KR102633454B1 - 나노섬유 필라멘트의 제조장치 및 이를 이용한 제조방법 - Google Patents
나노섬유 필라멘트의 제조장치 및 이를 이용한 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 전압이 걸려 있는 방사기구를 통해서 방사용액을 전기방사하되, 수평면과 경사진 각도를 이루며 회전하는 컬렉터 표면을 향하여 분사하고, 상기 컬렉터 표면을 따라 에어를 분사하되, 전기 방사된 나노섬유가 에어와 함께 컬렉터 하측 말단부로 이동되면서 분리되고 나노섬유 필라멘트 형태로 포집 권취되도록 하기 위해서 상기 에어는 상기 컬렉터의 외주면에 대해서 접선방향과 하향방향을 겸하여 분사하도록 하는 나노섬유 필라멘트 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
본원 발명은, (ⅰ) 전기방사에 의하여 전압이 걸린 원통형의 제1컬렉터(220)의 외주면을 향하여 고분자용액을 방사하는 1 단계(S 1); (ⅱ) 상기 제1컬렉터(220)의 외주면 상단부에 구비된 공기분사수단(300)에 의해서 하단부를 향하여 공기를 분사하는 2 단계(S 2); (ⅲ) 상기 분사된 에어에 의해 상기 방사된 나노섬유가 회전하는 상기 제1컬렉터(220)의 외주면에서 이격 분리되어 제1컬렉터를 따라서 상부에서 하부로 이동되게 되면서 상호 꼬아지는 3 단계(S 3); 및 (iv) 꼬아진 나노섬유들을 회전하는 제2컬렉터(420)에 의해서 잡아당기면서 권취함으로써 나노섬유가 상호 꼬인 상태이면서(twisted) 동시에 인장력이 부여되어 나노섬유 필라멘트가 만들어지는 4 단계(S 4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 필라멘트의 제조방법이다.
본원 발명은, (ⅰ) 전기방사에 의하여 전압이 걸린 원통형의 제1컬렉터(220)의 외주면을 향하여 고분자용액을 방사하는 1 단계(S 1); (ⅱ) 상기 제1컬렉터(220)의 외주면 상단부에 구비된 공기분사수단(300)에 의해서 하단부를 향하여 공기를 분사하는 2 단계(S 2); (ⅲ) 상기 분사된 에어에 의해 상기 방사된 나노섬유가 회전하는 상기 제1컬렉터(220)의 외주면에서 이격 분리되어 제1컬렉터를 따라서 상부에서 하부로 이동되게 되면서 상호 꼬아지는 3 단계(S 3); 및 (iv) 꼬아진 나노섬유들을 회전하는 제2컬렉터(420)에 의해서 잡아당기면서 권취함으로써 나노섬유가 상호 꼬인 상태이면서(twisted) 동시에 인장력이 부여되어 나노섬유 필라멘트가 만들어지는 4 단계(S 4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 필라멘트의 제조방법이다.
Description
본 발명은 전압이 걸려 있는 방사기구를 통해서 방사용액을 전기방사하되, 수평면과 경사진 각도를 이루며 회전하는 컬렉터 표면을 향하여 분사하고, 상기 컬렉터 표면을 에어를 분사하여 전기 방사된 나노섬유가 에어와 함께 컬렉터 하측 말단부로 이동되면서 나노섬유 필라멘트 형태로 포집 권취되도록 하는 나노섬유 필라멘트 제조방법에 관한 것이다.
보통 섬유는 가래떡을 뽑아내듯이 0.12~0.2㎜ 크기의 구멍들 속으로 섬유원료를 밀어 넣고 높은 압력을 가해 긴 실을 만들어내는 반면 나노섬유는 고압 대신 전기장을 가해 뽑아내는데, 이를 전기방사(electrospinning)방식이라고 한다. 나노섬유는 용도에 따라 다양한 고분자물질을 원료로 사용하지만 실을 뽑아내는 방법은 대동소이하다. 방사원료인 고분자물질에 고전압 전기장을 걸면, 원료물질 내부에서 전기적 반발력이 생겨 분자들이 뭉치고 나노 크기의 실 형태로 갈라진다. 전기장이 강할수록 가늘게 찢어지기 때문에 방사조건에 따라서 10~1,000 나노미터의 직경의 나노섬유가 방사된다. 하지만, 일반적으로 방사된 나노섬유는 별도의 직조과정 없이 함께 모으기만 하면 마치 부직포와 같이 서로 얽혀 천이 된다.
