KR20170073912A - 개선된 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개선된 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법을 개시한다.
본 발명에 따른 잉크젯 헤드는 단일 플레이트의 상부면에 형성되는 잉크 챔버; 상기 단일 플레이트의 하부면에서 상기 잉크 챔버의 하부와 연결되도록 형성되는 노즐; 상기 잉크 챔버의 상부면을 덮도록 제공되는 압전 플레이트; 상기 압전 플레이트를 둘러싸도록 제공되는 압전 소자 박막; 및 상기 압전 플레이트와 연결되도록 제공되는 피에조 압전 소자를 포함하되, 상기 잉크 챔버는 상부가 넓고 하부가 좁은 테이퍼 형상을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

개선된 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법{Improved Ink-jet Head and Method of Manufacturing the Same}
본 발명은 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
좀 더 구체적으로, 본 발명은 PDP, LCD, OLED, 또는 터치 패널 등을 포함하는 평판 또는 플렉시블 디스플레이 패널, 반도체, 섬유소재, 또는 태양광 발전용 솔라셀 등(이하 기판이라 합니다)의 제조에 사용되는 잉크젯 헤드를 단일 플레이트의 상부면에서 잉크 챔버를 형성하고, 그 후 대향 하부면에서 잉크 토출용 노즐을 형성한 후, 상기 형성된 잉크 챔버의 상부에 압전 플레이트를 부착한 후, 압전 플레이트 주변부에 압전소자 박막을 패터닝 방식으로 증착하여 단일 플레이트 상에 잉크젯 헤드를 구현함으로써, 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드에 비해, 가공된 노즐 내에서 버(burr)의 발생이 최소화되거나 제거되어 잉크의 정량 토출이 가능하고, 특히 단일 플레이트와 압전 플레이트가 각각 하부전극 및 상부전극의 역할을 하여, 별도의 전극 형성 공정이 불필요하여, 전체 제조 공정 시간(tact time)이 감소되고 제조 공정이 단순화되어, 고신뢰성을 구비한 잉크젯 헤드의 제조가 가능하면서도 제조 비용이 크게 감소되는 개선된 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 개선된 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법은 종래 기술의 코팅용 노즐 헤드 및 그 제조 방법에도 적용될 수 있으므로, 본 발명의 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법의 장점이 코팅용 노즐 헤드 및 그 제조 방법에서도 모두 달성될 수 있다.
일반적으로, 잉크젯 헤드는 매우 미세한 크기의 복수의 노즐을 구비하며, 이러한 복수의 노즐을 통해 잉크를 분사하여 인쇄하는 것이다. 이러한 잉크젯 헤드는 잉크를 분사하는 방법에 따라 버블젯 분사 방식, 써멀(thermal)젯 분사 방식, 및 피에조(Piezo)젯 분사방식으로 분류될 수 있다.
버블젯 분사방식은 미세한 관의 옆벽에 배치한 히터를 이용하여 노즐 내의 기포(버블)의 크기를 컨트롤하여 잉크를 분출한다. 좀 더 구체적으로, 히터를 가열하면 노즐 내부에 기포가 발생하게 되고 기포가 최대로 팽창하면 잉크가 분사되고, 분사 후 히터의 가열을 정지시키면 버블이 사라져 잉크가 보충된다. 이러한 버블젯 분사방식은 잉크저장부가 필요 없으며 관 및 히터의 크기가 매우 작아서 헤드의 크기를 매우 줄일 수 있다는 장점이 있지만, 노즐의 배열을 2차원으로 하는 것이 매우 어렵다는 단점이 있다.
써멀(thermal)젯 분사방식도 버블젯 분사방식과 유사하지만 히터의 위치에 의해 구분되고 있다. 좀 더 구체적으로, 잉크 챔버의 노즐과 반대 혹은 같은 면에 발열 히터를 배치하여, 가열된 잉크가 기화할 때의 수증기압으로 잉크를 분출하게 된다. 이러한 써멀젯 분사방식은 히터와 노즐 배열을 2차원으로 할 수 있어서 노즐의 수를 늘리는 것이 상대적으로 용이하다는 장점이 있다.
피에조(Piezo)젯 분사방식은 노즐의 뒷면에서 입력된 신호에 따라 충격을 주어 잉크를 분사한다. 잉크를 뿜어내는 원동력으로 전압에 의해 형상이 변화하는 압전 소자(Piezoelectric element)를 이용하여, 전압 인가에 의해 변형된 압전 소자가 노즐 끝단의 액면이 부풀어 오른 순간 전압을 제어하여 급격히 액면을 끌어당기면, 노즐 면보다 앞에 있는 잉크가 관성에 의해 분출된다.
