KR101519453B1 - 나노입자 기능성 잉크의 잉크젯 프린팅 - Google Patents
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Abstract
기판 상에 잉크를 증착하기 위한 장치는 잉크용 출구를 형성하며 적어도 일부가 전기 전도체인 노즐을 포함한다. 제 1 전압원은 출구 노즐에 제 1 전위를 인가한다. 하나 또는 복수의 보조 전극은 상기 출구 노즐 근처에 위치되며, 제 2 전압원은 상기 하나 또는 복수의 보조 전극에 제 2 전위를 인가한다. 상기 장치는 액체 운반체 및 액체 운반체 내에 분산되는 안료 입자들을 포함하는 잉크를 기판 상의 목표 영역 쪽으로 상기 노즐로부터 토출하는 피에조-전기식 또는 열적 작동기를 포함한다. 적어도 상기 안료 입자들은 통상적으로 인가된 전위로 인해, 전기적으로 하전된다. 일 실시예에서, 보조 전극은 노즐에 의해 형성된 전극 주위에 동축으로 배열된다. 다른 실시예에서, 보조 전극은 노즐에 의해 형성된 전극과 동일 축선 상에 노즐을 초과하여 위치된다. 상기 노즐과 보조 전극의 배치, 및 상기 제 1 및 제 2 전위의 값은 상기 안료 입자가 상기 목표 영역 내에 집중되도록 선택됨으로써, 상기 잉크 내의 안료 입자의 농도보다 높은 농도를 갖는 상기 안료 입자의 양이 상기 목표 영역 내에 증착된다. 본 발명은 기판 상에 잉크를 증착하는 방법으로 확장된다.
Description
본 발명은 나노입자를 함유하는 잉크의 잉크젯 프린팅 방법, 및 상기 방법을 수행하기 위한 프린팅 장치에 관한 것이다.
상기 방법 및 장치는 고밀도 상호 연결 입자들과 소형 피쳐 사이즈(feature size)의 프린트 패턴이 요구되는 전자 어플리케이션(electronic application)용 기능성 잉크의 프린팅에 특히 적합하나 이에 한정되지 않는다.
기능성 잉크의 프린팅은 전자 분야에 있어서 오랜 전통을 가진다. 예를 들어, 안료계 잉크는 인쇄 회로판 상에 상호접점 및 레지스터를 스크린 인쇄하는데 사용되었다. 이들 적용 분야에 있어서, 사용된 두꺼운 필름 잉크는 운반체(vehicle), 및 각각 은과 카본의 안료(pigment)들로 이루어지며, 상기 안료 입자들은 나노미터 범위의 치수를 가질 수 있다. 더욱 최근의 발전 동향은 회로의 수동소자(passive component)뿐만 아니라, 능동 소자에 목표가 맞춰져 있다. 하나의 예는 태양 전지 및 트랜지스터와 같은 장치 내에 반도체 층을 제공하는, 본 출원인이 출원한 국제 출원번호 WO 2004/068536호에 프린트 나노입자 실리콘에 대한 설명이다.
통상적인 가장 기능성 있는 재료가 스크린 인쇄 및 플렉소그래피(flexography)와 같은 종래의 인쇄 기술에 의해 인쇄되었으며, 상기 두 기술은 인쇄될 각각의 디자인에 대한 마스터 패턴(예를 들어, 스크린 또는 인쇄 판)의 제조를 필요로 한다. 일반적으로, 사용시의 유연성 및 공간 정밀도로 인해 잉크 프린팅과 같은 디지털 인쇄 방법이 적용되어야 하는 것이 바람직한 것으로 유지되어 왔다. 그러나, 잉크젯 노즐의 막힘을 방지하기 위해 잉크젯 프린팅은 입자들의 상대적으로 분산된 용액과 저 점성 잉크를 필요로 한다. 이는 인쇄 패턴의 요구된 기능성을 달성하기 위해 기판 상의 특정 위치로 고밀도 입자들이 이동되어야 하는 전자 분야의 특정 어플리케이션에 상기 방법의 사용을 부적합하게 한다.
소형 피쳐 사이즈 패턴의 증착(deposition)과 관련하여, 인쇄 구조물에 기능성 특징들을 제공하는 나노입자를 포함하는 용액의 잉크젯 인쇄가 공지되었다. 가장 흔한 어플리케이션은 잉크 내에 분산된, 전도성 나노입자, 예를 들어 은 나노입자를 사용하여 회로용 전도성 트레이스(trace)들을 잉크젯 프린팅하는 것이다. 그와 같은 어플리케이션에 있어서, 분산제의 제거 및 그 이후의 나노입자들의 소결 효과를 제공하는 열처리에 의해 저 저항이 얻어진다. 기능성 층 증착에 있어서 가장 최근의 발전 현황은 패턴 구조와 입자 팩킹이 건조 공정에서 전자기 방사에 의한 처리로 제어되는 나노입자 투과 전도성 산화물의 잉크젯 프린팅이다.
나노입자를 함유하는 잉크를 포함하는, 기능성 잉크로 구성된 잉크젯 프린트 구조물에서 패턴화 정밀도를 개선하는 다른 방법은 박 장웅 등에 의해 설명된 전기수력학적 제트 프린팅(네이처, 제 6권(2007), 782 페이지) 방법이다. 이런 경우에 프린트된 패턴의 해상도는 노즐로부터 방출된 액적의 운동을 형상화하고 제어하는 잉크젯 설비의 모세관 노즐에 인가된 정전기장에 의해 개선된다. 그러나, 전기수력학적 제트 프린팅은 프린트된 구조에서 입자의 밀도나 배열에 대한 영향력이 없으며, 소정의 특징들을 달성하기 위해서는 후 처리 공정이 필요하다.
