KR101998352B1 - 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치는 잉크로부터 액적을 생성하여 멀티 노즐을 통해 분사하는 액적 생성부 및 상기 멀티 노즐로부터 분사된 액적을 안내하여 열적, 물리적 교란으로부터 액적을 보호하고 증발을 제어하는 증발 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치{APPARATUS FOR INJECTING INK WITH MULTI-NOZZLES}
본 발명은 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 멀티 노즐을 통해 드롭 온 디맨드(drop-on-demand) 타입으로 액적을 토출시키고 증발을 제어함으로써 토출시 액적의 크기보다 더 작은 액적을 형성하여 초미세 선폭의 패턴을 형성할 수 있는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치에 관한 것이다.
유체를 액적의 형태로 분사시키는 잉크 분사 장치는 과거에는 주로 잉크젯 프린터에 적용되어 왔으나, 최근에는 디스플레이 제조 공정, 인쇄회로기판 제조 공정, DNA 칩 제조 공정 등과 같이 첨단 산업에 널리 응용되어 사용되고 있다.
잉크 분사 장치는 드롭 온 디맨드(drop-on-demand) 방식과 연속 잉크젯(continuous inkjet) 방식으로 크게 나뉠 수가 있는데, 드롭 온 디맨드 방식으로는 압전 잉크젯 방식 및 열기포 잉크젯 방식이 대표적으로 알려져 있다.
상기와 같은 종래의 잉크 토출 기술들은 액적의 크기를 20 내지 30 마이크로 미터 이하로 형성하는 데에 한계를 갖고 있기 때문에, 패터닝되는 선폭에도 한계를 가지고 있다.
미세 선폭을 구현하기 위해, 정전기젯 방식을 추가한 하이브리드 형태의 잉크젯 토출 기술이 알려져 있으나, 이는 기본적으로 잉크젯으로 형성하는 액적의 크기 대비 약 30%의 크기만을 감소시킬 수가 있다.
또한, 압전 방식의 잉크젯 기술로는 피코리터 규모의 액적을 생성하여 약 20 마이크로미터 내외의 액적을 토출시킬 수 있다고 알려져 있으나, 기판으로 액적이 비행하는 동안에 외부 교란에 의하여 직진성이 확보되지 못하고 원하지 않는 곳에 탄착되는 문제가 있는 것으로 알려져 있다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0059013호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래의 드롭 온 디맨드 방식(drop-on-demand)인, 압전 잉크젯 방식 또는 열기포 잉크젯 방식, 정전기젯 방식, 또는 상기 방식들이 결합된 하이브리드 방식을 이용하여 멀티 노즐을 통해 토출된 액적을 증발 제어부를 통과하는 과정에서 액적의 증발 및 비행 방향을 제어함으로써 초미세 액적을 형성하고 탄착 정밀도를 향상 시킬 수 있는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 잉크로부터 액적을 생성하여 멀티 노즐을 통해 분사하는 액적 생성부; 및 상기 멀티 노즐로부터 분사된 액적을 안내하여 열적, 물리적 교란으로부터 액적을 보호하고 증발을 제어하는 증발 제어부를 포함하는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치에 의해 달성될 수가 있다.
여기서, 상기 액적 생성부는 드롭 온 디맨드 방식(drop-on-demand)으로 상기 액적을 분사하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 액적 생성부는 압전 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드, 열기포 방식의 잉크젯 헤드 또는 정전기젯 잉크젯 헤드 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 액적 생성부는 압전 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드, 열기포 방식의 잉크젯 헤드의 잉크 챔버 또는 잉크 공급관에 전극을 형성하여 상기 전극에 인가되는 전압에 의한 전기장의 힘으로 상기 액적을 생성하는 정전기 젯 방식을 추가한 하이브리드 방식으로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 액적 생성부는 상기 멀티 노즐로부터 상기 액적의 분사 방향을 따라 이격된 위치에 배치되고 상기 멀티 노즐로부터 분사된 액적을 관통하여 토출시키는 관통홀이 형성되며, 인가된 전압으로 전기장을 생성하여 상기 잉크로부터 액적을 생성하는 이젝션 전극을 더 포함할 수가 있다.
여기서, 상기 압전 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드 또는 상기 열기포 방식의 잉크젯 헤드의 잉크 챔버 또는 잉크 공급관에 접지 전극이 형성될 수가 있다.
여기서, 상기 멀티 노즐과 상기 이젝션 전극 사이에 상기 액적이 이동하는 경로를 형성하는 제 1 스페이서를 더 포함할 수가 있다.
