KR20120037015A - 잉크토출면에 폴리실세스퀴옥산 코팅을 갖는 프린트헤드 - Google Patents
잉크토출면에 폴리실세스퀴옥산 코팅을 갖는 프린트헤드 Download PDFInfo
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Abstract
소수성 고분자 재료로 코팅된 잉크토출면을 갖는 프린트헤드가 개시된다. 고분자 재료는 폴리(메틸실세스퀴옥산) 또는 폴리(페닐실세스퀴옥산)와 같은, 폴리실세스퀴옥산으로 구성되어 있다. 프린트헤드는 잉크토출면과의 접촉을 필요로 하는 다양한 프린트헤드 유지보수 작업에 호환성이 있다.
Description
본 발명은 프린터 분야에 관한 것으로서, 특히 잉크젯 프린트헤드에 관한 것이다. 고해상도 프린트헤드에서는 인쇄 품질과 프린트헤드 유지보수를 향상시키는 것이 주로 개발되어 왔다.
많은 다양한 인쇄 형태들이 발명되어 왔으며, 그 중 다수가 현재 이용되고 있다. 공지된 인쇄 형태들은 적절한 표시 매체(marking media)로 인쇄 매체(print media)에 표시하기 위한 여러 가지 방법들을 갖고 있다. 일반적으로 이용되는 인쇄 형태들은 옵셋 인쇄(offset printing), 레이저 인쇄 및 복사 장치들, 도트 매트릭스 타입 충격식 프린터(dot matrix type impact printer)들, 감열지 프린터(thermal paper printer)들, 필름 기록기(film recorder)들, 열 왁스 프린터(thermal wax printer)들, 염료 승화 프린터(dye sublimation printer)들, 그리고 드롭 온 디멘드(drop on demend) 및 연속(continuous flow) 타입의 둘 다인 잉크젯 프린터들을 포함한다. 각 타입의 프린터는, 비용, 속도, 품질, 신뢰성, 구조 및 조작의 단순성 등을 고려할 때, 그만의 이점들과 문제점들을 갖고 있다.
최근에, 잉크젯 인쇄 분야는, 각각의 개별적인 잉크 픽셀(pixel)이 하나 이상의 잉크 노즐들로부터 얻어진다는 점에서, 주로 그것의 저렴함과 다용도성 때문에 점점 인기가 많아지고 있다.
많은 다양한 기술이 잉크젯 인쇄와 관련하여 발명되어 있다. 이 분야를 살펴보기 위해, 제이 무어(J Moore)의 논문, "비 충격식 인쇄: 소개와 역사적인 관점 (Non-Impact Printing: Introduction and Historical Perspective)", 출력 하드카피 장치(Output Hard Copy Device)들, 편집자들 알 듀벡(R Dubeck) 및 에스 셔(S Sherr), 페이지 207-220(1988)을 참조한다.
잉크젯 프린터들 그 자체는 많은 다양한 타입들로 되어 있다. 잉크젯 인쇄에서, 연속적인 잉크 흐름의 이용은, 한셀(Hansell)의 미국 특허번호 1,941,001에, 단순한 형태의 연속 흐름 정전 잉크젯 인쇄(continuous stream electrostatic ink jet printing)이 개시되어 있다는 점에서, 적어도 1929년까지 거슬러 올라가는 것 같다.
또, 스위트(Sweet)의 미국 특허 3,596,275에는 방울 분리(drop separation)를 일으키기 위해, 잉크젯 흐름이 고주파 정전기장(high frequency electro-static field)에 의해 조절되는 단계를 포함하는 연속 잉크젯 인쇄 공정이 개시되어 있다. 이 기술은 이엘엠젯(Elmjet) 및 싸이텍스(Scitex)를 포함한 여러 제조사들에 의해 여전히 이용되고 있다(스위트 등의 미국 특허번호 3,373,437도 참조).
압전 잉크젯 프린터(Piezoelectric ink jet printer)들도 일반적으로 사용되는 잉크젯 인쇄 장치의 한 형태이다. 압전 시스템들은 격막 모드 작동(diaphragm mode of operation)을 이용하는 미국 특허번호 3,946,398(1970)에서 카이저(Kyser) 등에 의해, 압전 결정(piezoelectric crystal)의 압착 모드 작동(squeeze mode of operation)을 개시한 미국 특허 3,683,212(1970)에서 졸튼(Zolten)에 의해, 굽힘 모드(bend mode)의 압전 작동을 개시한 미국 특허번호 3,747,120(1972)에서 슈템메(Stemme)에 의해, 잉크젯 흐름의 압전 푸시 모드 작동(piezoelectric push mode actuation)을 개시한 미국 특허번호 4,459,601에서 호킨스(Howkins)에 의해, 그리고 전단 모드(shear mode) 타입의 압전 변환기 소자(piezoelectric transducer element)를 개시한 미국 특허 4,584,590에서 피슈벡(Fischbeck)에 의해 공개되어 있다.
최근, 서멀 잉크젯 인쇄(thermal ink jet printing)는 잉크젯 인쇄 중 대단히 인기가 있는 한 형태로 되어 있다. 잉크젯 인쇄 기술들은 GB 2007162(1979)에서 엔도(Endo) 등에 의해, 미국 특허 4,490,728에서 보트(Vaught) 등에 의해 개시된 것들을 포함한다. 상기 참조문헌들 둘 다는, 노즐과 같은 수축 공간에서 버블의 발생을 야기하는 전열 액츄에이터(electrothermal actuator)의 활성화에 의해, 밀폐 공간에 연결된 구멍(aperture)을 통해, 적절한 인쇄 매체 상으로 잉크의 토출을 야기하는 잉크젯 인쇄 기술들을 공개했다. 전열 액츄에이터를 이용하는 인쇄 장치들은 캐논(Canon) 및 휴렛 팩커드(Hewlett Packard)와 같은 제조사들에 의해 제조되고 있다.
상기 내용으로부터 알 수 있는 바와 같이, 많은 다른 타입의 인쇄 기술들이 이용 가능하다. 인쇄 기술은 많은 바람직한 특성들을 갖는 것이 이상적이다. 이들 특성들은 저렴한 구성 및 작동, 고속 작동, 장기간에 걸친 안전하고 연속적인 작동 등을 포함한다. 각각의 기술은 비용, 속도, 품질, 신뢰성, 전력 사용, 구성 및 작동의 단순성, 내구성과 소모성의 측면에서 그 자체의 장단점들을 가질 수 있다.
어떤 잉크젯 인쇄 시스템의 구성에서, 대형 프린트헤드들, 특히 페이지폭 형태의 프린트헤드들이 구성될 때, 특히 서로 교환되어야 하는, 고려해야 할 많은 중요한 요인들이 있다. 많은 이들 요인들이 이하에 개략적으로 설명된다.
우선, 잉크젯 프린트헤드들은 통상적으로, 미소전기기계 시스템(MEMS) 기술들을 이용하여 구성된다. 이와 같이, 잉크젯 프린트헤드들은 실리콘 웨이퍼 상에 평면 층(planar layer)들을 퇴적하고 나서 평면 층들의 어떤 부분들을 에칭하는 표준 집적회로 구성/제조(standard integrated circuit construction/fabrication) 기술들에 의존하는 경향이 있다. 실리콘 회로 제조 기술 중에, 어떤 기술들은 다른 것들보다 더 많이 알려져 있다. 예를 들면, CMOS 회로들의 생성과 관련이 있는 기술들은
강유전체(ferroelectric)들, 갈륨 비소(gallium arsenide) 등을 포함하는 특수 회로(exotic circuit)들의 생성과 관련이 있는 기술들보다 더 손쉽게 이용될 가능성이 있다. 따라서 어떤 MEMS 구성들에서는, 어떤 "특수한" 공정들 또는 재료들을 필요로 하지 않는 입증된 반도체 제조 기술들을 잘 이용하는 것이 바람직하다. 물론, 만약 파격적인 특수 재료를 사용하는 이점들이 그것의 단점들보다 중요하다면, 그때는 어쨌든 그 재료를 이용하는 것이 바람직한 것이 될 수 있다는 점에서, 어느 정도의 교환(trade off)은 행해질 것이다. 그러나 만약 더 일반적인 재료들을 이용하여 동일 또는 유사한 특성들을 달성하는 것이 가능하다면, 특수 재료들의 문제점들은 피할 수 있다.
