KR20230133179A - Inkjet printhead and method for manufacturing the printhead - Google Patents
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Abstract
본 발명은 잉크젯 프린트헤드 및 상기 프린트헤드의 제작방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드는 기판에 잉크가 유입되도록 관통하는 인렛 및 복수의 멤브레인이 형성되는 제1 층, 상기 제1 층 아래에 배치되며, 기판에 상기 인렛과 연통되도록 관통하거나 상측면에서 파여진 형태의 매니폴드 및 상기 매니폴드에서 이송된 잉크가 유동하며 상기 멤브레인 하측에서 관통하는 복수의 노즐 유로가 형성된 제2 층, 상기 제2 층 아래에 배치되며, 기판에 복수의 상기 노즐 유로와 연통하는 복수의 노즐이 형성되는 제3 층, 상기 멤브레인이 형성된 상기 제1 층 상측면에 형성되어, 하부의 제1 전극, 상기 제1 전극 상부의 압전체 및 상기 압전체 상부의 제2 전극을 포함하는 압전 구동기, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전압을 인가하여 상기 멤브레인을 진동시키는 제1 전압제어기, 상기 제3 층의 하측면에 각 노즐 주위에 절연층으로 둘러싸여 형성되는 제3 전극 및 상기 제3 전극에 전압을 인가하여 유도전기력에 의해 상기 잉크의 액적을 토출시키는 제2 전압제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an inkjet printhead and a method of manufacturing the printhead. The inkjet printhead according to the present invention has an inlet penetrating to allow ink to flow into the substrate, a first layer where a plurality of membranes are formed, and below the first layer. A second layer is disposed on the substrate and has a manifold that penetrates the substrate to communicate with the inlet or is hollowed out from the upper side, and a plurality of nozzle passages through which the ink transferred from the manifold flows and penetrates from the lower side of the membrane. A third layer disposed below the second layer and having a plurality of nozzles communicating with the plurality of nozzle passages on the substrate, formed on the upper side of the first layer on which the membrane is formed, a lower first electrode, and the first electrode at the bottom. A piezoelectric actuator including a piezoelectric body on top of one electrode and a second electrode on top of the piezoelectric body, a first voltage controller that vibrates the membrane by applying a voltage to the first electrode and the second electrode, and a lower side of the third layer It is characterized in that it includes a third electrode formed around each nozzle surrounded by an insulating layer, and a second voltage controller that applies a voltage to the third electrode to eject the ink droplets by induced electric force.
Description
본 발명은 잉크젯 프린트헤드 및 상기 프린트헤드의 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 멀티 노즐을 가지고 압전 방식과 노즐 끝의 액면에 유도되는 정전기력으로 하전된 용액을 토출시키는 유도 전기수력학 방식을 조합하여 복합 방식으로 잉크를 토출시키는 잉크젯 프린트헤드 및 상기 프린트헤드의 제작방법에 관한 것이다.The present invention relates to an inkjet printhead and a method of manufacturing the printhead, and more specifically, to a combination of a piezoelectric method with multiple nozzles and an induction electrohydrodynamic method that discharges a charged solution by electrostatic force induced on the liquid surface at the tip of the nozzle. It relates to an inkjet printhead that ejects ink in a complex manner and a method of manufacturing the printhead.
일반적으로 잉크젯 프린트헤드는 잉크의 미소한 액적(droplet)을 인쇄 매체의 원하는 위치에 토출시켜서 인쇄 매체 표면에 소정 색상의 화상을 인쇄하는 장치이다. 잉크젯 프린트헤드는 최근에 액정 디스플레이(LCD; Liquid Crystal Display)와 유기발광소자(OLED; Organic Light Emitting Device) 등과 같은 평판 디스플레이 분야, 전자종이(E-Paper) 등과 같은 플렉시블 디스플레이 분야, 금속 배선 등과 같은 인쇄 전자공학(Printed electronics) 분야, 및 바이오 분야 등과 같은 다양한 분야로 응용 범위가 확대되고 있다. In general, an inkjet printhead is a device that prints an image of a predetermined color on the surface of a printing medium by ejecting tiny droplets of ink at a desired location on the printing medium. Inkjet printheads have recently been used in flat display fields such as liquid crystal displays (LCD) and organic light emitting devices (OLED), flexible displays such as electronic paper, and metal wiring, etc. The scope of application is expanding to various fields such as printed electronics and bio fields.
Drop-on-demand(DOD) 방식의 잉크젯 프린트헤드에는 토출 방식에 따라 압전체의 변형에 의한 압력파로 잉크를 토출시키는 압전 방식(piezoelectric)의 잉크젯 프린트헤드와, 정전기력에 의하여 잉크를 토출시키는 전기수력학 방식(electrohydrodynamics)의 잉크젯 프린트헤드가 있다. Drop-on-demand (DOD) type inkjet printheads include piezoelectric inkjet printheads that discharge ink using pressure waves caused by deformation of the piezoelectric material depending on the discharge method, and electrohydraulic inkjet printheads that discharge ink by electrostatic force. There is an inkjet printhead with electrohydrodynamics.
압전 방식의 잉크젯 프린트헤드는 멤브레인을 압전체로 진동시켜 잉크를 수용하는 챔버에 압력을 가하여 잉크를 토출시키는 방식이다. 일반적으로 노즐 표면 잉크의 표면 장력 및 점성을 극복할 수 있을 정도의 압력을 가하면 액적이 토출되고, 추가적으로 가해지는 압력은 이들 액적을 인쇄 매체 상에 정확하게 안착시킬 수 있는 속도로 방출 액적을 가속시키기에 충분히 커야 한다. 압전 구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에서는 수 피코리터 이하의 액적을 구현하기 위해 압력 챔버 내에서의 변형 에너지량을 감소시키는 것이 필요하나, 이 경우 토출되는 액적의 단위 체적당 토출 에너지도 줄어들게 되고, 그 결과 액적의 토출 속도가 줄어들게 된다. 이와 같이 액적의 토출 속도가 줄어들게 되면 원하는 위치에 액적이 정확하게 토출되지 못하게 되는 문제점이 발생한다. The piezoelectric inkjet printhead discharges ink by vibrating the membrane with a piezoelectric material to apply pressure to the chamber containing the ink. In general, droplets are ejected when enough pressure is applied to overcome the surface tension and viscosity of the nozzle surface ink, and additional pressure is applied to accelerate the ejected droplets to a speed that can accurately seat them on the printing medium. It must be big enough. In a piezoelectric-driven inkjet printhead, it is necessary to reduce the amount of strain energy within the pressure chamber in order to produce droplets of several picoliters or less. However, in this case, the ejection energy per unit volume of the ejected droplet is also reduced, and as a result, The discharge speed of the droplet decreases. If the discharge speed of the droplet is reduced in this way, a problem occurs in which the droplet is not accurately discharged at the desired location.
압전 방식의 잉크젯 프린트헤드는 프린팅 작업을 제어하기가 용이하고, 압전체의 기계적인 변형에 의하여 토출 에너지를 제공하므로 사용되는 잉크에 제약이 없다는 장점이 있다. 그러나, 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드는 수 피코리터(picoliter) 이하의 초 미세 액적을 구현하는 데에는 어려움이 있으며, 통상 10cPs 수준의 점도 잉크만을 토출시킬 수 있고 고점도의 잉크는 토출시킬 수 없다는 한계가 있다. 또한, 토출 에너지의 한계로 인하여 80 피코리터 이상의 큰 액적을 토출시키기에 어려움이 있다. 특히 디스플레이 등 인쇄전자 공정에 적용하기 위해서는 기존의 그래픽 인쇄와는 달리 복수의 노즐간 토출 액적의 부피 균일도가 매우 중요함에도 불구하고 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드는 한계가 있다.The piezoelectric inkjet printhead has the advantage of being easy to control the printing operation and providing ejection energy through mechanical deformation of the piezoelectric material, so there are no restrictions on the ink used. However, piezoelectric inkjet printheads have difficulty in producing ultra-fine droplets of several picoliters or less, and have limitations in that they can only discharge ink with a viscosity of about 10 cPs and cannot discharge ink with high viscosity. . Additionally, due to limitations in discharge energy, it is difficult to discharge large droplets larger than 80 picoliters. In particular, for application to printed electronic processes such as displays, unlike conventional graphic printing, volume uniformity of discharged liquid droplets between multiple nozzles is very important, but piezoelectric inkjet printheads have limitations.
전기수력학 잉크젯 방식의 잉크젯 프린트헤드는 노즐 끝단에 형성되는 잉크의 액면에 정전기력을 인가하여 토출 에너지를 제공하기 때문에 수 피코리터 이하 또는 펨토리터의 초미세 액적을 구현할 수 있으며, 1,000cPs 수준의 고점도 잉크의 액적도 토출시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한, 80 피코리터 이상의 큰 액적을 형성할 수도 있다. 노즐에 형성하는 전기장의 분포를 이용하여 제어하기 때문에 구동 방식도 단순하고, 토출된 잉크 액적의 방향성도 우수하여 정밀 프린팅에 유리하다는 장점이 있다. 그러나, 전기수력학 방식의 잉크젯 프린트헤드는 전기장의 집중을 위하여 돌출된 노즐 구조를 이용하므로 공정 중에 수행해야 하는 노즐의 세정(cleaning) 과정에 어려움이 있다. 잉크젯 헤드의 경우에 주로 wiping 등의 공정으로 노즐 주변에 오염된 잉크를 제거하여 액적 제팅의 안정성을 확보한다. 노즐이 돌출되어 있는 경우에는 이러한 cleaning 공정을 적용하기가 쉽지 않다. 전기수력학 잉크젯 방식으로 액적을 토출시킬 경우에 수백 V 내지는 수 kV의 전압을 인가하는데 Drop-on-Demand(DOD) 방식으로 액적을 토출하기 위해서는 매우 빠른 slew rate를 갖는 전압제어기를 이용해야 한다. 이 때문에 충분한 토출 에너지를 확보하기 위해서 높은 주파수의 액적 토출에 한계를 갖게 된다. 약 1kHz의 제팅 주파수가 최대치로 알려져 있다. 이는 앞에서 언급한 압전 잉크젯 방식의 100 kHz의 높은 제팅 주파수에 비하여 매우 낮은 성능이다.The electrohydrodynamic inkjet type inkjet printhead provides discharge energy by applying electrostatic force to the liquid surface of the ink formed at the end of the nozzle, so it can create ultra-fine droplets of several picoliters or less or femtoliters, and has a high viscosity of 1,000 cPs. It has the advantage of being able to discharge ink droplets as well. Additionally, it is possible to form large droplets of 80 picoliters or more. Since it is controlled using the distribution of the electric field formed in the nozzle, the driving method is simple and the directionality of the ejected ink droplets is excellent, which is advantageous for precision printing. However, since the electrohydrodynamic inkjet printhead uses a protruding nozzle structure to concentrate the electric field, it is difficult to clean the nozzle during the process. In the case of inkjet heads, the stability of droplet jetting is secured by removing contaminated ink around the nozzle through processes such as wiping. If the nozzle protrudes, it is not easy to apply this cleaning process. When ejecting droplets using the electrohydrodynamic inkjet method, a voltage of hundreds of V to several kV is applied. In order to eject droplets using the Drop-on-Demand (DOD) method, a voltage controller with a very fast slew rate must be used. For this reason, there is a limit to the discharge of droplets at high frequencies in order to secure sufficient discharge energy. A jetting frequency of approximately 1 kHz is known to be the maximum. This is very low performance compared to the high jetting frequency of 100 kHz of the piezoelectric inkjet method mentioned above.
이 때문에 위의 두 방식의 단점을 최소화하고 장점을 활용하기 위하여 결합하는 방식의 제안되어 왔다.For this reason, a method that combines the above two methods has been proposed to minimize the disadvantages and utilize the advantages.
