WO1998000296A1 - Tintenstrahldruckkopf mit komponenten aus siliciumorganischen verbindungen - Google Patents
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Definitions
- inkjet printheads consist of structures for liquid management (channel walls, covers, nozzle walls, covers, ink supply), ink filters and a non-wetting nozzle outlet side (e.g. nozzle plate).
- Modern ink printheads have in common the planar structure, which, with the means of semiconductor production, enables relatively inexpensive production with high accuracy in large numbers. There are differences in the structure: in the so-called “edge shooter arrangement” the droplet is ejected tangentially to the heating element surface, while in the so-called “side shooter arrangement” the droplet is discharged normally to the heating element surface.
- ORMOCERE can be produced for photolithographic and other applications relevant here.
- layers to be structured can be produced as follows:
- a pre-condensate (usually referred to here as "lacquer") is produced from the selected starting materials, which, depending on the chemical compounds used, is usually stable in storage for a few months.
- the solids content of the lacquer can be varied, for example by removing solvent or water or by adding an additional solvent.
- the lacquer is then applied to the desired substrate material as a layer by dipping, spin coating or spraying or the like, the substrate not only consisting of foreign material such as glass, ceramic, metal or foreign polymer, but also of the identical material.
- the lacquer By structuring exposure (mostly UV light), the lacquer can be photopolymerized at the desired positions using any technology, whereupon in a so-called “development step” the part not exposed to the light is removed (negative resist behavior), which is done with the help of solvents such as acetone or an alkaline aqueous medium. Finally, the already structured material is thermally crosslinked. Mechanical embossing with simultaneous or subsequent exposure and subsequent thermal post-crosslinking is also possible.
- FIG. 1 shows an example of the formation of a polymeric "ORMOCER" hybrid material:
- the inorganic oxide network is built up by polycondensation of alkoxysilanes, in a subsequent step the methacrylic groups of 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane (MEMO) are photochemically crosslinked and finally the epoxy groups of 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GLYMO) are thermally polymerized, so that an organic network value also arises .
- MEMO 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane
- GLYMO 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane
- G glycidoxypropyltrimethoxysilane
- Suitable accelerators for photochemical crosslinking are, for example, N-
- the use of the GMP2T system is very particularly preferred.
- the lacquer is preferably produced by first mixing the desired silanes, possibly with other additives (e.g. network formers or modifying substances), and hydrolyzing them, if necessary under heat, by adding water.
- the water can be added slowly so that substoichiometric amounts are first added to the system.
- the liquid lacquer produced as described above is optionally brought to a desired solids content, which is preferably done by spinning in or distilling off solvent or water. If required, it can additionally or alternatively be diluted with a suitable solvent (for example with ethanol, acetone, propyl acetate or the like). A solids content in the range from 50% to 85%, in particular from about 75%, is desirable. However, it should be clear that depending on the type of application and the desired structure height, other solid contents can also be used.
- the lacquer can then be applied as a layer on one or different substrates.
- the substrate or substrates can be made of another material such as glass, ceramic, metal, silicon or polymer or the like, but it can also be applied to the material used according to the invention, which should then already be hardened.
- the lacquer can be applied by spin-on application (for example at a rotation speed of approximately 300 to 800 rpm and a period of approximately 30 to 80 seconds).
- spin-on application for example at a rotation speed of approximately 300 to 800 rpm and a period of approximately 30 to 80 seconds.
- knife coating for example at a rotation speed of approximately 300 to 800 rpm and a period of approximately 30 to 80 seconds.
- spraying embossing or the like
- photostructuring takes place with the aid of exposing the desired parts of the lacquer, the exposing being carried out with a flat light source.
- the parts of the varnish that are not to be exposed are protected from exposure by means of a mask.
- the mask can e.g. before the
- Light source can be arranged.
- a mask aligner can be used, whereby under certain circumstances the lacquer can be mechanically embossed simultaneously using the mask. However, this is reserved for special cases, since contact exposure could often lead to mask and varnish sticking together. The exposure takes place at a wavelength that initiates the photochemical reactions in the coating.
- the GMP2T system is a composition of the polymer material that is suitable for photolithography.
- a varnish made of this material which was essentially freed from volatile constituents (alcohols, water) that were formed during the implementation of the components and which was diluted to the desired solids content with propyl acetate, allows layer thicknesses of more than 10 ⁇ m and even in the range of ⁇ 40 ⁇ m achieve.
- GMDT has proven to be particularly suitable, particularly with regard to its adhesive properties.
- GMP2D and especially GMD have a higher elasticity due to their high proportion of units that can only be crosslinked in two ways, which means that larger structural heights can be realized without cracks.
- the incorporation of fillers is possible. It should be noted that an increasing proportion of filler adheres can reduce to the substrate.
