KR102194157B1 - 기능성 3차원 구조물의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 기능성 3차원 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 소정의 기능을 수행하기 위한 기능성 구조체의 외곽에 열가소성 수지 재질의 열가소성 보호층이 구비된 기능성 필라멘트를 마련하는 단계와; 상기 기능성 필라멘트를 연속적으로 토출하여 3차원 형상이 구현되도록 높이 방향을 따라 적층하는 단계; 및 상기 기능성 필라멘트의 적층시, 상기 기능성 필라멘트의 열가소성 보호층의 적어도 일 부분을 용융시켜 상기 기능성 필라멘트 사이의 서로 마주하는 접촉부를 접합시키는 단계;를 포함하는 기능성 3차원 구조물의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 기능성 3차원 구조물에 관한 것이다.

Description

기능성 3차원 구조물의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 기능성 3차원 구조물 {Method for manufacturing functional 3-dimensional structure and 3-dimensional structure manufactured thereby}

본 발명은 에너지 저장, 에너지 하베스팅 등의 특정 기능을 구조물 그 자체로서 수행할 수 있도록 해당 기능을 수행하는 구조가 구조물 자체에 매립 또는 일체화된 기능성 3차원 구조물을 제조하기 위한 방법 및 그에 의해 제조된 기능성 3차원 구조물에 관한 것이다.

슈퍼커패시터(Supercapacitor)는 극성이 서로 다른 한 쌍의 전극을 이용하는 에너지 저장장치로서, 수 십만 회의 지속적인 충방전이 가능하며, 일반적인 다른 에너지 자장 장치에 비하여 에너지 효율과 출력이 높고 내구성 및 안정성이 뛰어난 장점이 있다. 이에 따라, 최근, 대전류로 충방전 할 수 있는 슈퍼커패시터가 핸드폰용 보조 전원, 전기 자동차용 보조 전원, 태양전지용 보조 전원 등과 같이 충방전 빈도가 높은 에너지 저장 장치로서 유망시되고 있다.

나아가, 기계 또는 전자 장치에 배터리와 같은 기존의 에너지 저장수단을 설치하지 않고, 장치의 프레임, 커버, 부품 자체에 슈퍼커패시터를 매립시키거나 일체화시켜 장치의 사이즈를 소형화시키고 무게를 경량화시키는 기술들이 개발되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1(미국특허공보 제9,586,684호)와 같이, 로터리 프로펠러에 슈퍼커패시터의 구성을 일체화시킨 로터리 프로펠러 드론에 관한 기술이 제안되고 있다.

이와 같은 에너지 저장 기능 이외에도 특정 기능을 기계 또는 전자 장치의 구조물 자체에 매립시킴으로써 해당 기능을 수행하는 부품의 실장 공간을 절약하고 장치의 전체 무게를 경량화시키기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.

미국특허공보 제9,586,684호 (2017.03.07)

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 에너지 저장, 에너지 하베스팅 등 특정 기능을 수행하기 위한 구조가 구조물 자체에 매립 또는 일체화된 기능성 3차원 구조물을 간단하고 단순한 공정을 통해 제작할 수 있는 방법 및 그에 의해 제조된 기능성 3차원 구조물을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 소정의 기능을 수행하기 위한 기능성 구조체의 외곽에 열가소성 수지 재질의 열가소성 보호층이 구비된 기능성 필라멘트를 마련하는 단계와; 상기 기능성 필라멘트를 연속적으로 토출하여 3차원 형상이 구현되도록 높이 방향을 따라 적층하는 단계; 및 상기 기능성 필라멘트의 적층시, 상기 기능성 필라멘트의 열가소성 보호층의 적어도 일 부분을 용융시켜 상기 기능성 필라멘트 사이의 서로 마주하는 접촉부를 접합시키는 단계;를 포함하는 기능성 3차원 구조물의 제조 방법이 제공된다.

또한, 상기 기능성 구조체는 단순 역학적 구조물뿐만 아니라 에너지 저장, 에너지 하베스팅, 센서, 구동기의 기능 중 적어도 하나의 기능을 발휘하도록 구성 가능하다.

