KR101762249B1 - 후진노즐을 이용한 섬유방사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융원료(15)를 이용하여 파이버(10)를 생성하는 장치에 있어서: 본체(21)에 후진노즐(24)과 가압기(26)를 구비하고, 수용된 용융원료(15)의 분출압력을 유지하는 방사수단(20); 상기 본체(21)의 이동과 반대 방향으로 후진노즐(24)에서 용융원료(15)의 분출을 유발하는 구동수단; 상기 분출물에 냉기를 분사하여 파이버(10)를 생성하는 냉각수단; 및 상기 파이버(10)의 다발을 정렬된 상태로 수집하는 수집수단(50);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 수지나 금속을 기재로 하여 마이크로 파이버로 생성하는 제조현장에서 비정질의 미세직경 균일도를 안정적으로 유지하면서 양산수율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

후진노즐을 이용한 섬유방사 장치{Fiber spinning apparatus using reverse nozzle}

본 발명은 섬유방사 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 수지나 금속을 섬유화하는 과정에서 비정질의 미세한 직경으로 생성할 수 있는 후진노즐을 이용한 섬유방사 장치에 관한 것이다.

마이크로 파이버는 화학, 기계, 의료 등의 광범위한 분야에서 고기능성 소재로 주목받고 있으며, 제조현장에 적용하기 위한 생산기술로 전기방사 또는 미세유체(micro-fluidics) 방사가 사용된다. 다만, 연속으로 생성하는 경우 파이버의 크기가 균일하지 않은 점을 극복하기 위한 양산기술의 확보가 요구된다.

이와 관련되는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제1503764호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1382860호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 축 회전으로 발생하는 원심력에 의해 내부의 수용공간에 수용된 방사액을 방사 노즐을 통해 방사하는 원심회전체를 포함하는 원심방사장치로서, 상기 방사 노즐은 상기 축을 중심으로 하는 가상 원의 반지름 방향에 대해 상기 축 회전 방향의 반대방향으로 경사지게 형성된다. 이에 따라, 섬유의 극세화를 이룰 수 있고, 섬유의 직경 균일성을 높일 수 있는 효과를 기대한다.

그러나, 고속의 원심회전체를 기반으로 하여 설비와 공정이 복잡하고 원통형의 콜렉터에 충돌하는 방식으로 파이버의 균일도를 높이기 한계성을 지닌다.

선행문헌 2는 폴리머 방사액이 고전압을 통해 섬유화되며 토출되는 전기 방사 노즐; 고전압 발생기; 접지 전원; 가스 분사 노즐; 및 콜렉터를 포함하고, 상기 가스 분사 노즐은 초음속 유동 속도로 가스를 분사하며, 상기 방사 노즐로부터 토출된 섬유는 분사된 가스의 유동력에 의해 상기 콜렉터에 수집된다. 이에 따라, 전단 응력을 발생시켜 섬유의 직경을 더욱 얇게 하여, 더욱 미세한 직경의 섬유를 균질하게 수집하는 효과를 기대한다.

그러나, 초음속 분사 가스의 유동력을 일정하게 유지하기 곤란할뿐더러 콜렉터에 수집하는 과정에서 파이버의 균일도가 다시 저하될 우려가 크다.

