KR100397604B1 - 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 프린트 헤드는, 잉크 공급 매니폴드와 잉크 챔버 및 잉크 채널이 일체로 형성된 기판, 노즐이 형성된 노즐판, 저항 발열체로 이루어진 히터 및 히터에 전류를 인가하는 전극을 구비한다. 특히 상기 기판에는, 그 표면쪽에 잉크 챔버가 실질적으로 반구형으로 형성되고, 그 배면쪽으로부터 잉크 챔버 쪽으로 매니폴드가 형성되며, 잉크 챔버의 바닥에 매니폴드와 잉크 챔버를 연결하는 잉크 채널이 일체로 형성되어 있다. 따라서, 제조가 간편하고 대량생산이 용이하며 고집적화에 적합하다. 또한, 본 발명의 프린트 헤드는 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 및 그 제조방법{Bubble-jet type ink-jet printhead and manufacturing method thereof}

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 가능한 한 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 가능한 한 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 토출후 리필되는 주기가 짧아야 한다. 즉, 구동 주파수가 높아야 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", IEEE MEMS '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.

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 3은 도 2의 단위 잉크 토출부를 확대하여 도시한 평면도이다.

도 4는 도 3의 4-4선을 따라 본 잉크 토출부의 단면도이다.

도 5는 도 2의 단위 잉크 토출부의 다른 예를 도시한 평면도이다.

도 6은 도 3의 4-4선을 따라 본 잉크 토출부의 다른 예를 도시한 단면도이다.

도 7 및 도 8은 도 4에 도시된 잉크 토출부에서 잉크가 토출되는 메카니즘을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.

도 9 및 도 10은 도 6에 도시된 잉크 토출부에서 잉크가 토출되는 메카니즘을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.

도 11 내지 도 16은 도 4에 도시된 구조의 잉크 토출부를 가지는 본 발명의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드를 제조하는 과정을 도 2의 11-11선을 따라 도시한 단면도들이다.

도 17 및 도 18는 도 6에 도시된 구조의 잉크 토출부를 가지는 본 발명의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드를 제조하는 과정을 도 2의 11-11선을 따라 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, 그 표면쪽에 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버가 실질적으로 반구형으로 형성되고, 그 배면쪽으로부터 잉크 챔버 쪽으로 잉크를 공급하기 위한 매니폴드가 형성되며, 상기 잉크 챔버의 바닥에 상기 매니폴드와 잉크 챔버를 연결하는 잉크 채널이 일체로 형성되어 있어, 기판은 수직적으로 표면에서부터 잉크 챔버, 잉크 채널 및 매니폴드의 순으로 형성된 구조를 가진다.

상기 노즐판은 기판 상에 적층되어 있는데, 잉크 챔버의 중앙부에 대응되는 위치에는 노즐이 형성되어 있다.

상기 히터는 노즐판의 노즐을 둘러싸는 환상으로 형성되어 있다.

또한, 상기 잉크 채널은 노즐의 직경보다 작거나 같은 직경을 가질 수 있다.

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 실질적으로 "O"자 모양 또는 "C"자 모양으로 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 기판의 배면으로부터 기판의 표면쪽으로 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. 잉크 챔버와 매니폴드를 연결하는 잉크 채널은 잉크 챔버의 바닥을 식각하여 형성한다.

여기서, 상기 잉크 챔버는 상기 노즐에 의해 노출된 기판을 등방성 식각하여 형성할 수 있고, 또는 상기 노즐에 의해 노출된 기판을 소정 깊이로 이방성 식각한 후, 이어서 기판을 등방성 식각하여 형성함으로써 반구형이 되도록 할 수도 있다.

또한, 상기 잉크 챔버는 잉크 챔버를 형성할 부위의 기판을 애노다이징 처리하여 실질적으로 반구형의 형상으로 다공질층을 형성한 후, 이 다공질층을 선택적으로 식각하여 제거함으로써 형성할 수도 있다.

또한, 상기 잉크 챔버 및 잉크 채널을 형성하기 전에, 노즐이 형성된 노즐판 상에 노즐보다 작은 직경으로 기판을 노출하는 식각마스크를 형성하고, 이 식각마스크를 이용하여 잉크 챔버 및 잉크 채널을 형성한 후, 식각마스크를 제거함으로써, 노즐보다 작은 직경을 가지는 잉크 채널을 형성할 수 있다.

