KR20060105566A - 압전부재, 액체분사 헤드 및 액체분사 장치 - Google Patents

압전부재, 액체분사 헤드 및 액체분사 장치 Download PDF

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Abstract

낮은 구동 전압에서 큰 스트레인을 얻을 수 있는 압전부재와, 액체분사 헤드 및 액체분사 장치가 개시된다. 압전부재는: 하부 전극과; 상부 전극; 그리고, 납 지르코네이트 타이타네이트(PZT)로 이루어지고, (100) 면이 우선적으로 방향성이 규정되는 페로브스카이트 결정을 가지는 압전 필름을 포함하며, 상기 압전 필름은 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극의 사이에 개입된다. 압전부재에서, 압전 필름의 (100) 면으로부터 나온 X-선 회절 피크 위치는 2Θ=21.79 내지 21.88의 범위 내이다.

Description

압전부재, 액체분사 헤드 및 액체분사 장치{PIEZOELECTRIC ELEMENT, LIQUID-JET HEAD AND LIQUID-JET APPARATUS}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따르는 액체분사 헤드를 도시한 분해 사시도;
도 2a 및 2b는 본 발명의 제 1 실시예에 따르는 액체분사 헤드로서 일부를 투시한 단면도;
도 3은 회절 피크값과 납 및 Zr/(Zr+Ti)의 관계를 도시한 도표;
도 4는 회절 피크값과, 필름 내에서의 PZT의 스트레스 및 Zr/(Zr+Ti)의 관계를 도시한 도표; 그리고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 잉크젯 리코딩 장치의 개략적인 사시도이다.
본 발명은 하부 전극, 압전 필름 및 상부 전극을 포함하는 압전부재(piezoelectric element)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 압전부재 및 노즐 오리피스(orifice)로부터의 분사 방울(droplets)을 포함하는 액체분사(liquid- jet) 헤드와 액체분사 장치에 관한 것이다.
액채분사 헤드 등에 사용되는 압전부재는 두 전극 사이에 압전 필름이 개입되는 부재로서, 상기 압전 필름은 전기 기계 변환 기능을 나타내는 압전 재료로 이루어진다. 상기 압전 필름은 예컨대 결정화된 압전 세라믹으로 구성된다.
다음과 같은 구성의 잉크젯 리코딩 헤드가 있었다. 구성과 관련하여, 잉크 방울이 분사되는 노즐 오리피스와 연결되는 압력발생 챔버가 진동 플레이트와 함께 조립된다. 진동 플레이트는 압전부재에 의하여 변형(deform)되며, 그 결과 각 압력발생 챔버 내의 잉크는 가압된다. 따라서 잉크 방울이 노즐 오리피스 각각으로부터 분사된다. 두 종류의 잉크젯 리코딩 헤드가 실제로 사용되어 왔다. 하나는, 압전 액츄에이터가 압전 부재의 길이(longitudinal) 방향으로 확장 및 수축되는 길이 진동 모드의 압전 액츄에이터를 사용한다. 다른 하나는 굴곡(flexure) 진동 모드의 압전 액츄에이터를 사용한다. 이러한 액츄에이터와 관련하여, 높은 밀도를 가진 압전부재를 배치하기 위하여 낮은 구동 전압으로 큰 비틀림을 얻을 수 있는 압전부재가 요구된다. 즉, 큰 변위를 갖는 압전부재가 요구되어 왔다.
말하자면, 압전 상수를 더 크게 하고 진동을 제거하기 위하여, 납 지르코네이트 타이타네이트(lead zirconate titanate; PZT) 및 전극이 개시되어 왔다. 압전부재 중 하나는 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가지고, 상온에서 능면체(rhombohedral) 결정에 ZR 및 Ti 성분 비율을 가진 PZT를 포함한다. 이 경우에, [100], [010], 또는 [001] 방향이 전극의 정면 표면에 거의 수직인 방향으로 결정들의 방향이 규정된다. 다른 압전부재는 페로브스카이트 구조를 가지고, 상온에서 사면체의(tetrahedral) 결정에 Zr 및 Ti 성분 비율을 가진 PZT를 포함한다. 이 경우에 PZT는, [001] 방향이 전극의 정면 표면에 거의 수직한 결정 방위를 가진다(일본 공개 특허공보 평11-233844호를 보라.). 그러나 이러한 압전부재에서 충분한 변위를 얻기는 불가능했었다. 이러한 문제점은 잉크젯 리코딩 헤드에 의하여 대표되는 액체분사 헤드에 한정되지 않는다는 점을 주의하여야 한다. 이 문제점은 다른 압전부재에도 유사하게 발생한다.
