KR20110025089A - 액체 토출 헤드 - Google Patents
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Abstract
액체 토출 헤드는 액체 토출구를 갖는 부재를 포함하고, 이 부재의 토출구가 개구되어 있는 표면은, 제1 기와 제2 기를 갖는 실록산 화합물의 경화 반응에 의해 형성된다. 제1 기는 불소 원자를 갖는다. 제2 기는 히드록시기, 카르복시기, 카르보닐기 및 폴리에테르 구조로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 갖는다.
Description
본 발명은, 액체를 토출하기 위한 액체 토출 헤드에 관한 것이다.
액체 토출 헤드의 예로서, 잉크젯 프린트 방식으로 사용되는 것이 있다. 잉크젯 프린트 방식에서, 배출구들로부터 종이 등의 기록 매체에 액적들이 토출됨으로써, 화상들 및 문자들을 프린트한다.
토출구가 개구되어 있는 잉크젯 프린트 헤드의 외면(이하, "토출면"이라고 칭함)은, 퇴적된 잉크를 와이퍼 등에 의해 제거하기 쉽게 하기 위해서 발액 처리가 행해진다. 그 때문에 발액 처리용의 재료(liquid-repellent material)는, 고무 블레이드에 의한 와이핑에 대한 내성 및 잉크에 대한 내성을 가져야 한다.
미국공개특허공보 제2007/0085877호에는, 특정한 발액성 화합물로 처리된 토출면을 갖는 잉크젯 프린트 헤드가 개시되어 있다. 발액성 화합물은 발액성 퍼플루오로알킬기를 갖는 실록산 골격을 갖는다.
최근, 잉크젯 프린트 방식이 여러 가지 분야에서 사용되게 되었다. 따라서, 다양한 잉크가 다양한 방식으로 사용되어 왔다. 소정의 잉크젯 프린트 헤드는, 토출 특성을 개선하기 위해서 가열 기능을 갖는다. 어떤 경우에는, 잉크젯 프린트 헤드는 긴 시간 또는 긴 시일 동안 사용되지 않는다. 몇몇 사용 조건은, 잉크젯 프린트 헤드의 토출면의 토출구 근방에서, 잉크 용제의 증발이 촉진된다. 그 결과, 토출면에 있어서, 퇴적된 잉크의 점도 상승 및 퇴적된 잉크의 응고가 일어날 수 있어, 잉크 토출 성능의 열화를 야기한다. 즉, 프린트 특성을 향상시키기 위해 발액성 토출면을 갖는 잉크젯 프린트 헤드이더라도, 잉크 용제의 증발은 발액성을 저하시킬 수 있다. 퇴적된 잉크는 토출 액적들을 왜곡시킬 수 있어서, 원하지 않는 프린트 화상들 및 문자들을 초래할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 액체 토출 헤드는, 액체 토출구를 갖는 부재를 포함하고, 이 부재의 토출면은 제1 기와 제2 기를 갖는 실록산 화합물의 경화 반응에 의해 형성되고, 제1 기는 불소 원자를 갖고, 제2 기는 히드록시기, 카르복시기, 카르보닐기, 및 폴리에테르 구조로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 갖는다.
본 발명의 다른 특징들은 첨부 도면을 참조하여 이하의 예시적인 실시예들의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 사시도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법을 나타내는 단면도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법을 나타내는 단면도.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법을 나타내는 사시도이고, 도 4b 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법을 나타내는 단면도.
도 5g 내지 도 5k는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법을 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 토출면의 개략도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법을 나타내는 단면도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법을 나타내는 단면도.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법을 나타내는 사시도이고, 도 4b 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법을 나타내는 단면도.
도 5g 내지 도 5k는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법을 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 토출면의 개략도.
하기에서 본 발명의 양태를 상세하게 설명한다.
하기에서는 액체 토출 헤드의 일례로서 잉크젯 프린트 헤드를 설명한다. 그러나, 액체 토출 헤드는 잉크젯 프린트 헤드 외에도, 컬러 필터의 제조 등 다른 응용에도 사용될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 사시도이다. 잉크젯 프린트 헤드는, 에너지 발생 소자(2)를 갖는 기판(1) 및 기판(1) 상에 배치된 토출구 형성 부재(5)를 포함한다. 토출구 형성 부재(5)는 복수의 토출구(4) 및 잉크 유로(7)를 포함한다. 또한, 기판(1)은 잉크 유로(7)를 통해 토출구들(4)과 연통하는 잉크 공급구(6)를 포함한다. 본 발명의 양태들은, 토출구 형성 부재(5)의 토출면(3)에 배치되어 있는 발액층의 재료에 관한 것이다.
전술한 바와 같이, 불소 함유 가수분해성 실란 화합물과 양이온 중합가능기를 갖는 가수분해성 화합물 사이의 축합물을 포함하는 경화물로 형성된 잉크젯 프린트 헤드의 발액층이, 미국공개특허공보 제2007/0085877호에 개시되어 있다. 경화물은 유기-무기의 하이브리드 경화물이며, 그것은 가수분해성 실란의 무기 골격(실록산 골격)과, 양이온 중합가능기의 경화에 의해 형성된 유기 골격(에폭시기의 경우는 에테르 결합)을 갖는다. 이러한 발액층은, 와이핑에 대한 내구성, 및 화학약품에 대한 내성(내잉크성)을 갖는다. 발액층을 토출구 형성 부재와 동시에 형성하는 경우에는, 발액층이 토출구 형성 부재에 견고하게 부착될 수 있다.
