KR20100051557A - 층상 노즐 구조물 및 마이크로 압출 시스템 - Google Patents

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데이비드 케이 포크
스콧 이 솔버그
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팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 압출 프린트헤드 조립체로부터 목표 기재의 상부면으로 압출 재료의 비드를 압출하는 층상 노즐 구조물에 관한 것으로서, 이 층상 노즐 구조물은 제 1 전방 에지를 포함하고 제 1 입구 포트를 규정하는 정상부 노즐 판, 및 제 2 전방 에지를 포함하고 밀폐 단부로부터 상기 제 2 전방 에지를 통하여 규정된 개구로의 미리 정해진 제 1 방향으로 기다란 노즐 채널을 규정하는 노즐 출구 판을 포함하며, 상기 정상부 노즐 판은 압출 노즐을 형성하기 위해 노즐 출구 판에 장착되며, 정상부 노즐 판의 부분이 압출 노즐의 상부 벽을 형성하고, 기다란 채널의 대향 에지가 압출 노즐의 측벽을 형성하고, 제 2 전방 에지에 형성된 개구가 압출 노즐의 출구 오리피스를 규정하며, 상기 제 1 입구 포트는 기다란 채널의 밀폐 단부와 정렬되며, 이에 의해 제 1 입구 포트를 통하여 가압된 압출 재료는 압출 노즐을 따르는 제 1 유동 방향으로 흐르고 상기 출구 오리피스 밖으로 나와 상기 비드를 형성하며, 상기 층상 노즐 구조물은 비드가 목표 기재를 향해 편향시키기 위한 수단을 포함한다. 본 발명은 또한 압출된 재료가 목표 기재의 상부면에 평행한 비드를 형성하도록 프린트헤드 조립체에 규정된 압출 노즐의 밖으로 하나 이상의 재료를 압출시키기 위한 재료 공급 시스템 및 프린트헤드 조립체를 포함하는 마이크로 압출 시스템에 관한 것이며, 상기 프린트헤드 조립체는, 제 1 판 구조물, 제 2 판 구조물, 및 제 1 및 제 2 판 구조물 사이에 끼워진 층상 노즐 구조물을 포함하며, 이 층상 노즐 구조물은, 제 1 전방 에지를 포함하고 제 1 입구 포트를 규정하는 정상 부 노즐 판, 및 제 2 전방 에지를 포함하고 밀폐 단부로부터 상기 제 2 전방 에지를 통하여 규정된 개구로의 미리 정해진 제 1 방향으로 기다란 노즐 채널을 규정하는 노즐 출구 판을 포함하며, 상기 정상부 노즐 판은 압출 노즐을 형성하기 위해 노즐 출구 판에 장착되며, 정상부 노즐 판의 부분이 압출 노즐의 상부 벽을 형성하고, 기다란 채널의 대향 에지가 압출 노즐의 측벽을 형성하고, 제 2 전방 에지에 형성된 개구가 압출 노즐의 출구 오리피스를 규정하며, 상기 제 1 입구 포트는 기다란 채널의 밀폐 단부와 정렬되며, 이에 의해 제 1 입구 포트를 통하여 가압된 압출 재료는 압출 노즐을 따르는 방향으로 흐르고 상기 출구 오리피스 밖으로 나와 상기 비드를 형성하며, 상기 층상 노즐 구조물은 비드가 목표 기재를 향해 편향시키기 위한 수단을 포함한다.

Description

층상 노즐 구조물 및 마이크로 압출 시스템{LAYERED NOZZLE STRUCTURE AND MICRO EXTRUSION SYSTEM}
본 발명은 마이크로 압출 시스템의 개선에 관한 것이다.
이하의 설명은 특별한 적용 및 그 요구 사항과 관련하여 제공되었을 때 당업자가 본 발명을 제조하고 사용하게 할 수 있도록 제공된다. 여기서 사용된 것과 같은, "상부", "정상부", "하부", "바닥부", "전방", "후방" 및 "가로 (lateral)" 와 같은 방향성 용어들은 설명을 위한 상대 위치를 제공하기 위한 것이며, 기준의 절대적인 프레임을 나타내기 위한 것은 아니다. 게다가, "일체로 연결된" 및 "일체로 성형된" 이라는 문구는 여기서 개별 성형된 또는 기계가공된 구조물의 두 부분 사이의 연결 관계를 설명하기 위해 사용되고, 예컨대 접착제, 체결 부재, 클립 또는 가동 조인트 등에 의해 연결된 두 개별 구조물을 나타내는 "연결된 (connected)" 또는 "결합된 (coupled)" ("일체로" 라는 수식어 없이) 이라는 용어와 구분된다. 바람직한 실시형태에 대한 다양한 변경이 당업자에게는 명백할 것이며, 여기서 규정된 일반적인 원리는 다른 실시형태에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 나타내고 설명된 특별한 실시형태에 제한되지 않고, 여기 기재 된 원리 및 신규성과 일관성 있는 가장 넓은 범위에 따른다.
본 발명은 압출 재료가 신뢰할 수 있게 목표 기재를 향하여 압출되는 마이크로 압출 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 제 1 항을 따른 압출 프린트헤드 조립체 및 청구항 제 2 항을 따른 마이크로 압출 시스템에 의해 달성된다.
도 1 은 기재 (51) 의 상부면 (52) 상에 평행하게 압출된 재료 라인 (55) 을 형성하기 위해 마이크로 압출 시스템 (50) 의 일부분을 도시하는 개략 측면도이다. 마이크로 압출 시스템 (50) 은 압출 프린트헤드 (printhead) 조립체 (100) 를 포함하며, 이 프린트헤드 조립체는 적어도 하나의 공급관 (68) 및 관련된 체결 부재 (69) 에 의해 재료 공급 시스템 (60) 에 작동적으로 결합된다. 재료는 압출 프린트헤드 조립체 (100) 를 통하여 재료가 밀리고 (예컨대, 압착 등) 및/또는 당겨지는 (예컨대, 진공 등을 통하여) 밀기 및/또는 당김 기법 (예컨대, 열간 또는 냉간) 에 의해 가해지며, 프린트헤드 조립체 (100) 의 하부에 각각 규정된 하나 이상의 출구 오리피스 (출구 포트) (169) 로 나온다. 마이크로 압출 시스템 (50) 은 또한 기재 (51) 에 대하여 프린트헤드 조립체 (100) 를 견고하게 지지하고 위치 지정하기 위한 장착 판 (76) 을 포함하는 X-Y-Z 축 위치 지정 메카니즘 (70), 및 프린트헤드 조립체 (100) 가 기재 (51) 위로 미리 정해진 방향 (예컨대, Y-축) 으 로 이동될 때 기재 (51) 를 고정적인 위치에 지지하기 위한 플랫폼 (82) 을 포함하는 기저부 (80) 를 포함한다. 대안적인 실시형태에서 (도시되지 않음), 프린트헤드 조립체 (100) 는 고정적이고 기저부 (80) 는 기재 (51) 를 프린트헤드 조립체 (100) 아래로 이동시키기 위한 X-Y 축 위치 지정 메카니즘을 포함한다.
도 2 는 마이크로 압출 시스템 (50) 의 재료 공급 시스템 (60), X-Y-Z 축 위치 지정 메카니즘 (70) 및 기저부 (80) 를 보다 상세하게 도시한 도면이다. 도 2 에 나타낸 조립체는 소형 규모의 태양 전지를 제조하는데 이용되는 실험적인 구성을 나타내고, 당업자는 다른 구성이 대형 규모의 태양 전지를 제조하는데 일반적으로 사용된다는 것을 인지할 것이다. 도 2 의 상부 우측 부분을 참조하면, 재료 공급 시스템 (60) 은 공압 실린더 (64) 를 지지하는 하우징 (62) 을 포함하며, 이 하우징은 재료가 카트리지 (66) 로부터 공급관 (68) 을 통하여 프린트헤드 조립체 (100) 에 가압되도록 카트리지 (66) 에 작동적으로 결합된다. 도 2 의 좌측을 참조하면, X-Y-Z 축 위치 지정 메카니즘 (70) 은 공지된 기법을 사용하여 하우징/액츄에이터 (74) 에 의해 목표 기재 (51) 에 대하여 Z-축 (수직) 으로 이동 가능한 Z-축 스테이지 (72) 를 포함한다. 장착판 (76) 은 Z-축 스테이지 (72) 의 하부 단부에 견고하게 연결되고 프린트헤드 조립체 (100) 를 지지하며, 장착 프레임 (78) 은 Z-축 스테이지 (72) 와 견고하게 연결되고 위를 향해 뻗어있고 공압 실린더 (64) 와 카트리지 (66) 를 지지한다. 도 2 의 하부를 참조하면, 기저부 (80) 는 지지 플랫폼 (82) 을 포함하며, 이 플랫폼은 X-Y 메카니즘이 공지된 기법을 이용하여 기재 (51) 의 상부면 위로 프린트헤드 조립체 (100) 를 X-축 및 Y-축 방향으로 (또한 몇번의 회전 축선 방향으로) 이동시킬 때 목표 기재 (51) 를 지지한다.