상술한 세 가지 분사방식 중, 종래 피에조젯 분사방식에 의한 잉크젯 헤드는 예를 들어 미국특허 제5,748,214호에 개시되어 있으며, 도 1a는 이러한 종래 기술의 피에조젯 분사방식에 의한 잉크젯 헤드의 개략적인 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 종래 기술의 잉크젯 헤드는 잉크를 공급받는 포트(미도시)와 상기 포트(미도시)를 통해 공급받은 잉크를 저장하는 잉크저장부(42), 상기 잉크저장부(42)로부터 잉크를 공급받는 잉크 챔버(15), 상기 잉크 챔버(15)에서 잉크를 배출하는 노즐(21), 상기 잉크 챔버(15)에 압력을 가하여 잉크를 노즐연결부(20)를 통해 상기 노즐(21)로 배출시키는 액추에이터를 포함한다.
상기 액추에이터는 탄성 플레이트(13), 그 상측에 배치되는 하부전극(16), 상기 하부전극(16)의 상측에 배치되는 압전 플레이트(17), 상기 압전 플레이트(17)의 상측에 배치되는 상부전극(18)으로 구성된다. 상기 잉크 챔버(15)는 상측의 탄성 플레이트(13), 측면의 스페이서(12) 및 하측의 밀봉 플레이트(11)에 의해 형성된다.
또한, 상기 잉크저장부(42)는 상측의 관통구멍(26,40)이 형성된 잉크 공급 플레이트(24), 측면의 잉크저장부 형성 플레이트(23), 하측의 노즐 플레이트(30)에 의해 형성된다. 이 경우, 노즐 플레이트(30)에는 잉크를 분사하는 노즐(21)도 함께 형성된다.
상술한 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드는 상기 액추에이터에 전압이 인가되면 압전 플레이트(17)가 변형되고 이때 발생되는 압력에 의해 잉크 챔버(15) 내의 잉크가 노즐(21)을 통해 배출된다.
대안적으로, 3 장의 실리콘 기판(상부 기판, 중간 기판, 하부 기판)을 MEMS 방법으로 정밀 가공한 후 적층하여 잉크젯 헤드를 제조할 수도 있다(대한민국 특허 제10-0519760호 참조).
상술한 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법은 펀칭 공정에 의해 가공된 노즐 내에서 버(Burr)가 발생하고, 또한 잉크 챔버(15)에서 노즐(21)까지의 급격한 단면적의 변화에 따라 발생하는 미세한 잉크방울의 형성에 대한 한계로 인하여 노즐(21)을 통한 정량 잉크 토출이 어려워 잉크젯 헤드의 신뢰성이 떨어지고, 제조 공정 시간(tact time)이 증하고, 제조 공정이 복잡하여, 제조 비용 및 제품 가격이 크게 증가하는 문제점이 발생한다.
상술한 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법, 또는 실리콘 기판 및 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 방법을 이용한 대안적인 제조 방법의 문제점을 해결하기 위한 또 다른 종래 기술이 제안되어 사용되고 있다.
도 1b 내지 도 1d는 또 다른 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법을 도시하고 있다.
좀 더 구체적으로 도 1b는 또 다른 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드의 평면도와 단면도를 도시한 도면이고, 도 1c는 또 다른 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드의 배치 실시예를 도시한 평면도와 단면도이며, 도 1d는 또 다른 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드의 제조 방법을 도시한 블록도이다. 이러한 도 1b 내지 도 1d에 도시된 또 다른 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드는 예를 들어, 조영준 등에 의해 2003년 06월 17일자에 압전방식 잉크젯 프린터헤드와 제조 방법이라는 발명의 명칭으로 대한민국 특허출원 제10-2003-0039048호로 출원되고, 2005년 3월 31일자로 등록된 대한민국 특허 제10-0481996호에 상세히 기술되어 있다.
도 1b 내지 도 1d를 참조하면, 또 다른 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드는 잉크를 공급받아서 노즐을 통해 분사하기까지 잉크가 유통되는 구조물인 잉크 유통부, 상기 잉크에 압력을 가하여 노즐을 통해 배출시키는 액추에이터부, 및 잉크를 관통구멍을 통해 공급하는 잉크공급부로 구성된다.
상기 잉크유통부는 가장 하측에 배치되는 노즐 플레이트(52), 상기 노즐 플레이트(52)의 상측에 배치되는 채널 플레이트(56), 상기 채널 플레이트(56)의 상측에 배치되는 스페이서(72)로 구성된다. 상기 노즐 플레이트(52)에는 상하방향으로 관통되는 노즐(52a)이 형성되며, 상기 노즐(52a)의 윗부분은 테이퍼부(54)가 형성된다. 상기 채널 플레이트(56)는 위로는 상기 스페이서(72)와 연결되고 아래로는 상기 테이퍼부(54)와 연결되어 잉크 챔버(78) 내부 공간을 연장시키며 일측에는 잉크통로(58)가 형성된다.
상기 액추에이터부는 하측에 배치되는 탄성 플레이트(70), 상기 탄성 플레이트(70)의 상측에 배치되는 하부전극(60), 상기 하부전극(60)의 상측에 배치되는 압전 플레이트(62), 상기 압전 플레이트(62)의 상측에 배치되는 상부전극(68), 상기 상부전극의 상측에 배치되는 보호층(66)으로 구성된다.
