KR102464050B1 - 고해상도 프린터용 잉크 토출 장치 및 이를 이용한 프린팅 방법 - Google Patents

고해상도 프린터용 잉크 토출 장치 및 이를 이용한 프린팅 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 단순한 구성으로 미세 패턴을 형성을 위해 잉크를 토출하는 노즐을 개선시키도록 하는 기술을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 고해상도 프린터용 잉크 토출 장치는, 길이 방향 중심축을 따라 내부를 관통하여 형성되는 관인 시스재토출관을 구비하는 노즐; 노즐의 몸체를 관통하도록 노즐에 구비되고, 시스재토출관의 내부를 따라 형성되는 관인 패턴재토출관; 패턴재토출관으로 패턴용소재를 공급하는 패턴재공급부; 및 시스재토출관으로 시스용소재를 공급하는 시스재공급부;를 포함한다.

Description

고해상도 프린터용 잉크 토출 장치 및 이를 이용한 프린팅 방법 {DEVICE FOR DISCHARGING INK FOR A PRINTER WITH HIGH RESOLUTION AND A METHOD FOR PERFORMING PRINTING USING THE SAME}
본 발명은 고해상도 프린터용 잉크 토출 장치 및 이를 이용한 프린팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 단순한 구성으로 미세 패턴을 형성을 위해 잉크를 토출하는 노즐을 개선시키도록 하는 기술에 관한 것이다.
3D 프린팅 기술은 크게는 건축물 크기의 구조체부터 작게는 수십 나노미터 수준의 해상도를 갖는 나노구조물에 이르기까지 다양한 분야(예: 항공 우주 소재, 개인 맞춤형 바이오/생체 소재, 정밀 전자 소재 등)에 적용되고 있다. 특히, 최근 3D 프린팅을 이용한 나노/마이크로 제작 기술이 점차 발달함에 따라 그 활용범위가 바이오, 전자, 소재부품 등으로 확대되고 있다.
하지만, 대부분의 기존 연구들은 제한된 소재의 이용, 낮은 출력 속도, 작은 출력물 크기, 낮은 해상도, 활용 범위의 한계 등의 단점으로 인해서 연구 단계에서의 시제품 제작 수준에 머무는 실정이며, 기대보다 3D 프린팅 산업 성장이 부진한 상황이다.
해상도를 높이기 위하여 전기를 가해주는 EHD 프린팅기법이 많이 사용되고 있으나 노즐 안에 전극을 넣어 전압을 걸어주어야 하므로 잉크에 따라 공정 조건도 다르고 장비도 불필요하게 구축해야하는 문제점이 있다.
그리고, 가장 기본적인 방법인 Direct ink printing의 경우도 해상도를 높이기 위하여 직경이 매우 작은 노즐을 사용하여야 하며, 기판과 매우 가까운 거리를 유지해야 하며 프린팅을 해야하는데, 잉크의 유변학적 특성에 따라 프린팅 조건을 잡는데 아직은 많은 한계가 있어, 나노급 선폭을 구현하는데 한계가 있다.
미국 공개특허 제2020/0306869호(발명의 명칭: Solid-state additive manufacturing system and material compositions and structures)에서는, 노즐인 공구에 복수 개의 유로가 형성되고, 해당 공구로부터 복수 개의 물질이 배출되어 적층이 수행되는 구조로 형성되는 사항이 개시되어 있는데, 상기된 선행특허의 기술에서는, 나노 단위의 입자를 바로 토출시켜 프린팅을 수행하므로, 토출된 입자가 나노 스케일의 패턴을 유지하는데 용이하지 않다는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-2081665호(발명의 명칭: 기능성 미세입자가 섬유 표면에 고정화된 부직포 및 그의 제조방법)에서는, 고분자 용융물을 압출하는 압출단계(S1); 상기 압출단계에서 압출된 고분자 용융물을 방사노즐을 통하여 방사하는 방사단계(S2); 상기 방사단계에서 방사되는 고분자 용융물에 기능성 미세입자를 공기와 함께 투입하여 블로잉(blowing) 하는 블로잉 단계(S3); 상기 블로잉 단계를 거친 고분자 용융물 및 기능성 미세입자를 에어홀이 형성된 타공롤러 상에 퇴적시켜 부직포를 제조하는 부직포 제조단계(S4); 및 상기 부직포 제조단계에서 제조된 부직포를 권취롤러에서 권취하는 권취단계(S5)를 포함하는 기술이 기재되어 있는데, 상기된 선행특허의 기술에서는, 고분자 물질을 토출시키면서, 고분자 물질의 토출 라인 주위에 공기가 분사되도록 하여 일정한 토출 라인 유지에 용이하지 않다는 문제가 있다.