특정 어플리케이션에 있어서 일반적으로 입자, 특히 나노입자를 함유하는 증착 층의 기능성은 이들 입자들의 상호연결 네트워크에 의해 제공된다. 그러한 층들의 압축성을 달성하기 위한 전기영동 증착의 변형예가 전계 방출 디스플레이용으로 GB2355338호에 턱(Tuch)에 설명되어 있다. 상기 공보에는 인가된 전기장에 의해 결합제 재료의 희석 용액로부터 입자의 강제 침전시키는 것에 대해 설명되어 있다. 상기 용액 내의 결합제의 양은 용매의 증발 후에 침전물이 미세 오목부(microscopic well)의 바닥에 있는 정위치에 유지되도록 세심하게 계산된다. 용액의 욕(bath)으로부터 코팅하는데 사용된 다른 종래의 전기영동 증착법에는 공정 중에 유체 유동을 형성하는 단계와 유체 유동을 제어하는 단계가 없다.
본 발명에 따라 기판 상에 잉크를 증착하는 방법이 제공되며, 상기 방법은
액체 운반체 및 상기 액체 운반체 내에 분산되고 전기적으로 하전되는 안료 입자들을 포함하는 잉크를 준비하는 단계와,
상기 잉크용 출구 노즐에 제 1 전위를 인가하는 단계와,
상기 출구 노즐 근처에(adjacent) 위치된 하나 또는 복수의 보조 전극에 적어도 제 2 전위를 인가하는 단계, 및
기판 상의 목표 영역 쪽으로 상기 출구 노즐로부터 잉크 액적을 토출하는 단계를 포함하며,
상기 출구 노즐 및 상기 하나 또는 복수의 보조 전극의 배치, 그리고 상기 제 1 및 제 2 전위의 값은 상기 안료 입자가 상기 목표 영역 내에 집중되도록 선택됨으로써, 상기 잉크 내의 안료 입자의 농도보다 높은 농도를 갖는 상기 안료 입자의 양이 상기 목표 영역 내에 증착된다.
상기 안료 입자들은 영구 전하를 갖거나 유도 전하를 가질 수 있다. 유도 전하의 경우에, 입자들 상의 전하는 인가된 전위에 의해 유도될 수 있다.
상기 방법은 바람직하게, 염료 입자들을 목표 영역 내에 집중시키기 위해, 증착 공정 중에 염료의 전기영동 운동을 유발하기 위해 인가된 전위를 이용하도록 설계된다.
상기 방법은 바람직하게, 액체 운반체가 목표 영역으로부터 멀리 분산되게 하기 위해, 잉크의 액체 운반체 상에 전기수력학적 힘을 발생시키기 위해 인가된 전위를 사용하도록 또한 설계된다.
상기 출구 노즐 근처에 위치된 하나 또는 복수의 보조 전극들은 노즐에 의해 형성된 전극 주위에 동축(coaxially)으로 배열될 수 있다.
상기 기판은 잉크 액적이 목표 영역을 향해 노즐로부터 토출되는 동안에 규정된 전위로 유지될 수 있다.
바람직하게, 상기 기판은 접지 전위 또는 대지 전위로 유지된다.
바람직하게, 상기 출구 노즐과 하나 또는 복수의 보조 전극 사이의 전위차는 적어도, 상기 출구 노즐과 기판 사이의 전위차만큼 크다.
상기 방법의 바람직한 실시예에서, 상기 출구 노즐과 하나 또는 복수의 보조 전극 사이의 전위차는 1 내지 100V 범위이다.
상기 방법은 노즐에 의해 형성된 전극과의 공통 축선 상의 기판 뒤에 하나 이상의 보조 전극을 위치시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법의 일 실시예에서, 기판을 지지하는 추가의 기저 판이 규정된 전위로 유지된다.
바람직하게, 상기 기저 판은 접지 전위 또는 대지 전위로 유지된다.
일 실시예에서, 상기 기저 판은 기판의 뒤에 위치된다. 즉, 상기 기판은 노즐과 기저 판 사이에 위치된다.
다른 실시예에서, 상기 기저 판은 기판과 노즐 사이에 위치된다.
하나 이상의 보조 전극이 기판 뒤에 위치되는 경우에, 노즐과 상기 기판 뒤의 하나 이상의 보조 전극은 기판에 대해 이동가능할 수 있으며, 상기 노즐과 하나 이상의 보조 전극의 운동은 동기화될 수 있다.
다른 실시예에서, 복수의 전극과 기저 판 내의 대응하는 구멍은 일정한 절대 위치에 유지된다.
다른 실시예에서, 노즐과 보조 전극은 일정한 위치에 유지되며 기판은 그에 상대적으로 이동된다.
바람직하게, 상기 보조 전극의 전위는 노즐의 전위보다 하전된 나노입자에 더 큰 인력으로 유지된다.
바람직한 실시예에서, 상기 보조 전극과 노즐의 전위의 비율은 상기 보조 전극 근처에서 기저 판 내의 구멍의 반경과 상기 노즐의 반경의 비율보다 크게 유지된다.
