KR20220044516A - 특수 유체들의 에어로졸 프린팅 - Google Patents

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KR20220044516A
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라이 유 레오 체
에단 존 맥밀런
키라 바톤
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더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시건
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Abstract

프린터는, 정전기장이 존재하는 상태에서 프린팅 노즐로부터 프린팅 유체를 추출하는 추출 가스의 제트를 제공하도록 구성되어 있으며, 정전기장은 프린팅 기판을 향하여 추출된 프린팅 유체를 가속시킨다. 프린터는 또한 에어로졸 모드, 이-어시스티드 에어로졸 모드 또는 이-제트 모드에서 프린팅을 가능케 하기 위해서 정전기장과 추출 가스의 제트를 선택적으로 오프상태와 온상태가 되게 하도록 구성되어 있다. 가스의 제트는 프린팅 노즐과 동심형인 제 2 노즐에 의해 제공될 수 있다. 제 3 노즐은 에어로졸 둘레에 집속 가스를 방출할 수 있다.

Description

특수 유체들의 에어로졸 프린팅
본 발명은 대체로 프린팅에 관한 것이고, 특히 특수 프린팅 유체들의 프린팅에 적용가능하다.
프린팅은, 주로 정보제공 목적을 위하여 판독가능한 텍스트와 그래픽 이미지들을 만들어내기 위한 기술로부터, 전도유망한 미래가 있는 유용한 제조 공정까지 발전해 오고 있다. 특별히, 특히 특정된 위치들에 있는 프린팅 매체 상에만 기능성 재료를 증착하는 능력은, 전형적인 안료나 염료 이외의 재료들을 증착하도록 되어 있는 경우 상대적으로 신속한 추가적인 제조 공정과 제로-웨이스트(zero-waste)로 이어질 수 있다. 그러나, 프린팅 매체와의 시각적인 대비 이외의 유용한 특성들을 가지고 있는 재료들의 증착에서의 난제들은 제조 공정으로서의 프린팅을 계속해서 제한한다. 이는 부분적으로, 제조된 제품들이 통상적으로 고체 재료들로부터 형성되는데 반해 적용가능한 프린팅 기술들은 대체로 액체-기반 재료들을 프린팅 매체를 향하여 또는 프린팅 매체 쪽으로 전달하기 때문이다. 일부 고체 재료들은 순차적으로 증발하거나 반응하거나 또는 바인더로서 역할하는 액체 운반체 재료를 통해서 미립자 형태로 프린팅될 수 있지만, 공지의 프린팅 방법들과의 호환성을 위하여 고체 함량과 입자 크기 상에는 제한들이 있다.
프린터들의 실시예들은, 연속적인 정전기장이 존재하는 상태에서 프린팅 노즐로부터 프린팅 유체를 추출하는 추출 가스의 제트(a jet of extraction gas)를 제공하도록 구성되어 있으며, 연속적인 정전기장은 프린팅 기판을 향하여 추출된 프린팅 유체를 가속시키도록 배열되어 있다.
일부 실시예들에서, 프린터는, 추출 가스가 추출 가스 노즐로부터 방출되고 나서 프린팅 노즐의 팁에서 수렴하기 전에 프린팅 노즐의 외측 표면에서 환형 갭을 따라 유동하도록, 프린팅 노즐을 둘러싸면서 프린팅 노즐과 동축방향에 있는 추출 가스 노즐(extraction gas nozzle)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 프린터는, 집속 가스가 프린팅 기판과 프린팅 노즐 사이의 추출된 프린팅 유체 둘레에 집속 가스의 슈라우드(shroud)를 제공하기 위해서 집속 노즐로부터 방출되기 전에 추출 가스 노즐의 외측 표면에서 환형 갭을 따라 유동하도록, 추출 가스 노즐을 둘러싸면서 추출 가스 노즐과 동축방향에 있는 집속 노즐(focusing nozzle)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 추출 가스 노즐은 프린팅 기판과 추출 가스 노즐 사이에 정전기장을 제공하는 대전된 전극(charged electrode)을 구비한다.
일부 실시예들에서, 프린팅 노즐의 팁은 프린팅 기판과 추출 가스 노즐 사이에 위치되어 있다.
프린터의 실시예들은 노즐과 가스 방출 포트를 포함한다. 노즐은 팁을 가지고 있고, 노즐로부터의 추출을 위하여 팁에서 프린팅 유체를 공급하도록 구성되어 있다. 가스 방출 포트는, 추출 가스의 스트림 안에 노즐의 팁이 있는 상황에서 프린팅 기판을 향하여 추출 가스의 스트림을 방출하도록 구성되어 있다. 추출 가스의 속도는, 노즐로부터 프린팅 유체를 연속적으로 추출하고 나서 추출된 프린팅 유체를 프린팅 기판 쪽으로 운반하기에 충분하다.
