KR20150009923A - 고분자 박막상에 디지털 미세 패턴들 연속 생성 - Google Patents

고분자 박막상에 디지털 미세 패턴들 연속 생성 Download PDF

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KR20150009923A
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매튜 존슨 데이비드
알. 볼켈 아민
스티븐 파슈케위츠 존
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Abstract

코팅시스템은 액체 (예를들면, 고분자) 박막을 컨베이어 표면 (예를들면, 롤러 또는 벨트)에 배치하고, 컨베이어 표면은 적합한 모터로 이동되어 정확히 제어되는 간격 (또는 닙) 영역에 박막을 이송하고 여기에서 인가된 전위는 전기장을 발생시켜 액체를 전기수력학적 (EHD) 패턴화 변형시킴으로써 액체는 패턴화 미세 형상들로 형성된다. 경화기구 (예를들면, UV 레이저)로 패턴화 액체 형상들을 내부에서 또는 간격영역에서 나온 직후 고화 (예를들면, 가교화)하여, 미세 패턴화 구조체들을 형성하고, 구조체들은 시트의 일부로서 개재 웨브로 연결되거나, 이산 미세 구조체들로 분리된다. 액체로 배치되는 나노구조체들 (예를들면, 나노튜브들 또는 나노와이어들)은 EHD 패턴화 과정에서 수직 배향된다. 분할 전극들 및 패턴화 전하들은 디지털 패턴화 제어를 제공하기 위하여 활용된다.

Description

고분자 박막상에 디지털 미세 패턴들 연속 생성{CONTINUOUSLY PRODUCING DIGITAL MICRO-SCALE PATTERNS ON A THIN POLYMER FILM}
본 발명은 고분자 박막상에 디지털 미세 패턴들 연속 생성에 관한 것이다.
본 발명은 다양한 상업적 용도를 위한 미세 패턴화 구조체들을 생성하기 위한 개선된 시스템에 관한 것이다.
하기 설명으로 당업자는 특정 용도 및 요구사항들로 기술된 본원에 제공되는 발명을 구현 및 이용할 수 있다.
본원에서 사용되는, 방향 용어들 예컨대 “상부”, “하부”, “상류” 및 “하류”는 설명을 위한 상대 위치를 제공할 의도이고, 언급 대상의 절대 위치를 지칭할 의도는 아니다. 또한, 구절 “일체적으로 연결된”이란 본원에서 단일 구조체의 두 부분들 간의 연결 관계를 설명할 목적이고, (“일체적으로”라는 수식어 없는) “연결된” 또는 “결합된”이란 용어들과는 차별되고, 이들은 두 종의 분리된 구조체들이, 예를들면, 접착제, 파스너, 클립, 또는 가동성 조인트를 이용하여 이어지는 것을 의미한다. 바람직한 실시태양에 대한 다양한 변형들은 당업자에게 명백할 것이고, 본원에서 규정되는 포괄 원리들은 다른 실시태양들에도 적용될 것이다. 따라서, 본 발명은 도시되고 설명되는 특정 실시태양들에 국한되는 것이 아니고, 본원에 기재된 원리들 및 새로운 특징부들과 일치되는 가장 넓은 범위에 따르는 것이다.
본 발명은 EHD 패턴화 조건들을 생성하는 예시적 시스템들을 참조하여 하기된다. 당업자들은 하기 매개변수들은 특정한 실험적 관찰과 관련되고, 따라서 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 간단한 예시적 실시태양에 따라 박막 상에 디지털 미세 패턴화 (고분자) 형상들을 연속적으로 생성하는 시스템 (100)을 도시한 것이다.
도 2는 나노구조체들 (148) (예를들면, 탄소 나노튜브들 또는 GaAs 나노와이어들)을 포함하는 액체 고분자 박막 부분 (141L-1A)의 부분 단면도이다.
도 3은 도 1을 참고하여 상기된 것과 유사한 방식으로 하부 컨베이어 (110) 및 상부 컨베이어 (120) 사이의 간격 영역 (101)에 놓일 때의 액체 고분자 박막 부분 (141L-1A)을 도시한 것이다.
도 4(A) 내지 4(E)는 약물 전달 특이성이 증가된 입자들 생성을 위한 분리 (이산) 미세 구조체들을 생성하기 위한 본 발명의 대안적 실시태양에 의한 시스템 (100B)의 개략 단면도들이다. 도 5는 상기 일반 컨베이어들이 평행 하부 및 상부 롤러들 (컨베이어들) (110C, 120C)로 구현되고, 일반 박막 형성 장치가 슬롯 코터 (140C)로 구현되고, 일반 경화 장치는 자외선 (UV) 광원 (160C)으로 구현되며, 이러한 특정 장치들은 상기된 포괄적인 방법과 일치되는 생성 방법을 수행하도록 제어되는 본 발명의 실제 특정 실시태양에 의한 시스템 (100C)의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 기타 구현 실시태양에 따른 시스템 (100D)의 개략 단면도이다.
도 7은 하부 벨트-유사 컨베이어 (110D)가 아래 히터 블록 (또는 기타 지지체) (160D)의 상부 표면에 대하여 정확한 평탄 방향을 유지할 수 있는 특정 실시태양에 의한 인터록 배열을 보이는 사시단면도이다.
도8은 하부 (제1) 컨베이어 (110E) 및 상부 (제2) 컨베이어 (120E)을 포함하는 시스템 (100E)을 개략적으로 도시한 것이다.
도 9는 시스템 (100E)에서 사용되는 일 유형의 상부 컨베이어 (120E)를 나타내는 롤러-유형의 상부 컨베이어 (120E-1)에 대한 사시도이다.
도 10은 하부 (제1) 컨베이어 (110F) 및 상부 (제2) 컨베이어 (120F)을 포함하는 기타 시스템 (100F)을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1은 본 발명의 간단한 예시적 실시태양에 따라 박막 상에 디지털 미세 패턴화 (고분자) 형상들을 연속적으로 생성하는 시스템 (100)을 도시한 것이다. 시스템 (100)은 일반적으로 하부 (제1) 컨베이어 (110), 상부 (제2) 컨베이어 (120), 연관 컨베이어 구동 기구들 (130-1, 130-2), 박막 형성 기구 (140), 전기장 발생장치 (저전압원 (150-1) 및 고전압원 (150-2)으로 표기), 및 선택적 경화 기구 (160)를 포함한다.