전술한 상황을 고려할 때, 본 발명의 목적은 낮은 구동 전압으로 큰 비틀림을 얻을 수 있는 압전부재와, 액체분사 헤드 및 액체분사 장치를 제공하는 것이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 첫 번째 태양은, 하부 전극; 상부 전극; 그리고 압전 필름을 포함하는 압전부재로서, 상기 압전 필름은, 납 지르코네이트 타이타네이트(PZT)로 이루어지고, (100) 면이 우선적으로 방향성이 규정되는 페로브스카이트 결정을 가지며, 하부 전극과 상부 전극 사이에 개입되는 것을 특징으로 한다. 상기 압전부재는 압전 필름의 (100) 면으로부터 나온(derived) X-선의 회절 피크 위치가 2Θ=21.79 내지 21.88 사이의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
상기 첫 번째 태양에서, 압전 필름은 납 지르코네이트 타이타네이트(PZT)로 이루어지고, (100) 면이 우선적으로 방향성이 규정되는 페로브사카이트 결정을 가진다. 압전 필름은, 압전 필름의 (100) 면으로부터 나온 X-선의 회절 피크 위치를 가지고, 이는 2Θ=21.79 내지 21.88의 범위 내에 있다. 이러한 이유로, 압전부재는 적은 구동 전압으로 큰 스트레인을 얻을 수 있고, 큰 변위를 가진다.
본 발명의 두 번째 태양은 첫 번째 태양에 따르는 압전부재이고, 회절 피크 위치는 2Θ=21.83 내지 21.87인 것을 특징으로 한다.
상기 두 번째 태양에서, 압전부재는 결합없이 큰 변위를 가진다.
본 발명의 세 번째 태양은 상기 첫 번째 내지 두 번째 태양 중 어느 하나에 따르는 압전부재로서, 상기 압전 필름은 능면체 결정 시스템 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 세 번째 태양에서, 압전 필름은 능면체 결정 시스템 구조를 가지므로, 낮은 전압으로 큰 비틀림을 얻을 수 있다.
본 발명의 네 번째 태양은 상기 첫 번째 내지 세 번째 태양 중 어느 하나에 따르는 압전부재로서, 상기 압전 필름은 Sc, Y, Th, 란타노이드(lanthanoids) 및 악티노이드(actinoids) 중에서 선택된 어느 하나를 적어도 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 네 번재 태양에서, 압전 필름은 Sc, Y, Th, 란타노이드 및 악티노이드 중 선택된 어느 하나를 적어도 포함한다. 이러한 이유로, 비틀림이 발생하는 경향이 있고, 그 결과 압전부재의 변위가 커진다.
본 발명의 다섯 번째 태양은 액체분사 헤드로서: 첫 번째 내지 네 번째 태양 중 어느 하나에 따르는 압전부재와; 상기 압전부재가 진동 플레이트를 사이에 끼운 상태로 제공되며, 각각 노즐 오리피스와 연결되는 압력발생 챔버가 구비되는 통로 형성 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다섯 번째 태양에서, 납 지르코네이트 타이타네이트(PZT)으로 이루어진 압전 필름을 포함하고, 페로브스카이트 결정으로 (100) 면이 우선적으로 방향성이 규정되는 압전부재가 사용된다. 압전 필름은 압전 필름의 (100) 면으로부터 나온 X-선의 회절 피크 위치를 가지고, 2Θ=21.79 내지 21.88의 범위 내에 있다. 이러한 이유로, 낮은 구동 전압에서 큰 비틀림을 얻을 수 있는 액체 분사 헤드를 제공할 수 있다.
본 발명의 여섯 번째 태양은 상기 다섯 번째 태양에 따르는 액체분사 헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체분사 장치이다.
상기 여섯 번째 태양에서, 방울을 분사하는 특성이 현저히 향상된 액체분사 장치를 공급할 수 있다.
이하, 실시예에 기초하여 상세한 설명이 본 발명을 위하여 제공될 것이다.
(제 1 실시예)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따르는 액체분사 헤드의 분해 사시도이다. 도 2a는 도 1에 도시된 액체분사 헤드의 투시도이고, 도 2b는 도 1의 액체분사 헤드의 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 통로형성 기판(10)은 단결정 실리콘 기판으로 이루어지고, 기판의 정면 표면의 실리콘 결정은 (110) 면 방향으로 위치한다. 통로형성 기판(10)의 두 표면 중 하나에는 탄성 필름(50)이 형성된다. 탄성 필름(50)은 0.5 내지 2 ㎛의 두께를 가지고, 이산화규소로 이루어진다. 본 실시 예에서, 탄성 필름(50)은 통로형성 기판(10)을 열적으로 산화시킴으로써 형성되는 산화 규소(silicon oxide)로 이루어지는 무정질 실리콘 필름이라는 점을 주의하여야 한다. 통로형성 기판(10)의 표면 상태를 원래 상태로 유지하는 동안 탄성 필름(50)은 평평한 표면을 가진다.
통로형성 기판(10)에서, 구획 벽(11)에 의하여 구획된 다수의 압력발생 챔버(12)는 다른 표면으로부터 단결정 실리콘 기판을 이방성으로(anisotropically) 에칭함으로써 나란히 배치된다. 압력발생 챔버(12)의 외부에는 길이 방향으로, 전달부(13)가 형성된다. 전달부(13)는 후술할 바와 같이, 보호 플레이트(30)의 리저버부(32)와 연결된다. 또한 전달부(13)는, 대응하는 잉크 공급로(14)를 통하여 길이 방향으로 각 압력발생 챔버(12)의 한 단부와 연결된다.
