KR20050087635A - 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법 - Google Patents

압전 방식의 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

압전 방식의 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드는 세 개의 단결정 실리콘 기판을 적층하여 접합함으로써 이루어진다. 세 개의 기판은 잉크 도입구와 다수의 압력 챔버가 형성된 상부 기판과, 매니폴드와 다수의 리스트릭터와 다수의 댐퍼가 관통 형성된 중간 기판과, 다수의 노즐이 형성된 하부 기판으로 구성된다. 실리콘으로 이루어진 진동판을 형성하는 상부 기판 위에는 압전 액츄에이터가 일체형으로 형성된다. 그리고, 세 개의 기판을 순차적으로 적층하여 접합함으로써 잉크 도입구와 매니폴드로 이루어진 공통 유로와 리스트릭터, 압력 챔버, 댐퍼 및 노즐로 이루어진 개별 유로가 형성된다. 이와 같은 구성에 의하면, 매니폴드와 리스트릭터와 댐퍼를 중간 기판을 관통하여 가공하는 단일 공정에 의해 동시에 형성할 수 있으므로 제조 공정이 단순화되어 제조 비용이 저감될 뿐만 아니라, 매니폴드의 단면적이 넓어져서 각 압력 챔버로 공급되는 잉크의 유동 저항이 감소하여 잉크 저장고로부터 각 압력 챔버로 공급되는 잉크의 유량이 적정하게 확보될 수 있다.

Description

압전 방식의 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법{Piezo-electric type inkjet printhead and manufacturing method threrof}
본 발명은 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세 가공 기술을 이용하여 실리콘 기판 상에 구현되는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드와 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 프린트헤드는 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린터의 잉크 토출 방식으로는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 이 힘으로 잉크를 토출시키는 전기-열 변환 방식(electro-thermal transducer, 버블젯 방식)과, 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적 변화에 의해 잉크를 토출시키는 전기-기계 변환 방식(electro-mechanical transducer, 압전 방식)이 있다.
상기한 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일반적인 구성은 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 유로 형성판(1)의 내부에는 잉크 유로를 이루는 매니폴드(2), 리스트릭터(3), 압력 챔버(4)와 노즐(5)이 형성되어 있으며, 유로 형성판(1)의 상부에는 압전 액츄에이터(6)가 마련되어 있다. 매니폴드(2)는 도시되지 않은 잉크 저장고로부터 유입된 잉크를 각 압력 챔버(4)로 공급하는 통로이며, 리스트릭터(3)는 매니폴드(2)로부터 압력 챔버(4)로 잉크가 유입되는 통로이다. 압력 챔버(4)는 토출될 잉크가 채워지는 곳으로, 압전 액츄에이터(6)의 구동에 의해 그 부피가 변화함으로써 잉크의 토출 또는 유입을 위한 압력 변화를 생성하게 된다.
유로 형성판(1)은 주로 세라믹 재료, 금속 재료 또는 합성수지 재료의 다수의 박판을 각각 절삭 가공하여 상기한 잉크 유로의 부분을 형성한 뒤, 이들 다수의 박판을 적층함으로써 이루어진다. 그리고, 압전 액츄에이터(6)는 압력 챔버(4)의 위쪽에 마련되며, 압전박판과 이 압전박판에 전압을 인가하기 위한 전극이 적층된 형태를 가지고 있다. 이에 따라, 유로 형성판(1)의 압력 챔버(4) 상부벽을 이루게 되는 부위는 압전 액츄에이터(6)에 의해 변형되는 진동판(1a)의 역할을 하게 된다.
이러한 구성을 가진 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 작동을 설명하면, 압전 액츄에이터(6)의 구동에 의해 진동판(1a)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(6)의 구동에 의해 진동판(1a)이 원래의 형태로 복원되면 압력 챔버(4)의 부피가 증가하게 되고, 이에 따른 압력 변화에 의해 잉크가 매니폴드(2)로부터 리스트릭터(3)를 통해 압력 챔버(4) 내로 유입된다.
이와 같은 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 구체적인 예로서, 도 2에는 미국특허 US 5,856,837호에 개시된 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드가 도시되어 있다. 그리고, 도 3은 도 2에 도시된 압력 챔버의 길이 방향으로 절단한 종래의 프린트헤드의 부분 단면도이고, 도 4는 도 3에 표시된 A-A선을 따른 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 함께 참조하면, 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드는 다수의 얇은 플레이트(11 ~ 16)를 적층하여 접합함으로써 이루어진다. 즉, 프린트헤드의 제일 아래에는 잉크를 토출하기 위한 노즐(11a)이 형성된 제1 플레이트(11)가 배치되고, 그 위에 매니폴드(12a)와 잉크 배출구(12b)가 형성되어 있는 제2 플레이트(12)가 적층되며, 다시 그 위에는 잉크 유입구(13a)와 잉크 배출구(13b)가 형성되어 있는 제3 플레이트(13)가 적층된다. 그리고, 제3 플레이트(13)에는 잉크 저장고(미도시)로부터 매니폴드(12a)로 잉크를 도입하기 위한 잉크 도입구(17)가 마련되어 있다. 제3 플레이트(13) 위에는 잉크 유입구(14a)와 잉크 배출구(14b)가 형성되어 있는 제4 플레이트(6)가 적층되며, 그 위에는 양단부가 각각 잉크 유입구(14a)와 잉크 배출구(14b)에 연통된 압력 챔버(15a)가 형성되어 있는 제5 플레이트(15)가 적층된다. 상기한 잉크 유입구들(13a, 14a)은 매니폴드(12a)로부터 압력 챔버(15a)로 잉크가 흘러 들어가는 통로 역할을 하게 되며, 잉크 배출구들(12b, 13b, 14b)은 압력 챔버(15a)로부터 노즐(11a) 쪽으로 잉크가 배출되는 통로 역할을 하게 된다. 제5 플레이트(15) 위에는 압력 챔버(15a)의 상부를 폐쇄하는 제6 플레이트(16)가 적층되며, 그 위에는 압전 액츄에이터로서 구동 전극(20)과 압전막(21)이 형성되어 있다. 따라서, 제6 플레이트(16)는 압전 액츄에이터에 의해 진동하게 되는 진동판으로서의 기능을 하게 되며, 그 휨 변형에 의해 그 아래의 압력 챔버(15a)의 부피를 변화시키게 된다.
상기한 제1, 제2 및 제3 플레이트(11, 12, 13)는 일반적으로 금속 박판을 에칭 또는 프레스 가공함에 의해 성형되며, 상기 제4, 제5 및 제6 플레이트(14, 15, 16)는 일반적으로 박판 형태의 세라믹 재료를 절삭 가공함에 의해 성형된다. 한편, 매니폴드(12a)가 형성된 제5 플레이트(12)는 얇은 플라스틱 재료나 필름 형태의 접착제를 사출 몰딩(injection molding)이나 프레스 가공함에 의해 성형될 수 있으며, 또는 페이스트(paste) 형태의 접착제를 스크린 프린팅(screen printing)함에 의해 성형될 수 있다. 그리고, 제6 플레이트(16) 위에 형성되는 압전막(21)은 압전 성질을 가진 페이스트 상태의 세라믹 재료를 도포한 뒤 소결함으로써 성형된다.
상술한 바와 같이 도 2에 도시된 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 제조하기 위해서는, 다수의 금속 플레이트와 세라믹 플레이트 각각을 다양한 가공 방법에 의해 별도로 가공한 뒤, 이들을 적층하여 소정의 접착제에 의해 서로 접합시키는 공정을 거치게 된다. 그런데, 종래의 프린트헤드에서는, 이를 구성하는 플레이트들의 수가 비교적 많으며, 이에 따라 플레이트들을 정렬시키는 공정이 많아져서 정렬 오차도 따라서 커지게 되는 단점이 있다. 정렬 오차가 발생하게 되면 잉크 유로를 통한 잉크의 흐름이 원활하지 못하며, 이는 프린트헤드의 잉크 토출 성능을 저하시키게 된다. 특히, 해상도 향상을 위해 프린트헤드를 고밀도로 제작하는 최근의 추세에 따라, 상기한 정렬 공정에서의 정밀도 향상이 더욱 더 요구되며, 이는 제품의 가격 상승으로 이어지게 된다.
그리고, 프린트헤드를 이루는 다수의 플레이트들이 서로 다른 재료로써 서로 다른 방법에 의해 제조되므로, 그 제조 공정의 복잡성과 이종 재료간의 접합에 따른 어려움은 제품 수율을 저하시키게 된다. 또한, 다수의 플레이트들이 제조 과정에서 정확하게 정렬되어 접합되었다 하더라도, 사용 중에 주위 온도의 변화에 따라 이종 재료간의 열팽창계수의 차이로 인한 정렬 오차 또는 변형이 발생될 수 있는 문제점도 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 2001년 12월 18일자로 출원되어 공개번호 2003-0050477호로 공개된 특허출원에서 세 개의 실리콘 기판이 적층된 형태로 구성되며 그 상부 기판상에 압전 액츄에이터가 일체화되어 있는 구조를 가진 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 제안한 바 있다. 이러한 구조를 가진 프린트헤드는, 세 개의 기판이 모두 단결정 실리콘 기판으로 이루어져 서로간의 접합성이 우수하며, 이종 물질간의 적층 공정에서 나타나는 종래의 문제점들이 해소되는 장점을 가진다.
