KR20170086554A - 마이크로 필라 어레이를 제조하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

마이크로 필라 어레이를 제조하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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산딥 우니크리시넌
롭 제이콥 헨드릭스
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네덜란제 오르가니자티에 포오르 토에게파스트-나투우르베텐샤펠리즈크 온데르조에크 테엔오
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Abstract

본 발명은 마이크로 필라 어레이(20)의 제조 방법 및 시스템을 제조 방법을 개시한다. 캐리어(11)에는 금속 잉크(20i)의 층이 제공된다. 고에너지 광원(14)은 상기 캐리어(11)와 상기 광원 사이의 마스크를 통해 금속 잉크(11)에 조사된다. 상기 마스크는 금속 잉크(20i) 내의 마이크로 필라 어레이의 단면 조사 이미지(cross-section illuminated image)를 상기 금속 잉크(20i) 상에 통과시키도록 형성되며, 상기 금속 잉크(20i)의 층 내의 마이크로 필라 어레이(20)의 제1 서브 섹션층(21)을 형성하도록 상기 금속잉크(20i)의 패턴화된 소결을 야기시킨다. 상기 금속 잉크(20i)의 추가층은 상기 마이크로 필라 어레이(20)의 제1 서브 섹션층(21)의 상부에 제공되고, 상기 마스크를 통해 상기 마이크로 필라 어레이 상에 제2 서브 섹션층(21)을 형성한다. 상기 공정은 고종횡비(high aspect ratio)의 마이크로 필라들(20p)을 형성하기 위해 반복 진행된다.

Description

마이크로 필라 어레이를 제조하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MANUFACTURING A MICROPILLAR ARRAY}
본 발명은 마이크로 필라 어레이 및 마이크로 필라 어레이를 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전력 수요가 증가하고 있는 세계에서 3D 배터리(3D batteries)는 부상하는 화제가 되고 있다. 3차원 마이크로 패턴 구조 상에 증착된 고상 박막 배터리(Solid state thin film batteries)는 높은 전력 밀도(power density) 및 높은 에너지 밀도(energy density)를 결합할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 마이크로 구조의 비표면적(specific surface area)은 배터리로부터 고전류를 인출할 수 있고, 빠르게 충전할 수 있다. 또한, 조밀한(densely packed) 미세 구조는 상대적으로 높은 체적의 에너지 스토리지를 가능하게 한다. 필라 구조(Pillar structures)는 유사한 종횡비(aspect ratio) 및 치수(dimension)를 갖는 다공성(porous) 구조 또는 관통 구조(perforated)에 비해 entire surface(전표면)의 쉬운 접근성으로 인하여 선호된다.
배터리 전극의 응용을 위해 기판 상에 고 종횡의 나노 필라 또는 나노 와이어를 제조하기 위한 다양한 방법이 문헌에 제안되어 있다. 예를 들면, US2009214956 AA, WO11094642 A1, US2007059584 AA, US2006216603 AA, US2012094192 AA를 참고한다. 구조물(structure)은 금속 또는 도핑된 실리콘으로 만들어진다. 예를 들어, 상기 방법은 나노포러스 템플렛(nanoporous template, 예를 들면, 전기화학적으로 식각된 실리콘 또는 양극 처리된 알루미늄) 내에 나노 와이어 물질의 증착하고. 후에 나노 와이어를 방출(release)하기 위한 템플레이트 용해를 포함한다. 생성된 나노 와이어는 수백 나노 미터 내지 수 마이크로의 다양한 크기와 수 마이크로 내지 수백 마이크로의 다양한 높이를 가질 수 있다.
불행하게도, 전착된(electrodeposited) 금속 나노 와이어와 관련된 기술들은 전형적으로 와이어가 쓰러지는 경향이 있기 때문에 충분한 높이(수백 마이크론 범위)를 갖는 와이어를 제조할 수 없다. 또한, 나노 미터 스케일의 높은 종횡비 구조는 마이크로 미터 스케일의 구조보다 상대적으로 적은 단위 체적당 충전 용량을 가질 수 있다. 또한, 몰딩 기술(molding technique, 예, US2012183732A1)을 사용하는 것은 비현실적이다. 또한, 실리콘 웨이퍼에 깊은 반응성 이온 식각(deep reactive ion etching)을 이용하여 마이크로 필라를 제조하는 것은 경제적으로 실행 가능하지 않을 수 있다. 실제로, 비용-효율(cost-effectivity)을 개선하기 위해, 저렴한 대면적 공정으로 비교적 저렴한 기판(예, 금속 호일) 상에서 구조물(structure)이 처리되는 것이 바람직하다.
따라서, 경제적으로 실행 가능한 고 종횡비의 전도성 마이크로 필라 구조(예를 들면, 3D 배터리 및 기타 응용의 사용)를 제공하기 위한 개선된 시스템, 방법 및 제품에 대한 요구가 여전히 존재한다.
미국공개특허 제2012-0183732호, "THREE-DIMENSIONAL MICRO-STRUCTURE, ARRANGEMENT WITH AT LEAST TWO THREE-DIMENSIONAL MICRO-STRUCTURES, METHOD FOR PRODUCING THE MICRO-STRUCTURE AND USE OF THE MICRO-STRUCTURE" 미국공개특허 제2012-0094192호, "COMPOSITE NANOWIRE COMPOSITIONS AND METHODS OF SYNTHESIS" 미국공개특허 제2009-0214956호, "LITHIUM-ION BATTERY" 미국공개특허 제2007-0059584호, "Electrode for use in electrochemical device, solid electrolyte/electrode assembly, and production method thereof" 미국공개특허 제2006-0216603호, "Lithium-ion rechargeable battery based on nanostructures" 국제공개특허 제WO2011-094642호, "NANO-COMPOSITE ANODE FOR HIGH CAPACITY BATTERIES AND METHODS OF FORMING SAME"
본 발명은 동일한 패턴을 사용하여 소결된 금속 잉크(sintered metal ink)의 추가 층(further layer)을 반복적으로 추가(adding)하여 고종횡비(high aspect ratio) 달성이 가능한 마이크로 필라를 포함하는 마이크로 필라 어레이를 제조하기 위한 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 개시의 제1 측면(aspect)은 마이크로 필라 어레이를 제조하기 위한 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 캐리어(carrier)를 유지(hold)하도록 형성된 플랫폼(platform)과 같은 수단(means)을 포함한다. 증착 수단(deposition means)은 금속 잉크(metal ink) 층을 상기 캐리어 상에 제공하도록 형성된다. 상기 증착 수단은 예를 들어, 상기 금속 잉크를 수용하기에 적합한 공급부(supply)가 제공되어야 한다. 상기 시스템은 상기 금속 잉크를 소결(sintering)이 가능한 광을 제공하도록 형성된 고 에너지 광원(high energy light source)을 포함하거나 결합된다. 마스크는 상기 광원과 상기 캐리어 사이에 배치될 수 있다. 상기 마스크는 상기 마이크로 필라 어레이의 단면 이미지(cross-section image)에 대응하여 광을 패터닝하는 마스크 패턴(mask pattern)을 포함한다. 상기 광원 및 상기 마스크는 상기 패터닝된 광이 금속 잉크의 층에 충돌(impinge)하여, 상기 금속 잉크에 패터닝된 소결(sintering)을 일으켜 상기 금속 잉크 내의 상기 마이크로 필라 어레이의 서브 섹션층(subsection　layer)을 형성하도록 구성된다. 컨트롤러는 정렬(arranged)되며, 마이크로 필라 어레이의 이전에 형성된 서브 섹션층(subsection layer) 상에 금속 잉크의 추가 층(further layer)을 반복적으로 제공하고, 이전에 형성된 서브 섹션층 상에 금속 잉크 상의 마이크로 필라 어레이의 추가 서브 섹션층을 형성하도록 추가 메탈 잉크 상에 패터닝된 광을 제공함으로써, 증착 수단(deposition means), 광원 및 마이크로 필라 어레이를 제조하기 위한 플랫폼을 제어하도록 배치(arrange) 및 프로그래밍(programmed)된다.
