KR20040052685A - 감압회전형 방사체를 이용한 정전방사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자, 무기재료, 금속 등의 용액 또는 용융액을 정전방사하여 나노섬유를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 장치는 방사액 제조 및 공급부, 방사부, 컬렉팅부, 감압시스템부 등의 단위공정으로 이루어져 있으며, 방사액 제조 및 공급부에서 제조된 방사액을 분사수단을 이용하여 방사드럼 내벽으로 분사하고, 방사드럼을 감압하에서 회전시킴으로써 얻어진 원심력과 흡인력의 혼성력에 의해 방사구를 통해 방사액이 토출되도록 하고, 방사드럼과 방사드럼 외부에 구비한 컬렉팅 벨트에 고전압을 인가하여, 상기 토출된 방사액이 정전방사되도록 한 신규한 정전방사 장치로서, 장치가 보다 컴팩트화되면서도, 전기력 효율이 극대화됨으로서 공정운전이 용이하고 대량생산에 유리하다.

Description

감압회전형 방사체를 이용한 정전방사 장치{Electrospinning apparatus equipped with evacuated rotatable spinneret}

본 발명은 용액이나 용융 상태의 고분자, 세라믹, 금속 등의 방사액을 정전방사하여 나노 크기의 직경을 갖는 섬유(이하 '나노섬유'라 한다)를 제조하는 장치와 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각각 원통형 방사체와 컬렉터를 사용함으로써 장치를 보다 컴팩트화한 반면, 방사체의 방사액과 방사액 저장탱크의 방사액을 효과적으로 절연시킴으로써 전기력 효율을 극대화하여 대량생산을 용이하게 한, 종래의 정전방사 장치와는 특징적으로 다른 방식으로 나노섬유를 제조하는 장치와 방법에 관한 것이다.

정전방사(Electrospinning)는 전기방사 또는 전하유도방사라고도 하며, 기본적으로 고전압공급기, 방사체, 컬렉터로 이루어진 매우 단순한 구성을 하고 있다. 통상 방사구로는 피펫, 니들, 관통구 형태가, 컬렉터로는 전도성 재질의 벨트, 드럼, 스크린 형태가 주로 이용되며, 방사구를 통해 토출된 액적에 고전압공급기로부터 인가된 1-50 kV의 직류고전압에 의해 발생된 정전기력이 작용함으로써 정전방사가 일어나게 된다.

정전방사의 원리는 다음과 같다.

방사액을 방사구를 통해 토출시키면, 반구형의 방사액적이 형성되고, 여기에 표면장력을 극복할 수 있는 임계전압 이상의 고전압이 가해지면, 상기 방사액적은 하전된 테일러 콘 형태로 변화한 후, 그 정점으로부터 컬렉터 쪽으로 방사제트형태로 방출되며, 컬렉터에 닿을 때까지 비행하는 동안 용매가 휘발하거나 고화되어 나노섬유가 얻어진다. 이 때, 방사제트가 매우 불안정하고 예측 불가능한 흐름 거동을 보임으로써 생성된 나노섬유는 3차원적으로 서로 복잡하게 얽힌 웹 형태가 되게 된다.

정전방사에 있어서 방사성에 영향을 미치는 인자는 크게 방사액 물성(분자량, 점도, 점탄성, 전기전도도, 표면장력), 조작인자(방사구에 걸리는 압력 또는 방사액의 공급유속, 전기장의 세기, 방사구와 컬렉터 사이의 거리), 분위기 인자(방사공간의 온도, 습도, 기체환경) 등이 있다.

나노섬유는 통상의 미크론 크기의 직경을 갖는 섬유(이하 '미크론섬유'라 한다)와 비교할 때 표면적대 부피비가 매우 크고, 섬유표면이 특정 기능을 갖도록 개질하는데 유리하고, 기계적 물성이 우수하다는 장점이 있다. 고분자 나노섬유는 현재까지는 주로 복합재료의 필러로 사용되며, 이 외에 필터 및 멤브레인, 전극재료, 액정디바이스, 전자파 차폐재료와 의료 분야의 인공보철 등에 기본소재로서 광범위하게 응용되고 있다.

