KR100436602B1

KR100436602B1 - 다중노즐을 갖는 전기방사장치 및 이를 이용한 나노섬유제조방법

Info

Publication number: KR100436602B1
Application number: KR10-2002-0034856A
Authority: KR
Inventors: 천석원; 박종수; 안성기
Original assignee: (주)삼신크리에이션
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2004-06-16
Also published as: KR20030093892A

Abstract

본 발명에 의하면, 섬유원료가 되는 고분자 물질이 용해된 용액을 공급하기 위한 용액공급부; 상기 용액공급부로부터 용액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하게 되는 복수개의 방사노즐부로 이루어지는 방사노즐팩; 상기 방사노즐부에 소정의 전압을 인가하여 상기 용액을 하전시키는 전압인가부; 상기 전압인가부를 통해 동일 극성으로 하전되어 각각의 방사노즐부에서 토출되는 하전 필라멘트들의 상호 반발에 따른 불안정한 흐름을 제어하도록, 상기 방사노즐팩을 사이에 두고 대칭을 이루며 설치되고 상기 하전 필라멘트와 동일한 극성으로 대전되도록 전압이 인가되는 스트림 제어판; 상기 방사노즐팩과 소정의 이격거리를 두며 하측에 설치되며, 상기 하전 필라멘트와 반대의 극성으로 대전되어 상기 방사노즐부로부터 토출되는 하전 필라멘트가 그 상면에 집적되도록 하는 컬렉터; 및 하전 필라멘트 토출시 상기 방사노즐팩과 컬렉터 사이의 공기층으로부터 용매를 흡입하여 배기하는 용매흡입부;를 포함하는 전기방사장치가 개시된다.

Description

다중노즐을 갖는 전기방사장치 및 이를 이용한 나노섬유 제조방법{Electrospinning apparatus having multiple-nozzle and the method for producing nanofiber by using the same}

본 발명은 전기방사장치 및 나노섬유 제조방법에 관한 것으로서, 특히 대량의 나노급 섬유를 제조할 수 있도록 다중노즐을 갖는 전기방사장치와 이를 이용한 나노섬유 제조방법에 관한 것이다.

전기방사(Electrospinning)는 종래의 용융방사 및 습식방사, 습건식 방사와 달리 방사노즐부에 양극성[(+)] 혹은 음극성[(-)]의 전압을 직접 인가하여 용액을 하전시킨 후, 하전된 용액을 방사노즐부을 거쳐 공기층으로 토출하고, 이어서 공기층에서 하전 필라멘트의 연신 및 또다른 필라멘트 분기를 거쳐 극세섬유를 제조하는 방사방법이다. 양극성[(+)] 전압의 인가를 통해 (+)전하가 대전된 토출 필라멘트, 혹은 음극성[(-)] 전압의 인가를 통해 (-)전하가 대전된 토출 필라멘트는 방사노즐부와 집적부(Collector; 이하 컬렉터라고 지칭) 사이에 형성된 전기장 속에서 인접 필라멘트간 상호반발등 전기적 영향으로 심한 요동을 거치면서 극세화된다. 이렇게 형성된 극세 필라멘트는 그 직경이 나노급에 해당하는 섬유로서 접지시킨 컬렉터 혹은 하전 필라멘트의 극성과 반대극성으로 대전된 컬렉터상에 집적되어웹(Web) 형태로 제조가 된다. 이와 같은, 전기방사법은 분리막과 유사한 다공성 웹을 제조할 수 있는 방법으로 이용된다.

현재 통상적으로 사용되고 있는 전기방사법은 하나의 노즐에서 시간당 수 그램(g)이하의 용액을 토출하여 섬유를 제조하는 방법으로서 생산속도가 매우 낮아 경제성이 적은 단점이 있다. 특히 나노급 섬유는 매우 적은 용액을 방출시켜 제조하기 때문에 이로부터 제조되는 웹의 생산속도 문제가 뒤따른다.

이러한 문제점은 다중의 노즐을 사용함으로써 해결될 수 있으나, 노즐을 다중으로 구성할 경우에는 하전 필라멘트간의 반발력으로 인해 토출 스트림(Stream)이 불균일해지고, 이에 따라 노즐에 고압을 인가하기 어렵게 되므로 전기방사장치에 다중노즐을 구성하기가 매우 곤란한 측면이 있다.

