KR102070543B1

KR102070543B1 - 하전용액 제어구조가 개선된 극세섬유 제조용 전기방사장치 및 이를 위한 용액이송펌프

Info

Publication number: KR102070543B1
Application number: KR1020190036242A
Authority: KR
Inventors: 박종수; 허웅; 이윤창; 황웅준
Original assignee: 박종수
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-01-28
Also published as: KR20190122146A

Abstract

본 발명은 하전 필라멘트의 방향성을 제어하여 극세섬유를 균일한 패턴으로 제작할 수 있는 구조를 가진 극세섬유 제조용 전기방사장치로서, 방사노즐에 고전압을 가하여 고분자 물질이 용해된 용액을 하전시키는 고전압제공부; 하전 용액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하는 적어도 하나 이상의 중공관 니들을 구비한 방사노즐부; 상기 방사노즐부의 하단에서 상기 중공관 니들을 둘러싸도록 배치되어 하전 용액의 액적 안정성을 제어하도록 고전압이 가해지는 원통형 금속 가이드; 및 상기 방사노즐부의 하방에 배치되어 하전 필라멘트를 수집하는 집적부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하전용액 제어구조가 개선된 극세섬유 제조용 전기방사장치 및 이를 위한 용액이송펌프 {Electrospinning apparatus for making ultra-finefiber improved in structure of controlling a charged solution and transfer pump for the same}

본 발명은 극세섬유 제조용 전기방사장치 및 이를 위한 용액이송펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하전 필라멘트의 방향성을 제어하여 극세섬유를 균일한 패턴으로 제작할 수 있는 구조를 가진 극세섬유 제조용 전기방사장치 및 이를 위한 용액이송펌프에 관한 것이다.

일반적으로 전기방사(electrospinning)법은 고분자 용액에 수천 내지 수만 볼트의 (+)직류 고전압을 인가하고, 하전 필라멘트를 받는 집적판(collector)에 접지 혹은 (-)전압을 연결하여 전기장을 형성시킨 장치를 이용해 나노섬유를 제조하는 공정을 말한다. 이때, 노즐을 통하여 미량토출된 하전 액적은 전기력으로 인하여 길이방향으로 길게 연신되면서 나노미터(nm)~마이크로미터(㎛) 직경의 극세섬유로 제조된다.

전기방사 공정에서, 용액에 인가하는 고전압 세기는 고분자 용액의 종류, 혹은 나노섬유를 제작하는 조건에 따라 다르게 설정된다. 인가 고전압 세기는 노즐과 집적판 간의 거리(TCD, 단위는 cm)에서, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF(poly (vinylidene fluoride)), 혹은 폴리아크릴로니트릴(PAN(poly(acrylonitrile)), 혹은 폴리비닐피롤리돈(PVP(poly(vinylpyrrolidone)) 고분자 용액인 경우 0.5~1.5kV/cm이고, 폴리비닐알코올(PVA(poly(vinylalcohol)) 고분자 수용액인 경우 1.5~2kV/cm이고, 키토산(chitosan) 고분자 용액인 경우 3~5kV/cm이다.

전기방사 공정으로 제조되는 극세섬유는 집적판에 모여 적층되면서 미세 다공성의 멤브레인으로 제작되거나, 소정의 기재에 박막으로 코팅된다. 또한, 극세섬유을 형성시키는 공정은 선형으로 구성된 회로제작에 적용될 수 있다.

전기방사 공정에서 나노섬유를 형성하는 하전 필라멘트는 고전압이 인가된 상태에서 중공관 니들(노즐)에서 토출된 하전용액으로부터 제조되거나, 고전압이 인가된 롤이나 와이어에 박막으로 코팅된 용액으로부터 제조된다.

노즐을 사용하는 전기방사 공정의 경우, 노즐에서 토출된 액적으로부터 하전 필라멘트가 형성되는 과정을 살펴보면, 용액의 표면장력보다 큰 전기력이 가해지면, 노즐에서 토출되는 하전용액의 액적은 노즐 팁에서 원추형 모양으로 형성되고, 원추형 돌기부분은 집적판을 향하여 길이방향으로 연신되면서 하전 필라멘트를 형성한다. 이때, 노즐 끝에서 형성된 원추형을 테일러 콘(taylor cone)이라고 하고, 길이방향으로 연신된 필라멘트를 제트(jet)라고 한다. 테일러 콘의 돌기에서 만들어지는 제트는 더 높은 전기력에서 임의의 지점부터 급격한 요동(whipping 모드)과 용매휘발 과정을 거치면서 나노섬유로 제조된다.

상기의 원추형의 테일러 콘은 고전압 세기가 강할수록, 또한 용매 휘발성이 강할수록 노즐 끝에서 불안정한 상태를 나타낸다. 테일러 콘이 불안정하면, 이로부터 형성된 하전 필라멘트 제트도 방향성을 유지하지 못하여 불안정한 상태로 된다. 이처럼 노즐 끝에서 테일러 콘이 불안정하면, 하부 집적판의 동일한 위치에 균일하게 집적되지 않는 문제점이 생긴다. 또한, 기재 위에 극세섬유를 반복적으로 일정하게 제작하기 어려워 동일한 형태 혹은 크기를 갖는 웹을 제조하기 어렵다.

