KR20090018071A - 액적 침착 구성요소 - Google Patents

Abstract

상부 표면을 한정하는 폴리머 상부층(11), 및 하부 표면을 한정하는 금속 하부층(12)을 구비한 적층 동체(laminar body)를 제공하는 단계; 상기 폴리머층으로부터 융식 또는 포토리소그래피에 의하여 재료를 제거하여 상기 금속층을 선택적으로 노출하는 단계; 및 상기 금속층의 노출된 영역을 선택적으로 에칭하는 에천트를 상기 상부 표면으로부터 가함으로써, 상기 상부층을 언터컷하여 상기 금속층 내에 오목부 영역(21)을 형성하고 또한 상기 동체(20, 21)을 관통하는 개구를 형성하는 단계를 포함하는, 프린트헤드용 노즐 플레이트 구성요소(30)의 형성방법.

Description

액적 침착 구성요소{Droplet deposition component}

본 발명은 액적 침착 장치용 구성요소에 관한 것으로서, 더 상세하게는 액적 침착 장치용 노즐 플레이트에 관한 것이다. 본 발명은 특히 비연속분사(drop on demand) 잉크 제트 프린팅의 분야에서 이용될 수 있다.

복합 노즐 플레이트, 즉 하나 보다 많은 재료로 형성된 노즐 플레이트를 제공하는 것이 알려져 있다. 예를 들면 WO 02/98666은 일련의 구멍을 포함하는 동체(body)를 구비한 노즐 플레이트로서, 상기 구멍은 폴리머로 충전되어 있으며 이를 통하여 노즐이 형성된 노즐 플레이트를 개시한다.

WO 05/14292는 WO 02/98666에 개시된 종류의 노즐 플레이트의 대체적인 제조방법을 개시하는데, 이에 의하여 먼저 별개의 폴리머 동체의 어레이가 형성되고, 이 둘레에 금속 플레이트가 형성된다. 이어서 노즐이 상기 폴리머 동체를 관통하여 형성된다.

이들 선행 기술 구조는 많은 수의 단계를 필요로 하여 제조하기 복잡하다. 이러한 구조는 또한 상기 플레이트와 폴리머 인서트 사이의 결합이 불량한 문제를 겪을 수 있다.

본 발명의 일 목적은 향상된 노즐 플레이트 구성요소 및 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 액적 침착 장치용 노즐 플레이트 구성요소의 형성방법이 제공되는데, 상기 방법은 상부 표면을 한정하는 폴리머 상부층, 및 하부 표면을 한정하는 금속 하부층을 구비한 동체(body)를 제공하는 단계; 상기 상부층으로부터 선택적으로 재료를 제거하여 상기 하부층을 선택적으로 노출시키는 단계; 및 상기 상부 표면으로부터 상기 하부층의 노출된 영역을 가공하여 상기 하부층으로부터 선택적으로 재료를 제거함으로써 상기 동체를 관통하는 개구(opening)를 형성하는 단계를 포함한다.

초기에 적층된 동체를 제공함으로써, 상기 금속층 및 폴리머층 사이에 매우 강한 결합을 제공할 수 있다.

재료는 본질적으로 완성된 노즐 또는 후속 가공 단계에서 노즐로 마감되는 파일롯 노즐을 형성하도록 상부층으로부터 제거될 수 있다. 상부 표면으로부터 가공하여 하부층으로부터 재료를 제거함으로써, 하부층의 특징(features)은 가공된 상부층의 형태(form)에 의하여 공간적으로 한정된다. 따라서 상기 두 층은 별도의 단계에서 가공되지만, 상기 층들 사이의 위치 맞추기(registration)는 용이하게 달성된다.

일 구현예에서, 상기 고분자는 SU-8 포토레지스트이고 상기 금속은 니켈이다.

SU-8은 IBM에 의하여 개발된 포토레지스트로서 미국특허 US 4882245에 개시되어 있다.

SU-8의 주요한 장점은 다음과 같다:

- 이는 광화상형성성(photoimageable)이다,

- 이는 화학적으로 불활성이고 온도에 안정하다,

- 증가된 속도로 레이저 융식성(laser ablateable)이다,

- MEMS 생산에서 널리 사용된다,

- 투명하다.

SU-8 시트의 주요 제조 공정은 스핀 코팅이다. 1 마이크론 내지 1 mm의 필름 두께가 용이하게 얻어질 수 있다.

