KR102495038B1 - 적층형 프린팅 장비 및 방법 - Google Patents

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KR102495038B1
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제롬 부테
부팡 에바제그 르
로메인 보쎌르
댄 소토
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포이에티스
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Abstract

본 발명은 타겟(11)의 방향으로 배향된 제트를 트리거하기 위해 블레이드(2)를 덮는 유체와 간헐적인 상호 작용을 발생시키는 배향 가능형 에너지 여기 수단을 포함하는 적층형 제조를 위한 장비 및 방법에 관한 것으로서, 상기 유체는 불균일 성분들을 함유하는 액체 벡터로 구성되며; 상기 유체는 적어도 하나의 주입구(7)가 이어져서 레이저와의 상호 작용을 허용하는 적어도 하나의 영역(3)을 갖는 블레이드(2) 상에 500μm 보다 작게 측정되는 두께의 액체 막(4)을 형성하고, 상기 상호 작용 영역(3)은 적어도 하나의 배출구(9)로 이어지며, 장비는 또한 상기 주입구(7)와 상기 배출구(9) 사이에서의 유체의 순환을 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

적층형 프린팅 장비 및 방법
본 발명은 3차원 적층형(additive)의 레이저-보조형 프린팅 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 바이오 프린팅에 관한 것이지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
레이저-보조형의 3차원 적층형 프린팅은, 전사 가능형(transferable) 입자 또는 분산매에 함유된 입자들의 집합체에 운동 에너지를 제공하는 기판의 국소(local) 기화에 의해 생성된 제트(jet)에 의해 타겟을 향해 입자들을 투사하는 것으로 구성된다.
전사 가능형 입자들은 액체 기판 상에 반송된 분말 재료, 또는 액체 전사 가능형 재료로부터 유래될 수 있다.
이들은 금속 또는 무기 화합물들, 중합체들 또는 바이오 재료(biomaterial)들일 수 있다.
이들은 또한 생물학적 입자들, 예를 들어 살아있는 세포들로 이루어질 수 있다.
본 발명은 재생 의학, 약리학 및 세포 생물학 연구들에 사용하기 위한 생체 공학 구조물들을 생성하기 위해, 규정된 2차원 또는 3차원 구조로 바이오 재료 그리고 선택적으로 비-바이오 재료를 모델링하고 조립하기 위한 컴퓨터-보조형 전사 프로세스에 의한 레이저 바이오 프린팅 분야에 관한 것이다.
조직 공학(tissue engineering)은 기본 조직 또는 심지어는 기관의 기능들을 대체, 복원 또는 유지하기 위해 생물학적으로 적합한 대안들을 설계하고 개발하는 것을 목표로 한다. 일 예는 Griffith, L. G., & Naughton, G. (2002) 에 의한 기사인, Tissue engineering-- current challenges and expanding opportunities. Science, 295 (5557), 1009-1014 에 설명되어 있다.
이러한 한계들을 극복하기 위해, 보다 일반적으로 바이오 프린팅으로 지칭되는 생물학적 요소들의 프린팅은 Klebe, R. (1988)에 의한 사이토스크라이빙: 세포들의 미세 위치 결정 방법과 2차원 및 3차원 합성 조직들의 구성(Cytoscribing: A Method for Micropositioning Cells and the Construction of Two- and Three-Dimensional Synthetic Tissues). Experimental Cell Research, 179 (2) : 362-373, 그리고
Klebe, R., Thomas, C., Grant, G. Grant, A. 및 Gosh, P. (1994)에 의한 사이토스크립션: 세포 접착 단백질들과 세포들의 컴퓨터 제어형 미세 위치 결정(Cytoscription: Computer controlled micropositioning of cell adhesion proteins and cells). Methods in Cell Science, 16 (3) : 189-192 에서 논의된 바와 같이 상상되기 시작했다.
최신 기술
최신 기술에서, 적어도 하나의 잉크로 프린팅하기 위한 방법 및 장비를 기술하는 특허 출원 WO2016097619가 공지되어 있으며, 상기 방법은, 잉크 막에 캐비티(cavity)를 생성하도록 레이저 빔을 포커싱하는 단계, 잉크 막의 자유 표면으로부터 적어도 하나의 잉크 액적을 형성하는 단계 및 상기 액적을 수용 기판의 퇴적 표면 상에 퇴적하는 단계를 포함하며, 상기 레이저 빔은 중력과 반대 방향으로 배향되되, 막의 자유 표면은 잉크 막 위에 배치된 증착 표면을 향하여 상방으로 배향되는 것을 특징으로 한다.
기판을 이용하지 않으면서, 그리고/또는 국소 도너(local donor)를 이용하여 레이저-유도형 순방향 전사(LIFT: laser-induced forward transfer) 시스템에 대한 특허 WO2014061024가 또한 알려져 있다. 이 시스템은 적어도 하나의 개구를 갖는 탱크를 포함한다. 상기 저장조(reservoir) 내의 도너 재료에 에너지를 전달하도록 에너지 원이 구성된다. 이 시스템은 도너 기판에 대한 필요없이 레이저 유도형 순방향 전사에 의해 재료를 증착하는 것을 허용한다. 발명은 또한 기판을 이용하지 않으면서 국소 도너를 이용하여 레이저에 의해 유도된 순방향 전사 프로세스들을 포함한다.
종래 기술의 결점
전사될 입자들을 함유하는 유체로 코팅된 블레이드를 제공하는 종래 기술의 해결책들에서는, 각각의 시퀀스 후에 블레이드를 교체할 필요가 있기 때문에, 이것은, 전사 가능형 요소들을 함유하는 막의 특성들, 특히, 유체의 부피, 블레이드 표면 상에서의 유체의 확산, 건조, 증발, 생체 입자들의 진화로 인한 시간에 따른 균일성 및 발전성 등을 양호하게 제어하는 것을 허용하지 않는다. 따라서, 종래 기술 해결책들의 주요 단점은 프린트물들의 재현성 부족과 빈번한 취급의 필요성 양방 모두에 관한 것이며, 이는 생산성을 감소시킨다.
유체를 함유하는 탱크 또는 저장조를 수반하는 해결책들에서는, 전사될 재료들이 침전되는 경향이 있고 따라서 타겟으로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 공기-액체 계면에서의 제트의 발생을 제어하는 데 문제가 있다. 그러므로, 이들 해결책들은 재현 가능한(reproducible) 조건들 하에서 유체에 함유된 입자들의 전사를 허용하지 않는다. 이것은 또한 바이오 토출(bio-extrusion) 또는 잉크젯 해결책들에 대해 알려진 포괄적인 단점이다.
일반적으로, 종래 기술의 해결책들은 유체에 함유된 입자들을 정확하게 조준하는 것에 대한 곤란성으로 인해 그리고 기판을 규칙적으로 변경할 필요성으로 인해, 입자들을 함유하는 액체 매질을 프린팅하기 위한 산업 프로세스에 적합하지 않다. 이러한 지원 변경에는 조작이 필요하므로 결과적으로 재현성의 부족이 관찰된다.
본 발명이 그의 변형예들 중 일부에 의해 개선하는 것을 목표로 하는 부차적인 문제는 희생층(sacrificial layer), 예를 들어 금 코팅과의 레이저의 상호 작용의 포기(abandonment)에 관한 것이다.
희생층을 사용하는 종래 기술의 해결책들에 대해, 이 층을 여기시키는 레이저에 의해 형성된 제트는 이 층으로부터 재료의 전사를 야기하며, 이것은 전사될 입자들 이외의 입자들의 독성 및 투사의 문제들로 이어질 수 있다.
