KR102078506B1 - 나노섬유 제조 장치 및 나노섬유 제조 방법 - Google Patents

나노섬유 제조 장치 및 나노섬유 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분자를 전기방사(electrospinning)하여 나노섬유를 제조하는 과정에서 전기적인 왜곡현상을 방지하여 제조성을 향상시킬 수 있고, 뛰어난 나노섬유 품질을 확보할 수 있으며, 나아가 노즐을 확장할 수 있어 생산량을 증대시킬 수 있는 나노섬유 제조 장치 및 나노섬유 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 전기방사 방식으로 나노섬유를 제조하는 방법에 있어서, 나노섬유 제조를 위한 나노섬유용 원료를 마련하는 베이스 원료 마련 단계; 상기 마련된 베이스 원료를 기반으로 나노섬유용 용액을 마련하는 용액 마련 단계; 상기 마련된 용액을 복수의 나노섬유 제조용 전기방사 노즐부로 투입하면서 전기방사하는 전기방사 단계; 및 상기 전기방사 단계에서 전기방사되어 나온 나노섬유를 후처리하는 후처리 단계;를 포함하며, 상기 전기방사 단계는 전기방사 과정에서 전기방사 노즐부에 작용하는 전기장 간섭, 전기장 전하밀도 및 노즐 내 정전기적 압력을 포함하는 전기적 왜곡인자를 제어하여 전기적 왜곡현상을 방지하도록 하는 전기적왜곡 방지 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조 방법이 제공된다.

Description

나노섬유 제조 장치 및 나노섬유 제조 방법{MANUFACTURING APPARATUS AND MANUFACTURING METHOD FOR NANO-FIBER}
본 발명은 나노섬유 제조 장치 및 나노섬유 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고분자를 전기방사(electrospinning)하여 나노섬유를 제조하는 과정에서 전기적인 왜곡현상을 방지하여 제조성을 향상시킬 수 있고, 뛰어난 나노섬유 품질을 확보할 수 있으며, 나아가 노즐을 확장할 수 있어 생산량을 증대시킬 수 있는 나노섬유 제조 장치 및 나노섬유 제조 방법에 관한 것이다.
전기방사(Electrospinning)는 종래의 용융방사 및 습식방사, 습건식 방사와 달리 방사노즐부에 양극성(+) 혹은 음극성(-)의 전압을 직접 인가하여 용액을 하전시킨 후, 하전된 용액을 방사노즐부를 거쳐 공기층으로 토출하고, 이어서 공기층에서 하전 필라멘트의 연신 및 또다른 필라멘트 분기를 거쳐 극세섬유를 제조하는 방사방법이다. 양극성(+) 전압의 인가를 통해 (+)전하가 대전된 토출 필라멘트, 혹은 음극성(-) 전압의 인가를 통해 (-)전하가 대전된 토출 필라멘트는 방사노즐부와 집적부(Collector; 이하 컬렉터라고 지칭) 사이에 형성된 전기장 속에서 인접 필라멘트간 상호반발등 전기적 영향으로 심한 요동을 거치면서 극세화된다.
이와 같이 형성된 극세 필라멘트는 그 직경이 나노급에 해당하는 섬유로서 접지시킨 컬렉터 혹은 하전 필라멘트의 극성과 반대극성으로 대전된 컬렉터상에 집적되어 웹(Web) 형태로 제조가 된다. 이러한 전기방사법은 분리막과 유사한 다공성 웹을 제조할 수 있는 방법으로 이용된다.
현재 통상적으로 사용되고 있는 전기방사법은 하나의 노즐에서 시간당 수 그램(g)이하의 용액을 토출하여 섬유를 제조하는 방법으로서 생산속도가 매우 낮아 경제성이 적은 단점이 있다. 특히 나노급 섬유는 매우 적은 용액을 방출시켜 제조하기 때문에 이로부터 제조되는 웹의 생산속도 문제가 뒤따른다.
이러한 문제점은 다중의 노즐을 사용함으로써 해결될 수 있으나, 노즐을 다중으로 구성할 경우에는 하전 필라멘트간의 반발력으로 인해 토출 스트림(Stream)이 불균일해지고, 이에 따라 노즐에 고압을 인가하기 어렵게 되므로 전기방사장치에 다중노즐을 구성하기가 매우 곤란한 측면이 있다.