여기서, 상기 잉크공급부의 최상단인 스페이서(72)와 상기 액추에이터부의 최하단인 탄성 플레이트(70)가 결합되고, 그 내부에는 상기 탄성 플레이트(70)가 상측면, 상기 스페이서(72) 및 채널 플레이트(56)가 측면부, 상기 노즐 플레이트(52)가 하측면을 구성하는 잉크 챔버(78)가 형성되게 된다.
상기 잉크공급부는 상기 잉크 챔버(78)로 잉크를 공급하는 상측의 잉크공급통(미도시), 상기 잉크공급통(미도시)으로부터 상기 액추에이터부 및 스페이서(72)를 관통하여 상기 잉크통로(58)에 도달하는 관통구멍(64)으로 구성된다.
한편, 상기 보호층(66)의 일측에는 외부제어회로(미도시)와 전기적으로 연결하도록 전극패드(74)가 형성된다.
도 1c는 도 1b에 도시된 또 다른 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드의 배치 일실시예를 도시한 평면도와 단면도로서, 또 다른 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드는 도 1b에 도시된 잉크젯 헤드를 하나의 모듈로 하여 9개의 모듈이 3X3행렬로 동일평면상에 배치되어 하나의 실시예가 도시되어 있다.
도 1d를 도 1b와 함께 참조하면, 도 1b에 도시된 또 다른 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드의 제조 방법은, 먼저 테이프캐스팅 또는 닥터블레이드 방법에 의해 얻어진 두께 3m의 ZrO2 그린 시트(green sheet)를 배치시킨다(S110). 상기 ZrO2 그린 시트는 탄성 플레이트(70)의 역할을 한다. 탄성 플레이트(70)의 재질로는 ZrO2 이외에 박막화가 용이한 BaTiO3, 열적 특성이 우수한 Al2O3가 사용될 수 있다.
그 후, 상기 그린 시트의 상측에 하부전극(60)을 프린팅하고(S112), 그린 시트 하측에 120m 두께로 스페이서(72)를 프린팅하며(S114), 상기 스페이서(72)의 하측에 40m 두께로 채널 플레이트(56)를 프린팅한다(S116). 스페이서(72) 및 채널 플레이트(56)는 각각 탄성 플레이트(70)와 같은 재료인 것이 바람직하다. 그 후, 상기 과정을 거친 결합물을 1,200 온도로 소결(신터링)하여 구조물이 견고해지고 각각의 층 사이의 접착력이 확보되도록 한다(S118).
그 후, 상기 하부전극(60)의 상측에 두께 1.56m로 압전 플레이트(62)를 형성한다(S120). 상기 압전 플레이트(62)의 재료로는 PZT가 바람직하다. 상기 압전 플레이트(62)의 형성 방법으로는 스퍼터링, 졸-겔, 금속유기화학기상증착(MOCVD) 방법이 적용될 수 있다. 한편, 상기 압전 플레이트(62)는 상기 하부전극(60)을 외부제어회로(미도시)와 연결시키기 위해 필요한 부분을 에칭할 수도 있다.
그 후, 상기 압전 플레이트(62)의 상측에 상부전극(68)을 형성한다(S122). 상기 상부전극(68)의 형성방법은 스퍼터링, MOCVD, 증발법 등의 방법이 사용될 수 있다. 한편, 상기 상부전극(68)은 적절한 패터닝(예: 리소그래피, 리프트오프 공정)에 의해 하나의 잉크젯 헤드를 구성하는 각각의 상기 액추에이터를 구분하고 외부 제어회로(미도시)와 전기적으로 연결하기 위한 패드(74)를 포함하게 된다.
상부전극(68)이 형성된 후, 상기 상부전극(68)의 상측에 보호층(66)을 형성한다(S124). 이러한 보호층(66)의 형성은 SiO2를 CVD에 의한 증착 방법이 사용될 수 있다. 보호층(66)은 잉크 용액으로부터 액추에이터를 전기적 및 화학적으로 보호하며 보호층(66) 위에 곧바로 잉크공급통(미도시)이 설치된다. 이를 위해, 적절한 실링(sealing) 수단으로, 예를 들어 잉크에 대한 내식성을 구비한 오링을 체결부(미도시)에 삽입하거나 에폭시와 같은 접착제를 쓰는 것이 바람직하다. 한편, 상기 잉크공급통(미도시)은 그 자체에 이미 잉크를 담고 있을 수도 있고, 자체 내부공간을 가지면서 외부와 별도로 잉크통을 연결하기 위한 포트를 구비한 형태일 수도 있다.
상기 보호층(66) 형성 후, 상기 보호층(66), 압전 플레이트(62), 하부전극(60), 탄성 플레이트(70) 및 스페이서(72)를 관통하는 관통구멍(64)을 가공한다(S126). 가공방법으로 초음파가공이나, 마이크로드릴링, 연마제에 의한 마이크로 블라스팅(micro blasting) 등이 사용될 수 있다.
