KR20080067925A - 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
잉크젯프린트헤드 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 잉크젯프린트헤드는 잉크를 공급하는 잉크공급로가 형성된 기판, 기판 상에 적층되어, 잉크공급로를 통하여 공급된 잉크가 채워지는 잉크챔버와, 잉크챔버 내에 마련되어 잉크를 토출하기 위하여 잉크에 열을 가하는 발열저항체가 마련된 챔버플레이트, 챔버플레이트 위에 형성되어, 잉크가 토출되는 다수의 노즐이 형성된 노즐플레이트와, 노즐플레이트 위에 형성된 발수층을 구비하는 잉크젯프린트헤드에 있어서, 발수층은 노즐플레이트를 이루는 물질과 발수층을 구성하는 가수분해물의 반응결과물이 결합되어 불연속적으로 형성된다.
Description
도 1은 내지 도 6은 본 발명에 따른 발수층이 형성된 잉크젯프린트헤드의 제조방법을 도시한 단면도들,
도 7은 본 발명에 따른 발수층을 구비하는 잉크젯프린트헤드의 제작공정에 따른 발수층의 접촉각의 변화를 도시한 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 발수층의 표면의 시간에 따른 열적안정성을 도시한 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 발수층의 표면의 잉크에 대한 접촉각변화를 도시한 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110...기판 111...잉크공급로
112...도전성물질 113...저항발열체
120...챔버플레이트 121...희생몰드층
122...잉크챔버 123...리스트릭터
130...노즐플레이트 140...발수층
151...노즐
본 발명은 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노즐판에 발수층이 형성된 잉크젯 프린트헤드에 관한 것이다.
일반적으로, 잉크젯프린터의 잉크 토출방식으로는 열원을 이용하여 잉크에 기포(버블)를 발생시켜 이 힘으로 잉크를 토출시키는 전기-열 변환방식(electro-thermal transducer, 일명, 버블 젯 방식)과, 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적변화에 의해 잉크를 토출시키는 전기-기계 변환방식(electro-mechanical transducer)이 있다.
전자는 프린트 헤드의 챔버 내에 열을 공급할 수 있는 히터를 장착하여 매우 짧은 시간 안에 상당히 큰 열에너지를 공급함에 따라 히터의 고유저항 때문에 열이 발생한다. 이 열이 히터와 접촉하고 있는 잉크로 전달되어 수용성잉크가 비등점 이상으로 온도가 급격히 상승하게 된다. 잉크의 온도가 비등점 이상으로 상승하게 되면 기포가 형성되고, 형성된 기포는 주변의 잉크에 압력을 가한다. 압력을 받은 잉크는 대기압과의 압력차이로 인해 노즐을 통해 토출된다. 이때 토출되는 잉크는 잉크 고유의 표면에너지를 최소화하기 위해 잉크방울을 형성하면서 지면으로 토출된다.
후자는 프린트 헤드의 챔버에 압력을 가할 수 있도록, 다이아프램에 압전물질을 부착하여 전압이 인가되면 힘을 발생시키는 압전특성을 이용하여 챔버에 압력 을 제공하여 잉크를 밀어내는 방식으로, 인가되는 전압에 따라 힘을 발생시켜 챔버 내에 압력을 전달하는 방식이다.
이러한 잉크젯 프린트헤드는 잉크가 토출되는 다수의 노즐이 형성된 노즐판을 구비하고 있다. 노즐판은 감광성 에폭시수지(photosensitive epoxy resin)로 포토리소그래피(photolithography)를 이용하여 형성할 수 있으며, 물에 대한 접촉각이 약 66도여서 잉크에 의해 노즐외부표면은 젖음성(wettability)이 있는 친수성표면을 가지고 있다.
그런데, 잉크가 노즐를 통하여 외부로 토출될 때, 잉크액적은 친수성 있는 노즐 표면에서 노즐주위로 쉽게 퍼지게 되어 바람직한 형태의 잉크액적이 형성되지 않으며, 잉크액적의 토출방향이 정확하게 유지되지 않을 수 있다.
