KR101478184B1 - 전기방사 노즐 팩 및 이를 포함하는 전기방사 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 섬유원료 물질이 용해된 용액을 공급받아 전기방사하는 전기방사 노즐 팩에 있어서, 공급받은 용액을 수용하는 용액 수용공간을 구비하는 몸체; 용액 수용공간과 연통되도록 길이방향을 따라 몸체에 설치되는 다수의 용액 분사노즐; 및 용액 수용공간 내부에 배치되어 용액을 하전시키는 고전압 전극체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐 팩 및 이를 포함하는 전기방사 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 나노섬유 제조를 위한 전기방사 노즐 팩 및 이를 포함하는 전기방사 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고전압 전극체가 전기방사 노즐 팩 내부의 용액 수용공간에 내장되어 누전을 방지하며, 용액 주입관와 기체 주입관이 상면측으로 연장되어 확장성이 양호하고, 온도조절된 압축기체를 공급하여 향상된 물성의 나노섬유의 제조를 가능하게 하는 전기방사 노즐 팩 및 이를 포함하는 전기방사 시스템에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
전기방사(Electro-spinning)는 섬유원료 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 나타난다. 예를 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, 투습방수용 의류원단, 상처치료용 드레싱, 인공지지체 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
도 9는 전기방사 장치의 일 예를 나타내는 도면으로서, 전기방사 장치(40)는 용융 상태의 섬유 원료용 고분자 물질을 공급하기 위한 공급 유니트(110)와, 공급 유니트(110)로부터 공급된 고분자 용액을 하전된 필라멘트 또는 섬유 형태로 토출시키기 위한 복수의 방사노즐들(122)을 구비하는 방사 유니트(120)와, 방사 유니트(120)로부터 방사된 필라멘트를 소정 두께로 누적시키기 위해 방사노즐들(122)과 소정간격 이격 배치된 컬렉터(130)와, 방사 유니트(120)의 적어도 양측에 설치된 제어 유니트(140)와, 필라멘트 스트림을 둘러싸도록 제어 유니트(140)와 컬렉터(130) 사이에 설치된 유도 유니트(150)와, 방사 유니트(120)와 컬렉터(130) 사이의 공간으로 공기를 주입하고, 이 공간 내의 용매를 증발시켜 외부로 배출시키기 위한 공조 유니트(160)를 구비한다. 공급 유니트(110)는 섬유 원료가 되는 고분자 물질이 용해된 용액이 저장되는 저장 용기(112)와, 저장 용기(112)에 저장된 용액을 가압하여 방사 유니트(120)측으로 정량 공급하기 위한 펌프(114) 및 용액을 각각의 노즐들로 분배하기 위한 분배기(116) 및 이송관(118)을 구비한다. 방사 유니트(120)는 공급 유니트(110)로부터 공급되는 섬유 원료 용액을 하전시킨 상태에서 미세 필라멘트 형태로 컬렉터(130) 방향으로 방사하는 기능을 수행한다. 방사 유니트(120)는 복수의 방사노즐들(122)이 배치된 적어도 하나 이상의 방사 노즐 팩(126)을 구비한다. 방사 노즐 팩(126)을 구성하는 방사노즐들(122)의 개수 또는 방사 유니트(120)를 구성하는 방사 노즐 팩(126)의 개수는 제조될 웹의 사이즈나 두께, 생산속도 등을 종합적으로 고려하여 결정된다. 여러 고분자 물질이 방사될 경우에, 별도의 방사 노즐 팩이 구비될 수 있다. 컬렉터(130)는 방사 유니트(120)에 인가되는 전압에 대하여 전위차를 갖도록 접지되거나, 혹은 음극성(-)의 전압으로 인가될 수 있다. 컬렉터(130)는 방사 유니트(120)로부터 토출된 하전 필라멘트를 집적하기 위한 것으로서, 예컨대, 롤러(132)와 같은 이송수단을 통해 컨베이어 벨트 방식으로 연속적으로 이동되도록 구성할 수 있다. 제어 유니트(140)는 각각의 방사노즐들(122)로부터 방사되는 필라멘트 스트림이 서로 반발하여 퍼지는 것과 같이 경로를 벗어나는 경우를 방지하기 위한 것이며, 제어 유니트(140)는 방사노즐팩(126)의 적어도 길이 방향의 양측에 설치된다. 유도 유니트(150)는 제어유니트(140)와 동일한 극성의 전압이 인가된다. 유도 유니트(150)는 연신되는 하전 필라멘트 스트림의 둘레에 설치되어 스트림의 진행 방향을 가이드하기 위한 것이다. 유도 유니트(150)는 도체판 혹은 도체봉의 형태로 마련된다. 유도 유니트(150)는 하전 필라멘트와 동일 극성으로 대전됨으로써 컬렉터(130) 상면의 제한된 영역에 필라멘트가 집적되도록 유도한다. 공조 유니트(160)는 방사 유니트(120)와 컬렉터(130) 사이의 공간에서 하전 필라멘트에 용해되어 있는 용매를 휘발시켜 외부로 배기시키기 위한 것으로서, 예를 들어, 흡입팬, 배기팬과 같은 용매 흡,배기 수단과 다수의 공기유입슬롯(162)을 구비한다. 양극성(+) 전압은 고전압 유니트(170)의 출력 전압에 의해 여기된다. 고전압 유니트(170)는 10kV 내지 120kV 범위의 직류 전압을 출력한다. 