KR101143315B1 - 전기 방사용 분사 노즐과 이를 사용한 전기 방사 장치 - Google Patents

전기 방사용 분사 노즐과 이를 사용한 전기 방사 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서로 분리 가능하게 장착되는 제 1 노즐 몸체부와 제 2 노즐 몸체부재, 상기 제 1 노즐 몸체부재와 제 2 노즐 몸체부재의 내부로 삽입되어 장착되는 노즐부재를 포함하여, 노즐부재를 통해 섬유 원료액을 토출하면서 공기와 함께 분사하는 에어 전기 방사하는 것을 기본으로하며, 상기 제 2 노즐 몸체부재를 분리하면 노즐부재의 단부가 공기 분사 없이 하는 일반 전기 방사를 안정적으로 할 수 있는 길이로 노출되는 것이다.
따라서 본 발명은 일반 전기 방사(Pure Electrospinning), 공기 전기 방사(Air Electrospinning) 및 가열 공기 전기 방사(Hot Air Electrospinning)를 선택적으로 할 수 있는 것이다.

Description

전기 방사용 분사 노즐과 이를 사용한 전기 방사 장치{Spray Nozzle for Electrospinning And Electrospinning Apparatus Therewith}
본 발명은 전기 방사용 분사 노즐과 이를 사용한 전기 방사 장치에 관한 것으로 더 상세하게는 순수 전기 방사 및 공기 전기 방사, 뜨거운 공기를 이용한 공기 전기 방사를 선택적으로 할 수 있게 발명된 것이다.
일반적으로 전기 방사는 전압이 인가된 섬유 용액을 배출시켜 미세한 직경의 섬유를 얻는 것이다.
상기한 전기 방사는 표면장력에 의해 모세관 끝에 매달려 있는 물방울에 고전압을 부여할 때 물방울 표면에서 미세 필라멘트가 방출되는 정전 스프레이 과정에서 변형된 것으로 충분한 점도를 가진 고분자용액이나 용융체가 정전기력을 부여받을 경우 섬유가 형성되는 현상을 이용한 것으로 섬유 원료액에 이다미세한 직경의 섬유를 얻을 수 있어 근래에 있어 수 ~ 수백 nm의 직경을 가지는 나노섬유를 제조하는데 사용되고 있다.
상기 나노 섬유는 종래의 극세사와 비교하여 단위 부피당 표면적이 높고, 다양한 표면 특성, 구조를 가지는 특성이 있어 전기?전자 및 환경?생명 등 첨단 산 업의 필수 소재로 환경 산업용 여과재, 전기?전자 산업용 소재, 의료용 생체재료 등으로 그 사용 범위가 넓어지고 있다.
상기 나노 섬유는 통상 에어를 통해 섬유 원료액을 분사하는 전기 방사용 분사 노즐을 사용하여 제조하고 있다.
전기 방사용 분사 노즐은 방사구금의 몸체 내에 형성되어 섬유 원료액을 토출하는 원료액 토출부와;
방사구금의 몸체에서 상기 원료액 토출부의 둘레로 형성되며 상기 원료액 토출부의 둘레에서 하부로 연통된 공기 분사 구멍이 형성된 공기 노즐부를 포함하여, 원료액 토출부로부터 토출되는 섬유 원료액을 공기 분사 구멍를 통해 원료액 토출부의 외측에서 하부로 방향으로 공급되는 압축공기와 함께 분사되는 것이다.
또 상기 전기 방사용 분사 노즐과 상기 전기 방사용 분사 노즐로부터 섬유 원료액이 분사되면서 방사된 나노 섬유를 웹 상태로 포집하는 콜렉터에는 각각 +전극과 -전극이 연결되어 공기 노즐부와 콜렉터 상에서의 고압 차이로 인한 전기 방사가 이루어지게 되는 것이다.
상기 전기 방사용 노즐은 수 ~ 수백 nm의 직경을 가지는 나노섬유를 전기 방사하기 위해서 섬유 원료액을 압축 공기와 함께 분사하고 있으며, 분사가 원활하게 이루어지도록 원료액 토출부의 단부가 공기 분사 구멍 내로 요입되게 구비되고 있다.
그러나 상기한 종래의 전기 방사용 노즐은 상기한 바와 같이 섬유 원료액이 토출되는 원료액 토출부의 단부가 공기 분사 구멍으로 요입되게 구비되어 공기에 의한 분사 없이 일반 전기 방사를 할 경우에 섬유 원료액이 토출되면서 방사된 섬유가 공기 분사 구멍에서 걸려 공기 분사 구멍을 막는 문제점이 있어 고압의 공기 분사를 통해 수 ~ 수백 nm의 미세한 직경을 가지는 나노섬유를 제조하는 데에만 사용되는 문제점이 있는 것이다.
그리고 상기한 바와 같이 원료액 토출부의 단부가 공기 분사 구멍 내로 요입된 전기 방사용 노즐은 에어 전기 방사 시 분사된 섬유 원료액이 공기 분사 구멍에 걸려 공기 분사 구멍을 점차적으로 막게 되는 문제점이 있어 상기 원료액 토출부의 단부가 공기 분사 구멍의 외측으로 돌출되게 한 것도 제안된 바 있다.
