KR20220019719A - 새로운 적층 나노제조 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20220019719A
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마소우드 마조리-사마니
니마 샘세이
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어번 유니버시티
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Abstract

챔버 및 챔버에 분리 가능하게 연결된 노즐로서, 노즐은 구멍을 한정하는, 챔버 및 노즐과; 챔버 내에 배치된 타겟 캐러셀과; 원위치 삭마를 수행하여 레이저 플룸을 생성하기 위해 타겟 캐러셀을 향해 유도된 제 1 레이저 빔을 생성하도록 구성된 제 1 레이저와; 챔버 내에 가스를 공급하여, 가스가 레이저 플룸과 상호 작용하고 나노입자의 응축 및 형성을 유발하도록 구성된 가스 흐름 시스템; 및 챔버의 내부를 통해, 노즐의 구멍을 통해, 그리고 장치 외부에 배치된 기판을 향해 유도된 제 2 레이저 빔을 생성하도록 구성된 제 2 레이저로서, 제 2 레이저 빔은 노즐을 빠져나가는 나노입자를 기판 상에서 소결 및 결정화하도록 구성되는, 제 2 레이저를 포함하는 장치.

Description

새로운 적층 나노제조 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 35 U.S.C. § 119(e) 하에 2019년 6월 12일 출원된 미국 가출원 제62/860,467호의 이익을 주장하며, 이의 전체 개시 내용이 본원에 참조로 포함된다.
본 개시는 일반적으로 적층 제조를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
적층 제조는 광범위한 2차원(2D) 및 3차원(3D) 구조, 장치 및 복잡한 기하학적 구조의 층별 인쇄를 위한 다용도 접근 방식으로 채택되었다. 적층 제조 공정은 전자공학에서부터 생물의학 및 항공우주, 건설에 이르는 다양한 산업에서 널리 사용되었다. 적층 제조는 개발 이후 제조 공정의 혁신을 목표로 수년에 걸쳐 크게 진전했다. 적층 제조 및 재료 인쇄 기술을 통한 복잡한 구조와 장치의 제작은, 잠재적으로 비용을 절감하면서 설계 유연성과 제작 속도를 향상시킬 수 있는 엔지니어링 설계 및 제품 실현의 패러다임 전환으로 이어졌다.
본 발명은 새로운 적층 나노제조 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로한다.
챔버 및 챔버에 분리 가능하게 연결된 노즐로서, 노즐은 구멍을 한정하는, 챔버 및 노즐과; 챔버 내에 배치된 타겟 캐러셀(target carousel)과; 원위치(in-situ) 삭마를 수행하여 레이저 플룸(laser plume)을 생성하기 위해 타겟 캐러셀을 향해 유도된 제 1 레이저 빔을 생성하도록 구성된 제 1 레이저와; 챔버 내에 가스를 공급하여, 가스가 레이저 플룸과 상호 작용하고 나노입자의 응축 및 형성을 유발하도록 구성된 가스 흐름 시스템; 및 챔버의 내부를 통해, 노즐의 구멍을 통해, 그리고 장치 외부에 배치된 기판을 향해 유도된 제 2 레이저 빔을 생성하도록 구성된 제 2 레이저로서, 제 2 레이저 빔은 노즐을 빠져나가는 나노입자를 기판 상에서 소결 및 결정화하도록 구성되는, 제 2 레이저를 포함하는 장치.
제 1 레이저 빔을 생성하고, 원위치 삭마를 수행하여 레이저 플룸을 생성하기 위해, 챔버의 내부를 통해, 챔버 내에 배치된 타겟 캐러셀을 향해 생성된 제 1 레이저 빔을 유도하는 단계와; 챔버 내에 가스를 공급하여, 가스가 레이저 플룸과 상호 작용하고, 나노입자의 응축 및 형성을 유발하며, 챔버에 분리 가능하게 결합된 노즐을 향해 나노입자의 흐름을 유도하도록 하는 단계로서, 노즐은 구멍을 한정하는, 단계; 및 제 2 레이저 빔을 생성하고, 챔버의 내부를 통해, 노즐의 구멍을 통해, 그리고 챔버의 배출구에 배치된 기판을 향해 생성된 제 2 레이저 빔을 유도하도록 하는 단계로서, 제 2 레이저 빔은 노즐을 빠져나가는 나노입자를 기판 상에서 소결 및 결정화하도록 구성되는, 단계를 포함하는 방법.
챔버 내부에 레이저 플룸을 형성하기 위해 원위치 삭마를 개시하는 단계와; 챔버 내에 가스를 공급하여, 가스가 레이저 플룸과 상호 작용하고 나노입자의 응축 및 형성을 유발하도록 하는 단계와; 챔버의 내부를 통해 그리고 및 챔버의 배출구에 배치된 기판을 향해 나노입자를 유도하는 단계; 및 챔버를 빠져나가는 나노입자를 기판 상에서 소결 및 결정화하는 단계를 포함하는 방법.
