KR20180117801A - 잉크 분사 장치 및 이를 포함하는 프린팅 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 잉크 분사 장치 및 이를 포함하는 프린팅 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 잉크 분사 장치는 액적을 생성하여 분사하는 액적 생성부, 상기 분사된 액적을 안내하여 열적, 물리적 교란으로부터 액적을 보호하고 증발을 제어하는 채널 형태의 가이드 채널부 및 상기 가이드 채널부를 통과한 액적을 기판을 향하여 토출하는 노즐부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

잉크 분사 장치 및 이를 포함하는 프린팅 시스템{APPARATUS FOR INJECTING INK AND PRINTING SYSTEM INCLUDING THE APPARATUS}
본 발명은 잉크 분사 장치 및 이를 포함하는 프린팅 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 드롭 온 디맨드(drop-on-demand) 방식으로 액적을 토출시키고 증발을 제어함으로써 토출시 액적의 크기보다 더 작은 액적을 형성하여 초미세 선폭의 패턴을 형성할 수 있는 잉크 분사 장치 및 이를 포함하는 프린팅 시스템에 관한 것이다.
유체를 액적의 형태로 분사시키는 잉크 분사 장치는 과거에는 주로 잉크젯 프린터에 적용되어 왔으나, 최근에는 디스플레이 제조 공정, 인쇄회로기판 제조 공정, DNA 칩 제조 공정 등과 같이 첨단 산업에 널리 응용되어 사용되고 있다.
액적을 토출시키는 잉크 분사 장치로 종래에 압전(piezoelectric) 방식 및 전기수력학(electrohydrodynamic, EHD) 방식 등이 널리 사용되어 왔다. 압전 방식은 압전 소자에 의한 가압으로 챔버에 수용된 잉크를 밀어서 토출시키는 방식이고, 전기수력학 방식은 전극에서 발생하는 전위차에 의한 정전기력으로 잉크를 토출시키는 방식이다.
하지만, 상기와 같은 방법을 이용한 드롭 온 디맨드(drop-on-demand) 방식의 액적 토출 후 패터닝하는 기술은 패터닝되는 선폭에 한계를 가지고 있다.
압전 방식의 경우 피코리터 규모의 액적을 생성하여 기판에 탄착하여 패터닝을 하면 약 20 마이크로미터 내외의 최소 선폭이 구현될 수 있으며, 전기수력학 방식의 경우 펨토리터 규모의 미세 액적을 생성할 수가 있으나 안정적으로 2 마이크로미터 이하의 선폭을 구현하는 것이 어려운 한계가 있다.
특히, 전기수력학 방식의 경우 전기력으로 노즐로부터 액면을 당기는 원리로 제팅을 수행하기 때문에 액적에 과다한 전하가 축적되며 이로 인하여 탄착 과정에서의 여러 불안정한 문제점을 가지고 있다.
예를 들어, 액적이 기판으로 토출되어 탄착되는 과정에서 액체가 증발하면서 액적의 크기가 줄어들 수가 있는데, 이 경우 액적에 축적되는 전하가 레일레이 한계(Rayleigh limit)를 초과하게 되면 스프레이 형태로 분쇄될 가능성이 존재한다.
또한, 노즐의 액면에 작용하는 전기력은 노즐 주위에 형성되는 전기장의 세기에 비례하는데, 전기장의 세기는 E = V/d의 관계를 가지고 있다. 대면적의 기판에 프린팅을 하기 위해서는 노즐과 기판 사이의 거리가 최대한 이격될 수 있어야 기판의 불균일한 평탄도에도 불구하고 안정적으로 프린팅을 할 수가 있다. 현재 전기수력학 방식의 경우 수 마이크로미터의 선폭을 구현하기 위해서는 기판과 노즐 사이의 이격 거리가 10 마이크로미터 이하로 유지해야 한다는 문제점이 있다. 노즐과 기판 사이의 거리가 멀면 제팅을 위한 동일 세기의 전기장을 형성하기 위하여 전압을 올려야 하며, 이 경우 액면에 축적되는 전하가 레일레이 한계를 초과하여 스프레이 방식으로 분사되기 때문에 정교한 선폭의 구현이 불가능하게 된다. 따라서, 종래에는 수마이크로 미터 수준의 미세 패턴을 구현하기 위해서는 노즐을 기판에 초근접한 상태에서 프린팅을 해야 하며, 따라서 평탄도에 한계가 있는 대형 기판에는 정밀한 프린팅을 하는데 있어서 어려움이 있었다.