컨베이어들 (110, 120)은 액체 고분자 박막을 좁은 간격 영역으로 병진 (이동)시킬 수 있는 만곡면을 제공하는 임의의 이송 장치들 (예를들면, 예컨대 롤러들 또는 벨트들)로 구현된다. 상세하게는, 하부 컨베이어 (110)는 해당 제1 만곡 경로 (예를들면, 원형 또는 긴 타원형)를 따라 이동되도록 구속되는 하부 (제1) 컨베이어 표면 (111)을 가지고, 제2 컨베이어 (120)는 해당 제2 만곡 경로를 따라 이동되도록 구성되는 상부 (제2) 컨베이어 표면 (121)을 가진다. 컨베이어들 (110, 120)과 연관된 만곡 경로들은 컨베이어 표면들 (111, 121)이 간격 영역 (101)에서 최소 거리 G 만큼 떨어지고, 간격 영역 (101)의 “상류”에서 상대적으로 긴 제1 거리 D1, 및 간격 영역 (101)의“하류”에서 상대적으로 긴 제2 거리 D2만큼 떨어지도록 배열되고, 이때 거리들 D1 및 D2는 최소 간격 거리 G보다 훨씬 길다. 하기 설명 목적으로, 양쪽 하부 컨베이어 (110) 및 상부 컨베이어 (120) 모두는 작동 과정에서 간격 영역 (101)에 걸쳐 전위를 유지하는 전도성 또는 유전 물질을 포함한다. 일 실시태양에서, 하부 컨베이어 (110)는 전도성 금속 또는 고분자를 포함하거나, 또는 선택적으로 투명 전도성 물질 예컨대 인듐-주석 산화물 (ITO)로 도포된다. 상부 롤러 (120) 역시 전극 패턴 (하기됨)을 포함하거나, 또는 전도성 금속 또는 고분자를 포함한다.
본 발명의 양태에 의하면, 하부 컨베이어 (110) 및 상부 컨베이어 (120)는 각자 하부 구동부재 (130-1) 및 상부 구동부재 (130-2) (예를들면, 모터들 및//또는 벨트들)에 의해 구동되어 표면들 (111, 121)은 일치된 속도로 간격 영역 (101)을 지난다. 상세하게는, 표면들 (111, 121)은 각자의 경로들을 따라 이동되어 하부 표면 (111)의 (제1) 표면 영역 (111-1)은 실질적으로 동시에 상부 표면 (121)의 해당 (제2) 표면 영역 (121-1)과 함께 간격 영역 (101)을 통과한다.
도 1의 좌측을 참조하면, 박막 형성 기구 (140)는 코팅장치 또는 간격 영역 (101) 상류에서 경화성 액체 고분자 박막 (141L)을 하부 컨베이어 표면 (111)에 배치할 수 있는 기타 기구이고, 이에 따라 박막 (141L)은 하부 컨베이어 (110)의 정상 운동에 의해 간격 영역 (101)으로 순차적으로 이송된다. 예를들면, 기구 (140)는 액체 고분자 (예를들면, 폴리스티렌, 폴리비닐알코올 (PVA), 폴리비닐피롤리돈 (PVP), 폴리에틸렌 글리콜 (PEG) 또는 OrmoStamp® UV 경화 고분자)의 박막 (제1) 부분 (141-1)을 하부 컨베이어 표면 (111) 표면 영역 (111-1)에 적층하고, 연속하여 하부 컨베이어 표면 (111)이 운동하면서 부분 (141-1)을 간격 영역 (101)으로 이동시킨다. 일 실시태양에서, 박막 형성 기구 (140)는 (컨베이어 표면 (111)에서 박막 (141) 상부 표면 (142)까지 측정할 때 1 내지 100 미크론) 두께 (높이) T를 가지는 박막 (141L)을 확실하게 형성할 수 있는 슬롯 코터로 구현된다. 다른 실시태양들에서, 수 미크론 두께의 박막들을 신뢰할 수 있도록 생성하는 다른 코팅장치들 (예를들면, 슬롯 다이 코팅시스템, 슬라이드 코팅시스템, 또는 커튼 코팅시스템)이 사용된다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 저전압원 (150-1) 및 고전압원 (150-2)은 예를들면, 저전압 V1 및 고전압 V2 (예를들면, 각자 0V 및 100V)을 각각 컨베이어들 (110, 120)에 적층된 전도성 소재에 인가하여 하부 컨베이어 (110) 및 상부 컨베이어 (120) 사이에 전기장 F을 발생시킨다. 전기장 F 세기는 전압들 V1 및 V2에 의해 발생되는, 도 1에서 설명 목적으로 “+” 및 “-“로 표기된 상대적으로 낮고 상대적으로 높은 전하들 (예를들면, 전하들 중 하나는 0V이거나 전하 극성들은 전환될 수 있다)간의 상대 거리로 결정된다. 즉, 컨베이어 표면들 (111, 121)이 따르는 만곡 경로로 인하여, 전기장 F은 간격 영역 (101)에서 (즉, 최소 간격 거리 G로 인하여) 가장 높고 (가장 세고), 표면들 (111, 121)간의 관련 이격 거리로 인하여 간격 영역 (101)양측에서 감소된다 (약해진다). 본 발명의 양태에 따르면, 전압들 V1 및 V2은 고분자 액체 박막 (141)이 간격 영역 (101)을 통과할 때 고분자 액체 박막 (141L)이 EHD 패턴화 (변형)를 수행하여 액체 고분자 박막 (141L)에서 패턴화 액체 고분자 형상들 (143)을 형성하기에 충분한 전기장 F가 발생되도록 선택된다. 상세하게는, EHD 패턴화로 인하여, 박막 일부(141)주변부들로부터 액체 고분자를 인출하고, 이에 따라 각각의 패턴화 액체 고분자 형상 (143)이 컨베이어 표면 (111)에서 간격 영역 (101) 내로 (즉, 상부 컨베이어 (120)를 향하여)상향 연장되는 융기 리지들 또는 기둥들 형태의 패턴화 액체 고분자 형상들 (143)이 형성된다. 