KR20110107077A - 전기방사용 방사노즐팩 및 이를 구비하는 전기방사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기방사용 방사노즐팩 및 이를 구비하는 전기방사장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 방사재료가 유입되는 유입부; 상기 유입부의 하부에 연결되며, 유입된 방사재료가 필라멘트 형태로 토출되게 하는 복수개의 노즐을 포함하는 노즐부; 및 상기 유입부와 노즐부를 수용하는 노즐블럭을 포함하는 전기방사용 방사노즐팩으로서, 상기 노즐블럭이 이중자켓으로 구성되어 상기 이중자켓 내부를 통해 열매체가 유동되면서 노즐블럭의 온도가 제어되며, 상기 노즐블럭의 좌우 측면이 상기 노즐부의 하부 표면보다 아래로 신장됨으로써 별도의 가열 챔버 없이도 간편한 방식으로 방사되는 섬유 주위의 온도를 조절하여 섬유의 나노화를 위한 연신효과 및 위핑 효과를 극대화할 수 있으며, 상기 노즐블럭의 좌우 측면의 내측 표면은 절연물질로 코팅되거나 절연체로 구성되어 있어서 전기방사 시 전기장의 간섭을 방지할 수 있는 균일한 전기장 형성에도 이점을 제공할 수 있다.

Description

전기방사용 방사노즐팩 및 이를 구비하는 전기방사장치 {Spinning Nozzle Pack for Electrospinning and Electrospinning Device having the same}

본 발명은 극세섬유 제조를 위한 전기방사용 방사노즐팩 및 이를 구비하는 전기방사장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 복잡한 장비를 간편한 방식으로 구축하면서도 전기방사 시 방사되는 섬유의 온도를 유지할 수 있는 전기방사용 방사노즐팩 및 이를 포함하는 전기방사장치에 관한 것이다.

전기방사(Electrospinning)는 방사재료를 하전상태에서 방사하여 미세 직경의 섬유를 제조하는 기술로서 최근에는 나노미터급 섬유를 제조하기 위한 기술로 이용되어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.　

이러한 전기방사법은 방사노즐부에 전압을 인가하여 하전된 방사재료를 방사노즐부를 거쳐 공기 중으로 토출하고, 이어서 공기 중에서 하전 필라멘트의 연신 및 또 다른 필라멘트 분기를 거쳐 극세섬유를 제조하는 방법이다. 즉, 하전된 토출 필라멘트는 방사노즐과 컬렉터 사이에 형성된 전기장 내에서 상호 반발 등 전기적 영향으로 심한 요동을 거치면서 극세화된다.

전기방사에 의해 제조되는 섬유는 직경이 마이크로미터 두께에서 나노미터 두께가 되는데, 이와 같이 두께가 줄어들면 전혀 새로운 특성들을 나타낸다.　 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, 상처치료용 드레싱, 인공지지체 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

전기방사에 의해 제조되는 섬유의 물성에 있어서 전기방사 시 토출되는 용액 또는 용융체 주위의 온도는 매우 중요하다. 이는 전기방사 시 주위의 온도에 따라 섬유의 연신효과 및 위핑(Whipping) 효과가 달라질 수 있기 때문이며, 그에 따라 기존에는 섬유가 방사되는 노즐부 후단에 별도의 가열 챔버 등을 설치하여 공기 중에 방사되는 섬유의 온도를 보정하는 방식을 취해왔다.

그러나, 종래의 방식은 섬유의 고화현상을 제어하기 위해 복잡한 별도의 장치를 필요로 하고 있어 효율적인 대량생산을 위한 보다 간편한 장치에 대한 필요성이 요구되고 있다. 즉, 전기방사의 상용화를 위해 보다 간편한 장치를 통하여 노즐로부터 방사되는 섬유 주위의 온도를 일정하게 유지함으로써 전기방사되는 섬유의 물성을 제어하고 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 장치에 대한 개발이 요구된다.