잉크젯 프린트헤드들의 바람직한 특성은 소수성 잉크토출면("전면" 또는 "노즐 면(nozzle face)"), 바람직하게는 친수성 노즐 챔버들 및 잉크 공급 채널들과의 결합일 것이다. 친수성 노즐 챔버들과 잉크 공급 채널들은 모세관 작용(capillary action)을 제공하므로, 각각의 방울 토출 후에 노즐 챔버들로의 잉크의 재공급(re-supply)과 프라이밍(priming)에 최적이다. 소수성 전면은 잉크가 프린트헤드 전면의 전역에 걸쳐 플러딩하는 경향을 최소화한다. 소수성 전면과 함께, 수성 잉크젯 잉크는 노즐 개구들의 횡방향 외측으로 플러딩할 가능성이 더 적다. 또한, 노즐 개구들로부터 플러딩하는 어떤 잉크도 표면 전체에 퍼져 전면 상에서 혼합될 가능성이 더 낮다-그 대신, 노즐 개구들은 적절한 유지보수 동작들에 의해 더 쉽게 취급될 수 있는 각각의 구형 미세 방울들을 형성할 것이다.
지금까지, 본 출원인은 프린트헤드의 전면을 코팅하여 소수성 표면을 제공하기 위한 PDMS(폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane))의 이용을 설명해 왔다. 그러나 PDMS가 우수한 소수성을 갖고 있고 또 프린트헤드 MEMS 제조 공정에 용이하게 편입될 수 있다고 해도, PDMS는 비교적 내마모성이 불충분하여, 프린트헤드 유지보수에 이용되는 와이퍼 블레이드에 의해 긁히거나 손상당할 수 있다(예를 들면, 참조에 의해 본 명세서에 포함되는 2008.01.16자 출원의 미국 출원번호 12/014,772) 참조). 따라서 소수성 잉크토출면을 갖는 프린트헤드를 제공하는 것이 바람직할 것인데, 이 소수성 잉크토출면은 MEMS 제조 공정에 의해 용이하게 제조될 수 있으며, 우수한 내마모성을 갖는다.
제1 특징으로, 잉크토출면(ink ejection face)을 갖는 프린트헤드가 제공되는데, 잉크토출면의 적어도 일부는 소수성 고분자 재료(hydrophobic polymeric material)로 코팅되며, 고분자 재료는 폴리실세스퀴옥산(polysilsesquioxanes)으로 구성되어 있다. 본 발명에 따른 프린트헤드들은, 잉크토출면과의 접촉(예컨대, 와이핑(wiping))을 필요로 하는 다양한 프린트헤드 유지보수 작업에서 프린트헤드들을 호환성 있게 하는 우수한 내구성과 내마모성을 갖는다. 또한, 폴리실세스퀴옥산은 스핀-온 공정(spin-on process)에 의해 얇은 층(0.5 내지 2미크론)으로 퇴적될 수 있어, MEMS 프린트헤드 제조 공정에 용이하게 도입된다.
선택적으로, 폴리실세스퀴옥산(polysilsesquioxanes)은 폴리(알킬실세스퀴옥산(alkylsilsesquioxane))과 폴리(아릴실세스퀴옥산(arylsilsesquioxane))으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 폴리실세스퀴옥산은 폴리(메틸실세스퀴옥산(methylsilsesquioxane))과 폴리(페닐실세스퀴옥산(phenylsilsesquioxane))으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 고분자 재료는 MEMS 프린트헤드 제조 중에, 프린트헤드의 노즐 플레이트(nozzle plate) 위에 퇴적되어 경화(hardback)된다.
선택적으로, 프린트헤드는 기판(substrate)에 형성된 복수의 노즐 조립체(nozzle assembly)를 포함하며, 각각의 노즐 조립체는 노즐 챔버(nozzle chamber), 노즐 챔버의 루프(roof)에 형성된 노즐 개구(nozzle opening) 및 노즐 개구를 통해 잉크를 토출하기 위한 액츄에이터(actuator)를 포함한다.
선택적으로, 고분자 재료는 프린트헤드의 노즐 플레이트에 코팅되며, 노즐 플레이트는 각각의 노즐 챔버의 루프에 의해 적어도 부분적으로 형성된다.
선택적으로, 각각의 루프는 소수성 코팅(hydrophobic coating)에 의해 각각의 노즐 챔버의 내부 표면(inside surface)에 대해 소수성 외부 표면(hydrophobic outside surface)을 갖는다.
선택적으로, 각각의 노즐 챔버는 세라믹 재료(ceramic material)로 구성된 루프와 측벽(sidewall)을 포함한다.
선택적으로, 세라믹 재료는 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘 산화물(silicon oxide) 및 실리콘 산화질화물(silicon oxynitride)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 루프는 기판으로부터 간격을 두고 떨어져 있어, 각각의 노즐 챔버의 측벽이 노즐 플레이트와 기판 사이에 뻗어 있다.
선택적으로, 액츄에이터는 가스 버블(gas bubble)을 형성하기 위해 챔버 안의 잉크를 가열함으로써 노즐 개구를 통해 잉크 방울(droplet)을 강제 토출하도록 형성된 히터 소자(heater element)이다.
선택적으로, 히터 소자는 노즐 챔버 안에 떠 있다.
선택적으로, 액츄에이터는,
구동 회로(drive circuitry)에 연결하기 위한 제1 능동 소자(first active element); 및
제1 소자와 기계적으로 협동하는 제2 수동 소자(second passive element)를 포함하는 서멀 벤드 액츄에이터(thermal bend actuator)여서,
전류가 제1 소자를 통해 흐르면, 제1 소자가 제2 소자보다 팽창하여, 액츄에이터의 굽힘(bending)이 생긴다.
선택적으로, 서멀 벤드 액츄에이터가 각각의 노즐 챔버의 루프의 적어도 일부를 형성함으로써, 액츄에이터의 작동이 루프의 변동부(moving portion)를 노즐 챔버의 플로어(floor) 쪽으로 변동시킨다.
선택적으로, 노즐 개구는 루프의 변동부에 형성된다.
선택적으로, 노즐 개구는 루프의 고정부(stationary portion)에 형성된다.
선택적으로, 고분자 재료가 루프의 변동부와 고정부 사이에 기계적 밀봉(mechanical seal)을 형성함으로써, 액츄에이터의 작동 중에 잉크 누출을 최소화한다.
제2 특징으로, 잉크토출면을 갖는 프린트헤드가 제공되는데, 잉크토출면의 적어도 일부는 고분자 재료로 코팅되며, 고분자 재료는 나노입자(nanoparticle)들을 포함하는 중합 실록산(polymerized siloxane)으로 구성되어 있다. 제2 특징에 따라, 나노입자들은 고분자 코팅에 대해 내구성(durability), 내마모성(wear-resistance), 내피로성(fatigue-resistance), 소수성(hydrophobicity), 친수성(hydrophilicity) 등과 같은 바람직한 특성을 부여한다.
선택적으로, 중합 실록산은 폴리(알킬실세스퀴옥산), 폴리(아릴실세스퀴옥산) 및 폴리디알킬실록산(polydialkylsiloxane)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 중합 실록산은 폴리(메틸실세스퀴옥산), 폴리(페닐실세스퀴옥산) 및 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 나노입자들은 무기 나노입자(inorganic nanoparticle)들과 유기 나노입자(organic nanoparicle)들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 무기 나노입자들은 금속 산화물(metal oxide)들, 금속 탄산염(metal carbonate)들 및 금속 황산염(metal sulfate)들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 무기 나노입자들은 실리카(silica), 산화지르코늄(zirconium oxide), 산화티타늄(titanium oxide), 산화알루미늄(aluminium oxide), 탄산칼슘(calcium carbonate), 산화주석(tin oxide), 산화아연(zinc oxide), 산화구리(copper oxide), 산화크로뮴(chromium oxide), 산화칼슘(calcium oxide), 산화텅스텐(tungsten oxide), 산화철(iron oxide), 산화코발트(cobalt oxide) 및 황산바륨(barium sulfate)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 유기 나노입자들은 가교 실리콘 수지 입자(cross-linked silicone resin particle)들, 가교 폴리올레핀 수지 입자(cross-linked polyolefin resin particle)들, 가교 아크릴 수지 입자(cross-linked acryl resin particle)들, 가교 스티렌-아크릴 수지 입자(cross-linked styrene-acryl resin particle)들, 가교 폴리에스테르 입자(cross-linked polyester particle)들, 폴리이미드 입자(polyimide particle)들, 멜라민 수지 입자(melamine resin particle)들 및 탄소 나노튜브(carbon nanotube)들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 나노입자들은 중합 실록산에 1부터 70 wt.%까지 범위의 양으로 포함된다.
선택적으로, 나노입자들은 1 내지 100㎚ 범위의 평균 입자 크기를 갖는다.
선택적으로, 프린트헤드는 기판에 형성된 복수의 노즐 조립체를 포함하며, 각각의 노즐 조립체는, 노즐 챔버, 노즐 챔버의 루프에 형성된 노즐 개구 및 노즐 개구를 통해 잉크를 토출하기 위한 액츄에이터를 포함한다.
