KR100843269B1 - 전기방사장치를 위한 노즐 블록 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기방사장치의 노즐 블록에 관한 것이고, 구체적으로 상향식 전기방사장치에서 방사 균일성을 향상시킬 수 있는 노즐 블록에 관한 것이다. 본 발명에 따른 노즐블록은 진행 방향을 기준으로 노즐블록의 폭 방향의 가장 바깥 열부터 일정한 수의 열에 배치된 방사 노즐의 높이 및 일정한 수의 열부터 중앙 부분 사이에 정렬된 방사 노즐의 높이가 서로 다른 것을 특징으로 한다.

노즐블록, 노즐유닛, 상향식, 폭 방향, 전기장 간섭

Description

전기방사장치를 위한 노즐 블록{Spinning Nozzle Block for Electrospinning}

도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명에 따른 노즐블록의 실시 예를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 노즐블록을 가진 상향식 전기방사장치를 도시한 것이다.

본 발명은 전기방사장치의 노즐 블록에 관한 것이고, 구체적으로 상향식 전기방사장치에서 방사 균일성을 향상시킬 수 있는 노즐 블록에 관한 것이다.

고분자 폴리머 용액을 용제에 녹인 방사 용액을 전기 방사하여 나노섬유를 제조하는 방법 또는 장치는 이 분야에 공지되어 있다. 방사 용액은 방사 노즐을 가진 방사블록에서 방사되고 그리고 컬렉터에 집속이 되어 나노섬유 웹을 형성한다. 나노섬유의 제조를 위한 방사 도프(dope)는 고분자 폴리머 용융물 형태가 될 수 있지만 일반적으로 용액 형태가 된다. 나노섬유의 제조를 위한 전기 방사 장치는 노즐 블록 및 컬렉터에 고전압을 인가하여 방사 용액 또는 용융물을 방사시킨다. 노즐 블 록은 수십 내지 수천 개의 방사노즐을 포함하고 있으므로 동일한 노즐 블록에 형성된 방사 노즐 사이에 형성되는 전압의 불균일성으로 인하여 컬렉터에 집속되는 나노섬유 웹은 두께가 일정하지 않게 되는 것과 같은 문제점을 가질 수 있다. 이와 같은 방사 불균일성을 해결하기 위한 선행 기술로 특허공개번호 10-2004-0016320이 있다. 상기 선행발명은 하향식 전기방사장치로 노즐 블록에 설치된 다수 개의 방사 노즐이 중앙부분으로부터 가장자리 쪽으로 갈수록 짧아지도록 하는 것을 제안한다. 방사 안정성 또는 균일성을 향상시키기 위한 다른 선행기술로 특허등록번호 642609가 있다. 상기 발명은 일정한 형태의 분배 판을 가진 노즐 블록을 제안한다. 그러나 제시된 선행발명에서 제안된 방법에 의하여 실질적으로 컬렉터에 집속되는 나노섬유 웹의 두께의 불균일성 문제가 완전히 해결되는 것은 아니다. 형성된 나노섬유 웹의 폭 방향에 따른 두께의 불균일성은 특히 양쪽 가장자리에서 문제가 된다. 방사 균일성은 다양한 원인에 의하여 발생하고 그리고 실질적으로 이에 따라 문제가 되는 것은 형성된 나노섬유 웹의 폭 방향 및 진행 방향의 두께의 불균일성이다. 그러므로 실시간으로 방사 노즐 및 컬렉터 사이의 간격이 조절될 수 있어야 한다.

본 발명은 방사 균일성이 향상되고 그리고 이로 인하여 형성된 나노섬유 웹의 폭 방향 및 길이 방향의 두께의 균일성이 향상될 수 있는 전기방사 장치를 위한 노즐블록을 제안한다.

본 발명의 목적은 방사 균일성이 향상된 전기방사장치를 위한 노즐블록을 제공하는 것이다.

본 발명은 용액 방사 및 용융 전기방사 장치와 같은 임의의 방사도프(dope)를 위한 전기 방사 장치에 적용될 수 있고 아울러 상향, 측면 및 하향식 전기방사장치 모두에 적용될 수 있다.

