KR20120009804A - 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드는 압력 챔버가 형성되는 상부기판, 및 상부 실리콘층, 절연층, 및 하부 실리콘층을 포함하는 하부기판을 포함하고, 상기 하부기판은 상기 상부 실리콘층으로 이루어지며 상기 압력 챔버의 공간을 줄이기 위해 상기 압력 챔버내로 돌출되는 돌출부를 포함하고, 상기 상부기판의 저면과 상기 하부기판의 상기 하부 실리콘층 상면이 고정될 수 있다.
Description
본 발명은 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압력 챔버의 공간을 줄이기 위한 돌출부를 구비하여 잉크젯 프린트 헤드의 구동 전압을 낮출 수 있고, 돌출부를 SOI 웨이퍼로 이루어지는 하부기판의 상부 실리콘층에 형성하여 제조공정을 간소하게 한 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 프린트 헤드는 전기신호를 물리적인 힘으로 변환하여 작은 노즐을 통하여 잉크가 미소한 액적(droplet)의 형태로 토출되도록 하는 구조체이다. 이러한 잉크젯 프린트 헤드는 잉크 토출 방식에 따라 여러 가지로 나뉠 수 있는데, 특히 압전체를 사용하여 잉크를 토출시키는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드가 최근 산업용 잉크젯 프린터에서 광범위하게 사용되고 있다.
예를 들어, 플랙시블 인쇄회로기판(FPCB) 상에 금, 은 등의 금속을 녹여 만든 잉크를 분사해 회로 패턴을 직접 형성시키거나 산업 그래픽이나 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광다이오드(OLED)의 제조 및 태양전지 등에 사용된다.
이러한 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드에 있어서, 산업용 잉크의 점도는 일반 OA용 잉크보다 크기 때문에, 원하는 속도 및 볼륨의 액적을 토출하기 위해서는 높은 구동 전압을 필요로 한다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 압력 챔버의 공간을 줄이기 위한 돌출부를 구비하여, 원하는 속도나 볼륨의 액적을 토출하기 위한 구동 전압을 낮출 수 있는 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 돌출부를 SOI 웨이퍼로 이루어지는 하부기판의 상부 실리콘층에 형성함으로써 제조공정을 간소하게 할 수 있는 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드는 압력 챔버가 형성되는 상부기판, 및 상부 실리콘층, 절연층, 및 하부 실리콘층을 포함하는 하부기판을 포함하고, 상기 하부기판은 상기 상부 실리콘층으로 이루어지며 상기 압력 챔버의 공간을 줄이기 위해 상기 압력 챔버내로 돌출되는 돌출부를 포함하고, 상기 상부기판의 저면과 상기 하부기판의 상기 하부 실리콘층 상면이 고정될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드에 있어서, 상기 상부기판은 제1 실리콘층, 중간 산화막, 및 제2 실리콘층이 순차로 적층된 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 돌출부는 높이가 상기 제1 실리콘층의 두께보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드에 있어서, 상기 하부기판은 잉크 유입구로부터 유입되는 잉크를 상기 압력 챔버에 공급하는 매니폴드, 및 상기 압력 챔버와 노즐 사이에 형성되는 댐퍼를 포함할 수 있다. 이때, 상기 매니폴드 및 상기 댐퍼 중 적어도 하나는 측면이 경사지게 형성되거나, 저면과 수직하게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드에 있어서, 상기 매니폴드와 상기 압력 챔버 사이에 상기 압력 챔버에서 상기 매니폴드로의 잉크의 역류를 방지하는 리스트릭터가 형성되며, 상기 리스트릭터는 상기 돌출부의 상기 매니폴드측 측면과 상기 압력 챔버의 상기 매니폴드측 측면에 의해 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드에 있어서, 상기 절연층은 상기 하부 실리콘층의 표면을 산화시켜서 형성되는 산화막으로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법은 상부기판에 압력 챔버 홈을 형성하는 단계, 하부 실리콘층, 절연층, 및 상부 실리콘층을 순차로 적층하여 하부기판을 준비하는 단계, 상기 상부 실리콘층에서, 상기 압력 챔버 홈내로 배치되는 돌출부를 형성하기 위한 부분 이외의 부분을 제거하는 단계, 및 상기 돌출부가 상기 압력 챔버 홈의 공간상에 배치되도록 상기 상부기판의 저면과 상기 하부기판의 절연층을 고정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법에 있어서, 상기 상부기판의 저면과 상기 하부기판의 절연층을 고정하는 단계는 실리콘 직접 접합(SDB)에 의해 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법은, 잉크 유입구로 유입된 잉크를 상기 압력 챔버로 공급하는 매니폴드 및 상기 압력 챔버와 노즐사이의 잉크 유로인 댐퍼를 형성하기 위하여 상기 하부기판을 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 매니폴드 및 상기 댐퍼를 형성하기 위하여 상기 하부기판을 식각하는 단계는 반응성 이온 식각(RIE) 방법에 의해 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법에 있어서, 상기 하부기판을 식각하는 단계는 상기 매니폴드 및 상기 댐퍼 중 적어도 하나의 측면이 경사지도록 식각하여 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법에 있어서, 상기 상부 실리콘층에서 상기 돌출부를 형성하기 위한 부분 이외의 부분을 제거하는 단계는 유도결합 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma)를 이용한 반응성 이온 식각(RIE) 방법에 의해 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법에 있어서, 상기 상부 실리콘층에서 상기 돌출부를 형성하기 위한 부분 이외의 부분을 제거하는 단계는 테트라메틸 수산화 암모늄(TMAH: Tetramethyl Ammonium Hydroxide) 또는 수산화 칼륨(KOH)을 이용한 습식 식각 방법에 의해 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법에 있어서, 상기 상부 실리콘층에서 상기 돌출부를 형성하기 위한 부분 이외의 부분을 제거하는 단계는 상기 절연층을 식각 정지층으로 하여 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법에 있어서, 상기 상부기판은 SOI 웨이퍼로 이루어지며, 상기 상부기판에 압력 챔버 홈을 형성하는 단계는 상기 SOI 웨이퍼의 중간 산화막을 식각 정지층으로 하여 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법에 있어서, 상기 하부기판을 준비하는 단계는 상기 하부 실리콘층에, 잉크 유입구로 유입된 잉크를 상기 압력 챔버로 공급하는 매니폴드 및 상기 압력 챔버와 노즐사이의 잉크 유로인 댐퍼를 형성하도록, 상기 하부 실리콘층을 식각하는 단계, 상기 하부 실리콘층의 상면에 상기 절연층을 형성하는 단계, 및 상기 절연층의 상부에 상기 상부 실리콘층을 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법에 있어서, 상기 절연층을 형성하는 단계는 상기 하부 실리콘층의 표면을 산화시켜서 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 의하면, 압력 챔버내에 돌출부를 구비하여 압력 챔버의 공간을 줄임으로써, 원하는 속도나 볼륨의 액적을 토출하기 위한 잉크젯 프린트 헤드의 구동 전압을 낮출 수 있다.
