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KR102161544B1 - 액적 토출 장치 및 액적 토출 방법 - Google Patents

액적 토출 장치 및 액적 토출 방법 Download PDF

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KR102161544B1
KR102161544B1 KR1020190171632A KR20190171632A KR102161544B1 KR 102161544 B1 KR102161544 B1 KR 102161544B1 KR 1020190171632 A KR1020190171632 A KR 1020190171632A KR 20190171632 A KR20190171632 A KR 20190171632A KR 102161544 B1 KR102161544 B1 KR 102161544B1
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South Korea
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standing wave
nozzle
droplet
solution
unit
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허신
이덕규
이보연
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 액적이 형성되는 노즐 주변 영역에 정재파를 형성하여 정재파에서 제공되는 음향력을 이용하여 고점도의 용액을 정밀하게 분리 토출할 수 있는 액적 토출 장치 및 액적 토출 방법을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 용액에 가압력을 인가하는 용액 공급유닛; 연결관을 매개로 상기 용액 공급유닛에 연결되며 용액을 액적 형태로 토출시키는 노즐; 및 상기 노즐로부터 토출되는 액적의 분리력을 제공하기 위하여, 액적이 형성되는 상기 노즐의 주변 영역에 정재파를 형성하는 정재파 발생유닛을 포함하는 특징을 개시한다.

Description

액적 토출 장치 및 액적 토출 방법{LIQUID DROP DISCHARGING APPARATUS AND LIQUID DROP DISCHARGING METHOD}
본 발명은 액적 토출 장치 및 액적 토출 방법에 관한 것으로, 상세하게는 잉크젯 프린팅 과정에서 고점도의 프린트 용액을 정밀하게 토출할 수 있는 액적 토출 장치 및 액적 토출 방법에 관한 것이다.
잉크젯 프린팅 기술은 일반적으로 시린지 펌프(Syringe Pump) 펌프와 같은 잉크용액 공급장치로부터 노즐 내 압력파를 형성하고, 이러한 압력파에 기초한 동적 토출 원리에 의존하여 액적 형태로 잉크용액을 토출하면서 대상물에 프린팅을 수행하게 된다.
하지만 원하는 크기나 토출 속도로 잉크용액의 액적을 토출하기 위해서는 잉크용액 공급장치의 압력 제어에 상당한 어려움이 있다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 잉크용액 공급장치(1)에서 제공되는 압력 정도에 따라 노즐(3)의 노즐팁에 액적이 형성되면, 노즐홀의 표면장력에 의한 모세관력(Fc)에 의하여 액적(W)은 노즐팁으로부터 분리되지 못하고 매달린 상태를 유지하게 된다. 이후 계속해서 잉크용액 공급장치(1)에서 제공되는 압력이 가해지면 액적(W)의 크기가 점점 커지게 되고, 이후 액적(W)의 중력(Fg)이 모세관력(Fc) 보다 커지는 순간, 액적(W)은 노즐(3)으로부터 분리되면서 토출될 수 있다.
이때 잉크용액 공급장치의 가압력을 높이게 되면 액적의 연속 토출이 가능하지만, 정밀하고 미세한 인쇄를 요하는 경우에는 인쇄 품질이 떨어지는 문제가 있고, 이에 따라 기존 잉크젯 프린팅 기술에서의 액적 토출 장치는 물 점도의 대략 10배 이내의 점도를 가지는 상대적으로 저점도의 잉크용액에 국한하여 적용되는 경우가 대부분이다.
한편 최근 주 관심 기술 분야인 나노 공정 기술 및 3D 프린팅 기술 분야에서는 폴리머 소재뿐만 아니라, 금속, 바이오 등 다양한 고점도의 용액들을 이용한 미세 소재 제작 및 프린팅 기술이 적용되고 있는 바, 이러한 고점도의 용액의 토출 시 크기, 토출 시간, 토출 속도 등을 정밀하게 제어하지 못해 인쇄 품질이 떨어지는 문제가 발생된다.
따라서 물 점도의 10배 내지 물 점도의 10000배를 갖는 고점도의 용액을 정밀하게 토출할 수 있는 보다 고도화된 액적 토출 장치의 개발이 요구된다.
