KR101612500B1 - A Method to Fabricate Ultra Low Density Three-Dimensional Thin-Film Structures Using Beads - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (a) 다수의 구슬을 서로 접촉시켜 배치하는 단계와, (b) 상기 구슬을 서로 연결하는 단계와, (c) 상기 구슬의 표면에 박막을 형성하는 단계와, (d) 상기 박막의 일부를 제거하는 단계 및 (e) 상기 박막의 내부 물질을 제거하는 단계를 포함하여 극저밀도 3차원 박막 구조체를 저렴한 비용으로 대형화 및 대량 생산할 수 있는 구슬을 이용한 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법을 제공한다.(B) connecting the beads to each other; (c) forming a thin film on the surface of the beads; (d) (E) removing the internal material of the thin film, thereby manufacturing an ultra-low density three-dimensional thin film structure using beads capable of large-scale and mass production of an extremely low-density three-dimensional thin film structure at low cost .

Description

구슬을 이용한 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법{A Method to Fabricate Ultra Low Density Three-Dimensional Thin-Film Structures Using Beads}Technical Field [0001] The present invention relates to a method of fabricating ultra-low density three-dimensional thin film structures using beads,

본 발명은 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 극저밀도 3차원 박막 구조체를 저렴한 비용으로 대형화 및 대량 생산 가능하도록 한 구슬을 이용한 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an extremely low-density three-dimensional thin film structure, and more particularly, to a method of manufacturing an extremely low-density three-dimensional thin film structure using a bead capable of miniaturizing and mass- .

종래 스티로폼, 스펀지, 에어로젤, 발포 금속 등의 저밀도 물질은 내부에 존재하는 불규칙적인 셀이 결함으로 작용하여 기계적 강도(strength)와 강성(stiffness)이 떨어지는 문제점이 있었다.Conventionally, low-density materials such as styrofoam, sponge, aerogels, and foamed metal have been disadvantageous in terms of mechanical strength and stiffness because defects are present in irregular cells existing therein.

이에, 최근 2011년 11월자 Science 지(紙)(T.A. Schaedler, et al., Science, Vol.334. pp.962-965 November 18, 2011.)에는 3차원 격자 트러스 구조를 가지며, 밀도가 물의 1/1000 수준인 새로운 개념의 극저밀도 금속 마이크로 격자(Micro lattice)가 소개된 바 있다.Recently, TA Schaedler, et al., Science, Vol.334 pp.962-965 November 18, 2011.) has a three-dimensional lattice truss structure and has a density of 1 / 1000 levels of ultra-low-density metal micro-lattice has been introduced.

이하, 도 1을 참조하여 금속 마이크로 격자의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a metal micro-grid will be described with reference to FIG.

먼저, 자외선에 노출시 고체화되는 액상 감광성 수지(photo monomer) 벌크의 특정면에 미세한 구멍이 규칙적으로 천공된 패턴을 갖는 마스크(mask)를 배치한다. 이후, 마스크 위로 자외선을 조사하면 마스크를 통과한 다수의 빔(beam)에 액상 감광성 수지가 노출되어 고체화된다. 이 경우, 고상 수지는 액상 감광성 수지보다 밀도가 높기 때문에 자외선이 고상 수지 내부로 전반사가 유도되어 분산되지 않고 직진하는 소위 “self propagating” 현상이 발생한다. 이러한 과정을 자외선 조사 방향을 다르게 하여 반복하면 액상 감광성 수지 벌크 내부에 고상 수지로 이루어진 격자가 형성된다. 마지막으로, 고상 수지 격자로부터 액상 감광성 수지를 제거하고, 고상 수지 격자 표면에 니켈 합금인 NiP를 자기촉매 무전해(autocatalytic electroless) 도금한 후 고상 수지를 화학적 에칭으로 제거함으로써 도 2에 도시된 바와 같은 마이크로 격자가 완성된다.First, a mask having a pattern in which fine holes are regularly punctured is disposed on a specific surface of a liquid photo-polymer bulk solidified when exposed to ultraviolet rays. Thereafter, when ultraviolet rays are irradiated onto the mask, the liquid photosensitive resin is exposed to a plurality of beams passing through the mask and solidified. In this case, since the solid resin has a density higher than that of the liquid photosensitive resin, so-called " self propagating " phenomenon occurs in which ultraviolet light is totally guided into the solid resin and dispersed without being dispersed. When this process is repeated with different ultraviolet irradiation directions, a lattice made of a solid resin is formed inside the bulk of the liquid photosensitive resin. Finally, the liquid photosensitive resin is removed from the solid-phase resin lattice, the nickel-based alloy NiP is subjected to autocatalytic electroless plating on the surface of the solid-state resin lattice, and the solid phase resin is removed by chemical etching, The micro-grid is completed.

