KR101590263B1 - 전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 장치 및 그 방법 - Google Patents

전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 장치 및 그 방법 Download PDF

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신범준
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서울대학교산학협력단
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Abstract

전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 장치는, 일단에서 폴리머 젯이 방사되는 시린지 팁; 상기 폴리머 젯의 방사 방향 측에 위치되되, 상기 시린지 팁과의 거리가 0보다 크고 200μm 이하이며, 상기 시린지 팁과의 사이에서 전기장을 형성하는 기판; 및 3차원 공간에서 상기 시린지 팁 또는 상기 기판을 수평 이동 및 수직 이동시킬 수 있는 이동 장치를 포함하며, 상기 시린지 팁으로부터 방사되는 상기 폴리머 젯이 상기 기판의 상측에서 이동하며 적층된다.

Description

전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 장치 및 그 방법{THREE DIMENSIONAL PATTERN FABRICATION APPARATUS AND METHOD USING ELECTROJETTING}
본 발명은 전기 방사를 이용하여 나노 스케일의 3차원 패턴을 형성하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 나노젯의 전기 방사법에 내재된 불안정성을 극복하고, 안정적인 3차원 패턴을 형성할 수 있는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
반도체 집적 회로, 촬상 소자, 또는 액정 디스플레이 등의 각종 디바이스를 제조하는데 이용되는 리소그래피(lithography) 기술은 각종 미세 가공 공정의 핵심기술이다. 하지만, 이러한 리소그래피 기술은 공정이 복잡하고 많은 비용이 소요된다는 단점이 있다.
즉, 종래의 리소그래피 기술은, 복수의 층(layer)이 적층되어 이루어지는 하나의 디바이스를 제작하는데 있어서, 하나의 층을 형성하기 위해, 마스크를 제작하고, 재료에 포토레지스트(PR, Photo Resist)를 입힌 후, 마스크의 패턴을 재료에 전사하는 노광 공정 등을 거쳐야 하는 등 그 공정이 복잡하고 번잡하다.
이러한 비효율성을 줄이기 위하여, 다양한 나노 제조 기술들이 연구되기 시작하였다. 나노 제조 기술은 마스크없이 특정 물질을 대상물에 직접 적층(direct deposition)할 수 있는 기술로서, STM(Scanning Tunneling Microscope) 또는 AFM(Atomic Force Microscope)를 활용한 기술이나 ALD(Atomic Layer Deposition) 기술 등이 있다.
또한, DPN(Dip Pen Nanolithography) 기술이나 잉크젯 프린팅(Inkjet Printing) 기술도 제안되고 있다. 하지만, DPN 기술은 매우 세밀한 해상도를 달성할 수 있는 장점이 있으나 속도가 매우 느린 단점이 있으며, 잉크젯 프린팅 기술은 속도가 빠른 장점을 가지고 있으나 해상도를 낮출 수 없는 단점을 가지고 있다. 따라서, 이러한 기술들은 점점 정밀화됨과 동시에 대형화되어 가고 있는 리소그래피 기술의 추세에 맞추어 적용되기에는 문제점이 있다.
따라서, 새롭게 제안되고 있는 방법 중의 하나로서, 전기 방사법(electrospinning)을 통해 뽑아낸 폴리머 젯을 이용하여 나노 패턴을 형성하는 방법이 있다. 이 때, 전기 방사법은 폴리머 액적(polymer droplet)에 강한 전기장을 걸어줌으로써, 나노 스케일의 폴리머 젯(polymer jet)을 얻는 방법을 말한다.
도 1은 전기 방사법을 통해 나노 스케일의 폴리머 젯을 뽑아내는 상태를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 폴리머 액적(polymer droplet)(1)에 강한 전기장을 걸어주면, 액체 내의 분극 현상으로 인해 액체 내 분자들 사이에 서로를 밀어내는 척력이 발생하고, 결국에는 액적의 끝에서 가느다란 굵기의 폴리머 젯(3)이 방사되게 된다.
이러한 전기 방사법에 의하면 지름 1㎛ 이하의 가는 섬유를 손쉽게 얻을 수 있으므로, 전기 방사법은 필터, 약물 전달, 보호복 재질, 세포 증식 등 작은 스케일의 섬유가 필요한 분야에서 새롭게 주목받고 있는 기술이다.
여기서, 이러한 전기 방사법을 이용하여 나노 패턴을 형성하기 위해서는, 폴리머 젯이 안정적으로 공급되어야 함과 동시에 패턴이 형성되는 면에 폴리머 젯이 정연히 위치될 수 있어야 한다.
하지만, 도 2에 도시된 바와 같이, 시린지(5)로부터 전기 방사로 방사되는 폴리머 젯(3)은 그 표면에 존재하는 전하들의 자체 반발에 의하여 방사되어 매우 불안정한 궤적을 그리며 날아가게 되고[위핑(whipping) 현상], 그 결과, 패턴이 형성되어야 하는 면(7)에 폴리머 젯이 정연히 형성될 수 없어 3차원 나노 패턴의 형성에 적용되기에 곤란한 점이 있었다.
한편, 특허문헌 1과 같이, 바늘과 같은 날카로운 팁 위에 폴리머를 쌓아 올리는 방안도 제안되었으나, 3차원적인 구조물을 형성하는데는 한계가 있었다.
특허문헌 1: 한국 공개특허공보 제2010-0119630호(2010.11.10)
본 발명은 나노젯의 전기 방사법에 내재된 불안정성을 극복하고, 안정적인 3차원 패턴을 형성할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 방법들은 하기의 설명에 의해 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의하여 보다 분명하게 알 수 있다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 일단에서 폴리머 젯이 방사되는 시린지 팁; 상기 폴리머 젯의 방사 방향 측에 위치되되, 상기 시린지 팁과의 거리가 0보다 크고 200μm 이하이며, 상기 시린지 팁과의 사이에서 전기장을 형성하는 기판; 및 3차원 공간에서 상기 시린지 팁 또는 상기 기판을 수평 이동 및 수직 이동시킬 수 있는 이동 장치를 포함하며, 상기 시린지 팁으로부터 방사되는 상기 폴리머 젯이 상기 기판의 상측에서 이동하며 적층되는, 전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 장치가 제공된다.
상기 3차원 패턴 형성 장치는, 상기 기판이 상기 시린지 팁과 반대 극성으로서 기능하도록 상기 기판에 특정 극성을 갖는 전압을 인가하는 전압 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 전압 공급부는, 상기 시린지 팁으로부터 상기 폴리머 젯이 방사되지 않도록 상기 기판으로 인가하는 전압의 크기를 0, 또는 0.2kv 이하로 제어할 수 있다.
상기 이동 장치는, 상기 시린지 팁으로부터 상기 폴리머 젯이 방사되지 않도록 상기 시린지 팁을 상기 방사 방향의 반대 방향으로 수직 이동시키거나 상기 기판을 상기 방사 방향으로 수직 이동시킬 수 있다.
상기 이동 장치는, 상기 시린지 팁으로부터 상기 폴리머 젯이 방사되는 과정에서 상기 시린지 팁과 상기 기판에 적층된 상기 폴리머 젯 사이의 거리가 일정하게 유지될 수 있도록 상기 시린지 팁을 상기 방사 방향의 반대 방향으로 수직 이동시키거나 상기 기판을 상기 방사 방향으로 수직 이동시킬 수 있다.
상기 시린지 팁의 내경은, 0보다 크고 200μm 이하일 수 있다.
상기 시린지 팁이 비금속 재질로 이루어질 경우, 상기 시린지 팁의 외면은 금속막으로 코팅될 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따르면, 시린지 팁과 기판 사이의 거리가 0보다 크고 200μm 이하가 되도록 상기 시린지 팁이 상기 기판의 상측에 위치되는 단계; 상기 시린지 팁과 상기 기판 사이의 전기장에 의해 상기 시린지 팁으로부터 폴리머 젯이 방사되는 단계; 이동 장치가 3차원 공간에서 상기 시린지 팁 또는 상기 기판을 수평 이동 또는 수직 이동시키는 단계; 및 상기 시린지 팁으로부터 방사되는 상기 폴리머 젯이 상기 기판의 상측에서 이동하며 적층되는 단계를 포함하는, 전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 방법이 제공된다.
상기 3차원 패턴 형성 방법은, 상기 기판이 상기 시린지 팁과 반대 극성으로서 기능하도록 전압 공급부가 상기 기판에 특정 극성을 갖는 전압을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 3차원 패턴 형성 방법은, 상기 시린지 팁으로부터 상기 폴리머 젯이 방사되지 않도록 상기 전압 공급부가 상기 기판으로 인가하는 전압의 크기를 0, 또는 0.2kv 이하로 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 3차원 패턴 형성 방법은, 상기 시린지 팁으로부터 상기 폴리머 젯이 방사되지 않도록 상기 이동 장치가 상기 시린지 팁을 상기 방사 방향의 반대 방향으로 수직 이동시키거나 상기 기판을 상기 방사 방향으로 수직 이동시킬 수 있다.