일부 실시예들에서, 프린터는, 프린팅 유체가 노즐로부터의 추출 후 프린팅 기판을 향하여 가속하도록 프린팅 기판과 전극 사이에 전위(electrical potential; 전기 퍼텐셜)를 제공하도록 구성되어 있는 전극을 포함한다.
일부 실시예들에서, 프린팅 유체는 노즐 안에서 가압되고, 프린팅 유체는, 추출 가스의 스트림이 부존재하는 상태에서 프린팅 유체가 노즐의 팁 밖으로 힘을 받는 것을 방지하는 성분을 가지고 있다.
일부 실시예들에서, 프린터는 가스 방출 포트를 포함하는 추출 가스 노즐을 포함한다.
일부 실시예들에서, 추출 가스 노즐은, 프린팅 유체가 추출 후 프린팅 기판을 향하여 가속하도록 프린팅 기판과 전극 사이에 전위를 제공하도록 구성되어 있는 전극을 포함한다.
일부 실시예들에서, 가스 방출 포트는 환형이고, 노즐을 둘러싼다.
일부 실시예들에서, 프린팅 기판과 노즐의 팁 사이의 거리는 프린팅 기판과 가스 방출 포트 사이의 거리보다 더 적다.
일부 실시예들에서, 노즐은 전기적으로 절연성이다.
일부 실시예들에서, 프린터는, 프린팅 기판과 노즐 사이의 추출된 프린팅 유체 둘레에 집속 가스의 슈라우드를 제공하도록 구성되어 있는 추가적인 가스 방출 포트를 포함한다.
프린터의 실시예들은 기판과 프린팅 노즐 사이에 정전기장을 선택적으로 발생시키고 나서 프린팅 노즐의 팁을 따라 추출 가스를 선택적으로 제공하도록 구성되어 있으므로, 프린터는: 추출 가스가 제공되고 정전기장이 발생되지 않는 에어로졸 모드(aerosol mode); 추출 가스가 제공되고 정전기장이 발생되는 이-어시스티드 에어로졸 모드(e-assisted aerosol mode); 및 추출 가스가 제공되고 정전기장이 발생되는 이-제트 모드(e-jet mode)로 조작가능하다.
일부 실시예들에서, 프린터는 프린팅 노즐에 외접하는 전극을 포함한다. 전압은 이-어시스티드 에어로졸 모드와 이-제트 모드에서 정전기장을 발생시키기 위해서 전극에 인가된다.
일부 실시예들에서, 프린터는 프린팅 노즐과 동심형으로 되어 있는 제 2 노즐을 포함한다. 추출 가스는 에어로졸-모드와 이-어시스티드 에어로졸 모드에서 프린팅 노즐의 팁을 따라 유동하기 전에 노즐들 사이의 갭을 따라 유동한다.
일부 실시예들에서, 프린터는 전극 전압을 각각 오프상태(off)와 온상태(on)로 스위치동작함으로써 에어로졸 모드와 이-어시스티드 에어로졸 모드 사이에서 변경될 수 있다.
상술되어 있는 실시예들과, 아래의 발명의 설명이나 도면에 도시되어 있는 임의의 다른 실시예들의 임의의 개수의 개별적인 부재들은, 부재들이 호환불가능한 곳을 제외하고, 본 발명을 정의하기 위해서 임의의 조합으로 조합될 수 있다는 점이 고려되어 있다.
도 1은, 노즐로부터 프린팅 유체를 추출하기 위해서 유동하는 가스를 사용하는 프린터의 일 부분에 관한 단면도이다.
도 2는, 집속 가스의 슈라우드를 제공하기 위하여 추가적인 노즐이 장비되어 있는 프린팅 디바이스의 단면도이다.
아래에 기술되어 있는 것은, 윤곽형성된 표면들을 포함하여 표면 위에 또는 그 위쪽에 고 점성 액체들, 큰 고체 입자들을 구비하는 유체들과 같은 특수 유체들, 및 기능성 잉크들을 제어가능하게 증착할 수 있는 에어로졸 프린팅 시스템과 방법이다. 종래의 에어로졸 프린터들은, 우선 프린팅 유체를 분무화하고 나서(atomizing) 분무화된 유체를 공기와 혼합함으로써(mixing), 그리고 그 결과 생기는 에어로졸을 노즐을 통해 압력 하에서 방출함으로써(discharging) 조작된다. 그러나, 이 기술은 약 500 센티포아즈 미만의 점성과 약 1 마이크론 또는 그 미만의 최대 입자 크기를 가지는 프린팅 유체들과 오로지 호환가능하다. 아래에서 더욱 논의되는 바와 같이, 시스템은, 전기유체역학적 프린팅을 조정하거나 에어로졸을 집속하는데 도움을 주기 위하여 고 전압 전극이 설비될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 기능성 잉크는, 그 위에서 프린팅는 표면 상에서 일단 응고되면 착색 이외의 기능을 제공하는 프린팅 유체이다. 이러한 기능들의 예시들은 전기 전도성, 유전 특성들, 물리적 구조(예컨대 강성, 탄성 또는 내마모성), 전자기 차폐 또는 필터링, 광학 특성들, 전기발광 등을 포함한다. 프린팅 유체는 압력 하에서 유동하는 임의의 유체이고, 증착 후 응고될 수 있다. 응고는 용매 증발, 화학 반응, 냉각 또는 소결과 같은 다양한 메커니즘을 통한 것일 수 있다.
