KR20210084747A - 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드를 포함하는 공압디스펜서 및 이를 포함한 공압 프린팅 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드를 포함하는 공압디스펜서(100)는 공압 프린팅 헤드(110)의 상단 일측에 구비되어 용액이 유입되는 용액 유입구(111)와 타측에 구비되어 공압을 전달하는 공압전달홀(112), 공압 프린팅 헤드(110)의 하단부에 공압전달홀(112)과 대향하여 위치하며 상기 공압전달홀(112)을 통해 상기 유연막(120)에 공압을 가함에 따라 용액을 토출하는 노즐(115), 상기 공압전달홀(112)과 상기 노즐(115)부 사이에 위치하며 용액을 토출할 수 있도록 공압을 전달하는 유연막(113)를 포함하는 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110) 및 상기 프린팅 헤드를 내포하며, 공압프린팅 시스템에 고정할 수 있는 케이스(120)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드를 포함하는 공압디스펜서 및 이를 포함한 공압 프린팅{Pneumatic Dispenser with Seamless Printing Head of Single Material/Part and Pneumatic Printing System Comprising the same}

본 발명은 하나의 부품으로 제작되는 공압 프린팅 헤드및 이를 포함한 공압 프린팅에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유연 박막과 채널 노즐 부분을 모두 일체형으로 제작하는 것을 특징으로 하는 공압 프린팅 헤드를 포함하는 공압디스펜서및 이를 포함한 공압 프린팅에 관한 것이다.

공압 방식의 디스펜서 칩 제조 공정을 살펴보면, 폴리머 재질의 유연 박막을 준비하고, 접착제를 사용하여 유연 박막을 상판에 먼저 접착시킨다. 이 후, 유연 박막의 아래 부분을 접착제를 사용하여 하판과 접착시킴으로써 프린팅 헤드에 해당하는 칩을 조립하게 된다.

그런데 이 분야에서 디스펜서 칩은 오랜 기간동안 사용하게 되면, 미세 채널과 노즐에 잔여물이 남아 노즐 막힘 현상이 발생하며, 이로 인한 프린팅 에러가 발생하는 문제점이 있다. 이러한 문제는 현재 대부분의 프린팅 시스템에서 한계이기도 하다.

한국등록특허 제10-0986760호에는 미세 입자가 포함된 액체를 정확한 양으로 토출하는 공압 디스펜서가 개시되어 있다. 이 발명에서 제시한 칩을 일 예로 들자면, 제조된 칩은 유연 박막이 상판과 하판과 서로 접착되어 제조된 것이다.

이와 같은 디스펜서는, 내부 채널에 이물질이 막혀서 프린팅 작동에 문제가 되면, 제조된 칩을 분해할 수가 없어서 미세 채널 내부로 클리닝 용액을 흘려주면서 세척하는 방법을 채택하고 있다.

이러한 세척 방법은 디스펜서 내 이물질을 일부 제거할 수 있으나 완전히 제거하기는 힘들고, 특히 유연 박막이나 하판에 이물질이 고착되어 버린 경우에는 고가 공정인 반도체 공정으로 제조된 디스펜서 칩으로 새로 교체해야 하는 문제가 있다.

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, 본 발명의 목적은 공압 디스펜서 사용시 이물질 등에 의한 막힘 현상이 발생하였을 경우 쉽게 교체가능한 프린팅 헤드를 공급함으로서 문제를 해결하여 유지보수 시간의 단축을 가져올 수 있고, 또한 사출 성형 제작 공법에 최적화된 프린팅 헤드 디자인으로 대량생산 가능하여 제작단가를 획기적으로 감소시킬 수 있어 유지보수 비용적 측면에서도 경제성도 보장되는 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드를 포함하는 공압디스펜서 및 이를 포함한 공압 프린팅를 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드는 일측에 구비되어 용액이 유입되는 용액 유입구(111); 타측에 구비되어 공압을 전달하는 공압전달홀(112); 및 유연막(113); 및 노즐(115)이 일체로 구성되는 단일부품으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 공압 디스펜서(100)에 있어, 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110)의 하단부와 상기 유연막(113) 측으로 돌출형성된 링형상을 갖는 역류제지기(114) 및 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110)의 바닥에 형성되며, 상기 공압전달홀(112)을 통해 상기 유연막(113)에 공압을 가함에 따라 용액을 토출하는 노즐(115);을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 공압 디스펜서(100)는, 상기 역류제지기(114)의 외주를 따라 상호 이격 형성됨으로써, 상기 유연막(113)의 처짐을 방지하는 처짐방지기둥(미도시);을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 공압 디스펜서(100)는, 상기 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드의 케이스(120)의 하면에 길게 파곡되어 형성되되, 상기 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110)에 바닥에 형성되어 요액을 토출하는 상기 노즐(115)의 출구를 중심으로 상호 교차 형성되는 제1 트로프(121) 및 제2 트로프(122)를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 상술한 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드를 포함하는 공압디스펜서(100); 상기 공압 디스펜서의 제1유입구(111)에 용액을 공급하는 용액 공급부(200); 및 상기 유연막에 공압을 가하는 공압 구동부(300)를 포함하는 공압프린팅 시스템을 포함한다.

