KR20040086420A

KR20040086420A - 초미세 유체 제트장치

Info

Publication number: KR20040086420A
Application number: KR10-2004-7013010A
Authority: KR
Inventors: 무라타가즈히로
Original assignee: 도꾸리쯔교세이호진 상교기쥬쯔 소고겡뀨죠
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2004-10-08
Also published as: JP3975272B2; EP1477230A1; KR100625015B1; EP1477230A4; TWI224029B; US20050116069A1; JP2004165587A; AU2003211392A1; WO2003070381A1; EP1477230B1; CN1635933A; US7434912B2; TW200307577A; CN1330429C

Abstract

용액이 공급되는 초미세지름의 노즐의 앞끝단에 근접하여 기판을 배설하는 동시에, 상기 노즐내의 용액에 임의파형전압을 인가함에 의해 상기기판표면에 초미세지름의 유체액체방울을 토출하는 초미세 유체 제트장치로 서, 노즐의 소지름화에 따르는 노즐앞끝단 근방에서의 전계강도가, 노즐과 기판사이에 작용하는 전기장에 비교해서, 충분히 큰 노즐을 구비하여, 맥스웰응력 및 일렉트로웨팅효과 (electrowetting effect)를 이용하는 동시에, 노즐의 소지름화 등에 의해 컨덕턴스(conductance)를 낮추고, 전압에 의한 토출량의 제어성을 증가시키고, 또한, 하전(荷電)액체방울에 의한 증발의 완화와, 전계에 의한 액체방울의 가속을 사용함으로써, 착탄정밀도를 비약적으로 높이는 초미세 유체 제트장치.

Description

초미세 유체 제트장치{ULTRA-SMALL DIAMETER FLUID JET DEVICE}

종래의 잉크젯기록방식으로서는, 초음파진동에 의해, 항상 잉크를 액체방울형상으로 노즐로부터 가압분사시켜, 이 비상(飛翔)잉크방울을 대전시켜, 전기장(electric field)에 의해 편향시킴으로써 연속적으로 기록하는 연속방식(예를 들면, 특허공개소화 41-16973호 공보 참조), 적시에 잉크방울을 비상시키는 드롭 온 디맨드(drop-on-demand)방식 등으로, 잉크토출부와 기록지 사이에 전위를 인가하여, 정전력에 의해 잉크토출구로부터 잉크방울을 끌어내어 기록지에 부착시키는 정전흡인방식(예를 들면, 특허공개 소화 36-13768호 공보, 일본 특허공개 2001-88306호 공보 참조), 피에조변환방식 혹은 버블제트(등록상표)방식(서멀방식) 등의 열변환방식(예를 들면, 특허공개 소화 61- 59911공보 참조) 등이 알려지고 있다.

또한, 종래의 잉크젯장치의 묘획방식(drawing system)에는 주사선을 사용하여 1장의 화상을 표시하는 래스터 스캔(raster scan)방식이 사용되어 왔다.

그러나, 상기한 종래의 잉크젯기록방식에는 다음과 같은 문제가 있었다.

(1)초미세액체방울의 토출이 곤란하다.

현재, 실용화되어 널리 사용되고 있는 잉크젯방식(피에조방식이나, 서멀방식)에서는, 1pl을 밑도는 것과 같은 미소량의 액체의 토출은 곤란하다. 이 이유는, 노즐이 미세하게 될수록 토출에 필요한 압력이 커지기 때문이다.

또한, 정전흡인방식에서는, 예를 들면 특허공개소화 36-13768호 공보에 기재된 노즐내지름은 0.127mm이고, 일본 특허공개 2001-88306호 공보에 기재된 노즐의 개구지름은 50∼2000㎛, 바람직하게는 100∼1000㎛로 되어 있고, 50㎛ 이하의 초미세액체방울의 토출은 불가능하다고 생각되고 있다.

또한, 후에 언급하는 바와 같이, 정전흡인방식에 있어서는, 미세액체방울의 실현를 위해서는 구동전압의 제어에 극도의 정밀도가 요구되었다.

(2)착탄정밀도(touchdown accuracy)의 부족

노즐로부터 토출한 액체방울에 부여되는 운동에너지는, 액체방울반지름의 3승에 비례하여 작아진다. 이 때문에, 미세액체방울은 공기저항에 견디는 정도의 충분한 운동에너지를 확보할 수 없고, 공기대류 등에 의해, 정확한 착탄을 기대할 수 없다. 또한, 액체방울이 미세하게 될수록, 표면장력의 효과가 증가하기 때문에, 액체방울의 증기압이 높아져서 증발량이 심하게 된다. 이 때문에 미세액체방울은, 비상중의 현저한 질량의 소실을 초래하여, 착탄시에 액체방울의 형태를 유지하는 것조차 어렵다고 하는 사정이 있었다.

이상과 같이 액체방울의 미세화와 착탄위치의 고정밀도화는, 상반하는 과제로, 양쪽을 동시에 실현하는 것은 곤란하였다.

이 착탄위치정밀도의 단점은, 인자화질(printing quality)을 저하시킬 뿐만 아니라, 예를 들면 잉크젯기술에 의해 도전성 잉크를 사용하여 회로의 배선패턴을 묘획할 때 등에는 특히 큰 문제가 된다. 즉, 위치정밀도의 단점은 원하는 굵기의 배선을 묘획할 수 없을 뿐만 아니라, 단선이나 쇼트가 생기는 것조차 있을 수 있다.

(3)구동전압의 저하가 곤란

상술한, 피에조방식이나 서멀방식과 다른 토출방식인 정전흡인방식(예를 들면 특허공개소화 36-13768호 공보)에 의한 잉크젯기술을 사용한 경우, 전기장에 의한 운동에너지의 부여가 가능하지만, 1000V를 넘는 고전압에 의해 구동하기 때문에, 장치의 소형화에 한계가 있었다. 또한, 일본 특허공개 20001-88306호 공보에 기재된 것에서는, 1∼7 리터가 바람직하다고 기재되어 있지만, 그 실시예에서는 5kV로 되어 있다. 초미세액체방울을 토출하고, 또한 높은 스루풋을 실현시키기 위해서는, 헤드의 멀티화, 고밀도화가 중요한 요소가 된다. 그러나, 종래의 정전흡인형 잉크젯방식의 구동전압은, 1000V 이상으로, 상당히 높기 때문에 각 노즐사이에서의 전류의 누전이나 간섭이 일어나는 등 소형화 고밀도화는 어려워, 구동전압의 저하가 과제이었다. 또한, 1000V를 넘는 것과 같은 고전압의 파워반도체는 일반적으로 고가이고 주파수응답성도 낮다. 여기서, 구동전압이란, 노즐전극에 인가하는 총 인가전압을 말하며, 바이어스전압과 신호전압의 총합이다(본 명세서에 있어서는, 특별히 언급하지 않은 한, 총인가전압을 가리킨다.). 종래 기술로서, 바이어스전압을 높게 함으로써, 신호전압을 내리는 것이 행하여지고 있지만, 이 경우 바이어스전압에 의해 잉크용액중의 용질의 노즐면으로의 집적이 발생하기 쉽고, 또한 잉크나 전극의 전기화학적인 반응이 생기는 것 등에 의해, 잉크의 고착이 발생하여 노즐이 가득차거나, 전극이 소모되어 버리는 등의 문제가 있다.

(4)사용가능 기판의 제한과 전극의 레이아웃

종래의 정전흡인형 잉크젯방식(예를 들면 특허공개 소화 36-13768호 공보)에서는, 기록매체로서는 종이가 상정되어 있고, 인자매체의 배면에는 도전성의 전극이 필요하게 되고 있다. 도전성기판을 인자매체로서 인자하는 보고도 있지만, 이 경우 다음과 같은 문제가 있다. 도전성 잉크를 사용하여 잉크젯장치에 의해 회로패턴을 형성하는 경우, 오직 도전성기판상에만 인자가 가능하다면, 그대로는 배선으로서는 사용하는 것은 불가능하고, 그 용도는 현저히 제한된다. 이 때문에, 유리나 플라스틱 등, 절연성의 기판상에도 인자 가능한 기술이 필요하였다. 또한, 종래 기술 중에는, 유리 등의 절연성기판을 사용하고 있는 보고예도 있지만, 표면에 전기전도성의 막을 설치하거나, 혹은 배면에 대향전극을 설치하여, 절연성기판의 두께를 얇게 하는 등, 사용가능한 기판이나 레이아웃에 제한이 있었다.

(5)토출제어의 불안정성

종래의 드롭 온 디맨드(drop-on-demand)형 정전흡인형 잉크젯방식(예를 들면 특허공개 소화 36-13768호 공보)에서는, 토출의 제어는 인가전압의 ON/OFF에 의해서 행하여지는 방식, 혹은, 어느 정도의 직류 바이어스전압을 인가해 두고, 그것에 신호전압을 겹치는 것에 따라 행하여지는 진폭변조방식이 사용되고 있다. 그러나,총인가전압이 1000V 이상으로 높기 때문에, 사용하는 파워반도체소자는 주파수응답성이 나빠 고가인 것을 사용하지 않을 수 없다. 또한, 토출하지 않을 정도의 일정한 바이어스전압을 인가해 두고, 그것에 신호전압을 겹침으로서 토출제어를 하는 방법도 자주 사용되지만, 바이어스전압이 높은 경우에는, 안료성 잉크를 사용한 경우에 토출휴지시에 잉크내부의 입자의 응집이 진행되거나, 전극이나 잉크가 전기화학반응을 일으키는 것에 의해 노즐이 가득차기 쉬워지는 등의 현상이 일어나기 쉽고, 토출휴지 후, 다시 토출시작할 때의 시간응답성이 나쁘고, 또한 액체량도 불안정하게 되는 등의 문제가 있었다.

(6)구조의 복잡함

종래의 잉크젯기술은 구조가 복잡하고, 제조비용이 높다. 특히 산업용 잉크젯시스템은 상당히 고가이다.

종래의 정전흡인형 잉크젯, 특히 온 디맨드(on-demand)형 정전흡인잉크젯의 설계요인으로서는, 잉크액체의 도전성(예를 들면 비저항 10⁶∼10¹¹Ωcm), 표면장력(예를 들면, 30∼40dyn/cm), 점도(예를 들면 = 11∼15cp), 인가전압(전기장)으로서는, 노즐에 인가하는 전압과, 노즐과 대향전극사이의 거리가 특히 중요하게 되고 있었다. 예를 들면 상기의 선행기술(일본 특허공개 2001-88306호 공보)의 경우, 양호한 인자로 하기 위해서 안정인 메니스커스(meniscus)의 형성을 위해서는, 기판과 노즐사이의 거리를 0.1mm∼10mm, 보다 바람직하게는 0.2mm∼2mm으로 한 쪽이 좋다고 되어 있고, 거리가 0.1mm보다도 좁으면 안정한 메니스커스를 형성할 수 없어,바람직하지 않다고 되어 있었다.

또한, 노즐지름으로 생성되는 액체방울의 관계도 명확하지 않았다. 이것은, 정전흡인방식으로 꺼내어지는 액체방울은, 테일러 콘(taylor cone)이라고 불리는 정전력에 의해 형성되는 반달형상의 액체의 정상부로부터 꺼내어져서, 노즐지름보다도 가느다란 유체 제트가 되는 것이 주된 이유이다. 이 때문에, 오히려 노즐에 있어서의 막힘(clogging)을 줄이기 위해 어느 정도 큰 노즐지름을 허용하는 것이 행하여져 왔다(예를 들면 특허공개 평성 10-315478호 공보, 특허공개 평성 10-34967호 공보, 일본 특허공개 2000-127410호 공보, 일본 특허공개 2001-88306호 공보 등).

종래의 정전흡인형 잉크젯방식은, 전기유체 역학적인 불안정성을 이용하고 있다. 도 1(a)에 이 모양을 모식도로서 나타낸다. 이 때 전기장은, 노즐(101)과 h만큼 거리를 두고 놓여지는 대향하는 전극(102)의 사이에 전압 V를 인가하였을 때에 발생하는 전기장 Eo로 한다. 일정한 전기장 속에 도전성 액체(100a)를 정치하면, 도전성액체의 표면에 작용하는 정전력이 표면을 불안정하게 하여, 테일러콘(100b, taylor cone)의 성장을 재촉한다(테일러콘 현상(taylor cone phenomenon)). 이 때의 성장파장 λc는, 물리적으로 이끄는 것이 가능하고, 다음식으로 나타난다(예를 들면, 화상전자정보학회, 제 17 권, 제 4 호, 1988년, p.185-193).

