KR20200059675A

KR20200059675A - 공압 프린팅 시스템

Info

Publication number: KR20200059675A
Application number: KR1020180144693A
Authority: KR
Inventors: 이상민; 최인호
Original assignee: 동의대학교 산학협력단
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2020-05-29
Also published as: KR102122838B1

Abstract

본 발명에 따른 공압 프린팅 시스템은 용액 공급부; 상기 용액 공급부와 연통되며 용액 챔버와 노즐을 포함하여 액적을 토출하는 프린팅 헤드부; 및 상기 용액 챔버에 음압과 양압을 가하는 구동부;를 포함하며, 상기 용액 챔버에 공급되는 용액의 표면장력의 크기를 조절하기 위해 상기 용액 공급부에 계면활성제가 포함된 용액을 공급하고, 상기 노즐의 입구에서 모세관력에 의해 밸브 기능을 하도록 상기 용액 챔버에 공급되는 용액의 최대 입구 압력을 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

공압 프린팅 시스템 및 이를 이용한 프린팅 방법{Pneumatic printing system and printing method of using the same}

본 발명은 공압 프린팅 시스템 및 이를 이용한 프린팅 방법에 관한 것으로서, 프린팅 기술에서 용액의 표면 장력이 토출 액적에 미치는 영향에 관한 공압 프린팅 시스템 및 이를 이용한 프린팅 방법에 관한 것이다.

미량의 액적(Droplet)을 원하는 위치에 전달하는 잉크젯(Inkjet) 기술은 미세 패턴을 제작하는데 있어서, 기존의 포토리소그래피(Photolithography)를 이용한 방법에 비해 재료 사용량의 최소화 및 제작 공정 단순화와 같은 장점들을 제공할 수 있다.

효과적인 제조 도구(Fabrication Tool)로써 잉크젯 기술을 활용하기 위해서, 다양한 기능성 재료들을 이용하여 유기 태양 전지(Organic Solar Cell), 유기 박막 트랜지스터(Organic Thin Film Transistor), 조직 공학 분야의 세포 구조물 제작과 같은 응용 연구들이 활발히 진행되어 오고 있다.

프린팅 기술에서 잉크의 밀도(Density), 점도(Viscosity), 표면 장력(Surface Tension)과 같은 물성에 따라 시스템의 작동 조건이 달라질 뿐만 아니라 프린팅 성능에 영향을 미치게 된다. 최근 다양한 기능성재료(Fuctional Materials)들을 이용한 응용 연구들이 많아지면서, 다양한 물성을 가지는 용액(i.e., 잉크)을 적용할 수 있는 프린팅 기술이 요구되고 있다.

특히, 용액의 표면 장력이 작아질 수록 프린팅 노즐에서 용액의 젖음(Wetting) 현상이 발생하게 되며, 노즐이 젖어 있거나, 노즐에 용액이 맺히게 되면 토출 액적의 직진성(Straightness), 미토출(Misfiring) 등에 영향을 주어 정상적인 프린팅이 어렵게 된다.

한국등록특허 제10-0986760호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 기존 프린팅 노즐에서 발생하는 용액의 젖음 현상에 의한 액적의 직진성, 미토출 등을 해결하기 위한 공압 프린팅 시스템을 제공함에 있다.

또한 본 발명은 상기 공압 프린팅 시스템을 이용한 프린팅 방법을 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템은 용액 공급부; 상기 용액 공급부와 연통되며 용액 챔버와 노즐을 포함하여 액적을 토출하는 프린팅 헤드부; 및 상기 용액 챔버에 음압과 양압을 가하는 구동부;를 포함하며, 상기 용액 챔버에 공급되는 용액의 표면장력의 크기를 조절하기 위해 상기 용액 공급부에 계면활성제가 포함된 용액을 공급하고, 상기 노즐의 입구에서 모세관력에 의해 밸브 기능을 하도록 상기 용액 챔버에 공급되는 용액의 최대 입구 압력을 조절한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 상기 용액의 최대 입구 압력은 0.5 내지 1.5 kPa일 수 있다.

