KR101995940B1 - 프리 폼 다중 재료 마이크로 컴포넌트의 적층식 제조방법 - Google Patents

프리 폼 다중 재료 마이크로 컴포넌트의 적층식 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 층 제조방법, 특히 모든 포함된 재료를 위한 프리 폼 능력(free-form capability)을 가지는 2 종 이상의 재료로 구성되는 목적물의 첨가식 층 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 예를 들면, 세라믹이 절연체로서 작용하고, 2 차 재료는 전기적 또는 광학적 3D 도체 라인 또는 전기적 또는 광학적 3D 바이어를 제조하기 위해 사용되는 마이크로시스템을 위한 패키징을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 본 방법에서 사용되는 미세 분말은 작은 형상 크기 및 높은 정밀도 요구를 갖는 컴포넌트를 구축하기 위해 사용될 수 있다. 본 방법의 다른 목적의 용도는 소형의 정밀 기계 부품 또는 연삭용 공구, 치과용 목적물 또는 의료용 임플란트를 구축하는 것이다.

Description

프리 폼 다중 재료 마이크로 컴포넌트의 적층식 제조방법{LAYERED MANUFACTURING OF FREE-FORM MULTI-MATERIAL MICRO-COMPONENTS}
본 발명은 층 제조방법, 특히 모든 포함된 재료를 위한 프리 폼 능력(free-form capability)을 가지는 2 종 이상의 재료로 구성되는 목적물의 첨가식 층 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 가상 3D 모델(CAD 모델)로부터 시작하여 목적물을 성형하기 위해 제어된 방법으로 재료를 부가하도록 이 정보를 이용하여 목적물을 제조하는 방법을 다룬다. 일반적으로 이러한 유형의 방법은 래피드 프로토타이핑(rapid prototyping), 프리 폼 제조, 층 제조방법 및 첨가식 제조방법과 같은 다수의 용어로 불려진다. 3D 인쇄는 이러한 군에 속하는 한가지 방법이다. 매우 복잡한 형상을 가지는 목적물은 일련의 평면의 층에 의해 설명될 수 있으므로, 이 방법은 이러한 적층식 제조 방법의 실제 구현형태의 정밀도 내에서 임의의 원하는 형상을 제조할 수 있다.
3D 인쇄는 분말층을 하나의 표면 상에 분포시키는 방법이다. 잉크젯 프린터는 입자들 사이에 일시적 결합을 생성하기 위해 표면 상에 결합제를 분포시키기 위해 사용된다. 결합제는 건조되고, 이 공정은 결합제에 의해 결합된 목적물을 포함하는 분말 베드(bed)가 형성될 때까지 반복된다. 목적물로부터 유리된 분말이 린싱 또는 세정된 다음 목적물은 소결된다. 원래의 분말층 사이의 경계는 사라지고, 고체의 목적물이 형성된다.
다른 층 제조 방법에 비교되는 3D 인쇄의 이점은 빠른 속도, 지지 구조물의 구축의 불필요성 및 최종 목적물이 잔류 응력 없이 균질이라는 점이다. 빠른 속도는 하나의 단계에서의 분말층의 침착 및 동시에 수 개의 노즐을 이용하여 결합제가 침착될 수 있다는 것으로부터 기인한다. 각각의 점에서 분주(dispensing)에 의해 목적물을 구축할 수 있거나 선택적 응고를 위해 싱글 레이저나 전자 빔 스폿을 사용할 수 있는 다른 방법은 한번에 한 점에서만 구축할 수 있으므로 본질적으로 더 느리다. 분말 베드는 구조물을 지지하고, 이것에 의해 추후의 단계에서 제거되어야 할 별개의 지지 구조물을 구축함이 없이 아치를 포함하는 구조물을 구축할 수 있다. 분말은 밀도 구배 없이 침착될 수 있고, 이것에 의해 별개의 스테이지에서 행해지는 소결이 차별적 수축 없이 균질의 목적물을 생성할 수 있다.