한편, 이러한 전기방사로 나노섬유를 제조하는 과정에서, 원재료별 전기전도성의 차이로 전기적인 왜곡현상이 발생하게 되며, 이러한 전기적인 왜곡현상은 전체적인 전기방사 경향을 나빠지게 되며, 결국 제조 공정에 영향을 미치게 되어 전기방사되지 않거나 방사되더라도 균등한 품질의 나노섬유를 얻을 수 없는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 10-0436602(2004.06.16. 공고) 대한민국 등록특허공보 10-1040063(2011.06.09. 공고) 대한민국 등록특허공보 10-0458946(2004.12.03. 공고) 대한민국 등록특허공보 10-1478184(2014.12.31. 공고)
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 고분자를 전기방사(electrospinning)하여 나노섬유를 제조하는 과정에서 전기적인 왜곡현상을 방지하여 제조성을 향상시킬 수 있으며, 뛰어난 나노섬유 품질을 확보할 수 있는 나노섬유 제조 장치 및 나노섬유 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 노즐을 확장할 수 있어 생산량을 증대시킬 수 있는 나노섬유 제조 장치 및 나노섬유 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 전기방사 방식으로 나노섬유를 제조하는 방법에 있어서, 나노섬유 제조를 위한 나노섬유용 원료를 마련하는 베이스 원료 마련 단계; 상기 마련된 베이스 원료를 기반으로 나노섬유용 용액을 마련하는 용액 마련 단계; 상기 마련된 용액을 복수의 나노섬유 제조용 전기방사 노즐부로 투입하면서 전기방사하는 전기방사 단계; 및 상기 전기방사 단계에서 전기방사되어 나온 나노섬유를 후처리하는 후처리 단계;를 포함하며, 상기 전기방사 단계는 전기방사 과정에서 전기방사 노즐부에 작용하는 전기장 간섭, 전기장 전하밀도 및 노즐 내 정전기적 압력을 포함하는 전기적 왜곡인자를 제어하여 전기적 왜곡현상을 방지하도록 하는 전기적왜곡 방지 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 원료 마련 단계에서 마련되는 베이스 원료는, 폴리머 폴리우레탄(PU), 폴리비닐다이플로오르(PVDF), 올레핀계 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐아크릴레이트(PVA), PAN(폴리아크닐로니트릴), PLA(폴리라틱애시드), PLLA(폴리엘락타이드), PES(폴리에테르술폰), PA(폴리아마이드), 및 젤라틴으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나의 베이스 원료로 마련되고, 상기 용액 마련 단계에서 이용되는 용매는, 다이메틸아세트아마이드(DMAC), 다이메틸플로오르(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), 클로로벤젠(CB), 트리클로로에탄올(TCE), 트리플루오르에틸렌(TFE), 테트라하이드로퓨란(THF), 메틸에틸케톤(MEK), 톨루엔(Toluene), 크실렌(Xylene), 개미산, 아세틱산, 물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 용매로 이루어지며, 상기 베이스 원료와 용매는 베이스 원료 5~25중량%와 용매 95~75중량%의 혼합 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 전기적왜곡 방지 단계는 나노섬유용액이 방사되는 나노섬유 제조용 전기방사 노즐부 각각의 간격을 조절하는 것으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 나노섬유 제조용 전기방사 노즐부의 간격 조절은 노즐부를 평면적으로 바라볼 때 종방향 및 횡방향 중 적어도 하나의 방향으로 20mm 내지 50mm의 범위에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 나노섬유 제조용 용액을 공급 가이드하는 전기방사 지지블록; 상기 전기방사 지지블록의 일면에서 각각 슬라이딩 이동가능하게 배치되는 복수의 베이스 이동 프레임; 상기 전기방사 지지블록의 일면에서 복수의 베이스 이동 프레임의 이동을 가이드하는 가이드 수단; 상기 복수의 베이스 이동 프레임 각각에 슬라이딩이동 가능하게 구비되며, 나노섬유용 용액이 방사되는 복수의 나노섬유 전기방사 노즐 수단; 및 상기 복수의 베이스 이동 프레임에서 상기 나노섬유 전기방사 노즐 수단 각각이 슬라이딩 이동가능하게 결합시키는 슬라이딩 이동 결합수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 상기 베이스 이동 프레임은 직사각형의 틀 형태로 형성되고, 상기 가이드 수단은 상기 전기방사 지지블록의 대향하는 두 가장자리 전장에 걸쳐 형성되는 제1 가이드부, 및 상기 베이스 이동 프레임의 각 단부에 형성되어 상기 제1 가이드부를 따라 가이드되는 제2 가이드부를 포함하며. 