본 개시의 제2 측면은 마이크로 필라 어레이를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 캐리어에 금속 잉크의 층을 제공한다. 고에너지 광원은 상기 캐리어와 상기 광원 사이의 마스크를 통해 금속 잉크의 층에 조사한다. 상기 마스크는 상기 마이크로 필라 어레이의 단면 조사 이미지(a cross-section illuminated image)를 상기 금속 잉크로 통과시키도록 형성된다. 이는 상기 금속 잉크의 패턴화된 소결을 야기하여 금속 잉크 층에 상기 마이크로 필라 어레이의 제1 서브 섹션층(first subsection layer)을 형성할 수 있다. 금속 잉크의 추가 층은 상기 마이크로 필라 어레이의 상기 제1 서브 섹션층의 상부에 도포되고, 동일한 상기 마스크를 통해 조사되어 상부에 상기 마이크로 필라 어레이의 제2 서브 섹션(second subsection layer)을 형성할 수 있다.
본 개시의 제3 측면은 복수의 마이크로 필라들(micropillars)을 포함하는 마이크로 필라 어레이를 제공하고, 상기 마이크로 필라들은 퓨즈드 금속 입자들(fused metal particles)의 매트릭스(matrix) 내에 중합된 입자들(polymerized particles)을 포함하는 소결된 금속 잉크(sintered metal ink)의 주기적인 층상 구조(periodic layered structure)로 형성된다. 복수의 마이크로 필라들은 상기 미이크로 필라들을 연결하는 호일 상에 배치되고, 호일은 마이크로 필라들과 동일하게 소결된 금속 잉크로 형성된다. 상기 마이크로 필라들은 전기 도금(electroplating)으로 얻어지는 매끄러운 외면 금속층(smooth exterior metal layer)으로 둘러싸일 수 있다. 상기 마이크로 필라 어레이는 예를 들면, 배터리의 일부로서 전극을 형성한다.
금속 잉크는 예를 들어, 중합체 매트릭스(polymer matrix)에 용해되거나 다른 용매에 분산되는 것과 같은 전형적인 금속 나노 입자(metal nanoparticles)의 현탁액(suspension))을 포함한다. 열 및/또는 압력에 의한 상기 금속 잉크의 소결은 예를 들면, 금속 입자의 퓨징(fusing) 및/또는 매트릭스의 중합(polymerization 과 같은 응고(solidification)로 이어질 수 있다. 고에너지 광 패턴을 사용하여 상기 금속 잉크를 소결시켜, 도전성 고체 구조(conductive solid structure)가 간단한 방식으로 제조될 수 있다. 마스크는 필라들의 마이크로 미터 크기 단면(micrometer scaled cross-section)을 형성하기 위해 상기 광 패턴(light pattern)을 형성할 수 있다. 동일한 패턴을 사용하여 소결된 금속 잉크(sintered metal ink)의 추가 층(further layer)을 반복적으로 추가(adding)하여 고종횡비(high aspect ratio)를 달성하기 위해 상기 마이크로 필라들의 높이를 증가시킬 수 있다. 상기 마이크로 필라들 사이의 미소결된 물질(Non-sintered material)은 추가 층을 추가하는 동안 붕괴(collapse)를 방지하는 지지(support)를 제공한다. 이 기술은 특정 기판(예를 들면, 실리콘)에 의존하지 않고, 대량 생산으로 확장될 수 있다. 따라서, 고 종횡-고 종횡비 도전성 마이크로 필라들을 경제적인 방법(economically-viable way)으로 제조할 수 있다.
상기 마이크로 필라 어레이를 제작한 후, 상기 마스크를 제거하고, 상기 어레이 상에 소결된 금속 잉크(sintered metal ink)의 추가층을 제공하며, 상기 패터닝되지 않은 층(unpatterned layer)은 상기 필라들을 연결하는 금속 호일을 포함하는 베이스 섹션(base section)을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 필라들과 동일한 물질의 저렴한 기판(cheap substrate)이 제조된다. 상기 소결되지 않은 부분들은 예를 들면, 생산 화료 후에 식각에 의해 공간적으로 분리된 필라들의 어레이를 제공할 수 있다. 상기 소결된 마이크로 필라들은 전기도금(electroplating)에 의해 구조(structure)가 강해지고 계면이 매끄러워(smoothened)질 수 있다.
배터리(battery)에 사용하기 위한 원하는 기능을 달성하기 위해, 상기 마이크로 필라들은 바람직하게는 소정의 치수(dimension) 범위 내에서 제조될 수 있다. 바람직하게는, 상기 마이크로 필라들은 1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터 범위의 단면 직경(cross-section diameter)을 가진다. 바람직하게는, 상기 마이크로 필라들은 상기 필라들의 직경의 1.5배 내지 5배의 피치 주기(pitch period)로 주기적으로 배열된다. 바람직하게는, 상기 필라들의 높이 대 직경의 비(height to diameter ratio)는 20 내지 200 범위이다. 예를 들면, 상기 마이크로 필라들은 복수의 서브 섹션층들을 사용하여 형성될 수 있고, 예를 들면, 30개 이상의 층, 더 바람직하게는 40개 이상의 층 또는 더 나아가, 예를 들면 50층 내지 200층 사이일 수 있다. 상기 서브 섹션 층들의 두께는 고해상도로 적절히 소결(sintering)하기 위해 바람직하게는 2 마이크로미터 미만(특히, 짧은 광 펄스(shorter light pulse)가 사용되는 경우, 즉 500마이크로초(microseconds) 미만), 더욱 바람직하게는 1.5 마이크로 미터, 가장 바람직하게는 1 마이크로미터 미만이다.
마이크로미터 크기의 금속 잉크 층의 적절한 소결을 제공하기 위해, 상기 광원은 의도하지 않은 부분(non-intended parts)의 불필요한 가열(unwanted heating)이 발생하지 않을 정도의 충분한 전력 밀도(power density)를 제공해야 한다. 따라서, 상기 금속 잉크의 층에 1 내지 100 kw/cm2(kilowatts per square centimetre)의 펄스 전력 밀도(pulse power density)를 제공하는 것이 유리하고, 바람직하게는, 3 내지 30 kw/cm2의 사이이다. 상기 금속 잉크의 층의 측면 열 흐름(lateral heat flow)(패턴 해상도에 영향을 미침)에 따라, 바람직하게는 30 내지 10000 마이크로초, 사이의 펄스 길이(pulse length)를 갖는 마이크로초 광 플래시(microsecond light flash)가 사용되고, 바람직하게는 100 내지 1000 마이크로초이다. 예를 들면, 상기 금속 잉크의 층에서의 펄스 에너지 밀도(pulse energy density)는 0.03 내지 30J/cm2(Joule per square centimetre) 사이, 바람직하게는 1 내지 5J/cm2사이이다. 광화학 공정(photochemical processe)을 방지하고, 열에 의한 소결을 향상시키기 위해, 상기 광원은 상기 금속 잉크(물질 및 입자 크기에 따라)에 의해 흡수될 수 있는 광 스펙트럼(light spectrum)을 생성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 40nm의 평균 입자 크기를 갖는 은 잉크의 경우, 최적의 흡수는 400 내지 450nm의 파장 범위에 있다. 원하는 특성은 예를 들면, 고 에너지 플래시 램프(high energy flash lamp)를 사용하여 얻을 수 있다. 바람직하게는, 상기 마이크로 필라들의 패턴은 단일 광 플래시(single light flash)를 사용하여 소결된다.
