KR102010649B1 - Method of manufacturing a three-dimensional metallic structure - Google Patents

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Abstract

3차원 금속 구조체의 제조 방법에 있어서, 금속 나노 입자, 폴리머, 분산제, 환원제 및 용매를 포함하는 출력 물질을 형성한 후, 상기 출력 물질을 이용하는 3차원 프린팅 공정을 통하여 1차 예비 3차원 구조체를 출력한다. 이후, 상기 1차 예비 3차원 구조체에 대하여 열처리 공정을 통하여 폴리머를 제거하여 2차 예비 3차원 구조체를 형성하고, 상기 2차 예비 3차원 구조체에 대하여 소결 공정을 수행한다. 이로써, 금속 나노 입자의 산화가 억제되어 균일한 3차원 금속 구조체가 용이하게 형성될 수 있다. In the method of manufacturing a three-dimensional metal structure, after forming an output material comprising metal nanoparticles, a polymer, a dispersant, a reducing agent and a solvent, and outputs the first preliminary three-dimensional structure through a three-dimensional printing process using the output material do. Thereafter, the polymer is removed from the first preliminary three-dimensional structure by heat treatment to form a second preliminary three-dimensional structure, and the sintering process is performed on the second preliminary three-dimensional structure. As a result, the oxidation of the metal nanoparticles is suppressed, thereby making it possible to easily form a uniform three-dimensional metal structure.

Description

3차원 금속 구조체의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING A THREE-DIMENSIONAL METALLIC STRUCTURE}METHOD OF MANUFACTURING A THREE-DIMENSIONAL METALLIC STRUCTURE}

본 발명은 3차원 금속 구조체의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 3D 프린팅 기술을 응용하여 3차원 금속 구조체를 제조할 수 있는 3차원 금속 구조체의 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a three-dimensional metal structure. More specifically, the present invention relates to a method of a three-dimensional metal structure that can be applied to 3D printing technology to produce a three-dimensional metal structure.

비표면적의 벌크 형태의 금속 입자와 비교할 때, 금속 나노 입자 또는 금속 마이크로 금속 입자는 높은 표면 활성 에너지를 가짐에 따라 훨씬 낮은 용융점을 가진다. 나아가, 금속 나노 입자 또는 금속 마이크로 금속 입자는 넓은 비표면적을 가지므로 시간이 지나면서 금속 입자의 표면이 산소와 반응하여 산화가 빠르게 진행되게 된다. Compared to bulk metal particles in specific surface area, metal nanoparticles or metal micrometallic particles have much lower melting points as they have high surface active energy. Furthermore, since the metal nanoparticles or the metal micrometallic particles have a large specific surface area, the surface of the metal particles reacts with oxygen and the oxidation proceeds rapidly over time.

한편, 3D 프린팅 공정에 사용되는 출력 소재는 폴리머 기반의 소재이므로 프린트 출력물의 이용이 제한된다. 하지만, 금속입자를 기반으로 하는 출력 물질이 적용될 경우, 3D 프린팅이 가능해지면 그 응용 범위는 매우 증가할 수 있다. On the other hand, since the output material used in the 3D printing process is a polymer-based material, the use of the printed output is limited. However, if an output material based on metal particles is applied, the application range can be greatly increased when 3D printing becomes possible.

특히, 금속 입자 기반의 출력 물질을 이용하여 3D 프린팅 공정을 진행하기 위해서는 금속 입자를 녹일 수 있는 강한 에너지원이 필요하다. 상기 에너지원으로 예로는 주로 전자빔이나 고출력 레이져를 들 수 있다.In particular, in order to proceed with the 3D printing process using an output material based on metal particles, a strong energy source capable of melting metal particles is required. Examples of the energy source include an electron beam or a high output laser.

또한, 3D 프린터는 출력 기술에 따라, 액체 기반의 Stereolithography (SLA), 파우더 기반은 Slective Laser Sintering (SLS), 고체 기반의 Fused Deposition Modeling (FDM), 선형 기반의 Anti-gravity Object Modeling, 잉크젯 등이 다양한 출력 기술방법이 존재한다. 상기 출력 기술에 따라 출력 물질의 종류도 제한되어 있으며, 대부분 폴리머 기반의 출력 기술에 해당한다.Depending on the output technology, 3D printers can be liquid based Stereolithography (SLA), powder based Slective Laser Sintering (SLS), solid based Fused Deposition Modeling (FDM), linear based Anti-gravity Object Modeling, inkjet, etc. Various output description methods exist. The type of output material is also limited according to the output technology, and most of them correspond to polymer-based output technology.

