KR102620413B1 - 열가소성 고분자 필라멘트를 이용한 용융 전기방사 나노섬유 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융 방식의 전기방사 나노섬유 제조장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존 고분자칩 형태의 원료가 아닌 미세 필라멘트화된 열가소성 고분자 필라멘트를 방사부에 직접 공급하여 순간 용융시켜 사용하는 방식을 적용함으로써, 원료공급부와 방사부 구조를 간편화,소형화 할 수 있고 소량의 원료로도 간편하게 용융 나노섬유를 제조할 수 있고 또한, 열가소성 고분자 필라멘트 원료의 공급량을 피더를 통해 정밀제어하고, 유도가열히팅 방식으로 순간적으로 소량의 필라멘트 원료만을 용융시켜 나노섬유를 제조함으로써, 크리닝 및 방사준비과정이 짧고 낮은 전압을 사용하여 보다 안전하게 용융전기방사를 구현할 수 있어 소량 다품종 고부가가치 나노섬유 제품화에 유리한 열가소성 고분자 필라멘트를 이용한 용융 전기방사 나노섬유 제조장치에 관한 것이다.

Description

열가소성 고분자 필라멘트를 이용한 용융 전기방사 나노섬유 제조장치{A MELT-ELECTRO SPINNING NANO FIBER MANUFACTURING APPARATUS USING A THERMOPLASTIC HIGH POLYMER FILAMENT}

본 발명은 용융 방식의 전기방사 나노섬유 제조장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존 고분자칩 형태의 원료가 아닌 미세 필라멘트화된 열가소성 고분자 필라멘트를 방사부에 직접 공급하여 순간 용융시켜 사용하는 방식을 적용함으로써, 원료공급부와 방사부 구조를 간편화,소형화 할 수 있고 소량의 원료로도 간편하게 용융 나노섬유를 제조할 수 있고 또한, 열가소성 고분자 필라멘트 원료의 공급량을 피더를 통해 정밀제어하고, 유도가열히팅 방식으로 순간적으로 소량의 필라멘트 원료만을 용융시켜 나노섬유를 제조함으로써, 크리닝 및 방사준비과정이 짧고 낮은 전압을 사용하여 보다 안전하게 용융전기방사를 구현할 수 있어 소량 다품종 고부가가치 나노섬유 제품화에 유리한 열가소성 고분자 필라멘트를 이용한 용융 전기방사 나노섬유 제조장치에 관한 것이다.

나노섬유는 부직포, 멤브레인, 블레이드 등의 제품에 사용되어, 생활용품, 농업용, 의류용, 산업용 등으로 널리 사용되고 있다. 구체적으로 인조피혁, 인조스웨이드, 생리대, 의복, 기저귀, 포장재, 잡화용 소재, 각종 필터 소재, 유전자 전달체의 의료용 소재, 방탄조끼 등의 국방용 소재 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

이러한 나노 섬유를 제조하는 방법으로 종래에는 전기 용액 방사 장치가 일반적으로 사용되고 있으며, 이는 고분자 용액에 표면장력 이상의 전압을 걸어주면 고분자 용액이 분사되고 전기장 내에서 유체의 불안정성이 증대되어 고분자 용액의 굽힙(bending)과 갈라짐(splitting) 등이 발생하여 나노화되면서 수집판 상에 섬유가 형성되는 것이다. 그러나, 상기 고분자 용액에 사용되는 용매는 주로 디메틸폼아마이드(DMF) , 솔벤트 등으로, 상기 솔벤트는 무색의 가솔린 냄새가 나는 액체로 고인화성이 있어 전기 스파크 등에 의한 화재발생의 문제점이 있으며, 증기 흡입시 현기증, 메스꺼움, 구토 등의 증상이 야기되며, 고농도 증기를 흡입할 경우 의식을 잃거나 실신하기도 하는 등 인체에 유해한 문제점이 있으며 또한, 상기 DMF는 간을 손상시킬 위험이 있고, 암을 유발할 수 있으며, 피부병을 일으키거나, 무기력증, 어지럼증, 두통, 복통, 메스꺼움, 구토, 변비 등의 증세를 유발시킬 수 있어 선진국에서는 그 사용이 규제되어 있는 유해물질이기 때문에, 이러한 전기 용액 방사 방식에서는 유해한 용매 사용으로 인한 다양한 문제점이 노출되고 있고 또한, 상기한 전기 용액 방사는 용매에 용해력이 있는 고분자만 사용이 가능하여 생산품질에 제한이 있고, 전기 인가시 용매로 인한 폭발의 위험성이 있는 등의 문제점이 있었다.

