KR101759476B1 - 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐, 이를 이용한 제조장치, 제조방법 및 이로부터 제조되는 단열 소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐, 이를 이용한 제조장치, 제조방법 및 이로부터 제조되는 단열 소재에 관한 것으로, 자세하게는 공급 크기의 변경이 가능한 마이크로 스케일 고상 중공입자가 혼합된 가스와 폴리머를 서로 다른 유로를 통해 분리 분사시킬 수 있는 다유체 노즐을 구비하여 전위차 집중이 가능한 구조를 가진 컬렉터쪽으로 전기방사시켜 나노 섬유의 스월링 운동과 나선 운동으로 고상 중공입자와 점착하여 균일하게 적층되어 초단열 성능을 가진 단열 소재를 제조하는 제조장치와 제조방법 그리고 이로부터 제조되는 마이크로 스케일의 고상 중공입자에 나노 섬유가 점착되어 메트릭스 구조를 가지는 단열 소재에 관한 것이다.

Description

멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐, 이를 이용한 제조장치, 제조방법 및 이로부터 제조되는 단열 소재{Multi-fluid nozzle, apparatus, and method for producing multiscale porous materials, and the insulation materials thereof}

본 발명은 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐, 이를 이용한 제조장치, 제조방법 및 이로부터 제조되는 단열 소재에 관한 것으로, 자세하게는 공급 크기의 변경이 가능한 마이크로 스케일 고상 중공입자가 혼합된 가스와 폴리머를 서로 다른 유로를 통해 분리 분사시킬 수 있는 다유체노즐을 구비하여 전위차 집중이 가능한 구조를 가진 컬렉터쪽으로 전기방사시켜 나노 섬유의 스월링 운동과 2차, 3차 휨 불안정성에 의한 나선 운동으로 고상 중공입자와 점착하여 균일하게 적층되어 초단열 성능을 가진 단열 소재를 제조하는 장치와 방법 그리고 이로부터 제조되는 마이크로 스케일의 고상 중공입자에 나노 섬유가 점착된 메트릭스 구조를 가지는 단열 소재에 관한 것이다.

전기방사법은 일반적으로 폴리머 용액이 공급되는 금속재질의 노즐에 고전압을 인가시켜, 전기력을 통해 가속되는 액주가 불안정성으로 인하여 휨 과 굽힘 현상을 일으키며 액사가 인장하면서 표면적이 급격히 증가하고 이에 따라 용매 증발속도도 높아져서 나노미터 크기의 직경을 갖는 나노 섬유를 만드는 기술이다.

또한 전기방사법은 시스템의 구성이 간단하고, 생성되는 나노섬유의 표면 특성이 균일해 많은 응용분야가 예상되는 제조방법이다.

하지만 상기한 전기방사법은 공급되는 폴리머 용액의 유량이 증가할 경우 노즐 끝에서의 관성효과로 인해, 용액은 충분한 전기 불안정력을 겪기 전에 중력에 의해 침강되는 문제점을 가지고 있다. 이러한 제한점 때문에 전기방사법은 1 ml/h정도의 극 저유량에 한정적으로 이용되고 있다.

상기 종래 전기방사법의 단점인 유량의 한계점을 극복하기 위해서 우선 다수의 노즐을 병렬로 구성하는 방법이 제안되어 있다. 하지만 이 방식은 인접한 노즐간의 상호 전기적 간섭이 있으며, 유량은 노즐 수에 단순 비례한다.

다른 방법으로 다공성 매질의 튜브를 이용하여 전기방사하는 방법이 시도되었다. 하지만 다공성 매질의 미세구멍을 통과하면서 폴리머 액주를 생성하는 이 방식은 토출 유량이 비교적 제한적인 단점을 갖고 있다.

이 외에도 하나의 노즐에 상당히 높은 고전압을 걸어서 액체 표면에서의 심한 전위 불균일성을 초래하여 다중 제트를 얻는 방법이 있으나 나노섬유 생성점이 이동하여 제조공정이 불안정하고 나노섬유 생성점이 이동하여 불안정한 단점이 있다.

한편, 고체입자의 직경이 10 nm 이하인 서브마이크론 입자는 폴리머 용액에 혼합하여 공급하는 것은 가능은 하지만 점성이 급격히 증가하므로 하나의 노즐에서 마이크로스케일 수준(1~1000 um)의 고상입자를 하나의 공정으로 나노섬유와 균일하게 혼합 점착된 매트릭스를 제조하는 공정은 존재하지 않았다.

또한 종래와 같이 폴리머용액과 입자 함침된 상태에서 분사하게 되면 전기방사 후 입자 주변을 나노섬유가 코팅한 것과 같은 구조를 가지게 되어 입자에 의한 단열 성능이 감소되고, 나노섬유를 통한 열전달이 이루어져 단열 성능이 저하되는 단점이 있다.

한국 등록특허공보 등록번호 10-1060224(2011.81.23.) 한국 등록특허공보 등록번호 10-1229787(2013.01.30.) 한국 등록특허공보 등록번호 10-1134046(2012.03.30.) 한국 공개특허공보 공개번호 10-2014-0014686(2014.02.06.)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 서로 다른 분사 유로를 가지도록 중앙부에 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자와 가스를 혼합하여 분사하는 입자혼입 가스 유로관을 구비하고 이 입자혼입 가스 유로관과 이격된 주변에 원형으로 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관을 배열하여 폴리머용액이 전기방사되면서 형성된 나노 섬유가 스월링 운동과 굽힘 불안정성에 의한 나선운동에 의해 중앙의 입자혼입 가스 유로관을 통해 분사된 고상 중공입자에 점착될 수 있는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 서로 다른 분사 유로를 가지도록 중앙부에 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자와 가스를 혼합하여 분사하는 중앙부의 입자혼입 가스 유로관을 구비하고 이 입자혼입 가스 유로관과 이격된 주변에 원형으로 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관을 배열하되, 회전 가능한 착탈식 커넥터를 구비하여 필요에 따라 경사각을 가지게 장착된 입자혼입 가스 유로관 둘레에서 회전시켜 조정함으로써 유동 형태를 미세 조정할 수 있도록 구성한 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 복수 유로의 다유체 노즐과 전위차 집중부재를 구비한 컬렉터를 구비하여 다유체 노즐에서 폴리머용액과 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자를 각각의 유로를 통해 분사시 폴리머용액이 전기방사되면서 형성된 나노섬유가 고상 중공 입자에 점착되면서 컬렉터에 형성된 전위차 집중부재에 균일하게 적층되어 형성될 수 있는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조장치 및 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 복수개의 다유체 노즐과 전위차 집중부재를 구비한 컬렉터를 구비하여 다유체 노즐에서 폴리머용액과 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자를 각각의 유로를 통해 분사시 폴리머용액이 전기방사되면서 형성된 나노섬유가 고상 중공 입자에 점착되면서 컬렉터에 형성된 전위차 집중부재에 균일하게 형성되도록 하되, 컬렉터를 경사지게 형성하여 다유체 노즐과의 거리를 점차 가깝게 함으로써 전위차 감소를 보충하여 적층 효율을 향상시키도록 한 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조장치 및 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 복수개의 다유체 노즐과 전위차 집중부재를 구비한 컬렉터를 구비하여 다유체 노즐에서 폴리머용액과 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자를 각각의 유로를 통해 분사시 고상 중공 입자와 이를 이송하는 가스간의 혼입 유동에서 부유되는 고상 중공 입자의 양을 조절하거나 유동패턴, 유속을 조절함으로써 멀티스케일 다공성 소재에 내재하는 입자의 체적분율을 조절하여 공극률(porosity, 다공도), 강도, 통기성, 밀도 등의 물성을 조절하고, 또한 입자혼입 가스 유로관의 막힘을 방지하면서 나노섬유와 점착되어 적층되도록 한 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조장치 및 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조방법을 통해 제조되어 마이크로스케일 수준(1~1000 um)의 고상 중공 입자에 나노섬유가 점착되어 적층된 구조를 가지는 단열 소재를 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 서로 다른 분사 유로를 가지도록 중앙부에 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자와 가스를 혼합하여 분사하는 입자혼입 가스 유로관과;

