KR101032082B1 - 메탈 젯 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의하면, 메탈 젯 유닛은 용융금속이 채워지며, 상기 용융금속이 토출되는 토출구를 가지는 용융로; 상기 용융로 내에 설치되어 미세진동하며, 상기 토출구를 향하여 상기 용융금속을 가압하는 플런저를 가지는 엑츄에이터; 상기 용융로 내에 설치되어 상기 엑츄에이터를 미세진동시키는 압전소자를 포함한다. 상기 메탈 젯 유닛은 상기 압전소자를 감싸도록 설치되는 온도조절부재를 포함할 수 있다.
용융로, 플런저, 압전소자, 열전소자

Description

메탈 젯 유닛{METAL JET UNIT}
본 발명은 메탈 젯 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전소자를 구비하는 메탈 젯 유닛에 관한 것이다.
메탈 젯 유닛은 잉크젯 프린터의 원리로부터 발달된 것으로서, 용융된 금속 재료를 초미세 액체방울 형태로 적하시켜 3차원 구조체 등의 임의 형상물을 성형할 수 있다.
이 메탈 젯 유닛의 응용분야는 고도의 정밀성을 요구하는 초미세 반도체 회로나 초미세 PCB 회로 제작 및 나노 삼차원 부품이나 형상물 제작 등의 분야를 꼽을 수 있다.
이러한 메탈 젯 유닛은 용융금속의 토출속도 및 토출량의 제어가 매우 중요하며, 제어가 이루어지지 않을 경우, 3차원 임의 형상물의 조형시간이 오래 걸리며, 정밀하고 정확한 3차원 조형이 불가능한 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 토출속도 및 토출량을 정확하게 제어할 수 있는 메탈 젯 유닛을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 압전소자의 온도를 조절할 수 있는 메탈 젯 유닛을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명에 의하면, 메탈 젯 유닛은 용융금속이 채워지며, 상기 용융금속이 토출되는 토출구를 가지는 용융로; 상기 용융로 내에 설치되어 미세진동하며, 상기 토출구를 향하여 상기 용융금속을 가압하는 플런저를 가지는 엑츄에이터; 상기 용융로 내에 설치되어 상기 엑츄에이터를 미세진동시키는 압전소자를 포함한다.
상기 메탈 젯 유닛은 상기 압전소자를 감싸도록 설치되는 온도조절부재를 포함할 수 있다. 이때, 상기 온도조절부재는 단열부재일 수 있다.
또한, 상기 온도조절부재는 복수의 열전소자들; 그리고 상기 열전소자들을 연결하는 제1 및 제2 전열판을 포함하며, 상기 제1 전열판은 상기 압전소자와 열접촉하고, 상기 제2 전열판은 상기 용융금속과 열접촉할 수 있다.
상기 제1 전열판은 상기 압전소자의 열을 흡수하여 상기 압전소자를 냉각시키는 흡열판이며, 상기 제2 전열판은 열을 상기 용융금속에 방출하여 상기 용융금 속을 가열하는 방열판일 수 있다.
상기 메탈 젯 유닛은 상기 용융로 상에 설치되어 상기 용융금속을 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 용융금속의 토출속도 및 토출량을 정확하게 제어할 수 있다. 또한, 압전소자 및 용융금속의 온도를 미세하게 조절할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 1 내지 도 3을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 메탈 젯 유닛을 개략적으로 나타내는 도면이다. 용융금속은 용융로(110) 내에 용융된 상태로 채워지며, 용융금속은 용융로(110)의 측벽을 따라 설치된 히터(112)에 의해 가열되어 용융된 상태를 유지한다. 히터(112)는 다양한 금속 재료의 용융점에 대응할 수 있도록 비교적 고온영역의 온도(약 30도 내지 900도)로 용융로(110) 내부를 가열할 수 있다. 이때, 히터(112)의 둘레는 외부와의 단열처리를 위해 내화재로 둘러싸여진다.
용융로(110)의 하부에는 토출구(114a)를 가지는 노즐(114)이 형성된다. 액츄에이터(120)는 용융로(110) 내에 설치되며, 상하로 미세진동하여 용융금속을 토출시킨다. 용융금속은 토출구(114a)를 통해 용융로(110)의 외부로 토출된다.
액츄에이터(120)는 용융로(110) 내의 용융금속보다 높은 용융점을 가지는 세라믹 등의 제질로 제작되며, 열변형되지 않는다.
한편, 압전소자(140)는 전원공급에 의해 상하 진폭 운동하며, 액츄에이터(120)는 압전소자(140)의 진폭운동에 연동하여 상하 진폭 운동한다. 이때, 압전소자(140)는 용융로(110) 내에 설치되어 액츄에이터(120)에 인접하도록 배치된다. 따라서, 액츄에이터(120)와 압전소자(140) 사이에 간섭하는 물체가 없으므로, 액츄에이터(120)와 압전소자(140)의 진동을 대체로 일치시킬 수 있으며, 이와 같은 방법으로 액츄에이터(120)의 진동을 정확히 제어할 수 있다.
