KR102290347B1 - 전기 방사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 방사 장치에 관한 것으로, 전기 방사 장치는 방사 용액이 저장되어 있는 용액 공급부; 상기 용액 공급부에 저장된 방사 용액의 온도를 기준 온도 범위로 유지시키는 온도 조절부; 및 상기 용액 공급부에 연결되고, 상기 용액 공급부에서 상기 방사 용액을 공급받아 전기 방사하는 방사 노즐;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기 방사 장치{Apparatus and method for electrospinning}

본 발명은 전기 방사 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 안정적인 전기 방사를 위한 온도 범위를 유지하도록 방사 용액의 온도를 조절함으로써, 양질의 나노 섬유 웹을 제조할 수 있는 전기 방사 장치에 관한 것이다.

전기 방사(Electrospinning)는 방사 용액을 하전상태에서 방사하여 미세한 직경의 섬유를 제조하는 기술이다.

최근, 나노미터 크기의 나노 섬유를 제조하는 기술에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있고, 나노 섬유는 섬경이 나노 미터(nm) 단위인 섬유를 의미한다.

나노 섬유는 체적에 대한 표면적 비율의 증가와 표면 기능성 향상 뿐만 아니라, 질량 대비 뛰어난 기계적 물성을 가지고 있어, 매우 다양한 분야에 응용되고 있다. 예컨대, 나노섬유로 구성된 웹은 다공성을 갖는 분리막형 소재로서 각종 필터류, 상처치료용 드레싱, 인공지지체, 복합 소재, 광학 소재 및 전자 소재 등 다양한 분야에 응용되고 있다.

이러한 나노 섬유를 제조하는 기술 중 전기 방사 기술은 산업 발전적으로 매우 우수한 기술로 인식되고 있다.

전기 방사 기술은 매우 광범위한 고분자 소재에 이용 가능할 뿐만 아니라, 금속 및 탄소 등 공정상 방사하기 어려운 여러 첨가물도 고분자 용액에 혼합 방사함으로써 손쉽게 섬유 웹(fiber web) 형태의 제조가 가능하며, 매우 적은 양의 고분자 용액으로도 방사가 가능하다.

일반적으로 전기 방사에 영향을 미치는 인자는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째 인자로서 고분자 용액의 농도, 점도, 표면 장력, 유전율 및 용매의 종류 등 방사 용액이 미치는 인자를 꼽을 수 있고, 두 번째 인자로서 전기 방사용 노즐의 내경/외경, 전압의 세기 및 전기 방사용 노즐과 포집부 간의 거리 등의 공정 인자를 꼽을 수 있다.

한국 공개특허공보 제10-2013-0106069호에는 나노섬유의 원료가 되는 고분자 물질의 용액을 공급하는 방사용액 공급부와, 방사용액 공급부에 연결되며 전압 인가시 자기장이 유도되도록 코일 형상으로 마련되는 복수의 노즐팩과, 노즐팩의 하측에 이격되어 배치되며 노즐팩을 통해서 방사되는 나노섬유를 상면에 축적하는 컬렉터와, 노즐팩과 컬렉터 사이에 고전압을 인가하여 방사용액을 하전시키는 고전압 인가부를 포함하는 전기 방사 장치가 개시되어 있다.

이와 같은 전기 방사 장치는 전압 인가시 자기장이 유도되어 안정적인 테일러 콘을 형성함으로써 핀홀, 스팟 현상이 적고 품질이 균일한 나노섬유를 제조할 수 있는 장점이 있으나, 방사용액 공급부는 고분자 물질의 온도가 변화될 수 있는 환경에서 전기 방사를 수행하여, 전기 방사시 고품질의 나노 섬유를 얻기가 쉽지 않고, 방사용액에 첨가물이 포함되는 경우, 전기 방사를 위한 첨가물의 고유의 온도 범위를 벗어날 수 있어 나노 섬유의 신뢰성을 악화시킬 수 있는 단점이 있다.

한국 공개특허공보 제10-2013-0106069호

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 방사 용액의 온도를 조절하여 안정적인 전기 방사를 위한 온도 범위를 벗어나지 않도록 하여, 전기 방사하여 수득된 나노 섬유의 품질을 향상시킬 수 있는 전기 방사 장치를 제공하는데 있다.

상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 의한 전기 방사 장치는, 방사 용액이 저장되어 있는 용액 공급부; 상기 용액 공급부에 저장된 방사 용액의 온도를 기준 온도 범위로 유지시키는 온도 조절부; 및 상기 용액 공급부에 연결되고, 상기 용액 공급부에서 상기 방사 용액을 공급받아 전기 방사하는 방사 노즐;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 전기 방사 장치에서, 상기 온도 조절부는 상기 용액 공급부에 이격되어 설치된다.

