KR20210006931A - 미크론 직경 원사의 적용 - Google Patents

Abstract

나노섬유 및 나노섬유로 구성된 원사를 기재에 배치하는 방법이 설명된다. 나노섬유 원사는 직경이 5 미크론만큼 작거나 심지어 1 미크론 미만일 수 있다는 점을 감안할 때 정밀하게 조작하기가 어렵다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 나노섬유 원사를 기재 상에 100 ㎛ 미만, 50 ㎛ 미만, 10 ㎛ 미만, 및 일부 실시예에서는 2 ㎛ 만큼 낮은 피치로 배치할 수 있는 배치 시스템이 설명된다. 부분적으로, 작은 피치에서 이러한 정밀한 배치는 조대 및 미세 조절 병진기 및 순응성 플랜지에 연결된 가이드의 사용에 의해 용이해진다. 순응성 플랜지와 가이드는 나노섬유 원사의 위치 일관성을 용이하게 한다.

Description

미크론 직경 원사의 적용

본 개시 내용은 일반적으로 표면에 대한 원사의 적용에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시 내용은 미크론 직경 원사를 표면에 적용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

나노섬유는 비상한 기계적, 광학적 및 전자적 특성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 나노섬유는 그 비상한 특성에도 불구하고 아직 많은 상용 제품에 통합되지 않고 있다. 나노섬유 원사는 나노섬유 자체가 아닌 나노섬유 원사 내에 재료와 섬유를 포함시킴으로써 원사 특성을 조절하는 능력으로 인해 상업적인 매력을 가질 수 있는 나노섬유의 한 형태이다.

예 1은 나노섬유 원사를 기재에 적용하는 방법이며, 이 방법은 채널을 형성하는 가이드를 통해 나노섬유 원사의 선단부를 스레딩하는 단계로서, 가이드는 기재에 인접하는, 단계; 나노섬유 원사의 선단부를 기재와 연결하는 단계; 및 나노섬유 원사에 인장력을 인가하는 단계를 포함하고, 인장력은 나노섬유 원사의 일부가 가이드의 에지와 일치되게 하고, 채널은 나노섬유 원사에 인가된 인장력에 응답하여 나노섬유 원사의 이동을 제한한다.

예 2는 예 1의 주제를 포함하고, 인장력은 0.1 밀리뉴턴(mN) 내지 10mN이다.

예 3은 예 1 또는 예 2 중 하나의 주제를 포함하고, 인장력을 인가하는 단계는 원통형 기재를 회전시켜 제1 속도로 채널을 통해 원사를 인발하는 단계를 포함한다.

예 4는 예 3의 주제를 포함하고, 인장력을 인가하는 단계는 제1 속도와 상이한 제2 속도로 나노섬유 원사를 제공하는 단계를 더 포함하고, 제1 속도와 제2 속도 사이의 차이로 인해 나노섬유 원사에 인장력이 인가된다.

예 5는 이전 예 중 어느 하나의 주제를 포함하고, 기재와 접촉하게 순응성 플랜지를 배치하는 단계를 더 포함하며, 순응성 플랜지는 가이드에 부착되고 가이드와 기재 사이의 상대 이동 동안 가이드와 기재 사이의 균일한 거리를 유지하기 위한 탄성력을 제공한다.

예 6은 이전 예 중 어느 하나의 주제를 포함하고, 나노섬유 원사의 길이가 기재에 부착되도록 하기 위해 가이드와 기재 사이에 상대 이동을 유발하는 단계를 더 포함한다.

예 7은 예 6의 주제를 포함하고, 가이드와 기재 사이의 상대 이동을 유발하는 단계는 기재를 회전시키는 것을 포함한다.

예 8은 예 6의 주제를 포함하고, 가이드와 기재 사이의 상대 이동을 유발하는 단계는 기재와 가이드를 서로에 대해 측방향으로 병진시키는 단계를 포함한다.

예 9는 이전 예 중 어느 하나의 주제를 포함하며, 나노섬유 원사의 제1 부분을 기재에 적용하는 단계; 및 나노섬유 원사의 제2 부분을 10 미크론 미만의 피치로 나노섬유 원사의 제1 부분에 근접하게 기재에 적용하는 단계를 더 포함한다.

예 10에는 예 9의 주제를 포함하며, 피치는 대략 2 ㎛이다.

예 11은 예 10의 주제를 포함하며, 제1 부분 및 제2 부분은 서로 불연속적이다.

예 12는 이전 예 중 어느 하나의 주제를 포함하며, 나노섬유 원사는 5 미크론 미만의 직경을 갖는다.

예 13은 이전 예 중 어느 하나의 주제를 포함하며, 나노섬유 원사는 합사이다.

예 14는 나노섬유 원사 배치 시스템이며, 이는 원사 분배기 조립체; 및 배치 조립체를 포함하고, 배치 조립체는 순응성 플랜지; 및 순응성 플랜지에 연결된 가이드를 포함하고, 가이드는 채널을 형성하고, 채널은 적어도 하나의 내부 표면 및 적어도 하나의 내부 표면에 의해 형성된 적어도 하나의 모서리를 포함한다.

예 15는 예 14의 주제를 포함하고, 순응성 플랜지는 배치 조립체에 연결된다.

예 16은 예 14의 주제를 포함하며, 적어도 원사 분배기 조립체 내에 배치된 나노섬유 원사를 더 포함한다.

예 17은 예 14 내지 예 16 중 어느 하나의 주제를 포함하고, 기재를 더 포함한다.

예 18은 예 17의 주제를 포함하고, 기재는 접착 표면을 포함한다.

예 19는 예 17의 주제를 포함하고, 기재는 열가소성 물질을 포함한다.

예 20은 예 17의 주제를 포함하고, 기재는 제거 가능한 표면을 더 포함한다.

예 21은 예 17의 주제를 포함하고, 순응성 플랜지는 기재와 접촉한다.

예 22는 예 14 내지 예 21 중 어느 하나의 주제를 포함하고, 가이드의 적어도 하나의 내부 표면은 2개의 인접한 표면 상의 모서리로부터 적어도 0.1 mm 이격되어 측정시 30도 내지 90도의 각도로 제1 모서리에서 만나는 제1 내부 표면 및 제2 내부 표면을 포함한다.

도 1은 일 실시예에서 기재 상의 나노섬유의 예시적인 포레스트를 예시한다.
도 2는 일 실시예에서 나노섬유 성장을 위한 반응기의 개략도이다.
도 3은 일 실시예에서, 시트의 상대 치수를 나타내고 시트의 표면에 평행한 평면에서 종단간 정렬된 시트 내의 나노섬유를 개략적으로 예시하는 나노섬유 시트의 예시도이다.
도 4a는 나노섬유 포레스트로부터 측방향으로 인발된 나노섬유 시트의 이미지이며, 나노섬유는 일 실시예에서 도 4에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이 종단간 정렬된다.
도 4b는 일 실시예에서 꼬이고 감겨진 탄소 나노섬유를 포함하는 나노섬유 단사의 이미지이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 일 실시예에서 고정밀 나노섬유 원사 적용 시스템의 평면도 및 입면도를 예시한다.
도 6은 일 실시예에서 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있는 나노섬유 원사 적용 시스템의 일부 실시예에서 사용되는 원사 분배기의 예시도이다.
도 7은 일 실시예에서 나노섬유 원사 적용 시스템의 배치 조립체의 입면도이다.
도 8은 일 실시예에서 도 7에 도시되어 있는 배치 조립체의 측면도이다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 실시예에서 원사 적용 시스템의 배치 조립체에 사용되는 가이드의 다양한 구성을 예시한다.
도 10은 일 실시예에서, 원사 적용 시스템을 사용하기 위한 예시적인 방법을 예시하는 방법 흐름도이다.
도면은 단지 예시의 목적으로 본 개시 내용의 다양한 실시예를 도시한다. 다음의 상세한 설명으로부터 수많은 변형, 구성 및 다른 실시예가 명백해질 것이다. 또한, 알 수 있는 바와 같이, 도면은 반드시 일정한 비율로 그려지거나 설명된 실시예를 도시되어 있는 특정 구성으로 제한하도록 의도된 것은 아니다. 예를 들어, 일부 도면은 일반적으로 직선, 직각 및 매끄러운 표면을 나타내지만, 개시된 기술의 실제 구현은 완전한 직선과 직각에 못미칠 수 있으며, 일부 특징은 표면 토포그래피를 가질 수 있거나 그렇지 않으면 제조 프로세스의 실제 한계를 고려할 때 매끄럽지 않을 수 있다. 요약하면, 도면은 단지 예시적인 구조를 보여 주기 위해 제공된다.

나노섬유 및 나노섬유 원사의 조작은 어려울 수 있다. 나노섬유는 수십 나노미터의 직경을 가질 수 있다. 나노섬유 원사(단사이든 합사이든)은 수 미크론(㎛)만큼 작은 직경(또는 원사 길이에 걸친 평균 직경)을 가질 수 있으며 길이는 1 킬로미터(km) 이상일 수 있다. 이러한 상대적으로 작은 직경은 나노섬유 원사를 보기 어렵게 만들고 물리적으로 파지하고 조작하기는 더 더욱 어렵게 만든다. 긴 나노섬유와 나노섬유 원사는 미터 또는 킬로미터의 긴 나노섬유 또는 원사에 존재하는 추가 물질을 고려할 때 조작을 더욱 복잡하게 한다. 임의의 길이, 특히 긴 길이의 나노섬유 또는 나노섬유 원사 가닥에 걸쳐 질서 정연한 편성을 유지하는 것이 중요하며, 얽히게 되고 나면, 나노섬유와 나노섬유 원사는 풀기가 거의 불가능하다.

나노섬유 및 나노섬유 원사의 조작과 관련하여 다른 어려움이 존재한다. 예를 들어, 나노섬유와 나노섬유 원사는 (전체 길이에 관계없이) 그 매우 낮은 밀도로 인해, 사무실 환기 시스템의 동작, 나노섬유 원사가 배치된 방의 문의 개방, 또는, 나노섬유 원사에서 1m만큼 멀리 떨어진 사람의 호흡으로 생성되는 기류만큼 미세한 기류에 의해서도 쉽게 이동한다. 많은 나노섬유 원사는 텍스타일 제조에 사용되는 더 통상적인 섬유 원사(예를 들어, 면, 레이온, 나일론, 린넨) 및 구조 응용을 위한 케이블(예를 들어, 강철 와이어 및 케이블)에 사용되는 다수의 재료보다 단위 길이 당 더 비싸기 때문에, 폐기물(예를 들어, 얽힘에 의해 유발됨)과 관련된 재정적 비용이 더 높다.

