KR20140089339A

KR20140089339A - 경화 시스템

Info

Publication number: KR20140089339A
Application number: KR1020147006800A
Authority: KR
Inventors: 조세 페로사; 다니엘 존슨; 리차드 딕슨
Original assignee: 인트린시크 머티리얼즈 리미티드
Priority date: 2011-08-16
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2014-07-14
Also published as: EP2744604A1; WO2013024297A1; US20150048075A1; JP2015501369A; GB201114048D0

Abstract

나노입자 물질 경화 장치가 개시된다. 상기 장치는, 나노입자 잉크 층이 배치되는 기판을 수용하는 용기; 및 제1 바 다이오드 레이저를 포함하는 레이저 바 다이오드 어레이를 포함하고, 연속파 레이저를 조사하고 증착된 나노입자 물질을 경화한다.

Description

경화 시스템{CURING SYSTEM}

본 발명은 나노입자 경화 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 다이오드 바 레이저(diode bar lasers)를 사용하여 나노입자를 경화하는 시스템에 관한 것이다.

나노입자들을 경화 또는 소결하여 대형 구조를 생성하는 방법은 널리 알려져있다. 나노입자들을 경화하는 것이 갖는 이점 중 하나는 나노입자의 경화와 관계되는 온도가 같은 물질로 이루어진 더 큰 입자들을 벌크(bulk) 경화할 때의 온도보다 훨씬 낮다는 것이다.

이미 알려져 있고, 시중에서 구입 가능한 나노입자 경화 시스템들은 일반적으로 컨벡션 오븐(convection oven)이나 크세논 섬광등(Xenon flash lamp) 기반 시스템의 사용이 개입된다. 이러한 시스템들에서는, 크세논 등(Xenon lamps)에서 파장광(pulsed light)이 조사되어 경화될 나노입자들의 필름 상에 유도된다. 크세논 등에서 조사된 빛은 나노입자들을 경화하기에 충분한 에너지를 갖는다.

그러나 이러한 종래 시스템들은 몇 가지 단점들을 갖는다. 가령, 크세논 등으로부터 조사된 광원의 파장에 있는 자연적 스프레드(natural spread) 때문에 논피크(non-peak) 에너지 파장으로부터의 기여가 원하지 않는 효과를 가져올 수 있다. 가령, 파장에 있는 스프레드 때문에 빛이 더 두꺼운 필름 안으로 관통하는 것을 제한하거나 상층들을 밀봉하여 원하지 않는 유기물들이 구조 안에 남아 있게 할 수 있다. 이는 높은 주파수에서 조사되는, 따라서 에너지 분배에서 꼬리 부분으로부터의, 더 큰 에너지의 빛이 표면에 근접한 영역에서 쉽게 흡수되어 이 영역을 소결하기 때문에 발생한다. 이에 따라, 나노입자들이 일반적으로 함유된 바인더(binder)나 유기성 서스펜션(organic suspension)이 부분적으로만 제거되어, 전도성을 제한한다. 또한, 에너지 강도의 비대칭적 분포가 에너지를 생성하는데, 이 에너지는 소결 과정에서 사용되지 않기 때문에 경화의 효율성을 떨어뜨린다. 이것은 또한, 사용된 기판에 열을 가하거나 손상시킬 수 있다.

등(lamp) 또는 다른 광원의 펄싱 효과(pulsing effect)는 높은 에너지 피크를 생성하는 경향이 있는데, 이러한 고 에너지 피크는 소결 과정을 일으키기보다 필름을 삭마(ablate) 시키는 것으로 밝혀졌다. 이에 따라, 경화된 제품의 구조는 원하는 구조를 갖지 않을 수 있다.

종래 기술은 또한 특히 알루미늄, 실리콘 및 세라믹과 같은 높은 열전도 물질들의 경우 사용할 수 있는 기판의 수가 제한되는 문제점이 있는데, 이는 소결이 발생하기 전에 빛이 입사되는 영역에서 열이 전도되어 소멸되기 때문이다. 높은 열전도 대량 물질은 LED 시스템에서 효율적인 열흡수원(heat sink) 시스템의 일부로 자주 적용된다. 또한, 등의 일부 파장은 기판에 의해 쉽게 흡수되고 열 손상을 일으키기 때문에 특정 기판은 손상되는 것으로 알려져 있다. 이는 고분자 필름 및 ITO 필름 등에서 나타나는 것으로 알려져 있어, 특정 물질의 경화 방법의 적합성에 영향을 미친다.

상술한 문제점들 중 적어도 일부를 극복하기 위해, 나노입자를 경화하기 위해 연속 또는 준연속 빔을 조사하고, 바람직하게는 직렬로 배열된 하나 이상의 다이오드 바 레이저(diode bar lasers) 어레이(array)를 포함하는 경화 장치가 제공된다. 각각의 다이오드 바 레이저는 조사된 레이저빔 또는 레이저 '커튼(curtain)'이 기판의 너비만큼 확장됨으로써 매우 빠른 속도로 물질의 넓은 표면을 경화하도록 구성된 1차원 광역 방사체 어레이를 포함한다.

본 명세서에서 입자의 크기는 입자의 직경을 의미한다. 연속파라는 용어는 당업계에서 인식되는 바와 같이, 연속 출력빔, 즉 펄스 형태가 아닌 빔으로 생성되는 레이저빔을 의미한다. 이러한 빔은 정상 상태(steady state)의 빔으로, 일반적으로는 일정한 진폭과 주파수를 갖는다. 준연속 빔은 당업계에서 인식되는 바와 같이, 펄스 형태이나, 조사 단계 중에 연속 출력을 갖는, 즉 일정한 진폭과 주파수를 갖는 레이저를 조사하는 레이저빔을 의미한다. 이러한 준연속 빔은 특정 시간 동안만 켜지는데, 이는 정상 상태(즉, 일정한 진폭과 주파수)에서 레이저가 조사되기에 충분한 시간이다. 따라서, 정상 상태의 빔은 연속 및 준연속 빔과 같이 일정한 진폭과 주파수를 갖는 레이저를 지칭할 때 쓰인다.

상기 장치는 다이오드 바 레이저의 경화를 높은 수준으로 조절할 수 있게 함으로써, 경화 공정의 효율성을 유지하는데 도움을 주는 이점을 갖는다. 경화 빔(curing beam)의 보편적인 특성 때문에, 본 발명은 또한 어레이를 가지고 경화 대상 물질의 관통이 더 잘 이루어질 수 있도록 함으로써, 나노입자 증착 필름의 하부층들이 경화될 수 있도록 돕는다. 어레이가 단색의(monochromatic) 다이오드 바 레이저를 사용하기 때문에, 경화 광(curing light)은 상술한 문제점들을 일으킬 만큼 종래 시스템들에서 발견되는 높은 에너지 테일(energy tail)을 갖지 않는다.