일반적으로, 퍼플루오로알킬기 등의 불소 함유기를 갖는 막은, 매우 낮은 표면 자유에너지를 갖기 때문에, 공기중에서 높은 발액성을 갖는다. 불소 함유기와 친수기를 둘 다 갖는 막은 수중에서 발유성을 가질 수 있다. 이것은, 친수기가 수중에서 표면에 수직으로 배향됨으로써, 표면이 친수화되었기 때문이라고 생각된다.
본 발명자는, 잉크젯 프린트 헤드의 토출면에 있어서의 퇴적물 등의 오염을 방지하고, 높은 프린트 품질을 달성하기 위해서, 발액층의 재료에 친수기를 사용하는 것이 매우 효과적이라는 것을 발견했다. 잉크젯 프린트 헤드의 토출면은, 물이 아니라 항상 공기에 접하고 있어서, 공기 중에서의 발액성이 필요하다. 그러나, 잉크 용제의 증발은, 토출면의 잉크의 점도를 증가시키고, 잉크 성분의 퇴적을 야기할 수 있다. 본 발명자는 후레시한 잉크(fresh ink), 수분, 또는 용제 등의, 농축되지 않은 액체가 토출면에 공급되면, 친수기의 작용에 의해, 토출면의 잉크 퇴적물을 재용해시킬 수 있어서, 토출면을 청정하게 유지하는데 효과적일 수 있다는 것을 발견하였다.
본 발명의 양태에 따른 작용 원리에 대해서, 도 6을 참조하여 하기에서 설명한다. 도 6은, 토출면을 나타내는 개략도이다. 일반적으로, 공기중(a)에서 토출면(3)의 표면 자유에너지를 최소화하기 위해서, 퍼플루오로알킬기 등의 발액성기(100)는 수직으로 배향되고, 친수기(101)는 접힌다. 한편, 수중에서는 친수기(101)가 수직으로 배향된다. 배향된 친수기(101)는 표면의 퇴적물의 제거를 쉽게 한다.
하기의 경우들에서, 잉크젯 프린트 헤드의 토출면에 물이나 용제 등의 액체 성분이 실제로 공급될 수 있어서, 토출면을 젖게 할 수 있다. 제1의 경우에서는, 이어지는 프린트 동안, 잉크 미스트가 토출면에 부착하여, 농축된 잉크에 용제(물)을 공급한다. 제2의 경우에서는, 농축된 잉크에 주위로부터 비교적 후레시한 잉크가 와이핑에 의해 공급된다. 일반적인 잉크젯 프린트 헤드에서는, 고무 블레이드 등을 사용한 와이핑에 의해 토출면의 여분의 잉크를 제거한다. 제3의 경우는 웨트 와이핑(wet wiping)이다. 웨트 와이핑에서는, 고무 블레이드에 처리액을 부착시켜, 잉크를 효과적으로 제거한다. 그러므로, 농축된 잉크에 처리액이 공급된다. 본 발명의 양태에 따른 이점은, 잉크나 처리액에 의해 토출면이 젖을 때 달성될 수 있다. 그러므로, 웨트 와이핑의 경우에 더 높은 효과를 얻을 수 있다. 본 발명의 양태에 따른 잉크젯 프린트 헤드는, 토출구 형성 부재의 토출면을, 젖은 와이퍼로 와이핑하는 잉크젯 프린터에 적합하다.
불소 함유기 및 친수기를 둘 다 갖는 발액성 막을 제조하는 데 있어서는, 불소 함유기와 친수기가 균일하게 분포하는 것이 중요하다. 불소를 함유하는 발액 처리용의 재료에 친수성의 수지를 첨가하는 것은, 친수성 도메인과 소수성 도메인이 서로 분리되어 형성되게 하기 때문에, 의도된 성능을 달성할 수 없다. 그러므로, 불소 함유기를 갖는 단량체와 친수기를 갖는 단량체를 공중합해야 한다. 퍼플루오로알킬기를 가지는 아크릴레이트 및 메타크릴레이트는, 불소 함유 단량체로서 널리 사용되지만, 이들은 잉크 내성이 낮은 에스테르 구조를 갖기 때문에, 때때로 팽윤 또는 분리 등의 재료 결함을 야기한다. 본 발명의 양태에 따르면, 실란 단량체를 사용함으로써, 친수기를 갖는 단량체와 불소 함유 단량체 사이에서 균일한 중축합이 가능해진다.
본 발명의 양태에 따르면, 발수성인 소수성의 불소 함유기(제1 기)를 갖는 가수분해성 실란 화합물(a)과, 친수기(제2 기)를 갖는 가수분해성 실란 화합물(b)을 함유하는 실란 조성물의 중축합에 의해 형성된 경화물로 발액층이 형성된다. 친수기의 예는, 히드록시기, 카르복시기, 카르보닐기, 및 폴리에테르 구조(2개 이상의 에테르기를 갖는 구조)를 포함한다. 가수분해성 실란 화합물의 중축합은, 가수분해성기의 가수분해 및 가수분해된 기의 탈수축합을 수반한다. 그리하여, 친수기는, 가수분해성 실란 화합물의 실리콘 원자에 탄소 원자를 통해서 결합된 기, 즉, 비가수분해성의 유기기 상에 위치해야 한다. 그리하여, 친수기를 갖는 가수분해성 실란 화합물은, 히드록시기, 카르복시기, 카르보닐기 및 폴리에테르 구조 중 임의의 것을 갖는 비가수분해성의 유기기를 갖는 가수분해성 실란 화합물(b)이다. 본 발명의 양태에 따른 효과를 달성하기에 충분한 친수성을 가질 수 있다면, 가수분해성 실란(b)은 불소 원자를 포함할 수 있다.