또한, 상기 기능성 구조체는, 표면에 활물질이 구비된 제1 및 제2 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극의 사이에 구비되며, 전해질이 충전되는 다공성 부재를 포함하는 섬유형 슈퍼커패시터의 형태를 가질 수 있다.

또한, 상기 접촉부를 접합시키는 단계는, 상기 열가소성 보호층의 표면에 광을 조사하는 광 용접 방법을 통해 수행 가능하다.

또한, 상기 광 용접 방법에 사용되는 광은 레이저 광일 수 있으며, 상기 레이저 광은 UV 레이저, IR 레이저, Visible 레이저 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 열가소성 보호층에는 상기 레이저 광의 흡수가 가능한 광흡수 염료(dye)가 혼합될 수 있다.

또한, 상기 열가소성 보호층에는 상기 레이저 광의 열을 확산시키는 열 확산 필름이 내장될 수 있다.

또한, 상기 접촉부를 접합시키는 단계는, 상기 기능성 필라멘트가 토출되는 프린팅 헤드의 토출부를 가열하여 상기 기능성 필라멘트의 열가소성 보호층을 용융시킨 후, 상기 기능성 필라멘트가 상기 접촉부에 상기 열가소성 보호층이 응고 및 접합되도록 수행될 수 있다.

또한, 상기 열가소성 보호층은 상기 기능성 구조체보다 낮은 녹는점을 갖는 재질로 형성될 수 있다.

또한, 상기 접합 단계 이후, 상기 접촉부에 레이저 광을 추가로 조사하는 단계가 더 포함될 수 있다.

또한, 상기 기능성 필라멘트의 적층 단계와 상기 접촉부의 접합 단계는 높이 방향을 따라 연속적으로 반복 수행될 수 있다.

또한, 상기 기능성 필라멘트를 제작하는 단계는, 상기 기능성 구조체에 대응되는 구조를 갖는 프리폼을 제작하는 단계와; 상기 프리폼을 드로잉하여 상기 기능성 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 기능성 구조체의 외곽에 상기 열가소성 보호층을 코팅하는 단계;를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제조 방법에 의해 제조된 기능성 3차원 구조물이 제공된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 기능성 필라멘트를 3차원 형태로 적층시키면서 기능성 필라멘트 간의 접촉 부위를 부분 용융시켜 접합하는 방식을 통해 기능성 구조체를 손상시키지 않으면서 간단하고 단순한 방식으로 기능성 3차원 구조물을 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한, 열가소성 보호층에 광흡수 염료를 혼합하거나, UV 레이저, IR 레이저 등을 사용함으로써 열가소성 보호층의 외부만을 국부적으로 용융시킬 수 있으며, 이에 따라 기능성 구조체에 미치는 열적 영향을 최소화할 수 있는 이점이 있다.

또한, 드로잉 공정을 통해 기능성 필라멘트를 제조함으로써 기능성 필라멘트의 연속 제조(continuous fabrication)가 가능하도록 하고, 이를 통해 기능성 필라멘트의 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 3차원 구조물의 제조 방법을 나타낸 순서도.
도 2는 기능성 필라멘트의 일 예를 나타낸 사시도.
도 3은 도 1의 기능성 필라멘트의 적층 공정을 도식적으로 나타낸 도면.
도 4는 도 1의 접촉부 접합 공정을 도식적으로 나타낸 도면.
도 5는 슈퍼커패시터의 기능을 수행하는 기능성 필라멘트의 여러 실시예들을 나타낸 단면도.
도 6은 기능성 필라멘트의 열가소성 보호층의 변형 실시예를 나타낸 기능성 필라멘트의 단면도.
도 7은 기능성 필라멘트의 제작시 프리폼을 드로잉하는 단계를 도식적으로 나타낸 도면.
도 8은 기능성 필라멘트의 제작시 드로잉 공정 이후의 과정을 도식적으로 나타낸 도면.
도 9는 도 8에 도시된 공정과 관련된 예시적인 코팅 방법들을 나타낸 도면.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 의한 기능성 3차원 구조물의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 기능성 3차원 구조물의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 명세서에서 사용된 기능성 3차원 구조물이라 함은 특정 기능을 수행하기 위한 구조가 구조물 자체에 매립 또는 일체화된 능동형 3차원 구조물을 지칭한다. 이러한 기능으로서 에너지 저장, 에너지 하베스팅, 센서 기능, 구동기(액추에이터) 기능 등을 예로 들 수 있으며, 여기서 언급된 기능 이외에도 다양한 기능을 더 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 3차원 구조물의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.