이들은 또한 각각의 레이저 펄스 동안 기판의 국소 파괴(local destruction)를 수반하며, 이는 불균일성분들(inhomogeneities)을 생성하고 기판의 반복적인 변경을 필요로 한다.
본 발명에 의해 제공되는 해결책
본 특허 출원의 의미 내에서 바이오 잉크 막의 불균일성분은 입자들, 생화학종들(biochemical species)(성장 인자, 분자, 이온), 바이오 재료들과 같은 조성물의 측면에서 특정 국소 특성들을 갖는 막의 임의의 영역을 의미한다.
용어 "불균일 구역", "조성물에서의 국소 변형들", "특정 조성의 구역"은 본 특허의 의미 내에서 동일한 기술적 의미를 갖는다.
해결책은 레이저 상호 작용 구역에 위치된 유체 막의 불균일성분들을, 3차원 적층형의 레이저-보조형 프린팅 동안 두께 및 부피 밀도에 있어서 균일하게 만드는 것으로 구성된다. 또한 그것은 유체에 의해 상기 상호 작용 구역을 반복되고 제어된 방식으로 충전하는 것을 허용하도록 구성된다. 다른 한편으로, 이러한 해결책은 재료 제트들을 생성하기 위해 희생층을 사용하지 않는 레이저 프린팅 프로세스의 구현을 필요로 하며, 이는 유체에서 직접 일어나는 레이저-재료 상호 작용을 효과적으로 수반한다. 따라서, 캐비테이션(cavitation) 버블을 생성한 다음 재료 제트를 생성하는 프로세스는 일반적인 종래 기술과 완전히 상이할 것이다.
이 해결책의 이점들은 다양하다:
- 임의의 조작(피펫팅(pipetting), 확산, 세정 등)을 피함으로써, 제어되고 재현 가능한 방식으로, 불균일 유체를 상호 작용 구역으로 가져오는 것이 허용된다. 그러므로, 그것은 프로세스를 보다 안전하고 신뢰할 수 있게 만든다.
- 그것은 몇몇 액체들(화학종들(chemical species), 액체 바이오 재료들 등)과 몇몇 유형들의 입자들(세포들, 바이오 재료들 등)을 동일한 유형의 잉크에 혼합함으로써 잉크의 조성을 조절하는 것을 허용한다.
- 상호 작용 구역을 연속적으로 또는 의사-연속적으로(pseudo-continuously) 재충전하는 제어 가능형 유체 시스템을 사용하는 것을 허용하여, 프린팅 생산성이 향상된다.
- 그것은 상호 작용 구역의 표면 상에 두께가 균일한 유체 막을 획득하는 것을 가능하게 하며, 이는 수용 표면 상에 프린팅된 액적들의 레벨에서 프린팅을 훨씬 더 재현성 있고 균일하게 하는 것을 목표로 한다.
- 선택적으로, 막들은 입력들/출력들의 기하학적 구조와 충전 모드(연속, 불연속, 왕복 이동 등) 양방 모두에 적절한 경사 또는 형상을 가질 수 있다.
- 그것은 유체 시스템의 최적화된 파라미터 세트들(유량, 단면, 형상 등) 덕분에 막 두께를 조정하는 것을 허용한다. 따라서, 재료 제트들의 높이는 이러한 방식으로 조정될 수 있으며, 이는 비평면형 표면들 상에 프린팅하는 데 매우 흥미로울 수 있다.
또한, 본 발명은 제어된 방식으로 유체의 불균일성분들을 대상으로 하기 위해 레이저 펄스들과 상관된 이미징 수단의 사용을 허용한다. 이를 달성하기 위해, 상호 작용 영역은 레이저 및 이미지 획득 수단 양방 모두를 위해 투명 재료에 기초해야 한다.
이 해결책은 희생층(통상적으로 금 또는 은의 금속층)의 사용에 기초한 레이저 프린팅과 호환되지만, 그것은 희생층을 사용하지 않는 레이저 프린팅에 대해 의도되는 것이 바람직하다. 그러므로, 이러한 해결책은 레이저와 불균일성분들을 함유하는 유체 사이의 직접적인 상호 작용 도중에 현장에서 재현 가능하고 반복 가능한 제트들의 생성을 보장해야 한다. 이를 달성하기 위해, 희생층을 이용하지 않는 이 프린팅 조건에서는 제트 발생이 달성되기가 매우 어렵기 때문에, 아래에 열거된 다수의 프린팅 파라미터들이 필요하다:
- 레이저는 유체 내에서 레이저 플라즈마의 발생을 최적화하기 위해 1 내지 40 마이크로주울(microjoules), 바람직하게는 5 내지 20 마이크로주울의 에너지 레벨로 피코초(picosecond) 또는 펨토초(femtosecond) 모드에서 짧은 펄스들을 방출한다. 이 문서에서 설명될 실시예들의 예들을 읽으면, 이러한 성능들의 증거가 제공될 것이다.
- 레이저는 버블들을 생성하고 나서 희생층을 이용하지 않으면서 분사할 수 있도록 0.5 내지 20 밀리주울(millijoules)의 에너지로 나노초(nanosecond) 모드에서 레이저 펄스들을 방출한다.
- 레이저는 세포들에 대한 이온화 효과를 피하면서 동시에 매질에 의해 충분히 흡수될 수 있도록 근적외선(near IR) 범위 내에서 펄스들을 방출하는 것이 바람직하다. 이 마지막 파라미터를 최적화하기 위해, 매질에 의한 흡수 속도를 최대화하기 위해 UV 또는 매질 IR에서 또는 심지어 가시 광선에서 레이저를 사용하는 것이 상당히 가능할 것이다.
- 레이저 파라미터들을 조정 또는 최적화하고 프린팅을 가능한 한 균일하게 하기 위해 상호 작용 구역에 존재하는 유체의 특유의 속성들(밀도, 점도, 막 두께 등)의 측정들이 수행된다.
- 유체에서의 불균일성분들의 이미지들은 특정 영역들(입자들의 수 또는 유형)을 대상으로 하는 것을 가능하게 하며, 이것은 다시 프린팅을 균일하고 무엇보다 디지털 프린팅 파일과 호환되도록 하는 것을 가능하게 하는데, 왜냐하면 프린팅된 불균일성분들의 수는 이들 이미징 수단에 의해 또는 보다 일반적으로는 획득된 데이터의 해석을 위한 컴퓨터 제어 특성화에 의해 직접 제어될 수 있기 때문이다.
이러한 맥락에서, 희생층으로부터 프린팅 기판으로의 잔해(debris)의 프린팅과 관련된 문제는 더 이상 없으며, 따라서 바이오 프린팅의 맥락에서 세포들의 높은 생존력을 보장한다.
본 발명에 의해 제공되는 해결책
본 발명은 그것의 가장 일반적인 의미에서, 제트로 하여금 타겟을 향해 배향되게 하기 위해, 슬라이드를 덮는 유체와 포인트 상호 작용(point interaction)을 생성하는 지향 가능형 에너지 여기 수단을 포함하는 적층형 프린팅 장비에 관한 것이며, 상기 유체는 전사 가능형 입자들을 함유하는 액체 벡터로 또는 전사 가능형 액체 바이오 재료로 구성되는 액체 벡터로 구성되고, 다음을 특징으로 한다:
- 상기 유체는 500μm 미만의 두께를 갖는 액체 막을 형성하고,
- 적어도 하나의 주입구가 개구되는, 레이저와의 상호 작용을 허용하는 적어도 하나의 구역을 갖는 슬라이드 상에서, 상기 상호 작용 구역은 적어도 하나의 배출구로 개구되고, 상기 상호 작용 구역은 단면이 유체에 존재하는 불균일성분들의 중간 크기(median size)보다 적어도 3배 더 큰 개구를 가지며,
- 장비는 상기 주입구(7)와 상기 배출구 사이에 유체를 순환시키기 위한 수단을 더 포함한다.
