KR20080095337A - 잉크젯 헤드 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

잉크젯 헤드 및 그 제조방법이 개시된다. 실리콘 기판에 잉크챔버를 가공하여 형성되는 상부 기판과, 상부 기판에 접합되며, 글래스 기판에 잉크챔버와 연결되는 잉크유로를 가공하여 형성되는 중간 기판과, 중간 기판에 접합되며, 실리콘 기판에 잉크유로와 연결되는 노즐을 가공하여 형성되는 하부 기판을 포함하는 잉크젯 헤드는, 실리콘 기판으로 상부 기판과 하부 기판을 형성하고, 글래스 기판으로 중간 기판을 형성하여 실리콘-글래스 본딩으로 접합하여 잉크젯 헤드를 제조함으로써, 상부 기판과 하부 기판에 설치되는 구조의 정밀도를 확보하고, 중간 기판을 보다 저렴하게 제작할 수 있으며, 기판 간 접합을 용이하게 하여 수율을 향상시킬 수 있다.
잉크젯, 실리콘, 글래스, 어노딕 본딩

Description

잉크젯 헤드 및 그 제조방법{Inkjet head and manufacturing method thereof}
도 1은 종래기술에 따른 잉크젯 헤드구조를 나타낸 분해사시도.
도 2는 종래기술에 따른 잉크젯 헤드를 나타낸 단면도.
도 3은 복수의 웨이퍼를 접합하여 형성되는 잉크젯 헤드를 촬영한 사진.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 제조방법을 나타낸 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 잉크챔버 2 : 잉크 유입구
3 : 잉크유로 4 : 리저버
5 : 노즐 10 : 상부 기판
20 : 중간 기판 30 : 하부 기판
본 발명은 잉크젯 헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
잉크젯 헤드는 전기신호를 물리적인 힘으로 변환하여 작은 노즐을 통하여 잉크가 액적의 형태로 토출되도록 하는 원리를 이용한 것이다. 이러한 잉크젯 헤드에는 다양한 기능을 가지는 구조들이 형성되는데, 잉크젯 헤드를 구동시키는 구동체로는 압전체(piezoelectric material, PZT)가 사용되며, 구조 재료는 스테인레스스틸(SUS), 세라믹 또는 실리콘 재질로 이루어진다.
최근에는 반도체 기술의 발달과 함께 실리콘 웨이퍼(Si wafer)를 이용한 가공기술이 발달하면서 잉크젯 헤드의 각 레이어(layer)를 실리콘 웨이퍼로 가공한 후, 실리콘 다이렉트 본딩(Silicon direct bonding)에 의해 접합함으로써 접합층이 없는 헤드의 제조가 가능하게 되었다. 스테인레스스틸이나 세라믹의 경우 각 레이어를 접합하기 위해 고분자 접합층이 필요한 반면, 실리콘 재료는 이러한 접합층이 필요 없어 우수한 구조로 인식된다. 그러나 실리콘 다이렉트 본딩은 공정이 어렵고 수율이 낮으며 공정 시간이 많이 걸린다는 단점을 가지고 있다.
실리콘 웨이퍼를 가공하여 구조체를 만드는 경우에는 대부분 실리콘 다이렉트 본딩을 사용한다. 스테인레스스틸이나 세라믹 재질의 헤드는 금형을 이용한 제작이 필요하며 설계변경이 용이하지 않은 반면, 실리콘 재질의 헤드는 포토리소그래피(Photolithography) 방식을 적용하여 구조를 용이하게 변경할 수 있기 때문이다.
도 1 에 도시된 것과 같이, 실리콘 단결정의 웨이퍼를 이용한 종래의 잉크젯 헤드 제작 방식은, 각각의 기능을 가지는 구조를 2장 또는 3장의 웨이퍼로 제작한 후 서로 접합하는 과정으로 이루어 진다.
실리콘 웨이퍼를 사용하여 잉크젯 헤드를 제조하기 위해서는 챔버와 멤브레인 등의 여러 가지 구조가 형성되어야 하며, 이러한 구조물들이 만들어지면 각각의 구조를 일체화하기 위해 접합공정이 필요하게 된다. 접합공정은 각각의 실리콘 웨이퍼를 얼라인(align)하여 가접을 하고, 약 1000도씨의 고온에서 열처리하는 과정을 거친다.
이러한 접합 공정으로 이루어진 구조의 일례가 도 2에 도시되어 있다. 즉, 종래기술에 따른 잉크젯 헤드의 제조는, 실리콘 웨이퍼로 여러 장의 기판을 제작한 후, 서로 접합하는 공정으로 이루어지는 것이다.
실리콘 다이렉트 본딩 기술에 있어서, 실리콘 웨이퍼를 여러 장 겹쳐서 접합하는 것은 상당히 어려운 기술이며, 표면 상에 약간의 불량만 있더라도 전체적인 접합 불량으로 이어진다는 문제가 있다.
본 발명은 잉크젯 헤드구조의 정밀도를 높이면서도 제작이 용이한 잉크젯 헤드 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 실리콘 기판에 잉크챔버를 가공하여 형성되는 상부 기판과, 상부 기판에 접합되며, 글래스 기판에 잉크챔버와 연결되는 잉크유로를 가공하여 형성되는 중간 기판과, 중간 기판에 접합되며, 실리콘 기판에 잉크유로와 연결되는 노즐을 가공하여 형성되는 하부 기판을 포함하는 잉크젯 헤드가 제 공된다.
상부 기판에는 잉크 유입구가 더 가공되고, 중간 기판에는 잉크 유입구와 연결되는 리저버(reservoir)가 더 가공될 수 있으며, 실리콘 기판과 글래스 기판은 어노딕 본딩(anodic bonding)에 의해 접합될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 실리콘 기판에 잉크챔버를 가공하여 상부 기판을 형성하는 단계, 글래스 기판에 잉크챔버와 연결되는 잉크유로를 가공하여 중간 기판을 형성하는 단계, 실리콘 기판에 잉크유로와 연결되는 노즐을 가공하여 하부 기판을 형성하는 단계, 및 상부 기판과 중간 기판, 및 중간 기판과 하부 기판을 각각 접합하는 단계를 포함하는 잉크젯 헤드 제조방법이 제공된다.
상부 기판 형성 단계는, 실리콘 기판에 잉크 유입구를 가공하는 단계를 더 포함하고, 중간 기판 형성 단계는, 글래스 기판에 잉크 유입구와 연결되는 리저버를 가공하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 접합 단계는 어노딕 본딩(anodic bonding)에 의해 수행될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 잇점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드를 나타낸 단면도이다. 도 4를 참조하면, 잉크챔버(1), 잉크 유입구(2), 잉크유로(3), 리저버(4), 노즐(5), 상부 기판(10), 중간 기판(20), 하부 기판(30)이 도시되어 있다.
