KR101266340B1 - 전기방사 섬유 형성 방법, 장치 및 그에 의해 형성된 섬유. - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 폴리머 또는 폴리머 혼합물로부터 섬유를 형성하는 방법에 관한 것이며, 상기 섬유로 형성될 수 있는 구조에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유는 나노섬유이다. 본 발명은 하나 이상의 폴리머 또는 폴리머 혼합물로부터 만들어지는 섬유를 형성하는 장치 및 상기 섬유를 형성하는 방법에 관한 것이다.

전기방사, 폴리머, 섬유

Description

전기방사 섬유 형성 방법, 장치 및 그에 의해 형성된 섬유.{Method and Device for Producing Electrospun Fibers and Fibers Produced Thereby}

본 발명은 하나 이상의 폴리머(polymers) 또는 폴리머 혼합물로부터 섬유(fibers)를 형성하는 방법에 관한 것이며, 상기 섬유로 형성될 수 있는 구조에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유는 나노섬유(nanofibers)이다. 본 발명은 하나 이상의 폴리머 또는 폴리머 혼합물로부터 만들어지는 섬유를 형성하는 장치 및 상기 섬유를 형성하는 방법에 관한 것이다.

지난 몇 년간 나노섬유와 나노섬유 기술에 관한 수요가 증가했다. 그 결과 경제적으로 나노섬유를 생성하는 방법뿐만 아니라 나노섬유에 관한 신뢰성있는 재료들이 탐구되었다. 나노섬유의 사용은 비용 효율적인 제조에 대하여 높아진 기대와 함께 증가하였다. 그리고, 앞으로 몇 년 동안 나노섬유의 주요 수요가 발달하고 확장할 것은 거의 확실시되고 있다. 일반적으로, 나노섬유는 이미 고 효율 필터 산업에 이용되고 있다. 생체적응재료(biomaterials) 분야에서는 살아있는 세포를 보조하는 구조 개발에 대한 산업적인 중요성이 크다.(예를 들어, 생물 조직 공학의 뼈대). 나노 섬유가 적용된 보호의복 및 직물은 스포츠 의류 및 군대에서 중요하다. 나노 섬유는 단위 질량당 표면적이 넓기 때문에, 생화학 작용제에 대하여 효과적으로 방어를 하는 동시에 상당히 편안한 의복을 제공하는 것이 가능하다. 또한 나노섬유가 사용되는 곳을 몇 가지 나열하면 상품의 포장, 음식의 보존, 의학, 농업, 배터리, 전자/반도체 부품 및 연료전지 등이 있다.

탄소 나노섬유는 고온 반응의 촉매, 열 관리, 엘라스토머(elastomers)의 보강, 액체 또는 가스용 필터, 그리고 보호의복의 구성요소에 적용되는 것과 같이, 혼합물 강화에 잠재적인 효과가 있다. 탄소 또는 폴리머(Polymer)로 이루어진 나노섬유는 강화된 복합물, 효소와 촉매 기질, 식물에 대한 살충제 살포, 편안함과 보호성이 향상된 직물, 나노미터 크기의 에어로졸(aerosols) 또는 먼지를 위한 향상된 필터, 우주 온도 조절 장치, 그리고, 온도 및 화학적인 환경에서 빠른 응답 시간을 가진 센서에서 적용점을 찾을 것이다. 고분자 중간생성물로부터 형성된 세라믹 나노섬유는 촉매 지지체, 고온 강화 섬유, 뜨겁고 민감한 가스 및 액체를 위한 필터구조에 유용할 것이다.

중요한 것은 충분한 양의 나노섬유를 제조하는 능력이다. 그리고 바람직하게는 상기 섬유를 포함하여 사용하는 상품 및 구조를 생산하는 것이다.

고분자 물질의 전기 방사에 의한 나노구조의 생산은 지난 몇 년 동안 많은 관심을 모았다. 비록 나노섬유를 생산하는 다른 방법이 사용되었다 하더라도, 전기 방사는 나노섬유 및 나노구조를 생산하는 간단하고 수월한 방법이다.

상기 나노구조는 현재 튜브에 주의를 기울여 결합되는 간단한 비구조섬유 매 트, 와이어 ,막대기, 벨트, 나선형, 고리 등으로 제작되었다. 상기 물질들은 또한 생체적응재료에서 합성폴리머로 변화한다. 나노구조가 적용된 물품들은 종류가 매우 다양하다. 그것은 필터 매체, 혼합물, 생의학 용품(조직공학, 뼈대, 붕대, 약 배급 시스템), 보호의복, 마이크로와 광전자공학 장치, 광결정과 유동성의 광자를 포함한다.

기계적인 접촉에 의존하지 않는 전기방사는 얇은 섬유를 만들기 위하여 기계적으로 늘이는 몇가지 방법에서 입증된 장점을 가지고 있다.

비록 전기방사는 1934년에 포말에 의하여 소개되었지만(Formhals, A., "Process, and Apparatus for Preparing Artificial Threads" 미국 특허 1,975,504, 1934), 그 방법에 관한 관심은 1990년대 와서 부활되었다. 레네커(Reneker, D.H. and I. Chun, Nanometer Diameter Fibers of Polymer, Produced by Electrospinning, Nanotechnology, 7, 216 to 223, 1996)는 광범위한 유기 폴리머로부터 매우 얇은 섬유를 제작하는 것을 증명했다.