본 실시예에 따른 기능성 3차원 구조물의 제조 방법에 대하여 설명하면, 먼저 기능성 필라멘트(100)를 마련한다(S10). 도 2는 기능성 필라멘트의 일 예를 나타낸 사시도로서, 에너지 저장 기능을 하는 슈퍼커패시터 구조가 적용된 구성을 예시하고 있다.

도 2와 같이, 기능성 필라멘트(100)는 소정의 기능을 수행하기 위한 기능성 구조체의 외곽에 열가소성 수지 재질의 열가소성 보호층(50)이 구비된 구성을 갖는다.

본 실시예에 따르면, 기능성 구조체는 섬유형 슈퍼커패시터의 구조로서, 제1 및 제2전극(10, 20), 전해질이 충전된 다공성 부재(40)를 포함한다.

제1 및 제2 전극(10, 20)은 도전성 재질로서 각각 양극 또는 음극으로서의 기능을 하며, 서로 일정 간격만큼 이격되게 배치된다. 제1 및 제2 전극(10, 20)은 특정 방향을 따라 연장되는 섬유의 형태를 갖는다. 제1 및 제2 전극(10, 20)에는 전도성을 향상시킬 수 있도록 금속 나노 입자 또는 금속 나노 와이어가 코팅될 수 있다.

제1 및 제2 전극(10, 20)의 표면에는 활물질(30)이 구비될 수 있으며, 활물질은 코팅이나 가공 등의 방식으로 형성될 수 있다.

상기 제1 및 제2 전극(10, 20)으로서 고전도성 금속 물질(은나노 입자, 은코팅된 구리입자, 은나노선 등), 전도성 탄소 물질(탄소나노튜브, 그래핀, 카본블랙 등), 폴리머, 저융점 금속(In, In-Sn, Bi-Sn 등) 등의 물질을 사용하거나, 이들 물질의 복합체를 사용할 수 있다.

또한, 활물질(30)은 활성탄, 탄소나노튜브, 그래핀, 금속산화물, 전기 활성 폴리머(electroactive polymer) 등의 물질로 형성되거나, 이들 물질의 복합체를 사용할 수 있다.

다공성 부재(40)는 제1 및 제2 전극(10, 20)의 사이에 구비되며, 제1 및 제2 전극(10, 20)과 함께 필라멘트 형태의 기능성 구조체를 형성한다. 다공성 부재(40)는 고분자 재질로서 다수의 공극이 구비되며, 다수의 공극 내에는 전해질이 충전된다. 전해질은 겔 타입 반고체의 형태를 가질 수 있으며, 전해질로서 산/염기 수용액과 폴리머의 혼합체, 이온성 액체(ionic liquid)와 폴리머의 혼합체 등을 사용할 수 있다.

제1 및 제2 전극(10, 20)에 전압이 인가되면, 전해질 내의 이온들이 전기장을 따라 이동하며, 활물질(30) 주변에 양전하와 음전하가 정전기적인 인력에 의해 이중층을 형성하게 되어 에너지가 저장된다.

열가소성 보호층(50)은 기능성 구조체의 외곽에 구비되며, 전해질 및 내부 구조를 외부로부터 보호하는 기능을 한다. 열가소성 보호층(50)은 열가소성 수지 재질로 형성되며, 이러한 열가소성 수지로서 PVDF, P(VDF-TrFE), PP, PE, PLA, ABS, PMMA, PC 등이 사용될 수 있다. 열가소성 수지에는 레이저 광의 흡수가 가능한 광흡수 염료(dye)가 혼합될 수 있다.

이상에서 설명한 기능성 필라멘트(100)의 구성은 슈퍼커패시터의 구조가 적용된 구성의 일 예이며, 기능성 필라멘트(100) 내부의 기능성 구조체의 구성은 3차원 구조물에 적용되는 기능에 따라 다양한 형태로 구현 가능하다 할 것이다.