또한, 동축 이중노즐을 사용하여 코어 쉘 구조의 구조체를 제조할 때, 노즐 팁에서 형성된 테일러 콘이 불안정하면, 원추형이 제대로 형성되지 못하여 균일한 형상을 갖는 구조체를 제작하기 어렵다.

전기방사 과정에서 주위의 방사환경이 비대칭이면 노즐의 위치에 따라 하전 필라멘트가 영향을 받기 때문에 기재에 일정한 패턴을 제작할 수 없다.

한편, 전기방사 공정에서 용액저장조는 막대형 플런저(plunger)를 갖는 시린지(syringe, 주사기) 혹은 내부 플런저를 갖는 배럴(barrel)이 주로 사용된다. 시린지 혹은 배럴에 채워진 용액은 스테핑 모터와 푸셔(pusher)로 구성된 용액이송 장치의 구동에 의하여 노즐로 이송되거나, 혹은 공기 혹은 기체가 주입되어 정량적으로 이송된다. 이때, 용액에 대한 고전압 인가는 노즐을 통하여 이루어진다. 하지만, 노즐에 고전압을 인가하는 종래의 방법은 노즐 팁에서 전기장 비대칭으로 토출 액적의 방향이 한쪽으로 편향되는 문제점이 있다.

또한, 노즐 팁과 집적판 간의 거리를 높여서 방사하는 경우 고전압 세기를 증가시키는 경우, 노즐 팁에서 형성된 원추형 테일러 콘의 액적은 노즐 팁에서 흔들림이 심하거나, 한쪽으로 편향되는 등 불안정한 상태를 나타낸다. 방사액적이 불안정하면, 이로부터 형성된 하전 필라멘트의 제트는 일정한 방향성 없이 집적판에 집적되기 때문에 균일한 두께를 갖는 나노섬유 막을 제조하기 어렵다. 또한, 용액의 점성이 높거나 혹은 계면장력이 높은 고분자 용액의 경우, 고전압 세기를 높여 나노섬유를 제조하여야 하는데, 이러한 경우에도 고전압의 세기를 높이면 노즐에서 토출되는 용액이 한쪽으로 편향되면서 방사되어 나노섬유를 일정한 영역에 집적시키기 어렵다. 또한, 다중의 방사노즐을 사용하는 경우, 노즐에서 토출된 각각의 하전 필라멘트는 하전 반발로 서로 밀쳐지면서 양쪽 끝단에 위치한 노즐부분에서 불안정한 방사상태를 나타낸다. 또한, 2가지 용액을 사용하여 방사하는 경우, 예를 들면 코어와 쉘 구조의 이중층 구조체를 제작할 때, 최적 고전압 세기가 다르기 때문에 노즐 팁에 형성된 테일러 콘이 편향되어 방사될 수 있다. 이러한 경우, 코어부와 쉘부의 불균일성으로 인하여 균질의 코어 쉘 구조의 이중층 나노섬유를 제작하기 어렵다.

고전압 세기를 증가시키면, 용액이송 장치에 장착된 시린지는 절연파괴되어 펌프 주위로 고전압 전기장이 형성되면서 순간적인 누전에 따른 전기적 쇼크로 용액 이송장치의 제어회로가 제어불능 상태로 되는 경우가 있다. 이러한 문제점은 고전압 세기를 증가시킬수록 자주 발생한다. 특히, 20kV 이상의 높은 고전압 환경에서 시린지 외부 혹은 시린지에 장착된 금속노즐로부터 시린지 펌프의 금속케이스로 누전되는 현상이 발생한다. 높은 고전압 환경하에서 용액이송 장치에 장착된 시린지는 절연파괴되면서 펌프 주위로 고전압 전기장이 형성되고, 순간적인 누전에 따른 전기적 쇼크로 용액 이송장치의 제어회로부가 제어불능 상태로 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 수만 볼트의 고전압 환경하에서 노즐팁에 형성된 하전용액의 액적 안정성을 제어하고 이로부터 생성되는 하전 필라멘트의 방향을 제어하여 방사를 안정적으로 진행하여 균질의 나노섬유를 제조할 수 있도록 하전용액 제어구조가 개선된 극세섬유 제조용 전기방사장치 및 이를 위한 용액이송펌프를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 높은 고전압 환경하에서 누전에 따른 제어회로부의 전기적 단락이 없이 전기적으로 안전하게 보호되는 극세섬유 제조용 전기방사장치 및 이를 위한 용액이송펌프를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태로서의 극세섬유 제조용 전기방사장치는 방사노즐에 고전압을 가하여 고분자 물질이 용해된 용액을 하전시키는 고전압제공부; 하전 용액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하는 적어도 하나 이상의 중공관 니들을 구비한 방사노즐부; 상기 방사노즐부의 하단에서 상기 중공관 니들을 둘러싸도록 배치되어 하전 용액의 액적 안정성을 제어하도록 고전압이 가해지는 원통형 금속 가이드; 및 상기 방사노즐부의 하방에 배치되어 하전 필라멘트를 수집하는 집적부;를 포함한다.

본 발명의 다른 일 양태로서의 극세섬유 제조용 전기방사장치의 용액이송펌프는, 하전 용액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하는 적어도 하나 이상의 중공관 니들을 구비한 방사노즐부; 및 상기 방사노즐부의 하단에서 상기 중공관 니들을 둘러싸도록 배치되어 하전 용액의 액적 안정성을 제어하도록 고전압이 가해지는 원통형 금속 가이드를 포함한다.

