KR101506403B1 - 전기방사 방식 패턴 형성 장치 - Google Patents

전기방사 방식 패턴 형성 장치 Download PDF

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Abstract

전기방사 방식 패턴 형성 장치가 개시된다. 전기방사 방식 패턴 형성 장치는 노즐, 스테이지 및 섬유 가이드부를 구비한다. 노즐은 제1 전압이 인가되고, 방사용액을 방사한다. 스테이지는 노즐 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 제2 전압이 인가된다. 섬유 가이드부는 노즐과 스테이지 사이에 배치되고, 노즐과 스테이지 사이에 형성된 전기장을 변형하여 노즐로부터 방사된 나노섬유에 스테이지에 평행한 일 방향으로 작용하는 힘을 인가한다. 이러한 전기방사 방식 패턴 형성 장치는 일방향으로 배열된 나노섬유 패턴을 형성할 수 있다.

Description

전기방사 방식 패턴 형성 장치{APPARATUS OF FORMING PATTERNS BY ELECTROSPINNING METHOD}
본 발명은 전기 방사 방식 패턴 형성 장치에 관한 것으로서, 전기 방사 방식으로 나노 섬유를 방사하여 일정한 패턴을 형성할 수 있다.
나노섬유를 제조하는 방법에는 드로윙(drawing), 주형 합성(template synthesis), 상전이(phase separation), 자기조립(self assembly), 전기방사(electrospinning) 등이 알려져 있다. 이들 방법 중 나노섬유를 연속적으로 제조할 수 있는 방법으로는 전기방사 방식이 일반적으로 적용되고 있다.
전기방사 방법은 방사 용액을 방사하는 노즐과 기판이 배치되는 스테이지 사이에 고전압을 인가하여 방사 용액의 표면장력보다 큰 전기장을 형성하여, 방사용액이 나노섬유 형태로 방사되도록 한다. 전기방사 방법으로 제조되는 나노섬유는 방사 용액의 점도, 탄성, 전도성, 유전성, 극성 및 표면장력 등의 소재 물성과 전기장의 세기, 노즐과 집적 전극 사이의 거리 등에 영향을 받는다.
전기방사법에 의한 나노섬유 형성방법은 널리 알려져 있는 기술이다. 한편, 이렇게 형성된 나노섬유를 원하는 방향으로 배열하려는 시도들이 있었으며, 그 대표적인 방법으로는 인접하게 형성된 전극에 전기방사를 하여 정렬된 나노섬유를 얻는 방법과 노즐과 기판사이의 거리를 매우 근접하게 유지하여, 나노섬유를 원하는 위치에 배열시키는 방법이 있다. 그러나 이 방법들은 실용화 측면에서 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 나노섬유를 일방향으로 배열시켜 미세 패턴을 정밀하게 형성할 수 있는 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치는 제1 전압이 인가되고 방사용액을 방사하는 노즐; 상기 노즐 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 제2 전압이 인가되는 스테이지; 및 상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 배치되고, 상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 노즐로부터 방사된 나노섬유에 상기 스테이지에 평행한 일 방향으로 작용하는 힘을 인가하는 섬유 가이드부를 포함한다.
일 실시예로, 상기 섬유 가이드부는 상기 노즐의 단부로부터 상기 스테이지에 수직한 방향으로 연장된 가상의 연장선을 기준으로 서로 대칭되게 배치되고, 각각 상기 연장선에 수직한 방향으로 연장된 제1 및 제2 가이드부를 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 가이드부는 상대 유전율이 약 50 이하인 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 가이드부는 스티로폼 재료, 테프론 재료, 나무 재료, 플라스틱 재료, 유리 재료, 석영 재료, 실리콘산화물 재료 등으로 형성될 수 있다.
