KR101239415B1 - 소형 연무질 분사 장치 및 연무질 분사 장치의 배열 - Google Patents

소형 연무질 분사 장치 및 연무질 분사 장치의 배열 Download PDF

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Abstract

다양한 연무화된 재료를 직접 프린팅하기 위한 소형 연무질 분사 장치 또는 소형 연무질 분사 장치들의 배열이 제공된다. 가장 흔히 사용되는 실시예에서, 연무질 유동은, 상응하는 부피 재료의 특성에 가까운 물리적, 광학적 및/또는 전기적 특성을 얻도록 열적으로 또는 광화학적으로 처리되는 패턴을 형성하면서 평면 또는 비-평면 대상물 상에 집중되고 증착된다. 본 장치는 외부 피복 유동과 내부 연무질 적재 캐리어 유동으로 이루어진 환형으로 전파되는 분사류를 형성하기 위하여 연무질 분사류 증착 헤드를 이용한다. 증착 헤드의 소형화로 인하여, 배열된 증착 헤드들의 제조 및 작동이 용이해지고 독립적으로 이동하고 증착할 수 있는 연무질 분사 장치의 배열의 구성 및 작동이 가능해진다. 배열된 연무질 분사 장치들은 증대된 증착률, 배열된 증착 및 다중-재료 증착을 제공한다.
연무질, 증착, 분사 장치, 피복 기체, 증착 헤드.

Description

소형 연무질 분사 장치 및 연무질 분사 장치의 배열{MINIATURE AEROSOL JET AND AEROSOL JET ARRAY}
본 출원은 2004년 12월 13일 출원되고 발명의 명칭이 "소형 연무질 분사 장치 및 연무질 분사 장치 배열"인 미국 가특허출원 번호 제60/635,847호와 2005년 4월 8일 출원되고 발명의 명칭이 "분무화 챔버 및 연무질 분사 장치 배열"인 미국 가특허출원 번호 제60/669,748호의 출원의 이익을 주장하며, 상기 출원의 명세서와 청구범위는 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명은 소형 연무질 분사 장치 또는 소형 연무질 분사 장치의 배열을 이용하는 다양한 연무질 재료의 직접 프린팅에 관한 것이다. 본 발명은 보다 일반적으로는, 평면의 또는 비평면의 표면에 대한 무마스크식 비접촉 프린팅에 관한 것이다. 본 발명은 또한 감열 대상물 상에 재료를 프린트하는 데에 사용되고, 대기 조건에서 수행되며, 마이크론 크기의 형상부들을 증착(deposition)할 수 있다.
본 발명은 대상물에 재료를 증착하기 위한 증착 헤드 조립체이며, 상기 증착 헤드 조립체는, 재료를 포함하는 연무질을 운반하기 위한 채널, 증착 헤드 내로 피복 기체(sheath gas)를 도입하기 위한 하나 이상의 유입구, 상기 유입구에 연결된 제1 챔버, 연무질을 피복 기체와 결합하여 내부 연무질 유동을 둘러싸는 외부 피복 유동을 가지는 환형 제트를 형성하기 위한 상기 채널의 출구에 가까운 구역, 그리고 연신 노즐(extended nozzle)을 포함하는 증착 헤드를 포함한다. 상기 증착 헤드 조립체는 바람직하게는 약 1 cm 미만의 직경을 가진다. 유입구들은 바람직하게는 채널 주위에 원주 형태로 배열되어 있다. 상기 구역은 선택적으로 제2 챔버를 포함한다.
제1 챔버는 선택적으로는 증착 헤드의 외부에 위치하고, 피복 기체가 연무질과 결합하기 전에 채널 주위로 원통형으로 대칭인 피복 기체 압력의 분포를 발생시킨다. 제1 챔버는 바람직하게는, 피복 기체가 연무질과 결합되기 전에 채널 주위로 원통형으로 대칭인 피복 기체 압력의 분포를 발생시킬 만큼 충분히 길다. 증착 헤드 조립체는 선택적으로, 제1 챔버로부터 피복 기체를 수용하기 위한 제3 챔버를 추가로 포함할 수 있는데, 상기 제3 챔버는 피복 기체가 연무질과 결합되기 전에 채널 주위로 피복 기체 압력의 원통형으로 대칭인 분포를 발생시키는 데에 있어서 제1 챔버를 보조한다. 제3 챔버는 바람직하게는, 채널 주위에 원주 형태로 배열되고 채널에 평행한 복수의 통로들에 의하여 제1 챔버에 연결된다. 증착 헤드 조립체는 바람직하게는, 대상물에 대하여 상대적으로 증착 헤드를 병진 이동시키거나 기울어지게 하기 위한 하나 이상의 액추에이터를 포함한다.