상기 원통형 금속 가이드는 그 하단이 상기 중공관 니들의 팁보다 1~5mm 높게 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 양태로서의 상기 극세섬유 제조용 전기방사장치나 본 발명의 다른 일 양태로서의 상기 용액이송펌프는 상기 원통형 금속 가이드의 주변에 노즐 배열 방향에 대하여 수직한 방향으로 연장되는 스트립 형태의 금속 플레이트를 복수개 방사상으로 배열한 스트립형 금속가이드를 더 포함한다.

상기 복수개의 금속 플레이트는 서로 동일 평면상에 배치되거나 서로 다른 높이를 갖도록 어긋나게 배치될 수 있다.

또한, 상기 스트립형 금속 가이드는 상기 원통형 금속 가이드를 중심으로 회전 가능하게 설치될 수 있다.

본 발명에 따른 하전용액 제어구조가 개선된 극세섬유 제조용 전기방사장치 및 이를 위한 용액이송펌프는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 전기방사 중 수만 볼트의 고전압 환경에서 노즐 팁에 형성된 하전 용액의 흔들림을 제어하여 방사 불안정성을 해소할 수 있다.

둘째, 방사노즐부의 중공관 니들 주위에 원통형 금속 가이드와 스트립형 금속 가이드를 배치함으로써 하전 용액의 토출 액적을 안정적으로 유지시키고, 이로부터 형성된 하전 필라멘트는 기재에 대하여 일정한 방향성이 유지되어 집적부 위에 극세섬유로 구성된 균일한 패턴을 제작할 수 있다.

셋째, 시린지로부터 지지판 혹은 케이스로 누설되는 고전압을 차단시켜 제어부의 전기적 단락을 방지함으로써 전기방사 공정중 용액이송펌프를 전기적으로 안전하게 보호할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극세섬유 제조용 전기방사장치의 구성을 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1에서 용액이송펌프의 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에서 방사노즐부 및 하전용액 제어수단의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 결합 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제공되는 카트리지형 다중채널의 용액이송펌프를 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5의 변형예에 따라 제공되는 2채널형 용액이송펌프를 도시한 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극세섬유 제조용 전기방사장치의 구성을 도시한 정면도, 도 2는 도 1에서 용액이송펌프의 구성을 도시한 사시도, 도 3은 도 2에서 방사노즐부 및 하전용액 제어수단의 구성을 도시한 분해 사시도, 도 4는 도 3의 결합 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극세섬유 제조용 전기방사장치는, 방사노즐부(120)에 고전압을 인가함으로써 공급된 원료 고분자 용액에 고전압을 가하는 고전압제공부(110)와, 시린지(108)에 저장된 용액을 방사노즐부(120) 쪽으로 이송하는 용액이송펌프(100)와, 하전 필라멘트를 수집하는 집적부(140)를 포함한다. 또한, 용액이송펌프(100)는 하전 필라멘트를 토출하는 방사노즐부(120)와, 하전용액 제어수단으로서 방사노즐부(120)의 하부에 배치된 원통형 금속 가이드(116) 및 스트립형 금속 가이드(114)를 포함한다.

시린지(108)는 내부용량이 100㎕~1,000㎖인 용기 배럴부를 구비하는 것이 바람직하다. 시린지(108)의 용기 배럴부에는 밀대에 해당하는 플런저(plunger)(107)가 삽입된다. 플런저(107)가 없는 내부형의 저장탱크의 경우, 공기압력으로 용액을 이송시킬 수도 있다. 시린지(108)는 내전압성이 우수한 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 나일론(Nylon), 아세탈, 유리 등 절연성 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 배럴의 두께가 얇은 절연체인 경우, 전기방사 공정 중 높은 고전압에서 절연파괴되거나, 연결부위에서 하전용액의 전기가 시린지(108)의 외부로 방전될 수 있어 배럴의 외부에 절연성 재질의 커버를 함께 사용하는 것이 바람직하다.

시린지(108)에 투입되는 고분자 용액은 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF(poly (vinylidene fluoride)), 폴리아크릴로니트릴(PAN(poly(acrylonitile)), 폴리비닐알코올(PVA(poly(vinylalcohol))), 폴리이미드(PI(poly (imide)), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO(poly(ethylene oxide)), 폴리락틱-co-글리콜린산(PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid)), 폴리락트산(PLA(polylactic acid)), 폴리락틱산(PLLA(poly-L-lactic acid)), 폴리글리콜린산(PGA(polyglycolic acid)), 폴리카프로락톤(PCL(polycarpro lactone)), 키토산(chitosan)과 같은 용매에 용해되는 고분자를 포함하는 용액, 또는 전도성 입자를 포함하는 고분자 용액 등이 적용될 수 있다.

코어 쉘(core-shell) 구조의 이중층 구조체를 제조하는 경우, 쉘부 용액으로 상기의 고분자 용액이 채용되고, 코어부 용액은 오일과 같은 기능성 물질이 채용될 수 있다. 이때, 기능성 물질은 약물, 은(Ag) 혹은 카본계 입자를 포함하는 전도성 물질, 항균소취 물질, 향 마이크로캡슐, 전자파 차폐물질, 자외선 경화물질, 오일 등이 적용될 수 있다.

