KR20240055661A - 기체분출수단이 구비된 전기방사 노즐블록 및 이를 구비한 전기방사장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 용액저장조로부터 이송되어 주입되는 방사용액을 수용하는 내부공간과, 복수개의 용액 분배구를 포함하는 노즐 몸체와, 기류분출수단을 포함하는 전기방사노즐과, 상기 전기방사노즐을 상기 노즐 몸체에 대해 탈,부착 가능하게 결합시키는 노즐 어댑터와, 고전압 발생장치로부터의 고전압 전기를 상기 노즐 몸체의 내부공간에 수용된 방사용액에 인가하기 위한 고전압 인가수단을 포함하는 전기방사 노즐블록에 관한 것이다.
Description
본 출원은 2022년 10월 20일에 출원된 한국 특허출원 제 10-2022-0135897 호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
본 발명은 전기방사장치(electrospinning device)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방사노즐로부터 토출되는 방사 필라멘트를 토출구와 이격된 거리에서 둘러싸면서 직진시키는 공기 흐름층을 형성하기 위한 기체분출수단을 구비하고 있는 전기방사를 위한 노즐블록과 이 노즐블록을 구비한 전기방사장치에 관한 것이다.
전기방사(electrospinning) 공정은 용액에 수천 내지 수만 볼트의 직류 고전압을 인가하고, 집적판(collector)에 접지 혹은 (-)전압을 연결하여 전기장이 형성된 환경 속에서 나노섬유를 제조하는 공정이다.
방사노즐에서 토출되는 하전된 방사용액의 액적(droplet)은 노즐 팁에서 원추형 모양으로 형성되고, 원추형의 돌기부분이 집적판을 향하여 길이방향으로 연신되면서 하전 필라멘트가 형성된다. 이때, 상기 액적의 원추형 부분을 테일러 콘(taylor cone)이라 하고, 길이방향으로 연신된 하전 필라멘트를 제트(jet)라고 명명한다.
상기 테일러 콘의 돌기부분에서 연신되어 만들어지는 제트(jet)는 임계 고전압 이상에서 임의의 지점부터 급격하게 요동하는 휘핑 모드(whipping mode)을 거치면서 용매가 휘발되면서 직경이 매우 작은 나노섬유로 제조된다. 이때, 방사용액의 농도가 높을수록 테일러 콘의 크기는 작아지고, 직선상 제트의 길이는 길어지며, 휘핑모드의 발생 횟수는 적어진다.
표면장력이 큰 방사용액을 사용하는 경우, 액적의 표면장력이 전기력보다 크기 때문에 원추형의 테일러 콘으로부터 제트상의 하전 필라멘트로 전환되는데 어려움을 겪게 된다. 하전 액적이 하전 필라멘트로 전부 전환되지 않으면, 토출용액의 일부는 섬유상이 아닌 미세한 액적(drop)으로 집적판에 수집되어 미세액적이 포함되는 나노섬유 웹으로 제조되어 균일한 웹을 제조하는 것이 어렵다. 이러한 이유로 표면장력이 큰 수용액 혹은 용액 점성이 높은 방사용액의 경우, 고전압 세기를 높이거나, 토출량을 줄여서 방사를 진행한다.
그러나, 방사용액에 인가되는 고전압의 세기를 높이게 되면, 노즐 끝에서 테일러 콘이 불안정한 상태를 보이고, 하전 필라멘트 제트도 방향성을 유지하지 못하여 집적부의 원하는 영역으로 나노섬유를 균일하게 집적시키기 어렵게 된다. 또한, 방사용액의 토출량을 줄이게 되면, 나노섬유의 생산성이 낮아지는 문제가 있다.
따라서, 전기방사공정에 있어서, 집적판에 적층되는 나노섬유 웹에 미세액적이 다량 포함되는 문제를 근본적으로 해소하기 어렵다.
종래에는 이러한 방사용액의 높은 표면장력으로 인한 문제점을 극복하기 위해서 방사 필라멘트의 외부에 에어(air) 혹은 가스(gas)와 같은 보조적 압력수단을 부가하는 여러 방안들이 제안되었다.
특허문헌 1(대한민국 등록특허공보 제 10-1601169 호)은 나노섬유를 방사하는 다수의 니들을 구비한 방사노즐과, 다수 열로 배열되는 방사노즐들 사이에 방사되는 나노섬유에 직접 항온,항습된 공기를 분사하는 항온,항습 유닛이 배치된 전기방사장치를 개시한다. 그러나, 특허문헌 1은 콜렉터에 축적되는 나노섬유 웹에 항온항습된 공기를 분사하여 위치에 따라 온도와 습도가 달라지는 것을 방지하기 위한 것으로서 토출되는 방사용액으로부터 발생되는 미세액적을 막을 수 없다.
특허문헌 2(대한민국 등록특허공보 제 10-1440448 호)는 일단에 배출공이 형성되어 외부에서 공급된 질소가스가 상기 배출공을 통해 외부로 분사되는 하우징과; 일단이 상기 배출공에 삽입 배치되어 약물을 외부로 분사하고, 타단에 전기가 공급되는 노즐부를 포함하여 이루어지되, 상기 배출공은 상기 노즐부의 일단의 둘레에 배치되고, 상기 노즐부의 일단을 통한 약물의 분사시 상기 노즐부의 일단의 둘레를 통해 질소가스도 함께 분사하는 대상물에 약물을 분사하여 코팅하는 전기방사 노즐모듈을 개시한다. 특허문헌 2의 질소가스의 배출공을 노즐부의 일단의 둘레에 배치하는 구성은, 약물을 분사하여 코팅할 때 약물이 일반 공기에 노출되어 감염되는 것을 방지하기 위한 것이다.
특허문헌 3(대한민국 등록특허공보 제 10-1478184 호)은 공급받은 용액을 수용하는 용액 수용공간을 구비하는 몸체; 용액 수용공간과 연통되도록 길이방향을 따라 몸체에 설치되는 다수의 용액 분사노즐; 및 상기 용액 분사노즐이 중심을 관통하도록 둘러싸서 배치되는 기체 분사노즐을 포함하는 전기방사 노즐팩을 개시한다. 특허문헌 3 역시 기체 분사노즐이 용액 분사노즐을 둘러싸는 형태로 배치되기 때문에 용액 분사노즐로부터 배출되는 용액의 고화로 분사노즐의 입구가 막히는 문제점이 있다.
상술한 종래 기술들, 특히, 특허문헌 2 및 특허문헌 3은 노즐 중심에 용액 토출구인 용액분사 노즐을 배치되고, 이 용액분사 노즐의 외경보다 더 큰 중심 홀을 갖는 캡을 노즐 둘레에 배치하여 노즐과 캡 사이에 형성되는 공간으로 에어나 가스를 분출하여 방사용액을 미립화시키고 있다.
그러나, 이러한 종래 기술들은 용액분사 노즐과 접하는 둘레에 에어나 가스를 직접 토출하기 때문에 용액분사 노즐의 팁에서 생기는 고화문제와 방사용액의 기류에 직접적으로 영향을 주는 문제점을 가진다.
따라서, 본 발명은 공기층에서 비행하는 방사 필라멘트의 주변부에 에어 기류를 수직 분출하여 방사속도를 높임으로써 토출액적으로부터 빠르게 방사 필라멘트로 전환시켜 미세액적 발생을 억제하는 것을 제 1의 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 공기층에서 비행하는 방사 필라멘트의 주변부에 에어 기류를 수직 분출하되, 방사노즐의 팁에 영향을 주지 않는 것을 제 2의 기술적 과제로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제 1 양태에 따른 전기방사 노즐블록은, 용액저장조로부터 이송되어 주입되는 방사용액을 수용하는 내부공간과, 복수개의 용액 분배구를 포함하는 노즐 몸체와, 기류분출수단을 포함하는 전기방사노즐과, 상기 전기방사노즐을 상기 노즐 몸체에 대해 탈,부착 가능하게 결합시키는 노즐 어댑터와, 고전압 발생장치로부터의 고전압 전기를 상기 노즐 몸체의 내부공간에 수용된 방사용액에 인가하기 위한 고전압 인가수단을 포함하고, 상기 전기방사노즐은, 제 1 유체인 방사용액이 주입되는 내부노즐부 몸체와; 상기 내부노즐부 몸체와 연결되고, 상기 제 1 유체의 토출구인 중공관 형태의 내부 니들을 구비한 내부 니들부와; 제 2 유체인 공기가 주입되는 외부노즐부 몸체; 및 상기 외부노즐부 몸체의 말단에 결합되어 상기 내부 니들로부터 방사 필라멘트를 상기 토출구와 이격된 거리에서 둘러싸면서 직진하는 상기 제 2 유체인 공기의 흐름을 생성하는 기체분출수단을 포함하고; 상기 기체분출수단은, 상기 내부 니들을 관통시키는 중심 홀과 이 중심홀을 방사상으로 일정한 거리 이격하여 둘러싸면서 배치되는 복수의 기체 분출구를 포함하고; 상기 고전압 인가수단은, 상기 전기방사노즐에 일대일로 대응하는 고전도성의 고전압 인가니들과; 이 고전압 인가니들을 폭 방향으로 고정,배치하는 고전압 몸체를 포함하고; 상기 노즐 몸체에는 상기 고전압 인가니들을 통과시키기 위한 복수의 홀이 상기 전기방사노즐이 결합되는 맞은편에 대향되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 2 양태는, 상기 제 1 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 기체 분출구는 상기 중심 홀을 중심으로 그 둘레에 적어도 1줄 이상의 원형라인으로 이루어지는 복수의 원주영역에 적어도 2개 이상이 일정한 간격으로 배치되고, 상기 제 2 유체인 공기를 외부로 배출시키는 복수의 공기 홀로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 3 양태는, 상기 제 2 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 기체 분출구는, 상기 중심 홀에서 반지름 r1만큼 이격되어 중심 홀을 둘러싸는 첫번째 원형라인인 제 1 원주영역에 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 제 1 기체 분출구와, 상기 중심 홀에서 반지름 r2만큼 이격되어 중심 홀을 둘러싸는 두번째 원형라인인 제 2 원주영역에 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 제 2 기체 분출구를 포함하고, 상기 제 2 원주영역의 반지름 r2가 상기 제 1 원주영역의 반지름 r1보다는 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 4 양태는, 상기 제 3 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 제 2 원주영역의 바깥쪽에 상기 제 2 원주영역을 둘러싸는 복수의 제 n 원주영역(여기서, n은 3 이상의 자연수)을 더 배치하고; 상기 제 n 원주영역에는 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 5 양태는, 상기 제 4 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 제 1 원주영역, 제 2 원주영역 및 제 n 원주역역에는 6개의 공기 홀이 서로 60°각도를 갖도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 6 양태는, 상기 제 5 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 기체분출수단은, 상기 외부노즐부 몸체의 연장되는 말단과 결합되는 측면 체결부와, 상기 중심 홀과 이 중심홀을 둘러싸면서 배치되는 복수의 기체 배출구가 형성되는 커버부를 포함하고; 이 측면 체결부와 커버부에 의해 내부에 상기 제 2 유체인 공기의 체류공간이 형성되는 에어 캡(air cap)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 7 양태는, 상기 제 6 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 고전압 인가니들이 상기 홀에 안정적으로 진입할 수 있도록 가이드하기 위한 중공관 형태의 가이드 니들을 더 포함하고; 상기 가이드 니들은 상기 고전압 몸체와 상기 노즐 몸체 사이에 배치되고, 상기 가이드 니들의 내경은 상기 고전압 인가니들의 직경 보다는 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 8 양태는, 상기 제 6 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 고전압 인가니들은 전기방사노즐의 내부 니들의 내부에 동측으로 배치되거나 또는 내부노즐부 몸체의 용액저장공간의 내부에 동축으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 9 양태는, 상기 제 6 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 고전압 인가수단을 노즐의 길이방향으로 상,하로 왕복 이동시키기 위한 선형 왕복이동기구를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 10 양태는, 상기 제 6 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 노즐 몸체에 부착되는 전기방사노즐의 배치 간격은 20mm ~ 70mm인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 11 양태는, 상기 제 6 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 고전압 몸체는 절연성 원통형 파이프 또는 사각형 파이프의 내부에 통전되는 금속 재질의 원형봉 혹은 사각봉으로 구성되고, 이 금속봉에 상기 고전압 인가니들이 일대일로 결합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 12 양태는, 상기 제 6 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 고전압 인가니들은 금속의 중공 니들 또는 금속 와이어인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 제 13 양태에 따른 전기방사 노즐블록은, 용액저장조로부터 이송되어 주입되는 방사용액을 수용하는 내부공간과, 복수개의 용액 분배구를 포함하는 노즐 몸체와, 기류분출수단을 포함하는 전기방사노즐과, 상기 전기방사노즐을 상기 노즐 몸체에 대해 탈,부착 가능하게 결합시키는 노즐 어댑터와, 고전압 발생장치로부터의 고전압 전기를 상기 노즐 몸체의 내부공간에 수용된 방사용액에 인가하기 위한 고전압 인가수단을 포함하고, 상기 전기방사노즐은, 제 1 유체가 주입되는 내부노즐부 몸체와; 상기 내부노즐부 몸체와 연결되고, 상기 제 1 유체의 토출구인 중공관 형태의 내부 니들을 구비한 내부 니들부와; 제 2 유체가 주입되는 외부노즐부 몸체와; 상기 외부노즐 몸체에 연결되고, 상기 내부 니들을 동축으로 둘러싸도록 배치되는 상기 제 2 유체의 토출구인 중공관 형태의 외부 니들을 구비한 외부 니들부와; 상기 외부 니들의 중심축 위치를 조절하는 외부니들 위치조절부와; 기체인 공기를 주입하기 위한 기체 주입구; 및 상기 외부니들 위치조절부의 말단에 결합되어 상기 내부 니들을 동축으로 감싸는 외부 니들로 이루어지는 이중 니들로부터 토출되는 방사 필라멘트를 상기 토출구와 이격된 거리에서 둘러싸면서 직진하는 공기의 흐름을 생성하는 기체분출수단;을 포함하고; 상기 기체분출수단은, 상기 