이와 관련하여, 단결정 실리콘 기판의 에칭 정도의 차이를 이용하여 이방성 에칭이 수행된다. 본 실시예에서는 예컨대 단결정 실리콘 기판의 특성을 이용하여 이방성 에칭이 수행된다. 그 특성들은 다음과 같다. 기판의 정면 표면의 실리콘 결정이 (110) 면 방향에 있는, 단결정 실리콘 기판이 KOH와 같은 알칼리 용액에 담길 때, 단결정 실리콘 기판은 점차 부식한다. 그로 인하여, 첫 번째 (111) 면과 두 번째 (111) 면이 점차 나타난다. 첫 번째 (111) 면 각각은 (110) 면에 수직이고, 두 번째 (111) 면은 첫 번째 (111) 면 및 (110) 면과 각각 70도 및 35도를 이룬다. (110) 면의 에칭 속도는 (111) 면의 에칭 속도의 약 1/180 배이다. 이방성 에칭 때문에, 평행사변형 형상의 깊이가, 첫 번째 (111) 면의 둘, 비스듬한 두 번째 (111) 면의 둘로 형성된다. 상기 깊이를 위한 공정에 기초하여, 정확하게 깊이를 형성하 는 것이 가능하며, 따라서 압력발생 챔버(12)가 높은 밀도로 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 각 압력발생 챔버의 각 긴 면은 첫 번째 (111) 면으로 형성된다. 각 압력발생 챔버의 각 짧은 면은 두 번째 (111) 면으로 형성된다. 통로형성 기판(10)을 거의 관통하면서 압력발생 챔버(12)가 탄성 필름(50)에 도달하는 방법으로, 통로형성 기판(10)을 에칭함으로써 압력발생 챔버(12)가 형성된다. 이와 관련하여, 탄성 필름(50)의 매우 작은 부분이 단결정 실리콘 기판을 에칭하기 위하여 알칼리 용액에 잠긴다. 또한, 각 압력발생 챔버(12)의 한 단부와 연결되는 잉크 공급로(14) 각각은 압력발생 챔버(12)의 폭보다 좁게 형성되고, 따라서 압력발생 챔버(12) 내로 흐르는 잉크의 통과 저항을 일정하게 유지한다.
압력발생 챔버(12)가 배치되는 밀도에 따라, 이러한 압력발생 챔버(12) 등의 형성되는 통로형성 기판(10)의 적당한 두께를 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 180 개의 압력발생 챔버(12)가 1 인치마다 형성되는 경우(180 dpi), 통로형성 기판(10)의 두께는 약 180 내지 280 ㎛인 것이 바람직하고, 약 220 ㎛인 것이 더 바람직하다. 압력발생 챔버(12)가 비교적 밀집하게 예컨대 360 dpi로 형성된 경우, 통로형성 기판(10)의 두께는 100 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기한 두께에서는, 인접한 압력발생 챔버(12)를 형성하는 밀도를 증가시키면서 압력발생 챔버(12) 사이에서 구획 벽(11)의 강도를 유지하는 것이 가능하기 때문이다.
게다가, 노즐 플레이트(20)가, 접착제, 열접착 필름 또는 그 사이에 개재되는 유사한 것에 의하여, 통로형성 기판(10)의 틈(aperture) 표면에 부착된다. 노즐 플레이트(20)에는 노즐 오리피스(21)가 관통되어 형성된다. 노즐 오리피스(21)는, 압력발생 챔버(12)의 대향하는 면에서 압력 발생 챔버(12)와 각각 연결되어 잉크 공급로(14)를 향한다.
한편으로는, 결정들이 (100) 면 방향으로 향하는 방위 제어층(55)이 통로형성 기판(10)의 틈 표면에 대향하는 탄성 필름(50) 상에 형성된다. 방위 제어층(55)은 페로브스카이트, 금속 산화물 등으로 이루어진다. MOD 법 또는 졸-겔 법을 이용하여 페로브스카이트의 프리커서(percursor; 전조)를 도포하고, 건조시키고 구움으로써, 페로브스카이트를 형성할 수 있다. 산화 규소 등으로 이루어진 무정질 탄성 필름(50) 상에서 페로브스카이트는 자유롭게 성장하며, 따라서 결정들이 (100) 면 방향으로 향하는 필름이 형성된다. 이와 관련하여, 예를 들면 스퍼터링 법을 사용하여 금속 산화물이 형성된다.
이러한 방위 제어층(55)은 결정들이 (100) 면 방향으로 향하는 필름이 된다. 만일 방위 제어층(55) 아래의 탄성 필름(50)이 평평한 정면 표면을 가지면, 방위의 변화는 상당히 감소된다. 그 결과, 방위 제어층(55)은 그 위에 형성된 필름의 방위를 효율적으로 제어한다. 게다가 특히, 그 정면 표면(상부 표면)으로부터 자유롭게 성장하는 페로브스카이트는, 방위 제어층(55)의 하부층인 탄성 필름(50)의 정면 표면 평탄도에 의하여 거의 영향을 받지 않는다. 이러한 이유로, 페로브스카이트는 특히 그 위에 형성될 필름의 방위를 제어하는데 적합하다.
