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KR100385969B1 - 복수층의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터 및 그 제조방법 - Google Patents

복수층의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100385969B1
KR100385969B1 KR10-1999-0028239A KR19990028239A KR100385969B1 KR 100385969 B1 KR100385969 B1 KR 100385969B1 KR 19990028239 A KR19990028239 A KR 19990028239A KR 100385969 B1 KR100385969 B1 KR 100385969B1
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박성준
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 하부공간부가 형성된 실리콘기판과; 상기 실리콘기판의 상부에 상기 하부공간부를 덮도록 형성된 절연막과; 상기 절연막의 상부에 형성된 형상기억합금층을 포함하여 구성되며, 상기 절연막과 상기 형상기억합금층이 교대로 반복적으로 적층되어 복수층의 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 복수층의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 절연막과 형상기억합금층이 2층 이상 형성되므로 반복사용에 따른 피로현상이 개선되어 반복적 기계특성이 우수하며 액츄에이터로서의 진동특성이 균일하게 유지되는 효과가 있다.

Description

복수층의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터 및 그 제조방법{Micro actuator for ink jet printer head using multi-layer shape memory alloy and fabricating method thereof}
본 발명은 마이크로 액츄에이터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 형상기억합금을 이용하여 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터를 제조하는 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 마이크로 액츄에이터에 관한 것이다.
형상기억합금은 MEMS(microelectromechanical system)분야에 적용하기 위해 연구되어 왔으며, 마이크로 펌프와 와이어형태의 기계구조물에 많이 응용되고 있다.
이러한 형상기억합금을 잉크젯 프린터 헤드에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있으나 잉크젯 프린터 헤드용으로 명확하게 적용되고 있지는 않다.
형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터는 도 1에 도시한 바와 같이 일반적으로 하부공간부가 형성된 실리콘기판(10)과, 실리콘기판(10)의 상부에 하부공간부를 덮도록 형성된 절연막(12)과, 절연막(12)의 상부에 형성된 형상기억합금층(14)으로 구성된다.
상기와 같은 구성의 마이크로 액츄에이터를 제조하기 위해서는 먼저 실리콘기판(10)의 표면을 열산화시켜 절연막(12)인 실리콘산화막을 형성한다.
형성된 절연막(12)의 상부에는 형상기억합금층을 형성할 금속성분들을 동시에 스퍼터링 또는 진공증착 등의 방법으로 멀티코팅하여 하나의 형상기억합금층(14)을 형성한다.
형성된 형상기억합금층(14)을 노(furnace)에서 가열하거나 전류를 공급하여 가열하는 방법에 의하여 열처리하고 냉각시키는 공정을 반복하여 형상기억합금층(14)에 형상기억특성을 부여한다.
형상기억합금층(14)에 형상기억특성이 부여되면 실리콘기판(10)을 에칭하여 하부공간부를 형성한다.
에칭에 의하여 하부공간부가 형성되면 실리콘기판(10)의 내부응력에 의하여 절연막(12)이 휘게 되고, 따라서 형상기억합금층(14)도 휨변형된다.
상기와 같이 구성된 형상기억합금을 이용한 마이크로 액츄에이터를 적용한 잉크젯 프린터 헤드에서 전원이 인가되면 휨변형된 상태의 형상기억합금층(14)이 가열되고, 가열된 형상기억합금층(14)은 모상인 평평한 상태로 변화한다.
형상기억합금층(14)이 변형되는 과정에서 압력실의 용적이 감소되어 노즐을 통해 잉크가 분사되면서 인쇄를 행하게 된다.
상기와 같은 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터를 반복하여 사용하는 경우에는 피로현상이 발생하게 된다. 피로현상이 발생하게 되면 형상기억합금층은 냉각된 상태에서 초기상태의 휨변형이 되지 못하고 가열시 반응도 느려지게 된다.
따라서 반복적인 기계특성이 열화되며, 따라서 액츄에이터로서의 진동특성이 균일하지 못하여 인쇄상태가 나빠지는 문제점이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 절연막과 형상기억합금층을 복수층으로 형성함으로써 반복사용에 따른 피로현상을 개선하여 반복적 기계특성이 우수한 마이크로 액츄에이터 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터의 일반적인 구조를 도시한 단면도,