상기 입자혼입 가스 유로관과 이격된 지점의 주변에 원형 배열된 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 제공함으로써 달성된다.

바람직한 실시예로, 상기 다유체 노즐은, 상부본체와 하부본체가 결합된 구조로 이루어져 중심부를 수직으로 관통하는 홀에 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자와 가스가 혼합되어 유입되는 입자혼입 가스 유로관이 삽입 고정되고,

상기 상부본체와 하부본체가 결합된 내부에는 상부본체를 관통한 폴리머 공급관에 의해 폴리머용액을 공급받는 폴리머용액 저장부가 형성되고,

상기 하부본체에는 상기 입자혼입 가스 유로관과 이격된 지점에서 원형 배열된 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관이 형성될 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 폴리머용액 분사용 니들관은, 개별 니들관을 원형배열하여 구성하거나 복수개의 개별 니들관으로 구성된 니들관 군을 다시 복수개로 원형배열하여 구성될 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 폴리머용액 저장부에는 폴리머용액저장부의 형상을 따라 설치되어 유입되는 폴리머용액의 압력을 안정화시키는 필터가 설치될 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 다유체 노즐은 경사각이 형성된 입자혼입 가스 유로관과; 입자혼입 가스 유로관 둘레에는 회전 가능한 착탈식 구조를 가지고 끝단부에 경사각이 형성된 커넥터가 결합되어 구성될 수 있다.

또한 본 발명은 다른 실시양태로, 중앙부에 입자혼입 가스 유로관을 구비하고 그 둘레를 따라 원형 배열된 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관을 구비한 다유체 노즐들과;

상기 다유체 노즐들의 하부에는 서로 다른 유로를 가지고 각각 분사된 마이크로스케일 수준의 고상 중공입자와 전기방사되면서 상기 고상 중공입자에 점착된 나노섬유의 형성을 촉진하는 전위차 집중부재를 구비한 컬렉터;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조장치를 제공함으로써 달성된다.

바람직한 실시예로, 상기 컬렉터는 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유가 적층 포집되어 단열소재가 형성되는 베이스부재와, 이 베이스부재를 복수개의 다유체 노즐이 설치된 구역으로 이동시킨 후 일지점에서 권취하여 수거할 수 있도록 구동롤러를 포함한 다수의 롤러로 이루어진 베이스부재부와;

상기 베이스부재 하부에 설치되어 무한 회전되도록 구성되어, 전기방사시 전위차를 집중시켜 나노섬유의 형성을 촉진시키는 복수개의 전위차 집중부재가 돌출 배열된 밸트와, 이 밸트를 상기 베이스부재부와 동일한 속도로 이동시키는 구동롤러를 포함한 다수의 롤러로 이루어진 전위차 집중부;를 포함하여 구성될 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 전위차 집중부재는 형상의 전위차가 집중될 수 있도록 침상 형태 또는 면상의 날 형태로 구성될 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 전위차 집중부재는 베이스부재의 하부에 위치하게 설치될 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 전위차 집중부재는 일 구간에서 베이스부재를 돌출하여 이동하게 설치될 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 전위차 집중부는 후방 롤러의 설치 위치 또는 크기를 조절하여 후방으로 갈수록 베이스부재에 가깝게 경사진 형태로 설치하여 다유체노즐과 전위차 집중부재간의 거리를 좁혀 전기방사시 전위차 감소가 보충되도록 구성될 수 있다.

또한 본 발명은 다른 실시양태로, 중앙부에 입자혼입 가스 유로관을 구비하고 그 둘레를 따라 원형 배열된 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관을 구비한 다유체 노즐과 전위차 집중부재를 구비한 컬렉터를 설치하는 단계와;

이후 다유체 노즐에 형성된 입자혼입 가스 유로관을 통해 필요로 하는 마이크로스케일의 고상 중공입자와 가스가 혼합된 유체를 공급하고, 상기 입자혼입 가스 유로관과 이격된 지점의 주변에 원형 배열된 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관으로 폴리머용액을 공급하는 단계와;

이후 다유체 노즐의 니들관과 컬렉터에 설치된 전위차 집중부재로 전압을 인가하는 단계와;

이후 다유체 노즐의 입자혼입 가스 유로관과 니들관을 통해 각각 마이크로스케일의 고상 중공입자와 가스가 혼합된 유체량 또는 유속을 조절하면서 분사하고, 폴리머용액을 분사하는 단계와;

이후 컬렉터에 설치된 전위차 집중부재에 전위가 집중된 상태에서 전기방사된 폴리머용액이 나노섬유를 형성하면서 스월링 운동과 나선 운동을 통해 마이크로스케일의 고상 중공입자에 점착되도록 하는 단계와;

이후 마이크로스케일의 고상 중공입자에 점착된 나노섬유가 컬렉터의 베이스부재에 균일하게 적층 포집되도록 컬렉터의 전위차부재 위치를 조절하여 단열소재를 제조하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조방법을 제공함으로써 달성된다.

