KR20080104851A - 잉크젯 프린트헤드 - Google Patents

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윤용섭
이문철
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Abstract

잉크젯 프린트헤드가 개시된다. 개시된 잉크젯 프린트헤드는, 잉크 피드홀(feedhole)이 형성된 기판; 잉크 피드홀 양측의 기판 상에 복수의 토출소자; 기판 상에 적층되는 것으로, 토출소자들에 대응하고 잉크 피드홀로부터 공급된 잉크가 채워지는 복수의 잉크챔버가 형성된 챔버층; 및 잉크챔버들에 대응하는 다수의 노즐이 형성된 노즐층;을 구비하고, 잉크 피드홀은 기판의 두께 방향으로 관통 형성된 복수의 관통공을 포함한다.

Description

잉크젯 프린트헤드{Inkjet printhead}
도 1은 종래 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 분리 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 잉크젯 프린트헤드의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 본 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
102... 기판 하면 104... 기판 상면
110... 기판 112...절연층
114... 히터 116... 전극
118... 보호층 119... 캐비테이션 방지층
120... 챔버층 122... 잉크챔버
130... 노즐층 132... 노즐
140... 토출소자 150... 잉크피드홀 151... 격벽 152... 관통공
본 발명은 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 상세하게는 견고하고 신뢰성있는 구조를 가지는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에 관한 것이다.
일반적으로, 잉크젯 프린터는 잉크젯 프린트헤드로부터 잉크의 미소한 액적(droplet)을 인쇄 매체 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상을 형성하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린터에는 잉크젯 프린트헤드가 인쇄매체의 이송방향과 직각방향으로 왕복이동하면서 인쇄작업을 수행하는 셔틀 방식의 잉크젯 프린터(shuttle type inkjet printer)와, 최근 고속인쇄의 구현을 위하여 개발되고 있는 것으로 인쇄매체의 폭에 해당하는 크기의 어레이 프린트헤드(array printhead)를 구비한 라인 프린팅 방식의 잉크젯 프린터(line printing type inkjet printer)가 있다. 상기 어레이 프린트헤드에는 복수의 잉크젯 프린트헤드가 소정 형태로 배열되어 있다. 라인프린팅 방식의 잉크젯 프린터는 어레이 프린트헤드가 고정된 상태에서 인쇄 매체만이 이송하면서 인쇄작업을 수행하게 되므로 고속 인쇄를 구현할 수 있다.
한편, 상기 잉크젯 프린트헤드는 잉크의 토출 메카니즘에 따라 크게 두가지 방식으로 분류될 수 있다. 그 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의하여 잉크를 토출시키는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이고, 다른 하나는 압전체를 이용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의하여 잉크를 토출시키는 압전구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이다.
열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에서의 잉크 토출 메카니즘을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 저항 발열체로 이루어진 히터에 펄스 형태의 전류가 흐 르게 되면, 히터에서 열이 발생되면서 히터에 인접한 잉크는 대략 300℃로 순간 가열된다. 이에 따라 잉크가 비등하면서 버블이 생성되고, 생성된 버블은 팽창하여 잉크 챔버 내에 채워진 잉크에 압력을 가하게 된다. 이로 인해 노즐 부근에 있던 잉크가 노즐을 통해 액적의 형태로 잉크 챔버 밖으로 토출된다.
도 1에는 종래 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에 대한 개략적인 단면이 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 종래 잉크젯 프린트헤드는 기판(10)과, 기판(10) 위에 적층되는 챔버층(20)과, 챔버층(20) 위에 적층되는 노즐층(30)을 포함한다. 챔버층(20)에는 토출될 잉크가 채워지는 다수의 잉크챔버(22)가 형성되어 있으며, 노즐층(30)에는 잉크의 토출이 이루어지는 노즐(32)이 형성되어 있다. 그리고, 기판(10)에는 상기 잉크챔버들(22)로 잉크를 공급하기 위한 잉크 피드홀(11)이 관통되어 형성되어 있다. 또한, 기판(10) 상에는 잉크챔버들(22) 내의 잉크를 가열하여 버블을 발생시키기 위한 히터들(14)이 형성되어 있다.