(단, 상기 용액의 최대 입구 압력은 상기 노즐의 폭과 높이가 각각 100 ㎛일 때 측정한 값을 의미한다.)

본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 상기 계면활성제의 농도는 0.04 내지 0.2 mM일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 상기 용액의 표면장력은 30 내지 45 mN/m 일 수 있다.

또한 본 발명은 상술한 공압 프린팅 시스템을 이용한 공압 프린팅 방법을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 방법에 있어, 상기 용액 챔버에 공급되는 용액의 표면장력의 크기를 조절하기 위해 상기 용액 공급부에 계면활성제가 포함된 용액을 공급하는 단계; 및 상기 노즐의 입구에서 모세관력에 의해 밸브 기능을 하도록 상기 용액 챔버에 공급되는 용액의 최대 입구 압력을 조절하는 단계를 포함한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명에 따른 공압 프린팅 시스템은 용액을 토출하는 기능과 동시에 용액이 노즐 밖으로 흐르지 못하게 모세관 밸브(Capillary Valve)와 같은 기능을 할 수 있다.

상세히 설명하면, 용액에 포함된 계면활성제의 농도와 용액의 최대 입구 압력을 조절함으로써, 프리팅 헤드부에서 토출되는 액적의 부피변화량을 최소화 할 수 있는 장점을 가진다.

따라서, 다양한 기능성 잉크를 개발하고 사용하는 프린팅 시스템에서 잉크의 표면장력 특성을 확인하고 이를 반영하여 토출 액적의 부피를 정밀하게 제어하는데 활용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템을 도시한 투과 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 도 1의 프린팅 헤드부를 확대하여 도시한 투과 사시도이다.
도 3은 도 2의 I-I'단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 노즐의 모세관 밸브의 기능을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 노즐에서 용액이 접하는 표면 특성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 최대 입구 압력에 따른 용액의 계면의 위치 변화를 탈이온수를 이용하여 관찰한 광학 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 토출 과정에서 PDMS 막에 전달되는 압력의 시간에 따른 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 양압의 크기 증가와 입구 압력 증가에 따라 토출되는 액적의 부피가 증가하는 경향을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 높은 토출 주기(약 33 Hz) 조건과, 계면활성제 농도 별 최대 입구 압력 조건(0.5 kPa~1.5 kPa)에서 토출된 액적의 부피를 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 토출 주기에 의한 영향을 확인하기 위해서, 높은 주기(약 33 Hz)와 낮은 주기(약 5 Hz)조건에서 측정한 액적의 부피를 도시한 그래프이다.

이하 본 발명에 관하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예 및 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명의 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 공압 프린팅 시스템은 용액공급부(100); 상기 용액공급부(100)와 연통되며 용액챔버(231)와 노즐(233)을 포함하고 액적을 토출하는 프린팅 헤드부(200); 및 상기 용액챔버(231)에 음압과 양압을 가하는 구동부(300);를 포함하며, 상기 용액 챔버(231)에 공급되는 용액의 표면장력의 크기를 조절하기 위해 상기 용액공급부(100)에 계면활성제가 포함된 용액(L)을 공급하고, 상기 노즐(233)의 입구에서 모세관력에 의해 밸브 기능을 하도록 상기 용액챔버(231)로 공급되는 용액(L)의 최대 입구 압력을 조절한다.

여기서, 상기 용액(L)의 최대 입구 압력은 상기 프린팅 헤드부(200)에서 상기 노즐(233)을 통해 액적을 연속적으로 토출할 때, 상기 용액(L)이 상기 노즐(233)의 출구 방향으로 흘러 넘치지 않게 하는 수치를 의미한다. 예컨대, 상기 노즐이 사각 채널로 이루어지는 경우, 상기 용액(L)의 최대 입구 압력은 상기 노즐(233)의 폭(w)과 높이(h)가 각각 100 ㎛일 때 측정한 값을 의미할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용액(L)의 최대 입구 압력은 이론값(Estimated value)과 측정값(Meassured value)을 사용할 수 있는데, 이론값의 경우 약 0.1 내지 1 kPa이고, 측정값의 경우 약 0.5 내지 1.5 kPa의 범위에 있다. 상기 최대 입구 압력의 이론값과 측정값에 관해서는 후술하기로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 상기 프린팅 헤드부(200)에서 토출되는 액적의 부피변화량을 최소하기 위하여, 상기 계면활성제의 농도와 상기 용액의 최대 입구 압력을 조절한다.