바람직한 실시예로, 상기 마이크로스케일의 고상 중공입자와 가스가 혼합된 유체량 또는 유속을 조절하는 단계는 특정한 주파수에서 공급시간/차단시간 비(duration ratio)를 조절하여 변화시키는 단계일 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 전위차부재 위치를 조절하여 단열소재를 제조하는 단계는 컬렉터에서 이송중인 베이스부재의 하부에 전위차 집중부의 밸트에 형성된 전위차 집중부재를 위치시키거나 베이스부재의 상부로 돌출시켜 전위차를 집중시킴으로써 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유가 적층되면서 포집되도록 조절하는 단계일 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 전위차부재 위치를 조절하여 단열소재를 제조하는 단계는 컬렉터에서 전위차 집중부를 구성하는 롤러의 위치 또는 크기 변화를 주어 다유체노즐과 전위차 집중부재간의 거리를 가깝게 조절하여 전위차를 집중시킴으로써 전기방사시 전위차 감소가 보충되어 적층효율이 향상되게 조절하는 단계일 수 있다.

또한 본 발명은 다른 실시 양태로, 상기 제조 방법을 통해 제조되어 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 나노섬유가 점착되어 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 단열 소재를 제공함으로써 달성된다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명은 서로 다른 분사 유로를 가지도록 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자와 가스를 혼합하여 분사하는 중앙부의 입자혼입 가스 유로관과, 이 입자혼입 가스 유로관 주변에 원형으로 배열된 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관을 구성한 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 사용함으로써 원형 배치된 폴리머용액이 전기방사되면서 형성된 나노 섬유가 스월링 운동과 2차, 3차 굽힘 불안정성에 의한 나선운동에 의해 중앙의 입자혼입 가스 유로관을 통해 분사된 마이크로스케일 수준의 고상 중공입자에 점성 증가 없이 점착될 수 있다는 장점을 가진다.

또한 본 발명에 따른 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐은 필요에 따라 중앙부에 형성되어 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자와 가스를 분사하는 입자혼입 가스 유로관을 경사각을 가지게 형성하고, 이 입자혼입 가스 유로관 둘레에 회전 가능한 착탈식 커넥터를 결합후 회전시켜 조정함으로써 비대칭 분무의 공간적인 유동 분포를 조절할 수 있다는 장점을 가진다.

또한 본 발명은 복수개의 다유체 노즐과 전위차 집중부재를 구비한 컬렉터를 구비하여 멀티스케일 다공성 소재를 제조하도록 구성되어 다유체 노즐에서 폴리머용액과 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자를 각각의 유로를 통해 분사시 폴리머용액이 전기방사되면서 형성된 나노섬유가 고상 중공 입자에 점착되면서 컬렉터에 형성된 전위차 집중부재에 균일하게 적층 형성되도록 함으로써 종래 전기 방사 장치에서 발생하던 노즐팁에서 컬렉터까지의 거리가 거의 일정하여 나노섬유가 컬렉터에 쌓여 두꺼워짐에 따라 전위차가 급격히 떨어져 적층효율이 크게 떨어지는 단점을 극복하였다는 장점을 가진다.

또한 본 발명은 복수개의 다유체 노즐과 전위차 집중부재를 구비한 컬렉터를 구비하되, 상기 컬렉터를 경사지게 형성하여 다유체 노즐과의 거리를 점차 가깝게 함으로써 다유체 노즐에서 폴리머용액과 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자를 각각의 유로를 통해 분사시 폴리머용액이 전기방사되면서 형성된 나노섬유가 고상 중공 입자에 점착되면서 컬렉터에 형성된 전위차 집중부재에 균일하게 형성되도록 하되, 경사지게 형성된 컬렉터에 의해 후방부로 갈수록 다유체 노즐과의 거리를 점차 가깝게 되어 전위차 감소가 보충되어 적층효율이 높아진다는 장점을 가진다.

또한 본 발명은 복수개의 다유체 노즐과 전위차 집중부재를 구비한 컬렉터를 구비하여 다유체 노즐에서 폴리머용액과 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자를 각각의 유로를 통해 분사시 고상 중공 입자와 이를 이송하는 가스간의 혼입 유동에서 부유되는 고상 중공 입자의 양을 조절하거나 유동패턴, 유속을 조절함으로써 멀티스케일 다공성 소재에 내재하는 입자의 체적분율을 조절하여 공극률(porosity, 다공도), 강도, 통기성, 밀도 등의 물성을 조절할 수 있고, 또한 고상 중공 입자에 의한 입자혼입 가스 유로관의 막힘을 방지하면서 나노섬유와 균일하게 점착되어 적층될 수 있다는 장점을 가진다.

또한 본 발명에 따른 멀티스케일 다공성 소재는 공극률(porosity, 다공도), 강도, 통기성, 밀도 등의 물성이 조절되고, 마이크로스케일 수준(1~1000 um)의 고상 중공 입자에 나노섬유가 점착되어 적층된 구조를 가져 고성능 단열재 또는 흡음재 또는 여과재 또는 전자파 차단재 등의 다양한 분야에 사용될 수 있는 멀티스케일 다공성 소재가 제공된다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 다유체 노즐을 보인 단면예시도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 다유체 노즐의 저면 배치 구성을 보인 예시도이고,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 경사각을 가지게 형성된 입자혼입 가스 유로관을 보인 단면 예시도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전 가능한 착탈식 구조의 커넥터를 보인 단면 예시도이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다유체 노즐을 보인 단면예시도이고,
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 멀티스케일 다공성 소재 제조 장치의 전체 구성도이고,
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 전위차 집중부재의 형상을 보인 예시도이고,
도 8a 내지 8f는 본 발명 한 실시예에 따른 멀티스케일 다공성 소재 제조 장치를 구성하는 컬렉터의 여러 실시예를 보인 예시도이고,
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 멀티스케일 다공성 소재 제조방법의 흐름도이고,
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따라 제조되어 마이크로스케일 수준의 고상 중공입자에 나노섬유가 점착된 구조를 가진 멀티스케일 다공성 소재의 전자현미경사진이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 다유체 노즐을 보인 단면예시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 다유체 노즐의 저면 배치 구성을 보인 예시도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 다유체 노즐(1)은 서로 다른 분사 유로를 가지도록 중앙부에 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자와 가스를 혼합하여 분사하는 입자혼입 가스 유로관(103)을 구비하고 이 입자혼입 가스 유로관(103)과 이격된 지점의 주변에 원형으로 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관(106)이 배열되도록 구성하였다.