이러한 전기 용액 방사의 문제점을 개선하고자 최근에는 용매를 사용하지 않고 고분자를 용융시켜 방사하는 전기 용융 방사 장치가 개발되고 있다.

그러나, 이러한 전기 용융 방사에 적용되는 기존 장치들의 경우, 원료가 고분자칩 형태로 투입되고, 이를 가열하기 위한 가열수단, 용융된 원료가 이송되는 구성 및 이를 저장되는 챔버(탱크)와 같은 별도의 구성을 필요로 하여 원료공급부와 방사부의 구조가 복잡함은 물론 큰 부피를 차지하게 된다. 또한, 고분자칩 형태 원료의 용융 과정에서 높은 온도로 가열을 하여야 하고 이를 위해 고전압을 사용하면서 압출기 구동모터가 고전압에 의해 손상되거나 이를 방지하기 위해 별도의 절연 및 내열 설계가 반영되어야 하므로 전체적인 제조비용이 상승하게 되는 문제를 야기하게 된다.

<특허문헌>

등록특허 제10-2022033호(2019.09.18 공고) "전기 용융 방사 장치"

등록특허 제10-1846823호(2018.04.09 공고) "나노파이버 대량생산 용융전기방사장치 및 무용매 용융전기방사방법"

상기 <특허문헌>에 개시된 종래 기술들 역시, 기존 전기 용액 방사의 문제점을 개선하기 위해 개발된 전기 용융 방사 장치에 관한 특허들인데, 상기 <특허문헌>들에 개시된 전기 용융 방사 장치의 구조 역시, 앞서 언급한 고분자칩 형태의 원료를 용융, 이송, 저장 및 절연을 위한 구조를 갖는 것은 기존 구조와 동일한 바(도 1을 참조하면, 상기 033특허에서 폴리머칩 투입구(12) 및 용융로(10) 구성과, 도 2를 참조하면, 상기 823특허에서 고분자폴리머칩을 투입하는 투입구(110), 폴리머멜트를 이송하는 스크류(130) 및 복수개의 가열부를 포함하는 용융압출고분자공급부(100) 구성), 이와 같은 기존 전기 용융 방사 장치가 갖는 원료공급부와 방사부의 구조가 복잡하고 큰 부피를 차지하며 별도의 절연설계 등을 위한 제조비용 상승 문제를 해결할 수 있는 새로운 구성,구조를 갖는 장치에 대한 필요성이 증대되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,