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

이와 같이 본 발명에 따르면, 환상 히터의 모양에 따라 생성되는 버블이 실질적으로 도우넛 모양으로 되어, 전술한 잉크 토출시의 제반 요건들이 만족할 만하게 되고, 그 제조방법도 단순하며, 노즐판까지 포함하여 프린트 헤드를 칩 단위로 대량생산할 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 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 요소를 지칭하며, 도면상에서 각요소의 크기나 두께는 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 실시예에 따른 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드의 개략적인 평면도이다.

도 2를 보면, 본 실시예에 따른 프린트 헤드는 점선으로 도시된 잉크 공급 매니폴드(102) 상에 지그재그로 배치된 잉크 토출부(3)들이 2열로 배치되고, 각 잉크 토출부(3)와 전기적으로 연결되고 와이어가 본딩될 본딩 패드(20)들이 배치되어 있다. 또한, 매니폴드(102)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, 매니폴드(102)는 잉크 토출부(3)의 각 열마다 하나씩 형성될 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 3은 본 발명의 특징부인 잉크 토출부(3)를 확대하여 도시한 평면도이고, 도 4는 도 3의 4-4선을 따라 본 잉크 토출부(3)의 수직구조를 도시한 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하여 본 실시예에 따른 프린트 헤드의 구조를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 기판(100)에는, 그 표면쪽에 잉크가 채워지는 잉크 챔버(104)가 대략 반구형으로 형성되어 있고, 그 배면 쪽에는 각 잉크 챔버(104)로 잉크를 공급하는매니폴드(102)가 형성되어 있으며, 잉크 챔버(104)의 바닥 중앙에는 잉크 챔버(104)와 매니폴드(102)를 연결하는 잉크 채널(106)이 형성되어 있다. 여기서, 기판(100)은 집적회로의 제조에 널리 사용되는 실리콘으로 이루어지는 것이 바람직하다.

잉크 채널(106)은 도 3 및 도 4에서 노즐(160)보다 그 직경이 작은 것으로 도시되어 있는데, 반드시 작을 필요는 없다. 다만, 잉크 채널(106)의 직경은 잉크 토출시 잉크가 잉크 채널(106) 쪽으로 밀리는 역류 현상과, 잉크 토출후 잉크 리필시 그 속도에 영향을 미치는 중요한 요소이므로, 잉크 채널(106)의 형성시 그 직경은 미세하게 제어될 필요가 있다. 상세한 형성방법은 후술한다.

기판(100)의 표면에는 노즐(160)이 형성된 노즐판(110)이 형성되어, 잉크 챔버(104)의 상부 벽을 이룬다. 노즐판(110)은, 기판(100)이 실리콘으로 이루어진 경우, 실리콘 기판(100)을 산화시켜 형성된 실리콘 산화막으로 이루어질 수 있고, 기판(100) 상에 증착된 실리콘 질화막 등의 절연막으로 이루어질 수 있다.

노즐판(110) 위에는 노즐(160)을 둘러싸는 환상으로 대략 "O"자 모양의 버블 생성용 히터(120)가 형성되어 있다. 이 히터(120)는 불순물이 도핑된 다결정 실리콘이나 탄탈륨-알루미늄 합금과 같은 저항 발열체로 이루어지고, 히터(120)에는 펄스상 전류를 인가하기 위한 전극(140)이 접속된다. 이 전극(140)은 통상 본딩 패드(도 2의 20) 및 필요한 배선(미도시)과 동일한 물질 예컨대 알루미늄이나 알루미늄 합금과 같은 금속으로 이루어진다.

한편, 도 5는 히터의 변형예를 도시한 평면도로서, 도 5에 도시된히터(120')는 대략 "C"자 모양의 열린 곡선을 이루며, 전극(140)은 이 "C"자 모양 히터(120')의 양단부에 각각 접속된다. 즉, 도 3에 도시된 히터(120)는 전극(140) 사이에서 병렬로 접속됨에 반해, 도 5에 도시된 히터(120')는 전극(140) 사이에서 직렬로 접속된다.