잉크액적이 토출된 후에도 노즐 주위 표면에 잉크가 잔존하게 되고, 잔존된 잉크가 기록매체에 옮겨져 기록매체를 오염시킬 수 있어 인쇄품질이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 노즐플레이트의 표면에 발수성(소수성)물질을 도포하여 이러한 문제점을 해결할 필요가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 감안한 것으로, 노즐플레이트 위에 저분자향으로 노즐플레이트를 이루는 물질과 반응하는 발수물질로 이루어진 발수층을 형성하여 접촉각을 향상시킨 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 잉크젯 프린트헤드는 잉크를 공급하는 잉크공급로가 형성된 기판, 상기 기판 상에 적층되어, 상기 잉크공급로를 통하여 공급된 잉크가 채워지는 잉크챔버와, 상기 잉크챔버 내에 마련되어 잉크를 토출하기 위하여 잉크에 열을 가하는 발열저항체가 마련된 챔버플레이트, 상기 챔버플레이트 위에 형성되어, 잉크가 토출되는 다수의 노즐이 형성된 노즐플레이트와, 상기 노즐플레이트 위에 형성된 발수층을 구비하는 잉크젯프린트헤드에 있어서,
상기 발수층은 상기 노즐플레이트를 이루는 물질과 상기 발수층을 구성하는 가수분해물의 반응결과물이 결합되어 불연속적으로 형성된다.
본 발명에 따르면, 상기 발수층은 상기 노즐플레이트와 반응하는 반응기와 불소함유 작용기를 구비하는 실란화합물이다.
본 발명에 따르면, 상기 실란화합물은 반응기로 에톡시를 구비하는 에톡시실란이다.
본 발명에 따르면, 상기 실란화합물은 반응기로 할로겐기를 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 불소함유 작용기는 -(CF2)nCF3를 가지며, n은 3 내지 15 의 정수이다.
본 발명에 따르면, 상기 발수층은 상기 노즐 플레이트의 상부표면에만 형성되어 있다.
본 발명에 따르면, 상기 노즐플레이트는 에폭시이다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 발열저항체가 마련된 기판을 준비하는 단계;
잉크챔버를 형성하는 챔버플레이트 및 상기 챔버플레이트 사이를 채우는 희생몰드층을 형성하는 단계;
상기 챔버플레이트 및 희생몰드층을 덮어 노즐플레이트를 형성하는 단계;
상기 노즐플레이트를 이루는 물질과 상기 발수층을 구성하는 가수분해물의 반응결과물이 결합되어 불연속적으로 형성되는 발수층을 형성하는 단계;
상기 노즐플레이트 및 발수층에 선택적인 노광을 수행하여 노즐패턴을 한정하는 단계와;
노광에 의하여 한정된 노즐패턴에 해당하는 상기 노즐플레이트 및 발수층을 제거하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 노즐플레이트 및 발수층을 제거하는 단계에서
상기 발수층은 리프트 오프공정을 통하여 상기 노즐플레이트와 함께 제거된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 6은 본 발명에 따른 발수층이 형성된 잉크젯프린트헤드의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 먼저, 기판(110)을 준비한다. 상기 기판(110)은 반도체 소자의 제조공정에 사용되는 실리콘 기판인 것이 바람직하다. 상기 기판(110)상에는 잉크를 토출하기 위하여 잉크에 열을 가하는 저항발열체들(113)을 형성한다. 상기 기판(110)상에는 상기 저항발열체들(113)을 전기적으로 연결하기 위한 도전성 패드들(112)을 형성한다. 그밖에 도면에는 도시되지 않았지만, 상기 저항발열체들(113)에 전기적신호를 공급하기 위한 배선 등이 더 형성될 수 있다.
상기 저항발열체들(113)이 형성된 기판(110)위에 상기 저항발열체들(113)을 감싸도록 잉크의 이동을 안내하는 챔버플레이트(120)를 형성한다. 상기 챔버플레이트는 네가티브 감광성수지 또는 열경화성 수지로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 챔버플레이트(120)의 사이의 상기 잉크챔버(121)에 희생몰드층(121)을 형성한다. 본 발명에서는 상기 챔버플레이트(120)를 먼저 형성하고, 상기 희생몰드층(121)을 형성하는 필업공정(fill-up process)방법을 사용하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 희생몰드층(121)을 먼저 형성한 후, 상기 챔버플레이트(120)를 형성할 수 도 있다. 필업공정(fill-up process)은 공지되어 있는 기술로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기 챔버플레이트(120) 및 희생몰드층(121)이 형성된 기판(110)상에 노즐플레이트(130)를 형성한다. 상기 노즐플레이트(130)는 네가티브 감광성수지층으로 형성하는 것이 바람직하다. 네가티브 감광성수지층은 에폭시계 수지 등이 사용될 수 있다. 상기 노즐플레이트(130)는 스핀코팅법에 의하여 형성될 수 있으며, 그 두께는 노즐플레이트의 두께를 고려하여 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 노즐플레이트(130)위에 발수층(140)을 접촉프린팅법, 스핀코팅법 또는 증발코팅법을 이용하여 형성한다.