높은 친수성 및 반응성의 관점에서, 친수기는 히드록시기 또는 폴리에테르 구조일 수 있다. 더 구체적으로, 친수기는, 말단에 히드록시기를 갖는 1 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 알킬기이거나 또는 폴리에테르 구조일 수 있다. 특히, 친수기는 폴리(에틸렌 글리콜) 잔기 또는 폴리(프로필렌 글리콜) 잔기일 수 있다.
1 내지 20개의 탄소 원자 및 말단에 히드록시기를 갖는 알킬기의 구체예는, 히드록시에틸기, 히드록시프로필기, 히드록시부틸기, 히드록시헥실기, 히드록시옥틸기, 히드록시데실기, 및 히드록시도데실기를 포함한다. 2개 이상의 히드록시기를 갖는 화합물은 더 높은 친수성을 가질 수 있다.
가수분해성 실란 화합물(b)은, 화학식 1을 갖는 화합물일 수 있다.
<화학식 1>
여기서, p+q는 3이며, p는 0, 1 또는 2이며, q는 1, 2 또는 3이며, n은 1에서 30까지의 범위의 정수이며, Z는 2가의 유기기를 나타내며, R1 및 R2는 각각 독립적으로 포화 또는 불포화의 탄화수소 잔기를 나타내며, R3는 -CH2-, -CH2CH2-, -CH2CH2CH2-, 또는 -CH2CH(CH3)-를 나타내며, R4는 H 또는 알킬기를 나타낸다.
잉크젯 프린트 헤드용의 광중합성 재료는, 높은 내잉크성의 관점에서, 라디칼 중합보다는 양이온 중합을 할 수 있다. 질소 원자 또는 황 원자를 함유하는 친수기가 다수 알려져 있지만, 이 기들은 양이온 중합을 막기 때문에, 본 발명의 양태에 따라 사용하는 것은 어려울 수 있다.
가수분해성 실란 화합물(a)은, 화학식 2를 갖는 불화 알킬기를 갖는 알콕시실란일 수 있다.
<화학식 2>
여기서, p+q는 3이며, p는 0, 1, 또는 2이며, q는 1, 2, 또는 3이며, r는 0에서 20까지의 범위의 정수이며, Z는 2가의 유기기를 나타내며, R1 및 R2는 각각 독립적으로 포화 또는 불포화의 탄화수소 잔기 또는 수소 원자를 나타낸다.
화학식 2의 Z의 구체예는, -C2H4- 및 -CH2CH2CH2-를 포함한다. 화학식 2의 포화 혹은 불포화의 탄화수소 잔기 R1 또는 R2의 구체예는, 메틸기 및 에틸기를 포함한다.
높은 발액성의 관점에서, 화학식 2의 변수 r은 5 이상일 수 있고, 높은 용해성의 관점에서, 13 이하의 것, 바람직하게는 11 이하의 것일 수 있다.
가수분해성 실란 화합물(a)의 구체예는, 하기의 화합물을 포함하지만, 그것으로 한정되지 않으며,
여기서, 3개의 R는 각각 독립적으로 메틸기 또는 에틸기를 나타낸다.
가수분해성 실란 화합물(a) 및 가수분해성 실란 화합물(b)는, 양이온 중합가능기를 갖는 가수분해성 실란 화합물(c)와 조합될 수 있다. 이것은, 실록산 구조를 갖는 무기 골격과, 양이온 중합가능기의 경화에 의해 형성되는 유기 골격을 갖는 유기-무기 하이브리드 경화물을 생성할 수 있다. 유기-무기 하이브리드 경화물은 현저하게 향상된 내구성 및 내잉크성을 갖는다.
가수분해성 실란 화합물(c)의 예는, 화학식 3을 갖는 화합물을 포함한다.
<화학식 3>
여기서, p+q는 3이며, p는 0, 1, 또는 2이며, q는 1, 2, 또는 3이며, Z는 2가의 유기기를 나타내며, R1 및 R2는 각각 독립적으로 포화 또는 불포화의 탄화수소 잔기를 나타내고, R3는 양이온 중합가능 유기기이다.
화학식 3의 Z의 구체예는 -CH2CH2CH2-을 포함한다. 화학식 3의 포화 또는 불포화의 탄화수소 잔기 R1 또는 R2의 구체예는, 메틸기 및 에틸기를 포함한다.
화학식 3의 R3의 양이온 중합가능 유기기의 예는, 에폭시기 및 옥세탄기 등의 환상 에테르기, 및 비닐 에테르기를 포함한다. 입수의 용이성 및 반응제어의 용이성의 관점에서 양이온 중합가능 유기기는, 에폭시기를 갖는 기일 수 있다. 에폭시기를 갖는 기의 예는 글리시딜기 및 에폭시시클로헥실기를 포함한다.
가수분해성 실란 화합물(c)의 구체예는, 이하의 화합물을 포함하지만, 그에 한정되지 않는다.
글리시독시프로필트리메톡시실란, 글리시독시프로필트리에톡시실란, 에폭시시클로헥실에틸트리메톡시실란, 및 에폭시시클로헥실에틸트리에톡시실란.
가수분해성 실란 화합물(a), 가수분해성 실란 화합물(b), 및 필요에 따라서 사용하는 가수분해성 실란 화합물(c)는 치환 또는 미치환의 알킬기 또는 아릴기를 갖는 가수분해성 실란 화합물(d)과 조합될 수 있다. 가수분해성 실란 화합물(d)는, 발액층의 물성을 제어하는 데 사용될 수 있다. 가수분해성 실란 화합물(d)의 예는, 화학식 4를 갖는 화합물을 포함한다.