상기 3차원 패턴 형성 방법은, 상기 시린지 팁으로부터 상기 폴리머 젯이 방사되는 과정에서 상기 시린지 팁과 상기 기판에 적층된 상기 폴리머 젯 사이의 거리가 일정하게 유지되도록 상기 이동 장치가 상기 시린지 팁을 상기 방사 방향의 반대 방향으로 수직 이동시키거나 상기 기판을 상기 방사 방향으로 수직 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 폴리머 젯의 전기 방사법에 내재된 불안정성을 극복하고 폴리머 젯의 위핑 불안정성을 억제함과 동시에 폴리머 젯이 자기 적층되며 안정적으로 3차원 패턴을 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 전기 방사법을 통해 폴리머 젯을 뽑아내는 상태를 나타낸 도면
도 2는 전기 방사법을 통해 불안정한 폴리머 젯이 방사되는 상태를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치의 개략도
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치에 있어서, 제 3 전극판의 형상을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치에 의해 3차원 패턴이 적층되는 상태를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치에 의해 형성된 3차원 패턴의 예시도
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 방법의 순서도
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치에 의해 형성된 3차원 패턴의 다른 예시도
도 9은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치의 개략도
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치에 있어서, 제 3 전극판의 형상을 나타낸 도면
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 방법의 순서도
도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치에 의해 형성된 3차원 패턴의 예시도
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치에 의해 형성된 3차원 패턴의 다른 예시도
도 14는 본 발명의 제 3 실시에에 따른 3차원 패턴 형성 장치의 개략도
도 15는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치에 있어서, 시린지 팁과 기판 사이의 거리가 30μm인 경우를 나타낸 도면
도 16은 도 15에 있어서, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치에 의해 형성된 3차원 패턴의 예시도
도 17은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치에 있어서, 시린지 팁과 기판 사이의 거리가 10μm인 경우를 나타낸 도면
도 18은 도 17에 있어서, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치에 의해 형성된 3차원 패턴의 예시도
도 19은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치에 있어서, 시린지 팁과 기판 사이의 거리가 5μm인 경우를 나타낸 도면
도 20은 도 19에 있어서, 폴리머 젯의 프린팅(printing) 속도가 0.1mm/s, 0.3mm/s, 0.5mm/s인 경우 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치에 의해 형성된 3차원 패턴을 각각 도시한 도면
도 21은 폴리머 젯의 프린팅(printing) 속도가 0.1mm/s인 경우 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치에 의해 형성된 3차원 패턴의 다른 예시도
도 22는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 방법의 순서도
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하 실시예는 진보적인 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적 실시예에 불과하며 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(100)의 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(100)는 일단에서 폴리머 젯(110)이 방사되는 시린지 팁(120), 폴리머 젯(110)의 방사 방향 측에 위치되는 전극판(130), 및 시린지 팁(120) 또는 전극판(130)을 이동시킬 수 있는 이동 장치(140)를 포함한다.
시린지 팁(120)은 일단에서 폴리머 젯(110)을 방사시키기 위한 장치이다. 시린지 팁(120)은 펌프(124)에 의해 폴리머 저장소(122)로부터 폴리머를 공급받을 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 폴리머는, 예를 들어 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐리덴플루오로-헥사플루오로프로필렌(PVDF-HFP), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸 메타아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리스티렌(PS), 폴리아닐린(PANi), 폴리비닐클로라이드(PVDC), 폴리부타디엔(PB), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리이소부틸(PIB), 에틸렌-프로필렌-디엔(EPDM) 중 어느 하나가 될 수 있다. 다만, 폴리머의 종류가 이에 한정되는 것은 아니며 상술한 폴리머 이외에 다양한 고분자 물질이 사용될 수 있다.
펌프(122)는 폴리머 저장소(122) 내의 유량 내지 압력을 정밀하게 제어하여, 시린지 팁(120)의 끝단(126)에 폴리머 액적(112)이 맺혀지도록 할 수 있다. 이후, 시린지 팁(120)과 전극판(130) 사이에 인가된 전기장에 의해 시린지 팁(120)에 맺혀진 폴리머 액적(112)으로부터 폴리머 젯(110)이 안정적으로 방사될 수 있다. 여기서, 시린지 팁(120)은 양극(+)으로 기능하고 전극판(130)은 음극(-)으로 기능할 수 있으며, 시린지 팁(120)에 맺혀진 폴리머 액적(112)의 폴리머 입자들은 충전되는 양전하로 인해 자체 반발력을 가짐과 동시에, 전극판(130)에 충전되는 음전하와의 전기적인 인력으로 인해 전극판(130) 쪽으로 정연히 방사될 수 있다. 여기서, 폴리머 젯(110)은 예를 들어, 나노 스케일을 갖는 나노 폴리머 젯 일 수 있다.
시린지 팁(120)에는 전압 공급부(H1)가 직접 연결될 수 있으며, 이에 따라 시린지 팁(120)은 양극(+)으로서 기능하며 전극판(130)은 접지되어 음극(-)으로서 기능할 수 있다. 시린지 팁(120)에 공급되는 전압은 예를 들어, 1 kv ~ 3 kv일 수 있으나, 공급되는 전압의 크기가 이에 한정되는 것은 아니다.
시린지 팁(120)의 내경은 200μm 이하로서, 예를 들어 5μm 내지 30μm 가 될 수 있다. 이에 따라, 시린지 팁(120)으로부터 나노 스케일의 폴리머 젯(110)이 방사될 수 있다.
전극판(130)은 기판(150) 상에 형성되며, 시린지 팁(120)과의 사이에서 전기장을 형성함으로써 폴리머 젯(110)이 안정적으로 방사되도록 한다. 전극판(130)은 도전성을 가진 금속으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 구리(Cu), 백금(Pt) 등으로 형성될 수 있다. 이하에서는 전극판(130)이 백금(Pt)으로 형성된 경우를 주로 하여 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전극판(130)은 제 1 전극판(132), 제 2 전극판(134), 및 제 3 전극판(136)을 포함할 수 있다. 제 1 전극판(132) 및 제 2 전극판(134)은 판 형상으로 형성될 수 있으며, 제 3 전극판(136)은 제 1 전극판(132) 및 제 2 전극판(134)과 각각 연결되는 띠 형상으로 형성될 수 있다.
제 1 전극판(132) 또는 제 2 전극판(134)은 그 상측에 시린지 팁(120)이 머물면서, 전기 방사에 의해 시린지 팁(120)으로부터 방사되는 폴리머 젯(110)이 안정화되도록 한다. 제 3 전극판(136)은 그 상측에 폴리머 젯(110)이 왕복되며 적층될 수 있도록 한다.
여기서, 제 3 전극판(136)은 패턴 형성부(P)를 포함할 수 있다. 패턴 형성부(P)는 제 3 전극판(136)의 길이방향의 일부일 수 있다. 패턴 형성부(P)에 폴리머 젯(110)이 점착됨으로써 3차원 패턴이 형성될 수 있다. 즉, 시린지 팁(120)이 패턴 형성부(P)의 상측을 상대적으로 왕복 이동함으로써, 시린지 팁(120)으로부터 방사되는 폴리머 젯(110)이 패턴 형성부(P)에 점착되고 적층됨으로써 3차원 패턴을 형성할 수 있다.
제 1 전극판(132) 및 제 2 전극판(134)은, 시린지 팁(120)이 이러한 패턴 형성부(P)의 상측을 상대적 왕복 이동하기 전 또는 그 과정 중에, 방사되는 폴리머 젯(110)을 안정화시키기 위해 시린지 팁(120)이 정지되는 위치에서 시린지 팁(120)과 전기장을 형성하는 기능을 한다. 일 예로, 시린지 팁(120)이 전극판(130)의 상측을 상대적으로 이동함에 있어서, 시린지 팁(120)은, 제 1 전극판(132)의 상측에 잠시 머무르다가 방사되는 폴리머 젯(110)이 안정화된 후 제 3 전극판(136) 쪽으로 상대적으로 이동하게 되며, 그 후, 패턴 형성부(P)의 상측을 상대적으로 왕복 이동하면서 3차원 패턴이 형성되게 할 수 있다.
