KR101715197B1 - 전기방사장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 방사용액이 토출되는 토출부; 상기 토출부로 토출된 방사용액으로부터 나노섬유를 포집하는 콜렉터; 상기 토출부와 상기 콜렉터 사이에 고전압을 인가하는 전압 발생부; 상기 콜럭터와 상기 토출부 사이에 마련되되 상부는 상기 토출부와 연통 가능하게 연결되고 하부는 개방된 상태로 상기 콜렉터와 마주하는 챔버; 및 상기 챔버가 구획하는 내부공간에 음압을 형성시켜 상기 토출부에 고속의 유체 흐름을 발생시키고, 상기 콜렉터에 상기 나노섬유를 집속시키는 흡입부;를 특징으로 한다.

Description

전기방사장치{ELECTRO-SPINNING APPARATUS}
본 발명은 전기방사장치에 관한 것으로서 상세하게는 고분자물질에 전기장을 형성시켜 나노섬유를 제조하는 전기방사장치에 관한 것이다.
일반적으로 나노섬유는 지름이 수십에서 수백 나노미터에 불과한 초극세(超極細)실을 말하며 용도에 따라 다양한 고분자물질을 원료로 사용하고 있다.
나노섬유는 고압 대신 전기장을 이용하여 실을 만들어 내는데 이를 전기방사(eletrosspinning)방식이라 한다.
전기방사방식은 고분자물질에 고전압 전기장을 가하는 방식으로서, 전기장에 의해 고분자물질에 전기적 반발력이 발생되어 나노크기의 실 형태로 갈라지게 되면서 웹(web) 형태의 나노섬유로 형성될 수 있다.
위의 전기방사방식을 이용하는 전기방사장치는, 고분자물질을 공급하는 공급부와, 공급부로부터 고분자물질을 전달받아 방사하는 토출부 및 토출부로부터 방사된 나노섬유를 포집하는 콜렉터를 크게 포함하고 있다.
하지만, 기존의 전기방사장치는, 토출부를 통해 고분자물질이 방사되는 과정에서, 다이스웰 현상이 발생되는 문제점이 있다. 즉, 고분자물질은 농도와 점도가 높을 경우 점탄성 특성과 높은 표면장력을 가지게 되는바, 이는 좁고 긴 토출관을 통과하는 고분자물질을 팽창시켜 토출 속도를 느려지게 하고 또한 나노섬유의 직경을 증가시키게 된다.
또한, 고분자물질에 발생되는 항력(drag force)에 의해 고분자물질에 인가되는 고전압이 고분자물질의 표면장력을 극복하지 못하게 되면, 고분자물질이 방울(droplet)형태로 방사되어 불균일성을 갖는 나노섬유 웹이 형성되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 고분자물질의 표면장력을 낮추는 용매를 고분자물질에 혼입하는 화학적 방식이거나, 고분자물질에 압축공기를 제공하여 표면장력을 낮추는 물리적 방식(대한민국 등록특허 제10-0543489호의 '일렉트로 브로운 방사법에 의한 초극세 나노섬유 제조장치 및 제조방법')이 사용되고 있다.
상기 등록특허 제10-0543489호에 개시된 전기방사장치는 고분자물질과 용매가 방사되는 과정에서 비산되는 현상을 발생시키기 때문에, 방사영역에서 나노섬유를 원활히 포집하지 못하는 문제점과 비산된 용매에 의해 작업자가 피폭되는 문제점이 있다.
따라서, 본 출원인은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명을 제안하게 되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고속의 유체흐름을 형성하여 고분자물질의 표면장력을 극복하고, 또한, 고분자물질 및 용매의 비산을 방지하여 콜렉터에 나노섬유를 용이하게 포집할 수 있도록 하는 전기방사장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 방사용액이 토출되는 토출부; 상기 토출부에서 토출된 방사용액으로부터 나노섬유를 포집하는 콜렉터; 상기 토출부와 상기 콜렉터 사이에 고전압을 인가하는 전압 발생부; 상기 콜렉터와 상기 토출부 사이에 마련되되 상부는 상기 토출부와 연통 가능하게 연결되고 하부는 개방된 상태로 상기 콜렉터와 마주하는 챔버; 및 상기 챔버가 구획하는 내부공간에 음압을 형성시켜 상기 토출부에 고속의 유체 흐름을 발생시키고, 상기 콜렉터에 상기 나노섬유를 집속시키는 흡입부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 챔버의 하부 면적은 상기 콜렉터에 설정된 방사영역과 대응하는 크기를 가질 수 있다.