또한, 하부기판을 SOI 웨이퍼로 하고, 상기 돌출부를 SOI 웨이퍼의 상부 실리콘층에 의하여 형성함으로써, 잉크젯 프린트 헤드의 제조공정을 간소하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 상부기판에 잉크 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 단계를 나타내는 공정도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 수직 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 수직 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 11은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드와 비교예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 액적 토출 볼륨의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드와 비교예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 액적 토출 속도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 상부기판에 잉크 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 단계를 나타내는 공정도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 수직 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 수직 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 11은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드와 비교예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 액적 토출 볼륨의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드와 비교예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 액적 토출 속도의 변화를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 형태를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 형태에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 형태를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시 형태의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일하거나 유사한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 수직 단면도이며, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 상부기판에 잉크 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 단계를 나타내는 공정도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드는 잉크 유로가 형성되는 상부기판(100) 및 하부기판(200)과, 상부기판(100)의 상면에 형성되는 압전 액추에이터(130)를 포함한다.
상부기판(100)에는 잉크가 유입되는 잉크 유입구(110) 및 다수의 압력 챔버(150)가 형성될 수 있다. 이때, 상부기판(100)은 단결정 실리콘 기판이나, 두 개의 실리콘층 사이에 절연층이 형성되는 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼일 수 있다. 상부기판(100)이 SOI 웨이퍼인 경우, 압력 챔버(150)의 높이는 SOI 웨이퍼의 두 개의 실리콘층 중 하부의 실리콘층의 두께와 실질적으로 동일하게 할 수 있다.
압전 액추에이터(130)는 압력 챔버(150)에 대응하도록 상부기판(100)의 상부에 형성되며, 압력 챔버(150)로 유입된 잉크를 노즐(250)로 토출하기 위한 구동력을 제공한다. 예를 들어, 압전 액추에이터(130)는 공통 전극의 역할을 하는 하부 전극, 전압의 인가에 따라 변형되는 압전막, 및 구동 전극의 역할을 하는 상부 전극을 포함하여 구성될 수 있다.
하부 전극은 상부기판(100)의 전 표면에 형성될 수 있으며, 하나의 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있으나, 티타늄(Ti)과 백금(Pt)으로 이루어진 두 개의 금속 박막층으로 구성되는 것이 바람직하다. 하부 전극은 공통 전극의 역할뿐만 아니라, 압전막과 상부기판(100) 사이의 상호 확산을 방지하는 확산방지층의 역할도 하게 된다. 압전막은 하부 전극 위에 형성되며, 다수의 압력 챔버(150) 각각의 상부에 위치하도록 배치된다. 이러한 압전막은 압전 물질, 바람직하게는 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료로 이루어질 수 있다. 상부 전극은 압전막 위에 형성되며, Pt, Au, Ag, Ni, Ti 및 Cu 등의 물질 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 이때, 상부전극은 PZT 페이스트를 스크린 프린팅 한 후, 이어서 Ag/Pd 페이스트를 스크린 프린팅하여 함께 소결하여 제작할 수도 있다.
본 실시예에서는 압전 액추에이터(130)를 사용한 압전 구동 방식에 의해 잉크가 토출되는 구성을 예로서 설명하고 있지만, 잉크 토출 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니며, 요구되는 조건에 따라 열구동 방식 등 다양한 방식으로 잉크가 토출되도록 구성될 수 있다.
하부기판(200)에는 잉크 유입구(110)로 유입되는 잉크를 다수의 압력 챔버(150) 각각으로 이송하는 매니폴드(210), 잉크를 토출하는 다수의 노즐(250), 압력 챔버(150)와 노즐(250) 사이에 형성되는 댐퍼(240)를 포함할 수 있다. 매니폴드(210)와 댐퍼(240)는 측면이 경사지게 형성될 수 있으며, 상부에서 하부로 갈수록 수평 단면이 작아지도록 형성될 수 있다. 여기서, 수평 단면이라 함은 잉크젯 프린트 헤드의 설치면에 평행한 단면을 의미한다.