이동 장치(140)는 시린지 팁(120) 또는 전극판(130)을 이동시킴으로써, 전극판(130)에 대한 시린지 팁(120)의 상대적 이동이 가능하게 한다. 구체적으로, 이동 장치(140)는 제 1 전극판(132), 제 2 전극판(134), 및 제 3 전극판(136) 사이에서 시린지 팁(120)이 상대적으로 이동하는 것과, 패턴 형성부(P) 상측에서 시린지 팁(120)이 상대적으로 왕복 이동하는 것이 가능하도록, 시린지 팁(120) 또는 전극판(130)을 이동시킬 수 있다. 또한, 이동 장치(140)는 기판(150)을 이동시킬 수도 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이동 장치(140)는 전극판(130)을 이동시켜 이러한 상대적 이동이 가능하게 할 수 있음은 물론, 시린지 팁(120)을 이동시켜 이러한 상대적 이동이 가능하게 할 수도 있다. 또한, 전극판(130)을 이동시킴에 있어서, 이동 장치(140)가 전극판(130) 자체를 이동시킬 수 있음은 물론이나, 이하에서는, 이동 장치(140)가 전극판(130)이 상부에 형성된 기판(150)을 이동시키는 경우에 대하여 대표적으로 설명하도록 한다.
이동 장치(140)는 리니어 모터(미도시) 등이 수용되는 본체부(142), 리니어 모터와 연동되어 기판(150)을 이동시킬 수 있는 연결부(144)를 포함할 수 있다. 연결부(144)는 본체부(142) 내부로부터 연장되어 기판(150)과 결합될 수 있다. 본체부(142)에는 연결부(144)의 평행이동을 안내할 수 있는 안내 개구(146)가 형성되어 있을 수 있다. 이로써, 도 3에 도시된 바와 같이, 이동 장치(140)는 기판(150)을 평행하게, 즉 화살표 A 방향(도 3에서, 좌우 평행한 방향)으로 이동시킬 수 있다. 이러한 기판(150)의 이동에 따라, 기판(150) 상에 형성되어 있는 전극판(130)도 이동된다. 이로써, 시린지 팁(120)에 대한 전극판(130)의 상대적 이동이 가능하게 된다. 여기서, 상대적 이동이란 시린지 팁(120)이 제 1 전극판(132)에서 제 3 전극판(136)으로, 제 3 전극판(136)에서 제 2 전극판(134)으로, 또는 그 반대 방향으로 상대적으로 이동되는 것을 포함하며, 나아가, 제 3 전극판(136) 상의 패턴 형성부(P) 상측에서 왕복 이동되는 것도 포함한다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(100)에 따르면, 이동 장치(140)가 폴리머 젯(110)이 방사되는 시린지 팁(120)에 대하여 전극판(130)을 왕복 이동시킬 수 있도록 함으로써, 제 3 전극판(136)에 마련되는 패턴 형성부(P)에 3차원 패턴이 형성될 수 있다.
구체적으로, 시린지 팁(120)과 전극판(130) 사이에 형성된 전기장에 의해, 시린지 팁(120)의 일단에 맺혀진 폴리머 액적(112)으로부터 폴리머 젯(110)의 방사가 이루어지게 된다. 여기서, 제 1 전극판(132), 제 3 전극판(136), 및 제 2 전극판(134)이 서로 연결된 상태로 접지되어 있으므로, 시린지 팁(120)이 제 3 전극판(136)의 패턴 형성부(P) 상측을 왕복 이동하게 되면, 방사되는 폴리머 젯(110)이 패턴 형성부(P)를 따라 적층되면서 3차원 패턴이 형성될 수 있게 된다.
즉, 전압 공급부(H1)에 의해 시린지 팁(120)이 양극으로서 기능하여, 폴리머 액적(112)은 양(+)전하로 충전되고, 폴리머 젯(110)은 양전하로 충전된 상태에서 방사되게 된다. 이때, 전극판(130)이 접지되어 음극으로서 기능하므로, 폴리머 젯(110)은 전극판(130) 쪽으로 유도, 즉 당겨져 붙게 된다. 이로써, 시린지 팁(120)으로부터 방사되는 폴리머 젯(110)은 안정적으로 전극판(130)에 당겨져 붙을 수 있다.
이때, 시린지 팁(120)이 고정된 상태에서, 전극판(130)이 이동 장치(140)에 의하여 패턴 형성부(P) 상에서 왕복 이동하게 되면, 패턴 형성부(P) 상으로 유도되는 폴리머 젯(110)이 적층되면서 3차원 패턴이 형성될 수 있다. 패턴 형성부(P)는 제 3 전극판(136)의 일부로서 마련되며, 소정의 폭을 가지는 장방향으로 긴 형상을 가질 수 있다. 소정의 폭은 예를 들어, 20μm일 수 있다. 여기서, 시린지 팁(120)과 제 3 전극판(136)의 사이에 형성된 전기장에 있어서, 전기장의 분포가 제 3 전극판(136)의 중심 방향으로 향하기 때문에, 폴리머 젯(110)은 제 3 전극판(136)의 폭방향 중심쪽, 구체적으로 패턴 형성부(P)의 폭방향 중심부 쪽으로 당겨져 붙게 된다. 나아가, 폴리머가 고전압의 양전하로 충전되어 있으므로, 제 3 전극판(136)에는 유도 전하(induced charge)가 존재하게 되고, 이러한 유도 전하량은 백금으로 형성된 제 3 전극판(136)에 많이 형성되기 때문에, 폴리머 젯(110)은 제 3 전극판(136)의 방향으로 강하게 끌리게 된다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(100)에 있어서, 제 3 전극판(136)의 형상을 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(100)에 의해 3차원 패턴이 적층되는 상태를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 제 3 전극판(136)[적어도 패턴 형성부(P)]은 소정의 폭을 가지는 직선 형상(136a)으로 형성될 수 있다. 이 경우, 폴리머 젯(110) 또한 이러한 제 3 전극판(136)의 형상에 맞도록 제 3 전극판(136)의 폭방향 중심으로 당겨지게 되며, 패턴 형성부(P) 상에 직선 형상의 벽과 같은(wall-like) 형상을 갖는 3차원 패턴으로서의 나노벽(nano-wall)이 형성될 수 있게 된다.
한편, 폴리머 젯(110)이 방사되는 방향은 도 3에서 상하 방향인 반면, 폴리머 젯(110)이 패턴 형성부(P)에서 적층되는 방향은 좌우 방향인 바, 제 3 전극판(136)으로 당겨진 폴리머 젯(120)은 패턴 형성부(P)에 적층되기 직전에 90도로 꺾이는 벤딩(bending)을 경험하게 된다. 폴리머 젯(110)은 이러한 벤딩에 의한 반력에 의해 직진성을 가지게 되며, 패턴 형성부(P)를 따라 더욱 전진할 수 있게 된다.
또한, 3차원 패턴이 형성되는 과정에서, 패턴 형성부(P)가 시린지 팁(120)에 대하여 왕복 이동되므로, 폴리머 젯(110)이 패턴 형성부(P)의 단부까지 전진된 후에는 180도 회전, 즉 방향을 바꾸어 패턴 형성부(P) 상을 다시 지나가게 되는 바, 폴리머 젯(110)이 패턴 형성부(P) 상에 적층될 수 있게 된다. 더욱이, 폴리머 젯(110)은, 패턴 형성부(P) 상에 적층된 후, 전극판(130)이 접지된 영향으로 전기적으로 중화됨과 동시에 반대 전하를 얻어 새롭게 적층될 폴리머 젯(110)을 당기게 된다. 그 결과, 폴리머 젯(110)은 패턴 형성부(P) 상에 용이하게 적층되게 된다.
이로써, 도 5에 도시된 바와 같이, 시간이 지남에 따라 폴리머 젯(110)이 계속적으로 수직하게 적층될 수 있게 된다. 참고로, 도 5는 폴리머 젯(110)이 적층된 형상을 측면에서 관찰한 것이며, 기판(150)의 상측에서 시간이 지남에 따라 폴리머 젯(110)이 적층되는 것을 보여주고 있다. 기판(150)의 하측에 촬영된 영상은 상측 영상이 반사되어 촬영된 것이다.
또한, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 제 3 전극판(136)[적어도 패턴 형성부(P)]은 소정의 폭을 가지는 장방향의 파형 형상(136b)으로 형성될 수도 있다. 이 경우, 이에 맞추어 유도되는 폴리머 젯(110) 또한 파형 형상의 나노벽을 형성할 수 있게 된다. 이에 따라, 시린지 팁(120)으로부터 방사되는 폴리머 젯(110)은 제 3 전극판(136)의 패턴 형성부(P)의 구체적인 형상을 따라 적층됨으로써, 3차원 나노 패턴을 형성할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(100)에 의해 형성된 3차원 패턴(160)의 예시도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 적층된 3차원 패턴(160)은, 양 끝단에 타원 형상의 환형 적층부(162)가 형성된다. 즉, 폴리머 젯(110)이 패턴 형성부(P) 상부에서 왕복 이동에 의하여 적층될 때, 폴리머 젯(110)이 양 끝단에서 이동 방향이 전환되기 때문에, 그 전환 과정에서 환형 적층부(162)가 형성되게 된다. 이러한 환형 적층부(162)는 3차원 패턴(160)의 중간부(164)의 적층 높이의 대략 1/2 이 되며, 이는 환형 적층부(162)에서 폴리머 젯(110)이 겹쳐져 쌓이지 못하고 타원 형상에서 양분되어 쌓이기 때문이다.