일 실시예로, 상기 노즐의 단부와 상기 제1 및 제2 가이드부의 상부면이 위치하는 가상의 면 사이의 거리는 상기 노즐 단부와 상기 노즐단부에 형성되는 방추형상의 테일러콘으로부터 나노섬유가 형성되는 지점까지의 거리보다 작거나 같을 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 및 제2 가이드부 각각은 상기 연장선 방향으로의 두께가 약 5 mm를 초과할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 가이드부 각각의 두께는 약 10mm 이상일 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 및 제2 가이드부는 연장 방향으로의 길이는 약 10mm 이상 70mm 이하일 수 있다.
본 발명에 따르면, 낮은 상대유전율을 갖는 물질로 형성된 섬유 가이드부를 이용하여 노즐과 스테이지 사이의 전기장을 변형시켜 나노 섬유에 일 방향으로 작용하는 힘을 인가할 수 있으므로, 기판 상에 나노섬유를 일 방향으로 배열 및 위치시킬 수 있고, 그 결과 기판 상에 마이크로 스케일의 패턴을 기 설정된 위치에 정확하게 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 섬유 가이드부를 구비하지 않은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 섬유 가이드부를 구비하는 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서 X축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 측정한 사진들이다.
도 3은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 전기방식 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이다.
도 5는 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 좌표 및 Y축 좌표가 모두 '0'인 지점에서의 Z축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 나타내는 그래프이다.
도 6은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서 Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 측정한 사진들이다.
도 7은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 전기방식 방식 패턴 형성 장치에 있어서, Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이다.
도 9는 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 좌표가 '0'이고, Z축 좌표가 '30'인 지점에서의 Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 및 제2 가이드부의 Z-축 두께가 전기장에 미치는 영향을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 및 제2 가이드부의 Y-축 길이가 전기장에 미치는 영향을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에서 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되고 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치(1000)는 방사용액(10)을 전기방사하여 기판(미도시)에 원하는 미세 패턴을 직접 형성할 수 있다. 이를 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치(1000)는 용액 방사부(1100), 스테이지부(1200) 및 섬유 가이드부(1300)를 포함할 수 있다.
용액 방사부(1100)는 시린지(1110), 노즐(1120) 및 제1 전압발생장치(1130)를 포함할 수 있다.
시린지(1110)는 방사용액(10)을 수용할 수 있다. 방사용액(10)은 폴리머 등과 같은 유기재료 용액 또는 유기재료와 무기재료가 혼합된 유무기 복합재료 용액일 수 있고, 약 1 내지 200 poise의 점도를 가질 수 있다. 노즐(1120)은 시린지(1110)에 연결되고, 시린지(1110)에 수용된 방사용액(10)을 스테이지(1210) 방향으로 방사할 수 있다. 노즐(1120)은 전도성 물질, 예를 들면, 스테인레스 재질로 형성되고, 일정한 내경 및 외경을 가지는 미세관 형태를 가질 수 있다. 제1 전압발생장치(1130)는 노즐(1120)에 전기적으로 연결되고 노즐(1120)에 제1 전압을 인가할 수 있다. 일례로, 제1 전압발생장치(1130)는 노즐(1120)에 양(positive)의 극성을 가진 직류 전압(DC voltage)을 생성하여 노즐(1120)에 인가할 수 있다. 노즐(1120)에 인가되는 제1 전압의 크기는 필요에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 용액 방사부(110)는 시린지 펌프(1140)를 더 포함할 수 있다. 시린지 펌프(1140)는 시린지(1110)에 수용된 방사용액(10)이 노즐(1120)을 통하여 외부로 유출될 수 있도록, 시린지(1110)에 수용된 방사 용액(10)에 압력을 인가할 수 있다.
스테이지부(1200)는 스테이지(1210) 및 제2 전압발생장치(1220)를 구비할 수 있다.
