KR20150074623A

KR20150074623A - 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20150074623A
Application number: KR1020130162573A
Authority: KR
Inventors: 안성훈; 이길용
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2015-07-02
Also published as: US9056483B1; US20150174909A1; KR101538443B1

Abstract

본 발명은 작업 대상물이 수용되는 작업 챔버와 분말이 수용된 리저버 탱크 사이에 필터가 배치되어 상기 리저버(reservoir) 탱크로부터 상기 작업 챔버측으로 이송되는 상기 분말의 입자량을 조절하고, 상기 리저버 탱크와 배관 연결되는 압력 유닛이 상기 작업 대상물에 상기 분말이 분사되는 에어 압력을 인가하고 조절하며, 상기 리저버 탱크와 배관 연결되는 퍼징(purging) 유닛이 상기 작업 대상물의 작업 완료후 상기 작업 챔버와 상기 필터 및 상기 배관에 잔존하는 상기 분말을 상기 리저버 탱크로 리턴시키는 압력을 인가하고 조절하되, 상기 압력 유닛이 정지되고 상기 퍼징 유닛이 가동되는 것과, 상기 퍼징 유닛이 정지되고 상기 압력 유닛이 가동되는 것은 순간적으로 이루어지는 것을 특징으로 하여 기판과 같은 작업 대상물의 표면에 분사 적층되는 분말을 신속하게 이송시키고 리턴시키는 일련의 프로세스가 신속하고 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF TRANSFERRING, FOCUSING AND PURGING OF POWDER FOR DIRECT PRINTING AT LOW TEMPERATURE}

본 발명은 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판 상에 금속 및 세라믹 분말을 마이크로 스케일의 다양한 패턴으로 저온에서 추가적인 열처리없이 직접 인쇄하기 위하여 순간적인 펄스 방식의 밸브 개폐 제어를 통해 분말을 에어로졸화시킨 후 노즐을 통하여 원하는 양만큼 이송, 분사시키며, 기판과 같은 작업 대상물의 표면에 집속된(focused) 형태로 직접 분사하여 인쇄되도록 하고 원하는 만큼의 분사가 끝나면, 분말을 안정화시키고 리턴시키는 일련의 프로세스가 신속하고 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치 및 방법에 관한 것이다.

잉크젯 프린팅 및 이와 유사한 액상의 잉크를 사용하는 직접 인쇄 기술은 기판 상에 소정의 재료를 원하는 패턴으로 정밀하게 인쇄할 수 있는 방법이다.

최근 이러한 직접 인쇄 기술을 이용하여 다양한 기계, 전기 소자 및 장치를 기판 상의 원하는 위치에 원하는 형상으로 직접 인쇄하여 제작하는 방법들에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

그러나, 이러한 잉크를 사용하는 인쇄 기술은 액상의 잉크를 사용하여 잉크의 점성을 이용하여 잉크 액적을 피에조 구동기 등을 이용하여 노즐을 통해 기판 상으로 토출하는 것이 일반적이다.

그리고, 이러한 잉크를 사용하는 인쇄 기술은 액상의 잉크를 이용하므로 추가적인 열처리가 필요하며, 높은 종횡비를 가진 인쇄결과 구조를 획득하기 힘든 것은 물론, 습식 공정에 의존하는 한계가 있다.

상기와 같은 관점에서 마이크로 혹은 나노미터 크기의 입자 형태의 분말을 높은 압력의 이송 가스에 실어 노즐을 통해 분사하여 기판의 표면에 적층시키는 방법이 공지되어 있다.

구체적으로는, 에어로졸 적층 방법 (Aerosol Deposition Method), 저온 분사 적층 방법 (Cold Spray Deposition), 나노입자적층시스템 (Nano Particle Deposition System) 등의 기술들이 공지되어 있으며, 이들 공정은 건조한 고체 분말을 고압의 이송 기체를 이용해 가속하여 노즐을 통해 기판에 기능성 패턴이나 박막을 형성하는 방법이다.

일반적으로, 고압의 이송기체에 의해 초속 수백미터 이상의 고속으로 가속된 입자들은 관성력에 의해 기판에 고속으로 충돌하게 되고 이러한 고속 충돌 시 입자 표면에 국부적으로 고온 영역이 형성된다.

따라서, 입자 표면에 국부적으로 고온 영역이 형성됨에 따라 미세한 입자들이 적층될 때, 입자들간의 매우 강한 접착력과 조밀한 적층 결과를 얻을 수 있다.

전술한 미세한 입자로는 금속과 세라믹 분말이 일반적으로 사용되며, 폴리머 등의 입자도 적층 결과가 보고되어 있다.

또한, 기판의 경우도 다양한 재료의 기판 상에 다양한 재료의 조합으로 적층이 가능함이 보고되어 있다.

이들 공정은 건식 공정이며 저온 혹은 상온에서 직접 고체상의 입자를 적층할 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 아직 기판 상에 정밀 패턴으로 직접 인쇄에 응용된 사례는 매우 드물다.

이는 이송 기체를 이용해 분말로부터 이송 기체 상에 고르게 분산된 입자 상태, 즉 에어로졸을 생성하고, 이러한 에어로졸의 이송량과 이송 시점(타이밍)을 공기역학적으로 제어하고 상기 입자를 고속으로 가속하여 기판 상의 국부 영역에 적층시키는 것이 어렵기 때문이다.

또한, 기존의 저온 분사 적층 공정 및 이와 유사한 공정에서는 이러한 응용보다는 다양한 분말을 대면적으로 기판 상에 적층하는 기술 개발과 연구가 주로 이루어졌다.

위와 같은 저온 분사 적층 및 이와 유사한 기존의 방법을 이용하여 입자를 기판에 매우 작은 크기의 패턴으로 정밀하게 직접 인쇄하기 위해서는 다음과 같은 사항이 선결되어야 한다.

즉, 미세한 입자 형태인 분말을 원하는 순간에 즉시 에어로졸화시켜 노즐과 기판으로 이송되는 입자의 양과 이송하는 타이밍을 매우 빠른 시간 간격 내에서 제어하고 원하는 정도의 인쇄가 끝나는 매우 짧은 시간 내에 에어로졸의 이송을 안정화시키고 에어로졸과 입자의 공급을 중단시켜 작은 패턴의 인쇄가 가능하도록 해야한다.

또한, 입자가 기판에 매우 작은 크기의 패턴으로 정밀하게 직접 인쇄되려면, 입자를 기판에 노즐로부터 집속된 형태로 분사할 수 있어야 하며, 원하는 분량만큼의 입자가 분사되면 신속하게 나머지 분말을 안정화시켜 분사가 끝나도록 해야 한다.

저온 분사 적층 혹은 이와 유사한 기존의 고체 분말 혹은 입자를 이송 가스에 실어 적층하는 방법은 이송 가스가 고압의 압축 가스로부터 제공되며 유량을 일정하게 유지하는 것이 일반적이다.

이와 같은 공정은 이송 가스의 속도를 증가시키고 이송 가스에 의해 가속되는 입자의 속도를 증가시켜 궁극적으로 관성에 의한 충돌 속도를 증가시켜야 적층 품질을 향상시킬 수 있기 때문에 수십 MPa 이상의 고압의 이송 가스를 이용하거나 혹은 진공 챔버를 이용하여 저압부의 압력을 음압으로 감압하여 이송 가스가 공급되는 고압부와 기판이 위치하는 저압부의 압력차를 증가시키는 방법이 이용된다.

저온 분사 적층(Cold spray)의 경우 수십 MPa 이상의 고압 이송 가스를 이용하며 적층이 이루어지는 기판 부근은 상압(atmospheric pressure)으로 유지된다.

에어로졸 적층 방법(Aerosol deposition method) 혹은 나노입자적층시스템(Nano particle deposition system) 등은 진공 챔버 내에서 적층이 이루어지며 이송 가스는 수 bar 정도가 일반적이다.

