KR101296932B1 - 나노패턴노즐을 구비한 잉크젯 프린터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전도성입자가 함유된 용액을 수용하여 가압전달하는 용액공급수단, 전기유체학적(EHD) 분사노즐체, 외부전극, 전원공급장치를 포함하여 이루어지는 잉크젯 프린터에 있어서, 상기 분사노즐체의 하단부에는 중앙에 노즐구멍이 형성된 노즐헤드부를 구비하고, 상기 노즐헤드부에 나노패턴노즐이 결합되는 것을 특징으로 하는 나노패턴노즐을 구비한 잉크젯 프린터에 관한 것이다.

Description

나노패턴노즐을 구비한 잉크젯 프린터{Inkjet printer with nano-pattern nozzle}
본 발명은 전기유체학적(EHD) 방법(전기장을 이용하여 미세 액적을 토출하는 방법)을 사용하는 잉크젯 프린터에 관한 것으로, 소정 형상의 나노패턴노즐을 제작하여 기존의 전기유체역학적(EHD)방식의 잉크젯 프린터에 결합 사용함으로써 패터닝대상물에 특정 나노패턴을 신속하고 대량으로 인쇄할 수 있도록 한 잉크젯 프린터에 관한 것이다.
아울러 본 발명의 잉크젯 프린터는 실리콘 태양전지 제조공정의 금속배선이나, 유기 EL, 유기태양전지 등의 플레시블 기판의 금속배선, 그리고 반도체 공정의 금속배선과 PCB 금속배선 등에도 활용될 수 있다.
종래에는 프린터 헤드로 주로 열 버블젯 방식의 프린터 헤드가 사용되어 왔다. 열 버블 젯(Thermal bubble jet) 방식은 잉크방의 바닥에 전기저항체가 있어서 전류를 매우 짧은 시간 동안에 흘릴 경우, 순간적으로 저항체의 온도가 상승하여 잉크방에 있던 잉크가 끓고 잉크 내에 기포가 생기게 되면서 이 기포가 상부에 있던 잉크를 노즐로 밀어내 잉크가 토출되게 한다.
이와 같이 열을 이용한 구동의 경우에는 큰 힘과 큰 변위를 얻을 수 있는 반면에 전류를 계속 인가하게 되므로 전력소모가 크고 물체가 식은 후에 다시 동작을 시켜야 하기 때문에 구동 속도가 떨어진다는 단점이 있다.
한편 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것이 비가열 방식의 압전 재료를 이용한 프린터이다. 압전 임펄스 잉크젯은 압전 소자가 전기장을 순간적으로 받게 되면 부피가 변화하는 현상을 이용한 인쇄법이다. 압전소자가 순간적으로 부피변화를 일으키게 되면 잉크에 압력파를 전달하게 되는데 이 압력파는 음속의 속도로 노즐까지 진행하게 된다.
본 발명에 채택되는 전기유체학적(EHD, Electrohydrodynamic) 프린팅은 전기장을 이용하여 미세 액적을 토출시켜서 인쇄하는 방법으로 기존의 인쇄 방법과 달리 노즐 직경의 수십, 수백 분의 일 크기의 미세 액적 형성이 가능하다. 이러한 특성으로 인해 같은 직경의 노즐을 사용하더라도 기존의 프린팅 방식에 비해 높은 해상도를 구현할 수 있으며, 전기장을 이용하여 액적을 토출시킴으로써 노즐의 설계가 비교적 간단하고, 해상도에 비해 큰 직경의 노즐을 사용함으로써 다양한 입자를 혼합한 잉크에서도 막히는 문제가 발생하지 않고 손쉽게 적용할 수 있는 기술이다.
또한 전기유체학적(EHD) 프린팅은 고해상도의 공정이면서도 기존의 반도체 공정에 비해 공정이 간단하고 설계변경이 용이하며 공정비용이 낮은 장점이 있다. 이러한 장점들로 인해 Flexible electronics, LCD Color filter등에 적용할 차세대 기술로 각광받고 있다.
