KR100453047B1 - 잉크 젯 프린트 헤드 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 관해 기술된다. 잉크젯프린트헤드는: 상면에 잉크챔버가 형성되어 있고, 잉크챔버의 바닥에 잉크챔버로 잉크를 공급하기 위한 유로가 형성되어 있는 기판과; 잉크챔버의 중심에 대응하는 노즐이 관통 형성되는 있는 것으로 상기 기판 상에 형성되는 적어도 두개의 절연층에 의한 노즐판; 상기 노즐판의 내면에서 형성되며, 상기 노즐로부터 상기 잉크 챔버 측으로 연장되는 버블가이드; 그리고 상기 절연층의 사이에서 상기 노즐을 에워싸도록 마련되는 히터를; 구비하며, 상기 노즐판의 최상층 표면에는 소수성 코팅막이 형성되며, 상기 소수성 코팅막에는 상기 노즐판의 노즐에 비해 작은 직경을 가지며 상기 노즐과 동축 상에 위치하는 액적 토출구가 형성되는 구조를 가진다. 노즐판에 대한 잉크에 의한 젖음이 방지되고, 노즐에서 의한 잉크 분사의 안정성과 연속분사 성능이 향상되며, 따라서 잉크젯 프린터 헤드의 인쇄 품질 및 인쇄 성능이 향상된다.

Description

잉크 젯 프린트 헤드 및 이의 제조 방법{Ink jet print head and manufacturing method thereof}
본 발명은 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세히는 잉크젯 프린트 헤드를 제조하는 과정 중 노즐판의 소수화(anti-wetting) 및 노즐의 가공 방법에 관한 것이다.
잉크 젯 프린터의 잉크 토출 방식으로는 열원을 이용하여 잉크에 기포(버블)를 발생시켜 이 힘으로 잉크를 토출시키는 전기-열 변환 방식(electro-thermal transducer, 버블 젯 방식)과, 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적 변화에 의해 잉크를 토출시키는 전기-기계 변환 방식(electro-mechanical transducer)이 있다.
전기-열 변환 방식(electro-thermal transducer, 버블젯 방식)에는 버블의 성장방향과 잉크 액적(液滴, droplet)의 토출 방향에 따라 탑-슈팅(top-shooting),사이드-슈팅(side-shooting), 백-슈팅(back-shooting) 방식으로 분류된다. 여기서 탑-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 동일한 방식이고, 사이드 슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 직각을 이루는 방식이고 그리고 백-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 서로 반대인 잉크 토출 방식을 말한다. 이러한 형태들의 잉크 젯 프린트 헤드는 공통적으로 잉크 액적이 토출되는 노즐(오리피스)를 가지는 노즐판을 구비한다. 노즐판은 기록용지에 직접 대면하는 것으로서 노즐을 통해서 토출되는 잉크 액적의 토출에 영향을 미칠수 있는 여러가지의 인자를 가진다. 이들 인자 중에는 노즐판의 표면의 소수성(疏水性, hydrophobic)이다. 소수성이 작을 경우 즉, 친수성(親水性)을 가지는 경우 노즐을 통해 토출되는 잉크의 일부가 노즐판의 표면으로 스며 나와 노즐판의 표면을 오염시킬 뿐 아니라 토출되는 잉크 액적의 크기, 방향 및 속도 등이 일정치 않은 문제가 발생된다. 이러한 문제를 개선하기 위하여 노즐판의 표면에는 소수화 처리를 위한 코팅층이 형성된다.
도 1은 노즐판의 표면이 소수화 처리된 백슈팅 방식의 잉크 젯 프린트 헤드(10)의 개략적 발췌 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 기판(11)의 상면 중앙에 반구형의 챔버(14)가 형성되어 있고, 그 하부에는 사각 채널형 매니폴드(17)가 형성되어 있고, 챔버(14)와 매니폴드(17)는 유로(16)를 통해 연결되어 있다. 기판(10)의 상면에는 다층구조의 노즐판(12)이 형성되어 있다. 노즐판(12)은 기판(10)에 형성되는 적층에 의해 형성되는 멤브레인으로서 상기 챔버(14)의 정중앙에 위치하는 노즐(또는 오리피스, 18)이 형성되어 있고, 노즐(18)의 둘레에는 챔버(14) 안쪽으로 연장되는 버블 가이드(14a)가 형성되어 있다. 상기 노즐판(12)은 하부 절연층(12a), 중간절연층(12b) 및 상부절연층(12c)을 포함한다. 하부 절연층(12a)가 중간절연층(12b)의 사이에는 상기 노즐(18)을 에워싸는 히터(13)가 형성되어 있고, 중간 절연층(12b)과 상부 절연층(12c)의 사이에는 상기 히터(13)에 연결되는 배선층(15)이 형성되어 있다. 상기와 같은 구조에서, 상기 상부 절연층(12c)는 단일층또는 다중 적층으로 구성되어 있고 이 위에는 상술한 소수성 코팅막(19)이 형성되어 있다. 소수성 코팅막(19)은 적어도 노즐(18) 주위 표면에 형성되는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 코팅막으로는 도금된 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd) 또는 탄탈륨(Ta) 등과 같은 금속과 FC(fluoronated carbon), F-Silane 또는 DLC(Diamond like carbon) 등과 같은 소수성이 뛰어난 과플루오르화(perfluoronated) 알켄 및 실란 화합물이 사용된다. 