KR102001006B1

KR102001006B1 - 전기방사장치 및 이를 구비한 필터 제조 시스템

Info

Publication number: KR102001006B1
Application number: KR1020180049128A
Authority: KR
Inventors: 이승제; 김종국; 조현철; 조상준
Original assignee: 주식회사 창명산업
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2019-07-17
Also published as: KR20190038262A

Abstract

전기방사장치 및 이를 구비한 필터 제조 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사장치는 대상 시트에 나노섬유를 전기방사하기 위한 전기방사장치로서, 상기 시트의 제1 표면과 마주하는 전극판; 상기 시트의 제2 표면과 마주하는 복수의 방사노즐들을 가진 둘 이상의 전기방사모듈들; 상기 전극판과 각 방사노즐 사이에 전기적으로 연결된 전압소스; 및 상기 전기방사모듈들을 상기 시트의 폭 방향을 따라 왕복운동시키는 구동유닛;을 포함하며, 상기 전기방사모듈들은, 제1 왕복운동을 하는 적어도 하나의 제1 전기방사모듈; 및 제2 왕복운동을 하는 적어도 하나의 제2 전기방사모듈;을 포함하며, 상기 제1 및 제2 왕복운동은 서로 반대되는 운동 방향을 갖는다.

Description

전기방사장치 및 이를 구비한 필터 제조 시스템{ELECTROSPINNING APPARATUS AND FILTER MANUFACTURING SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 전기방사장치 및 이를 구비한 필터 제조 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 대상 시트의 표면에 나노섬유를 전기방사하기 위한 전기방사장치 및 이를 구비한 필터 제조 시스템에 관한 것이다.

전기방사(electrospinning)는 전기장을 이용하여 고분자 원료를 대략 수십 내지 수백 나노미터 지름의 나노섬유 형태로 방사하는 기술을 말한다.

이러한 전기방사 기술은 기능성 의류 제조, 배터리 제조, 의료 부품 제조, 필터 제조 등 다양한 산업 분야에 활용되고 있다.

도 1은 종래의 전기방사장치의 일 예를 개략적으로 나타낸 것으로서, 시트 형태의 대상체에 특히 적합하게 사용 가능한 장치의 예를 보이는 것이다.

도 1의 전기방사장치는 전극판(10), 전기방사모듈(20) 및 전압소스(30)를 포함하며, 전기방사모듈(20)은 내부에 고분자 원료가 수용된 모듈몸체(21) 및 모듈몸체(21)의 하측에 배열된 복수의 방사노즐(25)을 구비한다. 전압소스(30)에 의해 각 방사노즐(25)과 전극판(10) 사이에 전기장이 형성됨으로써, 각 방사노즐(25)로부터 배출되는 고분자 물질은 화살표 방향으로 이송되는 대상 시트(S)의 일 표면에 나노섬유의 형태로 코팅된다.

그런데 이러한 형태의 전기방사장치를 수평방향 또는 수직방향으로 이송되는 대상 시트(S)에 사용하는 경우, 도 2-(a)에 도시된 바와 같이 방사노즐(25)로부터 방사된 나노섬유들(N)이 서로 뭉쳐져 넓게 퍼지지 않거나, 또는 도 2-(b)에 도시된 바와 같이 방사노즐(25B)로부터 방사된 나노섬유들(N)의 상당 부분이 그 노즐(25B)의 하측을 지나는 시트 영역에 코팅되지 못하고 인접한 방사노즐(25A) 측으로 치우쳐져 그 인접 노즐(25A)의 하측을 지나는 시트 영역에 중첩 코팅됨으로써, 대상 시트(S)에 나노섬유들(N)이 고르게 코팅되지 못하는 문제점이 나타날 수 있다.

대한민국 특허공보 제1087387호 (2011.11.25.) 일본 특허공보 제3125495호 (2001.01.15.)

본 발명은 전술한 문제점의 해결 방안을 제시하는 것에 주된 목적이 있으며, 더 나아가 가능한 간단한 구조의 장치를 통해 그러한 해결 방안을 도출하는 데 또한 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 대상 시트에 나노섬유를 전기방사하기 위한 전기방사장치로서, 상기 시트의 제1 표면과 마주하는 전극판; 상기 시트의 제2 표면과 마주하는 복수의 방사노즐들을 가진 둘 이상의 전기방사모듈들; 상기 전극판과 각 방사노즐 사이에 전기적으로 연결된 전압소스; 및 상기 전기방사모듈들을 상기 시트의 폭 방향을 따라 왕복운동시키는 구동유닛;을 포함하며, 상기 전기방사모듈들은, 제1 왕복운동을 하는 적어도 하나의 제1 전기방사모듈; 및 제2 왕복운동을 하는 적어도 하나의 제2 전기방사모듈;을 포함하며, 상기 제1 및 제2 왕복운동은 서로 반대되는 운동 방향을 갖는 전기방사장치를 제공한다.