그러나, 상기한 바와 같이 원료액 토출부의 단부가 공기 분사 구멍의 외측으로 돌출된 전기 방사용 노즐은 안정적인 에어 전기 방사를 위해 원료액 토출부의 돌출 길이가 1~3mm로 제한되고 이러한 돌출 길이로는 에어 분사 없이 섬유 원료액만 토출 시켜 순수 전기 방사를 할 수 없는 것이다.
따라서 종래의 전기 방사 장치는 섬유 직경이 다른 다양한 형태의 조직층을 가지는 제품을 제조할 경우 섬유 원료액만 토출시켜 순수 전기 방사하는 순수 전기 방사용 노즐과 에어를 공급하여 에어 전기 방사하는 전기 방사용 노즐을 별도로 구비해야 하므로 설비비가 많이 소요되고, 작업 중 수시로 전기 방사용 노즐을 교체하여 사용해야 하는 폐단이 있었던 것이다.
또, 상기한 종래의 전기 방사용 노즐은 전극이 방사구금의 몸체에 직접 연결되어 원료액 토출부 내로 공급되는 용액에 전류가 흐르게 하므로 방사구금의 몸체에서 외부로 자기장이 누수되어 전기 방사가 원활하지 못하고 불안정해짐은 물론, 자기장의 누수에 대한 보완으로 고전압을 인가해야하는 문제점이 있었던 것이다.
그리고, 종래의 전기 방사용 노즐은 전극을 직접 연결하기 위해 도체인 금속 재질로 형성되어 무게가 무겁고, 제조 비용이 많이 소요되는 문제점이 있었던 것이다.
본 발명은 섬유 원료액만 방사하는 일반 전기 방사(Pure Electrospinning) 또는 고압의 공기로 섬유 원료액을 분사시켜 직경이 미세한 나노 섬유를 제조하는 공기 전기 방사(Air Electrospinning) 및 고온, 고압의 공기를 사용하여 섬유 원료액을 분사시켜 직경이 미세한 나노 섬유를 제조하는 가열 공기 전기 방사(Hot Air Electrospinning)가 선택적으로 가능한 전기 방사용 분사 노즐과 이를 사용한 전기 방사 장치를 제공하는 데 있다.
이러한 본 발명의 과제는 하부에 섬유 원료액을 토출하는 니들부가 구비되고, 내부로 방사액을 공급받아 상기 니들부로 토출하는 노즐부재와;
상기 노즐부재의 상부 측이 장착되는 노즐 장착부가 하부면에 형성되며, 상기 노즐부재의 내부로 섬유 원료액을 공급하는 원료액 공급 유로 및 공기를 공급받아 배출하는 제 1 공기 유로가 형성된 제 1 노즐 몸체부재와;
상기 제 1 노즐 몸체부재의 하부로 분리 가능하게 결합하며, 상기 노즐부재가 삽입되며 분사구가 하부로 뚫린 삽입부가 형성되고, 내부에 상기 제 1 공기 유로와 삽입부를 연통시키는 제 2 공기 유로가 형성된 제 2 노즐 몸체부재를 포함한 전기 방사용 분사 노즐을 제공함으로써 해결되는 것이다.
또 본 발명의 과제는 하부에 섬유 원료액을 토출하는 니들부가 구비되고, 내부로 방사액을 공급받아 상기 니들부로 토출하는 노즐부재와;
상기 노즐부재의 상부 측이 장착되는 노즐 장착부가 하부면에 형성되며, 상기 노즐부재의 내부로 섬유 원료액을 공급하는 원료액 공급 유로 및 공기를 공급받아 배출하는 제 1 공기 유로가 형성된 제 1 노즐 몸체부재와;
상기 제 1 노즐 몸체부재의 하부로 분리 가능하게 결합하며, 상기 노즐부재가 삽입되며 분사구가 하부로 뚫린 삽입부가 형성되고, 내부에 상기 제 1 공기 유로와 삽입부를 연통시키는 제 2 공기 유로가 형성된 제 2 노즐 몸체부재와;
상기 제 1 노즐 몸체부재의 원료액 공급 유로로 연결되며 섬유 원료액을 저장하여 전압을 인가하는 전압 인가부재와;
상기 전압 인가부재에 섬유 원료액을 공급하는 원료액 공급부와;
상기 제 1 노즐 몸체부재의 제 1 공기 유로로 공기를 공급하는 공기 공급부와;
상기 노즐부재의 니들부로부터 토출된 방사 섬유를 웹상태로 포집하는 콜렉터를 포함한 전기 방사 장치를 제공함으로써 해결된다.
상기 니들부는 상기 노즐부재의 단부에 분리 가능하게 결합한 것이다.
상기 제 2 공기 유로는 상기 제 2 노즐 몸체부재의 횡방향 양 측면부를 통해 가로로 삽입부에 관통되는 제 1 유로 및 상기 제 2 노즐 몸체부재의 상부면에서 상기 제 1 유로로 관통되는 제 2 유로를 포함한 것이다.
상기 제 1 유로의 양 단부에 결합하여 제 1 유로에서 제 2 노즐 몸체부재의 측면부로 개방된 부분을 막는 마개부재를 더 포함한 것이다.
상기 제 1 노즐 몸체부재의 하부면과 제 2 노즐 몸체부의 상부면에는 제 1 공기 유로 및 제 2 공기 유로가 연통되게 뚫려져 서로 암수 구조로 결합하는 결합부가 구비되는 것이다.