그 후, 노즐 플레이트(52)에 테이퍼부(54)를 가공한다(S128). 상기 노즐 플레이트(52)는 스테인레스 스틸이나 규소 재질이 바람직하며, 테이퍼부(54)의 가공에는 초음파가공, 마이크로드릴링, 비등방에칭(규소재질의 경우) 등의 방법이 사용될 수 있다.
그 후, 상기 가공된 테이퍼부(54)의 정점에 미세 분사구멍을 가공하여 노즐(52a)을 형성시킨다(S130).
그 후, 상기 노즐 플레이트(52)과 채널 플레이트(56)를 탄성 에폭시와 같은 접착제로 접합시킨다(S132). 이러한 접합 과정이 끝나면 잉크젯 헤드의 제조공정이 완료되게 된다.
상기 기술한 또 다른 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법은 헤드 내부에 잉크 챔버(78)와 잉크저장부를 일체형으로 형성시킴으로써 보다 간단한 구조의 잉크젯 헤드가 제공되고, 노즐을 단일 플레이트로 형성함으로써 제조공정을 단순화하여 제조단가를 낮추면서 동시에 공간 활용도를 높일 수 있다는 등의 효과가 달성되지만, 여전히 다음과 같은 문제점을 갖는다.
1. 잉크젯 헤드의 제조 방법이 상당히 많은 공정 단계를 포함하여, 제조 공정 시간(tact time) 및 비용이 증가한다.
2. 종래 기술과 마찬가지로 채널 플레이트(56) 및 스페이서(72)로 구성되는 잉크 챔버용 플레이트, 노즐 플레이트(52), 및 탄성 플레이트(70)의 3개의 플레이트가 각각 별개로 사용되므로, 제조 공정이 매우 복잡하고 제조가 어렵다.
3. 특히, 탄성 플레이트(70)의 상부에 하부전극(60), 압전 플레이트(62), 상부전극(68), 및 보호층(66)의 적층을 위한 공정 단계의 복잡성이 추가로 증가한다.
따라서, 상술한 종래 기술들의 문제점을 해결하기 위한 새로운 방안이 요구된다.
1. 미국특허 제5,748,214호 2. 대한민국 특허 제10-0519760호 3. 대한민국 특허 제10-0481996호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, PDP, LCD, OLED, 또는 터치 패널 등을 포함하는 평판 또는 플렉시블 디스플레이 패널, 반도체, 섬유소재, 또는 태양광 발전용 솔라셀 등(이하 기판이라 합니다)의 제조에 사용되는 잉크젯 헤드를 단일 플레이트의 상부면에서 잉크 챔버를 형성하고, 그 후 대향 하부면에서 잉크 토출용 노즐을 형성한 후, 상기 형성된 잉크 챔버의 상부에 압전 플레이트를 부착한 후, 압전 플레이트 주변부에 압전소자 박막을 패터닝 방식으로 증착하여 단일 플레이트 상에 잉크젯 헤드를 구현함으로써, 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드에 비해, 가공된 노즐 내에서 버(burr)의 발생이 최소화되거나 제거되어 잉크의 정량 토출이 가능하고, 특히 단일 플레이트와 압전 플레이트가 각각 하부전극 및 상부전극의 역할을 하여, 별도의 전극 형성 공정이 불필요하여, 전체 제조 공정 시간(tact time)이 감소되고 제조 공정이 단순화되어, 고신뢰성을 구비한 잉크젯 헤드의 제조가 가능하면서도 제조 비용이 크게 감소되는 개선된 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 제 1 특징에 따른 잉크젯 헤드는 단일 플레이트의 상부면에 형성되는 잉크 챔버; 상기 단일 플레이트의 하부면에서 상기 잉크 챔버의 하부와 연결되도록 형성되는 노즐; 상기 잉크 챔버의 상부면을 덮도록 제공되는 압전 플레이트; 상기 압전 플레이트를 둘러싸도록 제공되는 압전 소자 박막; 및 상기 압전 플레이트와 연결되도록 제공되는 피에조 압전 소자를 포함하되, 상기 잉크 챔버는 상부가 넓고 하부가 좁은 테이퍼 형상을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 특징에 따른 코팅용 노즐 헤드는 단일 플레이트의 상부면에 형성되는 잉크 챔버; 상기 단일 플레이트의 하부면에서 상기 잉크 챔버의 하부와 연결되도록 형성되는 노즐; 및 상기 잉크 챔버를 덥도록 상기 단일 플레이트의 상부면에 제공되는 커버 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 3 특징에 따른 잉크젯 헤드의 제조 방법은 a) 단일 플레이트의 상부면에 초음파 가공기 또는 마이크로 드릴을 이용하여 테이퍼 형상의 상부 노즐홀을 가공하여 잉크 챔버를 형성하는 단계; b) 상기 단일 플레이트의 하부면에 상기 초음파 가공기 또는 상기 마이크로 드릴을 이용하여 상기 잉크 챔버의 하부와 연결되도록 원통 형상의 하부 노즐홀을 가공하여 노즐을 형성하는 단계; c) 상기 단일 플레이트의 상부면에 형성된 상기 잉크 챔버의 상부면을 덮도록 압전 플레이트를 제공한 후, 상기 압전 플레이트를 둘러싸도록 압전 소자 박막을 형성하는 단계; 및 d) 상기 압전 플레이트에 피에조 압전 소자를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 개선된 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법을 사용하면 다음과 같은 장점이 달성된다.