이와 같이 기능성 필라멘트(100)가 마련되면, 기능성 필라멘트(100)를 연속적으로 토출하여 3차원 형상이 구현되도록 높이 방향을 따라 적층한다(S20). 도 3은 이와 같은 기능성 필라멘트의 적층 공정의 일 예를 예시하고 있다.

이와 같은 공정을 위해 기능성 필라멘트(100)를 베드(130, 또는 기판)에 토출하는 프린팅 헤드(110)가 사용될 수 있으며, 프린팅 헤드(110)와 베드(130)는 서로 3축 방향으로 상대 이동 가능하게 구성 가능하다. 프린팅 헤드(110)는 기능성 필라멘트(100)가 권선된 필라멘트 스풀(120)로부터 기능성 필라멘트(100)를 연속적으로 공급받을 수 있다.

본 실시예의 경우, 기능성 필라멘트(100)를 링 형상으로 토출하면서 높이 방향을 따라 링의 직경을 가변시키면서 적층하여 3차원 구조물(200)을 형성하는 것을 예시하고 있다. 이와 같은 방법에 따르면 예시된 형태뿐만 아니라 적층 방식을 통한 다양한 형태의 3차원 구조물의 형성이 가능하다.

기능성 필라멘트(100)의 적층시, 기능성 필라멘트(100)의 열가소성 보호층(50)의 적어도 일 부분을 용융시켜 기능성 필라멘트(100)의 서로 마주하는 접촉부(150)를 접합시킨다(S30). 도 4는 이와 같은 접촉부 접합 공정을 도식적으로 나타내고 있다.

접촉부(50)의 접합은 기능성 필라멘트(100)의 열가소성 보호층(50)의 표면에 광을 조사하여 표면을 부분적으로 용융시킨 후 용융된 부위가 다시 굳으면서 접합되는 광 용접 방법을 통해 수행될 수 있다. 구체적으로, 광 용접 방법으로 레이이 광을 이용한 레이저 용접을 사용할 수 있으며, 여기에 사용되는 레이저 광으로 파장 특성에 따라 UV 레이저, IR 레이저, Visible 레이저 등, 출력 시간 특성에 따라 연속 발진 레이저 또는 나노초에서 밀리초까지의 펄스 길이를 갖는 펄스 레이저 등이 사용될 수 있다.

레이저 광을 조사하기 위한 레이저 헤드(140) 또한 베드(130)에 대하여 3축 방향으로 이동 가능하게 구성될 수 있으며, 프린팅 헤드(110)의 토출 동작시 프린팅 헤드(110)의 이동 경로에 대응되는 이동 경로를 가지고 뒤따라 이동하도록 설정 가능하다.

프린팅 헤드(110)에 동작에 의해 기능성 필라멘트(100)가 토출되어 3차원 형상으로 적층되고, 이 때, 레이저 광을 기능성 필라멘트(100) 사이의 접촉부(150)에 조사하여 열가소성 보호층(50)을 부분적으로 용융시켜 기능성 구조체에 손상을 발생시키지 않고 레이어 간의 접합을 수행할 수 있다.

열가소성 보호층(50)을 이루는 열가소성 수지에 광 흡수도가 높은 광흡수 염료(dye)를 사용하거나, 수지에 흡수도가 높은 UV 레이저, IR 레이저, Visible 레이저 등을 조사하면, 적절한 레이저 출력에 의해 열가소성 보호층(50)의 외부만 국부적으로 용융시킬 수 있게 되며, 이에 따라 그 내부에 기능성 구조체에 미치는 열적 영향을 최소화할 수 있다.

프린팅 헤드(110)가 토출 동작을 계속하여 프린팅 스폿이 이동하며, 용융되었던 접촉부(150)는 열전달에 의해 냉각되면서 응고되어 레이어 간의 접합이 이루어지게 된다. 이와 같은 필라멘트 적층 공정(S20) 및 접촉부 접합 공정(S30)을 연속적으로 반복 수행함으로써 목표한 형태의 기능성 3차원 구조물(200)을 제작할 수 있다.

한편, 접촉부(50)의 접합은 상기와 같은 광용접 방법을 사용하지 않고, 프린팅 헤드(110)의 토출부를 가열하는 방법을 사용하는 것도 가능하다. 이러한 경우 프린팅 헤드(110)의 토출부에 히터가 내장되거나, 프린팅 헤드(110)의 토출부 주변에 히터가 설치될 수 있다.