그런데, 상기한 프린트헤드에 있어서는, 댐퍼는 중간 기판을 관통하도록 형성되지만 매니폴드와 리스트릭터는 중간 기판의 상면으로부터 서로 다른 깊이로 형성되어 관통되지 않는다. 따라서, 중간 기판에 서로 다른 깊이를 가진 댐퍼, 매니폴드 및 리스트릭터를 형성하기 위해서는, 다소 복잡한 여러 단계의 공정을 거쳐야 하는 불편한 점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 매니폴드와 리스트릭터와 댐퍼를 중간 기판을 관통하여 가공하는 단일 공정에 의해 형성함으로써, 그 제조 공정이 단순화되고 잉크 저장고로부터 각각의 압력 챔버로 공급되는 잉크의 유량을 적정하게 확보할 수 있는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드와 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은,
잉크가 도입되는 잉크 도입구가 관통 형성되고, 토출될 잉크가 채워지는 다수의 압력 챔버가 그 저면에 형성된 상부 기판;
상기 잉크 도입구와 연결되는 매니폴드와, 상기 매니폴드와 상기 다수의 압력 챔버 각각의 일단부를 연결하는 다수의 리스트릭터와, 상기 다수의 압력 챔버 각각의 타단부에 연결되는 다수의 댐퍼가 관통 형성된 중간 기판;
상기 다수의 댐퍼 각각에 대응되는 위치에 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐이 관통 형성된 하부 기판; 및
상기 상부 기판 위에 일체형으로 형성되어 상기 다수의 압력 챔버 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터;를 구비하며,
상기 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판은 모두 단결정 실리콘 기판으로 이루어지며, 순차적으로 적층되어 서로 접합됨으로써, 상기 잉크 도입구와 매니폴드로 이루어진 공통 유로와 상기 리스트릭터, 압력 챔버, 댐퍼 및 노즐로 이루어진 개별 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 매니폴드와 리스트릭터 각각의 상단은 상기 상부 기판에 의해 한정되고, 그 각각의 하단은 상기 하부 기판에 의해 한정된다.
그리고, 상기 상부 기판의 상기 압력 챔버의 상부벽을 이루는 부위는 상기 압전 액츄에이터의 구동에 의해 휨 변형되는 진동판으로서의 역할을 하게 된다.
여기에서, 상기 상부 기판은 제1 실리콘 기판과, 중간 산화막과, 제2 실리콘 기판이 순차 적층된 구조를 가진 SOI 웨이퍼로 이루어지고, 상기 제1 실리콘 기판에 상기 압력 챔버가 형성되며, 상기 제2 실리콘 기판이 상기 진동판으로서의 역할을 하도록 된 것이 바람직하다.
상기 압력 챔버는 상기 매니폴드의 양측에 2 열로 배열될 수 있으며, 이 경우에는 상기 매니폴드의 내부에 그 길이 방향으로 격벽이 형성된 것이 바람직하다.
상기 상부 기판과 상기 압전 액츄에이터 사이에는 실리콘 산화막이 형성된 것이 바람직하다.
상기 압전 액츄에이터는; 상기 상부 기판 위에 형성되는 하부 전극과, 상기 하부 전극 위에 상기 압력 챔버의 상부에 위치하도록 형성되는 압전막과, 상기 압전막 위에 형성되어 상기 압전막에 전압을 인가하기 위한 상부 전극을 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 하부 전극은 Ti 층과 Pt 층이 순차 적층된 2층 구조를 가지는 것이 바람직하다.
상기 노즐은 상기 하부 기판의 아래 부분에 형성되는 잉크 토출구와, 상기 하부 기판의 윗 부분에 형성되어 상기 댐퍼와 상기 잉크 토출구를 연결하는 잉크 유도부를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 잉크 유도부는 상기 댐퍼로부터 상기 잉크 토출구 쪽으로 가면서 점차 그 단면적이 감소하는 사각뿔 형상을 가진 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명은 상기한 구조의 프린트헤드를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법은:
단결정 실리콘 기판으로 이루어진 상부 기판, 중간 기판 및 하부 기판을 준비하는 단계;
준비된 상기 상부 기판을 미세 가공하여, 잉크가 도입되는 잉크 도입구와 토출될 잉크가 채워지는 다수의 압력 챔버를 형성하는 상부 기판 가공 단계;
준비된 상기 중간 기판을 미세 가공하여, 상기 잉크 도입구와 연결되는 공통 유로인 매니폴드와, 상기 매니폴드와 상기 다수의 압력 챔버 각각의 일단부를 연결하는 개별 유로인 다수의 리스트릭터와, 상기 다수의 압력 챔버 각각의 타단부에 연결되는 다수의 댐퍼를 관통되도록 형성하는 중간 기판 가공 단계;
준비된 상기 하부 기판을 미세 가공하여, 상기 댐퍼와 연결되는 노즐을 관통되도록 형성하는 하부 기판 가공 단계;
상기 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판을 순차 적층하여 접합시키는 단계; 및
상기 상부 기판 위에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터를 형성하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 기판 가공 단계 전에, 상기 세 개의 기판 각각에 상기 접합 단계에서의 정렬 기준으로 이용되는 베이스 마크를 형성하는 단계가 더 구비될 수 있으며, 상기 압전 액츄에이터 형성 단계 전에, 상기 상부 기판 위에 실리콘 산화막을 형성하는 단계가 더 구비될 수 있다.
상기 상부 기판 가공 단계에서는, 상기 상부 기판의 저면을 소정 깊이로 건식 식각하여 상기 압력 챔버와 상기 잉크 도입구를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 상부 기판 가공 단계에서, 상기 상부 기판으로서 제1 실리콘 기판과, 중간 산화막과, 제2 실리콘 기판이 순차 적층된 구조를 가진 SOI 웨이퍼를 사용하며, 상기 중간 산화막을 식각 정지층으로 하여 상기 제1 실리콘 기판을 건식 식각함으로써 상기 압력 챔버와 잉크 도입구를 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 상부 기판의 저면에 소정 깊이로 형성된 상기 잉크 도입구는 상기 압력 챔버 형성 단계 후 또는 상기 압전 액츄에이터 형성 단계 후에 관통될 수 있다.
상기 중간 기판 가공 단계에서는, 상기 중간 기판을 관통시키는 동일한 가공 공정에 의해 상기 매니폴드, 다수의 리스트릭터 및 다수의 댐퍼를 동시에 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 중간 기판 가공 단계는, 유도결합 플라즈마(ICP)에 의한 건식 식각 또는 샌드 블라스팅에 의해 수행될 수 있다.
상기 하부 기판 가공 단계는; 상기 하부 기판의 상면을 소정 깊이 식각하여 상기 댐퍼와 연결되는 잉크 유도부를 형성하는 단계와, 상기 하부 기판의 저면을 식각하여 상기 잉크 유도부와 연결되는 잉크 토출구를 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 하부 기판으로서 (100)면 실리콘 기판을 사용하여 상기 하부 기판을 이방성 습식 식각함으로써 그 측면이 경사진 사각뿔 형상의 상기 잉크 유도부를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 접합 단계에서, 상기 세 개의 기판의 적층은 마스크 정렬장치에 의해 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 세 개의 기판 사이의 접합은 실리콘 직접 접착(SDB) 방법에 의해 수행되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 세 개의 기판 사이의 접합성을 향상시키기 위해 상기 상부 기판의 적어도 저면과 상기 하부 기판의 적어도 상면에는 실리콘 산화막이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 압전 액츄에이터 형성 단계는; 상기 상부 기판 위에 Ti 층과 Pt 층을 순차적으로 적층하여 하부 전극을 형성하는 단계와, 상기 하부 전극 위에 압전막을 형성하는 단계와, 상기 압전막 위에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 상부 전극 형성 단계 후에, 접합된 상태의 상기 세 개의 기판을 칩 단위로 절단하는 다이싱 단계와, 상기 압전 액츄에이터의 압전막에 전계를 가하여 압전특성을 발생시키는 폴링 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 압전막 형성 단계에서, 상기 압력 챔버에 대응되는 위치의 상기 하부 전극 위에 페이스트 상태의 압전재료를 도포한 뒤 이를 소결시킴으로써 상기 압전막을 형성할 수 있으며, 상기 압전 재료의 도포는 스크린 프린팅에 의해 수행될 수 있다. 그리고, 상기 압전재료의 소결 중에, 상기 세 개의 기판에 형성된 상기 잉크 유로의 내측 벽면에 산화막을 형성시키는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명에 따르면, 매니폴드와 리스트릭터와 댐퍼를 중간 기판을 관통하여 가공하는 단일 공정에 의해 동시에 형성할 수 있으므로 제조 공정이 단순화되어 제조 비용이 저감될 뿐만 아니라, 매니폴드의 단면적이 넓어져서 각 압력 챔버로 공급되는 잉크의 유동 저항이 감소되어 잉크 저장고로부터 각 압력 챔버로 공급되는 잉크의 유량이 적정하게 확보될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 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 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이며, 도 6은 도 5에 도시된 압력 챔버의 길이 방향으로 절단한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프린트헤드의 조립상태의 부분 단면도이고, 도 7a와 도 7b는 각각 도 6에 표시된 B-B 선과 C-C 선을 따른 단면도이다.