또한, 기판을 향하여 분사되는 액적의 크기는 노즐의 직경과 관계가 있다. 따라서, 수마이크로미터의 크기로 액적을 형성하기 위해서는 노즐의 직경 또는 수마이크로미터의 크기로 제작하는 것이 필요할 것이다. 하지만, 전극, 반도체 등에 사용되는 잉크는 나노입자를 포함하는 기능성 잉크이기 때문에 액면으로부터 액적을 토출하는 과정에서 지속적인 증발 현상이 발생하며, 노즐의 직경이 작으면 잉크에 포함되는 입자로 인하여 노즐이 막히는 문제가 발생할 수가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0059013호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래의 드롭 앤 디맨드 방식인, 압전 잉크젯 방식 또는 정전기력 잉크젯 방식으로 토출된 액적을 가이드 채널부를 통과하도록 하고, 가이드 채널부를 통과하는 과정에서 증발을 제어하고 이용함으로써 초미세 액적을 형성하여 노즐을 통해 토출시킬 수 있는 잉크 분사 장치 및 이를 포함하는 프린팅 시스템을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 액적을 생성하여 분사하는 액적 생성부; 상기 분사된 액적을 안내하여 열적, 물리적 교란으로부터 액적을 보호하고 증발을 제어하는 수직의 채널 형태의 가이드 채널부; 및 상기 가이드 채널부를 통과한 액적을 기판을 향하여 토출하는 노즐부를 포함하는 잉크 분사 장치에 의해 달성될 수가 있다.
여기서, 상기 액적 생성부는 드롭 온 디맨드 방식으로 액적을 토출시키는 잉크젯 헤드로 형성될 수가 있다.
여기서, 상기 액적 생성부는 압전 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드 또는 정전기력 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드로 형성될 수가 있다.
여기서, 상기 가이드 채널부는 금속으로 형성되고 상기 전하를 띈 액적을 가이드 채널부 중앙에 집중하기 위하여 전압이 인가될 수가 있다.
여기서, 상기 가이드 채널부의 채널 내부로 상기 액적의 이동 방향을 따라 가스를 공급하는 가스 공급부를 더 포함할 수가 있다.
여기서, 상기 노즐부에서 상기 가스의 유동이 층류가 되도록 레이놀즈 수가 2,300 이하일 수가 있다.
여기서, 상기 가이드 채널부의 외주면을 가열시키는 가열부를 더 포함할 수가 있다.
여기서, 상기 가열부에서 발생하는 열이 상기 가이드 채널부 외에 다른 곳으로 전달되는 것을 차단하는 열차단부를 더 포함할 수가 있다.
여기서, 상기 액적이 배출되는 상기 가이드 채널부의 일단부와 상기 노즐부 내 상기 액적이 통과하는 노즐관은 상호 이격되어 있고, 이격된 공간을 통해 상기 가이드 채널부로부터 분사되는 가스 중 일부를 흡입하는 가상 임팩터부를 더 포함할 수가 있다.
여기서, 상기 가이드 채널부의 채널은 상기 액적의 이동 방향을 따라서 상기 채널의 관경이 단계적으로 줄어들도록 형성될 수가 있다.
여기서, 상기 노즐부 내 상기 액적이 통과하는 노즐관은 상기 액적의 이동 방향을 따라서 채널의 관경이 단계적으로 줄어들도록 형성될 수가 있다.
여기서, 상기 가이드 채널부에 형성되어 상기 가이드 채널부의 채널을 통과하는 액적의 전하량을 제어하는 전하량 제어부를 더 포함할 수가 있다.
여기서, 상기 가스는 공기, 질소, 아르곤 중 적어도 어느 하나를 포함하는 가스류; 물 또는 상기 액적에 포함된 용매의 기화된 가스; 또는 상기 가스류와 상기 기화된 가스의 혼합된 가스 중 적어도 어느 하나를 포함할 수가 있다.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 전술한 잉크 분사 장치; 상기 잉크 분사 장치로부터 토출되는 액적이 탄착되는 기판을 장착시키는 기판 스테이션; 및 상기 잉크 분사 장치 또는 상기 기판 스테이션을 이동시켜 상기 액적이 상기 기판에 탄착되는 위치를 제어하는 이송부를 포함하는 프린팅 시스템에 의해 달성될 수가 있다.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 전술한 복수의 잉크 분사 장치; 상기 잉크 분사 장치로부터 토출되는 액적이 탄착되는 기판을 장착시키는 기판 스테이션; 및 상기 잉크 분사 장치 또는 상기 기판 스테이션을 이동시켜 상기 액적이 상기 기판에 탄착되는 위치를 제어하는 이송부를 포함하는 프린팅 시스템에 의해 달성될 수가 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 잉크 분사 장치 및 이를 포함하는 프린팅 시스템에 따르면 액적 생성부에서 토출된 액적을 가이드 채널부를 통과하도록 하고 가이드 채널부를 통과하는 과정에서 상기 액적을 증발시켜 초미세 액적을 형성하도록 하여 1 마이크로미터 이하의 초미세 선폭도 구현이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 초미세 액적을 생성시킬 수가 있으므로 초미세경의 노즐을 형성할 필요가 없고 노즐의 막힘을 방지할 수 있다는 장점도 있다.
또한, 대면적 기판에 대해서도 안정적인 프린팅이 가능하다는 장점도 있다.
또한, 액적에 축적된 전하를 제어할 수가 있어서 스프레이로 분사되는 것을 방지할 수 있다는 장점도 있다.
또한, 액적에 포함된 고체 성분의 함유량을 증가시킬 수가 있어서 두껍게 패턴을 형성할 수가 있다는 장점도 있다.
또한, 가스 공급부에 의해 공급되는 가스에 의해 패터닝되는 영역에서의 온도, 습도, 화학종 농도 등의 환경을 제어할 수 있다는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크 분사 장치의 대략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 잉크 분사 장치의 대략적인 개념도이다.
