KR20070052682A - 압출/분산 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

기판상에 재료를 압출/분산시키는 장치는 재료의 유동을 용이하게 하기 위해 2개 이상의 채널이 형성된 하우징을 포함한다. 하우징은 상이한 재료를 수용하기 위한 각각의 채널용 유입 포트를 포함한다. 하우징은 비교적 높은 화면비를 갖는 미세한 특징형상을 생성시키기 위해 재료를 기판 상에 공압출시키는 배출 포트를 추가로 포함한다.

Description

압출/분산 장치 및 방법{Extrusion/dispensing systems and methods}
본 발명은 동일 및/또는 상이한 다수의 재료를 동시 압출시켜서 비교적 높은 화면비를 갖는 미세한 구조물을 제조하기 위한 미세 압출 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상의 기술에서는 비교적 높은 화면비(예: 10:1)를 갖는 미세한(예: 5㎛ 미만) 다공성(예: 0.01mm RMS) 구조물을 제곱피트당 1달러 미만의 비용으로 제조하는 것이 불가능하다. 따라서, 효율 및 전력 생산을 높이기 위해 높은 화면비를 갖는 미세한 다공성 구조물을 이용하는 전기화학 전지(예: 연료), 태양 전지 및/또는 다른 형태의 전지를 위한 전도성 접촉부 및/또는 채널을 형성하는 데에는 전형적으로 압출 방법을 사용하지 않는다.
도 1은 실질적으로 동일 및/또는 상이한 둘 이상의 재료(예: 유체, 페이스트, 액체, 잉크 등)를 기판(14) 위에 동시에 도포하기 위한 어플리케이터(12)를 갖는 압출 장치(10)를 보여준다. 재료는 압축 및/또는 인발 기술(예: 고온 및 냉각)에 의해서 어플리케이터(12)를 통해 어플리케이터(12)의 1개 이상의 분산구(16) 밖으로 압축(예: 압착 등) 및/또는 인발(예: 진공 인발 등)되어 도포된다. 재료는 기판(14) 위에 다양한 형상의 개체(예: 연속형, 다중 구획, 직사각형, 삼각형, 불규칙형 등)를 하나 이상 형성하도록 분산된다. 적합한 개체로는 제한 없이 비드, 점, 트랙, 파이프, 프래임, 레일, 로드, 시일, 공극내 용적 등이 포함된다. 개체의 형상은 1개 이상의 분산구(16)의 형상, 어플리케이터(12) 내부의 구조물(예: 채널), 재료의 특성(예: 점도 등), 및 압출 기술(예: 유동 속도, 압력, 온도 등) 중 하나 이상을 통해 한정될 수 있다. 적합한 재료로는 제한 없이 은, 구리, 알루미늄, 강, 플라스틱, 세라믹, 오일, 이들의 배합물 및/또는 목적하는 밀도, 점도, 감촉, 색을 얻기 위해 이들을 다른 물질과 배합한 배합물을 포함한 변형물 등이 있다.
다수의 재료[예: 점도가 약 1센티포아즈(cP) 내지 약 수십만 cP인 재료]를 어플리케이터(12)를 통해 압축 및/또는 인발시키고 함께 분산시켜서 기판(14) 위에 재료의 하나 이상의 적층 구조물을 생성할 수 있다. 재료의 섞임을 줄이기 위해 다수의 재료를 층상 유동 하에 어플리케이터(12)를 통해 압축 및/또는 인발시킬 수 있다. 하나의 재료를 1종 이상의 다른 재료, 불순물, 도펀트(dopant), 피복물 등과 혼합하여 페이스트 등을 만드는 방법 등과 같이 실질적으로 불혼화성인 재료를 사용함으로써 혼합을 더 감소시킬 수 있다. 재료는 서로 불용성이어서 비교적 거의 섞이지 않고 어플리케이터(12)를 통해 기판(14) 위에 줄무늬 층으로 압출되도록 제조될 수 있다. 재료의 점도도 유동물 사이의 전단 및 섞임을 감소시키도록 조절될 수 있다.
어플리케이터(12)는 재료를 수용하여 이를 기판(14)에 도포할 수 있는 노즐, 다이 또는 임의의 구조물일 수 있다. 어플리케이터(12)는 개개의 재료를 수용하여 수렴시키는 구조로 정밀 가공될 수 있다. 어플리케이터(12)는 어플리케이터(12) 내의 재료를 어플리케이터(12)에 의해 분산되는 단일 유동물로 병합시키기 위한 N개(예: 천 개)의 채널을 포함할 수 있다(여기서, N은 1 이상의 정수이다). N개의 채널은 각각 서로 다른 재료를 투입하도록 사용되고/거나 다수의 채널을 실질적으로 동일한 재료를 투입하는 데에 사용할 수 있다. 어플리케이터(12)가 하나의 채널을 포함하는 경우에는 채널 안의 동일 및/또는 상이한 포트를 통해 서로 다른 재료를 투입할 수 있다.
각각의 채널은 어플리케이터(12)의 길이(예: 전체 길이 또는 그의 하위 부분)를 통해서 연장될 수 있다. 예를 들면, N개의 채널 중 하나 이상은 어플리케이터(12)의 길이보다 더 짧지만 층상 유동을 생성하기 위해 상대적으로 입구 길이보다 더 길도록 고안될 수 있다(여기서, 유동 속도는 재료가 병합되기 전에 안정화된다). 이것은 심도 반응성 이온 에칭, 웨이퍼 접합 등과 같은 공지의 정밀 가공 기술에 의해 달성될 수 있다. 어플리케이터(12)는 층상 유동을 생성함으로써 재료가 어플리케이터(12)를 지나 그의 분산구 밖으로 이동할 때 함께 섞이는 것을 완화 및/또는 최소화한다. N개의 채널은 재료가 어플리케이터(12)로부터 기판(14)으로 이동할 때 재료에 가해지는 표면 장력의 영향을 차단하도록 성형될 수도 있다. 각각의 채널은 균일 및/또는 비균일 형상 등과 같은 유일 및/또는 유사한 형상을 가질 수 있다.
개체(예: 비드, 점 등)를 기판(14) 위에 침착시키기 위해서, 어플리케이터(12)를 기판(14)에 대해 적합하게 위치시키고 하나 이상의 재료를 어플리케이터(12)를 통해 분산시킨다. 이러한 위치 설정은 어플리케이터(12)와 기판(14) 사이의 거리, 이동 효율을 증가시키기 위한 어플리케이터(12) 분산 말단의 기판(14)에 대한 각도[예: 기판(14)에 대해 수평 내지 수직], 개체 정의(예: 폭, 높이, 길이, 직경 등), 개체 특성(예: 강도, 유연성 등) 등과 같은 인자를 기준으로 할 수 있다. 이러한 위치 설정은 어플리케이터(12)와 기판(14) 사이의 접촉을 일으킬 수 있다. 도 1은 분산 중에 기판(14) 위에 위치된 어플리케이터(12)를 보여준다.
