KR102467108B1 - 주기적 변형 구조체들의 공-압출 - Google Patents

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Abstract

길이를 가지는 적어도 하나의 소재 스트립으로 구성되고, 제1 스트립은 길이를 따라 가변 폭을 가지는 구조체.

Description

주기적 변형 구조체들의 공-압출{CO-EXTRUSION OF PERIODICALLY MODULATED STRUCTURES}
주기적 변형 구조체들의 공-압출에 관한 것이다.
페이스트들 및 기타 점성 소재들을 압출 헤드를 통해 압출하여 표면에 물질을 적층하는 것이 가능하다. 이러한 공정을 때로는 미세-압출이라고 부르며 대형 기계에서 다이들을 이용한 압출 공정과 구분한다. 압출 헤드에서 유출되는 재료들을 일반적으로 압출물이라고 칭한다. 압출 헤드는 전형적으로 일종의 저장소로부터 소재를 수용하는 적어도 하나의 입력 포트, 및 압출물을 헤드를 통해 방출시키는 적어도 하나의 출력 포트 또는 다이 또는 노즐을 가진다. 재료 저장소에 연결된 펌프는 흐름을 제어하고, 이에 따라 압출물로 형성되는 스트립에 영향을 미친다.
대부분의 분야에서, 압출 스트립들은 균일한 형상 및 밀도를 가지는 것이 바람직하다. 압출 용어로는 일반적으로 소재의 단일 스트립을 1차원 구조라고 부른다. 소재의 2 이상의 스트립들을 가지는 구조를 2차원으로 언급한다.
다중 단계들 (passes)로 압출 헤드들을 이용하여 제한적인 3차원 구조체를 형성하는 것이 가능하지만, 제조역량 및 비용 문제로 이러한 방법은 어렵다. 중공 공동들, 오버행들 (overhangs) 및 기타 ‘은폐’ 형상들은 추가 압출 단계들 및/또는 추가 처리 단계들이 필요하다. 일반적으로, 2차원 압출 구조체들은 다중, 선형, 압출 스트립들을 가진다.
2차원 이상의 반드시 선형이 아닌 형상을 압출 헤드로 생성할 수 있다면 일부 분야에서 표면적 및 소재 활용에 있어서 유리할 것이다. 시간 경과에 따라 소재 유동을 변경시켜 비선형 및 불균일 압출 스트립들을 가지는 압출 구조체들을 생성하는 것이 가능하다.
도 1은 선행기술의 2차원 구조를 도시한 것이다.
도 2는 희생물질 제거 후 선행기술의 2차원 구조를 도시한 것이다.
도 3은 선행 방법에 의해 형성된3차원 구조를 도시한 것이다.
도 4는 가변 폭들을 가지는 근 (near)-3차원 소재 구조의 실시태양을 도시한 것이다.
도 5는 가변 폭들의 상보적 패턴들을 가지는 2종의 소재들의 근-3차원 구조 실시태양을 도시한 것이다.
도 6은 3종 소재들의 근-3차원 구조 실시태양을 도시한 것이다.
도 7은 압출 헤드 압력 변경 시스템의 실시태양을 도시한 것이다.
도 8은 압출 헤드의 페이스트 가압 그래프이다.
도 1은 선행기술에 의한 2차원 구조를 도시한 것이다. 2차원이란 적어도 2종의 소재 스트립들을 가지는 것이다. 압출에 있어서, 압출 헤드의 하나의 환형 또는 직사각형 슬롯에서 형성되는 가장 간단한 구조는 일반적으로 1차원 (1D)으로 고려된다. 다음의 복잡한 수준은 2D 구조이고, 이는 다중 슬롯들을 가지는 압출 헤드들에서 형성되는, 예컨대 도 1에서 도면부호 10으로 도시된다. 동일 소재 (14)가 동일 또는 상이한 형태의 상이한 슬롯들로부터 동시에 압출되거나, 또는 도면부호 12 및 14와 같은 다중 소재들이 다중 슬롯들에서 공-압출된다. 일부 구조체들에서, 제2 소재 (12)는 구조체에서 간격들을 형성하기 위하여 희생되고, 제2 소재가 제거되면 해당 구조는 도 2에 도시된 바와 같이 허공이 된다.
더욱 복잡한 수준은 3D 구조체 예컨대 도면부호 20을 달성하는 것이고, 전형적으로 압출 헤드 다중 단계들로 압출 소재들 예컨대 도면부호 24 및 26의 층들을 형성한다. 진정한 3D 구조는 전형적으로 압출 헤드 단일 단계로 달성될 수 없는 은폐 형상들 예컨대 공극들, 오버행들, 요각 형상 등을 포함한다. 그러나, 단일 단계 압출 헤드로부터 간단한 스트립들 또는 다중 소재들 연장부들보다 더욱 포함한 ‘근-3D’ 구조체를 달성하는 것이 가능하다
본원의 실시태양들은 ‘근-3D’ 또는 2.5D 구조로 언급될 수 있다. 형성된 소재 스트립들의 형상들은 간단한 소재 스트립들보다 더욱 복잡하고, 길이들을 따라 가변 폭들을 가진다. 이는 시간 경과에 따라 소재들 압출 압력을 변경시킴으로써 달성될 수 있다. 도 4는 이러한 ‘근-3D’ 구조체 (30)의 실시태양 또는 형상을 도시한다. 압출 스트립들 (34)은 길이를 따라 가변 폭을 가지고, 이하 주기적 변형 스트립들로 언급된다. 스트립들은 압출 헤드로부터 단일 소재 (34)로 압출된다. 가변 폭은 도시된 바와 같이 주기적 패턴을 가지지만, 가변 폭은 또한 비-주기적, 또는 무작위 패턴을 가질 수 있다. 그러나, 제1 압출물의 주기적 패턴으로 인하여 일부 변형들이 가능하다.
