KR20050087640A - 압전 방식 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

압전 방식 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 압전 방식 잉크젯 프린트헤드는, 서로 접합되는 두 개의 기판, 즉 하부 기판과 상부 기판을 구비한다. 하부 기판과 상부 기판의 접합면을 기준으로 그 각각에 대칭되게 잉크 유로가 형성된다. 잉크 유로는, 잉크 도입구와 매니폴드를 가진 공통 유로와 다수의 리스트릭터와 다수의 압력 챔버와 다수의 노즐을 가진 개별 유로를 포함한다. 하부 기판과 상부 기판 각각의 바깥쪽 표면에는 다수의 압력 챔버 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터가 형성된다. 이와 같은 구성에 의하면, 종래와 동일한 크기의 압력 챔버에 보다 큰 구동력을 제공할 수 있으므로 잉크 토출 성능이 향상되며, 종래에 비해 사용되는 기판의 수가 감소되므로 제조 공정이 단순화되어 제조 비용이 저감된다.

Description

압전 방식 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법{Piezo-electric type inkjet printhead and manufacturing method thereof}

본 발명은 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압력 챔버에 가해지는 구동력을 높일 수 있는 구조를 가진 압전 방식 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 방식 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 방식 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 방식 잉크젯 프린트헤드의 구체적인 예로서, 도 2에는 미국특허 US 5,856,837호에 개시된 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트헤드가 도시되어 있다. 그리고, 도 3은 도 2에 도시된 압력 챔버의 길이 방향으로 절단한 종래의 프린트헤드의 부분 단면도이다.

도 2와 도 3을 함께 참조하면, 종래의 압전 방식 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 방식 잉크젯 프린트헤드를 제조하기 위해서는, 다수의 금속 플레이트와 세라믹 플레이트 각각을 다양한 가공 방법에 의해 별도로 가공한 뒤, 이들을 적층하여 소정의 접착제에 의해 서로 접합시키는 복잡한 공정을 거치게 된다. 또한, 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 저하시킨게 된다.

그리고, 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트헤드는 하나의 압력 챔버에 대하여 하나의 액츄에이터가 마련된 구조를 가지고 있다. 그런데, 일반적으로 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 이용하여 잉크를 토출시킬 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 잉크의 점도가 증가할수록 유동 저항이 커져서 토출된 액적의 부피와 토출 속도가 감소하게 되고, 이에 따라 전체적인 잉크 토출 성능이 저하된다.

따라서, 고점도의 잉크 토출에 있어서, 만족할 만한 잉크 토출 성능을 확보하기 위해서는 보다 큰 구동력이 필요하게 되므로, 압전 액츄에이터에 인가되는 구동 전압이 증가하게 된다. 그런데, 구동 전압이 증가할수록 압전체의 수명이 단축되어 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 내구성이 저하되는 문제점이 발생한다. 이러한 문제점을 방지하기 위해서는 구동 전압을 낮추어야 하는데, 이 경우 낮은 구동 전압에서도 충분한 구동력을 얻기 위해서는 진동판의 넓이가 넓어져야 한다. 이는 압력 챔버의 부피를 증가시켜서 전체적으로 잉크젯 프린트헤드의 크기가 커지게 된다. 이로 인하여, 잉크의 점도가 증가할수록 잉크젯 프린트헤드의 크기가 증가하게 되므로 그 제조 원가가 상승하게 된다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 고점도 잉크를 효율적으로 토출시킬 수 있는 새로운 구조의 압전 방식 잉크젯 프린트헤드가 필요하게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 압력 챔버에 가해지는 구동력을 높일 수 있도록 하나의 압력 챔버에 대해 두 개의 압전 액츄에이터가 마련된 압전 방식 잉크젯 프린트헤드와 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은,

서로 접합되는 하부 기판과 상부 기판;

상기 하부 기판과 상부 기판의 접합면을 기준으로 그 각각에 대칭되게 형성되는 것으로, 잉크 도입구와 매니폴드를 가진 공통 유로와 다수의 리스트릭터와 다수의 압력 챔버와 다수의 노즐을 가진 개별 유로를 포함하는 잉크 유로; 및

상기 하부 기판과 상부 기판 각각의 바깥쪽 표면에 형성되어 상기 다수의 압력 챔버 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터;를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 제공한다.

여기에서, 상기 하부 기판과 상부 기판은 각각 제1 실리콘층과, 중간 산화막과, 제2 실리콘층이 순차 적층된 구조를 가진 SOI 웨이퍼로 이루어진 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 제1 실리콘층에 상기 잉크 유로가 형성되고, 상기 제2 실리콘층이 상기 압전 액츄에이터의 구동에 의해 휨 변형되는 진동판으로서의 역할을 하게 된다.

그리고, 상기 다수의 노즐은 상기 하부 기판과 상부 기판의 측면을 통해 외부와 연통되도록 형성될 수 있다. 상기 매니폴드는 일방향으로 길게 형성되고, 상기 잉크 도입구는 상기 매니폴드의 일측에 형성되며, 상기 다수의 압력 챔버는 상기 매니폴드의 타측에 1열로 배열될 수 있다. 이 경우, 상기 잉크 도입구는 상기 매니폴드의 일측면 전체를 통해 잉크가 공급될 수 있도록 상기 매니폴드의 길이 방향을 따라 길게 형성된 것이 바람직하다.

