KR100374788B1 - 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드, 그 제조방법 및잉크 토출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드, 그 제조방법 및 잉크 토출방법에 관한 것이다. 본 발명의 프린트 헤드는, 잉크 공급을 위한 매니폴드와, 반구형의 잉크 챔버 및 매니폴드와 잉크 챔버를 연결하는 잉크 채널이 기판 내에 일체적으로 형성되고, 기판 상부의 노즐이 형성된 노즐판과 노즐 주위를 둘러싸는 환상의 히터가 본딩 등의 복잡한 공정없이 일체적으로 형성된다. 따라서, 제조가 간편해지고, 대량생산이 용이해진다. 또한, 본 발명의 잉크 토출방법은 도우넛 모양의 버블을 형성하여 잉크를 토출함으로써 잉크의 역류가 방지되고, 화질을 떨어뜨리는 부 액적(satellite droplet)이 억제된다.

Description

버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드, 그 제조방법 및 잉크 토출방법{Bubble-jet type ink-jet printhead, manufacturing method thereof and ejection method of the ink}

본 발명은 잉크 젯 프린트 헤드에 관한 것으로, 특히 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드, 그 제조방법 및 잉크 토출방법에 관한 것이다.

잉크 젯 프린터의 잉크 토출 방식으로는 열원을 이용하여 잉크에 기포(버블)를 발생시켜 이 힘으로 잉크를 토출시키는 전기-열 변환 방식(electro-thermal transducer, 버블 젯 방식)과, 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적 변화에 의해 잉크를 토출시키는 전기-기계 변환 방식(electro-mechanical transducer)이 있다.

도 1a 및 도 1b를 참조하여 버블 젯 방식의 잉크 토출 메카니즘을 설명하면 다음과 같다. 노즐(11)이 형성된 잉크 유로(10)에 저항 발열체로 이루어진 히터(12)에 전류 펄스를 인가하면, 히터(12)에서 발생된 열이 잉크(14)를 가열하여 잉크 유로(10) 내에 버블(15)이 생성되고 그 힘에 의해 잉크 액적(droplet, 14')이 토출된다.

그런데, 이와 같은 버블 젯 방식의 잉크 토출부를 가지는 잉크 젯 프린트 헤드는 다음과 같은 요건들을 만족하여야 한다.

첫째, 가능한 한 그 제조가 간단하고 제조비용이 저렴하며, 대량 생산이 가능하여야 한다.

둘째, 선명한 화질을 얻기 위해서는, 토출되는 주 액적(main droplet)에 뒤따르는 주 액적보다 작은 미세한 부 액적(satellite droplet)의 생성이 억제되어야 한다.

셋째, 하나의 노즐에서 잉크를 토출하거나 잉크의 토출후 잉크 챔버로 잉크가 다시 채워질 때, 잉크를 토출하지 않는 인접한 다른 노즐과의 간섭(cross talk)이 억제되어야 한다. 이를 위해서는 잉크 토출시 노즐 반대방향으로 잉크가 역류하는 현상(back flow)을 억제하여야 한다. 도 1a 및 도 1b에서 또 하나의 히터(13)는 이를 위한 것이다.

넷째, 고속 프린트를 위해서는, 가능한 한 잉크 토출과 다시 채워지는 주기가 짧아야 한다.

그런데, 이러한 요건들은 서로 상충하는 경우가 많고, 또한 잉크 젯 프린트 헤드의 성능은 결국 잉크 챔버, 잉크 유로 및 히터의 구조, 그에 따른 버블의 생성 및 팽창 형태, 또는 각 요소의 상대적인 크기와 밀접한 관련이 있다.

이에 따라, 미국특허 US 4339762호, US 4882595호, US 5760804호, US 4847630호, US 5850241호, 유럽특허 EP 317171호, Fan-Gang Tseng, Chang-Jin Kim, and Chih-Ming Ho, "A Novel Microinjector with Virtual Chamber Neck", IEEEMEMS '98, pp.57-62 등 다양한 구조의 잉크 젯 프린트 헤드가 제안되었다. 그러나, 이들 특허나 문헌에 제시된 구조의 잉크 젯 프린트 헤드는 전술한 요건들중 일부는 만족할지라도 전체적으로 만족할 만한 수준은 아니다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 요건들을 만족시키는 구조의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 전술한 요건들을 만족시키는 구조의 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 전술한 요건들을 만족시키는 버블 젯 방식의 잉크 토출방법을 제공하는 것이다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 구조 및 잉크 토출 메카니즘을 도시한 단면도들이다.

