KR20200109300A - 독립형 영역을 가진 필름을 포함하는 기구 - Google Patents

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Abstract

전도성 및/또는 반전도성인 높은 종횡비의 분자 구조의 네트워크를 포함하는 필름(103)을 포함하는 기구가 제공된다. 기구는 또한, 필름(103)의 독립형 영역(101)이 적어도 2개의 지지 위치 사이에 연장되도록 적어도 2개의 지지 위치에서 필름(103)을 지지하도록 배열된 프레임(102)을 포함한다. 필름(103)에 전기적으로 커플링된 2개 이상의 전기 접촉 영역, 및 이들 전기 접촉 영역은 0.01 암페어 내지 10 암페어의 전류로 필름(103)의 독립형 영역(101)을 가로질러 전기 전하를 통과시키도록 배열된다.

Description

독립형 영역을 가진 필름을 포함하는 기구
본 발명은 박막 기술에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 높은 종횡비의 분자 구조를 가진 필름을 포함하는 기구에 관한 것이다.
높은 종횡비의 분자 구조(HARM-구조: high-aspect ratio molecular structure), 예컨대 탄소 나노튜브(CNT: carbon nanotube) 또는 높은 종횡비를 가진 다른 나노규모 구조는 독특한 전기적 특성, 광학적 특성, 열적 특성, 및 기계적 특성을 보유하며, 이는 그들이 다수의 응용에 대한 유망한 재료가 되게 한다.
상기 기재된 높은 종횡비의 분자(HARM) 구조를 포함하는 필름은 다양한 응용에 유용할 수 있는 자립형 또는 독립형 부분을 포함할 수 있다. 필름의 독립형 부분은 공기압 또는 열방사압(thermal radiation pressure)의 변동에 대해 민감하다. 이러한 압력 하에서는, 필름이 파열되고 그의 기능을 상실할 수 있다. 추가로, 연장된 기간의 사용 후에 독립형 HARM-구조 네트워크는 늘어지거나 처지기 시작하는 경향이 있는데, 이는 중력 및 작은 공기 변동이 구조를 천천히 인열할 수 있기 때문이다.
발명의 요약
본 발명에 따른 기구는 독립 청구항 1에 제공되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법은 독립 청구항 15에 제공되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 태양에 따라, 기구가 제공된다. 기구는, 전도성 및/또는 반전도성인 높은 종횡비의 분자 구조, HARM-구조의 네트워크를 포함하는 필름, 필름의 독립형 영역(free-standing region)이 적어도 2개의 지지 위치(support position) 사이에 연장되도록 적어도 2개의 지지 위치에서 필름을 지지하기 위해 배열된 프레임, 및 필름에 전기적으로 커플링된(electrically coupled) 2개 이상의 전기 접촉 영역을 포함한다. 2개 이상의 전기 접촉 영역은 0.01 암페어 내지 10 암페어의 전류로 필름의 독립형 영역을 가로질러 전기 전하(electric charge)를 통과시키도록 배열된다.
제1 태양에 따른 프레임은 기재의 일부일 수 있으며, HARM-구조의 네트워크를 포함하는 필름이 그 위에 제조된다. 대안적으로, 필름은 그것이 제조된 후에 프레임 상에 위치될 수 있다. 프레임은 적어도 2개의 위치에서 필름을 지지하여 독립형 자립형 영역을 형성할 수 있으며, 여기에 HARM-구조를 포함하는 필름이 형성된다. 지지 위치는, 그들이 필름에 충분한 지지를 제공하는 한 구조 내의 어느 곳에나 위치될 수 있다. 예를 들어, 그들은 필름의 측면 상에, 또는 모서리 부근의 영역 내에, 또는 한쪽 측면을 따라 서로의 바로 옆에 존재하여 "당간(flag pole)"을 형성할 수 있다. "적어도 2개의" 지지 위치는, 프레임이 그 위에서 필름을 지지하는 적어도 2개의 접촉 지점을 의미한다. 예를 들어 프레임이 연속적인 원형 형상을 가지며, 여기서 독립형 영역은 원 내에 있는 경우, 복수의 지지점을 포함하는 임의의 더 넓은 영역 또한 본 태양에 포함시키고자 한다. 프레임은 또한 제1 태양에 따라 임의의 다른 연장된 연속적인 형상을 가질 수 있다. 프레임은 임의의 적합한 재료, 예컨대 플라스틱, 유리, 금속, 목재, 직물 등으로 제조될 수 있다.
2개 이상의 전기 접촉 영역은 필름의 독립형 영역을 가로질러 전기 전하를 통과시키도록 배열된다. 전기 접촉 영역은 전도성 재료로 제조되며, 필름의 전체 독립형 영역으로부터 균일한 반응을 생성하는 형상을 가질 수 있다. 이는 독립형 영역의 특징적인 크기와 일치하거나 이를 초과하는 크기를 가진 전기 접촉 영역에 의해 제공될 수 있다. 0.01 암페어 내지 10 암페어의 전류는 네트워크 내의 HARM-구조 사이에 자기 인력을 제공하기에 충분하다. 이는 늘어짐을 방지하고 필름 내의 장력을 증가시키는 기술적 효과를 제공하여, 그것이 원래 배치된 바와 같이 편평하게 한다.