상기 나노섬유 전기방사 노즐 수단은, 용액 공급구멍이 형성되며 상기 베이스 이동 프레임에 구비되는 복수의 단위 이동 블록과, 상기 단위 이동 블록에 탈착 가능하게 결합되는 전기방사 노즐, 및 일단부는 나노섬유용 용액을 공급받게 연결되고 타단부는 상기 단위 이동 블록의 용액 공급구멍에 연결되는 플렉시블 호스를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 상기 슬라이딩 이동 결합수단은 상기 베이스 이동 프레임의 길이방향 양 가장자리에 형성되어 상기 단위 이동 블록의 양단부가 가이드되는 한 쌍의 가이드레일로 이루어지며, 상기 베이스 이동 프레임 및 상기 가이드 레일에는 눈금표시부가 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 상기 나노섬유용 용액은 폴리머 폴리우레탄(PU), 폴리비닐다이플로오르(PVDF), 올레핀계 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐아크릴레이트(PVA), PAN(폴리아크닐로니트릴), PLA(폴리라틱애시드), PLLA(폴리엘락타이드), PES(폴리에테르술폰), PA(폴리아마이드), 및 젤라틴으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나의 베이스 원료, 및 다이메틸아세트아마이드(DMAC), 다이메틸플로오르(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), 클로로벤젠(CB), 트리클로로에탄올(TCE), 트리플루오르에틸렌(TFE), 테트라하이드로퓨란(THF), 메틸에틸케톤(MEK), 톨루엔(Toluene), 크실렌(Xylene), 개미산, 아세틱산, 물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 용매를, 5~25중량% : 95~75중량%의 혼합 비율로 혼합되어 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 나노섬유 제조 장치 및 나노섬유 제조 방법에 의하면 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 본 발명은 고분자를 전기방사(electrospinning)하여 나노섬유를 제조하는 과정에서 원재료별로 방사노즐 간의 간격을 조절함으로써 전기장 간섭과 전기장 전하밀도, 노즐 내의 정전기적 압력 등의 제어로 전기적인 왜곡현상을 방지하여 최적의 전기방사 공정조건을 확립할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 나노섬유의 제조성을 향상시킬 수 있으며, 뛰어난 나노섬유 품질을 확보할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 본 발명은 노즐을 확장할 수 있어 생산량을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 나노섬유 제조 과정을 나타내는 플로차트이다.
도 2는 본 발명에 따른 나노섬유 제조 장치의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 나노섬유 제조 장치의 구성 이해를 위하여 부분적으로 분리하여 나타내는 구성도이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 나노섬유 제조 장치 및 나노섬유 제조 방법에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 나노섬유 제조 장치에 대하여 도 1을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 나노섬유 제조 과정을 나타내는 플로차트이다.
본 발명에 따른 나노섬유 제조 방법은, 전기방사 방식으로 나노섬유를 제조하는 방법에 있어서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 나노섬유 제조를 위한 나노섬유용 원료를 마련하는 베이스 원료 마련 단계(S100); 상기 베이스 원료 마련 단계(S100)에서 마련된 베이스 원료를 기반으로 나노섬유용 용액을 마련하는 용액 마련 단계(S200); 상기 용액 마련 단계(S200)에서 마련된 용액을 복수의 나노섬유 제조용 전기방사 노즐부로 투입하면서 전기방사하는 전기방사 단계(S300); 및 상기 전기방사 단계(S300)에서 전기방사되어 나오는 나노섬유를 후처리하는 후처리 단계(S400);를 포함하며, 상기 전기방사 단계(S300)는 전기방사 과정에서 전기방사 노즐부에 작용하는 전기장 간섭, 전기장 전하밀도 및 노즐 내 정전기적 압력을 포함하는 전기적 왜곡인자를 제어하여 전기적인 왜곡현상을 방지하도록 하는 전기적왜곡 방지 단계(S310);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 원료 마련 단계(S100)에서 마련되는 베이스 원료는, 폴리머 폴리우레탄(PU), 폴리비닐다이플로오르(PVDF), 올레핀계 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐아크릴레이트(PVA), PAN(폴리아크닐로니트릴), PLA(폴리라틱애시드), PLLA(폴리엘락타이드), PES(폴리에테르술폰), PA(폴리아마이드), 및 젤라틴으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나의 베이스 원료로 마련된다.