대한민국 등록특허공보 제1087315호(2011.11.25.공고)
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 정재파의 음향력을 이용하여 노즐로부터 고점도의 용액을 정밀하게 분리 토출할 수 있는 액적 토출 장치 및 액적 토출 방법을 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치는, 용액에 가압력을 제공하기 위한 용액 공급유닛; 연결관을 매개로 상기 용액 공급유닛에 연결되며 용액을 액적 형태로 토출시키는 노즐; 및 상기 노즐로부터 토출되는 액적의 분리력을 제공하기 위하여, 액적이 형성되는 상기 노즐의 주변 영역에 정재파를 형성하는 정재파 발생유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치에 있어서, 상기 정재파 발생유닛은, 상기 노즐의 적어도 일부분을 감싸도록 마련되며, 제1 정재파를 형성하는 제1 정재파 영역이 마련되는 제1 정재파 발생부; 및 상기 제1 정재파 발생부와 연결되며, 상기 제1 정재파 발생부에서 도입된 상기 제1 정재파를 증폭시켜 제2 정재파를 형성하는 제2 정재파 영역이 마련되는 제2 정재파 발생부;를 포함하며, 상기 노즐의 노즐팁은 상기 제2 정재파 영역에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치에 있어서, 상기 노즐팁은 상기 제2 정재파의 음향력이 최대가 되는 피크와 동일한 위치에 배치되도록 상기 제2 정재파 발생부의 바닥면으로부터 미리 설정된 높이에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치에 있어서, 상기 정재파 발생유닛은 상기 노즐에 미리 설정된 크기의 액적이 형성될 경우, 상기 제2 정재파의 음향력이 최대가 되는 피크가 상기 노즐팁과 동일한 위치에서 형성되도록 상기 제1 정재파 발생부를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치에 있어서, 상기 제1 정재파 발생부는, 상기 제1 정재파 영역을 형성하기 위한 제1 정재파 챔버; 음파를 발생시켜 상기 제1 정재파 영역으로 음파를 방사하는 음파 발생부; 및 상기 음파 발생부로부터 제1 간격을 유지하도록 이격 배치되며, 상기 음파 발생부에서 방사되는 음파를 반사하는 음파 반사부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치에 있어서, 상기 제1 간격은 음파의 반파장(λ/2)의 정수배일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치에 있어서, 상기 제2 정재파 발생부는 상기 제1 정재파의 주파수와 일치하는 고유주파수를 가지도록 상기 제1 정재파 챔버에 관통 형성되는 터널부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치에 있어서, 상기 제2 정재파 발생부는 상기 제1 정재파 챔버에 관통 형성되는 터널부를 포함하되, 상기 터널부는, 제1 직경을 가지며, 상기 제1 정재파 영역에 연결되는 제1 터널부; 및 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 가지며, 상기 제1 터널부에 연결되는 제2 터널부;를 포함하고, 상기 제1 터널부 및 상기 제2 터널부가 번갈아가며 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치에 있어서, 상기 노즐 및 상기 정재파 발생유닛은 미리 설정된 간격을 유지하며 복수개가 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치에 있어서, 상기 용액 공급유닛은 각각의 상기 노즐을 향해 동일한 가압력으로 용액을 공급하거나, 각각의 상기 노즐을 향해 서로 다른 가압력으로 용액을 공급하도록 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치에 있어서, 상기 노즐을 통과하는 용액의 점도가 낮아지도록 상기 노즐을 가열하는 히터부를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 전술한 액적 토출 장치를 이용한 액적 토출 방법으로서, 상기 용액 공급유닛을 통해 용액이 가압되어 상기 노즐에 액적이 형성되는 액적형성단계; 및 상기 정재파 발생유닛을 통해 형성된 정재파의 음향력을 이용하여 상기 노즐에 형성된 액적을 분리하는 액적분리단계;를 포함하는 것도 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 방법에 있어서, 상기 액적분리단계는, 상기 노즐에 미리 설정된 크기의 액적이 형성될 경우, 상기 정재파 발생유닛을 제어하여 노즐팁과 동일한 위치에서 정재파의 음향력이 최대가 되는 피크가 형성되도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 노즐의 주변 영역에 정재파를 형성하고, 정재파의 음향력을 이용함으로써, 상대적으로 고점도의 용액을 효과적으로 분리 및 토출할 수 있다.
