KR100619186B1

KR100619186B1 - 나노 섬유 제조 장치

Info

Publication number: KR100619186B1
Application number: KR1020050040882A
Authority: KR
Inventors: 김근형; 김완두
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2005-05-16
Filing date: 2005-05-16
Publication date: 2006-08-31

Abstract

본 발명은 전기 방사법에 의해 형성되는 나노 섬유의 형태를 가변시킴으로써 나노 섬유의 재현성을 확보할 수 있는 나노 섬유 제조 장치에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 용액이 저장된 방사액 저장조와, 상기 방사액 저장조로부터 공급되는 용액을 전기 방사에 의해 분사시키기 위해 구비되는 노즐 블록과, 상기 노즐 블록에서 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 표면에 집적되는 수집기와, 상기 노즐 블록과 수집기에 전압을 걸어주기 위해 상기 노즐 블록과 수집기 사이에 접속되는 전압 발생 장치를 포함하는 나노 섬유 제조 장치에 있어서, 상기 노즐 블록에서 방사되는 용액의 방사 영역을 가변시키기 위한 방사 영역 가변 수단이 구비된다.

방사 영역, 가변 수단, 나노 섬유, 교류 전압

Description

나노 섬유 제조 장치{Apparatus For Manufacturing Nano Fiber}

도 1은 종래 기술에 따른 전기 방사 방법을 이용한 나노 섬유 제조 장치를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 나노 섬유 제조 장치의 실시예를 나타낸 개략적인 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 나노 섬유 제조 장치의 다른 실시예를 나타낸 개략적인 단면도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 나노 섬유의 방사 영역을 도시한 개략적인 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 용액 저장조

110 : 정량 펌프

200 : 노즐 블록

210 : 방사 노즐

220 : 도전체

300 : 수집기

400 : 전압 발생 장치

500 : 방사 영역 가변 수단

510 : 도전체들

511 : 지지 수단

512 : 각도 조절 수단

520 : 교류 전압 발생 장치

본 발명은 나노 섬유 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 방사법에 의해 형성되는 나노 섬유의 형태를 가변시킴으로써 나노 섬유의 재현성을 확보할 수 있는 나노 섬유 제조 장치에 관한 것이다.

일반적으로 나노 파이버(Nano fiber; 이하 "나노 섬유"라 칭함)는 부피 대비 표면적 비율이 높고, 표면 작용기에 대한 유연성 등이 뛰어나기 때문에 많은 응용 분야에서 사용되고 있다.

상기 나노 섬유는 필터용으로 쓰면 탁월한 여과 효과를 나타내며, 전기전도성을 지난 고분자를 나노 섬유로 제조해 유리에 코팅하면 햇빛의 양을 감지하여 창문의 색을 변하게 할 수 있다.

또한, 전도성 나노 섬유를 리튬 이온 전지의 전해질로 사용할 경우, 전해액의 누출을 방지하면서도 전지의 크기와 무게를 크게 줄일 수 있고, 생체 조직과 흡사하게 만든 인공 단백질로 나노 섬유를 만들어서 사용할 경우 바로 몸속으로 흡수 되는 붕대나 인조 피부로 이용된다.

상기 나노 섬유를 제조 하는 방법에는 드로잉(drawing), 템프레이트 합성(template synthesis), 상 분리(phase separation), 자기 조합(self assembly), 전기 방사(electrospinning) 등이 있다.

특히, 상기 나노 섬유 제조 방법 중 다양한 고분자로부터 나노 섬유를 연속적으로 대량으로 생산할 수 있는 방법으로, 전기 방사 방법이 널리 적용되고 있다.

상기 전기 방사 방법은 전극의 한극을 고분자의 용액 내에, 다른 한극을 수집기(collector)에 위치한 서로 반대 극성을 가지는 두 전극 사이에 고전압을 인가함으로써 노즐을 통해 액체 분사물(jet)이 방출되도록 하여 방출된 용액이 수집기 표면에 섬유사 형태로 직접 방사되도록 하는 것이다.

이때, 상기 전기 방사 방법으로 제조된 나노 섬유는 고분자 용액의 성질, 분자쇄 구조, 점도, 탄성, 전도성, 극성 및 표면 장력 등의 재료상의 요소와 전기장의 세기, 전극 사이의 거리, 고분자 용액의 공급 속도 등의 기계적 요소에 큰 영향을 받는다.

도 1은 종래 기술에 따른 전기 방사 방법을 이용한 나노 섬유 제조 장치를 개략적으로 나타낸 사시도로, 용액이 저장된 방사액 저장조(100)와, 상기 방사액 저장조(100)로부터 공급되는 용액을 전기 방사에 의해 분사시키기 위해 구비되는 노즐 블록(200)과, 상기 노즐 블록(200)에서 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 표면에 집적되는 수집기(300)와, 상기 노즐 블록(200)과 수집기(300)에 전압을 걸어주기 위해 상기 노즐 블록(200)과 수집기(300) 사이에 접속되는 전압 발생 장치 (400)로 이루어진다.