원래의 3D 인쇄 발명(US6146567, Cima)에서, 분말은 표면 상에 서스펜션을 분사함으로써 도포되었다. 푸쿠빅(Fcubic)에 의한 추후의 발명에서, 분말은 건조 형태로 산포되어 층을 형성한다(WO03055628, Fcubic). 이 추후의 방법은 매우 빠르지만, 이것은 건조 상태에서 균질하게 산포될 수 있는 약 10-20 μm 입자 크기를 가지는 더 조대한 분말에 제한된다. 가장 소결성이 큰 세라믹 분말 및 경질 금속 분말을 포함하는 더 미세한 분말은 건조된 작은 입자의 유동을 억제하는 반데르발스 인력으로 인해 건조 상태에서 균질의 얇은 층으로 산포되는 것이 불가능하다.
마이크로시스템은 제품을 더 스마트하게 만들기 위해, 즉 제품에 기능적으로 새로움을 더하기 위해 점증적으로 사용된다. 이것은, 예를 들면, 태양 전지, 배터리, OLED, 마이크로파 컴포넌트, 랩-온-칩(lab-on-a chip) 및 고온 센서, 차량 및 주방 기기와 같은 제품에서 사용된다. 마이크로시스템은 (가속도, 방사선, 힘, 압력, 습기, 화학적 환경 등을) 감지하는 센서를 포함할 수 있고, 또한 정전기, 자왜, 압전 및 기타 원리에 기초한 액츄에이터를 포함할 수 있다.
현재까지 실제 3D 구조물로 마이크로시스템 패키징을 직접 제조하기 위해 적층식 제조방법을 사용하는 것은 가능하지 않았다. LTCC(저온 동시소성 세라믹)과 같은 이용 가능한 방법은 전자적 연결부(바이어)가 층에 수직으로 설치되어야 하는 평평한 기판을 제공할 뿐이다. 이것은 종종 LTCC 구조물을 별도로 제작되는 다른 3D 구조물과 결합시킬 필요가 있게 한다. 이 패키지를 구축하기 위해 첨가식 및 직접식 제조를 사용하면 경쟁력 있는 이점이 얻어진다. 집적 전자 칩의 개발은 실리콘 공장에 의해 실행되는 매우 효율적인 합리적 생산 공정이다. 그러나, 패키징은 동일한 방법으로 표준화되어 있지 않다. 패키징은 종종 마이크로시스템의 생산의 주요 비용의 원인이다. 게다가 패키징의 설계, 제조 및 시험은 시간이 걸리는 공정이다.
마이크로시스템을 위한 전기적 상호연결부는 절연성 및 전기 전도성 재료로 형성된다. 일부의 적용분야의 경우, 저항기를 구축하기 위해 그리고 유전 특성을 개질하기 위해 다른 재료가 요구된다. 광학적 상호연결의 경우, 도파관을 구축하기 위해 다른 재료 조합이 요구된다. 이것은 제조 공정이 수 종의 재료로 구축되고 수 종의 재료를 통합할 수 있어야 한다. 이것은 이전의 적층식 제조를 위한 가용 방법에서는 가능하지 않았다.
종래 기술의 전술한 결점 및 기타 결점을 고려하여, 본 발명의 일반적인 목적은 첨가식 적층식 제조방법으로 수종의 재료를 포함하는 3D 목적물의 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 분말계 재료(예를 들면, 세라믹, 유리, 하이브리드, 금속간화합물, 경질 금속 또는 금속 재료) 및 하나 이상의 2 차 재료(예를 들면, 세라믹, 유리, 하이브리드, 금속간화합물, 경질 금속 또는 재료)의 첨가물로 구성되는 목적물의 효율적 생산을 가능하게 한다. 2 차 재료는 프리 폼 능력으로 집적될 수 있다.
본 발명의 양태에 따르면, 본 발명은 모든 포함된 재료를 위한 프리 폼 능력을 가지는 2 종 이상의 재료로 구성되는 목적물의 첨가식 층 제조 방법에 관한 것으로, 이 방법은 목적물을 구축하기 위해 플랫폼으로서 평평한 기판을 제공하는 단계, 소수성 용액을 가함으로써 평평한 기판의 선택된 부분을 소수화하는 단계, 50 μm 미만의 두께를 가지는 층 내에 5 μm 미만의 크기를 가지는 입자로 구성되는 수계 분말 서스펜션를 산포하는 단계, 성형된 분말 본체 내에 유지되도록 수계 분말 서스펜션의 부분에 결합제를 도포하는 단계, 수계 분말 서스펜션의 소수성 반발에 의해 형성되는 층 내의 간극에 수계 분말 서스펜션 또는 분말 페이스트로서 하나 이상의 2 차 재료를 도포하는 단계, 원하는 형상 및 크기의 분말 본체를 구축하기 위해 수계 분말 서스펜션, 소수성 용액에 의해 형성된 소수성 영역, 결합제 및 2 차 재료를 도포하는 단계를 반복하는 단계, 목적물로부터 유리된 분말을 린싱 또는 세정하고, 지지체로부터 목적물을 제거하는 단계, 및 결합제를 제거하기 위해, 그리고 분말 목적물을 고체 본체가 되도록 소결하기 위해 열처리를 실행하는 단계를 포함한다.