압전소자(140)에 의해 액츄에이터(120)가 상하로 미세진폭운동하면, 액츄에이터(120)의 하부에 설치된 플런저(122)가 노즐(114)의 토출구(114a)를 향해 용융로(110) 내의 용융금속을 반복적으로 가압하며, 이로 인해 용융금속은 노즐(114)의 토출구(114a)를 통해 하나의 도트씩 액체방울 형태로 토출되어 기판(W) 상에 적하된다. 이러한 과정은 제어컴퓨터(도시안함)에 의해 용융금속의 토출속도 및 적하 위치 등이 제어됨으로써 미세한 임의의 3차원 형상물이나 초미세 회로 등을 형성하게 한다.
진공펌프(116)는 용융로(110)의 내부를 진공상태로 유지하며, 압력조절 기(117)는 용융로(110) 내부에 소정의 압력이 가해져 용융금속이 노즐(114)의 토출구(114a)를 통하여 토출되도록 하기 위한 압력을 제공한다. 이때, 압력조절기(117)는 불활성 가스인 질소(N2)를 주입함으로써 용융로(110) 내부의 압력을 조절한다. 물론, 전술한 질소 가스 외에 아르곤 가스 등 기타 불활성 가스를 사용할 수 있다.
가변축(180)은 액츄에이터(120)의 상단에 연결되며, 가변축(180)의 둘레에는 나사산이 형성된다. 노브(170)는 가변축(180)의 둘레에 형성된 나사산에 체결된다. 나사산의 규격은 노브(170)를 회전시키면 1/1000의 범위까지 가변축(180)이 승하강될 수 있는 정도의 규격이면 족하며, 가변축(180)의 높이 조절에 의해 액츄에이터(120)의 높이가 조절되면 플런저(122)와 노즐(114) 사이의 간극이 조절된다.
한편, 일반적인 압전소자(140)는 비교적 고온에서는 동작하지 않는 특성을 가지므로, 용융로(110)로부터의 고열이 전달되지 않도록 압전소자(140)의 온도를 조절할 필요가 있다. 온도조절부재(160)는 압전소자(140)를 감싸도록 설치되며, 압전소자(140)가 용융로(110) 내에서 가열되는 것을 방지한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 온도조절부재(160)는 단열부재(adiabatic)일 수 있다. 따라서, 단열부재는 용융로(110) 내부의 열(또는 용융금속의 열)을 차단하여, 열이 압전소자(140)에 전달되는 것을 방지한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 온도조절부재(160)는 복수의 열전소자들을 구비하며, 펠티에 효과(Peltier effect)에 의해 압전소자(140)가 가열되는 것을 방지할 수 있다. 도 2는 도 1의 압전소자로부터 열이 전달되는 경로를 나타내는 도면이며, 도 3은 도 2의 열전소자를 나타내는 도면이다.
펠티에 효과란, 2개의 서로 다른 금속으로 된 회로에 전류가 흐를 때 한쪽 접합부는 냉각되고 다른 부위는 가열되는 현상을 의미하며, 이때 전류의 방향을 바꾸면 냉각과 가열이 바뀐다. 열전소자들(N,P)은 상하에 서로 나란하게 배치된 전열판(16,18)과 나란한 방향으로 배열되며, N형 소자(N)와 P형 소자(P)가 교대로 배치된다. N형 소자(N)와 P형 소자(P)는 제1 브리지(12) 및 제2 브리지(14)를 통해 서로 연결된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제1 브리지(12)는 열전소자들(N,P)의 상측에 연결되며, 제2 브리지(14)는 열전소자들(N,P)의 하측에 연결된다. 제1 브리지(12)의 일측에는 N형 소자(N)의 상단이 연결되며, 제1 브리지(12)의 타측에는 P형 소자(P)의 상단이 연결된다. 제1 브리지(12)의 타측에 연결된 P형 소자(P)의 하단은 제2 브리지(14)의 일측에 연결되며, 제2 브리지(14)의 타측에는 새로운 N형 소자(N)가 연결된다. 전열판(16,18)과 나란한 방향으로 교대로 배열된 열전소자들(N,P)은 제1 브리지(12) 및 제2 브리지(14)의 반복에 의하여 서로 연결된다.