상기 압전 액츄에이터는; 상기 하부 기판과 상부 기판 각각의 바깥쪽 표면에 형성된 베이스 전극과, 상기 베이스 전극의 표면에 형성된 압전막과, 상기 압전막의 표면에 형성되어 상기 압전막에 구동 전압을 인가하는 구동 전극을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 베이스 전극은 Ti 층과 Pt 층이 순차 적층된 2층 구조를 가지는 것이 바람직하다.

이와 같이 상기 하부 기판과 상부 기판 각각에 마련된 압전 액츄에이터는, 하나의 제어부에 의해 동시에 제어될 수도 있으며, 두 개의 제어부에 의해 각각 제어될 수도 있다.

그리고, 본 발명은 상기한 구조의 프린트헤드를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 제조방법은:

하부 기판과 상부 기판을 준비하는 단계;

상기 하부 기판과 상부 기판 각각의 일면을 동일한 방법으로 미세 가공하여, 상기 하부 기판과 상부 기판 각각에 서로 대칭되는 형상의 잉크 유로를 형성하는 단계;

상기 하부 기판과 상부 기판을 그 각각의 유로 형성면이 서로 마주보도록 접합시키는 단계; 및

상기 하부 기판과 상부 기판 각각의 바깥쪽 표면에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터를 형성하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 하부 기판과 상부 기판으로서 제1 실리콘층과, 중간 산화막과, 제2 실리콘층이 순차 적층된 구조를 가진 SOI 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 유로 형성 단계는; 상기 제1 실리콘층을 그 표면으로부터 소정 깊이만큼 식각하여 잉크 도입구와 다수의 리스트릭터와 다수의 노즐을 형성하는 단계와, 상기 중간 산화막을 식각 정지층으로 하여 상기 제1 실리콘층을 건식 식각함으로써 매니폴드와 다수의 압력 챔버를 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 잉크 도입구와, 리스트릭터와, 노즐은 서로 다른 깊이로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 접합 단계에서, 상기 하부 기판과 상부 기판 사이의 접합은 실리콘 직접 접합(SDB) 방법에 의해 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 압전 액츄에이터 형성 단계 전에, 상기 하부 기판과 상부 기판 각각의 바깥쪽 표면에 절연막으로서 실리콘 산화막을 형성하는 단계가 더 구비될 수 있다.

또한, 상기 압전 액츄에이터 형성 단계는; 상기 하부 기판과 상부 기판 각각의 바깥쪽 표면에 Ti 층과 Pt 층을 순차적으로 적층하여 베이스 전극을 형성하는 단계와, 상기 베이스 전극의 표면에 압전막을 형성하는 단계와, 상기 압전막의 표면에 구동 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

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 방식 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 압력 챔버의 길이 방향으로 절단한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프린트헤드의 조립상태의 부분 단면도이다.

도 5와 도 6을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드는 두 개의 기판(110, 120)을 적층하여 접합함으로써 이루어진다. 그리고, 두 개의 기판(110, 120) 각각에는 잉크 유로와 잉크의 토출을 위한 구동력을 발생시키는 압전 액츄에이터(140, 150)가 마련된다.

상기한 잉크 유로는, 도시되지 않은 잉크 저장고로부터 잉크가 도입되는 잉크 도입구(131)와, 토출될 잉크가 채워지며 잉크를 토출시키기 위한 압력 변화를 발생시키는 압력 챔버(134)와, 잉크 도입구(131)를 통해 유입된 잉크를 다수의 압력 챔버(134)에 공급하는 공통 유로인 매니폴드(132)와, 매니폴드(132)로부터 각각의 압력 챔버(134)로 잉크를 공급하기 위한 개별 유로인 리스트릭터(133)와, 압력 챔버(134)로부터 잉크가 토출되는 노즐(135)로 이루어진다.

상기 두 개의 기판(110, 120)은 모두 단결정 실리콘 웨이퍼로 이루어진다. 따라서, 포토리소그라피(photolithography)와 식각(etching)과 같은 미세 가공(micromachining) 기술을 이용하여 두 개의 기판(110, 120) 각각에 잉크 유로를 보다 미세한 크기로 정밀하고 용이하게 형성할 수 있다. 특히, 두 개의 기판(110, 120)은 각각 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼로 이루어진 것이 바람직하다. SOI 웨이퍼는 일반적으로 제1 실리콘층(111, 121))과, 제1 실리콘층(111, 121) 상에 형성된 중간 산화막(112, 122)과, 중간 산화막(113, 123) 상에 접착되는 제2 실리콘층(113, 123)의 적층 구조를 가지고 있다. 제1 실리콘층(111, 121)은 실리콘 단결정으로 이루어지고 대략 수십㎛ 내지 수백㎛ 정도의 두께를 가지고 있으며, 중간 산화막(112, 122)은 제1 실리콘층(111, 121)의 표면을 산화시킴으로써 형성될 수 있으며, 그 두께는 대략 1~2㎛ 정도이다. 제2 실리콘층(113, 123)도 실리콘 단결정으로 이루어지며, 그 두께는 대략 수㎛ 내지 수십㎛ 정도이다.

