KR101688818B1 - 다중 노즐 전기방사 장치 - Google Patents

Abstract

다중 노즐 전기방사 장치가 개시된다. 다중 노즐 전기방사 장치는 제1 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치되고 제1 전압이 인가되며 방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 복수의 제1 방사노즐들을 포함하는 제1 전기방사부 및 제1 방사노즐들의 팁들로부터 상기 제1 수평방향에 수직한 수직방향으로 이격되고, 제2 전압이 인가되며, 나노섬유가 적하되는 기판을 지지하는 스테이지부를 구비한다. 그리고 제1 전기방사부는 제1 방사노즐들과 스테이지부 사이에 배치되고, 제1 수평방향을 따라 서로 이격되며, 방사노즐과 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형하여 나노섬유에 제2 수평방향으로 작용하는 힘을 생성하는 복수의 제1 가이드체들을 더 구비한다.

Description

다중 노즐 전기방사 장치{ELECTROSPINNING APPARATUS HAVING MULTI NOZZLE}

본 발명은 다중 노즐 전기방사 장치에 관한 것으로서, 전기방사 방식으로 나노 섬유를 방사하여 기판에 배향성이 우수한 나노섬유 매트를 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 기판에 배향성이 우수한 나노섬유 매트를 단시간에 제조할 수 있는 다중 노즐 전기방사 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치는 제1 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치되고, 제1 전압이 인가되며, 방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 복수의 제1 방사노즐들을 포함하는 제1 전기방사부; 및 상기 제1 방사노즐들의 팁들로부터 상기 제1 수평방향에 수직한 수직방향으로 이격되고, 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되며, 상기 나노섬유가 적하되는 기판을 지지하는 스테이지부를 포함한다. 그리고 상기 제1 전기방사부는 상기 제1 방사노즐들과 상기 스테이지부 사이에 배치되고, 상기 제1 수평방향을 따라 서로 이격되며, 상기 방사노즐과 상기 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 나노섬유에 상기 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향으로 작용하는 힘을 생성하는 복수의 제1 가이드체들을 더 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 전기방사부는 'N'개의 상기 제1 방사노즐들 및 'N+1'개의 상기 제1 가이드체들을 포함할 수 있고, 상기 제1 방사노즐들은 상기 제1 가이드체들 사이의 공간 상부에 배치될 수 있다. 일 예로, 상기 제1 가이드체들은 서로 동일한 간격으로 이격될 수 있다. 한편, 상기 'N+1'개의 제1 가이드체들 중 최외곽에 위치하는 2개의 가이드체들은 나머지 방사노즐들보다 높은 위치에 배치될 수 있다. 다른 예로, 상기 'N'개의 제1 방사노즐들은 서로 동일한 간격으로 이격될 수 있고, 상기 N+1'개의 제1 가이드체들 중 최외곽에 위치하는 2개의 가이드체들과 이에 인접한 가이드체들 사이의 이격간격은 나머지 가이드체들 중 인접한 가이드체들 사이의 이격간격보다 작을 수 있다. 또 다른 예로, 상기 제1 전기방사부는 상기 'N'개의 제1 방사노즐들과 일렬로 배열되고, 상기 'N'개의 제1 방사노즐들을 사이에 두고 서로 이격된 2개의 더미노즐들을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 전기방사부와 상기 제2 수평방향으로 이격된 제2 전기방사부를 더 포함하고, 상기 제2 전기방사부는 상기 제1 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치되고, 상기 제1 전압이 인가되며, 상기 제1 방사노즐들의 사이의 영역에 대응하는 영역에 배치된 'N'개의 제2 방사노즐들; 및 상기 제2 방사노즐들과 상기 스테이지부 사이에 위치하고, 상기 제1 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치된 'N+1'개의 제2 가이드체들을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 방사노즐들은 상기 제2 가이드체들 사이의 공간 상부에 배치될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 가이드체들은 상대 유전율이 50 이하인 물질로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치는 제1 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치되고, 제1 전압이 인가되며, 방사용액으로부터 나노섬유들를 방사하는 'N'개의 방사노즐들을 포함하는 전기방사부; 및 상기 방사노즐들의 팁들로부터 상기 제1 수평방향에 수직한 수직방향으로 이격되고, 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되며, 상기 나노섬유가 적하되는 기판을 지지하는 스테이지부를 포함한다. 이 경우, 상기 전기방사부는 상기 제1 방사노즐들과 상기 스테이지부 사이에 배치되고, 상기 제1 수평방향을 따라 서로 이격되며, 상기 방사노즐과 상기 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 나노섬유들에 상기 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향으로 작용하는 힘을 생성하는 'N+1'개의 제1 가이드체들; 및 상기 제1 가이드체들 상부에 각각 배치되고, 상기 전기장을 변형하여 상기 나노섬유들을 상기 제1 가이드체들 사이의 영역으로 가이드하는 제2 가이드체들을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 가이드체들 및 제2 가이드체들은 서로 독립적으로 상대 유전율이 50 이하인 물질로 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 전기장을 변형할 수 있는 물질로 형성된 가이드체들을 이용하여 복수의 방사노즐들로부터 방사된 나노섬유들의 진행방향을 가이드함으로써 기판에 배향성이 우수한 나노섬유 매트를 단시간에 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 절단선 L1-L1'을 따라 절단한 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 절단선 L2-L2'을 따라 절단한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 절단선 L3-L3'을 따라 절단한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 절단선 L4-L4'을 따라 절단한 단면도이다.
도 10a 및 도 10b는 실험을 위해 제작된 단일 노즐 전기방사 장치들을 각각 나타내는 도면들이다.
도 11a 및 도 11b는 도 10a에 도시된 제1 단일 노즐 전기방사 장치에 있어서, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 사진 및 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 도 10b에 도시된 제2 단일 노즐 전기방사 장치에 있어서, X-축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 사진 및 그래프이다.
도 13a는 제1 단일 노즐 전기방사 장치에 있어서 제1 가이드체들의 상부면과 제2 가이드체들의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격('S')을 변화시키는 경우, X축 좌표 및 Y축 좌표가 '0'인 지점에서 Z축 좌표에 따른 Z-축 성분 전기장 세기를 나타내는 그래프이다.
도 13b는 제1 단일 노즐 전기방사 장치에 있어서 제1 가이드체들의 상부면과 제2 가이드체들의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격('S')이 16mm, 11mm, 6mm 및 0mm인 경우에, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 각각 나타내는 그래프들이다.
도 14a는 제2 가이드체들 사이의 수평 방향 이격 간격을 변화시키는 경우, X축 좌표 및 Y축 좌표가'0'인 지점에서 Z축 좌표에 따른 Z-축 성분 전기장 세기를 나타내는 그래프이다.
도 14b는 제2 가이드체들 사이의 수평 방향 이격 간경이 30mm, 50mm, 70mm 및 90mm인 경우에, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 Z축 위치별 세기를 각각 나타내는 그래프들이다.