이러한 방법을 사용할 경우, 기능성 필라멘트(100)의 열가소성 보호층(50)으로 그 내부의 기능성 구조체보다 낮은 녹는점을 갖는 재질을 사용할 수 있으며, 이를 통해 기능성 구조체의 손상 없이 열가소성 보호층(50)만 선택적으로 용융시킬 수 있다.

프린팅 헤드(110)의 토출부를 가열함에 따라 기능성 필라멘트(100)는 열가소성 보호층(50)만 용융된 상태로 적층되게 되며, 기능성 필라멘트(100)가 서로 접촉되면서 열전달에 의해 열가소성 보호층(50)이 응고되어 접합이 이루어진다.

이와 같은 방법에 따르면, 프린팅 헤드(100)의 토출부에서의 예열을 통해 토출되는 부위와 접합되는 부위 사이에 작용하는 기계적인 응력을 완화할 수 있으며, 이에 따라 적층된 3차원 구조체의 잔류 응력을 경감시키는 이점이 있다.

프린팅 헤드(110)의 토출부를 가열하는 방법을 사용하는 경우에도, 앞서 설명한 바와 같이 기능성 필라멘트(100)의 접촉부(150)에 레이저 광을 추가로 조사할 수 있으며, 이를 통해 접합력을 보다 향상시킬 수 있다.

슈퍼커패시터 기능이 적용된 기능성 필라멘트의 구조는 앞서 설명한 구조 이외에도 다양하게 구성 가능하며, 도 5는 슈퍼커패시터의 기능을 수행하는 기능성 필라멘트의 여러 실시예들을 나타낸 단면도이다.

도 5의 (a)에 도시된 구조는 앞서 설명한 도 2의 기능성 필라멘트(100)의 단면을 보이고 있다. 이에 따르면, 제1 및 제2 전극(10, 20)은 각각 원형 단면으로서 서로 이격되게 배치되며, 활물질(30)은 제1 및 제2 전극(10, 20)의 외주면에 코팅되어 있다. 그리고, 다공성 부재(40) 및 전해질은 제1 및 제2 전극(10, 20)의 주위를 둘러싸도록 배치되어 전체적으로 원 또는 타원 형상의 단면을 가지고 있다.

또한, (b)와 같이, 제1 전극(10)과 제2 전극(20)이 서로 마주보는 원호 형태의 단면을 각각 가질 수 있으며, 활물질(30)은 제1 및 제2 전극(10, 20)의 서로 마주하는 표면 상에 구비될 수 있다. 다공성 부재(40) 및 전해질은 각 원호와 접촉하는 원형 단면을 갖도록 구성 가능하다.

또한, (c)와 같이, 제1 및 제2 전극(10, 20)이 서로 마주보는 평판의 형태를 가질 수 있으며, 활물질(30)은 제1 및 제2 전극(10, 20)의 서로 마주하는 표면 상에 구비될 수 있다. 다공성 부재(40) 및 전해질은 각 평판과 접하도록 각 평판 사이의 공간에 배치된 형태를 가질 수 있다.

나아가, (d)와 같이, 상기 제1 및 제2 전극(10, 20)이 내외부 동심원 형태의 단면을 가질 수 있으며, 활물질(30)은 제1 및 제2 전극(10, 20)의 서로 마주하는 표면, 즉, 내주면과 외주면 상에 구비될 수 있다. 다공성 부재(40) 및 전해질은 제1 및 제2 전극(10, 20)의 내외주면의 사이에 배치된 형태를 가질 수 있다.

도 6은 기능성 필라멘트의 열가소성 보호층의 변형 실시예를 나타낸 기능성 필라멘트의 단면도이다.