도 2는 본 발명에 따른 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드의 개략적인 평면도이다.

도 3a 및 도 3b는 도 2의 단위 잉크 토출부를 확대하여 도시한 평면도이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 프린트 헤드의 구조를 도 3a의 4-4을 따라 본 단면도들이다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 프린트 헤드의 구조를 각각 도 3a의 5-5선 및 6-6선을 따라 본 단면도들이다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프린트 헤드의 구조를 각각 도 3a의 4-4선 및 6-6선을 따라 본 단면도들이다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 버블 젯 방식의 잉크 토출방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.

도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 버블 젯 방식의 잉크 토출방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.

도 13 내지 도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들이다.

도 20 내지 도 22는 본 발명의 다른 실시예에 따른 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들이다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 잉크 공급 매니폴드와 잉크 챔버 및 잉크 채널이 일체로 형성된 기판, 노즐이 형성된 노즐판, 저항 발열체로 이루어진 히터 및 히터에 전류를 인가하는 전극을 구비하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드를 제공한다.

상기 기판에는, 잉크를 공급하는 매니폴드, 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버, 잉크를 매니폴드로부터 잉크 챔버로 공급하는 잉크 채널이 일체로 형성되어 있다.

상기 노즐판은 기판 상에 적층되어 있는데, 잉크 챔버의 중앙부에 대응되는 위치에는 노즐이, 잉크 채널의 중앙부에 대응되는 위치에는 잉크 채널 형성용 홈이형성되어 있다.

상기 히터는 노즐판의 노즐을 둘러싸는 환상으로 형성되어 있다.

상기 잉크 챔버는 그 형상이 실질적으로 반구형으로 되어 있다.

또한, 상기 잉크 챔버와 잉크 채널의 연결 부위에는, 잉크 챔버와 잉크 채널의 바닥보다 높게 돌출된 버블 걸림턱이 형성되어, 버블 팽창시 버블이 잉크 채널쪽으로 밀리는 것을 막도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 노즐의 가장자리에서 잉크 챔버의 깊이 방향으로 연장된 버블 및 액적 가이드가 형성되어, 버블 성장시 그 성장방향 및 버블의 모양을 가이드하고 잉크 토출시 잉크 액적의 토출방향을 가이드한다.

또한, 상기 히터를 "Ω"자 모양 또는 원형으로 하여 생성되는 버블의 모양을 실질적으로 도우넛 모양이 되도록 한다.

상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에 따른 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법은, 기판을 식각하여 잉크 챔버와 잉크 채널 및 잉크 공급 매니폴드를 기판에서 일체로 제조한다.

구체적으로, 기판의 표면에 노즐판을 형성하고, 노즐판 상에 환상의 히터를 형성한다. 잉크 공급 매니폴드는 기판을 식각하여 형성한다. 또한, 환상의 히터에 전류를 공급하기 위한 전극을 형성한다. 노즐은 노즐판을 식각하여 형성하는데, 환상 히터의 안쪽으로 환상 히터의 직경보다 작은 직경으로 노즐판을 식각함으로써 형성한다. 잉크 챔버는 노즐에 의해 노출된 기판을 식각하여 형성하는데, 환상 히터의 직경보다 큰 직경을 가지고 실질적으로 반구형의 형상을 가지도록 한다. 잉크챔버와 매니폴드를 연결하는 잉크 채널은 기판을 그 표면쪽으로부터 식각하여 형성한다.

또한, 상기 잉크 챔버는 먼저, 노즐에 의해 노출된 기판을 소정 깊이로 이방성 식각한 후, 이어서 기판을 등방성 식각하여 형성함으로써 반구형이 되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 잉크 채널은 상기 노즐을 형성하기 위해 노즐판을 식각할 때 동시에, 환상 히터의 바깥쪽에서 매니폴드 쪽으로 노즐판을 식각하여 기판을 노출하는 홈을 형성한 후, 상기 잉크 챔버를 형성하기 위한 등방성 식각시 동시에 상기 홈에 의해 노출된 기판을 식각함으로써 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 잉크 챔버는 상기 노즐에 의해 노출된 기판을 소정 깊이로 이방성 식각하여 트렌치를 형성한 후, 기판의 전면에 소정 두께로 소정의 물질막을 증착하고 이 물질막을 이방성 식각하여 상기 트렌치의 바닥을 노출함과 동시에 트렌치의 측벽에 스페이서를 형성한 다음, 트렌치의 바닥에 노출된 기판을 등방성 식각함으로써 형성할 수도 있다.

