KR102310626B1 - Three dimesional electonic circuit printing apparatus using pulse laser - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속분말 소재를 저장하는 저장부와, 레이저를 조사하여 상기 금속 분말 소재를 적층하고 전자회로를 인쇄하는 조형부와, 상기 저장부에 저장되어 있는 상기 금속 분말 소재를 상기 조형부의 레이저 빔이 조사되는 초점지점부에 공급하는 분말 공급부와, 상기 전자회로의 기판이 놓여지는 모재 베드와, 상기 전자회로 인쇄공정을 위해 상기 모재 베드와 상기 분말 공급부와 상기 조형부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 레이저 빔 조사시에 상기 모재 베드 또는 상기 조형부를 이동시켜 설저된 상기 전자회로의 도선 회로 경로를 따라 상기 분말 공급부를 통해 상기 금속 분말 소재를 선택적으로 공급하면서, 상기 모재 베드 상에서 상기 금속분말소재가 놓인 지점에 상기 레이저 빔을 조사하여 상기 전자회로의 회로부룰 적층하는 3차원 전자회로 인쇄장치를 제공한다.The present invention provides a storage unit for storing a metal powder material, a molding unit for stacking the metal powder material by irradiating a laser and printing an electronic circuit, and a laser beam of the molding unit for the metal powder material stored in the storage unit A powder supply unit for supplying the irradiated focal point portion, a base material bed on which the substrate of the electronic circuit is placed, and a control unit for controlling the base material bed, the powder supply unit, and the molding unit for the electronic circuit printing process, wherein the The control unit, while selectively supplying the metal powder material through the powder supply unit along the wire circuit path of the electronic circuit set by moving the base material bed or the molding unit during irradiation with the laser beam, the metal on the base material bed It provides a three-dimensional electronic circuit printing apparatus for irradiating the laser beam to the point where the powder material is placed and stacking the circuit portion of the electronic circuit.
Description
본 발명은 3D 전자회로 인쇄 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기저부 폴리머의 손상을 최소화하면서 3차원 전자회로 기판의 패턴을 제조할 수 있는 3D 전자회로 인쇄장치에 관한 것이다.The present invention relates to a 3D electronic circuit printing technology, and more particularly, to a 3D electronic circuit printing apparatus capable of manufacturing a pattern of a three-dimensional electronic circuit board while minimizing damage to the polymer at the base.
기본적으로 3D프린터는 CAD와 같은 설계 프로그램을 사용하여 디자인하고, 설계 데이터를 바탕으로 3차원 구조물을 만드는 기계이다.Basically, a 3D printer is a machine that designs using a design program such as CAD and creates a 3D structure based on design data.
또한, 3D프린터 관련 기술과 서비스의 규모는 매년 증가추세이며 3D프린터가 각광받는 이유는 의료와 산업, 항공 등 다양한 분야에서 응용되고 있으며 복잡한 구조물도 3D프린터의 사용으로 간단하게 제조 가능하기 때문이다.In addition, the scale of 3D printer-related technologies and services is increasing every year, and the reason why 3D printers are in the spotlight is that they are applied in various fields such as medicine, industry, and aviation, and complex structures can be manufactured simply by using the 3D printer.
한편, 전자 회로 기판은 비 전도성 기저부와 신호 및 전원선이 흐르는 전도선으로 구성되며, 제작은 전도선 부분을 노광, 부식을 통해 패턴을 형성하고 VIA와 납땜부를 전기 도금을 하는 방식으로 PCB 기판을 만들고 있다.On the other hand, the electronic circuit board consists of a non-conductive base and a conductive wire through which signal and power lines flow, and the fabrication is made by exposing and etching the conductive wire to form a pattern and electroplating the VIA and soldering parts. making.
최근 기저부를 유연성 있는 필름타입의 플렉시블 기판을 사용해서 도체를 직접 프린팅 하는 기법도 개발되었으며, 근례에 3차원 프린팅 기술이 발전하면서, 3차 형상의 전자 회로 및 부품을 제작하는 기법이 개발되고 있다.Recently, a technique for directly printing a conductor using a flexible film-type flexible substrate at the base has been developed.
이때, 3차원 프린팅을 이용한 3차원 회로에서 기저부는 프린팅 소재의 열 취약성 때문에, 전기 특성이 좋은 구리 소재를 프린팅을 기법으로 제조하는 것에 어려움이 있다.At this time, in a three-dimensional circuit using three-dimensional printing, there is a difficulty in manufacturing a copper material having good electrical properties by a printing technique because of the thermal fragility of the printing material.
현재 이러한 문제점 때문에 은나노 입자 또는 구리 나노 입자를 포함하는 도체 잉크를 사용하여 도체부를 프린팅하고, 건조 및 제논 라이트 신터링 방법 등이 기개발되었으나, 이는 아직까지 구리 입자를 직접적으로 녹여 고체화하는 방법이 아니고, 구리 파우더를 이용한 솔리드 구리 도체부를 프린팅 하기 위해서는 열에너지를 투여하여 신터링(sintering)하는 방법만 가능한 것이 현실이다.Currently, due to these problems, methods such as printing the conductor part using a conductor ink containing silver nanoparticles or copper nanoparticles, drying and xenon light sintering have been previously developed, but this is not a method for directly melting copper particles and solidifying them. , the reality is that only a method of sintering by administering thermal energy is possible in order to print a solid copper conductor part using copper powder.