여기서, γ: 표면장력(N/m), ε₀: 진공의 유전율(F/m), E₀: 전계의 강도(V/m)이다. 또한, d는 노즐지름(m)이다. 또한, 성장파장 λc란, 액체의 표면에 작용하는 정전력에 의해 초래되는 물결 속에서, 성장할 수 있는 파장이 가장 짧은 것을 말한다.

도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 노즐지름 d(m)가, λ_c/2(m)보다도 작은 경우, 성장은 일어나지 않는다. 즉,

이 토출하기 위한 조건이 되어 있었다.

여기서, E₀는 평행한 평판을 가정한 경우의 전계강도(V/m)이고, 노즐과 대항전극사이 거리를 h(m), 노즐에 인가하는 전압을 V로 하고

따라서,

표면장력 γ= 20 mN/m 및 γ= 72 mN/m 에 있어서, 종래의 방법의 사고방식에 의한 토출에 필요한 전계강도 E를 노즐지름 d에 대하여 플롯하여, 도 2에 나타내었다. 종래 방법에 있어서의 사고방식으로서는, 전계강도는, 노즐에 인가하는 전압과, 노즐과 대향전극사이의 거리에서 결정된다. 이 때문에, 노즐지름의 감소는, 토출에 필요한 전계강도의 증가가 요청된다. 종래의 정전흡인형 잉크젯에 있어서의, 전형적인 동작조건을 맞춰 계산하여 보면, 표면장력 γ: 20 mN/m, 전계강도 E : 10⁷V/m에서는, λc는, 140㎛이 된다. 즉 한계 노즐지름으로서 70㎛이라는 값을 얻을 수 있다. 즉, 상기의 조건하에서는 10⁷V/m의 강전계를 사용하더라도 노즐지름이 지름 70㎛ 이하인 경우는, 배압을 부가하여 강제적으로 메니스커스를 형성시키는 등의 처치를 취하지 않는 한, 잉크의 성장은 일어나지 않고, 정전흡인형 잉크젯은 성립하지 않는다고 생각되고 있었다. 즉, 미세노즐과 구동전압의 저전압화는 양립하지 않는 과제라고 생각되고 있었다. 이 때문에, 종래 저전압화의 해결책으로서는, 대향전극을 노즐직전에 배치하여, 노즐대향전극문의 거리를 단축함으로써 저전압화를 꾀하는 방법 등이 취해져 왔다.

본 발명은, 초미세지름의 유체토출구멍 근방에 전압을 인가하여 초미세인 유체를 기판에 토출시키는 초미세 유체 제트장치에 관한 것으로, 특히, 도트형성, 금속미립자에 의한 배선패턴형성, 강유전성 세라믹스 패터닝형성 혹은 도전성고분자 배향형성 등에 이용할 수 있는 초미세 유체 제트장치에 관한 것이다.

도 1(a)은, 종래의 정전흡인형 잉크젯방식에 있어서의, 전기유체 역학적인 불안정성에 의한 테일러콘 현상에 의한 성장의 원리를 모식적으로 나타내는 설명도이다. 도 1(b)은, 테일러콘 현상이 일어나지 않은 경우를 모식적으로 나타내는 설명도이다.

도 2는, 종래 기술의 잉크젯기술의 설계지침에 따라서 계산한, 토출에 필요한 전계강도를, 노즐지름에 대하여 나타내는 그래프이다.

도 3은, 본 발명에 있어서의, 노즐의 전계강도의 계산을 설명하기 위해서 나타내는 모식도이다.

도 4는, 본 발명에 있어서의, 표면장력압력과 정전적(靜電的) 압력의 노즐지름의존성의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 5는, 본 발명에 있어서의, 토출압력의 노즐지름의존성의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 6은, 본 발명에 있어서의, 토출한계전압의 노즐지름의존성의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 7은, 본 발명에 있어서의 하전(荷電)액체방울과 기판의 사이에 작용하는 이미지력(image force)과 노즐-기판사이거리의 상관의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 8은, 본 발명에 있어서의 노즐로부터 유출하는 유량과 인가전압과의 상관의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 9는, 본 발명의 일실시형태의 초미세 유체 제트장치의 설명도이다.

도 10은, 본 발명의 다른 실시형태의 초미세 유체 제트장치의 설명도이다.

도 11은, 본 발명의 일실시형태에 있어서의 토출시작전압의 노즐지름의존성을 나타내는 그래프이다.

도 12는, 본 발명의 일실시형태에 있어서의 인자 도트지름의 인가전압의존성을 나타내는 그래프이다.

도 13은, 본 발명의 일실시형태에 있어서의 인자 도트지름의 노즐지름의존성의 상관을 나타내는 그래프이다.

도 14는, 본 발명의 일실시형태의 초미세 유체 제트장치에 있어서의 거리-전압의 관계에 의한 토출조건의 설명도이다.

도 15는, 본 발명의 일실시형태의 초미세 유체 제트장치에 있어서의 거리제어에 의한 토출조건의 설명도이다.

도 16은, 본 발명의 일실시형태에 있어서의 토출시작전압의 노즐-기판간 거리의존성을 나타내는 그래프이다.

도 17은, 본 발명의 일실시형태의 초미세 유체 제트장치에 있어서의 거리-주파수의 관계에 의한 토출조건의 설명도이다.

도 18은, 본 발명의 일실시형태의 초미세 유체 제트장치에 있어서의 교류전압제어패턴도이다.

도 19는, 본 발명의 일실시형태에 있어서의 토출시작전압의 주파수 의존성을 나타내는 그래프이다.

도 20은, 본 발명의 일실시형태에 있어서의 토출시작전압의 펄스폭 의존성을 나타내는 그래프이다.

도 21은, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 초미세 도트형성예를 나타내는 사진이다.

도 22는, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 배선패턴의 묘획예를 나타내는 사진이다.

도 23은, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 금속초미립자의 배선패턴형성예를 나타내는 사진이다.

도 24는, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 카본 나노튜브 및 그 전구체(precursor) 및 촉매배열예를 나타내는 사진이다.

도 25는, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 강유전성 세라믹 및 그 전구체의 패터닝예를 나타내는 사진이다.

도 26은, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 고분자 및 그 전구체의 고배향화(high-degree alignment)예를 나타내는 사진이다.

도 27(a)∼(b)은, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 고분자 및 그 전구체의 고배향화의 설명도이다.

도 28은, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 존 리파이닝(zone refining)의 설명도이다.

도 29는, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 마이크로 비드 매니퓨레이션의(micro-bead manipulation) 설명도이다.

도 30(a)∼(g)은, 본 발명의 초미세 유체 제트장치를 사용한 액티브탭핑장치의 설명도이다.

도 31은, 본 발명의 초미세 유체 제트장치를 사용한 액티브 탭핑장치에 의한 입체구조형성예를 나타내는 사진이다.

도 32(a)∼(c)는, 본 발명의 초미세 유체 제트장치를 사용한 세미컨택트 프린트장치의 설명도이다.

[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]

본 발명에 의하면, 이하의 수단이 제공된다.

(1)용액이 공급되는 초미세지름의 노즐의 앞끝단에 근접하여 기판을 배설하는 동시에, 상기 노즐내의 용액에 임의파형전압을 인가하여 상기 기판표면에 초미세지름의 유체액체방울을 토출하는 초미세 유체 제트장치로서, 상기 노즐의 안지름을 0.01㎛∼25㎛로 하고, 노즐앞끝단에 집중하는 집중전계강도를 높이는 것에 의해, 인가하는 전압을 저전압화한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.

(2)상기 노즐을 전기절연재로 형성하여, 노즐내의 용액에 담가지도록 전극을 배치, 또는, 노즐내에 도금, 증착 등에 의해 전극을 형성한 것을 특징으로 하는 (1)항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(3)상기 노즐을 전기절연재로 형성하여, 상기 노즐내에 전극을 삽입 혹은 도금형성하는 동시에 상기 노즐의 바깥쪽에 전극을 설치한 것을 특징으로 하는 (1)항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(4)상기 노즐이 유리제의 미세모세관인 것을 특징으로 하는 (1)∼(3)중 어느1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(5)저 컨덕턴스의 유로를 상기 노즐에 접속하거나, 또는 상기 노즐자신을 저 컨덕턴스의 형상으로 한 것을 특징으로 하는 (1)∼(4)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(6)상기 기판이 도전성재료 또는 절연성재료에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 (1)∼(5)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(7)상기 노즐과 상기 기판과의 거리가 500㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 (1)∼(6)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(8)상기 기판을 도전성 또는 절연성의 기판 홀더에 얹어 놓은 것을 특징으로 하는 (1)∼(5) 중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(9)상기 노즐내의 용액에 압력을 부가하도록 한 것을 특징으로 하는 (1)∼(8)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(10)상기 인가하는 전압을 1000V 이하로 하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(9)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(11)상기 노즐 안전극 또는 상기 노즐 바깥전극에 임의파형전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 (2)∼(10)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(12)상기 인가하는 임의파형전압을 발생하는 임의파형전압발생장치를 설치한 것을 특징으로 하는 (11)항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(13)상기 인가하는 임의파형전압을 직류로 한 것을 특징으로 하는 (11) 또는 (12)항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(14)상기 인가하는 임의파형전압을 펄스파형으로 한 것을 특징으로 하는 (11) 또는 (12)항 기재된 초미세 유체 제트장치.

(15)상기 인가하는 임의파형전압을 교류로 한 것을 특징으로 하는 (11) 또는 (12)항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(16)상기 노즐에 인가하는 임의파형전압 V(volt)를

으로 나타나는 영역에서 구동하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(15)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

다만, γ: 유체의 표면장력(N/m), ε₀: 진공의 유전율(F/m), d : 노즐지름(m), h : 노즐-기판사이거리(m), k : 노즐형상에 의존하는 비례정수(1.5 < k < 8.5)로 한다.

(17)상기 인가하는 임의파형전압이 700V 이하인 것을 특징으로 하는 (1)∼(16)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(18)상기 인가하는 임의파형전압이 500V 이하인 것을 특징으로 하는 (1)∼(16)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(19)상기 노즐과 상기 기판사이의 거리를 일정하게 하는 동시에 상기 인가하는 임의파형전압을 제어함에 의해 유체액체방울의 토출을 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 (1)∼(18)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(20)상기 인가하는 임의파형전압을 일정하게 하는 동시에 상기 노즐과 상기기판사이의 거리를 제어함에 의해 유체액체방울의 토출을 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 (1)∼(18)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(21)상기 노즐과 상기 기판사이의 거리 및 상기 인가하는 임의파형전압을 제어함에 의해 유체액체방울의 토출을 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 (1)∼(18)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(22)상기 인가하는 임의파형전압을 교류로 하여, 해당 교류전압의 진동수를 제어함에 의해 노즐단면에 있어서의 유체의 메니스커스형상을 제어하여, 유체액체방울의 토출을 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 (15)항기재의 초미세 유체 제트장치.

(23)토출제어를 할 때의 동작주파수를, f = σ/2πε

로 나타나는 주파수를 끼우는 것과 같은 주파수 f(Hz)로 변조함에 의해 온-오프 토출제어를 하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(22)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

다만, σ: 유체의 도전율(S·m^-1), ε: 유체의 비유전율로 한다.

(24)단일펄스에 의해서 토출하는 경우,

에 의해 결정되는 시정수 τ이상의 펄스폭 Δt를 인가하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(22)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

다만, ε: 유체의 비유전율, σ: 유체의 도전율(S·m^-1)로 한다.

(25)원통형의 유로에 있어서의 유량 Q가,

로 나타나는 것에 있어서, 구동전압인가시의 단위시간당의 유량이 10¹⁰㎥/s 이하가 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(22)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

다만, d : 유로의 지름(m), η: 유체의 점성계수(Pa·s), L : 유로의 길이(m), ε₀: 진공의 유전율(F·m^-1), V : 인가전압(V), γ: 유체의 표면장력(N·m^-1), k : 노즐형상에 의존하는 비례정수(1.5 < k < 8.5)로 한다.

(26)배선패턴의 형성에 사용하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(25)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(27)금속초미립자의 배선패턴의 형성에 사용하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(25)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(28)카본 나노튜브 및 그 전구체 및 촉매배열의 형성에 사용하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(25)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(29)강유전성 세라믹 및 그 전구체의 패터닝의 형성에 사용하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(25)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(30)고분자 및 그 전구체의 고배향화에 사용하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(25)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(31)존 리파이닝(zone refining)에 사용하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(25)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(32)마이크로 비드 매니퓨레이션(micro-bead manipulation)에 사용하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(25)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(33)상기 노즐을 상기 기판에 대하여 액티브 탭핑시키는 것을 특징으로 하는 (1)∼(32)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(34)입체구조의 형성에 사용하는 것을 특징으로 하는 (33)항에 기재의 초미세 유체 제트장치.