상기의 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 잉크 토출방법은 버블 젯 방식으로 잉크를 토출하는데, 잉크가 채워진 잉크 챔버의 내부에 버블을 생성하되, 이 버블이 노즐을 중심으로 실질적으로 도우넛 모양이 되도록 생성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 도우넛 모양의 버블이 팽창하여 노즐 아래에서 합쳐지도록 함으로써 토출되는 액적의 꼬리를 끊어줄 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 버블이 도우넛 모양으로 되어 전술한 잉크 토출시의 제반 요건들이 만족할 만하게 되고, 그 제조방법도 단순하며, 프린트 헤드를 칩 단위로 대량생산할 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 것을 지칭하며, 도면상에서 각 요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 존재할 수도 있다.

먼저, 도 2는 본 발명에 따른 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드의 개략적인 평면도이다.

도 2를 보면, 본 발명에 따른 프린트 헤드는 점선으로 도시된 잉크 공급 매니폴드(150)를 중심으로 좌우에 지그재그로 배치된 잉크 토출부(3)들이 2열로 배치되고, 각 잉크 토출부(3)와 전기적으로 연결되고 와이어가 본딩될 본딩 패드(5)들이 배치되어 있다. 또한, 매니폴드(150)는 잉크를 담고 있는 잉크 컨테이너(미도시)와 연결된다. 한편, 도면에서 잉크 토출부(3)들은 2열로 배치되어 있지만, 1열로 배치될 수도 있고, 해상도를 더욱 높이기 위해 3열 이상으로 배치될 수도 있다. 또한, 도면에는 한 가지 색상의 잉크만을 사용하는 프린트 헤드가 도시되어 있지만, 컬러 인쇄를 위해 각 색상별로 3 또는 4군의 잉크 토출부군이 배치될 수도 있다.

도 3a은 본 발명의 특징부인 잉크 토출부(3)를 확대하여 도시한 평면도이고, 도 4a, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 프린트 헤드의 구조를 각각 도 3a의 4-4선, 5-5선 및 6-6선을 따라 본 단면도들이다.

도 3a 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 프린트 헤드의 구조를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 기판(100)에는, 그 표면쪽에 대략 반구형으로 형성되어 잉크가 채워지는 잉크 챔버(200)가 형성되어 있고, 잉크 챔버(200)보다 얕은 깊이로 형성되어 잉크 챔버(200)로 잉크를 공급하는 잉크 채널(210)이 형성되어 있으며, 그 배면 쪽에는 잉크 채널(210)과 만나 잉크 채널(210)로 잉크를 공급하는 매니폴드(150)가 형성되어 있다. 또한, 잉크 챔버(200)와 잉크 채널(210)이 만나는 지점에는 기판의 표면쪽으로 약간 돌출되어 버블이 팽창할 때 잉크 채널(210) 쪽으로 밀리는 것을 방지하는 버블 걸림턱(205)이 형성되어 있다. 여기서, 기판(100)은 집적회로의 제조에 널리 사용되는 (100) 방향의 결정방향을 가지는 실리콘으로 이루어지는 것이 바람직하다.

기판(100)의 표면에는 노즐(160)과 잉크 채널 형성용 홈(170)이 형성된 노즐판(110)이 형성되어, 잉크 챔버(200)와 잉크 채널(210)의 상부 벽을 이룬다. 노즐판(110)은, 기판(100)이 실리콘으로 이루어진 경우, 실리콘 기판(100)을 산화시켜 형성된 실리콘 산화막으로 이루어질 수도 있고, 실리콘 기판(100) 상에 증착된 실리콘 질화막 등으로 이루어질 수도 있다.

노즐판(110) 위에는 노즐(160)을 둘러싸는 환상으로 버블 생성용 히터(120)가 형성되어 있다. 다결정 실리콘과 같은 저항 발열체로 이루어진 이 히터(120)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 히터(120)에 펄스상 전류를 인가하기 위한 통상 금속으로 이루어진 전극(180)과 함께 대략 "Ω"자의 형상을 이룬다. 히터(120)와 전극(180)은 컨택(185)에 의해 전기적으로 연결된다. 또한, 전극(180)은 본딩 패드(도 2의 5)와 연결된다.

