WO2015093730A1 - 전기방사 방식 패턴 형성 장치 - Google Patents

전기방사 방식 패턴 형성 장치 Download PDF

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WO2015093730A1
WO2015093730A1 PCT/KR2014/010647 KR2014010647W WO2015093730A1 WO 2015093730 A1 WO2015093730 A1 WO 2015093730A1 KR 2014010647 W KR2014010647 W KR 2014010647W WO 2015093730 A1 WO2015093730 A1 WO 2015093730A1
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WO
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guide
nozzle
forming apparatus
stage
pattern forming
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PCT/KR2014/010647
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황원태
정구상
임세호
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주식회사 에이앤에프
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D01D5/0061—Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus
    • D01D5/0092—Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus characterised by the electrical field, e.g. combined with a magnetic fields, using biased or alternating fields
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D01D5/0061—Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for spinning a nanofiber by electrospinning to form a predetermined pattern.
  • Drawing, template synthesis, phase separation, self assembly, electrospinning, and the like are known as methods for producing nanofibers.
  • electrospinning is generally applied as a method for continuously producing nanofibers.
  • the electrospinning method applies a high voltage between the nozzle for spinning the spinning solution and the stage on which the substrate is disposed to form an electric field larger than the surface tension of the spinning solution, so that the spinning solution is spun in the form of nanofibers.
  • Nanofibers produced by the electrospinning method are affected by the material properties such as the viscosity, elasticity, conductivity, dielectric properties, polarity and surface tension of the spinning solution, the strength of the electric field, and the distance between the nozzle and the integrated electrode.
  • Nanofiber forming method by the electrospinning method is a well known technique.
  • the representative methods include electrospinning adjacent electrodes formed to obtain aligned nanofibers, and keeping the distance between the nozzle and the substrate very close.
  • these methods have problems in practical use.
  • Electrospinning pattern forming apparatus is a nozzle to which the first voltage is applied and radiates the spinning solution;
  • a stage disposed under the nozzle to support a substrate on which a pattern is to be formed and to receive a second voltage
  • a fiber guide part disposed between the nozzle and the stage and deforming an electric field formed between the nozzle and the stage to apply a force acting in one direction parallel to the stage to nanofibers emitted from the nozzle.
  • the fiber guide portion is disposed symmetrically with respect to the imaginary extension line extending in the direction perpendicular to the stage from the end of the nozzle, each of the first and second guide portion extending in a direction perpendicular to the extension line
  • the first and second guide parts may be formed of a material having a relative dielectric constant of about 50 or less.
  • the first and second guide parts may be formed of styrofoam material, Teflon material, wood material, plastic material, glass material, quartz material, silicon oxide material, or the like.
  • the distance between the end of the nozzle and the imaginary surface where the upper surfaces of the first and second guide portions are located is the distance from the spindle end formed in the nozzle end and the nozzle end to the point where the nanofibers are formed. May be less than or equal to
  • each of the first and second guide parts may exceed about 5 mm in the extension line direction.
  • each of the first and second guide parts may have a thickness of about 10 mm or more.
  • the length of the first and second guide parts in the extending direction may be about 10 mm or more and 70 mm or less.
  • An electrospinning pattern forming apparatus includes a nozzle, a stage portion, a first nanofiber guide portion, and a second nanofiber guide portion.
  • the nozzle is applied with a first voltage and spins nanofibers from the spinning solution.
  • the stage unit is disposed under the nozzle to support a substrate on which a pattern is to be formed, and a second voltage different from the first voltage is applied.
  • the first nanofiber guide part includes a first guide part and a second guide part spaced apart from each other with an extension line of the nozzle interposed between the nozzle and the stage part, and generates an electric field formed between the nozzle and the stage. By deforming, the nanofibers are arranged in a direction corresponding to the area between the first and second guide parts.
  • the second nanofiber guide part includes a third guide part and a fourth guide part disposed on the first guide part and the second guide part and spaced apart from each other, and deforms an electric field formed between the nozzle and the stage.
  • the nanofiber is guided to an area between the first guide part and the second guide part.
  • first guide portion and the second guide portion and the third guide portion and the fourth guide portion extend in the first direction, respectively, with a virtual extension line extending from the nozzle in a direction perpendicular to the stage portion.
  • These may be formed of a material having a relative permittivity of 50 or less, respectively.
  • each of the first and second guide portions and the third and fourth guide portions is a group consisting of styrofoam material, Teflon material, wood material, plastic material, glass material, quartz material, silicon oxide material and metal material. It may be formed of one or more materials selected from.
  • upper surfaces of the first and second guide parts and lower surfaces of the third and fourth guide parts may contact each other or may be spaced apart at intervals of 10 mm or less.
  • the first spacing interval between the first guide portion and the second guide portion may be smaller than the second spacing interval between the third guide portion and the fourth guide portion.
  • the second spacing may be 4/3 to 8/3 times the first spacing.
  • the electro-finish pattern forming apparatus may include a first position adjusting unit capable of moving the first nanofiber guide unit in up, down, left, and right directions, and a second nanofiber guide unit in up, down, left, and right directions independently of the first nanofiber guide unit.
  • the apparatus may further include a second position adjusting unit which may move.
  • the electric field between the nozzle and the stage can be deformed to apply a force acting in one direction to the nanofiber, so that the nanofiber is oriented in one direction on the substrate.
  • nanofibers may be formed between the first guide portion and the second guide portion of the first nanofiber guide portion.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an electrospinning pattern forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conventional electrospinning pattern forming apparatus having no fiber guide portion and the Z-axis component strength of an electric field according to the X-axis position in the electrospinning pattern forming apparatus according to an embodiment of the present invention having a fiber guide portion. Is the measured image.
  • 3 is a graph showing the strength of each Z-axis position of the Z-axis component of the electric field according to the X-axis position in the conventional electrospinning pattern forming apparatus.
  • FIG. 4 is a graph showing the strength of each Z-axis position of the Z-axis component of the electric field according to the X-axis position in the electric pattern forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a conventional electrospinning pattern forming apparatus and an electrospinning pattern forming apparatus according to an embodiment of the present invention, in which the X-axis coordinates and the Y-axis coordinates correspond to the Z-axis position at a point of '0' It is a graph showing the strength of the Z-axis component of the electric field.
  • FIG. 6 is a photograph of measuring the intensity of the Z-axis component of the electric field according to the Y-axis position in the conventional electrospinning pattern forming apparatus and the electrospinning pattern forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing the strength of each Z-axis position of the Z-axis component of the electric field according to the Y-axis position in the conventional electrospinning pattern forming apparatus.
  • FIG. 8 is a graph showing the strength of each Z-axis position of the Z-axis component of the electric field according to the Y-axis position in the electric pattern forming apparatus according to the present invention.
  • X-axis coordinate is '0' and Y at a point where Z-axis coordinate is '30' It is a graph showing the strength of the Z-axis component of the electric field according to the axis position.
  • FIG. 10 is a graph for explaining the effect of the Z-axis thickness of the first and second guide portion on the electric field in the electrospinning pattern forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph for explaining the effect of the Y-axis length of the first and second guide portion on the electric field in the electrospinning pattern forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view for explaining the electrospinning pattern forming apparatus according to this embodiment of the present invention.
  • 13A and 13B are photographs and graphs measuring the intensity of the Z-axis component electric field according to the X-axis position in the first electrospinning pattern forming apparatus including both the first nanofiber guide portion and the second nanofiber guide portion. to be.
  • 14A and 14B illustrate a Z-axis component electric field according to an X-axis position in a second electrospinning pattern forming apparatus having only a first nanofiber guide portion among a first nanofiber guide portion and a second nanofiber guide portion. Photos and graphs of intensity measurements.
  • FIG. 15A illustrates a change in the vertical separation interval S between the upper surface of the first nanofiber guide portion and the lower surface of the second nanofiber guide portion, where X-axis coordinates and Y-axis coordinates are '0'. It is a graph showing the Z-axis component electric field strength according to the distance in the Z-axis direction (Z-axis coordinate), Figure 15b is a vertical direction between the upper surface of the first nanofiber guide portion and the lower surface of the second nanofiber guide portion When the separation interval is 16mm, 11mm, 6mm and 0mm, the graphs show the strength of the Z-axis component electric field according to the X-axis position, respectively.
  • FIG. 16A illustrates the distance in the Z-axis direction from the point where the X-axis coordinates and the Y-axis coordinates are '0' when the horizontal separation interval between the third guide portion and the fourth guide portion is changed.
  • FIG. 16B shows the X-axis component electric field strength according to the X-axis position when the horizontal separation distance between the third guide portion and the fourth guide portion is 30 mm, 50 mm, 70 mm, and 90 mm.
  • These graphs show the intensity of each Z-axis position of the Z-axis component electric field.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an electrospinning pattern forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the electrospinning pattern forming apparatus 1000 may directly form a desired fine pattern on a substrate (not shown) by electrospinning the spinning solution 10.
  • the electrospinning pattern forming apparatus 1000 may include a solution spinning unit 1100, a stage unit 1200 and a fiber guide unit 1300.
  • the solution radiator 1100 may include a syringe 1110, a nozzle 1120, and a first voltage generator 1130.
  • the syringe 1110 may accommodate the spinning solution 10.
  • the spinning solution 10 may be an organic material solution such as a polymer or an organic / inorganic composite material solution in which an organic material and an inorganic material are mixed, and may have a viscosity of about 1 to 200 poise.
  • the nozzle 1120 may be connected to the syringe 1110 and radiate the spinning solution 10 accommodated in the syringe 1110 toward the stage 1210.
  • the nozzle 1120 may be formed of a conductive material, for example, stainless material, and may have a microtubule shape having a constant inner diameter and an outer diameter.
  • the first voltage generator 1130 may be electrically connected to the nozzle 1120 and apply a first voltage to the nozzle 1120.
  • the first voltage generator 1130 may generate a DC voltage having a positive polarity at the nozzle 1120 and apply the generated DC voltage to the nozzle 1120.
  • the magnitude of the first voltage applied to the nozzle 1120 may be appropriately adjusted as necessary.
  • the solution spinning unit 110 may further include a syringe pump 1140.
  • the syringe pump 1140 may apply pressure to the spinning solution 10 contained in the syringe 1110 so that the spinning solution 10 contained in the syringe 1110 may flow out through the nozzle 1120.
  • the stage unit 1200 may include a stage 1210 and a second voltage generator 1220.
  • the stage 1210 may be disposed to be spaced apart from an end portion of the nozzle 1120 from which the spinning solution 10 is radiated.
  • the stage 1210 may be formed of a conductive material.
  • a substrate (not shown) on which the pattern is to be formed may be positioned on the stage 1210.
  • the second voltage generator 1220 may be electrically connected to the stage 1210 and may generate a second voltage different from the first voltage applied to the nozzle 1120 and apply the generated second voltage to the stage 1210.
  • the second voltage generator 1220 may generate a ground voltage and apply it to the stage 1210.
  • the second voltage generator 1220 may generate a negative voltage different in polarity from the first voltage or a positive voltage different in intensity from the first voltage and apply it to the stage 1210. have.
  • an electric field may be formed between the nozzle 1120 and the stage 1210 due to the voltage difference.
  • the spinning solution 10 distributed at the tip of the nozzle 1120 is suspended at the end of the nozzle 1120 in the form of a hemispherical drop by surface tension.
  • a charge of a polarity opposite to the voltage applied to the nozzle 1120 is induced on the drop surface of the spinning solution 10, and the spinning solution 10 Charges induced on the droplet surface generate an electrostatic force, a force opposite to the surface tension.
  • the droplet of spinning solution 10 suspended at the end of the nozzle 1120 is stretched into a conical shape known as Taylor cone.