상기 제 1 노즐 몸체부재와 제 2 노즐 몸체부재는 PEEK(Poly ether ether ketone), 아세탈(POM; Polyoxymethylene), MC 나일론(Mono Cast Nylon) 중 어느 하나를 사용하여 제조되는 것이다.
상기 제 1 노즐 몸체부재와 제 2 노즐 몸체부재 사이에 제 2 노즐 몸체부재가 분리, 결합된 상태를 감지하는 센서가 개재되는 것이다.
본 발명은 일반 전기 방사(Pure Electrospinning), 공기 전기 방사(Air Electrospinning) 및 가열 공기 전기 방사(Hot Air Electrospinning)를 선택적으로 가능하여 나노 웹의 조직과 제품의 형태에 따라 방사의 형태를 자유롭게 조정할 수 있으며, 하나의 라인 공정 상에서 방사 형태를 혼용할 수 있어 다양한 형태의 조직 층을 적층시킨 제품을 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 섬유 원료액에 전압을 인가함으로써 작은 전압으로 안정적인 전기 방사가 가능하도록 한 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 2 본 발명인 전기 방사용 분사 노즐의 단면도로서, 도 1은 공기 전기 방사를 위해 제 2 노즐 몸체부재가 조립된 상태이고, 도 2는 일반 전기 방 사를 위해 제 2 노즐 몸체부재를 분리하여 노즐부재를 노출시킨 상태를 나타내고 있다.
도 3은 본 발명인 전기 방사 장치를 도시한 개략도로서, 노즐부재 내부로 공급되는 섬유 원료액에 전압을 인가하여 전기 방사하는 것을 개략적으로 나타내고 있다.
이하, 도 1에서 도시한 바와 같이 본 발명의 노즐부재(10)는 상, 하로 관통된 유로가 형성되어 유로를 통해 내부로 공급받는 노즐부재(10)를 하부의 니들부(11)로 토출하는 것이다.
상기 니들부(11)는 내부에 상기 유로에 연통되며 유로보다 작은 직경, 즉, 미세 직경을 토출구가 형성되며, 후술될 제 2 노즐 몸체부재(30)의 분사구(32)에 삽입되며 분사구(32) 내에 요입되게 위치되는 것이다.
상기 니들부(11)는 상기 노즐부재(10)의 단부에 분리 가능하게 결합하여 손상 시 교체하여 정비할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 니들부(11)는 미세한 직경을 가지므로 충격에 쉽게 부러지거나 휘어지는 변형이 발생되므로 손상 시 교체하여 간단히 정비할 수 있게 한 것이다.
상기 니들부(11)는 상기 노즐부재(10)의 단부에 나사 결합으로 분리 가능하게 결합하는 것을 기본으로 하며 이외에도 공지의 결합 구조로 다양하게 변형 실시 할 수 있는 것이다.
또 상기 노즐부재(10)는 도전성 재질로 제조하여 원활한 전기 방사가 이루어지도록 한다.
한편, 상기 노즐부재(10)는 서로 분리 가능하게 결합하는 제 1 노즐 몸체부재(20)에 장착된 상태로 제 2 노즐 몸체부재(30)의 내부로 삽입된다.
상기 제 1 노즐 몸체부재(20)는 내부에 하부면을 통해 상기 노즐부재(10)의 상부 측이 삽입되는 노즐 장착부(21)가 형성되며, 상기 노즐 장착부(21)에는 노즐부재(10)가 나사 결합으로 장착되는 나사 결합부(21a)가 구비되어 노즐부재(10)가 나사 결합부(21a)를 통해 분리 가능하게 장착 고정되는 것이다.
상기 제 1 노즐 몸체부재(20)는 내부에 상기 노즐부재(10)의 내부 즉, 유로로 섬유 원료액을 공급하는 원료액 공급 유로(22) 및 하부면으로 관통되어 후술될 제 2 공기 유로(33)와 연통되는 제 1 공기 유로(23)가 형성된다.
또한 상기 제 1 노즐 몸체부재(20)는 복수의 노즐 장착부(21)가 일렬로 이격되게 형성되어 복수의 노즐부재(10)를 삽입하여 장착할 수 있는 것이다.
상기 원료액 공급 유로(22)는 상기 복수의 노즐 장착부(21)로 삽입된 복수의 노즐부재(10)의 유로에 연통되는 메인 원료액 공급로(22a) 및 상기 제 1 노즐 몸체부재(20)의 상부면에서 상기 메인 원료액 공급로(22a)로 연통되게 형성된 복수의 연결 공급로(22b)를 포함한다.
상기 연결 공급로(22b)에는 후술될 원료액 공급부에 연결되는 제 1 관 연결구(20a)가 결합되며, 제 1 관 연결구(20a)는 원료액 공급부로부터 섬유 원료액을 메인 원료액 공급로(22a) 내부로 공급하는 것이다.
또 상기 복수의 노즐부재(10)는 상단부가 상기 원료액 공급 유로(22) 즉, 메인 원료액 공급로(22a) 내로 일정하게 돌출되게 결합하는 것이 바람직하다.
상기 노즐부재(10)는 도시하지는 않았지만, 노즐부재(10)를 일정하게 파지하는 노즐 장착용 지그를 사용하여 상단부가 메인 원료액 공급로(22a) 내로 일정하게 돌출되게 노즐 장착부(21)로 결합하는 것이다.
