KR101787479B1 - 전기방사 방식 패턴 형성 장치 - Google Patents
전기방사 방식 패턴 형성 장치 Download PDFInfo
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Abstract
전기방사 방식 패턴 형성 장치가 개시된다. 전기방사 방식 패턴 형성 장치는 제1 전압이 인가되고 방사용액을 방사하는 노즐, 노즐 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 제2 전압이 인가되는 스테이지부, 노즐과 상기 스테이지부 사이에서 서로 이격되게 배치된 제1 및 제2 가이드체를 구비하고 전기장을 변형하여 나노섬유에 특정 방향으로 작용하는 힘을 인가하는 제1 나노섬유 가이드부 및 제1 및 제2 가이드체 상부에 각각 배치되고 서로 이격된 제3 및 제4 가이드체를 구비하고 전기장을 변형하여 나노섬유를 제1 및 제2 가이드체 사이의 영역으로 가이드하는 제2 나노섬유 가이드부를 구비한다.
Description
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 방사용액을 방사하는 노즐과 기판이 배치되는 스테이지 사이에 고전압을 인가하여 방사용액의 표면장력보다 큰 전기장을 형성하여, 방사용액이 나노섬유 형태로 방사되도록 한다. 전기방사 방법으로 제조되는 나노섬유는 방사용액의 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, 방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 노즐; 상기 노즐 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되는 스테이지부; 상기 노즐과 상기 스테이지부 사이에서 상기 노즐의 연장선을 사이에 두고 서로 이격되게 배치된 제1 가이드체 및 제2 가이드체를 포함하고, 상기 노즐과 상기 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 나노섬유를 상기 제1 및 제2 가이드체 사이의 영역에 대응하는 방향으로 배열시키는 제1 나노섬유 가이드부; 및 상기 제1 가이드체 및 상기 제2 가이드체 상부에 각각 배치되고 서로 이격된 제3 가이드체 및 제4 가이드체를 포함하고, 상기 노즐과 상기 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 나노섬유를 상기 제1 및 제2 가이드체 사이의 영역으로 가이드하는 제2 나노섬유 가이드부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 가이드체는 상기 노즐로부터 상기 스테이지부에 수직한 방향으로 연장된 가상의 연장선을 사이에 두고 서로 이격되게 배치되고, 각각 상기 스테이지에 평행한 제1 방향으로 연장되고, 상기 제3 및 제4 가이드체는 상기 가상의 연장선을 사이에 두고 각각 서로 이격되게 배치되고 상기 제1 방향으로 연장되며, 상기 제1 내지 제4 가이드체 각각은 상대 유전율이 50 이하인 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 가이드체와 상기 제3 및 제4 가이드체 각각은 스티로폼 재료, 테프론 재료, 나무 재료, 플라스틱 재료, 고무 재료, 유리 재료, 석영 재료 및 실리콘산화물 재료로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 및 제4 가이드체의 하부면은 상기 노즐의 단부보다 하부에 위치할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 가이드체의 상부면과 상기 제3 및 제4 가이드체의 하부면은 서로 접촉하거나 30 mm 이하의 간격으로 이격될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 가이드체와 상기 제2 가이드체 사이의 제1 이격간격은 상기 제3 가이드체와 상기 제4 가이드체 사이의 제2 이격간격과 동일하거나 이보다 작을 수 있다. 이 경우, 상기 제2 이격간격은 상기 제1 이격간격의 4/3 내지 8/3배일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전기방사 방식 패턴 형성 장치는 상기 제1 나노섬유 가이드부를 상하좌우 방향으로 이동시킬 수 있는 제1 위치 조정부; 및 상기 제1 나노섬유 가이드부와 독립적으로 제2 나노섬유 가이드부를 상하좌우 방향으로 이동시킬 수 있는 제2 위치 조정부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 낮은 상대유전율을 갖는 물질로 형성된 제1 나노섬유 가이드부를 이용하여 노즐과 스테이지부 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 수십 마이크로미터 이상의 두께를 가지는 배향성(Alignment)이 유지된 나노섬유 멤브레인(Membrane) 또는 펠트(Felt)를 제조할 수 있다.