도 5, 도 6, 도 7a 및 도 7b를 함께 참조하면, 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드는 세 개의 기판(100, 200, 300)을 적층하여 접합함으로써 이루어진다. 그리고, 세 개의 기판(100, 200, 300) 각각에는 잉크 유로를 이루게 되는 구성요소들이 형성되며, 상부 기판(100) 위에는 잉크의 토출을 위한 구동력을 발생시키는 압전 액츄에이터(190)가 마련된다. 특히, 세 개의 기판(100, 200, 300)은 모두 단결정 실리콘 웨이퍼로 이루어져 있다. 이에 따라, 포토리소그라피(photolithography)와 식각(etching)과 같은 미세 가공(micromachining) 기술을 이용하여 세 개의 기판(100, 200, 300) 각각에 잉크 유로를 이루게 되는 구성요소들을 보다 미세한 크기로 정밀하고 용이하게 형성할 수 있다.
상기한 잉크 유로는, 도시되지 않은 잉크 저장고로부터 잉크가 도입되는 잉크 도입구(110)와, 토출될 잉크가 채워지며 잉크를 토출시키기 위한 압력 변화를 발생시키는 압력 챔버(120)와, 잉크 도입구(110)를 통해 유입된 잉크를 다수의 압력 챔버(120)에 공급하는 공통 유로인 매니폴드(210)와, 매니폴드(210)로부터 각각의 압력 챔버(120)로 잉크를 공급하기 위한 개별 유로인 리스트릭터(220)와, 압력 챔버(120)로부터 잉크가 토출되는 노즐(310)로 이루어진다. 그리고, 압력 챔버(120)와 노즐(310) 사이에는 압전 액츄에이터(190)에 의해 압력 챔버(120)에서 발생된 에너지를 노즐(310)쪽으로 집중시키고 급격한 압력 변화를 완충하기 위한 댐퍼(230)가 형성될 수 있다. 이러한 잉크 유로를 형성하는 구성요소들은 상술한 바와 같이 세 개의 기판(100, 200, 300)에 나뉘어져 배치된다.
먼저, 상부 기판(100)의 저면에는 소정 깊이의 압력 챔버(120)가 형성되고, 그 일측에는 관통된 잉크 도입구(110)가 형성된다. 압력 챔버(120)는 잉크의 흐름 방향으로 보다 긴 직육면체의 형상으로 되어 있으며, 중간 기판(200)에 형성되는 매니폴드(210)의 양측에 2 열로 배열되어 있다. 그러나, 압력 챔버(120)는 매니폴드(210)의 일측에 1 열로만 배열될 수도 있다.
상부 기판(100)은 집적회로의 제조에 널리 사용되는 단결정 실리콘 웨이퍼로 이루어지며, 특히 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼로 이루어진 것이 바람직하다. SOI 웨이퍼는 일반적으로 제1 실리콘 기판(101)과, 제1 실리콘 기판(101) 상에 형성된 중간 산화막(102)과, 중간 산화막(102) 상에 접착되는 제2 실리콘 기판(103)의 적층 구조를 가지고 있다. 제1 실리콘 기판(101)은 실리콘 단결정으로 이루어지고 대략 수백 ㎛ 정도의 두께를 가지고 있으며, 중간 산화막(102)은 제1 실리콘 기판(101)의 표면을 산화시킴으로써 형성될 수 있으며, 그 두께는 대략 1~2㎛ 정도이다. 제2 실리콘 기판(103)도 실리콘 단결정으로 이루어지며, 그 두께는 대략 수㎛ 내지 수십㎛ 정도이다. 이와 같이 상부 기판(100)으로서 SOI 웨이퍼를 사용하는 이유는 압력 챔버(120)의 높이를 정확하게 조절할 수 있기 때문이다. 즉, SOI 웨이퍼의 중간 층을 이루는 중간 산화막(102)이 식각 정지층(etch stop layer)의 역할을 하게 되므로, 제1 실리콘 기판(101)의 두께가 정해지면 압력 챔버(120)의 높이도 따라서 정해진다. 또한, 압력 챔버(120) 상부벽을 이루는 제2 실리콘 기판(103)은 압전 액츄에이터(190)에 의해 휨 변형됨으로써 압력 챔버(120)의 부피를 변화시키는 진동판의 역할을 하게 되는데, 이 진동판의 두께도 제2 실리콘 기판(103)의 두께에 의해 정해진다. 이에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명하기로 한다.
상부 기판(100) 위에는 압전 액츄에이터(190)가 일체형으로 형성된다. 그리고, 상부 기판(100)과 압전 액츄에이터(190) 사이에는 실리콘 산화막(180)이 형성된다. 실리콘 산화막(180)은 절연막으로서의 기능뿐만 아니라, 상부 기판(100)과 압전 액츄에이터(190) 사이의 확산을 억제하고 열적 스트레스를 조절하는 기능도 가진다. 압전 액츄에이터(190)는 공통 전극의 역할을 하는 하부 전극(191, 192)과, 전압의 인가에 따라 변형되는 압전막(193)과, 구동 전극의 역할을 하는 상부 전극(194)을 구비한다. 하부 전극(191, 192)은 상기한 실리콘 산화막(180)의 전 표면에 형성되며, Ti 층(191)과 Pt 층(192)의 두 개 금속박막층으로 이루어진 것이 바람직하다. 이와 같은 Ti/Pt 층(191, 192)은 공통 전극의 역할을 할 뿐만 아니라, 그 위에 형성되는 압전막(193)과 그 아래의 상부 기판(100) 사이의 상호 확산(inter-diffusion)을 방지하는 확산방지층(diffusion barrier layer)의 역할도 하게 된다. 압전막(193)은 하부 전극(191, 192) 위에 형성되며, 압력 챔버(120)의 상부에 위치하도록 배치된다. 압전막(193)은 전압의 인가에 의해 변형되며, 그 변형에 의해 압력 챔버(120)의 상부벽을 이루는 상부 기판(100)의 제2 실리콘 기판(103), 즉 진동판을 휨 변형시키는 역할을 하게 된다. 상부 전극(194)은 압전막(193) 위에 형성되며, 압전막(193)에 전압을 인가하는 구동 전극의 역할을 하게 된다.
중간 기판(200)에는 상기 잉크 도입구(110)와 연결되어 잉크 도입구(110)를 통해 유입된 잉크를 다수의 압력 챔버(120)에 공급하는 공통 유로인 매니폴드(210)가 수직 방향으로 관통 형성된다. 그리고, 중간 기판(200)에는 매니폴드(210)와 압력 챔버(120) 각각의 일단부를 연결하는 개별 유로인 리스트릭터(220)가 역시 수직 방향으로 관통 형성된다. 또한, 중간 기판(200)에는 압력 챔버(120)의 타단부에 대응되는 위치에 압력 챔버(120)와 노즐(310)을 연결하는 댐퍼(230)가 역시 수직으로 관통 형성된다. 상술한 바와 같이, 압력 챔버(120)가 매니폴드(210)의 양측에 2 열로 배열되는 경우에는, 매니폴드(210)의 내부에 그 길이방향으로 격벽(215)을 형성하여 매니폴드(210)를 좌우로 분리시킨 것이 잉크의 원활한 흐름과 매니폴드(210) 양측의 압전 액츄에이터(190)를 구동시킬 때 상호 간의 크로스토크(cross-talk)를 방지하는 데 있어서 바람직하다. 리스트릭터(220)는 매니폴드(210)로부터 압력 챔버(120)로 잉크를 공급하는 통로 역할을 할 뿐만 아니라, 잉크가 토출될 때 압력 챔버(120)로부터 매니폴드(120)쪽으로 잉크가 역류하는 것을 억제하는 역할도 하게 된다. 이와 같은 잉크의 역류를 억제하기 위해 리스트릭터(220)는 압력 챔버(120)로 잉크의 양을 적정하게 공급할 수 있는 범위내에서 그 단면적이 압력 챔버(120)의 단면적보다 작도록 형성됨이 바람직하다.
상기 매니폴드(210), 다수의 리스트릭터(220) 및 다수의 댐퍼(230)는, 후술하는 바와 같이, 적정한 위치에 중간 기판(200)을 수직으로 관통하는 홀을 가공함으로써 형성될 수 있으며, 기판들(100, 200, 300)의 접합 단계에서 서로 연결되어 잉크의 유동을 위한 잉크 유로를 형성하게 된다. 따라서, 매니폴드(210)와 리스트릭터(220) 각각의 상단은 상부 기판(100)에 의해 한정되며, 그 각각의 하단은 하부 기판(300)에 의해 한정된다.
상기한 바와 같이, 매니폴드(210)와 리스트릭터(220)를 중간 기판(200)을 관통하도록 형성하게 되면, 매니폴드(210)의 단면적이 넓어져서 각 압력 챔버(120)로 공급되는 잉크의 유동 저항이 감소하므로, 잉크 저장고로부터 각 압력 챔버(120)로 공급되는 잉크의 유량이 적정하게 확보될 수 있는 장점이 있다. 그리고, 후술하는 제조방법에 있어서도 매니폴드(210)와 리스트릭터(220)의 형성 공정이 종래에 비해 단순화되어 제조 비용이 저감될 수 있다.