상기 전기방사장치는 상기 제1 전기방사모듈이 최좌측에 위치할 때 상기 제1 전기방사모듈은 최우측에 위치하고 상기 제1 전기방사모듈이 최우측에 위치할 때 상기 제2 전기방사모듈은 최좌측에 위치하는 것일 수 있다.

상기 제1 및 제2 왕복운동은 동일한 진폭 및 동일한 주기를 가질 수 있다.

상기 각 전기방사모듈에는 상기 복수의 방사노즐들이 일정 피치(pitch) 간격으로 일렬로 배열될 수 있다.

상기 진폭은 그것의 2배 값이 상기 피치의 절반보다는 크고 상기 피치보다는 작게 범위에서 설정될 수 있다.

상기 제1 전기방사모듈에 구비된 방사노즐들의 장착 지점과 상기 제2 전기방사모듈에 구비된 방사노즐들의 장착 지점 간에는 오프셋(offset)이 존재할 수 있다.

상기 오프셋의 크기는 상기 피치의 절반일 수 있다.

상기 제1 및 제2 전기방사모듈은 각각 하나씩 구비될 수 있다.

상기 제1 및 제2 전기방사모듈은 각각 두 개씩 구비되며 서로 번갈아 배치될 수 있다.

상기 각 방사노즐과 상기 전압소스 사이에는 노즐간 방사 균일도를 향상시키기 위한 저항체가 연결될 수 있다.

상기 저항체의 저항값은 상기 전압소스의 인가 전압에 따라 수 MΩ일 수 있으며, 상기 인가 전압이 10 내지 50 kV인 경우 바람직하게는 5 내지 6 MΩ일 수 있다.

상기 구동유닛은, 구동모터; 상기 구동모터의 모터축에 연결된 크랭크 샤프트; 및 상기 크랭크 샤프트와 각 전기방사모듈을 연결하는 복수의 링크부재;를 포함하며, 상기 크랭크 샤프트는, 상기 링크부재를 통해 상기 제1 전기방사모듈이 연결되는 적어도 하나의 제1 편심부; 및 상기 제1 편심부와 편심 방향이 반대이며 상기 링크부재를 통해 상기 제2 전기방사모듈이 연결되는 적어도 하나의 제2 편심부;를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명은 또한, 필터 원단인 대상 시트를 공급하는 시트공급롤러; 상기 공급된 시트에 제1 고분자 거품을 코팅하는 제1 거품코팅부; 상기 제1 고분자 거품이 코팅된 시트에 나노섬유를 전기방사하는 전기방사장치; 상기 나노섬유가 방사된 시트에 제2 고분자 거품을 코팅하는 제2 거품코팅부; 및 상기 제2 고분자 거품이 코팅된 시트가 감겨지는 필터권취롤러;를 포함하며, 상기 전기방사장치가 전술한 전기방사장치로 구비되는 필터 제조 시스템을 제공한다.

본 발명에 의하면, 대상 시트의 폭 방향을 따라 왕복운동하는 복수의 전기방사모듈을 구비함으로써 대상 시트에 나노섬유를 고르게 코팅할 수 있다.

또한, 다른 운동방향을 갖도록 왕복운동하는 제1 및 제2 전기방사모듈을 각각 적어도 하나 구비함으로써 나노섬유 코팅의 균일도를 더욱 개선시킬 수 있다.

또한, 구동유닛에 편심 방향이 반대인 제1 및 제2 편심부를 적어도 하나 구비한 크랭크 샤프트를 도입하고 그러한 제1 및 제2 편심부에 제1 및 제2 전기방사모듈을 연결하는 구조를 적용함으로써 전기방사모듈들의 왕복운동을 위한 장치의 구조를 비교적 간단하게 구현할 수 있다.

또한, 본 발명의 전기방사장치는 나노섬유를 매우 높은 수준의 균일도로 코팅할 수 있으므로 집진필터 제조와 같이 나노섬유 코팅에 의해 대상 시트에 특정 기능을 부여하기 위한 분야들에 특히 유용하게 활용될 수 있다.