본 발명의 또 다른 이점은 증착된 나노물질 안에 존재하는 유기 바인더(binder)/용제(solvent)를 높은 비율로 제거할 수 있다는 점이다. 본 발명의 경우, 파장/에너지 및 에너지 분포 등의 측면에서 물질 경화에 사용되는 빛을 더 잘 조절할 수 있기 때문에, 사용되는 경화 레이저빔은 유기 바인더/용제의 제거를 보장하도록 조정될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 나노입자 물질을 경화하기 위한 장치가 제공되는데, 상기 장치는 나노입자 잉크 층이 배치된 기판을 수용하기 위한 용기(receptacle); 및 제1 다이오드 바 레이저를 포함하는 레이저 어레이를 포함하고, 상기 어레이는 연속 또는 준연속파로서 레이저빔을 조사하고 상기 증착된 나노입자 물질을 경화하도록 구성된다.

상기 레이저는 상기 증착된 나노입자 잉크 층의 너비만큼 확장되도록 선택될 수 있다. 상기 장치는 상기 레이저 어레이와 기판 사이에 배치 가능하고, 상기 레이저 어레이에 의해 조사된 파면(wavefront)을 변경하도록 구성된 광학 어레이를 더 포함하도록 선택될 수 있다. 상기 광학 어레이는 조사된 레이저빔의 초점을 맞추거나 발산(diffuse)하도록 구성되는 것이 바람직하다. 상기 광학 어레이는 균일한 파면을 생성하도록 구성된 제1 개구(aperture)를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 광학 어레이는 제1 렌즈를 포함하도록 선택될 수 있다. 하나 이상의 다이오드 레이저를 더 포함하도록 선택될 수 있다. 상기 복수의 다이오드 레이저는 직렬로 배치되는 것이 바람직하다. 두 개 이상의 레이저가 상이한 주파수를 조사하도록 구성되는 것이 바람직하다. 제2 레이저는 상기 증착된 물질을 건조시키도록 구성되는 것이 바람직하다. 상기 장치를 조절하도록 구성된 프로세서를 더 포함하도록 선택될 수 있다. 상기 프로세서는 상기 하나 이상의 레이저를 선택적으로 결합하도록 구성된 컨트롤러 유닛의 일부인 것이 바람직하다. 상기 프로세서는 조사되는 레이저의 강도를 조절하도록 구성되는 것이 바람직하다. 상기 컨트롤러는 레이저 어레이에 공급되는 전류를 더 조절하는 것이 바람직하다. 선택에 따라, 상기 장치의 온도를 측정하도록 구성된 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 센서는 상기 프로세서와 통신하고 상기 프로세서는 상기 레이저의 강도를 선택적으로 조절함으로써, 온도를 기 설정된 값 미만으로 유지하도록 추가적으로 구성되는 것이 바람직하다. 선택에 따라, 증착된 물질 및/또는 기판에 관한 정보를 수신하도록 구성된 컴퓨터를 더 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터는 수신된 정보를 바탕으로 상기 용기, 광학 어레이 및 레이저 간의 상대적 분리(relative seperation)를 설정하도록 추가적으로 구성되는 것이 바람직하다.

선택에 따라, 상기 용기와 레이저 어레이는 서로에 대해 이동 가능할 수 있다. 선택에 따라, 열흡수원을 더 포함할 수 있다. 상기 샘플 홀더(sample holder) 또는 용기(receptacle)는 또한 상기 기판을 평평하게 지탱해야 하는데; 이것은 진공 베드(vacuum bed)를 사용함으로써 가능하다. 상기 베드는 소결이 더 균일하게 일어날 수 있도록 공정 시 기판을 일정한 온도로 유지하기 위해 수냉각(water cooled) 되도록 설계될 수 있다. 또는, 소결 공정을 완료하는데에 더 낮은 레이저 전력이 필요하도록 상기 기판이 가열될 수 있다. 선택에 따라, 상기 레이저 어레이는 상기 기판에 투과적인(transparent) 주파수에서 조사하도록 구성될 수 있다. 선택에 따라 나노입자들이 불활성 분위기(inert atmosphere)에서 경화되도록 불활성 기체의 원천을 더 포함할 수 있다. 이는 소결 레이저 챔버(chamber)가 불활성 또는 환원성 분위기를 포함하게 하거나, 소결 시 아르곤과 같은 불활성 기체를 상기 기판에 불어넣음으로써 달성 가능하다. 또한, 불활성 기체의 원천을 더 포함할 경우 상기 기판에서 어떤 임의의 유기물이라도 제거하는데 도움이 된다. 선택에 따라, 하나 이상의 추가적인 레이저 바 다이오드 어레이를 더 포함할 수 있다. 선택에 따라, 상기 용기가 놓일 수 있고, 레이저광의 반사를 환원하거나 사용하도록 구성된 챔버를 더 포함할 수 있다. 빛이 반사되는 경우, 후방 산란된 빛은 가령 PET 또는 그 외 투명 필름을 경화할 때 기판의 후측을 소결하는데 도움이 될 수 있다. 상기 레이저 다이오드에 의해 조사된 파장은 상기 기판이 투명하고 상기 레이저의 기판 상의 직접 충격에 의해 가열 효과가 전혀 일어나지 않거나 최소가 되도록 하는 것일 수 있다.

선택에 따라, 상기 장치는 상기 기판을 가열하기 위한 가열 요소를 더 포함할 수 있다. 선택에 따라, 상기 용기는 진공 베드일 수 있다. 상기 진공 베드는 수냉각(water cooled)되는 것이 바람직하다. 선택에 따라, 다수의 레이저들이 사용되는 실시예들의 경우, 제1 레이저는 제2 레이저보다 낮은 전력으로 조사하고, 이에 따라 상기 제1 레이저는 증착된 나노입자 잉크를 소프트 소결(soft sintering)할 수 있다.

본 발명의 다른 측면들은 부가된 특허청구범위로부터 명백해진다.

이하의 도면들을 함께 참조하여, 본 발명의 실시예들이 예로써 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따라 사용되는 장치의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 측면에 따른 레이저 어레이의 개략도이다.
도 3은 복수의 레이저를 포함하는 레이저 어레이의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 측면에 따른 물질을 경화하는 공정의 흐름도이다.
도 5는 레이저 바 다이오드로부터의 전력 분포 곡선 그래프이다.

본 발명의 일 측면에 따르면 나노입자 경화 장치, 특히 나노입자의 벌크(bulk) 경화 장치가 제공된다. 여기에 기재된 공정들은 작은 규모의 작업대(worktop)에서부터 큰 규모의 산업 차원의 이행까지 적용 가능하다.

도 1은 경화 장치(10)의 개략도이다. 내부에서 상기 장치를 지지하는 챔버(12)가 도시되어 있다. 상기 장치(10)는 빛을 홀더(holder) 또는 용기(receptacle, 18)까지 관통시키는 광학 어레이(16)를 구비한 다이오드 바 레이저 어레이(14), 및 기판(22)이 상부에 놓이는 열흡수원(heat sink, 20)을 포함한다. 상기 기판(22)은 (소결 또는 경화에 의해) 변형될 나노입자 잉크 층(24)을 갖는다. 상기 장치는 레이저 전류 공급부(28)와 광학 컨트롤러(30)를 조절하는 컴퓨터(26)에 의해 조절되며, 온도 센서(32)로부터 입력을 수신한다.