본 발명에 따르면, 정재파의 음향력의 제어가 가능함과 동시에 증폭된 음향력을 제공함으로써, 토출되는 액적의 크기, 토출 시점 및 토출 속도를 보다 정밀하게 조절 및 설정할 수 있으며, 이에 따라 인쇄품질을 높일 수 있다.
도 1은 기존 노즐로부터 액적의 토출 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 액적 토출 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치의 설명하기 위한 정면(a) 및 측면(b) 예시도이다.
도 4는 도 3의 제2 정재파 발생부를 확대하여 나타낸 부분 확대도로서, 제2 정재파 발생부의 다양한 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액적 토출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액적 토출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 액적 토출 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치는 용액 공급유닛(100), 노즐(200) 및 정재파 발생유닛(300)을 포함할 수 있다.
용액 공급유닛(100)은 토출을 위한 용액에 가압력을 인가하는 것으로, 용액실에 저장된 용액에 압력을 가하면서 노즐(200) 측으로 공급할 수 있다.
용액 공급유닛(100)은 시린지 펌프(Syringe Pump)나 압전 방식의 압력 제어 장치 등이 적용될 수 있다. 예를 들면, 스텝모터의 작동으로 플런저가 전진하면서 용액을 외부로 밀어내는 주입동작과, 플런저가 후진하면서 용액을 내부로 흡입하는 흡입동작을 반복적으로 수행하게 된다. 이러한 주입동작과 흡입동작에 의하여 노즐(200) 측으로 용액을 반복적으로 가압할 수 있다.
노즐(200)은 연결관(150)을 매개로 용액 공급유닛(100)과 연결될 수 있으며, 용액 공급유닛(100)으로부터 공급되는 용액은 노즐홀 통과하면서 노즐팁(210)을 통과하는 과정에서 액적(W)이 형성될 수 있다. 액적(W)은 모세관력(Fc)과 중력(Fg)이 평형이 되는 시점까지 노즐팁(210)으로부터 분리되지 못하고 계속해서 커지며 성장될 수 있다.
노즐(200)은 미세한 크기의 노즐홀을 가지도록 제작될 수 있으며, 유리, 금속, 테플론 등 다양한 소재로 제작될 수 있다.
노즐(200)의 노즐홀은 소수성 표면 처리될 수 있으며, 소수성 표면 처리된 노즐홀은 통과하는 용액과의 표면 장력이 감소하게 되어 모세관력(Fc)이 저감될 수 있다. 결국 모세관력(Fc)과 반대되는 액적(W)의 분리력이 저감될 수 있어 보다 미세한 크기의 액적(W)이 토출될 수 있다.
연결관(150)은 용액 공급유닛(100)과 노즐(200)을 연결하는 것으로, 가요성의 폴리머 튜브가 적용될 수 있다.
정재파 발생유닛(300)은 노즐(200)의 주변 영역에 정재파(SW)를 형성할 수 있으며, 정재파(SW)에서 제공되는 음향력을 이용하여 노즐(200)로부터 액적(W)을 분리하기 위한 분리력을 제공할 수 있다.
정재파(SW:Stnading Wave)는 진동의 노드(node)나 피크(Peak)가 파동의 진행방향으로 이동하지 않는 파동으로, 동일한 주파수, 파장 및 진폭을 가지는 두 파동이 서로 마주보며 진행할 때 서로 중첩됨에 따라 형성될 수 있으며, 중첩되는 두 파동이 서로 합쳐져 항상 동위상이 되는 점과 역위상이 되는 점이 교대로 늘어서게 되어 각 지점에서 항상 같은 운동을 반복하게 된다.
즉, 중첩되는 두 파동의 서로 합쳐져 항상 동위상이 되는 점과 역위상이 되는 점이 교대로 늘어서게 되는 피크면에서는 매질(공기)의 주기적인 압축과 팽창 작용이 발생한다. 결과적으로 매질(공기)의 압축 영역에서는 음압(-)에 해당하는 음향력(Acoustic Pressure Force)이 형성될 수 있고, 매질(공기)의 팽창 영역에서는 양압(+)에 해당하는 음향력이 형성될 수 있다.