상기 캐리어를 투명하게함으로써, 상기 금속 잉크 층(metal ink layer)을 통과하는 광은 상기 캐리어에서 흡수되지 않고, 만약 그렇지 않으면 흡수는 상기 캐리어의 가열을 초래할 수 있다. 상기 캐리어의 가열을 방지함으로써, 상기 투사된 광 패턴(projected light pattern)을 통해 금속 잉크가 상기 캐리어를 통해 간접적으로 소결되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 상기 캐리어가 가열될 때, 상기 금속 잉크의 측면 가열(lateral heating)이 일어날 수 있다. 예를 들어, 상기 캐리어는 상기 광원으로부터의 상기 광에 대해 비교적 낮은 흡수 계수(absorption coefficient)를 가질 수 있고, 예를 들면 0.1 /m(per meter) 미만, 0.01 /m(per meter) 미만 또는 0.001/m(per meter) 미만이다. 대안적 또는 부가적으로, 플랫폼은 상기 캐리어로부터 열을 끌어내기(drawing) 위해 상기 캐리어와 열접촉(thermal contact)하는 히트싱크(heat sink)로서 작용하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 플랫폼의 열전도율(thermal conductivity)은 상기 캐리어의 열전도율의 10배 이상이고, 바람직하게는 20배 이상, 더 바람직하게는 30배 이상 또는 그 이상, 예를 들면, 40 내지 100배 사이이다. 예를 들면, 유리 캐리어는 0.9 W/m/K의 열전도율을 가질 수 있는 반면, 강철 플랫폼(steel platform)은 36 W/m/K의 열전도율을 가질 수 있다. 캐리어의 비교적 낮은 열전도율는 상기 금속 잉크의 층으로부터 열을 끌어내는 것을 방지하는데 도움을 줄 수 있고, 그렇지 않으면 상기 잉크의 소결을 방해할 수 도 있다. 또한, 소결된 부분으로부터 상기 금속 잉크의 층의 소결되지 않은 부분까지 열이 측면 방향으로 전도되는 것을 방지하여 패턴 해상도를 향상시킬 수 있다). 따라서, 캐리어는 10 W/m/K 미만의 열전도율을 갖는 것이 바람직하고, 바람직하게는 5 W/m/K 미만, 2 W/m/K 미만 또는 훨씬 더 낮은, 1.1 내지 1 W/m/K범이다. 상기 금속 잉크의 열전도율(코팅 및 건조 후)은 0.1 내지 1 W/m/K의 범위이다. 소결 후에 상기 금속 입자가 합쳐져(merge)지고, 물질 타입 및 입자의 결합(merge) 또는 소결 레벨에 따라 열전도율이 증가한다(After sintering the metal particles merge and the thermal conductivity increases, depending on the level of sintering or merging of particles and material type). 적절한 소결을 위해 상기 금속 잉크는 코팅된 후 적절히 건조(거의 무용매)되어야 한다.
바람직하게는, 고정된 마스크 패턴(fixed mask pattern)을 갖는 스태틱 마스크(static mask)는 상기 마이크로 필라 어레이의 다수의 반복된 층들(many repeated layers)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 그 사이에 광학 컴포넌트들이 없는 상기 금속 잉크의 층 위에 직접적으로 마스크를 배치함으로써, 광학 컴포넌트(optical component)로 인한 손실이 최소화될 수 있다. 금속 잉크의 각각의 후속 층에 조사(irradiating)하기 전에 상기 플랫폼을 상기 마스크에 대해 상대적으로 이동시키면서 그 사이의 간격이 고정될 수 있다. 최적의 해상도를 제공하기 위해, 바람직하게는 상기 마스크와 패턴화될 금속 잉크의 최상층(top layer) 사이의 거리는 0.2 mm(millimeter) 미만, 바람직하게는, 0.1mm 미만, 예를 들면, 10 내지 100μm(micrometer) 사이 또는 미만일 수 있다. 상기 플랫폼을 상기 마이크로 필라 어레이의 각각의 후속 층에 대한 증착 영역(deposition section)과 조사 영역(irradiation section) 사이의 전후(back and forth)로 이동시킴으로써, 상기 마스크는 상기 최상부 잉크 층(top ink layer)으로부터 가까운 거리(small distance)에서 정지 상태(stationary)로 남아있을 수 있고, 추가 층(further layer)들을 신속하게 증착할 수 있다. 예를 들면, 층들은 층 두께를 조절하기 위해 유출 개구(outflow opening)를 포함하는 코팅 헤드(coating head)에 의해 증착될 수 있다.
본 발명은 동일한 패턴을 사용하여 소결된 금속 잉크(sintered metal ink)의 추가 층(further layer)을 반복적으로 추가(adding)하여 고종횡비(high aspect ratio) 달성이 가능한 마이크로 필라를 포함하는 마이크로 필라 어레이를 제조하기 위한 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 동일한 패턴을 사용하여 소결된 금속 잉크(sintered metal ink)의 추가 층(further layer)을 반복적으로 추가(adding)하여 고 종횡-고 종횡비 도전성 마이크로 필라들을 경제적인 방법(economically-viable way)으로 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 특정 기판(예를 들면, 실리콘)에 의존하지 않고, 마이크로 필라 어레이를 대량 생산할 수 있다.
본 개시 내용의 상세한 설명의 장치, 시스템 및 방법의 특징들(features), 다른 특징들, 측면들(aspects) 및 이점들(advantages)은 다음의 설명, 첨부된 청구항 및 첨부 도면으로부터 더 잘 이해될 것이다:
도 1a-1c는 마이크로 필라 어레이를 제조하기 위한 실시예를 개략적으로 도시한다;
도 2a-2c는 마이크로 필라 어레이를 제조하기 위한 실시예의 추가 단계를 개략적으로 도시한다;
도 3a-3b는 마이크로 필라 어레이를 제조하기 위한 시스템을 개략적으로 도시한다;
도 4는 마이크로 필라 어레이를 제조하기 위한 실시예의 등각 투상도(isometric view)를 개략적으로 도시한다;
도 5는 마이크로 필라 어레이의 실시예를 개략적으로 도시한다;
도 6a는 플래쉬 펄스(flash pulse)의 측정된 펄스 형상을 도시한다;
도 6b는 플래쉬 노출의 온도 프로파일의 시뮬레이션을 도시한다.
다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모둔 용어(기술 및 광학 용어 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는 것이고, 설명 및 문맥에서 읽은 것으로 이해되어야 한다. 그 용어는 더욱이 일반적으로 사용되는 사전에서 정의되는 용어와 같은 용어는 관련 기술의 맥락에서 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야하고, 여기서 명시적으로 정의되지 않는 한, 이상적이거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되어서는 안된다. 몇몇의 경우들에서, 잘 알려진 장치 및 방법에 대한 상세한 설명은 본 시스템 및 방법의 설명을 모호하게 하지 않도록 생략될 수 있다. 특정 실시예를 설명하기 위해 사용된 용어는 본 발명은 제한(limiting)하는 것이 아니다. 본원에서 사용된 단수 형태 "a", "an" 및"the"는 문맥상 다르게 지시하지 않는 한 복수 형태를 포함하고자 한다. "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 관련 열거된 항목의 모든 조합을 포함한다. "포함하다" 및/또는 "포함하는" 용어는 명시된 특징의 존재를 나타내지만 하나 이상의 다른 특징의 존재 또는 추가를 배체하지 않는 것으로 이해될 것이다. 방법의 특정 단계가 다른 단계에 차후(subsequent)에 언급될 때, 별도로 명시하지 않는 한, 상기 다른 단계를 직접 수행할 수 있거나 또는 하나 이상의 중간 단계가 특정 단계를 수행하기 전에 수행될 수 있다. 마찬가지로, 구조들(structures) 또는 부품들(components) 간의 연결이 기술될 때, 이 연결은 별도로 명시하지 않는 한 직접 또는 중간 구조나 부품을 통해 확립될 수 있다. 본 명세서에 언급되 모든 간행물, 특허 출원, 특허 및 기타 참고 문헌은 그 전체가 참고 문헌으로 인용된다. 갈등(conflict)이 있는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서에 의해 제어(control)될 것이다.