상기 발수층(140)은 비감광성으로 반응성기와 불소함유 작용기를 갖는 실란화합물로 형성한다. 상기 반응성기로 알콕시기를 사용한다.
본 발명에서 반응성기로 알콕시기를 사용하는 불소계 실란화합물은 하기의 [화학식 1]로 표시되는 불소계 실란을 사용한다.
상기 식 중,
R1은 불소함유 작용기로서, -(CF2)nCF3 (단, n은 1 내지 15의 정수임), -CH2CF3 또는 -OC(=O)CF3이고,
R2는 메틸기 또는 에틸기이고,
R3 및 R4는 서로 독립적으로 할로겐 원자, 메톡시기, 에톡시기, 에틸기 및 메틸기로 이루어진 군으로부터 선택된다.
여기서, OR2는 반응성기인 알콕시기를 나타내므로, R2가 메틸기인 경우에는 OR2는 메톡시기이고, R2가 에틸기인 경우에는 OR2는 에톡시기이다.
상기 반응성기는 할로겐기를 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 노즐 플레이트(130)와 발수층(140)은, 상기 노즐 플레이트(130)를 구성하는 에폭시 수지와, 상기 발수층(140)을 구성하는 상기 [화학식1]의 불소계 실란의 가수분해물의 탈수 축합 반응 결과물로 인하여 결합된다. 상기 에폭시 수지는 공기 중에서 말단에 하이드록시기(-OH)를 갖게 되고, 이 하이드록시기(-OH)와 상기 불소계 실란의 가수분해성 반응성기(-OR2)로부터 형성된 말단의 하이드록시기(-OH)가 반응하여 탈수 축합 반응이 진행되게 된다. 이러한 탈수 축합 반응 결과 공유결합되는 부분들이 상기 노즐 플레이트(130)와 발수층(140)에 불연속적(non-continuous)으로 존재하므로, 공유결합되는 부분들 사이에 공간이 형성된다.
또한, 상기 불소함유 작용기(R1)는 직선형 사슬구조로 올리고머 또는 단분자폴리머이기 때문에, 노즐 현상액이 발수층을 침투할 수 있어 상기 노즐플레이트(140)에서 노즐을 용이하게 패턴할 수 있다.
상기한 바와 같이 상기 노즐플레이트(130)와 발수층(140)은 공유결합에 의해 연결되므로 접착성이 우수하다.
구체적인 실시예에 있어서, 상기 발수층(140)은 일본 하베스사(HARVES Co. Ltd)로부터 입수 가능한 발수처리제인 듀라서프(DURASUFTM) DS-5000시리즈 중, DS-5110을 스핀코팅법을 이용하여 도포한 후, 85℃ 핫플레이트 위에서 30분간 프리베이크(prebake)하여 형성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 발수층(140)이 형성된 노즐플레이트(130)위에 노즐패턴이 마련된 포토마스크(160)를 씌우고, 자외선을 조사하여 선택적인 노광을 수행한다. 상기 포토마스크(160)에는 노즐패턴과 함께 상기 챔버플레이트(120)의 양측부를 마스킹하는 패턴이 더 형성될 수 있다.
상기 노즐플레이트(130)에 대한 노광을 수행한 결과, 상기 노즐플레이트(130)에 비노광부(131)와 노광부(132)가 한정된다.
도면에 도시되지는 않았지만, 상기 노광된 노즐플레이트(130)에 대한 열처리를 수행한다. 열처리는 포토리소그래피 고정에 있어서, 노광 후 수행되는 베이크(Post Exposure Bake; PEB)공정이다.