하지만 이들 공정은 모두 일정한 유량의 이송 가스를 연속적으로 공급하는 방식이 일반적이며 고압의 이송 가스 공급부와 저압으로 유지되는 기판의 압력차가 일정 수준 이상 커지기가 힘들다.

이에 대한민국 특허출원 제10-2007-0002024호에 모재가 위치한 공간을 포함하는 영역을 간헐적으로 밀폐시킴으로써 간헐적으로 감압을 증폭시켜 에어로졸의 충돌 속도를 증가시키는 방법이 공지되어 있다.

또한, 대한민국 특허공개 제10-2008-0009160호에서는 유사한 방식으로 고압부와 저압부(상압)를 분리막(개폐 밸브)로 분리하여 순간적인 분리막의 제거(밸브의 개방)에 의해 고압부에서 저압부로 전파되는 압축파 혹은 충격파에 의해 이송 기체 및 적층 대상이 되는 입자의 가속이 보다 효율적으로 이루어질 수 있음이 공지되어 있다.

상기 특허들로부터 이송 가스가 공급되는 고압부와 분말 및 기판을 포함하는 저압부 영역을 적절한 방법으로 초기 분리 시킨 후 이송 가스 및 입자의 가속을 위해 순간적으로 고압부와 저압부를 분리하는 수단을 제거함으로써 보다 효과적인 입자의 가속과 적층 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

그러나, 유사한 방법을 이용하여 입자를 적층하는 기술들은 대면적 적층 및 코팅에 대해 적용이 용이하나 적층 패턴의 크기를 줄이고 형상과 적층 위치를 정밀하게 제어하는 기술에 대해 연구 개발이 미흡하였다.

가스를 이용해 입자를 가속하여 적층하는 모든 공정들을 포함한, 유사한 공정들에서 기판 상에 정밀 패턴(마이크로 스케일)을 인쇄하는 데 있어 가장 큰 어려움으로 작용하는 문제점은 적층을 위해 기판으로 투입 혹은 분사되는 에어로졸의 양이 크고 이를 제어하는 기술에 대한 연구 개발이 미흡하였기 때문이다.

잉크젯 등의 직접 인쇄 기술은 잉크 액적을 패턴 제작에 필요한 최소의 양만큼 단계적으로 투입이 가능하기 때문에 정밀 패턴의 제작이 가능하다.

그러나, 가스를 이용해 입자를 가속하여 적층하는 모든 공정은 이러한 패턴의 제작에 필요한 최소한의 에어로졸을 단계적으로 공급하여 적층 패턴의 크기를 제어할 수 있는 기술에 대한 연구 개발이 미흡하였다.

특허공개 제10-2008-0009160호 특허출원 제10-2007-0002024호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 고체 분말 혹은 입자를 이송 가스에 의한 가속을 통하여 기판 상의 원하는 위치에 원하는 형상의 정밀한 패턴으로 저온에서도 직접 인쇄 가능하도록 하는 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

그리고, 본 발명은 이송 가스를 이용한 입자의 가속을 통해 모재 혹은 기판 상에 입자를 적층함에 있어 적층을 위해공급되는 입자, 더욱 정확히는 이송 가스 상에 분산된 입자, 즉 에어로졸의 기판으로의 투입량과 투입 시점을 효과적으로 제어함으로써 기판 상에 정밀 패턴을 정밀 형상으로 마스크와 같은 추가적인 기구의 도움 없이 직접 인쇄하기 위한 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 고압부에서 저압부의 기판을 향하여 고속으로 투입되고 분사되는 에어로졸의 양을 최소화하면서도 투입되는 시점을 정밀하게 제어하고, 이러한 과정을 단계적으로 반복함으로써, 정밀한 패턴을 인쇄할 수 있도록 하는 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 고압부와 저압부를 적절한 개폐 수단(개폐 밸브 등)을 이용하여 순간적인 개폐를 반복함으로써 저압부의 감압을 유도하여 보다 높은 압력차에 의한 입자의 가속능력을 증가시키는 한편 이 밸브의 개폐 시점을 입자의 이송 가스에 의한 가속 동특성을 고려하여 조절함으로써 에어로졸의 투입 및 분사량과 투입 시점을 제어할 수 있도록 한 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치를 제공할 수 있다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 저온, 건식 공정으로 금속, 세라믹, 폴리머 등의 분말 혹은 입자를 기판 상에 추가적인 열처리 없이 매우 정밀한 패턴으로 제작하는 것이 가능하게 된다.

상기 선행 기술 문헌에 공지된 바와 같이 고압부와 저압부를 적절한 개폐 수단을 이용하여 펄스 방식으로 개폐를 반복하는 이송 가스 투입 방법에 의하면, 보다 효과적인 이송 가스와 입자의 가속 특성을 얻을 수 있지만 선행 기술 문헌들에서는 단순히 이를 반복하여 입자의 적층이 보다 잘 이루어질 수 있도록 하는 것에만 촛점을 맞춘 것이므로, 본 발명은 이러한 펄스 방식의 개폐 방식을 이용하여 에어로졸의 투입 및 분사량과 투입 시점의 제어를 통해 정밀 패턴을 기판 상에 마스크 없이 직접 인쇄할 수 있게 된다.

또한, 이송 가스에 의해 노즐을 통해 분사되는 입자는 적절한 분사 노즐의 형상 선택에 의해 집속된 형태로 분사될 수 있으며, 순간적인 펄스 방식으로 에어로졸이 노즐을 통해 기판으로 투입될 경우 이러한 집속 효과를 매우 크게 증가시킬 수 있음을 실험적으로 확인할 수 있었다.

이러한 순간적인 펄스 방식의 고압부와 저압부의 개폐에 의한 에어로졸 투입에 의해 투입되는 에어로졸의 양, 궁극적으로는 적층에 이용되는 입자의 투입과 분사량을 최소로 조절하고 집속된 형태로 노즐을 통해 기판으로 분사함으로써 건식, 저온 고상 입자를 이용한 정밀 패턴의 저온 직접 인쇄 기술을 구현할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치의 전체적인 구성을 나타낸 개념도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치에서 분말의 가속에 따른 에어로졸화 상태를 모식적으로 나타낸 개념도
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치의 전체적인 구성을 나타낸 개념도
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치의 전체적인 구성을 나타낸 개념도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치에서 압력 유닛과 퍼징 유닛의 개폐 시간을 다양하게 조절함에 따른 작업 대상물에 대한 분말의 적층 상태를 촬영한 사진들
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치에서 시각인지 유닛으로 확인 가능한 작업 대상물에 대한 분말의 적층 상태를 촬영한 사진들
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치 중 주요부인 압력 유닛과 퍼징 유닛 상호간에 번갈아 가동되고 정지되는 일련의 동작이 컨트롤러의 펄스 신호에 따라 이루어지는 패턴을 나타낸 그래프
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 방법을 나타낸 블록 선도
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치를 이용하여 압력 유닛을 가동시켰을 때 시간 변화에 따른 분말의 거동 상태를 시간에 따라 고속 카메라로 촬영한 사진
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치 중 분사 노즐로부터 집속되어 분사되는 분말의 분사 거동을 나타낸 것으로, 도 10(a)는 모식적으로 나타낸 단면 개념도이며, 도 10(b)는 분말의 분사 거동을 고속 카메라로 촬영한 사진
도 11 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치를 이용하여 분말을 이송시키고 퍼징하는 일련의 과정을 순차적으로 나타낸 개념도
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치를 이용하여 작업 대상물에 실시된 인쇄 패턴의 상태를 촬영한 사진

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말의 이송 및 퍼징 장치의 전체적인 구성을 나타낸 개념도이다.

참고로, 도 1에서 미설명 부호인 11은 진공 게이지를 나타낸다.

본 발명은 도시된 바와 같이 작업 챔버(10)와 분사 노즐(20)과 리저버(reservoir) 탱크(30)와, 필터(40)와, 압력 유닛(50)과, 퍼징(purging) 유닛(60)을 포함하는 구성임을 파악할 수 있다.