이와 같이 두 개의 기판(110, 120)으로서 SOI 웨이퍼를 사용하는 이유는 압력 챔버(134)의 높이를 정확하게 조절할 수 있기 때문이다. 즉, SOI 웨이퍼의 중간 층을 이루는 중간 산화막(112, 122)이 식각 정지층(etch stop layer)의 역할을 하게 되므로, 제1 실리콘층(111, 121)의 두께가 정해지면 압력 챔버(134)의 높이도 따라서 정해진다. 또한, 압력 챔버(134)의 바닥벽과 천정벽을 이루는 제2 실리콘층(113, 123)은 압전 액츄에이터(140, 150)에 의해 휨 변형됨으로써 압력 챔버(134)의 부피를 변화시키는 진동판의 역할을 하게 되는데, 이 진동판의 두께도 제2 실리콘층(113, 123)의 두께에 의해 정해진다. 이에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명하기로 한다.

구체적으로, 하부 기판(110)의 상면에는 소정 깊이를 가진 매니폴드가 일방향으로 길게 형성된다. 상기 매니폴드(132)의 일측에는 잉크 저장고(미도시)로부터 매니폴드(132)로 잉크가 유입되는 통로인 잉크 도입구(131)가 하부 기판(110)의 상면으로부터 소정 깊이로 형성된다. 특히, 상기 잉크 도입구(131)는 매니폴드(132)의 길이 방향을 따라 길게 형성된 것이 바람직하다. 이는 잉크 저장고로부터 매니폴드(132)의 측면 전체를 통해 잉크가 공급되도록 함으로써, 다수의 압력 챔버(134) 각각에 보다 균일한 잉크 공급이 이루어질 수 있도록 하기 위한 것이다.

상기 매니폴드(132)의 타측에는 잉크의 흐름 방향으로 보다 긴 직육면체의 형상을 가진 다수의 압력 챔버(134)가 1열로 배열된다. 상기 압력 챔버(134)는 하부 기판(110)의 상면으로부터 매니폴드(132)의 깊이와 동일한 깊이로 형성될 수 있다.

상기 매니폴드(132)와 압력 챔버(134) 사이에는, 매니폴드(132)와 압력 챔버(134) 각각의 일단부를 연결하는 개별 유로인 리스트릭터(132)가 하부 기판(110)의 상면으로부터 압력 챔버(134)에 비해 얕은 깊이로 형성된다. 상기 리스트릭터(133)의 폭은 도시된 바와 같이 압력 챔버(134)의 폭보다 작을 수 있으나, 압력 챔버(134)의 폭과 동일할 수도 있다. 이러한 리스트릭터(133)는 매니폴드(132)로부터 압력 챔버(134)로 잉크를 공급하는 통로 역할을 할 뿐만 아니라, 잉크가 토출될 때 압력 챔버(134)로부터 매니폴드(132)쪽으로 잉크가 역류하는 것을 억제하는 역할도 하게 된다. 이와 같은 잉크의 역류를 억제하기 위해 리스트릭터(132)는 압력 챔버(134)로 잉크의 양을 적정하게 공급할 수 있는 범위내에서 그 단면적이 압력 챔버(134)의 단면적보다 작도록 형성됨이 바람직하다.

상기 압력 챔버(134) 각각의 타단부에는 압력 챔버(134)로부터 잉크를 토출시키기 위한 노즐(135)이 하부 기판(110)의 외부와 연통되도록 형성된다. 상기 노즐(135)은 하부 기판(110)의 상면으로부터 비교적 얕은 깊이로 형성되며, 그 폭도 압력 챔버(134)의 폭보다 좁게 형성된다.

한편, 상부 기판(120)의 저면에도 하부 기판(110)의 상면에 형성된 구성과 동일한 잉크 유로가 대칭되게 형성된다. 따라서, 상부 기판(120)의 저면에 형성되는 잉크 유로에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드에 있어서는, 잉크 유로를 형성하는 구성요소들은 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 각각에 배치되며, 또한 두 개의 기판(110, 120)의 접합면을 기준으로 대칭되는 형상을 가진다. 즉, 상기 잉크 유로를 이루는 잉크 도입구(131), 매니폴드(132), 리스트릭터(133), 압력 챔버(134) 및 노즐(135)은 모두 그 중심선이 하나의 평면, 즉 두 개의 기판(110, 120)의 접합면 상에 놓이게 된다.

그리고, 상기 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 각각의 바깥쪽 표면에는 압전 액츄에이터(140, 150)가 형성된다.

구체적으로, 상부 기판(120)의 상면에는 절연막(125)으로서 실리콘 산화막이 형성된다. 이 절연막(125)은 상부 기판(120)과 압전 액츄에이터(150) 사이의 절연 기능 뿐만 아니라, 상부 기판(120)과 압전 액츄에이터(150) 사이의 확산을 억제하고 열적 스트레스를 조절하는 기능도 가진다. 상기 압전 액츄에이터(150)는 공통 전극의 역할을 하는 베이스 전극(151)과, 전압의 인가에 따라 변형되는 압전막(152)과, 상기 압전막(152)에 전압을 인가하는 구동 전극(153)을 구비한다. 상기 베이스 전극(151)은 상기한 절연막(125)의 전 표면에 형성되며, Ti층과 Pt층의 두 개 금속박막층으로 이루어진 것이 바람직하다. 이와 같은 Ti/Pt 층은 공통 전극의 역할을 할 뿐만 아니라, 그 위에 형성되는 압전막(152)과 그 아래의 상부 기판(120) 사이의 상호 확산(inter-diffusion)을 방지하는 확산방지층(diffusion barrier layer)의 역할도 하게 된다. 상기 압전막(152)은 베이스 전극(151) 위에 형성되며, 압력 챔버(134)에 대응하는 위치에 배치된다. 상기 압전막(152)은 전압의 인가에 의해 변형되며, 그 변형에 의해 압력 챔버(134)의 상부벽을 이루는 상부 기판(120)의 제2 실리콘층(123), 즉 진동판을 휨 변형시키는 역할을 하게 된다. 상기 구동 전극(153)은 압전막(152) 위에 형성되며, 전술한 바와 같이 압전막(152)에 전압을 인가하는 역할을 하게 된다.

