KR102036680B1 - 미량액체 유출방법 및 미량액체 디스펜서 - Google Patents

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Abstract

미량액체 디스펜서에서는, 액체통로(6)의 용량가변 통로부분(10)을 외측으로부터 가압하여 그 내용적이 감소하는 방향으로 수축시켜서, 용량가변 통로부분(10)내의 액체를 하류측 통로부분(6B) 및 상류측 통로부분(6A)의 쌍방으로 압출한다(스텝ＳＴ3). 하류측 통로부분(6B)은 상류측 통로부분(6A)과 비교하여 액체통로저항이 매우 크기 때문에, 하류측 통로부분(6B)에는 미소량의 액체가 압출된다. 간단한 제어에 의하여 노즐(4)의 선단구(4a)로부터 피코리터 단위의 미량액체를 정밀도 좋게 적하할 수 있다.

Description

미량액체 유출방법 및 미량액체 디스펜서{MICROVOLUME LIQUID DISPENSING METHOD AND MICROVOLUME LIQUID DISPENSER}
본 발명은, 예를 들면 0.5mm 이하의 미소지름의 노즐을 사용하여 나노리터 단위(nanoliter order) 또한 피코리터 단위(picoliter order)의 미량액체의 토출(吐出), 적하(滴下) 등이 가능한 미량액체 유출방법(微量液體 流出方法) 및 미량액체 디스펜서(微量液體 dispenser)에 관한 것이다. 또한, 노즐로부터의 액체의 연속적인 토출, 단속적(斷續的)인 토출, 연속적인 적하, 단속적인 적하를 합쳐서 「유출(流出)」이라고 한다.
기판 표면 등에 액체를 적하 혹은 토출하는 기구(機構)로서는 공기압식의 액체 디스펜서가 알려져 있다. 액체 디스펜서에서는, 펌프 등의 가압자(加壓子)를 사용하여 액체를 가압하여 소정지름의 노즐로부터 액체를 적하 혹은 토출함으로써 대상인 기판 표면 등에 액체를 도포한다. 특허문헌1∼3에는 이러한 액체 디스펜서가 기재되어 있다.
또한 반도체 제조공정 등에 있어서의 미세 패터닝은 공기압식의 액체 디스펜서로는 곤란하고, 정전토출 방식의 액체토출헤드 등이 사용되고 있다. 이러한 액체토출헤드는 본 발명자 등에 의하여 특허문헌4에서 제안되어 있다.
한편 특허문헌5에는, 액체를 계량하여 디스펜스 하는 미소계량장치가 제안되어 있다. 여기에 제안되어 있는 미소계량장치에서는, 유체용기로부터 액체가 공급되는 일정한 내경의 플렉시블 튜브(flexible tube)를 구비하고, 플렉시블 튜브를 압전 액추에이터에 의하여 구동되는 압출기(壓出機)에 의하여 눌러서 당해 플렉시블 튜브의 일단(一端)에 형성되어 있는 출구구멍으로부터 미량의 액체를 토출시키도록 하고 있다.
압출기의 고속이동에 의하여 야기되는 용적변화(容積變化)에 의하여, 일방에서는 플렉시블 튜브의 출구구멍을 향하여 유체의 흐름이 일어나고, 타방에서는 입구로(入口路)를 통하여 유체용기로의 역류가 일어난다. 또한 압출기는 출구구멍의 근처에 위치가 결정되며, 플렉시블 튜브에 있어서 압출기에 의하여 눌리는 부분보다 출구구멍측의 유체임피던스는 상류측의 입구로측(入口路側)의 유체임피던스에 비해 낮아서, 압출되는 유체의 대부분이 출구구멍으로부터 토출되도록 되어있다. 또한 압출기에 의한 플렉시블 튜브의 가압면은 출구구멍측을 향하여 셋백(set back)된 경사면으로 되어있어, 가압기(加壓器)로 플렉시블 튜브를 가압하면 출구측을 향하여 많은 유체가 압출된다. 환언하면, 관로저항의 비(ratio)로 토출량을 정하고, 급격하게 유체를 출구구멍으로부터 토출시키기 위해서 축비대칭(軸非對稱)의 상태가 되도록 플렉시블 튜브를 변형시키고 있다.
일본국 공개특허 특개평10-57866호 공보 일본국 특허 제3564361호 공보 일본국 공개특허 특개2005-797호 공보 일본국 공개특허 특개2010-64359호 공보 일본국 특허공표 특표2007-502399호 공보
정전토출 방식의 액체토출헤드의 경우에는, 헤드와 대상기판의 사이에 발생하는 정전기력을 이용하고 있다. 따라서 토출 대상의 소재가 비도전성소재(유전성 혹은 유전성이 높은 소재)에 한정되는 제약이 있다. 피에조 구동식(piezo 驅動式) 등의 다른 구동형식의 액체토출헤드를 사용하는 것도 가능하지만, 이들은 점성이 높은 액체를 토출 혹은 적하하기가 곤란하다. 예를 들면, ＵＶ 경화수지 등의 고점도 수지액재(高點度 樹脂液材), Ａｇ페이스트 등의 고점도 금속페이스트를 나노리터 단위 혹은 피코리터 단위로 토출, 적하하기는 어렵다.
그래서 공기압식 등의 액체 디스펜서의 노즐지름을 500μｍ 이하, 예를 들면 100μｍ 이하의 미소지름으로 하여 미세한 액적을 토출가능 혹은 적하가능하게 하는 것이 생각된다. 그러나 이러한 미소지름의 노즐로부터 액체를 일정한 미소유량으로 토출시키는 것은 곤란하다. 예를 들면 가는 노즐의 관로저항은 크기 때문에, 노즐에 공급되는 액체의 가압력을 크게 하더라도 노즐로부터 액체를 토출 혹은 적하시키기는 곤란하다.
또한 액체의 가압력을 높이면 한번에 다량의 액체가 노즐로부터 토출 혹은 적하하고, 그 후에는 노즐내의 액체압력이 일시적으로 내려가므로 액체의 토출 혹은 적하가 불안정하게 된다. 이것이 반복되어 버려서 나노리터 단위 혹은 피코리터 단위의 미량의 액체를 단속적(斷續的)으로 토출 혹은 적하할 수 없다.
한편, 특허문헌5에서 제안되어 있는 미소계량장치에서는, 미소지름의 플렉시블 튜브의 일부분은, 압전 액추에이터에 의하여 구동되는 압출기에 의하여 유체가 출구구멍측에 압출되도록 축비대칭한 변형상태로 눌러진다. 축비대칭한 상태로 플렉시블 튜브를 누름으로써 액체의 대부분이 출구구멍을 향하여(하류측을 향하여) 압출되어 당해 출구구멍으로부터 급격하게 토출된다.
토출되는 액적을 나노리터 단위, 피코리터 단위의 미소량으로 제어하기 위해서는, 플렉시블 튜브의 누르는 양을 미소(微小)로 할 필요가 있고, 그것을 위해서는 플렉시블 튜브를 정밀도 좋게 제작하고 압전 액추에이터를 정밀도 좋게 구동제어할 필요가 있다. 또한 출구측을 향하여 급격하게 유체가 압출되도록 플렉시블 튜브를 축비대칭한 상태로 누를 필요가 있으므로, 압출기의 가압면의 형상 등도 정밀도 좋게 가공할 필요가 있다.
그러나 미소지름의 플렉시블 튜브의 일부분을 정확하게 미소량만 눌러서 나노리터 단위, 피코리터 단위의 미소액체를 압출하는 기구는, 정전구동식, 피에조 구동식의 잉크젯 헤드의 경우와 같이 포토리소그래피 기술 등을 사용하여 제조할 수 없고, 따라서 정밀도 좋게 미소기구를 제작하기 위해서는 비용이 들어서 실용적이지 않다.
또한 플렉시블 튜브의 끝에 액적이 토출되는 출구구멍이 형성되어 있다. 이 때문에 압출기에 의하여 눌려지는 부분으로부터 출구구멍까지 사이의 튜브 부분이 변형되면, 출구구멍으로부터 토출되는 액적량이 변동될 우려가 있다. 예를 들면 압출기에 의하여 눌려서 플렉시블 튜브의 내압이 변동되면, 이에 따라 출구구멍 근방의 튜브 부분이 변형되고 토출되는 액적량이 변화되어, 정밀도 좋게 미량액적을 토출할 수 없는 우려가 있다.
본 발명의 과제는, 이러한 점을 고려하여, 예를 들면 500μｍ 이하의 미소지름의 노즐을 사용하여 나노리터 단위 또한 피코리터 단위의 미량액체를 염가(廉價)의 구성에 의하여 정밀도 좋게 유출할 수 있는 미량액체 유출방법 및 미량액체 디스펜서를 제공하는 것에 있다.