1. 한국 등록특허공보 제1503764호 "원심방사장치" (공개일자 : 2015. 1. 14.) 2. 한국 등록특허공보 제1382860호 "전기 방사 장치" (공개일자 : 2013. 4. 22.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 수지나 금속을 기재로 하여 마이크로 파이버로 생성하는 과정에서 비정질의 미세한 직경을 안정적으로 유지하면서 양산에 적용하여 수율을 높일 수 있는 후진노즐을 이용한 섬유방사 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 용융원료를 이용하여 파이버를 생성하는 장치에 있어서: 본체에 후진노즐과 가압기를 구비하고, 수용된 용융원료의 분출압력을 유지하는 방사수단; 상기 본체의 이동과 반대 방향으로 후진노즐에서 용융원료의 분출을 유발하는 구동수단; 상기 분출물에 냉기를 분사하여 파이버를 생성하는 냉각수단; 및 상기 파이버의 다발을 정렬된 상태로 수집하는 수집수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제1실시예로서, 상기 구동수단은 중심축 상으로 본체를 회전시켜 분출물을 접선방향으로 송출하고, 수집수단은 분출물을 중심축과 동심 상으로 모아서 권취기로 감는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 본체와 권취기는 각각의 상대적인 회전속도를 조절하여 귄취되는 파이버의 꼬임 정도를 변동하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2실시예로서, 상기 구동수단은 트랙 상으로 본체를 주행시켜 분출물을 직선방향으로 송출하고, 수집수단은 분출물을 트랙에 연하여 설치된 수납통으로 모으는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 트랙은 생산을 위한 제1경로와 원료 충전을 위한 제2경로로 형성되고, 제1경로에 절환기로 연결된 제2경로 상에 보충기를 구비하는 것을 특징으로 하다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 수지나 금속을 기재로 하여 마이크로 파이버로 생성하는 제조현장에서 비정질의 미세직경 균일도를 안정적으로 유지하면서 양산수율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 장치를 전체적으로 나타내는 모식도
도 2는 도 1의 주요부를 확대하여 나타내는 구성도
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 장치를 전체적으로 나타내는 모식도
도 4는 도 3의 주요부를 확대하여 나타내는 구성도
도 5는 도 3에 설치되는 트랙을 세부적으로 나타내는 구성도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 용융원료(15)를 이용하여 파이버(10)를 생성하는 장치에 관하여 제안한다. 용융원료(15)는 수지를 대상으로 하지만 비교적 용융점이 낮은 금속도 가능하다. 파이버(10)는 직경 1~10㎛ 정도의 극세사나 세섬사를 대상으로 하지만 100㎚ 이하의 나노사에 적용할 수도 있다.

본 발명에 따르면 방사수단(20)이 본체(21)에 후진노즐(24)과 가압기(26)를 구비하고, 수용된 용융원료(15)의 분출압력을 유지하는 구조를 특징으로 한다. 방사수단(20)의 본체(21)는 용융원료(15)를 수용하는 용기로서 원료를 보충할 수 있는 개구를 구비한다. 후진노즐(24)은 본체(21) 상에 일정한 간격으로 설치되어 용융원료(15)를 방사한다. 가압기(26)는 본체(21)의 개구에 설치되고 용융원료(15)의 분출압력(방사압)을 유지하도록 설정된 압력을 인가한다. 가압기(26)는 유압실린더의 원리를 적용하여 작동유체의 펌핑압력으로 방사압을 조절할 수 있다.

이때, 본체(21)는 용융원료(15)를 수용한 부분에 가열코일(22)을 구비하여 원료의 용융 상태를 유지한다.

또, 본 발명에 따르면 구동수단이 상기 본체(21)의 이동과 반대 방향으로 후진노즐(24)에서 용융원료(15)의 분출을 유발하는 구조이다. 구동수단은 본체(21)의 자전운동(제1실시예) 또는 공전운동(제2실시예)을 부여하면서 후진노즐(24)을 통한 용융원료(15)의 후진방사를 유도한다. 후진노즐(24)에서 용융원료(15)의 분출물을 역방향으로 분사하는 방식은 방사속도를 높여 생산성을 향상하는 동시에 굵기(직경) 변화가 적은 안정적 품질을 유지할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 냉각수단이 상기 분출물에 냉기를 분사하여 파이버(10)를 생성하는 구조이다. 냉각수단은 후진노즐(24)에서 분출되는 용융원료(15)를 설정된 온도로 급냉(과냉)하여 비정질화를 유발한다. 후술하는 것처럼 제1실시예와 제2실시예에 따라 냉각수단의 세부 구성이 달라진다. 어느 경우에나 비정질 파이버(10)는 일반 금속보다 강도가 높아지고, 탄성과 자기특성이 크게 개선되며, 금속에 있어서 녹이 없는 상태로 된다.

또, 본 발명에 따르면 수집수단(50)이 상기 파이버(10)의 다발을 정렬된 상태로 수집하는 구조이다. 수집수단(50)은 후진노즐(24)에서 분출되고 냉각된 파이버(10)를 비교적 가지런한 상태로 정렬한다. 본 발명에서 후진노즐(24)로 방사하는 구조이므로 수집수단(50)에 의한 정렬이 용이하다. 후술하는 것처럼 제1실시예와 제2실시예에 따라 수집수단(50)의 세부 구성이 달라진다.