또한, 본 발명에 따라서 기판 상에 잉크를 증착하기 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는
상기 잉크용 출구를 형성하며 적어도 일부가 전기 전도체인 노즐과,
출구 노즐에 제 1 전위를 인가하는 제 1 전압원과,
상기 출구 노즐 근처에 위치된 하나 또는 복수의 보조 전극과,
상기 하나 또는 복수의 보조 전극에 제 2 전위를 인가하는 제 2 전압원, 및
액체 운반체 및 액체 운반체 내에 분산되고 전기적으로 하전되는 안료 입자들을 포함하는 잉크를 기판 상의 목표 영역 쪽으로 상기 노즐로부터 토출하는 수단을 포함하며,
상기 출구 노즐 및 상기 하나 또는 복수의 보조 전극의 배치, 그리고 상기 제 1 및 제 2 전위의 값은 상기 안료 입자가 상기 목표 영역 내에 집중되도록 선택됨으로써, 상기 잉크 내의 안료 입자의 농도보다 높은 농도를 갖는 상기 안료 입자의 양이 상기 목표 영역 내에 증착된다.
일 실시예에서, 상기 출구 노즐 근처에 위치되는 하나 또는 복수의 상기 보조 전극은 노즐에 의해 형성된 전극 주위에 동축으로 배열될 수 있다.
상기 전압원들은 적어도, 상기 출구 노즐과 상기 기판 사이의 전위차만큼 크게 되도록 상기 출구 노즐과 하나 또는 복수의 보조 전극 사이의 전위차를 유지하도록 배열될 수 있다.
바람직하게, 상기 전압원들은 1 내지 100 V 범위로 상기 출구 노즐과 하나 또는 복수의 보조 전극 사이의 전위차를 유지하도록 배열된다.
다른 실시예에서, 하나 이상의 보조 전극은 노즐을 넘어서, 다시 말해서 기판이 노즐과 기저 판 사이에 위치된 채로, 노즐에 의해 형성된 전극과의 공통 축선 상에 위치될 수 있어서, 기판이 사용 중에 노즐과 하나 이상의 보조 전극 사이에 위치될 수 있다.
상기 장치는 기판을 지지하도록 배열되는 기저 판을 포함할 수 있으며, 상기 기저 판은 규정된 전위로 유지된다.
상기 전압원들은 상기 노즐의 전위보다 상기 하전된 나노입자에 보다 큰 인력을 갖도록 상기 보조 전극의 전위를 유지하도록 유지될 수 있다.
바람직하게, 상기 전압원은 상기 보조 전극 근처에 기저 판 내의 구멍의 반경과 상기 노즐의 반경의 비율보다 큰 상기 보조 전극의 전위와 상기 노즐의 전위의 비율을 유지하도록 배열된다.
본 발명은 비-선형 또는 불균일한 포커싱 전기장의 인가에 의해 달성되는 전기영동 및 전기수력학적 효과의 조합에 의해 잉크젯 프린팅 중에 안료 입자들의 분리 및 압축 방법에 관한 것이다. 그와 같은 공정의 두 가지 목표는 첫째, 입자들의 고 팩킹 밀도에 의해 소형 영역의 프린팅을 가능하게 하는 것이며, 둘째로는 소형 피쳐 사이즈에 의해 고 해상력 패턴을 제조하는 것이다. 특정 어플리케이션은 상호접점 반도체 나노입자들의 밀집 층들을 요구하는 전자 부품 및 회로의 프린팅을 위한 것이다. 이후에 설명되는 바와 같은 본 발명의 실시예들은 요구되는 전기장을 형성하는데 요구되는 프린팅 시스템의 특정 특징들도 포함한다. 이들은 두 개의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명된다.
이러한 어플리케이션의 목적을 위해, 잉크는 소형 입자들로 구성되는 안료, 및 결합제, 용매 그리고 계면 활성제, 습윤제 또는 건조제와 같은 어떤 다른 적합한 액체 또는 가용성 첨가제로 구성되는 액체인 운반체로 구성될 수 있는 것으로 고려될 수 있다. 바람직하게, 상기 안료 입자들은 1 nm 내지 1 μ 범위의 특정 크기를 갖는 입자들이나, 이보다 더 큰 입자들도 사용될 수 있다. 잉크젯 프린팅에 있어서, 상기 안료는 괴상 없이 운반체 내에 균일하게 분산되어야 하며 잉크의 점도는 프린팅 노즐의 막힘을 방지하기 위해 상대적으로 낮아야 한다는 것은 일반적으로 인식되어 있다.
일반적으로 이러한 고려 사항들은 개별 입자들 사이의 전하 이동을 허용하도록 크게 괴상화되어야 하는 전자 재료의 인쇄 층들의 특성들과는 모순된 것이다. 따라서, 결합제의 소결 또는 열분해와 같은 추가의 처리 단계들이 상기 입자들 사이의 양호한 연결을 획득하는데 필요할 수 있다. 상기 입자들이 프린팅 공정에서 함께 이송되고 운반체의 궤적으로부터 분리된다면, 이후의 단계들은 제거될 수 있으며 그와 같은 장치들은 직접 프린팅될 수 있다. 본 발명의 방법 및 장치에서 이는 안료에 운동성을 부여하는 전기영동 및 액적의 액상을 확산시키는 전기수력학의 조합에 의해 달성된다.