시린지(108)에 저장된 용액은 방사노즐부(120)로 이송된다. 이를 위해, 용액이송펌프(100)는 용액의 이송량을 일정하게 유지할 수 있도록 스태핑 모터 혹은 서보모터로 이루어진 모터부(103)를 구비한다.

모터부(103)는 모터 장착용 블록(104)에 부착되고, 소정의 커플링을 통하여 스크류(105)에 동력을 전달한다. 이때, 상기 커플링으로는 스크류(105)를 통한 고전압 누전이 차단되도록 절연 커플링이 모터 축과 스크류(105) 사이에 배치된다. 모터부(103)는 스테핑 모터 혹은 서보모터가 사용될 수 있고, 미세한 이동을 위하여 스테핑 모터가 채용되는 것이 보다 바람직하다. 엔코더(102)는 모터부(103)의 후면에 부착되어 모터의 회전을 감지한다. 스크류(105)의 회전이 예컨대, 1~2초 동안 정지되면, 엔코더(102)가 모터부(103)의 회전을 감지하여 모터부(103)의 작동을 멈추게 하면서 과부하에 따른 모터부(103)의 과열을 방지한다.

용액이송펌프(100)의 모터부(103)를 구동시키면 스크류(105)에 부착된 푸셔 블록(106)이 시린지(108)의 플런저(107)를 밀어서 시린지(108)의 배럴 내의 용액을 방사노즐부(120)로 이송시킨다.

용액이송을 위한 푸셔 블록(106)는 스크류(105)에 체결되고, 모터부(103)의 구동으로 스크류(105)가 회전하면 가이드 봉을 따라 전진 혹은 후진 이동한다. 상기 가이드 봉은 스크류(105) 주변에 단독 혹은 양쪽 모두 배치될 수 있다. 푸셔 블록(106)은 스크류(105)의 회전에 따라 이동할 수 있도록 중앙에 너트(미도시)를 포함하고 있다. 상기 너트는 스크류(105)에 대해 결합 혹은 분리될 수 있도록 너트 한 편에 스프링이 구성되고, 다른 한편에 캠(cam) 회전체가 조립된다. 상기 캠 회전체가 회전되어 너트가 스크류(105)에 결합되어 푸셔 블록(106)이 전진한다. 상기 너트가 스크류(105)에서 분리되면 스크류(105)가 회전하여도 푸셔 블록(106)은 공회전을 하게 된다. 푸셔 블록(106)이 전진하면 시린지(108)의 플런저(107)는 전진이동된다. 스크류(105)의 리드는 0.5 내지 2mm이고, 바람직하게는 1mm이다. 스크류(105)의 회전에 따른 푸셔 블록(106)의 이동속도는 최소속도가 1㎛/시간~100㎛/시간이고, 최고속도가 1cm/분 ~ 20cm/분인 것이 바람직하다. 푸셔 블록(106)은 가이드 봉 대신 리니어 블록에 설치되어 이동될 수 있다.

시린지(108)를 고정하는 시린지 홀더(109)는 시린지(108)의 외부로 흐르는 전류를 차단할 수 있도록 아세탈, 혹은 폴리에틸에텔케톤(PEEK)의 절연성 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

고전압제공부(110)는 방사노즐부(120)에 고전압을 인가함으로써 용액에 고전압을 가하여 용액을 하전시킨다. 고전압제공부(110)는 직류전원을 제공하는 장치이며, 직류전원은 방사노즐부(120)와의 접촉을 통하여 용액에 공급된다. 방사노즐부(120)에 가해지는 직류전압은 노즐과 집적부(140) 간에 0.01kV/cm ~ 10kV/cm이다. 바람직한 전압세기는 노즐(중공관 니들(122)의 팁)과 집적부(140) 간의 거리 1cm~30cm 에서 1kV~ 50kV이다. 근접장 전기방사의 경우, 거리는 0.1cm 내지 2cm이 바람직하고, 인가전압은 0.1kV/cm ~ 1.5kV/cm가 바람직하다. 고전압 세기는 노즐을 통하여 토출되는 하전용액으로부터 극세섬유 혹은 나노섬유 제조, 고분자의 종류, 고분자의 점도, 노즐의 특성, 노즐에 구성된 원판의 형태에 따라 적절하게 설정될 수 있다.

고전압제공부(110)에서 발생된 고전압은 방사노즐부(120)에 연결된 고전압 케이블(190)의 금속관을 통해 노즐에 인가된다.

방사노즐부(120)는 용액이송펌프(100)로부터 용액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하는 적어도 하나 이상의 중공관 니들(122)과, 중공관 니들(122)이 안착될 수 있는 노즐 홀더(101)를 포함한다. 중공관 니들(122)은 내경 0.01mm~2mm, 외경 0.02mm~3mm, 길이 2mm~100mm인 것이 바람직하다.

방사노즐부(120)에는 노즐몸체와 접촉하여 고전압을 인가하는 선단부가 금속관으로 이루어진 고전압 케이블(190)이 연결된다. 상기 금속관은 노즐에 대한 접촉을 통하여 용액에 고전압이 인가되도록 한다. 금속관의 재질은 스테인레스스틸(SUS), 구리 또는 황동인 것이 바람직하다. 부식성 용액인 경우, SUS 재질의 금속관이 보다 적합하다.

