KR20160023874A - 프린트된 3차원(3d) 기능 부품 및 이것의 제작 방법 - Google Patents

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KR20160023874A
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conductive
dimensional structure
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KR1020167002046A
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제니퍼 에이. 루이스
마이클 에이. 벨
트래비스 에이. 버스비
존 이. 2세 미나르디
Original Assignee
프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지
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Abstract

구조 물질을 포함하는 3차원 구조물을 구비한 프린트된 3차원 기능 부품이 제공되는바, 상기 3차원 구조물 안에는 적어도 하나의 기능 전자 소자가 적어도 부분적으로 내장된다. 상기 기능 전자 소자는 상기 3차원 구조물의 내부 표면에 대해 고정된 베이스를 구비한다. 적어도 하나의 도전성 필라멘트가 상기 3차원 구조물 안에 적어도 부분적으로 내장되고, 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자에 전기적으로 연결된다.

Description

프린트된 3차원(3D) 기능 부품 및 이것의 제작 방법{PRINTED THREE-DIMENSIONAL (3D) FUNCTIONAL PART AND METHOD OF MAKING}
본 발명은 일반적으로 3차원(3D) 프린트 기술에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 3차원 기능 부품의 다이렉트-라이트 제조(direct-write fabrication)에 관한 것이다.
전자부품 제조는 세계적으로 빠른 속도로 진행되어 왔다. 예를 들어 핸드폰과 같은 대중적인 상용 기기를 미국에서 제작하는 것은 점차 더 어려워지고 있는데, 이는 엔지니어들이 그러한 기기를 설계함에 있어서 해외에서 제작 및 조립될 수 있는 수백개의 부품들을 갖도록 설계하기 때문이다. 외주 제조를 촉진하는 요인은 노동력 뿐만이 아니라, 미국이 필적할 수 없는 경쟁력있는 잇점을 제공하는 해외의 느슨한 환경규제 때문이기도 하다. 예를 들어, 인쇄 회로 보드(printed circuit board; PCB)의 시제품 제작에는 여전히 수일 또는 수주가 소요되며, 이것은 매우 고가의 특수 에칭/밀링 장비를 사용하는 제3자에 의하여 제작되는 것이 통상적이다. PCB 제조는 수많은 화학 공정 및 물질을 필요로 하며, 상기 화학 물질 중 다수는 환경에 유해하고 폐기가 곤란한 화학물질을 함유하고 있다.
3차원 프린트와 같은 첨가식(additive) 제조 기술은 현재의 제조 방법을 달리할 수 있는 잠재력을 가진 것으로서, 미국을 첨단기술의 선두로 재위치시킬 수 있고, 환경적으로 양호한 제조를 가능하게 한다. 고가의 도구, 다이(die), 등에 의존하는 특수 기계들은 개별 제품들을 제작함에 있어서 더 이상 필요하지 않게 될 수도 있다. 기기들의 조립에 필요한 수백만의 비숙련공들과, 전세계적으로 절반의 가격에 기기를 제조하라는 강압적인 가격 제안도 제거될 수 있다. 세계는 물질의 공급 부족과 교통 공해의 증가에 직면하고 있으므로, 폐기물이 없는 제조가 필연적일 수 있다. 에너지국(Department of Energy)은 삭감식(subtractive) 제조 공정 대신에 첨가식 제조 공정을 이용함으로써 거의 50%의 에너지 절감이 이루어질 것으로 추산한다.
본 발명은 프린트된 3차원(3D) 기능 부품 및 이것의 제작 방법을 향상시킴을 목적으로 한다.
구조 물질을 포함하는 3차원 구조물을 구비한 프린트된 3차원 기능 부품이 제공되는바, 상기 3차원 구조물 안에는 적어도 하나의 기능 전자 소자가 적어도 부분적으로 내장된다. 상기 기능 전자 소자는 상기 3차원 구조물의 내부 표면에 대해 고정된 베이스를 구비한다. 하나 이상의 도전성 필라멘트가 상기 3차원 구조물 안에 적어도 부분적으로 내장되고, 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자에 전기적으로 연결된다.
일 실시예에 따른 3차원 기능 부품의 프린트 방법은: 3차원 구조물의 적어도 하나의 부분을 형성하기 위하여 구조 필라멘트(structural filament)를 압출하여 기판(substrate) 상에 미리 정해진 패턴으로 적층함; 상기 적어도 하나의 부분의 노출 표면(exposed surface) 상에 적어도 하나의 기능 전자 소자를 배치 또는 형성함; 및 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자와의 상호연결부를 형성하기 위하여 적어도 하나의 도전성 필라멘트를 압출 및 적층함;을 포함한다. 일부 실시예에서 상기 3차원 기능 부품의 프린트 방법은, 상기 3차원 구조물의 적어도 하나의 추가 부분을 형성하기 위하여 상기 구조 필라멘트의 추가 길이를 상기 기판 상에 미리 정해진 패턴으로 압출 및 적층하는 단계를 더 포함한다. 상기 적어도 하나의 추가 부분은 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자를 적어도 부분적으로 덮을 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 3차원 기능 부품의 프린트 방법은, 미리 정해진 체적을 갖는 3차원 구조물의 적어도 하나의 부분을 형성하기 위하여 구조 필라멘트를 압출해서 기판 상에 미리 정해진 패턴으로 적층함을 포함한다. 상기 적어도 하나의 부분의 노출 표면 상에는 적어도 하나의 기능 전자 소자가 배치 또는 형성되고, 미리 정해진 체적으로 주문제작된 치수를 갖는 배터리가 상기 적어도 하나의 부분의 다른 노출 표면 상에 형성된다. 적어도 하나의 도전성 필라멘트가 압출되어 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자 및 상기 배터리와의 상호연결부를 형성하도록 적층된다.
다른 일 실시예에 따른 3차원 기능 부품의 프린트 방법은: 3차원 프린트 방법을 이용하여 3차원 구조물의 적어도 하나의 부분을 형성함; 상기 적어도 하나의 부분의 노출 표면 상에 적어도 하나의 기능 전자 소자를 배치함; 및 3차원 프린트 방법을 이용하여 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자로 향하는 또는 상기 기능 전자 소자로부터 나오는 도전성 상호연결부를 형성함;을 포함한다. 일부 실시예에서 상기 3차원 기능 부품의 프린트 방법은, 3차원 프린트 방법을 이용하여 상기 3차원 구조물의 하나 이상의 추가 부분을 형성함을 포함한다. 상기 3차원 구조물의 상기 하나 이상의 추가 부분은 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자를 적어도 부분적으로 덮을 수 있다.
서로 인접하여 장착되되 분리가능하게 장착된 둘 이상의 컴퓨터 제어식 모듈형 프린트 헤드를 포함하는 3차원 프린터가 제공된다. 각각의 프린트 헤드는 구조 필라멘트 및/또는 기능 필라멘트를 압출 및 적층하기 위한 적어도 하나의 노즐을 포함한다.
도 1 은 내장된 전자부품을 포함하는 예시적인 3차원 프린트 구조물(3D printed structure)의 개략도이다.
도 2a 내지 도 2g 에는 내장된 전자부품을 포함하는 3차원 구조물을 인쇄하기 위한 다이렉트-라이트 공정의 예시적인 단계들이 도시되어 있다.
도 3 에는 길이의 일부분이 지지되지 않고 있는 도전성 (은으로 만들어진) 필라멘트의 주사형 전자현미경 사진(scanning electron micrograph; SEM)이 도시되어 있다.
도 4 에는 다이렉트-라이트 제조를 위한 예시적인 노즐의 개략도가 도시되어 있다.
도 5a 및 도 5b 에는 3차원 프린트 및 픽-앤-플레이스(pick and place) 단계들의 조합에 의하여 생산된 예시적인 3차원 기능 부품의 개략적인 전방 단면도 및 상부 단면도가 도시되어 있다.
도 6a 및 도 6b 에는 예시적인 종래 기술의 보청기(hearing aid) 및 3차원 프린트된 보청기의 개략도가 각각 도시되어 있다.
도 7a 에는 내장된 안테나 설계안의 3차원 렌더링(3D rendering)이 도시되어 있다.
도 7b 에는 폴리머 매트릭스 (구조) 물질(polymer matrix (structural) material) 및 도전성 은 잉크(conductive silver ink)를 조합-프린트(co-print)하기 위한 다중-물질 도구 경로(multi-material tool path)의 개략도가 도시되어 있다.
도 7c 에는 ABS 열가소성 매트릭스(ABS thermoplastic matrix) 안에 내장된, 3차원 프린트된 은(silver) 안테나가 도시되어 있다.
도 8a 에는 폴리머 구조 물질(polymeric structural material) 안에 부분적으로 내장되고 또한 은 잉크 조성물(silver ink formulation)로부터 압출된 도전성 필라멘트에 의하여 상호연결부된 표면 장착 레지스터(surface mount resistor), 자성 판독 스위치(magnetic read switch), 표면 장착 LED, 및 배터리를 포함하는 3차원 인쇄 회로 보드의 개략도가 도시되어 있다.
도 8b 에는 도 8a 에 개략적으로 도시된 3차원 프린트된 기능 부품의 저부 부분의 광학 이미지가 도시되어 있는바, 여기에서 회로 구성요소들과 도전성 필라멘트들은 폴리머 구조 물질 안에 부분적으로 내장되어 있다.
도 8c 에는 폴리머 구조 필라멘트들 및 도전성 필라멘트들 모두를 프린트하기 위한 다중-물질 프린트 헤드 도구 경로가 도시되어 있다.
도 8d 에는 (도 8a 에 도시된 저부 부분 위에 상부 부분을 3차원 프린트한 이후에 해당되는) 3차원 프린트되고 완전히 내장된 회로의 광학 이미지가 도시되어 있는바, 여기에서 LED 는 자성 판독 스위치에 근접하게 배치된 자석에 의하여 켜지며, 크기의 상대적 비교를 위하여 페니(penny)가 함께 도시되어 있다.
도 9a 에는 3차원 프린트된 토크 렌치 스트레인 감지 소자(torque wrench strain sensing device)의 개략도가 도시되어 있는바, 이것은 본 예에서는 구조 매트릭스 물질(structural matrix material) 안에 내장된 (상호연결부용) 도전성 필라멘트들, 아두이노 보드(Arduino board), 표면 장착 레지스터, 및 스트레인 센서(strain sensor)를 포함한다.
도 9b 에는 3차원 프린트된 토크 렌치 스트레인 감지 소자의 광학 이미지가 도시되어 있다.
도 9c 에는 3차원 프린트된 렌치의 컴퓨터 단층촬영(computerized tomography; CT) 스캔 이미지(평면도 및 측면도)가 도시되어 있는바, 여기에는 내장된 회로와 전기적 구성요소들 각각이 도시되어 있다.
도 9d 에는 폴리머 3차원 구조물, 도전성 상호연결부들, 및 스트레인 센서를 제작하기 위하여 이용되는 예시적인 다중-물질 프린트 경로가 도시되어 있다.
도 9e 에는 3차원 프린트된 렌치의 CT 스캔 이미지(평면도)가 도시되어 있는바, 여기에는 회로 요소들을 나타내는 표시가 부여되어 있다.
도 10 에는 3차원 프린트된 아두이노 보드의 평면도에 해당되는 사진이 도시되어 있다.
도 11a 에는 도전성 잉크 조성물 안에 포함되기 전의 건조 은 박편들(dry silver flakes)의 예시적인 샘플의 주사형 전자현미경 사진(SEM) 이미지가 도시되어 있다.
도 11b 에는 카르복실기(-COOH group)에 의하여 기능화된(functionalized) 대략 1 wt.%의 탄소 나노튜브들 및 은 박편들을 포함하는 압축된 도전성 필라멘트의 SEM 이미지가 도시되어 있다.
도 12a 에는 예시적인 유기 에스테르 기반 은 잉크(organic ester-based silver ink)의 도전성 트레이스(conductive trace)들의 사진으로서, 여기에는 250 ㎛의 내부 직경(internal diameter; ID)을 가진 노즐을 이용하여 유리 기판 상에 프린트된 이후의 모습이 도시되어 있다.
도 12b 는 도 12a 에 도시된 은 잉크에 관하여 가해진 전단응력(shear stress)에 대한 저장 탄성률(storage modulus) 및 손실 탄성률(loss modulus)의 그래프이다.
도 12c 는 도 12a 에 도시된 은 잉크에 관한 어닐링 온도(annealing temperature)에 대한 도전율(conductivity)의 그래프이다.
도 12d 에는 도 11b 의 도전성 필라멘트의 광학 이미지가 도시되어 있는바, 여기에서 상기 도전성 필라멘트는 그 길이를 따라 일부가 지지되어 있지 않다.
도 13 에는 하버드 대학에서 설계 및 제작된 이중 프린트 헤드를 포함하는, 주문제작식 3차원 프린터의 사진이다.
다이렉트-라이트 제조에 기초한 새로운 3차원(3D) 프린트 기술이 개발되어 내장된 전자부품을 포함하는 복잡한 3차원 구조물을 생산하는 것이 가능하게 되었다. 3차원 프린트에 의하면, 복잡한 기능 부품들이 신속하게 제작될 수 있으면서도, 통상적인 삭감식 제조 방법에 의하는 경우의 재료 낭비가 저감된다.