선택적으로, 고분자 재료는 프린트헤드의 노즐 플레이트에 코팅되며, 노즐 플레이트는 각각의 노즐 챔버의 루프에 의해 적어도 부분적으로 형성된다.
선택적으로, 각각의 노즐 챔버는 실리콘 질화물, 실리콘 산화물 및 실리콘 산화질화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 세라믹 재료로 구성된 루프와 측벽들을 포함한다.
선택적으로, 루프는 기판으로부터 간격을 두고 떨어져 있어, 각각의 노즐 챔버의 측벽들이 노즐 플레이트와 기판 사이에 뻗어 있다.
선택적으로, 액츄에이터는 가스 버블을 형성하기 위해 챔버 안의 잉크를 가열함으로써 노즐 개구를 통해 잉크 방울을 강제 토출하도록 형성된 히터 소자이다.
선택적으로, 히터 소자는 노즐 챔버 안에 떠 있다.
선택적으로, 액츄에이터는,
구동 회로에 연결하기 위한 제1 능동 소자; 및
제1 소자와 기계적으로 협동하는 제2 수동 소자를 포함하는 서멀 벤드 액츄에이터여서,
전류가 제1 소자를 통해 흐르면, 제1 소자가 제2 소자보다 팽창하여, 액츄에이터의 굽힘이 생긴다.
선택적으로, 서멀 벤드 액츄에이터가 각각의 노즐 챔버의 루프의 적어도 일부를 형성함으로써, 액츄에이터의 작동이 루프의 변동부를 노즐 챔버의 플로어 쪽으로 변동시킨다.
선택적으로, 노즐 개구는 루프의 변동부 또는 루프의 고정부 중 어느 하나에 형성된다.
선택적으로, 고분자 재료가 루프의 변동부와 고정부 사이에 기계적 밀봉을 형성함으로써, 액츄에이터의 작동 중에 잉크 누출을 최소화시킨다.
제3 특징으로, 토출 가능한 유체(ejectable fluid)를 토출하기 위한 잉크젯 프린트헤드가 제공되는데, 프린트헤드는 나노입자들을 포함하는 고분자 재료로 코팅된 잉크토출면을 갖고, 나노입자들은 잉크토출면에 대해 하나 이상의 예정된 특성들을 부여하며, 예정된 특성들은,
토출 가능한 유체의 고유 특성(inherent property);
프린트헤드와 관련된 프린트헤드 유지보수 방식(regime); 및
노즐 액츄에이터의 타입 중 하나 이상을 보완한다.
제3 특징에 따른 본 발명은, 잉크토출면의 표면 특성들을 프린터의 예정된 특성에 적합하게 할 수 있다. 예를 들면, 프린트헤드 유지보수가 우선시되는 프린터들이 있는가 하면, 최적 유체 토출이 우선시되는 다른 프린터들이 있을 수 있다. 이와 달리, 나노입자들이 프린터 특성들의 절충(compromise)을 제공하기 위해 선택될 수 있다.
선택적으로, 하나 이상의 예정된 특성들은 친수성, 소수성, 내마모성, 및 내피로성으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 하나 이상의 예정된 특성들은 나노입자들의 표면 에너지 특성, 나노입자들의 크기, 나노입자들의 양, 및 나노입자의 내구성 중 하나 이상에 의해 부여된다.
선택적으로, 나노입자들은 무기 나노입자들과 유기 나노입자들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 무기 나노입자들은 실리카, 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화알루미늄, 탄산칼슘, 산화주석, 산화아연, 산화구리, 산화크로뮴, 산화칼슘, 산화텅스텐, 산화철, 산화코발트 및 황산바륨으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 유기 나노입자들은 가교 실리콘 수지 입자들, 가교 폴리올레핀 수지 입자들, 가교 아크릴 수지 입자들, 가교 스티렌-아크릴 수지 입자들, 가교 폴리에스테르 입자들, 폴리이미드 입자들, 멜라민 수지 입자들 및 탄소 나노튜브들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 토출 가능한 유체의 고유 특성은 친수성, 소수성, 점성(viscosity), 표면장력(surface tension), 및 끓는점(boiling point)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 토출 가능한 유체는 수성 유체(aqueous fluid)들과 비수성 유체(non-aqueous fluid)들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 프린트헤드 유지보수 방식은 프린트헤드 캐핑(capping), 프린트헤드 와이핑(wiping), 프린트헤드 플러딩(flooding), 및 비접촉 잉크 제거(non-contact ink removal)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 작업을 포함한다.
선택적으로, 고분자 재료는 중합 실록산으로 구성된다.
선택적으로, 중합 실록산은 폴리(알킬실세스퀴옥산), 폴리(아릴실세스퀴옥산) 및 폴리디알킬실록산으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 중합 실록산은 폴리(메틸실세스퀴옥산), 폴리(페닐실세스퀴옥산) 및 폴리디메틸실록산으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
제3 특징에 따른 프린트헤드의 그 밖의 선택 가능한 실시형태들은 제1 및 제2 특징에 따른 선택 가능한 실시형태들과 흡사하다.
이하, 본 발명의 선택 가능한 실시형태들이 첨부도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것인데, 첨부도면에서,
도 1은 서멀 잉크젯 프린트헤드의 노즐 조립체 배열을 나타낸 부분 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 노즐 조립체 단위 셀(unit cell)의 측면도,
도 3은 도 2에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 4는 희생 포토레지스트층(sacrificial photoresist layer)상에 측벽과 루프 재료를 퇴적시킨 후 부분적으로 형성된 노즐 조립체,
도 5는 도 4에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 6은 도 7에 나타낸 노즐 림(rim) 에칭에 관련된 마스크(mask),
도 7은 노즐 개구 림(nozzle opening rim)을 형성하기 위한 루프층(roof layer)의 에칭을 나타내며,
도 8은 도 7에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 9는 도 10에 도시된 노즐 개구 에칭(nozzle opening etch)에 관련된 마스크,
도 10은 타원형 노즐 개구를 형성하기 위한 루프 재료의 에칭을 나타내고,
도 11은 도 10에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 12는 제1 및 제2 희생층의 산소 플라즈마 애슁(oxygen plasma ashing)을 나타내며,
도 13은 도 12에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 14는 웨이퍼의 반대쪽(opposing side)도 애슁한 후의 노즐 조립체를 나타내고,
도 15는 도 14에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 16은 도 17에 도시된 배면 에칭(backside etch)에 관련된 마스크,
도 17은 웨이퍼 안으로의 잉크 공급 채널(ink supply channel)의 배면 에칭을 나타내며,
도 18은 도 17에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 19는 소수성 고분자 코팅(hydrophobic polymeric coating)의 퇴적 후 도 7의 노즐 조립체를 나타내고,
도 20은 도 19에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 21은 보호 금속 박막(protective metal film)의 퇴적 후 도 19의 노즐 조립체를 나타내며, 또한
도 22는 보호 금속 박막, 고분자 코팅 및 노즐 루프를 관통하는 에칭 후 도 21의 노즐 조립체를 나타내고,
도 23은 배면 MEMS 처리(backside MEMS processing) 및 포토레지스트의 제거 후 완성된 노즐 조립체,
도 24는 도 23에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 25는 노즐 챔버 측벽들이 형성되는 일련의 제1 단계 후 부분적으로 제조된 다른 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 26은 도 25에 도시된 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 사시도,
도 27은 노즐 챔버가 폴리이미드(polyimide)로 충전되는 일련의 제2 단계 후 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 28은 도 27에 도시된 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 사시도,
도 29는 커넥터 기둥(connector post)들이 챔버 루프까지 형성되는 일련의 제3 단계 후 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 30은 도 29에 도시된 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 사시도,
도 31은 전도성 금속판(conductive metal plate)들이 형성되는 일련의 제4 단계 후 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 32는 도 31에 도시된 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 사시도,
도 33은 서멀 벤드 액츄에이터(thermal bend actuator)의 능동 빔 부재(active beam member)가 형성되는 일련의 제5 단계 후 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 34는 도 33에 도시된 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 사시도,
도 35는 고분자층으로 코팅하고, 금속층으로 보호하며 또 노즐 개구를 에칭한 후의 일련의 제6 단계 후 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 36은 배면 MEMS 처리 및 포토레지스트의 제거 후, 완성된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 37은 도 36에 도시된 잉크젯 노즐 조립체의 단면 사시도이다.