도 1은 종래의 전기방사장치의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 장치에 의해 나타날 수 있는 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기방사장치를 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 3에 대안적인 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 적용 가능한 전기방사모듈 및 전기부품의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 적용 가능한 제1 및 제2 전기방사모듈의 예를 보이는 측면도이다.
도 7은 본 발명의 전기방사장치에 구비된 제1 및 제2 전기방사모듈의 왕복운동을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 제1 및 제2 전기방사모듈의 움직임을 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 7에 도시된 제1 및 제2 전기방사모듈의 움직임에 따른 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 전기방사장치가 적용된 필터 제조 시스템의 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 11은 도 10의 시스템을 통해 제조된 필터의 단면을 보이는 개략도이다.
도 12는 도 10의 시스템을 통해 제조된 실제 필터를 보이는 확대 사진이다.

이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

1. 전기방사장치

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기방사장치를 나타낸 평면도이고, 도 4는 도 3에 대안적인 실시예를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 적용 가능한 전기방사모듈 및 전기부품의 예를 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 본 발명에 적용 가능한 제1 및 제2 전기방사모듈의 예를 보이는 측면도이다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기방사장치(100)는 이송 방향(도 3, 4에서는 윗 방향)을 따라 이송되는 대상 시트(S)의 표면에 전기방사 기술을 통해 나노섬유를 코팅하기 위한 장치이다.

본 발명에 의해 나노섬유가 코팅되는 대상 시트(S)는 다양한 것들이 적용될 수 있다. 대표적으로 직물 및 부직포가 적용될 수 있으나 그에 제한되지 않고 기공이 없는 필름 형태의 것들도 마찬가지로 적용될 수 있다.

본 실시예에 따른 전기방사장치(100)는 전극판(110), 둘 이상의 전기방사모듈들(120A, 120B), 전압소스(130) 및 구동유닛(150)을 포함한다. 여기서, 각 전기방사모듈(120A, 120B)은 복수의 방사노즐들(125)을 가지며 공기압을 제공하는 공압소스(예로써 컴프레셔)(140)에 또한 연결되어 있다.

본 실시예에서 각 전기방사모듈(120A, 120B)은 공압소스(140)에 연결되는 것으로 예시되나, 대안적으로 시린지 펌프(syringe pump)에 연결될 수도 있다. 즉 대안적인 실시예들에서 공압소스(140)는 시린지 펌프로 대체될 수 있다.

전기방사장치(100)의 동작을 간략히 설명한다.

각 방사노즐(125)과 전극판(110)과 사이에는 전압소스(130)에 의해 전기장이 제공되며 각 방사노즐(125)로부터 배출되는 액상의 고분자 물질은 그 전기장의 영향으로 시트(S)의 표면을 향해 나노섬유 형태로 방사되어 시트(S) 표면에 코팅된다.

전기방사장치(100)의 각 구성에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

전극판(110)은 대상 시트(S)의 제1 표면(도면 상에서는 하면)과 마주하도록 배치된다. 전극판(110)은 전기방사에 필요한 전기장 형성을 위한 전극으로서 기능하며, 도전성을 가진 금속 물질로 제조되며 일반적으로 평평한 판 형태로 제작된다.

전기방사모듈들(120A, 120B)은 각각 대상 시트(S)의 제2 표면(도면 상에서는 상면)과 마주하는 복수의 방사노즐들(125)을 갖는다. 방사노즐들(125)로부터 나노섬유가 방사되어 대상 시트(S)의 표면(제2 표면)에 코팅된다.

각 전기방사모듈(120A, 120B)은 모듈몸체(121) 및 그 하측에 결합된 복수의 방사노즐(125)을 포함한다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 모듈몸체(121)는 내부 챔버(121a)를 가진 길다란 원통 형상으로 제작될 수 있으나 그 형상은 실시예에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 내부 챔버(121a)에는 나노섬유의 원료가 되는 고분자 물질이 수용된다.

전기방사모듈들(120A, 120B)의 모듈몸체들(121)에는 같은 고분자 원료액이 공통적으로 주입되는 것이 일반적이나, 방사 목적에 따라 다른 고분자 원료액이 주입될 수도 있다.