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 복수층의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터의 제조방법의 공정을 개략적으로 도시한 공정도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 실리콘기판 12 : 절연막
14 : 형상기억합금층 20 : 실리콘기판
22a, 22b, 22c : 절연막 24a, 24b, 24c : 형상기억합금층
26 : 하부공간부
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실리콘기판을 제공하는 단계와; 상기 실리콘기판 상에 절연막을 형성하는 단계와 형상기억합금층을 형성하는 단계를 반복하여 복수층의 절연막 및 형상기억합금층을 형성하는 단계와; 상기 형상기억합금층을 열처리하여 형상기억특성을 부여하는 단계와; 상기 실리콘기판을 에칭하여 하부공간부를 형성하는 단계를 포함하여, 복수층의 절연막과 형상기억합금층을 가진 마이크로 액츄에이터를 제조하는 것을 특징으로 하는 복수층의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터의 제조방법에 그 특징이 있다.
또한 본 발명은 하부공간부가 형성된 실리콘기판과; 상기 실리콘기판의 상부에 상기 하부공간부를 덮도록 형성된 절연막과; 상기 절연막의 상부에 형성된 형상기억합금층을 포함하여 구성되며, 상기 절연막과 상기 형상기억합금층이 교대로 반복적으로 적층되어 복수층의 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 복수층의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터에 그 특징이 있다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
기판으로는 실리콘기판을 사용한다.
실리콘기판의 실리콘산화막(SiO2), 실리콘질화막(SiNx) 또는 실리콘산화막/질화막의 절연막을 형성하여 실리콘기판에 압축응력을 인가한다.
절연막은 실리콘기판이 에칭되면 형상기억합금층이 응력에 의하여 휨변형하도록 한다.
실리콘산화막 및 실리콘질화막을 형성하는 방법으로는 실리콘기판의 열산화(thermal oxidation), 열질화(thermal nitration), 화학증착(chemical vapordeposition), 스퍼터링, 스프레이 등의 방법을 사용한다.
실리콘산화막은 기판을 밀어주는 작용을 하고, 실리콘질화막은 기판을 당겨주는 작용을 하므로, 필요로 하는 내부응력의 크기에 따라 적절한 성분의 절연막을 형성한다.
절연막의 성분 및 성분비를 조절함으로써 실리콘기판을 에칭한 후 형성되는 형상기억합금층의 형상을 평판형(flat type), 오목형(concave type), 볼록형(convex type) 등 다양한 형상으로 조절할 수 있다.
형성된 절연막의 상부에 형상기억합금층의 구성원소를 진공증착시키거나 스퍼터링하여 형상기억합금층을 형성한다.
형상기억합금층을 형성하기 위한 구성성분으로는 2성분계 또는 3성분계를 사용하는 것이 바람직하다.
2성분계의 형상기억합금층을 형성하는 경우에는 형상기억합금의 구성성분으로 니켈(Ni)과 티타늄(Ti)을 사용하는 것이 바람직하다.
3성분계의 형상기억합금층을 형성하는 경우에는 형상기억합금의 구성성분으로 니켈, 티타늄 및 구리(Cu)를 사용하거나 니켈, 티타늄 및 하프늄(Hf)을 사용하는 것이 바람직하다.
형성된 형상기억합금층의 상부에 다시 절연층을 형성하고, 형성된 절연층의 상부에 다시 형상기억합금층을 형성한다.
상기 절연층 및 형상기억합금층을 형성하는 단계를 원하는 층수가 형성될 때까지 반복한다.
형성된 복수층의 형상기억합금층을 열처리하고 냉각하는 공정을 반복함으로써 구성성분과 열탄성변태특성을 조절하여 형상기억합금층에 형상기억특성을 부여한다.
부여되는 형상기억특성은 열처리온도, 열처리시간, 열처리방법, 냉각시간 및 공정의 반복정도에 따라 달라진다.
형상기억특성이 부여된 형상기억합금은 필요에 따라 소정의 패턴으로 패터닝할 수 있다.
형상기억합금을 패터닝하는 방법으로는 섀도우마스크(Shadow mask)나 포토레지터(Photoresister)를 사용하여 마스킹한 후 에칭하여 패터닝하는 방법을 사용한다.
형상기억합금을 원하는 패턴으로 패터닝한 후 필요에 따라 형상기억합금의 하부에 형성된 절연막을 패터닝할 수 있다.
이산화규소층을 패터닝하는 방법은 형상기억합금을 패터닝하는 방법과 동일한 방법을 사용한다.
필요한 경우에는 형상기억합금과 절연막이 형성된 기판에 원하는 패턴으로 전극을 형성한다. 이때 전극의 재료로는 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag)중 선택하여 사용하는 것이 일반적이다.
상기 공정들이 완료되면 실리콘기판에 패턴을 형성한 후 실리콘기판을 전체적으로 에칭하여 하부공간부를 형성한다.
에칭법으로는 습식에칭법과 건식에칭법을 모두 사용할 수 있으며, 형상기억합금을 이용한 마이크로 액츄에이터를 적용한 잉크젯 프린터 헤드의 전체적인 구조를 소형화하기 위해서는 건식에칭법을 사용하는 것이 바람직하다.
이때 실리콘기판의 표면에 형성된 절연막이 에칭중지층의 기능을 한다.
형상기억합금이 형성된 실리콘기판을 에칭하여 하부에 공간부를 형성하게 되면 실리콘기판의 내부응력에 의하여 절연막이 휘게 되고 그에 따라 형상기억합금층도 휨변형을 하여 휨변형한 상태로 있게 된다.