이 슬라이드는 바람직하게는 평평한 바닥을 갖는 영역을 정의하고, 에너지 여기 빔과의 상호 작용을 허용하도록 위치결정되며, 이 영역은 주입 및 배출 개구를 갖는 경계로 둘러싸여 있어서, 일시적으로 정적일 수 있고, 영역 상에 증착될 수 있고, 다른 때에는 전사 가능형 입자들의 재생 및 에너지 여기 축에 대한 변위를 보장하는 유체 순환에 의해 형성될 수 있는 막의 에너지 여기 수단을 이용하여 이 상호 작용 영역에서의 존재를 보장한다.
"정적" 해결책들에서는, 각각의 시퀀스 후에 슬라이드를 교체할 필요가 있다. 이것은 전사 가능형 요소들을 함유하는 막의 특성, 특히 유체의 부피, 슬라이드의 표면 상에서의 유체의 확산, 건조, 증발, 살아있는 입자들의 진화 등의 현상으로 인한 시간에 따른 균일성 및 발전성을 양호하게 제어할 수 없다.
잉크의 정적 코팅을 포함하는 종래 기술의 슬라이드들은, 매번 사용 후에 슬라이드를 변경할 필요가 있으며, 이는 전사 가능형 요소들의 사용을 최적화하지 않는다.
본 발명에 따른 장비의 특정 실시예들에 따르면,
·상기 막의 두께는 50 내지 100μm 이다.
·상기 막의 두께는 상기 전사 가능형 입자들의 공칭(nominal) 크기의 5 내지 10배이다.
·상기 상호 작용 구역의 표면적이 0.05mm2 보다 크다.
·상기 주입구는 상기 상호 작용 구역의 측면 부분으로 이어진다.
·상기 상호 작용 구역은 상기 배출구로 측방향으로 개구되는 주변부를 갖는다.
·상기 주입구 및 상기 배출구는 연결 구역에 연결된 관형 채널들로 구성되며, 상기 관형 채널들의 종축은 상호 작용 구역의 횡단면과 15° 내지 35° 의 각도를 형성한다.
·상기 주입구와 상기 배출구 사이에 유체를 순환시키기 위한 상기 수단은, 상호 작용 구역에서 유체의 흐름을 제어하기 위해 주입 속도(또는 유체에 가해지는 양압(positive pressure)) 및 흡입 속도(또는 유체에 가해지는 부압(negative pressure))를 제어하기 위한 수단을 포함한다.
·상기 주입 속도 및 흡입 속도 제어 수단은 막 두께를 측정함으로써 제어되어, 상호 작용 구역에서 막 두께를 제어한다.
·장비는 각각 주입구와 배출구를 갖는 복수의 상호 작용 구역들을 갖는다.
·상기 상호 작용 구역들 중 적어도 2개는 공통 주입구들 및/또는 배출구들을 갖는다.
·상기 에너지 여기 수단은 레이저로 구성된다.
·상호 작용 구역은 레이저 및 이미징의 파장 범위 내에서 투명하며 희생층을 갖지 않는다.
·상기 유체는 레이저의 방출 파장에서 흡수성 안료로 충전된다.
·장비는 입자 밀도에 따라 레이저를 제어하기 위한 상호 작용 구역을 이미징하기 위한 수단을 포함한다.
·상기 레이저는 5 내지 20 마이크로주울의 에너지 레벨로 피코초 또는 펨토초 모드에서 펄스들을 방출하고, 펄스 당 에너지 레벨은 상호 작용 구역에 존재하는 유체의 특성의 측정의 결과에 따라 컴퓨터에 의해 제어되며, 상기 측정은 입자 밀도, 및/또는 점도, 및/또는 막 두께를 포함한다.
·상기 에너지 여기 수단은 음파 발생기로 구성된다.
·장비는 상호 작용 영역을 이미징하고 전사될 입자의 유형을 선택하는 수단을 포함한다.
본 발명은 또한 제트로 하여금 타겟을 향해 배향되게 하기 위해 슬라이드를 덮는 유체와 포인트 상호 작용을 생성하는 지향 가능형 에너지 여기 수단을 포함하는 장비에 의한 적층형 프린팅 방법으로서, 상기 유체는 전사 가능형 불균일성분들(입자들 또는 바이오 재료들 또는 화학종들)을 함유하는 액체 벡터로, 또는 전사 가능형 액체 바이오 재료로 구성되며, 상기 유체는 레이저와의 상호 작용을 허용하고 적어도 하나의 주입구(7)가 개구되는 적어도 하나의 구역을 갖는 슬라이드의 주입구 덕트(7)와 배출구 덕트 사이를 순환하고 500μm 미만의 두께의 액체 막을 형성하는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 방법에 관한 것이다.
특정 변형예에 따르면, 펄스 당 에너지 레벨은 상호 작용 구역에 존재하는 유체의 특성의 측정의 결과에 따라 컴퓨터에 의해 제어되고, 상기 측정은 입자 밀도, 및/또는 점도, 및/또는 막 두께를 포함한다.
본 발명의 비-제한적인 예의 상세한 설명
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하면서 비-제한적인 예시적인 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 읽으면 가장 잘 이해될 것이다.
- 도 1은 본 발명에 따른 장비의 단면 개략도이다.
- 도 2는 광학 시스템을 갖는 본 발명에 따른 장비의 개략도이다.
- 도 3은 본 발명에 따른 장비를 위한 슬라이드의 위에서 본 개략도이다.
- 도 4는 실험적으로 구현된 본 발명에 따른 장비의 다양한 변형예들의 3차원 도면이다.
- 도 5는 에지로부터 잉크 막을 이미징하기 위한 그루브(groove)를 갖는 본 발명에 따른 장비의 상이한 변형예들의 3차원 도면을 나타낸다.
- 도 6은 본 구성에서 획득된 잉크 막들의 이미지들뿐만 아니라 본 발명에 따른 장비의 변형예의 3차원 도면을 나타낸다.
- 도 7은 본 발명에 따른 장비의 다중-캐비티 변형예의 3차원 도면이다.
- 도 8은 본 발명에 따른 장비에서 구현된 희생층을 이용하지 않는 레이저 물질 상호 작용 프로세스의 일련의 설명도들을 나타낸다.
- 도 9는 본 발명에 따른 장비 내에 희생층을 이용하지 않는 레이저 물질 상호 작용에 의해 생성된 물질의 제트를 나타내는 일련의 사진들을 나타낸다.
-도 10은 (연속적인 재충전이 없는) 정적 모드에서 본 발명에 따른 장비 내에 수적(water droplet)들로 프린팅된 필드의 현미경 사진을 나타낸다.
- 도 11은 (연속적인 재충전이 없는) 정적 모드에서 본 발명에 따른 장비 내에 마이크로비드(microbead)들을 함유한 액적들로 프린팅된 필드의 현미경 사진을 나타낸다.
- 도 12는 (연속적인 재충전이 없는) 정적 모드에서 본 발명에 따른 장비 내에 세포들을 함유한 액적들로 프린팅된 필드의 현미경 사진을 나타낸다.
- 도 13은 (연속적인 재충전이 있는) 동적 모드에서 본 발명에 따른 장비 내에 생성된 수적들의 프린팅된 필드의 현미경 사진을 나타낸다.