소수성 코팅막은 스프레이 코팅이나 스핀 코팅과 같은 습식법에 의해 형성될 수도 있으며, PECVD, 스퍼터링(Sputtering) 등과 같은 건식법을 사용하여 증착하게 된다. 상기 소수성 코팅막(19)은 노즐(18)과 챔버(14) 등이 이미 형성된 상태에서 형성되게 되는데, 이때에 소수성 물질이 노즐(18)을 통해 챔버(14)에 까지 침입하여 챔버(14)의 바닥면 전체 또는 일부분에 소수성 물질막(19')이 형성되며 심한 경우 이 소수성 물질막(19')이 매니폴드(17)로 이어지는 유로(16)의 내벽에도 형성될 수 있다. 이와 같이 소수성 물질막이 챔버와 유로의 내면에 형성되면 친수성 잉크를 배척하는 소수성 물질의 소수성에 의해 챔버(14) 내로의 잉크 공급이 원활하지 않으면 어떤 경우에는 공급자체가 되지 않을 수 있다. 따라서 소수성 물질을 노즐판(12)의 표면에 형성한 후 챔버(14)와 유로(16) 내에 형성된 소수성 물질막을 후속되는 O2플라즈마 식각공정에 의해 제거하도록 하고 있다. 그러나 챔버 내의 소수성 물질이 O2플라즈마에 의해 제거되는 과정에서 노즐판(12) 특히 노즐판(12)의 표면에 형성된 소수성 코팅막(19)이 O2플라즈마에 과다하게 노출되어 심하게 손상되는 문제가 발생될 수 있다.
또한, 도 1a에 도시된 바와 같이, 노즐 전체의 형태가 버블 가이드(18a)의 종단으로 부터 점차 확개되는 펀넬(funnel)형을 가진다. 이와 같이 확개되는 구조는 히터, 배선층 등이 포함되는 하부 적층물의 구조적 프로파일에 의해 형성된다.
이러한 확개된 부분은 버블 가이드를 통해 안내된 잉크가 액적의 상태로 분리되면서 토출되는 부분이다. 이러한 확개된 잉크 토출부분에서 액적 토출시 액적이 완전히 노즐로 부터 완전히 분리되어 벗어나기 전에 이미 압력 저하가 나타나고 따라서 바람직한 형태와 높은 속도의 액적을 형성하기 어렵게 된다. 또한, 충분한 진행 거리를 진행하면서 액적의 진행 방향이 안내되지 않은 상태에서 확개된 부분을 통과하기 때문에 토출된 액적의 안정된 직진성을 얻기 어려운 문제가 있다.
도 1b는 상기와 같이 개구단(opening end)이 펀넬과 같은 형태로 점차적으로 확개되는 노즐의 형태를 가지도록 실제 제작된 종래 잉크 젯 프린트 헤드의 개략적 단면 구조를 보이는 SEM(secondary electron microscopy) 사진이다.
도 1b에 도시된 바와 같이 버블가이드를 지나서 노즐이 확개됨을 알수 있다. 이러한 노즐의 확개에 의해 액적의 직진성 악화, 바람직하지 못한 형태의 액적 발생 그리고 노즐의 형태에 기인한 유체역학적 결과인 낮은 액적의 토출속도를 개선하기 위해서는 버블가이드와 이에 연장되는 확개부가 연속적으로 일정한 직경을 가지게 하거나, 오히려 버블가이드에 연속된 노즐의 개구부가 펀넬형이 아닌 상협 하광의 절추 원추형으로서 액적진행 방향으로 점차 감소되게 하는 것이 필요하다.
본 발명은 소수성 코팅층의 효과적인 설계 및 형성방법에 의해 토출속도 및 직진성 등의 액적 토출 성능이 보다 향상된 잉크 젯 프린트헤드 및 이를 제작하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1a 은 종래 잉크 젯 프린트 헤드의 제조 방법에 있어서, 소수성 코팅막의 형성 방법을 설명하기 위한 잉크 젯 프린트 헤드의 개략적 단면도.
도 1b는 실제 제작된 종래 잉크 젯 프린트 헤드의 단면 구조를 보인 SEM 사진이다.
도 2a는 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드의 제1실시예의 개략적 단면도이다.
도 2b은 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드의 제2실시예의 개략적 단면도이다.
도 2c는 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드의 제3실시예의 개략적 단면도이다.
도 3a 내지 도 3k 은 도 2a, 2b, 2c에 개시된 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드들을 제조하는 공통된 과정을 보인 공정도이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 2a에 도시된 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드의 제1실시예를 제조하는 후속 공정도이다.
도 5a 내지 도 5d는 도 2b에 도시된 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드의제3실시예를 제조하는 후속 공정도이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 2c에 도시된 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드의 제31실시예를 제조하는 후속 공정도이다.
도 7a 는 도 2b에 도시된 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드를 제조하는 공정 중, 도 5a의 공정에 대응되는 SEM 사진이다.