이러한 어려움에도 불구하고 그 강렬한 기계적, 화학적, 열적 및 전기적 특성으로 인해 제품 및 제조 프로세스에서 나노섬유 및 나노섬유 원사를 사용하는 데 큰 관심이 남아 있다. 더욱이, 나노섬유 원사가 기재 상에 배치되는 정밀도가 더 높고 기재 상의 인접한 원사 사이의 최소 중심 대 중심 거리(본 명세서에서 "피치"라 지칭됨)가 더 작으면, 나노섬유 원사가 더 많은 기술 응용에 적용될 수 있다.

이에 비추어, 본 개시 내용의 실시예는 수십 미크론, 5 미크론 미만, 심지어, 1 미크론 미만의 직경을 갖는 나노섬유 및 나노섬유로 구성된 원사(양자 모두는 간결함을 위해 "나노섬유 원사"으로 지칭됨)을 기재 상에 배치하는 기술을 포함한다. 일부 실시예에서, 이러한 나노섬유 원사(심지어 직경이 1 ㎛ 미만인 것들)은 100 ㎛ 미만, 50 ㎛ 미만, 10 ㎛ 미만, 일부 실시예에서는 2 ㎛ 이하의 피치로 기재 상에 배치될 수 있다.

일부 실시예에서, 고정밀 나노섬유 원사 배치 시스템은 나노섬유 원사 분배기, 배치 조립체, 및 나노섬유 원사가 배치되는 선택적 기재를 포함한다. 배치를 위한 기술 및 배치 시스템의 실시예는 모두 아래에서 보다 구체적으로 설명된다. 그러나, 이들 실시예를 설명하기 전에, 탄소 나노섬유, 탄소 나노섬유 시트 및 탄소 나노섬유 원사에 대한 설명이 이어지며, 그 실시예는 도 1 내지 도 4b에 도시되어 있다.

탄소 나노섬유 및 탄소 나노섬유 시트의 특성

본 명세서에서 사용될 때, 용어 "나노섬유"는 직경이 1㎛ 미만인 섬유를 의미한다. 본 명세서의 실시예는 주로 탄소 나노튜브로 제조된 것으로 설명되지만, 그래핀, 미크론 또는 나노 스케일 흑연 섬유 및/또는 판 중 어느 것이든 다른 탄소 동소체, 및 심지어 질화 붕소와 같은 나노 스케일 섬유의 다른 조성물이 아래에 설명된 기술을 사용하여 나노섬유 시트를 제조하는 데 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 본 명세서에 사용된 용어 "나노섬유" 및 "탄소 나노튜브"는 탄소 원자가 함께 연결되어 원통형 구조를 형성하는 단일 벽 탄소 나노튜브 및/또는 다중 벽 탄소 나노튜브를 양자 모두 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 언급된 탄소 나노튜브는 4 내지 10개의 벽을 갖는다. 본 명세서에 사용된 "나노섬유 시트" 또는 간단히 "시트"는 시트의 나노섬유의 길이방향 축이 시트의 주 표면에 수직이 아니라 시트의 주 표면에 평행하도록(즉, 시트의 퇴적된 대로의 형태를 따서, 종종 "포레스트"라 지칭됨) 인발 프로세스를 통해 정렬된 나노섬유 시트(PCT 공개 번호 WO 2007/015710에 설명되어 있고 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함됨)를 지칭한다.

탄소 나노튜브의 치수는 벽의 수와 사용되는 생산 방법에 따라 크게 달라질 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브의 직경은 0.4 nm에서 100 nm이고 길이는 10 ㎛ 내지 55.5 cm 초과의 범위일 수 있다. 결과적으로, 탄소 나노튜브는 매우 높은 형상비(길이 대 직경의 비율)를 가질 수 있으며, 일부는 132,000,000:1 이상만큼 높다. 다양한 치수 가능성을 감안할 때 탄소 나노튜브의 특성은 고도로 조절 가능하거나 조정 가능하다. 탄소 나노튜브의 많은 흥미로운 특성이 확인되었지만 실제 응용에서 탄소 나노튜브의 특성을 활용하려면 탄소 나노튜브의 기능을 유지하거나 개선시킬 수 있는 확장 가능하고 제어 가능한 생산 방법이 필요하다.

그 고유한 구조로 인해 탄소 나노튜브는 특정한 기계적, 전기적, 화학적, 열적 및 광학적 특성을 가지고 있어 특정 응용에 적합하다. 특히, 탄소 나노튜브는 우수한 전기 전도도, 높은 기계적 강도, 우수한 열 안정성을 나타내며 또한 소수성이다. 이러한 특성 외에도 탄소 나노튜브는 유용한 광학 특성을 나타낼 수도 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브는 발광 다이오드(LED) 및 광검출기에 사용되어 좁게 선택된 파장에서 광을 방출하거나 감지할 수 있다. 탄소 나노튜브는 또한 광자 수송 및/또는 음자 수송에 유용하다는 것이 입증되어 있다.

나노섬유 포레스트

본 개시 내용의 다양한 실시예에 따르면, 나노섬유(탄소 나노튜브를 포함하지만 이에 제한되지 않음)는 본 명세서에서 "포레스트"로 지칭되는 구성을 포함하여 다양한 구성으로 배열될 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, 나노섬유 또는 탄소 나노튜브의 "포레스트"는 기재상에서 서로 실질적으로 평행하게 배열된 대략적으로 동등한 치수를 갖는 나노섬유의 어레이를 지칭한다. 도 1은 기재 상의 나노섬유의 예시적인 포레스트를 도시한다. 기재는 임의의 형상일 수 있지만 일부 실시예에서 기재는 포레스트가 조립되는 평면 표면을 갖는다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 포레스트의 나노섬유는 높이 및/또는 직경이 거의 동일할 수 있다.

본 명세서에 개시된 나노섬유 포레스트는 비교적 고밀도일 수 있다. 구체적으로, 개시된 나노섬유 포레스트는 적어도 10 억 나노섬유/cm²의 밀도를 가질 수 있다. 일부 특정 실시예에서, 본 명세서에 설명된 나노섬유 포레스트는 100 억/cm² 내지 300 억/cm²의 밀도를 가질 수 있다. 다른 예에서, 본 명세서에 설명된 나노섬유 포레스트는 900 억 나노섬유/cm² 범위의 밀도를 가질 수 있다. 포레스트에는 고밀도 또는 저밀도 영역이 포함될 수 있으며 특정 영역에는 나노섬유가 없을 수 있다. 포레스트 내의 나노섬유는 섬유간 연결성을 나타낼 수도 있다. 예를 들어, 나노섬유 포레스트 내의 이웃하는 나노섬유는 반 데르 발스 힘에 의해 서로 끌릴 수 있다.

나노섬유 포레스트를 생산하는 예시적인 방법

본 개시 내용에 따라 나노섬유 포레스트를 생산하기 위해 다양한 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 나노섬유는 고온 노에서 성장될 수 있다. 일부 실시예에서, 촉매가 기재 상에 퇴적되고 반응기에 배치된 다음 반응기에 공급되는 연료 화합물에 노출될 수 있다. 기재는 800℃ 초과 내지 1000℃의 온도를 견딜 수 있으며 불활성 물질일 수 있다. 기재는 하부 실리콘(Si) 웨이퍼 상에 배치된 스테인리스 강 또는 알루미늄을 포함할 수 있지만, 다른 세라믹 기재가 Si 웨이퍼 대신 사용될 수 있다(예를 들어, 알루미나, 지르코니아, SiO2, 유리 세라믹). 포레스트의 나노섬유가 탄소 나노튜브인 경우에는 아세틸렌과 같은 탄소 기반 화합물이 연료 화합물로 사용될 수 있다. 반응기에 도입된 후, 그 후, 연료 화합물(들)은 촉매 상에 축적되기 시작할 수 있고, 나노섬유의 포레스트를 형성하기 위해 기재로부터 상향 성장함으로써 조립될 수 있다.

나노섬유 성장을 위한 예시적인 반응기의 도면이 도 2에 도시되어 있다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 반응기는 나노섬유 포레스트 성장을 촉진하기 위해 기재가 위치될 수 있는 가열 구역을 포함할 수 있다. 반응기는 또한 연료 화합물(들) 및 운반 기체가 반응기에 공급될 수 있는 기체 입구 및 소비된 연료 화합물 및 운반 기체가 반응기로부터 방출될 수 있는 기체 출구를 포함할 수 있다. 운반 기체의 예로는 수소, 아르곤 및 헬륨이 있다. 이러한 기체, 특히 수소는 또한 나노섬유 포레스트의 성장을 촉진하기 위해 반응기에 도입될 수 있다. 추가로, 나노섬유에 혼입될 도펀트가 기체 스트림에 첨가될 수 있다. 나노섬유 포레스트의 퇴적 동안 도펀트를 첨가하는 예시적인 방법은 특히 PCT 공개 번호 WO 2007/015710의 단락 287에 설명되어 있으며, 여기에 참조로 포함된다. 포레스트에 첨가제를 도핑하거나 제공하는 다른 예시적인 방법은 표면 코팅, 도펀트 주입 또는 기타 퇴적 및/또는 현장(in situ) 반응(예를 들어, 플라즈마 유도 반응, 기체 상 반응, 스퍼터링, 화학 기상 증착)을 포함한다. 첨가제의 예는 특히 폴리머(예를 들어, 폴리(비닐 알코올), 폴리(페닐렌 테트라프탈아미드) 유형 수지, 폴리(p-페닐렌 벤조비스옥사졸), 폴리아크릴로니트릴, 폴리(스티렌), 폴리(에테르 에테르케톤) 및 폴리(비닐 피롤리돈) 또는 유도체 및 이들의 조합), 원소 또는 화합물의 기체(예를 들어, 불소), 다이아몬드, 팔라듐 및 팔라듐 합금을 포함한다.