본 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 전기방사에 있어서 노즐부로부터 방사되는 섬유의 급격한 고화 현상을 방지할 수 있는 새로운 형태의 전기방사용 방사노즐팩을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 전기방사용 방사노즐팩을 포함하는 전기방사장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,

전기방사용 방사노즐팩에 있어서, 상기 방사노즐팩이 방사재료가 유입되는 유입부; 상기 유입부의 하부에 연결되며, 유입된 방사재료가 필라멘트 형태로 토출되게 하는 복수개의 노즐을 포함하는 노즐부; 및 상기 유입부와 노즐부를 수용하는 노즐블럭을 포함하며, 상기 노즐블럭은 이중자켓으로 구성되어 상기 이중자켓 내부를 통해 열매체가 유동되면서 노즐블럭의 온도가 제어되며, 상기 노즐블럭의 좌우 측면이 상기 노즐부의 하부 표면보다 아래로 신장되는 것을 특징으로 하는 전기방사용 방사노즐팩에 관한 것이다.

상기 노즐부의 하부 표면보다 아래로 신장되는 상기 노즐블럭의 좌우 측면의 내측 표면은 절연물질로 코팅되거나 절연체로 구성되어 있어서 전기방사 시 전기장의 간섭을 방지할 수 있는 균일한 전기장 형성에도 이점을 제공할 수 있다.

상기 노즐블럭 내부에 사용되는 열매체는 가열공기, 수증기 또는 오일일 수 있으며, 가열된 열매체를 흘러 보냄으로써 노즐블럭의 온도를 고온으로 유지하여 방사재료의 온도를 유지할 수 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은 섬유 원료가 되는 방사재료를 공급하는 원료 공급부; 상기 원료 공급부와 연결되며, 상기 원료 공급부로부터 방사재료를 공급받아 필라멘트 형태로 토출하게 하는 노즐부를 포함하는 방사노즐팩; 상기 방사노즐팩에 소정의 전압을 인가하여 상기 방사재료를 하전시키는 전압인가부; 및 상기 방사노즐팩과 소정의 이격거리를 두며 하측에 위치되며, 상기 노즐부를 통해서 토출되는 하전 필라멘트를 상면에 집적하는 컬렉터를 포함하는 전기방사장치에 관한 것이다.

상기 전기방사장치는 용액방사 또는 용융방사에 사용될 수 있으며, 상기 원료 공급부는 섬유 원료가 되는 고분자 물질을 압출하여 방사하는 압출기를 포함할 수 있고, 용융방사의 경우 상기 압출기로 용융 압출기를 사용하여 고분자 물질의 상변화를 함께 유도할 수 있다.

상기 컬렉터는 접지된 상태이거나 상기 하전 필라멘트와 반대 극성으로 대전될 수도 있다.

본 발명의 구현예들에 의하면, 전기방사에 있어서 별도의 복잡한 가열 챔버 등의 추가 장치를 구비하지 아니하고 간편한 장치만으로도 노즐부로부터 방사되는 섬유의 급격한 고화 현상을 방지할 수 있으며, 전기방사 시 전기장의 간섭을 방지하여 균일한 전기장을 형성함으로써 제조된 섬유의 물성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예의 의한 전기방사용 방사노즐팩의 단면 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 방사노즐팩을 절단한 저면 사시도 및 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사장치의 단면 개략도이다.

이하, 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명의 구현예들에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 첨부되는 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 개략적인 것으로 본 발명을 보다 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었고, 도면에 표시된 두께, 크기, 비율 등에 의해 본 발명의 범위가 제한되지 아니한다.

본 발명의 일구현예는 종래의 복잡한 전기방사 장치를 보다 간소화한 새로운 형태의 전기방사용 방사노즐팩에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 방사노즐팩의 단면 개략도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 방사노즐팩을 절단한 저면 사시도 및 부분 확대도이다.

도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 방사노즐팩(10)은 방사재료가 유입되는 유입부(110); 상기 유입부(110)의 하부에 연결되며, 유입된 방사재료가 필라멘트 형태로 토출되게 하는 복수개의 노즐을 포함하는 노즐부(140); 및 상기 유입부(110)와 노즐부(140)를 수용하는 노즐블럭(150)을 포함하며, 상기 노즐블럭(150)은 이중자켓으로 구성되어 상기 이중자켓 내부를 통해 열매체가 유동되면서 노즐블럭(150)의 온도가 제어되며, 상기 노즐블럭(150)의 좌우 측면이 상기 노즐부의 하부 표면보다 아래로 신장되는 것을 특징으로 한다.