그러나 두 방식을 결합함에 있어서 노즐 내부 또는 잉크 챔버 내부 또는 잉크 주입구 내부에 전기수력학 방식의 고전압 전극을 배치해 왔는데, 잉크와 전극 간의 접촉으로 전기-화학적 반응(electro-chemical reaction)이 초래되어, 전기-화학적 반응에 의한 발열로 잉크의 변성, 버블 발생, 노즐의 막힘 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 압전체 멤브레인 구조와 전기수력학 잉크젯 구동을 위한 전극 등의 가공상의 어려움을 포함하는 많은 기술적 난제들이 있어 왔다.However, in combining the two methods, an electrohydrodynamic high-voltage electrode has been placed inside the nozzle, inside the ink chamber, or inside the ink inlet, and an electro-chemical reaction occurs due to contact between the ink and the electrode. Heat generation due to electro-chemical reactions may cause problems such as denaturation of ink, generation of bubbles, and clogging of nozzles. Additionally, there have been many technical challenges, including difficulties in processing the piezoelectric membrane structure and electrodes for electrohydrodynamic inkjet operation.
나아가, 멀티 노즐을 통해 토출되는 액적의 크기가 균일하지 못하여 인쇄 품질이 떨어지는 문제도 있어왔다. Furthermore, there has been a problem of poor printing quality because the size of the liquid droplets discharged through the multi-nozzle is not uniform.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 층 구조의 멀티 노즐을 가지는 잉크젯 장치로서, 압전체의 진동에 의한 압력파가 노즐 끝단에서의 액면을 제어하고, 액면에 유도 전기장에 의한 정전기력을 인가하여 액적을 토출시키도록 하여, 압전체의 기계적 구동력과 정전기력의 합력에 의해 초미세 액적을 토출시키거나 큰 액적을 토출시키는데 요구되는 점성력 및 표면장력의 극복이 가능하며, 각 노즐 별 정전기력의 제어를 이용하여 노즐간 액적의 크기에 대한 균일도를 향상시킬 수 있는 잉크젯 프린트헤드 및 제작방법을 제공함에 있다.Therefore, the purpose of the present invention is to solve such conventional problems, and is an inkjet device having a multi-nozzle structure in which the pressure wave caused by the vibration of the piezoelectric material controls the liquid level at the end of the nozzle, and an induced electric field is applied to the liquid surface. By applying electrostatic force to discharge droplets, it is possible to overcome the viscous force and surface tension required to discharge ultra-fine droplets or large droplets by the combined force of the mechanical driving force of the piezoelectric body and electrostatic force, and for each nozzle To provide an inkjet printhead and manufacturing method that can improve the uniformity of the size of droplets between nozzles by controlling electrostatic force.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 기판에 잉크가 유입되도록 관통하는 인렛 및 복수의 멤브레인이 형성되는 제1 층; 상기 제1 층 아래에 배치되며, 기판에 상기 인렛과 연통되도록 관통하거나 상측면에서 파여진 형태의 매니폴드 및 상기 매니폴드에서 이송된 잉크가 유동하며 상기 멤브레인 하측에서 관통하는 복수의 노즐 유로가 형성된 제2 층; 상기 제2 층 아래에 배치되며, 기판에 복수의 상기 노즐 유로와 연통하는 복수의 노즐이 형성되는 제3 층; 상기 멤브레인이 형성된 상기 제1 층 상측면에 형성되어, 하부의 제1 전극, 상기 제1 전극 상부의 압전체 및 상기 압전체 상부의 제2 전극을 포함하는 압전 구동기; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 펄스 전압을 인가하여 상기 멤브레인을 진동시키는 제1 전압제어기; 상기 제3 층의 하측면에 각 노즐 주위에 절연체로 둘러싸여 형성되는 제3 전극; 및 상기 제3 전극에 전압을 인가하여 유도전기력에 의해 상기 잉크의 액적을 토출시키는 제2 전압제어기를 포함하는 잉크젯 프린트헤드에 의해 달성될 수 있다. The above object is, according to the present invention, a first layer in which an inlet penetrating through the substrate to allow ink to flow and a plurality of membranes are formed; A manifold is disposed below the first layer and penetrates the substrate to communicate with the inlet or is hollowed out from the upper side, and a plurality of nozzle passages are formed through which ink transferred from the manifold flows and penetrates from the lower side of the membrane. second layer; a third layer disposed below the second layer and forming a plurality of nozzles communicating with the plurality of nozzle passages on the substrate; a piezoelectric actuator formed on an upper side of the first layer on which the membrane is formed, and including a lower first electrode, a piezoelectric body above the first electrode, and a second electrode above the piezoelectric body; a first voltage controller that vibrates the membrane by applying a pulse voltage to the first electrode and the second electrode; a third electrode formed on the lower side of the third layer and surrounded by an insulator around each nozzle; And it can be achieved by an inkjet printhead including a second voltage controller that applies a voltage to the third electrode to eject the ink droplet by induced electric force.
여기서, 상기 제1 층에는 상기 잉크가 저장되도록 하측면에서 내측으로 파여진 형태로 상측에 상기 멤브레인이 형성되는 복수의 챔버가 형성될 수 있다. Here, a plurality of chambers in which the membrane is formed on the upper side may be formed in the first layer in a shape that is dug inward from the lower side to store the ink.
여기서, 상기 챔버의 일측은 상기 매니폴드와 연통되고, 상기 챔버의 타측은 상기 노즐 유로와 연통될 수 있다. Here, one side of the chamber may communicate with the manifold, and the other side of the chamber may communicate with the nozzle passage.
여기서, 상기 절연층 하층에 소수성 물질로 코팅된 소수성 코팅층을 더 포함할 수 있다. Here, a hydrophobic coating layer coated with a hydrophobic material may be further included under the insulating layer.
여기서, 상기 소수성 코팅층은 노즐 끝단에서 노즐 내측으로도 코팅될 수 있다.Here, the hydrophobic coating layer may be coated from the tip of the nozzle to the inside of the nozzle.
여기서, 상기 제1 전압제어기와 상기 제2 전압제어기에 의해 인가되는 전압은 동기화될 수 있다. Here, the voltages applied by the first voltage controller and the second voltage controller may be synchronized.
여기서, 상기 제1 전압제어기에 의해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 펄스 전압을 인가시켜 상기 압전 구동기가 상기 멤브레인을 진동하게 하여 상기 노즐 끝단에 매니스커스가 형성될 때 상기 제2 전압제어기에 의해 상기 제3 전극에 전압을 인가시켜 액적을 토출시키고, 토출된 액적이 제3 전극을 통과한 이후에 상기 제2 전압제어기는 상기 제3 전극에 토출 전압과 반대 극성의 전압을 인가시키거나 0V의 전압을 인가시킬 수 있다. Here, when a pulse voltage is applied between the first electrode and the second electrode by the first voltage controller to cause the piezoelectric driver to vibrate the membrane and a meniscus is formed at the end of the nozzle, the second voltage controller A voltage is applied to the third electrode to discharge a droplet, and after the discharged droplet passes the third electrode, the second voltage controller applies a voltage of opposite polarity to the discharge voltage to the third electrode. A voltage of 0V can be applied.
여기서, 상기 제3 전극 아래에 절연층으로 둘러싸여 상기 노즐 개구보다 큰 직경의 토출구 주위를 둘러 쌓여 배치되는 제4 전극; 및 상기 제4 전극에 전압을 인가하는 제3 전압제어기를 더 포함할 수 있다. Here, a fourth electrode is disposed under the third electrode, surrounded by an insulating layer, and surrounding an outlet having a diameter larger than the nozzle opening; And it may further include a third voltage controller that applies voltage to the fourth electrode.
여기서, 상기 제2 전압제어기와 상기 제3 전압제어기에 의해 인가되는 전압은 동기화되는 것이 바람직하다. Here, it is preferable that the voltages applied by the second voltage controller and the third voltage controller are synchronized.
여기서, 상기 제3 전극과 상기 노즐 사이의 수평거리보다 상기 제4 전극과 상기 노즐 사이의 수평거리가 더 큰 것이 바람직하다. Here, it is preferable that the horizontal distance between the fourth electrode and the nozzle is greater than the horizontal distance between the third electrode and the nozzle.
여기서, 복수의 노즐은 행렬로 배치되고, 행 방향 또는 열 방향 중 어느 하나의 일 방향으로 배열되는 제3 전극은 전기적으로 연결되어 상기 제2 전압제어기에 의해 동시에 전압이 인가되고, 행 방향 또는 열 방향 중 타 방향으로 배열되는 제4 전극은 전기적으로 연결되어 상기 제3 전압제어기에 의해 동시에 전압이 인가될 수 있다. Here, a plurality of nozzles are arranged in a matrix, and the third electrodes arranged in either the row direction or the column direction are electrically connected and a voltage is applied simultaneously by the second voltage controller, and the third electrodes are arranged in either the row direction or the column direction. The fourth electrodes arranged in the other direction are electrically connected so that voltage can be applied simultaneously by the third voltage controller.
여기서, 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 절연층으로 둘러싸인 제5 전극; 및 상기 제5 전극에 전압을 인가하는 제4 전압제어기를 더 포함할 수 있다. Here, a fifth electrode surrounded by an insulating layer between the first layer and the second layer; And it may further include a fourth voltage controller that applies voltage to the fifth electrode.
여기서, 상기 제1 전압제어기는 각 멤브레인에 대응하는 각각의 상기 압전 구동기에 대하여 동일한 펄스 전압을 인가하고, 상기 제2 전압제어기는 각 노즐에 따라서 상기 제3 전극에 인가하는 전압을 다르게 제어하여 각 노즐에서 토출되는 액적의 크기를 균일화할 수 있다. Here, the first voltage controller applies the same pulse voltage to each of the piezoelectric drivers corresponding to each membrane, and the second voltage controller controls the voltage applied to the third electrode differently depending on each nozzle to provide each nozzle. The size of the liquid droplets discharged from the nozzle can be uniformized.
여기서, 상기 제4 전압제어기는 상기 제5 전극에 상기 제2 전압제어기와 반대 극성의 전압을 인가하거나 접지시킬 수 있다. Here, the fourth voltage controller may apply a voltage of opposite polarity to that of the second voltage controller or ground the fifth electrode.
여기서, 상기 제1 전압제어기에 의해 인가되는 펄스 전압과 상기 제4 전압제어기에 인가되는 펄스 전압을 동기화시켜, 상기 제1 전극과 상기 제5 전극 사이의 전위차에 의한 정전력이 상기 멤브레인의 진동을 보강시킬 수 있다. Here, by synchronizing the pulse voltage applied by the first voltage controller and the pulse voltage applied to the fourth voltage controller, electrostatic force due to the potential difference between the first electrode and the fifth electrode causes vibration of the membrane. It can be reinforced.