한편, 도 3b와 도 4b는 본 실시예의 변형예를 도시한 각각 평면도 및 도 3a의 4-4선을 따라 본 단면도이다.

도 3b를 참조하면, 히터(120')의 모양이 원형으로 이루어져 있고, 대략 대칭하는 위치에서 컨택(185)에 의해 전극(180)과 연결된다.

도 4b를 참조하면, 히터(120)가 노즐판(110')의 아래 쪽에 형성되어 있어, 잉크 챔버(200)에 채워지는 잉크와 접촉하도록 되어 있다.

도 6 및 도 7은 각각 도 3a의 4-4선 및 6-6선을 따라 본 단면도로서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 프린터 헤드의 구조를 나타낸다.

도 3a, 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예의 프린터 헤드는 기본적으로 전술한 일실시예와 유사한 구조이나, 잉크 챔버(200')와 노즐(160)의 구조가 약간 다르다. 즉, 잉크 챔버(200')의 바닥면은 전술한 일실시예의 잉크 챔버(200)와 같이 대략 구면을 이루지만, 상부는 노즐(160')의 가장자리로부터 잉크 챔버(200') 쪽으로 연장되는 액적 가이드(230)와, 잉크 챔버(200')의 상부 벽을 이루는 노즐판(110)의 아래 액적 가이드(230) 주위에 기판 물질이 약간 남아 있는 버블 가이드(203)가 형성되어 있다. 액적 가이드(230)와 버블 가이드(203)의 기능은 후술한다.

이와 같이 이루어진 일실시예 및 다른 실시예의 잉크 젯 프린터 헤드의 기능과 효과를 본 발명의 잉크 토출방법과 함께 상세히 설명한다.

도 9 및 도 10은 전술한 일실시예의 프린트 헤드의 잉크 토출 메카니즘을 도시한 도면들이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 모세관 현상에 의해 매니폴드(150), 잉크 채널(210)을 통해 공급된 잉크(300)가 잉크 챔버(200)에 채워진 상태에서, 환상 히터(120)에 펄스상 전류를 인가하면 히터(120)에서 발생된 열이 아래의 노즐판(110)을 통해 전달되고 히터(120) 아래의 잉크(300)가 비등하여 버블(310)이 생성된다. 이 버블(310)의 형상은 환상 히터(120)의 모양에 따라 도 9의 오른쪽에 도시된 바와 같이, 대략 도우넛 형상이 된다.

도우넛 형상의 버블(310)이 시간이 지남에 따라 팽창하면, 도 10에 도시된 바와 같이, 노즐(160) 아래에서 합쳐져 중앙부가 오목한 대략 원반형의 버블(310')로 팽창한다. 동시에, 팽창된 버블(310')에 의해 잉크 챔버(200) 내의 잉크가 토출된다.

인가했던 전류를 차단하면 냉각이 되면서 버블은 축소하거나, 아니면 그 전에 터뜨려지고, 잉크 챔버 내에는 다시 잉크(300)가 채워진다.

본 실시예의 잉크 토출방법에 따르면, 도우넛 모양의 버블이 합쳐짐으로써 토출되는 잉크(300')의 꼬리를 잘라주게 되어 전술한 부 액적(satellite droplet)이 생기지 않게 된다.

또한, 버블(310, 310')의 팽창이 반구형의 잉크 챔버(200) 내부로 한정되면서 잉크(300)의 역류가 방지되므로 인접한 다른 잉크 토출부와의 간섭(cross talk)이 일어나지 않는다. 더욱이, 도 6에 도시된 바와 같이, 잉크 채널(210)이 잉크 챔버(200)보다 깊이가 얕고 작을 뿐만아니라 잉크 챔버(200)과 잉크 채널(210)이 만나는 지점에는 버블 걸림턱(205)이 형성되어 있어, 잉크(300) 및 버블(310, 310') 자체가 잉크 채널(210) 쪽으로 밀리는 것을 방지하는데 더욱 효과적이다.

한편, 히터(120)가 환상으로 그 면적이 넓어 가열과 냉각이 빠르고 그에 따라 버블(310, 310')의 생성에서 소멸에 이르는 소요시간이 빨라져 빠른 응답과 높은 구동 주파수를 가질 수 있다. 더욱이, 잉크 챔버(200)의 형상이 반구형으로 되어 있어 종래의 직육면체 또는 피라밋 모양의 잉크 챔버에 비해 버블(310, 310')의 팽창 경로가 안정적이고, 버블의 생성 및 팽창이 빨라 빠른 시간 내에 잉크의 토출이 이루어진다.

