KR101023876B1 - 멀티히팅쳄버를 이용한 전기방사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사 재료를 공급하는 방사재료 공급부, 상기 방사재료 공급부로부터 공급된 방사재료를 압출하여 방사하는 압출부, 상기 압출부에서 방사되는 섬유를 일정한 온도 구배로 가열하는 다단의 히팅 유니트들을 구비하는 멀티히팅쳄버, 상기 압출부에 대향하여 위치되고 상기 압출부에서 방사되어 멀티히팅쳄버를 통과한 섬유를 집적하는 컬렉터 및 상기 압출부와 컬렉터 사이에 전압을 인가하는 고전압 발생기를 포함하는 전기방사장치에 관한 것이다. 본 발명의 전기방사장치에 의하면 방사 재료의 특성에 맞게 온도 구배를 주어 히팅함으로써 연신을 최대화하여 더 가는 나노섬유를 제작할 수 있다.

전기방사장치, 압출기, 콜렉터, 멀티히팅쳄버, 나노섬유

Description

멀티히팅쳄버를 이용한 전기방사장치{Electrospinning Device using multiheating chamber}

본 발명은 멀티히팅쳄버를 이용한 전기방사장치에 관한 것으로서, 더욱 상사하게는 방사 재료를 압출기로 압출하여 전기방사하는 전기방사 장치에 있어서, 압출기 다음 단에 멀티히팅쳄버가 설치되어 방사재료에 따른 적당한 온도구배로 히팅하여 더욱 더 가는 나노섬유를 제조할 수 있는 멀티히팅쳄버를 이용한 전기방사장치에 관한 것이다.

전기방사(Electrospinning)는 섬유 원료 용액을 하전상태에서 방사하여 미세 직경의 섬유를 제조하는 기술로서 최근에는 나노미터급 섬유를 제조하기 위한 기술로 이용되어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 전기방사에 의해 제조되는 섬유는 직경이 마이크로미터 두께에서 나노미터 두께가 되는데, 이와 같이 두께가 줄어들면 전혀 새로운 특성들이 나타낸다. 예들 들어, 체적에 대한 표면적 비율의 증가와 표면 기능성 향상, 장력을 비롯한 기계적 물성의 향상 등이 그것이다. 이러한 우수한 특성에 의해서 나노섬유는 많은 중요한 응용 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 나노섬유로 구성된 웹은 다공성을 갖는 분리막형 소재로서 각종 필터류, 상처치료용 드레싱, 인공지지체 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

전기방사장치는 통상적으로 방사용액을 보관하는 방사용액 주탱크, 방사용액의 정량 공급을 위한 계량펌프, 방사용액을 토출하는 다수개의 노즐이 배열된 노즐팩, 상기 노즐팩과 대향하여 위치하며 방사되는 섬유들을 집적하는 콜렉터 및 전압을 발생시키는 전압발생장치들로 구성된다. 이러한 전기방사장치를 이용하여 나노 섬유를 제조하는 경우, 나노 섬유의 특성을 결정하는 요인으로는 고분자 용액의 농도, 유전특성, 표면장력 등의 물질 특성과, 노즐과 콜렉터 사이의 거리, 노즐과 콜렉터 사이의 전압, 전기장 전하밀도, 노즐 내에서의 정전기적 압력, 고분자 용액의 주입속도와 같은 다양한 제어변수 등을 들 수 있다.