재료를 기판(14) 위에 분산시키기 전, 후 및/또는 분산시키는 동안에 장치(10)와 어플리케이터(12) 및/또는 기판(14)을 이동시킬 수 있다. 예를 들면, 기판(14) 위의 특정한 위치에 점(또는 도트, 볼 등)을 형성하기 위하여 장치(10)와 어플리케이터(12) 및/또는 기판(14)을 이동시켜서 적합하게 위치시킬 수 있다. 그런 다음 재료를 분산시켜서 점을 형성할 수 있다. 이 후, 만일 후속 도포가 있다면 이를 위하여 장치(10)와 어플리케이터(12) 및/또는 기판(14)을 다른 위치로 이동시킬 수 있다. 다른 예로서, 비드를 형성하기 위하여 장치(10)와 어플리케이터(12) 및/또는 기판(14)을 초기 위치로 이동시킬 수 있다. 재료를 기판(14) 위에 분산시키는 동안 기판(14) 위에 비드를 용이하게 형성하는 방향으로 장치(10)와 어플리케이터(12) 및/또는 기판(14)을 이동시킬 수 있다. 도 1은 재료의 유동물을 분산시켜서 기판(14) 위에 연속적 비드(18)를 형성하는 어플리케이터(12)를 보여준다.
재료가 압출된 후 함께 섞이는 경향을 제한하기 위하여, 기판(14)을 어플리케이터(12)에 대해 상대적으로 냉각시킴으로써 어플리케이터(12)를 빠져나온 재료의 비드를 기판(14) 위에서 켄칭할 수 있다[예컨대 켄칭 부재(15)를 사용하여 기판(14)을 냉각시킬 수 있다]. 다른 기술로는, 어플리케이터(12)로부터 배출되는 재료를 열, 광 및/또는 기타의 수단에 의해 경화시킬 수도 있다[예컨대 경화 부재(17)가 재료를 열 및/또는 광 경화시킬 수 있다]. 하나 또는 둘 모두의 재료가 자외선 경화제를 포함하는 경우에는 재료가 고체 형태로 결합될 수 있어서 섞이지 않으면서 추가의 가공이 가능하다.
어플리케이터(12)는 여러 가지 방법, 즉, (i) 심도 규소 반응 이온 에칭 및 웨이퍼 접합, (ii) 금속을 특징형상(feature)을 통해 전기 도금하여 패턴화된 레지스트 구조물을 형성하는 방법, (iii) 에칭된 시트 금속의 층을 함께 납땜하는 방법, (iv) SU8과 같은 감광성 중합체로부터 구조물을 생성하는 방법, 및 (v) 통상의 제조 기술을 사용하여 금속 및/또는 플라스틱으로부터 가공 또는 성형하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
어플리케이터(12)와 기판(14) 사이의 상대적인 이동 속도 및 재료의 분산 속도는 재료가 기판(14) 위에 놓일 때 재료의 신장 또는 압축 여부와 같은 특성을 결정짓는다. 이 속도는 압출된 재료의 두께 및/또는 평균 두께도 결정짓는다. 전형적으로, 이들 속도는 적어도 부분적으로는 어플리케이터, 재료 및/또는 기판(14) 중 한 가지 이상을 기준으로 설정된다. 속도는 인접한 재료 사이의 분리 및/또는 목적 치수로부터의 편차를 최소화하도록 설정될 수 있다. 하나 이상의 재료를 기판(14) 위로 유도하기 위하여 공기 유동을 사용할 수 있다. 재료를 목적하는 방향으로 끌어당기도록 어플리케이터(12)의 분산구 주위에 공기 유동을 제공할 수 있다. 일부의 연료 전지 전극에서와 같이 기판이 다공성인 경우에는 기판(14)에 대한 재료의 부착을 증가시키기 위하여 기판(14)을 통해서 공기 유동을 끌어당길 수 있다(예: 진공). 유동은 압출되는 재료의 목적하는 유동 특성을 달성하도록 어플리케이터(12) 및/또는 기판(14)의 압력, 온도 등을 조절함으로써 제어될 수도 있다.
각각의 분산된 재료의 작업량 주기는 어플리케이터(12)에 투입되는 각각의 재료의 상응하는 압력(각각의 압력은 동일 및/또는 상이할 수 있다)을 조절함으로써 제어될 수 있다. 추가로 및/또는 다른 방법으로서, 작업량 주기는 어플리케이터(12)의 설계에 의해서도 결정될 수 있다. 예컨대, 각각의 분산된 재료의 피치는 어플리케이터(12)의 구조(예: 분산구의 폭, 채널의 수, 채널의 형상 등)에 의해 한정될 수 있다. 피치와 작업량 주기는 모두 특정한 설계로 설정될 수 있다. 한 응용에서, 분산된 재료의 폭은 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 응용에서, 하나 이상의 재료의 폭은 상이할 수 있다. 또 다른 응용에서, 채널의 하나 이상의 그룹은 상이한 폭을 가질 수 있고, 임의의 한 그룹 내의 채널은 실질적으로 동일한 폭을 가질 수 있다. 표면 장력이 (예컨대 가장자리에서) 재료의 피치를 부정확하게 만들 수 있기 때문에 각각의 채널의 피치는 이를 보완하도록 조절될 수 있다.
하나 이상의 재료는 장치(10)에 연결된 하나 이상의 저장 부재(도시하지 않음) 안에 미리 충전될 수 있는데, 예를 들면 재료를 동일한 저장 부재 안에 함께 저장하고/거나 개별적 저장 부재 안에 분리시킬 수 있다. 추가로 및/또는 다른 방법으로서, 재료는 압출 전 및/또는 압출 동안에 장치(10)의 하나 이상의 임의의 주입 포트(도시하지 않음)를 통해 장치(10)에 공급될 수도 있다.
장치(10)는 1개 이상의 어플리케이터(12)를 포함할 수 있다. 적합한 배치로는 제한 없이 일회 통과의 폭을 증가시키기 위한 연속 배열형 어플리케이터(12)(예: 파상 배치, 인접 배치 등), 일회 통과로 다수의 층을 도포하기 위한 적재형 어플리케이터(12), 층의 폭과 개수를 동시에 증가시키고 효율 등을 증가시키기 위한 매트릭스형 어플리케이터(연속 배열형과 적재형의 배합)가 포함된다. 이러한 배치는 도 18, 19 및 20에 도시되어 있다.
각각의 어플리케이터(12)는 다수의 재료를 분산시키는 데에 사용될 수 있다. 실질적으로 모든 어플리케이터(12)가 동일한 재료를 분산시킬 수 있다. 하나의 어플리케이터(12)에 의해 분산된 재료는 하나 이상의 다른 어플리케이터(12)에 의해 분산된 재료와 상이할 수 있다. 각각의 어플리케이터(12)는 상이한 재료를 분산시킬 수 있으며, 여기서 임의의 한 어플리케이터(12)에 의해 분산된 재료는 동일 및/또는 상이할 수 있다. 각각의 어플리케이터(12)는 단일 재료만을 분산시킬 수 있다.