본 발명의 제1실시예로서, 상기 구동수단은 중심축(31) 상으로 본체(21)를 회전시켜 분출물을 접선방향으로 송출하고, 수집수단(50)은 분출물을 중심축(31)과 동심 상으로 모아서 권취기(51)로 감는 것을 특징으로 한다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 후진노즐(24)은 본체(21)의 환형 외주면에서 반경방향으로 형성된 단턱에 접선방향으로 설치된다. 중심축(31)은 상단에서 자전모터(33)와 연결되고 하단에서 본체(21)를 관통하여 저면으로 노출된다. 중심축(31)의 중간부에서 하단부에 이르기까지 냉기를 유동시키는 통기공(32)이 형성된다. 본체(21)는 용융원료(15)에 원심력을 작용할 필요가 없으므로 낮은 회전속도를 유지한다. 수집수단(50)은 본체(21)의 접선방향으로 분사되는 분출물을 중심축(31)의 하방향에서 안내부재(52)를 거쳐 권취기(51) 상으로 모은다. 안내부재(52)는 내마모성이 양호한 환형의 안내구나 롤러를 사용할 수 있다. 물론 권취기(51)는 파이버(10)에 인장력을 작용하는 것이 아니고 도 1처럼 분출물이 하트형 경로를 이루도록 권취속도를 유지한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 본체(21)와 권취기(51)는 각각의 상대적인 회전속도를 조절하여 귄취되는 파이버(10)의 꼬임 정도를 변동하는 것을 특징으로 한다. 권취기(51)는 중심축(31)과 동심 상으로 회전하도록 권취용 모터 외에 별도의 선회용 모터(도시 생략)를 사용한다. 안내부재(52)도 권취기(51)와 함께 회전하며 파이버(10)를 안내하도록 구성한다. 본체(21)와 권취기(51)의 회전속도가 동일하면 파이버(10)는 전혀 꼬임이 없는 상태로 권취된다. 제어기(도시 생략)는 입력된 파이버(10)의 꼬임수에 대응하여 본체(21)의 자전모터(33)에 대응한 권취기(51)의 선회용 모터의 상대속도를 결정한다.

한편, 제1실시예에서 냉각수단은 중심축(31) 상에서 통기공(32)의 상단에 로터리조인트(44)를 설치하고 통기공(32)의 하단에 냉기노즐(46)을 형성하며 로터리조인트(44)에 냉기관(42)을 연결하여 구성한다. 이에 외부의 냉각장치(도시 생략)에서 냉기관(42), 로터리조인트(44), 통기공(32), 냉기노즐(46)로 냉기가 분사되면서 분출물을 냉각하여 파이버(10)로 생성한다.

본 발명의 제2실시예로서, 상기 구동수단은 트랙(35) 상으로 본체(21)를 주행시켜 분출물을 직선방향으로 송출하고, 수집수단(50)은 분출물을 트랙(35)에 연하여 설치된 수납통(55)으로 모으는 것을 특징으로 한다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 후진노즐(24)은 본체(21)의 직선형 외주면에서 동일 수평선 상에 일정한 간격으로 배치된다. 트랙(35)은 I빔, H빔 등의 형강을 사용하며, 거치대를 개재하여 일정한 궤도(경로)를 형성하도록 설치한다. 본체(21)는 주행휠(36)을 개재하여 트랙(35)에 장착되고, 공전모터(37)는 주행휠(36)을 구동하여 경로상으로 공전운동을 수행한다. 이외에 가열코일(22), 가압기(26) 등의 구성은 전술한 제1실시예와 동일하게 적용된다. 수집수단(50)은 트랙(35)이 이루는 경로를 따라서 그 하부에 수납통(55)을 설치하는 것이 좋으나 각각의 본체(21)의 하측에 동시에 이동 가능하도록 설치할 수도 있다. 어느 경우에나 역방향으로 분사되는 분출물을 별도의 안내부재(52)나 권취기(51) 없이 하방향에서 수납통(55) 상으로 모은다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 트랙(35)은 생산을 위한 제1경로(35a)와 원료 충전을 위한 제2경로(35b)로 형성되고, 제1경로(35a)에 절환기(58)로 연결된 제2경로(35b) 상에 보충기(56)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 5는 육상경기장 형태의 제1경로(35a)를 형성하고 그 내부에 절환기(58)를 개재하여 제2경로(35b)를 형성한 상태를 예시한다. 제2경로(35b) 상에는 본체(21)에 원료를 충진하기 위한 원료보충소와 보충기(56)를 설치한다. 이에 다수의 본체(21)는 제1경로(35a)를 주행하면서 수납통(55)으로 파이버(10)를 가지런하게 적층하고, 필요시 절환기(58)를 작동하여 제2경로(35b)로 보내 보충기(56)로 충진한다.