이 때, 폴리머 젯(110)이 안정적으로 방사되어 3차원 패턴을 형성하기 위해서, 폴리머 젯(110)의 방사 속도는 예를 들어, 10 ~ 50mm/s 일 수 있다. 만약, 폴리머 젯(110)의 방사 속도가 10mm/s 미만이 되면, 3차원 패턴의 형성이 지연되게 되고, 50 mm/s 이상이 되면, 폴리머 젯(110)의 굵기가 가늘어져, 결국 폴리머 젯(110)의 제어가 어려워지게 된다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 방법의 순서도이다.
먼저, 시린지 팁(120)이, 제 1 전극판(132) 또는 제 2 전극판(134)의 상측에 위치된다(S11). 이 상태에서, 시린지 팁(120)에 고전압, 예를 들어 3 ~ 4 kV의 전압을 인가하면, 시린지 팁(120)의 폴리머 액적(112)이, 접지되어 있는 제 1 전극판(132) 쪽으로 전기적 인력을 받게 되어, 폴리머 젯(110)이 방사되게 된다(S12). 초기 방사되는 폴리머 젯(110)은 빠른 속도, 예를 들어 50 mm/s 이상의 빠른 속도로 분사되기 때문에, 일단 폴리머 젯(110)이 방사되기 시작하면, 시린지 팁(120)에 인가되는 전압을, 예를 들어 1.2 ~ 1.8 kv로 낮추어 폴리머 젯(110)의 속도를 늦추며 안정화시킨다. 여기서, 폴리머 젯(110)의 방사가 안정적으로 될 때까지, 예를 들어 1 ~ 2 분동안 시린지 팁(120)은 제 1 전극판(132) 또는 제 2 전극판(134)의 상측의 위치에 고정되어 위치할 수 있다. 단, 시린지 팁(120)이 제 1 전극판(132) 또는 제 2 전극판(134)의 상측의 위에 고정 위치되는 시간은 상기 1 ~ 2 분에 한정되지 않고 더 짧거나 길 수 있다.
시린티 팁(120)으로부터 방사되는 폴리머 젯(110)이 안정화되면, 시린지 팁(120)이, 제 1 전극판(132) 또는 제 2 전극판(134)과 연결되어 있는 제 3 전극판(136)의 패턴 형성부(P)로 위치되게 된다(S13). 이는 시린지 팁(120)을 이동시킴으로써 달성될 수 있을 뿐만 아니라, 전극판(130)이 상부에 형성된 기판(150)을 이동시킴으로써 달성될 수도 있다.
다음으로, 시린지 팁(120)이 제 3 전극판(136)의 패턴 형성부(P) 상측에서 패턴 형성부(P)에 대하여 상대적으로 왕복 이동하게 되고, 이에 따라, 시린지 팁(120)으로부터 방사되는 폴리머 젯(110)이 적층되어(S14) 패턴 형성부(P)의 상부에 3차원 패턴이 형성되게 된다. 마지막으로, 3차원 패턴이 형성된 이후에는, 시린지 팁(120)이 상대적으로 이동하여 제 1 전극판(132) 또는 제 2 전극판(134) 상에 위치될 수 있다.
이하에서는, 도 3 내지 도 7에 따른 실시 형태를 구현하기 위한 실시예를 구체적으로 설명하도록 한다.
* 실시예
본 실시예에서는, 기판(150)으로서, 가로 35mm 및 세로 10mm 크기의 유리(Glass)판을 사용하며, 제 1 전극판(132), 제 2 전극판(134), 및 제 3 전극판(136)을 포토레지스트(photoresist) 공정 및 스퍼터링(sputtering) 공정을 이용하여 형성한다.
여기서, 전극판(130)의 형성 과정을 보다 구체적으로 설명하면, 기판(150) 상에 직사각형 형상의 백금(Pt)막을 가로 10mm 및 세로 10mm로 코팅하여 제 1 전극판(132) 및 제 2 전극판(134)을 각각 형성하고, 제 1 전극판(132) 및 제 2 전극판(134)의 사이에 제 1 전극판(132)과 제 2 전극판(134)을 연결하는, 20μm의 폭을 갖는 백금(Pt)선을 형성하여 제 3 전극판(136)을 형성한다. 구체적으로, 제 1 전극판(132) 및 제 2 전극판(134)이 제 3 전극판(136)과 연결되는 제 1 전극판(132) 및 제 2 전극판(134)의 부분과 제 3 전극판(136)이 형성될 부분에, 포토레지스트로 20㎛의 그루브(groove)를 만들고, 그 위에 백금 선을 대략 30~40 nm 두께로 증착시킨 후, 리프트-오프(lift-off) 방식으로 포토레지스트를 제거함으로써, 기판(150) 위에 20㎛의 폭을 갖는 제 3 전극판(136)을 형성한다. 본 실시예에서 사용한 폴리머 용액은 PEO(Poly Ethylene Oxide)(Mv=300,000) 5 wt%이며, 펌프(124)는 Picoplus, Harvard Apparatus 제품을 사용한다.
패턴 형성부(P)에 폴리머 젯(110)이 적층되는 과정에서, 시린지 팁(120)에 공급되는 전압은 1.2 ~ 1.8 kV, 일 예로 1.6 kV로 한다. 시린지 팁(120)과 기판(150) 사이의 거리는, 형성하고자 하는 3차원 나노 패턴의 크기 및 시린지 팁(20)에 가해지는 전압 등을 고려하여 다양하게 선택할 수 있으며, 1mm ~ 5mm 사이일 수 있으나, 본 실시예에서는, 시린지 팁(120)과 기판(150) 사이의 거리는 2mm ~ 3mm로 한다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(100)는 상대 습도 50% 이하의 환경에서 사용될 수 있으며, 펌프(124)에 의하여 공급되는 폴리머는 대략 5 ~ 10 μL/h로 한다. 폴리머 젯(110)의 방사 속도는 10 ~ 40 mm/s로 하고, 그 직경은 180 nm가 되도록 한다. 이 경우, 폴리머 젯(110)의 유량은 대략 2.6 nL/h이 된다. 이 때, 시린지 팁(120)에서 방사되는 폴리머의 유량은 펌프(124)에 의해 공급되는 유량보다 많기 때문에 시린지 팁(120) 단부의 폴리머 액적(112)의 크기는 시간에 따라 조금씩 커지게 된다. 만약 펌프(124)에 의하여 공급되는 폴리머 유량이 폴리머 젯(110)으로 방사되는 유량과 폴리머 액적(112)에서 증발되는 유량의 합과 비슷하거나 그보다 작은 경우에는, 시간이 지남에 따라 폴리머 액적(112)의 표면이 말라 점성이 높아지게 되므로, 폴리머 젯(110)으로 방사되지 못하고 굳거나 여러 갈래의 멀티 젯(multi-jet)으로 방사되므로 장치가 정상적으로 작동하지 못하게 될 수 있다. 또한, 펌프(124)에 의하여 공급되는 폴리머의 유량이 10 μL/h를 초과하여 커지게 되면, 폴리머 액적(112)이 빠른 속도로 커지게 되고, 이로 인해 폴리머 액적(112) 표면의 수분 함유량이 많아지게 되어 점성이 낮아지게 되면, 분사되는 젯의 속도가 50 mm/s 이상으로 상대적으로 빨라지게 되어 폴리머 젯(110)의 굵기가 가늘어져 제어하기 어려운 문제가 발생할 수 있다.
본 실시예에서, 이동 장치(140)가 기판(150)을 왕복 이동시키는 간격은 1 mm로 하고, 총 50회 왕복하였다. 이동 장치(140)에 의해 기판(150)이 왕복(또는 이동)되는 속도는 폴리머 젯(110)이 방사되는 속도와 동일하거나, 실질적으로 동일하게 하였다. 만약, 폴리머 젯(110)의 속도가 기판(150)의 속도보다 빠른 경우에는, 폴리머 젯(110)이 기판(150)보다 더 빠르게 수평 이동을 하게 되어, 폴리머 젯(110)의 방향 전환 시점이 빨라져 정상적인 3차원 패턴 형성이 어려워지고, 폴리머 젯(110)의 속도가 기판(150)의 속도보다 느린 경우에는, 폴리머 젯(110)이 당겨져 늘어나게 되어 정상적인 3차원 패턴 형성이 어려워지게 된다.
본 실시예에 따라 형성된 3차원 패턴은 도 8에 도시된 바와 같다.
