KR101291689B1

KR101291689B1 - 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐

Info

Publication number: KR101291689B1
Application number: KR1020100079345A
Authority: KR
Inventors: 변도영
Original assignee: 엔젯 주식회사
Priority date: 2010-08-17
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2013-08-01
Also published as: KR20120016856A

Abstract

본 발명은 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐은 정전기력을 이용하여 액적을 분사하는 액적분사장치용 노즐에 있어서, 다각형 형상으로서 액체가 유입되는 인입면, 상기 인입면으로부터 액체공급방향을 따라서 길게 형성되어 유입된 액체가 유동하는 유동면, 상기 인입면과 대향하며 상기 유동면의 종단부에 다각형 형상으로 마련되는 토출면을 구비하는 공급부; 토출되는 액체가 액면을 형성하도록 액체가 토출되는 상기 공급부 단부의 테두리로부터 상기 액체공급방향의 수직방향으로 연장 형성되는 분사면;을 포함하고, 상기 액체는 상기 토출면의 테두리를 둘러싸는 상기 분사면 상에 핀고정(pinning)되어 액면을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 형성되는 액면을 안정적으로 유지하는 동시에 신속한 토출을 유도할 수 있는 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐이 제공된다.

Description

정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐{NOZZLE FOR DROPLET JETTING APPARATUS USING ELECTROSTATIC FORCE}

본 발명은 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 안정적인 액면을 형성시킴으로써, 신속하게 액적을 토출할 수 있는 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐에 관한 것이다.

일반적으로 유체를 액적의 형태로 분사시키는 액적분사장치는 주로 잉크젯 프린터에 적용되어 왔으며, 최근에는 디스플레이 공정, 인쇄회로기판 공정 및 DNA칩 제조공정과 같은 첨단의 고부가 가치 창출 분야에 적용되기 위해 응용 개발되고 있다.

종래에 잉크젯 프린터 분야에서 잉크를 액적의 형태로 분사시키기 위한 잉크분사장치는 압전구동방식과 열구동 방식이 주로 이용되고 있다.

다만, 압전구동방식 또는 열구동 방식은 구동에너지의 한계로 인하여 액적의 크기에 한계가 있으며, 임의의 크기의 액적을 토출하기 위해서는 액적의 크기보다 작은 노즐을 이용하여야 하기 때문에 노즐 막힘 문제가 발생할 소지가 많았다. 더욱이 열구동 방식의 경우에는 열적 문제가 존재하여 대면적 프린팅에 적합하지 않고 소재의 변성 가능성이 있다.

한편, 최근에는 정전기력을 이용하여 액적을 분사하는 정전기력 방식의 액적분사장치가 개발되고 있다.

도 1은 종래의 정전기력을 이용하는 액적분사장치를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 정전기력을 이용하는 액적분사장치가 액적을 분사하는 장면을 도시한 것이다.

도 1 및 2를 참조하면, 정전기력을 이용하는 액적분사장치는 노즐(1) 내부에 포함된 잉크에 전하를 공급할 수 있는 전극(2)과 이에 마주하도록 위치하는 대향 전극(3) 사이에 고전압을 인가하여 형성되는 잉크액면을 쿨롱의 힘(Coulomb's Force)으로써 끌어당김으로써 기판(4)상에 액적을 토출하는 방식으로 동작한다.

한편, 종래의 정전기력을 이용하는 액적분사장치에서는 일반적으로 단면의 형상이 원형인 노즐(1)이 이용된다.

이러한 정전기력 방식의 액적분사장치는 노즐의 외부에 액면을 형성한 이후에 정전기장에 의한 쿨롱힘에 의하여 액적을 토출하게 되므로, 액면이 매우 정밀하게 제어되어야 한다.

그러나, 종래의 원형 노즐의 단부에서는 액체의 자유로운 유동이 가능하여 큰 직경의 액면이 형성되고, 액면이 안정적으로 유지되기도 어려워 변형이 쉽게 일어나므로 균일한 형태의 액적 토출이 불가능한 문제가 있었다.

또한, 액적의 사이즈가 노즐의 외경의 사이즈에 비례하기 때문에 미세한 선폭을 인쇄하도록 노즐 단면의 외경을 축소하는 경우에는 노즐의 제작비용이 증가하는 어려움이 있었다.