특히 노즐팩과 콜렉터 사이의 거리 및 조건의 차이에 따라 수분 및 온도에 따른 외부환경에 의해 연신이 되는 정도가 불균일하며, 균일한 나노미터 굵기 조절이 어렵고, 더 낮은 나노미터 굵기의 섬유를 제작하는데 한계점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 것으로서, 본 발명의 하나의 목적은 온도구배 조절이 가능하고, 압출기의 방사노즐과 콜렉터 사 이의 거리 조절이 가능하여 나노미터 섬유의 굵기 조절 및 균일한 굵기의 나노섬유를 제작할 수 있는 멀티히팅챔버를 이용한 전기방사 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 이점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 자명해질 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전기방사장치는 방사 재료를 공급하는 방사재료 공급부; 상기 방사재료 공급부로부터 공급된 방사재료를 압출하여 방사하는 압출부; 상기 압출부에서 방사되는 섬유를 일정한 온도 구배로 가열하는 다단의 히팅 유니트들을 구비하는 멀티히팅쳄버; 상기 압출부에 대향하여 위치되고 상기 압출부에서 방사되어 멀티히팅쳄버를 통과한 섬유를 집적하는 컬렉터; 및 상기 압출부와 컬렉터 사이에 전압을 인가하는 고전압 발생기를 포함하는 전기방사장치에 관한 것이다.

본 발명의 전기방사장치를 이용하여 폴리머를 전기방사하는 경우에는 멀티히팅쳄버를 구성하는 각각의 히팅 유니트의 온도구배의 조절이 가능하고, 각각의 히팅 유니트의 조립에 의해 압출기의 방사노즐과 콜렉터 사이의 거리 조절이 가능하여 나노미터 섬유의 굵기 조절 및 균일한 굵기의 나노섬유를 제작할 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면 전기용융방사에 의하면서도 수십 ㎚ 내지 500 ㎚ 스케일로 나노 섬유의 굵기를 더욱더 가늘게 제조할 수 있다.

이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 구현예에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 일구현예에 의한 전기방사장치는 방사 재료를 공급하는 방사재료 공급부; 상기 방사재료 공급부로부터 공급된 방사재료를 압출하여 방사하는 압출부; 상기 압출부에서 방사되는 섬유를 일정한 온도 구배로 가열하는 다단의 히팅 유니트들을 구비하는 멀티히팅쳄버; 상기 압출부에 대향하여 위치되고 상기 압출부에서 방사되어 멀티히팅쳄버를 통과한 섬유를 집적하는 컬렉터; 및 상기 압출부와 컬렉터 사이에 전압을 인가하는 고전압 발생기를 포함한다.

본 발명의 전기방사장치는 용액방사 및 용융 방사에 모두 사용될 수 있다.

전기방사에 있어서 방사노즐과 콜렉터 사이의 방사 구역에 단일 히팅 챔버를 이용하여 외부의 환경에서 오는 문제점을 해결하고자 하는 시도가 있었으나, 방사노즐과 콜렉터 사이의 거리의 제한으로 인해 다양한 나노미터 굵기의 섬유를 제작하는 어려움이 있으며, 또한 다양한 나노미터 굵기의 섬유를 제작하기 위해서는 다량의 히팅 챔버를 제작해야 경제적 단점이 있다. 또한 히팅 챔버의 가해지는 단일온도로 물질에 따라 특성에 맞게 온도 구배를 주어야 하는 필요성이 있는 물질의 사용에는 제한적이며, 다양한 온도 구배를 통해 연신을 최대화할 수 있는 방법에도 한계점이 있어 더 가는 나노미터 섬유를 제작하기 어려운 한계가 있다.

본 발명의 전기방사장치에서는 방사구역에 서로 쉽게 연결 및 분리될 수 있는 다단의 히팅유니트들로 구성되는 멀티히팅쳄버가 설치되는데, 이러한 멀티히팅쳄버는 각 히팅 유니트 별로 온도를 조절할 수 있어 방사 재료에 맞게 온도 구배를 주어 연신할 수 있고, 또한 방사노즐과 콜렉터 사이의 거리를 용이하게 증감시킬 수 있어 설비의 유연성이 향상되는 이점을 제공할 수 있다.

본 발명의 일구현예의 전기방사장치에서 복수의 방사노즐들은 수평 방향 또는 수직 방향으로 배열될 수 있고, 더 나아가 상향으로 배열될 수도 있다. 즉, 본 발명의 전기방사장치는 하방식 방사장치 뿐만 아니라 상향식 또는 횡방향식 방사장치에 적용될 수 있다.

