KR20160081520A

KR20160081520A - 전기방사 방식 패턴 형성 장치

Info

Publication number: KR20160081520A
Application number: KR1020140195459A
Authority: KR
Inventors: 황원태; 정구상
Original assignee: 주식회사 에이앤에프
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2014-12-31
Publication date: 2016-07-08
Anticipated expiration: 2034-12-31
Also published as: KR101688817B1

Abstract

전기방사 방식 패턴 형성 장치가 개시된다. 전기방사 방식 패턴 형성 장치는 제1 주입노즐 및 상기 제1 주입노즐과 동축을 이루어 상기 제1 주입노즐 내부에 배치되는 제2 주입노즐을 포함하고, 제1 전압이 인가되는 노즐부; 상기 노즐부의 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 제2 전압이 인가되는 스테이지를 구비하는 스테이지부; 방사용액을 수용하고, 상기 제1 주입노즐과 연결되어 상기 제1 주입노즐의 내측으로 상기 방사용액을 주입하는 용액 주입부; 및 상기 제2 주입노즐과 연결되고, 상기 제1 주입노즐이 상기 스테이지부 방향으로 상기 방사용액을 방사하여 테일러 콘을 형성할 때 상기 테일러 콘 내의 방사용액 일부를 상기 제2 주입노즐이 흡입하도록 하는 흡입 펌프부를 포함한다.

Description

전기방사 방식 패턴 형성 장치{APPARATUS OF FORMING PATTERNS BY ELECTROSPINNING METHOD}

본 발명은 전기 방사 방식 패턴 형성 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기 방사 방식으로 형성된 나노 섬유를 자기장을 이용하여 일정한 방향으로 배열시킬 수 있는 전기 방사 방식 패턴 형성 장치에 관한 것이다.

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 기판 사이의 거리를 매우 근접하게 유지하여, 나노섬유를 원하는 위치에 배열시키는 방법이 있다. 이러한 방법으로 나노 섬유를 기판 상에 소정의 패턴으로 형성하는 장치로서 전기방사 방식 패턴 형성 장치가 이용되고 있다.

종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 이용하여 전기방사된 나노 섬유를 정렬시키는 경우, 특정 고분자 용액을 사용하였을 때 높은 품질의 정렬(Alignment) 정도를 가진 나노섬유의 배열을 얻기 어려웠다. 즉, 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치로 나노섬유 패턴을 형성하는 경우 도 1과 같은 코일 고리(coiled-loop) 형상으로 구부러지는 나노섬유 패턴이 존재하였다. 이는 전기방사를 위해 노즐 팁에 테일러콘(Taylor-cone)을 형성시킬 때, 특정 고분자 용액의 경우 상대적으로 높은 전압을 걸어줘야 되기 때문에, 방사된 나노섬유의 높은 체적전류밀도에 기인한 굽힘불안정성(Bending instability)에 의해 높은 품질의 정렬된 나노섬유 배열을 형성하기 어렵기 때문이다.

이러한 문제를 보완하기 위해 노즐에 인가되는 전압을 낮게 설정 할 수 있으나, 낮아진 전기장에 의해 테일러콘의 형상이 안정적으로 유지되기 어렵다. 이 경우, 방사 도중 액적(droplet)이 형성되고 기판으로 떨어짐에 따라 기판에 형성된 나노섬유 배열의 품질을 저하시키는 문제가 있었다.

한편, 노즐과 기판 사이의 거리를 매우 근접하게 유지하여, 나노섬유를 원하는 위치에 배열시키는 방법을 이용한 근접장 전기방사(Near-field Electrospinning)의 경우, 특정 고분자 용액을 이용한 패턴 형성에 있어서 구불거리지 않는 직선 형태의 나노섬유 패턴을 얻기가 어렵다. 이 경우 역시, 인가전압을 낮추어 하전된 젯(jet)의 굽힘불안정성을 완화시켜줘야 직선 형태의 패턴을 얻을 수 있으나, 낮아진 인가전압으로 안정적인 테일러콘을 유지하는 것이 어렵다는 문제점이 있다.