본 발명은 이하 본 발명의 실시예가 도시된 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구체화될 수 있고, 여기에 설명된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려 이러한 실시예들은 본 개시가 철저하고(thorough), 완전해질 수 있도록 제공되고, 당업자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달할 것이다. 예시적인 실시예들의 설명은 첨부된 도면들과 관련하여 읽어지도록(read) 의도되고, 이는 첨부된 도면 전체의 일부분으로 간주되어야 한다. 도면에서 시스템, 부품, 층 및 영역의 절대적 및 상대적인 크기는 명확하게하기 위해 과장될 수 있다. 실시예는 본 발명을 가능한 이상적인 실시예 및 중간 구조물은 단면도 및/또는 개략도를 참조하여 설명될 수 있다. 설명 및 도면에서 동일한 번호는 동일한 요소를 지칭한다. 상대적인 용어 및 그의 파생어는 다음에 설명되거나 논의되는 도면에서 도시된 방향(orientation)으로 참조하여 해석되어야 한다. 이러한 상대적인 용어는 설명의 편의를 위한 것이고, 별도로 명시하지 않는 한 시스템을 특정 방향으로 구성하거나 행할(operated) 필요 없다.
도 1a-1c는 마이크로 필라 어레이를 제조하기 위한 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 캐리어(11)에는 금속 잉크(20i)의 층이 형성된다. 실시예에서 캐리어는 별도(separate)의 플랫폼(12)에 의해 지지된다. 또는 캐리어와 플랫폼을 단일 부품(single piece)으로 통합할 수 있다. 고에너지 광원(14)은 금속 잉크(20i)의 층을 조사하는데 사용된다. 광원(14)의 광(L)은 캐리어(11)와 광원 사이의 마스크(13)를 통해 패터닝된다. 마스크(13)는 마이크로 필라 어레이의 단면 조사 이미지(cross-section illuminated image)를 금속 잉크(20i) 상에 통과시키도록 형성된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 금속 잉크(20i)의 패턴화된 소결을 야기하여 금속 잉크(20i)의 층 내의 마이크로 필라 어레이(20)의 제1 서브 섹션층(21)을 형성할 수 있다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 금속 잉크(20i)의 추가 층(further layer)이 마이크로 필라 어레이(20)의 제1 서브 섹션층(21; first subsection layer)의 상부에 적용된다. 추가 층은 다시 마스크(13)를 통해 조사되어 마이크로 필라 어레이(20) 상에 제2 서브 섹션층(21; second subsection layer)을 형성한다. 이 과정(process)은 필라들의 높이를 계속(continue) 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서는, 마스크(13)는 마이크로 필라 어레이(20)의 단면(cross-section)의 고정된 마스크 패턴(fixed mask pattern; 13p)을 포함하는 스태틱 마스크(static mask)이다. 일 실시예에서, 마스크(13)는 그 사이에 광학 요소가 없는 금속 잉크(20i)의 층 상에 배치된다.
일 실시예에서, 캐리어(11)는 광원(14)의 광에 대해 투명하다. 일 실시예에서, 플랫폼(12)은 캐리어(11)의 열에 의한 금속 잉크(20i)의 소결을 방지하고, 캐리어(11)로부터 열을 끌어내기(drawing) 위해 캐리어(11)와 열접촉(thermal contact)하는 히트싱크(heat sink)로서 작용하도록 구성된다. 일 실시예에서, 플랫폼의 열전도율은 캐리어의 열전도율의 10배 이상이다.
도 2a-2c는 마이크로 필라 어레이를 제조하기 위한 실시예의 추가 단계를 개략적으로 도시한다.
일 실시예에서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 본 방법은 마이크로 필라 어레이(20)의 복수의 서브 섹션층들(21, 22, 23, 24)을 형성한 후에 광원(14)과 캐리어(11)사이의 마스크(13)를 제거한다. 일 실시예에서, 금속 잉크(20i)의 추가 층은 복수의 서브 섹션층들(21, 22, 23, 24) 중 마지막으로 형성된 서브 섹션층(24) 상에 제공된다. 또한, 패턴화되지 않은 광(L; 마스크(13)가 없는)은 금속 잉크(20i)의 추가 층 상에 방사(radiated)되어 마지막으로 형성된 서브 섹션층(24) 상에 금속 잉크(20i) 내의 마이크로 필라 어레이(20)에 이어지는(continuous) 베이스 섹션(base section; 29)을 형성한다. 따라서, 베이스 섹션(29)은 어레이(20)의 필라들(20p)을 연결하는 금속 호일을 형성할 수 있다.
일 실시예(미도시)에서, 상기 방법은 캐리어 상에 하나 이상의 금속 잉크의 층들을 블랭킷(blanket) 또는 패턴화되지 않은 광으로 소결을 시작하고, 그 다음 라들의 패턴화된 소결을 진행한다. 이 경우, 마지막 단계에서 패턴화되지 않은 광 소결이 필요하지 않다. 선택적으로, 캐리어는 금속 잉크의 제1 층(first layer of metal ink)을 형성하기 전에 접착/분리 층(adhesion/release layer)을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 선택적으로 소결 구조(sintered structure)는 캐리어에 영구적으로 부착(permanently attached) 될 수 있다. 이러한 방식으로, 최종 식각 후, 필라들은 캐리어 상에 바르게 세워(standing upright)지고, 캐리어는 최종 구조의 필수 부분이 될 수 있다. 이 경우, 분리층(release layer)은 필요없지만, 접착층(adhesion layer)은 여전히 유용할 수 있다.
일 실시예에서, 캐리어(11)는 희생층(미도시)를 포함하고, 금속 잉크(20i)의 제1 층은 캐리어(11)의 희생층 상에 증착되고, 캐리어(11)로부터의 마이크로 필라 어레이(20)는 희생층을 분해(disintegrating)시킴으로써 제조 후에 분리(released)된다. 예를 들어, 제1 금속 잉크 층(first metal ink layer)과 캐리어의 유리판 사이에 희생 접착/분리 층(sacrificial adhesion/release layer)(플래시 광으로 경화 가능)이 있다. 이러한 접착/분리 층은 완전히 공정(complete processing)을 진행한 후에 최종 필라 구조의 용이한 분리를 가능하게 할 수 있다. 예를 들면, 접착/박리 층은 패턴화될 필요 없고, 전체(all over)에 코팅되어 경화될 수 있다.
일 실시예에서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 방법은 금속 잉크(20i)의 소결되지 않은 부분(20l)을 식각하여 공간적으로 분리된 필라들(20p)의 어레이를 제공한다. 실시예가 도 2a의 공정에 의해 얻어진 호일(29)과 조합하여 도시된 실시예에서는, 예를 들어, 필라들이 여전히 캐리어(11)에 연결되는 경우, 식각이 또한 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 방법은 마이크로 필라 어레이(20)를 전기 도금하는 것을 포함한다. 실시예가 도 2a의 공정에 의해 얻어진 호일(29)과 조합하여 도시된 실시예에서는, 예를 들어, 필라들이 여전히 캐리어(11)에 연결되는 경우, 전기 도금이 또한 적용될 수 있다.