한편, 제2실시예에서 냉각수단은 구성의 단순화를 위해 본체(21)에 탑재되는 방식이 선호된다. 도 3은 본체(21)에 전기로 구동되는 열전소자(48)를 탑재하고 냉기노즐(46)을 통하여 냉기를 분사하는 상태를 예시한다. 물론 전원공급은 트랙(35) 상에 설치된 전극판(도시 생략)을 통하여 이루어지도록 한다. 이에 열전소자(48), 냉각팬(도시 생략), 냉기노즐(46)로 냉기가 분사되면서 분출물을 냉각하여 파이버(10)로 생성한다.

이때, 제2실시예의 가압기(26)는 제1실시예의 유압실린더보다는 전기식 엑츄에이터로 방사압을 작용하는 것이 좋다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 파이버 15: 용융원료
20: 방사수단 21: 본체
22: 가열코일 24: 후진노즐
26: 가압기 31: 중심축
32: 통기공 33: 자전모터
35: 트랙 36: 주행휠
37: 공전모터 42: 냉기관
44: 로터리조인트 46: 냉기노즐
48: 열전소자 50: 수집수단
51: 권취기 52: 안내부재
55: 수납통 56: 보충기
58: 절환기

Claims (5)

1. 삭제
2. 용융원료(15)를 이용하여 마이크로 파이버(10)를 생성하는 장치에 있어서:
   본체(21)에 후진노즐(24)과 가압기(26)를 구비하고, 수용된 용융원료(15)의 분출압력을 유지하는 방사수단(20);
   상기 본체(21)의 이동과 반대 방향으로 후진노즐(24)에서 용융원료(15)의 분출을 유발하는 구동수단;
   상기 후진노즐(24)로부터 분출된 분출물에 냉기를 분사하여 파이버(10)를 생성하는 냉각수단; 및
   상기 파이버(10)의 다발을 정렬된 상태로 수집하는 수집수단(50);을 포함하여 이루어지되,
   상기 구동수단은 중심축(31) 상으로 본체(21)를 회전시켜 분출물을 접선방향으로 송출하고, 수집수단(50)은 분출물을 중심축(31)과 동심 상으로 모아서 권취기(51)로 감으며,
   상기 본체(21)와 권취기(51)는 각각의 상대적인 회전속도를 조절하여 귄취되는 파이버(10)의 꼬임 정도를 변동하는 것을 특징으로 하는 후진노즐을 이용한 섬유방사 장치.
3. 삭제
4. 용융원료(15)를 이용하여 마이크로 파이버(10)를 생성하는 장치에 있어서:
   본체(21)에 후진노즐(24)과 가압기(26)를 구비하고, 수용된 용융원료(15)의 분출압력을 유지하는 방사수단(20);
   상기 본체(21)의 이동과 반대 방향으로 후진노즐(24)에서 용융원료(15)의 분출을 유발하는 구동수단;
   상기 후진노즐(24)로부터 분출된 분출물에 냉기를 분사하여 파이버(10)를 생성하는 냉각수단; 및
   상기 파이버(10)의 다발을 정렬된 상태로 수집하는 수집수단(50);을 포함하여 이루어지되,
   상기 구동수단은 트랙(35) 상으로 본체(21)를 주행시켜 분출물을 역방향으로 송출하고, 수집수단(50)은 분출물을 트랙(35)에 연하여 설치된 수납통(55)으로 모으며,
   상기 트랙(35)은 생산을 위한 제1경로(35a)와 원료 충전을 위한 제2경로(35b)로 형성되고, 제1경로(35a)에 절환기(58)로 연결된 제2경로(35b) 상에 보충기(56)를 구비하는 것을 특징으로 하는 후진노즐을 이용한 섬유방사 장치.
5. 삭제

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