KR102444636B1 - 동적인 방사용액 돌출수단과 선택적 전자기파 조사장치를 갖는 전기방사장치 - Google Patents

동적인 방사용액 돌출수단과 선택적 전자기파 조사장치를 갖는 전기방사장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동적인 돌출수단과 점도회생 피드백을 활용하여 기능성과 생산성을 동시 갖는 전기방사장치에 관한 것이다. 또한 용매의 휘발성을 촉진시키는 특정 전자기파의 조사로, 전기방사 시 용매의 휘발성을 조절하여 고품질의 나노섬유를 만드는 전기방사장치에 관한 것이다.
본 발명을 활용하여 니들형의 기능성 전기방사의 장점과 니들리스형의 생산성을 동시에 충족하는 전기방사가 가능하게 되어, 나노섬유의 상업적 이용을 촉진시킬 수 있는 효과를 가질 수 있다.

Description

동적인 방사용액 돌출수단과 선택적 전자기파 조사장치를 갖는 전기방사장치 {Electrospinning apparatus having dynamic bumping tool and selectable electromagnetic wave supply tool}
본 발명은 전기방사 용액의 표면에 용액 돌출수단을 도입하여 전기방사를 촉진하는 기술에 관한 것이다. 또한 본 발명은 전기방사 섬유 모집부에 특정 전자기파를 조사하여 특정 용매의 휘발성을 증진하여 전기방사 웹 생성을 증진시키는 기술에 관한 것이다.
나노섬유를 만드는 효과적인 방법으로 전기방사(Electrospinning) 방법이 연구되고 상용화되고 있다. 전기방사 방법에는 주삿바늘(Needle)에 전기방사용액을 공급하여 테일러콘을 생성하여 방사시키는 방법(이하 니들형)과 주사바늘 없이 액면에서 테일러콘을 발생시켜 방사하는 방법(이하 니들리스형)이 있다.
니들형의 경우 나노섬유의 생산제어가 쉽게 이루어지는 장점(기능성 패턴 생성이 가능)을 가지고 있으나, 하나의 니들에서 나노섬유가 방사되어 생산성이 떨어져, 이에 대한 문제를 해결하기 위하여 여러개의 니들을 사용하는 멀티니들방식이 도입되어 생산성 문제를 보완하면서 나노섬유 생산현장에 사용되고 있다. 그러나 멀티니들방식은 많은 수의 니들 제어에 문제점이 발생될 가능성이 높고, 생산 설비의 대형화로 생산 설비 활용의 유연성이 떨어지고, 이에따라 생산 원가 상승의 문제를 가지고 있다.
상기 니들형의 생산성 문제를 해결하기 위하여, 돌출 수단을 활용하여 액면 위에 무수히 많은 액면 돌기부분을 생성하고, 전기방사 나노섬유를 생산할 수 있게 하였다. 그러나 액면이 공기중에 노출되어 전기방사용액의 용매가 휘발되어, 장기간 생산을 진행할 수 없는 단점을 가지고 있고, 니들형이 가지고 있는 나노섬유 생산제어(기능성 패턴 생성 불가능)가 불가능하고, 또한 연속되는 장섬유를 만드는 거시 불가능한 단점을 가지고 있다. 용매 증발의 문제점을 해결하기 위하여 대한미국 특허출원 1020137029890 "스피닝 코드들에 액체 중합체 물질을 적용하는 방법 및 정전기적 스피닝을 통한 나노 섬유들의 생산을 위한 장치"에서는 전기방사용액을 담지한 카트리지가 왕복운동을 하면서 와이어에 전기방사용액을 도포하는 방법으로 주기적으로 새로운 용액을 제공하여 전기방사를 안정적으로 이루어지게 하였다. 그러나 이와같은 방법은 카트리지의 왕복운동으로 연속되는 장섬유가 만들어지지 않는 문제점을 가지고 있고, 기존 니들리스형의 대량 생산성의 특성이 약화되는 문제점을 갖는다.