섬유는 폴리머 용액 또는 용해물의 점탄성을 가진 사출물(jets)의 단축(uniaxial) 연장에 의한 전기방사로부터 형성된다. 1993년까지 상기 방법은 전기방사로 알려졌다. 상기 절차는 용액의 표면으로 부터 수집기의 표면으로 하나 또는 그 이상의 전기적으로 충전된 폴리머 용액의 사출물(jets)을 생성하기 위하여 전기장을 이용한다. 폴리머 용액(또는 용해물)에 고전압이 걸리면, 상기 용액의 충전된 사출물이 고정된 수집기 방향으로 끌어당겨진다. 상기 사출물은 코일의 내부방향으로 늘어나고 및 휘어지며, 이것은 (1)Reneker, D.H., A.L. Yarin, H. Fong, and S. Koombhongse, 전기방사 내의 폴리머 용액의 전기적으로 충전된 액체 사출물의 굽힘 불안정성, J. Appl. Phys, 87, 4531, 2000; (2) Yarin, A.L. S. Koombhongse, and D.H. Reneker, 나노섬유의 전기방사내의 굽힘 불안정성, J. Appl. Phys, 89, 3018, 2001; (3)Hohman, M.M., M. Shin, G. Rutledge, and M.P. Brenner, 전기방사 그리고 전기적으로 힘을 갖는 사출물: II. 적용, Phys. Fluids 13, 2221, 2001)에서 보고되었다. 상기 얇은 사출물은 접지된 수집기 위의 침전물이 1미크론 미만의 범위 내의 직경을 갖는 나노섬유의 형태를 하기 위하여 용매가 증발함에 따라 응고된다.

상기 점탄성의 분출구는 폴리머 용액으로 채워진 용기로부터 공급을 받는 바늘의 끝에 퍼진 방울들로부터 종종 유도된다.

이 배열은 상대적으로 느려지는 단수의 분출구로부터 전형적으로 섬유 침전물의 질량비율로 단수의 사출물을 형성한다(시간당 100분의 1 또는 10분의 1그램

이런 디자인의 다중 분출구의 생산량을 두드러지게 증가시키기 위해서는 많은 바늘이 필요하다.

다중 바늘의 배치는 복잡하기 때문에 불편할 수 있다.

Yarin and Zussman (Yarin, A.L., E. Zussman, 다중 나노섬유의 상향이 필요없는 전기방사. Polymer,45, 2977 to 2980, 2004)은 안쪽층의 표면을 교란시키기 위하여 폴리머 용액의 아래의 자기장 하에서 강자성의 부유물질 층을 이용하여 다수의 사출물을 형성하고, 따라서, 표면에서 다수의 사출물을 형성하는 새로운 시도를 보고했다. Yarin 과 Zussman 은 또한 다중 바늘배열과 비교하여 생산량이 잠재적으로 12배 증가하였다고 보고했다. 이 배열 또한 매우 복잡하며, 연속적인 작동 이 도전과제가 될 것이다. 그러므로, 다른 것들 중에 섬유 또는 나노섬유의 생산을 증가시키는 더 간단한 접근이 요구되었다.

미국 특허 제 6753454 는 pH 조절 복합물을 포함하고 있는 폴리머 섬유 구조가 가능하게 하는 전기방사에 의하여 섬유를 제조하는 방법을 발표하고 있다.

또한 흥미있는 점은 하나 또는 그 이상의 치료제, 활성제, 화학작용제를 내장하거나, 담아둘 수 있는 능력이다. 따라서, 섬유, 특히 나노섬유를 제작하는 방법 또는 방법들이 필요가 있다. 덧붙여, 하나 이상 다양한 종류의 치료제, 활성제, 화학작용제를 포함하거나, 내장하거나, 코팅한 폴리머를 포함하여 이루어져 있는 나노섬유를 제작하는 방법 또는 방법들이 요구된다.

본 발명은 하나 이상의 폴리머 또는 폴리머 혼합물로 이루어진 섬유를 형성하는 방법과, 상기 섬유로부터 제조될 수 있는 구조에 관한 것이다. 본 고안에 따른 일 실시예에서 상기 섬유는 나노섬유이다. 본 고안은 또한 하나 이상의 폴리머 또는 폴리머 복합물로부터 생성되는 섬유를 제조하는 장치와 상기 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 고안의 일 실시예는 최소한 하나 이상의 미세 구멍 또는 구멍이 각각 형성된 하나 또는 그 이상의 노즐(nozzle); 하나 이상의 노즐에 하나 이상의 섬유 형태의 매개체를 공급하기 위한 수단; 하나 이상의 노즐에 전압을 공급하기 위한 최소한 하나의 전극; 그리고, 섬유를 수집하기 위한 수집 수단을 포함하는 섬유를 형성하는 전기방사 장치에 관한 것이다.

본 고안의 또다른 실시예는 두개의 원통 그물망으로 형성된 하나 이상의 노즐을 포함하는 전기방사 장치에 관한 것이다.

제 1 원통그물망은 첫번째 내부지름과 외부지름을 가지고 있다. 상기 첫번째 내부지름과 첫번째 외부지름은 서로 다르다. 그리고, 제 2 원통그물망은 두번째 내부지름과 외부지름을 가지고 있다. 상기 두번째 내부지름과 두번째 외부지름은 서로 다르다. 상기 제 2 원통그물망의 외부지름은 제 1 원통그물망의 내부지름보다 작기 때문에 제 2 원통 그물망은 제 1원통 그물망의 내부에 삽입될 수 있다.

본 발명의 또다른 실시예는, 섬유를 형성하는 방법에 있어서,

압력에 의하여 섬유 형성 매개체가 하나 이상의 노즐에 공급되고, 상기 노즐은 하나 이상의 미세구멍 또는 구멍을 형성한 단계, 전압 공급 수단에 의하여 섬유 형성 매개체를 담고 있는 하나 이상의 노즐에 전압이 공급되는 단계, 하나 이상의 노즐로부터 형성된 섬유를 수집하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 고안에 따른 섬유, 나노섬유, 그리고 섬유 또는 나노섬유의 구조를 형성하는 장치의 단면도를 나타낸다.

도 2a 및 2b는 본 고안에 따라 형성된 섬유 또는 나노섬유를 수집하기 위한 수집기의 두가지 형태를 나타내는 구성도이다.

도 3a 내지 3c 는 본 발명에 따른 노즐의 또 다른 실시예를 나타낸다.

도 4a 내지 4h는 본 발명에 따른 섬유 또는 나노섬유를 생성하는데 사용되는 다공성의 원통 노즐의 사진이다. 도 3a 내지 3h의 노즐은 선형 그물망(wire mesh) 수집기에 관련하여 사용된다.