본 발명에 따른 이음새가 없는 단일 재료/부품의 공압프린팅 헤드는 레이져를 이용한 UV 3D 프린팅 장비를 이용해서도 제작이 가능하며, 단일 재료, 단일 부품으로 설계되어 대량생산이 가능한 프린팅 헤드로 제작단가를 획기적으로 낮추는 것이 가능하다. 이에 더하여, 일체형으로 제작된 이음새가 없는 단일 재료/부품의 공압프린팅 헤드는 기존 산업용 프린팅 헤드의 노즐 막힘 등의 문제 발생시에 신속교체가 가능하다. 따라서 유지보수의 신속성을 확보하여 업무지연을 막을 수 있음과 동시에 유지보수 비용도 절감할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 이음새가 없는 단일 재료/부품의 공압프린팅 헤드는 상기 유연막(120) 측으로 돌출 형성된 역류제지기(130)를 포함함으로써, 용액 토출시, 상기 유연막(120)으로 용액 공급을 차단하여 용액의 역류를 방지한 상태에서, 상기 유연막(120)의 이차적인 변형으로 용액을 토출하므로, 미세 입자가 포함된 용액을 정량적으로 토출 가능하게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 디스펜서(100)의 전개도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 디스펜서(100)에 있어 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110)의 단면을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 디스펜서(100)에 있어 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110)의 케이스(120)를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110)를 포함한 공압 디스펜서가 구비된 공압 프린팅 시스템(1000)을 보여주는 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되 도면 부호에 관계없이 동일 하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니됨을 유의해야 한다.

본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 각 구성 단계에 대한 상세한 설명에 앞서, 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위하여 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시 예에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 발명을 서술함에 있어, 용어 "용액"은 미세 입자가 포함된 액체 또는 서스펜션(suspension)을 의미한다.

도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 양태에 따른 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110)로 구성된 공압 디스펜서을 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 디스펜서(100)의 전개도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 디스펜서(100)는 기본적으로 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110)과 케이스(120)을 포함한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 디스펜서(100)에 있어 상기 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110)의 단면을 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110)의 상단 일측에 구비되어 용액이 유입되는 용액 유입구(111); 타측에 구비되어 공압을 전달하는 공압전달홀(112); 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110)의 하단부에 공압전달홀(112)과 대향하여 위치하며 상기 공압전달홀(112)을 통해 상기 유연막(120)에 공압을 가함에 따라 용액을 토출하는 노즐(115); 및 상기 공압전달홀(112)과 상기 노즐(115)부 사이에 위치하며, 용액을 토출할 수 있도록 공압을 전달하는 유연막(113)으로 구성된다.

이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110)는 일체형으로 설계, 제작됨에 따라, 기존의 접착제 사용으로 인한 문제점을 해소할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 디스펜서(100)는 상술한 용액을 액적형태로 연속적으로 정량 토출할 수 있으므로, 미세 3D 구조물의 제조 등에 쉽게 활용할 수 있다.

도 2 참조하면, 상기 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110)은 상기 유연막(113) 하부에 위치하여 유입된 용액을 수용하며, 상기 유연막(113) 측으로 돌출형성된 단면이 링형상인 역류제지기(114)를 포함할 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따른 공압 디스펜서(100)는 상기 유연막(113) 측으로 돌출 형성된 역류제지기(114)를 포함함으로써, 용액 토출시, 상기 유연막(113)으로 용액 공급을 차단하여 용액의 역류를 방지한 상태에서, 상기 유연막(113)의 이차적인 변형으로 용액을 토출하므로, 미세 입자가 포함된 용액도 정량적으로 토출 가능하게 하는 효과가 있다.

상기 유연막(113)은 상기 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110) 안착되어 상기 공압전달홀(112)을 폐쇄하며, 공압을 전달받아 상하로 변형되어 펌핑 작용하는 유연막 변형이 될 수 있다.