상기 노즐 장착용 지그는 노즐부재(10)를 파지한 부분이 제 2 몸체부재(30)의 하부에 걸리면서 노즐부재(10)의 상단부를 메인 원료액 공급로(22a) 내로 일정하게 돌출되게 결합시키는 것이다.
상기 노즐부재(10)의 돌출 높이는 섬유 원료액의 점성에 따라 변형 실시될 수 있으며 본 발명에서는 3 ~ 5mm 이내의 높이로 돌출시키는 것을 기본으로 한다.
노즐부재(10)가 원료액 공급 유로(22) 내부로 불규칙하게 돌출된 경우에는 연결 공급로(22b)를 통해 섬유 원료액이 공급되면 높이가 낮게 돌출된 노즐부재(10)부터 차례로 섬유 원료액을 토출하게 되므로 복수의 노즐부재(10)에서 동시에 전기 방사가 이루어지지 않아 전기 방사되어 포집된 섬유층에 편차가 발생하는 문제가 있는 것이다.
상기 노즐부재(10)의 상단부가 메인 원료액 공급로(22a)의 내주면과 일치되게 압입된 경우에는 연결 공급로(22b)에 근접한 노즐부재(10)로 먼저 섬유 원료액이 공급되어 복수의 노즐부재(10)에서 동시에 전기 방사가 이루어지지 않아 전기 방사되어 포집된 섬유층에 편차가 발생하는 문제가 있는 것이다.
즉, 복수의 노즐부재(10)를 상단부가 메인 원료액 공급로(22a)의 내부로 일정한 높이로 돌출되게 노즐 장착부(21)에 장착시킴으써 원료액 공급 유로(22) 내부로 섬유 원료액이 공급되면 메인 원료액 공급로(22a)의 바닥면부터 점차 차 오르면서 복수의 노즐부재(10)로 동시에 섬유 원료액이 공급되게 하는 것이다.
따라서 복수의 노즐부재(10)에서 동시에 섬유 원료액이 토출되어 전기 방사가 이루어지므로 전기 방사되어 포집된 섬유층에 편차가 발생되지 않는 것이다.
또 상기 메인 원료액 공급로(22a)로 공급된 섬유 원료액은 각 노즐부재(10)의 유로로 유입된 후 니들부(11)의 토출구를 통해 토출되는 것이다.
또 상기 제 1 공기 유로(23)는 제 1 노즐 몸체부재(20)의 상부면으로 관통되는데 관통된 상부에는 후술될 공기 공급부(80)에 연결되는 제 2 관 연결구(미도시)가 결합된다.
한편, 상기 제 1 노즐 몸체부재(20)의 하부에는 상기한 바와 같이 제 2 노즐 몸체부재(30)가 분리 가능하게 결합하며, 상기 제 2 노즐 몸체부재(30)는 상기 제 1 노즐 몸체부재(20)의 하부로 분리 가능하게 결합하며, 상부면을 통해 상기 노즐부재(10)의 하부 측이 삽입되는 삽입부(31)가 형성되고, 삽입부(31)의 하부에 상기 니들부(11)의 둘레에서 하부로 공기를 분사하는 분사구(32)가 형성된다.
또 상기 제 2 노즐 몸체부재(30)는 상기 제 1 공기 유로(23) 및 분사구(32)를 연통시켜 상기 분사구(32) 내로 공기를 공급하는 제 2 공기 유로(33)가 형성된다.
상기 노즐부재(10)는 제 1 노즐 몸체부재(20)의 노즐 장착부(21)에 결합되고 남은 부분이 상기 삽입부(31) 내로 삽입되어 장착되며, 삽입부(31)의 하부에 형성되는 분사구(32) 내에 니들부(11)가 삽입된 상태로 장착된다.
상기 니들부(11)는 단부가 분사구(32)의 출구에서 요입된 상태로 위치되어 섬유 원료액이 공기의 유속에 의해 토출된 후 분사구(32)의 외측으로로 강하게 분사되는 공기와 함께 분사되고, 사용 중 니들부(11)의 단부에서 비이드가 형성되지 않는 것이다.
또한 분사구(32)는 공급된 공기를 니들부(11)의 토출구의 단부 측으로 안내하여 집중시킴으로써 섬유 원료액이 원활히 분사되도록 한다.
또한 상기 제 2 공기 유로(33)는 상기 제 2 노즐 몸체부재(30)의 횡방향 양 측면부를 통해 가로로 분사구(32)에 관통되는 제 1 유로(33a) 및 상기 제 2 노즐 몸체부재(30)의 상부면에서 상기 제 1 유로(33a)로 관통되는 제 2 유로(33b)를 포함한다.
상기 제 1 유로(33a)에는 제 2 노즐 몸체부재(30)의 측면부로 개방된 부분을 막는 마개부재(40)가 결합된다.
상기 제 2 공기 유로(33)는 제 1 공기 유로(23)와 연통되게 상부면에서 수직으로 제 1 유로(33a)를 뚫고, 상기 제 1 유로(33a)와 분사구(32)를 연통시키기 위해 상기 제 2 노즐 몸체부재(30)의 횡방향 양 측면부에서 제 2 유로(33b)를 수평으로 뚫기 때문에 제 2 유로(33b)가 제 2 노즐 몸체부재(30)의 횡방양 양 측면부로 뚫려지게 된다.
