KR20140003581A - 노즐 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

노즐 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 방법은, (a) 몰드의 적어도 일부를 한정하고 복수의 복제 노즐 구멍 및 복제 평면 제어 공동을 포함하는 미세구조화 몰드 패턴을 제공하는 단계; (b) 미세구조화 몰드 패턴을 이용하여 제1 재료를 노즐 형성 미세구조화 패턴 - 노즐 형성 미세구조화 패턴은 복수의 노즐 구멍 형성 요소 및 평면 제어 공동 형성 요소를 포함함 -으로 성형하는 단계; (c) 노즐 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 제2 재료를 노즐 예비 형성품 - 노즐 예비 형성품은 복수의 노즐 예비 형성품 구멍 및 희생 평면 제어 공동을 포함함 -으로 형성하는 단계; 및 (d) 노즐 예비 형성품으로부터 노즐을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 노즐을 형성하는 단계는, 노즐 예비 형성품의 상면을 노즐의 평면 상면으로 형성하고, 노즐 예비 형성품 구멍의 각각을 노즐 관통 구멍으로 형성하기 위해, 희생 평면 제어 공동을 제거하기에 충분하게 제2 재료를 제거하는 단계를 포함한다.

Description

노즐 및 그 제조 방법{NOZZLE AND METHOD OF MAKING SAME}
이 발명은 일반적으로 내연 기관용 연료 분사기에 이용하기에 적합한 노즐을 포함하는 노즐에 관한 것이다. 이 발명은 그러한 노즐을 포함하는 연료 분사기 (fuel injector)에 적용할 수도 있다. 이 발명은 그러한 노즐을 제조하는 방법에 관한 것이기도 하다. 이 발명은 그러한 노즐을 포함하는 연료 분사기를 제조하는 방법에 적용할 수도 있다.
연료 분사는 점점 연료와 공기를 혼합하는 바람직한 방법이 되고 있다. 연료 분사는 일반적으로 엔진의 연료 효율을 증가시키고 해로운 배기가스를 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 연료 분사기는 일반적으로 연소를 위해 압력 하에서 연료를 분무하기 위해 복수의 노즐 관통 구멍을 갖는 노즐을 포함한다. 증가하는 엄격한 환경 기준은 더욱 효율적인 연료 분사기를 필요로 한다.
[발명의 개요]
이 발명의 한 양태에서는, 노즐을 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은: (a) 몰드의 적어도 일부를 한정하고 복수의 복제 노즐 구멍 및 복제 평면 제어 공동을 포함하는 미세구조화 몰드 패턴을 제공하는 단계; (b) 미세구조화 몰드 패턴을 이용하여 제1 재료를 노즐 형성 미세구조화 패턴 - 노즐 형성 미세구조화 패턴은 복수의 노즐 구멍 형성 요소 및 평면 제어 공동 형성 요소를 포함함 -으로 성형하는 단계; (c) 노즐 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 제2 재료를 노즐 예비 형성품 - 노즐 예비 형성품은 복수의 노즐 예비 형성품 구멍 및 희생 평면 제어 공동을 포함함 -으로 형성하는 단계; 및 (d) 노즐 예비 형성품으로부터 노즐을 형성하는 단계를 포함하고, 노즐을 형성하는 단계는, 노즐 예비 형성품의 상면을 노즐의 평면 상면으로 형성하고, 노즐 예비 형성품 구멍의 각각을 노즐 관통 구멍으로 형성하기 위해, 희생 평면 제어 공동을 제거하기에 충분하게 제2 재료를 제거하는 단계를 포함한다.
이 방법의 한 실시예에서, 미세구조화 몰드 패턴은, (a) 제3 재료를, 복수의 복제 노즐 구멍 형성 요소 및 복제 평면 제어 공동 형성 요소를 포함하는 몰드 형성 미세구조화 패턴으로 형성하는 단계; 및 (b) 몰드 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 제4 재료를 미세구조화 몰드 패턴으로 형성하는 단계에 의해 제공될 수 있으며, 복제 노즐 구멍 형성 요소는 복제 노즐 구멍의 사실상 네거티브 복제물이고, 복제 평면 제어 공동 형성 요소는 복제 평면 제어 공동의 사실상 네거티브 복제물이다.
이 발명의 다른 한 양태에서는, 노즐을 제조하는 다른 한 방법이 제공된다. 이 방법은: (a) 몰드의 적어도 일부를 한정하고 복수의 복제 노즐 구멍을 포함하는 미세구조화 몰드 패턴을 제공하는 단계; (b) 미세구조화 몰드 패턴을 이용하여 제1 재료를 노즐 형성 미세구조화 패턴 - 노즐 형성 미세구조화 패턴은 복수의 노즐 구멍 형성 요소를 포함함 -으로 성형하는 단계; (c) 노즐 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 제2 재료를 노즐 예비 형성품 - 노즐 예비 형성품은 복수의 노즐 예비 형성품 구멍을 포함하고, 제2 재료는 복수의 상이한 제2 재료를 포함하며, 노즐 예비 형성품은 제2 재료의 각각을 노즐 형성 미세구조화 패턴 상에 층으로서 순차적으로 침착함으로써 생성되는 노즐 예비 형성품이 각각의 층이 상이한 제2 재료로 되는 다중 층의 빌드업을 포함하도록 형성됨 -으로 형성하는 단계; 및 (d) 노즐 예비 형성품으로부터 노즐을 형성하는 단계를 포함하고, 노즐을 형성하는 단계는, 노즐 예비 형성품 구멍의 각각에서 출구 개구를 개방하고, 노즐 예비 형성품 구멍의 각각을 노즐 관통 구멍으로 형성하기에 충분하게 제2 재료를 제거하는 단계를 포함한다.
이 방법의 한 실시예에서, 미세구조화 몰드 패턴은: (a) 제3 재료를, 복수의 복제 노즐 구멍 형성 요소를 포함하는 몰드 형성 미세구조화 패턴으로 형성하는 단계; 및 (b) 몰드 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 제4 재료를 미세구조화 몰드 패턴으로 형성하는 단계에 의해 제공될 수 있으며, 복제 노즐 구멍 형성 요소는 복제 노즐 구멍의 사실상 네거티브 복제물이다.
이 발명의 다른 양태에서는, 복수의 노즐 예비 형성품 구멍, 희생 평면 제어 공동 및 외부 평면의 주변부를 포함하는 노즐 예비 형성품을 형성하기 위한 미세구조화 패턴이 제공된다. 미세구조화 패턴은, 노즐 예비 형성품 구멍의 사실상 네거티브 복제물인 복수의 노즐 구멍 형성 요소, 및 희생 평면 제어 공동의 사실상 네거티브 복제물인 복수의 평면 제어 공동 형성 요소를 포함한다.
이 발명의 또다른 양태에서는, 복수의 노즐 관통 구멍을 포함하는 노즐을 형성하기 위한 노즐 예비 형성품이 제공되며, 각각의 노즐 관통 구멍은 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 하나 이상의 출구 개구를 포함한다. 노즐 예비 형성품은, 노즐 관통 구멍에 대응하는 복수의 노즐 예비 형성품 구멍; 및 복수의 희생 평면 제어 공동을 포함하며, 노즐 예비 형성품 구멍의 각각은 희생 평면 제어 공동 중 하나 이상에 연결된다.
이 발명의 다른 한 양태에서는, 복수의 노즐 관통 구멍을 포함하는 미세구조화 패턴을 포함하는 노즐이 제공되며, 각각의 노즐 관통 구멍은 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 하나 이상의 출구 개구를 포함하며, 미세구조화 패턴은 외부 주변부를 갖고, 노즐은 각각의 층이 상이한 재료로 된 다중 층의 빌드업을 포함하고, (a) 다중 층 중 어느 것도 얇은 도전성 시드 층 (thin electrically conductive seed layer)의 형태로 있지 않거나, (b) 다중 층이 세개 이상의 층이거나, 또는 (c) (a)와 (b) 둘 다이다.
이 발명의 또다른 양태에서는, 복수의 노즐 관통 구멍을 포함하는 미세구조화 패턴을 포함하는 노즐이 제공되며, 각각의 노즐 관통 구멍은 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 하나 이상의 출구 개구를 포함하며, 미세구조화 패턴은, 외부 주변부; 및 하나 이상의 노즐 관통 구멍을, (a) 하나 이상의 다른 노즐 관통 구멍, (b) 미세구조화 패턴의 외부 주변부의 일부, 또는 (c) (a)와 (b) 둘 다에 연결하는 하나 이상의 유체 채널 요소를 갖는다.
이 발명의 또다른 양태에서는, 복수의 노즐 관통 구멍을 포함하는 미세구조화 패턴을 포함하는 노즐이 제공되며, 각각의 노즐 관통 구멍은 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 하나 이상의 출구 개구를 포함하며, 미세구조화 패턴은, 외부 주변부; 및 노즐 관통 구멍의 출구 개구를 통해 흘러 나가는 유체 유동에 의해 형성되는 플룸 (plume)의 형상을 제어하기 위한 하나 이상의 유체 플룸 형상 제어 요소를 갖는다.
이 발명의 다른 한 양태에서는, 복수의 노즐 관통 구멍을 포함하는 미세구조화 패턴을 포함하는 노즐이 제공되며, 각각의 노즐 관통 구멍은 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 하나 이상의 출구 개구를 포함하며, 미세구조화 패턴은, 외부 주변부; 및 노즐 관통 구멍을 통과하고 노즐 관통 구멍의 대응하는 출구 개구를 빠져나가는 유체에 의해 형성되는 방울들의 플룸에 좋은 영향을 주기 위해, 노즐을 통한 유체의 캐비테이션 (cavitation), 난류를 유발하거나, 또는 다른 방식으로 유동을 방해하는, 하나 이상의 유체 유동 영향 요소를 포함하는 내면을 갖는 하나 이상의 노즐 관통 구멍을 갖는다.
첨부 도면과 관련하여 이 발명의 다양한 실시예들의 이하의 상세한 설명을 고려하면 이 발명이 보다 완전히 이해되고 인식될 수 있다.
<도 1a 내지 도 1m>
도 1a 내지 도 1m은 노즐을 제조하는 공정에서 중간 스테이지 또는 단계에서의 구조물의 개요도이고;
<도 2>
도 2는 미세구조체의 3차원 개요도이며;
<도 3>
도 3은 다른 미세구조체의 3차원 개요도이고;
<도 4>
도 4는 다른 미세구조체의 3차원 개요도이며;
<도 5>
도 5는 다른 미세구조체의 3차원 개요도이고;
<도 6>
도 6은 미세구조체의 기부의 개요도이며;
<도 7 및 도 8>
도 7 및 도 8은 각각 미세구조체의 3차원 개요도 및 평면도이고;
<도 9a>
도 9a는 노즐 구멍을 형성하기 위해 이용되는 노즐 구멍 형성 요소 또는 미세구조체의 3차원 개요도이며;
<도 9b>
도 9b는 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는 도 9a의 미세구조체의 3차원 개요도이고;
<도 10>
도 10은 도 9에 도시된 미세구조체 (노즐 구멍)의 기부 (구멍 입구)의 개요도이며;
<도 11>
도 11은 도 9에 도시된 미세구조체 (노즐 구멍)의 개략적 평면도이고;
<도 12>
도 12는 노즐 구멍 (미세구조체)의 3차원 개요도이며;
<도 13>
도 13은 도 12에 도시된 노즐 구멍 (미세구조체)의 구멍 입구 (기부)의 개요도이고;
<도 14>
도 14는 도 12에 도시된 노즐 구멍 (미세구조체)의 개략적 평면도이며;
<도 15a 및 도 15b>
도 15a 및 도 15b는 구멍 (미세구조체)의 2개의 상이한 어레이들의 개략적 평면도이고;
<도 16>
도 16은 복수의 노즐 구멍 (미세구조체)의 3차원 개요도이며;
<도 17>
도 17은 미세구조체의 개략 측면도이고;
<도 18>
도 18은 노광 시스템의 개략 측면도이며;
<도 19 및 도 20>
도 19 및 도 20은 미세구조체들의 클러스터 (cluster)의 2개의 SEM (scanning electron micrograph (주사 전자 현미경 사진))이고;
<도 21>
도 21은 폴리탄산염 미세구조체들의 클러스터의 SEM이며;
<도 22 및 도 23>
도 22 및 도 23은 각각의 구멍 입구들 및 구멍들의 클러스터의 구멍 입구들의 광학 현미경 사진이고;
<도 24>
도 24는 노즐의 개략적 측면도이며;
<도 25>
도 25는 도 22 및 도 23에 도시된 구멍 중 하나의 SEM이고;
<도 26a>
도 26a는, 원형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡면 측부 및 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는, 노즐 구멍 형성 요소 또는 미세구조체의 개략적 측면도이며;
<도 26b>
도 26b는 도 26a의 미세구조체의 개략적 투시도이고;
<도 26c>
도 26c는 도 26a의 미세구조체의 개략적 상면도이며;
<도 26d>
도 26d는, 평면 제어 공동 형성 요소가 제거된, 도 26a의 미세구조체의 개략적 투시도이고;
<도 26e>
도 26e는 도 26d의 미세구조체의 개략적 투시도이며;
<도 26f>
도 26f는 도 26d의 미세구조체의 개략적 상면도이고;
<도 27>
도 27은, 원형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡면 측부 및 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는, 노즐 구멍 형성 미세구조체의 개략적 투시도로서, 곡면 측부가 환형 유체 유동 또는 배출 형상 제어 요소를 포함하며;
<도 28>
도 28은, 원형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡면 측부 및 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는, 노즐 구멍 형성 미세구조체의 개략적 투시도로서, 곡면 측부가 별개의 소스 유체 유동 또는 배출 형상 제어 요소를 포함하고;
<도 29>
도 29는, 원형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡면 측부 및 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는, 노즐 구멍 형성 미세구조체의 개략적 투시도로서, 곡면 측부가 다중 수렴/발산 유체 유동 또는 배출 형상 제어 요소를 포함하며;
<도 30>
도 30은, 원형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡면 측부 및 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는, 노즐 구멍 형성 미세구조체의 개략적 투시도로서, 곡면 측부가 단일의 수렴/발산 유체 유동 또는 배출 형상 제어 요소를 포함하고;
<도 31a>
도 31a는, 별 모양 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡면 측부 및 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는, 노즐 구멍 형성 미세구조체의 개략적 투시도이며;
<도 31b>
도 31b는 평면 제어 공동 형성 요소가 제거된, 도 31a의 미세구조체의 개략적 투시도이고;
<도 32a>
도 32a는, 십자형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡선 측부 및 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는, 노즐 구멍 형성 미세구조체의 개략적 투시도이며;
<도 32b>
도 32b는, 평면 제어 공동 형성 요소가 제거된, 도 32a의 미세구조체의 개략적 투시도이고;
<도 33>
도 33은, 십자형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡선 측부 및 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는, 노즐 구멍 형성 미세구조체의 개략적 투시도이며;
<도 34>
도 34는, 십자형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡선 측부 및 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는, 노즐 구멍 형성 미세구조체의 개략적 투시도이며;
<도 35>
도 35는, 십자형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡선 측부 및 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는, 노즐 구멍 형성 미세구조체의 개략적 투시도이고;
<도 36>
도 36은, 십자형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡선 측부 및 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는, 노즐 구멍 형성 미세구조체의 개략적 투시도이며;
<도 37>
도 37은, 십자형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡선 측부 및 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는, 노즐 구멍 형성 미세구조체의 개략적 투시도이고;
<도 38a>
도 38a는, 직사각형 슬롯형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡선 측부 및 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는, 노즐 구멍 형성 미세구조체의 개략적 투시도이며;
<도 38b>
도 38b는 도 38a의 미세구조체의 개략적 투시도이고;
<도 38c>
도 38c는 도 38a의 미세구조체의 개략적 상면도이며;
<도 38d>
도 38d는는, 평면 제어 공동 형성 요소가 제거된, 도 38a의 미세구조체의 개략적 투시도이고;
<도 39a>
도 39a는, 복제 노즐 구멍 형성 미세구조체, 복제 평면 제어 공동 형성 요소, 및 복제 추가 유체 흡입 채널 형성 요소의 단일의 중앙 배치 그룹을 포함하는, 몰드 형성 미세구조화 패턴의 개략적 투시도이며;
<도 39b>
도 39b는 도 39a의 몰드 형성 미세구조화 패턴의 개략적 상면도이고;
<도 39c>
도 39c는 도 39a의 몰드 형성 미세구조화 패턴체의 개략적 측면도이며;
<도 40a>
도 40a는 복수의 노즐 관통 구멍 및 추가 유체 흡입 채널을 포함하는 미세구조화 노즐을 갖는, 도 39a의 몰드 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 형성되는 미세구조화 노즐의 하단의 개략적 투시도이고;
<도 40b>
도 40b는 도 40a의 미세구조화 노즐의 개략적 저면도이며;
<도 40c>
도 40c는 선 40C-40C를 따라 취한 도 40b의 미세구조화 노즐의 개략적 횡단면도이고;
<도 41>
도 41은, 복수의 노즐 관통 구멍 및 대안적 추가 유체 흡입 채널을 포함하는 미세구조화 노즐을 갖는, 이 발명에 따른 몰드 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 형성되는 미세구조화 노즐의 하단의 개략적 투시도이며;
<도 42a>
도 42a는, 대응하는 복제 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는 두개의 그룹의 복제 노즐 구멍 형성 미세구조체, 및 추가적 세트의 복제 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는 노즐 분리 요소를 포함하는, 몰드 형성 미세구조화 패턴의 개략적 투시도이고;
<도 42b>
도 42b는 도 42a의 몰드 형성 미세구조화 패턴의 개략적 측면도이며;
<도 43a>
도 43a는 도 42a의 몰드 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 제조되는 미세구조화 몰드 패턴의 상단의 개략적 투시도이고;
<도 43b>
도 43b는 도 43a의 미세구조화 몰드 패턴의 개략적 상면도이며;
<도 43c>
도 43c는 선 43C-43C를 따라 취한 도 43b의 미세구조화 몰드 패턴의 개략적 횡단면도이고;
<도 43d>
도 43d는 선 43D-43D를 따라 취한 도 43b의 미세구조화 몰드 패턴의 개략적 횡단면도이며;
<도 44a>
도 44a는 도 43a의 미세구조화 몰드 패턴을 이용하여 제조되는 노즐 형성 미세구조화 패턴의 개략적 투시도이고;
<도 44b>
도 44b는 선 44B-44B를 따라 취한 도 44a의 노즐 형성 미세구조화 패턴의 개략적 횡단면도이며;
<도 45>
도 45는, 노즐 예비 형성품의 선형 어레이가 형성된, 선 44B-44B를 따라 취한 도 44a의 노즐 형성 미세구조화 패턴의 개략적 횡단면도이고;
<도 46>
도 46는, 도 45의 노즐 예비 형성품의 어레이로부터 형성되고, 서로 쉽게 분리될 수 있는, 연결된 노즐의 선형 어레이의 개략적 저면도이며;
<도 47>
도 47은 노즐 형성 미세구조화 패턴 및 거기에 침착되는 대응하는 다중 구성 요소 노즐 예비 형성품의 개략적 횡단 측면도이고;
<도 48>
도 48은 횡단면을 취한 종래의 연료 분사기의 사진이다.
이 명세서에서, 다수의 도면에 사용된 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 특성 및 기능을 갖는 동일하거나 유사한 요소를 가리킨다.
[발명의 상세한 설명]
개시되는 노즐은, 구멍 입구, 구멍 벽 내, 및 구멍 출구에서의 스프레이 방향 및 유체 역학을 개선하도록 설계된 하나 이상의 관통 구멍을 포함한다. 개시되는 노즐은 유리하게는 연료 효율을 개선하기 위하여 연료 분사기 시스템 내에 포함될 수 있다. 개시되는 노즐은 2개의 광자와 같은 다광자 (multiphoton) 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 특히, 다광자 과정 (multiphoton processes)은 다양한 미세구조체를 가능하게 하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 미세구조체는 적어도 하나 이상의 구멍 형성 요소를 포함할 수 있고, 그것은 결국 노즐 또는 다른 용도에 이용하기 위한 구멍들을 제조하기 위한 몰드로서 이용될 수 있다.
용어 "노즐"이 당업계에서 다수의 상이한 의미를 가질 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 일부 특정 참고문헌에서, 용어 "노즐"은 넓은 정의를 갖는다. 예를 들어, 미국 특허공개 제2009/0308953 A1호 (페일스트란트 (Palestrant) 등)는 폐색기 챔버 (50)를 포함한 다수의 요소를 포함하는 "무화 노즐"을 개시한다. 이는 본 명세서에 의해 제시된 노즐의 이해 및 정의와는 상이하다. 예를 들어, 본 발명의 노즐은 페일스트란트 등의 오리피스 삽입체 (orifice insert, 24)에 대체로 대응할 것이다. 일반적으로, 본 발명의 노즐은 스프레이가 최종적으로 방출되어 나오는 무화 스프레이 시스템의 최종 테이퍼 형성된 부분으로서 이해될 수 있다[예컨대, 노즐의 메리엄 웹스터 사전의 정의 ("유체의 유동을 빠르게 하거나 안내하기 위하여 (호스 상에서처럼) 사용되는 테이퍼 또는 잘록한 부분을 갖는 짧은 튜브") 참조]. 추가적인 이해는 니폰덴소 컴퍼니, 리미티드 (Nippondenso Co., Ltd.) (일본 가리야 소재)에 허여된 미국 특허 제5,716,009호 (오기하라 (Ogihara) 등)를 참조함으로써 얻어질 수 있다. 이러한 참고문헌에서, 게다가, 유체 분사 "노즐"은 다중편 (multi-piece) 밸브 요소 (10) ("유체 분사 노즐로서 작용하는 연료 분사 밸브 (10)" - 오기하라 등의 4열 제26행 내지 제27행 참조 -)로서 넓게 정의된다. 이 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "노즐"의 이 정의 및 이해는, 예를 들어 연료 스프레이 바로 근방에 위치되는 제1 및 제2 오리피스 플레이트 (130, 132)들 및 가능성 있게는 슬리브 (138) (오기하라 등의 도 14 및 도 15 참조)에 관련될 것이다. 용어 "노즐"에 대한 여기에서 기술되는 것과 유사한 해석이 히타치 리미티드 (Hitachi, Ltd.) (일본, 이바라키 소재)에 대한 미국 특허 5,127,156호 (요코야마 (Yokoyama) 등)에서 이용된다. 거기에서, 노즐 (10)은 "선회기 (swirler)" (12)와 같은 부착되고 통합되는 구조체의 요소와 구별해서 정의된다 (도 1 (II) 참조). 위에서 정의된 이해는, 용어 "노즐"이 상세한 설명의 나머지 부분 및 특허청구범위 전체에 걸쳐 언급될 때, 이해되어야 할 것이다.
일부 경우에, 개시되는 미세구조체는 3차원의 직선으로 된 몸체, 예를 들어 다면체, 예컨대 4면체 또는 6면체, 프리즘 또는 피라미드, 또는 그러한 몸체들의 일부분 또는 조합, 예컨대 절두체일 수 있다. 예를 들어, 도 2는 기재 (substrate) (210) 상에 배치되고, 평면이거나 평평한 기부 (230), 평면이거나 평평한 상부 (240), 및 기부에 상부를 연결하는 측부 (250)를 포함하는 미세구조체 (220)의 3차원 개요도이다. 측부 (250)는 면 (facet) (260, 265, 270)과 같은 복수의 평면이거나 평평한 면을 포함한다. 미세구조체 (220)는 예를 들어 노즐에 사용되기 위한 구멍을 제조하기 위한 주형으로서 사용될 수 있다.
일부 경우에, 개시되는 미세구조체는 3차원의 곡선으로 된 몸체 또는 그러한 몸체의 일부분, 예를 들어 구면체, 비구면체, 타원체, 회전타원체, 포물면, 원뿔 또는 절두 원뿔, 또는 원통의 세그먼트일 수 있다. 예를 들어, 도 3은 기재 (310) 상에 배치되고, 평면이거나 평평한 기부 (330), 평면이거나 평평한 상부 (340), 및 기부에 상부를 연결하는 곡선 측부 (350)를 포함하는 미세구조체 (320)의 3차원 개요도이다. 예시적 미세구조체 (320), 상단 (340) 및 기부 (330)는 동일한 형상을 갖지만 상이한 크기를 갖는다. 미세구조체 (320)는 기부 (330)로부터 상부 (340)까지 더 좁아지게 테이퍼 형성된다. 그 결과, 상부 (340)는 기부 (330)보다 더 작은 면적을 갖는다. 미세구조체 (320)는 예를 들어 노즐에 사용되기 위한 구멍을 제조하기 위한 주형으로서 사용될 수 있다.
일부 경우에, 개시되는 미세구조체의 특징들 중 일부가 기부로부터 상부까지 변화한다. 예를 들어, 일부 경우에, 개시되는 미세구조체는 테이퍼 형성된 미세구조체일 수 있다. 예를 들어, 도 4는 다광자 과정을 사용하여 제조될 수 있는 미세구조체 (420)의 3차원 개요도이다. 미세구조체 (420)는 예를 들어 노즐에 사용되기 위한 구멍을 제조하기 위한 주형으로서 사용될 수 있다. 미세구조체 (420)는 기재 (410) 상에 배치되고, 기부 (430), 상부 (440), 및 기부에 상부를 연결하는 측부 (450)를 포함한다. 미세구조체 (420)는 z 축을 따른 기부 (430)와 상부 (440) 사이의 거리인 높이 또는 두께 h1를 갖는다. 미세구조체(420)는 테이퍼 형성된다. 특히, 미세구조체의 두께를 따른 미세구조체의 단면적은 기부 (430)로부터 상부 (440)까지 감소된다. 예를 들어, 미세구조체 (420)는 xy-평면에서의 높이 h2에서의 횡단면 (460) 및 xy-평면에서의 높이 h3>h2에서의 횡단면 (470)을 포함한다. 단면 (470)의 면적은 단면 (460)의 면적보다 작고, 단면 (460)의 면적은 기부 (430)의 면적보다 작다.
기부 (430)는 제1 형상을 갖고, 상부 (440)는 제1 형상과는 상이한 제2 형상을 갖는다. 일부 경우에, 제1 형상은 타원형이고, 제2 형상은 원형이다. 예를 들어, 도 5는 타원형 기부 (530), 원형 상부 (540), 및 기부에 상부를 연결하는 측부 (550)를 포함하는 미세구조체 (520)의 3차원 개요도이다. 타원형 기부 (530)는 길이 "a"를 갖는 y 방향을 따르는 장축 (560) 및 "a"와 상이한 길이 "b"를 갖는 x 방향을 따르는 단축 (570)을 갖는다. 원형 상단 (540)은 반경 "r"을 갖는다. 미세구조체 (520)는 테이퍼 되어 있다.특히, 원형 상부(540)의 면적은 타원형 기부(530)의 면적보다 작다.
다른 한 예로서, 제1 형상은 경주 트랙 또는 타원일 수 있고 제2 형상은, 예를 들어, 원일 수 있다. 예를 들어, 도 6은 개시되는 미세구조체의 기부일 수 있는 기부 (630)의 개요도이다. 기부 (630)는 2개의 원 (642, 644) 및 중간부 (650)를 포함한다. 기부 (630)는 곡선 부분 또는 원호 (632, 634) 및 선형 부분 (636, 638)을 포함하는 주연부 (660)를 갖는다. 원 (642 및 644)은 제각기 반경 ra 및 rb를 가지며, 여기에서 ra 및 rb는 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 곡선 부분 (632, 634)은 각각의 원 (642, 644)의 일부분이다.
일부 경우에, 개시되는 미세구조체는 미세구조체의 기부로부터 미세구조체의 상부까지 회전하는 미세구조체의 두께 또는 높이 방향을 따른 단면을 갖는다. 예를 들어, 도 7은 xy-평면 내에 배치된 기부 (730), xy-평면 내에 배치된 상부 (740), 및 기부에 상부를 연결하는 측부 (780)를 포함하는 미세구조체 (720)의 3차원 개요도이다. 미세구조체(720)는 높이 h4를 갖는다. 미세구조체 (720)는 상부 (740)로부터 기부 (730)까지 시계 방향으로 회전하는 xy 단면을 갖는다. 특히, 상부(740)는 x-방향을 따른 대칭축(742)을 갖고, 높이 h5<h4에서의 미세구조체의 xy 단면(750)은 대칭축(742)에 대해 시계 방향으로 회전한 대칭축(752)을 갖고, 높이 h6<h5에서의 미세구조체의 xy 단면(755)은 대칭축(752)에 대해 시계 방향으로 회전한 대칭축(757)을 갖고, 높이 h7<h6에서의 미세구조체의 xy 단면(760)은 대칭축(757)에 대해 시계 방향으로 회전한 대칭축(762)을 갖고, 기부(730)는 대칭축(762)에 대해 시계 방향으로 회전한 y축을 따른 대칭축(732)을 갖는다. 동등하게, 미세구조체(720)는 기부(730)로부터 상부(740)까지 반시계 방향으로 회전하는 xy 단면을 갖는다. 도 8은 상부(740)와 그의 대칭축(742), 단면(750)과 그의 대칭축(752), 단면(755)과 그의 대칭축(757), 단면(760)과 그의 회전축(762), 및 기부(730)와 그의 대칭축(732)을 도시하는 미세구조체(720)의 개략 평면도이다. 상부로부터 볼 때, 단면들 대칭축들은 상부로부터 기부까지 시계 방향으로 회전한다. 그러한 회전은 미세구조체의 높이 또는 두께를 따라 미세구조체 내에서 비틀림을 초래한다. 일부 경우에, 각각의 단면은 대응하는 장축이 대칭축으로서 작용하는 타원일 수 있다. 그러한 경우에, 장축은 기부로부터 상부까지 회전한다. 미세구조체가 테이퍼 형성되고 비틀린 때와 같은 일부 경우에, 단면은 기부로부터 상부까지 회전되고 작아진다. 예를 들어, 타원형 기부(730)는 길이 "a"를 갖고 y-방향을 따른 장축(732) 및 "a"와는 상이한 길이 "b"를 갖고 x-방향을 따른 단축(734)을 갖는다. 주축이 기부로부터 상부까지 회전됨에 따라, 비 a/b는 예를 들어 "a"를 감소시킴으로써 감소되어, 상부에서 최종적으로 원(a=b)이 될 수 있는 더 작은 타원을 초래한다. 일반적으로, 개시된 미세구조체는 기부로부터 상부까지 미세구조체의 두께를 따른 테이퍼 및/또는 비틀림 또는 나선을 포함할 수 있다.
미세구조체(720)는 미세구조체(720)와 실질적으로 동일한 프로파일을 갖는 구멍을 구비한 노즐 내에 하나 이상의 구멍을 제조하기 위한 주형으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 제조는 구멍 입구(730), 구멍 출구(740), 및 구멍 입구로부터 구멍 출구까지 연장되는 벽(752)을 갖는 구멍(720)을 초래한다. 구멍은 구멍 입구로부터 구멍 출구까지 테이퍼 형성되고 나선형으로 되거나 비틀린다. 개시되는 나선형 또는 꼬여진 노즐 구멍은, 연료의 유속을 변화시키고, 방울 크기를 감소시키며, 공기와 연료의 혼합을 개선하기 위해, 연료 분사기에서 유리하게 이용될 수 있다.
미세구조체는 미세구조체의 상이한 높이들(예컨대, h6, h5 등)에서 소정 "직경"을 갖는 것으로 이해될 수 있다. 직경은 공통 높이에서 미세구조체의 에지들 사이의 최대 거리로서 이해될 수 있다. 구멍 입구(730)에서와 같이 타원형 기부가 있는 상황에서, 직경은 장축(732)을 따른 미세구조체의 에지들 사이의 거리일 것이다. 구멍 출구(740)에 대응하는 구조체의 대향 단부에서, 직경은 유사하게는 공통 높이(여기서, h4)에서의 미세구조체의 에지들 사이의 최대 거리일 것이다. 따라서, 축(742)을 따른 미세구조체의 에지들 사이의 거리는 구멍 출구의 직경에 대응할 것이다. 일부 실시예에서, 구멍 입구는 직경이 300 마이크로미터 미만, 또는 200 마이크로미터 미만, 또는 160 마이크로미터 이하 또는 140 마이크로미터 미만일 수 있다. 일부 실시예에서, 구멍 출구는 직경이 300 마이크로미터 미만, 또는 200 마이크로미터 미만, 또는 100 마이크로미터 미만, 또는 40 마이크로미터 이하, 또는 25 마이크로미터 미만일 수 있다.