본 발명에 적절한 실시 형태에 따르면, 다수 개의 방사노즐을 가진 전기방사장치의 노즐블록은 진행 방향을 기준으로 노즐블록의 폭 방향의 가장 바깥 열부터 일정한 수의 열에 배치된 방사 노즐의 높이 및 일정한 수의 열부터 중앙 부분 사이에 정렬된 방사 노즐의 높이가 서로 다르다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 가장 바깥 열부터 일정한 수의 열에 배치된 방사 노즐의 높이는 중앙 부분으로 갈수록 높이가 높아진다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 진행 방향을 기준으로 일정한 수의 행까지 앞의 행의 빈 공간을 채우면서 다음 행이 정렬되도록 하면서 전체적으로 방사 노즐이 대각선으로 정렬된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 일정한 수의 행은 5-30행이 된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 전기방사장치는 상향식 전기방사장치가 된다.

아래에서 본 발명은 실시 예를 이용하여 상세하게 설명이 된다. 제시된 실시 예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

본 명세서에서 노즐 유닛은 적어도 하나 이상의 노즐 블록이 정렬되어 형성 된 단위체를 의미한다. 대량 생산을 위한 전기방사장치는 일정한 형태로 정렬된 다수 개의 노즐 유닛으로부터 방사용액이 컬렉터에 전기 방사가 되어 나노섬유 웹이 연속적으로 제조될 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 다수 개의 노즐 블록은 포함하는 노즐 유닛을 도시한 것이다. 도 1a에서 위쪽 부분에 화살표로 표시된 것은 나노섬유 웹의 기재 또는 원단의 진행방향을 나타낸 것이다.

도 1a를 참조하면, 노즐 유닛(1)은 2개의 노즐 블록(10)을 포함하지만, 필요에 따라 노즐 유닛(1)은 임의 개수의 노즐 블록(10)을 포함할 수 있지만 하나의 노즐 유닛(1)에 하나의 노즐 블록(10)만이 설치될 수도 있다. 노즐 블록(10)의 윗면에 다수 개의 방사 노즐(11)이 설치될 수 있고, 바람직하게는 50 내지 3,0000의 방사 노즐(11)이 설치될 수 있다. 다수 개의 방사 노즐(11)이 설치되는 경우 방사 노즐(11)은 노즐 불록(10)으로부터 위쪽으로 돌출되고 그리고 각각의 방사 노즐(11)은 테이퍼가 지는 형태와 같이 일정한 기하학적 형태로 형성된다. 그리고 이와 같은 돌출 및 기하학적 형태로 인하여 다수 개의 방사 노즐(11) 사이에 전기장 간섭이 발생하게 되고 이로 인하여 방사 균일성이 저해된다. 그 결과로 컬렉터에 집속되는 나노섬유 웹의 물성의 균일성에 영향을 미치게 된다. 예를 들어 제조된 나노 섬유 웹의 위치에 따라 두께가 서로 달라질 수 있다. 이와 같은 두께의 불균일성은 나노섬유 웹의 가장자리와 중앙 부분사이에 두드러진다. 본 발명에 따른 노즐 블록(10)은 이와 같은 전기장의 간섭 현상을 감소시켜 방사 균일성을 향상시키기 위하여 일정한 패턴에 따라 형성된다.

다수 개의 방사 노즐(11)이 노즐 블록(10)에 규칙적으로 동일한 높이로 배열되는 경우 제조된 나노섬유 웹의 두께를 측정하면 가장자리 부분이 중앙 부분에 비하여 큰 두께를 가진다는 것을 알 수 있다. 이것은 동일한 높이를 가진 방사 노즐(10)의 경우 가장자리의 방사 양이 중앙부분에 비하여 많다는 것을 의미한다. 그리고 동일한 간격으로 사각형 형태로 방사 노즐을 배열하는 경우 인접하는 두 영역 사이에 두께의 차이가 나타난다는 것을 알 수 있다. 이것은 인접하는 두 영역 사이에도 방사양의 차이가 발생할 수 있다는 것을 의미한다. 이와 같은 방사 양의 불균일성을 보정하기 위하여 본 발명에 따른 노즐 블록(10)은 서로 다른 높이 및 일정한 패턴을 가진 다수 개의 방사 노즐(11)을 포함한다.