보통의 SU-8은 비록 투명하고 취성이 있어서 취급하기 곤란하지만, 본 발명에 따르면, 이는 니켈층과 조합되어 이용되므로 노즐 플레이트 제조에 적당한 유연하고 비투명한 라미네이트가 제공된다. 완성된 노즐 플레이트의 노즐은 니켈 필름내로 우묵하게 들어가므로, 니켈이 보호층으로서 작용하여 노즐 플레이트를 내스크래치성으로 한다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 액적 침착 장치용 노즐 플레이트 구성요소가제공되는데, 상기 구성요소는 상부 표면을 한정하는 폴리머 상부층 및 하부 표면을 한정하는 금속 하부층을 구비한 동체; 상기 상부 표면내의 입구 및 상기 상부 및 하부 표면 사이의 출구를 갖는 노즐; 및 상기 노즐 출구의 둘레를 따라 연장되어 상기 하부층 내에 형성된 오목부(recess)를 포함한다.

바람직하게는, 상기 구성요소는 폴리머 상부층 및 금속 하부층을 구비하는 블랭크(blank)를 가공함으로써 형성된다.

본 발명의 제3 측면에 따르면, 액적 침착 장치용 노즐 플레이트 구성요소의 형성방법이 제공되는데,

상기 노즐 플레이트 구성요소는 상기 노즐 플레이트 구성요소의 제1층 내에 형성된 적어도 하나의 노즐 및 상기 노즐 플레이트 구성요소의 제2층 내에 형성되어 있으며, 각 노즐과 축상으로 위치가 맞추어져 있는 각각의 개구(opening)로서, 상기 노즐보다 큰 반경(radial extent)의 상기 제1 및 제2 층이 접하는 표면에 존재하는 개구를 포함하며,

상기 방법은 제1층 및 제2층을 구비하는 노즐 플레이트 라미네이트를 제공하는 단계;

제1 성형 공정에서 상기 제1층 내에 구멍(aperture)을 형성하는 단계; 및

상기 제1 성형 공정에서와 다른 제2 성형 공정에서 상기 제2층 내에 개구를 형성하는 단계로서, 상기 제2 성형 공정에서의 상기 개구의 위치는 상기 제1층 내의 상기 구멍의 위치에 의하여 결정되는 단계를 포함하고,

상기 제1층 내의 구멍은 선택적인 추가 공정에 의하여 상기 노즐로서 작용한다.

본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 예를 들어 설명될 것이다.

도 1은 복합 동체(composite body) 또는 블랭크를 도시한다.

도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 소정의 노즐 형상 구조를 개시한다.

도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 제조 공정을 도시한다.

도 4는 본 발명의 일 측면에 따른 대체적인 제조 공정을 도시한다.

도 5는 도 4의 공정의 일 변형을 도시한다.

도 1은 복수의 층으로 형성된 복합 동체를 도시한다. 이형층(13)은 재사용가능한 기판(14) 위에 형성되어, 가공된 노즐 플레이트의 제거를 용이하게 한다. 이어서, 노즐 플레이트의 하부층(12; 여기서는 니켈층)이 형성되고 마지막으로 그 위에 노즐 플레이트의 상부층(11; 여기서는 SU8 또는 폴리머 층)이 형성된다.

도 2에 도시되어 있는 바와 같은 소정의 노즐 플레이트 구조를 낳는 여러 가공 단계의 예가 이제 설명될 것이다. 여기에서 도시된 바와 같이, 노즐 플레이트 구성요소는 상부층(11)을 관통하여 연장되어 있으며 노즐 입구(20a)로부터 노즐 출구(20b)로 직경이 테이퍼링된 노즐 구멍(nozzle bore: 20)을 구비한다. 하부층(12) 내에 형성된 오목한 영역(21)이 존재하는 데, 이는 상기한 바와 같이 기계적 마모로부터 상부층(11)을 보호한다.

도 3a에서, 상부층(11)은 포토레지스트로 이루어진 것으로서 포토리소그래피 노광 및 노즐 구멍(20)을 생성하는 현상 공정을 거친다. 다양한 적당한 포토리소그래피 공정이 본 기술분야에서 알려져 있으며, 'Fabrication of 3D Microstructures with Inclined/Rotated UV Lithography'(MicroElectro Mechanical Systems, Kyoto 2003, pages 554-557)은 SU-8에 원뿔대를 포함하는 몇몇 적당한 노즐 구조물을 형성하는 것을 개시한다. 'Microfabrication of 3D Multidirectional Inclined Structures by UV Lithography and Electroplating'(MicroElectro Mechanical Systems 1994 Proceedings, pages 81-85, IEEE Workshop)은 포지티브 포토레지스트내에 구조물을 형성하는 방법을 더 개시한다. 이들 및 다른 공정은 0 내지 약 15도의 테이퍼각을 갖는 테이퍼링된 프로파일을 구비하는 노즐 구멍을 용이하게 제공할 수 있다. 사용된 포토리소그래피 방법에 따라, 포토레지스트 상부층(11)은 이어서 노광후 베이크를 거칠 수 있다. 적당한 포토리소그래피 공정이 많은 수의 노즐을 동시에 형성하기 위하여 유리하게 사용될 수 있다.