따라서 상기 마개부재(40)는 상기한 바와 같이 제 2 유로(33b)의 뚫린 부분을 막아 제 1 유로(33a)와 제 2 유로(33b), 즉, 제 2 공기 유로(33)를 통해 분사구(32)로 유입되는 공기의 유출을 방지하고, 분사구(32)로 공기가 원활히 배출되도록 하는 것이다.
또, 상기 제 2 노즐 몸체부재(30)의 상부면에는 횡방향 양 측에 각각 복수의 체결 홈(52)이 이격되게 형성되며, 상기 제 1 노즐 몸체부재(20)에는 상기 체결 홈(52)에 대응되는 볼트 관통 구멍이 형성된다.
상기 제 1 노즐 몸체부재(20)와 제 2 노즐 몸체부재(30)는 볼트 관통 구멍을 관통하여 체결 홈(52)으로 체결되는 복수의 볼트부재(50)로 서로 분리 가능하게 결합되며, 이외에도 공지의 결합수단을 사용하여 다양하게 변형 실시 할 수 있음을 밝혀둔다.
상기 제 1 노즐 몸체부재(20)의 하부면과 제 2 노즐 몸체부재(30)의 상부면에는 제 1 공기 유로(23) 및 제 2 공기 유로(33)가 연통되게 뚫려져 서로 암수 구조로 결합하는 결합부가 구비되는 것이다.
상기 결합부는 상기 제 2 노즐 몸체부재(30)의 상부면에 돌설되며 제 2 공기 유로(33)가 뚫린 결합 안내 돌기(34)와, 상기 제 1 노즐 몸체부재(20)의 하부면에 상기 결합 안내 돌기(34)가 결합하게 파여지며 제 1 공기 유로(23)가 뚫린 결합 홈(24)을 포함한다.
상기 제 1 노즐 몸체부재(20)와 제 2 노즐 몸체부재(30)는 결합 안내 돌기(34)가 결합 홈(24)내로 결합되면서 제 1 공기 유로(23) 및 제 2 공기 유로(33)가 정확히 일치되면서 조립되며, 제 1 공기 유로(23) 및 제 2 공기 유로(33) 사이도 완전히 실링하는 효과가 있는 것이다.
상기 결합 안내 돌기(34)는 제 1 공기 유로(23)가 뚫려 제 1 노즐 몸체부재(20)의 하부면에 돌출되고, 상기 결합 홈(24)은 제 2 공기 유로(33)가 뚫 려 제 2 노즐 몸체부재(30)의 상부면에 형성될 수도 있다.
상기한 바와 같이 결합 안내 돌기(34)는 제 1 노즐 몸체부재(20)의 하부면과 상기 제 2 노즐 몸체부재(30)의 상부면 중 어느 한 측에 돌출되고, 결합 홈(24)은 제 1 노즐 몸체부재(20)의 하부면과 상기 제 2 노즐 몸체부재(30)의 상부면 중 어느 한 측에 형성되게 변형 실시 할 수 있는 것이다.
상기 제 1 노즐 몸체부재(20)와 제 2 노즐 몸체부재(30)는 합성수지재로 제조되며, PEEK(Poly ether ether ketone), 아세탈(POM; Polyoxymethylene), MC 나일론(Mono Cast Nylon) 중 어느 하나를 사용하여 제조되는 것이 바람직하다.
상기 PEEK(Poly ether ether ketone), 아세탈(POM; Polyoxymethylene), MC 나일론(Mono Cast Nylon)는 내열성, 내약품성, 내구성 등과 같은 기계적 성질이 우수한 엔지니어링 플라스틱으로써 그 중 용해 성형 가능한 결정성 수지로서 가장 높은 내열성을 가지는 PEEK로 제조하는 것이 가장 바람직하다.
상기 PEEK(Poly ether ether ketone), 아세탈(POM; Polyoxymethylene), MC 나일론(Mono Cast Nylon)로 제조된 상기 제 1 노즐 몸체부재(20)와 제 2 노즐 몸체부재(30)는 고온, 고압의 공기를 사용하여 섬유 원료액을 분사시켜 직경이 미세한 나노 섬유를 제조하는 가열 공기 전기 방사(Hot Air Electrospinning)가 가능하게 한다.
즉, 상기한 본 발명인 전기 방사용 분사 노즐은 상기 제 2 노즐 몸체부재(30)가 제 1 노즐 몸체부재(20)에 결합된 상태에서 노즐부재(10)로 섬유 원료액을 공급하고, 분사구(32)로 고압의 공기를 공급함으로써 섬유 원료액을 공기 분사시켜 미세한 직경을 가지는 나노 섬유를 제조하는 공기 전기 방사(Air Electrospinning) 및 가열 공기 전기 방사(Hot Air Electrospinning)를 선택적으로 행할 수 있는 것이다.
또한 본 발명인 전기 방사용 분사 노즐은 도 2에서 도시한 바와 같이 제 2 노즐 몸체부재(30)를 제 1 노즐 몸체부재(20)에서 분리하면 노즐부재(10)의 니들부(11)가 외부로 노출되어 공기 분사 없이 니들부(11)를 통해 섬유 원료만 토출시켜 전기방사하는 일반 전기 방사가 가능해 지는 것이다.
