KR100677752B1 - 잉크젯 프린트 헤드와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공용의 단위 잉크챔버에 한쌍의 노즐홀을 대응적 배치시킨 잉크젯 프린트 헤드와 그 제조방법을 개시한 것으로, 잉크가 공급되는 잉크유로가 공동부를 이루도록 가공 형성된 기판과, 잉크유로의 출구 양측에 대응적으로 위치하도록 기판상에 마련되는 한쌍의 구동발열부와, 잉크가 충전되는 잉크챔버의 측벽을 형성하도록 기판상에 적층되는 잉크챔버 배리어와, 상기 양분되어 형성된 구동발열부와 상대하여 배치되어 연통되는 노즐홀을 가지고 잉크챔버 배리어 상면에 적층되는 노즐판을 포함하는 구성에 의해, 한쌍의 노즐홀이 잉크를 토출하는데 있어서 잉크 보충시간에 영향을 받지 않고 토출할 수 있어, 종래보다 인쇄속도를 2배 또는 그 이상으로 향상시킬 수 있다.

Description

잉크젯 프린트 헤드와 그 제조방법 {Ink-jet printer head and method of manufacturing thereof}

도 1 은 종래 센터피딩 토출구조를 갖는 잉크젯 프린트 헤드의 사시도,

도 2 는 종래 에지피딩 토출구조를 갖는 잉크젯 프린트 헤드의 단면도,

도 3 은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 단면도,

도 4 는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 개략적인 평면도,

도 5a 내지 도 5e 는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법을 순차적으로 도시한 공정도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

31 : 기판 36 : 잉크공급로

32 : 매니폴드 37 : 잉크챔버 배리어

33a,33b : 발열저항체 38a,38b : 노즐홀

34 : 전극층 40 : 잉크챔버

35 : 보호층 50,51 : 구동발열부

본 발명은 잉크젯 프린트 헤드와 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위 잉크챔버에 대응하는 노즐홀의 수를 증가시켜 인쇄속도 향상을 도모한 잉크젯 프린트 헤드와 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 다수개의 단위 토출구조가 일정한 패턴으로 배열되는 잉크젯 프린트 헤드는 잉크 토출구조에 따라 크게 센터피딩(center feeding)과 에지피딩(edge feeding) 방식으로 나뉘어 진다.

통상, 센터피딩 방식의 잉크젯 프린트 헤드는, 도 1 에 도시된 바와 같이, 잉크챔버(10)와 연결되도록 기판(1)의 중앙부에 통로로 형성되는 잉크공급로(6)의양측 기판상에 발열저항체(3)가 일렬배치된 구조를 가진다.

상기 발열저항체(3)는 외부로부터 인가된 전기적 신호를 열에너지로 변환시켜 그 상부의 잉크를 고온가열 함으로써 버블을 형성한다. 이와같이 고온에서 형성된 버블 내부의 압력은 수십 기압의 고압에 이르게 되며, 이를 구동력으로 하여 버블이 팽창되어 잉크챔버(10)내의 잉크를 노즐홀(8)쪽으로 밀어내어 잉크를 토출분사 하게된다.

그리고, 상기 발열저항체(3)에 인가된 전기적 신호를 차단하면, 버블로의 열에너지 공급이 차단되고 주변 잉크를 구동하는데 에너지를 소모한 버블은 팽창력을 잃고 수축하게 됨으로써, 잉크의 유동방향을 잉크챔버(10) 내측으로 유입되도록 방향전환시켜 잉크 액적기둥을 끊어주는 역할을 하여 인쇄매체로 잉크를 분사하게 된다. 이후 버블 수축단계 및 완전 수축 후, 노즐홀(8)에서의 표면 장력에 의해 잉크챔버(10)내로 잉크가 재충전되면 잉크의 토출과정이 완료된다.

한편, 에지피딩 방식의 잉크젯 프린트 헤드는 도 2 에 도시된 바와 같이, 기판(11) 내부에 별도의 잉크 공급로를 형성하지 않고, 기판(11)과 잉크챔버 배리어(17) 사이에 형성되는 공간부가 잉크공급로(16)의 역활을 하도록 구성되며, 그 잉크공급로(16)를 통하여 공급된 잉크가 잉크챔버(20)에 일시 충전된다.

그러나, 상기한 종래 기술에는 다음과 같은 문제점이 있다.

도 1 의 센터피딩 방식의 경우, 기판(1) 내부에 잉크공급로(6)를 형성하는 방법으로서, 샌드 블라스팅 또는 레이저에 의해 가공하는 방법과 기판(1)하면을 습식에칭(wet etching)하여 형성하는 방법이 있다.