여기서, 상기 이젝션 전극은 상기 멀티 노즐을 구성하는 개별 노즐에 대해 각각 분리되어 상기 전압이 개별 제어될 수가 있다.
여기서, 상기 증발 제어부는 상기 액적 생성부로부터 분사된 액적을 안내하는 경로를 형성하는 제 2 스페이서; 및 상기 제 2 스페이서의 하부에 배치되고 상기 제 2 스페이서를 통과한 액적을 토출시키는 관통홀이 형성되며, 인가된 전압으로 상기 액적이 상기 관통홀의 중앙에 집중하여 토출되도록 하는 포커싱 전극을 포함할 수가 있다.
여기서, 상기 증발 제어부는 상기 액적의 분사 방향을 따라 상기 제 2 스페이서 및 상기 포커싱 전극을 포함하는 셋(set)이 복수 개 형성될 수 있다.
여기서, 상기 액적의 분사 방향을 따라 상기 포커싱 전극에 인가되는 전압의 크기가 크도록 제어될 수 있다.
여기서, 상기 포커싱 전극은 상기 멀티 노즐을 구성하는 개별 노즐에 대해 각각 분리되어 상기 전압이 개별 제어될 수 있다.
여기서, 상기 증발 제어부는 상기 증발 제어부를 가열시키는 가열부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 가열부는 상기 포커싱 전극을 가열시킬 수가 있다.
여기서, 상기 가열부는 상기 포커싱 전극의 하부에 형성된 전기식 발열 플레이트로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 가열부는 상기 멀티 노즐을 구성하는 개별 노즐에 대해 각각 분리되어 개별 제어될 수 있다.
여기서, 상기 액적 생성부와 상기 증발 제어부 사이에는 상기 가열부로부터 발생된 열을 차단하는 열 차단부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 스페이서 내부에 가스를 공급하여 상기 액적이 경로의 중앙에 집중하도록 하는 가스 공급부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 가스 공급부로부터 분지되는 구조의 가스 공급 채널을 통해 상기 가스를 상기 제 1 스페이서 내부에 공급할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치에 따르면 멀티 노즐로부터 분사되는 액적을 증발 제어부를 통과하도록 하고, 증발 제어부를 통과하는 과정에서 액적의 비행거리를 제어하며 액적을 증발시켜 초미세 액적을 형성하도록 하여 1 마이크로미터 이하의 초미세 선폭도 구현이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 포커싱 전극을 통해 전하를 띄는 액적의 비행 방향을 제어하여 탄착 정밀도를 향상시킬 수 있다는 장점도 있다.
또한, 가스 공급부에 의해 액적의 비행 경로 상에 공급되는 가스에 의해 탄착 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다는 장점도 있다.
또한, 가스 공급부에 의해 공급되는 가스에 의해 패터닝되는 영역에서의 온도, 습도, 화학종 농도 등의 환경을 제어할 수 있다는 장점도 있다.
또한, 멀티 노즐을 구성하는 각 개별 노즐에 따라 인젝션 전극 및/또는 포커싱 전극 및/또는 가열부를 개별적으로 제어하여 각 개별 노즐마다 액적의 분사 형태를 각기 다르게 제어할 수 있다는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치의 개략적인 분리 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 4는 도 1의 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치에 외부로부터 가스가 공급되는 모습을 도시하는 도면이다.
도 5는 가스 공급부를 통해 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치에 가스를 공급 시키는 가스 공급 채널을 도시한다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치의 개략적인 분리 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이고, 도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이고, 도 4는 도 1의 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치에 외부로부터 가스가 공급되는 모습을 도시하는 도면이고, 도 5는 가스 공급부를 통해 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치에 가스를 공급 시키는 가스 공급 채널을 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치는 액적 생성부(100) 및 증발 제어부(200)를 포함하여 구성될 수가 있다.
액적 생성부(100)는 잉크로부터 액적을 생성하여 멀티 노즐(112)을 통해 액적을 분사시킨다. 본 발명에서 액적 생성부(100)는 기존의 압전 잉크젯 방식, 열기포 잉크젯 방식, 정전기젯 방식 또는 상기 방식들의 결합된 하이브리드 방식의 잉크젯 헤드(110)로 형성될 수가 있는데, 이에 한정되지 않고 드롭 온 디맨드(drop-on-demand) 방식으로 액적을 토출시킬 수만 있다면 다른 공지된 잉크젯 방식을 사용할 수가 있다. 나아가, 액적 생성부는 연속 잉크젯(continuous inkjet) 방식으로 액적을 형성할 수도 있다. 상기와 같은 방식으로 생성되는 액적들은 멀티 노즐(112)을 통해 토출되어 증발 제어부(200)로 전달되는데, 증발 제어부(200)에서의 증발에 의해 액적의 크기가 제어될 수 있다. 이때, 증발은 액적들이 비행하는 동안의 자연 증발에 의해서도 제어될 수가 있으며 외부 에너지원으로부터의 열전달에 의한 증발에 의해서도 제어될 수가 있는데, 이에 관해서는 후술하기로 한다.