따라서 음압(-)에 해당하는 음향력(Fa)이 노즐팁(210)에 매달린 액적(W)의 중력(Fg)방향과 나란하게 형성되는 경우, 액적(W)에는 중력(Fg)과 음향력(Fa)이 합해진 분리력(Fg+Fa)이 작용하게 되고, 이때 분리력(Fg+Fa)은 모세관력(Fc) 보다 크기 때문에 액적(W)이 노즐팁(210)으로부터 분리될 수 있다.
노즐(200)은 정재파(SW)가 형성되는 어떠한 영역에서든 위치될 수 있으나, 바람직하게는 최대 음향력(Fa)이 액적(W)의 분리력으로 작용할 수 있도록 정재파(SW)의 최대 피크(PL)가 형성되는 위치에 노즐(200)의 노즐팁(210)이 배치될 수 있다.
즉, 중첩되는 두 파동의 서로 합쳐져 항상 동위상이 되는 점과 역위상이 되는 점이 교대로 늘어서게 되는 최대 피크(PL) 상에서 음향력(Fc)이 최대가 될 수 있으며, 이렇게 정재파(SW)의 최대 피크(PL)가 형성되는 높이에 노즐팁(210)을 배치함으로써 액적(W)의 분리시키기 위한 최대 크기의 분리력이 발생될 수 있다.
한편 본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치는 노즐(200)을 가열하는 히터부를 포함할 수 있다. 히터부는 노즐(200)을 가열하여 노즐(200)을 통과하는 용액의 온도를 상승시켜 점도를 낮출 수 있고, 따라서 노즐팁(210)으로부터 분리되는 액적(W)의 분리력이 저감될 수 있으며, 보다 미세한 크기의 액적(W)이 토출될 수 있다. 히터부는 노즐(200)을 감싸도록 배치되는 대류, 열전도 방식, 전자기 유도 방식 등이 적용될 수 있다. 더불어, 액적 토출 장치는 노즐(200)을 냉각하는 냉각부를 포함할 수도 있는데, 노즐(200)을 통과하는 용액에 따라 냉각부는 노즐(200)을 냉각하여 온도를 하강시킴으로써 용액의 점도를 낮출 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 정재파(SW)는 주파수, 파장 및 진폭이 가변될 수 있으며, 이에 따라 정재파(SW)에서 발생되는 음향력(Fa)의 세기를 변화시킬 수 있으며, 액적(W)의 크기, 액적(W)의 토출 시점 및 액적(W)의 토출 속도를 임의로 설정할 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 정재파 발생유닛에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 장치의 설명하기 위한 예시도이다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 정재파 발생유닛(300)은 제1 정재파 발생부(310) 및 제2 정재파 발생부(330)를 포함할 수 있다.
제1 정재파 발생부(310)는 제1 정재파를 발생시키는 것으로, 노즐(200)의 적어도 일부분을 감싸도록 마련되어 제1 정재파를 발생시키는 제1 정재파 영역(310a)이 마련될 수 있다.
구체적으로, 제1 정재파 발생부(310)는, 제1 정재파 챔버(311), 음파 발생부(312), 음파 반사부(315), 제어부를 포함할 수 있다.
제1 정재파 챔버(311)는 내부에 제1 정재파가 형성되는 제1 정재파 영역(310a)이 마련될 수 있으며, 노즐(200)의 적어도 일부분을 감싸도록 마련될 수 있다.
음파 발생부(312)는 미리 설정된 주파수, 파장 및 진폭을 가지는 음파를 발생시킬 수 있으며, 음파 발생부(312)를 통해 발생된 음파는 제1 정재파 챔버(311)의 제1 정재파 영역(310a)으로 방사될 수 있다. 이를 위한 음파 발생부(312)는 음파 변환기(313) 및 음파 방사판(314)을 포함할 수 있다.
음파 변환기(313)는 주파수, 파장 및 진폭을 가지는 음파를 발생시킬 수 있으며, 음파 변환기(313)에서 발생되는 음파의 주파수, 파장 및 진폭은 제어부에 의해 변화될 수 있다. 음파 변환기(313)는 일례로 압전 변환기, 자기변형 변환기 등이 적용될 수 있다.
음파 방사판(314)은 음파 변환기(313)에서 발생된 음파를 제1 정재파 챔버(311)의 제1 정재파 영역(310a)으로 방사할 수 있다.