본 발명은 또한 대상물에 재료를 증착하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는, 재료를 포함하는 연무질을 운반하기 위한 복수의 채널, 상기 채널을 둘러싸는 피복 기체 챔버, 연무질을 피복 기체와 결합하여 각각의 채널을 위한 환형 제트를 형성하기 위한 각각의 채널의 출구에 가까운 구역, 내부 연무질 유동을 둘러싸는 외부 피복 유동을 포함하는 제트, 각각의 채널에 대응하는 연신 노즐을 포함한다. 상기 복수의 채널은 바람직하게는 배열된 장치를 형성한다. 연무질은 선택적으로 공통의 챔버로부터 채널 각각으로 들어간다. 연무질은 바람직하게는 적어도 하나의 채널에 개별적으로 공급된다. 제2의 연무화된 재료가 적어도 하나의 채널에 선택적으로 공급된다. 적어도 하나의 채널에서의 연무질 질량 유량(mass flow rate)은 바람직하게는 개별적으로 제어 가능하다. 상기 장치는 바람직하게는, 대상물에 대하여 하나 이상의 채널과 연신 노즐을 병진 이동시키거나 기울이기 위한 하나 이상의 액추에이터를 포함한다.
상기 장치는 바람직하게는, 재료를 유지하기 위한 원통형 챔버, 상기 챔버의 바닥에 배치된 얇은 폴리머 필름, 챔버를 수용하고 필름을 통하여 초음파 에너지를 위로 향하게 하는 초음파 조(bath), 캐리어 가스를 상기 챔버로 도입하기 위한 캐리어 관, 그리고 연무질을 복수의 채널로 운반하기 위한 하나 이상의 채취관(pickup tube)을 구비하는 분무 장치(atomizer)를 추가로 포함한다. 캐리어 관은 바람직하게는 하나 이상의 개구를 포함한다. 상기 장치는 바람직하게는, 재료의 큰 액적들을 재활용하기 위하여 상기 관에 부착된 깔때기를 추가로 포함한다. 복수의 채널들로 운반된 재료를 대체하기 위하여 추가적인 재료들이 선택적으로 연속하여 분무 장치에 공급된다.
본 발명의 목적은 대상물에 재료를 증착하기 위한 소형 증착 헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 이점은, 소형 증착 헤드들이 조밀한 배열 구조 내로 쉽게 포함될 수 있어서 다수의 증착이 평행하게 수행될 수 있고 그에 따라서 증착 시간을 크게 줄일 수 있다는 것이다.
본 발명의 다른 목적, 이점 및 새로운 특징 및 다른 적용 범위는 첨부된 도면과 함께 후속하는 발명의 상세한 설명에 제공될 것이고, 부분적으로는 후속하는 내용에 기초하여 기술분야에서 숙련된 자에게 명백하거나 발명의 실시로부터 습득될 수 있을 것이다. 본 발명의 목적 및 이점은 첨부된 청구범위에서 구체적으로 적시된 수단 및 조합에 의하여 실현되고 달성될 수 있다.
본 명세서에 포함되고 명세서의 일부를 이루는 첨부된 도면은 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 몇 개의 실시예를 나타내며 본 발명의 원리를 설명해 준다. 도면들은 단지 발명의 바람직한 실시예의 예시의 목적으로 제공된 것이지 발명을 제한하려는 것이 아니다. 도면들은 다음과 같다:
도 1a는 본 발명의 소형 증착 헤드의 단면도이다.
도 1b는 여섯 개의 균일한 간격으로 배치된 채널들로부터 피복 기체를 도입하는 다른 소형 증착 헤드의 등척도와 단면도이다.
도 1c는 수반하는 외부 피복 플리넘 챔버(plenum chamber)를 구비한 도 1b의 증착 헤드의 등척도와 단면도이다.
도 1d는 증착 헤드의 축을 따라서 뻗는 관으로부터 연무질과 피복 기체를 도입하는 증착 헤드 구성의 등척도와 단면도이다.
도 1e는 내부 플리넘 챔버를 사용하고 헤드를 장착 조립체에 연결하는 포트를 통하여 피복 공기를 도입하는 증착 헤드 구성의 등척도와 단면도이다.
도 1f는 가장 높은 수준의 소형화를 위한, 플리넘 챔버를 사용하지 않는 증착 헤드의 등척도와 단면도이다.
도 2는 이동 가능한 받침대(gantry) 상에 설치된 하나의 소형 증착 헤드의 개략도이다.
도 3은 소형 증착 헤드를 표준 M3D? 증착 헤드와 비교하여 도시한 도면이다.
도 4a는 다중 헤드 설계를 나타내는 개략도이다.
도 4b는 개별적으로 공급되는 노즐들을 구비한 다중 헤드 설계를 나타내는 개략도이다.
도 5a는 헤드가 두 개의 직교하는 축 주위로 기울어질 수 있게 되어 있는 구성에서의 소형 연무질 분사 장치를 도시하는 도면이다.
도 5b는 피에조-구동 소형 연무질 분사 장치의 배열을 도시하는 도면이다.
도 6은 소형 연무질 분사 장치의 배열과 함께 사용되는 분무 장치 조립체의 절단된 사시도이다.
