KR20060131907A - 인쇄헤드 - Google Patents

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KR20060131907A
KR20060131907A KR1020067019281A KR20067019281A KR20060131907A KR 20060131907 A KR20060131907 A KR 20060131907A KR 1020067019281 A KR1020067019281 A KR 1020067019281A KR 20067019281 A KR20067019281 A KR 20067019281A KR 20060131907 A KR20060131907 A KR 20060131907A
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폴 에이. 호이징톤
존 씨. 배터톤
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후지필름 디마틱스, 인크.
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Abstract

방울 분사 장치 내의 액체들의 가스를 제거하는데 사용되는 방법과 장치들이 개시된다.

Description

인쇄헤드{PRINTHEAD}
본 발명은 인쇄헤드에 관한 것이다.
통상적으로 잉크젯 프린터는 잉크 공급부로부터 노즐 경로까지의 잉크 경로를 포함한다. 노즐 경로는 잉크 방울이 분사되는 노즐 개구부에서 종료된다. 잉크 방울 분사는 액추에이터를 이용하여 잉크 경로에서 잉크를 가압함으로써 제어되며, 액추에이터는 예컨대 압전 편향기, 열 버블젯 발생기, 또는 전자 안정 편향 엘리먼트일 수 있다. 통상적인 인쇄헤드는 대응하는 노즐 개구부와 관련 액추에이터들을 갖는 잉크 경로의 어레이를 가지며, 이로써 각각의 노즐 개구부로부터의 방울 분사는 독립적으로 제어될 수 있다. 드럽-온 디맨드(drop-on-demand) 인쇄헤드에서, 각각의 액추에이터는 인쇄헤드와 인쇄 기판이 서로에 대해 이동하면서 이미지의 특정 픽셀 위치에서 방울을 선택적으로 분사하도록 발사된다. 고성능 인쇄헤드에서, 노즐 개구부는 통상적으로 직경이 50 마이크론 또는 그 이하, 예컨대 35 마이크론이며, 피치가 100-300 노즐/인치로 분리되며, 100 내지 3000 dpi 이상의 해상도를 가지며, 약 1 내지 70 피코리터 이하의 방울 크기를 제공한다. 방울 분사 주파수는 통상적으로 10kHz 이상이다.
호이징턴(Hoisington) 등의 미국특허 제5,265,315호는 반도체 몸체와 압전 액추에이터를 갖는 인쇄헤드 어셈블리를 개시한다. 몸체는 잉크 챔버를 한정하도록 에칭된 실리콘으로 제조된다. 노즐 개구부는 실리콘 몸체에 부착된 개별 노즐판에 의해 한정된다. 압전 액추에이터는 인가된 전압에 반응하여 형상이 바뀌거나 구부러지는 압전 재료 층을 갖는다. 압전층의 굴곡은 잉크 경로를 따라 위치한 펌핑 챔버의 잉크를 가압한다. 또한 압전 잉크젯 인쇄 어셈블리는 피시벡(Fishbeck) 등의 미국특허 제4,825,227호, 하인(Hine) 등의 미국특허 제4,937,598호, 모이니한(Moynihan) 등의 미국특허 제5,659,346호 및 호이징턴의 미국특허 제5,757,391호에 개시되어 있으며, 상기 특허들은 본 명세서에 참조로 포함된다.
인쇄헤드, 특히 고성능 인쇄헤드의 인쇄 정확도는 인쇄헤드의 노들에 의해 분사된 방울의 크기 및 속도 균일성을 포함하는, 다수의 인자들에 영향을 받는다. 방울 크기 및 방울 속도 균일성은 예컨대 해리된 가스 또는 버블에 의한 잉크 유동 경로의 오염과 같은 다수의 인자들에 영향을 받는다. 잉크의 공기제거(deaeration)는 하인 등의 미국특허 제4,940,955호, 호이징톤의 미국특허 제4,901,082호, 모이니한 등의 미국특허 5,701,148호 및 하인의 미국특허 제5,742,313호에 개시되어 있으며, 상기 특허는 본 명세서에 참조로 포함된다.
일 태양에서, 본 발명은 예컨대 인쇄헤드 장치와 같은 방울 분사 장치에 대한 특징을 갖는다. 방울 분사 장치는 노즐 개구부로부터 방울의 분출을 위해 유체가 가압되는 유동 경로 및 유체 저장 영역, 진공 영역, 및 유체 저장 영역과 진공 영역 사이의 파티션을 포함하는 디에어레이터(deaerator)를 포함한다. 디에어레이터의 파티션은 스십층 및 비습식층, 그리고 습식층과 비습식층을 통과하여 연장하는 하나 이상의 채널을 포함한다. 습식층은 유체 저장 영역에 노출된다.