도 5a 내지 도 5f는 본 고안에 따른 방법을 사용하여 나노섬유를 형성하는 사진이다.

도 6은 본 고안에 따른 방법을 사용하여 형성된 나노섬유를 나타내는 사진이다.

도면에 도시되어있는 나노섬유는 대략 1나노미터(nanometer)에서 대략 25,000나노미터(25미크론) 범위의 평균적인 지름을 갖는다. 본 발명의 또다른 실시예에서, 나노섬유는 대략 1나노미터에서 대략 10,000나노미터 또는 대략 3,000나노미터에서 대략 5,000나노미터 또는 대략 3나노미터에서 대략 3,000나노미터 또는 대략 7나노미터에서 대략 1,000나노미터 또는 대략 10 나노미터에서 대략 500나노미터의 평균적인 지름을 갖는다. 본 발명의 또다른 실시예에서, 상기 나노섬유는 25,000나노미터보다 작거나 또는 10,000나노미터보다 작거나 또는 5,000나노미터보다 작은 평균적인 지름을 갖는다. 본 발명의 또다른 실시예에서, 상기 나노섬유는 약 3,000나노미터 또는 약 1,000나노미터 또는 약 500나노미터보다 작은 지름을 갖는다. 덧붙여, 상술한 것 뿐만 아니라 기술되어 있지 않은 범위의 혼합이 가능하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 하나 이상의 폴리머 또는 폴리머 혼합물로 이루어진 섬유를 만드는 방법에 관한 것이다. 그리고, 상기와 같은 섬유들을 형성할 수 있는 구조에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예 에서는 상기 섬유는 나노섬유(nanofibers)이다. 본 발명은 또한, 하나 이상의 폴리머 또는 폴리머 혼합물로 이루어져 있는 섬유를 제조하는 장치와 상기 섬유가 만들어지는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에서는 섬유 또는 나노섬유의 형성 속도를 증가하도록 만들어진 장치 및 방법에 관한 것이다. 일 사례에서, 본 발명의 장치는 섬유 또는 나노섬유를 제조하기 위한 액체 섬유 제조 매개체와 관련한 적절한 형태의 다공성 구조를 이용한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사 장치는 원하는 섬유 또는 나노섬유를 생성하기 위한 원통형의 다공성 노즐(10)을 이용한다. 도 1에는 도시되어 있지 않지만, 노즐(10)은 알맞은 수단을 통하여 섬유로 생성될 매개체/액체상태의 섬유의 공급부와 연결된다. 상기 액체상태의 매개체는 보통 예를들어 펌프등을 통하여 압력을 받아 노즐(10)에 공급된다. 액체 섬유 생성 매개체(또는, 상기 섬유 형성 매개체와 화학 또는 물리학적 특성)에 관련한 기타 다른 공급 시스템이 사용될 수 있으면 사용이 가능하다.

상기 액체 섬유 생성 매개체의 압력은 생성하려고 하는 섬유에 사용되는 액체물질의 형태에 따라 노즐(10)에 공급된다. 예를 들어,액체 매개체가 상대적으로 높은 점성을 갖는다면, 섬유를 형성하기 위하여 상기 노즐(10)의 구멍을 통해 액체상태의 매개체를 밀어넣으려면 더 많은 압력이 필요하다. 다른 실시예에서, 액체 매개체가 상대적으로 낮은 점성(물보다 조금 낮거나 약간 높은정도)을 갖는다면, 섬유를 형성하기 위하여 상기 노즐(10)의 구멍을 통해 액체상태의 매개체를 밀어넣기 위하여 낮은 압력이 필요하다. 따라서, 본 발명은 상기와 같이 압력의 범위에 제한을 두지 않는다.

액화할 수 있는 어떤 화합물이나 혼합물 (예를 들어, 기타 혼합물, 에멀젼(emulsion), 현탁액, 등의 둘 또는 그 이상의 화합물)은 본 발명에 따라 섬유 또는 나노섬유를 형성하는데 사용될 수 있다.

상기 화합물 및 혼합물은 용해된 피치(pitch), 폴리머 용액, 폴리머 용해물, 세라믹이 되기 전의 폴리머, 용해된 유리 물질, 그리고 그것에 알맞은 혼합물을 포함하며, 이에 한정하는 것은 아니다. 몇몇 대표적인 폴리머에는 나일론(nylons), 불소 중합체(fluoropolymers), 폴리올레핀(polyolefins), 폴리이미드(polyimides), 폴리에스테르(poluesters), 폴리카프로락톤(polycaprolactones), 및 기타 공학적인 폴리머들 또는 직물 형태의 폴리머등이 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다.

본 발명의 폴리머 화합물 또는 혼합물이 액체 매개체로 사용되는 실시예에서는, 일반적으로 말해서, 5 psig 이하의 압력이 상기 액체 매개체를 상기 노즐(10)의 구멍으로 밀어넣는데 사용될 수 있다. 전술하였지만, 본 발명은 압력을 5 psig 또는 그 이하로 한정하지 않는다. 오히려, 액체 매개체가 상기 노즐(10)로 밀리거나 펌프질 되거나 공급되는 형태에 따라서 알맞은 압력이 사용될 수 있다.

상기 노즐은 본 발명에 따라 섬유를 생성하기 위하여 사용되거나 사용하려고 하는 화합물 또는 혼합 화합물을 고려하여 알맞은 물질로 만들어진다.