전술한 바와 같이 실리콘 웨이퍼를 가공하여 복수의 기판을 제작한 후, 서로 접합하여 잉크젯 헤드를 제조할 경우, 실리콘 기판끼리의 접합이 용이하지 않으며, 일부에 불량이 있을 경우 도 3에서 볼 수 있듯이 전체적인 접합불량을 초래할 수 있다. 도 3에서 나이테 모양으로 번져 보이는 부분은 웨이퍼의 표면의 약간의 불량으로 인하여 접합이 제대로 되지 부분을 나타낸다.
본 실시예는, 잉크젯 헤드의 기본적인 기능을 가지는 구조체를 형성하면서도 기판 간의 접합력을 향상시킬 수 있는 방법을 특징으로 한다. 즉, 실리콘 기판끼리의 접합보다 글래스 기판과 실리콘 기판 간의 접합이 더 잘된다는 점을 이용하여, 헤드 구조의 상부 기판(10)과 하부 기판(30)은 실리콘 기판으로 제작하고, 중간 기판(20)은 글래스 기판으로 제작하여 헤드 전체적으로는 글래스-실리콘 접합이 되도록 하는 것이다.
이는 실리콘 기판의 표면에 산화막을 형성함으로써 글래스층에 상당하는 역할을 하도록 한 것과는 차별되는 것으로, 본 실시예에서는 실리콘 기판과 접합되는 중간 기판 자체를 글래스 기판을 가공하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
글래스 기판의 경우 샌딩(Sanding) 방식으로 가공하게 되면 가공 정밀도가 다소 낮아질 수 있는데, 본 실시예에서는 잉크젯 헤드 구조에서 리저버(Reservoir)(4) 등 정밀도가 떨어져도 되는 부분을 글래스 기판으로 가공하여 중 간 기판(20)을 제작함으로써 접합이 용이하고 정밀도가 확보될 수 있도록 하였다.
즉, 도 4에 도시된 것처럼, 본 실시예에 따른 잉크젯 헤드는 상부 기판(10), 중간기판, 하부 기판(30)을 접합하여 제조되며, 상부 기판(10)과 하부 기판(30)은 실리콘 기판을, 중간 기판(20)은 글래스 기판을 가공하여 제작한다.
상부 기판(10)에는 잉크를 수용하여 가압하는 공간인 잉크챔버(1)가 가공되고, 하부 기판(30)에는 잉크가 액적의 형태로 토출되는 통로인 노즐(5)이 가공된다. 이처럼 상부 기판(10)과 하부 기판(30)에는 헤드 구조 중에서 일정 수준의 정밀도가 확보되어야 하는 구조가 형성되며, 이를 위해 본 실시예에서는 실리콘 기판을 가공하여 상부 기판(10)과 하부 기판(30)을 제작하는 것이다. 실리콘 기판을 식각하여 잉크챔버(1)나 노즐(5)을 가공하는 데에는 기존의 반도체 공정이 적용될 수 있으며, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
중간 기판(20)에는 잉크챔버(1)로부터 가압된 잉크가 노즐(5)을 통해 토출되도록 통로 역할을 하는 잉크유로(3)가 가공된다. 한편, 상부 기판(10)에 잉크 유입구(2)가 가공될 경우, 유입된 잉크는 리저버(4)에 수용되어 잉크챔버(1)로 공급되게 된다. 전술한 잉크유로(3)나 리저버(4)의 경우 잉크챔버(1)와 노즐(5)에 비해 상대적으로 정밀도가 떨어지더라도 잉크젯 헤드 전체적인 성능에 영향을 덜 미치는 구조라 할 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 글래스 기판을 가공하여 중간 기판(20)을 제작한 것이다. 글래스 기판을 가공하여 잉크유로(3)나 리저버(4)를 가공하는 데에는 샌딩 공정 등 기존의 공법이 적용될 수 있으며, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이와 같이 여러 가지 구조물이 가공된 상부 기판(10)과 중간 기판(20), 그리고 중간 기판(20)과 하부 기판(30) 간의 접합은 실리콘 기판과 글래스 기판 간의 접합이므로 어노딕 본딩(anodic bonding)에 의해 수행될 수 있다. 어노딕 본딩은 재료 간의 이온결합을 유도하여 접합부에서 유체의 누수가 발생하지 않고 물리적, 화학적으로 안정적인 접합이 이루어지도록 하는 접합 방법으로서, 글래스와 실리콘 간의 이온결합에 의해 별도의 접합층을 개재하지 않고 기판을 접합할 수 있어, 접합면에서 잉크에 의한 물리적, 화학적 반응을 방지하고 견고한 헤드 구조를 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 제조방법을 나타낸 순서도이다.
본 실시예는 전술한 실시예에 따른 잉크젯 헤드를 제조하기 위한 방법으로서, 실리콘 기판을 가공하여 상부 기판(10) 및 하부 기판(30)을 제작하고(100, 120), 글래스 기판을 가공하여 중간 기판(20)을 제작한 후(110), 어노딕 본딩으로 실리콘 기판과 글래스 기판을 접합하여 잉크젯 헤드를 제조한다.
전술한 실시예에서 설명한 바와 같이, 상부 기판(10)에는 잉크챔버(1)와 잉크 유입구(2)가 식각 등에 의해 가공되고, 중간 기판(20)에는 잉크챔버(1)와 연결되는 잉크유로(3), 잉크 유입구(2)와 연결되는 리저버(4)가 샌딩 등에 의해 가공되며, 하부 기판(30)에는 잉크유로(3)와 연결되는 노즐(5)이 가공된다. 실리콘 기판과 글래스 기판을 가공하여 잉크젯 헤드의 각 구조를 형성하는 방법에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이와 같이 제조된 잉크젯 헤드의 기본 구조에 압전체(PZT)를 결합하여 잉크젯 헤드의 제조를 완료한다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 실리콘 기판으로 상부 기판과 하부 기판을 형성하고, 글래스 기판으로 중간 기판을 형성하여 실리콘-글래스 본딩으로 접합하여 잉크젯 헤드를 제조함으로써, 상부 기판과 하부 기판에 설치되는 구조의 정밀도를 확보하고, 중간 기판을 보다 저렴하게 제작할 수 있으며, 기판 간 접합을 용이하게 하여 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 어노딕 본딩으로 기판을 접합하므로 접합이 치밀하고, 중간 기판인 글래스 기판은 친수력을 가지므로 잉크 충진이 용이하여 잉크 초기 충전시 프라이밍(priming)이 용이하고 성능이 향상된다.