상기 하부 기판(300)에는 댐퍼(230)와 대응되는 위치에 관통된 노즐(310)이 형성된다. 노즐(310)은 하부 기판(300)의 아래 부분에 형성되며 잉크가 토출되는 잉크 토출구(312)와, 하부 기판(300)의 윗 부분에 형성되어 댐퍼(230)와 잉크 토출구(312)를 연결하며 댐퍼(230)로부터 잉크 토출구(312)쪽으로 잉크를 유도하는 잉크 유도부(311)로 이루어져 있다. 잉크 토출구(312)는 일정한 직경을 가진 수직 홀의 형상으로 되어 있으며, 잉크 유도부(311)는 댐퍼(230)로부터 잉크 토출구(312)쪽으로 가면서 점차 그 단면적이 감소하는 사각뿔 형상으로 되어 있다. 한편, 잉크 유도부(311)는 사각뿔 형상이 아니더라도 원뿔 등의 형상으로 될 수도 있다. 그러나, 후술하는 바와 같이 단결정 실리콘 웨이퍼로 이루어진 하부 기판(300)에는 사각뿔 형상의 잉크 유도부(311)를 형성하는 것이 용이하다.
이와 같이 형성된 세 개의 기판(100, 200, 300)은 전술한 바와 같이 적층되어 서로 접합됨으로써 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드를 이루게 된다. 그리고, 세 개의 기판(100, 200, 300) 내부에는 잉크 도입구(110), 매니폴드(210), 리스트릭터(220), 압력 챔버(120), 댐퍼(230) 및 노즐(310)이 차례대로 연결되어 이루어진 잉크 유로가 형성되며, 이러한 잉크 유로는 세 개의 기판(100, 200, 300)을 접합할 때, 이 기판들(100, 200, 300)이 서로 접촉 되지 않는 부분에 의해 형성된다.
이러한 구성을 가진 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 작동을 설명하면 다음과 같다. 잉크 저장고(미도시)로부터 잉크 도입구(110)를 통해 매니폴드(210) 내부로 유입된 잉크는 리스트릭터(220)를 통해 압력 챔버(120) 내부로 공급된다. 압력 챔버(120) 내부에 잉크가 채워진 상태에서, 압전 액츄에이터(190)의 상부 전극(194)을 통해 압전막(193)에 전압이 인가되면 압전막(193)은 변형되며, 이에 따라 진동판 역할을 하는 상부 기판(100)의 제2 실리콘 기판(103)은 아래쪽으로 휘어지게 된다. 제2 실리콘 기판(103)의 휨 변형에 의해 압력 챔버(120)의 부피가 감소하게 되고, 이에 따른 압력 챔버(120) 내의 압력 상승에 의해 압력 챔버(120) 내의 잉크는 댐퍼(230)를 거쳐 노즐(310)을 통해 외부로 토출된다. 이때, 압력 챔버(120) 내의 상승된 압력으로 인해 잉크가 매니폴드(210)쪽으로 역류되는 현상은 리스트릭터(220)에 의해 억제된다. 그리고, 댐퍼(230)를 통해 노즐(230)에 도달된 잉크는 잉크 유도부(311)를 거쳐 잉크 토출구(312)를 통해 외부로 토출된다.
이어서, 압전 액츄에이터(190)의 압전막(193)에 인가되던 전압이 차단되면 압전막(193)은 원상 복원되고, 이에 따라 진동판 역할을 하는 제2 실리콘 기판(103)이 원상으로 복원되면서 압력 챔버(120)의 부피가 전압 인가 전 상태로 회복된다. 이에 따른 압력 챔버(120) 내의 압력 감소와 노즐(310) 내에 형성된 잉크의 메니스커스에 의한 표면장력에 의해 매니폴드(210)로부터 잉크가 리스트릭터(220)를 통해 압력 챔버(120) 내로 유입된다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법을 설명하기로 한다.
우선, 본 발명의 바람직한 제조방법을 개괄적으로 설명하면, 먼저 잉크 유로를 이루는 구성요소들이 형성된 상부 기판, 중간 기판 및 하부 기판을 각각 제조하고, 이어서 제조된 세 개의 기판을 적층하여 접합한 뒤, 마지막으로 상부 기판 위에 압전 액츄에이터를 형성함으로써 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드가 완성된다. 한편, 상부 기판, 중간 기판 및 하부 기판을 제조하는 단계들은 순서에 관계없이 수행될 수 있다. 즉, 하부 기판이나 중간 기판이 먼저 제조될 수도 있으며, 두 개 또는 세 개의 기판이 동시에 제조될 수도 있다. 다만, 설명의 편의상 아래에서는 상부 기판, 중간 기판, 하부 기판의 순서로 그 각각의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 바람직한 제조방법에 있어서 상부 기판에 베이스 마크를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, 도 8a을 참조하면, 본 실시예에서 상부 기판(100)은 단결정 실리콘 기판으로 이루어진다. 이는, 반도체 소자의 제조에 널리 사용되는 실리콘 웨이퍼를 그대로 사용할 수 있어 대량생산에 효과적이기 때문이다. 상부 기판(100)의 두께는 대략 100 ~ 200㎛, 바람직하게는 대략 150㎛ 정도이며, 이는 상부 기판(100)의 저면에 형성되는 압력 챔버(도 5의 120)의 높이에 따라 적절하게 정해질 수 있다. 그리고, 상부 기판(100)으로서 SOI 웨이퍼를 사용하는 것이 압력 챔버(도 5의 120)의 높이를 정확하게 형성할 수 있으므로 바람직하다. SOI 웨이퍼는 전술한 바와 같이 제1 실리콘 기판(101)과, 제1 실리콘 기판(101) 상에 형성된 중간 산화막(102)과, 중간 산화막(102) 상에 접착된 제2 실리콘 기판(103)의 적층 구조를 가지고 있다. 특히, 제2 실리콘 기판(103)은 잉크 토출이 용이하게 구현될 수 있도록 상기 진동판의 두께를 형성하기 위해 수㎛ 내지 수십㎛의 두께를 가진다.
이러한 상부 기판(100)을 산화로에 넣고 습식 또는 건식 산화시키면, 상부 기판(100)의 상면과 저면이 산화되어 실리콘 산화막(151a, 151b)이 형성된다.
다음에, 도 8b에 도시된 바와 같이, 상부 기판(100)의 상면과 저면에 형성된 실리콘 산화막(151a, 151b) 표면에 각각 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 현상하여 상부 기판(100)의 가장자리 부근에 베이스 마크를 형성하기 위한 개구부(141)를 형성한다.
다음으로, 도 8c에 도시된 바와 같이, 상기 개구부(141)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(151a, 151b)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 습식 식각하여 제거함으로써 상부 기판(100)을 부분적으로 노출한 뒤, 포토레지스트(PR)를 스트립한다.
다음에는, 도 8d에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 상부 기판(100)을 실리콘 산화막(151a, 151b)을 식각 마스크로 하여 소정 깊이로 습식 식각함으로써, 베이스 마크(140)를 형성한다. 이때, 상부 기판(100)의 습식 식각에서는 실리콘용 에칭액(etchant)으로서, 예컨대 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide ; 테트라메틸 수산화 암모늄) 또는 KOH(수산화 칼륨)를 사용할 수 있다.
베이스 마크(140)가 형성된 후에는, 잔존된 실리콘 산화막(151a, 151b)을 습식 식각에 의해 제거할 수 있다. 이는 상기한 단계들을 거치는 과정에서 발생되는 부산물 등 이물질을 실리콘 산화막(151a, 151b)의 제거와 함께 세척하기 위한 것이다.
이로써, 도 8e에 도시된 바와 같이, 상면과 저면 가장자리 부근에 베이스 마크(140)가 형성된 상태의 상부 기판(100)이 준비된다.
상기한 단계들을 거쳐 형성되는 베이스 마크(140)는 상부 기판(100)과 후술되는 중간 기판 및 하부 기판을 적층하여 접합할 때, 이들을 정확하게 정렬시키기 위한 기준으로 사용된다. 따라서, 상부 기판(100)의 경우에는 상기 베이스 마크(140)는 그 저면에만 형성될 수도 있다. 또한, 다른 정렬 방법이나 장치가 사용되는 경우에는 상기한 베이스 마크(140)는 필요 없을 수도 있으며, 이 경우에는 상기한 단계들은 수행되지 않는다.
도 9a 내지 도 9g는 상부 기판에 압력 챔버를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, 도 9a에 도시된 바와 같이, 전술한 단계를 거쳐 준비된 상부 기판(100)을 산화로에 넣고 습식 또는 건식 산화시켜, 상부 기판(100)의 상면과 저면에 실리콘 산화막(152a, 152b)을 형성한다. 이때, 상부 기판(100)의 저면에만 실리콘 산화막(152b)을 형성할 수 있다.
다음에, 도 9b에 도시된 바와 같이, 상부 기판(100)의 저면에 형성된 실리콘 산화막(152b) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 현상하여 상부 기판(100)의 저면에 소정 깊이의 압력 챔버를 형성하기 위한 개구부(121)를 형성한다.
다음으로, 도 9c에 도시된 바와 같이, 상기 개구부(121)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(152b)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 RIE(Reactive Ion Etching ; 반응성 이온 식각)와 같은 건식 식각에 의해 제거함으로써 상부 기판(100)의 저면을 부분적으로 노출시킨다. 이때, 실리콘 산화막(152b)은 건식 식각이 아니라 습식 식각에 의해 제거될 수도 있다.
다음에는, 도 9d에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 상부 기판(100)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 소정 깊이 식각함으로써, 압력 챔버(120)를 형성한다. 이때, 상부 기판(100)의 식각은 ICP(Inductively Coupled Plasma ; 유도결합 플라즈마)에 의한 건식 식각법에 의해 수행될 수 있다.
