KR101676332B1 - 전기 방사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일방향으로 정렬된 나노 섬유를 간편하게 제조할 수 있는 전기 방사 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전기 방사 장치에 있어서, 폴리머 솔루션을 가압하는 펌프; 상기 펌프에 의하여 가압된 폴리머 솔루션을 분사하는 노즐; 상기 노즐에서 분사된 폴리머 솔루션이 나노 섬유로 집적되는 콜렉터; 상기 노즐과 상기 콜렉터에 전원을 인가하는 전원공급장치; 및 상기 콜렉터에서 상기 나노 섬유가 집적되는 면에 형성되는 함몰부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기 방사 장치{Electrospinning device}

본 발명은 전기 방사 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 일방향으로 정열된 나노섬유를 얻을 수 있는 전기 방사 장치에 관한 것이다.

전기 방사 장치는 섬유 원료 용액을 하전상태에서 방사하여 미세 직경의 섬유를 제조하는 장치로, 실린저 펌프를 통하여 일정량의 솔루션을 분출시키고, 동시에 고압의 전원을 인가하는 경우, 콜렉터에 나노 섬유가 생성되는 것을 특징으로 한다. 특히 상기 장치로 제조되는 나노 섬유는 직경이 나노미터에서 마이크로미터의 범위를 가져 다양한 분야에 적용할 수 있는 장점이 있다.

특히 근래 나노 분야의 급격한 잡전에 힘입어, 건기 방사 장치 역시 다양한 형태로 제시되고 있다. 예를 들면, 공개특허 제2010-0019169호에는 고분자 용액 욕조 내에 담겨져 있는 고분자 용액을 고전압이 걸려있는 상태로 상기 고분자 용액 욕조 상에 설치되어 하단 일부분이 고분자 용액 욕조내의 고분자 방사 용액과 접촉하고 있는 다공판에 천공된 미세구멍 들을 통해 고전압이 걸려 있는 상태로 상기 다공판의 상부에 위치하는 컬렉터를 향해 전기방사시켜 나노섬유를 휘산시킨 다음, 휘산되는 나노섬유를 상기 컬렉터 상에 적층하는 구성이 개시되어 있다.

또한, 등록특허 제756893호에는 노즐의 선단부가 지면방향인 아래방향을 향하고 있는 경사면을 이루고 있으며, 상기 노즐의 둘레에는 상기 노즐을 감싸는 드롭방지 관이 설치되어 있고, 상기 드롭방지 관의 선단부가 지면 반대방향인 윗 방향을 향하고 있는 경사면을 이루고 있고, 상기 드롭방지 관은 과잉 방사용액 배출 홀에 의해 과잉 방사용액 포집 관과 연통되어 있고, 상기 방사용액 포집 관은 과잉 방사용액 회수라인과 연결되어 있는 구성이 개시되어 있다.

한편, 전기 방사 장치에서는 솔루션을 분사하는 방사 노즐에 따라 특성이 달라, 상기 노즐에 관한 구성도 다수 제안되었다.

예를 들면, 등록특허 제1260707호에는 전기방사용 복합 노즐은 외부 노즐 및 상기 외부 노즐의 내부에서 나란히 배치되어 있는 2개 이상의 내부 노즐을 포함하는 구성이 개시되어 있다.

또한, 등록특허 제725040호에는 방사용액이 공급되는 노즐블럭 상에 노즐블럭에 공급된 방사용액을 전기방사해 주는 노즐이 설치되어 있는 전기방사용 노즐장치에 있어서, 상기 노즐블럭과 노즐 사이에 직경이 노즐의 직경보다 큰 1개 이상의 방사용액 임시 저장조가 설치되어 있고, 상기 방사용액 임시 저장조와 노즐블럭은 연결관에 의해 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐 장치의 구성이 개시되어 있다.

상기의 특허들은 나노 섬유 제조에는 장점이 있으나, 제조된 나노 섬유가 무정형, 즉, 웹 형태로 적층되는 특성이 있다.