또한, 낮은 상대유전율을 갖는 물질로 형성되고 상기 제1 나노섬유 가이드부 상부에 배치된 제2 나노섬유 가이드부를 이용하여 나노섬유를 제1 나노섬유 가이드부의 제1 가이드체와 제2 가이드체 사이의 영역으로 가이드함으로써 더욱 배향성이 향상된 나노섬유 멤브레인(Membrane) 또는 펠트(Felt)를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 제1 및 제2 나노섬유 가이드부를 포함하지 않는 제1 전기방사 방식 패턴 형성 장치(좌측) 및 제1 나노섬유 가이드부와 제2 나노섬유 가이드부 중 제1 나노섬유 가이드부만을 포함하는 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치(우측)에 있어서 Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 측정한 사진들이다.
도 3은 도 2의 제1 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이다.
도 4은 도 2의 제2 전기방식 방식 패턴 형성 장치에 있어서, Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 2의 제1 및 제2 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 6a 및 도 6b는 제1 나노섬유 가이드부와 제2 나노섬유 가이드부를 모두 포함하는 제3 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 사진 및 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 제1 나노섬유 가이드부와 제2 나노섬유 가이드부 중 제1 나노섬유 가이드부만을 구비하는 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 사진 및 그래프이다.
도 8은 제1 나노섬유 가이드부의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격이 30mm, 20mm, 10mm 및 0mm인 경우에, X축 좌표 및 Y축 좌표가 '0'인 지점에서 Z축 방향으로의 거리(Z축 좌표)에 따른 전기장의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 9a는 제3 가이드체와 제4 가이드체 사이의 수평 방향 이격 간격을 변화시키는 경우, X축 좌표 및 Y축 좌표가'0'인 지점에서 Z축 방향으로의 거리(Z축 좌표)에 따른 Z축 성분 전기장 세기를 나타내는 그래프이고, 도 9b는 제3 가이드체와 제4 가이드체 사이의 수평 방향 이격 간격이 30mm, 50mm, 70mm 및 90mm인 경우에, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 Z축 위치별 세기를 각각 나타내는 그래프들이다.
도 2는 제1 및 제2 나노섬유 가이드부를 포함하지 않는 제1 전기방사 방식 패턴 형성 장치(좌측) 및 제1 나노섬유 가이드부와 제2 나노섬유 가이드부 중 제1 나노섬유 가이드부만을 포함하는 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치(우측)에 있어서 Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 측정한 사진들이다.
도 3은 도 2의 제1 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이다.
도 4은 도 2의 제2 전기방식 방식 패턴 형성 장치에 있어서, Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 2의 제1 및 제2 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 6a 및 도 6b는 제1 나노섬유 가이드부와 제2 나노섬유 가이드부를 모두 포함하는 제3 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 사진 및 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 제1 나노섬유 가이드부와 제2 나노섬유 가이드부 중 제1 나노섬유 가이드부만을 구비하는 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 사진 및 그래프이다.
도 8은 제1 나노섬유 가이드부의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격이 30mm, 20mm, 10mm 및 0mm인 경우에, X축 좌표 및 Y축 좌표가 '0'인 지점에서 Z축 방향으로의 거리(Z축 좌표)에 따른 전기장의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 9a는 제3 가이드체와 제4 가이드체 사이의 수평 방향 이격 간격을 변화시키는 경우, X축 좌표 및 Y축 좌표가'0'인 지점에서 Z축 방향으로의 거리(Z축 좌표)에 따른 Z축 성분 전기장 세기를 나타내는 그래프이고, 도 9b는 제3 가이드체와 제4 가이드체 사이의 수평 방향 이격 간격이 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 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치(100)는 방사용액(10)을 전기방사하여 기판(20)에 원하는 미세 패턴을 직접 형성할 수 있다. 이를 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치(100)는 용액 방사부(110), 스테이지부(120), 제1 나노섬유 가이드부(130) 및 제2 나노섬유 가이드부(140)를 포함할 수 있다.