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 일 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치를 설명하기 위한 평면도이다. 도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 절단선 L1-L1'을 따라 절단한 단면도들로서, 도 2는 일 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3은 다른 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치(1000)는 복수의 방사노즐(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)을 이용하여 방사용액을 전기방사하고 복수의 가이드체들(1120A 내지 1120E, 1220A 내지 1220E, 1320A 내지 1320E, 1420A 내지 1420E)을 이용하여 상기 방사노즐들(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)로부터 전기방사된 나노섬유들의 진행방향을 가이드함으로써 스테이지부(100)에 의해 지지된 기판(미도시)에 우수한 배향성을 가지는 나노섬유 매트를 직접 형성할 수 있다. 한편, 상기 방사용액으로는 약 1 내지 200 poise의 점도를 가지는 폴리머 등과 같은 유기재료 용액 또는 유기재료와 무기재료가 혼합된 유무기 복합재료 용액이 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 다중 노즐 방사 장치(1000)는 복수의 전기방사부(1100, 1200, 1300, 1400) 및 스테이지부(100)를 포함할 수 있다.

상기 복수의 전기방사부(1100, 1200, 1300, 1400) 각각은 방사용액을 나노 섬유의 형태로 상기 스테이지부(100) 방향으로 방사하는 복수의 방사노즐(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D) 및 상기 방사노즐(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)에 의해 방사되는 나노섬유의 진행방향을 가이드하는 복수의 가이드체(1120A 내지 1120E, 1220A 내지 1220E, 1320A 내지 1320E, 1420A 내지 1420E)를 포함할 수 있고, 상기 스테이지부(100)는 상기 나노섬유가 적하되는 기판을 지지할 수 있다. 한편, 상기 복수의 전기방사부들(1100, 1200, 1300, 1400)은 Y축 방향으로 서로 이격되게 배치될 수 있다. 한편, 상기 스테이지부(100)는 상기 방사노즐들(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)로부터 Z축 방향으로 소정 간격 이격되게 위치할 수 있고, 상기 스테이지부(100)에 의해 지지되는 기판(미도시)은 상기 복수의 전기방사부들(1100, 1200, 1300, 1400)에 대해 Y축에 평행한 방향(MD)으로 상대적으로 이동할 수 있다. 상기 복수의 전기방사부들(1100, 1200, 1300, 1400)에 대한 상기 기판의 상대적 이동 방향(MD)은 나노섬유의 배향성에 영향을 미친다. 예를 들면, 상기 가이드체들(1120A 내지 1120E, 1220A 내지 1220E, 1320A 내지 1320E, 1420A 내지 1420E)에 의해 나노섬유가 Y축에 평행한 방향으로 기판 상에 배향됨에 불구하고, 상기 기판이 Y축과 교차하는 방향으로 이동하는 경우 방사노즐들(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)로부터 연속적으로 방사되는 상기 나노섬유들에 X축 방향으로 작용하는 힘이 인가되어 상기 나노섬유들의 배향성을 저하시킬 수 있다.

상기 복수의 방사노즐(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)에는 제1 전압이 인가되고 상기 스테이지부(100)에는 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되어, 상기 복수의 방사노즐(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)과 상기 스테이지부(100) 사이에는 전기장이 형성될 수 있다.

상기 방사노즐들(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D) 각각을 통해 상기 방사용액을 방사하는 경우, 상기 방사노즐들(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)의 팁(Tip)에 분포하는 방사 용액은 표면장력에 의하여 반구형 방울 형태를 갖게 되고, 상기 방사노즐들(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)에 인가된 제1 전압에 의해 방사 용액의 방울 표면에는 상기 제1 전압과 동일한 극성의 전하가 유도되어 정전기적 반발력을 발생시킨다. 이러한 정전기적 반발력의 작용으로 인하여 상기 방사노즐들(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)의 팁에 매달려 있는 방사용액 방울은 테일러콘(Taylor cone)으로 알려진 원추형 모양으로 늘어나게 된다. 상기 방사노즐들(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)과 상기 스테이지부(100) 사이에 형성된 전기장의 세기가 특정 임계 전기장의 세기보다 커지면, 상기 방사용액 테일러콘의 끝으로부터 방사용액 제트(Jet)가 방출되게 된다. 방사용액의 점도가 낮은 경우, 이러한 방사용액 제트는 미세 방울로 붕괴되나, 방사용액의 점도가 임계값 이상인 경우 표면장력 때문에 방사용액 제트는 붕괴되지 않고 연속된 나노섬유 형태로 상기 스테이지부(100) 방향으로 방사된다. 본 발명에 있어서는 상기 방사용액이 약 1 내지 200 poise의 점도를 가지므로 상기 나노섬유 형태로 방사될 수 있다. 테일러콘으로부터 방출되는 나노섬유에서는 나노섬유가 띄고 있는 전하에 의해 쿨롬 반발력(Coulomb repulsion force)이 발생하며, 이에 의하여 나노섬유의 굽힘 현상이 발생한다. 그 결과, 상기 나노섬유의 진행방향을 가이드하지 않는 경우, 상기 반발력이 최소화되는 방향으로 나노섬유가 신장되고 이에 의해 기판 상에 나노섬유가 무작위 방향으로 배향하게 된다. 따라서, 기판에 나노섬유를 일정한 배향성을 갖도록 적하하기 위해서는 상기 나노섬유의 진행방향을 가이드 할 필요가 있다. 이 경우 나노섬유의 굽힘 현상이 발생하는 위치를 고려하여 나노섬유의 진행방향을 가이드하는 것이 바람직하고, 나노섬유의 굽힘 현상이 발생되는 위치는 나노섬유의 하전된 정도와 유전율, 전도도, 점도 등과 같은 용매의 특성에 의해 변화할 수 있다. 예를 들면, 나노섬유의 하전된 정도가 높을수록 방사노즐 팁에 가까운 위치에서 나노섬유의 굽힘 현상이 발생한다.

