KR20060023490A - 외팔보형 히터를 구비한 잉크젯 헤드 - Google Patents

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KR20060023490A
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하용웅
한은봉
박성준
박병하
김경일
김남균
박용식
권명종
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Abstract

외팔보(cantilever) 형 히터를 구비한 잉크젯 헤드를 제공한다. 상기 잉크젯 헤드는 잉크가 토출되는 노즐 및 상기 노즐과 유체연통하는 잉크 챔버를 구비한다. 상기 잉크 챔버의 측벽에 접하는 수직 지지부와 상기 수직 지지부의 상부와 연결되고, 잉크의 흐름 방향과 수직한 수평부를 갖는 외팔보형 히터가 상기 잉크 챔버내에 배치된다. 상기 잉크 챔버와 유체연통하는 잉크 공급홀이 상기 노즐과 대향되도록 배치된다.
잉크젯 헤드, 외팔보, 버블

Description

외팔보형 히터를 구비한 잉크젯 헤드{ink jet head including cantilever-shaped heater}
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 잉크젯 헤드를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 외팔보형 히터의 일례를 나타낸 평면도이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 잉크젯 헤드의 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
* 도면의 주요부분에 대한 설명 *
100 : 기판 102 : 잉크 공급홀
104 : 패시배이션층 108 : 외팔보형 히터
110 : 배선 114 : 유로 구조물
116 : 노즐 118 : 공통유로
120 : 잉크 챔버
본 발명은 잉크젯 헤드의 제조방법에 관한 것으로 특히, 잉크챔버 내에 배치되어 잉크와 직접 접촉하는 외팔보형 히터를 구비한 잉크젯 헤드에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 헤드는 잉크 액적의 토출 메카니즘에 따라 크게 두가지 방식으로 분류될 수 있다. 그 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 열구동 방식의 잉크젯 헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 압전구동 방식의 잉크젯 헤드이다.
상기 열구동 방식의 잉크젯 헤드에서의 잉크 액적 토출 메카니즘은 다음과 같다. 저항 발열체로 이루어진 히터에 펄스 형태의 전류가 흐르게 되면, 히터에서 열이 발생되면서 히터에 인접한 잉크는 대략 300℃로 순간 가열된다. 이에 따라 잉크가 비등하면서 버블이 생성되고, 생성된 버블은 팽창항 잉크 챔버 내부에서 채워진 잉크에 압력을 가하게 된다. 이로 인해 노즐 부근에 있던 잉크가 노즐을 통해 액적의 형태로 잉크 챔버 밖으로 토출된다. 다양한 구조를 갖는 열구동 방식의 잉크젯 헤드가 미국특허 제4,339,762호, 미국특허 제4,882,595호, 미국특허 제5,760,804호, 미국특허 제4,847,630호 및 미국특허 제5,850,241호에 개시되어 있다.
통상의 열구동 방식의 잉크젯 헤드에 있어서, 저항 발열체로 이루어진 히터는 실리콘 기판 상에 형성되며, 실리콘 질화막과 같은 패시배이션층에 의하여 잉크와의 직접적인 접촉이 차단된다. 따라서, 이러한 히터 구조를 같는 잉크젯 헤드는 히터로 부터 발생된 열이 상기 실리콘 기판을 통하여 손실되거나 상기 패시배이션 층에 의하여 잉크에 직접적으로 전달되는 것이 차단되므로 열효율 측면에서 개선되어야 할 필요가 있다. 한편, 잉크 챔버 내의 잉크와 직접적으로 접촉하는 히터를 갖는 잉크젯 헤드가 미국특허 제6,692,108호에 "고효율 열잉크젯 프린트헤드 (high efficiency thermal ink jet printhead)" 라는 제목으로 실버브룩등에 의하여 개시된바 있다. 상기 미국특허 제6,692,108호에 의하면, 히터가 잉크와 직접적으로 접촉하게 되므로 상술한 바와 같은 열손실이 없게 되어 우수한 열효율을 갖는 잉크젯 헤드를 구현할 수 있다.
