KR102082621B1 - 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치는 공급된 용액을 일단에 형성된 노즐공을 통해 대향하는 기판을 향해 토출시키는 노즐, 상기 노즐 내의 용액과 절연체로 분리되어 접촉하지 않는 메인 전극 및 상기 메인 전극에 전압을 인가하는 전압 공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유도 전기수력학 젯 프린팅 장치{INDUCED ELECTROHYDRODYNAMIC JET PRINTING APPARATUS}

본 발명은 전기장 하에서 유도된 전하에 의한 유도 정전기력 기반의 전기수력학적 젯 프린팅 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기장에 의해 노즐 끝의 액면에 유도되는 정전기력으로 하전된 용액을 토출시키는 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치에 관한 것이다.

일반적으로　잉크젯 프린터나 디스펜서(Dispenser)는 기체나 액체 또는 기타 내용물이 충진된 밀폐용기에 결합되어 가압 수단이나 압전소자와 같은 압력파 전달 수단에 의해 그 내부의 내용물을 일정량씩 분출시켜 사용하도록 하는 장치를 일컫는다.

최근에는 전자부품 및 카메라 모듈과 같이 소형화된 정밀산업 분야에서도 특정부위를 코팅하거나 접합 가공 등을 위해 약액을 토출시키는 디스펜서가 사용된다. 또한, OLED 디스플레이 산업 분야에서도 봉지 공정의 유기막 코팅이나 픽셀의 레드(Red), 그린(Green) 등과 같은 컬러 재료를 패터닝하기 위해 잉크젯 프린터를 사용한다. 또한, OLED 백플레인(Backplane)의 박막 트랜지스터(Thin-film-transistor)의 소스(source), 드레인(drain), 게이트(gate) 등의 전극의 단선(open) 불량을 연결하는 방법으로도 잉크와 같은 재료를 적용하는 것을 고려하고 있다. 이와 같은 분야에 사용되는 디스펜서 또는 프린터는 더욱 정밀한 토출량의 제어 및 미세 액적의 토출이 요구된다.

액적을 제팅하는 방법으로 압전(piezoelectric) 방식 및 전기수력학(electrohydrodynamic, EHD) 방식 등이 널리 사용되어 왔다. 그 중에서 전기수력학 방식은 노즐에 있는 전극과 기판 사이의 전위차에 의한 정전기력을 이용하여 잉크를 토출시키는 방법으로, 미세 선폭을 구현할 수가 있어서 정밀 토출을 위한 기술 분야에 널리 사용되어 왔다.

기존의 전기수력학을 이용한 제팅 기술들은 노즐 내부에 전극을 배치하고 전압을 인가시키는 방법으로 노즐 내 용액으로 전하를 공급하여 하전시키고 정전기력을 발생시켜 액적을 토출시켰다. 또는, 노즐을 전도성 물질로 형성하여 노즐이 전극의 기능을 하도록 하였고, 이 경우에도 노즐에 전압을 인가시켜 액적을 토출시켰다. 또는, 노즐 외부를 전도성 물질로 코팅하되 일부는 노즐 끝에서 용액과 접촉한 상태로 전하를 공급할 수 있도록 하여 액체를 토출시켰다. 전극이 액체와 접촉하면, 전극에서 액체로 자유전자가 전달되거나 전극의 표면에서 해리(dissociation)에 의한 이온이 형성되고 이온의 전달에 의하여 액체에 전류가 흐르게 된다. 이때, 노즐 전극에 인가되는 전압 때문에 형성된 전기장의 세기에 따라 작용하는 정전기력으로 액체를 토출하였다. 보통 토출을 하는 기능성 잉크들은 나노 금속입자, 폴리머, 바이오 물질, 바인더 등의 물질들을 다양한 솔벤트에 분산시킨 것이다. 이러한 물질들은 자체적으로 전하를 띄기도 하고, 전극에서의 해리(dissociation)을 활성화함으로써 이온의 형성에 기여한다.

하지만, 이러한 종래의 전기수력학을 이용한 제팅 기술들은 전극이 노즐 내의 용액과 직접 접촉을 하는 구조이기 때문에, 해리(dissociation) 과정에서 전극의 표면에서 산화환원 반응이 발생하여 전극으로부터 생성되는 전극 이온이 노즐 내 제팅을 위한 용액과 섞이게 되고 산화환원 반응에서 발생하는 열에 의해 용액이 변성되는 문제가 발생한다. 이 경우, 용액의 변성에 의해 노즐이 막히는 문제가 발생하기도 하며, 버블이 생성되어 제팅에 심각한 문제를 초래하기도 한다. 또한 용액의 전기 전도도에 따라서는 전류가 역류하여 노즐과 용액 챔버 사이에 존재할 수 있는 밸브의 오작동을 초래할 수도 있다.