도 1은 동축 튜브를 포함하는 본 발명에 따른 잉크젯 노즐의 제 1 실시예의 개략적인 단면도이며,
도 2는 단일 튜브 및 관련 니들 전극을 포함하는, 본 발명에 따른 잉크젯 노즐의 제 2 실시예의 개략적인 단면도이며,
도 3은 본 발명의 원리를 사용하여 형성된 트랜지스터 테스트 구조물의 개략적인 도면이며,
도 4는 본 발명의 방법을 사용하지 않고 제조된 유사한 트랜지스터를, 본 발명에 의해 제조된 트랜지스터와의 소오스-드레인 특징들을 비교하는 다이어그램이며,
도 5는 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅의 실시예의 단순화된 개략적인 다이어그램이며,
도 6은 본 발명의 원리에 따라, 그리고 종래 기술의 방법에 의해 노즐에 인가된 전기 전위에 의해 노즐로부터 필터 페이퍼 상에 증착된 실리콘 나노입자를 함유하는 잉크 액적의 사진이다.
도 2는 단일 튜브 및 관련 니들 전극을 포함하는, 본 발명에 따른 잉크젯 노즐의 제 2 실시예의 개략적인 단면도이며,
도 3은 본 발명의 원리를 사용하여 형성된 트랜지스터 테스트 구조물의 개략적인 도면이며,
도 4는 본 발명의 방법을 사용하지 않고 제조된 유사한 트랜지스터를, 본 발명에 의해 제조된 트랜지스터와의 소오스-드레인 특징들을 비교하는 다이어그램이며,
도 5는 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅의 실시예의 단순화된 개략적인 다이어그램이며,
도 6은 본 발명의 원리에 따라, 그리고 종래 기술의 방법에 의해 노즐에 인가된 전기 전위에 의해 노즐로부터 필터 페이퍼 상에 증착된 실리콘 나노입자를 함유하는 잉크 액적의 사진이다.
전술한 바와 같이, 전기영동 증착 및 전기수력학적 제트 프린팅이 공지되어 있지만, 동일한 공정으로 두 방법을 조합하는 것은 달성하기에 직관에 반하는(counterintuitive) 것이며 시도되지 않고 있다. 상기 방법의 핵심은 안료 입자가 규정된 전하를 이송해야하고 이송 기구가 반대 전하를 이송하거나 중성을 유지해야 한다는 점이다. 이들 전하들은 프린팅 공정 중에 또는 프린트 헤드로의 공급 중에 전기 전위의 인가에 의해 유도되거나 영구적일 수 있다.
입자 및 이송 기구가 하전되는 경우에, 인가된 전기장은 입자와 액체의 절대 운동(absolute motion)을 유발할 것이다. 입자는 하전되나 이송 기구가 하전되지 않은 경우에, 액체 이송 기구가 전기장에 의해 영향을 받지 않더라도, 고체 물질은 여전히 전기장의 영향을 받는다. 그러나 상기 두 경우에는 두 구성 요소들의 상대 운동에 의해 특정 영역에서 안료의 집중이 발생한다. 바람직하게, 입자들의 집중은 잉크젯 노즐의 축선과 직접적으로 정렬된 액적의 중심에 있어야 한다. 이의 발생을 위해서, 전기장은 노즐과 기판 사이의 공간에 방사상 부품(radial component)을 가져야 한다. 따라서, 입자들에 의해 이송되는 전하에 따라 전기장은 액적(drop)이 기판에 접근할 때 분기 또는 수렴되어야 한다. 이러한 경우를 어떻게 달성할지에 대해 다음의 바람직한 실시예를 참조하여 설명한다.
도 1에, 잉크젯 노즐 구조물을 포함하는 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 상기 장치는 잉크젯 프린팅 기술분야의 당업자들에게 공지된 바와 같은 예를 들어, 열적 또는 피에조 전기 기술을 사용할 수 있는, 노즐로부터 잉크를 토출하기 위한 수단(도면에 도시 않음)을 포함한다. 액체 이송 기구(10) 및 나노입자 안료(12)로 구성되는 잉크가 기판(14) 상에 프린트될 것이다. 안료 나노입자는 규정된 전하, 이러한 실시예의 목적을 위해 음전하를 이송해야 한다. 액체 운반체는 중성이거나, 이 경우에 양전하인 반대 전하를 이송할 수 있다. 상기 전하는 고유 전하 분리의 결과일 수 있거나, 두 개의 동축 전도성 튜브(16,18)의 내측 제 1 튜브(16)에 인가되는 전위(V1)의 인가에 의해 유도될 수 있다. 상기 튜브(16)는 전극으로서의 역할을 하며 하부 단부에서 잉크를 기판에 분배하기 위한 노즐(20)로서의 역할도 한다.
상기 전위(V1)는 나노입자에 있는 전하의 반대, 본 실시예의 목적으로 양 전위라고 가정된다. 상기 기판(14)은 동등한 전위면, 바람직하게 접지 전위를 형성하는 것으로 가정된다. 이는 기판이 자체 전도성이거나 전도성 캐리어 상에 장착된 얇은 유전체 재료로 구성되는 경우에 일반적인 것이다. 얇은 절연 기판을 위해서는 일정한 전위를 유지하기 위해 다수의 확립된 방법들이 사용될 수 있다.
노즐(20)의 하단부 아래로 연장하는 동축인 외측의 제 2 튜브(18)는 전위(V2)로 유지되며 웨넬트(Wehnelt) 전극으로서의 역할을 한다. 전위(V2)는 하전 나노입자에 반발하는, 이 경우에 음 전위가 되어야 한다. 본 실시예의 다른 변형예에서, 전기장을 형성하는데 그와 같은 동축 다중 전극들도 사용될 수 있다. 이와는 달리, 상기 전극들 중의 하나는 다른 전극들과 동축이며 상기 기판과 노즐(20) 사이에 위치되는 구멍을 갖는 평판 형태를 취할 수 있다.