상세한 설명은 특히 다음 도면을 참조한다, 도면에서:
도 1은 다기능 재료의 적층 나노제조를 위한 예시적인 시스템을 도시하는 블록도이고;
도 2a 및 도 2b는 나노입자의 실시간(in operando) 합성 및 소결을 위한 예시적인 장치를 도시하는 블록도이고;
도 2c는 도 1, 도 2a 및 도 2b의 장치에 의해 증착된 예시적인 재료를 도시하는 블록도이고;
도 3은 빔 스플리터(beam splitter)를 사용하는 적층 나노제조의 예시적인 구현형태를 도시하는 블록도이고;
도 4는 도 1, 도 2a 및 도 2b의 적층 나노제조 시스템을 위한 예시적인 제어 시스템을 도시하는 블록도이고;
도 5a 내지 도 5d는 도 1, 도 2a, 도 2b 및 도 4의 시스템을 사용하여 생성된 다기능 재료의 이미지를 도시하는 도면이고;
도 6a 및 도 6b는 도 1, 도 2a, 도 2b, 도 3 및 도 4의 적층 나노제조 장치를 사용하여 형성된 구조물을 도시하는 블록도이고;
도 7은 나노입자 빌딩 블록(building block)의 원위치 순차적 증착 및 실시간 소결의 예시적인 구현형태를 도시하는 블록도이고; 및
도 8은 다기능 재료의 적층 나노제조를 위한 예시적인 공정 흐름을 도시하는 블록도이다.
본 개시의 개념은 다양한 수정 및 대안적인 형태가 가능하지만, 구체적인 예시적인 실시형태가 도면에 예시로서 도시되고 설명될 것이다. 그러나, 본 개시의 개념을 개시된 특정 형태로 제한하려는 의도가 없음을 알아야 하며; 반대로, 의도는 첨부된 청구항에 의해 정의되는 본 발명의 사상 및 범위 내에 속하는 모든 수정, 균등물 및 대안을 포괄하고자 하는 것이다.
명세서에서 "일 실시형태", "실시형태", "예시적인 실시형태" 등에 대한 언급은 설명된 실시형태가 특정 특징, 구조 또는 특성을 포함할 수 있지만, 모든 실시형태가 그러한 특정 특징, 구조 또는 특성을 포함하거나 포함하지 않을 수 있음을 나타낸다. 또한, 이러한 문구는 반드시 동일한 실시형태를 나타내는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조 또는 특성이 실시형태와 관련하여 설명될 때, 그러한 특징, 구조 또는 특성을 명시적으로 설명되었는지 여부에 관계없이 다른 실시형태와 관련하여 실시하는 것은 본 기술 분야의 숙련자의 지식 범위 내에 있음을 밝힌다. 또한, "적어도 하나의 A, B 및 C"의 형태로 목록에 포함되는 항목은 (A); (B); (C): (A 및 B); (B 및 C); (A 및 C); 또는 (A, B 및 C)를 의미할 수 있음을 알아야 한다. 마찬가지로, "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"의 형태로 나열되는 항목은 (A); (B); (C): (A 및 B); (B 및 C); (A 및 C); 또는 (A, B 및 C)를 의미할 수 있다.
개시된 실시형태는 일부 경우 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 개시된 실시형태는 또한 하나 이상의 프로세서에 의해 판독 및 실행될 수 있는 하나 이상의 일시적 또는 비일시적 기계 판독 가능(예를 들어, 컴퓨터 판독 가능) 저장 매체에 의해 운반되거나 이에 저장된 명령으로서 구현될 수 있다. 기계 판독 가능 저장 매체는 임의의 저장 장치, 메커니즘, 또는 기계에 의해 판독 가능한 형태로 정보를 저장하거나 전송하기 위한 기타 물리적 구조로서 구현될 수 있다(예를 들어, 휘발성 또는 비휘발성 메모리, 미디어 디스크, 또는 기타 미디어 장치).
도면에서, 일부 구조적 또는 방법적 특징은 구체적인 배열 및/또는 순서로 도시될 수 있다. 그러나, 이러한 구체적인 배열 및/또는 순서가 필요하지 않을 수 있음을 알아야 한다. 오히려, 일부 실시형태에서, 이러한 특징은 예시적인 도면에 도시된 것과 다른 방식 및/또는 순서로 배열될 수 있다. 추가로, 특정 도면에 구조적 또는 방법적 특징을 포함하는 것은 이러한 특징이 모든 실시형태에서 필요한 것을 의미하지 않으며, 일부 실시형태에서는 포함되지 않거나 다른 특징과 결합될 수 있다.
전통적인 기술에 비해 적층 제조를 채택하는 것에 대한 증가하는 관심은, 종래의 제작 공정을 통해서는 불가능한 복잡한 기하학적 구조의 제작, 최소의 재료 낭비, 설계 유연성, 비용 효율적인 프로토타이핑 및 맞춤화를 포함하는 여러 이점으로 인한 것이다. 다기능 재료는 변형률 응답을 포함하는 스마트 구조물이 전력을 생성하고, 진동 중 강성을 높이거나, 외부 자극에 대한 열전도율을 변경하도록 할 수 있다. 다기능 재료(예를 들어, 압전)를 항공기 날개 또는 웨어러블 센서와 같은 등각 표면에 직접 인쇄하는 고유한 기능은 적층 제조를 이러한 응용 분야에 대해 매력적인 솔루션으로 만든다.
