KR101552433B1 - 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치 및 이를 이용한 3차원 패터닝 장치 - Google Patents

전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치 및 이를 이용한 3차원 패터닝 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자기장 제어를 이용하여 노즐로부터 분사되는 유체의 착탄 방향 및 위치를 제어함으로써 패턴의 정밀도 및 정확도를 향상시킬 수 있는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치 및 이를 이용한 3차원 패터닝 장치에 관한 것이며, 기판을 향하여 유체를 분사하는 노즐부; 상기 기판과 상기 노즐부 사이에 전기장을 형성하되 상기 노즐부로부터 유체가 분사되도록 상기 노즐부에 전압을 인가하는 전압공급부; 상기 노즐부로부터 분사되는 유체의 분사경로 상에 설치되고, 유체가 통과하도록 중공이 형성되며, 상기 중공 내부에 자기장을 형성하여 상기 중공을 통과하는 유체를 집속된 상태로 상기 기판 측으로 직진시키거나 유체가 상기 기판의 기설정된 영역 상에 착탄되도록 유체의 분사 경로를 조절하는 자기장 발생부; 상기 자기장 발생부로부터 형성되는 자기장의 세기를 조절하는 제어부;를 포함하는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치가 제공된다.

Description

전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치 및 이를 이용한 3차원 패터닝 장치{ELECTROHYDRODYNAMIC PATTERNING APPARATUS USING ELECTROMAGNETIC FIELD CONTROL AND PATTERNING APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치 및 이를 이용한 3차원 패터닝 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판과 노즐 사이의 영역에 전자기장을 발생시키고 이를 적절히 제어하여 노즐로부터 토출되는 유체의 직진성을 향상시키거나 또는 사용자가 의도한 기판의 소정 영역에 유체를 착탄시킬 수 있는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치 및 이를 이용한 3차원 패터닝 장치에 관한 것이다.
일반적으로 잉크를 분사시키는 장치는 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 잉크 분사장치는 압전구동방식과 열구동 방식이 주를 이루고 있다. 다만, 압전구동방식 또는 열구동 방식은 구동에너지의 한계로 인하여 액적의 크기에 한계가 있으며, 열구동 방식의 경우에는 열적 문제로 인하여 대면적 프린팅에 적합하지 않고 소재 변성 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 정전기력을 이용하여 잉크와 같은 유체를 분사하는 장치가 개발되고 있다.
종래의 정전기력을 이용하는 잉크토출장치는 노즐 내부에 포함된 잉크에 전하를 공급할 수 있는 전극과 이에 마주하도록 위치하는 대향전극 사이에 전압을 인가하여 전기장을 발생시켜 잉크가 노즐단부에서 액면을 형성하도록 한다. 그 후에 액면을 형성한 잉크는 쿨롱의 힘(Coulomb's Force)에 의하여 기판으로 토출되는 방식에 의하여 작동한다.
다만, 이러한 종래의 정전기력을 이용하는 잉크토출 및 패터닝장치를 이용하는 경우 액적과 연속젯이 전하를 띄고 있기 때문에 장치 주위의 조건, 기판의 구조 및 전하량 등의 요인에 의하여 사용자가 의도한 소정 영역에 유체가 착탄되지 못하고 패턴이 왜곡되는 문제점이 발생한다.
이를 해결하기 위해, 등록특허공보 제10-1275225호에서는 노즐로부터 분사되는 유체에 가스를 분사하여 물리적으로 유체의 분사경로를 조절하는 잉크분사장치가 개시되어 있다.
상술한 가스를 통해 유체의 분사경로를 제어하는 경우, 가스분사부가 노즐에 근접하게 배치되어야 하므로 설치위치가 제한적이며, 스프레이 노즐과 같이 유체를 미립화시켜 분사하는 노즐에 대해서는 적용하기 어렵다는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전자기장 제어를 이용하여 노즐로부터 분사되는 유체의 착탄 방향 및 위치를 제어함으로써 패턴의 정밀도 및 정확도를 향상시킬 수 있는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치 및 이를 이용한 3차원 패터닝 장치를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 기판을 향하여 유체를 분사하는 노즐부; 상기 기판과 상기 노즐부 사이에 전기장을 형성하되 상기 노즐부로부터 유체가 분사되도록 상기 노즐부에 전압을 인가하는 전압공급부; 상기 노즐부로부터 분사되는 유체의 분사경로 상에 설치되고, 유체가 통과하도록 중공이 형성되며, 상기 중공 내부에 자기장을 형성하여 상기 중공을 통과하는 유체를 집속된 상태로 상기 기판 측으로 직진시키거나 유체가 상기 기판의 기설정된 영역 상에 착탄되도록 유체의 분사 경로를 조절하는 자기장 발생부; 상기 자기장 발생부로부터 형성되는 자기장의 세기를 조절하는 제어부;를 포함하는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 자기장 발생부는 나선방향을 따라 연장되어 상기 노즐부로부터 토출되는 유체의 분사경로를 둘러싸는 솔레노이드 코일(solenoid coil)을 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 자기장 발생부는 상기 솔레노이드 코일을 내부에 수용하며, 상기 노즐부로부터 토출되는 유체의 분사경로를 마주보는 내측면의 일부 또는 전부를 개방하는 개방부가 형성되는 케이스;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 개방부는 개방되는 영역이 조절가능하게 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 노즐부와 상기 기판 사이를 연결하여 상기 노즐부와 상기 기판 사이의 전류정보를 측정하는 전류 측정부;를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 전류 측정부를 통해 측정된 전류정보를 제공받아 상기 기판과 상기 노즐부 사이의 전류량을 제어하는 전류량 제어모듈;을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 노즐부와 연결되며, 상기 노즐부를 상기 기판에 근접하거나 멀어지는 방향을 따라 이동시키거나 상기 기판과 나란한 방향을 따라 이동시키는 노즐이송부;를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 노즐이송부의 움직임을 조절하여 상기 노즐부의 움직임을 제어하는 이송제어모듈;을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 노즐부는 유체를 액적 상태로 분사하는 드롭 온 디맨드(drop on demand) 방식 또는 유체를 전기방사(electrospinning)함으로써 연속젯 상태로 분사하는 연속젯 방식 중 어느 하나의 방식으로 유체를 분사하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 노즐부는 연속젯 방식으로 유체를 분사하고, 상기 자기장 발생부는 유체의 스피닝 젯(spinning jet) 경로 상에 설치되며, 상기 제어부는 상기 노즐부와 상기 기판 사이에 형성되는 전기장의 세기 및 상기 자기장 발생부로부터 형성되는 자기장의 세기 중 적어도 어느 하나를 제어하여 상기 노즐부로부터 분사되는 유체가 상기 기판의 기설정된 영역 상에 착탄시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 노즐부로부터 분사되는 유체가 통과하도록 상기 노즐부와 상기 자기장 발생부 사이에 마련되며, 접지되거나 또는 전압을 인가받음으로써 상기 노즐부로부터 유체의 분사를 안내하는 가이드 전극;을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 노즐부는, 상기 기판을 향하여 액체를 분사하는 액체 노즐; 상기 액체의 분사경로 상에서 상기 액체와 충돌하도록 기체를 분사하는 기체 노즐;을 구비하고, 상기 전압공급부는 상기 액체 노즐에 전압을 인가하며, 상기 액체는 상기 기체 노즐로부터 분사되는 기체와의 충돌에 의해 1차적으로 미립화되고, 상기 액체 노즐과 상기 기판 사이의 전기장에 의해 2차적으로 미립화되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 노즐부는 상기 액체 노즐 및 상기 기체 노즐을 내부에 수용하며, 상기 기체 노즐로부터 분사되는 기체가 상기 액체의 분사경로 상에서 상기 액체와 충돌하도록 상기 기체의 유동방향을 안내하는 기체 유로가 형성된 몸체;를 더 포함하며, 상기 몸체의 내부에서 상기 기체와 상기 액체를 충돌시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기체 