전기방사에 의한 나노섬유 제조에 있어서 또 하나의 문제점은 휘발성이 떨어지는 용매를 사용할 경우, 나노섬유화단계에서 용매가 미처 휘발하지 못해서 나노섬유가 제대로 형성되지 못하고, 나노섬유끼리 뭉쳐 품질 저하 문제가 발생한다.
상기 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 동적인 돌출수단과 점도회생 피드백을 활용하여 기능성과 생산성을 동시에 만족하는 것에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 용매의 휘발성을 촉진시키는 특정 전자기파의 조사로, 전기방사 시 용매의 휘발성을 조절하여 고품질의 나노섬유를 만드는데 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 전기방사장치는 전기방사를 개시하는 전기방사회전체(110), 고전압공급장치(400), 콜렉터(410), 용액공급시스템으로 구성된다. 용액공급시스템은 전기방사회전체(110)에 전기방사용액(140)을 묻혀주는 용액주입노즐(210), 용액공급통(220)의 전기방사용액(140)을 용액주입노즐(210)에 제공하는 용액주입장치(200), 전기방사 후 남은 전기방사용액(140)을 전기방사회전체(110)으로부터 분리하는 블레이드(130), 분리된 전기방사용액(140)을 회수 보관하는 회수용액통(240), 회수된 전기방사용액(140)에 용매를 추가하여 초기의 점도를 갖게하는 점도회생수단(230)으로 구성된다. 전기방사회전체(110) 표면에는 돌출수단(120)이 구비되어 원활한 전기방사가 이루어지도록하고, 블레이드(130)에 의하여 전기방사회전체(110) 표면의 전기방사용액(140)이 제거된 후, 여전히 남아 있는 전기방사용액(140)을 제거하는 세척수단(150)으로 구성된다. 또한 전기방사용액을 돌출시켜 동적인 제어에 의하여 다양한 전기방사로 기능성 전기방사가 가능하게 하기 위하여 공기, 자성입자, 표면충격파 등의 돌출수단으로 구성된다.
본 발명의 실시에 따르면 니들형의 기능성 전기방사의 장점과 니들리스형의 생산성을 동시에 충족하는 전기방사가 가능하게 되어, 나노섬유의 상업적 이용을 촉진시킬 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 개념도로써 본 발명의 구성과 기능을 보인다.
도 2는 본 발명의 전기방사용액 공급라인 일부를 설명하기 위한 설명도이다.
도 3은 2종류 이상의 전기방사용액을 전기방사하기 위한 본 발명의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 돌출수단이 전기방사회전체 표면에 고정된 돌출부로 형성된 것을 보인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 돌출수단이 전기방사회전체 표면에 미세기포로 돌출된 것을 보인 구성도이다.
도 6는 본 발명의 돌출수단이 전기방사회전체 표면에 미세 자기볼로 형성된 것을 보인 구성도이다.
도 7는 본 발명의 돌출수단이 전기방사회전체 표면에 간섭 파면으로 형성된 것을 보인 구성도이다.
도 8은 본 발명의 선택적 전자기파 조사 방법에 대한 설명도이다.
