KR100499298B1 - 액체 토출 헤드 및 이러한 헤드의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액적의 토출 속도가 증가될 수 있고 액적 토출량이 안정화될 수 있으며 액적의 토출 효율이 향상될 수 있는, 액체 토출 헤드 및 이러한 헤드의 제조 방법을 제공한다. 액체 토출 헤드는 히터와, 히터가 상부에 제공되는 소자 기판과, 액적을 토출하기 위한 토출 포트를 갖는 토출 포트부와, 기포 발생 챔버 및 기포 발생 챔버로 액체를 공급하기 위한 공급로를 구비하는 노즐과, 노즐로 액체를 공급하기 위한 공급 챔버 및 오리피스 기판을 포함하며, 기포 발생 챔버는 제1 기포 발생 챔버와 제1 기포 발생 챔버 상부의 제2 기포 발생 챔버를 구비하고, 토출 포트부는 단차부를 경유하여 제2 기포 발생 챔버와 연통하고, 제2 기포 발생 챔버의 측벽은 10 내지 45°의 경사로 토출 포트를 향해 축소되고, 노즐은 기포 발생 챔버의 부근의 유로의 단차부로 구성되는 제어부를 구비하며, 유로의 최대 높이는 토출 포트부의 하부면까지의 높이보다 작다.

Description

액체 토출 헤드 및 이러한 헤드의 제조 방법{LIQUID DISCHARGE HEAD AND METHOD FOR MANUFACTURING SUCH HEAD}
본 발명은 잉크 액적과 같은 액적을 토출하여 기록 매체 상에 화상을 기록하기 위한 액체 토출 헤드 및 이러한 헤드를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 잉크젯 기록을 행하기 위한 액체 토출 헤드에 관한 것이다.
잉크젯 기록 시스템은 소위 비충격식 기록 시스템 중 하나이다.
잉크젯 기록 시스템에서는, 기록 중에 발생되는 노이즈가 무시할 수 있을 만큼 아주 적고 고속 기록이 달성될 수 있다. 더욱이, 잉크젯 기록 시스템은 기록이 다양한 기록 매체 상에서 행해질 수 있어 소위 보통 또는 평범한 용지에 대해서도 특별한 처리 없이 잉크가 정착될 수 있고 아주 섬세한 화상이 적은 비용으로 얻어질 수 있는 장점을 갖는다. 이러한 장점 때문에, 최근에 잉크젯 기록 시스템은 컴퓨터의 주변 장치로서 뿐만 아니라 복사기, 팩시밀리, 워드 프로세서 등을 위한 기록 수단으로써 널리 사용되고 있다.
일반적으로 사용되는 잉크젯 기록 시스템의 잉크 토출 방법으로서 히터와 같은 전기/열 변환 소자가 잉크 액적을 토출하기 위해 이용되는 토출 에너지 발생 소자로서 이용되는 방법과 압전 소자가 이용되는 방법이 있고, 양 방법에서, 잉크 액적의 토출은 전기 신호로 제어될 수 있다. 전기/열 변환 소자를 이용하는 잉크 토출 방법의 원리는 전기/열 변환 소자에 전압을 인가함으로써 전기/열 변환 소자의 부근의 잉크가 순간적으로 비등하여 잉크 액적이 비등 동안의 잉크의 상변화에 의해 유발되는 기포의 급속한 성장에 의해 고속으로 토출되는 것이다. 한편, 압전 소자를 이용하는 잉크 토출 방법의 원리는 압전 소자에 전압을 인가함으로써 압전 소자가 변위되어 잉크 액적이 토출되는 압력을 발생시키는 것이다.
전기/열 변환 소자를 이용하는 잉크 토출 방법은 토출 에너지 발생 소자를 포함하기 위한 큰 공간이 필요하지 않고 액체 토출 헤드의 구조가 간단하고 노즐이 용이하게 적층될 수 있는 장점을 갖는다. 한편, 이 잉크 토출 방법의 고유한 단점은 전기/열 변환 소자에 의해 발생된 열이 액체 토출 헤드 내에 축적될 때 비상하는 잉크 액적의 체적이 변동하고, 기포의 추출에 의한 캐비테이션이 전기/열 변환 소자에 악영향을 끼치고, 잉크 내에 용해된 공기가 잔류 기포로서 남기 때문에 잉크 액적 토출 특성 및 화질 상에 악영향을 미친다는 것이다.
이러한 단점을 제거하기 위해서, 일본 특허 출원 공개 제54-161935호, 제61-185455호, 제61-249768호 및 제4-10941호에 개시된 것과 같은 잉크젯 기록 방법 및 액체 토출 헤드가 제안되었다. 즉, 이러한 특허 공보에 개시된 잉크젯 기록 방법은 기록 신호에 응답하여 전기/열 변환 소자를 구동함에 의해서 발생된 기포가 대기와 연통하도록 설계되었다. 이러한 잉크젯 기록 방법을 사용함으로써, 아주 소량의 잉크 액적이 고속으로 토출되도록 비상하는 잉크 액적의 체적은 안정화되고 기포의 추출에 의해 발생된 캐비테이션을 제거함으로써 히터의 내구성이 향상될 수 있어서, 더 섬세한 화상을 용이하게 얻을 수 있다. 전술한 공보에서, 기포가 대기와 연통하는 구성으로서, 전기/열 변환 소자와 토출 포트 사이의 최소 거리가 종래 기술에서의 최소 거리보다 상당히 작게 만들어진 구성이 설명된다.
지금, 이러한 종래 액체 토출 헤드가 설명될 것이다. 종래 액체 토출 헤드는 액체를 토출하기 위한 전기/열 변환 소자 및 소자 기판에 접속되고 잉크 유로를 구성하는 오리피스 기판을 포함한다. 오리피스 기판에는 잉크 액적을 토출하기 위한 복수의 토출 포트, 잉크가 이를 통해 유동하는 복수의 노즐, 개별 노즐들로 잉크를 공급하기 위한 공급 챔버가 제공된다. 각각의 노즐은 기포가 대응하는 전기/열 변환 소자에 의해 잉크 내에 발생되는 기포 발생 챔버와, 기포 발생 챔버에 잉크를 공급하기 위한 공급로를 포함한다. 소자 기판에는 개별 기포 발생 챔버 내부에 배치된 전기/열 변환 소자가 제공된다. 더욱이, 소자 기판에는 오리피스 기판과 접촉된 소자 기판의 주 표면의 배면으로부터 공급 챔버로 잉크를 공급하기 위한 공급 포트가 제공된다. 오리피스 기판에는 소자 기판 상에서 대응 전기/열 변환 소자에 대향되는 토출 포트가 제공된다.
전술된 구조를 갖는 종래 액체 토출 헤드에서, 공급 포트로부터 공급 챔버로 공급된 잉크는 기포 발생 챔버를 충전하기 위해서 노즐을 통해 공급된다. 각각의 기포 발생 챔버에 공급된 잉크는 전기/열 변환 소자에 의해 유발된 막 증발(film-boiled)에 의해 발생된 기포에 의해 소자 기판의 주 표면에 실질적으로 수직인 방향을 향해 비상되어 잉크 액적으로 토출 포트로부터 토출된다.
전술된 액체 토출 헤드를 갖는 기록 장치에서, 기록 화상의 보다 높은 화질 출력 및 고품질 화상 및 고해상도 출력을 얻기 위해서 기록 속도가 더욱 빨라지도록 고안되었다. 종래 기록 장치에 대하여, 미국 특허 제4,882,595호 및 제6,158,843호는 액체 토출 헤드의 각각의 노즐로부터 비상하는 잉크 액적의 토출 회수가 증가되는, 즉 기록 속도를 증가시키기 위해 토출 주파수가 증가되는 기술을 제안하고 있다.
특히, 미국 특허 제6,158,843호에서, 공급 포트의 부근에서 국부적으로 잉크를 위한 통로를 제한하는 제한 공간 또는 유체 저항 소자를 제공함으로써 공급 포트로부터 공급로로의 잉크의 유동이 개선되는 구성이 제안되고 있다.
더욱이, 일본 특허 출원 공개 제2000-255072호는 유기 수지층이 노출 및 현상될 때 제한된 해상도보다 작은 패턴을 갖는 포토 마스크를 사용하여 부분적으로 함몰된 부분이 각각의 공급로에 형성되도록 소자 기판 상에 단일의 가용형 수지층이 사용되는 제조 방법을 개시한다. 그러나, 이 방법에 의해 형성된 유로 패턴의 상부면은 노출광의 분산의 영향에 의한 미세한 불균일성을 갖는다.
그런데, 전술된 종래 액체 토출 헤드에서 잉크 액적이 토출될 때 각각의 기포 발생 챔버 내에 충전된 잉크의 일부는 기포 발생 챔버 내에서 성장하는 기포에 의해 공급로를 향해 후방으로 가압된다. 따라서, 잉크 액적의 토출량이 기포 발생 챔버 내의 잉크의 체적의 감소로 인해 감소되는 불편함이 있다.
더욱이, 종래의 액체 토출 헤드에서 기포 발생 챔버 내에 충전된 잉크의 일부가 공급로를 향해 후방으로 가압될 때, 공급 포트를 향하는 성장하는 기포의 압력의 일부는 공급로를 향해 달아나거나 기포와 기포 발생 챔버의 내부벽 사이의 마찰에 의해서 손실된다. 따라서, 종래 액체 토출 헤드는 잉크 액적의 토출 속도가 기포의 감소 압력만큼 감소되는 문제점을 갖는다.
더욱이, 종래 액체 토출 헤드는 기포 발생 챔버에 충전된 소량의 잉크의 체적이 기포 발생 챔버 내에서 성장하는 기포에 의해 변경되기 때문에 잉크의 토출량이 분산되는 문제점을 또한 갖는다.
따라서, 본 발명의 목적은 액적의 토출 속도가 증가되고 액적의 토출량이 안정화된 액체 토출 헤드와 이러한 헤드를 제조하기 위한 방법을 제공하여, 액적의 토출 효율을 향상시키는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 액적을 토출하기 위한 에너지를 발생하기 위한 토출 에너지 발생 소자와, 토출 에너지 발생 소자가 제공되는 주 표면을 갖춘 소자 기판과, 액적을 토출하기 위한 토출 포트를 갖춘 토출 포트부와, 토출 에너지 발생 소자에 의해 기포가 액체 내에 발생되는 기포 발생 챔버와, 기포 발생 챔버에 액체를 공급하기 위한 공급로를 갖춘 노즐과, 노즐에 액체를 공급하기 위한 공급 챔버와, 소자 기판의 주 표면에 결합된 오리피스 기판을 포함하고, 상기 기포 발생 챔버는 공급로와 연통하고 소자 기판의 주 표면을 이의 저부면으로 사용하고 기포가 토출 에너지 발생 소자에 의해 발생되는 제1 기포 발생 챔버와 제1 기포 발생 챔버와 연통된 제2 기포 발생 챔버를 구비하고, 제2 기포 발생 챔버는 토출 포트부와 연통하고, 제2 기포 발생 챔버의 하부면의 중심축은 기판에 수직인 방향으로 제2 기포 발생 챔버의 상부면의 중심축과 일치하고, 제2 기포 발생 챔버의 중심축에 대한 상부면의 단면적은 제2 기포 발생 챔버의 중심축에 대한 하부면의 단면적보다 작고, 중심축 방향으로 단면적은 제2 기포 발생 챔버의 하부면에서 상부면으로 연속적으로 변화되고, 제2 기포 발생 챔버의 중심축에 대한 상부면의 단면적은 토출 포트부의 중심축에 대한 단면적보다 크게 구성되는 액체 토출 헤드를 제공한다.
