KR100569861B1

KR100569861B1 - 메탈 젯 유닛

Info

Publication number: KR100569861B1
Application number: KR1020040093555A
Authority: KR
Inventors: 이택민; 김광영; 김현섭; 김동수; 최병오
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2006-04-11

Abstract

본 발명은, 용융금속을 생성하며 하부에 노즐이 형성되어 있는 용융로와, 상기 용융로 내에 상하 미세 진동 가능하게 설치되며 상기 노즐의 오리피스를 향해 상기 용융금속을 가압하는 플런저를 갖는 엑츄에이터와, 상기 엑츄에이터를 미세 진동시키는 발진부를 구비한 메탈 젯 유닛에 관한 것으로서, 상기 노즐은 내경부가 상기 엑츄에이터의 가상의 중심선을 향해 상기 용융로 내측 상부로 내향 경사지게 함몰 형성되어 있고, 그 함몰 중앙에 상기 오리피스가 형성되며; 상기 플런저는 하단부가 상기 노즐의 내경부에 대응하도록 상기 중심선상을 향해 상향 함몰되어 있는 것을 특징으로 한다.

이에 의하여, 용융 금속을 고속으로 정확하고 원활하게 젯팅 함으로써, 3차원 임의형상물의 성형 정밀도 및 완성도를 향상시킬 수 있는 메탈 젯 유닛이 제공된다.

메탈 젯, 용융금속, 노즐, 오리피스, 엑츄에이터, 젯팅

Description

메탈 젯 유닛 {Metal jet unit}

도 1은 종래 메탈 젯 유닛의 구성도,

도 2a 및 도 2b는 도 1의 노즐 영역 확대도,

도 3은 본 발명에 따른 메탈 젯 유닛의 구성도,

도 4a 내지 도 4b는 도 3의 노즐 영역 확대도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 용융로 13 : 노즐

15 : 오리피스 20 : 엑츄에이터

21 : 플런저 23 : 용융금속이동로

30 : 발진부 33 : 간극조절수단

40 : 진공펌프 50 : 압력조절기

본 발명은, 메탈 젯 유닛에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용융메탈의 토출 성능이 개선된 메탈 젯 유닛에 관한 것이다.

메탈 젯 유닛은 잉크젯 프린터의 원리로부터 발달된 것으로서, 용융된 금속 재료를 초미세 액체방울 형태로 적하시켜 3차원 구조체 등의 임의 형상물을 성형할 수 있다.

이 메탈 젯 유닛의 응용분야는 고도의 정밀성을 요구하는 초미세 반도체 회로나 초미세 PCB 회로 제작 및 나노 삼차원 부품이나 형상물 제작 등의 분야를 꼽을 수 있다.

그러나, 이러한 메탈 젯 유닛의 초기 기술은 비교적 저온의 용융점을 갖는 단일 금속만을 이용할 수밖에 없기 때문에, 그 활용 범위가 매우 한정적이었다.

또한, 용융금속의 토출속도 및 토출량의 제어가 이루어지지 않기 때문에, 3차원 임의 형상물의 조형시간이 오래 걸리고, 정밀하고 정확한 3차원 조형이 불가능하여 사실상 그 실용화가 어려운 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위한 기술의 일 예로, 본 출원인은 도 1에 도시된 바와 같은 메탈 젯 유닛(101)을 개발하여 국내 출원(출원번호 제10-2003-0078131호)한 바 있다.

이 메탈 젯 유닛(101)은 도 1과 같이, 용융금속을 생성하며 하부에 노즐(113)이 형성되어 있는 용융로(110)와, 용융로(110) 내에 상하 미세 진동 가능하게 설치되어 용융금속을 토출 시키는 엑츄에이터(120)와, 엑츄에이터(120)를 미세 진동시키는 발진부(130)와, 용융로(110) 내부를 진공상태로 유지시키는 진공펌프(140)와, 용융로(110) 내부를 소정의 압력으로 유지시키는 압력조절기(150)로 구성되어 있다.