전기방사법에 의한 섬유 제조방법과 관련한 종래의 기술로는 미국특허 제4,323,525호에 개시되어 있는 바와 같이, 접지시킨 세 개의 실린지로부터, -50KV의 고전압을 인가시킨 회전드럼에 원료용액을 방사함으로써 튜브 형상물을 제조하는 방법을 들 수가 있다. 그러나, 이 기술의 경우 생산속도가 낮을 뿐만 아니라 튜브 형상물의 제조에 한정되므로 다양한 용도로의 활용을 위한 평판형 웹을 대량으로 제조하기 위한 대안이 여전히 요구되고 있다.

최근에는 직경이 마이크로미터급 이하인 나노미터급 섬유를 제조하기 위한 기본적 메카니즘이 여러문헌([J.M.Deitzel, J.D.Kleinmeyer, J.K.Hirvonen, N.C.Beck Tan, Polymer42, 8163-8170(2001)], [J.M.Deitzel, J.D.Kleinmeyer, D.Harris, N.C.Beck Tan, Polymer42, 261-272(2001)], [Y.M.Shin, M.M.Hohman,m.P.Brenner, G.C.Rutledge, Polymer42, 9955-9967(2001)])을 통해 소개되고 있다. 그러나, 이러한 문헌에 소개된 방법들은 공지되어 있는 전기방사의 기본원리에 대하여 설명하는 것에 그치는 것이므로 실제 산업적으로 활용하기에는 부적합한 것이 사실이다.

본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창안된 것으로서, 다중의 노즐을 갖도록 구성되어 나노섬유 생산속도를 향상시키게 되는 전기방사장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 다중노즐로부터 직경이 균일한 나노급 섬유가 방사되도록 하는 전기방사장치를 제공하는데 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사장치의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 전기방사장치에 사용되는 방사노즐팩 구성의 일 예를 개략적으로 보여주는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 전기방사장치에 사용되는 방사노즐팩 구성의 다른 예를 개략적으로 보여주는 도면.

도 4는 본 발명에 따라 스트림 제어판을 구성한 경우의 방사패턴을 보여주는 도면.

도 5는 스트림 제어판을 구성하지 않은 경우의 방사패턴을 보여주는 도면.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

10...정량펌프 11...제1분배부 12...제2분배부

13...고전압발생부 14...방사노즐팩 15...방사노즐부

16...통전고리 17...스트림 제어판 18...전기장 간섭방지판

20...용매흡입부 21...컬렉터

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 섬유원료가 되는 고분자 물질이 용해된 용액을 공급하기 위한 용액공급부; 상기 용액공급부로부터 용액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하게 되는 복수개의 방사노즐부로 이루어지는 방사노즐팩; 상기 방사노즐부에 소정의 전압을 인가하여 상기 용액을 하전시키는 전압인가부; 상기 전압인가부를 통해 동일 극성으로 하전되어 각각의 방사노즐부에서 토출되는 하전 필라멘트들의 상호 반발에 따른 불안정한 흐름을 제어하도록, 상기 방사노즐팩을 사이에 두고 대칭을 이루며 설치되고 상기 하전 필라멘트와 동일한 극성으로 대전되도록 전압이 인가되는 스트림 제어판; 상기 방사노즐팩과 소정의 이격거리를 두며 하측에 설치되며, 상기 하전 필라멘트와 반대의 극성으로 대전되어 상기 방사노즐부로부터 토출되는 하전 필라멘트가 그 상면에 집적되도록 하는 컬렉터; 및 하전 필라멘트 토출시 상기 방사노즐팩과 컬렉터 사이의 공기층으로부터 용매를 흡입하여 배기하는 용매흡입부;를 포함한다.