어플리케이터(12)는 장치(10)가 재료를 인터리빙(interleaved) 및/또는 인접 방식으로 분산시키도록 배치될 수 있다. 이와 같이, K개의 재료(여기서, K는 2 이상의 정수이다)를 분산시키는 제1 어플리케이터(12)는 K개의 재료를 사이에 간격을 두고 인접하게 분산시킬 수 있다. L개의 재료(여기서, L은 2 이상의 정수이다)를 분산시키는 제2 어플리케이터(12)는 K개의 인접한 재료 다음으로 L개의 재료를 K개의 재료 사이에 간격을 두고 인접하게 분산시킬 수 있다. 제3, 제4 등의 어플리케이터(12)도 K 및 L개의 재료에 연결하여 재료를 도포하도록 유사한 방법으로 사용될 수 있다.
장치(10)는 태양 및/또는 전기화학 전지(예: 연료, 배터리 등)의 전극을 제조하는 데에 사용될 수 있다. 장치(10)는 은 페이스트의 라인을 임의의 처리 이전 또는 처리 동안에 태양 전지 기판 위의 전극의 형상을 유지시키기 위해 필요한 경우에만 존재하는 희생 재료에 의해 둘러싸인 높은 화면비를 갖는 그리드 라인으로 압출시키는 데에 사용될 수 있다. 희생 재료는 전체적으로 더 큰 배출 오리피스를 생성하고, 따라서 주어진 재료의 유동 속도에 대해 더 낮은 압력 강하를 일으킨다. 따라서 더욱 높은 가공 속도가 달성될 수 있다. 수렴형 유동을 사용하는 경우 장치(10)의 최소 제조 특징형상은 압출된 그리드 라인의 최소 특징형상보다 더 크다.
측면 변형을 갖는 줄무늬 재료 이외에, 추가로 및/또는 다른 방법으로서 수직 변형을 갖는 재료를 도입[예컨대 기판(14) 위에 장벽 층을 도입]하기 위해 어플리케이터(12)의 변형을 사용할 수 있다. 수직 변형은 상이한 재료를 매니폴드 내에 수직 방향으로 함께 수렴시키는 채널을 형성함으로써 달성할 수 있다. 태양 전지 응용에서는, 하나의 금속을 확산 장벽으로서 규소에 접촉시키고 비용 절감 또는 높은 전도성을 위해 선택된 제2의 금속을 상부에 배치시켜서 금속 이중층을 전지 표면에 도입하는 것이 유리할 수 있다.
장치(10)는 컴퓨터 보안 스크린에 사용되는 것과 같은 광 조절 필름을 제조하는 데에 사용될 수 있다. 전형적으로, 이러한 스크린은 광 투과를 좁은 범위의 각도로 제한시키기 위하여 투명 매트릭스 내에 일련의 높고 얇은 불투명 루버(louver) 층을 갖는다. 어플리케이터(12)는 불투명 및 투명 재료의 층을 교대로 분사시켜서 플라스틱 안에 융선 패턴을 성형하고 융선 사이에 블랙 매트릭스를 압축시킴(두 개의 구조물이 함께 적층될 수 있다)으로써 루버 층을 형성할 수 있다. 장치(10)는 인공 근육과 같은 높은 화면비를 갖는 줄무늬 구조물을 인쇄하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들면, 측면 동시 압출을 밸빙(valving) 작업과 병용함으로써 이러한 구조물을 제조할 수 있다. 다수의 근육 유사 재료의 띠는 여러 방향으로 펼쳐질 수 있어서 다양한 발동 작용을 만들어낼 수 있다.
장치(10) 및 어플리케이터(12)는 인쇄에 사용될 수 있다. 정합을 갖거나 갖지 않는 멀티패스 인쇄를 이용함으로써, 장치는 더 두꺼운 층, 또는 더 광범위한 재료의 혼합물, 또는 새로운 특성을 갖는 기능성 복합 재료의 층을 생성하도록 개발될 수 있다. 공정 방향도 층에서 층으로 변화가 가능하여 독특한 구조물을 생성할 수 있다. 예를 들면, 장치(10) 및 어플리케이터(12)는 합판과 유사한 교차형 조직 구조물을 갖는 고강도 플라스틱을 제조하는 데에 사용될 수 있다. 장치(10) 및 어플리케이터(12)는 수십만 cP 정도의 점도를 갖는 광범위한 재료를 10:1 정도의 높은 화면비와 100nm와 같은 작은 특징형상으로 인쇄할 수 있다.
어플리케이터(12)를 사용하면 비용을 절감할 수 있다. 연료 전지의 전극의 제조와 관련한 전형적인 비용이 전극 면적 1제곱피트당 10 내지 20달러 감소할 수 있다. 페인트, 왁스, 콜로이드성 현탁액, 페이스트, 레지스트, 미립자 현탁액, 겔, 딕소트로픽 재료 등과 같은 광범위한 배열의 재료가 어플리케이터(12)를 통해 압출될 수 있다. 재료는 점도 및/또는 증기 형성의 필요성에 의해 제한되지 않으며, 하나 이상의 재료가 동시에 분산될 수 있다. 수렴형 어플리케이터(12)는 100nm 정도의 측면 치수를 갖는 특징형상을 생성할 수 있다. 층의 두께(예: 약 50㎛)는 다양할 수 있고, 큰 용적의 재료가 일회 통과로 인쇄될 수 있다. 인쇄된 표시물은 표면이 젖게 되는 경우 본질적으로 2D 특징형상으로 될 것이다. 어플리케이터(12)는 페이스트를 연료 전지 응용을 위해 비교적 높은 화면비(예: 10:1)를 갖는 3차원(3D) 구조물이 되도록 도포할 수 있다.
동시 압출 공정의 생산성은 전형적으로 유체의 분산 속도 및 고정 노즐 압력에 의존하며, 분산 속도는 점도가 높은 유체일수록 더 낮아진다. 높은 공정 작업량을 달성하기 위해서는 낮은 점도가 바람직하다. 반면, 노즐 형태에 따른 잘 한정된 계면과 전체적 형상을 갖는 동시 압출된 복합 재료를 생성하기 위해서는 높은 점도가 바람직하다. 높은 노즐 작업량과 형상 보존을 달성하기 위한 한 방법은 전단 박화 유체를 분산시키는 것이다. 이러한 비-뉴턴 유체는 일반적으로 전단 응력의 존재하에서 그의 점도를 종종 100의 인자와 같이 큰 값으로 감소시킨다[참조: Rao et al., Adv. Materials vol. 17 no. 3 (2005)].
도 2는 장치(10)의 어플리케이터(12)로서 사용될 수 있는 어플리케이터를 보여준다.
어플리케이터는 제1 측면(22) 및 제2 측면(24)을 갖는 매니폴드(20)를 포함한다. 매니폴드(20)는 예를 들면 심도 반응 이온 에칭 및 웨이퍼 접합과 같은 공지의 정밀 가공 기술에 의해 제조될 수 있다. 각각의 절반(22 및 24)은 M개(예: 천개 이상)의 채널(26)을 포함한다(여기서, M은 1 이상의 정수이다). 명료화를 위해 10개의 채널을 도시하였다. 채널(26)은 전형적으로 매니폴드(20)의 한정된 길이를 따라 연장되도록 가공되는데, 예를 들면 채널(26)은 매니폴드(20)의 전체 길이보다는 짧지만 층상 유동을 생성하기 위해 입구 길이보다 상대적으로 더 길도록 제조될 수 있다. 채널(26)은 동일 및/또는 상이한 형상을 갖는 균일 및/또는 비균일 채널을 생성하도록 제조될 수도 있다.
