KR20060031075A - 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

크로스토크를 감소시킬 수 있는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드와 그 제조방법이 개시되어 있다. 개시되어 있는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드는 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터; 상기 압전 액츄에이터가 상면에 설치되고, 잉크가 도입되는 잉크 도입구가 관통 형성되며, 토출될 잉크가 채워지는 압력 챔버와 상기 압력 챔버의 폭보다 작은 폭으로 상기 압력 챔버에서 연장되는 제 1 리스트릭터가 그 저면에 형성되는 상부 기판; 상기 잉크 도입구와 연결되어 유입된 잉크가 저장되는 매니폴드가 그 저면으로부터 소정 깊이로 형성되고, 상기 제 1 리스트릭터와 연계하여 상기 매니폴드로부터 상기 압력 챔버로 잉크가 유입되도록 하는 제 2 리스트릭터가 상기 제 1 리스트릭터와 연결 형성되며, 상기 압력 챔버의 타단부에 대응되는 위치에 댐퍼가 관통 형성된 중간 기판; 및 상기 댐퍼와 대응되는 위치에 잉크를 토출하기 위한 노즐이 관통 형성된 하부 기판;을 구비하며, 상기 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판은 순차적으로 적층되어 서로 접합되며, 모두 단결정 실리콘 기판으로 이루어진다. 개시되어 있는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 의하면, 중간 기판의 저면을 가공하여 매니폴드를 형성하고 이를 압력 챔버의 하부에 설치함으로써 매니폴드의 폭을 용이하게 증가시킬 수 있다. 따라서, 매니폴드의 체적이 증가되어 다수 노즐에서 동시에 잉크가 토출될 때 인접한 리스트릭터 사이에 발생되는 크로스토크가 저감될 수 있는 효과가 있다. 또한, 매니폴드의 단면적이 증가되어 재충전 과정에서 잉크 공급 유량이 증 대되므로 고주파수의 토출 시에도 안정적인 작동이 가능한 장점이 있다.

Description

압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법{Piezo-electric type ink jet printhead and manufacturing method thereof}
도 1은 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트 헤드의 일반적인 구성을 나타내는 도면.
도 2는 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트 헤드의 구체적인 일 예를 나타내는 도면.
도 3은 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트 헤드의 다른 예를 나타내는 도면.
도 4는 도 3에서 도시된 잉크젯 프린트 헤드의 수직 단면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도.
도 6은 도 5에 도시된 압력 챔버의 길이 방향으로 절단한 본 발명에 따른 프린트 헤드의 조립상태의 부분 단면도.
도 7은 도 6에 표시된 A-A선을 따라 절단한 부분 사시도.
도 8은 도 7에 도시된 압력 챔버와 리스트릭터에 대한 평면도.
도 9는 본 발명에 따른 프린트 헤드에 적용되는 압력 챔버와 리스트릭터에 대한 다른 실시예를 나타내는 평면도.
도 10은 본 발명에 다른 프린트 헤드에 적용되는 압력 챔버와 리스트릭터에 대한 또 다른 실시예를 나타내는 평면도.
도 11은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 다른 실시예를 압력 챔버의 길이 방향으로 절단한 부분 단면도.
도 12는 도 11에서 도시된 중간 기판의 매니폴드를 나타내는 저면 사시도.
도 13은 도 12에서 표시된 B에 대한 평면도.
도 14a 내지 도 14e는 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드의 바람직한 제조방법에 있어서 상부 기판에 베이스 마크를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들.
도 15a 내지 도 15g는 상부 기판에 압력 챔버와 제 1 리스트릭터를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들.
도 16a 내지 도 16d는 상부 기판에 잉크 도입구를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들.
도 17a 내지 도 17h는 중간 기판에 제 2 리스트릭터를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들.
도 18a 내지 도 18h는 하부 기판에 노즐을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들.
도 19는 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판을 순차 적층하여 접합하는 단계를 보여주는 단면도.
도 20a 및 도 20b는 상부 기판 위에 압전 액츄에이터를 형성하여 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드를 완성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 상부 기판 101 : 제 1 실리콘 기판
102 : 중간 산화막 103 : 제 2 실리콘 기판
110 : 잉크 도입구 120 : 압력 챔버
130 : 제 1 리스트릭터 190 : 압전 액츄에이터
191, 192 : 하부 전극 193 : 압전박막
194 : 상부 전극 200 : 중간 기판
210 : 매니폴드 215 : 격벽
217 : 천정벽 220 : 제 2 리스트릭터
230 : 댐퍼 300 : 하부 기판
310 : 노즐 311 : 잉크 유도부
312 : 잉크 토출구
본 발명은 잉크젯 프린트 헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 크로스토크를 감소시킬 수 있는 압전방식의 잉크젯 프린트헤드와 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 프린트 헤드는 인쇄용 잉크의 미세한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린트 헤드는 잉크 토출 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 그 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크를 토출시키는 열구동 방식의 잉크젯 프린트 헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크를 토출시키는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드이다.
상기한 압전 방식 잉크젯 프린트 헤드의 일반적인 구성은 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 유로 플레이트(1)의 내부에는 잉크 유로를 이루는 매니폴드(2), 리스트릭터(3), 압력 챔버(4)와 노즐(5)이 형성되어 있으며, 유로 플레이트(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. 이를 위해, 유로 플레이트(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 프린트 헤드의 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.
이러한 압전 방식 잉크젯 프린트 헤드의 구체적인 일 예로서, 도 2에는 미국특허 US 5,856,837호에 개시된 압전 방식 잉크젯 프린트 헤드가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트 헤드는 다수의 얇은 플레이트(11 ~ 16)를 적층하여 접합함으로써 이루어진다. 즉, 프린트 헤드의 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.
도 3에는 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트 헤드의 다른 예로서, 본 출원인의 한국특허공개공보 2003-0050477호에 개시된 잉크젯 프린트 헤드가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3에서 도시된 잉크젯 프린트헤드의 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 잉크젯 프린트 헤드는, 세 개의 실리콘 기판(30, 40, 50)이 적층되어 접합된 구조를 가진다. 세 개의 기판(30, 40, 50) 중 상부 기판(30)의 저면에는 소정 깊이의 압력 챔버(32)가 형성되어 있으며, 그 일측에는 도시되지 않은 잉크 저장고와 연결된 잉크 도입구(31)가 관통 형성되어 있다. 상기 압력 챔버(32)는 중간 기판(40)에 형성된 매니폴드(41)의 길이 방향으로 프린트 헤드 칩 양측에 2 열로 배열되어 있다. 그리고, 상부 기판(30)의 상면에는 압력 챔버(32)에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터(60)가 형성되어 있다. 중간 기판(40)에는 잉크 도입구(31)와 연결되는 매니폴드(41)가 형성되어 있으며, 이 매니폴드(41)의 양측에 다수의 압력 챔버(32) 각각과 연결되는 리스트릭터(42)가 형성되어 있다. 또한, 중간 기판(40)에는 상부 기판(30)에 형성된 압력 챔버(32)에 대응하는 위치에 댐퍼(43)가 수직으로 관통 형성되어 있다. 그리고, 하부 기판(50)에는 상기 댐퍼(43)와 연결되는 노즐(51)이 형성되어 있다.