그러나, 이와 같은 구조의 종래 잉크젯 프린트헤드에서는, 잉크피드홀(11)이 기판(10)을 관통하여 형성되어 있기 때문에 기판(10)이 취약하여 변형될 염려가 있다. 이에 따라, 잉크 피드홀(11)이 변형될 수 있고, 기판(10)의 상부에 적층되는 노즐층(30) 또한 변형될 염려가 있다. 그리고, 잉크젯 프린트헤드의 유지보수(maintenance) 과정에서도 변형된 노즐층(30)을 중심으로 파손(failure)이 발생되어 잉크 토출시 원하는 위치에 잉크를 토출시킬 수 없다는 문제점이 발생하게 된다. 이러한 잉크젯 프린트헤드의 취약성 문제는 잉크젯 프린트헤드의 길이가 증가함에 따라 커지게 되므로, 최근 고속 인쇄의 구현을 위하여 개발되고 있는 라인 프린팅 방식의 잉크젯 프린터에서는 이러한 잉크젯 프린트헤드의 취약성 문제가 더욱 심각해진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 견고하고(robust) 신뢰성있는(reliable) 구조를 가지는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드를제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 구현예에 따른 잉크젯 프린트헤드는,
잉크 피드홀(feedhole)이 형성된 기판;
상기 잉크 피드홀 양측의 상기 기판 상에 형성된 복수의 토출소자;
상기 기판 상에 적층되는 것으로, 상기 토출소자들에 대응하고 상기 잉크피드홀로부터 공급된 잉크가 채워지는 복수의 잉크챔버가 형성된 챔버층; 및
상기 잉크챔버들에 대응하는 복수의 노즐이 형성된 노즐층;을 구비하고,
상기 잉크 피드홀은 상기 기판의 두께 방향으로 관통 형성된 복수의 관통공을 포함한다.
상기 관통공들 사이의 격벽은 상기 기판과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
상기 관통공의 단면은 다각형 또는 원형이 될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면 상에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예로부터 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 잉크젯 프린트헤드의 각 구성요소는 예시된 물질과 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드를 개략적으로 도시한 분리 사시도이다. 그리고, 도 3은 도 2에 도시된 잉크젯 프린트헤드의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 본 단면도이다.
도 2 내지 도 3를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드는 잉크 피드홀(150)이 형성된 기판(110)과, 상기 잉크 피드홀(150) 양측의 기판(110) 상에 형성된 복수의 토출소자(140)와, 상기 기판(110) 상에 적층되는 챔버층(120)과, 상기 챔버층(120) 상에 적층되는 노즐층(130)을 구비한다. 상기 챔버층(120)에는 상기 토출소자들(140)에 대응하는 것으로, 잉크 피드홀(150)로부터 공급된 잉크가 채워지는 다수의 잉크챔버(122)가 형성되어 있다. 여기서, 상기 토출소자(140)는 잉크챔버(122) 내의 잉크를 가열하여 버블을 발생시키기 위한 히터(114)와, 상기 히터(114)에 전류를 인가하기 위한 전극(116)을 포함한다. 그리고, 상기 노즐층(130)에는 상기 잉크챔버들(122)에 대응하는 것으로, 잉크의 토출이 이루어지는 다수의 노즐(132)이 형성되어 있다.
상기 기판(110)으로는 주로 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 상기 기 판(110)에는 기판(110) 하부로부터 기판(110) 상부를 통하여 잉크챔버(122)로 잉크를 공급하기 위한 잉크 피드홀(150)이 형성되어 있다. 상기 잉크 피드홀(150)은 상기 기판(110)의 두께 방향으로 관통 형성된 복수의 관통공(152)을 포함한다. 여기서, 상기 관통공들(152) 사이의 격벽(151)은 기판(110)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 관통공들(152)은 상기 기판(110)을 두께 방향으로 관통하도록 식각함으로써 형성될 수 있다. 상기 관통공들(152)은 기판 하면(102)으로부터 기판 상면(104)에 이르기까지 기판 두께 전체에 걸쳐 형성될 수 있다.