유로는 상기 기체가 상기 액체의 분사경로와 수직으로 충돌하도록 상기 기체의 유동방향을 안내하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 액체 노즐로부터 분사되는 액체를 공급하는 액체 공급부; 상기 기체 유로를 유동하는 기체를 공급하는 기체 공급부;를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 전압공급부를 통해 상기 액체 노즐에 인가되는 전압량을 조절하여 상기 노즐부와 상기 기판 사이에 형성되는 전기장의 세기를 제어하는 전기장 제어모듈; 상기 기체 공급부로부터 상기 기체 노즐에 공급되는 기체의 압력을 제어하는 압력 제어모듈; 상기 액체 공급부로부터 공급되는 액체의 유량을 조절하여 상기 액체 노즐로부터 분사되는 액체의 분사속도를 제어하는 분사속도 제어모듈; 중 적어도 어느 하나를 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 상술한 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 기재된 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치를 이용하되, 복수의 패턴층을 순차적으로 적층하여 3차원 입체물을 제작하는 3차원 패터닝 장치에 있어서, 상기 노즐부는 기판 상측 또는 상기 기판상에 형성되는 패턴층 상측에 유체를 분사하고, 상기 자기장 발생부는 상기 중공을 통과하는 유체가 집속된 상태로 상기 기판 상측 또는 상기 기판상에 형성되는 패턴층 상측에 착탄되도록 유체의 분사방향을 조절하며; 상기 기판 상측 또는 상기 기판상에 형성되는 패턴층 상측에 착탄된 유체를 경화시켜 패턴층을 형성하는 경화부;를 더 포함하는 전자기장 제어를 이용한 3차원 패터닝 장치에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 노즐부로부터 분사되는 유체가 왜곡에 의해 의도치 않은 영역에 착탄되는 것을 방지할 수 있는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치 및 이를 이용한 3차원 패터닝 장치가 제공된다.
또한, 노즐부로부터 분사되는 유체가 전자기장의 영향을 받아 집중되어 기판부로의 직진성이 확보될 수 있다.
또한, 노즐부로부터 분사되는 유체에 인가되는 전자기장의 세기를 조절함으로써 유체의 분사경로를 직접적으로 제어하여 사용자가 의도하는 영역에 유체를 착탄시킬 수 있다.
또한, 노즐부로부터 분사되되 미립화된 유체에 인가되는 전자기장의 세기를 조절함으로써 미립화된 유체가 집중되는 영역을 제어하여 기판에 착탄되는 유체의 밀도를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치를 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 2는 도 1에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 노즐부가 드랍 온 디맨드 방식에 의해 유체를 분사하는 모습을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 3은 도 1에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 노즐부가 연속 젯 방식에 의해 유체를 분사하는 모습을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 4는 도 1에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 자기장 발생부를 개략적으로 도시한 절개 사시도이고,
도 5는 도 1에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 제어부를 개략적으로 도시한 개념도이고,
도 6은 도 1에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 자기장 발생부에 의해 유체의 분사경로가 변형되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 7은 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 복수개의 자기장 발생부에 의한 유체의 분사경로를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 8은 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 노즐부가 드랍 온 디맨드 방식에 의해 액적을 분사하는 경우에 자기장 발생부에 의해 액적이 변형되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 9는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 노즐부가 연속 젯 방식에 의해 액적을 분사하는 경우에 자기장 발생부에 의해 유체의 분사경로가 변형되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치를 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 11은 도 10에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치를 개략적으로 도시한 정단면도이고,
도 12는 도 10에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 제어부의 모습을 개략적으로 도시한 개념도이고,
도 13은 도 10에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 자기장 발생부에 의해 미립화된 액적의 분사 영역을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 3차원 패터닝 장치를 개략적으로 도시한 정면도이고,
도 15는 도 14에 따른 전자기장 제어를 이용한 3차원 패터닝 장치를 작동방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
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 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치(100)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치(100)는 유체의 분사경로 상에 형성되는 전자기장의 세기를 적절히 조절하여 유체의 착탄 정밀도 또는 집중도를 조절할 수 있는 것으로서, 노즐부(110)와 전압공급부(120)와 자기장발생부(130)와 전류측정부(140)와 노즐이송부(150)와 제어부(160)를 포함한다.
상기 노즐부(110)는 기판(S)을 마주보게 배치되며 기판(S) 측으로 유체를 분사하는 부재이다.
특히 본 발명의 제1실시예에서 노즐부(110)는 후술할 전압공급부(120)로부터 전압을 인가받아 전하를 포함하는 유체를 분사하는, 즉, 정전기력(electrohydrodynamic)에 의해 유체를 분사하는 방식을 채택할 수 있다.
이에 따라, 노즐부(110)는 노즐부(110) 측으로 공급되는 유체의 점도에 따라 유체의 분사방식이 상이해질 수 있다. 더 자세히 설명하면, 저점도의 유체를 공급받는 경우에는 유체를 액적(drop) 상태로 분사하는 드랍 온 디맨드(drop-on-demand) 방식으로 유체를 토출할 수 있으며, 고점도의 유체를 공급받는 경우에는 유체를 전기방사(electrospinning)함으로써 연속젯을 형성하여 패터닝하는 연속젯 방식으로 유체를 토출할 수 있다.
도 2는 도 1에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 노즐부가 드랍 온 디맨드 방식에 의해 유체를 분사하는 모습을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 1에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 노즐부가 연속 젯 방식에 의해 유체를 분사하는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 드랍 온 디맨드 방식은 필요한 경우에만 분사용액 입자를 날려보내는 방식의 프린팅으로써, 노즐의 크기보다 더 작은 액적을 생성할 수 있으며, 1㎛ 수준의 액적도 토출할 수 있게 된다.
도 3을 참조하면, 연속젯 방식은 노즐부(110)로부터 전기방사(electrospinning)를 통해 유체를 연속적으로 분사하는 방식으로, 유체는 일정 범위 내에서는 노즐부(110)로부터 연장되는 직선을 따라 분사되는 직선 젯(straight jet) 경로를 따라 유동하며, 이 범위를 벗어나면 나선 또는 콘 형상으로 이동하는 스피닝 젯(spinning jet) 경로를 따라 유동하게 된다.
상기 전압인가부(120)는 노즐부(110)에 전압을 인가하는 부재로서 노즐부(110)와 기판(S) 사이에 전위차를 발생시켜 전기장을 형성하고, 노즐부(110)로부터 유체가 분사되게 한다.
여기서, 노즐부(110)와 기판(S) 사이에 더 큰 전위차를 발생시키도록 기판(S)은 접지되거나 또는 전압인가부(120)를 통해 노즐부(110)에 인가되는 전압과는 반대극성의 전압이 인가될 수 있다.