상기 Fused Deposition Modeling (FDM) 출력 방식은 플라스틱, 금속과 같이 열가소성을 가지고 있는 물질을 이용하여 3차원의 구조체를 제작하며, 보다 자세하게는 3D 프린터의 노즐 안에서 약 200도 온도까지 올려서 압출기를 이용하여 열가소성 물질을 추출하여 적층 시키는 방식을 이용한다.The Fused Deposition Modeling (FDM) output method is to produce a three-dimensional structure using a material having a thermoplastic, such as plastic, metal, and more specifically, to a temperature of about 200 degrees in the nozzle of the 3D printer using a extruder thermoplastic Extract and stack the material.

상기 Stereolithography (SLA) 출력 방식은 저전력, 고밀도의 UV 레이저를 이용하여 폴리머 액체를 고체로 경화시켜 적층해서 원하는 물체로 만드는 방식이다. 가장 널리 쓰이며, 정확하고 세부적인 모형까지 제작 가능한 장점을 가지고 있다. The stereolithography (SLA) output method uses a low power, high density UV laser to cure the polymer liquid into a solid and stack it into a desired object. It is the most widely used and has the advantage of being able to produce accurate and detailed models.

상기 Selective Laser Sintering (SLS) 출력 방식은 산업용 3D 프린터로 주로 사용되며, SLA와 비슷한 방식으로 적층되지만, 파우더 기반을 이용하므로, 합성수지, 금속 원료를 녹이거나, 소결하는 과정을 거쳐서 완성한다. The selective laser sintering (SLS) output method is mainly used as an industrial 3D printer, and is stacked in a similar manner to the SLA, but because it uses a powder base, it is completed by melting or sintering synthetic resin and metal raw materials.

특히, Fused Deposition Modeling(FDM) 방식을 이용하여 금속을 추출할 경우, Cu, Fe, Al, Ag 등의 대부분의 금속은 고온에서 용융되므로 낮은 온도의 공융점(eutectic point)을 갖는 두 개 이상의 물질을 합금하여 제작하거나, In, Ga 등과 같이 낮은 온도에서도 추출이 가능한 금속을 이용하여 FDM방식의 3D 프린터로 제작한다. 하지만, 단일 종류의 금속을 이용할 경우, 융점이 낮은 금속(예를 들면, In, Ga 등)으로 그 종류가 제한될 수 있다. 또한, 상기 낮은 공융점을 갖도록 하는 두 개 이상의 금속을 찾아야 하는 문제가 있다.In particular, when the metal is extracted using Fused Deposition Modeling (FDM), most of the metals such as Cu, Fe, Al, Ag, etc. are melted at a high temperature so that two or more materials having a low eutectic point are present. Alloy is produced, or it is manufactured by FDM type 3D printer using a metal that can be extracted even at low temperatures such as In and Ga. However, when a single type of metal is used, the type may be limited to a metal having a low melting point (eg, In, Ga, etc.). In addition, there is a problem of finding two or more metals to have the low eutectic point.

또한, 상기 금속을 용융시키는 용융 공정 또는 후속하는 열처리 공정에서 금속 표면에 산소가 반응하여 산화가 발생하는 문제가 있다.In addition, there is a problem that oxidation occurs due to oxygen reaction on the metal surface in the melting process or subsequent heat treatment process of melting the metal.