일부 경우에, 노즐 구멍(720)의 단면은 구멍 입구로부터 구멍 출구까지 증가하는 회전율을 갖는다. 일부 경우에, 노즐 구멍(720)의 단면은 구멍 입구로부터 구멍 출구까지 감소하는 회전율을 갖는다. 일부 경우에, 단면은 구멍 입구로부터 구멍 출구까지 일정한 회전율을 갖는다.
일반적으로, 개시된 미세구조체의 기부 또는 측방향 단면 또는 개시된 노즐 구멍의 입구 구멍 또는 측방향 단면은 응용에서 바람직할 수도 있는 임의의 단면을 가질 수 있다. 일부 경우에, 기부 또는 입구 구멍은 밀접하게 패킹된 원들의 외측 원호들을 포함하는 주연부를 가질 수 있는데, 여기서 외측 원호들은 곡선형 필릿들에 의해 연결된다. 예를 들어, 도 9a는, 구멍 입구를 형성하기 위해 이용되는 기부 (930), 구멍 출구를 한정할 수 있는 상단 (940), 및 기부를 상단에 연결하는 측부 (950)를 포함하며, 구멍의 벽을 한정하기 위해 이용되는 구멍 형성 요소 또는 미세구조체 (920)의 3차원 개요도이다. 도 9b는 평면 제어 공동 또는 평탄화 원뿔을 형성하기 위해 이용되는 복제 평면 제어 공동 형성 요소 (920a)를 갖는 구멍 형성 요소 또는 미세구조체 (920)의 3차원 개요도이다. 도 10은 4개의 밀접하게 패킹된 원들의 외측 원호들 - 여기서, 외측 원호들은 곡선형 필릿들에 의해 연결됨 - 을 포함하는 주연부 (1090)를 갖는 기부 (930)의 개요도이다. 특히, 주위 (1090)는 원 (1020)의 외부 호 (1010), 원 (1022)의 외부 호 (1012), 원 (1024)의 외부 호 (1011), 및 원 (1026)의 외부 호 (1016)를 포함하며, 외부 호 (1010 및 1012)는 곡선형 필릿 (1030) 또는 직선 (1030a) (가상으로 도시된)에 의해 연결되고, 외부 호 (1012 및 1014)는 곡선형 필릿 (1032) 또는 직선 (1032a) (가상으로 도시된)에 의해 연결되며, 외부 호 (1014 및 1016)는 곡선형 필릿 (1034) 또는 직선 (1034a) (가상으로 도시된)에 의해 연결되고, 외부 호 (1016 및 1010)는 곡선형 필릿 (1036) 또는 직선 (1036a) (가상으로 도시된)에 의해 연결된다. 원 (1010, 1012, 1014 및 1016)은 동등하고 접하는 원들의 정사각형 어레이를 형성하며, 각각의 원은 전부 동일하거나 또는 상이한 반경 r1, r2, r3 및 r4를 갖는다.
기부(930)는 대칭축(1040)을 포함한다. 미세구조체(920)의 측방향 단면은 회전되고, 반경 r1은 기부(930)로부터 상부(940)까지 감소되어, 기부(930)로부터 상부(940)까지 나선형으로 되고 더 좁아지게 테이퍼 형성되는 미세구조체를 초래한다.
동등하게, 노즐 구멍(920)은 구멍 입구(930), 구멍 출구(940), 및 구멍 입구로부터 구멍 출구까지 연장되는 벽(950)을 포함한다. 구멍(920)은 구멍 입구로부터 구멍 출구까지 회전되고 더 작아지는 측방향 단면을 갖는다.
도 11은 대칭축(1040)을 갖는 구멍 입구(930) 및 대칭축(942)을 갖는 구멍 출구(940)를 도시하는 노즐 구멍(또는 미세구조체)(920)의 개략 평면도이다. 상부로부터 볼 때, 구멍(920)의 단면들의 대칭축들은 구멍 입구로부터 구멍 출구까지 반시계 방향으로 회전한다. 그러한 회전은 구멍의 높이 또는 두께를 따라 구멍 내에서 비틀림을 초래한다.
다른 예로서, 도 12는 높이 k1을 갖고, 구멍 입구(1230), 구멍 출구(1240), 및 구멍 입구로부터 구멍 출구까지 연장되는 벽(1250)을 포함하는 노즐 구멍(또는 미세구조체)(1220)의 개략 3차원 도면이다. 도 13은 2개의 밀접하게 패킹되거나 접촉하는 원들의 외측 원호들을 포함하는 주연부(1235)를 갖는 구멍 입구(1230)의 개략도인데, 여기서 외측 원호들은 곡선형 필릿들에 의해 연결된다. 특히, 주연부(1090)는 원(1280)의 외측 원호(1270) 및 원(1282)의 외측 원호(1272)를 포함하는데, 여기서 각각의 원은 반경 r2를 갖고 외측 원호(1270, 1272)들은 곡선형 필릿(1290, 1292)들에 의해 연결된다.
구멍 입구(1230)는 대칭축(1232)을 포함한다. 노즐 구멍(1220)의 측방향 단면이 회전되고, 반경 r2는 구멍 입구(1230)로부터 구멍 출구(1240)까지 감소하여 구멍 입구(1230)로부터 구멍 출구(1240)까지 나선형으로 되고 더 좁아지게 테이퍼 형성되는 미세구조체를 초래한다. 특히, 상부(1240)는 x-방향을 따른 대칭축(1242)을 갖고, 높이 k2<k1에서의 구멍의 xy 단면(1264)은 대칭축(1242)에 대해 시계 방향으로 회전하는 대칭축(1265)을 갖고, 높이 k3<k2에서의 구멍의 xy 단면(1262)은 대칭축(1265)에 대해 시계 방향으로 회전하는 회전축(1263)을 갖고, 높이 k4<k3에서의 구멍의 xy 단면(1260)은 대칭축(1263)에 대해 시계 방향으로 회전하는 대칭축(1261)을 갖고, 구멍 입구(1230)는 대칭축(1261)에 대해 시계 방향으로 회전하는 y-축을 따른 대칭축(1232)을 갖는다. 따라서, 구멍(1220)은 구멍 출구(1240)로부터 구멍 입구(1230)까지 시계 방향으로 회전하는 xy 단면을 갖는다. 동등하게, 구멍 (1220)은 구멍 입구로부터 구멍 출구까지 반시계 방향으로 회전하는 xy 횡단면을 갖는다. 도 14는 구멍 출구(1242)와 x-축을 따른 그의 대칭축(1242), 단면(1264)과 그의 대칭축(1265), 단면(1262)과 그의 대칭축(1263), 단면(1260)과 그의 대칭축(1261), 및 구멍 입구(1230)와 y-축을 따른 그의 대칭축(1232)을 도시하는 노즐 구멍(1220)의 개략 평면도이다. 상부로부터 볼 때, 구멍의 측방향 단면들의 대칭축들은 구멍 출구로부터 구멍 입구까지 시계 방향으로 회전한다.
동등하게는, 미세구조체(1220)는 기부(1230), 상부(1240), 및 상부에 기부를 연결하는 측부(1250)를 포함한다. 미세구조체(1220)는 기부로부터 상부까지 회전되고 더 작아지는 단면을 갖는다.
도 2 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 노즐로서 역할을 하는 본 명세서에 개시된 미세구조체는 모놀리식 구조체일 수 있다. 다시 말하면, 실제 노즐을 형성하는 미세구조체(220, 320, 420 등)는 공통의 단일 재료편으로부터 생성되어 최종적으로 이를 형성한다. 이는 다수의 상이한 부품들의 조합을 통해 형성되는 노즐과는 상이한 것으로서 이해될 수 있는데, 여기서 그러한 부품들은 가능성 있게는 상이한 재료들로 구성된다. 이와 관련하여, 전술된 도면들에 도시된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 노즐은 모놀리식 구조체일 수 있다.
일반적으로, 복수의 개시된 미세구조체 또는 구멍은 응용에서 바람직할 수 있는 임의의 배열을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 개시된 구멍은 규칙적으로 또는 불규칙적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 15a는 구멍 또는 미세구조체(1510)들의 2차원 정사각형 어레이(1500)의 개략 평면도이고, 도 15b는 구멍 또는 미세구조체(1530)들의 2차원 6각형 어레이(1520)의 개략 평면도인데, 여기서 구멍 또는 미세구조체(1510, 1530)들은 본 명세서에 개시된 임의의 노즐 구멍 또는 미세구조체일 수 있다.어떤 경우에는, 복수의 개시되는 미세구조체 또는 구멍이 비평면 표면 (non-planar surface) 상에 배열될 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 16은 구면(1620) 상에 배치 또는 배열된 복수의 노즐 구멍 또는 미세구조체(1610)의 개략 3차원 도면이다.
일부 경우에, 개시된 미세구조체 또는 구멍은 제조의 용이함 및/또는 국부 응력을 감소시키기 위하여 하나 이상의 필릿을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 17은 기재(1710) 상에 배치되고, 기부(1730), 상부(1740), 및 상부에 기부를 연결하는 측부(1750)를 포함하는 미세구조체(1720)의 개략 측면도이다. 미세구조체(1720)는 측부(1750)와 상부(1740)를 매끄럽게 연결하는 필릿(1760, 1761) 및 측부(1750)와 기재(1710)의 상부 표면(1705)을 매끄럽게 연결하는 필릿(1770, 1771)을 포함한다.
여기에서 개시되는 노즐 관통 구멍 또는 구멍 및 미세구조화 패턴 또는 미세구조체는 도 1a 내지 도 1m을 참조하여 개요가 설명되는 것을 포함하여, 여기에 개시되는 다양한 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 이 방법은 다양한 개별 미세구조체들 및 구멍들을 단일 어레이로 제조하는 데 있어서 융통성 및 제어를 제공하고, 게다가 산업적으로 용인될 수 있는 제조 속도 또는 "처리량"을 유지하면서 바람직하게는 낮은 수준의 평균 표면 조도를 달성하는 데 사용될 수 있다.
도 1a는 기재(110) 상에 배치된 제1 재료의 층(115)의 개략 측면도이다. 제1 재료는 다수의 광자를 동시에 흡수함으로써 다광자 반응을 받을 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 제1 재료는 2개의 광자를 동시에 흡수함으로써 2-광자 반응을 받을 수 있다. 제1 재료는, 내용의 전부가 본 명세서에 참고로 포함되는, 2005년 12월 21일자로 출원되어 계류 중인 미국 출원 11/313482호 "마이크로렌즈 어레이 및 마스터폼을 제조하는 공정 (Process For Making Microlens Arrays And Masteroforms)" (대리인 관리번호 제60893US002호); 2007년 5월 17일 출원된 미국 특허 출원 공보 US 2009/0175050, "추출 구조체에 의해 광 가이드를 제조하는 공정 및 그것에 의해 생산되는 광 가이드 (Process For Making Light Guides With Extraction Structures And Light Guides Produced Thereby)" (대리인 관리번호 62162US007); 및 2008년 9월 9일 출원된 PCT 공보 WO 2009/048705, "고기능 다광자 경화성 반응성 화학 종류 (Highly Functional Multiphoton Curable Reactive Species)" (대리인 관리 번호 63221WO003); 에 기재된 것과 같은, 2광자와 같은 다광자 반응에 들어갈 수 있는 어떤 재료 또는 재료 시스템으로든 될 수 있다.
일부 경우에, 제1 재료는 산-개시 또는 라디칼-개시되는 화학 반응을 받을 수 있는 하나 이상의 반응성 화학 종류 및 하나 이상의 다광자 광개시제 시스템을 포함하는 광반응성 조성물일 수 있다. 광반응성 조성물에 사용하기에 적합한 반응성 화학 종류는 경화성 및 비경화성 화학 종류 둘 모두를 포함한다. 예시적인 경화성 화학 종류는 첨가-중합성 단량체 및 저중합체 및 첨가-가교결합성 중합체(예를 들어, 아크릴산염, 메타크릴산염, 및 스티렌과 같은 소정의 비닐 화합물을 포함한 자유 라디칼 중합성 또는 가교결합성 에틸렌계 불포화 화학 종류)뿐만 아니라 양이온 중합성 단량체 및 저중합체 및 양이온 가교결합성 중합체(이들 화학 종류는 대부분 일반적으로 산-개시되며, 예를 들어, 에폭시, 비닐 에테르, 시아네이트 에스테르 등을 포함함) 등 및 그 혼합물을 포함한다. 예시적인 비경화성 화학 종류에는 산- 또는 라디칼-유도된 반응시에 용해도가 증가될 수 있는 반응성 중합체가 포함된다. 이러한 반응성 중합체에는, 예를 들어 광생성된 산에 의해서 수용성 산 기로 전환될 수 있는 에스테르 기를 함유하는 수 불용성 중합체(예를 들어, 폴리(4-터트-부톡시카르보닐옥시스티렌)가 포함된다. 비경화성 화학 종류에는 또한 화학적으로 증폭된 포토레지스트가 포함된다.
다광자 광개시제 시스템은 제1 재료를 노광시키는 데 사용된 광의 집중된 빔의 초점 구역으로 중합이 한정 또는 제한될 수 있게 한다. 그러한 시스템은 바람직하게는 적어도 하나의 다광자 감광제, 적어도 하나의 광개시제(또는 전자 수용체), 및 선택적으로 적어도 하나의 전자 공여체를 포함하는 2성분 또는 3성분 시스템이다.
제1 재료의 층(115)은 응용에서 바람직할 수 있는 임의의 코팅 방법을 사용하여 기재(110) 상에 코팅될 수 있다. 예를 들어, 제1 재료는 플러드 코팅(flood coating)에 의해 기재(110) 상에 코팅될 수 있다. 다른 예시적인 코팅 방법에는 나이프 코팅, 노치 코팅, 리버스 롤(reverse roll) 코팅, 그라비어(gravure) 코팅, 스프레이 코팅, 바(bar) 코팅, 스핀 코팅 및 딥(dip) 코팅이 포함된다.
기재(110)는 특정 응용 및 이용될 노광 방법에 따라, 매우 다양한 필름, 시트 및 다른 표면(규소 웨이퍼 및 유리판을 포함함)으로부터 선택될 수 있다. 일부 경우에, 기재(110)는 제1 재료의 층(115)이 균일한 두께를 갖도록 충분히 평평하다. 일부 경우에, 층(115)은 벌크(bulk) 형태로 노출될 수 있다. 그러한 경우에, 기재(110)는 제조 공정으로부터 제외될 수 있다. 공정이 하나 이상의 전기 도금 단계를 포함하는 때와 같은 일부 경우에, 기재(110)는 전기 도전성 또는 반도전성일 수 있다.
다음으로, 제1 재료는 노출된 구역에서 제1 재료에 의한 다수의 광자의 동시 흡수를 유발할 정도로 충분한 세기를 갖는 입사광에 선택적으로 노광된다. 노광은 충분한 세기를 갖는 광을 제공할 수 있는 임의의 방법에 의해 달성될 수 있다. 예시적인 노광 방법은 본 명세서에 참고로 포함된, 2007년 3월 23일자로 출원된 발명의 명칭이 "마이크로니들, 마이크로니들 어레이, 마스터, 및 복제 도구를 제조하는 방법(Process For Making Microneedles, Microneedle Arrays, Masters, And Replication Tools)"인 미국 특허 출원 공개 제2009/0099537호(대리인 관리번호 제61795US005호)에 기술되어 있다.
도 18은 제1 재료의 층(115)을 노광하기 위한 예시적인 노광 시스템(1800)의 개략 측면도이다. 노광 시스템은 광(1830)을 방출하는 광원(1820) 및 1, 2 또는 3차원으로 이동할 수 있는 스테이지(1810)를 포함한다. 제1 재료(115)의 층으로 코팅된 기재(110)가 스테이지 상에 배치된다. 광학 시스템(1840)은 방출된 광(1830)을 제1 재료 내부의 초점 구역(1850)에 집중시킨다. 일부 경우에, 광학 시스템(1840)은 제1 재료에 의한 다수의 광자의 동시 흡수가 초점 구역(1850)에서만 또는 초점 구역 바로 근처에서만 일어나도록 설계된다. 다광자 반응을 받는 층(115)의 구역은 다광자 반응을 받지 않은 층(115)의 구역과 비교하여 적어도 하나의 용매에서 더 또는 덜 용해되게 된다. 초점 구역(1850)은 광학 시스템(1840) 내에서 스테이지(1810) 및/또는 광(1830) 및/또는 하나 이상의 미러와 같은 하나 이상의 구성요소를 이동시킴으로써 제1 재료 내부에 3차원 패턴을 주사할 수 있다. 도 1a 및 도 18에 도시된 예시적인 공정에서, 층(115)은 평평한 기재(110) 상에 배치된다. 일반적으로, 기재(110)는 응용에서 바람직할 수 있는 임의의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 기재(110)는 구 형상을 가질 수 있다.
광원(1820)은 다광자 흡수를 수행하기에 충분한 광 세기를 생성할 수 있는 임의의 광원일 수 있다. 예시적인 광원은 약 300 ㎚ 내지 약 1500 ㎚, 또는 약 400 ㎚ 내지 약 1100 ㎚ 또는 약 600 ㎚ 내지 약 900 ㎚ 또는 약 750 ㎚ 내지 약 850 ㎚의 범위 내에서 작동하는, 펨토초(femtosecond) 레이저와 같은 레이저를 포함한다.
광학 시스템(1840)은 예를 들어 굴절성 광학 요소(예를 들어, 렌즈 또는 마이크로렌즈 어레이), 반사성 광학 요소(예를 들어, 재귀반사기 또는 집광 미러), 회절성 광학 요소(예를 들어, 회절 격자, 위상 마스크 및 홀로그램), 편광 광학 요소(예를 들어, 선형 편광기 및 파장판), 분산성 광학 요소(예를 들어, 프리즘 및 회절 격자), 확산기, 포켈스 셀(Pockels cell), 도파관 등을 포함할 수 있다. 그러한 광학 요소는 집광, 광선 반송, 광선/모드 형상화, 펄스 형상화 및 펄스 타이밍에 유용하다.
노광 시스템(1800)에 의한 제1 재료의 층(115)의 선택적 노광 후에, 노광된 층은 용매 내에 위치되어 더 높은 용매 용해도의 구역을 용해시킨다. 노출되는 제1 재료를 현상하기 위해 이용될 수 있는 예시적 용매는, 예를 들어, 물 (예를 들어, 1부터 12까지 중 한 범위의 pH를 갖는)과 같은 수성 용매 (aqueous solvents), 유기 용매와 물의 혼화성 혼합물 (miscible blends) (예를 들어, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아세톤, 아세토니트릴, 디메틸포르마미드, N-메틸피롤리돈 등, 및 그 혼합물); 및 유기 용매를 포함한다. 예시적인 유용한 유기 용매는 알코올(예를 들어, 메탄올, 에탄올 및 프로판올), 케톤(예를 들어, 아세톤, 사이클로펜타논 및 메틸 에틸 케톤), 방향족 물질(예를 들어, 톨루엔), 할로카본(예를 들어, 메틸렌 클로라이드 및 클로로폼), 니트릴(예를 들어, 아세토니트릴), 에스테르(예를 들어, 에틸 아세테이트 및 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트), 에테르(예를 들어, 다이에틸 에테르 및 테트라하이드로푸란), 아미드(예를 들어, N-메틸피로리돈) 등 및 이의 혼합물을 포함한다. 도 1b는 다광자 공정을 사용하여 제1 재료에 형성된 제1 미세구조화 패턴(121)의 개략 측면도이다. 제1 미세구조화 패턴은 미세구조체 또는 요소 (120)의 제1 클러스터 (122) 및 미세구조체 또는 요소 (125)의 제2 클러스터 (124)를 포함하며, 미세구조체 (120 및 125)는 여기에 개시되는 어떤 미세구조체를 포함하는 어떤 미세구조체든 될 수 있다. 일부 경우에, 미세구조체(120, 125)는 상이한 구조를 갖는다. 일부 경우에, 미세구조체(120, 125)는 동일한 구조를 갖는다. 예시적인 제1 미세구조화 패턴(121)에서, 미세구조체(120, 125)는 높이 t1을 갖는다. 각각의 미세구조체 (120 및 125)는 복제 노즐 구멍 형성 요소 (120b 및 125b), 및 (가성 선에 의해 차별화 된) 복제 평면 제어 공동 형성 요소 (120a 및 125a)를 포함하며, 그것은 평면 제어 공동 또는 평탄화 원뿔을 형성하기 위해 이용된다. 평탄화 원뿔이 이용되면, 그것들이 약 45도의 원뿔 각도를 갖는 것이 양호할 수 있다.
도 19 및 도 20은 여기에서 개시되는 공정에 따라 제조되는 복제 노즐 구멍 형성 요소 또는 미세구조체 (120)의 클러스터 또는 어레이의 주사 전자 현미경 사진이다. 도 19 및 도 20에서의 미세구조체는 도 12에 도시된 노즐 구멍 형성 요소 또는 미세구조체 (1220)와 유사하다. 도 19에서, 미세구조체가 미세구조체의 기부의 단축을 따라 도시되어 있고, 도 20에서 미세구조체가 미세구조체의 기부의 장축을 따라 도시되어 있다.
도 19 (및 도 20)에서의 복수의 미세구조체 또는 미세구조화 패턴은 최외부 원 (1910)을 포함하는 동심 원의 어레이로 배열된다. 미세구조체들은 최외부 원의 어떤 직경도 동심 원의 어레이에서의 각각의 원으로부터 하나 이상의 별개의 미세구조체를 포함하지 않도록 배열된다. 예를 들어, 최외측 원(1910)의 직경(1920)은 미세구조체(1901 내지 1905)를 포함하지만 미세구조체(1930, 1931)를 포함하지 않는다. 도 19의 동심원들의 어레이 내의 각각의 원은 균등하게 이격된 개별 미세구조체들을 포함한다. 유사하게, 일부 경우에, 노즐은 최외측 원을 포함한 동심원들의 어레이 내에 배열된 복수의 구멍을 포함한다. 별개의 노즐 구멍 또는 노즐 관통 구멍은, 최외부 원의 어떤 직경도 동심 원의 어레이에서의 각각의 원으로부터 하나 이상의 별개의 노즐 구멍을 포함하지 않도록 배열된다. 일부 경우에, 동심원들의 어레이 내의 각각의 원은 균등하게 이격된 개별 노즐 구멍들을 포함한다.
다음에, 도 1c에 개략적으로 예시된 바와 같이, 제1 미세구조화 패턴 (121)의 노출되는 표면 또는 상면 (126)은 금속화되거나 또는 얇은 도전성 시드 층 (127)으로 상면을 코팅함으로써 도전성으로 된다. 도전성 시드 층(127)은 응용에서 바람직한 임의의 전기 도전성 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 도전성 재료는 은, 크롬, 금 및 티탄늄을 포함한다. 일부 경우에, 시드 층(127)은 약 50 ㎚ 미만, 또는 약 40 ㎚ 미만, 또는 약 30 ㎚ 미만, 또는 약 20 ㎚ 미만인 두께를 갖는다.
다음으로, 도 1d에 개략적으로 도시된 바와 같이, 시드 층(127)은 제1 미세구조화 패턴(121)을 제2 재료로 전기 도금하여 제2 재료의 층(130)을 형성하는 데 사용된다. 일부 경우에, 제1 미세구조화 패턴(121)의 전기 도금은 층(130)의 최소 두께 t2가 t1보다 클 때까지 계속된다.
전기 도금에 적합한 제2 재료는, 부동태화 은(passivated silver), 금, 로듐, 알루미늄, 향상된 반사율의 알루미늄, 구리, 인듐, 니켈, 크롬, 주석 및 이들의 합금을 포함한다.
일부 경우에, 제2 재료의 층(130)은 불균일하거나 거친 상부 표면(132)을 갖는다. 그러한 경우에, 제2 재료의 층(130)은 폴리싱(polishing)되거나 연삭되어 도 1e에 개략적으로 도시된 바와 같이 두께 t3>t1을 갖는 제2 재료의 층(135)을 형성한다. 폴리싱 또는 연삭은 응용에 바람직할 수 있는 임의의 연삭 방법을 사용하여 달성될 수 있다. 예시적인 연삭 방법은 표면 연삭 및 기계적 밀링을 포함한다.
일부 경우에, 제2 재료(130)의 층은 시드 층(127)을 갖는 제1 코팅 패턴(121) 없이 제1 미세구조화 패턴(121) 상에 직접 침착될 수 있다. 그러한 경우에, 층(130)은 예를 들어 스퍼터링 및 화학 증착을 포함한 임의의 적합한 방법을 사용함으로써 패턴(121) 상에 코팅될 수 있다.
다음으로, 기재(110) 및 제1 재료가 제거되어 도 1f에 개략적으로 도시된 제2 재료의 제1 주형(140)을 형성한다. 관찰의 용이성을 위해 그리고 일반성의 상실 없이, 시드 층(127)은 도 1f에서 도시되어 있지 않다. 일부 경우에, 기재(110) 및 패턴화된 제1 재료는 손에 의해서 층(135)으로부터 분리될 수 있다. 일부 경우에, 분리는 층(130)을 연삭하기 전에 수행될 수 있다.
제1 몰드 (140)는, 제1 미세구조화 패턴 (121)의 정확히, 거의 또는 적어도 사실상 네거티브 복제물 또는 이미지 (예를 들어, 역상 또는 거울 상)인, 제2 미세구조화 패턴 (141)을 포함한다. 특히, 제2 재료의 제1 몰드 (140)는 미세구조체 (145)의 제1 클러스터 (146) 및 미세구조체 (148)의 제2 클러스터 (147)를 포함하며, 미세구조체 (145)는 미세구조체 (120)의 정확히, 거의 또는 적어도 사실상 네거티브 복제물 또는 이미지이고, 미세구조체 (148)는 미세구조체 (125)의 정확히, 거의 또는 적어도 사실상 네거티브 복제물 또는 이미지이다.
다음에, 제2 미세구조화 패턴은, 도 1g에 개략적으로 예시된 바와 같이 제2 재료의 제1 몰드 (140)와 매끈한 상면 (157)을 갖는 기재 (155) 사이에 제3 재료를 배치함으로써, 제1 재료와 동일하거나 또는 상이하고 제2 재료와 상이한 제3 재료 (150)로 복제된다. 복제 공정은 임의의 적절한 복제 방법을 사용함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 복제는 사출 성형 공정을 사용함으로써 달성될 수 있다. 그러한 경우에, 제1 몰드 (140) 및 기재 (155)는 사출 금형의 두개의 절반부의 적어도 부분을 형성할 수 있고, 용융된 제3 재료 (150)는 기재 (155)와 제1 몰드 (140) 사이에 도입되고, 용융된 제3 재료가 제2 미세구조화 패턴을 채운 후에 고화될 수 있다. 제3 재료(150)는 패턴을 복제할 수 있는 임의의 재료일 수 있다. 예시적인 제3 재료는 폴리탄산염 및 다른 열가소성 물질, 예를 들어 폴리스티렌, 아크릴, 스티렌 아크릴로니트릴, 폴리-메틸 메타크릴산염(PMMA), 사이클로 올레핀 중합체, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 2,6-나프탈레이트 및 플루오로중합체를 포함한다.
복제 공정 후에, 제2 재료의 제1 몰드 (140) 및 기재 (155)가 제거되어, 제3 재료의 제2 몰드 (160)가, 기재 부분 (162) 및, 제2 미세구조화 패턴 (141)의 정확히, 거의 또는 적어도 사실상 네거티브 복제물 또는 이미지 (예를 들어, 역상 또는 거울 상)이고 제1 미세구조화 패턴 (121)의 정확히, 거의 또는 적어도 사실상 양성 복제 또는 이미지인, 제3 미세구조화 패턴 (161)을 갖게 한다. 제3 미세구조화 패턴 (161)은 미세구조체 (165)의 제1 클러스터 (168) 및 미세구조체 (159)의 제2 클러스터 (169)를 포함하며, 미세구조체 (165)는 미세구조체 (145)의 정확히, 거의 또는 적어도 사실상 네거티브 복제물 또는 이미지이고, 미세구조체 (159)는 미세구조체 (148)의 정확히, 거의 또는 적어도 사실상 네거티브 복제물 또는 이미지이다.어떤 경우에는, 미세구조체 (165)는 미세구조체 (120)의 정확히, 거의 또는 적어도 사실상 양성 복제 또는 이미지이고, 미세구조체 (159)는 미세구조체 (125)의 정확히, 거의 또는 적어도 사실상 양성 복제 또는 이미지이다. 도 21은 본 명세서에 개시된 공정에 따라 제조된 폴리탄산염 미세구조체(165)들의 클러스터의 주사 전자 현미경 사진이다.
다음으로, 도 11에 개략적으로 도시된 바와 같이, 제3 미세구조화 패턴(161)의 상부 표면(154)은 시드 층(127)과 유사한 얇은 전기 도전성 시드 층(167)으로 상부 표면을 코팅함으로써 금속화되거나 전기 도전성으로 된다.
다음에, 도 1j에 개략적으로 예시된 바와 같이, 시드 층 (167)은 제3 재료와 상이한 제4 재료로 제3 미세구조화 패턴 (161)을 전기도금하기 위해 이용되어, 노즐 예비 형성품 또는 제4 재료의 층 (170)이 상면 (172)을 갖게 한다. 일부 경우에, 제2 미세구조화 패턴(161)의 전기 도금은 층(130)의 최소 두께 t5가 제2 주형(160)에서 미세구조체의 높이인 t4보다 클 때까지 계속된다. 일부 경우에, 높이 t4는 실질적으로 높이 t1과 동일하다. 전기 도금에 적합한 제4 재료는, 부동태화 은, 금, 로듐, 알루미늄, 향상된 반사율의 알루미늄, 구리, 인듐, 니켈, 크롬, 주석 및 이들의 합금을 포함한다. 다른 실시예들에서, 제4 재료는 제3 미세구조화 패턴 (161) 상에 침착되는 세라믹일 수 있을 것이다. 그러한 세라믹 재료는, 예를 들어, 공동 소유되고 양도된 미국 특허 제5,453,104호에 기술된 졸-겔 공정에 의해서 또는 본 명세서에 참고로 전체적으로 각각 포함된 공동 소유되고 양도된 미국 특허 제6,572,693호, 제6,387,981호, 제6,899,948호, 제7,393,882호, 제7,297,374호, 및 제7,582,685호에 기술된 세라믹-충전된 또는 예비-세라믹(pre-ceramic) 중합체 조성물의 광경화에 의해서 형성될 수 있다. 그러한 세라믹 재료는 예를 들어 실리카; 지르코니아; 알루미나; 티타니아; 또는 이트륨, 스트론튬, 바륨, 하프늄, 니오븀, 탄탈륨, 텅스텐, 비스무트, 몰리브덴, 주석, 아연, 란탄 계열 원소(즉, 57부터 71까지를 포함한 범위의 원자 번호를 갖는 원소), 세륨, 및 이들의 조합의 산화물을 포함할 수 있다.
다음에, 도 1k에 개략적으로 예시된 바와 같이, 노즐 예비 형성품 (170)의 상면 (172)은, 미세구조체 (165)의 희생 평면 제어 공동 (171) 및 미세구조체 (159)의 희생 평면 제어 공동 (173)이 완전히 또는 적어도 사실상 제거되기까지, 연삭되거나 또는 다른 방식으로 제거된다. 그래서, 제3 재료는 제4 재료보다 더 부드러운 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 어떤 경우에는, 제3 재료는 중합체 재료 (예를 들어, 폴리카보네이트)이고, 제4 재료는 금속 재료 (예를 들어, 니켈 또는 철 합금)이다. 대응하는 노즐 (192 및 193)의 각각을 통해, 요구되는 유체 유동 속도가 허용 가능한 공차 내에서 일관되게 얻어지는 것을 보장하기에 충분하게, 제3 미세구조화 패턴 (161)에서의 모든 노즐 구멍 형성 미세구조체 (180 및 181)의 상단 (184 및 186)이 노출되면, 희생 평면 제어 공동 (171 및 173)이 사실상 제거된 것으로 간주된다. 이 제거 공정은, 희생 평면 제어 공동 (가상으로 도시된), 및 제3 미세구조화 패턴 (161)에서의 노즐 구멍 형성 미세구조체 (180 및 181)의 상단 (185)의 노출부 (즉, 노즐 관통 구멍의 원하는 구멍 출구 개구)를 제거하기 위해, 제3 미세구조화 패턴 (161)을 평탄화 하는, 제4 재료의 층 (175)으로 귀결된다. 제4 재료의 층(175)은 미세구조체(180)의 상부(184) 및 미세구조체(181)의 상부(186)와 실질적으로 같은 높이인 상부 표면(177)을 갖는다. 미세구조체 (180 및 181)는 비교적 균일한 높이 t6를 갖는다.