이중 니들을 관통시키는 중심 홀과 이 중심홀을 방사상으로 일정한 거리 이격하여 둘러싸면서 배치되는 복수의 기체 분출구를 포함하고; 상기 고전압 인가수단은, 상기 전기방사노즐에 일대일로 대응하는 고전도성의 고전압 인가니들과; 이 고전압 인가니들을 폭 방향으로 고정,배치하는 고전압 몸체를 포함하고; 상기 노즐 몸체에는 상기 고전압 인가니들을 통과시키기 위한 복수의 홀이 상기 전기방사노즐이 결합되는 맞은편에 대향되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 14 양태는, 상기 제 13 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 외부니들 위치조절부는, 상기 외부 니들부와 상기 기체분출수단 사이에 배치되어 기체 유로를 형성하는 원통형 실린더 형상의 위치조절부 바디와, 상기 위치조절부 바디의 일부분에 설치되어 외부 니들의 중심축을 조절하기 위한 복수의 나사핀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 15 양태는, 상기 제 14 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 위치조절부 바디의 일단에는 상기 기체 주입구가 형성되고, 이 기체 주입구를 통해 주입되는 공기를 상기 기체분출수단으로 배출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 16 양태는, 상기 제 15 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 복수의 나사핀은 상기 위치조절부 바디의 일부분의 둘레에 서로 일정한 각도로 이격된 상태로 상기 외부 니들의 둘레를 감싸도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 17 양태는, 상기 제 16 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 외부 니들의 내경은 상기 내부 니들의 외경 보다 5㎛ 내지 1,000㎛ 크게 구성되고, 상기 내부 니들과 상기 외부 니들의 중심축 간의 거리는 0.1mm 이내인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 18 양태는, 상기 제 16 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 기체 분출구는, 상기 중심 홀을 중심으로 그 둘레에 적어도 1줄 이상의 원형라인으로 이루어지는 복수의 원주영역에 적어도 2개 이상이 일정한 간격으로 배치되는 상기 제 2 유체인 공기를 외부로 배출시키는 복수의 공기 홀로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 19 양태는, 상기 제 18 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 기체 분출구는, 상기 중심 홀에서 반지름 r1만큼 이격되어 중심 홀을 둘러싸는 첫번째 원형라인인 제 1 원주영역에 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 제 1 기체 분출구와, 상기 중심 홀에서 반지름 r2만큼 이격되어 중심 홀을 둘러싸는 두번째 원형라인인 제 2 원주영역에 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 제 2 기체 분출구를 포함하고, 상기 제 2 원주영역의 반지름 r2가 상기 제 1 원주영역의 반지름 r1보다는 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 20 양태는, 상기 제 19 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 제 2 원주영역의 바깥쪽에 상기 제 2 원주영역을 둘러싸는 복수의 제 n 원주영역(여기서, n은 3 이상의 자연수)을 더 배치하고; 상기 제 n 원주영역에는 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 21 양태는, 상기 제 20 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 제 1 원주영역, 제 2 원주영역 및 제 n 원주역역에는 6개의 공기 홀이 서로 60°각도를 갖도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 22 양태는, 상기 제 21 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 기체분출수단은, 상기 외부니들 위치조절부의 연장되는 말단과 결합되는 측면 체결부와, 상기 중심 홀과 이 중심홀을 둘러싸면서 배치되는 복수의 기체 배출구가 형성되는 커버부를 포함하고; 이 측면 체결부와 커버부에 의해 내부에 상기 공기의 체류공간이 형성되는 에어 캡(air cap)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 23 양태는, 상기 제 22 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 고전압 인가니들이 상기 홀에 안정적으로 진입할 수 있도록 가이드하기 위한 중공관 형태의 가이드 니들을 더 포함하고; 상기 가이드 니들은 상기 고전압 몸체와 상기 노즐 몸체 사이에 배치되고, 상기 가이드 니들의 내경은 상기 고전압 인가니들의 직경 보다는 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 24 양태는, 상기 제 22 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 고전압 인가니들은 전기방사노즐의 내부 니들의 내부에 동측으로 배치되거나 또는 내부노즐부 몸체의 용액저장공간의 내부에 동축으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 제 25 양태에 따른 전기방사 노즐블록은, 용액저장조로부터 이송되어 주입되는 방사용액을 수용하는 내부공간과, 복수개의 용액 분배구를 포함하는 노즐 몸체와, 기류분출수단을 포함하는 전기방사노즐과, 상기 전기방사노즐을 상기 노즐 몸체에 대해 탈,부착 가능하게 결합시키는 노즐 어댑터와, 고전압 발생장치로부터의 고전압 전기를 상기 노즐 몸체의 내부공간에 수용된 방사용액에 인가하기 위한 고전압 인가수단을 포함하고, 상기 전기방사노즐은, 제 1 유체가 주입되는 제 1 유체 주입구를 포함하는 내부노즐부 몸체와; 상기 내부노즐부 몸체에 연결되고, 상기 제 1 유체의 토출구인 중공관 형태의 내부 니들을 구비한 내부 니들부와; 제 2 유체인 공기가 주입되는 제 2 유체 주입구를 포함하는 외부노즐부 몸체와; 상기 내부 니들부로 이송되는 상기 제 1 유체의 흐름을 제어, 차단하기 위한 니들 샤프트와, 상기 니들 샤프트의 상부로 제 1 유체가 역류하여 누액되는 것을 방지하기 위한 니들샤프트 실링부를 포함하는 공압제어부 몸체; 및 상기 외부노즐부 몸체의 말단에 결합되어 상기 내부 니들로부터 토출되는 방사 필라멘트를 상기 토출구와 이격된 거리에서 둘러싸면서 직진하는 상기 제 2 유체인 공기의 흐름을 생성하는 기체분출수단을 포함하고; 상기 기체분출수단은, 상기 내부 니들을 관통시키는 중심 홀과 이 중심홀을 방사상으로 일정한 거리 이격하여 둘러싸면서 배치되는 복수의 기체 분출구를 포함하고; 상기 고전압 인가수단은, 상기 전기방사노즐에 일대일로 대응하는 고전도성의 고전압 인가니들과; 이 고전압 인가니들을 폭 방향으로 고정,배치하는 고전압 몸체를 포함하고; 상기 노즐 몸체에는 상기 고전압 인가니들을 통과시키기 위한 복수의 홀이 상기 전기방사노즐이 결합되는 맞은편에 대향되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 26 양태는, 상기 제 25 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 공압제어부 몸체는 상기 니들 샤프트에 공기를 주입하기 위한 공기 주입구를 더 포함하고; 상기 니들 샤프트는, 상기 니들 샤프트에 감겨져 탄성 복원력을 갖는 스프링과, 상기 제 1 유체의 흐름을 차단하기 위하여 상기 내부 니들부로 향하는 유체 통로를 막기 위해 상기 니들 샤프트의 말단에 형성되는 테이퍼 차단부, 및 상기 테이퍼 차단부에 연결되어 상기 내부 니들을 관통하여 그 선단부를 통해 돌출되는 끝단이 뾰족한 샤프트 니들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 27 양태는, 상기 제 26 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 기체 분출구는, 상기 중심 홀을 중심으로 그 둘레에 적어도 1줄 이상의 원형라인으로 이루어지는 복수의 원주영역에 적어도 2개 이상이 일정한 간격으로 배치되는 상기 제 2 유체인 공기를 외부로 배출시키는 복수의 공기 홀로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 28 양태는, 상기 제 27 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 기체 분출구는, 상기 중심 홀에서 반지름 r1만큼 이격되어 중심 홀을 둘러싸는 첫번째 원형라인인 제 1 원주영역에 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 제 1 기체 분출구와, 상기 중심 홀에서 반지름 r2만큼 이격되어 중심 홀을 둘러싸는 두번째 원형라인인 제 2 원주영역에 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 제 2 기체 분출구를 포함하고, 상기 제 2 원주영역의 반지름 r2가 상기 제 1 원주영역의 반지름 r1보다는 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 29 양태는, 상기 제 28 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 제 2 원주영역의 바깥쪽에 상기 제 2 원주영역을 둘러싸는 복수의 제 n 원주영역(여기서, n은 3 이상의 자연수)을 더 배치하고; 상기 제 n 원주영역에는 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 30 양태는, 상기 제 29 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 제 1 원주영역, 제 2 원주영역 및 제 n 원주역역에는 6개의 공기 홀이 서로 60°각도를 갖도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 31 양태는, 상기 제 30 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 기체분출수단은, 상기 외부노즐부 몸체의 연장되는 말단과 결합되는 측면 체결부와, 상기 중심 홀과 이 중심홀을 둘러싸면서 배치되는 복수의 기체 배출구가 형성되는 커버부를 포함하고; 이 측면 체결부와 커버부에 의해 내부에 상기 제 2 유체인 공기의 체류공간이 형성되는 에어 캡(air cap)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 32 양태는, 상기 제 31 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 고전압 인가니들이 상기 홀에 안정적으로 진입할 수 있도록 가이드하기 위한 중공관 형태의 가이드 니들을 더 포함하고; 상기 가이드 니들은 상기 고전압 몸체와 상기 노즐 몸체 사이에 배치되고, 상기 가이드 니들의 내경은 상기 고전압 인가니들의 직경 보다는 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 33 양태는, 상기 제 31 양태의 전기방사 노즐블록에 있어서, 상기 고전압 인가니들은 전기방사노즐의 내부 니들의 내부에 동측으로 배치되거나 또는 내부노즐부 몸체의 용액저장공간의 내부에 동축으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 제 34 양태에 따른 전기방사장치는, 방사용액을 방사하여 나노섬유를 적층하기 위한 기재가 감겨진 롤을 푸는 권출부로서의 언와인더(unwinder)부와, 나노섬유가 적층되어 있는 기재를 감는 권취부로서의 와인더(winder)부와; 상기 제 1 양태 내지 제 33 양태중 선택된 어느 하나의 전기방사 노즐블록이 적어도 하나 이상 상기 기재의 폭 방향으로 연결되어 형성되는 적어도 하나 이상의 노즐블록 어레이와, 상기 기재를 이송시키면서 상기 적어도 하나 이상의 노즐블록 어레이로부터 방사되는 나노섬유를 적층시키기 위한 컬렉터와; 방사용액을 저장하는 용액 저장조와; 상기 용액 저장조로부터 방사용액을 상기 모듈형 전기방사 노즐블록의 방사노즐로 이송하기 위한 용액이송기구; 및 상기 방사용액에 직류 고전압을 인가하기 위한 고전압 전원장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 35 양태는, 상기 제 34 양태의 전기방사장치에 있어서, 상기 노즐블록 어레이를 상기 기재의 폭방향으로 왕복 구동시키기 위한 로봇구동부와; 상기 컬렉터와 상기 방사니들의 팁간의 거리를 조절하기 위하여 상기 노즐블록 어레이를 상,하로 이동시키는 방사거리 조절부와; 상기 기재가 이송되는 방향에서 상기 노즐블록 어레이의 좌,우에 배치되어 방사되는 나노섬유를 컬렉터의 한정된 영역으로 적층시키기 위한 컬렉션 가이드부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제 36 양태는, 상기 제 35 양태의 전기방사장치에 있어서, 상기 노즐블록 어래에의 방사니들로부터 방사되는 다량의 방사 필라멘트로부터 용매를 휘발시켜 미세 나노섬유를 만들기 위한 열풍발생장치와; 전기방사장치의 내부습도를 조절하여 용매휘발 속도를 제어하기 위한 습도조절장치; 및 상기 기재에 구성된 나노섬유의 결합상태를 조절하기 위한 라미네이션 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 방사 니들이 통과하는 중심 홀로부터 이격된 일정거리에 다공의 기체 분출구가 구비된 전기방사노즐을 포함하는 전기방사 노즐블록 및 전기방사장치로부터 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 토출 액적으로부터 미세 액적의 발생없이 나노섬유를 더 효율적으로 제조할 수 있고, 균일한 나노섬유 웹을 제조할 수 있다.