상기 가이드체들(1120A 내지 1120E, 1220A 내지 1220E, 1320A 내지 1320E, 1420A 내지 1420E)은 상기 방사노즐들(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)과 상기 스테이지부(100) 사이에 형성된 전기장을 변형시켜 나노 섬유들의 진행방향을 가이드함으로써 상기 나노 섬유들이 기판 상에 일정한 방향으로 배향되도록 할 수 있다. 예를 들면, 상기 가이드체들(1120A 내지 1120E, 1220A 내지 1220E, 1320A 내지 1320E, 1420A 내지 1420E)은 상기 전기장을 변형하여 상기 나노섬유들에 X축 방향으로의 움직임을 제한하고 Y축 방향으로 움직이도록 작용하는 힘을 생성할 수 있다. 이를 위해, 상기 가이드체들(1120A 내지 1120E, 1220A 내지 1220E, 1320A 내지 1320E, 1420A 내지 1420E)은 상대 유전율(relative dielectric permittivity)이 낮은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 가이드체들(1120A 내지 1120E, 1220A 내지 1220E, 1320A 내지 1320E, 1420A 내지 1420E)은 상대 유전율이 약 50 이하인 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 가이드체들(1120A 내지 1120E, 1220A 내지 1220E, 1320A 내지 1320E, 1420A 내지 1420E)은 스티로폼, 테프론, 나무, 플라스틱 재료, 유리, 석영, 실리콘산화물, 금속 등의 물질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 가이드체들(1120A 내지 1120E, 1220A 내지 1220E, 1320A 내지 1320E, 1420A 내지 1420E)은 서로 동일한 형상을 가질 수 있고, 이들의 형상은 특별히 제한되지 않고 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 가이드체들(1120A 내지 1120E, 1220A 내지 1220E, 1320A 내지 1320E, 1420A 내지 1420E)은 원형, 반원, 타원, 다각형 등의 단면을 갖는 막대 형상 또는 판(plate) 형상을 가질 수도 있다. 일 예로, 상기 가이드체들(1120A 내지 1120E, 1220A 내지 1220E, 1320A 내지 1320E, 1420A 내지 1420E) 각각은 XZ 평면에 평행한 단면이 사각형이고 Y축으로 길게 연장된 직육면체 막대 형상을 가질 수 있다.

이하 도 2 및 도 3을 참조하여 상기 가이드체들의 배열에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 도 1과 함께 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다중 노즐 방사 장치(1000)는 Y축 방향으로 서로 등간격('B')으로 이격된 'M'개의 전기방사부(1100, 1200, 1300, 1400)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 다중 노즐 방사 장치(1000)는 도 1에 도시된 바와 같이 4개 전기방사부, 즉, 제1 내지 제4 전기방사부(1100, 1200, 1300, 1400)를 포함할 수 있다. 상기 전기방사부들의 Y축 방향으로의 이격간격 'B'는 인접한 전기방사부에 의해 적하되는 나노섬유들이 서로 중첩되지 않도록 설정되는 것이 바람직하다. 인접한 전기방사부에 의해 적하되는 나노섬유들이 서로 중첩되는 경우, 먼저 적하된 나노섬유와 이에 중첩되게 늦게 적하되는 나노섬유 사이에 쿨롬 반발력이 작용하여 나노섬유들의 배향성을 저하시킬 수 있기 때문이다.

이하에서는 설명의 편의를 위해 상기 다중 노즐 방사 장치(1000)가 도 1에 도시된 바와 같이 4개 전기방사부를 포함하는 실시예에 대해서만 설명할 것인데, 이러한 개념은 4개 초과 또는 미만의 전기방사부를 포함하는 다양한 실시예들에 대해서도 확장 적용될 수 있다.

상기 제1 내지 제4 전기방사부(1100, 1200, 1300, 1400)는 서로 동일한 구조를 가질 수 있다. 따라서 이하에서는 하나의 전기방사부, 예를 들면, 제1 전기방사부(1100)의 구조에 대해 설명하고 나머지 제2 내지 제4 전기방사부(1200, 1300, 1400)의 구조에 대한 상세한 설명은 생략한다. 다만, Y축에 평행한 방향(MD)을 따라 상기 제1 내지 제4 전기방사부들(1100, 1200, 1300, 1400)에 대해 상대적으로 이동하는 기판에 균일하게 나노섬유를 방사하기 위하여, 상기 제1 내지 제4 전기방사부(1100, 1200, 1300, 1400)는 서로 대응되는 방사노즐들(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)의 이동경로가 서로 중첩하지 않도록, 예를 들면, 서로 등간격(a)으로 이격되도록 X축 위치가 서로 다를 수 있다. 일 실시예로, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 다중 노즐 방사 장치(1000)가 4개의 전기방사부, 즉, 상기 제1 내지 제4 전기방사부(1100, 1200, 1300, 1400)를 포함하고 각각의 전기방사부에 있어서 방사노즐들(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)이 서로 'A'의 간격으로 이격된 경우, 제1 내지 제4 전기방사부(1100, 1200, 1300, 1400) 중 하나를 기준으로, 다른 하나는 상기 기준 전기방사부에 대해 +X축 방향으로 'A/4'만큼 쉬프트된 위치에 배치되고, 또 다른 하나는 +X축 방향으로 '2A/4'만큼 쉬프트된 위치에 배치되며, 나머지 하나는 +X축 방향으로 '3A/4'만큼 쉬프트된 위치에 배치될 수 있다. 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 전기방사부(1100)를 기준으로 제2 전기방사부(1200), 제3 전기방사부(1300) 및 제4 전기방사부(1400)는 +X축 방향으로 각각 'A/4', 2A/4' 및 3A/4'만큼 쉬프트된 위치에 배치될 수 있다.

상기 제1 내지 제4 전기방사부(1100, 1200, 1300, 1400) 각각은 'N'개의 방사노즐들 및'N+1'개의 가이드체들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제1 내지 제4 전기방사부(1100, 1200, 1300, 1400) 각각은 4개의 방사노즐들 및 5개의 가이드체들을 포함할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 상기 제1 내지 제4 전기방사부(1100, 1200, 1300, 1400) 각각이 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 4개 방사노즐들 및 5개의 가이드체들을 포함하는 실시예에 대해서만 설명할 것인데, 이러한 개념은 이보다 더 많은 수의 방사노즐들 및 가이드체들을 포함하거나 이보다 작은 수의 방사노즐들 및 가이드체들을 포함하는 다양한 실시예들에 대해서도 확장 적용될 수 있다.

상기 제1 내지 제4 전기방사부(1100, 1200, 1300, 1400)들 각각에 있어서, 상기 4개의 방사노즐, 즉, 제1 내지 제4 방사노즐들(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)은 상기 스테이지부(100)와 평행하고 상기 스테이지부(100) 상부면으로부터 Z축 방향으로 일정 간격만큼 이격된 가상의 제1 평면에 위치하는 팁들을 구비하고, X축 방향을 따라 일렬로 배열되며, 서로 등간격('A')으로 이격될 수 있다.

그리고 상기 제1 내지 제4 전기방사부(1100, 1200, 1300, 1400)들 각각에 있어서, 상기 5개의 가이드체들, 즉, 제1 내지 제5 가이드체들(1120A 내지 1120E, 1220A 내지 1220E, 1320A 내지 1320E, 1420A 내지 1420E)은 상기 제1 평면과 평행하고 상기 스테이지부(100) 상부면과 상기 제1 평면 사이에 위치하는 가상의 제2 평면에 위치하는 상부면들을 구비하고, X축 방향을 따라 일렬로 배열되며, 서로 등간격('W')으로 이격될 수 있다. 이때, 상기 가이드체들의 이격간격 'W'는 하나의 가이드체 측면과 이와 마주보는 인접한 가이드체의 측면 사이의 이격거리를 의미한다.