종래의 정전방사 장치는 대량생산, 전기력 효율, 제품의 품질 제어, 공정운전의 안전성 측면에서 몇 가지 문제점이 있다.

첫째는 주사기 바늘이나 피펫 등을 방사구로 이용하는 경우인데, 이와 같은 1홀 수준의 방사는 방사인자 조절이 용이하다는 장점이 있지만, 실험실적인 연구에 적당하며, 대량생산이 전혀 불가능하다.

둘째는 미소직경을 갖는 여러 개의 노즐 구멍을 구비한 방사구 블럭을 방사체로 사용하는 방식인데, 이미 잘 알려져 있고 상업화된 기술이다. 그러나 이 방식은 방사액을 방사구를 통해 토출시키기 위한 상당한 압력을 얻기 위해 주로 기계적 힘을 추가로 필요로 하며, 특히 방사액의 점도가 높을 경우 토출시키는데 매우 큰 압력을 필요로 하므로, 이를 위해 장치 규모가 커지고 복잡해지며, 안전운전과 품질제어가 어려워진다. 그리고 무엇보다 방사액 저장탱크의 방사액이 방사구에 연속체 형태로 공급되기 때문에 방사구에 인가된 고전압이 방사액 저장탱크내 방사액 전체로 분산되므로 전기력 효율이 저하되는 문제가 있다. 상기에 언급한 단점들은 대량생산을 위해 장치를 대형화할수록 더욱 심각한 문제를 야기하게 되며, 장치도 복잡해지고 설비비가 증가하고 안전운전도 어려워진다.

본 발명은 관통구를 구비한 드럼형태의 방사체를 감압상태에서 회전시키면 방사체 내부에 있는 방사액이 용이하고 안정적으로 토출된다는데 착안하여 진행된 연구의 결과물이다. 연구결과 방사액의 점도, 방사구의 크기, 방사드럼의 회전속도, 진공도, 고전압세기, 방사구와 컬렉터 사이의 방사거리 등이 방사성에 영향을 미치는 중요한 인자였으며, 통상 방사가능한 점도로 알려진 1-30 포아즈의 방사액은 0.01 mbar의 이하의 진공범위에서, 방사드럼 회전속도가 1500 rpm 이하의 범위에서 1 mm의 방사구를 통해 만족스럽게 토출됨을 확인하였다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 방사구를 통해 방사액을 토출시킬 때 기계적 압력 대신에 회전에 의한 원심력과 진공에 의한 흡인력의 혼성력을 이용하고, 더불어 방사액 저장탱크중의 방사액과 방사구의 방사액을 거의 완벽하게 절연함으로써 방사구에 인가된 고전압이 방사액 저장탱크 내의 방사액에 분산되지 않도록 하여 전기력 효율을 극대화하여, 방사장치를 컴팩트화하고, 공정운전의 안정성을 높이고, 대량생산이 용이하도록 하고자 하였다.

한편, 방사체가 원통형이고 회전하고 있기 때문에 동일한 방사거리를 유지하기 위해서는 컬렉터의 모양도 원통형이며, 내부에서 컬렉팅되는 매우 특징적인 형태를 갖는다. 연속적인 컬렉팅이 가능하도록 벨트 방식이 바람직하며, 가이드휠과 롤러를 이용하여 컬렉팅 벨트가 원통형을 갖도록 하였으며, 컬렉팅 벨트에 강체를 도입하여 방사드럼의 축방향으로 강직성을 갖도록 하였다.

도 1는 본 발명의 실시예에 따른 정전방사 장치의 정면 개략도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정전방사 공정의 방사부와 컬렉팅부의 평면 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 정전방사 공정의 방사부의 정면 단면도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정전방사 공정의 방사부 일측면의 바람직한 축고정 및 결합 방법을 나타낸 사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 정전방사 공정의 일실시예로서 고정식 원통형 컬렉터를 사용할 때의 방사부와 컬렉팅부의 정면단면 개략도이다.

도 6는 본 발명에 따른 정전방사 공정의 일실시예로서 고정식 원통형 컬렉터를 사용할 때의 방사부와 컬렉팅부의 평면단면 개략도이다.