실시예들은 하기 사항들을 하나 이상 포함할 수 있다. 파티션의 채널은 폭이 약 0.1 마이크론 내지 약 5 마이크론이다. 채널은 스루-홀이다. 유동 경로와 디에어레이터는 실리콘 재료 몸체 내에 있다. 파티션의 습식층의 표면 에너지는 다인(dyne) 테스트의 검출에 따르면 약 40 다인(dyne)/cm이다. 습식층은 실리콘 재료이다. 비습식층은 다인 테스트의 검출에 따르면 약 25 다인/cm 이상의 표면 에너지를 갖는다. 비습식층은 폴리머이다. 비습식층은 플루오로폴리머이다. 비습식층은 두께가 약 2 마이크론 이하이다. 습식층은 두께가 약 25 마이크론 이하이다.
실시예들은 하기 사항들을 하나 이상 포함할 수 있다. 장치는 압전 액추에이터를 포함한다. 장치의 노즐 개구부는 폭이 약 200 마이크론 이하이다. 장치는 다수의 유체 경로 및 다수의 대응 디에어레이터를 포함한다.
일 태양에서, 본 발명은 노즐 개구부로부터 방울을 분사하기 위해 유체가 가압되는 유체 경로, 및 유체 저장 영역 및 진공 영역 사이의 적어도 하나의 애퍼처를 갖는 파티션을 포함하는 디에어레이터를 포함하는 방울 분사 장치에 대한 특징을 갖는다. 장치의 유동 경로의 적어도 일부분은 실리콘 재료에 의해 한정되고 디에어레이터는 실리콘 재료를 포함한다.
실시예들은 하나 이상의 하기 사항들을 포함한다. 디에어레이터의 파티션은 실리콘 다이옥사이드이다. 유동 경로를 한정하는 실리콘 재료 및 디에어레이터의 실리콘 재료는 실리콘 재료의 통합 몸체(common body)로 되어 있다. 실리콘 재료의 통합 몸체는 SOI 구조체이다. 파티션은 폴리머 재료를 포함한다. 디에어레이터의 유동 경로는 압력 챔버를 포함한다.
일 태양에서, 본 발명은 다인 테스트의 검출에 따르면 약 40 다인/cm의 표면 에너지를 갖는 제 1 층, 다인 테스트의 검출에 따르면 약 25 다인 이하의 표면 에너지를 갖는 제 2 층, 및 직경이 약 5 마이크론 이하인 다수의 채널을 포함하는 유체 디에어레이터 부분에 대한 특징을 갖는다.
실시예들은 하나 이상의 하기 사항들을 포함할 수 있다. 디에어레이터 부분의 제 1 층은 실리콘 재료이다. 디에어레이터 부분의 제 2층은 플루오로폴리머이다.
일 태양에서, 본 발명은 방울 분사의 방법에 대한 특징을 갖는다. 상기 방법은 노즐로부터 방울을 분사시키기 위해 유체가 가압되는 유동 경로를 제공하는 단계를 포함한다. 유체를 가압하기 이전에, 유체를 디에어레이터에 노출하는 단계를 포함한다. 디에어레이터는 유체 저장 영역, 진공 영역, 및 저장 영역과 진공 영역 사이의 파티션을 포함하며, 파티션은 습식층 및 비습식층 및 상기 습식층과 비습식층을 통과하여 연장하는 하나 이상의 채널을 포함한다. 상기 방법의 다음 단계는 유체를 저장 영역으로 지향시키는 단계, 및 유체가 채널을 통해 진공 영역으로 유동하는 것을 방지하도록 진공 영역 내에 진공을 제공하는 단계를 포함한다.
실시예들은 하기 사항들을 하나 이상 포함할 수 있다. 파티션의 채널 중 하나의 반경은 진공 압력에 의해 분할된 표면 에너지의 2배로 한정된 밸브보다 작다. 진공은 약 10 내지 27 mmHg의 진공 압력을 갖는다.
일 태양에서, 본 발명은 디에어레이터 파티션을 형성하는 방법에 대한 특징을 갖는다. 상기 방법은 실리콘 재료를 제공하는 단계, 실리콘 재료에 폴리머 층을 형성하는 단계, 및 실리콘 재료와 폴리머 층을 통과하는 하나 이상의 채널을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예들은 하기 사항들을 하나 이상 포함한다. 제공된 실리콘 재료는 실리콘 디옥사이드이다. 폴리머는 폴리머 또는 모노머(monomer)를 증착함으로써 형성된다. 채널은 레이저 드릴링에 의해 형성된다. 채널은 에칭에 의해 형성된다. 상기 방법은 두께를 감소시키기 위해 실리콘 재료를 에칭하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 실리콘 디옥사이드 구조물 상에 실리콘을 제공하는 단계, 실리콘 디옥사이드 상에 폴리머 층을 형성하는 단계, 및 실리콘 디옥사이드 층에 실리콘을 에칭하는 단계를 포함한다.