음파 방사판(314)은 제1 정재파 챔버(311)의 일부분을 형성할 수 있으며, 제1 정재파 챔버(311)의 내측 상부면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 음파 방사판(314)을 통해 방사되는 음파는 제1 정재파 챔버(311)의 내측 상부면에서 하부방향으로 방사될 수 있다.
음파 반사부(315)는 음파 발생부(312)를 대향하도록 배치될 수 있으며, 음파 발생부(312)의 음파 방사판(314)로부터 제1 간격(H1)으로 이격 배치될 수 있다. 음파 반사부(315)는 음파 방사판(312)에서 방사되는 음파를 반대방향으로 반사시킬 수 있다.
음파 반사부(315)는 제1 정재파 챔버(311)의 일부분을 형성할 수 있으며, 제1 정재파 챔버(311)의 내측 하부면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 음파 반사부(315)에서 반사되는 음파는 제1 정재파 챔버(311)의 내측 하부면에서 상부방향으로 반사될 수 있다.
따라서 음파 방사판(314)에서 방사되는 음파와, 음파 반사부(315)에서 반사되는 반사파는 서로 동일한 주파수, 파장 및 진폭을 가지게 되고, 서로 마주보며 진행함에 따라 중첩되면서 제1 정재파 영역(310a)에서 제1 정재파를 형성하게 된다.
음파 방사판(314)과 음파 반사부(315)의 제1 간격(H1)은 음파의 반파장(λ/2)의 정수배일 수 있다. 이에 따라 제1 정재파 영역(310a)에는 중첩되는 두 파동이 합쳐져 항상 동위상이 되는 점과 역위상이 되는 점이 교대로 늘어서게 되는 적어도 하나 이상의 피크(PL)면이 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 간격(H1)은 반파장(λ/2)의 정수배인 0.5λ, 1.5λ, 2.5λ 등으로 간격을 유지할 수 있는데, 이러한 제1 간격(H1)의 설정 시 0.02λ만큼의 보정간격이 추가될 수도 있다. 즉, 제1 간격(H1)은 0.52λ, 1.52λ, 2.52λ 등으로 유지될 수도 있다.
제어부는 음파 변환기(313)을 제어할 수 있으며, 음파 변환기(313)의 온오프뿐만 아니라 발생되는 음파의 주파수, 파장 및 진폭을 변화시킬 수 있다.
즉, 제어부는 노즐(200)에 미리 설정된 크기의 액적(W)이 형성될 경우, 노즐팁(210)과 동일한 높이에서 정재파의 음향력(Fa)이 최대가 되는 피크(PL)가 형성될 수 있도록 음파 변환기(313)를 제어하여, 토출하고자 하는 액적(W)의 크기에 따라 액적(W)의 토출 시점 및 토출 속도를 보다 정밀하게 조절 및 설정할 수 있다.
도 4는 도 3의 제2 정재파 발생부를 확대하여 나타낸 부분 확대도로서, 제2 정재파 발생부의 다양한 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 추가 참조하면, 제2 정재파 발생부(330)는 제2 정재파를 발생시키는 것으로, 제1 정재파 발생부(310)와 연결되며, 제1 정재파 발생부(310)에서 도입된 제1 정재파를 증폭시켜 제2 정재파를 발생시키는 제2 정재파 영역(330a)이 마련될 수 있다.
실시예에 따른 제2 정재파 발생부(330)는 제1 정재파 챔버(311)에 형성되는 관통홀일 수 있으며, 이때 제2 정재파 발생부(330)의 내부에 노즐(200)의 노즐팁(210)이 배치될 수 있다.
도 4 (a)를 참조하면, 실시예에 따른 제2 정재파 발생부(330A)는 제1 정재파의 주파수와 일치하는 고유주파수를 가지도록 제1 정재파 챔버(311)에 대해 액적의 토출방향으로 관통 형성되는 터널부(331)를 포함할 수 있다.
제1 정재파 발생부(310)에서 발생된 제1 정재파는 제2 정재파 발생부(330A)의 터널부(331)를 통과하면서 공진 현상이 발생되고 제2 정재파로 증폭될 수 있다.
따라서 제2 정재파 발생부(330A)에는 제1 정재파 발생부(310)보다 큰 음향력이 발생될 수 있으며, 제2 정재파 발생부(330A)에 노즐팁(210)을 배치함으로써 노즐팁(210)으로부터 액적(W)을 분리하기 위한 보다 큰 분리력이 발생될 수 있다.