전기장 F의 세기를 조절하고 적합한 고분자 특성 (예를들면, 점도)을 이용함으로써, 패턴화 액체 고분자 형상들 (143)은 간격 영역 (101)에서 미세 패턴화 형태 (즉, 각각의 패턴화 액체 고분자 형상 (143)의 폭 및 높이의 치수는 1 내지 100 미크론)를 보인다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, EHD 패턴화 액체 고분자 형상들 (143) 및 임의의 주변 고분자 소재은 박막 고분자 소재가 전기장 F을 벗어나기 전에 경화된다. 도 1의 우측을 참조하면, 경화 기구 (160)가 작동하여 각각의 패턴화 액체 고분자 형상 (143) (즉, 간격 영역 (101) 내부에 놓일 때, 또는 간격 영역 (101)을 벗어나는 즉시 그러나 여전히 전기장 F 하에 있을 때) 및 주변 고분자 재료를 고화하여, 고화 고분자 박막 (141S)에서 연장되는 고체 미세 패턴화 구조체들 (145)을 형성하고, 이때 각각의 미세 패턴화 구조체 (145)는 전구체 액체 고분자 형상 (143)과 실질적으로 동일한 미세 패턴화 형태를 가진다. 각각의 경우에 활용되는 특정 경화 기구 (160)는 박막 (141L)형성 고분자 물질 유형에 따라 결정된다 (예를들면, UV 경화성 고분자가 사용되면, 예를들면, 경화 기구 (160)는 UV 레이저 빔 (161)이 간격 영역 (101)에 배치되는 박막 (141L) 일부를 향하는 UV 경화시스템으로 구현된다). 다른 실시태양들에서, 사용되는 고분자 유형에 따라, 경화 기구 (160)는 예를들면 가시광선 경화 시스템 또는 집중 열 경화시스템으로 구현된다.
도 1의 우측 하부를 참조하면, 경화 과정에 이어 (즉, 간격 영역 (101) 하류), 추가 공정을 위하여 고화 고분자 박막 (141S)이 하부 컨베이어 (110)에서 제거된다. 미세 패턴화 구조체들 (145)은 여전히 이격되고 고화 고분자 박막 (141S)으로부터 상향 연장된다는 것을 주목하여야 한다.
도 2 및 3은 본 발명의 변형된 EHD 패턴화 방법의 고유 속성을 보이고, 여기에서 “로딩” 고분자 박막은 미세 고분자 구조체 형성 과정에서 본질적으로 정렬되는 나노구조체들을 포함하여, 광범위한 고부가가치의 상업적 분야 생성물로 활용될 수 있다.
도 2는 나노구조체들 (148) (예를들면, 탄소 나노튜브들 또는 GaAs 나노와이어들)을 포함하는 액체 고분자 박막 부분 (141L-1A)의 부분 단면도이다. 본 경우에, 고분자/나노구조체 박막 형성 기구 (140A) (예를들면, 변형된 고분자/나노구조체 소재 적층에 최적화 된 상기 코팅시스템들 중 하나)는 도 1을 참고하여 설명된 것들과 유사한 구조들을 활용하여 하부 컨베이어 (110)에 두께 T인 액체 고분자 박막 부분 (141L-1A)을 형성한다. 적층된 액체 고분자 박막 부분 (141L-1A) 내에서 나노구조체들 (148)은 초기 (예를들면, 무작위 또는 비-무작위) 배향으로 분산된다는 것에 주목하여야 한다.
도 3은 도 1을 참고하여 상기된 것과 유사한 방식으로 하부 컨베이어 (110) 및 상부 컨베이어 (120) 사이의 간격 영역 (101)에 놓일 때의 액체 고분자 박막 부분 (141L-1A)을 도시한 것이다. 상기된 바와 같이, 전압원들 (150A-1, 150A-2)에 의해 발생되는 전기장 F은 EHD 패턴화 변형을 유발하고, 이에 따라 액체 고분자 물질은 내향 및 상향 유동하여 (점선 화살표로 표기) 액체 고분자 박막 부분 (141L-1A)에서 상부 컨베이어 (120)로 상향 연장되는 패턴화 액체 고분자 형상 (143)을 형성한다. 또한, 나노구조체들 (148)이 전기장과 반응할 때 (예를들면, 탄소 나노튜브들), 나노구조체들 (148)은 전기장 F과 정렬되고 패턴 형성에 의한 수력학적 힘과 결합되어, 일반적으로 수직 방향 (즉, 하부 컨베이어 (110) 표면 (111)에 대체로 수직)을 형성한다.
지금까지 본 발명은 예를들면, 도 1에 도시된 바와 같이 얇은 고분자 소재에 고착되는 미세 패턴화 구조체들이 이격되고 미세 패턴화 구조체들이 일체적으로 연결된 고분자 박막들 제조 방법에 대하여 설명하였다. Although 이러한 일체화 고분자 박막들이 상기된 바와 같은 많은 상업적 용도를 가지지만, 개별적 (분리된) 미세 패턴화 구조체들은 다른 상업적 용도에 유용하다 (예를들면, 의약).
도 4(A) 내지 4(E)는 약물 전달 특이성이 증가된 입자들 생성을 위한 분리 (이산) 미세 구조체들을 생성하기 위한 본 발명의 대안적 실시태양에 의한 시스템 (100B)의 개략 단면도들이다.
도 4(A)는 초기 시간 구간 (t0)에서 하부 컨베이어 (110B) 표면 (111B)에서의 고분자 박막 부분 (141B1(t0))을 도시한 것이다. 전기된 실시태양들에서와 같이, 고분자 박막 부분 (141B1(t0))은 슬롯 코터 또는 기타 박막 형성 기구 (140B) (미도시)에 의해 형성되고 표면 (111B)은 상부 컨베이어 (120B) 표면 (121B)과 상대적으로 긴 거리 D1만큼 떨어져 있다. 본 실시태양에서, 하기되는 바와 같이 고분자 박막을 이산 단독체 (island)로 끊어내기 위하여, 고분자 박막 부분 (141B1(t0)) 형성 고분자 소재는 상대적으로 낮은 점도를 가지고 및/또는 고분자 박막 부분 (141B1(t0)) 두께 T1는 상기 실시태양들에서보다 의도적으로 낮다.