한편, 상술한 전압인가부(120)로부터 노즐부(110)에 인가되는 전압은 직류전압 또는 교류전압의 형태가 될 수 있다.
도 4는 도 1에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 자기장 발생부를 개략적으로 도시한 절개 사시도이다.
도 4를 참조하면, 상기 자기장 발생부(130)는 기판(S) 측으로 분사되는 유체에 자기장을 인가하여 유체를 집속된 상태로 기판(S) 측으로 직진시키거나 기판(S)의 기설정된 영역 상에 착탄되도록 유체의 분사경로를 변경하는 부재로서, 본 발명의 제1실시예에서는 유체의 분사경로를 둘러싸도록 나선방향을 따라 연장되는 솔레노이드 코일(solenoid coil)(131)로 구비된다.
여기서, 솔레노이드 코일(131)의 내부 공간, 즉, 중공(134)을 통과하는 유체에 의해 솔레노이드 코일(131)에 자기장이 발생되며, 이러한 자기장은 다시 중공(134)을 통과하는 유체에 영향을 미친다.
이러한 솔레노이드 코일(131)을 통과하며, V의 속도로 유동하는 유체에 가해지는 힘은 F = - q*V*B로 표현되는 로렌츠의 힘에 의해 설명될 수 있으며, 이는 주지한 이론이므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
도 6은 도 1에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 자기장 발생부에 의해 유체의 분사경로가 변형되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 솔레노이드 코일(131)의 내부 영역을 통과하는 유체는 솔레노이드 코일(131)의 자기장의 영향을 받아 솔레노이드 코일(131)의 중심축을 향하도록 운동방향이 변경된다.
따라서, 유체가 자기장의 영향을 받은 상태에서 기판(S) 측으로 유동하면, 소정의 일점(C)에서 집중되고, 일점(C)으로부터 더 유동하면 솔레노이드 코일(131)의 중심축의 방사방향을 따라 분산된다.
이처럼, 솔레노이드 코일(131)의 내부 공간을 통과하는 유체는 자기장에 의해 로렌츠의 힘을 받게 되면 유체의 운동방향이 변경되고, 유체가 집중되는 일점(C)이 기판(S) 상에 위치하도록 기판(S)과 자기장 발생부(130) 사이의 이격거리 또는 자기장 발생부(130)로부터 발생되는 자기장의 세기 등을 조절한다면 노즐부(110)로부터 분사되는 유체가 기판(S)의 특정 영역에 착탄되도록 할 수 있다.
도 7은 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 복수개의 자기장 발생부에 의한 유체의 분사경로를 개략적으로 도시한 도면이다.
더 나아가, 도 7을 참조하여 유체의 분사경로를 따라 자기장 발생부(130)를 복수개 배치한다면, 유체는 솔레노이드 코일(131)의 중심축을 따라 집중 및 분산되는 과정이 계속적으로 반복됨으로써 유체를 기판(S) 측으로 직진시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서는 솔레노이드 코일(131)을 내부에 수용하며,노즐부(110)로부터 분사되는 유체의 분사경로를 마주보는 내측면의 일부 또는 전부를 개방하는 개방부(133)가 형성된 케이스(132)를 더 포함할 수 있다.
즉, 케이스(132)의 개방부(133)를 통해 자기장이 형성되는 영역을 적절히 조절할 수 있고, 이러한 자기장이 형성되는 영역의 조절을 통해 유체의 분사경로에 영향을 미칠 수 있는 자기장의 세기를 변경할 수 있고, 결국 솔레노이드 코일(131)의 중심축을 향하는 로렌츠의 힘의 크기를 변경함으로써 일점(C)의 형성 위치를 변경할 수 있다.
이러한 기능을 더 활발히 조절할 수 있도록, 케이스(132)는 개방부(130)에 의해 개방되는 영역를 적절히 조절하도록 마련될 수 있다.
상기 전류측정부(140)는 노즐부(110)와 기판(S) 사이를 연결하며, 노즐부(110)와 기판(S) 사이의 전류정보를 측정하는 부재이다. 노즐부(110)와 기판(S) 사이의 전류는 자기장 발생부(130)에 의해 발생하는 자기장의 세기에 영향을 미칠 수 있고, 전류측정부(140)를 통해 전류정보를 측정함으로써 자기장 발생부(130)에 의해 발생하는 자기장을 용이하게 제어할 수 있도록 한다.
상기 노즐이송부(150)는 노즐부(110)와 연결되어 노즐부(110)를 기판(S)에 근접하거나 멀어지는 방향으로 이동시키거나 기판(S)과 나란한 방향을 따라 이동시키는 부재이다.
즉, 노즐이송부(150)를 통해 패터닝시키고자 하는 기판(S)의 소정 영역과 노즐부(110)가 서로 마주보도록 노즐부(110)를 이동시킬 수 있고, 유체가 집속되는 일점(C)이 기판(S) 상에 위치하도록 노즐부(110)와 기판(S) 사이의 이격 간격을 조절할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서 노즐부(110)가 연속 젯 방식으로 유체를 분사하는 경우에 제어가 용이하도록 직선 젯 경로를 따라 분사되는 유체를 활용하는 것이 바람직하며, 이를 위해 노즐이송부(150)는 노즐부(110)와 기판(S) 사이의 이격 간격을 적절히 조절하는 것이 바람직하다.
상기 제어부(160)는 자기장 발생부(130)로부터 형성되는 자기장의 세기를 조절하는 것이다. 상술한 것과 같이, 자기장 발생부(130)로부터 형성되는 자기장의 세기는 유체의 분사경로에 영향을 미치므로, 제어부(160)를 통해 자기장 발생부(130)로부터 형성되는 자기장의 세기를 조절함으로써 유체를 기판(S) 측으로 직진시키거나 유체의 분사경로를 변경하여 유체를 기판(S)의 소정위치로 착탄시킨다.
도 5는 도 1에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 제어부를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에서 제어부(160)는 자기장 발생부(130)에서 형성되는 자기장의 세기를 변경할 수 있도록 전류량 제어모듈(161)과 이송제어모듈(162)를 구비할 수 있다.
상기 전류량 제어모듈(161)은 상술한 전류측정부(140)로부터 기판(S)과 노즐부(110) 사이의 전류정보를 제공받고, 이를 통해 기판(S)과 노즐부(110) 사이의 전류량을 제어하는 것이다.
더 자세히 설명하면, 유체가 집속되는 일점(C)이 설정된 것보다 더 이르게 형성된 경우, 전류측정부(140)로부터 제공받은 전류정보를 통해 노즐부(110)와 기판(S) 사이의 전류량을 감소시켜, 유체가 집속되는 일점(C)의 형성위치를 더 지연시킨다.
본 발명의 일실시예에서 전류량 제어모듈(161)은 노즐부(110)에 인가되는 전압의 세기를 변경함으로써 기판(S)과 노즐부(110) 사이의 전류량을 조절하게 되나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 이송제어모듈(162)는 노즐이송부(150)의 움직임을 제어하여 노즐부(110)의 위치 등을 제어하는 것이다.