일 태양에서, 본 발명은 인쇄헤드를 형성하는 방법에 대한 특징을 갖는다. 상기 방법은 실리콘 재료의 몸체를 제공하는 단계, 유체가 가압되는 유체 경로의 적어도 일부분을 실리콘 재료의 몸체 내에 형성하는 단계, 및 디에어레이터 파티션의 적어도 일부분을 실리콘 재료의 몸체 내에 형성하는 단계를 포함한다.
일 태양에서, 본 발명은 유체 저장 영역 및 진공 영역 사이에 연장하는 적어도 하나의 스루-홀을 갖는 파티션을 포함한 디에어레이터에 대한 특징을 갖는다. 적어도 하나의 스로-홀의 적어도 일부분은 비습식 표면이다.
실시예들은 하기 사항들을 하나 이상을 포함할 수 있다. 파티션은 단일층을 포함할 수 있다. 파티션은 2 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 스루-홀은 직경이 약 1 마이크론 이하이며, 특히 약 200 나노미터 내지 약 800 나노미터이다.
실시예들은 하기 사항들을 하나 이상 포함할 수 있다. 파티션은 인쇄헤드의 유체 공급 경로 내에 포함되어, 잉크가 펌핑 챔버에 가깝게 인접하여 가스가 제거되게 한다. 그 결과, 잉크는 유효하게 가스가 제거될 수 있고, 이는 인쇄헤드 내의 소제 공정을 향상시킬 뿐만 아니라, 고성능 작동을 향상시킨다. 또한 그 결과로, 인쇄헤드의 크기는 잉크 공급 경로 내의 파티션 포함 및 개별 디에어리에이션 장치의 제거에 의해 감소될 수 있다. 디에어레이터는 실리콘 또는 기타 반도체 재료를 이용하여 형성될 수 있다.
다른 태양, 특징 및 장점이 하기 설명과 도면, 및 청구항들로부터 자명하게 나타날 것이다.
도 1은 인쇄 장치의 등각도이다.
도 2는 인쇄 장치의 일부에 대한 단면도이다
도 3A는 디에어레이터의 일부에 대한 단면도이고, 도 3B는 도 3A의 A 영역을 확대한 도이다.
도 4A-4F는 디에어레이터의 제조를 도시한 단면도이다.
도 5A는 디에어레이터의 단면도이고, 도 5B는 도 5A의 B 영역을 확대한 도이다.
도 6은 디에어레이터의 일부에 대한 단면도이다.
여러 도면들 중에서 유사한 참조 번호는 유사한 구성요소를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 잉크젯 인쇄헤드(10)는 이미지가 인쇄될 시트(24) 또는 시트의 일부분을 스패닝(span)하는 방식으로 홀딩된 인쇄헤드 유닛(20)을 포함한다. 이미지는 인쇄헤드(10)와 시트(24)가 서로에 대해 (화살표 방향으로) 이동함에 따라 유닛(20)으로부터 잉크를 선택적으로 분사함으로써 인쇄될 수 있다. 도 1의 실시예에서, 3개 세트의 인쇄헤드 유닛(20)이 예컨대 약 12 인치 이상의 폭에 걸쳐 있는 것으로 도시되었다. 이러한 3개의 인쇄헤드 유닛의 경우에 각각의 세트는 인쇄헤드(10)와 시트(24) 사이의 상대 이동 방향을 따라 다수의 인쇄헤드 유닛을 포함한다. 유닛은 해상도 및/또는 인쇄 속도를 증가시키기 위해 노즐 개구부를 오프셋하도록 배치될 수 있다. 선택적으로, 또는 추가로, 각각의 세트의 각각의 유닛은 상이한 타입 또는 색상으로 잉크가 공급될 수 있다. 이러한 장치는 인쇄헤드에 의해 시트의 한번 통과(pass)로 시트의 전체 폭에 대해 색을 인쇄하는데 사용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 각각의 인쇄헤드 유닛(20)은 유체가 대응하는 노즐 개구부로부터 잉크를 분사하도록 가압될 수 있는 다수의 유동 경로를 포함한다. 예시된 실시예에서, 유동 경로는 펌핑 챔버(220), 노즐 경로(222), 및 노즐(215)을 포함한다. 유체는 압전 액추에이터(224)에 의해 펌핑 챔버(220) 내에서 가압된다. 유동 경로의 특징은 습식 또는 플라즈마 에칭 기술에 의해 에칭될 수 있는 재료의 몸체 내에 형성된다. 습식 또는 플라즈마 에칭 기술을 이용하여 에칭될 수 있는 재료의 예는 실리콘 재료(예컨대, 실리콘 웨이퍼, 절연체 웨이퍼(SOI) 상의 실리콘) 및 세라믹 재료(예컨대, 사파이어 기판, 알루미나 기판, 알루미늄 나이트라이드 기판)를 포함한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 유동 경로는 상부 실리콘 층(226), 매립된 실리콘 다이옥사이드 층(228), 및 하부 실리콘 층(230)을 포함하는 SOI 웨이퍼 안으로 에칭된다. 실리콘 재료 내에 유동 경로 피쳐를 갖는 인쇄헤드는 2002년 7월 3일자로 출원된 미국특허출원 제10/189,947호, 및 2003년 10월 10일자로 출원된 미국특허출원 제60/510,459호에 개시되어 있으며, 상기 특허출원은 본 명세서에서 참조로 포함된다.