- the coating of the substrates, the development of the structures and the thermal post-curing takes place in direct laser writing as in photolithography.
- a narrowly focused laser beam is chosen for direct exposure of the lacquer.
- the laser beam is focused to the desired width, for example 3 to 50 ⁇ m and in particular 10 to 20 ⁇ m for the channel structures described.
- writing takes place at a speed of 0.1 to 10 mm / sec. In particular, a speed of approximately 1 mm / sec. is preferred in order to achieve crack-free, uniform structures.
- Structural heights of up to 40 ⁇ m can also be achieved with laser direct writing.
- a thermal pretreatment of a few minutes at around 80 ° C - 120 ° C is beneficial. Higher temperatures lead to strong pre-crosslinking (which makes penetration of the embossing mask more difficult), while shorter thermal ones Pretreatments do not prevent the mask and layer from sticking together. Structured glass or Si masks or nickel sheets with structure heights in the range of 40 ⁇ m can be used as masks. Embossing machines in the manner of a mask aligner are possible. An exposure or thermal treatment is preferably carried out simultaneously with the pressing of the mask
- Actuators for droplet generation heating element, piezo element, electrodynamic converter, etc.
- the production of planar ink print heads is particularly favorable according to the invention.
- Components 1 to 4 are initially introduced and stirred at room temperature for 18 h. The suspension is then heated to approximately 70 ° C. within 90 minutes. After the suspension has become clear, 1/4 of the amount of water is added while maintaining the heating. The remaining amount of water is added at intervals of approx. 20 min (1/4 each time). After all of the water has been added, stirring is continued at 70 ° C. for 1 h. The heating is then removed and the paint is ready for use after cooling.
- the system GMPT2 is used for the generation of channel structures, which has very good adhesion to the various substrate materials, even after ink storage.
- the solvent is distilled off until a solids content of 75% is reached.
- 1.5% by mass of photoinitiator (Quantacure ITX, Shell Chemie) and 1.5% by mass of accelerator (N-methyldiethanolamine and diethylenetriamine, ratio 1: 1) are dissolved in the lacquer and this system is carried out on substrates (glass, Si) Spin-on application applied (600 rpm for 60 see).
- the photostructuring is carried out using a mask aligner (Karl-Süss MA 45) at a wavelength of 360 nm and an exposure intensity of 14 mW / cm2.
- the exposed structures are developed by spray development with ethanol (duration: 10 see).
- the structures obtained are cured at 120 ° C. for 10 h. These structures are characterized in FIGS. 2 to 4 (SEM and profile measurements). With the described method, crack-free structure heights of up to 30 ⁇ m can be achieved in one step. These structures have a high Edge steepness, have good substrate adhesion and the required ink storage stability. For this reason and due to their temperature stability up to 270 ° C (thermogravimetric determination in air) they are very well suited for use as channel structures for inkjet printheads.
- Post-curing for direct laser writing is carried out as described in Example 2.
- the system GMPT2 is again selected as the material, the concentration of photoinitiator is 0.05% by weight (Irgacure 184, company Ciba-Geigy or Quantacure ITX), the laser wavelength is 360 nm, the laser power before focusing is 1, 41 - 2.28 mW (variable; 1 mm beam diameter).
- the laser beam is focused on approx. 10 - 15 ⁇ m.
- Writing takes place at a speed of 1 mm / sec.
- Such a laser-written structuring and the associated profilometer measurement are shown in FIGS. 5 and 6.
- the thickening at the corners can be traced back to the persistence of the laser beam when changing direction.
- the structure height is 20 ⁇ m.
- the GMP2T system is also used for embossing channel structures (see example 2).
- Application conditions glass substrates
- curing photochemical and thermal post-curing
- the embossing process requires thermal pretreatment of the applied coating.
- the most favorable pre-hardening conditions are thermal pre-treatments at approx. 80 ° C (5 min). Increasing the temperature leads to strong pre-crosslinking (bad penetration of the embossing mask as a result), while shorter thermal pre-treatment leads to the mask and layer sticking together.
- Structured glass or Si masks with structure heights of up to 40 ⁇ m are used as masks. After the layer has been pre-hardened, these masks are placed on the layer and pressed with a pressure of approx. 1 kg / cm 2, with exposure (approx. 10 seconds, 14 mW / cm 2 De j 3ßo nm). Then the pressure is released again, the mask is removed and the structure obtained is post-cured at 120 ° C. for 10 hours.