또한, 상기 용액 마련 단계(S200)는 상기 원료 마련 단계(S100)에서 마련된 베이스 원료와 용매를 소정 비율로 혼합한 나노섬유용 용액을 마련하게 된다.
상기 용액 마련 단계(S200)에서의 용매는, 다이메틸아세트아마이드(DMAC), 다이메틸플로오르(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), 클로로벤젠(CB), 트리클로로에탄올(TCE), 트리플루오르에틸렌(TFE), 테트라하이드로퓨란(THF), 메틸에틸케톤(MEK), 톨루엔(Toluene), 크실렌(Xylene), 개미산, 아세틱산, 물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 용매로 이루어진다.
그리고 상기 용액 마련 단계(S100)에서 베이스 원료와 용매의 혼합 비율에서 베이스 원료 5~25중량%, 용매 95~75중량%로 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 용액 마련 단계(S200)에서는, 전도성 첨가제, 대전방지제, 발수제, 친수제, 휘발제 및 슬립제 중 적어도 하나를 소정량 첨가하는 것을 더 포함할 수 있다.
여기에서, 본 발명의 용액 마련 단계(S200)는, 적어도 휘발성 물질인 메틸에틸케톤(MEK), 트리플루오르에탄올(TFE), 테트라하이드로퓨란(THF) 휘발제를, 상기와 같이 마련된 나노섬유용 용액 100중량부에 대하여 10 ~ 50중량부를 더 투입하는 것을 포함할 수 있다.
상기 전기방사 단계(S300)에서 전기적왜곡 방지 단계(S310)는, 나노섬유용액이 방사되는 나노섬유 제조용 전기방사 노즐부 각각의 간격을 조절하는 것으로 이루어진다.
상기 나노섬유 제조용 전기방사 노즐부의 간격 조절은 노즐부를 평면적으로 바라볼 때 종방향 및 횡방향 중 적어도 하나의 방향으로 20mm 내지 50mm 내의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전기적왜곡 방지 단계(S310)에서 나노섬유 제조용 전기방사 노즐부의 간격 조절은, 전 공정에서 마련된 나노섬유용 용액을 나노섬유 제조용 전기방사 노즐부에 투입하기 전에 나노섬유 제조용 전기방사 노즐부의 간격을 수동 조절 또는 자동 조절하도록 이루어질 수 있다.
또한, 상기 전기왜곡 방지 단계(S310)에서 나노섬유 제조용 전기방사 노즐부의 간격 조절을 위한 구현 예를 들면, 방사판에 일렬 종대 또는 일렬 횡대로 배치되는 복수의 배치 프레임의 간격을 조절하며, 상기 복수의 배치 프레임 각각에 배치된 나노섬유 제조용 전기방사 노즐부 각각의 간격을 개별적으로 조절하는 것으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 나노섬유 제조용 전기방사 노즐부의 간격을 조절함으로써, 전기방사 시 나노섬유 제조용 전기방사 노즐부에서 전기장 간섭과 전기장 전하밀도, 노즐 내에서의 정전기적 압력이 제어되게 된다. 이때, 나노섬유 제조용 전기방사 노즐부의 간격 조절은 투입되는 원료별 및/또는 노즐부 갯수에 따라 미리 설계된 설계 간격으로 조절되게 된다.
다음으로, 상기 후처리 단계(S400)는 전기방사 방식으로 제조된 나노섬유를 후처리하는 공지의 과정을 채용할 수 있으므로, 설명의 간략화와 명확화를 위하여 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
예를 들면, 상기 후처리 단계(S400)는 나노섬유 안정화, 리와인딩, 라미네이팅, 슬리팅, 검사 및 포장 등을 포함할 수 있다.