여기서, 상기 제3 전극은 복수의 노즐에 대하여 일체로 형성될 수 있다. Here, the third electrode may be formed integrally with a plurality of nozzles.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 기판에 잉크가 유입되도록 관통하는 인렛 및 복수의 멤브레인이 형성되고, 상기 멤브레인 상측면에 압전 구동기의 제1 전극이 형성된 제1 층, 기판에 상기 인렛과 연통되도록 관통하거나 상측면에서 파여진 매니폴드 및 상기 매니폴드에서 이송된 잉크가 유동하며 상기 멤브레인 하측에서 관통하는 복수의 노즐 유로가 형성된 제2 층, 및 기판에 복수의 상기 노즐 유로와 연통하는 복수의 노즐이 형성되고 하측면에 각 노즐 주위에 절연체로 둘러 쌓여 형성되는 제3 전극이 형성된 제3 층을 제작하는 단계; 상기 제1 층, 제2 층, 제3 층 순으로 접합하는 단계; 및 상기 제1 전극 상부에 압전 구동기를 구성하는 압전체 및 제2 전극을 순서대로 형성하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제작방법에 의해 달성될 수 있다. In addition, the above object is, according to the present invention, an inlet and a plurality of membranes are formed through which ink flows into the substrate, a first layer on which the first electrode of the piezoelectric actuator is formed on the upper side of the membrane, and the inlet and the substrate are formed. A second layer formed with a manifold penetrating or cut out from the upper side so as to communicate, and a plurality of nozzle passages through which ink transferred from the manifold flows and penetrating from the lower side of the membrane, and a plurality of nozzle passages communicating with the plurality of nozzle passages on the substrate. manufacturing a third layer in which nozzles are formed and a third electrode is formed on the lower side surrounded by an insulator around each nozzle; Bonding the first layer, second layer, and third layer in that order; and sequentially forming a piezoelectric element constituting a piezoelectric actuator and a second electrode on the first electrode.
여기서, 상기 제1 층에는 상기 잉크가 저장되도록 하측면에서 내측으로 파여지고 상측에 상기 멤브레인이 형성되는 복수의 챔버가 형성될 수 있다. Here, a plurality of chambers may be formed in the first layer, which are hollowed out from the lower side inward to store the ink, and where the membrane is formed on the upper side.
여기서, 상기 제3 층을 제작할 때, 상기 절연체 하층에 소수성 물질을 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다. Here, when manufacturing the third layer, the step of coating a hydrophobic material on the lower layer of the insulator may be further included.
여기서, 상기 소수성 물질로 코팅된 소수성 코팅층은 노즐 끝단에서 노즐 내측으로도 코팅될 수 있다. Here, the hydrophobic coating layer coated with the hydrophobic material may be coated from the tip of the nozzle to the inside of the nozzle.
여기서, 상기 제3 층을 제작할 때, 상기 제3 전극 아래에 절연체로 둘러싸여 상기 제3 전극보다 큰 직경의 제4 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. Here, when manufacturing the third layer, the step of forming a fourth electrode surrounded by an insulator under the third electrode and having a larger diameter than the third electrode may be further included.
여기서, 제2 층을 제작할 때, 제2 층 상측면에 절연체로 둘러싸인 제5 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. Here, when manufacturing the second layer, the step of forming a fifth electrode surrounded by an insulator on the upper side of the second layer may be further included.
상기한 바와 같은 본 발명의 잉크젯 프린트헤드 및 상기 프린트헤드의 제작방법에 따르면 압전체의 구동에 의한 압력파로 노즐 끝단에 형성되는 매니스커스에 유도 정전기력에 의하여 액적을 생성시킴으로써 통상의 압전체 구동에 의한 잉크젯 헤드보다 더욱 강력한 토출 힘을 생성시킬 수 있어서, 기존의 잉크젯 프린트헤드가 토출할 수 있는 10cP 보다 높은 30cP 이상의 고점도 잉크, 크게는 100 cPs 이상의 고점도 잉크도 토출이 가능하다는 장점이 있다.According to the inkjet printhead of the present invention and the manufacturing method of the printhead as described above, droplets are generated by induced electrostatic force on the meniscus formed at the end of the nozzle by a pressure wave caused by driving the piezoelectric material, thereby producing inkjet by driving the conventional piezoelectric material. Since it can generate a more powerful ejection force than the head, it has the advantage of being able to eject high-viscosity ink of over 30 cPs, which is higher than the 10 cPs that existing inkjet printheads can eject, and even high-viscosity ink of over 100 cPs.
또한, 토출력이 강하기 때문에 기존의 잉크젯 프린트헤드보다 노즐의 직경이 작아도 액적 토출이 가능하여, 펨토리터 수준의 잉크 액적을 토출할 수 있다는 장점도 있다(기존의 잉크젯의 경우에는 1 picoliter (지름 12.4 um 수준) 이하의 액적을 안정적으로 토출하는 것이 어려움).In addition, because the discharge force is strong, droplets can be discharged even if the nozzle diameter is smaller than that of a conventional inkjet printhead, which has the advantage of being able to discharge femtoliter-level ink droplets (in the case of a conventional inkjet, 1 picoliter (diameter 12.4 It is difficult to stably discharge droplets below the um level).
또한, 멀티 노즐에 대하여 압전체를 구동하는 전기 신호는 동일하게 유지하되 각 노즐별 전기 수력학 방식의 제팅을 위한 전극에 인가되는 고전압의 크기를 다르게 제어하여, 각 노즐별 토출되는 액적의 크기를 균일하게 제어할 수 있다는 장점도 있다. In addition, the electrical signal that drives the piezoelectric material for the multi-nozzle is kept the same, but the size of the high voltage applied to the electrode for electrohydrodynamic jetting for each nozzle is controlled differently, so that the size of the droplet discharged from each nozzle is uniform. It also has the advantage of being easily controllable.
또한, 제3 전극 아래에 제4 전극을 추가로 배치시켜 토출력 및 토출 방향을 더욱 정밀하게 제어할 수 있다는 장점도 있다. In addition, there is an advantage that the discharge force and discharge direction can be controlled more precisely by additionally disposing the fourth electrode below the third electrode.
또한, 유로 층과 챔버 층 사이에 제5 전극을 추가로 배치시켜 제3 전극에 의한 유도 정전기력을 보강시키거나, 제1 전극과 제5 전극 사이에 작용하는 정전력에 의한 멤브레인의 진동을 강화시킬 수 있다는 장점도 있다. In addition, a fifth electrode is additionally disposed between the flow path layer and the chamber layer to reinforce the electrostatic force induced by the third electrode, or to strengthen the vibration of the membrane due to the electrostatic force acting between the first electrode and the fifth electrode. There is also the advantage of being able to do it.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 단면도이다.
도 2는 도 1에서 압전체에 의한 멤브레인의 동작을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전압제어기와 제2 전압제어기의 동기화신호를 나타내는 도면이다.
도 4는 노즐과 제3 전극 사이의 수평거리에 따른 매니스커스의 형상을 시뮬레이션한 결과를 도시한다.
도 5는 노즐과 제3 전극 사이의 수직거리에 따른 전기장이 분포를 시뮬레이션한 결과를 도시한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 단면도이다.
도 7은 제3 전극과 제4 전극의 전압 인가 구조를 도시하는 도면이고, 도 8은 노즐 중 일부 노즐에서만 잉크를 토출시킬 때의 전압 인가 동작을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 단면도이다.
도 10은 도 9에서 압전체 및 제5 전극에 의한 멤브레인의 동작을 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제작방법을 나타내는 순서도이다.
도 13은 챔버 층의 제작 방법을 도시하는 도면이다.
도 14는 유로 층의 제작 방법을 도시하는 도면이다.
도 15는 노즐 층의 제작 방법을 도시하는 도면이다. 1 is a cross-sectional view of an inkjet printhead according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the operation of the membrane by the piezoelectric material in FIG. 1.
Figure 3 is a diagram showing synchronization signals of a first voltage controller and a second voltage controller according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the results of simulating the shape of the meniscus according to the horizontal distance between the nozzle and the third electrode.
Figure 5 shows the results of simulating the electric field distribution according to the vertical distance between the nozzle and the third electrode.