노즐 예비 형성품 (170)의 상면 (172)은, 양호하게는, 노즐 관통 구멍 (195 및 198)의 더 균일한 크기 구멍 출구 (183 및 197)를 얻기 위한 노력으로, 평탄화 공정을 이용하여 제거된다. 도 1k 및 도 1l에 도시된 바와 같이, 층 (190)의 상면과 하면이 평행해지도록 상면 (172)을 평탄화 함으로써, 구멍 출구 (183 및 197)를 위한 균일한 개구가 얻어진다. 예를 들어, 노즐을 통한 유체의 유동 속도를 제어하기 위해, 노즐 관통 구멍 출구의 균일성 및 크기를 제어하는 것이 중요할 수 있다. 희생 평면 제어 공동 (171 및 173)은 제거되도록 설계 (즉, 크기 및 구성)되어, 대응하는 노즐 관통 구멍 (즉, 구멍 출구)이 원하는 방식 (예를 들어, 노즐을 통해 요구되는 유체 유동 속도 및/또는 원하는 유체 유동 패턴을 얻도록)으로 개방될 수 있게 한다. 이 발명이 더 작은 노즐 관통 구멍이 형성되게 하지만, 노즐을 통해 필요한 유체 유동 속도를 얻기 위하여 충분한 개방 면적 (즉, 노즐 관통 구멍 출구들의 조합된 면적)을 제공하려는 노력으로, 노즐 표면의 단위 면적 당 관통 구멍들의 더 큰 밀도를 허용하기도 한다.
도 1k를 보면, 평면 제어 공동 형성 요소 (184)는 노즐 형성 미세구조화 패턴 (161)을 만들기 위해 이용되는 재료 (예를 들어, 용융된 또는 다른 방식의 액체 중합체 재료) 속에 포획된 어떤 공기든, 특히, 노즐 구멍 형성 요소 (159 및 165)를 채우는 재료 속에 포획된 공기가, 노즐 구멍 형성 요소 (159 및 165) 속에서가 아니라, 평면 제어 공동 형성 요소 (184) 속에서 안정될 것을 보장함에 도움이 되기도 한다. 노즐 구멍 형성 요소 (159 및 165)의 구조적 일체성은, 그 안에 공기 주머니 또는 기포가 포획되면, 유해하게 영향을 줄 수 있다. 노즐 구멍 형성 요소 (159 및 165)의 구조 일체성은 대응하는 노즐 관통 구멍의 원하는 형성을 보장하기에 중요하다. 이 발명의 평면 제어 공동 형성 요소의 이 장점은 특히 성형 가능한 중합체 재료를 성형 (즉, 사출 성형)함으로써 노즐 형성 미세구조화 패턴이 형성될 때 적용할 수 있다.
평탄화 기술 ( Planarization Description )
노즐의 상면 및 하면의 평탄화는 종래의 기법을 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 한 기법에서는, 울트라텍 매뉴팩처링 인코포레이티드 (Ultra-Tec Manufacturing, Inc.)가 만든 개량 버전의 울트라폴 엣지 폴리셔 (Ultrapol Edge Polisher)가 이용될 수 있다. 많은 다른 동등한 시스템들이 시중에서 입수될 수 있다.
이 시스템은 작업물이 수평으로 회전하는 플래튼과 접촉 상태에 있게 한다. 시스템은 접지 상태의 구성 요소의 회전하는 플래튼에 대한 상대적인 피치 각도 및 롤 각도를 제어하기 위한 조절 메커니즘을 제공한다.
Figure pct00001

여기에서의 기술을 위한 목적상, 피치, 롤 및 요 좌표도는 위 기계 사진에 대한 방위를 갖는다. 기재의 12시 위치가 x축이며, 기재의 3시 위치가 y축이다.
시료 노즐 기재가 부착 고정물 상에 니켈 쪽이 아래로 가게 장착되며, 그렇게 기계 상에 장착되고 회전하는 플래튼 상의 래핑 필름 (lapping film)과 접촉 상태로 유지된다.
작업물이 연삭 매체와 접촉하기까지 서서히 하강시킴으로써, 기재의 외부 주위에 대한 대략적인 정렬과 함께 평탄화가 시작된다. 그 후, 접점이 관찰되고, 그에 따라 피치 및 롤이 조절된다. 예를 들어, 접점이 12시 방향에서 발생하면, 분사기 기재는 "노즈 다운 (nose down)"이고, 작업물의 꼬리를 낮춤으로써 접촉의 각도를 감소시키도록 피치가 조절된다. 다른 한 예로,초기 접촉 후, 접점이 3시 위치에 있으면, 롤 조절이 요구된다. 롤 및 피치는 기재 상단 평면의 대부분이 연삭 매체와 접촉 상태에 있기까지 조절된다.
희생 평면 제어 공동 또는 평탄화 원뿔들 중 하나 이상이 연마되는 새로운 표면에서 노출되기까지 뒤 쪽 연삭이 계속된다. 노즐 어레이의 양쪽 엣지에서의 구멍 직경들이 측정되고, 그에 따라 피치 및 롤 조절이 이루어진다. 노즐 관통 구멍들의 모든 평탄화 원뿔 직경들이 동등해지기까지, 약간의 롤 및 피치 조절과 함께 추가적 연삭이 이루어질 수 있다.
평탄화에 의해 평탄화 원뿔에서 구멍이 개방되면, 평탄화 원뿔 구멍의 직경은 노즐 관통 구멍의 상단까지의 하향 거리를 판단하기 위해 이용될 수 있다. 노즐 관통 구멍의 상단 또는 팁까지의 하향 거리는 평탄화 원뿔의 높이에서 Tan (원뿔 절반 각도)에 의해 분할된 반경을 뺀 것과 동등하다. 예를 들어, 원뿔 절반 각도가 21°이고, 원뿔 높이는 50㎛이며, 측정되는 구멍 직경이 30㎛ (반경 = 15㎛)이면, 노즐 팁까지의 하향 거리 = 50 - 15/Tan 21 = 11㎛ 이다.
투명 또는 반투명 사출 성형 플라스틱 예비 형성품 및 적절한 고정을 이용하는 것은, 노즐의 투명한 개방 면적을 측정하기 위한 다른 한 측정법이다. 노즐 팁 바로 뒤에 개방 구멍이 있게 부착 고정부 상의 노즐 예비 형성품을 장착하면, 이것은 노즐이 면적 측정을 위한 고배율 현미경 아래에서 배광이 비춰지게 한다 (도 23 사진 참조).
다음에, 도 1l에 개략적으로 예시된 바와 같이, 제2 몰드 (160)가 제거되어, 제3 미세구조화 패턴 (161)에서의 복수의 미세구조체 (159 및 165)에 대응하는 복수의 구멍 (106)을 포함하는 제4 재료의 층 (190)으로 되게 한다. 특히, 제4 재료의 층 (190)은 노즐 관통 구멍 (195)의 제1 클러스터 또는 어레이 (192) 및 노즐 관통 구멍 (198)의 제2 클러스터 또는 어레이 (193)를 포함한다. 어떤 경우에는, 구멍 (195)은 미세구조체 (120b)의 상당한 네거티브 복제물이고, 구멍 (198)은 미세구조체 (125b)의 상당한 네거티브 복제물이다. 구멍 (195)은 구멍 입구 (hole entries 또는 inlets) (182) 및 구멍 출구 (hole exits 또는 outlets) (183)를 포함하고, 구멍 (198)은 구멍 입구 (196) 및 구멍 출구 (197)를 포함한다.
도 22 및 도 23은 본 명세서에 개시된 공정에 따라 만들어진 구멍(195)들의 클러스터(192)의 각각의 구멍 입구(182)들 및 구멍 출구(183)들의 광학 현미경 사진이다. 도 25는 구멍 입구측에서 본 구멍(195)들 중 하나의 구멍의 주사 전자 현미경 사진이다. 구멍은 구멍 입구(2510) 및 구멍 입구보다 작은 구멍 출구(2520)를 갖는다. 현미경 사진은 구멍에서의 테이퍼 및 비틀림을 명확하게 예시하고 있다.
어떤 경우에는, 도 1m에 개략적으로 예시된 바와 같이, 두개의 클러스터 (192 및 193)가 방향 (199)을 따라 분리되어, 제1 노즐 (102) 및 별도의, 어떤 경우에는 사실상 동일한, 제2 노즐 (103)로 되게 한다. 노즐 (102 및 103)은, 예를 들어, 스프레이 기기 및/또는 연료 분사기에서 이용될 수 있다.
도 24는 노즐(2400)의 개략 측면도인데, 노즐은 중공 내부(2410) 및 노즐의 외부(2430)로부터 중공 내부를 분리하는 벽(2405)을 포함한다. 노즐은 노즐의 외부(2430)에 중공 내부(2410)를 연결하는 구멍(2420)과 같은 적어도 하나의 구멍을 추가로 포함한다. 구멍은 중공 내부로부터 외부로 기체 또는 액체를 전달한다. 구멍(2420)은 본 명세서에 개시된 임의의 구멍일 수 있다. 구멍(2420)은 벽(2405)의 내측 표면(2406)에서의 구멍 입구(2440) 및 벽(2405)의 외측 표면(2407)에서의 구멍 출구(2445)를 포함한다. 구멍 입구(2440)는 또한 노즐의 중공 내부(2410)에 있고, 구멍 출구(2445)는 노즐의 외부(2430)에 있다.
일부 경우에, 구멍 입구(2440)는 제1 형상을 갖고, 구멍 출구(2445)는 제1 형상과는 상이한 제2 형상을 갖는다. 예를 들어, 일부 경우에, 제1 형상은 타원형이고, 제2 형상은 원형이다. 다른 한 예로서, 어떤 경우에는, 제1 형상이 경주 트랙 또는 타원형일 수 있으며, 제2 형상은 원형일 수 있다. 다른 예로서, 일부 경우에, 제2 형상은 원 또는 타원일 수 있고, 제1 형상의 주연부는 복수의 밀접하게 패킹된 원들의 외측 원호들을 포함할 수 있고, 여기서 외측 원호들은 곡선형 필릿들에 의해 서로 연결된다.
일부 경우에, 제1 형상은 실질적으로 제2 형상과 동일할 수 있지만, 이들은 다른 배율 또는 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 형상은 반경 a1을 갖는 원일 수 있고, 제2 형상이 또한 원이지만 a1과는 상이한 반경 a2를 갖는 원일 수 있다.
일부 경우에, 구멍(2420)은 구멍 입구(2440)로부터 구멍 출구(2445)까지 회전하는 측방향 단면을 갖는데, 여기서 측방향 단면은 예를 들어 구멍 내부에서의 액체 또는 기체의 전반적인 유동 방향에 실질적으로 직각인 단면을 말한다. 일부 경우에, 단면은 구멍 입구로부터 구멍 출구까지 증가하는 회전율을 갖는다. 일부 경우에, 단면은 구멍 입구로부터 구멍 출구까지 감소하는 회전율을 갖는다. 일부 경우에, 단면은 구멍 입구로부터 구멍 출구까지 일정한 회전율을 갖는다.
이 발명의 미세구조체, 구멍, 층, 구성, 및 방법의 장점 중 일부가 다음의 예 및 실시예에 의해 더 예시된다. 예시에서 언급되는 구체적인 재료, 양 및 치수뿐만 아니라 다른 조건 및 상세 사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 달리 나타내지 않는다면, 모든 화학적 절차를 건조 및 탈산소화된 용매 및 시약에 의해 건조한 질소 분위기 하에서 수행하였다. 달리 나타내지 않는다면, 모든 용매 및 시약을 미국 위스콘신주 밀워키 소재의 알드리치 케미칼 컴퍼니(Aldrich Chemical Co.)로부터 입수하였거나 입수할 수 있다.
로다민(Rhodamine) B 헥사플루오로안티몬산염를 소듐 헥사플루오로안티몬산염에 의한 로다민 B 클로라이드의 치환에 의해 제조하였다. 본 명세서에서 사용되는 바로서, SR368은 트리스- (2-하이드록시에틸)아이소시아누르산염 트라이아크릴산염 (미국, 펜실베이니아, 엑스톤 소재의 사토머 컴퍼니 인코포레이티드 (Sartomer Co.Inc.)로부터 입수됨)를 말하고; SR9008은 3작용성 아크릴산염 에스테르 (사토머로부터 입수됨)를 말하며; SR1012는 다이아릴요오도늄 헥사플루오로안티몬산염 (사토머로부터 입수됨)를 말하고; SU-8 R2150은 에폭시 네거티브 포토레지스트 (미국, 매사추세츠, 뉴톤 소재의 마이크로켐 코포레이션 (MicroChem Corp.)으로부터 입수됨)를 말하며; THF는 테트라하이드로퓨란을 말하고; LEXAN HPS1R는 열가소성 폴리카보네이트 (미국, 메사추세츠, 피츠필드 소재의 사빅 이노베이티브 플라스틱스 (Sabic Innovative Plastics)로부터 입수되는)를 말하고; 인코 S-라운즈 (Inco S-Rounds)는 니켈 (미국, 뉴저지, 새들 브룩 소재의 발레 인코 아메리카즈 인코포레이티드 (Vale Inco America's, Inc.)로부터 입수되는)을 말한다.
예시 1:
직경이 10.2 cm인 원형 규소 웨이퍼(도 1a의 기재(110))를 미국 플로리다주 웨스트 팜 비치 소재의 웨이퍼 월드, 인크.(Wafer World, Inc.)로부터 입수하였다. Si 웨이퍼를 농축 황산 및 30 중량%의 수성 과산화수소의 체적 기준 3:1의 혼합물에서 대략 10분 동안 담가 세정하였다. 그리고 나서, 웨이퍼를 탈이온수로 그리고 이어서 아이소프로판올로 헹구었고, 이후에 공기 스트림 하에서 건조시켰다. 그리고 나서, 아세트산을 사용해 산성(4 내지 pH 5의 pH)으로 된 190-프루프(proof) 에탄올 중 3-(트라이메톡시실릴)프로필 메타크릴산염의 2 중량% 용액 내로 웨이퍼를 침지시켰다. 그 후, 웨이퍼는 무수 에탄올로 헹구어졌고, 그 후, 130℃ 오븐 속에서 10분 동안 가열되었다.
수평균 분자량이 대략 120,000인 폴리(메틸 메타크릴산염), SR9008 및 SR368을 30:35:35의 중량비로 배합하여, 충분한 1,2-다이클로로에탄 중에 용해된 단량체 혼합물을 생성하여 54 중량%의 단량체 혼합물인 용액을 제공하였다. 그리고 나서, 이 용액에, 고형물의 총 중량을 기준으로 0.5 중량%의 로다민 B 헥사플루오로안티몬산염 및 1.0 중량%의 SR1012인 코팅 용액을 제공하기에 충분한, THF 중 감광제 로다민 B 헥사플루오로안티몬산염 및 THF 중 SR1012의 농축 용액의 분취물을 첨가하였다. 이 코팅 용액을 1-마이크로미터 시린지 필터(syringe filter)를 통해 여과시켰고 규소 웨이퍼 상으로 스핀-코팅하였다. 코팅된 웨이퍼는 60℃의 오븐 속에 억류된 공기 내에 18 시간 동안 두어서 약 300㎛. 두께를 갖는 사실상 용매가 없는 (이하에서는, "건성 (dry) ") 코팅 (도 1a에서의 제1 재료의 층 (115))을 갖는 코팅된 실리콘 웨이퍼를 제공하였다.
건성 코팅의 2광자 중합화는 80 fs의 공칭 펄스 폭, 80 MHz의 펄스 반복률, 및 약 1W의 평균 파워로 800㎚에서 작동한 다이오드 펌프 Ti:사파이어 레이저 (미국, 캘리포니아, 마운틴 뷰 소재의 스펙트라 피직스 (Spectra-Physics)로부터 입수되는)를 이용하여 수행되었다. 코팅된 웨이퍼는 컴퓨터로 제어되는 3축 스테이지 (미국, 필라델피아, 피츠버그 소재의 에어로테크 인코포레이티드 (Aerotech, Inc.)로부터 입수되는) 상에 두어졌다. 레이저 빔을 중성 밀도 필터(neutral density filter)에 의해 약화시켰고, x-, y- 및 z-축 제어를 위한 텔레스코프를 갖는 갈보스캐너(galvoscanner)(미국 뉴햄프셔주 윈드햄 소재의 너트필드 테크놀로지, 인크.(Nutfield Technology, Inc.)로부터 입수가능함)를 사용하여 건조 코팅 내로 집중시켰다. 0.400 mm의 작동 거리 및 4.0 mm의 초점 길이를 갖는 니콘 CFI 플랜 아크로매트(Plan Achromat) 50X 오일 대물렌즈 N.A. 0.90을 건조 코팅의 표면 상으로 직접 적용하였다. 평균 출력을 파장-보정식 광다이오드(미국 매사추세츠주 윌밍톤 소재의 오빌 옵트로닉스, 리미티드(Ophir Optronics, Ltd.)로부터 입수됨)를 사용하여 대물 렌즈의 출력에서 측정하였고 대략 8 mW인 것으로 측정되었다.
노출 스캔이 완료된 후, 노출되는 건성 코팅이 마이크로켐 SU-8 현상액 (MicroChem SU-8 developer)으로 현상되고, 헹굼 및 건조되어 제1 미세구조화 패턴 (121)으로 되었다 (도 1b).
제1 미세구조화 패턴의 표면을, 패턴의 표면 상에 은(Ag)의 얇은 층(약 100 옹스트롬)을 스퍼터링함으로써 도전성으로 만들었다. 그리고 나서, 금속화된 전방 표면을 대략 2 mm 두께가 될 때까지 인코 S-라운즈(니켈)로 전기 도금하였다. 그리고 나서, 전기 도금된 니켈 슬러그를 제1 패턴으로부터 분리하고 연삭 및 기계가공하여, 제2 미세구조화 패턴(141)을 갖는 제1 주형(140)을 형성하였다(도 1f).
그리고 나서, 단축(single screw) 플라스틱 사출 성형 시스템 내에 배치한 사출 다이 주형 내로 제1 주형을 배치하여 주형 공동 내로 열가소성 폴리탄산염(렉산 HPS1R)를 주입하여, 제3 미세구조화 패턴(161)을 갖는 제2 주형(160)을 형성하였다(도 1h).
그리고 나서, 제2 주형의 전방 표면을 약 100 옹스트롬의 은으로 표면을 스퍼터링함으로써 금속화하였다. 그리고 나서, 금속화된 제2 주형을 제3 미세구조화 패턴을 완전히 덮도록 인코 S-라운즈(니켈)로 전기 도금하여 니켈 층(170)을 형성하였다(도 1j).
니켈 층 및 제2 주형의 조합된 구조물을 탈이온수로 헹군 후에, 니켈 층의 전방 표면(172)(도 1j)을 평평한 방식으로 연삭하여 제3 미세구조화 패턴의 상부(171)로부터 니켈 재료를 제거하였다.
연삭을 완료한 후에(모든 미세구조체 상부들이 노출된 후에), 전기 도금된 니켈 층을 폴리탄산염 주형(160)으로부터 분리하여, 원형 6각 패킹 배열로 배열된 37개 관통 구멍을 갖는 대략 8 mm 직경 및 대략 160 um 두께의 니켈 디스크를 형성하였다. 이웃하는 구멍들 사이의 분리는 대략 200 ㎛였다. 각각의 구멍은 레이스트랙의 선형 부분을 따라 필릿들에 의해 수정된 레이스트랙의 형상인 구멍 입구를 가졌다. 레이스트랙은 약 80 ㎛의 주 직경 및 약 50 ㎛의 부 직경을 가졌다. 각각의 구멍은 약 50 ㎛의 주 직경 및 약 35 ㎛의 부 직경을 갖는 더 작은 레이스트랙의 형상인 구멍 출구를 가졌다. 구멍 출구측에서 보면, 구멍들의 단면의 주 직경들은 구멍 출구로부터 구멍 입구까지 구멍 출구 아래의 매 50㎛의 깊이에 대해 약 30도만큼 시계 방향으로 회전하였다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "수직", "수평", "위", "아래", "좌측", "우측", "상부" 및 "하부", "시계방향" 및 "반시계방향", 기타 유사한 용어와 같은 용어는 도면에 나타낸 바와 같은 상대적 위치를 말한다. 일반적으로, 물리적 실시예는 상이한 배향을 가질 수 있고, 그 경우에, 이 용어들은 소자의 실제 배향으로 수정된 상대적 위치를 지칭하도록 의도된다. 예를 들어, 도 1b의 이미지가 도면에서의 배향에 비해 뒤집혀 있을지라도, 표면(126)이 여전히 상부 표면인 것으로 간주된다.
다광자 기술(MultiPhoton Description)
정의
이 특허 출원에서 사용되는 바로서,
"경화 (cure)는"중합화를 실행하거나 및/또는 교차 결합을 실행하는 것을 의미하며;
"전자적 여기 상태 (electronic excited state)"는 전자기 방사파의 흡수에 의해 접근할 수 있는 분자의 전자적 기저 상태보다 더 높고 10-13초를 초과하는 수명을 갖는 분자의 전자적 상태를 의미하고;
"노출 시스템 (exposure system)"은 광학 시스템에 광원을 더한 것을 의미하며;
"마스터 (master)"는 복제를 위한 도구를 제조하기 위해 이용될 수 있는 초기 제작품을 의미하고;
"다광자 흡수 (multiphoton absorption)"는 동일한 에너지의 단일의 광자의 흡수에 의해 활력적으로 접근하기 어려운 반응성, 전자적 여기 상태에 도달하기 위해 두개 이상의 광자를 동시 흡수하는 것을 의미하며;
"개구수 (numerical aperture)"는 렌즈의 초점 길이에 대한 렌즈의 직경의 비율 (또는 1/f 수)을 의미하고;
"광학 시스템 (optical system)"은 빛을 제어하는 시스템을 의미하며, 시스템은, 렌즈와 같은 굴절적 광학 소자, 거울과 같은 반사적 광학 소자, 및 격자와 같은 회절적 광학 소자로부터 선택되는 하나 이상의 요소를 포함한다. 광학 소자는, 산광기, 도파관, 및 광학 기술에서 알려진 다른 소자를 포함할 수도 있을 것이고;
"광화학적 유효량 (photochemically effective amounts)" (광개시제 시스템의 성분의)은 반응성 화학 종류들이 선택된 노출 조건 하에서 적어도 부분적 반응에 들어갈 수 있게 하기에 충분한 양을 의미하며 (예를 들어, 밀도, 점도, 색상, pH, 굴절율, 또는 다른 물리적 또는 화학적 특성의 변화에 의해 입증되는 바로서);
"감광제"는 활성화를 위해 광개시제가 요구하는 것보다 더 낮은 에너지의 광을 흡수하고 그로부터 광개시 종류 (photoinitiating species)를 생성하기 위해 광개시제와 상호 작용함으로써 광개시제를 활성화 하기 위해 요구되는 에너지를 낮추는 분자를 의미하고;
"동시적"은 10-14초 이하의 기간 내에 발생하는 두 개의 이벤트를 의미하며;
"충분한 빛"은 다광자 흡수를 실행하기에 충분한 강도 및 적절한 파장의 빛을 의미한다.
다광자 반응 ( Multiphoton Reaction )
분자의 2광자 흡수는 고페르트-메이어 (Goppert-Mayer)에 의해 1931에 예견되었다. 1960년에 펄스 루비 레이저 (pulsed ruby laser)의 발명시에, 2광자 흡수의 실험적 관찰이 실현되었다. 후속적으로, 생물학 및 광학 데이터 저장뿐만 아니라 다른 분야에서도 2광자 여기가 용도를 발견하였다.
2광자 유도되는 광과정 (photoprocess)과 1광자 유도되는 과정 사이에는 두가지의 주요한 차이가 있다. 1광자 흡수가 입사하는 방사파의 강도와 선형적으로 스케일 (scale) 하는 반면에, 2광자 흡수는 2차식으로 스케일 한다. 더 높은 순위의 흡수일수록 더 강한 파워의 입사 강도로 스케일 한다. 결과로서, 3차원적 공간 분해능을 갖는 다광자 과정 (multiphoton process)을 수행하는 것이 가능하다. 또한, 다광자 과정이 두개 이상의 광자의 동시적 흡수를 수반하기 때문에, 각각의 광자가 개별적으로 발색단을 여기시키기에 불충분할지라도, 활용되는 다광자 감광제의 전자적 여기 상태의 에너지와 동등한 총 에너지를 갖는 개수의 광자에 의해 흡수 발색단 (absorbing chromophore)이 여기된다. 경화성 매트릭스 또는 재료 내에서의 1광자 흡수에 의해 여기 광이 약화되지 않기 때문에, 재료의 해당 깊이에 초점이 맞춰진 빔을 이용하여 1광자 여기에 의해 가능할 수 있을 것인 것보다 더 깊은 재료 내부 깊이에서 분자를 선택적으로 여기시키는 것이 가능하다. 이러한 두가지 현상 (phenomena)은, 예를 들어, 조직 또는 다른 생물학적 재료 내부에서 여기시키기 위해 적용하기도 한다.
광 경화 및 미세 제작 분야에서 다광자 흡수를 적용함으로써 주요 이점들이 달성되었다. 예를 들어, 다광자 리소그래피 또는 스테레오리소그래피에서, 강도에 의한 다광자 흡수의 비선형적 스케일링은 활용되는 빛의 회절 한계 미만의 크기를 갖는 요소들을 기입하는 능력뿐만 아니라, 요소들을 3차원으로 기입하는 능력 (홀로그래피에도 유익한)도 제공하였다.
반응성 재료의 용해성의 변화를 유발하는 다광자 개시 반응은 다광자 미세 제작 (2광자 제작이라고도 알려진)에 유용하다. 그러한 반응은 중합화, 교차 결합, 해중합을 수반할 수 있거나, 또는 예를 들어, 극성으로부터 비극성으로, 또는 비극성으로부터 극성으로 작용기의 변환을 수반하는 반응으로 인해 용해성을 변화시킨다. 자유 라디칼을 형성하기 위해 두개 이상의 광자의 동시적 흡수를 겪을 수 있는 다광자 광개시 시스템 및/또는 양이온 또는 자유 라디칼 반응을 개시할 수 있는 산에 의해 적어도 2광자를 흡수함으로써 반응이 개시된다.
이미지를 형성하기 위해 다광자 반응성 조성물을 충분한 빛에 노출시키는 것은 적절한 레이저 시스템 (이 문서의 22면 내지 23면 참조)으로부터의 빔을 다광자 반응성 조성물 내에 초점을 맞춤으로써 수행될 수 있다. 노출되는 조성물의 용해성의 변화를 유발하기 위해 초점을 맞춘 레이저 빔의 초점의 근처에서 반응이 발생한다. 반응이 발생하는 최소 구역은 3차원적 화소, 또는 복셀이다. 단일의 복셀은 다광자 리소그래피에 의해 제작될 수 있는 최소 요소이고, 활용되는 회절 한계 미만인 크기를 가질 수 있다. 복셀은, 레이저 빔의 초점을 맞추기 위해 이용되는 렌즈의 개구수에 따라, x, y, 및 z에서 100㎚ 이하일 정도로 작을 수 있고, z에서 10 미크론 이상 및 x 및 y에서 4 미크론 이상일 정도로 클 수 있다. 방향 x, y, 및 z는 빔 경로에 직교하는 축 (x, y), 또는 빔 경로에 평행한 축 (z)이다. 양호하게는, 복셀은 2 미크론 미만, 양호하게는 1 미크론 미만, 더 양호하게는 0.5 미크론 미만인 하나 이상의 디멘션을 갖는다.
반응성 화학 종류 ( Reactive Species )
광반응성 조성물에 사용하기에 적합한 반응성 화학 종류는 경화성 및 비경화성 화학 종류 둘 모두를 포함한다. 경화성 화학 종류가 일반적으로 바람직하며, 예를 들어, 첨가-중합성 단량체 및 저중합체 및 첨가-가교결합성 중합체(예를 들어, 아크릴산염, 메타크릴산염, 및 스티렌과 같은 소정의 비닐 화합물을 포함하는 자유 라디칼 중합성 또는 가교결합성 에틸렌계 불포화 화학 종류) 뿐만 아니라 양이온 중합성 단량체 및 저중합체 및 양이온 가교결합성 중합체(이들 화학 종류는 대부분 일반적으로 산-개시되며, 예를 들어, 에폭시, 비닐 에테르, 시아네이트 에스테르 등을 포함함) 등 및 이의 혼합물이 포함된다.
적합한 에틸렌 불포화 종류는, 예를 들어, 팔라조토 (Palazzotto) 등에 의한 미국 특허 5,545,676호의 1열 65행 내지 2열 26행에 기술되어 있으며, 모노-아크릴산염 및 메타크릴산염, 다이-아크릴산염 및 메타크릴산염, 및 폴리-아크릴산염 및 메타크릴산염 (예를 들어, 메틸 아크릴산염, 메틸 메타크릴산염, 에틸 아크릴산염, 아이소프로필 메타크릴산염, n-헥실 아크릴산염, 스테아릴 아크릴산염, 알릴 아크릴산염, 글리세롤 다이아크릴산염, 글리세롤 트라이아크릴산염, 에틸렌글리콜 다이아크릴산염, 다이에틸렌글리콜 다이아크릴산염, 트라이에틸렌글리콜 다이메타크릴산염,1,3-프로판다이올 다이아크릴산염, 1,3-프로판다이올 다이메타크릴산염, 트라이메틸올프로판 트라이아크릴산염, 1,2,4-부탄트라이올 트라이메타크릴산염, 1,4-사이클로헥산다이올 다이아크릴산염, 펜타에리트리톨 트라이아크릴산염, 펜타에리트리톨 테트라아크릴산염, 펜타에리트리톨 테트라메타크릴산염, 소르비톨 헥사크릴산염, 비스[1- (2-아크릴옥시)]-p-에톡시페닐다이메틸메탄, 비스[1- (3-아크릴옥시-2-하이드록시)]-p-프로폭시페닐다이메틸메탄, 트리스하이드록시에틸-아이소시아누르산염 트라이메타크릴산염, 분자량 약 200-500의 폴리에틸렌 글리콜의 비스-아크릴산염 및 비스-메타크릴산염, 미국 특허 4,652,274호의 것과 같은 아크릴산염 단량체의 공중합 가능한 혼합물, 및 미국 특허 4, 642,126의 것과 같은 아크릴산염 올리고머); 불포화 아미드 (예를 들어, 메틸렌 비스-아크릴아미드, 메틸렌 비스-메타크릴아미드, 1,6-헥사메틸렌 비스-아크릴아미드, 다이에틸렌 트라이아민 트리스-아크릴아미드 및 베타-메타크릴아미노에틸 메타크릴산염) 비닐 화합물 (예를 들어, 스티렌, 다이알릴 프탈산염, 다이비닐 숙신산염, 다이비닐 아디핀산염, 및 다이비닐 프탈산염); 등;및 그 혼합물을 포함한다. 적합한 반응성 중합체에는, 예를 들어 중합체 사슬 당 1 내지 약 50 개의 (메트)아크릴산염 기를 갖는, 펜던트 (메트)아크릴산염 기를 갖는 중합체가 포함된다. 이러한 중합체의 예에는 방향족 산 (메트)아크릴산염 하프 에스테르 수지, 예를 들어 사토머 (Sartomer)로부터 입수 가능한 사복스 (Sarbox™) 수지 (예를 들어, 사복스™400, 401, 402, 404, 및 405)가 포함된다. 자유 라디칼 화학에 의해 경화 가능한 다른 유용한 반응성 중합체에는 자유 라디칼 중합성 작용기가 부착되어 있는 펜던트 펩티드 기 및 하이드로카르빌 골격을 갖는 중합체, 예를 들어 미국 특허 제5,235,015호 (알리 (Ali) 등)에 기재된 것들이 포함된다. 필요하다면, 둘 이상의 단량체, 저중합체, 및/또는 반응성 중합체의 혼합물이 사용될 수 있다. 바람직한 에틸렌계 불포화 화학 종류에는 아크릴산염, 방향족 산 (메트)아크릴산염 하프 에스테르 수지, 및 자유 라디칼 중합성 작용기가 부착되어 있는 펜던트 펩티드 기 및 하이드로카르빌 골격을 갖는 중합체가 포함된다.