다양한 예시적 실시형태에 따르면, 목적물을 구축하기 위한 플랫폼으로서 평평한 지지체가 제공된다. 미세 분말은 슬롯 다이, 닥터 블레이드 또는 압출 방법을 사용하여 지지체 상에 수계 분말 서스펜션으로서 침착된다. 최종 성형된 목적물 내에 포함되어야 할 층의 부분을 결합하기 위해 일시적 결합제가 사용된다. 물은 농축된 서스펜션으로부터 신속하게 건조되어 층을 응고시킨다. 수개의 층이 결합제를 첨가하여 목적물을 구축하기 위해 중합하여 침착된다. 소수성 용액이 인접 층 내에 간극을 형성하기 위해 각각의 수계 분말 서스펜션 상에 선택적으로 도포된다. 소수성 영역은 수계 분말 서스펜션을 반발한다. 이러한 간극은 잉크젯 인쇄 또는 산포를 이용하여 2 차 재료로 충전된다. 수계 분말 서스펜션 및 2 차 재료의 침착은 원하는 수의 층으로 반복된다. 전체 목적물이 형성된 경우, 유리된 분말, 예를 들면, 일시적 결합제로 함께 결합되지 않은 분말은 목적물로부터 린싱되거나 세정된다. 목적물은 유리된 분말로부터의 린싱 또는 세정의 전이나 후에 지지체로부터 제거된다. 다음에 목적물은 일시적 결합제를 제거하기 위해 가열되고, 다음에 수 종의 재료를 포함하는 고체 컴포넌트가 되도록 목적물을 소결하기 위해 더 가열된다.
이러한 방법으로, 임의의 형상을 가지는 2 차 재료의 구조물은 목적물 내에 포함될 수 있다. 이들 구조물은, 예를 들면, 절연성 또는 굴절성 매트릭스 내에 3D 바이어(임의의 형상 및 방향의 전기적, 광학적 또는 열적 전도성 라인)를 구축하기 위해 사용될 수 있다.
일반적으로, 본 발명의 기타 목적, 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명으로부터, 첨부된 종속 청구항 및 도면으로부터 명확해질 것이고, 이것은 본 발명의 범위 내에서 동등하게 가능하다.
이하, 본 발명의 실시형태를 설명된 예시적 실시형태, 실험 및 첨부한 도면을 참조하여 일례로서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 구조물의 성형을 위한 결합제의 첨가 및 유리된 분말의 제거를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 2 차 재료로 충전될 층 내의 간극을 형성하는 원리를 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 접촉 패턴의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 예시적 실시형태의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 실시형태의 개략 흐름도이다.
도면은 실제의 척도가 아니고, 본 기술분야의 당업자에 의해 쉽게 이해되는 바와 같이, 도면에 도시된 치수 이외의 치수도 본 발명의 범위 내에서 동등하게 가능하다는 것이 이해되어야 한다.