나노섬유 성장 중 반응 조건은 결과적인 나노섬유 포레스트의 특성을 조절하기 위해 변경될 수 있다. 예를 들어, 촉매의 입자 크기, 반응 온도, 기체 유량 및/또는 반응 시간은 원하는 사양을 갖는 나노섬유 포레스트를 생성하기 위해 필요에 따라 조절될 수 있다. 일부 실시예에서, 기재 상의 촉매 위치는 원하는 패턴을 갖는 나노섬유 포레스트를 형성하도록 제어된다. 예를 들어, 일부 실시예에서 촉매는 패턴으로 기재 상에 퇴적되고 패턴화된 촉매로부터 성장된 결과적인 포레스트는 유사하게 패턴화된다. 예시적인 촉매는 실리콘 산화물(SiO₂) 또는 알루미늄 산화물(Al₂O₃)의 완충층을 갖는 철을 포함한다. 이들은 특히 화학 기상 증착(CVD), 압력 보조 화학 기상 증착(PCVD), 전자 빔(eBeam) 퇴적, 스퍼터링, 원자 층 퇴적(ALD), 레이저 보조 CVD, 플라즈마 보강 CVD, 열 증발, 다양한 전기화학적 방법을 사용하여 기재에 퇴적될 수 있다.

형성 후, 나노섬유 포레스트는 선택적으로 변형될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 나노섬유 포레스트는 산화제 또는 환원제와 같은 처리제에 노출될 수 있다. 일부 실시예에서, 포레스트의 나노섬유는 선택적으로 처리제에 의해 화학적으로 기능화될 수 있다. 처리제는 화학 기상 증착(CVD) 또는 위에 제시된 임의의 다른 기술 및 첨가제/도펀트를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적절한 방법에 의해 나노섬유 포레스트에 도입될 수 있다. 일부 실시예에서, 나노섬유 포레스트는 패턴화된 포레스트를 형성하도록 변형될 수 있다. 포레스트의 패턴화는 예를 들어 포레스트에서 나노섬유를 선택적으로 제거하여 달성될 수 있다. 제거는 화학적 또는 물리적 수단을 통해 달성될 수 있다.

나노섬유 시트

포레스트 구성의 배열에 추가하여, 본 출원의 나노섬유는 또한 시트 구성으로 배열될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "나노섬유 시트", "나노튜브 시트" 또는 간단히 "시트"는 나노섬유가 평면에서 종단간 정렬되는 나노섬유의 배열을 지칭한다. 일부 실시예에서, 시트는 시트의 두께보다 100배를 초과하여 더 큰 길이 및/또는 폭을 갖는다. 일부 실시예에서, 길이, 폭 또는 둘 모두는 시트의 평균 두께보다 10³, 10⁶ 또는 10⁹배를 초과하여 더 크다. 나노섬유 시트는 예를 들어 약 5 nm과 30 ㎛ 사이의 두께와 의도된 응용에 적절한 임의의 길이와 폭을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 나노섬유 시트는 1 cm 내지 10 m의 길이 및 1 cm 내지 1 m의 폭을 가질 수 있다. 이 길이는 단지 예시를 위해 제공된다. 나노섬유 시트의 길이와 폭은 임의의 나노튜브, 포레스트 또는 나노섬유 시트의 물리적 또는 화학적 특성이 아니라 제조 장비의 구성의 제약을 받는다. 예를 들어, 연속 프로세스는 임의의 길이의 시트를 생산할 수 있다. 이들 시트는 생산될 때 롤에 권취될 수 있다.

예시적인 나노섬유 시트의 예시도가 도 3에 도시되어 있으며, 상대 치수가 예시되어 있다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 나노섬유가 종단간 정렬되는 축을 나노섬유 정렬 방향이라 지칭한다. 일부 실시예에서, 나노섬유 정렬의 방향은 전체 나노섬유 시트에 걸쳐 연속적일 수 있다. 나노섬유는 서로 완벽하게 평행할 필요는 없으며, 나노섬유 정렬 방향은 나노섬유 정렬 방향의 평균 또는 일반적인 척도로 이해한다.

나노섬유 시트는 다층 시트 적층체를 형성하기 위해 서로의 위에 적층될 수 있다. 나노섬유 시트는 동일한 방향의 나노섬유 정렬을 갖거나 상이한 방향의 나노섬유 정렬을 갖도록 적층될 수 있다. 임의의 수의 나노섬유 시트는 다층 나노섬유 시트 적층체를 형성하기 위해 서로의 위에 적층될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 나노섬유 시트 적층체는 2, 3, 4, 5, 10개 이상의 개별 나노섬유 시트를 포함할 수 있다. 적층체에서 인접한 시트의 나노섬유 정렬 방향은 1도 미만, 5도 미만 또는 10도 미만으로 다를 수 있다. 다른 실시예에서, 인접하거나 인터리빙된 시트 상의 나노섬유 정렬 방향은 40도를 초과하여, 45도를 초과하여, 60도를 초과하여, 80도를 초과하여, 또는 85도를 초과하여 다를 수 있다. 특정 실시예에서, 인접하거나 인터리빙된 시트 상의 나노섬유 정렬 방향은 90도일 수 있다. 다층 시트 적층체는 개별 비섬유 시트 사이에 폴리머, 금속 및 접착제와 같은 다른 재료를 포함할 수 있다.

나노섬유 시트는 시트를 생산할 수 있는 임의의 유형의 적절한 프로세스를 사용하여 조립될 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 나노섬유 시트는 나노섬유 포레스트로부터 인발될 수 있다. 나노섬유 포레스트에서 인발되는 나노섬유 시트의 예가 도 4a에 도시되어 있다.

도 4a에서 볼 수 있는 바와 같이, 나노섬유는 포레스트에서 측방향으로 인발된 다음 종단간 정렬되어 나노섬유 시트를 형성할 수 있다. 나노섬유 시트가 나노섬유 포레스트로부터 인발되는 실시예에서, 포레스트의 치수는 특정 치수를 갖는 나노섬유 시트를 형성하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 나노섬유 시트의 폭은 시트를 인발하는 나노섬유 포레스트의 폭과 대략 동일할 수 있다. 추가적으로, 시트의 길이는 예를 들어 원하는 시트 길이가 달성되었을 때 인발 프로세스를 종결함으로써 제어될 수 있다.

나노섬유 시트는 다양한 응용에 활용할 수 있는 많은 특성을 가지고 있다. 예를 들어, 나노섬유 시트는 조정 가능한 불투명도, 높은 기계적 강도 및 유연성, 열 및 전기 전도성을 가질 수 있으며, 또한 소수성을 나타낼 수 있다. 시트 내에서 나노섬유의 고도의 정렬을 고려할 때 나노섬유 시트는 매우 얇을 수 있다. 일부 예에서, 나노섬유 시트는 약 10 nm 두께(정상 측정 공차 내에서 측정) 정도여서 거의 2차원이 된다. 다른 예에서, 나노섬유 시트의 두께는 200 nm 또는 300 nm만큼 높을 수 있다. 이와 같이, 나노섬유 시트는 구성요소에 최소한의 추가 두께를 추가할 수 있다.

나노섬유 포레스트와 마찬가지로, 나노섬유 시트의 나노섬유는 시트의 나노섬유 표면에 화학적 기 또는 원소를 추가하여 처리제에 의해 기능화될 수 있으며, 이들은 나노섬유 단독과는 상이한 화학적 활성을 제공한다. 나노섬유 시트의 기능화는 이전에 기능화된 나노섬유에 수행되거나 이전에 기능화되지 않은 나노섬유에 수행될 수 있다. 기능화는 CVD 및 다양한 도핑 기술을 포함하지만 이에 제한되지 않는 본 명세서에 설명된 임의의 기술을 사용하여 수행될 수 있다.

본 명세서에 개시된 바와 같이, 금속화 및/또는 폴리머 침투 전에 나노섬유 시트는 또한 높은 순도를 가질 수 있으며, 일부 경우에, 나노섬유 시트의 중량 백분율의 90 % 초과, 95 % 초과 또는 99 % 초과가 나노섬유에 기인한다. 유사하게, 나노섬유 시트는 90 wt% 초과, 95 wt% 초과, 99 wt% 초과 또는 99.9 wt% 초과의 탄소를 포함할 수 있다.

나노섬유 원사

포레스트로부터 인발된 나노섬유는 "실연(true-twist)" 기술 또는 "가연(false-twist)" 기술을 통해 단사으로 방적될 수 있다. "실연" 기술에서, 섬유 집합의 제1 단부는 고정되고 섬유의 대향하는 제2 단부는 고정된 제1 단부에 대해 꼬여진다. "가연" 기술에서는 나노섬유 집합의 제1 단부와 제2 단부 사이에 꼬임이 적용된다. 이론에 얽매이고 않고, 가연 기술에서 나노섬유에 인가된 압축 및 비틀림은 인가된 비틀림을 유지하는 데 도움이 되는 반 데르 발스 힘을 통해 나노섬유가 서로 결합하도록 하는 것으로 믿어진다. 하나의 예에서, 링의 회전 방향에 대해 0도보다 크고 180도보다 작은 각도로 회전하는 링 또는 밴드 위에 나노섬유 집합(예를 들어, 나노섬유 시트)을 통과시킴으로써 가연이 적용될 수 있다. 일부 예에서, 링 또는 밴드는 나노섬유를 꼬기에 충분한 나노섬유 가닥에 대한 마찰 계수 및 오염물의 축적에 저항하기에 충분히 낮은 표면 에너지를 갖는 재료로 제조된다. 일 실시예에서, 링 또는 밴드는 실리콘 고무로 제조된다. 나노섬유 원사의 가연 방적 기술은 국제 출원 번호 PCT/US2017/066665에 설명되어 있으며, 이는 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다. 차례로 감겨지는 꼬인 나노섬유를 포함하도록 꼬인 나노섬유 단사의 한 예가 도 4b에 나타나 있다.

일부 실시예에서, 앞서 설명한 기술에 따라 제조된 다수의 나노섬유 단사는 함께 겹쳐져서 합사를 형성할 수 있다. 이들 예에서, 꼬인 나노섬유, 감겨진 나노섬유, 또는 둘 모두를 포함하는 2개 이상의 나노섬유 원사가 함께 겹쳐진다(예를 들어, 실연, 가연 또는 일부 다른 겹침 기술을 통해). 일부 실시예에서, 나노섬유 원사(단사, 합사, 꼬임, 꼬이지 않음, 감김 및 이들의 조합 여부에 무관하게)은 나노 또는 마이크로 입자를 포함할 수 있다. 이러한 물질의 예는 은 나노입자(나노와이어 포함), 그래핀, 및/또는 TiO₂을 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 더욱이, 원사에는 임의의 다양한 폴리머 또는 올리고머(종종 나중에 제거되는 용매를 사용함) 또는 용액 또는 현탁액으로 원사에 침투할 수 있는 다른 종(용매/비히클이 제거될 수 있음)이 침투될 수 있다.