제1 태양의 실시 형태에서, 2개 이상의 전기 접촉 영역은 0.01 암페어 내지 0.7 암페어의 전류로 필름의 독립형 영역을 가로질러 전기 전하를 통과시키도록 배열된다. 이 범위는 통상적으로 사용되는 HARM-구조를 포함하는 대부분의 필름에 충분할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 전기적 전하는 0.01 암페어 내지 2.3 암페어의 전류로 필름의 독립형 영역을 가로질러 통과할 수 있다. 이 전류 범위는 상대적으로 큰 면적의 독립형 영역을 가진 필름에 유용할 수 있다.
인가된 전류는 또한 저항 가열을 통해 필름 내에 열을 야기할 수 있다. 전류에 대해 표시된 10 A의 상한은 상대적으로 두꺼운 필름이 저항 가열로 연소되는 것을 방지한다. 더 얇은 필름의 경우, 0.7 A의 상한은 목적상 충분하고 또한 필름이 저항 가열로 연소되는 것을 방지할 수 있다. 필름의 독립형 영역은 또한 다른 구조보다 더 양호한 열 방출을 제공할 수 있으며, 여기서 HARM-구조는 기재를 통해 열이 소산되는 규소 층 상에 있다.
제1 태양의 실시 형태에서, 기구는 2개 이상의 주변 위치에서 필름에 전기적으로 커플링된 2개 이상의 전극을 포함한다. 2개 이상의 전기 접촉 영역은 2개 이상의 전극 내에, 또는 이를 통해 제공되며, 2개 이상의 전극은 필름의 전체 독립형 영역을 가로질러 전기 전하를 통과시키도록 성형된다.
전극은 필름을 둘러싸도록 성형될 수 있거나 전체 독립형 영역을 통해 전기적 전하가 통과하는 것을 허용하는 기하형태를 가질 수 있다. 전극은 필름이 침착되기 전에 프레임에 적용될 수 있지만, 그 후에 페인팅될 수도 있다. 이 실시 형태에서는, 2개 이상의 전극을 그들이 필름과 전기 접촉되는 것을 허용하는 위치에서 프레임에 부착할 수 있다. 대안적으로, 전극을 단지 필름에 전기적으로 연결하고 프레임에는 부착하지 않을 수 있다.
대안적인 실시 형태에서, 프레임은 전기 전도성 재료, 및 전기 전도성 재료를 적어도 2개의 전도성 영역으로 분리하는 비-전도성 영역을 포함할 수 있다. 2개 이상의 전기 접촉 영역이 프레임의 전도성 영역 내에 제공된다. 이렇게 프레임 그 자체가 접점의 역할을 하도록 구성될 수 있으며, 이는 구조를 더 적은 부품으로 제조하기 더 쉽게 한다.
일 실시 형태에서, 2개 이상의 전기 접촉 영역은 0 헤르츠(Hz) 내지 20 킬로헤르츠(kHz)의 주파수의 펄스로 필름의 독립형 영역을 가로질러 전기 전하를 통과시키도록 배열된다.
펄스는 교류 또는 직류의 것일 수 있다. 일부 응용에서는 전류를 다시 인가할 필요가 있기 전에 수시간 또는 수일 지속되기에 충분한 장력을 단일 펄스가 필름에 제공할 수 있으므로, 범위가 0에서 시작한다. 대안적으로, 필름 내의 장력을 회복하거나 지속하기에 충분한 사전결정된 주파수로 펄스의 짧은 버스트(short burst)를 제공하도록 전기 접촉 영역이 배열될 수 있다. 펄스 작동 모드는 그것이 펄스 사이에 필름을 냉각시켜 과열을 피하고 더 적은 전력을 사용하므로 유리할 수 있다. 20 kHz의 상한은 인간의 귀에 의해 인식될 수 있는 범위를 포함하며, 이 범위의 더 높은 주파수를 열음향 스피커에서의 응용에 사용할 수 있다. 대부분의 응용에서, 주파수는 3 kHz 미만이다.
대안적인 실시 형태에서, 전류는 필름의 독립형 영역의 수명에 걸쳐 연속적으로 인가될 수 있다.
일 실시 형태에서, 필름은 본질적으로 무작위 배향된 HARM-구조의 네트워크를 포함한다. 무작위 배향된 HARM-구조는 선호되는 전류 방향이 없을 가능성이 있으므로; 전기 접촉 영역은 독립형 영역의 임의의 측면 상에 제공될 수 있다. 개별적인 분자의 무작위 배향은 HARM-구조의 네트워크의 특성에 유리한 효과를 가질 수 있다. 이들 효과는 높은 전기 전도도 및 열 전도도, 등방성 전기 전도도 및 열 전도도, 양호한 기계적 안정성 및 내구성, 두께 및 다공성의 높은 균일성, 큰 표면적 및 화학적 반응성, 양호한 고체 등방성, 열적 등방성, 전기적 등방성, 광학적 등방성, 및 유체 역학적 등방성을 포함하지만 이로 제한되지 않는다.