이러한, 메탈 젯 유닛(101)은 발진부(130)의 구동에 의해 엑츄에이터(120)가 상하 방향으로 미세 진폭 운동하면, 엑츄에이터(120) 하부에 마련된 플런저(121)가 노즐(113)의 오리피스(115)를 향해 용융로(110) 내의 용융금속을 반복적으로 가압 함으로써, 용융금속이 노즐(113)의 오리피스(115)를 통해 하나의 도트씩 액체방울 형태로 토출 되어 기판(160) 상에 적하 된다. 그리고, 이러한 과정은 제어컴퓨터(미도시)에 의해 용융금속의 토출속도 및 적하 위치 등이 제어됨으로써, 미세한 임의의 3차원 형상물이나 초미세 회로 등을 형성하게 된다.

그런데, 종래 메탈 젯 유닛(101)에 있어서는, 도 2a의 노즐(113) 영역 확대도에 도시된 바와 같이, 노즐(113)의 내경부(113a)가 중앙의 오리피스(115)를 향해 하향 경사지게 형성되어 있고, 엑츄에이터(120) 하단부의 플런저(121) 역시 노즐(113) 내경부(113a)의 형상에 대응하도록 중심을 향해 하방으로 경사진 하향 원뿔 형상으로 형성되어 있는 구조를 가지고 있기 때문에, 플런저(121)가 하향 가압 작용을 할 때, 가압력("A")이 도 2b에 도시된 바와 같이, 플런저(121)와 오리피스(115)의 중심을 향하지 않고, 플런저(121) 및/또는 노즐(113) 내경부(113a)의 경사면에 대해 직교하는 방향으로 작용하게 된다.

즉, 플런저(121)의 가압력("A")이 플런저(121)와 오리피스(115)의 중심에 대해 벗어나게 됨으로써, 용융금속의 가압방향은 오리피스(115) 외측 외에 노즐(113)의 내측으로 분산된다. 따라서, 용융금속의 토출이 원활하게 이루어지지 못하고, 용융금속이 노즐(113)의 오리피스(115)를 통해 하나의 도트씩 액체방울 형태로 토출 되는 젯팅 작용을 기대하기 어려운 단점이 있었다. 이러한 단점은 3차원 임의형상물의 성형 정밀도 및 완성도를 저하시키는 요인이되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 용융 금속을 고속으로 정확하고 원활하게 젯팅 함으로써, 3차원 임의형상물의 성형 정밀도 및 완성도를 향상시킬 수 있는 메탈 젯 유닛을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 용융금속을 생성하며 하부에 노즐이 형성되어 있는 용융로와, 상기 용융로 내에 상하 미세 진동 가능하게 설치되며 상기 노즐의 오리피스를 향해 상기 용융금속을 가압하는 플런저를 갖는 엑츄에이터와, 상기 엑츄에이터를 미세 진동시키는 발진부를 구비한 메탈 젯 유닛에 있어서, 상기 노즐은 내경부가 상기 엑츄에이터의 가상의 중심선을 향해 상기 용융로 내측 상부로 내향 경사지게 함몰 형성되어 있고, 그 함몰 중앙에 상기 오리피스가 형성되며; 상기 플런저는 하단부가 상기 노즐의 내경부에 대응하도록 상기 중심선상을 향해 상향 함몰되어 있는 것을 특징으로 하는 메탈 젯 유닛에 의해서 달성된다.

여기서, 상기 노즐의 내경부와 상기 플런저의 하단부는 단면 투영시 삼각단면 형상으로 상향 함몰되는 구조를 가지며, 상기 노즐의 삼각단면 상단에 상기 오리피스가 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 플런저의 둘레영역에는 상기 용융금속을 상기 오리피스로 안내하는 적어도 하나의 용융금속이동로가 형성되어 있는 것이 효과적이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 메탈 젯 유닛의 구성도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 메탈 젯 유닛(1)은 용융금속을 생성하는 용융로(10)와, 용융로(10) 내에 상하 미세 진동 가능하게 설치되어 용융금속을 외부로 토출 시키는 엑츄에이터(20)와, 엑츄에이터(20)를 미세 진동시키는 발진부(30)와, 용융로(10) 내부를 진공상태로 유지시키는 진공펌프(40)와, 용융로(10) 내부를 소정의 압력으로 유지시키는 압력조절기(50)로 구성되어 있다.