도 1 의 측면도 및 도 3 의 분해도로 나타낸 것과 같이, 층상 마이크로 압출 프린트헤드 조립체 (100) 는 제 1 (후방) 판 구조물 (110), 제 2 (전방) 판 구조물 (130), 및 이들 사이에 연결된 층상 노즐 구조물 (150) 을 포함한다. 후방 판 구조물 (110) 및 전방 판 구조물 (130) 은 입구 포트 (116) 로부터 층상 노즐 구조물 (150) 로 압출 재료를 안내하고, 층상 노즐 구조물 (150) 내에 규정된 압출 노즐 (163) 이 미리 정해진 기울기 각 (θ1) (예컨대 45°) 으로 기재 (51) 를 향하도록 층상 노즐 구조물 (150) 을 견고하게 지지하는 역할을 하고, 이에 의해 각각의 압출 노즐 (163) 에서 그의 대응하는 노즐 오리피스 (169) 를 향해 아래로 이동하는 압출된 재료는 목표 기재 (51) 를 향하게 된다.
각각의 후방 판 구조물 (110) 및 전방 판 구조물 (130) 은 하나 이상의 일체로 성형된 또는 기계 가공된 금속 부품을 포함한다. 기재된 실시형태에서, 후방 판 구조물 (110) 은 기울어진 후방 판 (111) 및 후방 플레넘 (120) 을 포함하고, 전방 판 구조물 (130) 은 단일 금속 판을 포함한다. 기울어진 후방 판 (111) 은 전방면 (112), 측면 (113), 및 후방면 (114) 을 포함하며, 전방면 (112) 과 후방면 (114) 은 미리 정해진 각 (θ2) (예컨대, 도 1 에 나타낸 것과 같이, 45°) 을 형성한다. 기울어진 후방 판 (111) 은 또한 측벽 (113) 에 규정된 나사산이 있고 카운터씽크된 보어 입구 (116) 로부터 후방면 (114) 에 규정된 보어 출구 (117) 에 뻗어있는 보어 (115) 를 규정한다. 후방 플레넘 (120) 은 평행한 전방면 (122) 과 후방면 (124) 을 포함하고, 전방면 (122) 에 걸쳐 규정된 입구 (126) 와 후방면 (124) 에 규정된 출구 (127) 를 갖는 도관 (125) 을 규정한다. 이하에 설명되는 것과 같이, 보어 (115) 와 플레넘 (125) 은 압출 재료를 층상 노즐 구조물 (150) 에 공급하도록 서로 작용한다. 전방 판 구조물 (130) 은 미리 정해진 각 (θ2) (도 1 에 나타냄) 을 형성하는 전방면 (132) 및 경사진 하부면 (134) 을 포함한다.
층상 노즐 구조물 (150) 은 하나 이상의 압출 노즐 (163) 을 형성하기 위해 조합되는 둘 이상의 적층판 (예컨대, 알루미늄, 강과 같은 금속 또는 플라스틱) 을 포함한다. 도 3 에 나타낸 실시형태에서, 층상 노즐 구조물 (150) 은 정상부 노즐 판 (153), 바닥부 노즐 판 (156), 및 정상부 노즐 판 (153) 과 바닥부 노즐 판 (156) 사이에 끼인 노즐 출구 판 (160) 을 포함한다. 정상부 노즐 판 (153) 은 입구 포트 (관통 구멍) (155) 를 규정하고, (제 1) 전방 에지 (158-1) 를 갖는다. 바닥부 노즐 판 (156) 은 (제 3) 전방 에지 (158-2) 를 갖는 실질적으로 솔리드한 (즉 연속적인) 판이다. 노즐 출구 판 (160) 은 (제 2) 전방 에지 (168) 를 포함하고 미리 정해진 제 1 유동 방향 (F1) 으로 밀폐 단부 (165) 로부터 전방 에지 (168) 에 걸쳐 규정된 노즐 오리피스 (169) 까지 뻗어 있는 기다란 노즐 채널 (162) 을 규정한다. 작동적으로 조립될 때 (예컨대, 도 1 에 나타낸 것과 같이), 노즐 출구 판 (160) 은 기다란 노즐 채널 (162), 정상부 노즐 판 (153) 의 전방부 (154), 및 바닥부 노즐 판 (156) 의 전방부 (157) 가 밀폐 단부 (165) 로부터 노즐 오리피스 (169) 에 뻗어있는 기다란 압출 노즐 (163) 을 규정하기 위해 조 합되도록 정상부 노즐 판 (153) 과 바닥부 노즐 판 (156) 사이에 끼워진다. 게다가, 정상부 노즐 판 (153) 은 입구 포트 (155) 가 기다란 채널 (162) 의 밀폐 단부 (165) 와 정렬되도록 노즐 출구 판 (160) 에 장착되며, 이에 의해 입구 포트 (155) 에 가압되는 압출 재료는 압출 노즐 (163) 을 따라 방향 (F1) 으로 흐르고, 노즐 오리피스 (169) 를 통하여 층상 노즐 구조물 (150) 로부터 빠져나와 기재 (51) 에 비드 (55) 를 형성한다.
도 1 을 다시 참조하면, 마이크로 압출 시스템 (50) 에 작동적으로 조립되고 장착될 때, 프린트헤드 조립체 (100) 의 기울어진 후방 판 (111) 은 전방 판 구조물 (130) 의 경사면 (134) 이 목표 기재 (51) 의 상부면 (52) 에 평행하고 가깝게 위치되도록 하나 이상의 체결 부재 (예컨대 기계 나사) (142) 에 의해 장착 판 (76) 에 견고하게 연결된다. 하나 이상의 제 2 체결 부재 (144) 는 전방 판 구조물 (130) 을 후방 판 구조물 (110) 에 연결하는데 이용되며 층상 노즐 구조물 (150) 은 전방 판 구조물 (130) 의 후방면과 후방 플레넘 (120) 의 후방면 사이에서 압력을 받게 된다. 게다가, 재료 공급 시스템 (60) 은 공지된 기법을 사용하여 공급관 (68) 과 체결 부재 (69) 를 통하여 보어에 작동적으로 결합되고, 보어 (115) 안으로 가압된 압출 재료는 도관 (125) 을 통하여 층상 노즐 구조물 (150) 로 흘러간다. 도관 (125) 을 빠져나오는 압출 재료는 입구 (155) 및 밀폐 단부 (165) (도 3 에 두 가지 모두 나타나 있음) 를 통하여 노즐 (163) 의 밀폐 단부로 들어가고, 출구 (169) 를 향하여 노즐 (163) 아래로 방향 (F1) 으로 흐른다. 도 3 을 참조하면, 노즐에서 흐르는 (즉, 채널 (162) 을 따라 방향 (F1) 으로 흐르 는) 압출 재료는 노즐 출구 판 (160) 에 의해 규정된 가로 압출 평면 (E; lateral extrusion plane) 에서 (또는 이 평면과 평행하게) 흐르고, 출구 오리피스 (프린트헤드 노즐) (169) 를 향한다. 도 1 을 다시 참조하면, 압출 재료가 노즐 오리피스 (169) 를 빠져나갈 때 이 재료는 압출 평면 (E) 을 따라 경사각 (θ2) 으로 안내되기 때문에, 층상 마이크로 압출 프린트헤드 (100) 는 대용량 태양 전지 제조를 용이하게 하도록 신뢰할 수 있게 압출된 재료가 기재 (51) 를 향하게 한다.
