KR20070078933A

KR20070078933A - 잉크 젯 기록 헤드용 기판

Info

Publication number: KR20070078933A
Application number: KR1020060009391A
Authority: KR
Inventors: 한은봉
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-08-03

Abstract

잉크 젯 기록 헤드용 기판이 개시된다. 상기 기판은 다수의 노즐들을 그룹화하여 복수의 토출 그룹들을 형성하고, 형성된 상기 복수의 토출 그룹들내의 노즐들을 시분할 구동하기 위한 열 전사 방식의 잉크 젯 기록 헤드에 사용하기 위한 기판으로서, 노즐들 각각에 대하여 열 전사를 보조하기 위한 복수의 열 발생 소자들; 제1 배선 및 제2 배선을 통해 상기 복수의 열 발생 소자들에 전원을 공급하는 전극 패드; 및 상기 전극 패드에 연결된 상기 제1 배선 및 상기 제2 배선;을 포함하며, 상기 제1 배선에는 상기 모든 복수의 열 발생 소자들의 일단이 연결되며, 상기 제2 배선은 토출 그룹별로 분리되어 해당 열 발생 소자들의 나머지 단에 연결되는 것을 특징으로 하며, 상기 제1 배선은 토출 그룹에 무관하게 일정한 배선 저항값을 가지며, 상기 제2 배선은 토출 그룹별로 다른 배선 저항값을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이를 통해 1개의 노즐을 구동하는 경우와 동시에 다수의 노즐을 구동하는 경우에 각 열 발생 소자에 공급되는 전류의 차이를 줄일 수 있다.

Description

잉크 젯 기록 헤드용 기판{Substrate for use of an ink jet recording head}

도 1a 내지 도 1b는 종래 기술에 따른 잉크 젯 기록 헤드용 기판의 전원 배선을 포함한 배치도 및 열 발생 소자 등에 대한 모델링 결과를 도시한 것이다.

도 2a 내지 도 2b는 종래 기술에 따른 잉크 젯 기록 헤드용 기판의 전원 배선을 포함한 배치도 및 열 발생 소자 등에 대한 모델링 결과를 도시한 것이다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크 젯 기록 헤드 로직 회로의 간략화된 블록도이다.

도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크 젯 기록 헤드 로직의 타이밍도이다.

도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크 젯 기록 헤드 로직의 예시적인 배치도이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크 젯 기록 헤드용 기판의 전원 배선을 포함한 배치도 및 열 발생 소자 등에 대한 모델링 결과를 도시한 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

430.... 열 발생 소자들 420....트랜지스터 어레이

320......... AND 게이트 어레이 330, 350....시프트 레지스터

340, 360.... 래치 400a, 400b...전극 패드

441a, 441b, 441c...접지 배선 440.........(+) 배선

본 발명은 잉크 젯 기록 헤드용 기판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 노즐들을 그룹화하여 복수의 토출 그룹들을 형성하고, 형성된 상기 복수의 토출 그룹들 내에 있는 노즐들을 시분할 구동하기 위한 열 전사 방식의 잉크 젯 기록 헤드에 사용하기 위한 기판으로서, 1개의 노즐을 구동하는 경우와 동시에 다수의 노즐을 구동하는 경우에 각 열 발생 소자에 공급되는 전류의 차이를 줄일 수 있는 기판에 관한 것이다.

반도체 공정 기술의 발달로 소형 대용량의 CMOS-FET 설계가 가능해짐에 따라, 잉크 젯 기록 헤드의 크기도 점차 소형화되면서 고집적 회로의 설계가 가능하게 되고 있다. 그러나, 집적도가 높아짐에 따라 토출 해상도의 향상을 위해 각 노즐간의 간격도 1/300dpi(dot per inch)에서 600dpi, 1200dpi로 감소하고, 노즐의 수도 점차 많아지고 있으며, 헤드의 크기는 노즐 열의 방향으로는 길어지고 있다. 한편, 헤드의 크기를 축소하기 위해서 노즐 열의 직각 방향으로는 좁아짐에 따라, 노즐 열의 하단부에 위치한 전원 배선, 즉 각 노즐의 하단부에 위치하여 잉크를 가열함으로써 잉크를 노즐 외부로 토출하도록 하는 열 발생 소자들에 인가되는 전원 배선을 설계할 수 있는 면적도 점차 줄어들고 있다.