이와 같이 구성한 이유는 폴리머 용액에 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자를 혼합하여 동일한 유동관으로 공급할 경우 유량이 적은 경우에도 입자분율에 따라 유동저항이 급격히 증가하고 심해지면 공급관 내부에 퇴적되거나 공급관이 막히는 현상이 생길 수 있는데 상기와 같이 중앙부에 입자혼입 유동을 형상하고 외주부에 원형으로 배치한 폴리머용액 공급을 위한 니들관(106)들을 통해 전기방사시 나노섬유의 스월링 운동과 굽힘 불안정성에 의한 나선운동을 이용하여 서로 점착될 수 있도록 하기 위함이다. 이하 본 발명에서 사용될 수 있는 폴리머는 예를 들면 PLA(polylactic acid)와 같은 고분자물질을 말한다. 하지만 본 발명에서 말하는 폴리머가 예시한 PLA(polylactic acid)에만 한정되는 것은 아니다.

구체적으로 본 발명의 다유체 노즐(1)은 원형 단면 형상을 가지게 형성된 상부본체(101)와 하부본체(102)가 볼트 또는 기타 공지의 체결수단을 이용하여 결합된 구조로 구성되고, 중심부에는 상부본체(101)와 하부본체(102)를 동일한 직경으로 관통하는 홀이 수직 방향으로 형성된다.

상기 수직 방향으로 형성된 홀에는 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자와 가스가 혼합되어 유입되는 입자혼입 가스 유로관(103)이 상부쪽에서 삽입되어 상부본체(101)에 볼트 또는 기타 공지의 체결수단을 이용하여 결합된다.

상기 상부본체(101)와 하부본체(102)가 결합된 내부에는 상부본체(101)의 저면과 하부본체(102)의 상면이 이루는 형상에 의해 형성된 폴리머용액 저장부(104)가 구비된다.

한 실시예에 따라 상기 폴리머용액 저장부(104)는 도넛 형상처럼 원형 공간부를 구성할 수 있다. 이와 같이 원형 공간부로 구성하게 되면 하부본체(102)를 관통하는 폴리머용액 분사용 니들관(106)을 원형 형상으로 배열하여 고르게 분사할 수 있게 됨으로써 폴리머용액이 전기방사되면서 형성된 나노 섬유가 스월링 운동과 굽힘 불안정성에 의한 나선운동에 의해 중앙의 입자혼입 가스 유로관(103)을 통해 분사된 고상 중공입자에 점착될 수 있게 된다.

상기 폴리머용액을 폴리머용액 저장부(104)에 공급하기 위해 상기 상부본체(101)를 관통하는 적어도 하나 이상의 폴리머 공급관(105)이 형성된다.

상기 폴리머용액 저장부(104)의 하부면을 이루는 하부본체(102)는 입자혼입 가스 유로관(103)과 이격된 지점에서 원형 배열된 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관(106)이 형성된다. 또한 폴리머용액 분사용 니들관(106)은 개별 니들관(106)을 원형배열하여 구성하거나 복수개의 개별 니들관(106)으로 구성된 니들관 군을 다시 복수개로 원형배열하여 구성할 수도 있다. 또한 폴리머용액 저장부(104)와 접하는 상부본체(101)와 하부본체(102)간에는 수밀이 필요한 부분에 오링(107)과 같이 기밀 부재를 형성하여 누수가 일어나지 않도록 구성한다.

상기 폴리머용액 저장부(104)에는 폴리머용액저장부의 형상을 따라 원형으로 메쉬 형태 또는 다공성 매질 형태의 필터(108)를 설치한다. 이와 같은 필터는 폴리머 공급관(105)에서 배출된 폴리머용액의 공급압력을 1차로 안정화시킨 후 공급되도록 구성된다. 또한 불순물을 제거하여 저장시키는 역할도 한다. 이와 같이 필터가 구비되는 이유는 폴리머 공급관(105)에서 공급되는 폴리머용액은 공급유량 또는 유속 때문에 공급압력이 균일하지 못할 수 있는데 만약 불균일한 압력을 가진 폴리머용액이 폴리머용액저장부를 통해 폴리머용액 분사용 니들관(106)을 통해 분사되어 전기방사시 입자혼입 가스 유로관(103)을 통해 분사된 고상 중공입자에 균일하지 않게 점착되면서 적층될 수 있기 때문이다.

한편, 상기 상부본체(101)와 하부본체(102)를 관통하여 설치된 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자와 가스를 혼합하여 분사하는 입자혼입 가스 유로관(103)과 상기 폴리머용액 분사용 니들관(106)은 서로 전기적으로 절연된 상태를 이루게 구성한다.

따라서 하부본체(102) 및 폴리머용액 분사용 니들관(106)은 통전구조로 구성하고, 나머지 구성들은 모두 절연재료로 구성하거나 절연코팅하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 폴리머용액 분사용 니들관(106)은 통전상태인 하부본체(102)를 통해 미도시된 전원 및 전기회로를 통해 전류가 흐르도록 구성하던가 아니면 직접 니들관(106)에 전류가 흐르도록 회로 구성한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 경사각을 가지게 형성된 입자혼입 가스 유로관을 보인 단면 예시도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전 가능한 착탈식 구조의 커넥터를 보인 단면 예시도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다유체 노즐을 보인 단면예시도이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따라 입자혼입 가스 유로관(103)의 끝단을 경사각을 형성하여 구성하고, 그 둘레에는 회전 가능한 착탈식 구조를 가지고 끝단부에 경사각을 가지는 커넥터(110)를 구비하여 회전 조절하여 비대칭 방사유동의 공간적인 유속 분포를 조절할 수 있도록 구성하였다.

이를 위해 커넥터(110)의 상부몸체(1101)는 상기 하부본체(102)의 중앙부에 나사 결합 또는 기타 공지의 체결수단을 이용하여 조립되고, 상기 커넥터(110)의 하부몸체(1102)는 커넥터(110)의 상부몸체에 회전가능한 구조로 조립되어 구성하였다. 회전을 위해 하부몸체의 둘레에는 핸들(1103)이 형성된다.

상기 도면에 도시된 입자혼입 가스 유로관(103)과 커넥터(110)의 각각 끝단에 가공되는 경사각 α와 β의 범위는 0°≤ α, β≤ 60°이며 β≤α의 관계를 가지게 가공하는 것이 입자혼입유동의 공간분포를 용이하게 조절할 수 있기 때문에 바람직하다.

