KR101650497B1

KR101650497B1 - 정렬된 나노섬유 제조장치

Info

Publication number: KR101650497B1
Application number: KR1020150035759A
Authority: KR
Inventors: 김철생; 김정인; 박찬희
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2015-03-16
Filing date: 2015-03-16
Publication date: 2016-08-23

Abstract

본 발명은 정렬된 나노섬유 제조장치에 관한 것으로서, 특히 전기방사를 통해 일방향으로 정렬된 나노섬유를 쉽게 제조할 수 있는 정렬된 나노섬유 제조장치에 관한 것이다.
본 발명의 정렬된 나노섬유 제조장치는, 전기방사를 통해 나노섬유를 제조하는 장치에 있어서, 폴리머를 전기방사하는 노즐과; 상기 노즐에서 방사된 폴리머가 집적되는 전도성 재질의 콜렉터베이스와; 상기 노즐 및 콜렉터베이스에 각기 다른 극성의 전원을 공급하는 전원공급부; 상기 콜렉터베이스의 표면에 결합된 전도성 재질의 제1정렬부재와; 상기 제1정렬부재의 상면을 덮으면서 결합된 비전도성 재질의 제2정렬부재를 포함하여 이루어지되, 상기 제1정렬부재는 상기 콜렉터베이스와 전기적으로 연결되고, 상기 제1정렬부재의 전체면적은 상기 콜렉터베이스의 전체면적보다 작고, 상기 제1정렬부재의 상면을 덮는 상기 제2정렬부재의 전체면적은 상기 콜렉터베이스의 전체면적보다 작으며, 상기 노즐에서 전기방사된 폴리머는 상기 제2정렬부재 또는 콜렉터베이스에 부착되는 것을 특징으로 한다.

Description

정렬된 나노섬유 제조장치 { ALIGNED NANOFIBER MANUFACTURING APPARATUS }

본 발명은 정렬된 나노섬유 제조장치에 관한 것으로서, 특히 전기방사를 통해 일방향으로 정렬된 나노섬유를 쉽게 제조할 수 있는 정렬된 나노섬유 제조장치에 관한 것이다.

섬유 나노테크놀로지(NT)인 나노구조의 섬유 신소재 기술은 기존 섬유 기술의 한계를 극복하는 신기술로, IT, NT, ET, BT 산업 등 21세기 첨단산업분야에서 미래융복합 신기술 및 신소재를 창출할 수 있는 유망한 융복합 신소재 기술이다.

나노섬유는 초고비표면적 효과, 나노사이즈 효과, 초분자배열 효과 등의 유일한 특성을 가지므로 차세대 고성능 하이테크 신소재로서 부각되고 있으며, 정보전자, 환경/에너지, 바이오-의료, 생명공학, 국방/안보 등의 많은 분야에서의 활용 범위가 날로 넓어지고 있다.

따라서 직경이 나노크기인 나노섬유의 제조 공정 개발, 섬유의 크기를 나노 크기로 제어하고, 섬유의 내부, 외부, 표면에 나노크기로 제어되는 정밀한 나노구조 설계를 통해 신기능을 발현하는 나노섬유 신소재 개발, 이와 같은 나노수준의 입자나 구조의 제어를 통해 고기능 나노섬유 기반의 융복합 나노섬유 신소재 개발이 요구되고 있다.

나노섬유를 제조하는 방법에는 드로윙(drawing), 주형 합성(template synthesis), 상전이(phase separation), 자기조립(self assembly), 전기방사(electrospinning) 등이 있으며, 이들 제조 방법 중 나노섬유를 연속적으로 제조할 수 있는 방법으로 전기방사 방식이 일반적으로 적용되고 있다.

전기방사 방법은 고분자 용액을 방사하는 노즐(+ 전압)과 집적 전극판(- 전압) 사이에 고전압을 인가하여 고분자 용액의 표면장력보다 큰 전기장이 형성되는 경우 노즐을 통해 나노섬유 형태로 방사되도록 하는 것이다.

전기방사 방법으로 제조되는 나노섬유는 고분자 용액의 성질, 분자구조, 점도, 탄성, 전도성, 유전성, 극성 및 표면장력 등의 소재 물성과 전기장의 세기, 노즐과 집적 전극 사이의 거리, 고분자 용액의 공급 속도, 온도 등의 방사 조건에 큰 영향을 받는다.

또한 통상의 전기방사장치로 제조되는 나노섬유는 노즐로부터 방사되는 나노섬유가 불규칙적으로 분사되기 때문에 무질서하게 분포하거나 네트워크 구조이다.