본 발명자는 섬유가 방사되는 노즐부 후단에 섬유의 급격한 고화 현상을 방지하기 위해 종래에 사용되던 별도의 가열 챔버, 온도조절장치 등의 장비는 전기방사의 대량생산화에 적절하지 못함을 인식하고, 이를 개선하기 위하여 노즐부(140)를 수용하는 노즐블럭(150)의 좌우 측면을 노즐부(140)의 하부 표면보다 아래로 신장되도록 노즐블럭(150)의 길이를 더 길게 하는 구성을 도입하였다. 또한, 이와 같이 노즐부(140) 하부 표면보다 아래로 신장되는 상기 노즐블럭(150)의 안쪽 면에는 절연체가 부착 또는 코팅되게 함으로써 전기장의 간섭을 방지하여 균일한 전기장을 형성하여 섬유의 물성을 향상시킬 수 있다.

상기 노즐블럭(150)은 이중자켓 방식으로 구성되어 상기 이중자켓 내부를 통해 열매체가 유동되면서 노즐부(140)를 감싸고 있는 노즐블럭(150)의 온도가 제어됨으로써 방사재료의 온도를 유지할 수 있으며, 섬유가 방사되는 노즐에 온도를 전달할 수 있다. 이러한 노즐블럭(150)은 이중자켓으로 구성되어 내부에 배치되는 관로(153, 154)를 통하여 열매체를 유동시킬 수도 있다. 상기 이중자켓은 알루미늄 재질의 자켓일 수 있으며, 이러한 노즐블럭(150) 내부에 사용되는 열매체는 가열공기, 수증기 또는 오일일 수 있으며, 방사재료의 온도에 따라 적절한 매체를 선택하여 원하는 온도로 사용할 수 있다.

본 발명에서는 이러한 노즐블럭(150)을 종래의 별도 장치로 구비되던 가열 챔버 없이도 방사구역에서 온도를 조절하여 노즐부(140)로부터 공기 중으로 방사되는 섬유의 급격한 고화 현상을 방지하는 역할을 할 수 있도록 하기 위하여 상기 노즐블럭(150)의 좌우 측면이 상기 노즐부(140)의 하부 표면보다 아래로 신장되도록 구성하였다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 상기 노즐블럭(150)의 좌우 측면 중 아래 부분(152)이 상기 노즐부(140) 보다 하부 방향으로 더 길게 내려오게 하여 노즐부(140) 하부의 방사구역에서의 온도를 고온으로 유지하여 노즐(141)로부터 토출되는 섬유가 공기 중에서 급격하게 고화되는 것을 방지함으로써 섬유의 물성을 향상시킬 수 있다. 또한, 하부로 신장된 노즐블럭(150)의 아래 부분(152)에 의해 발생할 수 있는 전기장 간섭을 방지하기 위해 하부로 신장된 노즐블럭(150)의 아래 부분(152)의 내측 표면(155)을 고온에 견딜 수 있는 절연물질로 코팅하거나 절연물질을 부착하여 균일한 전기장을 형성하도록 하였다.

상기 하부로 신장된 노즐블럭의 아래 부분(152)의 내측 표면(155)에 코팅되거나 부착될 수 있는 절연물질은 세라믹, 강화 유리 및 전기절연 무기재로 구성되는 군에서 선택되는 재질로 구성될 수 있다. 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 고온 절연 물질인 세라믹, 테플론, 폴리이미드 등을 들 수 있다.

상기 노즐부(140)의 하부 표면보다 아래로 신장되는 상기 노즐블럭(150)의 좌우 측면의 아랫부분(152)에 의해 가열되는 방사구역의 온도(T_H)는 하기 수학식 1의 범위 내이다.

[수학식 1]

T_m-15 ≤ T_H ≤ T_m+15

상기 식에서, T_H는 방사구역의 온도이고, T_m은 방사되는 폴리머의 온도이다.

이러한 방사구역의 온도(T_H)는 방사하고자 하는 용융체 또는 방사액의 특성에 따라 결정되나, 방사구역의 온도가 T_m+15℃ 를 초과하는 경우에는 방사되는 섬유의 열분해가 일어나 분자량이 저하되어 사절이 발생하기 쉽고, 이와 반대로 방사구역의 온도가 T_m-15℃ 미만이면 노즐블럭(150)의 하단부(152)에 의한 온도 조절의 효과가 미미하여 토출되는 섬유가 급격하게 고화될 수 있다. 즉, 위핑 모션을 유도할 수 없거나 미약하여 섬유의 굵기가 굵고 불균일하며 나노섬유화가 일어나지 않는 문제점이 있으며, 원하는 방향으로 방사하기 어렵고, 방사 후 얻게 되는 웹의 두께가 두꺼운 형태로 제조될 우려가 있다.