또한, 상기 흡입부는, 상기 챔버의 하부와 대응하는 위치에 배치되되 상기 콜렉터의 하부에 마련되는 흡입패널; 상기 흡입패널과 연결되어 상기 흡입패널에 흡입력을 제공하는 흡입펌프;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 토출부는, 상기 챔버와 연통 가능하게 연결되는 토출관; 상기 토출관의 내부에 마련되어 상기 콜렉터를 향해 방사용액을 토출하는 튜브; 및 상기 토출관의 하부에 마련되되 상기 토출관에서 상기 챔버로 유입되는 공정기체의 유속을 증가시키는 제1집속관;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1집속관은, 상기 토출관의 하단과 일단이 연결되고 타단은 상기 챔버가 배치된 방향으로 갈수록 하향 경사지게 형성된 제1경사면; 및 상기 제1경사면과 일단이 연결되고 타단은 수직 하향으로 연장되어 상기 챔버와 연결되는 제1수직면;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1수직면에 의해 형성되는 상기 제1집속관의 내경은 상기 토출관의 내경보다 작을 수 있다.
또한, 상기 토출관의 상부에는 제2집속관이 마련되는 것을 더 포함하며, 상기 제2집속관은 상기 토출관으로 유입되는 공정기체의 유속을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 제2집속관은, 상기 토출관의 상단과 일단이 연결되고 타단은 수직 상향으로 연장된 제2수직면; 및 상기 제2수직면의 타단과 일단이 연결되고 타단은 상향으로 경사지게 형성된 제2경사면;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2수직면에 의해 형성되는 상기 제2집속관의 내경은 상기 제1수직면에 의해 형성되는 제1집속관의 내경보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사장치는, 챔버를 구비하고, 흡입부에 의해 형성된 챔버 내부에 음압을 유지시킴으로써, 콜렉터를 향한 제트 스트림의 형성을 배가시켜 콜렉터에 나노섬유의 포집을 더욱 용이하게 하고, 용매가 비산되는 것을 방지함으로써, 작업자를 용매로부터 보호할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사장치는, 집속관의 경사 및 수직 구조에 의해 공정기체의 유속을 고속으로 증가시켜 방사용액에 적용시킬 수 있으므로, 방사용액이 방사되는 과정에서 제트 스트림을 용이하게 형성토록 하여 콜렉터에 균일한 나노섬유 웹이 포집되게 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사장치는, 흡입부와 챔버의 구조에 의해 외기를 니들 주변에 적용시키는 공정기체로 사용할 수 있으므로, 에어펌프와 같은 공기 공급장치를 사용하지 않고도 나노섬유 웹을 제조할 수 있어서 공정비용이 절감되고 공정시간 또한 단축되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 토출부의 확대도.
도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버에 경사면이 형성된 모습을 보여주는 도면.
도 3의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버에 완곡면이 형선된 모습을 보여주는 도면.
도 4는 실험예 1에서 니들 주변에 형성된 공정기체의 속도가 0m/s일 경우에 콜렉터에 포집된 나노섬유 웹의 표면사진.
도 5는 실험예 2에서 니들 주변에 형성된 공정기체의 속도가 15.2m/s일 경우에 콜렉터에 포집된 나노섬유 웹의 표면사진.
도 6은 실험예 3에서 니들 주변에 형성된 공정기체의 속도가 20.2m/s일 경우에 콜렉터에 포집된 나노섬유 웹의 표면사진.
도 7은 실험예 4에서 니들 주변에 형성된 공정기체의 속도가 29.7m/s일 경우에 콜렉터에 포집된 나노섬유 웹의 표면사진.
도 8은 실험예 5에서 니들 주변에 형성된 공정기체의 속도가 30.5m/s일 경우에 콜렉터에 포집된 나노섬유 웹의 표면사진.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전기방사장치가 상세하게 설명된다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 토출부의 확대도이고, 도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버에 경사면에 형성된 모습을 보여주는 도면이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버에 완곡면이 형선된 모습을 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사장치(100)는, 방사용액이 토출되는 토출부(110)와, 상기 토출부(110)에서 토출된 방사용액으로부터 나노섬유를 포집하는 콜렉터(120)와, 상기 토출부(110)와 상기 콜렉터(120) 사이에 고전압을 인가하는 전압 발생부(2)와, 상기 콜렉터(120)와 상기 토출부(110) 사이에 마련되는 챔버(130) 및 상기 챔버(130)가 구획하는 내부공간(S)에 음압을 형성시켜 상기 토출부(110)에 고속의 유체 흐름을 발생시키고, 상기 콜렉터(120)에 상기 나노섬유를 집속시키는 흡입부(140)를 포함할 수 있다.