상기 본 발명의 실시예처럼 끝단부가 각각 독립적으로 적당한 각도로 경사지게 가공된 착탈식 커넥터(110)와 입자혼입 가스 유로관(103)을 구비하여 출구형상을 교환, 조정하게 되면 유동형태와 유량을 바꾸어 미세 조정할 수 있게 되어, 비대칭 분사를 만들고 경사면의 방향을 회전시켜 조절함으로써 비대칭 분사의 공간적인 유동 분포를 조절할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 멀티스케일 다공성 소재 제조 장치의 전체 구성도이고 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 전위차 집중부재의 형상을 보인 예시도이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 한 실시예에 따른 멀티스케일 다공성 소재 제조 장치는 전술한 구성을 가진 중앙부에 입자혼입 가스 유로관(103)을 구비하고 그 둘레를 따라 원형 배열된 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관(106)을 구비한 다유체 노즐(1) 복수개를 상부에 설치하여 구성하고, 그 하부에는 다유체 노즐(1)에서 서로 다른 유로를 가지고 각각 분사된 마이크로스케일 수준의 고상 중공입자와 전기방사되면서 상기 고상 중공입자에 점착된 나노섬유의 형성을 촉진하는 전위차 집중부재를 구비한 컬렉터(2)와; 상기 복수개의 컬렉터(2)에 분사된 가스를 흡입하여 수거하는 가스 흡입챔버(3)와; 상기 가스 흡입챔버와 유로가 연결되어 흡입력을 제공하는 흡입블로워(4);를 포함하여 구성된다. 또한 미도시되었지만 본 발명의 전기방사를 위해 상기 다유체노즐의 니들관(106)과 컬렉터(2)의 전위차 집중부재(221)에 전원을 인가하는 전원부를 포함함은 공지의 사실이다.

상기 다유체 노즐(1)의 입자혼입 가스 유로관(103)은 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자가 저장된 입자 저장고(5)와 유로가 연결되게 구성되고, 이 입자 저장고의 타측 일지점을 통해 공급받은 가스 즉, 압축공기와 함께 혼합되어 공급받게 구성된다.

또한 상기 다유체 노즐(1)의 폴리머용액 분사용 니들관(106)은 폴리머용액을 공급하도록 상부본체(101)를 관통한 하나 이상의 폴리머 공급관(105)이 폴리머 용액을 저장하고 있는 폴리머 저장고(6)와 유로를 통해 연결되어 유로의 일지점에 설치된 공급펌프(7)에 의해 공급되도록 구성된다.

상기에서 다유체노즐의 중앙부에 형성된 입자혼입 가스 유로관(103)을 통해 공급되는 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자와 가스가 혼합된 유체의 유량은 유동을 특정한 주파수에서 공급시간/차단시간 비(duration ratio)를 조절하여 유량을 변화시킬 수 있다. 예를 들면 압축공기의 공급시간 또는 압축공기의 차단이나 유로의 개구 차단을 통한 간헐적인 공급차단과 같은 방법의 조합으로 구성하여 조절할 수 있다.

이와 같이 입자혼입 유동에서 부유 입자의 양을 조절하거나 유속을 조절함으로써 나노섬유 매트릭스에 내재하는 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자의 체적분율을 조절할 수 있게 된다.

상기 전위차 집중부재(221)를 구비한 컬렉터(2)는, 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유가 적층 포집되어 단열소재가 형성되는 베이스부재(211)와, 이 베이스부재(211)를 복수개의 다유체 노즐(1)이 설치된 구역으로 이동시킨 후 일지점에서 권취하여 수거할 수 있도록 구동롤러를 포함한 다수의 롤러(212)로 이루어진 베이스부재부(21)와,

상기 베이스부재(211) 하부에 설치되어 무한 회전되도록 구성되어, 전기방사시 전위차를 집중시켜 나노섬유의 형성을 촉진시키는 복수개의 전위차 집중부재(221)가 돌출 배열된 밸트(222)와, 이 밸트(222)를 상기 베이스부재부(21)와 동일한 속도로 이동시키는 구동롤러를 포함한 다수의 롤러(223)로 이루어진 전위차 집중부(22)와;

상기 무한회전하는 밸트(222)는 전기적으로 절연된 부도체로 이루어진다. 따라서 전원부에서 인가된 전원 예를 들어 (-)전원은 밸트(222)를 관통하여 설치된 전위차 집중부재(221)의 하부와 통전되어 상부에 돌출된 전위차 집중부재(221)에 인가되어 다유체 노즐(1)의 니들관(106)에 형성된 (+) 전원과 통전되어 전기방사가 이루어지게 된다.

상기 베이스부재부(21)를 구성하는 다수의 롤러는 어느 하나의 롤러가 구동롤러로 구성되고, 나머지 롤러들은 가이드 롤러로 구성된다. 다만 권취되는 부분이 우측일 경우 우측에 구동롤러가 구비되는 것이 일반적이다. 상기 복수개의 구동롤러들은 베이스부재(211)를 이송할 뿐만 아니라 장력을 인가하여 베이스부재(211)가 수평한 상태를 이루도록 구성하는 것이 바람직하다. 그렇지 않을 경우 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유가 균일하게 적층되어 포집되지 않을 수 있기 때문이다. 이를 위해 한 실시예에 따라 도사된 복수개의 롤러 중 상부에 위치한 2개의 롤러는 구동에 관여하고, 하부에 위치한 2개의 롤러가 장력을 인가하도록 구성할 수 있다.

상기 전위차 집중부(22)를 구성하는 다수의 롤러는 어느 하나의 롤러가 구동롤러로 구성되고, 나머지 롤러들은 가이드 롤러로 구성된다.

본(아래) 내용의 기술은 밸트가 수평인 것을 위주로 기술하였지만, 수직 배치를 비롯한 방향에 상관없이 배치할 수 있다.

상기 복수개의 구동롤러들은 무한회전하는 밸트(222)의 상부쪽 면이 수평한 상태를 이루도록 구성하는 것이 바람직하다. 그렇지 않을 경우 전위차 집중부재(221)에 인가되는 전위가 집중 높이가 균일하지 못해 베이스부재(211)에 형성되는 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유가 균일하게 적층되어 포집되지 않을 수 있기 때문이다. 이를 위해 한 실시예에 따라 도사된 복수개의 롤러 중 상부에 위치한 2개의 롤러는 구동에 관여하고, 하부에 위치한 2개의 롤러가 장력을 인가하도록 구성할 수 있다.

상기 전위차 집중부재(221)는 전위차가 집중될 수 있도록 침과 같은 침상 형태 또는 면도날과 같은 면상의 날 형태로 구성되어 전위차가 집중되게 구성하였다. 이와 같은 구성이 필요한 이유는 기존의 나노섬유 제조 장치에서는 노즐에서 컬렉터(2)까지의 거리가 거의 일정하여 나노섬유가 컬렉터(2)에 쌓여 두꺼워짐에 따라 전위차가 급격히 떨어져서 적층효율이 크게 떨어진다는 구조적 문제점이 있었기 때문이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 발명은 전위차 집중부재(221)를 구비함으로써 다유체 노즐(1)과 컬렉터(2) 간의 전위차 극대화를 이룰 수 있게 되었다.