도 7a 는 도 2b에 도시된 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드를 제조하는 공정 중 도 5c에 대응되는 SEM 사진이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드는,
그 상면에 소정 용적의 잉크챔버가 형성되어 있고, 잉크챔버의 바닥에 잉크챔버로 잉크를 공급하기 위한 유로가 형성되어 있는 기판과;
상기 잉크챔버의 중심에 대응하는 노즐이 관통 형성되는 있는 것으로 상기 기판 상에 형성되는 적어도 두개의 절연층에 의한 노즐판,
상기 노즐판의 내면에서 형성되며, 상기 노즐로부터 상기 잉크 챔버 측으로 연장되는 버블가이드,
상기 절연층의 사이에서 상기 노즐을 에워싸도록 마련되는 히터를; 구비하며,
상기 노즐판의 최상층 표면에는 소수성 코팅막이 형성되며,
상기 소수성 코팅막에는 상기 노즐판의 노즐에 비해 작은 직경을 가지며 상기 노즐과 동축 상에 위치하는 액적 토출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 잉크 젯 프린트 헤드가 제공된다.
상기 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드에 있어서, 한 실시예에 따르면, 상기 액적 토출구는 액적 진행방향으로 점차 축소되는 직경을 가지며, 다른 실시예에 따르면, 상기 액적 토출구는 원통형으로서 상기 노즐판의 버블가이드의 내부에까지 소정길이 연장된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 소수성 코팅막은 포토레지스트에 의해 형성되며, 더욱 바람직하기는 네가티브 포토레지스트에 의해 형성된다.
또한 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법은:
상부가 개방된 소정 체적의 잉크 챔버를 갖춘 기판; 기판 상에 마련되며, 상기 잉크 챔버의 개방된 부분에 대응하는 노즐과, 노즐의 중심축을 에워싸는 히터, 히터에 전기적으로 연결되는 배선층, 히터와 배선층을 보호하는 다중의 절연층에 의한 적층을 포함하는 노즐판을 구비하는 잉크 젯 프린트를 제조하는 방법에 있어서,
가) 기판 상에, 상기 다중 절연층에 의한 적층과; 상기 적층에 매립되며 상기 노즐의 중심축을 감싸는 히터; 그리고 상기 히터에 연결되는 배선층을; 포함하는 노즐판을 상기 기판 상에 형성하는 단계;
나) 상기 중심축 상에 상기 노즐판을 관통하여 상기 기판에 소정 깊이까지 연장되는 소정 직경과 깊이를 가지는 우물을 형성하는 단계;
다) 상기 우물의 내벽에 소정 두께의 통형 버블 가이드를 형성하는 단계;
라) 상기 우물 내에 희생층을 채워 넣는 단계;
마) 상기 노즐판과 상기 희생층의 상면 전체에 포토레지스트에 의한 소수성 코팅층을 형성하는 단계;
바) 상기 버블 가이드보다 작은 직경을 가지며 버블가이드와 동축 상에 위치하는 관통공형 액적 토출부를 상기 소수성 코팅층에 형성하는 단계;
사) 상기 액적 토출부를 통하여 식각액을 주입하여 상기 우물 내의 희생층을 제거하는 단계;
아) 상기 액적 토출부를 통해 버블 가이드를 경유하는 식각액을 주입하여, 상기 식각액에 의한 기판의 식각에 의해 소정 체적의 잉크 챔버를 상기 버블 가이드의 둘레와 하부에 형성하는 단계;
자) 상기 잉크 챔버로 통하는 잉크 공급 유로를 상기 기판에 형성하는 단계;를 포함하는 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법이 제공된다.
상기 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법에 있어서, 본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 라)단계에서 상기 희생층을 형성함에 있어서, 상기 우물내에서 상기 버블 가이드 보다 낮은 높이로 상기 희생층을 형성하고, 따라서, 상기 마) 단계에서 소수성 코팅막이 형성되었을 때에 소수성 코팅막이 상기 버블 가이드의 상단에서 소정 폭 겹쳐지게 확장 형성되도록 한다. 또한, 다른 실시예에 따르면, 상기 라) 단계에서 상기 희생층의 상면이 둥글게 오목한 오목면(concave)의 형태를 가지도록 형성한다.
상기 본 발명의 잉크젯프린트 헤드의 제조방법에 있어서, 상기 희생층은 광분해성 포지티브 포토레지스트로 형성하는 것이 바람직하며, 또한 상기 소수성 코팅층은 광경화성 네가티브 포토레지스트로 형성하는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드와 이의 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2a는 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드의 제 1 실시예의 개략적 단면도이다. 도 2a에 도시된 잉크 젯 프린트 헤드의 특징은 노즐판(120)의 내면에 액적이 토출되는 노즐(180)의 일부분인 원통형 버블 가이드(181)가 형성되어 있고, 그리고 노즐판(120)의 표면에는 상기 노즐(180)과 동축 상에 마련되는 상대적으로 작은 직경의 액적 토출부(191)가 형성된 소수성 코팅막(190)이 형성된 점에 있다. 즉, 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드는 노즐에 버블가이드가 마련되고, 노즐의 바깥쪽에 노즐 또는 버블 가이드 보다 작은 직경의 액적 토출부가 마련되어 액적 토출 성능이 향상된다.
또한, 소수성 코팅막이 노즐판에 형성되어 있기 때문에 노즐표면의 잉크에 의한 젖음 현상이 방지되고, 따라서 기록용지의 오염 및 인쇄 품질을 저하를 억제한다.