도 3은 가이드 채널부 내의 기체의 흐름을 도시하는 도면이다.
도 4는 노즐부 및 가상 임팩터부의 확대 도면이다.
도 5는 가이드 채널부에 형성된 공기역학 렌즈(aerodynamic lens)를 도시하는 도면이다.
도 6은 노즐부에 형성된 공기역학 렌즈(aerodynamic lens)를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 잉크 분사 장치에 의해 형성된 패턴을 보여주는 확대 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 프린팅 시스템을 도시하는 사시도이다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 잉크 분사 장치 및 이를 포함하는 프린팅 시스템을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크 분사 장치의 대략적인 개념도이고, 도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 잉크 분사 장치의 대략적인 개념도이고, 도 3은 가이드 채널부 내의 기체의 흐름을 도시하는 도면이고, 도 4는 노즐부 및 가상 임팩터부의 확대 도면이고, 도 5는 가이드 채널부에 형성된 공기역학 렌즈(aerodynamic lens)를 도시하는 도면이고, 도 6은 노즐부에 형성된 공기역학 렌즈(aerodynamic lens)를 도시하는 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 잉크 분사 장치에 의해 형성된 패턴을 보여주는 확대 사진이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 잉크 분사 장치(100)는 액적 생성부(110), 가이드 채널부(120) 및 노즐부(170)를 포함하여 구성될 수가 있다. 또한, 가스 공급부(130), 가열부(150), 가상 임팩터부(180) 또는 전하량 제어부(140)를 더 포함할 수가 있다.
액적 생성부(110)는 액적을 생성하여 토출시켜 가이드 채널부(120)로 공급한다.
액적 생성부(110a)는 기존의 압전 잉크젯 방식, 열기포 잉크젯 방식, 또는 정전기력 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드로 형성될 수가 있는데, 이에 한정되지 않고 드롭 온 디맨드(drop-on-demand) 방식으로 액적을 토출시킬 수만 있다면 이들 방법의 조합 또는 다른 공지된 잉크젯 방법을 사용할 수도 있다.
예를 들어, 도 1에 도시되어 있는 것과 같이 압전 잉크젯 방식의 경우에는, 외부로부터 공급받은 잉크를 압전 소자(114)를 이용하여 가압하여 노즐(112)을 통해 액적으로 토출시킬 수가 있다. 압전 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드(110a)의 구성은 공지된 기술이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 액적 생성부(110b)는 도 2에 도시되어 있는 것과 같이 기존의 정전기력 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드(110b)로 형성될 수도 있는데, 즉 외부로부터 공급받은 잉크를 노즐(112) 주위에 형성된 전극(116a)과 노즐(112) 하부에 위치하는 전극(116b) 사이의 전위차에 의한 정전기력으로 노즐(112)을 통해 액적으로 토출시킬 수가 있다. 정전기력 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드(110b)의 구성도 공지된 기술이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도시하지는 않았지만, 드롭 온 디맨드 방식으로 원하는 주파수의 균일한 크기의 액적을 생성하는 조건을 보장하기 위하여 액적 생성부(110)의 내부에 잉크의 온도 또는 점도를 모니터링하는 센서를 부착할 수 있다.
참고로, 도 1 및 도 2에서는 액적 생성부(110a, 110b)의 구성을 제외한 나머지 구성은 동일하다.
가이드 채널부(120)는 수직 방향으로 긴 채널(122)이 형성되어 상부에서 액적 생성부(110)의 노즐(112)로부터 토출된 액적을 공급받아, 채널(122) 내부를 유동하는 과정에서 액적의 주요 구성 물질 중 솔벤트의 증발을 제어함으로써 액적의 크기를 더 작게 형성하여, 아래에 위치하는 노즐부(170)로 액적을 공급하도록 한다. 가이드 채널부(120)의 채널(122) 길이는 제어되는 온도와 습도 조건에서 적어도 1% 이상의 솔벤트를 증발시킬 수 있을 정도의 길이이어야 한다. 이때, 가이드 채널부(120)는 액적이 채널(122) 내부를 유동하는 동안에 열적, 물리적 외부 교란으로부터 액적을 보호하며 액적의 증발을 제어할 수가 있다.
가이드 채널부(120)는 아크릴 등의 폴리머 수지 또는 유리 등의 투명한 재질로 형성될 수 있으며, 열전도율이 좋은 구리, 스테인레스, 스틸 등의 금속재료로 형성될 수도 있다. 가이드 채널부(120)가 금속인 경우에는, 가이드 채널부(120)에 전압을 인가시켜 액적이 가이드 채널부(120)의 중앙에 집속되어 토출될 수 있도록 제어할 수 있다.
도시되지 않았지만, 전술한 액적 생성부(110)는 가이드 채널부(120)의 내부에 설치되어 액적을 생성할 수도 있다. 이때, 가이드 채널부(120)는 내부에 액적 생성부(110)를 수용하도록 단일한 직경의 긴 채널이 아니라 직경이 변화하는 채널의 형태로 준비될 수 있다.