다이렉트-라이트 제조는, x, y, 및 z 방향의 이동능력을 가진 가동성 미세위치조절기(micropositioner)에 부착된 적층 노즐을 통하여 적합한 화학특성 및 점성을 가진 전구체 잉크(precursor ink)를 유동시킴을 수반할 수 있다. 노즐 및/또는 기판이 이동됨에 따라서, 전구체 잉크를 포함하는 필라멘트가 노즐을 통해 압출되어 미세위치조절기의 움직임에 따른 구성형태로 연속적으로 적층될 수 있다. 따라서, 다이렉트-라이트 기술은 층을 적층하여 3차원 구조물을 제작하는데에 사용될 수 있다. 이와 같은 프린트 공정은, 직렬식 또는 병렬식 프린트 공정에서 하나 이상의 노즐 및/또는 하나 이상의 전구체 잉크를 이용할 수 있다. 또한, 프린트 동안에 3차원 구조물 안에 인쇄되지 않은 기능 전자 소자를 삽입하기 위해서, 하나 이상의 노즐이 "픽-앤-플레이스(pick and place)" 단계를 수행하도록 구성될 수 있다. 상기 기능 전자 소자는 다이렉트-라이트 제조를 이용하여 3차원 구조물 자체와 함께 프린트될 수도 있다.상기 다이렉트-라이트 기술은 다른 3차원 프린트 방법(예를 들어, 파우더 베드에서의 잉크젯 프린트, 파우더 베드의 선택적 레이저 소결, 스테레오리소그라피, 융합 적층 모델링, 자외선 경화 수지의 다이렉트 잉크젯 프린트)과 함께 통합될 수 있다는 점도 고찰되는바, 이로써 단일 3차원 부품의 다양한 구성요소들, 기기들, 또는 영역들이 다양한 3차원 프린트 방안을 이용하여 제작될 수 있다.
도 1 에는 예시적인 인쇄된 3차원 기능 부품(100)이 도시되어 있는바, 상기 3차원 기능 부품(100)은 내장된 전자부품을 포함한다. 상기 3차원 기능 부품(100)은 구조 물질 또는 매트릭스 물질을 포함하는 3차원 구조물(102)을 구비하고, 적어도 하나의 기능 전자 소자가 상기 3차원 구조물(102) 안에 적어도 부분적으로 내장된다. 도 1 의 예에서는 두 개의 기능 전자 소자(104a, 104b)가 3차원 구조물(102) 안에 완전히 내장되어 있다. 기능 전자 소자(104a, 104b) 각각은 3차원 구조물(102)의 내부 표면(102a', 102b')에 대해 고정된 베이스를 구비한다. 이 예의 3차원 구조물(102)은 심장 형상을 가진 구조물이고, 기능 전자 소자(104a, 104b)는 IC(integrated circuit)이다. 상기 심장 형상의 구조물은 예시적으로 제시된 것일 뿐, 본 발명을 제한하도록 의도된 것이 아니기 때문에 다른 형상의 3차원 구조물도 본 발명의 범위 안에 속한다. 하나 이상의 도전성 필라멘트(106)가 상기 3차원 구조물(102) 안에 적어도 부분적으로 내장되며, 또한 기능 전자 소자(104a, 104b)에 전기적으로 연결된다. 도 1 에서는 도전성 필라멘트들이 3차원 구조물(102) 안에 완전히 내장되고, IC(104a, 104b)와 전기 접촉하고 있는 IC 패드(IC pad; 108)에 연결된다. 상기 도전성 필라멘트(106)들은 3차원 구조물(102)에 부착된 하나 이상의 고정 부분(secured portion)을 포함할 수 있다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 상기 고정 부분들은 건조시 상기 3차원 구조물에 강하게 접합될 수 있다. 유리하게는, 상기 도전성 필라멘트(106)가 ASTM 테스트 방법 D3359(ASTM Test Method D3359), 즉 "테이프 테스트에 의한 접착력 측정을 위한 표준 테스트 방법(Standard Test Methods for Measuring Adhesion by Tape Test)"에 따라 수행되는 접합력 테스트를 통과하기에 충분한 접합 강도를 가질 수 있다.
전술된 바와 같이, 상기 기능 전자 소자(들) 및/또는 도전성 필라멘트(들)은 3차원 구조물 안에 완전히 내장(예를 들어, 캡슐화(encapsulate))될 수 있다. 대안적으로, 상기 기능 전자 소자(들) 및/또는 도전성 필라멘트(들)은 3차원 구조물 안에 부분적으로 내장될 수 있으며, 이로써 상기 기능 전자 소자 및/또는 도전성 필라멘트의 일부분이 상기 3차원 구조물의 외부로부터 접근할 수 있게 될 수 있다.
상기 3차원 구조물은 그 안에 내장된 복수의 기능 전자 소자를 포함할 수 있는바, 상기 기능 전자 소자의 개수는 예를 들어 적어도 2개, 적어도 5개, 적어도 10개, 적어도 20개, 또는 적어도 50개 일 수 있다. 상기 기능 전자 소자들은 능동형 전자 구성요소들, 피동형 전자 구성요소들, IC들, 예를 들어 스위치 및 냉각팬과 같은 전기기계적 구성요소들, 인쇄 회로 보드들, 다른 전자부품들, 및/또는 배터리와 같은 전기화학적 구성요소들로부터 선택될 수 있다. 상기 3차원 구조물 자체는 임의의 단순하거나 복잡한 기하형태를 가질 수 있다. 일 예에서는 아래에서 설명되는 바와 같이, 상기 프린트된 3차원 기능 부품이 보청기이고, 상기 3차원 구조물은 폴리머 외피 또는 몸체를 포함하는 것일 수 있다.
상기 3차원 구조물은 복수의 층들을 포함할 수 있다. 각각의 층은 물질의 특성과, 노즐의 내부 직경 또는 폭과 프린트 속도를 포함하는 공정 파라미터(processing parameter)들에 따라서 대략 1 미크론 내지 대략 10mm 범위의 두께를 가질 수 있다. 각각의 층의 두께는 일반적으로 적어도 대략 2 미크론, 적어도 대략 10 미크론, 적어도 대략 30 미크론, 또는 적어도 대략 50 미크론이다. 통상적으로, 상기 두께는 대략 1000 미크론, 대략 500 미크론, 또는 대략 100 미크론보다 크지 않다. 상기 두께는 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 3차원 구조물의 다이렉트-라이트 제조 동안에 상기 노즐을 통해서 압출되는 필라멘트의 직경 또는 폭에 대략적으로 대응될 수 있다. 상기 3차원 구조물을 형성하는 필라멘트(들)의 유동 특성 및 상기 프린트된 3차원 구조물의 처리 방법(예를 들어, 임의의 프린트 후 소결 단계)에 따라서, 층 구조(layered structure)가 (육안으로 또는 적절한 확대에 의하여) 용이하게 식별될 수 있거나 또는 상기 필라멘트들의 소결(sintering) 및/또는 정착(settling) 효과에 의하여 부분적으로 또는 완전히 보이지 않을 수도 있다.
상기 3차원 구조물의 구조 물질 또는 매트릭스 물질은 전기절연성 물질일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 구조 물질은 열가소성 폴리머 또는 광경화성 수지와 같은 폴리머, 유리섬유 충전 에폭시와 같은 복합재, 또는 세라믹을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리머는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리락트산(PLA), 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 에폭시, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리아미드(Nylon), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리우레탄(PU), 폴리카보네이트(PC), 광경화성 수지, 에폭시 수지, 및 하이드로겔을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다. 세라믹은 산화물(oxides), 탄화물(carbides), 붕소화물(borides), 질화물(nitrides), 및 규화물(silicides)을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 적합한 세라믹에는 알루미나(alumina), 베릴리아(beryllia), 세리아(ceria), 실리카(silica), 티타니아(titania), 지르코니아(zirconia), 실리콘 카바이드(silicon carbide), 실리콘 니트라이드(silicon nitride), 보론 니트라이드(boron nitride), 클레이(clay), 및 수산화인회석(hydroxyapatite)이 포함될 수 있다. 상기 3차원 구조물의 구조 물질에는 복합 물질도 포함될 수 있다. 예를 들어 세라믹 또는 유리를 함유하는 필러 입자들(filler particles)이 폴리머 매트릭스 안에 포함되어 사용될 수 있다.
다이렉트-라이트 프린트에 내재된 위치선정 유연성으로 인하여, 즉 적층 노즐이 x, y, z 축들 각각을 따라서 병진이동할 수 있고 그 각각을 중심으로 회전할 수 있기 때문에, 상기 기능 전자 소자는 3차원 구조물 안에서 임의의 각도의 방위를 가지게 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 3차원 구조물이 그 안에 내장된 복수의 기능 전자 소자를 포함하는 경우, 상기 기능 전자 소자들 중 적어도 하나의 베이스는 다른 기능 전자 소자들의 베이스들에 대해 0이 아닌 각도의 방위를 가질 수 있다. 예를 들어 도 1 을 참조하면, 우측의 집적회로(IC; 104b)는 좌측의 집적회로(IC; 104a)의 베이스에 대해 90도인 각도로 회전되어 있는 베이스를 구비한다. 이와 같은 유연한 위치선정 능력에 의하여, 3차원 구조물 안에 내장될 수 있는 소자들의 개수 밀도(number density) 관점에서의 장점이 제공된다.
상기 제조 방법의 다른 일 장점은, 상기 도전성 필라멘트들 중 하나 이상이 연결 지점들 사이의 비평면형 경로를 따를 수 있다는 것이다. 다시 말하면, 상기 도전성 필라멘트들은 평면형 경로에만 국한되지 않는데, 이것은 인쇄 회로 보드 상의 도전성 트레이스들과 극명한 대조를 이루는 사항이다. 또한, 상기 도전성 필라멘트는 압출 후에 적어도 부분적으로 자체 지지력을 갖는 점성 및 적합한 화학성분을 갖도록 설계될 수 있다. 따라서, 상기 도전성 필라멘트들 중 하나 이상은 그 길이의 일부분을 따라서 상기 기판 또는 구조 물질의 하측 층에 의하여 지지되지 않을 수 있는데, 예를 들어 이것은 도 3 및 도 12d 의 도전성 (은) 필라멘트의 이미지에 도시되어 있다. 상기 3차원 구조물 안에 다수의 도전성 필라멘트들이 복잡한 구성형태로 프린트될 수 있는바, 이로써 예를 들어 스파게티와 유사한 구조가 형성될 수 있다.
도전성 필라멘트는 열 전도체로서도 기능할 수 있는 탄소, 희토류 금속(rare earth metal), 알칼리 토금속(alkaline earth metal), 알칼리 금속, 천이 금속(transition metal)과 같은 전기 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 도전성 물질은 은, 구리, 납, 주석, 리튬, 코발트, 금, 백금, 팔라듐, 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈륨, 레늄, 지르코늄, 바나듐, 크롬, 니오븀, 철, 니켈, 아연, 알루미늄, 마그네슘, 및 탄소(예를 들어, 그래파이트(graphite), 그래핀(graphene), 탄소 나노튜브, 카본 블랙)으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 도전성 필라멘트들 중 일부 또는 전부는, 기능 전자 소자를 위한 도전성 트레이스로서의 역할 대신에 또는 그 역할에 부가하여, 3차원 기능 부품에서의 히트 싱크(heat sink) 및/또는 가열 요소로서 기능할 수도 있다. 예를 들어, 도전성 필라멘트들은 3차원 부품에 걸쳐서 균일 또는 비균일하게 분포되어서 구조 물질의 열 경화를 촉진하는 가열 요소로서 사용될 수 있다. 다른 예에서는, 상기 도전성 필라멘트들 중 일부 도는 모두가 사용 중에 상기 기능 전자 소자에 의하여 발생되는 열을 분산시키는데에 사용될 수 있다.
상기 도전성 필라멘트는 도전성 나노입자들을 포함하고 그리고/또는 반응성 화학특성을 갖는 전구체 잉크 조성물로부터 형성될 수 있다. 이와 같은 전구체 잉크는 예를 들어, 발명의 명칭이 "금속 나노입자 잉크(Metal Nanoparticle Inks)"인 미국특허 제7,922,939호, 에스.비.워커(S.B. Walker)와 에이.에이.루이스(J.A. Lewis)에 의한 논문 "따뜻한 온도에서 고-전도율 특징물을 패턴화시키기 위한 반응성 은 잉크(Reactive Silver Inks for Patterning High-Conductivity Features at Mild Temperatures)"(저널 오프 더 아메리칸 케미컬 소사이어티(Journal of the American Chemical Society), 134 [3] 1419-21 (2012))에 기술되어 있는바, 이들은 참조로서 여기에 포함된다. 대안적으로, 상기 도전성 필라멘트는 용제 안에 분산된 도전성 입자들을 포함하는 도전성 잉크 조성물로부터 압출될 수 있다. 상기 도전성 입자들은 예를 들어 은 박편과 같은 도전성 박편들을 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 도전성 입자들은 로드(rod), 구(sphere), 다각형, 튜브, 바늘 등과 같은 다른 형태를 가질 수 있다. 예시적인 도전성 입자에는: 은 다각형 및 나노로드(nanorod), 금 나노로드, 은이 코팅된 구리 입자, 은이 코팅된 구리 박편, 은이 코팅된 구리 로드, 주석 입자, 니켈 입자, 알루미늄 입자, 도전성 코팅에 의하여 코팅된 절연 입자, 그래핀, 그래파이트, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 도전성 폴리머 입자, 및 순수 구리 입자가 포함되며, 이들은 표면 산화의 방지를 위하여 적절한 환원제(reducing agent)에 의해 포장(package)될 수 있다.