스테이지(1210)는 방사 용액(10)이 방사되는 노즐(1120)의 단부와 소정 간격 이격되게 배치될 수 있다. 스테이지(1210)는 전도성 재질로 형성될 수 있다. 스테이지(1210) 상부에는 패턴이 형성될 기판(미도시)이 위치할 수 있다. 제2 전압발생장치(1220)는 스테이지(1210)와 전기적으로 연결되고, 노즐(1120)에 인가된 제1 전압과 다른 제2 전압을 생성하여 스테이지(1210)에 인가할 수 있다. 일례로, 제2 전압발생장치(1220)는 접지 전압을 생성하여 스테이지(1210)에 인가할 수 있다. 이와 달리, 제2 전압발생장치(1220)는 제1 전압과 극성이 다른 음(negative)의 전압 또는 제1 전압과 세기가 다른 양(positive)의 전압을 생성하여 스테이지(1210)에 인가할 수도 있다.
노즐(1120)과 스테이지(1210)에는 서로 다른 전압이 인가되므로, 노즐(1120)과 스테이지(1210) 사이에는 전압 차이로 인한 전기장이 형성될 수 있다. 노즐(1120)과 스테이지(1210) 사이에 전기장이 형성되지 않는 경우, 노즐(1120) 끝에 분포된 방사 용액(10)은 표면장력에 의하여 반구형 방울 형태로 노즐(1120) 끝에 매달려 있게 된다. 하지만, 노즐(1120)과 스테이지(1210) 사이에 전기장이 형성되면, 방사 용액(10)의 방울 표면에 노즐(1120)에 인가된 전압과 반대되는 극성의 전하가 유도되고, 방사 용액(10) 방울 표면에 유도된 전하는 표면장력과 반대되는 힘인 정전기력을 발생시킨다. 이러한 정전기력의 작용으로 인하여 노즐(1120) 끝에 매달려 있는 방사 용액(10) 방울은 테일러콘(Taylor cone)으로 알려진 원추형 모양으로 늘어나게 된다. 노즐(1120)과 스테이지(1210) 사이에 형성되는 전기장의 세기가 특정 임계 전기장의 세기보다 커지면, 방사 용액(10) 테일러콘의 끝으로부터 방사용액(10) 제트(Jet)가 방출되게 된다. 방사용액(10)의 점도가 낮은 경우, 이러한 방사용액(10) 제트는 미세 방울로 붕괴되나, 방사용액(10)의 점도가 높은 경우 표면장력 때문에 방사용액(10) 제트는 붕괴되지 않고 연속된 섬유 형태로 스테이지(1210) 방향으로 방사된다. 본 발명에 있어서는 방사 용액(10)이 약 1 내지 200 poise의 점도를 가지므로 섬유 형태로 방사될 수 있다. 방사용액(10) 테일러콘으로부터 방출되는 방사용액(10) 섬유는 나노 스케일의 직경을 가질 수 있다. 이하에서는 방사용액(10) 테일러콘으로부터 방출되는 '방사용액(10) 섬유'를 설명의 편의를 위하여 '나노 섬유'라 칭한다.
섬유 가이드부(1300)는 노즐(1120)로부터 방사된 나노 섬유의 진행방향을 가이드한다. 이를 위하여, 섬유 가이드부(1300)는 제1 가이드부(1310) 및 제2 가이드부(1320)를 구비할 수 있다. 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320)는 나노 섬유가 방사되는 노즐(1120)의 단부와 스테이지(1210) 사이에 위치하고, 일 방향(Y)으로 연장되어 서로 평행하며, 노즐(1120)의 연장선을 사이에 두고 서로 소정 간격으로 이격되게 배치된다. 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320) 각각의 형상은 특별히 제한되지 않고, 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320) 각각은 원형, 다각형, 반원, 타원 등의 단면을 갖는 막대 형상을 가질 수도 있고, 판(plate) 형상을 가질 수도 있다. 일례로, 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320) 각각은 스테이지(1210)에 수직한 단면이 사각형이고, 스테이지(1210)에 평행한 방향(Y)으로 연장된 막대 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320)는 노즐(1120)과 스테이지(1210) 사이에 형성된 전기장을 변형시킬 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320)는 상대 유전율(relative dielectric permittivity)이 낮은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320)는 상대 유전율이 약 50 이하인 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320)는 스티로폼, 테프론, 나무, 플라스틱 재료, 유리, 석영, 실리콘산화물 등의 물질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 예로, 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320)는 금속 물질로 형성될 수 있다.