그리고, 하부 기판(110)의 저면에도 상기한 바와 같이 절연막(115)과 압전 액츄에이터(140)가 형성된다. 상기 절연막(115)의 역할은 전술한 바 있는 상부 기판(120)에 형성된 절연막(125)과 동일하다. 상기 압전 액츄에이터(140)도 베이스 전극(141)과, 압전막(142)과, 구동 전극(143)을 구비하며, 이들 각각의 구성과 역할도 전술한 바와 같다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드에 있어서는, 압력 챔버(134)의 상부와 하부에 각각 압전 액츄에이터(140, 150)가 배치된다. 즉, 하나의 압력 챔버(134)에 대해 두 개의 압전 액츄에이터(140, 150)가 마련되는 것이다.

이러한 구성을 가진 본 발명에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 작용을 설명하면 다음과 같다. 잉크 저장고(미도시)로부터 잉크 도입구(131)를 통해 매니폴드(132) 내부로 유입된 잉크는 리스트릭터(133)를 통해 다수의 압력 챔버(134) 각각의 내부로 공급된다. 압력 챔버(134) 내부에 잉크가 채워진 상태에서, 압전 액츄에이터(140, 150)의 구동 전극(143, 153)을 통해 압전막(142, 152)에 전압이 인가되면 압전막(142, 152)은 변형되며, 이에 따라 진동판 역할을 하는 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 각각의 제2 실리콘층(113, 123)이 압력 챔버(134) 안쪽으로 휘어지게 된다. 이와 같은 제2 실리콘층(113, 123)의 휨 변형에 의해 압력 챔버(134)의 부피가 감소하게 되고, 이에 따른 압력 챔버(134) 내의 압력 상승에 의해 압력 챔버(134) 내의 잉크는 노즐(135)을 통해 외부로 토출되는 것이다.

이어서, 압전 액츄에이터(140, 150)의 압전막(142, 152)에 인가되던 전압이 차단되면 압전막(142, 152)은 원상 복원되고, 이에 따라 진동판 역할을 하는 제2 실리콘층(113, 123)이 원상으로 복원되면서 압력 챔버(134)의 부피가 증가하게 된다. 이에 따른 압력 챔버(134) 내의 압력 감소와 노즐(135) 내에 형성된 잉크의 메니스커스에 의한 표면장력에 의해 매니폴드(132)로부터 잉크가 리스트릭터(133)를 통해 압력 챔버(134) 내로 유입된다.

전술한 바와 같이, 압전 방식 잉크젯 프린트헤드에 있어서는, 잉크의 점도가 증가할수록 잉크 유로를 흐르는 잉크에 대한 유동 저항이 증가하게 되므로, 잉크 토출에 필요한 구동력의 크기는 증가하여야 한다. 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 잉크 토출 성능은 구동력의 크기에 따라 좌우된다. 구동 전압의 인가에 의하여 구동부, 즉 진동판이 휨 변형됨으로써 감소되는 압력 챔버의 체적, 즉 배제 체적이 클수록 보다 큰 구동력을 필요로 한다.

배제 체적은 진동판의 면적과 변위(일반적으로 중심부의 변위)에 비례하며, 정하여진 구조에서 진동판의 변위는 구동 전압에 비례하여 증가한다.

진동판의 면적은 일반적으로 압력 챔버의 크기에 따라 결정되고, 진동판의 최대 변위는 압전막이 허용할 수 있는 최대 구동 전압에 따라서 결정된다. 참고로 최대 구동 전압은 압전막의 내구성과 관련하여 결정된다.

본 발명에 따른 압전방식 잉크젯 프린트헤드에서는, 하나의 압력 챔버에 대해 하나의 압전 액츄에이터를 마련하였던 종래의 프린트헤드와는 달리, 전술한 바와 같이 하나의 압력 챔버에 대해 두 개의 압전 액츄에이터를 구성함으로써, 그 구동력이 대략 2배로 증가되는 장점이 있다. 즉, 두 개의 압전 액츄에이터 각각에 의해 구동되는 진동판이 압력 챔버의 상부와 하부에 배치됨으로써, 동일한 구동 전압에 대하여 배제 체적이 2배가 되고, 따라서 구동력도 2배로 증가하게 된다. 이와 같이 구동력이 2배로 증가하게 되면, 동일한 크기의 압력 챔버를 기준으로 비교하여 잉크의 점도가 증가하여도 종래의 프린트헤드에 비하여 잉크 토출 성능이 향상되는 장점이 있다.

