KR20210004641A - 나노섬유 제조장치 및 나노섬유의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노섬유 웹의 균일성을 향상시킬 수 있는 나노섬유 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로서, 용액 공급부를 통해 공급된 용액을 방사하여 섬유사를 생성하는 노즐, 상기 용액 공급부 및 상기 노즐을 둘러싸며 형성되고, 시스 에어를 토출하는 에어 이동부 및 상기 에어 이동부와 연결되고, 단극성 이온을 상기 에어 이동부로 공급하는 이온 챔버를 포함하고, 상기 이온 챔버에는 탄소 섬유 이오나이저가 형성되고, 상기 탄소 섬유 이오나이저를 통해 생성된 단극성 이온은 상기 이온 챔버를 통해 상기 에어 이동부로 공급되어 상기 시스 에어와 함께 외부로 토출된다.
Description
본 발명은 나노섬유 제조장치 및 나노섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 나노섬유 웹의 균일성을 향상시킬 수 있는 나노섬유 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
나노섬유는 지름이 수십에서 수백 나노미터의 초극세실로서, 산업이 발전함에 따라 다양한 산업 분야에서 나노섬유가 사용되고 있다.
이러한 나노섬유를 제조하는 방식으로는, 원료인 고분자 물질에 고전압의 전기장을 걸어 원료물질 내부에서 전기적 반발력이 발생함으로 인해 분자들이 뭉치고 나노 크기의 실 형태로 갈라지게 되는 전기방사(Electrospinning) 방식과, 고분자 용액을 방사하여 고분자 용액의 방사 속도와 용액 주변을 감싸는 시스 에어의 속도에 따라 섬유가 형성되는 용액방사(Solution blow spinning) 방식이 있다.
용액방사는 전기방사에 비하여 저렴하고, 빠른 생산속도를 가지며, 구동의 안전성이 확보된다는 장점이 존재한다. 그러나 나노섬유 제조를 공압에 의한 부착에만 의존하기 때문에 섬유간 간격(pore size)의 크기와 분포가 균일하지 못하다는 단점이 존재한다.
또한 다수의 노즐을 사용시 공기의 흐름 및 그에 따른 난류가 발생함에 따라 섬유끼리 달라붙어 뭉치는 현상이 일어날 수 있다.
도 1은 종래 용액방사 방식을 나타낸 모식도이다. 도 2는 종래 용액방사 방식에 의해 형성된 나노섬유의 섬유간 뭉침 현상을 보여주는 그림이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 용액방사 방식의 경우, 방사되는 고분자 용액의 바깥으로 시스 에어가 토출되어, 시스 에어의 공압에 의해 고분자 용액을 통한 섬유가 생성됨을 알 수 있다. 그러나 도 1에 도시된 바와 같이 공기 이동부를 통한 시스 에어 토출 이외에 다른 장치가 없어 섬유의 생성을 시스 에어의 공압에만 의존해야 하는 한계가 있으며, 이와 같이 시스 에어의 공압에만 의존할 경우 도 2에 도시된 바와 같이 생성된 섬유끼리 뭉치는 번들(bundle) 현상이 일어날 수 있는 문제가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 용액방사를 통한 나노섬유 제조시, 나노섬유 웹의 균일성을 향상시킬 수 있는 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조장치는, 용액 공급부를 통해 공급된 용액을 방사하여 섬유사를 생성하는 노즐, 상기 용액 공급부 및 상기 노즐을 둘러싸며 형성되고, 시스 에어를 토출하는 에어 이동부 및 상기 에어 이동부와 연결되고, 단극성 이온을 상기 에어 이동부로 공급하는 이온 챔버를 포함하고, 상기 이온 챔버에는 탄소 섬유 이오나이저가 형성되고, 상기 탄소 섬유 이오나이저를 통해 생성된 단극성 이온은 상기 이온 챔버를 통해 상기 에어 이동부로 공급되어 상기 시스 에어와 함께 외부로 토출된다.
또한 상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조방법은, 용액을 방사하여 섬유사를 생성하는 노즐 및 상기 노즐로 용액을 공급하는 용액 공급부를 준비하는 단계, 시스 에어 및 단극성 이온을 공급받아 상기 노즐의 방사 방향으로 토출하는 에어 캡을 상기 노즐 및 상기 용액 공급부의 둘레에 배치하는 단계, 스페이서를 상기 에어 캡과 이온 챔버 사이에 탈착 가능하게 배치하는 단계 및 상기 스페이서의 탈착을 통해 상기 에어 캡의 위치를 조절하여 상기 노즐을 통해 방사되는 상기 용액과 상기 단극성 이온의 접촉 위치를 조절하는 단계를 포함한다.