도 1a 및 도 1b의 A로 표시된 부분은 화살표로 표시된 나노섬유 웹의 진행방향에 대하여 폭 방향의 가장자리 좌우측(좌우측 대칭이므로 좌측부분만 표시)을 표시한 것이다. 본 명세서에서 폭 방향(W)이란 나노 섬유 웹의 진행 방향에 대하여 수직이 되는 방향을 말한다. 폭 방향의 가장 바깥쪽 방사 노즐로부터 안쪽 방사 노즐은 차례대로 각각 11a, 11b, 11c 및 11d로 표시되어 있다. 방사 노즐(11)은 일반적으로 노즐 블록(10)의 바닥면으로부터 0.5 내지 5 ㎝의 높이를 가지고 그리고 방사 노즐(11) 폭 방향의 간격은 0.5 내지 25 ㎝가 될 수 있다. 그리고 방사 노즐(11)의 위쪽 끝 부분과 컬렉터 하단까지의 거리는 0.5 내지 30㎝가 될 수 있다. 본 발명에 따르면, 폭 방향으로 노즐 블록(10)의 가장 바깥쪽 방사노즐(11a)은 노즐 블록(10)의 바닥면으로부터 가장 낮게 형성된다. 두 번째 바깥쪽 노즐(11b)은 가장 바깥쪽 노즐(11a)에 비하여 약간 높게 형성된다. 그리고 세 번째 바깥쪽 노 즐(11c)은 두 번째 바깥쪽 노즐보다 약간 높게 형성된다. 그러나 네 번째 바깥 쪽 노즐(11d)은 세 번째 바깥쪽 노즐(11c)과 동일한 높이로 형성된다. 그리고 세 번째 바깥 노즐(11c)의 안쪽 노즐들은 모두 세 번째 바깥 노즐(11c)과 동일한 높이로 형성된다. 이와 같이 서로 다른 높이로 형성되는 노즐은 노즐 블록의 폭 방향(W)을 기준으로 가장 바깥쪽 열에 위치하는 노즐(11a)들은 동일한 높이가 되지만 두 번째 열에 위치하는 노즐(11b)들에 비하여 약간 낮게 형성된다. 이와 같은 방식으로 방사 노즐(11)들을 한 열씩 안쪽으로 갈수록 높이가 높아지고 그리고 정해진 열부터 중앙 부분의 열까지 모두 동일한 높이로 형성된다.

위와 같이 본 발명에 따른 노즐 블록(10)에 배치된 방사 노즐은 일정한 패턴에 따라 노즐 블록(10)의 윗면에 정렬된다. 도 1에서 폭 방향으로 가장 바깥쪽으로부터 중앙부분으로 제3열까지 방사 노즐의 높이가 높아지고 그리고 제3열부터 중앙부분의 열까지 방사 노즐의 높이가 일정한 실시 예를 제시하였다. 그러나 높이가 변하는 열의 수는 제조된 나노섬유의 물성의 측정 또는 각 부분의 전기장 세기의 측정에 따라 결정될 수 있다. 높이의 변화율은 일정한 값이 될 필요는 없지만 방사 노즐의 최대 높이를 기준으로 1/30 내지 1/5의 범위로 바깥쪽 열의 방사 노즐의 높이가 차례대로 낮아질 수 있다.

본 발명에 따른 방사 노즐은 진행방향으로 빈 영역을 채우는 형태로 배열이 된다. 도 1a 및 도 1b의 (가)에 도시된 것처럼 폭 방향으로 제2행은 제1행의 각 열 사이에 배치가 된다. 그리고 제3행은 다시 제1행과 동일한 위치에 배열이 된다. 이와 같은 방사 노즐의 정렬은 전체적으로 대각선을 따라 정렬되는 것으로 나타난다. 도 1b의 (나) 및 (다)는 대각선 정렬의 다른 형태를 도시한 것이다. 도 1b의 (나) 및 (다)를 살펴보면, 진행 방향에 대하여 각각 3개의 행 및 4개의 행을 단위로 진행방향으로 각 행은 빈 영역을 동일한 간격으로 채우면서 정렬되는 것을 알 수 있다. 그리고 동일한 형태의 채움 정렬이 반복된다. 그리고 이와 같은 채움 정렬은 전체적으로 방사 노즐이 대각선 형태로 정렬되도록 한다. 본 명세서에서 이와 같이 일정한 수의 행을 기준으로 진행 방향으로 빈 영역을 채우면서 각각의 행들이 정렬되고 그리고 이와 동시에 전체적으로 대각선을 따라 정렬되는 것을 “채움 대각선 정렬”이라 한다. 일정한 수의 행은 도 1b의 (가)의 경우 2행이 되고 그리고 도 1b의 (나) 및 (다)의 경우 각각 3행 및 4행이 된다. 일정한 행의 수는 제한이 될 필요가 없지만 바람직하게는 5 내지 30행이 될 수 있다. 본 발명에 따라 방사 노즐이 진행 방향의 채움 대각선 정렬이 되는 경우 제조된 나노섬유 웹이 균일한 두께를 가지도록 한다. 나노 섬유를 대량으로 생산하는 경우 방사 노즐이 채움 대각선 정렬이 되지 않는 경우 물성의 불균일성을 유발시킬 수 있다. 기준이 되는 일정한 수의 행은 실질적으로 제조된 나노 섬유 웹의 각 부분의 두께 또는 다른 물성을 측정하여 결정될 수 있다.