하부기판(200)은 단결정 실리콘 기판이나 SOI 웨이퍼로 이루어질 수 있으나, 하부 실리콘층(201), 절연층(202) 및 상부 실리콘층(203)이 순차로 적층하여 이루어지는 SOI 웨이퍼인 것이 바람직하다. 단결정 실리콘 기판을 이용할 경우, 돌출부를 제외한 부분을 습식 또는 건식으로 식각하면, 상부기판과의 실리콘 직접 접합(SDB: Silicon Direct Bonding)시 요구되는 실리콘 기판의 표면 거칠기(roughness)를 얻을 수 없기 때문이다.
하부 실리콘층(201)의 일부 및 절연층(202)에 매니폴드(210)와 댐퍼(240)가 형성되고, 하부 실리콘층(201)의 일부에 노즐(250)이 형성될 수 있다. 또한, 상부 실리콘층(203)에는 압력 챔버(150)의 공간 내로 배치되는 돌출부(230)가 형성될 수 있다.
돌출부(230)는 수평 단면이 직사각형 형태로 이루어질 수 있으며, 이는 예시적인 것으로, 이외에 평행사변형 형태 또는 긴 육각형 형태 등 압력 챔버내에 삽입할 수 있는 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 또한, 돌출부(230)의 높이도 요구되는 설계 조건에 따라 압력 챔버(150)의 공간 내로 배치될 수 있는 한도에서 다양한 높이로 설계될 수 있다. 예를 들어, 상부 실리콘층(203)의 두께와 실질적으로 동일하게 형성될 수 있으며, 요구되는 압력 챔버(150)의 높이에 따라 10~100㎛내에서 형성될 수 있다. 이때, 다른 잉크 유로 구성들과의 관계에서 패터닝에 문제가 없다면 돌출부의 높이를 100㎛이상으로 하는 것도 가능하다.
매니폴드(210)와 압력 챔버(150) 사이에는 잉크가 토출될 때 압력 챔버의 잉크가 매니폴드로 역류하는 것을 억제하기 위하여 다수의 리스트릭터(220)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 리스트릭터(220)는 압력 챔버(150)의 매니폴드(210)측 측면과 돌출부(230)의 매니폴드(210)측 측면에 의해 형성될 수 있다.
이하에서는 상기한 구성을 가진 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드를 제조하는 방법을 설명하기로 한다.
우선, 본 발명의 바람직한 제조 방법을 개략적으로 설명하면, 상부기판 및 하부기판에 잉크 유로를 형성하고, 하부기판 상에 상부기판을 적층하여 접합함으로써 본 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드가 완성된다. 한편, 상부기판과 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 단계들은 순서에 관계없이 수행될 수 있다. 즉, 상부기판과 하부기판 중 어느 하나에 잉크 유로를 형성할 수도 있으며, 상부기판과 하부기판에 동시에 잉크 유로가 형성될 수도 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의상 상부기판에 잉크 유로를 형성하는 공정을 먼저 설명하기로 한다.
도 3의 (a)를 참조하면, 본 실시예에서는 상부기판(100)으로서 대략 100~200㎛ 정도의 두께를 가진 제1 실리콘층(101)과, 대략 0.3~2㎛ 정도의 두께를 가진 중간 산화막(102)과, 대략 5~13㎛ 정도의 두께를 가진 제2 실리콘층(103)으로 이루어진 SOI 웨이퍼를 사용한다. 준비된 상부기판(100)을 습식 및/또는 건식 산화시켜, 상부기판(100)의 상면과 하면에는 대략 5,000~15,000Å 정도의 두께를 가진 실리콘 산화막을 형성할 수 있다.
상부기판(100)의 하면에 포토레지스트(photoresist, 105)를 도포하고, 도포된 포토레지스트(105)를 패터닝하여, 잉크 유입구(110)를 형성하기 위한 제1 개구부(111)와, 압력 챔버(150)를 형성하기 위한 제2 개구부(151)를 형성한다. 이때, 포토레지스트의 패터닝은 노광과 현상을 포함하는 잘 알려진 포토리소그래피(photolithography) 방법에 의해 이루어질 수 있으며, 이하에서 설명되는 다른 포토레지스트들의 패터닝도 이와 동일한 방법으로 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 패터닝된 포토레지스트(205)를 식각 마스크로 하여 제1 개구부(111) 및 제2 개구부(151)를 통해 노출된 부위의 제1 실리콘층(101)을 식각하여, 잉크 유입구(110)의 일부인 제1 홈부(112)와, 압력 챔버(150) 홈을 형성한다. 이때, 상기 상부기판(100)의 제1 실리콘층(101)에 대한 식각은 유도결합 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma)를 이용한 반응성 이온 식각(RIE)과 같은 건식 식각 방법이나, 실리콘용 에칭액(etchant)으로서, 예컨대 테트라메틸 수산화 암모늄(TMAH: Tetramethyl Ammonium Hydroxide) 또는 수산화 칼륨(KOH)을 이용한 습식 식각 방법에 의해 수행될 수 있다. 이러한 실리콘층의 식각은 이하에서 설명되는 다른 실리콘층에 대한 식각에도 동일하게 적용될 수 있다.
압력 챔버(150) 홈을 형성하기 위하여 제1 실리콘층(101)을 식각할 때, 중간 산화막(102)이 식각 정지층으로서의 역할을 하기 때문에, 압력 챔버(150) 홈의 높이는 제1 실리콘층(101)의 두께와 실질적으로 동일하게 될 수 있다.
다음으로, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 제2 실리콘층(103)을 식각하여 잉크 유입구(110)의 일부인 제2 홈부(113)를 형성한다. 이때, 제2 실리콘층(103)의 상면에 포토레지스트를 도포하고, 이 포토레지스트를 패터닝하여, 잉크 유입구(110)를 형성하기 위한 개구부를 형성한 후, 이 패터닝된 포토레지스트를 식각 마스크로 하여 상기 개구부를 통해 노출된 부위의 제2 실리콘층(103)을 식각하여 상기 제2 홈부(113)를 형성할 수 있다.