개 요
본 발명은 일반적으로 액체 및 액체-입자 서스펜션을 공기역학적으로 집속(focusing)시켜, 고-해상도로 무마스크 증착을 하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 가장 흔히 사용되는 실시예에서, 연무질 유동은, 상응하는 부피 재료의 특성에 가까운 물리적, 광학적 및/또는 전기적 특성을 얻도록 열적으로 또는 광화학적으로 처리되는 패턴을 형성하면서 평면 또는 비-평면 대상물 상에 집속되어 증착된다. 이 프로세스는 M3D? 즉, 무마스크 중간 규모 재료 증착(Maskless Mesoscale Material Deposition)으로 불리며, 통상적인 두꺼운 필름 프로세스로 증착되는 라인보다 작은 크기 차(order)수의 라인폭으로 연무질 재료를 증착하는 데에 사용된다. 증착은 마스크를 사용하지 않으면서 수행된다. 중간 규모라는 용어는 대략 1 마이크론 내지 1 밀리미터의 크기를 말하며, 통상적인 얇은 필름 및 두꺼운 필름 프로세스로 증착된 형상들 사이의 범위를 포함한다. 또한, 프로세스 후 레이저 처리를 이용하면, M3D? 프로세스는 1 마이크론 만큼 작은 폭을 가지는 라인을 형성할 수 있다.
M3D? 장치는 바람직하게는 외부 피복 유동과 내부의 연무질을 적재한 캐리어 유동으로 이루어지는 환형 전파 제트를 형성하기 위하여 연무질 제트 증착 헤드를 사용한다. 환형 연무질 분사 프로세스에서, 연무질 유동은 바람직하게는 연무질화 프로세스 직후에 또는 가열기 조립체를 통과한 후에 증착 헤드로 들어가고 장치의 축을 따라 증착 헤드 오리피스로 향한다. 질량 처리량은 바람직하게는 연무질 캐리어 가스 질량 유동 제어기에 의하여 제어된다. 증착 헤드 내에서 연무질 유동은 바람직하게는, 밀리미터-크기 오리피스를 통과함으로써 먼저 조준(collimation)된다. 그 후에, 생성된 입자 스트림(emergent particle stream)은 바람직하게는 환형 피복 기체와 결합된다. 캐리어 가스와 피복 기체는 가장 흔하게는 압축 가스와 비활성 가스를 포함하고, 그 중 하나 또는 둘 모두는 변경된 용매 증기 내용물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연무질이 수성 용액으로부터 형성되었다면, 액적 증발을 막기 위해서 수증기가 캐리어 가스나 피복 기체에 첨가될 수 있다.
피복 기체는 바람직하게는 연무질 유입구 아래의 피복 공기 유입구를 통하여 들어가서 연무질 유동과 함께 환형 유동을 형성한다. 연무질 캐리어 가스의 경우와 같이, 피복 기체 유동률은 바람직하게는 질량 유동 제어기에 의하여 제어된다. 결합된 유동은 대상물을 향하는 오리피스를 통하여 연신 노즐을 빠져나간다. 이러한 환형 유동은 연무질 유동을 대상물에 집중시키고, 대략 5 마이크론 만큼 작은 치수의 형상부의 증착을 가능하게 한다.
M3D? 방법에서는, 일단 피복 기체가 연무질 유동과 결합되면, 유동은 밀리미터 이하의 라인폭을 증착하기 위해서 한 개를 넘는 개수의 오리피스를 통과할 필요는 없다. 10 마이크론 라인의 증착에서, M3D? 방법은 보통 대략 250의 유동 직경 수축을 달성하지만, 이러한 "단일-스테이지" 증착에 대하여 1000을 넘는 수축을 수행할 수도 있다. 축방향 수축기(constrictor)가 사용되지 않고, 유동은 보통 초음속 유동 속도에 도달하지 않으며, 그에 따라서 잠재적으로는 유동의 완전한 수축에 이를 수도 있는 난류의 형성을 방지한다.
연신 노즐을 증착 헤드에 부착함으로써 개선된 증착 특성이 얻어진다. 바람직하게는 공기식 피팅과 조이는 너트를 사용함으로써 노즐은 증착 헤드의 하부 챔버에 부착되고 바람직하게는 약 0.95 내지 1.9 센티미터의 길이를 가진다. 노즐은 생성된 스트림의 직경을 줄이고 노즐 출구 위의 약 3 내지 5 밀리미터의 거리에서 노즐 오리피스 직경의 일 부분으로 유동을 조준한다. 노즐의 오리피스 직경의 크기는 증착되는 재료의 원하는 라인폭의 범위에 따라서 선택된다. 출구 오리피스는 약 50 내지 500 마이크론 범위의 직경을 가질 수 있다. 증착된 라인폭은 오리피스 직경 크기의 대략 이십분의 일만큼 작거나 오리피스 직경 만큼 클 수 있다. 또한, 분리가능한 연신 노즐의 사용으로 인하여, 동일한 증착 장치를 사용하고도, 증착되는 구조의 크기는 수 마이크론 만큼 작은 크기로부터 수분의 일 밀리미터의 큰 크기까지 다양해질 수 있다. 생성된 스트림의 직경(그리고 그에 따른 증착물의 라인폭)은 출구 오리피스 크기, 캐리어 가스 유동률에 대한 피복 기체 유동률의 비, 그리고 오리피스와 대상물 사이의 거리에 의하여 제어된다. 증착 헤드의 몸체 내로 기계 가공된 연신 노즐의 사용으로 개선된 증착이 또한 얻어질 수 있다. 이러한 연신 노즐의 보다 상세한 설명은 공동으로 소유한 2004년 12월 13일에 출원되고 발명의 명칭이 "연신 노즐을 이용한 환형 연무질 제트 증착"인 미국 특허 출원 제11/011,366호에 나타나 있으며, 상기 출원의 내용은 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.