더욱이, 전술한 구조를 갖는 액체 토출 헤드는 유로의 높이, 폭 또는 단면적이 노즐에서 변경되고, 잉크 체적이 기판으로부터 토출 포트로 향하는 방향을 따라 점진적으로 감소되고, 그리고 토출 포트의 부근에서, 액적이 비상할 때 비상하는 액적이 기판에 수직인 방향을 향해 지향되고 정류(straightening) 작용을 받도록 된 구성 및 구조가 제공된다. 더욱이, 액적이 토출될 때 기포 발생 챔버 내에 충전된 액체가 기포 발생 챔버에서 발생된 기포에 의해 공급로를 향해 가압되는 것을 억제하는 것이 가능하다. 따라서, 이 액체 토출 헤드에 따르면, 토출 포트로부터 토출되는 액적의 토출 체적의 분산은 억제되고, 이에 따라 토출 체적을 적절하게 유지할 수 있다. 더욱이, 액체 토출 헤드에서 단차부로 구성된 제어부를 제공함으로써 액적이 토출될 때 기포 발생 챔버 내에서 성장하는 기포가 기포 발생 챔버 내의 제어부의 내부벽에 대항하여 타격하기 때문에, 기포의 압력의 손실이 억제될 수 있다. 따라서, 이 액체 토출 헤드에 따르면, 기포 발생 챔버 내의 기포가 적절한 압력을 보장할 수 있는 양호한 방식으로 성장하기 때문에, 액적의 토출 속도가 향상된다.
잉크 액적과 같은 액적을 토출하기 위한 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 구체적인 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 액체 토출 헤드를 간략하게 설명한다. 본 실시예에 따른 액체 토출 헤드는 잉크젯 기록 시스템 중에서 액체 잉크를 토출하기 위해 사용되는 에너지로서 열 에너지를 발생하기 위한 수단이 제공되고 이러한 열 에너지에 의해 잉크의 상태를 변화시키기 위한 시스템이 채용된 액체 토출 헤드이다. 이 시스템을 사용함으로써, 기록되는 문자 및/또는 화상의 고밀도 및 높은 섬세함이 달성될 수 있다. 특히, 이 실시예에서, 열 에너지를 발생하기 위한 수단으로서 발열 저항체가 사용되고 발열 저항체에 의해 잉크를 가열함에 의해서 유발되는 막 증발에 의해 발생되는 기포의 압력을 사용하여 잉크는 토출된다.
(제1 실시예)
비록 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크 토출 헤드(1)가 도1에서 도시된 바와 같이 후에 상세하게 설명될 것이지만, 발열 저항체로서 개별적인 복수의 히터에 대한 잉크 유로로서 노즐을 독립적으로 형성하기 위한 격벽은 토출 포트로부터 공급 포트의 부근까지 연장된다. 이러한 액체 토출 헤드는 잉크 토출 동안 발생된 기포가 토출 포트를 통해 대기와 연통하는 일본 특허 출원 공개 제4-10940호 및 제4-10941호에 개시된 잉크젯 기록 방법을 사용하는 잉크 토출 수단을 포함한다.
액체 토출 헤드(1)는 복수의 히터와 복수의 노즐을 갖고 개별 노즐의 종방향이 서로 평행한 제1 노즐 어레이(16)와 공급 챔버를 개재한 상태로 제1 노즐 어레이에 대향되는 제2 노즐 어레이(17)를 포함한다. 제1 노즐 어레이(16) 및 제2 노즐 어레이(17) 모두에서, 인접 노즐 사이의 거리는 600dpi로 설정된다. 더욱이, 제2 노즐 어레이(17)의 노즐은 제1 노즐 어레이(16)의 인접 노즐에 대하여 1/2 피치만큼 엇갈려 배치된다.
복수의 히터 및 복수의 노즐이 고밀도로 배열된 제1 노즐 어레이(16) 및 제2 노즐 어레이(17)를 갖춘 액체 토출 헤드(1)를 최적화하기 위한 개념을 간략하게 설명한다.
일반적으로, 액체 토출 헤드의 토출 특성에 영향을 미치는 물리량으로서, 복수의 노즐에서의 이너턴스(inertance)(관성력) 및 저항(점성 저항)이 크게 작용한다. 임의의 형상을 갖는 유로에서 이동하는 비 압축성 유체의 운동 방정식은 다음의 두 개의 방정식으로 표시된다.
△·v=0 (연속 방정식) (1)
(∂v/∂t) + (v·△) = - △(P/ρ) + (μ/ρ)△2v + f
(나비어-스토크 방정식) (2)
방정식 (1) 및 (2)는 사실상 대류항 및 점성항이 충분하게 적고 외력이 없을 때 다음 방정식이 얻어지고,
△2P = 0 (3)
여기서, 압력은 조화 함수를 사용하여 표시된다.
액체 토출 헤드의 경우, 도2에 도시된 바와 같은 3개의 개구 모델 또는 도3에 도시된 등가 회로에 의해 표시될 수 있다.
이너턴스는 정상 유체가 갑자기 이동될 때의 "이동의 곤란성"으로 정의된다. 전기적으로 표현하면, 이너턴스는 전류의 블록킹 변화(blocking change)에 대한 인덕턴스(L)와 유사하게 작용한다. 기계적인 용수철 질량 모델에서, 이너턴스는 무게(질량)에 대응한다.
이너턴스가 방정식으로 표시되는 경우, 압력의 차이가 개구에서 주어질 때 2단계 시간차에 대한 비율 즉, 유동량[F(=△V/△t)]의 시간차로서 표시된다.
(△2V/△t2 ) = (△F/△t) = (1/A) ×P (4)
여기서, A는 이너턴스이다.
예를 들면, 밀도(ρ), 길이(L) 및 단면적(S0)을 갖는 튜브 유로가 임시로 가정되는 경우에, 이러한 예상 일차원 튜브 유로의 이너턴스(A0)는,
A0 = ρ ×L/S0
로 표시되고, 이 방정식으로부터, 이너턴스가 유로의 길이에 비례하고 단면적에 반비례한다는 것을 알 수 있다.
도3에 도시된 등가 회로에 기초하여, 액체 토출 헤드의 토출 특성은 예측될 수 있고 모델 패턴으로 분석될 수 있다.
본 발명의 액체 토출 헤드에서, 토출 현상은 관성 유동에서 점성 유동으로의 전환하기 위한 현상이다. 구체적으로, 히터에 의해 수행되는 기포 발생 챔버에서의 초기 기포 발생 단계에서 관성 유동이 우선적이 된다. 반면에, 후의 토출 단계[토출 포트에서 발생된 메니스커스(meniscus)가 잉크 유로를 향해 이동되기 시작하는 시간으로부터 모세관 현상에 의해 개구의 단부면까지 잉크를 충전함에 의해서 잉크가 회복되는 시간까지의 기간]에서는, 점성 유동이 우선이 된다.
이러한 경우에, 전술한 관계식으로부터, 이너턴스량의 관계에 따라, 초기 기포 발생 단계에 있어서는 토출 특성 및 특히 토출 체적과 토출 속도에 대한 영향이 증가되는 반면에, 후속 토출 단계에 있어서는 토출 특성 및 특히 잉크 재충전에 필요한 시간(이하, "재충전 시간"으로 칭함)에 대한 저항량(점성 저항)의 영향이 증가된다.
저항(점성 저항)은 앞선 식(1)에 의해 표시되고 다음의 정상 상태 스트로크 유동은 다음 식으로 표시된다.
△P = η△2μ (5)
이러한 방식으로, 점성 저항(B)이 구해질 수 있다. 또한, 후속 토출 단계에 있어, 도2에 도시된 모델에 있어서, 메니스커스(meniscus)는 토출 포트 근처에서 생성되고 잉크는 주로 모세관력에 기인한 흡입력에 의해 유동되기 때문에, 점성 저항은 2-개방 모델(일차원 유동 모델)에 의해 접근될 수 있다.
즉, 점성 저항은 포와제유 방정식을 설명하는 다음 식(6)으로부터 구해질 수 있다.
(△V/△t) = (1/G) × (1/η){△P/△x) × S(x)} (6)
여기서, G는 형상 인자이다. 또한, 점성 저항(B)은 임의의 압력차에 따른 유체 유동에 기초하기 때문에, 다음 식으로부터 구해질 수 있다.
앞선 식(7)에 기초하여, 저항(점성 저항)이 밀도(ρ), 길이(L) 및 단면적(S0)을 가지는 파이프 형태의 튜브 유로로 가정되는 경우에, 점성 저항은 다음 식에 의해 표시된다.
B = 8η× L/(π× S0 2) (8)
따라서, 대략적으로, 점성 저항은 노즐의 길이에 비례하고, 노즐의 단면적의 제곱에 반비례한다.
이러한 방식으로, 액체 토출 헤드의 토출 특성, 특히 토출 속도, 잉크 액적의 토출 체적 및 재충전 시간 모두를 향상시키기 위해, 이너턴스 관계로부터, 히터로부터 토출 포트를 향한 이너턴스량이 히터로부터 공급 포트로의 이너턴스량 및 노즐 내의 저항이 감소되는 것에 상응하게 가능한 많이 증가될 필요가 있다.
본 발명에 따른 액체 토출 헤드는 전술한 관점 및 복수의 히터 및 복수의 노즐이 고밀도로 배열되는 위치 설정 모두를 만족시킬 수 있다.
이어서, 도시된 실시예에 따른 액체 토출 헤드의 구체적인 구성을 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도4 내지 도7에 도시된 바와 같이, 액체 토출 헤드는 발열 저항 소자와 같은 복수의 토출 에너지 발생 소자로서 히터가 제공되는 소자 기판(11) 및 복수의 잉크 유로를 형성하도록 소자 기판(11)의 주 표면에 적층되거나 접합되는 오리피스 기판(12)을 포함한다.
예를 들면, 소자 기판(11)은 유리, 세라믹, 수지 및 금속 등으로 형성되며 일반적으로는 실리콘으로 형성된다.
각각의 잉크 유로에 대응하는 히터(20), 히터(20)에 전압을 인가하는 전극(도시 생략) 및 전극에 접속되는 배선부(도시 생략)는 소정의 배선 패턴으로 소자 기판(11)의 주 표면 상에 제공된다.
또한, 히터(20)를 덮고 축적된 열의 분산을 향상시키기 위한 절연막(21)이 소자 기판(11)의 주 표면 상에 제공된다.(도8a 참조) 또한, 기포가 소멸될 때 생성되는 캐비테이션으로부터 주 표면을 보호하기 위한 보호 막(22)이 절연막(21)을 덮도록 소자 기판(11)의 주 표면 상에 제공된다(도8a 참조).
오리피스 기판(12)은 수지 재료로 형성되고 약 30㎛의 두께를 가진다. 도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 오리피스 기판(12)은 잉크 액적을 토출시키기 위한 복수의 토출 포트부(26)를 포함하고 또한 이를 통해 잉크가 이동하는 복수의 노즐(27) 및 노즐(27)에 잉크를 공급하기 위한 공급 챔버(28)를 포함한다.
노즐(27)은 액적을 토출시키기 위한 토출 포트(26a), 토출 에너지 발생 소자로서 대응하는 히터(20)에 의해 액체 내에 기포가 발생되는 기포 발생 챔버(31) 및 기포 발생 챔버(31)에 액체를 공급하기 위한 공급로(32)를 가지는 토출 포트부(26)를 포함한다.
기포 발생 챔버(31)는 소자 기판(11)의 주 표면을 그 저부면으로서 사용하고 공급로(32)와 연통하고 그 내부에서 히터(20)에 의해 액체 내에 기포가 발생되는 제1 기포 발생 챔버(31a) 및 소자 기판(11)의 주 표면과 평행한 제1 기포 발생 챔버(31a)의 상부면의 개구와 연통하고 제1 기포 발생 챔버(31a) 내에서 발생된 기포가 성장하는 제2 기포 발생 챔버(31b)를 포함하고, 토출 포트부(26)는 제2 기포 발생 챔버(31b)의 상부면의 개구와 연통하며 단차부는 토출 포트부(26)의 측벽면과 제2 기포 발생 챔버(31b)의 측벽면 사이에 제공된다.