또한, 정전기력을 이용하더라도 액면 형성과 동시에 토출되는 것이 아니라 소정의 시간이 소요되는데, 원형 단면의 노즐에 의하면 최초 토출이 늦어지는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 안정적인 형상으로 변형되지 않는 액면을 형성함으로써 신속하게 최초 액적이 토출되도록 유도할 수 있는 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐을 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 정전기력을 이용하여 액적을 분사하는 액적분사장치용 노즐에 있어서, 다각형 형상으로서 액체가 유입되는 인입면, 상기 인입면으로부터 액체공급방향을 따라서 길게 형성되어 유입된 액체가 유동하는 유동면, 상기 인입면과 대향하며 상기 유동면의 종단부에 다각형 형상으로 마련되는 토출면을 구비하는 공급부; 토출되는 액체가 액면을 형성하도록 액체가 토출되는 상기 공급부 단부의 테두리로부터 상기 액체공급방향의 수직방향으로 연장 형성되는 분사면;을 포함하고, 상기 액체는 상기 토출면의 테두리를 둘러싸는 상기 분사면 상에 핀고정(pinning)되어 액면을 형성하는 것을 특징으로 하는 하는 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐에 의해 달성된다.

또한, 상기 분사면은 주위보다 돌출 형성될 수 있다.

또한, 상기 분사면 상에 형성되는 액면은 곡률반경이 0인 점을 포함할 수 있다.

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또한, 액체가 토출되는 상기 공급부의 단부 형상은 사각형일 수 있다.

또한, 상기 공급부의 종단면은 액체공급방향을 따라서 폭이 작아지는 사다리꼴의 형태일 수 있다.

본 발명에 따르면, 토출면의 테두리에 모서리가 형성되어 액면을 핀고정함으로서 액면의 크기를 최소화할 수 있는 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐이 제공된다.

또한, 분사면에 형성되는 액면은 곡률반경이 0인 지점을 포함함으로써 변형을 줄이고 안정성을 확보할 수 있다.

또한, 신속한 최초 액적의 토출을 유도할 수 있다.

도 1은 종래의 정전기력을 이용하는 액적분사장치를 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 정전기력을 이용하는 액적분사장치가 액적을 분사하는 장면을 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 사시도이고,
도 4는 도 3의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐을 IV-IV' 따라 절단한 단면을 도시한 것이고,
도 5는 도 3의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 제조방법을 개략적으로 도시한 것이고,
도 6은 도 3의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 단부에서 액면이 형성되는 것을 도시한 것이고,
도 7은 종래의 액적분사장치용 노즐에서 액적이 토출되는 것(a)과 도 2의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐에서 액적이 토출되는 것(b)을 도시한 것이고,
도 8은 종래의 액적분사장치용 노즐에서의 최초토출시간(a)과 도 2의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐에서의 최초토출시간(b)의 비교 그래프이고,
도 9은 본 발명의 제2실시예에 따른 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 제조방법을 개략적으로 도시한 것이고,
도 10은 도 9의 제조방법 의하여 제작된 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 실사진이고,
도 11은 도 9의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 단부에서 액면이 형성되는 것을 도시한 것이다.

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 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐(100)에 대하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 사시도이고, 도 4는 도 3의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐을 IV-IV' 따라 절단한 단면을 도시한 것이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐(100)은 공급부(110)와 분사면(120)을 포함한다.

상기 공급부(110)는 액면을 형성하도록 외부로부터 제공받은 액체를 후술하는 분사면(120)에 공급하는 부재로서, 인입면(111)과 유동면(112)과 토출면(113)을 포함한다.

상기 인입면(111)은 액체공급방향(d)과는 수직을 이루며, 외부로부터 공급된 액체의 유동이 시작되는 가상의 면으로서, 정사각형의 형태를 갖는다.

상기 유동면(112)은 액체가 유동하는 면으로서 공급되는 액체를 둘러싸고 액체공급방향(d)으로 길게 형성되며, 인입면(111)과 후술하는 토출면(113)의 각 변을 상호 연결한다.

상기 토출면은 인입면(111)으로부터 액체공급방향(d)으로 소정간격 이격되어 유동면(112)을 마감하는 가상의 면으로서, 인입면 보다 작은 정사각형의 형상을 갖는다.

한편, 공급부(110)는 액체공급방향(d)과 수직방향의 단면인 횡단면은 사각형으로 형성되고, 종단면은 액체공급방향(d)을 따라서 폭이 좁아지는 사다리꼴 형상으로 형성된다.

상기 분사면(120)은 공급부(110)로부터 공급된 액체가 액면을 형성하도록 유도하는 면으로서, 상기 토출면(113)으로부터 액체공급방향(d)과 수직하게 외곽으로 연장 형성되는 면이다.

한편, 본 실시예에서는 인입면(111) 및 토출면(113) 형상이 정사각형인 것으로 설명되었으나, 형성되는 액면의 안정성을 확보하여 액적의 신속한 최초토출을 유도하는 것이라면 토출면에 형성되는 모서리의 수는 제한되지 않는다. 또한, 인입면(111) 및 토출면(113)의 형상에 따라 공급부(110) 종단면의 형상도 사다리꼴에 제한되는 것은 아니다.

지금부터는 상술한 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 제조방법에 대하여 설명한다.