Figure 6 is a cross-sectional view of an inkjet printhead according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing the voltage application structure of the third electrode and the fourth electrode, and FIG. 8 is a diagram showing the voltage application operation when ink is ejected from only some of the nozzles.
Figure 9 is a cross-sectional view of an inkjet printhead according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing the operation of the membrane by the piezoelectric material and the fifth electrode in FIG. 9.
Figure 11 is a cross-sectional view of an inkjet printhead according to a fourth embodiment of the present invention.
Figure 12 is a flowchart showing a method of manufacturing an inkjet printhead according to an embodiment of the present invention.
13 is a diagram showing a method of manufacturing a chamber layer.
Fig. 14 is a diagram showing a method of manufacturing a flow path layer.
15 is a diagram showing a method of manufacturing a nozzle layer.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Specific details of the embodiments are included in the detailed description and drawings.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다 The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. The present embodiments are merely provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to be understood by those skilled in the art. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 잉크젯 프린트헤드 및 상기 프린트헤드의 제작방법을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to drawings for explaining an inkjet printhead and a method of manufacturing the printhead according to embodiments of the present invention.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 단면도이고, 도 2는 도 1에서 압전체에 의한 멤브레인의 동작을 도시하는 도면이다. FIG. 1 is a cross-sectional view of an inkjet printhead according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing the operation of the membrane by the piezoelectric material in FIG. 1.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드는 제1 층(110), 제2 층(120), 제3 층(130), 압전 구동기(140), 제1 전압제어기(145), 전기수력학 방식의 제팅을 위한 전극(제3 전극(152)) 및 제2 전압제어기(155)를 포함하여 구성될 수 있다. The inkjet printhead according to the first embodiment of the present invention includes a
제1 층(이하, 챔버 층이라고 함)(110)에는 외부로부터 잉크가 유입되는 인렛(inlet)(111) 및 압전 구동기(140)에 의해 진동하는 복수의 멤브레인(115)이 형성될 수 있다. 인렛(111)은 챔버 층(110)을 형성하는 기판의 소정 위치에 상하 관통하도록 형성되고, 상기 기판에는 소정 두께의 얇은 멤브레인(115)이 형성된다. 인렛(111)은 도시되지 않은 잉크 저장탱크에 저장된 잉크를 프린팅 헤드 내부로 유입시키는 입구이다. The first layer (hereinafter referred to as the chamber layer) 110 may be formed with an
도시되어 있는 것과 같이 기판 하측면에서 내측으로 파여진 형태로 인렛(111)을 통해 공급된 잉크가 채워지는 챔버(112)가 형성될 수 있는데, 상기 챔버(112)의 상측에 멤브레인(115)이 형성될 수 있다. 도시되어 있지 않지만 도 1의 지면 방향으로 복수 개의 챔버(112)가 상호 이격 배치되어 복수 노즐(131)에 대응하는 각각의 챔버(112) 및 멤브레인(115)을 형성하게 된다. As shown, a
챔버 층(110)의 멤브레인(115) 상측면에는 압전 구동기(140)를 구성하는 제1 전극(141), 제1 전극(141) 상부의 압전체(142), 압전체(142) 상부의 제2 전극(143)이 순차적으로 적층될 수 있다. 또한, 제1 전극(141)과 제2 전극(143) 사이에는 제1 전압제어기(145)를 통해 펄스 전압이 인가될 수 있다. On the upper side of the
제1 전극(141)은 공통 전극의 역할을 하고 제2 전극(143)은 압전체(142)에 펄스 전압을 인가하는 구동 전극의 역할을 하게 된다. 따라서, 제2 전극(143)은 복수 개의 노즐(131)에 대해 개별적으로 복수 개 배치될 수 있다. 상기 압전체(142)는 소정의 압전 물질, 예를 들어 PZT로 이루어질 수 있다. The
이때, 압전체(142) 상부의 제2 전극(143)이 공통 전극으로 형성되고, 압전체(142) 하부의 제1 전극(141)이 복수 개의 노즐(131)에 대해 복수 개 배치되어 펄스 전압이 인가되도록 구성될 수도 있다. At this time, the
제1 전압제어기(145)가 압전 구동기(140)를 구성하는 두 전극(141, 143) 사이에 펄스 전압을 인가하면 압전체(142)의 구동에 의해 멤브레인(115)은 상하 방향으로 변형될 수 있다. 이때, 멤브레인(115)은 멤브레인(115)의 변형에 의해 챔버(112) 내에 압력파를 발생시키는 진동판의 역할을 한다. When the
제1 전압제어기(145)에 의해 인가되는 전압은 일정 높이의 양의 전압 또는 음의 전압이 주기적으로 발생하는 펄스 전압일 수 있다. 또는, 일정 높이의 양의 전압과 음의 전압이 주기적으로 발생하는 펄스 전압일 수 있다. 또는 정현파, 삼각파와 같이 소정 파형을 가지는 교류 전압이 인가될 수도 있다. The voltage applied by the
제2 층(이하, 유로 층이라고 함)(120)은 챔버 층(110) 아래에 배치되며, 소정 두께의 기판에 상기 인렛(111)과 연통하도록 관통하는 매니폴드(121) 및 매니폴드(121) 일측에서 이송된 잉크가 유동하는 복수 개의 노즐 유로(122)가 관통 형성될 수 있다. 도시되어 있는 것과 같이 챔버(112)의 일측 아래는 매니폴드(121)와 연통되는 리스트릭터(restrictor)(113)가 형성되고 챔버(112)의 타측 아래 노즐 유로(122)와 연통될 수 있다. The second layer (hereinafter referred to as the flow path layer) 120 is disposed below the
따라서, 챔버 층(110)에서 인렛(111)을 통해 외부로부터 유입된 잉크는 노즐 층(130) 상측면과 함께 형성하는 매니폴드(121)의 공간에 저장되고, 매니폴드(121)에 저장된 잉크는 리스트릭터(113)를 통해 각 챔버(112)로 이송되어 노즐 유로(122)로 이송될 수 있다. 상기 노즐 유로(122)는 챔버 층(110)의 챔버(112)와 노즐 층(130)의 노즐(131) 사이에 배치된다. Therefore, ink flowing in from the outside through the
리스트릭터(113)는 압전체(142)의 변형에 의한 압력파가 노즐 방향으로 진행되고 매니폴드(121) 방향으로 진행되는 것을 제한하는 역할을 한다. 이를 위해, 리스트릭터(113)의 단면적은 노즐 유로(122)의 단면적보다 같거나 작게 형성되는 것이 바람직하다. The
도면에서 매니폴드(121)는 기판을 관통하도록 형성되어 제3 층(130)의 상측면과 함께 잉크가 저장되는 공간을 형성하나, 관통하지 않고 상측면에서 소정의 깊이로 파여진 형태로 형성될 수도 있다. In the drawing, the manifold 121 is formed to penetrate the substrate to form a space in which ink is stored together with the upper side of the
제3 층(이하, 노즐 층(130)이라 함)은 유로 층(120) 아래에 배치되며, 소정 두께의 기판에 노즐 유로(122)와 연통하는 복수의 노즐(131)이 형성된다. 상기 노즐(131)을 통해 노즐(131) 아래에 배치되는 인쇄 매체(미도시)를 향하여 잉크가 액적을 형성하며 토출될 수 있다. The third layer (hereinafter referred to as the nozzle layer 130) is disposed below the
도시되어 있는 것과 같이 노즐(131)은 노즐 층(130)을 관통하여 형성되되, 노즐 층(130) 내부의 하단부에는 관통 직경이 커지는 단차를 형성하여 상단부에 상대적으로 직경이 작은 노즐(131)이 형성되고 하단부에 상대적으로 직경이 큰 토출구(154)가 형성될 수 있다. 상기와 같은 구조에 의해 압전 구동기(140)의 동작으로 토출구(154) 끝단이 아니라 노즐(131) 끝단에 매니스커스가 형성될 수 있다. As shown, the
노즐 층(130) 하측면에는 절연층(151)으로 둘러 쌓인 복수 개의 제3 전극(152)이 형성될 수 있다. 제3 전극(152)은 각 노즐(131)마다 형성될 수 있다. 이때, 제3 전극(152)은 원형, 말발굽형, 사각형, 마름모형 등의 다양한 형태로 형성될 수 있으나, 각 노즐(131)의 전부 또는 일부를 에워쌀 수 있는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. A plurality of
또한, 각 노즐(131)에 형성되는 제3 전극(152)은 각각 분리 형성되지 않고, 일체로 형성될 수도 있다. 즉, 각 노즐(131)에 대하여 제3 전극(152)이 형성되되 제3 전극(152) 사이를 연결하는 연결구조가 형성되어, 제3 전극(152)은 일체로 형성될 수 있다. 또는 각 노즐(131)에 대하여 제3 전극(152)이 각각 분리되어 개별적으로 형성될 수도 있다. Additionally, the
노즐 층(130) 하측면에 제1 절연층을 형성하고, 제1 절연층 하측에 제3 전극(152)을 배치하고, 그 하측에 다시 제2 절연층을 형성하는 방법으로 노즐 층(130) 하측면에 절연층(151)으로 둘러 쌓인 제3 전극(152)을 배치시킬 수 있다. 도시되어 있는 것과 같이 노즐 층(130)이 글라스 웨이퍼로 제작되는 경우 글라스 웨이퍼는 절연 소재이므로 노즐 층(130) 바로 아래 제3 전극(152)을 배치시키고 제3 전극(152) 아래 절연층(151)을 형성하는 방법으로 제작될 수도 있다. The
이때, 절연층은 노즐 층(130) 하측면뿐만 아니라 토출구(154)와 노즐(131) 내측면에도 형성될 수 있다. At this time, the insulating layer may be formed not only on the lower side of the
제3 전극(152)에는 제2 전압제어기(155)가 연결되어 고전압이 인가될 수 있다. A
나아가, 절연층(151) 하층에는 소수성 물질로 코팅된 소수성 코팅층(160)이 형성될 수 있다. 소수성 코팅층(160)에 의해 액체와 접촉할 수 있는 프린트헤드 하단면이 오염되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 소수성 코팅층(160)은 토출구(154)의 내측면에도 형성되는 것이 바람직하다. Furthermore, a
나아가, 도시되어 있는 것과 같이 노즐(131) 끝단에서 내측으로도 소정 깊이로 코팅되는 것이 바람직하다. 노즐(131) 끝단 내측에 소수성 코팅층(160)이 형성되는 경우 액적이 노즐(131) 안쪽에서 형성시킬 수 있어 프린팅 안정성을 높이고 유지보수 측면에서 더 뛰어날 수 있다. Furthermore, as shown, it is desirable to coat the inside from the end of the
이때, 챔버 층(110), 유로 층(120), 노즐 층(130)은 실리콘 웨이퍼로 제작이 가능하나 유로 층(120) 및 노즐 층(130)은 글래스(glass) 웨이퍼로 제작될 수도 있다. At this time, the
도 2에 도시되어 있는 것과 같이 제1 전압제어기(145)에 의해 압전 구동기(140)의 제1 전극(141)과 제2 전극(143) 사이에 펄스 전압이 인가되면 압전체(142)가 구동하여 멤브레인(115)을 상하 진동시킬 수 있다. 멤브레인(115)의 진동에 의해 노즐 유로(122)로 압력파가 전달되며 노즐(131)의 끝단에서 압력파에 의하여 매니스커스가 음압 또는 양압에 따라서 concave 또는 convex로 형성될 수 있다. As shown in FIG. 2, when a pulse voltage is applied between the