공급 유니트(110)에 저장된 원료 용액이 펌프(114)와 분배기(116)를 통해 방사 유니트(120)로 정량공급되면, 방사 유니트(120)의 각각의 방사노즐팩(126) 내부의 통전부를 통해 용액이 하전 된다. 이어서, 하전 상태의 용액은 방사노즐(122)의 캐피러리 튜브를 통과하면서 미세 필라멘트 형태로 컬렉터(130) 측으로 토출된다. 여기서, 컬렉터(130)와 하전 필라멘트 간에 형성되는 강력한 전기장에 의해 필라멘트는 나노급의 직경이 되도록 연신되면서 방사된다. 이러한 방사과정에 있어서, 필라멘트간의 반발력으로 인해 진행 경로를 벗어나 외곽으로 퍼지려는 스트림은 제어 유니트(140)에 의해 원위치로 돌아가게 되고 올바른 진행 경로를 유지할 수 있게 된다. 한편, 컬렉터(130) 상측에는 토출되는 스트림을 둘러싸도록 유도 유니트(150)가 설치되어 있으므로, 유도 유니트(150)에 의해 경로를 벗어나려고 하는 스트림은 컬렉터(130) 상의 제한된 집적 영역에 유도된다. 상기와 같이 유도된 필라멘트들은 컨베이어 벨트 혹은 회전드럼 형태의 컬렉터(130) 상에 연속적으로 집적되거나, 아니면, 롤러(180)에 의해 이송되는 필름, 모조지, 부직포와 같은 기재(182)의 상면에 집적되어 나노섬유로 이루어지는 웹상의 다공막으로 제조된다. 이러한 전기방사 장치의 일 예가 미국 등록특허공보 제7,351,052호에 제시되어 있다.
종래기술에 따른 전기방사 시스템은 전극이 방사 노즐 팩의 몸체에 직접 연결되어 용액 수용공간 내로 공급되는 용액에 전류가 흐르게 함으로서 방사 노즐 팩의 몸체에서 외부로 자기장이 누출되어 전기방사가 원활하지 못하고 불안정해짐은 물론, 자기장의 누출에 대한 보완으로 상대적으로 더 높은 고전압을 인가해야하는 문제점이 있다.
또한, 종래기술에 따른 전기방사 시스템은 대용량에서는 수많은 용액 분사노즐에 직접 전선을 연결할 수 없어 방사 노즐 팩에 주입되는 용액 배관에 전선을 접지하는 방식을 사용하였다. 이러한 방식은 고분자 용액 자체가 전기저항체 역할을 하고 용액 분사노즐까지 전기가 인가되기 위해서는 저항체를 지나야 하기 때문에 더욱 높은 전압을 인가해야 함에 따라 높은 전압에서 사고 위험과 방사 안정성이 떨어지는 문제가 있었다. 나아가, 용액에 인가된 전압이 용액 분사노즐의 분사방향 뿐만 아니라 용액 배관을 타고 역류하여 안전사고 및 누설전류를 발생시키는 문제도 수반되었다.
또한 기존의 전기방사는 하나 이상의 분사노즐에서 시간당 수 그램 이하의 용액을 방사하여 섬유를 제조하는 방법으로서 생산속도가 매우 낮으며 또한 용액 주입구와 기체 주입구의 위치가 몸체의 길이방향 양단부에 배치되어 방사 노즐 팩의 길이방향으로의 확장성이 어려웠으며, 대량생산을 위해 방사 노즐 팩을 길이방향으로 연결하였을 때, 인접한 2개의 방사 노즐 팩에 각각 구비되어 서로 인접하게 되는 끝단의 두 분사노즐의 배치간격이, 방사 노즐 팩에 구비되는 분사노즐들의 간격보다 커서 대면적 기재에 대한 균일한 나노섬유의 대량 제조가 사실상 힘들었다.
특히 나노급 섬유는 매우 적은 용액을 방출시켜 제조하기 때문에 이로부터 제조되는 웹의 면적 및 생산속도 등의 문제가 뒤따른다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 섬유원료 물질이 용해된 용액을 공급받아 전기방사하는 전기방사 노즐 팩에 있어서, 공급받은 용액을 수용하는 용액 수용공간을 구비하는 몸체; 용액 수용공간과 연통되도록 길이방향을 따라 몸체에 설치되는 다수의 용액 분사노즐; 및 용액 수용공간 내부에 배치되어 용액을 하전시키는 고전압 전극체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐 팩이 제공된다.
본 개시에 따른 다른 일 태양에 의하면(According to another aspect of the present disclosure), 섬유원료 물질이 용해된 용액을 공급받아 전기방사하는 전기방사 노즐 팩으로서, 공급받은 용액을 수용하는 용액 수용공간을 구비하는 몸체, 용액 수용공간과 연통되도록 길이방향을 따라 몸체에 설치되는 다수의 용액 분사노즐, 및 용액 수용공간 내부에 배치되어 용액을 하전시키는 고전압 전극체를 포함하는 전기방사 노즐 팩; 용액 수용공간으로 용액을 공급하는 용액공급부; 고전압 전극체에 고전압을 인가하는 고전압 제공부; 및 다수의 용액 분사노즐로부터 전기방사되는 섬유가 집적되는 컬렉터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 시스템이 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 본 개시에 따른 전기방사 시스템의 일 예를 개략적으로 나타내는 도면,
도 2는 본 개시에 따른 전기방사 노즐 팩의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 도 2의 A-A' 라인을 따른 단면도,
도 4는 도 2의 B-B' 라인을 따른 단면도,
도 5는 본 개시에 따른 전기방사 노즐 팩을 분해하여 나타내는 도면,
도 6은 도 2의 C-C' 라인을 따른 단면도,
도 7은 도 2의 D-D' 라인을 따른 단면도,
도 8은 본 개시에 따른 고전압 전극체를 확대하여 나타내는 도면,
도 9는 전기방사 장치의 일 예를 나타내는 도면.