고정밀 나노섬유 원사 적용 시스템

앞서 설명한 바와 같이, 고정밀 나노섬유 원사 적용 시스템의 실시예가 본 명세서에서 설명된다. 이들 실시예 중 일부에서, 적용 시스템은 직경이 100 ㎛ 미만, 10 ㎛ 미만, 5 ㎛ 미만 및 심지어 1 ㎛ 미만인 나노섬유 원사를 기재 상에 약 2㎛(+/-10 %)과 같이 낮은 피치로 배치함으로써 조작할 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 나노섬유 원사 적용 시스템(500)의 일 실시예의 평면도 및 측면도를 각각 예시한다. 도 5a 및 도 5b를 동시에 참조하면 설명이 용이해질 것이다.

적용 시스템(500)은 상위 레벨에서 3개의 서브시스템을 포함한다. 이들 3개의 서브시스템은 원사 분배기 조립체(504), 배치 조립체(508) 및 기재(512)를 포함한다. 이러한 각 요소는 아래에서 차례로 설명된다. 나노섬유 원사(502)는 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있는 시스템 전체에 걸쳐 연장하지만, 그 자체는 시스템의 요소로 고려되지 않는다.

도시되어 있는 실시예에서, 원사 분배기 조립체(504)는 베이스(516)(도 5b에만 도시됨), 조대 조절 병진기(520)(편의상 "제1 병진기"라고도 지칭됨), 원사 분배기(524), 선택적인 도관(530) 및 전극(532A 및 532B)(도 5a에만 도시됨)을 포함한다.

베이스(516)는 원사 분배기 조립체(504)와 배치 조립체(508)가 연결될 수 있는 구조를 제공한다. 베이스(516)의 예는 테이블, 작업대 또는 기타 유사한 구조를 포함한다.

일부 요소가 베이스(516)에 고정식으로 연결되는 조대 조절 병진기(520)는 원사 적용 시스템(500)의 다른 요소(예를 들어, 특히 원사 분배기(524), 선택적인 도관(530), 전극(532A, 532B) 및/또는 배치 조립체(508))를 예를 들어 조대 조절 병진기(520)와 연관된 화살표로 도 5a에 표시된 방향으로 앞뒤로 이동시키는 스크류형 또는 서보형 메커니즘을 포함할 수 있다. 표시된 방향으로 적용 시스템(500)의 다양한 요소를 앞뒤로 이동시키기 위해 다른 유형의 메커니즘이 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 메커니즘의 유형에 관계없이, 조대 조절 병진기(520)는 원사 분배기 조립체(504) 및 배치 조립체(508)의 다양한 다른 요소를 십분의 수 초, 밀리초 또는 마이크로초의 시간 스케일에 걸쳐 미터 및/또는 센티미터의 거리 스케일로 이동시킨다. 이는 차례로 기재(512) 상의 원하는 위치 및 원하는 패턴으로의 나노섬유 원사의 배치를 용이하게 한다.

원사 분배기 조립체(504)의 원사 분배기(524)는 나노섬유 원사(502)의 스풀(526)을 포함한다. 원사 분배기(524)는 스풀(526) 주위에 권취된 나노섬유 원사(502)의 길이가 얽힘 또는 손상의 위험을 낮추면서 저장되는 동시에 나노섬유 원사(502)의 제어된 제공 및 기재(512)에 대한 적용을 가능하게 한다. 일 예에서, 원사 분배기(524)는 나노섬유 원사(502)가 주위에 배치되는 단순한 원통형 스풀(526)일 수 있다. 다른 예에서, 원사 분배기(524)는 원통형 스풀(526)이 회전하게 하여 기재(512)에 대한 나노섬유 원사(502)의 제공을 돕는 모터(또는 다른 유사한 메커니즘)를 포함한다. 일 예에서, 나노섬유 원사(502)는 0.5 m(m)/분(분) 내지 10 m/분의 속도로 분배된다. 아래에 설명된 바와 같이, 원사 분배기(524)로부터 원사가 분배되는 속도 및 원사가 기재(512)에 부착(또는 접착)되는 속도는 0.01 밀리뉴턴(mN) 내지 10 mN의 인장력이 나노섬유 원사(502)에 인가되고 내부에서 유지되도록 선택될 수 있다. 또 다른 예에서, 원사 분배기(524)는 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있는 바와 같이 보호 하우징 내에 배치되는 원통형 스풀(예를 들어, 스풀(526))을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 원사 분배기(524)는 도 6에 도시되어 있는 것일 수 있으며, PCT 출원 번호 PCT/US2017/064122에 설명되어 있고, 이는 그 전체가 본 명세서에 참조로서 통합된다. 원사 분배기(524)의 상세한 설명이 도 6에 관련하여 이어진다.

일부 실시예에서, 나노섬유 원사(502)는 원사 분배기(524)로부터 선택적인 도관(530)으로 통과할 수 있다. 도관(530)은 아래에 설명된 바와 같이 시스템(500)의 다른 요소로 가는 도중에 나노섬유 원사(502)를 추가로 보호 및/또는 안내하는 데 사용될 수 있다. 도관(530)에 사용되는 재료의 예는 특히 폴리에틸렌 배관, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 배관, 스테인리스 강 배관을 포함한다.

시스템(500)은 일부 실시예에서 2개의 전극(532A 및 532B)을 포함하는 비접촉 나노섬유 원사 절단 시스템을 포함할 수 있다. 전극(532A 및 532B)은 나노섬유 원사(502)를 원사 세그먼트로 절단하는 데 사용될 수 있다. 이는 불연속 원사 세그먼트가 기재(512)에 적용될 수 있게 하고, 시스템(500)의 다른 요소의 동작으로, 다양한 구성으로 적용될 수 있게 하며, 이러한 다양한 구성은 서로 직교하고 대각선으로 배향될 수 있는 선형 세그먼트, 폐쇄된 형태의 형상(예를 들어, 정사각형 또는 원형) 및 나선형을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 추가적인 실시예에서, 원사 세그먼트는 이전에 퇴적된 원사 세그먼트를 가로질러 놓일 수 있다. 2개, 3개, 4개 이상의 원사 세그먼트 층이 퇴적될 수 있다. 일 실시예에서, 크로스 해칭 패턴을 제공하기 위해 추가 세그먼트가 기존 세그먼트에 약 90도로 퇴적될 수 있다. 일부 경우에, 원사 세그먼트는 이전에 퇴적된 세그먼트와의 접촉을 피하기 위해 하위 원사의 접합부에서 절단될 수 있다. 이러한 실시예에서, 한 그룹의 원사 세그먼트는 연속적일 수 있고 다른 그룹은 불연속적일 수 있다. 접촉이 바람직한 다른 경우에, 원사는 이전에 적용된 층 위에 직접 연속적으로 퇴적될 수 있다.

전극은 다양한 기술 중 임의의 기술을 사용할 수 있다. 예를 들어, 2개의 전극(532A 및 532B)은 전극(532A 및 532B) 사이의 거리에 걸쳐질 때 나노섬유 원사(502)로부터 물질을 제거하는 전기 아크를 형성하기 위해 전원에 연결될 수 있다. 다른 유형의 비접촉 절단 기술이 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 단일 전극(예를 들어, 532A)을 사용하여 단일 전극과 나노섬유 원사(502) 사이에 나노섬유 원사를 절단하는 전기 아크를 형성할 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 전극은 나노섬유 원사(502)를 절단하거나 다른 방식으로 분리하는 코로나를 생성하도록 구성될 수 있다. 이 때, 하나 이상의 전극은 전기 방전 기계가공 장치(EDC), 아크 용접기, 플라즈마 절단기(또한 플라즈마 기체 공급원을 포함할 수 있음) 및 기타 유사한 장치의 전원 및 제어기를 포함하나 이에 제한되지 않는 전력원 및 제어기에 연결된다. 또한, 전극이 나노섬유 원사(502)에 대해 고정된 위치에 있을 수 있거나 전기 아크를 조장하거나 억제하기 위해 나노섬유 원사(502)에 대해 이동될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

대안 실시예에서, 레이저 시스템이 나노섬유 원사(502)를 절단하는 데 사용될 수 있다. 이 대안에서, 레이저는 나노섬유 원사(502) 상의 한 지점에 집속되어 앞서 설명한 바와 같이 원사를 세그먼트로 절단하거나 분리한다.

또 다른 실시예에서, 접촉 절단 시스템이 사용될 수 있다. 일 예에서, 고온 전기 저항기 또는 다른 열 에너지 소스가 또한 사용되어 저항기가 나노섬유 원사에 근접하고 선택적으로 접촉할 때 나노섬유 원사(502)를 절단할 수 있다. 다양한 다른 단두대형 또는 가위형 블레이드 배열이 다른 실시예에서 사용될 수 있다.

도시되어 있는 실시예에서, 배치 조립체(508)는 미세 조절 병진기(540), 순응성 플랜지(546) 및 가이드(544)를 포함한다. 배치 조립체(508)는 나노섬유 원사의 직경에 무관하게 2 ㎛ 이하만큼 낮은 피치로 정확하게(즉, 목표 위치의 수 미크론 또는 십분의 수 미크론 이내) 기재 상에 위치시키는 데 사용될 수 있다.

일 실시예에서, 미세 조절 병진기(540)는 조대 조절 병진기(520)(도시되지 않음)에 부착되고 또한 순응성 플랜지(546)에 부착된다. 미세 조절 병진기(540)는 나노섬유 원사(502)가 기재(512) 상에 배치되는 측방향 위치(즉, 기재(512)의 기준 축(514)에 평행하고 화살표로 표시된 방향(들)에서)를 밀리초 또는 마이크로초만큼 작은 시간 스케일에 걸쳐 밀리미터, 마이크로미터 또는 십분의 수 마이크로미터의 거리 스케일로 제어할 수 있다. 일 예에서, 미세 조절 병진기(540)는 작은 변위(미크론, 십분의 수 미크론 또는 백분의 수 미크론 정도)를 적용할 수 있는 압전 작동기를 포함할 수 있고, 이러한 작은 변위는 차례로 순응성 플랜지(546)와 가이드(544)에서 대응하는 변위(예를 들어, 0.05 미크론 내지 5 mm)를 야기한다. 다른 실시예에서, 전자기 작동기가 압전 작동기 대신 미세 조절 병진기(540)에 사용된다. 어쨌든, 일 실시예에서, 미세 조절 병진기(540)는 킬로헤르츠의 주파수에서 병진을 수행할 수 있고, 따라서 가이드(544)의 방향에서 빈번하고 치수적으로 미세한 변화를 야기할 수 있고, 따라서 기재(512) 상의 나노섬유 원사(502)의 배치를 대응적으로 작은 치수 증분으로 제어할 수 있다.