  • the jet of the spinning solution 10 jet is emitted from the tip of the spinning solution 10 TaylorCon.
  • the spinning solution 10 has a low viscosity
  • the spinning solution 10 jet collapses into fine droplets.
  • the spinning solution 10 jet does not collapse and continues because of the surface tension. It is spun in the direction of stage 1210 in the form of fibers.
  • the spinning solution 10 since the spinning solution 10 has a viscosity of about 1 to 200 poise, it can be spun in the form of fibers.
  • Spinning solution 10 The spinning solution 10 fibers emitted from the Taylor cone may have a diameter of a nano-scale.
  • the 'spinning solution 10 fiber' emitted from the spinning solution 10 Taylor cone is referred to as a "nano fiber" for convenience of description.
  • the fiber guide unit 1300 guides the advancing direction of the nanofibers radiated from the nozzle 1120.
  • the fiber guide part 1300 may include a first guide part 1310 and a second guide part 1320.
  • the first and second guide parts 1310 and 1320 are positioned between the end portion of the nozzle 1120 from which the nanofibers are emitted and the stage 1210 and extend in one direction Y to be parallel to each other.
  • the extension lines are disposed to be spaced apart from each other at predetermined intervals.
  • the shape of each of the first and second guide parts 1310 and 1320 is not particularly limited and may have various shapes.
  • each of the first and second guide parts 1310 and 1320 may have a rod shape having a cross section of a circle, a polygon, a semicircle, an ellipse, or the like, or may have a plate shape.
  • each of the first and second guide parts 1310 and 1320 may have a quadrangular cross section perpendicular to the stage 1210 and extend in a direction Y parallel to the stage 1210.
  • the first and second guide parts 1310 and 1320 may be formed of a material capable of modifying an electric field formed between the nozzle 1120 and the stage 1210.
  • the first and second guide parts 1310 and 1320 may be formed of a material having a low relative dielectric permittivity.
  • the first and second guide parts 1310 and 1320 may be formed of a material having a relative permittivity of about 50 or less.
  • the first and second guide parts 1310 and 1320 may be made of styrofoam, teflon, wood, or the like. It may be formed of a material such as a plastic material, glass, quartz, silicon oxide, but is not limited thereto.
  • the first and second guide parts 1310 and 1320 may be formed of a metal material.
  • FIG. 2 is a photograph of measuring the strength of the Z-axis component of the electric field according to the X-axis position in the conventional electrospinning pattern forming apparatus having a fiber guide portion and the electrospinning pattern forming apparatus according to the present invention having a fiber guide portion admit.
  • FIG 3 is a graph showing the strength of each Z-axis position of the Z-axis component of the electric field according to the X-axis position in the conventional electrospinning pattern forming apparatus
  • Figure 4 is a electro-type pattern forming apparatus according to the present invention
  • Is a graph showing the strength of each Z-axis position of the Z-axis component of the electric field according to the X-axis position
  • Figure 5 is a conventional electrospinning pattern forming apparatus and the electrospinning pattern forming apparatus according to the present invention, X-axis coordinates And a Z-axis component strength of the electric field according to the Z-axis position at a point where all Y-axis coordinates are '0'.
  • the X axis is parallel to the stage 1210 and represents a direction perpendicular to the Y axis direction, which is an extension direction of the first and second guide parts, and the Z axis represents a direction perpendicular to the X axis and Y axis.
  • the point where the X-axis coordinate is '0' indicates the point where the extension line of the nozzle 1120 is located.
  • the point where the Y-axis coordinate is 'O' also indicates the point where the extension line of the nozzle 1120 is located.
  • a point of '0' represents a point located on the surface of the stage.
  • the first and the second guide portion is disposed symmetrically with respect to the extension line of the nozzle, the length in the Y-axis direction is 50mm, the width in the X-axis direction is 30mm , Has a rectangular parallelepiped shape having a thickness in the Z-axis direction of 30 mm.
  • the distance between the first guide part and the second guide part is 20 mm, and the Z-axis coordinates of the upper and lower surfaces of the first and second guide parts are '45' and '15', respectively.
  • the Z-axis coordinate is' Z- (22) for a point located between '+15' and '+45', that is, between two guide parts.
  • Curves', 'Z- (32) curves' and' Z- (42) curves' are the 'Z- (12) curves' and' Z- (2) curves' for points where the Z-axis coordinates are less than '+15'. It shows smaller electric field strength. Accordingly, the direction of movement of the nanofibers passing between the first and second guide parts may be changed by a small force acting in the X-axis direction or the Y-axis direction.
  • Curve the electric field strength of the space between the first and second guide parts, that is, the space where the X coordinate is between '-10' and '+10' is the largest, and the internal space of the first and second guide parts, That is, the electric field strength is smallest in the space where the X coordinate is between '-40' and '-10' and between '+10' and '+40'.
  • X represents the electric field strength at a point located directly above the upper surface of the first and second guide parts, and is due to the influence of the edges of the first and second guide parts.
  • the electric field strength in the region between the coordinates '-8' and '+8' is less than the electric field strength at the point where the adjacent X coordinates are '-10' and '+10'.
  • the Z axis coordinate '52' is the point at which the spinning solution jet (Jet) starts to form from the Taylor cone of the droplet.
  • the spinning solution jet (Jet) has a sufficient diameter so that the X coordinate is'- Although the strength of the electric field is relatively high at the points 10 'and' +10 ', the spinning solution jet (Jet) is hardly affected by the electric field.
  • FIG. 6 is a photograph of measuring the intensity of the Z-axis component of the electric field according to the Y-axis position in the conventional electrospinning pattern forming apparatus and the electrospinning pattern forming apparatus according to the present invention.
  • 7 is a graph showing the strength of each Z-axis position of the Z-axis component of the electric field according to the Y-axis position in the conventional electrospinning pattern forming apparatus
  • Figure 8 is a electro-type pattern forming apparatus according to the present invention
  • Is a graph showing the strength of each Z-axis position of the Z-axis component of the electric field according to the Y-axis position
  • Figure 9 is a conventional electrospinning pattern forming apparatus and the electrospinning pattern forming apparatus according to the present invention, X-axis coordinates Is '0' and the Z-axis component strength of the electric field according to the Y-axis position at the point where the Z-axis coordinate is '30'.
  • the intensity of the electric field continuously decreases.
  • the electric field intensity decreases as the intensity of the electric field is greatest at the position where the Y-axis coordinate is '0' and the distance from the position where the Y-axis coordinate is '0' increases.
  • the Z-axis coordinate is' Z- (22) for the points located between '+15' and '+45', that is, between two guide parts.
  • Curves' and 'Z- (32) curves' represent field strengths smaller than' Z- (12) curves' and 'Z- (2) curves' for points whose Z-axis coordinates are less than' +15 '. .
  • the electric field in the space between the first and second guide parts that is, in the region where the Y coordinate is between '-25' and '+25'
  • the intensity is less than the electric field strength in the region where the Y coordinate is below '-25' or above '+25'.
  • the electric field at the position where the Z-axis coordinate, which is the center point of the first and second guide parts in the Z-axis direction, is '+30' has a Y coordinate between '-20' and '+20'.
  • the first region of shows relatively low electric field strength
  • the Y coordinate is between '-40' and '-20' and '+20' and '+40' (not shown).
  • the intensity of the electric field is increased in the region between) than the first region.
  • the nanofibers passing between the first and second guide portions are subject to increased electric field in the region between '-40' and '-20' or between +20 'and' +40 '(not shown). This is the force acting in the Y-axis direction.
  • the charged nanofibers in electrospinning have a nanoscale diameter, so that the solvent in the spinning solution evaporates rapidly, and the coulomb repulsion force is generated by the charge of the nanofibers, which causes the bending of the nanofibers. It causes bending instability.
  • the nanofibers are elongated in the direction in which the repulsive force is minimized, and the nanofibers are arranged in a random direction on the substrate.
  • the first and second guide portions are disposed near the point where the bending instability of the nanofibers begins to appear, and act on the nanofibers in one of the Y-axis directions.
  • each curve is at the center point between the first and second guide portions, i.e., at the Y-axis coordinate at the point where the Z-axis coordinate is '30' and the X-axis coordinate is '0'. According to the intensity of the Z-axis component of the electric field.
  • the thickness of the first and second guide portions preferably exceeds about 5 mm, more preferably about 10 mm or more.
  • FIG. 11 is a graph for explaining the effect of the Y-axis length of the first and second guide portion on the electric field in the electrospinning pattern forming apparatus according to the present invention.
  • each curve is plotted at the Y-axis coordinates at the center point between the first and second guide portions, i.e., the Z-axis coordinates are '30' and the X-axis coordinates are '0'. According to the intensity of the Z-axis component of the electric field.
  • the first and second guide parts are disposed symmetrically with respect to the extension line of the nozzle, have a thickness in the Z-axis direction of 30 mm, and a width in the X-axis direction. This is 30mm.
  • the Y-axis centers of the first and second guide parts are located at Y-axis coordinates '0'.
  • first and second guide parts Since the electric field strength in the edge region of the first and second guide portions is greater than the electric field strength in the region between them, the force acting in the Y-axis direction on the charged nanofibers passing between the first and second guide portions It can be seen that can be applied. Therefore, the Y-axis length of the first and second guide portions is preferably about 10 mm or more and 70 mm or less.
  • FIG. 12 is a view for explaining the electrospinning pattern forming apparatus according to this embodiment of the present invention.
  • the electrospinning pattern forming apparatus 100 may directly form a desired fine pattern on a substrate (not shown) by electrospinning the spinning solution 10.
  • the electrospinning pattern forming apparatus 100 according to the present invention is a solution spinning unit 110, the stage unit 120, the first nanofiber guide unit 130 and the second nanofiber guide unit 140 It may include.
  • the solution radiating unit 110 may include a syringe 111 and a nozzle 112.
  • the syringe 111 may accommodate the spinning solution 10.
  • the spinning solution 10 may be an organic material solution such as a polymer or an organic / inorganic composite material solution in which an organic material and an inorganic material are mixed, and may have a viscosity of about 1 to 200 poise.
  • the nozzle 112 may be connected to the syringe 111 and may radiate the spinning solution 10 accommodated in the syringe 111 in the direction of the stage 120.
  • the nozzle 112 may be formed of a conductive material, for example, stainless material, and may have a microtubule shape having a constant inner diameter and an outer diameter.
  • the stage unit 120 may be disposed to be spaced apart from an end portion of the nozzle 112 from which the spinning solution 10 is radiated.
  • the stage unit 120 may be formed of a conductive material.
  • the stage unit 120 may support a substrate (not shown) on which a pattern made of nanofibers is to be formed.
  • Different first and second voltages may be applied to the nozzle 112 and the stage 120, respectively, and an electric field may be formed between the nozzle 112 and the stage 120.
  • the spinning solution 10 distributed at the tip of the nozzle 112 has a hemispherical droplet shape due to the surface tension, and the spinning solution is caused by the voltage applied to the nozzle 112.
  • electric charges of the same polarity as the voltage applied to the nozzle 112 are induced to generate an electrostatic repulsive force. Due to the action of the electrostatic force, the droplet of spinning solution 10 hanging on the tip of the nozzle 112 is stretched into a conical shape known as Taylor cone.
  • the jet of the spinning solution 10 jet is emitted from the tip of the spinning solution 10 TaylorCon.
  • the viscosity of the spinning solution 10 is low, the spinning solution 10 jet collapses into fine droplets, but when the viscosity of the spinning solution 10 is above the threshold, the jet of the spinning solution 10 does not collapse because of the surface tension. It is spun in the direction of stage 120 in the form of continuous fibers.
