KR101275221B1 - 액적 토출 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액적 토출 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 액적 토출 장치는 정전기력에 의하여 액체가 토출노즐의 첨단부에서 액면을 형성하고, 형성된 상기 액면으로부터 액적을 분리하여 토출하는 액적 토출 장치에 있어서, 상기 토출노즐은 공급되는 제1액체를 외부로 토출하는 제1노즐;과, 상기 제1노즐을 감싸되 상기 제1노즐로부터 이격공간 내로 공급되는 제2액체를 토출하는 제2노즐;을 포함하며, 상기 제1노즐의 첨단부에서 상기 제1액체는 제1액면을 형성하고, 상기 제2노즐의 첨단부에서 상기 제2액체는 상기 제1액면과 외부 공기와의 접촉이 차단되도록 상기 제1액면을 감싸며 제2액면을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 노즐 내부의 전도성 용액 및 토출된 전도성 용액의 고화를 방지할 수 있고, 이에 따라 액적 균일도가 향상되며, 노즐 내부가 외부와 격리됨으로써 전도성 용액의 산화를 방지할 수 있는 액적 토출 장치가 제공된다.

Description

액적 토출 장치{Liquid droplet ejecting apparatus}
본 발명은 액적 토출 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내부에 제1액체를 수용하는 제1노즐과, 내부 수용공간에 제1노즐을 감싸되 제1노즐로부터의 이격공간 내로 공급되는 제2액체를 내부에 수용하는 제2노즐을 포함하는 토출노즐이 구비되어, 기판위에 패터닝 되는 전도성 용액의 고화를 방지하고 패터닝시 액적 균일도를 향상할 수 있는 액적 토출 장치에 관한 것이다.
종래의 액적 토출 장치는 헤드에 설치된 히터장치의 가열에 의해 발생하는 체적변화를 이용한 토출 방법과, 피에조(Piezo)와 같은 압전소자의 물리적인 힘을 이용하여 용액을 토출하는 방법이 있다.
그러나 히터장치를 이용한 종래의 토출 장치는, 가열작용으로 인해 용액에 열적 변화가 발생할 수 있으며, 내부의 체적변화로 인해 인쇄 품질이 저하되는 문제점 등이 발생하며, 압전소자를 이용한 토출 장치는 구조적으로 복잡하여 제조 단가가 상승하며 용액의 고화에 의하여 노즐 막힘 현상이 자주 발생하는 문제점이 있다.
또 다른 방법으로서, 전극 간에 유도된 정전기적 인력을 이용하여 용액을 토출하는 직접쓰기 기술의 하나인 전기수력학적(Electrohydrodynamic) 토출 방식의 패터닝 방법이 사용되고 있으며, 반도체 공정의 여러 과정을 획기적으로 줄일 수 있고 식각 공정에서 발생하는 환경 오염물질 배출을 막을 수 있다는 장점이 있어 회로기판, TV, LCD 등에 들어가는 전극의 형성에 많이 사용되고 있다.
이러한 전기수력학적 토출 방식은 고전압으로 하전된 전도성 용액을 토출노즐로부터 미립화하여 패터닝 대상물에 토출함으로써 인쇄하는 방식이다.
도 1은 종래의 토출 장치가 형성하는 테일러콘을 나타낸 그림이고, 도 2는 종래의 토출 장치가 형성하는 테일러콘을 나타낸 사진이다.
토출 장치에 고전압이 형성되기 전에는 표면장력에 의하여 토출 장치의 노즐 끝단에 곡면을 갖는 액면이 형성되고, 토출 장치에 고전압이 형성되면 내부의 전도성 용액이 하전 되어 원추형의 액면을 갖게 되고 이를 테일러콘(Taylor-cone)이라 한다.
종래의 토출 장치는 토출 과정 중 항상 액면이 외부로 돌출되어 있어야 하므로, 도 1의 'A' 영역과 도 2의 'A' 영역에 나타난 부분과 같이, 전도성 용액의 용매가 기화하면서 노즐의 끝단에 입자들이 축적된다.
토출 순간 외부로 노출된 테일러콘의 내부 유동을 보면, 액면을 따라 팁 방향으로 작용하는 접선 방향의 정전기력에 의한 유동이 액면 표면에 강하게 존재하기 때문에 강한 유동의 재순환이 형성되어 노즐의 끝단으로 입자들이 지속적으로 축적된다.