도 1은 서멀 잉크젯 프린트헤드의 노즐 조립체 배열을 나타낸 부분 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 노즐 조립체 단위 셀(unit cell)의 측면도,
도 3은 도 2에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 4는 희생 포토레지스트층(sacrificial photoresist layer)상에 측벽과 루프 재료를 퇴적시킨 후 부분적으로 형성된 노즐 조립체,
도 5는 도 4에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 6은 도 7에 나타낸 노즐 림(rim) 에칭에 관련된 마스크(mask),
도 7은 노즐 개구 림(nozzle opening rim)을 형성하기 위한 루프층(roof layer)의 에칭을 나타내며,
도 8은 도 7에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 9는 도 10에 도시된 노즐 개구 에칭(nozzle opening etch)에 관련된 마스크,
도 10은 타원형 노즐 개구를 형성하기 위한 루프 재료의 에칭을 나타내고,
도 11은 도 10에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 12는 제1 및 제2 희생층의 산소 플라즈마 애슁(oxygen plasma ashing)을 나타내며,
도 13은 도 12에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 14는 웨이퍼의 반대쪽(opposing side)도 애슁한 후의 노즐 조립체를 나타내고,
도 15는 도 14에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 16은 도 17에 도시된 배면 에칭(backside etch)에 관련된 마스크,
도 17은 웨이퍼 안으로의 잉크 공급 채널(ink supply channel)의 배면 에칭을 나타내며,
도 18은 도 17에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 19는 소수성 고분자 코팅(hydrophobic polymeric coating)의 퇴적 후 도 7의 노즐 조립체를 나타내고,
도 20은 도 19에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 21은 보호 금속 박막(protective metal film)의 퇴적 후 도 19의 노즐 조립체를 나타내며, 또한
도 22는 보호 금속 박막, 고분자 코팅 및 노즐 루프를 관통하는 에칭 후 도 21의 노즐 조립체를 나타내고,
도 23은 배면 MEMS 처리(backside MEMS processing) 및 포토레지스트의 제거 후 완성된 노즐 조립체,
도 24는 도 23에 도시된 노즐 조립체의 사시도,
도 25는 노즐 챔버 측벽들이 형성되는 일련의 제1 단계 후 부분적으로 제조된 다른 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 26은 도 25에 도시된 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 사시도,
도 27은 노즐 챔버가 폴리이미드(polyimide)로 충전되는 일련의 제2 단계 후 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 28은 도 27에 도시된 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 사시도,
도 29는 커넥터 기둥(connector post)들이 챔버 루프까지 형성되는 일련의 제3 단계 후 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 30은 도 29에 도시된 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 사시도,
도 31은 전도성 금속판(conductive metal plate)들이 형성되는 일련의 제4 단계 후 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 32는 도 31에 도시된 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 사시도,
도 33은 서멀 벤드 액츄에이터(thermal bend actuator)의 능동 빔 부재(active beam member)가 형성되는 일련의 제5 단계 후 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 34는 도 33에 도시된 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 사시도,
도 35는 고분자층으로 코팅하고, 금속층으로 보호하며 또 노즐 개구를 에칭한 후의 일련의 제6 단계 후 부분적으로 제조된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 36은 배면 MEMS 처리 및 포토레지스트의 제거 후, 완성된 잉크젯 노즐 조립체의 측면 단면도,
도 37은 도 36에 도시된 잉크젯 노즐 조립체의 단면 사시도이다.
본 발명은 어떤 타입의 프린트헤드에도 이용될 수 있다. 본 출원인은 많은 잉크젯 프린트헤드들을 이전에 설명했었다. 본 발명의 이해를 돕기 위해 그러한 모든 프린트헤드를 여기서 설명할 필요는 없다. 그러나 이하에서, 서멀 버블-형성 잉크젯 프린트헤드(thermal bubble-forming inkjet printhead) 및 기계식 서멀 벤드 작동형 잉크젯 프린트헤드(mechanical thermal bend actuated inkjet printhead)와 관련하여 본 발명이 설명될 것이다. 본 발명의 이점들은 후술하는 논의로부터 용이하게 명백해질 것이다.
서멀 버블-형성 잉크젯 프린트헤드
도 1을 참조하여, 복수의 노즐 조립체를 포함하는 프린트헤드의 일부가 도시되어 있다. 도 2와 3은 이들 노즐 조립체들 중 하나를 측면 단면도와 부분 사시도로 나타낸다.
각각의 노즐 조립체는 실리콘 웨이퍼 기판(2)상에 MEMS 제조 기술로 형성된 노즐 챔버(24)를 포함한다. 노즐 챔버(24)는 루프(21)와, 루프(21)로부터 실리콘 기판(2)까지 뻗은 측벽(22)들로 형성되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 루프는 노즐 표면(56)의 일부로 형성되어 있는데, 노즐 표면은 프린트헤드의 토출면을 가로질러 걸친다. 노즐 표면(56)과 측벽(22)들은 동일 재료로 형성되어 있으며, 이 재료는 MEMS 제조 중에 포토레지스트의 희생 지지체(sacrificial scaffold) 위로 PECVD에 의해 퇴적된다. 일반적으로, 노즐 표면(56)과 측벽(22)들은 이산화규소(silicon dioxide) 또는 질화규소와 같은 세라믹 재료로 형성되어 있다. 이들 경질 재료(hard material)들은 프린트헤드 구조안전성(robustness)에 대해 우수한 특성을 갖고 있으며, 또, 이들의 본질적으로 친수성인 성질은 모세관 작용(capillary action)에 의해 노즐 챔버(24)들에 잉크를 공급하는데 유리하다. 그러나 노즐 표면(56)의 외부 표면(잉크토출면)도 친수성이어서, 이것이 어떤 플러딩된 잉크를 표면상에서 퍼지게 한다.
노즐 챔버(24)의 세부 구성으로 돌아가서, 노즐 개구(26)가 각각의 노즐 챔버(24)의 루프에 형성되어 있는 것이 보일 것이다. 각각의 노즐 개구(26)는 일반적으로 타원형이며, 관련 노즐 림(25)을 갖고 있다. 노즐 림(25)은 인쇄 중에 방울 방향성(drop directionality)을 도울 뿐만 아니라, 적어도 어느 정도까지, 노즐 개구(26)로부터 플러딩하는 잉크를 줄인다. 노즐 챔버(24)로부터 잉크를 토출하기 위한 액츄에이터는 노즐 개구(26) 밑에 위치되고 또 피트(pit)(8)를 가로질러 떠 있는 히터 소자(29)이다. 전류는 하부에 있는 기판(2)의 CMOS층(5)들 내의 구동 회로에 연결된 전극(9)들을 통해 히터 소자(29)에 공급된다. 전류가 히터 소자(29)를 통해 흐르면, 히터 소자는 가스 버블을 형성하기 위해 주위의 잉크를 급속히 과열시키는데, 이 가스 버블이 노즐 개구를 통해 잉크를 강제로 토출시킨다. 히터 소자(29)를 떠 있게 함으로써, 노즐 챔버(24)가 작동할 수 있게 준비되어 있을 때 히터 소자가 잉크 내에 완전히 잠기게 된다. 더 적은 열이 하부의 기판(2)으로 분산되고 더 많은 투입 에너지가 버블을 발생시키는데 이용되기 때문에, 이것이 프린트헤드 효율을 향상시킨다.
도 1에 가장 명확히 도시된 바와 같이, 노즐들은 여러 열로 배치되어 있으며, 열을 따라 종방향으로 뻗은 잉크 공급 채널(27)이 줄지어 있는 각각의 노즐에 잉크를 공급한다. 잉크 공급 채널(27)은 각각의 노즐을 위한 잉크 주입 통로(ink inlet passage)(15)로 잉크를 공급하며, 잉크 주입 통로는 노즐 챔버(24) 내의 잉크 도관(ink conduit)(23)을 통해 노즐 개구(26) 측으로 잉크를 공급한다.
이러한 프린트헤드들을 제조하기 위한 MEMS 제조 공정은 2005년 10월 11자로 출원된 본 발명자들의 선출원 미국출원번호 11/246,684에 상세히 개시되어 있으며, 이 미국특허출원의 내용들은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 이 제조 공정의 후단계들이 명료함을 위해 여기에 간단히 다시 소개된다.
도 4 및 5는 희생 포토레지스트(10("SAC1")과 16("SAC2"))를 밀봉하는 노즐 챔버(24)를 구성하는 부분적으로 제조된 프린트헤드를 나타낸다. SAC1 포토레지스트(10)는 떠 있는 히터 소자(29)를 형성하는 히터 재료의 퇴적을 위한 지지체로서 이용된다. SAC2 포토레지스트(16)는 측벽(22)들과 (노즐 표면(56)의 일부를 형성하는) 루프(21)의 퇴적을 위한 지지체로서 이용된다.
종래 기술의 공정에서, 도 6 내지 8을 참조하면, MEMS 제조의 다음 단계는 2미크론의 루프 재료(20)를 에칭하여 제거함으로써 루프(21)에 타원형 노즐 림(25)을 형성한다. 이 에칭은 도 6에 도시된 어두운 색의 림 마스크(rim mask)에 의해 노출되는 포토레지스트 층(도시하지 않음)을 이용하여 형성된다. 타원형 림(25)은 그들 각각의 서멀 액츄에이터(29) 위에 위치된, 2개의 동축 림 테두리(coaxial rim lip)(25a, 25b)를 포함한다.