<화학식 4>
여기서, r+s는 4이며, r는 0, 1, 2 또는 3이며, s는 1, 2, 3 또는 4이고, R2는, 각각 독립적으로 포화 또는 불포화의 탄화수소 잔기를 나타내며, R4는 각각 독립적으로 치환 또는 미치환의 알킬기 또는 아릴기를 나타낸다.
화학식 4의 포화 혹은 불포화의 탄화수소 잔기 R2의 구체예는, 메틸기 및 에틸기를 포함한다. 화학식 4의 알킬기 또는 아릴기 R4의 구체예는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 및 페닐기를 포함한다.
가수분해성 실란 화합물(d)의 구체예는, 하기 화합물을 포함하지만, 그에 한정되지 않는다.
테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라프로폭시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 메틸트리프로폭시실란, 에틸트리메톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 에틸트리프로폭시실란, 프로필트리메톡시실란, 프로필트리에톡시실란, 프로필트리프로폭시실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 페닐트리프로폭시실란, 디페닐디메톡시실란, 및 디페닐디에톡시실란.
이 가수분해성 실란 화합물들의 비율은, 사용 조건에 의존한다. 실란 조성물 중의 가수분해성 실란 화합물(b)의 백분율은, 1몰%로부터 40몰%까지의 범위, 바람직하게는 3몰%로부터 25몰%까지의 범위일 수 있다. 실란 조성물 중의 가수분해성 실란 화합물(a)의 백분율은, 0.5몰%로부터 20몰%까지의 범위, 바람직하게는 1몰%로부터 15몰%까지의 범위일 수 있다. 가수분해성 실란 화합물(b)의 양이 초과되면 충분한 발액성이 얻어지지 않을 수 있다. 가수분해성 실란 화합물(a)의 양이 초과되면 균일한 발액층이 얻어지지 않을 수 있다. 불소 함유기를 갖는 가수분해성 실란 화합물(a)에 대한 가수분해성 실란 화합물(b)의 비율(몰비)은, 0.2:1 내지 5:1의 범위일 수 있다. 실란 조성물 중의 가수분해성 실란 화합물(c)의 백분율은, 20몰%로부터 80몰%까지의 범위, 바람직하게는 30몰%로부터 70몰%까지의 범위일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 코팅 조성물은, 가수분해성 실란 화합물(a), 가수분해성 실란 화합물(b), 및 필요에 따라서 사용하는 가수분해성 실란 화합물(c)와 가수분해성 실란 화합물(d)의 축합물을 포함하고, 양이온 중합 개시제를 더 포함할 수 있다. 축합물은, 물의 존재 하에서 가수분해성 실란 화합물의 가수분해 및 중축합에 의해 생성될 수 있다.
본 발명의 양태에 따른 코팅층은, 상기의 코팅 조성물을 피처리면에 도포하고, 코팅 조성물을 광 또는 열에 의해 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 코팅 조성물의 도포에 용제가 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 양태에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 발액층은, 토출구 형성 부재 상에 코팅 조성물로 코팅층을 형성하고 코팅층을 경화함으로써 생성될 수 있다.
중축합 반응의 완료 백분율은 축합도에 의해 표현될 수 있다. 축합도는, 축합가능한 관능기(알콕시기 및 실라놀기 등)의 총수에 대한 축합된 관능기의 수(실록산 결합 Si-O-Si의 형성에 수반된 관능기의 수)의 비율로 정의된다. 실제로, 축합도는 29Si-NMR 측정에 의해 추정될 수 있다. 3관능성 실란 화합물의 경우, 축합도는 하기의 식에 의해 추정될 수 있다. 유사한 식이 2관능성 또는 4관능성 실란 화합물에 적용될 수 있다.
T0: 다른 실란 분자와 결합되지 않은 Si 원자의 백분율(%)
T1: 산소 원자를 통해서 1개의 실란 분자와 결합된 Si 원자의 백분율(%)
T2: 산소 원자를 통해서 2개의 실란 분자와 결합된 Si 원자의 백분율(%)
T3: 산소 원자를 통해서 3개의 실란 분자와 결합된 Si 원자의 백분율(%)
축합도는, 가수분해성 실란 화합물의 유형 및 합성 조건에 의존한다. 지나치게 낮은 축합도는 코팅 수지와의 낮은 상용성, 열악한 도포성, 및 불완전한 피복성(coverage)을 초래할 수 있다. 축합도는 20% 이상, 바람직하게는 30% 이상일 수 있다. 가수분해 및 축합 반응을 온도 및/또는 pH에 의해 제어하여, 원하는 축합도를 갖는 축합물을 생성할 수 있다. 산, 알칼리 또는 금속 알콕시드가 축합도를 제어하기 위한 촉매로서 사용될 수 있다. 금속 알콕시드의 예는, 알루미늄 알콕시드, 티타늄 알콕시드, 지르코니아 알콕시드, 및 그것들의 착체를 포함한다. 또한, 아세틸아세톤 착체가 촉매로서 사용될 수 있다.
양이온 중합 개시제의 예는, 오늄염, 보레이트염, 이미드 구조를 갖는 화합물, 트리아진 구조를 갖는 화합물, 아조 화합물, 및 과산화물로 이루어지는 군에서 선택되는 양이온 광개시제를 포함한다. 양이온 중합개시제는 높은 감도, 안정성 및 반응성의 관점에서, 방향족 술포늄염 또는 방향족 요오드늄염일 수 있다.