따라서, 입자들이 축적된 액면에서 증발이 강하게 일어나고 입자들의 고화가 진행됨으로써 노즐 막힘 현상이 발생하고, 이에 따라 액적 균일도가 낮아지므로 인쇄 품질이 낮아지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전도성 용액을 수용하는 제1노즐을 내부에 수용하는 토출노즐에 의하여 토출된 전도성 용액의 고화를 방지할 수 있고, 이에 따라 액적 균일도가 향상된 액적 토출 장치를 제공함에 있다.
또한, 노즐 내부의 전도성 용액이 외부와 격리됨으로써 산화를 방지할 수 있는 액적 토출 장치를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 정전기력에 의하여 액체가 토출노즐의 첨단부에서 액면을 형성하고, 형성된 상기 액면으로부터 액적을 분리하여 토출하는 액적 토출 장치에 있어서, 상기 토출노즐은 공급되는 제1액체를 외부로 토출하는 제1노즐;과, 상기 제1노즐을 감싸되 상기 제1노즐로부터 이격공간 내로 공급되는 제2액체를 토출하는 제2노즐;을 포함하며, 상기 제1노즐의 첨단부에서 상기 제1액체는 제1액면을 형성하고, 상기 제2노즐의 첨단부에서 상기 제2액체는 상기 제1액면과 외부 공기와의 접촉이 차단되도록 상기 제1액면을 감싸며 제2액면을 형성하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치에 의해 달성된다.
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또한, 상기 토출노즐로부터 상기 제2액체가 상기 제1액체를 감싸는 상태로 액적이 분리되되, 분리후에 상기 제1액체로부터 상기 제2액체는 기화되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 토출노즐은 복수 개가 연속적으로 배열되고, 상기 이웃하는 토출노즐의 사이에는 차폐 전극이 설치되어 상기 복수개의 토출노즐간의 전기적 간섭을 방지하는 것이 바람직하다.
또한, 패터닝 대상물을 연속적으로 공급하는 이송부가 설치된 스테이지를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 전도성 용액을 수용하는 제1노즐을 내부에 수용하는 토출노즐에 의하여 노즐 내부의 전도성 용액 및 토출된 전도성 용액의 고화를 방지할 수 있고, 이에 따라 액적 균일도가 향상된 액적 토출 장치가 제공된다.
또한, 노즐 내부가 외부와 격리됨으로써 전도성 용액의 산화를 방지하는 액적 토출 장치가 제공된다.
도 1은 종래의 토출 장치가 형성하는 테일러콘을 나타낸 그림이고,
도 2는 종래의 토출 장치가 형성하는 테일러콘을 나타낸 사진이고,
도 3은 본원 발명 액적 토출 장치의 사시도이고,
도 4는 본원 발명 액적 토출 장치의 토출노즐의 단면도이고,
도 5는 본원 발명 액적 토출 장치의 토출노즐의 단면도이고,
도 6은 본원 발명 액적 토출 장치의 제1실시예에 따른 정면도이고,
도 7은 본원 발명 액적 토출 장치의 제2실시예에 따른 정면도이고,
도 8은 본원 발명 액적 토출 장치의 제3실시예에 따른 정면도이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 액적 토출 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본원 발명 액적 토출 장치의 사시도이고, 도 4는 본원 발명 액적 토출 장치의 내부노즐과 토출노즐의 단면도이고, 도 5는 본원 발명 액적 토출 장치의 내부노즐과 토출노즐의 단면도이다.
본 발명에 따른 액적 토출 장치는 액체를 정량 공급하는 액체공급부(110)와, 내부에 수용된 액체를 토출하는 토출노즐(120)과, 패터닝 대상물(131)을 고정 및 이송하는 스테이지(130)와, 각각의 장치를 제어하는 제어부(140)를 포함한다.
상기 액체공급부(110)는 후술하는 토출노즐(120)에 패터닝 액체(111)를 공급하는 장치로써, 패터닝 액체(111)를 저장하고, 저장된 패터닝 액체(111)를 가압하여 정량 공급하는 하는 장치로써, 통상적인 공급장치가 사용된다.
패터닝 액체(111)는 기판 상에 직접 안착되어 회로를 형성하는 제1액체(112)와, 제1액체(112)의 액적을 감싸 고화를 방지하는 제2액체(113)로 구성된다.