본 발명을 첨부한 도면을 활용하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 개념도로써 본 발명의 전기방사장치는 전기방사를 개시하는 전기방사회전체(110), 고전압공급장치(400), 콜렉터(410), 용액공급시스템으로 구성된다. 용액공급시스템은 전기방사회전체(110)에 전기방사용액(140)을 묻혀주는 용액주입노즐(210), 용액공급통(220)의 전기방사용액(140)을 용액주입노즐(210)에 제공하는 용액주입장치(200), 전기방사 후 남은 전기방사용액(140)을 전기방사회전체(110)으로부터 분리하는 블레이드(130), 분리된 전기방사용액(140)을 회수 보관하는 회수용액통(240), 회수된 전기방사용액(140)에 용매를 추가하여 초기의 점도를 갖게하는 점도회생수단(230)으로 구성된다. 전기방사회전체(110) 표면에는 돌출수단(120)이 구비되어 원활한 전기방사가 이루어지도록하고, 블레이드(130)에 의하여 전기방사회전체(110) 표면의 전기방사용액(140)이 제거된 후, 여전히 남아 있는 전기방사용액(140)을 제거하는 세척수단(150)이 구비된다. 전기방사회전체(110)는 단면이 원형인 봉 형태일 수 있고, 내부에 돌출수단(120)을 제어하는 수단이 들어갈 수 있는 실린더 형태일 수 있다.
전기방사용액(140)을 전기방사회전체(110)에 공급하는 과정을 도 2를 참조하여 상세히 설명하면, 용액공급 통(220)의 전기방사용액(140)은 용액주입장치(200)에 의하여 용액주입노즐(210)로 이송되고, 용액주입노즐(210)은 스테이지(215)에 의하여 전기방사회전체(110)에 평행한 방향으로 좌우 이동하면서 전기방사용액(140)을 전기방사회전체(110)에 고르게 도포해 준다.
고전압공급장치(400)에서 제공되는 전위가 전기방사회전체(110)과 콜렉터(410)에 공급되고, 전기방사회전체(110)은 그림에 표시된 방향으로 회전하고, 전기방사회전체(110)에 도포된 전기방사용액(140)은 돌출수단(120)에 의하여 전기방사조건이 만족되면 전기방사섬유(145)를 콜렉터(410) 쪽으로 방사하게 되고, 전기방사섬유(145)는 전기방사섬유부착부(300)에 부착되게 된다. 이때 전기방사섬유부착부(300)는 한쪽 방향으로 이동하면서 전기방사섬유(145)를 표면에 고르게 부착할 수 있다.
전기방사회전체(110)이 회전하면서 전기방사 구역에서 전기방사를 진행하고, 전기방사 구역을 벗어난 후 방사되지 않은 전기방사용액(140)은 회전하면서 다시 전기방사 구역으로 진입하면 전기방사를 다시 진행할 수 있다. 그러나 용매가 휘발하면서 전기방사 조건이 틀려지고, 또는 굳어서 전기방사회전체(110)에 눌러 붙어 전기방사를 방해하는 요인이 된다. 이를 방지하고, 최상의 방사 상태를 만들기 위해서, 한번 방사구역을 통과한 전기방사용액(140)은 블레이드(130)에 의하여 전기방사회전체(110)에서 분리되어 점도회생 사이클로 보내지고, 전기방사회전체(110)은 세척수단(150)에 의하여 깨끗이 청소되어 다시 용액주입노즐(210)에 의하여 새로운 전기방사용액(140)을 제공받게 된다. 한편 블레이드(130)에 의하여 전기방사회전체(110)에서 분리된 전기방사용액(140)은 회수용액통(240)에 모이게 되고, 회수용액공급선(245)을 통하여 점도회생수단(230)에 공급되고, 점도회생수단(230)에서는 용매를 추가하여 점도를 맞춘 다음 회생용액공급선(235)을 통하여 용액공급통(220)에 공급하여 재사용할 수 있게 한다. 세척수단(150)은 단순히 전기방사용액(140)을 녹이는 용매만을 사용할 수 있고, 또는 회전브러시 등의 물리적인 수단일 수 있다.