잉크 유동 경로를 따른 펌핑 챔버(220)의 상향부는 디에어레이터(45)이다. 디에어레이터(45)는 유체 저장 영역(47), 파티션(50), 및 진공 소스(70)와 소통하는 진공 영역(49)을 포함한다. 파티션(50)은 저장 영역(47)과 진공 영역(49) 사이의 통로(60)를 포함한다. 또한 파티션(50)은 습식층(52) 및 비습식층(54)을 포함한다. 유체 저장 영역(47)은 공급 경로(40)로부터 유체를 수용하고 유체를 파티션(50)에 노출시키는 잉크 유동 경로를 따른 영역이다. 진공 영역(49)에서, 압력은 저장 영역의 압력(예컨대, 600 mmHg 내지 800 mmHg)보다 낮은 압력(예컨대, 10 내지 27 mmHg)에서 진공 소스(70)에 의해 유진된다.
도 3A와 3B를 참조하면, 저장 영역(47)의 유체는 파티션(50)과 접촉하고 메니스커스(meniscus)(80)가 습식 및 비습식층(52,54) 사이의 계면에서 형성되는 통로(60)에 진입한다. 저장 영역의 유체는 통로(60)를 통과하여 진공 영역(49)의 하부 압력에 노출되며, 하부 압력은 유체로부터 공기 및 기타 가스들을 추출한다. 저장 영역으로부터의 유체는 분사를 위해 가압되는 펌핑 챔버(220)에 진입한다. 통로의 크기, 진공 크기, 및 파티션 층의 재료는 유체가 통로 안으로 당겨지지만 통로를 통해 진공 영역(49) 안으로는 당겨지지 않도록 선택된다.
액상, 고상, 기상의 형태가 균형 상태에서 존재하는 경계의 최소 전체 계면 에너지로 만나게 된다. 계면의 형상을 설명하는 접촉각(θ)은 경쟁하는 계면 에너지(액상-기상 계면의 계면 에너지인
Figure 112006067554669-PCT00001
, 액상-고상 계면의 계면 에너지인
Figure 112006067554669-PCT00002
, 고상-기상 계면의 계면 에너지인
Figure 112006067554669-PCT00003
)의 힘 균형을 통해 결정된다.
접촉각은 하기 식으로 설명된다.
Figure 112006067554669-PCT00004
식(1)
습식 및 비습식 사이의 차이로서 접촉각 90°의 값이 일반적이다. 예컨대, 90°보다 큰 접촉각은 액체가 고체 표면을 적시지 않고 오히려 표면에 볼을 형성하는 계면을 형성한다. 90°보다 작은 접촉각은 액체가 표면을 적시는 계면을 형성한다.
습식층(52) 및 비습식층(54)에 사용된 재료는 습식층과 통로의 유체 사이의 접촉각이 90°보다 작고 비습식층과 유체 사이의 접촉각이 90°보다 크게 되도록 식(1)에 의해 선택된다. 그 결과, 저장 영역(47) 내의 유체는 유체가 습식 및 비습식층 사이의 계면(56)과 교차할 때까지, 습식층(52)을 따라 통로(60)를 적신다. 계면에서, 액체와 비습식층(54)으로 형성된 통로의 벽 사이의 접촉각 변화로 인해 잉크는 메니스커스(80)를 형성한다.
통로(60) 내에서 메니스커스(80)를 유지하기 위해, 메니스커스(Pm)의 압력은 잉크로부터 가스 및 버블을 제거하는데 사용된 진공압력(Pv)보다 커야 한다(즉, Pm>Pv). 메니스커스의 압력은 아래와 같다:
Figure 112006067554669-PCT00005
식(2)
즉, 메니스커스에 의해 형성된 압력은 액체의 표면 에너지(
Figure 112006067554669-PCT00006
)와 메니스커스의 주(principal) 반경(r1+r2)을 곱한 것과 같다. 주 반경은 메니스커스의 국부적인 표면 곡률을 말하며 이로써 메니스커스 표면의 형상을 한정한다.