용액 방사부(110)는 시린지(111) 및 노즐(112)을 포함할 수 있다.
시린지(111)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(112)은 시린지(111)에 연결되고, 시린지(111)에 수용된 방사용액(10)을 스테이지부(120) 방향으로 방사할 수 있다. 노즐(112)은 전도성 물질, 예를 들면, 스테인레스 재질로 형성되고, 일정한 내경 및 외경을 가지는 미세관 형태를 가질 수 있다.
스테이지부(120)는 방사용액(10)이 방사되는 노즐(112)의 단부와 소정 간격 이격되게 배치될 수 있다. 스테이지부(120)는 전도성 재질로 형성될 수 있다. 스테이지부(120)는 나노섬유에 의한 패턴이 형성될 상기 기판(20)을 지지할 수 있다.
노즐(112) 및 스테이지부(120)에는 서로 다른 제1 전압 및 제2 전압이 각각 인가되어, 노즐(112) 및 스테이지부(120) 사이에는 전기장이 형성될 수 있다. 노즐(112)을 통해 방사용액을 방사하는 경우, 노즐(112) 팁에 분포하는 방사용액(10)은 표면장력에 의하여 반구형 방울 형태를 갖게 되고, 노즐(112)에 인가된 전압에 의해 방사용액(10)의 방울 표면에는 노즐(112)에 인가된 전압과 동일한 극성의 전하가 유도되어 정전기적 반발력을 발생시킨다. 이러한 정전기적 반발력의 작용으로 인하여 노즐(112) 팁에 매달려 있는 방사용액(10) 방울은 테일러콘(Taylor cone)으로 알려진 원추형 모양으로 늘어나게 된다. 노즐(112)과 스테이지부(120) 사이에 형성된 전기장의 세기가 특정 임계 전기장의 세기보다 커지면, 방사용액(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 임계값 이상인 경우 표면장력 때문에 방사용액(10) 제트는 붕괴되지 않고 연속된 섬유 형태로 스테이지부(120) 방향으로 방사된다. 본 발명에 있어서는 방사용액(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)의 섬유'를 설명의 편의를 위하여 '나노 섬유'라 칭한다. 이러한 나노 섬유는 체적전류밀도가 높을 경우, 나노섬유의 내재적 불안정성에 의해 굽힘 현상이 발생한다. 나노섬유의 굽힘 현상이 발생하는 위치는 나노섬유의 하전된 정도와 유전율, 전도도, 점도 등과 같은 용액의 특성에 의해 변화한다. 예를 들면, 나노섬유의 하전된 정도가 높을수록 노즐(112) 팁에 가까운 위치에서 나노섬유의 굽힘 현상이 발생한다.
제1 및 제2 나노섬유 가이드부(130, 140)는 노즐(112)로부터 방사된 나노 섬유의 진행방향을 가이드한다. 일 실시예로, 제1 나노섬유 가이드부(130)는 노즐(112) 팁과 스테이지부(120) 사이에 위치하고, 제2 나노섬유 가이드부(140)는 노즐(112) 팁과 제1 나노섬유 가이드부(130) 사이에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 나노섬유 가이드부는 노즐(112)과 스테이지부(120) 사이에 형성된 전기장을 변형시켜 나노 섬유의 진행방향을 가이드할 수 있다. 일 실시예로, 제1 및 제2 나노섬유 가이드부(130, 140)는 상대 유전율(relative dielectric permittivity)이 낮은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 나노섬유 가이드부(130, 140)는 상대 유전율이 약 50 이하인 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 및 제2 나노섬유 가이드부(130, 140)는 스티로폼, 테프론, 나무, 플라스틱 재료, 고무, 유리, 석영, 실리콘산화물 등의 물질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 나노섬유 가이드부(130)는 노즐(112)의 연장선을 사이에 두고 서로 소정 간격으로 이격된 제1 가이드체(131) 및 제2 가이드체(132)를 포함할 수 있고, 제2 나노섬유 가이드부(140)는 노즐(112)의 연장선을 사이에 두고 서로 이격되고, 상기 제1 가이드체(131) 및 제2 가이드체(132) 상부에 각각 위치하는 제3 가이드체(141) 및 제4 가이드체(142)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 가이드체(131, 132)는 스테이지부(120)에 평행한 일 방향, Y-축 방향으로 각각 연장되고 서로 평행하게 배치될 수 있다. 제1 및 제2 가이드체(131, 132)는 서로 동일한 형상 및 크기를 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 가이드체(131, 132) 각각은 원형, 다각형, 반원, 타원 등의 단면을 갖는 막대 형상을 가질 수도 있고, 판(plate) 형상을 가질 수도 있다. 일 예로, 제1 및 제2 가이드체(131, 132) 각각은 XZ 평면을 따라 절단한 단면이 직각 사각형이고, XZ 평면에 수직한 방향(Y)으로 연장된 직육면체 형상의 막대 형상을 가질 수 있다.