순응성 플랜지(546)는 가이드(544)와 미세 조절 병진기(540)를 함께 연결한다. 순응성 플랜지(546)는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 나일론 또는 다른 열가소성 재료가 나타내는 것과 같이 낮은 탄성 계수 및/또는 굴곡 탄성 계수(예를 들어, 5GPa 미만)를 갖는다. 예에서, 순응성 플랜지(546)는 두께가 2 mm 미만이다.

도시되어 있는 바와 같이, 순응성 플랜지(546)의 제1 측면은 미세 조절 병진기(540)에 부착되고, 제1 측면에 대향하는 순응성 플랜지(546)의 제2 측면은 일부 실시예에서 기재(512)에 맞닿아 놓여질 수 있다(가이드(544)가 제1 측면과 제2 측면 사이의 순응성 플랜지(546)의 표면에 부착됨). 이는 (다른 도면들 중에서) 도 5b에 도시되어 있다. 도 5a는 시스템(500)의 대안적인 구성으로서 그리고 평면도에서의 도시의 명확성을 위해 순응성 플랜지(546)와 기재(512) 사이의 분리를 도시한다.

어쨌든, 기재(512)(예를 들어, 실린더 상에)에 맞닿아 놓여질 때, 이 예에서 미세 조절 병진기(540)와 기재(512) 사이에서 압축되는 순응성 플랜지(546)의 탄성은 기재(512)의 외부 표면에 대한 가이드(544)의 위치를 유지하는 압박력을 제공한다. 기재(512)의 외부 표면과 연관된 토포그래피는 순응성 플랜지(546)가 추가로 압축(즉, 기재(512) 상의 두드러진 특징부에 의해 순응성 플랜지(546)에 인가된 압축력에 응답) 또는 이완(즉, 기재(512)의 표면 상의 또는 내부의 역방향의 두드러진 특징부에 응답)되게 할 수 있다. 순응성 플랜지(546)의 이러한 유연성 및 기재(512)의 외부 표면의 토포그래피에 응답하는 연관된 굴곡 및 이완은 가이드(544)가 전체적으로 대략(예를 들어, 0.5 cm, 1 mm 이내) 기재(512)의 외부 표면에 대해 일정한 거리(그 자체는 1 cm, 1 mm 이하 이내일 수 있음)를 유지할 수 있게 한다. 따라서, 가이드(544)는 기재와 접촉하지 않고 기재에 근접할 수 있다. 이는 차례로 나노섬유 원사(502)가 기재에 적용되는 정확도를 개선시키고, 따라서 원사 배치의 정확도와 앞서 설명한 인접한 나노섬유 원사 사이의 미세 피치를 달성하는 데 도움이 된다. 순응성 플랜지(546)의 탄성은 또한 기재(512)와 가이드(544) 사이의 접촉을 방지한다. 이러한 분리(거의 균일한 거리에서 유지됨)는 또한 기재(512) 상의 나노섬유 원사(502)의 인접한 세그먼트 사이의 배치 정확도 및 미세 피치를 보존하는 데 도움이 된다.

가이드(544)는 나노섬유 원사(502)가 기재(512) 상에 배치되기 전에 통과하는 가이드(544)에 의해 형성된 채널(548)을 형성한다. 가이드(544), 채널(548)의 특징 및 이점은 도 7 내지 도 10에 관련하여 보다 구체적으로 아래에 설명된다.

도 5a 및 도 5b 도시되어 있는 기재(512)는 도 5a 및 도 5b에서 곡선 화살표로 그 회전이 표시되어 있는 원통형 기재이다. 그러나, 본 명세서에 설명된 실시예는 기재의 임의의 형상, 기하형상 또는 구성에 적용될 수 있으며, 심지어 표면 토포그래피 또는 형상의 변동이 나노섬유 원사를 정밀하고 정확하게 배치하는 데 어려움을 나타낼 수 있는 것에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 기재(512)는 나노섬유 원사(502)의 선단부를 고정하는 데 사용될 수 있으며, 따라서 분배기로부터 나노섬유 원사(502)의 추가 부분을 인발하기 위해 기재(512)의 이동(회전 또는 평면 병진)을 가능하게 한다. 예에서, 기재(512)는 기재의 구성요소로서 다음 중 임의의 것을 사용하여 나노섬유 원사(502)의 선단 에지를 고정할 수 있다: 접착 필름(자외선 광 경화성 접착제 포함); 유리 전이 온도 및/또는 폴리머가 나노섬유 원사에 부착되도록 점착성이 있는 온도 이상에서 열가소성 폴리머; 기재(512)의 자기 극성과 반대의 자기 극성을 갖는 자기 입자가 침투된 나노섬유 원사를 인발할 수 있는 기재(512)를 둘러싸는 자기장. 다른 예에서, 반 데르 발스 힘, 진공, 정전기력, 기계적 접착(예를 들어, 후크 앤 루프 체결구에서 발견되는 것과 같은 표면 거칠기 또는 얽힘 특징에 기초함) 또는 기재 상의 한 성분과 나노섬유 원사 상의 또는 내부의 상보적인 반응성 성분 사이의 반응으로부터의 상보적인 화학적 접착이 모두 나노섬유 원사(502)의 선단 에지(또는 임의의 다른 부분)를 기재(512)에 연결하기 위해 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 나노섬유 원사(502)에는 접착제나 기재(512)에 부착되는 접착제를 갖는 코팅(기재(512) 자체가 접착제를 포함하는 지 여부에 관계없음)이 침투될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 나노섬유 원사(502)에는 기재(512) 상에 배치된 제2 전구체와 접촉시 반응하여 원사(502)와 기재(512)를 함께 결합시키는 제1 전구체가 침투될 수 있다.

일부 경우에, 하나 이상의 제거 가능한 표면(이전 연결 기술 중 임의의 하나 이상을 사용)이 기재(512)의 외부 표면을 형성할 수 있다. 나노섬유 원사(502)를 기재(512) 상의 하나 이상의 제거 가능한 표면에 적용, 접착 또는 달리 연결할 때, 제거 가능한 표면은 기재(512)로부터 제거될 수 있으며, 따라서 다른 표면에 대한 원사의 편리한 적용, 제거가능한 표면의 패키징 및 수송이나 다른 용도를 위한 원사 부착을 가능하게 한다.

위에서 설명된 실시예는 보다 전통적인 기술 및 시스템을 사용할 때 기재 상에 나노섬유 원사를 배치하는 동안 일반적으로 존재하는 다양한 변화 원인을 극복할 수 있다. 예를 들어, 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있는 이 예에서, 원통형 기재(512)의 단면은 나노섬유 원사(502)가 기재(512) 상에 배치되는 균일성, 일관성 및 정밀도에 영향을 미칠 수 있는 완벽한 원형이 아닐 수 있음을 알 수 있을 것이다.

도 5a 및 도 5b에 도시되어 있는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는 본 명세서에 설명된 실시예는 기재의 형상, 기재의 토포그래피, 및/또는 기재에 나노섬유 원사를 제공하기 위해 사용된 구조와 기재 사이의 상대 이동과 관련된 공차를 극복하기 위해 적용될 수 있다.

원사 분배기

도 6은 시스템(500)에 통합되는 나노섬유 원사 분배기(524)의 일 예의 사시도를 예시한다. 나노섬유 원사 분배기(524)는 나노섬유 원사의 낭비 및 오염 가능성을 감소시키면서 나노섬유 원사의 조작 편의성을 개선시키는 방식으로 나노섬유 원사를 안전하게 보관 및 분배하도록 구성된다.

도 6에 도시되어 있는 예시적인 분배기(524)는 하우징(604), 입구(608), 기체 공급원(612), 스풀(616), 액슬(620), 노즐(624), 라이너(632) 및 출구(636)를 포함한다.

하우징(604)은 나노섬유 원사의 스풀을 수용하는 데 사용되는 하우징(604) 내의 챔버(606)를 형성함으로써 나노섬유 원사를 안전하게 저장하고 분배하도록 구성된다. 나노섬유 원사는 하우징에 의해 오염으로부터 보호되며 아래에서 자세히 설명하는 것처럼 하우징에 의해 형성된 출구를 통해 분배된다.

일 실시예에서, 하우징(604)은 유체(예를 들어, 물, 공기) 및 오염물의 비의도적 침입 또는 침투를 방지하기 위해 밀폐 밀봉된다(하우징(604)에 의해 형성되고 아래에 더 상세히 설명되는 입구(608) 및 출구(636)는 제외). 일부 예에서, 하우징(604)은 또한 챔버(606) 내에 저장된 유체(기체, 겔, 폴리머, 팽윤된 폴리머, 폴리머 용액, 접착제, 접착 폴리머 또는 기타 유체)가 비의도적으로 유출되어 하우징(604)을 빠져나가는 것을 방지하는 방식으로 밀봉된다. 목적에 관계없이, 밀폐 밀봉된 하우징(604)의 형성은 사출 성형 또는 적층 제조("3D 인쇄"라고도 지칭됨)를 통해 단일 재료편으로부터 하우징(604)을 형성하는 것, 접착제(예를 들어, 실록산 폴리머)를 사용하여 하우징(604)의 인접한 부분 사이의 이음매를 밀봉하는 것 또는 하우징(604)의 부분을 함께 용접하여 이음매를 밀봉하는 것을 포함하는 임의의 수의 기술을 사용하여 달성될 수 있다.