상기 잉크 도입구(31)를 통해 상기 매니폴드(41) 내로 유입된 잉크는 상기 리스트릭터(42)를 거쳐 상기 압력 챔버(32)로 유입된다. 그 후, 상기 압전 액츄에이터(60)가 작용하여 상기 압력 챔버(32)를 가압하면, 상기 압력 챔버(32) 내의 잉크는 상기 댐퍼(43)를 지나 상기 노즐(51)을 통해 분사된다. 여기서, 상기 리스트 릭터(42)는 상기 매니폴드(41)로부터 상기 압력 챔버(32)로 잉크를 공급하는 통로 역할을 할 뿐만 아니라, 잉크가 토출될 때 상기 압력 챔버(32)로부터 상기 매니폴드(41) 쪽으로 잉크가 역류하는 것을 억제하는 역할도 하게 된다.
그러나, 종래에는 상기 압전 액츄에이터(60)가 상기 압력 챔버(32)를 가압할 때, 상기 압력 챔버(32)에 전해지는 압력이 상기 리스트릭터(42)에도 전달되어, 인접한 리스트릭터들(42) 사이에 크로스토크(crosstalk) 현상이 발생된다. 크로스토크 현상이란, 잉크의 분사시에 인접한 리스트릭터들(42) 사이에 압력의 상호 간섭이 발생되어, 상기 노즐(51)을 통해 분사되는 잉크 방울의 크기가 불균일하게 되는 현상을 말한다. 상기 크로스토크 현상이 발생되면, 의도되지 않은 잉크가 분사되거나, 분사되어야 하는 양과 다르게 잉크가 분사되어, 인쇄 품질이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 매니폴드의 체적을 증가시킴으로써 리스크릭터 상호간의 크로스토크 현상을 저감시킬 수 있는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드는 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터; 상기 압전 액츄에이터가 상면에 설치되고, 잉크가 도입되는 잉크 도입구가 관통 형성되며, 토출될 잉크가 채워지는 압력 챔버와 상기 압력 챔버의 폭보다 작은 폭으로 상기 압력 챔버에서 연장되는 제 1 리스트릭터가 그 저면에 형성되는 상부 기판; 상기 잉크 도입구와 연결되어 유입된 잉크가 저장되는 매니폴드가 그 저면으로부터 소정 깊이로 형성되고, 상기 제 1 리스트릭터와 연계하여 상기 매니폴드로부터 상기 압력 챔버로 잉크가 유입되도록 하는 제 2 리스트릭터가 상기 제 1 리스트릭터와 연결 형성되며, 상기 압력 챔버의 타단부에 대응되는 위치에 댐퍼가 관통 형성된 중간 기판; 및 상기 댐퍼와 대응되는 위치에 잉크를 토출하기 위한 노즐이 관통 형성된 하부 기판;을 구비하며, 상기 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판은 순차적으로 적층되어 서로 접합되며, 모두 단결정 실리콘 기판으로 이루어진다.
상기 상부 기판은 제1 실리콘 기판과, 중간 산화막과, 제2 실리콘 기판이 순차 적층된 구조를 가진 SOI 웨이퍼로 이루어지고, 상기 제1 실리콘 기판에 상기 압력 챔버와 제 1 리스트릭터가 형성되며, 상기 제2 실리콘 기판이 상기 진동판으로서의 역할을 한다.
상기 중간 기판은 상기 매니폴드의 천정벽을 지지하는 적어도 하나의 지지기둥을 포함한다. 상기 적어도 하나의 지지기둥은 상기 매니폴드의 천정벽으로부터 돌출되고, 상기 하부 기판과 접하여 상기 매니폴드의 천정벽을 지지한다.
그리고, 상기 중간 기판은 인접한 리스트릭터 사이에 크로스토크를 감소시키기 위한 차단벽을 포함한다. 상기 차단벽은 상기 매니폴드의 천장벽으로부터 돌출되어 상기 하부 기판과 접한다.
상기 압력 챔버의 폭방향에 따른 상기 제 1 리스트릭터의 폭은 상기 제 2 리스트릭터의 폭보다 작게 형성되거나, 상기 제 2 리스트릭터의 폭보다 크게 형성될 수 있다.
상기 압력 챔버는 상기 매니폴드의 길이 방향으로 프린트 헤드 칩 양측에 2 열로 배열되고, 상기 매니폴드를 좌우로 분리시키기 위해 상기 매니폴드의 내부에는 그 길이 방향으로 격벽이 형성될 수 있다.
상기 압전 액츄에이터는; 상기 상부 기판 위에 형성되는 하부 전극과, 상기 하부 전극 위에 상기 압력 챔버의 상부에 위치하도록 형성되는 압전박막과, 상기 압전 박막 위에 형성되어 상기 압전 박막에 전압을 인가하기 위한 상부 전극을 포함한다.
본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법은 단결정 실리콘 기판으로 이루어진 상부 기판, 중간 기판 및 하부 기판을 준비하는 단계; 준비된 상기 상부 기판을 미세 가공하여, 잉크 도입구와 다수의 압력 챔버와 상기 압력 챔버와 연결되는 다수의 제 1 리스트릭터를 형성하는 상부 기판 가공 단계; 준비된 상기 중간 기판을 미세 가공하여, 상기 잉크 도입구와 연결되는 매니폴드를 상기 중간 기판의 저면으로부터 소정 깊이로 형성하고, 상기 매니폴드와 상기 다수의 제 1 리스트릭터 각각을 연결하는 다수의 제 2 리스트릭터를 상기 제 1 리스트릭터에 대응되는 위치에 형성하며, 상기 다수의 압력 챔버 각각의 타단부에 연결되는 다수의 댐퍼를 상기 중간 기판을 관통하도록 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 적층하여 접합시키는 단계; 및 상기 상부 기판 위에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터를 형성하는 단계;를 구비한다.
