KR20060125214A - Ink jet print head and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 두 개의 단결정 실리콘 기판에 미세 공정을 이용하여 잉크 젯 프린트 헤드를 이루는 구조물들을 일체적으로 형성한 후, 이를 접합하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an ink jet print head and a method for manufacturing the same, characterized in that the two single crystal silicon substrates are integrally formed with a structure forming the ink jet print head using a micro process, and then bonded to each other.
본 발명에 의하면, 잉크 젯 프린트 헤드의 제조 공정에 있어서, 접합 공정을 단순화할 수 있으며, 상기 접합 공정에 따른 정렬 오차를 줄일 수 있어 제품 수율과 성능을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, in the manufacturing process of the ink jet print head, the bonding process can be simplified, the alignment error caused by the bonding process can be reduced, and the product yield and performance can be improved.
Description
도 1은 종래의 압전 방식의 잉크 젯 프린트 헤드의 단면도.1 is a cross-sectional view of a conventional piezoelectric ink jet print head.
도 2는 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드의 단면도.2 is a cross-sectional view of the ink jet print head of the present invention.
도 3은 압전막의 변형에 의한 압력 챔버의 부피 변화 상태를 나타낸 도면.3 is a view showing a volume change state of the pressure chamber due to the deformation of the piezoelectric film.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드의 하부 기판에 구조물을 형성하는 방법을 설명하는 단면도.4A-4I are cross-sectional views illustrating a method of forming a structure on a lower substrate of an ink jet print head of the present invention.
도 5는 이방성 에칭 용액으로 습식 식각한 경우 단결정 실리콘 기판의 (100)면과 (111)면의 상태를 설명하는 도면.FIG. 5 is a view for explaining a state of the (100) plane and the (111) plane of a single crystal silicon substrate when wet etching with an anisotropic etching solution. FIG.
도 6은 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드의 하부 기판의 평면도.6 is a plan view of a lower substrate of the ink jet print head of the present invention.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드의 상부 기판에 구조물을 형성하는 방법을 설명하는 단면도.7A to 7E are cross-sectional views illustrating a method of forming a structure on an upper substrate of an ink jet print head of the present invention.
도 8은 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드의 상부 기판과 하부 기판을 접합하는 상태를 나타낸 도면.8 is a view showing a state in which the upper substrate and the lower substrate of the ink jet print head of the present invention are bonded.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
100 : 하부 기판 110 : 노즐100: lower substrate 110: nozzle
120 : 댐퍼 130 : 채널120: damper 130: channel
140 : 리저버 200 : 상부 기판140: reservoir 200: upper substrate
210 : 잉크 유입구 220 : 압력 챔버210: ink inlet 220: pressure chamber
230 : 액츄에이터 231 : 하부 전극230: actuator 231: lower electrode
233 : 압전막 235 : 상부 전극233: piezoelectric film 235: upper electrode
본 발명은 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 단결정 실리콘 기판을 미세 가공하여 잉크 젯 프린트 헤드를 이루는 구조물들을 일체적으로 형성한 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ink jet print head and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an ink jet print head and a method for manufacturing the same, in which microstructures of a single crystal silicon substrate are used to form the structures forming the ink jet print head.
최근 정보화 시대의 요구에 의하여 디스플레이, 기록 매체, 통신 등 다양한 분야에서 기술이 눈부시게 발전하고 있으며 특히, 인쇄 기술의 경우 새롭고 다양한 기술이 제시되면서 빠르게 발전하고 있다.Recently, due to the demands of the information age, technology has been remarkably developed in various fields such as display, recording media, and communication. In particular, in the case of printing technology, new and various technologies are being rapidly developed.
이 중 잉크 젯 방식을 이용한 인쇄 기술은 간단한 구조와 저렴한 가격으로 가정용, 사무용 및 산업용에 널리 사용되고 있다. 상기 잉크 젯 방식은 열이나 기포 또는 압력을 이용하여 인쇄하고자 하는 위치에 잉크를 미세 구멍(Nozzle)으로 밀어 넣어 인쇄하는 방법이다.Among them, the inkjet printing technology is widely used for home, office and industrial use because of its simple structure and low price. The ink jet method is a method of printing by inserting ink into a fine nozzle (Nozzle) to the position to be printed using heat, bubbles or pressure.
잉크 젯 방식의 프린터에 있어서, 잉크 젯 프린트 헤드는 매우 중요한 부분을 이루고 있으며, 잉크 젯 프린트 헤드란 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록 용지 상의 원하는 위치에 분출시켜서 일정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이 다.In an ink jet printer, an ink jet print head is an important part, and an ink jet print head is used to print a predetermined color image by ejecting a small droplet of printing ink to a desired position on a recording sheet. Device.