그러나, 하이브리드 구조 및 장치(예를 들어, 압전 장치, 유연한 전자장치)는 종종 반복 하중을 받게 되고, 따라서 재료 내에 결함이 존재하는 경우, 예를 들어 융합 부족(lack of fusion, LoF), 혼입된 가스 기공, 표면 거칠기 및/또는 하이브리드 구조 내의 두 재료 시스템 사이의 약한 경계와 같은 피로 파괴에 취약하다. 레이저 출력 및 스캐닝 속도와 같은, 하이브리드 구조를 생성하기 위해 사용되는 적층 제조 공정의 매개변수는 이러한 구조의 열 이력 및 (결함을 포함하는) 미세구조 특징에 영향을 미치며, 이는 결국 인쇄된 부분의 피로 거동을 포함하는 기계적 특성을 좌우한다. 현재의 적층 제조 기술에서의 기존 기술은 압전, 광전자, 에너지 변환 및 저장 장치를 포함하는 복잡한 기능을 갖는 하이브리드 구조 및 장치를 인쇄하는 데 있어서 이들의 응용을 크게 제한하는 문제가 있다.
개선된 제조 플랫폼은 복잡한 기능을 갖는 내구성 있는 하이브리드 구조 및 장치를 인쇄하기 위해 기체상(gas-phase) 및 대기압에서 다양한 다기능 나노입자를 생성, 전달 및 소결하는 것을 포함한다. 본 발명의 적층 나노제조(ANM) 방법은 다기능 재료의 원위치 생성 단계 및 실시간 소결 단계를 포함하여, 복잡한 기능을 갖는 내구성 있는 하이브리드 구조 및 패턴을 층별로 형성할 수 있다. 기존 적층 제조 기술에 비해 장점은, 강유전체(ferromagnetic)로부터 강자성체(ferromagnetic)까지 그리고 압전에서 상 변화 재료에 이르는 나노규모의 다기능 재료를 다양하게 선택할 수 있고, 대기압의 기체상에서 리간드가 없는(ligand-free) 나노입자 빌딩 블록의 순수 플럭스(pure flux)의 원위치 형성 및 디지털 전달을 가능하게 하며, 증착 및 소결 공정에서 나노규모 정밀도를 제공하는 것을 포함한다.
도 1은 다기능 재료의 적층 나노제조를 위한 예시적인 시스템(100)을 도시하고 있다. 레이저 빔(106, 108) 각각은 다수의 챔버 개구(112) 중 대응하는 개구를 통해 챔버(110)로 진입한다. 시스템(100)의 예시적인 실시형태는 레이저 빔(106, 108)을 챔버(110)의 내부(116)로 전달, 유도 또는 이송하도록 구성된 튜브(114) 또는 다른 구조 또는 장치를 포함한다. 적어도 도 2a 및 도 3을 참조하여 설명된 바와 같이, 단일 레이저 빔을 두 개의 경로로 분할하는 빔 스플리터를 사용하여 두 개의 레이저 빔(106, 108)이 생성될 수 있다. 물론, 레이저 빔(106, 108) 각각을 생성 및/또는 전달하기 위한 다른 방법론 또는 접근 방식도 고려된다.
노즐(124)은 챔버(110)의 원위 단부에 분리 가능하게 또는 제거 가능하게 결합되고 구멍(126)을 한정한다. 일례에서, 노즐(124)은 원추형일 수 있지만, 벨(bell)과 스파이크(spike)와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 다른 형상 및 구성일 수 있다. 물론, 본원에 설명된 공정을 수행하도록 구성된 구현형태와 같은 챔버(110)와 노즐(124)의 다른 구현형태도 고려된다.
시스템(100)의 제 1 레이저 빔(106)은 원위치 삭마 공정(130)을 개시한다. 제 1 레이저 빔(106)은 챔버(110)의 내부(116)에 배치된 타겟 캐러셀(120)로 유도된다(또는 그 방향으로 지향된다). 타겟 캐러셀(120)은 캐러셀의 회전 가능한 플레이트 상에 배치된 다수의 타겟을 포함한다. 일례에서, 타겟은 다기능 구조의 형성과 조립을 위한 고체 펠릿(solid pellet)을 포함할 수 있다. 제 1 레이저 빔(106)은 제 1 재료의 레이저 플룸의 형성을 유발하기 위한 제 1 타겟의 제 1 재료의 삭마 공정(130)을 개시하기 위해 다수의 타겟 중 제 1 타겟과 선택적으로 정렬될 수 있다. 또한, 제 1 레이저 빔(106)은 대응하는 레이저 플룸의 형성을 유발하기 위한 제 2 타겟의 제 2 재료의 삭마 공정(130)을 수행하기 위해 다수의 타겟 중 제 2 타겟과 이후 선택적으로 정렬될 수 있다. 순전히 비제한적인 예로서, 제 1 재료는 압전 재료 품질을 나타내는 티탄산 바륨(barium titanate, BTO)을 포함할 수 있고, 제 2 재료는 전도성 전극을 형성하기에 적절한 특성을 갖는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)을 포함할 수 있다.
원위치 삭마 공정(130)은 대기압 펄스 레이저 삭마(pulsed laser ablation, PLA) 공정을 포함할 수 있고, 나노입자(118) 빌딩 블록이 순수 플럭스를 생성하여 나노입자(118)가 실시간으로 하이브리드 기능 구조로 통합될 수 있도록 구성될 수 있다.
시스템(100)은, 챔버(110)의 근위 단부 주위에 배치되고 챔버(110)의 내부(116)로 가스 흐름을 전달하도록 구성된 하나 이상의 가스 유입구(128)를 포함한다. 가스 흐름 내의 타겟 캐러셀(120) 상에 배치된 주어진 재료의 삭마는 나노입자 스트림(122)의 형성을 유발한다. 따라서, 시스템(100)은 플라즈마를 응축시키는 배경 가스와 레이저 생성 플룸의 상호작용을 촉진하여 응집체 및 나노입자 빌딩 블록의 형성을 유발한다. 또한, 캐리어 가스(carrier gas) 흐름과 삭마율(ablation rate)은 기판 상으로의 나노입자의 순수 플럭스의 전달을 결정한다.