이하, 설명에서는 액적 생성부(100)가 하이브리드 방식으로 구성되는 경우를 예를 들어 설명하기로 한다.
도 2에 도시되어 있는 것과 같이 잉크 공급 유닛(10)으로부터 잉크젯 헤드(110) 내부로 공급되는 잉크는 멀티 노즐(112)을 구성하는 각 개별 노즐(112)로 분기하여 공급된다. 이때, 각 개별 노즐(112)에는 압전 작동기(114a) 또는 열기포 히터(114b)가 형성될 수가 있다. 압전 작동기(114a)에 의해 개별 노즐(112)의 챔버(115) 내에 공급되는 잉크에 분사력을 제공하여 액적을 토출시키는 경우 상기 잉크젯 헤드(110)는 압전 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드일 수가 있으며, 열기포 히터(114b)에 의해 개별 노즐(112)의 챔버(115)에 공급되는 잉크를 가열시켜 생기는 버블에 의한 압력으로 잉크에 분사력을 제공하여 액적을 토출시키는 경우 상기 잉크젯 헤드(110)는 열기포 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드일 수가 있다.
또한, 상기 액적 생성부(100)는 이젝션 전극(120) 및 스페이서(130)를 더 포함할 수가 있다. 이젝션 전극(120)은 멀티 노즐(112)로부터 액적이 분사되는 방향으로 이격된 위치에 배치되고, 멀티 노즐(112)의 각 개별 노즐(112)로부터 분사되는 액적이 관통하여 지나가는 관통홀(122)이 형성된다.
이때, 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 것과 같이, 이젝션 전극(120)은 단일의 전극 플레이트에 전술한 관통홀(122)이 형성된 형태로 형성되어 멀티 노즐(112)에 대하여 전압 인가부(124)에 의해 공통의 전압이 인가되도록 할 수 있으나, 이젝션 전극(120)의 형태는 이에 한정되지 않고 개별 노즐(112)마다 분리되어 개별적으로 형성될 수도 있다. 이때 분리된 각 이젝션 전극(120)에 개별적으로 전압을 인가시켜 각 노즐(112)마다 토출되는 액적의 분사 형태를 개별적으로 제어할 수가 있다.
이때, 멀티 노즐(112)과 이젝션 전극(120) 사이에는 멀티 노즐(112)과 이젝션 전극(120)을 상호 이격시키는 스페이서(130)가 형성될 수가 있다.
스페이서(130)는 소정의 두께를 가지는 플레이트에 멀티 노즐(112)로부터 토출된 액적이 통과하여 지나가도록 복수의 홀(132)이 형성된다.
상기와 같이 액적 생성부(100)는 이젝션 전극(120) 및 스페이서(130)를 더 포함함으로써, 압전 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드에 정전기젯 방식을 추가한 하이브리드 방식의 잉크젯 헤드를 구성할 수가 있고, 열기포 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드에 정전기젯 방식을 추가한 하이브리드 방식의 잉크젯 헤드를 구성할 수도 있다. 이와 같이 하이브리드 방식으로 액적을 토출시킴에 따라서 압전 잉크젯 방식 또는 열기포 잉크젯 방식으로 액적을 토출시키는 경우와 비교하여 더 작은 크기의 액적을 생성하여 토출시킬 수가 있다.
이때, 잉크 공급 유닛(10)으로부터 각 개별 노즐(112)에 이르는 잉크의 유로 또는 잉크젯 헤드(110) 내의 소정의 위치에 전극(105)을 형성하여 소정의 전압을 인가시키거나 접지되도록 연결할 수 있다. 압전 작동기(114a) 또는 열기포 히터(114b)를 이용하여 액적을 생성시키는 경우에, 정전기젯 방식의 효과를 얻기 위해 이젝션 전극(120)에 추가로 인가되는 전압에 의해 오작동을 유발할 수가 있으므로 상기 전극(105)은 접지되도록 연결하는 것이 바람직하다.