(건조시 3차원 구조물의 구조 물질일 수 있는) 아래에 놓인 기판과 도전성 필라멘트 간의 강력한 접합력의 형성을 증진시키기 위하여, 상기 도전성 잉크 조성물을 위한 용제가 선택될 수 있다. 상기 용제는 구조 물질의 표면 층을 녹일 수 있는 것이 바람직한데, 이로써 3차원 구조물과 접촉하게 되는 도전성 필라멘트의 부분들이 건조시에 강하게 접착될 수 있다. 상기 도전성 잉크 조성물을 위해 채택되는 용제는, 예를 들어 제이.부르케(J. Burke)에 의한 "용해도 파라미터들: 이론과 적용(Solubility Parameters: Theory and Application)"(더 북 앤 페이퍼 그룹 애뉴얼(The Book and Paper Group Annual), 3 (1984): http://cool.conservation-us.org/coolaic/sg/bpg/annual/v03/bp03-04.html 에서 입수가능함)에 기술된 바와 같이, 주어진 용제의 한센 용해도 파라미터들을 (예를 들어 열가소성 폴리머인) 기판의 물질(재료)과 관련된 용해도 스피어(solubility sphere)의 체적과 비교함에 기초하여 선택될 수 있다. 주어진 기판 물질에 대한 용해도 스피어의 체적 안에 놓이는 용해도 파라미터들을 갖는 액체는 그 물질에 대한 활성 용제로 고려될 수 있다. 주어진 물질에 대한 용해도 스피어의 체적은 한센 용해도 파라미터들(δd, δp, δh) 및 상호작용 반경(radius of interaction; R)에 의하여 정해지는데, 이들은 각각 상기 스피어의 중심과 그 크기를 의미한다. 다양하나 용제들 및 폴리머들에 대한 용해도 파라미터들은, 씨.엠. 한센(C. M. Hansen)의 "한센 용해도 파라미터들: 사용자 가이드북(Hansen Solubility Parameters: A User's Handbook)"(CRC 출판(CRC Press) 인쇄, 2000), (특히 PLA 용해도 파라미터들에 관하여는) 윌리엄 앤드류(William Andrew)에 의해 출판된 "폴리락트산: PLA 바이오 폴리머 기술 및 적용(Polylactic Acid: PLA Biopolymer Technology and Applications)"(2012) 에서 찾아볼 수 있다. 3차원 프린트의 관점에서, 주어진 구조 물질의 용해도 스피어 안에 놓인 한센 용해도 파라미터들을 갖는 도전성 잉크의 용제는 상기 구조 물질과 화학적으로 양립가능하고 혼합가능한 것으로 추정될 수 있다. 보다 구체적으로, 그 용제는 상기 구조 물질과 충분히 혼합가능할 것으로 예상되는바, 이로써 상기 구조 물질과 도전성 필라멘트 사이의 접촉 영역들에서 건조시 강한 접합이 형성될 수 있을 것이다. 바람직하게는 용제가 쉽게 증발할 수 있는 휘발성 용제인데, 이로써 실온에서 도전성 필라멘트의 건조가 용이하게 될 수 있다.
적합한 용제에는 에틸 아세테이트, 부틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 펜틸 아세테이트, 및/또는 헥실 아세테이트와 같은 유기 에스테르가 포함될 수 있다. 이와 같은 용제는 낮은 독성, 전환가능한 소수성(tunable hydrophobicity), 바람직한 증발 압력을 가질 수 있다. 또한, 이 용제들은 극성 물질 및 비극성 물질과 혼합가능하며, 열가소성 폴리머에서의 우수한 습윤성(wettability)을 가질 수 있다.
메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 헵탄올, 및/또는 옥탄올과 같은 가변적인 길이의 알코올; 및 포름산, 아세트산, 및 프로피온산과 같은 가변적 길이의 카르복실산이 용제로서 사용될 수도 있다. 일부 실시예들에서는 물, 에틸렌 글리콜, 글리세롤, 및/또는 n-메틸-프로리돈과 같은 극성 용제; 또는 테트라히드로푸란 또는 2-메틸 테트라히드로푸란과 같은 중간 극성 용제가 사용될 수 있다. 다른 적합한 용제에는 에틸렌 글리콜 부틸 에테르, 에틸렌 글리콜 부틸 에테르 아세테이트, 프로필렌 글리콜 부틸 에테르, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 사이클로헥산올, 헵틸 아세테이트, 옥틸 아세테이트, 미네랄 스피리츠(mineral spirits), 프로필렌 글리콜 메틸 에테르(propylene glycol methyl ether), 메틸 n-아밀 케톤(methyl n-amyl ketone)이 포함될 수 있다.
응집을 저해 또는 방지하기 위하여 상기 도전성 잉크의 도전성 입자들을 코팅함에 있어서 긴사슬 지방산(long chain fatty acid)과 같은 캡핑 작용제(capping agent)가 사용될 수 있다. 아래에서 설명되는 예시적인 시스템에 있어서는 캡핑 작용제 및 펜틸 아세테이트 용제의 존재 하에 은 파우더에 대한 밀링(milling)을 수행함으로써 은 박편들이 생성되고, 상기 은 박편들은 그 밀링 공정 전체에 걸쳐서 실질적으로 분산된 채로 유지된다. 캡핑 작용제는 은 박편들의 표면들에 강하게 결속하는 지방산 분자의 단부에 카르복실산기 그룹(carboxylic acid group)을 포함할 수 있고, 한편 상기 긴사슬 하이드로카본은 주위의 용제로 돌출된다. 대안적으로는, 카르복실산기 그룹이 티올(thiol)(예를 들어, 도데칸티올(dodecanethiol)) 및/또는 아민(amine)(예를 들어, 도데칸아민(dodecaneamine))과 같이 도전성 입자 표면들에 대한 높은 친연성(affinity)을 갖는 다른 기능 그룹(functional group)으로 대체될 수 있다. 물 또는 알코올과 같은 다른 극성 용제 안에서의 도전성 입자들의 분산을 최적화시키기 위하여 상기 캡핑 작용제가 친수성을 갖는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 캡핑 작용제는 폴리아크릴산(polyacrylic acid; PAA), 폴리비닐피로리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol; PVA), 또는 폴리에틸렌이민(polyethylenimine; PEI), 또는 임의의 다른 고분자전해질과 같은 수용성 폴리머를 포함할 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 상기 도전성 잉크에 요망되는 레벨의 점성을 부여하기 위하여 그리고 프린트 및 건조된 필라멘트들의 구조성 무결성(structural integrity)을 향상시키기 위하여, 상기 도전성 잉크에 점성 작용제(viscosifying agent)가 포함될 수 있다. 상기 점성 작용제는 10K 유닛(unit)을 초과하는 사슬 길이(chain length)를 갖는 폴리머를 포함할 수 있다. 프린트된 필라멘트들의 구조성 무결성을 희생하지 않으면서도 프린트 및 건조된 상태에서의 도전율이 최적으로 되도록 하기 위해서, 상기 잉크 안의 통상적인 폴리머 농도는 그 잉크 내의 도전성 입자들의 중량에 대해 0.1 wt.% 내지 5 wt.% 사이일 수 있다. 예시적인 점성 작용제에는 (예를 들어 12.8% 미만이 질화염으로 대체된) 니트로셀룰로오스(nitrocellulose), 가변적 길이를 갖는 셀룰로오스 에스테르(cellulose ester), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose), 하이드록시에틸 셀룰로오스(hydroxyethyl cellulose), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 하이드록시프로필 메틸 셀룰로오스, 및 카르복시메틸 셀룰로오스가 포함된다. 일반적으로, 셀룰로오스 유도체(Cellulose derivative)는 점성 작용제로서 특히 적합한데, 이것은 그것의 기능 그룹 대체(functional group substitution)의 융통성(versatility), 천연의 풍부함, 및 생체적합성 때문이다. 셀룰로오스 유도체의 유형은 요망되는 용제의 관점에 기초하여 선택될 수 있다. 다른 유형의 적합한 점성 작용제에는 긴사슬 PEO, PEI, PVP, PAA, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리이소프렌(polyisoprene), 실리콘, 천연 고무, 다당류(예를 들어, 크산툼 검(Xanthum gum)), 등 이 포함될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 점성 작용제는 용제가 증발함에 따라서 필름 형성을 겪는 폴리머 라텍스를 포함할 수 있다.
일부 경우들에 있어서, 점성 작용제는 요망되는 용제와, 완전한 용해를 보장하기 위하여 사용되는 다른 고-증기압(high vapor pressure) 용제의 혼합물 안에서 용해될 수 있다. 상기 다른 고-증기압 용제는 사용전 잉크로부터 증발될 수 있다. 상기 점성 작용제는, 잉크의 유동 특성을 변화시키는 반응이 적층 후에 발생하게끔 설계될 수도 있다. 예를 들어, 점성 작용제로서 가황 실리콘(vulcanizing silicone)이 사용될 수 있다. 적층 전에는 상기 점성 작용제가 중간 길이의 폴리머 사슬 형태로 있을 수 있으며, 적층 이후에는 열, 습기, 산소, 또는 자외선 광에 의하여 개시되는 가황 반응(vulcanization reaction)에 의하여 단단한 고체로의 변화가 유도될 수 있다.
일부 경우들에서는 상기 도전성 잉크 조성물에 미량의 다른 첨가제(예를 들어, 탄소 섬유, 나노소섬유 셀룰로오스(nanofibrilated cellulose), 실리콘 카바이드 로드, 탄소 나노튜브, 금속 로드, 또는 압출 기반의 3차원 프린트 동안에 전단정렬(shear alignment)을 겪을 수 있는 이방성 입자들)를 부가하는 것이 유리할 수 있다. 상기 잉크의 조성에 따라서는 잉크 안에 가소제(예를 들어, 아세틸 트리부틸 시트레이트(acetyl tributyl citrate)) 및/또는 난연제를 포함시키는 것이 유리할 수도 있고, 동일한 첨가제가 두 가지 역할 모두를 수행할 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 원하는 기판(예를 들어, 열가소성 폴리머) 상에서의 잉크의 습윤 거동(wetting behavior)을 변화시키기 위하여 표면 장력 조절제(surface tension modifier)가 첨가될 수 있다. 건조시 도전성 필라멘트의 수축을 완화시키기 위하여 전분(starch)이 첨가될 수 있다.
일반적으로 말하자면, 도전성 필라멘트는 (용제 증발 후) 대략 70 wt.% 내지 대략 99.9 wt.% 의 도전성 입자들을 포함할 수 있고, 바람직하게는 그 범위가 대략 90 wt.% 내지 대략 99.9 wt.%이다. 점성 작용제는 통상적으로 상기 도전성 입자들의 중량에 대해 대략 0.1 wt.% 내지 대략 5 wt.% 의 양만큼 존재할 수 있고, 바람직하게는 그 양이 대략 0.5 wt.% 내지 대략 2.5 wt.%이다. 다른 유동학적 및/또는 기계적 특성 변형제(들)(예를 들면 탄소 나노튜브)이 상기 도전성 입자들의 중량에 대해 대략 0.01 wt.% 내지 대략 10 wt.%의 농도로 존재할 수 있고, 바람직하게는 그 농도가 대략 0.1 wt.% 내지 대략 1 wt.% 이다. 압출되어 도전성 필라멘트를 형성하기 전의 초기의 잉크 조성물에서, 상기 용제는 대략 1 wt.% 내지 대략 70 wt.%의 농도로 존재할 수 있고, 바람직하게는 그 농도가 대략 12 wt.% 내지 대략 25 wt.% 이다.
3차원 프린트를 위하여 효과적으로 작용하기 위하여, 상기 도전성 잉크는 비선형 전단 의존성(non-linear shear dependence)과 함께 점탄성을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 상기 도전성 잉크는 3차원 프린트 동안에 적층 노즐을 통해 유동할 수 있으면서도, 프린트 헤드로부터 나온 후에는 필라멘트의 형상을 유지할 수 있는 것이 바람직하다. (아래에서 설명되는 바와 같이, 구조 및/또는 소자 필라멘트(device filament)를 프린트하기 위하여 사용되는 잉크도 비선형 전단 의존성과 함께 점탄성을 갖는 것일 수 있다. 전술된 바와 같이, 3차원 구조물의 구조 물질과 도전성 잉크 간의 화학적 호환성(chemical compatibility) 및 우수한 습윤성도 매우 바람직한 것이다. 따라서, 도전성 필라멘트는 3차원 구조물의 구조적 무결성을 훼손하지 않고서, 어닐링과 같은 임의의 후처리는 물론 프린트된 상태에서 구조 물질과 강한 계면(interface)를 형성할 수 있다. 3차원 프린트된 부품들의 요망되는 전자적 기능으로 인하여, 상기 도전성 필라멘트는 충분히 높은 도전율을 갖는 도전성 필라멘트인 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 도전성 필라멘트의 도전율은 실온에서의 건조 후에 벌크 금속(bulk metal)의 적어도 대략 1%, 적어도 대략 2.5%, 적어도 대략 5%, 또는 적어도 대략 10% 일 수 있다. 유리하게는, 상기 도전율이 벌크 금속 도전율의 적어도 대략 20%, 적어도 대략 30%, 적어도 대략 40%, 적어도 대략 50%, 또는 적어도 대략 60%일 수 있고, 벌크 금속 도전율의 대략 70%, 80%, 90%, 또는 99%과 같이 높을 수도 있다.
압출된 필라멘트라고 호칭될 수 있는, 도전성의 구조 필라멘트 또는 소자 필라멘트 각각은 대략 1 미크론 내지 대략 1 mm, 또는 대략 50 미크론 내지 대략 500 미크론의 직경(또는 폭)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 압출된 필라멘트(들)의 직경 또는 폭은 대략 1 mm 이하, 대략 500 미크론 이하, 대략 300 미크론 이하, 대략 200 미크론 이하, 대략 100 미크론 이하, 대략 50 미크론 이하, 또는 대략 30 미크론 이하일 수 있다. 통상적으로, 도전성 필라멘트의 직경은 적어도 대략 1 미크론, 적어도 대략 5 미크론, 또는 적어도 대략 10 미크론이다.
일부 실시예에서 상기 압출된 필라멘트는, 적어도 부분적으로 압출 노즐의 형상에 의존하여, 실질적으로 원통형의 형상을 가질 수 있다. 상기 프린트된 (예를 들어, 압출 및 적층된) 필라멘트들은 상기 기판 상에 하나 이상의 층으로 적층된 이후에 정착 공정(또는 일부 경우에서는 소결 공정)을 겪을 수 있기 때문에, 프린트된 필라멘트의 횡단면 형상은 완전한 원으로부터 약간 왜곡된 형태를 가질 수 있다. 그러므로 상기 프린트된 필라멘트는 실질적으로 원통형인 형상 또는 왜곡된 원통형 형상을 갖는다고 설명될 수 있다. 어느 경우이든, 상기 프린트된 필라멘트의 횡단면 형상은 모서리가 없는 만곡한 형상이다. 대안적으로, 상기 필라멘트들이 원형 단면을 갖지 않는 노즐로부터 프린트될 수도 있는데, 예를 들면 그 노즐의 횡단면이 사각형, 정사각형, 오각형, 육각형, 또는 다른 다각형 형상을 가진 것일 수 있다. 이와 같은 실시예들에서는 압출된 필라멘트가 상기 노즐의 형상에 따라서 다각형의 횡단면 형상(둥근 모서리를 가질 수 있음)을 가질 수 있다. 상기 설명은 도전성 물질을 포함하는 압출된 필라멘트에 뿐만 아니라, 구조 물질 또는 다른 물질(예를 들어, 기능 물질)을 포함하는 필라멘트에도 적용될 수 있다.