미국등록특허: 제4333086호 미국등록특허: 제4364054호 일본공개특허: 제2004-165587호

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 노즐 내의 용액과 전압이 인가되는 전극 사이를 절연체로 분리시키고 전극에 전압을 인가시킬 때 생성되는 전기장 하에서 유도되는 전하(induced charge)에 의한 정전기력으로 노즐로부터 용액을 토출시키도록 하여, 용액이 전극에 직접 접촉하여 산화환원 반응에 의해 발생하는 발열, 용액의 변성, 노즐 막힘, 버블 발생의 종래 문제를 해결하는 유도 전기수력학 젯 프린팅 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.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공급된 용액을 일단에 형성된 노즐공을 통해 대향하는 기판을 향해 토출시키는 노즐; 상기 노즐 내의 용액과 절연체로 분리되어 접촉하지 않는 메인 전극; 및 상기 메인 전극에 전압을 인가하는 전압 공급부를 포함하는 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치에 의해 달성될 수가 있다.

여기서, 상기 전압 공급부는 상기 메인 전극에 직류 전압을 인가시킬 수가 있다.

여기서, 상기 전압 공급부는 상기 메인 전극에 교류 전압을 인가시킬 수가 있다.

여기서, 상기 전압 공급부는 정현파, 삼각파, 사각파 중 적어도 어느 하나를 포함하는 파형의 교류 전압을 상기 메인 전극에 인가시킬 수가 있다.

여기서, 상기 메인 전극은 상기 절연체로 코팅되어 상기 노즐의 내부에 내삽될 수가 있다.

여기서, 상기 메인 전극은 니들(needle) 형태로 형성될 수가 있다.

여기서, 상기 메인 전극은 튜브 형태로 형성될 수가 있다.

여기서, 전도성 재질로 상기 노즐의 내측벽면에 코팅되고, 전기적 연결이 되지 않거나 상기 메인 전극과 다른 전압이 인가되거나 접지되는 유도보조 전극을 더 포함할 수가 있다.

여기서, 상기 유도보조 전극의 표면은 절연체로 코팅될 수가 있다.

여기서, 상기 노즐은 상기 절연체로 형성되고, 상기 노즐의 외벽 또는 상기 노즐의 외측에 이격된 위치에 상기 메인 전극이 형성될 수가 있다.

여기서, 상기 노즐은 전도성 재질로 형성되어 바디를 형성하는 메인 전극부 및 상기 메인 전극부를 절연체로 코팅하는 절연부로 형성되며, 상기 전압 공급부는 상기 메인 전극부에 전압을 인가할 수가 있다.

여기서, 전도성 재질로 상기 노즐 내부에 내삽되고, 전기적 연결이 되지 않거나 상기 메인 전극과 다른 전압이 인가되거나 접지되는 유도보조 전극을 더 포함할 수가 있다.

여기서, 전도성 재질로 상기 노즐 내부에 내삽되고, 전기적 연결이 되지 않거나 상기 메인 전극부와 다른 전압이 인가되거나 접지되는 유도보조 전극을 더 포함할 수가 있다.

여기서, 상기 유도보조 전극은 니들 형태로 형성될 수가 있다.

여기서, 상기 유도보조 전극은 알루미늄 포일(foil)로 상기 노즐 내부에 내삽될 수가 있다.

여기서, 상기 유도보조 전극의 표면은 절연체로 코팅될 수가 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치에 따르면 절연체에 의해 노즐 내 용액과 메인 전극 사이를 분리시킬 수가 있어서, 용액과 전극이 접촉하여 전극에 인가되는 전압에 의해 발생하는 산화환원 반응에 의해 발생하는 발열, 용액의 변성, 노즐 막힘, 버블 발생의 문제를 해결할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 전극과 용액의 직접 접촉에 의한 전하의 전달이 존재하지 않더라도 전기장에 의한 노즐 끝단의 액면에 작용하는 유도 정전기력에 의한 제팅이 가능하여 용액의 전기 전도도에 따른 제팅 민감도를 낮출 수 있다는 장점도 있다.