그리고, 상기한 바와 같은 본 발명에서 제시하는 새로운 구조를 이용하여, 종래의 압전방식 잉크젯 프린트헤드와 동일한 구동력을 갖는 프린트헤드를 제작하고자 할 경우에는, 종래에 비해 프린트헤드의 크기를 거의 반으로 줄일 수 있다. 즉, 동일한 배제 체적을 갖도록 구성할 경우, 진동판과 압전 액츄에이터의 길이를 반으로 줄일 수 있으므로, 압력 챔버의 체적이 반으로 감소하게 되고, 이에 따라 전체적으로 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 크기를 거의 반으로 줄일 수 있는 것이다. 참고로, 압전방식 잉크젯 프린트헤드에서 잉크 유로가 차지하는 체적의 대부분을 압력 챔버가 차지한다.

반면에, 종래의 압전방식 잉크젯 프린트헤드와 동일한 압력 챔버의 체적을 가진 프린트헤드를 제작하고자 할 경우에는, 구동 전압을 반으로 줄일 수 있게 된다. 이와 같이 구동 전압이 낮아지게 되면 압전막의 수명이 연장되어 전체적으로 내구성이 우수한 압전방식 잉크젯 프린터헤드를 얻을 수 있다. 또한, 압전막의 수명을 종래와 동일하게 설정한 경우에는, 동일한 구동 전압에 대하여 구동력이 2배 증가하므로 동일한 압력 챔버의 체적을 기준으로 더욱 높은 점도의 잉크를 토출할 수 있는 압전방식 잉크젯 프린트헤드를 제작할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드에 있어서는, 두 개의 압전 액츄에이터를 하나의 제어부에 연결하여 동시에 제어되도록 구성할 수도 있으며, 두 개의 압전 액츄에이터를 두 개의 제어부에 각각 연결하여 각각 제어될 수 있도록 구성할 수도 있다. 특히, 후자의 경우에는 두 개의 압전 액츄에이터에 인가되는 구동 전압의 파형을 각각 제어할 수 있으므로, 토출되는 액적의 속도와 액적의 부피를 보다 효율적으로 제어할 수 있게 된다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법을 설명하기로 한다.

우선, 본 발명의 바람직한 제조방법을 개괄적으로 설명하면, 먼저 잉크 유로를 이루는 구성요소들이 형성된 하부 기판과 상부 기판을 각각 제조하고, 이어서 제조된 두 개의 기판을 적층하여 접합한 뒤, 마지막으로 상부 기판과 하부 기판에 압전 액츄에이터를 형성함으로써 본 발명에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드가 완성된다. 이 때, 하부 기판과 상부 기판 각각은 동일한 공정을 거쳐 서로 대칭되는 형상으로 제조되므로, 이하에서는 설명의 편의상 하부 기판에 잉크 유로를 형성하는 방법만 설명하기로 한다.

도 7a 내지 도 7i는 본 발명에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 바람직한 제조방법에 있어서, 기판에 잉크 유로를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.

먼저, 도 7a을 참조하면, 본 실시예에서 하부 기판(110)은 단결정 실리콘 기판으로 이루어진다. 이는, 반도체 소자의 제조에 널리 사용되는 실리콘 웨이퍼를 그대로 사용할 수 있어 대량생산에 효과적이기 때문이다. 하부 기판(110)의 두께는 대략 50 ~ 200㎛ 정도이며, 이는 압력 챔버의 높이에 따라 적절하게 정해질 수 있다. 그리고, 하부 기판(110)으로서 SOI 웨이퍼를 사용하는 것이 압력 챔버의 높이를 정확하게 형성할 수 있으므로 바람직하다. SOI 웨이퍼는 전술한 바와 같이 제1 실리콘층(111)과, 중간 산화막(112)과, 제2 실리콘층(113)의 적층 구조를 가지고 있다. 특히, 제2 실리콘층(113)은 상기한 진동판의 두께를 최적화하기 위한 조건으로 수㎛ 내지 수십㎛의 두께를 가진다.

이러한 하부 기판(110)을 산화로에 넣고 습식 또는 건식 산화시키면, 하부 기판(110)의 상면과 저면이 산화되어 실리콘 산화막(161, 162)이 형성된다.

다음에, 도 7b에 도시된 바와 같이, 하부 기판(110)의 상면에 형성된 실리콘 산화막(161) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 현상하여 하부 기판(110)의 상면에 노즐을 형성하기 위한 제1 개구부(171)와, 리스트릭터를 형성하기 위한 제2 개구부(172)와 잉크 도입구를 형성하기 위한 제3 개구부(173)를 형성한다.

다음으로, 도 7c에 도시된 바와 같이, 상기 제1, 제2 및 제3 개구부(171, 172, 173)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(161)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 반응성 이온 식각(RIE ; Reactive Ion Etching)과 같은 건식 식각에 의해 제거함으로써 하부 기판(110)의 상면을 부분적으로 노출시킨다. 이때, 실리콘 산화막(161)은 건식 식각이 아니라 습식 식각에 의해 제거될 수도 있다.

다음에는, 도 7d에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 하부 기판(110)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 소정 깊이 식각함으로써, 노즐(135)과 리스트릭터(133)와 잉크 도입구(131)를 형성한다. 이때, 하부 기판(110)의 식각은 반응성 이온 식각(RIE) 또는 유도결합 플라즈마(ICP ; Inductively Coupled Plasma)에 의한 건식 식각법에 의해 수행될 수 있다. 이어서, 포토레지스트(PR)를 스트립하면, 도 7e에 도시된 바와 같은 하부 기판(110)이 준비된다.