일 예에서, 하우징(604)은 나노섬유 원사의 스풀(616)이 하우징(604) 내에 삽입, 제거 및/또는 교체될 수 있게 하기에 충분히 큰 접근 커버(626)를 포함하도록 구성될 수 있다. 접근 커버(626)는 예를 들어 실리콘 그리스 또는 압축성 개스킷(예를 들어, 네오프렌 또는 실리콘 고무 개스킷)과 같은 밀봉제를 사용하여 하우징(604)에 밀폐 밀봉될 수 있다. 접근 커버(626)는 하우징, 압축성 개스킷(도시되지 않음) 및 접근 커버(626) 사이에 압력을 인가하고 유지하기 위해 클램프, 나사 볼트 또는 스크류 또는 기타 메커니즘을 사용하여 고정될 수 있다. 밀봉은 영구적이거나 일시적일 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, 밀봉부는 하우징이나 커버의 손상 없이 쉽게 개봉할 수 없는 경우 영구적이다.

앞서 설명한 바와 같은 밀봉된 하우징(604)의 또 다른 이점은 나노섬유 원사의 자유 단부를 찾기 위해 음압(즉, 진공)을 사용하는 것을 포함한다. 예를 들어, 나노섬유 원사의 자유 단부를 갖는 스풀은 밀봉된 하우징(604) 내에 배치될 수 있다. 하우징(604)의 출구(636)에 진공이 적용될 수 있으며, 이는 진공이 챔버(606)의 임의의 기체 내용물을 제거함에 따라 챔버(606)로부터 나노섬유 원사의 자유 단부를 인발한다. 이 프로세스는 또한 기체 또는 유체가 입구(608) 및/또는 기체 공급원(612)을 통해 챔버(606) 내로, 그리고, 출구(636)를 통해 유동하게 하여 나노섬유 원사의 자유 단부를 챔버(606)로부터 출구(636)를 통해 운반하는 것을 포함할 수 있다. 어쨌든, 진공과 유체(액체 또는 기체)의 유동을 사용하여 나노섬유 원사의 자유 단부를 찾는 것은 나노섬유 원사의 자유 단부를 어려운 수동 검사 및/또는 수동 조작 없이 빠르게 찾을 수 있기 때문에 나노섬유 원사를 조작하는 데 도움이 된다. 찾아지고 나면, 나노섬유 원사의 자유 단부는 기계와 결합되거나, 표면에 적용되거나, 그렇지 않으면 분배기(600)를 사용한 나노섬유 원사의 제어된 적용을 위한 시작점으로 작용할 수 있다.

하우징(604)에 의해 형성된 입구(608)는 유체가 통과 유동할 수 있는 통로이다. 앞서 설명한 바와 같이, 입구(608)는 분배기(600)의 출구(636)를 통해 나노섬유 원사의 자유 단부를 이동시키는 데 사용되는 양압 및 유동을 하우징(604)에 의해 형성된 챔버(606)에 제공하는 데 사용될 수 있다.

입구(608)는 또한 다른 유형의 기체 또는 유체를 하우징(604)에 제공하기 위해 사용될 수 있고, 하우징 내부에는 나노섬유 원사의 스풀(616)이 배치된다. 예를 들어, 불활성 기체(예를 들어, 아르곤, 질소)가 입구(608)를 통해 도입될 수 있다. 예를 들어, 공기 중의 성분(예를 들어, 산소, 수증기, 먼지 입자)으로부터의 부식, 열화 또는 오염에 취약한 제2 물질(예를 들어, 금속 나노입자)이 나노섬유 원사에 포함된 경우 이 작업을 수행할 수 있다.

선택적인 기체 공급원(612)은 입구(608)와 유체 연통한다. 예시된 바와 같이, 기체 공급원(612)은 하우징(604)과 통합되도록 입구(608)에 근접한 하우징(604)의 일부에 연결되는(그리고, 밀봉되는) 튜브이다. 이러한 방식으로, 기체 공급원(612)은 입구(608)를 통해 챔버(606)에 기체(또는 다른 유체)가 제공될 수 있게 하는 동시에 챔버(606)로의 오염물의 침투를 방지할 수 있다.

스풀(616)은 나노섬유 원사(614)의 길이가 그 주위에 권취되고, 권취 후에 분배기(600) 내에 배치될 수 있도록 구성된다. 스풀(616)은 또한 나노섬유 원사(614)의 자유 단부가 분배기(600)로부터 당겨지는 것에 응답하여 하우징(604)에 의해 형성된 챔버(606) 내에 배치되어 있으면서 회전하도록 구성된다.

하나의 예에서, 선택적인 액슬(620)은 스풀(616)과 하우징(604) 사이의 접촉 유도 마찰을 감소시키는 스풀(616)의 원형 단면의 중심에 배치된 원통형 구조이다. 액슬(620)은 수동적일 수 있거나- 스풀의 회전에 대해 고정되어 있음을 의미 -, 능동적일 수 있다- 스풀의 회전을 용이하게 하기 위해 회전한다는 것을 의미 -. 선택적인 액슬(620)을 포함하는 이점은 하우징에서 스풀을 중앙에 위치시키는 것, 주어진 인가된 힘의 단위에 대한 회전 속도를 증가시키는 것 및/또는 스풀(616)로부터 나노섬유 원사(614)을 인출하는 데 필요한 힘을 감소시키는 것을 포함한다. 액슬(620)의 또 다른 이점은 윤활제가 도포되는 표면적을 감소시켜 하우징(604)에 의해 형성된 챔버(606)로 도입되는 윤활제의 양을 감소시키며, 따라서, 윤활제에 의한 나노섬유 원사의 오염 가능성을 감소시킨다는 것이다.

노즐(624)은 하우징(604)에 부착되거나 그렇지 않으면 하우징(604)과 일체형이다. 선택적인 노즐(624)이 도 6의 실시예에 도시되어 있으며, 도 6은 하우징(604)의 출구(636)로부터 직접 나노섬유 원사를 분배하는 것보다 노즐(624)을 포함하는 것의 이점 중 일부를 예시한다.

노즐(624)은 하우징(604)에 의해 형성된 출구(636)와 연통하는 채널(628)을 형성한다. 채널(628)은 스풀(616)로부터 풀릴 때 세장형 나노섬유 원사의 일부를 수용하기에 충분히 크지만 유연성 및 순응성 나노섬유 원사가 챔버(606)로 다시 밀려나는 것을 방지하기에 충분히 작은 직경을 갖는다. 일부 예에서, 채널(628)의 내경은 이 특징을 달성하기 위해 사용된 나노섬유 원사의 외경보다 10%, 15%, 25%, 50%, 100%, 250% 또는 이들 사이의 값만큼 크다. 채널(628)은 또한 물의 침투를 방지하기에 충분히 작은 출구(636)의 것 반대쪽에 있는 개구(즉, 개구의 내경)를 가질 수 있다. 즉, 채널의 개구는 물의 표면 장력이 수적이 채널(628)의 내부 표면을 적시는 것을 방지하도록 충분히 작을 수 있다. 물 침투를 방지할 수 있는 채널의 반경을 계산하는 데 사용되는 관계의 한 예는 수학식 1에 따른다.

수학식 1

r = 2γ/△P

여기서 r는 물 침투를 방지하는 개구의 반경, γ는 물의 표면 장력, △P는 액적 내부와 액적 외부 표면 사이의 압력 차이이다. 일부 예에서, △P는 중력으로 인한 가속도(9.81 m/초²) 및 물의 밀도(1 기압의 압력 및 "표준" 온도(즉, 0℃)에서 약 1000 kg/m³)에 비례한다. 일부 예에서, 노즐(624)의 표면 상의 물(또는 다른 액체 물질)의 표면 장력은 노즐(624)에 의해 형성된 채널로의 물의 침투에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 실리콘 및 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 낮은 표면 에너지의 재료뿐만 아니라 유사한 낮은 표면 에너지 및/또는 유사한 소수성을 갖는 다른 물질은 물의 침투를 방지하는 데 도움이 될 것이다.

채널(628)을 포함하는 것은 또한 챔버(606) 내에 배치된 나노섬유 원사의 자유 단부를 찾고 후속 사용을 위해 출구(636) 외부로, 그리고, 채널(628)을 통해 원사를 "스레딩하기" 위해 사용될 수 있는 기체 유동이 입구(608)를 통해 제공되는 것을 용이하게 한다.

선택적 라이너(632)는 채널(628) 내에 끼워맞춤되도록 구성된다. 라이너(632)는 그 내부에서 나노섬유 원사가 분배기(600)를 빠져나갈 수 있는 대안적인 표면을 제공한다. 라이너(632)는 편리하게 교체되도록 제거 가능할 수 있다. 예를 들어, 노즐(624)에 의해 형성된 채널(628)은 대부분의 나노섬유 원사에 대해 원하는 것보다 훨씬 더 큰 크기를 갖도록 치수화될 수 있다. 일 예에서, 라이너(632)는 채널(628)의 내부 표면과 간섭 끼워맞춤을 형성하기에 충분히 큰 외경을 가지며, 앞서 설명한 바와 같이 나노섬유 원사의 얽힘 위험을 감소시키고/거나 물의 침투를 방지하는 나노섬유 원사를 위한 채널을 제공하기에 충분히 작은 내부(또는 내측) 직경을 갖는다. 상이한 내경을 갖는 상이한 라이너(632)가 후속하여 상이한 직경의 나노섬유 원사에 대응하도록 채널(628)에 삽입될 수 있다. 일반적으로, 라이너(632)의 (또는 라이너(632)가 분배기(600)에 사용되지 않는 경우 채널(628)의) 직경은 라이너(632)를 통해 분배기(600)로부터 분배하고자 하는 나노섬유 원사의 직경보다 적어도 50% 더 클 수 있다. 다른 예에서, 라이너(632)(또는 채널(628))의 직경은 분배기(600)로부터 라이너(632)를 통해 분배하고자 하는 나노섬유 원사의 직경보다 70% 내지 100% 더 크거나 100% 내지 200% 더 크다. 일 예에서, 직경 30 ㎛의 나노섬유 원사는 직경 50 ㎛의 라이너를 통해 분배될 수 있다. 다른 예에서, 직경 100 ㎛의 나노섬유는 직경 200 ㎛의 라이너를 통해 분배될 수 있다. 채널(628) 및 라이너(632)의 직경은 둘 다 사용되는 실시예에 대해 조화롭게 선택될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

라이너(632)의 또 다른 이점은 나노섬유 원사가 그를 통해 분배될 수 있는 쉽게 교체되는 표면을 제공한다는 것이다. 이는 폴리머, 공기 활성화 접착제(예를 들어, 메타크릴레이트 기반 접착제), 다른 접착제(예를 들어, 감압 접착제, 에폭시, 엘라스토머 접착제, 졸 겔 전구체) 및/또는 기재에 대한 또는 중첩하는 원사 사이의 접착력을 개선시키는 접착제 내에 배치된 고 표면적 그래핀 플레이크, 그래핀 옥사이드, 또는 다른 충전제 입자, 또는 채널(628)을 점유할 수 있고 잠재적으로 폐색할 수 있는 챔버 내에 배치된 용매 또는 다른 유체 성분을 갖는 분배기(600)의 실시예에 특히 도움이 된다. 라이너(632)를 사용할 때, 폐색된 라이너(632)를 간단히 제거하고, 이를 깨끗한 라이너(632)로 교체하고, 앞서 설명한 기술을 사용하여 깨끗한 라이너(632)에 나노섬유 원사를 다시 스레딩함으로써 임의의 폐색이 제거될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이 출구(636)는 하우징(604)에 의해 형성되고 나노섬유 원사가 분배기(600)로부터 분배될 때 통과할 수 있는 개구를 제공한다. 출구(636)는 앞서 설명한 바와 같이 채널(628) 및 라이너(632) 중 하나 이상과 연통할 수 있다.