대안적인 실시 형태에서, 필름 내의 HARM-구조는 실질적으로 동일한 방향으로 배향되며, 전기 접촉 영역은 필름의 독립형 영역 내의 전기 전류의 방향이 HARM-구조의 배향에 실질적으로 평행하도록 필름에 전기적으로 커플링된다. 이러한 배향을 가진 구조의 예는 탄소 나노튜브(CNT)가 정렬된 버키페이퍼(buckypaper)이다. 전기 접촉 영역의 이러한 배치는 필름 내의 장력을 증가시키거나 회복시키기 위해 전류를 통과시킬 때 더 높은 효율을 제공한다. 다른 실시 형태에서는, 필름의 독립형 영역 내의 전기 전류의 방향이 HARM-구조의 배향에 대해 소정의 각을 이루도록 전기 접촉 영역을 필름에 전기적으로 커플링할 수 있다.
일 실시 형태에서, 프레임은 독립형 영역의 둘레를 따라 필름을 지지하도록 배열된다. 제1 태양에 관련하여 상기 언급된 바와 같이, 지지 위치는 연속적이고 필름의 영역 전역에 퍼져 있을 수 있다. 둘레를 따라 독립형 영역을 지지하는 것은 영역의 임의의 측면에서 전기 접촉 영역에 위치설정의 자유를 제공하고, 일반적으로 신뢰성 있는 지지를 제공한다. 이는 자연적으로, 예를 들어 봉입된 독립형 영역이 사용되는 필터에서 기구의 구현을 용이하게 한다.
일 실시 형태에서, HARM-구조는 탄소 나노튜브(CNT) 분자, 탄소 나노버드(CNB: carbon nanobud) 분자, 그래핀 리본, 및 탄소(흑연) 섬유 필라멘트의 그룹 중에서 선택된다. 탄소 나노튜브 분자는 단일-벽 나노튜브, 이중-벽 나노튜브, 및 나노튜브로 형성된 다른 분자를 포함한다. 탄소 나노버드 분자는 공유 결합에 의해 풀러렌에 부착된 탄소 나노튜브를 포함한다.
일 실시 형태에서, 필름의 두께는 1 나노미터 내지 10 마이크로미터이다. 제1 태양에 따라 이 두께의 필름을 통해 통과하는 전기 전류는 독립형 영역에 장력을 생성하기에 충분하다. 필름은 또한 구현에 따라 HARM-구조의 크기 및 밀도가 변동될 수 있다.
제1 태양의 일 구현에서는, 공기 필터(air filter)가 상기 실시 형태 중 어느 한 실시 형태의 기구를 포함할 수 있다.
제1 태양의 다른 구현에서는, 액체 환경 필터(liquid environment filter)가 상기 실시 형태 중 어느 한 실시 형태의 기구를 포함할 수 있다.
공기 필터 및 액체 환경 필터는 공기 또는 액체가 통과하는 임의의 입자 필터를 의미한다.
제1 태양의 다른 구현에서는, 포토마스크(photomask)용 박피(pellicle)가 상기 실시 형태 중 어느 한 실시 형태의 기구를 포함할 수 있다.
박피는 생산 흐름 중에 포토마스크를 덮는 얇은 투명막일 수 있다. 박피는 그것이 입자 및 오염물이 마스크 상에 낙하하는 것을 방지하므로 먼지 덮개로서 작용할 수 있다. 그것은 리소그래피 스캐너(lithography scanner)로부터 마스크까지 광이 투과하는 것을 허용하기에 충분히 투명하다.
독립형 영역을 가진 HARM-구조를 포함하는 필름은 그것이 다공성 구조를 가지므로 포토마스크용 박피에 유용할 수 있다. 독립형 영역은 기저에 기재가 없으므로 그것은 광에 대해 더 투명할 수 있다.
다른 구현에서, 제1 태양에 따른 기구는 광 검출기, 흡수체, 레이저, 및 독립형 영역을 가진 필름의 사용으로부터 이익을 얻을 수 있는 임의의 다른 장치 또는 구조에 사용될 수 있다. 제1 태양에 따른 기구는 또한 감지기(sensor)에 사용될 수 있으며, 여기서 독립형 영역은 감지 소자(sensing element)로서 사용된다.
독립형 영역을 가진 필름의 일 응용은 열 방출기이며, 본 발명에 따른 기구는 이러한 열 방출기의 수명을 연장할 수 있다. 방출기는 독립형 영역의 저항 가열에 의해 열을 인가하도록 구성될 수 있다.
제2 태양에 따라, HARM-구조의 네트워크를 포함하는 필름의 독립형 영역을 유지하는 방법이 제공된다. 본 방법은, 필름의 2개 이상의 주변 위치에서 2개 이상의 전극에 필름을 전기적으로 커플링하는 단계, 및 0.01 암페어 내지 10 암페어의 전류로 필름의 독립형 영역을 가로질러 전기 전하를 통과시키는 단계를 포함한다.