도 11 및 도 12는 전술한 다른 실시예의 프린트 헤드의 잉크 토출 메카니즘을 도시한 도면들이다.

전술한 일실시예의 잉크 토출방법과 다른 점만을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 버블(310")이 팽창할 때 노즐(160') 주위의 버블 가이드(203)에 의해 아래쪽으로 팽창하고 노즐(160') 아래에서 합쳐질 확률은 적어진다. 그러나, 이 팽창된 버블(300")이 노즐(160') 아래에서 합쳐질 확률은 액적 가이드(230)와 버블 가이드(203)의 아래쪽으로 연장된 길이를 조절함으로써 조절할 수 있다. 한편, 토출되는 액적(300')은 노즐(160') 가장자리에서 아래로 연장된 액적 가이드(230)에 의해 토출방향이 가이드되어 정확히 기판(100)에 수직한 방향으로 토출되게 된다.

다음으로, 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드를 제조하는 방법을 설명한다.

도 13 내지 도 19는 전술한 일실시예의 프린트 헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들로서, 도면에서 왼쪽은 도 3의 4-4선을 따라 본 단면도이고, 오른쪽은 도 3의 6-6선을 따라 본 단면도이다. 이하 도 22까지 같다.

먼저, 기판(100)을 준비한다. 본 실시예에서 기판(100)은 결정방향이 (100)이고 그 두께가 대략 500㎛인 실리콘 기판을 사용한다. 이는, 반도체 소자의 제조에 널리 사용되는 실리콘 웨이퍼를 그대로 사용할 수 있어 대량생산에 효과적이기 때문이다.

이어서, 실리콘 웨이퍼를 산화로에 넣고 습식 또는 건식 산화하면, 도 13에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(100)의 표면 및 배면이 산화되어 실리콘 산화막(110, 115)이 성장된다. 도 13에 도시된 것은 실리콘 웨이퍼의 극히 일부를 도시한 것으로서, 본 발명에 따른 프린트 헤드는 하나의 웨이퍼에서 수십 내지 수백개의 칩 상태로 제조되며, 도 13에 도시된 것은 도 2에 도시된 바와 같은 하나의 칩중 단위 잉크 토출부(3) 만이다. 또, 도 13에서는 기판(100)의 표면과 배면 모두에 실리콘 산화막(110 및 115)이 성장된 것으로 도시되었는데, 이는 실리콘 웨이퍼의 배면도 산화 분위기에 노출되는 배치식(batch type) 산화로를 사용하였기 때문이다. 그러나, 웨이퍼의 표면만 노출되는 매엽식(single wafer type) 산화장치를 사용하는 경우는 배면에 실리콘 산화막(115)이 형성되지 않는다. 이러한 사용하는장치에 따라 표면에만 소정의 물질막이 형성되거나 배면까지 형성되는 점은 이하의 도 22까지 같다. 다만, 편의상 이하에서는 다른 물질막(후술하는 다결정 실리콘막, 실리콘 질화막, TEOS 산화막 등)은 표면에만 형성되는 것으로 도시한다.

도 14는 환상 히터(120)가 형성된 상태를 도시한 것으로서, 이 환상 히터(120)는 다결정 실리콘을 증착한 다음 이를 환상으로 패터닝함으로써 형성된다. 구체적으로, 다결정 실리콘은 저압 화학기상증착법(low pressure chemical vapor deposition)으로 예컨대 대략 0.8㎛ 두께로 증착될 수 있으며, 포토마스크와 포토레지스트를 이용한 사진공정과 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 실리콘 산화막(110) 전면에 증착된 다결정 실리콘막을 식각하는 식각공정에 의해 패터닝된다.

도 15는 도 14의 결과물 전면에 실리콘 질화막(130)과 TEOS(Tetraethyleorthosilane) 산화막(140)을 증착한 상태를 도시한 것이다. 실리콘 질화막(130)은 환상 히터(120)의 보호막으로서 예컨대 대략 0.5㎛ 두께로 역시 저압 화학기상증착법으로 증착될 수 있으며, TEOS 산화막(140)은 예컨대 대략 1㎛ 두께로 화학기상증착법으로 증착될 수 있다.