참고로, 본 발명의 일 실시예에 따른 방사용액은 고분자물질과 용매가 혼합된 용액이라 말할 수 있다. 예컨대, 방사용액은 폴리머와 용매의 배합을 통해 제조된 폴리머 용액을 포함할 수 있다.
방사용액은 도시되지 않은 저장조에 저장된 상태에서 예컨대, 미터링 펌프(1)에 의해 상기 토출부(110)에 정량으로 공급될 수 있다. 아울러, 미터링 펌프(1)에 의해 토출부(110)로 공급된 방사용액은 도 1에 도시된 전압 발생부(2)로 부터 전압을 인가받아 전기장을 형성할 수 있다. 따라서, 전기장이 형성된 방사용액이 토출부(110)상에서 토출되면 방사용액에 포함된 폴리머 성분이 나노크기의 실로 분열되어 웹(web) 형태로 상기 콜렉터(120)에 포집될 수 있다.
상기와 같이, 방사용액을 공급하고 고전압을 인가하는 구성은 해당분야의 당업자라면 용이하게 실시할 수 있는 공지의 구성이므로, 본 발명의 일 실시예에서는 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 그 구체적인 설명이 생략된다.
상기 콜렉터(120)는 도 1에 도시된 바와 같이 컨베이어(3)의 상부에 배치되되 상기 컨베이어(3)의 양측에 각각 배치된 리와인더와 같은 권취장치에 의해 감겨져 컨베이어(3)의 상부를 따라 이송되는 집속벨트의 형태로 구성될 수 있다. 참고로, 본 발명의 일 실시예에서는 집속벨트 형태의 콜렉터(120)가 컨베이어(3) 상에서 이송되는 것으로 설명되었으나 이에 한정되는 것은 아니고 컨베이어(3) 대신 회전드럼 상에 감기어지면서 나노섬유를 포집하도록 구성될 수도 있다.
상기 챔버(130)는 상기 토출부(110)에서 콜렉터(120)가 배치된 방향으로 토출되는 방사용액의 용매가 비산되는 것을 방지하는 역할을 하며, 또한, 상기 흡입부(140)에 의해 형성된 음압이 소정의 공간 내에서 유지될 수 있도록 해준다.
상기 챔버(130)의 상부는 상기 토출부(110)와 연통 가능하게 연결되어 있고, 상기 챔버(130)의 하부는 개구부가 형성된 상태로 상기 컨베이어(3)의 상부를 따라 이송되는 콜렉터(120)의 상부와 마주하고 있다.
상기 챔버(130)는 다양한 형태를 가질 수 있으나, 기본적으로 상기 콜렉터(120)에 설정된 방사영역을 그 상부에서 덮을 수 있는 크기 및 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 챔버(130)는 전기절연성이 우수한 투명 플라스틱재질로 제작될 수 있다.
또한, 상기 챔버(130)의 상부에는, 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 토출부(110)에서 토출되는 방사용액이 상기 콜렉터(120)에 용이하게 포집될 수 있도록 경사면 또는 완곡면이 형성될 수 있다.
그리고, 챔버(130)의 하부에 형성된 개구부는 상기 콜렉터(120)에 설정된 방사영역과 대응하는 크기를 가지는 것이 바람직하다.
상기 흡입부(140)는 상기 챔버(130)의 하부와 대응하는 위치에 배치되되 상기 콜렉터(120)의 하부에 마련되는 흡입패널(141)과, 상기 흡입패널(141)과 연결되어 상기 흡입패널(141)에 흡입력을 제공하는 흡입펌프(143)를 포함할 수 있다.
상기 흡입패널(141)은 상기 컨베이어(3)상에 배치되어 상기 콜렉터(120)의 하부에 마련될 수 있으며, 상세하게는 상기 챔버(130)의 개구부 영역에 포함되는 콜렉터(120)의 하부에 마련될 수 있다.
상기 흡입패널(141)은 상기 챔버(130)가 형성하는 내부공간(S)에 음압을 용이하게 형성시킬 수 있도록 상기 챔버(130)의 하부에 형성된 개구부 면적과 대응하는 면적을 가질 수 있다.