둘째, 용매의 휘발속도를 높이고, 용액의 토출량을 증가시켜 나노섬유의 생산속도를 높일 수 있다.
셋째, 공기층 구간에서 휘핑(whipping) 모드로 비행하는 방사 필라멘트 주변부로 직진하는 공기층 흐름을 가하여 노즐의 용액토출구에 직접적인 영향을 주지 않아 노즐 팁에서 용액이 고화되는 현상을 방지할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 전기방사노즐의 단면도이다.
도 2는 도 1의 전기방사노즐의 기체분출수단의 A-A선을 자른 횡 단면도이다.
도 3은 도 2의 기체분출수단을 B-B선에서 자른 종 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 제 2 실시예에 따른 전기방사 노즐의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 제 3 실시예에 따른 전기방사 노즐의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전기방사노즐이 적용된 전기방사 노즐블록의 구성을 도시한 개략 사시도이다.
도 7은 도 6의 전기방사 노즐블록이 복수개 연속적으로 배치된 하향식 롤투롤 전기방사장치에 대한 사시도이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 전기방사노즐의 단면도이다.
도 2는 도 1의 전기방사노즐의 기체분출수단의 A-A선을 자른 횡 단면도이다.
도 3은 도 2의 기체분출수단을 B-B선에서 자른 종 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 제 2 실시예에 따른 전기방사 노즐의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 제 3 실시예에 따른 전기방사 노즐의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전기방사노즐이 적용된 전기방사 노즐블록의 구성을 도시한 개략 사시도이다.
도 7은 도 6의 전기방사 노즐블록이 복수개 연속적으로 배치된 하향식 롤투롤 전기방사장치에 대한 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 축척에 의하여 도시되지 않았으며, 각 도면의 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.
<전기방사노즐>
<제 1 실시예>
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기체분출수단이 구비된 전기방사노즐의 구성을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기방사노즐(100)은 제 1 유체인 방사용액이 주입되는 내부노즐부 몸체(101)와, 제 2 유체인 공기가 주입되는 외부노즐부 몸체(102)와, 상기 제 1 유체의 토출구인 중공 니들(103a)을 구비한 내부 니들부(103)와, 상기 외부노즐부 몸체(102)의 말단에 결합되어 상기 중공 니들(103a)로부터 토출되는 방사용액에 의한 하전 필라멘트에 대하여 상기 토출구와 이격된 거리에서 둘러싸면서 직진하는 상기 제 2 유체인 공기의 흐름을 생성하는 기체분출수단(104)과, 상기 내부노즐부 몸체(101)에 연결되는 고전압 인가수단(106)을 포함한다.
상기 내부노즐부 몸체(101)는 제 1 유체인 방사용액이 주입되는 입구인 제 1 유체 주입구(101a)와 상기 방사용액이 흐르면서 체류하는 용액저장공간(101b) 및 상기 방사용액을 상기 내부 니들(103a)로 전달하는 테이퍼 형상의 출구(101c)로 구성된다.
상기 내부 노즐부 몸체(101)에는 내부 니들부 체결용 캡(105)을 통해 상기 내부 니들부(103)가 탈,부착 가능하게 결합된다.
상기 내부노즐부 몸체(101)의 바깥 표면에는 외부의 특정한 고정부(도시하지 않음)에 고정되기 위한 나사산이 구성될 수 있다.
상기 내부노즐부 몸체(101)의 제 1 유체 주입구(101a)에는 2줄 나사의 형상으로 구성되는 루어락 구조의 출구를 갖는 시린지(syringe) 혹은 메일 피팅(male fitting)이 결합되거나, 튜빙 체결용 피팅이 결합 구성될 수 있다. 또한, 내부노즐부 몸체(101)의 출구(101c)는 상기 내부 니들부(103)의 소켓부분과 맞닿아 밀착되어 결합되도록 루어 테이퍼 형상으로 구성된다. 또한, 내부노즐부 몸체(101)의 용액저장공간(101b)은 방사용액이 이송되는 유로로 사용되거나 또는 용액을 일시적으로 체류하는 저장공간으로 사용될 수 있다.
상기 내부노즐부 몸체(101)의 출구(101c)의 루어 테이퍼의 연결규격은 ISO 594 standards{ISO 594-1:1986"Conical fittings with a 6%(Luer) taper for syringes, needles and certain other medical equipment".[1](https://www.iso.org/standard/4693.html)}에 따른다.
상기 내부노즐부 몸체(101)의 재질은 스테인레스스틸(SUS), 알루미늄, 니켈 혹은 크롬으로 도금한 구리계, 니켈 혹은 크롬으로 도금한 신주 등 통전 가능한 금속인 것이 바람직하다. 한편, 상기 제 1 유체인 방사용액이 세포를 포함하는 바이오 고분자 용액인 경우, 상기 내부노즐부 몸체(101)의 재질은 테프론과 같은 불소계 고분자 혹은 PEEK(폴리에테르에테르케톤) 혹은 초경 혹은 석영소재의 비금속성 소재가 사용될 수 있다.
상기 내부노즐부 몸체(101)에는 수십 내지 수만 볼트의 직류 고전압을 인가하기 위한 고전압 인가수단(106)이 연결 설치된다. 따라서, 내부노즐부 몸체(101)에 고전압을 인가하게 되면, 상기 내부 니들(103a)의 팁에서 토출되는 방사용액은 상기 고전압에 의해 하전된다.
상기 내부니들부 체결용 캡(105)을 통해 상기 내부노즐부 몸체(101)에 탈,부착 가능하게 결합되는 상기 내부 니들부(103)는 상기 방사용액을 외부로 토출하기 위한 중공관 형태의 내부 니들(103a)을 구비한다. 이 내부 니들(103a)은 허브나 슬리브를 게재하여 상기 내부 니들부(103)에 결합된다.
상기 슬리브는 중공 튜브이거나, 외부에 나사선을 갖는 중공나사로 구성될 수 있다. 상기 슬리브가 연성과 탄성을 지닌 고분자계로 구성되는 경우, 상기 내부 니들부(103)로부터 상기 중공 니들(103a)을 교체하는 것은 보다 용이해진다. 예를 들어, 상기 중공 튜브 형태의 슬리브는 플루오르네이티드에틸렌프로필렌[FEP(fluorinated ethylene propylene)], 퍼플루오르알콕시알칸(PFA), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)의 내화학성을 지닌 연성재질로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 내부노즐부 몸체(101)를 통해 상기 내부 니들(103a)에 전도성을 부여하기 위하여 상기 슬리브는 카본이나 금속 성분이 함유된 도전성 고분자 소재로 이루어질 수도 있다. 상기 중공 튜브 형태의 슬리브의 내경은 내부 니들(103a)과의 밀착성이 우수하도록 내부 니들(103a)의 외경과 거의 같게 하거나, 내부 니들(103a)의 외경 보다 작게 하는 것이 바람직하다. 즉, 중공 튜브 형태의 슬리브는 그 내경이 0.05~4mm, 외경이 1~5mm가 바람직하다. 또한, 상기 슬리브는 구리계이거나, 구리를 함유한 비금속계가 사용될 수도 있다. 보다 바람직하게, 상기 슬리브의 재질은 신주, 니켈도금된 신주 또는 구리 등을 포함하는 비철금속계 또는 알루미늄계, 또는 SUS 금속계, PEEK 등 금형가능한 고분자계 등이 적용될 수 있다.
상기 내부 니들(103a)은 내경 0.005mm ~ 2mm, 외경 0.02mm ~ 3mm, 길이 2 mm ~ 200mm인 것이 바람직하다. 내부 니들(103a)의 재질은 스테인리스스틸(SUS), 실리카, 석영계, 초경계, 불소계 혹은 PEEK가 코팅된 SUS계가 바람직하다.
상기 내부 니들(103a)의 말단(tip)의 형태는 무딘 평활말단(blunt end) 혹은 뾰족한 말단형태를 가질 수 있다. 이때, 무딘 평활말단의 모서리각은 90도로 각진 팁, 또는 모서리가 둥글게 깎인 챔퍼 팁(chamfered tip), 또는 끝이 점점 가늘어지는 테이퍼 팁(tapered tip)으로 이루어질 수 있다.
상기 내부노즐부 몸체(101)에 상기 내부 니들부(103)를 결합할 때는 내부니들부 체결용 캡(105)을 사용한다. 내부니들부 체결용 캡(105)은 내부 니들부(103)의 허브가 안착되는 반원의 홈 구조로 구성되거나, 혹은 루어락 구조로 구성된다.
만약, 내부니들부 체결용 캡(105)이 반원의 홈 구조로 구성되는 경우, 내부 니들부(103)를 내부니들부 체결용 캡(105)의 홈에 넣어 안착시킨 후, 캡(105)을 돌리면 내부 니들부(103)의 허브의 소켓부분이 테이퍼의 상단으로 밀려올라가면서 맞닿아 결합된다. 반면에, 내부니들부 체결용 캡(105)이 내부에 두줄나사의 나사산을 갖는 루어락(luer lock) 구조인 경우, 내부 니들부(103)의 허브를 돌리면 테이퍼 부위 상단으로 밀려 올라가면서 결합된다.
상기 외부노즐부 몸체(102)는 상기 내부 니들부(103)와 상기 내부노즐부 몸체(101)의 적어도 일부를 감싸면서 상기 내부노즐부 몸체(101)와 결합한다. 이 외부노즐부 몸체(102)는 제 2 유체인 공기를 주입하기 위한 제 2 유체 주입구(102a)와 상기 내부 니들부(103)를 안착시키는 안착공간을 포함한다. 상기 제 2 유체 주입구(102a)는 피메일 피팅(female fitting) 혹은 튜빙 체결용 피팅이 측면부에 결합되어 구성된다. 피메일 피팅재는 고전압이 인가되는 경우에도, 전기장의 영향을 받지 않도록 절연 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 외부노즐부 몸체(102)의 하부 말단에는 상기 기체분출수단(104)이 체결 결합된다. 즉, 상기 외부노즐부 몸체(102)의 하부 말단에는 노즐의 길이방향으로 연장되는 체결 튜빙(102b)이 형성된다. 이 체결 튜빙(102b)은 상기 외부노즐부 몸체(102)의 몸체부의 외경 보다는 작은 외경을 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 이 체결 튜빙(102b)의 바깥 표면에는 상기 기체분출수단(104)과의 탈,부착을 위하여 나사산이 형성될 수 있다.