상기의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 통모양의 노즐의 선단구로부터 나노리터 단위로부터 피코리터 단위의 미량액체를 유출시키는 미량액체 유출방법으로서,
액체공급부로부터 상기 노즐에 액체를 공급하는 액체통로를, 상류측 통로부분, 중간 통로부분 및 하류측 통로부분으로 형성하고, 상기 중간 통로부분을 그 내용적이 증감하도록 팽창수축이 가능한 통로부분으로 하고,
상기 액체를 상기 액체통로로부터 상기 노즐의 상기 선단구까지 충전한 액체충전상태에서, 상기 중간 통로부분의 내용적이 감소하도록 당해 중간 통로부분을 변형시킨 경우에, 당해 중간 통로부분으로부터 상기 하류측 통로부분으로 압출되는 액체량이 나노리터 단위로부터 피코리터 단위의 미소량이 되도록, 당해 액체량과 상기 상류측 통로부분으로 되밀려지는 액체량의 비율을 1:100∼1:500으로 설정하고,
미량액체의 유출동작에 있어서는,
상기 액체충전상태를 형성하고,
상기 중간 통로부분을 그 내용적이 감소하도록 변형시키고,
상기 중간 통로부분으로부터 상기 하류측 통로부분으로 압출되는 미소량의 액체에 의하여 상기 노즐의 상기 선단구로부터 미량액체를 유출시키고,
상기 중간 통로부분의 변형을 해제하여 당해 중간 통로부분의 내용적을 원래의 용적으로 되돌리고, 상기 하류측 통로부분으로부터 미소량의 액체를 당해 중간 통로부분내로 흡입하여 되돌리고, 상기 상류측 통로부분으로부터 액체를 상기 중간 통로부분내로 흡입하는 것을 특징으로 하고 있다.
나노리터 단위 혹은 피코리터 단위의 미량액체를 유출시키기 위해서 노즐도 미소지름 노즐이 사용된다. 종래에는 액체가 액체의 공급원으로부터 소정의 가압상태에서 액체통로를 통하여 노즐에 공급된다. 노즐 구경이 작은 경우에는 노즐내의 액체통로저항이 커서, 액체의 공급압력을 높이지 않으면 노즐구로부터 액체를 적하 혹은 토출 할 수 없다. 액체의 공급압력을 높이면 노즐구로부터 한번에 다량의 액체가 적하 혹은 토출해버려, 액체의 적하상태 혹은 토출상태가 불안정하게 된다. 이 때문에 부재표면 등에 미량액체를 정밀도 좋게 유출시키기가 어렵다. 특히, 고점도수지액, 고점도 금속페이스트 등의 고점도액재의 경우에는 미량액체를 정밀도 좋게 유출시키기가 매우 곤란하다.
본 발명에서는, 액체통로를 통하여 노즐내의 선단구까지 액체를 공급하여 충전한 후에, 액체통로의 도중의 중간 통로부분을 외측으로부터 가압하는 등 하여 그 내용적이 감소하는 방향으로 변형, 예를 들면 수축시킨다. 이에 따라 중간 통로부분에 유지되어 있는 액체가 하류측 통로부분으로 압출됨과 아울러 상류측 통로부분으로 되돌려진다.
중간 통로부분의 상류측을 개폐밸브 등으로 봉쇄하고, 이 상태에서 중간 통로부분을 외측으로부터 가압수축시켜서 액체를 노즐측으로 압출하면 노즐측에 큰 압력이 직접적으로 작용한다. 이 경우에는 노즐의 선단구로부터 다량의 액체가 한번에 토출 혹은 적하해버린다. 노즐 선단구에 작용하는 액체압력을 적절한 값으로 제어하기 위해서, 중간 통로부분의 변형량, 예를 들면 수축량을 미세조정하는 것은 극히 곤란하다.
본 발명에서는, 중간 통로부분이 변형하면 하류측(노즐측) 및 상류측의 쌍방을 향하는 액체류가 형성된다. 하류측과 상류측의 액체통로저항의 비를 적절하게 설정해 둠으로써 중간 통로부분을 항상 일정량만큼 수축시킴으로써 적절한 액체압을 노즐의 선단구에 발생시킬 수 있다. 이에 따라 간단한 제어에 의하여 정밀도 좋게 미량액체를 유출(적하, 토출 등)시킬 수 있다.
특히, 본 발명에 있어서는, 중간 통로부분을 변형시킨 경우에 당해 중간 통로부분으로부터 하류측 통로부분으로 압출되는 액체량이 나노리터 단위로부터 피코리터 단위의 미소량이 되도록, 당해 액체량과 상류측 통로부분으로 되돌려지는 액체량의 비율을 1:100∼1:500으로 설정하고 있다. 환언하면, 중간 통로부분의 하류측과 상류측의 액체통로저항의 비에 의하여 액체의 토출 레인지(1/100로 하는가 1/500로 하는가 등)를 정하고 있어, 액체의 토출량은 중간 통로부분의 용적변화량에 의하여 정하고 있다.
따라서 중간 통로부분의 내용적의 감소량에 대응하여 중간 통로부분으로부터 압출되는 액체량 중에서, 매우 근소한 양의 액체가 하류측 통로부분으로 압출되고, 이에 대응하는 미량액체가 노즐의 선단구로부터 유출된다. 내용적의 변화에 대응하는 양의 액체를 노즐의 선단구로부터 유출 시키는 경우에는, 내용적을 미소로 변화시켜서 나노리터 단위, 피코리터 단위의 미량액체를 압출할 필요가 있다. 본 발명에 의하면, 마이크로리터 단위의 액체가 압출되도록 중간 통로부분을 변형시키면 된다. 또한 하류측(노즐측)에 압출되는 액체는 미소한 양이므로, 노즐내의 압력이 일시적으로 대폭적으로 높아져서 다량의 액체가 노즐의 선단구로부터 유출될 우려도 없다. 따라서 중간 통로부분 및 이 부분을 변형시키기 위한 기구를 염가로 구성할 수 있고, 또한 적절한 압력하에서 노즐의 선단구로부터 미량액체를 정밀도 좋게 유출시키는 것이 가능하다.
또 중간 통로부분의 변형을 해제하여 당해 중간 통로부분의 내용적을 원래의 용적으로 되돌릴 때에, 하류측 통로부분으로부터 중간 통로부분내로 되돌려 흡입되는 액체량과 상류측 통로부분으로부터 중간 통로부분내로 흡입되는 액체량의 비율도 1:100∼1:500이 된다.
따라서 중간 통로부분의 변형을 해제하고 그 내용적을 원래상태로 되돌릴 때에, 노즐측으로부터 중간 통로부분의 측으로 역류하는 액체량을 미소량으로 억제할 수 있다. 이 결과, 노즐의 선단구에 형성되어 있는 메니스커스(meniscus)가 파괴되는 일 없이 적절한 상태로 유지된다. 이에 따라 다음의 미량액체의 유출동작을 적절하게 할 수 있다.
따라서 본 발명에 의하면, 중간 통로부분의 변형 및 변형의 해제를 소정의 주기로 반복하여, 노즐의 선단구로부터의 미소액체의 유출을 정밀도 좋게 반복하여 실시할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상류측 통로부분에 배치한 유량조정밸브를 제어하여 당해 상류측 통로부분의 액체유로저항을 증감시켜서, 중간 통로부분으로부터 하류측 통로부분으로 압출되는 액체량과 중간 통로부분으로부터 상류측 통로부분으로 되돌려지는 액체량의 비율을 조정할 수 있다. 또한 하류측 통로부분으로부터 중간 통로부분으로 되돌려 흡입되는 액체량과 상류측 통로부분으로부터 중간 통로부분으로 흡입되는 액체량의 비율을 조정할 수 있다.
본 발명에 있어서, 노즐과, 하류측 통로부분 및 상류측 통로부분 중에서 적어도 하류측 통로부분을, 내부를 흐르는 액체의 압력이 변화되어도 내용적이 변화되지 않는 통로부분으로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라 중간 통로부분의 내압변동에 의하여 하류측 통로부분 및 노즐의 내용적이 변화되는 일이 없으므로, 중간 통로부분으로부터 압출된 미소량의 액체에 대응하는 미량액체를 노즐의 선단구로부터 확실하게 토출시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 중간 통로부분의 외주를 둘러싸는 밀폐외주공간을 형성하여 두고, 밀폐외주공간의 내압을 변화시킴으로써, 중간 통로부분을, 그 내용적이 감소하도록 그 중심축선을 중심으로 하여 축대칭의 상태로 변형시킴과 아울러 당해 변형을 해제하는 것이 바람직하다. 축비대칭의 상태로 변형시키는 경우에 비하여, 축대칭의 상태로 변형시킨 쪽이 당해 중간 통로부분의 팽창수축제어의 관리를 간단하게 할 수 있고, 따라서 노즐측으로 압출되는 액체의 양도 정밀도 좋게 관리할 수 있다.