이러한 종래의 불규칙적 구조를 갖는 나노섬유보다는 정렬된 구조의 나노섬유를 얻을 수 있다면 그 활용도가 훨씬 넓게 된다.

따라서 최근에는 정렬된 나노섬유를 제조하기 위한 장치들이 개발되고 있다.

그러나, 현재까지 개발되어 나노섬유를 일방향으로 정렬하도록 하는 장치는, 그 구조가 복잡하고, 종래에 사용하던 나노섬유 제조장치와 별개로 구입하여야 하는바 구매비용 등의 단점이 있었다.

대한민국 공개특허 제10-2011-0062216호 대한민국 공개특허 제10-2013-0039176호

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 간단한 구조를 이용하여 정렬된 나노섬유를 쉽게 제조할 수 있고, 또한 종래의 일반적으로 사용하는 나노섬유 제조장치에 추가적인 구성을 부가하여 쉽고 저렴하게 정렬된 나노섬유를 생산하도록 할 수 있는 정렬된 나노섬유 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 정렬된 나노섬유 제조장치는, 전기방사를 통해 나노섬유를 제조하는 장치에 있어서, 폴리머를 전기방사하는 노즐과; 상기 노즐에서 방사된 폴리머가 집적되는 전도성 재질의 콜렉터베이스와; 상기 노즐 및 콜렉터베이스에 각기 다른 극성의 전원을 공급하는 전원공급부; 상기 콜렉터베이스의 표면에 결합된 전도성 재질의 제1정렬부재와; 상기 제1정렬부재의 상면을 덮으면서 결합된 비전도성 재질의 제2정렬부재를 포함하여 이루어지되, 상기 제1정렬부재는 상기 콜렉터베이스와 전기적으로 연결되고, 상기 제1정렬부재의 전체면적은 상기 콜렉터베이스의 전체면적보다 작고, 상기 제1정렬부재의 상면을 덮는 상기 제2정렬부재의 전체면적은 상기 콜렉터베이스의 전체면적보다 작으며, 상기 노즐에서 전기방사된 폴리머는 상기 제2정렬부재 또는 콜렉터베이스에 부착되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1정렬부재는 일방향으로 긴 스트립형태로 이루어져 하면이 상기 콜렉터베이스에 결합되고, 상기 제2정렬부재는 상기 제1정렬부재가 결합되지 않은 상기 콜렉터베이스의 상면과 상기 제1정렬부재의 상면을 함께 덮도록 한다.

상기 제2정렬부재는 어느 한 방향으로 길게 형성된 스트립형태로 이루어진다.

상기 제2정렬부재는 상기 제1정렬부재의 길이방향과 동일한 방향으로 길게 배치된다.

상기 제2정렬부재는 상기 제1정렬부재의 길이방향과 수직한 방향으로 길게 배치된다.

상기 제1정렬부재는 다수개로 이루어져 상호 이격 배치되되, 상기 제2정렬부재는 다수개의 상기 제1정렬부재를 덮는다.

상기 콜렉터베이스의 표면에는 비전도성 재질의 부착시트가 결합되고, 상기 부착시트의 상면에 상기 제1정렬부재 및 제2정렬부재가 결합되되, 상기 노즐에서 전기방사된 폴리머는 상기 제2정렬부재 또는 부착시트에 부착된다.

이때, 상기 제1정렬부재의 양단은 상기 부착시트의 양단을 감싸면서 상기 콜렉터베이스에 전기적으로 연결된다.

상기 제1정렬부재는 구리선으로 이루어지고, 상기 제2정렬부재는 셀로판테이프로 이루어짐이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 정렬된 나노섬유 제조장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

제1정렬부재와 제2정렬부재의 간단한 구조를 이용하여 정렬된 나노섬유를 쉽게 제조할 수 있다.

특히, 종래의 일반적으로 사용하는 나노섬유 제조장치에 추가적인 구성인 제1정렬부재와 제2정렬부재를 부가함으로써, 쉽고 저렴하게 정렬된 나노섬유를 생산하도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노섬유 제조장치의 사시도,
도 2는 도 1의 A-A'선을 취하여 본 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노섬유 제조장치에 의해 나노섬유가 부착된 상태를 개략적으로 도시한 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노섬유를 촬영한 사진,
도 5는 도 4에 나타나 있는 나노섬유를 촬영한 SEM 사진,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노섬유 제조장치의 사시도,

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노섬유 제조장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A'선을 취하여 본 단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노섬유 제조장치에 의해 나노섬유가 부착된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.