다음으로, 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이, 잉크 유입구(110)가 형성될 부위의 중간 산화막(102)을 식각하여 제1 홈부(112)와 제2 홈부(113)를 연통하고, 이로써 잉크 유입구(110)가 형성된다. 이때, 상기 중간 산화막(102)은 제1 실리콘층(101)의 표면을 산화시켜서 형성되는 실리콘 산화막일 수 있고, 중간 산화막(102)의 식각은 반응성 이온 식각(RIE)과 같은 건식 식각 방법 또는 BOE(Buffered Oxide Etchant)를 사용한 습식 식각 방법에 의해 수행될 수 있다. 이러한 중간 산화막의 식각은 이하에서 설명되는 다른 중간 산화막 또는 절연층에 대한 식각에도 동일하게 적용될 수 있다.
이상에서는 상부기판(100)으로서 SOI 웨이퍼를 사용하여 잉크 유로를 형성하는 것을 도시하고 설명하였으나, 상부기판(100)으로서 단결정 실리콘 기판을 사용할 수도 있음은 물론이다. 즉, 대략 100~200㎛ 정도의 두께를 가진 단결정 실리콘 기판을 준비한 뒤, 도 3의 (a) 내지 (d)에 도시된 방법과 동일한 방법으로 상부기판(100)에 잉크 유입구(110)와 압력 챔버(150)를 형성할 수 있다.
이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부 기판에 잉크 유로를 형성하는 공정을 살펴보기로 한다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 하부 기판(200)으로서 대략 수백 ㎛의 두께, 바람직하게는 대략 210㎛ 정도의 두께를 가진 하부 실리콘층(201)과, 대략 1㎛ ~ 2㎛ 정도의 두께를 가진 절연층(202)과, 대략 10㎛ ~ 100㎛ 정도의 두께를 가진 상부 실리콘층(203)으로 이루어진 SOI 웨이퍼를 사용한다. 준비된 하부기판(200)을 습식 및/또는 건식 산화시켜, 하부기판(200)의 상면과 하면에 대략 5,000~15,000Å 정도의 두께를 가진 실리콘 산화막을 형성할 수 있다.
하부기판(200)의 하면에 포토레지스트(205)를 도포하고, 도포된 포토레지스트(205)를 패터닝하여, 노즐(250)을 형성하기 위한 개구부(251)를 형성한다. 이때, 포토레지스트의 패터닝은 전술한 바와 같이 포토리소그래피 방법에 의해 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 패터닝된 포토레지스트(205)를 식각 마스크로 하여 상기 개구부(251)를 통하여 노출된 부위의 하부 실리콘층(201)을 식각하여, 노즐(250)을 형성한다.
다음으로, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 상부 실리콘층(203)의 상면에 포토레지스트(206)를 도포하고, 포토레지스트(206)에서 돌출부(230)를 형성하기 위한 부분을 제외한 부분을 제거한 후, 이렇게 노출된 부위의 상부 실리콘층(203)을 상기 포토레지스트(206)를 식각 마스크로 하여 돌출부(230)를 형성한다. 이때, 돌출부(230)를 형성하기 위한 상부 실리콘층(203)의 식각은 TMAH 또는 KOH를 이용한 습식 식각이나, ICP를 이용한 RIE와 같은 건식 식각 방법에 의한다.
돌출부(230)의 수평 단면은 직사각형 또는 평행사변형 등의 형태로 이루어질 수 있으며, 직사각형 단면을 갖는 돌출부(230)는 상부 실리콘층(203)을 건식 식각하여 얻을 수 있으며, 평행사변형 단면을 갖는 돌출부(230)는 상부 실리콘층(203)을 습식 식각하여 얻을 수 있다. 이외에 마주보는 두 변이 긴 육각형, 역피라미드형 또는 타원형 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 이와 같이 돌출부(230)는 건식 식각 또는 습식 식각에 의하여 형성되나, 특히 건식 식각 예를 들어 DRIE 등에 의할 경우 원하는 형상의 돌출부를 얻을 수 있다. 돌출부(230)는 상부 실리콘층(203)을 식각하여 형성되기 때문에 상부 실리콘층(203)의 두께와 실질적으로 동일한 높이를 가지며, 돌출부(230)의 높이는 상부 실리콘층(203)의 두께를 조정함으로써 다양하게 조정할 수 있다. 이렇게 조정되는 돌출부(230)의 높이에 따라 압력 챔버(150)의 높이도 조정되는 것은 물론이다.
이렇게 형성된 돌출부(230)의 상면에 존재하는 포토레지스트(206)는 습식 식각이나 건식 식각에 의해 제거될 수 있으며, 화학?기계적 연마(CMP: Chemical Mechanical Planarization)에 의해 제거될 수도 있다. 이때, 돌출부(230)의 두께 일부를 함께 제거하여 돌출부(230)의 높이를 조정할 수 있다.
다음으로, 도 4의 (d)에 도시된 바와 같이, 돌출부(230)가 형성된 하부 기판(200)의 상면, 즉 절연층(202)의 상면과 돌출부(230)의 상면을 덮도록 포토레지스트(207)를 도포하고, 이를 패터닝하여 매니폴드(210)를 형성하기 위한 개구부(211)를 형성한다.