바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 장치는 경화 장치(10)가 안에 배치되는 챔버(12)를 제공한다. 상기 챔버(12)는 레이저 어레이(14)로부터 조사된 빛을 흡수하고 레이저 어레이(14)로부터의 반사를 최소화하는 페인트로 코팅된다. 게다가 상기 장치가 포함된 상기 챔버(12) 내의 분위기는 불활성 분위기(즉, 불활성 기체의 농도가 높은 분위기) 또는 환원성 분위기(즉, 산소와 그 외 산화 기체가 제거된, 가령 아르곤 중 수소 0-10%)이다. 상기 불활성 또는 환원성 분위기는 경화 공정 결과 산화물 함량이 최소 또는 영(zero)인 필름이 생성되게 함으로써 상기 생성 공정의 순도를 증대시키는 이점이 있다. 또 다른 실시예들에 따르면, 비용 절감을 위해 상기 챔버(12)가 생략될 수 있다.

상기 다이오드 바 레이저 어레이(14)는 용기(18) 위에 배치되며, 레이저빔을 상기 용기(18) 상에 조사하도록 배치될 수 있다. 상기 광학 어레이(16)는 상기 레이저 어레이(14)에 의한 조사된 파형(waveform)의 강도를 선택적으로 변경하도록 상기 레이저 어레이(14)와 상기 용기(18) 사이에 배치된다. 상기 레이저 어레이(14)는 컴퓨터(26)에 의해 조절되는 전류 공급부(28)로부터 전력을 제공받는다. 상기 컴퓨터(26)는 또한 적합한 광학(optics)을 선택하고 광학 어레이(16)에 배치할 수 있도록 구성된다.

사용시, 상기 레이저 어레이(14)에 의해 조사된 레이저는 개별 입자들을 소결함으로써, 나노입자들을 경화하여 대형 구조를 형성한다. 또한, 상기 레이저는 나노물질에 포함된 다수의 유기 화합물을 제거하는 효과가 있어서, 구조의 순도를 높이게 된다. 바람직하게는 불활성, 또는 환원성 분위기의 챔버(12)에서 경화가 발생하기 때문에, 이로써 형성된 구조의 산화가 최소화된다.

사용시, 경화될 나노물질(24)에 코팅된 기판(22)은 상기 용기(18) 상에 배치된다. 상기 기판(22)은 인쇄 등의 알려진 기술에 의해 나노입자 물질(24)로 도포된다. 상기 나노입자 물질(24)은 구리, 은, 실리콘, 니켈, 탄탈륨, 티타늄, 플라티늄, 팔라듐, 몰리브덴 또는 알루미늄 등의 금속 또는 반금속으로 이루어질 수 있다. 상기 나노입자 물질(24)은 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이드(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리카로네이트(polycaronate, PC), 또는 질화규소(SiN), 인듐틴옥사이드(Indium Tin Oxide, ITO), 유리, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS), 세라믹, FR4, GX13 또는 종이 등 기타 적합한 물질로 이루어질 수 있다.

상기 기판(22)은 경화 테이블(curing table) 등과 같은 용기(18) 상에 배치되나, 그 외에도 상기 기판(22)을 지탱할 수 있는 것이면 다른 용기도 사용 가능하다. 바람직한 일 실시예에서 상기 용기(18)와 상기 레이저 어레이(14)는 더 넓은 범위를 커버하기 위해 서로에 대해 이동 가능하다. 바람직한 일 실시예에서 상기 용기(18)는 x-y 평면으로 해석 가능한 테이블로서, 상기 레이저 어레이(14)의 커버리지(coverage) 범위를 증대시킨다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 레이저 어레이(14)와 용기(18)는 상대적인 위치에 고정되며, 상기 레이저 어레이(14)에 의해 조사된 빔은 광학 어레이(16)에 의해 조절됨으로써, 상기 레이저 어레이(14)에 의해 조사된 빔이 상기 기판(22) 전체를 커버하고, 이에 따라 증착된 나노물질(24) 전체를 커버한다.

상기 기판(22)은 상기 다이오드 바 레이저 어레이(14)로부터 조사된 빛에 의해 조광(illuminated)된다. 상기 다이오드 바 레이저 어레이(14)는 하나 이상의 다이오드 바 레이저를 포함한다. 복수의 다이오드 바 레이저를 갖는 실시예들에 따르면, 상기 레이저들은 직렬로 배치되는 것이 바람직하다. 다이오드 바 레이저는 시중에서 구입 가능하며 제1 축(느린축(slow axis)으로 알려짐)으로 수 센티미터 길이를 갖는 1차원 및 제2 축(빠른축(fast axis)으로 알려짐)으로 수 밀리미터 길이를 갖는 1차원인 빔을 조사한다. 본 발명에서는 상기 다이오드 바 레이저의 자연적인 형태를 활용하여 매우 규칙적인 직사각형태를 갖는 빔을 제공한다. 상기 다이오드 바 레이저는 연속 또는 준연속파 빔, 다시 말해, 일정한 진폭과 좁은 스펙트럼을 갖는 빔을 조사한다. 따라서, 상기 레이저는 정상 상태(steady state)로 조사한다. 따라서, 크세논 시스템에서와 달리, 광원의 진폭이나 주파수에서의 변수는 주지 않는다. 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 레이저는 3㎚ 미만의 FWHM(Full Width at Half Maximum, 반치폭)을 갖고, 808㎚, 915㎚, 938㎚, 975㎚ 또는 976㎚에서 조사한다. 그러나, 다른 주파수도 사용될 수 있으며, 바람직하게는 경화될 물질 및 기판에 따라서 다른 파장을 사용함으로써 최적의 관통 및 유기종(organic species)의 제거를 보장한다. 600㎚ 내지 2㎛가 넘는 범위에서 작동하는 레이저 바 다이오드가 사용될 수 있는데, 더 두꺼운 증착층들을 경화하는데는 더 높은 레이저 파장이 적합하다.

도 5는 단일 레이저 바 다이오드의 일반적인 전력 분포를 나타낸다. 두 개의 실행 곡선(run) R1(다이아몬드로 표시)과 R2(사각형으로 표시)에 대한 전력 분포가 나타난다.

도 5에 도시된 바와 같이, 바 전체에 나타나는 반도체 다이오드들의 온도 변화 또는 온도 차이 때문에, 레이저 바 다이오드가 균일하지 않음을 확인할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 빔의 형태가 곡선 R1과 R2를 통하여 일정하기 때문에, 조사된 빛이 겹치도록 레이저 바 다이오드 어레이들을 배치함으로써 빔의 균일성을 향상시킬 수 있다. 각각의 레이저빔의 형태는 이미 알려진 것이기 때문에 상기 레이저 바 다이오드들은 조사된 전력을 평균화하고 레이저 파면의 강도를 더 균일하게 하는 전반적인 효과가 나타나도록 배치된다.

