KR20240072452A - 바인더 프리 잉크 및 이를 이용한 구리 구조체 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
바인더 프리 잉크 및 이를 이용한 구리 구조체 제조 방법은 3차원 구리 구조체를 잉크 인쇄법을 이용하여 원하는 형태로 제조하고, 폴리머 바인더 등의 첨가제를 사용하지 않고, 잉크 용매의 어는점을 이용하여 3D 인쇄 과정 중 유동성을 확보하며, 3D 인쇄 후 구리 구조체 형태를 유지할 수 있다.
본 발명은 종래의 바인더 수지 등의 첨가제를 포함하지 않는 잉크를 3D 인쇄에 사용하여 추가 공정없이 소결 공정만으로 기타 성분이 없는 순수 구리 구조체를 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 필라멘트 인쇄법과 달리 인쇄 공정 중에 필요한 장비나 제반 재료가 비교적 저렴하고, 간편하게 순수 구리의 3차원 구조체를 제조할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 종래의 바인더 수지 등의 첨가제를 포함하지 않는 잉크를 3D 인쇄에 사용하여 추가 공정없이 소결 공정만으로 기타 성분이 없는 순수 구리 구조체를 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 필라멘트 인쇄법과 달리 인쇄 공정 중에 필요한 장비나 제반 재료가 비교적 저렴하고, 간편하게 순수 구리의 3차원 구조체를 제조할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 구리 구조체 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3차원 구리 구조체를 잉크 인쇄법을 이용하여 원하는 형태로 제조하고, 폴리머 바인더 등의 첨가제를 사용하지 않고, 잉크 용매의 어는점을 이용하여 3D 인쇄 과정 중 유동성을 확보하며, 3D 인쇄 후 구리 구조체 형태를 유지할 수 있는 바인더 프리 잉크 및 이를 이용한 구리 구조체 제조 방법에 관한 것이다.
구리는 그 뛰어난 전기 전도성과 열 전도성으로 인해 현재도 활발히 연구되고 있는 소재이다. 특히, 최근에는 단순한 2차원 평면 패턴이 아닌 3차원 구리 구조체를 제조하는 기술들이 각광받고 있다.
종래 기술로 3차원 구리 구조체 형상을 제조하는 방법을 요약하면 다음과 같다.
첫 번째는 구리 도금용 촉매를 포함하는 잉크를 이용하여 3차원 구조체를 형성한 후, 도금을 통해 표면이 구리로 도금된 3차원 구조체 제조 방법이 있다.
두 번째는 금속 입자를 포함한 잉크를 이용하여 3차원 구조체를 인쇄한 후, 고온 소결시켜 튼튼한 골격을 제조하고, 구리를 녹여 구조체를 코팅하는 방법이 있다.
세 번째는 필라멘트 프린팅 방식을 통해 3차원 구리 구조체를 인쇄한 후, 세척과 고온 소결시켜 제조하는 방법이 있다.
종래 기술들은 구조체를 제조하는 과정에서 여러 단계의 과정이 포함되어 복잡하다는 단점이 있다. 또한, 첫 번째와 두 번째의 종래 기술은 구리 외의 다른 물질이 필수적으로 구조체의 골격을 이루기에 순수 구리 3차원 구조체를 얻을 수 없다는 문제점이 있다.
세 번째의 종래 기술은 시행을 위해 매우 고가의 장비와 제반 재료를 필요로 하므로 대중화하는데 한계점이 있다.