다음으로, 도 4의 (e)에 도시된 바와 같이, 패터닝된 포토레지스트(207)를 식각 마스크로 하여, 절연층(202)과, 하부 실리콘층(201)의 일부를 식각하여 매니폴드(210)를 형성한다. 매니폴드(210)의 형성은 건식 식각이나 습식 식각 방법에 의하여 이루어질 수 있으며, 특히 TMAH 또는 KOH를 이용한 습식 식각 방법에 의하여 매니폴드(210)의 측면이 경사지도록 식각될 수 있다. 즉, 매니폴드(210)의 수평 단면이 상부에서 하부로 갈수록 점점 작아지도록 형성되는 것이 바람직하다. 이는 잉크 유입구(110)로 유입된 잉크가 매니폴드(210)에서 압력 챔버(150)로 이송되는 것을 용이하게 해주기 때문이다.
다음으로, 도 4의 (f)에 도시된 바와 같이, 돌출부(230)와 매니폴드(210)가 형성된 하부 기판(200)의 상면을 덮도록 포토레지스트(208)를 도포하고, 이를 패터닝하여 댐퍼(240)를 형성하기 위한 개구부(241)를 형성한다.
다음으로, 도 4의 (g)에 도시된 바와 같이, 패터닝된 포토레지스트(208)를 식각 마스크로 하여, 절연층(202)과, 하부 실리콘층(201)의 일부를 식각하여 댐퍼(240)를 형성한다. 이때, 댐퍼(240)의 형성은 건식 식각이나 습식 식각 방법에 의하여 이루어질 수 있으며, 댐퍼(240)가 노즐(250)과 연통하도록 이루어진다. 이때, TMAH 또는 KOH를 이용한 습식 식각 방법에 의하여 댐퍼(240)의 측면은 경사지게 형성될 수 있다. 즉, 댐퍼(240)의 수평 단면이 하부로 갈수록 점점 작아지도록 형성된다. 이는 압력 챔버(150)에서 노즐(250)로의 잉크 토출을 용이하게 한다.
본 실시예에서는, 하부 기판(200)에 노즐(250), 돌출부(230), 매니폴드(210), 댐퍼(240)의 순서로 잉크 유로를 형성하는 것을 도시하고 설명하고 있지만, 이는 예시적인 것이며, 이들 구성의 가공 단계들의 순서는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 변결될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 하부 기판(200)에 돌출부(230)를 먼저 형성하고나서 노즐, 매니폴드, 댐퍼를 임의의 순서로 형성할 수도 있다.
이렇게 잉크 유로가 형성된 상부 기판(100) 및 하부 기판(200)을 접합하고, 상부 기판(100)의 상면에 압력 챔버(150)의 위치에 대응하는 위치에 압전 액추에이터(130)를 형성하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드가 완성된다.
이때, 상부 기판(100)과 하부 기판(200)의 접합은 실리콘 직접 접합(SDB)에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 상부 기판(100)의 제1 실리콘층(101)의 하면과 하부 기판(200)의 절연층(202)의 상면을 접합면으로 하여, 이들 접합면을 밀착한 후, 열처리함으로써 접합될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 수직 단면도이며, 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 5 내지 도 7에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드는 매니폴드와 댐퍼의 수평 단면이 하부기판의 두께 방향을 따라 동일하게 형성되는 것으로, 이외의 구성은 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드와 동일하므로, 이들 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드는 잉크 유입구(110) 및 압력 챔버(150)가 형성되는 상부기판(100), 매니폴드(210), 돌출부(230), 댐퍼(240) 및 노즐(250)이 형성되는 하부기판(200), 및 상부기판(100)의 상면에 형성되는 압전 액추에이터(130)를 포함한다.
본 실시예에서 매니폴드(210)는 하부기판(200)의 절연층(202)과, 하부 실리콘층(201)의 일부에 의해 형성되며, 매니폴드(210)의 수평 단면은 하부기판(200)의 두께 방향을 따라 동일하게 형성되어 있다. 즉, 매니폴드(210)의 측면은 매니폴드(210)의 저면에 수직하게 형성된다. 이는 ICP를 이용한 RIE와 같은 건식 식각 방법에 의하여 이루어질 수 있다.
댐퍼(240)는 하부기판(200)의 절연층(202)과, 하부 실리콘층(201)의 일부에 의해 형성되며, 노즐(250)과 연통되도록 형성된다. 이때, 댐퍼(240)의 수평 단면은 하부기판(200)의 두께 방향을 따라 동일하게 형성되어 있다. 즉, 댐퍼(240)의 측면은 댐퍼(240)의 저면에 수직하게 형성된다. 이는 ICP를 이용한 RIE와 같은 건식 식각 방법에 의하여 이루어질 수 있다.
이하에서는, 도 7을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 방법을 살펴보기로 한다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 상부 기판의 구성은 제1 실시예와 동일하므로, 이는 생략하기로 한다.
도 7에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 방법은 매니폴드와 댐퍼의 수평 단면이 하부기판의 두께방향으로 동일하게 형성되는 것으로, 매니폴드를 형성하는 단계와 댐퍼를 형성하는 단계 이외의 단계들은 도 4에 도시된 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 단계들과 실질적으로 동일하다. 따라서 이하에서는 매니폴드 및 댐퍼를 형성하는 단계를 중심으로 살펴보기로 한다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 하부 실리콘층(201), 절연층(202), 및 상부 실리콘층(203)을 순차로 적층하여 이루어진 하부기판(200)의 하면에 포토레지스트(205)를 도포하고, 도포된 포토레지스트(205)를 패터닝하여, 노즐(250)을 형성하기 위한 개구부(251)를 형성한다.
다음으로, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 패터닝된 포토레지스트(205)를 식각 마스크로 하여 상기 개구부(251)를 통하여 노출된 부위의 하부 실리콘층(201)을 식각하여, 노즐(250)을 형성한다.