도 5는 주기적 가변 폭들의 압출 스트립들을 가지는 근-3D 구조체를 도시한 것이다. 제1 압출물 (34)은 제1 패턴의 가변 폭들을 가진다. 제2 압출물 (36)은 상보적 제2 패턴을 가지고, 제2 패턴의 광폭부들 및 협폭부들은 제1 패턴의 협폭부들 및 광폭부들에 일치된다. 2종의 패턴들은 각각의 패턴에 대하여 시간 경과에 따라 주기적으로 펌프를 다르게 변경시킴으로써 달성된다. 시간 경과에 따른 소재들 유동 변경을 통해 패턴들이 형성된다.
두 소재들은 압출 헤드를 통해 압출 가능한 임의의 소재로 이루어진다. 전형적으로, 소재들은 페이스트들이다. 소재들은 서로 분리되어 존재한다. 소재들은 다른 소재들의 혼합물일 수 있지만, 논의 목적상, 프린트 헤드로부터 압출물로서 유출될 때 이들은 각각 하나의 재료이다. 유사하게, 두 압출물은 함께 압출될 수 있지만 서로 분리되어 존재한다. 소재 경계들에서 일부 혼합이 가능하지만, 각각의 일체성은 실질적으로 유지된다. 본원의 실시예들은 2종의 소재들을 언급하지만, 그 이상의 소재들이 적용될 수 있다는 것에 주목하여야 한다.
도 6은 두 소재들 이상을 가지는 예시적 근-3차원 구조체를 도시한 것이다. 압출물 (34, 36)은 구조체에서 또 다른 압출물 (38)을 가진다. 소재들은 전과 같이 시간에 따라 변형되지만, 압출물 (34, 38 )은 서로 위상에 따라 변경되어 압출물 (36) 패턴에 상보적인 패턴들을 형성한다. 예를들면, 압출물은 압출물 (34), 압출물 (36), 압출물 (38), 압출물 (36), 압출물 (34), 등의 패턴을 형성할 수 있다.
페이스트들은 실시예들로서 전도성 또는 전기화학적 활성 구조들을 형성할 수 있는 소재들을 포함한다. 전기화학적 활성 소재들은 배터리 일부를 형성하는 전극 구조들에 사용된다. 비-활성 소재들은 충전재로 사용되고 이후 희생된다. 비-활성 또는 희생 소재가 사용되고, 건조, 소결 등으로 비-활성 소재가 제거되면, 이 부분은 다른 소재로 대체되고; 그러나 다른 소재가 연속하여 도입되지 않는 경우, 간격들이 남고, 여기에서, 제2 소재는 공기 (air)일 수 있다.
예를들면 소재들 중 하나가 전기화학적 활성인 경우, 사인 변형 (sinusoidal modulation)을 가지는 간단한 모델은 통상의 선형 압출 구조체와 비교할 때 형성된 구조체는 대략 21% 이상의 주변 영역을 가지고 압출 스트립 중심선 및 최근접 경계 사이 약 10% 이하의 평균거리를 가진다. 표면적이 증가되고 중심 및 경계 간 평균거리가 감소되면, 예를들면 기능성 소재 반응 속도 또는 활용이 개선된다. 이러한 작은 개선은 비용이 민감한 산업 예컨대 배터리 제조 분야에서 경제적으로 유의하다.
형상들의 길이를 따라 폭들을 변경시키기 위하여, 분배 시스템은 가압 펌프를 사용하고 페이스트를 압출 헤드로부터 압출시킨다. 하나의 실시태양은 스풀 밸브를 사용하여 펌프로부터의 유동을 변경시킨다. 스풀 밸브들은 전형적으로 케이스 내에 수용된 실린더로 이루어진다. 케이스는 일측에서 저장소 및 펌프를 연결하는 밸브 시스템을 포함한다. 밸브에서 스풀들은 시스템 내에서 유체 유동에 응답하여 활주 또는 회전되어 채널을 개방하거나 막는다. 저장소로부터 유체들이 개발 채널들을 통해 흐른다. 전형적으로, 스풀 밸브들은 밸브를 구동하여 필요한 위치로 스풀들을 회전시키는 제어기 장치를 가진다. 도 6은 이러한 유형의 시스템에 대한 예시이다.
도 7에서, 모터/펌프 (40)는 소재 저장소 또는 소재들 저장소들 중 하나와 연결될 수 있다. 제어기 (46)는 펌프/모터 및/또는 밸브 (42)를 제어한다. 이후 유체는 압력에 응답하여 압출 헤드 (44)를 통해 흐른다. 하나의 실시태양에서, 18 밀리초 (msec)의 압력 변경 사이클이 적용된다.
도 8은 신속 부분 스트로크에 대한 하류 페이스트 압력 응답 그래프이다. 페이스트 #1은 본 실시태양의 기능성 페이스트이고, #2는 희생 페이스트이다. 곡선 (50)은 페이스트 #1에 대한 압력이고, 곡선 (52)눈 페이스트 #2에 관한 것이다.
다른 실시태양은 회전 모터를 사용하여 캠을 구동하고, 이에 따라 피스톤을 구동할 수 있다. 다른 피스톤의 예시로는 선형, 이동-코일 구동기를 사용하고 이는 고압 페이스트를 밀어내는 힘을 발생시키기 위해 기계적 연결이 필요하다.
기타 변경 및 변형들이 가능하다. 지금까지 실시태양들은 소재들이 서로 측방으로 인접한다고 가정하였다. 또한 소재들은 수직방향으로 적층되는 것이 가능하다. 또한, 소재들의 수직방향 두께는 임의의 두께일 수 있다. 전형적으로, 두께는 대략 10 미크론 또는 그 이상이다.

