KR101469380B1 - 절단된 나노구조체 제조 장치 및 방법 - Google Patents

절단된 나노구조체 제조 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

나노구조체 제조 장치가 개시된다. 나노구조체 제조 장치는 노즐; 상기 노즐에 전압을 인가하는 전압 인가부; 및 상기 노즐에 인가된 전압에 의해 생성된 전기장 힘에 의해 상기 노즐의 끝단에서 길게 연신되는 유체를 일정한 길이로 연속적으로 절단하는 유체 절단부를 포함한다.

Description

절단된 나노구조체 제조 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING CUTTED NANOSTRUCTURE}
본 발명은 나노구조체 제조 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절단된 나노와이어, 나노섬유, 나노로드 등을 포함하는 1차원 나노구조체를 제조하는 장치에 관한 것이다.
최근 전자기술이 발전하면서 투명하고, 휠 수 있고(Flexible), 구부릴 수 있을(Bendable) 뿐만 아니라, 펼 수 있는(Stretchable) 기술이 차세대 기술로 부각되고 있다. 이로 인해 휘거나 펼쳤을 때 전기적 성능을 유지할 수 있고 파손 및 충격에 강한 기계적 성능을 가지는 재료에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
1차원 나노구조체는 상술한 전기적 성능을 구현할 수 있어 투명전극, 에너지 하베스팅, 바이오 센서 등 다양한 분야에서 연구개발이 이루어지고 있다. 전기방사(Electrospinning) 공정은 다양한 유·무기(Organic·inorganic)재료로 1차원 나노구조체를 제작할 수 있는 기술로 오랫동안 연구되고 있다.
전기방사 공정은 노즐과 스테이지 사이에 형성된 전기장 힘에 의해 노즐 끝단에서 유체가 길게 연신되고, 연신된 유체가 고형화되면서 1차원 나노 구조체를 형성한다.
일반적인 전기방사 공정의 경우, 유체가 노즐 끝단에서 연속적으로 연신되므로 나노구조체의 정렬이 쉽지 않을 뿐만 아니라 정렬 시 많은 시간을 필요로 한다. 또한, 나노구조체가 불규칙한 길이로 절단되며, 원하는 위치에 나노구조체를 구현하기 어렵다.
한국공개특허 10-2010-0021904
본 발명은 균일한 길이로 나노 구조체를 절단할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 나노 구조체의 절단 길이를 조절할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 나노구조체 제조 장치는 노즐; 상기 노즐에 전압을 인가하는 전압 인가부; 상기 노즐에 인가된 전압에 의해 생성된 전기장 힘에 의해 상기 노즐의 끝단에서 길게 연신되는 유체를 일정한 길이로 연속적으로 절단하는 유체 절단부를 포함한다.
또한, 상기 유체 절단부는 상기 노즐의 끝단에서 길게 연신된 유체에 레이저를 일정 주기로 인가하는 레이저 인가부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유체 절단부는 상기 레이저 인가부에서 인가되는 레이저의 인가 주기를 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저 인가부는 상기 노즐의 끝단에 인접한 영역으로 레이저를 인가할 수 있다.
또한, 상기 유체 절단부는 상기 노즐 내의 유체에 압력을 일정 주기로 가하는 압력 인가부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 압력 인가부는 상기 노즐의 외측에 장착되는 피에조(piezo)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 압력 인가부는 상기 노즐의 외측에 장착되는 히터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유체 절단부는 상기 노즐의 끝단에서 길게 연신된 유체를 사이에 두고 서로 마주하는 한 쌍의 전극; 및 상기 전극에 일정 주기로 전압을 인가하는 전압 인가부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극은 상기 노즐의 끝단에 인접하여 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나노구조체 제조 방법은 노즐에서 제팅되는 유체에 전기장을 가하는 단계; 상기 전기장에 의해 상기 노즐의 끝단에서 길게 연신된 유체를 일정한 길이로 연속적으로 절단하는 단계; 및 일정 길이로 절단된 상기 유체가 고형화된 나노구조체를 수집하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 유체를 절단하는 단계는 상기 노즐의 끝단에서 길게 연신된 유체에 레이저를 일정 주기로 인가할 수 있다.
또한, 상기 레이저는 상기 노즐의 끝단에 인접한 영역으로 인가될 수 있다.
또한, 상기 유체를 절단하는 단계는 상기 노즐에 일정 주기로 진동을 인가할 수 있다.
또한, 상기 유체를 절단하는 단계는 상기 노즐에 일정 주기로 열을 인가할 수 있다.