다음으로, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 상부 실리콘층(203)의 상면에 포토레지스트(206)를 도포하고, 포토레지스트(206)에서 돌출부(230)를 형성하기 위한 부분을 제외한 부분을 제거한 후, 이렇게 노출된 부위의 상부 실리콘층(203)을 상기 포토레지스트(206)를 식각 마스크로 하여 돌출부(230)를 형성한다.
다음으로, 도 7의 (d)에 도시된 바와 같이, 돌출부(230)가 형성된 하부 기판(200)의 상면, 즉 절연층(202)의 상면과 돌출부(230)의 상면을 덮도록 포토레지스트(207)를 도포하고, 이를 패터닝하여 매니폴드(210)를 형성하기 위한 개구부(211)를 형성한다.
다음으로, 도 7의 (e)에 도시된 바와 같이, 패터닝된 포토레지스트(207)를 식각 마스크로 하여, 절연층(202)과, 하부 실리콘층(201)의 일부를 식각하여 매니폴드(210)를 형성한다. 매니폴드(210)의 형성은 건식 식각이나 습식 식각 방법에 의하여 이루어질 수 있으며, 특히 ICP를 이용한 RIE와 같은 건식 식각 방법에 의하여 매니폴드(210)의 수평 단면이 하부기판(200)의 두께 방향을 따라 동일하게 형성될 수 있다. 즉, 매니폴드(210)의 측면이 매니폴드(210)의 저면과 수직이 되도록 형성된다.
다음으로, 도 7의 (f)에 도시된 바와 같이, 돌출부(230)와 매니폴드(210)가 형성된 하부 기판(200)의 상면을 덮도록 포토레지스트(208)를 도포하고, 이를 패터닝하여 댐퍼(240)를 형성하기 위한 개구부(241)를 형성한다.
다음으로, 도 7의 (g)에 도시된 바와 같이, 패터닝된 포토레지스트(208)를 식각 마스크로 하여, 절연층(202)과, 하부 실리콘층(201)의 일부를 식각하여 댐퍼(240)를 형성한다. 이때, 댐퍼(240)의 형성은 건식 식각이나 습식 식각 방법에 의하여 이루어질 수 있으며, 특히 ICP를 이용한 RIE와 같은 건식 식각 방법에 의하여 댐퍼(240)의 수평 단면의 크기가 하부기판(200)의 두께 방향을 따라 일정하도록 형성될 수 있다. 즉, 댐퍼(240)의 측면이 댐퍼(240)의 저면과 수직이 되도록 형성된다. 이때, 댐퍼(240)는 노즐(250)과 연통하도록 이루어진다.
다음으로, 도 7의 (h)에 도시된 바와 같이, 하부기판(200)의 상면에 형성된 포토레지스트(208)를 제거하면, 하부기판(200)이 완성된다. 이는 건식 식각이나 습식 식각에 의해 이루어질 수 있으며, CMP에 의해 이루어질 수도 있다. 이때, 돌출부(230)의 높이나 하부기판(200)의 두께를 원하는 사이즈로 하기 위하여, 돌출부(230) 및 하부 실리콘층(201)을 두께 방향으로 일부 제거할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이고, 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 수직 단면도이며, 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 8 내지 도 10에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드는 매니폴드의 수평 단면이 하부기판의 두께 방향을 따라 일정하게 형성되고, 댐퍼의 수직 단면이 역사다리꼴의 형상으로 형성되는 것으로, 이외의 구성은 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드와 동일하므로, 이들 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드는 잉크 유입구(110) 및 압력 챔버(150)가 형성되는 상부기판(100), 매니폴드(210), 돌출부(230), 댐퍼(240) 및 노즐(250)이 형성되는 하부기판(200), 및 상부기판(100)의 상면에 형성되는 압전 액추에이터(130)를 포함한다.
본 실시예에서 매니폴드(210)는 하부기판(200)의 절연층(202)과, 하부 실리콘층(201)의 일부에 의해 형성되며, 매니폴드(210)의 수평 단면은 하부기판(200)의 두께 방향을 따라 동일하게 형성되어 있다. 즉, 매니폴드(210)의 측면은 매니폴드(210)의 저면에 수직하게 형성된다.
댐퍼(240)는 하부기판(200)의 절연층(202)과, 하부 실리콘층(201)의 일부에 의해 형성되며, 수직 단면이 역사다리꼴의 형상으로 형성된다. 이때, 댐퍼(240) 수직 단면에서 아랫변은 노즐(250)의 지름과 동일하도록 형성된다.
이하에서는, 도 10을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 방법을 살펴보기로 한다. 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 상부 기판의 구성은 제1 실시예와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 10에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 방법은 하부기판에 매니폴드, 댐퍼, 노즐을 형성한 후, 돌출부를 형성하고, 매니폴드의 수평 단면을 하부기판의 두께 방향을 따라 일정하게 형성하고, 댐퍼의 수직 단면을 역사다리꼴의 형상으로 형성한다는 점에서, 도 4에 도시된 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 하부기판에 잉크 유로를 형성하는 단계들과 상이하다. 따라서 이하에서는 차이점을 중심으로 살펴보기로 한다.
도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 절연층(202)의 상부에 포토레지스트(205)를 도포하고, 도포된 포토레지스트(205)를 패터닝하고, 패터닝된 포토레지스트(205)를 식각 마스크로 하여, 절연층(202)에 매니폴드(210)와 댐퍼(240)를 형성하기 위한 개구부들(211, 241)을 형성한다.
