KR101680356B1 - 상전이 물질을 포함하는 나노섬유 및 부직포의 제조방법 - Google Patents

상전이 물질을 포함하는 나노섬유 및 부직포의 제조방법 Download PDF

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Abstract

용융 전기방사공정 및 잠열에 의해 에너지의 축적이 가능한 상전이 물질을 이용하여 효율적이고 친환경적인, 상전이 물질을 포함하는 나노섬유 및 부직포의 제조방법이 개시된다. 상기 상전이 물질을 포함하는 나노섬유의 제조방법은, 고분자 용액을 전기방사장치의 고분자 공급기에 공급하고, 이종(異種)의 화합물로 이루어지거나 분자량이 상이한 동종(同種)의 화합물로 이루어진 2종 이상의 상전이 물질을, 하나 이상의 상전이 물질 공급기에 공급하는 단계; 및 상기 상전이 물질을 용융시켜, 상기 고분자 용액과 함께 다중 노즐을 통하여 전기 방사함으로써, 중심부에는 상기 상전이 물질이 위치하고, 상기 고분자는 상기 상전이 물질이 누출되지 않도록 상기 상전이 물질을 감싸는 코아-셀 구조의 복합 나노섬유를 제조하는 단계를 포함한다.

Description

상전이 물질을 포함하는 나노섬유 및 부직포의 제조방법{Method for preparing nanofiber and nonwoven including a phase change materials}
본 발명은 상전이 물질을 포함하는 나노섬유 및 부직포의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 용융 전기방사공정 및 잠열에 의해 에너지의 축적이 가능한 상전이 물질을 이용하여 효율적이고 친환경적인, 상전이 물질을 포함하는 나노섬유 및 부직포의 제조방법에 관한 것이다.
전세계적으로 석유 및 석탄 등의 에너지 자원이 고갈되어감에 따라, 세계 각국에서는 에너지 문제를 해결하기 위한 노력을 하고 있으며, 새로운 에너지원에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 한편, 이와 더불어 에너지 효율을 향상시키는 연구 또한 절실히 요구되고 있는 실정으로서, 에너지의 효율을 높이기 위해서는 에너지 변환장치의 효율화, 에너지 저장 및 에너지 전달방법 등의 개발이 필요하다. 특히, 에너지의 공급과 소비의 시간적, 장소적 불일치를 해소하기 위하여, 에너지를 저장하는 방법의 개발이 중요하며, 에너지의 저장 방법으로는 크게 운동 에너지와 위치 에너지를 이용하는 기계적 저장방법, 화학 물질로서 에너지를 저장하는 화학적 저장방법 및 열 에너지를 에너지의 형태 변화 없이 현열 및 잠열을 이용한 저장방법으로 분류할 수 있다.
또한, 에너지 효율의 극대화를 위한 효과적인 방법으로, 높은 열 용량을 갖는 열 전달 매체를 첨가하는 방법이 있다. 이러한 열 전달 매체에 대한 연구는 이전부터 꾸준히 진행되어 왔으며, 최근에는 상전이 물질(또는, 상변이 물질, Phase Change Material, PCM)을 이용하는 잠열축열법에 많은 연구가 집중되고 있다. 여기서 상전이 물질이란, 특정 온도에서 온도의 변화 없이 물질의 상태만이 변하면서, 많은 양의 열을 흡수하거나 방출하는 물질로서(다시 말해, 액체 상태에서 고체 상태로 전환될 때에는 주위에 열을 방출하고, 고체 상태에서 액체 상태로 전환될 때에는 주위로부터 열을 흡수), 상기 흡수 또는 방출되는 열을 잠열(潛熱)이라 한다. 이와 같은 잠열을 이용하여 열에너지를 저장하는 방법인 잠열축열법은, 현열(顯熱)을 이용하여 열 에너지를 저장하는 방법보다, 단위 부피당 또는 단위 무게당 더욱 많은 양의 열을 저장할 수 있다.