이어서 에칭 공정이 도 3b에 도시된 바와 같이 상부 표면으로부터 동체에 가해질 수 있다. 이는 노즐 출구 둘레의 니켈층(12)의 일부분을 국소적으로 제거하여 오목한 영역(21)을 형성한다. 도시된 바와 같이, 니켈층(12)은 에칭 공정에 의하여 언더컷되어 니켈층은 노즐 출구(20b)로부터 분출된 액적에 영향을 미치지 않는다. 여기서 등방성 에천트가 언더컷의 형성을 보장하기 위하여 유리하게 사용될 수 있다. 에천트는 폴리머층(11) 보다 니켈층(12)에 대하여 선택성을 가져야 한다.

도 3c에 도시된 바와 같이, 완성된 노즐 플레이트 구성요소(30)는 기판(14)으로부터 탈리되고, 요청되는 경우 하드 베이크될 수 있다.

도 3에 유사한 공정에서, 레이저가 포토리소그래피 공정 대신에 상부층(11)을 가공하기 위하여 사용될 수 있다.

그러한 공정에서, 노즐 구멍(20)은 엑스-시튜 레이저 융식(ex-situ laser ablation)에 의하여 형성되는데, 융식은 프린트헤드에 장착되기 전에 노즐 플레이트 구성요소(30) 상에서 실시된다. 이 공정 동안 니켈층(12)은 융식 속도가 통상적 으로 폴리머인 상부층(11)보다 훨씬 낮기 때문에 장벽(stop)으로서 작용한다. 다시, 하부층(12)은 완성된 노즐 구멍(20)을 통하여 에칭되어 오목부(21) 및 기판(14)으로부터 탈리된 완성된 노즐 플레이트 구성요소(30)를 형성한다.

도 4는 하부층(12)의 에칭에 이어서 레이저 융식에 의하여 노즐 구멍(20)이 상부층(11) 내에 형성될 수 있도록 하는 방법을 도시한다.

도 4a에서, 작은 개구 또는 파일롯 구멍(23)이 포토리소그래피에 의하여 폴리머층 내에 형성된다. 개구(23)의 직경은 후속의 레이저 융식 단계에 의하여 형성되는 노즐(20)보다 더 작다.

도 4b는 파일롯 구멍을 통하여 상기 금속층을 에칭하여 노즐 출구가 형성될 오목부를 형성하는 것을 도시한다. 이어서 도 4c에 도시된 바와 같이 상부 표면으로부터 레이저 융식에 의하여 노즐이 형성된다. 이러한 방식으로, 노즐 출구(20b)의 립(lip)은 니켈층(12)과 접촉하지 않은 채 형성되지만, 기판(14)이 평평한 표면을 유지하는 지지력을 제공한다.

도 4d는 기판(14)으로부터 분리된, 완성된 노즐 플레이트 구성요소(30)를 도시한다.

도 5는 도 4의 구현예의 일 변형예를 나타내는 데, 여기서 노즐은 인-시튜 융식(in-situ ablation)(노즐 플레이트를 프린트헤드에 장착한 후의 융식)에 의하여 한정된다.

도 5a 및 5b는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 작은 파일롯 구멍(23)의 형성 및 후속의 금속 에칭을 도시한다.

이 단계에서, 노즐 플레이트는 도 5c에 도시된 바와 같이 기판(14)으로부터 탈리되고, 도 5d에 도시된 바와 같이 PZT 벽(15)에 부착됨으로써 프린트헤드에 장착된다. 이 조립된 구조물은 유리하게는 이 단계에서 패릴렌(Parylene)으로 코팅될 수 있는데, 이는 채널 내부(24)의 패시베이션 및 융식에 대비하여 노즐 플레이트의 외부 표면상에 보호 코팅을 제공하는 이중 기능을 담당한다. 노즐 구멍(20)은 이어서 동체의 하부측면으로부터의 레이저 융식에 의하여 형성된다.

본 발명은 예시의 목적으로 설명되었으며 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 가능하다는 것은 말할 나위도 없다. 예를 들면, 에칭 공정은 액체 또는 플라즈마상 에천트를 이용할 수 있는데, 이에 대해서는 많은 타입이 알려져 있다. 또한, 다양한 적당한 재료는 당업자에게 자명하다. 상기 상부층은 포토리소그래피 또는 융식될 수 있는 다양한 폴리머를 포함할 수 있으며, 상기 하부층은 다른 금속, 및 유연성 인쇄회로기판 제조에 사용되는 기판 재료를 포함하는 다양한 에칭성 또는 유체 가공성 재료를 포함할 수 있다.