또한, 유도보조 전극을 메인 전극과 별개로 노즐 내부에 형성하여 유도 전기장의 특성을 향상시켜 제팅 특성을 더욱 향상시킬 수 있다는 장점도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 변형례이다.
도 3은 도 1의 또 다른 변형례이다.
도 4는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것으로서 커패시터에 교류 전압이 인가될 때 변위 전류(displacement current)에 의해 본 발명에서 메인 전극과 용액이 접촉하지 않는 경우에도 전하가 전달되는 것과 같은 효과를 확보할 수 있는 하전 상태의 변화를 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치의 요부를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 변형례이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치의 요부를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7의 변형례이다.
도 9는 도 1의 실시예에 따라 메인 전극을 에폭시 폴리머(polymer)로 코팅하여 제작된 프린팅 장치에 의한 제팅 결과를 확대한 도면이다.
도 10은 도 1의 실시예에 따라 메인 전극을 플루오로수지(Fluoropolymer)로 코팅하여 제작된 프린팅 장치에 의한 제팅 결과를 확대한 도면이다.
도 11은 도 5의 실시예에 따라 제작된 프린팅 장치에 의한 제팅 결과를 확대한 도면이다.
도 12는 도 6의 실시예에 따라 제작된 프린팅 장치에 의한 제팅 결과를 확대한 도면이다.
도 13은 도 6의 실시예에 따라 유도보조 전극을 니들(needle)로 제작한 프린팅 장치에 의한 제팅 결과를 확대한 도면이다.
도 14는 도 6의 실시예에 따라 유도보조 전극을 알루미늄 포일(Al Foil)로 제작한 프린팅 장치에 의한 제팅 결과를 확대한 도면이다.
도 15는 본 발명에 따라 제작된 프린팅 장치를 이용하여 박막 트랜지스터의 전극 리페어 프린팅을 수행한 결과를 확대하여 보여주는 도면이다.
도 16은 본 발명에 따라 제작된 프린팅 장치를 이용하여 Micro-LED를 본딩하기 위한 전도성 글루를 프린팅한 결과를 확대하여 보여주는 도면이다.

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 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

먼저, 도 1 내지 도 4를 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치를 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치의 요부를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 변형례이고, 도 3은 도 1의 또 다른 변형례이고, 도 4는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것으로서 커패시터에 교류 전압이 인가될 때 변위 전류(displacement current)에 의해 본 발명에서 메인 전극과 용액이 접촉하지 않는 경우에도 전하가 전달되는 것과 같은 효과를 확보할 수 있는 하전 상태의 변화를 도시한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치는 노즐(110), 메인 전극(120) 및 전압 공급부를 포함할 수가 있다. 또한, 유도보조 전극(150)을 더 포함할 수가 있다.

노즐(110)은 용액 공급부로부터 용액을 공급받아 후술하는 바와 같이 교류 전압에 의해 유도되는 정전기력의 힘으로 하단에 형성되는 노즐공을 통해 용액을 토출시킨다. 이때, 노즐(110)은 상단에서 하단으로 단면이 원형의 형태로 내경이 일정한 실린더 형으로 형성되는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 2에 도시되어 있는 것과 같이 노즐공이 형성되는 노즐(110)의 하단부는 아래로 갈수록 내경이 점차적으로 작아지도록 테이퍼지게 형성될 수도 있다. 물론, 노즐은 사각실린더, 다각형 실린더로도 형성될 수도 있다.

이때, 용액이 토출되는 노즐공의 지름은 50μm 이하로 형성되는 것이 바람직하데, 경우에 따라서는 1μm 이하로 형성될 수도 있다.

용액 공급부는 노즐(110) 내부로 용액을 소정의 압력으로 공급하는 것으로 펌프, 밸브 등으로 구성될 수가 있다.

메인 전극(120)은 노즐(110) 내부의 중심에 삽입되어 전압 공급부로부터 직류 또는 교류 전압을 인가 받는다. 메인 전극(120)은 도시되어 있는 것과 같이 니들(needle) 형태로 형성될 수가 있다.

이때, 본 실시예에서는 메인 전극(120)의 외부를 절연체로 코팅하여 절연층(130)을 형성한다. 이에 따라, 메인 전극(120)과 노즐(110) 내부의 용액 사이는 직접 접촉하지 않고 절연층(130)에 의해 분리된다. 절연층(130)에 의해 노즐(110) 내의 용액과 메인 전극(120)은 분리될 수가 있으므로, 메인 전극(120)에 고전압이 인가될 때 용액과 메인 전극(120) 사이에 발생하는 산화환원 반응을 방지할 수가 있고, 산화환원 반응에 따른 발열, 용액의 변성, 버블 발생, 노즐(110)의 막힘 등의 문제를 해결할 수가 있다.

이때, 본 실시예에서는 절연층(130)을 형성하는 절연체로 에폭시 폴리머(polymer), 플루오로수지(Fluorocarbon) 계열의 코팅제 등을 사용하였다. 전극을 절연하기 위해서는 금속 표면에 산화막을 형성할 수도 있으며, 에폭시 또는 페놀(phenolic) 계열의 폴리머 코팅, 세라믹 코팅, 유리 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

전압 공급부는 노즐(110) 내에 위치하는 메인 전극(120)에 직류 또는 교류 전압을 인가한다. 이때, 전압 공급부에 의해 인가되는 전압의 파형은 정현파(sinusoidal), 삼각파, 사각파 등 다양한 파형일 수가 있다.

