KR20080093664A

KR20080093664A - 잉크젯 헤드 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20080093664A
Application number: KR1020070037674A
Authority: KR
Inventors: 유영석; 정재우; 김영재
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2007-04-18
Filing date: 2007-04-18
Publication date: 2008-10-22
Also published as: US20080266355A1; JP2008265338A

Abstract

잉크젯 헤드 및 그 제조방법이 개시된다. 잉크유로를 통해 유입된 잉크를 챔버에 수용하고, 챔버의 일면을 구획하는 멤브레인을 가압하여 노즐을 통해 잉크를 토출하는 잉크젯 헤드를 제조하는 방법으로서, 제1 기판의 일면에서 그 일부를 식각하여 챔버를 형성하는 단계, 제1 기판의 타면에서 그 일부를 식각하여 챔버와 연결되는 잉크유로를 형성하는 단계, 및 제1 기판의 일면에 챔버를 커버하도록 제2 기판을 접합하는 단계를 포함하는 잉크젯 헤드 제조방법은, 한 장의 실리콘 웨이퍼의 양면을 식각하여 챔버와 잉크유로를 형성함으로써, 보다 두꺼운 실리콘 웨이퍼를 사용하여 챔버를 가공할 수 있으므로 제작이 용이하고 작업 중에 웨이퍼가 깨질 염려가 없어 수율이 높아지며, 실리콘 웨이퍼의 두께와 무관하게 챔버의 두께를 낮출 수 있으므로 시그널에 대한 반응속도가 높아지고 주파수 특성을 향상시킬 수 있다.

잉크젯 헤드, 실리콘 기판

Description

잉크젯 헤드 및 그 제조방법{Inkjet head and manufacturing method thereof}

도 1은 종래기술에 따른 잉크젯 헤드구조를 나타낸 분해사시도.

도 2는 종래기술에 따른 잉크젯 헤드를 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 제조방법을 나타낸 순서도.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 제조공정을 나타낸 흐름도.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드를 나타낸 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 10, 20, 30 : 기판 3 : 챔버

5 : 잉크 유입구 7 : 잉크유로

12 : 멤브레인 16 : 액츄에이터

22 : 리스트릭터 24 : 노즐유로

32 : 노즐

본 발명은 잉크젯 헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

잉크젯 헤드는 전기신호를 물리적인 힘으로 변환하여 미세한 노즐을 통하여 잉크의 액적(液滴)이 토출되도록 하는 원리를 이용한다. 이러한 잉크젯 헤드의 경우, 액적이 토출되도록 하는 준비공간인 챔버의 크기가 토출 성능에 큰 영향을 미치게 된다.

도 1과 같은 종래의 잉크젯 헤드구조를 살펴보면, 챔버의 용량은 챔버의 폭이나 너비에 의해서도 좌우되지만 이는 구동부에 해당하는 압전체(Piezoelectric material)와 멤브레인(Membrane)에 의해 설계상 한계가 있어 그 변동의 폭이 적다. 즉, 현실적으로 챔버의 용량은 챔버의 두께에 의해 조절될 수 있다.

종래의 잉크젯 헤드는 주로 스테인레스 스틸(SUS), 세라믹(Ceramic), 실리콘(Si) 웨이퍼 등을 가공하여 구조체가 만들어진다. SUS나 세라믹 재질의 경우에는 챔버의 용적을 조절하는 데에는 큰 문제를 보이지 않고 있으나, 이러한 재질의 헤드는 별도의 금형 제작이 필요하며 설계변경이 용이하지 않다는 문제가 있다.

따라서 점차로 실리콘 재질의 헤드 제작이 크게 각광을 받고 있는데, 이는 도 2에 도시된 것처럼 실리콘 단결정의 웨이퍼를 이용하여 각각의 기능을 가지는 구조를 2장 또는 3장의 웨이퍼로 제작하여 상호 접합하는 방식으로 제조된다.