본 발명의 양태에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법에 대해서 하기에 설명한다. 도 2a 내지 도 2d는, 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법을 나타내는 개략도이다. 도 2a 내지 도 2d는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따라 취해진 단면도이다.
토출구 형성 부재가 준비된다(도 2a). 토출구 형성 부재는 수지 또는 SUS 노즐판(12) 및 발액층(11)으로 구성된다. 더 구체적으로는, 상술된 코팅 조성물이 디핑, 스핀 코팅, 스프레이 코팅 등에 의해 노즐판(12)에 도포되고 열처리 또는 광 조사에 의해 경화되어 발액층(11)을 형성한다. 발액층(11)의 두께는, 사용 조건에 의존하며, 0.1로부터 2μm까지의 범위일 수 있다.
그 후, 엑시머 레이저 가공, 펄스 레이저 가공, 또는 방전 가공(electrical ejection machining) 등의 가공에 의해 토출구 형성 부재에 잉크 노즐(4)을 형성한다(도 2b). 발액층(11)은 잉크 노즐(4)의 형성 후에 경화될 수 있다. 잉크 노즐(4)의 가공 시, 발액층(11)이 보호막으로 피복될 수 있다. 이러한 절차들에 의해, 노즐판(12) 및 발액층(11)이 동시에 가공될 수 있다. 이것은 발액 처리용의 재료가 잉크 노즐(4)로 인입하는 것을 방지한다.
그 후 기판(1)이 준비된다(도 2c). 기판(1)은, 잉크 토출 압력 발생 소자(2)와 유로 부재(13)로 구성된다. 기판(1)은, 필요하다면, 접착제층(15)을 사용하여 토출구 형성 부재에 부착되어, 잉크젯 프린트 헤드를 제작한다(도 2d).
도 3a 내지 도 3d는 노즐판이 광중합성 수지로 형성되는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법을 나타낸다. 도 3a 내지 도 3d는, 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 취해진 단면도이다.
지지체(16) 상에 노즐판(12)이 형성되고, 노즐판(12) 상에 발액층(11)이 형성된다(도 3a). 노즐판(12) 및 발액층(11)은 토출구 형성 부재를 구성한다. 더 구체적으로, 전술한 코팅 조성물을, 디핑, 스핀 코팅, 또는 스프레이 코팅 등에 의해 노즐판(12)에 도포하고, 패턴 마스크(17)를 통해서 광을 조사한다(패턴 노광)(도 3b). 노즐판(12) 및 발액층(11)의 미경화 부분을 현상에 의해 제거하여 토출구(4)를 형성한다(도 3c). 토출구 형성 부재를 지지체(16)로부터 제거한 후(도 3d), 도 2에 나타낸 것과 동일한 방식으로 잉크젯 프린트 헤드가 제작된다.
본 발명의 양태들이 하기의 단계들과 연관된 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법에 적용된다(도 4a 내지 도 4f 및 도 5g 내지 도 5k).
- 잉크 토출 압력 발생 소자가 형성된 기판 상에, 용해가능한 수지로 잉크 유로 패턴을 형성하는 단계.
-잉크 유로 패턴 상에 중합가능한 코팅 수지로 형성된 코팅 수지층을 형성하는 단계. 코팅 수지층은 잉크 유로벽으로서 기능한다.
-코팅 수지층 상에 발액층을 형성하는 단계.
-잉크 토출 압력 발생 소자 상의 코팅 수지층 및 발액층에, 토출구를 형성하는 단계.
-잉크 유로 패턴을 용출하는 단계.
우선, 잉크 토출 압력 발생 소자(2)가 형성된 기판(1)을 준비한다. 도 4a( 사시도) 및 도 4b(도 4a의 ⅣB-ⅣB선을 따라 취해진 단면도)를 참조한다. 잉크 유로 패턴(21)은 가용성 수지에 의해 기판(1) 상에 형성된다(도 4c). 잉크 유로 패턴(21)은 포지티브 레지스트에 의해 형성될 수 있다. 특히, 후속 단계에서 잉크 유로 패턴(21)에 노즐 재료가 도포되는 동안의 변형을 방지하기 위해, 상대적으로 높은 분자량을 갖는 광분해성 포지티브 레지스트가 사용될 수 있다.
그 후, 코팅 수지층(22)이 잉크 유로 패턴(21) 상에 형성된다(도 4d). 발액층(11)이 코팅 수지층(22) 상에 형성된다(도 4e). 코팅 수지층(22)은, 광 또는 열에너지가 공급되었을 때 중합이 개시될 수 있는 재료로 형성된다. 재료는 양이온 광중합성 재료일 수 있다. 이 경우, 재료는 양이온 중합 개시제를 필수 성분으로서 포함한다. 발액층(11)은, 전술된 코팅 조성물로 형성된다. 전술한 바와 같이, 이 코팅 조성물은, 반드시 양이온 중합 개시제를 포함할 필요는 없고, 코팅 수지층(22)을 경화할 때에 생성되는 산으로 경화될 수 있다. 코팅 수지층(22) 및 발액층(11)은, 스핀 코팅, 다이 코팅, 또는 슬릿 코팅에 의해 형성될 수 있다. 특히, 발액층(11)은, 슬릿 코팅에 의해 형성될 수 있다.
마스크(24)를 통해서 패턴 노광을 행하고(도 4f), 현상하여 토출구(4)를 형성한다(도 5g).