도 6은 잉크 챔버의 변형예를 도시한 단면도로서, 도 6에 도시된 잉크 챔버(104')는 노즐(160')의 가장자리로부터 잉크 챔버(104') 쪽으로 연장되는 액적 가이드(180)와, 잉크 챔버(104')의 상부 벽을 이루는 노즐판(110)의 아래 액적 가이드(180) 주위에 기판 물질이 약간 남아 버블 가이드(108)를 형성하고 있다. 액적 가이드(180)와 버블 가이드(108)의 기능은 후술한다.

이와 같이 이루어진 본실시예의 잉크 젯 프린터 헤드의 기능과 효과를 잉크 토출 메카니즘과 함께 상세히 설명한다.

도 7 및 도 8은 도 4에 도시된 잉크 토출부의 잉크 토출 메카니즘을 도시한 단면도들이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 모세관 현상에 의해 매니폴드(102), 잉크 채널(106)을 통해 공급된 잉크(200)가 잉크 챔버(104)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(200)가 비등하여 버블(210)이 생성된다. 이 버블(210)의 형상은 환상 히터(120)의 모양에 따라 도 7의 오른쪽에 도시된 바와 같이, 대략 도우넛 형상이 된다.

도우넛 형상의 버블(210)이 시간이 지남에 따라 팽창하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 노즐(160) 아래에서 합쳐져 중앙부가 오목한 대략 원반형의 버블(210')로 팽창한다. 동시에, 팽창된 버블(210')에 의해 잉크 챔버(104) 내의 잉크가 토출된다.

인가했던 전류를 차단하면 냉각이 되면서 버블은 축소하거나, 아니면 그 전에 터뜨려지고, 잉크 챔버 내에는 다시 잉크(200)가 채워진다.

본 실시예의 프린트 헤드의 잉크 토출 메카니즘에 따르면, 도우넛 모양의 버블이 중앙에서 합쳐짐으로써 토출되는 잉크(200')의 꼬리를 잘라주게 되어 전술한 부 액적(satellite droplet)이 생기지 않게 된다.

또한, 버블(210, 210')의 팽창이 반구형의 잉크 챔버(104) 내부로 한정되면서 잉크(200)의 역류가 억제되므로 인접한 다른 잉크 토출부와의 간섭(cross talk)이 억제된다. 더욱이, 도 4에 도시된 바와 같이, 잉크 채널(106)의 직경이 노즐(160)의 직경보다 작은 경우는, 잉크(200)의 역류를 방지하는 데 더욱 효과적이다.

한편, 히터(120)가 환상으로 그 면적이 넓어 가열과 냉각이 빠르고 그에 따라 버블(210, 210')의 생성에서 소멸에 이르는 소요시간이 빨라져 빠른 응답과 높은 구동 주파수를 가질 수 있다. 더욱이, 잉크 챔버(104)의 형상이 반구형으로 되어 있어 종래의 직육면체 또는 피라밋 모양의 잉크 챔버에 비해 버블(210, 210')의 팽창 경로가 안정적이고, 버블의 생성 및 팽창이 빨라 빠른 시간 내에 잉크의 토출이 이루어진다.

도 9 및 도 10은 도 6에 도시된 잉크 토출부의 잉크 토출 메카니즘을 도시한단면도들이다.

도 7 및 도 8에 도시된 잉크 토출 메카니즘과 다른 점만을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 버블(210")이 팽창할 때 노즐(160') 주위의 버블 가이드(108)에 의해 아래쪽으로 팽창하고 노즐(160') 아래에서 합쳐질 확률은 적어진다. 그러나, 이 팽창된 버블(210")이 노즐(160') 아래에서 합쳐질 확률은 액적 가이드(180)와 버블 가이드(108)의 아래쪽으로 연장된 길이를 조절함으로써 조절할 수 있다. 한편, 토출되는 액적(200')은 노즐(160') 가장자리에서 아래로 연장된 액적 가이드(180)에 의해 토출방향이 가이드되어 정확히 기판(100)에 수직한 방향으로 토출되게 된다.

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

도 11 내지 도 16은 도 4에 도시된 바와 같은 잉크 토출부를 가지는 프린트 헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들로서, 도 2의 11-11선을 따라 본 단면도들이다.