본 발명의 정렬된 나노섬유 제조장치는 폴리머를 전기방사하여 나노섬유를 제조하는 장치에 관한 것으로써, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 노즐(10)과, 콜렉터베이스(20)와, 전원공급부(30)와, 제1정렬부재(40)와, 제2정렬부재(50)를 포함하여 이루어진다.

상기 노즐(10)은 나노섬유를 제조하기 위한 폴리머를 전기방사하는 것으로써, 종래의 공지된 전기방사용 노즐(10)을 사용하면 충분한 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

상기 콜렉터베이스(20)는 상기 노즐(10)에서 방사된 폴리머가 나노섬유로 집적되는 부분으로써 전도성 재질로 이루어진다.

이러한 상기 콜렉터베이스(20)는 알루미늄 등으로 이루어진다.

본 실시예에서 상기 콜렉터베이스(20)는 원통 형상으로 형성되어 있으나, 상기 콜렉터베이스(20)는 원통 형상이 아닌 평판 형상으로 형성될 수도 있다.

상기 콜렉터베이스(20)가 원통 형상으로 이루어진 경우에는, 상기 콜렉터베이스(20)를 고속이 아닌 저속 약 50rpm으로 회전시키면서 전기방사를 할 수 있다.

그리고, 상기 콜렉터베이스(20)가 평판형상으로 이루어진 경우에는 상기 콜렉터베이스(20) 또는 노즐(10)을 수평 이동시키면서 전기방사할 수 있다.

위와 같이 상기 콜렉터베이스(20)를 회전시키거나, 상기 콜렉터베이스(20) 또는 노즐(10)을 수평이동시킴으로써, 대면적의 나노섬유를 얻을 수 있다.

상기 전원공급부(30)는 상기 노즐(10) 및 콜렉터베이스(20)에 각기 다른 극성의 전원을 공급하는 것으로써, 상기 전원공급부(30)의 양극은 상기 노즐(10)에 연결되고 음극은 상기 콜렉터베이스(20)에 연결된다.

상기 제1정렬부재(40)는 전도성 재질로 이루어지고, 상기 콜렉터베이스(20)의 표면에 결합된다.

이러한 상기 제1정렬부재(40)는 상기 콜렉터베이스(20)와 전기적으로 연결된다.

상기 콜렉터베이스(20)에 결합된 상기 제1정렬부재(40)의 전체면적은 상기 콜렉터베이스(20)의 전체면적보다 작다.

그리고 상기 제1정렬부재(40)는 일방향으로 긴 스트립 형태로 이루어져 하면이 상기 콜렉터베이스(20)의 표면에 결합된다.

본 실시예에서 상기 제1정렬부재(40)는 원통 형상으로 이루어진 상기 콜렉터베이스(20)의 축 길이방향을 따라 길게 상기 콜렉터베이스(20)의 표면에 결합되어 있다.

경우에 따라 상기 제1정렬부재(40)는 원통형상으로 이루어진 상기 콜렉터베이스(20)의 축 길이방향과 수직으로 이루는 원주방향으로 결합될 수도 있다.

만일, 상기 콜렉터베이스(20)가 평판 형상으로 이루어진 경우에는 상기 제1정렬부재(40)는 다양한 방향으로 결합되어 배치되도록 할 수 있다.

이러한 상기 제1정렬부재(40)는 전기가 잘 통할 수 있는 재질이면 되고, 바람직하게는 구리선으로 이루어지도록 한다.

보다 구체적으로 상기 제1정렬부재(40)는 두께가 얇고 표면이 넓은 평판 형상의 구리판을 폭이 좁고 긴 스트립 형태로 잘라서 형성되도록 한다.

상기 제2정렬부재(50)는 비전도성 재질로 이루어지고, 상기 제1정렬부재(40)의 상면을 덮으면서 결합된다.

이러한 상기 제2정렬부재(50)는 비전도성이면서 자체결합력을 갖는 셀로판테이프 등으로 이루어짐이 바람직하다.

상기 제1정렬부재(40)의 상면을 덮는 상기 제2정렬부재(50)의 전체면적은 상기 콜렉터베이스(20)의 전체면적보다 작도록 한다.

위와 같이 상기 제2정렬부재(50)에 의해 상기 노즐(10)에서 전기방사된 폴리머는 상기 제2정렬부재(50) 및/또는 상기 콜렉터베이스(20)에 부착되게 된다.