제1 태양과 같이, 이 범위의 전류는 네트워크 내의 HARM-구조 사이의 자기 인력, 및 따라서 필름의 독립형 영역 내의 장력을 생성하기에 충분하다.
제2 태양의 실시 형태에서는, 0 Hz 내지 20 kHz의 주파수에서, 그리고 0.05 ms 내지 1000 ms 이상의 길이의 펄스로 필름의 독립형 영역을 가로질러 전기 전류가 인가된다.
일 실시 형태에서 본 방법은 독립형 영역을 포함하는 필름, 또는 필름의 독립형 영역만을 중합체, 금속, 또는 금속 산화물 코팅으로 개질하는 단계를 추가로 포함한다. 이들 코팅은 필름의 기계적 특성, 광학적 특성, 열적 특성, 또는 전기적 특성을 개질하거나 개선할 수 있다. 다른 실시 형태에서 필름은 금속, 염, 또는 반전도 화합물로 코팅될 수 있다. 예를 들어 열 소산 및 화학물질에 대한 내구성을 증가시키기 위해 코팅을 사용할 수 있다.
입자 또는 기체 필터와 같은 기계적 여과 응용에서, 본 발명에 따른 기구 및 방법은 양호한 기능성 및 재생성의 이점을 제공한다.
감지기의 감지부로서 독립형 HARM-구조의 네트워크를 가진 감지기 응용은 화학적 상호작용 또는 기계적 힘에 의해 야기된 표면 변화에 대해 고도로 반응성일 수 있으며, 큰 감지 표면적 및 양호한 감도를 가진다. 상기 실시 형태에 따른 기구 및 방법은 감지기에 사용되는 독립형 HARM-구조의 네트워크의 수명을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 기구 및 방법은 독립형 영역을 가진 필름을 이용하는 다양한 장치 구조 내로 용이하게 혼입될 수 있다.
앞서 기재된 본 발명의 실시 형태는 서로와의 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 몇몇 실시 형태를 함께 조합하여 본 발명의 추가의 실시 형태를 형성할 수 있다. 본 발명이 관련되는 산물, 방법, 또는 용도는 앞서 기재된 본 발명의 실시 형태 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 1a는 일 실시 형태에 따른 기구의 예시이다.
도 1b는 일 실시 형태에 따른 기구를 소정의 각에서 나타낸다.
도 2는 상이한 실시 형태에 따른 기구의 예시이다.
도 3은 프레임 내에 전기 접촉이 제공되는 다른 실시 형태에 따른 기구의 예시이다.
도 4는 일 태양에 따른 방법의 블록 다이어그램이다.
도 5는 탄소 나노튜브의 네트워크의 투과 전자 현미경(TEM)에 의해 생성된 영상이다.
도 6은 메쉬를 포함하는 실시 형태에 따른 기구를 나타낸다.
발명의 상세한 설명
하기에서는, 첨부 도면을 참조함으로써 예시적인 구현으로 본 발명을 더 상세하게 기재할 것이다.
본 발명은 HARM-구조를 포함하는 필름의 독립형 영역 내에 그것을 통해 전기 전류를 통과시킴으로써 증가된 장력이 달성될 수 있다는 개념에 기초한다. 2개의 실질적으로 평행한 전류-운반 HARM-구조 사이에 형성되는 자기장의 인력은 암페어 힘 법칙에 따르는 것으로 보인다. 동일한 방향으로 전기 전류를 운반하는 2개의 HARM-구조가 서로의 자기장 내에 위치하는 경우, 전류가 충분하다면 그들은 서로에 물리적으로 유인될 수 있다. 평행한 HARM-구조의 네트워크를 통해 통과하는 전기 전류는 개별적인 경로 사이에 분할되므로, 개별적인 HARM-구조를 통한 전류는 상기 HARM-구조의 수, 또는 필름의 밀도에 의존한다. 개별적인 HARM-구조를 통해 통과하는 정확한 전류를 아는 것은 불가능할 수 있는데, 이는 필름 내의 모든 전도성 경로를 계수하거나 전류를 개별적으로 측정하는 것이 실현가능하지 않을 수 있으므로 2개의 HARM-구조 사이에 나타나는 정확한 인력은 측정을 위해 이용가능하지 않을 수 있기 때문이다. 그러나, 사용되는 HARM-구조 필름의 대부분의 밀도에 대해, 필름을 가로질러 인가되는 경우에 개별적인 구조 사이에 충분한 자기 인력을 야기하는 전류의 범위가 존재한다. 이는 필름 내에 필요한 장력을 생성한다. 전류의 범위는 0.01 암페어 내지 10 암페어이다. 일부 실시 형태에서는, 0.01 암페어 내지 0.7 암페어의 범위 내의 통과 전류가 기술적 결과를 달성하기에 충분하다. 필름 내의 장력을 증가시키기 위해 필요한 전류는 또한 필름의 독립형 영역의 종횡비 및 크기에 의존할 수 있다. 예를 들어, 접점 사이의 독립형 영역의 크기가 대략 100 밀리미터인 더 큰 샘플의 경우, 독립형 영역 내에 신속하게 장력을 생성하기 위해서는 최대 2.3 암페어의 전류가 최적일 수 있다.