이러한 마이크로 격자는 반도체 제조 공정으로 잘 확립된 일종의 리소그래피(lithography) 기술에 기반을 두고 있으며, 극저밀도를 가지고 상대적으로 강도와 강성이 높은 장점이 있다. 그러나 상술한 제조방법에 의하면 면외(out-of-plane) 방향으로만 조사되는 자외선에 의해 트러스 요소가 형성되기 때문에 면내(in-plane) 방향으로의 트러스 요소가 결여되어 구조적 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 노란색으로 표시된 단위셀의 경우 붉은 점선 위치의 면내 방향 트러스 요소가 결여되어 있기 때문에 상부에서 압축하중 인가 시 우측 도면과 같이 면외 방향 트러스 요소가 조기에 붕괴되기 쉽다.These micro-gratings are based on a lithography technique well-established in semiconductor manufacturing processes, and have advantages of relatively low density and relatively high strength and rigidity. However, according to the manufacturing method described above, since the truss elements are formed by the ultraviolet rays irradiated only in the out-of-plane direction, there is a disadvantage in that the truss elements are lacking in the in-plane direction, . In other words, as shown in FIG. 3, since the in-plane directional truss element at the red dotted line is absent in the unit cell indicated by yellow, when the compression load is applied at the upper portion, the outward direction truss element tends to collapse prematurely as shown in the right figure.

한편, 특허 제10-1341216호(이하, ‘종래기술 1’이라 함)에는 종래 마이크로 격자가 갖는 구조적 불안정성을 극복할 수 있는 극저밀도 3차원 박막 구조체 및 그 제조방법이 개시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 종래기술 1의 경우 먼저 액상 감광성 수지의 표면에 배치된 마스크의 홀을 통해 복수의 방향에서 평행 자외선을 조사하여 경화시킴으로써 3차원 수지 구조체를 형성한다. 이후, 액상 수지를 제거하고, 3차원 수지 구조체의 표면을 전체적으로 금속 도금한다. 마지막으로, 3차원 수지 구조체의 최외곽면을 폴리싱하여 금속 도금층을 선택적으로 제거한 다음 금속 도금층 내부의 고상 수지를 식각 등으로 제거하면 극저밀도 3차원 박막 구조체가 완성된다. 참고적으로, 도 5에는 상술한 바와 같은 종래기술 1에 이용되는 마스크 및 자외선 조사 방향을 예시하였고, 도 6의 상부에는 도 5의 마스크 및 자외선 조사를 통해 얻어지는 고상 수지 구조체, 도 6의 하부에는 수지 구조체를 도금하고 식각하여 최종적으로 제조된 극저밀도 3차원 박막 구조체를 나타내었다.On the other hand, Japanese Patent No. 10-1341216 (hereinafter referred to as "Prior Art 1") discloses an extremely low-density three-dimensional thin film structure capable of overcoming the structural instability of a conventional microgrid and a method of manufacturing the same. As shown in FIG. 4, in the case of Prior Art 1, a three-dimensional resin structure is formed by first irradiating parallel ultraviolet rays through a hole of a mask disposed on the surface of a liquid photosensitive resin in a plurality of directions and curing. Thereafter, the liquid resin is removed, and the surface of the three-dimensional resin structure is entirely plated with metal. Finally, the outermost surface of the three-dimensional resin structure is polished to selectively remove the metal plating layer, and then the solid resin in the metal plating layer is removed by etching or the like to complete a very low-density three-dimensional thin film structure. For reference, FIG. 5 exemplifies the mask and the ultraviolet ray irradiation direction used in the conventional art 1 as described above, the solid resin structure obtained by irradiating the mask and ultraviolet rays in FIG. 5 at the upper part of FIG. 6, The extremely low density three-dimensional thin film structure finally produced by plating and etching the resin structure is shown.

상술한 종래기술 1에 따른 제조방법은 종래 마이크로 격자의 구조적 불안정성에 기인한 낮은 강도와 강성의 문제를 해소하는 동시에 마이크로 격자의 대형화, 양산성 및 제조비용의 절감을 도모할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 이와 관련하여 특허출원 제10-2014-0032162호(이하, ‘종래기술 2’라 함)에는 종래기술 1의 극저밀도 3차원 박막 구조체를 실제 구현할 수 있도록 한 장치가 구체적으로 개시되어 있으며, 도 7에는 이러한 장치를 나타내었다.The manufacturing method according to the above-described prior art 1 is expected to solve the problem of low strength and rigidity due to the structural instability of the conventional micro-grating, and it is expected that the miniaturization of the micro-grating, the mass productivity and the manufacturing cost can be reduced . In this regard, an apparatus for practically implementing a very low density three-dimensional thin film structure of the prior art 1 is specifically disclosed in Patent Application No. 10-2014-0032162 (hereinafter referred to as "Prior Art 2"), Shows such a device.

그러나 이상에서 설명한 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법은 모두 광 리소그래피 기술에 기술에 기반을 두고 있기 때문에 고가의 광수지를 소재로 이용할 수 밖에 없어 제조비용이 매우 높은 문제점이 있다. 또한, 광수지의 특성상 광수지를 통과하는 자외선 에너지의 감쇄로 인해 통과 깊이에 한계가 있기 때문에 제품의 전체 두께를 최대 10mm 수준 이상으로 제조하기 어렵다.However, all of the fabrication methods of the ultra-low density three-dimensional thin film structure described above are based on the technology of the photolithography technology, and thus expensive expensive optical materials can not be used as materials, resulting in a high manufacturing cost. In addition, due to the nature of the optical resin, there is a limit in the depth of penetration due to the attenuation of the ultraviolet energy passing through the photoresist, so that it is difficult to manufacture the total thickness of the product to a maximum of 10 mm or more.