많은 적용예에서는, 다수의 증착 헤드로부터 증착을 수행하는 것이 유리하다. 단위 면적당 노즐의 개수를 늘리기 위한 소형 증착 헤드를 사용함으로써 직접 프린팅 용도를 위한 다수의 증착 헤드의 사용이 용이해질 수 있다. 소형 증착 헤드는 바람직하게는, 표준 증착 헤드와 유사한 구성으로 연무질과 피복 기체 사이에 환형 유동이 형성된다는 점에서 표준 헤드와 동일한 기본 내부 형상을 포함한다. 또한, 증착 헤드의 소형화로 인하여 증착 헤드가 이동식 받침대(gantry)에 설치되어 재료를 정지된 대상물에 증착하는 직접 쓰기 프로세스(direct write process)가 용이하게 된다.
소형 연무질 분사 증착 헤드와 분사 장치의 배열
M3D? 증착 헤드의 소형화로 인하여 크기의 일 차수(order) 이상으로 장치의 무게를 줄일 수 있고 그에 따라서 이동식 받침대의 장착 밑 이동을 용이하게 할 수 있다. 소형화는 또한 배열된 증착 헤드의 제조 및 작동을 용이하게 하고 독립적으로 움직여서 증착할 수 있는 연무질 분사 장치의 구성 및 작동을 가능케 한다. 배열된 연무질 분사 장치들은 증착률을 증가시키고 배열된 증착과 다중-재료 증착을 제공한다. 또한, 배열된 연무질 분사 장치들은 고해상도의 직접 쓰기 용도를 위한 증가된 노즐 농도에 적합하고 특정한 증착 용도를 위한 맞춤 분사 간격과 구성으로 제조될 수 있다. 노즐 구성은 선형, 직사각형, 원형, 다각형 및 다양한 비선형 장치들을 포함하지만, 이러한 형태의 장치들로만 제한되는 것은 아니다.
소형 증착 헤드는 표준 증착 헤드와 동일하지는 않아도 유사하게 작동하지만, 직경은 더 큰 유닛의 직경의 대략 5분의 1이다. 따라서 소형 증착 헤드의 직경 또는 폭은 바람직하게는 약 1 cm이나, 이보다 더 작거나 클 수도 있다. 본 명세서에 설명되는 수 개의 실시예들은 피복 기체 유동을 연무질 유동과 결합하는 방법 뿐만 아니라, 피복 기체를 증착 헤드 내에 도입하고 분포시키는 다양한 방법도 개시한다. 증착 헤드 내에서의 피복 기체의 전개는 시스템의 증착 특성에 매우 중요하며, 분사된 연무질 유동의 최종 폭과 주된 증착물의 경계 위로 증착된 위성 액적의 양 및 분포를 결정하고, 오리피스의 벽과 연무질을 적재한 캐리어 가스 사이의 장벽을 형성함으로써 출구 오리피스의 막힘(clogging)을 최소화한다.
소형 증착 헤드의 단면이 도 1a에 도시된다. 연무질을 적재한 캐리어 가스가 연무질 포트(102)를 통하여 증착 헤드로 들어가고 장치의 축 방향으로 안내된다. 비활성 피복 기체가 상부 플리넘 챔버(104)에 연결된 포트를 통해서 측방으로 증착 헤드로 들어간다. 플리넘 챔버는 증착 헤드의 축을 중심으로 피복 기체 압력의 원통형으로 대칭인 분포를 생성한다. 피복 기체는 원추형의 하부 플리넘 챔버(106)로 유동하고, 결합 챔버(108)에서 연무질 유동과 결합하여 내부 연무질 적재 캐리어 가스 유동과 외부 비활성 피복 기체 유동으로 이루어진 환형 유동을 형성한다. 환형 유동은 연신 노즐(110)을 통하여 전파되고 노즐 오리피스(112)에서 빠져나간다.
도 1b는 균일한 간격으로 배치된 여섯 개의 채널로부터 피복 기체가 도입되는 다른 실시예를 도시한다. 이러한 구성은 도 1a에 도시된 증착 헤드의 내부 플리넘 챔버들을 포함하지 않는다. 피복 기체 채널(114)은 바람직하게는 장치의 축 주위로 균일한 간격으로 배치된다. 이러한 설계로 인하여 증착 헤드(124)의 크기를 줄일 수 있고 장치를 보다 용이하게 제작할 수 있다. 피복 기체는 증착 헤드의 결합 챔버(108)에서 연무질 캐리어 가스와 결합한다. 이전의 설계에서처럼, 결합된 유동은 연신 노즐(110)로 들어가서 노즐 오리피스(112)로부터 빠져나온다. 이러한 증착 헤드는 플리넘 챔버를 포함하지 않으므로, 피복 기체 압력의 원통형으로 대칭적인 분포는 바람직하게는 피복 기체가 증착 헤드 내로 분사되기 전에 형성된다. 도 1c는 외부 플리넘 챔버(116)를 사용하여 필요한 피복 기체 압력 분포를 생성하는 구성을 도시한다. 이러한 구성에서, 피복 기체는 플리넘 챔버의 측면에 위치한 포트(118)로부터 플리넘 챔버에 들어가고 피복 기체 채널(114)을 향하여 상방으로 유동한다.