- 도 14는 (연속적인 재충전이 없는) 정적 모드에서 본 발명에 따른 장비 내에 멜라닌(흡수제)뿐만 아니라 세포들을 함유한 액적들의 프린팅된 필드의 현미경 사진을 나타낸다.
- 도 15 내지 도 17은 본 발명에 따른 슬라이드의 다른 실시예들의 도면들을 나타낸다.
본 발명에 따른 장비의 제 1 변형예에 대한 설명
도 1은 펄스(1)를 생성하는 집속형 레이저 빔에 의한 여기를 이용하는 장비의 제 1 변형 실시예를 나타낸다.
유리 또는 투명 재료로 이루어진 슬라이드(2)는 전사 가능형 입자들(5)을 함유하는 분산매(4)를 유동시키는 캐비티(3)를 정의한다.
이 캐비티의 깊이는 500μm 미만, 바람직하게는 50 내지 100μm 두께이므로, 캐비티(3)에서의 침전 현상을 피할 수 있다.
이 캐비티(3)는 성형, 가공, 블로잉(blowing) (유리) 또는 3차원 프린팅(FDM, SLS, SLA, DLP, DMLS, EBM, CLIP, MultiJet 등)에 의해 형성되며, 원형 또는 직사각형 또는 타원형, 단면, 또는 기타 기하학적 형상들을 갖는다. 횡단면(6)은 레이저 빔(1)에 의해 스캔될 수 있고 광학 레트로빔(optical retrobeam)을 통해 센서에 가시화될 수 있는 작업 영역을 정의한다.
펌프 시스템(15)에 의해 가압된 분산매(4)는 공급 탱크(14)에 연결된 공급 덕트(8) 자체에 연결된 주입 개구(7)를 통해 캐비티(3)로 유입되며, 배출 개구(9)를 통해 배출 및/또는 흡입 덕트(10)로 배출된다.
배출 및/또는 흡입 파이프(10)는 전사 가능형 입자들(5)로 적재된 분산매(4)를 함유하는 회수 탱크(13)로 이어진다. 펌프(15)는 전사 가능형 입자들(5)로 적재된 분산매(4)를 순환시킨다. 동일한 유체가 시스템에서 여러 번 재순환될 경우 공급 탱크(14)와 회수 탱크(13)는 분리되거나 단일 탱크를 형성할 수 있다. 이 구성에서, 관심 대상은, 순환 유체에서 프린팅된 입자의 수를 최대화하는 것이다.
선택적으로, 시스템은 여러 세트들의 탱크들(14 및 13)을 포함하며, 각각은 상이한 종류들의 불균일성분들로 적재된 분산매를 함유한다. 밸브는 탱크들 중 하나를 선택하는 데 사용되어, 상이한 종류들의 입자들을 증착할 수 있고 타겟(11) 상에 차별화된 층들을 형성할 수 있다.
분산매 유량(4)은 전사 가능형 입자들(5)의 작업 영역이 적절한 수단(이미징, 분광법 등)에 의해 선택될 수 있는 속도로 이동하고 레이저 펄스에 의해 선택된 것들을 활성화시키는 것을 보장하도록 조정된다.
타겟(11)은 전사된 입자(12)의 증착 지점을 결정하기 위해 캐비티(3)의 바닥(6)에 평행한 평면 X, Y에서 이동 가능하며 선택적으로 수직 방향으로 이동하여, 전사될 입자(5)에 의해 이동되는 거리를 조정한다. 이 경우, 프린팅 기판 상에 증착된 액적들의 크기를 조절하는 것이 가능하다.
도 2는 광학 시스템과 결합된 디바이스의 단면도이다.
이 광학 시스템은 레이저 발사 영역을 스캔하는 것을 허용하는 2개의 각진 진동 미러들(검류계 유형)(20)과, 작업 평면 상의 직경이 가능한 한 가장 작고 일정한 레이저 스폿을 형성하는 것을 허용하는 F-세타(F-Theta) 유형의 스캐닝 렌즈들로 구성된 제 1 광학 유닛(21)으로 구성된다. 이 제 1 광학 유닛(21)은 여러 렌즈들의 시스템에 의해 알려진 방식으로 이루어진다.
스캐닝 미러들(20)의 상류에서, 광학 시스템은 빔이 다이크로익(dichroic) 미러(23)에 의해 스캐닝 미러들(20)로 다시 반사되는 레이저 원(22)을 포함한다.
제 2 광학 유닛(24)은 다이크로익 미러(23)를 통과하는 레트로-빔을 사용하여 센서(26) 상에 작업 영역(25)의 이미지를 형성한다.
본 발명에 따른 장비의 제 1 변형예에 대한 설명
도 3은 본 발명에 따른 슬라이드(2)의 변형예의 평면도이다.
3개의 병렬 캐비티들(30, 31, 32)로 구성된 3개의 회로들로 구성되며, 각각은 공급 덕트(각각 33 내지 35)와 배기 덕트(각각 36 내지 38) 사이에서 연장된다.
각 회로는 잠재적으로 상이한 성질들의 전사 가능형 불균일성분들(39 내지 41)을 함유하는 분산매의 순환을 보장한다. 실제로, 이들은 크기에 있어서 더 큰 필드들이 프린팅되는 것을 허용하거나 프린팅 프로세스가 가속화되는 것을 허용할 수 있는 동일한 성질을 갖거나(생산성에 있어서 이득), 또는 복잡하고 사용자-맞춤형인 품목들을 제조하는 것을 가능하게 할 수 있는 상이한 성질을 가지며(제조 가능한 품목들의 범위에서 이득), 이것은 이러한 유형의 아키텍처에 의해 제공되는 "다색" 양태이다.
캐비티들 중 하나를 선택하기 위해, 슬라이드(2)는 3개의 캐비티들의 주축에 수직인 방향으로 기계적으로 이동될 수 있거나, 또는 레이저 빔의 스캐닝이 전체 슬라이드(2)를 덮도록 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 상이한 장비의 실시예들에 대한 설명
도 4는 장비의 3가지 가능한 아키텍처들의 도면을 나타낸다. 그림 4의 a는 공급 덕트(8)와 배기 덕트(10)가 슬라이드(2)와 평행한 도면을 나타내며, 도 4의 b는 덕트들이 0° 와 90° 사이에 있을 수 있는 각도로 슬라이드에 도달하는 상황을 도시한다. 해결책들 중 하나 또는 다른 것의 관심 대상은, 유체(4)의 흐름에 있어서의 막힘 또는 연속성에 대한 임의의 문제를 피하기 위해, 그리고 개구형 캐비티(3)(레이저 펄스들이 포커싱되는 도면들 상에서의 원형 부분)에서 균일한 유체 막을 획득하는 것을 동시에 보장하기 위해, 흐름들, 데드(dead) 볼륨들 또는 각도들을 관리하는 능력에 있다. 도 4의 c는 유리 라멜라(lamellae)가 유체(4)의 주입구들(7) 및 배출구들(9)에 배치되어 캐비티(3)에서 균일한 막으로서의 흐름을 지향/안내하기 위한 이전 해결책들의 변형예이다. 본 명세서에 설명된 아키텍처들은 전체가 아니다. 실제로, 덕트들의 형상, 위치결정 및 각도와, 캐비티 및 슬라이드의 크기 및 형상과, 사용된 재료들과, 주입 개구(7) 및 배출 개구의 형상 및 위치결정은 본 명세서에 나타낸 예들과 상이할 수 있다.