이와는 별도로 광 리소그래피 기술과 무관하게 극저밀도 3차원 박막 구조체를 제조하는 기술로서 특허출원 제10-2012-0070122호(이하, ‘종래기술 3’이라 함)가 제시된 바 있다. 종래기술 3은 수지와이어를 직조하여 3차원 격자 트러스 구조체를 형성하는 단계와, 3차원 격자 트러스 구조체의 표면에 금속을 코팅 또는 도금하여 금속 튜브를 형성하는 단계 및 금속 튜브 내부의 수지를 에칭하여 제거하는 단계 등의 3단계를 거쳐 3차원 격자 트러스 구조체를 구성하는 모든 트러스 요소가 박막의 금속 튜브로 구현됨으로써 안정된 강성 구조를 가지도록 한다. 도 8에는 종래기술 3에 따라 제조된 극저밀도 금속 구조체를 나타내었다. 도 8에 도시된 바와 같이 종래기술 3에 따른 극저밀도 금속 구조체(10)는 내부가 빈 튜브 형태를 가져 밀도가 최소화될 수 있다. 구체적으로, 박막의 튜브 형태의 와이어가 교차되어 트러스 요소를 이루고, 이러한 트러스 요소가 모여 3차원 격자 트러스 구조체를 형성함으로써 멀티 스케일(multi-scale)의 계층 구조(hierarchical structure)를 가져 가벼우면서도 높은 강도를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.Separately, Patent Application No. 10-2012-0070122 (hereinafter referred to as "Prior Art 3") has been proposed as a technique for manufacturing a very low-density three-dimensional thin film structure irrespective of a photolithography technique. In the prior art 3, a resin wire is woven to form a three-dimensional lattice truss structure; a metal tube is formed by coating or plating a metal on the surface of the three-dimensional lattice truss structure; And all the truss elements constituting the three-dimensional lattice truss structure are embodied as thin metal tubes to have a stable rigidity structure. FIG. 8 shows a very low density metal structure manufactured according to the prior art 3. As shown in FIG. 8, the extremely low density metal structure 10 according to the prior art 3 has an empty hollow tube shape, so that the density can be minimized. Specifically, thin-walled tube-shaped wires are crossed to form truss elements, and these truss elements are gathered to form a three-dimensional lattice truss structure, thereby providing a multi-scale hierarchical structure, Is expected to be achieved.

그러나 종래기술 3이 실용화되기 위해서는 수지와이어로 3차원 격자 트러스를 형성하는 3차원 직조기가 필요한데, 아직까지 현실적으로 사용 가능한 3차원 직조기는 개발되어 있지 않은 상태이며, 설사 3차원 직조기가 존재하여 사용 가능하다 하더라도 복잡하고 정교한 구조를 가질 수 밖에 없기 때문에 비용 상승이 예상된다.However, in order to put the conventional technology 3 into practical use, a three-dimensional loom that forms a three-dimensional lattice truss with a resin wire is required. However, a three-dimensional loom that can be practically used has not been developed yet. It is expected that the cost will rise because it has to have a complex and elaborate structure.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 광 리소그래피 기술이나 수지와이어 3차원 직조 기술에 기반하지 않고 극저밀도 3차원 박막 구조체를 저렴한 비용으로 대형화 및 대량 생산할 수 있는 구슬을 이용한 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.Disclosure of the Invention The present invention has been made in order to solve the problems of the prior art described above, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing an ultra-low density three-dimensional thin film structure by using beads capable of large- And to provide a method for manufacturing an extremely low density three-dimensional thin film structure.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,As means for solving the above-mentioned technical problem,

본 발명은 (a) 다수의 구슬을 서로 접촉시켜 배치하는 단계와; (b) 상기 구슬을 서로 연결하는 단계와; (c) 상기 구슬의 표면에 박막을 형성하는 단계와; (d) 상기 박막의 일부를 제거하는 단계; 및 (e) 상기 박막의 내부 물질을 제거하는 단계;를 포함하는 구슬을 이용한 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법을 제공한다.(A) placing a plurality of beads in contact with each other; (b) connecting the beads together; (c) forming a thin film on the surface of the beads; (d) removing a portion of the thin film; And (e) removing the internal material of the thin film. The present invention also provides a method for manufacturing a very low-density three-dimensional thin film structure using beads.

이 경우, 상기 (a) 단계는 상기 구슬을 2차원 또는 3차원 패턴으로 배치하는 방식으로 이루어질 수 있다.In this case, the step (a) may be performed by arranging the beads in a two-dimensional or three-dimensional pattern.

이 경우, 상기 구슬은 동일하거나 다른 크기를 가질 수 있다.In this case, the beads may have the same or different sizes.

이 경우, 상기 (b) 단계는 가열에 의한 열적접합, 화학적 용해에 의한 용제접합, 액상 물질의 경화에 의한 접합 중에서 선택되는 어느 하나의 방식으로 이루어질 수 있다.In this case, the step (b) may be carried out by any one of the following methods: thermal bonding by heating, solvent bonding by chemical dissolution, and bonding by curing of a liquid material.

이 경우, 상기 구슬의 연결부는 필렛(fillet) 형태를 가질 수 있다.In this case, the connection portion of the beads may have a fillet shape.

이 경우, 상기 (c) 단계는 CVD, PVD, ALD, 전기도금, 무전해도금, 코팅 및 분말 야금, 액상 침지 및 스프레이 중에서 선택되는 어느 하나의 방식으로 이루어질 수 있다.In this case, the step (c) may be performed by any one of CVD, PVD, ALD, electroplating, electroless plating, coating and powder metallurgy, liquid immersion and spraying.