토출 포트부(26)의 토출 포트(26a)는 소자 기판(11) 상에 제공된 히터(20)에 대향되는 위치에 형성되고, 도시된 실시예에 있어서, 토출 포트는 예를 들어 15㎛의 직경을 가지는 원형 구멍이다. 부수적으로, 토출 포트(26a)는 토출 특성의 요구에 따라 반경방향으로 별 형상으로 형성될 수도 있다.
제2 기포 발생 챔버(31b)는 원추대 형상을 가지고 그 측벽은 소자 기판의 주 표면에 수직인 평면에 대해 10 내지 45°의 경사를 가진 토출부에 대해 감소하며 그 상부면은 단차부가 개재된 상태로 토출 포트부(26)의 개구와 연통한다.
제1 기포 발생 챔버(31a)는 공급로(32)의 연장선 상에 배치되고 토출 포트부(26)와 대면하는 그 저부면은 실질적으로 사각형으로 형성된다.
노즐(27)은 소자 기판(11)의 주 표면과 평행한 히터(20)의 주 표면과 토출부(26a) 사이의 최소 거리(HO)가 30㎛ 미만이도록 형성된다.
노즐(27)에 있어서, 주 표면과 평행한 제1 기포 발생 챔버(31a)의 상부면 및 기포 발생 챔버(31)에 인접하고 주 표면과 평행한 공급로(32)의 상부면은 서로에 대해 동일 평면이며, 공급로의 상부면은 주 표면에 대해 경사진 단차부를 통해 공급 챔버(28)에 인접하고 소자 기판의 주 표면과 평행한 공급로(32)의 더 높은 상부면에 연결되어, 단차부로부터 제2 기포 발생 챔버(31b)의 저부면의 개구까지의 공간은 기포에 의해 야기되는 기포 발생 챔버(31) 내의 잉크의 이동을 제어하는 제어부(33)를 구성한다. 소자 기판(11)의 주 표면으로부터 공급로(32)의 상부면까지의 최대 높이는 소자 기판(11)의 주 표면으로부터 제2 기포 발생 챔버(31b)의 상부면까지의 높이보다 작도록 설정된다.
공급로(32)는 기포 발생 챔버(31)와 연통하는 일 단부 및 공급 챔버(28)와 연통하는 다른 단부를 가진다.
이와 같이, 노즐(27)에 있어서, 제어부(33)의 존재에 의해, 제1 기포 발생 챔버(31a)를 통하고 제1 기포 발생 챔버(31a)에 인접하는 공급로(32)의 일 단부로부터 연장하는 영역에서의 소자 기판(11)의 주 표면에 대한 높이는 공급 챔버(28)에 인접하는 공급로(32)의 다른 단부보다 낮게 된다. 따라서, 노즐(27)에 있어서, 제어부(33)의 존재에 의해, 제1 기포 발생 챔버(31a)를 통하고 제1 기포 발생 챔버(31a)에 인접하는 공급로(32)의 일 단부로부터 연장하는 영역에서의 잉크 유로의 단면적은 유로의 다른 단면적보다 작게 된다.
또한, 도4 내지 도7에 도시된 바와 같이, 소자 기판의 주 표면과 평행한 유로의 평면 내에서 잉크 유동 방향에 수직인 노즐(27)의 폭은 기포 발생 챔버(31)를 통하고 공급 챔버(28)로부터 연장하는 영역에서 실질적으로 유사한 직선 형상으로 형성된다. 또한, 소자 기판(11)의 주 표면에 대향되는 노즐(27)의 다양한 내부벽면이 기포 발생 챔버(31)를 통하고 공급 챔버(28)로부터 연장하는 영역에서 소자 기판(11)의 주 표면과 평행하게 형성된다.
여기서, 노즐(27)에 있어서, 소자 기판(11)의 주 표면에 대향하는 제어부(33)표면의 높이는 예를 들어 약 14㎛ 정도로 형성되며, 소자 기판(11)의 주 표면에 대향하는 공급 챔버(28) 표면의 높이는 예를 들어 약 25㎛ 정도로 형성된다. 또한, 노즐(27)에 있어서, 잉크 유동 방향과 평행한 제어부(33)의 길이는 예를 들어 약 10㎛ 정도로 형성된다.
또한, 소자 기판(11)에는 오리피스 기판(12)에 인접한 주 표면의 배면에 공급 포트(36)가 제공되고, 공급 포트는 배면측으로부터 잉크 챔버(28)로 잉크를 공급하는 기능을 한다.
또한, 도4 및 도5에 있어서, 공급 챔버(28)의 내부에서 각각의 노즐(27)에 대해, 노즐 내의 잉크의 먼지를 제거하기 위한 원통형 노즐 필터(38)가 공급 포트(36)와 인접하는 위치에서 소자 기판(11)과 오리피스 기판(12) 사이에 제공된다. 노즐 필터(38)는 예를 들어 약 20㎛ 정도 공급 포트로부터 이격된 위치에 배치된다. 또한, 공급 챔버(28) 내부의 노즐 필터(38) 사이의 거리는 예를 들어 약 10㎛이다. 노즐 필터(38)의 존재에 기인하여, 오물이 공급로(32) 및 토출 포트(26)를 폐색하는 것을 방지할 수 있고, 따라서 양호한 토출 작동을 보장한다.
전술한 구성을 가지는 액체 토출 헤드에 대해서, 토출 포트(26)로부터 잉크 액적을 토출시키는 동작을 설명한다.
먼저, 액체 토출 헤드(1)에 있어서, 공급 포트(36)로부터 공급 챔버(28)로 공급되는 잉크는 제1 노즐 어레이(16) 및 제2 노즐 어레이(17)의 각각의 노즐(27)에 각각 공급된다. 각각의 노즐(27)에 공급되는 잉크는 기포 발생 챔버(31)를 충전시키도록 공급로(32)를 따라 이동(유동)된다. 기포 발생 챔버(31) 내에 충전되는 잉크는 기포를 발생하도록 히터(20)에 의해 막-증발되어, 그 결과 잉크는 소자 기판(11)의 주 표면에 실질적으로 수직인 방향으로 기포의 압력을 상승시킴으로서 비상되어 토출 포트부(26)의 토출 포트(26a)로부터 잉크 액적 상태로서 토출된다.
기포 발생 챔버(31) 내에 충전된 잉크가 제1 기포 발생 챔버(31a) 내부에서 히터(20)에 의해 야기된 막-증발에 의해 발생된 기포의 압력 상승에 의해 제2 기포 발생 챔버(31b)를 통해 토출되는 경우, 제2 기포 발생 챔버(31b)는 원추형 형상을 가지고 그 측벽은 소자 기판의 주 표면에 수직인 평면에 대해 10 내지 40°의 경사를 가지는 토출부를 향해 감소되거나 축소되고 그 상부면은 단차부를 통해 토출 포트부(26)의 개구와 연통하기 때문에, 잉크는 소자 기판(11)으로부터 토출 포트(26a)를 향하는 방향을 따라 잉크 체적을 점차 감소시키면서 정류(straighten)되어서, 토출 포트(26a)의 주변에서 액적이 비상될 때, 비상 액적은 기판에 수직인 방향을 취하게 된다.
기포 발생 챔버(31) 내에 충전된 잉크가 토출될 때, 기포 발생 챔버(31) 내의 잉크의 일부는 기포 발생 챔버(31) 내에 발생되는 기포의 압력에 의해 공급로(32)를 향해 이동된다. 액체 토출 헤드(1)에 있어서, 기포 발생 챔버(31) 내의 잉크의 일부분이 공급로(32)를 향해 이동될 때, 공급로(32)의 유로는 제어부(33)에 의해 제한되기 때문에, 제어부(33)는 공급로(32)를 통해 기포 발생 챔버(31)로부터 공급 챔버(28)를 향해 이동되는 잉크에 대해 유체 저항으로서 기능한다. 따라서, 액체 토출 헤드(1)에 있어서, 기포 발생 챔버(31) 내에 충전되는 잉크는 제어부(33)에 의해 공급로(32)를 향한 이동이 억제되기 때문에, 기포 발생 챔버 내의 잉크가 감소되는 것이 방지되어, 잉크의 토출 체적이 양호한 상태로 유지되며, 그 결과, 토출 포트로부터 토출되는 액적의 토출 체적이 분산되는 것이 방지됨으로써, 토출 체적이 적절하게 유지된다.
이러한 액체 토출 헤드(1)에 있어서, 히터(20)로부터 토출 포트(26)까지의 이너턴스를 A1, 히터(20)로부터 공급 포트(36)까지의 이너턴스를 A2, 노즐(27)의 전체 이너턴스를 A0로 가정하는 경우에, 토출 포트(26a)를 향한 헤드의 에너지 분산비(η)는 다음 식으로 표시된다.
η= (A1/A2) = {A2/(A1 + A2)} (9)
또한, 다양한 이너턴스값이, 예를 들면 3차원 유한 요소법의 해법을 사용함으로써, 라플라스 방정식에 의해 구해질 수 있다.
상기 식으로부터, 액체 토출 헤드(1)에 있어서, 토출 포트(26a)를 향한 헤드의 에너지 분산비(η)는 0.59로 설정된다.
액체 토출 헤드(1)는 에너지 분산비(η)를 종래의 액체 토출 헤드의 값과 실질적으로 같게 함으로써 토출 속도 및 토출 체적값을 종래 헤드의 것과 유사한 값으로 유지시킬 수 있다. 또한, 에너지 분산비가 0.5 < η< 0.8의 관계를 만족하도록 하는 것이 바람직하다. 액체 토출 헤드(1)에 있어서, 에너지 분산비(η)가 0.5 이하인 경우, 양호한 토출 속도 및 토출 체적이 유지될 수 없고, 반면에, 에너지 분산비가 0.8 이상이 경우, 잉크가 적절하게 이동될 수 없으므로 재충전이 이루어질 수 없다.
또한, 액체 토출 헤드(1)에 있어서, 안료식 검정 잉크(47.8 × 10-3 N/m의 표면 장력, 1.8 cp의 점도 및 9.8 pH를 가짐)가 잉크로서 사용되는 경우, 종래의 액체 토출 헤드와 비교하여, 노즐 내의 점성 저항 값(B)은 약 40 % 감소될 수 있다. 점성 저항 값(B)은 또한 3차원 유한 요소법의 해법에 의해 산출될 수 있고 노즐(27)의 길이 및 노즐(27)의 단면적을 결정함으로써 쉽게 계산될 수 있다.
즉, 이너턴스(A)는 노즐의 길이(1)에 비례하고 노즐의 평균 단면적(S△V)에 반비례함을 알 수 있다.
본 발명에 있어서, 히터로부터 토출 포트로의 평균 단면적을 감소시킴으로써, 노즐 내의 잉크가 토출 포트로부터 액적으로서 더 안정적이고 효율적으로 토출되도록 의도된다.
따라서, 종래의 액체 토출 헤드와 비교하여, 본 발명에 따른 액체 토출 헤드(1)는 약 40 % 정도 토출 속도를 증가시킬 수 있고 약 25 내지 30 kHz의 토출 주파수 반응을 달성할 수 있다.
지금부터, 전술한 구성을 가지는 액체 토출 헤드(1)를 제조하는 제조 방법이 도8a, 도8e 및 도9a 내지 도9e를 참조하여 간략하게 설명될 것이다.
액체 토출 헤드(1)를 제조하는 방법은 소자 기판(11)을 형성하는 제1 단계, 소자 기판(11) 상에 잉크 유로를 구성하는 상부 수지층(41) 및 하부 수지층(42)을 형성하는 제2 단계, 상부 수지층(41) 상에 소정의 노즐 패턴을 형성하는 제3 단계, 수지층의 측면 상에 경사를 형성하는 제4 단계 및 하부 수지층(42) 상에 소정의 노즐 패턴을 형성하는 제5 단계를 포함한다.