위에서 자세히 설명을 한 것처럼 본 발명에 따른 노즐 블록의 방사 노즐은 진행 방향을 기준으로 바깥쪽 부분의 일정 수의 열은 중앙 부분에 비하여 높이가 낮고 그리고 진행 방향을 기준으로 채움 대각선 정렬이 된다. 이와 같은 방사 노즐의 정렬은 나노섬유의 연속 대량 생산에서 제조된 나노섬유 웹이 균일한 물성을 가지도록 한다.

아래에서 본 발명에 따른 노즐 블록이 적용된 상향식 전기 방사 장치에 대하여 설명을 한다.

도 2는 본 발명에 따른 노즐 블록이 적용된 상향식 전기방사 장치를 도시한 것이다.

도 2에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 노즐 블록은 다수 개의 노즐 유닛을 가진 상향식 전기 방사 장치에 설치될 수 있다. 상향식 전기 방사 장치는 출원인에 의하여 출원된 특허출원번호 제10-2007-0029866호에 개시되어 있고, 상기 발명은 참조로 본 명세서의 내용에 결합된다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 2개의 노즐 블록(10)은 하나의 노즐 유닛을 형성하고 그리고 노즐 유닛은 높이 조절이 가능한 테이블(T)에 설치될 수 있다. 노즐블록(10)에 설치되는 방사노즐(11)은 가장자리 부분과 중앙 부분에서 각각 서로 높이를 가진다. 방사노즐(11)로부터 방사된 방사 용액은 지지 빔(22)에 의하여 지지되는 컬렉터(21)에 집속된다. 노즐유닛 및 컬렉터(21)는 각각 고전압 발생 장치(25)의 음극 및 양극에 연결되어 노즐 유닛과 컬렉터(21) 사이에 고전압을 발생시킨다. 방사된 방사용액은 롤러(R)에 의하여 회전하는 와이어벨트에 부착된 기재 또는 원단에 집속되어 후처리 공정을 거친 후 나노섬유 웹이 형성된 나노섬유 제품으로 된다. 그리고 본 발명에 따른 노즐 블록(10)이 적용된 전기 방사 장치는 연속 대량 생산에서 균일한 물성을 가진 나노섬유가 제조되도록 한다. 도 2에서 본 발명에 따른 노즐 블록(10)이 상향식 전기 방사 장치에 적용된 예를 제시하였지만 본 발명에 따른 노즐 블록(10)의 임의의 형태의 전기 방사 장치에 적용될 수 있다.

위에서 본 발명은 실시 예를 이용하여 상세하게 설명이 되었다. 제시된 실시 예는 예시적인 것으로 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 제시된 실시 예에 대한 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 이러한 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않고 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.

본 발명에 따른 노즐블록은 방사 용액이 컬렉터에 균일하게 집속이 되도록 하여 균일한 두께를 가진 나노섬유가 제조될 수 있도록 한다. 특히 나노섬유 웹의 폭 방향으로 가장자리 부분과 중앙 부분 사이의 두께가 동일하고 아울러 진행방향으로 두께가 균일한 나노섬유의 제조가 가능하도록 하여 결과적으로 균질한 물성을 가진 나노섬유가 제조될 수 있도록 한다.

Claims (5)

1. 다수 개의 방사노즐을 가진 전기방사장치의 노즐블록에 있어서,

   진행 방향을 기준으로 노즐블록의 폭 방향의 가장 바깥 열부터 일정한 수의 열에 배치된 방사 노즐의 높이 및 일정한 수의 열부터 중앙 부분 사이에 정렬된 방사 노즐의 높이가 서로 다르고, 진행 방향을 기준으로 일정한 수의 행까지 앞의 행의 빈 공간을 채우면서 다음 행이 정렬되도록 하면서 전체적으로 방사 노즐이 대각선으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 전기방사장치의 노즐블록.
2. 청구항 1에 있어서, 가장 바깥 열부터 일정한 수의 열에 배치된 방사 노즐의 높이는 중앙 부분으로 갈수록 높이가 높아지는 것을 특징으로 하는 전기방사장치의 노즐블록.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서, 일정한 수의 행은 5 내지 30행이 되는 것을 특징으로 하는 전기방사장치의 노즐블록.
5. 청구항 1에 있어서, 전기방사장치는 상향식 전기방사장치가 되는 것을 특징으로 하는 전기방사장치의 노즐블록.

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