상기 기판 가공 단계 전에, 상기 세 개의 기판 각각에 상기 접합 단계에서의 정렬 기준으로 이용되는 베이스 마크를 형성하는 단계를 더 구비할 수 있다.
상기 상부 기판 가공 단계는, 상기 상부 기판의 저면을 소정 깊이로 건식 식각하여 상기 잉크 도입구와 상기 압력 챔버와 상기 제 1 리스트릭터를 형성할 수 있다. 상기 상부 기판 가공 단계에서, 상기 상부 기판으로서 제 1 실리콘 기판과, 중간 산화막과, 제 2 실리콘 기판이 순차 적층된 구조를 가진 SOI 웨이퍼를 사용하며, 상기 중간 산화막을 식각 정지층으로 하여 상기 1 실리콘 기판을 건식 식각함으로써 상기 잉크 도입구와 상기 압력 챔버와 상기 제 1 리스트릭터를 형성할 수 있다.
상기 중간 기판 가공 단계는, 상기 중간 기판의 저면에 소정 패턴의 제 1 식각 마스크를 형성하는 단계와, 상기 제 1 식각 마스크를 이용하여 상기 중간 기판의 저면을 소정 깊이로 식각함으로써, 상기 매니폴드와 상기 댐퍼의 하부를 형성하는 단계와, 상기 중간 기판의 상면에 소정 패턴의 제 2 식각 마스크를 형성하는 단계와, 상기 제 2 식각 마스크를 이용하여 상기 중간 기판의 상면을 소정 깊이로 식각함으로써, 상기 댐퍼의 하부와 연결되는 상기 댐퍼의 상부와 제 2 리스트릭터를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 중간 기판의 식각은 유도결합 플라즈마(ICP)에 의한 건식 식각에 의해 수행될 수 있다.
상기 하부 기판 가공 단계는, 상기 하부 기판의 상면을 소정 깊이로 식각하여 상기 댐퍼와 연결되는 잉크 유도부를 형성하는 단계와, 상기 하부 기판의 저면 을 식각하여 상기 잉크 유도부와 연결되는 잉크 토출구를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 접합 단계에서, 상기 세 개의 기판 사이의 접합은 실리콘 직접 접착(SDB) 방법에 의해 수행될 수 있다.
상기 압전 액츄에이터 형성 단계 전에, 상기 상부 기판 위에 실리콘 산화막을 형성하는 단계를 더 구비할 수 있다.
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 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 의하면, 중간 기판의 저면을 가공하여 매니폴드를 형성하고 이를 압력 챔버의 하부에 설치함으로써 매니폴드의 폭을 용이하게 증가시킬 수 있다. 따라서, 매니폴드의 체적이 증가되어 다수 노즐에서 동시에 잉크가 토출될 때 인접한 리스트릭터 사이에 발생되는 크로스토크가 저감될 수 있는 효과가 있다. 또한, 매니폴드의 단면적이 증가되어 재충전 과정에서 잉크 공급 유량이 증대되므로 고주파수의 토출 시에도 안정적인 작동이 가능한 장점이 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 프린트 헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 압력 챔버의 길이 방향으로 절단한 본 발명에 따른 프린트 헤드의 조립상태의 부분 단면도이며, 도 7은 도 6에 표시된 A-A선을 따라 절단한 부분 사시도이다.
도 5 내지 도 7을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드는 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 정밀하고 용이하게 형성할 수 있다.
상기한 잉크 유로는, 도시되지 않은 잉크 컨테이너로부터 잉크가 도입되는 잉크 도입구(110)와, 잉크 도입구(110)를 통해 유입된 잉크가 저장되는 매니폴드(210)와, 매니폴드(210)로부터 압력 챔버(120)로 잉크를 공급하기 위한 리스트릭터(130, 220)와, 토출될 잉크가 채워지며 잉크를 토출시키기 위한 압력 변화를 발생시키는 압력 챔버(120)와, 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)와 제 1 리스트릭터(130)가 형성되고, 그 일측에는 관통된 잉크 도입구(110)가 형성된다. 상기 압력 챔버(120)는 잉크의 흐름 방향으로 보다 긴 직육면체의 형상으로 되어 있으며, 중간 기판(200)에 형성되는 매니폴드(210)의 길이 방향으로 프린트 헤드 칩 양측에 2 열로 배열되어 있다. 그러나, 상기 압력 챔버(120)는 상기 매니폴드(210)의 길이 방향으로 프린트 헤드 칩 일측에 1 열로만 배열될 수도 있다. 상기 제 1 리스트릭터(130)는 제 2 리스트릭터(220)과 연계하여, 상기 매니폴드(210)로부터 상기 압력 챔버(120)로 잉크를 유입시키는 통로가 된다. 상기 제 1 리스트릭터(130)는 상기 압력 챔버(120)의 폭보다 작은 폭으로 상기 압력 챔버(120)에서 연장되어, 상기 제 2 리스트릭터(220)와 연결된다.
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㎛ 정도이 다. 제2 실리콘 기판(103)도 실리콘 단결정으로 이루어지며, 그 두께는 대략 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 휨변형됨으로써 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 마련된다. 그리고, 상부 기판(100)과 압전 액츄에이터(190) 사이에는 절연막으로서 실리콘 산화막(180)이 형성된다. 압전 액츄에이터(190)는 공통 전극의 역할을 하는 하부 전극(191, 192)과, 전압의 인가에 따라 변형되는 압전박막(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 압전박막(193)과 그 아래의 상부 기판(100) 사이의 상호 확산(inter-diffusion)을 방지하는 확산방지층(diffusion barrier layer)의 역할도 하게 된다. 압전박막(193)은 하부 전극(191, 192) 위에 형성되며, 압력 챔버(120)의 상부에 위치하도록 배치된다. 압전박막(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 휨변형시키는 역할을 하게 된다. 상부 전극(194)은 압전박막(193) 위에 형성되며, 압전박막(193)에 전압을 인가하는 구동 전극의 역할을 하게 된다.
