KR100857523B1 - 전기방사장치의 방사 조건의 조절 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기방사장치의 방사 조건의 조절방법에 관한 것이고, 구체적으로 이온 입자의 유입 및 노즐 블록의 경사를 조절하여 전기방사장치의 방사 조건을 조절하는 방법에 관한 것이다. 컬렉터 및 노즐 블록을 포함하는 전기방사 장치의 방사 조건을 조절하는 방법은 높이 조절이 가능한 테이블 위에 적어도 하나의 노즐 블록을 포함하는 노즐 유닛을 연속적으로 배열하고, 그리고 제조되는 나노 섬유 웹의 진행 방향에 대하여 수직이 되는 폭 방향으로 두께 편차가 발생하는 경우 노즐 블록 또는 노즐 유닛의 폭 방향 경사를 조절하는 것을 특징으로 한다.

노즐 유닛, 방사 블록, 경사 조절, 진행 방향, 폭 방향

Description

전기방사장치의 방사 조건의 조절 방법{Method for Adjusting Electrospinning Condition}

본 발명은 전기방사장치의 방사 조건의 조절방법에 관한 것이고, 구체적으로 이온 입자의 유입 및 노즐 블록의 경사를 조절하여 전기방사장치의 방사 조건을 조절하는 방법에 관한 것이다.

고분자 폴리머 용액을 용제에 녹인 방사 용액 또는 고분자 폴리머의 용융물을 전기 방사하여 나노섬유를 제조하는 방법 또는 장치는 이 분야에 공지되어 있다. 방사 용액 또는 용융물은 방사 노즐을 가진 방사블록에서 방사되고 그리고 컬렉터에 집속이 되어 나노섬유 웹을 형성한다. 노즐 블록은 수십 내지 수천 개의 방사노즐을 포함하고 있으므로 동일한 노즐 블록에 형성된 방사 노즐 사이에 형성되는 전압의 불균일성으로 인하여 컬렉터에 집속되는 나노섬유 웹은 물성의 불균일성을 발생시킬 수 있다. 그리고 다른 문제로 방사 용액 또는 방사 용융물의 전기 방사 과정에서 용제가 노즐 블록의 상부 또는 바닥면에 존재하게 되고 그리고 이로 인하여 전기 방사가 안정적으로 이루어지지 않는 경우가 발생할 수 있다. 나노섬유의 대량 생산과정에서 발생할 수 있는 다른 문제로 다수 개의 노즐 블록이 연속적 으로 설치되어 전기 방사가 이루어지는 경우 폭 방향으로 두께가 일정하게 되지 않을 수 있다. 이와 동시에 제조되는 나노섬유가 요구되는 두께를 가지지 못할 수 있다. 본 발명은 이와 같이 제조된 나노 섬유가 필요한 요구 조건을 가지지 못하는 문제를 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.

본 발명의 목적은 전기 방사 장치의 방사 조건을 조절하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 용액 방사 및 용융 전기방사 장치와 같은 임의의 방사도프(dope)를 위한 전기 방사 장치에 적용될 수 있고 아울러 상향, 측면 및 하향식 전기방사장치 모두에 적용될 수 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 컬렉터 및 노즐 블록을 포함하는 전기방사 장치의 방사 조건을 조절하는 방법은 높이 조절이 가능한 테이블 위에 적어도 하나의 노즐 블록을 포함하는 노즐 유닛을 연속적으로 배열하고, 그리고 제조되는 나노 섬유 웹의 진행 방향에 대하여 수직이 되는 폭 방향으로 두께 편차가 발생하는 경우 노즐 블록 또는 노즐 유닛의 폭 방향 경사를 조절한다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 노즐 유닛의 위쪽으로 공기 흐름이 유도되고 그리고 공기 흐름은 이온 입자를 포함한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 노즐 블록 또는 노즐 유닛의 폭 방향의 경사는 제조된 나노 섬유 웹의 두께를 실시간으로 측정하여 조절된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 공기 흐름 내에 포함된 이온 입자의 양은 노즐 블록 위에 존재하는 휘발성 용제의 양 및 전하량을 실시간으로 측정하여 결정된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 노즐 유닛의 경사는 높이 조절에 가능한 테이블에 의하여 조절된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 전기 방사 장치는 상향식이 된다.