다양한 실시형태에 따르면, 본 발명은 세라믹이 절연체로서 작용하고, 2 차 재료는 3D 도체 라인 또는 3D 바이어를 형성하기 위해 사용되는 마이크로시스템을 위한 패키징을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 본 방법에서 사용되는 미세 분말은 작은 형상 크기, 높은 정밀도 및/또는 높은 정밀도 요구를 갖는 컴포넌트를 구축하기 위해 사용될 수 있다. 본 방법의 다른 목적의 용도는 광전자 시스템, 마이크로유체 시스템, 소형 기계적 정밀 부품, 연삭용 공구, 치과용 목적물 또는 의료용 임플란트를 구축하는 것이다. 본 발명에 따른 다양한 실시형태에 따라 형성되는 마이크로시스템은 유리하게 제품을 더 스마트하게 만들기 위해, 즉 제품에 기능적으로 새로움을 더하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명은 3D 인쇄의 개념을 기초로 한다. 그러나, 건조 분말을 산포 또는 분사하는 대신 분말층이 농축된 수계 서스펜션으로서 첨가된다. 이 서스펜션은 슬롯 다이, 닥터 블레이드, 압출 침착 또는 서스펜션을 산포하기 위한 기타 기술을 이용하여 얇은 층으로 도포된다. 이것은 분사 노즐을 통과하는 점도를 가지도록 극히 묽은 서스펜션이 되어야 하는 세라믹 또는 금속의 분사와 다르다. 슬롯 다이를 이용하여 서스펜션을 도포하면, 고도로 농축된 서스펜션으로부터 정밀하게 제어된 방식으로 극히 얇은 수계 분말 서스펜션(1-50 μm)을 부가시킬 수 있다. "고도로 농축된"이라는 용어는 본 명세서에서 이론적인 랜덤 조밀 충전 농도에 근접하는 서스펜션을 표현하기 위해 사용된다. 고도로 농축된 서스펜션은 이것이 고체로 전환되기 위해 극소량의 물만을 제거하면 되므로 신속하게 응고된다. 다음에 최종 본체 내에 유지되어야 하는 층의 부분 상에 결합제가 인쇄된다.
린싱 또는 세정에 의해 유리된 분말을 제거함으로써 구조물을 성형하는 결합제의 첨가는 도 1에 도시되어 있다. 층 내에 2 차 재료로 충전될 간극을 형성하는 원리는 도 2에 도시되어 있다.
층으로서 첨가될 재료는 세라믹일 수 있으나, 또한 초경합금, 금속간화합물 또는 금속과 같은 다른 미세 분말의 층을 산포시키는 것도 가능하다. 침전이 감소되거나 침전이 없는 상태로 산포될 수 있고, 동시에 높은 정밀도를 갖는 작은 형상을 형성할 수 있도록 얇은 층으로 작업할 수 있도록 분말은 5 μm 미만과 같은 작은 입자 크기를 가져야 하는 요건을 갖는다. 분말은 미세 분말과 물 사이에 상당한 반응이 감소되거나 전혀 없는 상태로 물에 분산될 수 있다. 더욱이, 본 방법에 따르면, 분말은 고밀도의 최종 재료를 얻도록 소결될 수 있다. 이 목적을 위해, 소결 능력을 갖춘 미세한 응집되지 않은 분말이 사용되고, 여기서 입자 크기 요건은 실제의 재료의 유형에 의존한다. 높은 성능 세라믹을 위해, 1 μm 미만의 입자 크기가 사용될 수 있다.
내부 공동이 컴포넌트의 표면에 연결되고, 또 컴포넌트의 형성 후에 유리된 분말이 린싱되거나 세정될 수 있는 경우, 3D 인쇄 공정은 컴포넌트 내에 내부 공동(홀 또는 채널)을 형성하도록 준비될 수 있다. 전체 컴포넌트의 제조 후에 2 차 재료로 형성된 공동을 충전하는 것은 어렵고도 비실용적이다. 층이 형성될 때 공간을 형성하기 위해 컴포넌트의 내측에 제 2 재료를 부가할 수 있는 것은 유용하거나 필요할 수 있다.
각 층 내에 공동을 형성하기 위해 기계적 천공 또는 레이저 기계가공을 사용할 수 있으나 이것은 칩 또는 기타 파편의 방출을 유발할 수 있다. 이것은 제거가 매우 곤란하고, 높은 정밀도 및 높은 품질로 형성되는 소형의 구조물을 목표로 하는 공정을 완전히 망가뜨린다.
기계가공 대신, 소수성 용액이 층의 일부에 선택적으로 인쇄된다. 인접 층이 부가된 경우, 소수성 용액에 의해 형성된 소수성 영역은 수계 분말 서스펜션을 반발함으로써 제 2 재료(또는 제 2 또는 제 4 재료)가 부가될 수 있는 층 내에 간극(공동의 홀)을 유발한다. 소수성 용액은, 예를 들면, 탄화수소(알칸, 유지), 플루오로카본 또는 실리콘을 포함할 수 있거나 이들로 이루어질 수 있다.