바람직한 실시형태에서, 도 1 에 나타낸 것과 같이, 여기서 전체가 참조되며 공동 소유자이고 동시 계류중인 특허 제목이 "DEAD VOLUME REMOVAL FROM AN EXTRUSION PRINTHEAD" 인 US 특허 출원 제 12/267,147 에서 기재된 방식으로 경화 가능한 재료가 프린트헤드 조립체 (100) 의 보어 (115) 와 도관 (125) 에 주입된다. 이러한 경화 가능한 재료는 압출 재료를 가두어 두고 막힘을 유발할 수 있는 도관 (125) 의 어떠한 사각 (dead zone) 을 메우는 부분 (170) 을 형성한다.
본 발명에 따르면, 노즐 구조물 재료, 출구의 기하학적 배열, 및 프린트헤드 조립체 (100) 의 내부 도관의 기하학적 배열 중 적어도 하나는 압출 노즐 (163) 을 통하여 이동하는 (즉, 가로 압출 평면 (E) 내에서 또는 이와 평행하게) 압출 재료 (비드) 가 프린트헤드 노즐 오리피스를 떠날 때 이 재료가 신뢰할 수 있게 목표 기재를 향하도록 (기울어지도록) 변경된다. 특히, 층상 노즐 구조물의 정상부 노즐 판 (153), 바닥부 노즐 판 (156), 및 노즐 출구 판 (160) 중 적어도 하나는 압출 재료가 압출 노즐을 빠져나갈 때 이 재료가 기재 (51) 를 향하도록 변경된다 (즉, 비드는 가로 압출 평면 (E) 내에 또는 이로부터 하방을 향한다). 프린트 헤드 조립체 (100) 의 변경은 이하에 나타내는 특정 실시형태를 참조하여 설명되는 다수의 형태를 갖는다. 이하의 설명에서, 다양한 실시형태의 대응하는 구조물은 동일한 기본 참조 번호를 사용하여 식별되고, 다양한 특정 실시형태와 관련된 차이를 나타내기 위해 선택된 참조 번호에 접미사 "A" ~ "F" 가 붙는다.
도 4 는 본 발명의 제 1 특정 실시형태에 따른 프린트헤드 조립체 (100A) 의 일부를 나타내는 개략 측단면도이다. 제 1 특정 실시형태에 따르면, 발명자는 비드가 노즐을 빠져나갈 때 이 비드의 방향은 노즐의 상부, 하부 및 측벽면을 형성하는데 이용되는 재료에 의해 영향을 받는다고 판단하였다. 예컨대, 발명자는 정상부 노즐 판이 제 1 폴리이미드 재료 (예컨대, CirlexTM) 로 이루어지고 노즐 출구 및 바닥부 노즐 판이 제 2 폴리이미드 재료 (예컨대, KaptonTM) 로 이루어질 때, 비드는 상방으로 구부려지는 경향이 있고 프린트헤드에 바람직하지 않은 얼룩을 형성한다는 것을 발견하였다. 이러한 경우 두 재료 모두 폴리이미드의 형태이기 때문에, 잉크 비드를 위한 바람직한 방향은 프린트헤드 내부의 통로, 노즐의 상류에 의해 (즉, 압출 이전에 채널 벽에 의해 생성된 압출된 재료에 발생된 응력의 불균형에 의해) 영향을 받을 수 있다고 여겨진다. 비록 이들이 모두 폴리이미드이지만, 상이한 제조 공정에 의하여, 더 두꺼운 CirlexTM 와 더 얇은 KaptonTM 층 사이에는, 재료에 대한 잉크의 친화력의 차이를 발생하는 표면 특성의 충분한 차이가 있다는 것이 대안적인 설명이다. 반대로, 발명자는 상이한 재료가 특정한 구성으로 변경될 때, 그 결과인 프린트헤드는 비드의 신뢰할 수 있는 하방으로의 유동 을 발생시킨다는 것을 또한 발견하였다. 이는 재료의 상이함은 크기 특성에 반드시 있기 보다는, 오히려 표면 특성이 가장 결정적이라는 것을 나타낸다.
도 4 를 참조하면, 프린트헤드 조립체 (100A) 는 후방 플레넘 (120) 과 전방 판 구조물 (130) 사이에 끼워진 층상 노즐 구조물 (150A) 을 포함하고, 이들은 도 3 을 참조하여 상기에 설명된 구조물과 유사하다. 후방 플레넘 (120) 은 정상부 노즐 판 (153A) 을 통하여 규정되는 입구 포트 (155A) 에 의해 노즐 (163A) 의 밀폐 단부 (165A) 와 연통하는 도관 (125) 을 규정한다. 노즐 출구 판 (160A) (도시되지 않음) 에 의해 형성된 측벽과 조합되어, 정상부 노즐 판 (153A) 의 부분 (154A) 과 바닥부 노즐 판 (156A) 의 부분 (157A) 은 각각 노즐 (163A) 의 상부 및 하부 벽을 형성하고, 이에 의해 도관 (125) 으로부터 노즐 (163A) 에 들어가는 압출 재료는 일반적으로 점선 라인 (F1) 을 따라 출구 오리피스 (169A) 로 흐른다. 노즐 출구 판 (160A) 의 전방 에지 (168A), 정상부 노즐 판 (153A) 의 전방 에지 (158-1A), 및 바닥부 노즐 판 (156A) 의 전방 에지 (158-2A) 는 후방 플레넘 (120) 의 전방 에지 (128) 와 동일 평면에 있고, 프린트헤드 조립체 (100A) 의 전방 에지 (101A) 를 형성한다. 대표적인 실시형태에서, 정상부 노즐 판 (153A) 의 두께가 300 미크론, 바닥부 노즐 판 (156A) 의 두께는 25 미크론, 노즐 출구 판 (160A) 의 두께는 50 미크론이며, 노즐 오리피스 (169A) 의 폭은 200 미크론, 노즐 (163A) 의 길이는 2000 미크론이다.
제 1 특정 실시형태에 따르면, 정상부 노즐 판 (153A) 은 제 1 폴리이미드 재료 (예컨대, Cirlex) 의 솔리드한 판을 사용하여 형성되고, 바닥부 노즐 판 (156A) 은 스테인리스 강의 솔리드한 판을 사용하여 형성되며, 노즐 출구 판 (160A) 은 제 2 폴리이미드 재료 (예컨대, Kapton) 의 솔리드한 판을 사용하여 형성된다. 노즐 (163A) 의 상부 벽 부분 (154A) 과 하부 벽 부분 (157A) 을 형성하는 두 재료의 상이한 표면 특성에 의해, 기재 (51) 로부터 떨어지는 비드 (55) 의 원치않는 말림 (curling) 이 유리하게는 줄어들거나 없어진다. 특히, 상부 벽 부분 (154A) 을 형성하는 Cirlex 의 표면 에너지는 하부 벽 부분 (157A) 을 형성하는 스테인리스 강보다 잉크/페이스트 (paste) 에 대해 더 낮은 친화력을 갖기 때문에, 비드 (55) 는 출구 오리피스 (169A) 를 떠날 때 신뢰할 수 있게 하방을 향하고, 이에 의해 대용량 태양열 패널의 제조를 용이하게 한다. 당업자는 상기 선택된 재료 (즉, Cirlex, 스테인리스 강 및 Kapton) 는 대표적인 것이며, 이에 제한되지 않는다는 것을 인지할 것이다.
본 발명의 특징을 갖는 비드를 달성하기 위한 다른 접근에 따르면, 프린트헤드 조립체의 출구 (즉, 노즐 출구) 형상은 압출된 비드가 기재를 향해 편향되도록 변경된다. 도 5 ~ 도 7 을 참조하여 설명되는 이하의 특정 실시형태에서, 이러한 편향 메카니즘은 오리피스의 상부 에지 (출구 개구) 가 오리피스의 하부 에지보다 압출된 비드의 하류 방향으로 (즉, 기재에 더 가깝게) 가로 압출 평면을 따라 하류로 뻗어있도록 프린트헤드를 성형함으로써 달성된다.