본 발명은 나노섬유 웹의 제조 과정에서 발생할 수 있는 폭 방향 두께 편차를 방지할 수 있다. 그리고 제조 과정에서 발생할 수 있는 방사 블록 내의 전기장의 불균일성으로부터 발생할 수 있는 물성의 변화를 방지하여 균일한 물성을 가진 나노 섬유 웹이 제조될 수 있도록 한다는 장점을 가진다.

아래에서 본 발명은 실시 예를 이용하여 상세하게 설명이 된다. 제시된 실시 예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

본 명세서에서 노즐 유닛은 적어도 하나 이상의 노즐 블록이 정렬되어 형성된 단위체를 의미한다. 대량 생산을 위한 전기방사장치는 일정한 형태로 정렬된 다수 개의 노즐 유닛으로부터 방사용액 또는 방사 용융물이 컬렉터에 전기 방사가 되어 나노섬유 웹이 연속적으로 제조될 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 적어도 하나의 노즐 블록을 포함하는 다수 개의 노즐 유닛을 도시한 것이다.

다수 개의 노즐 유닛(10a, 10b)은 각각 높이 조절이 가능한 테이블(T)에 설치되고 그리고 각각의 노즐 유닛(10a,10b)은 적어도 하나의 노즐 블록(11a, 11b)을 포함할 수 있다. 노즐 유닛(10a, 10b)의 수 및 각각의 노즐 유닛(10a,10b)에 설치되는 노즐 블록(11a,11b)의 수는 방사 조건, 제조되어야 할 나노섬유 웹의 양 또는 제조 공정의 설계 편의성에 의하여 적절하게 결정될 수 있지만 각각의 노즐 유닛(10a,10b)은 바람직하게 2 내지 8개의 노즐 블록(11a, 11b)을 포함할 수 있다. 각각의 노즐 블록(11a, 11b)은 각각 3 내지 6 m의 가로 및 세로 길이를 가진 판(plate) 형태로 제조되고 그리고 각각 50 내지 3,000개의 방사 노즐 (12)을 포함할 수 있다. 각각의 노즐 블록(11a, 11b)에 방사 노즐(12)을 형성하는 방법은 출원인에 의하여 출원된 특허출원번호 제2007-44037호에 기재되어 있고, 상기 발명의 내용은 본 명세서의 내용으로 포함된다.

상향식 전기 방사 장치의 경우 노즐 유닛(10a, 10b)의 위쪽에 컬렉터가 설치되어 노즐 유닛(10a, 10b) 및 컬렉터 사이에 고전압이 인가된다. 그리고 노즐 유닛(10a, 10b) 및 컬렉터 사이의 공간은 전기 방사가 이루어지는 방사 블록이 형성된다. 방사 노즐(12) 및 컬렉터 사이의 거리는 컬렉터에 집속되는 방사 용액의 양에 영향을 미치고 그리고 방사되는 용액의 양에 따라 제조되는 나노 섬유 웹의 두께가 달라질 수 있다. 방사 노즐(12) 및 컬렉터 사이의 거리는 노즐 유닛(10a, 10b)이 설치되는 높이 조절이 가능한 테이블(T)에 의하여 조절된다. 나노 섬유 웹의 두께와 관련된 다른 문제는 폭 방향으로 발생하는 두께의 불균일성이다. 일반적으로 노즐 블록(12)의 중앙 부분에 비하여 가장 자리 부분에서 많은 양의 방사 용액 또는 방사 용융물이 방사되므로 각각의 노즐 블록(12) 또는 배열을 조정하여 두께의 불균일성을 방지할 수 있다. 그러나 나노 섬유의 대량 생산의 경우 다양한 원 인에 의하여 방사 불균일성이 발생할 수 있고 이로 인하여 제조된 나노 섬유 웹의 두께의 불균일성이 발생할 수 있다. 두께의 불균일성이 특히 문제가 되는 것은 폭 방향에 대해서이다. 본 명세서에서 진행 방향이란 나노 섬유 웹이 권취되는 방향으로 도 1에서 M으로 표시된 방향을 의미하고 그리고 폭 방향이란 진행 방향에 수직이 되는 방향을 의미한다. 제조 공정에서 폭 방향의 두께의 불균일성은 한 쪽 가장자리가 다른 가장 자리에 비하여 집속된 나노 섬유 웹의 두께가 상대적으로 얇거나 또는 두꺼운 것을 말한다. 본 발명에 따르면 이와 같은 폭 방향의 두께의 불균일성은 노즐 블록(11a, 11b)의 경사를 조절하는 것에 의하여 방지될 수 있다.