이상과 같이 관통공들(152)을 기판(110)에 형성하게 되면, 폭이 균일하고 변형되지 않은 견고한 잉크 피드홀(150)을 형성할 수 있다. 이에 따라, 기판(110) 및 그 상부 적층되는 노즐층(130)의 변형을 방지할 수 있으며, 잉크젯 프린트헤드의 유지보수 과정에서 발생될 수 있는 노즐층(130)의 파손을 방지함으로써 잉크의 토출특성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 폭이 균일하고 변형되지 않은 견고한 잉크 피드홀(150)을 형성함으로써 잉크 피드홀(150)로부터 각 잉크챔버들(122)로 공급되는 잉크의 양 및 속도를 균일하게 할 수 있고, 그 결과 노즐들(132) 사이의 토출 특성을 균일하게 할 수 있다. 또한, 상기 잉크 피드홀(150) 내부에는 기판(110)과 동일한 물질, 예를 들면 실리콘으로 이루어진 격벽(151)이 형성되어 있으므로, 히터(114)에 의하여 발생된 열은 기판(110) 뿐만 아니라 잉크 피드홀(150) 내의 격벽(151)을 통하여 외부로 빠르게 방출되어 잉크의 토출 특성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 2에는 상기 관통공(152)이 육각형의 단면을 가지는 벌집(honey comb) 형상으로 형성되는 경우가 되어 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않 으며, 상기 관통공의 단면은 사각형, 오각형 등과 같은 다양한 다각형 형상이 될 수도 있으며, 또한 상기 관통공의 단면은 원형이 될 수도 있다.
상기 기판(110)의 상면(102)에는 절연층(112)이 더 형성될 수 있다. 상기 절연층(112)은 기판(110)과 히터(114) 사이의 절연을 위한 것으로 예를 들면 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 절연층(112)의 상면에는 잉크챔버들(122) 내의 잉크를 가열하여 버블을 발생시키기 위한 복수의 히터(114)가 형성되어 있다. 상기 히터(114)는 예를 들면, 탄탈륨-알루미늄 합금, 탄탈륨 질화물, 티타늄 질화물, 텅스텐 실리사이드 등과 같은 발열 저항체로 이루어질 수 있다. 상기 히터들(114)의 상면에는 전극들(116)이 형성되어 있다. 상기 전극(116)은 히터(114)에 전류를 인가하기 위한 것으로, 전기 전도성이 우수한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 전극(116)은 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, 금(Au), 은(Ag) 등으로 이루어질 수 있다. 이러한 히터(114) 및 전극(116)은 전술한 바와 같이 토출소자(140)를 구성하게 된다.
한편, 상기 히터들(114) 및 전극들(116)의 상면에는 보호층(passivation layer,118)이 더 형성될 수 있다. 이러한 보호층(118)은 히터들(114) 및 전극들(116)이 잉크와 접촉하여 산화되거나 부식되는 것을 방지하기 위한 것으로, 예를 들면 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다. 그리고, 잉크챔버들(122)의 바닥을 이루는 보호층(118), 즉, 히터들(114)의 발열부분 상부에 위치하는 보호층(118)의 상면에는 캐비테이션 방지층(anti-cavitation layer,119)이 더 형성될 수 있다. 여기서, 캐비테이션 방지층(119)은 버블의 소멸시 발생하는 캐비 테이션 압력(cavitation force)로부터 히터(114)를 보호하기 위한 것으로, 예를 들면 탄탈륨(Ta)으로 이루어질 수 있다.