그리고 모듈몸체(121)에는 공압소스 연결구(121b)가 구비된다. 이 연결구(121b)에 공압호스(141)(도 3 참조)가 접속됨으로써 공압소스(140)(도 3 참조)로부터 내부 챔버(121a) 안으로 공기압이 제공되며 그 공기압의 작용으로 챔버(121a) 안의 원료가 방사노즐(125)을 통해 외부로 배출될 수 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 모듈몸체(121)의 양단에는 좌측 연장부(123a) 및 우측 연장부(123b)가 구비된다. 각 연장부(123a, 123b)에는 전기방사모듈(120A, 120B)이 구동유닛(150)에 의해 구동되어 왕복운동하도록 가이드하는 가이드부재(미도시)가 결합된다. 좌측 및 우측 연장부(123b) 중 하나가 구동유닛(150)에 연결되는데, 본 명세서에서는 좌측 연장부(123a)가 구동유닛(150)에 연결되는 것으로 예시한다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 모듈몸체(121)의 하측에는 복수의 방사노즐들(125)이 구비된다. 본 실시예에서는 모듈몸체(121) 각각에 7개의 방사노즐(125)이 구비되는 것으로 예시되지만, 방사노즐(125)의 개수는 다양하게 변경될 수 있다. 각각의 방사노즐(125)은 모듈몸체(121)의 내부 챔버(121a)와 연통되어 그로부터 고분자 원료를 공급받는다. 각각의 방사노즐(125)의 하단에는 고분자 원료를 나노섬유 형태로 방사하는 노즐 니들(125a)이 구비된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 각 전기방사모듈(120A, 120B)에는 복수의 방사노즐들(125)이 등간격으로 일렬로 배열될 수 있다. 이 경우, 예로써 방사노즐(125) 간의 피치(P)는 대략 50 mm 일 수 있다.

전압소스(130)는 전극판(110)과 각 방사노즐(125) 사이에 전기적으로 연결되어 전기방사에 필요한 전기장을 형성한다. 전기장 형성의 관점에서 방사노즐(125)은 일종의 전극으로서 기능하며, 이를 위해 방사노즐(125)은 도전성을 갖는 금속으로 제조된다. 전압소스(130)의 양극 측이 방사노즐(125)에 연결됨이 일반적이지만, 그 반대로 전압소스(130)의 음극 측이 방사노즐(125)에 연결될 수도 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 전압소스(130)와 각 방사노즐(125) 사이에는 저항체(135)가 구비될 수 있다.

이러한 저항체(135)는 노즐간 방사 균일도를 향상시키는 역할을 한다. 구체적으로, 저항체(135)가 없는 경우에는 방사노즐들(125)로부터 배출되는 나노섬유의 양이 제각각 달라지는 문제점이 일어날 수 있는데, 본 실시예서와 같이 전압소스(130)와 각 방사노즐(125) 사이에 일정 저항값의 저항체(135)가 연결된 경우 그러한 문제점이 해소되어 노즐간 방사 균일도가 크게 개선될 수 있다.

아울러, 저항체(135)는 방사노즐(125)에서 발생될 수 있는 전기적인 충격(예: 단락, 스파크 등에 의한 과전류)에 대해 전압소스(130)를 보호하는 역할을 또한 수행한다.

저항체(135)의 저항은 전압소스(130)의 인가 전압에 따라 적절히 선택되며, 대략적으로는 수 MΩ 정도에서 선택된다. 예로써 전압소스(130)의 인가 전압이 10 내지 50 kV의 범위에 있을 때 저항체(135)의 저항은 5 내지 6 MΩ의 범위에서 선택되는 것이 바람직하다.

구동유닛(150)은 복수의 전기방사모듈(120A, 120B)을 대상 시트(S)의 폭 방향을 따라 왕복운동시키는 구성이다.

전기방사모듈들(120A, 120B)이 고정되어 있지 않고 구동유닛(150)에 의해 대상 시트(S)을 폭 방향을 따라 왕복운동함으로써 대상 시트(S) 상에 나노섬유들이 고르게 코팅될 수 있다.

즉, 앞서 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 종래의 전기방사장치들의 경우에는 하나의 방사노즐로부터 방사된 나노섬유들이 서로 뭉쳐지거나 또는 인접한 방사노즐들로부터 나온 나노섬유들이 서로 연결되는 현상에 의해 나노섬유들이 대상 시트에 고르게 코팅되지 못하는 문제점이 나타나지만, 본 발명의 경우에는 전기방사모듈들(120A, 120B)이 시트의 폭 방향을 따라 왕복운동하도록 구동되므로 그러한 문제점이 해소될 수 있다.

추가 설명하면, 본 발명의 경우에는 전기방사모듈들(120A, 120B)이 시트의 폭 방향을 따라 왕복운동하기 때문에 각각의 방사노즐에서 방사되는 나노섬유들이 서로 접촉되는 시간과 거리가 종래에 비해 현저히 짧아지게 됨으로써, 나노섬유들이 그에 하전된 정전기에 의해 서로 뭉쳐지거나 서로 연결되는 현상이 억제될 수 있고, 그 결과 대상 시트에 나노섬유들이 훨씬 고르게 코팅될 수 있는 것이다.