종래 기술에는 구리 구조물 제작을 위해 구조체를 형성하는 성분에 구리 외의 다른 물질들이 포함되거나, 고가의 장비와 재료를 사용하여 제작하고, 복잡하고 긴 공정 시간을 필연적으로 동반하여 얻고자 하는 순수 구리 구조체를 제작하는 것이 어려웠다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 3차원 구리 구조체를 잉크 인쇄법을 이용하여 원하는 형태로 제조하고, 폴리머 바인더 등의 첨가제를 사용하지 않고, 잉크 용매의 어는점을 이용하여 3D 인쇄 과정 중 유동성을 확보하며, 3D 인쇄 후 구리 구조체 형태를 유지할 수 있는 바인더 프리 잉크 및 이를 이용한 구리 구조체 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 바인더 프리 잉크를 이용한 구리 구조체 제조 방법은,
구리 화합물과 상기 구리 화합물과 반응하는 용매, 서로 다른 평균 입경을 가지는 복수의 구리 입자를 준비하는 제1 단계;
상기 구리 화합물과 상기 용매를 먼저 혼합하여 혼합물을 제조하는 제2 단계;
상기 복수의 구리 입자를 상기 혼합물의 비율에 혼합하여 바인더 프리 잉크를 제조하는 제3 단계;
상기 제조한 바인더 프리 잉크를 일정 온도롤 가열하여 분사 노즐을 통해 토출하여 3차원 구리 구조체를 제조하는 단계를 포함하며, 상기 용매는 상온보다 높은 온도에서 어는점을 가진다.
제1 단계는, 구리 화합물은 Copper(Ⅱ) formate hydrate이고, 상기 용매는 2-amino-2-methyl-1-propanol, 녹는점 30도 내지 32도를 가진다.
제1 단계는, 복수의 구리 입자는 평균 입도가 100nm의 제1 구리 입자와, 평균 입도가 60nm 내지 80nm의 제2 구리 입자와, 평균 입도가 40nm 내지 60nm의 제3 구리 입자와, 평균 입도가 25nm의 제4 구리 입자를 포함한다.
상기 제1 구리 입자, 상기 제2 구리 입자, 상기 제3 구리 입자, 상기 제4 구리 입자는 1:1:1:1 내지 6:1:1:1의 비율로 혼합할 수 있다.
상기 제1 구리 입자, 상기 제2 구리 입자, 상기 제3 구리 입자, 상기 제4 구리 입자는 1:1:1:1 내지 8: 6: 4: 2의 비율로 혼합할 수 있다.
본 발명의 특징에 따른 바인더 프리 잉크는,
구리 화합물;
상기 구리 화합물과 반응하고, 상온보다 높은 온도에서 어는점을 가지는 용매; 및
서로 다른 평균 입경을 가지는 복수의 구리 입자를 포함하며, 상기 구리 화합물과 상기 용매를 혼합한 혼합물과, 상기 복수의 구리 입자를 일정 비율로 혼합할 수 있다.
구리 화합물은 Copper(Ⅱ) formate hydrate이고, 상기 용매는 2-amino-2-methyl-1-propanol, 녹는점 30도 내지 32도를 가지는 바인더 프리 잉크.
복수의 구리 입자는 평균 입도가 100nm의 제1 구리 입자와, 평균 입도가 60nm 내지 80nm의 제2 구리 입자와, 평균 입도가 40nm 내지 60nm의 제3 구리 입자와, 평균 입도가 25nm의 제4 구리 입자를 포함할 수 있다.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 종래의 바인더 수지 등의 첨가제를 포함하지 않는 잉크를 3D 인쇄에 사용하여 추가 공정없이 소결 공정만으로 기타 성분이 없는 순수 구리 구조체를 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 필라멘트 인쇄법과 달리 인쇄 공정 중에 필요한 장비나 제반 재료가 비교적 저렴하고, 간편하게 순수 구리의 3차원 구조체를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구리 구조체 인쇄 장치에서 프린트 헤드의 구성을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바인더 프리 잉크를 이용한 구리 구조체 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구리 구조물의 단면을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구리 구조물의 일례를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바인더 프리 잉크를 이용한 구리 구조체 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구리 구조물의 단면을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구리 구조물의 일례를 나타낸 도면이다.
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 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구리 구조체 인쇄 장치에서 프린트 헤드의 구성을 간략하게 나타낸 도면이다.
구리 구조체 인쇄 장치는 적어도 하나의 배출 장치(배출관(110), 분사 노즐(130))를 갖는 하나의 프린트 헤드(100)를 구비하고, 목표 위치에 프린트 헤드(100)를 이동시키는 이송수단(미도시)을 형성하며, 이송수단의 작동을 제어하는 제어부(미도시)를 포함한다. 이송수단 및 제어부는 3D 프린트 장치의 공지된 기술로 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 구리 구조체 인쇄 장치에서 프린트 헤드(100)를 중심으로 도시하고 있다.