상기 유입부(110)는 방사재료가 노즐로 유입되는 부분으로서, 복수개의 노즐에 균일하게 방사재료가 공급되도록 하기 위하여 원통형의 유입구와 유입구에서 원위방향으로 점점 넓어지는 형상을 가진 확산부분으로 구성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 유입부(110)는 열변형을 최소화하기 위하여 금속 재료 중에서도 열탄성계수가 낮은 물질로 구성되며, 예를 들면 스테인리스강, 특수강, 카본스틸, 초경합금 등이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 구현예들에서 사용가능한 방사재료는 용융방사를 위한 고분자 물질의 용융체 또는 용액방사를 위한 고분자 물질이 용해된 폴리머 용액, 폴리머 용해물, 용해된 유리 물질, 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 노즐부(140)는 하전된 방사재료가 방사구인 노즐(141)을 거쳐 공기 중으로 토출되고, 이어서 공기 중에서 하전 필라멘트의 연신 및 또 다른 필라멘트 분기를 거쳐 극세섬유를 제조되게 하는 역할을 한다. 상기 노즐부(140)는 복수개의 방사구(141)가 천공되어 형성된 다공성 노즐판 일 수 있으며, 복수개의 노즐팁을 포함하는 형태(미도시)일 수 있다.

상기 다공성 노즐판은 일정 두께의 판에 복수개의 노즐 형상의 구멍을 천공함으로써 제작될 수 있어 대량생산을 위한 설비에 적합하며, 설비의 제조가 용이하다. 상기 다공성 노즐판에 천공된 방사구는 다양한 형상을 지닐 수 있으며, 일례를 들면 도 1에 도시된 바와 같이 방사구(141)는 상기 유입부(110)와 접하는 상부로부터 그 반대방향의 하부 쪽으로 주사기 형상으로 천공될 수 있다.

이러한 다공성 노즐판은 소정의 두께를 갖는 노즐판 형성용 금속재료 중에서 열에 견딜 수 있는 스테인리스강, 특수강, 카본스틸, 초경합금 등에서 선택된 판에 방사구(141)를 형성하여 제조될 수 있다.

또한, 상기 노즐부(140)는 종래의 실린더 타입의 노즐 팁이 복수 개 배열된 것을 사용할 수도 있다. 이때 상기 노즐부(140)는 복수 개의 돌출형 노즐 팁을 포함하는 형태일 수 있다.

이때 상기 방사구(141)의 단면의 형상은 예를 들어 원형, 정사각형 또는 직사각형일 수 있으며, 그에 따라 전체적인 방사구(141)의 형상은 받침이 있는 원통형 아래에 원뿔과 원뿔 아래에 폭이 좁은 원통형이 결합된 형상 또는 받침이 있는 직육면체 아래에 사각뿔과 사각뿔 아래에 폭이 좁은 직육면체가 결합된 형상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 유선형의 단면을 가질 수도 있다.

본 발명의 다공성 노즐판에 형성된 방사구의 형상은 상기 예를 든 형상만으로 제한되는 것은 아니며, 필요에 의해 다른 형상을 가질 수도 있다.

본 발명의 구현예들에 의한 방사노즐팩(10)은 유입부(110) 및 노즐부(140) 이외에 방사노즐에 필요한 구성성분들을 제한없이 채용하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 유입부(110) 하부와 노즐부(140) 상부 사이에 방사재료의 불순물을 제거할 수 있는 필터판(120)을 추가로 포함하거나, 유입된 방사재료의 균일한 재분배를 돕는 역할을 하는 분배조절판(130)을 추가로 포함할 수도 있다.

상기 필터판(120)은 서로 상이한 하나 이상의 메시 필터가 적층되어 형성될 수 있으며, 그물코 형상의 메시 필터가 방사재료에 포함된 불순물을 제거하고, 방사재료의 유입 시 압력 분산 및 분배하는 역할을 한다. 상기 필터판(120)은 당업계에서 일반적으로 사용되는 물질을 제한없이 사용할 수 있으며, 일례로 2중 메시 필터 또는 3중 메시 필터가 적층되어 형성될 수 있으며, 이때 상기 메시 필터 각각의 메시 수는 서로 상이한 것이 바람직하다.