도 3은 2종류의 전기방사용액을 동시에 전기방사하기 위한 본 발명의 구성도로써, 제1전기방사용액(141)을 전기방사회전체(110)에 제공하는 제1용액주입장치(205)와 제1용액주입노즐(215), 제2전기방사용액(142)을 제1전기방사용액(141) 위에 제공하는 제2용액주입장치(200)와 제2용액주입노즐(210)로 구성된다. 2종류의 전기방사용액을 전기방사하기 위하여 제1용액주입장치(205)와 제1용액주입노즐(215)에 의하여 제1전기방사용액(141)이 회전하는 전기방사회전체(110)에 도포되고, 제2용액주입장치(200)와 제2용액주입노즐(210)에 의하여 제2전기방사용액(142)이 제1전기방사용액(141) 위에 도포된다. 제1전기방사용액(141)과 제2전기방사용액(142)은 전기방사구역에서 돌출수단(120)에 의하여 돌출되고, 고전압에 의해 테일러콘이 생성되고, 전기방사를 하게된다. 이때 제1전기방사용액(141)이 내부에 위치하고, 제2전기방사용액(142)이 외부에 위치하는 나노섬유가 생성되게 된다. 용액주입장치와 용액주입노즐의 추가로 더 많은 종류의 전기방사용액을 동시에 방사할 수 있다.
도 4, 도5, 도6, 도7은 본 발명을 구성하는 돌출수단을 설명하기 위한 설명도이다. 매끈한 표면을 갖는 전기방사회전체에 전기방사용액을 도포하고 고전압을 인가하면 전자기장의 진동에 의해 액면이 굴곡을 갖게 되고, 굴곡이 커지면서 임계치를 넘어갈 때 전기방사가 일어나게 된다. 그러나 액면에 생성된 굴곡은 고정된 패턴을 갖게 되고, 그 패턴에 맞추어 Substrate에 섬유가 분포되어, 전체적으로 고르게 분포되지 않는 문제를 갖게 된다. 본 발명에서는 외부 제어에 의하여 위치가 변경되는 돌출수단 사용으로 나노섬유방사 위치를 콘트롤하여 Substrate에 섬유가 균일하게 쌓이도록 한다.
도 4를 참조하면, 전기방사회전체(110) 표면은 돌기(121) 들이 분포되어 있다. 돌기(121)들은 열을 지어 분포되어있고, 각 열들의 돌기들은 서로 어긋나게 분포된다. 전기방사시 전기방사회전체(110)의 회전에 의하여 서로 어긋나게 분포된 돌기(121)들은 Substrate에 섬유가 균일하게 쌍이도록 한다.
도 5를 참조하면, 전기방사회전체(111)는 실린더 형태로 구성되어 있고, 내부에서 외부로 공기를 내보낼 수 있게 다공성으로 구성되어있다. 전기방사회전체(111) 내부에는 전기방사회전체(111) 표면에 기포(122)를 생성시킬 수 있고, 그 기포(122)의 위치를 제어할 수 있는 기포제어수단(155)이 구비되어 있다. 전기방사회전체(111) 표면에 도포되어 있는 전기방사용액은 기포(122)에 의해 돌출되고 고 전압이 인가된 상태에서 전기방사되고 나노섬유화 되어 Substrate에 부착되게 된다. 기포제어수단(155)은 기포(122)를 제어하여 전기방사 나노섬유 발생 패턴을 제어하여 목표하는 섬유를 제조할 수 있게 해준다.
도 6을 참조하면 전기방사회전체(112)는 실린더 형태로 구성되어 있고, 자기장의 통과를 방해하지 않는 재질로 구성되어 있다. 전기방사회전체(112) 내부에는 전기방사회전체(112) 표면는 자성체(124)가 분포되어 있고, 자성체(124)의 위치를 제어할 수 있는 자기장제어수단(160)이 구비되어 있다. 전기방사회전체(112) 표면에 도포되어 있는 전기방사용액은 자성체(124)에 의해 돌출되고, 고 전압이 인가된 상태에서 전기방사되고, 나노섬유화 되어 Substrate에 부착되게 된다. 자기장제어수단(160)은 자성체(124)의 위치를 제어하여 전기방사 나노섬유 발생 패턴을 제어하여 목표하는 섬유를 제조할 수 있게 해준다.