그리고 소수성 코팅막 자체에 버블 가이드에 비해 작은 직경의 액적 토출부가 마련됨으로서 액적 토출 성능을 향상시킬 뿐 아니라, 액적 토출부의 소수성에 의해 잉크가 분사된 후 노즐(또는 버블 가이드)의 출구에 형성되는 메니스커스(meniscus)도 빠르게 안정되어 기포가 잉크 챔버 내로 혼입되는 것을 방지한다. 이러한 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드는 버블가이드와 좁게 축소된 액적 토출부에 의해 액적의 토출 방향이 정확하게 유지되게 된다.
잉크 챔버 내에 소수성 물질이 존재하지 않는다고 하는 점은 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드의 기술적 범위를 제한하는 것은 아니며, 후술되는 본 발명의 제조방법에 따른 결과인 것이다.
도 2a를 참조하면서 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드(100)의 제 1 실시예의 구조를 보다 상세히 살펴본다.
도 2a을 참조하면, 기판(110)의 상면 중앙에 반구형의 잉크 챔버(140)가 형성되어 있다. 반구형 챔버(140)의 하부에는 사각 채널형 매니폴드(170)가 형성되어 있고, 잉크 챔버(140)의 바닥에 형성된 유로(170)를 통해 매니폴드(170)로 부터의 잉크가 상기 잉크 챔버(140)로 공급된다. 기판(110)의 상면에는, 배슈팅 방식의 구조적 특징에 따라 다중의 절연층에 의한 다층 구조의 노즐판(120)이 마련되어 있다. 노즐판(120)은 기판(100)의 표면으로 부터 순차적으로 형성되는 적층들에 의해 형성되는 멤브레인이다. 상기 노즐판(120)에는 상기 챔버(140)의 정중앙에 위치하는 노즐(180)이 형성되어 있다. 여기에서 노즐(180)은 본 발명의 특징에 따라 원통형 버블 가이드(181)을 포함한다. 또한, 상기 노즐(180)은 소수성 코팅막(19)에 형성된 액적 토출부(191)를 포함한다. 즉, 상기 노즐(180)은 상기 노즐판(120) 및 소수성 코팅층(190)을 관통하여 형성되며, 그리고 잉크 챔버로 연장되는 버블가이드(181)에 의해 노즐판(120)의 두께에 비해 길게 연장된 액정 진행 경로를 가진다. 이와 같이 노즐(180)의 일부인 소수성 코팅층(190)의 액적 토출부(191)는본 실시예 및 이하에서 설명되는 실시예들에 있어서 편의상 상기 액적 토출부(191)를 노즐과는 설명된다.
상기와 같은 노즐(180)이 형성되는 노즐판(120)은 제 1 절연층(120a), 제 2 절연층(120b) 및 제 3 절연층(120c)을 포함한다. 또한 상기 제 1 절연층(120a)과 제 2 절연층(120b)의 사이에 상기 노즐(180)을 에워싸도록 형성하는 히터(130)도 같이 포함한다. 상기 히터(130)는 제1절연층(120a)과 제2절연층(120b)사이에서 노즐(180)에 인접하게 형성된다. 제 2 절연층(120b)과 제 3 절연층(120c)의 사이에는 상기 히터(130)에 연결되는 배선층(15)이 형성되어 있다. 상기와 같은 구조에서, 상기 상부 절연층(12c)는 단일층이 아닌 패시베이션층(passivation layer)을 포함하는 다중 적층의 형태로 형성될 수 있고, 이 위에는 상기 소수성 코팅막(190)이 형성되어 있다. 소수성 코팅막(190)은 노즐판(120) 상면 전체에 형성되며, 노즐(180) 또는 버블가이드(181)의 직경 보다 작은 직경을 가지며 이와 동축상에 마련되는 액적 토출부(191)을 포함한다. 도 2a에서 참조번호 122는 상기 히터(130)에 전기적으로 연결되는 패드이다.
도 2b는 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드의 제 2 실시예의 개략적 단면도이다. 본 실시예는 소수성 코팅층(190)에 형성된 액적 토출부(191a)가 액적 진행 방향으로 점차 좁아지는 상협하광의 절두 원추형 구조를 가진다. 제2실시예의 구조에서도 역시 제1실시예에서와 마찬가지로 액적 토출부(191a)의 직경이 노즐(180) 또는 버블가이드(181)의 직경보다 작다. 기판(110)의 상면 중앙에 반구형의 잉크 챔버(140)가 형성되어 있고, 반구형 챔버(140)의 하부에는 유로(170)에 의해 반구형 챔버(140)에 연결되는 사각 채널형 매니폴드(170)가 형성되어 있다. 기판(110)의 상면에는, 기판(100)의 상면에 순차적으로 형성되는 다중의 절연층(120a, 120b, 120c)에 의한 다층 구조의 노즐판(120)이 마련되어 있다. 상기 노즐판(120)에는 상기 챔버(140)의 정중앙에 위치하는 노즐(180)이 형성되어 있고, 노즐판(120)의 내면에는 원통형 버블 가이드(181)가 형성되어 있다.