페로브스카이트로서, KNbO3, BaSnO3, CaZrO3, SrCeO3, BaTiO3, SrRuO3, LiNbO3, LiTaO3, KTaO3, CaTiO3 등을 예로 들 수 있다. 그러나 이들로 한정되지는 않 는다. 그 중, BaTiO3, KNbO3, LiNbO3은 그 각각이 그 정면 표면(상부 표면)으로부터 자유롭게 성장하기 때문에 특히 바람직하다.
추가적으로, 산화 마그네슘(MgO)가 예컨대 금속 산화물의 예로써 사용될 수 있다.
이러한 페로브스카이트 또는 금속 산화물의 격자 상수는 3.86± 0.3Å 범위 내인 것이 바람직하다. 이는 후술할 바와 같이, 이러한 페로브스카이트 또는 금속 산화물 상에 형성되는 하부 전극과의 격자 정합(matching)을 촉진시키기 위해서이다. 예를 들면, 하부 전극으로 사용되는 백금의 격자 상수는 3.92Å이고, 이리듐의 격자 상수는 3.8Å이다. 따라서 이 격자 상수와 그러한 페로브스카이트 또는 금속 산화물의 격자 상수의 차이는 5% 내지 6% 범위 내이다. 이에 의하여, 하부 전극은 용이하게 에피택시(epitaxy) 성장하고, 그 결과 하부 전극의 결정 방위가 제어된다.
페로브스카이트 또는 금속 산화물의 결정 시스템은 바람직하게는 입방정계(cubic system), 정방정계(tetragonal system) 또는 단사정계(monoclinic system)이다. 이 이유는, 만일 하부 전극 금속이 입방정계이면, 페로브스카이트 또는 금속 산화물의 결정 격자의 구조는 그 위에 형성될 하부 전극 금속의 결정 격자의 구조와 정합되어야 하기 때문이다.
이러한 방위 제어층(55)은 약 5 내지 100 nm의 두께를 가질 수 있다는 것을 주의하여야 한다. 이와 관련하여 본 실시예에서는, 방위 제어층(55)이 탄성 필 름(50) 상에 직접 형성된다. 그러나 다른 한 층이 무정질인 동안 정면 표면 상태를 유지할 수 있는 상태를 만족한다면, 산화규소로 이루어진, 탄성 필름(50) 상에 다른 한 층을 형성하고, 상기 다른 한 층 상에 방위 제어층(55)을 형성하는 것 또한 가능하다. 선택적으로, 만일 방위 제어층(55)이 그 정면 표면(상부 표면) 측으로부터 결정화되고, 방위 제어층(55) 밑의 탄성 필름(50)의 정면 표면 평탄도에 의하여 현저하게 영향을 받지 않는다면, 다른 한 층은 방위 제어층(55)의 결정 방위에 영향을 주지 않는 조건에서 탄성 필름(50) 상에 구비될 수 있다.
하부 전극 필름(60), 압전 필름(70) 및 상부 전극 필름(80)은, 이하 기재된 공정을 사용하여 압전 필름(300)을 구성하기 위하여 이러한 방위 제어 필름(55) 상에 적층된다. 하부 전극 필름(60), 한 압전 필름(70) 및 한 상부 전극 필름(80)은 압전부재(300) 각각을 구성한다. 하부 전극 필름(60), 각 압전 필름(70), 각 상부 전극(80)은 예컨대 각각 약 0.2 ㎛, 1 ㎛, 0.05 ㎛의 두께를 가진다. 이와 관련하여, 압전부재(300)는 하부 전극 필름(60), 한 압전 필름(70) 및 한 상부 전극 필름(80)을 포함하는 부분으로 설명된다. 일반적으로, 압전부재(300)는 다음 방법으로 구성된다. 압전부재(300)의 두 전극 중 하나는 공통 전극으로 사용된다. 다른 전극과 압전 필름(70)은 각 압력발생 챔버(12)에 패터닝된다. 두 전극 중 패터닝된 하나와, 전압이 두 전극에 인가될 때 패터닝된 압전층(70)으로 구성된 부분에서, 압전 스트레인이 발생한다. 이 부분은 “압전 활성화 부분”이라고 불린다. 이 실시예에서, 하부 전극 필름(60)은 압전부재(300)를 위한 공통 전극으로 사용되고, 상부 전극 필름(80)은 압전부재(300)의 개개의 전극으로 사용된다. 그러나 구동 회 로 및 내부 연결의 편의를 위하여 상기 둘이 서로 바뀌어 사용되는지 여부는 중요하지 않다. 두 경우 모두, 압전 활성화 부분은 각 압력발생 챔버에 형성된다. 또한, 한 압전부재(300)와 진동 플레이트의 결합은 “압전 액츄에이터”라고 불린다. 진동 플레이트는 압전부재(300)의 구동에 따라 변위된다.
말하자면, 리드 전극(85)은 압전부재(300)의 상부 전극 필름(80)에 각각 연결된다. 리드 전극(85)은 예컨대 금 등으로 이루어진다. 리드 전극(85) 각각은, 잉크 공급로(14)에 대응하는 부분에길이 방향으로 압전부재(300)의 단부 근처로부터 연장된다. 또한, 상세히 후술할 것이지만, 이러한 리드 전극(85)은 구동 IC에 전기적으로 연결된다.