제어부는 이송수단, 분사 노즐(130)의 작동을 제어한다.
제어부는 구리 구조체 인쇄 장치의 각 구성요소의 전반적인 작동을 제어하며, 인쇄 개시 정보 및 인쇄 종료 정보를 생성할 수 있다.
이송수단은 프린트 헤드(100)가 결합된 베이스 프레임(미도시)의 일측에 설치되며 X축, Y축 및 Z축 레일로 이루어져 3축으로 이동되게 된다.
이송수단은 베이스 프레임의 상부에 레일을 따라 X축 방향을 따라 왕복 슬라이딩되는 블록을 포함하는 X축 로봇, X축 로봇의 한쪽에 형성되는 레일을 따라 Y축 방향으로 왕복 슬라이딩되는 블록을 포함하는 Y축 로봇, X축 방향의 블록에 장착된 헤드에 승강 가능하게 장착된 블록을 포함하는 Z축 로봇을 포함한다. 이러한 X축, Y축 및 Z축 로봇의 형태와 방식은 다양하게 변경될 수 있다.
이송수단은 정밀 제어에 의해 X축, Y축 및 Z축의 이동할 수 있도록 서보 모터를 이용하여 구동시킨다.
배출관(110)은 바인더 프리 잉크(140)가 통과하는 비어 있는 배출 통로(112)를 형성한다.
가열 챔버(120)는 배출관(110)의 둘레를 감싸고 있으며, 배출 통로(112)를 통과하는 바인더 프리 잉크(140)를 일정 온도로 가열하는 기능을 수행한다.
배출관(110)의 하부에는 분사 노즐(130)이 연결되고, 분사 노즐(130)은 배출 통로(112)를 통과한 바인더 프리 잉크(140)가 플레이트(150) 상에 토출되어 3차원 구리 구조물(160)를 제조한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바인더 프리 잉크를 이용한 구리 구조체 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구리 구조물의 단면을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구리 구조물의 일례를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 구리 구조체 인쇄 장치에 공급되는 바인더 프리 잉크의 제조 방법은 제1 단계(S100), 제2 단계(S102), 제3 단계(S103), 제4 단계(S104) 및 제5 단계(S105)를 포함한다.
제1 단계(S100)는 구리 화합물과 용매, 4종의 구리 입자를 준비한다.
구리 화합물은 Copper(Ⅱ) formate hydrate을 나타낸다.
용매는 상온보다 약간 높은 온도에서 어는점을 가지며, 구체적인 예는 2-amino-2-methyl-1-propanol, 녹는점 30도 내지 32도를 가진다.
구리 입자는 서로 다른 평균 입경을 가지고, 제1 구리 입자, 제2 구리 입자, 제3 구리 입자, 제4 구리 입자의 4종류가 혼합된 입자를 사용한다.
제1 구리 입자는 평균 입도가 100nm일 수 있다.
제2 구리 입자는 평균 입도가 60nm 내지 80nm일 수 있다.
제3 구리 입자는 평균 입도가 40nm 내지 60nm일 수 있다.
제4 구리 입자는 평균 입도가 25nm일 수 있다.
제2 단계(S102)는 구리 화합물과 용매를 먼저 혼합하여 혼합물을 제조한다.
제3 단계(S103)는 4종의 구리 입자를 제2 단계에서 제조한 혼합물의 비율에 맞게 혼합하여 바인더 프리 잉크(140)를 제조한다.
제4 단계(S104)는 제3 단계(S103)에서 제조한 바인더 프리 잉크(140)를 구리 구조체 인쇄 장치에 공급하고, 가열 챔버(120)에서 일정 온도로 가열하여 분사 노즐(130)을 통해 토출하여 3차원 구리 구조체(160)를 제조한다(도 3 및 도 4).
제5 단계(S105)는 3차원 구리 구조체를 제조한 후에 상온에서 자연 경화되어 형태를 유지한다. 제5 단계(S105) 이후에 간단한 소결 공정으로 순수 3차원 구리 구조체를 완성한다.
소결 공정은 950도의 온도로 3시간 열처리하거나 플라즈마 처리(10분 내지 20분)를 통하여 비교적 간결한 공정을 통하여 소결할 수 있다.