상기 제1액체(112)는 기판상에 회로를 형성하는 액체이며, 후술하는 제어부(140)에 의하여 고전압으로 하전되어 후술하는 대향 전극(132)과의 전위차에 의하여 액적이 토출되어야 하므로 전기적 전도성이 좋은 액체이거나 전도성 입자를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제2액체(113)는 액면으로부터 토출되는 제1액체(112)의 액적 외부를 감싸 제1액체(112)의 고화를 방지하는 액체로써, 제1액체(112)의 액적을 감싸는 제2액체(113)가 패터닝 대상물(131)에 안착 되기 전에 기화되어야 하고, 하전 된 제1액체(112)의 외부를 감싸야 하므로, 휘발성과 전기적 전도성이 좋은 용액인 것이 바람직하다.
본 실시예에서 제2액체(113)는 휘발성과 전기적 전도성이 좋은 클로로벤젠(chlorobenzene)이 사용된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 토출노즐(120)은 내부에 제1액체(112)를 수용하는 제1노즐(121)과, 내부에 제1노즐(121)과 제2액체(113)를 수용하는 제2노즐(123)로 구성된다.
상기 제1노즐(121)은 내부에 수용공간이 형성되며 일단이 액체공급부(110)과 연결되고 타단이 하방으로 개방되어 제1액체(112)를 토출하는 원통형상의 미세관으로써, 내부 수용공간에는 액체공급부(110)로부터 공급되는 제1액체(112)가 수용되고, 내주면에 후술하는 제어부(140)에 의하여 전압이 인가되는 전극(122)이 형성된다.
한편, 제1노즐(121)은 내부의 제1액체(112)가 고전압으로 하전되므로, 후술하는 제2노즐(123)과의 절연을 위하여 비전도성 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제2노즐(123)은 내부에 수용공간이 형성되고 하방으로 개방된 원통 형상의 미세관으로써, 내부 수용공간에 제1노즐(121)을 감싸되 제1노즐(121)로부터의 이격공간 내로 공급되는 제2액체(113)를 수용하고, 내주면에 접지 전극(124)이 형성되며, 내부의 제1액체(112) 및 제2액체(113)가 개방된 하단부를 통해 토출된다.
상기 스테이지(130)는 패터닝 대상물(131)을 고정 및 이송하는 장치로서, 토출노즐(120)의 하측에 설치되고, 상기 패터닝 대상물(131)을 지정경로로 이동시킴으로써 토출된 패터닝 액체(111)에 의하여 지정형상으로 패터닝하는 장치이다.
한편, 스테이지(130)는 통상적인 스테이지가 사용되며, 제1노즐(121)의 내주면에 형성된 전극(122)에 대향하여 전위차를 형성하는 대향 전극(132)이 스테이지(130)의 하측에 설치된다.
상기 대향 전극(132)은 제1노즐(121)의 내주면에 형성되어 고전압이 가해지는 전극(122)과 전위차를 형성하도록 접지되는 것이 바람직하다.
한편, 본 실시예에서는 토출노즐(120)은 고정되고 스테이지(130)가 이동함으로써 패터닝이 실시되나 이에 제한되는 것은 아니며, 토출노즐(120)이 직접 이동하거나 스테이지(130)와 토출노즐(120) 모두 이동하면서 패터닝을 실시할 수 있다.
상기 제어부(140)는 액체공급부(110)의 제1액체(112) 및 제2액체(113)의 공급을 제어하며, 내부노즐(121)의 내주면에 형성된 전극에 전압을 인가하고, 스테이지(130)의 이동을 제어하는 장치이다.
지금부터는 상술한 액적 토출 장치의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
도 6은 본원 발명 액적 토출 장치의 제1실시예에 따른 정면도이다.
도시된 바와 같이, 제어부(140)에 의하여 제1액체(112) 및 제2액체(113)가 액체공급부(110)로부터 토출노즐(120)의 제1노즐(121)과 제2노즐(123)에 각각 공급된다. 이때, 제1노즐(121)의 내부에 수용된 제1액체(112)는 제2노즐(123)의 내부에 수용된 제2액체(113)에 의하여 감싸져 외부로 노출이 방지되므로, 제1액체(112)의 산화 및 고화를 방지할 수 있다.
제1노즐(121)의 내주면에 형성된 전극(122)에 소정 전압이 인가되면, 스테이지(130)의 하부에 설치된 대향 전극(132) 사이의 전위차에 의해 정전기력이 작용하여 토출노즐(120)의 하단부에 액면(125)이 원뿔 형상으로 형성된다.