따라서, 상기 화합물 또는 노즐을 형성하기 위하여 사용되는 혼합물은 제한이 없으며, 단지 노즐(10)이 갖춰야할 특징은 본 발명에 따라 섬유를 생성하기 위하여 사용되는 화합물 또는 혼합화합물을 액화하는 처리과정을 견딜 수 있느냐 하는 것이다. 따라서, 노즐(10)은 세라믹 화합물, 금속 또는 금속합금, 폴리머 또는 co-폴리머(co-polymer) 화합물등을 포함하는 물질로 형성될 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 노즐은 다공성(porous)이다. 본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 노즐(10)은 내부에 구멍을 형성한 단단한 물질로 이루어져 있다. 상기 구멍들은 규칙적이거나 불규칙한 일종의 패턴을 가지며 배열될 수 있다. 예를 들어, 상기 노즐(10)은 규칙적이거나 불규칙적인 구멍의 패턴을 내부에 형성한 두개의 원통형의 그물막이 결합된 형태일 수 있다. 상기 두 원통형의 그물망의 패턴 및 둘 사이의 거리가 변화함에 따라 하이브리드 홀(hybrid hole)이 형성된다. 예를 들어, 두 원통형 막에 형성된 원형의 구멍의 상쇄(off-setting)에 의하여 타원형의 구멍을 포함하는 노즐(10)을 형성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명은 어떠한 구멍의 패턴이나 형상을 제한하지 않으며, 구멍의 어떠한 패턴이나 형상을 사용하는 것이 가능하다.

또 다른 실시예에서는, 상기 노즐(10)은 다공성 물질로 형성되고, 그 내부에 형성된 하나 이상의 구멍을 갖는다. 대안적으로, 상기 노즐(10)에 형성된 구멍은 완벽하게 상기 노즐(10)의 벽을 향할 필요는 없다. 즉, 적절한 수단(예를 들어, 드릴링, 주조, 펀칭 등)을 통하여 상기 노즐(10)의 외면 및 내면에 일부분 움푹 들어간 부분을 형성한다. 이 경우, 하나 이상의 노즐(10) 표면에 형성된 일부분의 구멍 들이 노즐(10) 근처의 다른 일부분의 홀 영역안에 형성된 섬유의 저항을 낮춘다. 그로 인하여, 섬유 형성과정에서 보다 큰 제어력을 획득할 수 있다.

상기 노즐(10)에 형성된 미세구멍의 크기는 임계값(critical)이 아니다. 어떤 하나의 이론에 묶이길 원하지 않더라도, 본 발명의 일 실시예 에서는 상기 노즐(10)에 형성된 미세구멍 및 구멍은 본 발명에 따라 형성된 섬유의 크기에 최소한의 효과를 가지게 될 것이다. 대신, 또다른 실시예에서는, 섬유의 크기는 (1) 예를 들어 도 4a 내지 4g에 도시되어 있는 매개체 및 물질로 형성된 섬유 사출물을 탄생시키는 상기 노즐(10)의 외면에 형성된 하나 또는 그 이상의 작은 물방울 (2) 상기 노즐(10)의 내에서 유체(fluid)형태의 섬유의 압력, 노즐(10)의 내의 후술할 어떤 내부구조물의 실체와 크기 (3) 만약 있다면, 노즐(10)안에서 재순환되는 유체(fluid) 상태의 섬유의 양, 그리고 상기와 같은 재순환에 관련된 압력과 같은 요소들의 조합으로 조절할 수 있지만, 이에 한정하는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 노즐(10)은 약 10 내지 20 미크론 정도 크기의 미세구멍들을 갖는 폴리프로필렌 봉으로 형성되어 있다. 그러나 전술한 바와 같이 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 오히려, 전술한 바와 같이, 섬유의 생성에 사용되는 유체의 영향을 받지 않는 어떠한 다공성의 물질도 결과에 영향을 미치지 않으며 사용될 수 있다(예를 들어, 다공성 금속 노즐). 상기 노즐(10)의 미세구멍의 개수는 임계적이지 않으며, 원하는 섬유의 생산량에 따라 어떠한 개수로도 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 노즐(10)은 10개 이상, 100개 이상, 1000개 이상, 10000개 이상 또는 약 100000개 이상의 미세구멍을 갖는다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 노즐(10)은 약 20개, 100개, 1000개, 또는 10000개보다 적은 미세구멍을 갖는다.

도 1을 참고하면, 상기 노즐(10)의 크기는 임계적이지 않다. 도 1에 도시된 실시예에 따르면, 상기 노즐(10)은 내부 지금이 1.27 cm 이고 높이가 5 cm 이다. 그러나, 상기 노즐(10)은 도 1에 도시된 범위에 한정되지 않는다. 오히려, 원하는 지름, 섬유의 길이, 섬유 화합물/혼합물, 그리고 제조될 섬유를 담는 용기구조 등에 따라 어떠한 크기의 노즐도 사용될 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 장치는 상기 노즐(10)에 전기적으로 연결된 전극(20)을 포함하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 상기 전극(20)은 상기 노즐(10)의 밑면을 일부분 통과하여 형성되어 있다. 그러나, 본 발명은 도 1에 도시된 배열 그대로 한정하지는 않는다. 오히려, 상기 노즐(10)과 전극(20)의 사이에 전기적인 연결을 허용하는 다른 알맞은 배열이 있다면 사용될 수 있다. 기술적인 범위 내에서 이 기술이 명백함에 따라, 전극(20)은 상기 노즐(10)(그리고, 사실상 액체 형태의 섬유를 담는 용기)에 전기방사 과정을 통하여 섬유 및 나노섬유를 형성하는데 필요한 전기적인 충전을 공급한다.

액체 상태의 섬유에 충전을 가함으로써, 도 1의 장치에서 형성된 섬유는 수집기(30)로 끌어당겨진다. 일반적으로, 수집기(30)는 접지되어 있으며, 그로 인하여 노즐(10)에 형성된 하나 이상의 미세구멍으로 부터 발산되는 충전된 섬유 형태 구조와 상기 수집기(30)의 사이의 전기적인 끌어당김을 촉진시킨다. 비록 수집기(30)가 원통형의 형상으로 도시되어 있더라도, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 어떠한 형태의 수집기가 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 대안적인 수집기(40a, 40b)는 휘어진 벨트 (40a) 또는 시트(40b) 형태일 수 있다. 덧붙여, 본발명의 수집기는 고정되어 있거나, 이동이 가능할 수 있다. 상기 수집기가 이동이 가능한 경우에, 본 발명에 따라 형성된 섬유는 연속적인 기반 상에서 만들기가 수월하다. 또한, 상기 수집기(30)의 크기는 임계적이지 않다. 상기 노즐(10)의 크기, 생성된 섬유의 지름 및 길이, 및 기타 요소들과 관련하여 어떠한 크기의 수집기가 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 이외에도, 상기 노즐(10)은 긴 원뿔형 또는 구형의 노즐일 수 있다. 또한, 상기 노즐(10)의 형태는 여기에 설명한 것에 한정하지 않는다. 오히려, 상기 노즐(10)은 어떠한 3차원의 형태인 것이 가능하다.