압전 구동기(140)에 의해 압력파가 노즐(131) 끝단에서 매니스커스의 형태를 양압 형태로 돌출시켰을 때, 제2 전압제어기(155)에 의해 제3 전극(152)에 고전압이 인가되면 유도 전하에 의한 정전기력으로 매니스커스로부터 액적을 토출시킬 수 있다. 다시 압전 구동기(140)에 의해 멤브레인(112)이 상승하여 챔버(112)의 부피가 커지면 압력 변화로 리스트릭터(113)를 통해 챔버(112) 내부로 매니폴더(121)에 저장된 잉크가 유입될 수 있다. When the pressure wave by the
제3 전극(152)에 인가되는 전압은 일정 높이의 양의 전압 또는 음의 전압일 수 있다. 또는, 펄스 형태로 인가시켜 압전체(142)에 의한 압력파와 동기화를 시킬 수도 있다. 또는, 양의 전압과 음의 전압을 교차하는 교류 전압을 인가하여 노즐(131) 끝단에서의 액적 토출을 위한 전하를 안정화시킬 수도 있다. 또는, 제3 전극(152)에는 bias 형태로 일정한 전압이 인가될 수 있다. 정전기력에 의해 액적을 토출하는 전기수력학 잉크젯 장치에는 특정한 크기의 노즐(131)과 특정 유전율을 갖는 잉크에 대해서 토출을 시작하도록 하는 on-set voltage가 있다. 상기 bias 전압은 on-set volatage와 같거나 낮은 크기의 전압일 수 있다.The voltage applied to the
도 3에 도시되어 있는 것과 같이 압전체(142) 구동을 위한 전압 펄스가 제1 전압제어기(145)로부터 인가되고 압력파가 노즐(131) 끝단으로 전달되어 노즐(131) 끝단의 매니스커스가 양압 형태로 돌출되기 시작할 때부터 제2 전압제어기(155)로부터 제3 전극(152)에 고전압이 인가될 수 있다. 즉, 노즐(131) 끝단에 있는 액체 표면에 convex 형태의 매니스커스가 형성되면, 실제 전기 수력학적 방출 과정이 개시될 수 있다. 주어진 노즐(131)에서의 방출은 제3 전극(152)에 의해 노즐(131)의 주변 영역에 전기장을 가하여 개시될 수 있다. 전기장의 생성은 바람직하게는 접지 또는 특정 극성으로 하전된 잉크와 제3 전극(152) 사이에 가해지는 전기 포텐셜 차로 인해 생기게 된다. 잉크가 접지되지 않아도 무방하나 전하를 띄는 입자를 포함하고 있는 잉크 등의 전위차를 균일하게 하기 위해서 접지를 할 수 있다. As shown in FIG. 3, a voltage pulse for driving the
제3 전극(152)에 고전압이 인가될 때 발생하는 전기장으로 인해, convex 형태의 매니스커스에 있는 잉크 표면이 대전될 수 있다. 대전된 잉크 매니스커스와 전기장 간의 상호 작용에 의해, 매니스커스의 외형을 변화시키는 힘이 발생된다. 매니스커스 표면에서 전기적으로 유도된 응력이 잉크의 표면 장력을 극복할 때까지 제3 전극(152)과 사이의 포텐셜 차를 증가시켜 볼록한 매니스커스의 전기장을 더 강화시키면 액적의 방출이 일어날 수 있다.Due to the electric field generated when a high voltage is applied to the
이때, 도시되어 있지 않지만 인쇄 매체의 하측에는 제3 전극(152)과 함께 전기장 생성을 위한 별도의 전극이 추가 배치될 수 있다. At this time, although not shown, a separate electrode for generating an electric field may be additionally disposed on the lower side of the printing medium along with the
도 3의 (a)에 도시되어 있는 것과 같이 노즐(131) 끝단에 형성된 매니스커스로부터 제3 전극(152)에 인가되는 전압(V)에 의해 액적이 토출되어 제3 전극(152)을 통과한 이후에 제3 전극(152)에 인가되는 전압이 0V로 바뀌도록 제어될 수 있다. 또는, 도 3의 (b)에 도시되어 있는 것과 같이 노즐(131) 끝단에 형성된 매니스커스로부터 제3 전극(152)에 인가되는 전압(V)에 의해 액적이 토출되어 제3 전극(152)을 통과한 이후에 인가되는 전압이 반대 극성(-V')의 전압이 인가되도록 제어될 수 있다. As shown in (a) of FIG. 3, a droplet is discharged from the meniscus formed at the end of the
액적이 제3 전극(152)을 통과한 이후에도 제3 전극(152)에 동일 극성의 전압이 연속적으로 인가되면 토출 방향의 반대 방향으로 잡아 당기는 인력으로 작용하여 액적 유동이 불안정해지고 wetting이 발생할 수 있다. 이에, 본 발명에서는 액적이 제3 전극(152)을 통과할 때 제3 전극(152)에 인가되는 전압을 0V 또는 반대 극성의 전압이 인가되도록 제어하여 상기 문제를 해결할 수 있다. 액적이 제3 전극(152)을 통과한 후 반대 극성의 전압이 인가될 때에는 제3 전극(152)에 의해 액적에 척력이 작용할 수 있다. Even after the droplet passes through the
따라서, 본 발명에서는 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 제1 전압제어기(145)와 제2 전압제어기(155)는 압전 구동기(140)의 두 전극(141, 142)과 제3 전극(152)에 각각 동기화된 전압을 인가시킬 수 있다. Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 3, the
본 발명에서 제3 전극(152)은 노즐(131) 하측에 절연층(151)으로 분리되어 형성된다. 따라서, 절연층(151)에 의해 제3 전극(152)과 잉크는 분리될 수 있으므로, 제3 전극(152)에 고전압이 인가될 때 잉크 용액과 제3 전극(152) 사이에 발생하는 산화환원 반응을 방지할 수 있고, 산화환원 반응에 따른 발열, 용액의 변성, 버블 발생, 노즐의 막힘 등의 문제를 해결할 수 있다. In the present invention, the
절연층(151)으로 분리된 제3 전극(152)을 통해 노즐(131)의 액면에 직접 전하를 가하지는 않더라도, 노즐(131)의 액면에 유도 전하를 집중시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 제3 전극(152)에 고전압이 인가될 때 유도 전하에 의한 정전기력으로 인쇄 매체를 향하여 액적을 토출시킬 수 있다. Even if charge is not directly applied to the liquid surface of the
본 발명에서 노즐(131)을 멀티 노즐로 형성된다. 멀티 노즐을 통해 토출되는 액적의 크기는 서로 다를 수가 있다. 압전체의 구동력 만을 이용한 종래의 잉크젯 프린트헤드에서는 100kHz의 초고속의 액적 토출이 가능하나 멀티 노즐 사이의 액적 크기의 편차가 큰 문제가 있었다. 각 개별 노즐의 압전체를 별도로 제어하는 DPN 잉크젯 프린트헤드가 개발되고 있으나, 제어가 어렵고 각 노즐 별로 압전체를 제어하기 위한 펄스의 형태를 최적화하는 것이 어려운 문제가 있다. 하지만, 본 발명에서는 각 노즐(131)에 대응하는 각각의 압전 구동기(140)에 대하여 제1 전압제어기(145)가 동일한 전압을 인가하고 제2 전압제어기(155)는 각 노즐(131)에 따라서 제3 전극(152)에 인가하는 전압의 크기 및 주파수를 다르게 제어하여 멀티 노즐로부터 토출되는 액적의 크기가 모두 균일하도록 제어할 수 있다. 제3 전극(152)에 인가되는 고전압의 크기로 액적의 크기를 제어하는 것은 압전 구동기(140)의 개별 펄스 전압을 제어하는 것보다 훨씬 단순하다. In the present invention, the
본 발명에서 액적의 직경은 액적이 방출되는 노즐(131)의 직경 보다 상당히 더 작을 수 있다. 볼록한 매니스커스는 일반적으로 노즐(131) 입구의 외경으로 주어지는 직경을 갖는다. 본 발명에서 액적의 직경은 노즐(131)에 가해지는 전압을 변화시켜 노즐(131) 직경의 약 1/20 내지 노즐 직경의 1 배로 조절될 수 있는데, 하지만 원리적으로는 노즐(131) 직경의 1/20 보다 작은 액적도 생성시킬 수 있다. 전압이 변하면 다른 크기의 액적이 생기게 된다. 가해지는 전압이 액적 방출에 필요한 최소 추출 전압과 이 최소 추출 전압의 대략 2배인 추출 전압 사이에서 전압 증가에 따라 액적의 직경은 증가하며, 추출 전압이 증가할수록 액적 직경의 변화는 줄어든다.In the present invention, the diameter of the droplet may be significantly smaller than the diameter of the
훨씬 더 작은 액적을 발생시키기 위해 직경이 큰 노즐(131)을 사용하면 여러 가지 이점이 얻어진다. 먼저, 직경이 큰 노즐(131)은 기존의 제조 방법으로 훨씬 더 용이하게 제조될 수 있다. 해상도 요건이 낮아지므로, 프린트헤드 제조에 필요한 비용과 시간에 크게 영향을 줄 수 있다. 다음, 주어진 해상도의 구조로 기판 상의 소정 영역을 인쇄할 때, 직경이 큰 노즐(131)로 더 빠르게 인쇄할 수 있다. 또한, 방출된 액적이 노즐(131) 직경 보다 상당히 작은 직경을 가지면, 방출량 및 액적 크기는 전압의 변화에 훨씬 영향을 작게 받게 된다. 이리하여, 노즐(131) 직경의 크기에 약간의 제조차가 있더라도, 각 노즐(131)로부터 증착된 액적은 모두 동일한 직경을 갖게 되며 또한 동일한 주파수로 방출될 수 있다. 나아가, 프린트헤드에 부착되어 건조된 잉크 또는 오염물질로 인한 노즐 막힘 현상이 발생하지 않는다. 추가적으로, 직경이 큰 노즐(131)은 세척하기가 더 쉽다.Several advantages are obtained by using a
도 1에 도시되어 있는 것과 같이 제3 전극(152)은 노즐(131) 끝단 아래에서 노즐(131)을 에워싸는 형태로 형성될 수 있다. 도 4에서는 제3 전극(152)과 노즐(131) 사이의 수평거리(b)에 따라 매니스커스 액면에 미치는 영향을 시뮬레이션한 결과를 도시하고 있다. 제3 전극(152)과 노즐(131) 사이의 수평거리(b)가 50㎛, 30㎛, 10㎛로 근접할수록 제3 전극(152)에 의해 매니스커스 가장자리를 잡아 당겨 wetting이 발생함을 확인할 수 있다. 따라서, 제3 전극(152)에 의한 인력으로 wetting 현상이 발생하지 않도록 제3 전극(152)과 노즐(131) 사이의 수평 거리(b)는 소정의 최소거리 이상으로 설계되는 것이 바람직하다. 이때, 노즐(131) 직경이 커질수록 상기 최소거리는 커질 수가 있다. As shown in FIG. 1, the
도 5에서는 제3 전극(152)과 노즐(131) 끝단 사이의 수직거리(a)에 따른 전기장 분포에 미치는 영향을 시뮬레이션한 결과를 도시한다. 제3 전극(152)과 노즐(131) 사이의 수직거리(a)가 가까워질수록 전기장의 영향을 많이 받아 액적 토출 에너지가 커지겠지만 전기장의 집중도가 떨어짐을 확인할 수 있다(도 5의 (a)). 반면에, 제3 전극(152)과 노즐(131) 사이의 수직거리(a)가 멀어질수록 액적의 토출 에너지는 작아지고 전기장의 집중도가 높아짐을 확인할 수 있다(도 5의 (b)). 전기장의 집중도가 떨어지는 경우 액적이 불안정해질 수 있으므로, 액적의 토출 에너지와 전기장 집중도를 고려하여 상기 제3 전극(152)과 노즐(131) 사이의 수직거리(b)는 최적화하여 설계하는 것이 바람직하다. Figure 5 shows the results of simulating the effect on electric field distribution according to the vertical distance (a) between the
나아가, 제3 전극(152)과 노즐(131) 끝단 사이의 수직 거리(a)는 프린트헤드와 인쇄 매체 사이의 거리 보다 훨씬 더 작게 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 프린트헤드와 인쇄 매체 사이의 간격이 아닌 노즐(131)의 근처에서 국부적으로 제3 전극(152)에 의해 강한 전기장이 형성될 수 있다.Furthermore, it is preferable that the vertical distance (a) between the
이하, 도 6 내지 도 7을 참조로 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드를 설명하기로 한다. Hereinafter, an inkjet printhead according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 단면도이고, 도 7은 제3 전극과 제4 전극의 전압 인가 구조를 도시하는 도면이고, 도 8은 노즐 중 일부 노즐에서만 잉크를 토출시킬 때의 전압 인가 동작을 도시하는 도면이다. Figure 7 is a cross-sectional view of an inkjet printhead according to a second embodiment of the present invention, Figure 7 is a diagram showing the voltage application structure of the third and fourth electrodes, and Figure 8 shows ink ejected from only some of the nozzles. This is a diagram showing the voltage application operation when applying.
제2 실시예에 관한 설명에 있어서는 전술한 실시예와 차이점을 중심으로 설명하기로 한다. In the description of the second embodiment, the description will focus on the differences from the above-described embodiment.