본 발명의 일 목적은 금속 입자의 표면에 산소가 반응하는 산화 반응을 효과적으로 억제하여 상대적으로 낮은 온도 및 짧은 시간으로 금속 입자를 소결하여 3차원 금속 구조체를 제조할 수 있는 3차원 금속 구조체의 제조 방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to effectively suppress the oxidation reaction of the oxygen reaction on the surface of the metal particles to sinter the metal particles at a relatively low temperature and a short time to produce a three-dimensional metal structure to produce a three-dimensional metal structure To provide.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 금속 구조체의 제조 방법에 있어서, 금속 나노 입자, 폴리머, 분산제, 환원제 및 용매를 포함하는 출력 물질을 형성한 후, 상기 출력 물질을 이용하는 3차원 프린팅 공정을 통하여 1차 예비 3차원 구조체를 출력한다. 이후, 상기 1차 예비 3차원 구조체에 대하여 열처리 공정을 통하여 폴리머를 제거하여 2차 예비 3차원 구조체를 형성하고, 상기 2차 예비 3차원 구조체에 대하여 소결 공정을 수행한다.In the method of manufacturing a three-dimensional metal structure according to an embodiment of the present invention, after forming an output material including metal nanoparticles, a polymer, a dispersant, a reducing agent and a solvent, through a three-dimensional printing process using the output material Output the primary preliminary three-dimensional structure. Thereafter, the polymer is removed from the first preliminary three-dimensional structure by heat treatment to form a second preliminary three-dimensional structure, and the sintering process is performed on the second preliminary three-dimensional structure.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 출력 물질을 필라멘트 형태로 형성하는 공정이 추가적으로 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the process of forming the output material in the form of a filament may be additionally performed.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 열처리 공정에서, 상기 환원제는 상기 금속 나노 입자의 표면에 산화막의 형성을 억제할 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the heat treatment step, the reducing agent may suppress the formation of an oxide film on the surface of the metal nanoparticles.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 출력 물질에는, 상기 환원제가 상기 금속 나노 입자의 표면을 코팅할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the output material, the reducing agent may coat the surface of the metal nanoparticles.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 환원제는, 수소화붕소나트륨(Sodium borohydroride), 질산 스트론튬(Strontium nitrate) 또는 탄소질 환원제를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the reducing agent may include sodium borohydroride, strontium nitrate or a carbonaceous reducing agent.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 나노 입자는 구리, 철, 니켈, 알루미늄 또는 은과 같은 단일 종류의 물질로 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal nanoparticles may be made of a single kind of material such as copper, iron, nickel, aluminum or silver.

본 발명의 실시예들에 따르면, 3D 프린팅 공정을 이용하여 용이하게 3차원 금속 구조체를 다양한 모양을 갖도록 제작 할 수 있다.According to embodiments of the present invention, the 3D metal structure may be easily manufactured to have various shapes by using a 3D printing process.

나아가, 금속 나노 입자가 섞인 폴리머를 출력 물질로 이용함으로써, 최소한 마이크로 급 크기를 갖는 3차원 금속 구조체가 제작될 수 있다. Furthermore, by using a polymer mixed with metal nanoparticles as an output material, a three-dimensional metal structure having at least a micro class size can be manufactured.

특히, 환원제를 포함하는 출력 물질이 이용됨에 따라, 금속 나노 입자가 산소와 반응하여 산화를 억제함으로써, 후속하는 소결 공정을 통해서 3차원 형태의 소결된 금속 구조체가 상대적으로 낮은 온도 및 짧은 시간에 제조될 수 있다.In particular, as the output material comprising a reducing agent is used, the metal nanoparticles react with oxygen to inhibit oxidation, thereby producing a three-dimensional sintered metal structure at a relatively low temperature and short time through a subsequent sintering process. Can be.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 금속 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a three-dimensional metal structure according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 대상물들의 크기와 양은 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the accompanying drawings, the size and amount of the objects are shown to be enlarged or reduced than actual for clarity of the invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "include" are intended to indicate that there is a feature, step, function, component, or combination thereof described on the specification, and other features, steps, functions, components Or it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of them in combination.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.On the other hand, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.

3차원 금속 구조체의 제조 방법Manufacturing method of three-dimensional metal structure

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 금속 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a three-dimensional metal structure according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 금속 구조체의 제조 방법에 있어서, 금속 나노 입자, 폴리머, 분산제, 환원제 및 용매를 포함하는 출력 물질을 형성한다(S110). 상기 출력 물질은 복합 레진 형태로 형성될 수 있다. 상기 출력 물질은 후속하는 3차원 프린팅 공정의 소재로 적용된다.Referring to FIG. 1, in the method of manufacturing a three-dimensional metal structure according to an embodiment of the present invention, an output material including metal nanoparticles, a polymer, a dispersant, a reducing agent, and a solvent is formed (S110). The output material may be formed in the form of a composite resin. The output material is applied to the material of the subsequent three-dimensional printing process.

상기 금속 나노 입자는 구리, 철, 니켈, 알루미늄, 은 등과 같은 단일 종류의 금속 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 기존의 두 가지 이상의 금속 종류의 합금 형태가 아니라, 단일 금속 물질이 이용된다. The metal nanoparticles may be made of a single kind of metal material such as copper, iron, nickel, aluminum, silver, or the like. That is, a single metal material is used rather than an existing alloy form of two or more kinds of metals.