본 발명의 목적은, 기존 고분자칩 형태의 원료가 아닌 미세 필라멘트화된 열가소성 고분자 필라멘트를 방사부에 직접 공급하여 순간 용융시켜 사용하는 방식을 적용함으로써, 원료공급부와 방사부 구조를 간편화,소형화 할 수 있고 소량의 원료로도 간편하게 용융 나노섬유를 제조할 수 있는 새로운 구조의 용융전기방사 나노섬유 제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 열가소성 고분자 필라멘트 원료의 공급량을 피더를 통해 정밀제어하고, 유도가열히팅 방식으로 순간적으로 소량의 필라멘트 원료만을 용융시켜 나노섬유를 제조함으로써, 크리닝 및 방사준비과정이 짧고 낮은 전압을 사용하여 보다 안전하게 용융전기방사를 구현할 수 있어 소량 다품종 고부가가치 나노섬유 제품화에 유리한 용융전기방사 나노섬유 제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 원료공급부와 방사부 사이에 별도의 냉각부 구성을 통해 방사부에서의 열이 원료공급부로 전달되는 것을 차단시켜 미세 필라멘트화된 열가소성 고분자 필라멘트가 방사부로 공급되기 전까지는 용융되지 않고 안정적으로 방사부에 공급될 수 있도록 하는 용융전기방사 나노섬유 제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 원료공급부와 방사부 구조가 간편화,소형화됨으로써, 이를 모듈 형태로 가로 및/또는 세로 방향으로 다수 배열하는 형태로 구현함으로써 대면적 대량 나노섬유 제품화에도 적용할 수 있는 용융전기방사 나노섬유 제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 열가소성 고분자 필라멘트를 이용한 용융 전기방사 나노섬유 제조장치는, 열가소성 고분자 원료가 투입되는 원료공급부; 상기 원료공급부에서 공급된 원료를 용융시켜 노즐을 통해 방사하는 방사부; 및 노즐을 통해 방사되는 나노섬유를 수집하는 컬렉터부;를 포함하며, 상기 열가소성 고분자 원료는 노즐의 직경에 따라 맞춤형으로 필라멘트화되어 길고 연속적으로 공급되는 열가소성 고분자 필라멘트인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 있어서 상기 방사부는, 노즐 입구까지 직접적으로 연결되어 공급되는 열가소성 고분자 필라멘트를 비접촉 유도가열 히팅방식으로 용융시키는 유도가열히팅부와, 상기 노즐과 컬렉터부 사이에 전압을 인가하는 전원제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 있어서 상기 원료공급부는, 필라멘트화되어 길고 연속적으로 공급되는 열가소성 고분자 필라멘트의 공급속도 또는 공급량을 정밀제어하는 필라멘트피더를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 있어서 상기 원료공급부는, 상기 필라멘트피더와 유도가열히팅부 사이에 형성되어 유도가열히팅부에서 발생한 열이 원료공급부로 전달되는 것을 방지하는 냉각부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 있어서 상기 냉각부는, 별도의 팬을 포함하는 냉각핀으로 형성되어 유도가열히팅부에서 발생하여 상부로 향하는 열을 급속 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 있어서 상기 방사부는, 나노섬유가 방사되는 노즐을 다양한 방향으로 움직일 수 있도록 하는 틸팅부를 추가로 포함하여, 균일한 나노섬유를 제조할 수 있게 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 용융 전기방사 나노섬유 제조장치는 상기 원료공급부와 방사부가 하나의 모듈을 형성하고, 상기 모듈을 가로방향 또는 세로방향으로 복수 개 인접하여 배열하고 연결 및 구동함으로써, 대면적 대량 나노섬유 제품을 제조할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은, 기존 고분자칩 형태의 원료가 아닌 미세 필라멘트화된 열가소성 고분자 필라멘트를 방사부에 직접 공급하여 순간 용융시켜 사용하는 방식을 적용함으로써, 원료공급부와 방사부 구조를 간편화,소형화 할 수 있고 소량의 원료로도 간편하게 용융 나노섬유를 제조할 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명은, 열가소성 고분자 필라멘트 원료의 공급량을 피더를 통해 정밀제어하고, 유도가열히팅 방식으로 순간적으로 소량의 필라멘트 원료만을 용융시켜 나노섬유를 제조함으로써, 크리닝 및 방사준비과정이 짧고 낮은 전압을 사용하여 보다 안전하게 용융전기방사를 구현할 수 있어 소량 다품종 고부가가치 나노섬유 제품화에 유리한 효과를 갖는다.

본 발명은, 원료공급부와 방사부 사이에 별도의 냉각부 구성을 통해 방사부에서의 열이 원료공급부로 전달되는 것을 차단시켜 미세 필라멘트화된 열가소성 고분자 필라멘트가 방사부로 공급되기 전까지는 용융되지 않고 안정적으로 방사부에 공급될 수 있도록 하는 효과를 갖는다.

본 발명은, 원료공급부와 방사부 구조가 간편화,소형화됨으로써, 이를 모듈 형태로 가로 및/또는 세로 방향으로 다수 배열하는 형태로 구현함으로써 대면적 대량 나노섬유 제품화에도 적용할 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 종래기술인 033특허의 구조도
도 2는 종래기술인 823특허의 구조도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 전기방사 나노섬유 제조장치의 구성 블럭도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 전기방사 나노섬유 제조장치의 참고도
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 용융 전기방사 나노섬유 제조장치의 참고도

이하에서는 본 발명에 따른 열가소성 고분자 필라멘트를 이용한 용융 전기방사 나노섬유 제조장치의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 기술자가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 동일하고 만약 본 명세서에 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 또한 명세서에 기재된 "...부", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열가소성 고분자 필라멘트를 이용한 용융 전기방사 나노섬유 제조장치는, 열가소성 고분자 원료가 투입되는 원료공급부(10); 상기 원료공급부(10)에서 공급된 원료를 용융시켜 노즐(310)을 통해 방사하는 방사부(30); 및 노즐(310)을 통해 방사되는 나노섬유를 수집하는 컬렉터부(50);를 포함하며, 상기 열가소성 고분자 원료는 노즐(310)의 직경에 따라 맞춤형으로 필라멘트화되어 길고 연속적으로 공급되는 열가소성 고분자 필라멘트(1)인 것을 특징으로 한다.