현재 나노섬유 상용화가 가장 구체화하고 있는 분야는 생화학 방어의복 제조분야이고 최근에는 나노섬유를 이용한 구강 마스크의 제조에도 관심이 높다. 하지만, 전기방사 과정에서 전기방사되는 나노섬유가 노즐로부터 불규칙하게 분출되어 랜덤하게 쌓이기 때문에 이를 일정한 방향으로 균일하게 배열시켜서 필라멘트와 같은 실로의 형태로 만드는 것이 곤란하다.
종래기술로서 대한민국 특허공개공보 10-2015-0116492호에는 전기방사시 회전하는 컬렉터의 표면을 따라 액체(물)을 흘러내려 나노섬유 필라멘트 또는 나노섬유 3차원 구조체를 제조하는 방법을 개시하고 있으나, 실제 나노섬유들을 일방향으로 균일하게 배열하거나 나노섬유를 컬렉터의 표면으로부터 분리하기가 용이하지 않을 뿐만 아니라, 특히 물에 녹는 고분자 물질과 같이, 흘러 내리는 용액에 용해되는 친수성 고분자는 나노섬유로 제조되는데 한계가 있다.
또 다른 종래기술로서, 선행문헌 2에는 나노섬유를 방사한 뒤 2단계로 슬릿(slit)화 시켜 자른 다음 3단계로 꼬임을 주는 순차적인 단계의 나노섬유 필라멘트의 제조방법이 개시되어 있으나, 수동의 3단계 공정을 거치는 것으로서, 자동화시키기 어려운 문제점이 있었다.
본원 발명의 발명자는 이러한 문제점을 개선한 나노섬유 필라멘트의 제조장치 및 제조방법을 고안하게 되었다.
선행문헌 2 : Advanced Polymer Technology 32 (2013) E44-E52 와 Materials Letters 131 (2014) 128~131
본 발명의 과제는 나노섬유 필라멘트 등과 같은 나노섬유 구조체를 제조할 때 방사용액을 전기방사하여 얻은 나노섬유들을 컬렉터 표면으로부터 용이하게 분리할 수 있으면서, 방사된 나노섬유를 일방향으로 균일하게 배열함으로써 나노섬유 필라멘트 제조방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명의 과제는 방사하고자 하는 고분자용액의 종류와 무관하게 방사 및 컬렉팅이 가능한 나노섬유 필라멘트 제조방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 과제는 직조가 가능한 나노섬유 필라멘트를 제조할 수 있는 제조장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 나노섬유 필라멘트 제조방법은, 전기방사시 회전하는 컬렉터의 접선방향으로 에어가 강하게 분사되어 전기방사된 나노섬유가 회전하는 컬렉터 표면을 따라 나선방향으로 흘러내리면서 꼬아지도록 한 다음, 컬렉터 하측 말단부에서 컬렉터와 분리되어 필라멘트 형태로 권취되는 것이다.
바람직하게, 본원 발명의 나노섬유 필라멘트의 제조장치는,
고분자 방사용액을 전기적으로 방사하는 방사기구(100);
상기 방사기구로부터 방사되는 나노섬유를 컬렉팅하는 통상(筒狀)의 외표면을 가지며 구동수단에 중심축을 중심으로 회전되는 제1컬렉터(220);
상기 제1컬렉터(220)의 상부에는 상기 외주면을 따라서 상부에서 하부로 분사하는 노즐을 구비한 공기분사수단(300);
상기 제1컬렉터(220)의 하부에 구비되어 컬렉팅되는 나노섬유를 권취하는 제2컬렉터(400);를 포함하는 것이다.