이러한 잉크 젯 프린트 헤드는 잉크 분출 방식에 따라 열 구동 방식의 잉크 젯 프린트 헤드와 압전 방식의 잉크 젯 프린트 헤드로 구분할 수 있다. 여기서, 열 구동 방식의 잉크 젯 프린트 헤드는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크를 분출시키며, 압전 방식의 잉크 젯 프린트 헤드는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크를 분출시킨다.Such ink jet print heads may be classified into heat-driven ink jet print heads and piezoelectric ink jet print heads according to ink ejection methods. Here, the thermally driven ink jet print head generates a bubble in the ink by using a heat source and ejects the ink by the expansion force of the bubble, and the piezoelectric ink jet print head uses a piezoelectric material to The ink is ejected by the pressure applied to the ink by deformation.
도 1은 종래의 압전 방식 잉크 젯 프린트 헤드의 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 잉크를 분출하기 위한 노즐(10a)이 형성된 제1기판(10)과, 상기 제1기판(10) 상부에 형성되며, 제1잉크 배출구(11a)와 잉크 컨테이너(미도시)로부터 유입되는 잉크를 저장하는 리저버(reservoir)(11b)을 갖는 제2기판(11)과, 상기 제2기판(11) 상부에 형성되며, 제2잉크 배출구(12a)와 제1잉크 유입구(12b)를 갖는 제3기판(12)과, 상기 제3기판(12) 상부에 형성되며, 제3잉크 배출구(13a)와 제2잉크 유입구(13b)를 갖는 제4기판(13)과, 상기 제4기판(13) 상부에 형성되며, 상기 제3잉크 배출구(13a) 및 제2잉크 유입구(13b)와 연통되어 있고 액츄에이터(20)의 구동에 의해 그 부피가 변화함으로써 잉크의 분출 또는 유입을 위한 압력 변화를 생성하는 압력 챔버(14a)를 갖는 제5기판(14)과, 상기 제5기판(14) 상부에 형성되며 액츄에이터(20)에 의해 변형되는 진동판(15)과, 상기 진동판(15) 상부에 순차적으로 적층되어 있는 하부 전극(16), 압전막(17), 상부 전극(18)으로 구성된다. 여기서, 상기 하부 전극(16)과 압전막(17) 및 상부 전극(18)은 잉크를 분출하기 위한 구동 력을 발생시키는 액츄에이터(20)를 이룬다.1 is a cross-sectional view of a conventional piezoelectric ink jet print head. As shown in the drawing, the
이와 같이 구성된 종래의 압전 방식 잉크 젯 프린트 헤드에 있어서, 상부 전극(18)에 전압이 인가 되어 액츄에이터(20)가 구동되면, 상기 액츄에이터의 구동에 의해 진동판(15)이 변형되고 상기 진동판(15)의 변형에 의해 압력 챔버(14a)의 부피가 감소하게 된다.In the conventional piezoelectric inkjet printhead configured as described above, when a voltage is applied to the
그리고, 상기 압력 챔버(14a)의 부피 감소에 따라 압력 챔버(14a) 내의 압력 이 증가하면, 상기 압력 챔버(14a) 내의 잉크는 제3잉크 분출구(13a)와 제2잉크 분출구(12a) 및 제1잉크 분출구(11a)를 따라 노즐(10a)로 이동하게 되고, 상기 노즐(10a)에서 분출된다.When the pressure in the
상기 상부 전극(18)에 인가되는 전압을 제거하면, 상기 진동판(15)이 원래의 형태로 복원되고 상기 압력 챔버(14a)의 부피는 증가하게 된다. 그리고, 상기 압력 챔버(14a)의 부피 증가에 따라 압력 챔버(14a) 내의 압력이 감소하면, 리저버(11a)에 저장되어 있는 잉크가 제1잉크 유입구(12b) 및 제2잉크 유입구(13b)를 통하여 상기 압력 챔버(14a)로 유입되게 된다.When the voltage applied to the
이와 같은 종래의 압전 방식 잉크 젯 프린트 헤드의 제조는, 각 기판들을 따로 따로 제작한 뒤, 이들을 적층하여 서로 접합시키는 정렬 본딩(align-bonding)으로 제조하고 있다.The conventional piezoelectric ink jet print head is manufactured by alignment bonding in which each substrate is separately manufactured and then laminated and bonded to each other.
이처럼 많은 기판들을 정렬 본딩하는 경우, 각 기판들을 정렬시키는 공정이 많아져서 정렬 오차가 커지게 되는 문제점이 있으며, 정렬 오차가 커지게 되면 잉크의 흐름이 원활하지 못하게 되고 이는 프린터의 해상도를 저하시키는 문제로 연 결되게 된다.In the case of the alignment bonding of many substrates, there is a problem that the alignment error is increased due to the number of processes for aligning each substrate, and when the alignment error is increased, ink flow is not smooth and this causes a problem of lowering the resolution of the printer. Will be connected.