이때, 정확한 고체화된 구리 도체가 생성되지 못하면, 전기 저항 값이 높아져 신호선의 전위차 강하 및 높은 주파수 회로나 전류가 높은 회로에서는 열이 발생하며 회로 파손이 쉽게 일어나는 문제가 발생한다.At this time, if an accurate solidified copper conductor is not generated, the electrical resistance value increases, resulting in a drop in the potential difference of the signal line, heat is generated in a high frequency circuit or a circuit with a high current, and circuit breakage occurs easily.
또한, 구리는 전기적인 전도 특성이 있을뿐 만 아니라, 열전도도가 높기 때문에 신터링되는 동안의 여분의 열에너지는 도체를 따라 흐르며 기저부 부도체(폴리머)에 데미지(damage)를 주는 문제점이 있다.In addition, copper not only has electrical conductivity, but also has high thermal conductivity, so that excess thermal energy during sintering flows along the conductor and causes damage to the underlying insulator (polymer).
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 기저부 폴리머의 손상을 최소화하면서 3차원 전자회로 기판의 패턴을 제조할 수 있는 3D 전자회로 인쇄장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a 3D electronic circuit printing apparatus capable of manufacturing a pattern of a three-dimensional electronic circuit board while minimizing damage to the polymer at the base.
이를 위해, 본 발명은 금속분말 소재를 저장하는 저장부와, 레이저를 조사하여 상기 금속 분말 소재를 적층하고 전자회로를 인쇄하는 조형부와, 상기 저장부에 저장되어 있는 상기 금속 분말 소재를 상기 조형부의 레이저 빔이 조사되는 초점지점부에 공급하는 분말 공급부와, 상기 전자회로의 기판이 놓여지는 모재 베드와, 상기 전자회로 인쇄공정을 위해 상기 모재 베드와 상기 분말 공급부와 상기 조형부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 레이저 빔 조사시에 상기 모재 베드 또는 상기 조형부를 이동시켜 설저된 상기 전자회로의 도선 회로 경로를 따라 상기 분말 공급부를 통해 상기 금속 분말 소재를 선택적으로 공급하면서, 상기 모재 베드 상에서 상기 금속분말소재가 놓인 지점에 상기 레이저 빔을 조사하여 상기 전자회로의 회로부룰 적층하는 3차원 전자회로 인쇄장치를 제공한다.To this end, the present invention provides a storage unit for storing the metal powder material, a molding unit for stacking the metal powder material by irradiating a laser and printing an electronic circuit, and the metal powder material stored in the storage unit for the molding unit A powder supply unit for supplying a focal point to which a laser beam is irradiated, a base material bed on which the substrate of the electronic circuit is placed, and a control unit for controlling the base material bed, the powder supply unit, and the molding unit for the electronic circuit printing process And, the control unit, while selectively supplying the metal powder material through the powder supply unit along the wire circuit path of the electronic circuit set by moving the base material bed or the molding unit during irradiation with the laser beam, the base material bed It provides a three-dimensional electronic circuit printing apparatus for laminating the circuit portion of the electronic circuit by irradiating the laser beam to the point on which the metal powder material is placed.
또한, 상기 레이저는 펄스 레이저인 것이 바람직하다.In addition, the laser is preferably a pulse laser.
또한, 상기 분말 공급부는 메쉬 구조체를 구비할 수 있다.In addition, the powder supply unit may be provided with a mesh structure.
또한, 상기 금속분말소재가 놓인 지점에 가스를 분사하여 상기 금속분말소재의 산화를 방지하는 제1 가스공급라인을 포함할 수 있다.In addition, it may include a first gas supply line for preventing oxidation of the metal powder material by injecting a gas to the point where the metal powder material is placed.
또한, 상기 조형부의 측면에 형성되고 상기 금속분말소재가 놓인 지점에 가스를 분사하는 에어 커튼 모듈과, 상기 에어 커튼 모듈에 상기 가스를 공급하는 제2 가스공급라인을 더 포함할 수 있다.In addition, it may further include an air curtain module formed on a side surface of the molding unit to inject gas to a point where the metal powder material is placed, and a second gas supply line for supplying the gas to the air curtain module.
또한, 상기 금속분말소재는 구리 파우더가 사용될 수 있다.In addition, copper powder may be used as the metal powder material.
본 발명은 3차원 전자회로 인쇄시에 펄스 레이저를 사용하여, 열발산을 최소화하면서도 전자 회로 인쇄를 위한 금속 분말을 급속하게 신터링하여, 기저부 폴리머에 미치는 데미지를 최소화할 수 있는 장점이 있다.The present invention has the advantage of minimizing the damage to the base polymer by rapidly sintering the metal powder for printing the electronic circuit while minimizing heat dissipation by using a pulsed laser when printing the three-dimensional electronic circuit.
또한, 메쉬형 구조체를 이용하여 응집된 금속 분말을 보다 효과적으로 분쇄할 수 있게 하여 수십 ㎛의 금속 분말이 고르게 분포되어 출력물의 완성도를 향상시킬 수 있다.In addition, it is possible to more effectively pulverize the agglomerated metal powder using the mesh-type structure, so that the metal powder having a thickness of several tens of μm is evenly distributed, thereby improving the completeness of the output.