그리고, 상기 흡입패널(141)에는 공기를 흡입할 수 있는 다수개의 유로(미도시)가 형성될 수 있으며, 이와 같은 유로들은 상기 흡입펌프(143)와 연결될 수 있다.
따라서, 상기 흡입펌프(143)의 구동에 의해 상기 흡입패널(141)이 상기 챔버(130)의 내부공간(S)에 형성된 공기를 흡입할 수 있으며 이에 따라, 상기 챔버(130)의 내부공간(S)은 음압 상태가 될 수 있다.
또한, 상기 흡입부(140)의 흡입 압력에 의해 상기 토출부(110)로 기체(이하, '공정기체'라 함)가 유입되는바, 상기 공정기체는 토출부(110)를 경유하여 챔버(130)로 유입될 수 있다. 챔버(130)로 유입된 공정기체는 상기 흡입부(140)의 흡입 압력과 상기 챔버(130)의 내부공간(S)에 형성된 음압에 의해 제트 스트림을 용이하게 형성할 수 있다.
따라서, 방사용액에 포함된 폴리머 성분은 나노섬유의 형태로 콜렉터에 균일하게 포집될 수 있으며, 아울러, 방사용액의 용매는 챔버(130)의 외부로 비산되지 않고 상기 흡입부(140)로 흡입되어 도시되지 않은 용매회수장치로 회수될 수 있다.
상기 토출부(110)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 챔버(130)와 연통 가능하게 연결되는 토출관(111)과, 상기 토출관(111)의 내부에 마련되어 상기 콜렉터(120)를 향해 방사용액을 토출하는 튜브(113)와, 상기 토출관(111)의 하부에 마련되되 상기 토출관(111)에서 상기 챔버(130)로 유입되는 공정기체의 유속을 증가시키는 제1집속관(117)을 포함할 수 있다.
상기 토출관(111)은, 상기 챔버(130)의 상부 중앙에 배치되며 그 하단은 상기 챔버(130)와 연통 가능하게 연결되어 있다.
상기 튜브(113)는 미터링 펌프(1)에 의해 공급되는 방사용액을 저장하며 그 하단에는 저장된 방사용액을 토출하는 니들(113a)이 마련된다. 여기서, 니들(113a)은 상기 토출관(111)의 하단을 통과하여 상기 챔버(130)의 내부공간(S)으로 일부 돌출되도록 마련될 수 있다.
상기 제1집속관(117)은, 전술한 바와 같이, 상기 토출관(111)에서 상기 챔버(130)로 유입되는 공정기체의 유속을 증가시키는바, 구체적으로는 상기 흡입부(140)의 흡입 압력에 의해 상기 니들(113a) 주변을 경유하여 상기 챔버(130)로 유입되는 공정기체의 유속을 고속으로 증가시킬 수 있다.
상기 제1집속관(117)은, 상기 토출관(111)의 하단과 일단이 연결되고 타단은 상기 챔버(130)가 배치된 방향으로 갈수록 하향 경사지게 형성된 제1경사면(117a) 및 상기 제1경사면(117)과 일단이 연결되되 타단은 수직 하향으로 연장되어 상기 챔버(130)와 연통 가능하게 연결되는 제1수직면(117b)을 포함할 수 있다.
상기 제1경사면(117a)은 상기 토출관(111)으로 유입된 공정기체를 상기 니들(113a)이 배치된 방향으로 안내하는 역할을 하고, 또한, 공정기체의 유속을 증가시키는 역할도 한다. 즉, 상기 제1경사면(117a)은 상기 니들(113a)이 배치된 방향을 향해 하향 경사지게 형성되어 내경이 점진적으로 작아지기 때문에 상기 토출관(111)이 형성하는 내경(d1)보다 작은 내경을 가질 수 있다.
따라서, 상기 토출관(111)을 따라 유동되는 공정기체는 상기 제1경사면(117a)이 형성된 상기 제1집속관(117)의 부위에서부터 유속이 증가된 채로 상기 니들(113a)이 배치된 방향을 향해 유동될 수 있다.
그리고, 상기 제1수직면(117b)은 상기 제1경사면(117a)의 하단에서부터 수직상향으로 연장되어 있기 때문에 당연히 상기 토출관(111)이 형성하는 내경(d1)보다 작은 내경(d2)을 갖는다. 즉, 상기 제1수직면(117b)에 의해 형성되는 상기 제1집속관의 내경(d2)은 상기 토출관(111)의 내경(d1)보다 작다.