바람직하게, 본 발명에는 각각의 방사노즐부가 삽입되도록 복수개의 통공이 형성되어 인접하는 방사노즐부 간의 전기장 간섭을 차단하는 전기장 간섭방지판;을 더 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 복수개의 방사노즐부로 이루어지는 방사노즐팩을 구비하는 단계; 섬유원료가 되는 고분자 물질이 용해된 용액을 상기 방사노즐부로 공급하는 단계; 상기 방사노즐부에 전압을 인가하여 상기 용액을 하전시키는 단계; 상기 방사노즐팩을 사이에 두고 대칭을 이루도록 대전도체를 설치하고, 상기 하전용액의 극성과 동일한 극성의 전하가 대전되도록 상기 대전도체에 전압을 인가하는 단계; 및 상기 방사노즐부로부터 하전 필라멘트를 토출시켜 컬렉터 상에 집적하는 단계;를 포함하는 나노섬유 제조방법이 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1은 본 발명에 따른 전기방사장치의 구성을 개략적으로 보여주는 사시도이다. 도면을 참조하면, 본 발명은 정량펌프(10)를 포함하여 구성되는 용액공급부와, 복수개의 방사노즐부(15)로 이루어지는 방사노즐팩(14)과, 상기 방사노즐부(15)에 수용되는 용액을 하전시키기 위한 전압인가부에 해당하는 고전압발생부(13)와, 스트림 제어판(17), 용매휘발도를 높이기 위한용매흡입부(20), 방사섬유를 집적시키기 위한 컬렉터(21)를 포함한다.

용액공급부는 정량의 원료용액을 정밀이송하기 위한 정량펌프(10)와, 상기 정량펌프(10)로부터 이송되는 용액이 방사노즐팩(14) 측에 정량분배되도록 상기 정량펌프(10)와 방사노즐팩(14) 사이에 바람직하게 개재되는 분배부를 포함한다.

상기 분배부는 단일하게 구성될 수 있으며, 도면에 도시된 바와 같이 제1분배부(11)와, 상기 제1분배부(11)를 통해 분배된 용액을 또다시 분배시키도록 부가되는 제2분배부(12)를 포함하여 구성될 수도 있다. 이 경우, 상기 제1분배부(11)를 거쳐서 분배된 용액은 제1튜브(11a)를 경유하여 제2분배부(12)로 유입되고, 상기 제2분배부(12)를 거쳐서 또다시 분배된 용액은 제2튜브(12a)를 경유하여 방사노즐팩(14)을 구성하는 각각의 방사노즐부(15)로 유입된다.

방사노즐팩(14)은 복수개의 방사노즐부(15)를 포함하여 이루어진다. 이때, 방사노즐부(15)로는 전기방사법에 통상적으로 사용되는 니들(Needle)형 노즐이 채용될 수 있다. 특히, 방사노즐부(15) 하부에 형성되는 모세관부(15a)의 직경은 내경 0.05 ~ 3mm, 외경 0.1 ~ 4mm가 바람직하고, 그 길이는 0.5 ~ 50mm가 바람직하다.

방사노즐팩(14)은, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제2튜브(12a)가 접속되어 있는 각각의 방사노즐부(15)를 복수개 연결하여 구성될 수 있다. 이때, 방사노즐부(15)에는 수용 용액과 전기적으로 접촉되는 통전고리(16)가 결합되며, 각각의 방사노즐부(15)의 통전고리(16)를 서로 전기적으로 연결하여 고전압발생부(13)로부터 전압인가시 모든 방사노즐부(15)에 수용된 방사용액에 대하여 하전이 이루어지도록 한다.

대안으로는, 도 3에 도시된 바와 같이 정량펌프(10)로부터 공급되는 용액을 수용하도록 내부공간이 구비된 용액수용부(19)와, 상기 용액에 잠기도록 상기 용액수용부(19) 내부에 설치되어 전압인가시 상기 용액을 하전시키게 되는 통전판(19a)과, 그 개구부가 상기 용액수용부(19)의 하부와 연통되도록 설치되는 복수개의 방사노즐부(15)를 포함하여 방사노즐팩(14)이 구성될 수도 있다. 이 경우, 용액의 하전은 고전압발생부(13)로부터 상기 통전판(19a)에 전압이 인가됨으로써 이루어진다.

방사노즐팩(14)을 구성하는 방사노즐부(15) 간의 간격은 하기의 전기장 간섭방지판(18) 설치공간 확보와 가용할 수 있는 방사노즐부(15)의 수를 고려하여 설정된다. 예를 들어, 방사노즐부(15) 간의 간격은 1 ~ 20mm로 설정될 수 있으며, 더욱 바람직한 간격은 3 ~ 15mm가 된다.

본 발명의 전기방사장치에는 방사노즐부(15)로부터 필라멘트 상으로 토출되는 하전 용액, 즉 하전 필라멘트들이 동일극성으로 인해 서로 반발하여 방사노즐팩(14) 바깥으로 퍼짐으로써 스트림이 불안정해지는 것을 제어하도록 방사노즐팩(14)을 둘러싸며 스트림 제어판(17)이 설치된다.