노즐판(120)의 제 1 절연층(120a)과 제 2 절연층(120b)의 사이에 상기 노즐(180)을 에워싸도록 형성하는 히터(130)가 위치하며, 제 2 절연층(120b)과 제 3 절연층(120c)의 사이에는 상기 히터(130)에 연결되는 배선층(15)이 형성되어 있다. 상기와 같은 구조에서, 상기 제3 절연층(12c) 위에는 소수성 코팅막(190)이 형성되어 있고, 소수성 코팅막(190)은 노즐판(120) 상면 전체에 형성되며, 노즐(180) 또는 버블가이드(181)의 직경 보다 작은 직경을 가지며 이와 동축상에 마련되는 절두 원추형의 액적 토출부(191a)를 포함한다.
도 2c는 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드의 제 3 실시예의 개략적 단면도이다. 본 실시예는 소수성 코팅층(190)와 일체를 이루며, 노즐(180) 또는 버블 가이드(181)의 내측으로 소정 길이 연장되는 원통형 액적 토출부(191b)를 갖춘다. 따라서, 제3실시예의 구조에서도 역시 제1, 2실시예에서와 마찬가지로 액적 토출부(191b)의 직경이 노즐(180) 또는 버블가이드(181)의 직경보다 작다. 기판(110)의 상면 중앙에 반구형의 잉크 챔버(140)가 형성되어 있고, 반구형 챔버(140)의 하부에는 유로(170)에 의해 반구형 챔버(140)에 연결되는 사각 채널형 매니폴드(170)가 형성되어 있다. 기판(110)의 상면에는, 기판(100)의 상면에 순차적으로 형성되는 다중의 절연층(120a, 120b, 120c)에 의한 다층 구조의 노즐판(120)이 마련되어 있다. 상기 노즐판(120)에는 상기 챔버(140)의 정중앙에 위치하는 노즐(180)이 형성되어 있고, 노즐판(120)의 내면에는 원통형 버블 가이드(181)가 형성되어 있다. 노즐판(120)의 제 1 절연층(120a)과 제 2 절연층(120b)의 사이 및 제 2 절연층(120b)과 제 3 절연층(120c)의 사이에는 각각 히터(130)와 배선층(15)이 형성되어 있다.
이하 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법의 실시예들을 상세히 설명한다. 여기에서, 본 발명의 제조방법에 응용되는 성막 방법, 패터닝방법은 기존에 알려진 방법으로서 특정하게 명시되지 않는 한 본 발명의 기술적 범위를 제한하지 않는다. 그리고, 이하에서는 상기 실시예 1, 2, 3의 제작하는 본 발명에 따른 잉크 젯 프린터헤드의 제조방법의 실시예가 각각 설명되며, 이때에 공통적인 부분이 먼저 설명되고, 그리고 개별적인 과정이 각각 설명된다.
실시예들의 공통적인 제조과정
도 3a에 도시된 바와 같이 Si 웨이퍼 등의 기판(110)의 표면에 PE-CVD 법등에 의해 실리콘 옥사이드 제1절연막(120a)를 형성한 후 그 위에 환형 또는 오메가형의 히터(130)를 형성한다. 상기 히터(130)는 노즐 형성위치(A)의 중심축(Y - Y)을 에워싸는 다양한 형태를 가질 수 있다. 상기 히터(130)는 폴리실리콘(poly silicon)의 증착, 불순물 도핑 및 마스크 형성 및 RIE (reactive ion etching)등에 의한 패터닝 과정을 통해 형성된다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110)의 상면에 CVD(chemicla vapor deposition) 법 등에 의해 실리콘 나이트라이드(SiNx) 등의 제2절연층(120b)을 형성한다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 제2절연층(120b)에 대한 포토리소그래피(photo lithography) 공정을 통해 상기 히터(130)에 대한 전기적 접속을 위한 콘택홀(121b)를 형성한다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 제2절연층(120b) 상에 배선층(150)을 형성한다. 배선층(150)의 형성과정은 스퍼터링 장치에 의한 알루미늄 또는 알루미늄 합금 증착, 마스크 형성 및 식각 과정을 갖는 포토리소그래피 공정을 통한 패터닝 공정을 수반한다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 적층 위에 제3절연층(120c)을 형성한다. 이에 따라 히터(130)의 상부 중앙에 오목한 노즐 형성 영역(A)이 상기와 같은 적층구조에 따른 결과물로서 나타나게 된다. 이때에는 제 3 절연층(120c)은 IMD(inter-metal dielectric)인 것이 바람직하다. 제 3 절연층(120c)은 히터(130)를 보호하는 것이므로 히터를 보호하기 위한 충분한 두께를 가지는 것이 필요하다. 따라서 제 3 절연층(120c) 상에 PE-CVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)를 통해 실리콘 옥사이드를 형성하여 제 3 절연층(120c)을 보다 더 두껍게 형성할 수 있다.
도 3f에 도시된 바와 같이, 상기 제 3 절연층(120c) 상에 노즐 형성 영역(A)에 대응하는 윈도우(202)를 가지는 포토레지스트 마스크층(201)을 형성한 후 RIE 법 등에 의해 기판(110) 위의 절연층 부분을 제거한다.
도 3g에 도시된 바와 같이, ICP RIE 등을 이용해 노즐형성영역(A)에 있는 기판(110) 부분을 소정 깊이 에칭한다. 이러한 과정을 통해 상기 절연층과 기판의 에칭부분에 의한 우물(203)이 형성된다. 우물(203)이 형성된 후에는 상기 마스크층(201)을 제거한다.