즉, 노즐이송부(150)를 이동시켜 노즐부(110)의 초기 위치를 변경할 수 있고, 특히, 기판(S)과 노즐부(110) 사이의 이격 간격을 조절하여 일점(C)을 기판(S) 상에 형성시킬 수 있다.
한편, 더 나아가 제어부(160)는 개방부(133)의 개방 정도를 적절히 제어함으로써 자기장의 형성 영역을 조절할 수도 있다.
한편, 본 발명의 제1실시예에서 노즐부(110)로부터 유체가 원활하게 분사되도록 접지되거나 또는 외부로부터 전압을 인가받는 가이드 전극(170)을 추가적으로 구비할 수 있다.
상기 가이드 전극(170)은 노즐부(110)로부터 분사되는 유체가 통과하도록 유체의 분사경로를 따라 관통되는 관통구가 형성될 수 있다.
지금부터는 상술한 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치(100)의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치(100)에 의해 분사되는 유체의 직진성을 향상시키는 방법에 대하여 설명한다.
도 8은 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 노즐부가 드랍 온 디맨드 방식에 의해 액적을 분사하는 경우에 자기장 발생부에 의해 액적이 변형되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 9는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 노즐부가 연속 젯 방식에 의해 액적을 분사하는 경우에 자기장 발생부에 의해 유체의 분사경로가 변형되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
분사되는 유체의 직진성을 향상시키는 경우, 노즐부(110)가 드랍 온 디맨드 방식 또는 연속 젯 방식 중 어느 방식으로 유체를 분사해도 무방하다.
노즐부(110)로부터 분사된 유체는 자기장 발생부(130)의 중공(134)을 통과하는 동안 자기장 발생부(130)로부터 형성되는 자기장의 영향을 받게 되며, 특히, 자기장 발생부(130)의 중심축 방향으로 힘을 받게 된다.
도 8을 참조하여 드랍 온 디맨드 방식에 의해 유체를 분사한다면, 기판(S) 측으로 향하는 힘과 자기장 발생부(130)의 중심축을 향하는 힘이 합성되어 유체는 소정의 경사를 형성하며 자기장 발생부(130)의 중심축 측으로 유동하고, 결국 상술한 일점(C) 상에서 집속된다.
여기서, 유체는 일점(C)으로부터 더 유동할 경우, 자기장 발생부(130)의 중심축으로부터 방사방향을 따라 확산되므로 일점(C)이 기판(S) 상에 형성되게 기판(S)과 노즐부(110) 사이의 이격 간격을 조절하거나, 유체의 분사경로를 따라 복수개의 자기장 발생부(130)를 배치하여 자기장 발생부(130)의 중심축으로부터 확산된 유체를 재집속시킬 수 있다.
결국, 상술한 과정을 거쳐 노즐부(110)를 통해 분사된 유체가 자기장 발생부(130)의 중심축을 따라 직진한 것과 동일한 효과를 기대할 수 있다.
다음으로, 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치(100)에 의해 분사되는 유체의 분사경로를 변경하여 유체가 기판(S)의 소정위치에 착탄되도록 하는 방법에 대하여 설명한다.
도 9를 참조하면, 노즐부(110)는 연속 젯 방식에 의해 유체를 연속적으로 분사하며, 직선 젯(straight jet) 경로를 따라 유동하는 유체를 이용하는 경우, 유체가 자기장의 영향을 받으면 자기장 발생부(130)의 중심축을 향하는 힘이 발생하여 유체의 분사경로가 변경된다는 점을 이용하여 기판(S)과 노즐부(110) 사이의 이격 간격, 자기장의 세기 등을 조절하여 유체의 착탄 위치를 변경할 수 있다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치(200)에 대하여 설명한다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치(200)는 노즐부로부터 분사되는 유체를 기체와 충돌시켜 1차적으로 미립화시키고 1차적으로 미립화된 유체를 전기장을 통해 2차적으로 미립화시킴으로써 균일하게 미립화된 유체를 기판 측으로 분사하되 유체의 분사경로 상에 형성되는 전자기장의 세기를 적절히 조절하여 유체의 착탄 정밀도 또는 집중도를 조절할 수 있는 것으로서, 노즐부(210)와 전압공급부(220)와 자기장발생부(130)와 전류측정부(140)와 노즐이송부(150)와 제어부(260)를 포함한다.
도 11은 도 10에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치를 개략적으로 도시한 정단면도이다.
도 11을 참조하면, 상기 노즐부(210)는 기판(S)을 마주보게 배치되며 기판(S) 측으로 유체를 분사하는 부재로서, 액체 노즐(211)과 기체 노즐(212)와 몸체(213)와 액체공급부(215)와 기체공급부(216)를 포함한다.
상기 액체 노즐(211)는 액체가 유동하는 통로로서 기판을 향하여 액체를 분사하는 것이다.
상기 기체 노즐(212)은 기체가 분사되는 것으로서 기체 노즐(212)로부터 분사되는 기체를 액체의 분사경로 상에서 액체와 충돌시켜 액체를 1차적으로 미립화시키는 것이다.
여기서, 기체 노즐(212)은 적어도 액체와 기체의 충돌시, 액체의 분사경로와 기체가 수직을 형성하며 충돌하도록 기체를 분사하는 것이 바람직하다.
다시 설명하면, 액체의 1차적인 미립화를 위해서 기체와 액체의 충돌이 매우 중요한 요소이며, 기체가 액체의 분사경로와 수직을 형성하며 충돌해야 안정적으로 액체를 미립화할 수 있다.
즉, 기체가 액체의 분사경로와 수직을 형성하지 못하며 충돌하는 경우, 기체가 액체의 분사방향 또는 액체의 분사방향의 반대방향으로 영향을 미칠 수 있으며, 충돌에 의해 액체의 분사방향으로 힘을 가하는 경우 미립화된 액적이 너무 강한 속도로 기판(S)에 충돌하여 다시 튕겨져 나오는 되튀김 현상이 발생할 수 있으며, 충돌에 의해 액체의 분사방향의 반대방향으로 힘을 가하는 경우 기체에 의해 액체의 분사가 방해받아 분사속도 또는 액체의 분사유량 등에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 방지하도록 기체가 액체의 분사경로와 수직으로 충돌하는 것이 바람직하나, 이러한 문제점은 액체의 분사속도를 조절하여 해결하는 것도 가능하므로 여기에 제한되는 것은 아니다.
또한, 기체 노즐(212)은 액체가 기체와의 충돌에 의해 나선방향을 따라 유동하도록 기체가 액체 분사경로의 외주연의 접선방향을 따라 분사되게 마련될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 몸체(213)는 액체 노즐(211)과 기체 노즐(212)을 내부에 수용하되, 액체 노즐(211)로부터 분사되는 액체와 기체 노즐(212)로부터 분사되는 기체가 충돌할 수 있는 공간을 내부에 제공하는 부재이다.
즉, 몸체(213) 외부에서 분사되는 유체는 실질적으로 1차적인 미립화가 완료된 상태이며, 몸체(213)와 기판(S) 사이에 형성되는 전기장에 의해 2차적인 미립화가 발생한다.
한편, 몸체(213)의 내부에는 기체 노즐(212)로부터 분사되는 기체가 유동하되, 액체의 분사경로와 수직을 형성하는 기체 유로(214)가 형성될 수 있다.