토출구(4) 이외의 부분에 대응하는 발액층(11)을 부분적으로 제거하도록, 마스크 패턴 및 패턴 노광 조건을 적절히 결정할 수 있다. 한계 해상도 아래의 마스크 패턴을 갖는 마스크(31)를 통해서 패턴 노광을 행하고(도 5h), 현상함으로써, 부분적으로 발액층(11)을 제거할 수 있다(도 5i). 본 명세서에서 사용되는 용어 "한계 해상도"는, 코팅 수지층(22)이 기판(1)에 현상되지 않는 패턴을 칭한다. 상술된 바와 같이, 본 발명의 양태에 따른 발액층은, 우수한 발액성을 갖는다. 그리하여 와이핑은 잉크 액적을 토출구로 들어가게 하기 때문에, 토출이 안 되는 경우(misfiring)를 야기할 수 있다. 토출이 안 되는 경우를 방지하기 위해서, 토출구 형성 부재의 토출면은 발액 영역(33)과 비발액 영역(32)을 포함한다. 본 발명의 양태에 따르면, 상술된 바와 같이 발액층(11)이 부분적으로 존재하지 않는 패턴을 용이하게 형성할 수 있어서, 토출이 안 되는 경우를 방지할 수 있다.
그 후, 필요하다면 기판(1)에 잉크 공급구를 형성해서(도 5j), 잉크 유로 패턴(21)을 용출한다(도 5k). 필요하다면, 열 처리에 의해 코팅 수지층(22) 및 발액층(11)의 재료를 완전히 경화시켜, 토출구 형성 부재(5)를 형성하여, 잉크젯 프린트 헤드를 완성한다.
본 실시예에서는, 코팅 수지층(22)이 양이온 광중합성 재료로 형성되었지만, 코팅 수지층(22)은 열경화성의 양이온 중합가능 재료로 형성될 수 있다. 이 경우에는, 발액층(11)을 형성한 후에, 패턴 노광 대신에, 엑시머 레이저를 사용해서 코팅 수지층(22)과 발액층(11)을 애블레이션(ablation)에 의해 제거하여, 토출구(4)를 형성할 수 있다.
<예들>
<합성예 1>
하기의 성분들을 실온에서 플라스크에서 교반시키고, 24시간 동안 가열 환류하여, 가수분해성 축합물을 얻었다.
γ-글리시독시프로필트리에톡시실란 28g(0.1몰)
메틸트리에톡시실란 14g(0.08몰)
트리데카플루오로-1, 1, 2, 2-테트라히드로옥틸트리에톡시실란 6.6g(0.013몰)
화합물 1(화학식 5에 의해 나타냄) 11g(0.01몰)
<화학식 5>
(여기서, n은 10에서 30까지의 범위의 정수이며, n은 평균적으로 대략 20임)
물 17.3g
에탄올 37g
고형분이 7중량%로 되게 2-부탄올/에탄올로 가수분해성 축합물을 희석하여, 발액층의 형성에 사용되는 조성물 1을 준비하였다.
방향족 술포늄 헥사플루오로안티모네이트염(상품명: SP-172, 아데카사제) 0.2g을 100g의 조성물 1에 양이온 광개시제로서 첨가하여, 발액층의 형성에 사용하기 위한 조성물 2를 준비하였다.
표 1은 실록산 화합물의 합성에 사용된 실란 화합물들의 비율을 나타낸다. 용어 "불소 함유기"는 불소 함유기를 갖는 실란을 칭하고, 용어 "양이온 중합가능기"는 양이온 중합가능기를 갖는 실란을 칭하며, 용어 "친수기"는 친수기를 갖는 실란을 칭한다.
<합성예 2 내지 합성예 5 및 비교 합성예 1>
표 1에 열거된 비율로 실란 화합물을 사용한 것 외에는 합성예 1과 동일한 조건하에서, 발액층의 형성에 사용되는 조성물 2가 준비되었다.
FTS-5: 트리데카플루오로-1,1,2,2-테트라히드로옥틸트리에톡시실란
FTS-9: 2-(퍼플루오로데실)에틸트리에톡시실란
GPTES: γ-글리시독시프로필트리에톡시실란
TEOS: 테트라에톡시실란
MTES: 메틸트리에톡시실란
PhTES: 페닐트리에톡시실란
화합물 1: 
(여기서, n은 10에서 30까지의 범위의 정수이며, n은 평균적으로 대략 20임)
화합물 2: 
(여기서, n은 10에서 30까지의 범위의 정수이며, n은 평균적으로 대략 20임)
<비교 합성예 2>
(헵타데카플루오로-1,1,2,2-테트라히드로데실)아크릴레이트 24g, 히드록시에틸 메타크릴레이트 16g 및 이소프로판올 360g을 플라스크에 넣었다. 플라스크 내의 공기를 질소로 충분히 치환했다. 2,2-아조비스이소부티로니트릴(AIBN) 0.1g을 이 혼합물에 첨가했다. 혼합물을 60℃로 가열하였다. 또한, 혼합물을 70℃까지 가열하였다. AIBN 0.01g을 30분 후 및 1시간 후에 혼합물에 첨가했다. 반응은 그 후 6시간 동안 계속되었다. 얻어진 중합체를 n-헥산에서 재침전시켜 백색 분말 30g을 얻었다.