도 4(B)는 시간 t0 이후 하부 컨베이어 (110B)에 의해 간격 영역 바로 상류 위치에 진입한 후의 시간 구간 (t1)에서 고분자 박막 부분 141B1(t1)을 도시한 것이고, 여기에서 표면 (111B)은 상대적으로 좁은 거리 D11만큼 표면 (121B)와 떨어져 있다. 이 지점에서 공급 150B-1 및 150B-2에 의해 발생되는 인가 전기장 F(t1)은 고분자 박막 부분 (141B1(t1))의 EHD 패턴화를 유발시키기 시작하고, 이에 따라 액체 고분자의 내향 및 상향 유동으로 액체 미세 패턴화 형상 ((143)B(t1))이 생성된다. 시간 t1에서, 짧기 때문에, 충분한 액체 고분자 소재는 패턴화 형상 ((143)B(t1))을 둘러싸고 연속 (매우 얇기는 하지만) 웨브-유사 부분 (141B11)을 유지한다는 것에 주목하여야 한다.
도 4(C)는 시간 t1 이후, 패턴화 형상 ((143)B1(t2))이 간격 영역 (101B)에 위치할 때 (즉, 컨베이어들 (110B, 120B) 사이는 최소 간격 거리 G로 떨어진) 시간 구간 (t2)에서의 고분자 박막 부분 (141B1(t2))을 도시한 것이다. 낮은 점도 및/또는 고분자 박막의 얇은 두께로 인하여, 전기장 F(t2) 세기는 제1 표면 (111B)에서 인접 고분자 형상들 (미도시)로부터 패턴화 액체 고분자 형상들 ((143)B(t2))이 분리되도록 유도한다. 즉, 패턴화 형상 ((143)B1(t2))의 수직 성장에 공급될 수 있는 추가적인 주변 유체가 가용되지 않으므로, 웨브-유사 부분 (141B11)은 인접 형상들에서 끊어지고, 패턴화 형상 ((143)B1(t2))을 형성하는 액체는 이산 “단독체”의 액체 고분자로 구성된다. 상세하게는, 수직 (Z) 방향 (즉, 표면 (111B)에 직교)으로 성장하면서 각각 패턴화 형상 (이산 액체 단독체) (143B1(t2))으로 인출되는 액체 고분자의 용적은 유체 패턴의 외부 공간에 있는 유체의 용적과 동일하여, EHD 패턴화 과정에서 패턴들과 동일한 크기의 작은 입자들이 생성되도록 고분자 막의 간격 및 두께가 조절된다.
도 4(D)는 시간 t2 직후, 패턴화 형상 ((143)B1(t3))이 간격 영역 바로 하류에 놓일 때 (즉, 컨베이어들 (110B, 120B)은 최소 간격 거리와 실질적으로 동일하거나 약간 긴 거리 D21만큼 떨어져 있는) 시간 구간 (t3)에서 고분자 박막 부분 (141B1(t3))을 도시한 것이다. 이 지점의 패턴화 형상 ((143)B1(t3))에서 경화 에너지 (161B) (예를들면, UV 레이저 광선)는 이산 형상 ((143)B1(t3))을 "고체화" (고화)시켜 고체 미세 패턴화 입자 (구조체) (145B)를 형성한다. 이러한 경화 공정은 간격 영역을 통과할 때 모든 이산 형상에 수행되어 컨베이어 표면 (111B)에 이격 배열로 배치되는 다중 고체 미세 패턴화 입자들을 생성할 수 있다는 것에 주목하여야 한다.
도 4(E)는 시간 구간 t3 이후 미세 패턴화 입자 (145B)을 도시한 것이다. 본 발명의 실시태양에 의하면, 분리기 장치 (170B) (예를들면, 나이프 모서리)는 분리된 미세 패턴화 구조체 (145B)를 컨베이어 표면 (111B)에서 분리하도록 작동된다.
도 5는 상기 일반 컨베이어들이 평행 하부 및 상부 롤러들 (컨베이어들) (110C, 120C)로 구현되고, 일반 박막 형성 장치가 슬롯 코터 (140C)로 구현되고, 일반 경화 장치는 자외선 (UV) 광원 (160C)으로 구현되며, 이러한 특정 장치들은 상기된 포괄적인 방법과 일치되는 생성 방법을 수행하도록 제어되는 본 발명의 실제 특정 실시태양에 의한 시스템 (100C)의 사시도이다.
도 5의 하부를 참조하면, 하부 롤러 (110C)는 저전압원 (150C-1)과 작동적으로 연결되어 전기장 회로에서 접지로 작용한다. 전기장을 발생시키기 위하여, 하부 롤러 (110C) 외부 주변부들은 전도성 금속 또는 전도성 고분자로 구성되거나, 또는 외부 표면 (111C)은 선택적으로 전도성 및/또는 투명 소재 예컨대 ITO로 코팅된다.
상부 롤러 (120C)는 하나 이상의 고전압 신호들을 공급하여 인가 전기장 회로를 발생시키는 고전압원 (150C-2)과 작동적으로 연결된다. 일 실시태양에서, 상부 롤러 (120C) 외부 표면 (121C)은 롤러 표면 (121C)전체에 걸쳐 전기적 활성인 연속 도전성 층을 포함한다. 다른 실시태양들에서 (더욱 하기됨), 상부 롤러 (120C)는 전하상 (charge pattern)이 인가되는 전극 패턴 또는 유전 물질을 포함한다.
하부 롤러 (110C) 및 상부 롤러 (120C)는 본 분야에서 알려진 방법을 이용하여 하나 이상의 모터들 (130C-1, 130C-2)로 구동되어 각각의 표면 (111C) 영역 및 표면 (121C) 해당 영역은 실질적으로 동시에 닙-유형의 간격 영역 (101C)을 형성한다 (즉, 롤러들 (110C, 120C)은 일치된 속도로 구동된다). 하부 롤러 (110C) 및 상부 롤러 (120C)는 닙 (간격) 영역 (101C)에서 고정된 최소 거리 G 만큼 떨어져 있도록 지지체 (미도시)에 의해 유지된다. 롤러들 (110C, 120C)축 사이에서 작동적으로 연결되어 공지된 방법으로 최소 거리 G를 조정할 수 있는 통상의 고정밀 닙 시스템 (180C)은 정확한 롤러 거리 치수 제어를 보장한다.