한국 등록특허 제10-0934920호

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 낮은 인가전압에서도 안정적인 테일러콘 형상을 유지시킬 수 있고, 나노 섬유의 일률적인 선형 패턴을 형성할 수 있도록 한 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 제공하는데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치는 제1 주입노즐 및 상기 제1 주입노즐과 동축을 이루어 상기 제1 주입노즐 내부에 배치되는 제2 주입노즐을 포함하고, 제1 전압이 인가되는 노즐부; 상기 노즐부의 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 제2 전압이 인가되는 스테이지를 구비하는 스테이지부; 방사용액을 수용하고, 상기 제1 주입노즐과 연결되어 상기 제1 주입노즐의 내측으로 상기 방사용액을 주입하는 용액 주입부; 및 상기 제2 주입노즐과 연결되고, 상기 제1 주입노즐이 상기 스테이지부 방향으로 상기 방사용액을 방사하여 테일러 콘을 형성할 때 상기 테일러 콘 내의 방사용액 일부를 상기 제2 주입노즐이 흡입하도록 하는 흡입 펌프부를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 노즐부에 연결되어 상기 노즐부를 가열하기 위한 노즐 가열부를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 노즐부 또는 상기 스테이지부의 주변에 설치되어 상기 테일러 콘의 형성 상태를 촬영하는 테일러콘 촬영부; 및 상기 테일러콘 촬영부와 연결되어 상기 테일러콘 촬영부를 통해 얻어진 이미지를 분석하는 이미지 분석부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 의하면, 낮은 인가전압에서도 안정적인 테일러콘 형상을 유지시킬 수 있고, 테일러콘으로부터 방사되는 방사용액 제트의 굽힘불안정성을 완화시켜서 나노 섬유의 일률적인 선형 패턴을 형성할 수 있다.

도 1은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 의해 형성된 나노 섬유의 패턴 형태를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a 내지 도 3c는 이러한 종래 문헌에 포함된 그래프를 발췌한 도면이다.
도 4는 테일러콘 형상 내에 형성되는 유체의 역류 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 흡입 펌프부의 온(ON)/오프(OFF) 여부에 따라 테일레콘의 부피 변화를 확인하기 위한 도면들이다.
도 6은 도 1에 도시된 섬유 가이드부에 의해 나노 섬유에 인가되는 힘을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 이용하여 기판 상에 정렬된 나노 섬유 배열 상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 설명하기 위한 개념도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 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 확대하여 도시한 것이다.

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. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

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, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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 사용되는 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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 설명하기 위한 개념도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 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 노즐부(100); 스테이지부(200); 용액 주입부(300); 및 흡입 펌프부(400)를 포함할 수 있다.

노즐부(100)는 제1 노즐(110), 제2 노즐(120) 및 제1 전압발생장치(130)를 포함할 수 있다.

제1 노즐(110)은 용액 주입부(300)에 연결되어 용액 주입부(300)로부터 공급받는 방사용액을 스테이지부(200) 방향으로 방사할 수 있다. 제1 노즐(110)은 전도성 물질, 예를 들면, 스테인레스 재질로 형성되고 일정한 내경 및 외경을 가지는 미세관 형태를 가질 수 있다.

제2 노즐(120)은 흡입 펌프부(400)와 연결되어 흡입 펌프부(400)에 의해 제1 노즐(110)로부터 방사되는 방사용액의 일부를 흡입할 수 있다. 이를 위해, 제2 노즐(120)은 제1 노즐(110)의 내부에 위치할 수 있고, 제1 노즐(110)과 동축이며, 제1 노즐(110)의 내경보다 작은 외경을 갖는 미세관 형태를 가질 수 있다. 이러한 제2 노즐(120)은 제1 노즐(110) 내에 위치할 때 제2 노즐(120)의 외면과 제1 노즐(110)의 내면은 서로 일정 간격을 유지하도록 배치될 수 있다. 제1 노즐(110) 및 제2 노즐(120)의 이격된 간격을 통해 제1 노즐(110)로 주입되는 방사용액이 외부로 방사될 수 있다.

제1 전압발생장치(130)는 제1 노즐(110)에 전기적으로 연결되고 제1 노즐(110)에 제1 전압을 인가할 수 있다. 일 예로, 제1 전압발생장치(130)는 제1 노즐(110)에 양(positive)의 극성을 가진 직류전압(DC voltage)을 생성하여 제1 노즐(110)에 인가할 수 있다. 제1 노즐(110)에 인가되는 제1 전압의 크기는 필요에 따라 적절하게 조절될 수 있다.

스테이지부(200)는 스테이지(210) 및 제2 전압발생장치(220)를 포함할 수 있다.

스테이지(210)는 방사용액(10)을 방사하는 제1 노즐(110)의 단부와 소정 간격 이격되게 배치될 수 있다. 스테이지(210)는 전도성 재질로 형성될 수 있다. 스테이지(210) 상부에는 패턴이 형성될 기판(미도시)이 위치할 수 있다.