입자(118)는 노즐(124)의 구멍(126)을 통해 챔버(110)의 내부(116)를 빠져나가고, 구멍(126)은 미리 정의된 직경을 갖는다. 시스템(100)의 제 2 레이저 빔(108)은 원위치 삭마 공정(130) 동안 생성된 다수의 입자(118)의 실시간 소결(132)을 수행한다. 챔버(110)를 빠져나가는 입자(118)는 입자(118)가 기판(134) 상에 랜딩할 때 실시간으로 소결(132)되어, 펄스별로(pulse-by-pulse) 결정질 다기능 재료의 디스크의 제작을 가능하게 한다. 제어된 레이저 소결 조건 하에서의 나노입자의 결정화 및 계면 상호작용은 입자가 기판 표면에 랜딩할 때 소결 레이저 매개변수가 비정질 나노입자의 결정화 역학(crystallization dynamic) 및 상 전개(phase evolution)를 제어하도록 하는 것이다. 또한, 이후의 비정질 나노입자는 이전에 소결된 블록과 상호 작용하여 더 큰 결정질 구조의 에피택셜 성장(epitaxial growth)을 유도한다.
일부 예에서, 제작된 디스크의 두께는 증착/소결 펄스의 수를 제어함으로써 제어될 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 증가된 두께의 디스크를 증착하기 위한 소결 레이저(108)의 초점을 재조정하기 위해 수동 Z-스테이지(136)가 사용될 수 있다. 이와 같이, 본 개시의 ANM 시스템 및 공정은 고품질의 내구성 있는 다기능 하이브리드 구조를 제작하기 위해 사용될 수 있다.
도 2a는 나노입자의 합성 및 소결을 위한 예시적인 장치(200-A)를 도시하고 있다. 빔 스플리터(202)는 엑시머 레이저 빔(204)을 두 개의 레이저 경로(빔)(206, 208)로 분할한다. 예시적인 빔 스플리터(202)는 입사광을 미리 결정된 비율로 두 개의 별도의 빔으로 분할하도록 구성된 플레이트 또는 큐브(cube)와 같은 광학 장치를 포함한다. 빔 스플리터(202)는 얇고 평평한 유리 플레이트를 포함할 수 있으며, 플레이트의 몸체는 제 1 표면 주위에 빔 분할 코팅으로 코팅되고 및/또는 제 2 표면 주위에서 반사 방지 코팅으로 코팅되어 원하지 않는 반사를 제거하거나 최소화할 수 있다. 엑시머 레이저 빔은, 자외선 범위의 파장을 갖고 불활성 가스(예를 들어, 아르곤, 크립톤 또는 크세논) 분자 및 전기적 여기(electrical excitation) 하에 형성된 불소와 염소 같은 반응성 가스 사이의 일시적 결합에 의해 생성되는 레이저 광선으로 구성된다.
제 1 레이저 빔(206)은 원위치 삭마 공정을 수행하고 제 2 레이저 빔(208)은 생성된 입자의 실시간 소결을 수행한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 가스(예를 들어, 아르곤)의 흐름에서 타겟(예를 들어, ZnO)의 삭마는 다수의 나노입자의 형성을 유발한다. 이후 가스 스트림 흐름은 생성된 나노입자를 노즐(124)의 구멍(126)을 향해 운반하고(예를 들어, 도 2b 참조), 구멍(126)은 미리 정의된 직경(예를 들어, ~300 μm)을 갖는다. 도 2b는 나노입자(118)가 기판(134) 상에 랜딩하거나 이에 상에 증착될 때 실시간으로 소결되는 예시적인 구현형태(200-C)를 도시하고 있다. 도 2c는 미리 정의된 두께와 형상을 갖는 것과 같은 소결 입자의 제작된 재료 증착물(210)을 포함하는 예시적인 형성물(200-C)을 도시하고 있다. 결정질 재료의 디스크의 제작이 도시되어 있지만, 다른 형상, 두께 등도 가능하다. 디스크의 두께는 실험에서 증착/소결 펄스의 수에 의해 간단히 제어되었다. 수동 Z-스테이지는 더 두꺼운 디스크의 증착 동안 소결 레이저 초점을 재조정하기 위해 이 실험에서 사용될 수 있다.
도 4는 나노입자(118)의 합성 및 소결을 위한 예시적인 제어 시스템(400)을 도시하고 있다. 제어 시스템(400)은 모터(404)에 통신 가능하게 결합된 제어 논리 장치(402)를 포함한다. 모터(404)는 타겟 캐러셀(120)에 작동 가능하게 결합되고, 따라서 대응하는 신호 또는 명령에 대응하여, 모터(404)는 타겟 및/또는 타겟 캐러셀(120)의 타겟 재료의 회전을 개시하거나 지속시키거나 방지하도록 작동하여, 삭마 레이저 빔(106)과의 타겟 및/또는 타겟 재료의 정렬을 개시하거나 지속시키거나 방지하여 삭마 공정(130)을 개시하거나 지속시키거나 방지할 수 있다.