도 3h에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110) 상의 적층 위에 PE-CVD 법에 의해 TEOS(Tetraethoxysilane)를 증착하여 버블가이드 형성용 박막층(181a)을 형성한다. 이때에 박막층(181a)은 적층의 최상층과 상기 우물(203)의 내벽 및 바닥 전체에 소정 두께로 형성된다.
도 3i에 도시된 바와 같이, RIE 등의 건식 에칭법에 의해 상기 우물(203)의 내벽을 제외한 나머지 부분의 TEOS 박막층(181a)을 제거하여 버블가이드(180a)를 완성한다.
도 3j에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 저면에 선행된 성막 공정을 통해 형성된 박막을 연마한 후 여기에 매니폴드 형성용 윈도우(205)를 가지는 마스크층(204)을 형성한다.
도 3k에 도시된 바와 같이, 상기 마스크층(204)의 윈도우(205)를 통해 노출된 기판 부분을 소정 깊이로 이방성 에칭을 행하여 매니폴드(170)를 형성한다.
여기까지가 전술한 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드의 제1, 2, 3 실시예를 제작하는 공통적인 과정이며, 이하에서는 각 실시예를 위한 제작 공정을 각각 설명한다.
제 1 실시예의 개별 과정
도 4a 에 도시된 바와 같이 버블 가이드(180) 내부를 포토레지스트로 완전히 채워 넣어 버블 가이드(180)의 내부에 희생층(206)을 형성한다. 이때에 포토레지스트는 포지티브형, 예를 들어 클라이언드(clarient)의 AZ 1512, AZ 1518, AZ 4330, AZ 4903, AZ 9260 중의 어느 하나를 적용하는 것이 바람직하며, 포토 레지스트의 스핀코팅, 노광, 현상에 의해 버블 가이드(180) 내에 포토레지스트를 채워 넣은 후 120도 정도의 온도에서 약 30분 동안 하드 베이킹(hard baking)을 실시한다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 노즐판(120)의 상면 전체에 폴리이미드 또는 마이크로 캠(microchem.)의 SU-8 등에 의한 소수성 코팅층(190)을 스핀코팅법 등에 의해 형성한다. 그리고 포토리소그래피법에 의해 소수성 코팅층(190)에, 버블가이드(181)의 정중앙에 위치하며, 버블 가이드(181) 보다 작은 직경의 관통공형 액적 토출부(191)를 형성한다. 액적 토출부(191)가 형성된 이후에 상기 소수성 코팅층(190)을 하드 베이킹하여 이를 고형화한다.
도 4c에 도시된 바와 같이 버블 가이드(181) 내의 희생층(206)을 습식 식각에 의해 제거한 후, 건식 에칭 장치 예를 들어 XeF2에칭장치에 의해 상기 버블가이드(181)로 에칭가스를 공급하여 소정 깊이의 반구형 잉크챔버(140)를 버블 가이드(181) 주위에 형성한다. 이에 이어 상기 잉크챔버(140)의 바닥에 건식 에칭법에 의해 유로(160)를 형성하여 도 2a에 도시된 형태의 잉크 젯 프린트 헤드를 얻는다.
제 2 실시예의 개별 과정
도 5a 에 도시된 바와 같이 버블 가이드(180) 내부에 포토레지스트를 채워넣어 버블 가이드(180)의 내부에 희생층(206a)을 형성한다. 이때에 희생층(206a)의 상부에 오목렌즈와 같이 둥글게 오목한 오목부(206a')가 형성되도록 한다. 이때에 포토레지스트는 포지티브형, 예를 들어 클라이언트의 AZ 1512, AZ 1518, AZ 4330, AZ 4903, AZ 9260 중의 어느 하나를 적용하는 것이 바람직하며, 포토 레지스트의 스핀코팅, 노광, 현상에 의해 버블 가이드(180) 내에 포토레지스트를 채워 넣은 후 120도 정도의 온도에서 약 30분 동안 하드 베이킹(hard baking)을 실시한다. 도 7a는 실제 제작과정 중, 상기 희생층(206a)의 상부에 오목부가 형성된 상태를 보이는 SEM 사진이다. 상기와 같은 오목부(206a')의 형상은 포토레지스트의 점도, 스핀코팅 시 회전속도 등의 적절한 조절에 의해 쉽게 얻을 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 희생층(206a)의 상부 오목부(206a')를 포함하여 상기 노즐판(120)의 상면 전체에 소수성 코팅층(190)을 스핀 코팅법 등에 의해 소정 두께로 형성한다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 그리고 포토리소그래피법에 의해 소수성 코팅층(190)에, 버블가이드(181)의 정중앙에 위치하며, 버블 가이드(181) 보다 작은 직경의 관통공형 액적 토출부(191)를 형성한다. 액적 토출부(191)가 형성된 이후에 상기 소수성 코팅층(190)을 하드 베이킹하여 이를 고형화한다. 도 7b는 실제 제작과정 중, 관통공형 액적 토출부(191a)가 형성된 상태를 보이는 SEM 사진이다. 도시된 바와 같이 관통공형 액적 토출부는 버블 가이드에 비해 작은 직경을 가지며, 그리고 액적 진행방향으로 점차 축소되는 상협하광의 절두원추형임을 알수 있다. 이러한 형태는 소수성 코팅층을 반용융상태까지의 가열에 의한 베이킹 과정에서 소수성 코팅층의 부분, 특히 예리하게 잔류하는 노즐 주위의 부분이 표면 에너지를 감소하는 방향으로 수축함으로서 일어나는 것으로 보인다.