직경이 2R인 원주형 통로 내의 메니스커스의 경우에, 메니스커스의 굴곡된 표면은 r1=r2=R/sin(θ-90°)로 설명되고 메니스커스 압력의 식은 아래와 같이 감축된다:
Figure 112006067554669-PCT00007
식(3)
통로 내에 메니스커스를 유지하기 위하여, 진공 압력(Pv)은:
Figure 112006067554669-PCT00008
식(4)
이 된다.
이와 같이, Pv의 진공압력이 디에어레이터(45)에서 형성될 때, 잉크는 메니스커스(80)를 형성하도록 통로 내로 당겨질 것이다. 통로의 반경(R)은 하기와 같이 표현된다:
Figure 112006067554669-PCT00009
식(5)
완벽한 비습식층(예컨대, θ=180°)의 경우 상기 식은 아래와 같이 감축된다:
Figure 112006067554669-PCT00010
식(6)
그 결과, 파티션(50)을 가지며 표면 에너지가 30 다인/cm인 유체의 가스를 제거하는데 사용되는 디에어레이터에서, 통로의 반경은 1 대기압에서 메니스커스를 지지하도록 약 0.6 마이크론보다 작아야 한다.
또한 통로의 반경은 비습식층(54)의 고상-액상 및 고상-기상 계면의 표면 에너지와 관련하여 설명될 수 있다. 식(1)에서 sin(θ-90) 대신 -cos(θ) 을 사용하고, cos(θ)을 대체하면, 식(5)는 아래와 같이 감축된다:
Figure 112006067554669-PCT00011
식(7)
표면 에너지와 관련된 열역학적 계산에 대한 추가 설명은 McGraw-Hill, Inc.의 로버트 티. 디호프(Robert T. DeHoff)의 "Thermodynamics in Materials Science"의 12장에 개시되어 있으며, 상기 문헌은 본 명세서에서 참조로 포함된다.
실시예들에서, 통로의 반경은 1기압 이하의 진공 압력에서 약 5 마이크론 이하이고, 예컨대 약 5 마이크론 내지 약 0.1 마이크론 사이이며, 바람직하게는 약 1.0 마이크론 내지 약 0.5 마이크론 사이이다. 통상적으로 수 입방센티미터의 유체 노출 표면적을 갖는 파티션은 파티션의 10% 내지 90%(예컨대, 20% 내지 80%, 30% 내지 70%, 40% 내지 50%)가 개방된 통로로 이루어지도록 수천 개의 통로를 포함한다.
실시예들에서, 유체 예컨대 잉크는 약 25 다인/cm 내지 약 40 다인/cm의 표면 에너지를 갖는다. 습식층(52)은 다인 테스트의 검출에 따르면 40 다인/cm 또는 그 이상의 표면 에너지(예컨대,
Figure 112006067554669-PCT00012
-
Figure 112006067554669-PCT00013
)를 갖는다. 일반적으로, 다인 테스트는 각각이 상이한 표면 에너지 레벨(예컨대 30 다인/cm 내지 70 다인/cm 사이에서 1 다인/cm 씩 증가함)을 갖는 일련의 유체를 공급하여 고체 표면의 표면 에너지를 결정하는데 사용된다. 일련의 유체들 중 하나의 유체의 방울은 고체 표면에 공급된다. 만약 방울이 표면을 적신다면, 다음의 보다 높은 표면 에너지 레벨 유체의 방울이 고체 표면에 공급된다. 이러한 프로세스는 유체의 방울이 고체 표면을 적시지 않을 때까지 계속된다. 고체 표면의 표면 에너지는 고체 표며을 적시지 않는 일련의 유체 중 제 1 유체의 표면 에너지와 동일한 것으로 검출된다. 다인 테스트를 작동 시키는 장비와 기구는 NH, 클레어몬트(Claremont)에 있는 다이버시파이드 엔터프라이즈(Diversified Enterprises)로부터 이용할 수 있다. 습식층(52)을 위한 적절한 재료의 예는 실리콘 다이옥사이드와 같은 실리콘 층 또는 옥사이드 층이다. 실시예들에서, 습식층은 두께가 약 25 마이크론 또는 그 이하이며, 예컨대 1 마이크론 또는 그 이하이다.
실시예들에서, 비습식층(54)은 다인 테스트의 검출에 따르면 25 다인/cm 이하와 같이 약 40 다인/cm 이하의 표면 에너지를 갖는다. 일부 실시예들에서, 비습식층(54)은 다인 테스트의 검출에 따르면 약 20 다인/cm 내지 약 10 다인/cm 사이에 있는 표면 에너지를 갖는다. 비습식층(54)을 위한 적절한 재료의 예는 플로오로폴리머, 예컨대 테플론(Teflon)과 같은 폴리머이다. 실시예들에서, 비습식층(54)은 두께가 약 2 마이크론, 예컨대 약 1 마이크론 또는 약 0.5 마이크론이다. 특정 실시예들에서, 잉크는 약 2 내지 40 cps의 점성을 갖는다. 인쇄헤드는 노즐 폭이 약 200 마이크론 이하, 예컨대 10 내지 50 마이크론이고 방울 체적이 약 1 내지 700 pl.인 노즐을 갖는 압전 잉크젯 인쇄헤드이다. 실시예들에서, 비습식 코팅부가 노즐 개구부 주위에 제공된다. 비습식 코팅 재료는 디에어레이터 파티션의 비습식층에 사용된 동일한 재료일 수 있다.