제1 및 제2 가이드체(131, 132)는 노즐(112) 팁과 스테이지부(120) 사이에 형성된 전기장을 변형시켜 나노섬유에 Y축 방향으로 작용하는 힘을 인가하는 전기장을 형성할 수 있다. 이러한 나노섬유에 대해 Y축 방향으로 작용하는 전기장 힘을 인가하는 경우, 상기 나노섬유의 Y축 방향으로 유동은 증가할 수 있고, 그 결과 나노섬유가 보다 넓은 면적에서 상기 Y축 방향으로 균일하게 정렬될 수 있다. 이를 위해, 제1 및 제2 가이드체(131, 132)는 서로 일정한 간격만큼 이격되도록 배치되어 XY 평면에 투영했을 경우 제1 및 제2 가이드체(131, 132) 사이에는 제1 및 제2 가이드체(131, 132)의 양쪽 단부에서 오픈된 공간이 형성되는 것이 바람직하다.
제3 및 제4 가이드체(141, 142)는 제1 및 제2 가이드체(131, 132) 상부에 각각 배치되고, Y축 방향으로 연장되고 서로 평행하게 배치될 수 있다. 나노섬유의 체적전류밀도가 높을 경우, 나노섬유에 내재된 불안정성의 정도가 높아져 하전된 나노섬유가 제1 및 제2 가이드체(131, 132) 사이로 통과하기 어려운 문제점이 있는데, 제3 및 제4 가이드체(141, 142)는 노즐(112) 팁과 스테이지부(120) 사이의 전기장을 변형시켜 나노섬유가 제1 및 제2 가이드체(131, 132) 사이를 통과하도록 나노섬유를 가이드할 수 있다.
제3 및 제4 가이드체(141, 142)는 서로 동일한 형상 및 크기를 가질 수 있다. 예를 들면, 제3 및 제4 가이드체(141, 142) 각각은 원형, 다각형, 반원, 타원 등의 단면을 갖는 막대 형상을 가질 수도 있고, 판(plate) 형상을 가질 수도 있다. 다만, 제3 및 제4 가이드체(141, 142)는 서로 일정한 간격만큼 이격되도록 배치되어, XY 평면에 투영했을 경우 제3 및 제4 가이드체(141, 142) 사이에는 제3 및 제4 가이드체(141, 142)의 양쪽 단부에서 오픈된 공간이 형성되는 것이 바람직하다.
일 예로, 제3 및 제4 가이드체(141, 142) 각각은 XZ 평면을 따라 절단한 단면이 사각형이고, XZ 평면에 수직한 방향(Y)으로 연장된 직육면체 형상의 막대 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제3 및 제4 가이드체(141, 142) 각각의 X축 방향으로의 폭은 제1 및 제2 가이드체(131, 132) 각각의 X축 방향으로의 폭보다 작을 수 있고, 그 결과, 제3 가이드체(141)와 제4 가이드체(142) 사이의 이격 간격(D2)은 제1 가이드체(131)와 제2 가이드체(132) 사이의 이격 간격(D1)보다 클 수 있다.