단순성의 이유로, 반복되는 구성요소의 경우에 항목 번호는 하기 예시적인 구현에서 유지될 것이다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 구현에 따른 기구를 개략적으로 예시한다. 도 1a는 필름(103)을 포함하는 기구(100)의 상면도를 나타낸다. 필름(103)은 전도성 및/또는 반전도성 HARM-구조의 네트워크를 포함하며, 이는 이 도면 및 다른 도면에서 빗금 패턴에 의해 표시된다. 기구는 프레임(102)을 추가로 포함하며, 그 위에 필름(103)이 배치된다. 프레임(102)은 적어도 2개의 지지 위치(112)에서 필름(103)을 지지하도록 배열된다. 도 1a에 나타낸 구현에서 지지 위치(112)는 필름(113)의 대향 측면에 있으며, 그들 사이에 연장되는 독립형 영역(101)을 형성한다.
기구(100)는 또한 흑색으로 표시된 2개의 전기 접촉 영역을 포함하며, 본 실시예에서 이는 필름(103)의 주변 위치에 위치되고 그것에 전기적으로 커플링된 2개의 전극(104, 104') 내에 제공된다. 전극(104, 104')은 전원 장치(105)에 연결되고 0.01 암페어 내지 10 암페어의 전류로 필름(103)의 독립형 영역(101)을 가로질러 전기 전하를 통과시키도록 배열된다. 전류는 교류 또는 직류일 수 있다. 본 실시예에서, 전극(104, 104')은 그들의 기하형태가 독립형 영역(101)의 형상 및 크기와 일치하므로 전체 독립형 영역(101)을 가로질러 전기 전하를 통과시키도록 성형된다. 나머지 도면 상에 나타낸 다른 구현과 같이, 도 1a-1b의 배치는 제한적인 구성이 아니며, 독립형 영역의 목적하는 부분을 가로질러 전기 전하가 통과되는 한, 전극(104, 104'), 프레임(102), 및 독립형 영역(101)의 형상은 상이할 수 있다. 전극(104, 104')은 프레임(102)에 부착되거나 필름(103)에 커플링될 수 있다. 독립형 영역(101)에서의 전류의 일반적 방향을 화살표(106)에 의해 개략적으로 나타낸다.
도 1 상에 나타낸 네트워크 내의 전도성 및/또는 반전도성 HARM-구조는 본질적으로 무작위 배향된다. 대안적으로, HARM-구조의 네트워크는 실질적으로 동일한 방향으로 배향될 수 있으며, 이 경우에 이는 화살표(106)의 방향일 것이다. 이는 필름(103)의 독립형 영역(101) 내의 전기 전류의 방향(106)이 HARM-구조의 배향에 실질적으로 평행하도록 전극(104, 104')이 이러한 배향된 HARM-구조의 네트워크에 부착되기 때문이다. 전기 전하는 0 킬로헤르츠 내지 20 킬로헤르츠의 주파수의 펄스로 독립형 영역(101)을 가로질러 통과할 수 있다.
도 1b는 도 1a에 나타낸 기구와 유사한 기구(100)의 오프셋 뷰(offset view)를 나타낸다. 이 도면은 독립형 영역(101)을 형성하는 프레임(102)에 의해 지지되는 필름(103)을 포함하는 기구(100)의 필터 응용을 일반적으로 예시한다. 화살표(107)는 여과할 필요가 있는 입자를 가진 공기 또는 임의의 액체를 지칭하고, 화살표(107')는 입자가 없는 여과된 공기 또는 액체를 지칭한다. 임의의 이러한 필터의 작동 중에, 그것을 통해 통과하는 공기 또는 액체 매질에 의해 그것에 인가되는 힘으로 인해 독립형 영역(101)이 장력을 상실하고 늘어지기 시작할 수 있다. 중력의 힘 또한 시간 경과에 따라 늘어짐을 야기할 수 있다. 이러한 늘어짐은 필터의 성능 및 수명을 감소시킬 것이다. 전극(104, 104')을 통해 필름을 가로질러 연속적으로 또는 펄스로 0.01 A 내지 10 A로 전류를 인가함으로써 독립형 영역(101) 내에 장력이 생성될 수 있으며, 이는 그것을 다시 편평하게 한다.
도 2는 다른 구현에 따른 기구(200)의 상면도이다. 이 경우에, 기구(200)는 또한 전도성 및/또는 반전도성 HARM-구조의 네트워크를 포함하며 원형 독립형 영역(201)을 가진 필름(203)을 포함한다. 기구(200)는 프레임(202)을 포함하며, 그 위에 필름(203)이 배치된다. 프레임(202)은 원형-형상의 갭을 포함하며 원의 둘레를 따라 필름(203)을 지지함으로써, 원형 독립형 영역(201)을 형성한다.