도 2는 본 개시에 따른 전기방사 노즐 팩의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 도 2의 A-A' 라인을 따른 단면도,
도 4는 도 2의 B-B' 라인을 따른 단면도,
도 5는 본 개시에 따른 전기방사 노즐 팩을 분해하여 나타내는 도면,
도 6은 도 2의 C-C' 라인을 따른 단면도,
도 7은 도 2의 D-D' 라인을 따른 단면도,
도 8은 본 개시에 따른 고전압 전극체를 확대하여 나타내는 도면,
도 9는 전기방사 장치의 일 예를 나타내는 도면.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 1은 본 개시에 따른 전기방사 시스템의 일 예를 개략적으로 나타내는 도면으로서, 본 개시에 따른 전기방사 시스템은, 섬유원료 물질이 용해된 용액을 공급받아 전기방사하는 전기방사 노즐 팩(50), 용액을 공급하는 용액 공급부(10), 전기방사 노즐 팩(50)에 용액을 하전시키기 위한 고전압을 인가하는 고전압 제공부(20), 온도조절된 고압 기체를 공급하는 에어 공급부(30), 및 전기방사 노즐 팩(50) 하부에 설치되어 전기방사 노즐 팩(50)으로부터 전기방사되는 섬유가 그 상면에 집적되는 컬렉터(60)를 포함한다.
도 2는 본 개시에 따른 전기방사 노즐 팩의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2의 A-A' 라인을 따른 단면도이며, 도 4는 도 2의 B-B' 라인을 따른 단면도이고, 도 5는 본 개시에 따른 전기방사 노즐 팩을 분해하여 나타내는 도면이고, 도 6은 도 2의 C-C' 라인을 따른 단면도이며, 도 7은 도 2의 D-D' 라인을 따른 단면도이고, 도 8은 본 개시에 따른 고전압 전극체를 확대하여 나타내는 도면이다.
전기방사 노즐 팩(50)은, 도 2 내지 도 5에 나타난 바와 같이, 공급받은 용액을 수용하는 용액 수용공간(41)과 고압 기체를 수용하는 용액 수용공간(41) 하부의 기체 수용공간(43)을 내부에 구비하는 몸체(55), 용액 수용공간(41)과 연통되도록 길이방향을 따라 몸체(55)에 설치되는 다수의 용액 분사노즐(65), 기체 수용공간(43)과 연통되도록 몸체(55)에 설치되는 다수의 기체 분사노즐(75), 용액 수용공간(41) 내부에 배치되어 용액을 하전시키는 고전압 전극체(85)를 포함한다.
용액 수용공간(41)의 내벽은 용액이 부드럽게 아래로 흐르도록 유선형의 완만한 경사를 이루며 하측으로 좁아지게 형성되는 것이 바람직하다.
몸체(55)는 일 방향으로 길쭉한 형상으로 형성되며, 하부 블록(51)과 상부 커버(53)로 이루어지며, 따라서 사용 후 세척이 용이하다. 몸체(55)는 내화학성을 위한 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 나일론과 같은 폴리아미드(PA)계 고분자 등의 엔지니어링 플라스틱이 소재로 채용되는 것이 바람직하다.
또한, 주입된 방사용액이 누출되지 않도록 하부 블록(51)과 상부 커버(53) 사이에 밀봉을 위한 가스킷(54)이 구비된다. 가스킷(54)은 고무, 실리콘, 석면, 합성수지 등의 각종 유기 및 무기재료 그룹으로부터 선택되는 재료로서 내용제성을 갖는 것이 바람직하다.
본 개시에 따른 몸체(55)는 용액 수용공간(41)과 연통되는 용액 주입구(56) 및 기체 수용공간(43)과 연통되는 기체 주입구(57)를 구비한다. 용액 주입구(56)와 기체 주입구(57)는 몸체(55)를 구성하는 상부 커버(53)에 형성된다. 용액 주입구(56)는 직하방으로 연장되어 용액 수용공간(41)과 연통되고, 기체 주입구(57)는 몸체(55) 내에서 하방으로 연장된 다음 수평으로 연장됨으로써 용액 수용공간(41)을 우회하는 구조로 기체 수용공간(43)과 연통된다. 용액 주입구(56)는 용액 공급부(10)와 연결되고, 기체 주입구(57)는 에어 공급부(30)와 연결된다. 이와 같이, 용액 주입구(56) 뿐만 아니라 기체 주입구(57)도 몸체(55)의 길이방향 양단부를 이용하지 않고 몸체(55)의 상부로 노출되도록 형성됨에 따라, 광폭의 섬유 웹을 제조하기 위해 2개 이상의 전기방사 노즐 팩(50)을 길이방향으로 연결하여 사용할 경우에도 형상적 간섭이 발생하지 않는 등, 우수한 확장성을 가질 수 있다.
용액 분사노즐(65)은 용액 수용공간(41)의 하부에 그 입구가 위치하며,하방으로 연장되어 기체 수용공간(43)을 경유한 다음 그 출구가 몸체(55)의 하부로 노출되도록 배열된다.