  • the spinning solution 10 has a viscosity of about 1 to 200 poise, it can be spun in the form of fibers.
  • Spinning solution 10 The spinning solution 10 fibers emitted from the Taylor cone may have a diameter of a nano-scale.
  • the 'spinning solution 10 fiber' emitted from the spinning solution 10 Taylor cone is referred to as a "nano fiber" for convenience of description.
  • nano fiber When the nanofibers have a high volume current density, bending occurs due to inherent instability of the nanofibers.
  • the location of bending of the nanofibers varies depending on the degree of charge of the nanofibers and the properties of the solvent such as permittivity, conductivity, viscosity, and the like. For example, the higher the degree of charge of the nanofibers, the more likely the bending of the nanofibers occurs at a location closer to the tip of the nozzle 112.
  • the first and second nanofiber guides 130 and 140 guide the advancing direction of the nanofibers radiated from the nozzle 112.
  • the first nanofiber guide portion 130 is located between the nozzle 112 tip and the stage portion 120
  • the second nanofiber guide portion 140 is the nozzle 112 tip and the first nanofiber guide portion ( 130).
  • the first and second nanofiber guide parts may guide an advancing direction of the nanofibers by modifying an electric field formed between the nozzle 112 and the stage part 120.
  • the first and second nanofiber guides 130 and 140 may be formed of a material having a low relative dielectric permittivity.
  • the first and second nanofiber guide parts 130 and 140 may be formed of a material having a relative dielectric constant of about 50 or less.
  • first and second nanofiber guide parts 130 and 140 may be formed of a material such as styrofoam, teflon, wood, plastic material, glass, quartz, silicon oxide, but are not limited thereto.
  • the first and second nanofiber guide parts 130 and 140 may be formed of a metal material.
  • the first nanofiber guide part 130 may include a first guide part 131 and a second guide part 132 spaced apart from each other at predetermined intervals with an extension line of the nozzle 112 interposed therebetween.
  • the two nanofiber guide parts 140 are spaced apart from each other with an extension line of the nozzle 112 interposed therebetween, and third guide parts 141 respectively positioned on the first guide part 131 and the second guide part 132.
  • a fourth guide part 142 is also positioned on the first guide part 131 and the second guide part 132.
  • the first and second guide parts 131 and 132 may extend in one direction and a Y-axis direction parallel to the stage part 120, and may be disposed in parallel with each other.
  • the first and second guide parts 131 and 132 may have the same shape and size, and the shapes of the first and second guide parts 131 and 132 are not particularly limited, and may have various shapes.
  • each of the first and second guide parts 131 and 132 may have a rod shape having a cross section of a circle, a polygon, a semicircle, an ellipse, or the like, or may have a plate shape.
  • each of the first and second guide parts 131 and 132 may have a rectangular cross-section cut along the XZ plane, and may have a rectangular parallelepiped rod shape extending in a direction Y perpendicular to the XZ plane.
  • the first and second guide parts 131 and 132 may form an electric field that applies a force acting in the Y-axis direction to the nanofiber by modifying an electric field formed between the tip of the nozzle 112 and the stage part 120. .
  • the third and fourth guide parts 141 and 142 may extend in the Y-axis direction on the first and second guide parts 131 and 132 and may be disposed in parallel to each other.
  • the guide parts 141 and 142 may modify the electric field between the tip of the nozzle 112 and the stage part 120 to guide the nanofibers so that the nanofibers pass between the first and second guide parts 131 and 132. have.
  • the third and fourth guide parts 141 and 142 may have the same shape and size, and the shapes of the third and fourth guide parts 141 and 142 are not particularly limited, and may have various shapes.
  • each of the third and fourth guide parts 141 and 142 may have a rod shape having a cross section of a circle, a polygon, a semicircle, an ellipse, or the like, or may have a plate shape.
  • each of the third and fourth guide parts 141 and 142 may have a rectangular cross-section cut along the XZ plane, and may have a rectangular parallelepiped rod shape extending in a direction Y perpendicular to the XZ plane. .
  • the width in the X-axis direction of each of the third and fourth guide parts 141 and 142 may be smaller than the width in the X-axis direction of each of the first and second guide parts 131 and 132.
  • the separation interval D2 between the third guide portion 141 and the fourth guide portion 142 may be greater than the separation interval D1 between the first guide portion 131 and the second guide portion 132.
  • the upper surfaces of the third guide part 141 and the fourth guide part 142 are nanofibers. It is preferable to position higher than the point where the bending phenomenon occurs. For example, when the bending point of the nanofibers occurs at a position away from, for example, less than about 2 cm from the tip of the nozzle 112, the upper surfaces of the third and fourth guide parts 141 and 142 may be formed.
  • the third and fourth guide parts 141 and 142 are disposed at a position higher than the tip of the nozzle 112, and the bending point of the nanofibers occurs at a position separated by about 2 cm or more from the tip of the nozzle 112.
  • the top surface of the c) is preferably disposed at a position lower than the tip of the nozzle 112.
  • the first position adjusting unit (not shown) and the first nanofiber guide unit 130 capable of moving the first nanofiber guide unit 130 in the up, down, left and right directions are provided.
  • the second nanofiber guide unit 140 may further include a second position adjusting unit (not shown) capable of moving in the up, down, left and right directions.
  • the height of each of the first and second nanofiber guide parts 130 and 140, and the separation gap between the first guide part 131 and the second guide part 132 ( D1), the separation gap D2 between the third guide part 141 and the fourth guide part 142, and the separation gap between the first nanofiber guide part 130 and the second nanofiber guide part 140 ( S) can be adjusted as needed.
  • 13A and 13B are photographs and graphs simulating the intensity of the Z-axis component electric field according to the X-axis position in the first electrospinning pattern forming apparatus including both the first nanofiber guide portion and the second nanofiber guide portion.
  • 14A and 14B illustrate a second electrospinning pattern forming apparatus including only the first nanofiber guide portion among the first nanofiber guide portion and the second nanofiber guide portion, the Z-axis component according to the X-axis position. It is a photograph and a graph measuring the intensity of the electric field.
  • the Y-axis coordinates indicate the distance (mm) in the extending direction of the first to fourth guide parts 131, 132, 141, and 142
  • the X-axis The coordinates represent the distance in mm parallel to the stage portion 120 and perpendicular to the Y-axis
  • the Z-axis coordinates represent the distance in mm perpendicular to the X- and Y-axes. .
  • the point where the X-axis coordinate and the Y-axis coordinate are '0' is located on the extension line of the nozzle 112, and the point where the Z-axis coordinate is '0' is located on the upper surface of the stage unit 120. It is located on the top surface.
  • the separation distance D1 between the first guide part 131 and the second guide part 132 is 30 mm
  • the separation distance D2 between the third guide part 141 and the fourth guide part 142 is 50 mm.
  • the distance from the top surface of the stage portion 120 to the tip of the nozzle 112 is 65 mm.
  • the distance from the upper surface of the stage portion 120 to the lower surface of the first and second guide portions 131 and 132 is 14 mm, and the first and second guide portions 131 and 132 and the third and fourth portions.
  • the thicknesses in the Z-axis direction of the guide portions 141 and 142 are 30 mm and 30 mm, respectively. Meanwhile, in FIGS.
  • black curves, red curves, blue curves, turquoise curves, pink curves, tan curves, and indigo curves have Z-axis coordinates of '62', '52', '42', and '32'. Electric field intensities according to the X-axis coordinates at the points', '22', '12' and '2'.
  • an electric field in the first electrospinning pattern forming apparatus is different from an electric field in the second electrospinning pattern forming apparatus.
  • the black curve and the red curve in the first electrospinning pattern forming apparatus are the same or similar in magnitude to the black curve and the red curve in the second electrospinning pattern forming apparatus.
  • the region between 141 and the fourth guide portion 142 that is, the region where the X-axis coordinate is '-25' or more and '+25' or less, it shows that the field strength is significantly higher than other regions. Can be.
  • the electric field formed in the first electrospinning pattern forming apparatus compared to the electric field formed in the second electrospinning pattern forming apparatus at the position between the first nanofiber guide 130 and the tip of the nozzle 112.
  • concentrating in the center direction means that the movement of the nanofibers in the X-axis direction by the bending of the nanofibers can be reduced.
  • the X-axis movement of the nanofibers is reduced by the third guide portion 141 and the fourth guide portion 142 in the first electrospinning pattern forming apparatus compared to the second electrospinning pattern forming apparatus.
  • the nanofibers may be guided more stably into the space between the first guide part 131 and the second guide part 132.
  • FIG. 15A illustrates a change in the vertical separation interval S between the upper surface of the first nanofiber guide portion and the lower surface of the second nanofiber guide portion, where X-axis coordinates and Y-axis coordinates are '0'. It is a graph showing the Z-axis component electric field strength according to the distance in the Z-axis direction (Z-axis coordinate), Figure 15b is a vertical direction between the upper surface of the first nanofiber guide portion and the lower surface of the second nanofiber guide portion When the separation interval is 16mm, 11mm, 6mm and 0mm, the graphs show the strength of the Z-axis component electric field according to the X-axis position, respectively.
  • the black curve, the red curve, the blue curve, and the green curve are formed in the electrospinning pattern forming apparatus including both the first nanofiber guide portion 130 and the second nanofiber guide portion 140.
  • 1 shows the electric field strength when the vertical separation interval S between the upper surface of the first nanofiber guide part 130 and the lower surface of the second nanofiber guide part 140 is 0 mm, 6 mm, 11 mm, and 16 mm, respectively.
  • the pink curve represents the electric field strength in the electrospinning pattern forming apparatus including only the first nanofiber guide portion 130 among the first nanofiber guide 130 and the second nanofiber guide portion 140.
  • the black curve, red curve, blue curve, cyan curve, pink curve, tan curve, and indigo curve have Z-axis coordinates of '62', '52', '42', '32', and '22. Electric field intensities according to the X-axis coordinates at the points', '12' and '2'.
  • Z-axis coordinates of the horizontal axis are 40 to 60 or less, that is, Z- in a pink curve in the region between the first nanofiber guide 130 and the tip of the nozzle 112. It can be seen that the axial component electric field strength is the largest and the Z-axis component electric field strength in the black curve is the smallest.
  • the electrospinning pattern forming apparatus including both the first nanofiber guide portion 130 and the second nanofiber guide portion 140, the first nanofiber guide portion 130 and the tip of the nozzle 112 In the region therebetween, the intensity of the Z-axis component electric field increases as the vertical separation distance S between the upper surface of the first nanofiber guide portion 130 and the lower surface of the second nanofiber guide portion 140 increases. You can see that.
  • the Z-axis component electric field strength in the black curve is the largest and pink. It can be seen that the Z-axis component electric field strength in the orange curve is the smallest.
  • the intensity of the Z-axis component electric field increases as the vertical separation distance S between the upper surface of the first nanofiber guide portion 130 and the lower surface of the second nanofiber guide portion 140 decreases. You can see that.
  • the first nanofiber guide unit 130 is formed.
  • the vertical separation interval (S) between the upper surface of the upper surface and the lower surface of the second nanofiber guide portion 140 indicating the electric field strength at the height where the second nanofiber guide portion 140 is located Notice the largest change in the red curve.
  • the vertical separation interval S between the upper surface of the first nanofiber guide portion 130 and the lower surface of the second nanofiber guide portion 140 is' 0 mm 'and' 6.
  • the region where the X-coordinate is' -25' to '+25' that is, a region that is significantly higher than other regions in the region between the third guide portion 141 and the fourth guide portion 142.