Claims (28)

1. 상부 표면을 한정하는 폴리머 상부층, 및 하부 표면을 한정하는 하부층을 구비한 동체를 제공하는 단계;

   제1 공정에서 상기 상부층으로부터 재료를 제거하여 상기 하부층을 선택적으로 노출하는 단계; 및

   제2 공정에서 상기 상부 표면으로부터 상기 하부층의 노출 영역을 가공하여 상기 하부층으로부터 선택적으로 재료를 제거함으로써 상기 동체를 관통하는 개구를 형성하는 단계를 포함하는,

   액적 침착 장치용 노즐 플레이트 구성요소의 형성방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 공정은 상기 하부층상에 선택적으로 작용하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 공정은 상기 폴리머층을 언더컷(undercut)하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 공정은 상기 폴리머층상에 선택적으로 작용하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 공정은 상기 제1 공정에 의하여 형성된 상기 상부층 내의 구멍을 통하여 유체를 도입하는 단계를 포함하는 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부층으로부터 선택적으로 재료를 제거하는 단계는 상기 상부층 내에 노즐을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부층으로부터 선택적으로 재료를 제거하는 단계는 상기 상부층 내에 파일롯 구멍을 낳고, 후속으로 상기 파일롯 구멍의 둘레를 따라 상기 상부층 내에 노즐을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 노즐은 상기 상부 표면으로부터 가공함으로써 형성되는 방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 노즐은 상기 하부 표면으로부터 가공함으로써 형성되는 방법.
10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐의 상기 입구는 상기 상부 표면에 형성되는 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하부층으로부터 선택적으로 재료를 제거하는 단계는 상기 노즐 출구에서 상기 동체 내에 오목부(recess)를 낳는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 오목부 면적은 상기 노즐의 상기 출구의 면적보다 큰 방법.
13. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 동체는 베이스 층에 탈리가능하게 부착된 상태로 제공되는 방법.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부층은 SU-8인 방법.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하부층은 금속인 방법.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하부층은 니켈인 방법.
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부층으로부터 선택적으로 재료를 제거하는 단계는 포토리소그래피 공정에 의하여 실시되는 방법.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포토리소그래피 가공은 상기 상부층 내에 테이퍼링된 구멍을 낳는 방법.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부층으로부터 선택적으로 재료를 제거하는 단계는 레이저 융식(laser ablation)에 의하여 실시되는 방법.
20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하부층을 가공하여 재료를 제거하는 단계는 에칭을 포함하는 방법.
21. 상부 표면을 한정하는 폴리머 상부층 및 하부 표면을 한정하는 금속 하부층을 구비한 동체;

    상기 상부 표면의 입구, 및 상기 상부 및 하부 표면 사이의 출구를 갖는 노즐; 및

    상기 노즐 출구의 둘레를 따라 연장되어 상기 하부층 내에 형성된 오목부(recess)를 포함하는 액적 침착 장치용 노즐 플레이트 구성요소.
22. 제21항에 있어서, 상기 구성요소는 폴리머 상부층 및 금속 하부층을 구비하는 블랭크(blank)를 가공함으로써 형성된 노즐 플레이트 구성요소.
23. 액적 침착 장치용 노즐 플레이트 구성요소의 형성 방법으로서,

    상기 노즐 플레이트 구성요소는 상기 노즐 플레이트 구성요소의 제1층 내에 형성된 적어도 하나의 노즐, 및 상기 노즐 플레이트 구성요소의 제2층 내에 형성되어 있으며, 각 노즐과 축상으로 위치가 맞추어져 있는 각각의 개구로서, 상기 노즐 보다 큰 반경(radial extent)의 상기 제1 및 제2 층이 접하는 표면에 존재하는 개구를 포함하며, 상기 방법은,

    제1층 및 제2층을 구비하는 노즐 플레이트 라미네이트를 제공하는 단계;

    제1 성형 공정에서 상기 제1층 내에 구멍(aperture)을 형성하는 단계; 및

    제1 성형 공정에서와 다른 제2 성형 공정에서 상기 제2층 내에 개구(opening)를 형성하는 단계로서, 상기 제2 성형 공정에서의 상기 개구의 위치는 상기 제1층 내의 상기 구멍의 위치에 의하여 결정되는 단계를 포함하고,

    상기 제1층 내의 구멍은 선택적인 추가 공정에 의하여 상기 노즐로서 작용하는 방법.
24. 제23항에 있어서, 상기 제2 성형 공정은 상기 구멍을 통하여 재료 제거제를 통과시키는 것을 포함하는 방법.
25. 제23항에 있어서, 상기 재료 제거제는 상기 제2층의 재료을 에칭하기 위한 에천트인 방법.
26. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 성형 공정은 레이저 융식을 포함하는 방법.
27. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1층은 폴리머 재료로 형성되며 또한 상기 제2층은 금속으로 형성되는 방법.
28. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형성된 노즐은 상기 제2층을 향하여 축방향으로 반경이 테이퍼링되는 방법.

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