상기 용액 공급부는 상기 노즐과 동축으로 연결될 수 있다.
상기 에어 이동부는, 시스 에어를 공급하는 에어 공급부, 공급된 상기 시스 에어의 토출 위치를 조절하는 에어 캡, 상기 에어 공급부를 통해 공급된 상기 시스 에어를 상기 에어 캡으로 안내하는 에어 안내부 및 상기 에어 캡의 상기 시스 에어를 외부로 토출하는 에어 토출구를 포함할 수 있다.
상기 에어 공급부는 상기 이온 챔버를 통과하고, 상기 단극성 이온은 상기 이온 챔버를 통해 상기 에어 공급부로 공급될 수 있다.
상기 에어 캡을 상기 용액 공급부로부터 지지하는 에어 캡 지지부를 더 포함하고, 상기 에어 캡 지지부는 상기 에어 캡과 상기 용액 공급부 사이에 위치할 수 있다.
상기 에어 캡을 상기 용액 공급부로부터 지지하는 에어 캡 지지부를 더 포함할 수 있다.
상기 에어 캡은, 상기 용액의 방사 방향으로 갈수록, 상기 노즐과 가까워지고 직경이 감소하도록 형성될 수 있다.
상기 에어 토출구는 상기 에어캡의 끝단에서 상기 노즐로부터 방사되는 용액과 만나는 방향으로 형성될 수 있다.
상기 에어 캡을 상기 노즐의 용액 방사 방향으로 이동시키는 스페이서를 더 포함할 수 있다.
상기 스페이서는 링형으로 형성되어, 상기 에어 안내부의 외둘레에 삽입 결합될 수 있다.
상기 스페이서는 상기 이온 챔버와 상기 에어 캡의 사이에 삽입되어, 상기 이온 챔버 및 이와 결합된 상기 용액 공급부 및 상기 노즐을 기준으로 상기 에어 캡의 위치를 조절할 수 있다.
상기 스페이서를 복수개 삽입하여, 상기 복수개의 스페이서의 삽입 개수를 조절하여 상기 에어 캡의 이동 위치를 조절할 수 있다.
상기 스페이서는 탈착 가능하도록 형성되어, 상기 에어 캡의 위치를 조절할 수 있다.
상기 노즐의 끝단에는 상기 용액을 방사하는 노즐 팁이 형성될 수 있다.
상기 에어 캡의 위치를 조절하는 단계에서, 상기 스페이서를 복수개 사용하여 상기 에어 캡의 위치를 조절할 수 있다.
상기 에어 캡을 상기 노즐 및 상기 용액 공급부의 둘레에 배치하는 단계에서, 상기 용액 공급부를 기준으로 상기 에어 캡을 지지하기 위한 에어 캡 지지부를 상기 에어 캡과 상기 용액 공급부 사이에 삽입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법은, 용액 공급부에 형성된 이온 챔버에 탄소 섬유 이오나이저가 연결되어, 탄소 섬유 이오나이저를 통해 별도로 생성된 단극성 이온이 이온 챔버를 통해 에어 이동부로 공급되어 시스 에어와 함께 외부로 토출되어, 토출되는 섬유를 단극으로 하전시키게 됨으로써 하전된 섬유들끼리 서로 척력을 갖게 되어 섬유들간의 뭉침 현상을 억제할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법은, 나노섬유의 포메이션 과정에서, 단극성 이온에 의해 서로 척력을 유지하며 배열됨으로써, 섬유간 간격(pore size)의 균일도를 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법은, 시스 에어 토출구의 위치를 스페이서로 조절함으로서, 노즐을 통해 방사되는 용액과 단극성 이온의 접촉 위치 및 에어 토출구로부터 토출되는 시스 에어의 공압을 미세 조절하여 나노섬유의 연신율 및 포메이션을 정교하게 제어할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법은, 토출구 근처에서 고전압을 통해 공기를 이온화 시키는 방식이 아니라, 탄소 섬유 이오나이저를 통해 별도로 생산된 단극성 이온을 에어 공급부에 공급하는 방식으로서, 시스템의 고전압 인가시 일어날 수 있는 화재 및 오존 발생 문제를 미연에 방지할 수 있으며, 토출구 근처에서의 시스템 자체 대전으로 인하여 토출 섬유에 주는 영향을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 용액방사 방식을 나타낸 모식도이다.