도 2a 내지 도 2g 에는 하나 이상의 기능 전자 소자를 포함하는 예시적인 3차원 구조물을 프린트함에 있어서의 단계들이 개략적으로 도시되어 있다.
도 2a 를 참조하면, 3차원 프린트 방법은 기판(110)(또는 빌드 플랫폼(build platform)) 상에 미리 정해진 패턴으로 3차원 구조물(102)의 하나 이상의 부분들을 형성함을 포함하며, 본 예에서는 상기 3차원 구조물(102)이 도 1 에 도시된 심장 형상 구조의 저부 부분(102a)이다. 상기 저부 부분(102a)은, 도 2a 에 도시된 바와 같이 채널 또는 공동을 형성하기 위한 하나 이상의 노출 표면(102a')을 포함하는바, 이것은 후속하여 또는 동시에 수행되는 공정 단계에서 도전성 필라멘트 또는 기능 전자 소자를 포함시키기 위한 것이다. 예를 들어, 구조 필라멘트(112)는 제1 노즐(114) 밖으로 압출될 수 있고, 하나 이상의 도전성 필라멘트가 제2 노즐로부터 밖으로 압출될 수 있으며, 이 때 상기 구조 필라멘트는 압출 및 적층된다. 다시 말하면, 상기 도전성 필라멘트들과 구조 필라멘트가 함께 프린트될 수 있다. 대안적으로는, 상기 3차원 구조물의 하나 이상의 부분이 형성된 이후에 상기 도전성 필라멘트(들)이 압출 및 적층될 수 있다. 프린트 공정이 완료되면, 기능 전자 소자 및 도전성 필라멘트가 부분적으로 또는 완전히 내부에 내장되는가의 여부에 따라서, 상기 노출 표면(들)이 도 1 에 도시된 바와 같이 3차원 구조물(102)의 내부 표면(들)로 될 수 있다.
도시된 바와 같이 제1 부분(102a)의 형성은, 미리 정해진 경로를 따라서 상기 노즐이 이동하는 동안에, 구조 물질을 포함하는 구조 필라멘트(112)를 제1 노즐(114) 밖으로 압출시킴과, 상기 기판(110) 상에 필라멘트(112)를 (상기 기판 상에 직접, 또는 상기 기판 상에 앞서 적층된 층 위에) 적층시킴을 포함할 수 있다. 상기 미리 정해진 경로는 x, y, z 좌표 시스템을 이용하여 기판(110)에 대해 정의될 수 있다. 상기 압출된 필라멘트(112)는, 적합하게 적용되는 압력 하에서 노즐(114)을 통해 강제되는 전구체 잉크 조성물을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단일의 연속적인 필라멘트가 압출 및 적층되어 3차원 구조물의 하나 이상의 부분을 형성할 수 있다. 대안적으로는, 상기 미리 정해진 경로를 따르는 노즐의 이동 동안에 전구체 잉크 조성물의 유동을 시작 및 정지시킴으로써 동일 또는 상이한 물질을 포함하는 복수의 분리된 필라멘트들이 프린트될 수 있다. 만일 그들의 끝이 연속되어 배치된다면, 복수의 분리된 필라멘트들이 적층되어 기판 상에서의 사실상 단일의 연속적인 필라멘트를 형성할 수 있다. 전술된 바와 같이 프린트는 층 별의 방식으로 진행될 수 있는바, 이 경우에는 요망되는 패턴을 갖는 제1 층이 프린트된 이후에 상기 노즐이 기판으로부터 멀어지는 방향으로 (예를 들어 z 방향으로) 증분만큼 상승되고 그 다음에 상기 제1 층 상에서 필라멘트의 적층이 계속됨으로써 3차원 구조물의 추가적인 층이 형성될 수 있다. 또한 프린트는 보다 복잡한 방식, 즉 전방향적(omnidirectional)으로 진행될 수도 있다. 이와 같은 경우, 적층된 필라멘트는 기판 또는 하측의 층에 의하여 부분적으로만 지지될 수 있다. 또한, 3차원 구조물의 일부 또는 전부를 형성하기 위하여 다이렉트-라이트 제조 외의 다른 3차원 프린트 방법이 이용될 수도 있다는 점이 고찰된다.
도 2b 에 개략적으로 도시된 바와 같은 일부 실시예에서는, 기능 전자 소자(104a)(예를 들어 그 소자의 베이스)를 노출 표면(102a')에 고정시키기 위하여 기능 전자 소자(104a)의 배치 전에 노출 표면(102a')에 접착제(116)가 적용될 수 있다. 대안적으로는, 노출 표면(102a')을 포함하는 구조 물질 자체가 그 특성(예를 들어 온도의 함수에 따른 유동 특성)에 따라서 접착제로서 기능할 수도 있다. 다른 실시예에서는, 상기 기능 전자 소자의 베이스가 이 공정 단계에서는 노출 표면에 부착되지 않고, 도 1 에 예시된 바와 같이 3차원 구조물의 나머지 부분(들)이 상기 소자 주위에 프린트된 이후에 노출 표면에 대해 고정될 수 있다. 프린트 공정의 완료시에는 상기 기능 전자 소자(들)이 3차원 구조물 안에서 움직일 수 없게 된다.
도 2c 를 참조하면, 노출 표면(102a') 상에 기능 전자 소자(104a)가 배치될 수 있다. 이것은 픽-앤-플레이스 조작을 위하여 구성된 노즐(114)을 이요하여 수행될 수 있는바, 이에 따르면 노즐(114)은 3차원 구조물(102)의 제1 부분(102a)에 인접한 위치로부터 다른 위치로 이동되어 소자(104a)를 집어 올린 후, 상기 제1 부분(102a)에 인접한 위치로 복귀하여 그 소자(104a)를 노출 표면(102a') 상에 적층시킨다. (3차원 프린트된 기능 부품의 제조 동안에, 본원에서 "노즐" 또는 "상기 노즐"이라 함은 단일의 노즐에만 국한되는 것으로 추정되어서는 안 되며, 구조 필라멘트, 도전성 필라멘트, 및/또는 소자 필라멘트의 압출 및/또는 픽-앤-플레이스 조작의 수행을 위하여 하나 또는 복수의 노즐이 이용될 수 있다는 점에 유의해야 할 것이다) 상기 픽-앤-플레이스 조작 전에, 노즐(114)로부터 전구체 잉크가 비워질 수 있고(또는 다른 노즐이 사용될 수 있고), 상기 소자를 들어올리기 위하여 노즐(114) 내에 진공이 생성될 수 있다. 상기 노즐(114)의 말단(tip)에 기능 전자 소자(104a)가 부착됨을 용이하게 하기 위하여, 상기 노즐에 공압식 흡착컵(pneumatic suction cup; 118)이 더 장착될 수 있다. 도 2c 에 도시된 예에서는, 테이프 릴(tape reel)에 저장된 IC(104a)가 노즐(114)에 의하여 집어 올려져서, (본 예의 경우에 접착제(116)를 구비한) 노출 표면(102a') 상에 적층된다.
전술된 바와 같이, 상기 기능 전자 소자는 능동형 전자 구성요소, 피동형 전자 구성요소(예를 들어, 레지스터, 커패시터, 등), IC, 인쇄 회로 보드(PCB), 또는 센서, 공진기, 전기기계적 구성요소(예를 들어, 모터, 스위치, 팬, 등)나 전기화학적 구성요소(예를 들어, 배터리)와 같은 다른 전자 소자일 수 있다.
사전제조된 전자 소자를 들어올려 배치시킴에 대한 대안으로서, 상기 3차원 구조물 안에 내장된 하나 이상의 기능 전자 소자가 본 기술분야에서 공지된 3차원 프린트 방법 및/또는 여기에서 설명되는 3차원 프린트 방법에 의하여 형성될 수 있다는 점이 고찰된다. 예를 들어 케이. 선(K. Sun), 티-에스. 웨이(T-S. Wei), 비. 와이. 안(B. Y. Ahn), 제이. 와이. 서( J. Y. Seo), 에스. 제이. 딜런(S. J. Dillon), 및 제이. 에이. 루이스(J. A. Lewis)에 의한 "지상돌기-교차형 리튬-이온 마이크로배터리 구조의 3차원 프린트(3D Printing of Interdigitated Li-Ion Microbattery Architectures)"(어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials), 2013.6.17. 온라인 출판(DOI: 10.1002/adma.201301036))에 기술된 바와 같이, 3차원 프린트된 배터리는 이미 제시된 바 있으며, 이것은 참조로서 여기에 포함된다.
상기 하나 이상의 기능 전자 소자는, 노즐 밖으로 적어도 하나의 소자 필라멘트를 압출하고 그 소자 필라멘트를 기판 상에 미리 정해진 패턴으로 적층시킴으로써 형성될 수 있다. 상기 소자 필라멘트(들)는 프린트되는 소자에 따른 기능 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 배터리의 경우, 상기 소자 필라멘트들은 제1 전기화학적 활성 물질을 포함하는 캐소드 필라멘트와 제2 전기화학적 활성 물질을 포함하는 애도드 필라멘트를 포함할 수 있는바, 이에 대하여는 아래에서 보다 상세히 설명하기로 한다. 다른 예에 따른 스트레인 센서의 경우에는, 소자 필라멘트가 은-도핑된(silver-doped) 실리콘 복합재와 같은 전기 도전성 물질을 포함할 수 있는바, 이에 대하여는 후술하기로 한다. 다른 예에 따른 안테나의 경우에는, 상기 소자 필라멘트가 전기 도전성 물질을 포함할 수 있다. 이와 같은 특정의 경우와 다른 소자 실시예들에서 상기 전기 도전성 물질은, 3차원 프린트된 기능 부품에서 상호연결부 또는 도전성 트레이스로서의 역할을 하는 도전성 필라멘트를 형성하는 전기 도전성 물질과 동일할 수 있다. 이와 같은 경우, 상기 소자 필라멘트 및 도전성 필라멘트는 동일한 전기 도전성 물질을 포함하는 단일의 연속적으로 압출된 필라멘트로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서는, 상기 기능 전자 소자(들) 및 도전성 필라멘트(들)가 상이한 잉크 조성물, 그리고 그에 따라 상이한 압출된 필라멘트로 형성될 수 있다.
각각 정면 단면도와 평면 단면도인 도 5a 및 도 5b 에는 픽-앤-플레이스 조작 및 3차원 프린트(예를 들어, 다이렉트-라이트 제조)의 조합을 사용하여 제작된 기능 전자 소자를 포함하는 예시적인 3차원 기능 부품(500)이 개략적으로 도시되어 있다. 상기 예시적인 3차원 기능 부품(500)은 휴대폰으로서, 여기에는 선택된 내장 전자 소자들 및 도전성 상호연결부들이 도시되어 있다. 이 예에서, IC(504a, 504b)는 도 2c 및 도 2f 를 참조로 하여 예시적으로 설명된 픽-앤-플레이스 기술의 사용에 의하여 3차원 구조물(502) 안에 포함되는 한편, 도전성 상호연결부(506), 나선 안테나(504c), 및 (애노드(520a), 캐소드(520b), 및 세퍼레이터(520c)를 포함하는) 마이크로배터리(504d)는 3차원 구조물(502)의 일부분 상에 직접 프린트된다 (3차원 구조물(502)도 3차원 프린트된 것이다). 상기 프린트된 기능 전자 소자들은 여기에서 설명된 바와 같이 다이렉트-라이트 기술을 이용하여 제조되거나, 또는 본 기술분야에서 공지된 다른 3차원 프린트 방법의 이용에 의하여 제조될 수 있다. 따라서, 3차원 기능 부품(500)은 완전히 3차원 프린트 단계들에 의하여 제작되거나, 또는 3차원 프린트 단계들 및 픽-앤-플레이스 조작의 조합에 의하여 제작될 수 있다.
상기 기능 전자 소자(들)의 배치(또는 프린트) 이후에, 전술된 바와 같이 노즐을 통하여 전기 도전성 물질을 포함하는 도전성 필라멘트를 압출 및 적층시킴으로써 상기 소자(들)에 대한 입력 및 출력의 상호연결부들이 형성될 수 있다. 상기 도전성 필라멘트의 형성은 단일의 프린트 또는 적층 단계에서 수행되지 않을 수도 있다. 도 2d 에 도시된 바와 같이, 도전성 필라멘트의 제1 부분(106a)을 압출하는 노즐(114)을 통해서 전기 도전성 물질을 포함하는 전구체 잉크(112)가 유동해 나올 수 있으며, 압출 공정은 (본 예에서는 3차원 구조물의 제1 부분의 층들에 대해 직각으로 적층되고 있는) 상호연결부가 현재의 층 높이에 도달할 때까지 중단될 수 있다. 도 2e 에 도시된 바와 같이, 도전성 필라멘트(106)의 나머지 부분(106b)을 형성하기 전에, 제1 IC(104a) 위에 3차원 구조물(102)의 추가 부분(102b)이 층별로 형성될 수 있다. 그 다음, 도전성 필라멘트(106)의 상기 나머지 부분(106b)이 전방향적 프린트 단계에서 형성되고, 이 때 노즐(114)은 도전성 필라멘트(106)가 압출 및 적층됨에 따라서 가변적인 x, y, z 성분을 가질 수 있는 경로를 따라서 이동된다. 따라서, 매끄러운 "단차없는" 필라멘트(106)가 형성될 수 있으며, 이는 도 2e 에 삽입되어 도시된 단차진 필라멘트와 대조를 이룬다.