가스 공급부(130)는 가이드 채널부(120)의 상부에서 하부를 향하는 방향으로 채널(122) 내부에 가스를 공급할 수가 있다. 가스 공급부(130)에 의해 공급된 가스는 채널(122) 내부에서 액적을 이동시키는 캐리어 역할을 함과 동시에 액적이 채널(122) 내부에 달라 붙어 채널(122)을 막는 것을 방지하도록 한다.
또한, 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 채널(122) 내부에서 가스의 속도 분포는 채널(122)의 중앙은 속도가 빠르고 채널(122)의 가장자리는 상대적으로 속도가 작은 포물선 분포를 가지게 되는데, 이와 같은 속도 분포에 의해 채널(122) 내부를 유동하는 액적이 채널(122)의 중심을 따라 유동(flow focusing)하도록 가이드할 수가 있다. 이때, 전술한 바와 같이, 가이드 채널부(120)에 전압을 인가하여 전하를 띄는 액적을 중앙에 집속하여 토출하는 경우에는 가스를 공급하지 않을 수도 있다.
또한, 가스 공급부(130)는 채널(122) 내부에 적절한 가스를 공급함으로써 기판에 패터닝되는 영역에서의 온도, 습도, 화학종 농도 등의 환경을 제어할 수 있다.
이때, 가스 공급부(130)에 의해 공급되는 가스는 공기, 질소, 아르곤 등의 가스류일 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 물을 기화한 수증기 가스가 공급될 수 있으며, 상기 가스류와 혼합되어 습도를 제어할 수도 있다. 또한 액적에 포함되어 있는 솔벤트(예를 들어, 에탄올)의 기화된 가스일 수도 있으며, 상기 가스류와 혼합된 가스일 수도 있다. 솔벤트의 기화된 가스를 공급하는 경우에는 가이드 채널부(120)와 노즐부(170)를 따라 가스가 유동할 때 가스가 다시 냉각되어 액화될 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여 가이드 채널부(120)와 노즐부(170)의 온도를 제어할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
전하량 제어부(140)는 가이드 채널부(120)의 소정 위치에 형성되어 가이드 채널부(120)의 채널(122)을 통과하는 미세 액적의 전하량을 제어하도록 한다. 액적이 가이드 채널부(120)에서 증발함에 따라 액적의 표면에 축적된 전하가 증가할 수 있다. 따라서, 채널(122)을 통과하는 액적에 축적된 전하가 레일레이 한계(Rayleigh limit)를 초과하게 되면 스프레이로 분쇄될 수가 있으나, 본 발명에서는 전하량 제어부(140)에 의해 액적의 전하량을 제어할 수가 있으므로 상기와 같은 문제를 해결할 수가 있다.
전하량 제어부(140)의 일 예로 다양한 이오나이저를 이용할 수 있다. 예를 들면, soft x-ray를 이용하는 방사선식 이오나이저를 가이드 채널부(120)의 소정 위치에 배치하여 가이드 채널부(120)를 지나가는 액적의 전하를 제어할 수 있다. soft x-ray는 방사선의 일종이다. 물질 투과성에 따라서 x선을 구분하면 얇은 공기층에 의해서도 쉽게 흡수되는 투과성이 낮은 것을 soft x선이라 하고, 뢴트겐 등에 사용되는 투과성이 높은 것을 경 x선이라고 한다. x선은 전자가 가속되어 금속 타겟에 충돌하면 발생되는 것이므로, 방사선식 이오나이저는 전자를 발생하는 필라멘트와 전자가 충돌하는 금속 타겟으로 구성된 x선 관과 전자를 고속으로 가속시키는 고전압장치로 형성된다. 이 이오나이저를 가이드 채널부(120)의 측면에서 액적에 x선을 조사할 수 있도록 위치시켜, 액적의 전하량을 제어할 수가 있다.
또한, 전하량 제어부(140)로 폴로늄(Polonium) 210과 같은 음이온을 발생하는 우라늄 물질을 가이드 채널부(120)에 위치시켜 액적의 전하를 제어할 수도 있다.
또한, 전하량 제어부(140)는 외부에 가스 공급부(140)와 함께 배치시켜 하전된 가스를 가스 공급부(140)를 통해 가이드 채널부(120)로 공급하도록 구성할 수도 있다. 따라서, 하전된 가스에 의해 액적의 표면 전하를 제어하여 전술한 문제를 해결할 수 있다. 예를 들면, 하전된 가스를 공급하기 위해 전압인가식 (코로나 방전) 이오나이저를 이용할 수가 있는데, 방전침에 고전압을 인가하여 가스의 이온을 형성하고 이를 가스 공급부(130)를 통해 가이드 채널부(120)로 공급함으로써 액적의 전하를 중화시킬 수 있다. 이때, 이오나이저에서 생성하는 전하는 액적의 전하와 반대 극성을 갖거나 양극성을 갖는다.
또 다른 방법으로, 전압인가식 이오나이저를 가이드 채널부(120)의 채널(122) 내부에 탐침 형태로 위치시켜 가스 공급부(140)로부터 공급되는 가스를 가이드 채널부(120)의 채널(122) 내부에서 이온화시켜 액적의 전하를 제어할 수도 있다.