상기 기체분출수단(104)은 상기 외부노즐부 몸체(102)의 체결 튜빙(102b)에 체결되어 상기 외부노즐부 몸체(102)의 안착공간을 덮어 상기 제 2 유체인 공기를 체류시키는 공간을 형성하기 위한 일종의 에어 커버나 에어 캡이다.
상기 기체분출수단(104)은 상기 체결 튜빙(102b)과 나사 결합되는 측면 체결부(104b)와 상기 안착공간을 덮어 공기 체류공간을 형성하는 커버부(104a)로 구성된다. 또한, 상기 커버부(104a)에는 상기 내부 니들(103a)을 관통시키는 중심 홀(114)과 이 중심홀(114)을 둘러싸면서 배치되는 복수의 기체 배출구(115)가 형성된다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기체분출수단(104)을 A-A선에서 자른 횡 단면도이고, 도 3은 도 2의 기체분출수단(104)을 B-B선에서 자른 종 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 기체분출수단(104)은 내부 니들(103a)을 관통시키는 중심 홀(114)과, 이 중심 홀(114)을 적어도 2줄 이상의 원형라인으로 둘러싸도록 배치되는 수개 내지 수십개의 기체 분출구(115)를 포함하는 일종의 에어 캡(air cap)으로 구성된다. 상기 기체 분출구(115)는 상기 제 2 유체 주입구(102a)로부터 주입된 제 2 유체인 공기를 외부로 배출시키는 공기 홀이다. 이로 인해, 상기 중심 홀(114)을 통해 관통하는 내부 니들(103a)의 주변에는 내부 니들(103a)에 대하여 평행으로 직진하는 여러겹의 공기 흐름층(116)이 형성된다.
상기 기체 분출구(115)는 상기 중심 홀(114)을 중심으로 그 둘레에 적어도 1줄 이상의 원형라인으로 이루어지는 복수의 원주영역에 3개 내지 8개가 일정한 간격이나 또는 랜덤으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 상기 중심 홀(114)에서 반지름 r1만큼 이격되어 중심 홀(114)을 둘러싸는 첫번째 원형라인인 제 1 원주영역(111)에는 6개의 제 1 기체 분출구(115a)가 서로 60°각도를 갖도록 배치된다. 또한, 상기 중심 홀(114)에서 반지름 r2만큼 이격되어 중심 홀(114)을 둘러싸는 두번째 원형라인인 제 2 원주영역(112)에는 6개의 제 2 기체 분출구(115b)가 서로 60°각도를 갖도록 배치된다. 이때, 상기 제 2 원주영역(112)의 반지름 r2가 상기 제 1 원주영역(111)의 반지름 r1보다는 크다. 즉, 상기 반지름 r1은 2~10mm, 보다 바람직하게는 3~5mm이고, 상기 반지름 r2는 4~20mm, 보다 바람직하게는 4~10mm이다. 또한, 상기 기체 분출구(115)는 원형이나 장방형의 홀로 구성될 수 있지만, 원형 홀로 구성되는 것이 바람직하다. 이때, 기체 분출구(115)가 원형 홀로 구성되는 경우, 원형 홀의 직경은 0.1mm~2mm인 것이 바람직하다. 또한, 기체 분출구(115)는 원형 홀 대신에 내경이 0.1mm~1mm인 중공 니들이 상기 기체분출수단(104)의 커버부(104a)에 압입되어 구성될 수도 있다.
도 2의 경우에는 중심 홀(114)을 중심으로 총 12개의 제 1 및 제 2 기체 분출구(115a,115b)가 2줄의 원형라인으로 둘러싸도록 배치되는 구성을 도시하고 있다. 그러나, 본 발명의 기체분출수단(104)이 반드시 이러한 배치나 구성으로 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서, 상기 제 2 원주영역(112)의 바깥쪽에 상기 제 2 원주영역(112)을 둘러싸는 복수의 제 n 원주영역(여기서, n은 3 이상의 자연수)을 더 배치할 수 있다. 또한, 상기 제 1 원주영역(111), 제 2 원주영역(112) 및 제 n 원주영역(여기서, n은 3 이상의 자연수)에는 6개 보다 더 많은 기체 분출구나 6개 보다 더 작은 기체 분출구를 배치할 수 있다. 또한, 하나의 원주영역에 배치되는 복수의 기체 분출구(115)는 서로 일정한 각도(예를 들어, 60°)를 갖도록 배치할 수도 있고, 각도의 규칙없이 랜덤하게 배치하는 것도 가능하다.
상기 중심 홀(114a)의 직경은 이 중심 홀(114)을 통과하는 중공 니들(103a)의 외경과 거의 동일한 크기를 갖거나 조금 더 크다. 예를 들어, 상기 중심 홀(114)의 직경은 상기 중공 니들(103a)의 외경보다 0.001mm ~ 0.5mm 더 큰 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 상기 중심 홀(114)의 직경은 상기 중공 니들(103a)의 외경보다 0.001mm~0.1mm 정도로 더 크게 설정하여 중심 홀(114)과 중공 니들(103a)간의 간극이 없도록 함으로써 틈새로 제 2 유체인 공기가 새어나가지 않도록 하는 것이 좋다. 또한, 중심 홀(114)에서 내부 니들(103a)이 관통하는 입구부분은 내부니들(103a)의 통과가 용이하도록 모따기 가공을 하는 것이 바람직하다. 기체분출수단(104)으로서의 에어 캡의 바닥면인 커버부(104a)의 두께(h1)는 0.1mm~5mm인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 상기 커버부(104a)의 두께(h1)는 0.5mm~2mm이다. 이때, 커버부(104a)의 두께(h1)가 5mm를 초과하게 되면, 작은 직경의 홀을 가공하기 어렵다.
상기 외부노즐부 몸체(102)로 주입되는 공기가 새는 것을 방지하기 위하여 외부노즐부 몸체(102)의 체결 튜빙(102b)과 기체분출수단(104)의 측면 체결부(104b) 사이에는 오링(O-ring)이 설치될 수 있다. 이때, 상기 오링(O-ring)의 재질로는 불소계, 혹은 바이톤, 혹은 에틸렌-프로필렌의 올레핀계, 혹은 실리콘계가 사용될 수 있다.
또한, 상기 중공 니들(103a)은 에어 캡(104)의 중심 홀(114)을 관통하여 돌출되는데, 이때의 돌출 길이는 1 ~ 10mm인 것이 바람직하다.
이하, 본 실시예에 따른 전기방사 노즐의 동작을 상세히 설명한다.
먼저, 제 1 유체 주입구(101a)를 통해 제 1 유체인 방사 용액이 주입되고, 내부 니들(103a)의 팁으로 방사 용액이 토출된다. 이때, 제 2 유체 주입구(102a)를 통해 제 2 유체인 공기를 주입함에 따라 기체분출수단(104)인 에어 캡에 구비된 복수의 기체 분출구(115)를 통하여 공기가 분출된다. 내부 니들(103a)로부터 토출되는 방사 용액은 원추형의 테일러 콘을 거쳐 일정 길이의 필라멘트 제트로 생성된 후 특정 위치에서 필라멘트 제트가 급격하게 요동(whipping)하는 휘핑 모드를 거쳐서 용매가 휘발되면서 집적부에 나노섬유로 적층된다.
상기 필라멘트 제트는 공기층중의 일정한 영역내에서 비행하게 되고, 상기 기체분출구(115)에서 분출되어 직진하는 공기 흐름은 상기 필라멘트 제트를 일정한 거리 이격된 범위내에서 상기 필라멘트 제트를 집적부로 향하여 밀어내면서 직진하는 공기흐름층을 형성하기 때문에 휘핑 모드에서 필라멘트 제트가 외부로 지나치게 퍼지거나 분산되는 것을 억제할 수 있다. 상기 직진하는 공기흐름은 휘핑모드 구간의 하전 필라멘트에 집중되도록 한다. 이로 인해, 방사용액에 의한 하전 필라멘트는 안정적으로 형성되고, 상기 집적부의 원하는 적층 영역내로 집중되어 적층된다.
<제 2 실시예>
도 4는 본 발명의 다른 제 2 실시예에 따른 전기방사 노즐의 구성을 도시한 단면도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 전기방사 노즐(300)은, 상기 제 1 실시예의 전기방사 노즐(100)에 있어서, 내부 니들을 동축으로 감싸면서 배치되는 외부 니들과 이 외부 니들의 중심축 위치를 조절하기 위한 외부니들 위치조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 실시예에 따른 전기방사 노즐(300)은, 상기 제 1 실시예의 전기방사 노즐(100)의 구성에 외부 니들부(304)와 외부니들 위치조절부(306)를 추가적으로 더 포함하는 것을 제외하고는 상기 제 1 실시예의 전기방사 노즐(100)과 실질적으로 동일하다. 따라서, 본 실시예의 전기방사 노즐(300)의 구성중 상기 제 1 실시예의 전기방사 노즐(100)과 동일한 구성에 대해서는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 전기방사 노즐(300)은, 제 1 유체가 주입되는 내부노즐부 몸체(301)와, 제 2 유체가 주입되는 외부노즐부 몸체(302)와, 상기 내부노즐부 몸체(301)에 연결되고, 상기 제 1 유체의 토출구인 중공관 형태의 내부 니들(303a)을 구비한 내부 니들부(303)와, 상기 외부노즐 몸체(302)에 연결되고, 상기 내부 니들(303a)을 동축으로 둘러싸도록 배치되고, 상기 제 2 유체의 토출구인 중공관 형태의 외부 니들(304c)을 구비한 외부 니들부(304)와, 상기 외부 니들(304c)의 중심축 위치를 조절하는 외부니들 위치조절부(306)와, 상기 외부니들 위치조절부(306)에 결합되어 상기 내부 니들(303a)를 동축으로 감싸는 외부 니들(304c)로 이루어지는 이중 니들의 주변으로 기체를 분출하기 위한 기체분출수단(307)과, 상기 내부노즐부 몸체(301)에 연결되는 고전압 인가수단(308)을 포함한다.
상기 외부 니들부(304)로 주입되는 제 2 유체는 제 2 유체 주입구(302a)로 주입되고, 기체(예를 들어, 공기)는 기체 주입구(306d)로 주입된다.
상기 외부 니들부(304)는 슬리브(304b)를 구비한 외부 니들(304c)이 압입되어 결합되는 홀더(304a)를 포함한다. 상기 외부 니들부(304)의 홀더(304a)에는 상기 슬리브(304b)가 압입되기 위한 홀(구멍)이나 나사산이 형성된다. 이때, 홀더(304a)의 홀은 외부 니들(304c)의 슬리브(304b)가 압입된 후에 누액이 발생하지 않도록 그 직경이 슬리브(304b)의 외경 보다 다소 작게 가공되는 것이 바람직하다.
또한, 홀더(304a)의 홀의 입구는 슬리브(304b)의 삽입이 용이하도록 약간의 홈 가공(R 가공)을 하는 것이 바람직하다. 또한, 슬리브(304b)가 나사산으로 가공되는 경우, 나사산으로 누액이 발생되지 않도록 유니파이 가는나사(UNF:unified national fine) M2~M5, 바람직하게는 M3 나사로 가공하는 것이 바람직하다.
상기 외부니들 위치조절부(306)는 상기 외부 니들부(304)와 기체분출수단(307) 사이에 배치되어 기체 유로를 형성하는 원통형 실린더 형상의 위치조절부 바디(306a)와, 상기 위치조절부 바디(306a)의 일부분에 설치되어 외부 니들(304c)의 중심축을 조절하기 위한 복수의 나사핀(306b)을 포함한다.