상기 필터판(120)의 하부에는 방사재료의 균일한 재분배를 돕는 역할을 하는 분배조절판(130)이 연결되어 있다. 상기 분배조절판(130)은 복수개의 구멍이 하나 이상의 열과 행을 이루어 천공되어 있다. 이러한 분배조절판(130)은 금속, 플라스틱, 세라믹화합물 등으로 이루어진 군에서 선택된 물질이 천공되어 형성될 수 있으며, 상기 분배조절판(130)에 형성된 구멍의 수는 노즐의 수보다 적거나 클 수 있다. 이러한 분배조절판(130)의 존재로 인하여 방사재료가 노즐로 바로 유입되지 않고 균일하게 재분배되게 함으로써 각 노즐마다 정량적으로 동일한 토출량을 가지도록 하여 균일한 섬유굵기를 갖는 웹을 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 전기방사용 방사노즐팩은 보온을 위해 절연커버를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상은 본 발명의 구현예들에 따른 전기방사용 방사노즐팩을 구비한 전기방사장치에 관한 것이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 용융전기방사장치의 단면 개략도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사장치(300)는 섬유 원료가 되는 방사재료(A)를 공급하는 원료 공급부(301); 상기 원료 공급부(301)와 연결되며, 상기 원료 공급부(301)로부터 방사재료(A)를 공급받아 필라멘트 형태로 토출하게 하는 복수개의 노즐을 포함하는 방사노즐팩(100); 상기 방사노즐팩(100)에 소정의 전압을 인가하여 상기 방사재료(A)를 하전시키는 전압인가부(305); 및 상기 방사노즐팩(100)과 소정의 이격거리를 두며 하측에 위치하며, 상기 노즐부(141)를 통해서 토출되는 하전 필라멘트를 상면에 집적하는 컬렉터(306)를 포함한다.

이때, 상기 방사노즐팩(100)은 상기 원료 공급부(301)에 연결되어 방사재료(A)가 유입되는 유입부(110), 상기 유입부(110)의 하부에 연결되며, 유입된 방사재료(A)가 필라멘트 형태(B)로 토출되게 하는 복수개의 노즐을 포함하는 노즐부(140), 및 상기 유입부(110)와 노즐부(140)를 수용하는 노즐블럭(150)을 포함하며, 상기 노즐블럭(150)은 이중자켓으로 구성되어 상기 이중자켓 내부를 통해 열매체가 유동되면서 노즐블럭(150)의 온도가 제어되며, 상기 노즐블럭(150)의 좌우 측면이 상기 노즐부(140)의 하부 표면보다 아래로 신장되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 전기방사장치에서 상기 원료 공급부(301)는 섬유 원료가 되는 고분자 물질이 공급되어 용매에 용해되거나(용액방사) 용융방사를 위해 용융액으로 상변화되는 부분이다.　 원료 공급부(301)는 고분자 칩을 용융하는 가열수단(미도시), 용융된 폴리머 용융액을 이송하는 이송수단(미도시)을 구비할 수 있다.　　

원료 공급부(301)는 이러한 구성에 한정되는 것은 아니며, 대안으로, 방사노즐팩(100)에 공급할 폴리머를 저장하는 원료 저장탱크(미도시), 저장된 폴리머를 시간당 일정한 양으로 공급해주는 조절장치인 정량펌프(미도시) 및 공급관(미도시)을 포함할 수도 있다.

본 발명의 일구현예에서, 상기 원료 공급부(301)는 상기 원료 공급부(301)와 연결되며, 상기 원료 공급부(301)로부터 공급된 고분자 물질을 압출하여 방사하는 압출기(302)를 포함할 수 있다. 이러한 압출기(302)는 용융방사의 경우 용액전기방사와 달리 점도가 높은 용융체에 압력을 가해서 밀어내기 위해 필요하며, 특히 이러한 압출기(302)를 도입함으로써 방사재료의 보다 빠른 공급이 가능하게 되어 멀티 노즐 시스템에 적합하며, 이는 상용화로 이어질 수 있다.

바람직하게는 상기 압출기(302)로 용융 압출기를 사용함으로써 고분자 물질을 압출기에서 일정한 온도구배를 주어 서서히 용융시켜 스크류를 이용하여 압출기 외부로 일정량을 분출하도록 할 수 있다.