기체 분사노즐(75)은 용액 분사노즐(65)과 일대일 대응하며, 기체 수용공간(43)의 하부에 그 입구가 위치하며 하방으로 연장되어 그 출구가 몸체(55)의 하부로 노출되도록 배열된다. 기체 분사노즐(75)은 용액 분사노즐(65)을 둘러싸는 형태로 배치되며, 따라서 용액 분사노즐(65)은 기체 분사노즐(75)의 중심을 관통하게 된다.
용액 분사노즐(65)과 일대일 대응 방식으로 일정간격으로 구비되는 기체 분사노즐(75)은, 용액 분사노즐(65)과 밀착되면서 장착되도록 용액 방사노즐(65)의 외경에 비해 미세하게 크거나 같은 구경으로 형성된다. 이때 기체 분사노즐(75)은 방사되는 나노섬유의 방향성을 주기 위해 유로를 형성해주는 가공을 할 수 있도록 형성된다. 또한, 전기장 간섭 방지, 토출 스트림 간의 접촉방지, 용액 분사노즐(65)의 가용공간 등을 고려했을 때, 전기방사 노즐 팩(50)에 설치되는 용액 분사노즐(65) 간의 간격은 1mm 내지 50mm가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 3mm 내지 30mm로 형성된다. 간격이 너무 가까우면 전기적 간섭이 심해지고 너무 멀어지면 생산 효율성이 떨어지며 나노섬유 웹이 불균일하게 형성되어 얼룩처럼 보일 수도 있다. 균일한 나노섬유를 방사하기 위해서는 용액 분사노즐(65)은 내경 0.005mm 내지 1.0mm, 외경 0.01mm 내지 5mm, 외부로 노출된 길이 0.1mm 내지 55mm의 구조를 갖는 것이 바람직하다. 기체 분사노즐(75)은 내경 0.1mm 내지 10mm인 것이 적당하며 외경은 특별히 규정되지 않지만, 외부로 노출된 길이는 0.01mm 내지 55mm인 것이 적당하다. 기체 분사노즐(75)은 용액 분사노즐(65)을 내부에 포함해야 함에 따라 용액 분사노즐(65)의 외경보다 커야하며, 용액 분사노즐(65) 출구보다 상부에서 기체를 분사하거나 같은 높이에서 분사해야 함에 따라 용액 분사노즐(65)의 길이와 같거나 그보다 짧아야 한다.
전기방사 노즐 팩(50)에 설치되는 용액 분사노즐(65) 중 양단부에 위치하는 용액 분사노즐과 전기방사 노즐 팩(50)의 길이방향 양단면 간의 간격은, 인접한 2개의 용액 분사노즐(65) 간의 간격의 절반인 것이 바람직하다. 따라서, 2개 이상의 전기방사 노즐 팩을 길이방향으로 연결하여 사용할 때, 전기방사 노즐 팩 간의 경계 부분에서도 용액 분사노즐(65) 간의 간격이 일정하게 유지될 수 있으며, 이로 인해 대면적 기재에 대한 섬유 방사시 균일한 나노섬유의 대량 제조를 가능하게 한다.
본 기재에 따른 전기방사 노즐 팩으로 제조되는 섬유의 지름은 용액 분사노즐(65)에 형성되는 미세구멍의 크기를 포함하는 다양한 상태를 조절하여 조정할 수 있다.
본 개시에 따른 전기방사 노즐 팩(50)을 이용하면 직경이 10nm 내지 5000nm에 해당하는 나노급 섬유를 수득할 수 있고, 이러한 나노섬유를 컬렉터(60)에 집적하여 웹을 제조할 수 있다.
본 개시에 따른 전기방사 노즐 팩(50)을 이용하여 제조될 수 있는 나노섬유는 필터소재, 투습방수 및 보호복 등의 의류소재, 생체 의학용 소재, 조직 공학용 소재, 약물 전달용 소재, 광화학 센서소재 및 미용소재 등으로 광범위하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 나노섬유는 부피에 비해 표면적이 매우 크기 때문에 필터용으로 응용시 탁월한 효과를 나타내며, 또한 수많은 미세 공극이 많아 투습방수 소재로도 월등한 효과를 나타낸다.
용액 분사노즐(65)의 재료로는, 폴리프로필렌(PP poly(propylene), 폴리에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소계 폴리머, 폴리에테르에테르케통, 나일론과 같은 폴리아미드계 폴리머 등 내화학성을 갖는 엔지니어링 플라스틱계가 채용될 수 있으며, 대안으로는 스테인리스스틸(SUS)과 같은 내부식성의 금속 등이 채용될 수 있다. 용액 분사노즐(65)은 긴 원뿔형 또는 막대형의 중공 노즐일 수 있다.