예를 들면 밀폐외주공간을 가압하여 중간 통로부분을 수축시켜서 액체를 압출하고, 가압을 해제하여 중간 통로부분을 원래의 형상으로 되돌려서 액체를 흡입할 수 있다. 또한 밀폐외주공간을 감압하여 중간 통로부분을 팽창시킨 상태에서 액체를 흡입하고, 감압팽창을 해제하여 액체를 압출하도록 하여도 좋다. 액체의 압출, 흡입량을 증가시키기 위해서는, 밀폐외주공간을 가압하여 중간 통로부분을 수축시켜서 액체를 압출하고, 밀폐외주공간을 감압하여 중간 통로부분을 팽창시켜서 액체를 흡입하도록 하면 좋다.
본 발명자 등에 의하면, 종래에 있어서는 불가능하였던, 500μｍ 이하, 예를 들면 100μｍ 이하의 미소지름의 노즐에서 나노리터 단위로부터 피코리터 단위의 미량액체를 정밀도 좋게 적하, 토출하는 것 등이 가능함이 확인되었다.
또한 액체로서 점도가 1Ｐａ·ｓ∼100Ｐａ·ｓ인 고점도액재를 사용한 경우에 있어서도, 나노리터 단위로부터 피코리터 단위의 미량액체를 정밀도 좋게 적하, 토출하는 것 등이 가능함이 확인되었다.
본 발명에 있어서, 중간 통로부분의 수축량 및 수축속도를 다음의 파라미터에 의거하여 제어함으로써, 정밀도 좋게 나노리터 단위로부터 피코리터 단위의 미량액체를 유출시킬 수 있다.
상기 노즐의 선단구로부터 한번에 유출시키는 미량액체량
상기 노즐의 선단구의 내경치수
상기 액체의 점도
상기 중간 통로부분에 있어서 상류측의 액체통로저항과 하류측의 액체통로저항의 비
다음에 본 발명은, 통모양의 노즐의 선단구로부터 나노리터 단위로부터 피코리터 단위의 미량액체를 유출시키는 미량액체 디스펜서로서,
상류측 통로부분, 중간 통로부분 및 하류측 통로부분을 구비하고, 상기 중간 통로부분이 내용적이 증감하도록 팽창수축이 가능한 통로부분으로 되어 있는 액체통로와,
상기 액체통로를 통하여 상기 노즐에 액체를 공급하는 액체공급부와,
상기 중간 통로부분의 내용적이 증감하도록 당해 중간 통로부분을 변형시키는 통로변형기구와,
제어부를
구비하고 있고,
상기 액체를 상기 액체통로로부터 상기 노즐의 선단구까지 충전한 액체충전상태에서, 상기 중간 통로부분의 내용적이 감소하도록 당해 중간 통로부분을 변형시킨 경우에, 당해 중간 통로부분으로부터 상기 하류측 통로부분으로 압출되는 액체량이 나노리터 단위로부터 피코리터 단위의 미소량이 되도록, 당해 액체량과 상기 상류측 통로부분으로 되밀려지는 액체량의 비율이 1:100∼1:500으로 설정되어 있고,
상기 제어부는,
상기 액체충전상태에서 상기 통로변형기구를 제어하여 상기 중간 통로부분을 내용적이 감소하도록 변형시켜서, 상기 중간 통로부분으로부터 상기 하류측 통로부분으로 압출되는 미소량의 액체에 의하여 상기 노즐의 상기 선단구로부터 미량액체를 유출시키는 미량액체 유출동작과,
상기 통로변형기구를 제어하여 상기 중간 통로부분의 변형을 해제하여 당해 중간 통로부분의 내용적을 원래의 용적으로 되돌리고, 상기 하류측 통로부분으로부터 미소량의 액체를 당해 중간 통로부분내로 흡입하여 되돌리고, 상기 상류측 통로부분으로부터 액체를 상기 중간 통로부분내로 흡입하는 복귀동작을 하는 것을 특징으로 하고 있다.
여기에서 노즐, 중간 통로부분이 형성된 부재 및 하류측 통로부분이 형성된 부재를 일체의 미동유닛으로서 노즐의 중심축선의 방향으로 이동시키는 유닛 미동기구를 구비하고 있는 것이 바람직하다.
이들의 부재의 이동을 허용 할 수 있도록, 액체통로에 있어서의 중간 통로부분의 상류단에 접속되어 있는 상류측 통로부분이 형성된 부재를, 미동유닛의 이동방향으로 휘는 것이 가능하게 해 두면 좋다.
유닛 미동기구에 의하여 미동유닛을 이동시키면, 노즐의 선단구와 미량액체의 도포대상인 워크 표면 사이의 갭이 변경된다. 갭 조정을 위하여, 제어부는 유닛 미동기구에 의한 미동유닛의 이동을 제어하여 노즐의 선단구와 미량액적의 도포대상인 워크 표면 사이의 갭을 제어하는 갭 제어동작을 하도록 하면 좋다.
워크 표면에 도포하는 미량액체의 양, 도포액체의 점성 등에 따라 적절하게 갭을 설정함으로써 미량액체를 워크 표면의 목표위치에 정확하게 도포할 수 있고, 또한 목표로 하는 도포량으로 미량액체를 워크 표면에 도포할 수 있다. 여기에서 갭 조정을 위하여 이동시키는 부분은 노즐, 하류측 통로부분 및 중간 통로부분만을 포함하는 부분이어서, 경량이고 소형이다. 따라서 큰 관성력이 작용하지 않으므로, 미소이동을 정밀도 좋고 신속하게 할 수 있다.
또한 본 발명의 미량액체 디스펜서에, 노즐의 선단구로부터 도포대상인 워크의 표면 부분에 도포되는 미량액체의 유출상태를 관찰하는 관찰 광학기구 유닛을 배치하고, 제어부는 유출상태에 의거하여 유닛 미동기구에 의한 미동유닛의 이동을 제어하면, 적절한 상태에서 미량액체를 워크 표면에 도포할 수 있다.
예를 들면 점도가 높은 미량액체를 워크 표면에 도포하는 경우 등에 있어서는, 관찰 광학기구 유닛에 의하여 미량액체의 유출상태를 관찰하여, 미량액체를 도포한 후에 적절한 타이밍에서 노즐의 인상동작을 함으로써, 액 끊기를 양호하게 할 수 있다. 또한 이에 따라 노즐의 선단구의 액체 메니스커스를 적절한 상태로 유지할 수 있고, 다음의 미량액체의 도포동작을 적절하게 할 수 있다.
유닛 미동기구로서는, 모터, 당해 모터에 의하여 회전하는 볼나사 및 당해 볼나사의 회전에 따라 당해 볼나사의 축선방향으로 슬라이드 하는 볼너트를 구비한 직선운동기구를 사용할 수 있다. 이 경우에는 미동유닛이 볼너트에 탑재되어 유닛 미동기구에 의하여 노즐의 중심축선의 방향으로 왕복이동한다.
다음에, 액체공급부로부터 액체통로를 통하여 노즐의 선단구까지 액체가 충전된 액체충전상태에서, 액체통로내, 노즐내에 미소한 기포가 남아 있으면, 미량액체의 유출동작을 적절하게 할 수 없다. 잔존기포가 발생하지 않도록 액체를 노즐 선단구까지 충전하기 위해서, 진공분위기 중에서 액체충전상태를 형성하는 것이 바람직하다.
이 때문에 미량액체 디스펜서는 액체충전상태 형성용의 진공충전기구를 구비하고 있는 것이 바람직하다. 이 경우에, 본 발명의 미량액체 디스펜서는, 액체공급부, 액체통로 및 노즐이 착탈가능하게 부착되어 있는 디스펜서 설치대와, 액체충전상태를 형성하기 위한 진공충전기구를 구비하고, 액체공급부는 액체를 저장한 액체저장부를 구비하고 있다. 또한 진공충전기구는 디스펜서 설치대로부터 떼어낸 액체저장부, 액체통로 및 노즐을 수납가능한 진공챔버와, 당해 진공챔버에 수납된 액체저장부로부터 액체통로를 통하여 노즐에 액체를 공급하기 위하여, 액체저장부에 압력유체를 공급하는 압력유체 공급부를 구비하고 있다. 액체충전상태가 형성된 후의 액체저장부, 액체통로 및 노즐은 다시 디스펜서 설치대에 부착가능하다.
도1은 본 발명을 적용한 실시형태1에 관한 미량액체 디스펜서의 전체구성도이다.
도2는 도1의 미량액체 디스펜서의 동작을 나타내는 플로우차트 및 설명도이다.
도3은 도1의 미량액체 디스펜서의 변형예를 나타내는 설명도이다.
도4는 본 발명을 적용한 실시형태2에 관한 미량액체 디스펜서의 전체구성도이다.