공동은 층별(layer by layer)로 형성되므로, 디스펜서, 잉크젯 인쇄 또는 다른 도포 방법을 사용하여 2 차 재료의 페이스트로 층별로 충전될 수 있다. 디스펜서에 의한 공동의 충전(한번에 한점에서 실행됨) 은 결합제의 잉크젯 인쇄(노즐의 어레이에 의해 실행됨)보다 느린 공정이지만, 대부분의 경우, 충전되어야 할 영역은 컴포넌트의 전체 부분 중 작은 일부분에 국한된다. 이러한 방법으로, 전체 층을 신속하게 침착 및 응고시키는 주요 이점은 유지된다.
이 공정에 의해 컴포넌트의 내측에 3-차원 바이어 홀(3-D 도전성 연결부 또는 광학적 바이어)를 형성할 수 있거나, 구조물 내에 제 2 재료의 다른 3D 구조물을 통합할 수 있다. 첨가된 재료는 소결 처리수순과 양립될 수 있도록 선택되거나 구성될 수 있다. 그러나, 이 문제는 상업적으로 입수할 수 있는 LTCC 기술(전자장치 적용을 위한 저온 동시소성 세라믹)로 해결된다.
하나의 실시형태에 따르면, 본 공정은 또한 소수성 용액에 의해 형성된 소수성 영역에 의해 형성되는 간극 내에 2 차 재료로서 희생적 재료를 부가하여 사용될 수 있다. 희생적 재료는 간극을 일시적으로 충전하지만 소결 전이나 소결의 초기 단계 중에 소실되도록 선택된다. 이것은 컴포넌트 내에 채널, 폐쇄 채널 및/또는 공동을 포함시키기 위해 사용될 수 있다. 이들 공동은 영구적인 2 차 재료로 충전되지 않으므로, 본체의 외면에 연결될 필요가 없다. 이 희생적 재료는 소결 중에 목적물의 기공이 밀봉되기 전에 그 기공을 통해 해체/증발된다. 희생적 재료의 하나의 예는 흑연으로서, 이것은 열처리 중에 목적물이 공기 중에서 가열되는 경우 산화되어 이산화탄소를 형성한다. 희생적 재료의 다른 예는 왁스로서, 이것은 열처리 중에 용융 및 증발된다. 채널 또는 공동이 목적물의 표면에 개방된 경우에도 작은 채널 또는 작은 공동의 린싱 또는 세정은 종종 곤란하고 시간이 걸리는 작업이다.
이 방법으로, LTCC 기술에서 실행되는 것과 유사한 방식으로 인접 세라믹 층이 부가되기 전에, 도전성 금속성 잉크를 이용한 잉크젯에 의해 평면의 도체 라인을 부가하는 것이 또한 가능하다.
예를 들면, 이 방법에 의해 광범위한 마이크로시스템을 위한 세라믹 패키징(또는 세라믹 상호연결부)의 제조가 가능하다. 기능성 재료를 추가하는 것 및 전기 도체에 의해 이 재료에 연결하는 것은 센서 또는 액츄에이터를 부가하는 것을 가능하게 한다. 전자 칩용 도체 라인, 저항기, 인덕턴스 및 커패시턴스 및 연결점을 부가하는 것은 스마트 시스템의 집적을 위해 개방되어 있다. 마이크로시스템은, 예를 들면, 태양 전지, 배터리, OLED, 마이크로파 컴포넌트, 랩-온-칩 및 고온 센서, 차량 및 주방 기기와 같은 제품에 사용될 수 있다. 마이크로시스템은 (가속도, 방사선, 힘, 압력, 습기, 화학적 환경 등을) 감지하는 센서를 포함할 수 있고, 또한 정전기, 자왜, 압전 및 기타 원리에 기초한 액츄에이터를 포함할 수 있다. 따라서, 센서 또는 액츄에이터를 위한 유전성, 저항성, 반도체성, 자성 또는 기타 기능성 재료를 포함하는 기능적 첨가물이 첨가될 수 있다. 마이크로시스템은 또한 빛과 마이크로파를 위한 도파관 뿐만 아니라 유체의 수송을 위한 채널을 형성하는 공동을 포함할 수 있다. 본 발명에 따라 형성되는 마이크로시스템은 또한 광학적 도파관을 포함할 수 있다.