상세히 설명하면, 본 발명에 따른 공압 프린팅 시스템은 상기 용액공급부(100)에 공급되는 용액(L)에 포함된 계면활성제의 농도를 0.04 내지 0.2 mM로 조절하고, 상기 용액챔버(231)에 공급되는 용액(L)의 최대 입구 압력을 0.5 내지 1.5 kPa로 조절함으로써, 토출된 액적의 부피변화량을 최소화 할 수 있는 장점을 가진다.

여기서, 상기 액적의 부피변화량은 상기 용액의 최대 입구 압력의 범주내에서 토출된 액적의 부피변화량을 의미하며, 하기 식 1과 같이 계산된다.

[식 1]

{(토출된 액적의 최대부피 - 토출된 액적의 최소부피)/토출된 액적의 최소부피)} × 100

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액적의 부피변화량은 약 10% 이하, 바람직하게는 8% 이하, 보다 바람직하게는 7% 이하일 수 있다.

또한 본 발명은 상술한 공압 프린팅 시스템을 이용한 프린팅 방법을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프린팅 방법에 있어, 상기 용액 챔버(231)에 공급되는 용액(L)의 표면장력의 크기를 조절하기 위해 상기 용액 공급부(100)에 계면활성제가 포함된 용액(L)을 공급하는 단계; 및 상기 노즐(233)의 입구에서 모세관력에 의해 밸브 기능을 하도록 상기 용액 챔버(231)에 공급되는 용액(L)의 최대 입구 압력을 조절하는 단계를 포함한다.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템과 모세관 밸브 기능에 관하여 보다 상세히 설명한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템은 기본적으로 용액공급부(100), 프린팅 헤드부(200) 및 구동부(300)를 포함하되, 상기 구동부(300)는 상기 프린팅 헤드부(200)에 음압 및 양압을 가하도록 솔레노이드 밸브(310)를 포함할 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하여, 상기 프린팅 헤드부(200)를 보다 상세히 설명하면, 상기 프린팅 헤드부(200)는 상기 구동부(300)로부터 발생된 음압 및 양압이 유연막(220)에 가해지도록 관통홀(211)이 형성된 상판(210); 상기 구동부(300)로부터 발생된 음압 및 양압에 의해 변형되어 주입구(231A)를 개방하거나 폐쇄하는 유연막(220); 및 상기 용액공급부(100)에서 공급된 생체 세포가 포함된 용액(L)을 주입구(231A)를 통해 공급받는 용액챔버(231)와, 상기 용액챔버(231)에서 채널(232)를 통해 용액(L)을 공급받아 액적을 토출하는 노즐(233)이 형성된 하판(230)을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 상판(210)은 유리(glass)로 이루어질 수 있고, 상기 유연막(220)은 소수성 재질인 PDMS로 이루어질 수 있으며, 상기 하판(230)은 실리콘(Si) 재질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한 상기 하판(230)은 상기 용액챔버(231) 내부에 상기 유연막(220)을 향해 돌출된 범프(231B)를 포함할 수 있다. 상기 범프(231B)는 양압에 의해 상기 유연막(220)이 변형될 때 상기 유연막(220)과 밀착하게 되므로, 상기 용액챔버(231)에 갖힌 상기 용액(L)이 상기 주입구(231A)를 통해 용액공급부(100)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템의 작동원리에 대해 보다 상세히 설명하면, 초기에 상기 유연막(220)에 가해진 음압에 의해서 상기 주입구(231A)가 개방되고, 개방된 주입구(231A)를 통해 상기 용액(L)이 상기 용액챔버(231)로 공급된다. 이때, 용액(L)에 가해지고 있는 입구 압력(Inlet Pressure)에 의해 상기 용액(L)은 노즐(233)으로 흐르게 되며, 상기 노즐(233)의 입구 부분(233A)에서 용액(L)의 표면장력과 접촉각에 의한 모세관 힘(F_c)과 용액 내부 압력(P_i)이 평형을 이루며 멈추게 된다(도 4 참조).