그리고, 상기 기준 온도 범위는 0 ~ 80℃ 범위내에 있는 온도일 수 있다.

또한, 상기 온도 조절부는 상기 방사 용액의 온도를 높이기 위한 승온 장치, 상기 방사 용액의 온도를 낮추기 위한 감온 장치 및 이들의 혼용 장치 중 하나일 수 있다. 여기서, 상기 승온 장치는 히터 또는 IR 램프이고, 상기 감온 장치는 냉각팬일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 전기 방사 장치에서, 상기 용액 공급부에 저장된 방사 용액의 온도를 검출하는 온도 검출부; 및 상기 온도 검출부에서 검출된 방사 용액의 온도가 상기 기준 온도 범위를 벗어나면, 상기 방사 용액을 가열하거나 또는 냉각시키기 위한 제어 신호를 상기 온도 조절부로 출력하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 온도 검출부는 상기 방사 용액에 직접 접촉되어 온도를 감지하는 접촉식 온도 검출 장치 또는 상기 방사 용액에 접촉되지 않은 상태에서 온도를 감지하는 비접촉식 온도 검출 장치일 수 있다.

본 발명에 의하면, 온도 조절부에서 용액 공급부에 저장된 방사 용액의 온도를 높이거나, 또는 낮추는 온도 조절을 수행하여, 방사 용액의 온도를 기준 온도 범위내에서 벗어나지 않게 함으로써, 전기 방사된 나노 섬유의 품질을 우수하게 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 의하면, 방사 용액의 온도를 기준 온도 범위 내로 유지시키기 위한 온도 조절부를 용액 공급부로부터 이격된 영역에 설치하여, 용액 공급부에 저장된 방사 용액에 인가된 고전압에 의해 온도 조절부의 손상을 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전기 방사 장치를 설명하기 위한 모식적인 도면,
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따라 온도 조절부가 용액 공급부에 배치된 상태를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 전기 방사 장치의 전기적인 구성 블록도,
도 6은 본 발명에 따른 전기 방사 방법의 플로우챠트이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 전기 방사 장치는 방사 용액이 저장되어 있는 용액 공급부(20); 상기 용액 공급부(20)에 저장된 방사 용액의 온도를 기준 온도 범위로 유지시키는 온도 조절부(30); 및 상기 용액 공급부(20)에 연결되고, 상기 용액 공급부(20)에서 상기 방사 용액을 공급받아 나노 섬유(10)를 전기 방사하는 방사 노즐(40);을 포함한다.

본 발명의 전기 방사 장치는 방사 노즐(40)로부터 이격된 하부에 배치되고, 일정한 속도로 이동하는 컨베이어 형태의 접지된 콜렉터(50)를 포함할 수 있다.

여기서, 방사 노즐(40)에는 용액 공급부(20)로부터 공급된 방사 용액이 흐르는 홀(미도시)이 형성되어 있고, 이 홀은 방사 노즐(40)의 끝단에 노출되고, 홀에 흐르는 방사 용액이 방사 노즐(40)의 끝단에서 토출되어 나노 섬유(10)로 방사되는 것이다.

즉, 방사 노즐(40)의 홀 내부로 흐르는 방사 용액에 수십KV의 고전압이 인가되어, 방사 용액을 하전시키고, 그 하전 방사 용액이 나노 섬유 형상으로 방사 노즐(40) 외부로 토출되어 접지된 콜렉터(50)에 축적됨으로써 나노 섬유 웹(200)이 형성된다.

방사 용액은 고분자 물질과 용매를 혼합하여 제조한 용액으로, 방사 용액은 용액 공급부(20)에 저장된다. 이때, 전술된 바와 같이 전기 방사를 위해 인가된 고전압에 의해 방사 노즐(40)의 홀에 흐르는 방사 용액 뿐만 아니라 용액 공급부(20)에 저장된 방사 용액도 하전된 상태(즉, 고전압이 인가된 상태)를 유지한다.

그러므로, 용액 공급부(20)에 저장된 방사 용액이 고전압에 의해 하전된 상태를 유지하게 됨으로써, 용액 공급부(20)에 저장된 방사 용액의 하전된 상태로부터 온도 조절부(30)의 안전성을 확보하기 위해, 온도 조절부(30)는 용액 공급부(20)로부터 이격되어 설치하는 것이 중요하다.

한편, 방사 용액은 방사 물질과 용매를 혼합하여 제조하는데, 방사 물질은 고분자 물질, 또는 첨가물이 부가된 고분자 물질로 구성한다.