(35)상기 노즐을 상기 기판에 대하여 비스듬히 배치하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(32)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(36)벡터 스캔(vector scan)방식을 채용한 것을 특징으로 하는 (1)∼(35)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(37)래스터 스캔(raster scan)방식을 채용한 것을 특징으로 하는 (1)∼(35) 중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

(38)상기 기판상에 폴리비닐페놀(PVP)에탄올용액을 스핀코트하여 기판의 표면을 개질한 것을 특징으로 하는 (1)∼(37)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.

본 발명의 초미세 유체 제트장치의 노즐안지름벽 0.01∼25㎛이고, 바람직하게는 0.01∼8㎛ 이다. 또한, '초미세지름의 유체액체방울'은, 지름이 통상 100㎛ 이하, 바람직하게는 10㎛ 이하의 액체방울이다. 더욱 구체적으로 말하면, 0.0001㎛∼10㎛, 보다 바람직하게는 0.001㎛∼5㎛의 액체방울이다.

또한, 본 발명에 있어서 '임의의파형전압'이란, 직류, 교류, 단극성 단일펄스, 단극성 복수펄스, 양극성 복수펄스열 또는 그것들의 조합을 의미하는 것이다.

또한, 절연성의 노즐내의 액체에 직접전압을 인가하면, 노즐의 형상에 따라서 전계가 생겨, 이 때의 전계강도는, 노즐로부터 기판으로 뽑아 이어진 전기력선의 밀도에 의해 개념상 나타난다. 본 발명에 있어서, '노즐앞끝단에 집중한다」란, 이 때 노즐앞끝단부의 전기력선의 밀도가 높아져서, 노즐앞끝단부에서 국소적으로 전계강도가 높은 상태가 되는 것을 의미하는 것이다.

또한, '집중전계강도'란, 전기력선의 밀도가 높아져서, 국소적으로 높은 상태의 전계강도를 의미하는 것이다.

'집중전계강도를 높인다'란, 최저전계강도로서, 노즐의 형상에 기인하는 성분(E_1oc), 노즐-기판사이거리에 의존하는 성분(E₀), 또는 그것들의 합성성분이, 바람직하게는, 1 ×10⁵V/m 이상, 보다 바람직하게는 1 ×10⁶V/m 이상의 전계강도로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 있어서, '저전압화'란, 구체적으로는 전압을 1000V보다 낮은 전압으로 하는 것을 의미한다. 이 전압은, 바람직하게는 700V 이하, 더욱 바람직하게는 500V 이하, 보다 바람직하게는 300V 이하로 하는 것이다.

이하에 본 발명을 더욱 설명한다.

(구동전압저하 및 미소량 토출실현의 방법)

다양한 실험과 고찰을 거듭한 결과, 구동전압저하 및 미소량 토출실현을 위한 토출조건 등을 근사적으로 나타내는 식을 도출하였기 때문에 이하에 서술한다.

도 3은, 지름 d(본 명세서에 있어서는, 특별히 언급하지 않는 한 노즐의 앞끝단부의 안지름을 가리킨다.)의 노즐에 도전성 잉크를 주입하여, 무한 평판도체로부터 h의 높이에 수직으로 위치시킨 모양을 모식적으로 나타낸 것이다. 지금, 대향전극, 혹은 도전성 기판을 생각한다. 그리고 그것보다 높이 h에 대하여 노즐을 설치한다. 또한, 기판면적이 노즐-기판사이의 거리 h에 대하여, 충분히 크다고 가정한다. 이때, 기판을 무한평판도체로서 근사할 수가 있다. 또, 도 3중, r은 무한평판도체와 평행방향을 나타내고, Z는 Z축(높이)방향을 나타내고 있다. 또한, L은 유로의 길이를, p는 곡율반경을 각각 나타내고 있다.

이 때, 노즐앞끝단부에 유기되는 전하는, 노즐앞끝단의 반구부에 집중한다고 가정하여, 이하의 식으로 근사적으로 나타난다.

여기서, Q : 노즐앞끝단부에 유기되는 전하(C), ε₀: 진공의 유전율(F·m^-1), d : 노즐의 지름(m), V : 노즐에 인가하는 총전압(V)이다. α: 노즐형상 등에 의존하는 비례정수로, 1∼1.5 정도의 값을 취하여, 특히 d < < h일 때 거의 1 정도가 된다. 단, h : 노즐-기판사이거리(m)이다.

또한, 도체기판의 경우 기판내의 대칭위치에 반대의 부호를 가지는 이미지전하(Q,)가 유도된다고 생각된다. 기판이 절연체인 경우는, 유전율에 의해서 정해지는 대칭위치에 마찬가지로 반대부호의 영상전하(Q') 가 유도된다.

그런데, 노즐앞끝단부에 있어서의 집중전계강도(E_1oc)는, 앞끝단부의 곡율반지름을 p라 가정하면,

으로 주어진다. 여기서 k : 비례정수로, 노즐형상 등에 의해 다르지만, 1.5∼8.5 정도의 값을 취하고, 많은 경우 5정도라고 생각된다(P. J. Birdseye and D.A. Smith, Surface Science, 23(1970)198-210 참조).

지금 설명을 위해, 가령 ρ= d/2로 한다. 이것은, 노즐앞끝단부에 표면장력으로 도전성 잉크가 노즐지름 d와 같은 곡률지름을 갖는 반구형상으로 불룩하게 올라오고 있는 상태에 해당한다.

노즐앞끝단의 액체에 작용하는 압력의 균형을 생각한다. 우선, 정전적인 압력 Pe(Pa)는, 노즐앞끝단부의 액체면적을 S(㎡)로 하면,

(8), (9), (10)식에서 α= 1에 있어서,

으로 나타난다.

한편, 노즐앞끝단부에 있어서의 액체의 표면장력에 의한 압력을 Ps(Pa)로 하면,

여기서, γ: 표면장력(N/m)이다.

정전적인 힘에 의해 유체의 토출이 일어나는 조건은, 정전적인 힘이 표면장력을 상회하는 조건이기 때문에,

이 된다. 도 4에, 어느 지름 d의 노즐을 주었을 때의, 표면장력에 의한 압력과, 정전적인 압력의 관계를 도시한다. 표면장력으로서, 물 ( γ= 72 mN/m)의 경우에 관해서, 나타나 있다. 노즐에 인가하는 전압을 700V로 한 경우, 노즐지름 d가 25㎛ 이하에서, 정전적인 압력이, 표면장력을 상회하는 것이 나타난다.

이 관계식에서, V와 d의 관계를 구하면,

이 토출의 최저전압을 준다. 즉, 식(7) 및 식(14)에서,

이 본 발명의 동작전압 V가 된다.

또한, 그 때의 토출압력 ΔP(Pa)는,

에서

이 된다.

어떤 지름 d의 노즐에 대하여, 국소적인 전계강도에 의해서 토출조건을 만족시키는 경우의 토출압력 ΔP의 의존성을 도 5에, 또한 토출임계전압Vc의 의존성을 도 6에 나타낸다.

도 5로부터, 국소적인 전계강도에 의해서 토출조건을 만족시키는 경우의 노즐지름의 상한이 25㎛인 것을 알 수 있다.

도 6의 계산에서는, 물 γ= 72 mN/m과 유기용제 γ= 20 mN/m을 상정하여, 또한, k= 5의 조건을 가정하였다.

이 도면으로부터, 미세노즐에 의한 전계의 집중효과를 고려하면, 토출임계전압은, 노즐지름의 감소에 따라 저하하는 것이 분명하고, 물 γ= 72 mN/m 에서 노즐지름이 25㎛인 경우, 토출임계전압은 700V 정도인 것을 알 수 있다.

이 의의는, 도 2와 비교하면 보다 분명하다. 종래의 전계에 대한 사고방식, 즉 노즐에 인가하는 전압과 대향전극사이의 거리에 의해서 정의되는 전계만을 고려한 경우에서는, 미소한 노즐이 되는 것에 따라서, 토출에 필요한 전압은 증가한다. 한편, 국소전계강도에 주목하면, 미세노즐화에 의해 토출전압의 저하가 가능하게 된다. 또한, 토출에 필요한 전계강도는, 국소적인 집중전계강도에 의존하는 것이 되기 때문에, 대향전극의 존재는 필수적으로는 되지 않는다. 즉, 대향전극을 필요로 하지 않고, 절연성기판 등에 대하여도 인자(printing)를 행하는 것이 가능하게 되어, 장치구성의 자유도가 증가한다. 또한, 두꺼운 절연체에 대하여도 인자를 행하는 것이 가능하게 된다. 또한, 국소적인 집중전계에 의한 맥스웰응력의 작용에 의해, 노즐로부터 분리된 액체방울은, 운동에너지를 부여받는다. 비상(飛翔)액체방울은, 공기저항에 의해 서서히 그 운동에너지를 잃지만, 한쪽에서 액체방울은 하전(荷電)하고 있기 때문에, 기판과의 사이에 이미지력(image force)이 작용하는 것이 된다. 이 이미지력 Fi(N)의 크기를 기판으로부터의 거리 h(㎛)에 대한 상관(q = 10^-14(C), 석영기반(ε= 4.5)의 경우)을 도 7에 나타낸다. 도 7로부터 분명하듯이, 이 이미지력은 기판과 노즐사이의 거리가 가까워질수록 현저하게 되고, 특히 h가 20㎛ 이하에서 현저하다.

(미소유량의 정밀제어)

그런데, 원통형의 유로에 있어서의 유량(Q)은, 점성류의 경우 이하의 하겐·포아즈이유의 식(Hagen-Poiseuille's equation)에 의해서 나타난다. 지금, 원통형의 노즐을 가정하여, 이 노즐을 흐르는 유체의 유량(Q)은, 다음식으로 나타난다.

여기서 η: 유체의 점성계수(Pa·s), L : 유로 즉 노즐의 길이(m), d : 유로즉 노즐의 지름(m), ΔP : 압력차(Pa)이다. 상기 식으로부터, 유량(Q)은, 유로의 반지름의 4승에 비례하기 때문에, 유량을 제한하기 위해서는, 미세한 노즐의 채용이 효과적이다. 이 (18)식에, (17)식에서 구한 토출압력 ΔP를 대입하여, 다음식을 얻는다.

이 식은, 지름 d, 길이 L의 노즐에 전압 V를 인가하였을 때에, 노즐로부터 유출하는 유체의 유출량을 나타내고 있다. 이 모양을, 도 8에 나타낸다. 계산에는 L = 10mm, η= 1(mPa·s), γ= 72(mN/m)의 값을 사용하였다. 지금, 노즐의 지름을 선행기술의 최소치 50㎛으로 하고, 전압 V를 서서히 인가해 가면, 전압 V = 1000V에서 토출이 시작된다. 이 전압은, 도 6에서 서술한 토출시작전압에 해당한다. 그 때의 노즐로부터의 유량이 Y축에 나타나 있다. 토출시작전압 Vc 바로 위에서 유량은 급속히 증가하고 있다. 이 모델 계산상에서는, 전압을 Vc보다 조금 위에서 정밀히 제어함으로써 미소 유량을 얻을 수 있게 생각되지만, 편대수(semilogarithm)로 나타나는 도 8로부터도 예상되는 바와 같이 실제상은 그것은 불가능하고, 특히 10^-10㎥/s 이하 미소량의 실현은 곤란하다. 또한, 어느 지름의 노즐을 채용한 경우에는, 식(14)에서 주어진 것과 같이, 최소구동전압이 결정되어 버린다. 이 때문에, 선행기술과같이, 지름 50㎛ 이상의 노즐을 사용하는 한, 10¹⁰㎥/s 이하의 미소토출량이나, 1000V 이하의 구동전압으로 하는 것은 곤란하다.

또한, 도 8로부터 알 수 있도록, 지름 25㎛인 노즐의 경우 700V 이하의 구동전압으로 충분하고, 지름 10㎛의 노즐의 경우 500V 이하라도 제어가능하다.

또한, 지름1㎛의 노즐의 경우 300V 이하더라도 좋은 것을 알 수 있다.

이상의 설명은, 연속류를 생각한 경우이지만, 액체방울로 하기 위해서는, 스위칭의 필요성이 있다. 다음에 그것에 대해서 서술한다.

정전흡인에 의한 토출은, 노즐끝단부에 있어서의 유체의 대전이 기본이다. 대전의 속도는 유전완화에 의해서 결정되는 시정수(time constant)정도라고 생각된다.