Claims (6)

  1. 실리콘 기판에 잉크챔버를 가공하여 형성되는 상부 기판과;
    상기 상부 기판에 접합되며, 글래스 기판에 상기 잉크챔버와 연결되는 잉크유로를 가공하여 형성되는 중간 기판과;
    상기 중간 기판에 접합되며, 실리콘 기판에 상기 잉크유로와 연결되는 노즐을 가공하여 형성되는 하부 기판을 포함하는 잉크젯 헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 기판에는 잉크 유입구가 더 가공되고,
    상기 중간 기판에는 상기 잉크 유입구와 연결되는 리저버(reservoir)가 더 가공되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판과 상기 글래스 기판은 어노딕 본딩(anodic bonding)에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
  4. 실리콘 기판에 잉크챔버를 가공하여 상부 기판을 형성하는 단계;
    글래스 기판에 상기 잉크챔버와 연결되는 잉크유로를 가공하여 중간 기판을 형성하는 단계;
    실리콘 기판에 상기 잉크유로와 연결되는 노즐을 가공하여 하부 기판을 형성하는 단계; 및
    상기 상부 기판과 상기 중간 기판, 및 상기 중간 기판과 상기 하부 기판을 각각 접합하는 단계를 포함하는 잉크젯 헤드 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상부 기판 형성 단계는, 상기 실리콘 기판에 잉크 유입구를 가공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 중간 기판 형성 단계는, 상기 글래스 기판에 상기 잉크 유입구와 연결되는 리저버를 가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 접합 단계는 어노딕 본딩(anodic bonding)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 제조방법.
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