한편, 본원 발명의 나노섬유 필라멘트의 제조방법은,
(ⅰ) 전기방사에 의하여 전압이 걸린 원통형의 제1컬렉터(220)의 외주면을 향하여 고분자용액을 방사하는 1 단계(S 1);
(ⅱ) 상기 제1컬렉터(220)의 외주면 상단부에 구비된 공기분사수단(300)에 의해서 하단부를 향하여 공기를 분사하는 2 단계(S 2);
(ⅲ) 상기 분사된 에어에 의해 상기 방사된 나노섬유가 회전하는 상기 제1컬렉터(220)의 외주면에서 이격 분리되어 제1컬렉터를 따라서 상부에서 하부로 이동되게 상호 꼬아지는 3 단계(S 3); 및
(iv) 상기 나노섬유가 상호 꼬인 상태(twisted)로 제2컬렉터(420)에 의해서 잡아당기면서 권취함으로써 동시에 인장력이 부여되어 나노섬유 필라멘트가 만들어지는 4 단계(S 4);를 포함하는 것이다.
본 발명은 공급되는 공기가 나선방향으로 회전하면서 제1컬렉터의 외주면을 따라서 스월(swirl)을 형성하면서 하방으로 방사된 나노섬유를 이동시키기 때문에 제1컬렉터의 하부에서 균일하게 배열되면서 꼬아질 뿐만 아니라, 꼬아진 나노섬유는 제1컬렉터 표면으로부터 용이하게 분리할 수 있게 되므로, 인장강도가 좋은 나노필라멘트가 권취되게 된다.
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본 발명은 공기분사수단을 구비하여 제1컬렉터의 외주면에 분사되도록 하기 때문에, 액체로 분리하는 종래기술과는 달리 나노섬유와 제1컬렉터 간의 분리장애 문제가 전혀 발생하지 아니하므로 나노섬유가 용이하게 제1컬렉터에서 분리가능하게 된다.
본 발명은 펄스와 같은 간헐적인 공기분사를 통해서 나노섬유의 분리 포집이 가능하게 되므로, 공기의 특성상 액체에 비하여 온오프의 간헐적 제어가 용이하며, 나노섬유의 분리포집 이후에 별도의 건조과정을 거칠 필요가 없는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나노섬유 필라멘트 제조장치의 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 공기분사장치의 개념도
도 3은 도 2를 적용한 본 발명에 따라 나노섬유 필라멘트 제조장치
도 4는 본 발명에 따른 방사기구에 의해서 전기방사된 나노섬유의 확대사진.
도 5는 본 발명에 따른 나노섬유 필라멘트 제조장치에 의해서 도 4의 나노섬유를 꼬아서 만든 나노섬유 필라멘트의 확대사진.
도 6는 본 발명에 의해서 제조된 나노섬유 필라멘트를 이용한 직조 사례.
도 2는 본 발명에 따른 공기분사장치의 개념도
도 3은 도 2를 적용한 본 발명에 따라 나노섬유 필라멘트 제조장치
도 4는 본 발명에 따른 방사기구에 의해서 전기방사된 나노섬유의 확대사진.
도 5는 본 발명에 따른 나노섬유 필라멘트 제조장치에 의해서 도 4의 나노섬유를 꼬아서 만든 나노섬유 필라멘트의 확대사진.
도 6는 본 발명에 의해서 제조된 나노섬유 필라멘트를 이용한 직조 사례.
이하, 본 발명의 나노섬유 필라멘트의 제조장치를 설명한다.
전압이 걸려 있는 방사기구를 통해서 고분자 방사용액을 방사한다. 방사기구는 일반적으로 공지된 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명의 나노섬유 필라멘트 제조장치는,
고분자 방사용액을 전기적으로 방사하는 방사기구(100);
상기 방사기구로부터 방사되는 나노섬유를 컬렉팅하도록 하방으로 테이퍼가 형성된 통상(筒狀)의 외표면을 가지며 구동모터에 의해 중심축을 중심으로 회전되는 제1컬렉터(220);
상기 제1컬렉터(220)의 외주면에 접선방향 및 하향으로 공기를 분사하는 공기분사노즐이 복수개 구비되는 공기분사수단(300);
상기 제1컬렉터(220)의 하부에 직교하는 방향으로 배치되어 상기 제1컬렉터의 하부로부터 흘러내려오는 방사된 나노섬유를 권취하는 제2컬렉터(400);를 포함하는 것이다.