그러나, 상기 미국특허 제6,692,108호에 개시된 잉크젯 헤드는 노즐, 잉크 챔버 및 잉크 공급홀이 동일 축 상에 배치된다. 즉, 기록용지 상으로 토출될 잉크가 임시저장되는 잉크 챔버의 상하부에 각각 노즐 및 잉크 공급홀이 상기 잉크챔버와 유체연통하도록 배치된다. 또한, 히터는 상기 잉크 챔버의 중심부에 잉크의 흐름방향과 직교하는 면적을 갖도록 배치되어 잉크와 집적적으로 접촉한다. 이 경우에 잉크 토출시, 히터가 순간적으로 가열되는 경우에 버블은 상기 히터를 감싸는 형상으로 발생하게 된다. 즉, 상기 노즐 방향으로 뿐만 아니라 상기 잉크 공급홀 방향으로도 버블이 발생하고 성장하게 된다. 상기 잉크 공급홀 방향으로 발생하고 성장하는 버블은 잉크 토출에 실질적으로 기여하지 못한다. 이러한 버블의 손실은 토출되는 잉크 액적량의 감소로 이어지고 잉크 액적량의 감소는 히터 에너지 손실로 연결될 수 있다. 또한, 버블의 손실은 액적 토출 속도를 감소시키게 되어 잉크젯 헤드의 잉크 토출 주파수를 감소시킬 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 잉크 토출시 히터 주변에 발생하는 버블의 손실을 방지하여 버블의 손실에 의한 문제점들을 개선시킬 수 있고 우수한 열효율을 갖는 잉크젯 헤드를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 외팔보(cantilever) 형 히터를 구비한 잉크젯 헤드를 제공한다. 상기 잉크젯 헤드는 잉크가 토출되는 노즐 및 상기 노즐과 유체연통하는 잉크 챔버를 구비한다. 상기 잉크 챔버의 측벽에 접하는 수직 지지부와 상기 수직 지지부의 상부와 연결되고, 잉크의 흐름 방향과 수직한 수평부를 갖는 외팔보형 히터가 상기 잉크 챔버내에 배치된다. 상기 잉크 챔버와 유체연통하는 잉크 공급홀이 상기 노즐과 대향되도록 배치된다.
일 실시예에 있어서, 상기 수평부는 상기 잉크챔버 내의 잉크와 직접 접촉할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 수평부는 잉크 토출시 상기 잉크 공급홀쪽으로 휘어져 상기 잉크 공급홀을 통한 기포의 손실을 방지할 수 있다. 또한, 상기 수평부는 잉크 토출 후 상기 잉크 챔버 내로 잉크가 재충전되는 동안에 원상태로 복원될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 수평부는 적어도 상기 잉크 공급홀과 중첩될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 외팔보형 히터는 탄탈륨 질화물(TaN), 티타늄 질화물(TiN), 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨 알루미늄(TaAl), 탄탈륨 실리콘질화물 (TaSiN) 또는 텅스텐 실리콘질화물(WSiN)으로 이루어질 수 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명 하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 잉크젯 헤드를 나타낸 단면도이다. 또한, 도 2는 도 1에 도시된 외팔보형 히터의 일례를 나타낸 평면도이다. 한편, 도 1에는 잉크젯 헤드의 단위셀 구조만 도시되어 있지만, 칩 상태로 제조되는 잉크젯 헤드는 일열 또는 복수열로 배치된 복수개의 셀들을 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(100)에는 그 표면쪽에 잉크가 채워지는 잉크챔버(120)가 형성되고, 그 배면쪽에는 상기 잉크 챔버(120)로 잉크를 공급하는 공통유로(118)가 형성된다. 상기 잉크 챔버(120)와 상기 공통유로(118)는 상기 잉크 챔버(120)의 바닥 중앙을 관통하는 잉크 공급홀(102)에 의하여 서로 유체연통한다. 상기 기판(100)은 집적회로의 제조에 널리 사용되는 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 상기 기판(100)의 상부면 및 상기 잉크 공급홀(102)의 측벽은 패시배이션층(104)에 의하여 덮혀진다. 상기 패시배이션층(104)은 실리콘 산화막일 수 있으며 잉크와 상기 기판(100)의 직접적인 접촉을 방지한다. 또한, 상기 기판(100)과 기판 상에 배치될 배선등의 도전 라인과의 접촉을 차단한다. 이 경우에 상기 실리콘 산화막은 열산화막 또는 CVD 산화막일 수 있다.