또한, 상기 유체를 절단하는 단계는 상기 노즐의 끝단에서 길게 연신된 유체를 사이에 두고 서로 마주하는 한 쌍의 전극에 전압을 주기적으로 인가할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 노즐의 끝단에서 연신되는 유체를 일정 주기로 절단할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 노즐의 끝단에서 연신되는 유체를 절단하는 주기 조절로 나노 구조체의 절단 길이를 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조체 제조장치를 간략하게 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 서로 다른 실시예에 따른 나노구조체 제조장치를 간략하게 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조체 제조장치를 간략하게 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 나노구조체 제조장치(100)는 전기 방사(Electrospinning) 공정으로 1차원 나노구조체를 형성한다. 1차원 나노 구조체는 나노와이어(Nanowire), 나노섬유(Nanofiber), 그리고 나노로드(Nanorod) 등을 포함한다.
나노구조체 제조장치(100)는 스테이지(110), 콜렉터(111), 노즐(120), 전압 인가부(130), 그리고 유체 절단부(140)를 포함한다.
스테이지(110)는 소정 면적을 갖는 판으로, 상면에 콜렉터(111)가 놓인다. 스테이지(110)의 상면에 콜렉터(111)가 배치된 채로, 스테이지(110)는 움직일 수 있다.
콜렉터(111)는 소자, 회로, 전극 등의 제작이 가능한 기판일 수 있다. 콜렉터(111)는 패턴 형성이 가능한 재질로 제공된다. 예를 들어, 콜렉터(111)는 알루미늄, ITO, 종이, 유리, 폴리에틸렌테레프텔레이트(PET)수지, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)수지, 폴리에스터설폰(PES)수지, 폴리카보네이트(PC)수지, 폴리이미드(PI)수지, 아릴라이트(Arylite)수지, 시클릭 올레핀 공중합체(COC)수지, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)수지, 폴리아미드(PA)수지 그리고 폴리에테르이미드(PEI)수지 중 어느 하나의 재질 또는 이들이 혼합된 재질로 제공될 수 있다.
노즐(120)은 스테이지(110)의 상부에서 유체(11)를 토출한다. 유체(11)는 유·무기 재료를 용매에 녹인 용액으로 제공될 수 있다. 유체(11)는 PEO, PVDF 등의 폴리머(Polymer) 계열이나 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 산화아연(ZnO, Zinc-oxide), PZT, BaTiO3 등의 무기(Inorganic) 계열 중에서 선택된 어느 하나 이상의 재질을 포함할 수 있다.
전압 인가부(130)는 노즐(120)에 전압을 인가할 수 있다. 전압 인가부(130)는 노즐(120)에 직접 또는 간접적으로 전압을 인가한다. 전압 인가부(130)는 (+)전압 또는 (-)전압을 인가할 수 있다. 전압 인가부(130)는 100V~50kV의 전압을 인가할 수 있다.
노즐(120)에 전압이 인가되는 동안, 스테이지(110) 또는 콜렉터(111) 중 적어도 어느 하나는 접지될 수 있다. 이로 인해, 스테이지(110)와 노즐(120) 사이, 또는 노즐(120)과 콜렉터(111) 사이에 전위차가 발생될 수 있다.
스테이지(110)와 노즐(120) 사이, 또는 노즐(120)과 콜렉터(1110) 사이의 전위 차에 의해 전기장이 발생하고, 전기장 힘에 의해 노즐(120) 끝단에는 유체 메니스커스(meniscus, m)가 형성된다. 전기장 힘에 의해 노즐(120)의 끝단에서 유체(11)가 아래로 길게 연신(elongation)된다.
상술된 바와 달리, 스테이지(110)와 노즐(120) 사이에 전위차를 형성하는 방법은 다양하게 변경될 수 있다.
유체 절단부(140)는 노즐(120)의 끝단에서 길게 연신된 유체(11)를 일정 주기로 연속적으로 절단한다. 유체 절단부(140)는 레이저 인가부(141)와 제어부(142)를 포함한다.
레이저 인가부(141)는 노즐(120)의 끝단에서 길게 연신되는 유체(11)에 레이저(L)를 인가한다. 레이저 인가부(141)는 노즐(120) 끝단에 인접한 영역으로 레이저(L)를 인가한다. 레이저(L)의 인가로, 연신된 유체(11)는 절단된다. 레이저 인가부(131)는 일정 주기로 레이저(L)를 인가하며, 유체(11)는 일정 길이로 절단된다. 레이저 인가부(141)는 나노초(Nano-seoncd), 피코초(Pico-second), 펨토초(Femto-second), Nd-YAG, CO2 레이저 등과 같이 열을 발생시킬 수 있는 레이저(L)를 인가할 수 있다.
제어부(142)는 레이저 인가부(141)에서의 레이저(L) 인가 주기를 제어한다. 레이저(L)의 인가 주기 조절은 유체(11)의 절단 길이를 조절한다.