1. 가공된 노즐 내에서 버(burr)의 발생이 최소화되거나 제거되어 잉크의 정량 토출이 가능해진다.
2. 특히 단일 플레이트와 압전 플레이트가 각각 하부전극 및 상부전극의 역할을 하여, 별도의 전극 형성 공정이 불필요하다.
3. 전체 제조 공정 시간(tact time)이 감소되고 제조 공정이 단순화된다.
4. 고신뢰성을 구비한 잉크젯 헤드의 제조가 가능하면서도 제조 비용이 크게 감소된다.
5. 종래 기술의 코팅용 노즐 헤드 및 그 제조 방법에도 적용될 수 있으므로, 본 발명의 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법의 장점이 코팅용 노즐 헤드 및 그 제조 방법에서도 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 추가적인 장점은 동일 또는 유사한 참조번호가 동일한 구성요소를 표시하는 첨부 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 명백히 이해될 수 있다.
도 1a는 종래 기술의 피에조젯 분사방식에 의한 잉크젯 헤드의 개략적인 단면도이다.
도 1b는 또 다른 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드의 평면도와 단면도를 도시한 도면이다.
도 1c는 또 다른 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드의 배치 실시예를 도시한 평면도와 단면도이다.
도 1d는 또 다른 종래 기술에 따른 잉크젯 헤드의 제조 방법을 도시한 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 본 발명의 일 실시예의 대안적인 실시예에 따른 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2c는 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법이 적용되는 코팅용 노즐 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 제조 방법의 플로우차트를 도시한 도면이다.
이하에서 본 발명의 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 기술한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드(200)는 단일 플레이트(225)의 상부면에 형성되는 잉크 챔버(215); 상기 단일 플레이트(225)의 하부면에서 상기 잉크 챔버(215)의 하부와 연결되도록 형성되는 노즐(221); 상기 잉크 챔버(215)의 상부면을 덮도록 제공되는 압전 플레이트(217); 상기 압전 플레이트(217)를 둘러싸도록 제공되는 압전 소자 박막(229); 및 상기 압전 플레이트(217)와 연결되도록 제공되는 피에조 압전 소자(228)를 포함하되, 상기 잉크 챔버(215)는 상부가 넓고 하부가 좁은 테이퍼 형상을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드(200)에서는, 상기 단일 플레이트(225)와 상기 압전 플레이트(217)는 각각 하부전극 및 상부전극의 기능을 갖는다.
또한, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드(200)에서 상기 압전 소자 박막(229)은 상기 잉크 챔버(215)의 밀봉 상태를 유지하도록 상기 압전 플레이트(217)를 실링(sealing)한다. 이 경우, 압전 소자 박막(229)은 실링 기능 뿐만 아니라, 추가적인 압전 소자로서의 기능을 갖는다.
또한, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드(200)에서 상기 단일 플레이트(225)의 재질은 스테인리스 스틸, Ti, 및 ZrO2 중 어느 하나가 사용될 수 있고, 상기 압전 소자 박막(229)의 재질은 ZrO2, BaTiO3 및 Al2O3 중 어느 하나가 사용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드(200)의 구체적인 제조 방법을 상세히 기술한다.