따라서, 상기 토출관(111)으로 유입된 공정기체는 상기 토출관(111)을 따라 이송되다가 상기 제1집속관(117)이 마련된 부위에서부터 가속되어 상기 챔버(130)로 유입될 수 있다.
이에 따라, 상기 니들(113a)에서 토출되는 방사용액은 가속된 공정기체에 의해 표면장력을 낮아진 상태로 콜렉터(120)를 향해 방사될 수 있다.
한편, 상기 토출관(111)의 상부에는 제2집속관(119)이 더 마련될 수 있다.
상기 제2집속관(119)은, 상기 토출관(111)의 상단과 일단이 연결되고 타단은 수직 상향으로 연장된 제2수직면(119a) 및 상기 제2수직면(119a)의 타단과 일단이 연결되고 타단은 상향으로 경사지게 형성된 제2경사면(119b)을 포함할 수 있다.
상기 제2집속관(119)은 상기 토출관(111)으로 유입되는 공정기체의 유속을 증가시키는 역할을 한다. 즉, 상기 제2수직면(119a)에 의해 형성되는 상기 제2집속관(119)의 내경(d3)은 상기 토출관(111)의 내경(d1)보다 작고 상기 제1수직면(117b)에 의해 형성되는 상기 제1집속관(117)의 내경보다 크다.
따라서, 상기 흡입부(140)에 의해 상기 토출관(111)으로 유입되는 공정기체는 1차적으로는 상기 토출관(111)의 상부에 마련된 상기 제2집속관(119)에 의해 유속이 가속되고 2차적으로는 상기 토출관(111)의 하부에 마련된 제1집속관(117)에 의해 유속이 가속된 채 상기 챔버(130)로 유입될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토출관(111)에는 상기 제1집속관(117) 또는 제2집속관(119) 중 어느 하나만 마련될 수 있으나, 공정기체의 유속을 고속으로 가속시키는 관점에서는 상기 제1집속관(117)과 제2집속관(119)이 상기 토출관(111)에 모두 마련되는 것이 바람직하다.
아래의 [표 1]에는 니들(113a) 주변에 형성된 공정기체의 속도에 따른 droplet의 발생 유무를 보여주는 실험결과가 나타나 있다.
참고로, [표 1]에 나타난 실험 실시예의 실험조건은 다음과 같다.
방사용액 : Nylon 24% (Solvent : Formic acid 99%), 니들 직경 : 0.51mm, 니들 토출 압력 : 5kgf/cm2,, 전압 : 60kv, 니들과 콜렉터 사이의 거리 : 350mm, 흡입부의 압력(Suction fan) : 실험예마다 Flow Speed 설정을 위한 적정 압력을 인가하였다.
번호 Flow Speed(m/s) 방사성 Drop 발생
실험예1 0 오염 Drop 발생
실험예2 15.2 오염 Drop 발생
실험예3 20.2 오염 Drop 발생
실험예4 29.7 오염없음 Drop 없음
실험예5 30.5 오염없음 Drop 없음
[표 1]의 실험예 1 내지 5에 나타난 바와 같이 니들(113a) 주변에 형성되는 공정기체의 속도에 따라서 콜렉터(120)에 포집된 나노섬유의 방사성 오염 상태와 droplet의 발생 유무가 달라지는 것을 확인할 수 있다.
참고로, 도 4는 니들(113a) 주변에 공정기체가 형성되지 않았을 경우에 콜렉터(120)에 포집된 나노섬유 웹의 표면을 보여주는 도면이고, 도 5는 니들(113a) 주변에 15.2m/s의 속도를 가지는 공정기체가 형성될 경우에 콜렉터(120)에 포집된 나노섬유 웹의 표면을 보여주는 도면이고, 도 6은 니들(113a) 주변에 20.2m/s의 속도를 가지는 공정기체가 형성될 경우에 콜렉터(120)에 포집된 나노섬유 웹의 표면을 보여주는 도면이고, 도 7은 니들(113a) 주변에 29.7m/s의 속도를 가지는 공정기체가 형성될 경우에 콜렉터(120)에 포집된 나노섬유 웹의 표면을 보여주는 도면이며, 도 8은 니들(113a) 주변에 30.5m/s의 속도를 가지는 공정기체가 형성될 경우에 콜렉터(120)에 포집된 나노섬유 웹의 표면을 보여주는 도면이다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 콜렉터(120)에 포집된 나노섬유 웹은 불균일성을 가진 채로 콜렉터(120)에 포집되되 그 표면에 droplet이 발생된 것을 확인할 수 있다. 특히, 도 4에 도시된 나노섬유 웹에는 니들(113a) 주변에 공정기체를 형성하지 않았기 때문에 과도한 droplet이 발생된 것을 확인할 수 있다.