상기 원료공급부(10)는, 본 발명의 용융 전기방사 나노섬유 제조장치를 통해 나노섬유를 제조하기 위한 용융 가능한 열가소성 고분자 원료를 공급하는 구성으로, 앞서 종래기술의 문제점으로 언급한 바와 같이, 종래 용융방사 타입의 전기방사장치에서는 원료가 고분자칩 형태로 투입되고, 이를 가열하기 위한 가열수단, 용융된 원료가 이송되는 구성 및 이를 저장되는 챔버(탱크)와 같은 별도의 구성을 필요로 하기 때문에 원료공급하기 위한 구성에서부터 방사부까지의 구조가 복잡함은 물론 큰 부피를 차지하게 되며 또한, 고분자칩 형태 원료의 용융 과정에서 높은 온도로 가열을 하여야 하는 히터 내지는 용융된 원료를 이송시키는 압축기 등이 전기방사 특성상 고전압에 의해 손상되기 쉽고, 이를 방지하기 위해 별도의 절연 및 내열 설계가 반영되어야 하므로 전체적인 제조비용이 상승되었던 바, 본 발명에서는 나노섬유 제조를 위해 투입되는 열가소성 고분자 원료를 노즐(310)의 직경에 따라 맞춤형으로 필라멘트화되어 길고 연속적으로 공급되는 열가소성 고분자 필라멘트(1)로 형성하여 공급하는 것을 특징으로 한다.

이를 위해 상기 원료공급부(10)는 필라멘트화되어 길고 연속적으로 공급되는 열가소성 고분자 필라멘트(1)의 공급속도 또는 공급량을 정밀제어하는 필라멘트피더(110)를 포함하게 되는데, 상기 필라멘트피더(110)는 가늘고 길게 필라멘트화되어 길고 연속적으로 공급되는 열가소성 고분자 필라멘트(1)가 후술할 방사부(30)의 노즐(310)에 공급되는 공급속도 등을 정밀제어하여 방사되는 나노섬유 양에 따른 원료의 공급량을 정밀하게 제어하게 된다. 이를 위해 상기 필라멘트피더(110)는 가늘고 길게 연속되어 이어져 공급되는 열가소성 고분자 필라멘트(1)의 공급방향에 따라 공급속도 등을 정밀하게 제어가능한 피딩롤러(feeding roller), 피딩모터, 제어컨트롤러 등이 활용될 수 있다.

이와 같이, 나노섬유 제조를 위해 원료를 용융 방사하는 노즐(310) 직경에 맞춰(노즐(310) 입구의 직경에 비례하여) 0.1~수 mm 크기 정도의 직경으로 가늘면서 연속적으로 길게 공급되는 열가소성 고분자 필라멘트(1)는 상기 필라멘트피더(110)에 의해 노즐(310) 입구측으로 바람직하게는 일직선 형태로 공급되며 그 공급되는 공급속도 등이 정밀제어되어 노즐(310)을 통해 방사되는 나노섬유 양에 따라 그 공급량이 정밀제어되게 된다. 또한, 방사과정 종료 후 남는 열가소성 고분자 필라멘트(1)에 대한 회수가 용이하고 향후 다시 재사용이 가능하므로 원료의 낭비가 최소화될 수 있다.

일 예로, 상기 열가소성 고분자 필라멘트(1)는 생체적합성과 생분해성이 우수하여 의료용 고분자소재를 활용되는 PCL(Poly-CaproLactone)을 1.75mm 직경으로 가늘고 길게 필라멘트화하여 활용될 수 있는데, 이와 같은 고가의 의료용 고분자를 본 발명에서와 같이 필라멘트화하여 원료로 공급하게 되면, 소량으로도 노즐(310)에 직접 제공되어 용융 방사되어 제품화가 가능하고, 방사되지 못하고 용융된 상태로 버려지거나 낭비되는 원료의 양이 최소화(용융 전 상태로 남은 열가소성 고분자 필라멘트(1)는 회수 후 재사용이 가능)되므로, 특히 의료용 등 고가의 소량 다품종 고부가가치 나노섬유 제품화에 적합하다.