도5는 도4의 미량액체 디스펜서의 노즐 주위의 기구부분을 나타내는 사시도, 정면도, 평면도 및 개략적인 종단면도이다.
도6은 도4의 미량액체 디스펜서의 동작을 나타내는 플로우차트 및 설명도이다.
도7은 도4의 미량액체 디스펜서의 변형예를 나타내는 설명도이다.
도8은 도4의 미량액체 디스펜서에 사용하는 진공충전기구의 일례를 나타내는 설명도이다.
이하에, 도면을 참조하여 본 발명을 적용한 미량액체 디스펜서의 실시형태를 설명한다.
[실시형태1]
도1은 실시형태1에 관한 미량액체 디스펜서(微量液體 dispenser)의 전체구성도이다. 미량액체 디스펜서(1)는, 워크대(2)와, 이 워크대(2)에 놓인 워크(3)의 표면 등의 소정의 부위에 미량액체를 적하하는 노즐(4)을 구비하고 있다. 워크대(2)는 예를 들면 3축기구(5)에 의하여 수평한 평면상 및 수직방향으로 이동가능하다. 워크대(2)를 고정하고 노즐(4)측을 3축방향으로 이동시키는 것도 가능하다.
노즐(4)은 본 예에서는 수직으로 유지된 가늘고 긴 원통모양의 노즐이며, 노즐(4)의 선단구(先端口)(4a)를 워크(3)의 표면에 대하여 적절한 미소갭(微小 gap)이 형성되도록 대향시키고, 이 상태에서 미량액체의 유출동작이 이루어진다. 노즐(4)에는 노즐내경보다 큰 내경의 액체통로(6)가 접속되어 있다. 액체통로(6)는 펌프(7)를 통하여 액체저장부(8)에 연결되어 있고, 펌프(7)와 액체저장부(8)에 의하여 액체공급부가 구성된다. 펌프(7)로서는 예를 들면 모노펌프 등의 용적형(容積型)의 것을 사용할 수 있다. 액체저장부(8)에는 예를 들면 점성액체(粘性液體)(9)가 저장되어 있다.
액체통로(6)는, 펌프(7)에 연결되는 상류측 통로부분(6A)과, 중간 통로부분(10)과, 노즐(4)에 연결되는 하류측 통로부분(6B)으로 형성되어 있다. 노즐(4)은 금속 등의 강체로 이루어지는 원통모양의 것이고, 하류측 통로부분(6B)도 마찬가지로 금속 등의 강체로 이루어지는 원통모양의 것이며, 그 내경은 노즐의 내경보다 크고, 내부를 흐르는 점성액체의 압력변동에 의하여 내용적(內容積)이 변화되지 않는 것이다. 본 예에서는 상류측 통로부분(6A)도 강성의 관으로 형성되어 있다. 상류측 통로부분(6A)을 가요성(可撓性)의 튜브로 형성하는 것도 가능하다.
중간 통로부분(10)은 용량가변 통로부분(容量可變 通路部分)으로 되어 있다. 따라서 이하의 설명에서는, 당해 중간 통로부분(10)을 용량가변 통로부분(10)이라고 부른다. 용량가변 통로부분(10)은 원통통로(11)를 구비하고, 이 원통통로(11)의 양단은 강체인 단판(端板)(11a, 1lb)에 의하여 형성되어 있지만, 그 원통모양 몸통부(11c)는 반경방향으로 탄성변형이 가능한 탄성막으로 형성되어 있다. 원통모양 몸통부(11c)의 내경은 하류측 통로부분(6B) 및 상류측 통로부분(6A)보다 크다.
원통통로(11)의 원통모양 몸통부(11c)를 동심모양으로 둘러싸는 상태로 원환상 단면(圓環狀斷面)의 밀폐외주공간(密閉外周空間)인 압력실(12)이 형성되어 있다. 압력실(12)은 가압기구(13)에 연결되어 있어, 가압기구(13)에 의하여 압력실(12)의 내압을 올리는 것이 가능하다. 압력실(12)이 가압되면, 원통통로(11)의 원통모양 몸통부(11c)가 반경방향의 내측으로 축대칭의 상태에서 수축하여 원통통로(11)의 내용적이 감소한다. 가압기구(13)에 의한 가압을 해제하면, 원통모양 몸통부(11c)가 원래의 원통형상으로 탄성복귀하여 내용적을 원래상태로 되돌리는 것이 가능하다. 이와 같이 압력실(12)과 가압기구(13)에 의하여, 원통통로(11)를 축대칭의 상태에서 휘어지게 하여 그 내용적을 증감하기 위한 통로변형부(通路變形部)가 구성된다.
통로변형부로서는, 가압기구(13) 대신에 압력실(12)을 감압상태로 하는 감압기구를 사용할 수도 있다. 이 경우에는, 감압상태로 하여 원통통로(11)의 내용적을 증가시킨 상태에서 점성액체(9)를 원통통로(11)로 받아들이고, 감압상태를 해제함으로써 원통통로(11)의 내용적을 감소시켜서 내부의 점성액체(9)를 압출할 수 있다. 또한 가압기구(13) 대신에 가압·감압기구를 사용할 수도 있다. 이 경우에는, 감압상태로 하여 원통통로(11)의 내용적을 증가시킨 상태에서 점성액체(9)를 원통통로(11)로 받아들이고, 가압상태로 바꾸어 원통통로(11)의 내용적을 감소시켜서 점성액체(9)를 압출한다. 원통통로(11)의 내용적의 증감에 따라 점성액체(9)의 압출량을 늘릴 수 있다.
액체공급용의 펌프(7), 가압기구(13), 3축기구(5) 등의 각 부분은 제어부(14)에 의하여 구동이 제어된다. 제어부(14)에 의한 제어동작은 조작·표시부(15)로부터의 조작입력에 의거해 이루어지고, 동작상태 등이 조작·표시부(15)에 표시될 수 있다.
여기에서 노즐(4)은 미소지름의 노즐이며, 그 선단구(4a)의 내경이 500μｍ 이하, 예를 들면 100μm의 가늘고 긴 원통모양의 노즐이다. 또한 액체통로(6)에 있어서 용량가변 통로부분(10)의 상류측의 상류측 통로부분(6A)은, 펌프(7)의 토출 포트(7a)로부터 용량가변 통로부분(10)의 상류단 개구(10a)까지의 통로부분이다. 액체통로(6)에 있어서 용량가변 통로부분(10)의 하류측의 하류측 통로부분(6B)은, 노즐(4)의 후단구(後端口)로부터 용량가변 통로부분(10)의 하류단 개구(10b)까지의 통로부분이다. 노즐(4)은 미소지름의 노즐이므로, 상류측 통로부분(6A)의 액체통로저항에 비하여 하류측 통로부분(6B) 및 노즐(4)을 포함하는 하류측의 액체통로저항이 매우 크다.
본 예에서는, 점성액체(9)를 액체통로(6) 및 노즐(4)의 선단구(4a)까지 충전한 액체충전상태에서 용량가변 통로부분(10)을 그 내용적이 감소하도록 수축시킨 경우에, 당해 용량가변 통로부분(10)으로부터 하류측 통로부분(6B)으로 압출되는 액체량이 나노리터 단위로부터 피코리터 단위의 미소량이 되도록, 당해 액체량과 상류측 통로부분(6A)으로 되돌려지는 액체량의 비율이 1:100∼1:500의 범위내의 값으로 설정되어 있다. 환언하면, 이러한 비율이 되도록, 상류측 통로부분(6A)측의 액체통로저항에 비하여 하류측 통로부분(6B) 및 노즐(4)을 포함하는 하류측의 액체통로저항이 매우 크게 되도록 설정되어 있다.
도2(a)는 미량액체 디스펜서(1)의 동작을 나타내는 개략적인 플로우차트이며, 도2(b) 및 2(c)는 용량가변 통로부분(10)의 움직임을 나타내는 설명도이다.
도2(a)를 따라 설명하면, 우선 워크대(2)에 대상이 되는 워크(3)를 놓고, 워크(3)의 미량액체의 적하위치에 노즐(4)의 선단구(4a)를 바로 위에서부터 일정한 갭으로 대향시키는 등의 초기설정동작을 한다(스텝ＳＴ1). 또한 펌프(7)를 구동하여 액체저장부(8)로부터 액체통로(6)를 통하여 노즐(4)내의 선단구(4a)까지 액체가 공급된 상태를 형성한다(스텝ＳＴ2).
워크(3)에 대한 미량액체의 적하동작에 있어서는, 액체공급용의 펌프(7)는 예를 들면 정지상태가 되고, 가압기구(13)를 구동하여 압력실(12)의 내압을 미리 설정한 압력까지 올린다. 이에 따라 용량가변 통로부분(10)이 외측으로부터 가압되어 그 원통모양 몸통부(11c)가 수축된다. 이 결과, 도2(b)에 나타나 있는 바와 같이 용량가변 통로부분(10)의 내용적이 감소한다(스텝ＳＴ3).