높은 정밀도 및 복잡한 형상을 구축하고 2 차 재료를 집적하는 능력은 소형의 복잡한 기계가공 공구 또는 의료용 임플란트 뿐만 아니라 치과용 제품을 제조하는 능력을 제공한다. 본 방법은 또한 내부 금속화를 갖는 채널 및 공동을 형성하는 가능성을 제공한다. 이와 같은 구조물 마이크로파 적용분야에서의 도파관으로서 사용될 수 있다. 고주파수 마이크로파(THz 또는 거의 THz)의 경우, 마이크로스트립 연결부는 도파관으로 대체될 필요가 있다. 이들 도파관(금속화 채널)은 손실을 방지하기 위해 높은 정밀도 및 낮은 표면 거칠기를 필요로 한다. 이와 같은 높은 정밀도 및 낮은 표면 거칠기는 본 방법으로 제조될 수 있다.
실시예 1
간단한 모델 실험에서, 층의 수조작 도포를 위한 슬롯 다이 대신 닥터 블레이드 주조 스테이션을 사용하였다. 소결된 알루미나의 플레이트 상에 금속 패턴을 스크린 인쇄하였다. 상이한 치수의 직선상 도체 라인으로 이루어지는 이 패턴의 단부에 접촉점이 있다(도 3). 인쇄는 양호한 전기 전도를 가지도록 은 페이스트로 실행되었다.
도체를 구비하는 플레이트를 주조 스테이션에 설치하였다. 분산제(0,35 % Dolapix PC21)를 구비하는 알루미나 수계 분말 서스펜션(40 체적% AKP 30, Sumitomo Chemicals)를 80 μm 간극을 갖는 닥터 블레이드로 주조하였다. 이러한 주조에 의해 플레이트 상에 미세한 알루미나 수계 분말 서스펜션을 가진 막이 형성되었다.
바이어용 홀을 소수성 액체를 분주함으로써 형성하였다. 소수성 용액은 플루오로카본계 액체였다. 소수성 용액이 도포된 영역 상에서 알루미나 수계 분말 서스펜션은 웨팅(wetting)되지 않았으므로 그 영역은 회피되었다. 건조 알루미나 수계 분말 서스펜션을 관통하는 홀이 형성되었다.
건조된 세라믹 층의 상면에 새로운 도체 층이 스크린 인쇄되었다. 제 1 층이 접촉점을 통해 연결될 수 있도록 제 2 층 도전성 패턴이 배치되었다. 은 페이스트는 형성된 홀을 통해 침투되어 제 1 층과 제 2 층을 연결하므로 바이어 연결부를 형성한다.
연결은 도 4에 도시된 상층 및 하층의 단부점들 사이의 단락을 측정함으로써 확인되었다. 전류는 6 개의 바이어를 통해 상층 및 하층을 통해 교대로 흘렀다.
실시예 2
층 제조를 위한 기계가 제작되었다. 이 기계는 x-y-z 방향으로 스테이지를 이동시킬 수 있는 선형 액츄에이터(NSK 및 HIWIN)을 구비하는 테이블로 이루어진다. 가동 스테이지는 PLC 제어기(Beijer)로 제어된다.
가동 스테이지에는 정밀 펌프(예를 들면, 정밀 기어 펌프)에 의한 압력 하에서 세라믹 서스펜션이 공급되는 슬롯 다이(Premier Dies)가 장착되어 있다. 이 세라믹 서스펜션은 실시예 1의 것과 유사하지만 고체의 농도는 슬롯 다이에 적합한 점도로 조절되었다.
일시적 라텍스 결합제 및 소수성 용액의 양자 모두를 인쇄할 수 있도록 구동 전자장치(Megatech Electronic)를 구비하는 잉크젯 헤드(HP)를 스테이지에 고정하였다.
이 가동 스테이지에 또한 디스펜서를 장착하고, 도전성 페이스트로 충전하였다.