여기서, τ: 유도완화시간(sec), ε: 유체의 비유전율, σ: 유체의 도전율(S·m^-1)이다. 유체의 유전율(ε_r)을 10, 도전율을 10^10-6S/m이라 가정하면, τ= 8.854 ×10^10-5sec가 된다. 혹은, 임계주파수를 fc(Hz)로 하면,

이 된다. 이 fc보다도 빠른 주파수의 전계의 변화에 대해서는, 응답할 수 없는 토출은 불가능하게 된다고 생각된다. 상기의 예에 대해서 어림하면, 주파수로서는 10kHz 정도가 된다.

(하전액체방울에 의한 증발완화)

미세액체방울에서는 표면장력의 효과에 의해, 생성한 액체방울은 곧 증발하여 버린다. 이 때문에, 모처럼 미소액체방울을 생성할 수 있더라도 기판에 도달하기 전에 소실하여 버리는 경우도 있을 수 있다. 그런데, 대전한 액체방울에 있어서, 대전후의 증기압(P)은, 대전전의 증기압(P₀)과 액체방울의 대전량(q)을 사용하여 이하의 관계식이 있는 것이 알려지고 있다.

여기서, R : 기체정수(J·mol^-1·K^-1), T : 절대온도(k), ρ: 기체의 밀도(kg/㎥), γ: 표면장력(mN/m), q : 정전전기량(C), M : 기체의 분자량, r : 액체방울 반지름(m)이다. (22)식을 고쳐 쓰면,

이 식으로부터, 액체방울이 대전되면, 증기압이 감소하여 증발하기 어려워지는 것을 나타내고 있다. 또한, (23)식 오른쪽변의 괄호내에서 분명하듯이, 이 효과는 미세액체방울이 될수록 현저해진다. 이 때문에 종래 기술보다도 미세한 액체방울을 토출하는 것을 목적으로 하는 본 발명에 있어서는, 액체방울을 하전(荷電)상태에서 비상시키는 것은, 증발을 완화시키기에 효과적이고, 특히 잉크용매로 구성된 분위기하에서 행함으로써, 보다 한층 효과가 있다. 또한 이 분위기의 제어는, 노즐막힘의 완화에도 효과가 있다.

(일렉트로웨팅(electrowetting) 에 의한 표면장력의 저하)

전극 위에 절연체를 배치하여, 그 위에 적하한 액체와 전극의 사이에 전압을 인가하면 액체와 절연체의 접촉면적이 증가하고, 즉 젖음성(wettability)이 좋아지는 것이 되는 것이 발견되고, 일렉트로웨팅(Elcctrowetting)현상이라고 불리고 있다. 이 효과는, 원통형의 모세관형상에 있어서도 성립하여, 일렉트로 캐피러리(electrocapillary)라고 불리는 경우도 있다. 일렉트로웨팅효과에 의한 압력 P_ec(Pa)와, 인가전압, 모세관의 형상, 용액의 물성치(物性値)와의 사이에 이하의 관계가 있다.

여기서, ε₀: 진공의 유전율(F·m^-1), ε_r: 절연체의 유전율, t : 절연체의 두께(m), d : 모세관(capillary)의 안지름(m)이다. 유체로서, 물을 생각하여 이 값을 계산해 보면, 선행기술(특허공개 소화 36-13768호 공보)의 실시예의 경우를 계산하여 보면, 고작 30000Pa(0.3기압)에 지나지 않지만, 본 발명의 경우, 노즐의 바깥쪽에 전극을 설치하는 것에 의해 30기압 상당의 효과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다. 이에 따라, 미세 노즐을 사용한 경우라도 노즐앞끝단부로의 유체의 공급은, 이 효과에 의해 신속히 행하여진다. 이 효과는, 절연체의 유전율이 높을수록, 또한 그 두께가 얇을수록 현저해진다. 일렉트로캐피러리효과를 얻기 위해서는, 엄밀하게는 절연체를 통해 전극을 설치해야 하지만 충분한 절연체에 충분한 전기장이 걸리는 경우, 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이상의 토론에 있어서, 주의해야 할 점은, 이들의 근사이론은 종래와 같이 전계강도로서, 노즐에 인가하는 전압 V와, 노즐과 대향전극사이의 거리 h로 결정되는 전계가 아니라, 노즐앞끝단에서의 국소적인 집중전계강도에 기초하고 있는 것이다. 또한, 본 발명에서 중요한 것은, 국소적인 강전계와, 유체를 공급하는 유로가대단히 작은 컨덕턴스를 갖는 것이다. 그리고, 유체자신이 미소한 면적에서 충분히 대전하는 것이다. 대전한 미소한 유체는, 기판 등의 유전체, 또는 도체를 가까이 하면, 이미지력이 작용하여 기판에 대하여 직각으로 비상한다.

이 때문에, 이하의 실시형태에서는 노즐은 작성이 용이하기 때문에 유리모세관(glass capillary tube)을 사용하고 있지만, 이것에 한정되는 것이 아니다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 근거하여 설명한다.

도 9는, 본 발명의 일실시형태의 초미세유체 제트장치를 일부단면에 의해 나타낸 것이다.

도면 중 1은, 초미세지름의 노즐이다. 초미세액체방울 사이즈실현을 위해서는, 저 컨덕턴스의 유로를 노즐(1) 근방에 설치하거나, 또는 노즐(1) 자신을 저 컨덕턴스의 것으로 하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 유리제의 미세 모세관(capillary tube)이 바람직하지만, 도전성물질에 절연재로 코팅한 것으로도 가능하다. 노즐(1)을 유리제로 하는 것이 바람직한 이유는, 용이하게 몇 ㎛ 정도의 노즐을 형성할 수 있는 것, 노즐이 막혔을 때는, 노즐끝단을 파쇄함에 의해, 새로운 노즐끝단을 재생할 수 있는 것, 유리노즐인 경우, 테이퍼각이 붙어 있기 때문에, 노즐앞끝단부에 전계가 집중하기 쉽고, 또한 불필요한 용액이 표면장력에 의해서 위쪽으로 이동하여, 노즐끝단에 체류하지 않고, 막힘의 원인이 되지 않은 것 및 적절한 유연성을 가지기 때문에, 가동노즐의 형성이 용이한 것 등에 의한다. 또한, 저 컨덕턴스란, 바람직하게는 10^-10㎥/s 이하이다. 또한, 저 컨덕턴스의 형상이란, 그것에 한정되는 것이 아니지만, 예를 들면, 원통형상의 유로에 있어서 그 안지름을 작게 하거나, 또는, 유로지름이 동일하더라도 내부에 흘러 저항이 되는 것과 같은 구조물을 설치하거나, 굴곡시키거나, 또는, 밸브를 설치한 형상 등을 들 수 있다.

예를 들면, 노즐로서, 심이 들어간 유리관[가부시키가이샤 나리시게제, GD-1(상품명)]을 사용하여, 캐피러리 풀러(capillary puller)에 의해 작성할 수 있다. 심이 들어간 유리관을 사용하는 것에 의해, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. (1)코어(芯)쪽 유리가 잉크에 대하여 젖기 쉽기 때문에, 잉크의 충전이 용이하게 된다. (2)코어쪽 유리가 친수성이고, 바깥쪽 유리가 소수이기 때문에 노즐끝단부에 있어서, 잉크의 존재영역이 코어쪽의 유리의 안지름정도에 한정되어, 전계의 집중효과가 보다 현저해진다. (3)미세 노즐화가 가능해진다. (4)충분한 기계적 강도를 얻을 수 있다.

본 발명에 있어서는, 노즐지름의 하한치는, 제작상, 0.01㎛이고, 또한, 노즐지름의 상한치는, 도 4에 나타낸 정전적인 힘이 표면장력을 상회할 때의 노즐지름의 상한 및 도 5에 나타낸 국소적인 전계강도에 의해서 토출조건을 만족시키는 경우의 노즐지름의 상한으로부터 25㎛이다. 노즐지름의 상한은, 토출이 효과적으로 행하여지기 때문에 15㎛가 보다 바람직하다. 특히, 국소적인 전계집중효과를 보다 효과적으로 이용하기 위해서는, 노즐지름은 0.01∼8㎛의 범위가 바람직하다.

또한, 노즐(1)은, 모세관에 한정되지 않고, 미세가공에 의해 형성되는 2차원 패턴 노즐이더라도 상관없다.

노즐(1)을 성형성이 좋은 유리로 한 경우, 노즐을 전극으로서 이용할 수는없으므로, 노즐(1)내에는, 부호 2의 금속선(예를 들면, 텅스텐선)을 전극으로 하여 삽입한다. 또, 노즐내에 도금으로 전극을 형성하더라도 좋다. 노즐(1) 자체를 도전성 물질로 형성한 경우에는, 그 위에 절연재를 코팅한다.

또한, 노즐(1)내에는 토출해야 할 용액(3)이 충전된다. 이 때, 전극(2)은, 용액(3)에 담가지도록 배치한다. 용액(3)은, 도시하지 않은 용액원으로부터 공급된다. 용액(3)은, 예를 들면, 잉크 등을 들 수 있다.

노즐(1)은, 실드고무(4) 및 노즐클램프(5)에 의해 홀더(6)에 부착되어, 압력이 새지 않게 되고 있다.

부호 7은 압력조정기이고, 압력조정기(7)로 조정된 압력은 압력튜브(8)를 통해서 노즐(1)에 전해진다.

이상의 노즐, 전극, 용액, 실드고무, 노즐클램프, 홀더 및 압력홀더는 측면단면도로 나타나 있다. 노즐의 앞끝단에 근접하여 기판(13)이 기판지지체(14)에 의해 배설되어 있다.

본 발명에 있어서의 압력조정장치의 역할은, 고압을 부가함으로써 유체를 노즐로부터 밀어내기 위한 것에도 사용할 수 있지만, 오히려 컨덕턴스를 조정하거나, 노즐내에의 용액의 충전, 노즐 요컨대 제거 등에 사용하기 위해서 특히 유효하다. 또한, 액면의 위치를 제어하거나, 메니스커스의 형성에도 유효하다. 또한, 전압펄스와 위상차를 부착함으로써 노즐내의 액체에 작용하는 힘을 제어함으로써 미소토출량을 제어하는 역할도 담당한다.

부호 9는 컴퓨터이고, 컴퓨터(9)로부터의 토출신호는, 임의파형발생장치(10,optional-waveform generation device)에 보내어져서 제어된다.

임의파형발생장치(10)로부터 발생한 임의파형전압은, 고전압 증폭기(11)를 통해서, 전극(2)으로 전해진다. 노즐(1)내의 용액(3)은, 이 전압에 의해 대전한다. 이에 따라 노즐앞끝단의 집중전계강도를 높이는 것이다.

본 실시형태에 있어서는, 도 3에 나타낸 바와 같이 노즐앞끝단부에서의 전계의 집중효과와, 그 전계의 집중효과에 의해 유체액체방울을 하전시키는 것에 의해, 대향기판에 유기되는 이미지력의 작용을 이용한다. 이 때문에, 선행기술과 같이 기판(13) 또는 기판지지체(14)를 도전성으로 하거나, 이들 기판(13) 또는 기판지지체(14)에 전압을 인가할 필요는 없다. 즉, 기판(13)으로서 절연성의 유리기판, 폴리이미드 등의 플라스틱기판, 세라믹기판, 반도체기판 등을 사용하는 것이 가능하다.

또한, 노즐앞끝단에 집중하는 집중전계강도를 높이는 것에 의해, 인가하는 전압을 저전압화 한 것이 된다.

또한, 전극(2)에의 인가전압은 플러스, 마이너스 중 어느 것이라도 좋다.

노즐(1)과 기판(13)과의 거리는, 도 7에 나타낸 바와 같이 가까우면, 가까울수록 이미지력이 작동하기 때문에, 착탄정밀도는 향상한다. 한편, 표면에 요철이 있는 기판상에 액체방울을 토출하기 위해서는, 기판상의 요철과 노즐앞끝단과의 접촉을 막기 위해서, 어느 정도의 거리를 두고 떨어질 필요가 있다. 착탄정밀도 및 기판상의 요철을 고려하면, 노즐(1)와 기판(13)과의 거리는 500㎛ 이하가 바람직하고, 기판상의 요철이 적고 착탄정밀도가 요구되는 경우에는 100㎛ 이하가 바람직하고, 30㎛ 이하가 보다 바람직하다.

또한, 도시하지 않지만, 노즐위치검출에 의한 피드백제어를 하여, 노즐(1)을 기판(13)에 대하여 일정하게 유지하도록 한다.

또한, 기판(13)을, 도전성 또는 절연성의 기판홀더에 얹어 놓고 유지하도록 하더라도 좋다.