도 1의 우측 절반부는 그와 같은 상황에서 발생하는 전위 및 전기장을 도시한다. 노즐(20) 바로 아래에서 인가된 전위(V1)로부터 발생한 전기장(E1)은 노즐(20)의 축선과 정렬되며 기판 쪽으로 지향됨으로써, 노즐을 빠져나가는 액체 잉크나 그 내부의 안료 나노입자들의 궤적에 영향을 받지 않는다. 그러나, 중심에서 조금 벗어난 재료의 입자들에 대해서는 인가된 전위(V2)로부터 발생하는 방사상 분기형 전기장(E2)의 횡방향 성분의 영향으로 인해 노즐 축선 쪽으로의 전기영동 표류(electrophoretic drift)를 겪는다. 높은 분기형 전기장을 달성하기 위해, V1과 V2 사이의 전위차는 동일한 거리에 대해 적어도 V1과 기판 사이의 전위차 만큼 커야 한다. 액체 운반체가 반대 전하를 이송하면, 외측 방사상으로의 전기수력학적 표류를 겪는다. 최종 결과는 노즐 바로 아래의 입자 집중이며, 이는 본래 잉크 혼합물에서 보다 훨씬 더 높은 입자 대 운반체 비율을 초래한다.
따라서, 요약하면 반대의 전기 전위가 동축 전극(16,18)에 인가되어 프린프된 영역의 중심에 대해 내측 반경 방향으로 안료 입자들을 지향시켜 이들을 전기영동에 의해 집중시키는 반면에, 액체 운반체는 프린트된 영역의 중심으로부터 멀어지게 동시에 외측으로 지향시키는 불균일한 전기장을 형성한다. 본 실시예에서 설명한 바와 같이, 입자의 강력한 전기영동 운동을 달성하기 위해서는 미크론 당 상기 차수의 볼트(the order of volts per micron)를 갖는 전기장이 요구된다. 그 결과, V1과 V2의 통상적인 값은 1 내지 100 V, 바람직하게 5 내지 50 V 범위일 것이다.
도 2에 도시된 제 2 실시예에서, 노즐(20)을 형성하는 단 하나의 튜브(16)가 잉크젯 프린팅 장치에 사용되었으며 전기장의 촛점 조절은 기판(14) 바로 뒤의 니들 전극(24)의 존재에 의해 달성된다. 튜브(16)는 또한, 인가된 전위(V1)를 갖는 반면에, 니들 전극(24)은 인가된 전위(V2)를 가진다. 니들 전극의 전위(V2)는 노즐의 전위(V1)보다 더 하전 나노입자에 인력이 있어야 한다.
본 실시예에서, 전기장이 기판(14)을 관통할 필요가 있다. 그 결과, 상당히 얇은 유전체 기판이 바람직하다. 니들 전극(24)은 갠트리(gantry) 상에 장착되는 단일 부품일 수 있으며 노즐(16)을 포함하는 프린트 헤드의 위치를 추종하도록 기계 수단에 의해 이동된다. 대안적으로, 다중 전극들이 고정된 위치에서 구멍 내에 장착될 수 있으며 이들 전극 전위는 전기적으로 스위칭된다. 다른 변형예는 전극과 노즐의 위치를 고정되게 유지하고 기판을 이동시키는 것이다. 그와 같은 모든 경우에, 선택적인 후방 면(26)은 기판을 동시에 지지하여 위치를 한정하는데 사용되며, 프린트될 위치에서 전기장의 수렴을 증가시키는데 사용된다. 이와는 달리, 두꺼운 기판의 경우에 후방 면은 기판과 노즐 사이에 선택적으로 놓일 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 후방 면은 반경(r2)을 갖는 구멍으로 형성되며, 니들 전극(24)의 선단부는 구멍의 중심에 또는 구멍 근처에 위치된다.
도시된 경우에, 양으로 하전된 운반체(10) 내의 음으로 하전된 안료 입자(12)를 위해 전위(V1,V2)는 양 전위이며, V2는 바람직하게 V1보다 크며, 상기 후방 면(26)은 접지 전위로 유지된다. 제 1 실시예에서와 같이, 그렇게 생성된 전기장 효과는 분기형 전기장(E3)의 횡방향 성분에 의한, 프린트 영역의 중심으로 입자들의 내향 전기영동 표류이며 액상에 외향 전기수력학적 힘을 부과한다. 아래의 실시예에서 설명하는 바와 같이, 본 실시예는 후방 면의 전위보다 크거나 같은 모든 전위에 대해 가능한 기능을 하나, 제 2 전극은 제 1 전극의 크기(V1)에 대한 제 2 전극의 크기(V2)의 비율이 노즐 반경(r1)에 대한 구멍 반경(r2)의 비율보다 클 때 커다란 효과를 가진다. 이러한 비율의 이상적인 비율은 V2/V1 > 2r2/r1 이어야 한다.