이러한 종래의 전기 방사 방법에 따르면, 나노 섬유사가 수집기 상에 초극세사 형태로 고르게 방사되기 때문에 나노 섬유를 특별한 형태 또는 3차원 형태로 형성시킬 수 없는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기 방사 방식을 이용하는 나노 섬유 제조 장치에 있어서, 전기장의 크기와 방향 및 주파수를 가변시켜 나노 섬유의 두께 및 형태를 자유롭게 조정할 수 있는 나노 섬유 제조 장치를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 나노 섬유 제조 장치는, 용액이 저장된 방사액 저장조와, 상기 방사액 저장조로부터 공급되는 용액을 전기 방사에 의해 분사시키기 위해 구비되는 노즐 블록과, 상기 노즐 블록에서 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 표면에 집적되는 수집기와, 상기 노즐 블록과 수집기에 전압을 걸어주기 위해 상기 노즐 블록과 수집기 사이에 접속되는 전압 발생 장치를 포함하는 나노 섬유 제조 장치에 있어서, 상기 노즐 블록에서 방사되는 용액의 방사 영역을 가변시키기 위한 방사 영역 가변 수단이 구비됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 노즐 블록은 상기 노즐 블록과 상기 수집기 사이의 거리를 조절하기 위한 승강 수단을 더 구비함으로써 상기 수집기 상에 집적되는 섬유사의 두께를 조절을 할 수 있다.

그리고, 상기 방사 영역 가변 수단은 서로 반대 극성이 접속 되도록 한쌍씩 구비되는 도전판과, 상기 도전판에 교류 전압을 인가하는 교류 전압 발생 장치를 포함하여, 상기 도전판 사이에 발생하는 전기장의 크기와 방향 및 주파수를 적절하게 조절하여 수집기 표면에 집적되는 섬유사를 특정 영역에 집중시킬 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 나노 섬유 제조 장치의 실시예를 나타낸 개략적인 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 나노 섬유 제조 장치는, 용액이 저장된 방사액 저장조(100)와, 상기 방사액 저장조(100)로부터 공급되는 용액을 전기 방사에 의해 분사시키기 위한 노즐 블록(200)과, 상기 노즐 블록(200)에서 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 표면에 집적되는 수집기(300)와, 상기 노즐 블록(200)과 상기 수집기(300)에 전압을 걸어주기 위해 상기 노즐 블록과 수집기 사이에 접속되는 전압 발생 장치(400) 및 상기 노즐 블록에서 방사되는 용액의 방사 영역을 가변시키기 위한 방사 영역 가변 수단(500)을 포함하여 이루어진다.

상기 방사액 저장조(100)는 나노 섬유사의 원료가 되는 고분자 물질이 용해된 용액이 저장되며, 상기 노즐 블록(200)으로 용액을 연속적으로 정량 공급하기 위한 정량 펌프(110)를 그 일측에 더 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 노즐 블록(200)은 상기 방사액 저장조로부터 공급되는 용액을 분사시키기 위해 적어도 하나 이상의 방사 노즐(210)과, 외부 인가 전압에 의해 수용 용액 을 하전시키기 위한 도전체(220)를 상기 방사 노즐(210)의 일측에 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 노즐 블록(200)은 상기 방사 노즐(210)에 구비된 승강 수단(230)을 통하여 상기 수집기(300) 사이의 거리를 조절하여 상기 수집기 표면에 집적되는 섬유사의 두께를 조절할 수 있다. 상기 승강 수단(230)은 통상적으로 알려진 엑츄에이터를 이용한 방식 또는 레크 및 피니언을 통한 기어 구동 방식을 이용할 수 있다.

상기 수집기(300)는 방사 노즐(210)으로부터 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 상부면에 집적 되도록 상기 노즐 블록(210) 하부측에 상기 방사 노즐(210)과 소정 이격 거리를 두며, 상기 수집기(300)는 외부 인가 전압에 의해 대전 될 수 있도록 도전판으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 전압 발생 장치(400)는 상기 노즐 블록(200)과 상기 수집기(300) 사이에 서로 반대의 극성이 연결되도록 형성되어 상기 노즐 블록(200)에 고전압을 인가한다.

상기 방사 영역 가변 수단(500)은 상기 방사 노즐(210)과 상기 수집기(300) 사이에 형성 되거나, 또는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 수집기(300)의 하부에 형성될 수 있으며, 서로 반대 극성이 접속 되도록 한쌍으로 이루어지는 도전판(510)과, 상기 도전판(510)에 교류 전압을 인가하는 교류 전압 발생 장치(520)를 포함하여 이루어진다.