한편, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 나노섬유 제조를 구현하기 위한 나노섬유 제조 장치의 일 실시 예에 대하여 도 2 및 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 나노섬유 제조 장치의 구성을 나타내는 평면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 나노섬유 제조 장치의 구성 이해를 위하여 부분적으로 분리하여 나타내는 구성도이다.
본 발명에 따른 나노섬유 제조 장치는, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 나노섬유 제조용 용액을 공급 가이드하는 전기방사 지지블록(100); 상기 전기방사 지지블록(100)의 일면에 배치되되 각각 상기 일면의 일방향으로 슬라이딩 이동가능하게 배치되는 복수의 베이스 이동 프레임(200); 상기 전기방사 지지블록(100)의 일면에서 복수의 베이스 이동 프레임(200)의 이동을 가이드하는 가이드 수단; 상기 복수의 베이스 이동 프레임(200) 각각에 슬라이딩이동 가능하게 구비되며, 나노섬유용 용액이 방사되는 복수의 나노섬유 전기방사 노즐 수단(300); 및 상기 복수의 베이스 이동 프레임(200)에서 상기 나노섬유 전기방사 노즐 수단(300) 각각이 슬라이딩 이동가능하게 결합시키는 슬라이딩 이동 결합수단;을 포함한다.
상기 전기방사 지지블록(100)은 나노섬유용 용액이 공급 가이드되도록 상기 나노섬유 전기방사 노즐 수단(300)을 구성하는 플렉시블 호스의 일단부에 결합되거나 플렉시블 호스의 일단부가 통과하는 장방형의 블록체로 형성된다.
상기 베이스 이동 프레임(200)은 양단부를 제외한 부분에서 상면과 하면이 개방된 직사각형의 프레임으로 구성될 수 있다. 이와 같이 베이스 이동 프레임(200)이 양단부를 제외한 중앙부에서 상면과 하면이 개방되게 형성되는 것은 하기에서 설명될 다른 구성부들과 상호 연계되는 결합 구조를 갖기 때문이다.
계속해서, 상기 전기방사 지지블록(100)의 일면에서 복수의 베이스 이동 프레임(200)의 이동을 가이드하는 가이드 수단은, 상기 전기방사 지지블록(100)의 대향하는 두 가장자리 전장에 걸쳐 형성되는 제1 가이드부(110), 및 상기 베이스 이동 프레임(200)의 각 단부에 형성되어 상기 제1 가이드부(110)를 따라 가이드되는 제2 가이드부(120)를 포함한다.
예를 들면, 상기 제1 가이드부(110)와 제2 가이드부(120) 중 하나는 가이드레일로 형성되고, 상기 제1 가이드부(110)와 제2 가이드부(120) 중 다른 하나는 가이드 돌기로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 전기방사 지지블록(100)의 일면에서 복수의 베이스 이동 프레임(200)의 이동은, 수동 방식 또는 자동 방식으로 이루어질 수 있는데, 수동 방식의 경우, 이동 거리를 확인할 수 있도록 상기 가이드 레일로서 형성되는 제1 가이드부(110) 또는 제2 가이드부(120)에는 밀리미터 단위의 눈금 표시부가 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 수동 방식의 경우, 상기 가이드 수단은 상기 전기방사 지지블록(100)에 대하여 상기 베이스 이동 프레임(200)의 이동 위치를 고정시키기 위한 고정 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 고정 수단은 예를 들면 상기 제1 가이드부(110)와 제2 가이드부(120) 중 하나에 일정 간격을 갖고 형성되는 라운드진 요홈과, 상기 제1 가이드부(110)와 제2 가이드부(120) 중 다른 하나에 형성되어 상기 라운드진 요홈으로 안착되고 벗어날 수 있게 형성되는 안착 돌기, 및 상기 안착 돌기를 탄성 지지하는 탄성 부재를 포함하여 구성될 수 있다.