위와 같은 전기유체학적(EHD) 프린팅 방식을 잉크젯 프린터에 적용한 선행기술로 특허 제1011182호(비전도성 핀이 삽입된 전기유체학적 분사노즐을 구비한 미세 전도성라인 패터닝 장치 및 이를 이용한 전기유체학적 패터닝 방법)가 개시되어 있는 바,
그에는 용액공급수단, 전기유체학적 분사노즐, 외부전극, 전원공급장치, 이송로봇으로 이루어진 패터닝 장치가 구성으로 제시되어 있고, 작동과정으로서는 외부전극이 전기유체학적 분사노즐 외부에 이격설치되어 전기유체학적 분사노즐과 용액 사이에 형성되는 전기장에 의해 분사노즐 하단에 맺힌 액적을 토출시키는데, 상기 용액을 패터닝 대상물에 인쇄하기 위해서는 이송로봇을 통해 패터닝 대상물이 위치된 스테이지를 이동시키거나 노즐 이송 암을 이용하여 분사노즐을 이동시키거나 패터닝 대상물과 분사노즐을 함께 이동시키면서 미세 전도성 라인을 특정형상으로 인쇄하는 기술이다.
그런데 위 선행기술은 패터닝 대상물에 특정형상을 인쇄하기 위하여, 분사노즐을 통해 액적이 토출될 때 패터닝 대상물을 이동시켜 가면서 특정형상의 패턴을 인쇄하거나, 분사노즐 자체가 이동하면서 패턴을 인쇄하는 것이라서, 이송로봇이라는 이송수단과 분사노즐을 이동시킬 이송 암 등의 구성이 추가로 필요할 뿐만 아니라, 위 선행기술은 패터닝 대상물에 소정의 패턴이 형성 완료될 때까지 일일이 액적이 토출되는 분사노즐이나 또는 스테이지를 이동시키면서 마치 그림을 그리는 듯한 공정을 수행해야 하므로 인쇄공정이 복잡하고 또한 패턴을 대량으로 인쇄할 수 없는 문제점을 안고 있는 기술이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로,
잉크젯 프린터를 이용하여 패터닝 대상물에 특정 형상의 나노패턴을 도장 찍어내듯이 하나의 공정으로 완성하도록 함을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 기존의 잉크젯 프린터에 나노패턴노즐을 결합사용함으로써 특별한 구성 변경이 없이도 간단하게 대량으로 특정 형상의 나노패턴을 인쇄할 수 있도록 함에 또 다른 목적이 있다.
아울러 본 발명은 나노패턴노즐을 손쉽게 탈부착시킬 수 있고, 원하는 패턴의 노즐로 손쉽게 교체할 수 있으며, 인쇄공정이 간소화되고 구조가 단순화된 잉크젯 프린터를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은, 전도성입자가 함유된 용액을 수용하여 가압전달하는 용액공급수단, 전기유체학적(EHD) 분사노즐체, 외부전극, 전원공급장치를 포함하여 이루어지는 잉크젯 프린터에 있어서, 상기 분사노즐체의 하단부에는 중앙에 노즐이 형성된 노즐헤드부를 구비하고, 상기 노즐헤드부에 나노패턴노즐이 결합되는 것을 특징으로 하는 나노패턴노즐을 구비함을 특징으로 한다.
또한 상기 나노패턴노즐의 하단부에 노즐플레이트가 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 노즐헤드부와 나노패턴노즐은 접착에 의해 결합되거나, 노즐헤드부의 외주연에는 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부에 패킹을 매개로 하여 상기 나노패턴노즐이 삽입고정되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 채택되는 나노패턴노즐은, 알루미늄 양극산화공정(anodic aluminum oxide)의 산화에 의해 형성된 나노단위의 다공층으로 이루어지거나, 집속이온빔(focused ion beam) 조사에 의해 형성된 나노단위의 다공층으로 이루어지며, 나노 임프린트 방식에 의해 형성된 나노단위의 다공층으로 이루어질 수도 있음을 특징으로 한다.