이 경우, 상기 (d) 단계는 사포질, 방전가공, 레이저, 집속이온빔 및 전해연마 중에서 선택되는 어느 하나의 방식으로 이루어질 수 있다.In this case, the step (d) may be performed by any one of sandpaper, electric discharge machining, laser, focused ion beam, and electrolytic polishing.

본 발명에 따르면, 광 리소그래피 기술에 의하지 않고 극저밀도 3차원 박막 구조체를 제조하기 때문에 고가의 광수지 사용에 따른 비용을 절감하는 동시에 제품의 두께 제한 문제를 해결할 수 있다.According to the present invention, since the extremely low density three-dimensional thin film structure is manufactured without using the photolithography technique, it is possible to reduce the cost due to the use of the expensive optical resin and to solve the problem of the thickness limitation of the product.

이와 더불어, 수지와이어를 이용한 3차원 직조 기술에도 기반을 두고 있지 않으므로 고가의 직조장치가 불필요하고, 이로 인해 극저밀도 3차원 박막 구조체를 보다 저렴한 비용으로 제조할 수 있다.In addition, since it is not based on a three-dimensional weaving technique using a resin wire, an expensive weaving device is unnecessary, and thus a very low-density three-dimensional thin film structure can be manufactured at a lower cost.

또한, 제조된 3차원 박막 구조체가 구면쉘 형태를 가지므로 높은 강도와 강성을 얻을 수 있다.In addition, since the manufactured three-dimensional thin film structure has a spherical shell shape, high strength and rigidity can be obtained.

뿐만 아니라, 광 리소그래피 기술에 대비하여 구슬의 크기나 배열 개수 조절을 통해 소형에서 대형에 이르기까지 크기 제한 없이 3차원 박막 구조체를 대량 생산할 수 있다.In addition, by adjusting the number of beads and the number of arrays in preparation for photolithography, it is possible to mass-produce a three-dimensional thin film structure without any size limitation from small size to large size.

도 1은 종래기술에 따른 금속 마이크로 격자의 제조방법을 나타낸 공정 개략도,
도 2는 도 1의 제조방법에 따라 제조된 금속 마이크로 격자의 구조도,
도 3은 도 2에 도시된 금속 마이크로 격자의 압축하중 인가시 붕괴 모습을 나타낸 모식도,
도 4는 종래기술 1에 따른 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법을 나타낸 공정 개략도,
도 5는 도 4의 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조에 이용되는 마스크 및 자외선 조사를 나타낸 도면,
도 6의 상부는 도 5에 도시된 마스크 및 자외선 조사를 통해 얻어지는 고상 수지 구조체, 도 6의 하부는 수지 구조체를 도금하고 식각하여 최종적으로 제조된 극저밀도 3차원 박막 구조체를 나타낸 도면,
도 7은 도 4의 제조방법을 구현할 수 있는 제조장치를 나타낸 도면,
도 8은 종래기술 3에 따라 제조된 극저밀도 금속 구조체를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구슬을 이용한 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법을 나타낸 공정 순서도,
도 10 내지 도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구슬을 이용한 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법에 적용 가능한 구슬 배치 형태를 예시한 도면,
도 14는 도 10의 패턴으로 배치된 구슬을 서로 연결하는 방법을 예시한 도면,
도 15 내지 도 21은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 극저밀도 3차원 박막 구조체를 나타낸 도면,
도 22는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 극저밀도 3차원 박막 구조체의 강도와 강성을 평가하기 위한 구조해석 모델을 나타낸 도면,
도 23은 도 22에 도시된 모델의 경계조건을 나타낸 도면,
도 24 내지 도 26은 도 22에 도시된 모델의 구조해석 결과를 나타낸 도면.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a process for producing a metal micro-
FIG. 2 is a schematic view of a metal micro-grid fabricated according to the manufacturing method of FIG.
FIG. 3 is a schematic view showing a collapse state of the metal micro-grid shown in FIG.
FIG. 4 is a schematic view showing a process for producing a very low density three-dimensional thin film structure according to Prior Art 1,
5 is a view showing a mask and an ultraviolet ray irradiation used in the fabrication of the ultra-low density three-dimensional thin film structure of FIG. 4,
6 shows a solid-state resin structure obtained by irradiating the mask and ultraviolet rays shown in Fig. 5, and Fig. 6 shows a very low-density three-dimensional thin film structure finally manufactured by plating and etching a resin structure,
FIG. 7 shows a manufacturing apparatus capable of implementing the manufacturing method of FIG. 4,
8 shows a very low density metal structure fabricated according to the prior art 3,
FIG. 9 is a process flow diagram illustrating a method of manufacturing a very low-density three-dimensional thin film structure using beads according to a preferred embodiment of the present invention,
FIGS. 10 to 13 are views illustrating a bead arrangement type applicable to a method of manufacturing a very low-density three-dimensional thin film structure using beads according to a preferred embodiment of the present invention,
14 is a diagram illustrating a method of connecting beads arranged in the pattern of FIG. 10 to each other,
15 to 21 are diagrams of a very low density three-dimensional thin film structure manufactured according to a preferred embodiment of the present invention,
22 is a structural analysis model for evaluating the strength and rigidity of the ultra-low density three-dimensional thin film structure manufactured according to the preferred embodiment of the present invention,
23 is a diagram showing a boundary condition of the model shown in Fig. 22,
Figs. 24 to 26 are diagrams showing the results of structural analysis of the model shown in Fig. 22; Fig.