일 측면에 따르면, 본 명세서에서 설명된 방법 및 시스템은 배터리를 제조하는데 사용된다. 예를 들어, 하나의 방법은 본 명세서에 기재된 바와 같은 마이크로 필라 어레이(20)를 제조하고, 마이크로 필라 어레이(20)를 배터리 내의 전극의 일부로서 집적(integrating)한다. 따라서, 본 명세서에 기술된 바와 같은 집적된 마이크로 필라 구조, 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 전극의 일부로서 갖는 배터리가 얻어질 수 있다.
도 3a 내지 3b는 마이크로 필라 어레이(20)를 제조하기 위한 시스템(100)을 개략적으로 도시(예를 들면, 여기서 설명되어 구현된 방법)한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 시스템(100)은 캐리어(11)를 지지하도록 형성된 플랫폼(12)을 포함한다. 시스템은 금속 잉크(metal ink; 20i)의 공급부(supply; 15s)를 포함하는 증착 수단(deposition means; 15)을 더 포함한다. 증착 수단(15)은 캐리어(11) 상에 금속 잉크(20i)의 층을 제공하도록 형성된다. 시스템(100)은 금속 잉크(metal ink; 20i)를 소결(sintering)이 가능한 광(light; L)을 제공하도록 형성된 광원(light source; 14)을 포함한다. 시스템은 광원(14)과 캐리어(11) 사이에 마스크(13)를 포함한다. 마스크(13)는 마이크로 필라 어레이(20)의 단면 이미지(cross-section image)에 대응하여 광(L)을 패터닝하는 마스크 패턴을 포함한다. 광원(14) 및 마스크(13)는 패터닝된 광이 금속 잉크(20i)의 층에 충돌(impinge)하여, 금속 잉크(20i)에 패터닝된 소결(sintering)을 일으켜 금속 잉크(20i) 내의 마이크로 필라 어레이(20)의 서브 섹션층(subsection layer)을 형성한다. 시스템은 마이크로 필라 어레이(20)를 제조하기 위해 증착 수단(15), 광원(14) 및 플랫폼(12)을 제어하도록 프로그래밍(programmed)되고, 정렬(arranged)된 컨트롤러(controller; 30)를 포함한다.
일 실시예에서, 컨트롤러는 프로그램 명령어(program instruction)들의 영향(influence) 하에서 시스템의 부분들(parts)을 제어하도록 형성된다. 프로그램 명령어는 예를 들어 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(computer readable storage medium) 상에 구현(embodied)될 수 있다. 프로그램 명령어는 예를 들어 프로그래머블 또는 전용 회로(dedicated circuitry)와 같은 소프트웨어 또는 하드웨어로 구성될 수 있다. 전형적으로, 저장 매체(storage medium)는 컨트롤러에 연결되어 작동된다. 예를 들면, 저장 매체는 메모리 또는 다른 저장 매체, 예를 들면 컨트롤러에 액세스할 수 있는 하드 디스크일 수 있다. 저장 매체는 컨트롤러의 일부로서 부분적으로 또는 완전히 집적될 수 있고, 예를 들면 RAM 또는 ROM이다. 저장 매체는 또한 컨트롤러와 분리될 수 있다.
일 실시예에서, 프로그램 명령어들은 컨트롤러에 의해 실행될 때, 컨트롤러가 증착 수단 및 가능하게는 플랫폼과 같은 시스템의 부품을 제어하고, 마이크로 필라 어레이(20)의 이전에 형성된 서브 섹션층(21) 상에 금속 잉크(20i)의 추가 층을 형성한다. 또 다른 실시예에서, 프로그램 명령어들은 컨트롤러에 의해 실행될 때, 컨트롤러가 증착 영역에 플랫폼을 위치시키게 하고, 예를 들면 증착 수단에 인접하게 위치시키게 하고, 증착 수단을 제어하여 금속 잉크의 추가 층을 증착시킨다. 또 다른 추가적인 실시예에서, 프로그램 명령어들은 컨트롤러에 의해 실행될 때, 컨트롤러가 광원 및 가능한 플랫폼 및/또는 마스크와 같은 시스템의 부분을 제조하고, 패턴화된 광(L)을 금속 잉크(20i)의 추가 층 상에 제공하여 이전에 형성된 서브 섹션층(21) 상에 금속 잉크(20i) 내의 마이크로 필라 어레이(20)의 추가 서브 섹션층(further subsection layer; 22) 형성한다. 추가 실시예에서, 프로그램 명령어들은 컨트롤러에 의해 실행될 때, 컨트롤러가 패터닝된 광을 투영 영역(projection area)에 투영하도록 광원을 제어하기 전에 패터닝된 광의 투영 영역에 플랫폼을 위치시킨다. 일 실시예에서, 시스템은 증착 영역과 투영 영역 사이를 이동하도록 구성된 왕복 플랫폼(reciprocating platform)을 포함한다. 일 실시예에서, 프로그램 명령어들은 컨트롤러에 의해 실행될 때, 컨트롤러가 복수의 서브 섹션 층들을 포함하는 마이크로 필라 어레이가 형성될 때까지 금속 잉크의 추가 층을 제공하도록 상기 단계들은 반복적으로 실행한다.
일 실시예에서(미도시), 컨트롤러(30)는 프로그래밍(programmed) 및 정렬(arranged)되어 마이크로 필라 어레이(20)의 복수의 서브 섹션층들(21, 22, 23, 24)을 제조(building)한 후, 광원(14)과 캐리어(11) 사이의 마스크(13)를 제거; 복수의 서브 섹션층들(21, 22, 23, 24) 중 마지막으로 형성된 서브 섹션층(24) 상에 금속 잉크(20i)의 추가 층을 형성; 및 마지막으로 형성된 서브 섹션층(24) 상에 금속 잉크(20i) 내의 마이크로 필라 어레이(20)에 이어지는(continuous) 베이스 섹션(base section; 29)을 형성하기 위해 패턴화되지 않은 광(L)을 제공하며, 베이스 섹션(29)은 어레이(20)의 필라들(20p)을 연결하는 금속 호일을 형성한다.
일 실시예에서, 시스템(100)은 금속 잉크(20i)의 소결되지 않은 부분들(non-sintered parts; 20l)을 식각하여 공간적으로 분리된 필라들(20p)의 어레이를 규정(provide)하는 식각 수단(etching means; 예; 도 2b에 도시된 참조 40)을 더 포함한다.
일 실시예에서, 시스템(100)은 마이크로 필라들(20p)의 경계면(interface)을 매끄럽게(smoothing) 하기 위해 금속 잉크(20i)의 소결 부분들(sintered parts; 20s)을 전기 도금하는 전기도금 수단(electroplating means; 예; 도 2c의 참조 50)을 더 포함한다.
일 실시예에서, 컨트롤러(30)는 마스크(13)와 조사된 금속 잉크(20i)의 각각의 후속층(subsequent layer) 사이의 거리(d)를 고정하기 위해 금속 잉크(20i)의 각각 후속층(subsequent layer)을 조사하기 전에 마스크(13)에 대해 멀어지도록 플랫폼(12)을 이동시키도록 프로그래밍된다. 일 실시예에서, 컨트롤러(30)는 마스크와 패턴화될 금속 잉크의 최상층(top layer) 사이의 고정된 거리(d)는 유지하도록 구성되고, 예를 들면, 거리(d)는 0.1mm 미만일 수 있다.
일 실시예에서, 시스템(100)은 증착 수단(15)을 포함하는 증착 영역(A1); 및 마스크(13) 및 광원을 포함하는 조사 영역(irradiation section; A2)을 포함한다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 실시예에서, 컨트롤러(30)는 마이크로 필라 어레이(20)의 각각 후속 층(subsequent layer; 21, 22)에 대해 증착 영역(A1)과 조사 영역(A2) 사이에 플랫폼(12)을 전후(back and forth)로 이동시키도록 프로그램된다.