그리고, 각 기판들이 서로 다른 재료로 서로 다른 방법에 의해 제조되므로 인해 제조 공정이 복잡하며, 온도 변화에 의한 열팽창 계수의 차이로 인해 변형이 발생할 수 있는 문제점이 있다.In addition, since the substrates are manufactured by different methods using different materials, the manufacturing process is complicated, and deformation may occur due to a difference in thermal expansion coefficient due to temperature change.
따라서, 본 발명은 두 개의 단결정 실리콘 기판에 잉크 젯 프린트 헤드를 이루는 구조물들을 일체적으로 형성함으로써 접합 공정을 단순화하여 정렬 오차를 줄일 수 있는 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an ink jet print head and a method of manufacturing the same, which can reduce the alignment error by simplifying the bonding process by integrally forming the structures forming the ink jet print head on two single crystal silicon substrates. .
본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드의 실시예는, 잉크가 유입되는 잉크 유입구가 관통되어 형성되어 있고, 분출될 잉크가 일시 저장되고 저장된 잉크가 분출될 수 있도록 압력을 가하는 압력 챔버를 구비하며, 상기 압력 챔버의 상부에 상기 잉크를 분출하기 위한 구동력을 상기 압력 챔버로 전달하는 액츄에이터가 형성된 상부 기판과, 상기 잉크 유입구를 통해 유입되는 잉크를 저장하는 리저버와, 상기 리저버로부터 상기 압력 챔버로 잉크를 공급하는 채널과, 상기 압력 챔버로부터 잉크를 노즐로 전달하는 댐퍼와, 상기 댐퍼로부터 전달받은 잉크를 분출하는 노즐이 일체적으로 형성되어 있으며, 상기 상부 기판과 접합되어 있는 하부 기판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.An embodiment of the ink jet print head of the present invention is formed by penetrating an ink inlet through which ink is introduced, and having a pressure chamber for temporarily storing the ink to be ejected and pressurizing the stored ink to be ejected. An upper substrate having an actuator configured to transfer a driving force for ejecting the ink to the pressure chamber, an reservoir for storing ink flowing through the ink inlet, and supplying ink from the reservoir to the pressure chamber. A channel, a damper for transferring ink from the pressure chamber to the nozzle, and a nozzle for ejecting ink delivered from the damper are integrally formed, and the lower substrate is bonded to the upper substrate.
상기 상부 기판은 단결정 실리콘 기판이며, 상기 하부 기판은 표면이 (100)면 단결정 실리콘 기판인 것을 특징으로 한다.The upper substrate is a single crystal silicon substrate, and the lower substrate is characterized in that the surface is a (100) plane single crystal silicon substrate.
상기 액츄에이터는, 상기 압력 챔버의 상부에 형성된 하부 전극과, 상기 하부 전극 상부에 형성되며 인가되는 전압에 따라 변형을 일으키는 압전막과, 상기 압전막 상부에 형성되며 상기 압전막에 전압을 인가하는 상부 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The actuator may include a lower electrode formed on an upper portion of the pressure chamber, a piezoelectric film formed on an upper portion of the lower electrode and causing deformation according to an applied voltage, and an upper portion formed on an upper portion of the piezoelectric film and applying voltage to the piezoelectric film. It is characterized by consisting of an electrode.
여기서, 상기 압전막은 PZT(Plumbum-Zirconate-Titanate)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.Here, the piezoelectric film is made of PZT (Plumbum-Zirconate-Titanate).
본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드의 제조 방법의 실시예는, 단결정 실리콘 기판으로 이루어진 상부 기판을 미세 가공하여 잉크가 유입되는 잉크 유입구와, 분출될 잉크가 일시 저장되고 저장된 잉크가 분출될 수 있도록 압력을 가하는 압력 챔버를 형성하고, 상기 압력 챔버의 상부에 상기 잉크를 분출하기 위한 구동력을 상기 압력 챔버로 전달하는 액츄에이터를 형성하는 단계와, (100)면 단결정 실리콘 기판으로 이루어진 하부 기판을 미세 가공하여 상기 잉크 유입구를 통해 유입되는 잉크를 저장하는 리저버와, 상기 리저버로부터 상기 압력 챔버로 잉크를 공급하는 채널과, 상기 압력 챔버로부터 잉크를 노즐로 전달하는 댐퍼와, 상기 댐퍼로부터 전달받은 잉크를 분출하는 노즐을 형성하는 단계와, 상기 상부 기판과 하부 기판을 접합하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.An embodiment of the method of manufacturing an ink jet print head of the present invention includes an ink inlet through which an ink is introduced by finely processing an upper substrate made of a single crystal silicon substrate, and pressure so that the ink to be ejected is temporarily stored and the stored ink is ejected. Forming a pressure chamber to apply, and forming an actuator on the upper portion of the pressure chamber to transmit a driving force for ejecting the ink to the pressure chamber, and finely processing a lower substrate made of a (100) plane single crystal silicon substrate. A reservoir for storing ink flowing through the ink inlet, a channel for supplying ink from the reservoir to the pressure chamber, a damper for transferring ink from the pressure chamber to the nozzle, and a nozzle for ejecting ink delivered from the damper Forming an upper substrate and the lower substrate; It characterized by that.