이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly explain the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by similar reference numerals throughout the specification.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구슬을 이용한 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a very low-density three-dimensional thin film structure using beads according to a preferred embodiment of the present invention.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구슬을 이용한 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법은 구슬을 배치하는 단계와, 구슬 사이를 연결하는 단계와, 구슬의 표면에 박막을 형성하는 단계와, 박막의 일부를 제거하는 단계 및 박막의 내부 물질을 제거하는 단계를 포함하는 바 이하 각 공정에 대해 순차적으로 설명하도록 한다.
As shown in FIG. 9, a method of fabricating a very low-density three-dimensional thin film structure using beads according to a preferred embodiment of the present invention includes steps of arranging beads, connecting beads, A step of removing a portion of the thin film, and a step of removing an inner material of the thin film. The respective steps will be sequentially described below.

구슬의 배치Arrangement of beads

구슬의 배치 단계는 제조하고자 하는 극저밀도 3차원 박막 구조체의 형태를 결정하는 공정으로 다수의 구슬을 준비하여 원하는 패턴으로 접촉시켜 배치한다. 구슬의 배치 형태는 2차원 패턴 또는 2차원 패턴이 2층 이상 중첩된 3차원 패턴일 수 있는데, 최종 제품에 요구되는 물리적, 기계적, 열적, 화학적, 전기적, 전자기파적 특성을 고려하여 다양한 패턴을 가질 수 있다. 이 경우, 구슬은 모두 동일한 크기로 구성되거나 2 이상의 다른 크기로 구성되며, 특별히 제한되지 않는다. 또한, 구슬의 소재와 내부 충진 여부도 특별히 제한되지 않으나, 수지를 이용하여 내부가 빈 형태로 제조할 경우 추후 제거가 용이한 이점을 얻을 수 있다. 한편, 구슬의 적층 방식 또한 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 일정한 형태를 갖는 프레임 내측에 구슬을 순차적으로 적층하거나 구슬을 단층 구조로 배치한 후 복수층으로 적층하는 것도 가능할 것이다.The step of arranging the beads is a process for determining the shape of the very low density three-dimensional thin film structure to be manufactured, and a plurality of beads are prepared and placed in contact with a desired pattern. The arrangement of the beads may be a two-dimensional pattern or a three-dimensional pattern in which two or more layers are superimposed on each other. In consideration of the physical, mechanical, thermal, chemical, electrical, and electromagnetic characteristics required for the final product, . In this case, the beads may all be composed of the same size, or be composed of two or more different sizes, and are not particularly limited. Also, the material of the beads and whether the beads are filled inside are not particularly limited. However, when the beads are manufactured in an empty form using the resin, the beads can be easily removed later. On the other hand, the method of laminating beads is also not particularly limited. For example, it is also possible to sequentially laminate beads inside a frame having a certain shape, or to arrange the beads in a single layer structure and then stack them in a plurality of layers.

이하, 구슬의 배치 형태를 예로 들어 설명하도록 한다.Hereinafter, the arrangement of beads will be described as an example.

도 10 내지 도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구슬을 이용한 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법에 적용 가능한 구슬 배치 형태를 예시한 도면이다.FIGS. 10 to 13 are views illustrating a bead arrangement type applicable to a method of manufacturing a very low-density three-dimensional thin film structure using beads according to a preferred embodiment of the present invention.

먼저, 도 10에 도시된 바와 같이 한가지 크기의 구슬(110)을 x-y 평면과, x-z 평면에서 각각 직사각형 격자 패턴을 가지도록 배치할 수 있다. 또한, 자연계에 존재하는 각종 고체의 결정구조로부터 구슬의 배치 패턴을 원용하는 것도 가능하다. 예컨대, 도 11에 도시된 바와 같이 한가지 크기의 구슬(110)을 면심입방격자(Face Centered Cubic; FCC), 체심입방격자(Body Centered Cubic; BCC), 조밀육방격자(Hexagonal Close Packed; HCP)(C.R. Barrett, W.D. Nix, A.S. Tetelman, The Priciples of Engineering Materials, Prentice-Hall Inc., Englewood cliff, NJ, 1973.) 등 세가지 패턴으로 배치하거나, 도 12에 도시된 바와 같이 FCC, BCC, HCP의 최조밀면(close packed plane)이 바닥면과 평행하도록 구슬(110)을 배치할 수 있다. 아울러, 도 13에 도시된 바와 같이 서로 다른 크기를 갖는 구슬(110)(120)(130)을 NaCl과 CsCl 원자와 유사한 패턴으로 배치할 수도 있으며, 이밖에도 구슬을 일정한 패턴없이 불규칙하게 배치하는 것도 물론 가능하다.
First, as shown in FIG. 10, beads 110 of one size may be arranged to have a rectangular grid pattern in the xy plane and the xz plane, respectively. It is also possible to use a bead arrangement pattern from the crystal structure of various solids present in the natural world. For example, as shown in FIG. 11, a bead 110 of one size may be divided into a face centered cubic (FCC), a body centered cubic (BCC), a hexagonal close packed (HCP) 12), or the best of FCC, BCC, and HCP, as shown in FIG. 12, as shown in FIG. 12, The beads 110 may be disposed such that the close packed plane is parallel to the bottom surface. As shown in FIG. 13, the beads 110, 120, and 130 having different sizes may be arranged in a pattern similar to the atoms of NaCl and CsCl. In addition, beads may be irregularly arranged without a certain pattern It is possible.