하지만, 잠열축열법에서 상전이 물질은 통상 -10 내지 60 ℃의 용융온도를 가지고 있어, 온도 변화에 따른 액상화에 의해 상전이 물질이 유출되기 때문에, 성형 가공하여 실생활에 적용하기 어려운 문제점이 있다. 즉, 상전이 물질이 100 ℃ 이하에서 액체 상태로 상전이를 하는 경우, 액상의 상전이 물질이 외부로 유출되어 손실이 발생하고, 이는 장기간 사용에 따른 단열 효과의 감소나 열 보존 손실로 이어진다. 따라서, 상전이 물질을 포함하는 섬유나 직물에 있어서, 주위의 온도 변화에도 상전이 물질이 손실되지 않는 기술의 개발이 요구된다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 대한민국 특허공개 2014-0145674호(상변이 물질을 함유한 복합 캡슐이 분산된 고분자 섬유 및 그 제조방법), 대한민국 특허등록 10-1160156호(상변이 물질이 전도성 고분자로 둘러싸여 있는 나노캡슐 및 그 제조방법) 및 10-0943419호(상변이 물질을 함유한 고분자 파이버를 제조하는 방법 및 그의 용도)는 상전이 물질 및 고분자로 이루어진 복합체를 제조하여, 상전이 물질의 유출을 방지하는 내용을 개시하고 있다. 그러나, 상전이 물질의 공급 시 사용되는 유기용매에 의한 환경 오염의 문제는 해결되어야 할 과제이다.
본 발명의 목적은, 전기방사 시, 상전이 물질을 용액이 아닌 용융 상태로 방사함으로써, 유기용매의 사용을 감소 또는 배제시켜 환경오염을 줄일 수 있는, 상전이 물질을 포함하는 나노섬유 및 부직포의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 서로 다른 분자량을 가지는 2종 이상의 상전이 물질을 사용함으로써, 열 에너지를 보다 효율적으로 저장할 수 있는, 상전이 물질을 포함하는 나노섬유 및 부직포의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 고분자 용액을 전기방사장치의 고분자 공급기에 공급하고, 이종(異種)의 화합물로 이루어지거나 분자량이 상이한 동종(同種)의 화합물로 이루어진 2종 이상의 상전이 물질을, 하나 이상의 상전이 물질 공급기에 공급하는 단계; 및 상기 상전이 물질을 용융시켜, 상기 고분자 용액과 함께 다중 노즐을 통하여 전기 방사함으로써, 중심부에는 상기 상전이 물질이 위치하고, 상기 고분자는 상기 상전이 물질이 누출되지 않도록 상기 상전이 물질을 감싸는 코아-셀 구조의 복합 나노섬유를 제조하는 단계를 포함하는 상전이 물질을 포함하는 나노섬유의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 상전이 물질을 포함하는 나노섬유 및 부직포의 제조방법은, 전기방사 시, 상전이 물질을 용액이 아닌 용융 상태로 방사함으로써, 유기용매의 사용을 감소 또는 배제시켜 환경오염을 줄일 수 있고, 공정이 효율적이며, 제조 시 소요되는 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 상전이 물질을 포함하는 나노섬유 및 부직포의 제조방법에 의하면, 서로 다른 분자량을 가지는 2종 이상의 상전이 물질을 사용함으로써, 열 에너지의 저장을 보다 효율적으로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 나노섬유 및 부직포의 제조방법을 설명하기 위한 전기방사장치의 모습.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상전이 물질을 2종 이상 포함하는 나노섬유 및 비교예에 따른 단일 상전이 물질을 포함하는 나노섬유의 DSC 곡선을 비교하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 나노섬유에 포함된 상전이 물질의 유출 여부를 확인하기 위한 물접촉각(WCA) 측정도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 나노섬유의 단면을 보여주는 모식도(A) 및 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 이미지(B).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 나노섬유 및 실리카를 추가로 첨가한 나노섬유의 기계적 강도를 보여주는 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유에 2종의 상전이 물질이 포함된 모습(A) 및 3종의 상전이 물질이 포함된 모습(B)을 보여주는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 나노섬유 및 부직포의 제조방법을 설명하기 위한 전기방사장치의 모습으로서, 도 1-A의 점선 확대도는 2종 이상의 상전이 물질을 혼합하여 하나의 노즐에 공급하는 모습이고, 도 1-B의 점선 확대도는 2종의 상전이 물질을 서로 다른 노즐에 각각 공급하는 모습이다. 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 상전이 물질을 포함하는 나노섬유 및 부직포의 제조방법을 설명하면, 먼저, 고분자 용액(10) 및 2종 이상의 상전이 물질(Phase Change Material; PCM, 12)을, 전기방사장치(electro spinning apparatus)의 고분자 공급기(19) 및 하나 이상의 상전이 물질 공급기(20)에 각각 공급한다.