상기 단일 금속 물질인 금속 나노 입자는 그 표면이 산화되지 않은 상태에서 후속하는 열처리 공정 및 소결 공정이 수행됨에 따라 상대적으로 낮은 온도 또는 빠른 시간 내에 3차원 금속 구조체가 제조될 수 있다.The metal nanoparticle, which is the single metal material, may be manufactured in a relatively low temperature or a fast time as the subsequent heat treatment and sintering processes are performed without the surface of the metal nanoparticles being oxidized.

특히, 벌크 상태의 금속 또는 마이크로 입자와 비교할 때, 상기 금속 나노 입자는 후속하는 3차원 프린팅 공정 및 소결 공정에 이용됨에 따라 적어도 마이크로 크기의 3차원 금속 구조체를 보다 용이하게 제조할 수 있다. 따라서, 금속 나노 입자는 소형화된 3차원 금속 구조체를 용이하게 제조할 수 있다.In particular, when compared to metal or micro particles in the bulk state, the metal nanoparticles can be more easily produced at least micro-sized three-dimensional metal structure as used in the subsequent three-dimensional printing process and sintering process. Therefore, the metal nanoparticles can easily produce a miniaturized three-dimensional metal structure.

상기 폴리머는, 열가소성 수지를 포함한다. 상기 열가소성 수지의 예로는, Polylactic acid(PLA), Acrylonitrile Butadiene Styrene(ABS) 등을 들 수 있다. 이로써, 상기 폴리머는 후속하는 열처리 공정에서 용이하게 제거될 수 있다. The polymer contains a thermoplastic resin. Examples of the thermoplastic resin include polylactic acid (PLA), Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), and the like. As such, the polymer can be easily removed in a subsequent heat treatment process.

상기 용매는 상기 폴리머를 녹일 수 있는 물질이면 충분하다. 상기 용매의 예로는, 아세톤, 메탄올 등과 같은 알콜 물질을 들 수 있다.It is sufficient that the solvent is a substance capable of dissolving the polymer. Examples of the solvent include alcohol substances such as acetone and methanol.

상기 환원제는, 후속하는 열처리 공정에서, 상기 금속 나노 입자의 표면에 산소가 반응하여 형성되는 산화막 형성을 억제한다. 즉, 상기 환원제는 상기 금속 나노 입자 표면의 산화를 억제하는 산화 억제제로 기능할 수 있다. 이로써, 상기 금속 나노 입자 표면의 산화를 통한 금속의 벌크화를 억제함으로써, 후속하는 소결 공정이 보다 효과적으로 수행될 수 있다.The reducing agent inhibits the formation of an oxide film formed by oxygen reaction on the surface of the metal nanoparticle in a subsequent heat treatment step. That is, the reducing agent may function as an oxidation inhibitor that inhibits oxidation of the surface of the metal nanoparticles. Thus, by inhibiting the bulking of the metal through oxidation of the surface of the metal nanoparticles, the subsequent sintering process can be performed more effectively.

상기 환원제의 예로는 수소화붕소나트륨(Sodium borohydroride), 질산 스트론튬(Strontium nitrate) 또는 탄소질 환원제를 들 수 있다. 또한, 상기 탄소질 환원제는, 카본 블랙, 활성탄 및 코크와 같은 탄소 성분을 포함할 수 있다.Examples of the reducing agent include sodium borohydroride, strontium nitrate or a carbonaceous reducing agent. In addition, the carbonaceous reducing agent may include carbon components such as carbon black, activated carbon, and coke.

상기 환원제는 상기 용매 내에 분산된 상태로 존재할 수 있다. 이와 다르게 상기 환원제은 상기 금속 나노 입자의 표면을 감싸는 형태로 존재할 수 있다. 이로써, 상기 금속 나노 입자 및 상기 환원제는 코어셀 구조를 가질 수도 있다.The reducing agent may be present in a dispersed state in the solvent. Alternatively, the reducing agent may be present in a form surrounding the surface of the metal nanoparticles. As a result, the metal nanoparticle and the reducing agent may have a core cell structure.

이로써, 상기 출력 물질은 복합 레진 형태로 존재할 수 있다.As such, the output material may be in the form of a composite resin.

이어서, 상기 출력 물질을 이용한 3D 프린팅 공정을 수행하여, 1차 예비 3차원 구조체를 형성한다(S130).Subsequently, a 3D printing process using the output material is performed to form a primary preliminary three-dimensional structure (S130).