절단된 유체(12)는 용매가 증발하면서 고형화(Solidification)되어 나노 구조체를 형성한다. 나노 구조체(12)는 콜렉터(111) 에 수집된다. 수집된 나노 구조체(12)들은 균일한 길이를 갖는다. 이와는 달리, 콜렉터(111)가 생략되는 경우, 나노 구조체(12)는 스테이지(110)에 수집될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조체 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 나노 구조체 제조 장치(100')는 유체 절단부(150)를 제외한 구성은 도 1의 장치와 동일한 구성을 가지므로 자세한 설명은 생략한다.
유체 절단부(150)는 압력 인가부를 포함한다. 압력 인가부(150)는 노즐(120)의 외측에 장착되어 노즐(120) 내의 유체를 일정 주기로 가압한다. 유체에 가해진 압력은 일정 기간 동안 유체(11)의 토출을 방해하며, 이로 인해 노즐(120)의 끝단에서는 유체(11)가 일정 길이로 절단되면서 토출된다. 압력 인가부(150)는 유체(11)를 가압하는 주기 조절로 유체(11)의 절단 길이를 조절할 수 있다. 압력 인가부(150)는 노즐의 상단에 제공될 수 있다. 이와 달리 도 3과 같이, 압력 인가부(160)는 노즐(120)의 측부에 제공될 수 있다.
압력 인가부(150, 160)는 피에조(Piezo) 또는 히터(Heater)로 제공될 수 있다.
피에조는 일정 주파수의 진동을 발생시켜 노즐(120) 내 유체에 압력을 가한다. 피에조는 PZT(Lead zirconate titanate), 쿼츠(Quartz), PVDF(Poly vinyl methacrylate), ZnO(Zinc Oxide) 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
히터는 노즐(120) 내 유체에 공기 버블(Bubble)을 순간적으로 생성시켜 유체에 압력을 가한다. 히터는 니크롬(Nichrome), 철-크롬(Fe-Chromium) 등의 전기저항선용 재료나 PbTe, ZnSb, SiGe 등의 열전 재료 중 어느 하나 이상의 재질로 제공될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노구조체 제조장치를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 유체 절단부(170)는 전극(171)과 전압 인가부(미도시)를 포함한다.
전극(171)은 한 쌍 제공되며, 노즐(120)의 끝단 하부에 위치한다. 전극(171)은 노즐(120)의 끝단에서 길게 연신되는 유체(11)를 사이에 두고 마주 배치된다. 전극(171)은 텅스텐(Tungsten), 니켈(Nickel) 등의 전도성 물질을 포함할 수 있다.
전압 인가부는 전극(171)에 전압을 일정 주기로 인가한다. 전압의 인가로 노즐(120)의 끝단에서 연신되는 유체는 일정 길이로 절단된다. 절단된 유체(12)는 용매가 증발하면서 고형화되어 나노구조체를 형성하며, 콜렉터(111)에 수집된다.
이하, 나노 구조체를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
나노 구조체 제조 방법은 스테이지(110)와 노즐(120)에서 제팅되는 유체에 전기장을 가하는 단계, 상기 전기장에 의해 노즐(120)의 끝단에서 길게 연신된 유체(11)를 일정한 길이로 연속적으로 절단하는 단계, 그리고 일정 길이로 절단된 유체(12)가 고형화된 나노구조체를 수집하는 단계를 포함한다.
도 1을 참조하면, 전압 인가부(130)에서의 전압 인가로, 스테이지(110)와 노즐(120) 사이, 또는 콜렉터(111)와 노즐(120) 사이에 전위차가 발생한다. 전위차로 인해, 스테이지(110)와 노즐(120) 사이, 또는 콜렉터(111)와 노즐(120) 사이에 전기장이 형성되며, 전기장 힘에 의해 노즐(120)의 끝단에서 유체(11)가 아래로 길게 연신된다.
레이저 인가부(141)는 노즐(120)의 끝단에 연신된 유체(11)에 레이저(L)를 일정 주기로 인가하여 유체(11)를 절단한다. 절단된 유체(12)는 용매가 증발하면서 고형화되어 균일한 길이를 갖는 나노구조체를 형성한다.
다른 실시예에 의하면, 도 2 및 도 3과 같이 압력 인가부(150)가 노즐(120) 내의 유체를 일정 주기로 가압한다. 압력 인가부(150)는 진동을 발생시켜 노즐(120) 내 유체를 가압하거나, 열을 발생시켜 노즐(120) 내 유체를 가압할 수 있다. 유체에 가해진 압력으로 일정 기간 동안 노즐(120)에서 유체(11)가 토출되지 않으며, 스테이지(110) 또는 콜렉터(111)에는 유체(12)가 균일한 길이로 수집된다.