더 나아가, 본 발명에서는 모든 전기방사모듈들(120A, 120B)이 공통적인 왕복운동을 하지 않는 점이 중요하다.

구체적으로, 본 발명에서 전기방사장치(100)는 제1 왕복운동을 하는 적어도 하나의 제1 전기방사모듈(120A) 및 제1 왕복운동과 운동 방향이 반대되는 제2 왕복운동을 하는 적어도 하나의 제2 전기방사모듈(120B)을 포함한다.

첫 번째 예로써, 도 3에서와 같이 전기방사장치(100)는 제1 왕복운동을 하는 제1 전기방사모듈(120A)과 제2 왕복운동을 하는 제2 전기방사모듈(120B)을 각각 1개씩 구비할 수 있다.

이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 구동유닛(150)은 구동모터(151), 크랭크 샤프트(153) 및 2개의 링크부재(154)를 포함하는 구조를 가질 수 있다. 크랭크 샤프트(153)에는 모터축(미도시)에 편심된 제1 및 제2 편심부(153a, 153b)가 하나씩 구비되며, 여기에 링크부재(154)를 통해 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)이 연결된다. 각 링크부재(154)의 양단에는 크랭크 샤프트(153)에 연결되는 관절(154a) 및 전기방사노즐(120A, 120B)에 연결되는 관절(154b)이 구비된다. 한편 크랭크 샤프트(153)의 모터측 반대편에는 그것의 단부를 지지하는 베어링 요소(152)가 구비된다.

여기에서 제1 및 제2 편심부(153a, 153b)는 편심 방향이 서로 반대이며 그러한 제1 및 제2 편심부(153a, 153b) 각각에 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)이 연결됨으로써 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)은 주기는 동일하지만 운동방향은 서로 반대인 왕복운동을 한다. 이때 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)은 왕복운동의 진폭이 동일한 것이 바람직한데, 이는 제1 및 제2 편심부(153a, 153b)의 편심 거리를 동일하게 설계함으로써 구현될 수 있다.

두 번째 예로써, 도 4에서와 같이 전기방사장치(100)는 제1 왕복운동을 하는 제1 전기방사모듈(120A)과 제2 왕복운동을 하는 제2 전기방사모듈(120B)을 각각 2개씩 구비할 수 있다. 이러한 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 전기방사모듈(120A)과 제2 전기방사모듈(120B)은 서로 번갈아 배치됨이 바람직하다.

이 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 구동유닛(150)은 마찬가지로 구동모터(151), 크랭크 샤프트(153) 및 2개의 링크부재(154)를 포함하는 구조를 가질 수 있다. 크랭크 샤프트(153)에는 모터축(미도시)에 편심된 제1 및 제2 편심부(153a, 153b)가 2개씩 구비되되 서로 번갈아 배치되며, 제1 및 제2 편심부들(153a, 153b)에는 링크부재(154)를 통해 제1 및 제2 전기방사모듈들(120A, 120B)이 대응적으로 연결된다.

전술한 바와 같이, 제1 및 제2 편심부들(153a, 153b)은 편심 방향이 서로 반대이며 그러한 제1 및 제2 편심부들(153a, 153b) 각각에 제1 및 제2 전기방사모듈들(120A, 120B)이 연결됨으로써 제1 및 제2 전기방사모듈들(120A, 120B)은 주기는 동일하지만 운동방향은 서로 반대인 왕복운동을 한다. 이때 제1 및 제2 전기방사모듈들(120A, 120B)은 왕복운동의 진폭이 동일한 것이 바람직한데, 이는 제1 및 제2 편심부들(153a, 153b)의 편심 거리를 동일하게 설계함으로써 구현될 수 있다.

이상 설명한 예들에서는 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)이 각각 1개씩 또는 2개씩 구비되는 경우가 예시되었으나, 실시예에 따라 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B) 각각의 개수는 3개, 4개 등으로 보다 많아질 수 있다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 전기방사모듈(120A)에 구비된 방사노즐들(125A)의 장착 지점과 상기 제2 전기방사모듈(120B)에 구비된 방사노즐들(125B)의 장착 지점 사이에는 오프셋(offset)(F)이 존재할 수 있다. 즉, 제1 전기방사모듈(120A)의 어느 방사노즐(125A)에 대응되는 제2 전기방사모듈(120B)의 방사노즐(125B)은 오프셋(F)만큼 상대 이격된 위치에 배치될 수 있다. 이러한 방사노즐 간 오프셋(F)은 반드시 필요한 것은 아니지만, 그러한 오프셋(F)이 존재함으로써 대상 시트(S)에 나노섬유가 더욱 고르게 코팅될 수 있다.