구슬의 연결Connection of beads

구슬의 배치가 완료되면 접촉하고 있는 구슬을 서로 연결한다. 구슬의 연결은 외부가열 또는 전기전도를 이용한 접촉부 국부가열에 의한 열적접합, 구슬의 화학적 용해에 의한 용제접합, 구슬 사이에 별도의 액상 수지를 도포한 후 경화시키는 방식의 접합 중에서 어느 하나의 방식을 선택하여 적용할 수 있다. 이 경우, 여기서는 설명의 편의를 위해 경화시 사용되는 물질로 액상 수지만을 예시하였으나, 이로 한정되는 것은 아니며 경화 과정을 통해 구슬을 서로 연결할 수 있다면 다른 액상 물질도 물론 적용 가능한 것으로 이해되어야 한다.Once the placement of the beads is complete, connect the beads that are in contact with each other. The connection of the beads can be achieved by any of the following methods: thermal bonding by local heating by contact heating using external heating or electric conduction, solvent bonding by chemical dissolution of beads, and bonding by applying a separate liquid resin between the beads and curing Can be selected and applied. In this case, for the sake of convenience of explanation, only a liquid phase is used as a substance used in curing, but it is not limited thereto, and it should be understood that other liquid substances are applicable if the beads can be connected to each other through a curing process.

이하, 구슬의 연결 구조에 대해 액상 수지를 이용한 경화 방식을 예로 들어 보다 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the connection structure of the beads will be described in more detail with reference to a curing method using a liquid resin as an example.

도 14는 도 10의 패턴으로 배치된 구슬을 서로 연결하는 방법을 예시한 도면이다.FIG. 14 is a view illustrating a method of connecting beads arranged in the pattern of FIG. 10 to each other.

도 14에 도시된 바와 같이, 구슬(110)과 구슬(110') 사이의 연결부는 액상에서 고상으로 굳어지는 과정을 거치면서 필렛(fillet) 형태를 형성하게 된다. 이 경우, 연결부의 크기는 액상 수지의 모세관 현상 정도와 경화시 수축 정도에 따라 달라진다. 도 14의 확대도는 필렛 형태의 연결부를 나타낸 것으로, 액상 수지가 연결부에 충진되는 동시에 구슬(110)(110')의 표면에도 얇게 도포되는 것을 알 수 있다. 따라서 액상 수지의 내부는 연결부를 통해 서로 연결되어 개방된 오픈셀 구조를 가지고, 이로 인해 내부 공간의 활용이 가능한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 본 발명과 같이 개방된 오픈셀 구조를 가지면 내부 공간을 통해 공기, 물 등의 냉각재를 통과시켜 라디에이터와 같은 열교환 매체로 활용하거나, 유체의 보관, 통로, 배선의 용도로 이용 가능하다. 반면, 본 발명과 달리 닫힌 셀(closed cell) 구조, 예컨대, 다수의 구가 단순히 서로 접합된 경우나 스티로폼과 같은 기포로 구성된 발포수지 또는 발포금속의 경우에는 내부 공간 활용이 불가능하다.
As shown in FIG. 14, a connection portion between the beads 110 and the beads 110 'is formed into a fillet shape through solidification from a liquid phase to a solid phase. In this case, the size of the connecting part depends on the capillary phenomenon of the liquid resin and the degree of shrinkage upon curing. The enlarged view of FIG. 14 shows a fillet-shaped connection portion, which shows that the liquid resin is filled in the connection portion and thinly coated on the surfaces of the beads 110 and 110 '. Therefore, the inside of the liquid resin has an open cell structure that is connected to each other through the connection portion, and thus, the internal space can be utilized. That is, when the open cell structure is opened as in the present invention, it can be used as a heat exchange medium such as a radiator through a coolant such as air or water through an internal space, or as a fluid storage, passage, or wiring. On the other hand, unlike the present invention, a closed cell structure, for example, a foamed resin or a foamed metal composed of a foam such as styrofoam or a foamed metal in which a plurality of spheres are simply bonded to each other can not be utilized.

박막의 형성Thin film formation

구슬 사이를 서로 연결한 후에는 구슬의 표면에 고상의 박막을 형성한다. 박막 형성은 물리적, 화학적, 전기적, 열적 방법을 이용할 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, CVD, PVD, ALD 등 각종 진공막 형성(vacuum deposition)(참조: http://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_deposition) 방식이나 전기도금, 무전해도금, 코팅 및 분말 야금, 액상 침지 및 스프레이 등의 방식을 적용할 수 있다.
After the beads are connected to each other, a solid film is formed on the surface of the beads. Thin film formation can be performed by physical, chemical, electrical, and thermal methods, and is not particularly limited. For example, various vacuum deposition methods (see: http://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_deposition), electroplating, electroless plating, coating and powder metallurgy, liquid immersion Spraying or the like can be applied.