이러한 기체 유로(214)를 통해 액체 노즐(211)로부터 분사되는 액체와 기체 노즐(212)로부터 분사되는 기체가 수직을 형성하며 충돌하도록 안내하므로 상술한 문제점의 발생을 방지할 수 있다.
상기 액체 공급부(215)는 액체 노즐(211) 측으로 액체를 공급하는 부재이다. 이러한, 액체 공급부(215)는 액체 노즐(211) 측으로 액체를 공급하는 기능만을 수행하면 충분하며, 특별한 장치로 구비되어야 하는 것은 아니다.
상기 기체 공급부(216)는 기체 노즐(212) 측으로 기체를 공급하는 부재이다. 액체 공급부(215)과 동일하게 기체 공급부(216)도 기체 노즐(212) 측으로 기체를 공급하는 기능만을 수행하면 충분하며, 특별한 장치로 구비되어야 하는 것은 아니다.
상기 전압 공급부(220)는 액체 노즐(211)과 전기적으로 연결되며 상술한 제1실시예에서의 전압 공급부(120)와 동일한 기능을 수행하며, 더 자세히 설명하면, 액체 노즐(211)과 기판(S) 사이, 더 바람직하게는 노즐부(210)의 몸체(212) 단부와 기판(S) 사이에 전기장을 발생시키는 부재이다.
또한, 본 발명의 제2실시예에 따르면 노즐부(210)와 기판(S) 사이에 형성되는 전기장은 노즐부(210)로부터 분사되되 1차적으로 미립화된 액체를 2차적으로 미립화시키는 기능도 수행한다.
이와 같이 기체와의 충돌 및 전기장을 통해 순차적으로 액체를 미립화시키면 대량의 액체를 분사함과 동시에 미세하고 균일한 크기의 액적을 생성할 수 있다. 더불어, 전기장을 이용하여 미립화된 액체들이 기판(S) 측으로 분사되도록 가이드함으로써 액적의 되튀김 문제를 해결할 수 있고 재료 소모량을 절감할 수 있다.
상기 자기장 발생부(130)와 상기 전류측정부(140)와 상기 노즐이송부(150)는 상술한 제1실시예에서 설명한 것과 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
도 12는 도 10에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 제어부의 모습을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 12를 참조하면, 상기 제어부(260)는 자기장 발생부(130)로부터 형성되는 자기장의 세기를 조절하는 것과 동시에 노즐부(210)로부터 분사되는 액체의 분사조건 등을 제어하느 것으로서, 전류량 제어모듈(161)과 이송제어모듈(162)과 전기장 제어모듈(263)과 압력제어모듈(264)과 분사속도 제어모듈(265)을 구비할 수 있다.
상기 전류량 제어모듈(161)과 상기 이송제어모듈(162)는 상술한 제1실시예에서 설명한 것과 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
상기 전기장 제어모듈(263)은 전압공급부(120)를 통해 액체 노즐(211)에 인가되는 전압을 조절하여 기판(S)과 노즐부(210) 사이에 발생하는 전기장의 세기를 제어하는 것이다.
상술한 것과 같이 전기장의 세기는 액체의 2차 미립화에 관련되므로, 전기장 제어모듈(263)에 의해 전기장의 크기를 조절함으로써 2차 미립화의 속도를 제어할 수 있다.
상기 압력 제어모듈(264)는 기체공급부(216)로부터 공급되는 기체의 압력을 조절하는 것이다. 상술한 것과 같이 기체는 분사되는 액체와 충돌함으로써 액체의 1차 미립화를 발생시키므로 기체 노즐(212)를 유동하는 기체의 압력을 조절하여 1차 미립화를 제어할 수 있다.
상기 분사속도 제어모듈(265)는 액체 노즐(212)로 공급되는 액체의 유량을 조절하여 노즐부(210)로부터 분사되는 액체의 분사속도를 제어하는 것이다.
분사되는 액체의 변경, 액체 노즐(211) 내경의 변화가 없는 경우에 액체의 분사속도는 액체의 질량유량 또는 체적유량에 비례하므로, 액체의 질량유량 또는 체적유량을 조절함으로써 액체의 분사속도를 제어할 수 있다.
여기서, 액체의 분사속도는 분사된 액체가 기판(S)에 도달하기까지 걸리는 시간에 영향을 미치며, 이 시간이 현저히 짧다면 액체의 2차 미립화가 충분히 발생되지 않은 상태로 기판(S)에 도달하여 기판(S) 코팅 면의 표면 거칠기가 크고 불균일해질 수 있으므로 분사속도 제어모듈(265)에 의해 이를 제어한다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에서도 제1 실시예에서와 같이 가이드 전극(170)을 구비하여 노즐부(210)로부터 유체가 원활하게 분사될 수 있도록 안내할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
지금부터는 상술한 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치(200)의 제2실시예의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 액체 노즐(211)로부터 분사되는 액체가 미립화되는 과정에 대하여 설명한다.
액체공급부(215)로부터 공급되는 액체는 액체 노즐(110)에 유입되고, 액체 노즐(110) 내부를 유동하며, 몸체(213) 내부에 기체 유로(214)와 교차하는 지점을 통과한다.
기체 유로(214)와 교차하는 지점을 통과하는 동안, 액체는 기체 노즐(212)로부터 분사되는 기체와 충돌하게 되며, 물리적인 충돌에 의하여 1차적으로 미립화된다.
기체와 충돌하게 되면, 액체의 액면이 불안정하게 되며, 액면의 불안정성으로 인해 액체의 성질이 비극성이거나 전기전도도가 상당히 낮은 경우라 할지라도 전기장에 의한 2차적인 미립화가 활발히 발생할 수 있다.
여기서, 기체와의 충돌에 의해 액체의 분사속도, 액체의 착탄 지점에 영향을 미치는 것을 방지하도록 기체는 액체의 분사경로에 수직을 형성하며 충돌하는 것이 바람직하나 .
기체와의 충돌에 의해 1차적으로 미립화됨과 동시에 불안정화된 액체는 노즐(100)과 기판(S) 사이에 발생하는 전기장에 의해 2차적으로 미립화된다. 기체와의 충돌에 의해 이미 1차적으로 미립화되었기 때문에 단순히 전기장만을 이용하여 미립화하는 경우보다 미립화시킬 수 있는 액체 유량이 현저히 증가하며, 이는 바로 공정속도의 증가로 나타난다.
한편, 본 발명의 제2실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치(200)는 무극성 또는 전기전도도가 낮은 액체도 용이하게 미립화시킬 수 있다.
전기에너지를 이용하는 전기 분무에서 적용되는 힘을 하기와 같다.
Figure 112014031450934-pat00001
여기서, e 는 액면에서의 자유전자를 의미하며, e은 액면의 유전율, e0는 진공에서의 유전율, E는 전기장을 의미한다.
여기서, 절연(dielectic) 액체의 경우에도 극성물질이면 상기 식에서 뒤의 2가지 힘이 작용하고 비극성 물질(non-polar liquid)의 경우 상기 식에서의 2번째 항에 의한 전기력이 작용한다. 이를 dielectrophoretic force 라고 한다. 이때, 단지 액면의 수직 방향으로 작용하는 전기력만이 존재할 뿐, 액면에 접하는 방향으로 전기력이 작용하지 않으므로 테일러콘(taylor-cone)이라 불리는 원뿔 형상의 액면이 형성되지 않아 전기장 만으로는 미립화하기 용이하지 않다.