일부 예에서, 제어 논리 장치(402)와 모터(404)는, 타겟 캐러셀(120)의 위치, 삭마 공정(130)의 작동 매개변수, 소결 공정(132)의 작동 매개변수, 및 배경 가스 흐름의 작동 매개변수를 감지하도록 구성된 센서와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는, 본 개시의 적층 나노제조 시스템(100)의 작동을 모니터링하고 제어하는 것과 관련된 하나 이상의 센서를 포함하는 다수의 센서 중 적어도 하나에 통신 가능하게 결합된다. 센서 중 적어도 하나는 제어 논리 장치(402)에 데이터를 전송할 수 있다. 수신되면, 제어 논리 장치(402)는 센서 데이터를 기반으로 모터(404)를 작동시켜, 타겟 캐러셀(120)의 회전을 개시하거나 지속시키거나 방지하고 및/또는 삭마 공정(130)을 개시하거나 지속시키거나 방지하고 및/또는 나노입자(118) 형성 공정을 개시하거나 지속시키거나 방지하고 및/또는 소결 공정(132)을 개시하거나 지속시키거나 방지할 수 있다.
현재 증착/제작된 층에 대한 소결 공정(132)이 완료되면, 제어 논리 장치(402)는 다기능 재료의 후속 층의 인쇄를 개시하기 위해 노즐(124) 및/또는 노즐(124)의 구멍(126)에 대한 원하는 상대 위치에 층을 배치하도록 구성된다. 예를 들어, 제어 논리 장치(402)는 이동 스테이지(136) 상에 배치된 기판(134)의 이동 및/또는 이전에 증착/제작된 층 또는 구조의 이동을 개시하거나 지속시키거나 방지하도록 구성된다.
제어 논리 장치(402)는 프로세서와, I/O 서브시스템과, 하나 이상의 데이터 저장 장치, 및 통신 회로를 포함한다. 제어 논리 장치(402)는 다른 실시형태에서 전형적인 컴퓨팅 장치(예를 들어, 다양한 입력/출력 장치 및/또는 다른 구성요소)에서 일반적으로 발견되는 것과 같은 다른 또는 추가 구성요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 추가로, 일부 실시형태에서, 예시적인 구성요소 중 하나 이상은 또 다른 구성요소에 통합되거나, 또는 또 다른 구성요소의 일부를 형성할 수 있다. 제어 논리 장치(402)는 설명된 다양한 컴퓨팅 기능을 수행할 수 있는 모든 유형의 장치 또는 장치의 집합으로서 구현될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어 논리 장치(402)는 집적 회로, 임베디드 시스템(embedded system), 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(field-programmable gate array, FPGA), 단일 칩 시스템(system-on-a-chip, SOC), 주문형 집적회로(application-specific integrated circuit, ASIC), 재구성 가능한 하드웨어 또는 하드웨어 회로, 또는 본원에 설명된 기능의 수행을 가능하게 하는 기타 특수 하드웨어와 같은 단일 장치로 구현될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어 논리 장치(402)는 하나 이상의 프로세서(즉, 하나 이상의 중앙 처리 장치(CPU)) 및 메모리를 포함하거나 이로서 구현될 수 있다.
제어 논리 장치(402)의 프로세서(들)는 설명된 기능을 수행할 수 있는 모든 유형의 프로세서로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 제어 논리 장치(402)의 프로세서(들)는 하나 이상의 단일 코어 프로세서, 하나 이상의 멀티 코어 프로세서, 디지털 신호 프로세서, 마이크로컨트롤러, 또는 다른 프로세서 또는 처리/제어 회로(들)로서 구현될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어 논리 장치(402)의 프로세서(들)는 설명된 기능의 수행을 가능하게 하는 FPGA, ASIC, 재구성 가능한 하드웨어 또는 하드웨어 회로, 또는 다른 특수 하드웨어로서 구현되거나, 이를 포함하거나, 또는 이에 결합될 수 있다.
제어 논리 장치(402)의 메모리는 모든 유형의 휘발성(예를 들어, 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM) 등) 또는 설명된 기능을 수행할 수 있는 비휘발성 메모리 또는 데이터 저장 장치로서 구현될 수 있다. 제어 논리 장치(402)의 메모리는 메인 메모리(즉, 주 메모리) 및/또는 캐시 메모리(즉, 주 메모리보다 더 빠르게 액세스될 수 있는 메모리)를 포함할 수 있음을 알 것이다. 휘발성 메모리는 매체에 의해 저장된 데이터의 상태를 유지하기 위해 전원을 필요로 하는 저장 매체일 수 있다. 휘발성 메모리의 비제한적인 예는 DRAM 또는 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM)와 같은 다양한 유형의 랜덤 액세스 메모리(RAM)를 포함할 수 있다.
제어 논리 장치(402)의 프로세서는 프로세서, 메모리, 및 제어 논리 장치(402)의 다른 구성요소와의 입력/출력 동작을 가능하게 하기 위해 회로 및/또는 구성요소로서 구현될 수 있는 I/O 서브시스템을 통해 제어 논리 장치(402)의 다른 구성요소에 통신 가능하게 연결된다. 예를 들어, I/O 서브시스템은 메모리 컨트롤러 허브, 입력/출력 제어 허브, 통합 센서 허브, 펌웨어 장치, 통신 링크(예를 들어, 지점 간 링크, 버스 링크, 와이어, 케이블, 광 가이드, 인쇄 회로 기판 트레이스 등) 및/또는 입력/출력 동작을 가능하게 하는 기타 구성요소 및 서브시스템으로서 구현되거나, 또는 이를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, I/O 서브시스템은 단일 칩 시스템(SoC)의 일부를 형성할 수 있고, 프로세서 및 메모리 및/또는 제어 논리 장치(402)의 다른 구성요소와 함께 단일 집적 회로 칩에 통합될 수 있다.