예로써, 도 6에 도시된 바와 같이 오프셋(F)은 노즐간 피치(P)의 절반일 수 있다.

이하에서는 도 7 내지 도 9를 참조하여 상술한 전기방사장치(100)의 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)의 움직임과 그에 따른 이점들에 대해 추가적으로 설명한다.

도 7은 전기방사장치(100)에 구비된 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)의 왕복운동을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 도 7에 도시된 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)의 움직임을 나타낸 그래프이며, 도 9는 도 7에 도시된 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)의 움직임에 따른 효과를 설명하기 위한 도면이다.

전술한 바와 같이 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)은 대상 시트(S)의 폭 방향을 따라 주기는 동일하되 운동 방향은 서로 반대되게 운동한다. 그리고 구동유닛(150)의 설계에 따라 양자의 진폭을 동일하게 설정할 수 있는데, 도 7 및 8은 그와 같이 주기는 물론 진폭도 동일한 실시예를 나타낸다.

도 7 및 도 8에서 "T"및 "A"는 각각 주기(period)와 진폭(amplitude)을 나타낸다. 그리고, "Left end"및 "Right end"는 전기방사모듈의 최좌측 위치 및 최우측 위치를 각각 나타낸다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 전기방사모듈(120A)이 우측으로 이동할 때 제2 전기방사모듈(120B)은 좌측으로 이동하며, 제1 전기방사모듈(120A)이 좌측으로 이동할 때 제2 전기방사모듈(120B)은 우측으로 이동한다. 또한, 제1 전기방사모듈(120A)의 최좌측에 위치할 때 제2 전기방사모듈(120B)의 최우측에 위치하며, 제1 전기방사모듈(120A)이 최우측에 위치할 때 제2 전기방사모듈(120B)는 최좌측에 위치한다.

도 9에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)이 대상 시트(S)의 폭 방향을 따라 왕복운동을 함으로써 그 시트(S) 상에 나노섬유가 고르게 코팅될 수 있다.

더욱이, 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)이 서로 운동방향이 반대인 왕복운동을 함으로써 시트 상에 코팅된 나노섬유의 균일도가 보다 향상될 수 있다.

주된 이유는, 전기방사모듈들(120A, 120B)의 운동방향이 만약 동일한 경우에는 제1 전기방사모듈(120A)로부터 방사되는 나노섬유와 제2 전기방사모듈(120B)로부터 방사되는 나노섬유가 정전기 인력에 의해 서로 뭉치거나 연결되는 간섭이 일어나 섬유 코팅의 균일도가 저하될 수 있는 반면에, 본 발명의 경우에는 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)이 서로 반대 방향으로 운동하므로 두 모듈(120A, 120B)에서 방사되는 나노섬유들이 정전기 인력에 의해 서로 간섭하는 것을 방지할 수 있기 때문이다.

또 하나의 이유는, 왕복운동하는 전기방사모듈을 단지 하나 구비한 경우 전기방사모듈이 우측으로 이동하는 동안에는 시트의 좌측 가장자리 영역의 코팅이 취약해지고 전기방사모듈이 좌측으로 이동하는 동안에는 시트의 우측 가장자리 영역의 코팅이 취약해질 수 있는 반면, 본 발명의 경우에는 서로 반대되는 방향으로 운동하는 전기방사모듈(120A, 120B)을 하나 이상 구비하므로 그러한 취약 영역이 나타나는 것이 방지되어 나노섬유 코팅의 균일도가 보다 향상될 수 있기 때문이다.

한편, 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)의 진폭(A)은 지나치게 크거나 작지 않게 설정되어야 한다. 진폭(A)이 과하게 큰 경우 대상 시트(S)의 폭에 알맞게 나노섬유를 방사하는 것이 쉽지 않게 되고, 진폭(A)이 과하게 작은 경우 도 2를 참조하여 설명한 종래의 문제점이 해소되기 어렵다.

이를테면, 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)의 진폭(A)은 그것의 2배 값(2A)이 노즐간 피치(P)의 절반보다는 크고 그 피치(P)보다는 작은 범위에서 선택되는 것이 바람직하다.

2. 전기방사장치를 이용한 필터 제조 시스템

이하에서는 도 10 내지 도 12를 참조하여 상술한 전기방사장치(100)의 적용 예로서 필터 제조 시스템과 그에 의해 제조된 필터에 대해 설명한다.

도 10은 전기방사장치가 적용된 필터 제조 시스템의 실시예를 나타낸 개략도이고, 도 11은 도 10의 시스템을 통해 제조된 필터의 단면을 보이는 개략도이며, 도 12는 도 10의 시스템을 통해 제조된 실제 필터를 보이는 확대 사진이다.