상기 기판(110) 상에는 챔버층(120)이 적층되어 있다. 상기 챔버층(120)에는 잉크 피드홀(150)로부터 공급된 잉크가 채워지는 복수의 잉크챔버(122)가 형성되어 있다. 여기서, 잉크챔버들(122)은 히터들(114)의 상부에 위치할 수 있다. 상기 챔버층(120)은 예를 들면 폴리머(polymer) 등으로 이루어질 수 있다.
상기 챔버층(120) 상에는 노즐층(130)이 적층되어 있다. 상기 노즐층(130)에는 잉크챔버들(122) 내의 잉크가 외부로 토출되는 복수의 노즐(132)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 노즐들(132)은 잉크챔버들(122)의 상부에 위치할 수 있다. 노즐층(130)은 예를 들면 폴리머 등으로 이루어질 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예가 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 기판을 두께 방향으로 식각하여 형성된 복수의 관통공에 의해 잉크 피드홀을 형성함으로써, 폭이 균일하고 변형되지 않은 견고한 잉크 피드홀을 형성할 수 있다. 이에 따라, 기판 및 그 상부 적층되는 노즐층의 변형을 방지할 수 있으며, 잉크젯 프린트헤드의 유지보수 과정에서 발생될 수 있는 노즐층의 파손을 방지 함으로써 잉크의 토출특성을 향상시킬 수 있다.
둘째, 잉크피드홀로부터 각 잉크챔버들로 공급되는 잉크의 양 및 속도를 균일하게 할 수 있으므로, 노즐들 사이의 토출특성을 균일하게 할 수 있다.
셋째, 잉크 피드홀 내부에 기판과 동일한 물질, 예를 들면 실리콘으로 이루어진 격벽이 형성되어 있으므로, 히터에 의하여 발생된 열은 기판 뿐만 아니라 잉크 피드홀 내의 격벽을 통하여 외부로 빠르게 방출될 수 있다. 이에 따라, 잉크 토출시 상승되는 잉크젯 프린트헤드의 온도를 낮추어 줌으로써 잉크의 토출 특성을 향상시킬 수 있다.
넷째, 잉크 피드홀 내의 관통공들은 마이크로 필터의 역할도 수행할 수 있다. 즉, 잉크젯 프린트헤드에 결합되어 잉크 피드홀로 잉크를 공급하는 잉크 카트리지 내의 불순물이 존재하는 경우, 이 불순물은 잉크 피드홀 내의 관통공들에 의하여 여과됨으로써 잉크 챔버 내에는 불순물이 없는 순수한 잉크로 채워지게 된다. 따라서, 잉크 내의 불순물로 인하여 발생될 수 있는 잉크의 토출 불량을 방지할 수 있다.

Claims (11)

  1. 잉크 피드홀(feedhole)이 형성된 기판;
    상기 잉크 피드홀의 양측으로 상기 기판 상에 형성된 복수의 토출소자;
    상기 기판 상에 적층되는 것으로, 상기 토출소자들에 대응하고 상기 잉크피드홀로부터 공급된 잉크가 채워지는 복수의 잉크챔버가 형성된 챔버층; 및
    상기 잉크챔버들에 대응하는 복수의 노즐이 형성된 노즐층;을 구비하고,
    상기 잉크 피드홀은 상기 기판의 두께 방향으로 관통 형성된 복수의 관통공을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 관통공들 사이의 격벽은 상기 기판과 동일한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 관통공들은 상기 기판을 두께 방향으로 관통하도록 식각함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 관통공의 단면은 다각형인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 관통공의 단면은 육각형인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 관통공의 단면은 원형인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 상면에는 절연층이 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 토출소자는 상기 절연층의 상면에 형성되어 상기 잉크챔버 내의 잉크를 가열하여 버블을 발생시키는 히터 및 상기 히터의 상면에 형성되어 상기 히터에 전류를 인가하기 위한 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 히터 및 전극의 표면에는 보호층(passivation layer)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 히터의 상부에 위치하는 상기 보호층의 상면에는 버블의 소멸시 발생되는 캐비테이션 압력으로부터 상기 히터를 보호하기 위한 캐비테이션 방지층(anti-cavitation layer)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
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