도 2f 에 도시된 예에서, 도전성 필라멘트(106)의 일 단부는 제1 IC(104a)의 접촉 패드(108)와 접촉하고, 다른 단부는 3차원 구조물(102)의 추가 부분(102b)이 층별로 형성된 이후에 배치되는 제2 IC(104b)와 접촉하도록 배치된다. 도시된 바와 같이, 기능 전자 소자(104a, 104b) 각각은 노출 표면(102a', 102b')에 대해서 그리고 앞서 배치된 소자들에 대해서 임의의 방위로 배치될 수 있다. 일반적으로 말하자면, 임의의 개수의 기능 전자 소자들이 3차원 구조물의 제1 부분 또는 추가 부분의 노출 표면 상에 그리고/또는 상기 노출 표면과 접촉하도록 배치될 수 있다. 도전성 필라멘트들은 상기 기능 전자 소자들에 대한 연결을 위하여 필요한 만큼 압출 및 적층될 수 있다. 상기 기능 전자 소자(들)과의 연결을 용이하게 하기 위하여, 상기 도전성 필라멘트들이 3차원 구조물의 하나 이상의 노출 표면 상에 그리고/또는 상기 노출 표면과 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기 기능 전자 소자(들)은 3차원 구조물 안에 부분적으로 내장되도록 설계될 수 있는바, 이 때 접근가능한 접촉 패드들을 포함하는 상기 소자의 노출면은 예외로 한다. 다시 말하면, 상기 기능 전자 소자가 3차원 구조물 안의 공동 안에 배치된 때에, 상기 기능 전자 소자는 노출면을 제외한 모든 측부들에서 3차원 프린트된 구조 물질에 의하여 둘러싸일 수 있다. 상기 접촉 패드들은 상기 공동의 측벽들 위로 돌출될 수 있으며, 상기 기능 전자 소자는 상기 3차원 구조물의 표면과 같은 높이를 이룰 수 있다. 상기 공동 안에 상기 기능 전자 소자를 배치한 이후, 도전성 필라멘트들이 압출되어 상기 3차원 구조물의 표면 상에 직접 적층될 수 있으며, 이로써 상기 노출면 상에서 접촉 패드들에 대한 전기 연결부들이 만들어진다. 전술된 바와 같이 상기 기능 전자 소자가 접근가능한 접촉 패드들을 구비하되 부분적으로 내장되도록 설계함으로써, 상기 소자의 배치 이후에는 수월한 적층 공정(straightforward deposition process)에서 전기 연결부들이 만들어질 수 있다. 상기 도전성 필라멘트들은 상기 부분적으로 내장된 기능 전자 소자를 상기 3차원 기능 부품 안의 다른 소자들, 예를 들어 다른 레지스터, 커패시터, 공진기, LED, 배터리, 마이크로프로세서, 및/또는 센서에 연결시킬 수 있으며, 상기 다른 수자들도 부분적으로 내장된 것일 수 있다. 3차원 구조물 안에 접근가능한 접촉 패드를 구비하고 부분적으로 내장된 기능 전자 소자의 일 예가 도 10 에 도시되어 있는바, 아래에서는 이에 대해 상세히 설명한다.
도 2g 를 참조하면, 일부 실시예에서는 내장된 전자부품을 포함하는 최종의 3차원 구조물(102)을 형성하기 위하여 하나 이상의 추가 부분들이 프린트될 수 있다. 전술된 바와 같이, 프린트는 구조 물질을 포함하는 필라멘트(112)를 노즐(114) 밖으로 압출함과, 상기 3차원 구조물의 저부 부분 (그리고/또는 앞서 적층된 다른 부분) 상에 필라멘트를 층별로 적층함을 포함하며, 이로써 임의의 노출된 기능 전자 소자(들) 및/또는 도전성 필라멘트(들)이 부분적으로 또는 완전히 덮이게 된다.
도 6b 에는 내장된 기능 전자 소자들을 포함하는 3차원 기능 부품의 다른 일 예가 개략적으로 도시되어 있다. 이 예에서 제시되는 3차원 기능 부품(600)은 보청기이고, 상기 내장된 기능 전자 소자들에는 마이크로배터리(604a)와 인쇄 회로 보드(PCB) 또는 다른 전자부품(604b)을 포함한다. 앞선 예에서와 마찬가지로, 상기 보청기(600)는 픽-앤-플레이스 조작 및 3차원 프린트가 조합 사용되어서 제조될 수 있다.
보청기(600)의 제작을 위해서, 노즐 밖으로 구조 필라멘트가 압출되어서 기판 상에 미리 정해진 패턴을 이루도록 적층될 수 있으며, 이로써 3차원 구조물(602)의 하나 이상의 부분들이 형성된다. 이 예에서 상기 3차원 구조물(602)은 보청기의 외피 또는 폴리머 몸체인데, 이것은 (제조 전에 알려져 있는) 의도된 환자의 외이도(ear canal)의 크기에 따라 정해지는 미리 정해진 체적을 갖는다. 미리 정해진 체적으로 주문제작된 치수를 갖는 배터리(604a)는 3차원 구조물(602)의 노출 표면(602a) 상에 형성될 수 있다. 주문제작 때문에, 보다 큰 미리 정해진 체적을 갖는 3차원 구조물은 대응되게 더 큰 치수를 갖는 배터리를 포함할 수 있고, 상대적으로 작은 미리 정해진 체적을 갖는 3차원 구조물은 대응되게 더 작은 치수를 갖는 배터리를 포함할 수 있다. PCB 또는 다른 전자부품(604b)이 3차원 구조물(602)의 다른 노출 표면(602b) 상에 3차원 프린트되거나 또는 배치될 수 있으며, 하나 이상의 도전성 필라멘트들이 노즐 밖으로 압출되어 상기 PCB(또는 다른 전자부품)(604b) 및 배터리(604a)에 대한 상호연결부들을 형성할 수 있다. 구조 필라멘트가 상기 노즐 밖으로 압출되어 상기 3차원 구조물의 하나 이상의 부분들 상에 층별로 적층되어서, 배터리, PCB, 또는 다른 전자부품과 상기 하나 이상의 도전성 필라멘트를 부분적으로 또는 완전히 덮는 하나 이상의 추가 부분을 형성할 수 있다. 이로써, 보청기(600)의 상기 폴리머 몸체 또는 외피(602)가 형성된다.
상기 배터리의 크기를 보청기의 몸체 또는 외피의 미리 정해진 체적에 적합화시킴의 일 장점은 도 6a 에 도시된 바와 같이 이전에는 폴리머 필러 물질(polymer filler material)에 의하여 점유되었던 낭비되는 내부 공간이 억제될 수 있다는 점이다. 그 대신 이 공간이 3차원 프린트에 의하여 주문제작식으로 제조된 보다 큰 고용량 배터리에 의하여 점유될 수 있어서 그 체적을 적절하게 채울 수 있게 된다. 도 6a 에 도시된 예에서는, 대략 252 mWh 의 용량을 갖는 종래의 보청기 안에서 사용되었던 표준 312 크기의 동전형 배터리가 그보다 더 크게 주문제작된 대략 2.7 Wh 용량의 배터리로 대체된다. 상기 배터리의 크기를 최대화시킴에 의하여, 더 큰 외이도를 갖는 환자는 보다 오래가는 배터리에 의한 혜택을 누릴 수 있게 되고, 상대적으로 작은 외이도를 가진 환자는 가능한 최대 용량을 갖는 배터리에 의한 혜택을 누릴 수 있게 된다. 상기 3차원 프린트된 배터리는 상기 미리 정해진 체적의 적어도 대략 20%, 적어도 대략 30%, 적어도 대략 40%, 적어도 대략 50%, 적어도 대략 60%, 적어도 대략 70%, 또는 적어도 대략 80%을 점유할 수 있다. 통상적으로, 상기 배터리는 상기 보청미 몸체 내의 추가적인 전자부품들 및 상호연결부들의 존재로 인하여, 상기 미리 정해진 체적의 대략 90% 보다 더 많이 점유하지는 않는다.
배터리의 형성을 위하여, 제1 전기화학적 활성 물질을 포함하는 캐소드 필라멘트가 상기 노즐 밖으로 압출되어 상기 노출 표면 상에서 미리 정해진 패턴으로 적층됨으로써 캐소드 구조물이 형성되고, 제2 전기화학적 활성 물질을 포함하는 애노드 필라멘트가 상기 노즐 밖으로 압출되어 상기 노출 표면 상에서 미리 정해진 패턴으로 적층됨으로써 애노드 구조가 형성될 수 있다. 상기 캐소드 및 애노드 필라멘트들의 미리 정해진 패턴들은 보청기 몸체의 미리 정해진 체적 - 3차원 크기 및 형상 - 에 기초하여 선택될 수 있다. 따라서, 캐소드 및 애노드 구조물은 임의의 요망되는 크기 및 형상을 가질 수 있다. 일 예에서, 상기 캐소드 구조물은 하나 이상의 캐소드 손가락형상부(digit)를 포함하는 지상돌기형 구조(digitated structure)를 가질 수 있고, 애노드 구조물은 하나 이상의 애노드 손가락형상부를 포함하는 지상돌기형 구조를 가질 수 있다. 또한 상기 캐소드 구조물 및 애노드 구조물은 지상돌기-교차형 관계를 가질 수 있는데, 여기에서는 상기 캐소드의 손가락형상부들이 도 5b 에 개략적으로 도시된 바와 같이 상기 애노드 손가락형상부들과 교번적으로 배치된다.
상기 제1 전기화학적 활성 물질은 LixMn1 - yMy02, Li1 - xMn2 - yMy04, Li1 - xCo1 - yMy02, Li1-xNi1-y-zCoyMz04, Li1 - xMP04, Li1 - xMSi04, Li1 - xMB03, LixMn1 - yMy02, 및/또는 V205(여기에서, M은 Co, Ni, Fe, Mn, Ti, V 등과 같은 금속임)과 같은 단일 또는 다중 성분의 산화물을 포함할 수 있으며, 여기에서 x, y, 및 z 는 0 내지 1 의 값을 갖는다. 상기 제2 전기화학적 활성 물질은 Li4Ti5012 (LTO), Ti02, Sn02, Sn, Si, C, LiMyN2, 및/또는 MyOx(여기에서, M은 Co, Ni, Fe, Mn, Ti, V 등과 같은 금속임)으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 여기에서 M 은 낮은 산화 상태(예를 들어, MnO, CoO, Fe203, Fe304, CuO, NiO, ZnO)를 갖는 것이고, x 및 y 는 정수이다.
상기 캐소드 구조물과 애노드 구조물 사이에는 세퍼레이터(separator)가 배치될 수 있고, 이들은 작동을 위한 전해질(electrolyte)과 접촉할 수 있다. 상기 세퍼레이터 및/또는 전해질은 (예를 들어, 현장 제조를 위해서는, 노즐로부터의 적절한 물질의 압출에 의하여) 3차원 프린트에 의해 형성될 수 있다. 대안적으로는, 상기 세퍼레이터 및/또는 전해질이 다른 방법에 의해 형성 또는 적층될 수 있다. 상기 전해질에는 액체, 폴리머 물질, 겔 물질(gel material)이 포함될 수 있고, 상기 세퍼레이터는 통상적으로 미세다공성 폴리머를 포함한다.
프린트 후에는 선택적으로, 상기 3차원 구조물(예를 들어 보청기, 휴대폰 하우징, 또는 폭넓은 범위의 가능한 임의의 구조물일 수 있는)이 상기 구조 물질 및/또는 도전성 물질의 소결을 유도하기에 충분한 온도로 가열될 수 있다. 소결(sintering)을 위해 선택된 온도는 최소 대략 80℃ 내지 대략 150℃의 범위 내에 있을 수 있지만, 소결될 물질에 따라서 특정의 값이 결정된다. 상기 전구체 잉크는 3차원 프린트를 위하여 유동특성 및 조성이 최적화된 입자 부유물들을 포함할 수 있기 때문에, 적층된 필라멘트들은 입자형 구조를 가질 수 있다. 상기 적층된 필라멘트들의 구조적 무결성 및 상대 밀도, 그리고 3차원 구조물의 인접한 층들 간 접합력은 소결(또는 열 어닐링)에 의하여 증대될 수 있다.
전구체 잉크 조성물에 의하여 형성된 필라멘트들은 공정 동안에 노즐로부터 압출되느 결과로 인하여 실질적으로 원통형이거나 또는 다른 종장형의 형상을 가질 수 있다. 따라서, 하나 이상의 필라멘트는 프린트를 위하여 사용되는 노즐의 내부 폭(internal width; IW) 또는 내측 직경(inner diameter; ID)과 동일 또는 유사한 평균 폭 또는 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 필라멘트의 평균 직경(폭)은 상기 노즐 ID(IW)의 ±20% 이내 또는 노즐 ID(IW)의 대략 ±10% 이내일 수 있다. 상기 노즐 ID(IW)는 대략 1 미크론 내지 대략 10 mm의 치수 범위를 가질 수 있다. 통상적으로, 노즐 ID(IW)는 대략 10 미크론s 내지 대략 300 미크론(예를 들어, 대략 100 미크론)의 치수를 갖는다. 전술된 바와 같이, 상기 프린트된 필라멘트들은 기판 상에 하나 이상의 층들이 적층된 이후에 정착 공정, 일부 경우에 있어서는 소결 공정을 겪을 수 있기 때문에, 상기 원통형 필라멘트들의 횡단면 형상은 만곡한 형상을 유지하면서도 완전한 원으로부터 약간 왜곡된 형태를 가질 수 있다.
따라서, 프린트된 3차원 구조물의 높이는 대략적으로, 층들을 구성하는 하나 이상의 필라멘트의 직경(또는 폭(W))에 그 층들의 총 개수를 곱한 만큼에 대응될 수 있다. 예를 들어, 내장된 전자부품을 포함하는 예시적인 3차원 구조물의 높이는 대략 10 미크론 내지 수백 밀리미터일 수 있다.