도 5는 도 4에 나타낸 것과 유사한 3가지 가능한 장비 아키텍처들의 도면을 나타낸다. 이들은 모두 이 새로운 구성에서 상부에 그 높이가 캐비티(3)의 높이에 대응하고, 그 위치결정이 캐비티(3)의 개구 영역과 교차하는 그루브를 갖는다는 것에 공통점이 있다. 이러한 개구의 이점은 장비에 수직으로 배치된 시각화 수단(이미징)에 의해 막을 관찰하는 것을 허용한다는 것이다. 따라서, 시간이 지남에 따라 막의 진화를 따르는 것이 가능하며, 이는 프린팅 동안 레이저 펄스들의 에너지를 막의 실제 두께에 적응시키는 것을 허용하거나, 또는 반대로 막의 두께를 레이저 펄스의 에너지에 적응시키는 것을 허용한다. 다시 말하면, 본 명세서에 설명된 아키텍처들은 전체가 아니다. 다시 말하면, 덕트들의 형상, 위치결정 및 각도와, 캐비티 및 슬라이드의 크기 및 형상과, 사용된 재료들과, 주입 개구(7) 및 배출 개구의 형상 및 위치결정과, 그루브들의 형상, 크기 및 위치결정은 본 명세서에 나타낸 예들과 상이할 수 있다.
도 6은 도 5의 e에 최초로 도시된 본 발명에 따른 장비의 변형예들 중 하나에 대해 획득된 결과들을 나타낸다. 도 6의 h에서, 투명 도면은 이 구성에서 장비의 내부 아키텍처를 강조한다. 공급 덕트 및 배기 덕트는 캐비티(3) 및 슬라이드(2)에 대해 기울어져 있다. 덕트들과 캐비티 영역 사이의 연결은 작은 직경의 파이프들에 의해 이루어져서 500μm 미만의 필요한 막 두께와 호환된다. 하지만, 이러한 덕트들의 단면은 노즐 시스템들(오리피스(orifice)들)에서 관찰되는 것과 비교할 수 있는 현상을 피하기 위해 너무 작아서는 안되며, 이는 쉽게 막히고 세포들에 상당한 기계적 응력을 가하므로 시간이 지남에 따라 이들의 생존력에 영향을 미친다. 이러한 이유로, 덕트들은 바람직하게는 이 장비에 의해 프린팅될 수 있는 세포들 또는 입자들의 평균 크기의 적어도 10배인 200μm 보다 큰 직경을 가지는 것이 바람직할 것이다. 장비는 그 파장에서 투명한 슬라이드(2)를 통과함으로써 레이저가 캐비티에 포커싱될 수 있도록 하는 홀(실린더)에 의해 그 중심에 천공되어 있음을 알 수 있다. 도 6의 i에서, 유체(4)가 보내지는 슬라이드(2) 위의 캐비티(3)의 확대도는, 주입(7) 및 배출(7 및 9) 개구들이 각각 주입 및 배출 덕트(8 및 10)에 의해 그리고 장비의 상부에 배치된 유리 라멜라에 의해 부분적으로 각각 형성되는 것을 나타낸다.
덕트들과 라멜라의 조합은 유체(4)가 슬라이드(2)로 적절하게 지향하는 것을 보장한다. 박막들이 가능함을 증명하는 이미지들은 장비에 걸쳐 이미징(카메라 및 이미지 복구 렌즈)에 의해 획득된 사진들(도 6의 j, 도 6의 k 및 도 6의 l)로 나타낸다. 주입구(7)에서의 유체 압력 파라미터들(4) 및 배출구에서의 유체 흡입(4)에 따라, 막의 중심 두께를 조절하는 것이 가능하다. 예를 들어, 136μm, 100μm 및 56μm 의 두께들은 실험적으로 획득되었으며 도 6의 j, 도 6의 k 및 도 6의 l 에 도시되어 있다.
레이저 여기 파라미터들(에너지, 포커싱 등)의 적응과 상관된 이러한 두께들에 대한 모니터링은 레이저 흡수에 의해 생성된 제트들의 미세 조정을 허용한다. 막의 상부 형상은 사진들에서 볼 수 있는 것처럼 반드시 평평한 것은 아니다. 이것은 유체(4)의 파라미터들(점도, 밀도, 유량 등) 및 상기 유체의 압력/흡입 파라미터들에 의존한다. 레이저 발사 영역은 두께가 일정한 막의 일부에 공간적으로 적응될 수 있다. 이 구역은 또한 전체 캐비티에 대응할 수 있지만, 이 경우, 레이저 파라미터들은 타겟 필드에서의 막 두께에 있어서의 변형들에 적응될 수 있다.
막의 특성화는 또한 분광 분석, 거리 측정, 라인 쉐도우그래프(shadowgraph) 등과 같은, 본 명세서에 언급된 이미징 이외의 다른 수단에 의해 수행될 수 있다.
도 7은 도 3에 나타낸 해결책의 3차원 도면이다. 도 7의 m에서 3차원으로 나타낸 이 실시예는, 각각이 전용 공급 덕트 및 배기 덕트에 의해 피드되는 3개의 캐비티들을 갖는다. 그루브가 상부에 존재하여, 적어도 장비의 단부들에는 배치된 잉크 막들의 관찰을 허용한다. 또한 투명 도면이 도 7의 n에 제공된다. 그것은 3개의 홀들을 보여 주고 있으며, 레이저가 그 부분을 통과하여 슬라이드(2)가 장착된 각각의 캐비티(3)를 향하는 것을 허용한다. 이 예는 이 장비에 가능한 넓은 설계 가능성들을 순수하게 예시한 것임이 명백하다. 실제로, 당업자는 다음을 이용하여 그것을 상상할 수 있다:
- 2개의 캐비티들 또는 3개 이상의 캐비티들
- 모든 캐비티들에 공통인 단일 공급 덕트 및/또는 배기 덕트
- 상이한 캐비티 형상(정사각형, 관형(canal), 타원형, 다이아몬드형 등)
- 슬라이드들의 표면에 평행 또는 수직으로 도달하는 덕트들
그러므로, 본 명세서에 인용된 예들은 본 발명에 따른 장비가 가질 수 있는 아키텍처들에 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 희생층을 이용하지 않는 프린팅 방법에 대한 상세한 설명
도 8은 균일한 액체 또는 불균일한 액체를 프린팅할 때 레이저와 물질 간의 상호 작용의 주요 단계들을 설명한다.
- 제 1 단계는 레이저를 재료에 포커싱하는 것으로 구성되며, 이 경우, 잉크는 캐비티(3) 내에 막(4) 형태로 배열된다. 레이저가 포커싱되는 방식은 증착된 에너지를 흡수할 볼륨에 직접적으로 영향을 미친다. 이것은 레이저 플루언스(fluence)(표면 또는 볼륨과 관련된 에너지)로 지칭된다. 상기 방법은 희생층을 사용하지 않기 때문에, 레이저 에너지를 흡수하는 것은 잉크 및 그 액체 매질의 대부분이다. 실제로, 레이저 파장 및 에너지의 선택은 막(4)의 흡수 능력에 직접적인 영향을 미친다.
바이오 프린팅의 경우에는, 스펙트럼 레벨에서 잘 알려진 흡수 피크들을 갖는 물로 본질적으로 구성된다. 그러므로, 이러한 최대치들(예컨대, 적외선 흡수 라인들)에 대응하는 레이저 원들을 선택함으로써 이 흡수를 최대화하려고 시도하는 것이 가능해질 것이다. 잉크에 배치된 흡수제(분자, 염료, 입자)들을 통한 흡수를 최대화하려고 시도하는 것이 또한 가능할 수 있다. 본 발명에 예시된 실시예들에서, 사용된 레이저는 10 피코초 내지 400 펨토초 범위의 펄스 지속 시간 동안 그리고 1 내지 40 마이크로주울 사이의 에너지로 1030nm 파장(이테르븀(ytterbium))에서 작동한다. 바람직하게는, 펄스 당 10 내지 14 마이크로주울의 에너지에 대해 10 피코초의 펄스 지속 시간을 갖는 레이저가 사용되었다.