  • the vertical separation distance S between the upper surface of the first nanofiber guide portion 130 and the lower surface of the second nanofiber guide portion 140 is '11 mm 'and '16 mm'. In this case, it can be seen that the electric field strength in the region where the X-coordinate is '-25' to '+25' is not significantly different from the electric field strength in other regions.
  • the first nanofiber guide part 130 may be used. It is preferable to adjust the vertical separation gap S between the upper surface of the upper surface and the lower surface of the second nanofiber guide portion 140 to about 10 mm or less, more preferably about 8 mm or less.
  • FIG. 16A illustrates the distance in the Z-axis direction from the point where the X-axis coordinates and the Y-axis coordinates are '0' when the horizontal separation interval between the third guide portion and the fourth guide portion is changed.
  • FIG. 16B shows the X-axis component electric field strength according to the X-axis position when the horizontal separation distance between the third guide portion and the fourth guide portion is 30 mm, 50 mm, 70 mm, and 90 mm.
  • These graphs show the intensity of each Z-axis position of the Z-axis component electric field.
  • the separation distance D1 between the first guide part 131 and the second guide part 132 of the first nanofiber guide part 130 is '30 mm ', and a black curve and a red curve
  • the blue curves include the third guide part 141 and the fourth guide part 142 in the electrospinning pattern forming apparatus including both the first nanofiber guide part 130 and the second nanofiber guide part 140.
  • the black curve, red curve, blue curve, cyan curve, pink curve, tan curve, and indigo curve have Z-axis coordinates of '62', '52', '42', '32', and '22'. Electric field intensities according to the X-axis coordinates at the points', '12' and '2'.
  • the Z-axis component electric field strength in the green curve is the largest and the Z-axis component electric field strength in the black curve is the smallest in the region where the Z-axis coordinate of the horizontal axis is 30 or more.
  • the third guide portion 141 in a region having a Z-axis coordinate of 30 or more. It can be seen that the intensity of the Z-axis component electric field increases as the horizontal separation interval D2 between the X and Y guide portions 142 increases.
  • the Z-axis component electric field strength in the black curve is the largest and the Z-axis component electric field strength in the green curve is the smallest in the region where the Z-axis coordinates are 0 or more and 15 or less.
  • the third guide portion 141 in a region having a Z-axis coordinate of 15 or less. It can be seen that the intensity of the Z-axis component electric field increases as the horizontal separation interval D2 between the X and the fourth guide part 142 decreases.
  • the horizontal separation interval D1 between the first guide portion 131 and the second guide portion 132 is 30 mm
  • the third guide portion 141 and the fourth guide portion 142 It is preferable that the horizontal direction spacing D2 between) is about 40 mm or more and 80 mm or less. That is, the horizontal separation interval D2 between the third guide portion 141 and the fourth guide portion 142 is the horizontal separation interval D1 between the first guide portion 131 and the second guide portion 132. Preferably about 4/3 to 8/3 times).
  • the fiber guide portion by using the fiber guide portion to form an electric field to apply a force to the nanofibers in a direction parallel to the extending direction of the fiber guide portion, it is possible to arrange and position the nanofibers in one direction on the substrate, as a result
  • the microscale pattern can be accurately formed at a predetermined position on the image.

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Abstract

전기방사 방식 패턴 형성 장치가 개시된다. 전기방사 방식 패턴 형성 장치는 노즐, 스테이지 및 섬유 가이드부를 구비한다. 노즐은 제1 전압이 인가되고, 방사용액을 방사한다. 스테이지는 노즐 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 제2 전압이 인가된다. 섬유 가이드부는 노즐과 스테이지 사이에 배치되고, 노즐과 스테이지 사이에 형성된 전기장을 변형하여 노즐로부터 방사된 나노섬유에 스테이지에 평행한 일 방향으로 작용하는 힘을 인가한다. 이러한 전기방사 방식 패턴 형성 장치는 일방향으로 배열된 나노섬유 패턴을 형성할 수 있다.

Description

전기방사 방식 패턴 형성 장치
본 발명은 전기 방사 방식으로 나노 섬유를 방사하여 일정한 패턴을 형성하는 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 기판사이의 거리를 매우 근접하게 유지하여, 나노섬유를 원하는 위치에 배열시키는 방법이 있다. 그러나 이 방법들은 실용화 측면에서 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 나노섬유를 일방향으로 배열시켜 미세 패턴을 정밀하게 형성할 수 있는 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치는 제1 전압이 인가되고 방사용액을 방사하는 노즐;
상기 노즐 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 제2 전압이 인가되는 스테이지;
및 상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 배치되고, 상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 노즐로부터 방사된 나노섬유에 상기 스테이지에 평행한 일 방향으로 작용하는 힘을 인가하는 섬유 가이드부를 포함한다.
이때, 상기 섬유 가이드부는 상기 노즐의 단부로부터 상기 스테이지에 수직한 방향으로 연장된 가상의 연장선을 기준으로 서로 대칭되게 배치되고, 각각 상기 연장선에 수직한 방향으로 연장된 제1 및 제2 가이드부를 포함할수 있고, 상기 제1 및 제2 가이드부는 상대 유전율이 약 50 이하인 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 가이드부는 스티로폼 재료, 테프론 재료, 나무 재료, 플라스틱 재료, 유리 재료, 석영 재료, 실리콘산화물 재료 등으로 형성될수 있다.
이때, 상기 노즐의 단부와 상기 제1 및 제2 가이드부의 상부면이 위치하는 가상의 면 사이의 거리는 상기 노즐 단부와 상기 노즐단부에 형성되는 방추형상의 테일러콘으로부터 나노섬유가 형성되는 지점까지의 거리보다 작거나 같을 수 있다.
이때, 상기 제1 및 제2 가이드부 각각은 상기 연장선 방향으로의 두께가 약 5 mm를 초과할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 가이드부 각각의 두께는 약 10mm 이상일 수 있다.
이때, 상기 제1 및 제2 가이드부는 연장 방향으로의 길이는 약 10mm 이상 70mm 이하일 수 있다.
본 발명의 이 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치는 노즐, 스테이지부, 제1 나노섬유 가이드부 및 제2 나노섬유 가이드부를 포함한다. 상기 노즐은 제1 전압이 인가되고, 방사용액으로부터 나노섬유를 방사한다. 상기 스테이지부는 상기 노즐 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가된다. 상기 제1 나노섬유 가이드부는 상기 노즐과 상기 스테이지부 사이에서 상기 노즐의 연장선을 사이에 두고 서로 이격되게 배치된 제1 가이드부 및 제2 가이드부를 포함하고, 상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 나노섬유를 상기 제1 및 제2 가이드부 사이의 영역에 대응하는 방향으로 배열시킨다. 상기 제2 나노섬유 가이드부는 상기 제1 가이드부 및 상기 제2 가이드부 상부에 각각 배치되고 서로 이격된 제3 가이드부 및 제4 가이드부를 포함하고, 상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 나노섬유를 상기 제1 가이드부 및 상기 제2 가이드부 사이의 영역으로 가이드한다.
이때, 상기 제1 가이드부와 제2 가이드부 그리고 상기 제3 가이드부 및 제4 가이드부는 상기 노즐로부터 상기 스테이지부에 수직한 방향으로 연장된 가상의 연장선을 사이에 두고 각각 제1 방향으로 연장되고, 이들을 각각 상대 유전율이 50 이하인 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 가이드부와 상기 제3 및 제4 가이드부 각각은 스티로폼 재료, 테프론 재료, 나무 재료, 플라스틱 재료, 유리 재료, 석영 재료, 실리콘산화물 재료 및 금속 재료로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1 및 제2 가이드부의 상부면과 상기 제3 및 제4 가이드부의 하부면은 서로 접촉하거나 10 mm 이하의 간격으로 이격될 수 있다.
이때, 상기 제1 가이드부와 상기 제2 가이드부 사이의 제1 이격간격은 상기 제3 가이드부와 상기 제4 가이드부 사이의 제2 이격간격은 보다 작을 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 이격간격은 상기 제1 이격간격의 4/3 내지 8/3배일 수 있다.
이때, 상기 전기방삭 방식 패턴 형성 장치는 상기 제1 나노섬유 가이드부를 상하좌우 방향으로 이동시킬 수 있는 제1 위치 조정부 및 상기 제1 나노섬유 가이드부와 독립적으로 제2 나노섬유 가이드부를 상하좌우 방향으로 이동시킬 수 있는 제2 위치 조정부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 낮은 상대유전율을 갖는 물질로 형성된 섬유 가이드부를 이용하여 노즐과 스테이지 사이의 전기장을 변형시켜 나노 섬유에 일 방향으로 작용하는 힘을 인가할 수 있으므로, 기판 상에 나노섬유를 일 방향으로 배열 및 위치시킬 수 있고, 그 결과 기판 상에 마이크로 스케일의 패턴을 기 설정된 위치에 정확하게 형성할 수 있다.
또한, 낮은 상대유전율을 갖는 물질로 형성되고 상기 제1 나노섬유 가이드부 상부에 배치된 제2 나노섬유 가이드부를 이용하여 나노섬유를 제1 나노섬유 가이드부의 제1 가이드부와 제2 가이드부 사이의 영역으로 가이드함으로써 더욱 안정적으로 기판 상에 마이크로 스케일의 패턴을 정확하게 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 섬유 가이드부를 구비하지 않은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 섬유 가이드부를 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서 X축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 측정한 이미지이다.
도 3은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방식 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이다.
도 5는 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 좌표 및 Y축 좌표가 모두 ‘0’인 지점에서의 Z축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 나타내는 그래프이다.
도 6은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서 Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 측정한 사진들이다.
도 7은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 전기방식 방식 패턴 형성 장치에 있어서, Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이다.
도 9는 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 좌표가 ‘0’이고, Z축 좌표가 '30'인 지점에서의 Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 및 제 2 가이드부의 Z-축 두께가 전기장에 미치는 영향을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 및 제 2 가이드부의 Y-축 길이가 전기장에 미치는 영향을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 이 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 13a 및 도 13b는 제1 나노섬유 가이드부와 제2 나노섬유 가이드부를 모두 포함하는 제1 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 측정한 사진 및 그래프이다.
도 14a 및 도 14b는 제1 나노섬유 가이드부와 제2 나노섬유 가이드부 중 제1 나노섬유 가이드부만을 구비하는 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X-축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 측정한 사진 및 그래프이다.
도 15a는 제1 나노섬유가이드부의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)을 변화시키는 경우, X-축 좌표 및 Y-축 좌표가 ‘0’인 지점에서 Z-축 방향으로의 거리(Z-축 좌표)에 따른 Z-축 성분 전기장 세기를 나타내는 그래프이고, 도 15b는 제1 나노섬유가이드부의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격이 16mm, 11mm, 6mm 및 0mm인 경우에, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 각각 나타내는 그래프들이다.
도 16a는 제3 가이드부와 제4 가이드부 사이의 수평 방향 이격 간격을 변화시키는 경우, X-축 좌표 및 Y-축 좌표가 ‘0’인 지점에서 Z-축 방향으로의 거리(Z-축 좌표)에 따른 Z-축 성분 전기장 세기를 나타내는 그래프이고, 도 16b는 제3 가이드부와 제4 가이드부 사이의 수평 방향 이격 간격이 30mm, 50mm, 70mm 및 90mm인 경우에, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 Z축 위치별 세기를 각각 나타내는 그래프들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에서 본 발명을 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 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", “구비하다” 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 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 사용되고 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 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 일 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치(1000)는 용액 방사부(1100), 스테이지부(1200) 및 섬유 가이드부(1300)를 포함할 수 있다.
용액 방사부(1100)는 시린지(1110), 노즐(1120) 및 제1 전압발생장치(1130)를 포함할 수 있다.