다만, 본 발명의 제2실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치(200)과 같이 기체와의 충돌을 유도하여 1차적으로 미립화함과 동시에 액적을 불안정화시키면 dielectrophoretic force 가 약함에도 불구하고 2차적인 분쇄가 발생할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 제2실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치(200)을 활용하여 비전도성 물질이라 하더라도 극성, 비극성을 구분하지 않고 액체의 미립화를 용이하게 유도할 수 있다.
한편, 상술한 내용을 통해 노즐부(210)를 통해 미립화된 액체를 기판(S)을 향하여 직진시키되 기판(S)에 착탄되는 경우의 착탄 밀도를 조절하는 방법에 대해 설명한다.
먼저, 미립화된 액체를 기판(S) 측으로 직진시키는 방법은 상술한 제1실시예에서 설명한 것과 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
도 13은 도 10에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치에서 자기장 발생부에 의해 미립화된 액적의 분사 영역을 개략적으로 도시한 도면이다.
한편, 도 13을 참조하여 미립화된 액체가 기판(S)에 착탄되는 경우, 그 착탄 밀도를 조절하는 방법에 대하여 설명하면, 상술한 제1실시예에서 설명한 것과 같이, 자기장 발생부(130)에 의해 형성되는 자기장에 의해 미립화된 액체들은 로렌츠의 힘을 인가받으며, 일점(C)에 근접하기까지는 자기장 발생부(130)의 중심축을 향하여 집속되고, 일점(C)을 통과한 이후에는 자기장 발생부(130)의 중심축으로부터 방사방향을 따라 확산되며, 자기장 발생부(130)의 중심축의 중심방향 또는 방사방향으로 집속 또는 확산되는 정도는 선형적으로 변화한다.
즉, 일점(C)과 기판(S) 사이의 이격 간격이 멀어질수록 단위 유체가 기판(S) 상에 착탄되는 면적이 넓어지고, 결국, 이는 유체의 착탄 밀도가 감소한다는 것을 의미한다.
따라서, 일점(C)과 기판(S) 사이의 이격 간격을 노즐이송부(150)를 통해 적절히 조절함으로써 사용자가 의도하는 밀도로 유체가 착탄되게 조절할 수 있다.
한편, 본 발명의 제1실시예 또는 제2실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치는 염료, 유기물입자, 무기물입자 등을 포함하는 유체를 임의의 표면에 패터닝하는 패터닝 시스템으로 활용될 수 있다. 특히, 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈 등의 금속 입자를 패터닝하는데 활용될 수 있다.
더불어, TiO2 등의 산화물 물질의 패터닝에 활용될 수 있다. 예를 들어, 염료감응형 태양전지에서의 활성물질 박막 패터닝, 유기 태양전지에서의 TiO2 등의 산화물질 박막 패터닝, PEDOT:PSS 등의 전도성 물질 패터닝, P3HT 등의 활성화 박막 패터닝, OLED 디스플레이에서의 색을 내는 유기물질의 박막 패터닝, 투명전극 분야에서 ITO(Indium Tin Oxide) 잉크 패터닝, 금 나노와이어, 구리 나노와이어, 은 나노와이어(Ag Nanowire) 등의 나노와이어 물질 패터닝, 탄소나노튜브, 그래핀 용액, 전도성 고분자 물질 등 다양한 물질들의 패터닝에 적용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 전도성 기판 또는 PET,PI,PC,PEN 등의 비전도성 필름기판, 유리기판, 실리콘 웨이퍼 등으로 다양하게 패터닝을 하는데 적용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 3차원 패터닝 장치(300)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 3차원 패터닝 장치를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 3차원 패터닝 장치(300)는 유체의 분사경로 상에 형성되는 전자기장의 세기를 적절히 조절함으로써 유체의 분사경로를 조절하여 노즐부로부터 분사되는 유체가 기설정된 3차원 입체물의 형상과 대응되게 패턴층을 형성할 수 있는 것으로서, 노즐부(310)와 전압공급부(120)와 자기장발생부(330)와 전류측정부(140)와 노즐이송부(150)와 제어부(360)와 가이드전극(170)과 경화부(380)를 포함한다.
상기 노즐부(310)는 기판(S)을 마주보게 배치되되 기판(S) 상측 또는 기판(S)에 형성된 패턴층(15) 상측에 유체를 분사하는 것이다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 3차원 패터닝 장치(300)는 기판(S) 상측에 소정의 패턴을 패터닝하는 것이 아닌 기판(S) 상측에 소정의 3차원 형상을 갖는 입체물을 제조하는 장치이므로, 기판(S) 뿐만 아니라 기판(S)에 형성된 패턴층(15)으로 유체를 제공할 필요가 있다.
여기서, 본 발명의 일실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 3차원 패터닝 장치(300)는 한번의 공정으로 3차원 입체물의 형상을 구현하는 것이 아니라, 3차원 입체물을 높이 방향을 따라 복수개의 영역으로 구획하고, 각각의 영역에 대응되는 패턴층(15)을 순차적으로 적층시켜 3차원 입체물의 형상을 구현하기 때문에 상술한 내용과 같이 노즐부(110)가 기판(S) 또는 기판(S)에 형성된 패턴층(15) 상측으로 유체를 제공한다.
상기 전압제공부(120)는 상술한 제1실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치(100)에서 설명한 것과 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
상기 자기장 발생부(330)은 구성상 상술한 제1실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치(100)에서 설명한 것과 실질적으로 동일하나 그 기능만이 상이하다.
즉, 본 발명의 일실시예에서 자기장 발생부(330)는 유체가 집속된 상태로 기판(S) 상측 또는 기판(S)에 형성된 패턴층(15) 상측에 정확하게 착탄되도록 중공을 통과하는 유체의 분사경로를 적절히 조절한다.
다시 설명하면, 자기장 발생부(330)에 의해 유체의 분사경로를 조절함으로써 노즐이송부(150)에 움직임을 최소화시키면서 각각의 패턴층(15)을 형성하도록 할 수 있다.
상기 전류측정부(140)와 노즐이송부(150)는 상술한 제1실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치(100)에서 설명한 것과 실질적으로 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
상기 제어부(360)는 상술한 제1실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치(100)에서 설명한 것과 실질적으로 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
다만, 여기서의 제어부(360)는 후술할 경화부(380)가 작동되는 시기를 적절히 조절할 수 있다.
다시 설명하면, 제어부(360)는 노즐부(110)와 경화부(380) 중 어느 하나가 선택적으로 작동되도록 하거나 노즐부(110)와 경화부(380)가 동시에 작동되도록 한다.
다만, 경화부(380)와 노즐부(110)가 동시에 작동하는 경우에도 경화부(380)와 노즐부(110)가 동일한 영역을 처리하는 것이 아닌 노즐부(110)에 의해 적층이 완료된 일부의 유체를 경화부(380)가 경화시키는 것이 바람직하다.
상기 경화부(380)는 기판(S) 또는 패턴층(15) 상측에 제공된 유체를 경화시켜 새로운 패턴층(15)을 형성하는 것이다.
즉, 기판(S) 또는 패턴층(15) 상에 단순히 유체를 순차적으로 적층한다면, 유체는 형태를 유지하지 못하고 붕괴될 염려가 크므로, 이를 경화시켜 소정의 지지력을 발생시킬 필요가 있다.
