전자 제품을 제조하기 위해 인쇄 기술을 사용한다는 아이디어는 20세기 초로 거슬러 올라갑니다. 그러나 대량 제조에 대한 사용은 1950년대까지 널리 보급되지 않았습니다. 그 당시에는 포토 플로터를 사용하여 투명한 마일라 또는 유리 기판에 마스터 아트웍 회로 패턴을 생성했습니다. 그런 다음 마스터 아트웍 회로 패턴을 포지티브 포토레지스트 재료로 코팅된 구리 피복 라미네이트 위에 전사했습니다. 빛에 노출되면 회로 패턴으로 마스킹되지 않은 포토레지스트가 용해되어 씻어내어 레지스트 재료로 덮인 원하는 회로 패턴만 남길 수 있습니다. 그런 다음 원하는 회로 패턴을 남기는 노출된 구리를 제거하기 위해 에칭 프로세스가 사용되었습니다. 회로패턴에 남아있는 포토레지스트를 제거한 후, 저항, 커패시터, 집적 회로와 같은 전기 부품을 장착하기 위해 보드에 구멍을 뚫고 도금했습니다. PCB(인쇄 회로 기판) 제조 공정을 완료하는 회로에 구성 요소를 전기적으로 연결하기 위해 웨이브 솔더링 공정이 사용되었습니다.

보다 최근에는 잉크젯 및 스크린 인쇄와 같은 다른 그래픽 인쇄 기술이 인쇄 회로 기판을 제조하는 데 사용되었습니다. 이러한 모든 프로세스는 전자 산업에 도움이 되지만 한계가 있습니다. 예를 들어, 사진 플로팅의 경우 디자인 변경을 구현하려면 새로운 마스터 아트웍이 필요하며 프로세스는 환경 친화적이지 않습니다. 그리고 이 모든 공정은 종이에 인쇄하도록 개발되었기 때문에 평평한 표면에서 회로를 제조하는 데에만 사용할 수 있습니다.

결과적으로 1990년대 후반에 DARPA(Defense Advanced Research Program Agency)는 전자 인쇄용으로 특별히 설계된 새로운 도구를 개발하는 프로젝트를 시작했습니다. Mesoscale Integrated Conformal Electronics(MICE)라는 프로젝트의 목표는 다음과 같습니다.

“CAD 모델에서 직접 전자 제품을 신속하게 생산할 수 있는 단일 도구를 개발하십시오. 이 도구는 저온(<200˚C)을 포함하여 거의 모든 기판에서 등각 방식으로 견고하고 맞춤형 전자 부품을 생산하기 위해 다양한 재료의 처리를 지원해야 합니다.”

이 DARPA 프로그램에 따라 개발된 새로운 도구는 Aerosol Jet였으며 이것이 Aerosol Jet가 3D 인쇄 전자 제품을 위한 적층 제조 기술이 된 방법입니다.



전자 제품을 제조하는 데 사용할 수 있는 기존의 방법과 새로운 방법이 많이 있습니다. 대부분의 경우 이러한 방법은 그래픽 인쇄 방법의 적응 또는 인쇄 전자 제품을 위해 특별히 설계된 새로운 기술을 나타냅니다. 많은 2D 응용 프로그램의 경우 기존 제조 방법이 작동하지만 소비자 전자 제품, 항공 우주, 의료 및 사물 인터넷 응용 프로그램에 사용되는 더 작고 더 얇고 스마트한 연결 장치의 경우 새로운 3D 제조 방법이 필요합니다. 아래 차트는 이러한 응용 분야에 대한 Aerosol Jet 기술의 장점을 요약한 것입니다.

3D 인쇄 전자 제품을 위한 상위 10가지 에어로졸 제트 장점:

1. 디지털 인쇄 – 마스크나 스텐실 없음
2. 도금이나 에칭이 필요하지 않음
3. 10미크론에서 밀리미터에 이르는 기능 크기
4. 100나노미터에서 10미크론까지의 인쇄 두께
5. 비평면 및 3D 표면의 등각 인쇄
6. 인쇄 상호 연결 및 능동/수동 구성 요소
7. 시중에서 구할 수 있는 재료를 사용하여 인쇄
8. 바이오 소재 인쇄
9. 플라스틱, 세라믹 및 금속 기질에 인쇄
10. 대량 생산 요구 사항을 지원하도록 확장 가능







그림 1 3D 인쇄 전자 장치를 위한 에어로졸 제트 공정 개략도
1) 초음파 분무기에 배치된 기능성 잉크,
2) 생성된 약 2-5um의 고부하 에어로졸 액적,
3) 흐름에 따라 빔 직경 10um ~ 2.5mm를 생성하는 시스 가스 집중 에어로졸 미스트 속도 및 노즐 직경,
4) 빔이 약 50m/초의 속도로 노즐을 빠져나와 기판으로 이동하는 동안 초점을 유지,
5) 긴 빔 초점 길이로 불균일한 표면 및 3D 기판에 인쇄 가능