도 7을 참조하면 전기방사회전체(113)는 실린더 형태로 구성되어 있고, 탄성파에 의해 표면이 돌기되는 재질로 구성되어 있다. 전기방사회전체(113) 내부에는 전기방사회전체(113) 표면에 분포되어 있는 탄성파돌기(126)의 위치를 제어할 수 있는 탄성파제어수단(170)이 구비되어 있다. 탄성파제어수단(170)은 전기방사회전체(113) 내면에 충격파를 줌으로써 전기방사회전체(110) 표면에 탄성파돌기(126)를 발생시킬 수 있다. 또는 전기방사회전체(110) 표면에 도포된 전기방사용액에 직접적으로 충격을 가하여 전기방사용액 표면이 돌출되게 할 수 있다. 전기방사회전체(113) 표면에 도포되어 있는 전기방사용액은 탄성파돌기(126)에 의해 돌출되고, 고 전압이 인가된 상태에서 전기방사되고, 나노섬유화 되어 Substrate에 부착되게 된다. 탄성파제어수단(170)은 탄성파돌기(126)의 위치를 제어하여 전기방사 나노섬유 발생 패턴을 제어하여 목표하는 섬유를 제조할 수 있게 해준다.
도 8은 본 발명의 선택적 전자기파 조사 방법에 대한 설명도로써 상기 도 1의 전기방사장치에 파장1을 조사하는 전자기파조사수단1(510)과 또 다른 파장2를 조사하는 전자기파조사수단2(520)이 추가되어 구성된다. 전기방사용액(140)은 고분자와 함께 적어도 1개 이상의 용매가 들어있게 된다. 본 발명에서는 2종류의 용매가 존재하는 경우에 대해서 설명한다. 전기방사용액(140)은 나노섬유를 구성하는 소재와 파장1에 대한 흡수도가 높아서 빨리 증발하는 용매1, 파장2에 대한 흡수도가 높아서 빨리 증발하는 용매2로 구성되어 있다. 전기방사가 개시되면 소재, 용매1, 용매2가 공간상에 방사되고, 용매1과 용매2가 급격히 휘발되면서 나노섬유(145)로 분화되게 된다. 이때 전자기파조사수단1(510)에 의해 파장1을 조사하게 되면 용매1이 파장1을 흡수하여 급속하게 휘발되어 나노섬유(145) 분화를 더욱 더 촉진한다. substrate(300)에 나노섬유가 콜렉팅된 후 전자기파조사수단2(520)에 의해 파장2을 조사하게 되면 용매2이 파장2을 흡수하여 급속히 휘발되게 된다. 파장1, 파장2의 조사구역을 조절하여 서로 간섭하지 않고 조사를 진행하게 하는 것이 바람직하다. 이와같은 선택적 전기방사방법은 저온조건으로 방사노즐을 유지함으로써 아직 대기 중인 방사용액의 용매 휘발을 최소화함으로써 용액의 점도변화 등을 최소화하여 전기방사 나노섬유의 품질을 균일하게 할 수 있다.