배치 조립체

도 7은 기재(512)에 나노섬유 원사(502)를 제공하는 과정에서 배치 조립체(508)의 입면도를 예시한다. 앞서 설명한 바와 같이, 시스템(500)의 다른 요소와 함께, 배치 조립체(508)는 기재(512) 상에 100 ㎛ 미만, 50 ㎛ 미만, 10 ㎛ 미만 및 일부 실시예에서는 2 ㎛만큼 낮은 피치로 복수의 나노섬유 원사(502)를 배치할 수 있다. 또한, 위에서 나타낸 바와 같이, 배치 조립체(508)는 1 ㎛ 이하만큼 작은 직경을 갖는 나노섬유 원사에 대해 이러한 미세 피치를 달성할 수 있다.

도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 배치 조립체(508)의 순응성 플랜지(546)는 가이드(544)와 기재(512) 사이에 대략적인 (예를 들어, 1 mm 이내) 간격을 유지하도록 기재(512)(이 예에서는 회전 실린더)와 접촉한다. 나노섬유 원사(502)는 가이드(544)에 의해 형성된 채널(548)을 통과한다. 채널(548)을 통과하고 나면, 나노섬유 원사(502)는 위에 표시된 임의의 최소값(또는 그보다 큼)을 갖는 피치 "P"로 기재(512) 상에 배치된다.

도 8은 도 7에 도시되어 있는 구성의 단면도(기준 축(514)에 수직으로 취함)를 예시한다. 도시되어 있는(그리고 이전에 설명된) 바와 같이, 순응성 플랜지(546)는 기재(512)(이 예에서는 원통형 기재, 일부만 도시됨)와 접촉하여, 가이드(544)와 기재(512) 사이의 거리를 유지하며, 이 거리는 앞서 설명한 바와 같이, 기재(512)의 토포그래피에서의 변화에 무관하게 일정하게 유지된다. 도시되어 있는 바와 같이, 가이드(544)는 나노섬유 원사(502)가 기재(512)의 표면에 적용되기 전에 통과하는 채널(548)을 형성한다. 보다 구체적으로, 가이드(544)는 내부 표면(804)(이 단면도에서 804A 및 804B)을 포함하며, 이는 차례로 두 내부 표면(804)의 접합부에서 발생하는 하나 이상의 모서리(808)(이 예에서는 808A 및 808B)를 형성한다. 일부 예에서, 모서리(808)(나노섬유 원사(502)가 통과함)는 30도 내지 90도의 각도로 2개의 내부 표면(804)의 접합에 의해 형성된다. 일부 예에서, 이 각도는 모서리(808)로부터 0.1 mm 또는 0.2 mm의 거시적 거리에서 모서리(808)에 인접한 표면(804)에서 측정된다. 이 각도는 이러한 각도 범위로 제한되지 않고, 오히려 나노섬유 원사(502)의 직경에 응답하여 선택되고 또한 모서리(808)가 가이드를 통한 원사(502)의 이동을 억제하지 않도록 충분히 둔각이 되도록 그러나 또한 나노섬유 원사(502)가 모서리에서 유지되고 따라서 기재(512)에 대한 위치에 비의도적 변화를 갖지 않도록 충분히 예각이 되도록 선택된다. 용어 "모서리"는 본 명세서에 설명된 실시예의 사용 동안 원사(502)가 이동하여 그 내부에 머무를 위치를 지칭하기 위해 편의상 사용된 것이며, 좁은 기하학적 해석(예를 들어, 원자 스케일의 90도 각도)을 부여하기를 의도하지 않는다.

가이드(544)는 나노섬유 원사(502)가 장력을 받고 있을 때 나노섬유 원사(502)가 자연스럽게 모서리(808)로 이동하고 모서리(808)를 통과하도록 배향된다. 나노섬유 원사(502)의 장력은 나노섬유 원사(502)를 기재(512)의 표면에 적용하는 동안 자연스럽게 발생한다. 나노섬유 원사(502)는 제1 제어 속도로 분배기(524)로부터 방출되고 제2 제어 속도로 기재(512)에 유사하게 적용된다. 제1 및 제2 제어 속도는 나노섬유 원사(502)에 0.1 밀리뉴턴(mN) 내지 10mN의 인장력을 부여하도록 (조대 조절 병진기(520), 미세 조절 병진기(528) 및 기재(512) 자체 중 어느 것이든 하나 이상의 이동을 통해) 제어된다. 어쨌든, 나노섬유 원사(502) 상의 인장력은 자연스럽게 원사를 가이드(544)에 의해 형성된 채널(548) 내의 최상단 모서리로 인발할 것이다. 본 명세서에 설명된 채널(548) 및 모서리(808)의 구성은 단지 설명의 편의를 위해 선택된 것임을 알 수 있을 것이다. 다양한 구성 중 임의의 것이 유사한 효과를 생성할 것임을 알 수 있을 것이다(예를 들어, 원사(502)의 이동을 유사하게 최소화하기에 충분히 작은 직경, 예를 들어 미크론-스케일 직경을 갖는 타원형 채널, 눈물 방울 형상 채널, 원형 채널).

모서리(808)에 나노섬유 원사(502)를 배치하는 것은 나노섬유 원사(502)가 배치되는 일관성, 정확성 및 정밀도를 개선하고 이미 위에서 설명된 원사 피치를 용이하게 하는 많은 이점을 갖는다. 한 가지 이점은, 모서리(808)에 배치되고 나면, 나노섬유 원사(502)가 (예를 들어, 인접한(그리고, 가능하게는 충돌하는) 내부 표면에 의해 나노섬유 원사(502) 상에 부여된 물리적 기하학적 제약으로 인한 조대 및 미세 조절 병진기 및/또는 기재(512)의 측방향 이동으로 인해) 대응하는 가이드 사이의 원사의 일부에 인가되는 측방향 힘에 무관하게 모서리(808)에서 유지될 가능성이 높다는 것이다. 모서리(808)에서의 나노섬유 원사(502)의 이러한 견고한 배치는 앞서 설명한 바와 같이 나노섬유 원사(502)의 배치의 변동성을 감소시키며, 그 이유는 나노섬유 원사가 의도하지 않게 인가된 힘에 반응하여 기재에 대해 이동할 가능성이 적기 때문이다. 즉, 모서리(808)의 구성은 채널의 인접한 내부 표면이 원사(502)의 측방향 병진에 대한 저항을 제공하여 원사(502)를 제자리에 유지하도록 한다.

도 9a, 도 9b 및 도 9c는 가이드의 다양한 실시예를 예시한다. 도 9a는 이 경우 채널(916)을 형성하는 4개의 내부 표면(912)(명료성을 위해 단 하나에만 도면부호가 표시됨)을 포함하는 디스크(908)로부터 제조된 가이드(904)를 예시한다. 이 예에서, 디스크(908)는 3 mm의 직경 및 200 ㎛의 두께를 갖는다. 내부 표면(912)은 각각 3 mm의 길이를 갖는다. 앞서 설명한 바와 같이, 내부 표면(912)은 모서리(920)(명확성을 위해 단 하나에만 도면부호가 표시됨)에서 서로 교차한다. 가이드(904)에 대한 치수는 단지 예시를 위한 것이며 많은 상이한 가이드 치수, 기하형상 및 구성이 본 명세서에 개시된 개념과 일치한다는 것을 알 수 있을 것이다.

도 9b는 채널(936)을 형성하는 내부 표면(932)(명확성을 위해 단 하나에만 도면부호가 표시됨)을 포함하는 디스크(928)로부터 제조된 가이드(924)를 예시한다. 이 예에서, 디스크(928)는 3 mm의 직경 및 200 ㎛의 두께를 갖는다. 내부 표면(932)은 각각 0.5 mm의 길이를 갖는다. 앞서 설명한 바와 같이, 내부 표면(932)은 모서리(940)(명확성을 위해 단 하나에만 도면부호가 표시됨)에서 서로 교차한다. 가이드(924)에 대한 치수는 단지 예시를 위한 것이며 많은 상이한 가이드 치수, 기하형상 및 구성이 본 명세서에 개시된 개념과 일치한다는 것을 알 수 있을 것이다.

도 9c는 채널(956)을 형성하는 내부 표면(962)(명확성을 위해 단 하나에만 도면부호가 표시됨)을 포함하는 디스크(948)로부터 제조된 가이드(944)를 예시한다. 이 예에서, 디스크(948)는 3 mm의 직경 및 200 ㎛의 두께를 갖는다. 2개의 내부 표면(962)은 0.5 mm의 길이를 갖고 2개의 내부 표면(962)은 1.5 mm의 길이를 가져서 도 9c에 도시되어 있는 바와 같이 직사각형을 형성한다. 앞서 설명한 바와 같이, 내부 표면(962)은 모서리(960)(명확성을 위해 단 하나에만 도면부호가 표시됨)에서 서로 교차한다. 가이드(944)에 대한 치수는 단지 예시를 위한 것이며 많은 상이한 가이드 치수, 기하형상 및 구성이 본 명세서에 개시된 개념과 일치한다는 것을 알 수 있을 것이다.