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 11에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(100)의 표면 및 배면이 산화되어 실리콘 산화막(110, 112)이 성장된다. 기판(100)의 표면 쪽에 형성된 실리콘 산화막(110)은 이후에 노즐이 형성되는 노즐판이 된다.

한편, 도 11에 도시된 것은 실리콘 웨이퍼의 극히 일부를 도시한 것으로서, 본 발명에 따른 프린트 헤드는 하나의 웨이퍼에서 수십 내지 수백개의 칩 상태로 제조된다. 또, 도 11에서는 기판(100)의 표면과 배면 모두에 실리콘 산화막(110 및 112)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(112)이 형성되지 않는다. 이렇게 사용하는 장치에 따라 표면에만 소정의 물질막이 형성되거나 배면까지 형성되는 점은 이하의 도 18까지 같다. 다만, 편의상 이하에서는 다른 물질막(후술하는 다결정 실리콘막, 실리콘 질화막, TEOS 산화막 등)은 기판(100)의 표면 쪽에만 형성되는 것으로 도시하고 설명한다.

이어서, 표면 쪽의 실리콘 산화막(110) 상에 환상 히터(120)를 형성한다. 이 환상 히터(120)는 실리콘 산화막(110) 전면에 불순물이 도핑된 다결정 실리콘이나 탄탈륨-알루미늄 합금을 증착한 다음 이를 환상으로 패터닝함으로써 형성된다. 구체적으로, 불순물이 도핑된 다결정 실리콘은 저압 화학기상증착법(low pressure chemical vapor deposition)으로 불순물로서 예컨대 인(P)의 소스가스와 함께 증착함으로써 대략 0.7∼1㎛ 두께로 형성될 수 있다. 히터(120)를 탄탈륨-알루미늄 합금으로 형성하는 경우, 탄탈륨-알루미늄 합금막은 탄탈륨-알루미늄 합금을 타겟으로 하거나, 탄탈륨과 알루미늄을 별도의 타겟으로 하여 스퍼터링(sputtering) 방법으로 증착함으로써 대략 0.1∼0.3㎛ 두께로 형성할 수 있다. 이 다결정 실리콘막이나 탄탈륨-알루미늄 합금막의 증착 두께는, 히터(100)의 폭과 길이를 고려하여 적정한 저항값을 가지도록 다른 범위로 할 수도 있다. 실리콘 산화막(110) 전면에 증착된 다결정 실리콘막 또는 탄탈륨-알루미늄 합금막은, 포토마스크와 포토레지스트를 이용한 사진공정과 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 식각하는 식각공정에 의해 패터닝된다.

도 12는 도 11의 결과물 전면에 실리콘 질화막(130)을 증착한 후, 기판(100)의 배면으로부터 기판(100)을 식각하여 매니폴드(102)를 형성한 상태를 도시한 것이다. 실리콘 질화막(130)은 환상 히터(120)의 보호막으로서 예컨대 대략 0.5㎛ 두께로 역시 저압 화학기상증착법으로 증착될 수 있다. 매니폴드(102)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(102)가 형성된다.

한편, 이 매니폴드(102)는 기판(100)의 배면을 경사식각하여 형성하는 것으로 도시되고 설명되었지만, 경사식각이 아닌 이방성 식각으로 형성할 수도 있다.

도 13은 전극(140)과 노즐(160)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 12의 실리콘 질화막(130)의 히터(120)의 상부에서 전극(140)과 접속될 부분, 및 환상 히터(120)의 안쪽으로 환상 히터(120)의 직경보다 작은 직경으로 노즐(160)을 이룰 부분을 식각하여 각각 히터(120)와 실리콘 산화막(110)을 노출한다. 이어서, 노출된 실리콘 산화막(100)을 식각하여 노즐(160)을 이룰 부분의 기판(100)을 노출한다. 이 노즐(160)의 직경은 대략 16∼20㎛가 되도록 실리콘 질화막(130) 및 실리콘 산화막(110)을 식각한다.