그리고, 도시된 바와 같이 상부 기판(100)으로서 SOI 웨이퍼를 사용하면, SOI 웨이퍼의 중간 산화막(102)이 식각 정지층(etch stop layer)의 역할을 하게 되므로, 이 단계에서는 제1 실리콘 기판(101)만 식각된다. 따라서, 제1 실리콘 기판(101)의 두께를 웨이퍼 연마 공정에서 조절하게 되면 압력 챔버(120)를 원하는 높이로 정확하게 맞출 수 있게 된다. 한편, 압력 챔버(120)의 상부벽을 이루는 제2 실리콘 기판(103)은 전술한 바와 같이 진동판의 역할을 하게 되는데, 그 두께도 마찬가지로 웨이퍼 연마 공정에서 쉽게 조절될 수 있다.
압력 챔버(120)가 형성된 후에, 포토레지스트(PR)를 스트립하면, 도 9e에 도시된 바와 같은 상태의 상부 기판(100)이 준비된다. 그런데, 이와 같은 상태에서는 전술한 습식 식각이나 RIE(Reactive Ion Etching ; 반응성 이온 식각) 또는 ICP(Inductively Coupled Plasma ; 유도결합 플라즈마)에 의한 건식 식각 과정에서 발생되는 부산물이나 폴리머 등의 이물질이 상부 기판(100)의 표면에 부착되어 있을 수 있다. 따라서, 이들 이물질을 제거하기 위해 황산 용액 또는 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide ; 테트라메틸 수산화 암모늄)를 사용하여 상부 기판(100) 전표면을 세척하는 것이 바람직하다. 이 때, 잔존된 실리콘 산화막(152a, 152b)도 습식 식각에 의해 제거되며, 상부 기판(100)의 중간 산화막(102)의 일부, 즉 압력 챔버(120)의 상부 벽면을 이루는 부위도 제거된다.
이로써, 도 9f에 도시된 바와 같이, 상면과 저면 가장자리 부근에 베이스 마크(140)가 형성되고 그 저면에 압력 챔버(120)가 형성된 상태의 상부 기판(100)이 준비된다.
위에서는, 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 상부 기판(100)을 건식 식각하여 압력 챔버(120)를 형성한 후 포토레지스트(PR)를 스트립하는 것으로 도시되고 설명되었다. 그러나, 이와는 달리 먼저 포토레지스트(PR)를 스트립한 뒤 실리콘 산화막(152b)을 식각 마스크로 하여 상부 기판(100)을 건식 식각함으로써 압력 챔버(120)를 형성할 수도 있다. 즉, 상부 기판(100)의 저면에 형성된 실리콘 산화막(152b)이 비교적 얇은 경우에는 포토레지스트(PR)를 그대로 두고 압력 챔버(120)를 형성하기 위한 식각을 수행되는 것이 바람직하며, 실리콘 산화막(152b)이 비교적 두꺼운 경우에는 포토레지스트(PR)를 스트립한 뒤 실리콘 산화막(152b)을 식각 마스크로 하여 식각을 수행하는 것이 바람직하다.
그리고, 도 9g에 도시된 바와 같이, 도 9f에 도시된 상태의 상부 기판(100)의 상면과 저면에 다시 실리콘 산화막(153a, 153b)을 형성할 수 있다. 이 때, 도 9f에 도시된 단계에서 일부 제거되었던 중간 산화막(102)이 상기 실리콘 산화막(153b)에 의해 보충된다. 이와 같이, 실리콘 산화막(153a, 153b)을 형성하게 되면, 후술하는 도 15a의 단계에서 상부 기판(100) 상에 절연막으로서 실리콘 산화막(180)을 형성하는 단계를 생략할 수 있다. 또한, 잉크 유로를 형성하는 압력 챔버(120)의 내면에 실리콘 산화막(153b)이 형성되면, 실리콘 산화막(153b)의 특성상 잉크와의 반응성이 거의 없으므로 다양한 종류의 잉크를 사용할 수 있게 된다.
한편, 도시되지는 않았지만 잉크 도입구(도 10a의 110)도 도 9a 내지 도 9g에 도시된 단계를 거쳐 압력 챔버(120)와 함께 형성된다. 즉, 도 9e에 도시된 단계에 이르면, 도 10a에 도시된 바와 같이 상부 기판(100)의 저면에는 소정 깊이의 압력 챔버(120)와 함께 이와 같은 깊이의 잉크 도입구(110)가 형성된다. 이와 같이 상부 기판(100)의 저면에 소정 깊이로 형성된 잉크 도입구(110)는, 기판들의 접합과 압전 액츄에이터의 설치 공정이 완료된 후, 상부 기판(100)을 관통시키는 후가공을 통해 잉크 저장고(미도시)와 연결될 수 있다. 즉, 상기 잉크 도입구(100)의 관통은 압전 액츄에이터의 형성 단계가 완료된 후에 수행될 수 있다. 한편, 이와 같은 상부 기판(100)을 관통시키는 후가공은, 도 9f에 도시된 단계에서 잉크 도입구(100) 위에 남은 제2 실리콘 기판(103)을 가공함으로써 형성될 수 있다.
또한, 상기와 같은 상부 기판(100)의 가공 공정 중 도 9e에 도시된 단계 후에, 추가적인 제2 실리콘 기판(103)의 건식 식각 공정을 수행함으로써 잉크 도입구(100)의 개방이 이루어질 수 있다. 이 방법을 아래의 도면들을 참조하며 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 10a 내지 도 10e는 상부 기판에 잉크 도입구를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들로서, 도 5에 표시된 D-D 선을 따른 단면도들이다.
도 10a를 참조하면, 잉크 도입구(110)는 도 9a 내지 도 9e에 도시된 단계를 거쳐 압력 챔버(120)와 함께 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 10a는 압력 챔버(120)를 형성하는 단계 중 도 9e의 단계가 수행된 후의 압력 챔버(120)와 잉크 도입구(110)의 일부가 형성된 상태를 보여준다.
다음에, 도 10b에 도시된 바와 같이, 상부 기판(100)의 상면에 형성된 실리콘 산화막(152a) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 현상하여 상부 기판(100)의 상면에 잉크 도입구(110)의 관통을 위한 개구부(111)를 형성한다.
다음으로, 도 10c에 도시된 바와 같이, 상기 개구부(111)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(152a)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 RIE(Reactive Ion Etching ; 반응성 이온 식각)와 같은 건식 식각에 의해 제거함으로써 상부 기판(100)의 상면을 부분적으로 노출시킨다. 이때, 실리콘 산화막(152a)은 건식 식각이 아니라 습식 식각에 의해 제거될 수도 있다.
다음에는, 도 10d에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 상부 기판(100)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 소정 깊이 식각한 후, 포토레지스트(PR)를 스트립한다. 이때, 상부 기판(100)의 식각은 ICP(Inductively Coupled Plasma ; 유도결합 플라즈마)에 의한 건식 식각법에 의해 수행될 수 있다. 그리고, 전술한 바와 같이, 포토레지스트(PR)를 먼저 스트립한 후, 실리콘 산화막(152a)을 식각 마스크로 하여 상부 기판(100)을 식각할 수도 있다. 이 단계에서는, 상부 기판(100)으로 사용한 SOI 웨이퍼의 중간 산화막(102)이 식각 정지층(etch stop layer)의 역할을 하게 되므로, 제2 실리콘 기판(103)만 식각되고, 잉크 도입구(110) 위에 중간 산화막(102)은 잔존하게 된다.
다음에는, 도 10e에 도시된 바와 같이, 상부 기판(100)에 잔존하는 실리콘 산화막(152a, 152b)를 제거하기 위해 홍산 용약 또는 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide ; 테트라메틸 수산화 암모늄)를 사용하여 상부 기판(100) 전표면을 세척한다. 이 때, 잉크 도입구(110) 위에 잔존하는 중간 산화막(102)이 함께 제거되어 잉크 도입구(110)가 관통된다.
이 후에는 전술한 바와 같이 도 9g의 단계를 거쳐 잉크 도입구(110)가 관통 형성된 상부 기판(100)이 완성될 수 있다.
도 11a 내지 도 11f는 중간 기판에 매니폴드, 리스트릭터 및 댐퍼를 형성하는 제1 방법을 단계별로 보여주는 단면도들이다.
도 11a을 참조하면, 중간 기판(200)은 단결정 실리콘 기판으로 이루어지며, 그 두께는 대략 200 ~ 300㎛ 정도이다.
먼저, 중간 기판(200)의 상면과 저면 가장자리 부근에 베이스 마크(240)를 형성한다. 중간 기판(200)에 베이스 마크(240)를 형성하는 단계들은 도 8a 내지 도 8e에 도시된 단계들과 동일하므로, 중간 기판(200)을 위해 별도의 도시와 그 설명은 생략한다.
이와 같이 베이스 마크(240)가 형성된 상태의 중간 기판(200)을 산화로에 넣고 습식 또는 건식 산화시키면, 도 11a에 도시된 바와 같이 중간 기판(200)의 상면과 저면이 산화되어 실리콘 산화막(251a, 251b)이 형성된다.
다음에, 도 11b에 도시된 바와 같이, 중간 기판(200)의 상면에 형성된 실리콘 산화막(251a) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 도 7b에 도시된 바와 같은 패턴으로 현상하여 중간 기판(200)의 상면에 매니폴드와 다수의 리스트릭터를 형성하기 위한 제1 개구부(211)와 다수의 댐퍼를 형성하기 위한 제2 개구부(231)를 형성한다. 이때, 매니폴드의 내부에 격벽을 형성할 경우에는, 격벽이 형성될 부위에 포토레지스트(PR)를 잔존시킨다.