도시하지 않았지만, 드롭 온 디맨드 방식으로 원하는 주파수의 균일한 크기의 액적을 생성하는 조건을 보장하기 위하여 액적 생성부(100)의 내부에는 잉크의 온도 또는 점도를 모니터링하는 센서를 부착할 수가 있다.
증발 제어부(200)는 멀티 노즐(112)로부터 분사된 액적을 안내하여 외부의 열적, 물리적 교란으로부터 액적을 보호하고 액적의 증발을 제어하여 초미세 액적을 생성하도록 한다.
증발 제어부(200)는 스페이서(210) 및 포커싱 전극(220)을 포함하여 구성될 수가 있다.
스페이서(210)는 액적 생성부(100)의 하부에 형성되는 소정의 두께를 가지는 플레이트 형태일 수가 있는데, 스페이서(210)에는 상부에 있는 이젝션 전극(120)의 관통홀(222)로부터 토출되는 액적이 이동하는 경로를 형성하는 복수의 홀(212)이 형성될 수가 있다.
포커싱 전극(220)은 상기 스페이서(210) 하부에 형성되어 상기 스페이서(210)의 홀(212)로부터 유입되는 액적이 관통하여 지나가는 관통홀(222)이 형성될 수가 있다. 또한, 포커싱 전극(220)에 전압 인가부(224)로부터 전압을 인가시켜 전하를 띄는 액적의 속도 및 방향성을 제어하도록 할 수 있다.
예를 들어, 이젝션 전극(120)에 1kV의 전압을 인가하여 액적을 노즐(112)로부터 토출시킨 경우, 포커싱 전극(220)에는 이보다 더 큰 전압을 인가(후술하는 바와 같이 액적의 분가 경로를 따라서 포커싱 전극(220)은 복수 개 형성될 수가 있는데, 이때 1.1kV, 1.2kV 등으로 액적의 분사 경로에 따라 각 포커싱 전극(220)에 인가되는 전압의 크기는 점차적으로 커지도록 제어하는 것이 바람직함)시켜 액적을 더욱 강하게 당기는 전기장의 힘을 발생시킬 수가 있다.
따라서, 액적의 직진 방향의 속도를 증가시킬 수가 있으며 속도의 증가에 따라 포커싱 전극(220)의 관통홀(222) 중앙에 액적이 집중되도록 제어할 수가 있다.
본 발명에서 이젝션 전극(120) 및 포커싱 전극(220)의 전압 제어는 컴퓨터 프로그램에 의한 자동 전압 제어 방법을 사용할 수가 있는데, 잉크 액적의 토출 및 이송은 매우 짧은 시간에 이루어지기 때문에 이와 같은 토출을 제어하기 위해서는 액적이 각 전극을 통과하는 시간보다 더 긴 펄스를 이용하여 전압을 인가시키는 것이 바람직하다.
액적 생성부(100)로부터 토출되는 액적의 증발은 다음 관계식에 따라서 진행된다.
D2 = k x time
(여기서, D는 액적의 지름이고, k는 액적의 증발율, time은 경과시간이다.)
k는 액적의 증발율(cm2/sec)로서 액적의 종류 및 조건에 따라서 다른 상수이다. 예를 들어, 특정 솔벤트의 경우 약 10-5cm2/sec의 값을 가질 수가 있는데, 이 경우 초기 토출되는 액적의 크기가 100㎛인 경우 증발되기까지 10초가 소요되며, 초기 토출되는 액적의 크기가 10㎛인 경우 증발되기까지 0.1초가 소요될 수가 있다
따라서, 액적 생성부(100)의 하부에 스페이서(210) 및 포커싱 전극(220)에 형성된 액적의 비행 경로의 길이를 제어함으로써 증발에 의해 액적의 크기를 제어할 수가 있다. 상기 액적의 비행 경로의 길이는 스페이서(210) 또는 포커싱 전극(220)의 두께를 제어하여 제어할 수가 있고, 필요에 따라 도 2에 도시되어 있는 것과 같이 액적의 분사 경로를 따라서 스페이서(210) 및 포커싱 전극(220)으로 구성되는 셋(set)이 복수 개 형성하여 비행 경로를 제어할 수가 있다.