슬롯 코터 (140C)는 하부 롤러 (110C) 원통형 롤러 표면 (111C)에 직접, 또는 표면 (111C)을 덮고 있는 지지 웨브 (미도시)에 액체 고분자 박막 (141C)을 도포 (적층)한다. 이러한 기능을 수행할 수 있는 슬롯 코터들은 본 분야에서 공지되어 있다. 고분자 막 (141C)이 닙 영역 (101C)으로 들어가면, 하기되는 바와 같이 상부 롤러 (120C)에 배치되는 전극들의 패턴을 복사하거나, 또는 상기된 바와 같이 고분자 시스템의 자연적인 불안정성에 기초한 패턴이 확립된다.
롤러들 (110C, 120C)사이 닙 (간격) 영역 (101C)가까이에서 경화가 가능하도록, 신속한 고차 시간으로 인하여 UV 경화성 고분자들이 사용되고, 및 “고착” 기작은 빔 (161C)을 닙-유형의 간격 영역 (101C)에 인접한 위치로 조명하는 시스템 (160C) (예를들면, 자외선 (UV) 경화시스템, 가시광선 경화시스템, 및 집중 열 경화시스템 중 하나)에 의해 구현된다. 상세하게는, 닙 영역 (101C)을 통과한 후, 빔 (161C)이 인가되어 고분자는 가교되고 인가 전기장에 의해 액체 고분자에 강화되는 고체 미세 패턴 형태들로 경화된다. 이러한 경화 기능을 수행할 수 있는 UV 레이저 시스템들은 본 분야에서 공지되어 있다. 대안의 실시태양에서 경화시스템은 롤러들 (110C, 120C)중 하나의 내부에 배치되고, 투명 롤러 소재를 통해 간격 영역 (101C)으로 향한다. 이후 고화 고분자막 (미도시)은 하부 롤러 (110C)에서 제거되고 하류로 이동되어 임의의 추가적인 필요한 단계들이 수행된다.
시스템 (100C)생산량은 두 가지 인자들로 제한된다: 롤러들 (110C, 120C) 폭 W, 및 롤러들 (110C, 120C) 회전속도 Δθ. 롤러 폭 W은 허용 공차 내에서 롤러들 (110C, 120C)의 물리적 제작 및 설치 능력에 의해 제한된다. 이러한 공차들은 전형적인 슬롯 코팅시스템들에서와 유사하고, 3.5 미터에 걸쳐0.5 미크론 공차를 유지하는 것이 예상된다. 2 미크론 공차로8 미크론 형상들을 구현하는 경우, 이는 신속한 UV 경화로 최대 생산량 1.3 m/s에 이른다. 폭은 증가될 수 있고 기계 공차들에 대한 막 패턴의 감도는 이하 더욱 설명되는 수 많은 전극 어드레싱 방법을 통해 인가 전압을 변경시켜 조정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 기타 구현 실시태양에 따른 시스템 (100D)의 개략 단면도이다. 시스템 (100D)은 하부 벨트 표면 (111D) 및 상부 벨트 표면 (121D)의 대향 평탄 영역들 사이 신장된 간격 영역 (101D)을 형성하도록 배치되는 하부 벨트-유사 컨베이어 (110D) 및 상부 벨트-유사 컨베이어 (120D)에 의해 구성되는 벨트-대-벨트 배열을 가진다. 박막 적층 장치 (예를들면, 슬롯 코터) (140D)는 간격 영역 (101D)에 진입하기 전에 하부 벨트 표면 (111D)에 액체 고분자 박막 (141D)을 형성하도록 배치되고, 전압원들 (미도시)은 상기된 바와 같이 벨트들에 형성된 도전성 소재에 연결되어 신장된 간격 영역 (101D)내부에 원하는 전기장을 발생시킨다.
벨트-대-벨트 배열 시스템 (100D)은 롤-대-롤 배열 (100C)과 유사하지만, 롤-대-롤 배열의 작은 닙-유형 간격 영역 대신, 시스템 (100D)은 넓은 간격 영역을 제공하여 더 많은 미세 패턴 형상들 형성이 가능하다. 이러한 배열로 인하여 (예를들면, 신장된 간격 영역 (101D)에 인접한 벨트 재료 표면 내부를 따라 배치되는 열적 경화시스템들 (히터 블록들) (160D)에 의한) 열적 경화에 의한 열경화성 고분자들 사용이 가능하다. 열적 경화를 용이하게 하기 위하여, 벨트들은, 예를들면, 열전도성 소재, 또는 IR 광선이 신장된 간격 영역 (101D)으로 진입되도록 투명 소재를 이용하여 형성된다.
도 6에 도시된 벨트-대-벨트 공정에 필요한 긴밀한 공차를 유지하기 위하여, 벨트-유사 컨베이어들 (110D, 120D)은 정렬 블록들에 의해 가까이 유지되어야 한다. 이는, 도 7에 표시된 배열을 이용하는 블록 내외에 활주하는 상당량의 장력 또는 인터록으로 달성될 수 있다.
도 7은 하부 벨트-유사 컨베이어 (110D)가 아래 히터 블록 (또는 기타 지지체) (160D)의 상부 표면에 대하여 정확한 평탄 방향을 유지할 수 있는 특정 실시태양에 의한 인터록 배열을 보이는 사시단면도이다. 도시된 바와 같이, 하부 벨트-유사 컨베이어 (110D)는 히터 블록 (160D)의 평탄 상부 표면 (161D)을 활주하는 이송 벨트 부분 (112D)을 포함하여 상기 방법에 따라 패턴화 액체 형상들 (143D)은 컨베이어 표면 (111D)에 형성된다. 이송 벨트 부분 (112D)의 전체 폭에 걸쳐 평탄 상부 표면 (161D)에 대한 정확한 Z-축 유지를 위하여, 히터 블록 (160D)은 하부 벨트-유사 컨베이어 (110D)의 방향 X으로 연장되는 긴 T-형상의 홈들 (163D)을 형성하도록 구성되고, 하부 벨트-유사 컨베이어 (110D)는 상부 벨트 부분 (112D) 아래로 연장되고 해당 홈들 (163D)에 활주 가능하게 수용되는 T-형상의 리브들 (113D)을 포함한다. 상부 벨트-유사 컨베이어 (120D) (도 6)는 유사한 배열로 구성되어, 텅-및-홈 유형의 활주 배열을 제공함으로써 수직 방향으로 벨트들을 구속하고 긴밀한 공차들이 달성될 수 있다.