용액이 토출되는 기판(S)의 아래에 또 다른 전극(180)이 형성될 수가 있고, 상기 전압 공급부는 기판(S) 아래의 전극(180)과 메인 전극(120) 사이에 전기적으로 연결되어 전압을 인가시키게 된다. 기판(S) 아래의 전극(180)은 접지될 수도 있다.

위 수학식 1은 전기장 하에 존재하는 용액에 작용하는 힘을 표현하는 수식이다. (여기서, f _e 는 전기력, ρ _e 는 전하밀도, ε는 유전계수, ε ₀ 는 진공상태의 유전계수, E는 전기장세기를 의미한다.)

오른쪽 식의 첫 번째 항은 쿨롱 힘으로서 자유전하를 포함하는 용액에 작용하는 힘이다. 용액이 전극에 직접 접촉할 때 전달되는 전하에 의하여 작용하는 힘으로 가장 크기가 크다. 본 실시예에서는 교류 전압이 인가될 때 형성되는 유도 전류에 의하여 쿨롱 힘이 작용할 수 있다. 두 번째 항은 전기장이 non-homogeneous dielectric 액체에 작용할 때 형성되는 dielectric 힘이다. 전극이 액체에 직접 접촉할 경우에는 이 힘은 쿨롱 힘보다 약하지만 본 실시예와 같이 유도 전류를 이용하는 경우에는 dielectric 힘도 크게 작용할 수 있다. 세 번째 항은 electrostrictive pressure에 의한 힘으로 액체의 액면에 균일하지 않은 전기장이 분포되어 있을 때 발생하는 압력의 힘이다.

도 4의 좌측에 도시되어 있는 것과 같이 커패시터(Capacitor)는 두 개의 전도성 금속판 사이에 절연 재료로 만들어지는 유전체를 샌드위치처럼 끼워 놓은 회로 소자이다. 이때, 커패시터는 직류 전압이 인가될 때에는 전류가 흐르지 않는 충전기로서의 역할을 수행하지만, 교류 전압이 인가되면 전하의 흐름이 교대로 바뀌면서 전류가 흐르는 현상이 발생하는데, 이를 변위 전류(displacement current)라고 일컫는다.

본 발명에서도 커패시터에 교류 전압이 인가될 때와 유사하게 노즐(110) 내 용액과 메인 전극(120)은 메인 전극(120)의 외측면을 코팅하는 절연층(130)에 의해 분리가 되고, 메인 전극(120)에 교류 전압을 인가시키면 + 및 - 전기 신호의 반복에 따라 유도 전하가 노즐(110) 내 용액에 작용하여 전류가 흐르는 효과를 가지게 된다. 따라서, 이와 같이 전압 공급부로부터 인가되는 교류 전압에 의한 유도 전기력으로 용액을 하전시키고 전기장을 형성하여 쿨롱 힘으로 액체를 토출시킬 수가 있다.

본 발명에서 메인 전극(120)에 직류 전압을 인가하는 경우에, 절연된 전극을 이용하여 전압을 인가하지만 노즐의 끝단의 액면과 기판 사이에 전기장이 형성되면, 액체가 극성 용매의 경우에는 polarization에 의한 유도전하가 액면을 따라 형성되고 전기장에 의한 쿨롱 힘이 작용한다. 전기장은 용액 내에 전하를 띄고 있는 폴리머, 나노 입자, 바이오 물질 등을 포함하고 있을 때에도 물질들의 전하와 전기장에 따라 액면에 분포하게 하여 추가의 전기력을 작용하게 한다. 또한, Dielectric 힘과 Electrostrictive pressure 힘이 본 발명의 유도 전기수력학 젯 프린팅에서는 액체를 토출하는 데 기여를 할 수 있다.

이때, 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 노즐(110) 내에 유도보조 전극(150)을 더 포함할 수가 있다. 보다 자세히는, 상기 유도보조 전극(150)은 전도성 재질로 노즐(110)의 내측면을 코팅시키는 방법으로 형성될 수가 있다. 또는, 노즐을 전도성 재질로 형성할 수 있다. 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, SUS, 합금 등의 재질로 노즐을 제작하여 유도보조 전극으로 활용할 수 있다. 이때, 유도보조 전극(150)은 별도로 전기적으로 연결이 되지 않거나 메인 전극(120)과 다른 전압을 인가하거나 접지된다.