본 발명의 섬유의 지름은 상기 노즐(10)에 형성된 미세구멍의 크기를 포함하는 다양한 상태를 조절하여 조정하는 것이 가능하다. 이 섬유들의 길이는 대략 0.0001 mm 에서부터 수 km 의 길이까지 되는 섬유를 포함하기 위하여 다양하게 하는 것이 가능하다. 이 범위 내에서는 상기 섬유는 약 1mm 에서 약 1km 까지, 또는 약 1cm 에서 약 1mm 까지의 길이를 가질 수 있다.

본 발명의 또다른 실시예에서 상기 노즐(10)은 내부면에 형성된 하나 이상의 원뿔, 선반(shelves), 또는 립(lip)을 포함할 수 있다. 도 3a의 단면(100)에 도시된 바와 같이 상기 노즐 10a 상기 노즐(10)의 내부에 연결되고 탑재된 원뿔(102)을 포함한다. 상기 원뿔(102)는 섬유 형성 매개체/물질을 수집하기 위한 캐치(104)를 형성하고 있다. 상기 캐치(104)가 섬유 형성 물질로 가득 차게 되면(도시되지 않음) 상기 원뿔(102)의 개구부(106)를 통하여 넘치게 되고, 상기 노즐(10)과 비슷한 구조의 노즐(10a)의 아래를 향하여 떨어지게 될 것이다. 도 3b에 도시된 본 발명의 또다른 실시예에서는, 상기 노즐(10b)은 내부에 두개 이상의 원뿔(102)을 갖는다. 비록 실시예에서는 내부의 원뿔(102)을 하나 또는 두개로 나타내고 있지만, 이에 한정하는 것은 아니다. 대신에, 노즐 (10), 노즐(10a), 노즐(10c)에 관련하여 어떠한 숫자의 원뿔, 선반, 립(lip)이 사용될 수 있다. 본 발명의 또다른 실시예에서 상기 노즐(10)은 내부에 소용돌이형 또는 나선형의 물통(trough)을 포함한다. 이 실시예에서 소용돌이형태 또는 나선형의 선이 소용돌이형 또는 나선형의 물통에 의하여 상기 노즐(10)의 내부에 형성된 캐치에 위치할 수 있다.

도 3c로 돌아가서, 3차원 다각형 형상의 노즐(10c)의 일측면을 도시하고 있다. 이 실시예에서, 상기 노즐(10c)은 세개 이상의 면을 가진다(예를 들어, 상기 노즐은 삼각형의 단면을 가진다). 이 기술이 기술 분야에서 높이 평가를 받음에 따라, 이 실시예에서 상기 노즐(10c)은 세개 이상의 다각형의 단면 형상을 가진다. 도 3의 실시예에서, 최소한 하나의 선반(110)이 노즐(10c)의 내부에 형성되고, 각 선반(110)은 하나 또는 그 이상의 캐치(104)에 매개체 및 액체형태의 섬유를 잡아둘 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 각 선반(110)은 상기 노즐(10c)의 내부에 연속적으로 형성된다. 즉, 이 실시예에서, 각 선반(110)은 도 3a 와 3b의 원뿔 (102)과 비슷한 원뿔 다각형 형상이다. 비록 도 3c가 선반이 4개인 실시예를 도시하고 있지만, 본 발명은 여기에 한정하지 않는다. 대신, 상기 노즐(10c)에 관련하여 어떠한 개수의 원뿔, 선반, 또는 테두리 형상이 사용될 수 있다. 또다른 실시예에서는, 감겨진 선이나 스프링이 상기 노즐(10, 10a, 10b, 10c)의 내부에 삽입될 수 있다(도시되지 않음).

상기 노즐(10, 10a, 10b, 10c)의 하나 이상의 내부구조를 부분적으로 사용하기 때문에, 본 발명의 노즐에서 형성된 섬유 형성 매개체/물질의 압력을 더욱 정밀하게 조작 및 조정할 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명은 전술한 방법에 따라 섬유를 형성하기 위한 압력을 특정 범위에 한정하지 않는다. 오히려, 대기압보다 크거나 낮은 압력을 포함한 어떠한 범위의 압력을 사용될 수 있다. 그리고 상기 범위는 상기 노즐의 미세구멍 또는 구멍의 크기와 섬유 형성 매개체 또는 액체의 점성에 크게 의존한다. 본 발명의 또다른 실시예에서, 본 발명의 방법에 따라 상기 섬유를 형성하기 위한 압력은 상기 노즐(10, 10a, 10b, 10c)의 내면에 형성된 상기 선반, 원뿔, 또는 가장자리형태의 갯수를 조정하거나, 상기 노즐(10, 10a, 10b, 10c)의 내면에 형성된 하나 또는 그 이상의 선반, 윈뿔, 또는 립(lip)에 의하여 형성된 하나 이상의 캐치(104)의 깊이를 조정함으로써 조종할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 노즐(10, 10a, 10b, 10c)은 그 아래에 유체 재생 시스템에 맞춰져 있다. 상기 유체 재생 시스템은 넘친 섬유 형성 매개체/물질이 재활용될 수 있게 하고, 그로 인하여 상기 노즐(10, 10a, 10b, 10c)의 내부 압력을 조절할 수있다