컴퓨터는 PLC를 통해 슬롯 다이를 제어하도록, 그리고 각각의 층을 위한 인쇄 전자장치를 구동하기 위한 인쇄 정보를 전달하도록 프로그램되었다. 다음에 인접 층의 침착 전에 가동 스테이지를 상승시켰다.
이 기계를 사용하여 세라믹 패키징 구조물 내에 3D 도전성 바이어를 구축하였다.
도 1, 도 2 및 도 5를 참조하면, 예시적 방법(11)을 사용하여 제작한 실시형태의 목적물(1)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 방법(11)의 예시적 실시형태는,
- 도 5의 블록(12)에 의해 표시된, 목적물(1)을 구축하기 위해 지지체(2)를 형성하는 플랫폼으로서 평평한 기판을 제공하는 단계;
- 도 5의 블록(13)에 의해 표시된, 소수성 영역(예를 들면, 3a, 3b)을 형성하기 위해 소수성 용액을 가함으로써 평평한 기판(예를 들면, 수계 분말 서스펜션(4, 4a, 4b), 또는 지지체(2)를 형성하는 플랫폼)의 선택된 부분을 소수화하는 단계(13);
- 도 5의 블록(14)에 의해 표시된, 50 μm 미만의 두께를 가지는 층 내에 5 μm 미만의 크기를 가지는 입자로 구성되는 수계 분말 서스펜션(4a 또는 4b)를 산포하는 단계;
- 도 5의 블록(15)에 의해 표시된, 성형된 분말 본체 내에 유지되도록 수계 분말 서스펜션의 부분에 결합제(5)를 도포하는 단계,
- 도 5의 블록(16)에 의해 표시된, 수계 분말 서스펜션의 소수성 반발에 의해 형성되는 층 내의 간극에 수계 분말 서스펜션 또는 분말 페이스트로서 하나 이상의 2 차 재료(6a)를 도포하는 단계;
- 도 5의 블록(17)에 의해 표시된, 위와 같이 원하는 형상 및 크기의 분말 본체를 구축하기 위해 수계 분말 서스펜션(4a, 4b, 4c 등), 소수성 용액에 의해 형성되는 소수성 영역(3a, 3b), 결합제(5a, 5b, 5c) 및 2 차 재료(6a)에 대응하는 2 차 재료를 반복적으로 도포하는 단계;
- 도 5의 블록(18)에 의해 표시된, 목적물로부터 유리된 분말을 린싱 또는 세정하고, 지지체(2)로부터 목적물을 제거하는 단계; 및
- 도 5의 블록(19)에 의해 표시된, 결합제를 제거하기 위해, 그리고 분말 목적물을 고체 본체가 되도록 소결하기 위해 열처리를 실행하는 단계를 포함한다.
도 2를 참조하면, 수계 분말 서스펜션(4a, 4b)의 선택된 부분이 소수성 영역(3a 및/또는 3b)을 형성하기 위해 소수성 용액을 가함으로써 소수화되는 평평한 기판을 형성하는 것이 도시되어 있음을 알 수 있다. 그러나, 소수성 용액은 지지체(2)를 형성하는 플랫폼 상에 직접 가해질 수도 있고, 여기서 지지체(2)를 형성하는 플랫폼은 소수화 단계에서 평평한 기판을 형성한다.
이상에서 본 발명은 몇몇 실시형태를 참조하여 설명되었음에 주의해야 한다. 그러나, 본 기술분야의 당업자가 쉽게 이해하는 바와 같이, 위에서 개시된 것과 다른 실시형태도 첨부된 특허 청구항에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 범위 내에서 동등하게 가능하다.
또한, 청구항에서 "포함"이라는 단어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않고, "하나의"라는 용어는 복수를 배제하지 않는다. 단일의 장치 또는 기타 유닛은 청구항에 열거되는 수 개의 특징의 기능을 만족시킬 수 있다. 어떤 특징 또는 방법 단계가 서로 다른 종속 청구항에 열거되었다는 단순한 사실이 이들 특징 또는 단계의 조합이 유리하게 사용될 수 있다는 것을 나타내는 것은 아니다.