가열부(150)는 가이드 채널부(120)의 외주면을 가열시켜 가이드 채널부(120) 내부의 가스를 가열시켜 온도를 제어하거나, 가이드 채널부(120)의 투명한 전부 또는 일부분을 통하여 복사열을 조사하여 가이드 채널부(120)를 따라 유동하는 액적을 직접 가열하여 액적의 증발을 제어한다.
이때, 가열부(150)는 전기에너지를 열에너지로 변환시키는 다양한 재료 및 소자를 이용하여 형성될 수가 있다. 예를 들어 저항체를 가이드 채널부(120)의 외주면에 접착하여 저항체에서 발생하는 열에너지를 가이드 채널부(120)에 전달할 수 있다. 또한, "Peltier" 소자와 같은 열전 소자를 이용하여 열전 소자에서 발생하는 고온의 열에너지를 가이드 채널부(120)에 전달할 수도 있다. 또한, 복사 에너지를 방출하는 소자를 가이드 채널부(120) 주위에 위치시킬 수도 있다. 예를 들어, 레이저, 열적외선 램프, 제논(xenon) 플래쉬 램프, 열선 등의 광에너지를 방출하는 가열부(150)를 투명한 가이드 채널부(120)와 이격하여 고정하고 복사열을 가이드 채널부(120) 내부로 전달할 수 있다. 또는, 마이크로파 또는 다른 파장대의 파를 발생하는 압전작동기 등의 가열부(120)를 가이드 채널부(120)에 설치하여 가이드 채널부(120)를 가열하고 열을 내부로 전달 할 수도 있다.
이때, 본 실시예에서는 전술한 바와 같이 가이드 채널부(120)의 소정 위치의 주위에 상기의 가열부(150)를 형성하여 에너지 전달로 가이드 채널부(120)를 가열시킬 수가 있다. 따라서, 가열부(150)에 의해 가이드 채널부(120)의 채널(122)을 따라 유동하는 액적에 열을 공급할 수가 있으며, 상기 열에 의해 액적을 포함하는 일부 성분을 증발시켜 액적의 크기를 초미세 크기로 줄일 수가 있다. 또한, 상기 증발에 의해 액적에 포함된 고체 성분의 함유량을 증가시킬 수가 있어서 단일 분사로 높은 종횡비의 두꺼운 패턴을 형성할 수가 있다. 나아가, 가열부(150)에 의한 가열에 의해 액적의 솔벤트를 증발시킴으로써 점성을 높일 수가 있으므로 액적이 기판에 부착되는 과정에서 액적의 퍼짐을 제한 할 수 있다.
이때, 가열부(150)의 열이 외부로 발산되어 액적 생성부(110) 등의 다른 구조물 또는 외부 공기 등을 가열시킬 수가 있으므로, 이를 억제하기 위한 열차단부가 가열부(150)를 둘러싸도록 형성되는 것이 바람직하다.
액적이 가이드 채널부(120)의 긴 채널(122)를 통과하는 동안 자연 증발이 발생할 수가 있으나, 가열부(150)에 의해 전술한 증발의 효과를 극대화시킬 수가 있다.
여기서, 히터에 의한 가열로 인하여 형성되는 자연대류 유동이 가이드 채널부(120)의 유동을 역류시키거나 안정된 층류 유동을 교란시켜서는 안된다. 따라서, 가열부(150)는 가이드 채널부(120)를 섭씨 100도 이하로 가열함이 바람직하다.
노즐부(170)는 가이드 채널부(120)를 통과한 액적을 기판을 향하여 토출시킨다. 토출되는 액적의 속도는 가스 공급부(130)에서 공급되는 가스의 유량과 노즐관(172)의 출구지름의 관계로부터 얻어지는 노즐관(172)에서의 가스의 유속에 의해 결정될 수 있다. 상기 가스의 유속은 층류를 형성하는 조건에 제한 될 수 있다. 이때, 노즐관(172)에서의 레이놀즈 수가 5000보다 작도록 가스의 밀도, 가스의 점도, 가스의 속도, 노즐관 직경을 결정할 수 있는데, 바람직하게는 상기 레이놀즈 수는 2300보다 작게 형성하는 것이 바람직하다.
층류의 조건하에서 액적을 노즐관(172) 내부에서 이송하여야, 안정적으로 액적을 토출시킬 수 있으며, 노즐관(172)을 통해 외부로 토출시 기판상의 목표지점으로 정밀하게 탄착시킬 수 있다.
참고로, 레이놀즈 수는 다음의 관계식을 갖는다.
Re=ρVD/μ
여기서, Re는 레이놀즈 수, ρ는 가스의 밀도, V는 가스의 속도, D는 노즐관(172)의 직경, μ는 가스의 점도이다.
이때, 가스의 유량이 과다하여 난류가 발생할 수 있으며, 따라서 노즐관(172) 내부의 가스 유속을 제어할 필요가 있다. 도 4에 도시되어 있는 것과 같이 액적이 배출되는 가이드 채널부(120)의 하단부와 노즐부(170) 내에 액적이 통과하는 유로인 노즐관(172)은 상호 이격되며 동일선 상에 형성될 수가 있다. 이때, 상호 이격된 공간을 통하여 가이드 채널부(120)의 채널(122)을 통과한 가스를 외부로 배출시킬 수가 있다. 채널(122)의 중앙부를 흐르는 가스와 중앙부에 Flow focusing되어 이송되는 액적은 노즐관(172)으로 유입되며, 나머지 가스들은 전술한 상호 이격된 공간을 통해 외부로 배출되어, 결과적으로 노즐관(172) 내부로 공급되는 가스의 유량 및 속도를 제어할 수 있다. 또한, 상기 이격된 공간을 통하여 가스를 흡입하는 가스 흡입 장치(190)가 연결 형성될 수가 있다.