도 1a 내지 도 2b는 종래 기술에 따른 잉크 젯 기록 헤드용 기판의 전원 배선을 포함한 배치도 및 열 발생 소자 등에 대한 모델링 결과를 도시한 것이다.

우선, 도 1a는 전극 패드(100a, 100b)에 연결되어 복수의 열 발생 소자들(이하 '히터'와 동일 의미로 사용된다)에 전력을 공급하는 (+) 배선(140) 및 접지 배선(141)과 상기 복수의 열 발생 소자들을 구동하기 위한 복수의 FET들(120)을 도시하고 있다. 상기 복수의 열 발생 소자들은 잉크 공급 홀(110)을 중심으로 배치되어 있으며, 각 토출 그룹들(PDATA1 - PDATA12) 내에는 A1, ..., An에 해당하는 노즐들이 놓여 있다. 한편, 각 노즐 주위에는 도시된 바와 같은 열 발생 소자(130)가 위치하여 잉크의 열 전사를 돕는다.

한편, 도 1b는 도 1a에 대한 열 발생 소자들을 모델링한 결과를 도시한 것으로, 도면 부호 130a는 히터의 저항과 FET의 저항 Rds을 합한 저항을, 도면 부호 130b는 각 토출 그룹간의 배선 저항을 의미한다.

다음으로, 도 2a 역시 마찬가지로 구성되며, 전극 패드(200a, 200b)에 연결되어 복수의 열 발생 소자들(230)에 전력을 공급하는 (+) 배선(240a, 240b, 240c) 및 접지 배선(241b, 241b, 241c)과 상기 복수의 열 발생 소자들을 구동하기 위한 복수의 FET들(220)을 도시하고 있다. 상기 복수의 열 발생 소자들은 잉크 공급 홀(210)을 중심으로 배치되어 있으며, 각 토출 그룹들(PDATA1 - PDATA12) 내에는 A1, ..., An에 해당하는 노즐들이 놓여 있다. 한편, 각 노즐 주위에는 도시된 바와 같은 열 발생 소자(230)가 위치하여 잉크의 열 전사를 돕는다.

도 2b는 도 2a에 대한 열 발생 소자들을 모델링한 결과를 도시한 것으로, 도면 부호 230a은 히터의 저항과 FET의 저항 Rds을 합한 저항을, 도면 부호 230b는 각 토출 그룹까지의 배선 저항을 의미한다.

도 1a 및 도 2a의 경우, 잉크 공급 홀(110, 210)을 중심으로 상 하부에 각각 6개의 토출 그룹으로 구성되어 있다.

도 1a의 경우는 전원을 공급하는 전극 패드(100a, 100b)가 좌 우측에 위치하며, (+) 배선(140)과 접지 배선(141)을 모든 노즐들의 히터들(130) 및 nMOSFET(120)가 공유하도록 설계되어 있다. 이러한 경우, 1개의 노즐을 구동하는 경우와 동시에 12개의 노즐 또는 그 이하의 노즐을 구동하는 경우에 각 히터에 공급되는 전류량에 차이가 발생한다. 이러한 점을 보완하기 위해서는 히터에 공급되는 에너지 공급 시간을 조절하는 STROBE 펄스 폭을 조정하거나 또는 인가전압을 조정해야 한다.

도 2a의 경우는 전원을 공급하는 전극 패드(200a, 200b)가 좌 우측에 위치하며, (+) 배선(240a, 240b, 240c)과 접지 배선(241a, 241b, 241c)을 각 토출 그룹별로 분리하여 배선하였다. 이 경우에는 각 배선의 폭을 적절히 조절해야만 1개의 노즐 구동시와 12개의 노즐들 또는 그 이하의 노즐들을 구동하는 경우 각 히터에 공급되는 전류량이 동일하게 된다.