상기 중간 기판(200)에는 상기 잉크 도입구(110)와 연결되어 상기 잉크 도입구(110)를 통해 유입된 잉크를 다수의 압력 챔버(120)에 공급하는 공통 유로인 매니폴드(210)가 형성된다. 상기 매니폴드(210)는 중간 기판(200)의 저면으로부터 소정 깊이만큼 형성되고, 이에 따라 매니폴드(210)의 상부에는 소정 두께의 천정벽(217)이 잔존된다. 즉, 상기 매니폴드(210)의 하단은 하부 기판(300)에 의해 한정되고, 그 상단은 중간 기판(200)의 잔존된 부분인 상기 천정벽(217)에 의해 한정된다. 그리고, 상술한 바와 같이, 상기 압력 챔버(120)가 상기 매니폴드(210)의 길이 방향으로 프린트 헤드칩 양측에 2 열로 배열되면, 상기 매니폴드(210)의 내부에 그 길이방향으로 격벽(215)을 형성하여 상기 매니폴드(210)를 좌우로 분리시킨 것이 잉크의 원활한 흐름과 상기 매니폴드(210) 양측의 상기 압전 액츄에이터(190)를 구동시킬 때 상호간의 크로스토크(cross[-]talk)를 방지하는 데 있어서 바람직하다.
상기 중간 기판(200)에는 상기 매니폴드(210)와 상기 제 1 리스트릭터(130)를 연결하는 개별 유로인 제 2 리스트릭터(220)가 형성된다. 상기 제 2 리스트릭터(220)는 상기 격벽(215)과 소정의 거리를 두고 중간 기판(200)을 수직으로 관통하도록 형성되며, 그 출구는 상기 제 1 리스트릭터(130)와 연통되도록 형성된다. 상기 제 2 리스트릭터(220)는 상기 제 1 리스트릭터(130)와 연계하여, 상기 매 니폴드(210)로부터 상기 압력 챔버(120)로 적정 량의 잉크를 공급하는 역할 뿐만 아니라, 잉크가 토출될 때 상기 압력 챔버(120)로부터 상기 매니폴드(210)쪽으로 잉크가 역류하는 것을 억제하는 역할도 하게 된다.
그리고, 상기 중간 기판(200)에는 상기 압력 챔버(120)의 타단부에 대응되는 위치에 상기 압력 챔버(120)와 노즐(310)을 연결하는 댐퍼(230)가 수직으로 관통 형성된다.
본 발명에서는 상기 압력 챔버(120)에서 연장되는 상기 제 1 리스트릭터(130)가 상기 상부 기판(100)에 형성되고, 상기 제 2 리스트릭터(220)가 상기 제 1 리스트릭터(130)와 대응되는 상기 중간 기판(200) 상의 위치에 형성된다. 상기와 같은 구조에 의해, 제 1 및 제 2 리스트릭터(130, 220)를 상기 중간 기판(200)의 중앙부 부근에 형성할 수 있어, 상기 중간 기판(200)에는 상기 매니폴드(210)를 확장 설계할 수 있는 공간이 확보된다. 다시 말하면, 상기 매니폴드(210)는 일측면이 상기 격벽(215)으로 이루어지고, 타측면이 상기 댐퍼(230)와 소정의 간격으로 벽을 형성할 수 있는데, 상기 댐퍼(230)와의 간격으로 형성되는 벽의 두께가 종래에 비해 감소될 수 있다. 따라서, 상기 매니폴드(210)의 폭이 종래에 비해 크게 증가될 수 있다.
상기와 같이, 상기 매니폴드(210)의 폭이 증가되면 이에 따라 체적이 증가되어, 인접한 리스트릭터(130, 220) 상호간의 크로스토크가 감소될 수 있다. 상세히 설명하면, 잉크 분사시에 상기 압전 액츄에이터(190)에 의해 상기 압력 챔버(120) 내부에 수용되어 있는 잉크에 압력이 가해지면, 상기 압력은 상기 압력 챔버(120) 와 연결되어 있는 상기 리스트릭터(130, 220) 내부의 잉크에도 전해지게 된다. 그러면, 상기 압력은 상기 리스트릭터(130, 220)가 연결되어 있는 상기 매니폴드(210)로 전해지게 되어, 인접한 리스트릭터(130, 220) 상호간의 크로스토크를 발생시키는 원인이 될 수 있다. 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드에서는 상기 매니폴드(210)의 체적이 증가되어 상기 매니폴드(210) 내부에 수용될 수 있는 잉크의 용량이 증가하게 된다. 따라서, 상기 매니폴드(210) 내부 잉크의 단위체적에 대한 상기 리스트릭터(130, 220)를 통해 전해지는 압력의 크기가 감소하게 되므로, 상기 압력의 분산 흡수 효과가 발생된다. 상기와 같이, 압력의 분산 흡수 효과가 발생됨으로써, 상기 리스트릭터(130, 220)에 영향을 미치는 압력의 크기가 감소하게 되어, 인접한 리스트릭터(130, 220) 상호간의 크로스토크가 감소될 수 있다.
또한, 상기와 같이, 상기 매니폴드(210)의 폭이 커지면 단면적이 증가되어 고주파수에서도 잉크 토출이 원활하게 작동할 수 있다. 상세히 설명하면, 상기 노즐(310)에서 잉크 액적이 토출된 후, 상기 압전박막(193)의 복원에 따라 상기 압력 챔버(120) 내의 압력 감소에 의해 잉크 컨테이너(미도시)에 저장되어 있는 잉크가 상기 매니폴드(210)과 상기 리스트릭터(130, 220)를 통해 상기 압력 챔버(120) 내로 유입되어 토출된 양만큼의 잉크를 보충하는 재충전 과정에 있어서, 상기 매니폴드(210)의 단면적이 증가되면 잉크 점성에 의해 상기 매니폴드(210)의 벽면으로부터 잉크에 작용하는 유동 저항이 감소되므로, 상기 매니폴드(210)을 통해 공급되는 잉크 유량은 증대된다. 상기와 같이 상기 매니폴드(210)의 폭의 증대를 통해, 잉크 토출 횟수가 많은 고주파수 토출시에도 잉크 공급이 원활하게 구현되므로 잉크 토 출이 안정적으로 구현될 수 있다.
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 가압 유도하는 잉크 유도부(311)로 이루어져 있다. 잉크 토출구(311)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(130, 220), 압력 챔버(120), 댐퍼(230) 및 노즐(310)이 차례대로 연결되어 이루어진 잉크 유로가 형성된다.