본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 섬유 형성 장치는 하나 이상의 노즐을 포함한다. 본 발명의 또다른 실시예에서 상기 섬유 형성 장치는 대략 5개, 대략 10개, 대략 20개, 대략 50개, 심지어 대략 100개 이상의 노즐을 포함한다. 본 발명의 또다른 실시예에서 상기 섬유 형성 장치는 생성할 섬유의 양에 따라, 어떠한 갯수 의 노즐을 사용하는 것이 가능하다. 상기 노즐 및 기타 노즐 그룹은 각각 따로 조작이 가능하도록 만들어졌다. 이것은 원하는 경우 서로 다른 크기의 섬유를 동시에 생성할 수 있도록 한다. 게다가, 다양한 구조 및 크기고 의 섬유구조를 얻기 위하여 서로 다른 형태의 노즐이 동시에 사용될 수 있다

[예]

20%wt 의 나일론(6) 용액이 약 5pig 또는 그 이하로 상기 노즐의 미세구멍으로 밀려 들어간다. 섬유 형성 매개체의 다중 사출물은 상기 노즐(10)의 미세구멍을 통과하여 흐르는 액체 섬유 형성 매개체가 공급되는 상기 노즐의 표면에서 나타난다. 도4a 내지 4h에 도시된 실시예에서 상기 노즐(10)은 그 하부가 다공성으로 이루어져 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 상기 노즐(10)은 그것이 가능하고, 필요하다면, 상기 노즐(10)의 원통형 높이의 일부분, 또는 전체에 걸쳐서 다공성으로 이루어질 수 있다. 도 4a 내지 4h에 도시된 장치를 통하여 형성된 섬유는 전술한 나노크기의 지름을 갖는 나노섬유이다. 때때로, 상기 섬유는 상기 수집기(30)에 도달하기 전에 노즐(10)표면을 이탈한다(예를 들어, 도 4a 내지 4h의 배경에 도시된 6각형 망 구조). 이것은 문제가 되지 않는다. 대신, 이런 섬유는 길이가 짧다. 상기 섬유의 길이는, 어느 정도는, 전극(20) 및 전기적이거나 접지된 상태의 수집기(30)을 통한 전류의 양을 통하여 제어된다.

도 4a 내지 4h의 장치에 사용되는 나일론 6은 다음과 같다. 알드리히(Aldrich)의 나일론 6는 주어진 대로 사용된다. 농도 범위가 20에서 25의 무게 퍼센트를 가지고있는 폴리머 용액은 88%의 포름산(formic acid)에 용해된 상태로 제공된다(Fisher Chemicals, New Jersey, Usa).

도 4a 내지 4h에 도시된 실시예에 사용되는 노즐(10)은 일반적으로, 열가소성 폴리머로부터 제조된 다공성의 플라스틱 제품이다. 이 경우 상기 열가소성 폴리머는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 초고분자량 폴리에틸렌(UHMW), 폴리프로필렌(PP), 또는 이들의 화합물이다(전술한 바와 같이, 다른 폴리머 또는 물질이 상기 노즐(10)을 형성하는데 사용될 수 있다). 이 실시예에서 상기 노즐(10)은 서로 연결된 미세구멍들의 복잡한 네트워크를 가지고 있다(어떠한 구성의 미세구멍들도 본 발명의 범위 내에 있다). 상기 노즐(10)을 폴리머로 형성하는 경우에, 노즐(10)을 형성하고 있는 폴리머 입자들 사이에 결정된 입자 크기 분포는 종종 미세구멍의 구조와 미세구멍의 크기의 특징적인 범위를 형성한다.

이 예에서, 대략 10 내지 20 미크론의 미세구멍 크기를 갖는 다공성의 폴리프로필렌은 도 1과 4a 내지 4h 에 도시된 원통형 노즐(10)을 구성하기 위하여 사용된다. 상기 원통은 내부의 지름이 0.5인치, 외부 지름이 1 인치이며, 아래쪽은 봉해져 있고, 위쪽은 공기압에 적용된 장치가 끼워져 있다. 상기 노즐(10)의 내의 폴리머 용액에 전압을 공급하기 위하여 아래쪽 면에 전극(20)이 삽입되어 있다. 도 6 은 본 발명에 따라 형성된 섬유를 나타내는 다른 사진이다.

일 실시예에서 상기 노즐(10)의 미세구멍은 섬유 형성 매개체에 압력이 전해지기 전에 상기 사출물이 노즐(10)의 밖에서 형성되는 것을 방지하기 위하여, 압력을 받지 않은 섬유 형성 매개체(예를 들어, 폴리머 용액)의 흐름에 충분한 저항력 을 가진다. 흐름에 대한 저항력은 다공성 벽 면의 미세구멍의 지름이 작은 것과 상기 다공성의 벽면이 두꺼운 것에 기인한다. 상기 벽면을 통과하여 흐르는 폴리머 용액은 상기 노즐의 상부에 가해진 압력에 의하여 조절된다. 이와 같은 압력은 알맞은 어떠한 수단을 사용하는 것이 가능하다(예를 들어, 상기 섬유 형성 물질에 반응하지 않는 공기 또는 기타 다른 가스를 사용하는 펌프). 느리게 조절된 흐름은 상기 다공성의 노즐(10) 표면의 많은 부분에서 독립적인 방울을 형성한다. 상기 용액은 미세구멍을 통과하여 흐르고, 방울은 많은 개별 사출물을 형성할 때까지 표면에서 생성된다. 상기 노즐(10)의 압력은 상기 방울이 상기 노즐(10)의 표면에 퍼지지 않을정도로 가해져야 한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 다공성 노즐(10)을 형성하기 위하여 더 작은 미세구멍을 갖는 물질을 사용하는 것이 가능하다. 상기 노즐(10)에 미세구멍을 형성하는 방법은 임계적(critical)이지 않다 (미세구멍은 소결(sintering), 에칭(etching), 레이저 드릴링, 기계적인 드릴링, 등에 의하여 형성된다). 일반적으로 말해서, 본 발명의 장치는 노즐(10)의 미세구멍이 더 작을수록, 더 작은 지름을 가진 섬유를 제조할 수 있다.