시린지(1110)는 방사용액(10)을 수용할 수 있다. 방사용액(10)은 폴리머 등과 같은 유기재료 용액 또는 유기재료와 무기재료가 혼합된 유무기 복합재료 용액일 수 있고, 약 1 내지 200 poise의 점도를 가질 수 있다. 노즐(1120)은 시린지(1110)에 연결되고, 시린지(1110)에 수용된 방사용액(10)을 스테이지(1210) 방향으로 방사할 수 있다. 노즐(1120)은 전도성 물질, 예를 들면, 스테인레스 재질로 형성되고, 일정한 내경 및 외경을 가지는 미세관 형태를 가질 수 있다. 제1 전압발생장치(1130)는 노즐(1120)에 전기적으로 연결되고 노즐(1120)에 제1 전압을 인가할 수 있다. 일례로, 제1 전압발생장치(1130)는 노즐(1120)에 양(positive)의 극성을 가진 직류 전압(DC voltage)을 생성하여 노즐(1120)에 인가할 수 있다. 노즐(1120)에 인가되는 제1 전압의 크기는 필요에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 용액 방사부(110)는 시린지 펌프(1140)를 더 포함할 수 있다. 시린지 펌프(1140)는 시린지(1110)에 수용된 방사용액(10)이 노즐(1120)을 통하여 외부로 유출될 수 있도록, 시린지(1110)에 수용된 방사 용액(10)에 압력을 인가할 수 있다.
스테이지부(1200)는 스테이지(1210) 및 제2 전압발생장치(1220)를 구비할 수 있다.
스테이지(1210)는 방사 용액(10)이 방사되는 노즐(1120)의 단부와 소정 간격 이격되게 배치될 수 있다. 스테이지(1210)는 전도성 재질로 형성될 수 있다. 스테이지(1210) 상부에는 패턴이 형성될 기판(미도시)이 위치할 수 있다. 제2 전압발생장치(1220)는 스테이지(1210)와 전기적으로 연결되고, 노즐(1120)에 인가된 제1 전압과 다른 제2 전압을 생성하여 스테이지(1210)에 인가할 수 있다. 일례로, 제2 전압발생장치(1220)는 접지 전압을 생성하여 스테이지(1210)에 인가할 수 있다. 이와 달리, 제2 전압발생장치(1220)는 제1 전압과 극성이 다른 음(negative)의 전압 또는 제1 전압과 세기가 다른 양(positive)의 전압을 생성하여 스테이지(1210)에 인가할 수도 있다.
노즐(1120)과 스테이지(1210)에는 서로 다른 전압이 인가되므로, 노즐(1120)과 스테이지(1210) 사이에는 전압 차이로 인한 전기장이 형성될 수 있다. 노즐(1120)과 스테이지(1210) 사이에 전기장이 형성되지 않는 경우, 노즐(1120) 끝에 분포된 방사 용액(10)은 표면장력에 의하여 반구형 방울 형태로 노즐(1120) 끝에 매달려 있게 된다. 하지만, 노즐(1120)과 스테이지(1210) 사이에 전기장이 형성되면, 방사 용액(10)의 방울 표면에 노즐(1120)에 인가된 전압과 반대되는 극성의 전하가 유도되고, 방사 용액(10) 방울 표면에 유도된 전하는 표면장력과 반대되는 힘인 정전기력을 발생시킨다. 이러한 정전기력의 작용으로 인하여 노즐(1120) 끝에 매달려 있는 방사 용액(10) 방울은 테일러콘(Taylor cone)으로 알려진 원추형 모양으로 늘어나게 된다. 노즐(1120)과 스테이지(1210) 사이에 형성되는 전기장의 세기가 특정 임계 전기장의 세기보다 커지면, 방사 용액(10) 테일러콘의 끝으로부터 방사용액(10) 제트(Jet)가 방출되게 된다. 방사용액(10)의 점도가 낮은 경우, 이러한 방사용액(10) 제트는 미세 방울로 붕괴되나, 방사용액(10)의 점도가 높은 경우 표면장력 때문에 방사용액(10) 제트는 붕괴되지 않고 연속된 섬유 형태로 스테이지(1210) 방향으로 방사된다. 본 발명에 있어서는 방사 용액(10)이 약 1 내지 200 poise의 점도를 가지므로 섬유 형태로 방사될 수 있다. 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.
섬유 가이드부(1300)는 노즐(1120)로부터 방사된 나노 섬유의 진행방향을 가이드한다. 이를 위하여, 섬유 가이드부(1300)는 제1 가이드부(1310) 및 제2 가이드부(1320)를 구비할 수 있다. 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320)는 나노 섬유가 방사되는 노즐(1120)의 단부와 스테이지(1210) 사이에 위치하고, 일 방향(Y)으로 연장되어 서로 평행하며, 노즐(1120)의 연장선을 사이에 두고 서로 소정 간격으로 이격되게 배치된다. 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320) 각각의 형상은 특별히 제한되지 않고, 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320) 각각은 원형, 다각형, 반원, 타원 등의 단면을 갖는 막대 형상을 가질 수도 있고, 판(plate) 형상을 가질 수도 있다. 일례로, 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320) 각각은 스테이지(1210)에 수직한 단면이 사각형이고, 스테이지(1210)에 평행한 방향(Y)으로 연장된 막대 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320)는 노즐(1120)과 스테이지(1210) 사이에 형성된 전기장을 변형시킬 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320)는 상대 유전율(relative dielectric permittivity)이 낮은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2가이드부(1310, 1320)는 상대 유전율이 약 50 이하인 물질로 형성될 수 있다.구체적으로 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320)는 스티로폼, 테프론, 나무, 플라스틱 재료, 유리, 석영, 실리콘산화물 등의 물질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 예로, 제1 및 제2 가이드부(1310, 1320)는 금속 물질로 형성될 수 있다.
도 2는 섬유 가이드부를 구비하지 않은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 섬유 가이드부를 구비하는 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서 X축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 측정한 사진들이다. 도 3은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 전기방식 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이며, 도 5는 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 좌표 및 Y축 좌표가 모두 ‘0’인 지점에서의 Z축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 나타내는 그래프이다. 도 3 및 도 4에 있어서, 'Z-(2) 곡선’, ‘Z-(12) 곡선’, ‘Z-(12) 곡선’, ‘Z-(32) 곡선’, ‘Z-(42) 곡선’, ‘Z-(52) 곡선’ 및 ‘Z-(62) 곡선’은 Z축 좌표가 ‘2’, ‘12’, ‘22’, ‘32’, ‘42’, ‘52’ 및 ‘62’인 지점에서의 전기장의 Z축 성분 세기를 각각 나타낸다.
상기 X축은 스테이지(1210)에 평행하고, 제1 및 제2 가이드부의 연장방향인 Y축 방향에 수직한 방향을 나타내고, Z축은 상기 X축 및 Y축에 수직한 방향을 나타낸다. X축 좌표가 ‘0’인 지점은 노즐(1120)의 연장선이 위치하는 지점을 나타내고, Y축 좌표가 ‘O’인 지점 역시 노즐(1120)의 연장선이 위치하는 지점을 나타내며, Z축 좌표가 ‘0’인 지점은 스테이지의 표면상에 위치하는 지점을 나타낸다.
본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 및 제2 가이드부는 노즐의 연장선을 기준으로 서로 대칭되게 배치되고, Y축 방향으로의 길이가 50mm이고, X축 방향으로 폭이 30mm이며, Z축 방향으로의 두께가 30mm인 직육면체 형상을 갖는다. 제1 가이드부와 제2 가이드부의 이격간격은 20mm이이고, 제1 및 제2 가이드부의 상부면 및 하부면의 Z축 좌표는 각각 ‘45’ 및 ‘15’이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서는, 노즐 단부로부터의 거리가 증가할수록, 즉, Z축 좌표가 감소할수록 전기장의 세기가 지속적으로 감소한다. 그리고 Z축 좌표가 동일할 경우, X축 좌표가 ‘0’인 위치에서 전기장의 세기가 가장 크고 X축 좌표가 ‘0’인 위치로부터의 거리가 증가할수록 전기장의 세기가 감소한다.
이에 반하여, 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서는, Z축 좌표가 ‘+15’와 ‘+45’ 사이, 즉, 2개의 가이드부 사이에 위치하는 지점에 대한 ‘Z-(22) 곡선’, ‘Z-(32) 곡선’ 및 ‘Z-(42) 곡선’은 Z축 좌표가 ‘+15’ 미만인 지점에 대한 ‘Z-(12) 곡선’ 및 ‘Z-(2) 곡선’보다 더 작은 전기장 세기를 나타낸다. 따라서 제1 및 제2 가이드부 사이를 통과하는 나노 섬유는 X축 방향이나 Y축 방향으로 작용하는 작은 힘에 의해서도 그 운동 방향이 변경될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 및 제2 가이드부 사이에 위치하는 경우인 ‘Z-(22) 곡선’, ‘Z-(32) 곡선’ 및 ‘Z-(42) 곡선’에서는, 제1 및 제2 가이드부 사이의 공간, 즉, X 좌표가 ‘-10’과 ‘+10’ 사이인 공간의 전기장 세기가 가장 크고, 제1 및 제2 가이드부의 내부 공간, 즉, X 좌표가 ‘-40’과 ‘-10’사이 및 ‘+10’과 ‘+40’ 사이인 공간에서의 전기장 세기가 가장 작다. 따라서, 액적의 테일러콘으로부터 방출되는 하전된 나노 섬유가 제1 및 제2 가이드부 사이를 통과하는 경우, 나노 섬유는 X 좌표가 ‘0’인 방향으로 배열되는 힘을 받게 된다.
다만, 도 4의 ‘Z-(52) 곡선’의 경우, 제1 및 제2 가이드부의 상부면 바로 위에 위치하는 지점에서의 전기장 세기를 나타내는 것으로서 제1 및 제2 가이드부의 모서리에 의한 영향 때문에 X 좌표가 ‘-8’과 ‘+8’ 사이인 영역에서의 전기장 세기가 이와 인접한 영역인 X 좌표가 ‘-10’ 및 ‘+10’인 지점에서의 전기장 세기보다 작다. 하지만, Z축 좌표 ‘52’는 액적의 테일러콘으로부터 방사용액 제트(Jet)가 형성되기 시작하는 지점으로서, 이 위치에서는 방사용액 제트(Jet)가 충분한 크기의 직경을 가지고 있으므로 X 좌표가 ‘-10’ 및 ‘+10’인 지점에서 전기장의 세기가 상대적으로 크더라도 방사용액 제트(Jet)가 전기장에 의해 거의 영향을 받지 않는다.
도 6은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서 Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 측정한 사진들이다. 도 7은 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이고, 도 8은 본 발명에 따른 전기방식 방식 패턴 형성 장치에 있어서, Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분의 Z축 위치별 세기를 나타내는 그래프이며, 도 9는 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치 및 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 좌표가 ‘0’이고, Z축 좌표가 '30'인 지점에서의 Y축 위치에 따른 전기장의 Z축 성분 세기를 나타낸 그래프이다. 도 7 및 도 8에 있어서, 'Z-(2) 곡선’, ‘Z-(12) 곡선’, ‘Z-(12) 곡선’, ‘Z-(32) 곡선’, ‘Z-(42) 곡선’, ‘Z-(52) 곡선’ 및 ‘Z-(62) 곡선’은 Z축 좌표가 ‘2’, ‘12’, ‘22’, ‘32’, ‘42’, ‘52’ 및 ‘62’인 지점에서의 전기장의 Z축 성분 세기를 각각 나타낸다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서는, 노즐 단부로부터의 거리가 증가할수록, 즉, Z축 좌표가 감소할수록 전기장의 세기가 지속적으로 감소한다. 그리고 Z축 좌표가 동일할 경우, Y축 좌표가 ‘0’인 위치에서 전기장의 세기가 가장 크고 Y축 좌표가 ‘0’이 위치로부터의 거리가 증가할수록 전기장의 세기가 감소한다.