터널부(331)는 제1 직경(D1) 및 제1 두께(T1)를 가지도록 형성될 수 있으며, 제1 직경(D1) 및 제1 두께(T1)는 제1 정재파의 주파수에 따라 설계 변경될 수 있다. 일례로 제1 두께(T1)는 제1 정재파의 파장(λ)의 0.01λ 내지 1λ 범위를 유지할 수 있다.
한편 도 4 (b)를 참조하면, 본 실시예에 따른 제2 정재파 발생부(330B) 역시 제1 정재파 챔버(311)에 대해 액적의 토출방향으로 관통 형성되는 터널부를 포함할 수 있는데, 이때 터널부는 서로 다른 직경을 가지는 제1 터널부(332)와 제2 터널부(333)가 번갈아가며 순차적으로 구비된 점이 전술한 실시예와 차이가 있다.
즉, 제1 터널부(332)는 제2 직경(D2) 및 제2 두께(T2)를 가질 수 있으며, 제2 터널부(333)는 제3 직경(D3) 및 제3 두께(T3)를 가질 수 있다. 이때 제2 직경(D2)은 제3 직경(D3)보다 클 수 있다.
제1 정재파 발생부(310)에서 발생된 제1 정재파는 제1 터널부(332) 및 제2 터널부(333)를 통과하면서 제2 정재파로 증폭될 수 있는데, 본 실시예에 따른 제2 정재파 발생부(330B)는 터널부의 전체 두께를 변경할 필요 없이 제1 터널부(332)의 제2 직경(D2) 및 제2 두께(T2)와 제2 터널부(333)의 제3 직경(D3) 및 제3 두께(T3)만을 적절히 변경해 줌으로써 제1 정재파 발생부(310)에서 발생된 제1 정재파의 주파수가 변화되더라도 다양한 주파수대의 제2 정재파를 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액적 토출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 추가 참조하면, 다른 실시예에 따른 액적 토출 장치는 노즐(100)이 미리 설정된 간격을 유지하며 복수개가 배치될 수 있다.
이때 제2 정재파 발생부(330)는 각각의 노즐(200)이 삽입 배치될 수 있도록 제1 정재파 챔버(310)에 복수개가 구비될 수 있다.
즉, 제1 정재파 발생부(310)를 통해 제1 정재파 챔버(310)에서 발생된 정재파는 각각의 제2 정재파 발생부(330) 측으로 도입되어 증폭될 수 있으며, 각각의 노즐(200)로부터 액적(W)을 분리하기 위한 음향력을 제공할 수 있다.
여기서 도 5 (a)에서와 같이, 용액 공급유닛(100)은 각각의 노즐(200)을 향해 동일한 가압력으로 용액을 공급할 수 있고, 혹은 용액 공급유닛(100)은 각각의 노즐(200)을 향해 동일한 소재의 용액을 공급할 수도 있다.
또한 도 5 (b)에서와 같이, 용액 공급유닛(100)은 각각의 노즐(200)과 독립적으로 연결되어, 각각의 노즐(200)을 향해 서로 다른 가압력으로 용액을 공급할 수 있고, 혹은 용액 공급유닛(100)은 각각의 노즐(200)을 향해 서로 다른 소재의 용액을 공급할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액적 토출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 추가 참조하면, 본 실시예에 따른 액적 토출 장치는 노즐(200) 및 정재파 발생유닛(300)이 미리 설정된 간격을 유지하며 복수개가 배치될 수 있다.
즉, 복수개의 정재파 발생유닛(300)에서 독립적으로 발생된 정재파를 이용하여, 각각의 노즐(200)로부터 액적(W)을 분리하기 위한 음향력을 독립적으로 제공할 수 있다.
여기서 도 6 (a)에서와 같이, 용액 공급유닛(100)은 각각의 노즐(200)을 향해 동일한 가압력으로 용액을 공급할 수 있고, 혹은 용액 공급유닛(100)은 각각의 노즐(200)을 향해 동일한 소재의 용액을 공급할 수도 있다.
또한 도 6 (b)에서와 같이, 용액 공급유닛(100)은 각각의 노즐(200)과 독립적으로 연결되어, 각각의 노즐(200)을 향해 서로 다른 가압력으로 용액을 공급할 수 있고, 혹은 용액 공급유닛(100)은 각각의 노즐(200)을 향해 서로 다른 소재의 용액을 공급할 수도 있다.