<예 1>
합성예 1에서 준비된 조성물 2를 스핀 코팅에 의해 실리콘 웨이퍼에 도포하고, 90℃에서 1분 동안 가열하여, 용제를 증발시켰다. UV 조사 장치에서 조성물 2를 광으로 조사하고 4분 동안 90℃에서 가열하여 양이온 광중합에 의해 경화시켰다. 또한, 오븐에서 200℃로 1시간 동안 조성물 2를 가열하여 경화 반응을 완료시켜서, 발액층을 형성했다.
<예 2 내지 예 5 및 비교예 1>
합성예 1에서 준비된 조성물 2가, 합성예 2 내지 합성예 5 및 비교 합성예 1에서 준비된 조성물 2로 대체된 것 이외는, 예 1과 동일한 방식으로, 발액층이 형성되었다.
<비교예 2>
비교 합성예 1에서 준비된 분말 10g에, 시클로헥사논 40g 및 중합 개시제 IRGACURE 907(시바 재팬 가부시끼가이샤제) 0.5g을 첨가하여, 레지스트 용액을 준비하였다. 레지스트 용액을, 실리콘 웨이퍼에 스핀 코팅에 의해 도포하고, 70℃에서 1분 동안 가열하여 용제를 증발시켰다. UV 조사 장치에서 레지스트를 광으로 조사하였고 90℃에서 4분 동안 가열하여 양이온 광중합에 의해 경화시켰다. 또한, 오븐에서 200℃로 1시간 동안 레지스트를 가열함으로써 경화 반응을 완료시켜서, 발액층을 형성했다.
<평가 방법>
발액성을 평가하기 위해서, 발액층 상의 물방울의 정적 접촉각(static contact angle)을 접촉각계를 사용해서 측정했다(초기 접촉각).
잉크 오염을 시뮬레이션하기 위해서, 캐논 가부시끼가이샤제 염료 잉크(상품명: BCI-7C)를 발액층에 도포하였다. 잉크의 수분을 증발시키기 위해, 발액층은 60℃의 온도 및 90%의 습도에서 항온 항습기에 1주일 동안 놓여졌다. 잉크는 다시 발액층에 도포되었다. 우레탄 고무 블레이드로 와이핑한 후에, 물방울의 정적 접촉각을 접촉각계로 측정하였다(건조 시험후 접촉각).
결과를 표 2에 나타낸다.
결과는, 본 발명의 양태에 따른 발액층이 잉크 성분 등의 성분이 용이하게 부착되는 조건(건조 시험 후)하에서도 물의 존재 하에서 높은 방오성을 가지며, 발액성을 유지한다는 것을 나타낸다.
<예 6>
도 4 및 도 5에 나타내어진 절차에 따라 잉크젯 프린트 헤드가 제작되었다.
우선, 폴리(메틸 이소프로페닐 케톤)(도쿄 오카 고교사제, 상품명: ODUR-1010)을 스핀 코팅에 의해 실리콘 기판에 도포했다. 실리콘 기판은 잉크 토출 압력 발생 소자로서 전열 변환기를 포함하였다. 120℃에서 6분간 예비 베이킹한 후, 우시오사제의 마스크 얼라이너(상품명: UX3000)를 사용하여 잉크 유로의 패턴 노광을 행하였다. 메틸 이소부틸 케톤/프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트의 혼합 용제를 사용해서 현상을 행했다. 현상 후에, 용해가능한 수지층은 16μm의 두께를 가졌다. 폴리(메틸 이소프로페닐 케톤)은 포지티브 레지스트이며, UV 조사에 의해 분해되어 유기 용제에 대하여 용해가능하게 될 수 있다. 용해가능한 수지로 형성된 패턴(21)은, 패턴 노광 동안 노광되지 않아 잉크 유로를 보존한다(도 4c).
표 3에 나타낸 양이온 광중합성 수지 조성물을 메틸 이소부틸 케톤/크실렌 혼합 용제에 55중량%의 농도로 용해했다. 용액은 스핀 코팅에 의해 잉크 유로 패턴(21)의 용해가능 수지층에 도포되었고, 90℃에서 3분 동안 예비 베이킹되어 코팅 수지층(22)을 형성하였다(도 4d). 잉크 유로 패턴(21) 상의 코팅 수지층(22)은, 25μm의 두께를 가졌다.
합성예 1에서 준비된 조성물 1을 다이렉트 코팅에 의해 코팅 수지층(22)에 도포하였다. 90℃에서 1분 동안 예비 베이킹을 행함으로써, 0.5μm의 두께를 갖는 발액층(11)을 형성했다(도 4e).
캐논 가부시끼가이샤제 마스크 얼라이너(상품명: MPA600 수퍼)를 사용하여, 잉크 노즐(4)의 패턴 노광을 행했다(도 4f). 90℃에서 4분 동안 가열하고, 메틸 이소부틸 케톤(MIBK)/크실렌 = 2/3으로 현상하고, 이소프로필 알코올로 린스를 행하여 토출구 패턴을 형성했다. 발액층(11)의 노광된 부분은 코팅 수지층(22) 중의 양이온 광개시제를 사용하여 경화되어, 토출구 패턴을 형성하였다. 토출구 패턴은, 코팅 수지층(22)과 일체로 형성되었기 때문에, 토출구 패턴은 날카로운 에지를 가졌다(도 5g).
잉크 공급구(4)를 위한 마스크가 기판의 배면 상에 놓였다. 실리콘 기판이 이방적으로 에칭되어 잉크 공급구(6)를 형성하였다(도 5j). 이방성 에칭 동안, 기판의 토출면은 고무막으로 보호되었다.