기구(200)는 또한 흑색으로 표시된 2개의 전기 접촉 영역을 포함하며, 본 실시예에서 이는 필름(203)의 주변 위치에 위치되고 그것에 전기적으로 커플링된 2개의 전극(104, 104') 내에 제공된다(도 1a-1b의 기구(100)에서와 같이). 전극(104, 104')은 또한 전원(105)에 커플링된다.
독립형 영역(201)의 원형 형상은 그것이 바람직한 다양한 응용에 사용될 수 있다. 또한, 원형 형상은 프레임(202)에 의해 독립형 영역(201)의 전체 둘레를 따라 동일한 지지를 제공한다. 제조 공정의 임의의 지점에 기재 내에 원형 갭(프레임(202))을 제조하는 것으로 충분하고, 전극(104, 104')은 독립형 영역(201)에 대해 임의의 각으로 용이하게 위치될 수 있으므로, 기구(200)와 같은 기구의 제조는 더 비용-효율적일 수 있다.
도 3은 본 발명의 추가의 구현에 따른 기구(300)를 예시한다. 기구(300)는 전도성 및/또는 반전도성 HARM-구조의 네트워크를 포함하는 필름(303)을 포함한다. 기구는 프레임(302)을 추가로 포함하며, 그 위에 필름(303)이 배치된다. 프레임(302)은 직사각형 갭을 포함하며 직사각형의 둘레를 따라 필름(303)을 지지하도록 배열됨으로써, 직사각형 독립형 영역(301)을 형성한다. 직사각형 형상은 단지 예로서 본 명세서에 사용되며, 그것은 본 발명의 상이한 구현에서 필름(303)의 독립형 영역(301)은 임의의 형상일 수 있음을 예시한다.
이 구현에서, 프레임(302)은 프레임의 전도성 영역(304)을 형성하는 전기 전도성 재료를 포함한다. 2개 이상의 전기 접촉 영역(304)이 프레임(302)의 전도성 영역(304) 내에 제공된다. 이 경우에, 지지 위치는 연속적이며 독립형 영역(301)을 그의 둘레를 따라 봉입한다. 전기적 전하가 독립형 영역(301)을 통해 통과하는 것을 허용하기 위해, 전도성 영역(304)은 프레임(302)의 비-전도성 영역(312)에 의해 분리된다. 프레임 그 자체가 전기 접촉을 제공하므로, 그것은 전원 장치(105)에 직접 연결된다.
도 4는 일 태양에 따라 HARM-구조의 네트워크를 포함하는 필름의 독립형 영역을 유지하는 방법의 블록 다이어그램이다. 본 방법은 필름의 2개 이상의 주변 위치에서 2개 이상의 전극에 필름을 전기적으로 커플링하는 단계(401)를 포함한다. 전극은 필름의 목적하는 영역을 통한 전류의 통과를 허용하는 임의의 적합한 방식으로 커플링될 수 있다. 예를 들어, 도 1a, 1b, 및 2에 나타낸 바와 같이 전극이 커플링될 수 있다. 본 방법은 0.01 암페어 내지 10 암페어의 전류로 필름의 독립형 영역을 가로질러 전기 전하를 통과시키는 단계(402)를 추가로 포함한다. 이는 상기 기재된 바와 같이 HARM-구조 사이에 자기 인력을 생성하여, 상기 HARM-구조의 네트워크를 포함하는 필름의 독립형 영역의 장력의 증가를 유발한다. 결국, 이는 일반적으로 독립형 영역 및 필름의 개선된 내구성 및 수명을 유발한다. 본 방법에 의해 제공된 필름의 "유지"는 응용에 따라 빈번하게 자동으로 수행되거나 필요할 때 수동으로 시작할 수 있다. 0 kHz 내지 20 kHz의 주파수에서, 그리고 0.05 밀리초 내지 1000 밀리초의 길이의 펄스로 필름의 독립형 영역을 가로질러 전기 전류를 인가할 수 있다. 독립형 영역을 포함하는 필름에 더 높은 전류가 필요한 경우, 전극, 필름, 및 외부 환경의 원치 않는 과열을 방지하기 위해 펄스가 필요할 수 있다. 본 방법은 또한 필름의 특성을 추가로 개선하기 위해 중합체, 금속, 또는 금속 산화물 코팅으로 필름의 독립형 영역을 개질하는 단계(403)를 포함할 수 있다.
도 5는 고배율 투과 전자 현미경(TEM: Transmission Electron Micrograph)에 의해 촬영된 저밀도 필름의 독립형 영역으로부터의 탄소 나노버드(CNB)(501)의 스냅숏(snapshot)이다. 본 실시예에서, 네트워크 내의 CNB는 무작위로 정렬되고, 임의의 개별적인 CNB(501)는 그의 길이를 따라 다양한 위치에서 다수의 상이한 인접 나노버드를 가질 수 있으며, 그들 사이의 거리는 변동된다. 대략 0.5 A의 전류는 CNB(501) 사이에 자기 인력을 생성하여 도 5에 예시된 필름 내에 장력을 생성한다. 다른 실시예 실험 및 구현은 하기 섹션에 제공된다.