용융로(10)에는 다양한 금속 재료의 용융점에 대응할 수 있도록 비교적 고온영역의 온도(약 30도 내지 900도)로 용융로(10) 내부를 가열할 수 있는 가열히터(11)가 설치되어 있다. 이때, 가열히터(11)의 둘레는 외부와의 단열처리를 위해 내화재로 둘러싸여진다. 그리고, 용융로(10)의 하부에는 용융금속의 토출을 위한 오리피스(15)를 갖는 노즐(13)이 설치되어 있다.

엑츄에이터(20)는 그 하단부에 노즐(13)의 오리피스(15)를 향해 용융금속을 가압하는 플런저(21)를 가지고, 용융로(10) 내에 상하 운동 가능하게 설치된다. 이 엑츄에이터(20)는 후술할 발진부(30)에 의해 상하 진폭 운동함으로써, 플런저(21)가 용융금속을 노즐(13)의 오리피스(15)를 통해 외부로 토출 시킨다. 이때, 엑츄에이터(20)는 용융로(10) 내의 용융금속 보다 높은 용융점을 갖는 세라믹 등의 재질로 제작함으로써 열변형 되지 않는다.

발진부(30)는 용융로(10)의 상부에 설치되며 발진부(30) 내부에는 전원 공급에 의해 상하 진폭 운동하는 압전소자(미도시)가 엑츄에이터(20)와 연결되도록 설치되어 있다. 엑츄에이터(20)는 압전소자(미도시)의 진폭운동에 연동하여 상하 진폭 운동하게 된다.

일반적인 압전소자(미도시)는 비교적 고온에서는 동작되지 않기 특성을 가지고 있으므로, 용융로(10)로부터의 고열이 전도되지 않도록 압전소자(미도시)를 냉각시키는 냉각수단(31)이 요구된다. 냉각수단(31)의 일예로서는 압전소자(미도시)를 보호하기 위해 마련되는 발진부(30)케이스에 코일형 냉각파이프(미도시)를 설치하고 냉각파이프내에 냉각수를 순환시키는 방식 등을 적용할 수 있다.

아울러 발진부(30)에는 엑츄에이터(20)의 플런저(21)와 노즐(13)과의 간극을 미세하게 조절할 수 있는 간극조절수단(33)이 마련된다.

간극조절수단(33)의 일 예로서 압전소자(미도시)의 상부에 압전소자(미도시)와 연결된 가변축을 마련하고 상기 가변축의 둘레에 나사산(33a)을 형성하여 그 나사산(33a)에 노브(33b)르 체결함으로서 구현할 수 있다.

이때, 나사산(33a)의 규격은 노브(33b)를 회전시키면 1/1000의 범위까지 가변축이 승하강될 수 있는 정도의 규격이면 족하며, 가변축의 높이 조절에 의해 압전소자(미도시)의 높이가 조절되면 압전소자(미도시)에 결합된 엑츄에이터(20)의 높이도 상하로 조절됨으로써 플런저(21)와 노즐(13)과의 간극을 조절할 수 있게 된다.

진공펌프(40)는 용융로(10) 내부를 진공으로 유지시키기 위한 것이며, 압력조절기(50)는 용융로(10) 내부에 소정의 압력이 가해 용융금속이 노즐(13)의 오리피스(15)를 통하여 토출되도록 하기 위한 압력을 제공한다. 이때, 압력조절기(50)는 불활성 가스인 질소(N2)를 주입함으로써 용융로(10) 내부의 압력을 조절하게 된다. 물론, 전술한 질소 가스 외에 아르곤 가스 등 기타 불활성가스를 사용할 수 있다.

한편, 용융로(10) 하부에 마련되어 있는 노즐(13)과 이에 대응하는 엑츄에이터(20)의 플런저(21)는 도 4a의 노즐 영역 확대도에 도시된 바와 같이, 노즐(13)의 내경부(13a)가 엑츄에이터(20)의 중심선상을 향해 상방향으로 내향 경사지게 형성되어 있고, 그 중앙에 용융금속이 토출되는 오리피스(15)가 형성되어 있는 구조를 가지고 있으며, 플런저(21) 역시 노즐(13)의 내경부(13a)에 대응하여 하단부가 엑추에이터의 중심선상을 향해 상방향으로 내향 경사지게 형성되어 있는 구조를 갖는다. 즉, 노즐(13)의 내경부(13a)와 플런저(21)는 단면 투영시 상향 함몰되는 구조를 갖는다.