용액이송펌프(100)의 후면에 위치하는 지지판 혹은 지지용 케이스는 금속 혹은 PEEK재질의 절연성 소재로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 시린지(108)를 잡아주는 시린지 홀더(109)가 설치되는 부분은 절연재로 구성되거나, 혹은 절연재 덮개로 구성되거나, 혹은 절연재로 코팅되어야 한다. 절연재 덮개 혹은 코팅재는 테프론 혹은 PEEK 혹은 실리콘 고무 재질의 절연재가 바람직하다.

시린지 홀더(109)는 저장조의 외부로 흐르는 전류를 차단할 수 있도록 폴리에틸에텔케톤(PEEK) 혹은 아세탈의 절연성 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

하전용액 제어수단으로서 방사노즐부(120)의 하부에 배치된 원통형 금속 가이드(116) 및 스트립형 금속 가이드(114)는 하전 용액의 액적을 안정화시키고 상기 액적으로부터 생성되는 하전 필라멘트의 방향을 제어하는 역할을 한다. 하전용액 제어수단에 가해지는 고전압은 방사노즐부(120)에 용액 하전을 위해 공급되는 고전압과 동일한 전압소스로부터 공급될 수 있으며, 대안으로는 개별적으로 공급되는 것도 가능하다. 또한, 하전용액의 제어를 위해 원통형 금속 가이드(116)와 스트립형 금속 가이드(114)에 공급되는 고전압은 서로 동일한 볼트(V) 값이 가해질 수 있으며, 개별적으로 전압이 공급되어 서로 다른 볼트(V) 값이 가해지는 것도 가능하다.

원통형 금속 가이드(116)는 하전 용액의 액적이 흔들리는 것을 방지하여 안정화하는 작용을 한다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 원통형 금속 가이드(116)는 평행인 두개의 밑면을 갖는 원기둥(cylinder) 형상으로서 그 중심부에 상기 중공관 니들(122)을 수용하기 위한 중공을 갖는다. 원통형 금속 가이드(116)의 두개의 밑면에서의 외경과 내경은 서로 동일해야 한다. 또한, 하전 용액의 액적이 흔들리는 것을 보다 효과적으로 방지하기 위하여 원통형 금속 가이드(116)의 하단은 중공관 니들(122)의 팁보다 1~5mm 높게 배치되는 것이 바람직하다. 원통형 금속 가이드(116)는 시린지(108)에 결합된 중공관 니들(122)이 중심에 위치하도록 배치되고, 중공관 니들(122)에 비해 높게 위치하여 중공관 니들(122)이 실질적으로 하방으로 돌출되도록 배치된다.

도 4에 나타난 바와 같이 원통형 금속 가이드(116)는 노즐 홀더(101)에 끼워져서 노즐 홀더(101)의 상부에 위치한 금속링(113)과 체결된다. 금속링(113)은 시린지 선단부 홀더(112)의 하부에 결합되고, 선단부가 금속관으로 이루어진 고전압 케이블(190)과 전기적으로 접촉, 연결된다. 원통형 금속 가이드(116)의 내경은 3~10mm, 외경 4~15mm이다. 보다 바람직한 내경은 4~8mm, 외경 6~12mm이다.

원통형 금속 가이드(116)의 외부는 고전압의 외부노출을 방지하기 위하여 폴리에틸에텔케톤(PEEK)와 같은 절연성 재질의 가이드 캡(117)을 배치하는 것이 바람직하다.

스트립형 금속 가이드(114)는 원통형 금속 가이드(116)로부터 바깥방향으로 연장되게 복수개가 배치된다. 스트립형 금속 가이드(114)는 바람직하게 1~4개의 스트립(strip) 형태, 즉 상대적으로 폭이 가늘고 길이가 긴 형상의 금속 플레이트로 구성된다. 스트립형 금속 가이드(114)는 원통형 금속 가이드(116)와 결합되되, 원통형 금속 가이드(116)의 바깥방향으로 연장되게 배치된다. 스트립형 금속 가이드(114)는 원반 형태의 지지판(115)에 부착되어 고정될 수 있다. 스트립형 금속 가이드(114)가 복수개가 설치되는 경우, 복수개의 스트립형 금속 가이드(114)는 지지판(115)의 하부에서 서로 동일 평면상에 배치될 수 있으며, 대안으로는 지지판(115)으로부터 하방으로 서로 다른 높이를 갖도록 어긋나게 배치되어 보다 다각적으로 방사 필라멘트에 대한 방향 제어를 수행할 수도 있다.

스트립형 금속 가이드(114)는 원통형 금속 가이드(116)를 중심으로 회전 가능하게 설치되어 방사 필라멘트에 대한 방향제어 기능이 조절될 수 있다. 이때, 복수개의 스트립형 금속 가이드(114)는 서로 독립적으로 회전되거나 일체로 회전되어 설치 위치가 조정된다. 스트립형 금속 가이드(114)는 원통형 금속 가이드(116)를 중심으로 회전하여 설치 위치가 조정되어 1개 내지 4개의 조합으로 중공관 니들(122)에서 토출된 방사 필라멘트의 방향을 제어한다. 스트립형 금속 가이드(114)는 원통형 금속 가이드(116)에 결합되어 일체로 회전될 수 있다. 스트립형 금속 가이드(114)는 폭이 2~5mm이고, 길이가 10~50mm, 두께가 0.1~2mm인 것이 바람직하다. 재질은 SUS, 알루미늄인 것이 바람직하다.