도 2는 종래 용액방사 방식에 의해 형성된 나노섬유의 섬유간 뭉침 현상을 보여주는 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조장치를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노섬유를 나타낸 그림이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조장치를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조장치를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 복수의 스페이서가 삽입된 나노섬유 제조장치를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스페이서의 갯수가 증가함에 따라 제조된 나노섬유의 차이를 나타낸 그림이다.
도 2는 종래 용액방사 방식에 의해 형성된 나노섬유의 섬유간 뭉침 현상을 보여주는 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조장치를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노섬유를 나타낸 그림이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조장치를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조장치를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 복수의 스페이서가 삽입된 나노섬유 제조장치를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스페이서의 갯수가 증가함에 따라 제조된 나노섬유의 차이를 나타낸 그림이다.
이하에서 설명되는 실시 예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 출원에서 사용되는 제1, 제2 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 권리범위를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다", "이루어진다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 명세서상 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노섬유 제조장치에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노섬유 제조장치를 나타낸 모식도이다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 나노섬유를 나타낸 그림이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조장치를 나타낸 도면이다. 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노섬유 제조장치를 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노섬유 제조장치는, 방사를 통해 섬유사를 생성하기 위한 용액을 공급하는 용액 공급부(100), 용액 공급부(100)를 둘러싸고 형성되어, 시스 에어를 이동시켜 용액 공급부(100)를 통해 방사되는 용액과 함께 시스 에어를 토출하는 에어 이동부(200), 에어 이동부(200)와 연결되어, 에어 이동부(200)에 단극성 이온을 공급하여 시스 에어와 함께 토출되도록 하는 이온 챔버(300)를 포함한다.
용액 공급부(100)의 끝단에는 용액 공급부(100)와 동축으로 연결된 노즐(110)이 형성되어, 용액 공급부(100)로부터 공급된 용액이 노즐(110)을 통해 외부로 방사된다. 이온 챔버(300)에는 탄소 섬유 이오나이저(310)가 연결되어, 탄소 섬유 이오나이저(310)를 통해 생성된 단극성 이온은 이온 챔버(300)를 통해 에어 이동부(200)로 공급되어 시스 에어와 함께 외부로 토출된다.
종래에는 공기 이동부를 통한 시스 에어 토출 이외에 다른 장치가 없이 섬유의 생성을 시스 에어의 공압에 의존하는 한계가 있었다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단극성 이온이 시스 에어를 캐리어 가스로 이용하여 시스 에어와 함께 토출됨으로써, 노즐(110)을 통해 방사된 섬유들을 단극으로 하전시키게 되고, 단극성으로 하전된 섬유들은 서로 척력을 갖게 되어 서로 뭉치게 되는 번들(bundle) 현상을 억제할 수 있다.
또한 섬유들간의 포메이션 과정에서 서로 일정한 척력을 유지하며 배열이 되는 결과 섬유간 간격(pore size)의 균일도를 상승시킬 수 있다. 이는 동일 조건으로 방사하여 제작한 나노섬유 필터보다 높은 효율과 낮은 차압을 얻을 수 있도록 한다.
용액 공급부(100)는 중공관 형상으로 형성되고, 에어 이동부(200)에 의해 둘러싸여 형성되며, 중공 공간을 통해 용액을 용액 공급부(100)의 끝단에 형성된 노즐(110)로 이송할 수 있다.
용액 공급부(100)에 공급되는 용액은 나노 섬유를 형성할 수 있는 폴리머 용액일 수 있다. 상기 폴리머 용액은 제조하고자 하는 나노 섬유에 따라 다양한 성분으로 형성될 수 있다.
노즐(110)은 용액 공급부(100)의 끝단에 형성되어, 용액 공급부(100)를 통해 공급된 용액을 방사하여 섬유사를 생성할 수 있다. 노즐(110)의 끝단에는 용액을 방사하는 노즐 팁(111)이 형성될 수 있다. 노즐 팁의 형상은 원형으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며, 방사에 용이한 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 노즐 팁(111)의 직경은 용액 공급부(100) 및 노즐(110)의 직경보다 현저히 작게 형성되어, 노즐 팁(111)을 통한 용액 분사로 인해 나노 단위의 섬유를 제조할 수 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 이동부(200)에 대해 설명한다.