상기 위치조절부 바디(306a)의 일단에는 기체 주입구(306d)가 결합되어 기체 주입구(306d)를 통해 주입되는 기체(공기)를 상기 기체 유로를 통해 상기 기체분출수단(307)에 형성된 복수의 기체분출구(307a)로 배출한다.
또한, 상기 위치조절부 바디(306a)의 하부 말단에는 상기 기체분출수단(307)의 측면 체결부와 결합되는 체결 튜빙(306c)이 형성된다. 즉, 상기 외부조절부 바디(360a)의 하부 말단에는 노즐의 길이방향으로 연장되는 체결 튜빙(306c)이 형성된다. 이 체결 튜빙(306c)은 상기 위치조절부 바디(306a)의 외경 보다는 작은 외경을 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 이 체결 튜빙(306c)의 바깥 표면에는 상기 기체분출수단(307)과의 탈,부착이 가능하도록 나사산이 형성될 수 있다.
상기 복수의 나사핀(306b)은 상기 위치조절부 바디(306a)의 일부분의 둘레에 서로 일정한 각도(예를 들어, 60도 간격)로 이격된 상태로 외부 니들(304c)의 둘레를 감싸도록 배치된다. 이때, 상기 복수의 나사핀(306b)은 외부 니들(304c)의 둘레를 감싸면서 일렬로 배치되거나 상,하 지그재그로 배치될 수 있다.
상기 나사핀(306b)은 적어도 하나 이상, 바람직하게는 6개를 60도 간격으로 배치하여 외부 니들(304c)의 중심축을 조절한다. 이때, 외부 니들(304c)의 중심위치는 동축의 내부에 배치되는 내부 니들(303a)의 중심위치에 맞추어서 조절된다. 이렇게 내부 니들(303a)에 대한 외부 니들(304c)의 중심축을 조절함으로써 내부 니들(303a)과 외부 니들(304c)을 서로 동축으로 배치시키거나 또는 서로 비동축으로 배치시킬 수 있다.
상기 나사핀(306b)의 직경은 0.5mm 내지 5mm가 바람직하다. 상기 나사핀(306b)의 끝부분은 뾰족하거나, U자형을 갖는 것이 바람직하다. 만약, 내부 니들(303a)과 외부 니들(304c)을 서로 동축으로 배치한다면, 내부 니들(303a)과 외부 니들(304c)의 중심축 간의 거리는 0.1mm 이내로 조절되는 것이 바람직하다.
상기 위치조절부 바디(306a)의 외경은 5mm ~ 50mm가 바람직하고, 내경은 2mm ~ 45mm이다. 상기 위치조절부 바디(306a)는 SUS 금속, 알루미늄, 황동, PEEK, 아세탈, 나일론 중 어느 하나의 재질로 구성될 수 있다. 상기 위치조절부 바디(306a)가 통전성 금속재질로 이루어지는 경우, 외부니들 위치조절부(306)에 고전압을 인가하는 것에 의해 내부 니들(303a)의 팁에서 방사 안정성을 이룰 수 있다.
본 실시예에 따른 전기방사노즐(300)에 있어서, 외부 니들(304c)의 내경은 내부 니들(303a)의 외경 보다 5㎛ 내지 1,000㎛ 크게 구성된다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전기방사 노즐에 있어서, 내부 니들(303a)과 외부 니들(304c)은 17G-23G[17G(OD:1.47mm, ID:1.07mm)], 23G(OD:0.63mm, ID:0.33mm)], 17G-25G[17G(OD:1.47mm, ID:1.07mm), 25G(OD:0.50mm, ID:0.25mm)], 18G-25G[18G(OD:1.27mm, ID:0.85mm), 25G(OD:0.50mm, ID:0.25mm), 21G-27G[21G(OD:0.80mm, ID:0.50mm), 27G(OD:0.40mm, ID:0.20mm)] 및 22G-30G [22G(OD:0.70mm, ID:0.40mm), 30G(OD:0.30mm, ID:0.15mm)]]중 어느 하나의 조합을 갖는 것이 바람직하다.
내부 니들(303a)을 동축(또는 비동축)으로 감싸는 외부 니들(304c)이 통과되는 중심 홀(307d)과 복수의 기체분출구(307a)를 포함하는 기체분출수단(307)은 상기 상기 위치조절부 바디(306a)의 하부 일단에 형성된 체결 튜빙(360c)과 결합된다. 상기 중심 홀(307d)은 두께가 얇은 실리콘판(307d)이나 O-링을 설치하고, 중공나사(307b)를 조여서 실링한다. 외부 니들(304c)이 상기 중심 홀(307d)을 관통하여 외부로 돌출되는 길이는 기체분출수단(307)의 하단으로부터 1 ~ 10mm인 것이 바람직하다.
본 실시예에 따른 상기 기체분출수단(307)은 상기 제 1 실시예의 도 2 및 도 3에 도시된 기체분출수단(104)과 그 구성 및 기능이 완전히 동일하다.
이하, 본 실시예에 따른 전기방사노즐(300)의 동작을 상세히 설명한다.
먼저, 제 1 유체 주입구(301a)를 통해 제 1 유체인 제 1 방사 용액이 주입되고, 내부 니들(303a)의 팁으로 방사 용액이 토출된다. 또한, 제 2 유체 주입구(302a)를 통해 제 2 유체인 제 2 방사 용액이 주입되고, 외부 니들(304c)을 통해 외부로 토출된다. 이때, 기체 주입구(306d)를 통해서 공기를 주입함에 따라 기체분출수단(307)인 에어 캡에 구비된 복수의 기체 분출구(307a)를 통하여 공기가 분출된다. 내부 니들(303a)로부터 토출되는 제 1 방사 용액과 외부 니들(304c)로부터 토출되는 제 2 방사용액은 원추형의 테일러 콘을 거쳐 일정 길이의 필라멘트 제트로 생성된 후 특정 위치에서 필라멘트 제트가 급격하게 요동(whipping)하는 휘핑 모드를 거쳐서 용매가 휘발되면서 집적부에 나노섬유로 적층된다.
상기 필라멘트 제트는 공기층중의 일정한 영역내에서 비행하게 되고, 상기 기체분출구(307a)에서 분출되어 직진하는 공기 흐름은 상기 필라멘트 제트와 일정한 거리 이격된 범위내에서 상기 필라멘트 제트를 집적부로 향하여 밀어내면서 직진하는 공기흐름층을 형성하기 때문에 휘핑 모드에서 필라멘트 제트가 외부로 지나치게 퍼지거나 분산되는 것을 억제할 수 있다. 이로 인해, 방사 필라멘트는 상기 집적부의 원하는 적층 영역내에 코어셀 구조의 나노섬유 웹으로 적층된다.
<제 3 실시예>
도 5는 본 발명의 다른 제 3 실시예에 따른 전기방사노즐(400)의 구성을 도시한 단면도이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 전기방사노즐(400)은, 상기 제 1 실시예의 전기방사노즐(100)에 있어서, 전기방사공정중에 방사 용액의 흐름을 제어 및 차단할 수 있는 니들 샤프트(411)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 실시예에 따른 전기방사노즐(400)은, 상기 제 1 실시예의 전기방사노즐(100)의 구성에 니들 샤프트(411)를 추가적으로 더 포함하는 것을 제외하고는 상기 제 1 실시예의 전기방사노즐(100)과 실질적으로 동일하다. 따라서, 본 실시예의 전기방사노즐(400)의 구성중 상기 제 1 실시예의 전기방사노즐(100)과 동일한 구성에 대해서는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 전기방사노즐(400)은, 제 1 유체가 주입되는 제 1 유체 주입구(401a)를 포함하는 내부노즐부 몸체(401)와, 상기 내부노즐부 몸체(401)에 연결되고, 상기 제 1 유체의 토출구인 중공관 형태의 내부 니들(403b)을 구비한 내부 니들부(403)와, 제 2 유체인 기체가 주입되는 제 2 유체 주입구(402a)를 포함하는 외부노즐부 몸체(402)와, 공기가 주입되는 공기 주입구(410a), 내부 니들부(403)로 이송되는 상기 제 1 유체의 흐름을 제어, 차단하기 위한 니들 샤프트(411), 니들 샤프트(411)의 상부로 제 1 유체가 역류하여 누액되는 것을 방지하기 위한 니들샤프트 실링부(412)를 포함하는 공압제어부 몸체(410)와, 상기 내부 니들(403b)을 통과시키는 중심 홀(404a)과 중심 홀(404a) 둘레에 제 2 유체인 기체(공기)를 외부로 분출하기 위한 복수의 기체분출구(404b)를 포함하는 기체분출수단(404)과, 상기 내부노즐부 몸체(101)에 연결되는 고전압 인가수단(406)을 포함한다.
또한, 본 실시예의 전기방사노즐(400)은 상기 제 2 실시예와 마찬가지로 상기 외부노즐부 몸체(302)에 연결되고, 상기 내부 니들(403b)을 동축으로 둘러싸도록 배치되는 중공관 형태의 외부 니들을 구비한 외부 니들부와, 이 외부 니들의 중심축 위치를 조절하기 위한 복수의 나사핀을 포함하는 외부니들 위치조절부를 더 포함할 수 있다.
상기 니들 샤프트(411)는 제 1 유체의 흐름을 차단하기 위하여 내부니들부(403)로 향하는 유체 통로를 막는 테이퍼 차단부(411a)와, 내부 니들(403b)을 관통하여 그 선단부를 통해 돌출되는 끝단이 뾰족한 샤프트 니들(411b)을 포함한다.
상기 니들 샤프트(411)는 평상시에는 샤프트에 감겨진 스프링(413)의 탄성복원력에 의하여 상부로 올려진 상태를 유지한다. 이에 따라 내부 니들부(403)로 향하는 유체 통로는 열림상태(ON 상태)가 되어서 제 1 유체를 내부 니들부(403)로 흘러보낸다. 그리고, 상기 공기 주입구(410a)를 통해 공기가 주입되면, 공압에 의해 니들 샤프트(411)의 스프링(413)이 압축되면서 니들 샤프트(411) 선단의 테이퍼 차단부(411a)가 제 1 유체의 상기 유체 통로를 차단하게 됨과 동시에 샤프트 니들(411b)이 내부 니들(403b)을 관통하여 돌출됨으로써 내부 니들(403b)의 중공을 막는다.
이하, 본 실시예의 전기방사 노즐(400)의 동작을 상세히 설명한다.
먼저, 제 1 유체 주입구(401a)를 통해 제 1 유체인 방사 용액이 주입되고, 내부 니들(403b)의 팁으로 방사 용액이 토출된다. 이때, 제 2 유체 주입구(402a)를 통해 공기를 주입함에 따라 기체분출수단(404)인 에어 캡에 구비된 복수의 기체 분출구(404b)를 통하여 공기가 분출된다. 내부 니들(403b)로부터 토출되는 방사 용액은 원추형의 테일러 콘을 거쳐 일정 길이의 필라멘트 제트로 생성된 후 특정 위치에서 필라멘트 제트가 급격하게 요동(whipping)하는 휘핑 모드를 거치면서 용매가 휘발되면서 집적부에 나노섬유로 적층된다. 한편, 제 1 주입구(401a)를 통해 주입된 제 1 유체가 내부 니들부(403)로 이송될 때, 내부 니들부(403) 상부로 역류하여 누설되는 것은 니들 샤프트(411)의 실링부(412)에 의해 차단된다.
상기 필라멘트 제트는 공기층중의 일정한 영역내에서 비행하게 되고, 상기 기체분출구(404b)에서 분출되어 직진하는 공기 흐름은 상기 필라멘트 제트를 일정한 거리 이격된 범위내에서 상기 필라멘트 제트를 집적부로 향하여 밀어내면서 직진하기 때문에 휘핑 모드에서 필라멘트 제트가 외부로 지나치게 퍼지거나 분산되는 것을 방지한다. 이로 인해, 방사 필라멘트는 상기 집적부의 원하는 적층 영역내로 집중되어 적층될 수 있다.