또한, 금속 분말 사이의 공극을 통해 산소와의 접촉을 차단하고, 금속분말이 신터링이 되어도 곧바로 냉각 효과를 얻을 수 있게 한다. In addition, it blocks contact with oxygen through the voids between the metal powders, and even if the metal powder is sintered, a cooling effect can be obtained immediately.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D(3 Dimension) 전자회로 인쇄공정 흐름도이며,
도 2는 도 1의 3D 전자회로 인쇄공정을 위한 3D 프린팅 장치를 나타낸 개략도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린팅 장치에서 메쉬형 구조체를 이용한 분말 공급부를 나타낸 도면,
도 4 내지 도 6은 도 3의 메쉬형 구조체를 보다 상세히 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치에서, 구리 파우더 공급 방식에 대한 메카니즘 구성을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치에서, 도 7의 구리 파우더 공급 방식에 대한 메카니즘 이외에 구리 산화를 차단하는 산화 방지 메카니즘 구성을 나타낸 도면이다.1 is a 3D (3 Dimension) electronic circuit printing process flow chart according to a preferred embodiment of the present invention,
Figure 2 is a schematic diagram showing a 3D printing apparatus for the 3D electronic circuit printing process of Figure 1;
3 is a view showing a powder supply unit using a mesh-type structure in the 3D printing apparatus according to a preferred embodiment of the present invention;
4 to 6 are views showing the mesh-like structure of FIG. 3 in more detail;
7 is a view showing a mechanism configuration for a copper powder supply method in the 3D printing apparatus according to the present invention;
8 is a view showing the configuration of an oxidation prevention mechanism that blocks copper oxidation in addition to the mechanism for the copper powder supply method of FIG. 7 in the 3D printing apparatus according to the present invention.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 전자회로 인쇄 방법 및 이를 위한 3D 프린팅 장치를 자세히 설명한다Hereinafter, a 3D electronic circuit printing method and a 3D printing apparatus for the same according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D(3 Dimension) 전자회로 인쇄공정 흐름도이며, 도 2는 도 1의 3D 전자회로 인쇄공정을 위한 메쉬형 구조체를 이용한 3D 프린팅 장치를 나타낸 개략도이다.1 is a 3D (3 Dimension) electronic circuit printing process flow chart according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram showing a 3D printing apparatus using a mesh-type structure for the 3D electronic circuit printing process of FIG. 1 .
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 전자회로 인쇄 공정은, 먼저, 전자회로를 구성하는 부도체 형상은 3차원 프린팅으로 캐드 모델링(CAD Modeling) 과정(S110), 전처리 공정(Pre process)(S120), 및 형상 및 부도체 파트 인쇄 과정(S130) 등을 통해 이전단계에서 3D 프린팅 출력이 이루어진다. 1 and 2, in the 3D electronic circuit printing process according to a preferred embodiment of the present invention, first, the insulator shape constituting the electronic circuit is 3D printed, and the CAD Modeling process (S110), pre-processing 3D printing output is made in the previous step through the process (Pre process) (S120), and the shape and non-conductive part printing process (S130).
이어, 전자회로에서 도체를 생성해야 할 부분은 CAD 모델에 따라 패턴화하고(S140), 정해진 도체 패턴을 따라 구리 파우더를 노즐을 통해 선택적으로 공급하면서(S150), 기판(substrate) 상에서 구리 파우더(powder)가 놓인 지점에 피코초 또는 펨토초 레이저를 조사하여 회로부를 적층하며(S160), 후처리를 수행하고 마무리한다(S170). Then, in the electronic circuit, the part where the conductor is to be generated is patterned according to the CAD model (S140), and copper powder is selectively supplied through the nozzle according to the predetermined conductor pattern (S150), and the copper powder ( powder) is irradiated with a picosecond or femtosecond laser to stack the circuit part (S160), and post-processing is performed and finished (S170).
전술한 3차원 전자회로 인쇄공정을 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메쉬형 구조체를 이용한 3D 프린팅 장치를 사용하여, 기판(1) 상에서 구리 파우더가 놓인 지점에 피코초 또는 펨토초 레이저를 조사하여 회로부를 적층하게 된다. 이때, 부도체 파트 인쇄를 위한 3D 프린팅 장치는 필라멘트 소재를 이용하여 적층하는 방식으로 잘 알려져 있어 자세한 설명은 생략하며, 도체부 파트 인쇄를 위한 3D 프린팅 장치 구성 위주로 설명한다.For the above-described three-dimensional electronic circuit printing process, as shown in FIG. 2 , using a 3D printing apparatus using a mesh-type structure according to a preferred embodiment of the present invention, the copper powder is placed on the substrate 1 By irradiating a picosecond or femtosecond laser, the circuit part is laminated. At this time, the 3D printing apparatus for printing non-conductive parts is well known as a method of laminating using a filament material, so a detailed description will be omitted, and the configuration of the 3D printing apparatus for printing the conductive part will be mainly described.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메쉬형 구조체를 이용한 3D 프린팅 장치(100)는, 원료인 금속분말 소재, 가령 전도성 금속 소재로서 구리 파우더를 저장하는 저장부(Powder Feeding System, 10)와, 레이저를 조사하여 구리 파우더를 적층하고 출력물을 조형하는 조형부(40)와, 상기 저장부(10)에 저장되어 있는 구리 파우더를 상기 조형부(40)의 레이저 빔 조사 위치에 공급하는 분말 공급부(powdre 공급 라인, 20)로 구성될 수 있다.2 and 3, the
상기 조형부(40)에 사용되는 레이저는 펄스 레이저를 사용한다. 가령, 펄스 레이저로는 펨토초 혹은 피코초, 나노초 레이저를 사용하여, 열발산을 최소화하면서도 전자 회로 인쇄를 위한 구리 파우더를 급속하게 신터링(sintering)할 수 있게 한다. The laser used in the
이때, 피코초 또는 펨토초 레이저는 초점지역의 매우 제한된 영역에서, 순간적인 광에너지를 펄스 형태로 조사하는 방식으로, 비선형 에너지 흡수 특성으로 구리 분말에 흡수되는 에너지가 높아 신터링 효율이 높으면서, 매우 짧은 시간동안 플라즈마가 발생하여 신터링에 소요되는 에너지 이외에는 외부로 전달되는 열에너지가 적어 기저부 폴리머에 미치는 데미지를 최소화할 수 있는 장점이 있다.At this time, the picosecond or femtosecond laser is a method of irradiating instantaneous light energy in the form of a pulse in a very limited area of the focal region. Since plasma is generated during time, there is an advantage in that damage to the polymer at the base can be minimized because there is little heat energy transferred to the outside other than the energy required for sintering.