이어서, 액체 토출 헤드(1)를 제조하는 방법에 있어서, 액체 토출 헤드(1)는 상부 및 하부 수지층(41, 42) 상에 오리피스 기판(12)을 구성하는 코팅 수지층(43)을 형성하는 제6 단계, 코팅 수지층(43) 내에 토출 포트부(26)를 형성하는 제7 단계, 소자 기판(11) 내에 공급 포트(36)를 형성하는 제8 단계 및 상부 및 하부 수지층(41, 42)을 용해시키는 제9 단계를 통해 제조된다.
도8a 및 도9a에 도시된 바와 같이, 제1 단계는 복수의 히터(20) 및 히터(20)에 전압을 인가하기 위한 소정의 배선부가 예를 들면, 패터닝 처리에 의해 실리콘 칩의 주 표면 상에 제공되고 축적된 열의 분산을 향상시키는 절연막(21)이 히터(20)를 덮도록 제공되며 보호막이 기포가 소멸될 때 생성되는 캐비테이션으로부터 주 표면을 보호하도록 절연막(21)을 덮도록 제공되는 소자 기판(11)을 형성하는 단계이다.
도8b, 도9b 및 도9c에 도시된 바와 같이, 제2 단계는 스핀식 코팅 방법에 의해 연속으로 하부 수지층(42) 및 상부 수지층(41){소자 기판 상에 300nm 미만의 파장을 가지는 자외선으로서 원자외선(Deep-UV)("DUV"로 칭함)의 조사에 의해 분자 사이의 결합을 분해시킴으로써 용해됨)을 코팅하기 위한 코팅 단계이다. 이러한 코팅 단계에 있어서, 하부 수지층(42)으로서 탈수 축합 반응을 사용하는 열가교형 수지 재료를 사용함으로써, 상부 수지층(41)이 스핀식 코팅 방법에 의해 코팅될 때, 하부 수지층(42)과 상부 수지층(41) 사이의 상호 용융이 방지된다. 하부 수지층(42)에 대해서, 예를 들면, 사이클로헥사논(cyclohexanone) 용제를 가지는 메틸 메타크릴레이트(methyl methacrylate, MMA)와 메타크릴산(methacrylic acid, MAA) 사이의 라디칼 중합 반응에 의해 중합된 2차원 공중합체(P(MMA-MAA)) = 90 : 10)를 용해시킴으로써 얻어지는 용액이 사용된다. 하부 수지층(42)으로서 사용되는 2차원 공중합체[P(MMA-MAA)]의 탈수 축합 반응에 의해 열가교막을 형성하는 화학 반응 공식이 도11에 도시된다. 이러한 탈수 축합 반응에 있어서, 30분 내지 2시간 동안 180 내지 200℃ 의 온도에서 가열을 수행함으로써, 더 강한 가교막이 형성될 수 있다. 부수적으로, 이러한 가교막은 용제에 의해 용해될 수 없지만, 도11에 도시된 분해 반응은 저분자 구조를 이루도록 막 상에 DUV광과 같은 전자 빔을 조사시킴으로써 발생하고, 그 결과, 전자 빔에 의해 조사된 부분만이 용제에 의해 용해될 수 있다.
도8b 및 도9c에 도시된 바와 같이, 제3 단계는 DUV광을 조사하기 위한 노출 장치가 사용되고 파장 선택 수단으로서 260nm 미만의 파장을 차단하기 위한 필터가 260nm보다 큰 파장만을 통과시키도록 노출 장치에 장착되어서, 260 내지 330nm의 파장을 가지는 근자외선(Near-UV)(이하, "NUV"로 칭함)을 조사시켜서 상부 수지층(41)을 노광 및 현상시킴으로써 소정의 노즐 패턴이 형성되는 상부 수지층(41) 상에 소정의 노즐 패턴을 형성하는 패턴 형성 단계이다. 이러한 제3 단계에 있어서, 노즐 패턴이 상부 수지층 상에 형성되는 경우, 260 내지 330nm의 파장을 가지는 NUV광에 대한 상부 수지층(41)과 하부 수지층(42) 사이의 감도비가 40 : 1 보다 더 큰 차이를 가지기 때문에, 하부 수지층(42)은 노광되지 않고, 따라서 하부 수지층의 공중합체[P(MMA-MAA)]는 분해되지 않는다. 또한, 하부 수지층(42)은 열가교막이기 때문에, 이러한 층은 상부 수지층을 현상하기 위한 현상액에 의해 용해되지 않는다. 210 내지 330nm의 파장 영역에서의 하부 수지층(42) 및 상부 수지층(41) 재료의 흡수 스펙트라 곡선이 도12에 도시된다.
제4 단계에 있어서, 도8b 및 도9d에 도시된 바와 같이, 5 내지 20분 동안 140 ℃의 온도에서 패턴 형성된 상부 수지층(41)을 가열시킴으로써, 10 내지 40°의 경사각이 상부 수지층의 측면 상에 형성될 수 있다. 이러한 경사각은 패턴 체적(형상, 막 두께), 가열 온도 및 시간과 관련되어, 경사는 전술한 각도 범위에서 지정된 각도를 가지도록 제어될 수 있다.
도8b 및 도9e에 도시된 바와 같이, 제5 단계는 하부 수지층을 노광 및 현상시키도록 노광 장치에 의해 210 내지 330nm의 파장을 가지는 DUV광을 조사시킴으로써 하부 수지층(42) 상에 원하는 노즐 패턴을 형성하는 패턴 형성 단계이다. 또한, 하부 수지층(42)에 사용되는 공중합체[P(MMA-MAA)] 재료는 높은 해상력을 가지고, 두께가 약 5 내지 20㎛인 경우에도, 측벽의 경사각은 0 내지 5°의 트렌치 구조로서 형성될 수 있다. 또한, 원하는 경우, 120 내지 140 ℃의 온도에서 패턴 형성된 수지층(42)을 가열시킴으로써 추가의 경사가 하부 수지층(42)의 측벽 상에 형성될 수 있다.
도10a에 도시된 바와 같이, 제6 단계는 노즐 패턴이 형성되고 DUV광으로서 분자 사이의 가교 결합을 분해시킴으로써 용해될 수 있는 하부 수지층(42) 및 상부 수지층(41) 상에 오리피스 기판(12)을 구성하는 투명 코팅 수지층(43)을 코팅하기 위한 코팅 단계이다.
도8c 및 도10b에 도시된 바와 같이, 제7 단계에 있어서, 오리피스 기판(12)은 노광 장치로서 코팅 수지층(43) 상에 자외선 광을 조사시킴으로써 수행되는 노광 및 현상에 의해 토출 포트부(26)에 대응하는 부분으로부터 수지를 제거시킴으로써 형성된다. 오리피스 기판(12) 내에 형성되는 토출 포트부의 측벽의 경사는 소자 기판의 주 표면에 수직인 평면에 대해 가능한 적은 약 0°의 각도를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 경사가 0 내지 10°인 경우, 액적 토출 성능에 대해서는 아무런 문제가 없다.
도8d 및 도10c에 도시된 바와 같이, 제8 단계에 있어서, 공급 포트(36)는 소자 기판(11)의 배면 상에 화학적 에칭을 수행함으로써 소자 기판(11) 내에 형성된다. 화학적 에칭으로서, 예를 들면 강한 알카리성 용액(KOH, NaOH, TMAH)을 사용하는 이방성 에칭이 사용될 수 있다.
도8e 및 도10d에 도시된 바와 같이, 제9 단계에서, 소자 기판(11)의 주 표면측으로부터 코팅 수지층(43)을 통과하도록 330nm보다 짧은 파장을 갖는 DUV광을 조사함으로써, 소자 기판(11)과 오리피스 기판(12) 사이에 위치된 노즐 형성 재료로서 상부 및 하부 수지층(41, 42)은 공급 포트(36)를 통해 유동한다.
이러한 방법으로, 배출 포트(26a)를 포함한 노즐(27)을 갖는 칩, 공급 포트(36) 및 배출 포트를 공급 포트와 연통시키는 공급로(32) 내에 제공된 단차형 제어부(33)를 얻을 수 있다. 히터(20)를 구동하기 위해 이러한 칩을 배선 기판(도시 생략)에 전기적으로 접속함으로써, 액체 토출 헤드가 얻어질 수 있다.
부수적으로, 액체 토출 헤드(1)를 제조하기 위해 상기 전술한 방법에 따라, 소자 기판(11)의 두께 방향에 대해 더욱 적층된 구조로서 DUV광에 의해 분자 사이의 가교 결합을 분리함으로써 용해될 수 있는 상부 수지층(41) 및 하부 수지층(42)을 형성함으로써, 노즐(27) 내부에 3 이상의 단차부를 갖는 제어부를 제공하는 것이 가능하다. 예컨대, 다단형 노즐 구조는 상부 수지층상의 상부층으로서 400nm 이상의 파장을 갖는 광에 대해 감도를 갖는 수지 재료를 이용함으로써 형성될 수 있다.
본 발명에 따라 액체 토출 헤드(1)를 제조하기 위한 방법은 잉크 토출 수단으로서 일본 특허 출원 공개 제4-10940호 및 제4-10941호에 개시된 잉크젯 기록 방법을 사용하여 액체 토출 헤드를 제조하기 위한 방법에 기본적으로 상응하게 적용된다. 이러한 특허 출원은 히터에 의해 발생된 기포가 공기와 연통하는 구성을 갖는 잉크 액적 토출 방법을 개시하고 예컨대, 50pl 이하의 작은 양을 갖는 잉크 액적을 토출하는 것이 가능한 액체 토출 헤드를 제안한다.
액체 토출 헤드(1)에서, 기포는 공기와 연통하므로, 토출 포트(26a)로부터 토출되는 잉크 액적의 체적은 히터(20)와 토출 포트(26a)사이에 위치된 잉크의 체적, 즉 기포 발생 챔버(31) 내에 채워진 잉크의 체적에 크게 좌우된다. 다시 말하면, 토출된 잉크 액적의 체적은 액체 토출 헤드(1)의 노즐(27)의 기포 발생 챔버(31) 구조에 의해 실질적으로 결정된다.
따라서, 액체 토출 헤드(1)는 잉크 불균일이 없는 높은 품질의 화상을 출력할 수 있다. 히터와 토출 포트 사이의 최소 거리가 구조로서 기포를 공기와 연통하도록 30㎛ 보다 작은 액체 토출 헤드에 본 발명에 따른 액체 토출 헤드(1)가 적용된 경우, 최대의 효과가 달성될 수 있다. 그러나, 잉크 액적이 히터가 제공된 소자 기판의 주 표면에 수직인 방향으로 흐르도록 액체 토출 헤드가 설계되는 한, 탁월한 효과가 달성될 수 있다.
상기 전술한 바와 같이, 액체 토출 헤드(1)에서, 원추형을 갖는 제2 기포 발생 챔버(31b)를 제공함으로써, 소자 기판(11)으로부터 토출 포트(26a)로 연장하는 방향을 따라 잉크의 체적이 점진적으로 감소하는 동안, 잉크가 정류되고, 토출 포트(26a)의 부근에서, 액적이 비상하는 경우, 비상 액적이 소자 기판(1)에 수직인 방향을 향한다. 또한, 기포 발생 챔버(31) 내에 잉크의 유동을 제어하기 위한 제어부(33)가 제공되므로, 토출된 잉크 액적의 체적이 안정화되고, 그로 인해 잉크 액적 토출 효율을 강화시킨다.
(제2 실시예)
제1 실시예에서, 원추형을 갖는 제2 기포 발생 챔버(31b)가 제1 기포 발생 챔버(31a) 상에 형성되고 제2 기포 발생 챔버의 측면벽의 경사가 소자 기판(11)의 주 표면에 수직인 평면에 대해 10 내지 45°의 각으로 토출 포트(26)를 향해 집중된 예가 설명된 반면, 본 발명의 제2 실시예에서는, 기포 발생 챔버에 충전된 잉크가 토출 포트를 향해 이동하기 쉬운 액체 토출 헤드(2)가 설명된다. 부수적으로, 액체 토출 헤드 내에서와 같이 동일한 요소는 동일한 도면 부호로 나타내고 그 설명은 생략한다.