한편, 공기 주입구(410a)로 공기를 주입함에 따라 공압에 의해 니들 샤프트(411)의 스프링(413)이 압축되고, 니들 샤프트(411) 선단의 테이퍼 차단부(411a)가 제 1 유체의 상기 유체 통로를 차단하고, 동시에 샤프트 니들(411b)이 내부 니들(403b)을 관통하여 내부 니들(403b)의 통로를 막는 것에 의해 제 1 유체인 방사용액의 흐름을 차단하게 되고, 전기방사공정은 중단된다. 전기방사공정을 다시 진행시키기 위해서는 공기 주입구(410a)로 주입되는 공기를 차단하고, 제 2 유체 주입구(402a)로 공기를 주입한다. 공기 주입구(410a)로 주입되는 공기가 차단됨에 따라, 니들 샤프트(411)의 스프링(413)이 탄성복원력에 의해 원래의 위치로 복귀하고, 내부 니들부(403)의 유체 통로가 열린 상태로 전환되어 전기방사공정이 재개된다.
이와 같이, 상기 니들 샤프트(411)는 제 1 유체 주입구(401a)로 주입되는 방사 용액의 흐름을 간단하게 ON/OFF 제어할 수 있다.
상기 니들 샤프트(411)를 제어하기 위하여 공기 주입구(410a)를 통해 외부에서 주입되는 공기는 스프링(413)의 탄성복원력(장력) 이상의 압력으로 주입되어야 한다.
또한, 본 실시예의 전기방사노즐(400)에서, 상기 내부 니들(403b)을 동축으로 감싸는 외부 니들을 더 포함하는 경우, 제 2 유체 주입구(402a)로 다른 방사용액이 주입되고, 기체분출구(404b)를 통해 분출할 공기를 주입하는 별도의 기체 주입구를 더 포함할 수 있다.
<전기방사 노즐블록>
도 6은 본 발명에 따른 전기방사노즐이 적용된 전기방사 노즐블록의 구성을 도시한 개략 사시도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예의 전기방사 노즐블록(200)은, 용액저장조(미도시)로부터 이송되어 주입되는 방사용액을 수용하는 내부공간과, 복수개의 용액 분배구를 포함하는 노즐 몸체(230)와, 상기 제 1 실시예, 제 2 실시예 및 제 3 실시예중 선택된 어느 하나의 전기방사노즐(210)과, 상기 전기방사노즐(210)을 상기 노즐 몸체(230)에 대해 탈,부착 가능하게 결합시키는 노즐 어댑터(220)와, 고전압 발생장치(250)로부터의 고전압 전기를 상기 노즐 몸체(230)의 내부공간에 수용된 방사용액에 인가하기 위한 고전압 인가수단(240)을 포함한다.
상기 노즐 몸체(230)는 용액저장조(미도시)로부터 유입되는 방사용액을 수용하기 위한 내부공간을 갖는 원통형 파이프 또는 사각형 파이프이다. 또한, 상기 노즐 몸체(230)는 서로 분리, 결합이 가능한 상부 몸체와 하부 몸체로 이루어진 사각용기로 구성될 수도 있다.
상기 노즐 몸체(230)의 내부공간은 용액저장조로부터 유입되는 방사용액을 상기 전기방사노즐(210)로 전달하는 동안 일시적으로 체류시키거나 또는 전기방사공정의 일시적인 중단시 방사용액을 임시로 저장하기 위한 공간으로 활용된다. 상기 내부공간의 높이는 체류공간으로 사용되는 경우에 1mm 내지 30mm, 보다 바람직하게는, 3mm~10mm로 구성되고, 저장공간으로 사용되는 경우에 20mm 내지 500mm로 구성될 수 있다
상기 노즐 몸체(230)는 PEEK 혹은 불소계 고분자(테프론)와 같은 절연성 재질인 것이 바람직하다. 상기 전기방사노즐(210)은 상기 노즐 어댑터(220)를 통해 상기 노즐 몸체(230)에 탈,부착 가능하게 결합된다.
상기 노즐 어댑터(220)에 상기 전기방사노즐(210)을 결합하는 방식은 다양하게 이루어질 수 있다. 전기방사노즐(210)을 노즐 어댑터(220) 상단으로 밀어 올린 후 가는나사 또는 두줄나사를 이용하여 45도 내지 360도 돌려서 체결하거나 또는 밀어올려서 압입하여 고정시킬 수 있다.
상기 노즐 어댑터(220)에는 전기방사노즐(210)이 분리된 후 상기 노즐 몸체(230)로부터 방사용액이 누설되는 것을 방지하기 위해 용액의 흐름을 차단 제어할 수 있는 ON/OFF 밸브가 설치될 수 있다.
상기 노즐 몸체(230)에 부착되는 전기방사노즐(210)의 배치 간격(이웃하는 전기방사노즐간의 이격 거리)은 20mm ~ 70mm이다. 보다 바람직하게, 나노섬유를 대량 제조하기 위하여 전기방사노즐(210)을 고밀도로 배치하는 경우에는 전기방사노즐(210)의 배치 간격은 10mm ~ 40mm인 것이 바람직하다.
상기 노즐 어댑터(220)의 재질은 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)의 불소계 또는 스테인레스스틸(SUS)의 금속계가 바람직하다.
상기 고전압 인가수단(240)은 고전압 발생장치(250)로부터의 고전압을 노즐 몸체(230)의 방사용액에 전달하기 위한 수단으로서, 상기 전기방사노즐(210)에 일대일로 대응하는 고전압 인가니들(241)과 이 고전압 인가니들(241)을 폭 방향(노즐 방향에 수직인 방향)으로 일정한 폭으로 나열하여 고정,배치하는 고전압 몸체(242)를 포함한다. 이 고전압 인가니들(241)은 전기전도성이 우수한 금속으로 이루어진다.
따라서, 상기 노즐 몸체(230)에는 상기 고전압 인가니들(241)을 통과시키기 위한 복수의 홀(233)이 상기 전기방사노즐(210)이 결합되는 맞은편에 대향되게 형성된다.
따라서, 상기 고전압 인가니들(241)은 상기 홀(233)을 관통하여 상기 노즐 몸체(230)의 내부공간에 진입하게 되고, 내부공간에 체류 또는 저장되는 방사용액을 고전압으로 하전시킨다.
또한, 상기 고전압 인가니들(241)이 상기 홀(233)에 안정적으로 진입할 수 있도록 가이드하기 위한 중공관 형태의 가이드 니들(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이 가이드 니들은 상기 고전압 몸체(242)와 상기 노즐 몸체(230) 사이에 배치되어 상기 고전압 인가니들(241)이 상기 노즐 몸체(230)의 홀(233)에 정확하게 진입할 수 있도록 상기 고전압 인가니들(241)을 가이드한다. 따라서, 상기 가이드 니들의 내경은 최소한 상기 고전압 인가니들(241)의 직경(또는 외경) 보다는 커야 한다.
상기 고전압 몸체(242)는 PEEK 혹은 PTFE 불소계의 절연성 원통형 파이프 혹은 사각형 파이프의 내부에 통전되는 SUS 금속 재질의 원형봉 혹은 사각봉(이하, '금속봉'으로 약칭)으로 구성될 수 있다. 이 금속봉에 상기 고전압 인가니들(241)이 일대일로 결합된다.
또한, 상기 고전압 몸체(242)는 통전 가능한 금속재질의 원통형 파이프나 사각형 파이프로 구성되고, 복수의 고전압 인가니들(241)이 이 고전압 몸체(242)에 압입되어 구성될 수 있다. 이때, 어댑터를 게재하고, 이 어댑터에 탈착가능하도록 상기 고전압 인가니들(241)을 허브형 통전니들로 구성할 수 있다.
상기 고전압 인가니들(241)은 금속의 중공 니들 또는 금속 와이어와 같이 전기전도성이 높은 통전성 재질로 구성된다. 상기 고전압 인가니들(241)은 전기방사노즐(210)의 내부 니들(103a,303a,403b)의 내부에 동측으로 배치되거나 또는 내부노즐부 몸체(101,301,401)의 용액저장공간(101b)의 내부에 동축으로 배치될 수 있다. 이때, 상기 고전압 인가니들(241)의 선단부는 내부 니들(103a,303a,403b)의 선단부로부터 0mm ~ 50mm 안쪽에 위치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고전압 인가수단(240)은 선형 왕복이동기구(245)에 의해 노즐 방향으로 상,하로 왕복 이동할 수 있다.
<전기방사장치>
도 7은 도 6의 전기방사 노즐블록(200)이 복수개 연속적으로 배치된 하향식 롤투롤 전기방사장치(500)에 대한 사시도이다.
예를 들어, 본 발명에 따른 하향식 롤투롤 전기방사장치(500)는 폭 넓이가 적어도 1,000mm인 광폭의 나노섬유 웹을 제조하기 위하여 단위길이가 500mm인 도 6의 전기방사 노즐블록(200) 4개를 기재의 폭 방향(화살표 A)으로 연속적으로 배치시켜 구성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 하향식 롤투롤 전기방사장치(500)는 방사용액을 방사하여 나노섬유를 적층하기 위한 기재가 감겨진 롤을 푸는 권출부로서의 언와인더(unwinder)부(501)와, 나노섬유가 적층되어 있는 기재를 감는 권취부로서의 와인더(winder)부(502)와, 복수의(예를 들어, 4개) 도 6의 전기방사 노즐블록(200)을 상기 기재의 폭 방향(화살표 A 방향)으로 연속적으로 연결하여 형성되는 적어도 하나 이상(예를 들어, 3개)의 노즐블록 어레이(506)와, 상기 기재를 이송시키면서 상기 적어도 하나 이상의 노즐블록 어레이(506)로부터 방사되는 나노섬유를 적층시키기 위한 컬렉터(collector)(503)와, 방사용액을 저장하는 용액 저장조(미도시)를 포함한다.
또한, 본 발명의 하향식 롤투롤 전기방사장치(500)는 상기 용액 저장조의 용액을 밀어주는 플런저와, 이 플런저를 작동시켜 방사 용액을 방사노즐로 정밀하게 이송하기 위한 용액이송펌프를 포함하는 용액이송기구와, 상기 전기방사 노즐블록(200)의 방사니들에서 토출되는 방사용액을 나노미터(nm) 혹은 마이크로미터(um)의 직경을 갖는 미세섬유로 만들기 위하여 방사용액에 고전압을 인가함으로써 방사용액에 (+) 혹은 (-) 극성의 전하를 부여하는 고전압 전원장치(507)와, 상기 노즐블록 어레이(506)를 상기 기재의 폭방향으로 왕복 구동시키기 위한 로봇구동부(508)와, 상기 컬렉터(503)와 상기 방사니들의 팁간의 거리를 조절하기 위하여 상기 노즐블록 어레이(506)를 상,하로 이동시키는 방사거리 조절부(509)와, 기재가 이송되는 방향에서 상기 노즐블록 어레이(506)의 좌,우에 배치되어 방사되는 나노섬유를 컬렉터(503)의 한정된 영역으로 적층시키기 위한 컬렉션 가이드부를 더 포함한다.
상기 컬렉션 가이드부는 방사노즐 양단에서 방사되는 나노섬유가 외부로 밀려서 퍼져 나가지 않도록 제어하여 컬렉터(503)의 한정된 내부 영역으로 집적되도록 한다. 이를 위해, 상기 컬렉션 가이드부에는 방사용액에 인가되는 고전압과 동일한 극성의 고전압을 인가하거나 공압의 기류를 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 하향식 롤투롤 전기방사장치(400)는 상기 노즐블록 어레이(506)의 방사니들들로부터 방사되는 다량의 방사 필라멘트로부터 용매를 휘발시켜 미세 나노섬유를 만들기 위한 열풍발생장치와, 전기방사장치(500)의 내부습도를 조절하여 용매휘발 속도를 제어하기 위한 습도조절장치 및 상기 기재에 구성된 나노섬유의 결합상태를 조절하기 위한 라미네이션 장치를 더 포함할 수도 있다.