상기 하부 기판에 댐퍼, 노즐, 채널, 리저버를 형성하는 단계는, 상기 하부 기판에 습식 식각용 마스크층을 형성하는 단계와, 상기 습식 식각용 마스크층의 일부분을 에칭하여 상기 노즐과 리저버의 형성을 위한 개구부를 형성하는 단계와, 상기 노즐과 리저버의 형성을 위한 개구부에 의해 노출된 하부 기판을 이방성 에칭 용액으로 습식 식각하는 단계와, 상기 습식 식각용 마스크층을 제거한 후, 상기 하부 기판에 건식 식각용 마스크층을 형성하는 단계와, 상기 건식 식각용 마스크층의 일부분을 에칭하여 상기 댐퍼의 형성을 위한 개구부를 형성하는 단계와, 상기 댐퍼의 형성을 위한 개구부에 의해 노출된 하부 기판을 RIE(Reactive Ion Etching)로 일정 깊이까지 건식 식각하는 단계와, 상기 댐퍼와 리저버를 연결하는 채널을 형성하는 단계와, 상기 댐퍼의 형성을 위한 개구부에 의해 노출된 하부 기판을 RIE(Reactive Ion Etching)로 노즐이 형성될 때까지 건식 식각하는 단계와, 상기 건식 식각용 마스크층을 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The forming of the damper, the nozzle, the channel, and the reservoir on the lower substrate may include forming a wet etching mask layer on the lower substrate and etching a portion of the wet etching mask layer to form the nozzle and the reservoir. Forming an opening for the substrate, wet etching the lower substrate exposed by the opening for forming the nozzle and the reservoir with an anisotropic etching solution, removing the wet etching mask layer, and then dry etching the lower substrate. Forming an opening for forming the damper by forming a mask layer for etching, etching a portion of the dry etching mask layer, and forming a lower substrate exposed by the opening for forming the damper. Dry etching to a predetermined depth with ion etching, forming a channel connecting the damper and the reservoir, and Dry etching the lower substrate exposed by the opening for forming until the nozzle is formed by Reactive Ion Etching (RIE), and removing the dry etching mask layer.
여기서, 상기 습식 식각용 마스크층은 Si3N4 또는 SiO2 를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 이방성 에칭 용액은 EDP(Ethylenediamine Pyrocatechol Water), TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide), KOH(Potassium Hydroxide) 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.Here, the wet etching mask layer is preferably using Si 3 N 4 or SiO 2 , the anisotropic etching solution is any one of EDP (Ethylenediamine Pyrocatechol Water), TMAH (Tetramethyl Ammonium Hydroxide), KOH (Potassium Hydroxide) Preference is given to using.
상기 상부 기판에 압력 챔버 및 잉크 유입구를 형성하는 단계는, 상기 상부 기판에 식각용 마스크층을 형성하는 단계와, 상기 식각용 마스크층의 일부분을 에칭하여 상기 압력 챔버 및 잉크 유입구의 형성을 위한 개구부를 형성하는 단계와, 상기 압력 챔버 및 잉크 유입구의 형성을 위한 개구부에 의해 노출된 상부 기판을 식각하여 압력 챔버 및 잉크 유입구를 형성하는 단계와, 상기 식각용 마스크층을 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The forming of the pressure chamber and the ink inlet on the upper substrate may include forming an etching mask layer on the upper substrate and etching a portion of the etching mask layer to form an opening for forming the pressure chamber and the ink inlet. Forming a pressure chamber and an ink inlet by etching the upper substrate exposed by the opening for forming the pressure chamber and the ink inlet; and removing the etching mask layer. It is done.
상기 상부 기판과 하부 기판의 접합은 에폭시 또는 금속 솔더로 접합하는 방 식 및 실리콘 직접 접합(Silicon Direct Bonding) 방식 중 어느 하나에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.Bonding of the upper substrate and the lower substrate is characterized in that it is carried out by any one of the method of bonding by epoxy or metal solder and Silicon Direct Bonding.