이러한 구성을 가진 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드의 작동을 설명하면 다음과 같다. 잉크 컨테이너(미도시)로부터 잉크 도입구(110)를 통해 매니폴드(210) 내부로 유입된 잉크는 리스트릭터(130, 220)를 통해 압력 챔버(120) 내부로 공급된다. 압력 챔버(120) 내부에 잉크가 채워진 상태에서, 압전 액츄에이 터(190)의 상부 전극(194)을 통해 압전박막(193)에 전압이 인가되면 압전박막(193)은 변형되며, 이에 따라 진동판 역할을 하는 상부 기판(100)의 제2 실리콘 기판(103)은 아래쪽으로 휘어지게 된다. 제2 실리콘기판(103)의 휨변형에 의해 압력 챔버(120)의 부피가 감소하게 되고, 이에 따른 압력 챔버(4) 내의 압력 상승에 의해 압력챔버(120) 내의 잉크는 댐퍼(230)를 거쳐 노즐(310)을 통해 외부로 토출된다.
이어서, 압전 액츄에이터(190)의 압전박막(193)에 인가되던 전압이 차단되면압전박막(193)은 원상 복원되고, 이에 따라 진동판 역할을 하는 제2 실리콘 기판(103)이 원상으로 복원되면서 압력 챔버(120)의 부피가 증가하게 된다. 이에 따른 압력 챔버(120) 내의 압력 감소에 의해 잉크 컨테이너(미도시)에 저장되어 있는 잉크가 매니폴드(210)과 리스트릭터(130, 220)를 통해 압력 챔버(120) 내로 유입되어 압력 챔버(120)에는 토출된 양만큼의 잉크가 보충된다.
도 8은 도 7에 도시된 압력 챔버와 리스트릭터에 대한 평면도이고, 도 9는 본 발명에 따른 프린트 헤드에 적용되는 압력 챔버와 리스트릭터에 대한 다른 실시예를 나타내는 평면도이며, 도 10은 본 발명에 다른 프린트 헤드에 적용되는 압력 챔버와 리스트릭터에 대한 또 다른 실시예를 나타내는 평면도이다.
도 8 내지 도 10을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 프린트 헤드의 상부 기판(100)은 압력 챔버(120)와, 상기 압력 챔버(120)와 연결된 제 1 리스트릭터(130)를 구비하고, 중간 기판(200)은 상기 제 1 리스트릭터(130)와 연결되는 제 2 리스트릭터(220)를 구비한다.
도 8에서 도시된 실시예에서는, 상기 압력 챔버(120)의 폭방향에 따른 상기 제 2 리스트릭터(220)의 폭이 상기 제 1 리스트릭터(130)의 폭보다 작게 형성되어 있다. 따라서, 상기 상부 기판(100)과 상기 중간 기판(200) 사이에 정렬 오차가 발생하더라도, 상기 제 2 리스트릭터(220)의 출구가 상기 제 1 리스트릭터(130) 방향으로 완전히 개방될 수 있다.
도 9에서 도시된 실시예에서는, 상기 압력 챔버(120)의 폭방향에 따른 상기 제 2 리스트릭터(220)의 폭이 상기 제 1 리스트릭터(130)의 폭보다 크게 형성되어 있다. 따라서, 상기 상부 기판(100)과 상기 중간 기판(200) 사이에 정렬 오차가 발생하더라도, 상기 제 2 리스트릭터(220)의 출구는 상기 제 1 리스트릭터(130)의 대응 폭만큼 항상 개방될 수 있게 된다.
도 10에서 도시된 실시예에서는, 상기 압력 챔버(120)의 폭방향에 따른 상기 제 2 리스트릭터(220)의 폭이 증가되어 있고, 동일방향에 따른 상기 제 1 리스트릭터(130)의 폭도 상기 제 2 리스트릭터(220)의 증가된 폭보다 크게 형성되어 있다. 따라서, 상기 상부 기판(100)과 상기 중간 기판(200) 사이에 정렬 오차가 발생하더라도, 상기 제 2 리스트릭터(220)의 출구가 항상 개방될 수 있게 된다.
상기에서 제시된 실시예 이외에도, 상기 제 2 리스트릭터(220)의 출구가 상기 제 1 리스트릭터(130) 방향으로 요구되는 면적만큼 개방될 수 있는 다양한 실시예가 제안될 수 있음을 밝혀 둔다.
도 11은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 다른 실시예를 압력 챔버의 길이 방향으로 절단한 부분 단면도이고, 도 12는 도 11에서 도시된 중간기판의 매니폴드를 나타내는 저면사시도이며, 도 13은 도 12에서 표시된 B에 대한 평면도이다.
도 11 내지 도 13을 함께 참조하면, 본 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 중간 기판(200)은 상기 매니폴드(210) 내부에 지지기둥(250)과, 차단벽(260)을 구비한다.
상기 지지기둥(250)은 상기 매니폴드(210)의 천정벽(217)을 지지하는 지지물이 된다. 상세히 설명하면, 상기 매니폴드(210)의 체적이 확대됨에 따라 압력 챔버(120)로부터 전달되는 압력에 의해 상기 매니폴드(210)의 천정벽(217)의 변형이 발생될 수 있는데, 상기 지지기둥(250)이 상기 매니폴드(210)의 천정벽(217)을 지지하여, 상기와 같은 변형 가능성을 해소할 수 있다. 상기 지지기둥(250)은 상기 매니폴드(210)의 천정벽(217)으로부터 돌출되어 형성되고, 하부 기판(300)에 접하여 상기 매니폴드(210)의 천정벽(217)을 지지하게 된다.
여기서, 상기 지지기둥(250)은 상기 매니폴드(210)의 천정벽(217)에 대한 지지 기능을 효율적으로 수행할 수 있도록, 상기 매니폴드(210) 내부에 다수개가 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 지지기둥(250)은 상기 매니폴드(210) 내부의 잉크 유동을 방해하지 않는 형상과 배치를 이루는 것이 바람직하다.
상기 차단벽(260)은 제 2 리스트릭터(230) 상호간의 크로스토크를 감소시키기 위한 차단물이 된다. 상세히 설명하면, 상기 차단벽(260)은 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 리스트릭터(230) 사이에 형성되어, 상기 제 2 리스트릭터(230)를 통해 전달되는 압력이 상호간에 미치는 영향을 감소시키게 된다. 따라서, 인접한 제 2 리스트릭터(230) 사이에 발생되는 크로스토크가 감소될 수 있게 된다.
여기서, 상기 차단벽(260)은 상기 제 2 리스트릭터(230) 상호간의 간섭을 효 과적으로 감소시킬 수 있도록, 상기 제 2 리스트릭터(230)의 길이에 비해 충분히 길게 형성되는 것이 바람직하다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드를 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 프린트 헤드가 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 14a 내지 도 14e는 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드의 바람직한 제조방법에 있어서 상부 기판에 베이스 마크를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, 도 14a을 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㎛ 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. 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 14b에 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 14c에 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 14d에 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)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 실리콘산화막(151a, 151b)의 제거와 함께 세척하기 위한 것이다.