적합한 양이온 반응성 화학 종류는, 예를 들어 옥스맨 (Oxman) 등의 미국 특허 제5,998,495호 및 미국 특허 제6,025,406호에 기재되어 있으며 에폭시 수지가 포함된다. 넓게는 에폭시라고 부르는 이러한 재료는 단량체성 에폭시 화합물, 및 중합체 유형의 에폭사이드를 포함하며 지방족, 지환족, 방향족, 또는 헤테로사이클릭일 수 있다. 이러한 재료는 일반적으로, 분자당 평균적으로 적어도 1개 (바람직하게는 적어도 약 1.5개, 그리고 더욱 바람직하게는 적어도 약 2개)의 중합성 에폭시 기를 갖는다. 중합체성 에폭사이드에는 말단 에폭시 기를 갖는 선형 중합체 (예를 들어, 폴리옥시알킬렌 글리콜의 다이글리시딜 에테르), 골격 옥시란 단위를 갖는 중합체 (예를 들어, 폴리부타디엔 폴리에폭사이드) 및 펜던트 에폭시 기를 갖는 중합체 (예를 들어, 글리시딜 메타크릴산염 중합체 또는 공중합체)가 포함된다. 에폭사이드는 순수한 화합물이거나 또는 분자당 1개, 2개 또는 그 이상의 에폭시 기를 함유하는 화합물들의 혼합물일 수 있다. 이러한 에폭시 함유 재료는 그 골격 및 치환기의 특성에 있어서 매우 다양할 수 있다. 예를 들어, 골격은 임의의 유형일 수 있으며 그 위의 치환기는 실온에서 양이온성 경화를 실질적으로 방해하지 않는 임의의 기일 수 있다. 허용 가능한 치환기의 예에는 할로겐, 에스테르 기, 에테르, 술폰산염 기, 실록산 기, 니트로 기, 인산염 기 등이 포함된다. 에폭시 함유 재료의 분자량은 약 58 내지 약 100,000 또는 그 이상으로 다양할 수 있다.
유용한 다른 에폭시 함유 재료는 아래의 화학식의 글리시딜 에테르 단량체를 포함한다.
즉,
Figure pct00002

R'은 알킬 또는 아릴이고 n은 1 내지 8의 정수이다. 예시는 폴리하이드릭 페놀을 에피클로로하이드린과 같은 잉여의 클로로하이드린 (예를 들어, 2,2-비스- (2,3-에폭시프로폭시페놀)-프로판의 다이글리시딜 에테르)와 반응시킴으로써 얻어지는 폴리하이드릭 페놀의 글리시딜 에테르이다. 이러한 유형의 에폭사이드의 추가적인 예가 미국 특허 제3,018,262호 및 문헌[Handbook of Epoxy Resins, Lee and Neville, McGraw-Hill Book Co., New York (1967)]에 기재되어 있다.
많은 구매 가능한 에폭시 단량체 또는 수지가 사용될 수 있다. 쉽게 입수 가능한 에폭사이드는, 옥타데실렌 산화물; 에피클로로하이드린; 스티렌 산화물; 비닐사이클로헥센 산화물; 그리시돌 글리시딜 메타크릴산염; 비스페놀 A의 다이글리시딜 에테르 (예를 들어, 미국, 오하이오, 컬럼버스 소재의 헥시온 스페셜티 케미컬즈 인코포레이티드 (Hexion Specialty Chemicals, Inc.)로부터 "EPON 815C", "EPON 813", "EPON 828", "EPON 1004F", 및 "EPON 1001F"로서 입수 가능한 것들); 및 비스페놀 F의 다이글리시딜 에테르 (예를 들어, 스위스, 바젤 소재의 시바 스페셜티 케미컬즈 홀딩 컴퍼니 (Ciba Specialty Chemicals Holding Company)로부터 "ARALDITE GY281"로서, 및 헥시온 스페셜티 케미컬즈 인코포레이티드로부터 "EPON 862"로서 입수 가능한 것들)를 포함하지만, 거기에 한정되지는 않는다. 다른 방향족 에폭시 수지에는 미국 매사추세츠주 뉴튼 소재의 마이크로켐 코포레이션 (MicroChem Corp.)으로부터 입수 가능한 SU-8 수지가 포함된다.
다른 예시적 에폭시 단량체는, 비닐 사이클로헥센 이산화물 (미국, 필라델피아, 웨스트 체스터 소재의 에스피아이 서플라이즈 (SPI Supplies)로부터 입수 가능한); 4-비닐-1-사이클로헥센 다이에폭사이드 (미국, 위스콘신, 밀워키 소재의 알드리치 케미컬 컴퍼니 (Aldrich Chemical Co.)로부터 입수 가능한); 3,4-에폭시사이클로헥실메틸-3,4-에폭시사이클로헥센 카르복실산염 (예를 들어, 미국, 미시건, 미드랜드 소재의 다우 케미컬 컴퍼니 (Dow Chemical Co.)로부터 "CYRACURE UVR-6110"로서 입수 가능한 것); 3,4-에폭시-6-메틸사이클로헥실메틸-3,4-에폭시-6-메틸-사이클로헥산 카르복실산염; 2-(3,4-에폭시사이클로헥실-5,5-스피로-3,4-에폭시) 사이클로헥산-메타다이옥산; 비스 (3,4-에폭시사이클로헥실메틸) 아디핀산염 (예를 들어, 다우 케미컬 컴퍼니로부터 "CYRACURE UVR-6128 로서 입수 가능한 것); 비스 (3,4-에폭시-6-메틸사이클로헥실메틸)아디핀산염; 3,4-에폭시-6-메틸사이클로헥산 카르복실산염; 및 다이펜텐 이산화물을 포함한다.
또다른 예시적 에폭시 수지는, 에폭시화 폴리부타디엔 (예를 들어, 미국, 필라델피아, 엑스턴 소재의 사토머 컴퍼니 인코포레이티드 (Sartomer Co., Inc.)로부터 "POLY BD 605E"로서 입수 가능한 것); 에폭시 실란 (예를 들어, 미국, 위스콘신, 밀워키 소재의 알드리치 케미컬 컴퍼니로부터 상업적으로 구매 가능한 3,4-에폭시사이클로헥실에틸트라이메톡시실란 및 3-글리시독시프로필트라이메톡시실란); 내연재 에폭시 단량체 (예를 들어, "DER-542"로서 입수 가능한 것, 미국, 미시건, 미드랜드 소재의 다우 케미컬 컴퍼니로부터 입수 가능한 브롬화 비스페놀 유형 에폭시 단량체); 1,4-부탄다이올 다이글리시딜 에테르 (예를 들어, 시바 스페셜티 케미컬즈로부터 "ARALDITE RD-2"로서 입수 가능한 것); 수소 첨가 비스페놀 A-에피클로로하이드린계 에폭시 단량체 (예를 들어, 헥시온 스페셜티 케미컬즈 인코포레이티드로부터 "EPONEX 1510"로서 입수 가능한 것); 페놀-포름알데히드 노볼락의 폴리글리시딜 에테르 (예를 들어, 다우 케미컬 컴퍼니로부터 "DEN-431" 및 "DEN-438"로서 입수 가능한 것); 및 아토피나 케미컬즈 (Atofina Chemicals) (미국, 펜실베니아, 필라델피아 소재)로부터 "VIKOLOX" 및 "VIKOFLEX"로서 입수 가능한 에폭시화 아마씨유 및 콩기름과 같은 에폭시화 식물유를 포함한다.
추가적 적합한 에폭시 수지는 헥시온 스페셜티 케미컬즈 인코포레이티드 (미국, 오하이오, 컬럼버스 소재)로부터 "HELOXY"로서 상업적으로 구매 가능한 알킬 글리시딜 에테르를 포함한다. 예시적 단량체는, "HELOXY MODFIER 7" (C8-C10 알킬 글리시딜 에테르), "HELOXY MODIFIER 8" (C12-C14 알킬 글리시딜 에테르), "HELOXY MODIFIER 61" (부틸 글리시딜 에테르), "HELOXY MODIFIER 62" (크레실 글리시딜 에테르), "HELOXY MODIFIER 65" (p-tert-부틸페닐 글리시딜 에테르), "HELOXY MODIFIER 67" (1,4-부탄다이올의 다이글리시딜 에테르), "HELOXY 68" (네오펜틸 글리콜의 다이글리시딜 에테르), "HELOXY MODIFIER 107" (사이클로헥산다이메탄올의 다이글리시딜 에테르), "HELOXY MODIFIER 44" (트라이메틸올 에탄 트라이글리시딜 에테르), "HELOXY MODIFIER 48" (트라이메틸올 프로판 트라이글리시딜 에테르), "HELOXY MODIFIER 84" (지방족 폴리올의 폴리글리시딜 에테르), 및 "HELOXY MODIFIER 32" (폴리글리콜 다이에폭사이드)를 포함한다.
다른 유용한 에폭시 수지에는 글리시돌의 아크릴산 에스테르 (예를 들어, 글리시딜 아크릴산염 및 글리시딜 메타크릴산염)와 하나 이상의 공중합성 비닐 화합물의 공중합체가 포함된다. 이러한 공중합체의 예는 1:1 스티렌-글리시딜 메타크릴산염 및 1:1 메틸 메타크릴산염-글리시딜 아크릴산염이다. 다른 유용한 에폭시 수지가 잘 알려져 있으며, 에피클로로하이드린, 알킬렌 산화물 (예를 들어, 프로필렌 산화물), 스티렌 산화물, 알켄일 산화물 (예를 들어, 부타디엔 산화물), 및 글리시딜 에스테르 (예를 들어, 에틸 글리시데이트)와 같은 에폭사이드가 포함된다.
유용한 에폭시-작용성 중합체에는 미국 특허 제4,279,717호 (에크베르크 (Eckberg) 등)에 기재된 것과 같은 에폭시-작용성 실리콘이 포함되며, 이는 제네럴 일렉트릭 컴퍼니 (General Electric Company)로부터 구매 가능하다. 이들은 1 몰% 내지 20 몰%의 규소 원자가 에폭시알킬 기 (바람직하게는, 미국 특허 제5,753,346호 (레이어 (Leir) 등)에 기재된 것과 같이, 에폭시 사이클로헥실에틸)로 치환된 폴리다이메틸실록산이다.
다양한 에폭시-함유 재료의 블렌드를 또한 사용할 수 있다. 이러한 블렌드는 에폭시-함유 화합물의 중량 평균 분자량 분포를 둘 이상 포함할 수 있다 (예를 들어, 저분자량 (200 미만), 중간 분자량 (약 200 내지 1000), 및 고분자량 (약 1000 초과)). 대안적으로 또는 추가로, 에폭시 수지는 상이한 화학적 특성 (예를 들어, 지방족 및 방향족) 또는 작용기 (예를 들어, 극성 및 비극성)를 갖는 에폭시-함유 재료들의 블렌드를 포함할 수 있다. 필요하다면, 다른 양이온 반응성 중합체 (예를 들어, 비닐 에테르 등)가 추가로 포함될 수 있다.
양호한 에폭시는, 방향족 글리시딜 에폭시 (예를 들어, 헥시온 스페셜티 케미컬즈 인코포레이티드로부터 입수 가능한 EPON 수지, 및 미국, 마이애미, 뉴턴 소재의 마이크로켐 코포레이션으로부터 입수 가능한 SU-8 수지) 등, 및 그 혼합물을 포함한다. SU-8 수지 및 그 혼합물이 더욱 바람직하다.
적합한 양이온 반응성 화학 종류는, 비닐 에테르 단량체, 올리고머, 및 반응성 중합체 (예를 들어, 메틸 비닐 에테르, 에틸 비닐 에테르, tert-부틸 비닐 에테르, 아이소부틸 비닐 에테르, 트라이에틸렌글리콜 다이비닐 에테르 (미국, 뉴저지, 웨인 소재의 인터네셔널 스페셜티 프러덕츠 (International Specialty Products)로부터 입수 가능한 RAPI-CURE DVE-3), 트라이메틸올프로판 트라이비닐 에테르, 및 미국, 노스캐롤라이나, 그린스보로 소재의 모플렉스 인코포레이티드 (Morflex, Inc.)로부터의 VECTOMER 다이비닐 에테르 수지 (예를 들어, VECTOMER 1312, VECTOMER 4010, VECTOMER 4051, 및 VECTOMER 4060 및 다른 제조자들로부터 입수 가능한 그것들과 동등한 것)), 및 그 혼합물을 포함하기도 한다. 하나 이상의 비닐 에테르 수지 및/또는 하나 이상의 에폭시 수지의 (임의의 비율의) 블렌드를 또한 사용할 수 있다. 폴리하이드록시-작용성 재료 (예를 들어, 미국 특허 제5,856,373호 (카이사키 (Kaisaki) 등)에 기재된 것)를 또한 에폭시- 및/또는 비닐 에테르-작용성 재료와 조합하여 사용할 수 있다.
비경화성 화학 종류에는, 예를 들어 산 유도 반응 또는 라디칼 유도 반응 시에 용해도가 증가될 수 있는 반응성 중합체가 포함된다. 이러한 반응성 중합체에는, 예를 들어 광생성된 산에 의해서 수용성 산 기로 전환될 수 있는 에스테르 기를 함유하는 수 불용성 중합체 (예를 들어, 폴리 (4-터트-부톡시카르보닐옥시스티렌)가 포함된다. 비경화성 화학 종류는, "화학적으로 확장된 포토레지스트 응용을 위한 고성능 아크릴 중합체 (High Performance Acrylic Polymers for Chemically Amplified Photoresist Applications) J. Vac. Sci. B, 9, 3357(1991)에서 알. 디. 알렌 (R.D. Allen) 등에 의해 기술된 화학적으로 확장된 포토레지스트를 포함하기도 한다. 화학적으로 확장된 포토레지스트 개념은 이제 마이크로칩 제조, 특히 0.5 미크론 이하 (또는 0.2 미크론 이하까지도) 요소들의 재조에 널리 이용된다. 이러한 포토레지스트 시스템에서는, 조사에 의해 촉매 화학 종류 (특히, 수소 이온)가 생성되어 화학 반응의 캐스케이드 (cascade)를 유도할 수 있다. 이러한 캐스케이드는 수소 이온이 더 많은 수소 이온 또는 다른 산성 화학 종류를 생성하는 반응을 개시하여 반응 속도를 증폭시킬 때 일어난다. 일반적인 산 촉매 화학적으로 확장된 포토레지스트 시스템의 예는, 보호 해제 (deprotection) (예를 들어, 미국 특허 4,491,628호에 기술된 바와 같은 t-부톡시카르보닐옥시스티렌 레지스트, 테트라하이드로파이란 (THP) 메타크릴산염계 물질, 미국 특허 3,779,778호에 기술된 것과 같은 THP-페놀 물질, Proc. SPIE 2438, 474 (1995)에서 알. 디. 알렌에 의해 기술된 것과 같은 t-부틸 메타크릴산염계 재료, 등); 해중합 (예를 들어, 폴리프탈알데히드계 물질); 및 재배열 (예를 들어, 피나콜 재배열에 근거하는 물질)을 포함한다.
필요하다면, 상이한 유형의 반응 화학 종류들의 혼합물을 광반응성 조성물에 사용할 수 있다. 예를 들어, 자유 라디칼 반응성 화학 종류 및 양이온 반응성 화학 종류의 혼합물이 또한 유용하다.
광개시제 시스템 ( Photoinitiator System )
광개시제 시스템은 다광자 광개시제 시스템이며, 그러한 시스템을 이용하면, 반응이 초점이 맞춰진 광빔의 초점 영역으로 한정 또는 제한되게 할 수 있다. 이러한 시스템은 바람직하게는 하나 이상의 다광자 감광제, 하나 이상의 광개시제 (또는 전자 수용체) 및, 선택적으로 하나 이상의 전자 공여체를 포함하는 2성분 또는 3성분 시스템이다. 이러한 다성분 시스템은 향상된 감도를 제공할 수 있어서 더 짧은 시간 내에 광반응이 일어나게 할 수 있으며 그에 의해서 샘플 및/또는 노광 시스템의 하나 이상의 구성요소의 움직임으로 인한 문제가 일어날 가능성을 감소시킨다.
양호하게는, 다광자 광개시제 시스템은, (a) 적어도 두개의 광자를 동시적으로 흡수할 수 있고, 임의적으로, 그러나 양호하게는, 플루오레세인의 횡단면을 초과하는 2광자 흡수 횡단면을 갖는, 하나 이상의 다광자 감광제; (b) 임의적으로, 다광자 감광제와 상이하고 감광제의 전자적 여기 상태에 전자를 공여할 수 있는, 하나 이상의 전자 공여체 화합물; 및 (c) 감광제의 전자적 여기 상태로부터 전자를 받음으로써 감광성을 갖게 되어 하나 이상의 자유 라디칼 및/또는 산을 형성할 수 있는, 하나 이상의 광개시제의 광화학적 유효량을 포함한다.
대안적으로, 다광자 광개시제 시스템은 하나 이상의 광개시제를 포함하는 1성분 시스템일 수 있다. 1성분 다중 광자 광개시제 시스템으로서 유용한 광개시제는, 아실 포스핀 산화물 (예를 들어, 상품명 Irgacure™819로 시바 (Ciba)가 판매하는 것뿐만 아니라, 상품명 Lucirin™ TPO-L로 비에이에스에프 코포레이션 (BASF Corporation)이 판매하는 2,4,6 트라이메틸 벤조일 에톡시페닐 포스핀 산화물) 및 공유결합으로 부착되는 술포늄염 모이어티를 갖는 스틸벤 유도체 (예를 들어, Science 296, 1106 (2002)에서 더블유 조우 (W. Zhou) 등에 의해 기술되는 것들)를 포함한다. 다른 통상적인 자외선 (UV) 광개시제, 예를 들어 벤질 케탈이 또한 사용될 수 있지만, 이의 다광자 광개시 감도는 일반적으로 비교적 낮을 것이다.
2성분 및 3성분 다광자 광개시제 시스템에 유용한 다광자 감광제, 전자 공여체, 및 광개시제(또는 전자 수용체)가 하기에 기재되어 있다.
(1) 다광자 감광제 ( Multiphoton Photosensitizers )
광반응성 조성물의 다광자 광개시제 시스템에 사용하기에 적합한 다광자 감광제는 충분한 광에 노광 시에 적어도 2개의 광자를 동시에 흡수할 수 있는 것이다. 양호하게는, 감광제는 플루오레세인의 횡단면을 초과하는 (즉, 3 , 6 -다이하이드록시스피로[아이소벤조퓨란-1 (3H), 9 -[9H]크산텐]3-온의 단면적을 초과하는) 2광자 흡수 횡단면을 갖는다. 일반적으로, 양호한 횡단면은, J. Opt. Soc. Am. B, 13, 481 (1996)에서 C. Xu 및 W. W. Webb가 기술한 (마르더 (Marder) 및 페리 (Perry) 등이 국제 특허 공개 WO 98/21521호 85면, 18행 내지 22행에서 인용한) 방법에 의해 측정되는 바로서, 바람직한 단면적은 약 50 x 10-50 cm4 초/광자보다 더 클 수 있다.
더 양호하게는, 감광제의 2광자 흡수 횡단면이 플루오레세인의 횡단면을 약 1.5배 초과 (또는 위 방법에 의해 측정되는 바로서 약 75 x 10-50 cm4 sec/광자 초과); 한층 더 양호하게는, 플루오레세인의 횡단면을 약 2배 초과 (또는 약 100 x 10-50 cm4 sec/광자 초과); 가장 양호하게는, 플루오레세인의 횡단면을 약 3배 초과 (또는 대안적으로, 약 150 x 10-50 cm4 sec/광자 초과); 및 최적으로는, 플루오레세인의 횡단면을 약 4배 초과 (또는 대안적으로, 약 200 x 10-50 cm4 sec/광자 초과)한다.
바람직하게는, 감광제는 반응성 화학 종류에 가용성이거나 (반응성 화학 종류의 액체인 경우), 반응성 화학 종류, 및 조성물에 포함되는 (아래 기술한 바와 같은) 임의의 결합제와 상용성이 있다. 가장 바람직하게는, 감광제는 또한 미국 특허 제3,729,313호에 기재된 시험 방법을 사용하여, 감광제의 단일 광자 흡수 스펙트럼과 겹쳐지는 파장 범위에서의 연속 조사 (단일 광자 흡수 조건) 하에서 2-메틸-4,6-비스(트라이클로로메틸)-s-트라이아진을 감광시킬 수 있다.
바람직하게는, 감광제는 또한 저장 안정성을 일부 고려하여 선택될 수 있다. 따라서, 특정 감광제의 선택은 사용되는 특정 반응성 화학 종류에 따라 (그 뿐만 아니라 전자 공여체 화합물 및/또는 광개시제의 선택에 따라) 어느 정도 좌우될 수 있다.
특히 양호한 다광자 감광제는, Rhodamine B (즉, N-[9- (2-카르복시페닐)-6-다이에틸아미노)-3H-크산텐-3-일이덴]-N-에틸에탄아미늄 염화물 또는 헥사플루오로암티몬산염) 및 예를 들어, 국제 특허 출원 WO 98/21521호 및 WO 99/53242호에서의 마더 및 페리 등에 의해 기술된 감광제의 제4 부류와 같은 큰 다광자 흡수 횡단면을 노출하는 것들을 포함한다. 제4 부류는 다음과 같이 기술될 수 있다: (a) 컨쥬게이트된 π(파이) 전자 브릿지에 두개의 공여체가 연결되는 분자; (b) 하나 이상의 전자 수용 그룹으로 치환된 컨쥬게이트된 π(파이) 전자 브릿지에 두개의 공여체가 연결되는 분자; (c) 컨쥬게이트된 π(파이) 전자 브릿지에 두개의 수용체가 연결되는 분자; 및 (d) 하나 이상의 전자 공여 그룹으로 치환된 컨쥬게이티된 π (파이) 전자 브릿지에 두개의 수용체가 연결되는 분자; ("브릿지 (bridge)"는 두개 이상의 화학적 그룹을 연결하는 분자 조각을 의미하며, "공여체 (donor)"는 컨쥬게이트된 π (파이) 전자 브릿지에 결합될 수 있는 낮은 이온화 전위를 갖는 원자 또는 원자 그룹을 의미하고, "수용체 (acceptor)"는 컨쥬게이트된 π (파이) 전자 브릿지에 결합될 수 있는 높은 전자 친화성을 갖는 원자 또는 원자 그룹을 의미한다).
위에 기술된 4가지 부류의 감광제는 국제 특허 공개 WO 98/21521에 상세히 설명된 바와 같이, 표준 위티그(Wittig) 조건하에서 또는 맥머레이(McMurray) 반응을 사용하여 알데하이드와 일리드를 반응시킴으로써 제조할 수 있다.
레인하르트 (Reinhardt) (예를 들어, 미국 특허 6,100,405호, 5,859,251호, 및 5,770,737호에서) 등에 의해 다른 화합물이 큰 다광자 흡수 횡단면을 갖는 것으로서 기술되어 있지만, 이러한 횡단면들은 위에서 기술되는 것과 다른 방법에 의해 판단된다.
바람직한 감광제는, 아래의 화합물(및 그 혼합물)을 포함한다. 즉,
Figure pct00003

Figure pct00004

(2) 전자 공여체 화합물 ( Electron Donor Compounds )
광반응성 조성물의 다광자 광개시제 시스템에 유용한 전자 공여체 화합물은 감광제의 전자 여기 상태에 전자를 공여할 수 있는 화합물 (감광제 자체는 제외)이다. 이러한 화합물은, 선택적으로, 광개시제 시스템의 다광자 감광도를 증가시켜 광반응성 조성물의 광반응을 일으키는 데 필요한 노광을 감소시키는 데 사용될 수 있다. 전자 공여체 화합물은 바람직하게는 산화 전위가 0 초과이며 p-다이메톡시벤젠의 산화전위 이하이다. 양호하게는, 산화 전위가 표준 포화 칼로멜 전극 ("S.C.E.") (saturated calomel electrode)에 대해 약 0.3볼트와 1볼트 사이에 있다.
전자 공여체 화합물은 또한 바람직하게는 반응성 화학 종류에 가용성이며 (상기한 바와 같이) 저장 안정성을 일부 고려하여 선택된다. 적합한 공여체는 일반적으로 원하는 파장의 광에 대한 노광 시에 광반응성 조성물의 경화 속도 또는 화상 밀도 (이미지 밀도)를 증가시킬 수 있다.
양이온 반응성 화학 종류에 의해 작동할 때, 이 기술 분야에서 숙련된 자들은 전자 공여체 화합물은, 상당한 염기도를 가지면, 양이온 반응에 악영향을 줄 수 있음을 알 것이다 (예를 들어, 미국 특허 6,025,406호 (옥스만 (Oxman) 등) 7열 62행 내지 8열 49행의 설명을 참조하라.).
일반적으로, 특정 감광제 및 광개시제와 함께 사용하기에 적합한 전자 공여체 화합물은 세 가지 성분의 산화 전위와 환원 전위를 비교하여 선택될 수 있다 (예를 들어, 미국 특허 제4,859,572호 (패리드 (Farid) 등)에 기재된 바와 같음). 그러한 전위는 실험적으로 (예를 들어, 사진 감도 (Photographic Sensitivity), 15장, Academic Press (1973)에서, 알. 제이. 콕스 (R. J. Cox)에 의해 기술된 방법) 측정될 수 있거나 또는 Chemistry, Vol. V (1975)의 파트 II 기법의 전자 유기 합성법 (Technique of Electroorganic Synthesis), 엔. 엘. 와인버그 에드워즈 (N. L. Weinburg, Ed.), 및 비수성 시스템에서의 전자화학적 반응 (Electrochemical Reactions in Nonaqueous Systems) (1970), 시. 케이. 만 (C. K. Mann) 및 케이. 케이. 바네즈 (K. K. Barnes)와 같은 참고문헌으로부터 입수될 수 있다. 전위는 상대적인 에너지 관계를 반영하며 전자 공여체 화합물 선택을 안내하기 위해 사용될 수 있다.
적합한 전자 공여체 화합물은, 예를 들어, 비. 보만 (B. Voman) 등에 의해 편집된, Volume 13, pp. 427-488, 존 윌리 (John Wiley) 및 손스 (Sons), New York (1986)의 광화학의 진보(Advances in Photochemistry)에서 디. 에프. 이튼 (D. F. Eaton)에 의해 기술된 것; 미국 특허 6,025,406호 7열 42행 내지 61행에서 옥스만 등에 의해 기술된 것; 및 미국 특허 5, 545,676호 4열 14행 내지 5열 18행에서 팔라조토 등에 의해 기술된 것을 포함한다. 그러한 전자 공여체 화합물은, 아민 (트라이에탄올아민, 하이드라진, 1,4-다이아자바이사이클로[2.2.2]옥탄, 트라이페닐아민 (및 그것의 트라이페닐포스핀 및 트라이페닐아르신 유사체), 아미노알데히드, 및 아미노실란을 포함하는), 아미드 (포스포르아미드를 포함하는), 에테르 (티오에테르를 포함하는), 우레아 (티오우레아를 포함하는), 술핀산 및 그들의 염, 페로시안 화합물의 염, 아스코르브산 및 그것의 염, 다이티오카르바믹산 및 그것의 염, 크산텐산 염, 에틸렌 다이아민 테트라아세틱산 염, (알킬)n(아릴)m붕산 염 (n + m = 4) (테트라알킬암모늄 염이 양호한), SnR4 화합물 (각각의 R이 알킬기, 아랄킬기 (특히, 벤질기), 아릴기, 및 알카릴기로부터 독립적으로 선택되는)과 같은 다양한 유기금속 화합물 (예를 들어, n-C3H7Sn(CH3)3, (알릴)Sn(CH3)3, 및 (벤질)Sn(n-C3H7)3)와 같은 화합물), 페로센, 등, 및 그 혼합물을 포함한다. 전자 공여체 화합물은 비치환될 수 있거나 하나 이상의 비-간섭 치환체로 치환될 수 있다. 특히 바람직한 전자 공여체 화합물은 전자 공여체 원자 (예를 들어, 질소, 산소, 인, 또는 황 원자) 및 전자 공여체 원자에 대해 알파 위치에 있는 탄소 또는 규소 원자에 결합된 제거 가능한 수소 원자를 포함한다.
양호한 아민 전자 공여체 화합물은, 알킬아민, 아릴아민, 알카릴아민 및 아랄킬아민 (예를 들어, 메틸아민, 에틸아민, 프로필아민, 부틸아민, 트라이에탄올아민, 아밀아민, 헥실아민, 2,4-다이메틸아닐린, 2,3-다이메틸아닐린, o-톨루이딘, m-톨루이딘 및 p-톨루이딘, 벤질아민, 아미노피리딘, N,N'-다이메틸에틸렌다이아민, N,N'-다이에틸에틸렌다이아민, N,N'-다이벤질에틸렌다이아민, N,N'-다이에틸-1,3-프로판다이아민, N,N'-다이에틸-2-부텐-1,4-다이아민, N,N'-다이메틸-1,6-헥산다이아민, 피페라진, 4,4'-트라이메틸렌다이피페리딘, 4,4'-에틸렌다이피페리딘, p-N,N-다이메틸-아미노펜에탄올 및 p-N-다이메틸아미노벤조니트릴); 아미노알데히드 (예를 들어, p-N,N-다이메틸아미노벤즈알데히드, p-N,N-다이에틸아미노벤즈알데히드, 9-줄올리딘 카르복스알데히드, 및 4-모폴리노벤즈알데히드); 및 아미노실란 (예를 들어, 트라이메틸실일모폴린, 트라이메틸실일피페리딘, 비스 (다이메틸아미노)다이페닐실란, 트리스 (다이메틸아미노)메틸실란, N,N-다이에틸아미노트라이메틸실란,
트리스 (다이메틸아미노)페닐실란, 트리스 (메틸실일)아민, 트리스 (다이메틸실일)아민, 비스 (다이메틸실일)아민, N,N-비스 (다이메틸실일)아닐린, N-페닐-N-다이메틸실일아닐린, 및 N,N-다이메틸-N-다이메틸실일아민); 및 그 혼합물을 포함한다. 3차 방향족 알킬아민, 특히 방향족 고리 상에 하나 이상의 전자-흡인 기 (electron-withdrawing group)를 갖는 것이 특히 양호한 저장 안정성을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 양호한 저장 안정성은 또한 실온에서 고체인 아민을 사용하여 얻어졌다. 양호한 감광도는 하나 이상의 줄로리디닐 부분을 포함하는 아민을 사용하여 얻어졌다.
바람직한 아미드 전자 공여체 화합물은, N,N-다이메틸아세트아미드, N,N-다이에틸아세트아미드, N-메틸-N-페닐아세트아미드, 헥사메틸포스포르아미드, 헥사에틸포스포르아미드, 헥사프로필포스포르아미드, 트라이모르폴리노포스핀 산화물, 트라이피페리디노포스핀 산화물, 및 그 혼합물을 포함한다.
바람직한 알킬아릴붕산염은,
Ar3B-(n-C4H9)N+(C2H5)4
Ar3B-(n-C4H9)N+(CH3)4Ar3B-(n-C4H9)N+(n-C4H9)4
Ar3B-(n-C4H9)Li+
Ar3B-(n-C4H9)N+(C6H13)4
Ar3B--(C4H9)N+(CH3)3(CH2)2CO2(CH2)2CH3
Ar3B--(C4H9)N+(CH3)3(CH2)2OCO(CH2)2CH3
Ar3B--(sec-C4H9)N+(CH3)3(CH2)2CO2(CH2)2CH3
Ar3B--(sec-C4H9)N+(C6H13)4
Ar3B--(C4H9)N+(C8H17)4
Ar3B--(C4H9)N+(CH3)4
(p-CH3O-C6H4)3B-(n-C4H9)N+(n-C4H9)4
Ar3B--(C4H9)N+(CH3)3(CH2)2OH
ArB-(n-C4H9)3N+(CH3)4
ArB-(C2H5)3N+(CH3)4
Ar2B-(n-C4H9)2N+(CH3)4
Ar3B-(C4H9)N+(C4H9)4
Ar4B-N+(C4H9)4
ArB-(CH3)3N+(CH3)4
(n-C4H9)4B-N+(CH3)4
Ar3B-(C4H9)P+(C4H9)4
(여기서, Ar은 페닐, 나프틸, 치환된 (바람직하게는, 플루오로-치환된) 페닐, 치환된 나프틸, 및 더 많은 수의 융합된 방향족 고리를 갖는 유사한 기임), 뿐만 아니라 테트라메틸암모늄 n-부틸트라이페닐붕산염 및 테트라부틸암모늄 n-헥실-트리스 (3-플루오로페닐)붕산염, 및 그 혼합물을 포함한다.