제어 논리 장치(402)의 하나 이상의 데이터 저장 장치는 예를 들어 메모리 장치 및 회로, 메모리 카드, 하드 디스크 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브 또는 기타 데이터 저장 장치와 같은 데이터의 단기 또는 장기 저장을 위해 구성된 모든 유형의 저장 장치(들)로서 구현될 수 있다. 제어 논리 장치(402)의 각각의 데이터 저장 장치는 제어 논리 장치(402)의 데이터 저장 장치에 대한 데이터 및 펌웨어 코드를 저장하는 시스템 파티션을 포함할 수 있다. 제어 논리 장치(402)의 각각의 데이터 저장 장치는 또한 운영 체제용 데이터 파일 및 실행 가능 파일을 저장하는 운영 체제 파티션을 포함할 수 있다.
또한, 통신 회로는 제어 논리 장치(402)와 모터(404) 사이의 통신뿐만 아니라, 네트워크 트래픽의 유입/유출을 가능하게 하는 게이트웨이, 액세스 포인트, 기타 네트워크 스위치/라우터 등과 같은 임의의 네트워크 통신을 가능하게 할 수 있는 임의의 통신 회로, 장치, 또는 이들의 집합으로서 구현될 수 있다. 따라서, 제어 논리 장치(402)의 통신 회로는 이러한 통신을 달성하기 위해 임의의 하나 이상의 통신 기술(예를 들어, 무선 또는 유선 통신 기술) 및 관련 프로토콜(예를 들어, 이더넷, 블루투스(Bluetooth®), 와이파이(Wi-Fi®), 와이맥스(WiMAX), LTE, 5G 등)을 사용하도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 제어 논리 장치(402)의 통신 회로는, 네트워크 패킷 처리(예를 들어, 수신된 네트워크 패킷 분석, 각각의 수신된 네트워크 패킷에 대한 목적지 컴퓨팅 장치 결정, 제어 논리 장치(402)의 각각의 호스트 버퍼의 특정 버퍼 큐로의 네트워크 패킷 전달 등), 계산 기능 수행 등을 포함하는 본원에 설명된 기능을 수행하기 위한 파이프라인 논리(예를 들어, 하드웨어 알고리즘)을 수행하기 위해 특수 회로, 하드웨어, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있음을 알아야 한다.
일부 실시형태들에서, 제어 논리 장치(402)의 설명된 통신 회로의 기능 중 하나 이상의 수행은, 단일 칩 시스템(SoC)으로 구현되거나 제어 논리 장치(402)의 SoC의 일부를 형성할 수 있는 (예를 들어, 프로세서, 메모리 및/또는 제어 시스템(400)의 다른 구성요소와 함께 단일 집적 회로 칩에 통합될 수 있는) 제어 논리 장치(402)의 통신 회로의 특수 회로, 하드웨어, 또는 이들의 조합에 의해 수행될 수 있다. 대안으로, 특수 회로, 하드웨어, 또는 이들의 조합은 제어 시스템(400)의 하나 이상의 개별 처리 유닛으로서 구현될 수 있으며, 이들 각각은 설명된 기능 중 하나 이상을 수행할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 개시의 적층 나노제조 시스템(100)을 사용하여 생성된 다기능 재료의 이미지(500-A, 500-B, 500-C, 500-D)를 도시하고 있다. 광학 이미지(500-A)는 본 개시의 적층 나노제조 시스템(100)을 사용하여 인쇄된 이산화티타늄(TiO2) 재료의 예시적인 패턴(502)을 보여준다. 광학 이미지(500-B)는 패턴(502)의 재료 구조의 일부의 상세도를 나타낸다. 광학 이미지(500-B)에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 패턴(502)의 재료 구조는 실질적으로 고체이다. 광학 이미지(500-C)는 광학 이미지(500-B)에서 캡처된 재료 구조의 일부(506)의 상세도를 나타낸다. 이미지(500-D)는 광학 이미지(500-B 및 500-C)에서 캡처된 재료 구조의 일부의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다. 나타낸 바와 같이, 예를 들어, 요소(508)를 사용하여, 본 개시의 적층 나노제조 시스템(100)을 사용하여 생성되고 기판(134)으로 이송된 비정질 나노입자(118)는 미리 정의된 결정상(crystalline phase)으로 소결/결정화되고 더 큰 다기능 재료 구조로 통합된다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시의 적층 나노제조 장치를 사용하여 형성된 구조물(602 및 604)의 예시적인 레이아웃(600-A 및 600-B)을 각각 도시하고 있다. 구조물(602, 604)은 기판(606) 상에 형성될 수 있다. 기판(606)은 유연한 기판일 수 있고, 도 1을 참조하여 설명된 기판(134)과 동일하거나 상이할 수 있다. 구조물(602, 604) 각각은 하이브리드 ITO/BTO 구조물을 포함하고, 여기서 구조물(602)은 측면 배향을 갖고 구조물(604)은 수직 배향을 갖는다.