도 10에 도시된 필터 제조 시스템은 앞서 설명한 전기방사장치(100)를 이용하여 특히 집진 필터로서 적합하게 사용될 수 있는 필터를 제조하기 위한 시스템이다.

이러한 필터 제조 시스템은 대상 시트(S)를 공급하는 시트공급롤러(210)와 완성된 필터를 감는 필터권취롤러(220)를 포함한다.

또한 필터 제조 시스템은 전기방사장치(100)와, 전기방사장치의 앞에서 대상 시트(S)에 고분자 거품(B)을 코팅하는 제1 거품코팅부(300A, 400A, 500A)와, 전기방사장치의 뒤에서 대상 시트(S)에 고분자 거품(B)을 코팅하는 제2 거품코팅부(300B, 400B, 500B)를 포함한다.

여기서 제1 거품코팅부(300A, 400A, 500A)는 고분자 거품(B)을 공급하는 거품공급노즐(300A), 거품 코팅의 두께를 조절하는 거품두께 조절나이프(400A) 및 열원(예로써 전기히터)(510)이 제공하는 열에 의해 시트 상에 코팅된 거품을 건조 및 경화시키는 가열챔버(500A)를 포함한다. 이와 마찬가지로, 제2 거품코팅부(300B, 400B, 500B)도 거품공급노즐(300B), 거품두께 조절나이프(400B) 및 가열챔버(500B)를 포함한다.

예로써, 시트공급롤러(210)를 통해 공급되는 대상 시트(S)로는 산업용 집진 필터 제조를 위한 유리 섬유가 선택될 수 있고, 제1 및 제2 거품코팅부에 의해 전기방사 공정 전후에 대상 시트(S)에 각각 코팅되는 고분자 거품으로는 테프론으로 잘 알려진 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTEE)이 선택될 수 있으며, 전기방사장치(100)에 의해 전기방사되는 나노섬유의 원료가 되는 고분자로는 메타 아라미드(Meta-Aramide)가 선택될 수 있다.

도 11을 참조하면, 이러한 구성의 시스템을 통해 제조된 필터(1)는 시트 원단층(2), 제1 거품코팅층(3), 나노섬유층(4) 및 제2 거품코팅층(5)으로 구성된다.

도 12-(a)는 제1 거품코팅층(3)의 확대 사진이고, 도 12-(b)는 제1 거품코팅층(3)과 그 위에 코팅된 나노섬유층(4)의 확대 사진이다. 여기 보이는 제1 거품코팅층(3)은 제2 거품코팅층(5)과 함께 필터(1)의 기공(porous)을 형성하는 구성으로서, 그 기공의 평균적인 크기는 20 ㎛ 정도이다. 나노섬유층(4)은 제1 및 제2 거품코팅층(5)에 의해 형성되는 기공들을 분할하여 실질적인 기공의 크기를 나노섬유층(4)의 두께에 따라 대략 0.5 내지 7 ㎛ 정도로 축소시키는 역할을 한다.

이러한 나노섬유층(4)을 구비함으로써 필터(1)는 산업용 배출 가스 등의 대상 가스에 포함된 2.5 ㎛ 이하의 초미세먼지를 99.9 % 걸러낼 수 있게 된다. 따라서 본 실시의 시스템을 통해 제조된 필터(1)는 PM2.5 분진에 대해 높은 제거 성능을 가진 산업용 필터로서 적합하게 될 수 있다.

S : 대상 시트
N : 나노섬유
10 : 전극판
20 : 전기방사모듈
25 : 방사노즐
30 : 전압소스
100 : 전기방사장치
110 : 전극판
120A, 120B : 전기방사모듈
125, 125A, 125B : 방사노즐
130 : 전압소스
135 : 저항체
140 : 공압소스
141 : 공압호스
150 : 구동유닛
151 : 구동모터
152 : 베어링요소
153 : 크랭크 샤프트
153a : 제1 편심부
153b : 제2 편심부
154 : 링크부재
154a, 154b : 관절
300A, 300B : 거품공급노즐
400A, 400B : 거품두께 조절나이프
500A, 500B : 가열챔버
510 : 열원