상기 잉크 챔버(120)는 그 상부에 위치한 노즐(116)과 유체연통한다. 상기 노즐(116) 및 상기 잉크 공급홀(102)은 서로 대향되도록 위치하여 상기 잉크 챔버 (120)와 유체연통한다. 즉, 잉크 공급홀(102), 상기 잉크 챔버(120) 및 상기 노즐 (116)은 잉크의 흐름 방향을 따라 동일 축상에 위치한다. 상기 잉크 챔버(120) 및 상기 노즐(116)은 상기 기판(100) 상에 배치된 유로 구조물(flow path structure ;114)에 의하여 그들의 형상이 한정된다. 상기 유로 구조물(114)은 상기 잉크 챔버(120)의 측벽을 한정하는 챔버층과 상기 챔버층 상에 배치되고 상기 노즐(116)을 구비하는 노즐층을 포함할 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 유로 구조물(114)은 하나의 구조물로써 이루어져 상기 잉크 챔버(120) 및 상기 노즐(116)을 한정할 수 있다. 상기 유로 구조물(114)은 열경화성 수지 또는 네가티브 감광성 수지로 이루어질 수 있다.
상기 잉크 챔버(120) 내에는 잉크와 직접 접촉하는 외팔보형 히터(108)가 배치된다. 상기 외팔보형 히터(108)은 탄탈륨 질화물(TaN), 티타늄 질화물(TiN), 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨 알루미늄(TaAl), 탄탈륨 실리콘질화물(TaSiN) 또는 텅스텐 실리콘질화물(WSiN)으로 이루어 질 수 있다. 상기 외팔보형 히터(108)은 도 1에 도시된 바와 같이 상기 잉크 챔버 (120)의 측벽에 접하는 수직 지지부(108a)와 상기 수직 지지부의 최상부와 연결되고 잉크의 흐름 방향과 수직한 수평부(108b)를 갖는다. 상기 외팔보형 히터(108)는 평면도로 부터 보았을 때 도 2에 도시된 바와 같은 형상을 가질 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술분야의 당업자들에 의하여 그 평면상이 다양하게 변형실시 될 수 있음은 자명하다. 이 경우에, 상기 외팔보형 히터(108)의 수평부(108b)는 도 2에 도시된 바와 같이 적어도 상기 잉크 공급홀(102)과 중첩되는 것이 바람직하다. 상기 수평부(108b)는 상기 잉크 챔버(120)의 일 측벽에 배치된 수직 지지부(108a)에 의하여 지지된다. 따라서, 상기 수평부(108b)는 도 1에 도시된 바와 같이 잉크 토출 전,후에 상기 잉크 공급홀 (102) 쪽으로 휘어지거나 원상태로 복원되는 등의 수직운동을 할 수 있다. 상기 수직 지지부(108a)는 상기 외팔보형 히터(108)의 단부들을 구성하며 상기 외팔보형 히터 (108)에 전기적 신호를 공급하기 위한 배선(110)과 전기적으로 접촉한다. 한편, 도 1에 있어서, 상기 외팔보형 히터(108)의 수평부(108b)는 이해의 편의를 위하여 연속적인 바 형태로 도시되었지만, 상기 수직 지지부(108a)를 지나는 라인을 따라 취해진 단면도에서 상기 수평부(108b)는 단속적으로 도시될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조를 갖는 잉크젯 헤드의 잉크 토출과정을 설명하면 다음과 같다. 도시되지 않은 잉크 수납용기로 부터 제공된 잉크는 상기 공통 유로 (118) 및 상기 잉크 공급홀(102)을 차례로 거쳐서 상기 잉크 챔버(120) 내에 임시로 저장된다. 상기 외팔보형 히터(108)에 펄스 형태의 전류가 공급되어 상기 외팔보형 히터(108)에 열이 발생되면 상기 잉크 챔버(120) 내에 채워진 잉크가 가열되어 버블이 생성된다. 생성된 버블은 계속적으로 성장하게 되고, 이에 따라 상기 잉크 챔버(120) 내에 채워진 잉크에 압력이 가해져 상기 노즐(116)을 통해 잉크 액 적이 외부로 토출된다. 이 과정에서, 상기 버블에 의하여 상기 잉크 챔버(120) 내에 채워진 잉크에 압력이 가해지면서 상기 외팔보형 히터(108)가 상기 잉크 공급홀 (102) 쪽으로 휘어지게 되어 상기 잉크 공급홀(102) 쪽으로의 버블 성장이 최소화되게 된다. 이 후, 상기 공통유로(118)로 부터 상기 잉크 공급홀(102)을 거쳐 상기 잉크 챔버(120) 내부로 잉크가 재충전되는데, 이 과정에서 상기 잉크 공급홀 (102) 쪽으로 휘어졌던 상기 외팔보형 히터(108)는 원상태로 복원된다.