일 실시예에서, 증착 수단(15)은 유출 개구(outflow opening; 15o)를 포함하는 코팅 헤드(coating head; 15h)를 포함하고, 컨트롤러(30)는 금속 잉크(20i)의 층을 증착하기 위해 유출 개구(15o)에 대해 플랫폼(12)을 이동시키도록 프로그램된다. 또한, 다른 증착 방법이 사용될 수 있다. 대안적 또는 부가적으로, 캐리어(11)는 증착 수단으로서 작용하는 금속 잉크를 포함하는 용기에 침지될 수 있다. 예를 들어, 캐리어는 각 후속 층(subsequent layer)에 대해 용기(vat)로 낮춰질 수 있다.
일 실시예에서, 광원은 금속 잉크(20i)를 소결할 수 있는 라이트 플래시(L)를 제공하도록 형성된 고에너지 플래시 램프(14)이다. 일 실시예에서, 광원은 20 내지 30 ㎲(마이크로초) 사이의 펄스 길이(pulse length)를 갖는 라이트 플래시(L)를 제공하도록 형성된다. 일 실시예에서, 광원은 금속 잉크(20i)의 층에 펄스 에너지 밀도(pulse energy density)는 0.5 내지 5J/cm2(Joule per square centimetre) 사이의 라이트 플래시(L)를 제공하도록 구성된다. 일 실시예에서, 광원은 금속 잉크(20i)의 층에 펄스 전력 밀도(pulse power density)가 10 내지 100 kw/cm2(kilowatts per square centimetre) 사이의 라이트 플래시(L)를 제공하도록 구성된다. 일 실시예에서, 광원은 >700nm의 적외선 파장 범위에 주로(predominantly) 존재하는 스펙트럼을 갖는 광 플래시(L)를 제공하도록 구성된다. 플래시 램프가 본 방법 및 시스템을 위한 바람직한 광원이지만, 대안적 또는 부가적으로 레이저가 사용될 수 있다.
도 4는 캐리어(11) 상에 마이크로 필라 어레이(20)를 제조하기 위한 실시예의 등각도(isometric view)를 개략적으로 도시한다. 본 실시예에서, 광(L)은 마스크 패턴(13p)을 포함하는 마스크(13)를 금속 잉크(20i)의 최상층 상에 투영(projected)된다. 도시된 바와 같이, 마스크 패턴(13p)은 생성된 필라들(20p)의 단면 패턴(cross-section pattern)에 대응된다. 일 실시예에서, 마스크에 의해 투영된 단면 이미지(cross-section image)는 어레이(20)를 형성하는 마이크로 팔라들(20p)에 대응하는 다수의 단면 형상들(cross-section shapes)을 포함하고, 각각의 단면 형상은 1 내지 100마이크로미터 범위의 직경(diameter)을 갖는다.
도 5는 복수의 마이크로 필라들(20p)을 포함하는 마이크로 필라 어레이(20)의 실시예를 개략적으로 도시한다. 마이크로 필라들(20p)은 퓨즈드 금속 입자(fused metal particles)의 매트릭스(matrix) 내에 중합된 입자(polymerized particles)를 포함하는 소결된 금속 잉크(sintered metal ink)의 주기적인 층상 구조(periodic layered structure)로 형성된다. 일 실시예에서, 어레이(20)의 마이크로 필라들(20p)은 형상이 직경(D1)의 1.5배 내지 5배 사이의 피치 주기(pitch period; D3)로 주기적으로(periodically) 배열된다. 일 실시예에서, 팔라들(20p)는 필라들(20p)의 높이(D2)와 필라들(20p)의 직경(D1) 사이의 비 D2:D1을 가지고, 여기서 D2:D2의 비는 20 내지 200 범위이다. 일 실시예에서, 필라들(20p)은 30개 이상의 서브 섹션층(21, 22, 23, 24)을 포함한다. 물론, 실직적으로 둥근 단면 형상(round cross-section shape)을 갖는 필라들을 도시하였지만, 필라들은 다른 단면 형상 예를 들면 정사각형, 직사각형 등등을 가질 수 있다. 직경(D1)은 일반적으로 예를 들면, 그 길이(D2)를 횡단하는(transverse) 필라의 가장 넓은 단면으로 연장된다.
일 실시예에서, 다수의 마이크로 필라들(20p)은 마이크로 필라들(20p)을 연결하는 호일(29) 상에 배치되고, 호일(29)는 마이크로 필라들(20p)과 동일한 소결된 금속 잉크로 형성된다. 일 실시예에 있어서, 마이크로 필라들(20p)은 전기 도금에 의해 얻어지는 매끄러운 외면 금속층(smooth exterior metal layer)으로 둘러싸일 수 있다. 일 실시예에서, 금속 잉크는 액체 폴리머 매트릭스(Pol) 내에 금속 입자의 현탁액(suspension)을 포함한다. 일 실시예에서 금속 잉크는 은(Ag) 입자들을 포함한다. 예를 들면, 작은 삽입체(small inset)는 중합된 물질(어두운 색) 사이에 있는 퓨즈드 은 입자(밝은 색)의 현미경 이미지를 보여준다. 실시예에서, 도시된 바와 같이 퓨즈드 금속 입자들(잉크 유래)은 여전히 30 내지 200nm의 식별 가능한 입자 크기(직경)를 갖는다.
도 6a는 고에너지 플래시 램프에 의해 생성된 플래시 펄스(flash pulse)의 측정된 전형적인 펄스 형상(예; 여기어 사용된)을 도시한다.
도 6b는 플래쉬 노출의 온도 프로파일의 시뮬레이션을 도시한다.
시뮬레이션에 따르면, 65㎲의 펄스 폭이 사용되고, 15 마이크론 피치와 5 마이크론 기공 개구(pore opening)를 갖는 마스크를 통해 수행된다. 시뮬레이션은 1.25 마이크론 두께의 금속 잉크의 한 개의 층에 대해 수행된다. 시뮬레이션에 사용된 잉크 성질(properties)은 실험 측정에서 파생되었으고 다음과 같이 나열된다: 은 입자 크기(Ag particle size): 50nm, 밀도: 7000kg/m3, 열 용량(Heat capacity): 400J/kgK, 열전도율(Thermal conductivity); 0.35W/mK(입자가 합쳐(merge)질 때 이는 빠르게 증가할 것이다). 동시에, 비교 가능한 조건으로, 벌크 저항률(bulk resistivity)이 3배인 소결 층(sintered layer)이 얻어 졌다(도 5 삽입 그림 참조).
전체적으로, 달성할 수 있는 스폿 직경(spot diameter), 간격(spacing) 및 경화된 층 두께(cured layer thickness)는 서로 관련이 있는 것으로 밝혀졌다. 상기 층의 두께가 높을수록 소결을 위해 더 많은 전력(power)을 상기 층에 투입해야 한다. 그러나, 더 높은 전력(higher power)은 더 많은 열 영향을 받는 존(heat-affected zone)을 의미하고, 이는 스폿의 해상도(resolution)와 간격(spacing)에 영향을 미친다. 기판의 열전도율에 따라 필요한 펄스 길이(pulse length)가 결정된다. 유리는 이 공정이 작동하는 데 필요한 열 완충층(thermal buffer layer) 역할을 하므로, 바람직하게는 유리 기판은 재현 가능한 결과를 얻기 위해 테이블에 의해 냉각된다. 단일 층(single layer)이 경화되면 테이블 또는 플랫폼을 낮추고 후속 층(subsequent layer)을 만들 수 있다. 코팅-경화-하강(coating-curing-lowering)의 사이클에 의해 원하는 필라 높이가 달성될 수 있다. 최종 필라들 구조(final pillars structure)는 기판으로부터 분리(releasing)된 후에, 배터리 층을 증착하기 위한 매끄러운 표면(smooth surface)을 얻기 위해 전기도금 될 수 있다.