이와 같이, 본 발명의 실시형태의 초미세 유체 제트장치는, 구조가 간단하기 때문에, 멀티노즐화를 용이하게 할 수 있다.

도 10은, 본 발명의 다른 실시형태의 초미세 유체 제트장치를 측면중앙단면도를 사용하여 나타낸 것이다. 노즐(1)의 측면부에는 전극(15)이 설치되어 있고, 노즐내용액(3)과의 사이에 제어된 전압 V1 및 V2가 인가된다. 이 전극(15)은, 일렉트로웨팅효과를 제어하기 위한 전극이다. 일렉트로웨팅효과에 의해, 용액(3)의 앞끝단이 거리(16)의 길이를 이동할 수 있는 것을 모식적으로 나타내었다. 식 (24)에 관련되어 서술하였지만, 충분한 전기장이 노즐을 구성하는 절연체에 이러한 경우 이 전극이 없더라도 일렉트로웨팅효과는 일어난다고 기대된다. 그러나, 본 실시형태에서는, 보다 적극적으로 이 전극을 사용하여 제어함으로써, 토출제어의 역할도 다하도록 한 것이다. 노즐(1)을 절연체로 구성하여, 그 두께가 1㎛, 노즐안지름이 2㎛, 인가전압이 300V인 경우, 약 30기압의 일렉트로웨팅효과가 된다. 이 압력은, 토출을 위해서는, 불충분하지만 용액의 노즐앞끝단부에의 공급의 점에서는 의미가 있고, 이 제어전극에 의해 토출의 제어가 가능하다.

도 11은, 본 발명의 일실시형태에 있어서의 토출시작전압 Vc의 노즐지름 d의존성을 나타낸 것이다. 유체용액으로서, 하리마가세이(주)제의 은 나노페이스트를 사용한 것으로, 노즐-기판사이거리 100㎛의 조건으로 측정한 것이다. 미세 노즐로 됨에 따라 토출시작전압이 저하하여, 종래 법에 비교하여, 보다 저전압으로 토출가능한 것이 분명해졌다.

도 12는, 본 발명의 일실시형태에 있어서의 인자도트지름(이하 지름을 단지 지름이라고 부르는 경우가 있다.)의 인가전압의존성을 나타낸 것이다. 인자 도트지름 d 즉 노즐지름이 작아지는 것에 따라서, 토출시작전압 V, 즉 구동전압의 저하가 분명해졌다. 도 12로부터 명백하듯이, 1000V를 훨씬 밑도는 저전압으로 토출이 가능하고, 종래 기술에 비교해서 현저한 효과를 얻을 수 있었다. 지름 1㎛ 정도의 노즐을 사용한 경우, 구동전압은 200V 레벨까지 저하한다고 하는 현저한 효과를 얻을 수 있었다. 이 결과는, 종래의 과제이었던 저구동전압하를 해결하여, 장치의 소형화, 노즐의 고밀도의 멀티화에 공헌하는 것이다.

도트지름은, 전압에 의해서 제어가능하다. 또한, 인가전압펄스의 펄스폭을 조정함으로써도 제어할 수 있다. 도 13에는, 나노페이스트를 잉크로서 사용한 경우의 인자 도트지름과 노즐지름의 상관관계를 나타낸다. 여기서 21 및 23은 토출가능영역, 22은 양호토출영역을 나타내는 것이다. 이 도 13으로부터, 미세도트의 인자실현에는, 작은 지름의 노즐의 채용이 유효하고, 노즐지름과 같은 정도 혹은 그 몇 개의 도트사이즈는, 각종의 파라미터를 조정함에 의해 실현가능한 것을 알 수 있다.

(동작)

상기한 바와 같이 구성된 장치의 동작의 일례를 도 9를 참조하여 설명한다.

초미세지름의 노즐(1)은 초미세모세관을 사용하기 위해서, 노즐(1)내의 용액(3)의 액체면은 모세관현상에 의해 노즐(1)의 앞끝단면보다 안쪽에 위치한다. 거기서 용액(3)의 토출을 쉽게 하기 위해서, 압력조정기(7)를 사용하여, 압력튜브(8)에 정수압을 가하여 액체면이 노즐앞끝단근방에 위치하도록 조정한다. 이 때의 압력은, 노즐의 형상 등에도 의존하여, 부가하지 않더라도 상관없지만, 구동전압의 저감 및 응답주파수의 향상을 고려하면 0.1∼1MPa 정도이다. 과잉으로 압력을 부가한 경우, 용액은 노즐앞끝단에서 오버플로우를 일으키지만, 노즐형상이 테이퍼형상이기 때문에, 표면장력의 작용에 의해 과잉용액은 노즐끝단에 머물지 않고 홀더측으로 신속히 이동한다. 이 때문에, 노즐앞끝단부에서 용액의 고착-막힘 원인을 경감할 수 있다.

임의파형발생기(10)에서는, 컴퓨터(9)로부터의 토출신호에 따라서 직류, 펄스 혹은 교류의 파형의 전류가 발생된다. 예를 들면, 나노페이스트의 토출에 있어서는, 그것에 한정되는 것이 아니지만, 단일펄스, 교류연속파, 직류, 교류 + 직류바이어스 등을 사용할 수 있다.

이하, 파형이 교류의 경우를 예로 들어 설명한다.

컴퓨터(9)로부터의 토출신호에 따라서 임의파형발생기(10)로서는 교류신호(구형파, 방형파, 사인파, 톱파, 삼각파 등)를 발생시켜, 임계진동수 fc 이하의 진동수에 있어서, 용액의 토출이 행하여진다.

용액토출의 조건은, 노즐기판사이거리(L), 인가전압의 진폭(V), 인가전압진동수(f)의 각각의 함수가 되어, 각각에 어느 일정한 조건을 만족시키는 것이 토출조건으로서 필요하게 된다. 반대로 어느 하나의 조건을 만족시키지 않는 경우 다른 파라미터를 변경해야 한다.

이것을 도 14를 사용하여 설명한다.

우선 토출을 위해서는, 그 이상의 전계가 아니면 토출하지 않는다고 하는 어느 일정한 임계전계 Ec(26)가 존재한다. 이 임계전계는, 노즐지름, 용액의 표면장력, 점성 등에 의해서 변하는 값으로, Ec 이하에서의 토출은 곤란하다. 임계전계 Ec 이상 즉 토출가능 전계강도에 있어서, 노즐기판사이거리(L)와 인가전압의 진폭(V)의 사이에는, 대체 비례의 관계가 생겨, 노즐사이거리를 단축한 경우, 임계인가전압 V를 작게 할 수 있다.

반대로, 노즐기판사이거리(L)를 극단적으로 떨어뜨려, 인가전압 V를 크게 한 경우, 가령 같은 전계강도를 유지하였다고 해도, 코로나방전영역(24)에 있어서는 코로나방전에 의한 작용 등에 의해서, 유체액체방울의 파열, 즉 버스트(burst)가 생겨 버린다. 그 때문에 양호한 토출특성을 얻는 양호토출영역(25)에 있기 위해서는, 적절한 거리에 유지하는 것이 필요하여, 상기한 바와 같이 착탄정밀도 및 기판의 요철을 고려하면 노즐-기판사이거리는 500㎛ 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

거리를 일정하게 하여, 임계전계경계선 h를 가로지르도록, 전압 V1, V2를 설정하여 전압을 전환함으로써, 유체액체방울의 토출을 제어하는 것이 가능하다.

또는, 전압을 일정하게 하여 거리 L1, L2를 도 14와 같이 설정하여, 도 15와 같이 노즐(1)로부터 기판(13)까지의 거리를 제어하는 것에 의해서도, 유체액체방울에 이러한 전계를 변화시키고 제어하는 것이 가능하다.

도 16은, 본 발명의 일실시형태에 있어서의 토출시작전압의 노즐-기판사이거리 의존성을 나타낸 도면이다. 이 예에서는, 토출유체로서 하리마가세이(주)의 은 나노페이스트를 사용하였다. 노즐지름을 2㎛로 하여, 측정하였다. 도 16으로부터 명백하듯이, 토출시작전압은, 노즐-기판사이거리의 증가에 따라 증가한다. 이 결과, 예를 들면 인가전압을 280V에서 일정히 유지한 채로, 노즐-기판사이거리를 200㎛에서 500㎛로 이동시킨 경우, 토출한계선을 가로지르기 위해서 토출의 시작·정지가 제어가능하다.

거리 및 전압의 어느 한쪽을 고정한 경우에 관해서 서술하였지만, 양자를 동시에 제어함에 의해서도, 토출의 제어는 가능하다.

상기의 조건을 만족시키는 상태로, 예를 들면 구형파(矩形波)를 임의파형발생기(10)에 의해 발생시켜 그 진동수를 연속적으로 변화시키면, 어떤 임계진동수 fc가 존재하여, fc 이상의 주파수에서는 토출이 일어나지 않은 것이 분명해졌다. 이 모양을 도 17에 나타낸다.

진동수에 대해서도, 어느 임계진동수가 존재한다. 이 임계진동수는, 진폭전압, 노즐기판사이거리 이외에, 노즐지름, 용액의 표면장력, 점성 등에 의존하는 값이다. 어떤 노즐기판사이거리 L을 기초로, 진폭이 일정한 연속 구형파의 주파수를 도 17의 f1, f2와 같이 변화시키면, f < L의 양호토출영역(27)으로부터 f > L의 토출불가능영역으로 옮겨지기 때문에, 토출제어가 가능해진다.

도 18에 나타내는 바와 같이, OFF시에도 용액에는 ON시와 같은 진폭의 진동전기장이 인가됨으로써, 액체표면이 진동하여 노즐의 막힘을 방지하는 데 도움이 되고 있다.

이상 서술한 바와 같이, 노즐기판사이거리 L, 전압 V, 주파수 f, 이 세 개의 파라미터중 하나를 변화시킴으로써, on/off 제어가 가능하다.

도 19는, 본 발명은 또 다른 실시형태에 있어서의 토출시작전압의 주파수의존성을 나타낸 도면이다. 이 예에는, 토출유체로서 하리마가세이(주)제의 은 나노페이스트를 사용하였다. 실험에 사용한 노즐은 유리제로, 노즐지름은 약 2㎛이다. 구형파의 교류전압을 인가해가면, 최초 20Hz의 주파수에서는, 피크·투·피크에서, 530V 정도이었던 토출시작전압이, 주파수의 증가에 따라 증가해 간다. 이 때문에, 이 예의 경우, 예를 들면 인가전압을 600V에서 일정하게 하여, 주파수를 100Hz에서 1kHz로 변화시키면, 토출시작전압선을 가로지르기 때문에 토출이 ON상태에서 OFF상태로 바꿀 수 있다. 즉 주파수의 변조에 의한 토출제어가 가능하다. 이 때, 실제의 인자결과를 비교한 경우, 인가전압의 대소에 의한 제어, 즉 진폭제어방식과 비교해서, 주파수변조방식은 시간응답성에 뛰어나고, 특히 휴지후의 토출재시작 등에, 양호한 인자결과를 얻을 수 있다고 하는 현저한 효과가 분명해졌다. 이러한 주파수응답성은, 유체의 대전에 관한 시간응답, 즉 유전응답과 관계하고 있다고 생각된다.

여기서, τ: 유전완화시간(sec), ε: 유체의 비유전율, σ: 유체의 도전율(S·m^-1)이다. 고응답화하기 위해서는, 유체의 유전율을 낮추는 것, 유체의 도전율을 높이는 것이 유효하다. 또한, 교류구동에서는 양에 대전한 용액, 음에 대전한 용액을 교대로 토출할 수 있기 때문에, 특히 절연성기판사용시에 기판상에서의 전하의 축적에 의한 영향을 최소화하는 것이 가능하고, 착탄위치정밀도와 토출제어성이 향상하였다.

도 20에 본 발명의 일실시형태에 있어서의 토출시작전압의 펄스폭 의존성을 나타내었다. 노즐은 유리제로, 노즐안지름 약 6㎛에서, 유체로서는 하리마가세이(주)제의 은 나노페이스트를 사용하였다. 구형펄스를 사용하여, 펄스주기는 10Hz에서 행하였다. 도 20으로부터, 펄스폭이 5msec 이하에 토출시작전압의 증가가 현저하게 된다. 이것으로부터, 은 나노페이스트의 완화시간 τ가 약 5msec인 것을 알 수 있다. 토출의 응답성을 높이기 위해서는, 유체의 도전율을 높이고, 유전율을 낮추는 것이 유효하다.

