KR100689185B1 - 나노 섬유 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사 용액이 분사되는 노즐 팁의 둘레에 보조 전극을 구비하고, 노즐 팁의 끝단부를 보조 전극의 외측으로 돌출되게 구비하여 노즐 팁에 인가되는 전기장의 세기를 극대화함으로써 전기 방사 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 나노 섬유 제조 장치에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명의 나노 섬유 제조 장치는 용액 저장 탱크로부터의 용액을 전기 방사에 의해 방사시키도록 노즐 팁을 구비하는 노즐 블록과, 상기 노즐 팁의 둘레에 구비되는 보조 전극과, 상기 보조 전극과 상기 노즐 블록에 고전압 직류를 인가하는 고전압 직류 발생 장치와 상기 노즐 팁에서 방사되는 용액이 섬유사 형태로 집적되도록 하는 수집기 및 상기 수집기에 고전압 교류를 인가하는 고전압 교류 발생 장치를 포함하는 나노 섬유 제조 장치에 있어서, 상기 노즐 팁의 끝단부가 상기 보조 전극의 외측으로 돌출 구비되게 구성된다.

나노 섬유, 노즐 팁, 돌출, 보조 전극

Description

나노 섬유 제조 장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING OF NANO FIBER}

도 1은 본 발명에 따른 나노 섬유 제조 장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 나노 섬유 제조 방법에서 전압에 인가에 노즐 팁에 형성되는 전기장의 세기를 나타낸 그래프도.

도 3 내지 도 5는 도 1의 보조 전극의 다양한 형태를 나타낸 사시도.

도 6은 도 1의 노즐 블록에 구비되는 노즐 팁의 다른 구성을 나타낸 사시도.

도 7 및 도 8은 도 1의 노즐 블록에 구비되는 노즐 팁의 또 다른 구성을 나타낸 사시도.

도 9는 도 8의 노즐 블록 둘레에 구비되는 보조 전극의 다른 실시예를 나타낸 도면.

도 10은 종래 기술에 따른 나노 섬유 제조 장치를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 11은 도 10의 A부 확대도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 용액 저장 탱크 2 : 노즐 블록

3 : 노즐 팁 31, 보조 전극

4 : 고전압 직류 발생 장치 5 : 수집기

6 : 고전압 교류 발생 장치

7 : 스테이지

8 : 제어 컴퓨터

본 발명은 나노 섬유 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방사 용액이 분사되는 노즐 팁의 둘레에 보조 전극을 구비하고, 노즐 팁의 끝단부를 보조 전극의 외측으로 돌출되게 구비하여 노즐 팁에 인가되는 전기장의 세기를 극대화함으로써 전기 방사 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 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 즉 노즐에, 다른 한극을 수집기(collector)에 위치하도록 하고, 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.

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 10은 종래 기술에 따른 나노 섬유 제조 장치를 개략적으로 나타낸 사시도로, 용액이 저장된 방사액 저장 탱크(100)로부터 공급되는 용액을 전기 방사에 의해 분사시키기 위해 설치되는 방사 노즐 블록(200)과, 상기 방사 노즐 블록(200)에 구비되어 방사액을 토출되는 노즐 팁(300)과, 상기 노즐 팁(300)에서 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 표면에 집적되는 수집기(400)와, 상기 노즐 블록(200)과 상기 노즐 팁(300) 사이에 접속되는 고전압 직류 발생 장치(500)와 상기 수집기(400)의 양측에 접속되는 고전압 교류 발생 장치(600)를 포함하여 구성된다.

도 11은 도 10의 A부 확대도로, 도면을 참조하면 노즐 블록(200)의 둘레에는 고전압 직류를 인가할 수 있도록 보조 전극(700)이 구비된다.

이에 따라, 상기 고전압 직류 발생 장치(500)를 통해 인가되는 전압에 상기 노즐 팁(300) 에 강한 전기장이 형성되어 그 내부에 수용되는 용액이 전기 방사되는 것이다.

그런데, 이러한 종래의 나노 섬유 제조 장치는 노즐 팁(300)의 끝단이 보조 전극(700) 내부에 삽입되어 외부로 돌출되어 있지 않기 때문에 원활한 전기 방사가 이루어지도록 하기 위해서는 전기장의 세기를 크게 해야 하는 단점이 있었다.

상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 노즐 팁의 둘레에 보조 전극을 구비하고 노즐 팁의 끝단부를 보조 전극의 외측으로 돌출되게 구비함으로써 노즐 팁의 끝단부에 형성되는 전기장의 세기를 극대화하여 전기 방사가 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 나노 섬유 제조 장치를 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 나노 섬유 제조 장치는 용액 저장 탱크로부터의 용액을 전기 방사에 의해 방사시키도록 노즐 팁을 구비하는 노즐 블록과, 상기 노즐 팁의 둘레에 구비되는 보조 전극과, 상기 보조 전극과 상기 노즐 블록에 고전압 직류를 인가하는 고전압 직류 발생 장치와 상기 노즐 팁에서 방사되는 용액이 섬유사 형태로 집적되도록 하는 수집기 및 상기 수집기에 고전압 교류를 인가하는 고전압 교류 발생 장치를 포함하는 나노 섬유 제조 장치에 있어 서, 노즐 팁의 끝단부가 상기 보조 전극의 외측으로 돌출 구비되게 구성된다.