상기한 2가지 방법 모두 가공여유를 감안하면, 가공된 잉크공급로(6)의 양단에 위치한 노즐홀(8)의 간격은 약 0.6mm이상이 되여야 하므로, 규격화된 크기를 갖는 잉크젯 프린트 헤드에는 상기 잉크 토출구조로 다중배열 하는데 제한이 있게 되고, 또한 잉크공급로(6) 가공시 기판(1)에 큰 응력이 발생되며, 가공후에 기판(1)의 잔류면적이 작아져 기판(1)이 매우 취약해지게 되는 문제점이 있다.

한편, 도 2 의 에지피딩 방식의 경우에는, 기판(11) 내부에 잉크공급로(16)를 형성하는 공정이 없기 때문에, 기판(11)이 취약해지는 문제점은 없으나, 기판(11)이 노즐판(19)에 결합되었기 때문에, 발열저항체(13)의 열에너지로 팽창되는 버블(미도시)의 고압에 의해 기판(11)의 양단에는 큰 굽힘응력이 발생하게 되어 기판(11)의 강도가 취약해 지게 된다. 또한, 발열저항체(13)의 측면에서 유입되는 잉크의 압력으로 인해 발열저항체(13)와 기판(11)은 많은 전단력을 받게 된다.

따라서, 노즐판(19)과 기판(11)간의 구조적인 안정을 위해 노즐판(19)에 접 착되는 접착층의 면적을 넓게 해야 한다. 그러므로, 결국 기판(11)은 커지게 되고, 기판(11)측면의 잉크공급로(16) 역시 별도의 공간을 유지하여야 하므로, 잉크 토출구조가 차지하는 공간이 커지게 되어서 이웃한 노즐과의 간격이 커지므로, 규격화된 크기를 갖는 잉크젯 프린트 헤드에 있어서, 2중의 노즐배치가 곤란하게 되므로 인쇄속도를 향상시킬 수 없는 문제점을 안고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 잉크젯 프린터 헤드가 가지는 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 종래보다 작은 폭을 가진 잉크공급로를 형성하여 노즐의 배열간격을 줄임으로써, 소형화된 잉크 토출구조에 형성되는 노즐을 2중 또는 그 이상으로 배열하여 인쇄속도를 2배 또는 그 이상으로 향상시킬 수 있는 잉크젯 프린트 헤드와 그 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드는, 잉크가 공급되는 잉크유로가 관통되도록 형성된 기판과, 잉크유로의 출구 양측에 각각 대응적으로 위치하도록 기판상에 마련되는 한쌍의 구동발열부와, 한쌍의 구동발열부가 내재되며, 잉크가 충전되는 잉크챔버의 측벽을 형성하도록 상기 기판상에 적층되는 잉크챔버 배리어 및, 한쌍의 구동발열부의 상방에 각각 위치하도록 대응되게 배치되는 한쌍의 노즐홀을 가지고 상기 잉크챔버 배리어 상면에 적층되는 노즐판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명 한다.

도 3 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드는, 기판(31)에 잉크가 공급되는 잉크유로(32,36)가 수직상으로 형성되며, 상기 잉크유로(32,36)는 기판(31)의 하방부에 소정의 폭을 갖는 제 1 공동부를 이루도록 형성된 매니폴드(32)와, 잉크챔버(40)와 매니폴드(32)사이에 제 1 공동부보다 협소한 폭을 갖는 제 2 공동부를 이루는 잉크공급로(36)로 형성된다.

상기 잉크유로(32,36)의 중심축 양측의 기판(31)상에는 각각 한쌍의 구동발열부(50,51)가 대응되게 위치하도록 마련된다. 상기 구동발열부(50,51)는 기판(31)상에 절연층(44)과 발열저항체(33a,33b)가 순차적으로 적층형성되고, 발열저항체(33a,33b)상에는 소정패턴의 식각부에 의해 그 상면이 노출되도록 적층 형성된 전극층(34)과 상기 발열저항체(33a,33b)와 전극층(34)의 상면을 덮도록 보호층(35)이 적층되어 형성된다. 이때, 본 발명에 따르면 상기 발열저항체(33a,33b)는 상기 잉크유로(32,36)의 중심축과 직교하는 평면의 외곽형상이 원형과 사각형중에서 선택된 어느 하나의 평면형상을 가질 수 있다. 여기서, 상기 발열저항체(33a,33b)는 탄타륨-알루미늄(Ta-Al), 폴리 실리콘(poly silicon)등이 이용될 수 있으며, 그 상면에는 산화방지 및 잉크의 토출시 발생하는 압력에 견딜 수 있도록 비활성화층(passivation layer)으로 형성된 보호층(35)이 적층되어 있다.

상기 기판(31)상에는 잉크가 충전되는 잉크챔버(40)의 측벽을 형성하도록 잉크챔버 배리어(37)가 적층되고, 그 잉크챔버 배리어(37)의 상면에는 한쌍의 노즐홀(38a,38b)이 형성된 노즐판(39)이 적층된다.