공기 이동부(200)는, 시스 에어를 공급하는 에어 공급부(210), 공급된 시스 에어의 토출 위치를 조절하는 에어 캡(230), 에어 공급부(210)를 통해 토출된 시스 에어를 에어 캡(230)으로 안내하는 에어 안내부(220) 및 에어 캡(230)의 시스 에어를 방사되는 용액과 만나도록 토출하는 에어 토출구(240)를 포함할 수 있다.
에어 공급부(210)는 노즐(110)의 용액 방사 방향과 수직으로 형성되어, 시스 에어를 노즐(110)의 용액 방사 방향과 수직인 방향으로 공급할 수 있다.
노즐(110)과 에어 공급부(210)가 평행한 방향으로 형성되어, 에어 토출구(240)까지 시스 에어가 동축 방향으로 공급되면, 외부에서 강한 유압에 의해 압송된 시스 에어의 불안정한 유동이 동축 방향의 에어 토출구로 그대로 전달되어, 노즐에서 방사되는 용액의 섬유사 생성시 균일도 높은 나노섬유 웹 생성을 방해할 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예와 같이, 에어 공급부(210)를 노즐(110)의 용액 방사 방향과 수직으로 제조하여, 에어 공급부(210)를 통해 유입된 시스 에어를 에어 안내부(220)에서 한차례 안정화 시킨 후 다시 에어 캡(230) 및 에어 토출구(240)로 안내하여 균일도 높은 나노섬유 웹을 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 에어 공급부(210)의 공급로가 노즐(110) 및 용액 공급부(100)와 수직으로 형성되나, 에어 공급부(210)의 공급로가 반드시 수직으로 형성될 필요는 없으며, 노즐(110) 및 용액 공급부(100)가 형성하는 용액 이동 방향과 평행하거나 평행에 근접한 방향이 아닌한 다양한 각도의 공급로를 가지도록 형성될 수 있다.
에어 공급부(210)는 이온 챔버(300)를 통과하도록 형성된다. 이온 챔버(300)의 내부에는 탄소 섬유 이오나이저(310)가 배치되어, 탄소 섬유 이오나이저(310)를 통해 형성된 단극성 이온이 이온 챔버(300)를 통해 에어 공급부(210)로 공급될 수 있다.
종래에는 외부로부터 유입되는 공기를 노즐 근방에서 고전압을 인가하여 코로나 방전을 통해 이온화 시켜 이온화된 공기를 공급하는 방식 또한 존재하였다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소 섬유 이오나이저(310)를 별도로 구비하고, 탄소 섬유 이오나이저(310)를 통해 생성된 단극성 이온을 에어 공급부(210)로 미리 공급하며, 시스 에어와 미리 공급된 단극성 이온이 함께 토출되는 방식을 취하고 있다.
종래와 같이 노즐 근방에서 고전압을 인가할 경우, 고전압을 통한 화재가 발생할 우려가 있으며, 이는 공정 작업자의 안전과 직결될 수 있다. 또한 고전압을 인가시 오존이 발생할 수 있어, 오존 발생을 통해 환경적으로 악영향을 끼칠 수 있다.
또한 노즐 근방에서 고전압을 인가할 경우, 의도치 않게 노즐 주변이 자체적으로 대전이 될 수 있는데, 이와 같이 자체적으로 대전이 될 경우 전하의 총 합이 0이 되어 이온의 발생이 저해될 수 있는 위험이 있다. 또한 주변 환경상 의도치 않은 곳에 그라운드가 생길 경우 방사 시스템과 그라운드 사이에 전기장이 형성되며 결과적으로 토출되는 섬유에 이온이 공급되지 못하는 결과를 초래할 수 있다.
에어 안내부(220)는 용액 공급부(100)의 외둘레에서 용액 공급부(100)와의 이격 공간을 통해 형성되고, 에어 공급부(210)를 통해 공급된 시스 에어를 에어 캡(230)으로 안내할 수 있다. 에어 안내부(220)의 외곽에는 스페이서(400)가 삽입되어 후술할 에어 캡(230)의 위치를 조절할 수 있다.
에어 캡(230)은 사다리꼴 원뿔 형상으로 형성되어, 용액의 방사 방향으로 갈수록 노즐(110)과 가까워지고 직경이 감소하도록 형성될 수 있다.