레이저 어레이에서 다수의 레이저 바 다이오드를 사용하는 본 발명의 실시예들에서, 제1 레이저는 하나 이상의 다른 레이저 바 다이오드들보다 낮은 전력/더 긴 파장에서 작동할 수 있다. 따라서, 상기 제1 레이저는 더 많은 유기물 함량을 털어내도록 작용함으로써 건조 요건을 감축 또는 제거한다. 또한, 더 낮은 전력의 제1 레이저를 사용하게 되면 입자들을 함께 "소프트(soft)" 소결시킴으로써, 구조의 밀도가 높아지고 최종 소결 공정 단계 동안 입자들의 이동이 줄어든다 (다른 레이저의 경우에는 더 높은 전력에서). 이는 표면 볼링(surface balling)(표면 에너지 전반을 낮추는)을 일으킬 만큼 입자들이 이동성을 갖는 오스트발트 숙성(Ostwald ripening) 등과 같은 효과를 줄이는데 도움이 된다. 마찬가지로, 동일한 레이저가 기판에 사용될 수 있는데, 레이저 커튼(laser curtain)을 여러 번 통과하되 레이저 바 다이오드 전력은 매 통과 시 조절될 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, IR 및 UV 램프와 같은 기존의 대체 건조 방법들을 사용해 물질을 처리할 수 있다. 금속을 '습한(wet)' 형태로 경화하게 되면 나노물질의 이동성이 증가하여 밀도가 더 높은 구조가 형성되고 전도성이 증가한다.

바람직한 일 실시예에 따르면, 광학 렌즈 또는 어레이(16)가 레이저 어레이(14)와 용기(18) 사이에 배치된다. 상기 광학 렌즈(16)는 샘플 상에 빔의 초점을 맞추는데 사용된다. 초점 위치에 대한 샘플 위치에 따라, 상기 빔의 높이는 다양해져서(너비는 일정함) 에너지 밀도 조절이 가능해진다. 일 실시예에 따르면, (분기되는)바 다이오드의 출력을 둘러쌀 정도의 길이를 갖는 단일 렌즈 또는 직렬로 배치되는 복수의 바 다이오드가 사용될 수 있다. 빔 너비가 일정할 때, 상기 빔의 작업 깊이(working depth)를 늘려서 레이저 어레이(14)에 대한 기판 위치의 허용치를 늘릴 수 있으며, 이는 빔 조준을 위해 렌즈를 추가함으로써 가능하다. 일 실시예에 따르면, 상기 광학 어레이(16)는 조사된 레이저빔을 높은 수준으로 조절하기 위해 복수의 렌즈, 개구(aperture), 마스크(mask) 및 격자(grating)를 포함한다.

빔의 초점을 맞추는 것은, 경화에 의한 구조적 변화를 견딜 수 있는 강도 높은 빔을 필요로 하는 열 전도성이 높은 물질과 기판에 특히 유용하다. 빔의 초점을 맞춤으로써 빔의 유효 온도(effective temperature)를 올릴 수 있고, 이는 열 전도성이 높은 물질의 경화를 가능케 한다.

이하, 도 4를 참조로 광학 렌즈의 형태와 기능에 대해 상세히 설명한다.

또 다른 실시예에 따르면, 상기 레이저 어레이(14)는 상이한 파장을 갖는 복수의 다이오드 바 레이저를 포함한다. 조사된 레이저광과 물질(증착된 나노물질, 기판 등)간의 상호작용은 조사된 광자(light photon)들의 에너지에 의해 지배를 받기 때문에, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상이한 파장에서 조사하고 이에 따라 상이한 에너지를 갖는 광자들을 조사하는 복수의 다이오드 바 레이저를 포함하는 레이저 어레이(14)가 제공된다. 사용된 나노물질(24)과 상기 나노물질(24)이 배치되는 기판(22) 물질에 따라, 컴퓨터(26)에 의해 선택된 레이저는 기판(22) 물질을 손상시키지 않으면서 나노물질(24)을 경화하기에 최적인 것으로 선택된 것이다. 선택에 따라, 다수의 나노물질(24)이 상기 기판(22) 상에 증착되고/증착되거나 다수의 기판(22)이 사용되면, 다수의 레이저가 상기 레이저 어레이(14)에 의해 조사될 수 있다.

상기 광학 어레이(16)는 요구되는 파형에 따라, 다수의 상이한 렌즈 또는 마스크를 선택할 수 있도록 한다. 특히, 일정한 에너지를 갖는 균일한 파형을 생성하도록 개구(aperture)나 마스크가 선택될 수 있다. 상기 파형은 경화되지 않은 상태에서 경화된 상태로의 빠른 이전 또는 비건조 상태에서 건조된 상태로의 빠른 이전을 가능하게 하는 이점을 갖는다. 본 발명은 크세논 램프의 광대역 파장 조사와 관련된 많은 문제점들을 극복한다. 예를 들어, 본 발명은 단색의(monochromatic) 광원을 사용하기 때문에, 상부층에 많이 흡수되는 낮은 파장 광과 같은 다른 파장으로부터의 기여(contribution)를 제거함으로써 상기 상부층을 밀봉한다. 사용되는 레이저 바 다이오드는 전구 나노물질에서 유기성 바인더 등과 같은 물질의 큰 부분이 제거될 수 있도록 하는 이점이 있다. 이것은 종래와 같이 상부층을 밀봉하지 않는 파형의 결과로서, 이로 인해 상기 레이저는 더 깊이 관통할 수 있다.

또 다른 이점은, 톱햇(top hat) 파형을 갖는 연속파를 사용함으로써, 크세논 램프 등과 관련된 고 에너지 피크(peak) 등을 피할 수 있다는 것이 밝혀짐에 따라, 정상 상태 또는 연속/준연속파 레이저를 사용한다는 것이다. 크세논 램프에서의 이러한 피크는 전구 물질을 소결하기 보다는 삭마(ablation)를 일으키기 때문에, 펄싱 램프(pulsing lamp)에서는 본 발명에 사용된 단색 연속파 보다 전구 물질의 변형이 덜 효율적으로 이루어지게 된다. 또한, 몇몇 기판은 크세논 램프의 중앙 파장에 의해 영향/손상을 받지 않는데 반해, 고 에너지 피크는 기판을 손상시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다. 또한, 알루미늄, 실리콘 및 세라믹과 같은 높은 열 전도성 기판들은 소결이 일어나기 전에, 빛의 입사 영역에서부터 열을 전도하는 것으로 밝혀졌다. 본 발명은 레이저 어레이(14)를 사용하고 광학 렌즈가 어레이(16)로 빔을 변형함으로써 이와 같은 제한 사항을 극복하는 이점이 있다. 이러한 이점은 또한 ITO 코팅된 플라스틱 기판 등과 같은 코팅된 플라스틱 층의 공정 과정에서 관찰된다. ITO는 특정한 파장에서 흡수하여 구조적 손상을 일으키는 것으로 알려져 있고, 단색 광원의 사용은 나노입자의 소결을 최적화하되 코팅에 대한 손상을 제한하거나 전혀 일으키지 않도록 레이저 파장을 선택할 수 있도록 한다.