이 경우, 상기 제1 내지 제4 방사노즐들(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)의 팁들은 상기 제1 내지 제5 가이드체들(1120A 내지 1120E, 1220A 내지 1220E, 1320A 내지 1320E, 1420A 내지 1420E) 사이의 영역들 상부에 각각 위치할 수 있다. 예를 들면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 방사노즐(1110A)의 연장선에 대해 상기 제1 및 제2 가이드체(1120A, 1120B)가 서로 대칭되게 배치되고, 상기 제2 방사노즐(1110B)의 연장선에 대해 상기 제2 및 제3 가이드체(1120B, 1120C)가 서로 대칭되게 배치되고, 상기 제3 방사노즐(1110C)의 연장선에 대해 상기 제3 및 제4 가이드체(1120C, 1120D)가 서로 대칭되게 배치되며, 상기 제4 방사노즐(1110D)의 연장선에 대해 상기 제4 및 제5 가이드체(1120D, 1120E)가 서로 대칭되게 배치될 수 있다.

한편, 상기 제1 내지 제4 방사노즐들(1110A 내지 1110D, 1210A 내지 1210D, 1310A 내지 1310D, 1410A 내지 1410D)의 팁이 위치하는 상기 제1 평면과 상기 제1 내지 제5 가이드체들(1120A 내지 1120E, 1220A 내지 1220E, 1320A 내지 1320E, 1420A 내지 1420E)의 상부면이 위치하는 상기 제2 평면 사이의 이격 간격(H)은 나노 섬유의 굽힘 현상이 발행하는 지점을 기초로 적절하게 설정되는 것이 바람직하다.

한편, 도 1과 함께 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 제1 내지 제4 전기방사부(1100, 1200, 1300, 1400) 각각에 있어서, 가운데 부분에 위치하는 제2 및 제3 방사노즐(1110B 및 1110C, 1210B 및 1210C, 1310B 및 1310C, 1410B 및 1410C)의 경우 각각 좌측 및 우측 모두에 제1 전압이 인가된 방사노즐들이 존재함에 반하여, 최외곽에 위치하는 제1 방사노즐(1110A, 1210A, 1310A, 1410A)과 제4 방사노즐(1110D, 1210D, 1310D, 1410D)의 경우에는 일측에만 제1 전압이 인가된 방사노즐이 존재하게 된다. 따라서 최외곽에 위치하는 제1 및 제4 방사노즐들(1110A 및 1110D, 1210A 및 1210D, 1310A 및 1310D, 1410A 및 1410D)에 의해 방사되는 나노섬유들에는 좌측 또는 우측 방향으로 편향되는 단말효과(End Effect)가 나타나는 문제점이 발생할 수 있다.

이러한 단말효과에 의해 제1 및 제4 방사노즐들(1110A 및 1110D, 1210A 및 1210D, 1310A 및 1310D, 1410A 및 1410D)에 의해 방사된 나노섬유들이 좌측 또는 우측 방향으로 편향되는 것을 방지하기 위하여, 제1 내지 제4 전기방사부(1100, 1200, 1300, 1400) 각각에 있어서, 최외곽에 위치하는 제1 및 제5 가이드체들(1120A 및 1120E, 1220A 및 1220E, 1320A 및 1320E, 1420A 및 1420E)을 가운데 부분에 위치하는 제2 내지 제4 가이드체들(1120B 내지 1120D, 1220B 내지 1220D, 1320B 내지 1320D, 1420B 내지 1420D)보다 더 높게 배치할 수 있다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 방사노즐들(1110A, 1110B, 1110C, 1110D)의 팁이 위치하는 제1 평면과 상기 제1 및 제5 가이드체들(1120A, 1120E)의 상부면이 위치하는 제2 평면 사이의 이격 간격('H1')은 상기 제1 평면과 상기 제2 내지 제4 가이드체들(1120B 내지 1120D)의 상부면이 위치하는 제3 평면 사이의 이격 간격('H2')보다 작을 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치를 설명하기 위한 평면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 절단선 L2-L2'을 따라 절단한 단면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치(2000)는 복수의 전기방사부(2100, 2200, 2300, 2400) 및 스테이지부(200)를 포함할 수 있고, 상기 복수의 전기방사부(2100, 2200, 2300, 2400) 각각은 복수의 방사노즐(2110A 내지 2110D, 2210A 내지 2210D, 2310A 내지 2310D, 2410A 내지 2410D) 및 복수의 가이드체(2120A 내지 2120E, 2220A 내지 2220E, 2320A 내지 2320E, 2420A 내지 2420E)를 포함한다.

본 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치(2000)에 있어서, 복수의 가이드체들(2120A 내지 2120E, 2220A 내지 2220E, 2320A 내지 2320E, 2420A 내지 2420E)의 배치를 제외하고는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예의 다중 노즐 전기방사 장치(1000)와 그 구성이 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 상기의 차이점에 대해 상세히 설명하고 중복된 설명은 생략한다.

앞에서 설명한 단말효과(End Effect)에 의해 제1 및 제4 방사노즐들(2110A 및 2110D, 2210A 및 2210D, 2310A 및 2310D, 2410A 및 2410D)에 의해 방사된 나노섬유들이 좌측 또는 우측 방향으로 편향되는 것을 방지하기 위하여, 상기 복수의 전기방사부(2100, 2200, 2300, 2400) 각각에 있어서, 최외곽에 위치하는 제1 가이드체(2120A, 2220A, 2320A, 2420A)와 제1 방사노즐(2110A, 2210A, 2310A, 2410A)의 연장선 사이의 이격간격 'W1' 및 제5 가이드체(2120E, 2220E, 2320E, 2420E)와 제4 방사노즐(2110D, 2210D, 2310D, 2410D) 연장선 사이의 이격간격 'W1'은 가운데 부분에 위치하는 제2 내지 제4 가이드체들(2120B 내지 2120D, 2220B 내지 2220D, 2320B 내지 2320D, 2420B 내지 2420D) 각각과 이들에 대응하는 제2 및 제3 방사노즐(2110B 및 2110C, 2210B 및 2210C, 2310B 및 2310C, 2410B 및 2410C)의 연장선들 사이의 이격간격 'W2'보다 작을 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치를 설명하기 위한 평면도이고, 도 7은 도 6에 도시된 절단선 L3-L3'을 따라 절단한 단면도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치(3000)는 복수의 전기방사부(3100, 3200, 3300, 3400) 및 스테이지부(300)를 포함할 수 있고, 상기 복수의 전기방사부(3100, 3200, 3300, 3400) 각각은 복수의 방사노즐(3110A 내지 3110D, 3210A 내지 3210D, 3310A 내지 3310D, 3410A 내지 3410D), 복수의 가이드체(3120A 내지 3120E, 3220A 내지 3220E, 3320A 내지 3320E, 3420A 내지 3420E) 및 상기 복수의 방사노즐들 최외곽에 배치된 2개의 더미노즐들(3111A와 3111B, 3211A와 3211B, 3311A와 3311B, 3411A와 3411B)을 포함한다.