즉, 전위차가 집중되면 상부에서 분사중인 폴리머 용액이 전기방사시 나노섬유 형성 효율이 증대되고, 더 가늘게 형성되어 품질이 좋아지게 된다.

따라서 이와 같은 전위차 집중부재(221)가 없을 때와 대비시 낮은 전압에서도 유사한 나노섬유 형성 효율을 가지게 되고, 동일한 전압이 인가될 시에는 보다 많은 나노섬유가 형성되는 효과가 있다.

상기 베이스부재(211)는 전위차 집중부재(221)의 돌출이 가능한 구조로 이루어져 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자 및 이와 점착된 나노섬유가 점착시 포집할 수 있다. 예를 들어 다공망 또는 삼베 천 같이 경사와 위사가 얽힌 구조의 천연 또는 인조 섬유로 구성할 수 있다.

도 8a 내지 8f는 본 발명 한 실시예에 따른 멀티스케일 다공성 소재 제조 장치를 구성하는 컬렉터의 여러 실시예를 보인 예시도이다.

도시된 바와 같이 본 발명은 전위차 집중부재(221)를 구비한 컬렉터(2)의 설치 구조를 다양한 구조로 구성하여 전위차 집중부재(221)에 의한 다유체 노즐(1)과 컬렉터(2) 간의 전위차 극대화를 제공할 수 있다.

먼저 도 8a는 이송중인 베이스부재(211) 하부에 동일하게 수평 설치되어 동일한 속도로 이송중인 전위차 집중부(22)의 밸트(222)에 형성된 전위차 집중부재(221)가 상기 베이스부재(211)를 돌출하지 않은 상태에서 전위차를 집중시켜 베이스부재(211)에 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유가 적층되면서 포집되도록 구성된 상태를 보이고 있다. 이로부터 전위차 집중부재(221)가 꼭 베이스부재(211)를 관통하지 않아도 충분히 본 발명에 따른 전위차 집중 효과에 의한 나노섬유 형성을 촉진시킬 수 있음을 알 수 있다.

도 8b는 이송중인 베이스부재 하부에 위치하여 동일한 속도로 이송중인 전위차 집중부(22)의 밸트(222)에 형성된 전위차 집중부재(221)가 상기 베이스부재(211)를 돌출하지 않은 상태에서 전위차를 집중시키되 벨트를 이송시키는 롤러 중 후방 롤러의 설치가 상기 베이스부재(211)쪽으로 상승되어 전체적으로 경사진 설치형태를 구성한 상태에서 베이스부재(211)에 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유가 적층되면서 포집되도록 구성된 상태를 보이고 있다.

이와 같이 전위차 집중부(22)의 설치 구조를 전방부보다 후방부쪽이 베이스부재(211)에 가깝게 경사진 형태로 설치하면 다유체노즐과 전위차 집중부재(221)간의 거리가 좁아지면서 전기방사시 전위차 감소가 보충되어 적층효율이 향상된다.

즉, 복수개의 다유체 노즐(1)에 의한 폴리머용액이 전기방사되어 나노섬유가 형성되면 점차로 적층이 두껍게 되면서 전위차가 감소하게 되어 나노섬유 형성효율이 떨어지게 되는데 후방 롤러의 위치를 경사지게 조절함으로써 균일한 적층이 가능하게 되어 생산성을 증대할 수 있고 전위차 집중부재(221) 주위의 전위 집중을 이용함으로서 에너지 이용효율을 높일 수 있게 된다.

이로부터 전위차 집중부재(221)가 꼭 베이스부재(211)를 관통하지 않아도 충분히 본 발명에 따른 전위차 집중 효과에 의한 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유 형성을 촉진시킬 수 있음을 알 수 있다.

도 8c는 도 8a의 변형 실시형태로 이송중인 베이스부재(211) 하부에 동일하게 수평 설치되어 동일한 속도로 이송중인 전위차 집중부(22)의 밸트(222)에 형성된 전위차 집중부재(221)가 상기 베이스부재(211)를 돌출하여 이송되도록 구성함으로써 이 전위차 집중부재(221) 주변에 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유가 집중적으로 형성되도록 한 다음 후방부에서 상기 베이스부재(211)로부터 전위차 집중부재(221) 하부로 빠지게 되면 상기에서 형성된 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유가 베이스부재(211)에 안착되어 형성되도록 구성하였다.

이와 같은 구성을 가지게 되면 전기방사시 베이스부재(211)가 상부에 위치하지 않은 상태에서 다유체 노즐(1)과의 거리가 더욱 가깝게 됨으로써 전위차 집중 현상 증진에 의한 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유 형성을 촉진시키고 나노섬유 제조전압을 낮출 수 있다.

도 8d는 도 8b의 변형 실시형태로 이송중인 베이스부재(211) 하부에 동일하게 수평 설치되어 동일한 속도로 이송중인 전위차 집중부(22)의 밸트(222)에 형성된 전위차 집중부재(221)가 상기 베이스부재(211)를 돌출하여 이송되도록 구성하되, 벨트를 이송시키는 롤러 중 후방 롤러의 설치가 상기 베이스부재(211)쪽으로 상승되어 전체적으로 경사진 설치형태를 구성함으로써 이 전위차 집중부재(221) 주변에 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유가 집중적으로 형성되도록 한 다음 후방부에서 상기 베이스부재(211)로부터 전위차 집중부재(221) 하부로 빠지게 되면 상기에서 형성된 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유가 베이스부재(211)에 안착되어 형성되도록 구성하였다.

이와 같이 전위차 집중부(22)의 설치 구조를 전방부보다 후방부쪽이 경사진 형태로 설치하면 다유체노즐과 전위차 집중부재(221)간의 거리가 좁아지면서 전기방사시 전위차 감소가 보충되어 적층효율이 향상된다.

즉, 복수개의 다유체 노즐(1)에 의한 폴리머용액이 전기방사되어 나노섬유가 형성되면 점차로 적층이 두껍게 되면서 전위차가 감소하게 되어 나노섬유 형성효율이 떨어지게 되는데 후방 롤러의 위치를 경사지게 조절함으로써 균일한 적층이 가능하게 되어 생산성을 증대할 수 있고 전위차 집중부재(221) 주위의 전위 집중을 이용함으로서 에너지 이용효율을 높일 수 있게 된다.

도 8e와 도 8f는 도 8b 및 8d와 달리 후방 롤러의 크기를 크게하여 경사를 조절한 실시 형태를 보이고 있다.