먼저, 도 1은 본 발명의 일구현예에 의한 전기방사장치를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 일구현예의 전기방사장치는 방사 재료를 공급하는 방사재료 공급부(100); 방사재료를 압출하여 방사하는 압출부(200); 상기 압출부에서 방사되는 섬유를 일정한 온도 구배로 가열하는 다단의 히팅 유니트들을 구비하는 멀티히팅쳄버(300); 상기 압출부에 대향하여 위치되고 상기 압출부에서 방사되어 멀티히팅쳄버를 통과한 섬유를 집적하는 컬렉터(400); 및 상기 압출부와 컬렉터 사이에 전압을 인가하는 고전압 발생기(500)를 포함한다.

일반적인 전기방사장치는 방사되는 부분이 시린지로 구성되어 있는데, 본 발명의 전기방사장치는 종래와 같이 압출부로 구성된다. 압출기를 이용하면 방사액의 유량을 시린지 보다 더 정확하게 조절하여 토출량에 따른 나노 섬유 굵기 제어 및 균일한 섬유 굵기를 얻을 수 있다. 이러한 방사재료공급부(100)는 폴리머 방사재료를 공급하는 호퍼(130) 및 폴리머 방사재료를 일정하게 압출기에 공급하는 정량펌프(150)를 포함할 수 있다. 상기 압출부(200)는 상기 호퍼와 연결되고 히터(미도시)와 스크류(미도시)를 포함하는 압출기(210) 및 상기 방사재료 공급부(100) 및 압출기(210)와 연결되어 이들의 동작을 제어하는 제어부(230); 및 상기 압출기(210)로부터 용융된 방사 재료를 공급받아서 다수 개의 노즐을 통해서 방사하는 방사노즐부(250)를 포함할 수 있다.

상기 호퍼(130)는 압출기에 공급할 폴리머를 저장하는 구성요소이고, 정량펌프(150)는 저장된 폴리머를 시간당 일정한 양으로 압출기에 공급해주는 조절장치인 컨트롤 벨브에 해당한다. 압출부(200)는 폴리머를 녹이는 압출기(210)로 3 내지 6개로 온도를 설정할 수 있는 히터(미도시)와 폴리머를 이송할 수 있도록 투윈 스크류 또는 싱글 스크류(미도시) 및 이러한 히터 온도 및 스크류의 속도 등을 조절할 수 있는 제어부(230)를 포함할 수 있다. 방사노즐부(250)는 압출기(210)로부터 용융된 방사 재료를 받아서 방사액을 토출하는 다수개의 노즐이 배열된 방사노즐부이다. 방사노즐부(250)는 절연노즐로 전압를 직접 인가할 수 있도록 절연체를 이용하여 구성될 수 있다.

본 발명에서 상기 멀티히팅쳄버(300)는 다수 개의 히팅 유니트(310, 320, 330)로 구성될 수 있다. 이러한 각각의 히팅 유니트들은 손쉽게 체결하여 길이를 연장하거나 일부 히팅 유니트를 분리하여 길이를 줄일 수 있도록 구성된다. 또한 각각의 히팅유니트(310, 320)에는 히터(340, 350)가 설치되고 이러한 히팅 유니트 들에 대하여 이들의 온도를 조절하는 온도 제어부(360)가 부착되어, 전체 멀티히팅쳄버(300)는 방사노즐에서부터 콜렉터에 이르는 방향으로 일정한 온도 구배를 갖도록 세팅될 수 있다. 방사되는 재료에 따라서 요구되는 방사구역의 조건 및 온도 구배 조건이 상이한데, 본 발명의 멀티히팅쳄버는 길이 및 온도를 자유자재로 조절할 수 있어 각각의 방사재료의 최적의 연신을 위한 조건을 설정할 수 있다. 방사노즐부(250)의 하단부와 콜렉터(400) 간의 거리는, 필라멘트의 연신을 위한 적정 전기장이 형성되도록 약10cm 내지 약100cm 범위로 조절될 수 있는데, 히팅 유니트의 조립에 의해서 조절할 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 하나의 구현예에서 멀티히팅쳄버는 두 개 이상의 히팅 유니트(310, 320, 330)를 포함할 수 있다.