한편, 수십 ㎛의 금속 분말 소재를 이용하는 3D 프린터에서는 분말이 고르게 분포되게 하는 것이 필수적이고, 이를 위해, 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치(100)는 메쉬형 구조체를 이용한다. 이에 대해 도 3 내지 도 6을 참조하여 자세히 설명한다. On the other hand, in a 3D printer using a metal powder material of several tens of μm, it is essential to evenly distribute the powder, and for this, the
도 3을 참조하면, 분말 저장부(10)와 연결되어 금속분말 소재가 이동하는 분말 공급관(22)과, 이 분말 공급관(22) 끝단 쪽에 연결되어 금속분말 소재를 일시적으로 저장하는 호퍼(26)와, 조형부(40)의 레이저 빔이 조사되는 초점 지점부로 공급되는 금속분말 소재를 분쇄하도록 분말 공급관(22) 내에 음압을 제공하도록 이루어진 음압 제공 수단(30) 등으로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 3 , a
이러한 분말 공급부(20)는 분말 저장부(10)에 저장된 분말이 분말 공급관(22)을 통해 공급될 수 있도록 구성되는 바, 분말 공급관(22)으로 분말을 이송시키는 동력은 분말 이송장치(미도시)에 의해 이루어진다. 분말 이송장치는 통상의 벤튜리(venturi) 원리를 이용하여 분말 저장부(10)에 저장된 분말을 분말 공급관(22) 쪽으로 강제 이송하도록 구성할 수 있다. 이러한 분말 이송장치는 분말 저장부(10) 안쪽에 설치되는 것이 바람직하다. 이외에도 에어 펌프 등을 이용하여 분말 공급관(22) 쪽으로 흡입력을 발생시키는 공지의 흡입력 발생기구를 이용하여 분말을 이송하도록 구성하는 것도 가능하다.The
전술한 바와 같이, 메쉬형 구조체를 이용하여 수십 ㎛의 금속 분말이 고르게 분포될 필요가 있으므로, 분말 공급부(20)의 주요 구성 부분을 설명한다.As described above, since it is necessary to evenly distribute the metal powder of several tens of μm using the mesh-like structure, the main components of the
먼저, 분말 공급관(22)은 분말 저장부(10) 내에 구비된 분말 이송장치에서 조형부(40)의 레이저 빔이 조사되는 초점 지점부까지 연결된다. 이때, 호퍼(26)가 더 구비될 수 있는데, 상기 호퍼(26)는 일정 공간을 갖는 통형 구조로 이루어지고, 분말 이송장치에서 공급된 분말을 일시 저장한 상태에서 조형부(40)의 레이저 빔이 조사되는 초점지점부 쪽으로 분말을 제공할 수 있도록 구성될 수 있다.First, the
다음, 음압 제공 수단(30)은 상기 분말 공급관(22)의 끝단부 쪽인 호퍼(26)에 연결되어 구성되는 것이 바람직하다.Next, it is preferable that the negative
이러한 음압 제공 수단(30)은, 호퍼(26)에 연결되는 음압 제공관(32)과, 이 음압 제공관(32) 상에 구비되어 음압을 형성하는 음압 형성기구(38)를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.Such a sound
여기서, 음압 제공관(32)은 음압 형성기구(38)가 분말 저장부(10) 쪽에 구성될 때, 분말 공급관(22)의 외측에 이중관 형태로 연결되는 것이 바람직하다. Here, the negative
즉, 음압 형성기구(38)는 분말 저장부(10) 쪽에 구성되는 것이 바람직하며, 음압 제공관(32)은 분말 공급관(22)과 별도의 라인으로 구성하는 것도 가능하나, 전체 구성의 단순화를 위해서는 이중관 형태로 구성하여, 내측에 분말 공급관(22)을 구성하고, 외측에 음압 제공관(32)을 구성하는 것이 바람직하다. That is, it is preferable that the negative
또한, 이러한 이중관 구조는 분말 공급관(22)의 외부에 음압 제공관(32)이 구성됨으로 음압 제공관(32)을 통해 분말 공급관(22)과 외부와의 열교환을 줄이는 단열 효과를 기대할 수 있고, 이로 인해 외부 온도가 분말 공급관(22)을 통해 공급되는 금속 분말에 미치는 영향을 최소화할 수도 있다.In addition, since the negative
또한, 도 3을 참고하면, 음압 제공관(32)을 통해 분말 공급관(22) 쪽에 음압을 형성할 때 금속분말 소재가 유입되는 것을 최소화할 수 있도록 분말 공급관(22)의 끝단부(23)는 상기 호퍼(26) 내측으로 일정 길이만큼 길게 연결되고, 음압 제공관(32)의 입구(34)는 상기 분말 공급관(22)의 끝단부(23)와 이격된 위치에서 시작되도록 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 분말 공급관(22)은 상기 호퍼(26)의 상측에서 하측으로 수직 방향으로 일정 길이만큼 길게 연결되어 끝단부(23)가 호퍼(26)의 중간 부분까지 연결되고, 음압 제공관(32)은 분말 공급관(22)의 끝단부(26)에서 떨어진 위치인 호퍼(26)의 상단부 쪽에서 연결되게 구성할 수 있는 것이다.In addition, referring to FIG. 3 , the end 23 of the
음압 형성기구(38)는 음압 제공관(32)에 대기압보다 낮은 음압을 형성할 수 있도록 공기를 빨아들이는 블로워 등으로 구성할 수 있다. 그리고, 음압 형성기구(38)는 연결관(36)을 통해 음압 제공관(32)과 연결되게 구성될 수 있다.The negative