압출 및 적층을 위해 사용되는 3차원 프린터는 단일의 프린트 헤드 또는 (예를 들어 2 내지 8개의 프린트 헤드를 갖는)다중의 프린트 헤드를 포함할 수 있고, 각각의 프린트 헤드는 모듈형으로서 독립적으로 컴퓨터에 의해 제어된다. 상기 컴퓨터 제어식 모듈형 프린트 헤드들은 서로에 대해 인접하게 그리고 분리가능하게 장착될 수 있으며, 상이한 물질을 함께 프린트하기 위하여 동시에 작동될 수 있다. 상기 "분리가능하게 장착"된다는 문구는, 각각의 모듈형 프린트 헤드가 프린트를 위하여 장착될 수 있으며, 필요한 경우에는 아래에서 설명되는 바와 같이 프린트 헤드의 교체를 위하여 프린트 후에 제거될 수 있음을 의미한다. 각각의 프린트 헤드는 기능 필라멘트 및/또는 구조 필라멘트의 압출을 위한 적어도 하나의 노즐(또는 다중 노즐 어레이)을 포함할 수 있고, 여기에서 "기능 필라멘트"라 함은 도전성 및/또는 소자 필라멘트를 지칭한다. 3차원 프린터는 상기 컴퓨터 제어식 모듈형 프린트 헤드의 아래에 압출된 구조 필라멘트 또는 기능 필라멘트의 적층을 위한 빌드 플랫폼 또는 기판을 더 포함할 수 있다.
도 4 를 참조하면, 각각의 프린트 헤드 또는 노즐은 표준 CNC 스테이지(standard computer numerical controlled(CNC) stage)에 부착되어 x, y, 및/또는 z 방향으로 병진이동할 수 있도록 구성된다. 또한 상기 노즐은 6 자유도의 움직임을 위하여 x, y, 및/또는 z 축을 중심으로 회전될 수 있기도 하다. 프린트 동안에 상기 노즐이 부동적으로 유지되는 한편 기판이 상기 노즐에 대해 이동되거나, 또는 상기 노즐 및 기판이 이동될 수 있다. 상기 노즐은 적절한 채널의 선택에 의하여 다양한 잉크들을 프린트함을 가능하게 하는 다중 잉크 채널들과 유체 소통(fluid communication)될 수 있다. 프린트 공정 동안에 픽-앤-플레이스 조작의 수행을 용이하게 하기 위하여, 양압(positive pressure) 대신에 진공이 상기 채널들 중 하나를 통해 적용될 수 있도록 상기 노즐이 구성될 수도 있다.
상기 컴퓨터 제어식 모듈형 프린트 헤드는 전술된 바와 같이 적어도 하나의 잉크 저장부에의 연결을 위해 구성된 적어도 하나의 실온 프린트 헤드를 포함할 수 있다. 상기 실온 프린트 헤드(들)로부터의 잉크 적층은 일정한 압력 하에서 공압식으로 구동되거나, 또는 일정한 변위 속도 하에서 기계적으로 구동될 수 있다. 또한 상기 컴퓨터 제어식 모듈형 프린트 헤드에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 상승된 온도에서의 압출을 위한 히터를 포함하는 적어도 하나의 고온(elevated-temperature) 프린트 헤드가 포함될 수 있다. 상기 고온 프린트 헤드(들) 각각은, 압출될 수 있는 잉크 저장부로부터의 잉크 또는 (예를 들어 열가소성 폴리머와 같은) 물질의 모노필라멘트의 연속적인 공급을 수용하도록 구성될 수 있다.
전술된 바와 같이, 각각의 프린트 헤드는 적어도 하나의 노즐을 포함한다. 일반적으로는, 잉크 필라멘트의 압축 및 적층을 위하여 1개 이상, 2개 이상, 3개 이상, 4개 이상, 5개 이상, 그리고 최대 N 개의 노즐이 사용될 수 있으며, 여기에서 N은 1≤N<1024 이고, 통상적으로 N 은 512 이하, 256 이하, 128 이하, 또는 64 이하이다. 상기 필라멘트들은 직렬적인 적층 공정에서 순차적으로 또는 병렬적 적층 공정에서 동시적으로 N개의 노즐로부터 압출될 수 있으며, 각각의 노즐은 상이한 전구체 잉크를 포함할 수 있다. 단일의 프린트 헤드로부터의 순차적인 또는 직렬적인 프린트를 용이하게 하기 위하여, 상기 노즐들은 z 방향에서 독립적으로 제어될 수 있다.
상기 노즐들로 공급될 점탄성 잉크는, 루어-록™(Luer-Lok™) 또는 다른 커넥터에 의하여 노즐에 개별적으로 연결될 수 있는 개별의 주사기 몸통(syringe barrel)(또는 잉크 저장부)들 안에 수용될 수 있다. 상기 필라멘트들 각각의 압출은 대략 1 psi 내지 대략 100 psi, 대략 10 psi 내지 대략 80 psi, 또는 대략 20 psi 내지 대략 60 psi의 적용 압력 하에서 수행될 수 있다. 압출 동안의 압력은 일정하거나 또는 변화될 수 있다. 대안적인 압력 공급원을 사용함으로써, 100 psi 보다 높은 압력 및/또는 1 psi 보다 낮은 압력이 프린트 동안에 적용될 수 있다. 가변적인 압력은 필라멘트의 길이를 따라서 변화하는 직경을 갖는 압출된 필라멘트로 귀결될 수 있다. 상기 압출은 통상적으로 주위 온도 또는 실온(예를 들어, 대략 18℃ 내지 대략 25℃)의 조건에서 수행된다. 고온 프린트(예를 들어, 융합식 필라멘트 제조(fused filament fabrication; FFF) 헤드가 적층에 사용되는 경우), 열가소성 폴리머와 같은 적합한 물질의 모노필라멘트가 스풀(spool)로부터 고온 프린트 헤드로 공급될 수 있고, 압출은 예를 들어 대략 100℃ 내지 대략 400℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
각각의 필라멘트의 압출 및 적층 동안, 상기 노즐(또는 프린트 헤드)는 미리 정해진 경로를 따라서(예를 들어 (x1, y1, z1) 좌표로부터 (x2, y2, z2) 좌표까지) 이동될 수 있으며, 이 때 위치선정의 정확도는 ±100 미크론 이내, ±50 미크론 이내, ±10 미크론s, 또는 ±1 미크론 이내이다. 따라서, 상기 필라멘트들은 ±100 미크론 이내, ±50 미크론 이내, ±10 미크론s, 또는 ±1 미크론 이내의 위치선정 정확도로 적층될 수 있다. 상기 노즐들은 이동될 수 있고, 상기 필라멘트들은 대략 3 m/s(예를 들어, 대략 1 cm/s 내지 대략 3 m/s) 정도로 높은 속도, 보다 통상적으로는 대략 1 mm/s 내지 대략 500 mm/s 범위 내의 속도, 대략 1 mm/s 내지 대략 100 mm/s의 속도, 대략 1 mm/s 내지 대략 50 mm/s의 속도, 또는 대략 1 mm/s 내지 대략 10 mm/s의 속도로 적층될 수 있다.
상기 노즐의 미리 정해진 경로는 적어도 대략 2400 cm2, 적어도 대략 2700 cm2 and up 내지 대략 1 m2 의 XY 경계 면적을 가질 수 있는바, 이것은 프린터의 빌드 플랫폼의 치수에 의하여 정해진다. 예를 들어, 상기 빌드 플랫폼은 대략 60 cm 내지 대략 100 cm의 길이와, 대략 40 cm 내지 대략 100 cm 의 폭을 가질 수 있다. 각각의 프린트 헤드는 z 방향에서 대략 10 cm 내지 대략 50 cm, 또는 대략 15 내지 대략 30 cm 의 거리만큼 이동될 수 있다.
요망되는 프린트된 구조물의 디지털 3차원 모델을 생성하기 위하여, 솔리드웍스(SolidWorks)(다썰트 시스템즈 솔리드웍스 코.(Dassault Systemes SolidWorks Corp.), 왈탐, 메사추세츠(Waltham, MA)) 또는 오토캐드(AutoCAD)(오토데스크, 잉크.(Autodesk, Inc.), 산 라파엘, 캘리포니아(San Rafael, CA))와 같은, 상업적으로 입수가능한 컴퓨터 보조 설계 소프트웨어가 사용될 수 있다. 이와 같은 소프트웨어 패키지들은 3차원 모델(3D model)을 '.STL' 파일로 내보낼 수 있다. 일단 '.STL' 포맷으로 된 디지털 3차원 모델은 'Slic3r' 또는 'Cura'와 같은 "슬라이싱 소프트웨어(slicing software)"를 이용하여 3차원 프린터를 위한 프린트 명령들(G-코드(G-code))로 변환될 수 있는데, 상기 슬라이싱 소프트웨어는 디지털 3차원 모델을 수평적인 슬라이스 또는 층으로 잘라서, 압출되는 물질로 슬라이스를 충전하기(채우기) 위한 (x,y,z) 좌표들에 기초하여 도구 경로들을 생성한다. 공정 파라미터(process parameter)들에는 충전 밀도, 노즐 속도, 압출될 잉크의 양, 및 노즐의 온도가 포함된다. 주문제작식 3차원 프린터와, 하버드 대학에서 설계된 '변형된 렙렙 장치'(modified RepRep device (www.reprap.org))가 사용되어 본원에서 설명된 3차원 프린트 예들을 제작할 수 있다.
예시적인 소프트웨어 및 3차원 프린터
아래에서 설명되는 예시적인 데모 부품(demonstration part)들은 먼저 솔리드웍스 프로그램을 이용하여 모델링되었고, 그 데이터가 .STL 파일로 내보내져서 프린트 경로의 생성을 위하여 Slic3r 소프트웨어로 불러들여진 것이다. 도전성 필라멘트들(도전성 트레이스들)을 위한 프린트 경로의 통합은 두 가지 방안 중 한 가지로 수행될 수 있는바, 상기 도전성 트레이스들은 솔리드웍스에서 주위의 구조물과 별도의 부분으로서 모델링될 수 있다. 그 다음 상기 도전성 트레이스들 및 구조물을 위한 모델이 솔리드웍스 어셈블리(Solidworks assembly)에서 원하는 방위로 조합되어 .STL 파일의 세트로 내보내질 수 있다. 이 .STL 파일들은 Slic3r 에서 조합될 수 있는바, 이로써 G-코드로 슬라이싱될 수 있는 다중-물질 모델이 생성된다. 그 다음에 상기 부품의 제조를 위하여 상기 G-코드가 프린터 제어 소프트웨어에 로딩될 수 있다.
대안적으로는, 프린트 속도, 위치, 및 높이의 매우 정밀하고 동적인 제어가 필요한 때에는, 상기 도전성 트레이스들을 위한 프린트 경로가 Mecode 를 이용하여 수작업으로 기록될 있는데, 상기 Mecode 는 G-코드를 생성하기 위한 파이썬(python) 기반의 오픈소스 소프트웨어이다. 이 경우, 상기 도전성 프린트 경로의 개별 조각들은 구조 물질을 위하여 Slic3r 에 의하여 생성된 코드의 층 변화부(layer change)들에 삽입될 수 있다.
3차원 프린트는 주문제작식으로 제작된 3차원 움직임 제어식 시스템(3D motion-controlled system)을 이용함으로써 수행된다. 제1 시스템은 에어로테크(Aerotech, Inc., Pittsburgh, PA)사의 고속, 대면적, 고정밀의 갠트리 스테이지를 이용하며, 여기에는 두 개의 프린트 헤드가 옆으로 나란히 장착된다. 각각의 프린트 헤드는 필라멘트 압출기(노즐)을 포함한다. 일 구성형태에서, 구조 필라멘트들(예를 들어, 열가소성 폴리머)의 압출을 위한 고온 프린트 헤드(예를 들어, FFF 헤드)와 도전성 필라멘트들의 압출을 위한 실온 프린트 헤드는 함께 장착(co-mount)된다. 실온 프린트 헤드는 EFD 압력 박스(EFD pressure box)(Nordson Corp., Westlake, OH)를 이용하여 공압식으로 제어된다. 이 물질들 그리고 다른 이질적 물질들의 프린트 경로 및 조합 프린트는 컴퓨터로 제어된다.
제2 시스템은 오픈 소스의 데스크탑 3차원 프린터(RepRap Prusa I3; www.reprap.org)로서, 이것은 구조 필라멘트들의 압출을 위한 현존하는 고온 프린트 헤드에 부가하여, 도전성 필라멘트들을 압출하기 위한 실온 프린트 헤드를 포함시킴으로써 변형된 것이다. 도전성 필라멘트들의 제어된 프린트를 가능하게 하기 위하여 상기 프린터의 제어 하드웨어(control hardware)에는 압력 공급원이 보강되며, 상기 제어 소프트웨어는 이 압력 공급원을 구동하도록 변형된다.
전술된 주문제작된 3차원 프린터는 모듈 방식으로 설계되어서, 프린트 헤드들 중 하나 또는 두 개 모두가 다른 프린트 헤드로 교체될 수 있다. 예를 들어, 주위 대기의 조건 하에서 도전성 잉크 및 다른 점탄성 물질을 프린트하는 데에 사용되는 공압식 실온 프린트 헤드가, 요망되는 잉크의 정밀한 체적 유량을 제공하기 위해서 일정한 변위로 구동되는 프린트 헤드로 교체될 수 있다. 상기 고온 프린트 헤드는 최종적인 3차원 프린트된 전자 소자에서 구조 물질 또는 조합-프린트된 기능 물질로서의 역할을 하는 저항성(resistive) 또는 용량성(capacitive) 잉크, 유리가 충전된 에폭시 수지, 에폭시 수지와 같은 다른 점탄성 잉크를 조합-프린트할 수 있는 제2의 공압식 또는 일정 변위(constant displacement)의 프린트 헤드로 교체될 수 있다.
내장된 소자들을 구비한 예시적인 3차원 프린트된 기능 부품
3차원 프린트된 내장 안테나
도 7a 내지 도 7c 에는 예시적인 3차원 프린트된 내장 안테나(700)가 도시되어 있는바, 여기에는 안테나 설계의 3차원 렌더링, 구조 물질(매트릭스 물질) 및 도전성 잉크를 조합하여 적층하기 위한 다중-물질 도구 경로의 개략적 모습, 및 프린트 후에 내장 안테나의 광학 이미지가 도시되어 있다. 상기 구조 물질은 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)을 포함하고, 상기 소자/도전성 필라멘트는 아래에서 설명되는 은 잉크 조성물을 기반으로 한(based) 유기 에스테르(organic-ester)로 압출된 것이다. 상기 은 잉크는 대략 0.5 mm 의 깊이 및 대략 1 mm 의 폭을 가진 채널들로 적층되는바, 이들은 프린트 완료시 5개의 층들을 포함하는 3차원 구조물의 저부 부분에 만들어진다.