다음으로, 상기 나노섬유 전기방사 노즐 수단(300)은 용액 공급구멍(311)이 형성되며 상기 베이스 이동 프레임(200)에 구비되는 복수의 단위 이동 블록(310), 상기 단위 이동 블록(310)에 탈착 가능하게 결합되는 전기방사 노즐(320), 및 일단부는 나노섬유용 용액을 공급받게 연결(전기방사 지지블록 측에 연결)되고 타단부는 상기 단위 이동 블록(310)의 용액 공급구멍(311)에 연결되는 금속 재질 또는 비금속재질의 플렉시블 호스(330)를 포함한다.
상기 나노섬유 전기방사 노즐 수단(300)은 하나의 모듈로 되어 상기 베이스 이동 프레임(200)에 분리 조립되게 된다. 이에 따라 노즐 갯수를 늘리고자 하는 경우, 상기 베이스 이동 프레임(200)에 장착시켜 확장되도록 할 수 있다.
계속해서, 상기 복수의 베이스 이동 프레임(200)에서 상기 나노섬유 전기방사 노즐 수단(300) 각각이 슬라이딩 이동가능하게 결합시키는 슬라이딩 이동 결합수단은, 상기 베이스 이동 프레임(200)의 길이방향 양 가장자리에 형성되는 한 쌍의 가이드레일(410)로 이루어지는데, 상기 가이드 레일(410)은 상기 단위 이동 블록(310)의 양단부가 그 가이드 레일(410)을 따라 슬라이딩 이동될 수 있는 사이즈로 형성되는 것으로 이루어질 수 있다.
상기 단위 이동 블록(310) 또한 상기 베이스 이동 프레임(200)을 따라 이동될 수 있는데, 이때 이동은 수동 방식 또는 자동 방식으로 이루어질 수 있다.
수동 방식의 경우, 이동 거리를 확인할 수 있도록 상기 가이드레일(410)에 밀리미터 단위의 눈금 표시부가 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 수동 방식의 경우, 상기 슬라이딩 이동 결합 수단은 상기 베이스 이동 프레임(200)에 대하여 단위 이동 블록(310)의 이동 위치를 고정시키기 위한 고정 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 고정 수단은 예를 들면 가이드 레일(410)과 단위 이동 블록(310)의 양단부 중 하나에 일정 간격을 갖고 형성되는 라운드진 요홈과, 상기 가이드 레일(410)과 단위 이동 블록(310)의 양단부 중 다른 하나에 형성되어 상기 라운드진 요홈으로 안착되고 벗어날 수 있게 형성되는 안착 돌기, 및 상기 안착 돌기를 탄성 지지하는 탄성 부재를 포함하여 구성될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에서 베이스 이동 프레임(200) 및 단위 이동 블록(310)의 간격 조절은 전기방사 지지블록(100)을 평면에서 바라볼 때 종방향 및 횡방향 중 적어도 하나의 방향으로 30mm 내지 50mm 내의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 나노섬유 제조 장치에 이용되는 나노섬유 제조용 용액은, 폴리머 폴리우레탄(PU), 폴리비닐다이플로오르(PVDF), 올레핀계 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐아크릴레이트(PVA), PAN(폴리아크닐로니트릴), PLA(폴리라틱애시드), PLLA(폴리엘락타이드), PES(폴리에테르술폰), PA(폴리아마이드), 및 젤라틴으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나의 베이스 원료, 및 다이메틸아세트아마이드(DMAC), 다이메틸플로오르(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), 클로로벤젠(CB), 트리클로로에탄올(TCE), 트리플루오르에틸렌(TFE), 테트라하이드로퓨란(THF), 메틸에틸케톤(MEK), 톨루엔(Toluene), 크실렌(Xylene), 개미산, 아세틱산, 물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 용매를 소정의 혼합 비율로 하여 이루어지는 것을 이용한다.
여기에서, 상기 베이스 원료와 용매의 혼합 비율에서 베이스 원료 5~25중량%, 용매 95~75중량%로 혼합되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 나조섬유 제조 장치에서, 상기 베이스 이동 프레임(200) 및 단위 이동 블록(310) 각각은 자동 방식으로 이동될 수 있는데, 이 경우 베이스 이동 프레임(220) 각각 및 단위 이동 블록(310) 각각은 각각의 스텝핑 모터 또는 리니어 모터에 연결되어 이러한 스텝핑 모터 또는 리니어 모터의 제어로 이동되게 구성될 수 있다.