이로써, 도 14e에 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 15a 내지 도 15g는 상부 기판에 압력 챔버와 제 1 리스트릭터를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, 도 15a에 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 15b에 도시된 바와 같이, 상부 기판(100)의 저면에 형성된 실리콘 산화막(152b) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스 트(PR)를 현상하여 상부 기판(100)의 저면에 소정 깊이의 압력 챔버와 제 1 리스트릭터를 형성하기 위한 개구부(121)를 형성한다.
다음으로, 도 15c에 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(152)은 건식 식각이 아니라 습식 식각에 의해 제거될 수도 있다.
다음에는, 도 15d에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 상부 기판(100)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 소정 깊이 식각함으로써, 압력 챔버(120)와 제 1 리스트릭터(130)를 형성한다. 이때, 상부 기판(100)의 식각은 ICP(Inductively Coupled Plasma)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 정치층(etch stop layer)의 역할을 하게 되므로, 이 단계에서는 제1 실리콘 기판(101)만 식각된다. 따라서, 제1 실리콘 기판(101)의 두께를 조절하게 되면 압력 챔버(120)와 제 1 리스트릭터(130)를 원하는 높이로 정확하게 맞출 수 있게 된다. 그리고, 제1 실리콘 기판(101)의 두께는 웨이퍼 연마 공정에서 쉽게 조절할 수 있다. 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)와 제 1 리스트릭터(130)가 형성된 후에, 포토레지스트(PR)를 스트립하면, 도 15e에 도시된 바와 같은 상태의 상부 기판(100)이 준비된다. 그런데, 이와 같은 상태에서는 전술한 습식 식각이나 RIE 또는 ICP에 의한 건식 식각 과정에서 발생되는 부산물이나 폴리머 등의 이물질이 상부 기판(100)의 표면에 부착되어 있을 수 있다. 따라서, 이들 이물질을 제거하기 위해 TMAH를 사용하여 상부 기판(100) 전표면을 세척하는 것이 바람직하다. 또한, 잔존된 실리콘 산화막(152a, 152b)도 습식 식각에 의해 제거할 수 있다.
이로써, 도 15f에 도시된 바와 같이, 상면과 저면 가장자리 부근에 베이스 마크(140)가 형성되고 그 저면에 압력 챔버(120)와 제 1 리스트릭터(130)가 형성된 상태의 상부 기판(100)이 준비된다.
위에서는, 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 상부 기판(100)을 건식 식각하여 압력 챔버(120)와 제 1 리스트릭터(130)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)와 제 1 리스트릭터(130)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)와 제 1 리스트릭터(130)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 15g에 도시된 바와 같이, 도 15f에 도시된 상태의 상부 기판 (100)의 상면과 저면에 다시 실리콘 산화막(153a, 153b)을 형성할 수 있다. 이와 같이, 실리콘 산화막(153a, 153b)을 형성하게 되면, 후술하는 도 20a의 단계에서 상부 기판(100) 상에 절연막으로서 실리콘 산화막(180)을 형성하는 단계를 생략할 수 있다. 또한, 잉크 유로를 형성하는 압력 챔버(120)와 제 1 리스트릭터(130)의 내면에 실리콘 산화막(153b)이 형성되면, 실리콘 산화막(153b)의 특성상 거의 모든 종류의 잉크와 반응성이 없으므로 다양한 잉크를 사용할 수 있게 된다.
도 16a 내지 도 16d는 상부 기판에 잉크 도입구를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 16a를 참조하면, 잉크 도입구(110)는 도 15a 내지 도 15g에 도시된 단계를 거쳐 압력 챔버(120)와 함께 형성될 수 있다.
다음에, 도 16b에 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 16c에 도시된 바와 같이, 상기 개구부(111)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(152a)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 RIE(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 16d에 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(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. 잔존된 중간 산화막(102)는 전술한 바와 같이 후가공을 통해 제거되고, 이에 따라 잉크 도입구(110)는 관통된다.
이 후에는 전술한 바와 같이 도 15f와 도 15g의 단계를 거쳐 상부 기판(100)이 완성될 수 있다.
한편, 상부 기판에 잉크 도입구를 형성하는 단계는 압전 액츄에이터의 형성 단계가 완료된 후에 수행될 수 있다. 즉, 잉크 도입구(도 5의 110)의 하부 일부는 도 15a 내지 도 15g에 도시된 단계를 거쳐 압력 챔버(120)와 함께 형성된다. 즉, 도 15e에 도시된 단계에 이르면, 상부 기판(100)의 저면에는 소정 깊이의 압력 챔버(120)와 함께 이와 같은 깊이의 잉크 도입구(110) 일부가 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 있도록 형성된다. 즉, 상기 잉크 도입구(100)의 관통은 압전 액츄에이터의 형성 단계가 완료된 후에 수행될 수 있다.
도 17a 내지 도 17h는 중간 기판에 제 2 리스트릭터, 매니폴드, 댐퍼를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 17a를 참조하면, 중간 기판(200)은 단결정 실리콘 기판으로 이루어지며, 그 두께는 대략 200 ~ 300㎛ 정도이다. 중간 기판(200)의 두께는 그 상면에 형성되는 매니폴드(도 5의 210)의 깊이와 관통 형성되는 댐퍼(도 5의 230)의 길이에 따라 적절하게 정해질 수 있다.
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 14a 내지 도 14e에 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 17a에 도시된 바와 같이 중간 기판(200)의 상면과 저면이 산화되어 실리콘 산화막(251a, 251b)이 형성된다.
다음에, 도 17b에 도시된 바와 같이, 중간 기판(200)의 저면에 형성된 실리콘 산화막(251b) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 현상하여 중간 기판(200)의 저면에 매니폴드를 형성하기 위한 개구부(211)와 댐퍼를 형성하기 위한 개구부(231)를 형성한다.
다음으로, 도 17c에 도시된 바와 같이, 상기 개구부(211, 231)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(251b)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 습식 식각하여 제거함으로써 중간 기판(200)의 저면을 부분적으로 노출한 뒤, 포토레지스 트(PR)를 스트립한다. 이때, 실리콘 산화막(251b)은 습식 식각이 아니라 RIE(Reactive Ion Etching; 반응성 이온 식각)와 같은 건식 식각에 의해 제거될 수도 있다.