고전압 전극체(85)는 용액에 잠기도록 용액 수용공간(41) 내부에 배치되는 것으로서, 용액 분사노즐들(65)의 입구와 가깝게 놓이도록 하기 위해 용액 수용공간(41)의 바닥 측에 배치되는 것이 바람직하며, 전압 인가시에 직접적으로 용액을 하전 시킨다. 고전압 전극체(85)는 길이방향을 따라 일정 길이를 갖는 도체판 혹은 도체봉으로 구성될 수 있으며, 특정 부분으로의 전기장 집중을 방지하도록 뾰족한 부분이 없는 구조가 바람직하다. 구체적으로, 도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이, 고전압 전극체(85)는 용액 수용공간(41)의 평면 형상에 대응하는 길쭉한 형상으로 형성되어 용액 수용공간(41) 내부에 놓이는 전극부와 전극부의 일단부에서 상방으로 연장되어 외부로 인출되는 연결부로 이루어진다. 또한 용액이 직접 주입되는 부분의 토출량이 주변보다 많아 생성되는 분배의 불균일함을 최소화하기 위해서, 전극부는, 용액이 주입되는 용액 주입구(56) 하부에서는 간격이 넓고 용액 주입구(56)에서 멀어질수록 간격이 점진적으로 좁아지는 방식으로 배열되는, 다수의 개구부(81)를 구비하도록 형성된다. 용액 주입구(56) 하부에 배열되는 가장 넓은 2개의 개구부(81) 사이의 간격은 최대 10개의 용액 분사노즐(65)의 간격에 해당될 수 있고, 용액 주입구(56)으로부터 가장 먼 위치에 배열되는 가장 좁은 2개의 개구부(81) 사이의 간격은 최소 2개의 용액 분사노즐(65) 사이의 간격에 해당될 수 있다. 고전압 전극체의 전체 크기에 따라 달라질 수 있는 것으로서, 개구부(81)의 직경은 대략 0.5mm 내지 20mm, 간격은 5mm 내지 50mm의 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이 개구부(81)의 간격이 용액 분사노즐(65)에 가까울수록 넓고 멀어질수록 좁아짐에 따라, 용액의 이송경로를 조금 더 길게 하여 분배를 더욱 균일하게 하는 역할을 수행한다. 비록, 도 8에는 다수의 개구부(81)가 1열로 나란하게 배열된 고전압 전극체(85)가 도시되었지만, 다수의 개구부(81)는 용액 주입구(56) 주변에서 길이방향을 따라 넓은 간격으로 배열되고 용액 주입구(56)로부터 멀어질수록 점진적으로 좁은 간격으로 배열된다면, 2열 이상의 열로 배열되는 것도 가능할 것이다. 이와 같이, 다수의 개구부(81)이 2열 이상의 열로 배열될 경우, 인접한 열의 개구부들은 폭방향으로 항상 동일선상에 놓일 필요없이, 서로 엇갈리게 배열되는 것 또한 가능할 것이다.
본 기재에 따른 전기방사 노즐 팩(50)은 반드시 본 기재의 전기방사 시스템에 적용되는 것에 한정되지 않으며, 전기방사방식으로 나노섬유를 제조하기 위한 통상적인 전기방사 시스템의 방사수단으로서 적용될 수도 있음이 이해되어야 한다.
용액 공급부(10)는 섬유원료가 되는 고분자 물질이 용해된 용액을 공급하는 부분으로서, 용액 저장부(11)와 이 용액을 전기방사 노즐 팩으로 정량공급하기 위한 정량이송펌프(12)를 포함한다.
용액을 구성하는 고분자 물질로는, 예를 들어 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF poly(vinyliden fluoride)와 같은 불소계 고분자, 폴리아크릴로니트릴(PAN poly(acrylonitile)과 같은 아크릴계 고분자, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET poly ethylene therephthalate)와 같은 폴리에스트계 고분자, 폴리우레탄(polyurethane)계 고분자, 나이론 6(Nylon 6)와 같은 폴리아마이드계 고분자, 폴리이서설폰(PES poly ether sulfone), 폴리이미드(PI polyimide), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO polyethylene oxide) 등 용매에 용해가능한 모든 고분자 물질이 채용될 수 있으며, 단일 물질 혹은 2 이상의 물질이 혼합된 상태로 채용될 수 있다.
이와 같은 용액이 전기방사되는 기재로는 섬유원단, 부직포, 종이, 필름, 유리판, 세라믹판, 금속 벨트 등이 있다.
용액을 공급하는 정량이송펌프(12)로는, 예를 들어 용액의 이송량을 일정하게 유지할 수 있는 통상의 액체 정량펌프나 튜브연동식 펌프, 기어펌프 등이 채용될 수 있다. 본 개시에 있어서, 용액의 이송량은 다수로 설치되는 용액 분사노즐(65)의 개수와 단일 용액 분사노즐(65)의 토출량에 의해서 결정된다. 여기서 토출량은 나노 및 마이크로리터/분 단위로 설정되는 것이 바람직하다.
상기 용액공급부(10)와 전기방사 노즐 팩(50) 사이에는 용액 공급라인 개재되어 정량이송펌프(12)로부터 이송되는 용액을 용액 주입구(56) 경유하여 전기방사 노즐 팩(50) 내부의 용액 수용공간(41)으로 정량 분배한다. 이때 용액 공급라인은 단일의 전기방사 노즐 팩(50)은 물론, 분기된 구조로 형성되어 다수의 전기방사 노즐 팩(50)으로도 용액을 정량 분배하도록 할 수 있다.
본 개시는 상기와 같은 구조에 한정되지 않고 전기방사 노즐 팩(50) 마다 독립적으로 용액공급부(10)를 연결하여 보다 정량적으로 용액을 공급하도록 하는 구조로 변형될 수도 있다.