작업 챔버(10)는 작업 대상물(w)이 수용되는 공간이 형성되고, 진공 환경, 즉 내부가 일정한 압력의 음압 상태(예를 들면 10^-2~10^-6 torr 정도)로 유지되는 것이다.

여기서, 작업 대상물(w)은 기판과 같은 것을 들 수 있으며, 기판은 PCB를 사용하거나, PET, PMMA를 포함하는 폴리머 기판, 금속기판, 세라믹 재료로 이루어진 기판, 유리 기판 또는 종이 기판 등을 활용할 수 있다.

분사 노즐(20)은 작업 챔버(10)에 내장되고, 작업 대상물(w)에 분말(p)을 고압으로 분사하는 것이다.

분사 노즐(20)은 수렴 노즐 혹은 단면 변화가 없는 모세관 노즐(Capillary)로서 입자의 집속이 이루어질 수 있는 것이며, 분사 노즐(20)의 출구 직경은 대략 10㎛ 내지 수mm의 크기를 가지는 것이다.

여기서, 분말(p)은 수 nm 내지 수십㎛ 크기의 주석, 구리, 금, 은, 백금 및 이들 중 적어도 하나 이상의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된 금속, 세라믹, 폴리머 혹은 이러한 것들이 혼합된 분말일 수도 있다.

이때, 분말(p)은 위에서 설명한 금속 외에도 철, 니켈, 알루미늄, 티타늄 등 대부분의 금속을 사용할 수도 있음은 물론이다.

그리고, 분사 노즐(20)의 출구측에는 적층 또는 인쇄 대상이 되는 모재 혹은 기판과 같은 작업 대상물(w)이 배치되는 것이다.

리저버 탱크(30)는 작업 챔버(10)와 배관 연결되고, 분말(p)이 수용되는 내부 공간이 형성되며, 이러한 내부 공간의 하부측은 상부측에 비하여 상대적으로 고압부가 되는 것이다.

즉, 작업 챔버(10)의 음압 상태 유지에 따라 분사 노즐(20)의 출구측은 저압측의 말단이 되고, 리저버 탱크(30)의 바닥면은 고압측의 말단이 된다.

필터(40)는 작업 챔버(10)와 리저버 탱크(30) 사이의 배관에 배치되어 리저버 탱크(30)로부터 작업 챔버(10)측으로 이송되는 분말(p)의 입자량을 조절하는 것이다.

압력 유닛(50)은 리저버 탱크(30)와 개폐 가능하게 배관 연결되고, 리저버 탱크(30)의 상, 하부측을 기준으로 저압측인 상기 작업 챔버(10)측, 즉 분사 노즐(20)의 출구측과 고압측인 리저버 탱크(30)의 바닥면측과의 압력차를 이용하여, 개방시에, 즉 압력 유닛(50)을 구성하는 후술할 유량제어 밸브(52)의 개방시에 전술한 압력차의 붕괴에 따른 압축파 또는 충격파를 작업 대상물(w)에 분말(p)에 전달하여 분말(p)을 가속회시키면서 에어로졸화시키는 것이다.

퍼징 유닛(60)은 리저버 탱크(30)와 배관 연결되고, 압력 유닛(50)의 폐쇄에 따른 작업 대상물(w)에 대한 인쇄 작업이 완료된 후 작업 챔버(10)와 필터(40) 및 배관에 잔존하는 에어로졸화한 분말(p)에 혼재된 이송 기체를 리저버 탱크(30) 외측으로 리턴시키는 것이다.

따라서, 본 발명은 압력 유닛(50)이 폐쇄되고 퍼징 유닛(60)이 가동되는 것과, 퍼징 유닛(60)이 정지되고 압력 유닛(50)이 개방되는 것이 동시에 이루어지도록 함으로써 분말(p)의 이송 및 리턴이 순간적으로 신속하고 연속적으로 이루어질 수 있게 되는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 실시예의 적용이 가능하며, 다음과 같은 다양한 실시예의 적용 또한 가능함은 물론이다.

본 발명은 작업 챔버(10)의 내부 공간을 진공 환경으로 조성하도록 작업 챔버(10)와 연결되는 제2 흡입 로터리 펌프(12)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 제2 흡입 로터리 펌프(12)의 흡입 압력은 작업 챔버(10) 내부 및 제1 배관(P1)과 필터(40)에 잔존하는 분말(p)의 흡입에 지장이 없도록 후술할 퍼징 유닛(60)의 제1 흡입 로터리 펌프(61)의 흡입 압력보다는 작게 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 작업 챔버(10)에는 작업 대상물(w)의 거치와 원활한 작업을 위하여 플레이트(15)와 위상변경 어셈블리(18)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

플레이트(15)는 작업 대상물(w)이 거치되도록 작업 챔버(10)에 내장되는 것이다.

위상변경 어셈블리(18)는 플레이트(15)와 연결되어 작업 챔버(10)에 내장되고, 플레이트(15)를 전, 후 방향과, 좌, 우 방향과, 상, 하 방향의 3축 방향으로 이송시키는 것이다.

여기서, 위상변경 어셈블리(18)는 상세하게 도시하지는 않았으나, 설치 환경 및 목적하는 분말(p)의 적층 상태에 따라 3축 제어가 가능한 리니어 가이드 구조를 채택할 수 있다.

그리고, 위상변경 어셈블리(18)는 상세하게 도시하지는 않았으나, 플레이트(15) 저면에 볼 조인트를 구비하고 플레이트(15)의 저면 가장자리에 복수의 실린더나 신축하며 길이 조절이 가능한 부재를 부가하여 경사도 조절 및 전방향에 걸친 회동 동작을 구현하면서 작업 대상물(w)의 표면에 대한 분말(p)의 다양한 적층 상태(도 5 및 도 6 참조)를 구현할 수 있을 것이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 분말의 이송 및 퍼징 장치는 분말(p)이 작업 대상물(w)에 적층되는 상황을 실시간으로 감지하면서 압력 유닛(50) 및 퍼징 유닛(60)의 가동 및 정지를 원활하게 조절할 수 있도록 시각인지 유닛(70)과 컨트롤러(80)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

즉, 시각인지 유닛(70)은 작업 챔버(10)에 내장되고, 작업 대상물(w)에 분말(p)이 분사되고 적층되는 상태를 실시간으로 감시하는 것으로, 예를 들면 광학 현미경 또는 전자주사 현미경과 같은 것을 적용할 수 있다.

그리고, 컨트롤러(80)는 압력 유닛(50)과 퍼징 유닛(60) 및 시각인지 유닛(70)과 각각 전기적으로 연결되고, 시각인지 유닛(70)의 인지 정보에 따라 압력 유닛(50)의 가동 및 정지와 퍼징 유닛(60)의 가동 및 정지를 제어하는 것이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 분말의 이송 및 퍼징 장치의 주요부인 작업 챔버(10)와 분사 노즐(20)과 리저버 챔버(30)와 필터(40)와 압력 유닛(50) 및 퍼징 유닛(60)은 전술한 바와 같이 각각 배관으로 상호 연결되며, 전술한 배관은 크게 제1 배관(P1)과 제2 배관(P2)과 제3 배관(P3)을 포함하는 구조임을 파악할 수 있다.

제1 배관(P1)은 작업 챔버(10)와 리저버 탱크(30)를 상호 연결하는 것이며, 제2 배관(P2)은 압력 유닛(50)과 리저버 탱크(30)를 상호 연결하는 것이며, 제3 배관(P3)은 제2 배관(P2)으로부터 분기되는 것으로, 퍼징 유닛(60)은 제3 배관(P3)과 연결된다.

한편, 압력 유닛(50)은 전술한 바와 같이 분말(p)의 이송 압력을 작업 챔버(10)측으로 인가하고 조절하는 것으로, 크게 제1 컴프레서(51)와 유량제어 밸브(52)를 포함하는 구조를 적용할 수 있다.

제1 컴프레서(51)는 리저버 탱크(30)와 연결되는 제2 배관(P2)의 단부에 장착되는 것으로, 분말(p)이 작업 챔버(10) 내의 분사 노즐(20)을 통하여 고압으로 분사될 수 있도록 압축 에어에 의한 압력을 생성하기 위한 기술적 수단이다.