이때, 증발에 의해 액적의 크기가 작아질수록 액적의 비행에 의한 관성력이 작아지고 외부의 교란에 의한 영향을 크게 받게 되어, 액적이 기판 상의 원하는 위치에 탄착되지 않을 수가 있다. 이를 제어하기 위하여 전술한 바와 같이 포커싱 전극(220)에 전압을 인가시켜 발생하는 전기장에 의해 액적이 포커싱 전극(220)의 관통홀(222) 중앙에 집속하여 이동하도록 제어할 수가 있다.
기능성 액적들의 경우 증발 과정에서 전하가 축적되므로 포커싱 전극(220)에 인가되는 전압에 의해 전기장을 이용하여 액적의 비행 경로를 제어할 수가 있다. 또한, 제팅된 액적이 전압이 인가되는 포커싱 전극(220)의 관통홀(222)을 통과하여 비행하는 과정에서 유도 전하가 액적의 표면에 형성되는데, 액적의 분사 경로를 따라 연속으로 구성되는 포커싱 전극(220)의 전기장 제어를 통해 액적의 비행 경로를 제어할 수가 있다.
이때, 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 것과 같이, 포커싱 전극(220)은 단일의 전극 플레이트에 전술한 관통홀(222)이 형성된 형태로 형성되어 멀티 노즐(112)에 대하여 공통의 전압이 인가되도록 할 수 있으나, 포커싱 전극(220)의 형태는 이에 한정되지 않고 개별 노즐(112)마다 분리되어 개별적으로 형성될 수도 있다. 분리된 각 포커싱 전극(220)에 개별적으로 전압을 인가시켜 각 노즐(112)마다 액적의 분사 형태를 개별적으로 제어할 수가 있다.
또한, 본 발명에서 증발 제어부(200)는 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 가열부(230) 및 열 차단부(240)를 더 포함할 수가 있다.
가열부(230)는 스페이서(210) 및 포커싱 전극(220)을 포함하는 증발 제어부(200)를 가열시켜 액적의 자연 증발과 더불어 열에 의한 증발을 강제하도록 한다. 이때, 가열부(230)는 포커싱 전극(220)에 인접하게 배치하여 포커싱 전극(220)을 가열시키도록 형성될 수가 있는데, 예를 들어 도시되어 있는 것과 같이 포커싱 전극(220)의 하부에 필름 형태의 전기식 발열 플레이트를 형성하여 포커싱 전극(220)을 가열시키도록 구성할 수가 있다. 가열부(230)의 구성은 이에 한정되지 않고 열전도, 복사열 등을 활용하여 포커싱 전극(220)을 가열시키는 다양한 형태의 방식으로 구성될 수가 있다.
이때, 포커싱 전극(220)은 알루미늄 또는 구리와 같이 열전도성이 높은 물질로 형성될 수 있다. 이와 같이 열전도성이 높은 물질로 형성됨에 따라서 가열부(230)로부터 열이 인가될 때 포커싱 전극(220)을 균일한 온도로 가열시킬 수가 있다. 나아가, 포커싱 전극(220)은 스테인레스 강과 같이 비부식성 재질로 형성될 수도 있다. 또한, 포커싱 전극(220)에 방사하는 열 에너지를 잘 흡수할 수 있도록 높은 복사율(emissivity)을 가지는 재질로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 포커싱 전극(220)은 검은 색으로 양극 산화된 전극으로 형성될 수도 있고, 다른 어두운 색깔의 전극으로 구성될 수도 있다. 또한, 포커싱 전극(220)은 다른 금속 물질 및 세라믹 물질과 같이 열전도성이 낮은 물질로 형성될 수도 있다. 또한, 스테인레스 강, 폴리이미드(polyimide), 폴리에스테르(polyester), 비닐(vinyl) 및 폴리스티렌(polystyrene) 중 어느 하나와 폴리에틸렌 테레프타레이트(polyethylene terephthalate)로 구성될 수도 있다.
또한, 상기 가열부(230)는 전술한 이젝션 전극(120) 및 포커싱 전극(220)과 마찬가지로 멀티 노즐(112)을 구성하는 각 노즐(112)마다 개별적으로 형성되어 각 노즐(112)마다 개별 제어되도록 구성할 수도 있다.
열 차단부(240)는 액적 생성부(100)와 증발 제어부(200) 사이에 형성되어 가열부(230)로부터 발생한 열이 액적 생성부(100)를 포함하는 다른 구조물에 전달되는 것을 차단시키도록 한다.