상기 방사부(30)는, 상기 원료공급부(10)에서 공급된 원료를 용융시켜 노즐(310)을 통해 방사하는 구성으로, 특히 본 발명에서는 필라멘트화되어 방사부(30)에 직접 연결,공급되는 열가소성 고분자 필라멘트(1)를 노즐(310) 전단에서(즉, 노즐(310)로 방사되기 직전에) 순간 용융시켜 방사시키는 구조를 특징으로 하는 바, 이를 위해 상기 방사부(30)는 노즐(310) 입구까지 직접적으로 연결되어 공급되는 열가소성 고분자 필라멘트(1)를 비접촉 유도가열 히팅방식으로 용융시키는 유도가열히팅부(320)와, 상기 노즐(310)과 컬렉터부(50) 사이에 전압을 인가하는 전원제어부(330)를 포함할 수 있다.

상기 유도가열히팅부(320)는, 노즐(310) 입구까지 직접적으로 연결되어 공급되는 열가소성 고분자 필라멘트(1)를 노즐(310)을 통해 방사되기 전에 용융상태로 변환시키는 구성으로, 특히 상기 유도가열히팅부(320)는 공급되는 열가소성 고분자 필라멘트(1)를 노즐(310)을 통해 방사되기 전에 용융상태로 변환시킬 수 있도록 비접촉 유도가열 히팅방식을 적용할 수 있다. 즉, 일 예로, 노즐(310) 주위를 비접촉 형태로 둘러싸는 가열 코일과 상기 가열 코일에 고주파 전류를 인가 및 제어하는 구성을 통해, 노즐(310) 및 노즐(310) 입구를 150℃ 내외로 순간 유도가열함으로써, 노즐(310) 입구까지 직접적으로 연결되어 공급된 열가소성 고분자 필라멘트(1)가 노즐(310)을 통해 방사되기 전에 순간적으로 용융상태로 변환되어 노즐(310)을 통해 방사되게 된다. 즉, 본 발명에서는 전기방사를 위해 공급되는 고분자원료가 가늘고 길게 필라멘트화되어 노즐(310) 입구에 공급되기 때문에 노즐(310) 주위에서 유도가열히팅부(320) 구성만을 통해 짧은 구간에서 순간적으로 열가소성 고분자 필라멘트(1)를 용융시켜 방사할 수 있게 된다.

이때, 상기 원료공급부(10)는, 상기 필라멘트피더(110)와 유도가열히팅부(320) 사이에 형성되어 유도가열히팅부(320)에서 발생한 열이 원료공급부(10)로 전달되는 것을 방지하는 냉각부(120) 구성을 추가로 포함할 수 있다. 즉, 노즐(310) 주위에서 원료를 용융시키기 위한 유도가열히팅부(320)의 열이 그 상측으로 전달되게 되면, 가늘고 길게 미세화되어 있는 열가소성 고분자 필라멘트(1)의 변형 등을 초래할 수 있게 되고 이는 원료공급부(10)에서의 열가소성 고분자 필라멘트(1) 공급량 등에 대한 정밀제어가 어려워질 수 있는 등의 문제를 야기할 수 있는바, 이를 방지하기 위해 유도가열히팅부(320) 상측의 상기 냉각부(120) 구성을 통해 발생한 열이 상측 즉, 유도가열히팅부(320) 상측으로는 전달되지 않게 차단시키게 된다.

이를 위해, 상기 냉각부(120)는 바람직하게는 별도의 팬(fan)(미도시)을 포함하는 냉각핀으로 형성될 수 있다. 즉, 냉각핀 형태로 방열되는 면적을 최대화하여 냉각 효율을 높임은 물론 추가적으로 냉각 효율을 증대시키기 위한 팬(fan) 구성을 통해 유도가열히팅부(320)에서 발생하여 상부로 향하는 열을 효율적으로 급속 냉각시켜, 유도가열히팅부(320) 상측에서는 열가소성 고분자 필라멘트(1)에 열전달로 인한 문제가 발생되지 않도록 할 수 있다.