이때, 상기 노즐 팁은 일정 간격을 두고 다수의 노즐 팁이 배치되는 멀티 노즐 어레이 형태로 구성되며, 상기 보조 전극은 상기 멀티 노즐 어레이의 최외각 노즐 팁 둘레를 감싸도록 구비될 수 있다.

또는, 상기 노즐 팁은 일정 간격을 두고 다수의 노즐 팁이 배치되는 멀티 노즐 어레이 형태로 구성되며, 상기 보조 전극은 상기 멀티 노즐 어레이의 최외각 노즐 팁의 외측에서 멀티 노즐 어레이 전체를 감싸도록 구비될 수 있다.

이때, 상기 보조 전극은 상기 노즐 팁으로부터의 거리가 모든 방향으로부터 일정하게 하기 위하여 수평 단면이 정육각형 형태로 구성될 수 있다.

본 발명의 부가적인 양상에 따라 상기 수집기는 X-Y 방향으로 이동가능하게 2축 스테이지로 구성되어 수집기를 X 방향 Y 방향으로 이동시키면서, 수집기 상에 나노 섬유사 균일하게 형성하거나 특정 영역에 밀집되게 형성할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 나노 섬유 제조 장치의 구성도로, 본 발명의 나노 섬유 제조 장치는, 용액 저장 탱크(1)로부터의 용액을 전기 방사에 의해 방사시키도록 노즐 팁(3)을 구비하는 노즐 블록(2)과, 상기 노즐 팁(3)의 둘레에 구비되는 보조 전극(31)과, 상기 보조 전극(31)과 상기 노즐 블록(2)에 고전압 직류를 인가하는 고전압 직류 발생 장치(4)와 상기 노즐 팁(3)에서 방사되는 용액이 섬유사 형태 로 집적되도록 하는 수집기(5) 및 상기 수집기(5)에 고전압 교류를 인가하는 고전압 교류 발생 장치(6)를 포함하여 구성된다.

이때, 본 발명의 특징인 상기 노즐 팁(3)은 그 끝단부가 상기 보조 전극(31)의 외측으로 돌출 구비되어 인가되는 전압에 따른 전기장의 세기가 극대화 되도록 구성됨이 바람직하다.

즉, 상기 노즐 팁(3)이 보조 전극(31)의 외측으로 돌출 구비됨에 따라 전기 방사에 필요한 전압의 세기를 저하시켜도 전기 방사가 원활하게 이루어질 뿐만 아니라, 인가 전압의 세기를 기존과 동일하게 할 경우에도 종래의 전기 방사 장치에서 보다 전기장의 세기가 크게 형성되어 전기 방사가 더 잘 이루어진다.

한편, 상기 수집기(5)는 X-Y 방향으로 이동가능하게 2축 스테이지(7)로 구성하여 수집기(5)를 X방향 또는 Y 방향으로 이동시킴으로써 수집기(5) 상에 집적되는 섬유사가 어느 한곳에 밀집되지 않고 균일하게 형성될 수 있도록 하거나, 임의로 특정 영역에만 밀집시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 나노 섬유 제조 장치는 상기 스테이지(7)의 이동이나 고전압 직류 발생 장치(4) 및 고전압 교류 발생 장치(6)의 구동을 제어하도록 제어 컴퓨터(8)를 포함하여 구성된다.

도 2는 본 발명에 따른 나노 섬유 제조 장치에서 전압 인가에 따라 노즐 팁에 형성되는 전기장의 세기를 나타낸 그래프도로, Type1은 노즐 팁의 길이가 보조 전극의 수직 길이 보다 작아 노즐 팁의 끝단이 보조 전극 내부에 함몰된 경우이고, Type2는 노즐 팁의 길이가 보조 전극의 수직 길이와 동일한 경우, Type3는 노즐 팁 의 길이가 보조 전극의 수직 길이 보다 길어 노즐 팁의 끝단부가 보조 전극의 외측으로 돌출된 경우를 나타낸다.

도면을 참조하면, 각각의 타입 별 노즐 팁을 갖는 전기 방사 장치에 동일한 전압을 인가하였을 경우 형성되는 전기장의 세기가 모두 다르게 나타나는 것을 알 수 있다.

다시 말해, 보조 전극 대비 노즐 팁의 길이가 길수록 동일 인가 전압에 인가시 형성되는 전기장의 세기가 커진 것을 알 수 있으며, 특히 노즐 팁의 길이가 보조 전극의 길이 보다 길어 노즐 팁이 보조 전극의 외부로 돌출될 경우 전기장의 세기가 가장 커진 것을 알 수 있는바, 전기 방사가 가장 잘 나타남을 알 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 다양한 실시예를 통해 상기 노즐 팁(3)의 길이를 조절하여 나노 섬유사의 직경을 조절할 수 있다.