이제, 음압을 이용하여 분말 공급관(22)을 통해 공급되는 금속분말 소재의 분쇄 원리 및 작용을 설명한다.Now, the pulverization principle and action of the metal powder material supplied through the
본 발명의 음압을 이용한 분말 자동 분쇄 공급 장치는, 도 4 내 도 6을 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 이중관 구조에서 내측의 분말 공급관(22)을 통해 금속분말 소재를 공급하고, 외측의 음압 제공관(32)을 통해 금속분말의 진행 방향과 반대 방향으로 음압을 제공하면서 분말 공급관(22)을 통해 호퍼(26) 쪽으로 공급되는 분말을 자동 분쇄하도록 구성되는 것이다.The automatic powder grinding and supplying device using negative pressure of the present invention, with reference to FIGS. 4 and 6, supplies the metal powder material through the
음압은 대기압보다 낮은 기압을 의미하고 양압과 음압을 이용하여 분말을 원하는 방향으로 이동시킬 수 있다. 음압 제공 수단(30)에 의해 분말 공급관(22)에 음압이 제공되면, 분말 공급관(22) 내에 형성되는 압력차에 의해, 분말 저장부(10)에서 엉켜져 있었던 금속분말들이 음압의 작용으로 어느 정도 파쇄되면서 호퍼(26) 내로 공급된다. Negative pressure means atmospheric pressure lower than atmospheric pressure, and the powder can be moved in a desired direction using positive and negative pressures. When a negative pressure is provided to the
즉, 분말 저장부(10) 내에 저장되어 있는 금속분말 소재는 미미한 수분 등에 의해서도 서로 뭉치는 현상이 발생하게 되는데, 이렇게 뭉쳐진 금속분말 소재가 프린팅 위치로 바로 공급되면, 조형물 출력 과정에서 조형 정밀도가 떨어지는 등 조형물의 성형 품질이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 분말 공급관(22)을 통해 금속분말 소재가 진행하면서 음압 제공 수단(30)에 의해 형성되는 압력차 즉, 약한 음압을 이용하여 빨아들임으로써 응집되어 있던 분말 소재가 풀어지도록 유도하게 된다. 결국, 음압의 작용으로 일부 응집된 금속분말 소재가 풀어지면서 유동도가 좋아지고, 균일한 분말 공급이 가능해져 3D 출력물의 성형 품질 향상에 기여할 수 있게 되는 것이다.That is, the metal powder material stored in the
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치에서 메쉬 구조체를 이용하여 분말 자동 분쇄 공급 과정을 설명하는 도면이다.4 to 6 are diagrams illustrating an automatic powder pulverization supply process using a mesh structure in the 3D printing apparatus according to the present invention.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 분말 공급부(20B)가 음압을 이용하는 구성에 분말 공급관(22) 내에 메쉬형 구조체를 구비하여 충돌 및 마찰 등을 통해 금속분말 소재를 분쇄할 수 있도록 구성된다.4 to 6, the
도 4는, 분말 공급관(22) 내에 다수 메쉬(25)들을 이격된 상태로 연속적으로 배치하여 금속분말 소재가 통과할 때 부딪히면서 엉켜있던 분말이 자동으로 분쇄될 수 있도록 구성되는 것이다.FIG. 4 is configured so that a plurality of
즉, 분말 공급관(22) 내에 메쉬(25)들을 배열 방법은 도 4에서와 같이 다수의 메쉬(25)를 금속분말 진행 방향에 대하여 직교하는 방향으로 설치할 수 있다. 이때 메쉬(25)의 방향은 일정 각도씩 메쉬의 원주 방향으로 회전시켜 구성할 수 있다. 즉, 메쉬(25)들을 모두 동일한 규격(동일 mesh)으로 구성할 경우에 앞에서부터 일정 각도, 예를 들면 30°씩 회전시키는 구성으로 배치하는 것이다.That is, in the method of arranging the
또한, 분말 공급관(22)이 1m 라고 하면, 분말 공급관(22) 내에 배치되는 메쉬(25)들을 30°씩 회전시키면서 배치할 경우에, 약 12.5cm 내외 마다 총 8개 내외의 메쉬(25)형 구조체의 설치가 가능하게 된다.In addition, if the
이와 같이 메쉬(25)들을 분말 공급관(22) 내에 배치할 경우에 음압에 의해 파쇄돼지 못한 덩어리 금속분말 소재들이 메쉬(25)와 충돌하면서 자동으로 분쇄된다. 또한, 메쉬(25)들을 원주 방향으로 일정 각도씩 회전시켜 배치하게 되면, 앞쪽 메쉬(25)를 통과하면서 분쇄되지 못한 덩어리 금속 분말이 다음 메쉬(25)에 부딪히면서 분쇄될 가능성을 높이게 되므로 응집된 금속 분말을 보다 효과적으로 분쇄할 수 있게 된다.In this way, when the