용량가변 통로부분(10)이 수축되면, 그 내부에 유지되어 있었던 액체가 하류단 개구(10b) 및 상류단 개구(10a)의 각각으로부터 압출되어서 하류측 및 상류측을 향하여 분류(分流)한다. 하류측으로 압출되는 점성액체(9)의 분류량은, 하류측 통로부분(6B) 및 노즐(4)을 포함하는 하류측의 액체통로저항과 상류측 통로부분(6A)측의 액체통로저항의 비에 따라 정해진다.
하류측의 액체통로저항이 대폭적으로 크기 때문에, 하류측에는 근소한 양의 액체가 압출된다. 하류측으로 압출된 미량액체에 의하여 하류측 통로부분(6B)의 내압이 일시적으로 높아지고, 이에 따라 노즐(4)의 선단구(4a)로부터 소정량의 미량액체가 워크(3)을 향하여 적하된다.
이후에는 가압기구(13)에 의한 가압을 해제하고, 압력실(12)을 예를 들면 대기압상태까지 되돌린다(스텝ＳＴ4). 이 결과, 도2(c)에 나타나 있는 바와 같이 용량가변 통로부분(10)의 원통모양 몸통부(11c)는 반경방향의 외측으로 팽창하여 원래의 원통형상으로 탄성복귀한다. 이에 따라 용량가변 통로부분(10)에는 상류측 통로부분(6A) 및 하류측 통로부분(6B)의 쌍방으로부터 액체가 흡인되어 흘러들어온다.
액체의 유입량도 상류측 및 하류측의 액체통로저항의 비에 대응한다. 따라서 노즐(4)측의 하류측 통로부분(6B)으로부터는 매우 근소한 액체가 상류측으로 되돌아올 뿐이다. 이 때문에 노즐(4)의 선단구(4a)에서는 액체의 메니스커스(meniscus)가 파괴되지 않는 정도에서 노즐(4)의 내부로 인상(引上)된다. 또한 미량액체의 적하후에 선단구(4a)로부터 액체가 떨어지는 등의 불량이 발생하는 것도 확실하게 방지할 수 있다.
소정의 길이에 걸쳐서 소정의 간격으로 미량액체를 적하하는 경우에는, 필요한 횟수만큼 미량액체의 적하동작을 하고 그런 뒤에 동작을 종료한다(스텝ＳＴ5).
본 발명자 등의 실험에 의하면, 노즐(4)로서 그 선단구(4a)가 25μm∼100μm인 것을 사용하여, 50Ｐａ·ｓ∼100Ｐａ·ｓ의 고점도액체를 수십 피코리터∼수 나노리터의 미량으로 정밀도 좋게 적하 혹은 토출동작할 수 있는 것이 확인되었다.
여기에서 용량가변 통로부분(10)의 수축량 및 수축속도의 일방 혹은 쌍방은 다음의 파라미터에 의거하여 적절하게 설정될 수 있다.
노즐(4)의 선단구(4a)로부터 한번에 토출 혹은 적하시키는 액체량
노즐(4)의 선단구(4a)의 내경치수
액체의 점도
상류측 통로부분(6A)측의 액체통로저항과, 하류측 통로부분(6B) 및 노즐(4)을 포함하는 하류측의 액체통로저항의 비
사용노즐, 사용액체, 1회의 액체적하량 등은 미리 설정되어 있기 때문에, 이것들에 따라 제어부(14)에 의하여 각 부의 구동제어를 하게 하도록 하면 좋다. 상류측 통로부분(6A)과 하류측 통로부분(6B)의 비는 가변제어(可變制御)할 수도 있다.
예를 들면 도3에 나타나 있는 바와 같이, 상류측 통로부분(6A)에 유량조정밸브(16)를 부착하고 이것을 제어부(14)에 의하여 제어가능하게 한다. 워크(3)에 대한 미량액체의 적하동작에 앞서 유량조정을 함으로써, 상류측 통로부분(6A)의 액체통로저항과, 하류측 통로부분(6B) 및 노즐(4)을 포함하는 하류측의 액체통로저항의 비를 조정할 수 있다.
[실시형태2]
도4는 실시형태2에 관한 미량액체 디스펜서의 전체구성도이다. 미량액체 디스펜서(100)는, 워크대(102)와, 이 워크대(102)에 놓인 워크(103)의 표면 등의 소정의 부위에 미량액체를 적하하는 노즐(104)을 구비하고 있다. 워크대(102)는 예를 들면 3축기구(105)에 의하여 수평한 평면상 및 수직방향으로 이동가능하다. 워크대(102)를 고정하고 노즐(104)측을 3축방향으로 이동시키는 것도 가능하다.
노즐(104)은 본 예에서는 수직으로 연장되는 가늘고 긴 원통모양의 노즐이며, 이 노즐(104)에는 당해 노즐(104)의 내경보다 큰 내경의 액체통로(106)가 접속되어 있다. 액체통로(106)는 시린지(syringe)(107)에 연결되어 있고, 시린지(107)에는 액체가 저장되어 있다. 시린지(107)에 펌프(108)로부터 압축공기를 공급하고, 거기에 저장되어 있는 액체가 액체통로(106)로 공급된다. 시린지(107)와 펌프(108)로 액체공급부가 구성된다. 시린지(107)에는 예를 들면 점성액체(109)가 저장되어 있다.
액체통로(106)는, 시린지(107)의 하단의 토출구(107a)에 연결되는 상류측 통로부분(106A)과, 중간 통로부분(110)과, 노즐(104)에 연결되는 하류측 통로부분(106B)으로 형성되어 있다. 노즐(104)은 금속 등의 강체로 이루어지는 원통모양의 것이고, 하류측 통로부분(106B)도 마찬가지로 금속 등의 강체로 이루어지는 원통모양의 것이며, 내부를 흐르는 점성액체의 압력변동에 의하여 내용적이 변화되지 않는 것이다. 상류측 통로부분(106A)은 휘어질 수 있는 플렉시블 튜브(flexible tube)로 형성되어 있다.
중간 통로부분(110)은 용량가변 통로부분으로 되어 있다. 중간 통로부분(110)은 원통통로(111)를 구비하고, 이 원통통로(111)의 양단은 강체인 단판(111a, 11lb)에 의하여 형성되어 있지만, 그 원통모양 몸통부(111c)는 반경방향으로 탄성변형이 가능한 탄성막으로 형성되어 있다. 원통모양 몸통부(111c)의 내경은 상류측 통로부분(106A), 하류측 통로부분(106B)의 내경보다 크다.
원통통로(111)의 원통모양 몸통부(111c)를 동심모양으로 둘러싸는 상태로 원환상 단면의 밀폐외주공간인 압력실(112)이 형성되어 있다. 압력실(112)은 가압기구(113)에 연결되어 있어, 가압기구(113)에 의하여 압력실(112)의 내압을 올리는 것이 가능하다. 압력실(112)이 가압되면, 원통통로(111)의 원통모양 몸통부(111c)가 반경방향의 내측으로 수축되어 원통통로(111)의 내용적이 감소한다. 가압기구(113)에 의한 가압을 해제하면, 원통모양 몸통부(111c)가 원래의 원통형상으로 탄성복귀하여 내용적을 원래상태로 되돌리는 것이 가능하다. 이와 같이 압력실(112)과 가압기구(113)에 의하여 원통통로(111)의 내용적을 증감하기 위한 통로변형기구(通路變形機構)가 구성된다.
통로변형기구로서는 가압기구(113) 대신에 압력실(112)을 감압상태로 하는 감압기구를 사용할 수도 있다. 이 경우에는, 감압상태로 하여 원통통로(111)의 내용적을 증가시킨 상태에서 점성액체(109)를 원통통로(111)로 받아들이고, 감압상태를 해제함으로써 원통통로(111)의 내용적을 감소시켜서 내부의 점성액체(109)를 압출할 수 있다. 또한 가압기구(113) 대신에 가압·감압기구를 사용할 수도 있다. 이 경우에는, 감압상태로 하여 원통통로(111)의 내용적을 증가시킨 상태에서 점성액체(109)를 원통통로(111)로 받아들이고, 가압상태로 바꾸어 원통통로(111)의 내용적을 감소시켜서 점성액체(109)를 압출한다. 원통통로(111)의 내용적의 증감에 따라 점성액체(109)의 압출량을 늘릴 수 있다.
여기에서 노즐(104), 하류측 통로부분(106B) 및 중간 통로부분(110)은 일체로 되어 이동가능한 미동유닛(微動 unit)(120)으로 되어 있다. 미동유닛(120)은 도4에서 1점쇄선으로 둘러싸여 있는 부분이다. 미동유닛(120)은 유닛 미동기구를 구성하는 직선운동기구(121)(도4에 있어서 상상선(想像線)으로 나타낸다)에 의하여 노즐(104)의 중심축선(104b)을 따른 방향으로 직선왕복이동가능하다. 미동유닛(120)이 이동하면, 그 노즐(104)의 선단구(104a)와 워크대(102)에 놓인 도포대상인 워크 표면(103a) 사이의 갭이 증감한다.