도 1은, 원하는 프린팅 경로를 따라 프린팅 기판(16) 상에서의 제어되는 증착을 위하여 프린팅 유체(14)를 수용하고 있는 프린팅 노즐(12)을 포함하는 도식적인 프린트 헤드(10)의 일 부분에 관한 단면도이다. 프린트 헤드(10)는 프린터 또는 프린팅 시스템의 한가지 구성요소이고, 그 다른 구성요소들은, 도시되어 있지는 않지만, 전력 공급장치(power supply), 프린팅 유체 공급원(printing fluid source), 프린트 헤드 및/또는 기판(16)의 배향을 서로에 대하여 움직이기 위한 그리고/또는 변경하기 위한 메커니즘(mechanism), 및 예컨대 시간 또는 프린트 헤드 포지션 또는 배향에 관한 함수로서 다양한 압력들, 온도들, 전압들과 같은 다른 프린팅 파라미터들 및/또는 움직임 메커니즘을 제어하도록 구성되어 있는 제어 시스템(control system)을 포함할 수 있다. 프린터는 기판(16)의 표면 위쪽에 직접 프린팅할 수 있고, 또는 효과적으로 프린팅 기판이 될 수 있는 미리 프린팅된 재료 위쪽에 직접 프린팅할 수 있다.
노즐(12)은 프린팅 유체(14)의 공급원과 유체가 통하게 되어 있는 공급 단부(18)로부터 팁(20) 쪽으로 축(A)을 따라 뻗어 있다. 노즐(12)은 노즐로부터의 추출과 기판(16) 상의 순차적인 증착을 위하여 팁(20)에서 프린팅 유체(14)를 공급하도록 구성되어 있다. 프린팅 유체 추출은 노즐(12)의 팁(20)에서 오리피스(22)를 통해 일어난다. 오리피스(22)는 50 ㎛ 내지 250 ㎛ 또는 80 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위 안의 폭 또는 직경(d1)을 가질 수 있고, 노즐(12)은 10 ㎛ 내지 75 ㎛ 범위 안의 벽 두께를 가질 수 있다.
노즐(12)의 프린팅 유체(14)의 추출은, 가스의 스트림 안에 노즐 팁(20)이 포지셔닝되어 있는 상황에서 노즐(12)의 외부로 추출 가스(24)의 제트나 스트림을 제공함으로써 달성된다. 도시된 예시에서, 추출 가스(24)의 스트림은 추출 가스 노즐(28)의 단부에서 가스 방출 포트(26)로부터 그리고 프린팅 기판(16)을 향하여 방출된다. 추출 가스(24)는 노즐(12)로부터 프린팅 유체(14)를 연속적으로 뽑아내거나 추출하기에 충분한 속도로 방출되고 나서, 추출된 프린팅 유체(14')를 프린팅 기판(16) 쪽으로 운반한다. 추출 가스(24)는 공기, 질소, 비활성 기체 또는 임의의 다른 적합한 가스일 수 있다.
추출 가스(24)의 고속 스트림은 노즐 팁(20)의 정면이나 거기에 저압 영역(30)을 만들어내고, 이로써 프린팅 유체(14)가 노즐(12)로부터 추출되게 하는 압력 차를 제공한다. 그러므로, 프린터는 압력 차를 위하여 프린팅 유체(14) 상의 배압에만 의존하지 않는다. 이는 큰 고체 입자들을 구비하는 유체들이나 고 점성을 가지는 유체들의 프린팅을 허용한다. 예를 들어, 100 센티포아즈 내지 500,000 센티포아즈(centipoise; cps) 범위 안의 점성을 가지는 유체들은 특히 노즐 안의 가압된 프린팅 유체와 조합되는 경우 이 추출 기술을 이용하여 프린팅될 수 있다. 이와 유사하게, 5 ㎛ 내지 200 ㎛의 효과적인 직경을 가지는 고체 입자들을 수용하고 있는 프린팅 유체들은 프린팅될 수 있다. 이는 종래의 에어로졸 프린팅의 성능들을 훨씬 초과한다. 이 값들은 비제한적이고, 더 작은 입자 크기들과 더 낮은 점성들을 가지는 프린팅 유체들은 이 기술로 프린팅될 수 있다.