도 9은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(200)의 개략도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(200)는 일단에서 폴리머 젯(110)이 방사되는 시린지 팁(120), 폴리머 젯(110)의 방사 방향 측에 위치되는 전극판(230), 및 시린지 팁(120) 또는 전극판(230)을 이동시킬 수 있는 이동 장치(140)를 포함한다. 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(200)는 전극판(230)의 형상, 특히 제 3 전극판(236)의 형상에 있어서 앞서 설명한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(100)와 차이가 있을 뿐, 나머지 구성들은 앞서 설명한 바와 같다. 앞서 설명한 구성들의 경우, 도 3 내지 도 8에서 도시한 도면 부호와 동일한 도면 부호를 사용하여 도 9에서 도시하였으며, 이하에서는 이들의 자세한 설명을 생략하도록 한다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(200)의 전극판(230)은 제 1 전극판(132), 제 2 전극판(134), 및 제 3 전극판(236)을 포함할 수 있다. 제 1 전극판(132) 및 제 2 전극판(134)은 판 형상으로 형성될 수 있으며, 제 3 전극판(236)은 제 1 전극판(132) 및 제 2 전극판(134)과 각각 연결되는 띠 형상으로 형성되되, 원형 띠 형상으로 형성된 윤대부(C)를 포함할 수 있다.
제 3 전극판(236)의 윤대부(C)는, 폴리머 젯(110)이 시린지 팁(120)과 윤대부(C) 사이에서 형성된 전기장에 의하여 윤대부(C)를 따라 회전되며 적층될 수 있도록 한다. 구체적으로, 시린지 팁(120)이 윤대부(C)의 상측에 위치한 상태에서 폴리머 젯(110)이 방사되면, 폴리머 젯(110)이 윤대부(C)쪽으로 유도되어 점착되면서 3차원 원형벽(또는 3차원 나노 원형벽)이 형성되게 된다. 즉, 폴리머 젯(110)은 윤대부(C)의 상부에 적층될 수 있다.
제 1 전극판(132) 및 제 2 전극판(134)은, 시린지 팁(120)이 이러한 윤대부(C)의 상측으로 상대적 이동 되기 전에, 방사되는 폴리머 젯(110)을 안정화시키기 위해 시린지 팁(120)이 정지되는 위치에서 시린지 팁(120)과 전기장을 형성하는 기능을 하게 된다. 일 예로, 시린지 팁(120)이 전극판(230) 상측을 상대적으로 이동함에 있어서, 시린지 팁(120)이 제 1 전극판(132)의 상측에 잠시 머무르다가, 방사되는 폴리머 젯(110)이 안정화된 후, 제 3 전극판(236)의 윤대부(C) 쪽으로 상대적으로 이동하게 되며, 그 후, 윤대부(C)의 상측에서 폴리머 젯(110)을 방사함으로써, 3차원 원형벽이 형성되게 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 이동 장치(140)는 시린지 팁(120) 또는 전극판(230)을 이동시킴으로써, 전극판(230)에 대한 시린지 팁(20)의 상대적 이동이 가능하게 한다. 구체적으로, 이동 장치(140)는 제 1 전극판(132), 제 2 전극판(134), 및 제 3 전극판(236) 사이에서 시린지 팁(120)이 상대적으로 이동하는 것이 가능하도록, 시린지 팁(120) 또는 전극판(230)을 이동시킬 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 이동 장치(140)는 기판(150)을 평행하게, 즉 화살표 A 방향(도 9에서, 좌우 평행한 방향)으로 이동시킬 수 있다. 이러한 기판(150)의 이동에 따라, 기판(150) 상에 형성되어 있는 전극판(230)도 이동된다. 이로써, 시린지 팁(120)에 대한 전극판(230)의 상대적 이동이 가능하게 된다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(200)에 따르면, 이동 장치(140)가, 폴리머 젯(110)이 방사되는 시린지 팁(120)이 윤대부(C) 상측으로 상대적으로 이동될 수 있도록 함으로써, 제 3 전극판(236)에 마련되는 윤대부(C)에 3차원 원형벽이 형성될 수 있도록 할 수 있다.
구체적으로, 시린지 팁(120)과 전극판(230) 사이에 형성된 전기장에 의해, 시린지 팁(120)의 일단에 맺혀진 폴리머 액적(112)으로부터 폴리머 젯(110)의 방사가 이루어지게 된다. 여기서, 제 1 전극판(132), 제 3 전극판(236), 및 제 2 전극판(134)이 서로 연결된 상태로 접지되어 있으므로, 시린지 팁(120)에서 방사되는 폴리머 젯(110)이 윤대부(C)로 유도됨과 동시에 윤대부(C)를 따라 적층되면서 3차원 원형벽이 형성될 수 있게 된다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(200)에 있어서, 제 3 전극판(236)의 형상을 나타낸 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 윤대부(C)는 제 3 전극판(236)의 일부로서 제 3 전극판(236)에 포함되어 있을 수 있으며, 소정의 폭(W)을 가지는 원형 띠 형상을 가진다. 소정의 폭(W)은 예를 들어, 100 ㎛일 수 있으며, 내측 테두리(CI)의 직경은 200 ㎛일 수 있다.
여기서, 시린지 팁(120)과 윤대부(C)의 사이에 형성된 전기장에 있어서, 전기장의 분포가, 금속인 백금으로 형성된 윤대부(C)의 내측 테두리 방향으로 향하기 때문에, 폴리머 젯(110)은 윤대부(C)의 내측 테두리(CI)에 점착될 수 있다. 나아가, 폴리머가 고전압의 양전하로 충전되어 있으므로, 시린지 팁(120)이 윤대부(C)의 상측에서 폴리머 젯(110)을 방사하게 되면, 윤대부(C)에는 유도 전하(induced charge)가 존재하게 되고, 이러한 유도 전하는 유리 등으로 된 기판(150)보다 금속인 백금으로 형성된 윤대부(C)에 많이 형성되므로, 폴리머 젯(110)은 윤대부(C)로 강하게 끌리게 된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 윤대부(C)의 원형 띠의 폭(W)은, 윤대부(C)와 상기 제 1 전극판(132) 및 제 2 전극판(134)을 각각 연결하기 위한 연결부(236')의 폭보다 클 수 있다. 윤대부(C)의 폭이 연결부(236')의 폭보다 작거나 같게 되면, 윤대부(C)의 상측에서 시린지 팁(20)으로부터 방사되는 폴리머 젯(110)이 불안정적으로 회전되며 윤대부(C)의 내측 테두리(CI)에 적층되지 않고, 윤대부(C)와 연결부(236')가 만나는 지점으로 편향되어 버릴 수 있다. 이는 폴리머 젯(110)이 양전하로 충전되어 있기 때문에, 점착되는 폴리머 젯(110)을 중화시키기 위한 음전하들이 연결부(236')를 통해 들어오면서, 윤대부(C)와 연결부(236')가 만나는 지점에서 양전하의 중화가 빠르고 새롭게 들어오는 음전하가 이곳에 집중되게 되기 때문이다. 하지만, 윤대부(C)의 원형 띠의 폭(W)이 연결부(236')의 폭보다 크게 되면, 폴리머 젯(110)이 적층되는 윤대부(C)의 내측 테두리(CI)와 상기 지점과의 거리가 멀어지게 되어 폴리머 젯(110)의 편향 현상이 감소되게 된다.
또한, 내측 테두리(CI)의 직경도 200 ㎛로 윤대부(C)의 폭이나 연결부(236')의 폭보다 크게 형성함으로써, 폴리머 젯(110)으로 인한 양전하의 축적에 의한 영향도 최소화 될 수 있다.
한편, 폴리머 젯(110)이 방사되는 방향은 도 9에서 상하 방향인 반면, 폴리머 젯(110)이 윤대부(C)에서 적층되는 것은 도 9에서 윤대부(C)의 원주 방향인 바, 제 3 전극판(236)으로 당겨진 폴리머 젯(120)은 윤대부(C)에 적층되기 직전에 90도로 꺾이는 벤딩(bending)을 경험하게 되며, 이러한 벤딩에 의한 반력에 의해 폴리머 젯(110)은 직진성을 가지고 윤대부(C)를 따라 더욱 회전될 수 있게 된다.
이 때, 폴리머 젯(110)이 안정적으로 방사되어 3차원 원형벽이 형성되기 위해서, 폴리머 젯(110)의 방사 속도는 예를 들어, 10 ~ 50mm/s 일 수 있다. 만약, 폴리머 젯(110)의 방사 속도가 10mm/s 미만이 되면, 3차원 원형벽의 형성이 지연되게 되고, 50 mm/s 이상이 되면, 폴리머 젯(110)의 굵기가 가늘어져, 결국 폴리머 젯(110)의 제어가 어려워지게 된다.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 방법의 순서도이다.
먼저, 시린지 팁(120)이, 제 1 전극판(132) 또는 제 2 전극판(134)의 상측에 위치된다(S21). 이 상태에서, 시린지 팁(120)에 고전압, 예를 들어 3 ~ 4 kV의 전압을 인가하면, 시린지 팁(120)의 폴리머 액적(112)이, 접지되어 있는 제 1 전극판(132) 쪽으로 전기적 인력을 받게 되어, 폴리머 젯(110)이 방사되게 된다(S22). 초기 방사되는 폴리머 젯(110)은 빠른 속도, 예를 들어 50 mm/s 이상의 빠른 속도로 분사되기 때문에, 일단 폴리머 젯(110)이 방사되기 시작하면, 시린지 팁(120)에 인가되는 전압을, 예를 들어 1.2 ~ 1.8 kv로 낮추어 폴리머 젯(110)의 속도를 늦추며 안정화시킨다.