이처럼 용액 공급유닛(100)에 의한 용액의 가압력과, 정재파 발생유닛(300)에 의한 음향력을 독립적으로 제어함으로써, 각각의 노즐(200)에서 토출되는 액적(W) 크기, 액적(W) 토출 시점을 개별적으로 제어할 수 있어, 기판(G)에 대한 인쇄 효율을 보다 높일 수 있다.
한편 도 6에 도시된 바와 같이, 노즐(200) 및 정재파 발생유닛(300)이 복수개로 배치되는 경우, 복수개의 정재파 발생유닛(300)은 위치조정유닛을 매개로 연결될 수도 있으며, 위치조정유닛을 통하여 복수개의 정재파 발생유닛(300)의 사이 간격은 조절될 수도 있다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 방법에 대해 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 액적 토출 방법은 액적형성단계 및 액적분리단계를 포함할 수 있다.
용액형성단계는 용액 공급유닛(100)을 통해 용액이 가압되어 노즐(200)의 노즐팁(210)에 액적이 매달린 상태로 형성되는 단계이다.
즉, 용액 공급유닛(100)으로부터 가압되는 용액은 노즐(200)을 통과하게 되고, 용액 공급유닛(100)으로부터 계속해서 용액이 가압됨에 따라 노즐팁(210)에서 액적(W)이 형성될 수 있고, 액적(W)은 모세관력(Fc)과 중력(Fg)이 평형이 되는 시점까지 노즐팁(210)으로부터 분리되지 못하고 계속해서 커지며 성장된다.
액적분리단계는 정재파 발생유닛(300)을 통해 형성된 정재파의 음향력을 이용하여 노즐팁(210)로부터 액적(W)을 분리하는 단계이다.
즉, 노즐팁(210)에 형성된 액적(W)의 크기가 미리 설정된 크기로 성장한 경우, 정재파 발생유닛(300)을 통해 정재파(SW)를 발생시키고, 정재파(SW)의 음압(-)에 해당하는 음향력(Fa)이 노즐팁(210)에 매달린 액적(W)의 중력(Fg)방향과 나란하게 형성되는 경우, 액적(W)에는 중력(Fg)과 음향력(Fa)이 합해진 분리력(Fg+Fa)이 작용하게 되고, 최종 분리력(Fg+Fa)이 모세관력(Fc) 보다 클 경우 액적(W)은 노즐팁(210)으로부터 분리되어 토출될 수 있다.
액적분리단계에서는 제1 정재파 발생부(310)의 음파 변환기(313)를 제어하는 제어부를 통하여, 액적(W)의 크기, 액적(W)의 토출 시점, 액적(W)의 토출 속도를 조절할 수 있다.
즉, 노즐팁(210)에 미리 설정된 크기로 액적(W)이 성장된 경우, 노즐팁(210)과 동일한 위치에서 정재파의 음향력(Fa)이 최대가 되는 피크(PL)가 형성되도록 음파 변환기(313)를 제어할 수 있다.
따라서 노즐(200)로부터 토출되는 액적(W)의 크기, 액적(W)의 토출 시점, 액적(W)의 토출 속도를 임의로 설정할 수 있고, 정밀한 토출 제어가 가능하다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 액적 토출 장치 및 방법은 고점도의 용액(갈륨-인듐과 같은 무독성, 전도성, 저융점 합금, 생물학적 용액 등)을 디스펜싱 할 수 있는 디스펜서로서 응용될 수 있다.