이때, 최적화된 전기 방사를 수행하기 위해서, 첨가물은 고유의 온도 범위를 유지해야 한다(여기서, 첨가물의 종류에 따라 전기 방사시 유지해야할 온도 범위가 상이함). 즉, 첨가물이 포함된 방사 용액이 고유의 온도 범위가 유지되지 않으면, 전기 방사된 나노 섬유의 품질이 저하되거나 또는 전기 방사가 되지 않는다.

또한, 전기 방사하여 우수한 품질의 나노 섬유를 수득하기 위해서, 방사 용액은 적합한 점도 상태를 유지해야 한다. 이 방사 용액의 점도는 방사 용액의 온도가 가변되면 방사 물질의 특성에 따라 점도가 변할 수 있고, 점도가 변하게 되면 나노 섬유에 변형이 발생되고 나노 섬유로의 성형성이 저하될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 온도 조절부에서 용액 공급부에 저장된 방사 용액의 온도를 높이거나, 또는 낮추는 온도 조절을 수행하여, 방사 용액의 온도를 기준 온도 범위를 벗어나지 않게 유지함으로써, 전기 방사된 나노 섬유의 품질을 우수하게 할 수 있는 잇점이 있다.

그리고, 본 발명에서는 용액 공급부(20)에 저장된 방사 용액을 0 ~ 80℃의 기준 온도 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 예컨대, 방사 용액이 PVdF와 용매가 혼합하여 제조한 경우, 방사 용액은 20 ~ 30℃ 범위내의 온도로 유지되어야 한다.

도 2 내지 도 4는 본 발명에 따라 온도 조절부가 용액 공급부에 배치된 상태를 도시한 도면이다.

온도 조절부는 방사 용액의 온도를 높이기 위한 승온 장치(110), 방사 용액의 온도를 낮추기 위한 감온 장치(120) 및 이들의 혼용 장치를 사용할 수 있으며, 방사 용액의 온도를 높이기 위한 승온 장치(110)는 가열 장치로, 히터 또는 IR 램프를 적용할 수 있고, 방사 용액의 온도를 낮추기 위한 감온 장치(120)는 냉각 장치로, 냉각팬을 적용할 수 있다.

이와 같은 승온 장치(110) 또는 감온 장치(120)는 용액 공급부로부터 이격된 영역에 설치되어, 용액 공급부(20)에 저장된 방사 용액에 인가된 고전압에 의해 직접적으로 손상을 받지 않아야 한다.

여기서, 도 2와 같이, 승온 장치(110)로만 이루어진 온도 조절부를 용액 공급부(20) 주변에 배치할 수 있고, 감온 장치(120)만 이루어진 온도 조절부를 도 3과 같이 용액 공급부(20) 주변에 배치할 수 있다. 그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 승온 장치(110) 및 감온 장치(120)가 혼용된 온도 조절부를 용액 공급부(20)로부터 이격된 영역에 배치할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 전기 방사 장치의 전기적인 구성 블록도이다.

본 발명에 따른 전기 방사 장치는 온도 검출부(210) 및 제어부(220)를 더 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전기 방사 장치는 전기적인 구성으로, 용액 공급부에 저장된 방사 용액의 온도를 검출하는 온도 검출부(210); 상기 온도 검출부(210)에서 검출된 방사 용액의 온도가 기준 온도 범위를 벗어나면, 제어 신호를 출력하는 제어부(220); 및 상기 제어부(220)의 제어 신호를 입력받아 상기 방사 용액을 가열하거나 또는 냉각시켜, 상기 방사 용액의 온도를 조절하는 온도 조절부(230);를 포함하여 구성한다.

이와 같은 전기 방사 장치는 온도 검출부(230)에서 용액 공급부에서 저장된 방사 용액의 온도를 검출하고, 제어부(220)에서 온도 검출부에서 검출된 방사 용액의 온도 데이터를 입력받아 검출된 방사 용액의 온도가 기준 온도 범위 를 벗어나면, 방사 용액을 가열하거나 또는 냉각시키기 위한 제어 신호를 온도 조절부(230)로 출력하고, 온도 조절부(230)는 제어부의 제어 신호를 입력받아 방사 용액의 온도를 조절한다.

온도 검출부(230)는 용액 공급부에 저장된 방사 용액의 온도를 검출하는 것으로, 방사 용액에 직접 접촉되어 온도를 감지하는 접촉식 온도 검출 장치 또는 방사 용액에 접촉되지 않은 상태에서 온도를 감지하는 비접촉식 온도 검출 장치를 사용할 수 있다.