상기 3D 프린팅 공정은 잉크젯 방식, FDM 방식 및 SLA 방식을 들 수 있다. The 3D printing process may be an inkjet method, an FDM method and an SLA method.

상기 잉크젯 방식의 3D 프린팅 공정에 있어서, 상기 출력 물질을 카트리지 내에 장입한다. 이때, 상기 카트리지는 상기 출력 물질에 포함된 폴리머가 액상으로 존재할 수 있는 온도로 조절될 수 있다. 이후, 상기 출력 물질을 출력하여 서포터 상에 1차 예비 3차원 구조체를 형성한다.In the inkjet 3D printing process, the output material is loaded into a cartridge. In this case, the cartridge may be adjusted to a temperature at which the polymer included in the output material may exist in the liquid phase. Thereafter, the output material is output to form a primary preliminary three-dimensional structure on the supporter.

한편, 상기 FDM 방식의 3D 프린팅 공정에 따르면, 상기 출력 물질을 필라멘트 추출기 내에 공급한다. 이후, 상기 필라멘트 추출기를 이용하여 상기 출력 물질을 필라멘트 타입으로 제작한다. 이때, 상기 필라멘트 타입의 출력 물질은 1.72 내지 2.10 mm의 평균 직경을 가질 수 있다.Meanwhile, according to the FDM 3D printing process, the output material is supplied into the filament extractor. Thereafter, the output material is manufactured into a filament type using the filament extractor. In this case, the filament-type output material may have an average diameter of 1.72 to 2.10 mm.

또한, SLA 방식의 3D 프린팅 공정에 따르면, 상기 출력 물질 내에 추가적으로 자외선 경화 레진을 추가적으로 혼합한다. 이후 상기 자외선 경화 레진을 포함하는 출력 물질을 프로젝션 방식으로 출력하여 1차 예비 3차원 구조체를 형성할 수 있다.In addition, according to the SLA-type 3D printing process, the UV curable resin is further mixed in the output material. Thereafter, the output material including the ultraviolet curable resin may be output by a projection method to form a primary preliminary three-dimensional structure.

이어서, 상기 1차 예비 3차원 구조체에 대하여 열처리 공정을 통하여 상기 폴리머를 제거함으로써 2차 예비 3차원 구조체를 형성한다(S150). 이때, 상기 열처리 공정 중, 상기 출력 물질에 포함된 환원제가 상기 금속 나노 입자의 산화를 억제할 수 있다. 또한, 상기 2차 예비 3차원 구조체 내에는 폴리머가 제거된 상태이다.Subsequently, the secondary preliminary three-dimensional structure is formed by removing the polymer from the first preliminary three-dimensional structure through a heat treatment process (S150). At this time, during the heat treatment process, the reducing agent included in the output material may inhibit the oxidation of the metal nanoparticles. In addition, the polymer is removed from the secondary preliminary three-dimensional structure.

상기 2차 예비 3차원 구조체에 대하여 소결 공정을 수행하여, 3차원 금속 구조체를 형성한다(S170). 이때, 상기 2차 에비 3차원 구조체 내에 포함된 금속 나노 입자가 그 표면이 산화되지 않은 상태를 유지함에 따라, 상대적으로 낮은 온도에서 빠른 시간 내에 소결 공정이 수행될 수 있다. 이로써, 보다 우수한 균일도를 갖는 3차원 금속 구조체가 제조될 수 있다. 상기 소결 공정 중, 출력 물질에 혼합된 분산제 등과 같은 첨가제가 함께 제거될 수 있다.A sintering process is performed on the secondary preliminary three-dimensional structure to form a three-dimensional metal structure (S170). In this case, as the metal nanoparticles contained in the secondary ET three-dimensional structure maintains the surface of the non-oxidized state, the sintering process may be performed at a relatively low temperature in a short time. As a result, a three-dimensional metal structure having better uniformity can be produced. During the sintering process, additives such as dispersants mixed in the output material may be removed together.

환원제가 혼합되지 않고 금속 나노 입자를 포함하는 출력 물질이 사용될 경우 상기 금속 나노 입자의 표면에 산화막이 형성될 수 있다. 이 경우, 열처리 공정 또는 소결 공정 중 상기 금속 나노 입자의 표면이 산화될 수 있다. 따라서, 금속 산화물이 소결되거나 혹은 금속 나노 입자 표면의 산화막에 의해서 금속 입자끼리 소결되지 못하게 됨으로써, 금속 구조체가 아닌, 금속 산화물 구조체가 제조되거나, 소결이 되지 않아 금속 구조체를 제조할 수 없다.When the output material including the metal nanoparticles is not mixed with the reducing agent, an oxide film may be formed on the surface of the metal nanoparticle. In this case, the surface of the metal nanoparticles may be oxidized during a heat treatment process or a sintering process. Therefore, the metal oxide is not sintered or the metal particles are not sintered by the oxide film on the surface of the metal nanoparticles, so that the metal oxide structure other than the metal structure is produced, or the metal structure cannot be manufactured because the metal oxide is not sintered.