미국 공개특허 제2020/0306869호 대한민국 등록특허 제10-2081665호 유럽 공개특허 제3498822호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, Direct ink printing을 수행하는 경우, 잉크의 유변학적 특성에 따른 영향을 최소화시키기 위하여 시스용소재로 공기대신 생분해성 고분자를 사용함으로써 노즐과 기판 사이의 거리제어가 프린팅에 큰 변수가 되지 않도록 하여 프린팅 패턴에서 나노급 선폭을 구현하는 것이다.
그리고, 본 발명의 목적은, 단순한 구성으로 미세 패턴을 형성을 위해 잉크를 토출하는 노즐을 개선시키도록 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 길이 방향 중심축을 따라 내부를 관통하여 형성되는 관인 시스재토출관을 구비하는 노즐; 상기 노즐의 몸체를 관통하도록 상기 노즐에 구비되고, 상기 시스재토출관의 내부를 따라 형성되는 관인 패턴재토출관; 상기 패턴재토출관으로 패턴용소재를 공급하는 패턴재공급부; 및 상기 시스재토출관으로 시스용소재를 공급하는 시스재공급부;를 포함하고, 상기 시스재토출관의 내부에 위치하는 상기 패턴재토출관의 일 부위와 상기 시스재토출관은 서로 길이 방향 중심축이 일치되며, 상기 패턴재토출관을 통과한 상기 패턴용소재 토출 시, 상기 시스용소재가 상기 패턴용소재의 토출 라인을 감싸게 되어 단면에서 동축의 동심원 형상으로 토출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 시스용소재는, 생분해성 고분자 물질일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 패턴재공급부는, 상기 패턴용소재에 포함되는 복수의 패턴재를 공급하는 복수 개의 패턴재시린지, 및 상기 복수 개의 패턴재시린지와 상기 패턴재토출관에 결합되고 상기 복수의 패턴재를 전달받아 상기 패턴재토출관으로 전달하는 패턴재공급체를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 패턴재공급체는, 상기 복수의 패턴재 각각을 전달받아 통과시키는 복수 개의 유입관, 상기 복수 개의 유입관과 결합되어 상기 복수의 패턴재를 혼합시키는 혼합관, 및 일단이 상기 혼합관과 결합되고 타단이 상기 패턴재토출관과 결합되어 혼합된 복수의 패턴재를 패턴재토출관으로 전달하는 패턴재배출관을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 패턴용소재는, 탄성 고분자, 전도성 고분자 또는 기능성 미세입자를 포함하는 고분자를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 패턴재토출관의 유로 직경은, 0.1~10㎛일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 시스재토출관의 직경은, 0.15~30㎛일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 시스용소재 및 상기 패턴용소재가 토출되는 기판의 표면과 상기 패턴재토출관의 하단 사이 간격이 상기 기판의 표면과 상기 시스재토출관의 하단 사이 간격보다 작을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 시스재공급부 또는 상기 패턴재공급부로 제어신호를 전달하여 상기 시스용소재 또는 상기 패턴용소재의 공급량을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상기 제어부로부터 상기 시스재공급부와 상기 패턴재공급부로 제어신호가 전달되는 제1단계; 상기 패턴용소재가 상기 패턴재토출관으로 공급되고 상기 시스용소재가 상기 시스재토출관으로 공급되는 제2단계; 및 상기 패턴재토출관으로부터 상기 패턴용소재가 토출되고, 상기 시스재토출관으로부터 상기 시스용소재가 토출되어, 상기 시스용소재가 상기 패턴용소재의 토출 라인을 감싸게 되어 단면에서 동축의 동심원 형상으로 토출되는 제3단계;를 포함한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 생분해성 고분자 물질인 시스용소재가 나노급 선폭 패턴의 형성을 위한 패턴용소재를 감싸면서 토출되므로, 패턴용소재에 의한 나노급 선폭 패턴 형성이 용이하다는 것이다.