본 실시예에서도 챔버 층(110), 유로 층(120) 및 노즐 층(130) 3층 구조로 형성될 수 있다. In this embodiment as well, the
전술한 바와 같이, 노즐 층(130) 하측면에는 절연층(151)으로 코팅된 제3 전극(152)이 배치된다. 제3 전극(152)과 제4 전극(153)은 노즐 층(130) 아래에 모두 절연층(151) 내부에 배치되되, 제4 전극(153)은 제3 전극(152) 아래에 이격 배치되고, 제4 전극(153)과 노즐(131) 사이의 수평거리는 제3 전극(152)과 노즐(131) 사이의 수평거리보다 크게 설계되는 것이 바람직하다. As described above, the
제3 전극(152)과 제4 전극(153)을 둘러싸는 절연층(151) 아래에는 소수성 물질로 코팅된 소수성 코팅층(160)이 형성될 수 있다. A
제3 전압제어기(157)는 제4 전극(153)에 전압을 인가시킨다. The
제1 전압제어기(145)가 압전 구동기(140)의 전극(141, 143)에 전압을 인가시키고 제2 전압제어기(155)가 제3 전극(152)에 전압을 인가시켜, 압전체(142)에 의한 압력파와 제3 전극(152)의 유도 정전기력에 의한 힘으로 액적이 형성되어 토출될 때, 제3 전압제어기(157)가 제4 전극(153)에 정전기력을 형성할 수 있는 전압을 인가시키면 액적의 토출 각도를 줄이고 토출 속도를 보강시킬 수 있다. 이때, 제4 전극(153)에 인가되는 전압은 제3 전극(152)에 인가되는 전압과 같은 위상을 갖도록 동기화하는 것이 바람직하다. The
제3 전극(152)과 노즐(131) 끝단 사이의 수직 거리는 프린트헤드와 인쇄 매체 사이의 거리 보다 훨씬 더 작게 배치되는 것이 바람직하다. 따라서, 프린트헤드와 인쇄 매체 사이의 간격이 아닌 노즐(131)의 근처에서 국부적으로 제3 전극(152)에 의해 강한 전기장이 형성될 수 있다.It is preferable that the vertical distance between the
제3 전극(152)의 폭을 제한하면, 강한 전기장 영역을 개별 노즐(131)이 위치되어 있는 곳으로 횡 방향으로 국한시킬 수 있으며, 노즐(131) 사이의 간격을 줄일 수 있다. 하지만, 이웃하는 제3 전극(152) 사이의 거리가 가까워지게 되면 이웃하는 노즐(131)의 전기장에 영향을 미칠 수가 있다. 이에, 제4 전극(153)은 이웃하는 제3 전극(152) 사이의 전기장 영향에 따른 전기장 불균질, 횡 방향 편향을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.By limiting the width of the
제3 전극(152)은 의도된 방향, 즉 방출 방향을 따라 가속되어 방출된 액적에 대해 액적 방출 중에 액체 포텐셜에 대한 가해지는 추출 포텐셜과 비교하여 동일한 극성 및 바람직하게는 더 높은 진폭을 가져야 한다. 액적이 횡 방향으로 편향됨이 없이 프린트헤드 표면에 수직으로 가속되도록, 가속 전기장은 인쇄 매체 또는 프린트헤드의 표면에 정확히 직교하도록 하는 것이 바람직하다.The
제4 전극(153)에 인가되는 전압은 직류 전압의 형태일 수 있고, 바람직하게는 일정한 또는 가변적인 진폭을 갖는 연속 신호의 형태일 수 있다. 대안적으로, 인가되는 전압은 교류 전압의 형태일 수 있고, 바람직하게는, 20 Hz 내지 20 kHz의 주파수를 갖는 주기 함수의 형태일 수 있다.The voltage applied to the
본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드는 행 방향 및 열 방향으로 복수 개의 노즐(131)이 행렬로 배열될 수 있다. 도 7에서는 3행 7열 형태로 노즐(131)이 배열된 것을 예시적으로 도시한 것으로 이에 한정되는 것은 아니다. The inkjet printhead according to the present invention may have a plurality of
각각의 노즐(131) 아래에는 절연층(151)으로 둘러 쌓인 제3 전극(152)과 제4 전극(153)이 배열될 수 있다. 이때, 행 방향 또는 열 방향 중 어느 하나의 일 방향으로 배열되는 복수 개의 제3 전극(152)은 일직선 형태로 전기적으로 연결될 수 있다. 도면에서는 행 방향의 7개의 제3 전극(152) 각각이 전기적으로 연결(a, b, c로 표시)되어 3행으로 제2 전압제어기(155)와 연결되는 것을 도시한다. 또한, 제4 전극(153)도 행 방향 또는 열 방향 중 어느 하나의 일 방향으로 배열되는 복수 개의 제4 전극(153)은 일직선 형태로 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 제3 전극(152)과 제4 전극(154)은 직교하는 형태로 제3 전극(153)이 행 방향으로 연결될 때 제4 전극(154)은 열 방향으로 전기적으로 연결될 수 있다. 도면에서는 열 방향의 3개의 제4 전극 각각이 전기적으로 연결(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7로 표시)되어 7열로 제3 전압제어기(157)에 연결된다. A
복수 개의 제3 전극(152)과 제4 전극(153)이 각각 제2 전압제어기(155) 및 제3 전압제어기(154)에 개별적으로 연결되는 경우 전압 연결 구조(회로)가 복잡해 질 수 있다. 전압 연결 구조가 복잡해지면 각 노즐(131) 사이의 거리가 멀어져 컴팩트하게 복수 개의 노즐(131)을 배치시킬 수 없게 된다. 나아가, 제3 전극(152)과 제4 전극(153)에는 고전압이 인가되는데 각 전극(152, 153)에 개별적으로 고전압을 인가시키는 경우 전압제어기(155, 157)의 용량에 부담을 줄 수 있다. 하지만, 본 발명에서와 같이 복수 개의 제3 전극(152)과 제4 전극(153)에 대하여 행 방향 또는 열 방향으로 배치되는 복수 개의 전극을 전기적으로 연결시킴으로써 전압 연결 구조가 간단해 지며 전압제어기(155, 157)의 용량 부담을 완화시킬 수 있다. When the plurality of
복수 배치되는 노즐(131) 중 일부의 노즐(131)을 통해 액적을 토출시키는 경우 해당 노즐(131)에 대응되는 전극(152, 153)과 연결되는 라인에 전압을 인가시켜 액적을 토출시킬 수 있다. 예를 들어, 도 8에서 복수 개의 노즐(131) 중에서 검은색으로 표시된 노즐(131)을 통해서만 액적을 토출시키는 경우, 제2 전압제어기(155)와 제3 전압제어기(157)은 상기 노즐(131)에 대응되는 제3 전극(142) 및 제4 전극(153)과 전기적으로 연결되는 라인 b, c, 1, 2, 3을 통해 전압을 인가시킬 수 있다. 즉, b, c, 1, 2, 3 라인은 on 상태이고 a, 4, 5, 6, 7 라인은 off 상태일 수 있다. 이때, 검은색으로 표시된 노즐(131)에 대응하는 압전 구동기(140)만 동작시키고 나머지 노즐(131)에 대응하는 압전 구동기(140)를 동작시키지 않으면, 라인 b, c, 1, 2, 3을 통해 전압이 인가시킬 때 전압이 인가되는 나머지 노즐(131)(점선으로 표시)에서는 액적이 토출되지 않도록 제어할 수 있다. When discharging droplets through some of the
이하, 도 9 및 도 10을 참조로 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드를 설명하기로 한다. Hereinafter, an inkjet printhead according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 and 10.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 단면도이고, 도 10은 도 9에서 압전체 및 제5 전극에 의한 멤브레인의 동작을 도시하는 도면이다. FIG. 9 is a cross-sectional view of an inkjet printhead according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a diagram showing the operation of the membrane by the piezoelectric material and the fifth electrode in FIG. 9.
제3 실시예에 관한 설명에 있어서도 전술한 실시예와 차이점을 중심으로 설명하기로 한다. In the description of the third embodiment, the description will focus on the differences from the above-described embodiment.
본 실시예에서도 챔버 층(110), 유로 층(120) 및 노즐 층(130) 3층 구조로 형성된다. In this embodiment as well, a three-layer structure of the
본 실시예에서는 제1 실시예와 비교하여 유로 층(120) 상측면에 절연층(170)으로 둘러 쌓인 제5 전극(171)이 추가로 배치될 수 있다. 따라서, 챔버 층(110)과 유로 층(120) 사이에 절연층(170)으로 둘러 쌓인 제5 전극(171)이 배치될 수 있다. In this embodiment, compared to the first embodiment, a
제4 전압제어기(175)는 제5 전극(171)에 전압을 인가시킨다. The
제3 전극(152)은 각 노즐(131)마다 개별적으로 복수 개 배치되는데 반하여, 본 실시예의 제4 전극(153)은 복수의 노즐(131)에 대하여 공통 전극을 형성할 수 있다. 제4 전극(153)은 제3 전극(152)에 의한 유도전기력을 보강하여 잉크의 매니스커스 형성에 도움을 줄 수 있다. 액적 방출의 실제 촉발은 제3 전극(152)에 가해지는 정전기력과의 전위차에 의해 발생될 수 있는데, 제4 전극(153)에 의해 제3 전극(152)의 최소 방출 전압은 크기가 감소할 수 있다. While a plurality of
제4 전극(153)은 제3 전극(152)에 의한 정전기력과 전위차를 발생하는 역할을 할 수 있다. 선택적으로, 제4 전극(153)에는 제3 전극(152)에 인가되는 전압과 반대 극성의 전압을 인가하거나 잉크의 접지 역할을 할 수 있다. The
또한, 제4 전극(153)은 압전 구동기(140)의 제1 전극(141)과 함께 정전(electrostatic)력을 발생시켜 정전력에 의해 멤브레인(115)은 진동시킬 수 있다. 압전체(142)의 구동에 의한 힘에 제1 전극(141)과 제4 전극(153) 사이의 정전력을 보강시킬 수 있다. 따라서, 멤브레인(115)의 진동을 보강하며 멤브레인(115) 진동에 의한 토출력을 정밀 제어할 수 있게 된다. Additionally, the
이하, 도 11을 참조로 본 발명의 제4 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드를 설명하기로 한다. Hereinafter, an inkjet printhead according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 11.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 단면도이다. Figure 11 is a cross-sectional view of an inkjet printhead according to a fourth embodiment of the present invention.
제4 실시예에 관한 설명에 있어서도 전술한 실시예와 차이점을 중심으로 설명하기로 한다. In the description of the fourth embodiment, the description will focus on the differences from the above-described embodiment.
본 실시예에서도 챔버 층(110), 유로 층(120) 및 노즐 층(130) 3층 구조로 형성된다. In this embodiment as well, a three-layer structure of the
본 실시예에서는 전술한 제2 실시예의 제4 전극(153)이 추가 배치될 수 있다. 전술한 바와 같이, 노즐 층(130) 하측면에는 절연층(151)으로 코팅된 제3 전극(152)이 배치된다. 제3 전극(152)과 제4 전극(153)은 노즐 층(130) 아래에 모두 절연층(151) 내부에 배치되되, 제4 전극(153)은 제3 전극(152) 아래에 이격 배치되고, 제4 전극(153)과 노즐(131) 사이의 수평거리는 제3 전극(152)과 노즐(131) 사이의 수평거리보다 크게 설계되는 것이 바람직하다.In this embodiment, the
제3 전극(152)과 제4 전극(153)을 둘러싸는 절연층(151) 아래에는 소수성 물질로 코팅된 소수성 코팅층(160)이 형성될 수 있다. A
제3 전압제어기(157)는 제4 전극(153)에 전압을 인가시킨다. The
또한, 본 실시예에서는 전술한 제3 실시예의 제5 전극(171)이 추가 배치될 수 있다. Additionally, in this embodiment, the
보다 자세히는 유로 층(120) 상측면에 절연층(170)으로 코팅된 제5 전극(171)이 추가로 배치될 수 있다. 따라서, 챔버 층(110)과 유로 층(120) 사이에 절연층(170)이 배치될 수 있다. In more detail, a
제4 전압제어기(175)는 제5 전극(171)에 전압을 인가시킨다. The
이와 같이, 본 실시예에서는 제1 전압제어기(145) 및 압전 구동기(140)에 의한 압전체(142)의 진동에 의한 압력파의 힘, 제2 전압제어기(155) 및 제3 전극(152)에 의한 유도 정전기력에 의한 힘, 제3 전압제어기(157) 및 제4 전극(153)에 의한 유도 정전기력의 보조력, 제4 전압제어기(175) 및 제5 전극(171)에 의한 유도 정전기력 또는 정전력에 의한 압력파의 힘을 조합하여 노즐(131) 끝단에 액적을 생성하고 액적의 토출 속도와 방향을 정밀 제어하며 토출시킬 수 있다. As such, in this embodiment, the force of the pressure wave caused by the vibration of the