Abstract
Die Erfindung stellt Tintenstrahldruckköpfe bereit, die eine oder mehrere Komponenten aus einem polymeren Werkstoff aufweisen, welcher hergestellt ist aus im wesentlichen oder unter Verwendung von mindestens einer Verbindung (I) XaRbSiR'(4-a-b) mit X = hydrolysierbare Gruppe, R = gegebenenfalls substituiertes Alkyl, Aryl, Alkenyl, Alkylaryl oder Arylalkyl, R' = organischer Rest mit mindestens einer polymerisierbaren Gruppe, a = 1 bis 3, b = 0 bis 2. Des weiteren stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen der Köpfe sowie die Verwendung eines polymeren Werkstoffs hierfür bereit.
Description
Tintenstrahldruckkopf mit Komponenten aus siliciumorganischen Verbindungen
Die vorliegende Erfindung betrifft Tintenstrahldruckköpfe, die zumindest in Teilen aus einem polymeren Werkstoff bestehen, der hergestellt ist unter Verwendung siliciumorganischer Ver-bindungen mit polykondensierbaren und polymerisierbaren Gruppen.
Tintenstrahldruckköpfe müssen heute in immer größerer Stückzahl produziert werden. Einmai ist inzwischen diese Drucktechnik enorm verbreitet, zum anderen ist es wünschenswert, einen "Billig-Druckkopf zu entwickeln, der jeweils zusammen mit der Tinten kartusche ausgetauscht werden kann.
Tintenstrahldruckköpfe bestehen neben dem Aktor (Heizelement, Piezoelement, elektrodynamischer Wandler etc.) aus Strukturen zur Flüssigkeitsführung (Kanalwände, -abdeckungen, Düsenwände, -abdeckungen, Tintenzufuhr), Tintenfiltern und einer nicht benetzenden Düsenaustrittsseite (z.B. Düsenplatte). Moderne Tintendruckköpfe haben den planaren Aufbau gemeinsam, der mit den Mitteln der Halbleiterfertigung eine relativ kostengünstige Herstellung mit hoher Genauigkeit in großer Stückzahl ermöglicht. Dabei gibt es Unterschiede im Aufbau: Bei der sog. "Edge-Shooter- Anordnung" erfolgt der Tropfenausstoß tangential zur Heizelement-Oberfläche, während bei der sog. "Side-Shooter-Anordnung" der Tropfen normal zur Heizelement- Oberfläche abgegeben wird.
Der schichtweise Aufbau der "Edge-Shooter-Variante" (Substrat, Dünnfilm-Struktur, Kanalstruktur, Kanalabdeckung, Glaswanne mit Tintenreservoir) bedingt Düsen, die von verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Benetzungseigenschaften gebildet werden (Dünnfilm-Schicht, Photoresist-Kanalwand, Photoresist-Klebeschicht, Kanalabdeckung). Diese unterschiedlichen Benetzungseigenschaften können sich negativ auf die Tropfenbildung auswirken. Daher ist bei "Edge-Shooter-Anordnungen" zusätzlich die Beschichtung der Düsenaustrittseite mit einem hydrophoben Material notwendig.
Der Düsenaustritt der Side-Shooter-Anordnung-Düsenplatte besteht dagegen aus nur einem Material. Dadurch liegen im Düsenbereich gleiche Benetzungseigenschaften vor. Hier ist nur dann eine zusätzliche Beschichtung ("Antitrielbeschichtung") erforderlich, wenn die hydrophoben Eigenschaften des Materials nicht ausreichen.
Üblicherweise werden die Kanalstrukturen heutiger Druckköpfe aus Photoresisten auf Acrylatbasis durch photolitographische Prozesse erzeugt. Beispielsweise wird Foturanglas verwendet, das nach Maskenbeiichtung strukturiert ätzbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein universell einsetzbares Material für Tintenstrahldruckköpfe bereitzustellen, mit dem Kanalstrukturen, Substrate, Düsenplatten, Düsen, Tintenreservoire, Tintenfilter und dgl. für Färb- und Mono- Tintenstrahldruckköpfe komplett hergestellt werden können, und dessen hydrophobe Eigenschaften ausreichend sind, um auf das Aufbringen einer Antitrielbeschichtung verzichten zu können. Das Material soll kostengünstig sein, und die Strukturierung soll mit geringem Aufwand und/oder mit hoher Präzision erfolgen können.
Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines polymeren Werkstoffs für Tintenstrahldruckköpfe gelöst, der hergestellt wird aus im wesentlichen oder unter Verwendung mindestens einer Verbindung I
xaRbSiR'(4-a-b) '
mit X = hydrolysierbare Gruppe R = gegebenenfalls substituiertes Alkyl, Aryl, Alkenyl,
Alkylaryl oder Arylalkyl, R'= organischer Rest mit mindestens einer polymerisierbaren Gruppe, a = 1 bis 3 b = 0 bis 2.