한편, 상기 노즐(310) 주위에는 고온의 에어(hot-air)를 공급하여 노즐 주위에서 분사시키는 구성(미도시)이 추가로 포함될 수 있는데, 노즐(310)을 통해 방사되는 나노섬유의 연신 및 굵기 조절을 가능케 하는 에어블로윙(air-blowing)을 위해 노즐(310) 주변에서 노즐(310)을 통해 나노섬유가 방사되는 방향으로 200℃ 내외의 고온의 공기를 분사시키는 관로를 형성시키는 형태의 구조를 적용할 수 있다.

상기 전원제어부(330)는, 상기 노즐(310)과 컬렉터부(50) 사이에 전압(일 예로, 30kV 내외의 전압)을 인가하여 노즐(310)에 전기장을 인가하는 구성으로, 전기장을 노즐(310)에 인가하면 노즐(310)을 통해 용융된 상태로 방출되는 고분자 원료가 방사되어 나노섬유가 형성되고 방사된 나노섬유는 후술할 컬렉터부(50)에 집전되어 제품화되게 된다. 특히, 본 발명에서는 가늘고 길게 필라멘트화된 원료인 열가소성 고분자 필라멘트(1)를 사용함으로써, 원료공급부(10)와 방사부(30)에 원료의 용융을 위한 구성이 노즐(310) 주위의 상기 유도가열히팅부(320)로 단순화되었기 때문에, 기존 용융방사 구조(고분자칩 형태 원료의 용융, 이송, 저장 등 과정에서의 가열을 위한 구성 등) 대비 상대적으로 낮은 전압을 적용할 수 있게 됨으로, 보다 안전하게 용융전기방사 시스템을 적용할 수 있게 된다.

한편, 상기 방사부(30)는, 추가적으로 나노섬유가 방사되는 노즐(310)을 다양한 방향으로 움직일 수 있도록 하는 틸팅부(340)를 포함하여, 균일한 나노섬유를 제조할 수 있게 할 수 있다. 즉, 나노섬유가 방사되는 노즐(310) 자체를 고정된 상태가 아닌 필요에 따라 좌우 또는 전후 등 다양한 방향으로 주기적으로 움직일 수 있게 틸팅부(340)를 형성하게 되면, 방사된 나노섬유가 집진되는 과정에서 집전판에 보다 균일하게 적층될 수 있게 되는바, 상기 틸팅부(340)는 노즐(310)을 포함한 방사부(30) 자체에 대해 움직임을 가하거나 또는 방사부(30)와 원료공급부(10)를 포함한 전체에 대해 움직임을 가하는 형태 등으로 다양한 방향전환이 가능하게 할 수 있다.

상기 컬렉터부(50)는, 노즐(310)을 통해 방사되는 나노섬유를 집전,수집하는 구성으로, 특히 본 발명에서는 금속 재질의 집전판 상에 방사되는 나노섬유를 집전,적층하면서 상기 집전판 하부에 별도의 석션부(air-suction)(미도시) 구성을 통해, 노즐(310)을 통해 방사되는 나노섬유를 효율적으로 집전판으로 적층시키면서 나노섬유의 굵기 등에 대한 조절도 가능케 하는 기능도 수행할 수 있다. 노즐(310)과 상기 컬렉터부(50) 사이의 간격은 제품화되는 나노섬유 종류에 따라 다변화될 수 있는데, 대략 수십cm 내외의 간격이 바람직하다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 용융 전기방사 나노섬유 제조장치는, 기존 고분자칩 형태의 원료가 아닌, 미세 필라멘트화된 열가소성 고분자 필라멘트(1)를 방사부(30)에 직접 공급하여 노즐(310) 주위에서 순간 용융시켜 방사하는 방식을 적용함으로써, 원료공급부(10)와 방사부(30) 구조를 간편화,소형화 할 수 있고 소량의 원료로도 간편하게 용융 나노섬유를 제조할 수 있고 특히, 열가소성 고분자 필라멘트(1) 원료의 공급량을 필라멘트피더(110)를 통해 정밀제어하고, 유도가열히팅 방식으로 순간적으로 소량의 필라멘트 원료만을 용융시켜 나노섬유를 제조함으로써, 크리닝 및 방사준비과정이 짧아 소량 다품종 고부가가치 나노섬유 제품화에 특히 유리하고 또한, 기존 대비 상대적으로 낮은 전압을 사용하여 용융전기방사를 구현할 수 있어 보다 안전하게 작업할 수 있는 특징을 갖게 된다.