일부 박막 제거Some thin film removal

일부 박막 제거는 박막의 내부 물질 제거를 위한 통로를 형성하는 공정으로 구슬의 표면에 형성된 박막의 일부를 제거하여 내부 물질, 즉, 구슬, 연결부 및 표면 도포 물질 등을 노출시킨다. 박막의 제거는 물리적, 화학적, 전기적, 열적 방법을 이용할 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 외표면의 사포질, 방전가공(Electric Discharge Machining; EDM), 레이저에 의한 박막의 국부 절단, 집속이온빔(Focused Ion Beam; FIB), 전해연마(electropolishing) 등을 적용할 수 있다.
Some thin film removal is a process of forming a passage for removing the inner material of the thin film, and a part of the thin film formed on the surface of the beads is removed to expose the inner material, that is, the beads, the connecting portion and the surface coating material. The removal of the thin film can be carried out by physical, chemical, electrical and thermal methods, and is not particularly limited. For example, sanding of the outer surface, electric discharge machining (EDM), local cutting of the thin film by laser, focused ion beam (FIB), electropolishing and the like can be applied.

박막 내부 물질 제거Removal of thin film materials

박막의 일부를 제거하여 박막의 내부 물질이 노출되면 그 부분을 통해 물리적, 화학적, 전기적, 열적 방법으로 내부 물질을 제거한다. 예컨대, 내부 물질이 표면 박막보다 녹는 온도, 비등 온도 또는 타는 온도가 현저히 낮다면 열을 가해 각각 액체, 기체 상태로 만들거나 태워서 제거할 수 있고, 특정 화학물질에 대한 내부 물질과 표면 박막에 대한 반응성을 이용하여 내부 물질만 녹여내는 것도 가능하다. 이 경우, 박막의 내부 물질은 앞서 설명한 바와 같이 오픈셀 구조로 필렛 형태의 연결부를 통해 모두 연결되어 있으므로 비록 박막의 일부만 제거하더라도 내부 물질 전체를 제거할 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면 박막 표면은 손상없이 잔존하게 되어 원하는 최종 제품인 구면쉘(sphere shell)로 구성된 극저밀도 3차원 박막 구조체를 얻을 수 있다.
When a part of the thin film is removed to expose the internal material of the thin film, internal materials are removed by physical, chemical, electrical and thermal methods through the part. For example, if the temperature at which the internal material is melted, the boiling temperature or the burning temperature is lower than that of the surface film, heat can be applied to each of them to make them liquid, gaseous or burnable. It is also possible to dissolve only the internal material. In this case, since the inner material of the thin film is connected to the open cell structure through the fillet-shaped connecting portion as described above, the entire inner material can be removed even if only a part of the thin film is removed. Therefore, according to the present invention, the thin film surface remains without damage, so that a very low-density three-dimensional thin film structure composed of a spherical shell, which is the final product desired, can be obtained.

도 15 내지 도 21에는 상술한 바와 같이 제조된 극저밀도 3차원 박막 구조체를 나타내었다.15 to 21 show the extremely low density three-dimensional thin film structure fabricated as described above.

구체적으로, 도 15 및 도 16은 도 14에 도시된 방법으로 구슬을 연결하되, 연결부의 직경(d)과 구슬의 직경(D) 비(d/D)가 각각 0.3과 0.6인 경우 최종적으로 얻게 되는 구면쉘로 구성된 극저밀도 3차원 박막 구조체를 나타낸다. 도 15 및 도 16의 상부에는 단위셀을 세가지 방향에서 관측한 형상을 도시하였고, 하부에는 3*3*3 셀 집합체의 세가지 방향에서 관측한 형상과 한 셀의 연결부 형상을 도시하였다.15 and 16 are cross-sectional diagrams illustrating a method of connecting beads by the method shown in FIG. 14, wherein the diameter d of the connecting portion and the diameter D / D of the bead are 0.3 and 0.6, Dimensional spherical shell composed of spherical shells. 15 and 16 show the unit cell observed in three directions, and the lower part shows the shape observed in three directions of the 3 * 3 * 3 cell cluster and the shape of the connection part of one cell.

또한, 도 17 내지 도 19는 도 12의 구슬이 FCC, BCC, HCP와 유사한 패턴으로 배치된 형태로부터 제조된 극저밀도 3차원 박막 구조체를 사시도와 투영도로 나타낸다.17 to 19 show a very low density three-dimensional thin film structure manufactured from a shape in which the beads of FIG. 12 are arranged in a pattern similar to FCC, BCC, and HCP in a perspective view and a projection view.

아울러, 도 20 및 도 21은 도 13의 두가지 크기의 복수 구슬을 이용하여 NaCl과 CsCl 원자와 유사한 패턴으로 배치된 형태로부터 제조된 극저밀도 3차원 박막 구조체를 사시도와 투영도로 나타낸다.
20 and 21 show a very low density three-dimensional thin film structure fabricated from a pattern in which a plurality of beads of two sizes in FIG. 13 are arranged in a pattern similar to the atoms of NaCl and CsCl, in a perspective view and a projection view.

한편, 본 발명자는 본 발명에 따라 3차원 박막 구조체를 제조할 경우 얻을 수 있는 강도 및 강성을 평가하기 위해 구조해석을 실시하였는 바 이하 그 결과에 대해 설명하도록 한다.On the other hand, the present inventor has conducted a structural analysis to evaluate the strength and rigidity that can be obtained when the three-dimensional thin film structure is manufactured according to the present invention.