상기 노즐(233)의 입구 부분에서 모세관 힘(F_c)의 방향이 상기 용액(L)이 흐르는 방향과 반대가 되기 위해서는 채널(232) 표면과의 접촉각이 90도 이상이 되어야 한다. 사각 채널에서 평형 상태의 액체 내부와 외부의 압력 차이(ΔP=P_i-P_o)는 Young-Laplace 방정식에 의해서 하기 식 2와 같이 나타낼 수 있다.

[식 2]

상기 식 1에서, γ는 용액의 표면장력, θ는 용액이 채널 벽면에서 이루는 접촉각을 나타내며, h와 w는 각각 채널의 높이와 폭을 나타낸다. 일반적으로 접촉각은 움직이지 않는 평형상태의 정적 접촉각(Static contact Angle)을 의미하며, 채널 내의 용액의 계면(즉 고체-액체-기체가 이루는 삼중선 움직이기 위해서는 정적 접촉각 보다 더 큰 접촉각을 이루게 되는데, 이를 전진 접촉각(Advancing Contact Angle)이라고 한다. 따라서, 본 실시예에 따른 접촉각은 모두 전진 접촉각을 측정하여 사용하였다.

한편, 상기 용액공급부(100)에 저장된 용액은 정수압(Hydrostatic Pressure)을 받으며 프린팅 헤드부(300) 내부로 공급되므로, 상기 식 2의 압력 차이는 하기 식 3과 같이 표현할 수 있다.

[식 3]

여기서, ρ는 용액의 밀도, g는 중력 가속도, H는 용액의 중력 방향으로의 높이를 나타낸다. 노즐의 내부 벽면은 실리콘과 PDMS로 이루어져 있기 때문에, 각각의 재료 표면에서의 용액의 접촉각을 θ₁(실리콘)과 θ₂(PDMS)으로 구분하여 나타내었다. 용액의 높이(H)는 상기 용액공급부(100)에서의 높이(H₁)와 상기 프린팅 헤드부(300) 내부에서의 높이(H₂)의 합으로 나타낼 수 있으며, 본 발명에서는 헤드 내부 높이(H₂)는 1 cm으로 고정하였다. (도 2 및 도 5 참조)

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 용액의 표면장력과 최대 입구 압력에 관하여 보다 상세히 설명한다.

상기 용액(L)의 표면 장력에 따른 노즐(233)의 기능과 토출되는 액적의 부피 변화를 확인하기 위해, 탈이온수(Deionized Water)에 계면활성제를 이용하여 용액(L)의 표면장력의 크기를 조절하였다. 계면활성제는 주로 친수성(Hydrophilic) 부분과 소수성(Hydrophobic) 부분을 가지고 있는 화합물로, 용액의 표면 혹은 두 용액의 계면의 장력(Tension)을 낮춰주는 역할을 하며, 서로 다른 특성의 두 용액을 혼합 하기 위해 많이 사용된다.