그리고, 상기와 같은 시스용소재는 제거되거나 또는 패턴에 대한 서포트 기능을 수행할 수 있어, 프린팅된 패턴의 용도를 다양화할 수 있다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 잉크 토출 장치의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 잉크 토출 장치의 하부에서 바라본 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 각각의 소재가 잉크 토출 장치로부터 토출되는 사항에 대한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 잉크 토출 장치에 의해 형성된 패턴에 대한 SEM 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 잉크 토출 장치를 포함하는 3D 프린팅 시스템에 대한 모식도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 잉크 토출 장치의 모식도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 잉크 토출 장치의 하부에서 바라본 모식도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 각각의 소재가 잉크 토출 장치로부터 토출되는 사항에 대한 모식도이다. 여기서, 도 1은 노즐(100)의 외측이 표현된 모식도이고, 도 2는 노즐(100)의 내부 구조가 표현된 모식도이다.
도 1 내지 도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 잉크 토출 장치는, 길이 방향 중심축을 따라 내부를 관통하여 형성되는 관인 시스재토출관(120)을 구비하는 노즐(100); 노즐(100)의 몸체를 관통하도록 노즐(100)에 구비되고, 시스재토출관(120)의 내부를 따라 형성되는 관인 패턴재토출관(110); 패턴재토출관(110)으로 패턴용소재를 공급하는 패턴재공급부; 및 시스재토출관(120)으로 시스용소재를 공급하는 시스재공급부;를 포함한다. 여기서, 시스(sheath)는 감싸는 피복의 의미로 이용될 수 있다.
그리고, 도 3과 도 4에서 보는 바와 같이, 시스재토출관(120)의 내부에 위치하는 패턴재토출관(110)의 일 부위와 시스재토출관(120)은 서로 길이 방향 중심축이 일치되며, 패턴재토출관(110)을 통과한 패턴용소재 토출 시, 시스용소재가 패턴용소재의 토출 라인을 감싸게 되어 단면에서 동축의 동심원 형상으로 토출될 수 있다.
그리고, 시스용소재는, 생분해성 고분자 물질일 수 있다. 또한, 시스용소재는 패턴용소재와 혼합되지 않는 물질일 수 있다. 시스용소재와 패턴용소재가 혼합되지 않는 성질을 각각 구비하여야 상기와 같이 패턴용소재의 토출 라인을 시스용소재가 감싸는 형상으로 지속적인 시스용소재와 패턴용소재의 토출이 수행될 수 있다.
패턴용소재는, 탄성 고분자, 전도성 고분자 또는 기능성 미세입자를 포함하는 고분자를 포함할 수 있다. 구체적으로, 프린팅의 목적에 따라 패턴용소재의 종류가 달라질 수 있으며, 신축성 기능을 구비하는 물품의 제조를 위해서 패턴용소재는 PDMS(Polydimethylsiloane) 등과 같은 탄성 고분자를 포함할 수 있다.