이하, 첨부된 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드의 단면도이다.Hereinafter, an ink jet print head of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 8. 2 is a cross-sectional view of the ink jet print head of the present invention.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드는 액츄에이터(230)와, 압력 챔버(220) 및 잉크 유입구(210)가 일체적으로 형성되어 있는 상부 기판(200)과, 리저버(reservoir)(140), 채널(130), 댐퍼(120) 및 노즐(110)이 일체적으로 형성되어 있는 하부 기판(100)이 접합되어 있는 구조를 가지고 있다.As shown therein, the ink jet print head of the present invention includes an
상기 상부 기판(200)은 노즐(110)에서 잉크를 분출하기 위한 구동력을 발생시키는 액츄에이터(230)와, 분출될 잉크가 일시 저장되고 상기 액츄에이터(230)의 구동에 의해 저장된 잉크가 분출될 수 있도록 압력을 가하는 압력 챔버(220)와, 잉크 컨테이너(미도시)로부터 잉크가 유입되는 잉크 유입구(210)로 이루어져 있다.The
상기 하부 기판(100)은 상기 잉크 유입구(210)를 통해 유입되는 잉크가 저장되는 리저버(140)와, 상기 압력 챔버(220)의 압력 변화에 따라 상기 압력 챔버(220) 내의 잉크를 노즐(110)로 전달하고 급격한 압력 변화를 완충하기 위한 댐퍼(120)와, 상기 리저버(140)에 저장되어 있는 잉크를 상기 압력 챔버(220)로 공급하기 위한 채널(130)과, 상기 댐퍼(120)에서 전달하는 잉크를 분출하는 노즐(110)로 이루어져 있다.The
상기 액츄에이터(230)는 공통 전극의 역할을 하는 하부 전극(231)과, 인가되는 전압에 따라 변형되는 압전막(233)과, 구동 전극의 역할을 하는 상부 전극(235)으로 이루어져 있다.The
이와 같이 구성된 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드에 있어서, 상기 액츄에이터(230)의 상부 전극(235)에 전압이 인가되면 압전막(233)이 압전성(piezoelectric)에 의해 변형을 일으킨다.In the ink jet print head of the present invention configured as described above, when a voltage is applied to the
여기서, 압전성이란 물질의 전기적 성질과 기계적 성질의 결합에 의해 나타나는 것으로 물질에 압력을 가해서 변형을 일으키면 전기장이 형성되어 전극을 통해 전압이 발생하는 현상 또는 압전성 물질에 전기장을 가하면 물질의 변형이 유발되는 현상을 말하는데, 여기서는 후자의 경우가 이에 해당한다.Here, piezoelectricity is represented by a combination of electrical and mechanical properties of a material, and when a deformation occurs by applying pressure to the material, an electric field is formed and a voltage is generated through the electrode, or when the electric field is applied to the piezoelectric material, deformation of the material is caused. The latter is the case here.
도 3은 압전막의 변형에 의한 압력 챔버의 부피 변화 상태를 나타낸 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 상기 상부 전극(235)에 전압을 인가하면 압전성 물질로 이루어진 압전막(233)이 변형을 일으키게 되고, 이로 인해 압력 챔버(220)의 부피가 감소하며 따라서, 상기 압력 챔버(220) 내의 압력이 증가하게 된다.3 is a view showing a volume change state of the pressure chamber due to the deformation of the piezoelectric film. As shown in the drawing, when a voltage is applied to the
상기 압력 챔버(220) 내의 압력이 증가함에 따라 발생된 에너지는 댐퍼(120)에 의해 노즐(110)로 집중되며, 상기 압력 챔버(220) 내에 채워져 있는 잉크는 댐퍼(120)를 지나 노즐(110)에서 분출되게 된다.Energy generated as the pressure in the
상기 상부 전극(235)에 인가하는 전압을 제거하면, 상기 압전막(233)은 원래의 형태로 복원되고, 이로 인해 압력 챔버(220)의 부피는 증가하며 따라서, 상기 압력 챔버(220) 내의 압력은 감소하게 된다.When the voltage applied to the
그리고, 상기 압력 챔버(220) 내의 압력이 감소하게 되면, 상기 리저버(140)에 저장되어 있는 잉크가 상기 채널(130)을 통하여 상기 압력 챔버(220)로 유입되게 된다.When the pressure in the
상기 채널(130)은 상기 리저버(140)로부터 압력 챔버(220)로 잉크를 공급하는 통로의 역할을 할 뿐만 아니라, 잉크가 상기 노즐(110)로부터 분출될 때 압력 챔버(220)로부터 상기 리저버(140)로 잉크가 역류하는 것을 방지하는 역할을 한다.The
도 4a 내지 도 4i 는 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드의 하부 기판에 구조물을 형성하는 방법을 설명하는 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 먼저 하부 기판(300) 상의 양면에 습식 식각용 마스크 층(301a)(301b)을 증착한다(도 4a). 4A to 4I are cross-sectional views illustrating a method of forming a structure on a lower substrate of the ink jet print head of the present invention. As shown in FIG. 4, first, wet
여기서, 상기 하부 기판(300)은 (100)면 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용하며, 상기 하부 기판(300)은 200 ~ 250 ㎛ 의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 습식 식각용 마스크 층(301a)(301b)은 Si3N4 또는 SiO2 층으로 이루어지는 것이 바람직하다.Here, the