말하자면, 상술한 하부 전극(60)은 금(Au) 및 이리듐(Ir), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등과 같은 플라티나(platinum) 군 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속으로 이루어진다. 하부 전극(60)은 다수의 층으로 적층된 층일 수 있다. 이 적층된 층의 경우에, 차후의 공정에서 상기 금속의 혼합된 층이 되는지 여부는 중요하지 않다는 것을 주의하여야 한다. 본 실시예에서, 적층된 필름을 형성하기 위하여 Pt, Ir 및 Pt가 방위 제어층(55) 측으로부터 차례대로 적층되는 방법으로 하부 전극(60)이 형성된다. 상술한 금(Au) 및 플라티나 군 금속 대신에, SrRuO3, LaNiO3 등과 같은 금속이 하부 전극(60)으로도 사용될 수 있다. 상기 재료는 압전 필름(70)의 결정을 (100) 면 방향으로 향하게 할 수 있다. 이 경우에, 하부 전극(60)이 방위 제어 기능도 가지므로, 방위 제어층(55)의 준비가 필요하지 않다.
하부 전극(60)은, 방위 제어층(55)에 의하여 (100) 면 방향으로 그 결정의 방향성이 되도록 제어되고, 결정들은 (100) 면 방향으로 방향성이 규정된다. 바꾸어 말하면, 설명한 바와 같이, 특히 방위 제어층(55)의 격자 상수가 하부 전극(60)의 격자 상수에 가까운 경우, 하부 전극(60)이 에피택시하게 성장하여, 하부 전극(60)이 그 결정을 만들고 (100) 면 방향을 가지도록 거의 전체적으로 제어된다.
게다가, 방위 제어층(55)을 구성하는 페로브스카이트의 결정 시스템은 입방정계, 정방정계 또는 단사정계이고, 플라티나 군 금속 및 금 각각은 입방정계이므로, 하부 전극(60)은 특별히 용이하게 에피택시 성장한다. 즉 이 경우에, 방위 제어층(55) 및 하부 전극(60)의 그 표면에서의 결정의 구조 각각은, 정사각형이 되고, 서로 조화된다. 이러한 이유로, 하부 전극(60)은 정사각형이 적층되는 방법으로 에피택시 성장한다.
압전 필름(70)은, 에피택시 성장에 의하여 결정들이 (100) 면 방향으로 방향성이 규정되는 하부 전극 필름(60) 상에 형성된다. 압전 필름(70)의 결정들은, 하부 전극 필름(60)의 면 방향에 의한 영향 때문에 (100) 면 방향으로 방향성이 규정된다. 압전 필름(70)의 결정 방위 제어가 하부 전극(60)의 그것의 영향을 받아 이루어지기 때문에, 압전 필름(70)의 결정들은 방위의 변화가 현저하게 감소되는 상태에서 (100) 면이 우선적으로 방향성이 규정된다.
압전 필름(70)은 납 지르코네이트 타이타네이트Pb(Zr, Ti)O3; 이하, “PZT"라고 함.로 이루어진다. 압전 필름(70)은, (100) 면 방향으로 우선적으로 방향성이 규정되는 페로브스카이트 결정들을 가진다. 압전 필름(70)의 (100) 면으로부터 나온 회절 피크 위치2 세타(Θ)는 광각 X-선 회절법에 의하여 측정된다. 회절 피크 위치는 21.79 내지 21.88 도의 범위 내이고, 바람직하게는 21.83 내지 21.87 도, 더 바람직하게는 21.85 도이다. 압전 필름(70)의 (100) 면으로부터 나온 2Θ의 X-선 회절 피크 위치는 21.79 내지 21.88 도의 범위 내이며, 압전부재의 스트레인 양은 현저하게 상승한다. 추가적으로, 만일 (100) 면으로부터 나온 2Θ의 X-선 회절 피크 위치가 21.79 내지 21.88 도 이내이면, (100) 면을 우선적으로 방향성으로 규정하고, 압전 필름을 구성하는 PZT 결정은, 능면체 결정을 가지게 된다. ”우선적으로 방향성이 규정되는 것“은 결정의 방위 방향이 불규칙적이지 않고, 특별한 결정 면들이 거의 균일한 방향으로 방향성이 규정되는 상태를 의미한다는 점을 주의하여야 한다. 특히, ”(100) 면에 우선적으로 방향성이 규정된다“는 것은 (100) 면, (110) 면 및 (111) 면의 회절 강도 비(100)/((100)+(110)+(111))가 0.5보다 크다는 것을 의미하고, 상기 비율은 압전 필름이 광각 X-선 회절법을 사용하여 압전 필름이 측정될 때 얻어진다.
본 실시예에서, 압전층(70)은 PZT로 이루어진다. 그러나 적어도 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 토륨(Th), 란타노이드 및 악티노이드로 구성되는 군으로부터 선택된 어느 하나가 압전 필름에 더 포함될 수 있다. 만약 PZT로 이루어진 압전 필름에 이 금속 중 적어도 하나가 포함되면, 압전부재의 스트레인이 더 증가할 수 있다. 가장 바람직하게 포함될 금속은 Y이다. 이러한 포함될 금속의 양은 특별히 한정되지 않는다. 그러나 그 양은 PZT에 대한 퍼센트(%)로 10을 넘지 않는 것이 바람직하다.