노즐 블록(11a, 11b)의 경사 조절은 폭 방향의 경사를 조절하는 것을 말하고 그리고 폭 방향의 경사 조절에 따른 결과는 방사되는 양의 조절이다.

본 발명에 따른 노즐 블록(10)의 방사 양의 조절 방법이 도 2에 도시되어 있다.

도 2의 (가) 및 (나)는 본 발명에 따른 전기 방사 장치에서 방사 양을 조절하는 방법에 대한 실시 예를 도시한 것이다.

도 2의 (가)를 참조하면, 본 발명에 따른 노즐 블록(11)과 컬렉터 사이의 방사 거리, 정확하게는 방사 노즐과 컬렉터 사이의 방사 거리는 두 가지 방법으로 이루어진다.

경사 조절의 한 가지 방법은 노즐 유닛(10a, 10b)의 경사를 조절하는 것이고 그리고 다른 하나는 노즐 블록(11a, 11b) 각각의 경사를 선택적으로 조절하는 것이다. 노즐 유닛(10a, 10b)의 높이 조절이 가능한 테이블(도 1 참조) 위에 설치가 되므로 노즐 유닛(10a, 10b)의 경사 조절은 테이블의 경사를 조절하는 것에 의하여 가능하다. 테이블의 높이 또는 경사 조절은 이 분야에서 공지된 임의의 방법으로 이루어질 수 있다. 그리고 노즐 블록(11a, 11b)의 경사 조절을 위하여 각각의 노즐 블록(11a, 11b)에 높이 조절 나사가 설치될 수 있다. 도 2의 (가)의 경우 두 번째 노즐 블록 및 네 번째 노즐 블록의 경사가 조절되는 것으로 도시되어 있지만 노즐 유닛에 설치된 임의의 노즐 블록의 경사를 선택적으로 조절할 수 있다.

본 명세서에서 경사 조절은 노즐 유닛 또는 노즐 블록의 폭 방향의 경사 방향을 조절하는 것을 말하고 그리고 폭 방향은 나노 섬유 웹의 진행 방향에 수직이 되는 방향을 말한다.

도 2의 (가)에 도시된 것처럼, 경사 조절의 결과로 지표면에 대하면 수평이 되는 기준선(A)에 대하여 노즐 유닛(10a, 10b) 또는 노즐 블록(11a, 11b)은 기준선에 대하여 일정한 크기의 각(T)을 이루게 된다. 경사 조절의 결과가 도 2의 (나)에 도시되어 있다.

도 2의 (나)를 참조하면, 노즐 유닛 또는 노즐 블록의 경사가 조절되면 실질적으로 폭 방향으로 수평 기준선(A)에 대하여 노즐 블록(11)은 일정한 크기의 각(T)을 형성하게 된다. 그리고 폭 방향으로 각각의 방사 노즐(12)과 컬렉터(21) 사이의 거리가 서로 달라진다. 방사 노즐(12)과 컬렉터(21) 사이의 간격이 작아지면 컬렉터(21)의 단위면적 당 집속되는 나노섬유 웹의 양이 많아지고 그리고 방사 노즐(12)과 컬렉터(21) 사이의 간격이 커지면 컬렉터(21)의 단위면적 당 집속되는 나노섬유 웹의 양이 작아진다. 제조 과정에서 또는 제조된 나노 섬유 웹의 두께를 측정한 결과 진행 방향(M)의 오른쪽 부분의 나노섬유 웹의 두께가 왼쪽 부분의 나 노섬유 웹의 두께에 비하여 얇은 경우 도 2의 (나)에 도시된 것과 같이 진행방향(M)의 수직 방향으로 노즐 유닛 또는 노즐 블록(11)의 경사를 조절한다.