고전압 제공부(20)는, 고전압 전극체(85)에 고전압을 인가하여 용액 수용공간(41) 내부에서 공급되는 용액에 전하를 부여하는 하전처리를 수행한다. 용액 분사노즐(65)의 출구와 컬렉터(60) 사이의 거리와 관련하여, 단위거리 cm 당 0.5kV 내지 20kV의 고전압을 인가하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게, 인가전압은 1kV/cm 내지 10kV/cm이다. 용액 분사노즐(65)의 출구에서 콘젯(Cone jet: 어떤 임계장의 세기에서 반발 전기력이 표면장력을 극복하게 되면서 형성됨)을 형성하기 위해서는 표면장력 이상의 전압이 필요한데, 전압이 너무 낮으면 스플릿(Split: 서로 전기적인 반발력에 의해 섬유 가닥이 갈라져 형성됨)이 형성되지 못하고, 반대로 인가전압이 너무 높으면 급격한 건조 및 방사 불안정이 수반될 수 있으며 나아가 사고위험도 높아진다.
고전압 전극체(85)는 고전압 제공부(20)로부터 전하를 공급받아 용액을 하전시키게 된다. 고전압 전극체(85)는 용액 분사노즐(65)과의 거리를 최대한 가깝게 하여 외부로 손실되는 전류을 방지함으로 불필요하게 전압을 높일 필요가 없어 안정적인 방사환경을 만들 수 있다. 고전압 전극체(85)와 용액 분사노즐(65) 상단의 입구 사이의 거리는 0.1 내지 6mm 간격을 유지하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 4mm 간격이 바람직하다. 0.5mm 이하 간격으로 가까워지면 용액 분사노즐(65) 입구로 용액이 주입되는데 저항이 크게 되거나 막힐 가능성이 있으며, 너무 멀어지게 되면 저항이 커지는 문제가 있기 때문이다.
에어 공급부(30)는 기체를 압송하는 블로워(31) 및 기체의 온도를 조절하는 온도조절기(32)를 포함한다. 에어공급부(30)는 방사되는 나노섬유의 건조도를 높이고 모폴로지(표면 형태)를 제어할 수 있는 장치로서, 전기방사 노즐 팩(50)의 몸체 상부의 기체 주입구(57)로 연결되며, 용액 분사노즐(65)과 일대일 대응되어 있는 다수의 기체 분사노즐(75)을 통해 고온의 압축기체를 분사시킬 수 있도록 한다. 에어 공급부(30)는 10℃ 내지 200℃의 고온 압축공기를 제공하여 나노섬유의 건조도 및 모폴로지를 제어할 수 있도록 한다. 10℃ 이하의 공기는 건조효과가 약하며 고습조건의 방사실 내부에서 작업시 결로현상이 수반될 우려가 있고, 200℃ 이상의 온도는 방사팩 고분자 재질의 몸체에 변형이 발생한다.
기체 수용공간(43)으로 주입되는 기체로는, 방사되는 용액과 동일한 기화물이 사용되는 것이 바람직하지만 여기에 한정되지 않음은 물론이다. 예를 들어, 기체는 산소, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 휘발성 용매 등이 사용될 수 있다. 다만 이러한 기체들은 제습된 상태인 것이 바람직하다.
기체 분사노즐(75)로부터 분사되는 기체의 온도는 용매의 휘발도를 고려하여 10℃ 내지 200℃의 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다. 아울러 기체 분사노즐(75)로부터 분사되는 기체의 풍량은 방사되는 나노섬유의 토출량에 영향을 주지 않도록 예컨대 0.1 내지 10kg/cm2의 범위로 설정이 된다.
컬렉터(60)는 방사된 나노섬유가 기재에 균일하게 집적되도록 하기 위한 것으로서, 기재와 전기적으로 접촉하며 기재를 일정속도로 이송시킬 수 있도록 한다. 컬렉터(60)는 통상적인 롤형, 컨베이어형, 드럼형 또는 디스크형 구조로 제공될 수 있다.
컬렉터(60)는 접지되거나, 전기방사 노즐 팩 측에 인가한 전압의 극성과 반대 극성의 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 롤러와 같은 이송수단을 통해 컨베이어벨트 방식으로 전기방사 노즐 팩(50)의 하측으로 연속적으로 기재를 공급되도록 구성하는 것이 바람직하다. 컬렉터(60)의 소재로는 전도성이 우수한 금속판이 바람직하며, 그 밖에 다양한 종류의 전도성 재료가 채용될 수 있다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 섬유원료 물질이 용해된 용액을 공급받아 전기방사하는 전기방사 노즐 팩에 있어서, 공급받은 용액을 수용하는 용액 수용공간을 구비하는 몸체; 용액 수용공간과 연통되도록 길이방향을 따라 몸체에 설치되는 다수의 용액 분사노즐; 및 용액 수용공간 내부에 배치되어 용액을 하전시키는 고전압 전극체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐 팩.
(2) 몸체는 기체를 수용하는 용액 수용공간 하부의 기체 수용공간을 구비하며, 기체 수용공간과 연통되도록 몸체에 설치되는 다수의 기체 분사노즐로서, 일대일 대응하는 용액 분사노즐이 각각의 중심을 관통하는 다수의 기체 분사노즐;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐 팩.
(3) 몸체는 기체 수용공간과 연통되며 용액 수용공간을 우회하여 몸체의 상면 측으로 연장되는 기체 주입관을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐 팩.
(4) 고전압 전극체는 길이방향을 따라 배열되는 다수의 개구부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐 팩.
(5) 다수의 개구부는 용액 주입구 하부에서 가장 넓은 간격으로 배열되고, 용액 주입구로부터 멀어질수록 점진적으로 좁아지는 간격으로 배열되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐 팩.