상기 제2정렬부재(50)는 상기 제1정렬부재(40)의 상면 뿐만 아니라, 상기 제1정렬부재(40)가 결합되지 않은 상기 콜렉터베이스(20)의 상면을 함께 덮도록 한다.

이러한 상기 제2정렬부재(50)는 어느 한 방향으로 길게 형성된 스트립형태로 이루어진다.

상기 제2정렬부재(50)는 상기 제1정렬부재(40)의 길이방향과 동일한 방향으로 길게 배치될 수도 있고, 상기 제2정렬부재(50)는 상기 제1정렬부재(40)의 길이방향과 수직한 방향으로 길게 배치될 수도 있다.

상기 제2정렬부재(50)를 상기 제1정렬부재(40)의 길이방향과 동일한 방향으로 길게 배치한 경우에는, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제2정렬부재(50)에 부착된 나노섬유(71)가 상기 제1정렬부재(40)의 수직방향으로 정렬되어 부착되게 된다.

그리고, 상기 제2정렬부재(50)를 상기 제2정렬부재(50)의 길이방향과 수직한 방향으로 길게 배치한 경우에는, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제2정렬부재(50)에 부착된 나노섬유(71)가 상기 제1정렬부재(40)의 길이방향과 평행한 방향으로 정렬되어 부착되게 된다.

상기 제1정렬부재(40)는 본 실시예와 같이 다수개로 이루어져 상호 이격되어 배치되도록 함이 바람직하고, 이때 상기 제2정렬부재(50)는 다수개의 상기 제1정렬부재(40)를 덮도록 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 전기방사되어 형성된 나노섬유를 촬영한 사진이고, 도 5는 도 4에 나타나 있는 나노섬유를 확대 촬영한 SEM 사진이다.

도 4에 나타나 있는 사진은, 폴리우레탄을 셀로판테이프로 이루어진 상기 제2정렬부재(50)의 상면과 상기 콜렉터베이스(20)의 상면에 함께 전기방사하여 부착된 나노섬유를 함께 촬영한 것이다.

도 4에는 정렬된(Aligned) 나노섬유(71)부분과, 비정렬된(Random) 나노섬유(72)부분이 함께 나타나 있다.

도 5(a)는 상기 제2정렬부재(50)가 덮여 있지 않는 상기 콜렉터베이스(20)의 상면에 부착된 비정렬된 나노섬유(72)를 확대하여 촬영한 것이다.

도 5(b)는 상기 제2정렬부재(50)에 부착된 정렬된 나노섬유(71)를 확대하여 촬영한 것이다.

도 5에서 알 수 있는 바와 같이 상기 제2정렬부재(50)의 상면에 부착된 나노섬유(71)는 상기 제2정렬부재(50)가 없는 부분에 부착된 나노섬유(72)와 비교하여, 확연히 일방향으로 정렬되어 있음을 볼 수 있다.

위와 같은 전기방사되어 형성되는 나노섬유를 상기 제1정렬부재(40)와 제2정렬부재(50)에 의해 보다 쉽게 정렬하여 형성되도록 할 수 있고, 또한 제1정렬부재(40)와 제2정렬부재(50)의 배치방향에 따라 나노섬유가 정렬되는 방향도 쉽게 조정할 수 있다.

이렇게 나노섬유들이 일방향으로 정렬되게 되면 투명한 매트의 제작이 가능하게 되고, 말초신경재생을 위한 신경도관 등으로 활용될 수 있다.

또한 본 발명에 의해 일방향으로 정렬된 나노섬유를 약 90도 수평 회전시킨 후 그 위에 다시 전기방사를 하여 정렬된 나노섬유를 형성하게 되면, 대략 격자무늬로 정렬된 나노파이버매트를 얻을 수 있다.

위와 같이 격자무늬로 정렬된 나노파이버매트는 나노섬유가닥 사이의 공간인 포어(pore) 사이즈를 조절할 수 있고, 이를 통해 신경세포의 증식을 도와 신경도관 제작에 유용하게 활용될 수 있다.

한편, 본 발명은 도 6에 도시된 바와 같이 상기 콜렉터베이스(20)의 표면에 종이 등과 같은 비전도성 재질의 부착시트(60)를 결합할 수도 있다.

이때, 상기 부착시트(60)의 상면에 상기 제1정렬부재(40) 및 제2정렬부재(50)가 결합되고, 상기 노즐(10)에서 전기방사된 폴리머는 상기 제2정렬부재(50) 및/또는 부착시트(60)에 부착된다.
상기 제1정렬부재(40)는 상기 부착시트(60)의 상면에 결합되면서 양단이 상기 콜렉터베이스(20)에 전기적으로 연결된다.