일부 경우들에서, 프린팅 유체(14)는 15 psi 내지 90 psi 범위 안의 압력으로 노즐(12) 안에서 가압되지만, 프린팅 유체는, 추출 가스(24)의 스트림 또는 다른 외부 영향들이 부존재하는 상태에서 유체가 오리피스(22)를 통해 힘을 받는 것을 효과적으로 방지하는 성분을 가진다. 추출 가스(24)의 사용은, 프린터의 해상도를 저하시킬 수도 있는 오리피스(22)의 크기를 증가시키지 않으면서도 이러한 재료의 프린팅을 허용케 한다.
유용한 프린팅 적용의 한가지 예시는 표면 위쪽에서의 전자 회로의 전기적 상호연결들의 증착인데, 이는 전도성 잉크를 사용하여 스크린 프린팅에 의해 종래에 수행된다. 일단 응고되면 저 저항 전기적 상호연결들로서 기능하기에 충분한 전기 전도성을 가지는 전도성 잉크들은 대부분의 프린팅 기술들과 호환불가능한 이러한 높은 고체 함량을 가진다. 도시된 프린트 헤드(10)는 프린팅할 수 있는 전기적 상호연결들의 모든 상이한 패턴을 위한 특유의 마스크를 필요로 하지 않는다. 더욱이, 도시된 프린트 헤드는 윤곽형성된 표면들 상에 프린팅할 수 있는데 반해, 스크린 프린팅은 대체로 편평한 표면들로 제한된다.
도 1의 실시예에서, 추출 가스 노즐(28)은 프린팅 노즐(12)을 둘러싸면서 프린팅 노즐(12)과 동축방향에 있다. 프린팅 노즐(12)의 외측 표면(32)과 추출 가스 노즐의 내측 표면(34)은 환형 갭(36)을 정의하기 위해서 떨어져 이격되어 있는데, 환형 갭을 따라 추출 가스(24)는 방출되기 전에 유동한다. 환형 갭(36)은, 200 ㎛ 내지 300 ㎛ 범위 안의 또는 약 250 ㎛의 치수(G)를 가질 수 있는 가스 방출 포트(36)에서 가장 작다. 환형 방출 포트(26)의 외경(d2)은 1 mm 내지 5 mm 범위 안에 있을 수 있고, 추출 가스 노즐(28)은 0.5 mm 내지 1.0 mm 범위 안의 벽 두께를 가질 수 있다. 프린팅 노즐(12)의 팁(20)은 0.1 mm 내지 2.0 mm 범위 안의 거리(D1)만큼 방출 포트(26)를 넘어 돌출해 있을 수 있고, 그래서 프린팅 노즐의 팁은 추출 가스 노즐보다 기판(16)에 더 가깝다. 이는, 추출된 프린팅 유체가 가스 방출 포트(26)와 같은 다른 프린트 헤드 부재들을 막거나 젖게 하는 것을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.
포개진 노즐들의 이 구성으로, 추출 가스(24)는 그리하여 프린팅 노즐(12)의 외측 표면(32)과 추출 가스 노즐(28)의 내측 표면(34) 사이에서 환형 갭(36)을 따라 (예컨대 1 psi 내지 30 psi 범위 안의 입력 압력으로) 압력 공급원으로부터 유동하고, 환형 가스 방출 포트(26)를 통해 방출된다. 방출된 추출 가스는 이후 프린팅 노즐(12)의 외측 표면(32)을 따라 계속해서 유동하고, 노즐 팁(20)에 도달한 후에 노즐 축(A)을 따라 수렴한다. 그 결과 생기는 저압 구역(30)은 노즐(12) 안의 프린팅 유체(14)가 추출되게 한다. 노즐(12) 안의 유체는 마찬가지로 가압될 수 있고, 유체 추출은 프린팅 노즐 압력과 추출 가스 유동 양자 모두가 현재해 있는 경우에만 일어날 수 있다. 유체 추출은 그리하여, 추출 가스가 연속적으로 유동하는 동안, 프린팅 노즐 압력을 각각 감소시키거나 증가시킴으로써 중단되거나 재개될 수 있고, 또는 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 추출된 프린팅 유체(14')는 팽창할 수 있고, 이로써 프린팅 유체의 소산된 방울들과 추출 가스를 구비하는 에어로졸을 형성하기 위해서 분무화될 수 있다. 에어로졸은 그리하여 프린팅 노즐(12) 바깥쪽에 형성되는 한편, 프린팅 노즐 안에 수용되어 있는 프린팅 유체(14)는 커다란 액체 형태로 되어 있다.