한편, 도 5 및 도 6은 다른 형태의 메쉬 배치 구조를 보인 평단면도들로서, 메쉬(25)들을 분말 공급 방향에 대하여 직교하게 설치하거나 일정 각도 경사지게 배치하는 구성을 보여준다. 따라서, 메쉬(25)들을 분말 공급 방향에 대하여 직교하는 방향, 좌측 방향 및 우측 방향으로 경사지게 설치하여 배치함으로써 응집되어 있는 금속 분말들이 메쉬들을 통과하면서 분쇄되게 되어 궁극적으로 금속 분말의 분쇄 효과를 높일 수 있게 된다.Meanwhile, FIGS. 5 and 6 are plan cross-sectional views showing a different type of mesh arrangement structure, and show a configuration in which the
특히, 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치는, 3차원 금속 프린터인 DED(Direct Energy Deposition)방식과 유사하나, DED는 분말 소재에 레이저를 출력하고 모재에 멜팅풀이 생기면 그때 소재를 투여하는 클래딩 방식이지만, 본 발명에서는 도체 파트 부분으로 패턴부분에 신터링만 선택적으로 하는 방식에서 구성상의 차이가 있다. 이에 대해 도 1과 2 및 도 7과 도 8을 참조하여 자세히 설명한다.In particular, the 3D printing apparatus according to the present invention is similar to the DED (Direct Energy Deposition) method, which is a three-dimensional metal printer, but the DED is a cladding method in which a laser is output to a powder material and a melting pool is generated in the base material, then the material is administered, In the present invention, there is a difference in configuration in the method of selectively sintering only the pattern part as the conductor part part. This will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2 and FIGS. 7 and 8 .
먼저, 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치는, 도 1 및 도 2에 설명한 바와 같이, 저장부(10), 분말 공급부(20), 음압제공수단(30), 조형부(40)를 구비하며, 조형부(40)가 구성되는 구조물에는 레이저를 생성하여 조사하는 구성 부분을 비롯하여 출력물을 조형하기 위한 각종 구조물 및 제어부가 함께 구성될 수 있다. 즉, 3D 프린팅 대상인 전자회로 기판이 놓여지는 모재 베드(50)와 전자회로 인쇄 공정을 전체적으로 제어하는 제어부(미도시)가 더 포함될 수 있다.First, as described in FIGS. 1 and 2, the 3D printing apparatus according to the present invention includes a
도 7은 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치에서, 구리 파우더 공급 방식에 대한 메카니즘을 나타낸 도면이다.7 is a view showing a mechanism for a copper powder supply method in the 3D printing apparatus according to the present invention.
도 7을 참조하면, 본 발명은, 기존의 DED나 레이저 용접 기술과 다르게, 전술한 클래딩 방식이 아니라 구리 금속 파우더를 인쇄회로 기판에 지정된 지점에 먼저 공급하여 레이저 빔의 초점거리에 충분한 양의 파우더를 준비토록 하는 방식으로 분말 소재 준비 시점과 공급 방식에 특징이 있습니다.Referring to FIG. 7 , in the present invention, unlike the conventional DED or laser welding technology, copper metal powder is first supplied to a designated point on the printed circuit board instead of the above-described cladding method, so that a sufficient amount of powder for the focal length of the laser beam It is characterized by the time of preparation of the powder material and the method of supply.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3D 전자회로 인쇄공정에서, 전자회로에서 도체를 생성해야 할 부분은 CAD 모델에 따라 패턴화하고(S140), 패턴화 공정을 통해 도체 라인 채널을 가공한다(S150).As described above, in the 3D electronic circuit printing process according to the present invention, the part to be formed with the conductor in the electronic circuit is patterned according to the CAD model (S140), and the conductor line channel is processed through the patterning process (S150). ).