본 발명은 잉크젯 프린터를 이용하여 패터닝 대상물에 특정 형상의 나노패턴을 도장 찍어내듯이 하나의 공정으로 완성할 수 있고,
또한 기존의 잉크젯 프린터에 나노패턴노즐을 결합사용함으로써 특별한 구성 변경이 없이도 간단하게 대량으로 특정 형상의 나노패턴을 인쇄할 수 있으며,
본 발명에 사용되는 나노패턴노즐을 손쉽게 탈부착시킬 수 있고, 원하는 패턴의 노즐로 손쉽게 교체할 수 있으며, 인쇄공정이 간소화되고 프린터의 구조가 단순화되는 작용효과를 가진다.
도 1은 종래 전기유체학적 분사노즐체가 구비된 잉크젯 프린터
도 2는 본 발명에 따른 분사노즐체와 나노패턴노즐의 결합도
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분사노즐체와 나노패턴노즐의 결합도
도 4는 AAO 공정에 의해 제작된 나노마스크
도 5는 AAO를 만들기 위한 알루미늄 양극산화 장치
도 6은 AAO 나노 마스크를 만들어주는 공정
도 7은 FIB의 원리
도 8은 FIB 방법을 이용하여 특정 형상의 나노패턴노즐을 형성한 것
도 9의 (가)(나)(다)는 나노 임프린트 공정 간략도
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
아래에서는 본 발명의 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
본 발명은, 전도성입자가 함유된 용액을 수용하여 가압전달하는 용액공급수단(100), 전기유체학적(EHD) 분사노즐체(200), 외부전극(300), 전원공급장치(400)를 포함하여 이루어지는 잉크젯 프린터에 있어서,
상기 분사노즐체(200)의 하단부에는 중앙에 노즐구멍(201)이 형성된 노즐헤드부(202)를 구비하고, 상기 노즐헤드부(202)에 나노패턴노즐(204)이 결합되어서 이루어지는 바,
본 발명의 특징적인 구성을 설명하기에 앞서서, 종래기술로 제시된 도 1을 통하여 전기유체학적(EHD) 분사노즐체가 구비된 잉크젯 프린터의 작동원리를 먼저 설명하고자 한다. 이하에서는 '전기유체학적(EHD) 분사노즐체'를 '분사노즐체'라 칭하기로 한다.
상기 용액공급수단(100)은 전도성 입자가 함유된 콜로이드 용액을 수용하여 분사노즐체(200)측으로 가압 전달하며, 상기 분사노즐체(200)에서는 상기 용액을 패터닝 대상물(10)측으로 토출하게 되고, 상기 전원공급장치(400)는 분사노즐체(200)와 외부전극(300)에 전위차를 두고 전압을 공급하는 구성이다.
이 때 상기 외부전극(300)은 상기 분사노즐체(200) 외부에 이격 설치되어 분사노즐체(200)와 용액 사이에 전기장을 형성함으로써, 상기 분사노즐체(200) 하단에 맺힌 액적을 패터닝 대상물(10)에 토출할 수 있게 된다.
본 발명은 기존의 잉크젯 프린터를 이용하는 발명이다. 따라서 도 1의 잉크젯 프린터가 구비하고 있는 구성, 즉 용액공급수단(100), 분사노즐체(200), 외부전극(300), 전원공급장치(400)를 동일하게 포함하고 있다.
그러나 본 발명은 도 1의 분사노즐체와 대비하여 아래와 같이 구성을 달리함으로써 도 1이 갖는 작용효과와는 전혀 다른 작용효과를 갖게 된다.
즉 본 발명의 분사노즐체(200)의 하단부에는 중앙에 노즐구멍(201)이 형성된 노즐헤드부(202)를 구비하고, 상기 노즐헤드부(202)에는 나노패턴노즐(204)이 결합되어서 이루어지는 바,
상기 노즐헤드부(202)는 용액이 통과할 수 있도록 중앙에 노즐구멍(201)이 형성되고, 상기 노즐헤드부(202)에는 패터닝 대상물(10)에 특정 형상의 패턴 전체를 한번의 공정으로 찍어낼 수 있는 형상의 나노 크기의 다공성 패턴노즐인 나노패턴노즐(204)이 결합된다.