본 발명에서 사용가능한 고분자 물질로는 고분자 칩, 폴리머 용액, 폴리머 용해물, 용해된 유리 물질, 및 이들의 혼합물을 포함한다.　 본 발명에서 사용가능한 대표적인 고분자 재료의 비제한적인 예들은 불소 중합체, 폴리올레핀, 폴리이미드, 폴리락타이드, 폴리에스테르, 폴리카프로락톤, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리우레탄, 엘라스토머, 또는 고무류를 포함하며, 이들을 단독으로 혹은 둘 이상이 혼합된 상태로 사용할 수도 있다.　 또한 본 발명에서 폴리머 용액 또는 용융 폴리머에는 물성의 향상을 위하여 기타 첨가제가 첨가될 수 있다.

상기 방사노즐팩(100)은 상기 압출기(302)에 부착되어 설치될 수 있으나, 설비 디자인 상 필요에 의해 유도관(303)을 통해 연결되도록 디자인될 수 있으며, 이 경우 세라믹계 물질로 이루어진 유도관과 동일한 구멍이 형성되어 있는 절연단관(304)으로 연결함으로써 금속 설비 간의 절연이 가능하게 할 수 있다.

상기 방사노즐팩(100)은 방사재료(A)를 공급받아 필라멘트 형태(B)로 토출하게 하는 복수개의 노즐을 구비하며, 상기 원료 공급부(301) 또는 압출기(302)에 연결되어 방사재료(A)가 유입되는 유입부(110), 상기 유입부(110)의 하부에 연결되며, 유입된 방사재료(A)가 필라멘트 형태(B)로 토출되게 하는 복수개의 노즐을 포함하는 노즐부(140)를 포함하며, 상기 노즐부(140)는 복수개의 방사구(141)가 천공되어 형성된 다공성 노즐판이거나 복수 개의 노즐 팁을 포함하는 형태일 수 있다.

상기 방사노즐팩(100)에는 소정의 전압이 인가되어 방사되는 방사재료(A)를 하전시켜 전기장을 형성한다.　 이러한 역할을 하는 상기 전압인가부(305)는 당업계에서 공지된 방식을 제한없이 사용할 수 있다.

상기 방사노즐팩(100)의 노즐부(140)의 방사구(141)로부터 토출된 하전 필라멘트(B)는 상기 컬렉터(306) 상부에 집적된다. 상기 컬렉터(306)는 전도성이 우수한 금속재가 사용되며, 이송롤러와 같은 이송수단으로 상기 방사노즐팩(100)에 대하여 연속적으로 공급되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 컬렉터(306)는 접지된 상태이거나, 상기 방사노즐팩(100)에 인가된 전압의 극성과 반대의 극성이 인가되어 상기 하전 필라멘트와 반대 극성을 가짐으로써, 하전 필라멘트의 집적을 도울 수 있다. 즉, 상기 방사노즐팩(100)을 통해 방사된 미세 필라멘트 형태의 고분자재료와 강력한 전기장을 형성하여 필라멘트가 나노급의 직경으로 방사되어 집적되도록 한다.

한편, 하전되어 방사된 필라멘트는 직물, 부직포, 종이 등과 같은 비금속성 기재 위에 집적시킬 수도 있는데, 이 경우에는 상기 컬렉터의 전면에 기재를 위치, 집적시켜 웹을 형성할 수 있으며, 웹이 형성된 기재는 이동수단을 통해 이동되어 상, 하 히팅장치를 통과하면서 가열되어 캘린더링(calendering)되며, 최종적으로 권취롤러에 권취된다.

한편, 본 발명의 일 구현예에서, 상기 방사노즐팩(100)과 컬렉터(306)는 수직방향으로 대향하여 배치되거나, 수평방향으로 대향하여 배치될 수도 있다.