제2 전압발생장치(220)는 스테이지(210)와 전기적으로 연결되고, 제1 노즐(110)에 인가된 제1 전압과 다른 제2 전압을 생성하여 스테이지(210)에 인가할 수 있다. 일 예로, 제2 전압발생장치(220)는 접지 전압을 생성하여 스테이지(210)에 인가할 수 있다. 이와 달리, 제2 전압발생장치(220)는 제1 전압과 극성이 다른 음(negative)의 전압 또는 제1 전압과 세기가 다른 양(positive)의 전압을 생성하여 스테이지(210)에 인가할 수도 있다.

용액 주입부(300)는 시린지(310) 및 시린지 펌프(320)를 포함할 수 있다.

시린지(310)는 방사용액(10)을 수용할 수 있다. 방사용액(10)은 폴리머 등과 같은 유기재료 용액 또는 유기재료와 무기재료가 혼합된 유무기 복합재료 용액일 수 있다. 또는 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN) 고분자를 디메틸포름아미드(N, N-Dimethylformamide, DMF) 용매에 10wt% 농도로 녹여서 만든 용액일 수 있다. 방사용액(10)은 약 1 내지 200 poise의 점도를 가질 수 있다. 이러한 시린지(310)에 제1 노즐(110)이 연결되고, 이에 의해 앞서 언급한 바와 같이 제1 노즐(110)은 시린지(310)에 수용된 방사용액(10)을 스테이지(210) 방향으로 방사할 수 있다.

시린지 펌프(320)는 시린지(310)에 수용된 방사용액(10)이 제1 노즐(110)을 통하여 외부로 유출될 수 있도록, 시린지(310)에 수용된 방사용액(10)에 압력을 인가할 수 있다. 시린지 펌프(320)가 방사용액(10)에 가하는 압력은 조절될 수 있고, 이에 의해 방사용액(10)이 제1 노즐(110)로 공급되는 유량이 제어될 수 있다.

흡입 펌프부(400)는 진공펌프(410) 및 펌프제어부(420)를 포함할 수 있다.

진공펌프(410)는 제2 노즐(120)에 연결되고, 진공펌프(410)의 구동에 의해 제2 노즐(120)에 흡입압력이 작용될 수 있다.

펌프제어부(420)는 진공펌프(410)에 연결되어 진공펌프(410)의 흡입세기를 제어할 수 있다. 일 예로, 펌프제어부(420)는 수동 조작되거나, 원거리의 제어용 컴퓨터와 통신하여 제어용 컴퓨터를 통해 원거리에서 조작될 수 있다.

이러한 본 발명의 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치는 기판 상에 패턴을 형성하기 위해, 제1 노즐(110)을 통해 방사용액(10)을 스테이지(210) 방향으로 방사하여 패턴 형성을 위한 테일러콘(Taylor cone)을 제1 노즐(110)의 단부로부터 형성할 수 있다.

즉, 앞서 언급한 바와 같이 제1 전압발생장치(130) 및 제2 전압발생장치(220)에 의해 제1 노즐(110)과 스테이지(210)에 서로 다른 전압이 인가되므로, 제1 노즐(110)과 스테이지(210) 사이에는 전압 차이로 인한 전기장이 형성되며, 제1 노즐(110)의 단부에는 방울 형태로 방사용액(10)이 매달려 있게 된다. 이때, 방사용액(10)의 방울 표면에 제1 노즐(110)에 인가된 전압과 반대되는 극성의 전하가 유도되고, 방사 용액(10) 방울 표면에 유도된 전하는 표면장력과 반대되는 힘인 정전기력을 발생시킨다. 이러한 정전기력의 작용으로 인하여 제1 노즐(110) 끝에 매달려 있는 방사 용액(10) 방울은 테일러콘으로 알려진 원추형 모양으로 늘어나게 된다.

이와 같이 제1 노즐(110)의 단부에 형성되는 방사용액(10)의 테일러콘은 그 형태가 안정적으로 유지되어야 한다.

일반적으로, 안정적인 형태의 테일러콘 형성을 위한 전압 크기가 알려져 있다. 구체적으로, 종래 문헌인 해외학술논문 Journal of Electrostatics 68 (2010) 458-464에 의하면, 안정적으로 테일러 콘의 부피 유지를 위해서는 특정 수준 이상의 전압을 인가시키는 것이 바람직하다는 증거가 제시되어 있다. 도 3a 내지 도 3c는 이러한 종래 문헌에 포함된 그래프를 발췌한 도면이다.