이하, 도 12 내지 도 15을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제작방법을 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of manufacturing an inkjet printhead according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 12 to 15.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제작방법을 나타내는 순서도이고, 도 13은 챔버 층의 제작 방법을 도시하는 도면이고, 도 14는 유로 층의 제작 방법을 도시하는 도면이고, 도 15는 노즐 층의 제작 방법을 도시하는 도면이다. FIG. 12 is a flowchart showing a method of manufacturing an inkjet printhead according to an embodiment of the present invention, FIG. 13 is a diagram showing a method of manufacturing a chamber layer, and FIG. 14 is a diagram showing a method of manufacturing a flow path layer. 15 is a diagram showing a method of manufacturing a nozzle layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제작방법은 챔버 층(110)(제1 층), 유로 층(120)(제2 층), 및 노즐 층(130)(제3 층)을 제작하는 단계(S10), 챔버 층(110), 유로 층(120), 노즐 층(130)을 접합하는 단계(S20) 및 챔버 층(110) 상측에 압전 구동기(140)를 구성하는 압전체(142) 및 제2 전극(143)을 형성하는 단계(S30)를 포함할 수 있다. The method of manufacturing an inkjet printhead according to an embodiment of the present invention is to manufacture a chamber layer 110 (first layer), a flow path layer 120 (second layer), and a nozzle layer 130 (third layer). A step (S10), a step of joining the
챔버 층(110)을 제작하는 단계는 도 13에 도시되어 있다. The steps for fabricating the
챔버 층(110)은 SOI(Silicon on insulator) 웨이퍼(S)를 이용하여 제작될 수 있다. SOI 웨이퍼(S)의 두께를 CMP 공정을 이용하여 설계 수치에 맞춘 후에 포토 공정과 에칭 공정으로 Si를 식각하여 복수의 챔버(112)를 가공하여 각 챔버(112) 상측에 멤브레인(115)을 형성할 수 있다. 또한, 관통하는 인렛(111)을 형성할 수 있다. 다음, 챔버 층(110) 상측면에는 쉐도우 마스크(shadow mask)와 스퍼터(sputter)를 이용하여 압전 구동기(140)의 하부 전극인 제1 전극(141)을 형성한다. The
유로 층(120)을 제작하는 단계는 도 14에 도시되어 있다. The steps for manufacturing the
유로 층(120)의 경우에는 Si 웨이퍼(S) 또는 Grass 웨이퍼(S) 중 어느 하나로 제작될 수 있다. Si 웨이퍼(S)의 경우 매니폴드(121) 및 복수의 노즐 유로(122)를 형성할 때 챔버 층(110) 제작 방법과 동일하게 포토 공정과 에칭 공정으로 진행될 수 있으며, 이때 유로 층(120)의 두께는 400~500um 제작하는 것이 바람직하다. Glass 웨이퍼(S)를 이용하여 제작할 경우 화학적 식각 또는 물리적인 식각이 가능한 Sand blast를 이용하여 식각을 진행할 수 있다. 유로 층(120) 상측면에 절연층(170)으로 둘러 쌓인 제5 전극(171)을 추가하여 유도 정전기력을 보강시킬 수 있으며, 정전력에 의해 멤브레인(115)의 진동을 보강시킬 수 있다. In the case of the
이때, 제5 전극(171)은 유전체 물질로 절연시킬 수 있다. 유로 층(120) 웨이퍼의 상측면에 SiO2의 절연층(170)을 증착시킨 후 쉐도우 마스크(shadow mask)를 정렬시켜 스퍼터(Sputter)를 이용하여 메탈층(제5 전극(171))을 형성시키고 그 다음 다시 SiO2의 절연층(170)으로 메탈층이 잉크에 직접적으로 접촉하지 않게 보호해 주는 것이 바람직하다. Glass 웨이퍼(S)의 경우 이미 절연물질 이기 때문에 바로 쉐도우 마스크와 스퍼터를 이용하여 메탈층을 증착시킨 후 잉크하고 접촉되지만 않게 메탈층의 전면에 절연층(170)을 증착시켜 메탈층을 보호할 수 있다.At this time, the
전술한 제1 실시예, 제2 실시예에서는 절연층(171) 및 제5 전극(171)은 생략될 수 있다.In the above-described first and second embodiments, the insulating
노즐 층(130)을 제작하는 단계는 도 15에 도시되어 있다. The steps for manufacturing the
노즐 층(130)의 제작 방법은 챔버 층(110) 제작 방법과 유사하다. 노즐 층(130)은 Si 웨이퍼(S)로 제작될 수 있다. 좀 더 정밀한 제작을 위해서는 SOI 웨이퍼(S)를 사용하는 것이 바람직하다. Glass 웨이퍼를 사용할 수도 있다. 노즐 층(130)의 두께는 200~400um로 제작하는 것이 바람직하다. 상부의 경우 포토 공정과 식각 공정으로 노즐(131) 유로를 형성한다. 그 다음 웨이퍼(S) 하부에 별도의 포토 공정과 식각 공정을 통하여 토출구(154)를 형성할 수 있다. 노즐(131)의 크기는 토출시키고자 하는 액적의 크기에 따라 다를 수 있다. 수 피코리터 이하의 액적인 초미세 액적의 토출을 위해서는 10 um 이하가 바람직하다. 큰 액적의 토출을 위해서는 50 um 이상의 노즐 지름이 바람직하다. 노즐 층(130) 하측면은 절연층(151)으로 보호될 수 있다. 예를 들어, SiO2를 증착시킬 수 있다. 이때, 절연층(151)은 토출구(154) 내측면 및 노즐(131) 내측면을 포함하여 형성될 수 있다.The manufacturing method of the
노즐 층(130) 하부에 유도 정전기력을 형성하기 위한 제3 전극(152)이 형성될 수 있다. 이때, 제3 전극(152)는 절연층(151)으로 둘러 쌓여 잉크와 접촉하지 않고 분리될 수 있다. 이때, 제3 전극(152)은 전술한 바와 같이 복수의 노즐(131)에 대하여 일체로 형성될 수도 있고, 각 노즐(131)에 대하여 개별적으로 분리 형성될 수도 있다. A
제3 전극(152)에 제2 전압제어기(155)로부터 전압이 인가되면 노즐(131) 내부 잉크에 유도 전하가 형성되어 노즐(131) 주위의 전기장의 힘으로 노즐(131) 개구를 통해 액적을 토출시킬 수가 있다. 이때, 제3 전극(152)에는 직류 전압, 직류 펄스 전압, 또는 교류전압이 인가될 수 있다. 잉크에 유도되는 전하가 지속적으로 소멸되고 재유도되는 과정을 통하여 액적이 토출될 수 있고, 이 과정을 전기적으로는 유도전류가 흐르는 것으로 이해될 수 있다.When a voltage is applied to the
연속적인 직류 전압과 압전체(142)에 인가되는 펄스에 의한 압전체(142) 작동으로 액적을 토출하면, 토출되는 액적이 유도된 전하를 소멸시키면서 인쇄 매체로 탄착되기 때문에 연속적인 액적의 토출이 가능하게 된다. 이때 직류 전압은 정전기력으로만 액적을 토출시킬 수 있는 onset 전압보다 같거나 낮을 수 있다.When liquid droplets are discharged by operating the
제3 전극(152)에 직류 펄스를 인가하고 압전체(142)를 작동시켜서 연속적인 액적을 토출시켜도 액적의 생성 및 토출에 의한 유도 전하의 생성을 연속시킬 수 있다.Even when continuous liquid droplets are discharged by applying a direct current pulse to the
유도 전하의 측면에서 가장 바람직한 전압은 교류 전압으로서 양전하 및 음전하를 반복적으로 생성하면 유도전하의 연속적 생성을 보다 용이하게 할 수 있다. 그러나 전술한 바와 같이 직류 전압을 인가하더라도 액면에서 액적이 토출됨으로써 유도전하를 함께 소멸시키면 새로운 유도전하가 잉크에 형성되므로 연속적인 잉크젯 구동에 문제는 없다.In terms of induced charges, the most desirable voltage is alternating current voltage, which can facilitate the continuous generation of induced charges by repeatedly generating positive and negative charges. However, as described above, even if a direct current voltage is applied, if the induced charge is extinguished by discharging the droplet from the liquid surface, a new induced charge is formed in the ink, so there is no problem in continuous inkjet operation.
제3 전극(152)은 노즐 층(130) 하측면에 형성된 절연층(131) 위에 전극층을 증착한 후 포토 공정과 에칭 공정을 통해 노즐(131)의 주위를 둘러싸는 형태의 제3 전극(152)을 형성한다. 이때, 제3 전극(152)의 형상은 원형, 말발굽형, 사각형, 마름모형 등 다양할 수 있으나, 노즐(131)을 전부 또는 일부 에워쌀 수 있으면 된다. 원형이라고 가정할 때 제3 전극(152)의 내경은 노즐(131)의 외경보다 같거나 클 수가 있다. 가공된 제3 전극(152) 상부에 절연층(151)을 증착시켜 절연층(151)로 둘러 쌓인 형태의 제3 전극(152)을 배치시킬 수 있다. 절연막으로는 SiO2, SiNx 등을 증착할 수 있고, Polyimide 등과 같은 폴리머 층을 증착할 수도 있다.The
노즐 층(130)이 절연 재질인 glass 웨이퍼로 제작되는 경우 도 15에 도시되어 있는 것과 같이 노즐 층(130) 하측면에 절연층 없이 제3 전극(152)을 직접 형성하고, 제3 전극(152) 위에 절연층(151)을 형성하는 방법으로 제작할 수도 있다. 이때, 절연층(151)은 토출구(154) 및 노즐(131) 내측면에도 형성될 수 있다. When the
또한, 상기 절연층(151)로 둘러 쌓인 제3 전극(152) 하측에는 제4 전극(154)이 추가로 형성될 수 있고, 제4 전극(154) 아래에 절연층(151)이 도포되는 과정이 추가될 수 있다. In addition, a
다음, 절연층(151) 아래에 발수 효과를 내기 위하여 Fluoropolymer 계통의 소수성 물질로 소수성 코팅층(160)을 형성할 수 있다. 스프레이(Spray) 코팅방법을 이용할 수도 있으며, e-beam evaporator나 스퍼터(sputter)와 같은 진공 증착으로 발수층을 형성할 수도 있다.Next, a
소수성 코팅층(160)은 노즐(131) 끝단에서 내측으로 소정 깊이 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 소수성 코팅층(160)을 형성할 때 노즐(131)을 통해 공기를 분사시키며 소수성 코팅층(160)을 코팅하게 되는데, 분사되는 공기 속도에 따라 노즐(131) 내부에 코팅되는 소수성 코팅층(160)의 코팅 깊이를 제어할 수 있다. The
전술한 바와 같이 챔버 층(110), 유로 층(120), 노즐 층(130)을 각각 제작한 후에 챔버 층(110), 유로 층(120), 노즐 층(130)을 접합시킨다. 먼저, 챔버 층(110)과 유로 층(120)을 Anodic bonding으로 접합시키고, 다음 노즐 층(130)을 유로 층(120) 아래에 Anodic bonding으로 접합시킬 수 있다. As described above, after the
접합시키는 두 층이 모두 실리콘 웨이퍼로 제작되는 경우에는 direct bonding으로 접합시킬 수도 있다. 나아가, 유로 층(120)이 글래스 웨이퍼로 제작되는 경우에는 anodic bonding으로 접합시킬 수 있고, 유로 층(120)이 Si 웨이퍼로 제작되는 경우에는 Si Direct boinding으로 접합시킬 수도 있다. If both layers to be bonded are made of silicon wafers, they can also be bonded by direct bonding. Furthermore, if the
다음, 완성된 소자의 상부에는 압전 구동기(140)의 하부 전극(제1 전극(141))이 형성되어 있다. 제1 전극(141) 상부에 압전체(142)를 형성하고 압전체(142) 제2 전극(143)을 증착시키면 압전 구동기(140)가 완성될 수 있다. 압전체(142)는 벌크 압전체(142)를 본딩으로 챔버 층(110)의 멤브레인(115) 상부에 고정시킬 수 있다. 또는 스퍼터 장치를 이용하여 압전체(142)를 증착시킨 이후에 포토 및 에칭 공정으로 형성할 수도 있다. 또는 스크린 프린팅 등의 프린팅 방법을 통해 압전체(142) 물질을 도포하여 압전체(142)층을 형성할 수도 있다. Next, the lower electrode (first electrode 141) of the
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be implemented in various forms of embodiments within the scope of the appended claims. It is considered to be within the scope of the claims of the present invention to the extent that anyone skilled in the art can make modifications without departing from the gist of the invention as claimed in the claims.