측면(22 및 24)은 두 개의 독립적인 구조물로 도시되었으나, 매니폴드(20)는 단일 유닛 및/또는 2개 이상의 부분으로서 제조될 수도 있다[예컨대 각각의 측면(22 및 24)은 다수의 부재로부터 형성될 수 있다]. 측면(22 및 24)이 합체될 때 각각의 채널(26)은 매니폴드(20)의 제1 말단(28)에서 시작하여 채널(26)이 끝나는 영역(32)까지 매니폴드(20)의 제2 말단(30) 쪽으로 연장되고 단일 용적(34)으로 수렴되는 하나 이상의 단리된 구획, 도관, 통로 등을 형성한다. 다른 경우, 채널(26)에 의해 형성된 구획, 도관, 통로 등은 인접한 채널을 통해 유동하는 재료가 서로 접촉될 수 있도록 단리되지 않을 수 있다.
매니폴드(20)는 재료를 수용하기 위한 포트를 추가로 포함한다. 도면에서는, 다수의 포트(36)가 제1 측면(22) 위에 인터리빙 방식으로 배치되고, 다수의 포트(38)가 제2 측면(24) 위에 인터리빙 방식으로 배치될 수 있다. 다른 경우에는 포트(36 및 38)가 모두 매니폴드(20)의 측면(22 및 24) 중 어느 하나 및/또는 둘 모두에 위치될 수 있다. 단일 재료가 포트(36 및 38)에 공급되거나, 상이한 재료가 각각의 포트(36 및 38)에 공급될 수 있다. 다른 경우에는 하나 이상의 재료가 매니폴드(20)의 제1 측면(22)의 포트(36)에 공급되고, 그와 다른 하나 이상의 재료가 매니폴드(20)의 제2 측면(24)의 포트(38)에 공급될 수 있다.
상이한 재료가 각각의 채널(26)을 통해 이동하여 매니폴드(20)의 영역(34) 안에서 병합되어 다수의 재료를 포함하는 단일 유동물을 형성할 수 있는데, 여기서 유동물 내의 인접한 재료는 인접한 채널로부터 온 것이며 동일 및/또는 상이한 재료일 수 있다. 층상 유동 조건 하에서, 채널(26)을 통해 이동하여 영역(34)에서 병합되는 재료는 전형적으로 섞이지 않거나 재료의 혼합이 비교적 최소이다. 재료의 점도는 재료 사이의 전단과 섞임을 감소시키도록 조절될 수 있다. 또한, 채널(26)은 재료가 매니폴드(20) 밖으로 진행될 때 재료에 가해지는 표면 장력의 영향을 차단하도록 성형될 수 있다.
매니폴드(20) 및/또는 M개의 채널(26)은 층상 유동의 생성, 상이한 재료의 병합, 및/또는 기판(14) 위의 목적 형상의 생성을 용이하게 하도록 다양하게 성형될 수 있다. 적합한 매니폴드 형상은 채널이 매니폴드(20)의 제1 말단(28)으로부터 매니폴드의 제2 말단(30)으로 연장되고/거나 좁혀지는 사다리꼴 형상을 포함한다.
도 3 및 4는 각각의 재료를 분산시키기 위해 분리된 구조물가 사용되는, 장치(10)의 어플리케이터(12)로서 사용될 수 있는 또 다른 어플리케이터를 보여준다. 분산기(40)는 제1 재료를 도포하는 데에 사용되고, 분산기(42)는 Z번째 재료를 도포하는 데에 사용된다(여기서, Z는 1 이상의 정수이다). 분산기(40 및 42)는 마이크로-포지셔너(micro-positioner) 및/또는 다른 적합한 장치에 의해 함께 배치될 수 있다. 채널 대 채널의 배열은 분산기(40 및 42) 안에 만들어진 빗 모양 구조물과 같은 특징형상을 연결시켜서 달성할 수도 있다. 재료는 분산기(40 및 42) 밖에서 접촉되기 때문에 재료가 기판(14) 위에 분산된 후 비교적 빠르게 경화(예: UV 경화)될 수 있다면 재료가 부분적으로 혼합될 수 있다. 재료는 채널의 끝과 기판(14) 사이에서 일련의 층으로 함께 섞일 수 있다. 달리, 재료가 기판(14) 위에 침착되면 기판(14) 위의 분리된 줄무늬가 함께 유동할 수 있다.
도 4는 각각의 분산기(40 및 42)가 하나 이상의 분산 포트를 포함할 수 있음을 보여준다. 분산 포트(44)는 제1 재료를 도포하는 데에 사용되고, 분산 포트(46)는 Z번째 재료를 도포하는 데에 사용된다. 포트(44)는 제1 재료의 다수의 유동물을 도포하기 위한 다수의 (동일하거나 동일하지 않은) 간격(48)에 의해 분리될 수 있다. 포트(44)는 간격(44) 안에 Z번째 재료를 분산시키기 위한 다수의 (동일하거나 동일하지 않은) 간격(50)에 의해 분리된 포트(44)와 엇갈려서 평행하게 놓일 수 있어서, 유동물은 포트(44 및 46)의 총 개수를 기준으로 하는 폭으로 재료를 교대로 포함할 수 있다.
도 5는 어플리케이터(12)로서 사용될 수 있는 또 다른 어플리케이터의 구성을 보여준다. 어플리케이터는 2종의 상이한 재료를 기판(14) 위에 도포하는 데에 사용된다. 어플리케이터는 다수의 채널(26)을 갖는 매니폴드(20)를 포함하며, 이 채널은 매니폴드(20) 안의 각각의 채널(26)에 수용된 재료을 재료의 섞임을 감소시키면서 (재료와 재료의 접촉을 갖는) 분리된 재료의 단일 유동물로 병합시키기 위하여 층상 유동을 용이하게 생성하도록 제조된다. 채널(26)은 하나 이상의 재료를 매니폴드(20)에 투입하기 위해 사용되는 포트(36) 또는 포트(38)와 연결된다. 이러한 두 개의 포트가 도시되어 있다.
전형적으로, 2종의 상이한 재료는 인접한 채널(26)이 상이한 재료에 사용되도록 인터리빙 방식으로 매니폴드(20)에 투입된다. 그러나, 동일한 재료가 인접한 채널에 투입될 수도 있다. 도시된 바와 같이, 2종의 상이한 재료가 마주보는 측면(52 및 54)으로부터 매니폴드(20) 안으로 투입될 수 있다. 다른 구성에서는, 2종의 상이한 재료가 실질적으로 동일한 측면(들), 예컨대 측면(52) 또는 측면(54)으로부터 투입될 수 있는데, 예를 들면 두 재료가 여러 측면, 예컨대 측면(52)와 측면(54) 모두로부터 투입될 수 있다. 재료가 투입되는 측면은 임의적이거나 특정한 순서를 설정하기 위해 한정될 수 있다.