도 1d는 증착 헤드의 축을 따라서 연장되는 배관으로부터 연무질과 피복 기체를 도입하는 증착 헤드 구성의 등척도 및 단면도이다. 이러한 구성에서는, 피복 기체를 헤드의 축 상에서 중앙에 위치한 디스크(122)의 바람직하게는 균일한 간격으로 배치된 구멍(120)들을 통하여 통과시킴으로써 원통형으로 대칭인 압력 분포가 얻어진다. 그런 다음 피복 기체는 결합 챔버(108)에서 연무질 캐리어 가스와 결합된다.
도 1e는 내부 플리넘 챔버들을 이용하고 바람직하게는 헤드를 장착 조립체에 연결시키는 포트(118)를 통하여 피복 공기를 도입하는 본 발명의 증착 헤드 구성의 등척도 및 단면도이다. 도 1a의 구성과 마찬가지로, 피복 기체는 상부 플리넘 챔버(104)로 들어가고 난 다음, 결합 챔버(108)로 유동하기 전에 하부 플리넘 챔버(106)로 유동한다. 그러나, 이 경우, 상부 및 하부 플리넘 챔버들 사이의 거리가 감소되어 증착 헤드의 추가적인 소형화가 가능하다.
도 1f는 가장 높은 수준의 소형화를 위하여, 플리넘 챔버를 사용하지 않는 증착 헤드의 등척도 및 단면도이다. 연무질은 연무질 관(102)의 개구를 통하여 피복 기체 챔버(210)로 들어간다. 피복 기체는, 선택적으로 연무질 관(102)에 수직으로 배치된 입력 포트(118)를 통하여 헤드로 들어가고 연무질 관(102)의 저부에서 연무질 유동과 결합한다. 연무질 관(102)은 부분적으로 또는 완전히 피복 기체 챔버(210)의 저부로 연장된다. 피복 기체 챔버(210)의 길이는, 피복 기체 유동과 연무질 유동이 합쳐지기 전에 피복 기체의 유동이 연무질 유동과 대체로 평행하여 그에 의하여 바람직하게는 원통형으로 대칭적인 피복 기체 압력 분포가 생성되는 것을 보장할 만큼 충분히 길어야 한다. 그러면 피복 기체는 피복 기체 챔버(210)의 저부 또는 저부 근처에서 연무질 캐리어 가스와 결합되고 결합된 가스 유동은 수축 노즐(220)에 의하여 연신 노즐(230)로 향하게 된다.
도 2는 이동식 받침대(126)에 설치된 하나의 소형 증착 헤드(124)를 개략적으로 도시한다. 바람직하게는, 시스템은 정렬 카메라(128)와 가공 레이저(130)를 포함한다. 가공 레이저는 광섬유 레이저(fiber-based laser)일 수 있다. 이러한 구성에서, 인식과 정렬, 증착, 및 레이저 가공은 순차적으로 수행된다. 이러한 구성은 M3D? 시스템의 증착 및 프로세싱 모듈의 무게를 크게 줄이고, 중간 규모(mesoscale) 구조부의 마스크 없는 비접촉식 프린팅의 문제에 대한 저렴한 해결책을 제공한다.
도 3은 표준적인 M3D? 증착 헤드(132)와 소형 증착 헤드(124)를 나란히 도시한다. 소형 증착 헤드(124)는 표준 증착 헤드(132) 직경의 약 5분의 1이다.
증착 헤드의 소형화는 다중 헤드(multiplexed head) 설계의 제조를 가능하게 한다. 그러한 장치가 도 4a에 개략적으로 도시된다. 이러한 구성에서, 장치는 단일 체로 되어 있고, 연무질 유동은 연무질 가스 포트(102)를 통하여 연무질 플리넘 챔버(103)로 들어가고 그 다음에 열 개의 헤드의 배열 장치로 들어간다. 그러나 헤드는 어떠한 개수도 될 수도 있다. 피복 기체 유동은 적어도 하나의 피복 기체 포트(118)를 통하여 피복 플리넘 챔버(105)로 들어간다. 이러한 단일체의 구성에서, 헤드는 배열된 방식으로 하나의 재료를 동시에 증착한다. 단일체의 구성은 고정된 대상물에 대하여 2-축 받침대 상에 설치될 수 있다. 또는 시스템은 단일축 받침대에 설치되고 대상물은 받침대의 이동에 직교하는 방향으로 공급되도록 할 수 있다.