다양한 폴리머 재료 가운데 폴리아미드의 경우 2개의 히팅 유니트로 구성될 수 있고, 하나의 챔버의 온도는 약 200도 내지 약220도 범위로 온도를 설정하고, 다른 하나의 챔버는 약 180도 내지 약 190도의 온도로 설정할 수 있고, 전체 멀티히팅쳄버의 길이는 약 60cm 내지 약70cm로 설정할 수 있다. 한편, 폴리에틸렌테레프탈레이트의 경우 3개의 히팅 유니트로 멀티히팅쳄버를 구성하고, 제1 히팅유니트의 온도는 약230도 내지 약250도로 하고, 제 2 히팅유니트는 약 200도 내지 약220도 범위로 하고, 제 3 히팅유니트는 약150도 내지 약170도 범위로 설정할 수 있고, 멀티히팅쳄버의 길이는 약90cm 내지 약100cm로 설정할 수 있다. 폴리에틸렌나프탈레이트의 경우에는 3개의 히팅 유니트로 멀티히팅쳄버를 구성하고, 제 1 히팅유니트는 약240도 내지 약260도로 하고, 제 2 히팅유니트는 약210도 내지 약230도로 하고, 제 3 히팅유니트는 약150도 내지 약170도로 온도 구배를 갖도록 조정하고, 멀티히팅쳄버의 길이는 약 90cm 내지 100cm 범위로 조절할 수 있다.

상기 멀티히팅쳄버(300)의 각각의 히팅 유니트(310, 320, 330) 사이에 열전달을 차단하는 가스켓(330)이 배치된다. 도 2를 참고하면, 이러한 가스켓(330)은 각각의 히팅 유니트(310, 320) 사이에 배치되고, 각각의 히팅 유니트간 열전달을 차단할 수 있는 단열재로 구성될 수 있다. 이러한 가스켓(330)은 각각의 히팅 유니트 사이의 열이동을 차단하고 실링 효과를 제공하여 히팅 유니트로부터 외부로 열이 손실되는 것을 방지하며, 또한 일반적으로 유리 재질로 구성되는 히팅 유니트들 사이에 놓여서 충격을 완충하는 역할을 한다. 일례로 테프론 또는 에폭시 수지 재질로 구성될 수 있다. 각각의 히팅 유니트들(310, 320)은 그 사이에 가스켓(330)을 두고 클램프부(370)에 의해서 체결된다.

도 3은 히팅 유니트의 일례를 도시한 모식도이다. 하나의 히팅 유니트의 규격은 특별히 제한되지 않으나, 일례로 W는 500mm~1500mm이고, d는 30mm~50mm이며, L은 200~500mm일 수 있다.

상기 히팅 유니트(310, 320, 330)의 형태는 특별히 제한되지 않으나, 일례로 방사 방향으로 긴 원통형의 유니트로 구성되고, 전기적인 방식으로 가열하여 방사노즐로부터 섬유가 방사될 때 방사 구역의 온도를 일정하게 유지하고 섬유를 연신한다. 히팅 유니트(310, 320, 330)는 예를 들어, 세라믹, 강화유리, 또는 기타 전기절연 무기재 하우징 내에 열선이 설치되거나, 전기적인 방식 이외에 열풍으로 가열하는 방식도 채용될 수 있다.

상기 방사노즐부(250)의 재료로는 폴리프로필렌[poly(propylene); PP], 폴리에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소계 폴리머, 폴리에테르에테르케톤, 나일론과 같은 폴리아미드계 폴리머 등 내화학성을 갖는 엔지니어링 플라스틱계가 채용되며 대안으로는 스테인레스스틸(SUS)과 같은 내부식성의 금속이 채용된다. 상기 방사노즐부(250)은 긴 원뿔형 또는 막대형의 노즐일 수 있다. 본 발명의 섬유의 지름은 상기 방사노즐부(250)에 형성된 미세구멍의 크기를 포함하는 다양한 상태를 조절하여 조정하는 것이 가능하다.