도시된 프린트 헤드(10)는 또한 기판(16)과 프린트 헤드 사이에 정전기장을 제공하도록 구성되어 있다. 이 예시에서, 추출 가스 노즐(28)은 또한 정전기장을 발생시키기 위해서 전압(V)이 인가되는 전극이다. 정전기장은, 그것이 기판(16)에 도달하기 전에 분무화된 프린팅 유체(14')를 효과적으로 집속할 수 있다. 이 효과적인 집속은 에어로졸 안에 돌아다니는 프린팅 유체(14')의 방울들을 가속시킴으로써 일어나고, 그래서 그것들은 이와 달리 정전기장이 없는 상태에서 그러할 수 있는 것보다 더 신속하게 기판(16)에 도달한다. 추출된 프린팅 유체의 비집속된 콘(unfocused cone)(38)은, 정전기장이 부존재하는 상태에서 에어로졸의 스트림의 형상을 표현하는 점선으로 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 정전기장의 존재와, 프린팅 유체의 방울들의 그 결과 생기는 가속은, 그것이 기판에 도달하는 폭(W)을 가지는 더 협소한 콘을 만들어낸다. 환언하자면, 추출된 프린팅 유체(14')의 방울들의 발산의 정도는 각각의 방울이 기판에 도달하는데 걸리는 시간을 단축시킴으로써 거리(D2)에 비해 감소되어 있다. 기판과 노즐 팁(20) 사이의 거리(D2)는 3 mm 내지 30 mm 범위 안에 있을 수 있고, 증착된 유체의 그 결과 생기는 폭(W)은 0.8 mm 내지 3 mm 범위 안에 있을 수 있다.
정전기장을 만들어내는 전극으로서 기능하기 위하여, 추출 가스 노즐(28)은 전기 전도성 재료(예컨대 금속)로부터 형성될 수 있고, 또는 전기 전도성 재료로 코팅되거나 도금된 일부 다른 재료로부터 형성될 수 있다. 추가적으로, 프린팅 노즐(12)은 프린트 헤드(10) 내부의 아크(arcing)를 방지하기 위해서 전기 절연성 재료(예컨대 폴리머 또는 세라믹)로부터 형성되거나 그러한 전기 절연성 재료로 코팅될 수 있다. 이 경우에서, 일부 거리(D1)만큼 가스 방출 포트(26)를 넘은 프린팅 노즐(12)의 팁(20)의 도시되고 상술된 뻗음은 프린팅 유체(14)가 전기 전도성인 경우 추가적으로 유용하고, 그래서 추출 가스 노즐에 대한 추출된 유체의 가능성있는 아크나 인력을 방지하기 위해서 충분한 거리가 전도성 추출 가스 노즐과 추출된 프린팅 유체 사이에 유지되어 있다.
인가된 전압(V)이 충분히 높은 경우, 분무화된 프린팅 유체(14')의 돌아다니는 속도에 영향을 미치기에 충분히 강력한 전기장을 기판과 전극 사이에 발생시키기 위해서 전압 공급장치의 반대로 대전된 전극에 기판을 전기적으로 연결하거나 직접 접지할 필요가 없다. 예를 들어, 전압(V)은 수천 볼트(예컨대 2000 V 내지 5000 V) 가량일 수 있다. 추출 가스 노즐(28)이 프린팅할 목적으로 기판(16)에 충분히 가까이에 있으면서 이러한 높은 정도로 대전된 상황에서, 고 전압 부재의 근처에(즉 노즐들(12, 28)들 밑에) 있으면서 기판의 표면에 있는 재료는 대전된 노즐(28)의 전위보다 더 낮은 전위가 있는 구역과 같이 거동하고, 이는 기판을 향하여 프린팅 유체의 이미 분무화된 방울들을 뽑아내기에 충분히 강력한 정전기장이라는 결과를 초래한다.
분무화된 프린팅 유체와 기판(16) 사이의 전기적 인력의 정확한 메커니즘이 완전히 알려진 것은 아니지만, 높게 대전된 전극이 존재하는 경우 기판에서의 표면 편극 효과와 관련되어 있는 것으로 여겨진다. 어떤 경우에는, 미접지된 기판과 분무화된 프린팅 유체의 스트림 위에서의 고 전압 전극의 효과가 실제로 관찰되고 있다. 특히, 도 1과 일관성있는 방식으로 제작된 프린트 헤드는, 전기적으로 전도성이 아니므로 프린팅 동안 접지될 수 없는 기판들 상에 프린팅 유체를 프린팅하는데 사용되고 있다. 프린팅된 유체의 결과로 생기는 라인들은 일관성있고 제어가능하다. 대전된 전극이나 노즐이 생략되는 경우, 예컨대 추출 가스 노즐이 비전도성이거나 대전되지 않은 경우라면, 프린팅의 결과로 생기는 라인들은 비집속된 콘(38)에서와 같이 덜 집속된다.
상술된 프린팅 공정은 연속적인 것으로서, 대응식으로 개별적인 압력 펄스들 또는 전기 펄스들을 통해서 개별적인 방울들로서 노즐들로부터 그 개개의 잉크들을 전체적으로 방출하는 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 또는 이-제트 프린팅(e-jet printing)과 같은 드롭-온-디맨드 프린팅 공정(drop-on-demand printing processe)들과 구별되는 바와 같다. 그러므로, 정전기장은 연속적으로 현재해 있을 수 있는데, 이는 프린팅 노즐로부터의 프린팅 유체의 추출이 정전기장의 존재에 좌우되지 않기 때문에 그러하다. 정전기장을 발생시키는 전극은 추출 가스 노즐 이외의 일부 형태를 취할 수 있다. 일부 경우들에서, 인가된 전하는 파형에서 양의 방향과 음의 방향 사이에서 교번할 수 있다. 일부 기판 재료들(예컨대 폴리프로필렌, 라텍스 및 다른 타입들의 폴리머들)은 그 표면들에서 정전하들을 축적하는 경향이 있고, 예컨대 프린팅 전에 정전기방지 유체로 증착 표면에 분무함으로써(spraying) 그 위에 프린팅되기에 앞서 중성화될 필요가 있을 수 있다.