이와 같이 노즐(110) 내부에 메인 전극(120)과 별도로 유도보조 전극(150)을 형성하는 경우 메인 전극(120)에 교류 전압이 인가되어 용액 내에 유도 전류가 발생할 때 유도 전기장을 더욱 강화시킬 수가 있어서 제팅 특성을 향상시킬 수가 있다.

유도 전기장을 형성하는 관점에서 보면, 메인 전극(120)은 전기 신호를 보내는 emitting 전극으로 볼 수 있고, 유도보조 전극(150)은 메인 전극(120)으로부터 나오는 전기적 신호를 받아주는 receiving 전극으로 볼 수가 있다. 따라서, 유도보조 전극(150)을 전기적으로 연결시키지 않고 유도보조 전극(150)의 존재 만으로도 유도 전기장을 강화시킬 수가 있어서 제팅 특성을 더욱 향상시킬 수가 있다. 이에 관한 제팅 결과는 도 11 및 도 12를 참조로 후술하기로 한다.

이때, 유도보조 전극(150)의 표면도 절연체로 코팅되어 노즐(110) 내 용액과 직접적인 접촉을 방지하도록 할 수가 있다.

다음, 도 5 내지 도 6을 참조로 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치를 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치의 요부를 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5의 변형례이다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치도 노즐(220), 메인 전극(220) 및 전압 공급부를 포함할 수가 있다. 또한, 유도보조 전극(250)을 더 포함할 수가 있다. 이하의 설명에서는 도 1 내지 도 4를 참조로 전술한 실시예와 비교하여 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.

본 실시예에서의 노즐(210)도 용액 공급부로부터 용액을 공급받아 유도되는 정전기력의 힘으로 하단에 형성되는 노즐공을 통해 용액을 토출시킨다. 이때, 노즐(210)은 상단에서 하단으로 단면이 원형의 형태로 내경이 일정한 실린더형으로 형성되는데, 도 2를 참조로 설명한 바와 같이 하단부는 아래로 갈수록 내경이 점차적으로 작아지도록 테이퍼지게 형성될 수도 있다. 물론, 노즐은 사각실린더, 다각형 실린더로도 형성될 수도 있다. 단, 본 실시예에서 노즐(210)은 절연체로 형성된다.

메인 전극(220)은 노즐(210)의 외측면에 형성되거나, 노즐(210)의 외측에 소정 거리 이격된 위치에 배치되어 전압 공급부로부터 직류 또는 교류 전압을 인가 받는다. 이때, 노즐(210)의 외측면에 전기 전도성 물질을 코팅시키는 방법으로 메인 전극(220)을 형성시킬 수가 있다.

따라서, 본 실시예에서는 노즐(210)을 절연체로 형성하고 노즐(210)의 외측에 메인 전극(220)을 형성함에 따라서, 전술할 실시예에서와 같이 노즐(210) 내의 용액과 메인 전극(220) 사이는 절연체로 형성되는 노즐(210)에 의해 분리가 된다. 이때, 메인 전극(220)에 전압 공급부로부터 교류 전압을 인가시키면 노즐(210) 내부의 용액에 유도 전류가 흐르게 되어 유도되는 전기장의 힘으로 노즐공을 통해 용액을 토출시킬 수가 있다. 또는, 메인 전극(220)에 전압 공급부로부터 직류 전압을 인가시키면 노즐(210)의 끝의 용액 액면에 유도 전하가 형성되어 유도되는 전기력으로 용액을 토출시킬 수가 있다.

이때, 본 실시예에서도 전술한 실시예에서와 마찬가지로 유도보조 전극(250)이 형성될 수가 있다. 도 6에 도시되어 있는 것과 같이, 유도보조 전극(250)은 전도성 재질로 형성되어 노즐(210) 내부에 니들의 형태로 내삽되고, 별도로 전기적으로 연결되지 않거나 메인 전극(220)과 다른 전압을 인가하거나 접지되는 형태로 형성될 수가 있다. 또는, 전도성 재질로 형성되어 노즐(210) 내부에 튜브의 형태로 내삽되고, 별도로 전기적으로 연결되지 않거나 메인 전극(220)과 다른 전압을 인가하거나 접지되는 형태로 형성될 수가 있다. 또는, 전도성 재질로 형성되어 노즐(210) 내부에 평판의 형태로 내삽되고, 별도로 전기적으로 연결되지 않거나 메인 전극(220)과 다른 전압을 인가하거나 접지되는 형태로 형성될 수가 있다.