또한 노즐(104)의 상방에는 관찰 광학기구 유닛(觀察 光學機構 unit)(122)이 배치되어 있다. 관찰 광학기구 유닛(122)은 노즐(104)의 선단구(104a) 및 워크 표면(103a)의 부분을 ＣＣＤ카메라에 의하여 관찰할 수 있다. 또한 관찰 광학기구 유닛(122)에는 레이저 변위계 등의 계측기구가 조립되어 있어, 노즐(104)의 선단구(104a)와 이에 대향하는 워크 표면(103a)의 부분 사이의 갭을 측정할 수 있다.
상기의 액체공급용의 펌프(108), 가압기구(113), 3축기구(105), 직선운동기구(121), 관찰 광학기구 유닛(122) 등의 각 부분은 제어부(114)에 의하여 구동이 제어된다. 제어부(114)에 의한 제어동작은 조작·표시부(115)의 조작부로부터의 조작입력에 의거하여 이루어지고, 각 부의 동작상태, 관찰 광학기구 유닛(122)에 의한 관찰화상 등이 조작·표시부(115)의 표시부에 표시될 수 있다.
이렇게 구성되는 미량액체 디스펜서(100)에 있어서, 노즐(104)은 미소지름의 노즐이며, 그 선단구(104a)의 내경이 500μｍ 이하, 예를 들면 100μm의 가늘고 긴 원통모양 노즐이다. 노즐(104)이 미소지름의 노즐이므로, 중간 통로부분(110)의 상류측의 액체통로저항에 비하여 하류측의 액체통로저항이 매우 크다.
본 예에서는, 점성액체(109)를 액체통로(106) 및 노즐(104)의 선단구(104a)까지 충전한 액체충전상태에서, 중간 통로부분(110)을 그 내용적이 감소하도록 수축시킨 경우에, 당해 중간 통로부분(110)으로부터 하류측 통로부분(106B)으로 압출되는 액체량이 나노리터 단위로부터 피코리터 단위의 미소량이 되도록, 당해 액체량과 상류측 통로부분(106A)으로 되돌려지는 액체량의 비율이 1:100∼1:500의 범위내의 값으로 설정되어 있다. 환언하면, 이러한 비율이 되도록, 중간 통로부분(110)에 있어서 상류측의 액체통로저항에 비하여 하류측의 액체통로저항이 매우 크게 되도록 설정되어 있다.
도5(a)는 미량액체 디스펜서(100)에 있어서의 노즐 주위의 부분의 구체적 구성예를 나타내는 외관사시도이며, 도5(b)는 그 정면도이고, 도5(c)는 그 평면도이며, 도5(d)는 그 ｄ-d선으로 절단한 부분을 나타내는 개략적인 종단면도이다.
이들 도면에 있어서, 123은 지지블록이며, 이 지지블록(123)은 도면에 나타내지 않은 디스펜서 설치대에 부착된다. 지지블록(123)의 배면부에는, 예를 들면 금속판으로 이루어지는 지지 프레임(124)이 부착되어 있다. 지지 프레임(124)은 지지블록(123)에 의하여 지지되고 수직한 배면판 부분(125)과, 그 상단으로부터 전방으로 수평으로 연장되는 상판 부분(126)을 구비하고 있다.
지지블록(123)의 앞면부에는 수직으로 직선운동기구(121)가 지지되어 있다. 직선운동기구(121)는, 전동모터(電動 motor)(131), 당해 전동모터(131)에 의하여 회전구동되는 볼나사(132) 및 당해 볼나사(132)의 회전에 따라 당해 볼나사(132)의 축선방향으로 슬라이드 되는 볼너트(133)를 구비하고 있다. 전동모터(131)는 하향자세에서 수직으로 배치되며, 이 하측에 볼나사가 동축에 연결되어 있다.
볼너트(133)의 앞면측의 부위에는 수직부착판(134)이 부착되어 있다. 수직부착판(134)의 하단부에는 미동유닛(120)이 부착되어 있다. 미동유닛(120)은, 노즐(104), 하류측 통로부분(106B)이 내부에 형성되어 있는 통로관(135), 중간 통로부분(110)이 내부에 형성되어 있는 통로관(136) 및 수직부착판(134)으로 구성되는 유닛이다. 중간 통로부분(110)은 도면에 나타내지 않은 배관계를 통하여 가압기구(도4 참조)에 연결되어 있다.
미동유닛(120)의 중간 통로부분(110)의 상류단에 접속되어 있는 상류측 통로부분(106A)이 내부에 형성되어 있는 플렉시블 튜브(137)는, 중간 통로부분(110)과의 접속부로부터 대략 수평한 방향으로 연장된 후에 상방으로 만곡(彎曲)하여 연장되고, 그 상류단이 시린지(107)의 토출구(107a)에 접속되어 있다. 따라서 미동유닛(120)의 상하방향(노즐의 중심축선의 방향)의 이동에 추종하여 플렉시블 튜브(137)는 상하방향으로 휘어질 수 있다.
시린지(107)는 전체로서 원통형상을 하고 있고, 하단부가 원뿔대 모양으로 끝이 가는 형상으로 되어 있으며, 그 하단이 토출구 (107a)로 되어 있다. 시린지(107)는 직선운동기구(121)의 인접위치에서 그 토출구(107a)를 아래로 한 수직한 자세로 지지블록(123)에 부착되어 있다. 시린지(107)의 상단측의 흡입구측에는 압축공기의 공급관(138)이 접속되어 있고, 공급관(138)은 지지 프레임(124)의 배면판 부분(125)을 통하여 압축공기공급측의 펌프(108)(도4 참조)의 토출구에 접속되어 있다.
직선운동기구(121)를 사이에 두고 시린지(107)와는 반대측에는 관찰 광학기구 유닛(122)이 배치되어 있다. 관찰 광학기구 유닛(122)은 지지 프레임(124)의 배면판 부분(125)에 의하여 지지되어 있다.
도6(a)는 미량액체 디스펜서(100)의 동작을 나타내는 개략적인 플로우차트이며, 도6(b) 및 도6(c)는 중간 통로부분(110)의 움직임을 나타내는 설명도이다.
이들 도면을 참조하여 설명하면, 우선 워크대(102)에 대상이 되는 워크(103)를 놓고, 워크(103)의 미량액체의 적하위치에 노즐(104)의 선단구(104a)를 바로 위에서부터 일정한 갭으로 대향시키는 등의 초기설정동작을 한다(도6(a)의 스텝ＳＴ101).
이 동작에서는 제어부(114)에 의하여 3축기구(105)가 구동되어서 워크 표면(103a)의 액체도포시작위치에 노즐(104)의 선단구(104a)가 위치하게 된다. 이후에 제어부(114)에 의하여 직선운동기구(121)가 구동제어되며, 미동유닛(120)을 상하방향으로 미소(微小) 이동시켜 노즐(104)의 선단구(104a)와 워크 표면(103a) 사이의 갭에 대한 미세 조정이 이루어진다. 갭의 미세 조정에 있어서는 미동유닛(120)만을 상하로 미동시키면 되므로, 예를 들면 도5에 나타내는 노즐(104)의 주위의 기구부분의 전체를 상하로 이동시키는 경우에 비해서 정밀도가 좋고 또한 신속하게 갭 조정을 할 수 있다.
이후에는 펌프(108)를 구동하여 압축공기의 공급을 제어하여 시린지(107)로부터 액체통로(106)를 통하여 노즐(104)내의 선단구(104a)까지 액체가 공급된 액체충전상태를 형성한다(도6(a)의 스텝ＳＴ102).
워크 표면(103a)에 대한 미량액체의 적하동작에 있어서는, 펌프(108)에 의한 시린지(107)로의 압축공기의 공급을 멈추어 액체공급동작을 정지하고, 가압기구(113)를 구동하여 압력실(112)의 내압을 미리 설정한 압력까지 올린다. 이에 따라 용량가변 통로부분(110)이 외측으로부터 가압되어 그 원통모양 몸통부(111c)가 수축된다. 이 결과, 도6(b)에 나타나 있는 바와 같이 중간 통로부분(110)의 내용적이 감소한다(도6(a)의 스텝ＳＴ103).
중간 통로부분(110)이 수축되면, 그 내부에 유지되어 있던 액체가 하류단 개구(110b) 및 상류단 개구(110a)의 각각으로부터 압출되어서 하류측 및 상류측을 향하여 분류한다. 하류측으로 압출되는 점성액체(109)의 분류량은, 하류측 통로부분(106B) 및 노즐(104)을 포함하는 하류측의 액체통로저항과 상류측 통로부분(106A)측의 액체통로저항의 비에 따라 정해진다.