상기와 같이 방법에 의하여 형성된 형상기억합금을 이용한 마이크로 액츄에이터는 실리콘기판과; 실리콘기판에 형성된 하부공간부과; 상기 실리콘기판의 상부에 상기 하부공간부를 덮도록 형성된 절연막과; 상기 절연막의 상부에 형성된 형상기억합금층을 포함하여 구성되며, 상기 절연막과 형상기억합금층이 교대로 반복적으로 적층되어 복수층의 구조를 형성한다.
형성된 형상기억합금을 이용한 마이크로 액츄에이터를 적용한 잉크젯 프린터 헤드에서 전원이 인가되어 휨변형된 상태의 형상기억합금이 가열되고, 가열된 형상기억합금은 모상인 평평한 상태로 변화한다.
형상기억합금이 변형되는 과정에서 압력실의 용적이 감소되면서 노즐을 통하여 잉크가 분사되어 인쇄를 행하게 된다.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 제조방법에 의하여 3층의 절연막과 형상기억합금층을 형성하는 일실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
실리콘기판(20)의 상부에 절연막(22a)을 형성하고, 절연막(22a)의 상부에 형상기억합금층(24a)을 형성한다.
형상기억합금층(24a)의 상부에 절연막(22b)을 형성하고, 절연막(22b)의 상부에 형상기억합금층(24b)을 형성한다.
형상기억합금층(24b)의 상부에 절연막(22c)을 형성하고, 절연막(22c)의 상부에 형상기억합금층(24c)을 형성한다.
형성된 형상기억합금층들(24a)(24b)(24c)을 열처리 및 냉각하는 공정을 반복하여 형상기억특성을 부여한다.
형상기억합금층(24a)(24b)(24c)에 형상기억특성을 부여한 후 실리콘기판(20)을 에칭하여 하부공간부(26)을 형성한다. 하부공간부(26)이 형성되면 실리콘기판의 내부응력에 의하여 절연막(22) 및 형상기억합금층(24)이 휨변형을 하게 된다.
상기의 실시예에 의하여 형성된 마이크로 액츄에이터는 도 2h에 도시된 바와 같이, 하부공간부(26)이 형성된 실리콘기판(20)과, 실리콘기판의 상부에 형성된 절연막들(22a)(22b)(22c)과, 절연막의 상부에 절연막들과 교대로 형성된 형상기억합금층들(24a)(24b)(24c)로 구성된다.
상기와 같은 본 발명은 절연막과 형상기억합금층이 2층 이상 형성되므로 반복사용에 따른 피로현상이 개선되어 반복적 기계특성이 우수하며, 따라서 액츄에이터로서의 진동특성에 균일성이 유지되는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 실리콘기판을 제공하는 단계와;
    상기 실리콘기판 상에 절연막을 형성하는 단계와 형상기억합금층을 형성하는 단계를 반복하여 복수층의 절연막 및 형상기억합금층을 형성하는 단계와;
    상기 형상기억합금층을 열처리하여 형상기억특성을 부여하는 단계와;
    상기 실리콘기판을 에칭하여 하부공간부를 형성하는 단계를 포함하여, 복수층의 절연막과 형상기억합금층을 가진 마이크로 액츄에이터를 제조하여, 반복 사용에 따른 피로 현상을 개선할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 복수층의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 형상기억특성이 부여된 형상기억합금을 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수층의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 절연막을 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수층의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 절연막으로는 실리콘산화막, 실리콘질화막 또는 실리콘산화막/질화막을 형성하는 것을 특징으로 하는 복수층의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터의 제조방법.
  6. 제 3 항에 있어서, 절연막을 형성하는 방법으로는 실리콘기판의 열산화(thermal oxidation), 열질화(thermal nitration), 화학증착(chemical vapor deposition), 또는 스퍼터링을 사용하는 것을 특징으로 하는 복수층의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터의 제조방법.
  7. 하부공간부가 형성된 실리콘기판과;
    상기 실리콘기판의 상부에 상기 하부공간부를 덮도록 형성된 절연막과;
    상기 절연막의 상부에 형성된 형상기억합금층을 포함하여 구성되며,
    상기 절연막과 상기 형상기억합금층이 교대로 반복적으로 적층되어 복수층의 구조를 형성하여, 반복 사용에 따른 피로 현상이 개선되도록 된 것을 특징으로 하는 복수층의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서, 절연막은 실리콘산화막, 실리콘질화막 또는 실리콘산화막/질화막인 것을 특징으로 하는 복수층의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터.
KR10-1999-0028239A 1999-07-13 1999-07-13 복수층의 형상기억합금을 이용한 잉크젯 프린터 헤드용 마이크로 액츄에이터 및 그 제조방법 KR100385969B1 (ko)

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JPH0691866A (ja) * 1992-09-17 1994-04-05 Seikosha Co Ltd インクジェットヘッド

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