도 3a를 참조하면 인가전압을 13.7kV로 유지하였을 때 테일러 콘의 부피편차가 14% 정도 발생되는 것을 확인할 수 있으며, 도 3b를 참조하면 인가전압을 14.6kV로 인가하였을 때 테일러 콘의 부피편차가 3.5% 수준으로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 도 3c를 참조하면 비록 테일러 콘이 형성되는 인가전압의 범위는 13.7~16kV 이지만, 이 부피를 일정 수준으로 유지하기 위해서는 14.6~16kV의 인가전압을 사용하는 것이 바람직하다는 것을 나타낸다.

이와 같이 종래 문헌을 통해 알려진 테일러콘 형태를 안정적으로 유지하기 위한 인가전압 조건, 즉 종래에는 가장 바람직한 14.6~16kV의 인가전압을 사용할 때 테일러콘 형태를 안정적으로 유지할 수 있지만, 본 발명의 제2 노즐(120) 및 흡입 펌프부(400)의 구성이 이용되는 경우 최저 인가전압인 13.7kV에서도 안정적인 테일러콘 형태를 유지할 수 있다. 아래에서는 이를 가능하게 하는 제2 노즐(120) 및 흡입 펌프부(400)의 작용을 살펴본다.

본 발명은 안정적인 테일러콘의 형태를 유지하기 위해 제2 노즐(120) 및 흡입 펌프부(400)가 동작한다.

흡입 펌프부(400)의 진공펌프(410)가 구동되면, 제2 노즐(120)에 흡입압력이 작용된다. 이에 의해 제2 노즐(120)은 제1 노즐(110)의 단부에 형성된 방사용액(10)의 테일러콘 형상의 내부의 방사용액 일부를 흡입하게 되고, 흡입된 방사용액 일부는 별도의 특정 용기(미도시)에 모아질 수 있다. 이러한 제2 노즐(120)을 통한 방사용액 일부를 흡입하는 과정은 테일러콘이 형성될 때 테일러콘 내부에 형성되는 유체의 역류 흐름(도 4참조)에 의한 유동의 불안정성을 감소시켜서 테일러콘 형상이 파괴되는 것을 방지한다. 따라서 앞서 언급한 종래 문헌에서 제시하는 최저 인가전압에서도 일정 수준의 부피를 가지는 테일러콘을 안정적으로 유지할 수 있다.

한편, 제2 노즐(120) 및 흡입 펌프부(400)의 동작에 따라 제1 노즐(110)의 단부에 형성되는 테일러콘의 부피 변화를 조절하여 테일러콘의 부피가 과도하게 증가되거나 감소하는 것을 방지할 수 있으며, 이에 의해 테일러콘 형상을 일정 수준의 부피를 갖도록 안정적으로 유지할 수 있다. 이하에서는 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 흡입 펌프부(400)의 온/오프 여부에 따라 제1 노즐(110)의 단부에 형성되는 테일러콘의 부피 변화를 살펴본다. 도 5a 내지 도 5c는 흡입 펌프부의 온(ON)/오프(OFF) 여부에 따라 테일레콘의 부피 변화를 확인하기 위한 도면들이다.

도 5a를 참조하면 낮은 인가전압으로 인해 증가되던 테일러콘의 부피는 흡입 펌프부(400)가 작동한 A지점부터 부피가 증가되지 않고 일정 수준으로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 도 5b를 참조하면 흡입 펌프부(400)가 중지된 A지점부터 테일러콘의 부피가 급격히 증가됨을 확인할 수 있다. 도 5c를 참조하면 테일러콘의 부피가 증가되어 그 한계점에 이르고 액적(droplet)이 발생(A지점)됨에 따라 테일러콘의 부피가 급격히 감소한 것을 확인할 수 있고, 이후 A지점으로부터 테일러콘의 부피가 꾸준히 증가하다가 흡입 펌프부(400)가 작동하는 B지점부터 그 부피가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이후 B지점부터 테일러콘의 부피가 감소함에 따라 부피의 감소 정도를 조절하기 위해 흡입 펌프부(400)의 흡입 세기를 보다 약하게 설정하였고, 이에 따라 C지점부터 부피 감소율이 낮아진 것을 확인할 수 있다.