여기서, 스트림 제어판(17)은 상기 하전 필라멘트와 동일극성으로 하전되도록 전압이 인가된다. 이를 위한 전원장치로는 상기 방사노즐부(15)에 전압을 인가하는 고전압발생부(13)를 그대로 이용할 수 있으며 별도의 고전압 발생장치를 추가로 구비하는 것도 가능하다.

상기 스트림 제어판(17)은 방사노즐팩(14)을 사이에 두고 대칭을 이루며 설치되는 도체로서 예컨대 방사노즐팩(14)의 양측, 전후측 혹은 전후양측에 설치가 된다. 이러한 스트림 제어판(17)은 바람직하게 금속판 형태로 구성이 되며, 그밖에 다양한 도전판이나 금속봉, 전도성 봉 등으로 구성될 수 있다.

스트림 제어판(17)과 하전 필라멘트간에 작용하는 정전기력의 방향과 세기를 고려했을 때, 상기 스트림 제어판(17)은 방사노즐팩(14)으로부터 1 ~ 20cm의 범위내의 주변에 설치되며, 스트림 제어판(17) 하단부의 위치는 방사노즐부(15) 하단부를 중심으로 상측10cm ~ 하측10cm 이내의 범위에 위치시키는 것이 효과적인 스트림 제어를 위해 바람직하다. 더욱 바람직한 스트림 제어판(17)의 하단부 위치는 방사노즐부(15) 하단부와 동일하게 위치시키거나, 노즐 하단부로부터 위쪽으로 5cm 이내의 범위에서 위치시키는 것이다.

전기장 간섭방지판(18)은 고전압 인가로 각각의 방사노즐부(15) 주변에 형성된 전기장이 상호간섭되는 것을 방지하는 기능을 수행한다. 이러한 기능을 위한 바람직한 실시예로서, 상기 전기장 간섭방지판(18)은 각각의 방사노즐부(15)가 삽입되도록 다수의 통공이 형성되어 있는 블럭형태로 구성될 수 있다.

전기장 간섭방지판(18)의 설치로 컬렉터(21)와 각각의 방사노즐부(15)간에는 방사노즐팩(14) 상의 방사노즐부(15) 위치와 관계없이 동일한 전기장이 형성된다. 상기 전기장 간섭방지판(18)의 소재로는 테프론계 혹은 세라믹계 절연성 재료가 바람직하게 채용되며, 그밖에 다양한 절연성 소재가 채용가능하다. 여기서, 상기 전기장 간섭방지판(18)의 하면은 방사노즐부(15)의 하단부보다 소정치수 즉, 수mm ~수cm 상측에 위치하도록 하는 것이 전기장 간섭방지를 위해 효과적이다.

용액의 토출이 동시에 다량으로 이루어지면 하전 필라멘트는 서로 응집된 채로 컬렉터(21)에 집적된다. 이러한 응집현상을 방지하기 위하여 방사노즐팩(14)과 컬렉터(21) 사이에는 용매 휘발도를 높이도록 용매흡입부(20)가 설치된다. 즉, 상기 용매흡입부(20)를 통해 방사노즐팩(14)과 컬렉터(21) 사이의 공기를 흡입 및 배기함으로써 토출되는 하전 필라멘트에 용해되어 있는 용매의 휘발도를 촉진시키게 된다.

이를 위해, 상기 용매흡입부(20)는 예컨대, 흡입 팬(Fan)과 같은 흡입수단을 포함하여 구성된다. 이때의 흡입풍량은 하전 필라멘트의 토출 스트림에 영향을 주지 않는 범위에서 설정이 되며 그 바람직한 실시예로는 시간당 4 ~ 500㎥가 적합하다.

방사노즐부(15)로부터 토출된 하전 필라멘트는 컬렉터(21) 상에 집적된다. 컬렉터(21)는 접지되거나, 방사노즐부(15)에 인가한 전압의 극성과 반대극성의 전압이 인가되며, 예컨대 롤러(21a)와 같은 이송수단을 통해 방사노즐팩(14)의 하측으로 연속적으로 공급되도록 구성하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 컬렉터(21)의 소재로는 전도성이 우수한 금속판이 바람직하게 사용되며, 그밖에 다양한 종류의 전도성 재료가 채용될 수 있다.