상기 한쌍의 노즐홀(38a,38b)은 각각 상기 구동발열부(50,51)의 상방에 대면하는 상태로 배치되며, 한쌍의 노즐홀(38a,38b)사이의 상호간의 간격은 120∼200㎛ 사이에서 선택되는 것이 바람직 하다.

상기 잉크챔버(40)는 발열저항체(33a,33b)의 가열에 의해 발생된 버블이 팽창할 수 있는 공간으로서, 노즐판(39)과 기판(31)에 의해 상하면이 구획되며, 잉크챔버 배리어(37)에 의해 측벽이 구획되어 형성된다. 또한, 잉크챔버(40)는 잉크유로(32,36)의 중심축과 직교하도록 절제된 단면의 외곽형상이 원형이나 사각형중에서 선택된 어느 하나의 단면으로 형성될 수 있다. 이와 같이, 잉크챔버(40)는 대칭형상의 단면으로 이루어짐으로써, 잉크유로(32,36)를 축으로 양분되어 있는 구동발열부(50,51)에 잉크공급의 균형을 줄 수 있고, 버블의 팽창압력을 토출하는 잉크액적에 효과적으로 전달할 수 있다.

상기 본 발명에 의한 잉크젯 프린트 헤드의 잉크토출 동작과정에 대해 도 3 을 참조하여 자세히 설명하면 아래와 같다.

외부 드라이버 회로(미도시)에서 인가된 전기적 신호가 전극층(34)을 통해 발열저항체(33a)에 인가되면, 발열저항체(33a)는 전기적 신호를 열에너지로 변환하여 잉크를 가열한다. 이로써, 버블이 발생하기 전까지 정지해 있던 잉크는 지속적인 열에너지 공급에 의해 상변화 되어, 버블을 생성하고, 그 버블의 팽창압력에 의해 노즐홀(38a)로 잉크를 토출시키게된다.

이후 버블이 수축하게 되면 잉크는 토출된 액적 기둥의 진행 방향과 반대방 향으로 힘을 받게되어서, 액적(45a)은 노즐홀(38a)의 잉크로부터 분리되어 나간다.

버블의 수축에 의해 노즐홀(38a) 속으로 빨려들어 온 잉크는 노즐홀(38a)과 외부대기, 잉크가 이루는 상경계면에서 생기는 표면장력에 의해 다시 노즐홀(38a) 출구쪽으로 상승하게 된다. 이 때 잉크는 잉크레저버(미도시)로 부터 잉크공급로(36)를 통하여 잉크챔버(40)로 유입되고, 다시 발열저항체(33a)에 전원이 인가되면 상기의 과정을 통하여 노즐판(39)상의 노즐홀(38a)로 잉크가 토출된다.

한 개의 잉크공급로(36)를 통과한 잉크는 잉크챔버(40)로 유입되고, 노즐홀(38a)을 통한 잉크 토출후, 수 마이크로초 후에 인접 노즐홀(38b)을 통한 잉크의 토출이 가능하여서 종래의 잉크젯 프린트에 비하여 2배에서 노즐홀 배치에 따라 수배의 인쇄속도 향상을 꾀할수 있게 된다.

도 4 는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 개략적인 평면도로서, 종래와 달리 한 개의 기판(31)위에 2열의 노즐홀이 배열되지 않고 4열의 노즐홀이 배열된 것을 도시하고 있으며, 또한, 기판(31) 외곽으로 노즐홀(38)배열과 직각방향으로 전원 인가용 패드(41)가 형성된 것을 도시하고 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의한 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법을, 이하 도 5a 내지 도 5e 를 참조로 설명한다.

먼저 도 5a 에 도시된 바와 같이, 1 단계는 절연층(44)이 형성된 기판(31)의 하면에 샌드 블라스팅 공정을 통하여 소정 깊이의 매니폴드(32)를 형성한 후, 2 단계로 상기 매니폴드(32)의 중심축 양측에 각각 대응되게 위치하도록, 기판(31)의 상면에 한쌍의 구동발열부(50,51)를 형성한다.

구동발열부(50,51)는 도 5b 에 도시된 바와 같이 기판(31)사의 절연층(44),발열저항체(33a,33b), 전극층(34) 및 보호층(35)을 순차적으로 적층하여 형성한다.여기서, 전극층(34)은 알루미늄이나 구리로 도금한 것을 사용하여, 발열저항체(33a,33b)상에 소정패턴의 식각부에 의해 그 상면이 노출되도록 적층 형성하며, 보호층(35)은 발열저항체(33a,33b)와 전극층(34)의 상면을 덮도록 적층한다.