Dabei konnte gefunden werden, daß das Erzeugen von Kanalstrukturen mit Hilfe technisch bzw. physikalisch unterschiedlicher Verfahren erfolgen kann, so daß je nach Anforderung an Qualität und Preis besonders kostengünstige Köpfe als sog. "Wegwerf- Köpfe" gefertigt werden können, während mit etwas aufwendigeren Verfahren qualitativ besonders hochwertige Druckköpfe erzeugt werden können, die höhere Lebensdauern ermöglichen, bzw. für höheren Tintendurchsatz geeigent sind.
Polymere Werkstoffe der erfindungsgemäß eingesetzten Art gehören zur Werkstoffklasse der sogenannten ORMOCERE (ORganically MOdified CERamics). Sie können zwischen anorganischen und organischen Polymeren eingeordnet werden. Die Herstellung erfolgt ausgehend von Alkoxiden des Siliciums und ggf. ergänzend anderer Metalle, die ganz oder teilweise durch organisch polymerisierbare Substituenten modifiziert sind. Durch Hydrolyse und Kondensation wird der anorganische Teil des
Netzwerks aufgebaut, durch Polymerisation, Polyaddition oder andere organische Kupplungsreaktionen der organische Teil aus reaktiven organischen Substituenten.
Durch den gezielten Einbau von photovemetzbaren organischen Gruppen und Komponenten lassen sich die vorgenannten ORMOCERE für photolitographische und andere hier relevante Anwendungen herstellen. Bevorzugt handelt es sich dabei um Vier-Komponenten-Systeme, welche innerhalb eines breiten Rahmens gezielt modifiziert und an die Anforderungsprofile der mikroelektronischen, mikrooptischen und mikromechanischen Bedingungen angepaßt werden können.
Zu strukturierende Schichten können erfindungsgemäß folgendermaßen hergestellt werden:
Zunächst wird innerhalb einer Polykondensationsreaktion (z.B. im Sol-Gel-Prozeß) ein Vorkondensat (hier meistens mit "Lack" bezeichnet) aus den ausgewählten Edukten hergestellt, welches abhängig von den eingesetzen chemischen Verbindungen üblicherweise für einige Monate lagerstabil ist. Der Lack kann in seinem Feststoffgehalt variiert werden, beispielsweise durch Abziehen von Lösungsmittel bzw. Wasser oder auch durch Zugabe eines zusätzlichen Lösungsmittels. Durch Tauchen, Aufschleudern oder Aufsprühen oder dgl. wird der Lack anschließend auf das gewünschte Substratmaterial als Schicht aufgetragen, wobei das Substrat nicht nur aus Fremdmaterial wie Glas, Keramik, Metall oder Fremdpolymer, sodern auch aus dem identischen Material bestehen kann. Durch strukturierende Belichtung (meistens UV-Licht) kann mit beliebiger Technologie der Lack an den gewünschten Positionen photopolymerisiert werden, worauf in einem sogenannten "Entwicklungsschritt" der nicht dem Licht ausgesetzte Teil herausgelöst wird (Negativ-Resist-Verhalten), was mit Hilfe von Lösungsmitteln wie Aceton oder alkalisch wässrigen Medium erfolgen kann. Abschließend wird das bereits strukturierte Material thermisch endgültig vernetzt. Auch mechanisches Prägen unter gleichzeitiger oder nachfolgender Belichtung und anschließendes thermisches Nachvernetzen ist möglich.
Es ist deshalb bevorzugt, daß der polymere Werkstoff sowohl photopolymerisierbare Gruppen als auch thermisch vernetzbare Gruppen enthält. Ferner wird ihm selbstverständlich vorzugsweise ein Photoinitiator und ggf. ein Beschleuniger, beispielsweise auf Aminbasis, zugesetzt.
In Figur 1 ist die Entstehung eines polymeren "ORMOCER"-Hybrid-Werkstoffs beispielhaft dargestellt:
Zuerst wird durch Polykondensation von Alkoxysilanen zunächst das anorganisch oxidische Netzwerk aufgebaut, in einem nachfolgenden Schritt werden die Methacrylgruppen des 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilans (MEMO) photochemisch vernetzt und zuletzt die Epoxygruppen von 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan (GLYMO) thermisch polymerisiert, so daß zudem ein organisches Netzwert entsteht.
Folgende Systeme erweisen sich als besonders geeignet für die Herstellung des polymeren Werkstoffs:
GMP2T, GMDT, GMP2D und GMD, wobei bedeuten:
G = Glycidoxypropyltrimethoxysilan,
P2 = Diphenylsilandiol,
M = Methacryloxypropyltrimethoxysilan,
T = Tetraethoxysilan und D = Dimethyldimethoxysilan.
Als photochemischer Radikalstarter eignet sich beispielsweise Quantacure ITX von
Shell Chemie, Irgacure 184 von Ciba-Geigy oder Darocur 4263 von der Firma Merck.