이와 같이, 가이드 채널부(120)와 노즐부(170)의 노즐관(172)은 상호 이격되도록 형성되고, 이격된 부분을 둘러싸는 공간을 통해 가이드 채널부(120)에 공급된 가스 중 일부를 외부로 배출시키는 부분은 가상 임팩터부(virtual impactor)(180)를 형성할 수 있다. 가이드 채널부(120)의 채널 중심을 따라 유동하는 액적 및 가스의 유동 속도는 가스 흡입 장치(190)의 흡입력에 따라 제어될 수가 있으므로, 가스 흡입 장치(190)의 흡입력에 의해 노즐관(172)으로 유입되는 가스의 속도를 제어할 수 있고, 동시에 가스 유동을 따라 이송되고 노즐 외부로 토출되는 액적의 속도를 제어할 수 있다.
이때, 액적은 관성 운동에 의해 진행 방향에 있는 노즐부(170)의 노즐관(172)으로 이동하게 되고, 액적과 함께 가이드 채널부(120)를 유동하는 가스의 상당량은 가스 흡입 장치(190)의 흡입력에 의해 가이드 채널부(120)와 노즐관(172) 사이의 공간을 통해 외부로 배출될 수가 있다.
또한, 본 발명에서는 도 5 및 도 6에 도시되어 있는 것과 같이 가이드 채널부(120)의 채널(122) 또는 노즐부(170)의 노즐관(172) 내부에는 액적의 이동 방향을 따라서 관경의 크기가 단계적으로 줄어들도록 형성하여 공기역학 렌즈(aerodynamic lens)를 형성할 수가 있다.
도시되어 있는 것과 같이 액적의 이동 방향을 따라서 관경의 크기가 단계적으로 작아지도록 형성함으로써, 채널(122) 또는 노즐관(172) 내부를 유동하는 액적을 채널(122) 또는 노즐관(172)의 중심에 집속시킬 수가 있다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조로 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크 분사 장치(100)의 동작을 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에서 사용되는 프린팅 물질(이하, 잉크라고 함)은 솔벤트에 분산되어 있는 고체입자, 계면활성제, 폴리머 등 유무기 물질을 망라할 수 있다. 전도성 물질을 패터닝을 하는 경우를 예로 들면 다음과 같다.
전도성 나노 구조체를 고분자화합물과 함께 솔벤트에 분산하여 이를 프린팅을 수행한 후 열 또는 광경화를 수행하여 전극의 특성을 확보할 수 있다. 나노 구조체의 구조는 나노 입자 또는 일차원 나노 구조체일 수 있으며, 상기 일차원 나노 구조체는 나노 와이어, 나노 막대, 나노 파이프, 나노 벨트 또는 나노 튜브 구조 중 적어도 하나인 것이 바람직하다. 또한, 상기 전도성 나노 구조체는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 아연(Zn), 구리(Cu), 규소(Si) 또는 티타늄(Ti)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어진 나노 구조체 또는 탄소 나노튜브이거나 이들의 조합인 것이 바람직하다.
상기 고분자 화합물은 천연 고분자 화합물 또는 합성 고분자 화합물 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하며, 상기 천연 고분자 화합물은 키토산(chitosan), 젤라틴(gelatin), 콜라겐(collagen), 엘라스틴(elastin), 히알루론산(hyaluronic acid), 셀룰로오스(cellulose), 실크 피브로인(silk fibroin), 인지질(phospholipids) 또는 피브리노겐(fibrinogen) 중 적어도 하나이고, 상기 합성 고분자 화합물은 PLGA(Poly(lactic-co-glycolic acid)), PLA(Poly(lactic acid)), PHBV(Poly(3-hydroxybutyrate-hydroxyvalerate), PDO(Polydioxanone),PGA(Polyglycolic acid), PLCL(Poly(lactide-caprolactone)), PCL(Poly(ecaprolactone)), PLLA(Poly-L-lactic acid), PEUU(Poly(ether Urethane Urea)), 아세트산 셀룰로오스(Cellulose acetate), PEO(Polyethylene oxide), EVOH(Poly(Ethylene Vinyl Alcohol), PVA(Polyvinyl alcohol), PEG(Polyethyleneglycol) 또는 PVP(Polyvinylpyrrolidone) 중 적어도 하나인 것이 바람직하다.
먼저, 액적 생성부(110)의 소정의 챔버에 잉크가 공급되고 챔버에 공급되는 잉크는 미세 액적으로 노즐(112)을 통해 drop-on-demand 방식으로 토출된다. 이때, 액적 생성부(110)는 압전 소자(114)에 의한 가압으로 노즐(112)을 통해 액적을 토출시키는 압전 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드(110a) 또는 전극(116a, 116b) 사이의 전위차에 의한 정전기력으로 노즐(112)을 통해 액적을 토출시키는 정전기력 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드(110b) 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직한데, 이에 한정되는 것은 아니다.