이때, 열 차단부(240)는 열전달율이 낮은 물질로 형성될 수가 있는데, 예를 들어, 세라믹(ceramic), 에어로겔 물질, 열전달율이 낮은 금속 등으로 형성될 수가 있다. 또한, 관 모양의 스테인리스 강(tubular stainless steel) 구조체와 같이 낮은 열전달율을 갖는 구조의 물질로 형성될 수도 있다. 또한, 열전 히트 펌프(thermoelectric heat pump) 또는 펠티어 냉각기(Peltier Cooler)로 형성되어, 전기 에너지에 의해 일측으로부터 공급되는 열을 타측으로 배출시키도록 할 수도 있다.
또한, 본 발명에서는 도 4 및 도 5를 참조로 설명하는 것과 같이 증발 제어부(200)에 형성된 액적의 분사 경로 상으로 가스를 공급하는 가스 공급부(250)를 더 포함할 수가 있다.
바람직하게는, 가스 공급부(250)는 이젝션 전극(120) 상부에 위치하는 스페이서(130)를 통해 액적이 이동하는 경로를 따라 가스가 유동하도록 할 수가 있다. 이때, 공급되는 가스에 의해 노즐(112)을 통해 분사되는 액적의 비행 방향을 제어할 수가 있다. 증발 제어부(200) 내의 경로를 따라 이동하는 가스는 층류 유동을 형성하고, 전술한 포커싱 전극(220)에 의한 전기장 제어와 더불어 경로의 중앙에 액적이 집중되도록 할 수 있다. 내부 경로를 따라 가스가 공급될 때 가스의 속도 분포는 경로 상의 중앙은 속도가 빠르고 가장자리는 상대적으로 속도가 느린 포물선 분포를 가지게 되는데, 이와 같은 가스의 속도 분포에 의해 경로 내부를 유동하는 액적이 경로의 중심에 집중하여 유동하도록 가이드할 수가 있다.
또한, 가스 공급부(250)로부터 공급되는 가스에 의해 기판에 패터닝되는 영역에서의 액적의 온도, 습도, 화학종 농도 등의 환경을 제어할 수도 있다.
가스 공급부(250)에 의해 공급되는 가스는 공기, 질소, 아르곤 등의 가스류일 수가 있으며 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 물을 기화한 수증기 가스가 공급될 수 있으며, 상기 가스류와 혼합되어 습도를 제어할 수도 있다. 또한, 액적에 포함되어 있는 솔벤트(예를 들어, 에탄올)의 기화된 가스일 수도 있으며, 상기 가스류와 혼합된 가스일 수도 있다.
이때, 포커싱 전극(220)의 전후에 상기 가스의 일부가 배기되도록 하는 홀(미도시)이 형성될 수가 있는데, 이와 같이 홀에 의해 가스의 유속을 제어함으로써 액적이 기판에 탄척할 때에 가스의 유동에 의한 영향을 최소화할 수가 있다.
도 5에 도시되어 있는 것과 같이, 가스 공급부(250)로부터 내부로 가스를 공급하는 가스 공급 채널(252)은 연속적으로 분지되는 구조로 형성될 수가 있는데, 이와 같은 구조에 의해 멀티 노즐(112)을 구성하는 각 개별 노즐(112)에 균일한 유량 및 균일한 점성손실을 가지는 동일 유속의 가스를 공급할 수가 있다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조로 전술한 본 발명에 따른 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치의 동작을 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에서 사용되는 잉크(프린팅 물질)는 솔벤트에 분산되어 있는 고체입자, 계면활성제, 폴리머 등 유무기 물질을 망라할 수 있다. 기능성 물질을 제팅하는 경우를 예로 들면 다음과 같다.
전도성 또는 반도체성 나노 구조체를 고분자화합물과 함께 솔벤트에 분산하여 이를 프린팅을 수행한 후 열 또는 광경화를 수행하여 전극의 특성을 확보할 수 있다. 나노 구조체의 구조는 나노 입자 또는 일차원 나노 구조체일 수 있으며, 상기 일차원 나노 구조체는 나노 와이어, 나노 막대, 나노 파이프, 나노 벨트 또는 나노 튜브 구조 중 적어도 하나인 것이 바람직하다. 또한, 상기 전도성 나노 구조체는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 아연(Zn), 구리(Cu), 규소(Si) 또는 티타늄(Ti)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어진 나노 구조체 또는 탄소 나노 튜브이거나 이들의 조합인 것이 바람직하다.