다음으로, 도 10 (b)에 도시된 바와 같이, 패터닝된 포토레지스트(205)를 식각 마스크로 하여 상기 개구부들(211, 241)를 통하여 노출된 부위의 하부 실리콘층(201)을 식각하여, 매니폴드(210)와 댐퍼(240) 홈을 형성한다.
매니폴드(210)의 형성은 건식 식각이나 습식 식각 방법에 의하여 이루어질 수 있으며, 특히 ICP를 이용한 RIE와 같은 건식 식각 방법에 의하여 매니폴드(210)의 수평 단면이 하부기판(200)의 두께 방향을 따라 동일하게 형성될 수 있다. 즉, 매니폴드(210)의 측면이 매니폴드(210)의 저면과 수직이 되도록 형성된다.
댐퍼(240) 홈의 형성은 건식 식각이나 습식 식각 방법에 의하여 이루어질 수 있으며, 특히 TMAH 또는 KOH를 이용한 습식 식각 방법에 의하여 댐퍼(240) 홈의 수직 단면이 역삼각형 형태로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 10의 (c)에 도시된 바와 같이, 하부 실리콘층(201)을 원하는 두께로 연마한다. 하부 실리콘층(201)은 대략 수백 ㎛의 두께, 바람직하게는 대략 210㎛ 정도의 두께가 되도록 연마될 수 있으며, CMP 공정에 의하여 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 10의 (d)에 도시된 바와 같이, 하부 실리콘층(201)의 하면에 포토레지스트(206)를 도포하고, 이를 패터닝하여 노즐(250)를 형성하기 위한 개구부(251)를 형성한다.
다음으로, 도 10의 (e)에 도시된 바와 같이, 패터닝된 포토레지스트(206)를 식각 마스크로 하여, 하부 실리콘층(201)의 일부를 식각하여 노즐(250)을 형성한다. 이때, 댐퍼(240)의 수직 단면이 역사다리꼴의 형태로 되도록 노즐(250)이 연통되고, 댐퍼(240)의 수직 단면에 있어서, 아랫변이 노즐(250)의 지름과 실질적으로 동일하게 형성될 수 있다.
다음으로, 도 10의 (f)에 도시된 바와 같이, 절연층(202)의 상부에 상부 실리콘층(203)을 형성한다. 상부 실리콘층(203)은 절연층(202)에 SDB 방법에 의해 접합될 수 있다. 이때, 상부 실리콘층(203)을 CMP와 같은 연마 공정에 의해 원하는 두께의 돌출부(230)와 동일한 두께로 형성할 수 있다.
다음으로, 도 10의 (g)에 도시된 바와 같이, 상부 실리콘층(203)의 상부에 포토레지스트(207)를 도포하고, 이를 패터닝하여 상부 실리콘층(203)에서 돌출부(230)가 형성될 부분 이외의 부분이 노출되도록 한다.
다음으로, 도 10의 (h)에 도시된 바와 같이, 상기 패터닝된 포토레지스트(207)를 식각 마스크로 하여, 상부 실리콘층(203)의 돌출부(230) 형성 부분 이외의 부분을 제거한다. 이는 전술한 바와 같이, TMAH나 KOH를 이용한 습식 식각 또는 ICP를 이용한 RIE 같은 건식 식각에 의해 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 10의 (i)에 도시된 바와 같이, 돌출부(230)의 상면에 형성된 포토레지스트(207)를 제거하면, 하부기판(200)이 완성된다.
도 11은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드와 비교예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 액적 토출 볼륨의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 12는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드와 비교예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 액적 토출 속도의 변화를 나타내는 그래프이다. 비교예에 따른 잉크젯 프린트 헤드는 압력 챔버의 공간을 줄이지 않은 것으로, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드가 압력 챕버의 높이에 있어서 비교예에 따른 잉크젯 프린트 헤드보다 낮다.
도 11 및 도 12의 그래프는 비교예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 경우, 구동 전압을 70V로 하여 토출되는 잉크 액적의 토출 볼륨과 토출 속도를 측정한 것이고, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 경우, 구동 전압을 62V로 하여 토출되는 잉크 액적의 토출 볼륨과 토출 속도를 측정한 것이다.
도 11의 그래프에서는 비교예의 경우 토출 볼륨의 평균이 약 19pl 정도이고, 본 발명의 경우 토출 볼륨의 평균이 약 21.8pl 정도이다. 도 12의 그래프에서는 비교예의 경우 토출 속도의 평균이 약 3.5m/s 정도이고, 본 발명의 경우 토출 속도의 평균이 약 3.1m/s 정도이다.
도 11의 그래프에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드가 비교예보다 구동 전압이 낮은데도, 토출 볼륨이 더 높게 나왔음을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 잉크젯 프린트 헤드에 비교예와 동일한 구동 전압을 인가하였다면, 더 높은 볼륨이 나왔음은 당연하다.
한편, 도 12의 그래프에서는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드가 비교예보다 토출 속도가 약간 낮게 나오고 있다. 그러나 비교예의 구동 전압이 본 발명에서보다 더 높다는 점을 감안하면, 평균 토출 속도에 있어서 차이가 0.4m/s로 아주 작다고 볼 수 있다. 또한 일반적으로 잉크젯 프린트 헤드의 토출 속도가 구동 전압에 민감하기 때문에, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드에 비교예에서와 동일한 구동 전압 즉 70V의 구동 전압이 인가되었다면, 비교예에서보다 더 높은 토출 속도가 나왔을 것이다. 이는 도 11에서 본 발명이 구동 전압이 낮은데도 토출 볼륨이 더 높게 나온 것으로부터도 충분히 예측할 수 있다.