다음으로, 도 11c에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 개구부(211, 231)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(251a)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 습식 식각하여 제거함으로써 중간 기판(200)의 상면을 부분적으로 노출한다. 이때, 실리콘 산화막(251a)은 습식 식각이 아니라 RIE(Reactive Ion Etching ; 반응성 이온 식각)와 같은 건식 식각에 의해 제거될 수도 있다.
이어서, 포토레지스트(PR)를 스트립하면, 도 11d에 도시된 바와 같이, 그 상면 중 매니폴드와 다수의 리스트릭터 및 다수의 댐퍼가 형성될 부위만 노출되고 나머지 부위는 실리콘 산화막(251a, 251b)에 의해 덮여 있는 상태의 중간 기판(200)이 형성된다.
이어서, 도 11e에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 중간 기판(200)을 실리콘 산화막(251a)을 식각 마스크로 하여 건식 식각하면, 중간 기판(200)을 관통하는 매니폴드(210), 리스트릭터(220) 및 댐퍼(230)가 형성되며, 또한 매니폴드(210) 내부에는 이를 좌우로 분리시키는 격벽(215)이 형성된다. 이때, 중간 기판(200)의 식각은 ICP(Inductively Coupled Plasma ; 유도결합 플라즈마)에 의한 건식 식각법에 의해 수행될 수 있다.
다음으로, 잔존된 실리콘 산화막(251a, 251b)을 습식 식각에 의해 제거할 수 있다. 이는 상기한 단계들을 거치는 과정에서 발생되는 부산물 등 이물질을 실리콘 산화막(251a, 251b)의 제거와 함께 세척하기 위한 것이다. 한편, 이물질은 황산 등과 같은 용액으로 세척할 수도 있다.
이로써, 도 11f에 도시된 바와 같이, 베이스 마크(240)가 형성되어 있고, 중간 기판(200)을 관통하는 매니폴드(210), 리스트릭터(220) 및 댐퍼(230)가 형성되어 있는 상태의 중간 기판(200)이 준비된다.
한편, 도시되지는 않았지만 도 11f에 도시된 상태의 중간 기판(200)의 상면과 저면 전체에 다시 실리콘 산화막을 형성할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법에 의하면, 중간 기판(200)을 관통하도록 식각하는 단일 공정에 의해 매니폴드(210), 리스트릭터(220) 및 댐퍼(230)를 동시에 형성할 수 있으므로, 종래의 제조방법에 비해 공정이 단순하되고 제조 비용이 저감되는 장점이 있다.
도 12a 및 도 12b는 중간 기판에 매니폴드, 리스트릭터 및 댐퍼를 형성하는 제2 방법을 단계별로 보여주는 단면도들이다. 이하에서 설명하는 제2 방법은 중간 기판(200)을 관통되도록 식각하는 방법을 제외하고는 전술한 제1 방법과 동일하다. 따라서, 이하에서는 전술한 제1 방법과 다른 부분만 설명하기로 한다.
제2 방법에서 중간 기판(200)의 표면에 실리콘 산화막(251a, 251b)을 형성하는 단계는 제1 방법의 도 11a와 동일하다.
그 다음에는, 도 12a에 도시된 바와 같이, 중간 기판(200)의 상면에 형성된 실리콘 산화막(251a) 표면에 포토레지스트(PR)를 형성한다. 이때에는, 드라이 필름 형태의 포토레지스트(PR)를 실리콘 산화막(251a) 표면에 가열 및 가압하여 압착하는 라미네이션(lamination) 방법에 의해 형성한다. 이 드라이 필름 형태의 포토레지스트(PR)는 후술하는 샌드 블라스팅 시에 중간 기판(200)의 다른 부위를 보호하기 위한 보호막으로서 기능한다. 이어서, 포토레지스트(PR)를 도 7b에 도시된 바와 같은 패턴으로 현상하여 중간 기판(200)의 상면에 매니폴드와 다수의 리스트릭터를 형성하기 위한 제1 개구부(211)와 다수의 댐퍼를 형성하기 위한 제2 개구부(231)를 형성한다. 이때, 매니폴드의 내부에 격벽을 형성할 경우에는, 격벽이 형성될 부위에 포토레지스트(PR)를 잔존시킨다.
다음으로, 상기 제1 및 제2 개구부(231)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(251a)과 그 아래의 중간 기판(200)을 샌드 블라스팅(sand blasting)에 의해 제거하게 되면, 도 12b에 도시된 바와 같이, 중간 기판(200)을 관통하는 매니폴드(210), 리스트릭터(220) 및 댐퍼(230)가 형성되고, 또한 매니폴드(210) 내부에는 이를 좌우로 분리시키는 격벽(215)이 형성된다.
그 다음 단계로, 남아있는 포토레지스트(PR)를 스트립한 후, 잔존된 실리콘 산화막(251a, 251b)을 습식 식각에 의해 제거하면, 제1 방법의 도 11f에 도시된 바와 같은 중간 기판(200)을 관통하는 매니폴드(210), 리스트릭터(220) 및 댐퍼(230)가 형성되어 있는 상태의 중간 기판(200)이 준비된다.
이와 같이, 제2 방법은 매니폴드(210), 리스트릭터(220) 및 댐퍼(230)를 건식 식각이 아니라 샌드 블라스팅에 의해 형성하는 점이 제1 방법과 다르다. 즉, 중간 기판(200)에 매니폴드(210), 리스트릭터(220) 및 댐퍼(230)를 형성하기 위해서, 제1 방법에서는 실리콘 산화막(251a)을 식각한 다음 중간 기판(200)을 관통되도록 건식 식각하였으나, 제2 방법에서는 실리콘 산화막(251a, 251b)과 중간 기판(200)을 샌드 블라스팅에 의해 한 번에 제거하게 된다. 따라서, 제2 방법은 제1 방법에 비해 공정 단계도 줄어들며 공정 시간도 단축될 수 있는 장점이 있다.
도 13a 내지 도 13i는 하부 기판에 노즐을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 13a을 참조하면, 하부 기판(300)은 단결정 실리콘 기판으로 이루어지며, 그 두께는 대략 100 ~ 200㎛ 정도이다.
먼저, 하부 기판(300)의 상면과 저면 가장자리 부근에 베이스 마크(340)를 형성한다. 하부 기판(300)에 베이스 마크(340)를 형성하는 단계들은 도 8a 내지 도 8e에 도시된 단계들과 동일하므로, 하부 기판(300)을 위해 별도의 도시와 그 설명은 생략한다.
이와 같이 베이스 마크(340)가 형성된 상태의 하부 기판(300)을 산화로에 넣고 습식 또는 건식 산화시키면, 도 13a에 도시된 바와 같이 하부 기판(300)의 상면과 저면이 산화되어 실리콘 산화막(351a, 351b)이 형성된다.
다음에, 도 13b에 도시된 바와 같이, 하부 기판(300)의 상면에 형성된 실리콘 산화막(351a) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 현상하여 하부 기판(300)의 상면에 노즐의 잉크 유도부를 형성하기 위한 개구부(315)를 형성한다. 상기 개구부(315)는 도 11f에 도시된 중간 기판(200)에 형성된 댐퍼(230)에 대응되는 위치에 형성된다.
다음으로, 도 13c에 도시된 바와 같이, 상기 개구부(315)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(351a)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 습식 식각하여 제거함으로써 하부 기판(300)의 상면을 부분적으로 노출한 뒤, 포토레지스트(PR)을 스트립한다. 이때, 실리콘 산화막(351a)은 습식 식각이 아니라 RIE(Reactive Ion Etching ; 반응성 이온 식각)와 같은 건식 식각에 의해 제거될 수도 있다.
다음에는, 도 13d에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 하부 기판(300)을 실리콘 산화막(351a)을 식각 마스크로 하여 소정 깊이로 습식 식각함으로써, 잉크 유도부(311)를 형성한다. 이때, 하부 기판(300)의 습식 식각에서는 에칭액(etchant)으로서 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide ; 테트라메틸 수산화 암모늄) 또는 KOH(수산화 칼륨)를 사용한다. 그리고, 하부 기판(300)으로서 (100)면 실리콘 기판을 사용하게 되면, (100)면과 (111)면의 이방성 습식 식각 특성을 이용하여 사각뿔 형태의 잉크 유도부(311)를 형성할 수 있다. 즉, (111)면의 식각 속도는 (100)면의 식각 속도에 비해 상당히 느리므로, 결과적으로 하부 기판(300)은 (111)면을 따라 경사 식각되어 사각뿔 형태의 잉크 유도부(311)를 형성하게 된다. 그리고, 잉크 유도부(311)의 바닥면은 (100)면이 된다.
다음에는, 도 13e에 도시된 바와 같이, 하부 기판(300)의 저면에 형성된 실리콘 산화막(351b) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 현상하여 하부 기판(300)의 저면에 노즐의 잉크 토출구를 형성하기 위한 개구부(316)를 형성한다.
다음으로, 도 13f에 도시된 바와 같이, 상기 개구부(316)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(351b)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 습식 식각하여 제거함으로써 하부 기판(300)의 저면을 부분적으로 노출한다. 이때, 실리콘 산화막(351b)은 습식 식각이 아니라 RIE(Reactive Ion Etching ; 반응성 이온 식각)와 같은 건식 식각에 의해 제거될 수도 있다.