바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 바 다이오드 어레이(14)에서 공급한 전력은 레이저 전류 공급부(28)에 의해 조절된다. 상기 레이저 바 다이오드에 공급되는 전류(Amps)를 증가시킴으로써 상기 레이저의 출력을 달라지게 할 수 있다. 광학 어레이(16)는 또한 빔의 초점을 맞추거나/초점을 흐리게 함으로써 강도에 영향을 미칠 수 있고, 상기 광학 어레이(16)의 조절은 광학 컨트롤러(30)에 의해 수행된다(도 1 참조). 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 전류 공급부(28)와 광학 컨트롤러(30)는 모두 중앙 컴퓨터(26)에 의해 조절된다. 상기 중앙 컴퓨터(26)는 상기 레이저 전류 공급부(28) 및 광학 컨트롤러(30)와 통신하여, 조사되는 빔을 변형하기 위해 해당 구성 요소들을 선택적으로 결합/분리한다. 사용시, 사용자는 키보드 등과 같은 공지의 입력 수단을 사용하여 기판(22) 물질, 그리고 증착된 나노물질(24)의 종류, 너비 및 깊이 등을 상기 컴퓨터(26)에 입력한다. 상기 컴퓨터(26)는 기록 가능한 메모리의 형태를 구비하거나, 최적의 광학 조성 및 레이저 전력을 선택할 수 있는 검색표(look up table)를 포함하는 메모리에 엑세스할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 광학 어레이(16)로 레이저빔의 초점을 맞추거나 초점을 흐리게 함으로써, 단일 다이오드 레이저를 다수의 상이한 물질들에 사용할 수 있다. 입력을 통해, 컴퓨터(26) 또한 레이저빔에 필요한 초점을 맞추고/맞추거나 기판의 너비 만큼의 길이를 갖는 빔을 생성하기 위해 요구되는 다이오드 레이저의 개수 등을 결정한다. 경화 공정의 효율성 유지에 도움을 주기 위해, 상기 레이저빔은 증착된 물질의 너비를 연장하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 시스템의 조절이 입력 파라미터(parameter)들에 의해 결정됨에 따라, 상기 컴퓨터(26)는 쉽게 자동화되는 시스템을 제공한다.

적합한 레이저 파장, 빔 크기 및 전력이 선택되면, 상기 컴퓨터(26)는 레이저 어레이(14)와 광학 어레이(16)를 적합하게 구성한다. 다수의 파장 레이저를 사용하여 조율이 가능한 본 발명의 특성, 그리고 렌즈를 사용할 수 있는 점은 높은 수준의 조절을 가능하게 한다. 이러한 조절로 인해, 물질을 삭마(ablated)가 아닌 소결할 수 있으며, 크세논 램프 시스템에 비해 높은 전도성과 접착성을 갖는 더 높은 순도를 갖는 금속 또는 반금속 구조를 생성할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

또 다른 실시예들에 따르면, 상기 용기는 열흡수원(heat sink, 20)과 하나 이상의 온도 센서(32)를 더 포함한다. 상기 열흡수원은 레이저빔에 의해 발생된 열이 나노물질(24)에서 기판(22)으로 이동하도록 한다. 몇몇 나노물질들이 높은 경화 온도 규정(curing temperature regulation)을 가짐에 따라, 다른 특성들, 특히 기판(22)에 악영향을 줄 수 있는 과열을 막기 위한 과도한 열의 제거가 요구된다.

상기 용기(18)가 기판을 평평하게 지탱하는 것이 바람직하므로, 상기 용기는 진공 베드(vacuum bed)이다. 상기 베드는 소결이 더 균일하게 일어나도록 공정 시 기판을 일정한 온도로 유지하기 위해 수냉각(water cooled) 되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 소결 공정을 완료하는 데에 더 낮은 전력이 필요하도록 상기 기판이 가열된다.

과도한 열 증강을 방지하기 위해, 상기 장치(10)는 상기 컴퓨터(26)와 통신하는 온도 센서(32)를 더 포함하는 것이 유리하다. 상기 온도 센서(32)는 어닐링(annealing) 오븐 및 경화 장치에 사용되는 시중에서 구입 가능한 센서일 수 있다. 상기 센서(32)는 상치 장치(10)의 온도를 모니터하는 컴퓨터(26)와 통신한다. 중앙 컴퓨터(26)의 메모리에는, 주어진 기판(22)과 나노물질(24)의 조합에 대해 기 설정한 한계 온도가 저장되는 것이 바람직하다. 측정된 온도가 기 설정된 한계 온도에 근접하면, 상기 컴퓨터(26)는 레이저의 에너지를 줄이고 (레이저 전력 공급부를 통해), 이는 상기 장치(10)의 온도 감소로 이어진다. 특정 실시예들에 따르면, 온도가 중대 한계점(critical limit)(화재와 같은 위험과 관계된)을 초과하면, 상기 컴퓨터(26)는 레이저 전류 공급부(28)를 차단한다. 따라서, 상기 온도 센서(32)는 최적의 경화 조건들이 유지되는지 보장하기 위한 모니터일 뿐만 아니라 안전 장치의 역할도 한다. 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 온도 센서(32)는 상기 장치가 15℃ 내지 35℃의 작동 온도 사이에서 유지되도록 하는데 사용된다.

도 2a와 도 2b는 본 발명의 일 측면에 따른 레이저와 광학 어레이(14, 16)를 개략적으로 도시하고 있다. 다이오드 바 레이저 어레이(14), 광학 어레이(16), 용기(18), 기판(22) 및 경화될 증착 나노물질(24)이 도시되어 있다.

도 2a는 상기 장치의 평면도(plan view)이고, 도 2b는 도 2a의 상면도(top view)이다.

도 2a에는 길이가 대략 수 밀리미터인 레이저빔의 빠른 축(fast axis)이 도시되어 있다. 상기 레이저 어레이(14)에서 조사된 레이저빔은 초점이 맞춰지는 광학 렌즈(16)로 관통한다. 도시된 실시예에 따르면, 상기 용기(18)는 이동 가능하며, 이동 방향은 도 2a에서 화살표로 나타나 있다.

상기 용기(18)가 상기 광학 렌즈(16)를 향해 이동함에 따라, 상기 레이저빔의 강도는 변화한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 최대 강도를 갖는 빔을 얻기 위해, 나노물질층(24)은 상기 레이저 어레이(14)의 초점(focal point)에 배치되고, 이에 따라, 상기 레이저빔은 도 2a에 도시된 위치에서 상기 나노물질층(24) 상에서 최대 강도를 갖는다.