도 7는 본 발명의 실시예에 따른 정전방사 공정의 방사부와 컬렉팅부에 있어서 정전방사 개념과 제조된 나노섬유 웹의 권취 개념을 나타낸 평면단면 예시도이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 정전방사 공정의 방사부에 있어서 정전방사 개념을 나타낸 정면단면 예시도이다.

도 9는 15wt%PAN/DMF를 방사액으로 하여 본 발명의 실시예에 따라 정전방사하여 얻은 나노섬유 웹의 주사전자현미경 이미지이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

1. 방사액 제조 및 공급부 2. 방사부

3. 컬렉팅부 4. 감압시스템부

11. 호퍼 12. 용매 저장탱크

13. 방사액 제조 및 저장탱크 16. 가압정량펌퍼

17. 고압가스탱크 21. 방사액 분사튜브

22. 방사드럼 24. 고전압공급기

31. 컬렉팅 벨트 32. 가이드휠

36. 컬렉팅 벨트 구동롤러 37. 권취롤러

38. 고정식 원통형 컬렉터 41. 하우징

42. 진공펌프 43. 용매 회수탱크

211. 분사구 212. 상압공

221. 방사구

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명인 감압 회전형 방사체를 이용한 정전방사 장치는 기능과 역할에 따라 방사액 제조 및 공급부(1), 방사부(2), 콜렉팅부(3), 감압시스템(4) 등 네 개의 단위공정으로 나눌 수 있으며, 각각이 연속적이고 유기적으로 연동하도록 구성하였다. 이 중 방사부와 컬렉팅부는 본 발명의 요부이다.

이하 첨부된 도면을 이용하여 각 단위공정을 이루는 디바이스와 각각의 기능에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1에 본 발명의 실시예에 따른 정전방사 장치의 정면 개략도를 나타내었으며, 이 때 방사부(2)에 대한 이해를 돕기 위해 컬렉팅 벨트(31)의 일부를 생략하여 나타내었다. 도 2는 방사부와 컬렉팅 부의 측면 단면개략도이며, 도 3은 방사부의 정면단면도이다.

방사액 제조 및 공급부(1)는 방사액을 제조, 저장하고 방사부에 공급하는 역할을 한다. 방사액 프리커서(111)를 저장하는 호퍼(11), 용매(121)를 저장하는 용매 저장탱크(12), 호퍼(11)와 용매 저장탱크(12)로부터 방사액 프리커서(111)와 용매(121)를 공급받아 교반수단(132)과 가열수단(15)을 이용하여 방사액(131)을 제조하고 저장하는 방사액 제조 및 저장탱크(13), 방사액 제조 및 저장탱크(13)의 기체분위기를 조절하는 고압가스탱크(17), 방사액(131)을 방사액 제조 및 저장탱크(13)로부터 방사부(2)의 방사액 분사튜브(21)로 가압공급하는 가압정량펌퍼(16)로 이루어져 있다. 고압가스탱크(17)는 충진가스로 질소, 알곤, 헬륨 등의 불활성 기체를 사용하는 것이 바람직하며, 주로 방사액 제조 및 저장탱크(13)를 퍼지할 목적으로 운전되나, 호퍼(11)와 용매저장탱크(12)와 연결된 공급관의 밸브를 닫은 상태에서 방사액 제조 및 저장탱크(13)내의 방사액(131)에 1-50 bar 범위의 고압을 직접 가함으로써 가압공급수단으로 기능할 수도 있으며, 이 때는 가압정량펌퍼(16)가 없는 상태에서 방사액 공급관(134)이 분사튜브(21)에 직접 연결되도록 한다. 상기 목적을 위해 고압가스탱크(17) 대신 컴프레서를 이용할 수도 있다. 가열수단(15)의 열원으로는 열선코일이나 순환열유 등이 바람직하며, 통상 방사액 프리커서(111)가 고분자일 때, 용매(121)에 용해시킬 경우는 100 ℃이내이나 용융시킬 경우는 400 ℃까지 가열할 수 있어야 한다.