한편, 위에서는 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 하부 기판(110)을 건식 식각한 후, 포토레지스트(PR)를 스트립하는 것으로 도시되고 설명되었지만, 이와는 달리 먼저 포토레지스트(PR)를 스트립한 뒤 실리콘 산화막(161)을 식각 마스크로 하여 하부 기판(110)을 건식 식각할 수도 있다. 즉, 하부 기판(110)의 상면에 형성된 실리콘 산화막(161)이 비교적 얇은 경우에는 포토레지스트(PR)를 그대로 두고 식각을 수행되는 것이 바람직하며, 실리콘 산화막(161)이 비교적 두꺼운 경우에는 포토레지스트(PR)를 스트립한 뒤 실리콘 산화막(161)을 식각 마스크로 하여 식각을 수행하는 것이 바람직하다.

그리고, 위에서는 하부 기판(110)의 상면에 노즐(135)과 리스트릭터(133)와 잉크 도입구(131)가 동시에 형성되는 것으로 도시되고 설명되었다. 그러나, 노즐(135)과 리스트릭터(133)와 잉크 도입구(131) 각각의 깊이가 서로 다른 경우에는, 이들을 형성하는 공정은 별개로 진행된다. 즉, 노즐(135)과 리스트릭터(133)와 잉크 도입구(131) 각각에 대하여 도 7b 내지 도 7d의 단계가 반복하여 수행된다.

다음으로, 도 7f를 참조하면, 도 7e의 결과물 전 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 현상하여 하부 기판(110)의 상면에 압력 챔버를 형성하기 위한 제4 개구부(174)와 매니폴드를 형성하기 위한 제5 개구부(175)를 형성한다.

이어서, 상기 제4 및 제5 개구부(174, 175)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(161)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 반응성 이온 식각(RIE ; Reactive Ion Etching)과 같은 건식 식각에 의해 제거함으로써, 도 7g에 도시된 바와 같이, 하부 기판(110)의 상면을 부분적으로 노출시킨다. 이때, 실리콘 산화막(161)은 건식 식각이 아니라 습식 식각에 의해 제거될 수도 있다.

다음에는, 도 7h에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 하부 기판(110)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 소정 깊이 식각함으로써, 압력 챔버(134)와 매니폴드(132)를 형성한다. 이때, 하부 기판(110)의 식각은 유도결합 플라즈마(ICP ; Inductively Coupled Plasma)에 의한 건식 식각법에 의해 수행될 수 있다.

그리고, 도시된 바와 같이 하부 기판(110)으로서 SOI 웨이퍼를 사용하면, SOI 웨이퍼의 중간 산화막(112)이 식각 정지층(etch stop layer)의 역할을 하게 되므로, 이 단계에서는 제1 실리콘층(111)만 식각된다. 따라서, 제1 실리콘층(111)의 두께를 웨이퍼 연마 공정에서 조절하게 되면 압력 챔버(134)를 원하는 높이로 정확하게 맞출 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 압력 챔버(134)와 매니폴드(132)가 형성된 후에, 포토레지스트(PR)를 스트립하고, 잔존된 실리콘 산화막(161, 162)를 식각에 의해 제거하면, 도 7i에 도시된 바와 같은 상태의 하부 기판(110)이 완성된다.

도 8은 하부 기판과 상부 기판을 적층하여 접합하는 단계를 보여주는 단면도이다.

도 8을 참조하면, 전술한 단계들을 거쳐 준비된 하부 기판(110) 위에 상부 기판(120)을 적층하고, 이들을 서로 접합시킨다. 상부 기판(120)도 전술한 바와 같이 도 7a 내지 도 7i에 도시된 단계를 거쳐 준비될 수 있다. 구체적으로, 두 개의 기판(110, 120)을 그 각각의 유로 형성면이 서로 마주보도록 배치한 상태에서 마스크 정렬장치(mask aligner)를 사용하여 정렬시킨다. 이 때, 본 발명에서는 두 개의 기판(110, 120)만 사용되므로, 기판(110, 120) 사이의 정렬 오차가 최소화될 수 있다. 그리고, 두 개의 기판(110, 120) 사이의 접합은 잘 알려져 있는 실리콘 직접 접착(SDB ; Silicon Direct Bonding) 방법에 의해 수행될 수 있다. 여기에서, 실리콘 직접 접합(SDB) 방법은, 두 개의 실리콘 기판(110, 120)을 밀착시킨 상태에서 열처리, 예컨대 어닐링(annealing)를 통해 두 개의 실리콘 기판(110, 120)을 접착제를 사용하지 아니하고 직접 접합시키는 방법이다.

이상과 같이 두 개의 기판(110, 120)을 적층하여 접합하면, 두 개의 기판(110, 120) 사이에 잉크젯 프린트헤드에 있어서 잉크 유동을 위한 잉크 유로가 완전한 형태로 형성된다. 즉, 잉크 저장고(미도시)로부터 잉크 도입구(131)를 통해 매니폴드(132)로 이어지는 공통 유로와, 이 매니폴드(132)로부터 리스트릭터(133), 압력 챔버(134) 및 노즐(135)로 이어지는 개별 유로가 완성된다.

도 9a 내지 도 9c는 상부 기판과 하부 기판에 압전 액츄에이터를 형성하여 본 발명에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 완성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.