여기서, 상기 2종 이상의 상전이 물질(12, 35, 36)은, 혼합되어 하나의 상전이 물질 공급기(20)로 공급되거나, 서로 다른 둘 이상의 상전이 물질 공급기에 별개로 각각 공급될 수 있는 것으로서, 도 1의 A는 전자의 경우(2종 이상의 상전이 물질(12)이 혼합되어 하나의 상전이 물질 공급기(20)로 공급)를 보여주는 도면이며, 도 1의 B는 후자의 경우(2종 이상의 상전이 물질(35, 36)이 서로 다른 둘 이상의 상전이 물질 공급기에 별개로 각각 공급)를 보여주는 도면으로서(단, 노즐과 연결되는 각각의 상전이 물질 공급기는 도시되지 않음), 후자의 경우에는, 도면 부호 20으로 표시되는 상전이 물질 공급기 이외에, 하나 이상의 상전이 물질 공급기를 별도로 추가하여야 하며, 그밖에, 하나의 상전이 물질 공급기(20)에 2종 이상의 상전이 물질을 혼합되지 않는 방법으로도 공급할 수 있다.
상기 고분자 용액은 고분자를 용매에 용해시킨 것으로서, 상기 고분자의 예를 들면, 나일론-6, 폴리스타이렌, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴 및 이들의 혼합물 등이 있다. 상기 고분자는 고분자 용액 100 중량부에 대하여 5 내지 100 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 고분자의 함량이 상기 고분자 용액 100 중량부에 대하여 5 중량부 미만으로 사용될 경우에는, 최종 형성되는 고분자 층(즉, 후술할 셀(shell)층)이 균일한 파이버 형태가 아닌 입자 등의 다른 형태를 나타낼 우려가 있고, 100 중량부를 초과하여 사용할 경우에는, 고분자 용액의 점도가 과도하게 상승하여, 전기방사장치의 연결관 및 용액분사장치 내에서 고분자 용액의 흐름이 막히게 되어 섬유(fiber)가 형성되지 않을 우려가 있다. 따라서, 상기 고분자의 함량이 상기 범위 내에 포함될 경우, 내부에 상전이 물질이 코어로 형성되고 그 외부에 유기 고분자의 코팅층이 형성되기에 더욱 좋다. 한편, 상기 고분자 용액에 포함되는 용매(solvent)로는, 통상의 용매를 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 물, 클로로포름, 테트라하이드로퓨란, 아세트산, 메탄올, 에탄올, 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, 디클로로메탄, 디클로로에탄을 및 이들의 혼합물을 예시할 수 있다.
상기 상전이 물질(Phase Change Material; PCM)은, 특정 온도(바람직하게는 상온)에서 용융점을 가지며, 온도의 변화 없이 물질의 상태만이 변하면서 많은 양의 열을 흡수하거나 방출하는 유기 물질(즉, 높은 잠열을 가지는 물질)로서, 이와 같이, 에너지 저장의 효율적 방법인 잠열(latent heat, 潛熱)을 이용하여 열 에너지를 저장하는 방법, 즉, 잠열 열 에너지 저장(latent heat thermal energy storage, LHTES) 방법은, 현열(sensible heat, 顯熱)을 이용하여 열 에너지를 저장하는 현열 저장(sensible heat storage) 방법에 비하여, 열 저장과 방출 사이의 온도 차이가 낮기 때문에, 단위 부피당 또는 단위 무게당 더욱 많은 양의 열 에너지를 저장할 수 있다. 즉, 상전이 물질을 열 에너지 저장 재료로 선정하는 것은 에너지 효율 극대화 및 경제성 타당성 관점에서 매우 중요한 것으로서, 가열 시 고체상에서 액체상으로 상이 전환되어 에너지를 저장하고, 냉각 시 액체상에서 고체상으로 상이 전환되어 열을 방출하게 된다.