시린티 팁(120)으로부터 방사되는 폴리머 젯(110)이 안정화되면, 시린지 팁(120)이, 제 1 전극판(132) 또는 제 2 전극판(134)과 연결되어 있는 제 3 전극판(236)의 윤대부(C)의 상측에 위치되게 된다(S23). 이는 시린지 팁(120)을 이동시킴으로써 달성될 수 있을 뿐만 아니라, 전극판(30)이 상부에 형성된 기판(50)을 이동시킴으로써 달성될 수도 있다.
다음으로, 시린지 팁(120)이 제 3 전극판(236)의 윤대부(C) 상측에서 폴리머 젯(110)을 지속적으로 방사하면, 방사되는 폴리머 젯(110)이 윤대부(C)의 내측 테두리(CI)를 따라 회전되며 적층되어(S24) 윤대부(C)의 상부에 3차원 원형벽이 형성되게 된다. 마지막으로, 3차원 원형벽이 형성된 이후에는, 시린지 팁(120)이 상대적으로 이동하여 제 1 전극판(132) 또는 제 2 전극판(134) 상에 위치될 수 있다.
도 9 내지 도 11에 따른 실시 형태를 구현하기 위한 실시예는 제 3 전극판(236)의 윤대부(C)의 형성 과정을 제외하고는 앞선 * 실시예와 동일하다. 윤대부(C)의 형성 과정과 관련하여, 제 1 전극판(132) 및 제 2 전극판(134)이 제 3 전극판(236)과 연결되는 제 1 전극판(132) 및 제 2 전극판(134)의 부분과 제 3 전극판(236)이 형성될 부분에, 포토레지스트로 20μm의 그루브(groove)를 만들고, 그 위에 백금 선을 대략 30~40 nm 두께로 증착시킨 후, 리프트-오프(lift-off) 방식으로 포토레지스트를 제거함으로써, 기판(150) 위에 20μm의 폭을 갖는 연결부(236') 및 100μm의 폭을 갖는 윤대부(C)를 포함하는 제 3 전극판(236)을 형성할 수 있다.
본 실시예에 따라, 폴리머 젯(110)이 윤대부(C)의 내측 테두리(CI)를 따라 회전하며 적층되는 형성된 3차원 원형벽(260)을 시간에 따라 나타내어 보면, 도 12와 같고, 상기 회전을 350번 수행하여 형성된 3차원 원형벽(260)은 도 13에 도시된 바와 같다. 참고로, 도 12에서 윤대부(C) 하측의 구조는 윤대부(C) 상측에 형성되는 3차원 원형벽이 기판(150)에 반사된 상이다.
도 14는 본 발명의 제 3 실시에에 따른 3차원 패턴 형성 장치(300)의 개략도이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시에에 따른 3차원 패턴 형성 장치(300)는 폴리머 젯(110)이 방사되는 시린지 팁(320), 폴리머 젯(110)의 방사 방향 측에 위치되는 기판(350), 및 시린지 팁(320) 또는 기판(350)을 이동시킬 수 있는 이동 장치(340)를 포함한다.
시린지 팁(320)은 일단에서 폴리머 젯(110)을 방사시키기 위한 장치이다. 시린지 팁(320)은 연결관(324)을 통해 폴리머 저장소(322)로부터 폴리머를 공급받을 수 있다. 시린지 팁(320)은 기판(350)으로부터의 거리(d)가 200μm 이하인 지점에 위치될 수 있으며, 이에 따라, 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이에 인가된 전기장에 의해 연결관(324) 내의 폴리머 젯(110)이 시린지 팁(320)을 통해 기판(350) 측으로 당겨져 방사된다. 이 경우, 별도의 펌프(미도시)가 불필요하다. 또한, 상술한 바와 같이, 펌프가 폴리머 저장소(322) 내의 유량 내지 압력을 정밀하게 제어하여 폴리머 저장소(322) 내의 폴리머 용액을 시린지 팁(320) 끝단 쪽으로 밀어낼 수 있음은 물론이다.
시린지 팁(320)에는 전압 공급부(H1)가 직접 연결될 수 있으며, 이에 따라 시린지 팁(320)은 양극(+)으로서 기능하며 기판(350)은 음극(-)으로서 기능할 수 있다.
시린지 팁(320)은 유리 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 유리 피펫(glass pipette)일 수 있다. 시린지 팁(320)이 비금속 재질로 이루어질 경우, 시린지 팁(320)의 외면은 금속막(예를 들어, 백금막)으로 코팅될 수 있다. 만약, 시린지 팁(320)의 외면이 금속막으로 코팅될 경우, 전압 공급부(H1)에서 시린지 팁(320)을 통해 인가되는 전압은 예를 들어, 0.5 kv 가 될 수 있다. 또한, 시린지 팁(320)의 외면이 금속막으로 코팅되지 않을 경우, 전압 공급부(H1)에서 시린지 팁(320)을 통해 인가되는 전압은 예를 들어, 1 kv ~ 3 kv일 수 있다. 즉, 시린지 팁(320)의 외면이 금속막으로 코팅될 경우 0.5 kv 이하의 저전압을 이용할 수 있다.
다만, 후술할 바와 같이, 기판(350)은, 시린지 팁(320)과 반대 극성으로서 기능하도록 전압 공급부(H2)로부터 특정 극성을 갖는 전압을 인가받을 수 있으며, 이 경우 시린지 팁(320)에 전압이 인가되지 않더라도 폴리머 젯(110)이 시린지 팁(110)으로부터 방사될 수 있다. 즉, 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이의 거리(d)가 200μm 이하(또는, 10 μm 내지 50 μm)의 근거리이므로, 기판(350)에 (-) 전압이 인가되는 경우 시린지 팁(320)에 약 0.05kv 이하의 (+) 전압이 유도되어 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이에 전기장이 형성된다. 이때, 시린지 팁(320)은 양극(+)으로 기능하고 기판(350)은 음극(-)으로 기능할 수 있다. 시린지 팁(320) 내의 폴리머 입자들은 충전되는 양전하로 인해 자체 반발력을 가짐과 동시에, 기판(350)에 충전되는 음전하와의 전기적인 인력으로 인해 기판(350) 쪽으로 정연히 방사될 수 있다. 따라서, 이 경우 전압 공급부(H1)는 생략될 수 있다.
한편, 시린지 팁(320)의 내경은 200μm 이하로서, 예를 들어 5μm 내지 30 μm가 될 수 있다. 이에 따라, 시린지 팁(320)으로부터 나노 스케일의 폴리머 젯(110)이 방사될 수 있다. 다만, 시린지 팁(320)의 내경이 이에 한정되는 것은 아니며, 폴리머 용액의 점도, 용질이나 용매의 종류 등에 따라 달라질 수 있다.
기판(350)은 시린지 팁(320)과의 사이에서 전기장을 형성한다. 기판(350)은 폴리머 젯(110)의 방사 방향 측에 위치되되, 시린지 팁(320) 사이의 거리(d)가 200μm 이하가 되도록 위치될 수 있다. 예를 들어, 시린지 팁(320)과 기판(350)과의 거리(d)는 10μm 내지 50μm 가 될 수 있다.
기판(350)은 예를 들어, 가로 35mm 및 세로 10mm 크기의 유리(Glass)판이 사용될 수 있다. 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(100, 200)에서와 달리, 기판(350)에는 금속선이 코팅될 필요가 없다. 상술한 바와 같이, 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이의 거리(d)가 약 10μm 내지 50μm 에 불과하므로, 시린지 팁(320)으로부터의 발생한 전기장이 기판(350) 측으로 수직하게 집중될 수 있다. 이에 따라, 시린지 팁(320)으로부터 방사되는 폴리머 젯(110)은 기판(350) 측으로 당겨져 기판(350) 상에 점착될 수 있다. 다만, 상술한 바와 같이 기판(350)에 금속선(예를 들어, 백금선)을 적층시켜 전극판을 형성하고, 전극판 상에 폴리머 젯(110)을 유도할 수 있음은 물론이다.