또한, 전기전도성을 구비하는 물품의 제조를 위해서, 패턴용소재는 CNT, AgNW, Ag 분말(flake), 전도성 고분자 등과 같은 물질을 포함할 수 있다. 그리고, 입자 단위의 프린팅을 수행하기 위해서는, 패턴용소재는 미세입자가 담지된 고분자 또는 용액을 포함할 수 있다. 여기서, 입자는, 금속과 같은 무기물 입자 또는 세포와 같은 유기물 입자일 수 있으며, 가장 대표적으로 Au 나노입자, 자성 나노입자, 양자점 등을 사용할 수 있다.
생분해성 고분자 물질로 형성되는 시스용소재는, 시스용소재와 패턴용소재의 토출에 의한 프린팅 수행 후, 제거되거나 그대로 잔존할 수 있다. 시스용소재는 패턴용소재의 패턴 형성에 대해 서포트 기능을 수행할 수도 있다.
패턴용소재를 이용하여 나노급의 미세 선폭인 패턴을 프린팅하기 위해서, 패턴용소재를 감싸면서 토출된 시스용소재는 제거되어 패턴용소재만 잔존시키는 방식으로 시스용소재를 주로 이용할 수 있으나, 이와 달리, 프린팅된 시스용소재와 패턴용소재에서 패턴용소재를 서포트(지지)하거나 패턴용소재에 포함된 세포 입자들의 성장을 위해 이용되는 등의 다른 기능 수행을 위해서 시스용소재도 패턴용소재와 같이 잔존할 수 있다.
상기와 같은 시스용소재는 제거되거나 또는 패턴에 대한 서포트 기능을 수행할 수 있어, 프린팅된 패턴의 용도를 다양화할 수 있다.
생분해성 고분자 물질로는 PCL(Poly CaproLactone), PLA(Poly Lactic Acid), PLLA(Poly L-Lactic Acid), PEO(poly ethylene oxide), PVA(poly viny lacetate), PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid)), collagen, chitosan 등이 이용될 수 있다. 여기서, 생분해성 고분자 물질의 제거를 위하여 효소가 이용될 수 있으며, 이는 종래기술로써 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같이, 생분해성 고분자 물질인 시스용소재가 나노급 선폭 패턴의 형성을 위한 패턴용소재를 감싸면서 토출되므로, 패턴용소재 주위에 공기를 배출시키는 방식 등과 달리, 시스용소재가 안정적으로 패턴용소재의 직경 형성을 가이드하고, 노즐(100)과 기판 사이의 거리 조절에도 시스용소재에 대한 영향이 최소화되어, 패턴용소재에 의한 나노급 선폭 패턴 형성이 용이할 수 있다.
패턴재토출관(110)의 유로 직경은, 0.1~10㎛일 수 있다. 그리고, 시스재토출관(120)의 직경은, 0.15~30㎛일 수 있다. 패턴재토출관(110)의 유로 직경이 상기와 같이 형성됨으로써 패턴재토출관(110)을 통과한 시스용소재를 이용한 미세 패턴 형성이 가능하고, 시스재토출관(120)의 직경이 상기와 같이 형성됨으로써 시스재토출관(120)의 배출구는 패턴재토출관(110)의 배출구 외경에서 이격되게 형성되고, 이에 따라, 패턴용소재가 시스용소재를 감싸면서 토출될 수 있다.
패턴재토출관(110)과 시스재토출관(120) 각각은 금속 또는 유리로 형성될 수 있으며, 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 미세 유로를 형성시키는 관의 형상으로 제조될 수 있는 소재는 모두 이용될 수 있다.
패턴재공급부는, 패턴용소재에 포함되는 복수의 패턴재를 공급하는 복수 개의 패턴재시린지, 및 복수 개의 패턴재시린지와 상기 패턴재토출관(110)에 결합되고 복수의 패턴재를 전달받아 패턴재토출관(110)으로 전달하는 패턴재공급체(210)를 구비할 수 있다. 여기서, 복수 개의 패턴재시린지 각각은 동일한 시린지(syringe)의 구조를 구비할 수 있다.