반면에, 본 발명의 실시예들에 따르면, 3차원 금속 구조체를 열처리 공정을 진행 할 때, 금속 나노 입자에 대한 산화 반응이 억제됨으로써, 균일한 3차원 금속 구조체가 제조될 수 있다.On the other hand, according to the embodiments of the present invention, when the heat treatment process of the three-dimensional metal structure, by suppressing the oxidation reaction to the metal nanoparticles, a uniform three-dimensional metal structure can be produced.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 금속 구조체의 제조 방법은 Stereolithography (SLA), Slective Laser Sintering (SLS), Fused Deposition Modeling (FDM), 잉크젯 등이 다양한 출력 기술방법을 이용하여 3차원 금속 구조체를 제조할 수 있다. 특히, 마이크로 크기 이하의 소형화된 3차원 구조체의 제조에 응용될 수 있다Method of manufacturing a three-dimensional metal structure according to an embodiment of the present invention is a stereolithography (SLA), Slective Laser Sintering (SLS), Fused Deposition Modeling (FDM), inkjet, etc. It can manufacture. In particular, it can be applied to the production of miniaturized three-dimensional structure of sub-micro size

Claims (6)

금속 나노 입자, 폴리머, 분산제, 환원제 및 용매를 포함하는 출력 물질을 형성하는 단계;
상기 출력 물질을 이용하는 3차원 프린팅 공정을 통하여 1차 예비 3차원 구조체를 출력하는 단계;
상기 1차 예비 3차원 구조체에 대하여 열처리 공정을 통하여 폴리머를 제거하여 2차 예비 3차원 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 2차 예비 3차원 구조체에 대하여 소결 공정을 수행하는 단계를 포함하고,
상기 환원제는, 수소화붕소나트륨(Sodium borohydroride), 질산 스트론튬(Strontium nitrate) 또는 탄소질 환원제를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 금속 구조체의 제조 방법.Forming an output material comprising metal nanoparticles, a polymer, a dispersant, a reducing agent and a solvent;
Outputting a first preliminary three-dimensional structure through a three-dimensional printing process using the output material;
Forming a secondary preliminary three-dimensional structure by removing a polymer from the first preliminary three-dimensional structure through a heat treatment process; And
Performing a sintering process on the secondary preliminary three-dimensional structure;
The reducing agent is a method of producing a three-dimensional metal structure, characterized in that it comprises sodium borohydroride, strontium nitrate or carbonaceous reducing agent. 제1항에 있어서, 상기 출력 물질을 필라멘트 형태로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 금속 구조체의 제조 방법.The method of claim 1, further comprising forming the output material in the form of a filament. 제1항에 있어서, 상기 열처리 공정에서, 상기 환원제는 상기 금속 나노 입자의 표면에 산화막의 형성을 억제하는 것을 특징으로 하는 3차원 금속 구조체의 제조 방법.The method of claim 1, wherein in the heat treatment step, the reducing agent suppresses the formation of an oxide film on the surface of the metal nanoparticles. 제1항에 있어서, 상기 출력 물질에는, 상기 환원제가 상기 금속 나노 입자의 표면을 코팅한 것을 특징으로 하는 3차원 금속 구조체의 제조 방법.The method of manufacturing a three-dimensional metal structure according to claim 1, wherein the output material is coated with a surface of the metal nanoparticles by the reducing agent. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 금속 나노 입자는 구리, 철, 니켈, 알루미늄 및 은 중 하나의 단일 종류의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 금속 구조체의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the metal nanoparticle is made of a single kind of one of copper, iron, nickel, aluminum, and silver.
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Citations (2)

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KR101701498B1 (en) * 2014-09-05 2017-02-03 (주)비앤케이 manufacturing method of 3D printer filament having antibacterial effects and 3D printer filament with antibacterial effects.

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101594060B1 (en) * 2014-04-01 2016-02-16 전자부품연구원 Nano copper oxide ink composition, substrate using the same and manufacturing method thereof
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