따라서, 기판(S) 상부에 제공된 유체를 경화부(380)를 통해 경화시켜 소정의 하중에 대한 지지력이 기대할 수 있는 제1 패턴층(11)을 형성하고, 다시 제1 패턴층(11) 상부에 제공된 유체를 경화부(380)를 통해 경화시킴으로써 제2 패턴층(12)을 형성한다.
다시 설명하면, 각각의 패턴층(15)의 일부 또는 전부에 대응되는 유체가 기판(S) 또는 패턴층(15) 상에 제공된 상태에서 경화부(380)를 통해 경화시킴으로써 패턴층(15)이 소정의 지지력을 갖도록 한다.
한편, 본 발명의 일실시예에서 경화부(380)는 레이저 큐어링 방식, 램프 큐어링 방식, 열처리 방식 또는 자외선 큐어링 방식 중에서 어느 하나의 방식을 이용하여 유체를 경화시킬 수 있으며, 이 외에도 주지한 경화 방식을 이용할 수 있음은 당연하다.
한편, 본 발명의 일실시예에서 패턴층(15)의 3차원 형상 정보를 촬영하는 형상측정부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
즉, 형상측정부(미도시)는 기판(S) 상측에 기형성된 패턴층(15)의 3차원 형상 정보를 측정하고, 기형성된 패턴층(15)의 상측으로 유체가 정확하게 제공될 수 있도록 유체의 분사 경로를 안내하게 된다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따르면 노즐부(110)로부터 제공되는 유체는 패턴층(15)의 적층 구조를 효과적으로 형성할 수 있도록 점성 및 탄성력 제어가 된 금속 나노입자 잉크를 사용할 수 있으며, 금속 나노입자 잉크는 나노입자 및 전도성 나노 구조체 중 적어도 어느 하나와 고분자 화합물을 포함할 수 있다.
여기서, 전도성 나노 구조체의 구조는 나노 입자, 나노 와이어, 나노 막대, 나노 파이프, 나노 벨트 또는 나노튜브 구조 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 전도성 나노 구조체는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 아연(zn), 구리(Cu), 규소(Si) 또는 티타늄(Ti)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어진 나노구조체 또는 탄소나노튜브이거나 이들의 조합일 수 있다.
한편, 고분자 화합물은 천연고분자 화합물 또는 합성 고분자 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 천연고분자 화합물은 키토산(chitosan), 젤라틴(gelastin), 콜라겐(collagen), 엘라스틴(elastin), 히알루론산(hyaluronic acid), 셀룰로오스(cellulose), 실크 피브로인(silk fibroin), 인지질(phospholipids) 또는 피브리노겐(fibrinogen) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 합성고분자 화합물은 PLGA(Poly(lactic-co-glycolic acid)), PLA(Poly(lactic acid)), PHBV(Poly(3-hydroxybutyrate-hydroxyvalerate), PDO(Polydioxanone), PGA(Polyglycolic acid), PLCL(Poly(e-caprolactone-co-lactide)), PCL(Poly(e-caprolactone)), PLLA(Poly-L-lactic acid), PEUU(Poly(ether Urethane Urea), 아세트산 셀룰로오스(Cellulose acetate), PEG(Polyethylene glycol), EVOH(Poly(Ethylene Vinyl Alcohol), PVA(Polyvinyl alcohol), PEO(Polyethylene glycol), PVP(Polyvinylpyrrolidone) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이러한, 금속 나노입자 잉크는 필요에 따라, 예컨대 소정의 점도 또는 탄성력을 구현하도록 각각의 함유량을 조절하여 혼합할 수 있음은 당연하다.
이처럼, 점성과 탄성력 제어가 된 금속 나노입자 잉크를 사용함으로써 Layer-by-Layer의 적층구조를 안정적으로 유지할 수 있게 한다. 또한, 바인더 물질로 고분자의 폴리머(polymer)를 사용함으로써 제조된 금속 나노입자 잉크는 표면 에너지가 충분히 낮기 때문에 불안정한 상태에서 안정한 상태로 가기 위한 결합성을 향상시키며, 재료의 인력의 상호작용으로 종횡비 1000이상의 구조물을 형성할 수 있도록 한다.
지금부터는 상술한 일실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 3차원 패터닝 장치의 작동방법에 대하여 설명한다.
도 15는 도 14에 따른 전자기장 제어를 이용한 3차원 패터닝 장치를 작동방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전자기장 제어를 이용한 3차원 패터닝 장치의 작동방법은 전자기장 제어를 통해 노즐부로부터 분사되는 유체가 3차원 입체물의 형상과 대응되게 기판 또는 기판상에 형성된 패턴층으로 착탄시킬 수 있는 방법으로써, 형상 저장 단계(S310)와 제1 유체제공단계(S320)와 제1 경화단계(S330)와 제2 유체제공단계(S340)와 제2 경화단계(S350)와 반복단계(S360)를 포함한다.
상기 형상 저장 단계(S310)는 사용자가 구현하고자 하는 3차원 입체물의 형상을 저장하는 단계이다. 형상 저장 단계(S110)를 통해 3차원 입체물의 형상을 저장함으로써 노즐부(110)로부터 분사될 유체의 분사경로를 미리 결정할 수 있다.
또한, 형상획득부(미도시)로부터 형상된 기완료된 패턴층의 형상과 형상 저장 단계(S110)를 통해 입력된 3차원 구조물의 형상을 비교함으로써 3차원 입체물과 동일한 형상으로 패턴층(15)이 형성되고 있는지 여부를 확인할 수 있다.
상기 제1 유체제공단계(S320)는 3차원 입체물의 형상과 대응되게 기판(S) 상측에 유체를 제공하는 단계이다.
즉, 제1 유체제공단계(S320)는 기판(S) 상측에 제1 패턴층(11)을 형성하도록 유체를 제공하는 단계이다.
여기서, 제1 유체제공단계(S320)는 제1 패턴층(11)이 3차원 입체물의 형상과 대응되도록 자기장 발생부(330)을 통해 유체의 분사경로를 적절히 조절한다.
상기 제1 경화단계(S330)는 제1 유체제공단계(S320)를 통해 기판(S) 상에 제공된 유체를 경화시켜 제1 패턴층(11)을 형성하는 단계이다.
여기서, 제1 경화단계(S330)는 제1 유체제공단계(S320)가 완료된 이후에 수행되거나 또는 제1 유체제공단계(S320)가 수행되는 도중에 진행될 수 있다.
즉, 제1 유체제공단계(S320)를 통해 제1 패턴층(11)에 대응되게 유체를 기판(S) 측에 제공한 후, 제1 경화단계(S330)를 통해 유체를 경화시켜 제1 패턴층(11)을 형성할 수 있다.
또는, 제1 유체제공단계(S320)을 수행하는 도중에 기판(S)에 제공이 완료된 유체를 선택적으로 경화시켜 제1 유체제공단계(S320)와 제1 경화단계(S330)가 완료되는 시점을 단축시킬 수 있다.