Aerosol Jet 프로세스는 공기역학적 포커싱을 사용하여 전자 잉크를 기판에 정확하고 정확하게 증착합니다. 잉크를 분무기(1)에 넣으면 직경 1~5마이크론(2) 사이의 재료가 들어 있는 방울의 짙은 안개가 생성됩니다. 그런 다음 에어로졸 미스트는 환형 링으로 에어로졸을 둘러싸는 덮개 가스(3)에 의해 집중되는 증착 헤드로 전달됩니다.
시스 가스와 에어로졸이 프로파일 노즐을 통과하면 가속되어 에어로졸이 시스 가스(4) 내부를 흐르는 방울의 촘촘한 흐름으로 '집중'됩니다. 피복 가스는 막힘을 방지하는 재료 접촉으로부터 노즐을 절연시키는 역할도 합니다. 시스템에 사용되는 가스는 일반적으로 깨끗하고 건조한 질소 또는 압축 공기입니다. 생성된 고속 입자 스트림은 2~5mm 거리에 걸쳐 노즐에서 기판으로 이동하는 동안 비균일 및 3D 기판(5)에서 피쳐 해상도를 유지하면서 초점을 유지합니다. 시스템은 벡터 기반 도구 경로를 만들기 위해 변환된 표준 CAD 데이터에 의해 구동됩니다. 이 도구 경로를 사용하면 2D 또는 3D 모션 제어 시스템을 구동하여 잉크를 패턴화할 수 있습니다. 인쇄된 기능의 범위는 10미크론에서 밀리미터입니다.





· 도구 경로 내보내기를 위한 2D Gerber/DXF 및 3D CAD/CAM 기반 소프트웨어 도구
· 중립 또는 기본 CAD 형식 가져오기
· 부품에 직접 인쇄 형상을 가져오거나 CAM 도구에서 생성
· 선 너비 및 두께 정의
· 2, 3, 4, 5축 공구 경로 생성
· 교육 및 지원



· 충돌 감지
· 다중 기계 구성
· 경로 최적화
· 인쇄 시간/재료 사용량 추정기



· 인쇄물, 기판 및 처리 단계별
· 특정 피처 크기, 전기적 및 접착 성능
· 완전 자동화, 손을 떼지 않음
· Optomec의 입증된 안정성 및 성능



· 주요 프로세스 매개변수 모니터링
· 자동화된 프로세스 레시피는 특정 기능 크기를 생성합니다.
· 일관된 출력 및 기능 크기 반복성
· 손쉬운 기능 및 두께 확장



교육 및 학습, CAD 가져오기, 임베디드 프로세스 제어
손쉬운 설정 및 저장 가능한 기계 구성
Windows 기반 사용자 인터페이스
정렬을 위한 임베디드 비전 도구
완전 자동화된 레시피 개발


Aerosol Jet 프린터는 금속 나노입자 잉크, 희석된 후막 페이스트, 열경화성 폴리머, UV 경화성 포토폴리머 및 폴리이미드 및 폴리우레탄과 같은 용매 기반 폴리머를 포함하여 상업적으로 이용 가능한 광범위한 재료를 지원합니다. 전통적인 오븐 소결에서 UV 경화, 심지어 레이저 소결에 이르기까지 다양한 후처리 방법을 통해 이러한 재료가 기능을 발휘할 수 있습니다.

은, 금, 백금 및 구리를 포함한 전도체 잉크는 각각의 녹는 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 인쇄하도록 개발되었습니다. 예를 들어, 여러 은 나노입자 기반 잉크는 120C에서 1시간 동안 다양한 기질에 강한 접착력(ASTM D3359를 통한 5B 결과)을 보였습니다. 이러한 금속의 대부분은 모든 시스템에서 옵션으로 제공되는 당사의 독점적인 레이저 소결 기술을 사용하여 실온에서 전도성으로 만들 수도 있습니다. 세라믹, 루테네이트 및 페라이트 기반 잉크도 인쇄할 수 있지만 기능화하려면 더 높은 온도에서 소성해야 합니다.

반도체, 저항기, 유전체 접착제 및 에칭 레지스트 제형도 Aerosol Jet 프린터를 사용하여 폴리에스터, 폴리이미드, 유리, C-Si, 세라믹, FR4 및 금속 재료를 비롯한 다양한 기판에 증착되었습니다. 단백질 및 DNA와 같은 생체 재료도 Aerosol Jet 프린터로 변성 또는 생체 활성 손실 없이 증착되었습니다. PLGA와 같은 생분해성 폴리머도 Aerosol Jet 프린터로 증착되었습니다.

유지 관리 중인 Optomec 고객은 모든 잉크 스타터 레시피에 액세스할 수 있습니다. 이러한 레시피에는 잉크 유형, 제조업체, 프로세스 설정, 인쇄 매개변수, 선 너비, 두께 및 저항률을 포함한 예상 인쇄 결과, 소결 시간, 기질 접착 및 기타 관련 정보에 관한 특정 참고 및 팁에 관한 정보가 포함됩니다. 생산 고객을 위해 Optomec은 특정 응용 분야에 대한 재료 선택을 포함하여 다양한 재료 최적화 서비스를 제공합니다. 특정 생산 처리량 요구 사항을 충족하기 위한 프로세스 개발. 재료가 다양한 환경 조건에서 특정 성능 목표를 충족하는지 확인하기 위한 환경 테스트. 고객별 제조 애플리케이션을 위한 즉시 사용 가능한 솔루션을 제공하는 전체 인쇄 프로세스 개발 및 최종 레시피 생성.

에어로졸 제트 시스템 재료/기판 매트릭스
Aerosol Jet Systems Material/Substrate Matrix

최소 피쳐 크기는 재료에 따라 다릅니다.
SiO2에 일관되게 인쇄된 최대 10μm의 특징
라인 간 피치는 최대 20μm까지 가능

사용자가 제어할 수 있는 최대 기능 크기:
넓은 노즐 프린트 헤드를 사용한 밀리미터 크기 기능
여러 패스의 경우 기능 사이즈는 기초 기질 크기