이와 같이, 압력 챔버의 공간을 줄임으로써, 핸들링을 해야 하는 잉크의 체적을 작게 하여, 보다 낮은 구동 전압으로 토출 속도나 토출 볼륨과 같은 잉크 토출 특성이 우수한 잉크젯 프린트 헤드를 얻을 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예컨대, 본 발명에서 잉크젯 프린트 헤드의 잉크 유로를 형성하는 각 구성요소를 형성하는 방법은 단지 예시된 것으로서, 다양한 식각 방법이 적용될 수 있으며, 제조방법의 각 단계의 순서도 예시된 바와 달리할 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 상부기판 110: 잉크 유입구
130: 압전 액추에이터 150: 압력 챔버
200: 하부기판 210: 매니폴드
220: 리스트릭터 230: 돌출부
240: 댐퍼 250: 노즐
130: 압전 액추에이터 150: 압력 챔버
200: 하부기판 210: 매니폴드
220: 리스트릭터 230: 돌출부
240: 댐퍼 250: 노즐
Claims (18)
- 압력 챔버가 형성되는 상부기판; 및
상부 실리콘층, 절연층, 및 하부 실리콘층을 포함하는 하부기판을 포함하고,
상기 하부기판은 상기 상부 실리콘층으로 이루어지며 상기 압력 챔버의 공간을 줄이기 위해 상기 압력 챔버내로 돌출되는 돌출부를 포함하고,
상기 상부기판의 저면과 상기 하부기판의 상기 하부 실리콘층 상면이 고정되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
- 제1항에 있어서,
상기 상부기판은 제1 실리콘층, 중간 산화막, 및 제2 실리콘층이 순차로 적층된 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
- 제2항에 있어서,
상기 돌출부는 높이가 상기 제1 실리콘층의 두께보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
- 제1항에 있어서, 상기 하부기판은
잉크 유입구로부터 유입되는 잉크를 상기 압력 챔버에 공급하는 매니폴드; 및
상기 압력 챔버와 노즐 사이에 형성되는 댐퍼를 포함하고,
상기 매니폴드 및 상기 댐퍼 중 적어도 하나는 측면이 경사져 있는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
- 제1항에 있어서, 상기 하부기판은
잉크 유입구로부터 유입되는 잉크를 상기 압력 챔버에 공급하는 매니폴드; 및
상기 압력 챔버와 노즐 사이에 형성되는 댐퍼를 포함하고,
상기 매니폴드 및 상기 댐퍼 중 적어도 하나는 측면이 저면과 수직하게 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
- 제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 매니폴드와 상기 압력 챔버 사이에 상기 압력 챔버에서 상기 매니폴드로의 잉크의 역류를 방지하는 리스트릭터가 형성되며,
상기 리스트릭터는 상기 돌출부의 상기 매니폴드측 측면과 상기 압력 챔버의 상기 매니폴드측 측면에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
- 제1항에 있어서,
상기 절연층은 상기 하부 실리콘층의 표면을 산화시켜서 형성되는 산화막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
- 상부기판에 압력 챔버 홈을 형성하는 단계;
하부 실리콘층, 절연층, 및 상부 실리콘층을 순차로 적층하여 하부기판을 준비하는 단계;
상기 상부 실리콘층에서, 상기 압력 챔버 홈내로 배치되는 돌출부를 형성하기 위한 부분 이외의 부분을 제거하는 단계; 및
상기 돌출부가 상기 압력 챔버 홈의 공간상에 배치되도록 상기 상부기판의 저면과 상기 하부기판의 절연층을 고정하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 상부기판의 저면과 상기 하부기판의 절연층을 고정하는 단계는 실리콘 직접 접합(SDB)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
잉크 유입구로 유입된 잉크를 상기 압력 챔버로 공급하는 매니폴드 및 상기 압력 챔버와 노즐사이의 잉크 유로인 댐퍼를 형성하기 위하여 상기 하부기판을 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 하부기판을 식각하는 단계는 상기 매니폴드 및 상기 댐퍼 중 적어도 하나의 측면이 경사지도록 식각하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 매니폴드 및 상기 댐퍼를 형성하기 위하여 상기 하부기판을 식각하는 단계는 반응성 이온 식각(RIE) 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 상부 실리콘층에서 상기 돌출부를 형성하기 위한 부분 이외의 부분을 제거하는 단계는 유도결합 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma)를 이용한 반응성 이온 식각(RIE) 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 상부 실리콘층에서 상기 돌출부를 형성하기 위한 부분 이외의 부분을 제거하는 단계는 테트라메틸 수산화 암모늄(TMAH: Tetramethyl Ammonium Hydroxide) 또는 수산화 칼륨(KOH)을 이용한 습식 식각 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 상부 실리콘층에서 상기 돌출부를 형성하기 위한 부분 이외의 부분을 제거하는 단계는 상기 절연층을 식각 정지층으로 하여 수행되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 상부기판은 SOI 웨이퍼로 이루어지며,
상기 상부기판에 압력 챔버 홈을 형성하는 단계는 상기 SOI 웨이퍼의 중간 산화막을 식각 정지층으로 하여 수행되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 하부기판을 준비하는 단계는
상기 하부 실리콘층에, 잉크 유입구로 유입된 잉크를 상기 압력 챔버로 공급하는 매니폴드 및 상기 압력 챔버와 노즐사이의 잉크 유로인 댐퍼를 형성하도록, 상기 하부 실리콘층을 식각하는 단계;
상기 하부 실리콘층의 상면에 상기 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 절연층의 상부에 상기 상부 실리콘층을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
- 제17항에 있어서,
상기 절연층을 형성하는 단계는 상기 하부 실리콘층의 표면을 산화시켜서 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
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