도 7은 나노입자 빌딩 블록의 원위치 순차적 증착 및 실시간 소결의 예시적인 구현형태(700)를 도시하고 있다. 이는 순차적 증착 및 소결/결정화 공정이다. 순차적 공정 구현형태의 제 1 단계(702) 동안, 비정질 나노입자(118)는 기판 상에 전달 및 증착될 수 있다. 제 2 단계(704) 동안 레이저 소결 펄스는 랜딩된 나노입자를 특정 결정상으로 만들고 레이저 에너지 및 귀환 속도(repatriation rate)에 따라 더 큰 구조물로 통합되게 한다. 공정이 계속됨에 따라(706), 비정질 나노입자(118)의 후속 증착은, 이전에 증착되고 결정화된 나노입자(708) 상에 층별 방식으로 랜딩한다. 제 1 세트의 결정화된 나노입자의 결정상은 후속 비정질 입자의 상 변환을 유도하거나, 또는 이에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 순차적 증착 및 소결/결정화 공정은, 결정질 및 비정질 나노입자 표면의 불충분한 배위 결합(undercoordinated bond) 사이의 계면 상호작용을 유발하여, 핵형성(nucleation) 및 성장 또는 유도된 결정화 공정을 통해 서로 부착되고 결정화된 구조를 형성할 수 있다.
도 8은 다기능 재료의 적층 나노제조를 위한 예시적인 공정(800)을 도시하고 있다. 공정(800)은 본 개시의 적층 제조 장치의 제어 논리 장치(402)가 타겟 캐러셀(120)의 다수의 타겟 중 하나를 제 1 레이저 빔(106)과 정렬되도록 배치하는 블록 802에서 시작할 수 있다. 제어 논리 장치(402)는, 블록 804에서, 제 1 레이저 빔을 사용하여, 타겟 캐러셀의 타겟 상에 배치된 타겟 재료의 삭마를 개시하여, 삭마 공정이 레이저 플룸의 생성을 유발하도록 한다. 블록 806에서, 제어 논리 장치(402)는 나노입자(118)의 응축 및 형성을 유발하기 위해 레이저 플룸과 혼합할 가스 흐름을 도입한다. 가스 흐름은 형성된 나노입자(118)를 노즐(124)의 구멍(126)을 향해 그리고 구멍(126)에 바로 인접하게 배치된 기판(134)을 향해 유도하도록 구성될 수 있다.
블록 808에서, 제어 논리 장치(402)는 기판(134) 상에 증착되는 나노입자(118)에 대응하여, 제 2 레이저 빔을 사용하여 나노입자(118)의 소결을 유발한다. 블록 810에서 제어 논리 장치(402)는 다기능 재료의 후속 층의 인쇄를 개시하기 위해 노즐(124) 및/또는 노즐(124)의 구멍(126)에 대한 원하는 상대 위치에 이전에 증착/제작된 층을 배치한다. 예를 들어, 제어 논리 장치(402)는 이동 스테이지(136) 상에 배치된 기판(134)을 이동시키고 및/또는 이전에 증착/제작된 층 또는 구조를 이동시킨다. 이후, 공정(800)이 종료될 수 있다. 일부 예에서, 공정(800)은 미리 정의된 신호 또는 명령에 대응하여 반복될 수 있다.
기존 공정은 다기능 재료 및 장치의 제작을 지원하지 않는다. 본 개시의 ANM 공정은 하이브리드 기능 구조로의 나노입자 빌딩 블록의 제어된 합성 및 조립을 위한 그리고 공정-구조-특성 관계를 이해하기 위한 비-평형 공정에 의존한다. 이러한 관계는 수명 주기 전반에 걸쳐 구조적 무결성, 기능 및 내구성이 향상된 장치를 제작하는 데 필수적이다. 이러한 혁신적인 접근 방식은 에너지 저장 및 변환에서부터 광전자 및 포토닉스에 이르는 차세대 혁신 기술을 가능하게 한다.
본 개시가 도면 및 상기한 설명에서 상세하게 예시되고 설명되었지만, 이러한 예시 및 설명은 예시적인 것으로 간주되어야 하고 특성에 있어서 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 하며, 단지 예시적인 실시형태가 도시되고 설명되었으며 본 개시의 사상 범위 안에 있는 모든 변경 및 수정은 보호되어야 함을 알아야 한다.
본원에 설명된 방법, 장치, 및 시스템의 다양한 특징으로 인해 발생하는 본 개시의 다수의 이점이 있다. 본 개시의 방법, 장치, 및 시스템의 대안적인 실시형태는 설명된 모든 특징을 포함하지 않을 수 있지만 여전히 이러한 특징의 이점 중 적어도 일부로부터 이익을 얻을 수 있다는 점에 주목해야 한다. 본 기술 분야의 숙련자는, 본 발명의 특징 중 하나 이상을 통합하고 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 개시의 사상 및 범위 내에 속하는 방법, 장치 및 시스템의 자체 구현형태를 쉽게 고안할 수 있다.