다음에는, 도 13g에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 하부 기판(300)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 관통되도록 식각함으로써, 잉크 유도부(311)와 연결되는 잉크 토출구(312)를 형성한다. 이때, 하부 기판(300)의 식각은 ICP(Inductively Coupled Plasma ; 유도결합 플라즈마)에 의한 건식 식각법에 의해 수행될 수 있다.
이어서, 포토레지스트(PR)를 스트립하면, 도 13h에 도시된 바와 같이, 상면과 저면 가장자리 부근에 베이스 마크(340)가 형성되고, 잉크 유입구(311)와 잉크 토출구(312)로 이루어진 노즐(310)이 관통 형성된 상태의 하부 기판(300)이 준비된다.
한편, 하부 기판(300)의 상면과 저면에 형성되어 있는 실리콘 산화막(351a, 351b)은 세척을 위해 제거될 수 있으며, 이어서 도 13i에 도시된 바와 같이, 하부 기판(300)의 전 표면에 새로운 실리콘 산화막(352a, 352b)을 다시 형성할 수도 있다. 이때, 형성되는 실리콘 산화막(352a, 352b)은 노즐(310)의 내면에도 형성된다.
도 14는 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판을 순차 적층하여 접합하는 단계를 보여주는 단면도이다.
도 14를 참조하면, 전술한 단계들을 거쳐 준비된 하부 기판(300), 중간 기판(200) 및 상부 기판(100)을 순차 적층하고, 이들을 서로 접합시킨다. 이때, 하부 기판(300) 위에 중간 기판(200)을 접합시킨 후, 다시 중간 기판(200) 위에 상부 기판(300)을 접합시키게 되나, 그 순서는 바뀔 수 있다. 세 개의 기판(100, 200, 300)은 마스크 정렬장치(mask aligner)를 사용하여 정렬시키게 되며, 더욱이 세 개의 기판(100, 200, 300) 각각에 정렬용 베이스 마크(140, 240 340)가 형성되어 있으므로, 정렬 정밀도가 높다. 그리고, 세 개의 기판(100, 200, 300) 사이의 접합은 잘 알려져 있는 SDB(Silicon Direct Bonding ; 실리콘 직접 접착) 방법에 의해 수행될 수 있다. 한편, SDB(Silicon Direct Bonding ; 실리콘 직접 접착) 공정에 있어서, 실리콘과 실리콘 사이의 접합성보다 실리콘과 실리콘 산화막 사이의 접합성이 우수하다. 따라서, 바람직하게는, 도 14에 도시된 바와 같이, 상부 기판(100)과 하부 기판(300)은 그 표면에 각각 실리콘 산화막(153a, 153b, 352a, 352b)이 형성되어 있는 상태로 사용되고, 중간 기판(200)은 그 표면에 실리콘 산화막이 형성되어 있지 않은 상태로 사용된다.
이상과 같이 세 개의 기판(100, 200, 300)을 적층하여 접합하면 잉크젯 헤드에 있어서 잉크 유동을 위한 잉크 유로가 모두 연결되어 완성된다. 즉, 잉크 저장고(미도시)로부터 잉크 도입구(110)를 통해 잉크가 공급되어 공통 유로인 매니폴드(210)를 통해 다수의 압력 챔버(120)에 공급될 수 있도록 유로가 형성된다. 또한, 상기 접합 공정에 의해 매니폴드(210)와 연결된 리스트릭터(220), 압력 챔버(120), 댐퍼(230)와 노즐(310)이 모두 잉크 유동이 가능하도록 연결된다. 따라서, 상기 잉크 유로는 세 개의 기판(100, 200, 300)을 접합할 때, 이 기판들(100, 200, 300)이 서로 접촉 되지 않는 부분에 의해 형성되며, 매니폴드(210)와 리스트릭터(220) 각각의 상단과 하단은 상부 기판(100)과 하부 기판(300)에 의해 한정된다.
도 15a 및 도 15b는 상부 기판 위에 압전 액츄에이터를 형성하여 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 완성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, 도 15a를 참조하면, 하부 기판(100), 중간 기판(200) 및 상부 기판(300)을 순차 적층하여 접합한 상태에서, 상부 기판(100)의 상면에 절연막으로서 실리콘 산화막(180)을 형성한다. 그러나, 이 실리콘 산화막(180)을 형성하는 단계는 생략될 수 있다. 즉, 도 14에 도시된 바와 같이 상부 기판(100)의 상면에 이미 실리콘 산화막(153a)이 형성되어 있는 경우, 또는 전술한 SDB(Silicon Direct Bonding ; 실리콘 직접 접착) 공정에서의 어닐링(annealing) 단계에서 상부 기판(100)의 상면에 충분한 두께의 산화막이 이미 형성된 경우에는, 다시 그 위에 절연막으로서 도 15a에 도시된 실리콘 산화막(180)을 형성할 필요가 없다.
이어서, 실리콘 산화막(180) 위에 압전 액츄에이터의 하부 전극(191, 192)을 형성한다. 하부 전극(191, 192)은 Ti 층(191)과 Pt 층(192)의 두 개 금속박막층으로 이루어진다. Ti 층(191)과 Pt 층(192)은 실리콘 산화막(180)의 전 표면에 소정 두께로 스퍼터링(sputtering)함으로써 형성될 수 있다. 이와 같은 Ti/Pt 층(191, 192)은 압전 액츄에이터의 공통 전극의 역할을 할 뿐만 아니라, 그 위에 형성되는 압전막(도 15b의 193)과 그 아래의 상부 기판(100) 사이의 상호 확산(inter-diffusion)을 방지하는 확산방지층의 역할도 하게 된다. 특히, 아래의 Ti 층(191)은 Pt(192)층의 접착성을 높이는 역할도 하게 된다.
다음으로, 도 15b에 도시된 바와 같이, 하부 전극(191, 192) 위에 압전막(193)과 상부 전극(194)을 형성한다. 구체적으로, 페이스트 상태의 압전재료를 스크린 프린팅(screen printing)에 의해 압력 챔버(120)의 상부에 소정 두께로 도포한 뒤, 이를 소정 시간 동안 건조시킨다. 상기 압전재료로는 여러가지가 사용될 수 있으나, 바람직하게는 통상적인 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료가 사용된다. 이어서, 건조된 압전막(193) 위에 전극 재료, 예컨대 Ag-Pd 페이스트를 프린팅한다. 다음으로, 압전막(193)을 소정 온도, 예컨대 900 ~ 1,000℃에서 소결시킨다. 이때, 압전막(193)의 고온 소결과정에서 발생할 수 있는 압전막(193)과 상부 기판(100) 사이의 상호 확산(inter-diffusion)은 상기한 Ti/Pt 층(191, 192)에 의해 방지된다.
이로써, 상부 기판(100) 위에 하부 전극(191, 192)과, 압전막(193)과, 상부 전극(194)으로 이루어진 압전 액츄에이터(190)가 형성된다.
한편, 압전막(193)의 소결은 대기하에서 수행되므로, 그 단계에서 세 개의 기판(100, 200, 300)에 형성된 잉크 유로의 내면에 실리콘 산화막이 형성된다. 이와 같이 형성된 실리콘 산화막은 거의 모든 종류의 잉크와 반응성이 없으므로 다양한 잉크를 사용할 수 있게 된다. 또한, 실리콘 산화막은 친수성(hydrophilic)을 가지므로 잉크의 초기 유입시 기포(air bubble)의 유입이 방지되며, 잉크의 토출시에도 기포의 발생이 억제된다.
마지막으로, 접합된 상태의 세 개의 기판(100, 200, 300)을 칩 단위로 절단하는 다이싱(dicing) 공정과, 압전막(193)에 전계를 가하여 압전특성을 발생시키는 폴링(polling) 공정을 거치게 되면, 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드가 완성된다. 한편, 다이싱은 상기한 압전막(193)의 소결 단계 전에 이루어질 수도 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 프린트헤드의 각 구성요소를 형성하는 방법은 단지 예시된 것으로서, 다양한 식각방법이 적용될 수 있으며, 제조방법의 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 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 매니폴드와 리스트릭터가 중간 기판을 관통하여 형성되므로, 매니폴드의 단면적이 넓어져서 각 압력 챔버로 공급되는 잉크의 유동 저항이 감소하게 되어 잉크 저장고로부터 각 압력 챔버로 공급되는 잉크의 유량이 적정하게 확보될 수 있다.
둘째, 매니폴드와 리스트릭터와 댐퍼를 중간 기판을 관통하여 가공하는 단일 공정에 의해 동시에 형성할 수 있으므로, 제조 공정이 단순화되어 제조 비용이 저감된다.
도 1은 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일반적인 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 구체적인 일례를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 압력 챔버의 길이 방향으로 절단한 종래의 프린트헤드의 부분 단면도이고, 도 4는 도 3에 표시된 A-A선을 따른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 압력 챔버의 길이 방향으로 절단한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프린트헤드의 조립상태의 부분 단면도이고, 도 7a와 도 7b는 각각 도 6에 표시된 B-B 선과 C-C 선을 따른 단면도이다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 바람직한 제조방법에 있어서 상부 기판에 베이스 마크를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 9a 내지 도 9g는 상부 기판에 압력 챔버를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 10a 내지 도 10e는 상부 기판에 잉크 도입구를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 11a 내지 도 11f는 중간 기판에 매니폴드, 리스트릭터 및 댐퍼를 형성하는 제1 방법을 단계별로 보여주는 단면도들이다.