상기 도전판(510)은 소정의 지지 수단(511)에 의해 지지되어 상기 수집기의 일측과 타측에서 서로 마주 보도록 형성되고, 상기 수집기(300) 표면에 대하여 소정의 경사각을 이루도록 각도 조절 수단(512)을 포함하여 이루어진다.

따라서, 서로 반대 극성이 접속되는 도전판(510) 사이에 인가되는 교류 전압의 크기나 방향 및 주파수에 따라 특정 위치에 전기장이 집중되고, 상기 전기장 집중에 의해 노즐 블록(200)으로부터 방사된 용액 중 솔벤트가 증발 또는 휘발됨에 따라 형성된 섬유사들이 상기 수집기(300) 표면의 특정 위치에 집중되어 3차원 구조의 형태로 나타난다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 나노 섬유 제조 장치의 작동 관계를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 용액 저장조(100)에 저장된 고분자 용액을 노즐 블록(200)으로 연속적으로 정량 공급한다.

이와 동시에, 전압 발생 장치(400)를 이용하여 상기 방사 노즐(210)의 도전체(220)에 고전압을 인가하고, 상기 방사 영역 가변 수단(500)의 도전판(510)에 상기 교류 전압 발생 장치(520)를 구동하여 소정의 교류 전압을 인가한다.

그러면, 상기 방사 노즐(210)에 수용된 용액이 하전되고, 상기 수집기(300)가 대전되면서 상기 방사 노즐(210)과 상기 수집기(300) 사이에 전기장이 발생하게 된다. 상기 전기장이 상기 방사 노즐(210) 내부의 표면 장력보다 커지면 상기 방사 노즐(210) 내부에 수용되어 있던 용액이 방사 노즐(210) 하부측으로 연속적으로 분사된다.

상기 분사된 용액 중 솔벤트는 상기 수집기(300)에 닿을 때까지 증발 또는 휘발되고, 상기 솔벤트에 녹아 있는 고분자 또는 폴리머가 상기 수집기 표면에 나노 섬유사로 집적된다.

이때, 상기 노즐 블록(200) 주변에 배치되는 방사 영역 가변 수단(500) 즉, 도전판(510) 사이에 인가되는 교류 전압의 크기와 방향 및 주파수의 조절에 따라 도전판(510) 사이에 전기장이 집중되어 도 4에 도시된 바와 같이 섬유사들이 특정 영역으로 집중적으로 집적되어 3차원 형태를 이룬다.

이에 더하여, 상기 노즐 블록(200)에 구비된 승강 수단(230)을 이용하여 상기 방사 노즐(210)과 수집기(300) 사이의 거리를 조절하여 수집기 표면에 집적되는 섬유의 두께 및 섬유의 형태를 조절할 수 있다.

이상에서 상세하게 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전기 방사 방식을 이용한 나노 섬유 제조 장치는, 한쌍으로 구성되는 도전판을 수집기 주변에 배치하고, 도전판 사이에 인가되는 교류 전압의 크기와 방향 및 주파수를 가변시켜 특정 위치에 전기장이 집중되도록 하여 나노 섬유의 두께 및 형태를 자유롭게 조정할 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자하면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것을 명백하다. 따라서, 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.

Claims

용액이 저장된 방사액 저장조(100)와, 상기 방사액 저장조(100)로부터 공급되는 용액을 전기 방사에 의해 분사시키기 위해 구비되는 노즐 블록(200)과, 상기 노즐 블록(200)에서 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 표면에 집적되는 수집기(300)와, 상기 노즐 블록(200)과 수집기(300)에 전압을 걸어주기 위해 상기 노즐 블록(200)과 수집기(300) 사이에 접속되는 전압 발생 장치(400)를 포함하는 나노 섬유 제조 장치에 있어서,

상기 노즐 블록(200)에서 방사되는 용액의 방사 영역을 가변시키기 위한 방사 영역 가변 수단(500)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 나노 섬유 제조 장치.
제 1항에 있어서,

상기 방사 영역 가변 수단(500)은 상기 노즐 블록(200)과 상기 수집기(300) 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 섬유 제조 장치.
제 1항에 있어서,

상기 방사 영역 가변 수단(500)은 상기 수집기(300)의 하부측에 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 섬유 제조 장치.
제 1항에 있어서,

상기 노즐 블록(200)은 상기 노즐 블록(200)과 상기 수집기(300) 사이의 거리를 조절하기 위한 승강 수단(210)을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 섬유 제조 장치.
제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서,

상기 방사 영역 가변 수단(500)은

서로 반대 극성이 접속 되도록 한쌍씩 구비되는 도전판(510)과;

상기 도전판에 교류 전압을 인가하는 교류 전압 발생 장치(520)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 섬유 제조 장치.
제 5항에 있어서,

상기 도전판(510)은 상기 수집기(300) 표면에 대하여 소정의 경사각을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 섬유 제조 장치.