그리고, 패턴재공급체(210)는, 복수의 패턴재 각각을 전달받아 통과시키는 복수 개의 패턴재유입관, 복수 개의 유입관과 결합되어 복수의 패턴재를 혼합시키는 혼합관(213), 및 일단이 혼합관(213)과 결합되고 타단이 패턴재토출관(110)과 결합되어 혼합된 복수의 패턴재를 패턴재토출관(110)으로 전달하는 패턴재배출관(214)을 구비할 수 있다.
혼합관(213)의 내부에서는, 복수 개의 블레이드가 나선형으로 배치되거나, 복수 개의 돌기가 형성되거나, 또는, 스크류가 배치됨으로써, 혼합관(213)으로 유입되어 통과하는 복수의 패턴재의 유동을 방해하면서 복수의 패턴재의 혼합이 용이하게 할 수 있다.
이하, 설명의 편의를 위해 2개의 패턴재시린지가 형성되는 사항에 대해 설명하기로 한다.
도 1과 도 2에서 보는 바와 같이, 복수 개의 패턴재시린지 중 제1패턴재시린지(221)와 제2패턴재시린지(222)가 형성되고, 패턴재공급부는, 제1패턴재를 제공하는 제1패턴재시린지(221), 제2패턴재를 제공하는 제2패턴재시린지(222), 및 패턴재공급체(210)를 구비할 수 있다.
또한, 패턴재공급체(210)는, 제1패턴재시린지(221)와 결합되어 제1패턴재를 전달받아 통과시키는 제1패턴재유입관(211), 제2패턴재시린지(222)와 결합되어 제2패턴재를 전달받아 통과시키는 제2패턴재유입관(212), 제1패턴재유입관(211) 및 제2패턴재유입관(212)과 결합되어 제1패턴재와 제2패턴재를 전달받아 혼합되는 공간을 제공하는 혼합관(213) 및, 일단이 혼합관(213)과 결합되고 타단이 패턴재토출관(110)과 결합되어 혼합된 제1패턴재와 제2패턴재를 패턴재토출관(110)으로 전달하는 패턴재배출관(214)을 구비할 수 있다.
또한, 시스재공급부도 시스재토출관(120)으로 전달되는 시스용소재의 공급량을 정밀하게 제어하기 위하여 시스재시린지를 구비할 수 있으며, 이와 같은 시스재시린지가 시스재토출관(120)과 결합될 수 있다.
그리고, 본 발명의 잉크 토출 장치는, 시스재공급부 또는 패턴재공급부로 제어신호를 전달하여 시스용소재 또는 패턴용소재의 공급량을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
제어부에는, 복수의 패턴재 각각에 대한 공급량, 공급 압력 등에 대한 정보인 제어정보가 저장되어 있으며, 제어부가 제어정보에 따라 각각의 패턴재시린지와 시스재시린지로 제어신호를 전달할 수 있다.
그리고, 상기와 같은 제어신호에 따라, 제1패턴재시린지(221)로부터 배출된 제1패턴재가 제1패턴재유입관(211)을 통과하여 혼합관(213)으로 전달되고, 제2패턴재시린지(222)로부터 배출된 제2패턴재가 제2패턴재유입관(212)을 통과하여 혼합관(213)으로 전달될 수 있다.
혼합관(213)으로 전달된 각각의 패턴재가 혼합되어 패턴용소재를 형성하고 이와 같은 패턴용소재가 패턴재토출관(110)을 따라 유동한 후 패턴재토출관(110)으로부터 배출될 수 있다. 이와 동시에, 제어신호에 따라, 시스재시린지로부터 배출된 시스용소재가 시스재토출관(120)을 따라 유동한 후 시스재토출관(120)으로부터 배출될 수 있다.
여기서, 제어부는, 패턴용소재와 시스용소재가 동시에 배출되도록 복수 개의 패턴재시린지 각각에서 패턴재가 공급되는 속도와 시스재시린지에서 시스용소재가 공급되는 속도를 제어할 수 있다.