그러나, 초기에 상술한 바와 같이, 전원 배선의 폭이 줄어들면, 전원 배선 저항도 커진다. 따라서, 도 1a의 경우 동시에 구동되는 노즐들의 수가 많아질수록 각 히터에 공급되는 전류량은 1개의 노즐을 구동하는 경우에 비해 작아지게 되어 STROBE 펄스 폭 조정이나, 전압 조정에 의한 보상 방법으로는 양호한 토출 특성을 얻을 수 없게 된다. 또한, 도 2a의 경우와 같이 (+) 배선 및 접지 배선이 이루어진다면, 토출 그룹의 전원 배선의 폭이 전체적으로 줄어들게 되어, 히터 저항이 낮은 경우에는 많은 양의 에너지가 전원 배선에서 소모되는 문제점이 발생한다. 특히, 구동에 필요한 노즐들의 수가 증가하는 반면에 어드레스 비트의 수가 적어지면, 토출 그룹의 수가 증가하게 되어 전원 배선 폭이 좁아지므로 전원 배선의 저항은 그만큼 증가하게 된다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 다수의 노즐들을 그룹화하여 복수의 토출 그룹들을 형성하고, 형성된 상기 복수의 토출 그룹들 내에 있는 노즐들을 시분할 구동하기 위한 열 전사 방식의 잉크 젯 기록 헤드에 사용하기 위한 기판에 있어서, 1개의 노즐을 구동하는 경우와 동시에 다수의 노즐을 구동하는 경우에 각 열 발생 소자에 공급되는 전류의 차이를 줄일 수 있는 기판을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 잉크 젯 기록 헤드용 기판은 다수의 노즐들을 그룹화하여 복수의 토출 그룹들을 형성하고, 형성된 상기 복수의 토출 그룹들 내에 있는 노즐들을 시분할 구동하기 위한 열 전사 방식의 잉크 젯 기록 헤드에 사용하기 위한 기판으로서, 상기 기판은 노즐들 각각에 대하여 열 전사를 보조하기 위한 복수의 열 발생 소자들; 제1 배선 및 제2 배선을 통해 상기 복수 의 열 발생 소자들에 전원을 공급하는 전극 패드; 및 상기 전극 패드에 연결된 상기 제1 배선 및 상기 제2 배선;을 포함하며, 상기 제1 배선에는 상기 모든 복수의 열 발생 소자들의 일단이 연결되며, 상기 제2 배선은 토출 그룹별로 분리되어 해당 열 발생 소자들의 나머지 단에 연결되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1 배선은 토출 그룹에 무관하게 일정한 배선 저항값을 가지며, 상기 제2 배선은 토출 그룹별로 다른 배선 저항값을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 기판은 상기 열 발생 소자들을 구동하기 위한 복수의 구동 요소들을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1 배선 및 상기 제2 배선은 상기 노즐들의 열의 중심을 기준으로 상하 좌우로 대칭적인 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1 배선은 양의 전극이며, 상기 제2 배선은 접지인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 잉크 젯 기록 헤드용 기판의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기의 설명에서는 구체적인 회로의 구성소자 등과 같은 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자 명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크 젯 기록 헤드 로직 회로의 간략화된 블록도이다. 도 3a를 참조하여, 이해를 돕기 위해 다수의 노즐들을 시분할 구동하는 방법을 기술하면 다음과 같다.

외부의 메인 콘트롤러로부터 해당 노즐을 선택하기 위해 CLOCK에 동기하여 P_DATA(Primitive_data)(303)와 ADDR(305)를 받아 해당 시프트 레지스터(330, 350)에 저장한다. 관련하여 최근에는 메인 콘트롤부와 잉크 젯 기록 헤드 간 신호 라인수를 줄이기 위해 P_DATA(Primitive_data)와 어드레스 등은 직렬로 신호를 구성하는 추세이다. 한편, LOAD 신호(304)가 입력되면, 해당 래치(340, 360)에서 각 시프트 레지스터(330, 350)에 입력된 P_DATA 및 어드레스를 래치한다. 다음에, 잉크를 토출하기 위한 Fire STROBE 펄스(STROBE)(302)가 입력되면, 각각의 래치된 신호가 AND 게이트(320)를 거쳐 해당 노즐의 트랜지스터(420)를 턴온시킨다. 다음에, 노즐의 열 발생 소자, 즉 히터(430)에 전원(Vph)를 인가되고, 이에 의해 히터에 전류가 흐름으로써, 잉크는 노즐 외부로 토출된다.

도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크 젯 기록 헤드 로직의 타이밍도이다. 예시로서, P_DATA(303)가 10 비트, 어드레스(305)가 10비트로 이루어져 있다고 가정하면, P_DATA가 10비트이므로 10 EA의 토출 그룹으로 이루어지며, 따라서 한 번에 토출 가능한 노즐의 수량은 10EA이다. 이 경우 어드레스(305)가 10비트로 이 루어지므로 총 제어 가능한 노즐의 수량은 100EA이다.

도 3b에서, LOAD(304) 신호가 입력되어야 AND 게이트(320)에 각 데이터가 래치되므로, STROBE_1에 의해 구동되는 노즐은 Address_1에 해당하는 Data_1 토출 그룹내의 노즐들이다. 또한 STROBE_2에 의해 구동되는 노즐은 Address_2에 해당하는 Data_2 토출 그룹내의 노즐들이다.