또 다른 실시예에 의하면, 도 4와 같이 노즐(120)의 하부에 위치한 전극(171)에 전압을 일정 주기로 인가함으로써, 노즐(120) 끝단에서 연신되는 유체를 일정 길이로 절단할 수 있다.
절단된 유체(12)는 용매가 증발하면서 고형화되어 나노구조체를 형성하며, 스테이지(110) 또는 콜렉터(111)에 수집된다.
상술한 방법에 의해 수집된 나노구조체는 디스플레이의 터치 센서, 바이오 센서, 태양전지, 나노제너레이터, 투명전극 제작, 생체모방 조직 제작 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100: 나노구조체 제조장치 110: 스테이지
120: 노즐 130: 전압 인가부
140: 유체 절단부 141: 레이저 인가부
142: 제어부 150, 160: 압력 인가부
170: 유체 절단부 171: 전극

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 노즐;
    상기 노즐에 전압을 인가하는 전압 인가부; 및
    상기 노즐에 인가된 전압에 의해 생성된 전기장 힘에 의해 상기 노즐의 끝단에서 길게 연신되는 유체를 일정한 길이로 연속적으로 절단하는 유체 절단부를 포함하되,
    상기 유체 절단부는 상기 노즐의 끝단에서 길게 연신된 유체에 레이저를 일정 주기로 인가하는 레이저 인가부를 포함하는 나노 구조체 제조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유체 절단부는 상기 레이저 인가부에서 인가되는 레이저의 인가 주기를 조절하는 제어부를 더 포함하는 나노 구조체 제조 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 인가부는
    상기 노즐의 끝단에 인접한 영역으로 레이저를 인가하는 나노 구조체 제조 장치.
  5. 노즐;
    상기 노즐에 전압을 인가하는 전압 인가부; 및
    상기 노즐에 인가된 전압에 의해 생성된 전기장 힘에 의해 상기 노즐의 끝단에서 길게 연신되는 유체를 일정한 길이로 연속적으로 절단하는 유체 절단부를 포함하되,
    상기 유체 절단부는 상기 노즐 내의 유체에 압력을 일정 주기로 가하는 압력 인가부를 포함하고,
    상기 압력 인가부는 상기 노즐의 외측에 장착되는 히터를 포함하는 나노 구조체 제조 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 압력 인가부는 상기 노즐의 외측에 장착되는 피에조(piezo)를 포함하는 나노 구조체 제조 장치.
  7. 삭제
  8. 노즐;
    상기 노즐에 전압을 인가하는 전압 인가부; 및
    상기 노즐에 인가된 전압에 의해 생성된 전기장 힘에 의해 상기 노즐의 끝단에서 길게 연신되는 유체를 일정한 길이로 연속적으로 절단하는 유체 절단부를 포함하되,
    상기 유체 절단부는
    상기 노즐의 끝단에서 길게 연신된 유체를 사이에 두고 서로 마주하는 한 쌍의 전극; 및
    상기 전극에 일정 주기로 전압을 인가하는 전압 인가부를 포함하는 나노 구조체 제조 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 노즐의 끝단에 인접하여 위치하는 나노 구조체 제조 장치.
  10. 삭제
  11. 노즐에서 제팅되는 유체에 전기장을 가하는 단계;
    상기 전기장에 의해 상기 노즐의 끝단에서 길게 연신된 상기 유체를 일정한 길이로 연속적으로 절단하는 단계; 및
    일정 길이로 절단된 상기 유체가 고형화된 나노구조체를 수집하는 단계를 포함하되,
    상기 유체를 절단하는 단계는
    상기 노즐의 끝단에서 길게 연신된 유체에 레이저를 일정 주기로 인가하는 나노구조체 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 레이저는 상기 노즐의 끝단에 인접한 영역으로 인가되는 나노구조체 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 노즐에서 제팅되는 유체에 전기장을 가하는 단계;
    상기 전기장에 의해 상기 노즐의 끝단에서 길게 연신된 상기 유체를 일정한 길이로 연속적으로 절단하는 단계; 및
    일정 길이로 절단된 상기 유체가 고형화된 나노구조체를 수집하는 단계를 포함하되,
    상기 유체를 절단하는 단계는 상기 노즐에 일정 주기로 진동 및 열을 인가하는 나노구조체 제조 방법.
  15. 노즐에서 제팅되는 유체에 전기장을 가하는 단계;
    상기 전기장에 의해 상기 노즐의 끝단에서 길게 연신된 상기 유체를 일정한 길이로 연속적으로 절단하는 단계; 및
    일정 길이로 절단된 상기 유체가 고형화된 나노구조체를 수집하는 단계를 포함하되,
    상기 유체를 절단하는 단계는
    상기 노즐의 끝단에서 길게 연신된 유체를 사이에 두고 서로 마주하는 한 쌍의 전극에 전압을 주기적으로 인가하는 나노구조체 제조 방법.
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