전술한 가이드 중 임의의 가이드는 실리콘 또는 게르마늄의 단결정으로 제조할 수 있다. 이러한 물질의 단결정은 결정의 일부 결정 평면만 제거하고 나머지는 제거하지 않는 에칭 화학 물질을 사용하여 선택적으로 에칭할 수 있으며, 따라서, 채널 및 대응하는 내부 표면의 형성을 용이하게 한다. 다른 실시예에서, 가이드에 대한 이전 실시예 중 임의의 실시예는 특히 석영, 세라믹, 예컨대 산화 지르코늄, 알루미늄 산화물, 산화 티타늄, 금속, 예컨대 강철, 스테인리스 강, 텅스텐, 구리로 제조될 수 있다. 일부 경우에, 가이드는 그 위를 지나가는 원사에 특성을 부여하는 재료로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 원사에 정전하를 가하여 기재에 부착될 수 있게 하는 재료를 포함할 수 있다.

앞서 설명한 실시예, 예를 들어, 시스템(500)의 실시예는 단일 기재에 적용되는 나노섬유 원사 및 단일 가이드만을 보여주지만, 다수의 원사가 하나 이상의 가이드를 통해 제공되어 동시에 하나 이상의 기재 상에 배치되는 시스템이 구성될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

도 10은 앞서 설명한 일부 실시예에 따른 나노섬유 원사를 적용하기 위한 예시적인 방법(1000)을 예시한다. 방법(1000)은 채널을 형성하는 가이드를 통해 나노섬유 원사의 선단부를 스레딩(1004)함으로써 시작되며, 가이드는 기재에 근접한다. 나노섬유 원사의 선단부는 기재와 연결된다(1008). 그 다음, 인장력이 나노섬유 원사에 인가된다(1012). 인장력은 채널 내에 배치된 나노섬유 원사의 일부가 채널의 모서리로 이동하도록 하고, 모서리는 나노섬유 원사에 인가된 인장력에 응답하여 채널 내에서 나노섬유 원사의 이동을 제한한다. 위에서 설명한 바와 같이, 인장력은 0.1 mN에서 10 mN 사이일 수 있다. 일부 예에서, 인장력을 인가하는 것은 나노섬유 원사가 제공되는 제2 속도와는 다른 제1 속도로 채널을 통해 나노섬유 원사를 인발하기 위해 원통형 기재를 회전시키는 것을 포함한다. 제1 속도와 제2 속도의 이러한 차이는 인장력을 유발할 수 있다.

일부 실시예에서, 방법(1000)은 기재와 접촉하고 가이드에 부착된 순응성 플랜지를 선택적으로 배치하는 단계(1010)를 더 포함한다. 앞서 설명한 바와 같이, 순응성 플랜지는 가이드와 기재 사이의 상대 이동 동안 가이드와 기재 사이의 균일한 거리를 유지하기 위한 탄성력을 제공한다.

방법(1000)은 가이드와 기재 사이에 상대 이동을 유발하는 단계(1020)를 포함한다. 이러한 상대 이동이 발생할 때, 이는 나노섬유 원사의 길이가 상대 이동에 대응하는 상이한 위치에서 기재에 부착되게 할 수 있다. 상대 이동은 가이드의 병진(예를 들어, 위에서 설명된 시스템을 통한), 기재의 회전 또는 병진, 또는 둘 모두에 의해 야기될 수 있다. 일부 경우에, 나노섬유 원사의 인접한 부분은 위에서 설명된 바와 같이 10 ㎛ 미만 및 선택적으로 약 2 ㎛ 미만의 피치로 배치된다(1024).

응용

앞서 설명한 실시예는 다양한 응용을 위해 기재 상에 정확하게 배치된 탄소 나노튜브(또는 동등하게 나노섬유) 원사를 적용하는 데 특히 유용하다. 예를 들어, 원사의 패턴(평행 원사 및/또는 직교 그리드)을 기재에 배치할 수 있으며, 원사의 패턴은 그 후 무선 주파수(RF) 방사선을 포함한 전자기 방사선(EMI)을 위한 차폐부 또는 편광자로서 작용한다. 나노섬유 원사는 또한 나노섬유 원사에 대해 대응하는 전기 저항을 제공하는 재료로 구성 및/또는 이러한 재료가 침투될 때 저항 가열기로서 기능하도록 배열될 수 있다. 나노섬유 원사는 또한 매우 낮은 전기 전도도(예를 들어, 구리, 알루미늄 및/또는 금이 나타내는 것과 같거나 그 보다 낮음)를 갖도록 조정될 수 있으며 전자 부품 사이의 전기 접속부로서 사용된다.

추가 고려 사항

본 개시 내용의 실시예에 대한 전술한 설명은 예시의 목적으로 제시된 것이며; 이는 총망라 또는 청구범위를 개시된 정확한 형태로 제한하기를 의도하는 것이 아니다. 관련 기술 분야의 숙련자는 전술한 개시 내용에 비추어 많은 수정 및 변경이 가능하다는 것을 이해할 수 있다.

본 명세서에 사용된 언어는 주로 판독성 및 교육 목적을 위해 선택되었으며, 본 발명의 주제를 한정하거나 한계 설정하기 위해 선택된 것이 아닐 수 있다. 따라서, 본 개시 내용의 범위는 이 상세한 설명에 의해 제한되는 것이 아니라 이에 기초한 출원에서 제시하는 임의의 청구범위에 의해 제한되는 것으로 의도된다. 따라서, 실시예에 대한 개시 내용은 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니라 예시하는 것을 의도하며, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 제시된다.

Claims (22)

1. 나노섬유 원사를 기재에 적용하는 방법으로서,
   채널을 형성하는 가이드를 통해 나노섬유 원사의 선단부를 스레딩하는 단계로서, 상기 가이드는 기재에 인접하는, 상기 스레딩하는 단계;
   상기 나노섬유 원사의 상기 선단부를 상기 기재와 연결하는 단계; 및
   상기 나노섬유 원사에 인장력을 인가하는 단계로서, 상기 인장력은 상기 나노섬유 원사의 일부가 상기 가이드의 에지에 순응하게 하는, 상기 인가하는 단계를 포함하고,
   상기 채널은 상기 나노섬유 원사 상의 상기 인가된 인장력에 응답하여 상기 나노섬유 원사의 이동을 제한하는, 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 인장력은 0.1 밀리뉴턴(mN) 내지 10mN인, 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 인장력을 인가하는 단계는 제1 속도로 상기 채널을 통해 상기 나노섬유 원사를 인발하도록 원통형 기재를 회전시키는 단계를 포함하는, 방법.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 인장력을 인가하는 단계는 상기 제1 속도와는 상이한 제2 속도로 상기 나노섬유 원사를 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 속도와 상기 제2 속도 사이의 차이로 인해 상기 나노섬유 원사에 상기 인장력이 인가되는, 방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 기재와 접촉하게 순응성 플랜지를 배치하는 단계로서, 상기 순응성 플랜지는 상기 가이드에 부착되는, 상기 배치하는 단계 및 상기 가이드와 상기 기재 사이의 상대 이동 동안 상기 가이드와 상기 기재 사이에서 균일한 거리를 유지하기 위한 탄성력을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
6. 청구항 1에 있어서, 나노섬유 원사의 길이가 상기 기재에 부착되게 하기 위한 상기 가이드와 상기 기재 사이의 상대 이동을 유발하는 단계를 더 포함하는, 방법.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 가이드와 상기 기재 사이의 상기 상대 이동을 유발하는 단계는 상기 기재를 회전시키는 단계를 포함하는, 방법.
8. 청구항 6에 있어서, 상기 가이드와 상기 기재 사이의 상기 상대 이동을 유발하는 단계는 상기 기재와 상기 가이드를 서로에 대해 측방향으로 병진시키는 단계를 포함하는, 방법.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 나노섬유 원사의 제1 부분을 상기 기재에 적용하는 단계; 및
   상기 나노섬유 원사의 제2 부분을 10 미크론 미만의 피치로 상기 나노섬유 원사의 상기 제1 부분에 근접하게 상기 기재에 적용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 피치는 약 2 미크론인, 방법.
11. 청구항 10에 있어서, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분은 서로 불연속적인, 방법.
12. 청구항 1에 있어서, 상기 나노섬유 원사는 5 미크론 미만의 직경을 갖는, 방법.
13. 청구항 1에 있어서, 상기 나노섬유 원사는 합사(multi-ply yarn)인, 방법.
14. 나노섬유 원사 배치 시스템으로서,
    원사 분배기 조립체; 및
    배치 조립체를 포함하며, 상기 배치 조립체는:
    순응성 플랜지; 및
    상기 순응성 플랜지에 연결된 가이드로서, 상기 가이드는 채널을 형성하고, 상기 채널은 적어도 하나의 내부 표면 및 상기 적어도 하나의 내부 표면에 의해 형성된 적어도 하나의 모서리를 포함하는, 상기 가이드를 포함하는, 나노섬유 원사 배치 시스템.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 순응성 플랜지는 상기 배치 조립체에 연결되는, 나노섬유 원사 배치 시스템.
16. 청구항 14에 있어서, 적어도 상기 원사 분배기 조립체 내에 배치된 나노섬유 원사를 더 포함하는, 나노섬유 원사 배치 시스템.
17. 청구항 14에 있어서, 기재를 더 포함하는, 나노섬유 원사 배치 시스템.
18. 청구항 17에 있어서, 상기 기재는 접착 표면을 포함하는, 나노섬유 원사 배치 시스템.
19. 청구항 17에 있어서, 상기 기재는 열가소성 물질을 포함하는, 나노섬유 원사 배치 시스템.
20. 청구항 17에 있어서, 상기 기재는 제거 가능한 표면을 더 포함하는, 나노섬유 원사 배치 시스템.
21. 청구항 17에 있어서, 상기 순응성 플랜지는 상기 기재와 접촉하는, 나노섬유 원사 배치 시스템.
22. 청구항 14에 있어서, 상기 가이드의 상기 적어도 하나의 내부 표면은 제1 모서리에서 만나는 제1 내부 표면 및 제2 내부 표면을 포함하고, 상기 제1 내부 표면 및 상기 제2 내부 표면은 2개의 인접한 표면 상의 상기 모서리로부터 적어도 0.1 mm 이격되어 측정시 30도 내지 90도의 각도로 만나는, 나노섬유 원사 배치 시스템.

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