- 제 2 단계는 막 유체(4)에 의한 레이저 빔의 흡수에 따른 재료의 해리의 결과인 플라즈마(81)의 생성에 대응한다. 이 플라즈마는 원자, 이온, 전자, 분자 잔류물의 혼합물로 이루어진다.
그것은 통상적으로 레이저 흡수 후에 수 피코초로 매우 짧은 시간에 생성되며 대략 1 마이크로초 정도의 매우 짧은 "수명" 시간을 갖는다. 플라즈마(81)의 크기, 시공적 역학(spatio-temporal dynamics), "온도" 및 컴포넌트들은 사용된 레이저 펄스의 지속 시간과 매우 밀접하게 관련되어 있다. 후자가 마이크로초 내지 나노초로 소위 "짧은" 체제(regime)에 있는 경우, 플라즈마의 기원(origin)에서의 주요 효과들은 대략 1도 내지 몇 도 정도의 국소 온도 증가들에 따른 선형 흡수 효과들이다. 그것은 열이라고 지칭되는 프로세스이다. 그것은 양호하게 통제되고 작은 공간에서 플라즈마 격납(plasma containment)의 품질에 대해 보다 "거친(coarse)" 것으로 간주된다. 다른 한편으로, 펄스 지속 시간이 소위 "초단파" 체제, 즉 수십 피코초 내지 1 펨토초의 펄스 지속 시간에 대응하는 경우, 플라즈마의 기원에서의 효과들은 선형 및 비선형 효과들의 조합일 것이다.
또한, 펄스 지속 시간이 짧을수록 비선형 효과들이 더 좋아질 것이다. 이러한 체제들을 사용하는 이점은, 온도 상승없이 매우 잘 묶여 있고 매우 작은 공간에서 플라즈마 격납을 보장하기 위해 소위 "비열활성화(athermal)" 프로세스들에 액세스하는 것에 있다. 그러므로, 이 체제는 선험적 세포 생존력 및 분해능에 보다 유리하다. 본 발명의 경우, 주요 결과들은 선형 효과 및 비선형 효과 양방 모두를 혼합하는 체제인 5 내지 10 피코초 사이에서 획득되었다. 이들은 희생층을 이용하지 않으면서 균일한 매질과 콜로이드 매질 양방 모두를 프린팅하는 능력을 증명하였다.
- 제 3 단계는 매질 내에 캐비테이션 버블(82)을 생성하는 것이다. 이 버블은 플라즈마 컴포넌트들을 가압 가스로 재결합한 결과이다. 재조합은 전계 효과들, 복사 및 비-복사 재조합들, 터널 효과들 등과 같은 많은 복잡한 물리적 프로세스들에 기초한다. 캐비테이션은 초기 플라즈마(81)의 크기와 품질에 매우 크게 의존한다. 캐비테이션(82)은 레이저에 의한 흡수 및 플라즈마 생성 후 약 1 마이크로초 후에 출현한다. 그것은 구형을 가질 수 있지만, 세장형(elongated shape)이거나 환형(annular shape)일 수도 있다. 그것은 모두 초기 플라즈마와 그 형상에 의존한다. 그러므로, 레이저의 편광과 초점면에서의 그 에너지의 기하학적 분포는 플라즈마의 형상과 캐비테이션 버블의 형상에 직접적인 영향을 미친다. 따라서, 보다 재현 가능한 결과들을 획득하기 위해, 원형 레이저 편광과 같은 등방성 형태들이 바람직할 것이다.
- 마지막으로, 제 4 단계는 캐비테이션 버블(82)이 성장, 변형, 액체 이동들 등을 야기하는 소위 유체역학적 국면에 대응한다. 이러한 유체역학적 현상들의 상이한 국면들은 이미 Pearson 또는 Wortington의 이론들과 같은 특정 이론들을 통해 이미 부분적으로 알려져 있다. 최종 결과는 액체의 자유 표면에 재료 제트(83)의 생성이다. 액체의 표면 장력, 버블로부터 자유 표면까지의 거리, 액체의 점도는 이 제트(83)의 형상과 역학에 가장 영향력 있는 파라미터들 중 하나들이다.
따라서, 희생층을 이용하지 않는 프린팅은 사용된 레이저 및 잉크 양방 모두와 관련된 매우 많은 파라미터들에 의존할 것이다. 본 발명에 따른 기술된 장비에 의한 잉크 막의 제어는 프린팅 동안 가능한 불균형들(disparities)(침강(sedimentation), 건조, 변동 및 제어되지 않은 두께 등) 중 일부를 조절하는 수단이다. 또한, 압력 및 흡입에 의해 상기 막의 유량 및 두께를 조절하는 가능성들은 제트들의 크기, 형상 및 역학을 조절하는 것을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 이러한 발명에 따르면, 제트들을 조절하는 데 필요한 레이저 파라미터들의 범위를 감소시키는 것이 가능해진다. 이러한 선택의 직접적인 영향은, 그것이 다용도가 아니기 때문에, 그 정의에 있어서 훨씬 더 단순하고 더욱 안정적이며 무엇보다도 훨씬 덜 비싼 레이저를 사용하는 것이다.
도 9는 희생층을 이용하지 않으면서 레이저에 의해 생성된 재료의 실제 제트들을 도시한다. 이 도면에서 4장의 사진들은 각각 레이저 펄스가 잉크 막(4)에 포커싱 된 후의 특정 시간에 대응한다. 첫 번째 사진은 발사 후 5μs 를 촬영했고, 두 번째는 50μs 를 촬영했고, 나머지도 마찬가지이다. 이 쉐도우그래프 이미징 기법은 일반적으로 시간 분해형 이미징이라 지칭된다. 매우 짧은 조명 시간을 이용한 사진 촬영들을 통해 초고속(hyper-fast) 이벤트들을 분석하는 것이 허용된다. 이 일련의 사진들은 위의 도 8에서 설명된 바와 같이 레이저 제트 생성의 원리를 도시한다. 짧은 시간에 걸쳐, 매우 미세한 제 1 제트에 의해 얹혀진 피라미드형 돔의 생성을 볼 수 있고, 그리고 나서 더 긴 시간에 걸쳐, 하나 이상의 드롭(drop)이 두드러지는 훨씬 더 부과된 제트의 상승을 볼 수 있다. 막(4)의 자유 표면과 프린팅할 수용 기판 사이의 거리에 따라, 이들 액적 중 하나 이상이 증착될 것이다. 때때로, 잉크와 프린팅 기판 사이의 거리가 제트가 수용 기판의 표면을 직접 가로막기에 충분할 작은 정도인, 통상적으로 500μm 미만으로 되는 것이 일어날 수도 있다. 이것은 전사 체제(transfer regime)로 지칭된다. 모든 경우들에 있어서, 메카니즘이 액적 증착이든 전사이든, 그것은 순방향 레이저 프린팅이라 지칭될 것이다.
이어지는 도 10, 도 11, 도 12, 도 13 및 도 14는 희생층을 이용하지 않으면서 프린팅할 때 획득된 결과를 도시한다. 이러한 결과들은 본 발명에 사용된 파라미터 세트들인,
- 레이저(피코초 체제, 10 마이크로주울, 근적외선 파장, 편광 등)
- 잉크(점도, 표면 장력, 밀도, 두께 등)
- 시스템(스캔 속도, 사용된 패턴, 초점 등)
은 이전에 증명된 적이 없는 균일 및 불균일 품목들을 프린팅하는 것을 허용한다.