도 2는 섬유 가이드부를 구비하지 않은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 섬유 가이드부를 구비하는 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서 X축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 측정한 사진들이다. 도 3은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 전기방식 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이며, 도 5는 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 좌표 및 Y축 좌표가 모두 '0'인 지점에서의 Z축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 나타내는 그래프이다. 도 3 및 도 4에 있어서, 'Z-(2) 곡선', 'Z-(12) 곡선', 'Z-(12) 곡선', 'Z-(32) 곡선', 'Z-(42) 곡선', 'Z-(52) 곡선' 및 'Z-(62) 곡선'은 Z축 좌표가 '2', '12', '22', '32', '42', '52' 및 '62'인 지점에서의 전기장의 Z축 성분 세기를 각각 나타낸다.
상기 X축은 스테이지(1210)에 평행하고, 제1 및 제2 가이드부의 연장방향인 Y축 방향에 수직한 방향을 나타내고, Z축은 상기 X축 및 Y축에 수직한 방향을 나타낸다. X축 좌표가 '0'인 지점은 노즐(1120)의 연장선이 위치하는 지점을 나타내고, Y축 좌표가 'O'인 지점 역시 노즐(1120)의 연장선이 위치하는 지점을 나타내며, Z축 좌표가 '0'인 지점은 스테이지의 표면상에 위치하는 지점을 나타낸다.
본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 및 제2 가이드부는 노즐의 연장선을 기준으로 서로 대칭되게 배치되고, Y축 방향으로의 길이가 50mm이고, X축 방향으로 폭이 30mm이며, Z축 방향으로의 두께가 30mm인 직육면체 형상을 갖는다. 제1 가이드부와 제2 가이드부의 이격간격은 20mm이이고, 제1 및 제2 가이드부의 상부면 및 하부면의 Z축 좌표는 각각 '45' 및 '15'이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서는, 노즐 단부로부터의 거리가 증가할수록, 즉, Z축 좌표가 감소할수록 전기장의 세기가 지속적으로 감소한다. 그리고 Z축 좌표가 동일할 경우, X축 좌표가 '0'인 위치에서 전기장의 세기가 가장 크고 X축 좌표가 '0'인 위치로부터의 거리가 증가할수록 전기장의 세기가 감소한다.
이에 반하여, 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서는, Z축 좌표가 '+15'와 '+45' 사이, 즉, 2개의 가이드부 사이에 위치하는 지점에 대한 'Z-(22) 곡선', 'Z-(32) 곡선' 및 'Z-(42) 곡선'은 Z축 좌표가 '+15' 미만인 지점에 대한 'Z-(12) 곡선' 및 'Z-(2) 곡선'보다 더 작은 전기장 세기를 나타낸다. 따라서 제1 및 제2 가이드부 사이를 통과하는 나노 섬유는 X축 방향이나 Y축 방향으로 작용하는 작은 힘에 의해서도 그 운동 방향이 변경될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 및 제2 가이드부 사이에 위치하는 경우인 'Z-(22) 곡선', 'Z-(32) 곡선' 및 'Z-(42) 곡선'에서는, 제1 및 제2 가이드부 사이의 공간, 즉, X 좌표가 '-10'과 '+10' 사이인 공간의 전기장 세기가 가장 크고, 제1 및 제2 가이드부의 내부 공간, 즉, X 좌표가 '-40'과 '-10'사이 및 '+10'과 '+40' 사이인 공간에서의 전기장 세기가 가장 작다. 따라서, 액적의 테일러콘으로부터 방출되는 하전된 나노 섬유가 제1 및 제2 가이드부 사이를 통과하는 경우, 나노 섬유는 X 좌표가 '0'인 방향으로 배열되는 힘을 받게 된다.