이어, 제어부는 레이저 빔 조사시에 모재 베드(50)를 패턴화된 전자회로의 도선 회로 경로에 따라 이동시키거나, 조형부(40)의 툴 헤드를 패턴화된 전자회로의 도선 회로 경로에 따라 이동시키는 방식으로, 정해진 도선 회로 경로를 따라 구리 파우더를 노즐을 통해 선택적으로 공급하면서(S150), 인쇄회로 기판(substrate) 상에서 구리 파우더(powder)가 놓인 지점에 피코초 또는 펨토초 레이저를 조사하여 회로부를 적층하게 된다(S160). Next, the control unit moves the
이와 같이, 본 발명에서는 분말 공급관(22)을 통해 모재 베드(50)로 구리 파우더를 공급하며, 조형부(40)의 레이저 빔이 조사되는 초점 지점부까지 연결된다. 이때, 호퍼(26)를 통해 분말공급부(20)를 통해 공급된 분말을 일시 저장한 상태에서 조형부(40)의 레이저 빔이 조사되는 초점지점부 쪽으로 분말을 제공할 수 있도록 구성될 수도 있다.As described above, in the present invention, copper powder is supplied to the
또한, 구리 파우더를 미리 초점지점부(도선 회로 경로에서 패턴 형성부분)에 적당량의 구리 파우더를 측면에서 공급하며, 분말공급부(20)는 조형부(40)의 레이저 빔 가공 진행 방향 앞단에 위치하게 된다. 또한, 레이저 빔 조사시에 제어부는 회전 부위에서 조형부(40)의 툴 헤드 또는 모재 베드(50)를 회전시켜 구동을 하며, 구리 파우더 공급지점과 레이저 초점까지의 옵셋을 최대한 줄이고 파우더 도포 넓이를 이 옵셋보다 넓게 잡아 회전시의 중심선 shift를 보상하여 오차를 줄이게 된다. In addition, an appropriate amount of copper powder is supplied from the side of the copper powder in advance to the focal point part (the pattern forming part in the wire circuit path), and the
또한, 분말 공급부(20)를 통해 구리 파우더 공급과 함께, 가스공급라인(60)을 통해 GAS 분사하여 구리 산화를 방지합니다. 즉, 불활성 기체인 Ar이나 질소 가스를 사용해서 구리 파우더의 산화를 차단합니다.In addition, copper powder is supplied through the
본 발명에서는 구리 산화를 방지하기 위해, 구리 파우더가 모재 베드(50)에 제어량 만큼 쌓아서 공급을 하고 나면 구리 파우더는 더 이상 공급하지 않는다. 그러나, 상기 분말 공급부(20)와 연결된 가스공급라인(60)을 통해 미량의 가스는 계속 투여한다. 이를 통해, 구리 파우더 사이의 공극을 통해 산소와의 접촉을 막는 효과를 내며, 구리 파우더가 신터링이 되어도 곧바로 냉각 효과를 얻을 수 있게 한다. In the present invention, in order to prevent copper oxidation, the copper powder is no longer supplied after the copper powder is piled up and supplied to the
도 8은 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치에서, 도 7의 구리 파우더 공급 방식에 대한 메카니즘 이외에 구리 산화를 차단하는 산화 방지 메카니즘 구성을 나타낸 도면이다.8 is a view showing the configuration of an oxidation prevention mechanism that blocks copper oxidation in addition to the mechanism for the copper powder supply method of FIG. 7 in the 3D printing apparatus according to the present invention.
도 8을 참조하면, 조형부(40)의 툴 헤드(레이저 모듈부분)에서도 1차적으로 쉴딩 가스(shielding gas)가 분사되어 신터링되는 위치가 산소로부터 차폐가 되나 shield 효과를 증대하는 방안으로 상기 툴 헤드(41)의 측면에 에어 커튼 모듈(70)과 상기 에어 커튼 모듈(70)로 가스를 공급하는 제2 가스공급라인(71)을 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 에어 커튼 모듈(70)은 상기 툴 헤드(41)를 360도 커버할 수 있으며, 가스 분사 노즐은 n개 복수개 설정 가능한다. 이러한 에어 커튼 모듈(70)을 통해 1차적으로 쉴딩 가스가 분사되므로 에어 커튼과 같은 차폐막을 2중으로 구성할 수 있게 되는 효과가 있다.Referring to FIG. 8 , even in the tool head (laser module part) of the
도 9 및 도 10는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자회로인쇄 과정의 예로서, 각각 도 9는 채널에 구리 파우더를 채우고 레이저를 조사한 후에서 위에서 찍은 사진 이미지이고, 도 10은 구리 파우더에 레이저를 조사하여 고체화된 구리 bar 이미지를 나타낸 것이다.9 and 10 are examples of an electronic circuit printing process according to a preferred embodiment of the present invention, respectively. FIG. 9 is a photographic image taken from above after filling a channel with copper powder and irradiating a laser, and FIG. 10 is a laser on copper powder. It shows an image of a solidified copper bar by irradiating it.
도 9를 참조하면, 구리 파우더 위에다 곧바로 레이저를 조사하여 한번 직선으로 이동하고 난후 신터링이 된 부분만 근접 촬영한 사진으로, 펄스 레이저로 구리 분말 입자의 신터링시에 매우 우수함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 9 , it is a close-up photograph of only the portion that has been sintered after irradiating a laser directly onto the copper powder and moving in a straight line.
도 10을 참조하면, PLA 소재를 프린틴하고 프린팅 표면에 1mm깊이의 채널을 파 놓았고, 거기에 구리 파우더를 채운후, 채널 길이 방향으로 레이저를 조사하였으며, 그 후 위에서 촬영한 사진 한 컷과 신터링 되지 않은 파우더를 털어내고 단면을 쳐서 단면방향을 촬영한 사진으로서, PLA와 같은 낮은 온도의 기저부 소재에서도 기저부가 크게 데이미 없이 도선 부분이 기저부내에 생성됨을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10, the PLA material was printed and a channel of 1 mm depth was dug on the printing surface, copper powder was filled there, and a laser was irradiated in the channel length direction, and then a picture taken from above and a scene This is a photograph taken in the direction of the cross-section by shaking off the powder and hitting the cross-section, and it can be confirmed that the lead wire is generated in the base without significant damage to the base even in the base material of a low temperature such as PLA.
상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, the technical ideas described in the embodiments of the present invention may be implemented independently or in combination with each other. In addition, although the present invention has been described through the embodiments described in the drawings and detailed description of the invention, these are merely exemplary, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains may make various modifications and equivalent other embodiments therefrom. possible. Accordingly, the technical protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.