상기 스텝핑 모터 또는 리니어 모터의 제어는 나노섬유 제조 장치를 구성하는 제어반의 입력 장치부를 통해 실행될 수 있다.
본 발명의 발명자는 노즐부의 간격 조절을 통한 전기왜곡 방지를 실험을 통해 확인하였으며, 이하 이에 대하여 설명한다.
실시 예
나노섬유의 원료가 되는 베이스 원료로는 예를 들면 PU, PVDF, PES, PP, PAN, PA, PVA, PLA, PLLA, 젤라틴을 이용하였으며, 용매로는 DMF, DMAC, DMSO, THF, MEK, 아세톤, 물, 개미산, 아세톤, 클로로벤젠, 벤젠, 크실렌, TCE, TFE을 이용하였다. 각각의 용매는 단종을 쓰거나 복수의 용매를 혼합하여 제조하였다.
다양한 베이스 원료를 이용한 나노섬유용 용액을 마련하여 복수의 노즐부에서 전기방사하여 전기장 간섭으로 인한 노즐 간의 간격을 비교하였다.
실시예 1
DMAC+MEK 95~80중량%에 PVDF 5~20중량%의 농도로 혼합하여 PVDF 나노섬유용 용액을 제조하였다.
실시예 2
실시예 1과 같은 방법으로 폴리머 PAN의 나노섬유용 용액을 제조하였다.
실시예 3
실시예 1과 같은 방법으로 폴리머 PES의 나노섬유용 용액을 제조하였다.
실시예 4
TCE+TFE 95~80중량%에 PLLA 5~20중량%의 농도로 혼합하여 PLLA 나노섬유용 용액을 제조하였다.
실시예 5
물 90~85중량%에 PVA 10~15중량%의 농도로 혼합하여 PVA 나노섬유용 용액을 제조하였다.
비교예 1
실시예와 비교를 하기 위해서 전기방사에서 가장 일반적으로 사용되어지는 PU 나노섬유용 용액을 PVDF 또는 PES 90~85중량%에 PU 10~15중량%로 제조하였다.
상기 실시예들과 비교예에 대해 노즐 간격을 평가한 결과 아래 표1과 같은 결과값을 얻을 수 있었다.
노즐개수(ea) 방사전압(kv) 노즐간격(mm)
실시예 1 10 20~25 30이상
실시예 2 10 20~25 33이상
실시예 3 10 20~25 30이상
실시예 4 10 20~25 35이상
실시예 5 10 20~25 40이상
비교예 1 10 20~25 20미만
실시예 1, 3의 경우 PVDF, PES를 이용한 전기방사 용액으로 노즐 간의 간격이 30mm이상이 되면 전기장 간섭으로 인해 방사가 되지 않는 노즐 없이 모든 노즐에서 나노섬유가 방사됨을 확인하였다.
실시예 1, 3과 비교예 1을 비교해 보면 상이한 폴리머이나 용매조성이 비슷하여 동일한 노즐 간격에서 모든 노즐이 전기방사됨을 확인하였다.
실시예 2의 경우 1,3과 동일한 용매 조성을 사용하였으나 노즐 간의 간격이 33mm이상이 되어야 모든 노즐에서 나노섬유가 방사됨을 확인하였다.
실시예 2와 비교예 1을 비교해 보면 동일한 용매 조성을 사용하였으나 실시예 1, 3과는 다르게 방사용액 폴리머가 변경되어도 노즐 간 전기장 간섭현상이 발생하여 노즐간격을 33mm이상 넓혀야 모든 노즐에서 전기방사됨을 확인하였다.
실시예 4, 5의 경우 노즐 간 간격이 35mm, 40mm 이상이 되어야 모든 노즐에서 나노섬유가 전기방사됨을 확인하였다.
실시예 4, 5와 비교 예 1을 비교해 보면 폴리머와 용매조성이 변경되면서 노즐 간격을 35mm, 40mm이상 넓혀야 모든 노즐에서 나노섬유가 전기방사됨을 확인하였다.
그러나 비교 예 1의 경우, 노즐간격을 20미만으로 하는 경우, 나노섬유의 전기방사가 이루어지지 않음을 확인하였다.