제1 실시예와 유사한, 제2 실시예에 따른 액체 토출 헤드(2)에서, 각 기포 발생 챔버(56)는 기포가 제1 기포 발생 챔버로부터 토출 포트부(53)까지의 통로 상에 배치된 히터(20) 및 제2 기포 발생 챔버(56b)에 의해 발생된 제1 기포 발생 챔버(56a)를 포함하고, 제2 기포 발생 챔버(56b)의 측면벽의 경사는 소자 기판(11)의 주 표면에 수직인 평면에 대해 10 내지 45도의 각도로 토출 포트부를 향해 집중되고 또한, 제1 기포 발생 챔버(56a)에서는, 복수의 제1 기포 발생 챔버(56a)를 독립적으로 구분하도록 제공된 벽면이 소자 기판(11)의 주 표면에 수직인 평면에 대해 0 내지 10°의 각으로 토출 포트를 향해 집중되고, 토출 포트부(53)에서는, 벽면이 소자 기판(11)의 주 표면에 수직인 평면에 대해 0 내지 5°의 각으로 토출 포트(53a)에 대해 집중된다.
도13 및 도14에 도시된 바와 같이, 액체 토출 헤드(2)의 오리피스 기판(52)은 약 30㎛의 두께를 갖는 수지 재료로 형성된다. 도1을 참조하면서 앞서 설명된 바와 같이, 오리피스 기판(52)은 잉크 액적을 토출하기 위한 복수의 토출 포트(53a), 잉크가 이동되는 복수의 노즐(54) 및 잉크를 노즐(54)에 공급하기 위한 공급 챔버(55)를 포함한다.
각각의 노즐(54)은 액적을 토출하기 위한 토출 포트(53a), 기포가 액체를 토출 에너지 발생 수단으로서 히터(20)에 의해 액체로 발생되는 기포 발생 챔버(56) 및 액체를 기포 발생 챔버(56)로 공급하기 위한 공급로(57)를 갖는 토출 포트부(53)를 포함한다.
기포 발생 챔버(56)는 소자 기판(11)의 주 표면에 의해 구성된 저부면을 갖는 공급로(57)와 연통하는 기포는 히터(20)에 의해 액체로 발생되는 제1 기포 발생 챔버(56a), 소자 기판(11)의 주 표면과 평행인 상부면의 개구와 연통하고 제1 기포 발생 챔버(56a) 내에서 발생된 기포가 성장하는 제2 기포 발생 챔버(56b) 및 토출 포트부(53)가 제2 챔버(56b)의 상부면의 개구와 연통하고 단차부가 토출 포트부(53)의 측벽면과 제2 기포 발생 챔버(56b)의 측벽면 사이에 제공된 토출 포트부(53)를 포함한다.
토출 포트(53b)는 소자 기판(11) 상에 대응하는 히터(20)에 대향한 위치에 제공되고, 예컨대 약 15㎛의 직경을 갖는 원형 구멍이다. 부수적으로, 토출 포트(53a)는 토출 특성의 필요 조건에 따라 실질적으로 반경 방향 별 형상으로 형성될 수도 있다.
제1 기포 발생 챔버(56a)는 토출 포트(53a)에 그 대향된 저부면이 실질적으로 직사각형이 되도록 설계된다. 또한, 제1 기포 발생 챔버(56a)는 소자 기판(11)의 주 표면과 평행한 히터(20)의 주 표면과 토출 포트(53a)사이의 최소 거리(OH)가 30㎛보다 작아지도록 설계된다. 도1을 참조하면서 전술한 바와 같이, 복수의 히터(20)는 소자 기판(11) 상에 제공되고, 배열 밀도가 600dpi일 경우, 히터 사이의 피치는 약 42.5㎛이다. 히터 배열 방향 내에 제1 기포 발생 챔버(56a)의 폭이 35㎛인 경우, 히터를 분할하는 노즐벽의 폭은 약 7.5㎛이다. 소자 기판의 표면으로부터 제1 기포 발생 챔버(56a)의 높이는 10㎛이다. 제1 기포 발생 챔버(56a) 상에 형성된 제2 기포 발생 챔버(56b)의 높이는 15㎛이고 오리피스 기판(52) 내에 형성된 토출 포트부(53)의 높이는 5㎛이다. 토출 포트(53a)의 형상은 원형이고 15㎛의 직경을 갖는다. 제2 기포 발생 챔버(56b)의 형상은 원추형이고, 제1 기포 발생 챔버에 인접하는 그 저부면의 직경이 30㎛인 경우, 20°의 경사가 제2 기포 발생 챔버의 측면벽 상에 형성된 때, 토출 포트부(53) 부근의 상부면의 직경은 19㎛ 이다. 제2 기포 발생 챔버는 약 2㎛의 단차부를 통해 15㎛의 직경을 갖는 토출 포트부(53)에 연결된다.
토출 포트부가 제2 기포 발생 챔버 상에 형성된 경우, 제조 허용 오차가 발생되므로, 그러한 단차부는 제2 기포 발생 챔버를 토출 포트부와 안정적으로 연통하기 위해 설계된 크기로서 제공된다. 그러므로, 토출 포트부의 중심축은 제2 기포 발생 챔버의 상부면의 중심축과 일치한다.
제1 기포 발생 챔버(56a) 내에서 발생된 기포는 노즐 내에 충전된 잉크가 토출 포트부(53)에서 정류되고 토출되거나 오리피스 기판의 토출 포트(53a)로부터 유동되도록 제2 기포 발생 챔버(56b) 및 공급로(57)를 향해 성장한다.
공급로(57)는 기포 발생 챔버(56)와 연통되는 일 단부 및 공급 챔버(55)와 연통되는 다른 단부를 갖는다.
더 높은 경사가 제2 기포 발생 챔버(56a)의 측면벽 상에 제공되고, 또한 경사가 제1 기포 발생 챔버(56a) 상에 제공되므로, 제1 기포 발생 챔버(56a) 내에 발생된 기포에 의해, 노즐 내에 충전된 잉크는 토출 포트부(53)를 향해 보다 효율적으로 이동할 수 있다. 그러나, 제1 기포 발생 챔버(56a), 제2 기포 발생 챔버 및 토출 포트부(53)의 모두는 고정확도로 포토리소그래피 공정에 의해 형성되지만, 이것은 완전한 오정렬없이 형성되지 않고, 그로 인해 1 미크론 레벨의 정렬 오차가 발생한다. 그러므로, 토출 포트부(53)에서 소자 기판(11)의 주 표면에 수직한 방향을 향해 잉크 액적을 직선으로 비상시키기 위해, 잉크의 비상 방향은 정확하게 직선으로 될 필요가 있다. 이러한 목적으로, 토출 포트부(53)의 측면벽의 경사는 소자 기판(11)의 주 표면에 수직인 방향에 평행하고 즉 가능한 한 적어도 0°이다.
그러나, 토출 포트부(53)의 높이(길이)가 개구와 비교해서 더욱 크게 될 경우, 그 부분에서 잉크의 점성 저항이 크게 증가하므로, 비상 잉크 액적의 토출 특성은 악화될 수도 있는 결과로, 비상 잉크 액적을 더욱 작게 만들도록, 토출 포트의 개구 영역은 보다 작게 만들어져야 한다. 이것을 방지하기 위해, 제2 실시예에 따른 액체 토출 헤드(2) 내에서, 제1 기포 발생 챔버 내에 발생된 기포가 제2 기포 방생 챔버로 성장되기 더욱 쉽고 노즐 내에 충전된 잉크가 제2 기포 발생 챔버 내에 이동되기 쉽고 비상 잉크 액적의 토출 방향이 직선이 될 수 있도록 설계된다.
소자 기판(11)의 표면으로부터 토출 포트(53a)까지 거리에 따르지만, 제2 기포 발생 챔버의 높이는 약 3 내지 25㎛가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 약 5 내지 15㎛이다. 또한, 토출 포트부(53)의 길이는 바람직하게는 1 내지 10㎛이고 더욱 바람직하게는 1 내지 3㎛이다.
또한, 도13에 도시된 바와 같이, 노즐(54)은 잉크 유동 방향에 수직이고 소자 기판(11)의 주 표면에 평행한 유로의 폭이 공급 챔버(55)로부터 기포 발생 챔버(56)까지 실질적으로 일정한 직선 형태를 갖는다. 또한, 노즐(54)에, 소자 기판(11)의 주 표면에 대향된 내부벽 표면은 공급 챔버(55)로부터 기포 발생 챔버(56)까지 소자 기판(11)의 주 표면에 평행하게 형성된다.
상기 언급한 구성을 갖는 액체 토출 헤드(2)에 관해, 잉크를 토출 포트부(53a)로부터 토출하기 위한 작용이 설명된다.
처음에, 액체 토출 헤드(2)에서, 공급 포트(36)로부터 공급 챔버(55)로 공급되는 잉크는 각각의 제1 노즐 어레이 및 제2 노즐 어레이의 각 노즐(54)에 공급된다. 각 노즐에 공급되는 잉크는 기포 발생 챔버(56)를 채우도록 공급로(57)를 따라 이동된다. 기포 발생 챔버(56) 내에 충전된 잉크는, 잉크가 소자 기판(11)의 주 표면에 실질적으로 수직인 방향으로 기포의 성장 압력에 의해 유동되고, 이로써 잉크의 액적으로서 토출 포트(53a)로부터 토출되는 결과로 기포를 발생시키는 히터(20)에 의해 막 증발된다.
기포 발생 챔버(56) 내에 충전된 잉크가 토출될 때, 기포 발생 챔버(56) 내에 잉크의 일부는 기포 발생 챔버(56) 내에 발생된 기포의 압력에 의해 공급로(57)를 향해 이동한다. 액체 토출 헤드(2)에서, 또한 제1 기포 발생 챔버(56a) 내에 발생된 기포의 압력은 제1 기포 발생 챔버(56a) 및 제2 기포 발생 챔버(56b) 내에 충전된 잉크가 제2 기포 발생 챔버(56b) 내부로 이동되도록 제2 기포 발생 챔버(56b)에 즉시 전달된다. 이러한 경우, 내부벽이 경사지므로, 제1 기포 발생 챔버(56a) 및 제2 기포 발생 챔버(56b) 내에 성장한 기포는 압력 손실을 최소화하도록 내부벽에 대해 인접하고 토출 포트부(53)를 향해 효과적으로 성장한다. 토출 포트부(53)에 직선인 잉크는 오리피스 기판(52)의 토출 포트(53a)로부터 소자 기판(11)의 주 표면에 수직한 방향을 향해 비상된다. 또한, 잉크 액적의 토출 체적은 효과적으로 보장된다. 따라서, 액체 토출 헤드(2)는 토출 포트(53a)로부터 토출된 잉크 액적의 토출 속도를 증가시킬 수 있다.
그러므로, 액체 토출 헤드(2)에서, 토출 속도 및 토출 체적로부터 계산된 잉크 액적의 운동 에너지는 통상적인 액체 토출 헤드와 비교하여 강화되고, 토출 효율이 강화될 수 있고, 상기 언급한 액체 토출 헤드(1)와 유사하게, 토출 주파수 특성이 향상될 수 있다.
지금부터, 전술한 구성을 갖는 액체 토출 헤드(2)를 제조하기 위한 방법이 간단히 설명된다. 액체 토출 헤드(2)를 제조하기 위한 방법은 액체 토출 헤드(1)를 제조하기 위한 상기 언급한 방법과 실질적으로 동일하다. 동일한 요소는 동일한 도면 부호로 나타내고 동일한 단계의 설명은 생략한다.
도8a 및 도9a에 도시된 바와 같이, 제1 단계는 복수의 히터(20) 및 예컨대 패턴 처리에 의해 실리콘 칩 상의 히터(20)에 전압을 적용하기 위한 소정 배선을 제공함으로써 소자 기판(11)을 형성하기 위한 기판 형성 단계이다.