그러면, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 전기방사장치를 이용하여 나노급 섬유를 제조하기 위한 바람직한 실시예들을 설명하기로 한다.

먼저, 전기방사에 적용될 수 있는 고분자 물질은폴리비닐리덴플루오라이드(poly (vinylidene fluoride) ;PVDF), 폴리아크릴로니트릴(poly(acrylonitile) ;PAN), 폴리설폰(poly(sulfone) ;PS), 폴리이미드(poly (imide) ;PI), 폴리에틸렌 옥사이드(poly(ethylene oxide) ;PEO)등 용매에 용해가능한 모든 고분자 물질이 채용가능하며, 단일 혹은 둘 이상이 혼합된 상태로 채용된다.

방사용액의 농도는 고분자 종류, 분자량, 용매간의 상호작용에 따라 다르게 설정이 되나, 방사성 및 연신성이 충분한 점도를 갖는 용액이 바람직하다. 용액의 농도가 5중량% 이하로 지나치게 낮으면 용매회수량으로 인한 비용문제가 발생하고, 지나치게 높으면 공기층에서 연신성 및 분기성 문제로 나노급 섬유를 제조하기 어렵다. 이러한 점을 감안했을 때, 바람직한 용액의 농도는 5 ~ 25중량%이다. 더욱 바람직한 농도는 10 ~ 20중량%이다.

아울러, 용액의 점도는 방사성 및 연신성을 고려했을 때 실온에서 100∼20,000센티포이즈(cP)가 적합하다. 더욱 바람직한 점도는 200∼10,000cP이다.

제조된 용액은 정량펌프(10)를 통해 펌핑되어 방사노즐부(15)로 공급되며, 상기 방사노즐부(15)에는 고압의 전압이 인가되어 하전상태의 용액이 공기층으로 토출된다.

이때, 방사노즐부(15)에 인가되는 전압은 10 ~ 60KV의 범위의 양(+)전위에 해당하는 것이 바람직하다. 방사노즐부(15)에 10KV 이하의 전압을 인가하면 토출흐름이 불균일하고, 60KV이상의 전압을 인가하면 필라멘트간 상호 반발력에 따른 요동 등 불안정한 흐름을 보인다. 여기서, 더욱 바람직한 전압은 20 ~ 45KV이다.

스트림 제어판(17)에는 방사노즐부(15)에 인가한 전압과 동일 혹은 다른 세기의 전압을 인가한다. 바람직하게, 스트림 제어판(17)에 인가되는 전압은 10 ~ 60KV의 양전위이다. 스트림 제어판(17)에 10KV이하의 전압을 인가하면, 방사노즐팩(14) 바깥 측에 위치하는 방사노즐부(15)로부터 토출된 필라멘트는 외곽으로 벗어나고, 60KV이상의 전압을 인가하면 토출된 필라멘트 분출물의 흐름이 안쪽으로 밀려들어가므로 안정된 방사흐름을 유지시킬 수 없다. 여기서, 더욱 바람직한 전압은 20 ~ 50KV이다.

방사노즐부(15) 각각의 용액 토출량은 분당 10 ~ 1000마이크로리터(㎕)가 적합하다. 분당 10㎕이하이면 생산속도가 낮고, 1000㎕이상이면 나노급 섬유를 제조하기 어렵다.

방사노즐부(15)의 하단부와 컬렉터(21) 사이의 이격거리는 용매휘발도 및 전기장 세기(KV/cm)를 고려했을 때, 10 ~ 100cm가 바람직하다. 더욱 바람직한 거리는 20 ~ 80cm이다.

용매흡입부(20)에 의한 용매 흡입량은 하전 필라멘트의 흐름에 영향이 없는 범위에서 풍량을 조절한다. 이에 따라, 토출 필라멘트로부터 1cm 떨어진 거리에서 측정한 바람직한 풍속은 0.1 ~ 8m/s가 되도록 하는 것이 바람직하다.

양전위가 인가된 방사노즐부(15)로부터 토출된 필라멘트는 양(+)극성의 전하를 띠기 때문에, 단순 접지시킨 컬렉터(21) 혹은 상기 방사노즐부(15)에 대하여 음(-)전위가 인가된 컬렉터(21)를 사용하여 집적한다. 이와 반대로, 방사노즐부(15)에 음전위를 인가한 경우에는 단순 접지시킨 컬렉터 혹은 상기 방사노즐부(15)에 대하여 양(+)전위가 인가된 컬렉터(21)를 사용한다.