또한, 도 2a에는 상기 용기(18)의 가능한 위치들(A, B, C)이 쇄선(dash line)으로 표시되었다. 상기 용기(18)가 A에서 C 위치로 진행함에 따라, 상기 레이저빔은 더 분산되고, 이에 따라 상기 레이저빔의 강도는 감소한다. 따라서, 상기 용기(18)의 상기 레이저 어레이(14)로의 상대적인 이동에 의해, 상기 레이저빔의 강도는 본 발명의 요건에 따라 달라질 수 있다.

또 다른 실시예들에 따르면, 상기 용기(18)는 고정되고, 상기 광학 렌즈(16)는 상기 레이저 어레이(14)와 용기(18)에 대해 이동되거나, 상기 광학 렌즈(16)와 용기(18) 둘 다 서로에 대해 이동 가능하다. 따라서, 주어진 렌즈를 통하는 상기 레이저빔의 초점(focal point)은 다양할 수 있고, 이에 따라 샘플 상의 레이저 강도도 다양할 수 있다.

상기 어레이(14)와 용기(18)를 이동시킬 때 중요한 부분은 레이저 커튼(laser curtain)이 상기 기판 상의 적절한 초점에 위치하도록 하는 초점 심도(focal depth)이다. 상기 장치는 높이 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 최종 렌즈에 대한 상기 기판(22)의 높이를 감지함에 의해, 동일한 초점을 얻도록 상기 레이저 어레이(14)와 용기(18) 사이의 분리(separation)를 조절함으로써 상기 기판(22)의 높이를 자동 조절할 수 있다. 따라서, 상기 장치는 상기 어레이(14)에 의해 조사된 레이저빔의 강도를 조절할 뿐만 아니라, 적절한 초점(focus point)이 상기 기판(24) 상에 조사되도록 구성된다.

도 2b는 도 2a에 도시된 장치의 평면도를 도시하고 있다. 도 2b에 도시된 레이저 어레이(14)의 광학 경로(optical path)는 레이저의 느린 축(slow axis)을 나타낸다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 용기(18)가 상기 광학 렌즈(16)에 대해 움직이는 동안, 상기 느린 축에서의 레이저빔의 크기는 변동되지 않으며, 이에 따라 상기 레이저빔은 상기 레이저 어레이(14)와 광학 렌즈(16)의 상대적인 위치와 관계없이 증착된 나노물질층(24)들의 너비 전체에서 입사하는 채로 유지된다. 따라서, 상기 용기(18)가 상기 광학 렌즈(16)에 대해 움직이며 상기 레이저빔의 강도가 달라지는 동안 (도 2a에 도시된 바와 같이), 상기 레이저빔의 커버리지 범위는 변화 없이 유지된다.

상기 광학 렌즈(16)와 용기(18)가 상기 레이저 어레이(14)에 대해 이동 가능하지않을 때에 비해, 상기 용기(18), 광학 렌즈(16), 및 레이저 어레이(14)의 상대적 분리(separation)를 달리하여 상기 레이저광의 강도를 변경하면, 상기 시스템은 초기 셋업(set-up)에 대한 의존도가 줄어든다. 따라서, 상기 장치의 초기 교정(calibration)에 대해 덜 민감해지기 때문에 상기 장치와 관계된 초기 셋업 비용이 크게 절감된다.

또한, 샘플 또는 렌즈를 이동할 수 있게 됨에 따라, 인쇄된 3D 이미지를 단일 단계에서 경화함으로써 3D 형태를 경화할 수 있다. 레이저가 증착된 물질을 경화하기 위해 기판을 스캔함에 따라, 상기 증착의 깊이가 3D 특성에 따라 변화하게 된다. 상기 장치를 조절하도록 구성된 중앙 컴퓨터에 증착된 물질의 크기, 형태 및 깊이를 입력함으로써 (도 4를 참조로 앞에서 설명함), 3D 인쇄된 형태의 스캐닝 패턴을 결정할 수 있다. 상기 레이저 어레이(14)가 증착된 물질을 스캔함으로써 물질을 경화함에 따라, 상기 레이저가 샘플을 스캔함에 따라 상기 광학 렌즈(16)와 용기(18)의 상대적 분리(separation)를 변경함으로써, 상기 증착된 물질의 깊이 상의 변화가 설명될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 더 두꺼운 증착 물질에는 더 높은 강도의 빔이 사용되기 때문에, 레이저 어레이(14)가 샘플을 스캔함에 따라 레이저빔의 강도는 달라질 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 시스템은 상기 레이저빔의 초점이, 항상 증착된 물질의 상단 표면 상에 입사하도록 구성되고, 이에 따라, 레이저 어레이(14)는 증착된 물질을 스캔함에 따라 위치 초점이 달라지거나, 상기 초점은 고정되고 상기 용기(18)의 위치는 변화한다.

도 3a와 도 3b는 본 발명의 일 측면에 따라 사용될 수 있는 다이오드 바 레이저 어레이(14)의 다양한 구성을 도시하고 있다.

도시된 바에 따르면, 상기 다이오드 바 레이저 어레이(14)는 복수의 다이오드 바 레이저(31, 33, 34, 36)를 포함한다. 또한, 나노물질층(24), 기판(22) 및 용기(18)가 도시되어 있다. 도 3a와 도 3b의 화살표는 레이저 어레이(14)에 대한 상기 용기(18)의 이동 방향을 나타낸다.

도 3a에서, 상기 레이저 어레이(14)는 “수평” 다수 레이저 어레이 배열로 구성된다. 이러한 배열에서, 상기 레이저 어레이(14)는 직렬로 배열된 복수의 다이오드 레이저를 포함한다. 상기 레이저 바 다이오드(31, 33, 34, 36)의 배열은 겹침으로써 X 방향으로 확장하는 레이저빔을 제공한다. 총 유효 빔의 전면이 도 3에서 X'로 나타나 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 바 다이오드 어레이(14)에서의 다수의 레이저(30 내지 36)를 사용하면 상기 기판(22) 상에 증착된 나노물질(24)의 커버리지 범위가 넓어진다. 따라서, 산업 환경에서 상기 레이저 어레이(14)는 X 방향으로 확장된 영역을 커버할 수 있다.

도 3b에서는 상기 레이저 어레이(14)의 “수직” 배열을 보여준다. 이러한 배열에서, 개별 레이저 바 다이오드(31, 33, 34, 36)는 X 방향으로 실질적으로 동일한 영역을 커버하고 Y 방향으로 확장된다. 이러한 배열은 몇몇 샘플을 동시에 경화하도록 동시에 사용될 수 있다.

또한, 용기(18)(따라서 샘플이)가 Y 방향으로 이동하는 경우, 다수의 상이한 주파수 레이저 바 다이오드의 사용은 시스템에 추가적인 구성 용이성(configurability)를 제공한다. 상기 제1 바 다이오드 레이저(31)는 물질을 소결할 수 있는 반면, 후속 레이저(34, 36)들은 증착된 물질을 건조시키는데 사용된다. 따라서, 레이저 어레이(14)와 장치(10)에 더 큰 조절권이 주어질 수 있다.