보다 구체적으로, 상기 부착시트(60)의 상면에 결합된 상기 제1정렬부재(40)는 그 양단이 절곡되면서 상기 부착시트(60)의 양단을 감싸면서 절곡된 하부가 상기 콜렉터베이스(20)에 전기적으로 연결되도록 한다.
그리고, 상기 제2정렬부재(50)는 상기 제1정렬부재(40)의 상면을 덮으면서 상기 부착시트(60)의 상면에 결합된다.

위와 같이 상기 콜렉터베이스(20)의 표면에 상기 부착시트(60)를 결합함으로서, 상기 부착시트(60)의 표면에 부착된 나노섬유매트를 구현할 수 있다.

본 발명인 정렬된 나노섬유 제조장치는 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술 사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

10 : 노즐, 20 : 콜렉터베이스, 30 : 전원공급부, 40 : 제1정렬부재, 50 : 제2정렬부재, 60 : 부착시트, 71 : 정렬된 나노섬유, 72 : 비정렬된 나노섬유.

Claims

전기방사를 통해 나노섬유를 제조하는 장치에 있어서,
폴리머를 전기방사하는 노즐과;
상기 노즐에서 방사된 폴리머가 집적되는 전도성 재질의 콜렉터베이스와;
상기 노즐 및 콜렉터베이스에 각기 다른 극성의 전원을 공급하는 전원공급부;
상기 콜렉터베이스의 표면에 결합된 전도성 재질의 제1정렬부재와;
상기 제1정렬부재의 상면을 덮으면서 결합된 비전도성 재질의 제2정렬부재를 포함하여 이루어지되,
상기 제1정렬부재는 상기 콜렉터베이스와 전기적으로 연결되고,
상기 제1정렬부재의 전체면적은 상기 콜렉터베이스의 전체면적보다 작고,
상기 제1정렬부재의 상면을 덮는 상기 제2정렬부재의 전체면적은 상기 콜렉터베이스의 전체면적보다 작으며,
상기 노즐에서 전기방사된 폴리머는 상기 제2정렬부재 또는 콜렉터베이스에 부착되는 것을 특징으로 하는 정렬된 나노섬유 제조장치.
청구항1에 있어서,
상기 제1정렬부재는 일방향으로 긴 스트립형태로 이루어져 하면이 상기 콜렉터베이스에 결합되고,
상기 제2정렬부재는 상기 제1정렬부재가 결합되지 않은 상기 콜렉터베이스의 상면과 상기 제1정렬부재의 상면을 함께 덮는 것을 특징으로 하는 정렬된 나노섬유 제조장치.
청구항2에 있어서,
상기 제2정렬부재는 어느 한 방향으로 길게 형성된 스트립형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 정렬된 나노섬유 제조장치.
청구항3에 있어서,
상기 제2정렬부재는 상기 제1정렬부재의 길이방향과 동일한 방향으로 길게 배치된 것을 특징으로 하는 정렬된 나노섬유 제조장치.
청구항3에 있어서,
상기 제2정렬부재는 상기 제1정렬부재의 길이방향과 수직한 방향으로 길게 배치된 것을 특징으로 하는 정렬된 나노섬유 제조장치.
청구항5에 있어서,
상기 제1정렬부재는 다수개로 이루어져 상호 이격 배치되되,
상기 제2정렬부재는 다수개의 상기 제1정렬부재를 덮는 것을 특징으로 하는 정렬된 나노섬유 제조장치.
청구항1에 있어서,
상기 콜렉터베이스의 표면에는 비전도성 재질의 부착시트가 결합되고,
상기 제1정렬부재는 상기 부착시트의 상면에 결합되면서 양단이 상기 콜렉터베이스에 전기적으로 연결되며,
상기 제2정렬부재는 상기 제1정렬부재의 상면을 덮으면서 상기 부착시트의 상면에 결합되고,
상기 노즐에서 전기방사된 폴리머는 상기 제2정렬부재 또는 부착시트에 부착되는 것을 특징으로 하는 정렬된 나노섬유 제조장치.
청구항7에 있어서,
상기 제1정렬부재의 양단은 절곡되어 상기 부착시트의 양단을 감싸면서 절곡된 하부가 상기 콜렉터베이스에 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 정렬된 나노섬유 제조장치.
청구항1에 있어서,
상기 제1정렬부재는 구리선으로 이루어지고,
상기 제2정렬부재는 셀로판테이프로 이루어진 것을 특징으로 하는 정렬된 나노섬유 제조장치.