3차원 프린트된 내장 회로 및 인쇄 회로 보드
도 8a 에는 예시적인 3차원 프린트된 PCB(상부 부분이 없음) 또는 내장 회로(상부 부분(802b)이 있음)가 도시되어 있는데, 상기 내장 회로는 발광 다이오드(LED)(804a), 자성 판독 스위치(804b), 전력 소비를 제한하는 레지스터(804c), 및 LED(804a)에 전력을 공급하는 배터리(804d)를 포함한다. 도 8b 는 도 8a 에 도시된 구조물(802)의 저부 부분(802a)의 광학 이미지로서, 여기에서 회로 구성요소들(804a, 804b, 804c, 804d) 및 상호여결부(806)들은 저부 부분(802a) 안에 부분적으로 내장되어 있다. 도 8c 에는 3차원 기능 부품(800)의 제조를 위해 사용되는 프린트 경로가 도시되어 있는바, 그것은 두 가지의 형태로, 즉 (1) PCB와 같은 부품을 3차원 프린트할 수 있는 능력을 보이기 위해 부분적으로 내장된 형태와, (2) 열가소성 매트릭스 내에 완전히 넣어지는 3차원 회로를 생성할 수 있는 능력을 보이기 위해 완전히 내장된 형태로, 프린트된다. 도 8d 에는 예시적으로 완전히 내장된 회로가 도시되어 있는데, 여기에는 자성 판독 스위치에 대해 가까이 근접하게 (대략 1cm 이내로) 배치된 자석에 의해 켜지는 LED 가 포함된다. 최종적인 3차원 프린트된 내장 회로는 25개의 층들을 포함한다. 이 예들에서, 매트릭스 또는 구조 물질은 폴리락트산(PLA) 또는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)을 포함하고, 도전성 필라멘트(들)(도전성 트레이스들)은 은을 포함한다. 상기 도전성 필라멘트들은 아래에서 설명되는 은 잉크 조성물을 기반으로 한 유기 에스테르로 압출되고, 대략 0.5 mm 의 깊이와 대략 1 mm 의 폭을 갖는 채널들로 적층된다. 구조 필라멘트들을 3차원 프린트함에 있어서는 0.4 ID의 노즐 직경 및 30 mm/s의 프린트 속도가 채택되고, 도전성 필라멘트를 3차원 프린트함에 있어서는 0.3 mm ID 노즐 직경 및 4 mm/s의 프린트 속도가 이용된다. 상기 LED, 자석 판독 스위치, 레지스터, 및 배터리는 손에 의하여 3차원 프린트 구조물의 저부 부분 안으로 스냅끼움(snap-fitted)될 수 있다.
내장된 스트레인 센서를 구비한 3차원 프린트된 토크 렌치
도 9a 내지 도 9c 에는 예시적인 3차원 프린트된 토크 렌치 스트레인 감지 소자(900)가 도시되어 있는바, 상기 토크 렌치 스트레인 감지 소자(900)는 아두이노 보드(904a), 표면 장착 레지스터(904b), 은 도핑된 실리콘을 포함하는 스트레인 센서(904c), 은 도전성 필라멘트(906), 및 PLA로 만들어진 매트릭스 몸체 또는 구조 몸체(902)의 저부 부분(902a) 및 상부 부분(902b)을 포함한다. 도 9d 에는 내장 회로 및 센서의 제작을 위하여 사용되는 예시적인 다중-물질 프린트 경로가 도시되어 있다.
상기 토크 렌치 스트레인 감지 소자는 3차원 기능 부붐의 생성에 핵심적인 몇가지 개념들을 제시한다. 제1 개념은 프린트된 열가소성 매트릭스를 포함하는 단일 소자 내에 도전성 상호연결부 및 센서를 조합-프린트하는 능력이다. 제2 개념은 임의적으로 설계된 3차원 프린트된 기능 부품 안에 상기 특징부들을 이음새없이(seamlessly) 내장함의 제시이다. 제3 개념은 상기 소자가 겪은 활동을 분석할 수 있는 프로그램가능한 프로세서를 상기 3차원 프린트된 구성요소 안에 내장시킴의 제시이다. 이와 같은 핵심 개념들에 관한 대표적인 실시예로서 스트레인을 감지할 수 있는 토크 렌치가 선택되었다.
상기 토크 렌치의 주 몸체는 열가소성 매트릭스를 3차원 프린트함으로써 생성되고, 이 때 목부분의 충진 백분율(infill percentage) 및 두께는 가해지는 토크의 목표량에 대한 휘어짐의 요망되는 양을 제공하도록 변화될 수 있다. 상기 토크 렌치의 목 영역에서, 도전성 은 입바들로 도핑된 실리콘 잉크는 도 9d 에 도시된 프린트 경로들을 따라서 프린트된다. 상기 잉크는 상업적으로 입수가능한 것으로서, 예를 들면 실리콘 솔루션(Silicone Solutions)(Cuyahoga Falls, OH) 사의 제품명 SS-261 인 것이다. 중립축으로부터 상기 스트레인 센서의 거리는 임의적으로 3 mm 로 선택되지만, 이 거리는 내장 센서가 겪는 스트레인을 최소화 또는 최대화하기 위하여 다르게 정해질 수 있다. 또한, 알려진 저항을 갖는 표면 장착 레지스터가 상기 렌치에 통합되고, 상기 스트레인 센서와 직렬로 도선 연결된다. 상기 알려진 저항값을 갖는 레지스터와 스트레인 센서 간의 전압이 모니터링되는 때에, 알려지지 않은 레지스터의 저항값은 아래에 제공되는 등식에 따라 추산될 수 있다. 또한, 아날로그 전압 독출 핀(analog voltage reading pin)을 구비한 프로그램가능한 아두이노 보드가 상기 소자에 통합됨으로써 레지스터들 간의 전압 변화를 모니터링할 수 있다 (도 9e 참조).
RS 를 위한 등식은 다음과 같다:
Figure pct00001
위에서 R 은 알려진 레지스터이고, 전압(V)은 5V 이며, V0 는 아두이노 보드에서 아날로그 전압 핀에 의하여 측정된 전압이다. 상기 아두이노 보드는, 상기 센서가 겪는 스트레인의 양을 나타내기 위하여 섬광 주파수 또는 강도가 조절될 수 있는 표면 장착 LED 를 포함한다.
3차원 프린트된 아두이노 보드
도 10 에는 주문제작식으로 설계되고 3차원 프린트된 아두이노 보드의 광학 이미지가 도시되어 있는바, 상기 아두이노 보드는 전술된 이중 헤드 데스크탑 3차원 전자부품 프린터를 이용하여 제작된 것이다. 열가소성 보드는 30 mm/s 의 속도를 갖는 400 미크론 노즐을 구비한 FFF 헤드를 이용하여 프린트된다. 도전성 은 트레이스는 4 mm/s 의 속도로 250 미크론 노즐을 통해 은 잉크를 적층시킴으로써 프린트된다. 레지스터들 및 커패시터들은 도전성 은 트레이스를 프린트하기 전에 상기 보드 상에 개방된 공동 안에 배치된다. 아트멜 328-Au-ND 칩(atmel 328-Au-ND chip)을 포함하여 나머지 구성요소들은 프린트 후에 수작업으로 장착된다.
예시적인 은 잉크 조성물
유기 에스테르 기반의 조성물
예 1
이 예에서는, 긴사슬 지방산 잔류물로 캡핑된(capped) 11g 의 은 박편들(5-8 미크론 직경/폭)(도 11a 참조), 1.25g 의 펜틸 아세테이트, 0.203g 의 니트로셀룰로오스, 및 0.5g 의 니트로셀룰로오스 첨가물들이 함께 혼합되어 전술된 예시적인 부품들을 3차원 프린트하기에 적합한 은 잉크가 형성된다. 도 12a 에는 250 ㎛ 의 내측 직경(ID)을 가진 노즐을 이용하여 유리 기판 상에 프린트된 은 잉크의 도전성 트레이스들(도전성 필라멘트들)의 사진이 도시되어 있다. 적용되는 전단응력에 대한 상기 은 잉크의 저장 탄성률 및 손실 탄성률은 도 12b 에 도시되어 있고, 도 12c 에는 은 잉크의 어닐링 온도에 대한 도전율의 그래프가 도시되어 있는데, 여기에서 어닐링 시간은 모든 고온에 대해서 15분이었다.
예 2
다른 일 예의 경우, 은 잉크 조성물 안에 탄소 나노튜브(CNT)가 포함된다. 카르복실 그룹에 의하여 기능화된 다중벽 탄소 나노튜브들은 10분 동안 호음파 혼(ultrasonic horn)에 의하여 파괴(sonicate)됨으로써, 선택된 용제 안에 분산된다. 이 예에서는 상기 용제가 펜틸 아세테이트이고, 펜틸 아세테이트 안에는 MWCNT-COOH 가 5 wt.% CNT 의 농도로 분산된다. 그 다음, CNT:Ag 의 정확한 최종 비율을 제공하기에 충분한 CNT 분산액의 정량(aliquot)이 컨테이너 안에 넣어지고, 상기 용제 안에 분산된 15 wt.% 의 니트로셀룰로오스 용액과 함께 완전히 혼합된다. 그 다음에는 아래에 기재된 백분율을 맞추기 위하여 추가적인 용제가 부가된다. 그 다음, 은의 추가시마다 씽키 행성형 원심 혼합기(planetary centrifugal mixer)에서 2분 동안 혼합하면서 은을 5g 이하의 분량씩 추가한다. 최종적인 잉크 조성물에는: 19.23 wt.% 의 펜틸 아세테이트, 1.51 wt.% 의 니트로셀룰로오스 (11.8-12.3% 의 질소; 브랜드(Brand): 신세시아(Synthesia) E9), 78.38 wt.% 의 은 박편(2-4 미크론의 직경을 가지며, 올레산(oleic acid)으로 캡핑됨), 카르복실로 기능화된 0.88 wt% 의 다중벽 탄소 나노튜브들(대략 10-20 미크론의 길이 및 대략 30-50 nm의 외측 직경을 가짐)이 포함된다.
도 12d 에는 걸쳐져 있는 도전성 필라멘트의 광학 이미지가 도시되어 있는바, 상기 도전성 필라멘트는 전술된 바와 같이 은의 중량을 기준으로 1 wt.% CNT-COOH 를 포함하는 펜틸 아세테이트 기반의 은 잉크 조성물을 3차원 프린트함으로써 생성된 것이다. 프린트된 특징물은 1cm 를 초과하는 지지되지 않은 간극에 걸쳐져 있다. CNT-강화된 은 필라멘트의 SEM 이미지는 도 11b 에 도시되어 있다.
예 3
이 예에서 설명되는 잉크 조성물은 전술된 아두이노 보드를 3차원 프린트하기 위하여 사용되는 것으로서, 증발 속도를 늦추기 위하여 용제가 프로필렌 카보네이트로 변경된다. 이와 같은 변형은 적층을 위하여 캡이 벗겨진 노즐의 막힘을 감소시킨다. 압출된 필라멘트들의 건조를 촉진시키기 위하여, 트레이스들이 60℃의 오븐 안에서 15분 동안 경화된다. 예시적인 잉크 조성물에는 17.37 wt.% 의 프로필렌 카보네이트, 1.51 wt.% 의 니트로셀룰로오스(11.8-12.3% 의 질소: 브랜드: 신세시아 E9), 80.91 wt.% 의 은 박편 (2-4 미크론의 직경을 가지며, 올레산으로 캡핑됨), 카르복실로 기능화된 0.21 wt.% 의 다중벽 탄소 나노튜브(10-20 미크론의 길이 및 대략 30-50 nm의 외측 직경을 가짐)이 포함된다.
물 기반의 조성물
이 예에서는, 은 파우더가 밀링되고, 세정된 다음에 수용성 매체 안에 분산된다. 밀링 조성물에는 10g 의 은 파우더(2-3.5 ㎛ 의 직경/폭), 2.1g 의 PVP Mw = 40,000, 및 100 mL 의 탈이온화된(deionized: DI) 물이 포함된다. 상기 밀링 매체에는 12mm 및 2mm 직경의 YZP 구형 밀링 매체(spherical milling media)가 포함되고, 밀링 시간은 100RPM 에서 60 시간이다. 밀링 이후에는 은 박편들이 물에 의하여 세번 세정되며, 세정 사이에는 원심탈수된다. 최종 조성물의 성분에는 5.33g 의 밀링된 은 박편(PVP로 코팅됨), 0.1066g 의 하이드록시프로필 셀룰로오스 Mw=100,000, 0.054g 의 하이드록시프로필 셀룰로오스 Mw=1,000,000, 및 2.754g 의 탈이온화된 물이 포함된다.
본 발명은 특정의 실시예들을 참조로 하여 상세히 설명되었으나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 다른 실시예들도 가능하다. 따라서, 첨부된 청구항들의 범위 및 취지는 여기에 기재된 바람직한 실시예들에 관한 설명에 국한되지 않는다. 문언상 또는 균등론에 의하여 청구항들의 의미에 속하는 모든 실시예들이 본 발명의 범위 안에 포괄된다.
또한, 본 발명의 장점들이 반드시 위에서 설명된 장점들만에 국한되는 것은 아니며, 상기 설명된 장점들이 반드시 본 발명의 모든 실시예에서 얻어지는 것이 아닐 수도 있다.