이로 인해 본 발명은 패터닝 대상물이 위치된 스테이지를 이동시키거나 노즐헤드부(202) 자체를 이동시키지 않고 패터닝 대상물(10)이 위치된 그 자리에서 도장찍듯이 한번의 공정으로 패터닝 대상물(10)에 원하는 패턴을 인쇄할 수 있고 이 과정을 반복하여 신속하게 대량의 패턴을 얻을 수 있다.
또한 본 발명은, 패터닝 대상물(10)에 소정의 패턴이 형성 완료될 때까지 일일이 액적이 토출되는 분사노즐이나 또는 도 1의 스테이지(510)를 이동시키면서 마치 그림을 그리는 듯한 공정을 수행해야 할 필요가 없으므로, 이송로봇이라는 이송수단과 분사노즐을 이동시킬 이송 암 등의 구성이 필요하지도 않아 인쇄공정이 간소화되고 프린터의 구조가 단순화된다.
본 발명에 사용되는 용액은 콜로이드 용액에 한정되지 않고, 금속이온용액이나 고분자 용액 등도 사용될 수 있다.
도 2, 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 상기 나노패턴노즐(204)의 하단부에는 중앙에 액적낙하공간부(206)가 형성된 노즐플레이트(205)가 부착된다.
상기 노즐플레이트(205)는 실리콘 또는 유리로 이루어져, 얇은 두께의 상기 나노패턴노즐(204)을 지지하는 역할을 하며, 그 중앙에는 액적낙하공간부(206)가 형성되어 상기 나노패턴노즐(204)을 통해 토출된 액적이 직하방으로 낙하될 수 있도록 한다.
도 2는 상기 나노패턴노즐(204)이 노즐헤드부(202)에 접착제를 통해 결합된 모습이고, 도 3은 상기 노즐헤드부(202)의 외주연에 돌출부(207)가 형성됨으로써 상기 돌출부(207)에 패킹(203)을 매개로 하여 상기 나노패턴노즐(204)이 삽입고정되는 것을 나타내고 있다. 여기서 도 3에서와 같이 고정하는 방법을 택할 경우, 나노패턴노즐(204)을 손쉽게 탈부착할 수 있어 파손시 교체가 용이하고, 패턴 형상을 달리하여 인쇄해야 할 경우에도 상기 나노패턴노즐(204)을 손쉽게 교체하여 요구에 응할 수 있게 된다.
다음으로 본 발명의 나노패턴노즐(204)을 제작하는 방법에 대해 설명한다. 아래에 소개하는 방법 기재 중 나노 구멍을 형성하는 기술은 공지의 방법이다.
도 4, 5, 6은 AAO (anodic aluminum oxide)라 불리는 알루미늄 양극산화공정법을 나타내는 도면들이다. AAO (anodic aluminum oxide)는 알루미늄을 옥살산, 인산, 황산 등의 용액에 담그고 알루미늄에 양극을 용액에 음극을 걸어 전기적으로 알루미늄을 강제 산화시킬 때 주기적인 다공성 패턴이 만들어지는 현상을 이용한 것으로 도 4는 AAO 공정에 의해 제작된 나노마스크이고, 도 5는 AAO를 만들기 위한 양극산화 장치이며, 도 6은 AAO 나노 마스크를 만들어주는 공정이다.
위와 같이 강제적으로 전기를 이용하여 산화시켜주는 방법을 양극산화공정이라고 하는데 보편적으로 알루미늄 창에 녹이 발생하는 것을 방지하기 위하여 강제 산화시켜 알루미늄 표면에 산화층을 만들어주는데서 시작하였는데 측정기술이 발달한 현재 그 산화 패턴이 나노단위의 다공층으로 이루어졌다는 것이 알려지고 이를 현재 나노기술에서 사용하고 있는 것이다. AAO층은 보통 옥살산을 이용하여 만들 경우 약 100나노의 간격을 가지고 구멍이 뚫린 형태로 만들어지며, 이렇게 만들어진 AAO 나노 마스크를 이용하여 특정한 형태의 패턴이 되도록 통공 상태를 유지하거나 폐색시켜 본 발명의 나노패턴노즐을 제작한다.