다시 도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드(200)를 제조하기 위해서는, 먼저 단일 플레이트(225)의 상부면에 공지의 초음파 가공기 또는 공지의 마이크로 드릴을 이용하여 테이퍼 형상의 상부 노즐홀을 가공하여 잉크 챔버(215)를 형성한다. 공지의 초음파 가공기를 사용하는 경우, 출력 주파수는 대략 36~45Hz이고, DC 인가 전압은 대략 24V이며, 가공기 헤드의 분당 회전수(RPM)는 대략 5,000~15,000이 바람직하다. 이렇게 형성된 잉크 챔버(215)는 상부 노즐홀의 높이가 대략 200~3mm이고, 상부 노즐홀의 하부 폭이 대략 0.4~0.1mm이며, 테이퍼 경사각()은 내측 하부 평면에 대해 대략 120~130인 것이 바람직하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 이 경우, 상부 노즐홀의 형상은 하부가 좁아지는 테이퍼진 원통 형상 또는 하부가 좁아지는 테이퍼진 절두사면체 형상으로 구현될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
그 후, 단일 플레이트(225)의 하부면에 공지의 초음파 가공기 또는 공지의 마이크로 드릴을 이용하여 상기 잉크 챔버(215)의 하부와 연결되도록 원통 형상의 하부 노즐홀을 가공하여 노즐(221)을 형성한다. 공지의 초음파 가공기를 사용하는 경우, 출력 주파수는 대략 36~45Hz이고, DC 인가 전압은 대략 24V이며, 가공기 헤드의 분당 회전수(RPM)는 대략 5,000~15,000이 바람직하다. 이렇게 형성된 노즐(221)은 하부 노즐홀의 높이가 대략 40~100이고, 하부 노즐홀의 사이즈(즉, 지름)이 대략 10~70인 것이 바람직하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 단일 플레이트(225)의 하부면에 형성된 노즐(221)은 초음파 가공기 또는 마이크로 드릴을 이용하여 가공되므로, 노즐(221)을 구성하는 하부 노즐홀 내에 버(burr)가 발생할 가능성이 최소화되거나 제거되어, 잉크젯 헤드(200)의 사용 시 노즐(221)을 통해 토출되는 잉크의 정량 토출이 가능해진다.
한편, 가공된 노즐(221)의 최하단부는 단일 플레이트(225)의 하부 표면에서 외부로 돌출하는 버(burr)가 발생될 가능성이 매우 낮지만 존재할 수 있다. 이러한 단일 플레이트(225)의 하부 표면 상에서의 미세한 버 발생 가능성 및 이물 발생을 고려하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드(200)의 제조 방법은 상기 단일 플레이트(225)의 하부면에 노즐(221)을 형성한 후, 예를 들어 단일 플레이트(225)의 하부면을 엔드밀을 이용한 폴리싱(경면 연마)을 통한 표면 처리 공정(예를 들어, 1 이하의 표면 평탄도를 갖는 표면 처리), 및 예를 들어 초음파 세정기를 이용하여 상기 표면 처리된 단일 플레이트(225)를 예를 들어 알콜 내에서 대략 20분~40분 정도 세정하는 세정 공정을 추가로 포함할 수 있다는 점에 유의하여야 한다.
그 후, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드(200)를 제조 방법은 단일 플레이트(225)의 상부면에 형성된 잉크 챔버(215)의 상부면을 덮도록 압전 플레이트(217)를 접착제 부착 방식 또는 나사 체결 방식을 이용하여 제공한 후, 상기 압전 플레이트(217)를 둘러싸도록 마스크 패턴(미도시)을 사용하여 압전 소자 재료를 스퍼터링 방식으로 패터닝 및 증착하여 압전 소자 박막(229)을 형성한다. 이 경우, 패터닝된 압전 소자 박막(229)의 두께는 3 이하인 것이 바람직하다. 형성된 압전 소자 박막(229)은 잉크 챔버(215)의 밀봉 상태를 유지하도록 압전 플레이트(217)를 실링(sealing)하는 기능을 할 뿐만 아니라, 추가적인 압전 소자로서의 기능을 갖는다.
그 후, 피에조 압전 소자(228)를 압전 플레이트(217)와 연결하면 잉크젯 헤드(200)의 제조 공정이 완료된다.
한편, 도 2a에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드(200)를 제조 방법에서는 단일 플레이트(225)의 상부면에 형성된 잉크 챔버(215)에 잉크를 간접 방식으로 공급하는 잉크저장부(미도시) 또는 직접 방식으로 공급하는 잉크 공급원(ink source: 미도시)에 대해 구체적으로 설명하고 있지 않지만, 이러한 잉크저장부(미도시) 또는 잉크 공급원은 단일 플레이트(225)의 상부면 또는 측면에 제공되어 잉크 챔버(215)와 연결되는 별도의 잉크 공급 경로(예를 들어, 잉크 챔버(215)와 유체연통할 수 있는 통로)를 통해 잉크를 공급할 수 있다.
도 2b는 도 2a에 도시된 본 발명의 일 실시예의 대안적인 실시예에 따른 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 대안적인 실시예에 따른 잉크젯 헤드(200) 및 그 제조 방법은 도 2a에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드(200) 및 그 제조 방법과 잉크 챔버(215)가 테이퍼 형상을 구비하는 대신 원통 형상을 구비한다는 점을 제외하고는 도 2a에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드(200) 및 그 제조 방법과 실질적으로 동일하므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2c는 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법이 적용되는 코팅용 노즐 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
예를 들어, 종래 기술에서는 기판 상에 도액 또는 잉크(이하 잉크라 합니다)를 도포하기 위한 슬릿 다이 노즐 헤드 등과 같은 코팅용 노즐 헤드(미도시)가 사용되고 있다. 이러한 코팅용 노즐 헤드는 통상적으로 서로 대향하는 2개의 립(lip)(즉, 제 1 및 제 2 립)으로 구성되고, 제 1 및 제 2 립 중 어느 하나의 내측면에 잉크 챔버가 형성되고, 잉크 챔버의 하단부에 제 1 립 내측면과 이에 대응하는 제 2 립 내측면 사이에 갭이 형성되어 있으며, 이러한 갭의 하부 바깥쪽으로 개구된 노즐이 형성되어 있다. 이러한 종래 기술의 코팅용 노즐 헤드도 2 피스 립으로 구현되므로, 그 제조 공정 및 방법이 복잡하고 제조 비용이 증가한다.
