캐비테이션 방지 막(27)이 각각 단일 층 구조를 갖는다는 점에서 예 1 및 예 2의 잉크젯 헤드와 상이하다. 구체적으로, 절연 막(26)은 0.35 ㎛의 두께를 갖는 SiC 막에 의해 형성되고, 캐비테이션 방지 막(27)은 0.2 ㎛의 두께를 갖는 Ta 막에 의해 형성된다. 이에 따라, 열 발생 저항 부재(23) 상의 보호 막의 총 두께는 0.55 ㎛이 된다.

보호 막의 열 저항이 예 3에서 추정된 때, 약 8.7x10^-9 m²·K/W의 열 저항값이 얻어진다. 예 3의 열 저항은 구성예 1 내지 3의 잉크젯 헤드 중 가장 작은 값을 갖는다. 즉, 예 3의 버블링 효율은 구성예 1 내지 3의 잉크젯 헤드 중에서 최적화된 것이다. 전극 배선(24, 25)의 단차에서의 절연 막(26)의 커버링 신뢰도 또는 캐비테이션 방지 막(27)의 열 반응 저항 특성과 코게이션 부착 저항 특성을 고려하여, 잉크젯 헤드가 충분한 성능을 얻은 경우, 버블링 효율은 5x10^-9 m²·K/W 내지 50x10^-9 m²·K/W 범위의 더욱 작은 열 저항값을 설정함으로써 더욱 개선된다. 열 축적 층(22)의 총 열 저항값은 예 3의 보호 막의 총 저항값의 약 208배가 된다.

그러므로, 본 발명에 적용되는 잉크젯 헤드와 관련하여, 양호한 실시예가 설명된다. 토출 포트(11)가 열 발생 저항 부재(23)와 반대편 위치에 형성되는 소위 사이드 슈트형 잉크젯 헤드가 전술된 예 1 내지 3에서 설명되었지만, 본 발명은 사이드 슈트형 잉크젯 헤드로 제한되지 않는다. 도12에 도시된 바와 같이, 본 발명은 소위 에지 슈트형 잉크젯 헤드(30)에도 적용될 수 있다.

사이드 슈트형 잉크젯 헤드의 경우와 같이, 에지 슈트형 잉크젯 헤드(30)는 기부 본체(50) 및 기부 본체(50)에 접합된 노즐 재료(40)를 갖는다. 그러나, 에지 슈트형 잉크젯 헤드는 노즐 재료(40)의 구조 면에서 사이드 슈트형 잉크젯 헤드와 상이하다. 구체적으로, 토출 포트(41)는 열 발생 저항 부재(53)와 반대편 위치에 위치되지 않지만, 토출 포트(41)는 노즐 재료(40)의 단부 면 내에 형성되며, 잉크는 기부 본체(50)의 상부 표면과 사실상 평행한 방향을 향해 토출된다.

에지 슈트형 잉크젯 헤드(30)에서도, 사이드 슈트형 잉크젯 헤드와 동일한 효과가 본 발명의 구성을 절연 막(56)과 캐비테이션 방지 막(57)을 포함하는 보호 막과 열 축적 층의 구성에 적용함으로써 얻어질 수 있다.

전술된 바와 같이, 잉크젯 헤드가 0.2 ㎲ 내지 2.0 ㎲의 폭을 갖는 구동 펄스에 의해 구동될 때, 열 발생 저항 부재 상에 형성된 보호 막의 총 두께는 약 0.2 내지 약 0.6 ㎛ 범위로 설정되고, 보호 막의 총 열 저항값은 5x10^-9 m²·K/W 내지 50x10^-9 m²·K/W 범위로 설정되며, 열 발생 저항 부재 아래의 열 축적 층의 열 저항값은 보호 막의 열 저항값의 적어도 2배로 설정된다. 그러므로, 잉크에 대한 열전달 효율은 보호 막의 절연 신뢰도의 감소 없이 그리고 캐비테이션 방지 성능의 감소 없이 최적화될 수 있다. 열 저항값이 전술된 범위 내에 있을 경우 임의의 막 구조가 채택될 수 있기 때문에, 열 발생 저항 부재의 커버링 신뢰도가 유지되는 한 다양한 재료가 사용될 수 있고, 설계의 자유도가 증가될 수 있다. 또한, 커버링 신뢰도를 더욱 개선시키는 막 구조로 형성될 수 있으며, 본 발명은 또한 비용 절감 효과를 갖는다. 캐비테이션 방지와 관련하여, 막 구조는 열 저항이 전술된 범위 내에 있도록 자유롭게 설계될 수 있다. 그러므로, 열 반응 저항 특성과 코게이션 부착 저항 특성이 더욱 개선되는 막 구조로 형성될 수 있어, 설계의 자유도가 증가할 뿐만 아니라 내구성이 개선된다.