본 발명은 잉크 사용에 있어 상온보다 약간 높은 온도에서 어는점을 가지는 용매를 이용하는 3D 인쇄 방법이므로 인쇄 장치를 현저히 간소화할 수 있다.
본 발명은 바인더 수지와 첨가제를 포함하지 않는 바인더 프리 잉크를 직접 인쇄 장치를 통해 프린팅하는 기술로 추가적인 공정 없이 소결 공정만으로 다른 성분이 없는 순수 구리 구조체를 얻을 수 있다.
본 발명은 필라멘트 인쇄법과 달리 인쇄 공정 중에 필요로 하는 장비나 제반 재료가 고가가 아니므로 비교적 저렴하고, 간편하게 순수 3차원 구조체를 제조할 수 있는 기술이다.
3D 인쇄와 같은 직접 잉크 인쇄법은 잉크의 유동적 특성이 중요한 요소로 작용하는데, 인쇄 과정 중에 쉽게 토출하고, 인쇄 후에는 구조물 형태를 잘 유지하는 특성이 필요하다. 본 발명은 이러한 특성을 위해 폴리머 바인더나 골격 조형 분말 등의 첨가제를 넣는 대신에 상온보다 높은 어는점을 갖는 액체를 잉크의 용매로 사용하고, 용매와 반응하는 구리 화합물을 첨가해 물성을 제어한다.
구리 구조체 인쇄 장치는 바인더 프리 잉크(140)의 토출 과정에서 분사 노즐(130)을 비교적 낮은 온도로 가열하여 잉크 토출을 용이하게 한 후, 인쇄 후 상온에서 자연 경화되어 형태를 유지하게 된다.
본 발명은 폴리머 바인더나 골격 조형 분말 등의 첨가제를 넣지 않기 때문에 3가지 방법을 이용하여 바인더 프리 잉크(140)와 구리 구조체(160)의 일정 이상의 접착 강도를 유지하고, 이에 따라 구리 구조체(160)의 형체를 유지할 수 있다.
제1 구리 입자, 제2 구리 입자, 제3 구리 입자, 제4 구리 입자는 1:1:1:1 내지 6:1:1:1의 비율로 혼합될 수 있다.
또한, 다른 실시예로서, 제1 구리 입자, 제2 구리 입자, 제3 구리 입자, 제4 구리 입자는 1:1:1:1 내지 8: 6: 4: 2의 비율로 혼합될 수 있다.
구리 입자들은 바인더 프리 잉크 100 중량부에 대하여, 30 내지 60 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 만약, 구리 입자들의 중량부가 30 미만이면, 잉크의 점도가 많이 낮아져서 프린팅 후, 접착 강도가 낮아서 형체 유지가 어려워 지므로 잉크가 주변으로 흐르게 될 수 있다.
구리 입자들의 중량부가 60 중량부 이상이면, 잉크의 점도가 높아져서 분사 노즐(130)로부터 토출이 잘 되지 않아 원활한 3D 프린팅이 이루어지지 않을 수 있다.
제3 단계는 4종의 구리 입자를 혼합물의 비율에 맞게 혼합하여 바인더 프리 잉크(140)를 제조한다.
다음의 표 1과 같이, 구리 입자와 혼합물의 비율에 따라 접착 강도를 다르게 형성할 수 있다. 여기서, 접착 강도는 바인더 프리 잉크(140)와 구리 구조체(160)를 분리시킬 때 발생하는 저항 값을 측정하여 산출한 것이다.
접착 강도가 50 N/m 이하로 떨어지면, 바인더 프리 잉크(140)와 구리 구조체(160)가 분리되어 형체 유지가 떨어질 우려가 있다.
구리 입자와 혼합물의 혼합 비율이 2 : 8인 경우, 접착 강도가 50±5.5이고, 구리 입자와 혼합물의 비율이 3 : 7인 경우, 접착 강도가 70±3이고, 구리 입자와 혼합물의 비율이 4 : 6인 경우, 접착 강도가 90±5이고, 구리 입자와 혼합물의 비율이 5 : 5인 경우, 접착 강도가 110±5이 된다.