도 2c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅용 노즐 헤드(200)는 단일 플레이트(225)의 상부면에 형성되는 잉크 챔버(215); 상기 단일 플레이트(225)의 하부면에서 상기 잉크 챔버(215)의 하부와 연결되도록 형성되는 노즐(221); 및 상기 잉크 챔버(215)를 덥도록 상기 단일 플레이트(225)의 상부면에 제공되는 커버 부재(226)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 도 2c에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅용 노즐 헤드(200)에서, 단일 플레이트(225)에 형성되는 잉크 챔버(215) 및 노즐(221)의 형성 공정은 상술한 도 2a에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법의 경우와 완전히 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 도 2c에서는 도 2a에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법이 적용되는 것으로 예시적으로 기술하고 있지만, 당업자라면 도 2b에 도시된 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법도 마찬가지로 적용될 수 있다는 것을 충분히 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅용 노즐 헤드(200)는 잉크 챔버(215) 및 노즐(221)이 단일 플레이트(225)에 형성되므로, 2 피스 립으로 구현되는 종래 기술의 코팅용 노즐 헤드에 비해 그 제조 공정 및 방법이 단순화되고 또한 제조 비용이 감소될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 제조 방법의 플로우차트를 도시한 도면이다.
도 3을 도 2a 및 도 2b와 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 제조 방법(300)은 a) 단일 플레이트(225)의 상부면에 초음파 가공기 또는 마이크로 드릴을 이용하여 테이퍼 형상의 상부 노즐홀을 가공하여 잉크 챔버(215)를 형성하는 단계(310); b) 상기 단일 플레이트(225)의 하부면에 상기 초음파 가공기 또는 상기 마이크로 드릴을 이용하여 상기 잉크 챔버(215)의 하부와 연결되도록 원통 형상의 하부 노즐홀을 가공하여 노즐(221)을 형성하는 단계(320); c) 상기 단일 플레이트(225)의 상부면에 형성된 상기 잉크 챔버(215)의 상부면을 덮도록 압전 플레이트(217)를 제공한 후, 상기 압전 플레이트(217)를 둘러싸도록 압전 소자 박막(229)을 형성하는 단계(330); 및 d) 상기 압전 플레이트(217)에 피에조 압전 소자(228)를 연결하는 단계(340)를 포함한다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 제조 방법(300)은 상기 b) 단계 및 상기 c) 단계 사이에 b1) 상기 단일 플레이트(225)의 하부면에 상기 노즐(221)을 형성한 후, 상기 단일 플레이트(225)의 하부면을 폴리싱을 통한 표면 처리하는 단계, 및 b2) 상기 표면 처리된 상기 단일 플레이트(225)를 세정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 제조 방법(300)의 상기 c) 단계에서 상기 압전 소자 박막(229)은 상기 압전 플레이트(217)를 둘러싸도록 마스크 패턴을 사용하여 압전 소자 재료를 스퍼터링 방식으로 패터닝 및 증착하여 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 개선된 잉크젯 헤드(200) 및 그 제조 방법에서는 1) 가공된 노즐(221) 내에서 버(burr)의 발생이 최소화되거나 제거되어 잉크의 정량 토출이 가능해지고, 2) 특히 단일 플레이트(225)와 압전 플레이트(217)가 각각 하부전극 및 상부전극의 역할을 하여, 별도의 전극 형성 공정이 불필요하며, 3) 전체 제조 공정 시간(tact time)이 감소되고 제조 공정이 단순화되고, 4) 고신뢰성을 구비한 잉크젯 헤드(200)의 제조가 가능하면서도 제조 비용이 크게 감소된다는 효과가 달성될 수 있다.
또한, 본 발명의 개선된 잉크젯 헤드(200) 및 그 제조 방법은 종래 기술의 코팅용 노즐 헤드 및 그 제조 방법에도 적용될 수 있으므로, 본 발명의 잉크젯 헤드 및 그 제조 방법의 장점이 코팅용 노즐 헤드 및 그 제조 방법에서도 모두 달성될 수 있다.
다양한 변형예가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에 기술되고 예시된 구성 및 방법으로 만들어질 수 있으므로, 상기 상세한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 예시적인 실시예에 의해 제한되지 않으며, 이하의 청구범위 및 그 균등물에 따라서만 정해져야 한다.