다만, 도 4의 'Z-(52) 곡선'의 경우, 제1 및 제2 가이드부의 상부면 바로 위에 위치하는 지점에서의 전기장 세기를 나타내는 것으로서 제1 및 제2 가이드부의 모서리에 의한 영향 때문에 X 좌표가 '-8'과 '+8' 사이인 영역에서의 전기장 세기가 이와 인접한 영역인 X 좌표가 '-10' 및 '+10'인 지점에서의 전기장 세기보다 작다. 하지만, Z축 좌표 '52'는 액적의 테일러콘으로부터 방사용액 제트(Jet)가 형성되기 시작하는 지점으로서, 이 위치에서는 방사용액 제트(Jet)가 충분한 크기의 직경을 가지고 있으므로 X 좌표가 '-10' 및 '+10'인 지점에서 전기장의 세기가 상대적으로 크더라도 방사용액 제트(Jet)가 전기장에 의해 거의 영향을 받지 않는다.
도 6은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서 Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 측정한 사진들이다. 도 7은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이고, 도 8은 본 발명에 따른 전기방식 방식 패턴 형성 장치에 있어서, Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이며, 도 9는 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 좌표가 '0'이고, Z축 좌표가 '30'인 지점에서의 Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 나타낸 그래프이다. 도 7 및 도 8에 있어서, 'Z-(2) 곡선', 'Z-(12) 곡선', 'Z-(12) 곡선', 'Z-(32) 곡선', 'Z-(42) 곡선', 'Z-(52) 곡선' 및 'Z-(62) 곡선'은 Z축 좌표가 '2', '12', '22', '32', '42', '52' 및 '62'인 지점에서의 전기장의 Z축 성분 세기를 각각 나타낸다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서는, 노즐 단부로부터의 거리가 증가할수록, 즉, Z축 좌표가 감소할수록 전기장의 세기가 지속적으로 감소한다. 그리고 Z축 좌표가 동일할 경우, Y축 좌표가 '0'인 위치에서 전기장의 세기가 가장 크고 Y축 좌표가 '0'이 위치로부터의 거리가 증가할수록 전기장의 세기가 감소한다.
이에 반하여, 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서는, Z축 좌표가 '+15'와 '+45' 사이, 즉, 2개의 가이드부 사이에 위치하는 지점들에 대한 'Z-(22) 곡선' 및 'Z-(32) 곡선'은 Z축 좌표가 '+15' 미만인 지점들에 대한 'Z-(12) 곡선' 및 'Z-(2) 곡선'보다 더 작은 전기장 세기를 나타낸다. 그리고 'Z-(22) 곡선' 및 'Z-(32) 곡선'에서는, 제1 및 제2 가이드부 사이의 공간, 즉, Y 좌표가 '-25'와 '+25' 사이 영역에서의 전기장 세기가 Y 좌표가 '-25' 미만이거나 '+25'를 초과하는 영역에서의 전기장 세기보다 작다. 특히, 도 9를 참조하면, 제1 및 제2 가이드부의 Z축 방향으로의 중앙 지점인 Z축 좌표가 '+30'인 위치에서의 전기장은 Y 좌표가 '-20'과 '+20' 사이의 제1 영역에서는 상대적으로 낮은 전기장 세기를 나타내고, 제1 및 제2 가이드부의 모서리 때문에 Y 좌표가 '-40'과 '-20' 사이의 영역 및 '+20'과 '+40'(미도시) 사이의 영역에서는 전기장의 세기가 상기 제1 영역보다 증가한다. 따라서, 제1 및 제2 가이드부 사이를 통과하는 나노 섬유는 '-40'과 '-20' 사이의 영역 또는 +20'과 '+40'(미도시) 사이의 영역에서의 증가된 전기장에 의해 Y축 방향으로 작용하는 힘을 받게 된다.