시스용소재 및 패턴용소재가 토출되는 기판의 표면과 패턴재토출관(110)의 하단 사이 간격이 기판의 표면과 시스재토출관(120)의 하단 사이 간격보다 작을 수 있다. 즉, 도 4에서 보는 바와 같이, 노즐(100)의 끝단으로부터 패턴재토출관(110)의 끝단이 돌출되도록 패턴재토출관(110)이 설치될 수 있다.
이와 같은 경우, 패턴용소재와 시스용소재가 동시에 배출되더라도, 패턴용소재와 시스용소재의 결합체 끝단에서 패턴용소재 부분이 미세하게 돌출됨으로써, 패턴용소재의 토출 라인을 감싸는 시스용소재의 내측면 간 접착이 방지될 수 있다. 시스용소재의 내측면 간 접착이 발생이 발생하면, 접착력에 의한 시스용소재에 의한 관 형상의 끝단의 부피 감소로 패턴용소재 토출 라인 끝단의 형상이 변형되어 미세 패턴의 품질을 감소시킬 수 있으므로, 이를 방지하기 위함이다.
노즐(100)의 하부에는 자성물질을 포함하는 자성부(130)가 형성될 수 있다. 그리고, 시스용소재와 패턴용소재가 토출되는 기판에는 자기력을 감지하는 자기감지센서가 적어도 하나 이상 형성될 수 있다.
자기감지센서는, 기판 상 10 내지 100나노미터(nm)의 두께로 형성될 수 있다. 상기와 같이 자기감지센서의 두께가 형성됨으로써 자성부(130)와 자기감지센서 사이의 간격을 측정함으로서, 노즐(100)의 하단과 기판 사이의 간격을 나노 단위로 측정할 수 있으며, 이에 따라, 노즐(100)과 기판 간 거리를 나노 단위로 정밀하게 측정하면서 노즐(100)의 위치를 제어할 수 있다. 그리고, 나노 단위의 노즐(100) 위치 제어에 의해 미세 패턴의 오차율을 감소시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 잉크 토출 장치에 의해 형성된 패턴에 대한 SEM 이미지이다. 도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 잉크 토출 장치를 이용하여 시스용소재와 패턴용소재로 형성된 패턴 형성 후 시스용소재를 제거하면, 패턴용소재로 형성된 미세 패턴이 형성됨을 확인할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 잉크 토출 장치를 포함하는 3D 프린팅 시스템을 형성할 수 있다. 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 잉크 토출 장치를 포함하는 3D 프린팅 시스템에 대한 모식도이다.
도 6에서 보는 바와 같이, 3D 프린팅 시스템은, 노즐(100)로 패턴용소재와 시스용소재를 공급하는 공급부(310); 패턴재공급체(210)와 시스재공급부를 커버하는 공급케이스(320); 공급부(310)를 3차원 이동시키는 이송모듈; 및 토출된 패턴용소재와 시스용소재가 패터닝되는 표면을 제공하는 스테이지(500)를 포함할 수 있다. 여기서, 공급부(310)는, 시스용소재를 시스재공급부로 전달하고, 패턴용소재를 패턴재공급체(210)에 구비된 각각의 패턴재시린지로 전달할 수 있다.
이송모듈은, 공급부(310)와 결합하고 공급부(310)를 좌우 방향으로 이동시키는 좌우이송부; 좌우이송부와 결합하고 좌우이송부를 상하 방향으로 이동시키는 상하이송부; 및 상하이송부와 결합하고 상하이송부를 전후 방향으로 이동시키는 전후이송부를 포함할 수 있다.
좌우이송부는, 공급부(310)와 결합하고 공급부(310)를 좌우 이동시키는 좌우구동체(411), 및 좌우구동체(411)와 결합하고 좌우구동체(411)의 좌우 이동을 가이드하는 좌우가이드체(412)를 구비할 수 있다.