도 5 에 나타낸 특정 실시형태에 따르면, 프린트헤드 조립체 (100B) 는 후방 플레넘 (120) 과 전방 판 구조물 (130) 사이에 끼워진 층상 노즐 구조물 (150B) 을 포함하고, 이들은 도 3 을 참조하여 상기에 설명된 구조물과 유사하다. 도관 (125) 은 정상부 노즐 판 (153B) 을 통하여 규정되는 입구 포트 (155B) 에 의해 노즐 (163B) 의 밀폐 단부 (165B) 와 연통한다. 정상부 노즐 판 (153B) 의 부분 (154B) 및 바닥부 노즐 판 (156B) 의 부분 (157B) 은 각각 노즐 (163B) 의 상부 벽 및 하부 벽을 형성하고, 이에 의해 도관 (125) 으로부터 노즐 (163B) 에 들어가는 압출 재료는 일반적으로 점선 라인 (F1) 을 따라 출구 오리피스 (169B) 로 흐른다. 이러한 특정 실시형태에 따르면, 노즐 출구 판 (160B) 의 전방 에지 (168B) 와 바닥부 노즐 판 (156B) 의 전방 에지 (158-2B) 가 후방 플레넘 (120) 의 전방 에지 (128) 와 동일 평면에 있도록 정상부 노즐 판 (153B) 및 바닥부 노즐 판 (156B) 은 노즐 출구 판 (160B) 에 장착되며, 프린트헤드 조립체 (100B) 의 전방 에지 (101B) 를 형성하지만, 정상부 노즐 판 (153B) 의 전방 에지 (158-1B) 는 전방 에지 (158-2B) 및 전방 에지 (168B) 보다 노즐의 높이의 1/2 배 이상 (예컨대 30 ㎛ 이상, 바람직하게는 50㎛) 더 하류로 돌출된다. 정상부 노즐 판 (153B) 의 연장에 의해 부여되는 제약에 의해, 압출 재료 유동은 연장된 상부 벽 (154B) 으로부터 빗나가고, 본 발명자는 이것이 기재 (51) 로부터 멀어지는 비드 (55) 의 말림 (즉, 화살표 (F2) 의 방향으로) 을 신뢰할 수 있게 줄이거나 없앤다는 것을 발견하였다. 상부 벽 (154B) 의 연장은 압출된 재료를 아래로 가압하고 이 재료가 노즐 오리피스 (169B) 를 빠져나갈 때 프린트헤드 조립체 (100B) 로부터 멀어지게 하는 효과를 갖는다. 이는 부분적으로는 재료가 빠져나갈 때 압출되는 재료 (잉크) 의 다이 스웰 (die swell) 에 의한 것일 수 있다. 다이 스웰 효과는 이러한 구성에서 고려할만 한데 이는 큰 전단율 (1000 s-1) 이 수반되고 복잡한 역학적 특성의 유체의 탄성이 이용되기 때문이다.
도 6 에 나타낸 특정 실시형태에 따르면, 프린트헤드 조립체 (100C) 는 후방 플레넘 (120) 과 전방 판 구조물 (130) 사이의 층상 노즐 구조물 (150C) 을 포함하며, 도관 (125) 은 실질적으로 상기 설명된 것과 같이 정상부 노즐 판 (153C) 을 통하여 규정된 입구 포트 (155C) 에 의하여 노즐 (163C) 의 밀폐 단부 (165C) 와 연통한다. 정상부 노즐 판 (153C) 의 부분 (154C) 과 바닥부 노즐 판 (156C) 의 부분 (157C) 은 각각 노즐 (163C) 의 상부 벽 및 하부 벽을 형성한다. 이러한 특정 실시형태에 따르면, 노즐 출구 판 (160C) 의 제 2 전방 에지 (168C) 와 정상부 노즐 판 (153C) 의 제 1 전방 에지 (158-1C) 가 동일 평면에 있고 프린트헤드 조립체 (100C) 의 전방 에지 (101C) 를 규정하며, 바닥부 노즐 판 (156C) 의 제 3 전방 에지 (158-2C) 는 전방 에지 (101C) 가 제 3 전방 에지 (158-2C) 보다 하류 방향으로 미리 정해진 거리 (T) (즉, 30 ㎛ 이상, 바람직하게는 50 ㎛) 만큼 더 돌출하도록 오목하게 되도록 정상부 노즐 판 (153C) 및 바닥부 노즐 판 (156C) 은 노즐 출구 판 (160C) 에 장착된다. 정상부 노즐 판이 연장되는 이전의 실시형태와 유사하게, 오목한 하부 노즐 판 (156C) 은 비드 (55) 의 상부 영역에 하방으로의 힘을 발생하고, 기재 (51) 로부터 멀어지는 비드 (55) 의 원치않는 말림을 신뢰할 수 있게 줄이거나 없앤다.
도 7 에 나타낸 특정 실시형태에 따르면, 프린트헤드 조립체 (100D) 는 실질 적으로 상기 설명된 것과 같이 구성된 층상 노즐 구조물 (150D), 후방 플레넘 (120) 및 전방 판 구조물 (130D) 을 포함한다. 하지만, 프린트헤드 조립체 (100D) 는 노즐 출구 판 (160D) 의 전방 에지 (168D) 와 바닥부 노즐 판 (156D) 의 제 3 전방 에지 (158-2D) 가 동일 평면에 있고 목표 기재 (51) 의 상부면 (52) 에 평행하고 가까운 평면 오리피스 에지 (101D) 를 규정하도록, 그리고 전방 판 구조물 (130D) 의 경사진 하부면 (134D) 과 동일 평면에 있도록, 층상 노즐 구조물 (150D) 의 바닥부 노즐 판 (156D) 과 노즐 출구 판 (160D) 이 경사지게 되는 (모따기 되는) 점에서 이전의 실시형태와 상이하다. 즉, 경사진 하부면 (134D) 에 의해 규정된 평면 (압출 작업 동안 실질적으로 표면 (52) 에 평행하게 유지되는) 은 바닥부 노즐 판 (156D) 과 노즐 출구 판 (160D) 을 양분하며, 이에 의해 노즐 출구는 노즐 출구의 "하부" 노즐 출구 에지 (169D-1) 가 "상부" 노즐 출구 에지 (169D-2) 의 상류가 되고 원하는 거리 (T) 만큼 떨어져 있도록 바닥 모따기부에서 정의된다. 정상부/바닥부 노즐 판이 연장/오목하게 되는 이전의 실시형태와 유사하게, 프린트헤드 (100D) 의 경사진 구성은 비드 (55) 의 상부 영역에 하방으로의 힘을 발생시키고, 이는 기재로부터 멀어지는 원치않는 말림을 줄이거나 없앤다. 노즐 출구를 모따기로 형성하는 것 (즉, 전방 에지 (168D) 를 경사진 하부면 (134D) 과 동일 평면으로 형성하는 것) 의 다른 이점은 노즐 출구를 규정하는 프린트헤드 조립체 (100D) 의 면이 평면으로 유지되고, 상기 언급된 돌출되고/오목한 판 실시형태와 비교하여 청소하기가 더 용이하다는 것이다. 모따기된 면이 정상부 노즐 판 (153D) 의 전방 에지 (158-1D) 의 일부 또는 전부를 포함하도록 연장 될 수 있고, 청소하기 더욱 용이한 더 큰 평면의 오리피스 에지 (101D) 를 제공하도록 후방 플레넘 (120) 의 일부를 포함하도록 연장될 수도 있다는 것이 언급되어야 한다. 층 (156D) 은 노즐의 바닥면이 정상부 판 (130D) 에 의해 형성될 수 있는 것은 "선택적" 이라는 것이 또한 언급되어야 한다.