따라서 에어 캡(230)의 형상을 통해 노즐(110)의 노즐 팁(111)과 에어 캡(230)의 에어 토출구(240)가 최대한 가깝게 위치하도록 함으로써, 에어 캡(230)을 통해 토출되는 시스 에어 및 단극성 이온이 노즐에서 방사되는 용액과 쉽게 접촉하여 용액을 용이하게 하전시킬 수 있다.
에어 캡(230)은 에어 공급부(210) 및 에어 안내부(220)와 별도의 부재로 형성되고, 노즐(110)의 용액 방사축 방향으로 이동 가능하게 형성될 수 있다. 에어 캡(230)은 후술할 스페이서(400)를 통해 이동할 수 있다.
에어 캡 지지부(231)는 에어 캡(230)과 용액 공급부(100) 사이에 위치하여 용액 공급부(100)로부터 에어 캡(230)을 고정 및 지지할 수 있다. 또한 에어 캡 지지부(231)는 시스 에어의 유로 상에 형성될 수 있으므로, 에어 캡 지지부(231)의 형상에 따라 시스 에어의 유동을 조절할 수 있다.
에어 토출구(240)는 에어 캡(230)의 끝단에 형성되고, 노즐(110)로부터 방사되는 용액과 만나는 방향을 향해 형성될 수 있다. 따라서 에어 토출구(240)를 통해 토출된 시스 에어 및 단극성 이온은 노즐(110)의 노즐 팁(111)으로부터 방사된 섬유사와 접촉하고 섬유사를 하전시켜 균일한 간격의 나노섬유 웹을 형성할 수 있다.
이온 챔버(300)는 용액 공급부(100) 및 에어 공급부(210)의 외부에 형성되고, 에어 공급부(210)가 이온 챔버(300)를 통과하도록 하여, 이온 챔버(300) 내부의 탄소 섬유 이오나이저(310)를 통해 생성된 단극성 이온을 에어 공급부로 공급할 수 있다.
탄소 섬유 이오나이저(310)는 단극성 이온을 발생하여 섬유사를 하전시킬 수 있다. 용액의 성분 및 제조하고자 하는 나노 섬유에 따라 단극성 이온이 많이 또는 적게 필요할 수 있으므로, 탄소 섬유 이오나이저(310)의 갯수를 조절하여 그에 따라 발생하는 단극성 이온의 숫자도 증가 또는 감소시켜 다양한 성분의 용액 및 그에 따른 다양한 종류의 나노 섬유 형성에 대응할 수 있다.
스페이서(400)는 용액 공급부(100) 및 에어 안내부(220)의 외둘레 공간에서이온 챔버(300)와 에어 캡(230)의 사이에 삽입되어, 이온 챔버(300)와 에어 캡(230) 사이의 거리를 결정함으로써, 이온 챔버(300) 및 이와 결합된 용액 공급부(100) 및 노즐(110)을 기준으로 에어 캡(230)의 위치를 조절할 수 있다.
더 나아가, 노즐(110)의 노즐 팁(111)을 기준으로 에어 캡(230)의 에어 토출구(240)의 위치를 조절함으로써, 노즐 팁(111)으로부터 방사되는 섬유와 에어 토출구(240)로부터 토출되는 시스 에어 및 단극성 이온의 접촉 위치를 조절할 수 있게 되었다. 이로써 압송되는 시스 에어의 불안정한 특성으로 인하여 토출 공기의 미세 조절이 어려운 부분들을 스페이서(400)를 통한 미세 압력조절 및 단극성 이온 공급위치 조절을 통해 해결할 수 있게 되었다.
또한 에어 캡(230)의 위치가 바뀜에 따라, 에어 캡(230) 내부와 노즐 팁(111)의 각도 차가 발생하고, 이러한 각도 차를 통해 공압이 달라질 수 있다. 이로써 미세 공압 및 단극성 이온 공급 위치를 미세 조절 해주어 나노 섬유의 연신율 및 포메이션을 정교하게 제어 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스페이서(400)는 링형으로 형성되어, 에어 안내부(220)의 둘레에 삽입 결합될 수 있다. 다만 스페이서(400)의 형상은 본 발명의 일 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형상을 통해 에어 캡(230)의 위치를 미세하게 조절할 수 있으면 족하다.