다음에는, 도 17d에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 중간 기판(200)을 실리콘 산화막(251b)을 식각 마스크로 하여 소정 깊이로 습식 식각함으로써, 매니폴드(210)와 댐퍼의 하부(232)를 형성한다. 이때, 중간 기판(200)의 습식 식각에서는 실리콘용 에칭액(etchant)으로서, 예컨대 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide)를 사용한다.
그 다음에, 도 17e에 도시된 바와 같이, 중간 기판(200)의 상면에 형성된 실리콘 산화막(251a) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스트(PR)를 현상하여 중간 기판(200)의 상면에 제 2 리스트릭터를 형성하기 위한 개구부(221)와 댐퍼의 상부를 형성하기 위한 개구부(233)를 형성한다.
그 다음으로, 도 17f에 도시된 바와 같이, 상기 개구부(221, 233)를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막(251a)을 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 습식 식각하여 제거함으로써 중간 기판(200)의 상면을 부분적으로 노출한 뒤, 포토레지스트(PR)를 스트립한다. 이때, 실리콘 산화막(251a)은 습식 식각이 아니라 RIE와 같은 건식 식각에 의해 제거될 수도 있다.
그 다음에는, 도 17g에 도시된 바와 같이, 노출된 부위의 중간 기판(200)을 실리콘 산화막(251a)을 식각 마스크로 하여 소정 깊이로 습식 식각함으로써, 제 2 리스트릭터(220)와 도 17d의 댐퍼의 하부와 관통되어 형성되는 댐퍼(230)를 형성한 다.
이어서, 잔존된 실리콘 산화막(251a, 251b)을 습식 식각에 의해 제거하면, 도 17h에 도시된 바와 같이, 베이스 마크(240), 제 2 리스트릭터(220), 매니폴드(210), 격벽(215) 및 댐퍼(230)가 형성되어 있는 상태의 중간 기판(200)이 준비된다.
한편, 도시되지는 않았지만 도 17h에 도시된 상태의 중간 기판(200)의 상면과 저면 전체에 다시 실리콘 산화막을 형성할 수 있다.
도 18a 내지 도 18h는 하부 기판에 노즐을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 18a을 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 14a 내지 도 14e에 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 18a에 도시된 바와 같이 하부 기판(300)의 상면과 저면이 산화되어 실리콘 산화막(351a, 351b)이 형성된다.
다음에, 도 18b에 도시된 바와 같이, 하부 기판(300)의 상면에 형성된 실리콘 산화막(351a) 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한다. 이어서, 도포된 포토레지스 트(PR)를 현상하여 하부 기판(300)의 상면에 노즐의 잉크 유도부를 형성하기 위한 개구부(315)를 형성한다. 상기 개구부(315)는 도 17h에 도시된 중간 기판(200)에 형성된 댐퍼(230)에 대응되는 위치에 형성된다.
다음으로, 도 18c에 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 RIE와 같은 건식 식각에 의해 제거될 수도 있다.
다음에는, 도 18d에 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)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 18e에 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 위 한 개구부(316)를 형성한다.
다음으로, 도 18f에 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 RIE와 같은 건식 식각에 의해 제거될 수도 있다.
다음에는, 도 18g에 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 ICP에 의한 건식 식각법에 의해 수행될 수 있다.
이어서, 포토레지스트(PR)를 스트립하면, 도 18h에 도시된 바와 같이, 상면과 저면 가장자리 부근에 베이스마크(340)가 형성되고, 잉크유입구(311)와 잉크 토출구(312)로 이루어진 노즐(310)이 관통 형성된 상태의 하부기판(300)이 준비된다.
한편, 하부 기판(300)의 상면과 저면에 형성되어 있는 실리콘 산화막(351a, 351b)은 세척을 위해 제거될 수 있으며, 이어서 하부 기판(300)의 전 표면에 새로운 실리콘 산화막을 다시 형성할 수도 있다.
도 19는 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판을 순차 적층하여 접합하는 단계를 보여주는 단면도이다.
도 19를 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 기 판(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) 방법에 의해 수행될 수 있다. 한편, SDB 공정에 있어서, 실리콘과 실리콘 사이의 접합성보다 실리콘과 실리콘 산화막 사이의 접합성이 우수하다. 따라서, 바람직하게는, 도 19에 도시된 바와 같이, 상부 기판(100)과 하부 기판(300)은 그 표면에 각각 실리콘 산화막(153a, 153b, 351a, 351b)이 형성되어 있는 상태로 사용되고, 중간 기판(200)은 그 표면에 실리콘 산화막이 형성되어 있지 않은 상태로 사용된다.
도 20a 및 도 20b는 상부 기판 위에 압전 액츄에이터를 형성하여 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드를 완성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, 도 20a를 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 19에 도시된 바와 같이 상부 기판(100)의 상면에 이미 실리콘 산화막(153a)이 형성되어 있는 경우, 또는 전술한 SDB 공정에서의 어닐링(annealing) 단계에서 상부 기판(100)의 상면에 충분한 두께의 산화막이 이미 형성된 경우에는, 다시 그 위에 절연막으로서 도 20a에 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 압전박막(도 20b의 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 20b에 도시된 바와 같이, 하부 전극(191, 192) 위에 압전박막(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 압전박막(193) 위에 전극 재료, 예컨대 Ag-Pd 페이스트를 프린팅한다. 다음으로, 압전박막(193)을 소정 온도, 예컨대 900 ~ 1,000℃ 에서 소결시킨다. 이때, 압전박막(193)의 고온 소결과정에서 발생할 수 있는 압전박막(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, 압전박막(193)과, 상 부 전극(194)으로 이루어진 압전 액츄에이터(190)가 형성된다.