도 8 ~ 도 12 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 동시 압출 시스템 (50E) 을 나타낸다. 동시 압출 시스템 (50E) 은 도 1 및 도 2 를 참조하여 상기에 설명된 것과 유사한 방식으로 구조되고 기능하는 Z-축 위치 지정 메카니즘과 X-Y 축 위치 지정 메카니즘을 포함한다. 이하에 설명되는 것과 같이, 동시 압출 시스템 (50E) 은 프린트헤드 조립체 (100E) 에 두 압출 재료를 공급하는 수단을 갖는 재료 공급 시스템 (60E) 을 포함하고, 프린트헤드 조립체 (100E) 는 평행한 고형상비 (high-aspect ratio) 그리드라인 구조물 (도 12 를 참조하여 이하에 설명되는) 을 발생시키도록 두 압출 재료를 동시에 압출하는 수단을 포함한다는 것이 상기 설명된 실시형태와 상이하다.
도 8 을 참조하면, 재료 공급 시스템 (60E) 은 소형 규모의 태양 전지를 제조하는데 이용되는 대표적인 실험적인 구성을 나타내고, 당업자는 다른 구성이 더 큰 규모의 태양 전지를 제조하는데 통상적으로 사용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 도 8 의 상부를 참조하면, 재료 공급 시스템 (60E) 은 각각 공압 실린더 (64-1 및 64-2) 를 지지하는 한 쌍의 하우징 (62-1 및 62-2) 을 포함하며, 이 하우징은 카트리지 (66-1 및 66-2) 에 작동적으로 결합되는데, 이러한 카트리지로부터 가압된 재료는 각각 공급관 (68-1 및 68-2) 을 통과하여 프린트헤드 조립체 (100E) 로 들어가게 된다. 도 8 의 하부에 나타낸 것과 같이, Z-축 위치 지정 메카니즘 (부분적으로 도시됨) 은 공지된 기법을 사용하여 하우징/액츄에이터 (74E) (부분적으로 도시됨) 에 의해 Z-축 방향 (수직) 으로 이동 가능한 Z-축 스테이지 (72E) 를 포함한다. 장착 판 (76E) 은 Z-축 스테이지 (72E) 에 견고하게 연결되고 프린트헤드 조립체 (100E) 를 지지하며, 장착 프레임 (도시되지 않음) 은 Z-축 스테이지 (72E) 에 견고하게 연결되고 이 스테이지로부터 상방으로 연장되며 공압 실린더 (64-1 및 64-2) 및 카트리지 (66-1 및 66-2) 를 지지한다.
도 9 는 마이크로 압출 프린트헤드 (100E) 를 추가적으로 상세히 나타내는 분해 사시도이다. 마이크로 압출 프린트헤드 (100E) 는 제 1 (후방) 판 구조물 (110E), 제 2 (전방) 판 구조물 (130E), 그리고 이들 사이에 연결되는 층상 노즐 구조물 (150E) 을 포함한다.
후방 판 구조물 (110E) 과 전방 판 구조물 (130E) 은 대응하는 입구 포트 (116-1 및 116-2) 로부터 층상 노즐 구조물 (150E) 로 압출 재료를 안내하고, 층상 노즐 구조물 (150E) 에 규정된 압출 노즐 (162E) 이 미리 정해진 경사각 (예컨대, 45°) 으로 기재 (51) 를 향하도록 층상 노즐 구조물 (150E) 을 견고하게 지지하는 역할을 하며, 이에 의해 각각의 압출 노즐 (162E) 에서 그의 대응하는 노즐 오리피스 (169E) 를 향해 아래로 이동하는 압출된 재료는 목표 기재 (51) 를 향하게 된다.
도 9 의 상부를 참조하면, 후방 판 구조물 (110E) 은 성형된 또는 기계가공된 금속 (예컨대 알루미늄) 인 기울어진 후방 판 (111E), 후방 플레넘 (120E), 및 이들 사이에 위치된 후방 가스켓 (121) 을 포함한다. 기울어진 후방 판 (111E) 은 전방면 (112E), 측면 (113E), 및 후방면 (114E) 을 포함하고, 전방면 (112E) 과 후방면 (114E) 은 미리 정해진 각 (θ2) (예컨대, 45°) 을 형성한다. 기울어진 후방 판 (111E) 은 측벽 (113E) 에 규정되며 각각 나사산이 있고 카운터씽크 된 보어 입구 (116-1 및 116-2) 로부터 후방면 (114E) 에 규정되는 대응하는 보어 출구에 각각 형성되는 한 쌍의 구멍 (도시되지 않음) 을 또한 규정한다. 후방 플레넘 (120E) 은 평행한 전방면 (122E) 및 후방면 (124E) 을 포함하고, 전방면 (122) 을 통하여 규정된 대응하는 입구 (126-1 및 126-2) 로부터 후방면 (124E) 에 규정되는 대응하는 출구 (도시되지 않음) 로 연장되는 한 쌍의 도관 (도시되지 않음) 을 규정한다. 상기 제공된 설명과 유사하게, 후방 판 구조물 (110E) 을 통하여 규정된 보어/도관은 층상 노즐 구조물 (150E) 에 압출 재료를 공급한다.
도 9 의 하부를 참조하면, 전방 판 구조물 (130E) 은 성형된 또는 기계가공된 금속 (예컨대, 알루미늄) 인 전방 판 (131E), 전방 플레넘 (140E), 이들 사이에 위치된 전방 가스켓 (141) 을 포함한다. 전방 판 (131E) 은 전방면 (132E), 측면 (133E), 및 경사진 후방면 (134E) 을 포함하고, 전방면 (132E) 과 후방면 (134E) 은 상기 설명된 미리 정해진 각을 형성한다. 전방 판 (131E) 은 프린트헤드 조립체 (100E) 의 다른 구역에 부착하기 위한 몇몇의 구멍을 규정하지만, 압출 재료를 전달하지는 않는다. 전방 플레넘 (140E) 은 평행한 전방면 (142E) 과 후방면 (144E) 을 포함하고, 대응하는 입구 (148) 로부터 대응하는 출구 (149) 로 연장되는 도관 (도시되지 않음) 을 규정하며, 이들 입구 및 출구는 전방면 (142E) 을 통하여 규정된다. 이하에 설명되듯이, 전방 플레넘 (140E) 에 규정된 도관은 압출 재료 중 하나를 층상 노즐 구조물 (150E) 에 공급하는 역할을 한다.
상기 설명된 단일 재료의 실시형태와 유사하게, 층상 노즐 구조물 (150E) 은 정상부 노즐 판 (153E), 바닥부 노즐 판 (156E), 그리고 정상부 노즐 판 (153E) 과 바닥부 노즐 판 (156E) 사이에 끼워진 노즐 출구 판 (160E) 을 포함한다. 이하에 추가적으로 상세하게 설명되듯이, 정상부 노즐 판 (153E) 은 실질적으로 원형인 입구 포트 (구멍을 통한) (155-1E) 의 열 및 (제 1) 전방 에지 (158-1E) 에 인접하여 정렬되는 대응하는 일련의 기다란 입구 포트 (155-2E) 를 규정한다. 바닥부 노즐 판 (156E) 은 (제 3) 전방 에지 (158-2E) 를 갖는 실질적으로 솔리드한 (즉, 연속적인) 판이고, 몇몇의 관통 구멍 (159-6E) 을 규정하며, 이들의 목적은 이하에 설명된다. 노즐 출구 판 (160E) 은 (제 2) 전방 에지 (168E) 를 포함하고, 이하에 추가적으로 상세하게 설명되는 3-부 노즐 채널 (162E) 의 열, 그리고 관통 구멍 (159-6E) 과 정렬되는 몇몇 관통 구멍 (159-7E) 을 규정한다. 작동적으로 조립될 때, 노즐 출구 판 (160E) 은 정상부 노즐 판 (153E) 과 바닥부 노즐 판 (156E) 사이에 끼워져 일련의 노즐을 형성하고 각각의 3-부 노즐 채널 (162E) 은 이 일련의 노즐 안에서 상기 설명된 방식으로 정상부 노즐 판 (153E) 과 바닥부 노즐 판 (156E) 의 대응하는 부분에 의해 둘러싸이게 되고, 3-부 노즐 채널 (162E) 의 각각의 부분은 두 개의 입구 포트 (155-1E) 와 하나의 기다란 입구 포트 (155-2E) 로부터 재료를 수용하도록 정렬된다. 이하에 추가적으로 상세하게 설명되 듯이, 이러한 구성은 평행한 고형상비 그리드라인 구조물 (비드) 을 발생시키고 그리드 라인 재료는 두 희생 재료 구역 사이에서 가압된다.