이어서, 전극(140)은 도전성이 좋고 패터닝이 용이한 금속 예컨대, 알루미늄이나 알루미늄 합금을 대략 1㎛ 두께로 스퍼터링법으로 증착하고 패터닝함으로써 형성된다. 이때, 전극(140)을 이루는 금속막은 기판(100) 상의 다른 부위에서 배선(미도시)과 본딩 패드(도 2의 20)를 이루도록 동시에 패터닝된다. 한편, 전극(140)으로서 구리를 사용할 수도 있는데, 이 경우는 전기 도금을 이용하는 것이 바람직하다.

이어서, 도 14에 도시된 바와 같이, 노즐(160)이 형성된 기판(100) 전면에 TEOS(Tetraethyleorthosilane) 산화막(150)을 증착하고 패터닝하여 노즐(160) 부위의 기판(100)을 노출한다. 이 TEOS 산화막(150)은 대략 1㎛ 정도의 두께로, 알루미늄 또는 그 합금으로 이루어진 전극(140)과 본딩 패드가 변형되지 않는 범위의 저온 예컨대 400℃ 이하에서 화학기상증착법으로 증착할 수 있다. 한편, 노즐(160)은 위에서 실리콘 질화막(130) 및 실리콘 산화막(110)을 패터닝함으로써 형성하였지만, 위에서 실리콘 질화막(130)을 패터닝할 때 노즐(160) 부위의 실리콘 질화막(130) 및 실리콘 산화막(110)을 그대로 놔두고, TEOS 산화막(150)까지 형성한 다음, TEOS 산화막(150), 실리콘 질화막(130) 및 실리콘 산화막(110)을 순차 식각함으로써 형성할 수도 있다.

이어서, 노즐(160)에 의해 노출된 기판(100)을 식각하여 대략 반구형의 잉크 챔버를 형성하는데, 구체적으로 도 14에 도시된 바와 같이, 노즐(160)이 형성된 기판(100) 전면에 포토레지스트를 도포하고 패터닝하여 노즐(160)보다 작은 직경으로기판(100)을 노출하는 포토레지스트 패턴(PR)을 형성한다. 이 포토레지스트 패턴(PR)은 이후에 형성되는 잉크 채널(106)의 직경을 미세하게 조절하기 위한 것으로, 노즐(160)의 측벽에 남겨지는 포토레지스트 패턴(PR) 두께에 의해 잉크 채널(106)의 직경이 조절된다. 한편, 잉크 채널(106)의 직경을 노즐(160)의 직경과 대략 동일하게 하는 경우에는 이 포토레지스트 패턴(PR)은 필요없다.

도 15는 노즐(160)에 의해 노출된 기판(100)을 소정 깊이로 식각하여 잉크 챔버(104) 및 잉크 채널(106)을 형성한 상태를 도시한 것이다.

먼저, 잉크 챔버(104)는 포토레지스트 패턴(PR)을 식각마스크로 하여 기판(100)을 등방성 식각함으로써 형성할 수 있다. 구체적으로, XeF₂가스를 식각가스로 사용하여 기판(100)을 소정시간 동안 건식식각한다. 그러면 도시된 바와 같이, 그 깊이와 반경이 대략 20㎛인 대략 반구형의 잉크 챔버(104)가 형성된다.

한편, 잉크 챔버(104)는 포토레지스트 패턴(PR)을 식각마스크로 하여 기판(100)을 이방성 식각하는 단계 및 이에 이어 등방성 식각하는 단계의 두 단계로 식각함으로써 형성할 수도 있다. 즉, 포토레지스트 패턴(PR)을 식각마스크로 하여 실리콘 기판(100)을 유도결합 플라즈마 식각(Inductively Coupled Plasma Etching)이나 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching)을 이용하여 이방성 식각하여 소정 깊이의 홀(미도시)을 형성한 후, 이어서, 상기와 같은 방법으로 등방성 식각한다.