도 4b는 다중 헤드를 위한 두번째 구성을 도시한다. (어느 하나 또는 두 개의 치수 패턴으로 어떠한 개수의 노즐도 배열될 수 있지만) 도면은 열 개의 선형으로 배열된 노즐을 도시하며, 각각의 노즐은 개별 연무질 포트(134)에 의하여 공급을 받는다. 이러한 구성은 각각의 노즐 사이에 균일한 질량 유동을 고려한 것이다. 공간적으로 균일한 분무 공급원이 제공되었을 때, 각각의 노즐로 운반되는 연무질의 양은 유동 제어기 또는 유동 제어기들의 질량 유량에 달려 있고 배열에서의 노즐의 위치와는 상관이 없다. 도 4b의 구성은 또한 단일 증착 헤드로부터 한 가지를 초과하는 재료를 증착하는 것을 감안한 것이다. 이러한 서로 다른 재료들은 선택적으로 동시에 증착되거나 어떠한 원하는 패턴 또는 순서로 연속적으로 증착될 수 있다. 그러한 적용례에서, 서로 다른 재료는 각각의 재료로 운반되는데, 각각의 재료는 동일한 분무 장치 및 제어기에 의하여, 또는 개별적인 분무 장치들과 제어기들에 의하여 분무화되고 운반될 수 있다.
도 5a는 헤드가 두 개의 직교하는 축 주위로 기울어질 수 있는 구성으로 된 소형 연무질 분사 장치를 도시한다. 도 5b는 피에조-구동식 소형 연무질 분사 장치의 배열을 도시한다. 이러한 배열은 하나의 축을 따라서 병진 이동할 수 있다. 연무질 분사 장치는 바람직하게는 만곡 장착부(flexure mountings)에 의하여 브래킷에 부착된다. 헤드들은 피에조 전기 액추에이터를 이용하여 측방향 힘을 가하거나, 대안적으로는 하나 또는 그 이상의 (바람직하게는 두 개의) 갈바노미터를 작동시킴으로써 기울어진다. 연무질 플리넘(aerosol plenum)은 각각이 개별 증착 헤드에 대한 공급을 담당하는 관들의 다발로 대체될 수 있다. 이러한 구성에서 연무질 분사 장치들은 독립적인 증착을 수행할 수 있다.
연무질 분사 장치 배열을 위한 분무 장치 챔버
연무질 분사 장치 배열은 표준적인 M3D? 시스템에 사용되는 분무 장치와는 상당히 다른 분무 장치를 필요로 한다. 도 6은 열 개 이상의 배열되거나 배열되지 않은 노즐들에 연무질화된 분무를 공급하기에 충분한 용량을 가지는 분무 장치를 절단하여 나타내는 도면이다. 분무 장치 조립체는 분무 장치 챔버(136), 바람직하게는, 유리하게는 캡톤(Kapton?)을 포함하는 얇은 폴리머 필름이 저부에 배치된 유리 실린더를 포함한다. 분무 장치 조립체는, 바람직하게는, 초음파 에너지가 필름을 통하여 상방으로 향하도록 초음파 분무 장치 조(bath) 내부에 설치되다. 이러한 필름은 초음파 에너지를 기능성 잉크로 전달하고, 기능성 잉크는 분무화되어 연무질을 생성한다.
바람직하게는 분무 장치 챔버(136) 내에 봉쇄 깔때기(138)가 중앙에 배치되 고 캐리어 가스 포트(140)에 연결되며, 캐리어 가스 포트(140)는 바람직하게는 분무 장치 챔버(136)의 상부 밖으로 연장되는 중공관을 포함한다. 포트(140)는 바람직하게는, 캐리어 가스가 챔버(136) 내로 들어갈 수 있게 하는, 깔때기(138) 바로 위에 위치한 하나 이상의 슬롯 또는 노치(200)를 포함한다. 깔때기(138)는 분무화 중에 형성된 큰 액적을 억제하여 액적들이 관을 따라서 조(bath)로 하향 이동하여 재활용될 수 있게 한다. 더 작은 액적들은 캐리어 가스 중에 부유 상태로 동반되고, 분무 장치 조립체로부터의 연무질이나 분무로서, 바람직하게는 깔때기(138) 주위에 설치된 하나 이상의 채취관(pickup tube)(142)을 통하여 운반된다.
분무 장치 조립체에 대한 연무질 출력의 개수는 바람직하게는 가변적이고 다중-노즐 배열의 크기에 달려 있다. 분무 장치 챔버(136)의 상부에는 바람직하게는 밀봉부로서 개스킷 재료가 배치되고, 개스킷 재료는 바람직하게는 두 개의 금속 부분들 사이에 끼워진다. 개스킷 재료는 채취관(142)과 캐리어 가스 포트(140) 주위에 밀봉부를 형성한다. 분무화되어야 하는 재료의 원하는 분량이 일괄 작동(batch operation)을 위해 분무화 조립체에 놓일 수 있지만, 재료는, 바람직하게는 주사기 펌프(syringe pump)와 같은 장치에 의하여, 바람직하게는 상기 개스킷 재료 내의 하나 이상의 구멍을 통하도록 배치된 하나 이상의 재료 유입구를 통하여 분무화 조립체로 연속적으로 공급될 수도 있다. 공급률은 바람직하게는 재료가 분무 장치 조립체로부터 제거되는 속도와 같고, 그에 따라서 분무화 챔버 내의 잉크 또는 다른 재료의 일정한 체적을 유지할 수 있다.