그리고, 니들(113a) 주변에 형성되는 공정기체의 속도가 빠를수록 droplet의 발생비율이 점진적으로 줄어드는 것을 도 5 및 도 6을 통해 확인할 수 있으며, 그 속도가 일정속도 이상이 될 경우, 도 7 및 도 8에 도시된 나노섬유 웹과 같이 droplet이 발생되지 않는 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 점을 미루어 볼 때, 니들(113a) 주변에 형성되는 공정기체의 속도가 가속화될 수록 droplet의 발생비율을 줄일 수 있으며, [표 1]의 실시예 4 및 실시예 5에 나타난 바와 같이 공정기체가 약 28m/s~31m/s의 이상의 유속으로 니들(113a) 주변에 형성될 경우 콜렉터(120)에 포집된 나노섬유 웹에 droplet이 발생되지 않는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 전술한 실험 조건에서 나노섬유 웹의 droplet의 발생을 억제하기 위해서는 공정기체의 유속을 약 28m/s~31m/s로 유지시키는 것이 바람직하며, 특히 [표 1]에 기재된 바와 같이 29.7m/s~30.5m/s로 유지시키는 것이 가장 바람직하다.
아래의 [표 2]에는 상기 토출관(111)의 L/D 값에 따라서 상기 토출관(111)에 상기 튜브(113)만 마련되었을 경우의 공정기체의 유속과 상기 토출관(111)에 상기 제1집속관(117)과 상기 제2집속관(119)이 모두 마련되거나 상기 제1집속관(117) 또는 상기 제2집속관(119) 중 어느 하나만 마련되었을 경우에 니들(113a) 주변에 형성된 공정기체의 속도를 측정한 값이 나타나 있다. (참고로, 흡입부의 유량은 4.020m3/h(정압 380mmAq), 상기 제1수직면(117b)에 의해 형성되는 상기 제1집속관(117)의 내경(d2)은 25mm, 상기 제2수직면(119a)에 의해 형성되는 상기 제2집속관(119)의 내경(d3)은 42mm로 설정하였다.)
토출관
길이/관경 비율
(D=76mm)
튜브(only)
제1집속관
제2집속관
제1집속관 및 제2집속관
L/D 길이(mm, L) 공정기체의 속도(m/s)
2.0 154 30.5 31.8 30.1 31.6
3.0 230 28.9 28.6 30.4 31.6
3.8 290 28.2 28.8 30.8 32.6
4.1 310 28.1 28.7 30.6 32.8
5.4 410 28 28.5 27.9 29.8
[표 2]에 나타난 바와 같이, 토출관(111)의 L/D에 따라 공정기체의 속도가 달라지는 것을 확인할 수 있으며, 또한, 상기 토출관(111)에 튜브(113a)만 마련되었을 경우보다 제1집속관(117) 또는 제2집속관(119)이 마련되었을 경우에 니들(113a) 주변에 형성되는 공정기체의 속도가 전반적으로 높은 것을 확인할 수 있다.
아울러, 토출관(111)에 제1집속관(117) 또는 제2집속관(119) 중 어느 하나만 마련하였을 경우보다도 제1집속관(117)과 제2집속관(119)을 토출관(111)에 모두 마련하였을 때 공정기체의 속도가 더 높은 것을 확인할 수 있다.
그리고, 니들(113a) 주변에 형성되는 공정기체의 속도를 효율적으로 가속시키는 측면에서는 상기 토출관(111)에 제1집속관(117)과 제2집속관(119)을 모두 마련하되 상기 토출관(111)의 L/D를 약3.8~4.1로 설정하는 것이 가장 바람직한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사장치(100)는, 상기 흡입부(140)의 흡입 압력을 상승시키지 않고 일정 압력을 유지한 상태에서도 ,상기 제1집속관(117)과 상기 제2집속관(119)을 상기 토출관(111)에 마련시켜 니들(113a) 주변에 형성되는 공정기체의 속도를 가속시킬 수 있으며, 이에 따라, 나노섬유 웹을 생산하는 데 있어서 요구되는 공정비용을 절감할 수 있다.