도 6은 기구(600)가 필터로서 사용되는 구현을 예시한다. 도 1b는 도 1b에 나타낸 기구와 유사한 기구(100)의 오프셋 뷰를 나타낸다. 기구(600)는 비-전도성 메쉬(601)에 의해 지지되는 독립형 영역(603)을 가진 필름을 포함한다. 화살표(607)는 여과할 필요가 있는 입자를 가진 공기 또는 액체를 지칭하고, 화살표(607')는 입자가 없는 여과된 공기 또는 액체를 지칭한다. 전극(104, 104')을 통해 필름을 가로질러 연속적으로 또는 펄스로 0.01 A 내지 10 A의 전류를 인가함으로써 독립형 영역(603) 내에 장력이 생성될 수 있으며, 이는 그것을 편평하게 한다.
이 설정에서, 지지 메쉬(601)는 압력의 큰 변화에 대한 더 높은 내구성을 독립형 필름에 제공하며 개별적인 메쉬 개구에 대한 필름 결함의 전파를 제한한다.
실시예
실험에 사용된 탄소 나노버드(CNB) 필름의 실시예는 하기 특성에 의해 명시될 수 있다:
550 nm에서의 광 투과도: 86.5%;
시트 저항: 252 옴 / 스퀘어(도핑되지 않음) 및 100 옴 / 스퀘어(p-도핑됨);
CNB 필름 크기: 30 x 33 mm;
독립형 영역: 5.309 cm^2(26 mm 직경의 원).
CNB 필름은 CNB 필름의 독립형 영역에 의해 덮인 원형 구멍(갭)을 가진 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기재에 의해 지지되었다. 지지된 CNB 필름의 모서리에 은 접점이 부착되었다. 결과적으로, 도핑되지 않은 필름의 경우, 48 mA(DC)에 근접하는 전류에서 독립형 필름의 장력의 최초 징후가 관찰되었고 그것을 초과하면 장력 및 편평화의 크기 및 속도가 증가하였다. 80 mA에서 필름은 그의 조건에 따라 대략 6 초 이내에 그의 장력 및 평활도를 회복하였다. 대략 100 mA(DC)에서 필름은 3 초 이내에 장력 및 평활도를 되찾았고, 120 mA 초과에서 필름은 1 초 이내보다 더 신속하게 장력 및 평활도를 되찾았다.
필터
높은 다공성 및 강도로 인해, 무작위 배향된 독립형 CNT 또는 CNB 필름은 에어로졸, 공기, 또는 유체 필터로 이용될 수 있다. 그 목적을 위해, 구멍을 가진 프레임에 필름을 부착하여 구멍을 완전히 덮을 수 있다. 이 경우에 필름을 통해 흐름을 통과시킴으로써 입자를 포획할 수 있다. 상기 실시 형태에 따라 본 발명을 사용함으로써 필름의 늘어짐 및 잠재적 인열을 지연시키고/시키거나 방지할 수 있다. 필요에 따라 필터 효율을 제어할 수 있도록, 실시 형태에 따라 독립형 영역을 가로질러 전기적 전하를 통과시킴으로써 HARMS-구조들 사이의 기공 크기를 또한 조정할 수 있다.
백열등
독립형 영역을 가진 CNT 또는 CNB 필름은 백열등에서 필라멘트로서 사용될 수 있다. 광을 얻기 위해, HARM-구조의 필름을 2개의 텅스텐 와이어 사이에 걸고 직류 또는 교류를 사용하여 1200-1400 C까지 저항 가열할 수 있다. 그들의 무작위 배향 및 다수의 상호연결로 인해, 심지어 1400 C에서도 온전하게 유지될 수 있고 방출된 광은 전체 필름에 걸쳐 균일하게 유지될 수 있다. 백열등의 광원으로서 필름은 마모되고 변형될 수 있다. 본 발명의 태양에 따른 기구 및 방법은 마모를 유의적으로 지연시키고, 그것을 사용하지 않을 때 필라멘트의 늘어짐을 방지할 수 있다.
포화 흡수체
독립형 영역을 가진 SWNT 필름의 다른 용도는 레이저 구성요소인 포화 흡수체이다. 모드-잠금 광섬유 레이저 공동(mode-locked fiber laser cavity) 내의 주요 소자는 펄스 작동을 개시하는 비선형 소자이다. 본 발명의 실시 형태는 이러한 흡수체 내의 독립형 영역의 편평도 및 장력을 유지하는 것을 허용한다.
화학 감지기
독립형 영역을 가진 CNT 또는 CNB 필름의 다른 응용은 전극 재료로서 전기분석에서 확인할 수 있다. 높은 전도도, 표면적, 전기화학적 안정성, 낮은 배경 전류, 및 전기촉매 특성과 같은 그들의 독특한 특성으로 인해, CNT 또는 CNB는 전기화학적 감지에 전극으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 글루코스 및 도파민의 전기화학적 검출을 위한 이러한 전극의 수명은 실시 형태에 따른 기구를 사용함으로써 연장될 수 있다. 화학 감지기 내의 독립형 영역의 유지 외에, 전기 전하를 통과시킴으로써 샘플을 가열하기 위해 실시 형태를 사용할 수 있으며, 이에 의해 연구 중인 화학물질을 증발시킴으로써 감지기를 세정한다.