한편, 이와 같이 테일러콘 형상을 안정적으로 유지한 상태에서, 제1 노즐(110)과 스테이지(210) 사이에 형성되는 전기장의 세기를 방사용액(10) 제트(Jet)가 방출될 수 있는 세기로 조절하여 방사 용액(10) 테일러콘의 끝으로부터 방사용액(10) 제트를 방출되게 된다.

방출된 방사용액(10) 제트는 붕괴되지 않고 연속된 섬유 형태로 스테이지(210) 방향으로 방사된다. 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.

나노 섬유가 기판 상에 특정 방향으로 배열되도록 진행시키기 위해 도 1에 도시된 섬유 가이드부(500)가 이용될 수 있다.

섬유 가이드부(500)는 제1 노즐(110)로부터 방사된 나노 섬유의 진행 방향을 가이드한다. 이를 위하여, 섬유 가이드부(500)는 제1 가이드 자석(510) 및 제2 가이드 자석(520)을 구비할 수 있다. 제1 및 제2 가이드 자석(510, 520)은 나노 섬유가 방사되는 제1 노즐(110)의 끝부분에 인접하게 위치되고, 일 방향(Y)으로 연장되어 서로 평행하며, 제1 노즐(110)의 단부를 사이에 두고 서로 소정 간격으로 이격되게 배치된다. 즉, 제1 및 제2 가이드 자석(510, 520)은 제1 노즐(110) 및 스테이지(210) 사이에 배치되며 제1 노즐(110)의 단부에 인접한 위치에서 서로 마주보고 이격되게 배치된다. 일 예로, 제1 및 제2 가이드 자석(510, 520)은 강한 자장을 형성하는 영구자석인 네오듐 자석으로 구성될 수 있다. 제1 및 제2 가이드 자석(510, 520) 각각의 형상은 특별히 제한되지 않고, 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 가이드 자석(510, 520) 각각은 원형, 다각형, 반원, 타원 등의 단면을 갖는 막대 형상을 가질 수도 있고, 판(plate) 형상을 가질 수도 있다. 일 예로, 제1 및 제2 가이드 자석들(510, 520) 각각은 스테이지(210)에 수직한 단면이 사각형이고, 스테이지(210)에 평행한 방향(Y)으로 연장된 막대 형상을 가질 수 있다.

상기와 같이 제1 및 제2 가이드 자석(510, 520)을 배치할 경우, 제1 및 제2 가이드 자석(510, 520) 사이에는 자기장이 형성되고 이러한 자기장은 나노 섬유에 일정한 힘을 작용하며, 그 결과 나노 섬유는 기판 상에 특정 방향으로 배열되도록 진행되어 기판 상에 선형 패턴을 형성할 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 가이드 자석(510, 520) 사이에 형성된 자기장은 제1 노즐(110)로부터 분사되는 나노 섬유에 대해 도 6에 도시된 바와 같이 자기장 방향(X)에 수직한 방향(Y)으로 힘을 인가하게 되고, 그 결과 나노 섬유는 기판 상에 자기장에 수직한 방향(Y)으로 배열되도록 진행되어 기판 상에 자기장 방향(X)에 수직한 방향(Y)으로 연장된 선형 패턴을 형성할 수 있다.

도 7은 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 이용하여 기판 상에 정렬된 나노 섬유 배열 상태를 나타낸 도면이다. 도 7에 도시된 나노 섬유 배열 상태는 광학현미경을 이용하여 확대하여 본 상태이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 이용하여 기판 상에 나노 섬유를 선형 패턴으로 형성하면, 도 7과 같이 나노 섬유의 배열된 형태가 고리 형상(coiled-loop)이 확연히 제거된 일률적인 선형의 패턴으로 형성될 수 있다. 이러한 일률적인 선형의 패턴의 형성은 제2 노즐(120) 및 흡입 펌프부(400)에 의해 테일러콘 형성을 위한 인가되는 전압을 상대적으로 낮게 유지하고, 그 결과 하전된 젯의 굽힘불안정성을 완화시킴으로서 가능해진다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 이용하면, 낮은 인가전압에서도 안정적인 테일러콘 형상을 유지시킬 수 있고, 테일러콘으로부터 방사되는 방사용액(10) 제트의 굽힘불안정성을 완화시켜서 나노 섬유의 일률적인 선형 패턴을 형성할 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 설명하기 위한 개념도이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치(2000)는 노즐 가열부(600), 테일러콘 촬영부(700) 및 이미지 분석부(800)를 더 포함하는 것을 제외하고는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치(1000)와 동일하므로 이하에서는 노즐 가열부(600), 테일러콘 촬영부(700) 및 이미지 분석부(800)를 중심으로 설명하기로 한다.