본 발명의 일 실시예에서는 비이온성 계면활성제인 Triton X-100(TX-100)을 0.04 mM 에서 0.2 mM까지 첨가하여 용액(L)의 표면장력을 조절하여 준비하였다. 준비한 용액(L)은 링 방식(Ring Method)의 표면장력 측정기(LAUDA, Ring/Plate-Tensiometer TD2)를 이용하여 상온에서 표면장력의 크기를 측정하였다. 채널 벽면 표면에서의 전진 접촉각을 측정하기 위해 실리콘과 PDMS 재료의 평판(Plate) 샘플을 준비하였으며, 일정량(Volume-6 μL)의 액적을 표면에 올려 놓고 천천히 표면을 기울이면서 액적이 움직이기 시작할 때 이미지를 분석하여 전진 접촉각을 측정하였다. 실제 프린팅 노즐은 Teflon 용액(0.1%, v/v)을 이용하여 소수성 코팅 후에 사용하였기 때문에, 측정 실리콘 샘플도 동일한 방법으로 Teflon 코팅된 샘플에서의 전진 접촉각을 측정하였다. 계면활성제 농도별 용액의 표면장력 및 전진 접촉각 측정 결과는 하기 표 1에 수록하였다.

계면활성제 농도 (TX-100)	표면장력	전진접촉각
계면활성제 농도 (TX-100)	표면장력	Teflon 코팅된 샘플	PDMS
0 mM	71.1 mN/m	136°	123°
0.04 mM	44.6 mN/m	125°	121°
0.06 mM	41.5 mN/m	118°	110°
0.1 mM	37.6 mN/m	103°	102°
0.2 mM	31.8 mN/m	96°	93°

한편, 계면활성제의 농도별 노즐에서 모세관 밸브 기능을 할 수 있는 최대 입구 압력(Inlet Pressure)의 크기를 측정하여 표 2에 수록하였다. 이때, 입구 압력은 용액 공급부(100)의 수두 높이(H₁)를 통하여 조절하였다. 최대 입구 압력은 용액의 연속 토출 전후에 노즐에 용액이 흘러 넘치지 않는 것을 기준으로 판단하였다.

계면활성제 농도 (TX-100)	최대 입구 압력
계면활성제 농도 (TX-100)	이론값 (Estimated alue)	측정값 (Meassured value)
0 mM	1.97 kPa	1.80 kPa
0.04 mM	1.02 kPa	1.50 kPa
0.06 mM	0.74 kPa	1.20 kPa
0.1 mM	0.34 kPa	0.75 kPa
0.2 mM	0.12 kPa	0.50 kPa

표 2에 보는 바와 같이, 농도별 최대 입구 압력은 0.5 kPa에서 1.8 kPa 범위에 있었다.

도 6은 최대 입구 압력에 따른 용액의 계면의 위치 변화를 탈이온수를 이용하여 관찰한 광학 이미지들이며, 최대 입구 압력이 증가할 수록 계면의 위치가 노즐 방향으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다.

또한 상기 식 2를 이용하여 이론적인 최대 입구 압력을 계산하였으며, 그 결과 탈이온수를 제외하고 계면활성제가 포함된 용액의 경우 실험적으로 측정된 값보다 다소 낮게 계산되었다.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 입구 압력이 토출되는 액적에 미치는 영향에 관하여 보다 상세히 설명한다.

입구 압력이 토출되는 액적에 미치는 영향을 확인하기 위해서, 먼저 탈이온수를 이용하여 입구 압력을 0.5 kPa에서 1.5 kPa까지 증가시키면서 액적의 부피를 측정하였다. 토출되는 액적의 부피는 정밀 저울을 이용하여 측정하였으며, 측정 과정에서 용액의 증발로 인한 오차를 줄이기 위해서 실리콘 오일을 포함한 용기에 토출하여 전체 무게 변화를 측정하여 액적의 부피를 계산하였다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 연속 토출 시 시간에 따른 압력의 변화를 도시한 것이다. 상술한 바와 같이, 상기 압력은 상기 유연막(220)에 전달되며, 이는 상기 용액챔버(231) 내 용액(L)에 전달된다. 상기 용액(L)을 밀어내는 압력인 양압(Positive Pressure)의 크기는 20 kPa 내지 100 kPa 이었으며, 음압(Negative Pressure)의 크기는 약 -5 kPa의 크기로 일정하게 하되 -1 내지 -10 kPa 범주에서 선택할 수 있다. 또한, 본 발명의 공압 프린팅 시스템은 제어부를 통해 양압 및 음압의 크기, 토출 주기, 유지 시간 및 지연 시간은 일정하게 유지할 수 있으며, 토출 주기는 1 내지 50 Hz 범주내에서 선택될 수 있고, 유지 시간 1 내지 100 ms 범주내에서 선택될 수 있고, 지연 시간 10 내지 100 ms 범주내에서 선택될 수 있다.