또한, 상기 흡입부(140)의 흡입 압력이 나노섬유 웹에 droplet이 발생되는 조건으로 설정되더라도, 상기 토출관(111)의 L/D와 상기 제1집속관(117) 또는 제2집속관(119)의 구조에 의해 니들(113a) 주변의 공정기체 속도를 가속화시켜 droplet의 발생을 방지할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예의 전기방사장치(100)는, 콜렉터(120)로 방사되는 방사용액이 비산되는 것을 방지함과 동시에 흡입부(140)에 의해 형성된 음압을 유지시켜주는 챔버(130)를 구비하므로 챔버(130)의 내부공간(S) 내에서 제트 스트림의 형성을 배가시켜 콜렉터(120)에 방사용액이 용이하게 포집되도록 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사장치(100)는 방사용액이 비산되는 것을 방지하여 작업자를 용매로부터 보호할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사장치(100)는, 공정기체의 유속을 고속으로 증가시켜 방사용액에 적용시킬 수 있으므로, 방사용액이 방사되는 과정에서 제트 스트림을 용이하게 형성토록 하여 콜렉터(120)에 균일한 나노섬유 웹이 포집되게 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사장치(100)는, 흡입부(140)와 챔버(130)의 구조에 의해 외기를 니들(113a) 주변에 적용시키는 공정기체로 사용할 수 있으므로, 에어펌프와 같은 공기 공급장치를 사용하지 않고도 나노섬유 웹을 제조할 수 있어서 공정비용이 절감되고 공정시간 또한 단축되는 장점이 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 전기방사장치 110 : 토출부
111 : 토출관 113 : 튜브
117 : 제1집속관 119 : 제2집속관
120 : 콜렉터 130 : 챔버
140 : 흡입부 141 : 흡입패널
143 : 흡입펌프

Claims (9)

  1. 방사용액이 토출되는 토출부;
    상기 토출부에서 토출된 방사용액으로부터 나노섬유를 포집하는 콜렉터;
    상기 토출부와 상기 콜렉터 사이에 고전압을 인가하는 전압 발생부;
    상기 콜렉터와 상기 토출부 사이에 마련되되 상부는 상기 토출부와 연통 가능하게 연결되고 하부는 개방된 상태로 상기 콜렉터와 마주하는 챔버; 및
    상기 챔버가 구획하는 내부공간에 음압을 형성시켜 상기 토출부에 고속의 유체 흐름을 발생시키고, 상기 콜렉터에 상기 나노섬유를 집속시키는 흡입부;를 포함하되,
    상기 토출부는, 상기 챔버와 연통 가능하게 연결되는 토출관; 상기 토출관의 내부에 마련되어 상기 콜렉터를 향해 방사용액을 토출하는 튜브; 상기 토출관의 하부에 마련되되 상기 토출관에서 상기 챔버로 유입되는 공정기체의 유속을 증가시키는 제1집속관;을 포함하고,
    상기 토출관의 상부에는 상기 토출관으로 유입되는 공정기체의 유속을 증가시키는 제2집속관이 마련되는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버의 하부 면적은 상기 콜렉터에 설정된 방사영역과 대응하는 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡입부는,
    상기 챔버의 하부와 대응하는 위치에 배치되되 상기 콜렉터의 하부에 마련되는 흡입패널;
    상기 흡입패널과 연결되어 상기 흡입패널에 흡입력을 제공하는 흡입펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1집속관은,
    상기 토출관의 하단과 일단이 연결되고 타단은 상기 챔버가 배치된 방향으로 갈수록 하향 경사지게 형성된 제1경사면; 및
    상기 제1경사면과 일단이 연결되고 타단은 수직 하향으로 연장되어 상기 챔버와 연결되는 제1수직면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1수직면에 의해 형성되는 상기 제1집속관의 내경은 상기 토출관의 내경보다 작은 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2집속관은,
    상기 토출관의 상단과 일단이 연결되고 타단은 수직 상향으로 연장된 제2수직면; 및
    상기 제2수직면의 타단과 일단이 연결되고 타단은 상향으로 경사지게 형성된 제2경사면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2수직면에 의해 형성되는 상기 제2집속관의 내경은 상기 제1집속관의 내경보다 큰 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
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