Als Beschleuniger für die photochemische Vernetzung eignet sich beispielsweise N-
Methyldiethanolamin oder Diethylentriamin, wobei letzteres auch als Epoxid-Härter fungieren kann. Es können auch Mischungen hiervon eingesetzt werden.
Ganz besonders bevorzugt ist die Verwendung des Systems GMP2T.
Der Lack wird bevorzugt hergestellt, indem man zuerst die gewünschten Silane, ggf. mit weiteren Zusätzen (z.B. Netzwerkbildnern oder modifizierenden Stoffen), vermischt und, ggf. unter Wärme, durch Wasserzugabe hydrolysiert. Die Wasserzugabe kann langsam erfolgen, so daß dem System zuerst unterstöchiometrische Mengen zugeführt werden.
Der wie vorstehend beschrieben hergestellte, flüssige Lack wird ggf. auf einen gewünschten Feststoffgehalt gebracht, was vorzugsweise durch Einrotieren oder Abdestillieren von Lösungsmittel oder Wasser geschieht. Bei Bedarf kann zusätzlich oder alternativ mit einem geeigneten Lösungsmittel verdünnt werden (z.B. mit Ethanol, Aceton, Propylacetat oder dgl.). Ein Feststoffgehalt im Bereich von 50% bis 85%, insbesondere von etwa 75% ist wünschenswert. Es sollte aber klar sein, daß abhängig von der Art des Auftrags und der gewünschten Strukturhöhe auch mit anderen Feststoffgehalten gearbeitet werden kann.
Der Lack kann dann als Schicht auf einem oder verschiedenen Substrat(en) aufgebracht werden. Bei dem oder den Substraten kann es sich um solche aus einem anderen Material wie Glas, Keramik, Metall, Silicium oder Polymer oder dgl. handeln, es kann aber auch ein Auftrag auf dem erfindungsgemäß verwendeten Material erfolgen, welches dann bereits ausgehärtet sein sollte. Der Lack kann durch Spin-on-Auftrag appliziert werden (beispielsweise bei einer Drehgeschwindigkeit von etwa 300 bis 800 U/Min und einer Zeitdauer von etwa 30 bis 80 Sekunden). Selbstverständlich sind auch andere Möglichkeiten des Auftrags gegeben wie z.B. Rakeln, Tauchen, Sprühen, Prägen o.a.
Anschließend wird der Lack zur Erzeugung von Kanälen oder vergleichbaren Strukturen einer Strukturierung unterworfen. Dies kann prinzipiell nach einem beliebigen Verfahren erfolgen, wobei jedoch die nachfolgend beschriebenen bevorzugt sind:
1. Photolithographie
Eine Photostrukturierung erfolgt prinzipiell mit Hilfe von Belichten der gewünschten Teile des Lacks, wobei das Belichten mit einer flächigen Lichtquelle erfolgt. Die Teile des Lacks, die nicht belichtet werden sollen, werden mit Hilfe einer Maske vor dem Bestrahlen geschützt. Dabei kann die Maske z.B. vor der
Lichtquelle angeordnet werden. Alternativ kann mit einem Mask-Aligner gearbeitet werden, wobei unter bestimmten Umständen ein gleichzeitiges mechanischen Prägen des Lacks mit Hilfe der Maske erfolgen kann. Dies ist jedoch Spezialfällen vorbehalten, da häufig eine Kontaktbelichtung zu einer Verklebung von Maske und Lack führen könnte. Belichtet wird mit einer Wellenlänge, die die photochemischen Reaktionen im Lack initiiert.
Eine für die Photolithographie geeignete Zusammensetzung des polymeren Werkstoffs ist das System GMP2T. Insbesondere ein Lack aus diesem Material, der im wesentlichen von bei der Umsetzung der Komponenten entstandenen flüchtigen Bestandteilen (Alkoholen, Wasser) befreit wurde und mit Propylacetat auf den gewünschten Feststoffgehalt verdünnt wurde, lassen sich Schichtdicken von mehr als 10μm und sogar im Bereich von ≤40μm erzielen. Neben GMP2T erweist sich GMDT als gut geeignet, insbesondere im Hinblick auf Haftungs- eigenschaften. GMP2D und besonders GMD haben wegen ihres hohen Anteils an nur zweifach anorganisch vernetzbaren Einheiten eine höhere Elastizität, wodurch größere Strukturhöhen rißfrei realisierbar sind. Die Einarbeitung von Füllstoffen ist möglich. Dabei ist zu beachten, daß ein steigender Anteil von Füllstoff die Haftung
zum Substrat reduzieren kann.