도 3을 참조로 설명한 이러한 배열에서, 각각의 레이더 바 다이오드 어레이는 동일하거나 상이한 파장 레이저를 가지고 공정 시퀀스에서 근접하게 배치되는 이점을 갖는다. 이에 따라, 경화 공정은 상기 바 다이오드 어레이 시퀀스를 다양한 전력 밀도에서 사용함으로써 수행될 수 있고, 그러한 방식으로 이격됨으로써, 코팅 물질을 조절된 방식으로 경화하기 위해 다양한 소결 효과를 제공하는 이점이 있다. 가령, 코팅에서 깊이 있는 물질을 경화하기 위해 긴 파장 바 다이오드 레이저 어레이가 먼저 사용될 수 있다. 동일한 일부 경화된 코팅은 더 짧은 파장에서 제2, 제3의 레이저 바 다이오드에 더 노출 될 수 있다. 상기 더 짧은 파장들은 바람직하게는 얕은 깊이에서 물질을 경화하도록 선택된다. 또 다른 실시예들에 따르면, 코팅의 깊이에 따라 소결의 정도가 달라지는 다중 물질층들은 상술한 파장 선택을 통해 구현될 수 있는데, 다수의 인터페이스와 특성들이라는 결과를 가져다준다. 따라서, 본 시스템은 기판이 손상되지 않도록 할 뿐만 아니라 깊이와 소결 방법에 있어서 훨씬 더 높은 수준의 조절이 가능하도록 한다.

도 4는 본 발명의 일 측면에 따른 나노물질 경화 공정의 흐름도이다.

나노 물질과 기판의 종류를 입력하는 단계 (S102): 기판의 크기를 입력하는 단계 (S104): 사용될 광학 어레이 및 레이저 어레이를 결정하는 단계 (S106): 레이저에 동력을 가하는 단계 (S108): 온도를 확인하는 단계 (S110): 온도가 수용 가능한 한계 온도 이내의 온도인지 판단하는 단계 (S112): 상기 레이저 어레이에 공급된 동력을 줄이는 단계 (S114): 및 공정을 완료하는 단계 (S116)가 도시되어 있다.

S102 단계에서, 본 발명의 사용자는 키보드와 같은 인터페이스를 통해 경화될 나노물질과 상기 나노물질이 증착될 기판의 물질을 입력한다. S104 단계에서, 사용자는 상기 기판의 크기도 입력한다. 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 나노물질은 상기 기판의 너비만큼의 길이를 갖는다. 상기 증착된 물질이 3D 형태로 배치되면, 상기 사용자는 경화될 나노물질의 증착 형태와 깊이를 입력한다. 이 단계에서, 사용자는 상기 증착된 나노물질의 두께를 입력하는 것이 바람직하다. 따라서, 단계 S102와 S104에서, 상기 사용자는 본 발명을 개시하고, 사용된 물질의 종류와 증착된 나노물질의 두께에 대해 중앙 컴퓨터와 식별한 상태가 된다.

S106 단계에서, 상기 중앙 컴퓨터는 식별된 나노물질을 경화하기 위한 최적의 레이저 구성과 광학 어레이 구성을 결정한다. 특히, 광학 어레이에 사용되는 렌즈 및/또는 개구(aperture)에 대한 선택은 상기 레이저 어레이에 의해 조사되는 레이저가 상기 증착된 물질의 너비 전부 커버하고, 상기 레이저빔의 파장과 강도가 상기 증착된 나노물질의 깊이 전체를 경화하기에 충분하되 기판에 부정적인 영향을 미치지 않도록 결정된다.

S102 단계와 S104 단계에서 상기 장치를 구성하는 능력 및 시스템이 S106 단계에서 최적의 구성을 계산하도록 하는 것은 특히 3D 인쇄에서 이점을 가져온다. 사용자로 하여금 인쇄된 물질의 형태와 깊이를 설정할 수 있도록 함으로써 레이저빔은 물질의 경화가 단일 단계에서 이루어지도록 구성될 수 있다. 특히, 용기 및/또는 렌즈는 3D 인쇄 형태의 단일 단계 경화를 보장하기 위해 물질의 두께에 따라 이동될 수 있다.

S108 단계에서, 상기 컴퓨터는 최적의 레이저 강도를 결정하고 레이저에 전력을 공급한다. 상술한 바와 같이, 레이저의 강도는 물질의 벌크(bulk) 경화 온도뿐만 아니라 증착된 물질의 양에 따라서도 달라진다. 이에 따라, S108 단계에서 선택된 레이저빔의 전력은 선택된 물질의 종류와 증착된 물질의 양에 있어서 증착된 나노물질을 최적으로 경화할 수 있도록 선택된다.

레이저의 입사는 장치의 가열이라는 결과를 가져온다. 상기 장치가 안전한 제한 범위 내에서 기능하도록 하기 위해, 그리고 상기 장치가 기판에 부정적인 영향을 주지 않도록 하기 위해, 상기 장치의 온도는 S110에서 측정되고 필요한 경우 S112 단계에서 변경된다. S110, S112, 및 S114 단계에 대해 앞서 설명한 공정은 1초에 한번 발생하는 것이 바람직하다. 상기 중앙 컴퓨터는 주어진 나노물질과 기판의 조합에 대한 수용 가능한 한계 온도를 나타내는 일련의 기설정된 값들을 포함하는 데이터베이스를 포함한다. 상기 수용 가능한 한계는 측정된 온도를 바탕으로 상기 기판 및/또는 나노물질를 손상시킬 가능성을 바탕으로 하며, 화재와 같은 사건으로 이어질 수 있는 수용 불가능한 정도로 높은 온도의 위험을 나타내는 안전 한계를 포함하는 것이 바람직하다. 측정된 온도는 S110 단계에서 이러한 기 설정된 한계에 대해 점검(check)된다.

S112 단계에서, 상기 컴퓨터는 측정된 온도가 수용 가능한 한계 내에 있는지 판단한다. 만약 상기 컴퓨터가 상기 측정된 온도가 수용 가능하다고 판단하면, 공정은 S110 단계로 돌아간다. 이에 따라, 상기 공정은 어떠한 빠른 속도의 온도 상승이라도 상기 중앙 컴퓨터에 의해 식별될 수 있도록 1초 간격으로 반복된다. S112 단계에서, 만약 측정된 온도가 수용 불가능한 것으로 인식되거나 수용 불가능한 한계에 도달하고 있는 것으로 인식되면, 상기 공정은 측정된 온도를 낮추기 위해 S114 단계로 이동한다. S114 단계에서, 상기 중앙 컴퓨터는 레이저 전류 공급부로의 전력 공급을 줄임으로써 레이저빔의 출력 강도를 감소시킨다. 레이저로부터의 나노물질의 반응이 양자 효과(quantum effects)의 지배를 받음에 따라, 상기 레이저 강도에 있어서의 감소는 여전히 나노물질을 경화하되 상기 장치의 온도를 낮추는 결과를 가져올 것이다. S114 단계에서 온도가 안전 한계에 도달하고 있다면, 상기 컴퓨터는 레이저 전류 공급부로 공급되는 모든 전력을 차단함으로써 모든 경화 레이저들을 끄게 된다.