실시예들에서, 접촉각은 통로를 한정하는 벽, 특히 비습식층(54) 상에 모폴로지(morphology)를 제공함으로써 영향을 받는다. 예컨대, 통로의 벽은 IEEE 공개번호 0-7803-7185-2/02 pp. 479-482에 기재된 김준원의 "Nanostructured Surfaces for Dramatic Reduction of Flow Resistance in Droplet-Based Microfluidics"에 개시된 것과 같은 다수의 인접하게-이격되고, 예리한-단부를 가진 나노구조물과 같은 마이크로구조화된 표면을 포함하도록 거칠게(roughen)될 수 있다. 실시예들에서, 통로의 유체의 접촉각은 170° 이상이다.
도 4A-4E를 참조하면, 디에어레이터의 제조가 예시되어 있다. 도 4A를 참조하면, 기판(100)이 제공된다. 기판은 펌핑 챔버(미도시)와 같은 유동 경로 피처가 한정된 실리콘 웨이퍼이다. 도 4B를 참조하면, 습윤성 재료의 층(52)은 기판(100)의 일측부 상에 형성된다. 습윤성 재료는 예컨대 열적 성장하거나 기상 증착에 의해 증착할 수 있는 실리콘 다이옥사이드 층이다. 선택적 실시예에서, 실리콘 다이옥사이드 층은 절연체 웨이퍼 상에 실리콘을 제공함으로써 제공된다. 도 4C를 참조하면, 기판(100)은 유체 저장 영역(47)을 형성하고 습식층의 후면을 노출시키도록 에칭된다. 도 4D를 참조하면, 비습식 재료의 층(54)은 저장 영역(47)과 마주하도록 습식 재료 위에 증착된다. 비습식 재료는 예컨대 용해 주조 또는 열적 증착 및 그 후에 교차 연결에 의해 형성된 폴리머이다. 도 4E를 참조하면, 통로(60)는 파티션(50) 내에 형성된다. 통로(60)는 예컨대, 습식층 및 비습식층 모두에 대한 기계적 또는 엑시머 레이저 드릴링 또는 고밀도 플라즈마 에칭에 의해 형성된다. 도 4F를 참조하면, 기판(200,300)은, 예컨대 실리콘 기판은 저장 영역(47)과 진공 영역(49)을 완전하게 하도록 제공된다.
소정의 실시예들이 개시되었지만, 다른 실시예들도 가능하다. 예컨대, 도 5A와 5B를 참조하면, 파티션(50)은 비습식층(54)이 저장 영역에 인접하고 습식층(52)이 진공 영역에 인접하도록 배향된다.
도 6을 참조하면, 실시예들에서, 디에어레이터(345)는 잉크 저장 영역(347)과 진공 영역(349) 사이에 위치한 파티션(350)을 포함한다. 파티션(350)은 잉크 저장 영역(347)으로부터 진공 영역(349)으로 연장하는 스루-홀(360)을 포함하는 층(355)을 포함한다. 층(355)은 실리콘 재료(예컨대, 실리콘 웨이퍼, 실리콘 다이옥사이드), 폴리머 재료(예컨대 플루오로폴리머) 및/또는 세라믹 재료(예컨대, 알루미나, 사파이어, 지르코니아, 알루미늄 나이트라이드)로 형성될 수 있다. 게다가, 층(355)은 스루-홀(360)을 따라 비습식 표면을 제공하는 재료로부터 형성될 수 있다. 비습식 재료(예컨대 플루오로폴리머)의 코팅부(365)는 스루-홀(360)의 벽이 코팅되도록 층(355) 위에 증착될 수 있다.
실시예들에서, 층(355)은 두께가 약 5 마이크론 이하이고, 스루-홀(360)은 직영이 약 1 마이크론 이하, 바람직하게는 약 200 나노미터 내지 800 나노미터 사이이고, 코팅부(365)는 두께가 약 10 나노미터 내지 80 나노미터이다. 그 결과, 일부 실시예들에서, 코팅부(365)를 포함한 스루-홀(360)을 통과하는 통로는 내부 직경이 약 40 나노미터 내지 약 780 나노미터이다. 파티션(350)을 형성하기 위하여, 층(355)은 스루-홀(360)을 포함하도록 플라즈마 에칭된다. 스루-홀(360)이 층(355) 내에 형성된 후에, 코팅부(365)는 층(355)과 스루-홀(360)의 벽을 비습식 재료로 코팅하도록 기상 증착 기술을 이용하여 층(355) 상에 증착된다. 일부 실시예들에서, 층(355)은 비습식 재료(예컨대, 플루오로폴리머)로 형성되고, 파티션(350)은 층(355)과 스루-홀(360)을 포함한다(예컨대, 코팅부는 포함되지 않음).