이상과 같이 구성되는 본 발명을 통해 집적된 섬유의 직경은 1마이크론(㎛)이하의 나노급 섬유이고, 적층된 나노섬유들은 다공성 막과 유사한 웹을 구성한다.

그러면, 본 발명의 전기방사장치를 이용하여 나노급 섬유를 제조하는 방법에 대한 좀더 구체적인 실시예와 비교예를 설명하기로 한다. 다음의 실시예들과 비교예는 본 발명의 전기방사장치에 있어서, 스트림 제어판의 설치에 따른 방사상태 및 제조섬유의 상태를 명확히 나타낸다.

먼저, 방사용액을 구성하는 고분자 물질로는 폴리비닐리덴플루오라이드 (poly(vinylidene fluoride) ;PVDF, Atochem사)를 선정하였으며, 용매는 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide ;DMAc)와 아세톤(acetone)이 무게비 3:7로 이루어진 혼합용매를 사용하였다. 이때, 용액농도는 각각 13중량%, 15중량%, 17중량%로 하였다.

제조된 용액은 정량펌프(10)로서 채용된 실린지 펌프(KDS model 200)를 이용하여 펌핑하여 분배부(11,12)를 거쳐 방사노즐팩(14) 측으로 정량이송시킨다. 이때, 상기 방사노즐팩(14)을 구성하는 방사노즐부(15)의 수는 1열당 10개씩 2열로 배열하여 총 20개가 되도록 하고, 용액의 토출양은 방사노즐부당 100㎕/분이 되도록 한다. 상기 방사노즐부(15)는 니들형 노즐로서, 몸체의 내경은 0.2mm, 외경은 0.4mm, 모세관부(15a)의 길이는 15mm, 노즐사이 간격은 13mm이며, 각각의 방사노즐부(15)는 서로 통전될 수 있도록 통전고리(16)로 연결된다.

고전압 인가를 위한 고전압발생부(13)는 고전압장치[DEL GlobalTechnologies, 모델명: RLPS50-300P, 출력전압 50KV, 출력전류 3mA, (+)극성]를 사용하여 20 ∼ 50KV범위의 (+)직류전압을 방사노즐부(15)와 스트림 제어판(17)에 함께 인가하였다.

상기 스트림 제어판(17)은 두께 0.4mm, 폭 15mm의 구리판으로 구성된다. 상기 스트림 제어판(17)은 방사노즐부(15)로부터 1cm 떨어진 지점에 방사노즐팩(14) 좌우측에만 설치하였으며, 상기 스트림 제어판(17) 하단부의 위치는 방사노즐부 하단부의 위치와 같게 하였다.

전기장 간섭방지판(18)은 다수의 통공이 형성되어 있는 테프론?((poly)tetrafluoroethylene; PTFE) 블럭으로 구성이 되며, 상기 각각의 통공에는 각각의 방사노즐부(15)가 삽입결합된다. 이때, 방사노즐부(15)의 하단부는 전기장 간섭방지판(18) 하면으로부터 하측으로 20mm 돌출된 상태가 되도록 한다.

토출되는 필라멘트로부터 1cm 떨어진 거리에서 측정한 근처에서 측정된 풍속은 5m/s이며, 용매흡입부(20)의 흡입 풍량은 시간당 200㎥이다. 아울러, 컬렉터(21)는 금속판(SUS 304)으로 형성이 되어 접지되고, 통상의 컨베이어 수단의 벨트와 같은 형태로 구성이 된다.

상기와 같은 조건하에서의 실험결과치가 아래의 표 1에 기재되어 있다. 아울러, 상기 조건에서의 방사패턴은 도 4에 도시되어 있다. 표 1에 도시된 바와 같이, 상기의 조건하에서 300∼1,000nm의 나노급 섬유를 제조할 수 있음을 알 수가 있다.

	농도(중량%)	전압(KV)	평균섬유직경(nm)	직경범위(nm)
실시예 1	13	25	850	650~950
" 2	13	30	800	400~900
" 3	13	35	750	400~850
" 4	13	40	700	350~800
" 5	13	50	700	300~800
" 6	15	30	800	600~900
" 7	15	40	800	550~900
" 8	17	35	900	650~980
" 9	17	45	900	600~950
비교예	15	40	1500	800~2500

한편, 상기 표 1에는 비교예로서, 스트림 제어판(17)을 설치하지 않았을 때의 방사상태 및 제조섬유의 직경에 대한 실험결과가 기재되어 있다. 이때의 실험조건은 스트림 제어판(17)을 설치하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1∼9과 동일한 조건에 해당된다.