Claims (20)

  1. 챔버 및 챔버에 분리 가능하게 연결된 노즐로서, 노즐은 구멍을 한정하는, 챔버 및 노즐과;
    챔버 내에 배치된 타겟 캐러셀과;
    원위치 삭마를 수행하여 레이저 플룸을 생성하기 위해 타겟 캐러셀을 향해 유도된 제 1 레이저 빔을 생성하도록 구성된 제 1 레이저와;
    챔버 내에 가스를 공급하여, 가스가 레이저 플룸과 상호 작용하고 나노입자의 응축 및 형성을 유발하도록 구성된 가스 흐름 시스템; 및
    챔버의 내부를 통해, 노즐의 구멍을 통해, 그리고 장치 외부에 배치된 기판을 향해 유도된 제 2 레이저 빔을 생성하도록 구성된 제 2 레이저로서, 제 2 레이저 빔은 노즐을 빠져나가는 나노입자를 기판 상에서 소결 및 결정화하도록 구성되는, 제 2 레이저를 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    타겟 캐러셀은 플레이트의 제 1 측면 주위에 다수의 타겟 및 제 1 측면 반대편의 플레이트의 제 2 측면 주위에 샤프트를 포함하는 플레이트로 구성되고, 제 1 레이저 빔은 표적 중 적어도 하나에 초점을 맞추어 원위치 삭마를 수행하여 레이저 플룸을 형성하는, 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    각각의 타겟은 고체 펠릿을 포함하는, 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    노즐을 빠져나가는 나노입자는 스트림을 포함하고 캐리어 가스의 일정한 흐름에 의해 기판을 향해 운반되는, 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 레이저 각각의 플루언스(fluence), 반복율, 및 가스의 유속을 선택적으로 조정함으로써 레이저 플룸 및 나노입자의 스트림의 열중성자화 역학(thermalization dynamics)을 제어하도록 구성된 제어 논리를 더 포함하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    나노입자는 비정질 및 결정질 중 하나인, 장치.
  7. 제 1 레이저 빔을 생성하고, 원위치 삭마를 수행하여 레이저 플룸을 생성하기 위해, 챔버의 내부를 통해, 챔버 내에 배치된 타겟 캐러셀을 향해 생성된 제 1 레이저 빔을 유도하는 단계와;
    챔버 내에 가스를 공급하여, 가스가 레이저 플룸과 상호 작용하고, 나노입자의 응축 및 형성을 유발하며, 챔버에 분리 가능하게 결합된 노즐을 향해 나노입자의 흐름을 유도하도록 하는 단계로서, 노즐은 구멍을 한정하는, 단계; 및
    제 2 레이저 빔을 생성하고, 챔버의 내부를 통해, 노즐의 구멍을 통해, 그리고 챔버의 배출구에 배치된 기판을 향해 생성된 제 2 레이저 빔을 유도하도록 하는 단계로서, 제 2 레이저 빔은 노즐을 빠져나가는 나노입자를 기판 상에서 소결 및 결정화하도록 구성되는, 단계를 포함하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    타겟 캐러셀은 플레이트의 제 1 측면 주위에 다수의 타겟 및 제 1 측면 반대편의 플레이트의 제 2 측면 주위에 샤프트를 포함하는 플레이트로 구성되고, 제 1 레이저 빔은 표적 중 적어도 하나에 초점을 맞추어 원위치 삭마를 수행하여 레이저 플룸을 형성하는, 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    각각의 타겟은 고체 펠릿을 포함하는, 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    적어도 두 개의 펠릿이 서로 다른 재료를 포함하고, 따라서 각각의 재료에 대해 원위치 삭마를 연속적으로 수행하여 레이저 플룸을 형성하고, 가스를 공급하여 나노입자의 응축 및 형성을 유발하며, 기판 상의 나노입자의 소결 및 결정화는 다기능 재료의 형성을 유발하는, 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    다기능 재료는 적어도 두 개의 구성 재료를 갖는 복합체를 포함하는 하이브리드 재료로 구성되는, 방법.
  12. 챔버 내부에 레이저 플룸을 형성하기 위해 원위치 삭마를 개시하는 단계와;
    챔버 내에 가스를 공급하여, 가스가 레이저 플룸과 상호 작용하고 나노입자의 응축 및 형성을 유발하도록 하는 단계와;
    챔버의 내부를 통해 그리고 및 챔버의 배출구에 배치된 기판을 향해 나노입자를 유도하는 단계; 및
    챔버를 빠져나가는 나노입자를 기판 상에서 소결 및 결정화하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    원위치 삭마를 개시하는 단계는 제 1 레이저 빔을 생성하고, 챔버의 내부를 통해 타겟 캐러셀을 향해 생성된 제 1 레이저 빔을 유도하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    타겟 캐러셀은 플레이트의 제 1 측면 주위에 다수의 타겟 및 제 1 측면 반대편의 플레이트의 제 2 측면 주위에 샤프트를 포함하는 플레이트로 구성되고, 원위치 삭마를 개시하는 단계는 제 1 레이저 빔을 생성하고, 타겟 중 적어도 하나에 초점을 맞추도록 생성된 제 1 레이저 빔을 유도하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    각각의 타겟은 고체 펠릿을 포함하는, 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    적어도 두 개의 펠릿이 서로 다른 재료를 포함하고, 따라서 각각의 재료에 대해 원위치 삭마를 개시하여 레이저 플룸을 형성하고, 가스를 공급하여 나노입자의 응축 및 형성을 유발하고, 나노입자를 유도하며, 기판 상의 나노입자의 소결 및 결정화는 다기능 재료의 형성을 유발하는, 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    다기능 재료는 적어도 두 개의 구성 재료를 갖는 복합체를 포함하는 하이브리드 재료로 구성되는, 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    챔버를 빠져나가는 나노입자는 스트림을 포함하고 캐리어 가스의 일정한 흐름에 의해 기판을 향해 운반되는, 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    나노입자는 노즐을 통해 챔버를 빠져나가고, 노즐은 챔버에 분리 가능하게 결합되는, 방법.
  20. 제 12 항에 있어서,
    나노입자는 비정질 및 결정질 중 하나인, 방법.

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