도1은 본 발명의 일반적인 개요를 설명하고 시뮬레이션(simulation)의 열 저항과 임계 버블링 펄스 폭 사이의 관계를 도시하는 그래프.

도2는 본 발명의 일반적인 개요를 설명하고 시뮬레이션의 열 전도율과 임계 버블링 펄스 폭 사이의 관계를 도시하는 그래프.

도3은 본 발명의 일번적인 개요를 설명하고 시뮬레이션의 열 발생 저항 부재의 표면 온도 분포를 도시하는 그래프.

도4는 본 발명의 일반적인 개요를 설명하고 열 발생 저항 부재가 0.8 ㎲의 펄스에서 구동될 때 시뮬레이션의 경과 시간과 열 발생 저항 부재의 표면 온도 사이의 관계를 도시하는 그래프.

도5는 본 발명의 일반적인 개요를 설명하고 시뮬레이션의 열 축적 층과 열 발생 저항 부재의 단위면적당 임계 버블링 에너지 사이의 관계를 도시하는 그래프.

도6은 본 발명의 일반적인 개요를 설명하고 시뮬레이션의 열 축적 층과 열 축적 층/보호 막의 열 저항비 사이의 관계를 도시하는 그래프.

도7은 토출 포트측으로부터 바라본, 본 발명을 위해 바람직하게 사용되는 잉크젯의 일 예의 주요 부분을 도시하는 평면도.

도8은 도7에 도시된 기부 본체 상의 열 발생 저항 부재를 도시하는 확대 평면도.

도9는 도7에 도시된 잉크젯 헤드의 선 B-B를 따라 취한 단면도.

도10은 본 발명을 위해 바람직하게 사용되는 잉크젯 헤드의 다른 예를 도시하는 단면도.

도11은 본 발명을 위해 바람직하게 사용되는 잉크젯 헤드의 또 다른 예를 도시하는 단면도.

도12는 본 발명이 적용되는 에지 슈터형(edge-shooter type) 잉크젯 헤드의 일 예를 도시하는 단면도.

도13은 본 발명의 잉크젯 기록 장치의 일 예를 도시하는 사시도.

도14는 도13에 도시된 잉크젯 기록 장치의 작동을 제어하는 제어 회로의 일 예를 도시하는 블록도.

도15는 종래의 잉크젯 헤드의 열 발생 저항 부재를 도시하는 개략적인 단면도.

도16은 잉크젯 헤드 내의 열전달의 원리를 설명하는 개략적인 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 잉크젯 헤드

10: 노즐 재료

11: 토출 포트

13: 노즐 벽

20: 기부 본체

21: 기판

22: 열 축적 층

22a: 열 산화 막

22b, 22c: 층간 막

23: 열 발생 저항 부재

25: 전극 배선

26: 절연 막

27 캐비테이션 방지 막

29: 필터

Claims

열 축적 층, 잉크를 토출시키도록 사용되는 열 에너지를 발생시키는 히터, 및 히터를 보호하는 보호 막이 기판 상에 순차적으로 형성된 잉크젯 헤드 기부 본체이며,