그리고 나노섬유를 제1 가이드체(131)와 제2 가이드체(132) 사이의 공간으로 안정적으로 가이드하기 위하여, 제3 가이드체(141) 및 제4 가이드체(142)의 상부면은 나노섬유의 굽힘 현상이 발생하는 지점보다 높이 위치하는 것이 바람직하다. 일 예로, 나노섬유의 굽힘 현상이 발생하는 지점이 노즐(112) 팁으로부터 예를 들면, 약 2cm 미만으로 떨어진 위치에서 발생하는 경우, 제3 및 제4 가이드체(141, 142)의 상부면은 노즐(112) 팁보다 높은 위치에 배치되고, 나노섬유의 굽힘 현상이 발생하는 지점이 노즐(112) 팁으로부터 약 2cm 이상으로 떨어진 위치에서 발생하는 경우, 제3 및 제4 가이드체(141, 142)의 상부면은 노즐(112) 팁보다 낮은 위치에 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치(100)는 제1 나노섬유 가이드부(130)를 상하좌우 방향으로 이동시킬 수 있는 제1 위치 조정부(미도시) 및 제1 나노섬유 가이드부(130)와 독립적으로 제2 나노섬유 가이드부(140)를 상하좌우 방향으로 이동시킬 수 있는 제2 위치 조정부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 제1 및 제2 위치 조정부에 의해, 제1 및 제2 나노섬유 가이드부(130, 140) 각각의 높이, 제1 가이드체(131)와 제2 가이드체(132) 사이의 이격간격(D1), 제3 가이드체(141)와 제4 가이드체(142) 사이의 이격간격(D2), 제1 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140) 사이의 이격간격(S) 등을 필요에 따라 조절할 수 있다.
도 2는 제1 및 제2 나노섬유 가이드부를 포함하지 않는 제1 전기방사 방식 패턴 형성 장치(좌측) 및 제1 나노섬유 가이드부와 제2 나노섬유 가이드부 중 제1 나노섬유 가이드부만을 포함하는 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치(우측)에 있어서 Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 측정한 사진들이다. 도 3은 도 2의 제1 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이고, 도 4은 도 2의 제2 전기방식 방식 패턴 형성 장치에 있어서, Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이며, 도 5는 도 2의 제1 및 제2 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 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.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 제1 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, 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서는, Z축 좌표가 '+15'와 '+45' 사이, 즉, 제1 가이드체와 제2 가이드체 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 가이드체 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 5를 참조하면, 제1 및 제2 가이드체의 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 가이드체의 양쪽 단부 부분의 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 가이드체 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. 즉, 상기 제1 및 제2 가이드체가 서로 연결될 경우에는 나노섬유에 Y축 방향으로 작용하는 전기장 힘이 발생하지 않을 수 있으므로, 상기 제1 및 제2 가이드체의 양쪽 단부는 서로 이격되게 위치하는 것이 바람직하다.
도 6a 및 도 6b는 제1 나노섬유 가이드부와 제2 나노섬유 가이드부를 모두 포함하는 제3 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 사진 및 그래프이다. 그리고 도 7a 및 도 7b는 제1 나노섬유 가이드부와 제2 나노섬유 가이드부 중 제1 나노섬유 가이드부만을 구비하는 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 사진 및 그래프이다.
도 6a, 도 6b, 도 7a 및 도 7b에 있어서, Y축 좌표는 제1 내지 제4 가이드체(131, 132, 141, 142)의 연장 방향으로의 거리(mm)를 나타내고, X축 좌표는 스테이지부(120)에 평행하고 Y축에 수직한 방향으로의 거리(mm)를 나타내며, Z축 좌표는 X축 및 Y축에 수직한 방향으로의 거리(mm)를 나타낸다. X축 좌표 및 Y축 좌표가 '0'인 지점은 노즐(112)의 연장선 상에 위치하고, Z축 좌표가 '0'인 지점은 스테이지부(120)의 상부면에 위치한다. 제1 가이드체(131)와 제2 가이드체(132) 사이의 이격 간격(D1)은 30 mm이고, 제3 가이드체(141)와 제4 가이드체(142) 사이의 이격 간격(D2)은 50 mm이며, 스테이지부(120)의 상부면으로부터 노즐(112) 팁까지의 거리는 65 mm이다. 그리고 스테이지부(120)의 상부면으로부터 제1 및 제2 가이드체(131, 132)의 하부면까지의 거리는 14 mm이고, 제1 및 제2 가이드체(131, 132)와 제3 및 제4 가이드체(141, 142)의 Z축 방향으로의 두께는 각각 30 mm와 30 mm이며, 제1 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140) 사이의 이격간격(S)은 '0 mm'이다. 한편, 도 6b 및 도 7b에서, 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.