또한, 본 발명의 하향식 롤투롤 전기방사장치(500)는 방사 니들의 선단부에 구성된 방사용액의 고화상태 혹은 막힘상태 또는 방사 니들의 팁에 형성되는 테일러 콘의 액적 상태를 실시간으로 모니터링하여 동영상 혹은 이미지로 저장할 수 있는 영상 카메라를 더 포함할 수 있다. 이 영상 카메라는 노즐블록 어레이(506)의 측면부 하단에 구성되어 전후로 이동하면서 방사 니들의 선단부 상태를 실시간으로 확인하거나, 이미지를 촬영한다.
본 발명에 따른 용액 저장조 및 용액이송펌프는 용액 저장조의 용액을 밀어주기 위해 서로 하나로 결합되어 구성될 수 있다. 용액저장조는 내부가 SUS계 금속이고, SUS 금속의 외부에 불소계 고분자 혹은 폴리에틸렌(PE) 혹은 폴리프로필렌(PP)가 외장재로 코팅된 이중구조인 것이 바람직하다. 용액저장조는 내전압성이 우수한 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), MC 나일론(Nylon), 아세탈 등의 절연성 재질로 구성될 수 있다. 시린지형 용액저장조의 용량은 10ml~3,000ml이 바람직하다. 한편, 플런저는 선단부에 테프론 커버를 구성시키거나 옴니씰(omni seal)과 같은 테프론 씰을 구성시켜 플런저로 용액을 밀 때 플런저 후면으로 용액이 새어나오는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
용액이송펌프는 모터부와, 모터의 축과 연결된 스크류, 스크류에 체결되어 저장조 내부에 위치한 플런저를 미는 푸셔, 플런저와 푸셔를 연결하는 가이드 봉, 푸셔를 직선운동으로 원활히 이동시키기 위한 선형모션(이하, LM)가이드부, 용액저장조를 체결하여 고정시키기 위한 지지부로 구성된다. 스크류의 리드는 0.5 내지 2mm이다. 바람직하게는 1mm이다. 스크류 회전에 따른 푸셔의 이동속도는 최소속도가 1㎛/시간 ~ 100㎛/시간이고, 최고속도가 1cm/분 ~ 20cm/분인 것이 바람직하다. 플런저는 외부에서 모터 작동으로 배럴부 내부에서 전진 이동되면서 용액을 압출시킨다. 용액이송펌프의 플런저는 외부의 모터 작동없이 공기압력으로 용액을 밀어낼수 있다.
상기 용액 저장조의 용량이 부족하면 용액이송펌프를 병렬로 2조 두고, 3방향 밸브를 구성시켜 용액을 이송시킬 수 있다. 밸브의 유량방향은 제 1 용액펌프에서 방사노즐로 열리고, 제 2 용액펌프는 닫힌 상태로 유지한다. 제 1 이송펌프의 용액 저장조의 용액이 모두 소진되면, 밸브의 방향은 제 1 이송펌프는 닫히고, 제 2 이송펌프에서 방사노즐로 열린상태로 전환되도록 구성된다. 이때 모두 소진된 용액이송펌프는 별도로 충진시킨다.
방사공정은 용액 토출량을 방사니들당 0.5㎕/분 ~ 1,000㎕/분으로 하는 것이 나노섬유를 제작하는데 바람직하다. 바람직한 용액의 토출량은 5㎕/분 ~ 300㎕/분이다. 인가되는 고전압의 세기는 방사니들(111b)의 팁과 커렉터(503) 간의 거리(cm)를 기준으로 0.01kV/cm ~ 10kV/cm로 인가한다. 보다 바람직한 고전압의 세기는 0.5kV/cm ~ 25kV/cm이다.
나노섬유 집적부인 컬렉터(503)는 기재가 이동할 때 함께 회전할 수 있고, 표면이 통전되는 복수개의 봉 롤, 혹은 다중 와이어 롤, 혹은 컨베이어형 롤로 구성되고, 롤은 접지되거나, 하전용액의 극성과 반대극성을 갖는 직류전원이 인가될 수 있다. 이때, 용액의 극성과 반대 극성인 인가전압의 세기는 1kV ~ 20kV이다. 기재의 이송속도는 분당 10cm 내지 분당 50m이 바람직하다.
또한, 방사중 토출되는 방사필라멘트에서 용매를 대기중으로 휘발시키도록 열풍을 주입하는 공정이 병행되는 것이 바람직하다. 이때, 열풍발생장치로부터 나오는 열풍은 0.1m/초 ~ 10m/초의 풍속과 20℃ ~ 150℃의 온도 범위내로 설정한다. 열풍온도는 30℃ ~ 80℃가 바람직하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
200 : 전기방사 노즐블록, 210 : 전기방사노즐, 220 : 노즐 어댑터, 230 : 노즐 몸체, 233 : 홀, 240 : 고전압 인가수단, 241 : 고전압 인가니들, 242 : 고전압 몸체, 245 : 왕복이동기구, 250 : 고전압 발생장치, 500 : 전기방사장치, 501 : 언와인더부, 502 : 와인더부, 503 : 컬렉터, 506 : 노즐블록 어레이, 507 : 고전압 전원장치, 508 : 로봇구동부, 509 : 방사거리 조절부
Claims (36)
- 용액저장조로부터 이송되어 주입되는 방사용액을 수용하는 내부공간과, 복수개의 용액 분배구를 포함하는 노즐 몸체와, 기류분출수단을 포함하는 전기방사노즐과, 상기 전기방사노즐을 상기 노즐 몸체에 대해 탈,부착 가능하게 결합시키는 노즐 어댑터와, 고전압 발생장치로부터의 고전압 전기를 상기 노즐 몸체의 내부공간에 수용된 방사용액에 인가하기 위한 고전압 인가수단을 포함하는 전기방사 노즐블록에 있어서,
상기 전기방사노즐은,
제 1 유체인 방사용액이 주입되는 내부노즐부 몸체와;
상기 내부노즐부 몸체와 연결되고, 상기 제 1 유체의 토출구인 중공관 형태의 내부 니들을 구비한 내부 니들부와;
제 2 유체인 공기가 주입되는 외부노즐부 몸체; 및
상기 외부노즐부 몸체의 말단에 결합되어 상기 내부 니들로부터 토출되는 방사 필라멘트를 상기 토출구와 이격된 거리에서 둘러싸면서 직진하는 상기 제 2 유체인 공기의 흐름을 생성하는 기체분출수단;을 포함하고;
상기 기체분출수단은, 상기 내부 니들을 관통시키는 중심 홀과 이 중심홀을 방사상으로 일정한 거리 이격하여 둘러싸면서 배치되는 복수의 기체 분출구를 포함하고;
상기 고전압 인가수단은,
상기 전기방사노즐에 일대일로 대응하는 고전도성의 고전압 인가니들과;
이 고전압 인가니들을 폭 방향으로 고정,배치하는 고전압 몸체를 포함하고;
상기 노즐 몸체에는 상기 고전압 인가니들을 통과시키기 위한 복수의 홀이 상기 전기방사노즐이 결합되는 맞은편에 대향되게 형성되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 1 항에 있어서,
상기 기체 분출구는, 상기 중심 홀을 중심으로 그 둘레에 적어도 1줄 이상의 원형라인으로 이루어지는 복수의 원주영역에 적어도 2개 이상이 일정한 간격으로 배치되고, 상기 제 2 유체인 공기를 외부로 배출시키는 복수의 공기 홀로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 2 항에 있어서, 상기 기체 분출구는,
상기 중심 홀에서 반지름 r1만큼 이격되어 중심 홀을 둘러싸는 첫번째 원형라인인 제 1 원주영역에 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 제 1 기체 분출구와,
상기 중심 홀에서 반지름 r2만큼 이격되어 중심 홀을 둘러싸는 두번째 원형라인인 제 2 원주영역에 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 제 2 기체 분출구를 포함하고,
상기 제 2 원주영역의 반지름 r2가 상기 제 1 원주영역의 반지름 r1보다는 큰 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 원주영역의 바깥쪽에 상기 제 2 원주영역을 둘러싸는 복수의 제 n 원주영역(여기서, n은 3 이상의 자연수)을 더 배치하고;
상기 제 n 원주영역에는 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 원주영역, 제 2 원주영역 및 제 n 원주역역에는 6개의 공기 홀이 서로 60°각도를 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 5 항에 있어서, 상기 기체분출수단은,
상기 외부노즐부 몸체의 연장되는 말단과 결합되는 측면 체결부와, 상기 중심 홀과 이 중심홀을 둘러싸면서 배치되는 복수의 기체 배출구가 형성되는 커버부를 포함하고;
이 측면 체결부와 커버부에 의해 내부에 상기 제 2 유체인 공기의 체류공간이 형성되는 에어 캡(air cap)인 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 6 항에 있어서,
상기 고전압 인가니들이 상기 홀에 안정적으로 진입할 수 있도록 가이드하기 위한 중공관 형태의 가이드 니들을 더 포함하고;
상기 가이드 니들은 상기 고전압 몸체와 상기 노즐 몸체 사이에 배치되고, 상기 가이드 니들의 내경은 상기 고전압 인가니들의 직경 보다는 큰 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 6 항에 있어서,
상기 고전압 인가니들은 전기방사노즐의 내부 니들의 내부에 동측으로 배치되거나 또는 내부노즐부 몸체의 용액저장공간의 내부에 동축으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 6 항에 있어서,
상기 고전압 인가수단을 노즐의 길이방향으로 상,하로 왕복 이동시키기 위한 선형 왕복이동기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 6 항에 있어서,
상기 노즐 몸체에 부착되는 전기방사노즐의 배치 간격은 20mm ~ 70mm인 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 6 항에 있어서,
상기 고전압 몸체는 절연성 원통형 파이프 또는 사각형 파이프의 내부에 통전되는 금속 재질의 원형봉 혹은 사각봉으로 구성되고, 이 금속봉에 상기 고전압 인가니들이 일대일로 결합되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 6 항에 있어서,
상기 고전압 인가니들은 금속의 중공 니들 또는 금속 와이어인 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 용액저장조로부터 이송되어 주입되는 방사용액을 수용하는 내부공간과, 복수개의 용액 분배구를 포함하는 노즐 몸체와, 기류분출수단을 포함하는 전기방사노즐과, 상기 전기방사노즐을 상기 노즐 몸체에 대해 탈,부착 가능하게 결합시키는 노즐 어댑터와, 고전압 발생장치로부터의 고전압 전기를 상기 노즐 몸체의 내부공간에 수용된 방사용액에 인가하기 위한 고전압 인가수단을 포함하는 전기방사 노즐블록에 있어서,
상기 전기방사노즐은,
제 1 유체가 주입되는 내부노즐부 몸체와;
상기 내부노즐부 몸체와 연결되고, 상기 제 1 유체의 토출구인 중공관 형태의 내부 니들을 구비한 내부 니들부와;
제 2 유체가 주입되는 외부노즐부 몸체와;
상기 외부노즐 몸체에 연결되고, 상기 내부 니들을 동축으로 둘러싸도록 배치되는 상기 제 2 유체의 토출구인 중공관 형태의 외부 니들을 구비한 외부 니들부와;
상기 외부 니들의 중심축 위치를 조절하는 외부니들 위치조절부와;
기체인 공기를 주입하기 위한 기체 주입구; 및
상기 외부니들 위치조절부의 말단에 결합되어 상기 내부 니들을 동축으로 감싸는 외부 니들로 이루어지는 이중 니들로부터 토출되는 방사 필라멘트를 상기 토출구와 이격된 거리에서 둘러싸면서 직진하는 공기의 흐름을 생성하는 기체분출수단;을 포함하고;
상기 기체분출수단은, 상기 이중 니들을 관통시키는 중심 홀과 이 중심홀을 방사상으로 일정한 거리 이격하여 둘러싸면서 배치되는 복수의 기체 분출구를 포함하고;
상기 고전압 인가수단은,
상기 전기방사노즐에 일대일로 대응하는 고전도성의 고전압 인가니들과;
이 고전압 인가니들을 폭 방향으로 고정,배치하는 고전압 몸체를 포함하고;
상기 노즐 몸체에는 상기 고전압 인가니들을 통과시키기 위한 복수의 홀이 상기 전기방사노즐이 결합되는 맞은편에 대향되게 형성되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 13 항에 있어서, 상기 외부니들 위치조절부는,
상기 외부 니들부와 상기 기체분출수단 사이에 배치되어 기체 유로를 형성하는 원통형 실린더 형상의 위치조절부 바디와,
상기 위치조절부 바디의 일부분에 설치되어 외부 니들의 중심축을 조절하기 위한 복수의 나사핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 14 항에 있어서,
상기 위치조절부 바디의 일단에는 상기 기체 주입구가 형성되고,