먼저, 도 9a를 참조하면, 하부 기판(110) 위에 상부 기판(120)을 적층하여 접합한 상태에서, 상부 기판(120)의 바깥쪽 표면, 즉 상면에 절연막(125)으로서 실리콘 산화막을 형성한다. 그러나, 이 절연막(125)을 형성하는 단계는 생략될 수 있다. 즉, 전술한 실리콘 직접 접합(SDB) 단계에서의 어닐링 공정에서 상부 기판(120)의 상면에 충분한 두께의 산화막이 이미 형성된 경우에는, 다시 그 위에 절연막(125)을 형성할 필요가 없는 것이다.

이어서, 절연막(125) 위에 압전 액츄에이터의 베이스 전극(151)을 형성한다. 상기 베이스 전극(151)은 Ti 층과 Pt 층의 두 개 금속박막층으로 이루어질 수 있다. 이러한 베이스 전극(151)은, 절연막(125)의 전 표면에 Ti와 Pt를 스퍼터링(sputtering)에 의해 순차 증착함으로써 형성될 수 있다. 이와 같은 베이스 전극(151)은 압전 액츄에이터의 공통 전극의 역할을 하게 된다.

다음으로, 도 9b에 도시된 바와 같이, 베이스 전극(151) 위에 압전막(152)과 구동 전극(153)을 형성한다. 구체적으로, 페이스트 상태의 압전재료를 스크린 프린팅(screen printing)에 의해 압력 챔버(134)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(152) 위에 전극 재료, 예컨대 Ag-Pd 페이스트를 프린팅한다. 다음으로, 압전막(152)을 소정 온도, 예컨대 900 ~ 1,000℃에서 소결시킨다.

이로써, 상부 기판(120) 위에 베이스 전극(151)과, 압전막(152)과, 구동 전극(153)으로 이루어진 압전 액츄에이터(150)가 형성된다.

그리고, 도 9c에 도시된 바와 같이, 하부 기판(110)의 바깥쪽 표면, 즉 저면에 베이스 전극(141), 압전막(142) 및 구동 전극(143)을 순차 적층하여 압전 액츄에이터(140)를 형성한다. 하부 기판(110)에 압전 액츄에이터(140)를 형성하는 방법은 전술한 상부 기판(120)에 압전 액츄에이터(150)를 형성하는 방법과 동일하다.

한편, 위에서는 상부 기판(120)에 압전 액츄에이터(150)을 먼저 형성하는 것으로 도시되고 설명되었지만, 하부 기판(120)에 먼저 압전 액츄에이터(140)를 형성할 수도 있다. 또한, 상부 기판(120)과 하부 기판(110) 각각에 압전 액츄에이터(150, 140)를 형성하는 공정을 함께 진행할 수도 있다.

마지막으로, 접합된 상태의 두 개의 기판(110, 120)을 칩 단위로 절단하는 다이싱(dicing) 공정과, 압전막(142, 152)에 전계를 가하여 압전특성을 발생시키는 폴링(polling) 공정을 거치게 되면, 본 발명에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드가 완성된다.

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 방식 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 하나의 압력 챔버에 대해 두 개의 압전 액츄에이터가 마련됨으로써, 종래와 동일한 크기의 압력 챔버에 보다 큰 구동력을 제공할 수 있다. 따라서, 잉크 액적의 토출 속도와 토출 부피가 증가되므로, 고점도의 잉크에 대해서도 향상된 토출 성능을 확보할 수 있게 된다.

둘째, 종래의 잉크젯 프린트헤드와 동일한 구동력을 갖는 프린트헤드를 제작하고자 할 경우에는, 압력 챔버의 크기를 대략 반으로 줄일 수 있게 되므로, 프린트헤드의 제조 원가가 저감될 수 있다.

셋째, 종래의 잉크젯 프린트헤드와 동일한 구동력을 가지며 동일한 크기의 압력 챔버를 유지할 경우에는, 압전 액츄에이터에 인가되는 구동 전압을 대략 반으로 낮출 수 있다. 따라서, 압전체의 수명이 연장되어 내구성이 우수한 잉크젯 프린트헤드를 얻을 수 있게 된다.

넷째, 두 개의 압전 액츄에이터를 하나의 제어부에 의해 함께 제어할 수도 있고 두 개의 제어부에 의해 각각 제어할 수도 있다. 특히, 두 개의 압전 액츄에이터를 각각 제어할 경우에는, 토출되는 액적의 속도와 액적의 부피를 보다 효율적으로 제어할 수 있게 된다.

다섯째, 잉크 도입구를 매니폴드의 측면 전체로 잉크가 공급될 수 있도록 형성함으로써, 다수의 압력 챔버 각각에 균일한 잉크 공급이 이루어질 수 있다.

여섯째, 종래에 비해 접합되는 기판의 수가 감소되므로, 기판 간의 정렬 오차로 인한 종래의 문제점이 해소될 뿐만 아니라 프린트헤드의 제조 공정수가 현저히 감소하게 된다. 따라서, 프린트헤드의 전체적인 제작 기간의 단축, 제조 비용의 감소 및 불량율의 감소로 인한 수율의 증가 등 많은 장점이 있다.

도 1은 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 일반적인 구성을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2는 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 구체적인 일례를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시된 압력 챔버의 길이 방향으로 절단한 종래의 프린트헤드의 부분 단면도이다.

도 4는 잉크의 점도에 따른 토출되는 액적의 부피와 그 토출 속도의 변화를 보여주는 그래프이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 방식 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 단면도이다.

도 7a 내지 도 7i는 본 발명에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 바람직한 제조방법에 있어서, 기판에 잉크 유로를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.