도 1과 함께, 도 6a, 도 6b, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 제3 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서의 전기장은 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서의 전기장과 다른 것을 확인할 수 있다. 특히, 제3 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서의 검정색 곡선 및 빨간색 곡선은 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서의 검정색 곡선 및 빨간색 곡선과 비교하여 피크 값의 크기는 동일 또는 유사하나, 제3 가이드체(141)와 제4 가이드체(142) 사이의 영역, 즉, X축 좌표가 '-15' 이상이고 '+15'이하인 영역에서 그 이외의 영역에 비해 현저하게 높은 전기장 세기를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 즉, 제3 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서의 검정색 곡선 및 빨간색 곡선의 경우, 제3 및 제4 가이드체(141, 142)에 의해 X축 좌표가 '-15' 미만인 영역과 '+15' 이상인 영역에서 전기장의 세기가 현저하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이는 제1 나노섬유 가이드부(130)와 노즐(112) 팁 사이의 위치에서, 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서 형성된 전기장에 비해 제3 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서 형성된 전기장은 나노섬유의 움직임을 중심 방향으로 집중시켜 나노섬유의 굽힘에 의한 나노섬유의 X축 방향으로의 움직임을 더욱 감소시킬 수 있음을 의미한다. 그 결과, 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 비해 제3 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서는 제3 가이드체(141) 및 제4 가이드체(142)에 의해 나노섬유의 X축 방향 움직임이 감소되어 나노섬유가 제1 가이드체(131)와 제2 가이드체(132) 사이의 공간으로 더욱 안정적으로 가이드될 수 있다.
도 8은 제1 나노섬유 가이드부의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)이 30mm, 20mm, 10mm 및 0mm인 경우에, X축 좌표 및 Y축 좌표가 '0'인 지점에서 Z축 방향으로의 거리(Z-축 좌표)에 따른 전기장의 세기를 나타내는 그래프이다. 이 실시예에서만 스테이지부(120)의 상부면으로부터 노즐(112) 팁까지의 거리는 80mm이며, 제1 나노섬유 가이드부(130)의 높이 및 제2 나노섬유 가이드부(140)의 높이는 각각 30mm 및 20mm를 사용하였다. 이에 따라 수직 방향 이격 간격(S)이 30mm인 경우에 제1 나노섬유 가이드부(130)는 스테이지부(120)와 접촉하게 된다.
도 8에 있어서, 검정색 곡선, 빨간색 곡선, 파랑색 곡선 및 청록색 곡선은 제1 나노섬유 가이드부의 상부면(130)과 제2 나노섬유 가이드부(140)의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)이 0mm, 10mm, 20mm 및 30mm 인 경우의 전기장 세기를 각각 나타낸다.
도 1과 함께 도 8을 참조하면, 제1 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140)를 모두 포함하는 제3 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 나노섬유 가이드부(130)의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부(140)의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)을 변경시키는 경우, 이에 따라 제1 나노섬유 가이드부(130)에 의한 전기장의 변형정도가 달라지는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 제1 나노섬유 가이드부(130)의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부(140)의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)이 0mm에서 10mm씩 증가함에 따라 제1 나노섬유 가이드부(130)에 의해 감소하게 되는 전기장 세기 그래프의 최저점 위치가 낮아지며, 그 위치가 낮아진만큼 수직 방향으로 이격된 공간에서의 전기장 세기가 증가된 것을 확인할 수 있다. 수직 방향 이격 간격(S)이 30mm인 경우, 다른 경우들과는 다르게 전기장 세기의 최저점과 스테이지부(120) 상부면에서의 전기장 세기 간의 차이가 유독 낮은 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 사항을 종합하면, 나노섬유를 제1 나노섬유 가이드부(130)의 제1 가이드체(131)와 제2 가이드체(132) 사이의 영역으로 통과시키기 위해서는 제1 나노섬유 가이드부(130)의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부(140)의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)을 10mm에서 20mm 정도의 범위로 조절하여야 하며, 제1 나노섬유 가이드부(130)는 스테이지부(120)와 이격되어 있는 것이 바람직하다.