제 2 노즐 몸체부재(30)가 제 1 노즐 몸체부재(20)에 결합된 상태에서 공기 분사를 통한 전기 방사를 안정적으로 하기 위해 니들부(11)의 단부가 분사구(32)의 내부로 요입되게 위치되므로 공기를 분사시키지 않고 전기 방사를 하더라도 요입된 니들부(11)의 단부에서 토출되는 섬유 원료액이 분사구(32)에 걸려 원활한 전기 방사가 이루어지지 않기 때문에 제 2 노즐 몸체부재(30)를 분리하여 노즐부재(10)의 니들부(11)를 외부로 노출시킴으로써 안정적인 일반 전기 방사가 가능해지는 것이다.
한편, 상기한 본 발명인 전기 방사용 노즐을 사용한 전기 방사 장치는 도 3에서 도시한 바와 같이 하부에 섬유 원료액을 토출하는 니들부(11)가 구비되고, 내부로 방사액을 공급받아 상기 니들부(11)로 토출하는 노즐부재(10)와;
하부면을 통해 상기 노즐부재(10)의 상부 측이 삽입되는 노즐 장착부(21) 및 상기 노즐부재(10)의 내부로 섬유 원료액을 공급하는 원료액 공급 유로(22), 하부면으로 관통된 제 1 공기 유로(23)가 형성된 제 1 노즐 몸체부재(20)와;
상기 제 1 노즐 몸체부재(20)의 하부로 분리 가능하게 결합하며, 상부면을 통해 상기 노즐부재(10)의 하부 측이 삽입되는 삽입부(31)가 형성되고, 노즐 장착부(21)의 하부에 상기 니들부(11)의 둘레에서 하부로 공기를 분사하는 분사구(32)가 형성되며 상기 제 1 공기 유로(23) 및 분사구(32)를 연통시켜 상기 분사구 내로 공기를 공급하는 제 2 공기 유로(33)가 형성된 제 2 노즐 몸체부재(30)와;
상기 제 1 노즐 몸체부재(20)의 원료액 공급 유로(22)로 연결되며 섬유 원료액을 일시적으로 저장하여 전압을 인가하는 전압 인가부재(60)와;
상기 전압 인가부재(60)에 섬유 원료액을 공급하는 원료액 공급부(70)와;
상기 제 1 노즐 몸체부재(20)의 제 1 공기 유로(23)로 공기를 공급하는 공기 공급부(80)와;
상기 노즐부재(10)의 니들부(11)로부터 토출된 방사 섬유를 웹상태로 포집하는 콜렉터(90)를 포함한다.
또한 본 발명인 전기 방사 장치는 전압을 인가하는 어느 한 전극이 상기 전압 인가부재(60)에 저장된 섬유 원료액에 연결되고, 다른 한 전극이 접지되어 전압 차를 발생시키는 전압 부여 수단(100)을 더 포함한다.
상기 원료액 공급부(70)는 섬유 원료액을 저장하는 원료액 저장 탱크(71) 및 원료액 저장 탱크(71)에서 전압 인가부재(60)로 연결된 제 1 호스(72), 전압 인가부재(60)에서 원료액 공급 유로(22)로 연결되는 제 2 호스(73)를 포함하여 섬유 원료액을 전압 인가부재(60)를 통해 제 1 공기 유로(23)로 공급하는 것이다.
또한 제 1 호스(72) 또는 제 2 호스(73)에는 섬유 원료액의 공급량을 제어하 는 유량 제어 밸브가 장착되어 원료액 공급 유로(22)로 공급되는 섬유 원료액의 공급량을 제어할 수 있게 하는 것이 바람직하다.
상기 제 2 호스(73)는 제 1 노즐 몸체부재(20)의 상부면에서 원료액 공급 유로(22)에 장착되는 제 1 관 연결구(20a)에 연결되어 전류가 흐르는 섬유 원료액을 원료액 공급 유로(22)로 공급하는 것이다.
본 발명인 전기 방사 장치는 상기한 바와 같이 원료액 저장 탱크(71)로부터 공급받은 섬유 원료액을 일시적으로 저장하는 전압 인가부재(60)의 내부에서 섬유 원료액에 전압을 인가하는 것이다.
그리고 전압 부여 수단(100)의 어느 한 전극은 전압 인가부재(60)의 내부에 저장된 섬유 원료액에 연결되고, 다른 한 전극은 접지되어 상기 노즐부재(10)와, 상기 노즐부재(10)에서 전기 방사된 웹 상태의 섬유를 포집하는 상기 콜렉터(90) 사이에 전기 방사가 가능한 전압 차를 부여하는 것이다.
상기 콜렉터(90)는 전기 방사 섬유를 받아 내는 모조지, 부직포, 필름 등의 섬유 포집 시트부재(91a)가 권취된 제 1 권취 릴(91)과;
상기 제 1 권취 릴(91)과 이격되게 구비되어 상기 제 1 권취 릴(91)에 감긴 섬유 포집 시트부재(91a)의 단부가 연결되며 모터에 의해 회전하여 섬유 포집 시트(91a)를 감아 권취하는 제 2 권취 릴(92)과;
상기 제 1 권취 릴(91)과 제 2 권취 릴(92) 사이에 이격되게 구비되어 제 1 권취 릴(91)에서 제 2 권취 릴(92)로 이동되는 섬유 포집 시트부재(91a)의 이동을 안내하는 복수의 가이드 롤(93)과;
상기 제 2 권취 릴(92) 측에 구비되며 모터에 의해 회전하여 섬유 포집 시트 상에 포집된 방사 섬유를 감아 권취하는 제 3 권취 릴(94)을 포함한다.