도 3 내지 도 5는 도 1의 보조 전극의 다양한 형태를 나타낸 사시도로, 상기 보조 전극(31)은 동일 전압을 인가하여도 그 면적에 따라 전계 분포가 다르게 나타나기 때문에 도 3에 도시된 바와 같이 상광하협 형상, 도 4에 도시된 바와 같이 상협하광 형상 또는 도 5에 도시된 바와 같이 상하 직경이 동일한 원통관 형상의으로 다양하게 변형 실시하여 원하는 크기의 나노 섬유사를 제조할 수 있다.

도 6은 도 1의 노즐 블록에 구비되는 노즐 팁의 다른 구성을 나타낸 사시도로, 상기 노즐 팁(3)은 다수의 노즐 팁(3)이 일정 간격을 두고 배치되는 멀티 노즐 어레이 형태로 구성되며, 상기 보조 전극(31)은 상기 멀티 노즐 어레이의 최외각 노즐 팁(3)의 외측에서 멀티 노즐 어레이 전체를 감싸도록 구비된다.

도 7 및 도 8은 도 1의 노즐 블록에 구비되는 노즐 팁의 다른 구성을 나타낸 사시도로, 상기 노즐 팁(3)은 다수의 노즐 팁(3)이 일정 간격을 두고 배치되는 멀티 노즐 어레이 형태로 구성되며, 상기 보조 전극(31)은 각각의 노즐 팁(3) 둘레에 각각 구비된다.

도 9는 도 8의 노즐 블록 둘레에 구비되는 보조 전극의 다른 실시예를 나타낸 도면으로, 상기 보조 전극(31)은 도 8에 도시된 바와 같이 상기 노즐 팁(3)으로부터의 거리가 모든 방향으로부터 일정하게 하기 위하여 수평 단면이 정육각형 형태로 구성할 수 있다.

이와 같이 보조 전극(31)이 정육각형 형태로 이루어지는 경우 노즐 팁(3)과 보조 전극(31) 사이의 거리가 모든 영역에서 일정하기 때문에 전기장의 분포가 균일하게 나타나므로 전기 방사 균일도가 향상되므로, 양질의 나노 섬유를 제조할 수 있게 되는 것이다.

또한, 본 발명의 나노 섬유 제조 장치는 노즐 팁을 다수로 배치하여 제조 효율을 향상시킴에 따라 생산성을 높일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 노즐 팁의 둘레에 보조 전극을 구비하고 노즐 팁의 끝단부를 보조 전극의 외측으로 돌출되게 구비함으로써 인가전압의 세기를 저하시켜도 전기 방사가 원활하게 될 뿐만 아니라, 기존 방식과 동일한 전압을 인가하여도 전기장의 세기가 커져 전기 방사가 더 잘 이루어짐으로써 나노 섬유 제조 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 노즐 팁의 다수로 배치하는 멀티 어레이 형태로 구비하여 나노 섬유 제조 효율을 향상시켜 공정 시간을 단출할 수 있도록 하여 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

Claims (5)

1. 용액 저장 탱크로부터의 용액을 전기 방사에 의해 방사시키도록 노즐 팁(3)을 구비하는 노즐 블록(2)과, 상기 노즐 팁(3)의 둘레에 구비되는 보조 전극(31)과, 상기 보조 전극(31)과 상기 노즐 블록(2)에 고전압 직류를 인가하는 고전압 직류 발생 장치(4)와 상기 노즐 팁(3)에서 방사되는 용액이 섬유사 형태로 집적되도록 하는 수집기(5) 및 상기 수집기(5)에 고전압 교류를 인가하는 고전압 교류 발생 장치(6)를 포함하는 나노 섬유 제조 장치에 있어서,

   상기 노즐 팁(3)의 끝단부가 상기 보조 전극(31)의 외측으로 돌출 구비되는 것을 하는 나노 섬유 제조 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 노즐 팁(3)은 일정 간격을 두고 다수의 노즐 팁(3)이 배치되는 멀티 노즐 어레이 형태로 구성되며,

   상기 보조 전극(31)은 상기 멀티 노즐 어레이의 최외각 노즐 팁(3)의 외측에서 멀티 노즐 어레이 전체를 감싸도록 구비됨을 특징으로 하는 나노 섬유 제조 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 노즐 팁(3)은 일정 간격을 두고 다수의 노즐 팁(3)이 배치되는 멀티 노 즐 어레이 형태로 구성되며,

   상기 보조 전극(31)은 상기 각각의 노즐 팁(3) 둘레에 각각 구비됨을 특징으로 하는 나노 섬유 제조 장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 보조 전극(31)은 상기 노즐 팁(3)으로부터의 거리가 모든 방향으로부터 일정하게 하기 위하여 수평 단면이 정육각형 형태로 구성됨을 특징으로 하는 나노 섬유 제조 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 수집기(5)는 X-Y 방향으로 이동가능하게 2축 스테이지(7)로 구성됨을 특징으로 하는 나노 섬유 제조 장치.

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