도 5는 도 3의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 제조방법(S100)을 개략적으로 도시한 것이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 제조방법(S100)은 산화단계(S110)와 패턴형성단계(S120)와 에칭단계(S130)와 제거단계(S140)를 포함한다.

상기 산화단계(S110)는 실리콘 웨이퍼 기판(20)을 습식산화(wet oxidation)하여 산화층(30)을 적층하는 단계이다.

상기 패턴형성단계(S120)에서는 상술한 산화단계(S110)에서 적층된 산화층(30)의 상면에 포토레지스트(40)를 적층한 후에 인입면이 될 영역을 노광하여 패터닝한다.

상기 에칭단계(S130)에서는 웨이퍼 기판(20)을 이방성 습식 에칭(anisotropic wet etching)한다. 본 실시예에서는 단결정 실리콘 웨이퍼가 웨이퍼 기판(20)으로 이용되며, 웨이퍼 기판(20)을 이방성 습식 에칭하면, 각면들의 에칭 속도 차이로 인하여 종단면의 형상이 사다리꼴인 형태로 에칭이 되고, 전면과 후면이 정사각형의 형상을 가지게 된다. 이때, 형성되는 사각형 형상의 전면과 후면은 각각 인입면과 토출면이 된다.

상기 제거단계(S140)에서는 완성된 노즐을 제외하고 남아있는 산화층(30)을 제거하고, 액적분사장치용 노즐(100)이 최종 완성한다.

지금부터는 상술한 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐(100)의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.

도 6은 도 3의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 단부에서 액면이 형성되는 것을 도시한 것이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐(100)은 인입면(111)으로부터 액체가 인입되면, 인입되는 액체는 공급면(112)을 따라서 유동한다. 액체가 토출면(113)에 도달하면 액면(10)을 형성하고, 이때의 액면(10)의 테두리는 토출면(113)에서부터 외곽으로 연장되는 분사면(120) 영역(C)과 접촉한다.

이때, 액면(10)은 토출면(113)의 각 모서리와 접촉하는 분사면 영역(C)에 접촉 위치하여, 각 모서리가 액면(10)이 외곽으로 흘러나가지 못하도록 핀고정(pinning)하므로, 종래의 모서리가 구비되지 않은 원형의 토출면에 형성되는 액면에 비하여 사이즈가 작은 액면이 형성될 수 있다. 이러한 액면의 안정성(stability)은 하기의 수학식 1에 의하여 설명될 수 있다.

상기 수학식 1은 영-라플라스 방정식(Young-Laplace equation)으로서, △p 는 형성되는 액면의 내부와 외부의 압력차를 나타내며, γ는 표면장력을 나타내며, R₁ 및 R₂는 액면의 임의의 지점에서의 곡률반경을 나타낸다. 즉, 상기 수학식 1에 의하면 곡률반경(R₁ 또는 R₂)이 작을수록 압력차가 커지므로 액면의 안정성은 커진다.

종래의 액체가 토출되는 토출면이 모서리를 갖지 않고 원형으로 형성되는 경우에는 분사면 상에는 반구형의 액면이 형성되기 때문에 임의의 지점에서의 곡률반경은 R₁=R₂=R 이 된다.그러나, 본 실시예에서와 같이 토출면에 모서리가 형성되는 경우에는 각 모서리부에 접촉하는 액면(10)의 곡률반경 R₁ 또는 R₂가 0에 근접한 값으로 측정되며 전체 △p 값은 크게 상승한다. 이는, 각 분사면 및 토출면의 모서리부가 주위에 형성되는 액면을 핀고정(pinning)함으로써, 분사면에 형성되는 액면은 내외부가 높은 압력의 차이를 유지하며 쉽게 변형되지 않도록 하는 것이다.

도 7은 종래의 액적분사장치용 노즐에서 액적이 토출되는 것(a)과 도 2의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐에서 액적이 토출되는 것(b)을 도시한 것이다.

도 7을 참조하면, 종래의 원형의 노즐(50)에서는 큰 외경의 액면(210)이 형성되나, 종래의 노즐(200)과 동일한 내경을 가지는 본 실시예의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐(100)에서는 그보다 작은 외경을 가지는 액면(10)이 형성되므로, 이를 이용하면 좀더 미세한 선폭의 인쇄가 가능하다.

한편, 본 실시예의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐(100)에 형성된 액면에 정전기력을 인가하면, 액적이 외부로 토출된다. 다만, 정전기력 인가와 동시에 형성된 액면으로부터 액적이 토출되는 것은 아니고, 최초 액적이 토출되기 까지는 소정의 시간이 소요되며, 이러한 액적의 최초토출시간을 최소화할 필요가 있다.

도 8은 종래의 액적분사장치용 노즐에서의 최초토출시간(a)과 도 2의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐에서의 최초토출시간(b)의 비교 그래프이다.