이러한 압전층(70)은 예컨대 졸-겔 법이라고 불리는 방법에 의하여 형성된다. 졸-겔 법에 따르면, 졸(sol)이라는 것은 촉매제로 PZT를 용해시키고 분산시킴으로써 얻어진다. 이 졸은 도포(application) 및 건조에 의하여 겔로 변한다. 그리고 겔은 높은 온도에서 소결(sinter)된다. 특히, 결정들이 하부 전극 필름(60)의 결정의 그것과 동일한 면 방향으로 방향성이 규정될 때, 압전 필름(70)의 결정들이 성장하는 방법으로 압전 필름(70)이 형성된다. 압전 필름(70)을 형성하는 방법이 상술한 방법에 한정되지 않는 것은 당연하다. 압전 필름(70)은 스퍼터링 법, MOD 법 등을 사용하여 형성될 수 있다.
어떤 경우에도, 압전 필름(70)은 (100) 면에 대하여 우선적으로 방향성이 규정되도록 제공된다. 이와 관련하여, 설명한 바와 같이 박막(thin film) 형성 공정으로 제조되는, 압전 필름(70)의 두께는 일반적으로 0.2 내지 5.0 ㎛이다.
본 실시예에서, 압전 필름(70)은 에피택시 성장법에 의하여 형성된다. 이러한 이유로, 필름 기저부(base)와 유사한 결정 구조 및 격자 면 간격을 갖도록, 소정 조건 하에서 필름이 바람직하게 형성된다. 또한, 압전 필름(70)은, 압전 필름(70)과 기저부 표면 사이의 정전기적 상호작용에 기한 반발력이 없는 결정 구조를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 말하자면, 압전층(70)은 기저부의 방향성에 의하여 제어 없이 자유로운 성장에 의하여 형성될 수 있다.
이와 관련하여, 압전 필름(70)을 구성하는 PZT에 포함되는 납(lead)의 양 및 압전 필름 내의 스트레스의 양은, 하부 전극 등의 압전 필름을 형성하는 단계에서 조정된다. 따라서 압전 필름은 상술한 소정의 회절 피크 위치를 갖는 결정 시스템 을 가지도록 형성될 수 있다. 선택적으로, PZT 내에서 Zr 및 Ti의 비율을 조정함으로써, 소정의 회절 피크 위치를 갖는 결정 시스템을 갖는 압전 필름을 형성할 수도 있다. PZT의 결정 시스템은 하부 전극 등으로부터의 힘 때문에 변할 수 있다는 점을 주의하여야 한다.
도 3에서 PZT에 포함된 납의 양 뿐만 아니라 Zr/(Zr+Ti)(몰 분율)와 회절 피크값 사이의 관계로서 도시된 바와 같이, 예컨대 회절 피크값은 Zr/(Zr+Ti)에 따라서도 변화할 수 있다. 그러나 Zr/(Zr+Ti)에 변화가 없더라도, 압전 필름의 (100) 면으로부터 나온 X-선 회절 피크 위치는, Pb의 양이 증가하는 경우에서 더 낮은 각도 측에 있다. 결과적으로, PZT에서 Pb의 양을 조정함으로써 바람직한 구조를 갖는 결정 시스템을 가지는 압전층을 형성할 수 있다. 또한 도 4에서 필름에서 PZt의 스트레스뿐만 아니라 Zr/(Zr+Ti)(몰 분율)와 회절 피크값 사이의 관계로서 도시된 바와 같이, Zr/(Zr+Ti)에 변화가 없더라도, 압전 필름의 (100) 면으로부터 나온 X-선 회절 피크 위치는, 압전 필름에서 스트레스가 작게 되는 경우에서 낮은 각도 측에 있다. 이러한 이유로, 압전 필름에서 스트레스의 강도를 변화시킴으로써 바람직한 구조를 가진 결정 시스템을 갖는 압전층을 형성할 수 있다. “압전 필름에서의 스트레스”란, 에피택시 성장 등에 의하여 압전 필름을 형성하기 위하여 구워지는 단계에서 기판이 변형되기 때문에 발생하는 인장(tensile) 스트레스를 의미한다.
이와 관련하여, 압전 필름(70)의 유전율(permitivity) 및 영의 계수(Young's modulus)는 Zr 및 Ti의 비율에 크게 의존한다. 결과적으로, PZT가 Zr 및 Ti 비율의 조정 후에 소정의 X-선 회절 피크 위치를 갖는 결정 시스템을 가지는 경우에, 압전 필름(70)의 유전율 및 영의 계수는 충분히 조정된다. 그 결과 유전율 및 영의 게수를 제어하는 것이 어렵다. 그러나 본 발명에 따르면, 압전부재를 구성하는 압전 필름과 관련하여, 비록 상기한 필름이 상기한 결정 시스템에 속하지만, 영의 계수 및 유전율을 임의로 정하는 것이 가능하다. 추가적으로, Zr 및 Ti의 비율을 변화시키지 않고 바람직한 결정 시스템을 가질 수 있다.