도 9 내지 11을 참조하여, 다음 단계는 남아 있는 루프 재료를 완전히 관통하여 에칭함으로써 루프(21)에 타원형 노즐 구멍(nozzle aperture)(26)을 형성하는데, 타원형 노즐 구멍은 림(25)에 의해 경계가 지워진다. 이 에칭은 도 9에 도시된 어두운 색의 루프 마스트(roof mask)에 의해 노출되는 포토레지스트 층(도시하지 않음)을 이용하여 형성된다. 타원형 노즐 구멍(26)은 도 11에 도시된 바와 같이, 서멀 액츄에이터(29) 위에 위치된다.
이제, 모든 MEMS 노즐 특징들이 완전히 형성됨에 따라, 다음 단계는 산소 플라즈마 애슁(O2 plasma ashing)(도 12 및 13)에 의해 SAC1 포토레지스트층(10)과 SAC2 포토레지스트층(16)을 제거한다. 도 14와 15는 SAC1 포토레지스트층(10)과 SAC2 포토레지스트층(16)을 애슁한 후 실리콘 웨이퍼(2)의 전체 두께(150미크론)를 나타낸다.
도 16 내지 18을 참조하여, 일단 웨이퍼의 전면(frontside) MEMS 처리가 완료되면, 잉크 공급 채널(27)들은 표준 이방성 심도반응성 이온식각(standard anisotropic DRIE)을 이용하여, 잉크 주입 통로(15)들과 만나도록 웨이퍼의 배면으로부터 에칭된다. 이 배면 에칭은 도 16에 도시된 어두운 색의 마스크에 의해 노출되는 포토레지스트 층(도시하지 않음)을 이용하여 형성된다. 잉크 공급 채널(27)은 웨이퍼의 배면과 잉크 주입 통로(15)들 사이에 유체 연결(fluidic connection)을 형성한다.
마지막으로, 도 2와 3을 참조하여, 웨이퍼는 배면 에칭에 의해 약 135미크론까지 얇아진다. 도 1은 완성된 프린트헤드 집적회로의 단면 사시도로 3개의 인접한 노즐 열(row)들을 나타낸다. 각각의 노즐 열은 길이방향을 따라 뻗고 또 각각의 열에 있는 복수의 잉크 주입 통로(15)에 잉크를 공급하는 각각의 잉크 공급 채널(27)을 갖는다. 잉크 주입 통로들은, 결과적으로, 각각의 열의 잉크 도관(23)에 잉크를 공급하며, 각각의 노즐 챔버는 그 열의 공통 잉크 도관(common ink conduit)으로부터 잉크를 받아들인다.
이미 상술한 바와 같이, 이 종래 기술의 MEMS 제조 공정은, 이산화규소(silicon dioxide), 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘 산화질화물(silicon oxynitride), 질화 알루미늄(aluminium nitride) 등과 같은 세라믹 재료들로 형성되어 있는 노즐 표면(56) 때문에 친수성 잉크토출면(ink ejection face)을 필연적으로 남긴다.
노즐 표면(56)을 소수화(hydrophobizing)하기 위한 바람직한 공정(US 2009/0139961에 개시된 바와 같고, 그 내용들은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다)에서, 노즐 림이 도 7과 8에 예시된 단계에서 에칭된 후, 웨이퍼가 소수성 고분자(80)로 즉시 코팅된다.
도 19 및 20에 도시된 부분적으로 제조된 프린트헤드를 제공하기 위해, 소수성 고분자(100)로 된 박층(thin layer)(약 1 내지 2미크론)이 웨이퍼 상에 스피닝되어 경화(hardback)된다.
이제, 도 21을 참조하여, 그 다음으로 보호 금속 박막(protective metal film)(약 100㎚ 두께)이 고분자 층(80) 상에 퇴적된다. 금속 박막은 일반적으로 티타늄이나 알루미늄으로 구성되며, 말기(late-stage) 산소 애슁 조건(oxygen ashing condition)으로부터 소수성 고분자(80)를 보호한다. 이런 이유로, 고분자 층(80)은 공격적인 애슁 조건에 노출되지 않으며, MEMS 처리 단계 전반에 걸쳐 소수 특성을 유지한다.
도 22는 금속 박막(110), 고분자 층(80) 및 노즐 루프(21)를 관통하여 노즐 개구(26)를 에칭한 후의 웨이퍼를 나타낸다. 이 에칭 단계는 종래의 패턴이 부여된 포토레지스트 층(도시하지 않음)을 모든 노즐 에칭 단계들에 대한 공통 마스크(common mask)로 이용한다. 전형적인 에칭 순서에서, 표준 건식(dry) 금속-에칭(예를 들면, BCl3/Cl2) 또는 습식(wet) 금속-에칭(예를 들면, H2O2 또는 HF) 중 어느 하나에 의해, 금속 박막(90)이 맨 먼저 에칭된다. 그 다음으로, 두 번째 건식 에칭이 고분자 층(80)과 노즐 루프(21)를 관통하여 에칭하는데 이용된다. 일반적으로, 두 번째 에칭 단계는 산소와 불소계 에칭 가스(예를 들면, SF6 또는 CF4)를 이용하는 건식 에칭이다.
일단 노즐 개구(26)가 도 22에 도시된 바와 같이 형성되면, 배면 MEMS 처리 단계들(예를 들면, 잉크 공급 채널들을 에칭, 웨이퍼 박화(thinning) 등)과 포토레지스트의 말기 애슁은, 도 14 내지 18과 관련하여 상술한 단계들과 유사한, 공지의 수순에 따라 진행할 수 있다. H2O2 또는 HF 세정액(rinse)을 이용한 금속 박막(90)의 최종 제거(final removal)는, 소수성 고분자 층(80)을 갖고 있는, 도 23과 24에 도시되어 있는 완성된 노즐 조립체를 생산한다.
서멀 벤드 액츄에이터 프린트헤드
상술한 내용으로부터, 어떤 타입의 프린트헤드도 유사한 방식으로 소수화될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 그러나 고분자 층이 프린트헤드의 움직이는 루프 부분과 고정체 사이에서 기계적 밀봉으로서 작용하기 때문에, 고분자 코팅은 본 출원인의 서멀 벤드 액츄에이터 노즐 조립체들에 사용하는데 특히 유리하다. 이들 이점은 본 출원인의 US 공개번호 2008/0225076에 더 상세히 개시되어 있으며, 그 내용들은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
도 25 내지 37은 본 발명자들의 선출원 미국 공개번호 US 2008/0309728에 개시된 잉크젯 노즐 조립체(100)를 위한 MEMS 제조 단계들의 수순을 나타내며, 그 내용들은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 도 36 및 37에 도시되어 있는 완성된 잉크젯 노즐 조립체(100)가 서멀 벤드 작동(thermal bend actuation)을 이용함에 따라, 루프의 변동부가 기판(substrate) 쪽으로 구부러져 잉크 토출을 야기한다.
MEMS 제조를 위한 출발점은 실리콘 웨이퍼의 상부에 형성된 CMOS 구동 회로를 갖는 표준 CMOS 웨이퍼이다. MEMS 제조 공정의 종료시, 이 웨이퍼는 각각의 프린트헤드 집적회로(ICs)로 절단(dice)되며, 각각의 IC는 구동 회로와 복수의 노즐 조립체를 포함한다.
도 25 및 26에 도시된 바와 같이, 기판(101)은 기판의 상부에 형성된 전극(electrode)(102)을 갖는다. 전극(102)은 잉크젯 노즐(100)의 액츄에이터에 전력을 공급하기 위한 한 쌍의 인접한 전극들(양극(positive) 및 접지(earth)) 중 하나이다. 전극들은 기판(101)의 상부 층들에 있는 CMOS 구동 회로(도시하지 않음)로부터 전력을 받아들인다.
도 25 및 26에 도시된 다른 전극(103)은 인접한 잉크젯 노즐에 전력을 공급하기 위한 것이다. 일반적으로, 도면들은 하나의 노즐 조립체를 위한 MEMS 제조 단계들을 나타내는데, 이 노즐 조립체는 다수의 노즐 조립체들 중 하나이다. 이하의 설명은 이들 노즐 조립체들 중 하나에 대한 제조 단계들에 초점을 맞춘다. 그러나 웨이퍼 상에 형성되고 있는 모든 노즐 조립체들에 대해 해당 단계들이 동시에 수행되고 있다는 것이 물론 이해될 것이다. 인접한 노즐 조립체가 도면들에 부분적으로 도시된 경우에는, 당면한 목적을 위해 이것은 무시될 수 있다. 그래서 인접한 노즐 조립체의 모든 특징들과 전극(103)은 본 명세서에 상세히 설명되지 않을 것이다. 사실, 명료하게 하기 위해, 몇몇 MEMS 제조 단계들은 인접한 노즐 조립체들에 도시되지 않을 것이다.