축적대로 도시하지 않은 도 5의 개략적인 다이어그램은 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 장치의 일 실시예의 주요 구성 요소들을 도시한다. 도 5에 있어서, 저장조(40)는 전술한 바와 같이 액체 운반체(10) 및 나노입자 안료를 포함하는 다량의 잉크(42)를 포함한다. 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이 동축의 외측 전도성 튜브(18)에 의해 에워싸인 내측 전도성 튜브(16)의 최저 단부에 형성된 노즐(20)은 상기 저장조(40)와 소통된다. 내측 튜브(16) 내부에는 전도체(48)를 통해 제어 회로(46)에 연결되는 피에조 전기식 또는 열적 작동기(44)가 있다. 본 기술분야의 당업자에게 공지된 방식으로, 소량의 전기 펄스가 작동기(44)로 전달되어 작동기를(피에조 전기식 작동기의 경우에)순간적으로 변형되게 하거나 잉크의 소량의 액체 운반체를 가열 및 증발시킴으로써, 튜브(16)의 개방 단부에 형성된 노즐(20)로부터 액적(50)을 토출하게 한다.
도 5의 확대도에서 볼 수 있는 바와 같이, 액체 운반체(10) 내의 안료 나노입자(12)의 분포는 실질적으로 균일하며, 따라서 액적이 노즐로부터 빠져나올때 액적(50) 내의 나노입자들의 분포는 실질적으로 균일하다. 그러나, 각각의 전압원으로부터 각각의 튜브(16,18)에 인가된 전위(V1,V2)로 인한 전기장의 영향으로 인해, 안료 나노입자(12)는 낙하 액적(52) 내에 도시한 바와 같이, 낙하할 때 액적 중심 쪽으로 전기영동에 의해 집중된다.
예 1
제 1 예에서, 잉크젯 프린팅 공정에의 전기영동을 포함한 효과는 도 3에 도시한 바와 같은 트랜지스터 테스트 구조물 상에 손에 의해 증착된 단일 액적을 사용하여 모델화되어 있다. 상기 구조물은 폴리메틸메타크릴레이트를 포함하는 기판(30) 상에 형성되었으며 얇은 유전체 층(38) 상에 증착되는 소오스 전극(32), 드레인 전극(34), 및 게이트 전극(36)을 갖는 전계 효과 트랜지스터(FET)의 형태를 취한다.
트랜지스터 구조물을 제조하기 위해, 결합제가 없는 희석된 저 점도 잉크가 3단 증류수 내에 실리콘 나노입자를 분산시킴으로써 제조되었다. 실리콘 나노입자들은 발명의 명칭이 "안정한 산소 종료된 반도체 나노입자들의 제조 방법"인 남아프리카 특허 출원 2008/02727호에 기술된 공정에 따라 압연함으로써 제조되었다. 입자들 상의 전하를 결정하기 위해, 3볼트의 전위차가 소오스 전극과 드레인 전극 사이에 인가되었다. 양 전극의 방향으로 입자들의 전기영동 표류는 입자들 상의 전하가 음 전하임을 나타낸다.
입자들의 압축 또는 농축이 전술한 제 2 실시예의 니들 전극과 유사한 방식으로 게이트 전극에 20V의 양 바이어스를 인가함으로써 달성되었으며, 여기서 게이트 절연체(36)가 얇은 유전체 기판(14)을 대신했다. 상기 전위는 액적이 완전히 건조될 때까지 유지되었다. 비교를 위해, 전기장 없이 유사한 구조물 상에 동일한 잉크의 증착이 수행되었다.
도 4는 인가된 상이한 게이트 전위에 대한 두 개의 트랜지스터(즉, 이와는 달리 증착 중에 인가된 전위의 유무에 따라 제조된 동일한 트랜지스터)에 대한 소오스-드레인 특징들을 나타낸다. 하부 곡선은 전위의 인가없이 제조된 트랜지스터에 대한 것이며, 상부 곡선은 본 발명의 방법에 따라 제조된 트랜지스터에 대한 것이다.
중요한 제 1 차이점은 소형 나노입자들을 포함하는 트랜지스터 내의 드레인-소오스 전류가 인가된 전기장 없이 증착된 층 내의 대응 전류들보다 만 배 더 높다는 점이다. 제 2 차이점은 게이트 바이어스의 인가에 의해 절환된 소오스-드레인 전류에서도 유사한 증가가 나타난다는 점이다.
예 2
전술한 제 2 실시예의 거시적 모델은 액적 증착 중의 전기영동 및 전기수력학적 효과를 조사하는데 추론되었다. 이러한 모델에서, 도 2의 단일 튜브(16)를 나타내는 23 게이지(0.6 mm) 블런트 스틸(blunt steel) 니들이 접지 전위로 유지되는 고체 알루미늄 후방판 위에 1.5 mm의 거리를 유지했다. 이러한 구성은 보조 니들 전극(24)을 전위(V2)로 그리고 기저 판(26)을 접지 전위로 고정하는 것과 등가이다. 그러므로 결과적인 전기장은 노즐의 축선을 따라 균일하며 노즐 반경보다 큰 반경 거리에서 분기함으로써, 도 1의 전기장 패턴보다 도 1에 도시한 전기장 패턴에 실제로 더 가까운 형상이다.