본 실시예에 따른 열가소성 보호층(50)의 구성을 제외하고 도 5의 (a)에 도시된 기능성 필라멘트(100)의 구성과 동일하다. 열가소성 보호층(50)에는, 도 6과 같이, 레이저 광의 열을 확산시키는 열 확산 필름(60)이 내장될 수 있다. 이러한 열확산 필름(60)으로서 그래핀, 탄소나노튜브(CNT), boron nitride(BN) 등의 재질을 갖는 유연성 열확산 필름(60)을 사용할 수 있으며, 기능성 구조체의 외곽을 한정하는 격벽의 형태를 이루도록 배치될 수 있다. 열확산 필름(60)은 열가소성 보호층(50)에 조사된 레이저 광의 열을 확산시켜 열이 내부 방향으로 전달되는 것을 최소화하고 열을 원주방향으로 전달함으로써 보다 넓은 접촉 영역에 고른 용접이 이루어지도록 하며, 이를 통해 섬유 내부의 기능성 구조체에 대한 열적 영향을 보다 줄일 수 있게 된다.

다음으로, 기능성 필라멘트(100)를 제조하는 방법과 관련하여, 본 발명과 관련된 기능성 필라멘트는 드로잉 공법을 이용하여 제작 가능하다. 이와 관련하여 기능성 필라멘트(100)의 제작 과정에 대하여 구체적으로 설명하면, 기능성 구조체에 대응되는 구조를 갖는 프리폼을 제작한 후, 드로잉(drawing: 인발) 공정을 통해 기능성 구조체를 형성한 다음, 기능성 구조체의 외곽에 열가소성 보호층(50)을 코팅하는 방법을 사용한다.

도 7은 기능성 필라멘트의 제작시 프리폼을 드로잉하는 단계를 도식적으로 나타낸 도면이다.

프리폼(A)은 목표로 하는 기능성 구조체(B)의 직경보다 수십 내지 수백배 큰 직경을 갖도록 제작된다. 프리폼(A)의 드로잉은 열적 인발(Thermal Drawing) 방식으로 이루어질 수 있으며, 이를 위해 가열로(F)가 설치될 수 있다. 이에 따르면 프리폼(A)을 녹는 점 바로 아래의 온도로 가열한 후 드로잉되게 된다.

프리폼(A)이 가열로(F)를 통과함에 따라 프리폼(A)의 녹는 온도 아래까지 가열되고, 네킹 현상에 의해 그 직경이 수십 내지 수백분의 일로 줄어들어 기능성 구조체(B)가 형성된다.

도 8은 기능성 필라멘트의 제작시 드로잉 공정 이후의 과정을 도식적으로 나타낸 도면으로서, 도 2 및 5(a)에서 예로 든 슈퍼커패시터 기능이 적용된 기능성 필라멘트의 제작 공정을 순차적으로 보이고 있다.

도 8의 (a) 및 (b)는 기능성 구조체 내에 전해질을 충전하는 공정을 보인 것이다. (a)와 같이, 기능성 구조체(B)의 다공성 부재(40)의 공극에 겔상 또는 액상의 전해질을 충전하면, (b)와 같이 최종적인 섬유 구조체(B)의 구조를 형성할 수 있다.

다음으로 (c)와 같이 섬유 구조체(B)의 외곽에 열가소성 보호층(50)을 코팅하여 기능성 필라멘트(100)의 제작을 완료할 수 있다.

이상에 설명한 기능성 필라멘트(100)의 제조 방법에 따르면, 연속적인 공정 라인을 통한 연속 제조가 가능한데, 이는 도 7에 도시한 드로잉 공정 이후, 도 8의 용액 처리 공정, 코팅 공정 등을 순차적으로 수행하여 수행 가능하다

도 9는 도 8에 도시된 공정과 관련된 예시적인 코팅 방법들을 나타낸 도면이다.

기능성 구조체(B)의 용액 처리, 전해질 충전, 열가소성 보호층(50) 의 코팅에 도 8의 (a)와 같이 기능성 구조체(B)를 용액(S)에 담그는 딥 코팅(dip coating) 방법을 사용할 수 있다. 또한 (b)와 같은 다이 코팅 장치(200)를 이용한 코팅 또한 가능하다.