방사부(2)는 방사액 분사튜브(21), 방사드럼(22), 고전압공급기(24)로 구성된다. 도 1, 도 2, 도 3으로부터 알 수 있듯이 방사액 분사튜브(21) 외부에 방사드럼(22)이 위치하고, 상기 분사튜브(21)와 방사드럼 축(222)은 가이드휠축(321)을 관통하여 고정되며, 방사드럼(22)은 방사드럼 구동모터(23)와 벨트(262)로 연결된 구동풀리(261)에 의하여 회전 구동되고, 분사튜브(21)는 하우징(41) 외부로 확장된다. 도 4에 본 발명의 실시예에 따른 정전방사 공정의 방사부 일측면의 바람직한 축고정 및 결합 방법을 사시도로 나타내었다. 분사튜브(21)와 방사드럼 축(222) 사이에는 로타리 씰(251, 252)을 사용하여 기밀이 유지되면서 회전이 가능하도록 하고, 슬립 링(25)에 의해 고전압의 일극이 용이하게 인가되도록 한다. 통상 고전압공급기(24)로부터 얻어진 고전압은 1-50 kV의 직류전압이 사용된다.

방사액 분사튜브(21)는 직경 0.5-25 mm인 여러 개의 관통공(211, 이하 '분사구'라 한다)이 있는, 중간이 막혀있는(214) 중공축 형태로서, 한쪽 끝은 방사액 공급관(161)을 통해 가압정량펌퍼(16)와 연결되고, 다른 한쪽 끝(213)은 대기와 통하게 하고(213), 상압공(212)을 통해 방사액 분사튜브(21) 외부와 방사드럼(22) 내부(이하 '분사공간'이라 한다)가 상압 상태를 유지하게 한다. 가압정량펌퍼(16)나 고압가스탱크(17) 등의 가압공급수단에 의해 1-50 bar 범위로 가압되어 공급된 방사액은 분사구(211)를 통해 방사드럼(22) 내벽으로 분사되게 된다. 분사튜브(21)의 형태는 원관, 사각관 등 어떠한 형태도 무방하며, 분사구(211)의 형태 또한 원형, 타원형, 다각형 등도 무방하나, 분사구(211)의 역할이 분사튜브(21) 내의 방사액과 방사드럼(22) 내벽의 방사액 필름과의 전기적인 절연이므로 방사액의 점도를 고려하여 적당한 분사구의 크기와 형태를 선택해야 한다. 그리고 분사구(211)로부터 방사액이 안정적으로 분사될 수 있도록 하기 위해 분사공간을 상압 상태로 유지함이 바람직하나, 마일드한 가압상태를 부여할 수도 있으며, 이 경우는 가압정량펌퍼(16)에서 방사액에 제공하는 압력이 상기 가압상태보다 높아야 분사가 이루어지며, 방사구(221)를 통한 흡인력은 극대화될 수 있다.

방사드럼(22)은 분사튜브(21)보다 큰 직경을 갖는 드럼형태이며, 0.3-수 mm 범위의 미소직경을 갖는 수 많은 관통공(221, '방사구'라 한다)이 1 mm 이상의 간격으로 배열되어 있다. 분사튜브(21)와 방사드럼(22)의 직경이 차이가 많이 날수록, 다시 표현하면 분사공간의 반경방향으로의 거리가 길수록 절연효과가 확실해진다. 한편 방사드럼(22) 외부와 하우징(41) 내부는 감압시스템(4)에 의해 바람직하게는 0.001 mbar 범위까지 진공도를 부여할 수 있도록 하며, 그 이상의 진공도를 부여할 수도 있을 것이나 공정운전의 안정성과 설비비 측면에서 실익은 없다고 판단된다. 분사튜브(21)의 분사구(211)로부터 방사드럼(22)의 내벽으로 분사된 방사액은 방사드럼(22)을 60-3000 rpm 범위로 회전케 함으로써 모든 방사구(221)에 필름형태로 골고루 분산되어 진공이 깨지지 않으며, 방사드럼(22)의 회전에 의해 발생된 원심력과 방사드럼(22) 외부에 걸린 진공에 의한 흡인력에 의해 방사구(221)를 통해 일정한 속도로 토출되는데, 토출된 방사액 량만큼 분사튜브(21)로부터 공급받아 연속적으로 운전되며, 이를 위해 가압정량펌퍼(16)의 압력을 조절하여 분사속도를 조절하는 것이 바람직하다. 방사액의 토출속도는 방사액의 점도, 방사구(221) 크기, 방사드럼(22)의 회전속도, 진공도 등 여러인자의 영향을 받기 때문에 최적 토출 조건은 실험적으로 결정하는 것이 합리적이며, 먼저 방사액의 물성과 방사구(221)의 크기 등을 고려하여 특정한 진공을 부여한 후 방사드럼(22)의 회전속도를 증감하면서 토출속도를 조절하는 것이 바람직하다.