상기 유연막(113)은 실리콘 베이스의 유기 폴리머(polydimethylsioxiane, PDMS)로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 디스펜서(100)에 있어, 상기 케이스(120)은 그 하면에 상기 노즐(115)의 출구를 중심으로 상호 교차 형성되는 제1 트로프(121) 및 제2 트로프(122)를 구비할 수 있다.

상세하게, 상기 제1 트로프(121) 및 제2 트로프(122)는 상호 독립적으로 상기 케이스(120)의 하면에 파곡되고, 상호 교차하는 형태로 형성될 수 있다. 또한 상기 제1 트로프(121) 및 제2 트로프(122)가 교차하는 부분에 상술한 노즐(115)이 형성될 수 있다. 이와 더불어, 상기 상기 제1 트로프(121) 및 제2 트로프(122)를 통해 토출되는 액적의 크기, 상태 등을 분석할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 디스펜서(100)에 있어 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110)는 교체하되 상기 케이스(120)는 지속적으로 사용됨에 따라 멤브레인 외부강성과 안정성 강화를 위하여 강성이 큰 재료를 사용하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 상술한 공압 디스펜서(100)를 포함하는 공압 프린팅 시스템을 포함한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 일 양태에 따른 공압 프린팅 시스템(1000)은 공압 디스펜서(100); 상기 공압 디스펜서(100)의 용액 유입구(111)에 용액(L)을 공급하는 용액 공급부(200); 및 상기 유연막(113)에 음압과 양압을 가하는 공압 구동부(300);를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 일 양태에 따른 공압 프린팅 시스템(1000)에 있어, 상기 공압 디스펜서(100)에 공급되는 용액(L)의 표면장력의 크기를 조절하기 위해 상기 용액공급부(200)에 계면활성제가 포함된 용액(L)을 공급하고, 상기 공압 디스펜서(100)의 노즐(115)의 입구에서 모세관력에 의해 밸브 기능을 하도록 공급되는 용액(L)의 최대 입구 압력을 조절할 수 있다.

여기서, 상기 용액(L)의 최대 입구 압력은 상기 공압 디스펜서(100) 에서 상기 노즐(115)을 통해 액적을 연속적으로 토출할 때, 상기 용액(L)이 상기 노즐(115)의 출구 방향으로 흘러 넘치지 않게 하는 수치를 의미한다. 예컨대, 상기 노즐(115)이 사각 채널로 이루어지는 경우, 상기 용액(L)의 최대 입구 압력은 상기 노즐(115)의 폭(w)과 높이(h)가 각각 100 ㎛일 때 측정한 값을 의미할 수 있다. 예컨대, 상기 최대 입구 압력은 용액 공급부(100)의 수두 높이(H1)를 통하여 조절할 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.

또한, 본 발명의 다른 일 양태에 따른 공압 프린팅 시스템(1000)은, 상기 공압 디스펜서(100)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(200)에 공급되는 용액(L)에 포함된 계면활성제의 농도를 0.04 내지 0.2 mM로 조절하고, 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.

본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 공압 디스펜서
110 : 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드
111 : 용액유입구 112 : 공압전달홀
113 : 유연막 114 : 역류제지기
115 : 노즐
120 : 케이스
121 : 제1트로프 122 : 제2트로프
200 : 용액공급부
300 : 공압구동부
1000 : 공압프린팅 시스템

Claims (3)

1. 공압 프린팅 헤드에 있어서,
   공압 프린팅 헤드(110)의 상단 일측에 구비되어 용액이 유입되는 용액 유입구(111); 타측에 구비되어 공압을 전달하는 공압전달홀(112); 공압 프린팅 헤드(110)의 하단부에 공압전달홀(112)과 대향하여 위치하며 상기 공압전달홀(112)을 통해 상기 유연막(120)에 공압을 가함에 따라 용액을 토출하는 노즐(115); 및 상기 공압전달홀(112)과 상기 노즐(115)부 사이에 위치하며, 용액을 토출할 수 있도록 공압을 전달하는 유연막(113)를 포함하는 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드(110); 및
   상기 프린팅 헤드를 내포하며, 공압프린팅 시스템에 고정할 수 있는 케이스(120);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공압 디스펜서(100).
   
2. 제1항에 있어서, 상기 케이스(120)는,
   멤브레인 외부강성과 안정성 강화를 위하여 강성이 큰 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 공압 디스펜서.
   
3. 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 따른 이음새가 없는 단일재료/부품의 공압 프린팅 헤드를 포함하는 공압디스펜서(100);
   상기 공압 디스펜서(100)의 제1 유입구(111)에 용액을 공급하는 용액 공급부(200); 및
   상기 유연막(120)에 공압을 가하는 공압 구동부(300);를 포함하는 공압 프린팅 시스템(1000).
   
   

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