스트립형 금속 가이드(114)가 복수개가 구성되는 경우에는 정해진 간격으로 방사상으로 배열되고 전체가 일체화될 수 있다. 이 경우 중심에는 내벽에 나사산이 형성된 체결홀(114a)이 마련되어 원통형 금속 가이드(116)가 나사결합되는 것이 바람직하다. 원통형 금속 가이드(116)는 체결홀(114a)에 끼워져서 지지판(115)의 중앙에 마련된 중심공(115a)을 관통하여 노즐 홀더(101)에 장착된다. 원통형 금속 가이드(116)의 상부는 노즐 홀더(101)를 관통하여 노즐 홀더(101)의 상부에 위치한 금속링(113)과 체결된다.

본 발명에 따라 제공되는 용액이송펌프(100)는 모터부(103')의 축과 연결된 스크류에 체결된 푸셔 블록(106')에 복수개가 정해진 간격으로 배열되게 장착되어 카트리지형의 다중채널로 구성될 수 있다. 이 경우에는, 도 5에 도시된 바와 같이 다중채널을 이루는 각각의 중공관 니들(122) 주변에는 개별적으로 원통형 금속 가이드(116)와 스트립형 금속 가이드(214,215)가 배치되어 있다.

스트립형 금속 가이드(214,215)는 노즐 배열 방향에 대하여 수직한 방향(X축 방향)으로 연장된 제1 스트립형 금속 가이드(214)와, 다중채널 중 양쪽 끝에 위치하고 노즐 배열 방향에 대하여 나란한 방향(Y축 방향)으로 연장된 부분을 포함하는 제2 스트립형 금속 가이드(215)를 포함한다. 여기서, 다중채널의 양쪽 끝에 위치한 제2 스트립형 금속 가이드(215)는 중공관 니들(122)에서 토출된 방사 필라멘트들이 바깥 방향으로 퍼지는 것을 억제하는 방향제어 작용을 한다. 보다 바람직하게, 제2 스트립형 금속 가이드(215)는 일부가 수직으로 밴딩되어 하방(Z축 방향)으로 연장될 경우 방사 필라멘트들이 바깥쪽으로 퍼지는 것을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.

다중채널의 노즐들에 대한 고전압 인가수단으로는 시린지 홀더(118) 내부에 설치된 소정의 노즐 허브에 고전압 케이블(190)의 금속관 혹은 금속봉이 접촉되어 고전압 인가가 이루어진다. 다중으로 장착된 노즐들의 시린지(108)에 대한 충진량이 각각 다른 경우, 플런저(107)가 푸셔 블록(106')에 닿지 않아 동시에 밀어낼 수 없으므로, 푸셔 블록(106')에 거리조절용 나사판(119)이 설치되어 플런저(107)까지 거리조절을 하여 용액을 이송시키는 것이 바람직하다.

다중채널을 이루는 모든 노즐들은 단일 부재의 노즐 홀더(118)에 의해 일괄적으로 홀딩되어 병렬 배열상태를 유지한다.

본 발명에 따라 제공되는 용액이송펌프(100)는 모터부(103')의 축과 연결된 스크류에 체결된 푸셔 블록(106')에 듀얼(dual) 타입으로 장착되어 카트리지형의 2채널 타입으로 변형되는 것도 가능하다. 도 6에 도시된 바와 같이 2채널을 이루는 각각의 중공관 니들(122) 주변에는 원통형 금속 가이드(116)가 배치되어 있다. 원통형 금속 가이드(116)의 주변에는 노즐 배열 방향에 대하여 수직한 방향(X축 방향)으로 연장되어 노즐 팁에서 토출된 하전 필라멘트의 방향을 제어하는 제1 스트립형 금속 가이드(214)가 배치되어 있다. 또한, 노즐 배열 방향에 대하여 나란한 방향(Y축 방향)으로 연장된 부분을 포함하는 제2 스트립형 금속 가이드(215)가 배치된다. 여기서, 제2 스트립형 금속 가이드(215)는 중공관 니들(122)에서 토출된 방사 필라멘트들이 바깥 방향으로 퍼지는 것을 억제하는 방향제어 작용을 하는 것으로서, 일부가 수직으로 밴딩되어 하방(Z축 방향)으로 연장될 경우 방사 필라멘트들이 바깥쪽으로 퍼지는 것을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.

2채널 타입에서 노즐 홀더(101)의 설치는, 시린지(108)를 잡아주는 시린지 홀더(118)의 하단에 홈(118a)을 형성하고, 노즐 홀더(101)를 옆면에서 시린지 홀더(118)의 홈(118a)에 슬라이드 방식으로 밀어넣는 방법이 채용될 수 있다.

집적부(140)는 방사노즐부(120)의 하방에 배치되어 하전 필라멘트를 수집한다. 집적부(140)는 평판으로 구성되거나, 컨베이어로 구성되거나, 혹은 직경이 5mm~50mm인 롤, 혹은 외경 1mm ~ 5mm의 봉이 복수개로 구성된 컨베이어로 구성되거나, 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 또한, 하전 필라멘트의 수집을 위해 드럼형 회전체(160)가 부가되는 것도 가능하다.