도 9a는 제3 가이드체와 제4 가이드체 사이의 수평 방향 이격 간격을 변화시키는 경우, X축 좌표 및 Y축 좌표가'0'인 지점에서 Z축 방향으로의 거리(Z축 좌표)에 따른 Z축 성분 전기장 세기를 나타내는 그래프이고, 도 9b는 제3 가이드체와 제4 가이드체 사이의 수평 방향 이격 간격이 30mm, 50mm, 70mm 및 90mm인 경우에, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 Z축 위치별 세기를 각각 나타내는 그래프들이다.
도 9a에 있어서, 제1 나노섬유 가이드부(130)의 제1 가이드체(131)와 제2 가이드체(132) 사이의 이격 간격(D1)은 '30 mm'이고, 검정색 곡선, 빨강색 곡선 및 파랑색 곡선은 제1 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140)를 모두 포함하는 제3 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서 제3 가이드체(141)와 제4 가이드체(142) 사이의 수평방향 이격 간격(D2)이 '50 mm', '70 mm' 및 '90 mm'인 경우의 전기장 세기를 나타내며, 녹색 곡선은 제1 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140) 중 제1 나노섬유 가이드부(130)만을 포함하는 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서의 전기장 세기를 나타낸다.
도 9b에 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.
도 1과 함께 도 9a를 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 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140)를 모두 포함하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치의 경우, Z축 좌표가 30 이상인 영역에서는 제3 가이드체(141)와 제4 가이드체(142) 사이의 수평 방향 이격 간격(D2)이 증가할수록 Z축 성분 전기장의 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이에 반해, Z축 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 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140)를 모두 포함하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치의 경우, Z축 좌표가 15 이하인 영역에서는 제3 가이드체(141)와 제4 가이드체(142) 사이의 수평방향 이격 간격(D2)이 감소할수록 Z축 성분 전기장의 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 1과 함께 도 9b를 참조하면, 제3 가이드체(141)와 제4 가이드체(142) 사이의 수평 방향 이격간격(D2)이 '30 mm'인 경우, 즉, 제3 가이드체(141)와 제4 가이드체(142) 사이의 수평 방향 이격간격(D2)이 제1 가이드체(131)와 제2 가이드체(132) 사이의 수평 방향 이격간격(D1)과 동일한 경우, 빨간색 곡선에서 전기장 세기의 피크값이 다른 경우에 비해 현저하게 낮은 것을 확인할 수 있다. 한편, 제3 가이드체(141)와 제4 가이드체(142) 사이의 수평 방향 이격간격(D2)이 '90 mm'인 경우, 제1 가이드체(131)와 제2 가이드체(132) 사이의 수평 방향 이격간격(D1)보다 지나치게 크므로, 제3 및 제4 가이드체(141, 142)에 의해 가이드된 나노섬유라 할지라도 제1 가이드체(131)와 제2 가이드체(132) 사이의 공간으로 통과하기 어려운 문제점이 발생할 수 있다.