상기 유도보조 전극(250)은 도 3을 참조로 전술한 실시 예에서와 마찬가지로 메인 전극(220)에 교류 전압을 인가시켜 유도 전류를 발생시킬 때 유도 전기장을 강화시켜 제팅 특성을 더욱 향상시키도록 한다. 본 실시예에서도 유도보조 전극(250)의 외부는 절연체로 코팅될 수가 있다. 상기 유도보조 전극(250)은 전기적으로 연결되지 않은 상태에서도 노즐 내부에 존재하는 이유로 노즐 끝에 전기장이 집중되도록 보조 역할을 하여 노즐 끝의 액면에 유도전하가 더욱 많이 유도되도록 할 수 있다.

다음, 도 7 내지 도 8을 참조로 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치를 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치의 요부를 나타내는 도면이고, 도 8은 도 7의 변형례이다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치는 노즐 및 전압 공급부를 포함할 수가 있다. 또한, 유도보조 전극(350)을 더 포함할 수가 있다. 이하의 설명에서도 도 1 내지 도 6을 참조로 전술한 실시예와 비교하여 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.

본 실시예에서의 노즐은 메인 전극부(310) 및 절연부(330)로 구성된다. 메인 전극부(310)는 전도성 재질로 형성되어 노즐의 바디를 형성한다. 절연부(330)는 메인 전극부(310)의 외측면을 절연체로 코팅하여 형성된다. 이때, 절연부(330)는 노즐의 내경을 형성하는 측면에만 형성될 수도 있으나, 도시되어 있는 것과 같이 노즐의 바디를 형성하는 메인 전극부(310) 외측면 전체에 형성될 수도 있다.

따라서, 본 실시예에서 전도성 재질로 노즐의 바디를 형성하는 메인 전극부(310)는 전술한 실시예에서의 메인 전극(120, 220)의 역할을 할 수가 있다. 메인 전극부(310)의 외측면에 형성되는 절연부(330)에 의해 노즐 내의 용액과 메인 전극부(310) 사이는 직접 접촉하지 않고 분리가 된다. 따라서, 메인 전극부(310)에 전압 공급부로부터 교류 전압을 인가시키면 노즐 내부의 용액에 유도 전류가 흐르게 되어 유도되는 전기장의 힘으로 노즐공을 통해 용액을 토출시킬 수가 있다. 또한, 메인 전극부(310)에 전압 공급부로부터 직류전압을 인가하는 경우에도 액면에 유도전하를 형성하게 하여 유도전기력으로 용액을 토출시킬 수가 있다.

본 실시예에서도 노즐은 상단에서 하단으로 단면이 원형의 형태로 내경이 일정한 실린더형으로 형성되는데, 도 2를 참조로 설명한 바와 같이 하단부는 아래로 갈수록 내경이 점차적으로 작아지도록 테이퍼지게 형성될 수도 있다. 물론, 노즐은 사각실린더, 다각형 실린더로도 형성될 수도 있다.

이때, 본 실시예에서도 도 6을 참조로 설명한 실시예에서와 마찬가지로 유도보조 전극(350)이 형성될 수가 있다. 도 8에 도시되어 있는 것과 같이, 유도보조 전극(350)은 전도성 재질로 형성되어 노즐 내부에 니들의 형태로 내삽되고, 별도로 전기적으로 연결되지 않거나 메인 전극과 다른 전압을 인가하거나 접지되는 형태로 형성될 수가 있다. 유도보조 전극(350)은 전도성 재질로 형성되어 노즐 내부에 튜브 또는 평판의 형태로 내삽되고, 별도로 전기적으로 연결되지 않는 형태로 형성될 수도 있다. 상기 유도보조 전극(350)은 도 3 및 도 6을 참조로 전술한 실시예에서와 마찬가지로 메인 전극부(310)에 교류전압을 인가시켜 유도 전류를 발생시킬 때 유도 전기장을 강화시켜 제팅 특성을 더욱 향상시키도록 한다. 본 실시예에서도 유도보조 전극(350)의 외부는 절연체로 코팅될 수가 있다.

이하, 본 발명에 따른 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치의 실제 제팅 결과를 도 9 내지 도 14를 참조로 설명하기로 한다.