Nach Belichtung der gewünschten Teile des Lacks werden die photochemisch nicht umgesetzten Partien mit einem Lösungsmittel behandelt ("Entwicklung"). Als Lösungsmittel eignen sich polare Substanzen wie wässrige Alkalilösungen, Alkohol und dgl., aber auch unpolare Lösungsmittel wie Toluol und dgl., sofern sie in der Lage sind, das unpolymerisierte Kondensat aus der Schicht herauszulösen. Als besonders geeignet für das System GMP2T haben sich Ethanol, Isopropanol und Aceton erwiesen.
Anschließend werden die erhaltenen Strukturen thermisch nachgehärtet. Dies kann beispielsweise im Stundenbereich bei einer Temperatur zwischen 100°C und 170°C erfolgen.
2. Laserdirektschreiben
Die Beschichtung der Substrate, das Entwickeln der Strukturen sowie die thermische Nachhärtung erfolgt beim Laserdirektschreiben wie bei der Photolithographie. Allerdings wird anstelle einer großflächigen Lichtquelle ein eng fokussierter Laserstrahl zur direkten Belichtung des Lacks gewählt. Der Laserstrahl wird dabei auf die gewünschte Breite, beispielsweise 3 bis 50μm und insbesondere 10 bis 20μm für die beschriebenen Kanalstrukturen, fokussiert. Geschrieben wird beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 10 mm/sec. Insbesondere eine Geschwindigkeit von ungefähr 1 mm/sec. ist bevorzugt, um rißfreie, gleichmäßige Strukturen zu erzielen. Auch mit den Laserdirektschreiben können Strukturhöhen bis zu 40μm erreicht werden.
Das vorstehende Verfahren ist gegenüber der Photolithographie bezüglich der Genauigkeit, d.h. des möglichst rechtwinkligen Profils der Strukturen, zu bevorzugen, es ist jedoch wegen der geringen Schreibgeschwindigkeit erheblich teurer.
3. Prägeverfahren
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der Kanalstrukturen stellt das Prägeverfahren dar. In diesem Fall wird der Lack bevorzugt thermisch oder photochemisch vorvernetzt, um ein Verkleben mit der Prägemaske zu vermeiden.
Günstig ist eine thermische Vorbehandlung von wenigen Minuten bei etwa 80°C - 120°C. Höhere Temperaturen führen zu starker Vorvernetzung (wodurch das Eindringen der Prägemaske erschwert wird), während kürzere thermische
Vorbehandlungen das Verkleben von Maske und Schicht nicht verhindert. Als Masken können z.B. strukturierte Glas- oder Si-Masken oder Nickelbleche mit Strukturhöhen im Bereich von 40μm verwendet werden. Prägemaschinen nach Art eines Mask-Aligners sind möglich. Vorzugsweise erfolgt gleichzeitig mit der Anpressung der Maske eine Belichtung oder thermische Behandlung bei
Temperaturen bis 170°C. Anschließend wird wieder entspannt, die Maske abgezogen und die erhaltene Struktur thermisch nachgehärtet.
Mit dem vorliegenden Verfahren lassen sich Tintendruckkopfkomponenten wie Kanalwände, Kanalabdeckungen, Düsenwände, Düsenabdeckungen,
Passivierungsschichten, Düsenplatten, Tintenreservoire, Tintenfilter und dgl. erzeugen. Dafür werden die beschichteten Substrate unter Erzeugung der gewünschten Kanäle aufeinandergesetzt (Basis-Basis, Kopf-Kopf). Wenn als Substrat (Basis) identisches Material verwendet wird, läßt sich ein Tintendruckkopf aus einem einheitlichen Material erzeugen, ausgenommen die
Aktoren zur Tropfenerzeugung (Heizelement, Piezoelement, elektrodynamischer Wandler etc.). Insbesondere die Erzeugung planarer Tintendruckköpfe ist erfindungsgemäß besonders günstig.
Nachstehend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Beispiel 1 Herstellung eines Beschichtunαs-Lacks
Ausgangsverbindungen:
1. 0,4 mol g-Glycidoxypropyltrimethoxysilan (=38,6 mol-%)
2. 0,4 mol g-Methacryloxypropyltrimethoxysilan (=38,6 mol-%) 3. 0,2 mol Diphenylsilandiol (=18,9 mol-%)
4. 0,04 mol Tetraethoxysilan (=3,9 mol-%)
5. 2,37 mol Wasser
Die Komponenten 1. bis 4. werden vorgelegt und bei Raumtemperatur 18 h gerührt. Anschließend wird innerhalb von 90 min die Suspension auf ca. 70°C erwärmt. Nachdem die Suspension klar geworden ist, wird 1/4 der Wassermenge unter Beibehaltung der Heizung addiert. In Zeitabständen von ca. 20 min wird die restliche Wassermenge hinzugegeben (jeweils 1/4). Nach der vollständigen Wasserzugabe wird bei 70°C 1 h weitergerührt. Anschließend wird die Heizung entfernt, und nach dem Abkühlen ist der Lack gebrauchsfertig.