바람직하게 상기 제1컬렉터(220)는 상하 수직방향으로 배치되는 반면, 상기 제2컬렉터(420)는 제1컬렉터(220)에 대해서 직교하도록 수평방향으로 배치된다. 이러한 배치에 의해서 회전하는 제1컬렉터(220)의 외주면을 따라서 접선방향으로 상부로부터 하부로 분사되는 공기의 흐름에 의해서 나노섬유는 제1컬렉터의 하부에서 모아지면서 상호 꼬아지면서 나노섬유 필라멘트를 형성하게 되고, 동시에 제2컬렉터(420)에 의해서 강한 인장력을 형성하면서 권취되게 된다.
구체적으로, 본 발명의 나노섬유 필라멘트 제조장치는,
고분자 방사용액을 전기적으로 방사하는 방사기구(100);
상기 방사기구로부터 방사되는 나노섬유를 컬렉팅하는 하방으로 테이퍼가 형성된 통상(筒狀)의 외표면을 가지며 구동모터에 의해 중심축을 중심으로 회전되는 제1컬렉터(220);
상기 제1컬렉터(220)의 외주면에 접선방향으로 공기를 분사하는 공기분사노즐이 복수개 구비되는 공기분사수단(300);
상기 제1컬렉터(220)의 하부에 직교하는 방향으로 배치되어 상기 제1컬렉터의 하부로부터 흘러내려오는 방사된 나노섬유를 권취하는 제2컬렉터(400);를 포함하는 것이다.
한편 구체적으로, 상기 공기분사수단(300)은, 압축공기를 제공하는 공기공급장치(310), 상기 공기공급장치로부터 제공되는 공기를 연결하는 튜브 형태의 공기공급관(320)이 구비되고, 복수개의 공기공급관은 플레이트의 공기통로(331~334)와 연결된다.
판상구조로 된 플레이트(330)로서, 상기 플레이트의 중앙부에는 중공부(340)를 구비하되, 상기 중공부에 상기 제1컬렉터(220)의 상부 외주면이 삽통되어 설치되며, 상기 플레이트(330)의 외측면으로부터 공급되어 상기 중공부(340) 방향으로 하향 경사지도록 공기통로(331~334)가 형성되어 분사되는 공기가 상기 제1컬렉터(220)의 상부 외주면으로부터 하부방향으로 회전하는 스월(swirl)을 형성한다.
본 제조장치를 이용한 나노섬유 필라멘트의 제조장법을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 나노섬유 필라멘트 제조방법은,
(ⅰ) 전기방사에 의하여 전압이 걸린 원통형의 제1컬렉터(220)의 외주면을 향하여 고분자용액을 방사하는 1 단계(S 1);
(ⅱ) 상기 제1컬렉터(220)의 외주면 상단부에 구비된 공기분사수단(300)에 의해서 하단부를 향하여 공기를 분사하는 2 단계(S 2);
(ⅲ) 상기 분사된 에어에 의해 상기 방사된 나노섬유가 회전하는 상기 제1컬렉터(220)의 외주면에서 이격 분리되어 제1컬렉터를 따라서 상부에서 하부로 이동되게 상호 꼬아지는 3 단계(S 3); 및
(iv) 상기 꼬아진 나노섬유들이 회전하는 제2컬렉터(420)에 의해서 잡아당기면서 권취함으로써 인장력이 부여되어 나노섬유 필라멘트가 만들어지는 4 단계(S 4);를 포함하는 것이다.
(ⅲ) 상기 분사된 에어에 의해 상기 방사된 나노섬유가 회전하는 상기 제1컬렉터(220)의 외주면에서 이격 분리되어 제1컬렉터를 따라서 상부에서 하부로 이동되게 상호 꼬아지는 3 단계(S 3); 및
(iv) 상기 꼬아진 나노섬유들이 회전하는 제2컬렉터(420)에 의해서 잡아당기면서 권취함으로써 인장력이 부여되어 나노섬유 필라멘트가 만들어지는 4 단계(S 4);를 포함하는 것이다.