셔터링(shuttering)과 연무질 출력 균형
소형 분사 장치 또는 소형 분사 장치 배열의 셔터링은 연무질 가스 투입관에 배치된 핀치 밸브(pinch valve)를 사용하여 수행할 수 있다. 작동되었을 때에, 핀치 밸브는 관을 수축시키고 증착 헤드로의 연무질의 유동을 차단한다. 핀치 밸브가 개방되었을 때에, 헤드로의 연무질 유동이 재개된다. 핀치 밸브 셔터링 장치는 셔터링 성능을 유지하는 동안 노즐이 움푹 들어간 형상부 내로 하강하여 그러한 형상부 내에 증착을 할 수 있게 한다.
또한, 다중 노즐 배열의 작동 시에, 개별 노즐로부터의 연무질 출력의 균형이 필요할 수 있다. 연무질 출력 균형은, 노즐들의 상대적인 연무질 출력을 수정하여 각각의 노즐로부터 균일한 질량 플러스를 제공할 수 있도록 개별 노즐로 향하는 연무질 투입관을 수축시킴으로써 달성된다.
소형 연무질 분사 장치 또는 연무질 분사 장치 배열을 수반하는 용도는, 대영역 프린팅, 배열된 증착, 다중-재료 증착 및 4/5 축 운동을 이용한 3차원 물체로의 정각 프린팅(conformal printing)을 포함하나, 이러한 예에 한정되는 것은 아니다.
특정한 바람직하거나 대안적인 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 관련되는 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 후속하는 청구항들의 범위 및 본질에서 벗어나지 않고 다양한 변경 및 개선이 이루어질 수 있고 다른 실시예들도 동일한 결과를 달성할 수 있다는 것을 알 것이다. 앞서 개시된 다양한 구성은 독자에게 바람직하고 대안적인 실시예들을 가르치기 위한 것이며, 본 발명이나 청구항들의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 본 발명의 변형예나 변경 형태는 기술분 야에서 숙련된 자에게 명백할 것이며, 본 발명은 그러한 모든 변경 형태나 동등물을 포함하는 것이다. 앞서 인용된 모든 특허 문헌이나 간행물의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

Claims (31)

  1. 대상물에 재료를 증착(deposition)하기 위한 증착 헤드 조립체로서, 증착 헤드를 포함하고,
    상기 증착 헤드는,
    상기 증착 재료를 포함하는 연무질(aerosol)을 반송하기 위한 채널;
    피복 기체(sheath gas)를 상기 증착 헤드 내로 도입하기 위한 하나 이상의 유입구;
    상기 유입구에 연결되는 제1 챔버;
    상기 채널의 출구에 근접하며, 상기 연무질을 상기 피복 기체로 둘러싸서 내부 연무질 유동을 둘러싸는 외부 피복 유동을 포함하는 환형 분사류(jet)를 형성하기 위한 구역(region); 및
    상기 환형 분사류를 반송하고 상기 환형 분사류의 직경을 감소시키기 위해, 상기 구역으로부터 연장된 연신 노즐(extended nozzle)을 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 헤드 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 직경이 1 cm 미만인 것을 특징으로 하는 증착 헤드 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유입구는 상기 채널 주위에 원주 형태로 배치된 것을 특징으로 하는 증착 헤드 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 구역은 제2 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 헤드 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 챔버는 상기 증착 헤드의 외측에 위치하고, 상기 제1 챔버는 상기 피복 기체가 상기 연무질과 결합되기 전에 상기 채널 주위로 피복 기체 압력의 원통형으로 대칭적인 분포를 발생시키는 것을 특징으로 하는 증착 헤드 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 챔버는, 상기 피복 기체가 상기 연무질과 결합되기 전에 상기 채널 주위로 피복 기체 압력의 원통형으로 대칭적인 분포를 발생시킬만큼 충분히 긴 것을 특징으로 하는 증착 헤드 조립체.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 챔버로부터 피복 기체를 수용하기 위한 제3 챔버를 추가로 포함하고,
    상기 제3 챔버는 상기 피복 기체가 상기 연무질과 결합되기 전에 상기 채널 주위로 피복 기체 압력의 원통형으로 대칭적인 분포를 발생시키는 데에 있어서 상기 제1 챔버를 보조하는 것을 특징으로 하는 증착 헤드 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제3 챔버는, 상기 채널과 평행하고 상기 채널 주위에 원주 형태로 배치된 복수의 통로들에 의하여 상기 제1 챔버와 연결되는 것을 특징으로 하는 증착 헤드 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 대상물에 대하여 상기 증착 헤드를 병진 이동시키거나 기울이기 위한 하나 이상의 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 헤드 조립체.