3 단계는, 도 5c 에 도시된 바와 같이 건식에칭법을 사용하여 상기 기판(31)을 식각하여 매니폴드(32)와 연통하는 잉크공급로(36)를 형성하는 단계이다.

다음 4 단계는 도 5d 에 도시된 바와 같이, 상기 기판(31)상에 건식필름을 적층한 후 패터닝에 의해 잉크챔버 배리어(37)를 형성하는 단계이다. 여기서, 잉크챔버 배리어(37)는 액체 감광성 폴리머(Photo Definable Polymer)를 사용하여 형성할 수 있으며, 또한, 폴리머 노즐판에 접착층을 적층 후 건식에칭을 이용하여 형성 할 수도 있다.

다음 단계로써, 레이저 가공으로 노즐판(39)에 노즐홀(38a,38b)을 형성하고, 노즐홀(38a,38b)이 형성된 노즐판(39)을 열압착법으로 상기 잉크 챔버 배리어(37)의 상면에 본딩하는 단계를 거침으로써, 도 5e 에 도시된 바와같은 본 발명의 잉크젯 프린트 헤드의 제조가 완료된다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 잉크젯 프린트 헤드에 있어서, 기판에 건식 에칭법으로 잉크공급로를 형성하여, 잉크공급로의 폭을 줄임으로써, 단위 기판상에 다수의 잉크공급로와 이에 상응하는 노즐홀을 형성할 수 있고, 기판의 기계적 강도도 향상시킬 수 있다.

또한, 잉크 토출구조의 잉크공급로 위치를 변경하여 동일 잉크공급로를 갖는 한쌍의 노즐홀을 형성함으로써, 한쌍의 노즐이 잉크를 토출하는데 있어서 잉크 보충시간에 영향을 받지 않고 토출하게 됨으로써, 인쇄속도를 2배 또는 그 이상으로 향상시킬 수 있는 효과를 가져온다.

이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구 범위 기재의 범위내에 있게 된다.

Claims (10)

1. 잉크가 공급되는 잉크유로가 관통되도록 형성된 기판;

   상기 잉크유로의 출구 양측에 각각 대응적으로 위치하도록 상기 기판상에 마련되는 한쌍의 구동발열부;

   상기 한쌍의 구동발열부가 내재되며, 잉크가 충전되는 잉크챔버의 측벽을 형성하도록 상기 기판상에 적층되는 잉크챔버 배리어;

   상기 한쌍의 구동발열부의 상방에 각각 위치하도록 대응되게 배치되는 한쌍의 노즐홀을 가지고 상기 잉크챔버 배리어 상면에 적층되는 노즐판;을 포함하며,

   상기 기판의 하방부에 소정의 폭을 갖는 제 1 공동부를 이루도록 형성된 매니폴드와, 상기 잉크챔버와 매니폴드를 연통시키도록 상기 제 1 공동부보다 협소한 폭을 갖는 제 2 공동부가 관통 형성된 잉크공급로를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 잉크유로는 상기 한쌍의 구동발열부의 정중앙부에 위치하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 구동발열부는,

   상기 기판상에 절연층과 발열저항체가 순차적으로 적층형성되고, 상기 발열저항체상에는 소정패턴의 식각부에 의해 그 상면이 노출되도록 적층형성된 전극층과 상기 발열저항체와 전극층의 상면을 덮도록 적층되는 보호층을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 발열저항체의 평면외곽 형상은 원형과 사각형중에서 선택된 어느 하나의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 한쌍의 노즐홀은 120 내지 200㎛ 사이의 간격을 유지하도록 배치된 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 잉크챔버는 상기 잉크유로의 중심축과 직교하도록 절제된 단면의 외곽형상이 원형과 사각형중에서 선택된 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
8. 기판 하면에 샌드 블라스팅으로 소정 깊이의 매니폴드를 형성하는 제 1 단계;

   상기 기판의 상면에 한쌍의 구동발열부를 형성하는 제 2 단계;

   상기 매니폴드와 연통하는 잉크공급로를 형성하기 위하여 건식에칭으로 상기 기판을 식각하는 제 3 단계;

   상기 기판상에 건식필름을 적층한 후 패터닝에 의하여 잉크챔버 배리어를 형성하는 제 4 단계;

   레이저 가공으로 노즐판에 한쌍의 노즐홀을 형성하는 제 5 단계;

   상기 노즐판을 열압착법으로 상기 잉크챔버 배리어의 상면에 본딩하는 제 6 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서, 제 4 단계는,

   감광성 폴리머를 적층한 후 패터닝에 의하여 잉크챔버 배리어를 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
10. 제 8 항에 있어서, 제 4 단계는,

    폴리머 노즐판에 접착층을 적층후 건식에칭으로 잉크챔버 배리어를 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.

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