이에 반하여, 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서는, Z축 좌표가 ‘+15’와 ‘+45’ 사이, 즉, 2개의 가이드부 사이에 위치하는 지점들에 대한 ‘Z-(22) 곡선’ 및 ‘Z-(32) 곡선’은 Z축 좌표가 ‘+15’ 미만인 지점들에 대한 ‘Z-(12) 곡선’ 및 ‘Z-(2) 곡선’보다 더 작은 전기장 세기를 나타낸다. 그리고 ‘Z-(22) 곡선’ 및 ‘Z-(32) 곡선’에서는, 제1 및 제2 가이드부 사이의 공간, 즉, Y 좌표가 ‘-25’와 ‘+25’ 사이 영역에서의 전기장 세기가 Y 좌표가 ‘-25’ 미만이거나 ‘+25’를 초과하는 영역에서의 전기장 세기보다 작다. 특히, 도 9를 참조하면, 제1 및 제2 가이드부의 Z축 방향으로의 중앙 지점인 Z축 좌표가 ‘+30’인 위치에서의 전기장은 Y 좌표가 ‘-20’과 ‘+20’ 사이의 제1 영역에서는 상대적으로 낮은 전기장 세기를 나타내고, 제1 및 제2 가이드부의 모서리 때문에 Y 좌표가 ‘-40’과 ‘-20’ 사이의 영역 및 ‘+20’과 ‘+40’(미도시) 사이의 영역에서는 전기장의 세기가 상기 제1 영역보다 증가한다. 따라서, 제1 및 제2 가이드부 사이를 통과하는 나노 섬유는 ‘-40’과 ‘-20’ 사이의 영역 또는 +20’과 ‘+40’(미도시) 사이의 영역에서의 증가된 전기장에 의해 Y축 방향으로 작용하는 힘을 받게 된다.
일반적으로 전기방사에서 하전된 나노섬유는 나노 스케일의 직경을 가지므로 방사용액의 용매가 빠르게 증발되고, 나노섬유가 띄고 있는 전하에 의해 쿨롬 반발력(Coulomb repulsion force)이 발생하며, 이는 나노섬유의 굽힘 불안정성(Bending instability)을 야기한다. 그 결과, 종래의 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서는, 상기 반발력이 최소화되는 방향으로 나노섬유가 신장되고 이에 의해 기판 상에 나노섬유가 무작위 방향으로 배열되게 된다. 이에 반하여, 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서는, 나노섬유의 굽힘 불안정성이 나타나기 시작하는 지점 부근에 제1 및 제2 가이드부가 배치되어 나노섬유에 Y축 방향들 중 하나의 방향으로 작용하는 힘을 인가하게 된다. Y축 방향들 중 하나의 방향으로 잡아당겨진 하전된 나노섬유에 의해 공간전하(Space charge)가 형성되고, 이는 뒤따르는 나노섬유 부분(상대적으로 노즐과 인접한 부분에 위치한 나노섬유의 어느 한 부분)이 반대편 방향으로 향할 수 있게 반발력을 작용하고, 이와 같은 작용이 반복적으로 일어나면 나노섬유는 Y축 방향으로 반복 운동을 하게 된다. 그 결과, 기판에는 Y축 방향으로 정렬된 나노섬유가 형성된다.
도 10은 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서,제1 및 제2 가이드부의 Z-축 두께가 전기장에 미치는 영향을 설명하기 위한 그래프이다. 도 10에 있어서, 각각의 곡선은 제1 및 제2 가이드부 사이의 가운데 지점,즉, Z-축 좌표가 '30'이고, X-축 좌표가 '0'인 지점에서의 Y-축 좌표에 따른 전기장의 Z-축 성분의 세기를 나타낸다. 그리고 'H-(1) 곡선', 'H-(5) 곡선', 'H-(10)곡선', 'H-(20) 곡선' 및 'H-(30) 곡선'은 제1 및 제2 가이드부의 Z-축 두께가 '1mm', '5 mm', '10 mm', '20 mm' 및 '30 mm'인 경우를 각각 나타낸다. 도 10의 측정에 사용된 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 및 제2 가이드부는 노즐의 연장선을 기준으로 서로 대칭되게 배치되고, Y축 방향으로의 길이가 50mm이고, X축 방향으로 폭이 30mm이다. 그리고 제1 및 제2 가이드부의 Z-축 중심은 Z-축 좌표'30'에 위치한다.
도 10을 참조하면, 제1 및 제2 가이드부의 두께가 5mm 이하인 경우, 전기장의 Z-축 성분 세기는 Y-축 좌표가 '0'인 위치에서 가장 크고, Y-축 좌표가 '0'에서 증가하거나 감소할수록 전기장의 Z-축 성분 세기는 감소함을 알 수 있고, 이 경우, 하전된 나노섬유에 Y-축 방향으로 작용하는 힘을 인가할 수 없어서 나노 섬유를 Y-축 방향으로 배열시킬 수 없다. 따라서 제1 및 제2 가이드부의 두께는 약 5 mm를 초과하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 약 10 mm 이상인 것이 바람직하다.
도 11은 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 및 제2 가이드부의 Y-축 길이가 전기장에 미치는 영향을 설명하기 위한 그래프이다. 도 11에 있어서, 각각의 곡선은 제1 및 제2 가이드부 사이의 가운데 지점,즉, Z-축 좌표가 '30'이고, X-축 좌표가 '0'인 지점에서의 Y-축 좌표에 따른 전기장의 Z-축 성분의 세기를 나타낸다. 그리고 'D-(10) 곡선', 'D-(30) 곡선', 'D-(50) 곡선', 'D-(70) 곡선', 'D-(100) 곡선' 및 'D-(150) 곡선'은 제1 및 제2 가이드부의 Y-축 길이가 '10 mm', '30 mm', '50 mm', '70 mm', 100 mm' 및 '150 mm'인 경우를 각각 나타내고, 'Ref 곡선'은 제1 및 제2 가이드부가 없는 경우를 나타낸다. 도 11의 측정에 사용된 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 및 제2 가이드부는 노즐의 연장선을 기준으로 서로 대칭되게 배치되고, Z축 방향으로의 두께가 30mm이며, X축 방향으로 폭이 30mm이다. 그리고 제1 및 제2 가이드부의 Y-축 중심은 Y-축 좌표 '0'에 위치한다.
도 11을 참조하면, 'D-(10) 곡선', 'D-(30) 곡선', 'D-(50) 곡선' 및 'D-(70) 곡선'에 있어서는 제1 및 제2 가이드부 사이의 영역에서의 전기장 세기보다 제1 및 제2 가이드부의 에지 영역에서의 전기장 세기가 더 크므로, 제1 및 제2 가이드부 사이를 통과하는 하전된 나노섬유에 Y-축 방향으로 작용하는 힘을 인가할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 가이드부의 Y-축 길이는 약 10mm 이상 70mm 이하인 것이 바람직하다.
도 12는 본 발명의 이 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 이 실시예에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치(100)는 방사용액(10)을 전기방사하여 기판(미도시)에 원하는 미세 패턴을 직접 형성할 수 있다. 이를 위하여, 본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치(100)는 용액 방사부(110), 스테이지부(120), 제1 나노섬유 가이드부(130) 및 제2 나노섬유 가이드부(140)를 포함할 수 있다.
용액 방사부(110)는 시린지(111) 및 노즐(112)을 포함할 수 있다.
시린지(111)는 방사용액(10)을 수용할 수 있다. 방사용액(10)은 폴리머 등과 같은 유기재료 용액 또는 유기재료와 무기재료가 혼합된 유무기 복합재료 용액일 수 있고, 약 1 내지 200 poise의 점도를 가질 수 있다. 노즐(112)은 시린지(111)에 연결되고, 시린지(111)에 수용된 방사용액(10)을 스테이지(120) 방향으로 방사할 수 있다. 노즐(112)은 전도성 물질, 예를 들면, 스테인레스 재질로 형성되고, 일정한 내경 및 외경을 가지는 미세관 형태를 가질 수 있다.
스테이지부(120)는 방사 용액(10)이 방사되는 노즐(112) 의 단부와 소정 간격 이격되게 배치될 수 있다. 스테이지부(120)는 전도성 재질로 형성될 수 있다. 스테이지부(120)는 나노섬유에 의한 패턴이 형성될 기판(미도시)을 지지할 수 있다.
노즐(112) 및 스테이지부(120)에는 서로 다른 제1 전압 및 제2 전압이 각각 인가되어, 노즐(112) 및 스테이지부(120) 사이에는 전기장이 형성될 수 있다. 노즐(112)을 통해 방사 용액을 방사하는 경우, 노즐(112) 팁에 분포하는 방사 용액(10)은 표면장력에 의하여 반구형 방울 형태를 갖게 되고, 노즐(112)에 인가된 전압에 의해 방사 용액(10)의 방울 표면에는 노즐(112)에 인가된 전압과 동일한 극성의 전하가 유도되어 정전기적 반발력을 발생시킨다. 이러한 정전기력의 작용으로 인하여 노즐(112) 팁에 매달려 있는 방사 용액(10) 방울은 테일러콘(Taylor cone)으로 알려진 원추형 모양으로 늘어나게 된다. 노즐(112)과 스테이지(120) 사이에 형성된 전기장의 세기가 특정 임계 전기장의 세기보다 커지면, 방사 용액(10) 테일러콘의 끝으로부터 방사용액(10) 제트(Jet)가 방출되게 된다. 방사용액(10)의 점도가 낮은 경우, 이러한 방사 용액(10) 제트는 미세 방울로 붕괴되나, 방사용액(10)의 점도가 임계값 이상인 경우 표면장력 때문에 방사용액(10) 제트는 붕괴되지 않고 연속된 섬유 형태로 스테이지(120) 방향으로 방사된다. 본 발명에 있어서는 방사 용액(10)이 약 1 내지 200 poise의 점도를 가지므로 섬유 형태로 방사될 수 있다. 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. 이러한 나노 섬유는 체적전류밀도가 높을 경우, 나노섬유의 내재적 불안정성에 의해 굽힘 현상이 발생한다. 나노섬유의 굽힘 현상이 발생하는 위치는 나노섬유의 하전된 정도와 유전율, 전도도, 점도 등과 같은 용매의 특성에 의해 변화한다. 예를 들면, 나노섬유의 하전된 정도가 높을수록 노즐(112) 팁에 가까운 위치에서 나노섬유의 굽힘 현상이 발생한다.
제1 및 제2 나노섬유 가이드부(130, 140)는 노즐(112)로부터 방사된 나노 섬유의 진행방향을 가이드한다. 이때, 제1 나노섬유 가이드부(130)는 노즐(112) 팁과 스테이지부(120) 사이에 위치하고, 제2 나노섬유 가이드부(140)는 노즐(112) 팁과 제1 나노섬유 가이드부(130) 사이에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 나노섬유 가이드부는 노즐(112)과 스테이지부(120) 사이에 형성된 전기장을 변형시켜 나노 섬유의 진행방향을 가이드할 수 있다. 이때, 제1 및 제2 나노섬유 가이드부(130, 140)는 상대 유전율(relative dielectric permittivity)이 낮은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 나노섬유 가이드부(130, 140)는 상대 유전율이 약 50 이하인 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 및 제2 나노섬유 가이드부(130, 140)는 스티로폼, 테프론, 나무, 플라스틱 재료, 유리, 석영, 실리콘산화물 등의 물질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 변형례로, 제1 및 제2 나노섬유 가이드부(130, 140)는 금속 물질로 형성될 수 있다.