먼저, 도 22에 도시된 바와 같이 직경 10mm의 속이 빈 복수의 구(hollow spheres)를 서로 단순 접합한 형태와, 동일한 크기로 본 발명에 따라 제조된 형태를 모델로 선정하였으며, 구와 구 사이의 경계조건은 도 23과 같이 설정하였다.First, as shown in FIG. 22, hollow spheres having a diameter of 10 mm were simply joined to each other, and a shape manufactured according to the present invention with the same size was selected as a model. The boundary between the spheres and the spheres The conditions were set as shown in Fig.

이후, 상술한 조건 하에서 구조해석을 실시하였으며, 그 결과를 도 24 내지 도 26에 나타내었다. 구체적으로, 도 24에는 두 가지 모델이 압축하중을 받을 때 나타나는 하중-변위 곡선을 나타내었으며, 도 25와 도 26에는 두 가지 모델의 변형에 따른 응력 분포를 각각 나타내었다.Thereafter, structural analysis was carried out under the above-mentioned conditions, and the results are shown in Figs. 24 to 26. Specifically, Fig. 24 shows the load-displacement curve when two models are subjected to a compressive load, and Fig. 25 and Fig. 26 show the stress distributions according to the deformation of the two models, respectively.

도 24 및 도 25로부터 hollow spheres의 경우 구와 구가 접촉하는 면적이 좁고 수평으로 누은 형태를 가지고 있어 매우 낮은 하중에 접촉부에서 항복이 발생하며, 강성도(stiffness) 또한 매우 낮은 것을 확인할 수 있다.24 and 25, in the case of the hollow spheres, the contact area between the ball and the ball is narrow and the ball is pushed horizontally, so that the ball is broken at the contact portion at a very low load and the stiffness is also very low.

반면, 도 24 및 도 26에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 형태의 경우에는 구와 구의 접촉 부분이 상대적으로 크고, 상하로 세워진 형태를 가지고 있어 항복이 지연되면서 강성도 또한 높은 것을 확인할 수 있다.On the other hand, as shown in FIGS. 24 and 26, in the case of the embodiment according to the present invention, the contact portion of the ball and the ball is relatively large, and the ball has a shape erected up and down, so that the yield is delayed and the stiffness is also high.

즉, 본 발명의 경우 연결부가 부드러운 필렛 형태로 구현되기 때문에 hollow spheres 대비 높은 강도와 강성을 얻을 수 있는 것이다.
That is, in the present invention, since the connecting portion is implemented in a soft fillet shape, high strength and rigidity can be obtained compared to hollow spheres.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.The preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims.

따라서 본 발명의 범위는 상술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위, 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the foregoing detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning, range, and equivalence of the claims are included in the scope of the present invention. .

110, 110', 120, 130 : 구슬110, 110 ', 120, 130: beads

Claims (7)

박막을 기준으로 내부와 외부가 모두 비어 있는 3차원 박막 구조체를 제조하는 방법으로서,
(a) 다수의 구슬을 서로 접촉시켜 배치하는 단계와;
(b) 상기 구슬을 서로 연결하는 단계와;
(c) 상기 구슬의 표면에 박막을 형성하는 단계와;
(d) 상기 박막의 일부를 제거하는 단계; 및
(e) 상기 박막의 내부 물질을 제거하는 단계;
를 포함하고,
상기 (b) 단계는 상기 구슬의 전체 표면에 액상 수지를 도포하여 경화시켜 접합하는 방식으로 수행되어 상기 구슬에 대해 필렛 형태의 연결부를 형성함으로써, 상기 액상 수지의 표면을 경계로 그 내부 영역이 오픈 셀 구조를 이루어져 상기 연결부를 통해 서로 연통되는 것을 특징으로 하는 구슬을 이용한 3차원 박막 구조체의 제조방법.
A method for manufacturing a three-dimensional thin film structure in which both inside and outside are empty based on a thin film,
(a) placing a plurality of beads in contact with each other;
(b) connecting the beads together;
(c) forming a thin film on the surface of the beads;
(d) removing a portion of the thin film; And
(e) removing the internal material of the thin film;
Lt; / RTI >
(B) is performed in such a manner that a liquid resin is applied to the entire surface of the beads and is then cured to form a fillet-shaped connection portion with respect to the beads, so that the inner region of the liquid resin is opened Wherein the beads are formed in a cell structure and communicate with each other through the connection portion.
제 1 항에 있어서,
상기 (a) 단계는 상기 구슬을 2차원 또는 3차원 패턴으로 배치하는 것을 특징으로 하는 구슬을 이용한 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the beads are arranged in a two-dimensional or three-dimensional pattern in the step (a).
제 1 항에 있어서,
상기 구슬은 동일하거나 다른 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 구슬을 이용한 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the beads have the same or different sizes. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 (c) 단계는 CVD, PVD, ALD, 전기도금, 무전해도금, 코팅 및 분말 야금, 액상 침지 및 스프레이 중에서 선택되는 어느 하나의 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구슬을 이용한 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (c) is performed by any one of CVD, PVD, ALD, electroplating, electroless plating, coating and powder metallurgy, liquid immersion and spraying. ≪ / RTI >
제 1 항에 있어서,
상기 (d) 단계는 사포질, 방전가공, 레이저, 집속이온빔 및 전해연마 중에서 선택되는 어느 하나의 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구슬을 이용한 극저밀도 3차원 박막 구조체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (d) is performed by any one method selected from the group consisting of sandblasting, electric discharge machining, laser, focused ion beam, and electrolytic polishing.
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