제1 재료는 하나 이상의 다수의 포트(38)를 통해 매니폴드(20)의 몇몇 채널(26)에 공급되고, 다른 재료는 다수의 포트(36)를 통해 매니폴드(20)의 상이한 채널(26)에 공급된다. 포트(36 및 38)의 서로에 대한 상대적 위치는 매니폴드(20)가 180°로 회전할 수 있도록 임의로 정한다. 상술한 바와 같이, 재료는 (예컨대 압축, 인출 기술 등에 의해) 상응하는 채널을 통해 이동하고 매니폴드(20) 내부의 층상 유동하에 병합되어 재료의 단일 유동물을 형성한다.
어플리케이터는 어플리케이터의 외장을 강화시키는 하우징(56)을 추가로 포함한다. 하우징(56)은 후방 영역(58)으로부터 전방 영역(60)으로 끝이 가늘어지거나 크기(예: 두께, 직경, 폭 등)가 작아지는 모양으로 설계될 수 있다. 이렇게 가늘어지는 모양은 전형적으로 어플리케이터의 가장 높은 압력의 영역을 포함하는 후방 영역(58)을 상대적으로 더 많이 지탱하면서 분산 말단(62)을 기판에 인접하고/거나 접촉하여 위치시킬 수 있다. 이러한 위치 설정은 어플리케이터와 기판(14) 사이의 거리, 기판(14)에 대한 분산 말단(62)의 각도 등과 같은 인자를 기준으로 할 수 있다.
어플리케이터 및/또는 기판(14)은 재료를 기판(14)에 용이하게 도포할 수 있도록 이동이 가능하다. 상대적으로 보다 좁은 분산 말단(62)은 기판(14)을 가로지르는 어플리케이터의 각각의 통과로 도포된 재료의 폭을 증가시키기 위하여 복수 개의 어플리케이터를 파상 또는 비-파상 배열로 함께 정렬시키는 것을 가능하게 한다. 기판(14)은 절단 시트로 공급되거나 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정으로 공급될 수 있다. 재료의 공급 속도는 상술한 바와 같이 조절될 수 있다. 예를 들면 유동 속도를 실행하도록 재료의 압력을 적합하게 조절할 수 있다.
도 6은 어플리케이터(12)에 의해 형성된 그리드 라인을 갖는 태양 전지와 같은 광기전력 전지의 일부분을 보여준다. 광기전력 전지는 p-타입 영역(66)과 n-타입 영역(68)을 갖는 반도체(64)를 포함한다. 반도체(64)의 영역(66 및 68) 중 어느 하나 또는 둘 모두는 예컨대 비화알루미늄, 비화알루미늄갈륨, 질화붕소, 황화카드뮴, 카드뮴 셀레나이드, 다이아몬드, 비화갈륨, 질화갈륨, 게르마늄, 인화인듐, 규소, 탄화규소, 규소 게르마늄, 절연체상 규소, 황화아연, 아연 셀레나이드 등과 같은 반도체 재료로부터 제조될 수 있다. 전기장은 p-n 접합부(70)를 통해 형성되고, 예를 들어 광자 흡수 시에 반도체(64)의 한 영역으로부터 다른 영역으로 전자 및/또는 홀이 유동할 수 있게 한다. 전자는 n-타입 영역(68)으로부터 p-타입 영역(66)으로 통과하고 홀은 p-타입 영역(66)으로부터 n-타입 영역(68)으로 통과한다.
광기전력 전지는 p-타입 영역(66)의 측면(74)에 인접하여 형성된 접촉부(72)를 추가로 포함한다. 접촉부(72)는 알루미늄 기재 페이스트와 같은 금속 페이스트를 통해 형성될 수 있다. 그리드 접촉부(76)는 n-타입 영역(68)의 측면(78)에 인접하여 형성된다. 그리드 접촉부(76)는 비전도성 영역(82)에 의해 분리된 전도성 핑거(fingers)(80)를 포함한다. 핑거(80)는 은 기재 페이스트와 같은 금속 페이스트를 통해 형성된다. 접촉부(72 및/또는 76)는 열 처리 및/또는 건조, 경화 및/또는 소결 및/또는 기타의 공정에 노출될 수 있다.
접촉부(72 및 76)를 형성한 후, 예컨대 플랫 와이어 또는 금속 리본을 통해 다수의 전지를 직렬 및/또는 병렬로 연결하고 모듈 또는 패널로 조립할 수 있다. 한 장의 강화 유리(도시하지 않음)를 그리드 접촉부(76) 위에 적층시키고/거나 중합체 캡슐 봉입물(도시하지 않음)을 접촉부(72) 위에 형성할 수 있다. 광자 흡수 표면은 전지에 흡수되는 광량을 증가시키기 위하여 거친 표면을 포함하고/거나 반사 방지 재료(예: 질화규소, 이산화티탄 등)로 피복될 수 있다. 그리드 접촉부(76)는 광자를 반도체(64)에 쉽게 유도하고 광자의 반도체(64) 진입의 차단을 감소시켜서 효율 및/또는 전력 생산을 증대시킬 수 있는 직사각형 막대 또는 [예컨대 반도체(64)로부터 떨어져서 면하는 삼각형의 점을 갖는] 삼각형 용적과 같은 여러 가지 모양으로 형성될 수 있다.
전극(84)은 그리드 접촉부(76)와 외부 부하(86)에 연결될 수 있고, 전극(88)은 외부 부하(86)와 접촉부(72)에 연결될 수 있다. 광자(90)가 반도체(64) 안에 흡수될 때 그들의 에너지가 그 내부의 전자를 여기시키고 이 후 전자는 자유롭게 이동한다. n-타입 영역(68) 내의 여기된 전자가 그리드 접촉부(76)와 전극(84)을 통해 외부 부하(86)로 이동하고 다시 전극(88)과 접촉부(72)를 통해 p-타입 영역(72)으로 이동할 때 전류가 발생한다.
도 7은 도 6에서 설명한 광기전력 전지와 같은 광기전력 장치 위에 그리드 라인을 제조하기 위한 방법을 보여준다. (92)에서, 여러가지 반도체 재료를 포함할 수 있는 반도체를 제조한다. 반도체는 n-타입 규소 조각과 p-타입 규소 조각을 결합시켜 반도체 p-n 접합부를 형성시킴으로써 제조하거나 n-타입 도펀트(예: 인, 비소, 안티몬 등) 또는 p-타입 도펀트(예: 붕소 등)를 실리콘 웨이퍼의 측면에 확산시키거나, 붕소 불순물을 함유한 블루 다이아몬드와 같은 천연 반도체를 사용할 수 있다. 광기전력 전지를 직렬 및/또는 병렬 방식으로 결합시켜서 광기전력 모듈 또는 패널을 형성한다. (94)에서, p-타입 영역에 인접하여 전도성 접촉부를 형성한다. (96)에서, n-타입 영역에 인접하여 전도성 그리드를 형성한다. 일례로, 상술한 바와 같은 장치(10)가 전도성 그리드를 형성하는 데에 사용된다. (98)에서, 전도성 접촉부와 전도성 그리드로부터 전극을 부하에 연결시킨다. 광자가 반도체에 흡수될 때 광기전력 효과를 통해 전기 에너지가 발생된다.