벨트-대-벨트 시스템 (100D)에서 더 높은 생산 속도가 가능하다 (즉, 선형 벨트 속도). 벨트 공차들은 주로 롤 코팅설비 구조에서와 동일한 공차 제한으로 구속된다. 정확한 가공으로 3.5 미터의 길이에서 0.5 미크론 공차를 달성하는 것이 가능하다. 7 미터 * 7 미터 면적에 걸쳐2 미크론 공차로 8 미크론 형상들을 생성하기 위하여, 벨트들의 전체 선형 속도는 약 14 m/s로 제한된다. 이러한 실시예로 더 높은 산업적 생산이 가능하다.
신장된 간격 영역 (101D)에 의해 제공되는 더욱 긴 처리 시간으로 인하여, 벨트-대-벨트 시스템 (100D)은 경화 장치 (즉, 시스템 (100D))가 필요하지 않은 작업이 가능하다. 이러한 경우, 고분자 (141D)는 가열되고 간격 영역 (101D) 상류의 표면 (111D)에 용융 상태로 도포된다. 상기된 바와 같이 고분자가 인가 전기장에 의해 패턴화될 때 고분자 온도는 용융상태를 유지하기에 충분히 높다. 패턴이 형성되면, 고분자는 고분자 융점 이하로 냉각되어 상기된 형태들 중 하나를 가지는 고체 미세 패턴화 구조체들 (145D)을 형성한다.
바람직한 방법에 의하면, 미세 패턴들 생성 및 제어에 대한 최적 융통성을 달성하기 위하여, 상기 다양한 시스템들 (벨트 및 롤러 실시태양들 모두 포함)을 변형하여 적어도 하나의 컨베이어 표면에 동적 (가변) 전하상을 생성하여, 이에 따라 시스템 차이 (variance)를 보상하도록 전기장 형성 전하상을 동적으로 변경시켜 EHD 패턴화 (즉, 전기장 발생)를 가능하게 하는 동적 전하 발생 메카니즘을 이용하여 구현되는 디지털 패턴화 제어를 포함한다. 하기 예시적 실시태양들에 제시된 바와 같이, 이러한 동적 전하 발생은 분할 전극들 또는 전하상 구성 (scheme)을 이용하여 달성된다.
도8(A)는 하부 (제1) 컨베이어 (110E) 및 상부 (제2) 컨베이어 (120E)을 포함하는 시스템 (100E)을 개략적으로 도시한 것이고, 이들은 간격 영역 (101E)을 통해 고분자 박막 (141E)을 이송하도록 구성되고 배열되며, 여기에서 상기된 것과 유사한 방식으로 박막 (141E)은 하부 컨베이어 표면 (111E)에 적합한 장치 (150E)에 의해 생성되고 전기장 F에 의해 패턴화되어 이후 (예를들면, UV 광 (161E)에 의해) 경화되어 미세 구조체들 (145E)을 형성하는 형상들 (143E)이 형성된다.
시스템 (100E)은 적어도 하나의 컨베이어 (110E, 120E)가 동적 전압원 (전기장 발생장치)에 의해 디지털화 할당 가능한 (addressable) 분할 전극들을 포함하여 각각의 개별 전극은 예를들면, 생산 작업 전에 실험적으로 측정된 예정 값의 관련 전하 (전압)를 수신하는 것을 특징으로 한다. 상세하게는, 상부 컨베이어 (120E)는 동적 고전압원 (전기장 발생장치) (150E-2)에 의해 개별적으로 할당되는 분할 상부 전극들 (125E)을 포함하여 각각의 개별 상부 전극 (예를들면, 전극들 (125E-1) 내지 (125E-5))은 관련 (예를들면, 고유한/상이한 또는 공통/동일) 전압 값을 수신한다. 대안으로 (또는 추가로), 하부 컨베이어 (110E)는 동적 저전압원 (전기장 발생장치) (150E-2)에 의해 디지털화 할당 가능한 분할 하부 전극들 (115E)을 포함하여 각각의 개별 하부 전극 (예를들면, 전극들 (115E-1) 내지 (115E-5))은 연관 전압 값을 수신한다. 전압원들 (150E-1, 150E-2)은 공지된 방법에 따라 생성되는 전자회로들이고 이들은 연관 전압 값을 발생시키고 전달하여 각각의 분할 전극 (또는 각각의 상부/하부 전극 쌍)은 연관 전기장 세기를 가지는 전기장 F의 연관 일부를 발생시킨다. 예를들면, 상부 전극 (125E-1) (또는 상부 전극 (125E-1) 및 하부 전극 (115E-1))에 의해 형성되는 쌍)은 컨베이어 (110E, 120E)들 사이 영역에서 전기장 일부 F1를 발생시킨다. 유사하게, 전극들 (125E-2) 내지 (125E-5) (또는 쌍들 125E-2/115E-2, 125E-3/115E-3, 125E-4/115E-4 및 125E-5/115E-5)은 각자 전기장 일부들 F2 내지 F5을 발생시킨다.