도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크 젯 기록 헤드 로직(290)의 예시적인 배치도이다. 도 3c를 참조하면, 노즐 열의 좌 우측에는 외부로부터 전력을 공급받기 위한 전력 패드(400a, 400b)가 위치하며, 또한 P_Data 쉬프트 레지스터(330)와 P_Data 래치(340)가 기판의 좌측에 위치하여 P_Data(Primitive Data)를 형성한다. 한편, 어드레스 레지스터(350) 및 어드레스 래치(360)는 기판의 우측에 위치하여 어드레스 데이터를 형성한다. 이때 형성된 신호는 버스들(330a, 340a 350a, 360a)을 경유하고 AND 게이트(320)를 통하여 해당 히터 구동용 FET(420)를 제어한다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크 젯 기록 헤드용 기판의 전원 배선을 포함한 배치도 및 열 발생 소자들에 대한 모델링 결과를 도시한 것이다.

도 4a는 전극 패드(400a, 400b)에 연결되어 복수의 열 발생 소자들(430)에 전력을 공급하는 (+) 배선(440) 및 접지 배선(441a, 441b, 441c)과 상기 복수의 열 발생 소자들(430)을 구동하기 위한 복수의 FET들(420)을 도시하고 있다. 상기 복수의 열 발생 소자들은 잉크 공급 홀(410)을 중심으로 배치되어 있으며, 도시된 바와 같이 A1, ..., An에 해당하는 노즐들이 하나의 토출 그룹을 형성하며, 각각의 노즐에는 도시된 바와 같이 열 발생 소자가 하나씩 대응하여, 잉크의 열 전사를 돕는다.

한편, 도 4b는 도 4a에 대한 열 발생 소자들을 모델링한 결과를 도시한 것으로, 도면 부호 430a는 각 토출 그룹까지의 배선 저항을, 230b는 히터 저항과 FET의 Rds 저항을 합한 저항을, 230c는 토출 그룹간의 배선 저항을 의미한다.

통상적으로 한번에 1200dpi로 인쇄를 하기 위해서는 잉크 공급 홀(410)을 중심으로, 상 하부에 600 cpi(cell per inch) 간격으로 노즐이 위치해야 하며, 상부와 하부에 있는 노즐 열은 1/1200″간격으로 어긋나게 배열되어야 한다. 만약 760개의 노즐이 있으며, 이 중 20 EA의 노즐을 동시에 구동 가능하다면 38개의 그룹으로 나누어 시분할 구동할 수 있다. 이 경우에 잉크 젯 헤드 기판의 크기를 가로 19mm, 세로 1.2mm로 설계한다고 가정하면, 잉크 공급 홀을 제외하면 전원 배선은 상하 각각 400㎛ 정도의 폭을 가진다. 또한 이러한 경우에 2 Layer의 알루미늄 메탈을 사용하여 전원 배선을 한다면, 전원 배선의 폭은 800㎛으로 설계 가능하다. 이때, 히터의 저항값이 50Ω, nMOSFET의 Rds가 9Ω 정도라고 가정한 상태에서 10V의 전압을 전극 패드에 인가한다면, 배선 방법에 따라 히터에 공급되는 전류의 계산이 가능하다. 이때, 알루미늄 메탈의 Rs(Sheet 저항) 값은 0.05Ω/square로 계산한다.

이하에서는 P_DATA가 20비트, 즉 20개의 토출그룹들(상하로 각각 10개의 토출그룹들)로 이루어지는 경우에 대해서 도 1a, 도 2a 및 도 4a와 같이 배선되는 경 우의 계산예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1a와 같이 배선한다면, (+) 배선은 400㎛로 배선 가능하며, 1개 노즐을 구동하는 경우 좌 우측의 최 외각 히터에 공급되는 전류는 약 169mA이며, 20개의 노즐들을 동시에 구동시에는 노즐 열 중앙부의 1번째 어드레스의 히터 전류는 154mA가 되어 히터를 1개 구동하는 경우와 20개의 히터 모두를 구동하는 경우의 전류 편차는 9.35%가 된다.