이와 같은, 상전이 물질의 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 아세트아마이드, 프로필아마이드, 나프탈렌, 스테아르산, 시안아미드(cyanamide), 글리세롤, 아세트산, n-옥타코산, n-헵타코산, n-헥사코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-아이코산, n-노나데칸, n-옥타데칸, n-헵타데칸, n-헥사데칸, n-펜타데칸, n-테트라데칸, n-트리데칸, 케톤류, 알데하이드류, 에테르류 및 이들의 혼합물 등 독성 및 부식성이 없는 환경 친화적인 유기화합물을 예시할 수 있고, 바람직하게는 폴리에틸렌글리콜(PEG)이다. 특히, 폴리에틸렌글리콜(PEG)은, 상대적으로 높은 잠열, 용융(melting) 및 응고(freezing)의 일정한 거동(behavior), 그리고 분자량에 따라 넓은 용융온도 범위를 가지기 때문에, 유기 상전이 물질들 중에서도 유용하고 우수한 물질로 분류된다.
한편, 상기 상전이 물질 공급기(20)에 공급되는 '2종 이상의 상전이 물질'이라 함은, 상기 예시한 바와 같은 이종(異種)의 화합물이 2종 이상이거나, 분자량이 상이한 동종(同種)의 화합물이 2종 이상인 것을 의미한다. 여기서, 상기 분자량이 상이한 동종 화합물의 예를 들면, 분자량이 서로 다른 PEG(폴리에틸렌글리콜)-200, PEG-800 및 PEG-5000을 예시할 수 있으며(각 화합물의 뒤에 붙은 숫자는, 중합된 산화에틸렌의 평균분자량을 의미), 이와 같이, 서로 다른 종류의 상전이 물질들 간이나 분자량이 서로 다른 상전이 물질들 간은 용융점이 서로 다르기 때문에, 열 에너지의 저장을 보다 효율적으로 할 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상전이 물질을 2종 이상 포함하는 나노섬유 및 비교예에 따른 단일 상전이 물질을 포함하는 나노섬유의 DSC(Differential Scanning Calorimetry) 곡선을 비교하기 위한 도면으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 단일(1종) 상전이 물질을 포함하는 나노섬유(20 %, 40 %, 60 % PEGs)의 경우, 본 발명에 따른 2종 이상의 상전이 물질을 포함하는 나노섬유(50 % PEG-600 + 50 % PEG-1000)에 비해 단순한(다시 말해, 피크(peak) 및 변동폭이 적은) 형태의 용융 곡선(melting curve)을 가지는 것을 알 수 있으며, 이로부터, 단일의 상전이 물질을 사용하는 것 보다는, 서로 다른 종류의 상전이 물질이나 분자량이 서로 다른 상전이 물질을 함께 사용하는 것이, 열 에너지의 효율적인 저장을 가능하게 함을 알 수 있다.
다음으로, 상기 상전이 물질(PCM, 12, 35, 36)을 용융(melt)시켜, 상기 고분자 용액(10)과 함께 다중 노즐(multiple spinneret, 30)을 통하여 전기 방사함으로써, 중심부에는 상기 상전이 물질(12)이 위치하고, 상기 고분자는 상기 상전이 물질(12, 35, 36)이 누출되지 않도록 상기 상전이 물질(12, 35, 36)을 감싸는 코아-셀(core-shell) 구조의 복합 나노섬유가 제조된다.
기존에도 상전이 물질 및 고분자 용액을 이용하여, 상전이 물질 및 고분자로 이루어진 섬유 복합체를 제조하는 방법이 존재한다. 하지만, 기존의 방법들은 상전이 물질을 처음부터 용액의 상태로 전기방사장치에 공급하는 것으로서, 상전이 물질을 용액의 상태로 공급하려면 유기용매가 사용되어야 하며, 이때 사용되는 유기용매는 환경 오염 등, 통상의 유기용매를 사용함에 있어 발생하는 문제점들을 유발할 수 있다.