도 9는 시스템 (100E)에서 사용되는 일 유형의 상부 컨베이어 (120E)를 나타내는 (즉, 컨베이어 (120E)는 벨트-유형의 컨베이어를 이용하여 구현될 수 있다) 롤러-유형의 상부 컨베이어 (120E-1)에 대한 사시도이다. 컨베이어 (120E-1)에 의해 표기된 바와 같이, 분할 상부 전극들 (125E)은 (즉, 도 8에 표기된 바와 같이)회전 (원주) 방향을 따라 배열되고, 원통 축을 따라서도 배열된다. 즉, 도 8에 의한 설명은 롤러-유형의 컨베이어 (120E-1) 회전 방향을 따라 발생되는 가변 전하상들을 언급하지만, 본원의 가변 전하상들은 원주 축 방향을 따라서도 변경된다는 것을 이해하여야 한다. 즉, 각각의 전극은 관련 전하 값을 수신하도록 롤러-유형의 상부 컨베이어 (120E-1)의 모든 전극들 (125E)은 독립적으로 할당될 수 있다.
다시 도 8을 참조하면, 분할 전극들 (125E)으로 인하여 예정된 고유 (상이한) 또는 동일한 전압 값들을 각각의 전극에 전송하여, 정확한 공차들을 요구하는 대형 시스템들 예컨대 시스템 (100E)에서 불가피하게 발생되는 물리적 차이에 대한 (필요하다면) 전기적 교정을 통하여 EHD 패턴화 과정에서 간격 영역 (101E)에 발생되는 전기장에 대한 디지털 제어가 가능하다. 즉, 간격 영역 (101E)에 걸쳐 이웃 전극들 (125E-1) 내지 (125E-5) 또는 쌍을 이루는 전극들 (예를들면, 전극들 (115E-1) 및 (125E-1))간의 전극 거리 차이로 인하여 유발되는 국소 전기장 값들 F1 내지 F5의 차이는 예정된 고유 “고” 전압을 각각의 전극 (125E-1) 내지 (125E-5)으로 전송시켜 교정될 수 있다. 예를들면, 각각의 전극 (125E-1) 내지 (125E-5)은 개별적으로 동적 고전압원 (150E-2)에 의해 할당되고 연관 전압을 수신하고 이들 값은 각각의 전기장 일부 F1 내지 F5가 균일한 전기장 세기를 가지도록 설정된다. 원통 축 방향에 배열된 전극들 (125E) (즉, 도 9에 도시된 바와 같이) 역시 개별적으로 동적 고전압원 (150E-2)에 의해 할당되고, 연관 전압을 수신하며, 이들 값 역시 각각의 연관 전기장 일부가 균일한 전기장 세기를 가지도록 설정된다는 것에 주목하여야 한다. 전극들 (115E, 125E)을 구현하기에 적합한 개별적 할당 구조를 가지는 예시적 분할 전극들은 진행파 그리드를 이용한 바이오-조제 및 미크론 크기의 입자들의 농도 및 집중이라는 명칭의 공유 미국특허번호7,163,611에 개시되고, 상기 문헌은 전체가 참고문헌으로 본원에 통합된다.
대안적 실시태양들에서, 적어도 일부 분할 전극들 (125E)은 필요 패턴들에 따라 “외곽” 표면의 상이한 부분들을 덮고 있는 변형된 (상이한) 형태 (예를들면, 라인 또는 포인트 전극들)을 가진다. 라인 또는 포인트 전극들의 개연성 있는 예시들은 미국특허번호 7,163,611 (상기 인용)에 기재된다. 주문-형상의 미세 입자들 제작에 기타 전극 형태들 (예를들면, 육각형 또는 원형) 역시 가능하다.
대안적 실시태양들에서, 전극들 사이 크기 및 거리가 변형되어 원하는 EHD 패턴을 생성한다. 예를들면, 도 8은 각각의 전극 쌍이 단일의 분리된 미세 구조체 (145E)을 생성하는 것을 도시하지만, 다른 실시태양들에서 각각의 전극은 다중 형상들/구조체들을 생성할 수 있는 크기로 구성된다. 전극 형태를 조절함으로써 고유 λmax에 경쟁적인 길이 스케일이 도입되며, 이는 2D 평면에서 패턴 형성 치수를 결정하거나, 또는 고유 기둥 패턴의 면적의 결정한다.
기타 대안적 실시태양들에서, 각각의 분할 전극에 전달되는 전압들 (전하들)은 시간 경과에 따라 변경되어 (즉, 증감), 주문형 패턴 성장 및/또는 패턴화 면적에 걸쳐 조립 차이 보완을 가능하게 한다. 이러한 전압들은 동적으로 조절되어, 막에서 특정 품질의 매트릭스를 달성하거나, 또는 극단적으로 강건한 공정에 이르는 처리 조건들 변화와 같이 조절된다.
도 10은 하부 (제1) 컨베이어 (110F) 및 상부 (제2) 컨베이어 (120F)을 포함하는 기타 시스템 (100F)을 개략적으로 도시한 것이고, 이들은 간격 영역 (101F)을 통해 고분자 박막 (141F)을 이송하도록 구성되고 배열되며, 여기에서 상기된 것과 유사한 방식으로 박막 (141F)은 장치 (140F)에 의해 적층되고 전기장 F에 의해 패턴화되어 이후 경화되어 미세 구조체들 (145F)을 형성하는 형상들 (143F)이 형성된다. 시스템 (100F)은 상부 컨베이어 (120F) 표면 (121F)에 적층되는 적절한 절연 또는 반도전성 소재 층 (123F)에 형성되는 전하상들을 이용하여 동적 전하 발생이 달성된다는 점에서 사익 실시태양과는 차별된다. 예시적 실시태양에서 제1 (예를들면, 양) 전하들은 간격 영역 (101F) 상류의 제1 (예를들면, 양) 전하 발생 장치 (150F) (예를들면, 플라즈마 발생 장치 예컨대 스코로트론)에 의해 예정된 패턴으로 층 (123F)에 선택적으로 인가되어, 분할 전극 방법을 참조하여 상기된 바와 유사한 방식으로 제1 전하들은 전기장 F의 해당 일부들을 발생시킨다. 다른 실시태양들에서, 상대적으로 높은 전하들이 하부 컨베이어 (110F)의 전극들에 인가되고, 상대적으로 낮은 전하들이 상부 컨베이어 (120F) 전극들에 인가된다. 일부 실시태양들에서, 전하상들은 마스크 공정, 또는 요구되는 크기의 일조의 플라즈마 발생 장치들에 의해 달성된다. 다른 실시태양들에서, 감광성 소재, 예컨대 레이저 프린터에서 사용된 것과 유사한 광수용체 필름이 상부 컨베이어에 적층되고, 전하상은 감광성 소재를 투과하는 빛으로 생성되고, 여기에서 레이저 빔(들)이 광수용체에 전하상을 기록하기 위하여 사용된다. 전하상 방법은 이어진 조립 단계들에서 상이한 EHD 패턴들이 필요할 때, 또는 연속 패턴화 시스템들 (즉 각각 박막 시트 또는 영역이 상이한 패턴을 가질 때)에서 이점들을 제공한다. 특히 (제로그래피와 유사한) 광학적 전하 발생의 경우 전하상이 단계마다 쉽게 변경되므로 전하상 방법은 어드레싱 전극들에 대한 가장 큰 변동성을 부여한다.