11: 밀봉 플레이트 12,72: 스페이서 13,70: 탄성 플레이트
15,78,215: 잉크 챔버 16,60: 하부전극 17, 62,217: 압전 플레이트
18,68: 상부전극 20: 노즐연결부 21,52a,221: 노즐
23: 잉크저장부 형성 플레이트 24: 잉크 공급 플레이트
26,40,64: 관통구멍 30,52: 노즐 플레이트 42: 잉크저장부
54: 테이퍼부 56: 채널 플레이트 58: 잉크통로 66: 보호층
74: 전극패드 200: 잉크젯 헤드 225: 단일 플레이트
226: 커버 부재 228: 피에조 압전 소자 229: 압전 소자 박막

Claims (12)

  1. 잉크젯 헤드에 있어서,
    단일 플레이트의 상부면에 형성되는 잉크 챔버;
    상기 단일 플레이트의 하부면에서 상기 잉크 챔버의 하부와 연결되도록 형성되는 노즐;
    상기 잉크 챔버의 상부면을 덮도록 제공되는 압전 플레이트;
    상기 압전 플레이트를 둘러싸도록 제공되는 압전 소자 박막; 및
    상기 압전 플레이트와 연결되도록 제공되는 피에조 압전 소자
    를 포함하되,
    상기 잉크 챔버는 상부가 넓고 하부가 좁은 테이퍼 형상을 구비하는
    잉크젯 헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 잉크 챔버는 원통 형상을 구비하는 잉크젯 헤드.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 단일 플레이트와 상기 압전 플레이트는 각각 하부전극 및 상부전극의 기능을 갖는 잉크젯 헤드.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 압전 소자 박막은 상기 잉크 챔버의 밀봉 상태를 유지하도록 상기 압전 플레이트를 실링(sealing)하는 기능 및 압전 소자로서의 기능을 갖는 잉크젯 헤드.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 플레이트의 재질은 스테인리스 스틸, Ti, 및 ZrO2 중 어느 하나가 사용될 수 있고,
    상기 압전 소자 박막의 재질은 ZrO2, BaTiO3 및 Al2O3 중 어느 하나가 사용될 수 있는
    잉크젯 헤드.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 잉크 챔버 및 상기 노즐은 각각 초음파 가공기 또는 마이크로 드릴을 사용하여 형성되는 잉크젯 헤드.
  7. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 플레이트의 하부면에 상기 노즐이 형성된 후, 상기 단일 플레이트의 상기 하부면이 폴리싱을 통해 표면 처리 및 세정되는 잉크젯 헤드.
  8. 코팅용 노즐 헤드에 있어서,
    단일 플레이트의 상부면에 형성되는 잉크 챔버;
    상기 단일 플레이트의 하부면에서 상기 잉크 챔버의 하부와 연결되도록 형성되는 노즐; 및
    상기 잉크 챔버를 덥도록 상기 단일 플레이트의 상부면에 제공되는 커버 부재
    를 포함하는 것코팅용 노즐 헤드.
  9. 잉크젯 헤드의 제조 방법에 있어서,
    a) 단일 플레이트의 상부면에 초음파 가공기 또는 마이크로 드릴을 이용하여 테이퍼 형상의 상부 노즐홀을 가공하여 잉크 챔버를 형성하는 단계;
    b) 상기 단일 플레이트의 하부면에 상기 초음파 가공기 또는 상기 마이크로 드릴을 이용하여 상기 잉크 챔버의 하부와 연결되도록 원통 형상의 하부 노즐홀을 가공하여 노즐을 형성하는 단계;
    c) 상기 단일 플레이트의 상부면에 형성된 상기 잉크 챔버의 상부면을 덮도록 압전 플레이트를 제공한 후, 상기 압전 플레이트를 둘러싸도록 압전 소자 박막을 형성하는 단계; 및
    d) 상기 압전 플레이트에 피에조 압전 소자를 연결하는 단계
    를 포함하는 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 a) 단계에서 상기 테이퍼 형상이 원통 형상인 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 잉크젯 헤드의 제조 방법은 상기 b) 단계 및 상기 c) 단계 사이에
    b1) 상기 단일 플레이트의 하부면에 상기 노즐을 형성한 후, 상기 단일 플레이트의 하부면을 폴리싱을 통한 표면 처리하는 단계, 및
    b2) 상기 표면 처리된 상기 단일 플레이트를 세정하는 단계
    를 추가로 포함하는 잉크젯 헤드의 제조 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 c) 단계에서 상기 압전 소자 박막은 상기 압전 플레이트를 둘러싸도록 마스크 패턴을 사용하여 압전 소자 재료를 스퍼터링 방식으로 패터닝 및 증착하여 형성되는 잉크젯 헤드의 제조 방법.
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US5748214A (en) 1994-08-04 1998-05-05 Seiko Epson Corporation Ink jet recording head
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JP4881126B2 (ja) * 2006-10-25 2012-02-22 株式会社東芝 ノズルプレートの製造方法、および液滴吐出ヘッドの製造方法

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