도 8은 도 6과 관련한 그리드 라인을 제조하는 방법을 보여준다. (100)에서, 하나 이상의 어플리케이터[예: 어플리케이터(12)]를 압출 장치[예: 장치(10)]에 연결시킬 수 있다. 어플리케이터는 직렬(예: 파상 또는 비-파상) 및/또는 병렬 방식으로 연결될 수 있다. (102)에서, 장치를 광기전력 기판의 표면에 대해 적합하게 위치시킬 수 있다.
(104)에서, 은 페이스트와 희생 재료를 어플리케이터에 공급한다. 은 페이스트와 희생 재료는 공지의 기술을 통해 어플리케이터에 압축 및/또는 인출될 수 있다. 각각의 어플리케이터는 재료의 섞임을 감소시키면서 재료를 어플리케이터 안에 병합시키기 위한 층상 유동을 쉽게 생성하도록 제조된 다수의 채널을 포함할 수 있다. 은 페이스트와 희생 재료는 전형적으로 인접한 채널이 상이한 재료를 공급받거나(예컨대 하나의 채널은 은 페이스트를, 인접한 채널은 희생 재료를 공급받는다) 채널이 교대로 동일한 재료를 공급받도록(예컨대 모든 홀수의 채널 또는 모든 짝수의 채널은 은 페이스트 또는 희생 재료를 공급받는다) 인터리빙 방식으로 공급된다.
(106)에서, 재료는 그들의 각각의 채널을 통해 이동한다. 속도, 온도, 작업량 주기 등과 같은 인자는 적어도 부분적으로는 재료의 점도 및/또는 그리드 라인 길이, 폭, 강도, 저항 등의 목적하는 특성과 같은 인자를 기준으로 설정된다. 이들 인자는 각각의 채널을 통해 이동하는 각각의 재료에 대한 층상 유동을 생성하도록 설정된다. (108)에서, 각각의 어플리케이터 내의 다수의 채널로부터 나온 다수의 유동물은 재료를 교대로 포함하는 단일 유동물로 병합된다. 각각의 유동은 층상 유동이므로 재료는 비-층상 유동에 비해 섞임이 감소되면서 병합된다. 희생 재료는 은 페이스트의 유동학에 밀접하게 조화시킨 재료가 바람직하지만 이에 제한되지는 않는다.
(110)에서, 병합된 재료를 각각의 어플리케이터로부터 분산시키고 광기전력 기판에 도포하여 그리드 라인을 형성한다. 장치와 어플리케이터 및/또는 광기전력 기판은 서로에 대해 이동이 가능하며, 예를 들어 하나의 금속을 확산 장벽으로서 기판에 접촉시키고 비용 절감 및/또는 높은 전도성을 위해 그 위에 다른 금속을 형성한 금속 이중층과 같은 장벽 층을 광기전력 기판 위에 도포하기 위함과 같이, 목적하는 폭을 생성하고/거나 목적하는 개수의 층을 도포하기 위해서는 여러 번 사용할 수 있다. 그리드 라인은 예컨대 열 처리 또는 소결에 의해 더 처리됨으로써 기판과의 저항성 접촉을 형성할 수 있다.
그리드 라인을 위해 어플리케이터(12)를 사용하면 약 10:1과 같은 높은 화면비와 약 5 내지 10㎛ 미만의 비교적 미세한 특징형상을 갖는 그리드 라인을 생성할 수 있다. 통상의 장치를 사용하면 그리드 라인은 약 4%의 영역을 덮고 불투명한 금속성이므로 광자를 반도체(64) 진입으로부터 차단한다. 어플리케이터(12)에 의해 제조된 높은 화면비를 갖는 미세 특징형상의 그리드 라인은 4% 미만의 영역을 점유하고 보다 많은 광자가 반도체(64)로 진입하도록 함으로써 전력 출력량을 증대시킨다. 좁은 그리드 라인이 더 작은 금속-대-반도체 접촉 면적을 가지므로, 전자-홀 재결합이 감소되는 유리한 효과가 얻어진다.
도 9는 태양 전지 그리드 라인의 침착에 적합한 압출/분산 어플리케이터의 일부분의 확대도이다. 어플리케이터는 일련의 배출구(112)를 포함한다. 각각의 배출구(112)는 단일 그리드 라인에 상응하며, 높은 화면비를 갖는 중심 금속선을 구성하는 복합 재료를 금속선의 하나 이상의 측면에 인접한 지지 재료와 함께 분산시킨다. 도 10은 도 9의 어플리케이터를 통해 기판(120) 위에 분산된 이러한 2개의 그리드 라인의 단면도이다. 각각의 분산된 그리드 라인은 금속선(116)과 지지 재료(118)를 포함한다. 도 9에 관하여, 각각의 배출구(112)에 이르게 되는 수렴형 통로(120)는 직선의 채널에 비해 이점을 갖는다. 압출된 특징형상은 어플리케이터 자체의 가장 미세한 최소 설계 특징형상보다 더 미세할 수 있다. 어플리케이터는 단일 배출구를 사용하는 어플리케이터에 비해서 그리드 라인을 지지하는 데에 더 적은 양의 재료를 사용한다.
표 1에 기재된 측정 인자를 갖는 동시 압출 어플리케이터는 결정성 규소 태양 전지 위에 그리드 라인을 형성하도록 재료를 분산시키는 데에 사용될 수 있다.
그리드 라인을 형성하기 위한 대표적 어플리케이터 인자
시트 두께 152㎛
그리드 라인 피치 2.5mm
어플리케이터 속도 1cm/sec
이전 점도 100,000 cP
어플리케이터 각도 45°
어플리케이터 배출구 폭 304.8㎛
은 폭 49.2㎛
은 라인 단면적 7,500㎛2
은 라인 화면비 3.10:1
은 유동 0.075㎣/sec
어플리케이터 압축 6.2:1
어플리케이터 압력 강하 2.24atm
이러한 설계에서, 수렴형 채널은 두께가 약 0.15mm인 재료의 시트로 패턴화된다. 어플리케이터/노즐의 배출 오리피스는 2.5mm의 피치로 반복된다. 약 2.24atm의 어플리케이터/노즐 압력에서 1000포이즈의 페이스트는 1cm/sec의 속도로 분출된다. 은의 중심 줄무늬는 화면비가 3.1인 약 50㎛의 폭을 갖는다.
다수의 분리된 배출구를 갖는 어플리케이터/노즐은 본래의 불안정성을 가질 수 있는데, 특히 분산된 유체는 다량의 전단 박화를 경험할 수 있다. 이러한 불안정성은 상이한 채널 내의 유체을 서로 다른 유동 상태로 분리시킬 수 있다. 몇몇 채널에서는 유동물이 저 유동, 저 전단, 고 점도 상태로 나뉘고 다른 채널에서는 고 유동, 고 전단, 저 점도 상태를 가질 수 있다. 바람직하지 못한 상태는 고 및 저 배출 유동물의 배합에 대해 주어진 유체 변위 속도, 전체적 압력 강하가 최저인 상태이다. (도 9의 어플리케이터와 같이) 다수의 배출구를 갖는 분산 노즐로부터 불균일한 유동을 막기 위한 한 가지 방법은 각각의 배출물을 별개의 유체 펌프로부터 구동시키는 것이다. 이를 달성하기 위한 특히 바람직한 경제적 방법은 여러 개의 플런저가 달린 판을 구동시키는 모터 및 리드 스크류(lead screw)와 같은 단일 구동 장치에 의해 다수의 저장소 안의 유체를 동시에 압축시키는 일련의 정변위 펌프를 형성하는 것이다.