본 발명은 소정의 특정 실시태양들에 대하여 설명되었지만, 당업자들은 본 발명의 진보적 특징부들이 다른 실시태양들에서도 적용될 수 있다는 것을 이해할 수 있고, 이들 모두는 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 예를들면, 다양한 실시예들은 상대적으로 높은 (예를들면, 양) 전하들이 상부 컨베이어에 인가되고 상대적으로 낮은 (예를들면, 음) 전하들이 하부 컨베이어에 인가되는 것을 기재하지만, 다른 실시태양들에서 관련 전기장은 인가 전하들을 전환하여 (즉, 상대적으로 높은 (예를들면, 양) 전하들을 하부 컨베이어에 인가하고 상대적으로 낮은 (예를들면, 음) 전하들을 상부 컨베이어에 인가) 발생될 수 있다.

Claims (3)

  1. 하기를 포함하는, 미세 패턴화 구조체를 생성하는 시스템:
    제1 경로를 따라 이동이 구속되는 제1 표면을 가지는 제1 컨베이어;
    제2 경로를 따라 이동이 구속되는 제2 표면을 갖는 제2 컨베이어로서, 상기 제1 및 제2 경로들은 상기 제1 및 제2 표면들 사이에 마련된 최소 거리가 간격 영역에서 형성되도록 배열되는 제2 컨베이어;
    상기 제1 표면의 제1 표면 영역이 상기 제2 표면의 해당 제2 표면 영역과 실질적으로 동시에 상기 간격 영역을 지나도록 상기 제1 및 제2 컨베이어들을 일치된 속도로 이동시키는 수단;
    상기 제1 표면 영역이 상기 간격 영역의 상류에 위치할 때 상기 제1 표면 영역 상에 경화성 액체 박막의 제1 부분이 배치되도록 상기 제1 표면 영역 상에 상기 경화성 액체 박막을 배치하는 수단;
    상기 제1 영역이 상기 간격 영역을 통과하는 동안 상기 제1 표면 영역 상에 적층되는 액체 박막의 상기 제1 부분이 전기수력학적 (EHD) 패턴화 변형을 일으켜, 상기 변형된 제1 부분이 미세 패턴화 형태를 가지는 패턴화 액체 형상을 형성하도록 상기 제1 컨베이어 및 제2 컨베이어 사이에 전기장을 발생시키는 수단; 및
    상기 미세 패턴화 형태를 가지는 고체 미세 패턴화 구조체를 형성하도록 패턴화 액체 형상을 고화시키는 수단.
  2. 제1 경로를 따라 이동이 구속되는 제1 표면을 가지는 제1 컨베이어;
    제2 경로를 따라 이동이 구속되는 제2 표면을 갖는 컨베이어로서, 상기 제1 및 제2 경로들은 상기 제1 및 제2 표면들 사이에 마련된 최소 거리가 신장된 간격 영역에서 형성되도록 배열되는 제2 컨베이어;
    상기 제1 표면의 이후 이동으로 용융 고분자 박막이 신장된 간격 영역을 통과하여 이송되도록 신장된 간격 영역의 상류 지점에서 용융 고분자 박막을 상기 제1 표면 상에 배치하는 수단; 및
    상기 용융 고분자막이 간격 영역을 통과하는 동안 전기수력학적 (EHD) 패턴화 변형을 일으켜, 미세 패턴화 형태를 가지는 다수의 패턴화 액체 고분자 형상들을 형성하도록 상기 제1 컨베이어 및 제2 컨베이어 사이의 간격 영역에서 전기장을 발생시키는 수단을 포함하는, 다수의 미세 패턴화 구조체들을 생성하는 시스템에 있어서,
    상기 패턴화 액체 고분자 형상들을 신장된 간격 영역의 하류 지점에서 이후 냉각시켜 상기 다수의 패턴화 액체 고분자 형상들을 고화하여, 상기 미세 패턴화 형태를 가지는 상기 다수의 고체 미세 패턴화 구조체들을 형성하는, 시스템.
  3. 하기를 포함하는, 다수의 미세 패턴화 구조체들을 생성하는 시스템:
    제1 경로를 따라 이동이 구속되는 제1 표면을 가지는 제1 컨베이어;
    제2 경로를 따라 이동이 구속되는 제2 표면을 갖는 제2 컨베이어로서, 상기 제1 및 제2 경로들은 제1 및 제2 표면들 사이에 마련된 최소 거리가 간격 영역에서 형성되도록 배열되는 제2 컨베이어;
    상기 제1 표면의 이후 운동으로 고분자 박막이 간격 영역을 통과하여 이송되도록 간격 영역의 상류 지점에서 고분자 박막을 상기 제1 표면 상에 배치하는 수단;
    가변 전하상이 상기 제1 컨베이어 및 제2 컨베이어 사이의 간격 영역에 전기장을 발생시켜 액체 고분자 박막이 전기수력학적 (EHD) 패턴화 변형을 일으켜 미세 패턴화 형태를 가지는 다수의 패턴화 액체 고분자 형상들을 형성하도록 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중 적어도 하나 상에 가변 전하상을 발생시키는 동적 전하 발생 기구; 및
    전기수력학적 (EHD) 패턴화 변형 후 상기 미세 패턴화 형태를 가지는 상기 다수의 미세 패턴화 구조체들을 형성하기 위하여 액체 고분자 박막을 고화하는 수단.
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