따라서, 도 10은 주로 물로 구성된 균일한 잉크의 희생층을 이용하지 않으면서 재현 가능성이 높은 레이저 프린팅 결과를 나타낸다. 프린팅된 각 드롭은 이미지 상에 작은 원으로 출현한다. (회색 영역을 검은 색 영역으로부터 분리시킨) 큰 원은 이 사진을 촬영하는 데 사용된 현미경에 의해 이미징된 필드에 간략히 대응한다. 프린팅된 드롭들은 통상적으로 직경 100 μm, 간격 500 μm 이다. 이 결과는 본 발명에 따른 장비 내에서 (연속적인 재충전이 없는) 정적 모드에서 획득되었다.
도 11은 각각 5 μm 직경의 물, 계면활성제 및 마이크로비드들로 이루어진 콜로이드 잉크의 희생층을 이용하지 않는 레이저 프린팅의 균일한 결과를 나타낸다. 프린팅 결과는 액적당 평균 2 내지 3개의 소량의 마이크로비드들을 함유하는 액적들을 증착시키는 본 발명의 능력을 나타낸다. 이것은 어떠한 희생층도 이용하지 않는 프린팅이 콜로이드 매질 상에서 매우 높은 분해능 성능을 달성할 수 있다는 증거이다(이것은 이전에 증명된 적이 없다). 이 결과는 본 발명에 따른 장비 내에서 (연속적인 재충전이 없는) 정적 모드에서 획득되었다.
도 12는 세포 잉크(cellular ink)의 어떠한 희생층도 이용하지 않는 레이저 프린팅의 비교적 균일한 결과를 나타낸다. 이 프린팅은 마이크로비드들에 대한 첫 번째 프린팅이다. 그것은 매우 설득력 있고 본 발명에 대한 매우 넓은 사용 분야들을 열어준다. 이미지 상에 보이는 프린팅 불균형은 본질적으로 클러스터들에 침전되고 집합된 슬라이드(3) 상에 사용 및 증착된 잉크의 불균형들과 관련된다. 실제로, 이 결과는 정적 모드에서, 즉 동적 연속 재충전 모드에서 본 발명에 따른 장비를 동작시키지 않은 채로 획득되었다. 이 결과의 주요 목적은 살아있는 세포들을 프린팅하기 위해 금이 없는(gold-free) 프린팅의 능력을 증명하는 것이었다. 다시 말하면, 이 결과는 본 발명에 따른 장비 내에서 (연속적인 재충전이 없는) 정적 모드에서 획득되었다.
도 13은 동적 모드에서 작동하는 본 발명에 따른 장비를 이용하여, 즉 연속적인 재충전으로 작동하는 유체 시스템을 이용하여 획득된 균일한 잉크를 이용하면서 희생층을 이용하지 않는 레이저 프린팅의 비교적 균일한 프린팅 결과를 도시한다.
마지막으로, 도 14는 필요에 따라 최적화되는, 희생층 없는 프린팅 기술의 능력에 대한 다른 예시이다. 실제로, 이 이미지에서, 지금까지 기술된 것과 동일한 조건들 하에서 프린팅된 액적들의 필드는 단지 하나의 차이, 즉 잉크에 혼입된 흡수제의 존재와 함께 보일 수 있다. 이 예에서, 그것은 이러한 실험들에 사용된 레이저의 파장, 즉 1030nm 에서 매우 높은 흡수도를 갖는 천연 생물학적 화합물인 멜라닌이었다. 따라서, 이 화합물의 첨가는 레이저 흡수 이후에 플라즈마 생성 및 최종적으로 캐비테이션 버블의 유체역학을 허용하기 위해 더 낮은 레이저 에너지들에서 작동하는 것을 가능하게 했다. 이 결과는 본 발명에 따른 장비 내에서 (연속적인 재충전이 없는) 정적 모드에서 획득되었다.
다른 실시예의 설명
도 15 내지 도 17은 각각 선택적인 제 1 높이(105)를 갖는 슬라이드(2)의 다른 예 및 평평한 상부 표면을 갖는 메사-형상의 플레이트(100)의 부분 단면도, 사시도 및 평면도를 각각 나타낸다. 이 평평한 표면은 유체와 여기 및/또는 관찰 빔, 예를 들어 레이저 빔 사이의 상호 작용의 영역(100)을 정의한다.
슬라이드는 이 플레이트(100)의 어느 일 측에 횡방향 그루브(110, 120)를 갖는다.
그루브(110, 120)의 각각은 홀(111, 121)을 통해 슬라이드(2)를 수직으로 통과하고 대응 그루브(110, 120)로 각각 개구되는 각각의 덕트(112, 122)와 연통된다.
유체의 흐름은 제 1 횡방향 그루브(110)와 제 2 횡방향 그루브(120) 사이에서 종방향에 대응하는 화살표(105)로 표시된 방향으로 일어난다.
제 1 그루브(110)는 유체 공급을 위해 일반적으로 사용되며, 이는 유체가 흡입될 제 2 그루브(120)로 유동하기 전에 플레이트(100)를 통과한다. 하지만, 플레이트의 표면(100)에서의 교번 유동을 보장하기 위해 유동 방향을 일시적으로 변경하는 것이 또한 가능하다.
튜브들(113, 123)은 전사 가능형 입자들을 반송하는 유체의 공급 및/또는 흡입을 위해 덕트들(111, 121)에 각각 연결된다. 덕트들 중 하나는 다중 방식의 밸브에 의해 다른 유형들의 유체들의 여러 주입구들(114 내지 116)에 연결될 수 있다. 이러한 채널들의 각각은 유속(이를테면, 주사기(syringe) 펌프) 또는 압력으로 작동할 수 있다.
그루브들(110, 120)에 인접하지 않은 플레이트(100)의 다른 2개의 에지들은 구분된 유체 유동 영역을 형성하기 위해 플랜지(130, 140)에 의해 선택적으로 경계가 설정된다. 유사하게, 슬라이드의 외측 측면 에지들은 에지들(150, 160)에 의해 구분된다.
공급 및/또는 흡입 유량의 제어는 프린트 헤드의 개구부에 걸쳐 액체의 균일한 분포를 보장하기 위해 유량을 제어하는 것을 가능하게 한다.
제 1 해결책은 주입구 포트 및 직사각형 배출구를 제공하는 것이며, 주입구 및 배출구 포트들은 도 15 내지 도 17에 나타낸 바와 같이 횡방향 그루브들(110, 120)의 상부 표면에 의해 정의된다.
측면 에지들(130, 140)은 축(105)을 포함하는 평면에서 액체 메니스커스(meniscus)의 형상이 제어될 수 있도록 보장한다. 이들은 물리적 또는 화학적일 수 있다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 액체 막은 에지들에서 유동이 더 높은 유체역학적 저항을 갖도록 에지들에서 완전히 평평하거나 더 얇은 두께를 갖는다.
이 해결책은 또한 다음을 포함할 수 있다:
- 액체의 두께를 제어할 수 있는 상이한 요소들
- 접촉 라인들의 잉킹(inking)이 용이한 상류 및 하류 벽들(150, 160)
- 상호 작용 영역에서 막의 두께를 감소시키기 위해 막을 상승시키기 위한 중앙 플랫폼(100).
유체의 성질을 바꾸는 다른 해결책은 전사 가능형 입자들을 함유하는 유체와 불활성 액체 사이를 바꾸는 것이다.