그리고, 플런저(21)의 둘레영역에는 용융금속의 하향 이동을 안내하는 복수의 용융금속이동로(23)가 형성되어 있는 구조를 가지고 있다.

여기서, 노즐(13)의 내경부(13a)와 플런저(21)는 단면 투영시 상향 함몰된 삼각형상으로 형성될 수 있으며, 여건에 따라 상향 함몰된 원호상 등의 구조를 가질 수 있다.

이러한 구성에 의해서 본 발명에 따른 메탈 젯 유닛(1)은 발진부(30)의 구동에 의해 엑츄에이터(20)가 상하 방향으로 미세 진폭 운동하면, 엑츄에이터(20) 하부에 마련된 플런저(21)가 노즐(13)의 오리피스(15)를 향해 용융로(10) 내의 용융금속을 반복적으로 가압 함으로써, 용융금속이 노즐(13)의 오리피스(15)를 통해 하나의 도트씩 액체방울 형태로 토출 되어 기판(60) 상에 적하 된다. 그리고, 이러한 과정은 제어컴퓨터(미도시)에 의해 용융금속의 토출속도 및 적하 위치 등이 제어됨으로써, 미세한 임의의 3차원 형상물이나 초미세 회로 등을 형성하게 된다.

이때, 노즐(13)의 내경부(13a)와 플런저(21)의 상향 함몰 구조는 플런저(21)의 하향 가압 작용시 가압방향을 도 4b에 도시된 바와 같이, 플런저(21)와 오리피스(15)의 중심으로 집중시키게 된다. 즉, 가압력("B")이 플런저(21) 및/또는 노즐(13) 내경부(13a)의 상방향 내향 경사면에 대해 직교하는 방향인 오리피스(15) 중앙으로 작용하게 되는 것이다.

따라서, 용융금속의 가압방향은 오리피스(15) 중심을 향해 집중됨으로써, 용융금속의 토출이 도 4c와 같이, 고속으로 원활하게 이루어질 뿐만 아니라. 용융금속이 노즐(13)의 오리피스(15)를 통해 하나의 도트씩 액체방울 형태로 토출 되는 젯팅 작용이 원활하게 이루어진다.

이에 의해서, 3차원 임의형상물의 성형 정밀도 및 완성도가 현격하게 향상된다.

이와 같이, 메탈 젯 유닛의 노즐 및 엑츄에이터의 플런저 구조를 상방향으로 내향 함몰된 구조로 하여 용융금속의 가압력을 오리피스 중앙으로 집중시킴으로써, 용융 금속을 고속으로 정확하고 원활하게 젯팅 함으로써, 3차원 임의형상물의 성형 정밀도 및 완성도가 향상된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 용융 금속을 고속으로 정확하고 원활하게 젯팅 함으로써, 3차원 임의형상물의 성형 정밀도 및 완성도를 향상시킬 수 있는 메탈 젯 유닛이 제공된다.

Claims

용융금속을 생성하며 하부에 노즐이 형성되어 있는 용융로와, 상기 용융로 내에 상하 미세 진동 가능하게 설치되며 상기 노즐의 오리피스를 향해 상기 용융금속을 가압하는 플런저를 갖는 엑츄에이터와, 상기 엑츄에이터를 미세 진동시키는 발진부를 구비한 메탈 젯 유닛에 있어서,

상기 노즐은 내경부가 상기 엑츄에이터의 가상의 중심선을 향해 상기 용융로 내측 상부로 내향 경사지게 함몰 형성되어 있고, 그 함몰 중앙에 상기 오리피스가 형성되며;

상기 플런저는 하단부가 상기 노즐의 내경부에 대응하도록 상기 중심선상을 향해 상향 함몰되어 있는 것을 특징으로 하는 메탈 젯 유닛.
제1항에 있어서,

상기 노즐의 내경부와 상기 플런저의 하단부는 단면 투영시 삼각단면 형상으로 상향 함몰되는 구조를 가지며, 상기 노즐의 삼각단면 상단에 상기 오리피스가 형성되는 것을 특징으로 하는 메탈 젯 유닛.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 플런저의 둘레영역에는 상기 용융금속을 상기 오리피스로 안내하는 적어도 하나의 용융금속이동로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 메탈 젯 유닛.