이러한 방법으로 형성된 필라들의 해상도와 높이는 다음과 같은 많이 매개 변수에 의해 결정된다: 금속 잉크 성질(열전도율, 입자 크기, 폴리머 함량 등), 기판/캐리어 성징(열전도율, 열화 온도, 반사율 등), 플래시 유닛 파라미터(피크 전력, 방출 스펙트럼(emission spectrum), 펄스 폭, 마스크 분해능(mask resolution), 마스크-기판 거리 등).
디자인 고려 사항(Design considerations)은 다음 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다:
- 낮은 열전도율 캐리어를 사용 한다; 그렇지 않으면 잉크가 열 손실로 인해 소결되지 않을 수 있다.
- 하부의 테이블은 캐리어의 양호한 방열판 역할을 한다(가열하는 경우).
- 마스크와 코팅된 잉크(폴리머 또는 용매 메트릭스 에서) 사이의 갭은 바람직하게는 더 높은 해상도 구조를 달성하기 위해 수십 마이크론 미만이다.
- 플래시 램프는 바람직하게는 동일한 영역에 걸쳐 균일한 광량(homogeneous fluence)을 제공한다.
- 최종적으로 소결되지 않은 잉크의 세정(washing-off) 또는 식각 중에, 금속 입자들은 단순한 넥-넥 부착(neck-neck attachment)이 아닌, 소결된 필라들의 용해를 피하기 위해 오히려 근접(closely)하게 퓨즈되어 소결되도록 하는 것이 고려 되어야 한다.
명료하고, 간결하게 설명하기 위해, 특징들(features)은 동일하거나 개별적인 실시예들의 일부로서 본 명세서에서 설명되지만, 본 발명의 범위는 설명된 특징 전부 또는 일부의 조합을 갖는 실시예를 포함할 수 있다고 이해될 것이다. 예를 들어, 금속 잉크를 사용하여 마이크로 필라 어레이를 형성하는 실시예가 도시되었지만, 유사한 기능 및 결과를 얻기 위한 본 개시의 이점을 갖는 당업자는 대안적인 방법을 고려할 수 있다. 예를 들면, 전기적, 광학적 및/또는 구조적 구성 요소들은 하나 이상의 대체 구성 요소들로 결합되거나 분할될 수 있다. 논의되고 도시된 바와 같은 실시예의 다양한 요소는 높은 종횡비의 마이크로 미터 크기의 구조물을 제조하는 것과 같은 특정 이점(certain advantages)을 제공한다. 물론, 상기 실시예들 또는 공정들 중 임의의 하나는 하나 이상의 다른 실시예들 또는 공정들과 결합되어 디자인 및 이점들을 발견하고 매칭하여 더 많은 개선(improvements)을 제공한다. 이 개시는 3D 고체 배터리를 사용하기 위한 특별한 이점(particular advantages)을 제공하고, 일반적으로 고 종횡비 마이크로 미터 스케일 구조가 사용될 수 있는 임의의 응용예에 적용될 수 있으며, 예를 들면 광학 흡수체(optical absorber), 광결정성(photonic crystal) 및/또는 촉매 표면(catalyst surface)으로 사용될 수 있다. 특정 방법 또는 기능을 수행하기 위해 배열 및/또는 구성되도록 개시된 장치 또는 시스템 실시예는 본래의 방법 또는 기능 및/또는 다른 실시예와 조합(combination)될 수 있다. 또한, 방법의 실시예는 본질적으로 각각의 하드 웨어 내에서 이행(implementation)될 수 있고, 가능한 경우, 방법 또는 시스템의 다른 실시예와 조합하여 사용된다. 또한, 프로그램 명령어들로서 구체화될 수 있는 방법들, 예를 들면, 비 일시적인 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(non-transient computer-readable storage medium)은 본 명세서에서 개시된 실시예로서 본질적으로 개시되는 것으로 간주된다.
따라서, 상기 설명은 단지 본 시스템 및/또는 방법의 예시에 불과하고, 임의의 특정 실시예 또는 실시예의 그룹에 첨부된 청구 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 따라서 명세서 및 도면은 예시적인 방식으로 간주되어야하고, 첨부된 청구 범위의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 첨부된 청구 범위를 해석할 때, "포함하는"이라는 단어는 주어진 청구항에 열거된 것 이외의 다른 요소 또는 행위(act)의 존재를 배제하지 않는 다는 것을 이해하고; 요소에 선행하는 "a" 또는 "an"이라는 단어는 복수의 요소의 존재를 배제하지 않으며; 청구 범위 내의 모든 참조 부호는 그 범위를 제한하지 않고; 몇몇의 "수단"은 동일하거나 다른 항목(item)들 또는 구현된 구조 또는 기능을 나타낼 수 있으며; 개시된 장치들 또는 이들의 일부(portion)를 특별히 달리 언급하지 않는 한, 함께 결합되거나 또는 다른 부분들로 분리될 수 있다. 특정 수단(certain measures)이 서로 다른 주장에서 인용된다는 단순한 사실만으로 이러한 수단의 조합이 유리(advantage)하게 사용될 수 없음을 나타내지 않는다. 특히, 청구 범위의 모든 작용 조합(working combinations)은 본직적으로 공개된 것으로 간주됩니다.
11: 캐리어 12: 플랫폼
13: 마스크 13p: 마스크 패턴
14: 광원 15: 증착 수단
15s: 공급부 20: 마이크로 필라 어레이
20i: 금속 잉크 20p: 필라
20s: 소결된 부분 21, 22, 23, 24: 서브 섹션층
30: 컨트롤러 40: 식각 수단
50: 전기도금 수단 100: 시스템

Claims (18)

  1. 마이크로 필라 어레이(micropillar array; 20)를 제조하기 위한 시스템(100)으로서,
    캐리어(carrier; 11)를 지지하도록 형성된 플랫폼(platform; 12);
    금속 잉크(metal ink; 20i)의 공급부(supply; 15s)를 포함하는 증착 수단(deposition means; 15) - 상기 증착 수단(15)은 상기 캐리어(11) 상에 상기 금속 잉크(20i) 층을 제공하도록 형성됨 - ;
    상기 금속 잉크(metal ink; 20i)를 소결(sintering)이 가능한 광(light; L)을 제공하도록 형성된 광원(light source; 14);
    상기 광원(14)과 상기 캐리어(11) 사이에 마스크 - 상기 마스크(mask; 13)는 상기 마이크로 필라 어레이(20)의 단면 이미지(cross-section image)에 대응하여 상기 광을 패터닝하는 마스크 패턴을 포함하고, 상기 광원(14) 및 상기 마스크(13)는 상기 패터닝된 광이 상기 금속 잉크(20i)의 층에 충돌(impinge)하여, 상기 금속 잉크(20i)에 패터닝된 소결(sintering)을 일으켜 상기 금속 잉크(20i) 내의 마이크로 필라 어레이(20)의 서브 섹션층(subsection layer; 21,22)을 형성함 - ;
    상기 플랫폼(12), 상기 광원(14) 및 상기 증착 수단(15)을 제어하도록 형성된 컨트롤러(controller; 30); 및
    상기 컨트롤러(30)에 동작 가능하게(operatively) 연결(linked)되고, 상기 컨트롤러(30)에 의해 실행될 때 프로그램 명령어(program instruction)를 포함하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(computer readable storage medium)
    를 포함하고
    상기 컨트롤러(30)는
    이전에 형성된 상기 마이크로 필라 어레이(20)의 서브 섹션층(21)으로부터 상기 금속 잉크(20i)의 추가 층(further layer)을 제공하기 위해 증착 수단(15)을 제어하는 단계; 및
    상기 이전에 형성된 서브 섹션층(21) 상에 상기 금속 잉크(20i) 내의 상기 마이크로 필라 어레이(20)의 추가 서브 섹션층(further subsection layer; 22)을 형성하기 위한 상기 금속 잉크(20i)의 추가 층에 패터닝된 광(L)을 제공하기 위해 상기 광원(14)을 제어하는 단계
    를 반복적으로 수행하는 시스템(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러(30)는
    상기 마이크로 필라 어레이(20)의 복수의 서브 섹션층들(21, 22, 23, 24, …)을 제조(building)한 후, 상기 광원(14)과 상기 캐리어(11) 사이의 상기 마스크(13)를 제거;
    상기 복수의 서브 섹션층들(21, 22, 23, 24, …) 중 마지막으로 형성된 서브 섹션층(24) 상에 상기 금속 잉크(20i)의 추가 층을 형성; 및
    상기 마지막으로 형성된 서브 섹션층(24) 상에 상기 금속 잉크(20i) 내의 상기 마이크로 필라 어레이(20)에 이어지는(continuous) 베이스 섹션(base section; 29)을 형성하기 위해 패턴화되지 않은 광(L)을 제공하며, 상기 베이스 섹션(29)은 상기 어레이(20)의 상기 필라들(20p)을 연결하는 금속 호일을 형성하도록
    프로그래밍(programmed)되고, 정렬(arranged)되는, 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 시스템(100)은 상기 금속 잉크(20i)의 상기 소결되지 않은 부분들(non-sintered parts; 20l)을 식각하여 공간적으로 분리된 필라들(20p)의 어레이를 규정(provide)하는 식각 수단(etching means; 40)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  4. 제 1항 내지 제 3항에 있어서,
    상기 시스템(100)은 상기 마이크로 필라들(20p)의 경계면(interface)을 매끄럽게(smoothing) 하기 위해 상기 금속 잉크(20i)의 상기 소결된 부분들(sintered parts; 20s)을 전기 도금하는 전기도금 수단(electroplating means; 50)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  5. 제 1항 내지 제 4항에 있어서,
    상기 캐리어(11)는 상기 광원(14)의 상기 광(L)에 대해 투명한, 시스템.