기판(350)에는 전압 공급부(H2)가 직접 연결될 수 있으며, 이에 따라 기판(350)은 음극(-)으로서 기능하며 시린지 팁(320)은 양극(+)으로서 기능할 수 있다. 만약, 기판(350)이 비금속 재질로 이루어질 경우, 전압 공급부(H2)는 예를 들어, 0.5kv 이하의 전압을 기판(350)에 인가할 수 있다. 또한, 기판(350)이 금속 재질로 이루어질 경우(또는, 기판(350)에 금속선이 코팅될 경우), 전압 공급부(H2)는 예를 들어, 0.3kv 이하의 전압을 기판(350)(또는 기판(350)에 코팅된 금속선)에 인가할 수 있다. 시린지 팁(320)과 반대 극성을 갖는 전압을 기판(350)에 인가하는 경우, 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이에 전기장이 형성되며, 연결관(324) 내의 폴리머 젯(110)이 시린지 팁(320)을 통해 기판(350) 측으로 당겨져 방사될 수 있다. 시린지 팁(320)으로부터 방사되는 폴리머 젯(110)은 기판(350) 상에 점착되어 3차원 패턴을 형성할 수 있다.
한편, 여기서는 전압 공급부(H2)가 기판(350)에 (-) 전압을 인가하는 것으로 설명하였으나, 전압 공급부(H2)는 기판(350)에 (+) 전압을 인가할 수도 있다. 이 경우, 기판(350)은 양극(+)으로서 기능하며 시린지 팁(320)은 음극(-)으로서 기능할 수 있다.
나아가, 전압 공급부(H2)는 시린지 팁(320)으로부터 폴리머 젯(110)이 방사되지 않도록 기판(350)으로 인가하는 전압의 크기를 0, 또는 0.2kv 이하로 제어할 수 있다. 즉, 폴리머 젯(110)의 적층 위치를 조정하기 위해 시린지 팁(320)을 현재 위치에서 다른 위치로 이동하고자 하는 경우, 전압 공급부(H2)가 기판(350)으로 인가하는 전압의 크기를 0, 또는 0.2kv 이하로 제어함으로써 시린지 팁(320)으로부터 폴리머 젯(110)이 방사되지 않도록 할 수 있다.
또한, 기판(350)은 접지 전극(미도시)에 연결될 수도 있으며, 이 경우 기판(350)은 접지되어 음극(-)로서 기능하며 시린지 팁(320)은 양극(+)으로서 기능하게 된다.
이동 장치(340)는 시린지 팁(320) 또는 기판(350)을 수평 이동(X축 또는 Y축 이동)시켜 기판(350) 상에 3차원 패턴이 형성되도록 하며, 시린지 팁(320) 또는 기판(350)을 수직 이동(Z축 이동)시켜 3차원 패턴이 형성되는 과정에서 시린지 팁(320)과 기판(350)에 적층된 폴리머 젯(110) 사이의 거리를 일정하게 유지시키거나, 또는 폴리머 젯(110)의 적층 위치를 조정하기 위해 시린지 팁(320)으로부터 폴리머 젯(110)이 방사되지 않도록 한다. 이하에서는, 이동 장치(340)가 기판(350)을 이동시켜 이러한 효과를 달성하는 경우에 대하여 구체적으로 설명하나, 이동 장치(340)가 시린지 팁(320)을 이동시켜 이러한 효과를 달성할 수 있음은 물론이다.
이동 장치(340)는 리니어 모터(미도시) 등이 수용되는 본체부(342), 리니어 모터와 연동되어 기판(350)을 이동시킬 수 있는 연결부(344)를 포함할 수 있다. 연결부(344)는 본체부(342) 내부로부터 연장되어 기판(350)과 결합될 수 있다. 본체부(342)에는 연결부(344)의 수평 이동 및 수직 이동을 안내할 수 있는 안내 개구(346)가 형성되어 있을 수 있다.
이로써, 도 14에 도시된 바와 같이, 이동 장치(340)는 기판(350)을 본체부(342)의 길이 방향, 즉 화살표 A 방향으로 이동(X축 이동)시킬 수 있다. 또한, 이동 장치(340)은 기판(350)을 본체부(342)의 일 평면(S)과 수직한 방향, 즉 화살표 B 방향으로 이동(Y축 이동)시킬 수 있다. 나아가, 이동 장치(340)는 기판(350)을 폴리머 젯(110)의 방사 방향 또는 이와 반대되는 방향, 즉 화살표 C 방향으로 이동(Z축 이동)시킬 수도 있다. 즉, 이동 장치(340)는 3차원 공간에서 기판(350)을 자유자재로 이동시킬 수 있다. 이동 장치(340)의 제어에 따라, 기판(350)은 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따르면, 이동 장치(340)에 의해 기판(350)을 자유자재로 이동시킬 수 있도록 함으로써 원하는 영역에 3차원 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 이동 장치(340)는, 폴리머 젯(110)의 적층 위치를 조정하는 과정에서 시린지 팁(320)으로부터 폴리머 젯(110)이 방사되지 않도록 기판(350)을 폴리머 젯(110)의 방사 방향으로 수직 이동시킬 수 있다. 즉, 폴리머 젯(110)의 적층 위치를 조정하기 위해 시린지 팁(320)을 현재 위치에서 다른 위치로 이동하고자 하는 경우, 기판(350)을 폴리머 젯(110)의 방사 방향(C 방향)으로 수직 이동시켜 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이의 거리를 크게 할 수 있다. 예를 들어, 이동 장치(340)는 기판(350)을 폴리머 젯(110)의 방사 방향으로 수직 이동시켜 시린지 팁(320)과 기판(350)과의 거리가 5mm 이상이 되도록 할 수 있다. 이 경우, 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이의 전기장이 약해지거나 또는 사라져 시린지 팁(320)으로부터 폴리머 젯(100)이 방사되지 않게 된다. 또한, 이동 장치(340)는 시린지 팁(320)을 폴리머 젯(110)의 방사 방향과 반대되는 방향으로 수직 이동시킴으로써 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이의 거리를 크게 할 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따르면, 이동 장치(340)에 의해 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이의 거리를 크게 하여 시린지 팁(320)으로부터 폴리머 젯(110)이 방사되지 않도록 함으로써, 원하는 영역에 3차원 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.
나아가, 이동 장치(340)는, 시린지 팁(320)으로부터 폴리머 젯(110)이 방사되는 과정에서 시린지 팁(320)과 기판(350)에 적층된 폴리머 젯(110) 사이의 거리가 일정하게 유지될 수 있도록 기판(350)을 폴리머 젯(110)의 방사 방향으로 수직 이동시킬 수 있다. 시린지 팁(320)으로부터 폴리머 젯(110)이 방사되는 과정에서 기판(350)에 폴리머 젯(110)이 적층될수록 시린지 팁(320)과 적층된 폴리머 젯(110)(즉, 3차원 패턴) 사이의 거리가 가까워지게 된다. 이에 따라, 이동 장치(340)는 기판(350)에 폴리머 젯(110)이 적층될 때마다 기판(350)을 폴리머 젯(110)의 방사 방향으로 수직 이동시킴으로써, 시린지 팁(320)과 기판(350)에 적층된 폴리머 젯(110) 사이의 거리를 일정하게 유지시킬 수 있다. 또한, 이동 장치(340)는 시린지 팁(320)을 폴리머 젯(110)의 방사 방향과 반대되는 방향으로 수직 이동시킴으로써, 시린지 팁(320)과 기판(350)에 적층된 폴리머 젯(110) 사이의 거리를 일정하게 유지시킬 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따르면, 이동 장치(340)에 의해 시린지 팁(320)으로부터 폴리머 젯(110)이 방사되는 과정에서 시린지 팁(320)과 기판(350)에 적층된 폴리머 젯(110) 사이의 거리를 일정하게 유지시킴으로써, 원하는 3차원 패턴을 좀 더 정밀하게 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 패턴 형성 장치(100, 200)에서는 이동 장치(140)에 의해 기판(150)이 왕복(또는 이동)되는 속도가 폴리머 젯(110)이 방사되는 속도와 동일하게 하였으나, 여기서는 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이의 거리가 약 10μm 내지 50μm 에 불과하여 시린지 팁(320)으로부터 방사되는 폴리머 젯(110)이 기판(350)으로 당겨지게 되므로, 폴리머 젯(110)이 방사되는 속도와 기판(350)의 이동 속도를 일치시킬 필요가 없다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따르면, 기판(350)의 이동 속도에 관계없이 원하는 속도로 폴리머 젯(110)을 방사시킬 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상술한 바와 같이 폴리머 젯(110)이 방사되는 속도와 기판(350)의 이동 속도를 일치시킬 수도 있음은 물론이다.
도 15는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(300)에 있어서, 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이의 거리(d)가 30μm 인 경우를 나타낸 도면이며, 도 16은 도 15에 있어서, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(300)에 의해 형성된 3차원 패턴의 예시도이다. 도 16에 도시된 바와 같이, 기판(350) 상에 3차원 패턴이 3차원적으로 적층됨을 확인할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 이동 장치(340)에 의해 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이의 거리(d)를 30μm로 조정할 수 있으며, 이 경우 폴리머 젯(110)이 시린지 팁(320)으로부터 분사되어 기판(350) 상에 적층될 수 있다. 기판(350) 상에 적층된 폴리머 젯(110)으로부터 3차원 패턴이 형성될 수 있다. 3차원 패턴의 적층 간격은 예를 들어, 100? 가 될 수 있다.