도 25 및 26에 도시된 단계들의 수순으로, 이산화규소(silicon dioxide)로 된 8미크론의 층이 기판(101) 상에 초기에 퇴적된다. 이산화규소의 깊이는 잉크젯 노즐용 노즐 챔버(105)의 깊이를 규정한다. SiO2 층의 퇴적 후, 벽(104)들을 형성하기 위해 SiO2 층이 에칭되는데, 이 벽들은 도 26에 가장 명확하게 도시된, 노즐 챔버(105)의 측벽들이 될 것이다.
도 27 및 28에 도시된 바와 같이, 그 후에, 노즐 챔버(105)가 포토레지스트 또는 폴리이미드(polyimide)(106)로 채워지는데, 포토레지스트 또는 폴리이미드는 후속 퇴적 단계들을 위한 희생 지지체로서 작용한다. 폴리이미드(106)는 표준 기술을 이용하여 웨이퍼 상에 스피닝되며, UV 처리(cured) 및/또는 경화(hardbaked)되고 나서, SiO2 벽(104)의 상단면(top surface)에서 정지하는 화학적 기계적 평탄화(chemical mechanical planarization: CMP)를 받게 된다.
도 29 및 30에서, 노즐 챔버(105)의 루프 부재(roof member)(107)는 전극(102)들에 이르기까지 아래로 뻗어 있는 고 전도성 커넥터 기둥(connector post)들(108)과 함께 형성되어 있다. 처음에, SiO2로 된 1.7미크론 층이 폴리이미드(106)와 벽(104) 위에 퇴적된다. SiO2로 된 이 층은 노즐 챔버(105)의 루프(107)를 형성한다. 다음으로, 한 쌍의 비아(via)가 표준 이방성 심도반응성 이온식각을 이용하여 전극(102)들에 이르기까지 벽(104)에 형성된다. 이 에칭은 각각의 비아들을 통해 전극(102)들의 쌍을 노출시킨다. 다음으로, 비아들은 무전해 도금(electroless plating)을 이용하여, 구리와 같은 고 전도성 금속으로 채워진다. 퇴적된 구리 기둥(108)들은 평면 구조(planar structure)를 제공하기 위해 SiO2 루프 부재(107) 상에 정지하는, CMP를 받게 된다. 루프 부재(107)에 이르는 직선 모양의 전도성 패스(conductive path)를 제공하기 위해, 무전해 구리 도금 중에 형성된 구리 커넥터 기둥(108)들이 각각의 전극(102)들과 만나는 것을 볼 수 있다.
도 31 및 32에서, 금속 패드(metal pad)(109)들은 루프 부재(107)와 커넥터 기둥(108)들 위에 알루미늄으로 된 0.3미크론 층을 초기에 퇴적시킴으로써 형성된다. 고 전도성 금속(예를 들면, 알루미늄, 티타늄 등)이라면 어떤 것이라도 이용될 수 있으며, 노즐 조립체의 전체 평면성(planarity)에 너무 심하게 영향을 주지 않도록 약 0.5미크론 또는 그보다 얇은 두께로 퇴적되어야 한다. 금속 패드(109)들은 커넥터 기둥(108)들 위에 그리고 열탄성 능동 빔 부재(thermoelastic active beam member)의 예정된 '굽힘 영역(bend region)'에 있는 루프 부재(107) 상에 위치되어 있다.
도 33 및 34에서, 열탄성 능동 빔 부재(110)는 SiO2 루프(107) 위에 형성된다. 능동 빔 부재(110)와 융합됨으로써, SiO2 루프 부재(107) 부분은 기계적 서멀 벤드 액츄에이터의 하부 수동 빔 부재(lower passive beam member)(116)로서 기능하는데, 이 기계적 서멀 벤드 액츄에이터는 능동 빔(110)과 수동 빔(116)으로 형성된다. 열탄성 능동 빔 부재(110)는 티타늄 질화물(titanium nitride), 티타늄 알루미늄 질화물(titanium aluminium nitride) 및 알루미늄 합금(aluminium alloy)들과 같은 어떤 적당한 열탄성 재료로도 구성될 수 있다. 본 출원인의 선출원 미국 공개번호 US 2008/0129793에 설명된 바와 같이(그 내용들은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다), 바나듐-알루미늄 합금(vanadium-aluminium alloy)들은 큰 열팽창, 낮은 밀도 및 높은 영 계수(Young's modulus)라는 유리한 특성들을 갖기 때문에, 바람직한 재료이다.
능동 빔 부재(110)를 형성하기 위해, 1.5미크론의 능동 빔 재료 층이 표준 PECVD에 의해 초기에 퇴적된다. 빔 재료는 그 후 능동 빔 부재(110)를 형성하기 위해, 표준 금속 에칭을 이용하여 에칭된다. 금속 에칭의 완료 후, 도 33 및 34에 도시된 바와 같이, 능동 빔 부재(110)는 부분적인 노즐 개구(111)와 빔 소자(112)를 포함하는데, 이 빔 소자는 각각의 단부에서 커넥터 기둥(108)들을 통해 양극 및 접지 전극(102)에 전기적으로 연결된다. 평면 빔 소자(112)는 제1(양극) 커넥터 기둥의 상단으로부터 뻗은 다음 제2(접지) 커넥터 기둥의 상단으로 되돌아가도록 180도 돌아서 구부려진다.
계속해서 도 33 및 34를 참조하여, 금속 패드(109)들은 잠재적으로 저항이 더 큰 영역에서도 전류가 용이하게 흐르도록 하기 위해 위치된다. 하나의 금속 패드(109)는 빔 소자(112)의 굽힘 영역에 위치되어, 능동 빔 부재(110)와 수동 빔 부재(116) 사이에 끼워진다. 다른 금속 패드(109)들은 커넥터 기둥(108)들의 상단과 빔 소자(112)의 단부(end)들 사이에 위치된다.
도 35를 참조하여, 소수성 고분자 층(80)은 웨이퍼 상에 퇴적된 다음, 보호 금속 층(90)(예를 들면, 100㎚ 알루미늄)으로 덮인다. 적절하게 마스킹한 후, 금속 층(90), 고분자 층(80) 및 SiO2 루프 부재(107)는 루프의 변동부(114)와 노즐 개구(113)를 완전히 형성하기 위해 그 후에 에칭된다. 에칭은 도 22와 관련하여 상술한 바와 같이, 일반적으로, 2단계 에칭 공정이다.
변동부(114)는 서멀 벤드 액츄에이터(115)를 포함하는데, 서멀 벤드 액츄에이터는 그 자체로 능동 빔 부재(110)와 아래에 있는 수동 빔 부재(116)로 구성되어 있다. 노즐 개구(113)는, 작동하는 중에, 노즐 개구가 액츄에이터와 함께 움직이도록, 루프의 변동부(114)에 형성된다. 미국 공개번호 2008/0129793에 개시된 바와 같이, 노즐 개구(113)가 변동부(114)에 대해 정지된 구조들도 가능하며, 본 발명의 범위 내에 있다.
루프의 변동부(114)를 둘러싸는 주변 공간 또는 간격(gap)(117)은 변동부를 루프의 고정부(118)로부터 분리시킨다. 이 간격(117)은 액츄에이터(115)의 작동 중에 변동부(114)가 노즐 챔버(105) 안으로 기판(101)을 향해 구부러질 수 있도록 한다. 소수성 고분자 층(80)은 루프(107)의 고정부(118)와 변동부(114) 사이에 기계적 밀봉을 제공하기 위해 간격(117)을 채운다. 작동하는 동안, 잉크가 간격(117)을 통해 누출되는 것을 방지하는 한편, 액츄에이터가 기판(101)을 향해 구부려질 수 있도록, 고분자는 충분히 낮은 영 계수를 갖고 있다.
최종 MEMS 처리 단계들에서, 도 36 및 37에 도시된 바와 같이, 잉크 공급 채널(120)이 기판의 배면으로부터 노즐 챔버(105)까지 관통하여 에칭된다. 비록 잉크 공급 채널(120)이 도 36과 37에서는 노즐 개구(113)와 정렬되어 도시되지만, 잉크 공급 채널(120)이 노즐 개구로부터 오프셋(offset)되어 위치될 수 있는 것도 물론이다.
잉크 공급 채널 에칭 후에, 노즐 조립체(100)를 제공하기 위해, 노즐 챔버(105)에 채워진 폴리이미드(106)가 산화 플라즈마를 이용한 애슁으로 제거되며, 금속 박막(90)이 HF 또는 H2O2 세정액에 의해 제거된다.