상기 무정형 특성의 경우, 의복이나 기타 용도에 적합한 장점은 있으나, 일방향으로 정렬된 나노 섬유의 경우에는 에너지 발생 소자 등에 적용 시 효과적이므로, 상기와 같은 정렬된 나노 섬유 제조 시에는 상기한 선행기술로는 제조할 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 일방향으로 정렬된 나노 섬유를 간편하게 제조할 수 있는 전기 방사 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전기 방사 장치에 있어서, 폴리머 솔루션을 가압하는 펌프; 상기 펌프에 의하여 가압된 폴리머 솔루션을 분사하는 노즐; 상기 노즐에서 분사된 폴리머 솔루션이 나노 섬유로 집적되는 콜렉터; 상기 노즐과 상기 콜렉터에 전원을 인가하는 전원공급장치; 및 상기 콜렉터에서 상기 나노 섬유가 집적되는 면에 형성되는 함몰부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 함몰부는 일정한 깊이로 형성되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 함몰부의 깊이는 0.1 내지 1cm인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 함몰부는 직사각형 형상인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 함몰부는 상기 노즐 분사선이 교차하는 콜렉터 지점이 정중앙으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 함몰부는 정사각형인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 폴리머 솔루션은 PVDF 재질인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전기 방사 장치는 평판 형태의 콜렉터에 함물부를 형성하는 것만으로도 일방향으로 정렬된 나노 섬유를 얻을 수 있어, 낮은 가격에 대량으로 정렬된 나노 섬유를 얻을 수 있는 효과가 있으며, 또한 상기 함몰부의 형상을 변경하는 경우, 단위 나노 섬유가 배치되는 폭이 조절되므로, 다양한 배치를 갖는 정렬된 나노 섬유를 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전기 방사 장치의 구성도이며,
도 2는 도 1에 도시된 콜렉터의 사시도이며,
도 3은 본 발명에 따른 콜렉터의 전기장 해석 결과이며,
도 4는 실시예에 따른 나노 섬유 사진이며,
도 5는 직경에 따른 나노 섬유 특성 그래프이며,
도 6은 함몰부 형상에 따른 전기장 해석, 나노 섬유 사진 및 특성 그래프이며,
도 7은 실시예의 FT-IR 분석결과 그래프이며,
도 8은 시험예의 구성이며,
도 9는 도 8에 따른 시험결과 그래프이다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 전기 방사 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 고분자 솔루션을 가압하는 펌프(10), 상기 펌프(10)의 끝단에 부착되어 가압된 솔루션을 분사하는 노즐(20), 상기 노즐(20)에서 분사된 솔루션을 집적하는 콜렉트(30), 상기 노즐(20)과 상기 콜렉트(30) 사이에 전압을 인가하는 전원공급장치(40)을 포함하여 구성된다.

먼저 상기 펌프(10)는 내부에 포함된 고분자 솔루션을 가압하는 역할을 하는 것으로 실린더 피스톤 구조로 이루어지는 것이 바람직하나, 기타 다른 형태의 펌프 구성도 적용 가능하며, 별도의 전원에 의하여 구동된다.

한편, 상기 노즐(20)은 상기 펌프(10)를 통하여 가압된 고분자 솔루션을 분사하는 역할과, 상기 전원공급장치(40)에서 인가되는 전원의 한 극이 연결되는 역할을 한다.

따라서, 상기 펌프(10)가 구동되면, 고분자 솔루션이 상기 노즐(20)의 통하여 분사된다. 이때 상기 노즐(20)의 직경은 나노 섬유의 직경에 따라 적절히 선택하여 구성한다.

또한 상기 노즐(20)에는 상기 전원공급장치(40)에 의하여 고압의 전원이 인가되므로, 전도성 재질로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 노즐(20)의 대향되는 지점에 상기 노즐(20) 분사각과 수직으로 배치되어 상기 노즐(20)을 통하여 분사되는 고분자 솔루션을 집적하는 콜렉터(30)가 배치된다.

상기 콜렉터(30)의 일면은 상기 고분자 솔루션이 부착되어 나노 섬유가 부착되며, 전체적으로 평면의 평판 형태로 구성되며, 상기 전원공급장치(40)를 통하여 공급되는 전원의 한 극이 연결된다.

따라서 상기 노즐(20)과 상기 콜렉터(30) 사이에는 강한 전기장이 형성되며, 상기 전기장의 작용에 의하여 상기 고분자 솔루션이 나노 섬유로 형성된다.

상기 콜렉터(30)는 전도성 재질로 구성하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 전원공급장치(40)는 상기한 바와 같이, 노즐(20)과 상기 콜렉터(30) 사이에 전원을 인가하는 역할을 하며, 대략 15kV 전후의 직류 전압이 인가되며, 상기 전압에서 통상의 나노 섬유가 형성된다.

한편, 본 발명에 따른 전기 방사 장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 콜렉터(30)의 분사면, 중앙(노즐(20)의 중심 O와 일치하는 지점) 부분에 일정한 면적의 함몰부(50)가 형성된다.

상기 함몰부(50)는 전면으로 a×b 크기의 직사각형 또는 정사각형 형상이며, 함몰부(50)의 깊이h는 일정하게 형성한다.

따라서, 상기 노즐(20)을 통하여 분사된 고분자 솔루션은 상기 함몰부(50)와 비함물부에 걸쳐 배치되어 나노 섬유가 집적된다.

상기 함몰부(50)는 노즐(20)과 상기 콜렉터(30) 사이의 전기장을 변화시켜, 분사되는 고분자 솔루션이 정렬되는 효과를 제공한다.

도 3은 함몰부(50)의 폭이 2cm이고 깊이는 0, 0.5cm 및 1cm로 구성한 콜렉터(30)를 FDTD(Finite-differenc time-domain) 방법으로 시뮬레이션한 전기장 분포 그래프이다.