액적 생성부(110)의 노즐(112)로부터 토출되는 미세 액적은 가이드 채널부(120)의 채널(112)에 공급되어 채널(122)을 따라 아래로 이동하게 되고, 채널(122)을 따라 이동하는 중에 자연 증발이 일어나 액적의 크기가 줄어들 수가 있다.
이때, 가스 공급부(130)를 통해 채널(122) 내부에 가스를 공급할 수가 있고, 상기 가스는 미세 액적을 이동시키는 캐리어 역할을 수행함과 동시에 flow focusing에 의해 미세 액적이 채널(122)의 중심을 따라 유동하도록 가이드할 수가 있다.
가이드 채널부(120)의 채널(122)에 공급되는 가스의 상당량은 가상 임팩터부(180)를 형성하는 가이드 채널부(120)의 하부와 노즐부(170)의 노즐관(172) 사이의 이격된 공간을 통해 가스 흡입 장치(190)에 의한 흡입력으로 외부로 배출될 수가 있다. 따라서, 가스 흡입 장치(190)의 흡입력에 따라서 가이드 채널부(120)의 채널(122) 내에 유동하는 가스와 함께 유동하는 미세 액적이 노즐관(172)으로 유입되는 유동 속도를 제어할 수가 있어서, 노즐부(170)를 통한 액적의 토출 속도를 제어할 수가 있다.
또한, 가이드 채널부(120)의 소정 위치에는 전하량 제어부(140)가 형성되어 채널(122)을 따라 유동하는 미세 액적의 전하량을 제어할 수가 있다. 따라서, 전하량 제어부(140)에 의해 채널(122)을 통과하는 미세 액적의 전하량을 제어할 수가 있어서, 액적이 스프레이로 분쇄되어 토출되는 것을 방지할 수가 있다.
또한, 가이드 채널부(120)의 소정 위치에는 가열부(150)가 형성되어 가이드 채널부(120)를 가열시킬 수가 있는데, 따라서 가열부(150)에 의해 채널(122) 내부를 유동하는 미세 액적에 열을 공급할 수가 있다. 미세 액적에 공급되는 열에 의해 액적을 포함하는 일부 성분을 증발시킬 수가 있어서, 미세 액적을 초미세 액적으로 액적의 크기를 줄일 수가 있다. 이와 동시에 액적에 포함된 고체 성분의 함유량을 증가시킬 수도 있다. 또한, 가열부(150)에 의한 가열에 의해 액적의 솔벤트를 증발시킴으로써 점성을 높일 수가 있으므로 액적이 기판에 부착되는 과정에서 액적의 퍼짐을 제한 할 수 있다.
또한, 일반적으로 압전잉크젯 방식으로 토출되는 20 내지 100 마이크로미터 크기의 액적을 원래 크기 이하의 액적으로 크기를 제어하여 패터닝을 할 수 있다. 바람직하게는 1 마이크로미터 이하의 나노미터 스케일의 패터닝이 가능하다.
또한, 정전기력 잉크젯 방식으로 토출되는 미세 액적도 본래의 크기 이하로, 바람직하게는 1마이크로미터 이하의 액적으로 크기를 제어하여 패터닝이 가능하다.
가이드 채널부(120)의 채널(122) 내부를 가스와 함께 유동하는 액적은 가이드 채널부(120) 외부로 토출되는데, 전술한 가상 임팩터부(180)의 구성에 따라서 가스는 가이드 채널부(120)와 노즐부(170)의 노즐관(172) 사이의 이격 공간을 통해 자연 배출되거나, 가스 흡입 장치(190)에 의한 흡입력으로 외부로 배출되고, 액적은 관성에 의해 일직선 상으로 배치되는 노즐부(170)의 노즐관(172)으로 유입하게 된다. 따라서, 노즐관(172)으로 유입된 액적은 노즐관(172)을 거쳐 기판을 향하여 토출된다.
이때, 도 5 및 도 6에 도시되어 있는 것과 같이 채널(122) 내벽 또는 노즐관(172)의 내벽은 액적의 이동 방향을 따라 관경의 크기가 단계적으로 줄어들도록 공기역학 렌즈(aerodynamic lens)를 형성하도록 하여, 액적이 채널(122) 또는 노즐관(172)을 따라 유동할 때 중심에 집속하여 유동하도록 유도할 수가 있다.
도 7은 본 발명에 따라 제작된 잉크 분사 장치(100)에 의해 액적을 토출시켜 형성한 패턴의 확대 사진을 보여주는데, 1 마이크로미터 수준의 미세 선폭을 안정적으로 패터닝할 수 있음을 알 수 있다.
이하, 도 8을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 프린팅 시스템에 관하여 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 프린팅 시스템을 도시하는 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프린팅 시스템(200)은 잉크 분사 장치(100), 기판 스테이션(210) 및 이송부를 포함하여 구성될 수가 있다.
잉크 분사 장치(100)는 도 1 내지 도 7을 참조로 전술한 잉크 분사 장치(100)일 수가 있는데, 이에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 이때, 도 8에서는 단일의 잉크 분사 장치가 설치되어 있는데, 복수의 잉크 분사 장치(100)를 구비하여 이를 동시에 제어하며 기판에 패터닝을 수행할 수도 있다.