나노 패턴 노즐을 만들기 위한 다음 방법으로는 도 7과 같은 집속이온빔(FIB, focused ion beam) 방법이 있다. FIB는 Ga+ ion빔을 고압(30keV)으로 집속 가속하여 노즐구멍을 만들고자 하는 시편 표면에 충돌시켜 그 표면 물질을 뜯어낸다. 이때 표면에서 뜯겨 나오는 물질은 2차 이온 혹은 중성원자 형태가 된다. 도 8은 위 FIB 방법을 이용하여 특정 형상의 나노패턴노즐을 형성한 것을 나타내고 있다.
마지막 방법은 도 9의 나노 임프린트 방식이다. 나노 임프린트 방식은 초미세 가공인 나노 가공을 실현하기 위해 제안된 기술로 기판(20) 위에 열가소성 수지나 광경화성 수지(30)를 도포하고, e-빔을 이용하여 나노 크기의 몰드(40)를 제작한 뒤 몰드(40)에 압력을 가해 수지 위로 패턴을 전사하는 기술을 말한다. 본 발명은 그에 에칭공정을 가하여 얇게 남겨진 수지층을 제거함으로써 본 발명의 잉크젯 프린터에 사용할 수 있는 나노패턴노즐을 얻게 된다.
아래에서는 본 발명의 작동과정을 설명한다.
용액공급수단(100)은 전도성 입자가 함유된 콜로이드 용액을 수용하여 분사노즐체(200)측으로 가압 전달하며, 분사노즐체(200)에서는 상기 용액을 패터닝 대상물(10)측으로 토출하게 되는데, 이때 외부전극(300)은 상기 분사노즐체(200) 외부에 이격 설치되어 분사노즐체(200)와 용액 사이에 전기장을 형성함으로써, 상기 분사노즐체(200) 하단에 맺힌 액적을 패터닝 대상물(10)에 토출할 수 있게 된다. 본 발명은 분사노즐체(200)에서 토출되는 용액이 상기 분사노즐체(200)의 노즐헤드부(202)에 결합된 나노패턴노즐(204)을 통과하며 낙하하면서, 패터닝 대상물(10)에 특정 형상의 나노패턴을 도장 찍어내듯이 하나의 공정으로 완성한다.
이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.
10 : 패터닝 대상물 100 : 용액공급수단
200 : 분사노즐체 201 : 노즐구멍 201 : 노즐헤드부 203 : 패킹
204 : 나노패턴노즐 205 : 노즐플레이트 206 : 액적낙하공간 207 : 돌출부
300 : 외부전극 400 : 전원공급장치 510 : 스테이지
20 : 기판 30 : 수지 40 : 몰드

Claims (7)

  1. 전도성입자가 함유된 용액을 수용하여 가압전달하는 용액공급수단, 전기유체학적(EHD) 분사노즐체, 외부전극, 전원공급장치를 포함하여 이루어지는 잉크젯 프린터에 있어서,
    상기 분사노즐체의 하단부에는 중앙에 노즐구멍이 형성된 노즐헤드부를 구비하고,
    상기 노즐헤드부에 나노패턴노즐이 결합되는 한편,
    상기 노즐헤드부의 외주연에는 돌출부가 형성되되,
    상기 돌출부에 패킹을 매개로 하여 상기 나노패턴노즐이 삽입고정되는 것을 특징으로 하는 나노패턴노즐을 구비한 잉크젯 프린터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노패턴노즐의 하단부에는 중앙에 액적낙하공간부가 형성된 노즐플레이트가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 나노패턴노즐을 구비한 잉크젯 프린터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노즐헤드부와 나노패턴노즐은 접착에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 나노패턴노즐을 구비한 잉크젯 프린터

  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노패턴노즐은, 알루미늄 양극산화공정(anodic aluminum oxide)의 산화에 의해 형성된 나노단위의 다공층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노패턴노즐을 구비한 잉크젯 프린터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노패턴노즐은, 집속이온빔(focused ion beam) 조사에 의해 형성된 나노단위의 다공층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노패턴노즐을 구비한 잉크젯 프린터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노패턴노즐은, 나노 임프린트 방식에 의해 형성된 나노단위의 다공층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노패턴노즐을 구비한 잉크젯 프린터.











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