상기 제2 유체제공단계(S340)는 패턴층(15) 상측에 유체를 제공하는 단계이다. 여기서, 패턴층(15)은 제1 경화단계(S330)를 통해 형성된 제1 패턴층(11) 일수도 있고, 후술할 제2 경화단계(S350)를 통해 형성되며, 제1 패턴층(11) 상측에 형성되는 소정의 패턴층(15)일 수도 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따르면 3차원 입체물의 형상을 높이방향을 따라 복수개의 영역으로 구획하고, 복수개의 영역과 대응되는 복수개의 패턴층을 각각의 공정을 통해 적층시킴으로써 3차원 입체물의 형상을 구현하며, 제2 유체제공단계(S340)는 기판(S) 측에 최초로 형성된 제1 패턴층(11)을 제외한 나머지 패턴층(15)에 대응되는 유체를 제공하는 단계로 볼 수 있다.
상기 제2 경화단계(S350)는 상술한 제2 유체제공단계(S340)를 통해 패턴층(15) 상에 제공된 유체를 경화시켜 패턴층(15)을 형성하는 단계이다.
본 단계에서의 패턴층(15)의 의미도 상술한 제2 유체제공단계(S340)에서 설명한 것과 실질적으로 동일하다.
상기 반복단계(S360)는 제2 유체제공단계(S340) 및 제2 경화단계(S350)를 반복하여 3차원 입체물의 형상을 구현하는 단계이다.
상술한 것과 같이, 제2 유체제공단계(S340) 및 제2 경화단계(S350)는 반복단계(S360)를 통해 제1 패턴층(11)을 제외한 다른 패턴층(15)을 형성하게 되며, 반복단계(S360)가 완료된 시점에서 3차원 입체물의 형상의 구현도 완료된다.
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: 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치
110: 노즐부 120: 전압공급부
130: 자기장 발생부 140: 전류측정부
150: 노즐이송부 160: 제어부
200: 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치
210: 노즐부 220: 전압공급부
260: 제어부
300: 전자기장 제어를 이용한 3차원 패터닝 장치
310: 노즐부 330: 자기장발생부
360: 제어부 380: 경화부

Claims (13)

  1. 기판을 향하여 유체를 분사하는 노즐부;
    상기 기판과 상기 노즐부 사이에 전기장을 형성하되 상기 노즐부로부터 유체가 분사되도록 상기 노즐부에 전압을 인가하는 전압공급부;
    상기 노즐부로부터 분사되는 유체의 분사경로 상에 설치되고, 유체가 통과하도록 중공이 형성되며, 상기 중공 내부에 자기장을 형성하여 상기 중공을 통과하는 유체를 집속된 상태로 상기 기판 측으로 직진시키거나 유체가 상기 기판의 기설정된 영역 상에 착탄되도록 유체의 분사 경로를 조절하는 자기장 발생부; 및
    상기 자기장 발생부로부터 형성되는 자기장의 세기를 조절하는 제어부;를 포함하고,
    상기 자기장 발생부는, 나선방향을 따라 연장되어 상기 노즐부로부터 토출되는 유체의 분사경로를 둘러싸는 솔레노이드 코일(solenoid coil); 및 상기 솔레노이드 코일을 내부에 수용하며, 상기 노즐부로부터 토출되는 유체의 분사경로를 마주보는 내측면의 일부 또는 전부를 개방하는 개방부가 형성되는 케이스;를 포함하고,
    상기 개방부는 개방되는 영역이 조절가능하게 마련되는 것을 특징으로 하는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 노즐부와 상기 기판 사이를 연결하여 상기 노즐부와 상기 기판 사이의 전류정보를 측정하는 전류 측정부;를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 전류 측정부를 통해 측정된 전류정보를 제공받아 상기 기판과 상기 노즐부 사이의 전류량을 제어하는 전류량 제어모듈;을 더 포함하는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 노즐부와 연결되며, 상기 노즐부를 상기 기판에 근접하거나 멀어지는 방향을 따라 이동시키거나 상기 기판과 나란한 방향을 따라 이동시키는 노즐이송부;를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 노즐이송부의 움직임을 조절하여 상기 노즐부의 움직임을 제어하는 이송제어모듈;을 더 포함하는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 노즐부로부터 분사되는 유체가 통과하도록 상기 노즐부와 상기 자기장 발생부 사이에 마련되며, 접지되거나 또는 전압을 인가받음으로써 상기 노즐부로부터 유체의 분사를 안내하는 가이드 전극;을 더 포함하는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 노즐부는 유체를 액적 상태로 분사하는 드롭 온 디맨드(drop on demand) 방식 또는 유체를 전기방사(electrospinning)함으로써 연속젯 상태로 분사하는 연속젯 방식 중 어느 하나의 방식으로 유체를 분사하는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 노즐부는, 상기 기판을 향하여 액체를 분사하는 액체 노즐; 상기 액체의 분사경로 상에서 상기 액체와 충돌하도록 기체를 분사하는 기체 노즐;을 구비하고,
    상기 전압공급부는 상기 액체 노즐에 전압을 인가하며,
    상기 액체는 상기 기체 노즐로부터 분사되는 기체와의 충돌에 의해 1차적으로 미립화되고, 상기 액체 노즐과 상기 기판 사이의 전기장에 의해 2차적으로 미립화되는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 노즐부는 상기 액체 노즐 및 상기 기체 노즐을 내부에 수용하며, 상기 기체 노즐로부터 분사되는 기체가 상기 액체의 분사경로 상에서 상기 액체와 충돌하도록 상기 기체의 유동방향을 안내하는 기체 유로가 형성된 몸체;를 더 포함하며,
    상기 몸체의 내부에서 상기 기체와 상기 액체를 충돌시키는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 기체 유로는 상기 기체가 상기 액체의 분사경로와 수직으로 충돌하도록 상기 기체의 유동방향을 안내하는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 액체 노즐로부터 분사되는 액체를 공급하는 액체 공급부; 상기 기체 유로를 유동하는 기체를 공급하는 기체 공급부;를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 전압공급부를 통해 상기 액체 노즐에 인가되는 전압량을 조절하여 상기 노즐부와 상기 기판 사이에 형성되는 전기장의 세기를 제어하는 전기장 제어모듈; 상기 기체 공급부로부터 상기 기체 노즐에 공급되는 기체의 압력을 제어하는 압력 제어모듈; 상기 액체 공급부로부터 공급되는 액체의 유량을 조절하여 상기 액체 노즐로부터 분사되는 액체의 분사속도를 제어하는 분사속도 제어모듈; 중 적어도 어느 하나를 구비하는 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치.
  13. 제 1항 및 제 5항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 기재된 전자기장 제어를 이용한 정전기력 패터닝 장치를 이용하되, 복수의 패턴층을 순차적으로 적층하여 3차원 입체물을 제작하는 3차원 패터닝 장치에 있어서,
    상기 노즐부는 기판 상측 또는 상기 기판상에 형성되는 패턴층 상측에 유체를 분사하고,
    상기 자기장 발생부는 상기 중공을 통과하는 유체가 집속된 상태로 상기 기판 상측 또는 상기 기판상에 형성되는 패턴층 상측에 착탄되도록 유체의 분사방향을 조절하며;
    상기 기판 상측 또는 상기 기판상에 형성되는 패턴층 상측에 착탄된 유체를 경화시켜 패턴층을 형성하는 경화부;를 더 포함하는 전자기장 제어를 이용한 3차원 패터닝 장치.
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