정상부 노즐 판 (153E), 바닥부 노즐 판 (156E), 및 노즐 출구 판 (160E) 외에, 층상 노즐 구조물 (150E) 이 정상부 노즐 판 (153E) 위에 적층되고 이하에 설명되는 바람직한 방법으로 노즐 출구 판 (160E) 으로의 두 압출 재료의 전달을 용이하게 하는 역할을 하는 제 1 공급 층 판 (151) 및 제 2 공급 층 판 (152) 을 또한 포함한다. 제 1 공급 층 판 (151) 은 (제 4) 전방 에지 (158-4E) 를 갖는 실질적으로 솔리드한 (즉, 연속적인) 판이고, 전방 에지 (158-4E) 에 인접하여 위치된 몇몇 Y-형상 관통 구멍 (155-3E), 및 그 목적이 이하에 설명되는 몇몇 공급 구멍 (159-1E) 을 규정한다. 제 2 공급 층 판 (152) 은 제 1 공급 층 판 (151) 바로 아래에 위치되고, (제 5) 전방 에지 (158-5E) 를 포함하며, 전방 에지 (158-5E) 에 인접하여 위치된 몇몇의 실질적으로 원형 관통 구멍 (155-4E), 및 그 목적이 이하에 설명되는 몇몇 공급 구멍 (159-2E) 을 규정한다.
도 9 에 점선 화살표로 나타내고 도 10 및 11 에서 추가적으로 상세하게 설명된 것과 같이, 두 압출 재료는 두 개의 별개의 통로를 통하여 실질적으로 Z-축 방향으로 층상 노즐 구조물 (150E) 의 다양한 층을 통하여 노즐 출구 판 (160E) 에 공급된다. 두 유동 경로는 이하에 상세하게 설명되어 있다.
도 9 의 상부를 참조하면, 입구 포트 (116-1) 를 통하여 주입된 그리드라인 재료 (56) 는 후방 가스켓 (121) 내의 개구 (121-1) 를 통하여 하방으로 공급되고 후방 플레넘 (120E) 에 규정된 개구 (126-1) 로 들어간다. 그리드라인 재료는 그 후 후방 플레넘 (120E) 을 빠져나가며 전방 플레넘 (140E) 의 개구 (149-1) 로 들어가기 전에 제 1 공급 층 판 (151), 제 2 공급 층 판 (152), 정상부 노즐 판 (153E), 노즐 출구 판 (160E), 및 바닥부 노즐 판 (156E) 에 각각 형성된 정렬된 개구 (159-1E ~ 159-5E) 를 통과한다. 도 9 에 나타내고 도 10 에 추가적으로 상세하게 나타낸 것과 같이, 그리드라인 재료는 전방 플레넘 (140E) 에 의해 방향이 바뀌고 개구 (149-2) 로부터 바닥부 노즐 판 (156E) 에 형성된 개구 (159-6E) 및 노즐 출구 판 (160E) 에 형성된 개구 (159-7E) 를 통하여 상방으로 이동된다. 도 10 및 도 11의 상부에 나타낸 것과 같이, 그리드라인 재료는 기다란 개구 (159-7E) 의 후방 단부로 들어가고, 기다란 개구 (159-7E) 의 전방 단부를 향해 화살표 (F1A) 를 따라 실질적으로 수평 방향으로 방향이 바뀐다. 그리드라인 재료는 3-부 노즐 채널 (162E) 의 중앙 채널 (167E) 안으로 하방으로 가압된다. 이하에 추가적으로 상세하게 설명되듯이, 그리드라인 재료는 화살표 (F1) 방향으로 중앙 채널 (167E) 을 따라 흐르고, 오리피스 (169E) 를 빠져나가기 전에 대응하는 희생 재료 부분 사이에서 압축된다.
도 9 의 상부를 다시 참조하면, 입구 포트 (116-2) 를 통하여 주입된 희생 재료 (57) 는 후방 가스켓 (121) 내의 개구 (121-2) 를 통하여 하방으로 공급되고 후방 플레넘 (120E) 에 규정된 개구 (126-2) 로 들어간다. 희생 재료는 플레넘 (120E) 에 의해 분산되고 제 1 공급 판 층 (151) 에 형성된 Y-형상의 기다란 채널 (155-3E) 의 후방 단부로 들어간다. 도 9 및 도 11 에 점선 화살표로 나타낸 것과 같이, 희생 재료는 각각의 Y-형상의 기다란 채널 (155-3E) 을 따라 분리된 전 방 단부 구역으로 흐르고, 여기서 희생 재료가 제 2 공급 층 판 (152) 에 위치된 대응하는 개구 (155-4E) 및 정상부 노즐 판 (153E) 에 위치된 대응하는 개구 (155-1E)를 통하여 공급되고, 그 후 3-부 노즐 채널 (162E) 의 대향 측면 채널 (165E) 안으로 들어간다. 이하에 추가적으로 상세하게 설명되듯이, 희생 재료는 측면 채널 (165E) 을 따라 흐르고, 오리피스 (169E) 를 빠져나가기 전에 대응하는 그리드라인 재료에 대하여 압력을 받게 된다.
도 11 을 참조하면, 노즐 출구 판 (160E) 은 중앙 채널 (167E) 및 대향 (제 1 및 제 2) 측면 채널 (165E) 을 포함하는 화살표 머리 형상의 3-부 노즐 채널 (162E) 을 포함하도록 마이크로 기계가공된 (예컨대, 심도 반응성 이온 에칭 (deep reactive ion etching) 을 사용) 판을 포함한다. 중앙 채널 (167E) 은 판 재료의 관련된 테이퍼된 핑거 (finger) 에 의해 각각의 측면 채널 (165E) 로부터 분리된다. 중앙 채널 (167E) 은 밀폐 단부 및 개방 단부를 가지며, 이 밀폐 단부는 정상부 노즐 판 (153E) 의 기다란 개구 (159-7E) 의 전방 단부로부터 그리드라인 재료를 수용하기 위해 정렬되고, 개방 단부는 합류 지점 (166E) 과 연통한다. 유사하게, 측면 채널 (165E) 은 관련된 밀폐 단부와 개방 단부를 가지며, 이 밀폐 단부는 정상부 노즐 판 (153E) 의 대응하는 개구 (155-1E) 로부터 희생 재료를 수용하기 위해 정렬되고, 개방 단부는 합류 지점 (166E) 과 연통한다. 측면 채널 (165E) 은 희생 재료가 중앙 채널 (167E) 에서 흐르는 그리드라인 재료의 대향 측면에 대하여 공급되도록 중앙 채널 (167E) 에 대하여 기울어져 있다.