스페이서(400)는 탈착 가능하게 형성될 수 있다. 따라서 스페이서(400)를 삽입한 후 형성되는 섬유사의 품질을 판단한 후, 이상이 있을 시 스페이서(400)를 제거할 수 있다. 또한 두께가 다른 스페이서로 교체하여 에어 캡(230)의 위치를 미세하게 조절할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 복수의 스페이서가 삽입된 나노섬유 제조장치를 나타낸 단면도이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스페이서의 갯수가 증가함에 따라 제조된 나노섬유의 차이를 나타낸 그림이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조장치는, 스페이서(400)가 복수가 삽입되어, 복수개의 스페이서(400)의 삽입 개수에 따라 에어 캡의 이동 위치를 조절할 수 있다. 스페이서(400)의 삽입 개수가 많아질 수록, 에어 캡(230)의 위치가 노즐(110)에서의 용액 방사 방향으로 이동하게 되고, 이동할수록 에어 토출구(240)를 통해 토출되는 시스 에어 및 단극성 이온은, 노즐(110)로부터 보다 먼 곳에서 방사중인 섬유와 만날 수 있다.
도 8은 구슬 형상의 섬유(beaded fiber)의 배열성에 중점을 두기 위해 이온화를 상대적으로 늦춰주는 효과를 주기 위해 스페이서의 갯수를 증가시킬 실험 결과이다. 도 8을 참조하면, 랜덤한 상태에서 스페이서의 갯수가 증가함에 따라 형성되는 섬유사들이 점차적으로 격자배열에 가까워짐을 알 수 있다.
도 8에 개시된 바와 같이, 스페이서(400)를 사용함으로써, 방사되는 섬유에 이온의 공급 위치를 조절해 줌으로써, 연신률을 높여 섬유의 직경을 낮출 수 있고, 일정한 척력 유지를 통한 포메이션의 규칙성을 향상시킬 수 있다. 또한 원하는 섬유의 배열 및 효과에 따라 스페이서(400)의 갯수를 변경할 수 있고, 또한 탄소 섬유 이오나이저(310)의 갯수를 달리함을 통해 단극성 이온의 갯수를 변경하여 사용자가 원하는 방향의 섬유 포메이션을 형성할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유의 제조방법에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조방법은, 용액을 방사하여 섬유사를 생성하는 노즐(110) 및 노즐(110)로 용액을 공급하는 용액 공급부(100)를 준비하는 단계, 시스 에어 및 단극성 이온을 공급받아 노즐(110)의 방사 방향으로 토출하는 에어 캡(230)을 노즐(110) 및 용액 공급부(100)의 둘레에 배치하는 단계, 스페이서(400)를 에어 캡(230)과 이온 챔버(300) 사이에 탈착 가능하게 배치하는 단계 및 스페이서(400)의 탈착을 통해 에어 캡(230)의 위치를 조절하여 노즐(110)을 통해 방사되는 용액과 단극성 이온의 접촉 위치를 조절하는 단계를 포함한다.
에어 캡(230)의 위치를 조절하는 단계에서, 스페이서(400)를 복수개 사용하여 에어 캡(230)의 위치를 조절할 수 있으며, 에어 캡(230)을 노즐(110) 및 용액 공급부(100)의 둘레에 배치하는 단계에서, 용액 공급부(100)를 기준으로 에어 캡(230)을 지지하기 위한 에어 캡 지지부(231)를 에어 캡(230)과 용액 공급부(100) 사이에 삽입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100: 용액 공급부
110: 노즐
111: 노즐 팁
200: 에어 이동부
210: 에어 공급부
220: 에어 안내부
230: 에어 캡
231: 에어 캡 지지부
240: 에어 토출구
300: 이온 챔버
310: 탄소 섬유 이오나이저
400: 스페이서
110: 노즐
111: 노즐 팁
200: 에어 이동부
210: 에어 공급부
220: 에어 안내부
230: 에어 캡
231: 에어 캡 지지부
240: 에어 토출구
300: 이온 챔버