도 9에서 설명한 측면 배열된 동시 압출 장치의 추가의 개선으로는 수직으로 적층된 재료의 층상 유동의 도입에 관한 매니폴드의 첨가를 포함한다. 도 11은 채널이 서로에 대해 수직으로 배치된 2개 이상의 하위 채널(122)을 포함하여 배출 포트(126)를 통해 수직 적층된 개체(124)을 형성하는 어플리케이터를 보여준다. 각각의 하위 채널은 재료를 투입하기 위한 주입구(128)를 포함한다. 어플리케이터는 수평 및 수직 층을 동시에 형성하기 위하여 동일 및/또는 상이한 개수의 하위 채널(122)을 갖는 다수의 채널을 포함할 수 있다. 이러한 구조는 태양 전지의 금속화 비용을 감소시킬 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 수직 적층된 개체(124)는 기판(132)에 인접하여 형성된 은 그리드 라인 금속과 같은 비교적 고가의 접촉 재료(130)를 포함한다. 확산 장벽(134)으로서 작용하는 니켈 금속과 같은 층이 접촉 재료(130)에 인접하여 수직으로 형성된다. 태양 전지에 의해 발생된 전류를 운반하기 위한 추가의 저렴한 재료로 사용되는 구리 금속 층과 같은 금속선(136)이 확산 장벽(134)에 대해 수직으로 적층된다. 접촉 재료(130), 확산 장벽(134) 및/또는 금속선(136)에 인접하여 수평으로 지지 재료(138)가 형성된다.
도 13에서, 하위 채널(122)을 통한 수직 유동물은 도시된 바와 같이 간단하게 함께 병합되어 배출구(126)에서 분산된다. 달리, 더욱 미세한 특징형상을 생성하고 주어진 유동 속도에 대한 총 압력 강하를 감소시키기 위하여 하위 채널(122)은 함께 수렴될 수도 있다. 도 14에서, 연결된 판의 적재물 중 한 층이 도시된다. 이 층 위에서 하위 채널(122)을 통한 유동물이 수직으로 수렴된다. 위와 아래의 층은 충전 오리피스를 함유할 수 있다. 위와 아래에 추가의 층을 도입하고 희생 재료의 측면 침착되는 유동물을 병합시킬 수 있다.
도 15에서는 기판이 분산 헤드에 대해 이동하여 분산된 페이스트의 층이 함께 쌓이게 되는 방식으로, 배출구(126)로부터 나오는 개개의 층이 분산 헤드 외부에서 합해진다.
도 16은 도 9의 어플리케이터에 의해 형성된 하나 이상의 채널을 갖는 대표적 연료 전지 음극을 보여준다. 도 9의 어플리케이터는 배터리(예: 아연-공기) 등과 같은 다른 전기화학적 장치를 위한 장벽 채널 및/또는 전극을 제조하는 데에 사용될 수 있다.
연료 전지 음극은 다공성 전극 및 기체 확산층(144), 예컨대 중합체 구조물 내에 결합된 인산으로 구성된 막(146), 및 그 사이에 배치된 복합 다공성 전극(148)을 포함한다. 전극(144)은 전형적으로 다공성 전극 및 기체 확산층이며, 이것은 나노다공성의 소수성 재료(예: 폴리테트라플루오로에틸렌 입자)의 수직 줄무늬(150)와 나노다공성의 친수성 전도체 및 촉매(예: 흑연 입자 및 백금)의 수직 줄무늬(152)가 교대로 존재하는 복합 다공성 전극(148) 안으로 수소 연료 전지를 위한 산소와 같은 반응물이 투과될 수 있게 한다. 전도체 선(152) 내의 백금과 같은 촉매는 물을 생성하는 반응을 촉매한다. 일례로, 이러한 반응은 반응식 에 의해 특징화된다. 줄무늬(150) 및 (152)의 다공성 성질은 다공성 복합 전극(148) 내에서 소모되는 반응물의 연속적 공급을 제공한다.
비교적 높은 화면비(10:1)를 갖는 얇은 특징형상(5 내지 10㎛)의 다공성 라인은 전극에 필요한 고가의 촉매의 이용율을 높이는 긴 반응 대역을 제공하기 때문에 바람직하다. 그러나, 통상의 압출 기술은 비교적 거친(0.01mm RMS) 기판 위에 제곱피트당 1달러 미만의 비용으로 이러한 라인을 형성하는 것이 불가능하다. 또한, 구조물은 양성자를 막으로부터 반응 부위로 전도시키고, 낮은 부분 압력 강하로 산소를 반응 부위에 확산시키며, 전자를 다공성 전극으로부터 반응 부위로 전도시키고, 반응 부위로부터 열을 운반하여 제거하며, 100 내지 200 PSI의 기계적 압축 부하를 견뎌야 한다. 이러한 전극 구조물 및 그의 목표 비용에 의해 부여되는 과제는 통상의 포토리소그래피, 다이렉트 마킹(direct marking) 및 성형 기술로는 해결이 거의 불가능하다. 이러한 결함을 보완하기 위하여, 통상의 기술은 일반적으로 반응 부위의 수를 증가시키기 위해 바람직한 양을 초과하는 촉매를 사용하고/거나 다공성 재료의 매트릭스 안에 백금으로 촉매된 탄소 응집체, 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 사용한다. 도 9의 어플리케이터는 제곱피트당 1달러 미만의 비용으로 비교적 거친(0.01mm RMS) 기판 위에 다공성 PTFE(152)가 인터리빙되어 있는 높은 화면비(10:1)를 갖는 얇은 전도체 라인(150)(5㎛ 이하)을 생성하는 데에 사용될 수 있다.
도 17은 도 16에서 설명된 연료 전지의 막 전극 어셈블리를 제조하기 위한 방법을 보여준다. (154)에서, 도 9의 어플리케이터를 사용하는 장치를 기판의 표면에 대해 적합하게 위치시킨다. 이러한 위치 설정은 어플리케이터의 분산 말단과 광기전력 장치 사이의 거리, 광기전력 기판에 대한 어플리케이터의 분산 말단의 각도 등을 포함한다.
(156)에서, 친수성 라인을 생성하기 위한 제1 재료와 소수성 라인을 생성하기 위한 제2 재료를 어플리케이터(들)에 공급한다. 각각의 어플리케이터는 재료의 섞임을 감소시키면서 재료를 어플리케이터 안에 병합시키기 위한 층상 유동을 쉽게 생성하도록 제조된 다수의 채널을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 재료는 전형적으로 인접한 채널이 상이한 재료를 공급받거나 채널이 교대로 동일한 재료를 공급받도록 인터리빙 방식으로 공급된다. 속도, 온도, 작업량 주기 등과 같은 인자는 적어도 부분적으로는 재료의 점도 및/또는 그리드 라인 길이, 폭, 강도, 저항 등의 목적하는 특성과 같은 인자를 기준으로 설정된다. 이들 인자는 각각의 채널을 통해 이동하는 각각의 재료에 대해 층상 유동이 생성되도록 설정된다.