MSQ
를 포함하는 고분자 층
소수성 고분자 층(80)은 본 출원인의 프린트헤드들의 중요 특징인 것으로 증명되었다. 소수성 고분자 층은 프린트헤드의 전면을 소수화하는데, 이것은 인쇄 품질을 전반적으로 개선하는데 도움이 될뿐만 아니라, 작동 가능한 조건에서 프린트헤드를 유지보수하는데 사용되는 프린트헤드 유지보수 수단(예를 들면, 와이퍼 블레이드(wiper blade))를 위한 평평한 소수성 표면(planar hydrophobic surface)을 제공함으로써 프린트헤드 유지보수에도 도움이 된다. 물론, 상술한 서멀 벤드 작동형 프린트헤드(100)들의 경우, 고분자(80)는 프린트헤드의 본체(body)로부터 노즐의 변동부를 기계적으로 밀봉하는 부가적인 기능을 제공한다.
지금까지, 본 출원인은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane(PDMS))의 이용을 제안해 왔다. 이 재료는 MEMS 제조 공정들에 용이하게 편입될 수 있으며, 효과적인 서멀 벤드 작동을 가능하게 하는 영 계수와 뛰어난 소수성을 갖고 있다. 그러나 PDMS는 비교적 내마모성이 불충분하여, 예를 들면, 와이퍼 블레이드와의 반복 접촉에 의해 긁히거나 손상당할 수 있다.
그런데 본 출원인은 폴리실세스퀴옥산들이 PDMS의 모든 이점들을 여전히 유지함과 아울러, PDMS보다 더 우수한 내마모성을 제공함을 발견하였다. 폴리실세스퀴옥산들은 중합된 실록산들 또는 실리콘들로 알려진 고분자들의 일반적인 부류에 속하며, 화학실험식 (RSiO1 .5)n으로 나타내는데, 여기서 R은 수소 또는 유기기(organic group)이며, n은 고분자 사슬의 길이를 나타내는 정수(integer)이다. 유기기는 C1 - 12알킬(alkyl)(예를 들면, 메틸(methyl)), C1 -10아릴(arly)(예를 들면, 페닐(phenyl)) 또는 C1 - 16아릴알킬(arylalkyl)(예를 들면, 벤질(benzyl))일 수 있다. 고분자 사슬은 이 기술분야에서 알려진 어떤 길이(예를 들면, n은 2부터 10,000)일 수 있다.
폴리(메틸실세스퀴옥산) 및 폴리(페닐실세스퀴옥산)와 같은, 폴리(알킬실세스퀴옥산들)와 폴리(아릴실세스퀴옥산들)는 본 출원인의 프린트헤드들에서 고분자 층(80)으로서 이용될 때 우수한 소수성, 내구성 및 내마모성을 갖는 것으로 나타나고 있었다. 예를 들면, MSQ 또는 PSQ로 코팅된 프린트헤드들은, 잉크와 종이 섬유들이 1시간 동안 프린트헤드 상에서 굳어진 후조차, 손상 없이 깨끗하게 와이핑될 수 있다.
폴리(메틸실세스퀴옥산)는 이 기술분야에서 메틸실세스퀴옥산, MSQ, MSSQ, PMSQ 및 PMSSQ로 알려져 있다. 폴리(페닐실세스퀴옥산)는 이 기술분야에서 페닐실세스퀴옥산, PSQ, PSSQ, PPSQ 및 PPSSQ로도 알려져 있다. 간결함을 위해, 본 출원인은 이하에서 폴리(메틸실세스퀴옥산)는 MSQ로 나타내고 폴리(페닐실세스퀴옥산)는 PSQ로 나타낸다.
MSQ는 낮은 유전율(dielectric constant)(k=2.7)을 갖고 있으며, 이전에는 절연 재료로 이용되어 왔다. 그러나 MEMS 잉크젯 프린트헤드들을 위한 소수성 코팅으로서의 MSQ의 이용이 이전에는 알려져 있지 않았다.
MSQ 또는 PSQ는 상술한 MEMS 제조 공정에 의해 고분자 층(80)으로서 프린트헤드들에 편입될 수 있다. MSQ 또는 PSQ 용액은 웨이퍼 상에 약 0.5 내지 5미크론(예를 들면, 1미크론)의 두께로 스피닝되고 나서, 노즐 플레이트에 대한 부착력을 증진시키기 위해 또 프린트헤드에 대해 내구성이 있는 잉크토출면을 제공하기 위해 경화된다. 경화는 UV 처리 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전형적인 경화 공정(hardbaking process)은 이하의 단계들을 포함할 수 있다.
1. 코팅 후 즉시 2분 동안 110℃에서 접촉 베이크(contact bake)
2. 6.5분 동안 300℃에서 접촉 베이크
3. 130초 동안 UV 노출(?1300mJ)
4. 1시간 동안 오븐 처리(oven cure)(180℃에서 시작하여 ?4℃/분으로 상승시킴)
상술한 본 출원인의 경화 공정은 우수한 내구성을 갖는 MSQ 코팅된 또는 PSQ 코팅된 프린트헤드들을 제공하지만, 경화가 어떤 종래의 수순에 뒤따를 수 있다는 것이 이해될 것이다.
MSQ와 PSQ 각각은 약 3㎬의 영 계수를 갖는데, 이것은 PDMS의 영 계수보다 약간 더 높은 것이다. 그러나 본 출원인은 영 계수가 더 높은데도 불구하고, 고분자 층(80)이 MSQ 또는 PSQ로 구성되어 있을 때, 서멀 벤드 작동형 프린트헤드들이 여전히 효과적으로 작동한다는 것을 알아냈다. 또한, MSQ와 PSQ의 전반적인 구조안전성(robustness)은 일반적으로, 그들의 더 높은 영 계수들에 기인한 어떤 부정적인 면들보다 더 중요하다. 물론, 변동부들이 없는 서멀 버블-형성 프린트헤드들에서, 고분자 층(80)의 영 계수는 노즐 작동에 관계가 없다.
본 발명자들은 MSQ 또는 PSQ의 이용이 잉크젯 프린트헤드 기술에서 상당한 발전을 나타낸다고 생각한다. 잉크젯 프린트헤드들, 특히 MEMS 제조 공정에 의해 제조된 잉크젯 프린트헤드들을 소수화하는 것은, 모든 업계관계자들에게 매우 중요한 도전으로 여겨졌었다. 본 출원인은 MSQ 또는 PSQ가 MEMS 제조 공정에 편입될 수 있고 또한 우수한 내구성과 내마모성을 갖는 소수성 잉크토출면을 제공한다는 것을 증명했다. 이 바람직한 특징들의 조합이 이전에는 이 기술분야에서 달성되지 못했었다.
나노입자들을 포함하는 고분자 층
상술한 바와 같이, MSQ와 PSQ는 고분자 코팅으로서의 이용에 있어 PDMS보다 상당히 많은 이점을 갖고 있지만, PDMS가 여전히 재료로 선택되는 몇몇 경우들이 있다. 예를 들면, 저전력 서멀 벤드 작동형 프린트헤드(low-powered thermally bend-actuated printhead)들에서, PDMS의 더 낮은 영 계수는 방울 토출 에너지를 최소화하는데 유리할 수 있다. 예를 들면, 낮은 영 계수로 구성됨이 없이 PDMS의 내마모 특성을 향상시키는 것이 바람직할 것이다.
다른 상황들에서, 프린트헤드의 고분자 코팅은 프린트헤드로부터 토출되는 특정 유체에 적합하지 않은 특성들을 가질 수도 있다. 주목해야 할 것은 서멀 벤드 작동형 프린트헤드들이 수성 및 비수성 액체들(예를 들면, OLED 인쇄용 고분자들)을 둘 다 토출할 수 있고, 또 프린트헤드의 잉크토출면이 토출되는 유체의 고유 특성들을 보완하는 특성들을 가질 수도 있다는 것이다. 이들 특성들은, 예를 들면, 유체의 친수성, 소수성, 점성, 표면장력 및/또는 끓는점을 포함할 수 있다.
또는, 잉크토출면이, 이용된 특정 타입의 프린트헤드 유지보수 방식을 보완하는 특성들을 가질 수도 있다(예를 들면, 참조에 의해 본 명세서에 포함되는 미국 출원번호 12/014,772에 개시된 프린트헤드 캐핑(capping)/와이핑(wiping); 또는 참조에 의해 본 명세서에 포함되는 미국 특허번호 7,401,886에 개시된 프린트헤드 플러딩(flooding)/비접촉 유지보수). 예를 들면, 내마모성은 프린트헤드와의 접촉을 수반하는 프린트헤드 유지보수 방식들에서는 중요하지만, 비접촉 유지보수 방식들에서는 덜 중요하다.