하지만, 본 발명에 따른 나노섬유 및 부직포의 제조방법은, 상기 상전이 물질(12, 35, 36)을 용액의 상태로 상기 상전이 물질 공급기(20)에 공급하는 것이 아니라, 우선적으로 상전이 물질(12, 35, 36)을 고체의 상태로 상전이 물질 공급기(20)에 공급한 후, 상전이 물질 공급기(20) 내에서 상전이 물질(12, 35, 36)을 용융시키며 외부로 방사하는 것으로서, 이 경우, 유기용매를 사용하지 않아도 되므로, 기존의 방법과 달리 환경 오염의 우려를 낮추거나 없앨 수 있고, 소요 비용을 낮출 수 있으며, 또한, 유기용매가 포함되지 않은 순수 상전이 물질(12, 35, 36)만을 방사하기 때문에, 제조되는 나노섬유 내 상전이 물질의 함량을 증대시킬 수 있다. 나노섬유에 포함된 상전이 물질의 함량은, 상기 제조되는 나노섬유에 포함된 고분자의 함량 100 중량부에 대하여 5 내지 100 중량부, 바람직하게는 10 내지 80 중량부로서, 상기 나노섬유에 포함된 상전이 물질의 함량이, 상기 나노섬유에 포함된 고분자의 함량 100 중량부에 대하여 5 중량부 미만일 경우, 상전이 물질이 열 에너지를 효율적으로 저장하지 못할 우려가 있고, 100 중량부를 초과하였을 경우에는, 더 이상의 특별한 장점이 없을 수 있다.
또한, 나노섬유 내 상전이 물질에 있어서, 상기 이종(異種)의 화합물이 2종 이상 사용되거나, 또는, 상기 분자량이 상이한 동종(同種)의 화합물이 2종 이상 사용될 경우, 화합물들의 함량비는, 나노섬유 내에 동일한 비율로 포함되도록 할 수도 있고, 열 에너지 저장의 효율성 등을 감안하여, 각기 상이한 비율로 포함되도록 할 수도 있으며, 이는 상기 하나 이상의 상전이 물질 공급기(20)를 통해 조절이 가능하다. 예를 들어, 2종의 상전이 물질이 사용될 경우, 전체 상전이 물질에 대하여 각각의 상전이 물질의 함량은 20 내지 80 중량%, 바람직하게는 30 내지 70 중량%이고, 예를 들면 각각 50 중량%일 수 있다.
이와 같이, 상기 상전이 물질 공급기(20) 내에서 상기 상전이 물질(12, 35, 36)을 용융시키는 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 상전이 물질 공급기(20)의 외면(外面) 일단에 형성되어 있는 상전이 물질 용융액 투입구(14)에 고온의 상전이 물질 용융액(18)을 공급하여, 상기 상전이 물질(12, 35, 36)을 감싸며 유동(流動)하도록 함으로써, 상기 상전이 물질(12, 35, 36)을 용융시키는 것으로서, 상기 상전이 물질(12, 35, 36)의 지속적인 용융을 위하여, 고온의 상전이 물질 용융액(18)은 상기 상전이 물질 용융액 투입구(14)로 지속적으로 공급하고, 역할을 다한 상전이 물질 용융액(18)은 상기 상전이 물질 공급기(20)의 외면 타단에 형성되어 있는 상전이 물질 용융액 배출구(16)로 배출된다.
상기 상전이 물질 용융액(18)으로는, 5 내지 100 ℃, 바람직하게는 10 내지 80 ℃, 더욱 바람직하게는 20 내지 70 ℃의 액상 물질을 사용할 수 있는 것으로서, 상기 상전이 물질(12, 35, 36)을 용융시킬 수 있는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 그 예로는 핫 실리콘 오일(Hot silicone oil) 등을 예시할 수 있다.