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상기 제1컬렉터의 회전방향과 동일한 방향으로 분사되는 공기가 스월(swirl)을 형성하면서 상기 제1컬렉터의 외주면에 감싸도록 한다. 이를 위해서 상기 공기분사수단(300)은, 복수의 에어공급관이 상기 제1컬렉터(220) 외주면을 따라서 접선방향 및 하향으로 배치된다.
특히, 본 발명의 나노섬유 필라멘트 제조방법은, 상기 공기통로를 통해서 공기를 분사하게 될 때, 지속적인 공기분사보다는 일정한 펄스를 두고 간헐적으로 분사하는 것이 바람직하다. 펄기형태로 공기를 간헐적으로 분사하는 것은 방사된 나노섬유가 서로 뭉치도록 하는데 효과적이다. 그렇지 않고 지속적으로 공기를 분사하게 될 때, 방사된 나노섬유가 서로 뭉쳐서 꼬여지는 것을 방해하게 되기 때문이다.
바람직하게 상기 방사용 고분자 용액은 PCL, PP, PE, PET, PLA, PLLA, PVDF, nylon 6, viscose, PU, PVA, PMMA, 키토산, Keratin 섬유, 셀룰로오스계 섬유, 피치계 또는 PAN계의 고분자 용액으로부터 얻거나, 양모, 실크, 면, 마, 또는 재활용되는 자원(머리카락, 양모, 실크, 면, 마, 목재, 펄프), PAN섬유 및 피치계 섬유에서 선택된 어느 하나를 용해시킨 것이다.
<실시예 1> PAN계 나노섬유를 이용한 나노섬유 필라멘트의 제조
단계 1 : 전기방사기 Tip-to Collector Distance 15 cm, Voltage 15 kV, 온도와 습도는 25±2 ℃ / 50 ±2 %, Feeding rate 0.1 ml/min 의 조건으로 PAN 계 나노섬유를 방사한다.
- 다만, 전기방사 과정에서 전기방사되는 나노섬유는 불규칙하게 비산되면서 랜덤하게 움직이기 때문에 제1컬렉팅수단이 요구된다. 즉, 제1구동모터(210)의 구동에 의해서 회전하는 제1컬렉터(220)에 의해서 나노섬유를 일정한 방향으로 균일하게 배열하고, 또한 꼬아서 모아줄 필요가 있다. 상기 공기분사수단(300)에 의해서 방사된 나노섬유는 순차적으로 하부방향으로 흘러내리면서 일정한 방향으로 균일하게 배열되면서 회전하는 제1컬렉터(220)에 의해서 복수의 나노섬유가 꼬아지면서 필라멘트를 형성하게 된다. 즉 제1컬렉터(220)의 하측 말단부에서 흘러내리는 나노섬유 필라멘트를 제2컬렉팅수단에 의해서 권취한다. 즉, 제2구동모터에 의해서 회전하는 제2컬렉터(420)에 의해서 나노섬유 필라멘트를 포집 권취하여 필라멘트 형태로 형성한다. 나노섬유는 제2컬렉터의 회전속도(rpm)을 변화시켜 권취하거나 성형하여 나노섬유 필라멘트의 강도와 외관을 변화시킬 수 있다.
본원 발명은 컬렉터로부터 나노섬유를 분리하기 위해서 액체의 용매를 사용하지 않기 때문에 후처리(유기용매일 경우 유독하므로 그 유독한 성분을 제거하는 후처리, 물일 경우에도 말려야 하는 번거로움) 등이 있고 물을 사용하지 않으므로 물에 의한 쇼트발생이 없으며, 지속적인 공기분사가 아니라, 간헐적인 공기분사를 통해서 나노섬유의 분리 포집이 가능하게 되므로, 공기매체를 통해서 나노섬유를 분리포집하게 됨에 따라서 간헐적인 공기분사를 제어하는 것이 용이하게 된다.