또한, 상하이송부는, 좌우가이드체(412)의 좌측단과 결합하고 좌우가이드체(412)를 상하 이동시키는 제1상하구동체(421), 좌우가이드체(412)의 우측단과 결합하고 좌우가이드체(412)를 상하 이동시키는 제2상하구동체(422), 제1상하구동체(421)와 결합하고 제1상하구동체(421)의 상하 이동을 가이드하는 제1상하가이드체(423), 및 제2상하구동체(422)와 결합하고 제2상하구동체(422)의 상하 이동을 가이드하는 제2상하가이드체(424)를 구비할 수 있다.
그리고, 전후이송부는, 제1상하가이드체(423)의 하단과 결합하고 제1상하가이드체(423)를 전후 이동시키는 제1전후구동체(431), 제2상하가이드체(424)의 하단과 결합하고 제2상하가이드체(424)를 전후 이동시키는 제2전후구동체(432), 제1전후구동체(431)와 결합하고 제1전후구동체(431)의 전후 이동을 가이드하는 제1전후가이드체(433), 및 제2전후구동체(432)와 결합하고 제2전후구동체(432)의 전후 이동을 가이드하는 제2전후가이드체(434)를 구비할 수 있다.
여기서, 좌우구동체(411), 제1상하구동체(421), 제2상하구동체(422), 제1전후구동체(431) 및 제2전후구동체(432) 각각은 모터를 구비할 수 있으며, 각각의 구동체의 모터와 결합된 피니언 기어(Pinion Gear)가 각각의 가이드체에 형성된 랙 기어(Rack Gear)에 치합되어 모터의 작동에 따라 각각의 구동체가 이동될 수 있다.
상기와 같은 이송모듈의 형성에 의하여, 이송모듈에 결합된 공급부(310)와 공급케이스(320)는 정밀한 3차원 이동을 수행할 수 있으며, 이에 따라, 공급케이스(320)와 연결된 노즐(100)의 정밀한 3차원 이동이 가능하여, 패턴용소재와 시스용소재의 토출 위치가 정밀하게 제어될 수 있다.
이하, 본 발명의 잉크 토출 장치를 이용한 프린팅 방법에 대해서 설명하기로 한다.
제1단계에서, 제어부로부터 시스재공급부와 패턴재공급부로 제어신호가 전달될 수 있다. 그리고, 제2단계에서, 시스용소재가 패턴재토출관(110)으로 공급되고 패턴용소재가 시스재토출관(120)으로 공급될 수 있다.
다음으로, 제3단계에서, 패턴재토출관(110)으로부터 시스용소재가 토출되고, 시스재토출관(120)으로부터 패턴용소재가 토출되어, 패턴용소재가 시스용소재의 토출 라인을 감싸게 되어 단면에서 동축의 동심원 형상으로 토출될 수 있다.
본 발명의 프린팅 방법에 대한 나머지 상세한 사항은, 본 발명의 잉크 토출 장치에 대한 설명과 동일하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 노즐 110 : 패턴재토출관
120 : 시스재토출관 130 : 자성부
210 : 패턴재공급체 211 : 제1패턴재유입관
212 : 제2패턴재유입관 213 : 혼합관
214 : 패턴재배출관 221 : 제1패턴재시린지
222 : 제2패턴재시린지 310 : 공급부
320 : 공급케이스 411 : 좌우구동체
412 : 좌우가이드체 421 : 제1상하구동체
422 : 제2상하구동체 423 : 제1상하가이드체
424 : 제2상하가이드체 431 : 제1전후구동체
432 : 제2전후구동체 433 : 제1전후가이드체
434 : 제2전후가이드체 500 : 스테이지

Claims (11)

  1. 길이 방향 중심축을 따라 내부를 관통하여 형성되는 관인 시스재토출관을 구비하고, 하부에 자성물질을 포함하는 자성부가 형성되는 노즐;
    상기 노즐의 몸체를 관통하도록 상기 노즐에 구비되고, 상기 시스재토출관의 내부를 따라 형성되는 관인 패턴재토출관;
    상기 패턴재토출관으로 패턴용소재를 공급하는 패턴재공급부; 및
    상기 시스재토출관으로 시스용소재를 공급하는 시스재공급부;를 포함하고,
    상기 시스재토출관의 내부에 위치하는 상기 패턴재토출관의 일 부위와 상기 시스재토출관은 서로 길이 방향 중심축이 일치되며,
    상기 패턴재토출관을 통과한 상기 패턴용소재 토출 시, 상기 시스용소재가 상기 패턴용소재의 토출 라인을 감싸게 되어 단면에서 동축의 동심원 형상으로 토출되고,
    상기 시스용소재와 상기 패턴용소재가 토출되는 기판에는 자기력을 감지하는 자기감지센서가 적어도 하나 이상 형성되며,