이어서, 상기 하부 기판(300) 상부에 리소그라피(Lithography) 공정을 이용하여 노즐을 형성할 부분(305)과 리저버를 형성할 부분(307)에 패턴을 형성하고 건식 식각 공정을 이용하여 상기 습식 식각 마스크 층(301a)을 제거한다(도 4b).Subsequently, a pattern is formed on a
다음으로, 상기 노즐을 형성할 부분(305)과 리저버를 형성할 부분(307)에 이방성 에칭 용액을 이용하여 습식 식각 공정을 수행한다(도 4c). 상기 단결정 실리 콘 웨이퍼는 (100)면과 (111)면에 대한 이방성 에칭 특성을 나타내는 용액 예를 들면, EDP(Ethylenediamine Pyrocatechol Water), TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide) 및 KOH(Potassium Hydroxide)을 이용하여 원하는 형태와 크기의 3차원 미세 구조물을 제작할 수 있다.Next, a wet etching process is performed on the
상기 하부 기판(300)으로 (100)면 단결정 실리콘 기판을 사용하는 경우, 상기 하부 기판(300)의 (100)면과 (111)면의 이방성 습식 식각 특성을 이용하면 사각뿔 형태의 미세 구조물을 형성할 수 있다.When the (100) plane single crystal silicon substrate is used as the
즉, 단결정 실리콘 웨이퍼의 (111)면의 식각 속도는 (100)면의 식각 속도에 비해 상당히 느리므로, 결과적으로 상기 하부 기판(300)은 (111)면을 따라 경사 식각되어 사각뿔 형태의 미세 구조물을 형성하게 된다. That is, since the etching speed of the (111) plane of the single crystal silicon wafer is considerably slower than that of the (100) plane, the
이 경우, 상기 단결정 실리콘 웨이퍼의 (111)면은 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 단결정 실리콘 웨이퍼의 (100)면과 54.74 °의 기울기를 가지게 된다.In this case, the (111) plane of the single crystal silicon wafer has an inclination of 54.74 ° with the (100) plane of the single crystal silicon wafer, as shown in FIG. 5.
상기 습식 식각 공정을 통하여 잉크 젯 프린트 헤드의 노즐을 형성할 부분(305)은 실리콘의 (111)면들이 (100)면들과 각각 54.74 °의 기울기를 가지고 만나서 사각뿔 형태를 가지게 되며, 리저버를 형성할 부분(307)은 상기 노즐을 형성할 부분(305)보다 패턴 폭이 넓어 밑면이 좁은 사다리꼴 형태의 모양을 가지게 된다. 이때, 리저버(309)의 경우 150 ~ 180 ㎛ 의 깊이를 가지며 형성된다.Through the wet etching process, the
이후에, 상기 습식 식각 마스크층(301a)(301b)을 제거하고 상기 하부 기판(300)을 약 1100 ℃ 의 화로(furnace)에 넣어서 상기 하부 기판(300)의 양면에 실 리콘 산화막 층(SiO2 )(310a)(310b)을 성장시킨다(도 4d). 상기 실리콘 산화막 층(SiO2 )(310a)(310b)은 건식 식각용 마스크층으로서의 역할을 하게 된다.Subsequently, the wet
다음으로, 상기 하부 기판(300) 상부에 형성된 실리콘 산화막 층(310a) 상에 포토 레지스트(Photo Resist)를 도포하고, 도포된 포토 레지스트(PR)를 패터닝하여 잉크 젯 헤드의 노즐을 형성할 부분(305)에 개구부를 형성한다.Next, a part of forming a nozzle of the ink jet head by applying a photoresist on the silicon oxide layer 310a formed on the
그리고, 상기 개구부를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막 층(310a)을 상기 포토 레지스트를 식각 마스크로 하여 건식 또는 습식 식각하여 제거함으로써 노즐을 형성할 부분(305)을 노출시킨 뒤, 포토 레지스트를 스트립한다(도 4e).Then, the silicon oxide layer 310a of the portion exposed through the opening is removed by dry or wet etching using the photoresist as an etch mask to expose a
이어서, 상기 노즐을 형성할 부분(305)을 RIE(Reactive Ion Etching : 반응성 이온 식각)로 건식 식각한다(도 4f). 상기 RIE 를 실시하는 경우 Sf6, O2 및 CHF3 기체를 사용하는 것이 바람직하다.Subsequently, the
상기 RIE 의 경우, 직진성을 가지고 식각되기 때문에 노즐이 형성되는 부분(305)은 상기 이방성 습식 식각을 통해 형성된 형상을 유지하면서 상기 형상에 수직한 방향으로 식각이 이루어진다. 상기 건식 식각 공정을 통하여 압력 챔버(미도시)내의 잉크를 노즐로 전달하는 댐퍼(311)가 형성된다.In the case of the RIE, the
다음으로, 상기 건식 식각을 통해 일정 깊이의 식각이 진행된 후, 잉크 젯 프린트 헤드의 리저버(309)와 상기 건식 식각 공정을 통해 형성된 댐퍼(311)를 연결하기 위한 채널(313)을 형성한다(도 4g). 즉, 상기 실리콘 산화막 층(310a) 상에 포토 레지스트(Photo Resist)를 도포하고, 도포된 포토 레지스트를 패터닝하여 채 널을 형성할 부분에 개구부를 만든다. Next, after etching of a predetermined depth through the dry etching, a
그리고, 상기 개구부를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막 층(310a)을 상기 포토 레지스트를 식각 마스크로 하여 건식 또는 습식 식각하여 채널이 형성되는 부분을 노출시킨 뒤, 상기 노출된 부분을 건식 또는 습식 식각하여 채널(313)을 형성한다.The exposed portion of the channel is formed by dry or wet etching the silicon oxide layer 310a of the portion exposed through the opening using the photoresist as an etching mask, and then dry or wet etching the exposed portion.