(6) 용액 분사노즐 중 양단부에 위치하는 용액 분사노즐과 몸체의 길이방향 양단면 간의 간격은 각각, 인접한 2개의 용액 분사노즐 간의 간격의 절반인 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐 팩.
(7) 섬유원료 물질이 용해된 용액을 공급받아 전기방사하는 전기방사 노즐 팩으로서, 공급받은 용액을 수용하는 용액 수용공간을 구비하는 몸체, 용액 수용공간과 연통되도록 길이방향을 따라 몸체에 설치되는 다수의 용액 분사노즐, 및 용액 수용공간 내부에 배치되어 용액을 하전시키는 고전압 전극체를 포함하는 전기방사 노즐 팩; 용액 수용공간으로 용액을 공급하는 용액공급부; 고전압 전극체에 고전압을 인가하는 고전압 제공부; 및 다수의 용액 분사노즐로부터 전기방사되는 섬유가 집적되는 컬렉터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 시스템.
(8) 전기방사 노즐 팩의 몸체는 기체를 수용하는 용액 수용공간 하부의 기체 수용공간을 구비하며, 전기방사 노즐 팩은 기체 수용공간과 연통되도록 몸체에 설치되는 다수의 기체 분사노즐로서, 일대일 대응하는 용액 분사노즐이 각각의 중심을 관통하는 다수의 기체 분사노즐을 포함하고, 기체 수용공간으로 기체를 공급하는 에어 공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 시스템.
(9) 몸체는 기체 수용공간과 연통되며 용액 수용공간을 우회하여 몸체의 상면 측으로 연장되는 기체 주입관을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기방사 시스템.
(10) 고전압 전극체는 길이방향을 따라 배열되는 다수의 개구부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기방사 시스템.
(11) 다수의 개구부는 용액 주입구 하부에서 가장 넓은 간격으로 배열되고, 용액 주입구로부터 멀어질수록 점진적으로 좁아지는 간격으로 배열되는 것을 특징으로 하는 전기방사 시스템.
(12) 용액 분사노즐 중 양단부에 위치하는 용액 분사노즐과 몸체의 길이방향 양단면 간의 간격은 각각, 인접한 2개의 용액 분사노즐 간의 간격의 절반인 것을 특징으로 하는 전기방사 시스템.
(13) 에어 공급부는 기체를 압송하는 블로워 및 기체의 온도를 조절하는 온도조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 시스템.
본 개시에 따른 하나의 전기방사 노즐 팩에 의하면, 고전압 전극체를 용액 분사노즐과 근접하게 배치하여 용액에 잠기도록 함으로써 외부로 누전되는 자기장을 차단하여 안정적인 전기방사가 가능하게 된다.
본 개시에 따른 다른 전기방사 노즐 팩에 의하면, 고전압 전극체, 용액 주입구, 기체 주입구가 전기방사 노즐 팩에 일체화되어 작업성을 높일 수 있게 된다.
본 개시에 따른 다른 하나의 전기방사 노즐 팩에 의하면, 2개 이상의 전기방사 노즐 팩을 길이방향으로 연결하여 사용할 때, 전기방사 노즐 팩 간의 경계 부분에서도 용액 분사노즐 간의 간격이 일정하게 유지될 수 있으므로, 대면적 기재에 대한 섬유 방사시 균일한 나노섬유의 대량 제조가 가능한 등, 광폭 및 대량생산에 유리한 확장성을 제공한다.
본 개시에 따른 하나의 전기방사 시스템에 의하면, 온도조절이 가능한 에어 공급부를 이용하여 전기방사 노즐 팩 내부의 온도를 원하는 조건으로 변경할 수 있으므로, 온도조절을 통한 공급되는 용액의 점도 조절이 가능하여 원활한 용액 공급이 가능하게 된다. 또한, 저온환경에서 에어 공급계통의 결로 문제를 해결할 수 있다.
본 개시에 따른 다른 전기방사 시스템에 의하면, 온도조절이 가능한 에어 공급부를 이용하여 전기방사 노즐 팩 내부의 온도를 원하는 조건으로 변경할 수 있으므로, 용액 수용공간의 온도를 일정하게 유지할 수 있고, 섬유화를 촉진할 수 있으며, 방사되는 섬유의 건조도, 섬유 직경, 모폴로지, 섬유밀집도 등의 조절이 가능하게 된다.