    상기 자성부와 상기 자기감지센서 사이의 간격이 측정됨으로써, 상기 노즐과 상기 기판 간 거리가 나노 단위로 측정되면서 상기 노즐의 위치가 제어되어, 상기 패턴용소재로 형성된 미세 패턴의 오차율이 감소되는 것을 특징으로 하는 고해상도 프린터용 잉크 토출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 시스용소재는, 생분해성 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 고해상도 프린터용 잉크 토출 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴재공급부는,
    상기 패턴용소재에 포함되는 복수의 패턴재를 공급하는 복수 개의 패턴재시린지, 및
    상기 복수 개의 패턴재시린지와 상기 패턴재토출관에 결합되고 상기 복수의 패턴재를 전달받아 상기 패턴재토출관으로 전달하는 패턴재공급체를 구비하는 것을 특징으로 하는 고해상도 프린터용 잉크 토출 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 패턴재공급체는,
    상기 복수의 패턴재 각각을 전달받아 통과시키는 복수 개의 패턴재유입관,
    상기 복수 개의 유입관과 결합되어 상기 복수의 패턴재를 혼합시키는 혼합관, 및
    일단이 상기 혼합관과 결합되고 타단이 상기 패턴재토출관과 결합되어 혼합된 복수의 패턴재를 패턴재토출관으로 전달하는 패턴재배출관을 구비하는 것을 특징으로 하는 고해상도 프린터용 잉크 토출 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴용소재는, 탄성 고분자, 전도성 고분자 또는 기능성 미세입자를 포함하는 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 고해상도 프린터용 잉크 토출 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴재토출관의 유로 직경은, 0.1~10㎛인 것을 특징으로 하는 고해상도 프린터용 잉크 토출 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 시스재토출관의 직경은, 0.15~30㎛인 것을 특징으로 하는 고해상도 프린터용 잉크 토출 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 시스용소재 및 상기 패턴용소재가 토출되는 기판의 표면과 상기 패턴재토출관의 하단 사이 간격이 상기 기판의 표면과 상기 시스재토출관의 하단 사이 간격보다 작은 것을 특징으로 하는 고해상도 프린터용 잉크 토출 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 시스재공급부 또는 상기 패턴재공급부로 제어신호를 전달하여 상기 시스용소재 또는 상기 패턴용소재의 공급량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고해상도 프린터용 잉크 토출 장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 선택되는 어느 하나의 항에 의한 고해상도 프린터용 잉크 토출 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 시스템.
  11. 청구항 9의 고해상도 프린터용 잉크 토출 장치를 이용한 프린팅 방법에 있어서,
    상기 제어부로부터 상기 시스재공급부와 상기 패턴재공급부로 제어신호가 전달되는 제1단계;
    상기 패턴용소재가 상기 패턴재토출관으로 공급되고 상기 시스용소재가 상기 시스재토출관으로 공급되는 제2단계; 및
    상기 패턴재토출관으로부터 상기 패턴용소재가 토출되고, 상기 시스재토출관으로부터 상기 시스용소재가 토출되어, 상기 시스용소재가 상기 패턴용소재의 토출 라인을 감싸게 되어 단면에서 동축의 동심원 형상으로 토출되는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프린팅 방법.
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