또한, 잉크 챔버(104)는 또 다른 방법으로서, 기판(100)의 잉크 챔버(104)를 이룰 부위를 다공질 실리콘층으로 변화시킨 다음에 이 다공질 실리콘층을 선택적으로 식각하여 제거함으로써 형성할 수도 있다. 구체적으로, 아무 것도 형성되어 있지 않은(즉 도 11 이전 단계) 실리콘 기판(100)의 표면 상에 잉크 챔버(104)를 형성할 부분의 중앙부만을 노출하는 마스크를 예컨대 실리콘 질화막으로 형성하고, 기판(100)의 배면에는 전극물질 예컨대 금막을 형성한 다음, 이를 불산 용액에 담가 애노다이징(anodizing) 처리하면, 마스크의 노출된 부분을 중심으로 대략 반구형으로 다공질 실리콘층이 형성된다. 이런 상태의 실리콘 기판(100)에 대해 상술한 도 11 내지 도 14의 단계를 거친 다음, 다공질 실리콘층만을 선택적으로 식각하여 제거하면 도 15에 도시된 바와 같은 반구형 잉크 챔버(104)가 형성된다. 다공질 실리콘층만을 선택적으로 식각하여 제거하는 에천트로는 강알칼리 용액 예컨대 KOH 용액을 사용하면 된다. 한편, 애노다이징 처리는 위에서와 같이 도 11에 도시된 단계 이전에 수행할 수도 있지만, 노즐(160)을 애노다이징 처리시 마스크로 사용하는 경우에는 도 13에 도시된 단계에 이어 수행할 수도 있다.

이어서, 포토레지스트 패턴(PR)을 식각마스크로 하여 기판(100)을 이방성 식각하면, 잉크 챔버(104)의 바닥에 잉크 챔버(104)와 매니폴드(102)를 연결하는 잉크 채널(106)이 형성된다. 이 이방성 식각은 전술한 유도결합 플라즈마 식각이나 반응성 이온 식각에 의해 수행될 수 있다.

도 16는 도 15에 도시된 상태에서 포토레지스트 패턴(PR)을 애슁(ashing) 및 스트립(strip)하여 제거하여 본 실시예에 따른 프린트 헤드를 완성한 상태를 도시한 것이다. 포토레지스트 패턴(PR)을 제거하면 도시된 바와 같이, 기판(100)의 표면 쪽에 반구형 잉크 챔버(104)가, 배면쪽에는 매니폴드(102)가 형성되어 있고, 잉크 챔버(104)와 매니폴드(102)를 연결하는 잉크 채널(106)이 형성되어 있으며, 잉크 채널(106)보다 큰 직경의 노즐(160)이 형성된 노즐판이 적층된 구조의 프린트 헤드가 얻어진다.

도 17 및 도 18은 도 6에 도시된 잉크 토출부를 가지는 프린트 헤드를 제조하는 과정을 도 2의 11-11선을 따라 도시한 단면도들이다.

도 6에 도시된 잉크 토출부를 가지는 프린트 헤드의 제조방법은 전술한 도 4에 도시된 잉크 토출부를 가지는 프린트 헤드의 제조방법중 도 14의 TEOS 산화막(150) 형성 단계까지는 동일하고, 그 이후에 도 17 및 도 18에 도시된 단계를 더 수행한다.

즉, 도 14의 TEOS 산화막(150)까지 형성한 다음, 도 17에 도시된 바와 같이, 노즐(160)이 형성된 TEOS 산화막(150) 및 실리콘 질화막(130)을 식각마스크로 하여 기판(100)을 소정 깊이 이방성 식각하여 홀(170)을 형성한다. 이어서, 기판(100) 전면에 소정의 물질층 예컨대 TEOS 산화막을 대략 1㎛ 두께로 증착하고, 이 TEOS 산화막을 실리콘 기판(100)의 홀(170)이 노출될 때까지 이방성 식각하면 홀(170)의 측벽에 스페이서(180)가 형성된다.

도 17에 도시된 상태에서 전술한 방법으로, 노출된 실리콘 기판(100)을 등방성 식각하면, 도 18에 도시된 바와 같이, 노즐(160') 가장자리에 잉크 챔버(104') 방향으로 연장된 버블 가이드(108) 및 액적 가이드(180)를 가지는 프린트 헤드가 형성된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명했지만, 본 발명의 범위는이에 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(140), 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(102)를 형성하기 위한 기판(100) 배면의 식각은 도 12에 도시된 단계 이전이나 도 13에 도시된 단계 즉, 노즐(160)을 형성하는 단계 이후에 수행될 수도 있다.