Claims (15)

  1. 모든 포함된 재료를 위한 프리 폼 능력(free-form capability)을 갖는 2 종 이상의 재료로 구성되는 목적물(1)의 첨가식 층 제조 방법(11)으로서,
    a) 상기 목적물(1)을 구축하기 위해 지지체(2)를 형성하는 플랫폼으로서 평평한 기판을 제공하는 단계(12),
    b) 소수성 영역(3a, 3b)을 형성하기 위해 소수성 용액을 가함으로써 평평한 기판의 선택된 부분을 소수화하는 단계(13),
    c) 50 μm 미만의 두께를 가지는 층 내에 5 μm 미만의 크기를 가지는 입자로 구성되는 수계 분말 서스펜션(4)을 산포하는 단계(14),
    d) 성형된 분말 본체 내에 유지되도록 상기 수계 분말 서스펜션(4)의 부분에 결합제(5)를 도포하는 단계(15),
    e) 상기 수계 분말 서스펜션의 소수성 반발에 의해 형성되는 상기 층 내의 간극에 수계 분말 서스펜션 또는 분말 페이스트로서 하나 이상의 2 차 재료(6a)를 도포하는 단계(16),
    f) 원하는 형상 및 크기의 분말 본체를 구축하기 위해 수계 분말 서스펜션(4a, 4b, 4c), 소수성 영역(3a, 3b), 결합제(5a, 5b, 5c) 및 2 차 재료를 반복적으로 도포하는 단계(17),
    g) 상기 목적물로부터 유리된 분말을 린싱 또는 세정하는 단계(18), 및
    h) 상기 결합제를 제거하기 위해, 그리고 상기 분말 목적물을 고체 본체가 되도록 소결하기 위해 열처리를 실행하는 단계(19)를 포함하는, 목적물의 첨가식 층 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 g) 단계와 상기 h) 단계 사이에 상기 지지체(2)로부터 상기 목적물을 제거하는 i) 단계를 더 포함하는, 목적물의 첨가식 층 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수계 분말 서스펜션 내의 간극은 상기 소결된 목적물 내에 공동 또는 채널을 남기는 희생적 재료(6a)로 선택적으로 충전되는, 목적물의 첨가식 층 제조 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수계 분말 서스펜션은 닥터 블레이드, 슬롯 다이 또는 압출 방법에 의해 층 내에 침착되고,
    상기 소수성 용액 및 결합제는 잉크젯 인쇄에 의해 침착되고, 상기 2 차 재료는 분주(dispensing) 또는 잉크젯 인쇄에 의해 침착되는, 목적물의 첨가식 층 제조 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 소수성 용액은 플루오로카본 또는 실리콘을 포함하는, 목적물의 첨가식 층 제조 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수계 분말 서스펜션은 세라믹 또는 경질 금속 분말로 구성되는, 목적물의 첨가식 층 제조 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    센서 또는 액츄에이터를 위한 유전성, 저항성, 반도체성, 자성 또는 기타 기능성 재료를 포함하는 기능적 첨가물이 첨가되는, 목적물의 첨가식 층 제조 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방법은 마이크로시스템을 위한 패키징을 형성하기 위해 전도성 및 절연성 재료를 가지는 구조물을 형성하기 위해 사용되는, 목적물의 첨가식 층 제조 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방법은 임플란트 또는 치과용 제품을 형성하기 위해 사용되는, 목적물의 첨가식 층 제조 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방법은 연삭용 또는 기계가공용 공구를 형성하기 위해 사용되는, 목적물의 첨가식 층 제조 방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방법은 기계적 정밀 부품을 형성하기 위해 사용되는, 목적물의 첨가식 층 제조 방법.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방법은 마이크로파를 위한 도파관으로서의 용도를 위한 금속화 표면(7)을 가지는 세라믹 재료 내에 채널 또는 공동을 형성하기 위해 사용되는, 목적물의 첨가식 층 제조 방법.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방법은 유체의 수송을 위한 금속화 표면(7)을 갖는 세라믹 재료 내에 채널 및 공동을 형성하기 위해 사용되는, 목적물의 첨가식 층 제조 방법.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방법은 광학적 도파관을 형성하기 위해 사용되는, 목적물의 첨가식 층 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 도파관은 세라믹 재료의 내부 또는 상면 상에 형성되는, 목적물의 첨가식 층 제조 방법.
KR1020147007776A 2011-08-26 2012-08-22 프리 폼 다중 재료 마이크로 컴포넌트의 적층식 제조방법 KR101995940B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

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