(막힘의 방지, 해제)

노즐(1) 앞끝단의 클리닝에 대해서는, 노즐(1)내에 고압을 부가하는 동시에, 기판(13)과 노즐(1)앞끝단을 접촉시켜, 고체화한 용액을 기판(13)에 문지르는 방법이나, 기판(13)에 접촉시킴으로써, 노즐(1)과 기판(13)사이의 조그마한 틈에 작용하는 모세관력을 이용함으로써 행한다.

또한, 용액충전전에 노즐(1)을 용매에 담가, 모세관력에 의해 노즐(1)내로 용매를 소량 충전함에 의해, 최초의 노즐의 막힘을 회피할 수 있다. 또한, 인자도중에 막힌 경우, 용매중에 노즐을 담그는 것에 의해 제거가 가능하다.

또한, 기판(13)상에 떨어뜨린 용매에 노즐(1)을 담가, 동시에 압력이나 전압 등을 가하는 것도 유효하다.

사용하는 용액의 종류에 의해서 일률적으로는 말할 수 없지만, 일반적으로, 저증기압, 고비점의 용매, 예를 들면 크실렌 등에는 유효하다.

또, 나중에 서술하는 바와 같이, 전압의 인가방법으로서 교류구동을 사용함으로써, 노즐내의 용액에 교반효과를 주어 균질성을 유지하는 동시에, 용매와 용질의 대전성이 현저히 다른 경우에는, 용액의 평균조성보다도 용매과잉의 액체방울과, 용질과잉의 액체방울을 교대로 토출함에 의해, 노즐의 막힘이 완화된다. 또한, 용액의 성질에 맞춰, 용매와 용질의 대전특성과, 극성, 펄스폭을 최적화함으로써, 조성의 시간변화를 최소화하여, 장기간 안정한 토출특성을 유지할 수 있었다.

(묘획위치조정)

X-Y-Z 스테이지상에, 기판홀더를 배치하여, 기판(13)의 위치를 조작하는 것이 실용적이지만, 이에 사로잡히지 않고, 반대로 X-Y-Z 스테이지상에 노즐(1)을 배치하는 것도 가능하다.

노즐-기판사이거리는, 위치미세조정장치를 사용하여 적당한 거리로 조정한다.

또한, 노즐의 위치조정은, 레이저-측정거리 합계에 의한 거리데이터를 바탕으로 z축스테이지를 닫힌 루프(closed loop)제어에 의해 이동시켜, 1㎛ 이하의 정밀도로 일정히 유지할 수 있다.

(스캔방법)

종래의 래스터 스캔방식에서는, 연속한 선을 형성할 때에, 착탄위치정밀도의 부족이나, 토출불량 등에 의해 배선이 끊어져 버리는 경우도 생길 수 있다. 이 때문에, 본 실시의 형태에 있어서는, 래스터 스캔방식에 더하여, 벡터 스캔방식을 채용하였다. 단일노즐의 잉크젯을 사용하여, 벡터 스캔에 의해 회로묘획을 하는 것 자체에 대해서는, 예를 들면, S. B. Fuller et al., Journal of Microelectromechanical systems, Vol, 11, No.1, p.54(2002)에 기재되어 있다.

래스터 스캔시에는, 컴퓨터화면상에서 대화식으로 묘획개소를 지정할 수 있는 것과 같은 새롭게 개발한 제어소프트를 사용하였다. 또한, 벡터스캔의 경우도, 벡터데이터파일을 읽음으로써, 자동적으로 복잡한 패턴묘획이 가능하다. 래스터 스캔방식으로서는, 통상의 프린터에 의해서 행하여지고 있는 방식을 적절히 사용할 수 있다. 또한, 벡터 스캔방식으로서는, 통상의 플로터로 사용되고 있는 방식을 적절히 사용할 수 있다.

예를 들면, 사용스테이지로서, 시그마광기제의 SGSP-20-35(XY)와, Mark-204 컨트롤러를 사용하고, 또한, 제어용 소프트웨어로서 내셔널 인스트루먼트(national instrument)제의 Labview를 사용하여, 자체 제작하고, 스테이지의 이동속도를 1㎛/sec∼1mm/sec의 범위내에서 가장 양호한 묘획이 되도록 조정한 경우를 생각한다. 이 경우, 스테이지의 구동은, 래스터 스캔의 경우는, 1㎛∼100㎛ 피치로 이동시켜 그 움직임에 연동시켜, 전압펄스에 의해 토출을 할 수 있다. 또한, 벡터스캔의 경우는 벡터데이터에 근거하여, 연속적으로 스테이지를 이동시킬 수 있다. 여기서사용되는 기판으로서는, 유리, 금속(동, 스텐레스 등), 반도체(실리콘), 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등을 들 수 있다.

(기판표면상태의 제어)

종래, 금속초미립자(예 ; 하리마가세이의 나노페이스트) 등을, 폴리이미드상에 패터닝을 하고자 하면, 폴리이미드의 친수성에 의해 나노입자의 패턴이 붕괴되어, 미세한 가느다란 선의 패터닝에 지장을 초래하고 있었다. 같은 문제는 다른 기판을 사용하는 경우에서도 나타나는 문제이다.

이러한 문제를 회피하기 위해서, 예를 들면, 불소플라즈마처리 등의 계면에너지를 이용한 처리를 하여, 기판상에 미리 친수성, 소수성 등의 영역을 패터닝하는 방법이 종래 행하여지고 있다.

그러나, 이 방법에서는 미리 기판상에 패터닝처리가 필요하기 때문에, 모처럼의 직접회로형성방법인 잉크젯의 장점을 다 살릴 수 없다.

그래서, 본 실시형태에 있어서는, 새롭게, 기판상에 균일하게 폴리비닐페놀(PVP) 에탄올용액을 얇게 스핀코트하여, 표면개질층을 형성함으로써 종래의 문제를 해결하는 것이다. PVP는, 나노페이스트의 용매(tetradecane)에 대하여, 가용성이다. 그 때문에, 나노페이스트를 잉크젯을 하였을 때에, 착탄위치에 있어서 나노페이스트의 용매가 표면개질층의 PVP층을 침식하여, 착탄위치에서 넓어지지 않고 깨끗이 안정화한다. 나노 페이스트는, 잉크젯후에 약 200℃에서 용매를 날리고, 소결시킴으로써, 금속전극으로서 사용할 수 있게 되지만, 본 발명의 실시의 형태에 의한 표면개질방법에 의하면, 이 열처리에 의해서 영향을 받지 않고, 또한, 나노페이스트에 대하여(즉 전기도전성에 대하여)악영향을 미치게 하는 경우는 없다.

(초미세 유체 제트장치에 의한 묘획예)

도 21은, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 초미세 도트형성예를 나타낸 것이다. 도면은, 형광색소분자의 수용액을 실리콘 기판상에 배열시킨 것으로, 3㎛ 간격으로, 인자하고 잇다. 도 21의 하부는, 동일스케일에서의 크기의 지표를 나타낸 것이지만, 큰 눈금이 100㎛, 작은 눈금이 10㎛이고, 1㎛ 이하, 즉 서브미크론의 미세한 도트를 규칙 바르게 배열시킬 수 있었다. 상세히 보면, 도트의 간격이 불균형의 개소도 볼 수 있지만, 이것은 위치결정에 사용되고 있는 스테이지의 백러시(backrush) 등의 기계적인 정밀도에 의존한 것이다. 본 발명에 의해 실현되는 액체방울은 초미세하기 때문에, 잉크에 사용하는 용매의 종류에도 따르지만, 기판에 착탄하면 순간적으로 증발하여, 액체방울은 순간적으로 그 자리에 고정된다. 이 때의 건조속도는 종래 기술에 의해서 생성되는 것과 같은 수십㎛의 사이즈의 액체방울이 건조하는 속도에 비교하여, 현격한 차이로 빠르다. 이것은, 액체방울의 미세화에 의해 증기압이 현저히 높아지기 때문이다. 피에조방식 등을 사용한 종래 기술에서는, 본 발명 정도의 미세도트의 형성은 곤란하고, 또한 착탄정밀도도 나쁘기 때문에, 대책으로서 미리 기판상에 친수성, 소수성의 패터닝이 행하여지고 있다(예를 들면, H. Shiringhaus et. al., Science, Vo1. 290, 15 December(2000), 2123-2126). 이 방법으로서는, 예비처리가 필요하기 때문에, 기판에 직접 인자가 가능하다는 잉크젯방식의 이점이 손상되어 버린다고 하는 문제가 있지만, 본 발명에 있어서도 이러한 방법을 받아들임으로써, 위치정밀도의 향상을 더욱 꾀하는 것도 가능하다.

도 22는, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 배선패턴의 묘획예를 나타낸 것이다. 여기서는, 용액으로서, 대표적인 도전성 고분자인 폴리파라페닐렌비닐렌(PPV)의 가용성 유도체인, MEH-PPV를 사용하였다. 선폭은 약 3㎛에서 10㎛ 간격으로 묘획하고 있다. 두께는 약 300nm이다. 유체 제트장치를 사용한 배선패턴의 묘획자체에 있어서는, 예를 들면, H. Shiringhaus et al., Science Vol. 280, p.2123(2000)이나, 시모다 타츠야, Material stage, Vol. 2, No.8, p19(2002)에 기재되어 있다.

도 23은, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 금속초미립자의 배선패턴형성예를 나타낸 것이다. 나노페이스트를 사용한 선의 묘획자체에 관해서는, 예를 들면, 오오히가시 료이치 외, Material stage, Vol.2, No.8, p12(2002)에 기재되어 있다. 용액은, 금속은초미립자(나노페이스트 : 하리마가세이제)이고, 선폭은 3.5㎛에서 1.5㎛ 간격으로 묘획하고 있다. 나노페이스트는, 입자지름이 몇nm의 독립분산금속초미립자에 특수한 첨가제를 가한 것으로, 실온에서는 입자끼리는 결합하지 않지만, 온도를 조금 올림으로써 구성금속의 융점보다 훨씬 낮은 온도에서 소결이 일어난다. 묘획 후, 약 200℃에서 열처리를 실시하여 은의 세선패턴을 형성하여, 양호한 도통성을 확인하였다.

도 24는, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 카본나노튜브 및 그 전구체 및 촉매배열예를 나타낸 것이다. 유체 제트장치를 사용한 카본나노튜브 및 그 전구체 및 촉매배열의 형성자체에 있어서는, H. Ago et al., Applied PhysicsLetters, Vol.82, p.811(2003)에 기재되어 있다. 카본 나노튜브촉매는 철, 코발트, 니켈 등의 천이금속의 초미립자를 계면활성제를 사용하여 유기용제 등에 분산시킨 것이다. 천이금속을 포함하는 용액, 예를 들면 제 2 염화철의 용액 등도 마찬가지로 취급할 수 있다. 촉매는 도트지름은 약 25㎛에서 75㎛ 간격으로 묘획하고 있다. 묘획후, 상법에 따라서 아세틸렌, 불활성가스 혼합기류속에서 반응시켜, 해당 부분에 선택적으로 카본나노튜브를 생성시켰다. 이러한 나노튜브어레이는, 전자방출성의 장점을 살려 전해방출형 디스플레이의 전자선이나, 전자소자 등의 용도가 생각된다.

도 25는, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 강유전성 세라믹 및 그 전구체의 패터닝 예를 나타낸 것이다. 용매는, 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol)이다. 도트지름은 50㎛에서 1000㎛ 간격으로 묘획하고 있다. 또한, 래스터스캔에 의해, 도트를 격자형상으로 배열시키거나, 벡터 스캔에 의해서 삼각격자나 육각격자 등도 묘사할 수 있었다. 또한, 전압이나 파형 등을 조정함에 의해, 도트지름이 2㎛∼50㎛인 것, 혹은, 한 변이 15㎛, 굵기 5㎛의 미세패턴을 얻을 수 있었다.

유체액체방울의 운동에너지 등을 제어함에 의해, 도 25와 같은 입체구조를 형성하는 것이 가능하고, 이것을 사용하여, 액츄에이터, 메모리어레이 등에 응용하는 것이 가능하다.