다른 해결책은 적어도 2개의 채널들을 갖는 액체 배출 파이프로 구성된다.
그런 다음, 동작은 다음과 같다:
초기화의 단계 1: 주입 지점과 배출 지점을 연결하는 프린트 헤드 상에 액체 브리지를 생성하기 위해 제어 프로세스가 설정된다.
제 1 해결책은 카트리지들로부터 주입 및 배출 지점으로부터의 헤드로 액체를 주입하는 것이다.
다른 해결책은 카트리지들로부터 오직 주입 지점으로부터의 헤드로 액체를 주입하는 것이다.
다른 해결책은 프린트 헤드의 개구부가 완전히 젖을 수 있는 텍스처(texture)를 사용하는 것이다.
자동화 단계 2: 일단 액체 브릿지가 생성되면, 주입 지점으로부터 또는 배출 지점으로부터 액체를 제거함으로써 막 두께가 제어된다.
실시예의 제 1 예는 연속적인 유동을 확립하고 주입 지점과 배출 지점 사이에 유속을 부과함으로써 막의 두께를 제어한다.
실시예의 다른 예는 연속적인 유동을 확립하고 주입 지점과 배출 지점 사이에 압력차를 부과함으로써 막의 두께를 제어한다.
실시예의 다른 예는 배치(batch) 모드에서 동작한다:
- 주입 지점으로부터 부과된 볼륨의 주입
- 그런 다음, 주입 또는 배출 지점으로부터 액체를 제거함으로써 원하는 두께를 조정.
이 동작은 주기적으로 반복된다.
프린트 헤드 상의 액체 막을 보다 잘 제어하기 위해 센서들이 통합될 수 있다.
실시예의 일 예는 공초점형(confocal) 시스템을 사용하여 막의 두께를 측정한다. 실시예의 다른 예는 주입 및 배출 덕트들 상에서 광학 검출 시스템을 사용한다. 유리한 개발예는 특히 탈출 경로 상에서 버블들의 통과를 검출하는 것을 가능하게 한다. 유리한 개발예는 특히 주입 경로 상에서 농도들을 검출하는 것을 가능하게 한다.

Claims (23)

  1. 제트(jet)로 하여금 타겟(11)을 향해 배향되게 하기 위해, 슬라이드(2)를 덮는 유체와 포인트 상호 작용을 생성하는 배향 가능형 에너지 여기 수단을 포함하는 적층형(additive) 프린팅 장비로서,
    상기 유체는 전사 가능형 불균일성분들을 함유하는 액체 벡터로 구성되며,
    - 상기 유체는 500μm 미만의 두께를 갖는 액체 막(4)을 형성하고,
    - 적어도 하나의 주입구(7)가 개구되는, 레이저와의 상호 작용을 허용하는 적어도 하나의 구역(3)을 갖는 상기 슬라이드(2) 상에서, 상기 상호 작용 구역(3)은 적어도 하나의 배출구(9)로 개구되며,
    - 상기 장비는 상기 주입구(7)와 상기 배출구(9) 사이에 유체를 순환시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 막(4)의 두께는 20 내지 100μm인 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 막(4)의 두께는 상기 전사 가능형 입자들의 공칭 크기(nominal size)의 3 내지 10배인 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상호 작용 구역(3)의 표면은 0.05mm2 보다 큰 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 주입구(7)는 상기 상호 작용 구역(3)의 측면 부분으로 개구되는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상호 작용 구역(3)은 상기 배출구(9)로 측방향으로 개구된 주변부를 갖는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 주입구(7) 및 상기 배출구(9)는 상기 상호 작용 구역(3)에 연결된 관형 채널들로 구성되는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 주입구(7)와 상기 배출구(9) 사이에 유체를 순환시키기 위한 상기 수단은, 상기 상호 작용 구역에서 유체의 흐름을 제어하기 위해 주입 속도(또는 상기 유체에 가해지는 양압) 및 흡입 속도(또는 상기 유체에 가해지는 부압)를 제어하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 주입 속도 및 상기 흡입 속도를 제어하기 위한 상기 수단은, 상기 상호 작용 구역(3)에서 상기 막(4)의 두께를 제어하기 위해, 상기 막(4)의 두께를 측정함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  10. 제 1 항에 있어서,
    주입구(7) 및 배출구(9)를 각각 포함하는 복수의 상호 작용 구역들을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 상호 작용 구역들 중 적어도 2개는 공통의 주입구들(7) 및/또는 배출구들(9)을 갖는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 여기 수단은 레이저로 구성되는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 상호 작용 구역은 상기 레이저 및 이미징의 파장 대역에서 투명하며, 어떠한 희생층도 갖지 않는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 유체는 레이저의 방출 파장에서 흡수성 안료로 충전되는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 불균일성분들의 밀도의 함수로서 상기 레이저를 제어하기 위한 상기 상호 작용 구역을 이미징하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저는 20 내지 40 마이크로주울의 에너지 레벨로 피코초 또는 펨토초 모드에서 펄스들을 방출하고, 상기 펄스 당 에너지 레벨은 상기 상호 작용 구역에 존재하는 유체 특성의 측정의 결과에 따라 컴퓨터에 의해 제어되며, 상기 측정은 불균일성분들에 있어서의 밀도, 및/또는 점도, 및/또는 막 두께(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저는 0.5 내지 20 밀리주울의 에너지 레벨로 나노초 체제에서 펄스들을 방출하고, 상기 펄스 당 에너지 레벨은 상기 상호 작용 구역에 존재하는 유체 특성의 측정의 결과에 따라 컴퓨터에 의해 제어되며, 상기 측정은 불균일성분 밀도, 및/또는 점도, 및/또는 막 두께(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 여기 수단은 음파 발생기로 구성되는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  19. 삭제
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 상호 작용 구역을 이미징하고, 전사될 입자의 유형을 선택하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬라이드(2)는 메사-형상의(mesa-shaped) 플레이트(100)를 가지며, 그 상부 표면은 상기 유체와 상기 레이저 사이의 상호 작용을 허용하는 구역을 정의하고, 상기 슬라이드(2)는 상기 플레이트(100)의 어느 일 면 상에 횡방향 그루브(110, 120)를 가지며, 상기 그루브들(110, 120)의 각각은 홀(111, 121)을 통해 상기 슬라이드(2)를 각각 수직으로 횡단하고 대응 그루브(110, 120)로 각각 개구되는 덕트(112, 122)와 연통하는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 장비.
  22. 제트로 하여금 타겟(11)을 향해 배향되게 하기 위해 슬라이드(2)를 덮는 유체와 포인트 상호 작용을 생성하는 배향 가능형 에너지 여기 수단을 포함하는 장비에 의한 적층형(additive) 프린팅 프로세스로서,
    상기 유체는 전사 가능형 불균일성분들을 함유하는 액체 벡터로 구성되며,
    상기 유체는 레이저와의 상호 작용을 허용하고 적어도 하나의 주입구(7)가 개구되는 적어도 하나의 구역을 갖는 상기 슬라이드(2)의 주입구 덕트(7)와 배출구 덕트(9) 사이를 순환하고 500μm 미만의 두께의 액체 막(4)을 형성하는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 프로세스.
  23. 제 22 항에 있어서,
    펄스 당 에너지 레벨은 상기 상호 작용 구역에 존재하는 유체의 특성의 측정의 결과의 함수로서 컴퓨터에 의해 제어되고, 상기 측정은 입자 밀도, 및/또는 점도, 및/또는 막 두께(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 프린팅 프로세스.
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