KR20100011232A - 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 전기 방사에 의해 방사액을 방사시키는 다수의 노즐과, 상기 노즐로부터 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 표면에 집적되는 수집기와, 상기 노즐과 상기 수집기에 전위차를 제공하는 전압 인가부를 구비하는 전기 방사 장치에 있어서, 상기 노즐의 방사에 대하여 불량 여부를 판정하는 불량 판정부를 포함하고, 상기 불량 판정부는, 상기 노즐 각각에 흐르는 전류를 측정하기 위한 전류 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 장치를 제공한다.

전기 방사

Description

전기 방사 장치의 노즐 모니터링 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF MONITORING ELECTROSPINNING NOZZLE}

본 발명은 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 장치 및 방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는, 멀티 노즐을 구비하는 전기 방사 장치의 노즐에 대한 전기 방사 상태, 즉 각각의 노즐의 방사가 정상 상태인지 비정상(불량) 상태인지 여부를, 각각의 노즐에 흐르는 전류만을 측정함으로써 손쉽게 판별할 수 있는 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 나노섬유는 섬유직경이 20㎚ ~ 1㎛사이의 섬유로 정의되며, 일반적으로 나노섬유(Nano Fiber)의 방사 방법에는 용융 방사, 건식 방사, 습식 방사, 건습식 방사, 전기 방사 등 다양한 공정이 있다. 이중 전기 방사 공정은 최근 다양한 고분자 용액을 사용하여 높은 비표면적을 갖는 초미세 섬유를 생산할 수 있음으로 인해 필터나 분리막의 최적 공정으로 주목받고 있다.

이와 같은 나노섬유를 대량으로 생산하기 위해서는 다수 개의 노즐을 갖는 전기 방사장치를 사용하게 된다.

그런데, 이와 같이 다수 개의 노즐을 갖는 전기 방사 장치에서, 특정의 노즐 이 문제를 일으켜서, 예를 들어, 특정 몇 개의 노즐만이 방사가 제대로 이루어지지 않고 막혀버리는 일이 경우에 따라 생기고 있다. 이 경우, 해당 노즐이 커버하는 부분만 엷게 나노 섬유가 코팅되어 전체적으로 양질의 코팅 표면을 얻지 못하는 원인으로 작용하고 있었다.

이와 같이 다수 개의 노즐(멀티 노즐)을 구비하는 전기 방사 장치의 노즐에 대한 전기 방사 상태를 판별하는 방법으로서, 대한민국 특허 등록 제836274호(발명의 명칭 : 멀티 노즐 전기 방사 장치의 모니터링과 보수 장치 및 그를 이용한 모니터링과 보수 방법)을 들 수 있다.

해당 특허에서는, 멀티 노즐을 구비하는 전기 방사 장치의 노즐을 통한 전기 방사 상태를 각 라인별 대응되게 배치되는 다수의 카메라와 다수의 조명을 이용하여 한 라인에 대하여 동시에 모니터링이 가능하도록 함으로써 모니터링 효율을 향상시킬 수 있는 멀티 노즐 전기 방사 장치의 모니터링과 보수 장치 및 그를 이용한 모니터링과 보수 방법을 제공하였다.

이를 위하여, 해당 특허 기술은, 제 1 및 제 2 방향으로 매트릭스 배열되어 전기 방사에 의해 방사액을 방사시키는 다수의 노즐이 구비된 노즐블록과, 상기 노즐로부터 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 표면에 집적되는 수집기와 상기 노즐과 상기 수집기에 전압을 인가하는 전압 발생 장치와, 상기 노즐의 방사 영역 측면에서 상호 수직하게 배열되는 조명 장치 및 촬영장치와, 상기 촬영장치를 통해 촬영된 영상을 통해 노즐의 전기 방사 불량 여부를 분석하고 그 결과에 따라 보수 여부를 판단하는 모니터링 검퓨터를 포함하는 전기 방사 모니터링과 보수 장치에 관 한 것으로서, 상기 조명장치는 상기 매트릭스 배열된 다수의 노즐 라인에 조명광을 조사하는 다수의 조명으로 이루어지고, 상기 촬영장치는 상기 매트릭스 배열된 다수의 노즐 라인의 전방에 구비되어 제 2 방향으로 배열된 다수의 노즐 라인에 각각 대응되는 다수의 카메라로 이루어진다.

하지만, 이와 같은 종래 기술은 다수의 노즐 라인에 조명광을 조사하는 다수의 조명이 필요로 하며, 또한 다수의 노즐 라인에 각각 대응되는 다수의 카메라가 필요로 하게 된다.

즉 종래 기술에서는, 다수의 조명과 다수의 카메라를 필요로 하여 전기 방사 장치의 노즐에 대한 모니터링에 과도한 비용이 지불되어 그 비용 대비 성능이 떨어지는 문제점을 갖고 있었다.

또한, 공간 상 노즐이 겹쳐져서 광학적으로 촬영이 불가능한 경우가 있어서 그 문제점이 지적되고 있었다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 노즐이 서로 겹쳐져 있어서 광학적으로 촬영이 불가능한 경우를 극복하는 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 장치 및 방법을 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.