도 9는 도 1의 실시예에 따라 메인 전극을 에폭시 폴리머(polymer)로 코팅하여 제작된 프린팅 장치에 의한 제팅 결과를 확대한 도면이고, 도 10은 도 1의 실시예에 따라 메인 전극을 플루오로수지(Fluoropolymer)로 코팅하여 제작된 프린팅 장치에 의한 제팅 결과를 확대한 도면이고, 도 11은 도 5의 실시예에 따라 제작된 프린팅 장치에 의한 제팅 결과를 확대한 도면이고, 도 12는 도 6의 실시예에 따라 제작된 프린팅 장치에 의한 제팅 결과를 확대한 도면이고, 도 13은 도 6의 실시예에 따라 유도보조 전극을 니들(needle)로 제작한 프린팅 장치에 의한 제팅 결과를 확대한 도면이고, 도 14는 도 6의 실시예에 따라 유도보조 전극을 알루미늄 포일(Al Foil)로 제작한 프린팅 장치에 의한 제팅 결과를 확대한 도면이고, 도 15는 본 발명에 따라 제작된 프린팅 장치를 이용하여 박막 트랜지스터에 전극 리페어 프린팅을 수행한 결과를 확대하여 보여주는 도면이고, 도 16은 본 발명에 따라 제작된 프린팅 장치를 이용하여 micro-LED를 본딩하기 위한 전도성 글루를 프린팅한 결과를 확대하여 보여주는 도면이다.

먼저, 도 9는 도 1을 참조로 설명한 프린팅 장치의 구성에 있어서 노즐(110) 내부에 에폭시 폴리머로 코팅된 메인 전극(120)을 삽입시켜 교류 전압을 인가시킬 때 제팅 결과를 보여준다. 도시되어 있는 것과 같이 0.4kV 이상의 최대전압에서 15~16μm의 미세 선폭으로 제팅이 이루어짐을 확인할 수가 있었다.

또한, 도 10은 도 1을 참조로 설명한 프린팅 장치의 구성에 있어서 노즐(110) 내부에 Fluoropolymer로 코팅된 메인 전극(120)을 삽입시켜 교류 전압을 인가시킬 때 제팅 결과를 보여준다. 도시되어 있는 것과 같이 0.4kV 이상의 최대전압에서 13~14 μm의 미세 선폭으로 제팅이 이루어짐을 확인할 수가 있었다.

도 9 및 도 10로부터 메인 전극(120)의 외측면을 코팅하는 절연층(130)의 재질에 따라서 제팅 특성에 미세하게 차이가 있으나 미세 선폭의 제팅이 가능함을 확인할 수가 있다.

도 11은 도 5를 참조로 설명한 프린팅 장치의 구성과 같이 절연체로 형성되는 노즐(210) 외부에 메인 전극(220)을 형성하여 교류 전압을 인가시킬 때 제팅 결과를 보여준다. 또한, 도 12는 도 6을 참조로 설명한 프린팅 장치의 구성과 같이 절연체로 형성되는 노즐(210) 외부에 메인 전극(220)을 형성하고 노즐(210) 내부에 유도보조 전극(250)을 추가로 형성하였을 때 제팅 결과를 보여준다.

도 11에서는 라인 형태로 제팅이 이루어지지 않고 제팅이 다소 불안하였지만, 도 12에서와 같이 노즐(210) 내부에 유도보조 전극(250)을 배치시키는 경우 13~14 μm의 미세 선폭으로 라인 형태로 제팅이 훨씬 안정됨을 확인할 수가 있다.

마찬가지로, 도 13에서는 도 6을 참조로 설명한 프린팅 장치의 구성에 있어서 니들의 형태로 유도보조 전극(250)을 형성한 경우의 제팅 결과를 보여주고, 도 14에서는 도 6을 참조로 설명한 프린팅 장치의 구성에 있어서 알루미늄 포일로 유도보조 전극(250)을 형성한 경우의 제팅 결과를 보여준다.

도 11에서는 0.4kV 이상의 최대전압에서 8~10 μm의 미세 선폭으로 제팅이 이루어짐을 확인할 수가 있고, 도 12에서는 0.95kV 이상의 최대전압에서 7~8 μm의 미세 선폭으로 제팅이 이루어짐을 확인할 수가 있었다.

이와 같이, 유도보조 전극(250)의 구성에 따라서 제팅 특성이 다소 바뀜을 확인할 수가 있고, 유도보조 전극(250)을 배치하는 경우 모두 제팅 특성이 아주 좋음을 확인할 수가 있다.

또한, OLED와 같은 디스플레이의 백플레인(Backplane)에는 픽셀의 구동을 위한 박막 트랜지스터가 형성되어 있다. 트랜지스터를 구성하는 소스(source), 드레인(drain), 게이트(gate) 전극은 매우 미세한 크기의 전극으로 형성되는데 포토 공정과 에칭 공정으로는 완벽한 제조가 불가능하다. 따라서 전극의 open 불량에 대한 전극 리페어 프린팅을 본 발명의 프린팅 시스템으로 수행한 결과를 도 15에 도시한다.

도 15의 왼쪽의 끊긴 2 micrometer 선폭의 전극을 본 발명의 프린팅 장치로 연결한 모습을 도 15의 오른쪽에 보여준다. 이때, 프린팅 재료는 Ag 나노 입자와 바인더, 용매로 구성된 잉크이다.