상기 고분자 화합물은 천연 고분자 화합물 또는 합성 고분자 화합물 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하며, 상기 천연 고분자 화합물은 키토산(chitosan), 젤라틴(gelatin), 콜라겐(collagen), 엘라스틴(elastin), 히알루론산(hyaluronic acid), 셀룰로오스(cellulose), 실크 피브로인(silk fibroin), 인지질(phospholipids) 또는 피브리노겐(fibrinogen) 중 적어도 하나이고, 상기 합성고분자 화합물은 PLGA(Poly(lactic-co-glycolic acid)), PLA(Poly(lactic acid)), PHBV(Poly(3-hydroxybutyrate-hydroxyvalerate), PDO(Polydioxanone), PGA(Polyglycolic acid), PLCL(Poly(lactide-caprolactone)), PCL(Poly(ecaprolactone)), PLLA(Poly-L-lactic acid), PEUU(Poly(ether Urethane Urea)), 아세트산 셀룰로오스(Cellulose acetate), PEO(Polyethylene oxide), EVOH(Poly(Ethylene Vinyl Alcohol), PVA(Polyvinyl alcohol), PEG(Polyethyleneglycol) 또는 PVP(Polyvinylpyrrolidone) 중 적어도 하나인 것이 바람직하다.
먼저, 잉크 공급 유닛(10)으로부터 액적 생성부(100) 내의 개별 노즐(112)의 챔버(115)로 잉크가 분기되어 공급되고, 분기되어 공급된 잉크는 각 노즐(112)로부터 드롭 온 디맨드 방식으로 토출된다. 이때, 액적 생성부(100)는 압전 작동기(114a)로 액적을 생성시키는 압전 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드(110)로 구성될 수 있으며, 열기포 히터(114b)로 액적을 생성시키는 열기포 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드(110)로 구성될 수도 있다. 나아가, 상기 압전 잉크젯 방식 및 열기포 잉크젯 방식에 전술한 이젝션 전극(120) 및 스페이서(130)를 더 포함하여 정전기젯 방식의 분사력을 추가한 하이브리드 방식의 잉크젯 헤드로 구성될 수가 있으나, 드롭 온 디맨드 방식으로 액적을 토출시킬 수만 있다면 이에 한정되는 것은 아니다.
액적 생성부(100)의 각 노즐(112)로부터 분사되는 액적은 액적 생성부(100)의 하부에 형성되는 스페이서(210) 및 포커싱 전극(220)으로 구성되는 증발 제어부(200)를 비행하는 과정에서 자연 증발이 일어나 액적의 크기가 줄어들 수가 있다.
이때, 스페이서(210) 및/또는 포커싱 전극(220)의 두께를 제어하여 액적의 비행 거리를 제어하여 증발을 제어할 수가 있다. 또한, 스페이서(210) 및 포커싱 전극(220)으로 구성되는 셋(set)을 액적의 비행 방향을 따라 복수 개 구비하여 액적의 비행 거리를 제어하여 증발을 제어할 수도 있다.
나아가, 포커싱 전극(220)을 가열시키는 가열부(230)를 더 구비하여 자연 증발과 더불어 열에 의한 증발을 강제하여 증발 효율을 향상시킬 수도 있다. 이때, 가열부(230)는 포커싱 전극(220)의 하부에 필름 형태의 전기식 발열 플레이트로 형성되어 열전도의 형태로 포커싱 전극(220)을 가열시킬 수가 있는데, 가열부(230)의 구성 및 형태는 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 포커싱 전극(220)에 전압을 인가시킬 수가 있는데, 인가되는 전압에 의한 전기장의 힘으로 전하를 띄는 액적을 더욱 강하게 잡아 당겨서 액적의 비행 속도를 증가시킬 수가 있으며, 따라서 속도의 증가에 따라 포커싱 전극(220)의 관통홀(222) 중앙에 액적이 집중되도록 제어할 수가 있다.
이때, 포커싱 전극(220)은 액적의 비행 경로를 따라 복수 개 형성될 수가 있는데, 비행 경로를 따라 더 강한 전기장의 힘이 발생하도록 각 포커싱 전극(220)에 인가되는 전압의 크기를 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 이젝션 전극(120), 포커싱 전극(220), 및 가열부(230)는 멀티 노즐(112)은 각각 일체로 형성되어 공통의 전압이 인가되도록 제어할 수도 있으나, 이젝션 전극(120), 포커싱 전극(220), 및 가열부(230)가 멀티 노즐(112)을 구성하는 개별 노즐(112)마다 각각 분리 형성되어 개별 제어할 수 있도록 하여 각 노즐(112)마다 액적의 분사 형태를 개별적으로 제어할 수도 있다.