유량제어 밸브(52)는 제2 배관(P2) 상에 장착되어 개폐 조작되며, 제1 컴프레서(51)로부터 인가되는 에어의 압력을 차단 또는 해제하는 것으로, 개폐 정도에 따라 인가되는 에어의 압력을 적절히 조절할 수 있는 일종의 솔레노이드 밸브라 할 수 있다.

여기서, 제1 컴프레서(51)와 유량제어 밸브(52)는 시각인지 유닛(70)의 실시간 감지 정보에 따른 컨트롤러(80)의 조작에 따라 가동되는 것이다.

한편, 퍼징 유닛(60)은 전술한 바와 같이 분말(p)을 이용한 작업이 완료되면 작업 챔버(10)와 제1 배관(P1) 및 필터(40) 등에 잔존한 분말(p)을 리저버 챔버(30)로 리턴시키는 흡입 압력을 작용시키는 것으로, 크게 제1 흡입 로터리 펌프(61)와 제1 퍼징 밸브(62)를 포함하는 구조를 적용할 수 있다.

제1 흡입 로터리 펌프(61)는 리저버 탱크(30)와 연결되는 제2 배관(P2)으로부터 분기되는 제3 배관(P3)의 단부에 장착되는 것으로, 분말(p)이 리저버 챔버(30)측으로 리턴되도록 하는 흡입 압력을 생성하기 위한 기술적 수단이다.

제1 퍼징 밸브(62)는 제3 배관(P3) 상에 장착되어 개폐 조작되며, 제1 흡입 로터리 펌프(61)의 가동에 따른 에어의 흡입 압력을 차단 또는 해제하는 것으로, 개폐 정도에 따라 인가되는 에어의 압력을 적절히 조절할 수 있는 일종의 솔레노이드 밸브라 할 수 있다.

여기서, 제1 흡입 로터리 펌프(61)와 제1 퍼징 밸브(62)는 시각인지 유닛(70)의 실시간 감지 정보에 따른 컨트롤러(80)의 조작에 따라 가동되는 것이다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치에서 분말(p)이 가속됨에 따라 에어로졸화되는 거동을 도 2를 참고로 설명하고자 한다.

참고로, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치에서 분말의 가속에 따른 에어로졸화 상태를 모식적으로 나타낸 개념도이다.

여기서, 도 2에서 사각형으로 형성된 부분은 본 발명에 따른 리저버 탱크(30)로부터 분사 노즐(20)의 출구측까지의 공간을 단순화하여 모식적으로 나타낸 것으로 이해할 수 있다.

스토크스의 법칙에 의하면 작은 크기의 입자 혹은 밀도가 작은 입자가 먼저 이송 가스에 의해 가속되며 이들은 압력 유닛(50) 중 유량제어 밸브(52)의 개방에 의해 고압측(HP)인 리저버 탱크(30)의 바닥면측에서 저압측(LP)인 분사 노즐(20)의 단부측으로 전파되는 충격파 혹은 압축파에 의해 가속된 이송 기체에 의해 가속되며 가스 형상으로 분산된다.

이처럼 이송 가스 형상으로 분산되는 분말(p)의 작은 입자들은 적층 혹은 인쇄를 위한 에어로졸로서 사용되며 이 에어로졸은 리저버 탱크(30)와 분사 노즐(20) 간에 연결된 제1 배관(P1)을 통하여 공급되어 분사 노즐(20)로부터 분사된다.

즉, 이때는 도시된 바와 같이 유량제어 밸브(52)는 열림 상태(52o)이고, 제1 퍼징 밸브(62)는 닫힘 상태(62c)에 있다.

초기 정지 상태, 즉 유량제어 밸브(52)가 닫힘 상태(52c)이고, 제1 퍼징 밸브(62)가 열림 상태(62o)에 있을 때의 분말(p)로부터 순간적인 유량제어 밸브(52)의 개방에 의해 분사 노즐(20)측으로 에어로졸이 공급되는 것은 유량제어 밸브(52)의 폐쇄를 통하여 중단될 수 있다.

이와 같은 유량제어 밸브(52)의 폐쇄에 의해 초기 정지 상태에 가속되어 리저버 탱크(30) 내에서 위로 솟아 올랐던 분말은 중력에 의해 다시 초기 상태로 돌아올 수 있다.

하지만 유량제어 밸브(52)의 개방과 폐쇄 시점 간에 리저버 탱크(30)의 내부와 제1 배관(P1)내에 잔존하는 이송 기체가 존재할 수 있으며 이러한 잔존 이송 기체를 더욱 빠르게 없애고 에어로졸화한 분말이 분사 노즐(20)측으로 초과 투입되는 것을 방지하고, 가속되었던 분말(p)의 안정화를 더욱 빠르게 하기 위해 추가로 퍼징 유닛(60)을 구성하는 제1 흡입 로터리 펌프(61)에 연결된 제1 퍼징 밸브(62)의 개방을 이용할 수 있다.

즉, 분사 노즐(20)측으로 투입되어 분사 노즐(20)을 통해 분사되는 에어로졸의 양을 최소화하는 것이 본 발명의 주된 목적 중의 하나임을 주지하면, 이러한 퍼징 유닛(60)은 고압측(HP)과 저압측(LP)를 분리하는 압력 유닛(50)의 유량제어 밸브(52)와 유사하게 매우 빠른 반응 속도를 갖는 솔레노이드 밸브 등을 이용해 구성할 수 있을 것이다.다시말해, 도 2를 참조하여 분말(p)이 가속되는 것과 분말(p)이 안정화되는 과정을 순차적으로 간략히 정리하고자 한다.

우선, 유량제어 밸브(52)가 개방됨에 따라 압력차의 붕괴에 따른 압축파 또는 충격파가 고압측(HP)에서 저압측(LP)으로 전달되며, 분말(p)이 압축파 또는 충격파에 의하여 가속화되면서 에어로졸화되고, 이때 작은 입자들이 상대적으로 크기가 큰 입자들보다 빠르게 가속되면서 입자들이 크기별로 분리된다.

이후, 가속화된 분말(p)이 저압측(LP)으로 화살표 방향으로 이송되어 작업이 완료되었다면, 유량제어 밸브(52)를 폐쇄하고 퍼징 유닛(60)의 제1 퍼징 밸브(62)를 개방시킴에 따라 중력과 함께 분말(p)은 가라앉고, 이송 기체는 제1 퍼징 밸브(62)의 개방에 의하여 고압측(HP)의 외측으로 이동하면서 분말(p)들은 안정화된다.

또한, 본 발명에서는 리저버 탱크(30)의 내부에 초기 정지 상태로 수용된 분말(p)이 더욱 잘 분산되도록 하기 위하여 분말(p)이 서로 뭉치지 않고, 분말(p)보다 상대적으로 매우 큰 크기와 밀도를 가지는 입자, 즉 비드(b)를 분말(p)과 함께 리저버 탱크(30) 내부에 저장할 수 있다.

이러한 경우, 유량제어 밸브(52)의 개방에 의하여 입자 크기와 밀도가 작은 분말(p)이 먼저 가속되며, 비드(b)는 상대적으로 분말(p)에 비하여 느리게 가속되므로, 저압측(LP), 즉 분사 노즐(20)측으로 이송되지는 않게 된다.

이와 같이 비드(b) 입자들은 분말(p)이 최초에 분산되고 유량제어 밸브(52)를 개방함에 따라 분말(p)의 효과적인 에어로졸화를 촉진할 수 있도록 보조하게 되는 것이다.