10: 저장부
20: 분말공급부
40: 조형부
41: 툴 헤드(레이저 모듈0
50: 모재 베드
60, 71: 제1, 제2 가스 공급 라인
80: 에어 커튼 모듈10: storage
20: powder supply unit
40: molding department
41: tool head (laser module 0
50: base material bed
60, 71: first and second gas supply lines
80: air curtain module
Claims (6)
레이저를 조사하여 상기 금속분말 소재를 적층하고 전자회로를 인쇄하는 조형부와,
상기 저장부와 연결되어 상기 금속분말 소재가 이동하는 분말공급관과, 상기 분말공급관을 통해 금속분말 소재를 공급하고, 음압제공관을 통해 상기 금속분말 소재의 진행 방향과 반대 방향으로 음압을 제공하며, 상기 분말공급관 내에 다수의 메쉬 구조체를 이격된 상태로 연속적으로 배치하여, 호퍼 쪽으로 공급되는 금속분말 소재을 자동 분쇄하여 상기 조형부의 레이저 빔이 조사되는 초점지점부에 공급하는 분말 공급부와,
상기 전자회로의 기판이 놓여지는 모재 베드와,
상기 분말 공급부와 연결되고 상기 금속분말소재가 놓인 지점에 가스를 분사하여 상기 금속분말소재의 산화를 방지하는 제1 가스공급라인과,
상기 조형부의 측면에 형성되고 상기 금속분말소재가 놓인 지점에 가스를 분사하는 에어 커튼 모듈과,
상기 에어 커튼 모듈에 상기 가스를 공급하는 제2 가스공급라인과,
상기 전자회로 인쇄공정을 위해 상기 모재 베드와 상기 분말 공급부와 상기 조형부를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 레이저 빔 조사시에 상기 모재 베드 또는 상기 조형부를 이동시켜 설정된 상기 전자회로의 도선 회로 경로를 따라 상기 분말 공급부를 통해 상기 금속 분말 소재를 선택적으로 공급하면서, 상기 모재 베드 상에서 상기 금속분말소재가 놓인 지점에 상기 레이저 빔을 조사하여 상기 전자회로의 회로부룰 적층하는 것을 특징으로 하는 3차원 전자회로 인쇄장치.A storage unit for storing the metal powder material;
A molding unit for laminating the metal powder material by irradiating a laser and printing an electronic circuit;
A powder supply pipe through which the metal powder material moves is connected to the storage unit, and a metal powder material is supplied through the powder supply pipe, and a negative pressure is provided in a direction opposite to the moving direction of the metal powder material through a negative pressure supply pipe, A powder supply unit for automatically pulverizing the metal powder material supplied to the hopper by continuously disposing a plurality of mesh structures in the powder supply pipe in a spaced apart state and supplying it to the focal point where the laser beam of the molding unit is irradiated;
a base material bed on which the substrate of the electronic circuit is placed;
a first gas supply line connected to the powder supply unit and spraying gas to a point where the metal powder material is placed to prevent oxidation of the metal powder material;
an air curtain module formed on a side surface of the molding unit and spraying gas to a point where the metal powder material is placed;
a second gas supply line for supplying the gas to the air curtain module;
A control unit for controlling the base material bed, the powder supply unit, and the molding unit for the electronic circuit printing process,
The control unit, while selectively supplying the metal powder material through the powder supply unit along the conductive wire circuit path of the electronic circuit set by moving the base material bed or the molding unit during irradiation with the laser beam, the metal on the base material bed A three-dimensional electronic circuit printing apparatus, characterized in that by irradiating the laser beam to a point on which the powder material is placed, the circuit portion of the electronic circuit is laminated.
상기 레이저는 펄스 레이저인 것을 특징으로 하는 3차원 전자회로 인쇄장치.According to claim 1,
The laser is a three-dimensional electronic circuit printing apparatus, characterized in that the pulse laser.
상기 메쉬 구조체는 상기 금속분말 소재의 진행 방향에 대하여 직교하는 방향으로 설치되거나 소정 각도씩 상기 메쉬 구조체의 원주 방향으로 회전시켜 구성하는 것을 특징으로 하는 3차원 전자회로 인쇄장치.According to claim 1,
The mesh structure is installed in a direction orthogonal to the moving direction of the metal powder material, or is configured by rotating the mesh structure in a circumferential direction at a predetermined angle.
내측에 상기 분말 공급관을 형성하고, 상기 분말 공급관의 외측에 음압 제공관을 형성하여, 이중관 구조로 구성하는 것을 특징으로 하는 3차원 전자회로 인쇄장치.According to claim 1,
The three-dimensional electronic circuit printing apparatus, characterized in that the powder supply pipe is formed on the inside and the negative pressure supply pipe is formed on the outside of the powder supply pipe to have a double pipe structure.
상기 에어 커튼 모듈은 상기 조형부의 툴 헤드를 360도 커버하고,
다수개 설정된 가스 분사 노즐을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 전자회로 인쇄장치.According to claim 1,
The air curtain module covers the tool head of the molding unit 360 degrees,
3D electronic circuit printing apparatus further comprising a plurality of set gas injection nozzles.
상기 금속분말소재는 구리 파우더인 것을 특징으로 하는 3차원 전자회로 인쇄장치.According to claim 1,
The metal powder material is a three-dimensional electronic circuit printing apparatus, characterized in that the copper powder.
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