도 17은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(300)에 있어서, 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이의 거리(d)가 10μm 인 경우를 나타낸 도면이며, 도 18은 도 17에 있어서, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(300)에 의해 형성된 3차원 패턴의 예시도이다. 도 18에 도시된 바와 같이, 기판(350) 상에 3차원 패턴이 3차원적으로 적층됨을 확인할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 이동 장치(340)에 의해 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이의 거리(d)를 10μm로 조정할 수 있으며, 이 경우 폴리머 젯(110)이 시린지 팁(320)으로부터 분사되어 기판(350) 상에 적층될 수 있다. 기판(350) 상에 적층된 폴리머 젯(110)으로부터 3차원 패턴이 형성될 수 있다. 3차원 패턴의 적층 간격은 예를 들어, 50μm, 10μm, 5 μm 등이 될 수 있다.
도 19은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(300)에 있어서, 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이의 거리(d)가 5μm 인 경우를 나타낸 도면이며, 도 20은 도 19에 있어서, 폴리머 젯(110)의 프린팅(printing) 속도가 0.1mm/s, 0.3mm/s, 0.5mm/s인 경우 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(300)에 의해 형성된 3차원 패턴을 각각 도시한 도면이며, 도 21은 폴리머 젯의 프린팅(printing) 속도가 0.1mm/s인 경우 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(300)에 의해 형성된 3차원 패턴의 다른 예시도이다. 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 기판(350) 상에 3차원 패턴이 3차원적으로 적층됨을 확인할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 이동 장치(340)에 의해 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이의 거리(d)를 5μm로 조정할 수 있으며, 이 경우 폴리머 젯(110)이 시린지 팁(320)으로부터 분사되어 기판(350) 상에 적층될 수 있다. 기판(350) 상에 적층된 폴리머 젯(110)으로부터 3차원 패턴이 형성될 수 있다.
도 20의 (a), (b), (c)는 폴리머 젯(110)의 프린팅(printing) 속도가 0.1mm/s, 0.3mm/s, 0.5mm/s 인 경우 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 장치(300)에 의해 형성된 3차원 패턴을 각각 도시한 것이다. 도 20에 도시된 바와 같이, 폴리머 젯(110)의 프린팅(printing) 속도를 0.1mm/s, 0.3mm/s, 0.5mm/s 로 연속적으로 속도를 바꾸더라도 직선 형상의 고분자 섬유가 일정하게 프린팅되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따르면, 원하는 속도로 폴리머 젯(110)을 방사시켜 기판(350) 상에 3차원 패턴을 형성할 수 있다.
도 22는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 패턴 형성 방법의 순서도이다.
먼저, 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이의 거리(d)가 0보다 크고 200μm 이하가 되도록 시린지 팁(320)이 기판(350)의 상측에 위치된다(S31). 이 상태에서, 시린지 팁(320) 또는 기판(350)에 전압이 인가되면, 연결관(324) 내의 폴리머 용액이 시린지 팁(320) 쪽으로 전기적 인력을 받게 되어, 시린지 팁(320)으로부터 폴리머 젯(110)이 방사되게 된다(S32). 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이의 거리(d)가 200μm 이하(또는, 10μm 내지 50μm)이므로, 기판(350)에 (-) 전압이 인가되는 경우 시린지 팁(320)에 약 0.05kv 이하의 (+) 전압이 유도되어 시린지 팁(320)과 기판(350) 사이에 전기장이 형성된다. 이때, 시린지 팁(320)은 양극(+)으로 기능하고 기판(350)은 음극(-)으로 기능할 수 있다. 시린지 팁(320) 내의 폴리머 입자들은 충전되는 양전하로 인해 자체 반발력을 가짐과 동시에, 기판(350)에 충전되는 음전하와의 전기적인 인력으로 인해 기판(350) 쪽으로 정연히 방사될 수 있다.
다음으로, 이동 장치(340)가 3차원 공간에서 시린지 팁(320) 또는 기판(350)을 수평 이동 또는 수직 이동시켜, 시린지 팁(320)으로부터 방사되는 폴리머 젯(110)이 기판(350)의 상측에서 이동하며 기판(350) 상에 적층될 수 있도록 한다(S33). 폴리머 젯(110)은 기판(350) 상에 적층되어 3차원 패턴을 형성하게 된다.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1, 112 : 폴리머 액적
3, 110 : 폴리머 젯
5 : 시린지
7 : 원형벽이 형성되어야 하는 면
120, 320 : 시린지 팁
122, 322 : 폴리머 저장소
124 : 펌프
130, 230 : 전극판
132 : 제 1 전극판
134 : 제 2 전극판
136, 236 : 제 3 전극판
140, 340 : 이동 장치
142, 342 : 본체부
144, 344 : 연결부
146, 346 : 안내 개구
150, 350 : 기판
160 : 3차원 패턴
260 : 3차원 원형벽
324 : 연결관
C : 윤대부
P : 패턴 형성부
H1, H2 : 전압 공급부

Claims (12)

  1. 일단에서 폴리머 젯이 방사되는 시린지 팁;
    상기 폴리머 젯의 방사 방향 측에 위치되되, 상기 시린지 팁과의 거리가 0보다 크고 200μm 이하이며, 상기 시린지 팁과의 사이에서 전기장을 형성하는 기판; 및
    3차원 공간에서 상기 시린지 팁 또는 상기 기판을 수평 이동 및 수직 이동시킬 수 있는 이동 장치를 포함하며,
    상기 시린지 팁으로부터 방사되는 상기 폴리머 젯이 상기 기판의 상측에서 수평 방향으로 왕복 이동하며 적층되며,
    상기 이동 장치는, 상기 시린지 팁으로부터 상기 폴리머 젯이 방사되는 과정에서 상기 폴리머 젯이 상기 기판에 적층될 때마다 상기 시린지 팁과 상기 기판에 적층된 상기 폴리머 젯 사이의 거리가 일정하게 유지될 수 있도록 상기 시린지 팁 또는 상기 기판을 수직 이동시키는, 전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판이 상기 시린지 팁과 반대 극성으로서 기능하도록 상기 기판에 특정 극성을 갖는 전압을 인가하는 전압 공급부를 더 포함하는, 전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전압 공급부는, 상기 시린지 팁으로부터 상기 폴리머 젯이 방사되지 않도록 상기 기판으로 인가하는 전압의 크기를 0, 또는 0.2kv 이하로 제어할 수 있는, 전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 이동 장치는, 상기 시린지 팁으로부터 상기 폴리머 젯이 방사되지 않도록 상기 시린지 팁을 상기 방사 방향의 반대 방향으로 수직 이동시키거나 상기 기판을 상기 방사 방향으로 수직 이동시킬 수 있는, 전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 시린지 팁의 내경은, 0보다 크고 200μm 이하인, 전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 시린지 팁이 비금속 재질로 이루어질 경우, 상기 시린지 팁의 외면은 금속막으로 코팅되는, 전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 장치.
  8. 시린지 팁과 기판 사이의 거리가 0보다 크고 200μm 이하가 되도록 상기 시린지 팁이 상기 기판의 상측에 위치되는 단계;
    상기 시린지 팁과 상기 기판 사이의 전기장에 의해 상기 시린지 팁으로부터 폴리머 젯이 방사되는 단계;
    이동 장치가 3차원 공간에서 상기 시린지 팁 또는 상기 기판을 수평 이동 또는 수직 이동시키는 단계;
    상기 시린지 팁으로부터 방사되는 상기 폴리머 젯이 상기 기판의 상측에서 수평 방향으로 왕복 이동하며 적층되는 단계; 및
    상기 이동 장치가, 상기 시린지 팁으로부터 상기 폴리머 젯이 방사되는 과정에서 상기 폴리머 젯이 상기 기판에 적층될 때마다 상기 시린지 팁과 상기 기판에 적층된 상기 폴리머 젯 사이의 거리가 일정하게 유지될 수 있도록 상기 시린지 팁 또는 상기 기판을 수직 이동시키는 단계를 포함하는, 전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기판이 상기 시린지 팁과 반대 극성으로서 기능하도록 전압 공급부가 상기 기판에 특정 극성을 갖는 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는, 전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 시린지 팁으로부터 상기 폴리머 젯이 방사되지 않도록 상기 전압 공급부가 상기 기판으로 인가하는 전압의 크기를 0, 또는 0.2kv 이하로 제어하는 단계를 더 포함하는, 전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 시린지 팁으로부터 상기 폴리머 젯이 방사되지 않도록 상기 이동 장치가 상기 시린지 팁을 상기 방사 방향의 반대 방향으로 수직 이동시키거나 상기 기판을 상기 방사 방향으로 수직 이동시키는 단계를 더 포함하는, 전기 방사를 이용한 3차원 패턴 형성 방법.
  12. 삭제
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