도 12 에 나타낸 것과 같이, 압출 공정 동안 동시 압출 프린트헤드 조립체 (100E) 의 각각의 노즐 출구 오리피스 (169E) (도 11 참조) 를 통하여 동시 압출된 그리드라인 재료 및 희생 재료는 기재 (51) 의 표면 (52) 에 기다란 압출된 구조물 (55E) 을 형성하는데, 각각의 구조물 (55E) 의 그리드라인 재료는 고형상비 그리드라인 구조물 (56) 을 형성하고, 각각의 구조물 (55E) 의 희생 재료는 관련된 고형상비 그리드라인 (56) 의 대향 측면에 각각 배치된 관련된 제 1 및 제 2 희생 재료 부분 (57-1 및 57-2) 을 형성하게 된다. 압출된 구조물 (55E) 의 형상 (즉, 그리드라인 재료 (56) 의 형상비 및 희생적 부분 (57-1 및 57-2) 의 형상) 은 하나 이상의 출구 오리피스의 형상 및 프린트헤드 조립체 (100E) 의 내부의 기하학적 배열, 재료의 특성 (예컨대, 점성 등), 및 압출 기법 (예컨대, 유속, 압력, 온도 등) 중 적어도 하나를 통하여 제어 가능하다. 이하에 설명되는 특정 실시형태에서 설명하였듯이, 프린트헤드 조립체 내의 구조물 및 노즐 출구 오리피스의 형상은 압출 공정을 더 보강하기 위해 변경될 수 있다. 적절한 그리드라인 재료 (56) 는 은, 구리, 니켈, 주석, 알루미늄, 강, 알루미나, 규산염, 유리, 카본 블랙, 폴리머 및 왁스를 포함하지만 이에 제한되지 않고, 적절한 희생 재료 (112) 는 플라스틱, 세라믹, 오일, 셀룰로스, 라텍스, 폴리메틸메타크릴레이트 등, 이들의 조합 및/또는 원하는 밀도, 점도, 기질, 색상 등을 얻기 위해 상기 재료와 다른 물질을 조합하는 것을 포함하는 이들의 다양한 변형물을 포함한다. 압출 이후에 재료가 섞이게 되는 경향을 제한하기 위해, 동시 압출 프린트헤드 (100E) 를 떠나는 압출된 비드는 공지된 기법을 사용하여 기재를 냉각시킴으로써 기재 (51) 상에서 급냉 될 수 있다. 대안적으로, 사용된 그리드라인 (잉크) 재료는 대기 온도 에서 고형화되는 고온의 용융된 재료일 수 있고, 이러한 경우 공동 압출 프린트헤드 (100E) 는 가열되므로, 일단 압출된 구조물이 기재 (51) 위에 분배되면 고형화되도록 압출된 구조물이 방치된다. 다른 기법으로, 재료는 동시 압출 프린트헤드 (100E) 를 빠져나갈 때 열, 빛 및/또는 다른 수단에 의해 경화될 수 있다. 예컨대, 경화 성분이 재료를 열적 및/또는 광학적으로 경화시키기 위해 제공될 수 있다. 하나 또는 두 재료 모두가 자외선 경화제를 포함한다면, 재료는 혼합 없이 다른 공정이 가능하도록 하기 위해 고형으로 구속될 수 있다.
본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 프린트헤드 조립체 (100E) 는 도 4 ~ 도 7 을 참조하여 상기 설명된 다양한 특정 실시형태 중 어떠한 것을 따라서 제조된다. 예컨대, 정상부 노즐 판 (153E), 바닥부 노즐 판 (156E) 및 노즐 출구 판 (160E) 은 도 4 를 참조하여 상기에 설명된 재료를 사용하여 제조될 수 있다. 또한, 도 9 ~ 도 11 에 나타내고 상기 언급된 것과 같이, 각각의 정상부 노즐 판 (153E), 바닥부 노즐 판 (156E) 및 노즐 출구 판 (160E) 은 프린트헤드 조립체 (100E) 의 전방 에지를 형성하기 위해 실질적으로 정렬된 전방 에지를 갖고, 도 5 및 도 6 을 참조하여 상기 설명된 구조물과 유사한 구조물을 제조하기 위해 조정될 수 있다 (즉, 연장되거나 오목하게 될 수 있다). 게다가, 프린트헤드 (100E) 는 도 7 을 참조하여 상기 설명된 것과 같이 그의 노즐 출구를 하부 수평면을 따라 위치시키기 위해 경사져 있을 수 있다.
도 13 ~ 도 16 은 본 발명의 다른 실시형태에 따라 제조된 노즐 출구 판 (160F) 을 나타낸다. 도 13 을 참조하면, 노즐 출구 판 (160F) 은 노즐 출구 판 (160E) 을 대체하는 크기와 형상을 갖고, 개구 (159-4E 및 159-7E) 를 참조하여 상기 설명된 방식으로 기능하는 개구 (159-4F 및 159-7F) 를 포함한다. 게다가, 노즐 출구 판 (160F) 이 전방 에지 (168F) 를 따라 열로 배치된 몇몇의 3-부 노즐 채널 (162F) 을 포함한다는 점에서 이 노즐 출구 판 (160F) 은 노즐 출구 판 (160E) 과 유사하다. 도 14, 15 및 16 은 노즐 출구 판 (160F) 의 대표적인 3-부 노즐 채널 (162F) 을 포함하는 노즐 출구 판 (160F) 의 부분을 추가적으로 상세하게 나타내는 저면 확대 사시도, 저면 평면도 및 단면 정면도이다. 도 14 및 15 에 나타낸 것과 같이, 3-부 노즐 채널 (162F) 은 상기 설명된 방식으로 합류 지점 (166F) 에 모이는 두 개의 측면 채널 (165F) 및 중앙 채널 (167F), 그리고 노즐 출구 판 (160F) 을 형성하는 판 재료의 전방 에지 (168F) 에 규정되는 출구 오리피스 (169F) 를 포함한다.
본 실시형태의 양태에 따르면, 노즐 출구 판 (160F) 은 각각의 3-부 노즐 채널 (162F) 의 세 개의 모이는 채널이 노즐 출구 판 (160F) 을 형성하는 판 재료를 규정하는 골 (예컨대, 에칭되지만 관통되지 않은) 을 포함한다는 것이 노즐 출구 판 (160E) 과 상이하다. 예컨대, 도 16 에 나타낸 중앙 채널 (167F) 의 단면도에서 나타낸 것과 같이, 3-부 노즐 채널 (162F) 의 각각의 채널은 노즐 출구 판 (160F) 을 제작하는데 사용되는 판 재료에 의해 형성된 바닥면을 갖는 골형 공동을 포함한다. 이러한 골형 공동은, 예컨대 광화학 가공, 전기 방전 가공 또는 레이저 흡열 금속 시트 적재에 의해, 또는 다양한 재료의 심도 반응성 이온 에칭, 모든 공지된 기법에 의해 형성된다. 각각의 노즐의 상부 벽이 정상부 노즐 판에 의해 규정되는 이전의 실시형태와는 달리, 각각의 노즐 (163F) 그 자체는 각각의 골을 형성하는 노즐 출구 판 (160F) 의 판 재료에 의해서만, 그리고 각각의 3-부 노즐 채널 (162F) 의 개방된 (바닥부) 표면 위에 배치되는 바닥부 노즐 판 (도시되지 않음) 에 의해 규정된다. 도 14 및 도 15 를 참조하면, 개구 (161-1 ~ 161-3) 는 그리드라인 및 희생 재료가 관련된 정상부 노즐 판 (도시되지 않음) 에 형성되는 대응하는 개구로부터 측면 채널 (165F) 과 중앙 채널 (167F) 로 흐르는 것을 용이하게 하기 위해 노즐 출구 판 (160F) 의 판 재료를 통하여 에칭된다.
도 15 를 참조하면, 다른 양태에 따르면, 노즐 출구 판 (160F) 은 노즐 출구 오리피스 (169F) 가 모이는/갈라지는 오리피스 구조물을 갖는 것이 노즐 출구 판 (160E) 과 상이하며, 이 오리피스 구조물에서 폭 (W1) 을 갖는 비교적 좁은 구역 (169F-1) 은 비교적 넓은 합류 지점 (166F) (즉, 폭 (W2) 을 갖는) 과 폭 (W3) 을 갖는 출구 오리피스 (169F) 의 비교적 넓은 개방 단부 사이에 위치된다. 이러한 모이는/갈라지는 구성은 노즐 출구 판 (160F) 이 결합된 프린트헤드의 압력 강하를 낮추며, 이에 의해 하나 이상의 더 빠른 속도의 프린팅 및 더 낮은 압력 작동을 가능하게 한다. 증가된 프린트 속도는 프린터 생산성에 유익하고, 낮아진 작동 압력은 프린트헤드의 신뢰도를 증가시키고 프린트헤드의 중량 및 가격을 낮추는데 유익하다.