Beispiel 2
Photolithoαraphisches Erzeugen von Kanalstrukturen
Für die Erzeugung von Kanalstrukturen wird das System GMPT2 eingesetzt, das sehr gute Haftung auf den verschiedenen Substratmaterialien, auch nach Tintenlagerung, aufweist. Um große Strukturhöhen zu erhalten, wird das Lösungsmittel abdestilliert, bis ein Feststoffgehalt von 75% erreicht wird. In dem Lack werden 1 ,5 Massen-% Photoinitiator (Quantacure ITX, Shell Chemie) und 1,5 Massen-% Beschleuniger (N-Methyldiethanolamin und Diethylentriamin, Verhältnis 1 :1) gelöst und dieses System auf Substrate (Glas, Si) durch Spin-on Auftrag appliziert (600 U/min für 60 see). Die Photostrukturierung erfolgt mittels Mask-Aligner (Karl-Süss MA 45) bei einer Wellenlänge von 360 nm und einer Belichtungsintensität von 14 mW/cm2. Als optimal erweisen sich unter diesen Bedingungen Belichtungszeiten von ca. 10 see. Die Entwicklung der belichteten Strukturen erfolgt durch Sprühentwicklung mit Ethanol (Dauer: 10 see). Die erhaltenen Strukturen werden 10 h bei 120°C gehärtet. Diese Strukturen sind in den Figuren 2 bis 4 (REM und Profiiometermessungen) charakterisiert. Mit dem beschriebenen Verfahren können rißfreie Strukturhöhen bis zu 30μm in einem Schritt realisiert werden. Diese Strukturen weisen eine hohe
Kantensteilheit auf, besitzen gute Substrathaftung sowie die erforderliche Tintenlagerungsstabilität. Deshalb und aufgrund ihrer Temperaturstabilität bis 270°C (thermogravimetrische Bestimmung an Luft) sind sie sehr gut für die Anwendung als Kanalstrukturen für Tintenstrahldruckköpfe geeignet.
Beispiel 3
Erzeugen von Kanalstrukturen mit Hilfe von Laserdirektschreiben
Die Beschichtung der Substrate, das Entwickeln der Strukturen sowie die thermische
Nachhärtung für das Laserdirektschreiben erfolgt wie in Beispiel 2 beschrieben. Als Werkstoff wird wiederum das System GMPT2 gewählt, die Konzentration an Photoinitiator beträgt 0,05 Gew.-% (Irgacure 184, Firma Ciba-Geigy bzw. Quantacure ITX), die Laserwellenlänge liegt bei 360 nm, die Laserleistung beträgt vor der Fokussierung 1,41 - 2,28 mW (variabel; 1 mm Strahldurchmesser). Der Laserstrahl wird auf ca. 10 - 15μm fokussiert. Geschrieben wird mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/sec. In den Figuren 5 und 6 ist eine solche lasergeschriebene Strukturierung sowie die dazugehörige Profilometermessung dargestellt. Die Verdickungen an den Ecken ist auf das Verharren des Laserstrahls bei dem Richtungswechsel zurückzuführen. Die Strukturhöhe beträgt 20μm.
Beispiel 4
Prägeverfahren
Für das Prägen von Kanalstrukturen wird ebenfalls das System GMP2T verwendet (s. Beispiel 2). Auftragsbedingungen (Glassubstrate) und Härtung (photochemisch und thermische Nachhärtung) sind im obigen Beispiel beschrieben. Das Prägeverfahren erfordert eine thermische Vorbehandlung der aufgebrachten Beschichtung. Die günstigsten Vorhärtebedingungen sind thermische Vorbehandlungen bei ca. 80°C (5 min). Erhöhung der Temperatur führt zu starker Vorvernetzung (schlechtes Eindringen der Prägemaske als Folge), während kürzere thermische Vorbehandlung zum Verkleben von Maske und Schicht führt. Als Masken werden strukturierte Glas- bzw. Si-Masken mit Strukturhöhen bis zu 40μm verwendet. Diese Masken werden nach der Vorhärtung der Schicht auf diese gelegt und mit einem Druck von ca. 1 kg/cm2 angepreßt, wobei belichtet wird (ca. 10 see, 14 mW/cm.2 Dej 3ßo nm). Anschließend wird wieder entspannt, die Maske abgezogen und die erhaltene Struktur bei 120°C für 10 Stunden nachgehärtet.