이 기체 주입구를 통해 주입되는 공기를 상기 기체분출수단으로 배출하는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 15 항에 있어서,
상기 복수의 나사핀은 상기 위치조절부 바디의 일부분의 둘레에 서로 일정한 각도로 이격된 상태로 상기 외부 니들의 둘레를 감싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 16 항에 있어서,
상기 외부 니들의 내경은 상기 내부 니들의 외경 보다 5㎛ 내지 1,000㎛ 크게 구성되고,
상기 내부 니들과 상기 외부 니들의 중심축 간의 거리는 0.1mm 이내인 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 16 항에 있어서,
상기 기체 분출구는, 상기 중심 홀을 중심으로 그 둘레에 적어도 1줄 이상의 원형라인으로 이루어지는 복수의 원주영역에 적어도 2개 이상이 일정한 간격으로 배치되는 상기 제 2 유체인 공기를 외부로 배출시키는 복수의 공기 홀로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 18 항에 있어서, 상기 기체 분출구는,
상기 중심 홀에서 반지름 r1만큼 이격되어 중심 홀을 둘러싸는 첫번째 원형라인인 제 1 원주영역에 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 제 1 기체 분출구와,
상기 중심 홀에서 반지름 r2만큼 이격되어 중심 홀을 둘러싸는 두번째 원형라인인 제 2 원주영역에 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 제 2 기체 분출구를 포함하고,
상기 제 2 원주영역의 반지름 r2가 상기 제 1 원주영역의 반지름 r1보다는 큰 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 2 원주영역의 바깥쪽에 상기 제 2 원주영역을 둘러싸는 복수의 제 n 원주영역(여기서, n은 3 이상의 자연수)을 더 배치하고;
상기 제 n 원주영역에는 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 20 항에 있어서,
상기 제 1 원주영역, 제 2 원주영역 및 제 n 원주역역에는 6개의 공기 홀이 서로 60°각도를 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 21 항에 있어서, 상기 기체분출수단은,
상기 외부니들 위치조절부의 연장되는 말단과 결합되는 측면 체결부와, 상기 중심 홀과 이 중심홀을 둘러싸면서 배치되는 복수의 기체 배출구가 형성되는 커버부를 포함하고;
이 측면 체결부와 커버부에 의해 내부에 상기 공기의 체류공간이 형성되는 에어 캡(air cap)인 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 22 항에 있어서,
상기 고전압 인가니들이 상기 홀에 안정적으로 진입할 수 있도록 가이드하기 위한 중공관 형태의 가이드 니들을 더 포함하고;
상기 가이드 니들은 상기 고전압 몸체와 상기 노즐 몸체 사이에 배치되고, 상기 가이드 니들의 내경은 상기 고전압 인가니들의 직경 보다는 큰 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 22 항에 있어서,
상기 고전압 인가니들은 전기방사노즐의 내부 니들의 내부에 동측으로 배치되거나 또는 내부노즐부 몸체의 용액저장공간의 내부에 동축으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 용액저장조로부터 이송되어 주입되는 방사용액을 수용하는 내부공간과, 복수개의 용액 분배구를 포함하는 노즐 몸체와, 기류분출수단을 포함하는 전기방사노즐과, 상기 전기방사노즐을 상기 노즐 몸체에 대해 탈,부착 가능하게 결합시키는 노즐 어댑터와, 고전압 발생장치로부터의 고전압 전기를 상기 노즐 몸체의 내부공간에 수용된 방사용액에 인가하기 위한 고전압 인가수단을 포함하는 전기방사 노즐블록에 있어서,
상기 전기방사노즐은,
제 1 유체가 주입되는 제 1 유체 주입구를 포함하는 내부노즐부 몸체와;
상기 내부노즐부 몸체에 연결되고, 상기 제 1 유체의 토출구인 중공관 형태의 내부 니들을 구비한 내부 니들부와;
제 2 유체인 공기가 주입되는 제 2 유체 주입구를 포함하는 외부노즐부 몸체와;
상기 내부 니들부로 이송되는 상기 제 1 유체의 흐름을 제어, 차단하기 위한 니들 샤프트와, 상기 니들 샤프트의 상부로 제 1 유체가 역류하여 누액되는 것을 방지하기 위한 니들샤프트 실링부를 포함하는 공압제어부 몸체; 및
상기 외부노즐부 몸체의 말단에 결합되어 상기 내부 니들로부터 토출되는 방사 필라멘트를 상기 토출구와 이격된 거리에서 둘러싸면서 직진하는 상기 제 2 유체인 공기의 흐름을 생성하는 기체분출수단을 포함하고;
상기 기체분출수단은, 상기 내부 니들을 관통시키는 중심 홀과 이 중심홀을 방사상으로 일정한 거리 이격하여 둘러싸면서 배치되는 복수의 기체 분출구를 포함하고;
상기 고전압 인가수단은,
상기 전기방사노즐에 일대일로 대응하는 고전도성의 고전압 인가니들과;
이 고전압 인가니들을 폭 방향으로 고정,배치하는 고전압 몸체를 포함하고;
상기 노즐 몸체에는 상기 고전압 인가니들을 통과시키기 위한 복수의 홀이 상기 전기방사노즐이 결합되는 맞은편에 대향되게 형성되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 25 항에 있어서,
상기 공압제어부 몸체는 상기 니들 샤프트에 공기를 주입하기 위한 공기 주입구를 더 포함하고;
상기 니들 샤프트는,
상기 니들 샤프트에 감겨져 탄성 복원력을 갖는 스프링과,
상기 제 1 유체의 흐름을 차단하기 위하여 상기 내부 니들부로 향하는 유체 통로를 막기 위해 상기 니들 샤프트의 말단에 형성되는 테이퍼 차단부, 및
상기 테이퍼 차단부에 연결되어 상기 내부 니들을 관통하여 그 선단부를 통해 돌출되는 끝단이 뾰족한 샤프트 니들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 26 항에 있어서,
상기 기체 분출구는, 상기 중심 홀을 중심으로 그 둘레에 적어도 1줄 이상의 원형라인으로 이루어지는 복수의 원주영역에 적어도 2개 이상이 일정한 간격으로 배치되는 상기 제 2 유체인 공기를 외부로 배출시키는 복수의 공기 홀로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 27 항에 있어서, 상기 기체 분출구는,
상기 중심 홀에서 반지름 r1만큼 이격되어 중심 홀을 둘러싸는 첫번째 원형라인인 제 1 원주영역에 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 제 1 기체 분출구와,
상기 중심 홀에서 반지름 r2만큼 이격되어 중심 홀을 둘러싸는 두번째 원형라인인 제 2 원주영역에 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 제 2 기체 분출구를 포함하고,
상기 제 2 원주영역의 반지름 r2가 상기 제 1 원주영역의 반지름 r1보다는 큰 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 28 항에 있어서,
상기 제 2 원주영역의 바깥쪽에 상기 제 2 원주영역을 둘러싸는 복수의 제 n 원주영역(여기서, n은 3 이상의 자연수)을 더 배치하고;
상기 제 n 원주영역에는 적어도 2개 이상의 공기 홀이 배치되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 29 항에 있어서,
상기 제 1 원주영역, 제 2 원주영역 및 제 n 원주역역에는 6개의 공기 홀이 서로 60°각도를 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 30 항에 있어서, 상기 기체분출수단은,
상기 외부노즐부 몸체의 연장되는 말단과 결합되는 측면 체결부와, 상기 중심 홀과 이 중심홀을 둘러싸면서 배치되는 복수의 기체 배출구가 형성되는 커버부를 포함하고;
이 측면 체결부와 커버부에 의해 내부에 상기 제 2 유체인 공기의 체류공간이 형성되는 에어 캡(air cap)인 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 31 항에 있어서,
상기 고전압 인가니들이 상기 홀에 안정적으로 진입할 수 있도록 가이드하기 위한 중공관 형태의 가이드 니들을 더 포함하고;
상기 가이드 니들은 상기 고전압 몸체와 상기 노즐 몸체 사이에 배치되고, 상기 가이드 니들의 내경은 상기 고전압 인가니들의 직경 보다는 큰 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 제 31 항에 있어서,
상기 고전압 인가니들은 전기방사노즐의 내부 니들의 내부에 동측으로 배치되거나 또는 내부노즐부 몸체의 용액저장공간의 내부에 동축으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기방사 노즐블록. - 방사용액을 방사하여 나노섬유를 적층하기 위한 기재가 감겨진 롤을 푸는 권출부로서의 언와인더(unwinder)부와,
나노섬유가 적층되어 있는 기재를 감는 권취부로서의 와인더(winder)부와;
상기 제 1 항 내지 제 33항중 어느 한 항의 전기방사 노즐블록이 적어도 하나 이상 상기 기재의 폭 방향으로 연결되어 형성되는 적어도 하나 이상의 노즐블록 어레이와,
상기 기재를 이송시키면서 상기 적어도 하나 이상의 노즐블록 어레이로부터 방사되는 나노섬유를 적층시키기 위한 컬렉터와;
방사용액을 저장하는 용액 저장조와;
상기 용액 저장조로부터 방사용액을 상기 모듈형 전기방사 노즐블록의 방사노즐로 이송하기 위한 용액이송기구; 및
상기 방사용액에 직류 고전압을 인가하기 위한 고전압 전원장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치. - 제 34 항에 있어서,
상기 노즐블록 어레이를 상기 기재의 폭방향으로 왕복 구동시키기 위한 로봇구동부와;
상기 컬렉터와 상기 방사니들의 팁간의 거리를 조절하기 위하여 상기 노즐블록 어레이를 상,하로 이동시키는 방사거리 조절부와;
상기 기재가 이송되는 방향에서 상기 노즐블록 어레이의 좌,우에 배치되어 방사되는 나노섬유를 컬렉터의 한정된 영역으로 적층시키기 위한 컬렉션 가이드부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치. - 제 35 항에 있어서,
상기 노즐블록 어래에의 방사니들로부터 방사되는 다량의 방사 필라멘트로부터 용매를 휘발시켜 미세 나노섬유를 만들기 위한 열풍발생장치와;
전기방사장치의 내부습도를 조절하여 용매휘발 속도를 제어하기 위한 습도조절장치; 및
상기 기재에 구성된 나노섬유의 결합상태를 조절하기 위한 라미네이션 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| KR20220135897 | 2022-10-20 | ||
| KR1020220135897 | 2022-10-20 |
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|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230136965A KR20240055661A (ko) | 2022-10-20 | 2023-10-13 | 기체분출수단이 구비된 전기방사 노즐블록 및 이를 구비한 전기방사장치 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR101478184B1 (ko) | 2012-09-21 | 2014-12-31 | (주)우리나노필 | 전기방사 노즐 팩 및 이를 포함하는 전기방사 시스템 |
| KR101440448B1 (ko) | 2013-02-20 | 2014-09-17 | 전북대학교산학협력단 | 약물 코팅용 전기방사 노즐모듈 |
| KR101601169B1 (ko) | 2013-07-02 | 2016-03-08 | 주식회사 아모그린텍 | 전기 방사장치 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024085547A2 (ko) | 2024-04-25 |
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