상기 설명된 다양한 프린트헤드를 제작하는 기법은, 예컨대 여기서 그 전체가 참조되며 공동 소유자이고 동시 계류중인 특허 제목이 "EXTRUSION HEAD WITH PLANARIZED EDGE SURFACE" 인 US 특허 출원 제 11/555,512 에 설명되어 있다. 대안적으로는, 여기 설명된 적층된 금속층 구성에서, 본 발명의 압출 프린트헤드는 패턴형 저항 구조물의 특징을 갖도록 금속을 전기 도금하는 것, 에칭된 판 금속의 층을 함께 납땜하는 것, SUB 와 같이 광으로 규정할 수 있는 폴리머 외의 구조물을 발생시키는 것, 또는 기계가공 또는 성형에 의해 제작될 수 있다.
도 17 의 (A) ~ (C) 는 본 발명에 따라 형성된 프린트헤드를 사용하여 압출된 동시 압출 그리드라인의 비교를 나타낸다. 도 17 의 (A) 는 일반적인 동시 압출 프린트헤드 (즉, 도 4 ~ 7 을 참조하여 상기 설명된 편향 기구가 이용되지 않음) 에 의해 발생된 그리드라인을 나타낸다. 도 17 의 (B) 는 도 5 를 참조하여 상기 설명된 방법으로 정상부 노즐 층을 30 미크론 연장시키도록 변경된 동시 압출 프린트헤드에 의해 발생된 그리드라인을 나타낸다. 도 17 의 (C) 는 도 5 를 참조하여 상기 설명된 방법으로 정상부 노즐 층을 50 미크론 연장시키도록 변경된 동시 압출 프린트헤드에 의해 발생된 그리드라인을 나타낸다. 이러한 그림으로부터, 특히 라인의 두께가 더 균일하고 라인의 시작부가 프린트헤드의 14 개의 별개의 노즐에 걸쳐 더 균일한 프린트된 라인의 시작부에서, 프린트의 질은 정상부 노즐 층을 30 미크론 연장시킴으로써 개선되었고, 50 미크론 연장시킴으로써 더욱 개선되었음을 알아챌 수 있다. 도 17 의 (A) ~ (C) 에서의 라인 결함은 드리워지는 압출된 라인에 의한 것이다.
본 발명이 어떠한 특정 실시형태에 의해 설명되었지만, 당업자에게는 본 발명의 독창적인 특징은, 본 발명의 범위 이내에 있는 모든 다른 실시형태에도 마찬가지로 적용될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 예컨대, 매우 다양한 상이한 재 료가 원하는 편향을 발생시키면서 다양한 층의 프린트헤드 조립체 (100A) (도 4 참조, 상기에 설명되어 있음) 를 제조하는데 사용될 수 있다. 게다가, 도 5 ~ 도 7 을 참조하여 상기 설명된 노즐 첨단으로부터의 연장은 원하는 결과를 달성하면서 다양한 형상을 취할 수 있다. 게다가, 도 5 ~ 도 7 을 참조하여 상기 설명된 노즐 첨단으로부터의 연장은 둘 이상의 별개의 재료를 동시에 압출하는 (예컨대 "다중 압출" ) 압출 장치에 사용될 수 있다. 기계가공이 어렵더라도, 데이터는 폴리테트라플루오로에틸렌 (Teflon) 이 매우 양호하게 작용할 것이며 여기 기재된 폴리이미드 재료를 대신하는 것을 제안하고 있으며, 파릴렌 (parylene) 이 실제 코팅 재료가 될 수 있다. Teflon 코팅을 또한 고려할 수 있다.
도 1 은 기재의 상부면 상에 평행하게 압출된 재료 라인을 형성하기 위한 마이크로 압출 시스템의 일부분을 도시하는 개략 측면도이다.
도 2 는 마이크로 압출 시스템의 재료 공급 시스템, X-Y-Z 축 위치 지정 메카니즘 및 기저부를 보다 상세하게 도시한 도면이다.
도 3 은 마이크로 압출 프린트헤드 조립체의 분해도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 특정 실시형태에 따른 프린트헤드 조립체의 일부를 나타내는 개략 측단면도이다.
도 5 ~ 도 7 은 본 발명의 특정 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 8 ~ 도 12 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 동시 압출 시스템을 나타내는 도면이다.
도 13 ~ 도 16 은 본 발명의 다른 실시형태에 따라 제조된 노즐 출구 판을 나타내는 도면이다.
도 17 의 (A) ~ (C) 는 본 발명에 따라 형성된 프린트헤드를 사용하여 압출된 동시 압출 그리드라인의 비교를 나타낸다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
50 : 마이크로 압출 시스템 51 : 기재
55 : 비드 60 : 재료 공급 시스템
68 : 공급관 69 : 체결 부재
70 : X-Y-Z 축 위치 지정 메카니즘 76 : 장착판
80 : 기저부 100 : 프린트 헤드 조립체
110 : 후방 판 구조물 111 : 기울어진 후방 판
112 : 전방면 114 : 후방면
115 : 보어 120 : 후방 플레넘
125 : 도관 130 : 전방 판 구조물
150 : 노즐 구조물 163 : 압축 노즐
169 : 노즐 오리피스

Claims (2)

  1. 압출 프린트헤드 조립체로부터 목표 기재의 상부면으로 압출 재료의 비드를 압출하는 층상 노즐 구조물로서, 이 층상 노즐 구조물은
    제 1 전방 에지를 포함하고 제 1 입구 포트를 규정하는 정상부 노즐 판, 및
    제 2 전방 에지를 포함하고 밀폐 단부로부터 상기 제 2 전방 에지를 통하여 규정된 개구로의 미리 정해진 제 1 방향으로 기다란 노즐 채널을 규정하는 노즐 출구 판을 포함하며,
    상기 정상부 노즐 판은 압출 노즐을 형성하기 위해 노즐 출구 판에 장착되며, 정상부 노즐 판의 부분이 압출 노즐의 상부 벽을 형성하고, 기다란 채널의 대향 에지가 압출 노즐의 측벽을 형성하고, 제 2 전방 에지에 형성된 개구가 압출 노즐의 출구 오리피스를 규정하며,
    상기 제 1 입구 포트는 기다란 채널의 밀폐 단부와 정렬되며, 이에 의해 제 1 입구 포트를 통하여 가압된 압출 재료는 압출 노즐을 따르는 제 1 유동 방향으로 흐르고 상기 출구 오리피스 밖으로 나와 상기 비드를 형성하며,
    상기 층상 노즐 구조물은 비드가 목표 기재를 향해 편향시키기 위한 수단을 포함하는 압출 재료의 비드를 압출하는 층상 노즐 구조물.
  2. 압출된 재료가 목표 기재의 상부면에 평행한 비드를 형성하도록 프린트헤드 조립체에 규정된 압출 노즐의 밖으로 하나 이상의 재료를 압출시키기 위한 재료 공 급 시스템 및 프린트헤드 조립체를 포함하는 마이크로 압출 시스템으로서, 상기 프린트헤드 조립체는,
    제 1 판 구조물,
    제 2 판 구조물, 및
    제 1 및 제 2 판 구조물 사이에 끼워진 층상 노즐 구조물을 포함하며, 이 층상 노즐 구조물은,
    제 1 전방 에지를 포함하고 제 1 입구 포트를 규정하는 정상부 노즐 판, 및
    제 2 전방 에지를 포함하고 밀폐 단부로부터 상기 제 2 전방 에지를 통하여 규정된 개구로의 미리 정해진 제 1 방향으로 기다란 노즐 채널을 규정하는 노즐 출구 판을 포함하며,
    상기 정상부 노즐 판은 압출 노즐을 형성하기 위해 노즐 출구 판에 장착되며, 정상부 노즐 판의 부분이 압출 노즐의 상부 벽을 형성하고, 기다란 채널의 대향 에지가 압출 노즐의 측벽을 형성하고, 제 2 전방 에지에 형성된 개구가 압출 노즐의 출구 오리피스를 규정하며,
    상기 제 1 입구 포트는 기다란 채널의 밀폐 단부와 정렬되며, 이에 의해 제 1 입구 포트를 통하여 가압된 압출 재료는 압출 노즐을 따르는 방향으로 흐르고 상기 출구 오리피스 밖으로 나와 상기 비드를 형성하며,
    상기 층상 노즐 구조물은 비드가 목표 기재를 향해 편향시키기 위한 수단을 포함하는 마이크로 압출 시스템.
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