상술된 프린트 헤드(10)의 예기치 않은 이점은, 기판(16)과 고-전압 추출 가스 노즐 사이에 발생되는 정전기장에 의해 프린팅 유체(14)가 노즐(12)로부터 추출되고 추출 가스가 오프상태가 되는 순수한 전기유체역학적 프린팅의 성능이다. 이-제트 프린트 헤드로서 프린트 헤드(10)를 사용하기 위하여, 노즐 팁(20)의 기판까지의 거리(D2)는 에어로졸 프린팅을 위하여 사용되는 범위의 하한선에 있어야만 하고 또는 더 낮아야만 한다. 1 밀리미터 내지 7 밀리미터 또는 2 밀리미터 내지 3 밀리미터의 범위 안에 있는 팁에서 기판 까지의 거리(D2)는 이-제트 프린트 헤드로서 프린트 헤드(10)의 사용을 위하여 적합하다. 종래의 이-제트 프린팅은 드롭-온-디맨드 공정이지만, 본 명세서에 기술되어 있는 프린트 헤드가 있는 이-제트 프린팅은 효과적으로 연속적일 수 있고, 특히 고 점성 프린팅 유체들과 사용되는 경우 그러하다. 종래의 에어로졸 프린팅이 가능성있지 않은 것들에서 그러하는 바와 같이 충분히 높은 프린팅 유체 점성들에서, 프린팅 유체의 응집성은 유체가 개별적으로 추출된 방울들로 쪼개지는 것을 방지할 수 있으며, 인가된 전압이 펄스식 또는 파형 전압인 경우라도 그러하다. 그럼에도 불구하고, 이-제트 프린팅과 연관된 더 높은 프린팅 해상도의 이점들 중 일부가 획득될 수 있다.
프린트 헤드(10)는 그리하여 에어로졸 모드, 이-제트 모드 및 이-어시스티드 에어로졸 모드를 포함하여 3개의 별개의 프린팅 모드들이 가능하고, 프린트 헤드가 설비되어 있는 프린터는 하나의 모드에서 또 다른 것으로 용이하게 변경하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 고 해상도가 필요하지 않는 상황에서 사용자가 고 점성 유체의 상대적으로 고속 프린팅을 필요로 하는 경우, 에어로졸 모드로 프린팅하기 위해서 추출 가스(24)는 온상태가 되고 전압(V)은 오프상태가 된다. 이 모드는 상대적으로 비집속된 에어로졸 콘(38)을 만들어내고, 약 10 mm 내지 약 30 mm의 노즐에서 기판까지의 거리(D2)에서 유용하고, 약 3 mm 내지 약 5 mm의 폭(W)을 가지는 프린팅의 라인을 만들어낼 수 있다. 에어로졸 모드는 다른 2개의 모드들보다 더 적은 시간으로 더 많은 기판 영역을 커버할 수 있지만, 서브-밀리미터 부재들 또는 세부사항들을 프린팅하는 것이 가능하지 않다.
더 높은 해상도 에어로졸 프린팅이 요구되는 경우, 추출 가스(24)와 전압(V) 양자 모두는 이-어시스티드 에어로졸 모드로 프린팅하도록 온상태가 된다. 이 모드는, 에어로졸 모드에서와 같이 노즐 팁(20)이 동일한 거리(D2)에 있는 상황에서 3 mm 또는 약 0.8 mm까지 이르는 그 미만의 폭(W)을 가지는, 도 1에 지시되어 있는 분무화된 프린팅 유체(14')의 더욱 집속된 에어로졸 콘을 만들어낸다. 이-어시스티드 에어로졸 모드는 그리하여 에어로졸 모드보다 더 높은 해상도 프린팅이 가능하지만, 단위 시간 당 그 만큼의 기판 영역을 커버할 수는 없다.
고-해상도 프린팅이 필수적인 경우, 이-제트 모드로 프린팅하기 위해서 추출 가스(24)는 오프상태가 되고 전압(V)은 온상태가 된다. 이 모드는 프린팅된 재료의 정밀한 라인을 만들어내고, 약 1 mm 내지 약 7 mm의 노즐에서 기판까지의 거리(D2)에서 유용하고, 부분적으로 프린팅 유체의 점성에 좌우되어 약 200 ㎛ 내지 약 800 ㎛의 폭을 가지는 프린팅의 라인을 만들어낼 수 있다. 이-제트 모드는 그리하여 다른 2개의 모드들보다 더욱 더 높은 해상도로 프린팅할 수 있지만, 증착의 더 느린 속도로 그러하다. 고-점성 특수 프린팅 유체들의 프린팅을 가능케 하는 것에 추가하여, 개시된 프린트 헤드(10)는 다중 해상도들을 가지는 프린팅을 가능케 하고, 이는 상이한 해상도들에서의 프린팅을 위한 전용 프린트 헤드들을 필요로 하지 않는다.