도 8에 보는 바와 같이, 양압의 크기가 증가할수록, 그리고 입구 압력이 증가 할수록 토출되는 액적의 부피가 증가하는 경향을 확인 하였다. 또한, 전체 압력 범위에서 토출된 부피는 299 nL에서 715 nL로 측정되었으며, 각 측정값은 10회 이상 반복 측정하였으며, 이때 변동 계수(Coefficient of Variation, CV)는 1.04% 이내로 계산되었다.

입구 압력은 저장된 용액(L)을 프린팅 헤드부(200) 내 용액 챔버(231)로 공급하는 역할을 하기 때문에, 입구 압력이 클수록 정해진 시간(Delay Time) 내에 용액의 공급이 원활하게 이루어지며, 반대로 입구 압력이 작을 수록 공급 유량이 줄어들어 공급이 원활하지 못해, 동일한 양압 조건에도 토출 부피가 감소하는 것으로 보인다.

양얍의 크기가 20 kPa일 때, 입구 압력이 0.5 kPa일 때와 1.5 kPa일 때의 부피 차이는 약 50 nL이지만, 양압이 100 kPa일 때, 부피 차이는 약 255 nL로, 입구 압력의 영향은 양압의 크기가 클수록 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

마지막으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 프린팅 시스템에 있어, 용액(L)의 표면장력이 토출 부피에 미치는 영향에 관하여 보다 상세히 설명한다.

용액(L)의 표면장력이 토출 부피에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 계면활성제 농도를 조절하여 용액의 표면장력을 71 mN/m에서 32 mN/m까지 변화시켰으며, 각 용액의 토출 부피를 측정하였다.

또한 토출 주기에 의한 영향을 확인하기 위해서, 지연 시간(Delay Time)을 20 ms(~33 Hz)과 200 ms(~5 Hz)으로 조절하였으며, 입구 압력은 계면활성제 농도에 따라 노즐에서 용액 계면의 위치가 달라지기 때문에 용액 계면의 위치를 동일하게 하기 위해서 용액에 가해줄 수 있는 최대 입구 압력 조건으로 설정하였다.

먼저 도 9를 참조하면, 높은 토출 주기(약 33 Hz) 조건에서, 계면활성제 농도 별 최대 입구 압력 조건(0.5 kPa~1.5 kPa)에서 토출된 액적의 부피는 703 nL에서 748 nL로 45 nL의 변화량을 보였으나, 계면활성제가 없는 탈이온수의 경우 동일한 입구 압력 조건에서 445 nL에서 700 nL으로 255 nL의 변화량을 보였다.

입구 압력의 크기에 따른 부피 차이는 계면활성제가 없는 탈이온수의 경우의 비해 계면활성제가 포함된 용액들의 경우 부피 변화량이 약 1/5 수준으로 줄어든 것을 확인 할 수 있었다. 이는 계면활성제 첨가로 인하여 용액의 표면장력이 30 내지 45 mN/m 로 제어되고 접촉각이 감소함에 따라 용액 계면이 이동할 때의 저항이 줄어든 효과로 예상된다.

도 10을 참조하면, 토출 주기에 의한 영향을 확인하기 위해서, 높은 주기(약 33 Hz)에서 최대 입구 압력 조건에서 계면활성제 농도별(0 mM의 탈이온수 포함) 토출 부피는 703 nL에서 754 nL로 51 nL의 부피 변화를 보였다. 동일한 조건에서 낮은 주기(약 5 Hz)의 경우 토출 부피는 777 nL에서 834 nL로 57 nL의 부피 변화를 보이는 것으로 확인 되었으며, 따라서 주기에 따른 계면활성제 농도별 부피 변화량의 차이는 크지 않은 것을 확인할 수 있었다.