이와 같은 딥 코팅 공정 라인 또는 다이 코팅 공정 라인을 앞서 설명한 드로잉 공정 라인과 연속적으로 연결하면, 연속적인 공정 라인을 통해 기능성 필라멘트(100)의 연속 제조가 가능하며, 이를 통해 기능성 필라멘트의 제조 생산성을 향상시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 제1 전극 20: 제2 전극
30: 활물질 40: 다공성 부재
50: 열가소성 보호층 60: 열확산 필름
A: 프리폼 B: 기능성 구조체
100: 기능성 필라멘트 110: 프린팅 헤드
120: 필라멘트 스풀 130: 베드
140: 레이저 헤드 150: 접촉부
200: 기능성 3차원 구조물

Claims (14)

1. 소정의 기능을 수행하기 위한 기능성 구조체의 외곽에 열가소성 수지 재질의 열가소성 보호층이 구비된 기능성 필라멘트를 마련하는 단계;
   상기 기능성 필라멘트를 연속적으로 토출하여 3차원 형상이 구현되도록 높이 방향을 따라 적층하는 단계; 및
   상기 기능성 필라멘트의 적층시, 상기 기능성 필라멘트의 열가소성 보호층의 적어도 일 부분을 용융시켜 상기 기능성 필라멘트 사이의 서로 마주하는 접촉부를 접합시키는 단계;를 포함하고,
   상기 접촉부를 접합시키는 단계는,
   상기 열가소성 보호층의 표면에 레이저 광을 조사하는 레이저 광 용접 방법을 통해 수행되며,
   상기 열가소성 보호층에는 상기 레이저 광의 열이 상기 기능성 구조체로 전달되는 것을 최소화하도록 상기 레이저 광의 흡수가 가능한 광흡수 염료(dye)가 혼합되거나, 상기 레이저 광의 열을 확산시키는 열 확산 필름이 내장되는 것을 특징으로 하는 기능성 3차원 구조물의 제조 방법.
   
2. 소정의 기능을 수행하기 위한 기능성 구조체의 외곽에 열가소성 수지 재질의 열가소성 보호층이 구비된 기능성 필라멘트를 마련하는 단계;
   상기 기능성 필라멘트를 연속적으로 토출하여 3차원 형상이 구현되도록 높이 방향을 따라 적층하는 단계; 및
   상기 기능성 필라멘트의 적층시, 상기 기능성 필라멘트의 열가소성 보호층의 적어도 일 부분을 용융시켜 상기 기능성 필라멘트 사이의 서로 마주하는 접촉부를 접합시키는 단계;를 포함하고,
   상기 접촉부를 접합시키는 단계는,
   상기 기능성 필라멘트가 토출되는 프린팅 헤드의 토출부를 가열하여 상기 기능성 필라멘트의 열가소성 보호층을 용융시킨 후, 상기 기능성 필라멘트가 서로 접촉되면서 상기 열가소성 보호층이 응고 및 접합되도록 수행되며,
   상기 접촉부에 레이저 광을 추가로 조사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 3차원 구조물의 제조 방법.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 기능성 구조체는 에너지 저장, 에너지 하베스팅, 센서, 구동기의 기능 중 적어도 하나의 기능을 발휘하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기능성 3차원 구조물의 제조 방법.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기능성 구조체는,
   표면에 활물질이 구비된 제1 및 제2 전극; 및
   상기 제1 및 제2 전극의 사이에 구비되며, 전해질이 충전되는 다공성 부재를 포함하는 섬유형 슈퍼 커패시터의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 기능성 3차원 구조물의 제조 방법.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 레이저 광은 UV 레이저, IR 레이저, Visible 레이저 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 3차원 구조물의 제조 방법.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 제2항에 있어서,
    상기 열가소성 보호층은 상기 기능성 구조체보다 낮은 녹는점을 갖는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 기능성 3차원 구조물의 제조 방법.
    
11. 삭제
12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기능성 필라멘트의 적층 단계와 상기 접촉부의 접합 단계는 높이 방향을 따라 연속적으로 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 기능성 3차원 구조물의 제조 방법.
    
13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기능성 필라멘트를 제작하는 단계는,
    상기 기능성 구조체에 대응되는 구조를 갖는 프리폼을 제작하는 단계;
    상기 프리폼을 드로잉하여 상기 기능성 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 기능성 구조체의 외곽에 상기 열가소성 보호층을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 3차원 구조물의 제조 방법.
    
14. 제1항 또는 제2항을 따르는 제조 방법에 의해 제조된 기능성 3차원 구조물.

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