상기 도 3을 통하여 함몰부(50)의 양끝부분에 전기장이 몰리는 형상을 확인할 수 있으며, 또한 콜렉터(30)의 표면에 형성되는 전기장은 수평적 방향을 가진는 것을 알 수 있으며, 상기 수평적 특성에 의하여 나노 섬유가 정렬된다.

그리고 상기 함물부(50)의 깊이는 0.1cm 내지 1cm범위로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 함몰부(50)의 깊이가 0.1cm미만인 경우에는 나노 섬유의 정렬이 발생하지 않을 우려가 있으며, 1cm를 초과하는 경우에는 나노 섬유의 직경이 불균일해질 우려가 있어 부적절하다.

또한 상기 함몰부(50)는 직사각형 또는 정사각형으로 구성하는 것이 바람직하며, 전체 콜레터(30) 면적에 대한 함몰부(50)의 면적을 조절하는 경우, 단위 나노 섬유의 분포 폭을 조절할 수 있다.

실시예

함몰부(50)를 크기 6×2cm 깊이 0.3cm로 형성하고, 15kV전압을 인가한 후, PVDF(Polyvinylidene fluoride) 폴리머 솔루션으로 나노 섬유를 제조하였다.

제조한 결과 도 4에 도시된 바와 같은 나노 섬유를 얻었다.

상기 도 4에 도시된 바와 같이, 정렬된 나노 섬유가 형성된 것을 확인할 수 있었다.

또한, 직경을 달리하는 나노 섬유 제조 결과를 도 5에 도시하였다.

도 5에서 직경에 관계없이 정령된 나노 섬유가 형성된 것을 확인할 수 있다.

또한, 함물부(50)의 형상을 달리하여 나노 섬유를 제조하였으며, 각 함몰부(50)에 대한 전기장 해석, 제조된 나노 섬유 형상 그리고 FFT그래프를 도 6에 도시하였다.

전기장 해석결과 함몰부(50)의 모서리부분에 전기장이 집중되는 것을 확인할 수 있으며, 나노 섬유 사진(5㎛ 단위)에서 전기장 해석 결과와 동일한 패턴으로 형성된 것을 확인할 수 있었다. 즉, 직사각형인 경우 일방향으로 정렬된 나노 섬유를 얻었으며, 정사각형인 경우 그물망 형태의 나노 섬유 그리고 함몰부(50)가 없는 경우에는 램덤하게 나노 섬유가 형성되는 것을 확인하였으며, 상기 나노 섬유의 분포는 상기 FFT 그래프로도 확인된다.

한편, 생성된 나노 섬유의 FT-IR 분석결과를 함몰부(50)를 포함하지 않는 일반적인 방식에 의하여 제조된 나노 섬유와 비교하여 도 7에 도시하였다.

상기 도 7을 통하여 본 발명에 따른 장치를 이용한 나노 섬유는 정렬된 형태로 제조됨을 확인하였다.

시험예

본 시험예에서는 상기 실시예를 통하여 제조된 나노 섬유의 활용을 확인하기 위하여 도 8과 같이 나노 섬유 표면에 전극을 증착한 후, 변형을 반복적으로 수행하여 상기 전극을 통하여 생성되는 전원을 측정하였다.

측정 결과 도 9에 도시된 바와 같은, 전압과 전류 그래프를 얻었으며, 비교를 위하여 종래 방식으로 제조된 나노 섬유의 결과도 같이 도시하였다.

여기서 우측의 도면은 종래 방식에 의하여 생성된 전압과 전류 그래프이며, 비교 결과 실시예에 의한 결과가 우수함을 확인하였다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

10: 펌프 20: 노즐
30: 콜렉터 40: 전원공급장치
50: 함몰부 100: 전기 방사 장치

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 전기 방사 장치에 있어서,
   폴리머 솔루션을 가압하는 펌프;
   상기 펌프에 의하여 가압된 폴리머 솔루션을 분사하는 노즐;
   상기 노즐에서 분사된 폴리머 솔루션이 나노 섬유로 집적되는 콜렉터;
   상기 노즐과 상기 콜렉터에 전원을 인가하는 전원공급장치; 및
   상기 콜렉터에서 상기 나노 섬유가 집적되는 면에 형성되는 하나의 함몰부;를 포함하되,
   상기 함몰부는 일정한 깊이로 형성되며,
   상기 함몰부의 깊이는 0.1 내지 1cm이며,
   상기 함몰부는 직사각형 형상이며,
   상기 노즐에서 연장되는 분사선은 함몰부의 정중앙과 만나는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
   
6. 청구항 5에 있어서, 상기 함몰부는 정사각형인 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
   
7. 청구항 5에 있어서, 상기 폴리머 솔루션은 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 재질인 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
   

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