한편, 본 발명은 도 3과 같이 압력 유닛(50)의 가동이 중지되고 퍼징 유닛(60)과 함께 작업 챔버(10)와 제1 배관(P1) 및 필터(40) 등에 잔존하는 이송 기체를 효과적으로 제거하여 리저버 챔버(30) 외측으로 리턴시키거나, 분말(p)이 정체되지 않고 균일하게 분산되면서 공급될 수 있도록 제2 컴프레서(92)와 제2 퍼징 밸브(93)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

즉, 제2 컴프레서(92)는 작업 챔버(10)와 리저버 탱크(30)를 상호 연결하는 제1 배관(P1)으로부터 분기되는 제4 배관(P4)의 단부에 장착되는 것으로, 제1 배관(P1)측을 향하여 압력을 인가하기 위한 압축 에어를 생성하기 위한 기술적 수단이다.

제2 퍼징 밸브(93)는 제4 배관(P4) 상에 장착되어 개폐 조작되며, 제1 배관(P1) 내에 적체된 분말(p)에 혼재된 이송 기체를 제거하도록, 제2 컴프레서(92)로부터 작업 챔버(10)측으로 압력을 인가하고 조절하는 것으로, 개폐 정도에 따라 인가되는 에어의 압력을 적절히 조절할 수 있는 일종의 솔레노이드 밸브라 할 수 있다.

여기서, 제2 컴프레서(92)와 제2 퍼징 밸브(93)는 시각인지 유닛(70)의 실시간 감지 정보에 따른 컨트롤러(80)의 조작에 따라 가동되는 것이다.

이때, 본 발명은 특별히 도시하지 않았으나, 에어로졸화된 분말(p)에 잔존하는 이송 기체의 효과적이고 신속한 제거를 위하여 추가적으로 퍼징 밸브들을 장착할 수 있다.

즉, 본 발명은 제2 퍼징 밸브(93) 외에도 제1 배관(P1) 상이나, 리저버 탱크(30)와 필터(40) 사이에도 추가적으로 장착하여 신속한 이송 기체의 제거를 도모할 수도 있음은 물론이다.

또한, 본 발명은 특별히 도시하지 않았으나, 리저버 탱크(30)와 분사 노즐(20)을 상호 연결하는 제1 배관(P1) 및 제4 배관(P4)에 적어도 하나 이상의 오리피스를 장착하여 분사 노즐(20)측으로 투입되는 에어로졸화된 분말(p)에 혼재된 이송 기체의 양을 최소화하는 것도 고려할 수 있다.

한편, 본 발명은 도 4와 같이 분말(p)이 압력 유닛(50)과 퍼징 유닛(60)측으로 역류하는 것을 방지하면서도 동시에 작업 챔버(10)측으로 균일하게 분산되면서 이송되고 분사될 수 있도록 하며, 분말(p)이 분사 노즐(20)측으로 과잉 공급되는 것을 방지하기 위하여 리저버 탱크(30)에 제1, 2 메쉬(31, 32)를 더 장착하는 것이 바람직하다.

즉, 제1 메쉬(31)는 리저버 탱크(30)의 일단부에 장착되며, 작업 챔버(10)와 연결되는 제1 배관(P1)에 연결되는 그물망 형상의 것이다.

제2 메쉬(32)는 리저버 탱크(30)의 타단부에 장착되며, 압력 유닛(50)과 연결되는 제2 배관(P2)에 연결되는 그물망 형상의 것이다.

제1 메쉬(31)의 그물눈은 분말(p)이 제1 배관(P1)측으로 통과되는 것을 허용하는 크기이며, 제2 메쉬(32)의 그물눈은 분말(p)이 제2 배관(P2)측으로 통과되는 것을 차단하는 크기인 것이 바람직하다.

따라서, 분말(p)은 압력 유닛(50)의 유량제어 밸브(52)를 개폐하는 정도에 따라 도 5 및 도 6과 같은 다양한 적층 상태를 나타낼 수 있으며, 이러한 적층 상태는 작업 챔버(10) 내부의 광학 현미경 등과 같은 시각인지 유닛(70)의 실시간 감지에 따라 분말(p)의 적층 결과물(f, 도 12 내지 도 14 참조)을 형성하기 위한 스테이지 경로 등의 제어에 의하여 획득할 수 있을 것이다.

즉, 유량제어 밸브(52)의 개방과 폐쇄가 이루어지는 시간동안 에어로졸화된 분말(p)들이 리저버 탱크(30)로부터 분사 노즐(20)을 거쳐 작업 대상물(w) 상에 분사되어 인쇄 패턴을 형성함에 있어서, 리저버 탱크(30)로부터 분사 노즐(20)에 투입되는 에어로졸의 양, 즉 이송 기체의 양을 최소한으로 할 수 있도록 제어해야만 작업 대상물(w)에 인쇄되는 패턴의 크기를 줄일 수 있게 된다.

따라서, 유량제어 밸브(52)의 개방과 폐쇄 시점간의 시간 간격을 도 5와 같이 다양하게 제어함으로써, 작업 대상물(w)에 인쇄되는 패턴의 크기 또한 다양화할 수 있을 것이다.

즉, 압력 유닛(50)의 유량제어 밸브(52) 개방 정도 및 개방 시간은 작업 대상물(w)에 분사되는 에어로졸화된 분말(p)의 직경 및 적층되는 분말(p)에 의한 인쇄 패턴의 크기, 즉 인쇄 패턴의 높이와 폭에 비례하는 것이다.

구체적으로는, 유량제어 밸브(52)의 개방 지속시간을 10ms로 했을 경우, 인쇄된 패턴의 크기가 45㎛인데 비하여, 유량제어 밸브(52)의 개방 지속시간이 20ms인 경우, 인쇄된 패턴의 크기가 75㎛이며, 유량제어 밸브(52)의 개방 지속시간이 40ms인 경우, 인쇄된 패턴의 크기가 150㎛로 점차 증가하는 것을 알 수 있었다.

이와 같은 분말(p)의 인쇄 패턴의 상태는 도 6(a) 내지 도 6(d)와 같이 다양한 직경과 두께로 형성됨을 알 수 있다.

여기서, 위와 같은 분말(p)의 적층 결과물(f)을 얻기 위해서는 컨트롤러(80)의 가동 및 정지 신호, 즉 압력 유닛(50)이 정지되고 퍼징 유닛(60)이 가동되는 것과, 퍼징 유닛(60)이 정지되고 압력 유닛(50)이 가동되는 것이 동시에 이루어지도록 하는 가동 및 정지용 펄스 신호를 도 7의 그래프와 같이 압력 유닛(50)과 퍼징 유닛(60)에 전달함으로써 가능하게 된다.

상기와 같이 다양한 실시예에 따른 분말의 이송 및 퍼징 장치를 이용하여 분말을 이송하고 퍼징하는 방법에 관하여 도 8 및 도 11 내지 도 14를 참조하면서 살펴본다.

본 발명은 도 8과 같이 크게 제1, 2, 3 단계(S1, S2, S3)를 거쳐 분말(p)을 분사하고 안정화시킨 후, 분말(p)에 혼재된 이송 기체를 리턴하는 일련의 공정을 반복적으로 수행하게 됨을 알 수 있다.

제1 단계(S1)에서는 내부가 일정한 압력의 음압 상태로 유지되는 작업 챔버(10)와 제1 배관(P1)으로 연결되고 작업 챔버(10)에 비하여 상대적으로 고압인 리저버 탱크(30)에 수용된 분말(p)을 제1 배관(P1)의 내부 유로를 따라 이송시키고 작업 챔버(10) 내에 거치된 작업 대상물(w)의 표면에 분사시키는 작업이 이루어진다.

여기서, 분말(p)은 리저버 탱크(30)의 상, 하부측을 기준으로 저압측인 작업 챔버(10)측과 고압측인 상기 리저버 탱크(30)의 바닥면측과의 압력차를 이용하여 리저버 탱크(30)와 제2 배관(P2)으로 연결된 압력 유닛(50)의 개방에 따라 고압측인 리저버 탱크(30)의 바닥면측으로부터 저압측인 작업 챔버(10)측을 향하여 전달되는 압력차의 붕괴에 따른 압축파 또는 충격파로써 가속되고 에어로졸화하여작업 챔버(10) 내의 분사 노즐(20)을 통하여 분사된다.