나아가, 본 발명에서는 증발 제어부(200)를 통해 액적이 비행하는 경로 상에 가스를 공급하여 액적의 탄착 정밀도를 더욱 향상시킬 수가 있다. 가스는 액적을 이동시키는 캐리어 역할을 수행함과 동시에 flow focusing에 의해 액적이 경로의 중심을 따라 유동하도록 가이드할 수가 있다.
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.
10: 잉크 공급 유닛 100: 액적 생성부
105: 전극 110: 잉크젯 헤드
112: 노즐 114a: 압전 작동기
114b: 열기포 히터 115: 챔버
120: 이젝션 전극 122: 관통홀
124: 전압 인가부 130: 스페이서
132: 홀 200: 증발 제어부
210: 스페이서 212: 홀
220: 포커싱 전극 222: 관통홀
224: 전압 인가부 230: 가열부
240: 열 차단부 250: 가스 공급부
252: 가스 공급 채널

Claims (19)

  1. 잉크로부터 액적을 생성하여 멀티 노즐을 통해 분사하는 액적 생성부;
    상기 멀티 노즐로부터 분사된 액적을 안내하여 열적, 물리적 교란으로부터 액적을 보호하고 증발을 제어하는 증발 제어부; 및
    상기 증발 제어부를 가열시키는 가열부를 포함하고,
    상기 증발 제어부는
    상기 액적 생성부로부터 분사된 액적을 안내하는 경로를 형성하는 제 2 스페이서; 및
    상기 제 2 스페이서의 하부에 배치되고 상기 제 2 스페이서를 통과한 액적을 토출시키는 관통홀이 형성되며, 인가된 전압으로 상기 액적이 상기 관통홀의 중앙에 집중하여 토출되도록 하는 포커싱 전극을 포함하는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액적 생성부는
    드롭 온 디맨드(drop-on-demand) 방식으로 상기 액적을 분사하는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액적 생성부는 압전 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드, 열기포 방식의 잉크젯 헤드 또는 정전기젯 잉크젯 헤드 중 어느 하나로 형성되는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 액적 생성부는 압전 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드, 열기포 방식의 잉크젯 헤드의 잉크 챔버 또는 잉크 공급관에 전극을 형성하여 상기 전극에 인가되는 전압에 의한 전기장의 힘으로 상기 액적을 생성하는 정전기 젯 방식을 추가한 하이브리드 방식으로 형성되는 잉크 분사 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 액적 생성부는
    상기 멀티 노즐로부터 상기 액적의 분사 방향을 따라 이격된 위치에 배치되고 상기 멀티 노즐로부터 분사된 액적을 관통하여 토출시키는 관통홀이 형성되며, 인가된 전압으로 전기장을 생성하여 상기 잉크로부터 액적을 생성하는 이젝션 전극을 더 포함하는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 압전 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드 또는 상기 열기포 방식의 잉크젯 헤드의 잉크 챔버 또는 잉크 공급관에 접지 전극이 형성되는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 멀티 노즐과 상기 이젝션 전극 사이에 상기 액적이 이동하는 경로를 형성하는 제 1 스페이서를 더 포함하는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 이젝션 전극은 상기 멀티 노즐을 구성하는 개별 노즐에 대해 각각 분리되어 상기 전압이 개별 제어되는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발 제어부는
    상기 액적의 분사 방향을 따라 상기 제 2 스페이서 및 상기 포커싱 전극을 포함하는 셋(set)이 복수 개 형성되는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 액적의 분사 방향을 따라 상기 포커싱 전극에 인가되는 전압의 크기가 크도록 제어되는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포커싱 전극은 상기 멀티 노즐을 구성하는 개별 노즐에 대해 각각 분리되어 상기 전압이 개별 제어되는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 포커싱 전극을 가열시키는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 포커싱 전극의 하부에 형성된 전기식 발열 플레이트로 형성되는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 멀티 노즐을 구성하는 개별 노즐에 대해 각각 분리되어 개별 제어되는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 액적 생성부와 상기 증발 제어부 사이에는 상기 가열부로부터 발생된 열을 차단하는 열 차단부를 더 포함하는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
  18. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 스페이서 내부에 가스를 공급하여 상기 액적이 경로의 중앙에 집중하도록 하는 가스 공급부를 더 포함하는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 가스 공급부로부터 분지되는 구조의 가스 공급 채널을 통해 상기 가스를 상기 제 1 스페이서 내부에 공급하는 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치.
KR1020170106118A 2017-08-22 2017-08-22 멀티 노즐을 가지는 잉크 분사 장치 KR101998352B1 (ko)

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