도 5를 참조하면, 상기 노즐플레이트(130) 중 비노광부(131)를 용해하여 제거한다. 네가티브 감광성 수지층으로 이루어진 상기 노즐플레이트(130)의 비노광부(131)는 용매를 사용하여 용이하게 제거될 수 있다.
상술한 바와 같이, 현상액인 용매가 상기 발수층(140)을 통과하여 상기 노즐플레이트(130)에 침투할 수 있으므로, 상기 노즐플레이트(130)의 비노광부(131)는 용이하게 제거될 수 있다.
이 과정에서, 상기 노즐플레이트(130)의 비노광부(131)가 제거됨에 따라, 상기 발수층(140)중 상기 비노광부(131)위에 형성된 부분도 리프트 오프(lift-off)되어 제거된다. 상기 발수층(140)중 상기 노광부(132)위에 형성된 부분은 영향을 받지 않고 상기 노광부(132)위에 잔존한다. 상기 비노광부(131)와 그 위에 형성된 발수층(140)이 제거된 자리는 잉크가 토출되는 노즐(151)이 형성된다.
이렇게 형성된 상기 노즐플레이트(140)는 그 상부표면에만 선택적으로 발수층(140)이 형성되어 있으므로 노즐내측보다 상기 노즐플레이트(140)의 상부의 접촉각이 더 우수한다.
도 6을 참조하면, 상기 비노광부(131)와 그 위에 형성된 발수층(140)을 제거 한 후, 상기 기판(110)을 관통하도록 잉크공급로(111)를 형성한다. 상기 잉크공급로(111)는 통상의 이방성 건식식각 공정을 통하여 형성될 수 있다. 그런 다음, 적절한 용매를 사용하여 상기 희생몰드층(121)을 용해하여 제거한다. 따라서, 상기 희생몰드층(121)이 제거된 공간에 잉크챔버(122) 및 리스트릭터(123)를 포함하는 유로가 형성된다.
상기와 같은 발수물질로 이루어진 발수층(140)을 구비하는 잉크젯프린트헤드는 발수물질의 접촉각을 측정한 결과 105도(degree)였다. 이는 발수층처리 전의 66도(degree)인 접촉각에 비하여 젖음성이 낮아졌음을 알 수 있다. 또한, 발수층을 처리하지 않은 종전의 노즐표면에서 잉크가 노즐 외부 및 내부 표면에 퍼졌지만, 박수층이 처리된 노즐 외부표면에는 잉크가 묻지 않고 노즐 내부에만 잉크가 모이는 현상이 관측되었다. 이는 물과 잉크에 대해 낮은 젖음성이 있다는 것을 나타내는 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 발수층을 구비하는 잉크젯프린트헤드의 제작공정의 분위기에 따른 발수층의 접촉각의 변화를 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 노즐층을 현상하는 공정, 잉크공급로를 형성하는 공정, 희생몰드층을 제거하는 공정, 노광후 베이킹공정 시에 적용되는 분위기가 다르며, 이러한 공정에 따른 서로 다른 분위기 하에서 접촉각의 변화를 측정한 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 이러한 공정들을 거치더라도 접촉각의 변화가 거의 없이 일정하게 유지된다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 발수물질로 이루어진 발수층을 갖는 잉크젯프린트헤드는 각 공정분위기에 훌륭한 내구성을 가지고 있다는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 발수층의 표면의 시간에 따른 열적안정성을 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 노즐 공정 후 후속고정 등에서 노즐플레이트의 표면은 높은 온도 분위기에 놓여진다. 도면에 도시된 바와 같이, 노즐표면이 190℃에서 2시간 동안 노출되더라도 접촉각의 변화가 거의 없음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 발수층은 열적안정성이 있다는 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 발수층의 표면의 잉크에 대한 접촉각변화를 도시한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 70℃ 잉크에 300시간 동안 노출시킨 후에 발수층의 접촉각변화를 관찰하였다. 시험결과, 도면에 도시된 바와 같이, 시간이 경과하더라도 접촉각의 변화가 거의 없는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 발수층은 잉크에 대한 내구성을 가지고 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드는