제2 단계(S2)에서는 작업 챔버(10) 내에 장착된 시각인지 유닛(70)이 작업 대상물(w)의 표면에 분말(p)이 분사되고 적층되는 상태를 실시간으로 감지하면서, 압력 유닛(50) 및 시각인지 유닛(70)과 전기적으로 연결된 컨트롤러(80)의 설정값에 따라, 작업 대상물(w)의 표면에 분말(p)을 이용한 작업이 완료되면, 압력 유닛(50)의 가동을 중지시키는 신호를 컨트롤러(80)에 전달하는 작업이 이루어진다.

제3 단계(S3)에서는 압력 유닛(50)의 가동이 중단되면, 컨트롤러(80)가 제2 배관(P2)으로부터 분기된 제3 배관(P3)의 단부에 연결된 퍼징 유닛(60)에 가동 신호를 전달하고, 퍼징 유닛(60)이 작업 챔버(10)와 제1 배관(P1)에 잔존하는 에어로졸화한 분말(p)에 혼재된 이송 기체를 리저버 탱크(30)의 외측으로 리턴되도록 하는 흡입 압력을 인가하는 작업이 이루어진다.

여기서, 제1 단계(S1) 내지 제3 단계(S3)는 반복적으로 이루어지며, 컨트롤러(80)는 압력 유닛(50)이 정지되고 퍼징 유닛(60)이 가동되는 것과, 퍼징 유닛(60)이 정지되고 압력 유닛(50)이 가동되는 것이 순간적으로 이루어지는 펄스 신호를 각각 압력 유닛(50)과 퍼징 유닛(60)에 전달하게 되는 것이다.

이때, 제1 단계(S1)는 더욱 구체적으로 살펴보면, 제2 배관(P2)의 단부에 장착된 압력 유닛(50)의 제1 컴프레서(51)를 컨트롤러(80)의 가동 신호에 따라 가동시키는 과정을 수행하게 된다.

그리고, 제1 컴프레서(51)에 의하여 제2 배관(P2)측으로 압력이 인가되면 제2 배관(P2)에 장착된 압력 유닛(50)의 유량제어 밸브(52)를 컨트롤러(80)의 개방 신호에 따라 개방시키는 과정을 수행하게 된다.

그리고, 제2 단계(S2)는 더욱 구체적으로 살펴보면, 분말(p)을 이용한 작업이 완료됨을 시각인지 유닛(70)이 감지하여 컨트롤러(80)에 작업 완료 신호를 전달하는 과정을 수행하게 된다.

그리고, 제2 배관(P2)에 장착된 압력 유닛(50)의 유량제어 밸브(52)를 컨트롤러(80)의 폐쇄 신호에 따라 폐쇄시키는 과정을 수행하게 된다.

그리고, 제2 배관(P2)의 단부에 장착된 압력 유닛(50)의 제1 컴프레서(51)를 컨트롤러(80)의 가동 정지 신호에 따라 정지시키는 과정을 포함하게 된다.

여기서, 제3 단계는 제1 컴프레서(51)가 정지된 즉시 수행된다.

또한, 제3 단계(S3)는 더욱 구체적으로 살펴보면, 압력 유닛(50)의 가동이 중단된 즉시, 제3 배관(P3)의 단부에 연결된 퍼징 유닛(60)의 제1 흡입 로터리 펌프(61)에 컨트롤러(80)의 가동 신호에 따라 가동시키는 과정을 수행하게 된다.

그리고, 제3 배관(P3)에 장착된 퍼징 유닛(60)의 제1 퍼징 밸브(62)를 컨트롤러(80)의 개방 신호에 따라 개방시키는 과정을 수행하게 된다.

이후, 흡입 압력이 인가되어 작업 챔버(10)와 제1 배관(P1)에 잔존하는 분말(p)이 리저버 탱크(30)로 전부 리턴되면, 제1 퍼징 밸브(62)를 컨트롤러(80)의 폐쇄 신호에 따라 폐쇄시키는 과정을 수행하게 된다.

계속하여, 제1 흡입 로터리 펌프(61)를 컨트롤러(80)의 가동 정지 신호에 따라 정지시키는 과정을 수행하게 된다.

여기서, 제1 단계(S1)는 제1 흡입 로터리 펌프(61)가 정지되는 즉시 재차 수행할 수 있다.

이때, 압력 유닛(50)과 퍼징 유닛(60)의 가동 및 정지에 따른 분말의 이송, 집속 분사 및 퍼징 메커니즘에 관하여 살펴보고자 한다.

참고로, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치를 이용하여 압력 유닛을 가동시켰을 때 시간 변화에 따른 분말의 거동 상태를 시간에 따라 고속 카메라로 촬영한 사진이다.

우선, 압력 유닛(50)이 가동되지 않은 초기 상태는 0msec 일 때, 도 9(a)와 같이 분말(p)들이 안정화된 상태에 있다.

이후, 컨트롤러(80)의 가동 신호에 따라 제1 컴프레서(51)가 가동되는 상태에서 유량제어 밸브(52)가 개방되면 압축파(충격파)가 고압측인 리저버 챔버(30)측에서부터 상대적으로 저압측인 작업 챔버(10)측으로 전파된다.

이후, 분말(p)들은 도 9(b)와 같이 리저버 챔버(30)로부터 전술한 압축파에 의하여 에어로졸화되고 가속된다.(유량제어 밸브(52) 개방후 5.2msec 경과한 시점)

이때, 분말(p) 중 크기가 작은 입자들이 큰 입자들보다 빠르게 가속되므로 압력 유닛(50)의 가동 후 정지에 따른 퍼징 유닛(80)의 가동 후 정지 등의 제어 동작에 의하여 입자 크기별로 분리 이송시킬 수 있음은 물론이다.

계속하여, 분말(p) 중 큰 입자가 가속되기 전에 컨트롤러(80)의 조작에 의하여 압력 유닛(50)의 유량제어 밸브(52)를 닫으면, 분말(p) 자체의 자중에 의하여 중력 작용하에 안정화됨과 동시에 퍼징 유닛(60)의 제1 퍼징 밸브(62)가 개방되면서 나머지 분말(p)들의 안정화가 이루어지게 되는 것이다.

즉, 분말(p)들이 도 9(c)와 같이 유량제어 밸브(52) 개방후 20.2msec가 경과한 시점에서 큰 입자까지 가속되는 상태에 도달하기 전에 컨트롤러(80)의 조작에 의하여 유량제어 밸브(52)를 닫아야 원하지 않는 품질의 인쇄 결과물이 도출되는 것을 방지할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치 및 방법의 핵심은 순간적인 유량제어 밸브(52)의 개방으로 정지 상태에 있던(도 9(a) 참조) 분말(p)의 에어로졸화가 진행되고(도 9(b) 참조), 작은 입자들이 에어로졸화하여 가속되는 동안 유량제어 밸브(52)의 개방을 유지하며, 분말 중 큰 입자의 가속이 진행(도 9(c) 참조)되기 전에 유량제어 밸브(52)를 닫고 제1 퍼징 밸브(62)를 개방하여 분말들을 안정화시키는 것이라 할 수 있다.

도 9와 같은 분말(p)의 거동과 관련한 실험은 유량제어 밸브(52)의 개방에 따른 초기 압축파의 압력이 100Pa일 경우, 분말(p)들 중 100nm 내외의 작은 입자는 제1 퍼징 밸브(62)를 개방하였을 때 1msec 내외로 안정화되는데 비하여, 분말(p)들 중 1㎛ 내외의 큰 입자는 제1 퍼징 밸브(62)를 개방하였을 때 8.5msec 내외의 시간이 소요되는 것으로부터 압력 유닛(50)과 퍼징 유닛(60)의 가동 제어가 중요함을 알 수 있다.

다음으로, 분사 노즐(20)로부터 집속(focusing)되어 분사되는 분말(p)들의 거동에 관하여 살펴보고자 한다.

참고로, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치 중 분사 노즐로부터 집속되어 분사되는 분말의 분사 거동을 나타낸 것으로, 도 10(a)는 모식적으로 나타낸 단면 개념도이며, 도 10(b)는 분말의 분사 거동을 고속 카메라로 촬영한 사진이다.