도 2를 참조하면, 상술된 프린트 헤드(10)는, 기판(16)과 프린트 헤드 사이의 추출된 프린팅 유체(14') 둘레에 집속 가스(42)의 슈라우드를 제공하도록 구성되어 있는 제 2 가스 방출 포트(40)를 추가적으로 포함하고 있는 것으로 도시되어 있다. 집속 가스(42)는 에어로졸 콘을 더욱 협소하게 할 수 있으므로, 프린팅된 유체의 폭(W')은 더욱 협소해지며 노즐 팁(20)으로부터 기판(16) 까지의 동일한 거리(D2)에서 도 1의 예시에서의 대응하는 폭(W)보다 더 적다. 집속 가스(42)는 추출 가스(24)의 성분과 동일하거나 추출 가스(24)와 상이한 성분을 가질 수 있고, 추출 가스의 속도와 동일하거나 추출 가스와 상이한 속도로 방출될 수 있다.
이 예시에서, 방출 포트(40)는, 집속 가스(42)가 추출된 프린팅 유체(14') 둘레에 집속 가스의 슈라우드를 제공하기 위해서 방출되기 전에 추출 가스 노즐(28)의 외측 표면(48)과 집속 가스 노즐(44)의 내측 표면(50) 사이에 정의되어 있는 환형 갭(46)을 따라 유동하도록, 추출 가스 노즐(28)을 둘러싸면서 추출 가스 노즐(28)과 동축방향에 있는 집속 가스 노즐(44)의 단부에 제공되어 있다. 집속 가스 방출 포트(40)는 3 mm 내지 8 mm 범위 안의 직경(d3)을 가질 수 있고, 집속 가스 노즐과 추출 가스 노즐(28) 사이에 정의되어 있는 환형 갭은 0.5 mm 내지 1.5 mm 범위 안에 있거나 약 1 mm일 수 있다. 집속 가스 노즐(44)은 전도성 추출 가스 노즐과의 임의의 가능성있는 아크를 피하기 위해서 전기 절연성 재료로부터 형성될 수 있고, 0.5 mm 내지 1.5 mm 범위 안에 있거나 약 1mm의 벽 두께를 가질 수 있다.
전술한 내용이 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 관한 것이라는 것을 알 수 있다. 본 발명은 본 명세서에 개시되어 있는 특정 실시예(들)로 제한되는 것이라기 보다는, 오로지 아래의 청구범위에 의해서 정의된다. 나아가, 전술한 내용에 포함되어 있는 언급들은 개시되어 있는 실시예(들)에 관한 것이며, 용어나 문구가 명백하게 위에 정의되어 있는 곳을 제외하고 본 발명의 범위에 관한 제한이나 청구범위에서 사용된 용어들의 정의에 관한 제한으로 이해되어서는 안된다. 개시된 실시예(들)에 대한 다양한 다른 실시예들 및 다양한 변화들과 수정들은 당해 기술분야에서의 통상의 기술자에게 자명할 것이다.
명세서와 청구범위에서 사용되는 바와 같이, "예컨대", "예를 들어", "예를 들자면", "~와 같은", 및 "~와 유사한"이라는 용어 및 "~을 구비하는", "~을 가지는", "~을 포함하는"이라는 동사와 그 다른 동사 형태들은, 하나 이상의 구성요소들이나 다른 아이템들의 열거사항과 더불어 사용되는 경우, 열거사항이 다른 추가적인 구성요소들이나 아이템들을 배제하는 것으로 여겨져서는 안된다는 것을 의미하는 개방형(open-ended)으로 각각 이해되어야 한다. 게다가, "전기적으로 연결되어 있는"이라는 용어와 그 변형들은 무선 전기 연결들, 및 하나 이상의 와이어들, 케이블들 또는 도체들을 통해서 행해지는 전기 연결들(유선 연결들) 양자 모두를 망라하는 것으로 의도되어 있다. 다른 용어들은 상이한 해석을 필요로 하는 맥락에서 사용되는 것이 아니라면 그 최광의의 합리적인 의미를 이용하여 이해되어야 한다.