본 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치(3000)의 경우, 복수의 전기방사부(3100, 3200, 3300, 3400) 각각이 복수의 방사노즐(3110A 내지 3110D, 3210A 내지 3210D, 3310A 내지 3310D, 3410A 내지 3410D)의 최외곽에 배치된 2개의 더미노즐들(3111A와 3111B, 3211A와 3211B, 3311A와 3311B, 3411A와 3411B)을 더 포함한다는 것을 제외하고는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예의 다중 노즐 전기방사 장치(1000)와 그 구성이 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 상기의 차이점에 대해 상세히 설명하고 중복된 설명은 생략한다.

앞에서 설명한 단말효과(End Effect)에 의해 제1 및 제4 방사노즐들(3110A 내지 3110D, 3210A 내지 3210D, 3310A 내지 3310D, 3410A 내지 3410D)에 의해 방사된 나노섬유들이 좌측 또는 우측 방향으로 편향되는 것을 방지하기 위하여, 복수의 전기방사부(3100, 3200, 3300, 3400) 각각은 방사노즐들(3110A 내지 3110D, 3210A 내지 3210D, 3310A 내지 3310D, 3410A 내지 3410D) 중 최외곽에 위치하는 제1 방사노즐(3110A, 3210A, 3310A, 3410A)을 기준으로 제2 방사노즐(3110B, 3210B, 3310B, 3410B)과 대칭되게 배치된 제1 더미노즐(3111A, 3211A, 3211A, 3211A) 및 제4 방사노즐(3110D, 3210D, 3310D, 3410D)을 기준으로 제3 방사노즐(3110C, 3210C, 3310C, 3410C)과 대칭되게 배치된 제2 더미노즐(3111B, 3211B, 3211B, 3211B)을 더 포함할 수 있다. 이러한 제1 및 제2 더미노즐(3111A 및 3111B, 3211A 및 3211B, 3311A 및 3311B, 3411A 및 3411B)에는 상기 방사노즐들(3110A 내지 3110D, 3210A 내지 3210D, 3310A 내지 3310D, 3410A 내지 3410D)에 인가되는 전압과 동일한 전압이 인가되나 방사용액이 주입되지는 않는다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치를 설명하기 위한 평면도이고, 도 9는 도 8에 도시된 절단선 L4-L4'을 따라 절단한 단면도이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치(4000)는 복수의 전기방사부(4100, 4200, 4300, 4400) 및 스테이지부(400)를 포함할 수 있고, 상기 복수의 전기방사부(4100, 4200, 4300, 4400) 각각은 복수의 방사노즐(4110A 내지 4110D, 4210A 내지 4210D, 4310A 내지 4310D, 4410A 내지 4410D), 복수의 제1 가이드체(4120A 내지 4120E, 4220A 내지 4220E, 4320A 내지 4320E, 4420A 내지 4420E) 및 복수의 제2 가이드체(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E)를 포함한다.

본 실시예에 따른 다중 노즐 전기방사 장치(4000)의 경우, 복수의 전기방사부(4100, 4200, 4300, 4400) 각각이 나노섬유의 진행방향을 더욱 안정적으로 가이드하기 위하여 복수의 제1 가이드체(4120A 내지 4120E, 4220A 내지 4220E, 4320A 내지 4320E, 4420A 내지 4420E) 외에 추가적으로 복수의 제2 가이드체(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E)를 더 포함한다는 것을 제외하고는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예의 다중 노즐 전기방사 장치(1000)와 그 구성이 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 상기의 차이점에 대해 상세히 설명하고 중복된 설명은 생략한다.

상기 복수의 제1 가이드체(4120A 내지 4120E, 4220A 내지 4220E, 4320A 내지 4320E, 4420A 내지 4420E)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예의 다중 노즐 전기방사 장치(1000)에서의 가이드체들(1120A 내지 1120E, 1220A 내지 1220E, 1320A 내지 1320E, 1420A 내지 1420E)과 동일 또는 유사한 물질, 구성 및 배열을 가질 수 있으므로, 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 복수의 제2 가이드체들(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E) 각각은 상기 제1 가이드체들(4120A 내지 4120E, 4220A 내지 4220E, 4320A 내지 4320E, 4420A 내지 4420E) 각각의 상부에 배치될 수 있다. 상기 복수의 제2 가이드체들(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E) 각각은 서로 동일한 형상 및 크기를 가질 수 있고, 상기 제2 가이드체들(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E) 각각의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 다양한 형상을 가질 수 있다. 일 실시예로, 상기 제2 가이드체들(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E) 각각은 원형, 다각형, 반원, 타원 등의 단면을 갖는 막대 형상을 가질 수도 있고, 판(plate) 형상을 가질 수도 있다. 예를 들면, 상기 제2 가이드체들(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E) 각각은 XZ 평면을 따라 절단한 단면이 사각형이고, Y축 방향으로 연장된 직육면체 형상의 막대 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 제2 가이드체들(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E) 각각의 X축 방향으로의 폭은 상기 제1 가이드체들(4120A 내지 4120E, 4220A 내지 4220E, 4320A 내지 4320E, 4420A 내지 4420E) 각각의 X축 방향으로의 폭보다 작을 수 있고, 그 결과, 인접한 제2 가이드체들 사이의 이격 간격('D2')은 인접한 제1 가이드체들 사이의 이격 간격('D1')보다 클 수 있다. 그리고 상기 제2 가이드체들(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E) 각각은 상기 제1 가이드체들(4120A 내지 4120E, 4220A 내지 4220E, 4320A 내지 4320E, 4420A 내지 4420E) 각각의 중앙부분 상부에 배치될 수 있다. 그리고 상기 제2 가이드체들(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E) 각각의 하부면과 상기 제1 가이드체들(4120A 내지 4120E, 4220A 내지 4220E, 4320A 내지 4320E, 4420A 내지 4420E) 각각의 상부면 사이의 이격간격('G')이 약 10mm 이하가 되도록 상기 제2 가이드체들(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E) 각각은 상기 제1 가이드체들(4120A 내지 4120E, 4220A 내지 4220E, 4320A 내지 4320E, 4420A 내지 4420E) 각각의 상부에 배치될 수 있다.

한편, 상기 제2 가이드체들(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E) 각각의 Y축 방향으로의 길이는 상기 제1 가이드체들(4120A 내지 4120E, 4220A 내지 4220E, 4320A 내지 4320E, 4420A 내지 4420E) 각각의 Y축 방향으로의 길이와 동일할 수 있으나, 상기 제2 가이드체들(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E) 각각의 Z축 방향으로의 높이는 상기 제1 가이드체들(4120A 내지 4120E, 4220A 내지 4220E, 4320A 내지 4320E, 4420A 내지 4420E) 각각의 Z축 방향으로의 높이와 동일할 수도 있고 서로 다를 수도 있다. 나노섬유의 체적전류밀도가 높을 경우, 나노섬유에 내재된 불안정성의 정도가 높아져 하전된 나노섬유들이 제1 가이드체들 사이로 각각 통과하기 어려운 문제점이 발생할 수 있는데, 상기 제1 가이드체들(4120A 내지 4120E, 4220A 내지 4220E, 4320A 내지 4320E, 4420A 내지 4420E) 상부에 배치된 상기 제2 가이드체들(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E)은 전기장 변형에 의해 상기 나노섬유들이 상기 제1 가이드체들(4120A 내지 4120E, 4220A 내지 4220E, 4320A 내지 4320E, 4420A 내지 4420E) 사이를 통과하도록 상기 나노섬유들을 추가적으로 가이드할 수 있다.