도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 멀티스케일 다공성 소재 제조방법의 흐름도이다. 이를 통해 전술한 본 발명에 따른 도시된 바와 같이 전술한 멀티스케일 다공성 소재 제조장치를 통한 단열소재 제조방법을 설명한다.

먼저 본 발명에 따른 다유체 노즐(1)과 전위차 집중부재(221)를 구비한 컬렉터(2)를 설치하는 단계(S100)를 가진다.

이후 다유체 노즐(1)에 형성된 입자혼입 가스 유로관(103)을 통해 필요로 하는 마이크로스케일의 고상 중공입자와 가스가 혼합된 유체를 공급하고, 상기 입자혼입 가스 유로관(103)과 이격된 지점의 주변에 원형 배열된 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관(106)으로 폴리머용액을 공급하는 단계(S200)를 가진다.

이후 다유체 노즐(1)의 니들관(106)과 컬렉터(2)에 설치된 전위차 집중부재(221)로 전압을 인가하는 단계(S300)를 가진다.

이후 다유체 노즐(1)의 입자혼입 가스 유로관(103)과 니들관(106)을 통해 각각 마이크로스케일의 고상 중공입자와 가스가 혼합된 유체량 또는 유속을 조절하면서 분사하고, 폴리머용액을 분사하는 단계(S400)를 가진다.

상기에서 다유체노즐의 중앙부에 형성된 입자혼입 가스 유로관(103)을 통해 공급되는 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자와 가스가 혼합된 유체의 유량은 유동을 특정한 주파수에서 공급시간/차단시간 비(duration ratio)를 조절하여 유량을 변화시킬 수 있다. 예를 들면 압축공기의 공급시간 또는 압축공기의 차단이나 유로의 개구 차단을 통한 간헐적인 공급차단과 같은 방법의 조합으로 구성하여 조절할 수 있다.

또한 상기 분사단계에서 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자와 가스가 혼합된 유체의 유량 및 폴리머용액은 공급량의 증감에 의해 조절할 수도 있다.

이와 같이 입자혼입 유동에서 부유 입자의 양을 조절하거나 유동패턴, 유속을 조절함으로써 나노섬유 매트릭스에 내재하는 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자의 체적분율을 조절할 수 있게 되어 다양한 목적의 단열소재를 설계하여 제조할 수 있게 된다.

이후 컬렉터(2)에 설치된 전위차 집중부재(221)에 전위가 집중된 상태에서 전기방사된 폴리머용액이 나노섬유를 형성하면서 스월링 운동과 나선 운동을 통해 마이크로스케일의 고상 중공입자에 점착되도록 하는 단계(S500)를 가진다.

이와 같은 단계를 가지게 되면 입경이 커져도 점성이 급격히 증가되지 않아 하나의 다유체 노즐에서 마이크로스케일 수준(1~1000 um)의 고상입자를 하나의 공정으로 나노섬유와 균일하게 혼합 점착된 단열소재를 제조하게 된다.

이후 마이크로스케일의 고상 중공입자에 점착된 나노섬유가 컬렉터(2)의 베이스부재(211)에 균일하게 적층 포집되도록 컬렉터(2)의 전위차부재 위치를 조절하여 단열소재를 제조하는 단계(S600)로 구성된다.

이 단계는 전술한 도 8a 내지 8f는 본 발명 한 실시예에 따른 멀티스케일 다공성 소재 제조 장치를 구성하는 컬렉터의 여러 실시예에서 보이는 바와 같이 필요에 따라 이송중인 베이스부재(211)의 하부에 전위차 집중부(22)의 밸트(222)에 형성된 전위차 집중부재(221)를 위치시키거나 베이스부재(211)의 상부로 돌출시켜 전위차를 집중시킴으로써 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유가 적층되면서 포집되도록 조절할 수 있다.

또한 전위차 집중부(22)를 구성하는 롤러의 위치 또는 크기 변화를 주어 다유체노즐과 전위차 집중부재(221)간의 거리를 가깝게 조절하여 전위차를 집중시킴으로써 전기방사시 전위차 감소가 보충되어 균일한 적층이 이루어지게 조절하면서 단열소재를 제조하게 된다.

이때 상기 각 롤러의 경사각 또는 구동롤러에 의한 이동속도를 필요에 따라 조절하여 필요로 하는 단열소재를 제조할 수 있다.

도 10은 본 발명의 한 실시예에 따라 제조되어 마이크로스케일 수준의 고상 중공입자에 나노섬유가 점착된 구조를 가진 멀티스케일 다공성 소재의 전자현미경사진이다.

도시된 본 발명에 따른 멀티스케일 다공성 소재는 필요한 크기로 공급된 마이크로스케일 수준(1~1000 um)의 고상 중공 입자에 나노섬유가 점착되어 적층된 구조로 이루어져 있음을 알 수있다.

이처럼 마이크로스케일 수준(1~1000 um)의 고상 중공 입자에 나노섬유가 점착된 구조를 가지게 되면 중공 입자의 크기 조절에 따른 단열 성능이 극대화되고, 또한 제조시 고상 중공 입자가 종래와 달리 폴리머용액에 함침된 상태에서 전기방사되지 않고 별도의 유로를 통해 각각 분사 후 전기방사시켰기 때문에 나노섬유가 고상 중공 입자를 코팅하지 않고 일부 표면에 점착된 구조를 가지기 때문에 나노섬유를 통한 열전달이 제한되어 초단열 효과를 가지게 된다.

이와 같은 구조를 가지는 본 발명에 따르는 멀티스케일 단열 소재는 고성능 단열재 또는 흡음재 또는 여과재 또는 전자파 차단재 등의 다양한 분야에 사용될 수 있다.