그 결과, 도 5에 도시한 바와 같이, 방사노즐팩(14) 바깥 측에 위치한 방사노즐부(15)에서 토출된 필라멘트의 스트림 상태는 외곽으로 크게 벗어난 상태를 보이고, 내부의 스트림은 불안정한 상태를 보였다. 또한, 30KV이상의 인가전압에서 방사노즐부(15)로부터 나온 분출물의 흐름은 심한 요동을 보여 더 이상 증가시킬 수 없었다. 제조된 섬유의 직경은 상기 표 1에 나타난 바와 같이 800 ∼2500nm로서 평균 섬유직경은 1500nm인 마이크론급에 해당하였다.

다음은 실시예 10으로서, 상기의 실시예들에 비해 다수의 방수노즐부가 구성되도록 도 3에 도시된 일체형 방사노즐팩을 사용하고, 여러 셋팅조건들을 달리 설정한 상태에서 전기방사를 수행한 실시예이다.

고분자는 중량평균 분자량이 15만인 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile;PAN)을 사용하였으며, 용매는 100% 디메틸포름아미드(dimethyformamide ;DMF)를 사용하였다. 용액농도는 각각 13중량%로 하였다.

제조된 용액은 정량펌프(10)로부터 펌핑되어 분배부(11,12)를 거쳐 도 3에 도시된 바와 같은 형태의 방사노즐팩(14)으로 공급된다. 이때, 상기 방사노즐팩(14)을 구성하는 방사노즐부(15)의 수는 1열당 10개씩 10열로 구성되어 총 100개가 된다. 방사노즐부당 토출양은 200㎕/분이며, 방사노즐부(15) 몸체의 내경은 0.2mm, 외경은 0.4mm, 모세관부(15a)의 길이는 5mm, 노즐사이의 간격은 5mm이다. 용액에 대한 통전은 용액수용부(19) 내부에 설치된 통전판(19a)에 고전압을 인가함으로써 이루어진다.

이때, 전압인가를 위한 고전압발생부(13)는 실시예 1∼9에서 사용한 것과 동일하며, 인가전압은 40 ∼ 50KV범위이다. 스트림 제어판(17)은 두께 0.4mm, 폭 100mm의 구리판을 사용하였으며, 그 인가전압은 상기 통전판(19a)에 인가한 전압과 동일하다.

스트림 제어판(17)은 방사노즐팩(14)으로부터 좌우 1cm, 전후 10cm 이격된 지점에 설치하였으며, 상기 스트림 제어판(17) 하단부는 방사노즐부(15) 하단부에서 5mm 상측과 수평되는 지점에 위치하도록 설치하였다.

전기장 간섭방지판(18)은 세라믹판이며 각각의 방사노즐부(15)가 상기 전기장 간섭방지판(18)에 형성된 통공에 삽입되고, 상기 방사노즐부(15)의 하단부는 전기장 간섭방지판(18)의 하면으로부터 10mm의 치수만큼 하측으로 돌출된 상태가 되도록 한다.

토출 필라멘트로부터 1cm 이격된 거리에서 측정된 풍속은 6m/s이며, 용매흡입기구의 풍량은 시간당 340㎥ 이다. 아울러, 컬렉터(21)는 금속판(SUS 304)으로 형성이 되며 컨베이어 수단의 벨트에 해당되도록 구성된 상태로 접지된다.

상기와 같은 조건으로 구성되는 본 발명의 전기방사장치를 통해 300∼1,000nm의 나노급 섬유를 안정적으로 제조할 수 있었다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조로 설명하였다. 여기서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 의하면 방사노즐팩 주위에 스트림 제어판이 설치되어 토출 스트림의 방향을 제어하게 되므로 다중노즐 구성시 발생되는 하전 필라멘트 간의 반발로 인한 스트림의 불안정 현상을 방지할 수 있으며, 이에 따라 용액에 고압을 인가하더라도 균일한 스트림을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 방사노즐팩과 컬렉터 사이의 공기를 흡입하도록 용매흡입부가 구성되므로 용매휘발도를 향상시킬 수 있으며, 전기장 간섭방지판의 설치를 통해 컬렉터와 방사노즐팩 간에 균일한 전기장이 형성되는 효과가 있다.