상기 화합물 및 혼합물은 용해된 피치(pitch), 폴리머 용액, 폴리머 용해물, 세라믹이 되기 전의 폴리머, 용해된 유리 물질, 그리고 그것에 알맞은 혼합물을 포함하며, 이에 한정하는 것은 아니다. 몇몇 대표적인 폴리머에는 불소 중합체, 폴리올레핀, 폴리이미드, 폴리락타이드, 폴리에스테르, 폴리카프로락톤 , 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리에틸렌 옥사이드 등 용매에 용해가능한 모든 폴리머 물질이 사용될 수 있으며, 단일 혹은 둘 이상이 혼합된 상태로 사용될 수도 있다. 또한 본 발명에서 폴리머 용액 또는 용융 폴리머에는 물성의 향상을 위하여 기타 첨가제가 첨가될 수 있다.

본 발명에서 고전압발생기(500)는 방사 용액에 잠기도록 설치되어 전압인가시 용액을 하전시킨다. 바람직하게 상기 고전압발생기에 인가되는 전압은 10 ~ 100kV의 범위 내에 해당하도록 하는 것이 나노미터급의 방사를 위해 적합하다.

방사노즐부(250)으로부터 토출된 섬유는 하전된 콜렉터(400) 상에 수집된다. 콜렉터(400)는 접지되거나, 방사노즐부(250) 측에 인가한 전압의 극성과 반대극성 의 전압이 인가되고, 예컨대 롤러와 같은 이송수단을 통해 컨베이어 벨트방식 등의 방식으로 방사노즐부(250)의 하측으로 연속적으로 공급되도록 구성하는 것이 바람직하다. 상기 콜렉터(400)의 소재로는 전도성이 우수한 금속판이 바람직하게 사용되며, 그밖에 양한 종류의 전도성 재료가 채용될 수 있다.

본 발명의 전기방사장치를 이용하면 직경이 수십나노 내지 수마이크로에 해당하는 나노급 섬유를 수득할 수 있고, 이러한 나노섬유를 콜렉터에 집적하여 두께 10 ~ 3000㎛의 웹을 제조할 수 있다.

그러면 이상과 같이 구성되는 본 발명에 따른 전기방사장치의 동작에 대하여 설명하기로 한다. 먼저, 방사재료 공급부(100)로부터 압출부(200) 측으로 원료 용액이 정량공급되면, 압출기(210) 내의 히터 및 스크류에 의해 폴리머 재료가 용융되면서 방사노즐부(250)를 통해서 압출되고, 이 때 제어부에 의해 온도가 조절될 수 있다. 압출부(200) 선단의 방사노즐부(250)에 연결된 고전압발생기(500)를 통해 방사액이 하전된다. 상기 방사재료 공급부(100)의 폴리머 방사액은 절연되고 고전압이 인가된 방사노즐(250)을 통해 토출된다. 상기 방사노즐부(250) 하단에 설치된 멀티히팅쳄버(300)의 각 히팅 유니트(310, 320, 330)를 거치면서 미세 필라멘트 형태로 연신되어 대향하는 콜렉터(400) 측으로 토출된다. 이때 콜렉터(400)와 하전 필라멘트 간에 형성되는 강력한 전기장으로 인해 필라멘트가 나노급의 직경이 되도록 연신되며 방사된다.