당업자에게 명백한 바와 같이, 본 발명은 상기 기재된 실시예로 제한되는 것이 아니라 실시 형태는 청구범위의 범위 내에서 자유롭게 변동될 수 있다.

Claims (19)

  1. 전도성 및/또는 반전도성인 높은 종횡비(aspect ratio)의 분자 구조, HARM-구조의 네트워크를 포함하는 필름(103),
    필름(103)의 독립형 영역(free-standing region; 101)이 적어도 2개의 지지 위치(support position) 사이에 연장되도록, 적어도 2개의 지지 위치에서 필름을 지지하도록 배열된 프레임(102),
    필름(103)에 전기적으로 커플링된(electrically coupled) 2개 이상의 전기 접촉 영역을 포함하는 기구(apparatus; 100, 200, 300, 600)로서,
    여기서 2개 이상의 전기 접촉 영역은 0.01 암페어 내지 10 암페어의 전류로 필름(103)의 독립형 영역(101)을 가로질러 전기 전하(electric charge)를 통과시키도록 배열되는 기구(100, 200, 300, 600).
  2. 제1항에 있어서,
    2개 이상의 전기 접촉 영역이 0.01 암페어 내지 0.7 암페어의 전류로 필름(103)의 독립형 영역(101)을 가로질러 전기 전하를 통과시키도록 배열되는 기구.
  3. 제1항에 있어서,
    2개 이상의 주변 위치에서 필름(103)에 전기적으로 커플링된 2개 이상의 전극(104, 104')을 포함하며, 여기서 2개 이상의 전극(104, 104')에는 2개 이상의 전기 접촉 영역이 제공되고, 2개 이상의 전극(104, 104')은 필름(103)의 전체 독립형 영역(101)을 가로질러 전기 전하를 통과시키도록 성형되는 기구.
  4. 제3항에 있어서,
    2개 이상의 전극(104, 104')이 프레임(102)에 부착되는 기구.
  5. 제1항에 있어서,
    프레임(102)이 전기 전도성 재료, 및 전기 전도성 재료를 적어도 2개의 전도성 영역으로 분리하는 비-전도성 영역을 포함하며, 여기서 2개 이상의 전기 접촉 영역은 프레임(102)의 전도성 영역에 제공되는 기구.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    2개 이상의 전기 접촉 영역이 0 킬로헤르츠(kilohertz) 내지 20 킬로헤르츠의 주파수에서 펄스(pulse)로 필름(103)의 독립형 영역(101)을 가로질러 전기 전하를 통과시키도록 배열되는 기구.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    필름(103)이 본질적으로 무작위 배향된 HARM-구조의 네트워크를 포함하는 기구.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    필름(103) 내의 HARM-구조가 실질적으로 동일한 방향으로 배향되고, 필름(103)의 독립형 영역(101) 내의 전기 전류의 방향이 HARM-구조의 배향에 실질적으로 평행하도록 전기 접촉 영역이 필름(103)에 전기적으로 커플링되는 기구.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    독립형 영역(101)의 둘레를 따라 필름(103)을 지지하도록 프레임(102)이 배열되는 기구.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    HARM-구조가 탄소 나노튜브(carbon nanotube) 분자, 탄소 나노버드(carbon nanobud) 분자, 그래핀 리본, 탄소(흑연) 섬유 필라멘트의 그룹 중에서 선택되는 기구.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    필름(103)의 두께가 1 나노미터 내지 10 마이크로미터인 기구.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    독립형 영역(101)이 중합체, 금속, 또는 금속 산화물 코팅으로 코팅되는 기구.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 기구를 포함하는 공기 필터(air filter).
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 기구를 포함하는 액체 환경 필터(liquid environment filter).
  15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 기구를 포함하는 포토마스크(photomask)용 박피(pellicle).
  16. 독립형 영역(101)이 감지 소자(sensing element)로서 사용되는, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 기구를 포함하는 감지기(sensor).
  17. 필름의 2개 이상의 주변 위치에서 2개 이상의 전극에 필름을 전기적으로 커플링하는 단계, 및
    0.01 암페어 내지 10 암페어의 전류로 필름의 독립형 영역을 가로질러 전기 전하를 통과시키는 단계를 포함하는, HARM-구조의 네트워크를 포함하는 필름의 독립형 영역을 유지하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    전기 전류가 0 킬로헤르츠 내지 20 킬로헤르츠의 주파수에서 0.05 ms 내지 1000 ms 이상의 길이의 펄스로 필름의 독립형 영역을 가로질러 인가되는 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    필름의 독립형 영역을 중합체, 금속, 또는 금속 산화물 코팅으로 개질하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
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