100 : 방사기구
200 : 제1컬렉팅수단
210 : 제1구동모터
220 : 제1컬렉터
300 : 공기분사수단
310 : 공기공급장치
320 : 공기공급관
330 : 분사플레이트, 331 ~334 : 공기통로
340 : 중공부
400 : 제2컬렉팅수단
410 : 제2구동모터
420 : 제2컬렉터
200 : 제1컬렉팅수단
210 : 제1구동모터
220 : 제1컬렉터
300 : 공기분사수단
310 : 공기공급장치
320 : 공기공급관
330 : 분사플레이트, 331 ~334 : 공기통로
340 : 중공부
400 : 제2컬렉팅수단
410 : 제2구동모터
420 : 제2컬렉터
Claims (4)
- 고분자 방사용액을 전기적으로 방사하는 방사기구(100);
상기 방사기구로부터 방사되는 나노섬유를 컬렉팅하는 하방으로 테이퍼가 형성된 통상(筒狀)의 외표면을 가지며 구동모터에 의해 중심축을 중심으로 회전되는 제1컬렉터(220);
상기 제1컬렉터(220)의 외주면에 접선방향으로 공기를 분사하는 공기분사노즐이 복수개 구비되는 공기분사수단(300);
상기 제1컬렉터(220)의 하부에 직교하는 방향으로 배치되어 상기 제1컬렉터의 하부로부터 흘러내려오는 나노섬유를 권취하는 제2컬렉터(400);를 포함하는 나노섬유 필라멘트의 제조장치에 있어서,
상기 공기분사수단(300)은,
판상구조로 된 플레이트(330)로서, 상기 플레이트의 중앙부에는 중공부(340)를 구비하되, 상기 중공부에 상기 제1컬렉터(220)의 상부 외주면이 삽통되어 설치되고, 상기 플레이트(330)의 외주면으로부터 상기 중공부(340) 내주면의 접선방향으로 하향 경사지도록 공기통로(331~334)가 복수개 형성됨으로써, 상기 공기통로를 통해서 분사되는 공기가 상기 제1컬렉터(220)의 상부 외주면으로부터 하부방향으로 회전하는 스월(swirl)을 형성하여 나노섬유를 꼬아주는 것을 특징으로 하는 나노섬유 필라멘트의 제조장치.
- 제1항의 제조장치를 이용하는 나노섬유 필라멘트의 제조방법으로서,
(ⅰ) 전기방사에 의하여 전압이 걸린 원통형의 제1컬렉터(220)의 외주면을 향하여 고분자용액을 방사하는 1 단계(S 1);
(ⅱ) 상기 제1컬렉터(220)의 외주면 상단부에 구비된 공기분사수단(300)에 의해서 하단부를 향하여 공기를 분사하는 2 단계(S 2);
(ⅲ) 상기 분사된 공기에 의해 상기 방사된 나노섬유가 회전하는 상기 제1컬렉터(220)의 외주면에서 이격 분리되면서 상부에서 하부로 이동되게 됨에 따라 꼬인상태가 되는 3 단계(S 3); 및
(iv) 꼬인상태의 나노섬유들을 회전하는 제2컬렉터(420)에 의해서 잡아당기면서 권취함으로써 꼬인 상태(twisted)의 나노섬유에 인장력이 부여되어 나노섬유 필라멘트가 만들어지는 4 단계(S 4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 필라멘트의 제조방법.
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Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020210181318A KR102633454B1 (ko) | 2021-12-17 | 2021-12-17 | 나노섬유 필라멘트의 제조장치 및 이를 이용한 제조방법 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090189319A1 (en) | 2004-02-02 | 2009-07-30 | Kim Hak-Yong | Process of preparing continuous filament composed of nanofibers |
| KR101354509B1 (ko) * | 2012-11-06 | 2014-01-23 | 주식회사 우리나노 | 나노섬유 필라멘트의 제조방법 |
| KR101354511B1 (ko) | 2012-09-03 | 2014-01-23 | 주식회사 우리나노 | 나노섬유 제조용 방사튜브 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방법 |
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2021
- 2021-12-17 KR KR1020210181318A patent/KR102633454B1/ko active IP Right Grant
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