예컨대, 용액 공급부가 방사 용액을 담을 수 있는 용기로 구성된 경우, 접촉식 온도 검출 장치는 용기 내부에 설치되어 방사 용액에 직접 접촉하여 온도를 검출한다. 그리고, 비접촉 온도 검출 장치는 용기에 담겨진 방사 용액의 상부에 설치된 적외선 온도계와 같은 장치로, 방사 용액의 온도를 비접촉하여 감지한다.

도 6은 본 발명에 따른 전기 방사 방법의 플로우챠트이다.

도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 전기 방사 방법은 먼저, 고분자 물질과 용매를 혼합하여 방사 용액을 제조한다(S100). 그후, 방사 용액을 용액 공급부에 저장한다(S110). 이어서, 용액 공급부에 저장된 방사 용액의 온도를 검출(S120)한 다음, 검출된 방사 용액의 온도가 기준 온도 범위내에 있는가를 판단한다(S130).

계속하여, 검출된 방사 용액의 온도가 기준 온도 범위내에 있는 경우, 용액 공급부에 저장된 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유를 형성한다(S140).

그리고, 검출된 방사 용액의 온도가 기준 온도 범위를 벗어난 경우, 용액 공급부에 저장된 방사 용액의 온도를 높이거나 또는 낮추어 상기 방사 용액의 온도가 기준 온도 범위 내에 존재하도록 조절(150)한 후, 전기 방사하여 나노 섬유를 형성하는 공정을 수행한다.

한편, 고분자 용액은 고분자 물질이 용매에 용해된 것이며, 본 발명에서 사용 가능한 고분자물질로는 전기 방사를 위해 용매에 용해될 수 있고, 전기 방사에 의해 나노 섬유를 형성할 수 있는 수지이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌), 퍼풀루오로폴리머, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드 또는 이들의 공중합체, 폴리에틸렌글리콜 디알킬에테르 및 폴리에틸렌글리콜 디알킬에스터를 포함하는 폴리에틸렌글리콜 유도체, 폴리(옥시메틸렌-올리 고-옥시에틸렌), 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드를 포함하는 폴리옥사이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리(비닐피롤리돈-비닐아세테이트), 폴리스티렌 및 폴리스티렌 아크릴로니트릴 공중합체, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴로니트릴 메틸메타크릴레이트 공중합체를 포함하는 폴리아크릴로니트릴 공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 공중합체 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

용매는 DMAc(N,N-Dimethyl acetoamide), DMF(N,N-Dimethylformamide), NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone), DMSO(dimethyl sulfoxide), THF(tetra-hydrofuran), (EC(ethylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate), EMC(ethyl methyl carbonate), PC(propylene carbonate), 물, 초산(acetic acid), 개미산(formic acid), 클로로포름(Chloroform), 디클로로메탄(dichloromethane), 아세톤(acetone) 및 이소프로필알콜(isopropylalchol)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 나노 섬유의 품질을 우수하게 하고, 양질의 나노 섬유 웹을 제조할 수 있는 전기 방사 장치를 제공한다.

20: 용액 공급부 30,230: 온도 조절부
40 : 방사 노즐 50: 콜렉터
110: 승온 장치 120: 감온 장치
210: 온도 검출부 220: 제어부

Claims (7)

1. 방사 용액이 저장되어 있는 용액 공급부;
   상기 용액 공급부에 저장된 방사 용액의 온도를 기준 온도 범위로 유지시키는 온도 조절부;
   상기 용액 공급부에 연결되고, 상기 용액 공급부에서 상기 방사 용액을 공급받아 전기 방사하는 방사 노즐;
   상기 용액 공급부에 저장된 방사 용액의 온도를 검출하는 온도 검출부; 및
   상기 온도 검출부에서 검출된 상기 방사 용액의 온도가 상기 기준 온도 범위를 벗어나면, 상기 방사 용액을 가열 또는 냉각하기 위한 제어 신호를 상기 온도 조절부로 출력하는 제어부;를 포함하는 전기 방사 장치로서,
   상기 온도 조절부는 상기 방사 용액의 온도를 높이기 위한 승온 장치와, 상기 방사 용액의 온도를 낮추기 위한 감온 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 온도 조절부는 상기 용액 공급부에 이격되어 설치된 전기 방사 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 기준 온도 범위는 0 ~ 80℃ 범위내에 있는 온도인 전기 방사 장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 승온 장치는 히터 또는 IR 램프이고, 상기 감온 장치는 냉각팬인 전기 방사 장치.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 온도 검출부는 상기 방사 용액에 직접 접촉되어 온도를 감지하는 접촉식 온도 검출 장치 또는 상기 방사 용액에 접촉되지 않은 상태에서 온도를 감지하는 비접촉식 온도 검출 장치인 전기 방사 장치.

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