한편, 제1 나노섬유 가이드부(130)는 노즐(112)의 연장선을 사이에 두고 서로 소정 간격으로 이격된 제1 가이드부(131) 및 제2 가이드부(132)를 포함할 수 있고, 제2 나노섬유 가이드부(140)는 노즐(112)의 연장선을 사이에 두고 서로 이격되고, 상기 제1 가이드부(131) 및 제2 가이드부(132) 상부에 각각 위치하는 제3 가이드부(141) 및 제4 가이드부(142)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 가이드부(131, 132)는 스테이지부(120)에 평행한 일 방향, Y-축 방향으로 각각 연장되고 서로 평행하게 배치될 수 있다. 제1 및 제2 가이드부(131, 132)는 서로 동일한 형상 및 크기를 가질 수 있고, 제1 및 제2 가이드부(131, 132) 각각의 형상은 특별히 제한되지 않고, 다양한 형상을 가질 수 있다. 일 예로, 제1 및 제2 가이드부(131, 132) 각각은 원형, 다각형, 반원, 타원 등의 단면을 갖는 막대 형상을 가질 수도 있고, 판(plate) 형상을 가질 수도 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 가이드부(131, 132) 각각은 XZ 평면을 따라 절단한 단면이 사각형이고, XZ 평면에 수직한 방향(Y)으로 연장된 직육면체 형상의 막대 형상을 가질 수 있다. 제1 및 제2 가이드부(131, 132)는 노즐(112) 팁과 스테이지부(120) 사이에 형성된 전기장을 변형시켜 나노섬유에 Y축 방향으로 작용하는 힘을 인가하는 전기장을 형성할 수 있다.
제3 및 제4 가이드부(141, 142)는 제1 및 제2 가이드부(131, 132) 상부에서 각각 Y축 방향으로 연장되고 서로 평행하게 배치될 수 있다. 나노섬유의 체적전류밀도가 높을 경우, 나노섬유에 내재된 불안정성의 정도가 높아져 하전된 나노섬유가 제1 및 제2 가이드부(131, 132) 사이로 통과하기 어려운 문제점이 있는데, 제3 및 제4 가이드부(141, 142)는 노즐(112) 팁과 스테이지부(120) 사이의 전기장을 변형시켜 나노섬유가 제1 및 제2 가이드부(131, 132) 사이를 통과하도록 나노섬유를 가이드할 수 있다.
제3 및 제4 가이드부(141, 142)는 서로 동일한 형상 및 크기를 가질 수 있고, 제3 및 제4 가이드부(141, 142) 각각의 형상은 특별히 제한되지 않고, 다양한 형상을 가질 수 있다. 일 예로, 제3 및 제4 가이드부(141, 142) 각각은 원형, 다각형, 반원, 타원 등의 단면을 갖는 막대 형상을 가질 수도 있고, 판(plate) 형상을 가질 수도 있다. 예를 들면, 제3 및 제4 가이드부(141, 142) 각각은 XZ 평면을 따라 절단한 단면이 사각형이고, XZ 평면에 수직한 방향(Y)으로 연장된 직육면체 형상의 막대 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 제3 및 제4 가이드부(141, 142) 각각의 X축 방향으로의 폭은 제1 및 제2 가이드부(131, 132) 각각의 X축 방향으로의 폭보다 작을 수 있고, 그 결과, 제3 가이드부(141)와 제4 가이드부(142) 사이의 이격 간격(D2)은 제1 가이드부(131)와 제2 가이드부(132) 사이의 이격 간격(D1)보다 클 수 있다.
그리고 나노섬유를 제1 가이부(131)와 제2 가이드부(132) 사이의 공간으로 안정적으로 가이드하기 위하여, 제3 가이드부(141) 및 제4 가이드부(142)의 상부면은 나노섬유의 굽힘 현상이 발생하는 지점보다 높이 위치하는 것이 바람직하다. 일 예로, 나노섬유의 굽힘 현상이 발생하는 지점이 노즐(112) 팁으로부터 예를 들면, 약 2cm 미만으로 떨어진 위치에서 발생하는 경우, 제3 및 제4 가이드부(141, 142)의 상부면은 노즐(112) 팁보다 높은 위치에 배치되고, 나노섬유의 굽힘 현상이 발생하는 지점이 노즐(112) 팁으로부터 약 2cm 이상으로 떨어진 위치에서 발생하는 경우, 제3 및 제4 가이드부(141, 142)의 상부면은 노즐(112) 팁보다 낮은 위치에 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전기방사 방식 패턴 형성 장치(100)는 제1 나노섬유 가이드부(130)를 상하좌우 방향으로 이동시킬 수 있는 제1 위치 조정부(미도시) 및 제1 나노섬유 가이드부(130)와 독립적으로 제2 나노섬유 가이드부(140)를 상하좌우 방향으로 이동시킬 수 있는 제2 위치 조정부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 제1 및 제2 위치 조정부에 의해, 제1 및 제2 나노섬유 가이드부(130, 140) 각각의 높이, 제1 가이드부(131)와 제2 가이드부(132) 사이의 이격간격(D1), 제3 가이드부(141)와 제4 가이드부(142) 사이의 이격간격(D2), 제1 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140) 사이의 이격간격(S) 등을 필요에 따라 조절할 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 제1 나노섬유 가이드부와 제2 나노섬유 가이드부를 모두 포함하는 제1 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 시뮬레이션한 사진 및 그래프이다. 그리고 도 14a 및 도 14b는 제1 나노섬유 가이드부와 제2 나노섬유 가이드부 중 제1 나노섬유 가이드부만을 구비하는 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, X-축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 측정한 사진 및 그래프이다.
도 13a, 도 13b, 도 14a 및 도 14b에 있어서, Y-축 좌표는 제1 내지 제4 가이드부(131, 132, 141, 142)의 연장 방향으로의 거리(mm)를 나타내고, X-축 좌표는 스테이지부(120)에 평행하고 Y-축에 수직한 방향으로의 거리(mm)를 나타내며, Z-축 좌표는 X-축 및 Y-축에 수직한 방향으로의 거리(mm)를 나타낸다. X-축 좌표 및 Y-축 좌표가 '0'인 지점은 노즐(112)의 연장선 상에 위치하고, Z-축 좌표가 ‘0’인 지점은 스테이지부(120)의 상부면에 위치한다. 상부면에 위치한다. 제1 가이드부(131)와 제2 가이드부(132) 사이의 이격 간격(D1)은 30mm이고, 제3 가이드부(141)와 제4 가이드부(142) 사이의 이격 간격(D2)은 50mm이며, 스테이지부(120)의 상부면으로부터 노즐(112) 팁까지의 거리는 65mm이다. 그리고 스테이지부(120)의 상부면으로부터 제1 및 제2 가이드부(131, 132)의 하부면까지의 거리는 14 mm이고, 제1 및 제2 가이드부(131, 132)와 제3 및 제4 가이드부(141, 142)의 Z-축 방향으로의 두께는 각각 30 mm와 30mm이다. 한편, 도 13b 및 도 14b에서, 검정색 곡선, 빨간색 곡선, 파랑색 곡선, 청록색 곡선, 분홍색 곡선, 황갈색 곡선 및 남색 곡선은 Z-축 좌표가 ‘62’, ‘52’, ‘42’, ‘32’, ‘22’, ‘12’ 및 ‘2’인 지점에서의 X-축 좌표에 따른 전기장 세기를 각각 나타낸다.
도 12와 함께, 도 13a, 도 13b, 도 14a 및 도 14b를 참조하면, 제1 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서의 전기장은 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서의 전기장과 다른 것을 확인할 수 있다. 특히, 제1 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서의 검정색 곡선 및 빨간색 곡선은 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서의 검정색 곡선 및 빨간색 곡선과 비교하여 피크 값의 크기는 동일 또는 유사하나, 제3 가이드부(141)와 제4 가이드부(142) 사이의 영역, 즉, X-축 좌표가 ‘-25’ 이상이고 ‘+25’이하인 영역에서 그 이외의 영역에 비해 현저하게 높은 전기장 세기를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 즉, 제1 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서의 검정색 곡선 및 빨간색 곡선의 경우, 제3 및 제4 가이드부(141, 142)에 의해 X-축 좌표가 ‘-25’ 미만인 영역과 ‘+25’ 이상인 영역에서 전기장의 세기가 현저하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이는 제1 나노섬유 가이드부(130)와 노즐(112) 팁 사이의 위치에서, 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서 형성된 전기장에 비해 제1 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서 형성된 전기장은 나노섬유의 움직임을 중심 방향으로 집중시켜 나노섬유의 굽힘에 의한 나노섬유의 X-축 방향으로의 움직임을 감소시킬 수 있음을 의미한다. 그 결과, 제2 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 비해 제1 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서는 제3 가이드부(141) 및 제4 가이드부(142)에 의해 나노섬유의 X-축 방향 움직임이 감소되어 나노섬유가 제1 가이드부(131)와 제2 가이드부(132) 사이의 공간으로 더욱 안정적으로 가이드 될 수 있다.
도 15a는 제1 나노섬유가이드부의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)을 변화시키는 경우, X-축 좌표 및 Y-축 좌표가 ‘0’인 지점에서 Z-축 방향으로의 거리(Z-축 좌표)에 따른 Z-축 성분 전기장 세기를 나타내는 그래프이고, 도 15b는 제1 나노섬유가이드부의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격이 16mm, 11mm, 6mm 및 0mm인 경우에, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 세기를 각각 나타내는 그래프들이다.
도 15a에 있어서, 검정색 곡선, 빨강색 곡선, 파란색 곡선 및 녹색 곡선은 제1 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140)를 모두 포함하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서, 제1 나노섬유 가이드부(130)의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부(140)의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)이 0mm, 6mm, 11mm 및 16mm인 경우에서의 전기장 세기를 각각 나타내고, 분홍색 곡선은 제1 나노섬유 가이드(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140) 중 제1 나노섬유 가이드부(130)만을 포함하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서의 전기장 세기를 나타낸다.
도 15b에 있어서, 검정색 곡선, 빨간색 곡선, 파랑색 곡선, 청록색 곡선, 분홍색 곡선, 황갈색 곡선 및 남색 곡선은 Z-축 좌표가 ‘62’, ‘52’, ‘42’, ‘32’, ‘22’, ‘12’ 및 ‘2’인 지점에서의 X-축 좌표에 따른 전기장 세기를 각각 나타낸다.