이하, 본 발명의 일실시예에 의한 잉크젯 헤드의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 잉크젯 헤드의 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 먼저 기판(100)을 준비한다. 상기 기판(100)은 약 300㎛ 내지 약 500㎛의 두께를 갖는 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 한편, 도 3에 도시된 것은 실리콘 웨이퍼의 극히 일부를 도시한 것으로서, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드는 하나의 웨이퍼에서 수십 내지 수백개의 칩 상태로 제조될 수 있다. 상기 기판 (100)에 대한 포토리소그래피 및 식각 공정을 수행하여 상기 기판 내에 잉크 공급홀(102)을 형성한다. 상기 잉크 공급홀(102)을 갖는 기판의 전면에 패시배이션층 (104)을 형성한다. 상기 패시배이션층(104)은 열산화법 또는 CVD법을 사용하여 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다. 이후, 상기 잉크 공급홀(102)의 바닥면을 덮는 부분의 상기 패시배이션층(104)을 식각하여 제거한다. 그 결과, 상기 패시배이션층 (104)은 상기 기판(100)의 상부면 및 상기 잉크 공급홀(102)의 측벽을 덮도록 잔존한다.
도 4를 참조하면, 후속 공정에 의하여 잉크 챔버가 형성될 영역을 덮는 하부 몰드층(106)을 상기 기판(100) 상에 형성한다. 상기 하부 몰드층(106)은 상기 잉크 공급홀(102)을 채우고, 상기 기판(100) 상으로 소정영역 연장된다. 상기 하부 몰드층(106)은 용해 가능한 수지층을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어 상기 하부 몰드층(106)은 포지티브 포토레지스트층으로 형성될 수 있다. 다음으로, 상기 하부 몰드층(106)을 갖는 기판상의 전면에 히터 물질층을 형성한다. 상기 히터 물질층은 CVD법 또는 스퍼터링법을 사용하여 탄탈륨 질화물(TaN), 티타늄 질화물 (TiN), 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨 알루미늄(TaAl), 탄탈륨 실리콘질화물(TaSiN) 또는 텅스텐 실리콘질화물(WSiN)으로 형성될 수 있다. 이후, 상기 히터 물질층을 패터닝하여 상기 하부 몰드층(106)의 일 측벽 및 상부면에 잔존하는 외팔보형 히터(108)를 형성한다. 상기 외팔보형 히터(108)는 상기 하부 몰드층(106)의 일 측벽에 잔존하는 수직 지지부(108a)와 상기 하부 몰드층(106) 상에 잔존하는 수평부(108b)를 포함한다. 상기 외팔보형 히터(108)는 평면도로 부터 보았을때 도 2에 도시된 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 외팔보형 히터(108)를 갖는 기판 상의 전면에 도전층을 콘포말하게 형성한다. 상기 도전층은 알루미늄층으로 형성할 수 있다. 상기 도전층을 패터닝하여 상기 외팔보형 히터(108)의 수직 지지부(108a)와 전기적으로 접촉하는 배선(110)을 형성한다. 도 5에 도시된 바와 같이 상기 배선(110)은 상기 수직 지지부(108a)의 측벽과 접할 수 있다. 이후, 상기 외팔보형 히터(108)가 형 성된 상기 하부 몰드층(106) 상에 상부 몰드층(112)을 형성한다. 상기 상부 몰드층(112)은 상기 하부 몰드층(106) 과 같이 포지티브 포토레지스트층으로 형성할 수 있다. 상기 하부 몰드층(106) 및 상기 상부 몰드층(112)은 각각 포토리소그래피 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상기 상부 몰드층(112)은 상기 하부 몰드층(106)과 함께 상기 기판(100) 상에 잉크 챔버가 형성될 공간을 한정한다.