실시예들에서, 개별 디에어레이터에는 각각의 펌핑 챔버를 위해 제공된다. 다른 실시예들에서, 단일 디에어레이터는 다수의 펌핑 챔버를 위해 제공된다. 실시예들에서, 파티션은 2 개 이상의 층이다. 예컨대, 동일한 또는 상이한 습윤 재료, 예컨대 실리콘 및 실리콘 옥사이드의 다중층은 복합 습윤층을 제공하는데 사용될 수 있다. 동일한 또는 상이한 비습윤 재료의 다중층은 복합 비습윤층을 형성하도록 제공된다. 실시예들에서, 파티션은 다수의 교호적인 습윤 및 비습윤 재료를 포함한다. 교호하는 층은 상이한 표면 에너지의 유체 및/또는 상이한 진공 압력에서의 메니스커스를 제공하고 유지하도록 선택된 인접하는 습윤 및 비습윤 재료들의 조합을 제공한다.
또 다른 실시예들은 다음과 같다. 예컨대, 잉크는 내부에 공기가 제거되고 인쇄헤드 유닛으로부터 분사될 수 있지만, 인쇄헤드 유닛은 잉크 이외의 유체를 분사하는데 이용될 수 있다. 예컨대, 증착된 방울은 UV 또는 기타 복사 경화 재료 또는 방울로서 전달될 수 있는 화학적 또는 생물학적 유체와 같은 기타 재료일 수 있다. 예컨대, 개시된 인쇄헤드 유닛(20)은 정밀 분사 시스템의 일부일 수 있다.
본 명세서에 개시된 모든 특징들은 임의로 조합될 수 있다. 개시된 각각의 피처는 동일하고, 등가 또는 유사한 목적을 달성하는 대안적인 피처로 대체될 수 있다. 따라서, 표현이 달리 언급되지 않는 한, 개시된 각각의 피처는 등가 또는 유사한 피처의 일반적인 계열의 예일 뿐이다.
본 출원서에 인용된 모든 공보, 출원 및 특허는 각각의 개별 공보 또는 특허가 특별하고 독립적으로 본 명세서에 참조로 포함된 것으로 지칭되었지만 동일 범위까지 참조로 포함된다.
또 다른 실시예들이 하기 청구항에 기재되어 있다.

Claims (39)

  1. 방울 분사 장치로서,
    유체가 노즐 개구부로부터 방울을 분사시키기위해 가압되는 유동 경로; 및
    유체 저장 영역, 진공 영역, 및 상기 유체 저장 영역과 상기 진공 영역 사이의 파티션을 포함하는 디에어레이터(deaerator)를 포함하고,
    상기 파티션은 습식층(wetting layer)과 비습식층 및 상기 습식층과 비습식층을 관통하여 연장하는 하나 이상의 채널들을 포함하며, 상기 습식층은 상기 유체 저장 영역에 노출된, 방울 분사 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널들은 폭이 약 0.1 마이크론 내지 약 5 마이크론인 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널들은 스루-홀들인 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유동 경로와 상기 디에어레이터는 실리콘 재료 몸체에 제공되는 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 습식층은 다인 테스트(dynes test)의 검출에 따르면 표면 에너지가 약 40 다인(dynes)/cm 이상인 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 습식층은 실리콘 재료인 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 비습식층은 다인 테스트(dynes test)의 검출에 따르면 표면 에너지가 약 25 다인(dynes)/cm 이하인 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 비습식층은 폴리머인 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 폴리머는 플루오로폴리머인 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 비습식층은 두께가 약 2 마이크론 이하인 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 습식층은 두께가 약 25 마이크론 이하인 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 방울 분사 장치는 압전 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐 개구부는 폭이 약 200 마이크론 이하인 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 방울 분사 장치는 다수의 유체 경로들 및 이에 대응하는 다수의 디에어레이터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  15. 방울 분사 장치로서,
    유체가 노즐 개구부로부터 방울을 분사시키기 위해 가압되는 유동 경로; 및
    유체 저장 영역과 진공 영역 사이에 적어도 하나의 애퍼처(aperture)를 갖는 파티션을 포함하는 디에어레이터를 포함하고,
    상기 디에어레이터는 실리콘 재료를 포함하고 상기 유동 경로의 적어도 일부분은 실리콘 재료에 의해 형성되는, 방울 분사 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 파티션은 실리콘 다이옥사이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 실리콘 재료는 상기 유동 경로를 형성하고 상기 디에어레이터의 실리콘 재료는 실리콘 재료의 통합 몸체(common body)에 제공되는 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 통합 몸체는 SOI 구조물인 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 유동 경로는 압력 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  20. 제 15 항에 있어서, 상기 파티션은 폴리머 재료인 것을 특징으로 하는 방울 분사 장치.