일반적으로 전기방사에서 하전된 나노섬유는 나노 스케일의 직경을 가지므로 방사용액의 용매가 빠르게 증발되고, 나노섬유가 띄고 있는 전하에 의해 쿨롬 반발력(Coulomb repulsion force)이 발생하며, 이는 나노섬유의 굽힘 불안정성(Bending instability)을 야기한다. 그 결과, 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서는, 상기 반발력이 최소화되는 방향으로 나노섬유가 신장되고 이에 의해 기판 상에 나노섬유가 무작위 방향으로 배열되게 된다. 이에 반하여, 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서는, 나노섬유의 굽힘 불안정성이 나타나기 시작하는 지점 부근에 제1 및 제2 가이드부가 배치되어 나노섬유에 Y축 방향들 중 하나의 방향으로 작용하는 힘을 인가하게 된다. Y축 방향들 중 하나의 방향으로 잡아당겨진 하전된 나노섬유의 표면에는 공간전하(Space charge)가 형성되고, 이는 뒤따르는 나노섬유 부분(상대적으로 노즐과 인접한 부분에 위치한 나노섬유의 어느 한 부분)이 반대편 방향으로 향할 수 있게 반발력을 작용하고, 이와 같은 작용이 반복적으로 일어나면 나노섬유는 Y축 방향으로 반복 운동을 하게 된다. 그 결과, 기판에는 Y축 방향으로 정렬된 나노섬유가 형성된다.
도 10은 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 및 제2 가이드부의 Z-축 두께가 전기장에 미치는 영향을 설명하기 위한 그래프이다. 도 10에 있어서, 각각의 곡선은 제1 및 제2 가이드부 사이의 가운데 지점, 즉, Z-축 좌표가 '30'이고, X-축 좌표가 '0'인 지점에서의 Y-축 좌표에 따른 전기장의 Z-축 성분의 세기를 나타낸다. 그리고 'H-(1) 곡선', 'H-(5) 곡선', 'H-(10) 곡선', 'H-(20) 곡선' 및 'H-(30) 곡선'은 제1 및 제2 가이드부의 Z-축 두께가 '1 mm', '5 mm', '10 mm', '20 mm' 및 '30 mm'인 경우를 각각 나타낸다. 도 10의 측정에 사용된 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 및 제2 가이드부는 노즐의 연장선을 기준으로 서로 대칭되게 배치되고, Y축 방향으로의 길이가 50mm이고, X축 방향으로 폭이 30mm이다. 그리고 제1 및 제2 가이드부의 Z-축 중심은 Z-축 좌표 '30'에 위치한다.
도 10을 참조하면, 제1 및 제2 가이드부의 두께가 5mm 이하인 경우, 전기장의 Z-축 성분 세기는 Y-축 좌표가 '0'인 위치에서 가장 크고, Y-축 좌표가 '0'에서 증가하거나 감소할수록 전기장의 Z-축 성분 세기는 감소함을 알 수 있고, 이 경우, 하전된 나노섬유에 Y-축 방향으로 작용하는 힘을 인가할 수 없어서 나노섬유를 Y-축 방향으로 배열시킬 수 없다. 따라서 제1 및 제2 가이드부의 두께는 약 5 mm를 초과하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 약 10 mm 이상인 것이 바람직하다.
도 11은 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 및 제2 가이드부의 Y-축 길이가 전기장에 미치는 영향을 설명하기 위한 그래프이다. 도 11에 있어서, 각각의 곡선은 제1 및 제2 가이드부 사이의 가운데 지점, 즉, Z-축 좌표가 '30'이고, X-축 좌표가 '0'인 지점에서의 Y-축 좌표에 따른 전기장의 Z-축 성분의 세기를 나타낸다. 그리고 'D-(10) 곡선', 'D-(30) 곡선', 'D-(50) 곡선', 'D-(70) 곡선', 'D-(100) 곡선' 및 'D-(150) 곡선'은 제1 및 제2 가이드부의 Y-축 길이가 '10 mm', '30 mm', '50 mm', '70 mm', 100 mm' 및 '150 mm'인 경우를 각각 나타내고, 'Ref 곡선'은 제1 및 제2 가이드부가 없는 경우를 나타낸다. 도 11의 측정에 사용된 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 및 제2 가이드부는 노즐의 연장선을 기준으로 서로 대칭되게 배치되고, Z축 방향으로의 두께가 30mm이며, X축 방향으로 폭이 30mm이다. 그리고 제1 및 제2 가이드부의 Y-축 중심은 Y-축 좌표 '0'에 위치한다.