앞서 본 바와 같이, 제1 브리지(12) 및 제2 브리지(14)는 펠티에 효과에 의해 냉각되거나 가열된다. 이때, 제1 브리지(12) 및 제2 브리지(14)가 쉽게 냉각되거나 가열되기 위해서는 열전달계수(heat transfer coeffcient)가 높은 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 좌측 끝단에 위치하는 N형 소자(N)의 하단은 좌측 단자(14a)에 연결되며, 우측 끝단에 위치하는 P형 소자(P)의 하단은 우측 단자(14b)에 연결된다. 좌측 단자(14a) 및 우측 단자(14b)에는 전원(19)이 연결된다. 따라서, 열전소자들(N,P)과 제1 및 제2 브리지(12, 14), 그리고 전원(19)은 하나의 폐회로를 형성한다. 이때, 전원(19)은 일방향으로 전류를 인가하는 직류(DC) 전원이 바람직하며, 전원(19)에 연결된 별도의 제어기(도시안됨)는 전원(19)으로부터 인가되는 전류의 방향을 시계방향 또는 반시계방향으로 전환하거나, 전류의 크기를 조절할 수 있다.
상부 전열판(16)은 제1 브리지(12)의 상부에 제공되며, 하부 전열판(18)은 제2 브리지(14)의 하부에 제공된다. 상부 전열판(16) 및 하부 전열판(18) 중 어느 하나는 압전소자(140)과 접하며, 압전소자(140)의 온도를 조절한다. 이때, 상부 전열판(16)과 하부 전열판(18)은 절연 재질일 수 있다.
한편, 상부 전열판(16) 및 하부 전열판(18)을 통하여 열전달이 이루어지므로, 상부 전열판(16) 및 하부 전열판(18)은 절연 재질임과 동시에 열전달계수가 높은 재질인 것이 바람직하다.
이하, 열전소자들을 통해 압전소자(140)의 온도를 조절하는 방법을 살펴보기로 한다. 이하에서는 상부전열판(16)이 압전소자(140)와 접하고 있는 것으로 설명한다.
먼저, 전원(19)으로부터 시계방향(화살표방향)으로 전류를 인가하면, 인가된 전류는 좌측 단자(14a)를 통하여 N형 소자(N)에 인가되고, 제1 브리지(12)를 통하 여 P형 소자(P)에 인가되며, 제2 브리지(14)를 통하여 N형 소자(N)에 인가된다. 이와 같은 일련의 동작을 통하여 전류는 흐른다.
제1 브리지(12)를 기준으로 볼 때, 전류는 N형 소자(N)로부터 P형 소자(P)로 흐르며, 펠티에 효과에 의해 제1 브리지(12)는 냉각된다. 제2 브리지(14)를 기준으로 볼 때, 전류는 P형 소자(P)로부터 N형 소자(N)로 흐르며, 펠티에 효과에 의해 제2 브리지(14)는 가열된다. 따라서, 제1 브리지(12)는 압전소자(140)의 열을 상부 전열판(16)을 통하여 흡수하며(실선방향), 제2 브리지(14)는 열을 하부 전열판(18)을 통하여 외부로 방출한다(실선방향). 따라서, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 압전소자(140)는 냉각됨과 동시에, 용융금속은 가열될 수 있다.
즉, 상술한 바에 의하면, 열전소자들을 이용하여 압전소자(140)를 냉각함과 동시에, 용융금속을 가열할 수 있다. 특히, 제어기를 이용하여 열전소자에 흐르는 전류의 크기를 조절함으로써 용융금속의 가열정도를 조절할 수 있으며, 용융금속의 온도를 감지한 후 전류의 크기를 조절하여 용융금속의 온도를 미세하게 조절할 수 있다.
본 발명을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 메탈 젯 유닛을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 압전소자로부터 열이 전달되는 경로를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 열전소자를 나타내는 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110 : 용융로 112 : 히터
114 : 노즐 116 : 진공펌프
117 : 압력조절기 118 : 불활성가스통
120 : 액츄에이터 122 : 플런저
140 : 압전소자 160 : 온도조절부재
170 : 노브 180 : 가변축

Claims (6)

  1. 용융금속이 채워지며, 상기 용융금속이 토출되는 토출구를 가지는 용융로;
    상기 용융로 내에 설치되어 미세진동하며, 상기 토출구를 향하여 상기 용융금속을 가압하는 플런저를 가지는 엑츄에이터;
    상기 용융로 내에 설치되어 상기 엑츄에이터를 미세진동시키는 압전소자; 및
    상기 압전소자를 감싸도록 설치되는 온도조절부재를 포함하고,
    상기 온도조절부재는 복수의 열전소자들 및 상기 열전소자들을 연결하는 제1 및 제2 전열판을 포함하며, 상기 제1 전열판은 상기 압전소자와 열접촉하고, 상기 제2 전열판은 상기 용융금속과 열접촉하는 것을 특징으로 하는 메탈 젯 유닛.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전열판은 상기 압전소자의 열을 흡수하여 상기 압전소자를 냉각시키는 흡열판이며,
    상기 제2 전열판은 열을 상기 용융금속에 방출하여 상기 용융금속을 가열하는 방열판인 것을 특징으로 하는 메탈 젯 유닛.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 메탈 젯 유닛은 상기 용융로 상에 설치되어 상기 용융금속을 가열하는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈 젯 유닛.
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