특별히, 그 결정들이 (100) 면 방향으로 방향성이 규정되면서 압전 필름(70)이 에피택시 성장하도록 함으로써, PZT로 이루어진 압전 필름이 SrRuO3로 이루어진 하부 전극 상에 형성될 수 있다. PZT의 성분은 1.05의 과다한 납과 ZR/Ti=55/45인 (Pb1.05(Zr0.55Ti0.45)O3)이다. 이 경우에, 필름의 스트레스가 50 내지 150 MPa의 인장 강도일 때, (100) 면에서 나온 X-선 회절 피크 위치(2Θ)는 21.88 내지 21.79 도의 범위 이내이다. 이 회절 피크 강도의 경우에, (100) 면에 대한 면 간격은 4.05 ± 0.03이고, 그 결정 시스템은 MPB상 경계(phase boundary)의 최대 부분 또는 유전율에 가까운 능면체이다. PZT의 격자 간격은 하부 전극의 격자 간격보다 수 퍼센트 더 크고, 상기 격자 간격이 부적합을 상회할 때, 하부 전극의 격자 비틀림(distortion)에 의하여 힘이 발생된다.
한편으로는, 그 결정들이 (100) 면 방향으로 방향성이 규정되면서, 압전 필름이 자유롭게 성장하도록 함으로써, PZT로 이루어진 압전 필름은 하부 전극 상에 형성된다. 여기서, PZT는 1.10의 과다한 납과 Zr/Ti=50/50인 (Pb1 .10(Zr0 .50Ti0 .50)O3)이다. 이러한 경우에, 필름의 스트레스가 100 내지 200 MPa의 인장 강도일 때, (100) 면으로부터 나온 X-선 회절 피크 위치(2 세타(Θ))는 21.88 내지 21.79 도 범위이다. 이러한 회절 피크 위치의 경우에, (100) 면에 대한 면 간격은 4.05 ± 0.03이다.
게다가, 각 경우에 0.5 %의 Y, Th 또는 Sc가 상기한 PZT에 추가되는 방법으로 압전 필름이 형성되면, 각 경우의 최대 비틀림은 약 20% 증가한다. 따라서 압전부재의 변위가 증가한다.
피크 위치는 21.88 내지 21.79의 범위 내로서, (100) 면의 X-선 회절 피크 위치를 2세타(Θ)로 갖는 압전 필름(70)이 형성되면, 압전부재의 변위는 증가한다. 게다가 Y, Th 또는 Sc와 같은 금속이 압전 필름(70)에 추가되면, 그 변위는 더 증가한다.
상기한 회절 X-선의 파장(λ)는 λ=1.5405Å이라는 점을 주의하여야 한다.
또한, 압전 부재 지지부(31)를 가지는 보호 플레이트(30)가 압전부재(300) 측의 통로 형성 기판(10)에 결합된다. 압전부재 지지부(31)는 압전부재(300)가 방해받지 않고 이동할 만큼 충분히 큰 공동을 가진다. 압전부재(300)는 이 압전부재 지지부(31) 내에 형성된다.
추가적으로, 보호 플레이트(30)에는, 각 압력발생 챔버(12)에 공통의 잉크 챔버로서 사용되는 리저버(90)의 적어도 일부를 구성하는 리저버부(32)가 구비된다. 이 리저버부(32)는 상술한 바와 같이 통로형성 기판(10)의 전달부(13; communication portion)와 연결되고, 따라서 압력발생 챔버(12) 각각을 위한 공통 잉크 챔버로 사용되는 리저버(90)를 구성한다.
게다가, 압전부재 지지부(31)와 리저버부(32) 사이에 연결홀(33)이 구비된다. 바꾸어 말하면, 연결홀(33)은 잉크 공급로(14)에 대응하는 부분에 구비된다. 연결홀(33)은 보호 플레이트(30)를 통하여 두께 방향으로 관통되어 형성된다. 또한, 압전부재(300)를 구동하기 위한 구동 IC(34)가, 압전부재 지지부(31)를 향하는 보호 플레이트(30)의 표면의 대향하는 측에 탑재된다. 또한, 압전부재(300)로부터 각각 인출된 납 전극(85)이, 연결홀(33)까지 연장되고, 예컨대 와이어 본딩 등에 의하여 구동 IC(34)에 연결된다.
컴플라이언스 플레이트(40)는 보호 플레이트(30)의 상부에 결합된다. 컴플라이언스 플레이트(40)는 실링 필름(41) 및 고정된 플레이트(42)로 구성된다. 이와 관련하여, 실링 필름(41)은 낮은 강도의 유연한 재료예컨대 6 ㎛ 두께의 황화 폴리페닐렌(PPS; polyphenylen sulfide) 필름으로 이루어진다. 게다가, 고정된 플레이트(42)는 금속(예컨대 30 ㎛ 두께의 스테인리스 스틸(SUS) 등)과 같은 단단한 재료로 이루어진다. 이 리저버(90)를 마주보는 고정된 플레이트(42)의 부분에는, 개방부(43)가 형성된다. 개방부(43)는 두께 방향으로 일부를 완전히 제거함으로써 형성된다. 따라서 리저버(90)의 한 단부는 오직 유연한 실링 필름(41)에 의하여 밀봉된다.