기판 스테이션(210)은 상부에 위치하는 잉크 분사 장치(100)로부터 토출되는 액적이 탄착되는 기판(S)을 장착시킨다.
이송부는 잉크 분사 장치(100) 또는 기판 스테이션(210)을 이동시켜 잉크 분사 장치(100)로부터 액적이 토출되어 기판(S)에 탄착되는 위치를 제어한다. 도면에서는 기판 스테이션(210)을 전후로 이동시키고, 잉크 분사 장치(100)를 좌우 및 상하로 이동시키도록 함으로써 기판(S)과 잉크 분사 장치(100) 사이의 xyz 3차원 위치를 제어하는 구성이 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 기판 스테이션(210)의 위치는 고정되고 잉크 분사 장치(100)의 위치를 xyz 3축으로 이송 제어하도록 구성할 수도 있다. 이송부의 구성은 여러 공지된 방법을 사용할 수가 있으므로, 이에 대해서는 자세한 설명은 생략하기로 한다.
따라서, 이송부에 의해 액적의 탄착 위치를 제어할 수가 있고, 점, 선, 면, 3차원 구조체의 형상 패터닝을 수행할 수가 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100: 잉크 분사 장치 110: 액적 생성부
110a: 압전 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드
110b: 정전기력 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드
112: 노즐 114: 압전 소자
116a, 116b: 전극 120: 가이드 채널부
122: 채널 130: 가스 공급부
140: 전하량 제어부 150: 가열부
170: 노즐부 172: 노즐관
180: 가상 임팩터부 190: 가스 흡입 장치
200: 프린팅 시스템 210: 기판 스테이션
S: 기판

Claims (15)

  1. 액적을 생성하여 분사하는 액적 생성부;
    상기 분사된 액적을 안내하여 열적, 물리적 교란으로부터 액적을 보호하고 증발을 제어하는 채널 형태의 가이드 채널부; 및
    상기 가이드 채널부를 통과한 액적을 기판을 향하여 토출하는 노즐부를 포함하는 잉크 분사 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액적 생성부는
    드롭 온 디맨드 방식으로 액적을 토출시키는 잉크젯 헤드로 형성되는 잉크 분사 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액적 생성부는
    압전 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드 또는 정전기력 잉크젯 방식의 잉크젯 헤드로 형성되는 잉크 분사 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가이드 채널부는 금속으로 형성되고 상기 전하를 띈 액적을 가이드 채널부 중앙에 집중하기 위하여 전압이 인가되는 잉크 분사 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가이드 채널부의 채널 내부로 상기 액적의 이동 방향을 따라 가스를 공급하는 가스 공급부를 더 포함하는 잉크 분사 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 노즐부에서 상기 가스의 유동이 층류가 되도록 레이놀즈 수가 2,300 이하인 잉크 분사 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가이드 채널부의 외주면을 가열시키는 가열부를 더 포함하는 잉크 분사 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가열부에서 발생하는 열이 상기 가이드 채널부 외에 다른 곳으로 전달되는 것을 차단하는 열차단부를 더 포함하는 잉크 분사 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 액적이 배출되는 상기 가이드 채널부의 일단부와 상기 노즐부 내 상기 액적이 통과하는 노즐관은 상호 이격되어 있고,
    이격된 공간을 통해 상기 가이드 채널부로부터 분사되는 가스 중 일부를 흡입하는 가상 임팩터부를 더 포함하는 잉크 분사 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가이드 채널부의 채널은 상기 액적의 이동 방향을 따라서 상기 채널의 관경이 단계적으로 줄어들도록 형성되는 잉크 분사 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐부 내 상기 액적이 통과하는 노즐관은 상기 액적의 이동 방향을 따라서 채널의 관경이 단계적으로 줄어들도록 형성되는 잉크 분사 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 가이드 채널부에 형성되어 상기 가이드 채널부의 채널을 통과하는 액적의 전하량을 제어하는 전하량 제어부를 더 포함하는 잉크 분사 장치.
  13. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스는 공기, 질소, 아르곤 중 적어도 어느 하나를 포함하는 가스류; 물 또는 상기 액적에 포함된 용매의 기화된 가스; 또는 상기 가스류와 상기 기화된 가스의 혼합된 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 잉크 분사 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항의 잉크 분사 장치;
    상기 잉크 분사 장치로부터 토출되는 액적이 탄착되는 기판을 장착시키는 기판 스테이션; 및
    상기 잉크 분사 장치 또는 상기 기판 스테이션을 이동시켜 상기 액적이 상기 기판에 탄착되는 위치를 제어하는 이송부를 포함하는 프린팅 시스템.
  15. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항의 복수의 잉크 분사 장치;
    상기 잉크 분사 장치로부터 토출되는 액적이 탄착되는 기판을 장착시키는 기판 스테이션; 및
    상기 잉크 분사 장치 또는 상기 기판 스테이션을 이동시켜 상기 액적이 상기 기판에 탄착되는 위치를 제어하는 이송부를 포함하는 프린팅 시스템.


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