도 12와 함께 도 15a를 참조하면, 가로축인 Z-축 좌표가 40 이상 60 이하인 위치, 즉, 제1 나노섬유 가이드부(130)와 노즐(112) 팁 사이의 영역에서는 분홍색 곡선에서의 Z-축 성분 전기장 세기가 가장 크고, 검정색 곡선에서의 Z-축 성분 전기장 세기가 가장 작은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 제1 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140)를 모두 포함하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치의 경우, 제1 나노섬유 가이드부(130)와 노즐(112) 팁 사이의 영역에서는 제1 나노섬유 가이드부(130)의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부(140)의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)이 증가할수록 Z-축 성분 전기장의 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이에 반해, Z-축 좌표가 0 이상 10 이하인 위치, 즉, 제1 나노섬유 가이드부(130)와 스테이지부(120) 사이의 영역에서는 검정색 곡선에서의 Z-축 성분 전기장 세기가 가장 크고, 분홍색 주황색 곡선에서의 Z-축 성분 전기장 세기가 가장 작은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 제1 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140)를 모두 포함하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치의 경우, 제1 나노섬유 가이드부(130)와 스테이지부(120) 사이의 영역에서는 제1 나노섬유가이드부(130)의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부(140)의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)이 감소할수록 Z-축 성분 전기장의 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 12와 함께 도 15b를 참조하면, 제1 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140)를 모두 포함하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치에 있어서, 제1 나노섬유 가이드부(130)의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부(140)의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)을 변경시키는 경우, 제2 나노섬유 가이드부(140)가 위치하는 높이에서의 전기장 세기를 나타내는 빨간색 곡선에서 가장 큰 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 빨간색 곡선에 있어서, 제1 나노섬유 가이드부(130)의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부(140)의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)이 ‘0 mm’ 및 ‘6 mm’인 경우, X-좌표가 ‘-25’에서 ‘+25’인 영역, 즉, 제3 가이드부(141)와 제4 가이드부(142) 사이의 영역에서 다른 영역들에 비해 현저하게 높은 전기장 세기를 나타내나, 제1 나노섬유 가이드부(130)의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부(140)의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)이 ‘11 mm’ 및 ‘16 mm’인 경우, X-좌표가 ‘-25’에서 ‘+25’인 영역에서의 전기장 세기는 다른 영역에서의 전기장 세기와 크게 차이가 나지 않는 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 사항을 종합하면, 나노섬유를 제1 나노섬유 가이드부(130)의 제1 가이드부(131)와 제2 가이드부(132) 사이의 영역으로 통과시키기 위해서는 제1 나노섬유 가이드부(130)의 상부면과 제2 나노섬유 가이드부(140)의 하부면 사이의 수직 방향 이격 간격(S)을 약 10mm 이하, 더욱 바람직하게는 약 8mm 이하로 조절하는 것이 바람직하다.
도 16a는 제3 가이드부와 제4 가이드부 사이의 수평 방향 이격 간격을 변화시키는 경우, X-축 좌표 및 Y-축 좌표가‘0’인 지점에서 Z-축 방향으로의 거리(Z-축 좌표)에 따른 Z-축 성분 전기장 세기를 나타내는 그래프이고, 도 16b는 제3 가이드부와 제4 가이드부 사이의 수평 방향 이격 간격이 30mm, 50mm, 70mm 및 90mm인 경우에, X축 위치에 따른 Z축 성분 전기장의 Z축 위치별 세기를 각각 나타내는 그래프들이다.
도 16a에 있어서, 제1 나노섬유 가이드부(130)의 제1 가이드부(131)와 제2 가이드부(132) 사이의 이격 간격(D1)은 ‘30 mm’이고, 검정색 곡선, 빨강색 곡선 및 파랑색 곡선은 제1 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140)를 모두 포함하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서 제3 가이드부(141)와 제4 가이드부(142) 사이의 수평방향 이격 간격(D2)이 ‘50 mm’, '70 mm' 및 ‘90 mm’인 경우의 전기장 세기를 나타내며, 녹색 곡선은 제1 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140) 중 제1 나노섬유 가이드부(130)만을 포함하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치에서의 전기장 세기를 나타낸다.
도 16b에 있어서, 검정색 곡선, 빨간색 곡선, 파랑색 곡선, 청록색 곡선, 분홍색 곡선, 황갈색 곡선 및 남색 곡선은 Z-축 좌표가 ‘62’, ‘52’, ‘42’, ‘32’, ‘22’, ‘12’ 및 ‘2’인 지점에서의 X-축 좌표에 따른 전기장 세기를 각각 나타낸다.
도 12와 함께 도 16a를 참조하면, 가로축인 Z-축 좌표가 30 이상인 영역에서는 녹색 곡선에서의 Z-축 성분 전기장 세기가 가장 크고, 검정색 곡선에서의 Z-축 성분 전기장 세기가 가장 작은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 제1 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140)를 모두 포함하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치의 경우, Z-축 좌표가 30 이상인 영역에서는 제3 가이드부(141)와 제4 가이드부(142) 사이의 수평 방향 이격 간격(D2)이 증가할수록 Z-축 성분 전기장의 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이에 반해, Z-축 좌표가 0 이상 15 이하인 영역에서는 검정색 곡선에서의 Z-축 성분 전기장 세기가 가장 크고, 녹색 곡선에서의 Z-축 성분 전기장 세기가 가장 작은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 제1 나노섬유 가이드부(130)와 제2 나노섬유 가이드부(140)를 모두 포함하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치의 경우, Z-축 좌표가 15 이하인 영역에서는 제3 가이드부(141)와 제4 가이드부(142) 사이의 수평방향 이격 간격(D2)이 감소할수록 Z-축 성분 전기장의 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 12와 함께 도 16b를 참조하면, 제3 가이드부(141)와 제4 가이드부(142) 사이의 수평 방향 이격간격(D2)이 '30 mm'인 경우, 즉, 제3 가이드부(141)와 제4 가이드부(142) 사이의 수평 방향 이격간격(D2)이 제1 가이드부(131)와 제2 가이드부(132) 사이의 수평 방향 이격간격(D1)과 동일한 경우, 빨간색 곡선에서 전기장 세기의 피크값이 다른 경우에 비해 현저하게 낮은 것을 확인할 수 있다. 한편, 제3 가이드부(141)와 제4 가이드부(142) 사이의 수평 방향 이격간격(D2)이 '90 mm'인 경우, 제1 가이드부(131)와 제2 가이드부(132) 사이의 수평 방향 이격간격(D1)보다 지나치게 크므로, 제3 및 제4 가이드부(141, 142)에 의해 가이드된 나노섬유라 할지라도 제1 가이드부(131)와 제2 가이드부(132) 사이의 공간으로 통과하기 어려운 문제점이 발생할 수 있다.
이상의 사항을 종합하면, 제1 가이드부(131)와 제2 가이드부(132) 사이의 수평 방향 이격간격(D1)이 30 mm인 경우, 제3 가이드부(141)와 제4 가이드부(142) 사이의 수평 방향 이격간격(D2)은 약 40 mm 이상 80 mm 이하인 것이 바람직하다. 즉, 제3 가이드부(141)와 제4 가이드부(142) 사이의 수평 방향 이격간격(D2)은 제1 가이드부(131)와 제2 가이드부(132) 사이의 수평 방향 이격간격(D1)의 약 4/3 내지 8/3배인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 섬유 가이드부를 이용하여 나노 섬유에 섬유 가이드부의 연장방향과 평행한 방향으로 힘을 인가하는 전기장을 형성하여 기판 상에 나노섬유를 일 방향으로 배열 및 위치시킬 수 있고, 그 결과 기판 상에 마이크로 스케일의 패턴을 기 설정된 위치에 정확하게 형성할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 제1 전압이 인가되고, 방사용액을 방사하는 노즐;
    상기 노즐 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 제2 전압이 인가되는 스테이지; 및
    상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 배치되고, 상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 노즐로부터 방사된 나노섬유에 상기 스테이지에 평행한 일 방향으로 작용하는 힘을 인가하는 섬유 가이드부를 포함하고,
    상기 섬유 가이드부는,
    상기 노즐의 단부로부터 상기 스테이지에 수직한 방향으로 연장된 가상의 연장선을 기준으로 서로 대칭되게 배치되고, 각각 상기 연장선에 수직한 방향으로 연장된 제1 및 제2 가이드부를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 가이드부는 상대 유전율이 50 이하인 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가이드부는,
    스티로폼 재료, 테프론 재료, 나무 재료, 플라스틱 재료, 유리 재료, 석영 재료, 실리콘산화물 재료로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  3. 제1 전압이 인가되고, 방사용액을 방사하는 노즐;
    상기 노즐 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 제2 전압이 인가되는 스테이지; 및
    상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 배치되고, 상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 노즐로부터 방사된 나노섬유에 상기 스테이지에 평행한 일 방향으로 작용하는 힘을 인가하는 섬유 가이드부를 포함하고,
    상기 섬유 가이드부는,
    상기 노즐의 단부로부터 상기 스테이지에 수직한 방향으로 연장된 가상의 연장선을 기준으로 서로 대칭되고 평행하게 배치되고, 각각 상기 연장선에 수직한 방향으로 연장된 제1 및 제2 가이드부를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 가이드부 각각은 상기 연장선 방향으로의 두께가 5 mm를 초과하고 상기 제1 및 제2 가이드부의 연장 방향으로의 길이가 10mm 이상 70mm 이하인 직육면체 막대 형상을 가지며,
    상기 제1 및 제2 가이드부 각각은 금속으로 형성된 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  4. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 노즐의 단부와 상기 제1 및 제2 가이드부의 상부면이 위치하는 가상의 면 사이의 거리는 상기 노즐 단부와 상기 노즐단부에 형성되는 방추형상의 테일러 콘으로부터 나노섬유가 형성되는 지점까지의 거리보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가이드부 각각은 상기 연장선 방향으로의 두께가 5 mm를 초과하는 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가이드부 각각의 두께는 10mm 이상인 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가이드부는 연장 방향으로의 길이가 10mm 이상 70mm 이하인 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  8. 제1 전압이 인가되고, 방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 노즐;
    상기 노즐 하부에 배치되어 패턴이 형성될 기판을 지지하고 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되는 스테이지부;
    상기 노즐과 상기 스테이지부 사이에서 상기 노즐의 연장선을 사이에 두고 서로 이격되게 배치된 제1 가이드부 및 제2 가이드부를 포함하고, 상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 나노섬유를 상기 제1 및 제2 가이드부 사이의 영역에 대응하는 방향으로 배열시키는 제1 나노섬유 가이드부; 및
    상기 제1 가이드부 및 상기 제2 가이드부 상부에 각각 배치되고 서로 이격된 제3 가이드부 및 제4 가이드부를 포함하고, 상기 노즐과 상기 스테이지 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 나노섬유를 상기 제1 및 제2 가이드부 사이의 영역으로 가이드하는 제2 나노섬유 가이드부를 포함하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 가이드부와 상기 제2 가이드부는 상기 노즐로부터 상기 스테이지부에 수직한 방향으로 연장된 가상의 연장선을 사이에 두고 각각 제1 방향으로 연장되고,
    상기 제3 가이드부와 상기 제4 가이드부는 상기 가상의 연장선을 사이에 두고 각각 상기 제1 방향으로 연장되며,
    상기 제1 가이드부, 제2 가이드부, 제3 가이드부 및 제4 가이드부 각각은 상대 유전율이 50 이하인 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가이드부와 상기 제3 및 제4 가이드부 각각은 스티로폼 재료, 테프론 재료, 나무 재료, 플라스틱 재료, 유리 재료, 석영 재료, 실리콘산화물 재료 및 금속 재료로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제3 및 제4 가이드부의 상부면은 상기 나노섬유의 굽힘 현상이 발생하는 지점보다 높게 위치하는 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가이드부의 상부면과 상기 제3 및 제4 가이드부의 하부면은 서로 접촉하거나 10 mm 이하의 간격으로 이격된 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 가이드부와 상기 제2 가이드부 사이의 제1 이격간격은 상기 제3 가이드부와 상기 제4 가이드부 사이의 제2 이격간격은 보다 작은 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제2 이격간격은 상기 제1 이격간격의 4/3 내지 8/3배인 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
  15. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 나노섬유 가이드부를 상하좌우 방향으로 이동시킬 수 있는 제1 위치 조정부; 및
    상기 제1 나노섬유 가이드부와 독립적으로 제2 나노섬유 가이드부를 상하좌우 방향으로 이동시킬 수 있는 제2 위치 조정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 방식 패턴 형성 장치.
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