용액 공급부(10) 용액 저장부(11)
정량이송펌프(12) 고전압 제공부(20)
에어 공급부(30) 블로워(31)
온도 조절기(32) 용액 수용공간(41)
기체 수용공간(43) 전기방사 노즐 팩(50)
하부 블록(51) 상부 커버(53)
가스킷(54) 몸체(55)
용액 주입구(56) 기체 주입구(57)
컬렉터(60) 용액 분사노즐(65)
기체 분사노즐(75) 고전압 전극체(85)
정량이송펌프(12) 고전압 제공부(20)
에어 공급부(30) 블로워(31)
온도 조절기(32) 용액 수용공간(41)
기체 수용공간(43) 전기방사 노즐 팩(50)
하부 블록(51) 상부 커버(53)
가스킷(54) 몸체(55)
용액 주입구(56) 기체 주입구(57)
컬렉터(60) 용액 분사노즐(65)
기체 분사노즐(75) 고전압 전극체(85)
Claims (13)
- 섬유원료 물질이 용해된 용액을 공급받아 전기방사하는 전기방사 노즐 팩에 있어서,
공급받은 용액을 수용하는 용액 수용공간을 구비하는 몸체;
용액 수용공간과 연통되도록 길이방향을 따라 몸체에 설치되는 다수의 용액 분사노즐; 및
용액 수용공간 내부에 배치되어 용액을 하전시키는 고전압 전극체;를 포함하며,
고전압 전극체는 길이방향을 따라 배열되는 다수의 개구부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐 팩. - 청구항 1에 있어서,
몸체는 기체를 수용하는 용액 수용공간 하부의 기체 수용공간을 구비하며,
기체 수용공간과 연통되도록 몸체에 설치되는 다수의 기체 분사노즐로서, 일대일 대응하는 용액 분사노즐이 각각의 중심을 관통하는 다수의 기체 분사노즐;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐 팩. - 청구항 2에 있어서,
몸체는 기체 수용공간과 연통되며 용액 수용공간을 우회하여 몸체의 상면 측으로 연장되는 기체 주입관을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐 팩. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
다수의 개구부는 용액 주입구 하부에서 가장 넓은 간격으로 배열되고, 용액 주입구로부터 멀어질수록 점진적으로 좁아지는 간격으로 배열되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐 팩. - 섬유원료 물질이 용해된 용액을 공급받아 전기방사하는 전기방사 노즐 팩에 있어서,
공급받은 용액을 수용하는 용액 수용공간을 구비하는 몸체;
용액 수용공간과 연통되도록 길이방향을 따라 몸체에 설치되는 다수의 용액 분사노즐; 및
용액 수용공간 내부에 배치되어 용액을 하전시키는 고전압 전극체;를 포함하며,
용액 분사노즐 중 양단부에 위치하는 용액 분사노즐과 몸체의 길이방향 양단면 간의 간격은 각각, 인접한 2개의 용액 분사노즐 간의 간격의 절반인 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐 팩. - 섬유원료 물질이 용해된 용액을 공급받아 전기방사하는 전기방사 노즐 팩으로서, 공급받은 용액을 수용하는 용액 수용공간을 구비하는 몸체, 용액 수용공간과 연통되도록 길이방향을 따라 몸체에 설치되는 다수의 용액 분사노즐, 및 용액 수용공간 내부에 배치되어 용액을 하전시키는 고전압 전극체를 포함하는 전기방사 노즐 팩;
용액 수용공간으로 용액을 공급하는 용액공급부;
고전압 전극체에 고전압을 인가하는 고전압 제공부; 및
다수의 용액 분사노즐로부터 전기방사되는 섬유가 집적되는 컬렉터;를 포함하며,
고전압 전극체는 길이방향을 따라 배열되는 다수의 개구부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기방사 시스템. - 청구항 7에 있어서,
전기방사 노즐 팩의 몸체는 기체를 수용하는 용액 수용공간 하부의 기체 수용공간을 구비하며,
전기방사 노즐 팩은 기체 수용공간과 연통되도록 몸체에 설치되는 다수의 기체 분사노즐로서, 일대일 대응하는 용액 분사노즐이 각각의 중심을 관통하는 다수의 기체 분사노즐을 포함하고,
기체 수용공간으로 기체를 공급하는 에어 공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 시스템. - 청구항 8에 있어서,
몸체는 기체 수용공간과 연통되며 용액 수용공간을 우회하여 몸체의 상면 측으로 연장되는 기체 주입관을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기방사 시스템. - 삭제
- 청구항 7에 있어서,
다수의 개구부는 용액 주입구 하부에서 가장 넓은 간격으로 배열되고, 용액 주입구로부터 멀어질수록 점진적으로 좁아지는 간격으로 배열되는 것을 특징으로 하는 전기방사 시스템. - 섬유원료 물질이 용해된 용액을 공급받아 전기방사하는 전기방사 노즐 팩으로서, 공급받은 용액을 수용하는 용액 수용공간을 구비하는 몸체, 용액 수용공간과 연통되도록 길이방향을 따라 몸체에 설치되는 다수의 용액 분사노즐, 및 용액 수용공간 내부에 배치되어 용액을 하전시키는 고전압 전극체를 포함하는 전기방사 노즐 팩;
용액 수용공간으로 용액을 공급하는 용액공급부;
고전압 전극체에 고전압을 인가하는 고전압 제공부; 및
다수의 용액 분사노즐로부터 전기방사되는 섬유가 집적되는 컬렉터;를 포함하며,
용액 분사노즐 중 양단부에 위치하는 용액 분사노즐과 몸체의 길이방향 양단면 간의 간격은 각각, 인접한 2개의 용액 분사노즐 간의 간격의 절반인 것을 특징으로 하는 전기방사 시스템. - 청구항 8에 있어서,
에어 공급부는 기체를 압송하는 블로워 및 기체의 온도를 조절하는 히터를 포함하는 특징으로 하는 전기방사 시스템.
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| KR1020120105279A KR101478184B1 (ko) | 2012-09-21 | 2012-09-21 | 전기방사 노즐 팩 및 이를 포함하는 전기방사 시스템 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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| KR20210059221A (ko) | 2019-11-15 | 2021-05-25 | (주)나노랩스 | 나노섬유 제조를 위한 전기방사 장치 및 전기방사 방법 |
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| KR20240054169A (ko) | 2022-10-18 | 2024-04-25 | 박종수 | 모듈형 전기방사 노즐블록 및 이를 구비한 전기방사 장치 |
| KR20240054876A (ko) | 2022-10-19 | 2024-04-26 | 박종수 | 기체분출수단이 구비된 전기방사노즐 |
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-
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