도 5d에 도시된 바와 같이 상기 버블 가이드(181) 내의 희생층(206a)를 습식 에칭에 의해 제거한 후, 건식 에칭 장치 예를 들어 XeF2에칭장치에 의해 상기 버블가이드(181)로 에칭가스를 공급하여 소정 깊이의 반구형 잉크챔버(140)를 버블 가이드(181) 주위에 형성한다. 이에 이어 상기 잉크챔버(140)의 바닥에 건식 에칭법에 의해 유로(160)를 형성하여 도 2b에 도시된 형태의 잉크 젯 프린트 헤드를 얻는다.
제 3 실시예의 개별 과정
도 6a 에 도시된 바와 같이 버블 가이드(180) 내부에 포토레지스트로 채워 넣어 버블 가이드(180)의 내부에 희생층(206b)을 형성한다. 이때에 포토레지스트에 의해 희생층(206b)는 버블 가이드(180) 보다 낮은 높이를 가지며, 따라서, 희생층(206b)의 상부 둘레에 버블가이드(180)의 내면이 노출된다. 여기에서 사용되는 포토레지스트는 포지티브형, 예를 들어 클라이언트의 AZ 1512, AZ 1518, AZ 4330, AZ 4903, AZ 9260 중의 어느 하나를 적용하는 것이 바람직하며, 포토 레지스트의 스핀코팅, 노광, 현상에 의해 버블 가이드(180) 내에 포토레지스트를 채워 넣은 후 90 내지 120℃ 범위의 온도에서 약 30분 동안 하드 베이킹(hard baking)을 실시한다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 희생층(206b)의 상면을 포함해서 상기 노즐판(120)의 상면 전체에 폴리이미드 또는 마이크로캠의 SU-8 등에 의한 네가티브 포토레지스트에 의한 소수성 코팅층(190)을 스핀코팅법 등에 의해 형성한다. 따라서, 희생층(206b)의 상부에 노출된 버블 가이드(181)의 상부측 내면에 소수성 코팅층(190)이 형성된다.
도 6c에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피법에 의해 소수성 코팅층(190)에, 버블가이드(181)의 정중앙에 위치하며, 버블 가이드(181) 보다 작은 직경의 원통형 액적 토출부(191b)를 형성한다. 포토레지스트가 광경화성 네가티브 포토레지스트가 형성되는 경우, 상기 버블가이드의 내면에 접촉된 소수성 코팅층(190)이 노즐판(120) 상면의 소수성 코팅층(190)과 같이 노광되게 함으로써 버블가이드(181)의 상부 내측에 소수성 코팅층(190)의 일부인 원통형 액적 토출부(191b)를 얻을 수 있게 된다. 이와 같은 원통형 액적 토출부(191b)가 형성된 이후에 상기 소수성 코팅층(190)을 하드 베이킹하여 버블 가이드(181) 내의 원통형 액적 가이드(191b) 및 노즐판(120) 상면의 소수성 코팅층(190)을 고형화한다.
도 6d에 도시된 바와 같이 버블 가이드(181) 내의 희생층(206b)을 습식 식각에 의해 제거한 후, 건식 에칭 장치 예를 들어 XeF2에칭장치에 의해 상기 버블가이드(181)로 에칭가스를 공급하여 소정 깊이의 반구형 잉크챔버(140)를 버블 가이드(181) 주위에 형성한다. 이에 이어 상기 잉크챔버(140)의 바닥에 건식 에칭법에 의해 유로(160)를 형성하여 도 2c에 도시된 형태의 잉크 젯 프린트 헤드를 얻는다.
본 발명은 노즐판을 형성하기 위한 적층물의 구조적 프로파일에 의한 노즐 주위의 경사진 확개 부분을 포토레지스트을 사용하여 액적 진행 방향으로 점차 축소되는 형태의 노즐을 형성함으로써 잉크 액적의 속도 및 직진성 등을 향상시킬 수 있다. 즉, 본 발명은 최적의 노즐 형상 및 사이즈를 제어함으로써 액적 토출 성능이 보다 향상된 잉크 젯 프린트헤드을 얻을 수 있게 된다.
또한 소수성을 가지는 소수성 코팅층이 버블 가이드의 종단부의 주위를 에워싸는 형태이기 때문에 버블 가이드 내에 형성되는 메니스커스의 거동에 유리하며, 액적 토출후 신속하게 안정되고 따라서 잉크 분사의 안정성과 연속 분사 성능이 크게 향상된다.
이러한 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드는 잉크에 의한 노즐판의 젖음을 방지하는 소수성 코팅층 자체에 액적의 토출성능을 향상시킬 수 있는 액적토출구가 마련되기 때문에 액적 토출구형성을 위한 공정이 요구되지 않는 잇점을 가진다.