이어서, 상기 건식 식각 공정을 계속 진행하여 상기 노즐을 형성할 부분의 형상 즉, 사다리꼴 형상의 끝 부분이 상기 하부 기판(300)의 저면에 형성되어 있는 실리콘 산화막 층(310b)과 만나서 노즐(Nozzle)(315)을 형성할 때 까지 진행한다(도 4h). Subsequently, the dry etching process is continued to form a shape, that is, a trapezoidal end portion of the portion to form the nozzle, meets the silicon oxide layer 310b formed on the bottom surface of the
이 경우, 상기 하부 기판(300)의 저면에 형성되어 있는 실리콘 산화막 층(310b)은 식각 정지층으로서의 기능을 하며, 상기 노즐(315)의 크기는 건식 식각 공정을 수행하는 시간에 의해 조절할 수 있고, 노즐(315)의 직경이 18 ~ 22 ㎛ 정도가 되도록 상기 건식 식각 공정을 조절하는 것이 바람직하다.In this case, the silicon oxide layer 310b formed on the bottom surface of the
마지막으로, 남아있는 실리콘 산화막 층(310a)(310b)을 습식 식각 등에 의해 제거한다(도 4i). 이와 같은 제조 공정을 통하여 상기 하부 기판(300)에 잉크가 저장되는 리저버(309)와, 압력 챔버(미도시)의 압력 변화에 따라 상기 압력 챔버 내의 잉크를 노즐(315)로 전달하고 급격한 압력 변화를 완충하기 위한 댐퍼(311)와, 상기 리저버(309)와 댐퍼(311)를 연결하는 채널(313)과, 상기 댐퍼(311)에 의해 전달된 잉크를 분출하는 노즐(315)을 일체적으로 형성할 수 있다.Finally, the remaining silicon oxide film layers 310a and 310b are removed by wet etching or the like (FIG. 4I). Through such a manufacturing process, the
도 6은 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드의 하부 기판의 평면도이다. 이에 도 시된 바와 같이, 하부 기판(400)에는 54.74 °의 기울기를 가지며 밑면이 좁아지는 사다리꼴 모양의 리저버(410)가 형성되어 있고, 상기 리저버(410)의 가로 변의 일면에는 상기 리저버(410)에 저장된 잉크를 댐퍼(미도시)에 공급하기 위한 채널(420)들의 일단이 형성되어 있다.6 is a plan view of the lower substrate of the ink jet print head of the present invention. As shown therein, the
그리고 상기 각 채널(420)의 타단은 댐퍼로 연결되며, 댐퍼의 하부에는 잉크를 분출하기 위한 노즐(430)이 형성되어 있다. 참고로, 상기 도면은 평면도이므로 댐퍼는 표시되지 않는다. 상기 노즐(430)은 상기 하부 기판(400)의 (111)면이 (100)면과 54.74 °의 기울기를 가지는 사각뿔의 형상을 하고 있다.The other end of each
도 7a 내지 도 7e 는 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드의 상부 기판에 구조물을 형성하는 방법을 보인 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 먼저 상부 기판(500) 상의 양면에 실리콘 산화막 층(SiO2 )(510a)(510b)을 성장시킨다(도 7a).7A to 7E are cross-sectional views illustrating a method of forming a structure on an upper substrate of an ink jet print head of the present invention. As shown in FIG. 7, first, silicon oxide layers (SiO 2 ) 510a and 510b are grown on both surfaces of the upper substrate 500 (FIG. 7A).