이방성 에칭 후에 고무 보호막이 제거되었다. 그 후, 기판의 전체면이 우시오사제 마스크 얼라이너(상품명: UX3000)에서 UV광으로 조사되어 잉크 유로 패턴의 용해가능 수지층을 분해시켰다. 초음파를 인가하면서, 기판을 락트산 메틸에 1시간 동안 침지하여, 잉크 유로 패턴(21)을 용출시켰다. 200℃에서 1시간 동안 열 처리를 실시해서 코팅 수지층(22) 및 발액층(11)을 완전하게 경화시켜서, 토출구 형성 부재(5)를 형성하였다(도 5k).
마지막으로, 잉크 공급구(6)를 잉크 공급 부재(도시 안됨)에 부착해서 잉크젯 프린트 헤드를 완성시켰다.
캐논 가부시끼가이샤제 잉크(상품명: BCI-7C)로 충전된 잉크젯 프린트 헤드를 사용하여 프린트를 행하여, 고품질의 화상들 및 문자들을 얻었다.
토출면에 잉크가 부착된 잉크젯 프린트 헤드가 60℃의 온도 및 90%의 습도에서 항온 항습기에 1주일 동안 놓여져, 잉크의 수분을 증발시켰다. 그 후, 프린트 동작 동안, 우레탄 고무 블레이드를 사용하여 와이핑을 반복하여 행했다. 와이핑 후에 프린트를 행하여, 건조 시험 전에 얻은 것과 거의 동등한 고품질의 화상들 및 문자들을 얻었다.
상기 결과로부터, 본 발명의 양태에 따른 발액층(11)의 토출면(3)은, 높은 방오성을 갖는 것이 확인되었다.
그리하여, 본 발명의 양태들은 토출면이 건조하기 쉬운 때에라도 퇴적물이 쉽게 제거될 수 있는 토출면을 갖는 액체 토출 헤드를 제공한다. 그리하여, 액체 토출 헤드는 우수한 토출 성능을 가질 수 있다.
본 발명이 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시예들로 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 하기의 청구항들의 범위는 그러한 변형과, 동등한 구조 및 기능을 모두 포괄하도록 최광의의 해석에 따라야 한다.
1: 기판
2: 에너지 발생 소자
3: 토출면
5: 토출구 형성 부재
6: 잉크 공급구
7: 잉크 유로
2: 에너지 발생 소자
3: 토출면
5: 토출구 형성 부재
6: 잉크 공급구
7: 잉크 유로
Claims (9)
- 액체 토출 헤드이며,
액체 토출구를 갖는 부재를 포함하고,
상기 부재의 상기 토출구가 개구되어 있는 표면은, 소수성의 제1 기와 친수성의 제2 기를 갖는 실록산 화합물의 경화 반응에 의해 형성되며, 상기 제1 기는 불소 원자를 갖고, 상기 제2 기는 히드록시기, 카르복시기, 카르보닐기 및 폴리에테르 구조로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 갖는, 액체 토출 헤드. - 제1항에 있어서,
상기 제2 기는 히드록시기 및 폴리에테르 구조 중 하나 이상을 갖는, 액체 토출 헤드. - 제1항에 있어서,
상기 제2 기는 폴리(에틸렌 글리콜) 잔기, 또는 폴리(프로필렌 글리콜) 잔기인, 액체 토출 헤드. - 제1항에 있어서,
상기 실록산 화합물은, 화학식 1을 갖는 화합물로 생성되는, 액체 토출 헤드.
<화학식 1>
여기서, p+q는 3이며, p는 0, 1, 또는 2이며, q는 1, 2, 또는 3이며, n은 1에서 30까지의 범위의 정수이며, Z는 2가의 유기기를 나타내며, R1 및 R2는 각각 독립적으로 포화 또는 불포화의 탄화수소 잔기를 나타내며, R3는 -CH2-, -CH2CH2-, -CH2CH2CH2-, 또는 -CH2CH(CH3)-를 나타내며, R4는 H 또는 알킬기를 나타낸다. - 제1항에 있어서,
상기 실록산 화합물은, 화학식 2를 갖는 화합물로 생성된, 액체 토출 헤드.
<화학식 2>
여기서, p+q는 3이며, p는 0, 1, 또는 2이며, q는 1, 2, 또는 3이며, r는 0에서 20까지의 범위의 정수이며, Z는 2가의 유기기를 나타내며, R1 및 R2는 각각 독립적으로 포화 또는 불포화의 탄화수소 잔기 또는 수소 원자를 나타낸다. - 제5항에 있어서,
r는 5에서 13까지의 범위의 정수인, 액체 토출 헤드. - 제1항에 있어서,
상기 실록산 화합물은, 양이온 중합가능기를 갖는, 액체 토출 헤드. - 제7항에 있어서,
상기 실록산 화합물은, 화학식 3을 갖는 화합물로 생성되는, 액체 토출 헤드.
<화학식 3>
여기서, p+q는 3이며, p는 0, 1, 또는 2이며, q는 1, 2, 또는 3이며, Z는 2가의 유기기를 나타내며, R1 및 R2는 각각 독립적으로 포화 또는 불포화의 탄화수소 잔기를 나타내고, R3는 양이온 중합가능 유기기이다. - 액체 토출 헤드이며,
액체 토출구를 갖는 부재를 포함하고,
상기 부재의, 상기 토출구가 개구되어 있는 표면은, 제1 기와 제2 기를 갖는 실록산 화합물의 경화 반응에 의해 형성되며, 상기 제1 기는 퍼플루오로알킬기이고, 상기 제2 기는 히드록시기, 카르복시기, 카르보닐기 및 폴리에테르 구조로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 갖는, 액체 토출 헤드.
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