  21. 유체 디에어레이터 부(portion)로서,
    다인 테스트의 검출에 따르면 표면 에너지가 약 40 다인/cm 이상인 제 1 층;
    다인 테스트의 검출에 따르면 표면 에너지가 약 25 다인/cm 이하인 제 2 층; 및
    직경이 약 5 마이크론 이하인 다수의 채널들
    을 포함하는 유체 디에어레이터 부.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 제 1 층은 실리콘 재료인 것을 특징으로 하는 유체 디에어레이터 부.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 제 2 층은 플루오로폴리머인 것을 특징으로 하는 유체 디에어레이터 부.
  24. 방울 분사 방법으로서,
    노즐로부터 방울들을 분사시키기 위해 유체가 가압되는 유동 경로를 제공하는 단계;
    상기 유체가 가압되기 이전에, 상기 유체를 디에어레이터 - 상기 디에어레이터는 유체 저장 영역, 진공 영역, 및 상기 유체 저장 영역과 상기 진공 영역 사이의 파티션을 포함하고, 상기 파티션은 습식층과 비습식층 및 상기 습식층과 비습식층을 관통하는 하나이상의 채널들을 포함함 - 에 노출시키는 단계;
    유체를 상기 저장 영역으로 향하게 하는 단계;
    유체가 상기 채널들을 통해 상기 진공 영역 안으로 유동하는 것을 방지하도록 상기 진공 영역에 진공을 제공하는 단계
    를 포함하는 방울 분사 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널들 중 하나의 채널의 반경은,
    Figure 112006067554669-PCT00014
    으로 정의된 값보다 작은 것을 특징으로 하는 방울 분사 방법.
  26. 제 24 항에 있어서, 상기 진공은 압력이 약 10 내지 27 mmHg인 것을 특징으로 하는 방울 분사 방법.
  27. 디에어레이터 파티션을 형성하는 방법으로서,
    실리콘 재료를 제공하는 단계;
    상기 실리콘 재료 상에 폴리머 층을 형성하는 단계; 및
    상기 실리콘 재료와 폴리머 층을 관통하는 하나 이상의 채널들을 형성하는 단계
    를 포함하는 디에어레이터 파티션을 형성하는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 실리콘 재료의 두께를 감소시키기 위해 상기 실리콘 재료를 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디에어레이터 파티션을 형성하는 방법.
  29. 제 27 항에 있어서, 상기 실리콘 재료는 실리콘 다이옥사이드인 것을 특징으 로 하는 디에어레이터 파티션을 형성하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    실리콘 다이옥사이드 구조물 상에 실리콘을 제공하는 단계; 및
    상기 실리콘을 상기 실리콘 다이옥사이드 층으로 에칭하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 디에어레이터 파티션을 형성하는 방법.
  31. 제 27 항 또는 제 30 항에 있어서,
    폴리머 또는 모노머(monomer)를 증착함으로써 상기 폴리머를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디에어레이터 파티션을 형성하는 방법.
  32. 제 27 항에 있어서, 레이저 드릴링에 의해 상기 채널들을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디에어레이터 파티션을 형성하는 방법.
  33. 제 27 항에 있어서, 에칭에 의해 상기 채널들을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디에어레이터 파티션을 형성하는 방법.
  34. 인쇄헤드를 형성하는 방법으로서,
    실리콘 재료의 몸체를 제공하는 단계;
    상기 실리코 재료의 몸체 내에 유체가 가압되는 유동 경로의 적어도 일부분 을 형성하는 단계; 및
    상기 실리콘 재료의 몸체 내에 디에어레이터 파티션의 적어도 일부분을 형성하는 단계
    를 포함하는 인쇄헤드를 형성하는 방법.
  35. 유체 저장 영역과 진공 영역 사이에 연장하는 적어도 하나의 스루-홀을 갖는 파티션을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 스루-홀의 적어도 일부분은 비습식 표면인, 디에어레이터.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 파티션은 단일층을 포함하는 것을 특징으로 하는 디에어레이터.
  37. 제 35 항에 있어서, 상기 파티션은 2 개 이상의 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 디에어레이터.
  38. 제 35 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스루-홀의 직경은 약 200 나노미터 내지 약 800 나노미터 사이인 것을 특징으로 하는 디에어레이터.
  39. 제 35 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스루-홀을 형성하는 벽은 마이크로 구조화 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 디에어레이터.
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