모든 나노물질이 성공적으로 경화된 S116 단계에서 공정은 종료된다. 따라서, 본 발명은 본 시스템의 조건에 따라, 고도로 조절 가능한 시스템을 제공한다. 특히, 본 발명은 증착된 물질 및 그것이 배치되는 기판이 어떤 것이 선택되느냐에 따라 다르게 구성될 수 있다. 정상 상태에서 연속 또는 준연속파로서 조사되는 레이저의 주파수 및/또는 강도를 조절할 수 있음으로 인해, 증착된 물질 전부가 경화되고 기판은 손상되지 않도록 할 수 있는 이점이 있다.

따라서 상술한 방법 및 장치는 나노입자 잉크와 페이스트(paste)의 빠른 경화를 가능하게 한다. 상기 시스템은 비용 효율적이며 크기 확장성(scalability)이 높기 때문에 인쇄된 전자 전도성 표면(printed electronic conductive surfaces)과 같은 경화된 구조를 낮은 비용에 대량으로 생산할 수 있다.

상기 레이저 바 다이오드 어레이를 사용하면 두꺼운 층이 관통 가능한 이점이 있다. 깊이가 30 마이크론이 넘는 층들이 완전히 경화될 수 있기 때문에 전도성 높은 표면을 생성할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 또한, 두꺼운 증착물에 대한 경화 시간은 공지의 시스템들에 비해 단축되었고 증착된 나노입자 잉크와 페이스트는 대략 밀리초(millisecond)의 시간 범위에서 경화될 수 있다는 것이 밝혀졌다.

상기 레이저 바 다이오드 어레이는 빔의 너비, 강도, 및 출력에 있어서 고도로 조절 가능하다. 따라서, 증착된 나노입자 물질을 경화하기 위해 조사된 레이저는 선택된 기판과 사용되는 잉크나 페이스트에 따라 상기 시스템의 효율성을 최대화하도록 경화 공정 중에 선택되고 변경될 수 있다. 사용되는 레이저의 연속파 속성 때문에 상기 레이저의 파라미터(parameter)들은 기판 가열을 최소화하고 기판에 대한 손상을 방지하도록 선택된다.

Claims

나노입자 잉크 또는 페이스트(paste) 층이 배치된 기판을 수용하기 위한 용기(receptacle); 및
제1 다이오드 바 레이저(diode bar laser)를 포함하는 레이저 바 다이오드 어레이를 포함하고, 상기 어레이는 증착된 나노입자 물질을 경화하는 정상 상태(steady state)의 파(wave)로서의 레이저빔을 조사하는 나노입자 물질 경화 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저빔은 증착된 나노입자 잉크 층의 너비만큼의 길이를 갖는 나노입자 물질 경화 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 레이저 바 다이오드 어레이와 기판 사이에 배치될 수 있고, 상기 레이저 바 다이오드에 의해 조사된 파면(wavefront)을 변경하는 광학 어레이를 더 포함하는 나노입자 물질 경화 장치.
제3항에 있어서,
상기 광학 어레이는 조사된 레이저빔의 초점을 맞추거나 확산(diffuse)시키는 나노입자 물질 경화 장치.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 광학 어레이는 톱햇(top-hat) 류의 파면을 생성하는 제1 개구(aperture)를 포함하는 나노입자 물질 경화 장치.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 어레이는 제1 렌즈를 포함하는 나노입자 물질 경화 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 다이오드 바 레이저를 더 포함하는 나노입자 물질 경화 장치.
제7항에 있어서,
복수의 다이오드 바 레이저는 직렬로 배치되는 나노입자 물질 경화 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서,
두 개 이상의 다이오드 바 레이저는 상이한 주파수에서 조사하는 나노입자 물질 경화 장치.
제9항에 있어서,
제2 다이오드 바 레이저는 증착 물질을 건조시키거나 소프트(soft) 소결하는 나노입자 물질 경화 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치를 조절하는 프로세서를 더 포함하는 나노입자 물질 경화 장치.
제11항에 있어서,
상기 프로세서는 하나 이상의 다이오드 바 레이저와 선택적으로 결합하는 컨트롤러 유닛의 일부인 나노입자 물질 경화 장치.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 프로세서는 조사되는 레이저빔의 강도를 제어하는 나노입자 물질 경화 장치.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
컨트롤러는 상기 레이저 바 다이오드 어레이에 공급되는 전류를 더 제어하는 나노입자 물질 경화 장치.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치의 온도를 측정하는 센서를 더 포함하는 나노입자 물질 경화 장치.
제14항에 있어서,
상기 센서는 상기 프로세서와 통신하고 상기 프로세서는 상기 레이저빔의 강도를 선택적으로 조절함으로써 기 설정된 값 미만으로 온도를 유지하는 나노입자 물질 경화 장치.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증착된 물질 및/또는 기판에 관한 정보를 수신하는 컴퓨터를 더 포함하는 나노입자 물질 경화 장치.
제17항에 있어서,
상기 컴퓨터는 수신되는 정보를 바탕으로 상기 용기, 광학 어레이 및 레이저 바 다이오드 사이의 상대적 분리(separation)를 결정하는 나노입자 물질 경화 장치.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
열흡수원(heat sink)을 더 포함하는 나노입자 물질 경화 장치.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용기와 레이저 바 다이오드 어레이는 서로에 대해 이동 가능한 나노입자 물질 경화 장치.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 바 다이오드 어레이는 상기 기판에 투과적인(transparent) 주파수에서 조사하는 나노입자 물질 경화 장치.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노입자들이 경화되는 불활성 분위기(inert atmosphere)를 제공하기 위한 불활성 기체 원천을 더 포함하는 나노입자 물질 경화 장치.
제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 레이저 바 다이오드 어레이를 더 포함하는 나노입자 물질 경화 장치.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 광의 반사를 줄이고 상기 용기가 배치되는 챔버를 더 포함하는 나노입자 물질 경화 장치.
제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이더 바 다이오드에 의해 조사되는 파장은 상기 기판을 투과하도록(transparent) 구성되는 나노입자 물질 경화 장치.
제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판을 가열하기 위한 가열 요소를 더 포함하는 나노입자 물질 경화 장치.
제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용기는 진공 베드(vacuum bed)인 나노입자 물질 경화 장치.
제27항에 있어서,
상기 진공 베드는 수냉각(water cooled)되는 나노입자 물질 경화 장치.
제8항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
제7항을 인용하는 때에, 제1 레이저는 제2 레이저 보다 낮은 전력에서 조사하고 이로써 상기 제1 레이저는 증착된 나노입자 잉크를 소프트(soft) 소결하는 나노입자 물질 경화 장치.
제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
정상 상태 레이저는 연속 또는 준연속 레이저인 나노입자 물질 경화 장치.