연속공정을 위해서는 롤러 집적부 혹은 복수개로 구성된 봉 집적부가 바람직하다. 집적부(140)는 접지로 연결되거나, 혹은 (-) 직류전압으로 연결된다. 집적부(140)에 접지가 연결되면, 노즐부와 집적부(140) 사이에 전기장이 형성되면서 전기방사 환경이 만들어진다.

로봇구동부(130,131)는 일정크기의 집적부(140)에 방사된 극세섬유가 균일하게 집적될 수 있도록 집적부(140)의 수평 혹은 수직방향으로 반복적으로 왕복구동한다. 로봇구동부(130,131)의 전단에는 수직방사 혹은 수평방사를 구현하기 위하여 방사 각도의 조절을 위한 각도 조절부(180)가 구비되는 것이 바람직하다.

제어부(111)는 표시용 화면(111a)과 숫자 및 기능입력용 버튼(111b)을 포함한다. 상기 표시용 화면(111a)은 로봇구동부(130,131)에 대한 X축과 Y축의 시작점과 끝점, 로봇 구동속도, 회전체 속도, 용액공급부의 구동중 토출진행량, 총 토출량, 유량속도, 주사기 직경, 주사기 용량 등을 표시한다. 숫자 및 기능입력용 버튼(111b)은 로봇구동부(130,131)의 X축 라인 횟수, Y축 스텝 간 이동거리를 입력할 수 있고, 용액공급부의 모터전원 켜짐과 꺼짐 버튼, 유량제어용 버튼, 유량제어 재시작 버튼, 설정한 속도로 빠르게 모터를 구동하는 조그버튼, 전단계 이동버튼을 구비한다. 유량제어용 버튼을 누르면, 용액의 총 토출량, 유량제어 단위 선택, 유량제어량, 제조사별 주사기 선정 및 선택된 제조사의 주사기 용량을 선택하거나 혹은 주사기의 내부직경을 직접 입력할 수 있고, 유량제어 단위는 나노리터(nℓ)/분 혹은 마이크로리터(㎕)/분 혹은 밀리리터(mℓ)/시간(hr)중 어느 하나를 선택할 수 있도록 구성되고, 엔코더(102) 기능의 사용유무를 선택할 수 있도록 구성되어 엔코더(102) 기능작동 문제가 발생한다면 기능 사용을 중지시켜 모터만 계속 구동시킬 수 있도록 구성된다.

본 발명에 따른 전기방사장치는, 집적부(140)에 접지 대신에 (-)극성을 인가할 수 있는 고전압 발생장치가 포함될 수 있다. 또한, 노즐 끝에서 하전용액으로부터 형성된 테일러 콘의 방사상태를 실시간으로 모니터링하여 동영상 혹은 이미지로 저장할 수 있는 영상 시스템이 포함될 수 있다.

본 발명을 적용하여 나노섬유를 제작하기 위하여 용액의 토출량은 노즐 홀당 0.05㎕/분 ~ 500㎕/분으로 설정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 용액의 토출량은 0.2㎕/분 ~ 50㎕/분이다.

상기의 본 발명에 따른 전기방사 장치를 사용하면 노즐 끝에 형성된 테일러 콘은 길이방향으로 제트를 형성하면서 안정된 상태를 유지한다. 테일러 콘과 제트는 10kV 이상의 높은 고전압 환경에서도 노즐 끝에서 어느 한 방향으로 치우침이 없이 안정된 상태를 유지한다. 상기의 하전 필라멘트의 제트는 금속판을 비롯하여 필름, 섬유원단, 직물, 부직포, 종이, 금속판, 유리판, 세라믹판 등 기재 위에 극세섬유를 제작할 수 있다. 또한, 상기의 제트는 더 높은 고전압에서 길게 신장된 제트가 특정한 지점부터 심한 요동과 용매 휘발과정을 거치면서 마이크로 내지 나노 크기의 극세섬유로 제조된다. 제조된 극세섬유는 접지된 집적판에 쌓여 멤브레인으로 제작된다.

본 발명의 극세섬유 제작용 전기방사 장치는 나노섬유 웹을 비롯하여 미세다공성 멤브레인, 중공나노섬유, 세포배양용 스캐폴드, 극세섬유 구성 회로 제작에 활용된다.

실험예

실험예에서는 도 1에 도시된 전기방사 장치를 사용하였다.

방사용액은 PVDF[(poly)vinylidenefluoride, Arkema 사의 Kynar 2801] 고분자를 acetone:dimethylacetamide(DMAc) 7:3인 혼합용매에 용액농도 17중량%로 제조한 투명한 용액이다. 상기의 방사용액은 밀대형의 플런저(107)가 장착되고, 용액 출구부분이 루어락(luerlock) 구조로 이루어져 있는 용량 10ml의 시린지(108)에 담고, 시린지(108)의 출구에 중공형 니들(122)을 바로 연결시켜 용액이송펌프(100)에 장착하였다.

이때, 시린지(108)에 장착된 방사노즐부(120)는 노즐 홀더(101)에 구성된 고전압 인가용 금속관과 접촉되어 고전압이 인가된다. 노즐은 원통형 금속 가이드(116)의 중심에 위치되고, 노즐 팁은 원통형 금속 가이드(116)의 하단보다 2mm 길게 위치된다. 원통형 금속 가이드(116)의 주변에는 스트립형 금속 가이드(114)를 설치하였다. 전기방사는 고전압이 인가된 상태에서 모터부(103)를 구동시켜 진행하였다. 고전압 세기는 12.8kV에서 각각 실험하였다. 용액의 토출량은 25㎕/분이고, 집적부는 평판 SUS 금속판을 사용하였다. 노즐 팁과 SUS 판 사이의 거리는 125mm이다. 나노섬유는 SUS 집적판에 집적하였다.