도 10(a)에서 실선으로 표시된 화살표는 분말(p) 입자들의 이동 경로를, 점선은 유량제어 밸브(52)의 개방에 따라 제1 컴프레서(51)의 압력 인가에 의하여 분사되는 에어 스트림을 각각 나타낸다.

일반적으로, 분사 노즐(20)의 출구 직전의 전압(P0)은 유량제어 밸브(52)에 의한 최소한으로 필요한 분사압력(Pmin)보다 작거나 같을 경우 분말(p)은 도 8(a)와 같이 특정한 촛점(fc)에서 만나게 된다.

따라서, 실험을 통하여 분사 노즐(20)의 출구 직경이 500㎛이며, 분사 노즐(20)의 출구 각도가 15도인 경우, 입자 직경이 100nm인 BaTiO3 분말을 분사하였을 때, 도 10(b)와 같이 촛점(fc)을 형성한 후 넓어지며 분사되는 거동을 보이는 것을 고속 카메라 촬영을 통하여 확인할 수 있었다.

위와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치를 이용한 일련의 이송, 집속 및 퍼징 방법을 도 11 내지 도 14를 참조하면서 다시 설명한다.

우선, 컨트롤러(80)는 제1 컴프레서(51)를 가동시켜 압축 에어에 의한 압력을 생성하고, 유량제어 밸브(52)를 개방시켜 도 11과 같이 제2 배관(P)을 통하여 화살표 방향으로 압축 에어에 의한 압력을 인가하면서 리저버 탱크(30) 내부의 분말(p)을 제1 배관(P1)을 거쳐 분사 노즐(20)측으로 이송시킨다.

여기서, 분말(p)은 유량제어 밸브(52)의 개방에 따른 압축파, 즉 충격파에 의하여 에어로졸화되면서 가속되어지되, 분말(p) 중 입자의 크기가 작은 것부터 우선적으로 에어로졸화되면서 가속되는 것이다.

이후, 제1 컴프레서(51)의 가동이 지속되고, 유량제어 밸브(52)가 개방된 상태를 유지하면서 분말(p)은 도 12와 같이 분사 노즐(20)을 통하여 작업 챔버(10) 내부에 거치된 작업 대상물(w)의 표면에 고압으로 분사되면서 적층 결과물(f)을 형성하게 된다.

여기서, 압축 에어에 의한 압력은 화살표 방향으로 계속 인가되는 상황을 유지하고 있다.

이때, 시각인지 유닛(70)은 작업 대상물(w)의 표면에 형성되는 분말(p)에 의한 적층 결과물(f)을 실시간으로 감지하고 컨트롤러(80)에 이미지를 지속적으로 전송하면서 압력 유닛(50)의 정지 여부 및 퍼징 유닛(60)의 가동 시작 여부를 컨트롤러(80)가 판단토록 한다.

계속하여, 시각인지 유닛(70)이 분말(p)에 의한 적층 결과물(f)의 형성이 완료된 상황을 컨트롤러(80)에 전달하면, 분말(p)들 중 입자의 크기가 큰 것이 가속되려하기 전에 컨트롤러(80)는 유량제어 밸브(52)를 닫으면서 즉각 제1 흡입 로터리 펌프(61)를 가동시키고, 제1 퍼징 밸브(62)를 개방시켜 도 13의 화살표 방향과 같이 흡입 압력을 발생시키면, 분말(p)들의 안정화를 시작한다.

이후, 제1 배관(P1) 및 필터(40) 등에 남아있던 에어로졸화된 분말(p)에 혼재된 이송 기체는 도시된 바와 같이 퍼징 유닛(60)의 가동에 의하여 리저버 챔버(30)로 전부 리턴되면서, 다음 작업을 위한 준비 과정을 완료할 수 있게 되는 것이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 단계를 거쳐 작업 대상물(w)의 표면에 실시된 인쇄 패턴은 도 14와 같이 50㎛ 수준의 정밀도로 깔끔하게 인쇄될 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명은 고체 분말 혹은 입자를 이송 가스에 의한 가속을 통하여 기판 상의 원하는 위치에 원하는 형상의 정밀한 패턴으로 저온에서도 직접 인쇄 가능하도록 하는 저온 직접 인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치 및 방법을 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.

그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.

10...작업 챔버
11...진공 게이지
12...제2 흡입 로터리 펌프
15...플레이트
18...위상변경 어셈블리
20...분사 노즐
30...리저버 탱크
31...제1 메쉬
32...제2 메쉬
40...필터
50...압력 유닛
51...제1 컴프레서
52...유량제어 밸브
60...퍼징 유닛
61...제1 흡입 로터리 펌프
62...제1 퍼징 밸브
70...시각인지 유닛
80...컨트롤러
92...제2 컴프레서
93...제2 퍼징 밸브
f...적층 결과물
p...분말
P1...제1 배관
P2...제2 배관
P3...제3 배관
P4...제4 배관
S1...제1 단계
S2...제2 단계
S3...제3 단계
w...작업 대상물