  10. 대상물에 재료를 증착하기 위한 장치로서,
    상기 증착 재료를 포함하는 연무질을 반송하기 위한 복수의 채널,
    상기 채널을 둘러싸는 피복 기체 챔버,
    상기 채널들 각각의 출구에 근접하며, 상기 연무질을 상기 피복 기체로 둘러싸서 각각의 채널에 대하여 내부 연무질 유동을 둘러싸는 외부 피복 유동을 포함하는 환형 분사류(jet)를 형성하기 위한 구역(region), 및
    상기 구역으로부터 연장된 다수의 연신 노즐로서, 그 각각이 상기 채널들 각각에 대응하며 각각의 상기 환형 분사류를 반송하고 각각의 상기 환형 분사류의 직경을 감소시키는 다수의 연신 노즐를 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 복수의 채널들은 배열 구조(array)를 형성하는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 연무질은 공통의 챔버로부터 상기 채널들 각각으로 들어가는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 연무질은 상기 채널들 중 적어도 하나에 개별적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  14. 제13항에 있어서, 제2의 연무화된 재료가 상기 채널들 중 적어도 하나에 공급되는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 채널들 중 적어도 한 채널에서의 연무질 질량 유량(mass flow rate)은 개별적으로 제어 가능한 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  16. 제10항에 있어서, 상기 채널들 중 하나 이상과 연신 노즐들을 상기 대상물에 대하여 병진 이동시키거나 기울이기 위한 하나 이상의 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  17. 제10항에 있어서, 분무 장치(atomizer)를 추가로 포함하고,
    상기 분무 장치는,
    상기 재료를 유지하기 위한 원통형 챔버;
    상기 챔버의 저부에 배치된 얇은 폴리머 필름;
    상기 챔버를 수용하고 상기 필름을 통하여 초음파 에너지를 상방으로 보내기 위한 초음파 조(ultrasonic bath);
    캐리어 가스를 상기 챔버 내로 도입하기 위한 캐리어 관; 및
    상기 연무질을 상기 복수의 채널로 운반하기 위한 하나 이상의 채취관(pickup tube)을 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 캐리어 관은 하나 이상의 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  19. 제17항에 있어서, 재료의 큰 액적을 재순환시키기 위하여 상기 관에 부착된 깔때기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  20. 제17항에 있어서, 상기 복수의 채널들로 운반되는 재료를 대체하기 위하여 추가적인 재료가 상기 분무 장치에 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  21. 대상물에 재료를 증착하기 위한 증착 헤드로,
    상기 증착 재료를 포함하는 연무질을 반송하기 위한 관;
    상기 관의 적어도 일부분을 둘러싸고 있으며, 피복 기체를 반송하기 위한 챔버;
    상기 연무질을 상기 피복 기체로 둘러싸서, 내부 연무질 유동을 둘러싸는 외부 피복 유동을 포함하는 환형 분사류를 형성하는, 수렴 노즐(converging nozzle); 및
    상기 환형 분사류를 반송하고 상기 환형 분사류의 직경을 감소시키기 위한 연신 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 헤드.
  22. 제21항에 있어서, 상기 피복 기체와 연무질이 결합하기 전에, 피복 기체의 유동이 상기 연무질의 유동 방향과 실질적으로 평행하게 되도록, 상기 챔버의 길이가 충분히 긴 것을 특징으로 하는 증착 헤드.
  23. 제22항에 있어서, 상기 챔버는 원통형인 것을 특징으로 하는 증착 헤드.
  24. 제23항에 있어서, 상기 관 주위의 피복 기체의 압력 분포는 원통형의 대칭인 것을 특징으로 하는 증착 헤드.
  25. 제23항에 있어서, 상기 챔버는 상기 관과 동심인 것을 특징으로 하는 증착 헤드.
  26. 제21항에 있어서, 상기 연신 노즐의 내경은 출구를 향해 테이퍼져 있는 것을 특징으로 하는 증착 헤드.
  27. 제21항에 있어서, 상기 증착 헤드는 플리넘 챔버를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 증착 헤드.
  28. 재료를 증착하는 방법으로,
    증착 재료를 포함하는 연무질을 관을 통해 반송하는 단계;
    상기 관을 둘러싸고 있는 챔버를 통해 피복 기체를 반송하는 단계;
    상기 연무질을 상기 피복 기체로 둘러싸서, 내부 연무질 유동을 둘러싸는 외부 피복 유동을 포함하는 환형 분사류를 형성하는 단계;
    상기 환형의 분사류를 연신 노즐을 통해 반송하고 상기 환형 분사류의 직경을 감소시키는 단계; 및
    증착 재료를 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 증착 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 피복 기체를 반송하는 단계는, 피복 기체와 연무질을 결합하기 전에, 피복 기체의 유동이 연무질의 유동 방향과 실질적으로 평행하게 되도록 충분히 긴 유로를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 증착 방법.
  30. 제28항에 있어서, 상기 관 주위의 피복 기체의 압력 분포가 원통형 대칭이 되도록 하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 증착 방법.
  31. 제28항에 있어서, 상기 환형의 분사류를 집속(focusing) 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 증착 방법.
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