이상의 사항을 종합하면, 제1 가이드체(131)와 제2 가이드체(132) 사이의 수평 방향 이격간격(D1)이 30 mm인 경우, 제3 가이드체(141)와 제4 가이드체(142) 사이의 수평 방향 이격간격(D2)은 약 40 mm 이상 80 mm 이하인 것이 바람직하다. 즉, 제3 가이드체(141)와 제4 가이드체(142) 사이의 수평 방향 이격간격(D2)은 제1 가이드체(131)와 제2 가이드체(132) 사이의 수평 방향 이격간격(D1)의 약 4/3 내지 8/3배인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 제1 및 제2 나노섬유 가이드부를 이용하여 노즐과 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형시키고, 변형된 전기장을 이용하여 나노섬유의 움직임을 제어함으로써 기판 상에 나노섬유를 일 방향으로 배열 및 위치시킬 수 있고, 그 결과 기판 상에 수십 마이크로미터 이상의 두께를 가지며 배향성이 잘 유지된 나노섬유 멤브레인 또는 펠트를 제조할 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.
100: 패턴 형성 장치 110: 용액 방사부
111: 시린지 112: 노즐
120: 스테이지부 130: 제1 나노섬유 가이드부
131: 제1 가이드체 132: 제2 가이드체
140: 제2 나노섬유 가이드부 141: 제3 가이드체
142: 제4 가이드체
111: 시린지 112: 노즐
120: 스테이지부 130: 제1 나노섬유 가이드부
131: 제1 가이드체 132: 제2 가이드체
140: 제2 나노섬유 가이드부 141: 제3 가이드체
142: 제4 가이드체
Claims (8)
- 제1 전압이 인가되고, 방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 노즐;
상기 노즐 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되는 스테이지부;
상기 노즐과 상기 스테이지부 사이에서 상기 노즐의 연장선을 사이에 두고 서로 이격되게 배치된 제1 가이드체 및 제2 가이드체를 포함하고, 상기 노즐과 상기 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 나노섬유를 상기 제1 및 제2 가이드체 사이의 영역에 대응하는 방향으로 배열시키는 제1 나노섬유 가이드부; 및
상기 제1 가이드체 및 상기 제2 가이드체 상부에 각각 배치되고 서로 이격된 제3 가이드체 및 제4 가이드체를 포함하고, 상기 노즐과 상기 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 나노섬유를 상기 제1 및 제2 가이드체 사이의 영역으로 가이드하는 제2 나노섬유 가이드부를 포함하고,
상기 제1 및 제2 가이드체와 상기 제3 및 제4 가이드체 각각은 상기 스테이지에 평행한 제1 방향으로 연장되어, 상기 제1 및 제2 가이드체 사이의 공간 및 상기 제3 및 제4 가이드체 사이의 공간은 상기 제1 방향에 따른 양쪽 단부에서 각각 개방되며,
상기 제1 및 제2 가이드체와 상기 제3 및 제4 가이드체 각각은 스티로폼 재료, 테프론 재료, 나무 재료, 플라스틱 재료, 고무 재료, 유리 재료, 석영 재료 및 실리콘산화물 재료로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 가이드체는 상기 노즐로부터 상기 스테이지부에 수직한 방향으로 연장된 가상의 연장선을 사이에 두고 서로 이격되게 배치되고,
상기 제3 및 제4 가이드체는 상기 가상의 연장선을 사이에 두고 각각 서로 이격되게 배치되고 상기 제1 방향으로 연장된 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치. - 삭제
- 제2항에 있어서,
상기 제3 및 제4 가이드체의 하부면은 상기 노즐의 단부보다 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치. - 제2항에 있어서,
상기 제1 및 제2 가이드체의 상부면과 상기 제3 및 제4 가이드체의 하부면은 서로 접촉하거나 30 mm 이하의 간격으로 이격된 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치. - 제2항에 있어서,
상기 제1 가이드체와 상기 제2 가이드체 사이의 제1 이격간격은 상기 제3 가이드체와 상기 제4 가이드체 사이의 제2 이격간격과 동일하거나 이보다 작은 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치. - 제6항에 있어서,
상기 제2 이격간격은 상기 제1 이격간격의 4/3 내지 8/3배인 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 나노섬유 가이드부를 상하좌우 방향으로 이동시킬 수 있는 제1 위치 조정부; 및
상기 제1 나노섬유 가이드부와 독립적으로 제2 나노섬유 가이드부를 상하좌우 방향으로 이동시킬 수 있는 제2 위치 조정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
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