본 발명의 제조방법에 따르면, 포토레지스트를 이용하여 목적하는 형태의 액적 토출구, 즉 버블 가이드의 내경보다는 작은 직경의 액적토출구로서, 특히 액적 진행방향으로 점차 축소되는 직경의 액적토출구를 용이하게 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법은 포토리소그래피법에 의해 액적이 최종 토출되는 액적 토출구의 구경을 축소시키고 다양한 형태로 변화시킬 수 있기 때문에 액적이 토출되는 노즐 주위의 형태에 무관하게 액적 토출 속도 및 액적량을 용이하게 조절할 수 있고, 그리고 액적의 직진성 및 토출속도를 향상시키게 된다.
본 발명의 제조방법에 따르면, 노즐판에 대한 소수성 코팅층에 의한 소수화 처리과정 시, 소수성 물질이 잉크 챔버 내로 침투되는 것을 원천적으로 방지하여 잉크 챔버 내에 소수성 물질이 존재함으로 인한 문제를 발생시키지 않는다.
본 기술분야에서 숙련된 자들에게, 본 발명의 정신을 이탈하지 않고 전술한 바람직한 실시예를 고려한 많은 변화와 수정은 용이하고 자명하며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 보다 명확하게 지적된다. 본원의 기술내용의 개시 및 발표는 단지 예시에 불과하며, 첨부된 청구범위에 의해 보다 상세히 지적된 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안될 것이다.

Claims (11)

  1. 그 상면에 소정 용적의 잉크챔버가 형성되어 있고, 잉크챔버의 바닥에 잉크챔버로 잉크를 공급하기 위한 유로가 형성되어 있는 기판과;
    상기 잉크챔버의 중심에 대응하는 노즐이 관통 형성되는 있는 것으로 상기 기판 상에 형성되는 적어도 두개의 절연층에 의한 노즐판,
    상기 노즐판의 내면에서 형성되며, 상기 노즐로부터 상기 잉크 챔버 측으로 연장되는 버블가이드,
    상기 절연층의 사이에서 상기 노즐을 에워싸도록 마련되는 히터를; 구비하며,
    상기 노즐판의 최상층 표면에는 소수성 코팅막이 형성되며,
    상기 소수성 코팅막에는 상기 노즐판의 노즐에 비해 작은 직경을 가지며 상기 노즐과 동축 상에 위치하는 액적 토출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 잉크 젯 프린트 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액적 토출구는 액적 진행 방향으로 점차 축소되는 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 잉크 젯 프린트 헤드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액적 토출구는 상기 노즐판의 버블 가이드의 내면에 연장 형성되는 원통형 부분을 가지는 것을 특징으로 하는 잉크 젯 프린트 헤드.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 소수성 코팅층은 네가티브 포토레지스트로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크 젯 프린트 헤드.
  5. 상부가 개방된 소정 체적의 잉크 챔버를 갖춘 기판; 기판 상에 마련되며, 상기 잉크 챔버의 개방된 부분에 대응하는 노즐과, 노즐의 중심축을 에워싸는 히터, 히터에 전기적으로 연결되는 배선층, 히터와 배선층을 보호하는 다중의 절연층에 의한 적층을 포함하는 노즐판을 구비하는 잉크 젯 프린트를 제조하는 방법에 있어서,
    가) 기판 상에, 상기 다중 절연층에 의한 적층과; 상기 적층에 매립되며 상기 노즐의 중심축을 감싸는 히터; 그리고 상기 히터에 연결되는 배선층을; 포함하는 노즐판을 상기 기판 상에 형성하는 단계;
    나) 상기 중심축 상에 상기 노즐판을 관통하여 상기 기판에 소정 깊이까지 연장되는 소정 직경과 깊이를 가지는 우물을 형성하는 단계;
    다) 상기 우물의 내벽에 소정 두께의 통형 버블 가이드를 형성하는 단계;
    라) 상기 우물 내에 희생층을 채워 넣는 단계;
    마) 상기 노즐판과 상기 희생층의 상면 전체에 포토레지스트에 의한 소수성 코팅층을 형성하는 단계;
    바) 상기 버블 가이드보다 작은 직경을 가지며 버블가이드와 동축 상에 위치하는 관통공형 액적 토출부를 상기 소수성 코팅층에 형성하는 단계;
    사) 상기 액적 토출부를 통하여 식각액을 주입하여 상기 우물 내의 희생층을 제거하는 단계;
    아) 상기 액적 토출부를 통해 버블 가이드를 경유하는 식각액을 주입하여, 상기 식각액에 의한 기판의 식각에 의해 소정 체적의 잉크 챔버를 상기 버블 가이드의 둘레와 하부에 형성하는 단계;
    자) 상기 잉크 챔버로 통하는 잉크 공급 유로를 상기 기판에 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 라)단계에서 상기 희생층을 형성함에 있어서, 상기 우물 내에서 상기버블 가이드 보다 낮은 높이로 상기 희생층을 형성하고, 따라서, 상기 마) 단계에서 소수성 코팅막이 형성되었을 때에 소수성 코팅막이 상기 버블 가이드의 상단에서 소정 폭 겹쳐지게 확장 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 희생층을 광분해성 포지티브 포토레지스트로 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 라) 단계에서 상기 희생층의 상면이 둥글게 오목한 오목면(concave)의 형태를 가지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법.
  9. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 소수성 코팅층은 광경화성 네가티브 포토레지스트로 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 소수성 코팅층은 광경화성 네가티브 포토레지스트로 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 소수성 코팅층은 광경화성 네가티브 포토레지스트로 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법.
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