한편, 압전박막(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, 압전박막(193)에 전계를 가하여 압전특성을 발생시키는 폴링(polling) 공정을 거치게 되면, 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드가 완성된다. 한편, 다이싱은 상기한 압전박막(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 프린트 헤드의 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.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 의하면, 중간 기판의 저면을 가공하여 매니폴드를 형성하고 이를 압력 챔버의 하부에 설치함으로써 매니폴드의 폭을 용이하게 증가시킬 수 있다. 따라서, 매니폴드의 체적이 증가하여 내부에 수용되는 잉크의 양이 증가하게 되어 리스트릭터를 통해 매니폴드 내부로 전해지는 압력이 분산 흡수된다. 따라서, 다수 노즐에서 동시에 잉크가 토출될 때 인접한 리스트릭터 사이에 발생되는 크로스토크가 저감될 수 있는 효과가 있다. 또한, 매니폴드의 폭이 커지면 단면적이 증가되고 이에 따라 매니폴드의 유동 저항이 감소되므로, 분사된 잉크량 만큼을 재충전 하는 과정에서 잉크 공급 유량이 증대되므로 고주파수의 토출 시에도 안정적인 작동이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 매니폴드가 천정벽을 사이에 두고 압력 챔버와 제1리스트릭터의 하부에 설치되므로, 프린트 헤드의 칩 크기를 좌우하는 기판상의 평면 배치에 있어서 매니폴드의 폭 만큼을 절감할 수 있으므로, 웨이퍼당 얻을 수 있는 칩 수가 증가되어 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (22)

  1. 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터;
    상기 압전 액츄에이터가 상면에 설치되고, 잉크가 도입되는 잉크 도입구가 관통 형성되며, 토출될 잉크가 채워지는 압력 챔버와 상기 압력 챔버의 폭보다 작은 폭으로 상기 압력 챔버에서 연장되는 제 1 리스트릭터가 그 저면에 형성되는 상 부 기판;
    상기 잉크 도입구와 연결되어 유입된 잉크가 저장되는 매니폴드가 그 저면으로부터 소정 깊이로 형성되고, 상기 제 1 리스트릭터와 연계하여 상기 매니폴드로부터 상기 압력 챔버로 잉크가 유입되도록 하는 제 2 리스트릭터가 상기 제 1 리스트릭터와 연결 형성되며, 상기 압력 챔버의 타단부에 대응되는 위치에 댐퍼가 관통 형성된 중간 기판; 및
    상기 댐퍼와 대응되는 위치에 잉크를 토출하기 위한 노즐이 관통 형성된 하부 기판;을 구비하며,
    상기 하부 기판, 중간 기판 및 상부 기판은 순차적으로 적층되어 서로 접합되며, 모두 단결정 실리콘 기판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간 기판에 형성된 상기 매니폴드의 천정벽의 일부가 상기 상부 기판에 설치된 압력 챔버의 저면을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 기판은 제1 실리콘 기판과, 중간 산화막과, 제2 실리콘 기판이 순차 적층된 구조를 가진 SOI 웨이퍼로 이루어지고, 상기 제1 실리콘 기판에 상기 압 력 챔버와 제 1 리스트릭터가 형성되며, 상기 제2 실리콘 기판이 상기 진동판으로서의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간 기판은 상기 매니폴드의 천정벽을 지지하는 적어도 하나의 지지기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 지지기둥은 상기 매니폴드의 천정벽으로부터 돌출되어 상기 하부 기판과 접하여 상기 매니폴드의 천정벽을 지지하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간 기판은 인접한 리스트릭터 사이에 크로스토크를 감소시키기 위한 차단벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 차단벽은 상기 매니폴드의 천장벽으로부터 돌출되어 상기 하부 기판과 접하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 챔버의 폭방향에 따른 상기 제 1 리스트릭터의 폭은 상기 제 2 리스트릭터의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 챔버의 폭방향에 따른 상기 제 1 리스트릭터의 폭은 상기 제 2 리스트릭터의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 챔버는 상기 매니폴드의 길이 방향으로 프린트 헤드 칩 양측에 2 열로 배열된 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 매니폴드를 좌우로 분리시키기 위해 상기 매니폴드의 내부에는 그 길이 방향으로 격벽이 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터는; 상기 상부 기판 위에 형성되는 하부 전극과, 상기 하부 전극 위에 상기 압력 챔버의 상부에 위치하도록 형성되는 압전박막과, 상기 압전 박막 위에 형성되어 상기 압전 박막에 전압을 인가하기 위한 상부 전극을 포 함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드.
  13. 단결정 실리콘 기판으로 이루어진 상부 기판, 중간 기판 및 하부 기판을 준비하는 단계;
    준비된 상기 상부 기판을 미세 가공하여, 잉크 도입구와 다수의 압력 챔버와 상기 압력 챔버와 연결되는 다수의 제 1 리스트릭터를 형성하는 상부 기판 가공 단계;
    준비된 상기 중간 기판을 미세 가공하여, 상기 잉크 도입구와 연결되는 매니폴드를 상기 중간 기판의 저면으로부터 소정 깊이로 형성하고, 상기 매니폴드와 상기 다수의 제 1 리스트릭터 각각을 연결하는 다수의 제 2 리스트릭터를 상기 제 1 리스트릭터에 대응되는 위치에 형성하며, 상기 다수의 압력 챔버 각각의 타단부에 연결되는 다수의 댐퍼를 상기 중간 기판을 관통하도록 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 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 프린트 헤드의 제조방법.
  14. 제 13 항에 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 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 상부 기판 가공 단계는, 상기 상부 기판의 저면을 소정 깊이로 건식 식각하여 상기 잉크 도입구와 상기 압력 챔버와 상기 제 1 리스트릭터를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 상부 기판 가공 단계에서, 상기 상부 기판으로서 제 1 실리콘 기판과, 중간 산화막과, 제 2 실리콘 기판이 순차 적층된 구조를 가진 SOI 웨이퍼를 사용하며, 상기 중간 산화막을 식각 정지층으로 하여 상기 1 실리콘 기판을 건식 식각함으로써 상기 잉크 도입구와 상기 압력 챔버와 상기 제 1 리스트릭터를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 중간 기판 가공 단계는,
    상기 중간 기판의 저면에 소정 패턴의 제 1 식각 마스크를 형성하는 단계와,
    상기 제 1 식각 마스크를 이용하여 상기 중간 기판의 저면을 소정 깊이로 식각함으로써, 상기 매니폴드와 상기 댐퍼의 하부를 형성하는 단계와,
    상기 중간 기판의 상면에 소정 패턴의 제 2 식각 마스크를 형성하는 단계와,
    상기 제 2 식각 마스크를 이용하여 상기 중간 기판의 상면을 소정 깊이로 식각함으로써, 상기 댐퍼의 하부와 연결되는 상기 댐퍼의 상부와 제 2 리스트릭터를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 중간 기판의 식각은 유도결합 플라즈마(ICP)에 의한 건식 식각에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 하부 기판 가공 단계는,
    상기 하부 기판의 상면을 소정 깊이로 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 프린트 헤드의 제조방법.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 접합 단계에서, 상기 세 개의 기판 사이의 접합은 실리콘 직접 접착(SDB) 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터 형성 단계 전에, 상기 상부 기판 위에 실리콘 산화막을 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
  22. 제 13 항에 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 프린트 헤드의 제조방법.
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