도8b, 도9b 및 도9c에 도시된 바와 같이, 제2 단계는 스핀 코팅 방법에 의해 연속적으로 하부 수지층(42) 및 상부 수지층(41)(소자 기판 상에 330㎛보다 작은 파장을 갖는 DUV광을 조사에 의해 분자 사이에서 결합을 분해함으로써 가용성이 됨)코팅하기 위한 코팅 단계이다. 하부 수지층(42) 및 상부 수지층(41)의 막 두께는 각각 10㎛ 및 15㎛이다.
도8b 및 도9d에 도시된 바와 같이, 제3 단계는 상부 수지층(41) 상에 원하는 노즐 패턴을 형성하기 위한 패턴 형성 단계이고, DUV광을 조사하기 위한 노광 장치가 사용되고, 원하는 노즐 패턴이 약 260㎛ 내지 330㎛의 파장을 갖는 NUV광을 조사시킴으로써 형성되고, 이로써 상부 수지층(41)을 노광시키고 현상되도록, 260㎛ 이하의 파장을 막기 위한 필터가 260㎛ 보다 큰 파장만을 통과시키는 파장 선택 수단으로서 노광 장치에 장착된다.
도8b 및 도9d에 도시된 바와 같이, 제4 단계에서, 10분 동안 140℃의 온도에서 패턴 형성된 상부 수지층(41)을 가열함으로써, 20°로 각도 형성된 경사가 상부 수지층의 측면 표면상에 형성된다.
도8b 및 도9e에 도시된 바와 같이, 제5 단계는 하부 수지층을 노광하고 현상하는 노광 장치에 의해 210 내지 330㎛의 파장을 갖는 DUV광을 조사함으로써 하부 수지층(42) 상에 원하는 노즐 패턴을 형성하기 위한 패턴 형성 단계이다.
도10a에 도시된 바와 같이, 제6 단계는 노즐 패턴이 형성되고 DUV광에 의해 분자 사이에 가교 결합을 분리함으로써 용해될 수 있는 상부 수지층(41) 및 하부 수지층(42)상에 오리피스(12) 기판을 구성하는 투명한 코팅 수지층(43)을 코팅하기 위한 코팅 단계이다.
도8c 및 도10b에 도시된 바와 같이, 제7 단계에서, 오리피스 기판(12)은 노광 장치에 의해 코팅 수지층(43) 상에 UV광을 노광시킴으로써 수행되는 노광 및 현상에 의해 토출 포트부(53)에 상응하는 부분으로부터 수지를 제거함으로써 형성된다. 코팅 수지층의 막두께는 43 내지 30㎛이다.
도8d 및 도10c에 도시된 바와 같이, 제8 단계에서, 공급 포트(36)는 소자 기판(11)의 후방 표면 상에 화학적 에칭을 수행함으로써, 소자 기판(11) 내에 형성된다. 화학적 에칭, 예컨대 강알카리 수용액(KOH, NaOH, TMAH)을 이용한 이방성 에칭이 사용될 수 있다.
도8e 및 도10d에 사용된 바와 같이, 제9 단계에서, 소자 기판(11)의 주 표면 측면으로부터 코팅 수지층을 통과하는 330nm보다 작은 파장을 갖는 DUV를 조사함으로써, 소자 기판(11)과 오리피스 기판(12) 사이에 위치된 노즐 형성 재료로서 상부 및 하부 수지층(41, 42)이 공급 포트(36)를 통해 유동해서 나온다.
이러한 방법으로, 토출 포트(53a)를 포함하는 노즐(54)을 갖는 칩, 공급 포트(36) 및 공급 포트와 토출 포트를 연통하는 공급로(57)에 제공된 단차형 제어부(58)가 얻어질 수 있다. 히터(20)를 구동하기 위해 이러한 칩을 배선 기판(도시 생략)에 전기적으로 연결함으로써, 액체 토출 헤드(2)를 얻을 수 있다.
전술한 바와 같이, 액체 토출 헤드(2)에서, 원추형을 갖는 제2 기포 발생 챔버(56b)를 제공하고, 제1 기포 발생 챔버(56a)의 벽면 상에 경사를 제공함으로써, 소자 기판(11)으로부터 토출 포트(53a)까지 연장하는 방향을 따라 그리고 토출 포트(53a)의 부근에서 잉크의 체적을 점진적으로 감소시키는 동안, 잉크는 정류되고, 액적이 비상하는 경우, 비상 액적은 소자 기판(11)에 수직인 방향을 향한다. 또한, 기포 발생 챔버 내 잉크의 유동을 제어하기 위한 제어부(58)가 제공되므로, 토출된 잉크 액적의 체적은 안정화되고 이로써 잉크 액적 토출 효율이 강화된다.
(제3 실시예)
지금부터, 상기 언급한 액체 토출 헤드(2)의 제1 기포 발생 챔버의 높이가 더 감소되고 제2 기포 발생 챔버의 높이가 증가되는 본 발명의 제3 실시예에 따른 액체 토출 헤드(3)가 첨부된 도면을 참조하면서 간단하게 설명된다. 액체 토출 헤드(1, 2)에 동일한 요소는 동일한 도면 부호로 나타내고 그 설명은 생략한다.
제1 실시예와 유사하게 제3 실시예에 따른 액체 토출 포트(3)에서, 각 기포 발생 챔버(66)는 기포가 히터(20)에 의해 발생되는 제1 기포 발생 챔버(66a) 및 제1 기포 발생 챔버(66a)로부터 토출 포트부(63)까지의 경로 상에 배치된 제2 기포 발생 챔버(66b)를 포함하고, 제2 기포 발생 챔버(66b)의 측면벽의 경사는 소자 기판(11)의 주 표면에 수직인 평면에 대해 10 내지 45°의 각으로 토출 포트부(63)를 향해 집중되고, 또한, 제1 기포 발생 챔버(66a)에서, 복수의 제1 기포 발생 챔버(66a)를 독립적으로 구분하기 위해 제공된 벽면은 소자 기판(11)의 주 표면에 수직인 평면에 대해 0 내지 10°의 각으로 토출 포트를 향해 집중되고, 토출 포트부(63)에서, 벽면은 소자 기판(11)의 주 표면에 수직인 평면에 대해 0 내지 5°의 각으로 토출 포트를 향해 집중된다.
도15 및 도16에 도시된 바와 같이, 액체 토출 헤드(3)의 오리피스 기판(62)이 약 30㎛의 두께를 갖는 수지 재료로 형성된다. 도1을 참조하여 전술한 바와 같이, 오리피스 기판(62)은 잉크 액적을 토출하기 위한 복수의 토출 포트(63a)와, 잉크가 이동되는 복수의 노즐(64) 및 잉크를 노즐(64)에 공급하기 위한 공급 챔버(65)를 포함한다.
토출 포트(63a)는 소자 기판(11) 상의 상응하는 히터(20)에 대향한 위치에 제공되고, 예컨대 약 15㎛의 직경을 갖는 원형 구멍이다. 부수적으로, 토출 포트(63a)는 토출 특성의 요구 조건에 종속되어 실질적으로 반경 방향 별 형상일 수도 있다.
제1 기포 발생 챔버(66a)는 토출 포트(63a)에 대향한 그 저부면이 실질적으로 직사각형이 되도록 설계된다. 또한 제1 기포 발생 챔버(66a)는 소자 기판(11)의 주 표면에 평행한 히터(20)의 주 표면과 토출 포트(63a) 최소 거리(OH)가 30㎛ 보다 작게 되도록 설계된다. 소자 기판(11)의 표면으로부터 제1 기포 발생 챔버(66a)의 상부면의 높이는 예컨대, 8㎛이고, 제1 기포 발생 챔버(66a) 상에 형성된 제2 기포 발생 챔버(66b)의 높이는 18㎛이다. 제2 기포 발생 챔버(66b)는 사각형의 피라미드형을 갖고 제1 기포 발생 챔버(66a) 부근에 측면의 길이는 28㎛이고 2㎛의 반경이 각각의 코너에 형성된다. 측면벽이 토출 포트부(63)를 향해 집중되도록 제2 기포 발생 챔버(66b)의 측면벽은 소자 기판(11)의 주 표면에 수직인 평면에 대해 15°의 경사를 갖는다. 제2 기포 발생 챔버(66b)는 적어도 약 1.7㎛의 단차부를 경유하여 15㎛의 직경을 갖는 토출 포트부(63)와 연통한다.
오리피스 기판(62)에 형성된 토출 포트부(63)의 높이는 4㎛이다. 토출 포트(63a)의 형상은 원형이며 15㎛의 직경을 갖는다.
제1 기포 발생 챔버(66a) 내에 발생된 기포는 제2 기포 발생 챔버(66b) 및 공급로(67)를 향해 성장하므로, 노즐(64) 내에 충전된 잉크는 토출 포트부(63)에서 정류되며, 오리피스 기판(62)의 토출 포트(63a)로부터 토출되거나 비상된다.
공급로(67)는 기포 발생 챔버(66)와 연통하는 일 단부와, 공급 챔버(65)와 연통하는 다른 단부를 갖는다.
제1 기포 발생 챔버(66a)는 소자 기판 상에 형성된다. 제1 기포 발생 챔버의 높이를 감소시킴으로써, 잉크 유로의 단면적은, 제1 기포 발생 챔버(66a)에 인접한 공급로(67)의 일 단부로부터 제1 기포 발생 챔버(66a)로 보다 작게 형성되므로, 단면적은 제2 실시예에 따른 액체 토출 헤드(2)와 비교할 때 감소된다.
한편, 제2 기포 발생 챔버(66b)의 높이를 증가시킴으로써, 제1 기포 발생 챔버(66a) 내에 발생된 기포의 압력은 제2 기포 발생 챔버(66b)로 전달이 용이하며 제1 기포 발생 챔버(66a)로부터 제1 기포 발생 챔버와 연통하는 공급로(67)로 전달되기 어려우므로, 잉크는 토출 포트부(63)로 신속하고 효율적으로 이동할 수 있다.
또한, 노즐(64)은, 잉크 유동 방향에 수직이고 소자 기판(11)의 주 표면에 평행한 유로의 폭이 공급 챔버(65)로부터 기포 발생 챔버(66)까지 실질적으로 일정한 직선 형상을 갖는다. 또한, 노즐(64)에서, 소자 기판(11)의 주 표면에 대향하는 내부벽면은 공급 챔버(65)로부터 기포 발생 챔버(66)까지 소자 기판(11)의 주 표면과 평행하도록 형성된다.
전술한 구성을 갖는 액체 토출 헤드(3)와 관련하여, 토출 포트(63a)로부터 잉크를 토출하기 위한 동작을 설명한다.
먼저, 액체 토출 헤드(3)에서, 공급 포트(36)로부터 공급 챔버(65)로 공급된 잉크는 제1 노즐 어레이 및 제2 노즐 어레이의 각각의 노즐(64)로 각각 공급된다. 각각의 노즐(64)로 공급된 잉크는 기포 발생 챔버(66)를 충전하도록 공급로(67)를 따라 이동한다. 기포 발생 챔버(66) 내에 충전된 잉크는 히터(20)에 의해 막 증발되어 기포를 발생시키며, 그 결과 소자 기판(11)의 주 표면에 실질적으로 수직인 방향으로의 기포의 성장 압력에 의해 잉크가 비상하여, 토출 포트(63a)로부터 잉크 액적으로서 토출된다.
기포 발생 챔버(66) 내에 충전된 잉크가 토출될 때, 기포 발생 챔버(66) 내의 잉크의 일부는 기포 발생 챔버(66) 내에 발생된 기포의 압력에 의해 공급로(67)를 향해 이동된다. 액체 토출 헤드(3)에서, 제1 기포 발생 챔버(66a) 내의 잉크의 일부가 공급로(67)를 향해 이동할 때, 제1 기포 발생 챔버(66a)의 높이가 감소되어 공급로(67)의 유로를 제한하기 때문에, 공급로(67)의 유로의 유체 저항값은 제1 기포 발생 챔버(66a)로부터 공급로(67)를 통해 공급 챔버(65)를 향해 유동하는 잉크에 대해 증가된다. 따라서, 액체 토출 헤드(3)에서, 기포 발생 챔버(66) 내에 충전된 잉크는 공급로(67)를 향해 유동하는 것이 억제되기 때문에, 제1 기포 발생 챔버(66a)로부터 제2 기포 발생 챔버(66b)로의 기포의 성장이 더욱 촉진되며, 토출 포트를 향한 잉크의 유동성이 향상되어, 잉크의 토출 체적이 더욱 효율적으로 보장된다.