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

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 버블의 모양을 도우넛 형태로 하고 잉크 챔버의 형상을 반구형으로 함으로써 잉크의 역류를 억제할 수 있어 다른 잉크 토출부와의 간섭을 피할 수 있다.

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(satellitedroplet)의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 잉크 채널의 직경을 조절함으로써 잉크의 역류와 구동 주파수를 용이하게 조절할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 잉크 챔버, 잉크 채널 및 매니폴드를 수직적으로 배치함으로써 평면상에서 매니폴드가 차지하는 면적을 줄여 더욱 집적도가 높은 프린트 헤드를 제공할 수 있다.

한편, 본 발명의 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, 매니폴드, 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 (19)

1. 그 표면에는 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버, 그 배면에는 잉크를 공급하는 매니폴드, 및 상기 잉크 챔버의 바닥에는 상기 잉크 챔버와 매니폴드를 연결하는 잉크 채널이 일체로 형성된 기판;

   상기 기판 상에 적층되고, 상기 잉크 챔버의 중앙부에 대응되는 위치에 노즐이 형성된 노즐판;

   상기 노즐판의 노즐을 둘러싸는 환상으로 형성된 히터; 및

   상기 히터와 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 전극을 구비하고,

   상기 잉크 챔버는 그 형상이 실질적으로 반구형인 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
2. 제1항에 있어서, 상기 잉크 채널의 직경은 상기 노즐의 직경보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
3. 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.
4. 제1항에 있어서, 상기 히터는 실질적으로 "O"자 모양이고, 상기 전극은 상기 "O"자 모양 히터의 대칭되는 두 지점에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
5. 제1항에 있어서, 상기 히터는 실질적으로 "C"자 모양이고, 상기 전극은 상기 "C"자 모양 히터의 양단부에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크젯 프린트 헤드.
6. 제1항에 있어서, 상기 히터는 불순물이 도핑된 다결정 실리콘 또는 탄탈륨-알루미늄 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
7. 제1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드.
8. 기판의 표면에 노즐판을 형성하는 단계;

   상기 노즐판 상에 환상의 히터를 형성하는 단계;

   상기 기판의 배면으로부터 상기 기판의 표면쪽으로, 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 잉크 챔버 바닥에 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 연결하는 잉크 채널을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 노즐을 형성하는 단계에 이어, 상기 노즐보다 작은 직경으로 상기 기판을 노출하는 식각마스크를 형성하는 단계를 더 포함하고,

   상기 잉크 챔버를 형성하는 단계 및 상기 잉크 채널을 형성하는 단계는, 상기 식각마스크를 이용하여 상기 기판을 식각함으로써 각각 상기 잉크 챔버 및 잉크 채널을 형성하고,

   상기 잉크 챔버를 형성하는 단계 이후에, 상기 식각마스크를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계는, 상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 등방성 식각함으로써 상기 잉크 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
11. 제8항에 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 포함하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
12. 제8항에 있어서, 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계는,

    상기 잉크 챔버를 형성할 부위의 상기 기판을 애노다이징 처리하여 실질적으로 반구형의 형상으로 다공질층을 형성하는 단계; 및

    상기 다공질층을 선택적으로 식각하여 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
13. 제8항에 있어서, 상기 잉크 채널을 형성하는 단계는, 상기 노즐이 형성된 노즐판을 식각마스크로 하여 상기 잉크 챔버가 형성된

    기판을 이방성 식각함으로써 상기 잉크 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
14. 제8항에 있어서, 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계는,

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

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

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

    상기 홀의 바닥에 노출된 상기 기판을 등방성 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
15. 제8항에 있어서, 상기 히터는 실질적으로 "O"자 모양이고, 상기 전극은 상기 "O"자 모양 히터의 대칭되는 두 지점에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
16. 제8항에 있어서, 상기 히터는 실질적으로 "C"자 모양이고, 상기 전극은 상기 "C"자 모양 히터의 양단부에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
17. 제8항에 있어서, 상기 히터는 불순물이 도핑된 다결정 실리콘 또는 탄탈륨-알루미늄 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
18. 제8항에 있어서, 상기 기판은 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 제조방법.
19. 제18항에 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.