결합제가 없는 희석된 저 점도 잉크가 3단 증류수 내에 실리콘 나노입자를 분산시킴으로써 제조되었다. 실리콘 나노입자들은 발명의 명칭이 "안정한 산소 종료된 반도체 나노입자들의 제조 방법"인 남아프리카 특허 출원 2008/02727호에 기술된 공정에 따라 p-형 실리콘 웨이퍼를 압연함으로써 제조되었다. 보통의 사무용 페이퍼와 같은 부족한 흡수율의 기판 상에, 이러한 시스템 내에 증착되는 크기의 액적은 잉크 내에 성분 재료들을 재분포를 허용하도록 수십 분 동안 액체로서 유지된다. 기판 상의 정적인 액체 내에 실리콘 나노입자의 전기영동 운동보다는 액적이 증착되었을 때의 재료의 분포를 조사하기 위해, 높은 흡수율의 필터 페이퍼가 기판 재료로서 사용되었다.
증착 중 니들에 1.5 ㎸의 음 전위의 인가에 의해 액체 운반체에 대한 전기수력학적 효과 및 상기 액체에 대한 실리콘 나노입자들의 전이이동 운동에 대한 효화들을 유도했다. 이러한 모든 효과들은 인가된 전기장의 유무에 따라 증착된 건조 잉크 액적에 대한 사진인 도 6에 도시되어 있다. 전기장의 인가가 없는 경우에 액적(1)은 크며, 증착된 재료는 균일하게 확산된다. 전기장이 니들에 인가된 경우에 물 운반체, 및 그에 따른 액적이 기판 쪽으로 부착됨으로써, 니들 선단에 보다 작은 액적의 형성을 초래한다. 그러나, 더 중요하게는 전기장의 반경 방향 성분이 증착 중에 액적 내에 입자의 전기영동 운동과 액적(2)의 중심에 고체 재료의 집중을 초래한다.
커다란 치수의 실험 모델로 인해, 두 개의 실시예에 요구되는 것에 비해서 커다란 전기 전위가 니들에 인가될 필요가 있다. 두 예에 있어서 입자들의 전기영동 운동에 요구되는 정상적인 전기장 세기는 1 ㎸ 정도이다. 두 개의 실시예에서 실제 치수의 척도대로였다면, V1 및 V2과 접지 사이의 전위차는 1 내지 100 V, 바람직하게 5 내지 50 V 범위가 필요할 것이다.
Claims (28)
- 기판 상의 잉크 증착 방법으로서,
액체 운반체 및 상기 액체 운반체 내에 분산되는 안료 입자를 포함하는 잉크를 준비하는 단계로서, 적어도 상기 안료 입자가 전기적으로 하전되는, 잉크를 준비하는 단계와,
잉크용 출구 노즐에 제 1 전위를 인가하는 단계와,
상기 출구 노즐 근처에 위치된 하나 또는 복수의 보조 전극에 적어도 제 2 전위를 인가하는 단계, 및
기판 상의 목표 영역을 향해 상기 출구 노즐로부터 잉크의 액적을 토출하는 단계를 포함하는,
기판 상의 잉크 증착 방법에 있어서,
상기 하나 또는 복수의 보조 전극은 상기 출구 노즐을 빠져나오는 잉크의 액적에 전기장을 가하도록 배열되며, 상기 액적이 낙하할 때 상기 안료 입자가 상기 출구 노즐을 빠져나오는 상기 잉크의 액적의 중심 쪽으로 전기영동에 의해 집중되어, 상기 잉크 내의 안료 입자의 농도보다 높은 농도를 갖는 일정량의 안료 입자가 상기 목표 영역 내에 증착될 수 있도록, 상기 출구 노즐 및 상기 하나 또는 복수의 보조 전극의 배열 형태(configuration), 그리고 상기 제 1 및 제 2 전위의 값이 선택되는 것을 특징으로 하는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 안료 입자는 영구 전하를 가지는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 안료 입자는 유도 전하를 가지는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 증착 과정 중에 상기 안료 입자의 반경 방향 내측으로의 전기영동 운동을 야기하여 상기 안료 입자를 상기 잉크의 액적의 중심을 향해 그리고 이로써 상기 목표 영역 내에 집중시키기 위해, 인가된 상기 전위들을 이용하도록 설계되는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 상기 액체 운반체가 상기 목표 영역으로부터 떨어져 분산되게 하기 위해 상기 잉크의 액적의 액체 운반체에 전기수력학적 힘을 발생시키도록, 인가된 상기 전위들을 이용하도록 설계되는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 출구 노즐 근처에 위치된 하나 또는 복수의 보조 전극이 상기 출구 노즐 주위에 상기 출구 노즐과 동축으로 배열되는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 잉크의 액적이 상기 목표 영역을 향해 상기 출구 노즐로부터 토출되는 동안에 상기 기판이 규정된 전위로 유지되는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 기판은 접지 전위 또는 대지 전위로 유지되는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 출구 노즐과 하나 또는 복수의 보조 전극 사이의 전위차는 상기 출구 노즐과 기판 사이의 전위차보다 크거나 같은,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 출구 노즐과 하나 또는 복수의 보조 전극 사이의 전위차는 1 내지 100 V 인,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 출구 노즐과의 공통 축선 상에서, 상기 기판의 뒤에 하나 이상의 축선-상 보조 전극을 위치시키는 단계를 포함하는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 기판을 지지하는 기저 판이 제공되며, 상기 기저 판은 규정된 전위로 유지되는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 기저 판은 접지 전위 또는 대지 전위로 유지되는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 기저 판은 상기 기판 뒤에 위치되며, 상기 기판은 상기 출구 노즐과 상기 기저 판 사이에 위치되는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 삭제
- 제 11 항에 있어서,
상기 기판 뒤의 하나 이상의 축선-상 보조 전극 및 상기 출구 노즐은 기판에 대해 이동가능하며, 상기 하나 이상의 축선-상 보조 전극의 이동이 상기 출구 노즐의 위치를 추종하도록 이동되는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 기판을 지지하는 기저 판이 제공되고,
상기 기저 판은 복수의 전극 및 상기 복수의 전극에 대응하는 복수의 구멍을 구비하고.