특히 본 발명에 따른 액적 토출 장치 및 방법은 유연전자장치를 위한 복합 유체, 신규 미세 및 나노 유체 기술, 인쇄 에너지 수확 및 감지기술 등 다양한 인쇄 분야에서의 응용에 매우 유용하고, 웨어러블, 이식 가능한 진단 및 생합성 기관 인쇄 분야 등 광범위한 생물학적 응용 분야에도 응용될 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 액적 토출 장치 및 방법은 상대적으로 고점도가 적용되는 나노, 바이오 등의 3D 프린팅 분야에서 큰 장점을 가질 수 있다. 일례로, 바이오 분야에서 사용되는 고점도의 세포용액의 경우에는 오염을 최소화하면서 토출될 수 있으며, 미세 전자부품 제조 분야에서 사용되는 은과 동등한 전도성을 가지는 고점도의 반응성 용액은 DOD(Drop on demand) 방법에 의해서 효과적으로 인쇄될 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
100: 용액 공급유닛
200: 노즐
300: 정재파 발생유닛
310: 제1 정재파 발생부
330: 제2 정재파 발생부

Claims (13)

  1. 용액에 가압력을 제공하기 위한 용액 공급유닛;
    연결관을 매개로 상기 용액 공급유닛에 연결되며 용액을 액적 형태로 토출시키는 노즐; 및
    상기 노즐로부터 토출되는 액적의 분리력을 제공하기 위하여, 액적이 형성되는 상기 노즐의 주변 영역에 정재파를 형성하는 정재파 발생유닛;을 포함하고,
    상기 정재파 발생유닛은,
    제1 정재파를 형성하는 제1 정재파 영역이 내부에 마련되는 제1 정재파 챔버를 가지는 제1 정재파 발생부; 및
    상기 제1 정재파 발생부와 연결되되, 상기 제1 정재파 영역과 연통되도록 상기 제1 정재파 챔버에 대해 액적의 토출방향으로 관통 형성되며, 상기 제1 정재파 영역에서 내부로 도입되는 상기 제1 정재파를 증폭시켜 제2 정재파를 형성하는 제2 정재파 영역이 내부에 마련되는 터널부를 구비하는 제2 정재파 발생부;를 포함하며,
    상기 제1 정재파 챔버는 상기 노즐을 감싸도록 배치되며, 상기 제1 정재파 및 상기 제2 정재파는 공기를 매질로 하여 상기 노즐의 주변 영역으로 음향력을 제공하며,
    상기 터널부는 상기 제1 정재파의 주파수와 일치하는 고유주파수를 가지며,
    상기 노즐의 노즐팁은 상기 제2 정재파 영역에 배치되되, 음향력이 최대가 되는 피크와 동일한 위치에 배치되도록 상기 제2 정재파 발생부의 바닥면으로부터 미리 설정된 높이에 배치되고,
    상기 노즐의 노즐홀은 소수성 표면처리가 되어 있는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정재파 발생유닛은 상기 노즐에 미리 설정된 크기의 액적이 형성될 경우, 상기 제2 정재파의 음향력이 최대가 되는 피크가 상기 노즐팁과 동일한 위치에서 형성되도록 상기 제1 정재파 발생부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 정재파 발생부는,
    음파를 발생시켜 상기 제1 정재파 영역으로 음파를 방사하는 음파 발생부; 및
    상기 음파 발생부로부터 제1 간격을 유지하도록 이격 배치되며, 상기 음파 발생부에서 방사되는 음파를 반사하는 음파 반사부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 간격은 음파의 반파장(λ/2)의 정수배인 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 터널부는,
    제1 직경을 가지며, 상기 제1 정재파 영역에 연결되는 제1 터널부; 및
    상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 가지며, 상기 제1 터널부에 연결되는 제2 터널부;를 포함하고,
    상기 제1 터널부 및 상기 제2 터널부가 번갈아가며 배치되는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 및 상기 정재파 발생유닛은 미리 설정된 간격을 유지하며 복수개가 구비되는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 용액 공급유닛은 각각의 상기 노즐을 향해 동일한 가압력으로 용액을 공급하거나, 각각의 상기 노즐을 향해 서로 다른 가압력으로 용액을 공급하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 노즐을 통과하는 용액의 점도가 낮아지도록 상기 노즐을 가열하는 히터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
  12. 제1항에 기재된 액적 토출 장치를 이용한 액적 토출 방법으로서,
    상기 용액 공급유닛을 통해 용액이 가압되어 상기 노즐에 액적이 형성되는 액적형성단계; 및
    상기 정재파 발생유닛을 통해 형성된 정재파의 음향력을 이용하여 상기 노즐에 형성된 액적을 분리하는 액적분리단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 액적분리단계는,
    상기 노즐에 미리 설정된 크기의 액적이 형성될 경우, 상기 정재파 발생유닛을 제어하여 노즐팁과 동일한 위치에서 정재파의 음향력이 최대가 되는 피크가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 방법.
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