그 결과 원통형 금속 가이드(116)와 스트립형 금속 가이드(114)를 사용한 경우, 노즐 팁에서 안정된 방사상태를 보여주었으며, 제한된 면적에 균일하게 나노섬유를 받을 수 있었다. 하지만, 원통형 금속 가이드(116)와 스트립형 금속 가이드(114)를 사용하지 않은 경우에는 노즐 팁에서 한쪽으로 방사 방향이 편향되어 집적판의 원하는 부분에 제대로 집적시킬 수 없었다.

따라서, 고전압이 인가된 원통형 금속 가이드(116)와 스트립형 금속 가이드(114)를 설치할 경우 노즐 팁에 형성된 액적을 안정화시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100: 용액이송펌프 101: 노즐 홀더
102: 엔코더 103,103': 모터부
104: 모터 장착용 블록 105: 스크류
106,106': 푸셔 블록 107: 플런저
108: 시린지 109,118: 시린지 홀더
110: 고전압제공부 111: 제어부
112: 시린지 선단부 홀더 113: 금속링
114: 스트립형 금속 가이드 115: 지지판
116: 원통형 금속 가이드 117: 가이드 캡
119: 거리조절용 나사판 120: 방사노즐부
122: 중공관 니들 130,131: 로봇구동부
140: 집적부 160: 드럼형 회전체
180: 각도 조절부 190: 고전압 케이블

Claims

방사노즐에 고전압을 가하여 고분자 물질이 용해된 용액을 하전시키는 고전압제공부;
하전 용액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하는 적어도 하나 이상의 중공관 니들을 구비한 방사노즐부;
상기 방사노즐부의 하단에서 상기 중공관 니들을 둘러싸도록 배치되어 하전 용액의 액적 안정성을 제어하도록 고전압이 가해지는 원통형 금속 가이드; 및
상기 방사노즐부의 하방에 배치되어 하전 필라멘트를 수집하는 집적부;를 포함하고;
상기 원통형 금속 가이드는 평행인 두개의 밑면을 갖는 원기둥(cylinder) 형상으로서 그 중심부에 상기 중공관 니들을 수용하기 위한 중공을 갖고, 상기 두개의 밑면에서의 외경이 6~12mm, 내경이 4~8mm로서 동일하며, 그 하단이 상기 중공관 니들의 팁보다 1~5mm 높게 배치되는 것을 특징으로 하는 극세섬유 제조용 전기방사장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 원통형 금속 가이드의 주변에 노즐 배열 방향에 대하여 수직한 방향으로 연장되는 스트립 형태의 금속 플레이트를 복수개 방사상으로 배열한 스트립형 금속가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극세섬유 제조용 전기방사장치.
제 3 항에 있어서,
상기 복수개의 금속 플레이트가 서로 동일 평면상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 극세섬유 제조용 전기방사장치.
제 3 항에 있어서,
상기 복수개의 금속 플레이트가 서로 다른 높이를 갖도록 어긋나게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 극세섬유 제조용 전기방사장치.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 스트립형 금속 가이드는 상기 원통형 금속 가이드를 중심으로 회전 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 극세섬유 제조용 전기방사장치.
극세섬유 제조용 전기방사장치의 용액이송펌프에 있어서,
하전 용액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하는 적어도 하나 이상의 중공관 니들을 구비한 방사노즐부; 및
상기 방사노즐부의 하단에서 상기 중공관 니들을 둘러싸도록 배치되어 하전 용액의 액적 안정성을 제어하도록 고전압이 가해지는 원통형 금속 가이드를 포함하고;
상기 원통형 금속 가이드는 평행인 두개의 밑면을 갖는 원기둥(cylinder) 형상으로서 그 중심부에 상기 중공관 니들을 수용하기 위한 중공을 갖고, 상기 두개의 밑면에서의 외경이 6~12mm, 내경이 4~8mm로서 동일하며, 그 하단이 상기 중공관 니들의 팁보다 1~5mm 높게 배치되는 것을 특징으로 하는 극세섬유 제조용 전기방사장치의 용액이송펌프.
삭제
제 7 항에 있어서,
상기 원통형 금속 가이드의 주변에 노즐 배열 방향에 대하여 수직한 방향으로 연장되는 스트립 형태의 금속 플레이트를 복수개 방사상으로 배열한 스트립형 금속가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극세섬유 제조용 전기방사장치의 용액이송펌프.
제 9 항에 있어서,
상기 복수개의 금속 플레이트가 서로 동일 평면상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 극세섬유 제조용 전기방사장치의 용액이송펌프.
제 9 항에 있어서,
상기 복수개의 금속 플레이트가 서로 다른 높이를 갖도록 어긋나게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 극세섬유 제조용 전기방사장치의 용액이송펌프.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 스트립형 금속 가이드는 상기 원통형 금속 가이드를 중심으로 회전 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 극세섬유 제조용 전기방사장치의 용액이송펌프.