110: 챔버 층(제1 층)
111: 인렛
112: 챔버
113: 리스트릭터
115: 멤브레인
120: 유로 층(제2 층)
121: 매니폴드
122: 노즐 유로
130: 노즐 층(제3 층)
131: 노즐
140: 압전 구동기
141: 제1 전극
142: 압전체
143: 제2 전극
145: 제1 전압제어기
151: 절연층
152: 제3 전극
153: 제4 전극
154: 토출구
155: 제2 전압제어기
157: 제3 전압제어기
160: 소수성 코팅층
170: 절연층
171: 제5 전극
175: 제4 전압제어기110: Chamber layer (first layer)
111: inlet
112: chamber
113: Restrictor
115: membrane
120: Euro layer (second layer)
121: manifold
122: Nozzle flow path
130: Nozzle layer (third layer)
131: nozzle
140: Piezoelectric actuator
141: first electrode
142: Piezoelectric material
143: second electrode
145: First voltage controller
151: insulating layer
152: third electrode
153: fourth electrode
154: discharge port
155: Second voltage controller
157: Third voltage controller
160: Hydrophobic coating layer
170: insulating layer
171: fifth electrode
175: Fourth voltage controller
Claims (22)
상기 제1 층 아래에 배치되며, 기판에 상기 인렛과 연통되도록 관통하거나 상측면에서 파여진 형태의 매니폴드 및 상기 매니폴드에서 이송된 잉크가 유동하며 상기 멤브레인 하측에서 관통하는 복수의 노즐 유로가 형성된 제2 층;
상기 제2 층 아래에 배치되며, 기판에 복수의 상기 노즐 유로와 연통하는 복수의 노즐이 형성되는 제3 층;
상기 멤브레인이 형성된 상기 제1 층 상측면에 형성되어, 하부의 제1 전극, 상기 제1 전극 상부의 압전체 및 상기 압전체 상부의 제2 전극을 포함하는 압전 구동기;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 펄스 전압을 인가하여 상기 멤브레인을 진동시키는 제1 전압제어기;
상기 제3 층의 하측면에 각 노즐 주위에 절연제로 둘러싸여 형성되는 제3 전극; 및
상기 제3 전극에 전압을 인가하여 유도전기력에 의해 상기 잉크의 액적을 토출시키는 제2 전압제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.A first layer in which an inlet passing through the substrate to allow ink to flow and a plurality of membranes are formed;
A manifold is disposed below the first layer and penetrates the substrate to communicate with the inlet or is hollowed out from the upper side, and a plurality of nozzle passages are formed through which ink transferred from the manifold flows and penetrates from the lower side of the membrane. second layer;
a third layer disposed below the second layer and forming a plurality of nozzles communicating with the plurality of nozzle passages on the substrate;
a piezoelectric actuator formed on an upper side of the first layer on which the membrane is formed, and including a lower first electrode, a piezoelectric body above the first electrode, and a second electrode above the piezoelectric body;
a first voltage controller that vibrates the membrane by applying a pulse voltage to the first electrode and the second electrode;
a third electrode formed on the lower side of the third layer and surrounded by an insulating material around each nozzle; and
An inkjet printhead comprising a second voltage controller that applies a voltage to the third electrode to eject the ink droplets by induced electric force.
상기 제1 층에는 상기 잉크가 저장되도록 하측면에서 내측으로 파여진 형태로 상측에 상기 멤브레인이 형성되는 복수의 챔버가 형성되는 잉크젯 프린트헤드.According to claim 1,
An inkjet printhead in which a plurality of chambers are formed in the first layer with the membrane formed on the upper side in a shape that is hollowed inward from the lower side to store the ink.
상기 챔버의 일측은 상기 매니폴드와 연통되고, 상기 챔버의 타측은 상기 노즐 유로와 연통되는 잉크젯 프린트헤드.According to claim 2,
An inkjet printhead in which one side of the chamber communicates with the manifold and the other side of the chamber communicates with the nozzle flow path.
상기 절연층 하층에 소수성 물질로 코팅된 소수성 코팅층을 더 포함하는 잉크젯 프린트헤드.According to claim 1,
An inkjet printhead further comprising a hydrophobic coating layer coated with a hydrophobic material under the insulating layer.
상기 소수성 코팅층은 노즐 끝단에서 노즐 내측으로도 코팅되는 잉크젯 프린트헤드.According to claim 4,
An inkjet printhead in which the hydrophobic coating layer is coated from the tip of the nozzle to the inside of the nozzle.
상기 제1 전압제어기와 상기 제2 전압제어기에 의해 인가되는 전압은 동기화되는 잉크젯 프린트헤드.According to claim 1,
An inkjet printhead wherein the voltages applied by the first voltage controller and the second voltage controller are synchronized.
상기 제1 전압제어기에 의해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 펄스 전압을 인가시켜 상기 압전 구동기가 상기 멤브레인을 진동하게 하여 상기 노즐 끝단에 매니스커스가 형성될 때 상기 제2 전압제어기에 의해 상기 제3 전극에 전압을 인가시켜 액적을 토출시키고,
토출된 액적이 제3 전극을 통과한 이후에 상기 제2 전압제어기는 상기 제3 전극에 토출 전압과 반대 극성의 전압을 인가시키거나 0V의 전압을 인가시키는 잉크젯 프린트헤드.According to claim 6,
When a pulse voltage is applied between the first electrode and the second electrode by the first voltage controller to cause the piezoelectric driver to vibrate the membrane and a meniscus is formed at the end of the nozzle, the second voltage controller causes the membrane to vibrate. Applying voltage to the third electrode to discharge droplets,
After the ejected droplet passes through the third electrode, the second voltage controller applies a voltage of opposite polarity to the ejection voltage or a voltage of 0V to the third electrode.
상기 제3 전극 아래에 절연층으로 둘러싸여 상기 노즐 개구보다 큰 직경의 토출구 주위를 둘러 쌓여 배치되는 제4 전극; 및
상기 제4 전극에 전압을 인가하는 제3 전압제어기를 더 포함하는 잉크젯 프린트헤드.According to claim 1,
a fourth electrode disposed below the third electrode, surrounded by an insulating layer, and surrounding an outlet having a diameter larger than the nozzle opening; and
The inkjet printhead further includes a third voltage controller that applies voltage to the fourth electrode.
상기 제2 전압제어기와 상기 제3 전압제어기에 의해 인가되는 전압은 동기화되는 잉크젯 프린트헤드.According to claim 8,
An inkjet printhead wherein the voltages applied by the second voltage controller and the third voltage controller are synchronized.
상기 제3 전극과 상기 노즐 사이의 수평거리보다 상기 제4 전극과 상기 노즐 사이의 수평거리가 더 큰 잉크젯 프린트헤드.According to claim 8,
An inkjet printhead in which the horizontal distance between the fourth electrode and the nozzle is greater than the horizontal distance between the third electrode and the nozzle.
복수의 노즐은 행렬로 배치되고, 행 방향 또는 열 방향 중 어느 하나의 일 방향으로 배열되는 제3 전극은 전기적으로 연결되어 상기 제2 전압제어기에 의해 동시에 전압이 인가되고,
행 방향 또는 열 방향 중 타 방향으로 배열되는 제4 전극은 전기적으로 연결되어 상기 제3 전압제어기에 의해 동시에 전압이 인가되는 잉크젯 프린트헤드.According to claim 8,
A plurality of nozzles are arranged in a matrix, and third electrodes arranged in either a row or column direction are electrically connected and a voltage is applied simultaneously by the second voltage controller,
An inkjet printhead in which fourth electrodes arranged in either the row or column direction are electrically connected and voltage is simultaneously applied by the third voltage controller.
상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 절연층으로 둘러싸인 제5 전극; 및
상기 제5 전극에 전압을 인가하는 제4 전압제어기를 더 포함하는 잉크젯 프린트헤드.According to claim 1 or 8,
a fifth electrode surrounded by an insulating layer between the first layer and the second layer; and
The inkjet printhead further includes a fourth voltage controller that applies voltage to the fifth electrode.
상기 제1 전압제어기는 각 멤브레인에 대응하는 각각의 상기 압전 구동기에 대하여 동일한 펄스 전압을 인가하고,
상기 제2 전압제어기는 각 노즐에 따라서 상기 제3 전극에 인가하는 전압을 다르게 제어하여 각 노즐에서 토출되는 액적의 크기를 균일화하는 잉크젯 프린트헤드.According to claim 1,
The first voltage controller applies the same pulse voltage to each of the piezoelectric drivers corresponding to each membrane,
The second voltage controller controls the voltage applied to the third electrode differently depending on each nozzle to equalize the size of the droplet ejected from each nozzle.
상기 제4 전압제어기는 상기 제5 전극에 상기 제2 전압제어기와 반대 극성의 전압을 인가하거나 접지시키는 잉크젯 프린트헤드.According to claim 12,
The fourth voltage controller applies a voltage of opposite polarity to that of the second voltage controller to the fifth electrode or grounds it.
상기 제1 전압제어기에 의해 인가되는 펄스 전압과 상기 제4 전압제어기에 인가되는 펄스 전압을 동기화시켜, 상기 제1 전극과 상기 제5 전극 사이의 전위차에 의한 정전력이 상기 멤브레인의 진동을 보강시키는 잉크젯 프린트 헤드.According to claim 12,
By synchronizing the pulse voltage applied by the first voltage controller and the pulse voltage applied to the fourth voltage controller, electrostatic force due to the potential difference between the first electrode and the fifth electrode reinforces the vibration of the membrane. Inkjet print head.
상기 제3 전극은 복수의 노즐에 대하여 일체로 형성되는 잉크젯 프린트 헤드.According to claim 1,
An inkjet print head wherein the third electrode is formed integrally with a plurality of nozzles.
상기 제1 층, 제2 층, 제3 층 순으로 접합하는 단계; 및
상기 제1 전극 상부에 압전 구동기를 구성하는 압전체 및 제2 전극을 순서대로 형성하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제작방법. An inlet that penetrates the substrate to allow ink to flow in and a plurality of membranes are formed, a first layer on which the first electrode of the piezoelectric actuator is formed on the upper side of the membrane, and a manifold that penetrates the substrate to communicate with the inlet or is dug out in the upper side. and a second layer in which the ink transferred from the manifold flows and a plurality of nozzle passages penetrating from the lower side of the membrane are formed, and a plurality of nozzles communicating with the plurality of nozzle passages are formed on the substrate, and a plurality of nozzles are formed on the lower side around each nozzle. manufacturing a third layer formed with a third electrode surrounded by an insulator;
Bonding the first layer, second layer, and third layer in that order; and
An inkjet printhead manufacturing method comprising sequentially forming a piezoelectric element constituting a piezoelectric actuator and a second electrode on the first electrode.
상기 제1 층에는 상기 잉크가 저장되도록 하측면에서 내측으로 파여지고 상측에 상기 멤브레인이 형성되는 복수의 챔버가 형성되는 잉크젯 프린트헤드 제작방법.According to claim 11,
A method of manufacturing an inkjet printhead in which a plurality of chambers are formed in the first layer inward from the lower side to store the ink and in which the membrane is formed on the upper side.
상기 제3 층을 제작할 때, 상기 절연체 하층에 소수성 물질을 코팅하는 단계를 더 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제작방법.According to claim 17,
When manufacturing the third layer, the inkjet printhead manufacturing method further includes coating a hydrophobic material on the lower layer of the insulator.
상기 소수성 물질로 코팅된 소수성 코팅층은 노즐 끝단에서 노즐 내측으로도 코팅되는 잉크젯 프린트헤드 제작방법.According to claim 19,
A method of manufacturing an inkjet printhead in which the hydrophobic coating layer coated with the hydrophobic material is coated from the tip of the nozzle to the inside of the nozzle.
상기 제3 층을 제작할 때,
상기 제3 전극 아래에 절연체로 둘러싸여 상기 제3 전극보다 큰 직경의 제4 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제작방법.According to claim 17,
When manufacturing the third layer,
An inkjet printhead manufacturing method further comprising forming a fourth electrode with a larger diameter than the third electrode surrounded by an insulator below the third electrode.
제2 층을 제작할 때,
제2 층 상측면에 절연체로 둘러싸인 제5 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제작방법. According to claim 17,
When producing the second layer,
An inkjet printhead manufacturing method further comprising forming a fifth electrode surrounded by an insulator on the upper side of the second layer.
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- 2022-12-07 KR KR1020220169557A patent/KR20230133179A/en unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100917279B1 (en) | 2009-01-14 | 2009-09-16 | 건국대학교 산학협력단 | Apparatus for jetting droplet |
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