고전압공급기(24)는 1-50 kV의 직류 고전압을 방사드럼(22)과 콜렉팅 벨트(31)에 공급하는 기능을 한다. 본 발명에 의한 정전방사 장치에서는 방사드럼(22)에 (+)극을, 컬렉팅 벨트(31)에 (-)극을 인가하고 접지하는데, 보다 상세하게는 방사드럼 회전축(222)에 연결한 슬립링(24)에 (+)극을, 컬렉팅 벨트 구동롤러(36)과압착 롤러(341, 342, 351, 352)중 1개를 선택하여 전도성 재질로 만든 후 축에 슬립링(362)을 연결한 후 (-)극을 인가 및 접지하고 컬렉팅 벨트 중의 전도성 물질(321)과 접촉하게 하는 것이 바람직하다.

컬렉팅부(3)는 가이드휠(32), 컬렉팅 벨트(31), 가이드롤러(331,332), 가이드휠 지지롤러(333), 컬렉팅 벨트 구동롤러(36) 및 모터(361), 컬렉팅 벨트를 지지 및 압착하기 위한 압착롤러류(341, 342, 351, 352), 권취롤러(37) 및 모터(371)로 구성되며, 방사부로부터 정전방사된 나노섬유를 직접 수취하고 연속적으로 권취하는 기능을 하는 단위공정이다. 방사체가 원형이고 회전하므로 컬렉터의 형태도 기존과 매우 다르다.

벨트형 컬렉터일 경우, 방사드럼(22) 주위에 방사드럼(22)과 5-50 cm 범위의 일정한 거리에서 원형을 유지하도록 하기 위해 가이드휠(33), 가이드롤러(331, 332), 가이드휠 지지롤러(333)를 도입하였다. 컬렉팅 벨트(31)는 고무나 합성수지 등 탄성체(311)를 기본으로 하고 안쪽에 금속호일 등의 전도성물질(312)을 접착시키며, 탄성체 내부에 강체(313)를 넣어서 방사공간에서 찌그러지지 않도록 하였다. 컬렉팅 벨트(31)는 방사드럼(22)의 양쪽 끝에 위치해 있는 두 개의 가이드휠(32)을 감아도는데, 하부의 가이드롤러(331,332)에 의해 거의 원통형태를 갖으며, 가이드휠(33)은 가이드휠 축(321, 322)외에 하부에 위치한 가이드휠 지지롤러(333)에 의해서 보조적으로 지지된다. 컬렉팅 벨트는 구동롤러(36)의 풀리(363)와 구동모터(361) 사이에 벨트(364)를 걸어 회전구동 되며, 컬렉팅 벨트 지지 및 압착 롤러류(341, 342, 351, 352)등은 생성된 나노섬유 웹을 압착하여 권취롤러에 공급하고, 권취롤러의 권취공간을 확보하는 역할을 한다. 컬렉팅 벨트(31)의 회전속도는 컬렉팅되는 특정한 부분이 방사공간에 얼마동안 머물렀는가와 관련되기 때문에 섬유밀도를 조절하는데 이용되며, 일반적으로 방사드럼(22)의 회전속도에 비해 매우 저속이다. 한편, 나노섬유를 연속적으로 권취할 필요가 없거나 섬유밀도가 매우 높은 나노섬유 웹을 제조하고자 할 때는 컬렉팅 벨트(31) 대신 고정식 원통형 컬렉터(38)를 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 고정식 원통형 컬렉터(38)는 전체 가 또는 안쪽에 전도성 물질(312)이 부착된 원통형 강체(381)를 사용하는 것이 바람직하다. 도 5와 도 6에 본 발명에 따른 정전방사 공정의 일실시예로서 고정식 원통형 컬렉터를 사용할 때의 방사부와 컬렉팅부의 정면단면 개략도와 평면단면 개략도를 각각 나타내었다.