일 실시예에서, 폴리머 물질은 소결된 금속 노즐(10)의 미세구멍을 통과하여 흐르며, 코팅면 바깥으로 빠져나와 상기 노즐(10)의 코팅면을 흘러가는 섬유 형성 매개체의 사출물로부터 상기 노즐(10)의 표면에 섬유형성 매개체가 얇게 코팅된다

본 발명의 또다른 실시예에서, 섬유 형성 매개체는 상기 노즐(10)의 미세구멍을 통과하여 흐르고, 상기 노즐(10)의 표면에 불연속적인 방울을 형성한다. 상기 방울은 충전된 사출물 용액이 상기 물방울들로부터 방산하도록 하는 전기장에 도달할때까지 계속 자란다. 상기 사출물은 상기 방울을 줄어들게 하고, 상기 사출물을 더 작아지고 멈추게 하기 위하여, 상기 미세구멍을 통과하여 방울에 도착한 유체보다 빠르게 방울로부터 떨어진 상태로 유체(fluid)를 운반한다. 그러면 상기 전기장은 다른 방울로부터의 새로운 분출의 방산을 야기하고 과정이 반복된다.

전극(20)의 소스로서, 다양한 고전압(0 내지 32kV)의 파워 서플라이가 사용된다(하지만 본 발명은 이에 한정하지 않는다). 상기 폴리머 용액은 노즐에 위치한다. 상기 노즐(10)의 미세구멍에 상기 폴리머를 통과하도록 미는 데에는 압축 공기가 사용된다. 상기 폴리머 용액은 벽을 통과하여 천천히 흐르고, 벽의 외면에 작은 방울을 형성한다. 전기장에 의하여 상기 방울은 수집기로 흘러가는 사출물을 형성한다. 형성되는 사출물은 일정기간 동안 안정적일 수 있고, 상기 폴리머 사출물의 방울이 떨어질 때, 크기가 줄어들어 간헐적으로 사라지며, 방울이 다시 나타나 재 형성 될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 수집기(30)는 상기 노즐과 같은 축 상이거나, 상기 노즐을 둘러싼 원통형의 6각형 그물망이다. 상기 원통형의 수집기(30)는 약 6인치의 지름을 갖는다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 상기 수집기(30)를 6각형의 철망을 사용하는 것과 상기 노즐이 원통형의 모양인 것에 한정하지 않는다. 대신에,상기 노즐(10)은 어떠한 3차원의 형상을 갖는 것이 가능하다. 또한, 본 발명의 따른 장치에 사용되는 수집기는 다른 모양과 형태일 수 있다.

게다가, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 노즐(10)은 비 투과성이거나, 상기 섬유가 상기 수집기의 특정 부분으로 곧바로 흐르는 부분적 투과성일 수 있다. 상기 수집기의 표면은 굴곡이 있거나, 평평할 수 있다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 수집기는 상기 노즐로부터 큰 시트(sheet)을 얻기 위하여 상기 노즐의 주위를 돌거나, 지나치며 움직일 수 있다.

일정 시간(수 분)에 걸쳐 도착한 일부분의 사출물과 매우 짧은 기간에 걸쳐 도착한 간헐적인 사출물은 도 4a 내지 4h 에 도시된 바와 같이 상기 노즐 표면 전체에 걸쳐 형성된다. 형성된 상기 섬유는 상기 노즐을 둘러싸고 있는 원통형의 망에게 수집된다. 도 4f 내지 4h는 상기 그물망에 존재하는 섬유 때문에 시야가 가려져 잘 보이지 않는다.

도 5a 내지 5f는 도 4a 내지 4h에 묘사된 장치로부터 제조된 섬유의 샘플을 나타내는 SEM 이미지이다. 상기 이미지는 생성된 섬유가 나노섬유의 크기(지름이 약 100nm 내지 1000nm 보다 작은)인 것을 나타내며, 상기 생성물과 기존의 바늘이 적용된 장치와의 비교가 가능하다. 이러한 크기 범위의 섬유는 포장, 음식 보관, 의학, 농업, 전지 및 연료전지 분야에 사용될 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다.

상기 나노섬유의 생산량은 하나의 바늘이 사용되는 전기방사 장치와 크게 비교된다. 전형적인 바늘은 약 0.02 g/hr 의 양으로 나노섬유를 생산한다. 이 실험에 사용된 다공성의 노즐은 250배인 약 5 g/hr 의 양으로 나노섬유를 생산한다.

본 절차는 바늘 장치를 통하여 전기방사될 수 있는 어떠한 폴리머 용액 또는 용해물에도 쉽게 적용할 수 있다. 상기 다공성 노즐 물질은 상기 폴리머 용액과 화학적으로 융화성이 있어야 한다.

본 발명은 또한, 전기 방사를 통한 섬유 생산에 어떠한 원하는 화학물, 작용제 및 첨가물을 넣어 사용될 수 있다. 상기 첨가물은 살충제(pesticides), 살균제(fungicides), 항 박테리아제(anti-bacterials), 비료(fertilizers), 비타민(vitamins), 호르몬(hormones), 화학 및 생물학적 반응지시약(indicator), 단백질(protein), 성장 인자(growth factors), 성장 반응 억제제(growth inhibitors), 산화방지제(antioxidants), 염료(dyes), 색소(colorants), 감미료(sweeteners), 조미료(flavoring compounds), 방취제(deodorants), 가공처리 보조제(processing aids)를 포함하며, 이에 한정하는 것은 아니다.

상기 소결물의 미세 구멍은 전기방사에서 종종 사용된 바늘의 지름보다 작을 수 있다. 지름이 작은 미세구멍은 지름이 작은 섬유를 만들 수 있게 한다. 따라서, 본 발명은 심지어 상기에 논의된 예보다 더 작은 크기의 미세구멍을 갖는 물질을 사용할 수 있다.