전위차에 의한 정전기력이 액면(125)이 형성하는 표면장력보다 크게 되면 액면(125)의 첨단부에서 미소 액적 크기의 패터닝 액체(111)가 설정된 지정 형상에 맞추어 이동하는 스테이지(130)상의 패터닝 대상물(131)에 토출된다.
이때, 패터닝 액체(111)는 내부의 제1액체(112)를 제2액체(113)가 감싸면서 토출되고, 액적이 패터닝 대상물(131)에 근접하면서 휘발성의 제2액체(113)가 기화되어, 최종적으로 제1액체(112)가 패터닝 대상물(131)에 안착된다.
상술한 바에 의하여, 제1액체(112)는 제1노즐(121)의 내부에 수용되어 외부와 격리되고, 또한 토출되는 동안 제2액체(113)에 의하여 고화가 방지되므로 패터닝 대상물(131)에 안착되는 액적 균일도가 향상된다.
또한, 상기 제어부(140)로부터 인가되는 전압에 따라, 내부노즐(121)의 내주면에 형성된 전극(122)과 스테이지(130)의 하측에 설치된 대향 전극(132) 사이의 전위차에 의해 발생하는 정전기력의 세기가 변화하게 된다.
따라서, 내부노즐(121)의 내주면에 형성된 전극(122)에 인가되는 전압의 세기 및 주파수를 조절함으로써, 액면(125)의 첨단부로부터 공급되는 액적의 크기 및 토출 속도를 조절하여 공급할 수 있다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 액적 토출 장치의 구성에 대하여 설명하고, 제1실시예와 동일한 구성의 설명은 생략한다.
도 7은 본원 발명 액적 토출 장치의 제2실시예에 따른 정면도이다.
본 발명에 따른 액적 토출 장치는 액체를 정량 공급하는 액체공급부(110)와, 내부에 수용된 액체를 토출하는 다수개의 토출노즐(120)과, 패터닝 대상물(131)을 고정 및 이송하는 스테이지(130)와, 각각의 장치를 제어하는 제어부(140)를 포함한다.
다만, 용액공급부(110)와, 스테이지(130)와, 제어부(140)는 제1실시예의 구성과 동일하므로 중복 설명을 생략한다.
제1실시예에서 상기 토출노즐(120)은 스테이지(130)의 상측에 단일의 토출노즐(120)이 설치되었으나, 제2실시예에서는 다수 개의 토출노즐(120)이 스테이지(130)의 상측에 설치된다.
또한, 이웃하는 토출노즐(120)의 사이에는 다수개의 토출노즐(120)간 전기적 간섭을 방지하는 차폐 전극(126)이 설치된다.
지금부터는 상술한 액적 토출 장치의 제2실시예의 작동에 대하여 설명한다.
도 7은 본원 발명 액적 토출 장치의 제2실시예에 따른 정면도이다.
다수개가 설치된 제1노즐(121)의 내주면에 형성된 전극(122)에 동시 또는 독립적으로 소정 전압이 인가되면, 스테이지(130)의 하측에 설치된 대향 전극(132) 사이의 전위차에 의해 정전기력이 작용하여 각각의 토출노즐(120)의 하단부에 액면(125)이 원뿔 형상으로 형성된다.
전위차에 의한 정전기력이 액면(125)이 형성하는 표면장력보다 크게 되면 액면(125)의 첨단부에서 미소 액적 크기의 패터닝 액체(111)가 설정된 지정 형상에 맞추어 이동하는 스테이지(130)상의 패터닝 대상물(131)에 토출된다.
다수개의 토출노즐(120)은 하나의 패터닝 대상물(131)을 동시에 패터닝을 실시할 수 있으며, 또한, 다수개의 토출노즐(120)이 다수개의 패터닝 대상물(131)에 각각 패터닝을 실시할 수도 있다.
상술한 바에 의하여, 차폐 전극(126)에 의하여 각각의 토출노즐(120)로부터 토출되는 액적이 전기적 간섭없이 다수개의 토출노즐(120)로부터 동시 또는 선택적으로 액적을 토출함으로써 액적 균일도의 향상뿐 아니라, 제품 생산의 효율성을 향상할 수 있는 토출 장치가 제공된다.
다음으로 본 발명의 제3실시예에 따른 액적 토출 장치의 구성에 대하여 설명하고, 제1실시예와 동일한 구성의 설명은 생략한다.
도 8은 본원 발명 액적 토출 장치의 제3실시예에 따른 정면도이다.