권취롤러(37) 역시 구동모터(371)에 의해 회전구동 하며, 방사공간에서 생성된 나노섬유 웹을 롤러(341, 342, 351, 352)중 특정한 한 개의 롤러에서 공급받아 권취하는 기능을 하며, 본 특허에는 나타내지 않았으나, 권취속도를 측정하는 센서와 구동모터(371) 회전속도 조절기를 연동하도록 하여 연속적으로 권취되도록 하는 것이 바람직하다.

감압시스템부(4)는 진공펌프(42)와 하우징(41), 용매 회수탱크(43)으로 구성되며, 하우징 내부, 보다 정확하게는 방사드럼(22) 외부에 진공을 부여하기 위한 공정이다. 하우징(41)은 방사부(2)와 컬렉팅부(3)를 내부에 두고 외부에 통상의 금속 프로파일 등으로 이루어진 골격을 포함하며, 상기 골격은 감압상태에서 하우징이 찌그러들지 않도록 지지하고, 방사부(2)와 컬렉팅부(3)에 구비된 구동모터 류와 가이드휠, 분사튜브, 방사드럼, 여러 롤러 류의 축을 지지하거나 고정하는 베어링 유닛 등을 고정하는 역할을 한다. 본 특허에는 나타내지 않았으나, 정전방사가 진행되면 진공도가 변화하므로, 압력센서와 조절기를 통해 원하는 진공도가 유지되도록 하는 것이 바람직하다. 나노섬유 생성과정에서 휘발된 용매는 열교환방식의 용매 회수탱크(43)에서 거의 전량이 응축 회수된다.

바람직한 운전방법과 일실시예를 아래에 서술하였으며, 방사 개념에 대한 이해를 돕기 위해 방사부와 컬렉팅부의 정면과 측면에서의 방사예를 첨부한 도 7와 도 8에 각각 나타내었다.

(운전방법)

용액 상태의 방사액일 경우 다음과 같이 운전한다.

호퍼(11)와 용매 저장탱크(12)에 방사액 프리커서(111)와 용매(121)를 넣고, 각각의 공급관(112, 122)을 통해 방사액 제조 및 저장탱크(13)에 방사액 프리커서와 용매를 원하는 비율로 넣는다. 교반모터(14)를 이용하여 임펠러(132)를 회전시키면서 방사액 프리커서를 용매에 용해시키는데, 필요하다면 가열매체(15)를 이용하여 가열한다. 충분히 잘 용해되어 방사액(131)이 되었다고 판단되면 방사액 제조 및 저장탱크(13)의 배기밸브(133)을 개방한 후, 가압정량펌퍼(16)를 통해 방사액 분사튜브(21)로 방사액을 가압 공급하여 방사드럼(22) 내벽으로 분사되게 한다. 방사드럼(22)을 100 rpm 이하의 저속으로 회전하면서 방사액이 필름형태로 방사구(221)를 완전히 덮었을 때, 진공펌프(42)를 작동시켜서 방사공간이 원하는 진공도를 갖도록 감압시킨다. 그 다음 방사드럼(21)의 회전속도를 점차 높이면서 방사액이 방사구(211)를 통해 토출되는 것이 확인되면 회전속도를 고정하고 고전압공급기(24)를 이용하여 고전압을 인가하면 정전방사가 이루어지게 되며, 이 때 컬렉팅 벨트 구동롤러(36)를 회전 구동시킨다. 컬렉팅 벨트(31)의 이송에 따라 방사된 나노섬유 웹이 압착롤러(351)로 빠져나오면 권취롤러(37)에 고정시키고, 권취롤러 구동모터(371)를 회전 구동하여 연속적으로 권취되도록 한다.