도 16은 잉크 공급 매니폴드(150)를 형성한 상태를 도시한 것으로서, 매니폴드(150)는 웨이퍼의 배면을 경사식각함으로써 형성된다. 구체적으로, 웨이퍼의 배면에 식각될 영역을 한정하는 식각마스크를 형성하고 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide)를 에천트로 하여 소정시간 동안 습식식각하면, (111) 방향으로의 식각이 다른 방향에 비해 느리게 되어 대략 54.7°의 경사를 가지는 매니폴드(150)가형성된다.

한편, 도 16에서 매니폴드(150)는 기판(100)의 배면을 경사식각하여 형성하는 것으로 도시되고 설명되었지만, 경사식각이 아닌 이방성 식각으로 형성할 수도 있고, 기판(100)을 관통하여 식각함으로써 형성할 수도 있으며, 기판(100)의 배면이 아닌 표면쪽에서 식각하여 형성할 수도 있다.

도 17에서는 환상 히터(120)의 안쪽으로 환상 히터(120)의 직경보다 작은 직경으로 TEOS 산화막(140), 실리콘 질화막(130), 실리콘 산화막(110)을 순차 식각하여 기판(100)을 노출하는 개구부(160)를 형성한다. 이 개구부(160)는 이후 노즐이 되는데 그 직경은 대략 16∼20㎛로 한다. 동시에, 도면 오른쪽에 도시된 바와 같이, 환상 히터(120)의 바깥쪽으로 매니폴드(150)의 상부까지 직선상의 개구부(170)를 형성한다. 이 개구부(170)는 이후에 잉크 채널을 형성하기 위해 기판을 식각할 때 사용되는 홈으로 그 길이는 대략 50㎛ 정도로 하고 그 폭은 대략 2㎛ 정도로 한다.

한편, 환상 히터(120)에 전류를 인가하기 위한 전극(도 3의 180)과, 환상 히터(120)와 전극(180)을 전기적으로 연결하기 위한 컨택(185)이 필요한데, 이는 컨택(185)을 형성하고자 하는 부분의 TEOS 산화막(140)과 실리콘 질화막(130)을 제거하여 환상 히터(120)의 일부를 노출시킨 다음, 전면에 도전성이 좋은 금속 예컨대 알루미늄을 대략 1㎛ 두께로 스퍼터링법으로 증착하고 패터닝함으로써 형성된다. 한편, 전극(180)으로서 구리를 사용할 수도 있는데, 이 경우는 전기 도금을 이용하는 것이 바람직하다.

도 18은 개구부(160)에 의해 노출된 기판(100)을 소정 깊이로 식각하여 트렌치(190)를 형성한 상태를 도시한 도면이다. 이때, 개구부(170)에 의해 노출된 기판(100)은 식각하지 않는데, 구체적으로 개구부(160)만을 노출하는 식각마스크 예컨대 포토레지스트막(PR)을 기판 상에 형성하고 실리콘 기판(100)을 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma)를 이용한 건식식각이나 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching)을 이용하여 식각한다.

도 19는 도 18에 도시된 상태에서 포토레지스트막(PR)을 애슁(ashing) 및 스트립(strip)으로 제거하고, 노출된 실리콘 기판(100)을 등방성 식각하여 얻어진 구조를 도시한 도면이다. 구체적으로 XeF₂가스를 식각가스로 사용하여 소정시간 동안 건식식각한다. 그러면 도시된 바와 같이, 그 깊이와 반경이 대략 20㎛인 대략 반구형의 잉크 챔버(200)가 형성되고, 잉크 챔버(200)와 매니폴드(150)를 연결하는 그 깊이와 반경이 대략 8㎛인 잉크 채널(210)이 형성된다. 또한, 잉크 챔버(200)와 잉크 채널(210)의 연결부위에는 식각에 의해 형성되는 잉크 챔버(200)와 잉크 채널(210)이 만나면서 형성되는 돌출된 버블 걸림턱(205)이 형성된다. 이로써, 전술한 본 발명의 일실시예에 따른 프린트 헤드가 형성된다.

한편, 도 18에서 개구부(160)에 의해 노출된 부분의 기판(100)만 식각하는 것은, 도 19에 도시된 바와 같이, 잉크 챔버(200) 부분의 깊이를 잉크 채널(210)의 깊이보다 깊게 하여 도우넛형 버블이 잉크 챔버(200) 내부로 한정되도록 하기 위함이다. 그러나, 도 19의 등방성 식각에서 개구부들(160, 170)의 개구폭 차이에 의해 식각율이 달라져, 형성되는 잉크 챔버(200)와 잉크 채널(210)의 깊이에는 어느 정도 차가 나므로 도 18에 도시된 단계는 생략할 수도 있다.