또한 전체 토출 주기에서, 계면활성제의 농도가 증가 할수록 토출부피가 51~57 nL 정도 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 이는 계면활성제 농도가 증가 할수록 가해줄 줄 수 있는 최대 입구 압력의 크기가 감소하게 되며, 줄어든 입구 압력의 영향으로 토출 부피가 줄어든 것으로 예상된다. 도 10에서 측정된 모든 액적의 부피는 최소 703 nL에서 최대 834 nL 범위로, 모든 측정값들의 변동계수(CV)는 6.8% 이내로 계산되었다.

결론적으로, 본 발명에서는 공압 방식의 프린팅 시스템을 이용하여 용액(L)의 표면장력에 따른 토출 액적의 부피 변화에 대해서 확인하였다. 계면활성제의 농도를 조절하여 다양한 표면장력을 가지는 용액들의 모세관 밸브 기능을 할 수 있는 최대 입구 압력을 확인하였다.

먼저 계면활성제를 포함하지 않은 탈이온수를 이용해서 입구 압력에 따른 토출 부피 변화를 확인하였으며, 양압이 증가 할수록 입구 압력에 의한 공급 유량의 차이로 인한 토출 부피의 영향이 큰것을 확인하였다. 계면활성제 농도별 토출되는 액적의 부피는 최대 입구 압력 조건에서 약 7% 정도 변하는 것을 확인 할 수 있었으며, 이는 계면활성제가 없는 경우에 비해 입구 압력에 따른 토출 부피 변화량이 1/5 수준으로 줄어든 것을 확인 하였다.

이와같이 계면활성제를 통해 조절된 다양한 표면장력을 가지는 용액을 프린팅 노즐과 토출 부피에 대한 영향을 확인할 수 있었으며, 다양한 기능성 잉크를 개발하고 사용하는 프린팅 시스템에서 잉크의 표면장력 특성을 확인하고 이를 반영하여 토출 액적의 부피를 정밀하게 제어하는데 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 용액공급부
200: 프린팅 헤드부
210: 상판
211: 관통홀
220: 유연막
230: 하판
231: 용액챔버
231A: 주입구
231B: 범프
232: 채널
233: 노즐
233A: 노즐의 입구
300: 구동부
310: 솔레노이드 밸브

Claims

용액 공급부; 상기 용액 공급부와 연통되며 용액 챔버와 노즐을 포함하여 액적을 토출하는 프린팅 헤드부; 및 상기 용액 챔버에 음압과 양압을 가하는 구동부;를 포함하는 공압 프린팅 시스템에 있어서,
상기 용액 챔버에 공급되는 용액의 표면장력의 크기를 조절하기 위해 상기 용액 공급부에 계면활성제가 포함된 용액을 공급하고,
상기 노즐의 입구에서 모세관력에 의해 밸브 기능을 하도록 상기 용액 챔버에 공급되는 용액의 최대 입구 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 공압 프린팅 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 용액의 최대 입구 압력은 0.5 내지 1.5 kPa인 것을 특징으로 하는 공압 프린팅 시스템.
(단, 상기 용액의 최대 입구 압력은 상기 노즐의 폭과 높이가 각각 100 ㎛일 때 측정한 값을 의미한다.)
제 1항에 있어서,
상기 계면활성제의 농도는 0.04 내지 0.2 mM인 것을 특징으로 하는 공압 프린팅 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 용액의 표면장력은 30 내지 45 mN/m 인 것을 특징으로 하는 공압 프린팅 시스템.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 공압 프린팅 시스템을 이용한 프린팅 방법으로서,
상기 용액 챔버에 공급되는 용액의 표면장력의 크기를 조절하기 위해 상기 용액 공급부에 계면활성제가 포함된 용액을 공급하는 단계; 및
상기 노즐의 입구에서 모세관력에 의해 밸브 기능을 하도록 상기 용액 챔버에 공급되는 용액의 최대 입구 압력을 조절하는 단계를 포함하는 공압 프린팅 시스템을 이용한 프린팅 방법.