즉, 섬유 원료액에 전압이 인가되어 전기 방사가 이루어므로, 제 1 노즐 몸체부재(20)와 제 2 노즐 몸체부재(30)의 외부로 자기장이 누수되어 전기 방사가 원활하지 못하고 불안정해지는 것을 방지함은 물론, 콜렉터(90) 측과의 작은 전압 차이로도 안정적인 전기 방사를 할 수 있는 것이다.
또 상기 노즐부재(10)의 니들부(11)를 통해 전기 방사된 섬유는 제 1 권취 릴(91)에서 제 2 권취 릴(92)로 이동하면서 감기는 섬유 포집 시트부재(91a)의 표면에 웹상태로 포집되어 섬유 포집 시트부재(91a)와 함께 이동하면서 제 3 권취 릴(94)에 감기게 되는 것이다.
제 2 권취 릴(92)에 감겨진 섬유 포집 시트부재(91a)는 분리되어 제 1 권취 릴(91)에 재결합하여 재 사용이 가능한 것이다.
한편, 상기 제 2 노즐 몸체부재(30)는 제 1 노즐 몸체부재(20)에 결합, 분리되어 일반 전기 방사(Pure Electrospinning), 공기 전기 방사(Air Electrospinning) 및 가열 공기 전기 방사(Hot Air Electrospinning)를 선택적으로 할 수 있는 것이다.
이를 포함한 제 1 노즐 몸체부재(20)와 제 2 노즐 몸체부재(30), 노즐부재(10)의 실시 예는 상기에서 상세히 설명한 바, 중복하여 설명하는 것을 생략함을 밝혀둔다.
그리고 상기 공기 공급부(80)는 공기를 저장한 공기 저장 탱크(81)와;
상기 공기 저장 탱크(81)에서 제 1 공기 유로(23)로 연결되는 공기 공급관(82)과;
상기 공기 공급관(82)에 장착되어 공기 공급관(82)의 관로를 개폐하는 공기 조절 밸브(83)와;
상기 제 1 노즐 몸체부재(20)와 제 2 노즐 몸체부재(30) 사이에 개재되어 제 2 노즐 몸체부재(30)가 분리, 결합된 상태를 감지하는 센서(84)와;
상기 센서(84)와 상기 공기 조절 밸브(83)에 연계되어 센서(84)에서 감지된 신호로 공기 조절 밸브(83)를 개폐하는 밸브 제어부(85)를 포함한다.
상기 밸브 제어부(85)는 상기한 제 1 호스(72) 및 제 2 호스(73)의 유량 제어 밸브에도 연계되어 유량 제어 밸브의 개폐 및 개폐량을 제어할 수 있다.
또 상기 센서(84)는 제 1 노즐 몸체부재(20)의 하부면에 장착되어 제 2 노즐 몸체부재(30)의 상부면에 접촉되는 접촉식 감지 센서를 사용하여 제 2 노즐 몸체부재(30)가 제 1 노즐 몸체부재(20)의 하부에 결합되거나, 분리된 상태를 감지하는 것을 기본으로 하며, 이외의 공지의 센서로 다양하게 변형 실시 할 수 있는 것이다.
상기 제 2 노즐 몸체부재(30)가 분리된 상태에서는 상기 센서(84)에서 이를 감지하여 밸브 제어부(85)를 통해 공기 조절 밸브(83)로 공기 공급관(82)의 관로를 막아 불필요한 공기 공급을 차단하고 공기 분사 없이 순수 섬유 원료액만 니들부(11)로 토출시켜 일반 전기 방사가 이루어지게 되는 것이다.
또한 제 2 노즐 몸체부재(30)가 결합된 상태에서는 상기 센서(84)에서 이를 감지하여 밸브 제어부(85)를 통해 공기 조절 밸브(83)를 작동시켜 공기 공급관(82)의 관로를 열어 공기 또는 가열 공기를 공급함으로써 공기 또 가열 공기로 섬유 원료액을 니즐부로 분사시켜 공기 전기 방사(Air Electrospinning) 또는 가열 공기 전기 방사(Hot Air Electrospinning)가 이루어지게 되는 것이다.
따라서, 제 2 노즐 몸체부재(30)의 결합, 분리 상태를 자동으로 감지하여 공기 공급을 제어하므로 공기 공급을 제어하는 별도의 조작 없이 전기 방사의 형태에 따라 안정적인 전기 방사가 가능한 것이다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지에 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있으며 이는 본 발명의 구성에 포함됨을 밝혀둔다.