그리고 상기 나노섬유들을 상기 제1 가이드체들(4120A 내지 4120E, 4220A 내지 4220E, 4320A 내지 4320E, 4420A 내지 4420E) 사이의 공간으로 안정적으로 가이드하기 위하여, 상기 제2 가이드체들(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E)은 상부면이 나노섬유들의 굽힘 현상이 발생하는 위치보다 높이 위치하도록 배치될 수 있다. 일 예로, 방사노즐들(4110A 내지 4110D, 4210A 내지 4210D, 4310A 내지 4310D, 4410A 내지 4410D)의 팁으로부터 약 2cm 미만으로 떨어진 위치에서 나노섬유들의 굽힘 현상이 발생하는 경우, 상기 제2 가이드체들(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E)의 상부면은 방사노즐들(4110A 내지 4110D, 4210A 내지 4210D, 4310A 내지 4310D, 4410A 내지 4410D)의 팁보다 높은 위치에 배치될 수 있고, 방사노즐들(4110A 내지 4110D, 4210A 내지 4210D, 4310A 내지 4310D, 4410A 내지 4410D)의 팁으로부터 약 2cm 이상으로 떨어진 위치에서 나노섬유들의 굽힘 현상이 발생하는 경우, 상기 제2 가이드체들(4130A 내지 4130E, 4230A 내지 4230E, 4330A 내지 4330E, 4430A 내지 4430E)의 상부면은 방사노즐들(4110A 내지 4110D, 4210A 내지 4210D, 4310A 내지 4310D, 4410A 내지 4410D)의 팁보다 낮은 위치에 배치될 수 있다.

<실험예>

도 10a 및 도 10b는 실험을 위해 제작된 단일 노즐 전기방사 장치들을 각각 나타내는 도면들이다.

도 10a에 도시된 제1 단일 노즐 전기방사 장치는 단일 방사노즐(110), 상기 단일 방사노즐(110)과 이격된 스테이지부(10), 상기 방사노즐(110)과 상기 스테이지부(10) 사이에 위치하는 제1 가이드체들(120) 및 상기 제1 가이드체들(120) 상부에 배치된 제2 가이드체들(130)을 포함한다. 상기 제1 가이드체들(120)은 방사노즐(110)의 연장선에 대해 서로 대칭되게 이격된 2개의 제1 가이드체들(120A, 120B)을 포함하고, 상기 제2 가이드체들(120) 역시 상기 2개의 제1 가이드체들(120A, 120B) 중앙 부분 상부에 각각 배치된 2개의 제2 가이드체들(130A, 130)을 포함한다. 도 10b에 도시된 제2 단일 노즐 전기방사 장치의 경우, 단일 방사노즐(210) 및 스테이지부(20)와 함께 제1 가이드체들(220)만 포함하고 도 10a에 도시된 제1 가이드체들(120) 상부에 위치하는 제2 가이드체들(130)을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는 도 10a에 도시된 제1 단일 노즐 전기방사 장치와 실질적으로 동일하다.

도 11a 및 도 11b는 도 10a에 도시된 제1 단일 노즐 전기방사 장치에 있어서, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 사진 및 그래프이다. 그리고 도 12a 및 도 12b는 도 10b에 도시된 제2 단일 노즐 전기방사 장치에 있어서, X-축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 사진 및 그래프이다.

도 11a, 도 11b, 도 12a 및 도 12b에 있어서, X축 좌표 및 Y축 좌표가 '0'인 지점은 방사노즐(110, 210)의 연장선 상에 위치하고, Z축 좌표가 '0'인 지점은 스테이지부(10, 20)의 상부면에 위치한다. 제1 가이드체들(120, 220) 사이의 이격 간격(D1)은 30 mm이고, 제2 가이드체들(130) 사이의 이격 간격(D2)은 50 mm이며, 스테이지부(10, 20)의 상부면으로부터 방사노즐(110, 210) 팁까지의 거리는 65 mm이다. 그리고 스테이지부(10, 20)의 상부면으로부터 제1 가이드체들(120, 220)의 하부면까지의 거리는 14 mm이고, 제1 가이드체들(120, 220) 및 제2 가이드체들(130)의 Z축 방향 두께는 모두 30 mm이다. 한편, 도 11b 및 도 12b에서, 검정색 곡선, 빨간색 곡선, 파랑색 곡선, 청록색 곡선, 분홍색 곡선, 황갈색 곡선 및 남색 곡선은 Z축 좌표가 '62', '52', '42', '32', '22', '12' 및 '2'인 지점에서의 X축 좌표에 따른 전기장 세기를 각각 나타낸다.

도 10a 및 도 10b와 함께 도 11a, 도 11b, 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 제1 단일 노즐 전기방사 장치에서의 전기장은 제2 단일 노즐 전기방사 장치에서의 전기장과 다른 것을 확인할 수 있다. 특히, 제1 단일 노즐 전기방사 장치에서의 검정색 곡선 및 빨간색 곡선은 제2 단일 노즐 전기방사 장치에서의 검정색 곡선 및 빨간색 곡선과 비교하여 피크 값의 크기는 동일 또는 유사하나, 제2 가이드체들(130) 사이의 영역, 즉, X축 좌표가 '-25' 이상이고 '+25'이하인 영역에서 그 이외의 영역에 비해 현저하게 높은 전기장 세기를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 즉, 제1 단일 노즐 전기방사 장치에서의 검정색 곡선 및 빨간색 곡선의 경우, 제2 가이드체들(130)에 의해 X축 좌표가 '-25' 미만인 영역과 '+25' 이상인 영역에서 전기장의 세기가 현저하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.

이는 제1 가이드체들(120, 220)과 방사노즐(110, 210) 팁 사이의 위치에서, 제2 단일 노즐 전기방사 장치에서 형성된 전기장에 비해 제1 단일 노즐 전기방사 장치에서 형성된 전기장은 나노섬유의 움직임을 중심 방향으로 집중시켜 나노섬유의 굽힘에 의한 나노섬유의 X축 방향으로의 움직임을 감소시킬 수 있음을 의미한다. 그 결과, 제2 단일 노즐 전기방사 장치에 비해, 제1 단일 노즐 전기방사 장치에서는 제2 가이드체들(130)에 의해 나노섬유의 X축 방향 움직임이 감소되어 나노섬유가 제1 가이드체들(120) 사이의 공간으로 더욱 안정적으로 가이드될 수 있다.