  6. 제 1항 내지 제 5항에 있어서,
    상기 플랫폼(12)은 상기 캐리어(11)의 열에 의한 상기 금속 잉크(20i)의 소결을 방지하고, 상기 캐리어(11)로부터 열을 끌어내기(drawing) 위해 상기 캐리어(11)와 열접촉(thermal contact)하는 히트 싱크(heat sink)로서 작용하는, 시스템.
  7. 제 1항 내지 제 6항에 있어서,
    상기 광원은 상기 금속 잉크(20i)를 소결시킬 수 있는 라이트 플래쉬(light flash; L)를 제공하도록 고 에너지 플래시 램프(high energy flash lamp; 14)로 형성되는, 시스템.
  8. 제 1항 내지 제 7항에 있어서,
    상기 단면 이미지(cross-section image)는 상기 어레이(20)를 형성하는 마이크로 필라들(20p)에 대응하는 복수의 단면 형상들(cross-section shapes)을 포함하고, 각각의 상기 단면 형상들은 1 내지 100 마이크로미터 범위의 직경(D1)인, 시스템.
  9. 마이크로 필라 어레이(micropillar array; 20)의 제조 방법으로서,
    캐리어(11)에 금속 잉크(20i)의 층을 제공하는 단계;
    상기 캐리어(11)과 상기 광원 사이의 마스크(13)를 통해 상기 금속 잉크(20i)에 고에너지 광원(high energy light source; 14)을 조사하고, 상기 마스크는 상기 금속 잉크(20i) 내의 마이크로 필라 어레이의 단면 조사 이미지(cross-section illuminated image)를 상기 금속 잉크(20i) 상에 통과시키도록 형성되며, 상기 금속 잉크(20i)의 층 내의 상기 마이크로 필라 어레이(20)의 제1 서브 섹션층(21)을 형성하도록 상기 금속잉크(20i)의 패턴화된 소결을 야기하는 단계; 및
    상기 마이크로 필라 어레이(20)의 제1 서브 섹션층(21)의 상부에 상기 금속 잉크(20i)의 추가 층을 제공하고, 동일한 상기 마스크(13)를 통해 상기 추가 층을 조사하여 상기 마이크로 필라 어레이(20) 상에 제2 서브 섹션층(21)을 형성하는 단계
    를 포함하는 마이크로 필라 어레이의 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 마이크로 필라 어레이의 제조 방법은,
    상기 마이크로 필라 어레이(20)의 복수의 서브 섹션층들(21, 22, 23, 24)을 형성한 후에 상기 광원(14)과 상기 캐리어(11)사이의 상기 마스크(13)를 제거하는 단계;
    상기 복수의 서브 섹션층들(21, 22, 23, 24) 중 마지막으로 형성된 서브 섹션층(24) 상에 금속 잉크(20i)의 추가 층을 형성하는 단계; 및
    상기 마지막으로 형성된 서브 섹션층(24) 상에 상기 금속 잉크(20i) 내의 상기 마이크로 필라 어레이(20)에 이어지는(continuous) 베이스 섹션(base section; 29)을 형성하기 위해 패턴화되지 않은 광(L)을 제공하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 베이스 섹션(29)은 어레이(20)의 필라들(20p)을 연결하는 금속 호일을 형성하는 마이크로 필라 어레이의 제조 방법.
  11. 제 9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 캐리어(11)는 희생층을 포함하고, 상기 캐리어(11)의 상기 희생층 상에 제1 금속 잉크(20i)층이 증착되며, 상기 희생층을 분해(disintegrating)시킴으로써 상기 캐리어(11)로부터 상기 마이크로 필라 어레이(20)를 분리(released)시키는, 마이크로 필라 어레이의 제조 방법.
  12. 제 9항 내지 제11항에 있어서,
    상기 금속 잉크(20i)의 소결되지 않은 부분(20l)을 식각하여 공간적으로 분리된 필라들(20p)의 어레이를 제공하는 단계를 더 포함하는, 마이크로 필라 어레이의 제조 방법.
  13. 제 9항 내지 제12항에 있어서,
    상기 마이크로 필라 어레이(20)를 전기 도금(electroplating)하는 단계를 더 포함하는, 마이크로 필라 어레이(20)의 제조 방법.
  14. 복수의 마이크로 필라들(20p)을 포함하는 마이크로 필라 어레이(20)로서,
    상기 마이크로 필라들(20p)은 퓨즈드 금속 입자(fused metal particles)의 매트릭스(matrix) 내에 중합된 입자(polymerized particles)를 포함하는 소결된 금속 잉크(sintered metal ink)의 주기적인 층상 구조(periodic layered structure)로 형성되는, 마이크로 필라 어레이.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 필라들(20p)은 상기 마이크로 필라들(20p)을 연결하는 호일 상에 배치되고, 상기 호일은 상기 마이크로 필라들(20p)과 동일하게 소결된 금속 잉크로 형성되는, 마이크로 필라 어레이.
  16. 제 14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 마이크로 필라들은 20 내지 200 범위의 높이 대 직경비(height to diameter ratio)를 갖는 마이크로 필라 어레이.
  17. 제 14항 내지 제16항에 있어서,
    상기 마이크로 필라들은 상기 마이크로 필라들의 직경의 1.5배 내지 5배 사이의 피치 주기(pitch period)로 주기적으로(periodically) 배열되는, 마이크로 필라 어레이(20).
  18. 제 14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 마이크로 필라 어레이(20)를 포함하는 배터리(battery).
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