한편, 본 발명은 다중 전기방사(multiple electro spinning) 방식을 이용하므로, 상기 고분자 용액(10) 및 상전이 물질(PCM, 12, 35, 36)이 방사되는 다중 노즐(30)과, 섬유가 제조되어 모아지는 섬유 집합부(collector, 40)에는 각각 양전하와 음전하를 침지시켜, 상기 다중 노즐(30)과 섬유 집합부(40)의 전위차를 만들어 주어야 하며, 이를 위해, 고전압 직류발생장치(도시되지 않음)로 1 내지 50 KV, 바람직하게는 10 내지 30 KV, 더욱 바람직하게는 15 내지 20 KV의 전압을 공급해야 한다. 즉, 이와 같은 전기방사 방식을 이용하면, 원료 내부에서 전기적 반발력이 발생하여 분자들 간 결합 현상이 일어나고, 결국, 수십 나노미터에서 수백 나노미터의 직경을 가지는 초극세사가 형성된다. 전기방사(electro spinning) 방식은, 공정이 간단하고, 섬유의 직경 제어가 용이할 뿐만 아니라, 코아-셀 구조, 중공 구조, 다공성 구조 등 다양한 형태의 나노 섬유 제조가 가능하다는 장점이 있다.
계속해서, 도 1을 참조하여 상기 다중 노즐(30)의 내부를 설명하면, 상기 용융된 상전이 물질(PCM, 12, 35, 36)은 상기 다중 노즐(30)의 중심부(32)로 흐르고, 상기 고분자 용액(10)은, 상기 용융된 상전이 물질(12, 35, 36)이 흐르는 다중 노즐(30)의 중심부(32)를 감싸며 주변부(34)를 채우게 된다. 이때, 상기 고분자 용액(10)의 공급 유속은, 상기 상전이 물질(12, 35, 36)의 공급 유속보다 약 5 내지 20 배 빠르게 조절되어, 상전이 물질이 내부에 분산되고 그 외부에 고분자 층이 형성되도록 하는 것이 바람직하다(예를 들어, 상기 고분자 용액(10)의 공급 유속은 1.5 mL/h, 상기 상전이 물질(12, 35, 36)의 공급 유속은 0.09 내지 0.24 mL/h).
도 3은 본 발명에 따른 나노섬유에 포함된 상전이 물질의 유출 여부를 확인하기 위한 물접촉각(WCA) 측정도로서, 예를 들어, 상기 고분자 용액(10)의 공급 유속을 1.5 mL/h라고 가정하였을 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 전기 방사 시 상전이 물질의 공급 속도를 0.09, 0.108, 0.126 및 0.15 mL/h로 각각 수행하여 제조된 나노섬유(또는, 부직포)를 물접촉각(water contact angle; WCA) 측정한 결과, 차례대로 108°, 107°, 102° 및 28°를 나타내는 것을 알 수 있다(물접촉각이 109°인 것은, 고분자 용액으로만 제조된 나노섬유). 특히, 상기 상전이 물질의 공급 속도가 0.15 mL/h일 경우에는 물접촉각이 28°로 급격히 작아지는데, 이는, 나노섬유에 포함된 상전이 물질이 외부로 유출되기 용이함을 보여주는 것으로서, 즉, 전기 방사 시 상전이 물질의 공급 유속이 너무 빠르면, 나노섬유의 형성이 불충분하게 되어, 상기 상전이 물질이 외부로 유출될 우려가 높아지게 된다. 따라서, 전기 방사 시 상기 고분자 용액(10)의 공급 유속이 1.5 mL/h일 경우에는, 상기 상전이 물질의 공급 속도를 약 0.09 내지 0.130 mL/h 정도로 조절하는 것이 요구된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 나노섬유의 단면을 보여주는 모식도(A) 및 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 이미지(B)이다. 따라서, 상기 다중 노즐(30)을 통하여 상기 고분자 용액(10) 및 상전이 물질(12)이 방사되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 중심부에는 상기 상전이 물질(12)이 위치하고, 상기 고분자 용액(10)에서 용매가 제거된 고분자(11)는 상기 상전이 물질(12)을 감싸는 코아-셀(core-shell) 구조의 복합 나노섬유가 제조된다. 이때, 제조되는 나노섬유(nanofiber)의 직경은 0.1 내지 1 ㎛(마이크로미터), 바람직하게는 0.2 내지 0.9 ㎛, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.8 ㎛이다.