도 13a는 제1 단일 노즐 전기방사 장치에 있어서 제1 가이드체들의 상부면과 제2 가이드체들의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격('S')을 변화시키는 경우, X축 좌표 및 Y축 좌표가 '0'인 지점에서 Z축 좌표에 따른 Z-축 성분 전기장 세기를 나타내는 그래프이고, 도 13b는 제1 단일 노즐 전기방사 장치에 있어서 제1 가이드체들의 상부면과 제2 가이드체들의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격('S')이 16mm, 11mm, 6mm 및 0mm인 경우에, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 각각 나타내는 그래프들이다.

도 13a에 있어서, 검정색 곡선, 빨강색 곡선, 파란색 곡선 및 녹색 곡선은 제1 가이드체들의 상부면과 제2 가이드체들의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)이 0 mm, 6 mm, 11 mm 및 16 mm인 경우에서의 전기장 세기를 각각 나타내고, 분홍색 곡선은 제2 단일 노즐 전기방사 장치에서의 전기장 세기를 나타낸다. 도 13b에 있어서, 검정색 곡선, 빨간색 곡선, 파랑색 곡선, 청록색 곡선, 분홍색 곡선, 황갈색 곡선 및 남색 곡선은 Z축 좌표가 '62', '52', '42', '32', '22', '12' 및 '2'인 지점에서의 X축 좌표에 따른 전기장 세기를 각각 나타낸다.

먼저, 도 10a와 함께 도 13a를 참조하면, 가로축인 Z축 좌표가 40 이상 60 이하인 위치에 대응하는 제1 가이드체들과 방사노즐 팁 사이의 영역에서는 분홍색 곡선에서의 Z축 성분 전기장 세기가 가장 크고, 검정색 곡선에서의 Z축 성분 전기장 세기가 가장 작은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 제1 단일 노즐 전기방사 장치의 경우, 제1 가이드체들과 방사노즐 팁 사이의 영역에서는 제1 가이드체 상부면과 제2 가이드체 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)이 증가할수록 Z축 성분 전기장의 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있다.

이에 반해, Z축 좌표가 0 이상 10 이하인 위치에 대응하는 제1 가이드체와 스테이지부 사이의 영역에서는 검정색 곡선에서의 Z-축 성분 전기장 세기가 가장 크고, 분홍색 곡선에서의 Z-축 성분 전기장 세기가 가장 작은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 제1 단일 노즐 전기방사 장치의 경우, 제1 가이드체와 스테이지부 사이의 영역에서는 제1 가이드체 상부면과 제2 가이드체 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)이 감소할수록 Z축 성분 전기장의 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있다.

이어서 도 10a와 함께 도 13b를 참조하면, 제1 단일 노즐 전기방사 장치에 있어서, 제1 가이드체 상부면과 제2 가이드체 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)을 변경시키는 경우, 제2 가이드체가 위치하는 높이에서의 전기장 세기를 나타내는 빨간색 곡선에서 가장 큰 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 빨간색 곡선에 있어서, 제1 가이드체 상부면과 제2 가이드체 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)이 '0 mm' 및 '6 mm'인 경우, X축 좌표가 '-25'에서 '+25'인 영역, 즉, 제2 가이드체들 사이의 영역에서 다른 영역들에 비해 현저하게 높은 전기장 세기를 나타내나, 제1 가이드체 상부면과 제2 가이드체 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)이 '11 mm' 및 '16 mm'인 경우, X축 좌표가 '-25'에서 '+25'인 영역에서의 전기장 세기는 다른 영역에서의 전기장 세기와 크게 차이가 나지 않는 것을 확인할 수 있다.

이와 같은 사항을 종합하면, 나노섬유를 제1 가이드체들 사이의 영역으로 안정적으로 통과시키기 위해서는 제1 가이드체 상부면과 제2 가이드체 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)을 약 10mm 이하, 더욱 바람직하게는 약 8mm 이하로 조절하는 것이 바람직하다.

도 14a는 제2 가이드체들 사이의 수평 방향 이격 간격을 변화시키는 경우, X축 좌표 및 Y축 좌표가'0'인 지점에서 Z축 좌표에 따른 Z-축 성분 전기장 세기를 나타내는 그래프이고, 도 14b는 제2 가이드체들 사이의 수평 방향 이격 간경이 30mm, 50mm, 70mm 및 90mm인 경우에, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 Z축 위치별 세기를 각각 나타내는 그래프들이다.

도 14a에 있어서, 제1 가이드체들 사이의 이격 간격(D1)은 '30 mm'이고, 검정색 곡선, 빨강색 곡선 및 파랑색 곡선은 제1 단일 노즐 전기방사 장치에서 제2 가이드체들 사이의 수평방향 이격 간격(D2)이 '50 mm', '70 mm' 및 '90 mm'인 경우의 전기장 세기를 나타내며, 녹색 곡선은 제2 단일 노즐 전기방사 장치에서의 전기장 세기를 나타낸다. 그리고 도 14b에 있어서, 검정색 곡선, 빨간색 곡선, 파랑색 곡선, 청록색 곡선, 분홍색 곡선, 황갈색 곡선 및 남색 곡선은 Z축 좌표가 '62', '52', '42', '32', '22', '12' 및 '2'인 지점에서의 X-축 좌표에 따른 전기장 세기를 각각 나타낸다.

먼저 도 10a와 함께 도 14a를 참조하면, 가로축인 Z축 좌표가 30 이상인 영역에서는 녹색 곡선에서의 Z축 성분 전기장 세기가 가장 크고, 검정색 곡선에서의 Z축 성분 전기장 세기가 가장 작은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 제1 단일 노즐 전기방사 장치의 경우, Z축 좌표가 30 이상인 영역에서는 제2 가이드체들 사이의 수평 방향 이격 간격(D2)이 증가할수록 Z축 성분 전기장의 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있다.

이에 반해, Z-축 좌표가 0 이상 15 이하인 영역에서는 검정색 곡선에서의 Z축 성분 전기장 세기가 가장 크고, 녹색 곡선에서의 Z축 성분 전기장 세기가 가장 작은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 제1 단일 노즐 전기방사 장치의 경우, Z축 좌표가 15 이하인 영역에서는 제2 가이드체들 사이의 수평방향 이격 간격(D2)이 감소할수록 Z축 성분 전기장의 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있다.

이어서 도 10a와 함께 도 14b를 참조하면, 제2 가이드체들 사이의 수평 방향 이격간격(D2)이 '30 mm'인 경우, 즉, 제2 가이드체들 사이의 수평 방향 이격간격(D2)이 제1 가이드체들 사이의 수평 방향 이격간격(D1)과 동일한 경우, 빨간색 곡선에서 전기장 세기의 피크값이 다른 경우에 비해 현저하게 낮은 것을 확인할 수 있다. 한편, 제2 가이드체들 사이의 수평 방향 이격간격(D2)이 '90 mm'인 경우, 제1 가이드체들 사이의 수평 방향 이격간격(D1)보다 지나치게 크므로, 제2 가이드체들에 의해 가이드된 나노섬유라 할지라도 제1 가이드체들 사이의 공간으로 통과하기 어려운 문제점이 발생할 수 있다.