Claims

작업 대상물이 수용되고, 내부가 일정한 압력의 음압 상태로 유지되는 작업 챔버;
상기 작업 챔버에 내장되고, 상기 작업 대상물에 분말을 분사하는 분사 노즐;
상기 작업 챔버와 배관 연결되고, 상기 분말이 수용되는 내부 공간을 형성하며, 상기 내부 공간의 하부측은 상부측에 비하여 상대적으로 고압인 리저버(reservoir) 탱크;
상기 작업 챔버와 상기 리저버 탱크 사이의 상기 배관에 배치되어 상기 리저버 탱크로부터 상기 작업 챔버측으로 이송되는 상기 분말의 입자량을 조절하는 필터;
상기 리저버 탱크와 개폐 가능하게 배관 연결되고, 상기 리저버 탱크의 상, 하부측을 기준으로 저압측인 상기 작업 챔버측과 고압측인 상기 리저버 탱크의 바닥면측과의 압력차를 이용하여, 개방시 상기 압력차의 붕괴에 따른 압축파 또는 충격파를 상기 분말에 전달하여 상기 분말을 가속화시키면서 상기 분말을 에어로졸화하는압력 유닛; 및
상기 리저버 탱크와 배관 연결되고, 상기 압력 유닛의 폐쇄에 따른 상기 작업 대상물에 대한 인쇄 작업 완료후 상기 작업 챔버와 상기 필터 및 상기 배관에 잔존하는 상기 에어로졸화한 분말에 혼재된 이송 기체를 상기 리저버 탱크 외측으로 리턴시키는 퍼징(purging) 유닛;을 포함하며,
상기 압력 유닛이 폐쇄되고 상기 퍼징 유닛이 가동되는 것과, 상기 퍼징 유닛이 정지되고 상기 압력 유닛이 개방되는 것은 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치는,
상기 압력 유닛의 개방 정도 및 상기 압력 유닛의 개방 시간은 상기 작업 대상물에 분사되는 상기 에어로졸화된 분말의 직경 및 적층되는 상기 분말의 두께와 폭에 비례하는 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 배관은,
상기 작업 챔버와 상기 리저버 탱크를 상호 연결하는 제1 배관과,
상기 압력 유닛과 상기 리저버 탱크를 상호 연결하는 제2 배관과,
상기 제2 배관으로부터 분기되는 제3 배관을 포함하며,
상기 퍼징 유닛은 상기 제3 배관과 연결되며, 상기 작업 챔버는 상기 리저버 탱크에 비하여 상대적으로 저압측인 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 압력 유닛은,
상기 리저버 탱크와 연결되는 제2 배관의 단부에 장착되는 제1 컴프레서와,
상기 제2 배관 상에 장착되어 개폐 조작되며, 상기 제1 컴프레서로부터 인가되는 에어의 압력을 차단 또는 해제하는 유량제어 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 퍼징 유닛은,
상기 리저버 탱크와 연결되는 제2 배관으로부터 분기되는 제3 배관의 단부에 장착되는 제1 흡입 로터리 펌프와,
상기 제3 배관 상에 장착되어 개폐 조작되며, 상기 제1 흡입 로터리 펌프의 가동에 따른 에어의 흡입 압력을 차단 또는 해제하는 제1 퍼징 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치는,
상기 작업 챔버와 상기 리저버 탱크를 상호 연결하는 제1 배관으로부터 분기되는 제4 배관의 단부에 장착되는 제2 컴프레서와,
상기 제4 배관 상에 장착되어 개폐 조작되며, 상기 제1 배관 내에 적체된 상기 분말과 상기 압력 유닛으로부터 공급된 압축 에어를 제거하도록, 상기 제2 컴프레서로부터 상기 작업 챔버측으로 압력을 인가하고 조절하는 제2 퍼징 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치는,
상기 리저버 탱크의 일단부에 장착되며, 상기 작업 챔버와 연결되는 제1 배관에 연결되는 그물망 형상의 제1 메쉬와,
상기 리저버 탱크의 타단부에 장착되며, 상기 압력 유닛과 연결되는 제2 배관에 연결되는 그물망 형상의 제2 메쉬를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치는,
상기 작업 챔버의 내부 공간을 진공 환경으로 조성하도록 상기 작업 챔버와 연결되는 제2 흡입 로터리 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 시각인지 유닛은 광학 현미경 또는 전자주사 현미경인 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 제1 메쉬의 그물눈은 상기 분말이 상기 제1 배관측으로 통과되는 것을 허용하는 크기이며,
상기 제2 메쉬의 그물눈은 상기 분말이 상기 제2 배관측으로 통과되는 것을 차단하는 크기인 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 작업 챔버는,
상기 작업 대상물이 거치되도록 상기 작업 챔버에 내장되는 플레이트와,
상기 플레이트와 연결되어 상기 작업 챔버에 내장되고, 상기 플레이트를 전, 후 방향과, 좌, 우 방향과, 상, 하 방향의 3축 방향으로 이송시키는 위상변경 어셈블리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 장치.
내부가 일정한 압력의 음압 상태로 유지되는 작업 챔버와 제1 배관으로 연결되고 상기 작업 챔버에 비하여 상대적으로 고압인 리저버 탱크에 수용된 분말에, 상기 리저버 탱크의 상, 하부측을 기준으로 저압측인 상기 작업 챔버측과 고압측인 상기 리저버 탱크의 바닥면측과의 압력차를 이용하여 상기 리저버 탱크와 제2 배관으로 연결된 압력 유닛의 개방에 따라 고압측인 상기 리저버 탱크의 바닥면측으로부터 저압측인 상기 작업 챔버측을 향하여 전달되는 상기 압력차의 붕괴에 따른 압축파 또는 충격파로써 상기 분말을 가속화시키면서 에어로졸화하며, 상기 제1 배관의 내부 유로를 따라 상기 에어로졸화된 분말을 이송시키고 상기 작업 챔버 내에 거치된 상기 작업 대상물의 표면에 분사시키는 제1 단계;
상기 작업 챔버 내에 장착된 시각인지 유닛이 상기 작업 대상물의 표면에 상기 분말이 분사되고 적층되는 상태를 실시간으로 감지하면서, 상기 압력 유닛 및 상기 시각인지 유닛과 전기적으로 연결된 컨트롤러의 설정값에 따라, 상기 작업 대상물의 표면에 상기 분말을 이용한 작업이 완료되면, 상기 압력 유닛의 가동을 중지시키는 신호를 상기 컨트롤러에 전달하는 제2 단계; 및
상기 압력 유닛의 가동이 중단되면, 상기 컨트롤러가 상기 제2 배관으로부터 분기된 제3 배관의 단부에 연결된 퍼징 유닛에 가동 신호를 전달하고, 상기 퍼징 유닛이 상기 작업 챔버와 상기 제1 배관에 잔존하는 상기 에어로졸화한 분말에 혼재된 이송 기체를 상기 리저버 탱크 외측으로 리턴되도록 하는 제3 단계;를 포함하며,
상기 제1 단계 내지 상기 제3 단계는 반복적으로 이루어지고,
상기 컨트롤러는,
상기 압력 유닛이 정지되고 상기 퍼징 유닛이 가동되는 것과, 상기 퍼징 유닛이 정지되고 상기 압력 유닛이 가동되는 것이 동시에 이루어지는 펄스 신호를 각각 상기 압력 유닛과 상기 퍼징 유닛에 전달하는 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 제1 단계는,
상기 제2 배관의 단부에 장착된 상기 압력 유닛의 제1 컴프레서를 상기 컨트롤러의 가동 신호에 따라 가동시키는 과정과,
상기 제1 컴프레서에 의하여 제2 배관측으로 압력이 인가되면 상기 제2 배관에 장착된 상기 압력 유닛의 유량제어 밸브를 상기 컨트롤러의 개방 신호에 따라 개방시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 제2 단계는,
상기 분말을 이용한 작업이 완료됨을 상기 시각인지 유닛이 감지하여 상기 컨트롤러에 작업 완료 신호를 전달하는 과정과,
상기 제2 배관에 장착된 상기 압력 유닛의 유량제어 밸브를 상기 컨트롤러의 폐쇄 신호에 따라 폐쇄시키는 과정과,
상기 제2 배관의 단부에 장착된 상기 압력 유닛의 제1 컴프레서를 상기 컨트롤러의 가동 정지 신호에 따라 정지시키는 과정을 포함하며,
상기 제4 단계는 상기 제1 컴프레서가 정지된 즉시 수행되는 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 제3 단계는,
상기 압력 유닛의 가동이 중단된 즉시, 상기 제3 배관의 단부에 연결된 상기 퍼징 유닛의 제1 흡입 로터리 펌프에 상기 컨트롤러의 가동 신호에 따라 가동시키는 과정과,
상기 제3 배관에 장착된 상기 퍼징 유닛의 제1 퍼징 밸브를 상기 컨트롤러의 개방 신호에 따라 개방시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 제3 단계는,
상기 압력 유닛의 가동이 중단된 즉시, 상기 제3 배관의 단부에 연결된 상기 퍼징 유닛의 제1 흡입 로터리 펌프를 상기 컨트롤러의 가동 신호에 따라 가동시키는 과정과,
상기 제3 배관에 장착된 상기 퍼징 유닛의 제1 퍼징 밸브를 상기 컨트롤러의 개방 신호에 따라 개방시키는 과정과,
상기 흡입 압력이 인가되어 상기 작업 챔버와 상기 제1 배관에 잔존하는 분말이 상기 리저버 탱크로 전부 리턴되면, 상기 제1 퍼징 밸브를 상기 컨트롤러의 폐쇄 신호에 따라 폐쇄시키는 과정과,
상기 제1 흡입 로터리 펌프를 상기 컨트롤러의 가동 정지 신호에 따라 정지시키는 과정을 포함하며,
상기 제1 단계는 상기 제1 흡입 로터리 펌프가 정지되는 즉시 수행 가능한 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 압력 유닛은 상기 작업 챔버 내로 분사되는 상기 분말 중 큰 입자가 가속되기 전까지 상기 분말 중 작은 입자가 에어로졸화하여 가속되도록 가동되는 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 압력 유닛의 개방 정도 및 상기 압력 유닛의 개방 시간은 상기 작업 대상물에 분사되는 상기 에어로졸화된 분말의 직경 및 적층되는 상기 분말의 두께와 폭에 비례하는 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 유량제어 밸브가 개방되면 상기 작업 챔버 내로 분사되는 상기 분말 중 100nm 내외의 작은 입자가 에어로졸화하여 가속되면서 상기 작업 챔버로 이송되고, 상기 분말 중 1㎛ 내외의 큰 입자가 가속되려하면 상기 컨트롤러의 차단 신호에 따라 상기 유량제어 밸브가 차단되는 것을 특징으로 하는 저온 직접인쇄용 분말의 이송, 집속 및 퍼징 방법.