상기와 같이, 고분자 용액(10)이 상전이 물질(12)을 둘러싸게 되면, 코아층의 상전이 물질(12)이 액상으로 상전이 될 때, 상전이 물질(12)이 외부로 누출될 우려를 제거 또는 최소화 할 수 있다. 즉, 고분자 층(11)은 상전이 물질(12)의 누출이 발생하지 않도록 보호하는 역할을 하는 것이다. 상전이 물질이 상 전이를 통해 고체 상태에서 액체 상태로 전환될 때, 액상의 상전이 물질이 포장(packaging)에서 누출이 없는 형태 안정성 포장(form stable packing)이 매우 중요한 만큼, 고분자 층(11)이 상전이 물질(12)을 둘러싸는 방법은 매우 의미 있는 것이라고 할 수 있다.
한편, 나노섬유 내에서 상전이 물질(12)이 외부로 누출될 우려를 보다 최소화 하거나(즉, 나노섬유의 형상을 보다 철저히 유지시키기 위하거나), 나노섬유의 기계적 강도를 증가시키기 위하여, 실리카(silica, SiO2), 바람직하게는 건식 실리카(fumed silica)를 사용할 수 있으며, 상기 고분자 용액(10)과 혼합되도록 상기 고분자 공급기(19)에 공급하거나, 나노섬유 내 위치하는 상전이 물질을 감쌀 수 있도록 별도의 공급기에 공급하여 전기 방사시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 나노섬유 및 실리카를 추가로 첨가한 나노섬유의 기계적 강도를 보여주는 그래프로서, 도 5의 (a)는 고분자 용액만으로 제조된 나노섬유이고, 도 5의 (b)는 고분자 용액 및 상전이 물질로 제조된 나노섬유이며, 도 5의 (c)는 고분자 용액, 상전이 물질 및 실리카로 제조된 나노섬유이다. 예를 들어, 도 5 (a) 및 (b)의 비교를 통해 알 수 있듯이, 상전이 물질이 포함된 나노섬유(b)의 인장 응력(tensile stress) 및 연신율(elongation) 등의 기계적 강도는, 그렇지 않은 나노섬유(a)에 비해 낮은 것을 알 수 있으며, 이와 같은 상전이 물질 포함 나노섬유(b)의 기계적 강도는, 도 5의 (c)와 같이, 실리카를 추가로 포함시킴으로써 보다 향상시킬 수 있다.
상기 제조된 나노섬유가 모아지는 섬유 집합부(40)는, 도 1과 같이 평판의 형태가 되어 상기 제조된 나노섬유를 모을 수도 있으나, 실타래와 같이 회전하여 나노섬유를 모을 수도 있는 등, 그 형태 및 나노섬유를 모으는 방법에는 특별한 제한이 없고, 상기 섬유 집합부(40)가 회전하는 경우, 회전은 rpm 조절기(도시되지 않음)에 의해 조절될 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유에 2종의 상전이 물질이 포함된 모습(A) 및 3종의 상전이 물질이 포함된 모습(B)을 보여주는 도면으로서, 2종 이상의 상전이 물질이 서로 다른 둘 이상의 상전이 물질 공급기에 별개로 각각 공급될 경우에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 내부에는 2종 이상의 상전이 물질(52, 53 또는 54~56)이 각각 위치하고, 고분자(51)는 상기 상전이 물질들(52, 53 또는 54~56)이 누출되지 않도록 상기 상전이 물질들(52, 53 또는 54~56)을 감싸는 형태의 복합 나노섬유가 제조된다.