Claims (18)

  1. 연속적인 정전기장이 존재하는 상태에서 프린팅 노즐로부터 프린팅 유체를 추출하는 추출 가스의 제트를 제공하도록 구성되어 있는 프린터로서, 상기 연속적인 정전기장은 프린팅 기판을 향하여 추출된 프린팅 유체를 가속시키도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 프린터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    추출 가스가 추출 가스 노즐로부터 방출되고 나서 상기 프린팅 노즐의 팁에서 수렴하기 전에 상기 프린팅 노즐의 외측 표면에서 환형 갭을 따라 유동하도록, 상기 프린팅 노즐을 둘러싸면서 상기 프린팅 노즐과 동축방향에 있는 추출 가스 노즐을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 프린터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    집속 가스가 프린팅 기판과 상기 프린팅 노즐 사이의 상기 추출된 프린팅 유체 둘레에 집속 가스의 슈라우드를 제공하기 위해서 집속 노즐로부터 방출되기 전에 상기 추출 가스 노즐의 외측 표면에서 환형 갭을 따라 유동하도록, 상기 추출 가스 노즐을 둘러싸면서 상기 추출 가스 노즐과 동축방향에 있는 집속 노즐을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 프린터.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 추출 가스 노즐은 상기 프린팅 기판과 상기 추출 가스 노즐 사이에 상기 정전기장을 제공하는 대전된 전극을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 프린터.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 프린팅 노즐의 팁은 상기 프린팅 기판과 상기 추출 가스 노즐 사이에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 프린터.
  6. 팁을 가지고 있는 노즐로서, 상기 노즐로부터의 추출을 위하여 상기 팁에서 프린팅 유체를 공급하도록 구성되어 있는, 노즐;
    추출 가스의 스트림 안에 상기 노즐의 상기 팁이 있는 상황에서 프린팅 기판을 향하여 추출 가스의 스트림을 방출하도록 구성되어 있는 가스 방출 포트로서, 상기 추출 가스의 속도는, 상기 노즐로부터 상기 프린팅 유체를 연속적으로 추출하고 나서 상기 추출된 프린팅 유체를 상기 프린팅 기판 쪽으로 운반하기에 충분한, 가스 방출 포트;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 프린터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 프린팅 유체가 상기 노즐로부터의 추출 후 상기 프린팅 기판을 향하여 가속하도록 상기 프린팅 기판과 전극 사이에 전위를 제공하도록 구성되어 있는 전극을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 프린터.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 프린팅 유체는 상기 노즐 안에서 가압되고,
    상기 프린팅 유체는, 추출 가스의 스트림이 부존재하는 상태에서 상기 프린팅 유체가 상기 노즐의 상기 팁 밖으로 힘을 받는 것을 방지하는 성분을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 프린터.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 가스 방출 포트를 포함하는 추출 가스 노즐을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 프린터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 추출 가스 노즐은, 상기 프린팅 유체가 추출 후 상기 프린팅 기판을 향하여 가속하도록 상기 프린팅 기판과 상기 전극 사이에 전위를 제공하도록 구성되어 있는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 프린터.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 가스 방출 포트는 환형이고, 상기 노즐을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 프린터.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 프린팅 기판과 상기 노즐의 상기 팁 사이의 거리는 상기 프린팅 기판과 상기 가스 방출 포트 사이의 거리보다 더 적은 것을 특징으로 하는 프린터.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 노즐은 전기적으로 절연성인 것을 특징으로 하는 프린터.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 프린팅 기판과 상기 노즐 사이의 상기 추출된 프린팅 유체 둘레에 집속 가스의 슈라우드를 제공하도록 구성되어 있는 추가적인 가스 방출 포트를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 프린터.
  15. 기판과 프린팅 노즐 사이에 정전기장을 선택적으로 발생시키고 나서 상기 프린팅 노즐의 팁을 따라 추출 가스를 선택적으로 제공하도록 구성되어 있는 프린터로서,
    상기 프린터는 다음과 같은 모드, 즉: 상기 추출 가스가 제공되고 상기 정전기장이 발생되지 않는 에어로졸 모드; 상기 추출 가스가 제공되고 상기 정전기장이 발생되는 이-어시스티드 에어로졸 모드; 및 상기 추출 가스가 제공되고 상기 정전기장이 발생되는 이-제트 모드;로 조작가능한 것을 특징으로 하는 프린터.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 프린팅 노즐에 외접하는 전극을 더 포함하고 있고,
    전압은 상기 이-어시스티드 에어로졸 모드와 상기 이-제트 모드에서 정전기장을 발생시키기 위해서 전극에 인가되는 것을 특징으로 하는 프린터.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 프린팅 노즐과 동심형으로 되어 있는 제 2 노즐을 더 포함하고 있고,
    상기 추출 가스는 상기 에어로졸-모드와 상기 이-어시스티드 에어로졸 모드에서 상기 프린팅 노즐의 상기 팁을 따라 유동하기 전에 상기 노즐들 사이의 갭을 따라 유동하는 것을 특징으로 하는 프린터.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 프린터는 전극 전압을 각각 오프상태와 온상태로 스위치동작함으로써 상기 에어로졸 모드와 상기 이-어시스티드 에어로졸 모드 사이에서 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 프린터.
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