또한, 도 4b에 도시된 바와 같이 히터(120)가 노즐판(110')의 아래에 형성된 구조의 프린트 헤드는, 도 19에 도시된 상태에서 잉크 챔버(200)에 노출된 실리콘 산화막(110)을 식각하여 제거함으로써 제조될 수 있다. 이렇게 하여 노출된 히터(120)가 잉크와 직접 접촉함으로써 잉크가 부착되는 등의 문제를 방지하고자 한다면, 노출된 전 표면에 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막 등을 얇게 증착함으로써 보호막을 형성할 수도 있다.

도 20 내지 도 22는 전술한 다른 실시예의 프린트 헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들이다.

본 실시예의 제조방법은 전술한 일실시예의 제조방법중 도 18까지는 동일하고, 그 이후에 도 20 및 도 21에 도시된 단계를 더 수행한다.

즉, 도 20에 도시된 바와 같이, 도 18에 도시된 상태에서 포토레지스트막(PR)을 제거하고 그 전면에 소정의 물질층 예컨대 TEOS 산화막(220)을 대략 1㎛ 두께로 증착한다.

이어서, TEOS 산화막(220)을 실리콘 기판(100)이 노출될 때까지 이방성 식각하면 도 21에 도시된 바와 같이, 트렌치(190)와 개구부(170)의 측벽에 스페이서(230, 240)가 형성된다.

도 21에 도시된 상태에서 전술한 일실시예에서와 같이, 노출된 실리콘 기판(100)을 등방성 식각하면, 도 22에 도시된 바와 같이 전술한 다른 실시예의 프린트 헤드가 형성된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명했지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 다양한 균등한 변형예가 가능하다. 예컨대, 본 발명의 프린트 헤드의 각 요소를 구성하는 물질은 예시되지 않은 물질로 이루어질 수도 있다. 즉, 기판(100)은 반드시 실리콘이 아니라도 가공성이 좋은 다른 물질로 대체될 수 있고, 히터(120)나 전극(180), 실리콘 산화막, 질화막 등도 마찬가지이다. 또, 각 물질의 적층 및 형성방법도 단지 예시된 것으로서, 다양한 증착방법과 식각방법이 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 프린트 헤드 제조방법의 각 단계의 순서는 예시된 바와 달리할 수 있다. 예컨대, 매니폴드(150)를 형성하기 위한 기판(100) 배면의 식각은 도 15에 도시된 단계 이전이나 도 17에 도시된 단계 즉, 노즐(160)을 형성하는 단계에 이어서 수행될 수도 있다. 또, 전극(180)을 형성하는 단계도 도 17에 도시된 단계 이전에 수행할 수 있다.

아울러, 각 단계에서 예시된 구체적인 수치는 제조된 프린트 헤드가 정상적으로 동작할 수 있는 범위 내에서 얼마든지 조정가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 버블의 모양을 도우넛 형태로 함으로써 잉크의 역류를 방지할 수 있어 다른 잉크 토출부와의 간섭을 피할 수 있다. 잉크 챔버의 형상을 반구형으로 한 점, 잉크 채널의 깊이를 잉크 챔버보다 얕게 한 점 및 잉크 챔버와 잉크 채널의 연결부위에 돌출된 걸림턱을 형성한 점 등도 잉크의 역류를 방지하는 효과를 가져온다.

이러한 본 발명의 프린트 헤드의 잉크 챔버, 잉크 채널의 형상과 아울러 히터의 모양도 궁극적으로 본 발명에 따른 프린트 헤드의 빠른 응답속도와 높은 구동 주파수를 보장한다.

또한, 도우넛 모양의 버블을 중앙에서 합쳐지게 함으로써 부 액적(satellite droplet)의 발생을 억제할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 의하면 노즐 가장자리에 버블 및 액적 가이드를 형성함으로써 액적이 기판에 정확히 수직인 방향으로 토출되도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 프린트 헤드 제조방법에 의하면, 잉크 챔버 및 잉크 채널이 형성된 기판과, 노즐판, 환상 히터 등을 기판에 일체화하여 형성함으로써, 종래에 노즐판와 잉크 챔버 및 잉크 채널부를 따로 제작하여 본딩하는 등의 복잡한 공정을 거쳐야 했던 불편과 오정렬의 문제가 해결된다.