첫째, 노즐플레이트의 상부표면에만 발수층을 불연속적으로 형성함으로써, 잉크가 완전한 액적의 형태로 분사될 수 있으므로, 잉크액적이 용지 상에 착지하는 위치의 정확도 및 산포의 균일성이 향상되어 인쇄품질이 향상되며,
둘째, 잉크가 분사된 후 노즐의 출구부위에 형성되는 매니스커스도 빠르게 안정되어 기포가 잉크챔버 내로 혼입되는 것이 방지되며, 노즐 주위의 표면이 오염 되는 것도 방지할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
Claims (14)
- 잉크를 공급하는 잉크공급로가 형성된 기판, 상기 기판 상에 적층되어, 상기 잉크공급로를 통하여 공급된 잉크가 채워지는 잉크챔버와, 상기 잉크챔버 내에 마련되어 잉크를 토출하기 위하여 잉크에 열을 가하는 발열저항체가 마련된 챔버플레이트, 상기 챔버플레이트 위에 형성되어, 잉크가 토출되는 다수의 노즐이 형성된 노즐플레이트와, 상기 노즐플레이트 위에 형성된 발수층을 구비하는 잉크젯프린트헤드에 있어서,상기 발수층은 상기 노즐플레이트를 이루는 물질과 상기 발수층을 구성하는 가수분해물의 반응결과물이 결합되어 불연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯프린트헤드.
- 제 1항에 있어서,상기 발수층은 상기 노즐플레이트와 반응하는 반응기와 불소함유 작용기를 구비하는 실란화합물인 것을 특징으로 하는 잉크젯프린트헤드.
- 제 2항에 있어서,상기 실란화합물은 반응기로 에톡시를 구비하는 에톡시실란인 것을 특징으로 하는 잉크젯프린트헤드.
- 제 2항에 있어서,상기 실란화합물은 반응기로 할로겐기를 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯프린트.
- 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 불소함유 작용기는 -(CF2)nCF3를 가지며, n은 3 내지 15 의 정수인 것을 특징으로 하는 잉크젯프린트헤드.
- 제 1항에 있어서,상기 발수층은 상기 노즐 플레이트의 상부표면에만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 잉크젯프린트헤드.
- 제 1항에 있어서,상기 노즐플레이트는 에폭시 인 것을 특징으로 하는 잉크젯프린트헤드.
- 발열저항체가 마련된 기판을 준비하는 단계;잉크챔버를 형성하는 챔버플레이트 및 상기 챔버플레이트 사이를 채우는 희생몰드층을 형성하는 단계;상기 챔버플레이트 및 희생몰드층을 덮어 노즐플레이트를 형성하는 단계;상기 노즐플레이트를 이루는 물질과 상기 발수층을 구성하는 가수분해물의 반응결과물이 결합되어 불연속적으로 형성되는 발수층을 형성하는 단계;상기 노즐플레이트 및 발수층에 선택적인 노광을 수행하여 노즐패턴을 한정하는 단계와;노광에 의하여 한정된 노즐패턴에 해당하는 상기 노즐플레이트 및 발수층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯프린트헤드 제조방법.
- 제 8항에 있어서,상기 발수층은 상기 노즐플레이트와 반응하는 반응기와 불소함유 작용기를 구비하는 실란화합물인 것을 특징으로 하는 잉크젯프린트헤드 제조방법.
- 제 9항에 있어서,상기 실란화합물은 반응기로 에톡시를 구비하는 에톡시실란인 것을 특징으로 하는 잉크젯프린트헤드 제조방법.
- 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,상기 불소함유 작용기는 -(CF2)nCF3를 가지며, n은 3 내지 15 의 정수인 것을 특징으로 하는 잉크젯프린트헤드 제조방법.
- 제 8항에 있어서,상기 발수층은 상기 노즐 플레이트의 상부표면에만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 잉크젯프린트헤드 제조방법.
- 제 8항에 있어서,상기 노즐플레이트는 에폭시 인 것을 특징으로 하는 잉크젯프린트헤드 제조방법.
- 제 8항에 있어서,상기 노즐플레이트 및 발수층을 제거하는 단계에서상기 발수층은 리프트 오프공정을 통하여 상기 노즐플레이트와 함께 제거되는 것을 특징으로 하는 잉크젯프린트헤드의 제조방법.
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