잉크젯 헤드 기부 본체에서, 보호 막 내의 히터로부터 위의 부분의 총 두께는 0.2 ㎛ 내지 0.6 ㎛의 범위이고, 보호 막 내의 히터로부터 위의 부분의 열 저항값은 5x10^-9 m²·K/W 내지 50x10^-9 m²·K/W의 범위이며, 열 축적 층 내의 히터로부터 아래의 부분의 열 저항값은 보호 막 내의 히터로부터 위의 부분의 열 저항값의 2배이상인 잉크젯 헤드 기부 본체.
제1항에 있어서, 보호 막의 총 열 저항값은 5x10^-9 m²·K/W 내지 10x10^-9 m²·K/W의 범위인 잉크젯 헤드 기부 본체.
제1항에 있어서, 보호 막은 복수의 박막에 의해 형성된 잉크젯 헤드 기부 본체.
제1항에 있어서, 보호 막은 막 두께가 0.2 ㎛ 이상인 SiC 막을 포함하는 잉크젯 헤드 기부 본체.
제1항에 있어서, 보호 막은 막 두께가 0.05 ㎛ 이상인 SiN 막을 포함하는 잉크젯 헤드 기부 본체.
제1항에 있어서, 보호 막은 막 두께가 0.2 ㎛ 이상인 Ta 막을 포함하는 잉크젯 헤드 기부 본체.
제6항에 있어서, 보호 막은 막 두께가 0.1 ㎛ 내지 0.4 ㎛의 범위이고 열 전도율이 10 W/m·K 내지 200 W/m·K의 범위인 절연 막과, 절연 막 상에 형성되고 Ta 막을 포함하는 캐비테이션 방지 막을 갖는 잉크젯 헤드 기부 본체.
제7항에 있어서, 절연 막은 막 두께가 0.2 ㎛ 이상인 SiC 막을 포함하는 잉크젯 헤드 기부 본체.
제8항에 있어서, 절연 막은 SiN 막을 더 포함하는 잉크젯 헤드 기부 본체.
제7항에 있어서, 캐비테이션 방지 막은 귀금속 또는 귀금속의 합금으로 제조된 박막을 더 포함하는 잉크젯 헤드 기부 본체.
제1항에 있어서, 보호 막은 막 두께가 0.05 ㎛ 이상인 귀금속 또는 귀금속의 합금으로 제조된 박막을 포함하는 잉크젯 헤드 기부 본체.
제1항에 있어서, 열 축적 층은 SiO₂로 제조된 적어도 하나의 박막에 의해 형성되고, 열 축적 층의 총 두께는 0.7 ㎛ 이상인 잉크젯 헤드 기부 본체.
제1항에 있어서, 열 축적 층은 복수의 박막에 의해 형성되고, 복수의 박막 층 중 적어도 하나는 SiO_x 막 또는 BPSG 막으로 제조된 잉크젯 헤드 기부 본체.
제1항에 있어서, 히터를 여기시키기 위한 전극 배선은 Al 또는 Al 합금으로 제조되며, 전극 배선의 두께는 0.1 ㎛ 내지 1.0 ㎛의 범위인 잉크젯 헤드 기부 본체.
열 축적 층, 잉크를 토출시키도록 사용되는 열 에너지를 발생시키는 히터, 및 히터를 보호하는 보호 막이 기판 상에 순차적으로 형성된 잉크젯 헤드 기부 본체와, 잉크젯 헤드 내에서 히터에 대응하게 제공된 잉크를 토출시키기 위한 토출 포트를 구비한 잉크젯 헤드이며,

잉크젯 헤드에서, 보호 막 내의 히터로부터 위의 부분의 총 두께는 0.2 ㎛ 내지 0.6 ㎛의 범위이고, 보호 막 내의 히터로부터 위의 부분의 열 저항값은 5x10^-9 m²·K/W 내지 50x10^-9 m²·K/W의 범위이며, 열 축적 층 내의 히터로부터 아래의 부분의 열 저항값은 보호 막 내의 히터로부터 위의 부분의 열 저항값의 2배 이상인 잉크젯 헤드.
잉크젯 헤드를 구동시키기 위한 방법이며,

열 축적 층, 잉크를 토출시키도록 사용되는 열 에너지를 발생시키는 히터, 및 히터를 보호하는 보호 막이 기판 상에 순차적으로 형성된 잉크젯 헤드 기부 본체와, 잉크젯 헤드 내에서 히터에 대응하게 제공된 잉크를 토출시키기 위한 토출 포트를 구비하며, 보호 막 내의 히터로부터 위의 부분의 총 두께는 0.2 ㎛ 내지 0.6 ㎛의 범위이고, 보호 막 내의 히터로부터 위의 부분의 열 저항값은 5x10^-9 m²·K/W 내지 50x10^-9 m²·K/W의 범위이며, 열 축적 층 내의 히터로부터 아래의 부분의 열 저항값은 보호 막 내의 히터로부터 위의 부분의 열 저항값의 2배 이상인, 잉크젯 헤드를 사용하는 단계와,

토출 포트로부터 잉크를 토출시키도록 히터를 0.2 ㎲ 내지 2 ㎲ 범위의 구동 여기 시간으로 구동시키는 단계를 포함하는 방법.
잉크젯 기록 장치이며,

열 축적 층, 잉크를 토출시키도록 사용되는 열 에너지를 발생시키는 히터, 및 히터를 보호하는 보호 막이 기판 상에 순차적으로 형성된 잉크젯 헤드 기부 본체와, 잉크젯 헤드 내에서 히터에 대응하게 제공된 잉크를 토출시키기 위한 토출 포트를 구비하며, 보호 막 내의 히터로부터 위의 부분의 총 두께는 0.2 ㎛ 내지 0.6 ㎛의 범위이고, 보호 막 내의 히터로부터 위의 부분의 열 저항값은 5x10^-9 m²·K/W 내지 50x10^-9 m²·K/W의 범위이며, 열 축적 층 내의 히터로부터 아래의 부분의 열 저항값은 보호 막 내의 히터로부터 위의 부분의 열 저항값의 2배 이상인, 잉크젯 헤드와,

히터를 0.2 ㎲ 내지 2 ㎲ 범위의 구동 여기 시간으로 구동시키는 구동 수단을 포함하는 잉크젯 기록 장치.