Claims (55)

  1. 구조 물질(structural material)을 포함하는 3차원 구조물(3D structure);
    상기 3차원 구조물 안에 적어도 부분적으로 내장된 적어도 하나의 기능 전자 소자(functional electronic device)로서, 상기 3차원 구조물의 내부 표면에 고정된 베이스(base)를 구비한, 기능 전자 소자; 및
    상기 3차원 구조물 안에 적어도 부분적으로 내장된 적어도 하나의 도전성 필라멘트(filament)로서, 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자에 전기적으로 연결된, 도전성 필라멘트;를 포함하는, 프린트된 3차원 기능 부품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 구조물은 복수의 층을 포함하는, 프린트된 3차원 기능 부품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 구조 물질은 폴리머(polymer), 복합재(composite), 및/또는 세라믹(ceramic)을 포함하는, 프린트된 3차원 기능 부품.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 폴리머는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(acrylonitrile butadiene styrene; ABS), 폴리락트산(polylactic acid; PLA), 폴리 (메틸 메타크릴레이트)(poly (methyl methacrylate); PMMA), 에폭시(epoxy), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리아미드(polyamide)(나일론(Nylon)), 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluorethylene; PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride; PVC), 폴리우레탄(polyurethane; PU), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 광경화성 수지(photocurable resins), 에폭시 수지(epoxies), 및 하이드로겔(hydrogels)로 이루어진 군으로부터 선택되는, 프린트된 3차원 기능 부품.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 기능 전자 소자는 전기기계적 구성요소(electromechanical component), 전기화학적 구성요소(electrochemical component), 능동형 전자 구성요소(active electronic component), 피동형 전자 구성요소(passive electronic component), 및 IC (integrated circuit)로 이루어진 군으로부터 선택되는, 프린트된 3차원 기능 부품.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프린트된 3차원 기능 부품은 복수의 기능 전자 소자를 포함하고, 상기 기능 전자 소자들 각각은 상기 3차원 구조물의 내부 표면들 중 하나에 고정된 베이스를 구비하는, 프린트된 3차원 기능 부품.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기능 전자 소자들 중 적어도 하나의 베이스는 상기 기능 전자 소자들 중 다른 것의 베이스에 대해 0이 아닌 각도를 이루는 방위를 갖는, 프린트된 3차원 기능 부품.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도전성 필라멘트 중 적어도 하나는 그 길이 중에서 지지되지 않는 적어도 일부분을 구비한, 프린트된 3차원 기능 부품.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도전성 필라멘트 중 적어도 하나는 연결 지점들 사이에서 비평면형 경로(nonplanar pathway)를 따라 연장된, 프린트된 3차원 기능 부품.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도전성 필라멘트는 은, 구리, 납, 주석, 리튬, 코발트, 금, 백금, 팔라듐, 티타늄, 몰리브덴(molybdenum), 텅스텐, 탄탈륨(tantalum), 레늄(rhenium), 지르코늄(zirconium), 바나듐(vanadium), 크롬(chromium), 니오븀(niobium), 철, 니켈, 아연, 알루미늄, 마그네슘, 및 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 도전성 물질을 포함하는, 프린트된 3차원 기능 부품.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도전성 필라멘트 각각은 상기 도전성 물질의 벌크 도전율(bulk conductivity)의 적어도 대략 2.5%의 도전율을 갖는, 프린트된 3차원 기능 부품.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도전성 필라멘트 각각은 대략 500 미크론(micron) 또는 그보다 작은 직경 또는 폭을 갖는, 프린트된 3차원 기능 부품.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도전성 필라멘트 각각은 도전성 입자들의 침투 네트워크(percolating network)를 포함하는, 프린트된 3차원 기능 부품.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 도전성 입자들은 은 박편(silver flake)들을 포함하는, 프린트된 3차원 기능 부품.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전성 필라멘트는, ASTM 테스트 방법 D3359 에 따라 수행되는 접합력 테스트를 통과하기에 충분한 접합 강도(adhesion strength)로 상기 3차원 구조물에 부착되는 적어도 하나의 고정 부분을 포함하는, 프린트된 3차원 기능 부품.
  16. 3차원 구조물의 적어도 하나의 부분을 형성하기 위하여 구조 필라멘트(structural filament)를 압출하여 기판(substrate) 상에 미리 정해진 패턴으로 적층함;
    상기 적어도 하나의 부분의 노출 표면(exposed surface) 상에 적어도 하나의 기능 전자 소자를 배치 또는 형성함; 및
    상기 적어도 하나의 기능 전자 소자와의 상호연결부를 형성하기 위하여 적어도 하나의 도전성 필라멘트를 압출 및 적층함;을 포함하는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 구조 필라멘트는 제1 노즐로부터 압출되고, 상기 적어도 하나의 도전성 필라멘트는 제2 노즐로부터 압출되는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 구조 필라멘트가 압출 및 적층되는 동안에 상기 적어도 하나의 도전성 필라멘트 중 적어도 하나가 압출 및 적층되는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  19. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 구조 필라멘트가 압출 및 적층된 후에 상기 적어도 하나의 도전성 필라멘트가 압출 및 적층되는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3차원 기능 부품의 프린트 방법은, 상기 3차원 구조물의 적어도 하나의 추가 부분을 형성하기 위하여 상기 구조 필라멘트의 추가 길이를 상기 기판 상에 미리 정해진 패턴으로 압출 및 적층하는 단계를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 추가 부분은 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자를 적어도 부분적으로 덮는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가 부분은 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자를 완전히 덮는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가 부분은 상기 적어도 하나의 도전성 필라멘트를 적어도 부분적으로 덮는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  23. 제16항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도전성 필라멘트는 용제(solvent) 안에 도전성 입자들을 포함한 것이고,
    상기 구조 필라멘트는 폴리머를 포함하는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 용제는 상기 폴리머의 용해도 스피어(solubility sphere) 안에 위치한 한센 용해도 파라미터들(Hansen solubility parameters)(δd, δp, δh)을 가진 것인, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 용제는 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 부틸 아세테이트(butyl acetate), 프로필 아세테이트(propyl acetate), 펜틸 아세테이트(pentyl acetate), 헥실 아세테이트(hexyl acetate), 헵틸 아세테이트(heptyl acetate), 부톡시에틸 아세테이트(butoxyethyl acetate), 에틸렌 글리콜 부틸 에테르(ethylene glycol butyl ether), 에틸 3-에톡시프로피오네이트(ethyl 3-ethoxypropionate), 프로필렌 글리콜 부틸 에테르 아세테이트(propylene glycol butyl ether acetate), 에틸렌 글리콜 부틸 에테르 아세테이트, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 펜탄올(pentanol), 헥산올(hexanol), 헵탄올(heptanol), 옥탄올(octanol), 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 프로피온산(propionic acid), 물, 에틸렌 글리콜, 글리세롤(glycerol), n-메틸-프로리돈(n-methyl-pyrrolidone), 디메틸 술폭시드(dimethyl sulfoxide), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran) 및 2-메틸 테트라히드로푸란(2-methyl tetrahydrofuran) 중 적어도 하나를 포함하는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  26. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리머는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리락트산(PLA), 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리아미드(Nylon), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리우레탄(PU), 폴리카보네이트(PC), 광경화성 수지, 에폭시 수지, 및 하이드로겔로 이루어진 군으로부터 선택되는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  27. 제16항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노출 표면 상에 적어도 하나의 기능 소자를 배치함에는 픽-앤-플레이스(pick and place) 조작이 포함되는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  28. 제16항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 기능 전자 소자는 노출 표면을 포함하는 공동(cavity) 안에 배치되되 노출면을 제외한 모든 측부들에서 구조 물질에 의하여 둘러싸여서 상기 3차원 구조물 안에 부분적으로 내장되고, 상기 노출면은 상기 기능 전자 소자에 대한 전기 연결을 위해서 접근가능한 접촉 패드(contact pad)를 포함하는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  29. 제16항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 기능 소자는 배터리를 포함하고, 상기 배터리는 상기 노출 표면 상에 배치되는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  30. 제16항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노출 표면 상에 적어도 하나의 기능 소자를 형성함에는, 적어도 하나의 소자 필라멘트를 압출하여 상기 기판 상에 미리 정해진 패턴으로 적층함이 포함되는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 기능 소자는 배터리를 포함하고, 상기 적어도 하나의 소자 필라멘트는 애노드 필라멘트(anode filament) 및 캐소드 필라멘트(cathode filament)를 포함하며,
    상기 배터리를 형성함에는:
    제1 전기화학적 활성 물질(first electrochemically active material)을 포함하는 캐소드 필라멘트를 압출하여 제2 노출 표면 상에 미리 정해진 패턴으로 적층해서 캐소드 구조물(cathode structure)을 형성함; 및
    제2 전기화학적 활성 물질을 포함하는 애노드 필라멘트를 압출하여 제2 노출 표면 상에 미리 정해진 패턴으로 적층해서 애노드 구조물을 형성함;이 포함되는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  32. 미리 정해진 체적을 갖는 3차원 구조물의 적어도 하나의 부분을 형성하기 위하여 구조 필라멘트를 압출해서 기판 상에 미리 정해진 패턴으로 적층함;
    상기 적어도 하나의 부분의 노출 표면 상에 적어도 하나의 기능 전자 소자를 배치 또는 형성함;
    미리 정해진 체적으로 주문제작된 치수를 갖는 배터리를 상기 적어도 하나의 부분의 다른 노출 표면 상에 형성함; 및
    적어도 하나의 도전성 필라멘트를 압출하여 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자 및 상기 배터리와의 상호연결부를 형성하도록 적층함;을 포함하는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 노출 표면은 상기 3차원 구조물 안의 채널(channel) 또는 공동의 일부분인, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  34. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    상기 3차원 기능 부품의 프린트 방법은 상기 구조 필라멘트의 추가 길이를 압출하여 상기 기판 상에 미리 정해진 패턴으로 적층시킴으로써 상기 3차원 구조물의 적어도 하나의 추가 부분을 형성함을 포함하고, 상기 적어도 하나의 추가 부분은 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자 및 마이크로배터리(microbattery)를 적어도 부분적으로 덮는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가 부분은 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자 및 배터리를 완전히 덮는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  36. 제32항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리를 형성함에는:
    제1 전기화학적 활성 물질을 포함하는 캐소드 필라멘트를 압출하여 제2 노출 표면 상에 미리 정해진 패턴으로 적층해서 캐소드 구조물을 형성함; 및
    제2 전기화학적 활성 물질을 포함하는 애노드 필라멘트를 압출하여 제2 노출 표면 상에 미리 정해진 패턴으로 적층해서 애노드 구조물을 형성함;이 포함되는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  37. 제32항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3차원 기능 부품은 보청기를 포함하고, 상기 3차원 구조물은 폴리머 몸체(polymeric body)를 포함하는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  38. 3차원 프린트 방법을 이용하여 3차원 구조물의 적어도 하나의 부분을 형성함;
    상기 적어도 하나의 부분의 노출 표면 상에 적어도 하나의 기능 전자 소자를 배치함; 및
    3차원 프린트 방법을 이용하여 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자와의 연결을 위한 도전성 상호연결부를 형성함;을 포함하는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 3차원 기능 부품의 프린트 방법은 3차원 프린트 방법을 이용하여 상기 3차원 구조물의 적어도 하나의 추가 부분을 형성함을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 추가 부분은 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자를 적어도 부분적으로 덮는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가 부분은 상기 적어도 하나의 기능 전자 소자를 완전히 덮는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  41. 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 기능 전자 소자를 배치함에는 픽-앤-플레이스 조작이 포함되는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  42. 제38항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전자 소자를 배치함에는 3차원 프린트 방법이 포함되는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  43. 제38항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기능 전자 소자는 다수 존재하고, 상기 기능 전자 소자들 중 적어도 하나를 배치함에는 픽-앤-플레이스 조작이 포함되며, 상기 기능 전자 소자들 중 다른 것을 배치함에는 3차원 프린트 방법이 포함되는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  44. 제38항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3차원 프린트 방법은 다이렉트-라이트 제조, 파우더 베드(powder bed)에서의 잉크젯 프린트(inkjet printing), 파우더 베드의 선택적 레이저 소결(selective laser sintering), 스테레오리소그라피(stereolithography), 융합 적층 모델링(fused deposition modeling), 및 자외선 경화 수지(UV curable resin)의 다이렉트 잉크젯 프린트(direct inkjet printing)로 이루어진 군으로부터 선택되는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  45. 제38항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전성 상호연결부는 3차원 구조물에 부착된 적어도 하나의 고정 부분을 포함하고, 상기 적어도 하나의 고정 부분은 ASTM 테스트 방법 D3359 에 따라 수행되는 접합력 테스트를 통과하기에 충분한 접합 강도로 부착되는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  46. 제38항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전성 상호연결부는 도전성 입자(conductive particle)들의 침투 네트워크를 포함하는, 3차원 기능 부품의 프린트 방법.
  47. 적어도 두 개의 컴퓨터 제어식 모듈형 프린트 헤드(computer-controlled modular printhead)를 포함하는 3차원 프린터로서,
    상기 컴퓨터 제어식 모듈형 프린트 헤드들은 서로에 대해 인접하게 그리고 분리가능하게 장착되고, 각각의 프린트 헤드는 구조 필라멘트 및/또는 기능 필라멘트를 압출하기 위한 적어도 하나의 노즐(nozzle)을 포함하는, 3차원 프린터.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 컴퓨터 제어식 모듈형 프린트 헤드의 개수는 최대 8개인, 3차원 프린터.
  49. 제47항 또는 제48항에 있어서,
    상기 컴퓨터 제어식 모듈형 프린트 헤드들 중 적어도 하나는 고온에서의 압출을 위한 히터를 포함하는 고온 프린트 헤드인, 3차원 프린터.
  50. 제49항에 있어서,
    상기 고온 프린트 헤드는 압출되는 물질의 모노필라멘트(monofilament)의 연속적인 공급을 수용하도록 구성된, 3차원 프린터.
  51. 제47항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 제어식 모듈형 프린트 헤드들 중 적어도 하나는, 적어도 하나의 잉크 저장부에 연결되도록 구성된 실온(room-temperature) 프린트 헤드인, 3차원 프린터.
  52. 제51항에 있어서,
    상기 실온 프린트 헤드는 일정한 압력에서 공압식으로 구동되는 것인, 3차원 프린터.
  53. 제51항에 있어서,
    상기 실온 프린트 헤드는 일정한 변위 속도에서 기계적으로 구동되는 것인, 3차원 프린터.
  54. 제47항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 제어식 모듈형 프린트 헤드들 중 적어도 하나는 복수의 노즐을 포함하는, 3차원 프린터.
  55. 제47항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서,
    압출되는 필라멘트의 적층을 위하여, 상기 컴퓨터 제어식 모듈형 프린트 헤드의 아래에 놓인 기판을 더 포함하는, 3차원 프린터.
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