본 발명의 전기방사장치에 의해서는 수십나노 내지 수마이크로 미터 굵기의 극미세 섬유를 제조할 수 있는데, 이러한 극미세 섬유는 필터소재, 광화학 센서소 재, 카본 나노튜브 등 탄소 소재, 전자소자용 소재, 생체 의학용 소재, 조직 공학용 소재, 약물 전달용 소재, DNA 제조용 기초소재 및 미용소재 등으로 광범위하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 나노섬유는 부피에 비해 표면적이 매우 크기 때문에 필터용으로 응용시 탁월한 효과를 나타내며, 전기전도성을 지닌 고분자를 나노 섬유로 제조해 유리에 코팅하면 햇빛의 양을 감지해 창문의 색을 변하게 할 수 있다. 전도성 나노섬유를 리튬이온전지의 전해질로 사용할 경우, 전해액의 누출을 막으면서 도전지의 크기와 무게를 크게 줄일 수 있다. 또한 생체조직과 흡사하게 만든 인공단백질로 나노섬유를 만들면 상처가 아물면서 바로 몸속으로 흡수되는 붕대나 인조피부 제조에도 이용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 예로 들어 상세하게 설명하였으나, 이러한 설명은 단순히 본 발명의 예시적인 실시예를 설명 및 개시하는 것이다. 당업자는 본 발명의 범위 및 정신으로부터 벗어남이 없이 상기 설명 및 첨부 도면으로부터 다양한 변경, 수정 및 변형예가 가능함을 용이하게 인식할 것이다. 따라서 본 발명의 이러한 변형이나 변경은 본 발명의 특허청구범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일구현예에 의한 전기방사장치의 개략단면도이다.

도 2는 본 발명의 일구현예에 의한 전기방사장치의 멀티히팅쳄버의 확대단면도이다.

도 3은 도 2의 멀티히팅쳄버 중 하나의 히팅 유니트의 개략단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

130: 호퍼 150: 정량펌프

100: 방사재료 공급부 200: 압출부

210: 압출기 230: 제어부

250: 방사노즐부

300: 멀티히팅쳄버 310, 320, 330: 히팅유니트

330: 가스켓 340, 350: 히터

360: 온도제어부 370: 클램프부

400: 콜렉터 500: 고전압 발생장치

Claims (6)

1. 방사 재료를 공급하는 방사재료 공급부;

   상기 방사재료 공급부로부터 공급된 방사재료를 압출하여 방사하는 압출부;

   상기 압출부에서 방사되는 섬유를 일정한 온도 구배로 가열하는 다단의 히팅 유니트들을 구비하는 멀티히팅쳄버;

   상기 압출부에 대향하여 위치되고 상기 압출부에서 방사되어 멀티히팅쳄버를 통과한 섬유를 집적하는 컬렉터; 및

   상기 압출부와 컬렉터 사이에 전압을 인가하는 고전압 발생기를 포함하는 전기방사장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 압출부는

   폴리머 방사재료를 공급하는 호퍼;

   상기 호퍼와 연결되고 히터와 스크류를 포함하는 압출기;

   상기 방사재료공급부 및 압출기와 연결되어 이들의 동작을 제어하는 제어부; 및

   상기 압출기로부터 용융된 방사 재료를 받아서 방사노즐을 통해서 방사하는 방사노즐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 멀티히팅쳄버는

   두 개 이상의 조립식 히팅 유니트들;

   각각의 히팅 유니트 내에 포함된 히터들;

   상기 히팅 유니트들의 온도를 제어하는 온도제어부;

   각각의 히팅 유니트 사이에 배치되는 가스켓; 및

   이웃하는 히팅 유니트들을 연결하는 클램프부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 히팅 유니트는 압출부에서 방사되어 나오는 극미세 섬유를 전기적인 방식 또는 열풍에 의해 가열하는 것임을 특징으로 하는 전기방사장치.
5. 제 3항에 있어서, 상기 온도 제어부는 상기 복수의 히팅 유니트들에 연결되어, 각각의 히팅 유니트가 일정한 온도 구배를 갖도록 독립적으로 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
6. 제 3항에 있어서, 상기 가스켓은 테플론 또는 에폭시 수지로 구성된 것을 특징으로 하는 전기방사장치.

Images