본 발명에 따른 액적 토출 장치는 액체를 정량 공급하는 액체공급부(110)와, 내부에 수용된 액체를 토출하는 토출노즐(120)과, 패터닝 대상물(131)을 고정 및 이송하는 스테이지(130)와, 각각의 장치를 제어하는 제어부(140)를 포함한다.
다만, 용액공급부(110)와, 토출노즐(120)과, 제어부(140)는 제1실시예의 구성과 동일하므로 중복 설명을 생략한다.
제3실시예에서 스테이지(130)에는 패터닝 대상물(131)을 연속적으로 공급하는 이송부(133)가 설치된다.
상기 이송부(133)는 토출노즐(120)의 하부 양측에 2개가 설치되어 패터닝 대상물(131)의 진행을 안내하도록 회전하는 가이드롤러(134)와, 토출노즐(120)의 일측에 구비되어 패터닝 대상물(131)에 형성된 제1액체(112)를 건조 및 경화하는 건조기(135)를 포함한다.
한편, 도면에는 도시되지 않았으나, 패터닝 대상물(131)이 감겨진 롤 형태이며 패터닝 대상물(131)을 공급하는 공급롤(미도시)과, 패터닝이 실시된 패터닝 대상물(131)을 회수하는 회수롤(미도시)를 더 포함한다.
지금부터는 상술한 액적 토출 장치의 제3실시예의 작동에 대하여 설명한다.
도 8은 본원 발명 액적 토출 장치의 제3실시예에 따른 정면도이다.
제1실시예에서 상술한 바와 같이 제1노즐(121)의 내주면에 형성된 전극(122)에 소정 전압이 인가되어, 액면(125)의 첨단부에서 미소 액적 크기의 패터닝 액체(111)가 설정된 지정 형상에 맞추어 이동하는 스테이지(130)상의 패터닝 대상물(131)에 토출된다.
이때, 공급롤(미도시)로부터 연속적으로 공급되는 패터닝 대상물(131)의 상면에 제1액체(112)가 안착되면서 패터닝이 실시되고, 패터닝이 종료된 패터닝 대상물(131)은 이송부(133)에 의하여 진행방향으로 이송되면서 건조기(135)에 의하여 건조 및 경화된다.
한편, 제2실시예에서와 같이 패터닝 대상물(131)의 상면에 설치된 다수개의 토출노즐(120)이 구비되어 연속적으로 공급되는 패터닝 대상물(131)에 동시 또는 개별적으로 패터닝 액체(111)의 액적을 토출하여 패터닝이 가능하다.
건조기(135)에 의하여 건조 및 경화가 종료된 패터닝 대상물(131)은 회수롤(미도시)로 이송되어 롤 형태로 보관된다.
따라서, 이송부(133)에 의하여 패터닝 대상물(131)은 연속적으로 공급되므로 연속적으로 대면적의 소자 생산이 가능하고 제작 과정에서의 재료 소모를 절감할 수 있는 액적 토출 장치가 제공된다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110: 액체공급부 120: 토출노즐
121: 제1노즐 123: 제2노즐
130: 스테이지 140: 제어부

Claims (5)

  1. 정전기력에 의하여 액체가 토출노즐의 첨단부에서 액면을 형성하고, 형성된 상기 액면으로부터 액적을 분리하여 토출하는 액적 토출 장치에 있어서,
    상기 토출노즐은 공급되는 제1액체를 외부로 토출하는 제1노즐;과, 상기 제1노즐을 감싸되 상기 제1노즐로부터 이격공간 내로 공급되는 제2액체를 토출하는 제2노즐;을 포함하며,
    상기 제1노즐의 첨단부에서 상기 제1액체는 제1액면을 형성하고, 상기 제2노즐의 첨단부에서 상기 제2액체는 상기 제1액면과 외부 공기와의 접촉이 차단되도록 상기 제1액면을 감싸며 제2액면을 형성하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 토출노즐로부터 상기 제2액체가 상기 제1액체를 감싸는 상태로 액적이 분리되되, 분리후에 상기 제1액체로부터 상기 제2액체는 기화되는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 토출노즐은 복수 개가 연속적으로 배열되고, 상기 이웃하는 토출노즐의 사이에는 차폐 전극이 설치되어 상기 복수개의 토출노즐간의 전기적 간섭을 방지하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    패터닝 대상물을 연속적으로 공급하는 이송부가 설치된 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  5. 삭제
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