도 8은 하부 기판과 상부 기판을 적층하여 접합하는 단계를 보여주는 단면도이다.

도 9a 내지 도 9c는 상부 기판과 하부 기판에 압전 액츄에이터를 형성하여 본 발명에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 완성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110...하부 기판 120...상부 기판

111,121...제1 실리콘층 112,122...중간 산화막

113,123...제2 실리콘층 115,125...절연막

131...잉크 도입구 132...매니폴드

133...리스트릭터 134...압력 챔버

135...노즐 140,150...압전 액츄에이터

141,151...베이스 전극 142,152...압전막

143,253...구동 전극

Claims (18)

1. 서로 접합되는 하부 기판과 상부 기판;

   상기 하부 기판과 상부 기판의 접합면을 기준으로 그 각각에 대칭되게 형성되는 것으로, 잉크 도입구와 매니폴드를 가진 공통 유로와 다수의 리스트릭터와 다수의 압력 챔버와 다수의 노즐을 가진 개별 유로를 포함하는 잉크 유로; 및

   상기 하부 기판과 상부 기판 각각의 바깥쪽 표면에 형성되어 상기 다수의 압력 챔버 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터;를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 하부 기판과 상부 기판은 각각 제1 실리콘층과, 중간 산화막과, 제2 실리콘층이 순차 적층된 구조를 가진 SOI 웨이퍼로 이루어지며, 상기 제1 실리콘층에 상기 잉크 유로가 형성되고, 상기 제2 실리콘층이 상기 압전 액츄에이터의 구동에 의해 휨 변형되는 진동판으로서의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 다수의 노즐은 상기 하부 기판과 상부 기판의 측면을 통해 외부와 연통되도록 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 매니폴드는 일방향으로 길게 형성되고, 상기 잉크 도입구는 상기 매니폴드의 일측에 형성되며, 상기 다수의 압력 챔버는 상기 매니폴드의 타측에 1열로 배열된 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 잉크 도입구는 상기 매니폴드의 일측면 전체를 통해 잉크가 공급될 수 있도록 상기 매니폴드의 길이 방향을 따라 길게 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 하부 기판과 상부 기판 각각의 바깥쪽 표면에는 절연막이 형성되고, 상기 절연막의 표면에 상기 압전 액츄에이터가 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드.
7. 제 1항에 있어서, 상기 압전 액츄에이터는;

   상기 하부 기판과 상부 기판 각각의 바깥쪽 표면에 형성된 베이스 전극과, 상기 베이스 전극의 표면에 형성된 압전막과, 상기 압전막의 표면에 형성되어 상기 압전막에 구동 전압을 인가하는 구동 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 베이스 전극은 Ti 층과 Pt 층이 순차 적층된 2층 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 하부 기판과 상부 기판 각각에 마련된 압전 액츄에이터는 하나의 제어부에 의해 동시에 제어되는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 하부 기판과 상부 기판 각각에 마련된 압전 액츄에이터는 두 개의 제어부에 의해 각각 제어되는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드.
11. 하부 기판과 상부 기판을 준비하는 단계;

    상기 하부 기판과 상부 기판 각각의 일면을 동일한 방법으로 미세 가공하여, 상기 하부 기판과 상부 기판 각각에 서로 대칭되는 형상의 잉크 유로를 형성하는 단계;

    상기 하부 기판과 상부 기판을 그 각각의 유로 형성면이 서로 마주보도록 접합시키는 단계; 및

    상기 하부 기판과 상부 기판 각각의 바깥쪽 표면에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터를 형성하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 하부 기판과 상부 기판으로서 제1 실리콘층과, 중간 산화막과, 제2 실리콘층이 순차 적층된 구조를 가진 SOI 웨이퍼를 사용하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
13. 제 12항에 있어서, 상기 유로 형성 단계는;

    상기 제1 실리콘층을 그 표면으로부터 소정 깊이만큼 식각하여 잉크 도입구와 다수의 리스트릭터와 다수의 노즐을 형성하는 단계와,

    상기 중간 산화막을 식각 정지층으로 하여 상기 제1 실리콘층을 건식 식각함으로써 매니폴드와 다수의 압력 챔버를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
14. 제 13항에 있어서,

    상기 잉크 도입구와, 리스트릭터와, 노즐은 서로 다른 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
15. 제 11항에 있어서,

    상기 접합 단계에서, 상기 하부 기판과 상부 기판 사이의 접합은 실리콘 직접 접합(SDB) 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
16. 제 11항에 있어서,

    상기 압전 액츄에이터 형성 단계 전에, 상기 하부 기판과 상부 기판 각각의 바깥쪽 표면에 절연막으로서 실리콘 산화막을 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
17. 제 11항에 있어서, 상기 압전 액츄에이터 형성 단계는;

    상기 하부 기판과 상부 기판 각각의 바깥쪽 표면에 Ti 층과 Pt 층을 순차적으로 적층하여 베이스 전극을 형성하는 단계와,

    상기 베이스 전극의 표면에 압전막을 형성하는 단계와,

    상기 압전막의 표면에 구동 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
18. 제 17항에 있어서,

    상기 압전막 형성 단계는, 상기 압력 챔버에 대응되는 위치의 상기 베이스 전극 위에 페이스트 상태의 압전재료를 스크린 프린팅법에 의해 도포한 뒤 이를 소결시킴으로써 상기 압전막을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.