도 26은, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 고분자의 고배향화예를 나타낸 것이다. 용액으로서, 대표적인 도전성고분자인, 폴리파라페닐렌비닐렌(PPV)의 가용성 유도체인, MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)]-1,4-phenylenevinylene)를 사용하였다. 선폭은 3㎛에서 묘획하고 있다. 두께는 약 300nm이다. 사진은 편광현미경에 의한 것으로, 크로스니코루에 의해 촬영한 것으로, 직교하는 패턴에 명암이 붙어 있는 것은, 분자가 선의 방향으로 배향하고 있는 것을 나타내고 있다. 도전성고분자로서, 이 밖에, P3HT(poly(3-hexylthiophene)), RO-PPV, 폴리플루오렌 유도체 등이 사용가능하다. 또한, 이들 도전성고분자의 전구체에 대해서도 마찬가지로 배향화 가능하다. 이러한 패터닝된 유기분자는, 유기전자소자나, 유기배선, 광도파로 등으로 하여 사용 가능하다. 도전성 고분자의 패터닝자체에 대해서는, 예를 들면, 무라다 와히로, Material stage, Vol.2, No.8, p.23(2002), K. Murata and H. Yokoyama, Proceedings of the ninth international display workshops, (2002) p.445에 기재되고 있다.

도 27(a) 및 (b)는, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 고분자 및 그 전구체(前驅體)의 고배향화의 일례를 나타낸 것이다. 도 27(a)에 나타내는 바와 같이, 본 제트유체에 의한 유체액체방울(32)은, 상당히 작기 때문에, 기판착탄후, 즉시 증발이 일어나, 용매에 용해하고 있는 용질(이 경우는, 도전성고분자)은 응축하여 고화한다.

제트유체에 의해 형성되는 액상영역은, 노즐(31)의 이동에 따라 이동한다. 이 때, 고체액체계면(천이영역)(33)에 있어서의 현저한 드래깅(dragging)효과[이류(移流)집적효과]에 의해, 고분자(34)의 고배향화가 실현되었다. 종래 이러한 고배향화는, 오로지 러빙(rubbing)에 의한 방법이 취해지고 있고, 국소적으로 배향시키는 것 등은 현저하게 곤란하였다. 또한, 도 27 (b)은, 잉크젯 인쇄에 의해 선 등을 형성하여, 계속해서 초미세제트 유체장치에 의해서, 용매(32)만을 토출하여 배향시킨 경우의 예를 나타내고 있다. 배향시키고 싶은 부분에 국소적으로 용매를 내뿜어 노즐(31)을 여러 번 주사함으로써, 고체액체계면(천이영역)(33)에 있어서의 드래깅효과(dragging effect) 및 존멜트(zone melting)에 의해, 가용성 고분자(36)가 질서정연하게 배향하는 것이 분명해졌다. 실제, MEH-PPV의 p-크실렌용액, 클로로포름용액, 디클로로벤젠용액 등을 사용한 실험에 의해 효과가 확인되었다.

도 28은, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 존 리파이닝(zone refining)의 일례를 나타낸 것이다. 고체액체계면에 있어서 물질이 이동하는 현상자체는, 예를 들면, R. D. Deegan, et al., Nature, 389, 827(1997) 등에 기재가 되어 있다. 도 27(a) 및 (b)에서 서술한 바와 같이, 예를 들면 고분자패턴 등의 위를, 초미세 유체 제트장치를 사용하여, 용매(35)를 토출하면서 노즐(31)을 주사하여 액상영역을 이동시키면, 용해도의 차이에 의해, 불순물(38) 등이 액상영역(37)에 녹아 들어가는 것에 의해, 노즐의 이동후에는 불순물 용질농도는 감소한다. 이것은, 마치 무기반도체의 정제에 사용되는 존멜트 혹은 존 리파이닝(zone refining)과 동일한 효과에 의한 것으로, 종래의 경우는 무기반도체의 경우에는 열에 의해서 부분적으로 용해시키지만, 본 예의 경우는 제트유체에 의해서 부분적으로 용해시키는 것이다. 본 발명에 있어서는, 기판상에서 정제할 수 있는 점이 큰 특징이다.

도 29는, 본 발명의 초미세 유체 제트장치에 의한 마이크로 비드 매니퓨레이션(micro-bead manipulation)의 일례를 나타낸 것이다. 여기서, 부호 31은 노즐,부호 40은 미세액상영역, 부호 41은 용매의 제트이다. 얇은 물의 막 등에 있어서 국소적으로 물이 증발하는 장소가 있으면, 그 부분에 주위로부터 급격히 용액이 흘러들어 와, 그 흐름에 의해서 입자가 집적하는 이류집적이 되는 현상이 알려지고 있다. 초미세제트유체장치를 사용하여, 이러한 흐름을 제어하여 일으키게 함으로써, 실리카비드 등의 마이크로 비드(39)의 조작제어가 가능하다. 이류집적자체에 있어서는, 예를 들면, S. I. Matsushita et al., langmuir, 14, p.6441(1998)에 기재되어 있다.

(초미세 유체 제트장치의 적용예)

다음에, 본 발명의 초미세 유체 제트장치는, 이하의 장치에 바람직하게 적용할 수 있다.

[액티브 탭핑(active tapping)]

도 30(a)∼(g)은, 본 발명의 초미세 유체 제트장치를 사용한 액티브 탭핑장치의 일례에 관해서 나타낸 것으로, 노즐(1)은 기판(13)에 대하여 수직으로 지지하여, 노즐(1)을 기판(13)에 대하여 접촉시킨다. 이 때의 탭핑동작은, 액츄에이터 등에 의해 능동적으로 한다. 노즐(1)을 기판(13)에 대하여 접촉시킴으로써 미세한 패터닝이 가능하게 된다.

예를 들면, 캔틸레버(cantilever)형의 노즐을, 나리시게(NARISHIGE CO., LTD.)제 GD-1 유리모세관을 가열연신하고, 그 후 히터에 의해 앞끝단부를 수십 미크론 구부리는 것에 의해 제작하여, 용액에 형광색소(제브라(ZEBRA CO., LTD.)제 형광펜의 잉크를 10배 정도로 희석한 것)를 사용하여, 실리콘 기판상에 단일전압펄스, 교류전압 등에 의해, 해당 캔틸레버가 기판상에 흡인되어, 형광색소가 기판상에 인자되는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 이 방법의 특징적인 것은, 적당한 용액, 예를 들면, 폴리비닐페놀의 에탄올용액을 사용한 경우 도 30(a)∼(e)에 나타나있는 바와 같이, 기판(13)과 노즐(1)과의 접촉시에 미세한 직류전압을 인가하면, 용액이 노즐내에서 응축하여 노즐(1)의 인상에 따라, 도 30(g)에 나타나도록 입체구조가 형성된다.

도 31은, 본 발명의 초미세 유체 제트장치를 사용한 액티브 탭핑장치에 의한 입체구조 형성예를 나타낸 것이다. 용액으로서, 폴리비닐페놀(PVP)의 에탄올용액을 사용하였다. 이 예의 경우, 얻어진 구조는, 지름 2㎛지름의 원주형상으로 높이 약 300㎛에 달하고, 그것을 25㎛ ×75㎛의 격자형상으로 배열시키는 것에 성공하였다. 이렇게 해서 형성된 입체구조물은, 더욱 수지 등으로 형추출 주형으로서 사용하는 것에 의해, 종래의 기계적 절삭가공으로서는 실현이 어려웠던 미세구조체나, 미세노즐을 만드는 것이 가능하다.

[세미컨택트 프린트(semicontact print)]

도 32(a)∼(c)는, 본 발명의 초미세 유체 제트장치를 사용한 세미컨택트프린트장치에 관해서 나타낸 것으로 통상, 가는 모세관형상의 노즐(1)은 기판(13)에 대하여 수직으로 유지되지만, 이 세미컨택트프린트장치에 있어서는, 노즐(1)을 기판(13)에 대하여 비스듬히 배치하거나, 노즐(1) 앞끝단을 90°구부려서 옆방향에 유지하여, 전압을 인가하면, 모세관이 매우 가늘기 때문에, 기판(13)과 노즐(1)의 사이에 작용하는 정전력에 의해서, 노즐(1)이 기판(13)에 접촉한다. 이 때에, 노즐(1)의 앞끝단 정도의 크기로 기판(13)상으로의 프린트가 행하여진다. 이 경우, 정전력에 의한 것이지만, 자기력이나, 모터, 압전력(peizoelectric force) 등에 의한 액티브한 방법도 생각된다.

도 32(a)는 종래의 컨택트프린트법에서에만 필요한 공정으로, 판에 목적물질을 전사하는 공정을 나타내고 있다. 펄스전압투입 후, 도 32(b)에 나타낸 바와 같이 모세관은 운동을 시작하여 기판에 접촉하지만, 이 때 모세관앞끝단의 노즐(1)부에는, 용액이 존재한다. 도 32(c)에 나타나는 바와 같이, 접촉 후에는 노즐(1)과 기판(13)과의 사이에 작용하는 모세관력에 의해, 용액은 기판(13)상으로 이동한다. 이 때에 노즐(1)의 막힘도 해소된다. 노즐(1)은 기판(13)에 용액을 통해 접촉하지만, 직접 접촉하는 것은 아니기 때문에(이 상태를 가리켜 '세미컨택트프린트'라고 한다.), 노즐(1)이 마모하는 경우는 없다.

이와 같이, 종래형 정전흡인형 잉크젯은, 노즐에 인가하는 전압과, 노즐-기판사이(또는, 노즐-대항전극사이)의 거리에 의해서 초래되는 전기장에 의해서, 표면불안정성이 일어나는 것이 조건이다. 또한, 종래형 잉크젯으로는, 1000V 이하의 구동전압은 어려웠다.

이에 비하여, 본 발명은 종래형 정전흡인형 잉크젯의 노즐지름 이하의 노즐을 대상으로 하는 것이다. 그리고, 미세노즐일수록, 노즐앞끝단부에서의 전계집중효과가 높은 것을 이용하는 것이다(미세화, 저전압화). 또한, 미세노즐일수록 컨덕턴스가 낮아지는 것을 이용하는 것이다(미세화). 또한, 전계에 의한 가속을 이용하는 것이다(위치정밀도). 또한, 이미지력을 이용하는 것이다(절연성 기판, 위치정밀도). 또한, 유전응답효과를 이용하는 것이다(스위칭). 또한, 대전에 의한 증발의 완화를 이용하는 것이다(위치정밀도의 향상, 미세화). 또한, 일렉트로웨팅효과(electrowetting effect)를 이용하는 것이다(토출력의 향상).

본 발명에 의하면, 이하의 이점을 갖는다.

(1)종래의 잉크젯방식으로는 곤란하였던, 초미세노즐에 의한 초미세 도트의 형성이 가능해진다.

(2)종래의 잉크젯방식으로는 곤란하였던, 미세액체방울화와 착탄정밀도의 향상의 양립이 가능하다.

(3)종래의 정전흡인형 잉크젯방식으로는 곤란하였던, 구동전압의 저하를 꾀할 수 있다.

(4)구동전압이 낮은 것과, 단순한 구조 때문에, 종래의 정전흡인형 잉크젯으로는 어렵던 고밀도의 멀티노즐화가 용이해진다.

(5)대향전극을 생략하는 것이 가능해진다.

(6)종래의 정전흡인형 잉크젯방식으로는 어려웠던, 저전도성액체가 사용가능해진다.

(7)미세노즐을 채용함으로써, 전압의 제어성이 증대한다.

(8)종래의 잉크젯방식으로는 곤란하였던, 후막의 형성이 가능해진다.

(9)노즐을 전기절연체로 형성하여, 노즐내의 용액에 담가지도록 전극을 배치, 또는, 노즐내에 도금 또는 증착에 의해 전극을 형성한 것에 의해, 노즐을 전극으로서 이용할 수가 있다. 또한, 노즐의 바깥쪽에 전극을 설치하는 것에 의해, 일렉트로웨팅효과에 의한 토출제어를 할 수 있다.

(10)노즐을 유리제의 미세 모세관으로 하면, 저 컨덕턴스화가 용이하게 된다.

(11)저 컨덕턴스의 유로를 노즐에 접속하거나, 또는 노즐자신을 저 컨덕턴스의 형상으로 한 것에 의해 초미세액체방울 사이즈를 실현할 수가 있다.

(12)유리기판 등의 절연성 기판의 사용이 가능해지고, 또한, 기판을 도전성 재료기판으로 하는 것도 가능하다.

(13)노즐과 기판과의 거리를 500㎛로 하는 것에 의해, 착탄정밀도를 향상시키면서, 기판상의 요철과 노즐앞끝단과의 접촉을 피할 수 있다.

(14)기판을 도전성 또는 절연성의 기판홀더에 얹어 놓으면 기판의 교환이 용이하게 된다.

(15)노즐내의 용액에 압력을 부가하면 컨덕턴스의 조정 등을 용이하게 할 수 있다.

(16)임의파형전압(optional-waveform voltage)을 사용하고, 극성과 펄스폭을 용액의 특성에 최적화함으로써, 토출유체의 조성의 시간변동을 최소화할 수 있다.