이상의 사항을 종합하면, 제1 가이드체들 사이의 수평 방향 이격간격(D1)이 30 mm인 경우, 제2 가이드체들 사이의 수평 방향 이격간격(D2)은 약 40 mm 이상 80 mm 이하인 것이 바람직하다. 즉, 제2 가이드체들 사이의 수평 방향 이격간격(D2)은 제1 가이드체들 사이의 수평 방향 이격간격(D1)의 약 4/3 내지 8/3배인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 방사노즐들로부터 방사된 나노섬유들을 가이드체들을 이용하여 가이드함으로써 기판 상에 배향성이 우수한 나노섬유 매트를 대량적으로 생성할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1000, 2000, 3000, 4000: 다중 노즐 전기방사 장치
1100, 1200, 1300, 1400: 전기방사부
1110A~1110D, 1210A~1210D, 1310A~1310D, 1410A~1410D: 방사노즐
1111A~1111B, 1211A~1211B, 1311A~1311B, 1411A~1411B: 더미노즐
1120A~1120E, 1220A~1220E, 1320A~1320E, 1420A~1420E: 가이드체
100, 200, 300, 400: 스테이지부

Claims (10)

1. 제1 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치되고, 제1 전압이 인가되며, 방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 'N'개의 제1 방사노즐들 및 상기 제1 방사노즐들과 스테이지부 사이에 배치되고, 상기 제1 수평방향을 따라 서로 이격되며, 상기 방사노즐과 상기 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 나노섬유에 상기 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향으로 작용하는 힘을 생성하는 'N+1'개의 제1 가이드체들을 포함하는 제1 전기방사부; 및
   상기 제1 방사노즐들의 팁들로부터 상기 제1 수평방향에 수직한 수직방향으로 이격되고, 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되며, 상기 나노섬유가 적하되는 기판을 지지하는 스테이지부를 포함하고,
   상기 제1 방사노즐들은 상기 제1 가이드체들 사이의 공간 상부에 배치되며,
   상기 'N+1'개의 제1 가이드체들 중 최외곽에 위치하는 2개의 가이드체들은 나머지 방사노즐들보다 높은 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 노즐 전기방사 장치.
2. 제1 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치되고, 제1 전압이 인가되며, 방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 'N'개의 제1 방사노즐들 및 상기 제1 방사노즐들과 스테이지부 사이에 배치되고, 상기 제1 수평방향을 따라 서로 이격되며, 상기 방사노즐과 상기 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 나노섬유에 상기 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향으로 작용하는 힘을 생성하는 'N+1'개의 제1 가이드체들을 포함하는 제1 전기방사부; 및
   상기 제1 방사노즐들의 팁들로부터 상기 제1 수평방향에 수직한 수직방향으로 이격되고, 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되며, 상기 나노섬유가 적하되는 기판을 지지하는 스테이지부를 포함하고,
   상기 제1 방사노즐들은 상기 제1 가이드체들 사이의 공간 상부에 배치되고,
   상기 'N'개의 제1 방사노즐들은 서로 동일한 간격으로 이격되어 있고,
   상기 'N+1'개의 제1 가이드체들 중 최외곽에 위치하는 2개의 가이드체들과 이에 인접한 가이드체들 사이의 이격간격은 나머지 가이드체들 중 인접한 가이드체들 사이의 이격간격보다 작은 것을 특징으로 하는 다중 노즐 전기방사 장치.
3. 제1 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치되고, 제1 전압이 인가되며, 방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 'N'개의 제1 방사노즐들 및 상기 제1 방사노즐들과 스테이지부 사이에 배치되고, 상기 제1 수평방향을 따라 서로 이격되며, 상기 방사노즐과 상기 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 나노섬유에 상기 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향으로 작용하는 힘을 생성하는 'N+1'개의 제1 가이드체들을 포함하는 제1 전기방사부; 및
   상기 제1 방사노즐들의 팁들로부터 상기 제1 수평방향에 수직한 수직방향으로 이격되고, 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되며, 상기 나노섬유가 적하되는 기판을 지지하는 스테이지부를 포함하고,
   상기 제1 방사노즐들은 상기 제1 가이드체들 사이의 공간 상부에 배치되며,
   상기 제1 전기방사부는 상기 'N'개의 제1 방사노즐들과 일렬로 배열되고, 상기 'N'개의 제1 방사노즐들을 사이에 두고 서로 이격된 2개의 더미노즐들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 노즐 전기방사 장치.
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7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 전기방사부와 상기 제2 수평방향으로 이격된 제2 전기방사부를 더 포함하고,
   상기 제2 전기방사부는,
   상기 제1 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치되고, 상기 제1 전압이 인가되며, 상기 제1 방사노즐들의 사이의 영역에 대응하는 영역에 배치된 'N'개의 제2 방사노즐들; 및
   상기 제2 방사노즐들과 상기 스테이지부 사이에 위치하고, 상기 제1 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치된 'N+1'개의 제2 가이드체들을 포함하며,
   상기 제2 방사노즐들은 상기 제2 가이드체들 사이의 공간 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 노즐 전기방사 장치.
8. 제1 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치되고, 제1 전압이 인가되며, 방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 복수의 제1 방사노즐들을 포함하는 제1 전기방사부; 및
   상기 제1 방사노즐들의 팁들로부터 상기 제1 수평방향에 수직한 수직방향으로 이격되고, 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되며, 상기 나노섬유가 적하되는 기판을 지지하는 스테이지부를 포함하고,
   상기 제1 전기방사부는 상기 제1 방사노즐들과 상기 스테이지부 사이에 배치되고, 상기 제1 수평방향을 따라 서로 이격되며, 상기 방사노즐과 상기 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 나노섬유에 상기 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향으로 작용하는 힘을 생성하는 복수의 제1 가이드체들을 더 포함하며,
   상기 제1 가이드체들은 상대 유전율이 50 이하인 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 다중 노즐 전기방사 장치.
9. 제1 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치되고, 제1 전압이 인가되며, 방사용액으로부터 나노섬유들를 방사하는 'N'개의 방사노즐들을 포함하는 전기방사부; 및
   상기 방사노즐들의 팁들로부터 상기 제1 수평방향에 수직한 수직방향으로 이격되고, 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되며, 상기 나노섬유가 적하되는 기판을 지지하는 스테이지부를 포함하고,
   상기 전기방사부는,
   상기 방사노즐들과 상기 스테이지부 사이에 배치되고, 상기 제1 수평방향을 따라 서로 이격되며, 상기 방사노즐과 상기 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 나노섬유들에 상기 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향으로 작용하는 힘을 생성하는 'N+1'개의 제1 가이드체들; 및
   상기 제1 가이드체들 상부에 각각 배치되고, 상기 전기장을 변형하여 상기 나노섬유들을 상기 제1 가이드체들 사이의 영역으로 가이드하는 제2 가이드체들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 노즐 전기방사 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 가이드체들 및 제2 가이드체들은 서로 독립적으로 상대 유전율이 50 이하인 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 다중노즐 전기방사 장치.

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