한편, 도 2a와 같이 배선한다면, 상부의 경우 노즐 열을 따라 10개의 토출 그룹(즉, 좌우 각각 5개의 토출 그룹)으로 배선 가능하며, 각 배선 간의 간격을 고려한다면 최외각 토출 그룹의 배선 폭은 (+) 배선이 14㎛, 접지 배선이 12㎛ , 2번째 그룹은 (+) 배선이 42㎛, 접지 배선이 34㎛, 3번째 그룹은 (+) 배선이 64㎛, 접지 배선이 58㎛, 4번째 그룹은 (+) 배선이 84㎛, 접지 배선이 82㎛, 5번째 그룹은 (+) 배선이 104㎛, 접지 배선이 105㎛으로 설계 가능하다. 그리고, 나머지 배선 가능 영역은 각 토출그룹 내에 있는 각 히터 간의 공통 배선용으로 사용한다. 이때 각 히터까지의 배선 저항은 대략 7.1Ω이 되며, 1개의 노즐 또는 20개의 노즐들을 동시 구동하는 경우에 각 히터에 공급되는 전류는 151mA가 되어 배선 저항에서 소모되는 에너지 비율은 10.7%가 된다.

하지만, 본 발명의 일 실시예에 따라 도 4a와 같이 배선한다면, (+) 배선이350㎛이며, 접지 배선은 1번째 토출 그룹의 경우 15㎛, 2번째 토출 그룹은 37㎛, 3번째 토출 그룹은 62㎛, 4번째 토출 그룹은 90㎛, 5번째 토출 그룹은 122㎛로 설계 가능하다. 이 경우 나머지 배선 가능 영역은 각 토출 그룹내에 있는 각 히터 구동 용 nMOSFET의 접지 공통 배선용으로 사용한다. 1개 노즐을 구동하는 경우 각 히터에 공급되는 전류는 노즐 위치에 관계없이 대략 159mA, 20개의 노즐들을 동시 구동하는 경우에는 중앙부 노즐의 히터에 공급되는 전류는 155mA가 되어 최대 전류 편차는 2.26%이나, 이는 토출 특성에 거의 영향을 미치지 않는다.

또한, 20개의 노즐들을 동시에 구동하는 경우 중앙부 히터 배선 저항에 의해 소모되는 에너지 비율은 8.55%가 되어, 도 2a와 같은 배선 방식에 비해 적다. 그리고, 기판의 크기가 더 줄어들어 배선 면적이 더 작아진다고 해도 본 발명을 적용한다면, 기존의 방식에 비해 배선에 의한 에너지 소모를 훨씬 절감할 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

상술한 바와 같이, 제1 배선에 복수의 열 발생 소자들의 일단을 연결하고, 제2 배선은 토출 그룹별로 분리되어 해당 열 발생 소자들의 나머지 단을 연결하고, 제1 배선은 상기 토출 그룹에 무관하게 일정한 폭을 가지며, 제2 배선을 토출 그룹별로 다른 폭을 가지도록 구성함으로써, 1개의 노즐을 구동하는 경우와 동시에 다수의 노즐을 구동하는 경우에 각 열 발생 소자에 공급되는 전류의 차이를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims

다수의 노즐들을 그룹화하여 복수의 토출 그룹들을 형성하고, 형성된 상기 복수의 토출 그룹들 내에 있는 노즐들을 시분할 구동하기 위한 열 전사 방식의 잉크 젯 기록 헤드에 사용하기 위한 기판으로서,

노즐들 각각에 대하여 열 전사를 보조하기 위한 복수의 열 발생 소자들;

제1 배선 및 제2 배선을 통해 상기 복수의 열 발생 소자들에 전원을 공급하는 전극 패드; 및

상기 전극 패드에 연결된 상기 제1 배선 및 상기 제2 배선;을 포함하며,

상기 제1 배선에는 상기 모든 복수의 열 발생 소자들의 일단이 연결되며,

상기 제2 배선은 토출 그룹별로 분리되어 해당 열 발생 소자들의 나머지 단에 연결되는 것을 특징으로 하는 기판.
제1항에 있어서, 상기 제1 배선은

토출 그룹에 무관하게 일정한 배선 저항값을 가지며, 상기 제2 배선은 토출 그룹별로 다른 배선 저항값을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기판.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기판은

상기 열 발생 소자들을 구동하기 위한 복수의 구동 요소들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 배선 및 상기 제2 배선은

상기 노즐들의 열의 중심을 기준으로 상하 좌우로 대칭적인 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 기판.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 배선은

양의 전극이며, 상기 제2 배선은 접지인 것을 특징으로 하는 기판.