하류측의 액체통로저항이 대폭적으로 크기 때문에, 하류측으로 미소량의 액체가 압출된다. 하류측으로 압출된 미량액체에 의하여 하류측 통로부분(106B)의 내압이 일시적으로 높아지고, 이에 따라 노즐(104)의 선단구(104a)로부터 소정량의 미량액체가 워크 표면(103a)을 향하여 적하된다.
이후에는 가압기구(113)에 의한 가압을 해제하고, 압력실(112)을 예를 들면 대기압상태까지 되돌린다(도6(a)의 스텝ＳＴ104). 이 결과, 도6(c)에 나타나 있는 바와 같이 중간 통로부분(110)의 원통모양 몸통부(111c)는 반경방향의 외측으로 팽창되어 원래의 원통형상으로 탄성복귀한다. 이에 따라 중간 통로부분(110)에는 상류측 통로부분(106A) 및 하류측 통로부분(106B)의 쌍방으로부터 액체가 흡인되어 흘러들어온다.
액체의 유입량도 상류측 및 하류측의 액체통로저항의 비에 대응한다. 따라서 노즐(104)측의 하류측 통로부분(106B)으로부터는 매우 근소한 양의 액체가 상류측으로 되돌아올 뿐이다. 이 때문에 노즐(104)의 선단구(104a)에서는 액체의 메니스커스가 파괴되지 않는 정도에서 노즐(104)의 내부로 인상된다. 또한 미량액체의 적하후에 선단구(104a)로부터 액체가 떨어지는 등의 불량이 발생하는 것도 방지된다.
여기에서 미량액체의 적하동작에 있어서는, 노즐(104)의 선단구(104a)와 워크 표면(103a) 사이의 갭은 미소갭(微小 gap)이 되도록 조정된다. 이 때문에 점성이 높은 액체의 적하동작에 있어서는, 노즐(104)로부터 워크 표면(103a)에 적하된 미량액체가 노즐(104)의 선단구(104a)로부터 분리되지 않고 워크 표면(103a)과의 사이에 걸쳐진 상태로 되는 경우가 있다.
이와 같은 점성이 높은 액체의 도포동작에 있어서는, 예를 들면 예비 적하동작을 하여 관찰 광학기구 유닛(122)에 의하여 이러한 상태가 확인되는 경우에는, 본 적하동작에 있어서는 미량액적의 적하시에 적절한 타이밍에서 직선운동기구(121)에 의하여 미동유닛(120)을 미소이동시켜 노즐(104)의 인상동작(引上動作)을 한다. 이에 따라 액 끊기를 양호하게 할 수 있고, 워크 표면(103a) 위에 미량액체를 정밀도 좋게 적절한 상태로 도포할 수 있다. 이 경우에 있어서 미동유닛(120)만을 미동시키면 되므로, 노즐(104)의 인상타이밍(引上 timing) 및 인상량(引上量)을 정밀도 좋게 관리할 수 있다.
소정의 길이에 걸쳐서 소정간격으로 미량액체를 적하하는 경우에는, 필요한 횟수만큼 미량액체의 적하동작을 하고 그런 뒤에 동작을 종료한다(도6(a)의 스텝ＳＴ105).
본 발명자 등의 실험에 의하면, 노즐(104)로서 그 선단구(104a)가 25μm∼100μm인 것을 사용하여, 50Ｐａ·ｓ∼100Ｐａ·ｓ의 고점도액체를 수십 피코리터∼수 나노리터의 미량으로 정밀도 좋게 적하 혹은 토출동작할 수 있는 것이 확인되었다.
여기에서 중간 통로부분(110)의 수축량 및 수축속도의 일방 혹은 쌍방은 다음의 파라미터에 의거하여 적절하게 설정할 수 있다.
노즐(104)의 선단구(104a)로부터 한번에 토출 혹은 적하시키는 액체량
노즐(104)의 선단구(104a)의 내경치수
액체의 점도
상류측 통로부분(106A)측의 액체통로저항과, 하류측 통로부분(106B) 및 노즐(104)을 포함하는 하류측의 액체통로저항의 비
사용노즐, 사용액체, 1회의 액체적하량 등은 미리 설정되어 있기 때문에, 이것들에 따라 제어부(114)에 의하여 각 부의 구동제어를 하게 하도록 하면 좋다. 상류측 통로부분(106A)과 하류측 통로부분(106B)의 액체통로저항의 비를 가변제어할 수도 있다.
예를 들면 도7에 나타나 있는 바와 같이, 상류측 통로부분(106A)에 유량조정밸브(116)를 부착하고 이것을 제어부(114)에 의하여 제어가능하게 한다. 워크(103)에 대한 미량액체의 적하동작에 앞서, 유량조정을 함으로써, 상류측 통로부분(106A)의 액체통로저항과, 하류측 통로부분(106B) 및 노즐(104)을 포함하는 하류측의 액체통로저항의 비를 조정할 수 있다.
[진공충전기구(眞空充塡機構)]
도8은 실시형태2의 미량액체 디스펜서(100)에 사용하는데 적합한 진공충전기구의 일례를 나타내는 설명도이다. 진공충전기구(200)를 사용하여, 시린지(107)로부터 액체통로(106)를 통하여 노즐(104)의 선단구(104a)에 이르기까지 잔류기포가 없는 액체충전상태가 형성된다. 진공충전기구(200)는 미량액체 디스펜서(100)의 디스펜서 설치대에 조립한 구성으로 할 수 있다. 이 대신에, 진공충전기구(200)를 미량액체 디스펜서(100)와는 독립한 부속유닛으로서 제조할 수도 있다.
진공충전기구(200)는, 기구설치대(201)와, 기구설치대(201)에 탑재되어 있는 진공챔버(202)와, 진공흡인원(203) 및 압력유체공급원(204)을 구비하고 있다. 미량액체 디스펜서(100)에 있어서는, 시린지(107)(액체저장부), 액체통로(106) 및 노즐(104)이 접속상태인 채로 디스펜서 설치대측의 지지블록(123)에 대하여 착탈가능하게 되어 있다. 미량액체 디스펜서(100)로부터 떼어낸 시린지(107), 액체통로(106) 및 노즐(104)은 진공챔버(202)의 바닥면을 규정하고 있는 부착판(205)에 접속된 상태 그대로 착탈가능하다.
진공챔버(202)의 내부는 진공흡인원(203)에 의하여 소정의 진공상태로 할 수 있다. 또한 부착판(205)에 부착된 시린지(107)에는 액체충전용의 압력유체, 예를 들면 압축공기를 공급할 수 있다.
도8에 나타나 있는 바와 같이, 진공충전기구(200)의 진공챔버(202)를 열고, 그 부착판(205)에 있어서의 소정위치에, 각각 액체가 충전되어 있는 시린지(107), 액체통로(106) 및 노즐(104)을 부착하고, 이들을 접속한 상태로 한다. 시린지(107)에는 탈포상태(脫泡狀態)의 액체가 소정량만큼 저장되어 있다.
진공챔버(202)를 닫은 후에, 진공흡인원(203)을 사용하여 진공챔버(202)내를 소정의 진공상태로 한다. 이에 따라 액체통로(106), 노즐(104)내로부터 공기가 배출된다.
이 상태에서 압력유체공급원(204)을 사용하여 시린지(107)를 가압하여, 저장되어 있는 탈포상태의 액체(109)를 액체통로(106)를 향하여 토출시킨다. 이 결과, 액체통로(106), 노즐(104)의 내부가 액체로 충전된다. 진공흡인상태에서 액체를 충전하기 때문에, 중간 통로부분(110) 등에 있어서도 잔류기포가 없는 상태에서 액체가 충전된다.
이렇게 하여 액체충전상태가 형성된 후에는, 접속상태인 채로 시린지(107), 액체통로(106) 및 노즐(104)을 진공챔버(202)로부터 꺼내어 미량액체 디스펜서(100)의 디스펜서 설치대측으로 되돌린다.
진공충전기구(200)를 사용함으로써, 잔류기포에 기인하는 미량액체의 토출불량 등의 폐해를 확실하게 해소할 수 있고, 정밀도 좋게 미량액체를 노즐(104)로부터 워크(103)의 표면에 유출시킬 수 있다.
[기타의 실시형태]
또 본 발명의 방법 및 디스펜서는 다양한 액재(液材)의 유출(적하, 토출 등)에 사용할 수 있다. 예를 들면 다음과 같은 액재를 사용할 수 있다.
금속페이스트(Ａｇ, Ｃｕ, 땝납 등)
수지액재(樹脂液材)(실리콘 접착제, ＵＶ 경화수지, 포토·레지스트, ＵＶ 경화접착제, 그 밖의 각종 수지액제)
필러를 넣은 액재(필러: 형광입자, 실리카 입자, 프릿(frit)·글라스, 산화티탄, 각종 나노 마이크로 입자 등)
또한 본 발명이 적용되는 기술분야로서는 다음과 같은 분야가 있다.