도 8을 참조하면, 액적의 최초토출시간에 있어서도 본 실시예의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐(100)이 종래의 액적분사장치용 노즐보다 신속하게 액적이 토출되어 더욱 높은 효율의 인쇄가 가능하다.

다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐(200)에 대하여 설명한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 제조방법(S200)을 선행하여 설명하고, 이를 통하여 제작되는 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐(200)을 설명한다.

도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 제조방법을 개략적으로 도시한 것이고, 도 10은 도 9의 제조방법 의하여 제작된 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 실사진이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 제조방법(S200)은, 실리콘 웨이퍼 기판 준비단계(S210)와 필름막 적층단계(S210)와 에칭단계(S220)를 포함한다.

상기 실리콘 웨이퍼 기판 준비단계(S210)는 제1실시예의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐 제조방법(S100)에 의하여 성형된 실리콘 웨이퍼 기판(70)을 준비하는 단계이다.

상기 필름막 적층단계(S220)에서는 제1실시예에서 상술한 방법으로 소정의 홀이 형성된 실리콘 웨이퍼 기판(70)의 상면에 필름막(80)을 적층한다. 본 실시예에서는 박막의 이산화실리콘(Si0₂) 또는 SiOxNy 중 어느 하나가 필름막(80)으로 이용되며, 이러한 필름막(80)이 화학기상증착법(CVD:Chemical Vapor Deposition)에 의하여 실리콘 웨이퍼 기판(70)의 상면에 증착된다.

상기 에칭단계(S230)는 필름막(80)이 적층되지 않은 실리콘 웨이퍼 기판(70)의 하면을 에칭을 통하여 제거함으로써 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐(200)을 완성하는 단계이다.

도 9(c)를 참조하면, 상술한 단계에 의하여 제조되는 본 실시예의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐(200)은 제1실시예와 마찬가지로 공급부(210)와 분사면(220)을 포함한다.

상기 공급부(210)는 인입면(211)과 공급면(212)과 토출면(213)을 포함하며, 인입면과 토출면은 정사각형의 형태를 갖는다. 한편, 공급부(210)는 실리콘 웨이퍼 기판(70)의 상면에 필름막(80)이 적층된 형태로 제조되므로 우수한 내구성을 갖는다.

상기 분사면(220)은 토출면(213)으로부터 외곽으로 소정범위 연장되게 형성되며, 분사면(220)과 토출면(213)은 주위보다 돌출된다.

도 11은 도 9의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐의 단부에서 액면이 형성되는 것을 도시한 것이다.

도 11을 참조하면, 본 실시예에서의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐을 이용하면, 액면(10)이 주위보다 돌출된 분사면(220)에 형성되고, 토출면(213)의 각 모서리가 핀고정(pinning)함으로써 액면(10)이 쉽게 변형되지 않고 안정적인 상태를 유지할 수 있다.

종래의 단면이 원형인 노즐을 이용하는 경우에는 형성되는 액면의 사이즈가 크고, 안정적인 형태를 유지하지 못하여 쉽게 변형이 일어나며, 최초 토출까지 장시간이 소요되는 문제가 있었으나, 본 발명의 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐에 의하면, 외경이 작은 액면(10)이 안정적인 형태로 형성되어 신속한 액적의 토출이 가능하다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 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.

100 : 본 발명의 제1실시예에 따른 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐
110 : 공급부 113 : 토출면
111 : 인입면 120 : 분사면
112 : 공급면 10 : 액면

Claims

정전기력을 이용하여 액적을 분사하는 액적분사장치용 노즐에 있어서,
다각형 형상으로서 액체가 유입되는 인입면, 상기 인입면으로부터 액체공급방향을 따라서 길게 형성되어 유입된 액체가 유동하는 유동면, 상기 인입면과 대향하며 상기 유동면의 종단부에 다각형 형상으로 마련되는 토출면을 구비하는 공급부;
토출되는 액체가 액면을 형성하도록 액체가 토출되는 상기 공급부 단부의 테두리로부터 상기 액체공급방향의 수직방향으로 연장 형성되는 분사면;을 포함하고,
상기 액체는 상기 토출면의 테두리를 둘러싸는 상기 분사면 상에 핀고정(pinning)되어 액면을 형성하는 것을 특징으로 하는 하는 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐.
제1항에 있어서,
상기 분사면은 주위보다 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 분사면 상에 형성되는 액면은 곡률반경이 0인 점을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐.
제1항에 있어서,
액체가 토출되는 상기 공급부의 단부 형상은 사각형인 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐.
제4항에 있어서,
상기 공급부의 종단면은 액체공급방향을 따라서 폭이 작아지는 사다리꼴의 형태인 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 액적분사장치용 노즐.
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