본 발명의 파장1, 파장2, 전자기파조사수단1(510), 전자기파조사수단2(520)는 본 발명을 설명하기 위한 것일뿐 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다. 필요시 적어도 1개 이상의 전자기파를 조사하여 전기방사 나노섬유 제조에 활용할 수 있음은 통상적인 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110,111,112,113 : 전기방사회전체 120 : 돌출수단
130 : 블레이드 140 : 전기방사용액
145 : 전기방사섬유 150 : 세척수단
200 : 용액주입장치 210 : 용액주입노즐
220 : 용액공급통 225 : 용액공급선
230 : 점도회생수단 235 : 회생용액공급선
240 : 회수용액통 245 : 회수용액공급선
300 : 전기방사섬유부착부 400 : 고전압공급장치
410 : 콜렉터

Claims (12)

  1. 전기방사를 개시하는 회전하는 전기방사회전체, 고전압공급장치, 콜렉터, 용액공급시스템으로 구성된 전기방사장치에 있어서,
    상기 전기방사회전체 표면에 생성되어 방사용액 돌출위치를 제어할 수 있는 방사용액 돌출수단;
    상기 전기방사회전체 표면의 전기방사 후 전기방사용액을 제거하는 블레이드;
    상기 전기방사회전체 표면에 전기방사용액을 고르게 도포하는 용액주입노즐, 용액주입장치, 점도회생수단, 용액공급통으로 구성된 용액공급시스템;으로 구성된 전기방사장치
  2. 제 1항에 있어서 용액공급시스템이 적어도 하나 이상의 용액을 공급할 수 있게 적어도 하나 이상의 용액주입노즐, 용액주입장치, 점도회생수단, 용액공급통으로 구성된 것을 특징으로 하는 전기방사장치
  3. 제 1항에 있어서 방사용액 돌출수단이 기포 발생위치를 제어하는 기포제어수단으로 , 다공성을 갖는 전기방사회전체 표면에 기포를 생성하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기방사장치
  4. 제 1항에 있어서 방사용액 돌출수단이 자성체의 위치를 제어하는 자기장제어수단으로 전기방사회전체 표면에 자성체위치 제어로 구성된 것을 특징으로 하는 전기방사장치
  5. 제 1항에 있어서 방사용액 돌출수단이 충격파의 발생 위치를 제어하는 탄성파제어수단으로 전기방사회전체 표면에 탄성파돌기를 생성하여 구성된 것을 특징으로 하는 전기방사장치
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항이 적어도 하나이상의 선택성 전자기파조사수단을 포함하여 구성된 전기방사장치
  7. 전기방사를 개시하는 회전하는 전기방사회전체, 고전압공급장치, 콜렉터, 용액공급시스템으로 구성된 전기방사장치를 활용한 전기방사방법에 있어서,
    용액공급통의 전기방사용액을 용액주입장치, 용액주입노즐을 활용하여 회전 중인 전기방사회전체 표면에 고르게 도포하는 단계;
    전기방사회전체 위에서 방사용액 돌출수단을 제어하여 전기방사구역에서 전기방사하는 단계;
    전기방사구역을 벗어난 후 전기방사회전체 표면에 남아있는 전기방사용액을 블레이드로 회수하는 단계;
    회수된 전기방사용액에 용매를 첨가하여 점도를 회생시킨 후 용액공급통에 제공하는 단계;로 이루어진 전기방사방법
  8. 제 7항에 있어서 전기방사회전체 표면에 전기방사용액을 도포하는 단계가 적어도 하나 이상의 전기방사용액을 순차적으로 전기방사회전체 표면에 도포하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 전기방사방법
  9. 제 7항에 있어서 방사용액 돌출수단을 통하여 전기방사하는 단계에서 전기방사회전체 내부에 구성된 기포제어수단에 의해 전기방사회전체 표면에 생성된 기포로 방사용액 돌출수단을 생성하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 전기방사방법
  10. 제 7항에 있어서 방사용액 돌출수단을 통하여 전기방사하는 단계에서 전기방사회전체 내부에 구성된 자기장제어수단에 의해 전기방사회전체 표면의 자성체를 위치제어하면서 방사용액 돌출수단을 생성하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 전기방사방법
  11. 제 7항에 있어서 방사용액 돌출수단을 통하여 전기방사하는 단계에서 전기방사회전체 내부에 구성된 탄성파제어수단에 의해 전기방사회전체 표면에 충격파 패턴을 만들고 위치 제어하면서 방사용액 돌출수단을 생성하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 전기방사방법
  12. 제 7항에 있어서 적어도 하나 이상의 선택성 전자기파를 조사하는 단계를 추가하여 구성된 것을 특징으로 하는 전기방사방법
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