또한, 잉크 토출 헤드(3)에서, 제1 기포 발생 챔버(66a)로부터 제2 기포 발생 챔버(66b)로 전달된 기포의 압력은 더욱 효율적이 되고, 제1 기포 발생 챔버(66a) 및 제2 기포 발생 챔버(66b)의 벽면이 경사져 있기 때문에, 제1 기포 발생 챔버(66a) 및 제2 기포 발생 챔버(66b) 내에서 성장하는 기포는 기포 발생 챔버(66)의 내부벽에 인접하여 압력 손실이 최소화되고, 이에 의해 기포가 효율적으로 성장한다. 따라서, 액체 토출 헤드(3)에서, 토출 포트(63a)로부터 토출된 잉크의 토출 속도가 증가한다.
전술한 액체 토출 헤드(3)에 따르면, 잉크는 제1 기포 발생 챔버(66a) 및 제2 기포 발생 챔버(66b) 내에서 적은 저항으로 신속하게 이동할 수 있으며, 토출 포트부의 길이가 감소되기 때문에, 잉크의 정류 작용은 액체 토출 헤드(1, 2)와 비교할 때 더욱 신속하게 수행될 수 있으며, 이에 의해 잉크 액적의 토출 효율이 더욱 향상된다.
(제4 실시예)
전술한 액체 토출 헤드(1, 2, 3)에 있어서, 제1 노즐 어레이(16) 및 제2 노즐 어레이(17)가 유사하게 형성된 예를 설명하였지만, 마지막으로 제1 및 제2 노즐 어레이의 형상 및 히터의 면적이 서로 상이한 본 발명의 제4 실시예에 따른 액체 토출 헤드(4)를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도17a 및 도17b에 도시한 바와 같이, 소자 기판의 주 표면에 평행한 상이한 면적을 갖는 제1 및 제2 히터(98, 99)가 액체 토출 헤드(4)의 소자 기판(96) 상에 제공된다.
또한, 액체 토출 헤드(4)의 오리피스 기판(97)에서, 제1 및 제2 노즐 어레이(101, 102)의 토출 포트(106, 107)의 개구 면적 및 노즐의 형상이 서로 상이하다. 제1 노즐 어레이(101)의 토출 포트(106)의 각각은 원형 구멍이다. 제1 노즐 어레이(101)의 노즐은 전술한 액체 토출 헤드(2)에서와 동일하기 때문에, 그 설명은 생략한다. 그러나, 기포 발생 챔버 내의 잉크의 이동을 향상시키기 위해, 제2 기포 발생 챔버(109)는 제1 기포 발생 챔버의 상부에 형성된다. 또한, 제2 노즐 어레이(102)의 토출 포트(107)의 각각은 반경방향으로 대략 별 형상을 갖는다. 제2 노즐 어레이(102)의 노즐의 각각은 직선 형상이므로 잉크 유로의 단면적은 기포 발생 챔버로부터 토출 포트로 변화되지 않는다.
또한, 소자 기판(96)은 제1 노즐 어레이(101) 및 제2 노즐 어레이(102)로 잉크를 공급하기 위한 공급 포트(104)를 구비한다.
그런데, 노즐 내의 잉크의 유동은 토출 포트로부터 비상된 잉크 액적의 체적(Vd)에 의해 야기되며, 잉크 액적이 비상된 후의 메니스커스를 회복하기 위한 작용이 토출 포트의 개구 면적에 따라 발생되는 모세관력에 의해 수행된다. 토출 포트의 개구 면적을 S0, 토출 포트의 개구 에지의 외주부를 L1, 잉크의 표면 장력을 γ, 잉크와 노즐의 내부벽 사이의 접촉각을 θ라고 하면, 모세관력(p)은 하기의 식으로 표현된다:
P = γcosθ×L1/S0
또한, 비상된 잉크 액적의 체적(Vd)에 의해서만 메니스커스가 발생되고 토출 주파수 시간(t)[재충전 시간(t)] 후에 회복되는 것으로 가정하는 경우, 하기의 관계가 설정된다:
p = B ×(Vd/t)
액체 토출 헤드(4)에 따르면, 제1 노즐 어레이(101) 및 제2 노즐 어레이(102)에서, 제1 및 제2 히터(98, 99)의 면적 및 토출 포트(106, 107)의 개구 면적이 서로 상이하기 때문에, 상이한 토출 체적을 갖는 잉크 액적이 단일의 액체 토출 헤드(4)로부터 토출될 수 있다.
또한, 액체 토출 헤드(4)에서, 제1 노즐 어레이(101) 및 제2 노즐 어레이(102)로부터 토출된 잉크의 물성치인 표면 장력, 점도 및 pH는 동일하며, 노즐의 구조에 대응하여, 토출 포트(106, 107)로부터 토출된 잉크 액적의 토출 체적에 따른 이너턴스(A) 및 점성 저항(B)과 같은 물리량을 설정함으로써, 제1 노즐 어레이(101)의 토출 주파수 응답성을 제2 노즐 어레이(102)의 토출 주파수 응답성과 실질적으로 동등하게 할 수 있다.
즉, 액체 토출 헤드(4)에서, 예컨대 제1 노즐 어레이(101) 및 제2 노즐 어레이(102)로부터 토출된 잉크 액적의 토출량이 각각 4.0 (pl) 및 1.0 (pl)인 경우, 노즐 어레이(101, 102)의 재충전 시간이 실질적으로 동등하게 된다는 것은, 토출 포트(106, 107)의 개구 에지의 각각의 외주부(L1)와 토출 포트(106, 107)의 각각의 개구 면적(S0) 사이의 비(L1/S0)가 점성 저항(B)과 동등하게 된다는 것을 의미한다.
이제, 전술한 구성을 갖는 액체 토출 헤드(4)를 제조하는 방법을 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
액체 토출 헤드(4)의 제조 방법은, 전술한 액체 토출 헤드(1, 2)의 제조 방법에 따라 적용되며, 상부 수지층(41)과 하부 수지층(42) 상에 노즐 패턴을 형성하기 위한 패턴 형성 단계를 제외한 단계들은 전술한 제조 방법과 동일하다. 액체 토출 헤드(4)의 제조 방법에 있어서, 패턴 형성 단계에서는, 도18a, 도18b 및 도18c에 도시한 바와 같이, 상부 및 하부 수지층(41, 42)이 소자 기판(96) 상에 형성된 후에, 도18d 및 도18e에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 노즐 어레이(101, 102)에 대한 소정의 노즐 패턴이 각각 형성된다. 즉, 제1 및 제2 노즐 어레이(101, 102)에 대한 노즐 패턴이 공급 포트(104)에 대해 비대칭적으로 형성된다. 즉, 액체 토출 헤드(4)의 제조 방법에서는, 단지 상부 및 하부 수지층(41, 42) 상의 노즐 패턴을 부분적으로 변경함으로써, 액체 토출 헤드(4)가 용이하게 제조 가능하다. 도19a 내지 도19d에 도시한 다른 단계들은 제1 실시예와 동일하므로, 그 설명은 생략한다.
전술한 액체 토출 헤드(4)에 따르면, 서로 상이한 제1 및 제2 노즐 어레이를 위한 노즐 구조를 제공함으로써, 노즐 어레이(101, 102)에 대해 상이한 토출 체적을 갖는 잉크 액적을 토출하는 것이 가능하며, 잉크 액적은 고속에서 최적의 토출 주파수로 안정적으로 용이하게 토출될 수 있다.
또한, 액체 토출 헤드(4)에 따르면, 모세관력에 의해 얻어진 유동 저항의 평형을 조정함으로써, 회복 동작이 회복 기구에 의해 수행될 때, 잉크는 균일하고 신속하게 흡인될 수 있으며, 회복 기구가 간단화될 수 있기 때문에, 액체 토출 헤드의 토출 특성의 신뢰성이 향상될 수 있으며, 기록 동작의 신뢰성이 향상된 기록 장치가 제공될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 액체 토출 헤드에 따르면, 제1 기포 발생 챔버 내에 발생된 기포는 제2 기포 발생 챔버 내로 성장하므로, 제2 기포 발생 챔버 내의 잉크는 제2 기포 발생 챔버와 토출 포트부를 통해 잉크 액적으로서 토출된다. 이 경우, 잉크 액적의 토출량은 안정화되며, 이에 의해 토출 효율이 향상된다.
또한, 본 발명에 따른 액체 토출 헤드에서, 제1 기포 발생 챔버 내에 발생된 기포는 제2 기포 발생 챔버의 내부벽에 인접하여 압력 손실이 최소화되기 때문에, 기포 발생 챔버 내의 잉크는 신속하고 효율적으로 이동 가능하며, 이에 의해 토출 효율이 향상되며 재충전 속도가 증가된다.
도1은 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 전체 구성을 설명하기 위한 개략 사시도.
도2는 3개의 개구 모델로서 액체 토출 헤드 내의 유체의 유동을 도시하는 개략도.
도3은 등가 회로로서 액체 토출 헤드를 도시하는 개략도.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체 토출 헤드 내의 단일 히터 및 노즐의 결합된 구조를 설명하기 위한 부분 절결 사시도.
도5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체 토출 헤드 내의 복수의 히터와 노즐들의 결합된 구조를 설명하기 위한 부분 절결 사시도.
도6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체 토출 헤드 내의 단일 히터 및 노즐의 결합된 구조를 설명하기 위한 측단면도.
도7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체 토출 헤드 내의 단일 히터 및 노즐의 결합된 구조를 설명하기 위한 평면 단면도.
도8a, 도8b, 도8c, 도8d 및 도8e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체 토출 헤드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 사시도로서, 도8a는 소자 기판을 도시하고, 도8b는 소자 기판 상에 하부 수지층 및 상부 수지층이 형성된 상태를 도시하고, 도8c는 코팅 수지층이 형성된 상태를 도시하고, 도8d는 공급 포트가 형성된 상태를 도시하고, 도8e는 하부 수지층 및 상부 수지층이 용해되어 제거된 상태를 도시하는 도면.
도9a, 도9b, 도9c, 도9d 및 도9e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체 토출 헤드를 제조하는 여러 단계를 도시 및 설명하기 위한 제1 종단면도로서, 도9a는 소자 기판을 도시하고, 도9b는 소자 기판 상에 하부 수지층이 형성된 상태를 도시하고, 도9c는 소자 기판 상에 상부 수지층이 형성된 상태를 도시하고, 도9d는 측면에 경사를 형성하기 위해 소자 기판 상에 형성된 상부 수지층이 패턴 형성된 상태를 도시하고, 도9e는 소자 기판 상에 형성된 하부 수지층이 패턴 형성된 상태를 도시하는 도면.
도10a, 도10b, 도10c 및 도10d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체 토출 헤드를 제조하기 위한 다양한 단계를 도시 및 설명하기 위한 제2 종단면도로서, 도10a는 오리피스 기판으로서 코팅 수지층이 형성된 상태를 도시하고, 도10b는 토출 포트부가 형성된 상태를 도시하고, 도10c는 공급 포트가 형성된 상태를 도시하고, 도10d는 하부 수지층 및 상부 수지층을 용해시키서 제거함으로써 액체 토출 헤드가 완성된 상태를 도시하는 도면.
도11은 전자 빔의 조사에 의해 유발되는 상부 수지층 및 하부 수지층의 화학 반응식을 도시하는 도면.
도12는 하부 수지층 및 상부 수지층의 재료의 흡수 스펙트럼 곡선을 210 내지 330㎚의 영역에서 나타내는 그래프.