적합한 에테르 전자 공여체 화합물은, 4,4'-다이메톡시바이페닐, 1,2,4-트라이메톡시벤젠, 1,2,4,5-테트라메톡시벤젠 등, 및 그 혼합물을 포함한다. 적합한 우레아 전자 공여체 화합물은, N,N'-다이메틸우레아, N,N-다이메틸우레아, N,N'-다이페닐우레아, 테트라메틸티오우레아, 테트라에틸티오우레아, 테트라-n-부틸티오우레아, N,N-다이-n-부틸티오우레아, N,N'-다이-n-부틸티오우레아, N,N-다이페닐티오우레아, N,N'-다이페닐-N,N'-다이에틸티오우레아 등, 및 그 혼합물을 포함한다.
자유 라디칼-유도 반응을 위해 바람직한 전자 공여체 화합물에는 하나 이상의 줄로리디닐 부분을 포함하는 아민, 알킬아릴붕산 염, 및 방향족 설핀산의 염이 포함된다. 그러나, 이러한 반응에서, 전자 공여체 화합물은 또한, (예를 들어, 광반응성 조성물의 저장 안정성을 개선하기 위하여, 또는 분해능, 콘트라스트, 및 상반성 (reciprocity)을 수정하기 위하여) 필요하다면, 제외될 수 있다. 산-유도 반응을 위해 바람직한 전자 공여 화합물에는 4-다이메틸아미노벤조산, 에틸 4-다이메틸아미노벤조에이트, 3-다이메틸아미노벤조산, 4-다이메틸아미노벤조인, 4-다이메틸아미노벤즈알데하이드, 4-다이메틸아미노벤조니트릴, 4-다이메틸아미노펜에틸 알코올, 및 1,2,4-트라이메톡시벤젠이 포함된다.
(3) 광개시제 (또는 전자 수용체) (Photoinitiators (또는 electron acceptors))
광반응성 조성물의 반응성 화학 종류를 위해 적합한 광개시제 (즉, 전자 수용체 화합물)는 다광자 감광제의 전자 여기 상태로부터 전자를 수용함으로써 감광되어, 그 결과로 하나 이상의 자유 라디칼 및/또는 산을 형성할 수 있는 것이다. 이러한 광개시제에는 요오도늄 염 (예를 들어, 다이아릴요오도늄 염), 설포늄 염 (예를 들어, 알킬 또는 알콕시 기로 선택적으로 치환되며, 선택적으로 인접 아릴 부분들을 가교하는 2,2' 옥시 기를 갖는 트라이아릴설포늄 염) 등, 및 그 혼합물을 포함한다.
광개시제는 바람직하게는 반응성 화학 종류에 가용성이 있으며 바람직하게는 저장 안정성이 있다 (즉, 감광제 및 전자 공여체 화합물의 존재 하에 반응성 화학 종류에 용해시 반응성 화학 종류의 반응을 자발적으로 촉진하지 않음). 따라서, 특정 광개시제의 선택은 상기한 바와 같은, 선택된 특정 반응성 화학 종류, 감광제, 및 전자 공여체 화합물에 따라 어느 정도 좌우될 수 있다. 반응성 화학 종류가 산-개시 화학 반응을 겪을 수 있는 경우, 광개시제는 오늄 염 (예를 들어, 요오도늄 염 또는 설포늄 염)이다.
적합한 요오도늄 염은, 미국 특허 5,545,676호 2열 28행 내지 46행에 팔라조토 등에 의해 기술된 것들을 포함한다. 적합한 요오도늄 염은, 미국 특허 3,729,313호, 3,741,769호, 3,808,006호, 4,250,053호 및 4,394,403호에도 기술되어 있다. 요오도늄 염은, 단순 염 (예를 들어, Cl-, Br-, I-또는 C4H5 SO3 -)와 같은 음이온을 함유하는) 또는 금속 복합 염 (예를 들어, SbF6 -, PF6 -, BF4 -, 테트라키스 (퍼플루오로페닐)붕산염, SbF5 OH- 또는 AsF6 -을 함유함)일 수 있다. 필요하다면, 요오도늄 염의 혼합물이 사용될 수 있다.
유용한 방향족 요오도늄 복합 염 광개시제의 예는, 다이페닐요오도늄 테트라플루오로붕산염; 다이 (4-메틸페닐)요오도늄 테트라플루오로붕산염; 페닐-4-메틸페닐요오도늄 테트라플루오로붕산염; 다이 (4-헵틸페닐)요오도늄 테트라플루오로붕산염; 다이 (3-니트로페닐)요오도늄 헥사플루오로인산염; 다이 (4-클로로페닐)요오도늄 헥사플루오로인산염; 다이 (나프틸)요오도늄 테트라플루오로붕산염; 다이 (4-트라이플루오로메틸페닐)요오도늄 테트라플루오로붕산염; 다이페닐요오도늄 헥사플루오로인산염; 다이 (4-메틸페닐)요오도늄 헥사플루오로인산염; 다이페닐요오도늄 헥사플루오로비산염; 다이 (4-페녹시페닐)요오도늄 테트라플루오로붕산염; 페닐-2-티에닐요오도늄 헥사플루오로인산염; 3,5-다이메틸피라졸일-4-페닐요오도늄 헥사플루오로인산염; 다이페닐요오도늄 헥사플루오로안티몬산염; 2,2 -다이페닐요오도늄 테트라플루오로붕산염; 다이 (2,4-다이클로로페닐)요오도늄 헥사플루오로인산염; 다이 (4-브로모페닐)요오도늄 헥사플루오로인산염; 다이 (4-메톡시페닐)요오도늄 헥사플루오로인산염; 다이 (3-카르복시페닐)요오도늄 헥사플루오로인산염; 다이 (3-메톡시카르보닐페닐)요오도늄 헥사플루오로인산염; 다이 (3-메톡시설포닐페닐)요오도늄 헥사플루오로인산염; 다이 (4-아세트아미도페닐)요오도늄 헥사플루오로인산염; 다이 (2-벤조티에닐)요오도늄 헥사플루오로인산염; 및 다이페닐요오도늄 헥사플루오로안티몬산염; 등; 및 그 혼합물을 포함한다. 방향족 요오도늄 복합 염은, J. Am. Chem. Chem. Soc. 81, 342 (1959).Soc에서의 베링거 (Beringer) 등의 설명에 따른 대응하는 방향족 요오도늄 단순 염 (예를 들어, 다이페닐요오도늄 비스설페이트와 같은)의 복분해 (metathesis)에 의해 준비될 수 있다.
바람직한 요오도늄 염은 다이페닐요오도늄 염(예를 들어, 다이페닐요오도늄 클로라이드, 다이페닐요오도늄 헥사플루오로인산염, 및 다이페닐요오도늄 테트라플루오로붕산염), 다이아릴요오도늄 헥사플루오로안티몬산염(예를 들어, 사토머 컴퍼니로부터 입수가능한 사캣(SarCat™) SR 1012), 및 그 혼합물을 포함한다.
유용한 설포늄 염에는 하기 화학식으로 나타내어질 수 있는, 미국 특허 제4,250,053호 (스미스(Smith)) 1열 66행 내지 4열 2행에 기재된 것들이 포함된다. 즉,
Figure pct00005
또는
Figure pct00006

여기서, R1, R2 및 R3는 각각 독립적으로 약 4 내지 약 20개의 탄소 원자를 갖는 방향족 기 (예를 들어, 치환되거나 비치환된 페닐, 나프틸, 티에닐, 및 푸라닐 - 치환은 알콕시, 알킬티오, 아릴티오, 할로겐 등과 같은 기로 이루어질 수 있음) 및 1 내지 약 20개의 탄소 원자를 갖는 알킬 기로부터 선택된다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "알킬"은 치환된 알킬(예를 들어, 할로겐, 하이드록시, 알콕시, 또는 아릴과 같은 기로 치환됨)을 포함한다. R1, R2 및 R3 중 적어도 하나는 방향족이며, 바람직하게는 각각이 독립적으로 방향족이다. Z는 공유 결합, 산소, 황, -S(=O)-, -C(=O)-, -(O=)S(=O)-, 및 -N(R)- (여기서, R은 아릴(약 6 내지 약 20개의 탄소를 갖는 것, 예를 들어 페닐), 아실(약 2 내지 약 20개의 탄소를 갖는 것, 예를 들어 아세틸, 벤조일 등), 탄소-대-탄소 결합, 또는 -(R4-)C(-R5)- (여기서, R4 및 R5는 독립적으로 수소, 1 내지 약 4개의 탄소 원자를 갖는 알킬 기, 및 약 2 내지 약 4개의 탄소 원자를 갖는 알켄일 기로 이루어진 군으로부터 선택됨)으로 이루어진 군으로부터 선택된다. X-는 하기한 바와 같은 음이온이다.
설포늄 염을 위해 (그리고 임의의 다른 유형의 광개시제를 위해) 적합한 음이온, X-에는, 예를 들어 이미드, 메타이드, 붕소 중심, 인 중심, 안티몬 중심, 비소 중심 및 알루미늄 중심 음이온이 포함된다.
적합한 이미드 및 메타이드 음이온의 예시적이지만 비제한적인 예는, (C2F5SO2)2N-, (C4F9SO2)2N-, (C8F17SO2)3C-, (CF3SO2)3C-, (CF3SO2)2N-, (C4F9SO2)3C-, (CF3SO2)2(C4F9SO2)C-, (CF3SO2)(C4F9SO2)N-, ((CF3)2NC2F4SO2)2N-, (CF3)2NC2F4SO2C-(SO2 CF3)2, (3,5-비스(CF3)C6H3)SO2N-SO2CF3, C6H5SO2C-(SO2CF3)2, C6H5SO2N-SO2CF3 등을 포함한다. 이러한 유형의 바람직한 음이온에는 화학식(RfSO2)3C-로 나타내어지는 것들이 포함되는데, 여기서 Rf는 1 내지 약 4개의 탄소 원자를 갖는 퍼플루오로알킬 라디칼이다. 적합한 붕소 중심 음이온의 예시적이지만 비제한적인 예에는 F4B-, (3,5-비스(CF3)C6H3)4B-, (C6F5)4B-, (p-CF3C6H4)4B-, (m-CF3C6 H4)4B-, (p-FC6H4)4B-, (C6F5)3(CH3)B-, (C6F5)3(n-C4H9)B-, (p-CH3C6H4)3(C6F5)B-, (C6F5)3FB-, (C6H5)3(C6F5)B-, (CH3)2(p-CF3C6H4)2B-, (C6F5)3(n-C18H37O)B- 등이 포함된다. 바람직한 붕소 중심 음이온은 일반적으로 붕소에 부착된, 3개 이상의 할로겐으로 치환된 방향족 탄화수소 라디칼을 포함하며 가장 바람직한 할로겐은 불소이다. 바람직한 음이온의 예시적이지만 비제한적인 예는 (3,5-비스(CF3)C6H3)4B-, (C6F5)4B-, (C6F5)3(n-C4H9)B-, (C6F5)3FB-, 및 (C6F5)3(CH3)B-를 포함한다.
다른 금속 또는 반금속 중심을 포함하는 적합한 음이온에는, 예를 들어 (3,5-비스(CF3)C6H3)4Al-, (C6F5)4Al-, (C6F5)2F4P-, (C6F5)F5P-, F6P-, (C6F5)F5Sb-, F6Sb-, (HO)F5Sb-, 및 F6As-가 포함된다. 전술한 목록은 총망라하고자 하는 것이 아니며, 다른 유용한 붕소 중심 비친핵성 염 뿐만 아니라 다른 금속 또는 반금속을 포함하는 다른 유용한 음이온이 (상기 일반식으로부터) 당업자에게 쉽게 명백할 것이다.
바람직하게는, 음이온, X-는 테트라플루오로붕산염, 헥사플루오로인산염, 헥사플루오로비산염, 헥사플루오로안티몬산염, 및 하이드록시펜타플루오로안티몬산염(예를 들어, 에폭시 수지와 같은 양이온 반응성 화학 종류과 함께 사용하기 위하여)으로부터 선택된다.
적합한 설포늄 염 광개시제의 예에는
트라이페닐설포늄 테트라플루오로붕산염
메틸다이페닐설포늄 테트라플루오로붕산염
다이메틸페닐설포늄 헥사플루오로인산염
트라이페닐설포늄 헥사플루오로인산염
트라이페닐설포늄 헥사플루오로안티몬산염
다이페닐나프틸설포늄 헥사플루오로비산염
트라이톨릴설포늄 헥사플루오로인산염
아니실다이페닐설포늄 헥사플루오로안티몬산염
4-부톡시페닐다이페닐설포늄 테트라플루오로붕산염
4-클로로페닐다이페닐설포늄 헥사플루오로인산염
트라이(4-페녹시페닐)설포늄 헥사플루오로인산염
다이(4-에톡시페닐)메틸설포늄 헥사플루오로비산염
4-아세토닐페닐다이페닐설포늄 테트라플루오로붕산염
4-티오메톡시페닐다이페닐설포늄 헥사플루오로인산염
다이(메톡시설포닐페닐)메틸설포늄 헥사플루오로안티몬산염
다이(니트로페닐)페닐설포늄 헥사플루오로안티몬산염
다이(카르보메톡시페닐)메틸설포늄 헥사플루오로인산염
4-아세트아미도페닐다이페닐설포늄 테트라플루오로붕산염
다이메틸나프틸설포늄 헥사플루오로인산염
트라이플루오로메틸다이페닐설포늄 테트라플루오로붕산염
p-(페닐티오페닐)다이페닐설포늄 헥사플루오로안티몬산염
10-메틸페녹사티이늄 헥사플루오로인산염
5-메틸티안트레늄 헥사플루오로인산염
10-페닐-9,9-다이메틸티옥산테늄 헥사플루오로인산염
10-페닐-9-옥소티옥산테늄 테트라플루오로붕산염
5-메틸-10-옥소티안트레늄 테트라플루오로붕산염
5-메틸-10,10-다이옥소티안트레늄 헥사플루오로인산염이 포함된다.
바람직한 설포늄 염은 트라이아릴 치환된 염, 예를 들어 트라이아릴설포늄 헥사플루오로안티몬산염(예를 들어, 사토머 컴퍼니로부터 입수가능한 SarCat™ SR1010), 트라이아릴설포늄 헥사플루오로인산염(예를 들어, 사토머 컴퍼니로부터 입수가능한 SarCat™ SR 1011), 및 트라이아릴설포늄 헥사플루오로인산염(예를 들어, 사토머 컴퍼니로부터 입수가능한 SarCat™ KI85)을 포함된다.
바람직한 광개시제는 요오도늄 염(더욱 바람직하게는, 아릴요오도늄 염), 설포늄 염, 및 그 혼합물을 포함한다. 아릴요오도늄 염 및 그 혼합물이 더욱 바람직하다.
광반응성 조성물의 제조( Preparation of Photoreactive Composition )
반응성 화학 종류, 다광자 감광제, 전자 공여체 화합물, 및 광개시제는 상기한 방법에 의해서 또는 본 기술 분야에 공지된 방법에 의해서 제조될 수 있으며, 다수는 구매가능하다. 이러한 네개의 성분은, "안전광 (safe light)" 조건 하에서 조합의 어떤 순서 및 방식을 이용해서든 (임의적으로, 교반 (stirring 또는 agitation)에 의해) 조합될 수 있지만, 최종으로 (다른 성분들을 용해시킬 수 있도록 임의적으로 이용되는 어떤 가열 단계든 후에) 광개시제를 첨가하는 것이 때로는 양호하다 (유통 기한 및 열적 안정성 관점에서). 조성물 성분들과의 알아차릴 만한 반응을 하지 않도록 용매가 선택되는 것을 전제로, 원한다면, 용매가 이용될 수 있다. 적합한 용매는, 예를 들어, 아세톤, 다이클로로메탄, 및 아세토니트릴을 포함한다. 또한, 반응성 화학 종류 자체가 때때로 다른 성분들에 대한 용매의 역할을 할 수 있다.
광개시제 시스템의 3가지 성분은 (위에서 정의된 바와 같이) 광화학적 유효량으로 존재한다. 일반적으로, 조성물은, 고체의 총중량 (즉, 용매가 아닌 다른 성분의 총중량)에 근거하여, 하나 이상의 반응성 화학 종류를 중량으로 적어도 약 5% (양호하게는, 적어도 약 10%; 더 양호하게는, 적어도 약 20%) 최대로 약 99.79% (양호하게는, 최대로 약 95%; 더 양호하게는, 최대로 약 80%); 하나 이상의 감광제를 중량으로 적어도 약 0.01% (양호하게는, 적어도 약 0.1%; 더 양호하게는, 적어도 약 0.2%) 최대로 약 10% (양호하게는, 최대로 약 5%; 더 양호하게는, 최대로 약 2%); 임의적으로, 하나 이상의 전자 공여체 화합물을 중량으로 최대로 약 10% (양호하게는, 최대로 약 5%) (양호하게는, 적어도 약 0.1%; 더 양호하게는, 약 0.1%로부터 약 5%까지); 및 하나 이상의 전자 수용체 화합물을 중량으로 약 0.1%로부터 약 10%까지 (양호하게는, 약 0.1%로부터 약 5%까지) 함유할 수 있다.
원하는 최종 용도에 따라, 매우 다양한 보조제가 광반응성 조성물 중에 포함될 수 있다. 적합한 보조제는 용매, 희석제, 수지, 결합제, 가소제, 안료, 염료, 무기 또는 유기 강화 또는 증량 충전제(바람직한 양은 조성물의 총 중량을 기준으로 약 10 중량% 내지 90 중량%), 요변성제, 지시제, 억제제, 안정제, 자외선 흡수제 등을 포함한다. 그러한 보조제의 양 및 유형, 및 보조제가 조성물에 첨가되는 유형은 당업자에게 친숙할 것이다.
예를 들어, 점도를 조절하고 필름 형성 특성을 제공하기 위해 조성물에 비반응성 중합체 결합제를 포함시키는 것이 본 발명의 범주에 속한다. 이러한 중합체 결합제는 일반적으로 반응성 화학 종류과 상용성이 있도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 반응성 화학 종류를 위해 사용되는 것과 동일한 용매에 가용성이며, 반응성 화학 종류의 반응 과정에 불리한 영향을 줄 수 있는 작용기가 없는 중합체 결합제가 사용될 수 있다. 바인더는, 원하는 필름 형성 특성 및 용매 리올로지 (solution rheology)를 달성하기에 적합한 분자량 (예를 들어, 약 5,000 달톤 내지 1,000,000 달톤; 양호하게는 약 10,000 달톤 내지 500,000 달톤; 더 양호하게는, 약 15,000 달톤 내지 250,000 달톤의 분자량)을 가질 수 있다. 적합한 중합체 결합제는, 예를 들어 폴리스티렌, 폴리 (메틸 메타크릴산염), 폴리 (스티렌)-코- (아크릴로니트릴), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트 등을 포함한다.
노광 전에, 필요하다면, 생성된 광반응성 조성물을 당업자에게 공지된 임의의 다양한 코팅 방법(예를 들어, 나이프 코팅 및 스핀 코팅을 포함함)으로 기재 상에 코팅할 수 있다. 기재는 특정 응용 및 사용할 노광 방법에 따라, 매우 다양한 필름, 시트 및 다른 표면(규소 웨이퍼 및 유리판을 포함함)으로부터 선택될 수 있다. 바람직한 기재는 일반적으로 균일한 두께를 가진 광반응성 조성물 층을 제조할 수 있기에 충분히 평탄하다. 코팅이 덜 바람직한 응용에 대해서, 광반응성 조성물은 대안적으로 벌크 형태로 노광될 수 있다.
노광 시스템 및 그의 사용 ( Exposure System and Its Use )
본 발명의 방법을 수행할 때, 광반응성 조성물은 다광자 흡수가 일어나도록 하는 조건 하에서 광에 노광될 수 있어서, 노광 전의 광반응성 조성물과 비교할 때 차이가 있는 용해도 특성(예를 들어, 특정 용매에서 더 작은 또는 더 큰 용해도)의 영역을 야기할 수 있다. 그러한 노광은 광의 충분한 강도를 달성할 수 있는 임의의 공지 수단에 의해 성취될 수 있다.
이용될 수 있는 제조 시스템의 하나의 예시적 유형은 광원, 최종 광학 소자 (임의적으로, 빔 발산을 제어하기 위한 갈보-거울 및 망원경을 포함하는)를 포함하는 광학 시스템, 및 이동성 스테이지를 포함할 수 있다. 스테이지 16은 1차원, 2차원, 또는, 더 일반적으로는, 3차원적으로 이동할 수 있다. 스테이지 상에 장착된 기재는 그 위에 광반응성 조성물 층을 갖는다. 광원으로부터 유래하는 광 빔은 광학 시스템을 통과하고, 광 빔을 층 내의 점 P에 초점을 맞추는, 최종 광학 소자를 통해 떠나며, 그럼으로써, 조성물 내에서의 광 강도의 3차원적 공간 분배를 제어하고, 점 P의 근처에서 광반응성 조성물의 적어도 일부가, 하나 이상의 용매 속에, 광 빔에 노출하기 직전보다 더 많이 또는 더 적게 용해할 수 있게 한다. 용해성의 변화를 유발하는 점 P의 근처에서 노출되는 광반응성 조성물의 부분은 3차원적 화소, 또는 복셀이다.
광학 시스템의 하나 이상의 요소들을 이동시키는 것과의 조합으로, 스테이지를 이동시키거나, 또는 광 빔을 지향시킴으로써 (예를 들어, 갈보-거울 및 망원경을 이용하여 레이저 빔을 이동시킴으로써), 초점 P가 스캔되거나 또는 원하는 형상에 대응하는 3차원적 패턴으로 직동될 수 있다. 그 후, 생성되는 광반응성 조성물의 반응된 또는 부분적으로 반응된 부분이 원하는 형상의 3차원적 구조체를 생성한다. 예를 들어, 단일의 패스 (pass)에서, 현상시에 하나 또는 어레이의 미세 노즐의 몰드 패턴을 만들기 위해 이용되는 하나 이상의 노즐 구멍 형성 요소의 형태로 있을 수 있는, 미세 노즐 몰드 패턴의 하나 이상의 구멍 형성 요소들의 표면 프로필 (약 하나의 볼륨 픽셀 (volume pixel) 또는 복셀의 두께에 대응하는)이 노출 또는 촬상될 수 있다.
미세 노즐 몰드 패턴의 표면 프로필의 노출 또는 촬상은, 적어도 원하는 3차원 구조체의 평면 슬라이스의 주위를 스캔하고, 그 후, 구조체를 완료하기 위해, 복수의 양호하게는 평행한, 평면의 슬라이스를 스캔함으로써, 수행될 수 있다. 슬라이스 두께는 각각의 노즐 구멍 형성 요소의 형상을 위해 충분히 높은 분해능을 달성하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 높은 구조물 충실도를 달성하는 것을 돕기 위해 더 작은 슬라이스 두께가 더 큰 구조물 테이퍼의 영역에서 바람직할 수 있지만, 유용한 제작 시간을 유지하는 것을 돕기 위해 더 큰 슬라이스 두께가 더 작은 구조물 테이퍼의 영역에서 사용될 수 있다. 이 방식으로, 슬라이스 두께보다 더 작은 (양호하게는, 슬라이스 두께의 약 절반 미만; 더 양호하게는, 슬라이스 두께의 약 4분의 1 미만 )의 크기를 갖는 매우 세세한 요소들이 제조 속도 (단위 시간 당 제작되는 미세 노즐 몰드 패턴 또는 어레이의 처리량 또는 개수)를 희생시킴이 없이 달성될 수 있다.
광원은 다광자 흡수를 실행하기에 충분한 광 강도를 생성하는 어떤 광원이든 될 있다. 적합한 소스는, 예를 들어, 아르곤 이온 레이저 (예를 들어, 코히런트로부터 "INNOVA"로서 입수 가능한 것)에 의해 펌핑되는 펨토초 근접 적외선 티타늄 사파이어 진동자 (예를 들어, 미국, 캘리포니아, 산타 클라라 소재의 코히런트 (Coherent)로부터 "MIRA OPTIMA 900-F"로서 입수 가능한 것)를 포함한다. 76 MHz에서 작동하는 이러한 레이저는 200 펨토초 미만의 펄스 폭을 갖고, 700 내지 980㎚ 사이에서 조정 가능하고, 최대 1.4 와트의 평균 출력을 갖는다. 다른 유용한 레이저는 미국, 캘리포니아, 마운틴 뷰 소재의 스펙트라-피직스 (Spectra-Physics)로부터 상표명 "마이 타이 (MAI TAI)"로 입수 가능하며, 750 내지 850 나노미터 범위의 파장까지 조정 가능하고, 80 메가헤르츠의 반복 주파수와 약 100 펨토초 (1x10-13초)의 펄스 폭과 최대 1 와트의 평균 출력 수준을 갖는다.
그러나, 광반응성 조성물에 사용된 다광자 흡수기에 적절한 파장에서 다광자 흡수를 수행하기에 충분한 강도를 제공하는 임의의 광원 (예를 들어, 레이저)이 사용될 수 있다. 그러한 파장은, 일반적으로 약 300 내지 약 1500㎚의 범위 내; 양호하게는, 약 400㎚ 내지 약 1100㎚; 더 양호하게는, 약 600㎚ 내지 약 900㎚; 더 양호하게는, 약 750㎚ 내지 약 850㎚ 포괄적일 수 있다. 전형적으로, 광 에너지 밀도 (예를 들어, 펄스 레이저의 피크 강도)는 약 106 W/㎠보다 크다. 광 에너지 밀도의 상한은 일반적으로 광반응성 조성물의 애블레이션 임계값 (ablation threshold)에 의해 규정된다. 예를 들어, Q-스위치드 Nd:YAG 레이저 (예를 들어, 스펙트라 피직스로부터 "QUANTA-RAY PRO"로서 입수 가능한 것), 가시적 파장 다이 레이저 (예를 들어, 상품명 "Quanta-Ray PRO"를 갖는 스펙트라 피직스로부터의 Q-스위치드 Nd:YAG 레이저에 의해 펌핑되는 스펙트라 피직스로부터 "SIRAH"로서 입수 가능한 것), 및 Q-스위치드 다이오드 펌핑 레이저 (예를 들어, 스펙트라 피직스로부터 "FCBAR"로서 입수 가능한 것)가 활용될 수도 있다.
양호한 광원은 약 10-8초 미만 (더 양호하게는, 약 10-9초 미만; 가장 양호하게는, 약 10-11초 미만)의 펄스 길이를 갖는 근접 적외선 펄스 레이저이다. 위의 피크 강도 및 애블레이션 임계값이 충족되는 한 다른 펄스 길이가 사용될 수 있다. 펄스 방사는 예를 들어 약 1 킬로헤르츠 내지 최대 약 50 메가헤르츠, 또는 심지어 그 이상의 펄스 주파수를 가질 수 있다. 연속 파형 레이저가 또한 사용될 수 있다.
광학 시스템은, 예를 들어, 굴절적 광학 소자 (예를 들어, 렌즈 또는 마이크로렌즈 어레이), 반사적 광학 소자 (예를 들어, 역반사체 또는 초점 거울), 회절적 광학 소자 (예를 들어, 격자, 위상 마스크, 및 홀로그램), 편광 광학 소자 (예를 들어, 선형 편광자 및 파장판), 발산성 광학 소자 (예를 들어, 프리즘 및 격자), 산광기, 포켈즈 셀 (Pockels cells), 도파관, 등을 포함할 수 있다. 그러한 광학 요소는 집광, 광선 반송, 광선/모드 형상화, 펄스 형상화 및 펄스 타이밍에 유용하다. 일반적으로, 광학 요소들의 조합이 사용될 수 있고, 다른 적절한 조합이 당업자에 의해 인지될 것이다. 최종 광학 소자는, 예를 들어, 하나 이상의 굴절적, 반사적, 및/또는 회절적 광학 소자를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 예를 들어, 현미경 관찰에서 이용되는 것과 같은 대물렌즈는, 예를 들어, 카알 자이즈 (Carl Zeiss), 노스아메리카 (North America), 톤우드 (Thornwood), 뉴욕 (New York)과 같은 상업적 출처로부터 편리하게 입수되고, 최종 광학 소자로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 제조 시스템은 0.75 개구수 (NA) 대물 렌즈 (예를 들어, 카알 자이즈, 노스 아메리카로부터 "20X FLUAR"로서 입수 가능한 것과 같은)를 구비한 스캐닝 공초점 현미경 (예를 들어, 미국, 캘리포니아, 헤라클래스 소재의 바이오 래드 래보라토리즈 (Bio-Rad Laboratories)로부터 "MRC600"로서 입수 가능한 것)을 포함할 수 있다.
고집광 광을 제공하기 위해 상대적으로 큰 개구수의 광학장치를 사용하는 것이 종종 바람직할 수 있다. 그러나, 원하는 강도 프로파일 (및 그 공간 배치)을 제공하는 광학 요소들의 임의의 조합이 사용될 수 있다.
노광 횟수는 대체로 광반응성 조성물 내의 반응성 화학 종류의 반응을 유발하기 위해 사용된 노광 시스템의 유형 (및 그의 수반하는 변수들, 예를 들어 개구수, 광 강도 공간 분포의 기하학적 형태, 레이저 펄스 동안의 피크 광 강도 (더 높은 강도 및 더 짧은 펄스 지속이 대략적으로 피크 광 강도에 대응함)) 뿐만 아니라 광반응성 조성물의 성질에 좌우된다. 일반적으로, 초점 영역의 더 높은 피크 광 강도는 더 짧은 노광 횟수를 허용하며, 다른 모든 것도 마찬가지이다. 선형 이미지 형성 또는 "기록 (writing)" 속도는 일반적으로 약 10-8 내지 10-15초 (예를 들어, 약 10-11 내지 10-14초)의 레이저 펄스 지속 및 초당 약 102 내지 109펄스 (예를 들어, 초당 약 103 내지 108펄스)를 사용하여 약 5 내지 100,000 마이크로미터/초일 수 있다.
노출되는 광반응성 조성물의 용매 현상을 가능하게 하고 제조된 미세 노즐 몰드 패턴 구조체를 얻기 위해, 한계 선량의 빛 (즉, threshold dose)이 활용될 수 있다. 이 한계 선량은 일반적으로 과정 고유의 것이고, 예를 들어, 파장, 펄스 주파수, 빛의 강도, 특정한 광반응성 조성물, 제조되는 특정한 미세 노즐 몰드 패턴 구조체, 또는 용매 현상을 위해 이용되는 과정과 같은 변수에 의존할 수 있다. 따라서, 공정 파라미터의 각 세트는 전형적으로 한계선량에 의해 특성화될 수 있다. 한계선량보다 더 많은 광의 양이 사용될 수 있고, 유익할 수 있지만, (일단 한계선량을 초과하는) 더 많은 양은 전형적으로 더 늦은 기록 속도 및/또는 더 높은 광 강도와 함께 사용될 수 있다.
광의 양을 증가시키는 것은 공정에 의해 발생된 복셀의 체적 및 종횡비 (aspect ratio)를 증가시키는 경향이 있다. 따라서, 낮은 종횡비의 복셀을 획득하기 위해, 한계선량의 약 10배 미만인, 바람직하게는 한계선량의 약 4배 미만인, 더 바람직하게는 한계선량의 약 3배 미만인 광 양을 사용하는 것이 대체로 바람직하다. 낮은 종횡비의 복셀을 얻기 위해, 광 빔의 반경 방향 강도 프로필은 양호하게는 가우시안 (Gaussian)이다.
다광자 흡수를 통해, 광 빔은, 비노출되는 광반응성 조성물의 특성과 상이한 용해성 특성을 갖는 재료의 체적 구역을 생성하는 광반응성 조성물의 반응을 유도한다. 그 다음, 차이가 있는 용해도의 결과적인 패턴이 종래의 현상 공정에 의해, 예를 들어 노광 또는 비노광 영역을 제거함으로써 실현될 수 있다.