상술한 바와 같이 제조된 복합 나노섬유는, 부피에 비하여 표면적이 매우 크기 때문에, 필터용으로 사용할 경우 탁월한 여과 효과가 있으며, 나노섬유 제조 시 사용되는 고분자가 전기전도성을 가질 경우에는 전지 등에도 활용되는 등, 그 사용 용도는 매우 넓다. 한편, 본 발명과 같이 상기 상전이 물질을 단독이 아닌 2종 이상으로 혼합 또는 독립적으로 사용하면, 열 에너지를 보다 효율적으로 저장할 수 있고, 또한, 외부 온도변화에 대해 적절히 대응할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 제조된 복합 나노섬유는, 열과 압력이 요구되는 접착, 융착 등의 기계적 또는 화학적 처리에 의해 부직포가 될 수 있으며, 상기 상전이 물질을 포함하는 나노섬유를 이용한 부직포는, 우수한 기계 강도 및 무게당 넓은 표면적을 가지는 다공성 직물로서, 열 보존 및 단열이 요구되는 우주복, 스포츠 의류, 환자복 및 침구류 등 다양한 분야에 이용될 수 있다. 아울러, 이와 같은 부직포를 이용하여, 열 에너지 저장 기능 및 온도 제어 기능을 목적으로 하는 직물을 제조할 수도 있다.

Claims (11)

  1. 고분자 용액을 전기방사장치의 고분자 공급기에 공급하고, 2종 이상의 상전이 물질로서 분자량이 서로 다른 폴리에틸렌글리콜을, 하나 이상의 상전이 물질 공급기에 공급하는 단계; 및
    상기 상전이 물질을 용융시켜, 상기 고분자 용액과 함께 다중 노즐을 통하여 전기 방사함으로써, 중심부에는 상기 상전이 물질이 위치하고, 상기 고분자는 상기 상전이 물질이 누출되지 않도록 상기 상전이 물질을 감싸는 코아-셀 구조의 복합 나노섬유를 제조하며,
    상기 상전이 물질은, 상기 상전이 물질을 감싸며 유동하는 5 내지 100 ℃의 핫 실리콘 오일(Hot silicone oil)에 의해 용융되는 것인, 상전이 물질을 포함하는 나노섬유의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 2종 이상의 상전이 물질을 서로 다른 둘 이상의 상전이 물질 공급기에 각각 공급하면, 상기 복합나노섬유의 내부에는 2종 이상의 상전이 물질이 각각 위치하고, 상기 고분자는 상기 상전이 물질들이 누출되지 않도록 상기 상전이 물질들을 감싸는 것인, 상전이 물질을 포함하는 나노섬유의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 고분자 용액은, 나일론-6, 폴리스타이렌, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자 및 물, 클로로포름, 테트라하이드로퓨란, 아세트산, 메탄올, 에탄올, 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, 디클로로메탄, 디클로로에탄을 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 용매를 포함하는 것인, 상전이 물질을 포함하는 나노섬유의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 나노섬유에 포함된 상전이 물질의 함량은, 상기 나노섬유에 포함된 고분자의 함량 100 중량부에 대하여 5 내지 100 중량부인 것인, 상전이 물질을 포함하는 나노섬유의 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 나노섬유의 직경은 0.1 내지 1 ㎛인 것인, 상전이 물질을 포함하는 나노섬유의 제조방법.
  10. 고분자 용액을 전기방사장치의 고분자 공급기에 공급하고, 2종 이상의 상전이 물질로서 분자량이 서로 다른 폴리에틸렌글리콜을, 하나 이상의 상전이 물질 공급기에 공급하는 단계;
    상기 상전이 물질을 용융시켜, 상기 고분자 용액과 함께 다중 노즐을 통하여 전기 방사함으로써, 중심부에는 상기 상전이 물질이 위치하고, 상기 고분자는 상기 상전이 물질이 누출되지 않도록 상기 상전이 물질을 감싸는 코아-셀 구조의 복합 나노섬유를 제조하는 단계; 및
    상기 나노섬유를 기계적 또는 화학적 처리하는 단계를 포함하며,
    상기 상전이 물질은, 상기 상전이 물질을 감싸며 유동하는 5 내지 100 ℃의 핫 실리콘 오일(Hot silicone oil)에 의해 용융되는 것인, 상전이 물질을 포함하는 부직포의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 2종 이상의 상전이 물질을 서로 다른 둘 이상의 상전이 물질 공급기에 각각 공급하면, 상기 복합나노섬유의 내부에는 2종 이상의 상전이 물질이 각각 위치하고, 상기 고분자는 상기 상전이 물질들이 누출되지 않도록 상기 상전이 물질들을 감싸는 것인, 상전이 물질을 포함하는 부직포의 제조방법.
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