본(아래) 내용의 기술은 밸트가 수평인 것을 위주로 기술하였지만, 수직 배치를 비롯한 방향에 상관없이 배치할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

(1) : 다유체 노즐 (2) : 컬렉터
(3) : 가스 흡입챔버 (4) : 흡입 블로워
(5) : 입자 저장고 (6) : 폴리머 저장고
(7) : 공급펌프 (21) : 베이스부재부
(22) : 전위차 집중부 (101) : 상부본체
(102) : 하부본체 (103) : 입자혼입 가스 유로관
(104) : 폴리머용액 저장부 (105) : 폴리머 공급관
(106) : 니들관 (107) : 오링
(109) : 필터 (110) : 커넥터
(211) : 베이스부재 (212) : 롤러
(221) : 전위차 집중부재 (222) : 밸트
(223) : 롤러 (1101) : 상부몸체
(1102) : 하부몸체 (1103) : 핸들

Claims (16)

1. 서로 다른 분사 유로를 가지도록 중앙부에 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자와 가스를 혼합하여 분사하는 입자혼입 가스 유로관과;
   상기 입자혼입 가스 유로관과 이격된 지점의 주변에 원형 배열된 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 다유체 노즐은, 상부본체와 하부본체가 결합된 구조로 이루어져 중심부를 수직으로 관통하는 홀에 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자와 가스가 혼합되어 유입되는 입자혼입 가스 유로관이 삽입 고정되고,
   상기 상부본체와 하부본체가 결합된 내부에는 상부본체를 관통한 폴리머 공급관에 의해 폴리머용액을 공급받는 폴리머용액 저장부가 형성되고,
   상기 하부본체에는 상기 입자혼입 가스 유로관과 이격된 지점에서 원형 배열된 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관이 형성된 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 폴리머용액 분사용 니들관은, 개별 니들관을 원형배열하여 구성하거나 복수개의 개별 니들관으로 구성된 니들관 군을 다시 복수개로 원형배열하여 구성한 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 폴리머용액 저장부에는 폴리머용액저장부의 형상을 따라 설치되어 유입되는 폴리머용액의 압력을 안정화시키는 필터가 설치된 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐.
   
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 다유체 노즐은 경사각이 형성된 입자혼입 가스 유로관과;
   입자혼입 가스 유로관 둘레에는 회전 가능한 착탈식 구조를 가지고 끝단부에 경사각이 형성된 커넥터가 결합되어 구성된 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐.
   
6. 중앙부에 입자혼입 가스 유로관을 구비하고 그 둘레를 따라 원형 배열된 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관을 구비한 청구항 1 내지 5 중에서 선택된 어느 하나의 다유체 노즐들과;
   상기 다유체 노즐들의 하부에는 서로 다른 유로를 가지고 각각 분사된 마이크로스케일 수준의 고상 중공입자와 전기방사되면서 상기 고상 중공입자에 점착된 나노섬유의 형성을 촉진하는 전위차 집중부재를 구비한 컬렉터;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조장치.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 컬렉터는,
   마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유가 적층 포집되어 단열소재가 형성되는 베이스부재와, 이 베이스부재를 복수개의 다유체 노즐이 설치된 구역으로 이동시킨 후 일지점에서 권취하여 수거할 수 있도록 구동롤러를 포함한 다수의 롤러로 이루어진 베이스부재부와;
   상기 베이스부재 하부에 설치되어 무한 회전되도록 구성되어, 전기방사시 전위차를 집중시켜 나노섬유의 형성을 촉진시키는 복수개의 전위차 집중부재가 돌출 배열된 밸트와, 이 밸트를 상기 베이스부재부와 동일한 속도로 이동시키는 구동롤러를 포함한 다수의 롤러로 이루어진 전위차 집중부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조장치.
   
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 전위차 집중부재는 형상의 전위차가 집중될 수 있도록 침상 형태 또는 면상의 날 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조장치.
   
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 전위차 집중부재는 베이스부재의 하부에 위치하게 설치된 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조장치.
   
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 전위차 집중부재는 일 구간에서 베이스부재를 돌출하여 이동하게 설치된 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조장치.
    
11. 청구항 7에 있어서,
    상기 전위차 집중부는 후방 롤러의 설치 위치 또는 크기를 조절하여 후방으로 갈수록 베이스부재에 가깝게 경사진 형태로 설치하여 다유체노즐과 전위차 집중부재간의 거리를 좁혀 전기방사시 전위차 감소가 보충되도록 구성한 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조장치.
    
12. 중앙부에 입자혼입 가스 유로관을 구비하고 그 둘레를 따라 원형 배열된 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관을 구비한 다유체 노즐과 전위차 집중부재를 구비한 컬렉터를 설치하는 단계와;
    이후 다유체 노즐에 형성된 입자혼입 가스 유로관을 통해 필요로 하는 마이크로스케일의 고상 중공입자와 가스가 혼합된 유체를 공급하고, 상기 입자혼입 가스 유로관과 이격된 지점의 주변에 원형 배열된 복수개의 폴리머용액 분사용 니들관으로 폴리머용액을 공급하는 단계와;
    이후 다유체 노즐의 니들관과 컬렉터에 설치된 전위차 집중부재로 전압을 인가하는 단계와;
    이후 다유체 노즐의 입자혼입 가스 유로관과 니들관을 통해 각각 마이크로스케일의 고상 중공입자와 가스가 혼합된 유체량 또는 유속을 조절하면서 분사하고, 폴리머용액을 분사하는 단계와;
    이후 컬렉터에 설치된 전위차 집중부재에 전위가 집중된 상태에서 전기방사된 폴리머용액이 나노섬유를 형성하면서 스월링 운동과 나선 운동을 통해 마이크로스케일의 고상 중공입자에 점착되도록 하는 단계와;
    이후 마이크로스케일의 고상 중공입자에 점착된 나노섬유가 컬렉터의 베이스부재에 균일하게 적층 포집되도록 컬렉터의 전위차부재 위치를 조절하여 단열소재를 제조하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조방법.
    
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 마이크로스케일의 고상 중공입자와 가스가 혼합된 유체량 또는 유속을 조절하는 단계는 특정한 주파수에서 공급시간/차단시간 비(duration ratio)를 조절하여 변화시키는 단계인 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조방법.
    
14. 청구항 12에 있어서,
    상기 전위차부재 위치를 조절하여 단열소재를 제조하는 단계는 컬렉터에서 이송중인 베이스부재의 하부에 전위차 집중부의 밸트에 형성된 전위차 집중부재를 위치시키거나 베이스부재의 상부로 돌출시켜 전위차를 집중시킴으로써 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 점착된 나노섬유가 적층되면서 포집되도록 조절하는 단계인 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조방법.
    
15. 청구항 12에 있어서,
    상기 전위차부재 위치를 조절하여 단열소재를 제조하는 단계는 컬렉터에서 전위차 집중부를 구성하는 롤러의 위치 또는 크기 변화를 주어 다유체노즐과 전위차 집중부재간의 거리를 가깝게 조절하여 전위차를 집중시킴으로써 전기방사시 전위차 감소가 보충되어 적층효율을 향상시키는 단계인 것을 특징으로 하는 멀티스케일 다공성 소재 제조용 다유체 노즐을 이용한 제조방법.
    
16. 청구항 12 내지 15 중에서 선택된 어느 하나의 제조방법을 통해 제조되어 마이크로스케일 수준의 고상 중공 입자에 나노섬유가 점착되어 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 단열 소재.
    

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