노광된 광반응성 조성물은, 예를 들어 더 높은 용매 용해도의 영역을 용해시키기 위해 노광된 광반응성 조성물을 용매 안에 배치하는 것에 의해, 용매로 헹구는 것에 의해, 증발에 의해, 산소 플라즈마 에칭에 의해, 다른 공지된 방법에 의해 그리고 이들의 조합에 의해, 현상될 수 있다. 노출되는 광반응성 조성물을 현상하기 위해 이용될 수 있는 용매는, 예를 들어, 물 (예를 들어, 1 내지 12 범위 내의 pH를 갖는)과 같은 수성 용매, 유기 용매와 물의 혼화성 혼합물 (예를 들어, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아세톤, 아세토니트릴, 디메틸포름아미드, N-메틸피롤리돈 등, 및 그 혼합물); 및 유기 용매를 포함한다. 예시적인 유용한 유기 용매는 알코올 (예를 들어, 메탄올, 에탄올 및 프로판올), 케톤 (예를 들어, 아세톤, 사이클로펜타논 및 메틸 에틸 케톤), 방향족 물질 (예를 들어, 톨루엔), 할로카본 (예를 들어, 메틸렌 클로라이드 및 클로로폼), 니트릴 (예를 들어, 아세토니트릴), 에스테르 (예를 들어, 에틸 아세테이트 및 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트), 에테르 (예를 들어, 다이에틸 에테르 및 테트라하이드로푸란), 아미드 (예를 들어, N-메틸피로리돈) 등 및 그 혼합물을 포함한다.
다광자 흡수 조건 하에서 노광 후의 그러나 용매 현상 전의 선택적인 베이크 (bake)가, 예를 들어 에폭시-유형 반응성 화학 종류와 같은 몇몇 광반응성 조성물을 위해 유용할 수 있다. 전형적인 베이크 조건은 약 0.5분 내지 약 20분 범위의 시간에 대해 약 40℃ 내지 약 200℃ 범위의 온도를 포함한다.
임의적으로, 양호하게는 용매 현상이 뒤따르는, 미세 노즐 몰드 패턴 또는 어레이의 표면 프로필만의 노출 후에, 잔류하는 미반응 광반응성 조성물의 반응을 실행하기 위해, 화학선 방사 (actinic radiation)를 이용하는 비이미지 노출 (nonimagewise exposure)이 수행될 수 있다. 그러한 비이미지 방식의 노광은 바람직하게는 일-광자 공정을 사용하여 실행될 수 있다.
복합 3차원적 미세 노즐 및 미세 노즐 어레이가 이 방식으로 준비될 수 있다.
실시예
미세구조체 실시예 (Microstructure Embodiments)
도 26a 내지 도 26f를 보면, 노즐 구멍 형성 요소 또는 미세구조체의 한 실시예는, 그 미세구조체 상단 (802)의 형상에 의해 나타낸 바와 같이, 원형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡면 측부 (804) 및 평면 제어 공동 형성 요소 (800)와 함께, 원형 기부 (806)를 포함한다.
도 27을 보면, 노즐 구멍 형성 요소 또는 미세구조체의 다른 한 실시예는, 그 미세구조체 상단 (810)의 형상에 의해 나타낸 바와 같이, 원형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡면 측부 (812) 및 평면 제어 공동 형성 요소 (808)와 함께, 원형 기부 (814)를 포함한다. 곡면 측부 (812)는, 서로에 대해 이격되고 평행한 다중 원주 홈 (816) 형태로 기부 (814)와 상단 (810) 사이의 대략 중간에서 시작하는, 한 세트의 제1 환형 유체 유동 분열 요소를 포함한다. 그러한 요소 (818)의 제2 세트가 기부 (814)의 다음에 형성되고 서로에 대해 인접하게 배치되어 있다. 도 28의 노즐 구멍 형성 요소 또는 미세구조체는, 그 미세구조체 상단 (822)의 형상에 의해 나타낸 바와 같이, 원형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡면 측부 (824) 및 평면 제어 공동 형성 요소 (820)와 함께, 원형 기부 (828)를 포함한다. 곡면 측부 (824)는 다양한 별개의 또는 점 소스 유체 유동 분열 요소 (825, 826 및 827)를 포함한다. 유체 유동 분열 요소는, 노즐 관통 구멍의 내측의 표면에 대해 덧붙여질 때, 노즐 관통 구멍을 통해 흐르는 유체에 대해 분열을 유발하는 요소이다. 그러한 요소는, 예를 들어, 노즐 관통 구멍을 통해 흐르는 유체에서의 (a) 캐비테이션, (b) 난류, (c) 압력파 중 어떤 하나 또는 조합이든 유발 또는 유도하며, 노즐 구멍 출구 너머로 흐르는 유체에 대한 변화로 귀결되는 요소를 포함할 수 있다.
도 29의 노즐 구멍 형성 미세구조체는, 그 미세구조체 상단 (832)의 형상에 의해 나타낸 바와 같이, 원형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡면 측부 (834) 및 평면 제어 공동 형성 요소 (830)와 함께, 원형 기부 (836)를 포함한다. 곡면 측부 (834)는, 대응하는 노즐 관통 구멍을 통해 흐르는 유체가 구멍 출구를 통해 빠져나가기 전에 여러 번 수렴 및 발산하게 하는, 이중 또는 다중 수렴/발산 유체 유동 요소를 포함하도록 구성된다. 도 30의 노즐 구멍 형성 미세구조체는, 마찬가지로, 그 미세구조체 상단 (840)의 형상에 의해 나타낸 바와 같이, 원형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡면 측부 (842) 및 평면 제어 공동 형성 요소 (838)와 함께, 원형 기부 (844)를 포함한다. 곡면 측부 (842)는 도 29의 실시예에서와 유사하게 구성되지만, 노즐 관통 구멍을 통해 흐르는 유체가 구멍 출구를 통해 빠져나가기 전에 한번 수렴 및 발산하게 하는, 단일의 수렴/발산 유체 유동 요소를 갖는다.
도 31a 및 도 31b를 보면, 대안적 노즐 구멍 형성 미세구조체는, 그 미세구조체 상단 (848)의 별 모양 형상에 의해 나타낸 바와 같이, 별 모양 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡선 측부 (850) 및 평면 제어 공동 형성 요소 (846)와 함께, 원형 기부 (852)를 포함한다. 도 31b는 대응하는 구멍 출구를 위해 예상되는 별 모양을 보이도록 제거되는 평면 제어 공동 형성 요소 (846)를 갖는 도 31a의 미세구조체를 도시한다. 별 모양 상단 (848), 및 그러므로 대응하는 구멍 출구는, 휠의 스포크처럼 코어 (848a)로부터 벗어나서 연장하는 복수의 직사각형 형상의 슬롯 또는 브랜치 (848b)에 의해 한정된다. 다섯개의 직사각형 슬롯 (848b)이 예시되어 있지만, 다른 브랜치 형상 및 상이한 개수의 브랜치가 바람직할 수 있을 것이다. 측부 (850)는 브랜치 (848b)의 각각을 위해 곡면형 섹션 (850a) 및 선형 섹션 (850b)을 포함한다.
도 32a 및 도 32b의 노즐 구멍 형성 미세구조체는, 그 미세구조체 상단 (880)의 형상에 의해 나타낸 바와 같이, 십자형 또는 X자형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡선 측부 (858) 및 평면 제어 공동 형성 요소 (854)와 함께 원형 기부 (860)를 포함한다. 도 32b는 대응하는 구멍 출구를 위해 예상되는 형상을 보이도록 제거되는 평면 제어 공동 형성 요소 (854)를 갖는 도 32a의 미세구조체를 도시한다. 상단 (856), 및 그러므로 대응하는 구멍 출구는, 휠의 스포크처럼 코어 (856a)로부터 벗어나서 연장하는 네 개의 직사각형 형상의 슬롯 또는 브랜치 (856b)에 의해 한정된다. 측부 (858)는 브랜치 (856b)의 각각을 위해 곡면형 섹션 (858a) 및 선형 섹션 (858b)을 포함한다.
유사하게, 도 33의 노즐 구멍 형성 미세구조체는, 그 미세구조체 상단 (864)의 형상에 의해 나타낸 바와 같이, 십자형 또는 X자형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡선 측부 (866) 및 평면 제어 공동 형성 요소 (862)와 함께, 원형 기부 (868)를 포함한다. 상단 (864), 및 그러므로 대응하는 구멍 출구는, 휠의 스포크처럼 코어로부터 벗어나서 연장하는 네 개의 직사각형 형상의 슬롯 또는 브랜치에 의해 한정된다. 측부 (866)는 브랜치의 각각을 위해 곡면형 섹션 (866a) 및 선형 섹션 (866b)을 포함한다. 도 34의 노즐 구멍 형성 미세구조체는, 그 미세구조체 상단 (872)의 형상에 의해 나타낸 바와 같이, 십자형 또는 X자형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡선 측부 (874) 및 평면 제어 공동 형성 요소 (870)와 함께, 원형 기부 (876)를 포함한다. 상단 (872), 및 그러므로 대응하는 구멍 출구는, 휠의 스포크처럼 코어로부터 벗어나서 연장하는 네 개의 직사각형 형상의 슬롯 또는 브랜치에 의해 한정된다. 측부 (874)는 브랜치의 각각을 위해 곡면형 섹션 (874a) 및 선형 섹션 (874b)을 포함한다. 기부 (876)는 원주 곡면형 필릿 (874c)에 의해 측부 (874)에 대해 연결된다. 도 35의 노즐 구멍 형성 미세구조체는, 그 미세구조체 상단 (880)의 형상에 의해 나타낸 바와 같이, 십자형 또는 X자형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡선 측부 (882) 및 평면 제어 공동 형성 요소 (878)와 함께, 원형 기부 (884)를 포함한다. 상단 (880), 및 그러므로 대응하는 구멍 출구는, 휠의 스포크처럼 코어로부터 벗어나서 연장하는 네 개의 직사각형 형상의 슬롯 또는 브랜치에 의해 한정된다. 측부 (882)는 브랜치의 각각을 위해 곡면형 섹션 (882a) 및 선형 섹션 (882b)을 포함한다. 도 36의 노즐 구멍 형성 미세구조체는, 그 미세구조체 상단 (888)의 형상에 의해 나타낸 바와 같이, 십자형 또는 X자형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡선 측부 (890) 및 평면 제어 공동 형성 요소 (886)와 함께, 기부 (892)를 포함한다. 상단 (888), 및 그러므로 대응하는 구멍 출구는, 휠의 스포크처럼 코어로부터 벗어나서 연장하는 네 개의 직사각형 형상의 슬롯 또는 브랜치에 의해 한정된다. 측부 (890)는 브랜치의 각각을 위해 곡면형 섹션 (890a) 및 선형 섹션 (890b)을 포함한다.
대조적으로, 도 37의 노즐 구멍 형성 미세구조체는 원형 기부 (898)를 포함하지만, 그 미세구조체 상단 (896)의 형상에 의해 나타낸 바와 같이, 십자형 또는 X자형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는, 직선 측부 (897)및 평면 제어 공동 형성 요소 (894)를 포함한다. 상단 (896), 및 그러므로 대응하는 구멍 출구는, 휠의 스포크처럼 코어로부터 벗어나서 연장하는 네 개의 직사각형 형상의 슬롯 또는 브랜치에 의해 한정된다. 측부 (897)는 브랜치의 각각을 위해 제1 곡면형 섹션 (897a) 및 제2 선형 섹션 (897b)을 포함한다.
도 38a 내지 도 38d를 보면, 노즐 구멍 형성 미세구조체의 상이한 실시예는, 그 미세구조체 상단 (1102)의 형상에 의해 나타낸 바와 같이, 단일의 직사각형 슬롯형 구멍 출구를 형성하도록 구성되는 곡선 측부 (1104) 및 평면 제어 공동 형성 요소 (1100)와 함께, 반원형 기부 (1106)를 포함한다. 상단 (1102) 및 그러므로 대응하는 구멍 출구는 단일의 직사각형 형상의 슬롯에 의해 한정된다. 측부 (1104)는 단일의 곡면형 섹션 (1104a) 및 선형 섹션 (1104b)을 포함한다.
위에서 기술된 요소들 중 어떤 두 개 이상이든 주어진 노즐 구멍 형성 미세구조체 속에 조합하는 것이 바람직할 수 있을 것이다.
도 31 내지 도 36 및 도 38의 미세구조체의 곡선 측부 구조체 (즉, 곡면형 및 선형 섹션의 각각의 세트)뿐만 아니라, 도 37 미세구조체의 직선의 측부 구조체도, 노즐 관통 구멍을 한정하는 내측의 표면을 따라 두 개 이상의 상이한 경로를 따라 유체가 흐르는 결과로서, 거기를 통해 흐르는 유체의 상이한 부분들이 두 개 이상의 상이한 힘 벡터로 그 구멍 출구를 향해 이동하고 도달하게 하는, 대응하는 내측의 표면을 갖는 노즐 관통 구멍을 생성할 것으로 생각된다. 그러한 상이한 힘 벡터는 유체가 구멍 출구를 빠져나감에 따라 유체를 전단하는 것으로 귀결될 것이며, 결국, 구멍 출구 너머의 밖에서 더 작은 유체 방울을 형성하게 할 것으로 생각된다. 이론상, 유체가 구멍 출구를 빠져나감에 따라 유체에 가해지는 전단력을 증가시키는 것은 한층 더 작은 방울들을 생성할 수 있을 것으로 생각되기도 한다. 휠의 스포크처럼 코어로부터 밖으로 연장하는 슬롯 또는 브랜치를 갖는 노즐 관통 구멍의 경우에 (예를 들어, 도 31 내지 도 37의 미세구조체처럼), 유체가 구멍 출구를 빠져나감에 따라 그러한 전단력은 각각의 슬롯 또는 브랜치의 밖에서 흐르는 유체가 브랜치의 개수와 대등한 수의 개별적 스트림으로 분리되게 할 것으로 생각되기도 한다. 이러한 스트림의 각각은, 결국, 분기된 구멍 출구의 총 개구 면적과 동일한 원형 또는 직사각형 구멍으로부터 형성되는 방울들보다 더 작은 방울들을 형성할 것으로 생각되기도 한다. 이러한 더 작은 방울들은, 동일한 총 출구 개구 면적의 단일의 원형 또는 직사각형 구멍 출구로부터 형성되는 방울들에 비해, 대략적으로 구멍 출구를 형성하는 브랜치들의 개수만큼 많은 배수로 더 작아질 수 있을 것이다.
도 39a 내지 도 39c를 보면, 몰드 형성 미세구조화 패턴 (1116)의 한 실시예는, 복제 노즐 구멍 형성 미세구조체 또는 요소 (1108), 복제 평면 제어 공동 형성 요소 (1112), 및 복제 추가 유체 흡입 채널 형성 요소 (1114)의 단일의 중앙 배치 그룹 또는 어레이를 포함한다. 미세구조화 패턴 (1116)은, 위 설명들에 따라, 다중 광자들을 동시적으로 흡수함으로써 다광자 반응에 들어갈 수 있는 재료 (1135)를 이용하여 기재 (1110) 상에 형성된다. 도 40a 내지 도 40c를 보면, 도 39의 몰드 형성 미세구조화 패턴 (1116)을 이용하여 형성되는 미세구조화 노즐 (1118)은 패턴 (1116)의 중앙에 배치되는 노즐 관통 구멍 (1122)의 클러스터 및 추가 유체 흡입 채널 (1120)으로부터 이격된 한 세트를 포함한다. 각각의 관통 구멍 (1122)은 구멍 입구 (1128)를 구멍 출구 (1124)에 연결하는 내면 (1126)을 포함한다. 알 수 있듯이, 노즐 관통 구멍 (1122)의 구멍 입구 (1128)는 노즐 판 (1118)의 중앙에서 서로 꽉 채워져 있지만, 구멍 출구 (1124)는 이격되어 있다. 구멍 입구 (1128)의 면적이 구멍 출구 (1124)의 면적보다 현저하게 더 크기 때문에, 이것이 가능하다. 채널 (1120)의 각각은 관통 구멍 클러스터의 외부 주변부 상에 배치되는 하나의 관통 구멍 (1122a)에 대해서만 연결된다. 잔류하는 관통 구멍 (1122b)은 어떤 채널 (1120)에 대해서도 그렇게 연결되지 않는다. 채널 (1120)은 다른 관통 구멍 (1122b)에 공급하는 소스로부터 별도의 유체 소스로부터 노즐 (1118)을 통해 추가적 유체를 공급하기 위해 이용될 수 있다.
이 노즐의 관통 구멍 출구는 크기 (예를 들어, 직경)가 매우 작을 수 있기 때문에, 이 발명의 노즐의 관통 구멍 입구는, 예를 들어, 도 40 및 도 41에 도시된 바와 같이, 서로 밀접하게 배치되거나 또는 꽉 채워질 수 있다. 관통 구멍 입구가 그렇게 밀접하게 꽉 채워지는 것은, 구멍 입구를 그렇게 밀접하게 꽉 채우는 것이 관통 구멍 입구 개구들 사이의 표면 면적을 제거할 수 있거나 또는 적어도 현저하게 감소시킬 수 있을 것이기 때문에, 노즐을 통과하는 유체에 의해 노즐의 입구 측부 표면에 대해 가해지는 어떤 유해한 배압 (back pressure)이든지의 전부, 대부분 또는 적어도 상당한 양을 적어도 감소시킬 수 있고, 제거할 수도 있을 것이다. 구멍 입구가 구멍 출구보다 훨씬 더 크면, 감소되게 테이퍼 된 내부 벽을 갖거나 또는 다른 방식으로 구멍 입구로부터 구멍 출구까지의 곡면형 호를 포함하는 관통 구멍을 이용함으로써 배압의 감소가 또한 용이해진다.
도 41의 미세구조화 노즐 (1130)은 노즐 관통 구멍 (1134) 및 대안적 추가 유체 흡입 채널 (1132)의 대안적 패턴을 포함한다. 알 수 있듯이, 노즐 관통 구멍 (1132)의 두개의 그룹 또는 어레이가 있다. 관통 구멍 (1134a)의 한 그룹은 노즐 판 (1130)의 외원주 주변부에 인접하게 배치되는 원형 패턴으로 있다. 다른 그룹의 관통 구멍 (1134b)은 노즐 (1130) 상의 중앙에 배치된다. 추가 유체 흡입 채널 (1132)의 각각은 노즐 관통 구멍의 외부 링을 형성하는 관통 구멍 (1134a) 중 하나에만 연결된다.
도 42a 및 도 42b를 보면, 몰드 형성 미세구조화 패턴 (1136)의 다른 한 실시예는 복제 노즐 구멍 형성 미세구조체 또는 요소 (1138)의 두개의 그룹 또는 어레이를 포함하며, 복제 분리 링 (1140) 상에 배치된 적어도 3개 및 양호하게는 4개의 복제 평면 제어 공동 형성 요소 (1142)를 갖는 추가적 또는 대안적 세트를 갖는, 대응하는 복제 평면 제어 공동 형성 요소 및 복제 링형 노즐 분리 요소 (1140)는 임의적이다. 복제 노즐 구멍 형성 미세구조체 (1138a)의 한 그룹은 분리 링 (1140)에 인접하게 배치되는 원형 패턴이고, 복제 노즐 구멍 형성 미세구조체 (1138b)의 다른 그룹은 몰드 형성 미세구조화 패턴 (1136) 상에서 중앙에 배치된다. 미세구조화 패턴 (1136)은 위 설명에 따라 기재 (1110) 상에 형성된다. 복제 평면 제어 공동 형성 요소 (1142)가 복제 분리 링 (1140) 상에 형성되면, 복제 노즐 구멍 형성 미세구조체 (1138)는 자신들의 복제 평면 제어 공동 형성 요소를 요구하지 않을 수 있을 것이다. 대안적으로, 각각의 미세구조체 (1138)를 위해 요소 (1142)를 이용하거나 또는 복제 평면 제어 공동 형성 요소를 이용하는 대신에, 복제 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는 복제 노즐 구멍 형성 미세구조체 (1138)의 개수는 적어도 3 및 양호하게는 4로 제한될 수 있을 것이다. 제조를 쉽게 하기 위해, 복제 분리 링 (1140)은, 한번에 하나를 제조하기보다는 한 회분의 노즐들을 한꺼번에 제조하는 것이 바람직한 경우에 이용되는, 두 개 이상의 복제 노즐 연결 요소 (1144)를 포함할 수 있다. 이 요소 (1144)는 아래에서 더 상세하게 기술하겠다. 몰드 형성 미세구조화 패턴 (1136)은 미세구조화 몰드 패턴 또는 제1 몰드 (1146) (가상으로 도시된)를 형성하기 위해 이용될 수 있다.
도 43a 내지 도 43d를 보면, 도 42의 몰드 형성 미세구조화 패턴 (1136)을 이용하여 만들어지는 미세구조화 몰드 패턴 또는 제1 몰드 (1146)는, 제1 몰드 (1146)가 복제 노즐 구멍 (1148a)의 대응하는 외부 링, 복제 노즐 구멍 (1148b)의 중앙 클러스터, 및 짝을 맞춘 개수의 복제 평면 제어 공동 (1152) 및 노즐 연결 홈 (1154)을 포함하는 환형 분리 채널 (1150)을 갖는, 패턴 (1136)의 네거티브 이미지이다.
도 44a 및 도 44b를 보면, 노즐 형성 미세구조화 패턴 (1156)은 도 43의 미세구조화 몰드 패턴 (1146)을 이용하여 만들어진다. 패턴 (1156)은, 노즐 구멍 형성 미세구조체 또는 요소 (1158)의 두개의 그룹 또는 어레이를 포함하며, 분리 링 (1160) 상에 배치된 적어도 3개 및 양호하게는 4개의 평면 제어 공동 형성 요소 (1162)를 갖는 추가적 또는 대안적 세트를 갖는, 대응하는 평면 제어 공동 형성 요소 및 링형 노즐 분리 요소 (1160)는 임의적이다. 노즐 구멍 형성 미세구조체 (1158a)의 한 그룹은 분리 링 (1160)에 인접하게 배치되는 원형 패턴이고, 노즐 구멍 형성 미세구조체 (1158b)의 다른 그룹은 미세구조화 몰드 패턴 (1146) 상에서 중앙에 배치된다. 미세구조화 몰드 패턴 (1146)은, 예를 들어, 위 설명에 따라 미세구조화 몰드 패턴 (1146)을 이용하여 사출 성형함으로써 형성되는 일체형 구조체이다. 평면 제어 공동 형성 요소 (1162)가 분리 링 (1160) 상에 형성되면, 노즐 구멍 형성 미세구조체 (1158)는 자신들의 복제 평면 제어 공동 형성 요소를 요구하지 않을 수 있을 것이다. 대안적으로, 각각의 미세구조체 (1158)를 위해 요소 (1162)를 이용하거나 또는 평면 제어 공동 형성 요소를 이용하는 대신에, 평면 제어 공동 형성 요소를 갖는 노즐 구멍 형성 미세구조체 (1158)의 개수는 적어도 3 및 양호하게는 4로 제한될 수 있을 것이다.
제조를 쉽게 하기 위해, 분리 링 (1160)은, 한번에 하나의 노즐을 제조하기보다는 한 회분의 노즐들을 한꺼번에 제조하는 것이 바람직한 경우에 이용되는, 두 개 이상의 노즐 연결 요소 (1164)를 포함할 수 있다. 도 45에 도시된 바와 같이, 제각각의 연결 요소 (1164)에서 노즐 형성 미세구조화 패턴 (1156)의 선형 어레이를 먼저 정렬함으로써 예를 들어, 도 46의 연결되는 노즐 (1166)의 어떤 원하는 길이의 선형 어레이든, 만들어질 수 있다. 마찬가지로, 인접한 노즐 (1166)들 사이에 하나 이상의 연결 요소 또는 러너 (1170)를 형성하기 위해 각각의 분리 링 (1160) 상에 필요한 개수의 추가적 연결 요소 (1164)를 형성함으로써, 연결되는 노즐 (1166) (도시 안 됨)의 어떤 원하는 면적의 평면의 어레이든, 만들어질 수 있다. 연결 요소 (1164)의 개수 및 위치는 개별적 노즐 형성 미세구조화 패턴 (1156)을 배치하기 위해 이용되는 원하는 패킹 패턴 (예를 들어, 육각의 꽉 찬, 정육면체의, 등)에 의존할 것이다. 예를 들어, 인접한 패턴 (1156)들의 각각에 적합한 재료를 침착함으로써, 그 후, 노즐 예비 형성품 (1165)의 대응하는 어레이가 형성된다. 다음에, 예비 형성품 (1165)의 어레이는, 패턴 (1156)의 구멍 형성 요소 (1158a 및 1158b)들을 대응시킴으로써 형성되는, 노즐 관통 구멍 (1168a 및 1168b)의 각각을 위해 원하는 크기 구멍 출구를 개설하기 위해 요구되는 레벨 (1167)로 낮춰서 평탄화된 노출되는 표면을 갖는다. 연결 요소 (1164)로 인해, 생성되는 노즐 (1166)의 어레이는, 개별적 노즐 (1166)을 분리하기 위해 쉽게 잘려질 수 있는 (예를 들어, 부러뜨림, 절단, 등에 의해) 러너 또는 연결 요소 (1170)에 의해 연결된다. 그래서, 생성되는 노즐 (1166)의 전체 어레이는 패턴 (1156)의 어레이로부터 한 조각씩 제거되고, 개별적 노즐 (1166)이 원하는 대로 제거될 수 있다.
도 47은 노즐 형성 미세구조화 패턴 및 거기에 침착되는 대응하는 다중 성분 노즐 예비 형성품의 개략적 횡단 측면도이다.
도 47을 보면, 노즐 예비 형성품을 제작함에 있어서 (예를 들어, 도 1j 참조), 노즐 예비 형성품 구멍 (즉, 노즐 관통 구멍)의 내측의 표면을 포함하는 생성되는 노즐 예비 형성품 (즉, 노즐)의 입구 측부 표면을 형성하기 위해, 하나 이상의 재료의 하나 이상의 초기 층 (1127 및 1186)이, 노즐 구멍 형성 요소 (1182) 및 평면 제어 공동 형성 요소 (1184)를 갖는, 노즐 형성 미세구조화 패턴 (1194) 상에 침착되거나 또는 다른 방식으로 도포될 수 있다. 그 후, 노즐 예비 형성품의 형성을 완료하기 위해 하나 이상의 다른 재료로 된 하나 이상의 다른 층 (1188, 1190 및 1192)이 침착될 수 있다. 그 후, 대시 선 (dashed line)을 따라 요소 (1184) 및 대응하는 도포된 재료를 제거함으로써, 위에 기술되는 바와 같이, 대응하는 노즐이 만들어질 수 있다. 마찬가지로, 추가적으로 또는 대안적으로, 미세구조화 몰드 패턴 또는 제1 몰드를 제작함에 있어서 (예를 들어, 도 1d 참조), 제1 몰드의 입구 측부 표면을 형성하기 위해, 초기 층 (1127 및 1186)이 침착되거나 또는 다른 방식으로 도포될 수 있다. 제1 몰드의 벌크 또는 잔부를 형성하기 위해, 다른 층 (1188, 1190 및 1192)이 동일하거나 또는 상이한 방식으로 침착되거나 또는 다른 방식으로 도포될 수 있다.
단지 예로서, 층 (1127)은 미세구조화 패턴 (1194)의 표면에 대해 전기 도전성을 부여하기 위한 시드 층일 수 있다. 다음 층 (1186)은 구조 층 및/또는 성능 부여 층일 수 있다. 층 (1188)은 노즐 및/또는 제1 몰드의 잔부의 대부분 또는 잔부를 만드는 벌크 층일 수 있다. 그 후, 하나의 또는 두 개의 층 (1190 및 1192)은 임의적이거나 또는 노즐 및/또는 제1 몰드의 잔부에 대해 원하는 구조 및/또는 성능 특성을 부여하도록 도포될 수 있다.
이 예에서는, 제1 몰드 및/또는 노즐의 벌크 또는 잔부가 더 낮은 성능 및/또는 덜 비싼 재료를 이용하여 형성되면서, 예를 들어, 제1 몰드 및/또는 노즐이 더 높은 성능 및/또는 더 비싼 재료 (예를 들어, 전착되는 고온 부식 및/또는 내 마모성 금속)에 의해 형성되는 입구 측부 표면을 가질 수 있다. 그래서, 사실상 성능을 희생시키지 않고 제1 몰드 및/또는 노즐의 벌크를 만들기 위해 덜 비싼 재료가 이용될 수 있다. 연료 분사기 노즐을 만들기 위한 이 과정은, 관통 구멍 가공 없이 거의 순수한 형상 성형을 이용하는 기존의 종래의 노즐 제조 과정에 비해 더 효율적이고 (예를 들어, 더 적은 수의 단계들을 수반함으로써) 덜 비쌀 수도 있다.
도 48를 보면, 이 발명의 노즐은, 노즐 (1178)이 한 그룹의 관통 구멍 (1178)을 가진 채로, 밀폐부 (1174) 및 일반적으로 그 주변부 (1176)를 따라 밀폐부에 (1174)에 대해 용접되는 노즐 판 (1178)에 대해 밀폐하는 제어 밸브 (1180)를 포함하는, 종래의 연료 분사기 (1172)에서 이용될 수 있다.
추가적 실시예
방법 실시예
1. 노즐을 제조하는 방법으로서, 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
(a) 몰드 공동의 적어도 일부를 한정하고 복수의 복제 노즐 구멍 및 복제 평면 제어 공동을 포함하는 미세구조화 몰드 패턴을 제공하는 단계. 각각의 복제 노즐 구멍은 하나 이상의 복제 평면 제어 공동에 연결될 (예를 들어, 유체 연통 상태일) 수 있거나 또는 연결되지 않을 수 있을 것이다.
(b) 미세구조화 몰드 패턴을 이용하여 제1 재료를 노즐 형성 미세구조화 패턴 - 노즐 형성 미세구조화 패턴은 복수의 노즐 구멍 형성 요소 및 평면 제어 공동 형성 요소를 포함함 -으로 성형하는 단계. 각각의 노즐 구멍 형성 요소는 하나 이상의 평면 제어 공동 형성 요소에 연결될 (예를 들어, 유체 연통 상태일) 수 있거나 또는 연결되지 않을 수 있을 것이다. 노즐 구멍 형성 요소는 복제 노즐 구멍의 사실상 네거티브 복제물 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 네거티브 복제물)이고, 평면 제어 공동 형성 요소는 복제 평면 제어 공동의 사실상 네거티브 복제물 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 네거티브 복제물)이다.
(c) 노즐 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 제2 재료를 노즐 예비 형성품 - 노즐 예비 형성품은 복수의 노즐 예비 형성품 구멍 및 희생 평면 제어 공동을 포함함 -으로 소결, 금속 사출 성형 (MIM), 전착, 또는 다른 방식으로 침착 또는 형성한다. 각각의 노즐 예비 형성품 구멍은 입구 개구를 포함하고 하나 이상의 희생 평면 제어 공동에 연결될 (예를 들어, 유체 연통 상태일) 수 있거나 또는 연결되지 않을 수 있을 것이다. 노즐 예비 형성품 구멍은 노즐 구멍 형성 요소의 사실상 네거티브 복제물 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 네거티브 복제물)이고, 희생 평면 제어 공동은 평면 제어 공동 형성 요소의 사실상 네거티브 복제물 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 네거티브 복제물)이다. 즉, 노즐 예비 형성품 구멍은 복제 노즐 구멍의 사실상 양성 복제 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 양성 복제)이고, 희생 평면 제어 공동은 복제 평면 제어 공동의 사실상 양성 복제 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 양성 복제)이다.
(d) 노즐 예비 형성품으로부터 하나 이상의 노즐을 형성하는 단계. 노즐 형성단계는, 노즐 예비 형성품의 상면을 노즐의 평면 상면으로 형성하고 (즉, 상면을 평탄화하고), 노즐 예비 형성품 구멍의 각각을 구멍 입구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 구멍 입구에 연결되는 (예를 들어, 유체 연통 상태인) 구멍 출구를 포함하는 완성된 노즐 관통 구멍으로 형성하기 위해, 희생 평면 제어 공동을 제거하기에 충분하게 제2 재료를 제거하는 (예를 들어, 방전 가공, 기계적 연삭, 등에 의해) 단계를 포함한다. 노즐은 평면 하면을 가질 수도 있고, 평면 상면과 평면 하면은 서로에 대해 평행하거나 또는 서로에 대해 예각을 이룬다.