노즐 가열부(600)는 노즐부(100)에 연결되어 노즐부(100)를 가열한다. 일 예로, 노즐 가열부(600)는 전기 히터일 수 있다. 노즐 가열부(600)는 노즐부(100)를 가열하여 노즐부(100)가 특정 온도로 유지되도록 한다. 노즐부(100)가 가열됨에 따라 노즐부(100)를 통해 방사용액(10)을 방사 및 흡입되는 과정에서 방사용액(10)에 의해 노즐부(100), 즉 제1 노즐(110) 및 제2 노즐(120)이 막히는 것을 방지할 수 있다. 노즐부의 온도는 방사용액(10)의 점도에 따라 설정될 수 있으며, 방사용액(10)의 점도가 낮은 경우에는 이용되지 않을 수도 있다.

테일러콘 촬영부(700)는 제1 노즐(110)의 단부로부터 형성되는 테일러콘의 형성 상태를 촬영할 수 있다. 이를 위해, 테일러콘 촬영부(700)는 노즐부(100) 또는 스테이지부(200)의 주변에 설치될 수 있다. 테일러콘 촬영부(700)는 카메라(710) 및 램프(720)를 포함할 수 있다. 카메라(710)는 테일러콘을 촬영하며, 램프(720)는 테일러콘 형성 지점에 조명이 조사하여 카메라(710)를 통한 테일러콘의 촬영을 돕는다.

이미지 분석부(800)는 테일러콘 촬영부(700)를 통해 얻어진 이미지를 분석한다. 이미지 분석부(800)는 카메라(710)와 전기적으로 연결되어 카메라(710)를 통해 촬영된 테일러콘 이미지가 제공될 수 있다. 이러한 이미지 분석부(800)는 통상의 PC일 수 있다. PC에는 카메라(710)로부터 제공된 테일러콘 이미지를 분석하는 이미지 분석 프로그램 및 용액 주입부(300) 및 흡입 펌프부(400)를 제어할 수 있는 제어부(미도시)가 설치될 수 있고, 이미지 분석 프로그램에 의해 테일러콘 이미지를 확인하여 테일러콘이 안정적으로 형성되어 있는지 여부를 확인 및 분석할 수 있다.

이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 이용하면, 노즐부(100)를 통해 방사 및 흡입되는 방사용액(10)의 노즐부(100)를 막는 현상을 방지할 수 있고, 테일러 콘의 형태를 실시간으로 확인 및 분석할 수 있다.

100 : 노즐부 110 : 제1 노즐
120 : 제2 노즐 130 : 제1 전압발생장치
200 : 스테이지부 210 : 스테이지
220 : 제2 전압발생장치 300 : 용액 주입부
310 : 시린지 320 : 시린지 펌프
400 : 흡입 펌프부 410 : 진공펌프
420 : 펌프 제어부 500 : 섬유 가이드부
510 : 제1 가이드 자석 520 : 제2 가이드 자석
600 : 노즐 가열부 700 : 테일러콘 촬영부
710 : 카메라 720 : 램프
800 : 이미지 분석부

Claims

제1 주입노즐 및 상기 제1 주입노즐과 동축을 이루어 상기 제1 주입노즐 내부에 배치되는 제2 주입노즐을 포함하고, 제1 전압이 인가되는 노즐부;
상기 노즐부의 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 제2 전압이 인가되는 스테이지를 구비하는 스테이지부;
방사용액을 수용하고, 상기 제1 주입노즐과 연결되어 상기 제1 주입노즐의 내측으로 상기 방사용액을 주입하는 용액 주입부; 및
상기 제2 주입노즐과 연결되고, 상기 제1 주입노즐이 상기 스테이지부 방향으로 상기 방사용액을 방사하여 테일러 콘을 형성할 때 상기 테일러 콘 내의 방사용액 일부를 상기 제2 주입노즐이 흡입하도록 하는 흡입 펌프부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
제1항에 있어서,
상기 노즐부에 연결되어 상기 노즐부를 가열하기 위한 노즐 가열부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
제2항에 있어서,
상기 노즐부 또는 상기 스테이지부의 주변에 설치되어 상기 테일러 콘의 형성 상태를 촬영하는 테일러콘 촬영부; 및
상기 테일러콘 촬영부와 연결되어 상기 테일러콘 촬영부를 통해 얻어진 이미지를 분석하는 이미지 분석부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.