한편, 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 용융 전기방사 나노섬유 제조장치는, 상기 원료공급부(10)와 방사부(30)를 하나의 모듈 형태로 형성하고, 상기 모듈을 가로방향 및/또는 세로방향으로 복수 개 인접하여 배열하고 연결 및 구동함으로써, 간편하고 효율적으로 대면적 대량 나노섬유 제품도 제조할 수 있게 장치를 형성할 수 있다.

즉, 기존의 용융 전기방사 장치들에서는 대면적 생산,제조를 위해 노즐을 복수개 형성하여야 하는 경우, 용융된 원료를 복수의 노즐로 분기시키기 위한 별도의 분기관로 구성 등을 형성하여야 하기 때문에 단수 노즐로 사용하다가 복수 노즐로 형성하거나 또는 그 반대의 경우에 있어서 장치 자체에 대한 대규모 변경,분해,재조립 과정 등을 수반하여야 하기 때문에 장시간 및 많은 비용이 소요될 수밖에 없고, 다른 예로 복잡한 구조의 원료공급부와 방사부를 모듈화하여 복수 개 인접하여 배열시켜 연결 및 구동시키는 것은 매우 비효율적이어서 적용이 어려운 한계를 갖었던 반면, 본 발명에서는 가늘고 긴 열가소성 고분자 필라멘트(1)를 원료로 공급하고 그에 따라 간단한 구조의 원료공급부(10)와 방사부(30)를 하나의 모듈화하여 복수의 모듈을 연결 및 구동하는 것 역시 간단하게 수행될 수 있는바, 도 5에서 도시된 예에서와 같이, 모듈화된 원료공급부(10)와 방사부(30) 모듈들을 일렬로 서로 인접하게 배열한 후 각각의 모듈들에 대해 각각 열가소성 고분자 필라멘트(1) 원료만 공급하게 되면, 해당 복수의 모듈들에 대한 동시 구동을 통해 대면적 대량 나노섬유 제품화가 가능하게 되며, 이러한 복수 모듈들에 대한 연결 및/또는 연결해제는 간편하고 효율적으로 이루어질 수 있게 된다.

이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

1: 열가소성 고분자 필라멘트
10: 원료공급부 110: 필라멘트피더
120: 냉각부
30: 방사부 310: 노즐
320: 유도가열히팅부 330: 전원제어부
340: 틸팅부
50: 컬렉터부

Claims (7)

1. 열가소성 고분자 원료가 투입되는 원료공급부;
   상기 원료공급부에서 공급된 원료를 용융시켜 노즐을 통해 방사하는 방사부; 및
   노즐을 통해 방사되는 나노섬유를 수집하는 컬렉터부;를 포함하며,
   상기 열가소성 고분자 원료는 노즐의 직경에 따라 맞춤형으로 필라멘트화되어 길고 연속적으로 공급되는 단일 열가소성 고분자 필라멘트이고,
   상기 방사부는, 노즐 입구까지 직접적으로 연결되어 공급되는 열가소성 고분자 필라멘트를 비접촉 유도가열 히팅방식으로 용융시키는 유도가열히팅부와, 상기 노즐과 컬렉터부 사이에 전압을 인가하는 전원제어부와, 균일한 나노섬유를 제조할 수 있도록 나노섬유가 방사되는 노즐을 다양한 방향으로 움직일 수 있도록 하는 틸팅부를 포함하고,
   상기 원료공급부는, 필라멘트화되어 길고 연속적으로 공급되는 열가소성 고분자 필라멘트의 공급속도 또는 공급량을 정밀제어하는 필라멘트피더와, 상기 필라멘트피더와 유도가열히팅부 사이에 형성되어 유도가열히팅부에서 발생한 열이 원료공급부로 전달되는 것을 방지하는 냉각핀 형태로 형성되는 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 고분자 필라멘트를 이용한 용융 전기방사 나노섬유 제조장치.
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