도 12a 및 도 12b는 중간 기판에 매니폴드, 리스트릭터 및 댐퍼를 형성하는 제2 방법을 단계별로 보여주는 단면도들이다.
도 13a 내지 도 13i는 하부 기판에 노즐을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 14는 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판을 순차 적층하여 접합하는 단계를 보여주는 단면도이다.
도 15a 및 도 15b는 상부 기판 위에 압전 액츄에이터를 형성하여 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 완성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100...상부 기판 101...제1 실리콘 기판
102...중간 산화막 103...제2 실리콘 기판
110...잉크 도입구 120...압력 챔버
180...실리콘 산화막 190...압전 액츄에이터
191,192...하부 전극 193...압전막
194...상부 전극 200...중간 기판
210...매니폴드 215...격벽
220...리스트릭터 230...댐퍼
300...하부 기판 310...노즐
311...잉크 유도부 312...잉크 토출구

Claims (35)

  1. 잉크가 도입되는 잉크 도입구가 관통 형성되고, 토출될 잉크가 채워지는 다수의 압력 챔버가 그 저면에 형성된 상부 기판;
    상기 잉크 도입구와 연결되는 매니폴드와, 상기 매니폴드와 상기 다수의 압력 챔버 각각의 일단부를 연결하는 다수의 리스트릭터와, 상기 다수의 압력 챔버 각각의 타단부에 연결되는 다수의 댐퍼가 관통 형성된 중간 기판;
    상기 다수의 댐퍼 각각에 대응되는 위치에 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐이 관통 형성된 하부 기판; 및
    상기 상부 기판 위에 일체형으로 형성되어 상기 다수의 압력 챔버 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터;를 구비하며,
    상기 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판은 모두 단결정 실리콘 기판으로 이루어지며, 순차적으로 적층되어 서로 접합됨으로써, 상기 잉크 도입구와 매니폴드로 이루어진 공통 유로와 상기 리스트릭터, 압력 챔버, 댐퍼 및 노즐로 이루어진 개별 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 매니폴드와 리스트릭터 각각의 상단은 상기 상부 기판에 의해 한정되고, 그 각각의 하단은 상기 하부 기판에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 기판의 상기 압력 챔버의 상부벽을 이루는 부위는 상기 압전 액츄에이터의 구동에 의해 휨 변형되는 진동판으로서의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 상부 기판은 제1 실리콘 기판과, 중간 산화막과, 제2 실리콘 기판이 순차 적층된 구조를 가진 SOI 웨이퍼로 이루어지고, 상기 제1 실리콘 기판에 상기 압력 챔버가 형성되며, 상기 제2 실리콘 기판이 상기 진동판으로서의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 압력 챔버는 상기 매니폴드의 양측에 2 열로 배열된 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 매니폴드의 내부에는 그 길이 방향으로 격벽이 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 기판과 상기 압전 액츄에이터 사이에는 실리콘 산화막이 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 압전 액츄에이터는;
    상기 상부 기판 위에 형성되는 하부 전극과, 상기 하부 전극 위에 상기 압력 챔버의 상부에 위치하도록 형성되는 압전막과, 상기 압전막 위에 형성되어 상기 압전막에 전압을 인가하기 위한 상부 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 하부 전극은 Ti 층과 Pt 층이 순차 적층된 2층 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 노즐은 상기 하부 기판의 아래 부분에 형성되는 잉크 토출구와, 상기 하부 기판의 윗 부분에 형성되어 상기 댐퍼와 상기 잉크 토출구를 연결하는 잉크 유도부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 잉크 유도부는 상기 댐퍼로부터 상기 잉크 토출구 쪽으로 가면서 점차 그 단면적이 감소하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 잉크 유도부는 사각뿔 형상을 가진 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
  13. 단결정 실리콘 기판으로 이루어진 상부 기판, 중간 기판 및 하부 기판을 준비하는 단계;
    준비된 상기 상부 기판을 미세 가공하여, 잉크가 도입되는 잉크 도입구와 토출될 잉크가 채워지는 다수의 압력 챔버를 형성하는 상부 기판 가공 단계;
    준비된 상기 중간 기판을 미세 가공하여, 상기 잉크 도입구와 연결되는 공통 유로인 매니폴드와, 상기 매니폴드와 상기 다수의 압력 챔버 각각의 일단부를 연결하는 개별 유로인 다수의 리스트릭터와, 상기 다수의 압력 챔버 각각의 타단부에 연결되는 다수의 댐퍼를 관통되도록 형성하는 중간 기판 가공 단계;
    준비된 상기 하부 기판을 미세 가공하여, 상기 댐퍼와 연결되는 노즐을 관통되도록 형성하는 하부 기판 가공 단계;
    상기 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판을 순차 적층하여 접합시키는 단계; 및
    상기 상부 기판 위에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터를 형성하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 기판 가공 단계 전에, 상기 세 개의 기판 각각에 상기 접합 단계에서의 정렬 기준으로 이용되는 베이스 마크를 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 베이스 마크 형성 단계는, 상기 상부 기판의 적어도 저면 가장자리 부근과 상기 중간 기판 및 하부 기판 각각의 상면과 저면 가장자리 부근을 소정 깊이로 식각함으로써 상기 베이스 마크를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 베이스 마크는 에칭액으로서 테트라메틸 수산화 암모늄(TMAH) 또는 수산화 칼륨(KOH)을 사용하는 습식 식각에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 상부 기판 가공 단계는, 상기 상부 기판의 저면을 소정 깊이로 건식 식각하여 상기 압력 챔버와 상기 잉크 도입구를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 상부 기판 가공 단계에서, 상기 상부 기판으로서 제1 실리콘 기판과, 중간 산화막과, 제2 실리콘 기판이 순차 적층된 구조를 가진 SOI 웨이퍼를 사용하며, 상기 중간 산화막을 식각 정지층으로 하여 상기 제1 실리콘 기판을 건식 식각함으로써 상기 압력 챔버와 잉크 도입구를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 상부 기판의 저면에 소정 깊이로 형성된 상기 잉크 도입구는 상기 압력 챔버 형성 단계 후 또는 상기 압전 액츄에이터 형성 단계 후에 관통되는 것을 특징을 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  20. 제 13항에 있어서,
    상기 중간 기판 가공 단계에서는, 상기 중간 기판을 관통시키는 동일한 가공 공정에 의해 상기 매니폴드, 다수의 리스트릭터 및 다수의 댐퍼를 동시에 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 중간 기판 가공 단계는, 유도결합 플라즈마(ICP)에 의한 건식 식각에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 중간 기판 가공 단계는, 샌드 블라스팅에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 샌드 블라스팅 전에, 상기 중간 기판의 다른 부위를 보호하기 위한 보호막으로서 드라이 필름 형태의 포토레지스트를 상기 중간 기판 위에 라미네이션 방법에 의해 도포하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  24. 제 13항에 있어서,
    상기 중간 기판 가공 단계에서, 상기 매니폴드의 내부에 그 길이 방향으로 격벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  25. 제 13항에 있어서, 상기 하부 기판 가공 단계는;
    상기 하부 기판의 상면을 소정 깊이 식각하여 상기 댐퍼와 연결되는 잉크 유도부를 형성하는 단계와,
    상기 하부 기판의 저면을 식각하여 상기 잉크 유도부와 연결되는 잉크 토출구를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 잉크 유도부 형성 단계에서, 상기 하부 기판으로서 (100)면 실리콘 기판을 사용하여 상기 하부 기판을 이방성 습식 식각함으로써 그 측면이 경사진 사각뿔 형상의 상기 잉크 유도부를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  27. 제 13항에 있어서,
    상기 접합 단계에서, 상기 세 개의 기판의 적층은 마스크 정렬장치에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  28. 제 13항에 있어서,
    상기 접합 단계에서, 상기 세 개의 기판 사이의 접합은 실리콘 직접 접착(SDB) 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  29. 제 28항에 있어서,
    상기 접합 단계에서, 상기 세 개의 기판 사이의 접합성을 향상시키기 위해 상기 상부 기판의 적어도 저면과 상기 하부 기판의 적어도 상면에는 실리콘 산화막이 형성되어 있는 상태로 상기 세 개의 기판이 접합되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  30. 제 13항에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터 형성 단계 전에, 상기 상부 기판 위에 실리콘 산화막을 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  31. 제 13항에 있어서, 상기 압전 액츄에이터 형성 단계는;
    상기 상부 기판 위에 Ti 층과 Pt 층을 순차적으로 적층하여 하부 전극을 형성하는 단계와,
    상기 하부 전극 위에 압전막을 형성하는 단계와,
    상기 압전막 위에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  32. 제 31항에 있어서,
    상기 압전막 형성 단계는, 상기 압력 챔버에 대응되는 위치의 상기 하부 전극 위에 페이스트 상태의 압전재료를 도포한 뒤 이를 소결시킴으로써 상기 압전막을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  33. 제 32항에 있어서,
    상기 압전재료의 도포는 스크린 프린팅에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  34. 제 32항에 있어서,
    상기 압전재료의 소결 중에, 상기 세 개의 기판에 형성된 상기 잉크 유로의 내측 벽면에 산화막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  35. 제 31항에 있어서, 상기 압전 액츄에이터 형성 단계는;
    상기 상부 전극 형성 단계 후에, 접합된 상태의 상기 세 개의 기판을 칩 단위로 절단하는 다이싱 단계와,
    상기 압전 액츄에이터의 압전막에 전계를 가하여 압전특성을 발생시키는 폴링 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
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