도 11을 참조하면, 'D-(10) 곡선', 'D-(30) 곡선', 'D-(50) 곡선' 및 'D-(70) 곡선'에 있어서는 제1 및 제2 가이드부 사이의 영역에서의 전기장 세기보다 제1 및 제2 가이드부의 에지 영역에서의 전기장 세기가 더 크므로, 제1 및 제2 가이드부 사이를 통과하는 하전된 나노섬유에 Y-축 방향으로 작용하는 힘을 인가할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 가이드부의 Y-축 길이는 약 10mm 이상 70mm 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 섬유 가이드부를 이용하여 나노 섬유에 섬유 가이드부의 연장방향과 평행한 방향으로 힘을 인가하는 전기장을 형성하여 기판 상에 나노섬유를 일 방향으로 배열 및 위치시킬 수 있고, 그 결과 기판 상에 마이크로 스케일의 패턴을 기 설정된 위치에 정확하게 형성할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 실용신안등록 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1000: 전기방사 방식 패턴 형성 장치 1100: 용액 방사부
1110: 시린지 1120: 노즐
1130: 제1 전압발생장치 1200: 스테이지부
1210: 스테이지 1220: 제2 전압발생장치
1300: 섬유 가이드부 1310: 제1 가이드부
1320: 제2 가이드부

Claims (8)

  1. 제1 전압이 인가되고, 방사용액을 방사하는 노즐;
    상기 노즐 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 제2 전압이 인가되는 스테이지; 및
    상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 배치되고, 상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 노즐로부터 방사된 나노섬유에 상기 스테이지에 평행한 일 방향으로 작용하는 힘을 인가하는 섬유 가이드부를 포함하고,
    상기 섬유 가이드부는,
    상기 노즐의 단부로부터 상기 스테이지에 수직한 방향으로 연장된 가상의 연장선을 기준으로 서로 대칭되게 배치되고, 각각 상기 연장선에 수직한 방향으로 연장된 제1 및 제2 가이드부를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 가이드부 각각은 상대 유전율이 50 이하인 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가이드부 각각은,
    스티로폼 재료, 테프론 재료, 나무 재료, 플라스틱 재료, 유리 재료, 석영 재료, 실리콘산화물 재료로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  4. 제1 전압이 인가되고, 방사용액을 방사하는 노즐;
    상기 노즐 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 제2 전압이 인가되는 스테이지; 및
    상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 배치되고, 상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 노즐로부터 방사된 나노섬유에 상기 스테이지에 평행한 일 방향으로 작용하는 힘을 인가하는 섬유 가이드부를 포함하고,
    상기 섬유 가이드부는,
    상기 노즐의 단부로부터 상기 스테이지에 수직한 방향으로 연장된 가상의 연장선을 기준으로 서로 대칭되고 평행하게 배치되고, 각각 상기 연장선에 수직한 방향으로 연장된 제1 및 제2 가이드부를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 가이드부 각각은 상기 연장선 방향으로의 두께가 5 mm를 초과하고 상기 제1 및 제2 가이드부의 연장 방향으로의 길이가 10 mm 이상 70 mm 이하인 직육면체 막대 형상을 가지며,
    상기 제1 및 제2 가이드부 각각은 금속으로 형성된 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 노즐의 단부와 상기 제1 및 제2 가이드부의 상부면이 위치하는 가상의 면 사이의 거리는 상기 노즐 단부와 상기 노즐단부에 형성되는 방추형상의 테일러콘으로부터 나노섬유가 형성되는 지점까지의 거리보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가이드부 각각은 상기 연장선 방향으로의 두께가 5 mm를 초과하는 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가이드부 각각의 두께는 10mm 이상인 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가이드부는 연장 방향으로의 길이가 10mm 이상 70mm 이하인 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
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