이러한 장점을 가지는 본 발명은 양질의 나노급 섬유를 대량으로 제조하는데 매우 유용하게 적용될 수 있다.

Claims

섬유원료가 되는 고분자 물질이 용해된 용액을 공급하기 위한 용액공급부;

상기 용액공급부로부터 용액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하게 되는 복수개의 방사노즐부로 이루어지는 방사노즐팩;

상기 방사노즐부에 소정의 전압을 인가하여 상기 용액을 하전시키는 전압인가부;

상기 전압인가부를 통해 동일 극성으로 하전되어 각각의 방사노즐부에서 토출되는 하전 필라멘트들의 상호 반발에 따른 불안정한 흐름을 제어하도록, 상기 방사노즐팩을 사이에 두고 대칭을 이루며 설치되고 상기 하전 필라멘트와 동일한 극성으로 대전되도록 전압이 인가되는 스트림 제어판;

상기 방사노즐팩과 소정의 이격거리를 두며 하측에 설치되며, 상기 하전 필라멘트와 반대의 극성으로 대전되어 상기 방사노즐부로부터 토출되는 하전 필라멘트가 그 상면에 집적되도록 하는 컬렉터; 및

하전 필라멘트 토출시 상기 방사노즐팩과 컬렉터 사이의 공기층으로부터 용매를 흡입하여 배기하는 용매흡입부;를 포함하는 전기방사장치.
제 1항에 있어서,

각각의 방사노즐부가 삽입되도록 복수개의 통공이 형성되어 인접하는 방사노즐부 간의 전기장 간섭을 차단하는 전기장 간섭방지판;을 더 포함하는 전기방사장치.
제 2항에 있어서,

상기 전기장 간섭방지판이 테프론계 혹은 세라믹계 중 어느 하나에 해당하는 절연성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
제 2항 또는 제 3항에 있어서,

상기 방사노즐부의 하단부를 전기장 간섭방지판의 하면으로부터 소정 치수만큼 하측으로 돌출시킨 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
제 1항에 있어서,

상기 방사노즐팩을 구성하는 방사노즐부의 수가 적어도 열당 10개이상이고, 적어도 1열이상으로 배열된 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
제 1항에 있어서,

상기 방사노즐부 및 스트림 제어판에 10 ~ 60KV의 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
제 1항 또는 제 6항에 있어서,

상기 스트림 제어판이 상기 방사노즐팩으로부터 1 ~ 20cm의 범위내에 해당하는 간격으로 이격되는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
제 1항 또는 제 6항에 있어서,

상기 스트림 제어판의 하단이, 상기 방사노즐부 하단부로부터 상측10cm ~ 하측10cm의 범위내에 해당하는 지점에 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
제 1항 또는 제 6항에 있어서,

상기 방사노즐부의 하단부와 컬렉터 간의 거리가 10 ~ 100cm의 범위내에 해당하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
제 1항 또는 제 6항에 있어서,

상기 필라멘트로부터 1cm 이격된 거리에서 측정한 용매 흡입풍속이 0.1 ~ 8m/s의 범위에 해당하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
제 1항에 있어서,

상기 방사노즐팩을 구성하는 각각의 방사노즐부의 토출량이 분당 10 ~ 1000㎕의 범위에 해당하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
복수개의 방사노즐부로 이루어지는 방사노즐팩을 구비하는 단계;

섬유원료가 되는 고분자 물질이 용해된 용액을 상기 방사노즐부로 공급하는 단계;

상기 방사노즐부에 전압을 인가하여 상기 용액을 하전시키는 단계;

상기 방사노즐팩을 사이에 두고 대칭을 이루도록 대전도체를 설치하고, 상기 하전용액의 극성과 동일한 극성의 전하가 대전되도록 상기 대전도체에 전압을 인가하는 단계; 및

상기 방사노즐부로부터 하전 필라멘트를 토출시켜 컬렉터 상에 집적하는 단계;를 포함하는 나노섬유 제조방법.
제 12항에 있어서,

상기 방사노즐팩과 컬렉터 사이의 공기를 흡입하여 배기시키는 단계;를 더 포함하는 나노섬유 제조방법.