본 발명의 전기방사장치를 이용하여 제조될 수 있는 나노섬유는 필터소재, 광화학 센서소재, 전자소자용 소재, 생체 의학용 소재, 조직 공학용 소재, 약물 전달용 소재 및 미용소재 등으로 광범위하게 응용될 수 있다.　　 예를 들어, 나노섬유는 부피에 비해 표면적이 매우 크기 때문에 필터용으로 응용시 탁월한 효과를 나타내며, 전기 전도성을 지닌 고분자를 나노 섬유로 제조해 유리에 코팅하면 햇빛의 양을 감지해 창문의 색을 변하게 할 수 있다.　 전도성 나노섬유를 리튬이온전지의 전해질로 사용할 경우, 전해액의 누출을 막으면서도 전지의 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 실시예를 첨부된 도면들을 참조로 설명하였으나, 이들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10, 100: 방사노즐팩 110: 유입부
120: 필터판 130: 분배조절판
140: 노즐부 141: 방사구
150: 노즐블럭 151: 노즐블럭 상단부
152: 노즐블럭 하단부 153, 154: 관로
155: 절연물질층 300: 전기방사장치
301: 원료 공급부 302: 압출기
303: 유도관 304: 절연단관
305: 전압인가부 306: 컬렉터
A: 방사재료 B: 필라멘트

Claims (13)

1. 전기방사용 방사노즐팩에 있어서, 상기 방사노즐팩이:
   방사재료가 유입되는 유입부;
   상기 유입부의 하부에 연결되며, 유입된 방사재료가 필라멘트 형태로 토출되게 하는 복수개의 노즐을 포함하는 노즐부; 및
   상기 유입부와 노즐부를 수용하는 노즐블럭을 포함하며, 상기 노즐블럭은 이중자켓으로 구성되어 상기 이중자켓 내부를 통해 열매체가 유동되면서 노즐블럭의 온도가 제어되며, 상기 노즐블럭의 좌우 측면이 상기 노즐부의 하부 표면보다 아래로 신장되는 것을 특징으로 하는 전기방사용 방사노즐팩.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 노즐부의 하부 표면보다 아래로 신장되는 상기 노즐블럭의 좌우 측면의 내측 표면은 절연체가 부착 또는 절연물질로 코팅된 것을 특징으로 하는 전기방사용 방사노즐팩.
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 절연물질은 세라믹, 강화 유리 및 전기절연 무기재로 구성되는 군에서 선택되는 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기방사용 방사노즐팩.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 노즐블럭 내부에 사용되는 열매체는 가열공기, 수증기 또는 오일인 것을 특징으로 하는 전기방사용 방사노즐팩.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 노즐부는 복수개의 방사구가 천공되어 형성된 다공성 노즐판 또는 복수개의 노즐팁을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사용 방사노즐팩.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 전기방사용 방사노즐팩이 상기 유입부 하부와 상기 노즐부 상부 사이에 필터판을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사용 방사노즐팩.
   
7. 제 1항에 있어서, 상기 전기방사용 방사노즐팩이 상기 유입부 하부와 상기 노즐부 상부 사이에 분배조절판을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사용 방사노즐팩.
   
8. 제 1항에 있어서, 상기 노즐부의 하부 표면보다 아래로 신장되는 상기 노즐블럭의 좌우 측면에 의해 가열되는 방사구역의 온도는 하기 수학식 1의 범위 내인 것을 특징으로 하는 전기방사용 방사노즐팩.
   [수학식 1]
   T_m-15 ≤ T_H ≤ T_m+15
   상기 식에서, T_H는 방사구역의 온도이고, T_m은 방사되는 폴리머의 온도이다.
   
9. 제 1항에 있어서, 상기 방사노즐팩은 보온을 위한 절연커버를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사용 방사노즐팩.
   
10. 섬유 원료가 되는 방사재료를 공급하는 원료 공급부;
    상기 원료 공급부와 연결되며, 상기 원료 공급부로부터 방사재료를 공급받아 필라멘트 형태로 토출하게 하는 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 의한 방사노즐팩;
    상기 방사노즐팩에 소정의 전압을 인가하여 상기 방사재료를 하전시키는 전압인가부; 및
    상기 방사노즐팩과 소정의 이격거리를 두며 하측에 위치되며, 상기 노즐부를 통해서 토출되는 하전 필라멘트를 상면에 집적하는 컬렉터를 포함하는 전기방사장치.
    
11. 제 10항에 있어서, 상기 전기방사장치는 용액방사 또는 용융방사에 사용되는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
    
12. 제 10항에 있어서, 상기 원료 공급부는 섬유 원료가 되는 고분자 물질을 압출하여 방사하는 압출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
    
13. 제 10항에 있어서, 상기 컬렉터는 접지되거나 상기 하전 필라멘트와 반대 극성으로 대전되는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
    

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