2. 실시예 1에 따른 방법에 있어서, 제2 재료는 복수의 상이한 제2 재료들을 포함하고, 노즐 예비 형성품은, 노즐 형성 미세구조화 패턴의 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분 상에 제2 재료의 각각을 층으로서 별도로 침착함으로써, 생성되는 노즐 예비 형성품, 및 그러므로 노즐이, 각각의 층이 상이한 제2 재료로 된 다중 (즉, 2, 3, 4, 5 또는 그 이상) 층의 빌드업을 포함하거나 또는 다른 방식으로 포함하도록 형성되는, 방법.
3. 실시예 2에 따른 방법에 있어서, 복수의 상이한 제2 재료는 세개 이상의 상이한 제2 재료이고, 노즐 형성 미세구조화 패턴 상에 층으로서 침착되는 제2 재료 중 제1의 것이 도전성 층을 형성하는, 방법.
4. 실시예 2에 또는 실시예 3에 따른 방법에 있어서, 다중 층 중 어느 것도 얇은 도전성 시드 층의 형태가 아닌, 방법.
5. 실시예 2 내지 실시예 4 중 어느 한 실시예에 따른 방법에 있어서, 다중 층 중 하나 이상은 노즐 형성 미세구조화 패턴 상에 침착되는 제1 층이고, 내연 기관의 연소실 속으로 연료와 함께 배송되도록 연소되는 (즉, 태워지는) 연료 (예를 들어, 가솔린, 알코올, 디젤 연료, 등) 속에 충분하게 용해할 수 있는 형태로 있는 연소 촉매 (예를 들어, 팔라듐, 백금, 금, 루테늄, 로듐, 및 이리듐), 부식 억제제, 연소 부산물 침착 억제제, 세라믹, 금속 합금, 또는 연료 유동 속도 (예를 들어, 노즐을 통과하는 연료와 접촉하고 있는 층의 표면이 연료와 노즐의 내면 사이의 경계면에서 저마찰을 보이는), 연료에 대한 공기의 혼합, 및/또는 노즐을 포함하는 연료 분사기와 내연 기관의 연소실에 노출되는 노즐의 외측 사이의 원하는 열전달을 촉진하는 층의 형태의 어떤 다른 재료인, 방법. 노즐 형성 미세구조화 패턴 상에 층으로서 부착되는 제2 재료는, 최초 침착되는 층은 노즐을 통과하는 연료와 융화할 수 있는 제2 재료로 이루어지고, 최종 층은 내연 기관의 연소실의 내측의 환경에 노출되기에 적합한 제2 재료로 이루어지며, 최초 층과 최종 층 사이에 침착되는 하나 이상의 다른 층은, 최초 층, 최종 층 또는 최초 층이나 최종 층 모두에 적합하지 않지만 다른 바람직한 특성 (예를 들어, 비교적 저렴하거나, 바람직한 열, 진동 및/또는 음향 특성, 등을 갖는)을 가질 수 있을 것인 제2 재료로 이루어지도록 선택될 수 있을 것인, 방법. 층 중 하나로서 연소 촉매가 이용되면, 그것은 침착되는 최초 층이고, 시드 층으로서 기능할 수도 있을 것이다. 생성되는 층이 비교적 다공질이어서 (즉, 비교적 낮은 밀도를 가져서), 침착되는 연소 촉매 재료와 노즐을 통과하는 연료 사이의 경계면 표면적을 현저하게 증가시키도록, 연소 촉매 재료를 침착하는 것이 바람직할 수 있을 것이다.
6. 실시예 1 내지 실시예 5 중 어느 한 실시예에 따른 방법에 있어서, 제1 재료는 제2 재료와 상이한, 방법.
7. 실시예 1 내지 실시예 6 중 어느 한 실시예에 따른 방법에 있어서, 미세구조화 몰드 패턴의 각각의 복제 노즐 구멍이 적어도 하나 이상의 유체 유동 영향 (예를 들어, 난류 유발) 요소를 포함하는 내면을 갖는, 방법 각각의 복제 노즐 구멍의 유체 유동 영향 요소들은, 노즐 형성 미세구조화 패턴의, 대응하는 노즐 구멍 형성 요소의 외면에 대한 네거티브 복제물로서, 그리고 그 후, 노즐 예비 형성품의 대응하는 노즐 예비 형성품 구멍의 내면 (즉, 완성된 노즐의 대응하는 관통 구멍의 내면)에 대한 포지티브 복제물로서 전이할 수 있도록 구성 (즉, 크기, 형상 및 디자인)된다.
유체 유동 영향 요소들은, 노즐 관통 구멍의 내면으로 이전되면, 노즐을 빠져나가는 유체에 의해 형성되는 방울들의 스트림, 스프레이, 리거먼트 (ligament), 플룸 또는 개별적 방울들에 좋은 영향을 주기 위해, 예를 들어: 캐비테이션, 난류를 유도하거나 또는 다른 방식으로 유발하거나, 또는 노즐을 통한 유체 (예를 들어, 액체 연료)의 유동을 다른 방식으로 방해하거나 또는 교란시키려는, 복제 노즐 구멍의 내면 상의 구조 요소이다. 이러한 유체 유동 영향 요소들은, 예를 들어, 범프, 연속적인 환형 릿지, 이격된 불연속 릿지 (예를 들어, 노즐 관통 구멍의 내면의 둘레에 또는 노즐 관통 구멍의 종축을 따라 동심적으로 형성되는), 리블릿 (예를 들어, 노즐 관통 구멍을 통한 유체의 유동에 대해 직교하거나 또는 평행한), 뿐만 아니라, 이 발명의 방법과 융화할 수 있는 다른 형상을 갖는 구조적 장애물의 형태일 수 있다. 그러한 유체 유동 영향 요소들은 노즐을 빠져나가는 유체 (예를 들어, 액체 연료)의 분무 (atomization)를 유발하는 것에 도움이 될 수 있을 것으로 생각된다. 연소실의 내측에서의 액체 연료의 분무의 정도 및 그 플룸 구성은 내연 기관의 연료 소모 및 배기 배출물 둘 다에 영향을 줄 것으로 생각된다.
8. 실시예 1 내지 실시예 7 중 어느 한 실시예에 따른 방법에 있어서, 미세구조화 몰드 패턴은, 하나 이상의 복제 노즐 구멍을, (a) 하나 이상의 다른 복제 노즐 구멍, (b) 미세구조화 몰드 패턴의 외부 주변부 너머의 몰드의 일부, 또는 (c) (a)와 (b) 둘 다에 연결하는 적어도 하나 이상의 유체 (즉, 기체 또는 액체) 채널 또는 언더컷 요소를 포함한다. 미세구조화 몰드 패턴의 유체 채널 요소는, 노즐 형성 미세구조화 패턴의 상면에 대한 대응하는 네거티브 복제물 또는 릿지 요소로서, 그리고 그 후, 노즐 예비 형성품 (즉, 완성된 노즐)의 내면에 대한 포지티브 복제물 또는 채널 요소로서 이전할 수 있도록 구성 (즉, 크기, 형상 및 디자인)된다. 이러한 채널 요소들은, 예를 들어, (a) 메인 분사기 연료 소스와 분리된 대안적 소스로부터 노즐 관통 구멍의 원하는 개수의 연료 스트림 속으로 추가적 유체 (예를 들어, 기체 또는 액체 연료, 공기, 오일, 연료 첨가제, 촉매, 등)를 도입하거나, (b) 예를 들어, 연결되지 않은 노즐 관통 구멍에 대한 연결된 노즐 관통 구멍 속에서의 상대적인 유체 유동 속도 및/또는 압력을 조절하기 위해, 두개 이상의 노즐 관통 구멍을 유체 연통 관계로 연결하거나, (c) 수렴 및/또는 발산 노즐과 함께 이용하거나, (d) 연료의 더 양호한 분무를 실행하도록 충돌하는 연료 스트림 (impinging fuel streams)을 생성하거나, (e) 연료 레일 압력 (fuel rail pressure)을 낮추거나, (f) 연료를 더 양호하게 분무시키기 위해 노즐 관통 구멍 속에서 흐르는 연료 스트림 속으로 순환 및 지향시키기 위해 연소실 (즉, 엔진 실린더)로부터 공기를 뽑아내거나, 또는 (g) (a) 내지 (f)의 어떤 조합을 위해서든, 그리고 원하는 다른 어떤 이유를 위해서든, 추가적 포트로서 이용하도록 설계될 수 있다.
9. 실시예 1 내지 실시예 8 중 어느 한 실시예에 따른 방법에 있어서, 미세구조화 몰드 패턴의 세개 이상의 복제 노즐 구멍의 각각은 하나 이상의 복제 평면 제어 공동에 연결되는 (예를 들어, 유체 연통 상태에 있는), 방법. 모든 복제 노즐 구멍들이 복제 평면 제어 공동에 연결되게 하는 것이 바람직할 수 있을 것이다.
10. 실시예 9에 따른 방법에 있어서, 미세구조화 몰드 패턴은 복제 노즐 구멍의 어레이 또는 패턴을 한정하며, 어레이는 주변부를 갖고, 세개 이상의 복제 노즐 구멍 및 연결되는 복제 평면 제어 공동은 어레이의 주변부 상에서 이격되어 있는, 방법.
11. 실시예 9 또는 실시예 10에 따른 방법에 있어서, 각각의 복제 노즐 구멍 및 그의 연결된 복제 평면 제어 공동은, 대응하는 희생 평면 제어 공동의 제거시, 노즐의 평면 상면을 형성하도록 구성 (즉, 크기, 형상 및 디자인)되고, 노즐 관통 구멍은 하나 이상의 유체 유동 또는 배출 (예를 들어, 연료 스트림 또는 플룸) 형상 제어 요소를 형성하도록 구성되는, 방법.
그러한 요소는 노즐 관통 구멍을 빠져나가는 유체의 형상을 제어하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 그러한 요소는, 원하는 크기, 형상 및 분포의 연료 방울을 갖는 연료 플룸을 형성하기 위한 노력으로, 노즐 관통 구멍의 밖에서 흐르는 연료 스트림을 제어 (예를 들어, 분류)하기 위해 이용될 수 있다. 그러한 유체 배출 형상 제어 요소는, (a) 예를 들어, 도 31 내지 도 37에 도시된 것과 유사한 별 모양, 십자형 또는 X자형을 갖는 노즐 관통 구멍 출구 개구, (b) 예를 들어 도 14에 도시되고 도 9a에 나타낸 것과 유사하게, 노즐 관통 구멍의 대응하는 출구 개구를 통해 빠져나가기 전에, 노즐 관통 구멍을 통해 흐르는 유체에 대해 대응하는 노즐 관통 구멍의 종축 둘레의 방향으로 회전을 부여하도록 강선이 새겨진 노즐 관통 구멍 내면, (c) 적어도 하나, 두개 또는 그 이상의 곡면형 내면 (예를 들어, 사분원 형상의 내면) 및 적어도 하나, 두개 또는 그 이상의 슬롯형 출구 개구를 제각기 갖는 하나 이상의 또는 복수의 노즐 관통 구멍 - 각각의 그러한 노즐 관통 구멍의 곡면형 내면(들)은, 예를 들어 도 31 내지 도 36 및 도 38에 도시된 것과 유사하게, 유체가 노즐 관통 구멍의 종축으로부터 각도 (예를 들어, 예각)를 이루고 출구 개구(들)를 통해 빠져나가게 하도록 구성됨 -, 또는 (d) (a) 내지 (c)의 어떤 조합이든 포함할 수 있다.
여기에서의 다른 어디에서든 발견되는 관련 설명들 외에, 유체가 노즐 관통 구멍을 떠날 때, 유체의 방향을 제어함으로써 (예를 들어, 노즐 관통 구멍의 곡면형 또는 사분원 내면의 상대적 방위를 조절함으로써), 생성되는 유체 배출 (예를 들어, 유체 방울들의 스트림 및/또는 플룸)이 원하는 대로 지향될 수 있음도 알려져 있다. 예를 들어, 연료 스트림 및/또는 플룸을 내연 기관, 노, 등의 연소실의 내측의 하나 이상의 원하는 위치로 지향시키거나, 또는 예를 들어, 내연 기관의 엔진 피스톤, 밸브 및/또는 연소실 벽 상에 연료가 충돌 (impingement)하는 것을 회피하기 위해, 연료 유체 배출의 방향을 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 연료에 의한 그러한 충돌은 다음의 어떤 조합이든 유발할 수 있다: (a) 연소 과정 동안 연료, 밸브, 피스톤, 및/또는 연소실을 냉각시킴, (b) 밸브 및/또는 피스톤으로부터 오일 또는 다른 윤활제를 제거함 (유해한 마모를 유발할 수 있음), (c) 유해한 "풍손 (windage loss)", 및/또는 (d) 연료가 연소실 속에서 점화 플러그의 근처로부터 멀어지게 잘못 지향됨. 그러한 요소는 비대칭적 연료 스트림 및/또는 플룸을 발생시키는 능력을 가질 수도 있으며, 그것은 연소실 내에서 연료 스트림 및/또는 플룸의 크기, 분포, 위치 또는 다른 양태를 제어함에 있어서 어떤 이점을 가질 수 있을 것이다.
12. 실시예 1 내지 실시예 11 중 어느 한 실시예에 따른 방법에 있어서, 복제 평면 제어 공동 중 세개 이상은 미세구조화 몰드 패턴의 복제 노즐 구멍에 연결되지 않는 (예를 들어, 유체 연통 상태에 있지 않는), 방법. 복제 평면 제어 공동 중 어떤 것도 복제 노즐 구멍의 어떤 것에도 연결되지 않게 하는 것이 바람직할 수 있을 것이다.
13. 실시예 1 내지 실시예 12 중 어느 한 실시예에 따른 방법에 있어서, 노즐은 주변부의 엣지를 가지며, 노즐 형성 미세구조화 패턴은 노즐의 주변부의 엣지를 형성하거나 또는 적어도 한정하는 노즐 분리 요소를 포함하는, 방법. 노즐 분리 요소는 각각의 노즐을 위한 분리 링의 형태일 수 있다.
14. 실시예 13에 따른 방법에 있어서, 세개 이상의, 및 양호하게는 네 개의 복제 평면 제어 공동이 노즐 분리 요소 상에 형성되는, 방법. 복제 평면 제어 공동은, 미세구조화 몰드 패턴의 부분을 형성하는 요소들로만 될 수 있지만, 꼭 그래야 하는 것은 아니다.
15. 실시예 1 내지 실시예 14 중 어느 한 실시예에 따른 방법에 있어서, 미세구조화 몰드 패턴을 제공하는 단계는 다음의 단계들을 포함한다:
(a) 제3 재료를, 복수의 복제 노즐 구멍 형성 요소 및 복제 평면 제어 공동 형성 요소를 포함하는 몰드 형성 미세구조화 패턴으로 형성하는 단계. 각각의 복제 노즐 구멍 형성 요소는 하나 이상의 복제 평면 제어 공동 형성 요소에 연결될 (예를 들어, 유체 연통 상태일) 수 있거나 또는 연결되지 않을 수 있을 것이다.
(b) 제4 재료를, 몰드 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 미세구조화 몰드 패턴으로 소결, 금속 사출 성형 (MIM), 전착, 또는 다른 방식으로 침착 또는 형성하는 단계, 복제 노즐 구멍 형성 요소는 복제 노즐 구멍의 사실상 네거티브 복제물 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 네거티브 복제물)이고, 복제 평면 제어 공동 형성 요소는 복제 평면 제어 공동의 사실상 네거티브 복제물 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 네거티브 복제물)임.
위에서 기술된 유체 유동 영향 요소, 유체 채널 또는 언더컷 요소, 및 연료 플룸 형상 제어 요소의 각각은, 제각기 초기에, 노즐을 제조하기 위해 이용되는 어떤 몰드 형성 미세구조화 패턴에서든 대응 요소로서 형성될 수 있거나, 또는 어떤 몰드 형성 미세구조화 패턴도 이용되고 있지 않으면 (즉, 미세구조화 몰드 패턴이 그러한 단계 없이 형성되면), 그러한 요소들은 초기에 미세구조화 몰드 패턴으로 형성될 수 있다.
16. 실시예 15에 따른 방법에 있어서, 제4 재료는 복수의 상이한 제4 재료들을 포함하고, 미세구조화 몰드 패턴은, 몰드 형성 미세구조화 패턴의 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분 상에 제4 재료의 각각을 층으로서 별도로 침착함으로써, 생성되는 미세구조화 몰드 패턴이, 각각의 층이 상이한 제4 재료로 된 다중 층의 빌드업을 포함하거나 또는 다른 방식으로 포함하도록 형성되는, 방법.
17. 실시예 15 또는 실시예 16에 따른 방법에 있어서, 제1 재료는 제4 재료와 상이하고, 제2 재료는 제3 재료 및 제1 재료와 상이하며, 제3 재료는 제4 재료와 상이한, 방법.
18. 실시예 17에 따른 방법에 있어서, 제1 재료는 제3 재료와 동일하거나 또는 상이하고, 제2 재료는 제4 재료와 동일하거나 또는 상이한, 방법.
19. 실시예 15 내지 실시예 18 중 어느 한 실시예에 따른 방법에 있어서, 제3 재료는 다중 광자들을 동시적으로 흡수함으로써 다광자 경화 반응에 들어갈 수 있고, 몰드 형성 미세구조화 패턴은, 몰드 형성 미세구조화 패턴이 구성되게 하는 제3 재료 내의 원하는/특정한 위치에서 다중 광자들을 동시적으로 흡수함으로써, 제3 재료에서 다광자 경화 반응을 유발하는 다광자 과정을 이용하여 제3 재료로 형성되는, 방법.
20. 노즐을 제조하는 방법으로서, 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
(a) 예를 들어, 다중 광자들을 동시적으로 흡수함으로써 다광자 반응에 들어갈 수 있는 것과 같은, 제1 재료를 제공하는 단계;
(a) (1) 제1 재료 내의 원하는/특정한 위치에서 다중 광자를 동시적으로 흡수함으로써 제1 재료에서 다광자 반응을 유발하는 다광자 과정 및/또는 (2) 노즐 관통 구멍 및 복제 평면 제어 공동 형성 요소를 형성하기 위한 복수의 복제 노즐 구멍 형성 요소를 포함하는 제1 미세구조화 패턴에 의한 소결 과정을 이용하여 제1 재료를 제1 미세구조화 패턴으로 형성하는 단계. 각각의 복제 노즐 구멍 형성 요소는 하나 이상의 복제 평면 제어 공동 형성 요소에 연결될 (예를 들어, 유체 연통 상태일) 수 있거나 또는 연결되지 않을 수 있을 것이다.
(b) 제1 미세구조화 패턴을 이용하여 제2 재료를 제2 미세구조화 패턴으로 소결, 금속 사출 성형 (MIM), 전착, 또는 다른 방식으로 침착 또는 형성하는 단계, 제2 미세구조화 패턴은 몰드 공동의 적어도 일부를 한정하고 제1 미세구조화 패턴의 사실상 네거티브 복제물 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 네거티브 복제물)를 포함함; 즉, 제2 미세구조화 패턴은 복수의 복제 노즐 구멍 및 복제 평면 제어 공동을 포함한다. 각각의 복제 노즐 구멍은 하나 이상의 복제 평면 제어 공동에 연결될 (예를 들어, 유체 연통 상태일) 수 있거나 또는 연결되지 않을 수 있을 것이다.
(c) 몰드의 제2 미세구조화 패턴을 이용하여 제3 재료를 제3 미세구조화 패턴으로 성형하는 단계, 제3 미세구조화 패턴은 복수의 노즐 구멍 형성 요소 및 평면 제어 공동 형성 요소를 포함한다. 각각의 노즐 구멍 형성 요소는 하나 이상의 평면 제어 공동 형성 요소에 연결될 (예를 들어, 유체 연통 상태일) 수 있거나 또는 연결되지 않을 수 있을 것이다. 제3 미세구조화 패턴은 제2 미세구조화 패턴의 사실상 네거티브 복제물 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 네거티브 복제물)를 포함한다. 다시 말해서, 제3 미세구조화 패턴은, 복수의 복제 노즐 구멍 형성 요소 및 복제 평면 제어 공동 형성 요소를 포함하여, 제1 미세구조화 패턴의 사실상 포지티브 복제물 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 포지티브 복제물)를 포함한다.
(d) 제3 미세구조화 패턴을 이용하여 제4 재료를 제4 미세구조화 패턴으로 소결, 금속 사출 성형 (MIM), 전착, 또는 다른 방식으로 침착 또는 형성하는 단계, 제4 미세구조화 패턴은 복수의 노즐 예비 형성품 구멍 및 희생 평면 제어 공동을 포함하고, 각각의 노즐 예비 형성품 구멍은 입구 개구를 포함하며 하나 이상의 희생 평면 제어 공동에 연결될 (예를 들어, 유체 연통 상태일) 수 있거나 또는 연결되지 않을 수 있을 것이다. 제4 미세구조화 패턴은, 복수의 노즐 구멍 형성 요소 및 평면 제어 공동 형성 요소를 포함하여, 제3 미세구조화 패턴의 사실상 네거티브 복제물 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 네거티브 복제물)를 포함한다. 즉, 제4 미세구조화 패턴은 제2 미세구조화 패턴의 사실상 포지티브 복제물 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 포지티브 복제물)를 포함한다.
(e) 제4 미세구조화 패턴으로부터 노즐을 형성하는 단계. 노즐을 형성하는 단계는, 제4 미세구조화 패턴의 상면을 노즐의 평면 상면으로 형성하고 (즉, 상면을 평탄화 하고), 노즐 예비 형성품 구멍의 각각을, 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 (예를 들어, 유체 연통 상태인) 하나 이상의 출구 개구를 포함하는, 완성된 노즐 관통 구멍으로 형성하기 위해, 희생 평면 제어 공동을 제거하기에 충분하게 제4 재료를 제거 (예를 들어, 방전 가공, 기계적 연삭, 등에 의해)하는 단계를 포함한다. 노즐은 평면 하면을 가질 수도 있고, 평면 상면과 평면 하면은 서로에 대해 평행하거나 또는 서로에 대해 예각을 이룬다.
21. 실시예 20에 따른 방법에 있어서, 제2 재료는 제1 재료와 상이하고, 제3 재료는 제2 재료와 상이하며, 제4 재료는 제1 재료 및 제3 재료와 상이한, 방법.
22. 실시예 21에 따른 방법에 있어서, 제3 재료는 제1 재료와 동일하거나 또는 상이하고, 제4 재료는 제2 재료와 동일하거나 또는 상이한, 방법.
23. 노즐을 제조하는 방법으로서, 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
(a) 몰드 공동의 적어도 일부를 한정하고 복수의 복제 노즐 구멍을 포함하는 미세구조화 몰드 패턴을 제공하는 단계;
(b) 미세구조화 몰드 패턴을 이용하여 제1 재료를 노즐 형성 미세구조화 패턴 - 노즐 형성 미세구조화 패턴은 복수의 노즐 구멍 형성 요소를 포함함 -으로 성형하는 단계;
(c) 노즐 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 제2 재료를 노즐 예비 형성품으로 소결, 금속 사출 성형 (MIM), 전착, 또는 다른 방식으로 침착 또는 형성하는 단계, 노즐 예비 형성품은 복수의 노즐 예비 형성품 구멍을 포함하고, 제2 재료는 복수의 상이한 제2 재료를 포함하며, 노즐 예비 형성품은, 노즐 형성 미세구조화 패턴의 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분 상에 제2 재료의 각각을 별도의 층 또는 다른 부분으로서 별도로 부착함으로써, 생성되는 노즐 예비 형성품, 및 그러므로 노즐이, 각각의 층 또는 부분이 상이한 제2 재료로 되는 다중 층 또는 부분들의 빌드업을 포함하거나 또는 다른 방식으로 포함하도록 형성됨;
(d) 노즐 예비 형성품으로부터 노즐을 형성하는 단계, 노즐을 형성하는 단계는, 노즐 예비 형성품 구멍의 각각에서 출구 개구를 개방하고, 그럼으로써, 노즐 예비 형성품 구멍의 각각을 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 (예를 들어, 유체 연통 상태인) 하나 이상의 출구 개구를 포함하는 완성된 노즐 관통 구멍을 형성하기에 충분하게, 제2 재료를 제거 (예를 들어, 방전 가공, 기계적 연삭, 등에 의해)하는 단계를 포함함.
24. 실시예 23에 따른 방법에 있어서, 복수의 상이한 제2 재료는 세개 이상의 상이한 제2 재료이고, 노즐 형성 미세구조화 패턴 상에 층으로서 부착되는 제2 재료 중 제1의 것이 도전성 층을 형성하는, 방법.
25. 실시예 23 또는 실시예 24에 따른 방법에 있어서, 다중 층 중 어느 하나도 얇은 도전성 시드 층의 형태로 있지 않는, 방법.
26. 실시예 23 내지 실시예 25 중 어느 한 실시예에 따른 방법에 있어서, 다중 층 중 하나 이상은 부식 억제제, 연소 부산물 침착 억제제, 세라믹, 또는 금속 합금인, 방법.
27. 실시예 23 내지 실시예 26 중 어느 한 실시예에 따른 방법에 있어서, 미세구조화 몰드 패턴을 제공하는 단계는:
(a) 제3 재료를, 복수의 복제 노즐 구멍 형성 요소를 포함하는 몰드 형성 미세구조화 패턴으로 형성하는 단계;
(b) 몰드 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 제4 재료를 미세구조화 몰드 패턴으로 소결, 금속 사출 성형 (MIM), 전착, 또는 다른 방식으로 침착 또는 형성하는 단계를 포함하고, 복제 노즐 구멍 형성 요소는 복제 노즐 구멍의 사실상 네거티브 복제물 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 네거티브 복제물)인, 방법.
28. 실시예 27에 따른 방법에 있어서, 제4 재료는 복수의 상이한 제4 재료들을 포함하고, 미세구조화 몰드 패턴은, 몰드 형성 미세구조화 패턴의 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분 상에 제4 재료의 각각을 층으로서 별도로 부착함으로써, 생성되는 미세구조화 몰드 패턴이, 각각의 층이 상이한 제4 재료로 된 다중 층의 빌드업을 포함하거나 또는 다른 방식으로 포함하도록 형성되는, 방법.
29. 실시예 27 또는 실시예 28에 따른 방법에 있어서, 제1 재료는 제4 재료와 상이하고, 제2 재료는 제3 재료 및 제1 재료와 상이하며, 제3 재료는 제4 재료와 상이한, 방법.
30. 실시예 29에 따른 방법에 있어서, 제1 재료는 제3 재료와 동일하거나 또는 상이하고, 제2 재료는 제4 재료와 동일하거나 또는 상이한, 방법.
31. 노즐을 제조하는 방법으로서, 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
(a) 예를 들어, 다중 광자들을 동시적으로 흡수함으로써 다광자 반응에 들어갈 수 있는 것과 같은, 제1 재료를 제공하는 단계;
(a) (1) 제1 재료 내의 원하는/특정한 위치에서 다중 광자를 동시적으로 흡수함으로써 제1 재료에서 다광자 반응을 유발하는 다광자 과정 및/또는 (2) 노즐 관통 구멍을 형성하기 위한 복수의 복제 노즐 구멍 형성 요소를 포함하는 제1 미세구조화 패턴에 의한 소결 과정을 이용하여 제1 재료를 제1 미세구조화 패턴으로 형성하는 단계;
(b) 제1 미세구조화 패턴을 이용하여 제2 재료를 제2 미세구조화 패턴으로 소결, 금속 사출 성형 (MIM), 전착, 또는 다른 방식으로 침착 또는 형성하는 단계, 제2 미세구조화 패턴은 몰드 공동의 적어도 일부를 한정하고 제1 미세구조화 패턴의 사실상 네거티브 복제물 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 네거티브 복제물)를 포함함; 즉, 제2 미세구조화 패턴은 복수의 복제 노즐 구멍을 포함한다.
(c) 몰드의 제2 미세구조화 패턴을 이용하여 제3 재료를 제3 미세구조화 패턴으로 성형하는 단계, 제3 미세구조화 패턴은 복수의 노즐 구멍 형성 요소를 포함함. 제3 미세구조화 패턴은 제2 미세구조화 패턴의 사실상 네거티브 복제물 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 네거티브 복제물)를 포함한다. 다시 말해서, 제3 미세구조화 패턴은, 복수의 복제 노즐 구멍 형성 요소를 포함하여, 제1 미세구조화 패턴의 사실상 포지티브 복제물 (즉, 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분의 포지티브 복제물)를 포함한다.;
(d) 제3 미세구조화 패턴을 이용하여 제4 재료를 제4 미세구조화 패턴으로 소결, 금속 사출 성형 (MIM), 전착, 또는 다른 방식으로 침착 또는 형성하는 단계, 제4 미세구조화 패턴은 복수의 노즐 예비 형성품 구멍을 포함하고, 제4 재료는 복수의 상이한 제4 재료를 포함하며, 제4 미세구조화 패턴은, 제4 미세구조화 패턴의 전부, 대부분, 또는 적어도 상당한 부분 상에 제4 재료의 각각을 층으로서 별도로 부착함으로써, 생성되는 노즐 예비 형성품, 및 그러므로 노즐이, 각각의 층이 상이한 제4 재료로 되는 다중 층의 빌드업을 포함하거나 또는 다른 방식으로 포함하도록 형성됨;
(e) 제4 미세구조화 패턴으로부터 노즐을 형성하는 단계, 노즐을 형성하는 단계는, 노즐 예비 형성품 구멍의 각각에서 출구 개구를 개방하고, 그럼으로써, 노즐 예비 형성품 구멍의 각각을 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 (예를 들어, 유체 연통 상태인) 하나 이상의 출구 개구를 포함하는 완성된 노즐 관통 구멍을 형성하기에 충분하게, 제4 재료를 제거 (예를 들어, 방전 가공, 기계적 연삭, 등에 의해)하는 단계를 포함함.
32. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제1 재료는 폴리(메틸 메타크릴산염)를 포함하는, 방법.
33. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제1 재료는 2광자 반응에 들어갈 수 있는, 방법.
34. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제1 미세구조화 패턴은 복수의 별개의 미세구조체를 포함하는, 방법.
35. 실시예 34에 따른 방법에 있어서, 복수의 별개의 미세구조체는 3차원 직선 바디인 별개의 미세구조체를 포함하는, 방법.
36. 실시예 34에 따른 방법에 있어서, 복수의 별개의 미세구조체는 3차원 직선 바디의 일부인 별개의 미세구조체를 포함하는, 방법.
37. 실시예 34에 따른 방법에 있어서, 복수의 별개의 미세구조체는 3차원 곡선 바디인 별개의 미세구조체를 포함하는, 방법.
38. 실시예 34에 따른 방법에 있어서, 복수의 별개의 미세구조체는 3차원 곡선 바디의 일부인 별개의 미세구조체를 포함하는, 방법.
39. 실시예 34에 따른 방법에 있어서, 복수의 별개의 미세구조체는 다면체의 일부를 포함하는, 방법.
40. 실시예 34에 따른 방법에 있어서, 복수의 별개의 미세구조체는 원뿔의 일부를 포함하는, 방법.
41. 실시예 34에 따른 방법에 있어서, 복수의 별개의 미세구조체는 별개의 테이퍼 미세구조체를 포함하는, 방법.
42. 실시예 34에 따른 방법에 있어서, 복수의 별개의 미세구조체는 별개의 나선형 미세구조체를 포함하는, 방법.
43. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제1 미세구조화 패턴은 2광자 과정을 이용하여 제1 재료로 형성되는, 방법.
44. 실시예 20 내지 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제1 재료로 제1 미세구조화 패턴을 형성하는 단계는, 다중 광자들의 동시적 흡수를 유발하기 위해 제1 재료의 적어도 일부를 노출하는 단계를 포함하는 방법.
45. 실시예 44에 따른 방법에 있어서, 제1 재료로 제1 미세구조화 패턴을 형성하는 단계는, 제1 재료의 노출 부분을 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
46. 실시예 44에 따른 방법에 있어서, 제1 재료로 제1 미세구조화 패턴을 형성하는 단계는, 제1 재료의 비노출 부분을 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
47. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제2 재료로 제1 미세구조화 패턴을 복제하는 단계는, 제1 미세구조화 패턴을 전기도금하는 단계를 포함하는, 방법.
48. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제2 재료는 전기도금 재료를 포함하는, 방법.
49. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 몰드는 금속을 포함하는, 방법.
50. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 몰드는 Ni를 포함하는, 방법.
51. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제2 미세구조화 패턴은 제1 미세구조화 패턴의 적어도 사실상 네거티브 복제물인, 방법.
52. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제3 미세구조화 패턴은 제2 미세구조화 패턴의 적어도 사실상 네거티브 복제물이고, 제1 미세구조화 패턴의 적어도 사실상 포지티브 복제물인, 방법.
53. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 몰드의 제2 미세구조화 패턴을 이용하여 제3 재료를 제3 미세구조화 패턴으로 성형하는 단계는 사출 성형을 포함하는, 단계.
54. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제3 재료는 중합체를 포함하는, 방법.
55. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제3 재료는 폴리카보네이트를 포함하는, 방법.
56. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제2 몰드는 중합체를 포함하는, 방법.
57. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제3 미세구조화 패턴은 제2 미세구조화 패턴의 적어도 사실상 네거티브 복제물인, 방법.
58. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제3 미세구조화 패턴을 이용하여 제4 재료를 제4 미세구조화 패턴으로 형성하는 단계는, 제3 미세구조화 패턴을 제4 재료로 전기도금하는 단계를 포함하는, 방법.
59. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제3 미세구조화 패턴을 이용하여 제4 재료를 제4 미세구조화 패턴으로 형성하는 단계는, 제3 미세구조화 패턴을 제4 재료로 코팅하는 단계를 포함하는, 방법.
60. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제4 재료를 충분히 제거하는 단계는, 기계적 연삭법 또는 방전 가공에 의해 수행되는, 방법.
61. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 제4 재료는 전기도금 재료를 포함하는, 방법.
62. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 노즐은 금속, 세라믹 또는 금속과 세라믹의 조합을 포함하는, 방법.
63. 실시예 20 또는 실시예 31에 따른 방법에 있어서, 노즐은, 실리카, 지르코니아, 알루미나, 티타니아, 또는 이트륨, 스트론튬, 바륨, 하프늄, 니오븀, 탄탈륨, 텅스텐, 비스무트, 몰리브덴, 주석, 아연, 57 내지 71 범위 내에 있는 원자 번호를 갖는 란탄족 원소, 세륨의 산화물 및 그들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 세라믹을 포함하는, 방법.
미세구조화 패턴 실시예 ( Microstructured Pattern Embodiments )
64. 복수의 노즐 예비 형성품 구멍, 희생 평면 제어 공동 및 외부 평면의 주변부를 포함하는 노즐 예비 형성품을 형성하기 위한 미세구조화 패턴으로서, 미세구조화 패턴은:
노즐 예비 형성품 구멍의 사실상 네거티브 복제물인 복수의 노즐 구멍 형성 요소, 및
희생 평면 제어 공동의 사실상 네거티브 복제물인 복수의 평면 제어 공동 형성 요소를 포함하는, 미세구조화 패턴.
65. 실시예 64에 따른 미세구조화 패턴에 있어서, 각각의 노즐 구멍 형성 요소는 하나 이상의 평면 제어 공동 형성 요소에 연결될 수 있거나 또는 연결되지 않을 수 있을 것인, 미세구조화 패턴.
66. 실시예 64 또는 실시예 65에 따른 미세구조화 패턴에 있어서, 노즐 예비 형성품의 외부 평면의 주변부를 한정하기 위한 환형 주변부의 벽을 추가로 포함하는, 미세구조화 패턴.
67. 실시예 66에 따른 미세구조화 패턴에 있어서, 주변부의 벽은 하나 이상의 평면 제어 요소에 연결되는, 미세구조화 패턴.
노즐 예비 형성품 실시예 ( Nozzle Pre - Form Embodiments )
68. 노즐을 형성하기 위한 노즐 예비 형성품으로서, 복수의 노즐 관통 구멍 - 각각의 노즐 관통 구멍은 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 (예를 들어, 유체 연통 상태인) 하나 이상의 출구 개구를 포함함 -을 포함하고, 노즐 예비 형성품은:
노즐 관통 구멍에 대응하는 복수의 노즐 예비 형성품 구멍; 및
복수의 희생 평면 제어 공동을 포함하며,
노즐 예비 형성품 구멍의 각각은 희생 평면 제어 공동 중 하나 이상에 연결될 수 있거나 또는 연결되지 않을 수 있을 것인, 노즐 예비 형성품.
69. 실시예 68에 따른 노즐 예비 형성품에 있어서, 각각의 노즐 예비 형성품 구멍은 하나 이상의 희생 평면 제어 공동과 유체 연통 상태에 있는, 노즐 예비 형성품.
70. 실시예 68 또는 실시예 69에 따른 노즐 예비 형성품에 있어서, 노즐 예비 형성품 및 그러므로 노즐은, 각각의 층이 상이한 재료로 된, 다중 층의 빌드업을 포함하는, 노즐 예비 형성품.
71. 실시예 70에 따른 노즐 예비 형성품에 있어서, 다중 층은 일체식 구조체의 형태로 상이한 재료들의 부착 층들인, 노즐 예비 형성품.
72. 실시예 70 또는 실시예 71에 따른 노즐 예비 형성품에 있어서, 다중 층이 세개 이상의 층이고, 다중 층의 제1 층은 도전성 층인, 노즐 예비 형성품.
73. 실시예 70 내지 실시예 72 중 어느 한 실시예에 따른 노즐 예비 형성품에 있어서, 다중 층 중 어느 하나도 얇은 도전성 시드 층의 형태로 있지 않는, 노즐 예비 형성품.
74. 실시예 70 내지 실시예 73 중 어느 한 실시예에 따른 노즐 예비 형성품에 있어서, 다중 층 중 하나 이상을 형성하는 재료는 부식 억제제, 연소 부산물 침착 억제제, 세라믹, 또는 금속 합금인, 노즐 예비 형성품.
노즐 실시예 ( Nozzle Embodiments )
75. 미세구조화 패턴을 포함하는 노즐로서, 복수의 노즐 관통 구멍 - 각각의 노즐 관통 구멍은 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 (예를 들어, 유체 연통 상태인) 하나 이상의 출구 개구를 포함함 -을 포함하고, 미세구조화 패턴은 외부 주변부를 가지며, 노즐은, 각각의 층이 상이한 재료로 되는 다중 층의 빌드업을 포함하며, (a) 다중 층 중 어느 것도 얇은 도전성 시드 층의 형태로 있지 않거나, (b) 다중 층이 세개 이상의 층이거나, 또는 (c) (a)와 (b) 둘 다인, 노즐.
76. 실시예 75에 따른 노즐에 있어서, 다중 층은 일체식 구조체의 형태로 상이한 재료들의 침착 층들인, 노즐.
77. 실시예 75 또는 실시예 76에 따른 노즐 예비 형성품에 있어서, 다중 층이 세개 이상의 층이고, 다중 층의 제1 층은 도전성 층인, 노즐 예비 형성품.
78. 실시예 75 내지 실시예 77 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 다중 층 중 하나 이상을 형성하는 재료는 부식 억제제, 연소 부산물 침착 억제제, 세라믹, 또는 금속 합금인, 노즐.
79. 실시예 75 내지 실시예 78 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 평면 하면 및 평면 상면을 추가로 포함하고, 평면 하면 및 평면 상면은 서로에 대해 평행하거나 또는 서로에 대해 예각을 이루는, 노즐.
80. 실시예 75 내지 실시예 79 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 다중 층의 각각은 금속 재료, 무기 비금속 재료, 또는 그들의 조합의 전착층 (electro deposited layer)인, 노즐.
81. 실시예 75 내지 실시예 79 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 다중 층의 각각은 소결 금속, 무기 비금속 재료, 또는 그들의 조합의 층인, 노즐.
82. 실시예 75 내지 실시예 81 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 다중 층 중 어느 하나도 얇은 도전성 시드 층의 형태로 있지 않는, 노즐.
83. 실시예 75 내지 실시예 82 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 다중 층은 세개 이상의 층인, 노즐 예비 형성품.
84. 실시예 75 내지 실시예 83 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 하나 이상의 노즐 관통 구멍을, (a) 하나 이상의 다른 노즐 관통 구멍, (b) 미세구조화 패턴의 외부 주변부의 일부, 또는 (c) (a)와 (b) 둘 다에 연결하는 적어도 하나 이상의 유체 (즉, 기체 또는 액체) 채널 또는 언더컷 요소를 추가로 포함하는, 노즐.
85. 실시예 75 내지 실시예 84 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 노즐 관통 구멍의 출구 개구를 통해 흘러 나가는 유체에 의해 형성되는 플룸의 형상을 제어하기 위한 하나 이상의 유체 플룸 형상 제어 요소를 추가로 포함하는, 노즐.
86. 실시예 85에 따른 노즐에 있어서, 유체 플룸 형상 제어 요소는 플룸을 형성하는 유체 방울들의 크기 및 분포를 제어하기 위해 노즐 관통 구멍의 밖에서 흐르는 유체 스트림을 분류하기에 작동상 적합한, 노즐.
87. 실시예 86에 따른 노즐에 있어서, 연료 플룸 형상 제어 요소는, (a) 출구 개구 중 하나 이상은 십자형 또는 X자형을 갖거나, (b) 노즐 관통 구멍 중 하나 이상의 내면에는, 노즐 관통 구멍의 대응하는 출구 개구를 통해 빠져나가기 전에 노즐 관통 구멍을 통해 흐르는 유체에 대해 노즐 관통 구멍의 종축 둘레의 방향으로 회전을 부여하기 위한 강선이 새겨져 있거나, (c) 적어도 하나 또는 복수의 노즐 관통 구멍이 적어도 하나, 두개 또는 그 이상의 곡면형 내면 (예를 들어, 사분원 형상의 내면) 및 적어도 하나, 두개 또는 그 이상의 슬롯형 출구 개구를 갖고, 노즐 관통 구멍의 곡면형 내면(들)은, 유체가 노즐 관통 구멍의 종축으로부터 각도 (예를 들어, 예각)를 이루고 출구 개구를 통해 빠져나가게 하도록 구성되거나, 또는 (d) (a) 내지 (c)의 어떤 조합이든 포함하는, 노즐.
88. 실시예 75 내지 실시예 87 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 노즐 관통 구멍을 통과하고 노즐 관통 구멍의 대응하는 출구 개구를 빠져나가는 유체에 의해 형성되는 방울들의 플룸에 좋은 영향을 주기 위해, 캐비테이션, 난류를 유도하거나 또는 다른 방식으로 유발하거나, 또는 노즐을 통한 유체 (예를 들어, 액체 연료)의 유동을 다른 방식으로 방해하기 위한, 적어도 하나 이상의 유체 유동 영향 요소를 포함하는 내면을 갖는 하나 이상의 노즐 관통 구멍을 추가로 포함하는, 노즐.
89. 실시예 88에 따른 노즐에 있어서, 유체 유동 영향 요소는 범프, 연속적 환형 릿지, 이격된 불연속적 릿지, 및 리블릿 중 하나 이상의 또는 그들의 어떤 조합이든 포함하는, 노즐.
90. 노즐로서:
복수의 노즐 관통 구멍을 포함하는 미세구조화 패턴 - 각각의 노즐 관통 구멍은 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 (예를 들어, 유체 연통 상태인) 하나 이상의 출구 개구를 포함하고, 미세구조화 패턴은 외부 주변부를 가짐 -; 및
하나 이상의 노즐 관통 구멍을, (a) 하나 이상의 다른 노즐 관통 구멍, (b) 미세구조화 패턴의 외부 주변부의 일부, 또는 (c) (a)와 (b) 둘 다에 연결하는 적어도 하나 이상의 유체 (즉, 기체 또는 액체) 채널 또는 언더컷 요소를 포함하는, 노즐.
91. 노즐로서:
복수의 노즐 관통 구멍을 포함하는 미세구조화 패턴 - 각각의 노즐 관통 구멍은 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 (예를 들어, 유체 연통 상태인) 하나 이상의 출구 개구를 포함하고, 미세구조화 패턴은 외부 주변부를 가짐 -; 및
노즐 관통 구멍의 출구 개구를 통해 흘러 나가는 유체에 의해 형성되는 플룸의 형상을 제어하기 위한 하나 이상의 유체 플룸 형상 제어 요소를 포함하는, 노즐.
92. 실시예 91에 따른 노즐에 있어서, 유체 플룸 형상 제어 요소는 플룸을 형성하는 유체 방울들의 크기 및 분포를 제어하기 위해 노즐 관통 구멍의 밖에서 흐르는 유체 스트림을 분류하기에 작동상 적합한, 노즐.
93. 실시예 92에 따른 노즐에 있어서, 연료 플룸 형상 제어 요소는, (a) 출구 개구 중 하나 이상은 십자형 또는 X자형을 갖거나, (b) 노즐 관통 구멍 중 하나 이상의 내면에는, 노즐 관통 구멍의 대응하는 출구 개구를 통해 빠져나가기 전에 노즐 관통 구멍을 통해 흐르는 유체에 대해 노즐 관통 구멍의 종축 둘레의 방향으로 회전을 부여하기 위한 강선이 새겨져 있거나, (c) 적어도 하나 또는 복수의 노즐 관통 구멍이 적어도 하나, 두개 또는 그 이상의 곡면형 내면 (예를 들어, 사분원 형상의 내면) 및 적어도 하나, 두개 또는 그 이상의 슬롯형 출구 개구를 갖고, 노즐 관통 구멍의 곡면형 내면(들)은, 유체가 노즐 관통 구멍의 종축으로부터 각도 (예를 들어, 예각)를 이루고 출구 개구를 통해 빠져나가게 하도록 구성되거나, 또는 (d) (a) 내지 (c)의 어떤 조합이든 포함하는, 노즐.
94. 노즐로서:
복수의 노즐 관통 구멍을 포함하는 미세구조화 패턴 - 각각의 노즐 관통 구멍은 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 (예를 들어, 유체 연통 상태인) 하나 이상의 출구 개구를 포함하고, 미세구조화 패턴은 외부 주변부를 가짐 -; 및
노즐 관통 구멍을 통과하고 노즐 관통 구멍의 대응하는 출구 개구를 빠져나가는 유체에 의해 형성되는 방울들의 플룸에 좋은 영향을 주기 위해, 캐비테이션, 난류를 유도하거나 또는 다른 방식으로 유발하거나, 또는 노즐을 통한 유체 (예를 들어, 액체 연료)의 유동을 다른 방식으로 방해하기 위한, 적어도 하나 이상의 유체 유동 영향 요소를 포함하는 내면을 갖는 하나 이상의 노즐 관통 구멍을 포함하는, 노즐.
95. 실시예 94에 따른 노즐에 있어서, 유체 유동 영향 요소는 범프, 연속적 환형 릿지, 이격된 불연속적 릿지, 및 리블릿 중 하나 이상의 또는 그들의 어떤 조합이든 포함하는, 노즐.
96. 실시예 75 내지 실시예 95 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 노즐 관통 구멍의 각각의 입구 개구 및 출구 개구는 상이한 형상을 갖는, 노즐.
97. 실시예 75 내지 실시예 95 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 노즐 관통 구멍의 각각의 입구 개구 및 출구 개구는 상이한 형상을 갖고, 형상은 타원형, 원형, 경주 트랙 형상으로 이루어지는 형상들의 그룹으로부터 선택되는, 노즐.
98. 실시예 75 내지 실시예 95 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 하나 이상의 노즐 관통 구멍의 입구 개구 및 출구 개구 중 단지 하나만 꽉 채워진 원들의 외부 호를 포함하는 주변부를 갖는 형상을 가지며, 외부 호는 곡선형 필릿에 의해 연결되는, 노즐.
99. 실시예 75 내지 실시예 98 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 각각의 입구 개구는 300 미크론 미만, 200 미크론 미만, 또는 160 미크론 이하인 직경을 갖는, 노즐.
100. 실시예 75 내지 실시예 99 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 각각의 출구 개구는 300 미크론 미만, 100 미크론 미만, 또는 40 미크론 이하인 직경을 갖는, 노즐.
101. 실시예 75 내지 실시예 100 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 노즐은 연료 분사기 노즐인, 노즐.
102. 실시예 75 내지 실시예 101 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 노즐은 금속 재료, 무기 비금속 재료 (예를 들어, 세라믹), 또는 그들의 조합을 포함하는, 노즐.
103. 실시예 102에 따른 노즐에 있어서, 노즐은, 실리카, 지르코니아, 알루미나, 티타니아, 또는 이트륨, 스트론튬, 바륨, 하프늄, 니오븀, 탄탈륨, 텅스텐, 비스무트, 몰리브덴, 주석, 아연, 57 내지 71 범위 내에 있는 원자 번호를 갖는 란탄족 원소, 세륨의 산화물 및 그들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 세라믹을 포함하는, 노즐.
104. 실시예 75 내지 실시예 103 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 노즐 관통 구멍의 하나 이상의 내면은 자신의 입구 개구로부터 자신의 출구 개구까지 회전하는 횡단면을 갖는, 노즐.
105. 실시예 104에 따른 노즐에 있어서, 횡단면은 증가하는 회전율, 감소하는 회전율, 일정한 회전율, 또는 그들의 조합 중 하나 이상을 갖는, 노즐.
106. 실시예 75 내지 실시예 105 중 어느 한 실시예에 따른 노즐에 있어서, 하나 이상의 노즐 관통 구멍은 최외부 원을 포함하는 동심 원의 어레이로 배열되는 복수의 노즐 관통 구멍이고, 노즐 관통 구멍은, 최외부 원의 어느 한 직경도 동심 원의 어레이에서의 각각의 원으로부터의 하나 이상의 노즐 관통 구멍을 포함하지 않도록 배열되는, 노즐.
107. 실시예 106에 따른 노즐에 있어서, 동심 원의 어레이에서의 각각의 원은 동등하게 이격된 노즐 관통 구멍을 포함하는, 노즐.
도금 층 두께;
양호한 실시예에서는 ≤ 50㎛ 또는 ≤ 100㎛이고, 최대 두께가 ≤ 200㎛인 시드 층 두께.
보호 재료의 (일부) 전기도금의 두께 범위:
8㎛ (0.0003") 내지 50㎛ (0.002")인 경질 크롬.
2.5㎛ (0.0001") 내지 127㎛ (0.005")인 무전해 니켈.
5㎛ (0.0002") 내지 15㎛ (0.0006")인 아연
PTFE/니켈/인
스퍼터링 및 이온 도금은 다른 코팅법일 수 있다.
연료 분사기 노즐의 두께는, 약 100㎛ 이상, 양호하게는 약 200㎛ 초과; 및 약 3mm 미만, 양호하게는 약 1mm 미만, 더 양호하게는 약 500㎛ 미만인 것이 바람직할 수 있다.
이상에서 언급된 모든 특허, 특허 출원 및 다른 공보들은 상세히 재현한 것처럼 본 문헌에 참고로 포함된다. 본 발명의 구체적 예시가 본 발명의 다양한 양태의 설명을 용이하게 하기 위해 위에서 상세히 기술되었지만, 본 발명을 예시들의 상세 사항으로 제한하고자 하는 것이 아님을 알아야 한다. 오히려, 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 사상 및 범주 내에 속하는 모든 수정, 실시예 및 대안을 포함하고자 한다.

Claims (23)

  1. 노즐을 제조하는 방법으로서:
    (a) 몰드의 적어도 일부를 한정하고 복수의 복제 노즐 구멍 및 복제 평면 제어 공동을 포함하는 미세구조화 몰드 패턴을 제공하는 단계;
    (b) 미세구조화 몰드 패턴을 이용하여 제1 재료를 노즐 형성 미세구조화 패턴 - 노즐 형성 미세구조화 패턴은 복수의 노즐 구멍 형성 요소 및 평면 제어 공동 형성 요소를 포함함 -으로 성형하는 단계;
    (c) 노즐 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 제2 재료를 노즐 예비 형성품 - 노즐 예비 형성품은 복수의 노즐 예비 형성품 구멍 및 희생 평면 제어 공동을 포함함 -으로 형성하는 단계; 및
    (d) 노즐 예비 형성품으로부터 노즐을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 노즐을 형성하는 단계는, 노즐 예비 형성품의 상면을 노즐의 평면 상면으로 형성하고, 노즐 예비 형성품 구멍의 각각을 노즐 관통 구멍으로 형성하기 위해, 희생 평면 제어 공동을 제거하기에 충분하게 제2 재료를 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제2 재료는 복수의 상이한 제2 재료를 포함하고, 노즐 예비 형성품은, 생성되는 노즐 예비 형성품이 각각의 층이 상이한 제2 재료로 된 다중 층의 빌드업을 포함하도록 노즐 형성 미세구조화 패턴 상에 제2 재료의 각각을 층으로서 침착함으로써 형성되는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 미세구조화 몰드 패턴은, 하나 이상의 복제 노즐 구멍을, (a) 하나 이상의 다른 복제 노즐 구멍, (b) 미세구조화 몰드 패턴의 외부 주변부 너머의 몰드의 일부, 또는 (c) (a)와 (b) 둘 다에 연결하는 하나 이상의 유체 채널 요소를 포함하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 세개 이상의 복제 평면 제어 공동이 있는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 각각의 복제 노즐 구멍 및 그의 연결된 복제 평면 제어 공동은, 대응하는 희생 평면 제어 공동의 제거시, 노즐의 평면 상면을 형성하도록 구성되고, 노즐 관통 구멍은 하나 이상의 연료 플룸 형상 제어 요소를 형성하도록 구성되는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미세구조화 몰드 패턴을 제공하는 단계는:
    (a) 제3 재료를, 복수의 복제 노즐 구멍 형성 요소 및 복제 평면 제어 공동 형성 요소를 포함하는 몰드 형성 미세구조화 패턴으로 형성하는 단계; 및
    (b) 몰드 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 제4 재료를 미세구조화 몰드 패턴으로 형성하는 단계를 포함하며, 복제 노즐 구멍 형성 요소는 복제 노즐 구멍의 사실상 네거티브 복제물이고, 복제 평면 제어 공동 형성 요소는 복제 평면 제어 공동의 사실상 네거티브 복제물인, 방법.
  7. 노즐을 제조하는 방법으로서:
    (a) 제1 재료를, 복수의 복제 노즐 구멍 형성 요소 및 복제 평면 제어 공동 형성 요소를 포함하는 제1 미세구조화 패턴으로 형성하는 단계;
    (b) 제1 미세구조화 패턴을 이용하여 제2 재료를 제2 미세구조화 패턴 - 제2 미세구조화 패턴은 몰드의 적어도 일부를 한정하고 제1 미세구조화 패턴의 사실상 네거티브 복제물을 포함함 -으로 형성하는 단계;
    (c) 몰드의 제2 미세구조화 패턴을 이용하여 제3 재료를 제3 미세구조화 패턴 - 제3 미세구조화 패턴은 제2 미세구조화 패턴의 사실상 네거티브 복제물을 포함함 -으로 성형하는 단계;
    (d) 제3 미세구조화 패턴을 이용하여 제4 재료를 제4 미세구조화 패턴 - 제4 미세구조화 패턴은 제3 미세구조화 패턴의 사실상 네거티브 복제물을 형성하는 복수의 노즐 예비 형성품 구멍 및 희생 평면 제어 공동을 포함함 -으로 형성하는 단계; 및
    (e) 제4 미세구조화 패턴으로부터 노즐을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 노즐을 형성하는 단계는, 제4 미세구조화 패턴의 상면을 노즐의 평면 상면으로 형성하고, 노즐 예비 형성품 구멍의 각각을 노즐 관통 구멍으로 형성하기 위해, 희생 평면 제어 공동을 제거하기에 충분하게 제4 재료를 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 노즐을 제조하는 방법으로서:
    (a) 몰드의 적어도 일부를 한정하고 복수의 복제 노즐 구멍을 포함하는 미세구조화 몰드 패턴을 제공하는 단계;
    (b) 미세구조화 몰드 패턴을 이용하여 제1 재료를 노즐 형성 미세구조화 패턴 - 노즐 형성 미세구조화 패턴은 복수의 노즐 구멍 형성 요소를 포함함 -으로 성형하는 단계;
    (c) 노즐 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 제2 재료를 노즐 예비 형성품 - 노즐 예비 형성품은 복수의 노즐 예비 형성품 구멍을 포함하고, 제2 재료는 복수의 상이한 제2 재료를 포함하며, 노즐 예비 형성품은 생성되는 노즐 예비 형성품이 각각의 부분이 상이한 제2 재료로 되는 다중 부분을 포함하도록 상이한 제2 재료의 각각을 노즐 형성 미세구조화 패턴 상에 별도의 부분으로서 침착함으로써 형성됨 -으로 형성하는 단계; 및
    (d) 노즐 예비 형성품으로부터 노즐을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 노즐을 형성하는 단계는, 노즐 예비 형성품 구멍의 각각에서 출구 개구를 개방하고, 노즐 예비 형성품 구멍의 각각을 노즐 관통 구멍으로 형성하기에 충분하게 제2 재료를 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 미세구조화 몰드 패턴을 제공하는 단계는:
    (a) 제3 재료를, 복수의 복제 노즐 구멍 형성 요소를 포함하는 몰드 형성 미세구조화 패턴으로 형성하는 단계; 및
    (b) 몰드 형성 미세구조화 패턴을 이용하여 제4 재료를 미세구조화 몰드 패턴으로 형성하는 단계를 포함하며, 복제 노즐 구멍 형성 요소는 복제 노즐 구멍의 사실상 네거티브 복제물인, 방법.
  10. 노즐을 제조하는 방법으로서:
    (a) 제1 재료를, 복수의 복제 노즐 구멍 형성 요소를 포함하는 제1 미세구조화 패턴으로 형성하는 단계;
    (b) 제1 미세구조화 패턴을 이용하여 제2 재료를 제2 미세구조화 패턴 - 제2 미세구조화 패턴은 몰드의 적어도 일부를 한정하고 제1 미세구조화 패턴의 사실상 네거티브 복제물을 포함함 -으로 형성하는 단계;
    (c) 몰드의 제2 미세구조화 패턴을 이용하여 제3 재료를 제3 미세구조화 패턴 - 제3 미세구조화 패턴은 제2 미세구조화 패턴의 사실상 네거티브 복제물을 포함함 -으로 성형하는 단계;
    (d) 제3 미세구조화 패턴을 이용하여 제4 재료를 제4 미세구조화 패턴 - 제4 미세구조화 패턴은 복수의 노즐 예비 형성품 구멍을 포함하고, 제4 재료는 복수의 상이한 제4 재료를 포함하며, 제4 미세구조화 패턴은 생성되는 노즐 예비 형성품이 각각의 층이 상이한 제4 재료로 되는 다중 층의 빌드업을 포함하도록 제4 재료의 각각을 제4 미세구조화 패턴 상에 층으로서 침착함으로써 형성됨 -으로 형성하는 단계; 및
    (e) 제4 미세구조화 패턴으로부터 노즐을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 노즐을 형성하는 단계는, 노즐 예비 형성품 구멍의 각각에서 출구 개구를 개방하고, 노즐 예비 형성품 구멍의 각각을 노즐 관통 구멍으로 형성하기에 충분하게 제4 재료를 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제7항 또는 제10항에 있어서, 제1 미세구조화 패턴은 복수의 별개의 미세구조체를 포함하고, 복수의 별개의 미세구조체는 3차원 곡선 바디인 별개의 미세구조체를 포함하는, 방법.
  12. 복수의 노즐 예비 형성품 구멍, 희생 평면 제어 공동 및 외부 평면의 주변부를 포함하는 노즐 예비 형성품을 형성하기 위한 미세구조화 패턴으로서, 상기 미세구조화 패턴은:
    노즐 예비 형성품 구멍의 사실상 네거티브 복제물인 복수의 노즐 구멍 형성 요소, 및
    희생 평면 제어 공동의 사실상 네거티브 복제물인 복수의 평면 제어 공동 형성 요소를 포함하는, 미세구조화 패턴.
  13. 복수의 노즐 관통 구멍을 포함하는 노즐을 형성하기 위한 노즐 예비 형성품으로서, 각각의 노즐 관통 구멍은 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 하나 이상의 출구 개구를 포함하며, 상기 노즐 예비 형성품은:
    노즐 관통 구멍에 대응하는 복수의 노즐 예비 형성품 구멍; 및
    복수의 희생 평면 제어 공동을 포함하고,
    상기 노즐 예비 형성품 구멍의 각각은 상기 희생 평면 제어 공동 중 하나 이상에 연결되는, 노즐 예비 형성품.
  14. 복수의 노즐 관통 구멍을 포함하는 미세구조화 패턴을 포함하는 노즐로서, 각각의 노즐 관통 구멍은 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 하나 이상의 출구 개구를 포함하며, 상기 미세구조화 패턴은 외부 주변부를 갖고, 상기 노즐은 각각의 층이 상이한 재료로 된 다중 층의 빌드업을 포함하며, (a) 상기 다중 층 중 어느 것도 얇은 도전성 시드 층의 형태로 있지 않거나, (b) 상기 다중 층이 세개 이상의 층이거나, 또는 (c) (a)와 (b) 둘 다인, 노즐.
  15. 제14항에 있어서, 하나 이상의 노즐 관통 구멍을, (a) 하나 이상의 다른 노즐 관통 구멍, (b) 상기 미세구조화 패턴의 외부 주변부의 일부, 또는 (c) (a)와 (b) 둘 다에 연결하는 하나 이상의 유체 채널 요소를 추가로 포함하는, 노즐.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 노즐 관통 구멍의 출구 개구를 통해 흘러 나가는 유체에 의해 형성되는 플룸의 형상을 제어하기 위한 하나 이상의 유체 플룸 형상 제어 요소를 추가로 포함하고, 상기 유체 플룸 형상 제어 요소는 플룸을 형성하는 유체 방울들의 크기 및 분포를 제어하기 위해 상기 노즐 관통 구멍으로부터 흐르는 유체 스트림을 분류하기에 작동상 적합한, 노즐.
  17. 노즐로서:
    복수의 노즐 관통 구멍을 포함하는 미세구조화 패턴 - 각각의 노즐 관통 구멍은 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 하나 이상의 출구 개구를 포함하고, 상기 미세구조화 패턴은 외부 주변부를 가짐 -; 및
    하나 이상의 노즐 관통 구멍을, (a) 하나 이상의 다른 노즐 관통 구멍, (b) 상기 미세구조화 패턴의 외부 주변부의 일부, 또는 (c) (a)와 (b) 둘 다에 연결하는 하나 이상의 유체 채널 요소를 포함하는, 노즐.
  18. 노즐로서:
    복수의 노즐 관통 구멍을 포함하는 미세구조화 패턴 - 각각의 노즐 관통 구멍은 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 하나 이상의 출구 개구를 포함하고, 상기 미세구조화 패턴은 외부 주변부를 가짐 -; 및
    상기 노즐 관통 구멍의 출구 개구를 통해 흘러 나가는 유체에 의해 형성되는 플룸의 형상을 제어하기 위한 하나 이상의 유체 플룸 형상 제어 요소를 포함하는, 노즐.
  19. 제18항에 있어서, 상기 유체 플룸 형상 제어 요소는 플룸을 형성하는 유체 방울들의 크기 및 분포를 제어하기 위해 상기 노즐 관통 구멍으로부터 흐르는 유체 스트림을 분류하기에 작동상 적합한, 노즐.
  20. 노즐로서:
    복수의 노즐 관통 구멍을 포함하는 미세구조화 패턴 - 각각의 노즐 관통 구멍은 입구 개구 및 내면에 의해 한정되는 중공형 공동에 의해 입구 개구에 연결되는 하나 이상의 출구 개구를 포함하고, 상기 미세구조화 패턴은 외부 주변부를 가짐 -; 및
    상기 노즐 관통 구멍을 통과하고 상기 노즐 관통 구멍의 대응하는 출구 개구를 빠져나가는 유체에 의해 형성되는 방울들의 플룸에 좋은 영향을 주기 위해, 캐비테이션, 난류를 유발하거나, 또는 상기 노즐을 통한 유체의 유동을 방해하기 위한, 하나 이상의 유체 유동 영향 요소를 포함하는 내면을 갖는 하나 이상의 노즐 관통 구멍을 포함하는, 노즐.
  21. 제14항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 입구 개구는 300 미크론 미만의 직경을 갖는, 노즐.
  22. 제14항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 출구 개구는 300 미크론 미만, 100 미크론 미만, 또는 40 미크론 이하의 직경을 갖는, 노즐.
  23. 제14항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 분사기 노즐인, 노즐.
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