실리콘 웨이퍼를 사용하여 챔버와 멤브레인 등의 구조를 형성하고 각 기판을 접합하여 헤드를 제조하는 종래의 공정에서는 멤브레인과 챔버가 일체로 될 수 있도록 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼를 사용하여 공정을 진행하였다. 즉, 표면 에 산화층이 형성된 2장의 실리콘 기판을 실리콘 다이렉트 본딩(SDB) 등에 의해 접합하고, 상판은 폴리싱(polishing)하여 멤브레인으로 가공하고, 하판은 패터닝(patterning)하여 챔버 부분이 식각되도록 가공한다. 위와 같이 제작된 상부 기판을 실리콘 웨이퍼로 제작된 다른 중간 기판 및 하부 기판과 결합하면 잉크젯 헤드의 구조체가 완성되는 것이다.

따라서 종래의 잉크젯 헤드 구조에서 챔버의 두께를 낮추기 위해서는 상부 기판의 제작에 사용되는 하판의 두께를 낮춰야 한다. 그러나 제작 공정상에서 실리콘 웨이퍼가 깨질 우려가 있는 두께의 한계치를 200 마이크로미터라고 할 때, 종래 기술에서는 챔버의 두께를 그 이하로 낮추지 못하는 한계가 있다.

잉크젯 헤드의 챔버의 용적은 시그널에 대한 반응속도와 상관관계가 있으며 용적이 작을수록 반응하는 속도가 빠르다. 이는 잉크젯 헤드의 구동파형에 영향을 주며 챔버의 용적이 작을수록 빠른 구동이 가능하므로 주파수 특성이 좋아지게 된다. 그러나, 전술한 바와 같이 종래의 잉크젯 헤드 제조 방식으로는 챔버의 두께를 낮춤으로써 챔버의 용량을 낮추는 데에 한계가 있는 것이다.

본 발명은 실리콘 기판의 두께를 증가시키면서도 챔버의 두께를 낮춤으로써 주파수 특성을 향상시키고 용이하게 제조할 수 있는 잉크젯 헤드 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 잉크유로를 통해 유입된 잉크를 챔버에 수용하고, 챔버의 일면을 구획하는 멤브레인을 가압하여 노즐을 통해 잉크를 토출하는 잉크젯 헤드를 제조하는 방법으로서, 제1 기판의 일면에서 그 일부를 식각하여 챔버를 형성하는 단계, 제1 기판의 타면에서 그 일부를 식각하여 챔버와 연결되는 잉크유로를 형성하는 단계, 및 제1 기판의 일면에 챔버를 커버하도록 제2 기판을 접합하는 단계를 포함하는 잉크젯 헤드 제조방법이 제공된다.

제1 기판 및 제2 기판은 실리콘 웨이퍼일 수 있으며, 챔버 형성 단계는, 제1 기판의 다른 일부를 식각하여 잉크유로와 연결되는 잉크 유입구를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

제2 기판 접합 단계 이후에, 제2 기판을 폴리싱하여 멤브레인을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 멤브레인 형성 단계 이후에, 제1 기판의 타면에 잉크유로와 연결되는 리스트릭터와, 챔버와 연결되는 노즐유로가 천공된 제3 기판을 접합하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 제3 기판 접합 단계 이후에, 제3 기판에 노즐유로와 연결되는 노즐이 천공된 제4 기판을 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 기판의 일면의 일부를 식각하여 형성되는 챔버와, 제1 기판의 타면의 일부를 식각하여 형성되며, 챔버와 연결되는 잉크유로와, 제1 기판의 일면에 챔버를 커버하도록 접합되는 멤브레인과, 제1 기판의 타면에 결합되며, 챔버와 연결되는 노즐이 천공된 제2 기판을 포함하는 잉크젯 헤드가 제공된다.

제1 기판 및 제2 기판은 실리콘 웨이퍼일 수 있으며, 제1 기판의 다른 일부를 식각하여 형성되며 잉크유로에 연결되는 잉크 유입구를 더 포함할 수 있다.

제1 기판과 상기 제2 기판 사이에, 잉크유로에 연결되는 리스트릭터와, 챔버 및 노즐을 연결시키는 노즐유로가 천공된 제3 기판이 개재될 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 잇점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

이하, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 제조방법을 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 제조공정을 나타낸 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 기판(1, 10), 챔버(3), 잉크 유입구(5), 잉크유로(7), 멤브레인(12)이 도시되어 있다.