상기 기저 판 내의 복수의 전극 및 복수의 구멍은 고정된 절대 위치에 유지되는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 출구 노즐과 상기 하나 이상의 축선-상 보조 전극은 고정 위치에 유지되며 상기 기판은 상기 고정 위치에 대해 이동되는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 하나 이상의 축선-상 보조 전극의 전위는 상기 출구 노즐의 전위보다 하전된 안료 입자 내에 포함된 나노입자에 더 큰 인력을 갖도록 유지되는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 제 19 항에 있어서,
상기 기저 판은 상기 하나 이상의 축선-상 보조 전극 근처에서 상기 기저 판 내에 구멍을 가지며 상기 기저 판 내의 구멍이 반경을 갖고 상기 출구 노즐이 반경을 가지며, 상기 하나 이상의 축선-상 보조 전극의 전위와 상기 출구 노즐의 전위의 비율은 상기 기저 판 내의 구멍의 반경과 상기 출구 노즐의 반경의 비율보다 크게 유지되는,
기판 상의 잉크 증착 방법.
- 기판 위에 잉크를 증착하는 잉크 증착 장치로서,
잉크용 출구를 형성하며 적어도 일부가 전기 전도성인 출구 노즐과,
상기 출구 노즐에 제 1 전위를 인가하는 제 1 전압원과,
상기 출구 노즐 근처에 위치되는 하나 또는 복수의 보조 전극과,
상기 하나 또는 복수의 보조 전극에 제 2 전위를 인가하는 제 2 전압원, 및
액체 운반체 및 상기 액체 운반체 내에 분산되는 안료 입자를 포함하는 잉크의 액적을, 기판 상의 목표 영역을 향해, 상기 출구 노즐로부터 토출하는 수단을 포함하며,
적어도 상기 안료 입자가 전기적으로 하전되는,
기판 위에 잉크를 증착하는 잉크 증착 장치에 있어서,
상기 출구 노즐 근처에 위치되는 하나 또는 복수의 보조 전극은, 상기 출구 노즐을 빠져나오는 잉크의 액적에 전기장을 가하도록 배열되며,
상기 액적이 낙하할 때 상기 출구 노즐을 빠져나오는 상기 잉크의 액적의 중심 쪽으로 상기 안료 입자가 전기영동에 의해 집중되어, 상기 잉크 내의 안료 입자의 농도보다 높은 농도를 갖는 일정량의 안료 입자가 상기 목표 영역 내에 증착될 수 있도록, 상기 출구 노즐 및 상기 하나 또는 복수의 보조 전극의 배열 형태(configuration), 그리고 상기 제 1 및 제 2 전위의 값이 선택되는 것을 특징으로 하는,
기판 위에 잉크를 증착하는 잉크 증착 장치.
- 제 21 항에 있어서,
상기 출구 노즐 근처에 위치되는 상기 하나 또는 복수의 보조 전극은 상기 출구 노즐 주위에 상기 출구 노즐과 동축으로 배열되는,
기판 위에 잉크를 증착하는 잉크 증착 장치.
- 제 22 항에 있어서,
상기 출구 노즐과 상기 하나 또는 복수의 보조 전극 간의 전위차는 상기 출구 노즐과 상기 기판 사이의 전위차보다 크거나 같게 유지되는,
기판 위에 잉크를 증착하는 잉크 증착 장치.
- 제 23 항에 있어서,
상기 출구 노즐과 상기 하나 또는 복수의 보조 전극 사이의 전위차는 1 내지 100 V 로 유지되는,
기판 위에 잉크를 증착하는 잉크 증착 장치.
- 제 21 항에 있어서,
상기 출구 노즐과의 공통 축선 상에서, 상기 기판 뒤에 하나 이상의 축선-상 보조 전극이 위치되어, 상기 기판이 상기 출구 노즐과 상기 하나 이상의 축선-상 보조 전극 사이에 위치되는,
기판 위에 잉크를 증착하는 잉크 증착 장치.
- 제 25 항에 있어서,
상기 기판을 지지하도록 배열되는 기저 판을 포함하며,
상기 기저 판은 규정된 전위로 유지되는,
기판 위에 잉크를 증착하는 잉크 증착 장치.
- 제 26 항에 있어서,
상기 하나 이상의 축선-상 보조 전극의 전위는 상기 출구 노즐의 전위보다 하전된 안료 입자 내에 포함된 나노입자에 더 큰 인력을 갖게끔 유지되는,
기판 위에 잉크를 증착하는 잉크 증착 장치.
- 제 27 항에 있어서,
상기 기저 판이 상기 하나 이상의 축선-상 보조 전극 근처에서 상기 기저 판 내에 구멍을 가지며, 상기 기저 판 내의 구멍이 반경을 갖고 상기 출구 노즐이 반경을 가지며, 상기 하나 이상의 축선-상 보조 전극의 전위와 상기 출구 노즐의 전위의 비율은 상기 기저 판 내의 구멍의 반경과 상기 출구 노즐의 반경의 비율보다 더 크게 유지되는,
기판 위에 잉크를 증착하는 잉크 증착 장치.
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