본 발명은 전기방사를 위하여 다수의 바늘에 접근하지 않고도 생산량을 증가시키는 것이 가능하다. 다수의 바늘의 존재는 전기방사에 사용되는 전기장의 형상에 영향을 미치고, 하나 또는 그 이상의 사출물이 특정한 바늘에서 형성되게 한다.

비록 본 발명이 상술한 바와 같은 실시예를 특히 참고하여 자세하게 설명되었지만, 다른 실시예 또한 동일한 결과를 달성할 수 있다. 기술 범위 내에서 본 발 명의 변화와 수정은 본 발명에 수록된 청구항의 범위내에 포함된다.

Claims (21)

1. 섬유를 형성하기 위한 전기 방사 장치에 있어서,

   각각 하나 이상의 미세구멍 내지 구멍을 갖는 하나 이상의 노즐;

   하나 이상의 섬유 형성 매개체를 하나 이상의 노즐에 공급하기 위한 수단;

   하나 이상의 노즐에 전압을 공급하기 위한 하나 이상의 전극; 및

   섬유를 수집하기 위한 수집기; 를 포함하고,

   상기 하나 이상의 노즐은 두개의 원통그물망으로 형성되며,

   제 1 원통그물망은 첫번째 내부지름과 첫번째 외부지름을 가지고, 첫번째 내부지름과 첫번째 외부지름은 서로 다르며, 제 2 원통그물망은 두번째 내부지름과 두번째 외부지름을 가지고, 두번재 내부지름과 두번째 외부지름은 서로 다르며, 제 1 원통그물망의 내부에 제 2 원통그물망이 삽입될 수 있도록, 제 2 원통그물망의 외부지름은 제 1 원통그물망의 내부지름보다 작은 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 장치는 5개 이상의 노즐을 가지며, 각각의 노즐은 독립적인 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 장치는 10개 이상의 노즐을 가지며, 각각의 노즐은 독립적인 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 장치는 20개 이상의 노즐을 가지며, 각각의 노즐은 독립적인 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 장치는 100개 이상의 노즐을 가지며, 각각의 노즐은 독립적인 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 하나 이상의 노즐은 그 내부에 형성된 하나 이상의 윈뿔, 선반 또는 립(lip)을 가지는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
8. 제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 노즐은 원통형인 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
9. 섬유를 형성하기 위한 전기 방사 장치에 있어서,

   각각 하나 이상의 미세구멍 내지 구멍을 갖는 하나 이상의 노즐;

   하나 이상의 섬유 형성 매개체를 하나 이상의 노즐에 공급하기 위한 수단;

   하나 이상의 노즐에 전압을 공급하기 위한 하나 이상의 전극; 및

   섬유를 수집하기 위한 수집기; 를 포함하고,

   상기 하나 이상의 노즐은 독립적으로, 3면 이상을 갖는 다각형 노즐인 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유는 나노섬유(nanofibers)인 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 나노섬유는 1 나노미터 내지 25000 나노미터 범위의 평균지름을 가지는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
12. 제 10항에 있어서,

    상기 나노섬유는 1 나노미터 내지 3000 나노미터 범위의 평균지름을 가지는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
13. 섬유를 형성하는 방법에 있어서,

    압력에 의하여 섬유 형성 매개체가 하나 이상의 노즐에 공급되고, 상기 노즐은 하나 이상의 미세구멍 또는 구멍을 형성한 단계;

    전압 공급 수단에 의하여 섬유 형성 매개체를 담고 있는 하나 이상의 노즐에 전압이 공급되는 단계;

    하나 이상의 노즐로부터 형성된 섬유를 수집하는 단계; 를 포함하고,

    상기 하나 이상의 노즐은 두개의 원통그물망으로 형성되며,

    제 1 원통그물망은 첫번째 내부지름과 첫번째 외부지름을 가지고, 첫번째 내부지름과 첫번째 외부지름은 서로 다르며, 제 2 원통그물망은 두번째 내부지름과 두번째 외부지름을 가지고, 두번재 내부지름과 두번째 외부지름은 서로 다르며, 제 1 원통그물망의 내부에 제 2 원통그물망이 삽입될 수 있도록, 제 2 원통그물망의 외부지름은 제 1 원통그물망의 내부지름보다 작은 것을 특징으로 하는 섬유 형성 방법.
14. 삭제
15. 제 13항에 있어서,

    상기 하나 이상의 노즐은 그 내부에 형성된 하나 이상의 윈뿔, 선반 또는 립(lip)을 가지는 것을 특징으로 하는 섬유 형성 방법.
16. 제 13항에 있어서,

    상기 하나 이상의 노즐은 원통형인 것을 특징으로 하는 섬유 형성 방법.
17. 섬유를 형성하는 방법에 있어서,

    압력에 의하여 섬유 형성 매개체가 하나 이상의 노즐에 공급되고, 상기 노즐은 하나 이상의 미세구멍 또는 구멍을 형성한 단계;

    전압 공급 수단에 의하여 섬유 형성 매개체를 담고 있는 하나 이상의 노즐에 전압이 공급되는 단계;

    하나 이상의 노즐로부터 형성된 섬유를 수집하는 단계; 를 포함하고,

    상기 하나 이상의 노즐은 독립적으로, 3면 이상을 갖는 다각형 노즐인 것을 특징으로 하는 섬유 형성 방법.
18. 제 13항에 있어서, 상기 섬유는 나노섬유(nanofibers)인 것을 특징으로 하는 섬유 형성 방법.
19. 제 18항에 있어서,

    상기 나노섬유는 1 나노미터 내지 25000 나노미터 범위의 평균지름을 가지는 것을 특징으로 하는 섬유 형성 방법.
20. 제 18항에 있어서,

    상기 나노섬유는 1 나노미터 내지 10000 나노미터 범위의 평균지름을 가지는 것을 특징으로 하는 섬유 형성 방법.
21. 제 18항에 있어서,

    상기 나노섬유는 1 나노미터 내지 3000 나노미터 범위의 평균지름을 가지는 것을 특징으로 하는 섬유 형성 방법.

Images