(실시예)

15 wt% 폴리아크릴로니트릴(PAN)/디메틸포름아미드(DMF)를 방사액으로 사용하여 다음과 같은 조건에서 10분 동안 정전방사하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다.

방사액 분사튜브는 직경 1 인치의 동관에, 원주방향으로 90도 간격, 축방향으로 25 mm 간격으로 직경 1 mm의 분사구가 위치하도록 하였으며, 가압정량펌퍼를 이용하여 방사액을 3기압정도로 가압하여 분사구를 통해 분사되도록 하였다. 방사드럼은 직경 200 mm, 길이 300 mm인 동 재질이며, 직경 1 mm의 방사구를 전후좌우 10 mm 간격으로 타공하여 방사구의 총 갯수가 800개 정도 되게 하였다. 방사구와 고정식 원통형 컬렉터와의 거리는 120 mm가 되게 하였으며, 0.08 mbar의 진공하에 방사드럼을 650 rpm으로 회전하면서 18 kV의 직류 고전압을 가하여 정전방사 하였다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 의한 정전방사 장치는 방사체의 회전에 의한 원심력과 감압에 의한 흡인력의 혼성력을 이용하여 방사액을 방사구를 통해 토출시키기 때문에, 종래의 장치처럼 압축 수단을 필요로 하지 않으며, 전기력이 방사액 저장 탱크내의 방사액으로 분산되지 않고, 원통형의 방사체를 사용하기 때문에 방사공간이 거의 360 도에 달하므로 공정이 단순하고 컴팩트하며, 전기력 효율을 극대화할 수 있으며, 대량생산에 매우 유리하다.

Claims (15)

1. 호퍼(11), 용매 저장탱크(12), 방사액 제조 및 저장탱크(13), 고압가스탱크(17), 가압공급수단으로 이루어진 방사액 제조 및 공급부(1); 분사튜브(21), 방사드럼(22), 고전압공급기(24)로 이루어진 방사부(2); 컬렉팅 벨트(31), 가이드휠(32), 가이드휠 지지롤러(333), 가이드롤러(331,332), 압착롤러(341,342,351,352), 컬렉팅벨트 구동롤러(36), 권취롤러(37)로 이루어진 컬렉팅부(3); 하우징(41), 진공펌프(42), 용매 회수탱크(43)로 이루어진 감압시스템(4) 등의 단위공정이 상호 연속적이고 유기적으로 연동하도록 구성하여 고분자, 무기재료, 금속 등의 용액 또는 용융액으로부터 나노섬유를 제조하기 위한 정전방사 장치에 있어서

   하우징(41) 외부에 방사액 제조 및 공급부(1)와 방사부의 고전압공급기(24)를 두고, 상기 하우징(41) 내부에 방사부(2)와 컬렉팅부(3)를 두고, 진공펌프(42)의 작용에 의해 하우징(41) 내부에 감압상태를 부여할 수 있도록 하고, 상기 방사부(2)는 방사드럼(22) 내부에 분사튜브(21)를 위치시킨 형태이며, 상기 방사드럼(22)의 바깥쪽에 컬렉팅 벨트(31)의 일부분이 원통형을 유지하면서 연속적으로 이송되도록 구성하고,