도13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 액체 토출 헤드 내의 단일 히터 및 노즐의 결합된 구조를 설명하기 위한 부분 절결 사시도.
도14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액체 토출 헤드 내의 단일 히터 및 노즐의 결합된 구조를 설명하기 위한 측단면도.
도15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 액체 토출 헤드 내의 단일 히터 및 노즐의 결합된 구조를 설명하기 위한 부분 절결 사시도.
도16은 본 발명의 제3 실시예에 따른 액체 토출 헤드 내의 단일 히터 및 노즐의 결합된 구조를 설명하기 위한 측단면도.
도17a 및 도17b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 액체 토출 헤드 내의 단일 히터 및 노즐의 결합된 구조를 설명하기 위한 부분 절결 사시도로서, 도17a는 제1 노즐 어레이 내의 노즐을 도시하고 도17b는 제2 노즐 어레이 내의 노즐을 도시한 도면.
도18a, 도18b, 도18c, 도18d 및 도18e는 본 발명의 제4 실시예에 따른 액체 토출 헤드를 제조하기 위한 다양한 단계를 도시 및 설명하기 위한 제1 종단면도로서, 도18a는 소자 기판을 도시하고, 도18b는 소자 기판 상에 하부 수지층이 형성된 상태를 도시하고, 도18c는 소자 기판 상에 상부 수지층이 형성된 상태를 도시하고, 도18d는 측면에 경사를 형성하기 위해 소자 기판 상에 형성된 상부 수지층이 패턴 형성된 상태를 도시하고, 도18e는 소자 기판 상에 형성된 하부 수지층이 패턴 형성된 상태를 도시하는 도면.
도19a, 도19b, 도19c 및 도19d는 본 발명의 제4 실시예에 따른 액체 토출 헤드를 제조하기 위한 다양한 단계를 도시 및 설명하기 위한 제2 종단면도로서, 도19a는 오리피스 기판으로서 코팅 수지층이 형성된 상태를 도시하고, 도19b는 토출 포트부가 형성된 상태를 도시하고, 도19c는 공급 포트가 형성된 상태를 도시하고, 도19d는 하부 수지층 및 상부 수지층을 용해시키서 제거함으로써 액체 토출 헤드가 완성된 상태를 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 2, 3, 4 : 액체 토출 헤드
11 : 소자 기판
12, 52, 62, 97 : 오리피스 기판
16, 101 : 제1 노즐 어레이
17, 102 : 제2 노즐 어레이
20 : 히터
21 : 절연막
22 : 보호막
26a, 53a, 63a, 106, 107 : 토출 포트
26, 53, 63 : 토출 포트부

Claims (17)

  1. 잉크 액적을 토출하기 위한 에너지를 발생시키기 위한 토출 에너지 발생 소자와,
    상기 토출 에너지 발생 소자가 상부에 제공되는 주 표면을 갖는 소자 기판과,
    잉크 액적을 토출하기 위한 토출 포트를 갖는 토출 포트부와,
    상기 토출 에너지 발생 소자에 의해 액체에 기포를 발생시키는 기포 발생 챔버 및 상기 기포 발생 챔버로 액체를 공급하기 위한 공급로를 갖는 노즐과,
    상기 노즐로 액체를 공급하기 위한 공급 챔버, 및
    상기 소자 기판의 주 표면에 접합된 오리피스 기판을 포함하고,
    상기 기포 발생 챔버는, 상기 공급로와 연통하고 상기 소자 기판의 주 표면을 그 저부면으로서 사용하며 상기 토출 에너지 발생 소자에 의해 액체에 기포를 발생시키는 제1 기포 발생 챔버와, 상기 제1 기포 발생 챔버와 연통하는 제2 기포 발생 챔버를 구비하며,
    상기 제2 기포 발생 챔버는 상기 토출 포트부와 연통하며,
    상기 제2 기포 발생 챔버의 하부면의 중심축은 상기 기판에 수직인 방향에서 상기 제2 기포 발생 챔버의 상부면의 중심축과 일치하며,
    상기 제2 기포 발생 챔버의 중심축에 대한 상기 상부면의 단면적은 상기 제2 기포 발생 챔버의 중심축에 대한 상기 하부면의 단면적보다 작으며,
    상기 중심축 방향에서의 단면적은 상기 제2 기포 발생 챔버의 하부면으로부터 상부면으로 연속적으로 변화되며,
    상기 제2 기포 발생 챔버의 중심축에 대한 상기 상부면의 단면적은 상기 토출 포트부의 중심축에 대한 단면적보다 큰 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 기포 발생 챔버의 측벽면은, 상기 중심축 방향에서의 단면적이, 상기 소자 기판의 주 표면에 수직인 평면에 대해 10 내지 45°의 경사로 상기 제2 기포 발생 챔버의 하부면으로부터 상부면까지 연속적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 기포 발생 챔버는, 개별 노즐에 대해 평행하게 배열된 상기 복수의 노즐을 구획하기 위한 노즐벽에 의해 3방향에서 둘러싸이며,
    상기 토출 포트부의 벽면은 상기 소자 기판의 주 표면에 수직인 평면에 대해 평행한 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 기포 발생 챔버는, 개별 노즐에 대해 평행하게 배열된 상기 복수의 노즐을 구획하기 위한 노즐벽에 의해 3방향에서 둘러싸이며,
    상기 토출 포트부의 벽면은 상기 소자 기판의 주 표면에 수직인 평면에 대해 10°이하의 테이퍼를 갖는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 공급 챔버에 인접한 소자 기판의 주 표면에 평행한 상기 공급로의 상부면은, 상기 제1 기포 발생 챔버의 상부면과 동일 평면으로 연속하는 상기 공급로의 상부면보다 높고, 단차부를 경유하여 상기 공급로의 상부면에 연결되며,
    상기 소자 기판의 표면으로부터의 상기 공급로의 최대 높이는 상기 소자 기판의 표면으로부터 상기 제2 기포 발생 챔버의 상부면까지의 높이보다 작은 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드.
  6. 제1항에 있어서, 상기 액체의 유동 방향에 수직인 평면 상의 상기 공급로의 폭은 상기 단차부의 부근의 상기 오리피스 기판의 두께 방향을 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드.
  7. 제1항에 있어서, 상기 노즐은, 상기 토출 포트로부터 상기 공급 챔버로 연장되는 유로의 단면적이 복수의 단계로 변화되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드.
  8. 제1항에 있어서, 상기 노즐은, 상기 잉크 액적이 상기 토출 포트로부터 비상하는 토출 방향이 상기 공급로 내에서 유동하는 액체의 유동 방향에 수직이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드.
  9. 제1항에 있어서, 상기 노즐은, 상기 제1 기포 발생 챔버, 상기 제2 기포 발생 챔버 및 상기 토출 포트부의 체적의 합이 상기 공급로의 체적보다 작아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드.
  10. 제1항에 있어서, 상기 토출 에너지 발생 소자에 의해 발생된 기포는 토출 중에 대기와 연통하는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드.
  11. 제1항에 있어서, 상기 오리피스 기판은 각각의 토출 에너지 발생 소자에 대응하는 복수의 노즐을 구비하고, 상기 복수의 노즐은, 상기 노즐들의 종방향이 평행하게 되도록 상기 노즐들이 배열된 제1 노즐 어레이와, 상기 공급 챔버를 개재한 상태로 상기 제1 노즐 어레이에 대향하는 위치에 배치되며 상기 노즐들의 종방향이 평행하게 되도록 배열된 제2 노즐 어레이로 분할되며,
    상기 제2 노즐 어레이의 상기 노즐들의 종방향 중심축은 상기 제1 노즐 어레이의 상기 노즐들의 종방향 중심축에 대해 인접한 노즐간의 피치의 1/2 피치로 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드.
  12. 잉크 액적을 토출하기 위한 에너지를 발생시키기 위한 토출 에너지 발생 소자와, 상기 토출 에너지 발생 소자가 상부에 제공되는 주 표면을 갖는 소자 기판과, 잉크 액적을 토출하기 위한 토출 포트를 갖는 토출 포트부와, 상기 토출 에너지 발생 소자에 의해 액체에 기포를 발생시키는 기포 발생 챔버 및 상기 기포 발생 챔버로 액체를 공급하기 위한 공급로를 갖는 노즐과, 상기 노즐로 액체를 공급하기 위한 공급 챔버, 및 상기 소자 기판의 주 표면에 접합된 오리피스 기판을 포함하는 액체 토출 헤드의 제조 방법이며,
    상기 토출 에너지 발생 소자가 상부에 제공되어 있는 주 표면을 갖는 상기 소자 기판 상에 상기 제1 기포 발생 챔버 및 상기 공급로의 하부 부분에 대한 패턴을 형성하도록 적용된 용제 가용형의 열가교성 유기 수지를 코팅하고, 수지를 가열하여 열가교막을 형성하는 단계와,
    상기 열가교막 상에 상기 제2 기포 발생 챔버 및 상기 공급로의 상부 부분에 대한 패턴을 형성하도록 적용된 용제 가용형의 유기 수지를 코팅하는 단계와,
    상기 제2 기포 발생 챔버 및 상기 공급로의 상부 부분을 위한 패턴을 형성하기 위해 260 내지 330nm의 파장을 갖는 근자외선광을 사용하여 상기 유기 수지를 노광 및 현상하는 단계와,
    노광 및 현상하여 패턴 형성된 유기 수지를 유리 전이점 이하의 온도에서 가열함으로써 10 내지 45°의 경사를 형성하는 단계와,
    210 내지 330nm의 파장을 갖는 원자외선광을 사용하여 상기 열가교막을 노광 및 현상하는 단계와,
    2층 가용막에 의해 형성된 유로 패턴 상에 네가티브형 유기 수지를 코팅, 노광, 현상 및 가열함으로써 토출 포트를 갖는 오리피스 기판을 적층하는 단계, 및
    상기 오리피스 기판을 경유하여 상기 하부층 상에 형성된 유기 수지를 형성하는 상기 2층 유로 상에 원자외선광을 조사하여 용제에 의해 수지를 제거함으로써, 액적을 토출하기 위한 토출 포트부와，상기 토출 에너지 발생 소자에 의해 액체에 기포를 발생시키는 기포 발생 챔버 및 상기 기포 발생 챔버로 액체를 공급하기 위한 공급로를 갖는 노즐과, 상기 노즐로 액체를 공급하기 위한 공급 챔버 및 상기 소자 기판의 주 표면에 접합된 오리피스 기판을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 기포 발생 챔버 및 상기 공급로의 상부 부분은, 상기 제2 기포 발생 챔버의 패턴이 유기 수지의 통상 해상도 패턴이고 상기 공급로의 상부 부분의 패턴이 유기 수지의 한도 해상도 이하의 패턴인 포토마스크를 사용하고 260 내지 330nm의 파장을 갖는 근자외선광을 사용하여, 패턴 전사을 전사함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제2 기포 발생 챔버 및 상기 공급로의 상부 부분의 형성은, 상기 유기 수지의 노광 및 현상 단계에서, 수지가 완전히 제거되는 영역과, 수지가 부분적으로 제거되는 영역 및 수지가 전혀 제거되지 않는 영역으로 분할되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 유기 수지의 노광 및 현상 단계에서, 상기 수지가 전혀 제거되지 않는 영역은 상기 제2 기포 발생 챔버를 형성하며, 상기 수지가 부분적으로 제거되는 영역은 상기 공급로의 상부 부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드의 제조 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 소자 기판 상의 제1 기포 발생 챔버의 높이는 5 내지 20㎛이고, 상기 소자 기판의 주 표면에 수직인 평면에 대해 0 내지 10°의 경사로 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드의 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 제1 기포 발생 챔버 및 상기 공급로를 형성하기 위한 열가교성 유기 수지는 메틸 메타크릴레이트를 주성분으로 하고, 메타크릴산 및 메타크릴산 에스테르와 공중합되어 얻어진 재료를 코팅 용제에 용해함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드의 제조 방법.
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