전술한 바와 같이 종래에는 실리콘 웨이퍼와 같은 기판을 사용하여 잉크젯 헤드의 챔버를 패터닝하기 위하여 포토리소그래피(Photo Lithography) 방식이 적용되었는데, 이는 일반적으로 포토 레지스트(PR) 코팅, 정렬(Align), 노광, 현상, 에칭, PR 박리(strip) 등과 같은 여러 단계의 공정을 수반하게 되며, 이 때 챔버와 멤브레인(12)을 제작하기 위한 SOI 웨이퍼의 두께가 소정 두께 이하일 경우 공정 중에 웨이퍼가 깨질 수 있어 제작이 힘들었다. 즉, 실리콘 기판을 천공하여 챔버를 제작하는 기존의 방법으로는, 챔버의 두께를 낮춤으로써 챔버의 용적을 줄이는 것은 어려웠다.

특히 실리콘 웨이퍼의 직경이 4"에서 6", 나아가서는 8"로 증가함에 따라 보다 큰 웨이퍼일수록 그에 상응하는 두께를 확보하여야만 공정이 가능해지는 실정으로, 본 실시예는 실리콘 기판(1)의 양면에서 잉크젯 헤드 구조를 가공함으로써 웨이퍼의 두께가 증가하여도 오히려 챔버의 두께를 낮출 수 있는 잉크젯 헤드의 제조방법을 특징으로 한 것이다.

이하, 본 실시예에서는 실리콘 기판을 사용하여 잉크젯 헤드 구조를 형성하는 경우를 예로 들어 설명하며, 본 발명의 기술적 사상이 반드시 실리콘 재질의 기판에 한정되는 것이 아님은 물론이다.

본 실시예에 따라 잉크젯 헤드를 제조하기 위해서는, 도 4의 (a)와 같이 웨이퍼 상태의 실리콘 기판(1)에 있어서, 도 4의 (b)와 같이 챔버(3)가 형성될 위치에서 기판(1)의 일면을 식각하여 챔버(3)를 형성한다(100).

본 실시예는 1장의 기판(1)의 양면에서 잉크젯 헤드의 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는바, 기판(1)의 일면 쪽에 형성되어야 할 다른 구조, 예를 들어 도 4의 (b)에 도시된 것과 같이 잉크유로(7)와 연결되는 잉크 유입구(5)를 더 형성할 수 있다(102). 이 외에도 필요에 따라 기판(1)의 일면 쪽에서 다른 구조들을 더 형성할 수도 있음은 물론이다.

다음으로, 도 4의 (c)와 같이 기판(1)의 반대면에서 잉크유로(7)가 형성될 위치를 식각하여 챔버(3)와 연결되는 잉크유로(7)를 형성한다(110). 잉크유로(7)는 잉크 유입구(5)로부터 유입된 잉크가 잉크 챔버(3)로 수용되도록 하는 통로 역할을 하며, 후술하는 리스트릭터와 연결되어 챔버(3)로부터 가해지는 압력이 노즐 쪽으로 전달될 수 있도록 잉크의 역(逆)유동을 제한하는 역할을 할 수도 있다.

종래기술의 경우 잉크유로(7)는 챔버(3)가 형성되는 상부 기판이 아닌 중간 기판이나 하부 기판에 형성되었으나, 본 실시예에서는 챔버(3)가 가공되는 기판에 잉크유로(7)도 형성되도록 설계함으로써, 즉 잉크유로(7)를 챔버(3)가 형성되는 기판(1)에 형성함으로써 보다 두꺼운 기판(1)을 사용하고도 챔버(3)의 두께를 얇게 할 수 있게 되는 것이다. 예를 들어, 200 마이크로미터 이상의 두께의 실리콘 웨이퍼를 사용하여 헤드 구조를 가공하더라도 100 마이크로미터 이하의 두께의 챔버(3)를 형성할 수 있다.

이와 같이 1장의 기판(1)의 양면에서 챔버(3)와 잉크유로(7)를 각각 형성함으로써 챔버(3)의 두께를 낮출 수 있는 것은, 실리콘 기판(1)에 멤브레인(12)이 될 기판(10)을 접합한 이후에 챔버를 가공하였던 종래기술과 달리, 챔버(3) 등의 구조를 가공한 후에 후술하는 바와 같이 멤브레인(12)이 될 기판(10)을 접합하는 본 실시예에 따른 제조 공정의 차이에서 기인한 것이다.