노즐 유닛 또는 노즐 블록의 경사를 조절하는 것은 폭 방향의 두께 편차의 발생을 방지하기 위한 것이다. 나노섬유의 웹의 물성 또는 방사 균일성에 영향을 미치는 다른 원인은 노즐 블록과 컬렉터로 형성되는 방사 블록에 존재하는 전하를 띤 휘발성 용제가 된다. 방사 노즐을 통하여 방사 용액 또는 용융물이 전기 방사되는 경우 방사 용액 또는 용융물의 일부는 방사되지 않고 노즐 블록의 아래쪽으로 흘러내리게 된다. 또한 방사 용액에 포함된 휘발성 용제는 공기에 대한 상대적인 비중에 따라 노즐 블록의 아래쪽으로 가라앉거나 또는 방사 블록에 부유하게 된다. 그리고 휘발성 용제는 대부분의 경우 전하를 띠고 있으므로 방사 과정에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 방사 균일성의 유지를 위하여 휘발성 용제가 제거되는 것이 유리하다. 휘발성 용제를 제거하는 장치의 실시 예는 위에서 언급되고 그리고 본 명세서에 내용으로 포함되는 특허출원번호 제2007-44037호에 기재되어 있다.

도 3은 방사 블록에서 휘발성 용제를 제거할 수 있는 장치의 실시 예를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 노즐 유닛(10)은 높이 조절 또는 경사 조절이 가능한 테이블(T) 위에 설치된다. 노즐 유닛(10)은 적어도 하나의 노즐 블록(11)을 포함하고 각각의 노즐 블록(11)은 나노섬유 웹의 진행 방향(M)에 수직인 폭 방향의 경사 조절이 가능하도록 노즐 유닛(10) 위에 설치된다. 컬렉터(도시되지 않음)가 노즐 유닛(10)의 위쪽에 설치되어 방사 블록이 형성된다. 방사 블록은 컬렉터, 노즐 유 닛(10) 및 4개의 측면을 둘러싼 격벽(34, 34a, 34b))에 의하여 밀폐 공간을 형성하게 되어 방사 블록 내부의 휘발성 용제의 자유로운 외부 유출을 방지한다. 격벽(34, 34a, 34b)은 임의의 절연성 수지로 만들어질 수 있지만 바람직하게는 아크릴 수지로 만들어질 수 있다. 노즐 블록(11)의 전면에 설치된 격벽(34a)의 안쪽 면에 방풍 블록(31)이 설치되고 그리고 노즐 후면에 흡입 블록(32)이 설치된다. 방풍 블록(31)은 공기 흐름을 유도하기 위한 다수 개의 블라인드 형태의 슬릿 막을 포함할 수 있고 그리고 흡입 블록(32)은 유도된 공기를 흡입하기 위한 다수 개의 홀 또는 슬릿을 포함할 수 있다. 방풍 블록(31)의 슬릿 막은 개폐 및 개폐 정도의 조절이 가능하고 이와 동시에 공기 흐름의 각을 유도하기 위하여 일정한 각을 가지고 개폐가 되도록 할 수 있다. 방사 과정에서 방사 블록에 존재하는 휘발성 용제는 방풍 블록(31)에 의하여 유도된 공기 흐름을 따라 흡입 블록(32)으로 유입되어 유도관(33)을 통하여 외부로 배출되어 제거되거나 또는 재활용이 될 수 있다. 도 3에 도시된 것처럼 방풍 블록(31) 및 흡입 블록(32)은 각각의 노즐 블록(11)에 설치될 수 있지만 필요에 따라 노즐 유닛(10) 단위로 설치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 방풍 블록(31)은 공기의 흐름을 유도하면서 이온 입자를 배출할 수 있다. 이온 입자의 종류 및 배출량은 방사 블록에 존재하는 휘발성 용제의 양 및 전하의 종류에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어 방사 과정에서 방사 블록에 잔존하는 휘발성 용제가 양 전하를 띠고 있다면 방풍 블록(31)으로부터 음이온 입자가 배출되어야 한다. 배출 양은 방사 블록에 존재하는 휘발성 용제가 가진 전하량에 의하여 결정될 수 있다. 방풍 블록(31)으로부터 배출되는 양이온 또는 음이 온 입자는 이 분야에서 공지된 임의의 이온 입자가 될 수 있다. 예를 들어 양이온 입자는 은, 나트륨 또는 다른 금속의 양이온 입자가 될 수 있고 그리고 음이온 입자는 산소, 질소 또는 다른 비금속 음이온 입자가 될 수 있다.