본 실시예에 따르는 이러한 액체분사 헤드는 도시되지 않은 외부 잉크 공급수단으로부터 잉크를 도입하고, 잉크로 노즐 오리피스(21)를 통하여 리저버(90)로부터 걸쳐지는 내부를 채운다. 그 후에, 구동 IC(34)로부터의 리코딩 신호에 따라, 하부 전극 필름(60)과, 압력발생 챔버(12)에 각각 대응하는 각 상부 전극 필름(80) 사이에 액체분사 헤드는 전압을 인가한다. 따라서 액체분사 헤드는 굴곡(flexure)으로 탄성 필름(50), 하부 전극 필름(60) 및 압전층(70)을 변형시킨다. 이 변형은 압력발생 챔버(12) 각각의 압력을 상승시키고, 그 결과 잉크 방울이 노즐 오리피스(21)로부터 분사된다.
(다른 실시예)
본 발명의 실시예는 지금까지 기재되었다. 그러나 본 발명의 배치는 이에 한정되지 않는다.
또한, 본 발명에 따르는 액체분사 헤드는, 잉크 카트리지 등과 연결되는 잉크 통로를 구비한 리코딩 헤드 유닛의 일부를 구성하고, 액체분사 장치에 설치된다. 도 5는 액체분사 장치의 예를 도시한 간략한 배치 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 잉크젯 헤드를 포함하는 리코딩 헤드 유닛(1A 및 1B)에는 잉크 공급수단을 구성하는 카트리지(2A 및 2B)가 착탈 가능하게 구비된다. 리코딩 헤드 유닛(1A 및 1B)이 탑재되는 캐리지(3)는, 캐리지(3)가 샤프트가 연장되는 방향으로 자유롭게 이동할 수 있는 방법으로, 장치 메인바디(4)에 고정된 캐리지 샤프트(5)에 제공된다. 이 리코딩 헤드 유닛(1A 및 1B)은 검은 잉크 성분과 컬러 잉크 성분이 각각 분사되도록 설정된다.
게다가, 구동 모터(6)로부터의 구동력은 다수의 기어(미도시) 및 타이밍 벨트(7)를 통하여 캐리지(3)로 전달된다. 이것으로 리코딩 헤드 유닛(1A 및 1B)이 탑재되는 캐리지(3)는 캐리지 샤프트(5)를 따라 이동하게 된다. 한편으로는, 장치 메인바디(4)에는 캐리지 샤프트(5)를 따라 플레이튼(8; platen)이 구비된다. 종이 시 트와 같은 리코딩 매개인 리코딩 시트(S; sheet)는 공급 롤러(미도시) 등에 의하여 공급되며, 플레이튼(8) 상에서 이동하도록 설계된다.
실시예는 액체분사 헤드의 예로서의 잉크젯 리코딩 헤드를 제공하는 것으로 기재되었다. 액체분사 헤드의 기본 배치는 상기한 내용에 한정되지 않는다. 본 발명은 전반적인 액체 헤드 분사를 위하여 넓게 계획되었다. 액체 분사 헤드의 예는: 프린터와 같은 이미지 리코딩 장치에 사용되는 다양한 리코딩 헤드와; 액정표시장치 장치 등의 컬러 필터를 제조하는데 사용되는 컬러 재료 분사 헤드와; 유기 EL 디스플레이 장치의 전극을 형성하는데 사용되는 전극 재료 분사 헤드와; FED 등과; 바이오 칩을 제조하는데 사용되는 바이오 유기 물질 분사 헤드를 포함한다.
이러한 액체분사 헤드가 설치되는 액체분사 장치는 특별히 한정되지 않는다.
게다가, 본 발명은 압력발생 수단과 같은 액체분사 헤드에 설치되는 액츄에이터 장치를 구성하는 압전부재 뿐만 아니라, 다양한 종류의 장치에 각각 설치되는 액츄에이터 장치를 구성하는 압전부재에 또한 적용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 상기한 헤드 외에, 센서 등에도 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면 낮은 구동 전압으로 큰 비틀림을 얻을 수 있는 압전부재와, 액체분사 헤드 및 액체분사 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 하부 전극;
    상부 전극; 그리고,
    납 지르코네이트 타이타네이트(PZT)로 이루어지고, (100) 면이 우선적으로 방향성이 규정되는 페로브스카이트 결정을 가지는 압전 필름을 포함하고,
    상기 압전 필름은 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 개입되며, 상기 압전 필름의 (100) 면으로부터 나온 X-선의 회절 피크 위치는 2Θ=21.79 내지 21.88 도의 범위 내인 것을 특징으로 하는 압전부재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 회절 피크 위치는 2Θ=21.83 내지 21.87 도의 범위 내인 것을 특징으로 하는 압전부재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 압전 필름은 능면체(rhombohedral) 결정 시스템 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 압전부재.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 압전 필름은 Sc, Y, Th, 란타노이드(lanthanoids) 및 악티노이 드(actinoids)로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 압전부재.
  5. 제 1 항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따르는 압전부재와;
    상기 압전부재가 진동 플레이트를 사이에 끼운 상태로 제공되며, 노즐 오리피스와 연통되는 압력발생 챔버가 구비되는 통로형성 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체분사 헤드.
  6. 제 5항에 따르는 액체분사 헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체분사 장치.
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