Claims

이송 방향을 따라 이송되는 대상 시트(S)에 나노섬유(N)를 전기방사하기 위한 전기방사장치(100)로서,
상기 시트의 하측 표면과 마주하는 전극판(110);
상기 시트의 상측 표면과 마주하는 복수의 방사노즐들(125)을 가진 둘 이상의 전기방사모듈들(120A, 120B);
상기 전극판(110)과 각 방사노즐(125) 사이에 전기적으로 연결된 전압소스(130); 및
상기 전기방사모듈들(120A, 120B)을 상기 이송 방향에 수직하게 상기 시트의 폭 방향을 따라 왕복운동시키는 구동유닛(150);을 포함하며,
상기 전기방사모듈들(120A, 120B) 각각은 상기 이송 방향에 수직하게 배치되는 하나의 모듈몸체(121)를 포함하고, 상기 모듈몸체(121)의 하측에는 상기 복수의 방사노즐들(125)이 단지 일렬로 배열되며,
상기 전기방사모듈들(120A, 120B)은,
제1 왕복운동을 하는 적어도 하나의 제1 전기방사모듈(120A); 및
제2 왕복운동을 하는 적어도 하나의 제2 전기방사모듈(120B);을 포함하며,
상기 제1 전기방사모듈(120A)과 상기 제2 전기방사모듈(120B)은 서로 번갈아 배치되고, 상기 제1 및 제2 왕복운동은 서로 반대되는 운동 방향을 갖는,
전기방사장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 전기방사모듈(120A)이 최좌측에 위치할 때 상기 제2 전기방사모듈(120B)은 최우측에 위치하고, 상기 제1 전기방사모듈(120A)이 최우측에 위치할 때 상기 제2 전기방사모듈(120B)은 최좌측에 위치하는,
전기방사장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 및 제2 왕복운동은 동일한 진폭(A) 및 동일한 주기(T)를 갖는,
전기방사장치.
청구항 3에 있어서,
각 전기방사모듈(120A, 120B)에는 상기 복수의 방사노즐들(125)이 일정 피치(P) 간격으로 배열되는,
전기방사장치.
청구항 4에 있어서,
상기 진폭(A)은 그것의 2배 값(2A)이 상기 피치(P)의 절반보다는 크고 상기 피치(P)보다는 작게 범위에서 설정되는,
전기방사장치.
청구항 4에 있어서,
상기 제1 전기방사모듈(120A)에 구비된 방사노즐들(125A)의 장착 지점과 상기 제2 전기방사모듈(120B)에 구비된 방사노즐들(125B)의 장착 지점 간에는 오프셋(offset)(F)이 존재하는,
전기방사장치.
청구항 6에 있어서,
상기 오프셋(F)의 크기는 상기 피치의 절반인,
전기방사장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)은 각각 하나씩 구비되는,
전기방사장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 및 제2 전기방사모듈(120A, 120B)은 각각 두 개씩 구비되며 서로 번갈아 배치되는,
전기방사장치.
청구항 1에 있어서,
각 방사노즐(125)과 상기 전압소스(130) 사이에는 노즐간 방사 균일도를 향상시키기 위한 저항체(135)가 연결된,
전기방사장치.
청구항 10에 있어서,
상기 전압소스(130)의 인가 전압이 10 내지 50 kV인 경우 상기 저항체(135)의 저항값은 5 내지 6 MΩ인,
전기방사장치.
청구항 1에 있어서,
상기 구동유닛(150)은,
구동모터(151);
상기 구동모터(151)의 모터축에 연결된 크랭크 샤프트(153); 및
상기 크랭크 샤프트(153)와 각 전기방사모듈(120A, 120B)을 연결하는 복수의 링크부재(154);를 포함하며,
상기 크랭크 샤프트(153)는,
상기 링크부재(154)를 통해 상기 제1 전기방사모듈(120A)이 연결되는 적어도 하나의 제1 편심부(153a); 및
상기 제1 편심부(153a)와 편심 방향이 반대이며 상기 링크부재(154)를 통해 상기 제2 전기방사모듈(120B)이 연결되는 적어도 하나의 제2 편심부(153b);를 포함하는,
전기방사장치.
필터 원단인 대상 시트를 공급하는 시트공급롤러(210);
상기 공급된 시트에 제1 고분자 거품을 코팅하는 제1 거품코팅부(300A, 400A, 500A);
상기 제1 고분자 거품이 코팅된 시트에 나노섬유를 전기방사하는 전기방사장치;
상기 나노섬유가 방사된 시트에 제2 고분자 거품을 코팅하는 제2 거품코팅부(300B, 400B, 500B); 및
상기 제2 고분자 거품이 코팅된 시트가 감겨지는 필터권취롤러(220);를 포함하며,
상기 전기방사장치는 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 따른 전기방사장치(100)인,
필터 제조 시스템.
청구항 13의 필터 제조 시스템에 의해 제조된 집진 필터(1).