구리 구조체(160)는 용도에 따라 적절한 구리 입자와 혼합물의 혼합 비율을 선택하여 사용할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 프린트 헤드
110: 배출관
120: 가열 챔버
130: 분사 노즐
140: 바인더 프리 잉크
150: 플레이트
160: 3차원 구리 구조물
110: 배출관
120: 가열 챔버
130: 분사 노즐
140: 바인더 프리 잉크
150: 플레이트
160: 3차원 구리 구조물
Claims (8)
- 구리 화합물과 상기 구리 화합물과 반응하는 용매, 서로 다른 평균 입경을 가지는 복수의 구리 입자를 준비하는 제1 단계;
상기 구리 화합물과 상기 용매를 먼저 혼합하여 혼합물을 제조하는 제2 단계;
상기 복수의 구리 입자를 상기 혼합물의 비율에 혼합하여 바인더 프리 잉크를 제조하는 제3 단계;
상기 제조한 바인더 프리 잉크를 일정 온도롤 가열하여 분사 노즐을 통해 토출하여 3차원 구리 구조체를 제조하는 단계를 포함하며,
상기 용매는 상온보다 높은 온도에서 어는점을 가지는 바인더 프리 잉크를 이용한 구리 구조체 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 단계는,
상기 구리 화합물은 Copper(Ⅱ) formate hydrate이고, 상기 용매는 2-amino-2-methyl-1-propanol, 녹는점 30도 내지 32도를 가지는 바인더 프리 잉크를 이용한 구리 구조체 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 단계는,
상기 복수의 구리 입자는 평균 입도가 100nm의 제1 구리 입자와, 평균 입도가 60nm 내지 80nm의 제2 구리 입자와, 평균 입도가 40nm 내지 60nm의 제3 구리 입자와, 평균 입도가 25nm의 제4 구리 입자인 바인더 프리 잉크를 이용한 구리 구조체 제조 방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 제1 구리 입자, 상기 제2 구리 입자, 상기 제3 구리 입자, 상기 제4 구리 입자는 1:1:1:1 내지 6:1:1:1의 비율로 혼합되는 바인더 프리 잉크를 이용한 구리 구조체 제조 방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 제1 구리 입자, 상기 제2 구리 입자, 상기 제3 구리 입자, 상기 제4 구리 입자는 1:1:1:1 내지 8: 6: 4: 2의 비율로 혼합되는 바인더 프리 잉크를 이용한 구리 구조체 제조 방법. - 구리 화합물;
상기 구리 화합물과 반응하고, 상온보다 높은 온도에서 어는점을 가지는 용매; 및
서로 다른 평균 입경을 가지는 복수의 구리 입자를 포함하며,
상기 구리 화합물과 상기 용매를 혼합한 혼합물과, 상기 복수의 구리 입자를 일정 비율로 혼합하는 바인더 프리 잉크. - 청구항 6에 있어서,
상기 구리 화합물은 Copper(Ⅱ) formate hydrate이고, 상기 용매는 2-amino-2-methyl-1-propanol, 녹는점 30도 내지 32도를 가지는 바인더 프리 잉크. - 청구항 6에 있어서,
상기 복수의 구리 입자는 평균 입도가 100nm의 제1 구리 입자와, 평균 입도가 60nm 내지 80nm의 제2 구리 입자와, 평균 입도가 40nm 내지 60nm의 제3 구리 입자와, 평균 입도가 25nm의 제4 구리 입자인 바인더 프리 잉크.
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KR1020220154014A KR20240072452A (ko) | 2022-11-16 | 2022-11-16 | 바인더 프리 잉크 및 이를 이용한 구리 구조체 제조 방법 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020220154014A KR20240072452A (ko) | 2022-11-16 | 2022-11-16 | 바인더 프리 잉크 및 이를 이용한 구리 구조체 제조 방법 |
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KR20240072452A true KR20240072452A (ko) | 2024-05-24 |
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KR (1) | KR20240072452A (ko) |
Citations (1)
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---|---|---|---|---|
KR20170056104A (ko) | 2015-11-12 | 2017-05-23 | 포항공과대학교 산학협력단 | 구리 3차원 나노구조체의 제조방법 |
-
2022
- 2022-11-16 KR KR1020220154014A patent/KR20240072452A/ko unknown
Patent Citations (1)
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