도 1 내지 도 2는 본 발명인 전기 방사용 분사 노즐의 단면도
도 3은 본 발명인 전기 방사 장치를 도시한 개략도
*도면 중 주요 부호에 대한 설명*
10 : 노즐부재 11 : 니들부
20 : 제 1 노즐 몸체부재 21 : 노즐 장착부
22 : 원료액 공급 유로 23 : 제 1 공기 유로
30 : 제 2 노즐 몸체부재 31 : 삽입부
32 : 분사구 33 : 제 2 공기 유로
60 : 전압 인가부재 70 : 원료액 공급부
80 : 공기 공급부 90 : 콜렉터
100 : 전압 부여 수단

Claims (14)

  1. 하부에 섬유 원료액을 토출하는 니들부가 구비되고, 내부로 방사액을 공급받아 상기 니들부로 토출하는 노즐부재와;
    상기 노즐부재의 상부 측이 장착되는 노즐 장착부가 하부면에 형성되며, 상기 노즐부재의 내부로 섬유 원료액을 공급하는 원료액 공급 유로 및 공기를 공급받아 배출하는 제 1 공기 유로가 형성된 제 1 노즐 몸체부재와;
    상기 제 1 노즐 몸체부재의 하부로 분리 가능하게 결합하며, 상기 노즐부재가 삽입되며 분사구가 하부로 뚫린 삽입부가 형성되고, 내부에 상기 제 1 공기 유로와 삽입부를 연통시키는 제 2 공기 유로가 형성된 제 2 노즐 몸체부재를 포함하며,
    상기 원료액 공급 유로는 복수의 노즐부재가 연통되게 결합하는 메인 원료액 공급로를 포함하며,
    상기 복수의 노즐부재는 상단부가 상기 메인 원료액 공급로 내에 일정한 높이로 돌출되게 결합하는 것을 특징으로 하는 전기 방사용 분사 노즐.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 니들부는 상기 노즐부재의 단부에 분리 가능하게 결합한 것을 특징으로 하는 전기 방사용 분사 노즐.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 공기 유로는 상기 제 2 노즐 몸체부재의 횡방향 양 측면부를 통해 가로로 삽입부에 관통되는 제 1 유로 및 상기 제 2 노즐 몸체부재의 상부면에서 상기 제 1 유로로 관통되는 제 2 유로를 포함한 것을 특징으로 하는 전기 방사용 분 사 노즐.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 1 유로의 양 단부에 결합하여 제 1 유로에서 제 2 노즐 몸체부재의 측면부로 개방된 부분을 막는 마개부재를 더 포함한 것을 특징으로 하는 전기 방사용 분사 노즐.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 노즐 몸체부재의 하부면과 제 2 노즐 몸체부의 상부면에는 제 1 공기 유로 및 제 2 공기 유로가 연통되게 뚫려져 서로 암수 구조로 결합하는 결합부가 구비되는 것을 특징으로 하는 전기 방사용 분사 노즐.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 노즐 몸체부재와 제 2 노즐 몸체부재는 PEEK(Poly ether ether ketone), 아세탈(POM; Polyoxymethylene), MC 나일론(Mono Cast Nylon) 중 어느 하나를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 전기 방사용 분사 노즐.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 노즐 몸체부재와 제 2 노즐 몸체부재 사이에 제 2 노즐 몸체부재가 분리, 결합된 상태를 감지하는 센서가 개재되는 것을 특징으로 하는 전기 방사용 분사 노즐.
  9. 하부에 섬유 원료액을 토출하는 니들부가 구비되고, 내부로 방사액을 공급받아 상기 니들부로 토출하는 노즐부재와;
    상기 노즐부재의 상부 측이 장착되는 노즐 장착부가 하부면에 형성되며, 상기 노즐부재의 내부로 섬유 원료액을 공급하는 원료액 공급 유로 및 공기를 공급받아 배출하는 제 1 공기 유로가 형성된 제 1 노즐 몸체부재와;
    상기 제 1 노즐 몸체부재의 하부로 분리 가능하게 결합하며, 상기 노즐부재가 삽입되며 분사구가 하부로 뚫린 삽입부가 형성되고, 내부에 상기 제 1 공기 유로와 삽입부를 연통시키는 제 2 공기 유로가 형성된 제 2 노즐 몸체부재와;
    상기 제 1 노즐 몸체부재의 원료액 공급 유로로 연결되며 섬유 원료액을 저장하여 전압을 인가하는 전압 인가부재와;
    상기 전압 인가부재에 섬유 원료액을 공급하는 원료액 공급부와;
    상기 제 1 노즐 몸체부재의 제 1 공기 유로로 공기를 공급하는 공기 공급부와;
    상기 노즐부재의 니들부로부터 토출된 방사 섬유를 웹상태로 포집하는 콜렉터를 포함하며,
    상기 원료액 공급 유로는 복수의 노즐부재가 연통되게 결합하는 메인 원료액 공급로를 포함하며,
    상기 복수의 노즐부재는 상단부가 상기 메인 원료액 공급로 내에 일정한 높이로 돌출되게 결합하는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 니들부는 상기 노즐부재의 단부에 분리 가능하게 결합한 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 2 공기 유로는 상기 제 2 노즐 몸체부재의 횡방향 양 측면부를 통해 가로로 삽입부에 관통되는 제 1 유로 및 상기 제 2 노즐 몸체부재의 상부면에서 상기 제 1 유로로 관통되는 제 2 유로를 포함한 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제 1 유로의 양 단부에 결합하여 제 1 유로에서 제 2 노즐 몸체부재의 측면부로 개방된 부분을 막는 마개부재를 더 포함한 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 노즐 몸체부재의 하부면과 제 2 노즐 몸체부의 상부면에는 제 1 공기 유로 및 제 2 공기 유로가 연통되게 뚫려져 서로 암수 구조로 결합하는 결합부가 구비되는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 노즐 몸체부재와 제 2 노즐 몸체부재는 PEEK(Poly ether ether ketone), 아세탈(POM; Polyoxymethylene), MC 나일론(Mono Cast Nylon) 중 어느 하나를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
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