(158)에서, 각각의 어플리케이터 내의 다수의 채널로부터 나온 다수의 유동물은 교체 재료의 단일 유동물로 병합된다. 각각의 유동은 층상 유동이므로 재료는 비-층상 유동에 비해 섞임이 감소되면서 병합된다. (160)에서, 병합된 재료를 어플리케이터(들)로부터 분산시켜서 다수의 채널을 형성함으로써 전해질을 형성한다. 어플리케이터(들) 및/또는 기판은 서로에 대해 이동이 가능하다. 어플리케이터(들)는 목적하는 폭을 생성하고/거나 목적하는 개수의 층을 도포하기 위하여 여러 번 사용될 수 있다.
재료가 포함하는 페이스트와 입자의 섞임을 감소시키기 위해서는 재료를 실질적으로 불혼화성이 되도록 제조할 수 있다. 전극 내에 다공성 매질의 망상 구조를 형성하는 입자는 필요에 따라 친수성 또는 소수성 피복물로 피복시킴으로써 이들의 혼합에 영향을 줄 수 있다. 액체 및 콜로이드성 현탁액의 쌍 및 배합물은 서로 불용성이 되도록 제조되어 어플리케이터를 통해 기판 위에 압출된 이들 재료의 줄무늬 층이 거의 섞이지 않게 할 수 있다.
표 2는 본 발명의 어플리케이터에 대한 작업량 관련 인자의 예를 제공한다. 작업량 관련 인자는 어플리케이터(12)의 길이를 따라 여러 점에서 직사각형 단면적 내의 포아즈이(Poiseuille) 유동을 생성하기 위한 압력 구배를 측정함으로서 얻는다.
본 발명의 어플리케이터에 대한 작업량 관련 인자
분출기 수렴율 10 대 1
주입기 피치 50㎛
주입기 크기 25㎛
배열 폭 1000개의 주입기
어플리케이터의 개수 10개의 노즐
어플리케이터 높이 200㎛
페이지 인쇄 시간 1min
페이지 크기 300mm
층 두께 50㎛
배출구 피치 5㎛
배열 폭 주입시 50mm
어플리케이터 폭 배출시 5mm
어플리케이터 속도 30mm/sec
어플리케이터 유동 속도 7.5mm/sec
어플리케이터 유동 비율 7.5mm3/sec
점도 5000 cP 또는 5㎏/m.sec
유동 속도 7.5mm3/sec 또는 7.5E-09m3/sec
어플리케이터 길이 50mm
압력 강하 24PSI
표 2로부터, 적당한 개수, 예를 들면 약 10개의 어플리케이터 및 약 24 PSI의 압력에 대해, 비교적 높은 점성의 재료가 1분당 약 1제곱피트의 속도로 인쇄될 수 있다. 어플리케이터의 넓은 말단에서의 주입구 피치는 약 50㎛이고, 약 1000개의 주입 포트와, 약 5㎛의 어플리케이터 개구부에서의 인쇄 피치에서 폭은 약 50mm에서 약 5mm로 수렴된다. 어플리케이터에 의해 침착된 층의 높이는 약 50㎛인 반면, 어플리케이터 채널은 깊이가 약 200㎛이다. 침착된 층은 어플리케이터로부터 배출되는 재료의 유동 속도보다 (예컨대 약 4배) 더 빠르게 기판을 이동시키거나 신장시켜서 얇게 만든다. 재료의 특성에 따라서 비드를 비교적 높은 비율로 신장시킬 수 있다. 어플리케이터 채널이 약 500㎛의 깊이를 갖고 층 두께가 약 50㎛인 경우, 약 1.7 PSI의 압력 강하만으로 거의 동일한 인쇄 속도를 달성할 수 있다. 더욱 미세한 피치에 대해서는 어플리케이터가 더 많은 주입 포트 또는 더 좁은 개구부를 포함할 수 있다.
상기 설명되거나 설명되지 않은 특징형상 및 기능의 변형 또는 그의 대안을 결합시켜서 유사 및/또는 상이한 기타의 장치 또는 응용을 달성할 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명에 따르는 장치는 비교적 높은 화면비를 갖는 미세한 구조물을 제조하기 위해 사용될 수 있다.
도 1은 하나 이상의 재료를 기판 위에 동시에 도포하기 위한 어플리케이터를 갖는 압출 장치를 보여준다.
도 2는 대표적인 어플리케이터를 보여준다.
도 3은 다른 예의 어플리케이터를 보여준다.
도 4는 다수의 분산 포트를 보여준다.
도 5는 또 다른 예의 어플리케이터를 보여준다.
도 6은 대표적인 광기전력 전지의 일부분을 보여준다.
도 7은 광기전력 전지의 제조 방법을 보여준다.
도 8은 그리드 라인(grid lines)의 제조 방법을 보여준다.
도 9는 대표적인 어플리케이터의 일부분의 확대도이다.
도 10은 그리드 라인의 단면도이다.
도 11은 수직으로 적층된 개체(entity)를 형성하기 위한 수직 배치된 하위-채널을 갖는 대표적인 어플리케이터의 일부분을 보여준다.
도 12는 그리드 라인의 단면도이다.
도 13은 유동물이 수직으로 병합되어 분산되는, 수직으로 적층된 개체를 생성하기 위한 다른 구성을 보여준다.
도 14는 유동물이 수직으로 함께 쌍으로 병합되는, 수직으로 적층된 개체를 생성하기 위한 또 다른 구성을 보여준다.
도 15는 유동물이 어플리케이터의 외부에서 수직으로 함께 병합되는, 수직으로 적층된 개체를 생성하기 위한 또 다른 구성을 보여준다.
도 16은 대표적인 연료 전지의 일부분을 보여준다.
도 17은 도 13에 도시된 연료 전지의 전극을 제조하기 위한 방법을 보여준다.
도 18은 연속 배열형(array)의 어플리케이터를 보여준다.
도 19는 적재형의 어플리케이터를 보여준다.
도 20은 매트릭스형의 어플리케이터를 보여준다.

Claims (6)

  1. 하우징,
    재료의 유동을 용이하게 하는 하우징에 의해 둘러싸인 2개 이상의 채널,
    재료를 각각의 채널로 공급하는 각각의 채널과 결합된 하나 이상의 유입 포트, 및
    비교적 높은 화면비를 갖는 미세한 특징형상(feature)을 생성시키기 위해 재료를 공압출/분산시키는 배출 포트를 포함하는, 기판상에 재료를 압출/분산시키는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 재료의 점도가 약 수십만 cP 이하인 장치.
  3. 제1항에 있어서, 미세한 특징형상의 치수가 약 100nm 내지 약 100㎛인 장치.
  4. 제1항에 있어서, 2개 이상의 채널이 하우징 내에서 길이 연장되어 채널을 통해 재료를 유동시키기 위한 층상 유동 조건을 생성시키는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 특징형상이 태양 전지 그리드 라인 및 연료 전지 전극 중 어느 하나인 장치.
  6. 제1항에 있어서, 배열형(array), 적재형 및 매트릭형 중의 어느 하나의 구조로 서로 배열된 다중 어플리케이터를 추가로 포함하는 장치.
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