아울러, 본 발명의 제조방법에 의하면, 일반적인 반도체 소자의 제조공정과 호환이 가능하며 대량생산이 용이해진다.

Claims (20)

1. 잉크를 공급하는 매니폴드, 토출될 잉크가 채워지고 실질적으로 반구형인 잉크 챔버, 및 잉크 토출 방향과 실질적으로 수직인 방향으로 형성되어 잉크를 상기 매니폴드로부터 상기 잉크 챔버로 공급하는 잉크 채널이 일체로 형성된 기판;

   상기 기판 상에 적층되고, 상기 잉크 챔버의 중앙부에 대응되는 위치에는 노즐이, 상기 잉크 채널의 중앙부에 대응되는 위치에는 잉크 채널 형성용 홈이 형성된 노즐판;

   상기 노즐판의 노즐을 둘러싸는 환상으로 형성된 히터; 및

   상기 히터와 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 전극을 구비하고,

   상기 잉크 채널의 깊이는 상기 잉크 챔버의 깊이보다 얕은 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 잉크 챔버와 잉크 채널의 연결 부위에, 상기 잉크 채널의 바닥보다 높게 돌출된 버블 걸림턱이 형성된 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
4. 제1항에 있어서, 상기 노즐의 가장자리에서 상기 잉크 챔버의 깊이 방향으로 연장된 버블 및 액적 가이드가 형성된 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
5. 제1항에 있어서, 상기 히터는 "Ω"자 모양인 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
6. 제1항에 있어서, 상기 히터는 원형인 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
7. 제1항에 있어서, 상기 기판은 결정방향이 (100)인 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
8. 제1항에 있어서, 상기 히터는 다결정 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
9. 기판의 표면에 노즐판을 형성하는 단계;

   상기 노즐판 상에 환상의 히터를 형성하는 단계;

   상기 기판을 식각하여 잉크를 공급하는 매니폴드를 형성하는 단계;

   상기 노즐판 상에 상기 환상 히터와 전기적으로 연결되는 전극을 형성하는 단계;

   상기 환상 히터의 안쪽으로 상기 환상 히터의 직경보다 작은 직경으로 상기 노즐판을 식각하여 노즐을 형성하는 단계;

   상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 식각하여, 상기 환상 히터의 직경보다 큰 직경을 가지고 실질적으로 반구형의 형상을 가지는 잉크 챔버를 형성하는 단계; 및

   상기 매니폴드와 잉크 챔버 사이의 기판을 그 표면쪽으로부터 식각하여 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 잉크 토출 방향과 실질적으로 수직으로 연결하도록, 상기 잉크 챔버보다 얕은 깊이를 갖는 잉크 채널을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계는,

    상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 소정 깊이로 이방성 식각하는 단계; 및

    상기 이방성 식각에 이어 상기 기판을 등방성 식각하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
11. 제9항에 있어서, 상기 잉크 채널을 형성하는 단계는,

    상기 환상 히터의 바깥쪽에서 상기 매니폴드 쪽으로 상기 노즐판을 식각하여 상기 기판을 노출하는 홈을 형성하는 단계; 및

    상기 홈에 의해 노출된 상기 기판을 등방성 식각하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
12. 제9항에 있어서, 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계와 상기 잉크 채널을 형성하는 단계는 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
13. 제9항에 있어서, 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계는,

    상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 소정 깊이로 이방성 식각하여 트렌치를 형성하는 단계;

    상기 이방성 식각된 기판의 전면에 소정 두께로 소정의 물질막을 증착하는 단계;

    상기 물질막을 이방성 식각하여 상기 트렌치의 바닥을 노출함과 동시에 상기 트렌치의 측벽에 상기 물질막의 스페이서를 형성하는 단계; 및

    상기 트렌치의 바닥에 노출된 상기 기판을 등방성 식각하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
14. 제9항에 있어서, 상기 히터는 "Ω"자 모양인 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
15. 제9항에 있어서, 상기 히터는 원형인 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
16. 제9항에 있어서, 상기 기판은 결정방향이 (100)인 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 노즐판을 형성하는 단계는, 상기 실리콘 기판의 표면을 산화함으로써 실리콘 산화막으로 이루어진 노즐판을 형성하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
18. 제9항에 있어서, 상기 히터는 다결정 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
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