Claims (10)

  1. 구조체로서,
    표면 상에 적어도 하나의 전기화학적 활성 소재를 함유하는 제 1 소재의 제 1 길이방향 스트립으로서, 상기 제 1 길이방향 스트립은 제 1 길이방향 스트립의 중심선에 대해 광폭부(wider portion) 및 협폭부(narrower portion)가 연속적이고 주기적인 사인파형의 제 1 패턴으로 경계들을 갖고, 제 1 길이방향 스트립의 중심선은 상기 제 1 패턴의 경계들 사이에 있는, 상기 제 1 길이방향 스트립; 및
    제 1 길이방향 스트립에 인접하고, 제 1 길이방향 스트립과 접한, 제 2 소재의 제 2 길이방향 스트립으로서, 상기 제 2 길이방향 스트립은, 상기 제 1 패턴에 상보적이고, 제 2 길이방향 스트립의 중심선에 대해 광폭부 및 협폭부가 연속적이고 주기적인 사인파형의 제 2 패턴으로 경계들을 갖고, 제 2 길이방향 스트립의 중심선은 상기 제 2 패턴의 경계들 사이에 있는, 상기 제 2 길이방향 스트립을 포함하는, 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 소재와 상기 제 2 소재는 동일 소재인, 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 소재와 상기 제 2 소재는 상이한 소재인, 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    제 3 소재를 더 포함하는, 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 소재는 비-활성 소재인, 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 소재는 전기적으로 전도성인, 구조체.
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