도 6을 참조하면, 상기 상부 몰드층(112)을 갖는 기판(100) 상에 상기 상부 몰드층(112)을 덮는 두께로 수지층을 형성한다. 상기 수지층은 열경화성 수지층 또는 네가티브 감광성 수지층으로 형성될 수 있다. 상기 수지층을 패터닝하여 상기 상부 몰드층(112)의 중심부를 노출시키는 노즐(116)을 갖는 유로 구조물(114)을 형성한다. 상기 수지층이 열경화성 수지층으로 형성된 경우에 상기 열경화성 수지층은 산소 플라즈마를 이용한 이방성 식각공정에 의하여 패터닝될 수 있다. 또한, 상기 수지층이 네가티브 감광성 수지층으로 형성된 경우에 상기 네가티브 감광성 수지층은 포토리소그래피 공정, 즉 노광 및 현상 공정에 의하여 패터닝될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 유로 구조물(114)을 형성한 후에, 상기 기판(100)의 배면을 식각하여 잉크 공급홀(102)과 연통하는 공통유로(118)을 형성한다. 상기 기판(100)은 습식 또는 건식의 방법으로 식각될 수 있다. 상기 기판(100)을 습식식각하는 경우에는 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide)와 같은 강알칼리성 용액이 식각액으로 사용될 수 있다. 그 밖에, 상기 기판(100)은 샌드블라스팅 공정, RIE(reactive ion etching) 공정 또는 DRIE(deep reactive ion etching) 공정과 같은 건식 식각공정에 의하여 식각될 수 있다. 이후, 적절한 용매를 사용하여 상기 하부 몰드층(106) 및 상기 상부 몰드층(112)을 용해 하여 제거한다. 그 결과, 상기 하부 몰드층(106) 및 상기 상부 몰드층(112)이 제거된 상기 기판 상의 공간에 잉크 챔버(120)이 최종적으로 형성된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 외팔보형 히터를 구비한 잉크젯 헤드가 제공된다. 따라서, 잉크 토출시 히터 주변에 발생하는 버블의 손실을 방지하여 버블의 손실에 의한 문제점들을 개선시킬 수 있고 우수한 열효율을 갖는 잉크젯 헤드를 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 노즐;
    상기 노즐과 유체연통하는 잉크 챔버;
    상기 잉크 챔버 내에 배치되되, 상기 잉크 챔버의 측벽에 접하는 수직 지지부와 상기 수직 지지부의 상부와 연결되고, 잉크의 흐름 방향과 수직한 수평부를 갖는 외팔보형 히터;및
    상기 노즐과 대향되도록 상기 잉크 챔버와 유체연통하는 잉크 공급홀을 포함하는 잉크젯 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수평부는 상기 잉크챔버 내의 잉크와 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수평부는 잉크 토출시 상기 잉크 공급홀쪽으로 휘어져 상기 잉크 공급홀 쪽으로의 기포 성장을 억제하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수평부는 잉크 토출 후 상기 잉크 챔버 내로 잉크가 재충전되는 동안에 원상태로 복원되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수평부는 적어도 상기 잉크 공급홀과 중첩되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 외팔보형 히터는 탄탈륨 질화물(TaN), 티타늄 질화물(TiN), 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨 알루미늄(TaAl), 탄탈륨 실리콘질화물(TaSiN) 또는 텅스텐 실리콘질화물(WSiN)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
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