(17)임의파형전압발생장치를 설치하는 것에 의해, 펄스폭, 전압을 바꿈으로서 도트사이즈를 바꾸는 것이 가능하다.

(18)인가하는 임의파형전압을 직류, 펄스파형, 교류 중 어느 하나로 할 수가 있다.

(19)교류구동함에 의해, 노즐막힘이 감소하여, 안정한 토출이 지속되게 된다.

(20)교류구동에 의해, 절연성 기판상에서의 전하의 축적을 최소화하는 것이 가능하여, 착탄정밀도의 향상과, 토출제어성이 증대한다.

(21)교류전압을 이용함에 의해, 기판상에서의 도트의 넓어짐, 번짐 등에 의해 어떤 현상을 최소한으로 할 수가 있다.

(22)주파수변조에 의한 on/off제어에 의해 스위칭특성이 향상된다.

(23)노즐에 인가하는 임의파형전압을 일정영역에서 구동함에 의해 정전적인 힘에 의해 유체의 토출을 할 수 있다.

(24)인가하는 임의파형전압이 700V 이하이면 지름 25㎛의 노즐로 토출을 제어할 수 있다. 또한, 500V 이하이면 지름 10㎛에서 토출을 제어할 수 있다.

(25)노즐과 기판사이의 거리를 일정하게 하여, 인가하는 임의파형을 제어함에 의해 유체액체방울의 토출을 제어하면 노즐과 기판사이의 거리를 변화시키지 않고 유체액체방울의 토출을 제어하는 것이 가능하다.

(26)인가하는 임의파형을 일정하게 하여, 노즐과 기판사이의 거리를 제어함에 의해 유체액체방울의 토출을 제어하면, 전압을 일정한 채로 유체액체방울의 토출을 제어하는 것이 가능하다.

(27)노즐과 기판사이의 거리 및 인가하는 임의파형을 제어함에 의해 유체액체방울의 토출을 제어하면 임의거리와 전압으로 유체액체방울의 토출의 on/off제어하는 것이 가능하다.

(28)인가하는 임의파형을 교류로 하여, 해당교류전압의 진동수를 제어함에의해 노즐단면에 있어서의 유체의 메니스커스형(meniscus)상을 제어하여, 유체액체방울의 토출을 제어하면 양호한 인자가 가능하다.

(30)f = σ/2πε로 나타나는 주파수를 사이에 끼우는 것과 같은 주파수(frequencies) f에서 변조함에 의해 on-off 토출제어를 하면, 일정한 노즐기판사이거리 L을 바탕으로, 주파수의 변조에 의해 토출제어가 가능하다.

(31)단일펄스에 의해서 토출하는 경우, 시정수 τ이상의 펄스폭 Δt를 인가하면 액체방울로 할 수 있다.

(32)구동전압인가시의 단위시간당의 유량이 10^-10㎥/s 이상이 되도록 설정하면 토출되는 미소유량을 정밀제어할 수가 있다.

(33)배선패턴의 형성에 사용하면 미세한 선폭으로 미세간격을 갖는 배선패턴을 형성할 수 있다.

(34)금속초미립자의 배선패턴의 형성에 사용하면 양호한 도통성을 갖는 세선(細線)패턴을 형성할 수가 있다.

(35)카본나노튜브 및 그 전구체 및 촉매배열의 형성에 사용하면 촉매의 배치에 의한 카본나노튜브 등의 기판상에서의 국소적인 생성을 할 수 있다.

(36)강유전성 세라믹 및 그 전구체의 패터닝의 형성에 사용하는 것 액츄에이터 등에 응용하는 것이 가능한 입체구조를 형성할 수 있다.

(37)고분자 및 그 전구체의 고배향화에 사용하면 고분자의 배향 등, 고차구조의 형성이 가능해진다.

(38)존 리파이닝(zone refining)에 사용하면 기판상에서 정제할 수 있고 존멜트에 의한 용질 중 불순물의 농축을 할 수 있다.

(39)마이크로 비드 매니퓨레이션에 사용하면 실리카비드 등 미소구(micor balls) 등의 취급(손에 닿음)을 가능하게 한다.

(40)노즐을 기판에 대하여 액티브 탭핑시키면 미묘한 패터닝이 가능하게 된다.

(41)입체구조의 형성에 사용하면 미세한 입체구조의 형성을 할 수 있다.

(42)노즐을 기판에 대하여 비스듬히 배치하면 세미컨택트프린트를 할 수 있다.

(43)벡터 스캔방식을 채용하면 연속한 선을 형성할 때에, 배선이 끊어지는 경우가 거의 일어나지 않는다.

(44)래스터 스캔방식을 채용하면 주사선을 사용하여 1장의 화상을 표시할 수가 있다.

(45)기판상에 PVP 에탄올용액을 스핀코트하여 기판표면의 개질이 용이하여 진다.

본 발명에서는, 정전흡인형 잉크젯방식에 있어서 완수하는 노즐의 역할을 다시 고찰하여,

즉

혹은

이라고 하는 종래 토출불가능으로서 시도되고 있지 않았던 영역에서, 맥스웰력 등을 이용함으로써, 미세액체방울을 형성하는 것이다.

구체적으로는, 본 발명은, 노즐의 소지름화에 따르는 노즐앞끝단 근방에서의 전계강도가, 노즐과 기판사이에 작용하는 전기장에 비교해서, 충분히 큰 노즐을 구성요소로 하여, 맥스웰응력 및 일렉트로웨팅(Elcctrowetting)효과를 이용한 초미세 유체 제트장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 노즐의 소지름화에 따라, 구동전압의 저하를 꾀하는 것이다.

또한, 본 발명은 노즐의 소지름화 등에 의해 유로저항을 높여 10^-10㎥/s의 저 컨덕턴스로 하여, 전압에 의한 토출량의 제어성을 증가시키는 것이다.

또한, 본 발명은 하전(荷電)액체방울에 의한 증발의 완화와, 전계에 의한 액체방울의 가속을 사용함으로써, 착탄정밀도를 비약적으로 높이는 것이다.

또한, 본 발명은 유전완화응답을 고려한 임의파형을 사용하는 것에 의해, 노즐단면에 있어서의 메니스커스형상을 제어하여, 전계의 집중효과를보다 현저하게 하여, 토출제어성의 향상을 꾀하는 것이다.

또한, 본 발명은 대향전극의 폐지에 의해 절연성기판 등에의 토출을 가능한 초미세 유체 제트장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 특징 및 이점은, 첨부의 도면과 동시에 고려함에 의해, 하기의 기재로부터 보다 분명하게 될 것이다.

이상과 같이, 본 발명의 초미세 유체 제트장치는, 종래의 잉크젯방식으로는 곤란한, 초미세노즐에 의한 초미세도트의 형성이 가능해져서, 도트형성, 금속미립자에 의한 배선패턴형성, 강유전성 세라믹 패터닝형성 혹은 도전성 고분자배향형성 등에 이용할 수가 있다.

본 발명을 그 실시형태와 동시에 설명하였지만, 우리들은 특별히 지정하지 않는 한 우리들의 발명을 설명한 어느 상세한 부분에 한정하고자 하는 것이 아니라, 첨부의 청구의 범위에 나타낸 발명의 정신과 범위에 반함이 없이 폭넓게 해석해야 한다고 생각한다.

Claims

용액이 공급되는 초미세지름의 노즐의 앞끝단에 근접하여 기판을 배설하는 동시에, 상기 노즐내의 용액에 임의파형전압을 인가하여 상기 기판표면에 초미세지름의 유체액체방울을 토출하는 초미세 유체 제트장치이고, 상기 노즐의 안지름을 0.01㎛∼25㎛으로 하고, 노즐앞끝단에 집중하는 집중전계강도를 높이는 것에 의해, 인가하는 전압을 저전압화한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항에 있어서, 상기 노즐을 전기절연재로 형성하고, 노즐내의 용액에 담가지도록 전극을 배치, 또는 노즐내에 도금 또는 증착에 의해 전극을 형성한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항에 있어서, 상기 노즐을 전기절연재로 형성하고, 상기 노즐내에 전극을 삽입 혹은 도금형성하는 동시에 상기 노즐의 바깥쪽에 전극을 설치한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐이 유리제의 미세모세관인 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 저 컨덕턴스의 유로를 상기노즐에 접속하거나, 또는 상기 노즐 자신을 저 컨덕턴스의 형상으로 한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판이 도전성재료 또는 절연성재료에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐과 상기 기판과의 거리가 500㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판을 도전성 또는 절연성의 기판홀더에 얹어 놓은 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐내의 용액에 압력을 부가하도록 한 것을 특징으로 하는 기재된 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인가하는 전압을 1000V 이하로 하는 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐 안전극 또는 상기 노즐 바깥전극에 임의파형전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 11 항에 있어서, 상기 인가하는 임의파형전압을 발생하는 임의파형전압발생장치를 설치한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 인가하는 임의파형전압을 직류로 한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 인가하는 임의파형전압을 펄스파형으로 한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 인가하는 임의파형전압을 교류로 한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐에 인가하는 임의파형전압 V(volt)를

으로 나타나는 영역에서 구동하는 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.

단, γ: 유체의 표면장력(N/m), ε₀: 진공의 유전율(F/m), d : 노즐지름(m), h : 노즐-기판사이거리(m), k : 노즐형상에 의존하는 비례정수(1.5 < k < 8.5)로 한다.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인가하는 임의파형전압이 700V 이하인 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인가하는 임의파형전압이 500V 이하인 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐과 상기 기판사이의 거리를 일정하게 하는 동시에 상기 인가하는 임의파형전압을 제어함에 의해 유체액체방울의 토출을 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인가하는 임의파형전압을 일정하게 하는 동시에 상기 노즐과 상기 기판사이의 거리를 제어함에 의해 유체액체방울의 토출을 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐과 상기 기판사이의 거리 및 상기 인가하는 임의파형전압을 제어함에 의해 유체액체방울의 토출을 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 15 항에 있어서, 상기 인가하는 임의파형전압을 교류로 하고, 상기 교류전압의 진동수를 제어함에 의해 노즐단면에 있어서의 유체의 메니스커스형상을 제어하여, 유체액체방울의 토출을 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초미세 유체 제트장치는 토출제어를 할 때의 동작주파수를,

f = σ/2πε

로 나타나는 주파수를 사이에 끼우는 것과 같은 주파수 f(Hz)로 변조함에 의해 온-오프 토출제어를 하는 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.

단, σ: 유체의 도전율(S·m^-1), ε: 유체의 비유전율로 한다.
제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초미세 유체 제트장치는 단일펄스에 의해서 토출하는 경우,

에 의해 결정되는 시정수 τ이상의 펄스폭 Δt를 인가하는 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.

단, ε: 유체의 비유전율, σ: 유체의 도전율(S·m^-1)로 한다.
제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초미세 유체 제트장치는 원통형의 유로에 있어서의 유량 Q가,

로 나타나는 것에 있어서, 구동전압인가시의 단위시간당의 유량이 10¹⁰㎥/s 이하가 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.

단, d : 유로의 지름(m), η: 유체의 점성계수(Pa·s), L : 유로의 길이(m), ε₀: 진공의 유전율(F·m^-1), V : 인가전압(V), γ: 유체의 표면장력(N·m^-1), k : 노즐형상에 의존하는 비례정수(1.5 < k < 8.5)로 한다.
제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초미세 유체 제트장치는 배선패턴의 형성에 사용하는 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초미세 유체 제트장치는 금속초미립자의 배선패턴의 형성에 사용하는 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초미세 유체 제트장치는 카본 나노튜브 및 그 전구체 및 촉매배열의 형성에 사용하는 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초미세 유체 제트장치는 강유전성 세라믹 및 그 전구체의 패터닝의 형성에 사용하는 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초미세 유체 제트장치는 고분자 및 그 전구체의 고배향화에 사용하는 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초미세 유체 제트장치는 존 리파이닝(zone refining)에 사용하는 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초미세 유체 제트장치는 마이크로 비드 매니퓨레이션(micro-bead manipulation)에 사용하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(25)중 어느 1항에 기재된 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐을 상기 기판에 대하여 액티브 탭핑시키는 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 33 항에 있어서, 상기 초미세 유체 제트장치는 입체구조의 형성에 사용하는 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐을 상기 기판에 대하여 비스듬히 배치하는 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초미세 유체 제트장치는 벡터 스캔(vector scan)방식을 채용한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초미세 유체 제트장치는 래스터 스캔(raster scan)방식을 채용한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.
제 1 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판상에 폴리비닐페놀(PVP) 에탄올용액을 스핀코트하여 기판의 표면을 개질한 것을 특징으로 하는 초미세 유체 제트장치.