본 발명에서 프린팅 한 것과 같이 전도성 나노 잉크 조성물은 전기수력학적 젯 프린팅에 사용되는 분사용액으로 전도성 나노구조체, 고분자 화합물, 습윤분산제 및 유기 용매를 포함하여 이루어진다. 전도성 나노구조체는 전기적, 기계적, 열적 특성이 우수하기 때문에, 전도성 나노 잉크 조성물의 기본 물질이 될 수 있으며, 이는 나노 입자 형태 또는 나노와이어, 나노막대, 나노파이프, 나노벨트, 나노튜브와 같은 1차원 나노 구조인 것이 바람직하며, 나노 입자와 상기의 1차원 나노 구조를 조합하여 사용할 수 있다. 또한, 전도성 나노구조체는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 아연(Zn), 구리(Cu), 규소(Si) 또는 티타늄(Ti)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어진 나노구조체 또는 탄소나노튜브이거나 이들의 조합으로 이루어지는 것이 바람직하다. 고분자 화합물은 전도성 나노 잉크 조성물의 점도 및 광학적 특성을 조절하기 위한 것으로, 천연고분자 화합물, 합성고분자 화합물의 종류는 제한이 없다. 여기에서 바람직한 실시예로는, 상기 천연고분자 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 하나인 것이 바람직하고, 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(Polyethylene glycol) 또는 PVP(Polyvinylpyrrolidone) 중 적어도 하나인 것이 바람직하다. 전도성 나노 구조체의 종류에 따라서, 천연고분자 화합물과 합성고분자 화합물을 조합하여 사용할 수 있다. 본 발명에서, 은나노와이어를 전도성 나노 구조체로 하여 잉크 조성물을 구현하는 경우에는 PEG 또는 PEO를 고분자 화합물로 사용할 때, 점도의 조절이 가장 용이하다.

또한, Micro-LED 칩을 배열하여 본딩을 하면 대화면 디스플레이를 제조할 수 있다. 이를 위해서는 전도성 글루를 기판 상에 패터닝할 수 있어야 한다. Micro-LED의 크기는 100 micrometer 이하이기 때문에 이를 본딩하는 패드의 크기는 20 micrometer 이하여야 한다.

도 16의 사진은 LED를 본딩하기 위한 Ag precursor 형태의 전도성 글루를 15micrometer 크기로 프린팅한 결과를 보여주고 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.

110, 210: 노즐
120, 220: 메인 전극
130: 절연층
150, 250, 350: 유도보조 전극
180, 280, 380: 전극
310: 메인 전극부
330: 절연부
S: 기판

Claims (9)

1. 공급된 용액을 일단에 형성된 노즐공을 통해 대향하는 기판을 향해 토출시키는 노즐;
   상기 노즐 내의 용액과 절연체로 분리되어 접촉하지 않고, 상기 노즐 내의 용액과의 통전 없이 전압이 인가될 때, 상기 노즐 내의 용액에 유도 전하가 형성되며 상기 노즐과 상기 기판 사이에 전기장이 형성되도록 하는 메인 전극; 및
   상기 메인 전극에 전압을 인가하는 전압 공급부를 포함하고,
   상기 노즐은 전도성 재질로 형성되어 바디를 형성하며 상기 메인 전극을 형성하는 메인 전극부 및 상기 메인 전극부의 내측면을 절연체로 코팅하는 절연부로 형성되며, 상기 전압 공급부는 상기 메인 전극부에 전압을 인가하는 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전압 공급부는 상기 메인 전극에 직류 전압을 인가시키는 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전압 공급부는 상기 메인 전극에 교류 전압을 인가시키는 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 전압 공급부는 정현파, 삼각파, 사각파 중 적어도 어느 하나를 포함하는 파형의 교류 전압을 상기 메인 전극에 인가시키는 유도 전기수력학 젯 프린팅 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   전도성 재질로 상기 노즐 내부에 내삽되고, 전기적 연결이 되지 않거나 상기 메인 전극부와 다른 전압이 인가되거나 접지되는 유도보조 전극을 더 포함하는 유도 전기수력학적 젯 프린팅 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 유도보조 전극은 니들 형태로 형성되는 유도 전기수력학적 젯 프린팅 장치.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 유도보조 전극은 알루미늄 포일(foil)로 상기 노즐 내부에 내삽되는 유도 전기수력학적 젯 프린팅 장치.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 유도보조 전극의 표면은 절연체로 코팅되는 유도 전기수력학적 젯 프린팅 장치.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 기판 아래에 배치되는 기판 저부 전극을 더 포함하고,
   상기 기판 저부 전극은 접지되는 유도 전기수력학적 젯 프린팅 장치.

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