다음으로, 도 4의 (d)와 같이 챔버(3)를 커버하도록 기판(1)의 챔버(3)가 형성된 쪽에 다른 기판(10)을 접합한다(120). 접합된 기판(10)은 멤브레인(12)을 구성하기 위한 것으로 접합 후에 도 4의 (e)와 같이 기판(10)을 폴리싱을 하여 멤브레인(12)을 형성한다(122).

멤브레인(12)에는 압전소자와 같은 액츄에이터가 결합되며, 액츄에이터로부터 구동력을 받아 멤브레인(12)이 변형하면서 챔버(3) 내에 수용된 잉크를 가압하게 되며, 가압된 잉크를 노즐을 통해 액적의 형태로 토출되도록 하는 역할을 한다. 이와 같은 멤브레인(12)은 챔버(3)가 형성된 기판(1) 상에 챔버(3)를 커버하도록 박막의 형태로 접합되면 되고, 따라서 전술한 것처럼 다른 기판(10)을 접합한 후 폴리싱하는 방법 이외에 박막 형태의 멤브레인(12)을 직접 접합하는 등 다른 방법이 사용될 수 있음은 물론이다.

멤브레인(12)의 폴리싱 이후에 도 4의 (f)와 같이 잉크 유입구(5)를 연통시키는 등 필요에 따라 잉크젯 헤드의 다양한 구조를 가공할 수 있다.

이와 같은 기판(1)의 가공 과정을 거쳐 잉크 유입구(5), 잉크유로(7), 챔버(3), 멤브레인(12)을 구비하는 잉크젯 헤드의 상부 기판(1)이 제작된다. 전술한 실시예에 따라 상부 기판(1)이 제작된 후에는 중간 기판(20) 및/또는 하부 기판(30)을 결합하여 잉크젯 헤드의 제조를 완료한다. 중간 기판(20)은 후술하는 도 5에 도시된 것과 같이 상부 기판(1)의 잉크유로(7)와 연결되는 리스트릭터, 상부 기판(1)의 챔버(3)와 연결되는 노즐유로가 천공된 기판(20)으로서, 실리콘 웨이퍼를 가공하여 중간 기판(20)을 제작한 경우 실리콘 다이렉트 접합에 의해 상부 기판(1)과 중간 기판(20)을 결합할 수 있다(130).

중간 기판(20)의 하부에는 하부 기판(30)이 결합되며, 하부 기판(30)에는 중간 기판(20)의 노즐유로와 연결되는 노즐이 천공되어 있다. 중간 기판(20)과 마찬가지로 실리콘 웨이퍼를 가공하여 하부 기판(30)을 제작한 경우 실리콘 다이렉트 접합에 의해 중간 기판(20)과 하부 기판(30)을 결합할 수 있다(140).

다만, 본 실시예는 잉크젯 헤드의 상부 기판(1)의 제작 방법에 그 특징이 있는 것으로 복수의 중간 기판(20)을 사용하여 잉크젯 헤드를 만들 수도 있으며, 필요한 구조가 모두 형성되어 있다면 중간 기판(20) 없이 상부 기판(1)에 바로 하부 기판(30)을 접합하여 잉크젯 헤드를 제조할 수도 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드를 나타낸 단면도이다. 도 5를 참조하면, 기판(1, 20, 30), 챔버(3), 잉크 유입구(5), 잉크유로(7), 멤브레인(12), 액츄에이터(16), 리스트릭터(22), 노즐유로(24), 노즐(32)이 도시되어 있다.

도 5는, 전술한 잉크젯 헤드 제조방법에 대한 실시예에 따라 상부 기판(1)을 제작하고 여기에 중간 기판(20) 및 하부 기판(30)을 각각 제작하여 접합한 사례를 도시한 것이다.

즉, 본 실시예에 따른 잉크젯 헤드는 1장의 기판(1)의 양면을 가공하여 상부 기판(1)을 제작하는데, 상부 기판(1)의 일면의 일부가 식각되어 챔버(3)가 형성되고 그 반대면의 일부가 식각되어 챔버(3)와 연결되는 잉크유로(7)가 형성된다. 이 외에도 챔버(3)를 커버하는 멤브레인(12)이 접합되고 잉크유로(7)가 천공됨으로써 상부 기판(1)이 제작됨은 전술한 바와 같다.