Claims
1. Tintenstrahldruckkopf, dadurch gekennzeichnet, daß er eine oder mehrere Komponenten aus einem polymeren Werkstoff aufweist, welcher hergestellt ist s aus im wesentlichen oder unter Verwendung von mindestens einer Verbindung
xaRbSiR'(4-a-b) I
mit X = hydrolysierbare Gruppe o R = gegebenenfalls substituiertes Alkyl, Aryl, Alkenyl,
Alkylaryl oder Arylalkyl, R'= organischer Rest mit mindestens einer polymerisierbaren Gruppe, a = 1 bis 3 b = 0 bis 2. 5
2. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die
Komponenten ausgewählt sind unter Kanalstrukturen, Substraten, Düsenplatten, Düsen, Tintenreservoiren und Tintenfiltern.
0 3. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung I mit einer der Photopolymerisation zugänglichen Gruppe und eine Verbindung I mit einer thermisch vernetzbaren Gruppe oder eine Verbindung I, die sowohl eine der Photopolymerisation zugängliche Gruppe als auch eine thermisch vernetzbare Gruppe enthält, für die Herstellung eingesetzt 5 wurden.
4. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung I mit einer ggf. substituierten Vinyloxyalkyl-Gruppe und eine Verbindung I mit einer ggf. substituierten Alkylenoxid-oxyalkylgruppe für die 0 Herstellung eingesetzt wurden.
5. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 4, worin der polymere Werkstoff hergestellt ist unter Verwendung von Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Diphenylsilandiol und Tetraethoxysilan. 5
6. Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahldruckkopfes, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Komponente(n) des Kopfes aus einem polymeren Werkstoff hergestellt wird/werden, welcher unter Verwendung mindestens einer Verbindung I
xaRbSiR'(4-a-b) '
mit X = hydrolysierbare Gruppe
R = gegebenenfalls substituiertes Alkyl, Aryl, Alkenyl, Alkylaryl oder Arylalkyl,
R'= organischer Rest mit mindestens einer polymerisierbaren Gruppe, a = 1 bis 3 b = 0 bis 2
oder aus im wesentlichen mindestens einer Verbindung I erzeugt wurde.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente(n) erzeugt werden, indem der Werkstoff in Form eines Lacks aus der bzw. den durch Wasserzugabe vorkondensierten Ausgangsverbindung(en), dem ein Photoinitator und ggf. ein Beschleuniger beigemischt ist, auf Substraten aufgebracht wird, der
Lack, ggf. nach Vorbehandlung, strukturiert wird und anschließend die Substrate ggf. zusammengesetzt werden, so daß eine dreidimensionale Struktur entsteht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lack vor dem Aufbringen auf den Substraten auf einen Feststoffgehalt von mindestens 50%-
Gewicht gebracht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lack im Spin-on-Verfahren auf den Substraten aufgetragen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Strukturierung des Lacks unter Zuhilfenahme der folgenden Schritte erfolgt:
Belichten der gewünschten Teile des Lacks, - Auswaschen unbelichteter Teile des Lacks mit einem Lösungsmittel, thermisches Nachhärten der gebildeten Strukturen, wobei der polymere Werkstoff entsteht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Belichten mit einer flächigen Lichtquelle erfolgt, wobei die Teile des Lacks, die nicht belichtet werden sollen, mit Hilfe einer Maske vor dem Bestrahlen geschützt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Belichten durch Laserdirektschreiben mit einem fokussierten Laserstrahl erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung des Lacks unter Zuhilfenahme der folgenden Schritte erfolgt: - ggf. thermisches oder photochemisches Vorbehandeln, mechanisches Eindrücken der gewünschten Strukturen in den Lack, Belichten mindestens der nicht vertieften Teile des Lacks, thermisches Nachvernetzen der gebildeten Strukturen.
14. Verwendung eines polymeren Werkstoffs, der hergestellt ist aus im wesentlichen oder unter Verwendung von mindestens einer Verbindung I
xaRbSiR'(4-a-b) '
mit X = hydrolysierbare Gruppe
R = gegebenenfalls substituiertes Alkyl, Aryl, Alkenyl, Alkylaryl oder Arylalkyl,
R'= organischer Rest mit mindestens einer polymerisierbaren Gruppe, a = 1 bis 3 b = 0 bis 2
als Material für Tintenstrahldruckköpfe oder Tintenstrahldruckkopfkomponenten.
15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Tintenstrahldruckkopf-Komponenten ausgewählt sind unter Kanalwänden,
Kanalabdeckungen, Düsenwänden, Düsenabdeckungen, Passivierungsschichten, Düsenplatten, Tintenreservoiren und Tintenfiltern.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AK | Designated states |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): CA US |
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| ENP | Entry into the national phase |
Ref document number: 2230636 Country of ref document: CA Ref country code: CA Ref document number: 2230636 Kind code of ref document: A Format of ref document f/p: F |
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| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 09029350 Country of ref document: US |