이상에서 설명한 바와 같은 나노섬유 제조 장치 및 나노섬유 제조 방법에 의하면, 고분자를 전기방사(electrospinning)하여 나노섬유를 제조하는 과정에서 원재료별로 방사노즐 간의 간격을 조절함으로써 전기장 간섭과 전기장 전하밀도, 노즐 내의 정전기적 압력 등의 제어로 전기적인 왜곡현상을 방지하여 최적의 전기방사 공정조건을 확립할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 나노섬유의 제조성을 향상시킬 수 있고, 뛰어난 나노섬유 품질을 확보할 수 있으며, 노즐의 확장으로 생산량을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.
상기한 바와 같은 실시 예들은 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
S100: 베이스 원료 마련 단계
S200: 용액 마련 단계
S300: 전기방사 단계
S310: 전기적왜곡 방지 단계
S400: 후처리 단계
100: 전기방사 지지블록
110: 제1 가이드부
120: 제2 가이드부
200: 베이스 이동 프레임
300: 나노섬유 전기방사 노즐 수단
310: 단위 이동 블록
311: 용액 공급구멍
320: 전기방사 노즐
330: 플렉시블 호스
410: 가이드레일

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 나노섬유 제조용 용액을 공급 가이드하는 전기방사 지지블록;
    상기 전기방사 지지블록의 일면에서 각각 슬라이딩 이동가능하게 배치되는 복수의 베이스 이동 프레임;
    상기 전기방사 지지블록의 일면에서 복수의 베이스 이동 프레임의 이동을 가이드하는 가이드 수단;
    상기 복수의 베이스 이동 프레임 각각에 슬라이딩 이동가능하게 구비되며, 나노섬유용 용액이 방사되는 복수의 나노섬유 전기방사 노즐 수단; 및
    상기 복수의 베이스 이동 프레임에서 상기 나노섬유 전기방사 노즐 수단 각각이 슬라이딩 이동가능하게 결합시키는 슬라이딩 이동 결합수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는
    나노섬유 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 베이스 이동 프레임은 직사각형의 틀 형태로 형성되고,
    상기 가이드 수단은 상기 전기방사 지지블록의 대향하는 두 가장자리 전장에 걸쳐 형성되는 제1 가이드부, 및 상기 베이스 이동 프레임의 각 단부에 형성되어 상기 제1 가이드부를 따라 가이드되는 제2 가이드부를 포함하며.
    상기 나노섬유 전기방사 노즐 수단은, 용액 공급구멍이 형성되며 상기 베이스 이동 프레임에 구비되는 복수의 단위 이동 블록과, 상기 단위 이동 블록에 탈착 가능하게 결합되는 전기방사 노즐, 및 일단부는 나노섬유용 용액을 공급받게 연결되고 타단부는 상기 단위 이동 블록의 용액 공급구멍에 연결되는 플렉시블 호스를 포함하는 것을 특징으로 하는
    나노섬유 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 슬라이딩 이동 결합수단은 상기 베이스 이동 프레임의 길이방향 양 가장자리에 형성되어 상기 단위 이동 블록의 양단부가 가이드되는 한 쌍의 가이드레일로 이루어지며,
    상기 베이스 이동 프레임 및 상기 가이드 레일에는 눈금표시부가 형성되는 것을 특징으로 하는
    나노섬유 제조 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 나노섬유용 용액은
    폴리머 폴리우레탄(PU), 폴리비닐다이플로오르(PVDF), 올레핀계 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐아크릴레이트(PVA), PAN(폴리아크닐로니트릴), PLA(폴리라틱애시드), PLLA(폴리엘락타이드), PES(폴리에테르술폰), PA(폴리아마이드), 및 젤라틴으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나의 베이스 원료, 및 다이메틸아세트아마이드(DMAC), 다이메틸플로오르(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), 클로로벤젠(CB), 트리클로로에탄올(TCE), 트리플루오르에틸렌(TFE), 테트라하이드로퓨란(THF), 메틸에틸케톤(MEK), 톨루엔(Toluene), 크실렌(Xylene), 개미산, 아세틱산, 물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 용매를, 5~25중량% : 95~75중량%의 혼합 비율로 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는
    나노섬유 제조 장치.
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