상부 기판(1)의 멤브레인(12)에는 액츄에이터(16)가 결합되고, 상부 기판(1)의 하부에는 챔버(3)와 연결되는 노즐(32)이 천공된 하부 기판(30)이 접합됨으로써 잉크젯 헤드의 제조가 완료될 수 있다.

한편, 필요에 따라서는 잉크유로(7)에 연결되는 리스트릭터(22)와, 챔버(3) 및 노즐(32)을 연결시키는 노즐유로(24)가 천공된 중간 기판(20)을 개재하여 상부 기판(1)을 하부 기판(30)에 결합할 수도 있다. 중간 기판(20)은, 전술한 바와 같이 1장 또는 복수의 기판(20)을 사용하여 가공될 수 있음은 물론이다.

실리콘 웨이퍼를 가공하여 상부 기판(1), 중간 기판(20) 및 하부 기판(30)을 제작할 수 있으며, 이 경우 각 기판(1, 20, 30)은 실리콘 다이렉트 접합에 결합될 수 있음은 전술한 바와 같다.

전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 한 장의 실리콘 웨이퍼의 양면을 식각하여 챔버와 잉크유로를 형성함으로써, 보다 두꺼운 실리콘 웨이퍼를 사용하여 챔버를 가공할 수 있으므로 제작이 용이하고 작업 중에 웨이퍼가 깨질 염려가 없어 수율이 높아지며, 실리콘 웨이퍼의 두께와 무관하게 챔버의 두께를 낮출 수 있으므로 시그널에 대한 반응속도가 높아지고 주파수 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims

잉크유로를 통해 유입된 잉크를 챔버에 수용하고, 상기 챔버의 일면을 구획하는 멤브레인을 가압하여 노즐을 통해 상기 잉크를 토출하는 잉크젯 헤드를 제조하는 방법으로서,

제1 기판의 일면에서 그 일부를 식각하여 상기 챔버를 형성하는 단계;

상기 제1 기판의 타면에서 그 일부를 식각하여 상기 챔버와 연결되는 상기 잉크유로를 형성하는 단계; 및

상기 제1 기판의 일면에 상기 챔버를 커버하도록 제2 기판을 접합하는 단계를 포함하는 잉크젯 헤드 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 챔버 형성 단계는,

상기 제1 기판의 다른 일부를 식각하여 상기 잉크유로와 연결되는 잉크 유입 구를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 제2 기판 접합 단계 이후에,

상기 제2 기판을 폴리싱하여 상기 멤브레인을 형성하는 단계를 더 포함하는 잉크젯 헤드 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 멤브레인 형성 단계 이후에,

상기 제1 기판의 타면에 상기 잉크유로와 연결되는 리스트릭터와, 상기 챔버와 연결되는 노즐유로가 천공된 제3 기판을 접합하는 단계를 더 포함하는 잉크젯 헤드 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 제3 기판 접합 단계 이후에,

상기 제3 기판에 상기 노즐유로와 연결되는 상기 노즐이 천공된 제4 기판을 접합하는 단계를 더 포함하는 잉크젯 헤드 제조방법.
제1 기판의 일면의 일부를 식각하여 형성되는 챔버와;

상기 제1 기판의 타면의 일부를 식각하여 형성되며, 상기 챔버와 연결되는 잉크유로와;

상기 제1 기판의 일면에 상기 챔버를 커버하도록 접합되는 멤브레인과;

상기 제1 기판의 타면에 결합되며, 상기 챔버와 연결되는 노즐이 천공된 제2 기판을 포함하는 잉크젯 헤드.
제7항에 있어서,

상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 제1 기판의 다른 일부를 식각하여 형성되며 상기 잉크유로에 연결되는 잉크 유입구를 더 포함하는 잉크젯 헤드.
제7항에 있어서,

상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에, 상기 잉크유로에 연결되는 리스트릭터와, 상기 챔버 및 상기 노즐을 연결시키는 노즐유로가 천공된 제3 기판이 개재되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.