여기서, 상기 상부 기판(500)은 단결정 실리콘 기판으로 이루어지며, 그 두께는 100 ~ 130 ㎛ 정도로 하는 것이 바람직하다.Here, the
다음으로, 상기 상부 기판(500)의 저면에 형성된 실리콘 산화막 층(510b) 표면에 포토 레지스트(PR)를 도포하고, 도포된 포토 레지스트(PR)를 패터닝하여 잉크 젯 프린트 헤드의 압력 챔버 및 잉크 유입구를 형성할 부분(501)(502)에 개구부를 형성한다. Next, a photoresist PR is applied to a surface of the
그리고, 상기 개구부를 통해 노출된 부위의 실리콘 산화막 층(510b)을 상기 포토 레지스트를 식각 마스크로 하여 건식 또는 습식 식각에 의해 제거함으로써 상 기 압력 챔버 및 잉크 유입구를 형성할 부분(501)(502)을 노출시킨다(도 7b).In addition, the
그 후, 상기 노출된 부분(501)(502)을 상기 포토 레지스트를 식각 마스크로 하여 식각함으로써 압력 챔버(505) 및 잉크 유입구(507)를 형성한다(도 7c). 이때, 상기 압력 챔버의 깊이는 50 ~ 80 ㎛ 정도로 하는 것이 바람직하며, 상기 압력 챔버(505) 상에 있는 상부 기판은 진동판으로서의 역할을 하게 된다.Thereafter, the exposed
다음으로, 남아있는 실리콘 산화막 층(SiO2)(510a)(510b)을 습식 또는 건식 식각 공정을 이용하여 제거한다(도 7d)Next, the remaining silicon oxide layer (SiO 2 ) 510a and 510b is removed using a wet or dry etching process (FIG. 7D).
이어서, 상기 상부 기판(500)의 압력 챔버(505)가 형성된 상부 영역에 하부 전극(511), 압전막(513), 상부 전극(515)을 순차적으로 적층하여 액츄에이터(517)를 형성한다(도 7e).Subsequently, the
여기서, 상기 하부 전극(511)과 상부 전극(515)은 Pt 을 일정 두께로 스퍼터링(sputtering)함으로써 형성하는 것이 바람직하고, 상기 압전막(513)으로는 압전성을 가지는 물질을 이용하되 특히 세라믹 계통의 PZT(Plumbum-Zirconate-Titanate)를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 PZT는 낮은 전압 공급으로 비교적 큰 변형을 이룰수 있다.The
여기까지, 본 발명의 잉크 젯 프린트 헤드의 하부 기판과 상부 기판에 구조물을 형성하는 공정에 대해 살펴보았으며, 마지막으로 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 하부 기판(700)과 상부 기판(600)을 접합하는 공정을 수행한다.Up to this point, the process of forming a structure on the lower substrate and the upper substrate of the ink jet print head of the present invention has been described. Finally, as shown in FIG. 8, the
상기 하부 기판(700)과 상부 기판(600)의 접합을 위해 에폭시 또는 금속 솔 더(solder) 및 실리콘 직접 접합(Silicon Direct Bonding)방식을 이용할 수 있다.For bonding the
여기서, 에폭시를 이용한 접합은 폴리머 접합제를 통하여 상기 하부 기판(700)과 상부 기판(600)을 접합하는 것이며, 금속 솔더를 이용한 접합은 상기 하부 기판(700)과 상부 기판(600) 중 어느 기판 상에 용융점이 낮은 금속을 도포하고 열을 가해준 후 상기 하부 기판(700)과 상부 기판(600)을 접합하는 것이다.Here, the bonding using epoxy is to bond the
실리콘 직접 접합 방식은 먼저, 상기 하부 기판(700)과 상부 기판(600)을 표면 처리한 후 산화로에 넣어 그 표면에 산화막을 형성한다. 그리고, 상기 하부 기판(700)과 상부 기판(600)을 정렬시켜 적층한 후 수평로에서 어닐링(annealing)하여 접합하는 것이다.In the silicon direct bonding method, first, the
한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.On the other hand, while the present invention has been shown and described with respect to specific preferred embodiments, various modifications and variations of the present invention without departing from the spirit or field of the invention provided by the claims below It will be readily apparent to one of ordinary skill in the art that it can be used.
본 발명에 의하면, 두 개의 단결정 실리콘 기판을 이용하여 잉크 젯 프린트 헤드를 이루는 구조물들을 일체적으로 형성한 후 이를 접합함으로써, 잉크 젯 프린트 헤드의 접합 공정을 단순화할 수 있으며, 상기 접합 공정에 따른 정렬 오차를 줄일 수 있다.According to the present invention, by integrally forming the structures forming the ink jet print head using two single crystal silicon substrates and then bonding them, it is possible to simplify the bonding process of the ink jet print head, alignment according to the bonding process The error can be reduced.
또한, 같은 재료의 기판을 사용함으로써 열 변형이 거의 생기지 않게 되고, 제품의 수율을 향상시킬 수 있다.In addition, by using the substrate of the same material, thermal deformation hardly occurs, and the yield of the product can be improved.
Claims (12)
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Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20050602 |
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