광학부품제조에 적용(차광재 도포, 애퍼처(aperture) 형성, 렌즈면에 대한 각종 액재의 도포)
전자부품에 대한 극미소량의 접착제 적하(ＬＥＤ, 수정발진자, ＭＥＭＳ, 파워·디바이스 등）
ＦＰＤ, 촬영센서의 글라스 접합
Ａｇ나노페이스트에 의한 배선(ITO에 대한 보조배선, 미소영역에 대한 배선 형성 등)

Claims (22)

  1. 통모양의 노즐의 선단구(先端口)로부터 나노리터 단위(nanoliter order)에서 피코리터 단위(picoliter order)의 미량액체(微量液體)를 적하시키는 미량액체 적하방법(微量液體 滴下方法)으로서,
    상기 노즐로서 그 선단구의 내경치수가 25μm∼100μm 이하의 미소지름 노즐을 사용하고, 상기 액체로서 점도가 50Ｐａ·ｓ∼100Ｐａ·ｓ의 고점도액재를 사용하고,
    액체공급부(液體供給部)로부터 상기 노즐에 액체를 공급하는 액체통로(液體通路)를, 상류측 통로부분, 중간 통로부분 및 하류측 통로부분으로 형성하고, 상기 중간 통로부분을 그 내용적(內容積)이 증감(增減)하도록 팽창과 수축이 가능한 통로부분으로 하고,
    상기 액체를 상기 액체통로로부터 상기 노즐의 상기 선단구까지 충전한 액체충전상태에서, 상기 중간 통로부분의 내용적이 감소하도록 상기 중간 통로부분을 변형시킨 경우에, 상기 중간 통로부분으로부터 상기 하류측 통로부분으로 압출되는 액체량이 나노리터 단위에서 피코리터 단위의 미소량이 되도록, 상기 액체량과 상기 상류측 통로부분으로 되돌려지는 액체량의 비율을 1:100∼1:500으로 설정하고,
    미량액체의 적하동작에 있어서는,
    상기 액체충전상태를 형성하고,
    상기 중간 통로부분을 그 내용적이 감소하도록 변형시키고,
    상기 중간 통로부분으로부터 상기 하류측 통로부분으로 압출되는 미소량의 액체에 의하여 상기 노즐의 상기 선단구로부터 미량액체를 적하시키고,
    상기 중간 통로부분의 변형을 해제하여 상기 중간 통로부분의 내용적을 원래의 용적으로 되돌리고, 상기 하류측 통로부분으로부터 미소량의 액체를 상기 중간 통로부분내로 되돌려 흡입하고, 상기 상류측 통로부분으로부터 액체를 상기 중간 통로부분내로 흡입하는 것을 특징으로 하는 미량액체 적하방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노즐과, 상기 하류측 통로부분 및 상기 상류측 통로부분 중에서 적어도 상기 하류측 통로부분을, 내부를 흐르는 액체의 압력이 변화되어도 내용적이 변화되지 않는 통로부분으로 하는 미량액체 적하방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상류측 통로부분에 배치된 유량조정밸브를 제어하여 상기 상류측 통로부분의 액체유로저항을 증감시켜서, 상기 중간 통로부분으로부터 상기 하류측 통로부분으로 압출되는 액체량과 상기 상류측 통로부분으로 되돌려지는 액체량의 비율을 조정하는 미량액체 적하방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중간 통로부분의 외주를 둘러싸는 밀폐외주공간(密閉外周空間)을 형성하여 두고,
    상기 밀폐외주공간의 내압(內壓)을 변화시킴으로써, 상기 중간 통로부분을, 그 내용적이 감소하도록 그 중심축선을 중심으로 하여 축대칭의 상태로 변형시킴과 아울러 상기 변형을 해제하는 미량액체 적하방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중간 통로부분의 내용적의 변화량 및 내용적의 변화속도를, 다음의 파라미터a)∼d)에 의거하여 설정하는 미량액체 적하방법.
    a)상기 노즐의 선단구로부터 한번에 적하시키는 미량액체량
    b)상기 노즐의 선단구의 내경치수
    c)상기 액체의 점도 및
    d)상기 중간 통로부분에 있어서 상류측의 액체통로저항과 하류측의 액체통로저항의 비(比)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중간 통로부분의 변형 및 변형의 해제를 소정의 주기로 반복하여, 상기 노즐의 선단구로부터의 미소액체의 적하를 반복하여 실시하는 미량액체 적하방법.
  7. 통모양의 노즐의 선단구로부터 나노리터 단위에서 피코리터 단위의 미량액체를 적하시키는 미량액체 디스펜서(微量液體 dispenser)로서,
    상류측 통로부분, 중간 통로부분 및 하류측 통로부분을 구비하고, 상기 중간 통로부분이 내용적이 증감하도록 팽창과 수축이 가능한 통로부분으로 되어 있는 액체통로와,
    상기 액체통로를 통하여 상기 노즐에 액체를 공급하는 액체공급부와,
    상기 중간 통로부분의 내용적이 증감하도록 상기 중간 통로부분을 변형시키는 통로변형부(通路變形部)와,
    제어부(制御部)를
    구비하고 있고,
    상기 노즐은, 그 선단구의 내경치수가 25μm∼100μm의 미소지름 노즐이고,
    상기 액체공급부로부터 공급되는 상기 액체는, 점도가 50Ｐａ·ｓ∼100Ｐａ·ｓ의 고점도액재이고,
    상기 액체를 상기 액체통로로부터 상기 노즐의 선단구까지 충전한 액체충전상태에서, 상기 중간 통로부분의 내용적이 감소하도록 상기 중간 통로부분을 변형시킨 경우에, 상기 중간 통로부분으로부터 상기 하류측 통로부분으로 압출되는 액체량이 나노리터 단위에서 피코리터 단위의 미소량이 되도록, 상기 액체량과 상기 상류측 통로부분으로 되돌려지는 액체량의 비율이 1:100∼1:500으로 설정되어 있고,
    상기 제어부는,
    상기 액체공급부를 제어하여 상기 액체통로를 통하여 상기 노즐에 액체를 공급하여 상기 액체충전상태를 형성하는 제어동작(制御動作)과,
    상기 통로변형부를 제어하여 상기 중간 통로부분을 내용적이 감소하도록 변형시켜서, 상기 중간 통로부분으로부터 상기 하류측 통로부분으로 압출되는 미소량의 액체에 의하여 상기 노즐의 상기 선단구로부터 미량액체를 적하시키는 미량액체 적하동작(微量液體 滴下動作)과,
    상기 통로변형부를 제어하여 상기 중간 통로부분의 변형을 해제하여 상기 중간 통로부분의 내용적을 원래의 용적으로 되돌리고, 상기 하류측 통로부분으로부터, 상기 노즐의 선단구에 형성되어 있는 액체의 메니스커스(meniscus)가 파괴되지 않는 정도로, 미소량의 액체를 상기 중간 통로부분내로 되돌려 흡입하고, 상기 상류측 통로부분으로부터 액체를 상기 중간 통로부분내로 흡입하는 복귀동작(復歸動作)을
    하는 것을 특징으로 하는 미량액체 디스펜서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 노즐과, 상기 하류측 통로부분 및 상기 상류측 통로부분 중에서 적어도 상기 하류측 통로부분은, 내부를 흐르는 액체의 압력이 변화되어도 내용적이 변화되지 않는 통로부분인 미량액체 디스펜서.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 상류측 통로부분에 배치된 유량조정밸브를 구비하고,
    상기 제어부는 상기 유량조정밸브를 제어하여 상기 상류측 통로부분의 액체유로저항을 증감시킬 수 있는 미량액체 디스펜서.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 통로변형부는, 상기 중간 통로부분의 외주를 둘러싸는 밀폐외주공간의 내압을 변화시킴으로써, 상기 중간 통로부분을, 그 내용적이 증감하도록, 그 중심축선을 중심으로 하여 축대칭의 상태로 변형시키는 내압조정기구(內壓調整機構)를 구비하고 있는 미량액체 디스펜서.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제어부에 의하여 구동제어되는 상기 중간 통로부분의 내용적의 변화량 및 내용적의 변화속도는, 다음의 파라미터a)∼d)에 의거하여 설정되어 있는 미량액체 디스펜서.
    a)상기 노즐의 선단구로부터 한번에 적하시키는 미량액체량,
    b)상기 노즐의 선단구의 내경치수,
    c)상기 액체의 점도 및
    d)상기 중간 통로부분에 있어서 상류측의 액체통로저항과 하류측의 액체통로저항의 비
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 미량액체 적하동작 및 상기 복귀동작을 소정의 주기로 반복하여 실시하는 미량액체 디스펜서.
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