   하우징(41) 내부를 진공펌프(42)를 이용하여 감압상태에 두고, 방사액 제조 및 공급부(1)로부터 제조된 방사액을 가압공급수단에 의해 분사튜브(21)의 분사구(211)를 통해 방사드럼(22) 내벽으로 분사 또는 적하 공급하고, 방사드럼(22)을 회전시킴으로써 각각 얻어진 흡인력과 원심력의 혼성력에 의해 상기 방사액이 방사구(221)를 통해 토출되면서, 방사드럼(22)과 컬렉팅 벨트(31)에 인가된 고전압에 의한 정전기력에 의해, 컬렉팅 벨트(31)쪽으로 정전방사되도록 하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 정전방사 장치.
2. 제 1항에 있어서 분사튜브(21)와 방사드럼(22)은 각각 분사구(211)와 방사구(221)를 구비한 중공축과 드럼 형태로서, 분사튜브(21) 외부에 방사드럼(22)을 위치하며, 방사드럼 축(222, 226)과 분사튜브(21) 사이에는 기밀을 유지하면서 회전이 가능한 결합수단을 구비하여 방사드럼(22) 외부에 작용하는 감압상태가 방사드럼 내부에 미치지 않도록 하면서 방사드럼(22)이 회전이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 방사부.
3. 제 2항에 있어서 분사구(211)는 직경 또는 짧은 쪽 길이가 0.5-25 mm 범위의 관통공인 것을 특징으로 하는 분사튜브.
4. 제 2항에 있어서 방사구(221)는 직경 또는 짧은 쪽 길이가 0.3-15 mm 범위의 관통공으로서, 방사구 사이의 간격이 1 mm 이상인 것을 특징으로 하는 방사드럼.
5. 제 1항에 있어서 가압공급수단이 가압정량펌퍼(16)이거나 컴프레셔 또는 고압가스탱크(17)인 것을 특징으로 하는 방사액 제조 및 공급부.
6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서 가압공급수단에 의해 분사튜브(21)로 가압 공급되어지는 방사액에 작용하는 압력이 1-50 bar인 것을 특징으로 하는 방사액의 가압공급방법.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서 방사드럼(22) 외부에 작용하는 압력이 상압-0.001 mbar 범위이며, 이 때 상기 방사드럼의 회전속도가 60-3000 rpm인 것을 특징으로 하는 방사구(221)를 통한 방사액의 토출 방법.
8. 제 1항 또는 2항에 있어서 분사튜브(21) 바깥쪽과 방사드럼(22)의 안쪽 공간, 즉 분사공간을 상압으로 유지하기 위해 상압공(212)을 구비하는 것을 특징으로 하는 분사튜브.
9. 제 3항 또는 제 4항 또는 제 8항에 있어서 분사구(211), 방사구(221), 상압공(212)은 공히 관통공으로서 원형, 타원형, 다각형, 길쭉한 홈 형 등으로 형태를 제한하지 않으며, 분사구(211)로서 분사노즐을 사용하는 것을 포함한다.
10. 제 2항에 있어서 기밀을 유지하면서 회전이 가능하도록 하는 결합수단으로서 로타리 씰(251,252)을 사용하는 것을 특징으로 하는 방사부.
11. 제 1항에 있어서 전체 또는 안쪽 면이 전도성 물질(312)인 벨트 형태의 컬렉터(31)를 사용하고, 가이드휠(32), 가이드롤러(331,332) 등으로 원통형태가 되게하고, 방사드럼(22) 표면과 5-50 cm 범위의 일정한 간격으로 유지되는 것을 특징으로 하는 컬렉팅부.
12. 제 11항에 있어서 가이드휠(32) 사이에서 컬렉팅 벨트(32)의 원통형태가 찌그러들지 않도록 하기 위해, 탄성체(311)의 내부 또는 외부에 강체(313)를 도입하는 것을 특징으로 하는 컬렉팅 벨트.
13. 제 6항에서 2개 이상의 압착 롤러를 상호간에 충분히 이격시켜서 방사된 나노섬유를 압착하는 것은 물론이고, 권취롤러(37)가 위치할 공간을 제공하여, 상기 나노섬유가 컬렉팅 벨트(31) 안쪽에서 권취되도록 권취공간을 부여하는 것을 특징으로 하는 컬렉팅부.
14. 제 1항에 있어서 방사드럼(22)을 중심으로 주위에 전체 또는 안쪽 면이 전도성 물질이며, 방사드럼(22) 표면과의 거리가 5-50 cm 범위인 고정식 원통을 컬렉터(38)로 사용하는 것을 특징으로 하는 컬렉팅부.
15. 제 1항에 있어서 방사드럼(22)과 컬렉터(31)에 인가되는 고전압이 1-50 kV 범위의 직류인 것을 특징으로 하는 방사부.