또는, 잉크토출면이 특정 타입의 노즐 액츄에이터를 보완하는 특성들을 가질 수도 있다. 예를 들면, 내피로성은, 고분자 재료가 프린트헤드의 본체에 대해 노즐의 변동부를 밀봉하는 서멀 벤드 액츄에이터들에서는 중요하다. 그러나 상술한 서멀 버블-형성 노즐들처럼, 변동하지 않는 노즐들에서는, 내피로성이 덜 중요하다.
MEMS 제조 공정을 근본적으로 변화시킴이 없이 잉크토출면의 특성들을 '조정(tune)'하는 능력은 매우 바람직할 것이다. 이 '조정'은, 예를 들면, 잉크토출면의 인성(toughness), 내마모성, 내피로성 및/또는 표면에너지 특성들을 향상시킬 수도 있다. 사소한 예로서, 고분자들과 같은 소수성 액체들을 인쇄할 때, 잉크토출면은 소수성보다 상대적으로 친수성인 것이 오히려 나을 것이다(수성 잉크를 인쇄하는 것과는 대조적으로).
나노입자(이전에는 이 기술분야에서 "충전재(filler)"로 알려짐)들을 포함하는 실리콘 고분자들의 유용성은, 실리콘 고분자에 포함되는 나노입자들을 바꿈으로써, 실리콘 고분자(예를 들면, PDMS, MSQ, PSQ)의 특성들이 조절될 수 있다는 것을 의미한다. 서로 다른 나노입자들의 이용은 고분자 층(80)으로 형성된 잉크토출면의 특성들을 그에 대응하여 '조정'할 것이다.
물론, 나노입자들은 특정 용도에 따른 어떤 적절한 타입, 사이즈 및 형상일 수 있다. 나노입자들은 무기 입자(inorganic particle)들, 유기 입자(organic particle)들 또는 둘 다의 조합을 포함할 수 있다. 무기 나노입자들의 몇몇 예로서, 금속 산화물들, 금속 탄산염들 및 금속 황산염들을 들 수 있다. 더 구체적으로, 무기 나노입자들은, 예를 들면, 실리카(콜로이드 실리카를 포함), 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화알루미늄, 탄산칼슘, 산화주석, 산화아연, 산화구리, 산화크로뮴, 산화칼슘, 산화텅스텐, 산화철, 산화코발트, 황산바륨 등일 수 있다. 유기 나노입자들의 몇몇 예로서, 가교 실리콘 수지 입자(예를 들면, PDMS, MSQ, PSQ)들, 가교 폴리올레핀 수지 입자(예를 들면, 폴리스티렌(polystyrene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene))들, 가교 아크릴 수지 입자들, 가교 스티렌-아크릴 수지 입자들, 가교 폴리에스테르 입자들, 폴리이미드 입자들, 멜라민 수지 입자들, 탄소 나노튜브들 등을 들 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "나노입자(들)"라는 용어는 1-1000㎚, 통상적으로는 1-100㎚, 더 통상적으로는 1-50㎚ 범위 내의 평균 입경(average particle size)을 갖는 입자(들)를 나타낸다. 약 20㎚의 평균 입경이 일반적으로 바람직하다. 입자들은 단분산(monodisperse) 또는 다분산(polydisperse)일 수 있다.
나노입자들은 1-70wt%, 선택적으로 5-60wt%, 선택적으로 10-50wt% 범위의 양으로 존재할 수 있다. 존재하는 나노입자들의 양은 고분자 필름의 필수적인 특성들에 따를 것이다.
나노입자들은 졸-겔 공정(sol-gel process)과 같은, 어떤 적절한 공정에 의해 고분자 내에 포함될 수 있는데, 이것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있다. 그 결과로서 얻어진 고분자는, 경화가 뒤따르는 스핀-온 공정(spin-on process)과 같은, 어떤 적절한 공정에 의해 퇴적될 수 있다.
실리카 나노입자들을 포함하는 PDMS 고분자들은 이 기술분야에서 알려져 있으며, 그러한 고분자들은 본 발명에서 고분자 층(80)으로 이용될 수 있다. 실리카 나노입자들은 PDMS 고분자에 대해 내마모성 및 내피로성과 같은 바람직한 특성들을 부여한다. 존재하는 실리카 입자들의 양에 따라, PDMS는 몇몇 애플리케이션들에서 유용한 비교적 친수성인 표면도 가질 수 있다.
이 분야에 종사하는 통상의 기술자는, 광범위하게 개시된 본 발명의 정신 또는 범위로부터 벗어남이 없이, 특정 실시형태들로 도시된 본 발명에 따라, 수많은 변형 및/또는 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 실시형태들은 모든 점에서 실례이며 제한적이지 않은 것으로 고려되어야 한다.
Claims (17)
- 잉크토출면(ink ejection face)을 갖는 프린트헤드(printhead)에 있어서,
잉크토출면의 적어도 일부는, 폴리실세스퀴옥산(polysilsesquioxanes)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 소수성 고분자 재료(hydrophobic polymeric material)로 코팅되어 있는 프린트헤드. - 제1항에 있어서,
고분자 재료는, 폴리(알킬실세스퀴옥산(alkylsilsesquioxanes))과 폴리(아릴실세스퀴옥산(arylsilsesquioxanes))으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 프린트헤드. - 제1항에 있어서,
고분자 재료는, 폴리(메틸실세스퀴옥산(methylsilsesquioxane))과 폴리(페닐실세스퀴옥산(phenylsilsesquioxane))으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 프린트헤드. - 제1항에 있어서,
고분자 재료는, MEMS 프린트헤드 제조 중에, 프린트헤드의 노즐 플레이트(nozzle plate) 위에 퇴적되어 경화(hardback)되는 프린트헤드. - 제1항에 있어서,
기판(substrate)에 형성된 복수의 노즐 조립체(nozzle assembly)를 포함하며,
각각의 노즐 조립체는, 노즐 챔버(nozzle chamber), 노즐 챔버의 루프(roof)에 형성된 노즐 개구(nozzle opening) 및 노즐 개구를 통해 잉크를 토출하기 위한 액츄에이터(actuator)를 포함하는 프린트헤드. - 제5항에 있어서,
고분자 재료는, 프린트헤드의 노즐 플레이트에 코팅되어 있으며,
노즐 플레이트는, 각각의 노즐 챔버의 루프에 의해 적어도 부분적으로 형성되어 있는 프린트헤드. - 제6항에 있어서,
각각의 루프는, 소수성 코팅에 의해 각각의 노즐 챔버의 내부 표면(inside surface)들에 대해 소수성 외부 표면(hydrophobic outside surface)을 갖는 프린트헤드. - 제5항에 있어서,
각각의 노즐 챔버는, 세라믹 재료(ceramic material)로 구성된 루프와 측벽(sidewall)들을 포함하는 프린트헤드. - 제8항에 있어서,
세라믹 재료는, 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘 산화물(silicon oxide) 및 실리콘 산화질화물(silicon oxynitride)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 프린트헤드. - 제5항에 있어서,
루프는 기판으로부터 간격을 두고 떨어져 있어, 각각의 노즐 챔버의 측벽들이 노즐 플레이트와 기판 사이에 뻗어 있는 프린트헤드. - 제5항에 있어서,
액츄에이터는, 가스 버블(gas bubble)을 형성하기 위해 챔버 안의 잉크를 가열함으로써 노즐 개구를 통해 잉크 방울(droplet)을 강제 토출하도록 형성된 히터 소자(heater element)인 프린트헤드. - 제11항에 있어서,
히터 소자는, 노즐 챔버 안에 떠 있는 프린트헤드. - 제5항에 있어서,
액츄에이터는,
구동 회로(drive circuitry)에 연결하기 위한 제1 능동 소자(first active element); 및
제1 소자와 기계적으로 협동하는 제2 수동 소자(second passive element)를 포함하는 서멀 벤드 액츄에이터(thermal bend actuator)여서,
전류가 제1 소자를 통해 흐르면, 제1 소자가 제2 소자보다 팽창하여, 액츄에이터의 굽힘(bending)이 생기는 프린트헤드. - 제13항에 있어서,
서멀 벤드 액츄에이터가 각각의 노즐 챔버의 루프의 적어도 일부를 형성함으로써, 액츄에이터의 작동이 루프의 변동부(moving portion)를 노즐 챔버의 플로어(floor) 쪽으로 변동시키는 프린트헤드. - 제14항에 있어서,
노즐 개구는, 루프의 변동부에 형성되어 있는 프린트헤드. - 제14항에 있어서,
노즐 개구는, 루프의 고정부(stationary portion)에 형성되어 있는 프린트헤드. - 제14항에 있어서,
고분자 재료가 루프의 변동부와 고정부 사이에 기계적 밀봉(mechanical seal)을 형성함으로써, 액츄에이터의 작동 중에 잉크 누출을 최소화하는 프린트헤드.
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