310: 탄소 섬유 이오나이저
400: 스페이서
Claims (17)
- 용액 공급부를 통해 공급된 용액을 방사하여 섬유사를 생성하는 노즐;
상기 용액 공급부 및 상기 노즐을 둘러싸며 형성되고, 시스 에어를 토출하는 에어 이동부; 및
상기 에어 이동부와 연결되고, 단극성 이온을 상기 에어 이동부로 공급하는 이온 챔버를 포함하고,
상기 이온 챔버에는 탄소 섬유 이오나이저가 형성되고, 상기 탄소 섬유 이오나이저를 통해 생성된 단극성 이온은 상기 이온 챔버를 통해 상기 에어 이동부로 공급되어 상기 시스 에어와 함께 외부로 토출되는 나노섬유 제조장치. - 제1항에서,
상기 용액 공급부는 상기 노즐과 동축으로 연결된 나노섬유 제조장치. - 제1항에서,
상기 에어 이동부는,
시스 에어를 공급하는 에어 공급부;
공급된 상기 시스 에어의 토출 위치를 조절하는 에어 캡;
상기 에어 공급부를 통해 공급된 상기 시스 에어를 상기 에어 캡으로 안내하는 에어 안내부; 및
상기 에어 캡의 상기 시스 에어를 외부로 토출하는 에어 토출구를 포함하는 나노섬유 제조장치. - 제3항에서,
상기 에어 공급부는 상기 이온 챔버를 통과하고, 상기 단극성 이온은 상기 이온 챔버를 통해 상기 에어 공급부로 공급되는 나노섬유 제조장치. - 제3항에서,
상기 에어 캡을 상기 용액 공급부로부터 지지하는 에어 캡 지지부를 더 포함하고, 상기 에어 캡 지지부는 상기 에어 캡과 상기 용액 공급부 사이에 위치하는 나노섬유 제조장치. - 제3항에서,
상기 에어 캡을 상기 용액 공급부로부터 지지하는 에어 캡 지지부를 더 포함하는 나노섬유 제조장치. - 제3항에서,
상기 에어 캡은, 상기 용액의 방사 방향으로 갈수록, 상기 노즐과 가까워지고 직경이 감소하도록 형성되는 나노섬유 제조장치. - 제7항에서,
상기 에어 토출구는 상기 에어 캡의 끝단에서 상기 노즐로부터 방사되는 용액과 만나는 방향으로 형성된 나노섬유 제조장치. - 제3항에서,
상기 에어 캡을 상기 노즐의 용액 방사 방향으로 이동시키는 스페이서를 더 포함하는 나노섬유 제조장치. - 제9항에서,
상기 스페이서는 링형으로 형성되어, 상기 에어 안내부의 외둘레에 삽입 결합되는 나노섬유 제조장치. - 제9항에서,
상기 스페이서는 상기 이온 챔버와 상기 에어 캡의 사이에 삽입되어, 상기 이온 챔버 및 이와 결합된 상기 용액 공급부 및 상기 노즐을 기준으로 상기 에어 캡의 위치를 조절하는 나노섬유 제조장치. - 제11항에서,
상기 스페이서를 복수개 삽입하여, 상기 복수개의 스페이서의 삽입 개수를 조절하여 상기 에어 캡의 이동 위치를 조절하는 나노섬유 제조장치. - 제11항에서,
상기 스페이서는 탈착 가능하도록 형성되어, 상기 에어 캡의 위치를 조절하는 나노섬유 제조장치. - 제1항에서,
상기 노즐의 끝단에는 상기 용액을 방사하는 노즐 팁이 형성된 나노섬유 제조장치. - 용액을 방사하여 섬유사를 생성하는 노즐 및 상기 노즐로 용액을 공급하는 용액 공급부를 준비하는 단계;
시스 에어 및 단극성 이온을 공급받아 상기 노즐의 방사 방향으로 토출하는 에어 캡을 상기 노즐 및 상기 용액 공급부의 둘레에 배치하는 단계;
스페이서를 상기 에어 캡과 이온 챔버 사이에 탈착 가능하게 배치하는 단계; 및
상기 스페이서의 탈착을 통해 상기 에어 캡의 위치를 조절하여 상기 노즐을 통해 방사되는 상기 용액과 상기 단극성 이온의 접촉 위치를 조절하는 단계를 포함하는 나노섬유 제조방법. - 제15항에서,
상기 에어 캡의 위치를 조절하는 단계에서, 상기 스페이서를 복수개 사용하여 상기 에어 캡의 위치를 조절하는 나노섬유 제조방법. - 제15항에서,
상기 에어 캡을 상기 노즐 및 상기 용액 공급부의 둘레에 배치하는 단계에서, 상기 용액 공급부를 기준으로 상기 에어 캡을 지지하기 위한 에어 캡 지지부를 상기 에어 캡과 상기 용액 공급부 사이에 삽입하는 단계를 더 포함하는 나노섬유 제조방법.
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