방풍 블록(31)으로부터 배출되는 이온 입자는 휘발성 용제가 가진 반대 극성을 가진 이온 입자에 흡수되어 전체적으로 방사 블록 내부의 전기장의 크기의 시간에 따른 변화 또는 예기치 않은 전기장 크기의 증감을 방지할 수 있도록 한다. 그리고 이로 인하여 제조되는 나노 섬유의 웹의 물성이 균일해지도록 한다.

본 발명에 따르면 노즐 블록의 경사가 조절될 수 있고 그리고 방사 블록에 이온 입자가 유입될 수 있다. 제조된 나노섬유 웹의 두께를 실시간으로 측정한 결과 만약 폭 방향으로 두께의 편차가 존재하는 경우 먼저 임의의 노즐 유닛을 선택하여 경사를 조절한다. 그리고 다시 두께를 측정한 결과 반대 방향으로 두께의 편차가 발생한다면 선택된 노즐 유닛 중 어느 하나의 노즐 블록을 선택하여 경사를 조절한다. 이와 같이 본 발명에 따른 노즐 블록의 경사 조절은 제조되는 나노섬유 웹의 두께를 실시간으로 측정하고 그리고 측정된 결과에 따라 적절한 방법으로 실행될 수 있다. 그리고 제조 과정에서 방사 블록의 휘발성 용제의 양 및 전하량이 계속적으로 측정이 되고 그리고 그에 따라 적정한 양의 음이온 또는 양이온 입자가 방풍 블록으로부터 방사 블록으로 유입될 수 있다.

위에서 본 발명은 실시 예를 이용하여 상세하게 설명이 되었다. 제시된 실시 예는 예시적인 것으로 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 제시된 실시 예에 대한 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 이러한 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않고 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.

도 1은 본 발명에 따른 적어도 하나의 노즐 블록을 포함하는 다수 개의 노즐 유닛을 도시한 것이다.

도 2의 (가) 및 (나)는 본 발명에 따른 전기 방사 장치에서 방사 양을 조절하는 방법에 대한 실시 예를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 이온 입자를 노즐 블록 위로 유입시키는 방법의 실시 예를 도시한 것이다.

Claims (6)

1. 컬렉터 및 노즐 블록을 포함하는 전기방사 장치의 방사 조건을 조절하는 방법에 있어서,

   높이 조절이 가능한 테이블 위에 적어도 하나의 노즐 블록을 포함하는 노즐 유닛을 연속적으로 배열하고, 그리고 제조되는 나노 섬유 웹의 진행 방향에 대하여 수직이 되는 폭 방향으로 두께 편차가 발생하는 경우 노즐 블록 또는 노즐 유닛의 폭 방향 경사를 조절하는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치의 방사 조건의 조절 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 노즐 유닛의 위쪽으로 공기 흐름이 유도되고 그리고 공기 흐름은 이온 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치의 방사 조건의 조절 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 노즐 블록 또는 노즐 유닛의 폭 방향의 경사는 제조된 나노 섬유 웹의 두께를 실시간으로 측정하여 조절되는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치의 방사 조건의 조절 방법.
4. 청구항 2에 있어서, 공기 흐름 내에 포함된 이온 입자의 양은 노즐 블록 위 에 존재하는 휘발성 용제의 양 및 전하량을 실시간으로 측정하여 결정되는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치의 방사 조건의 조절 방법.
5. 청구항 1에 있어서, 노즐 유닛의 경사는 높이 조절에 가능한 테이블에 의하여 조절되는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치의 방사 조건의 조절 방법.
6. 청구항 1에 있어서, 전기 방사 장치는 상향식이 되는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치의 방사 조건의 조절 방법.

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