또한, 종래 기술과 같이 고가의 CCD 카메라를 사용하지 않아서 저렴한 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 장치 및 방법을 제공하는 것을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

또한, 종래 기술과 같이 광학적 판별을 위해서 이미지 프로세싱을 필요로 하지 않으면서, 즉 간단한 소프트웨어와 하드웨어만으로, 전기 방사 장치의 노즐의 불량 유무를 고속으로 판별할 수 있는 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 장치 및 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 방사에 의해 방사액을 방사시키는 다수의 노즐과, 상기 노즐로부터 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 표면에 집적되는 수집기와, 상기 노즐과 상기 수집기에 전위차를 제공하는 전압 인가부를 구비하는 전기 방사 장치에 있어서, 상기 노즐의 방사에 대하여 불량 여부를 판정하는 불량 판정부를 포함하고, 상기 불량 판정부는, 상기 노즐 각각에 흐르는 전류를 측정하기 위한 전류 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 장치를 제공한다.

또한, 상기 노즐 각각과 상기 전류 측정부와의 사이에 직렬로 연결된 저항과 LPF를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 불량 판정부는, 상기 전류 측정부에서 측정한 전류값이 정상 전류 범위 내에서 유지되는 경우 상기 노즐의 방사가 정상이라는 판정을 하고, 상기 전류 측정부에서 측정한 전류값이 상기 정상 전류 범위보다 진폭이 큰 비정상 전류 범위 내에서 진동을 할 경우 상기 노즐의 방사가 불량이라고 판정하게 된다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전기 방사에 의해 방사액을 방사시키는 다수의 노즐; 상기 노즐로부터 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 표면에 집적되는 수집기; 상기 노즐과 상기 수집기에 전압을 인가하는 전압 인가부; 상기 노즐 각각에 흐르는 전류를 측정하기 위한 전류 측정부를 포함하는 불량 판정부를 구비하는 전기 방사 장치에 대하여 상기 노즐 방사의 불량 여부를 판정하는 방법에 있어서, 상기 불량 판정부가 상기 전류 측정부에서 측정한 전류값을 기초로 하여 상기 노즐의 방사의 불량 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 방법을 제공한다.

또한, 상기 불량 판정부가 상기 노즐의 방사의 불량 여부를 판정함에 있어서, 상기 전류 측정부에서 측정한 전류값이 정상 전류 범위 내에서 유지되는 경우 상기 노즐의 방사가 정상이라는 판정을 하고, 상기 전류 측정부에서 측정한 전류값이 상기 정상 전류 범위보다 진폭이 큰 비정상 전류 범위 내에서 진동을 할 경우 상기 노즐의 방사가 불량이라고 판정하게 된다.

또한, 상기 노즐 각각과 상기 전류 측정부와의 사이에 직렬로 연결된 저항과 LPF를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 장치 및 방법은, 노즐이 겹쳐져 있어서 광학적으로 촬영이 불가능한 경우를 극복할 수 있다. 즉 노즐이 공간적으로 겹쳐서 광학적으로 촬영이 불가능하더라도 전혀 문제없이 전기 방사 장치의 노즐을 모니터링할 수 있게 된다.

또한, 종래 기술에서는, 고가의 CCD 카메라를 사용하여 비용 대비 효율이 낮았지만, 본 발명에서는 이와 같은 고가의 CCD 카메라를 사용하지 않아서, 저렴한 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 장치 및 방법을 제공하는 것이 가능하다.

또한, 종래 기술에서는, 광학적 판별을 위해서 이미지 프로세싱을 필요로 하여서, 이미지 프로세싱을 위한 소프트웨어와 하드웨어가 필요로 하였지만, 본 발명에서는 간단하게 노즐의 전류를 측정만 함으로써, 즉 간단한 소프트웨어와 하드웨어만으로, 전기 방사 장치의 노즐의 불량 유무를 고속으로 판별할 수 있게 되었다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은, 종래 일반적인 전기 방사 장치의 개략도이며, 본 발명의 일 실시예에서도 사용하는 전기 방사 장치이다. 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사 장치로서, 종래 일반적인 전기 방사 장치에 더하여 포함되는 부분만을 강조한 개략도이다. 도 3은, 시간에 따른 전기 방사 장치에서의 노즐에 흐르는 전류의 변화를 측정한 것으로서, 노즐이 정상적인 경우와 노즐이 비정상(불량)인 경우를 대비한 도면이다.

도 1을 참조하면, 전기 방사 장치는, 전압 인가부(10)와, 다수 개의 노즐(20)과, 수집기(30)를 포함한다.

전압 인가부(10)에서는 다수 개의 노즐(20)의 각각에 전압을 인가하여, 그라운드(ground) 상태의 수집기(30)와 다수 개의 노즐(20) 간의 전위차를 발생시킨다. 물론, 위에서 설명한 다수 개의 노즐(20)과 수집기에 대한 전위는 예시에 불과한 것으로 전기 방사 장치의 방사가 이루어지는 조건의 전위라면 무방한 것이다. 현재도 1에서는 전압 인가부(10)의 음(-)의 단자와 수집기(30)가 그라운드로 잡혀져 있다.

또한, 다수 개의 노즐(20)로부터는, 도 1에 도시된 바와 같이, 섬유사 형태로 수집기(30)의 표면에 집적될 수 있도록 방사액을 방사하게 된다. 이와 같은 전 기 방사 장치의 일반적인 작동 원리는 공지된 기술이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

다음으로, 도 2를 참조하여 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사 장치는, 전압 인가부(10)가 다수 개의 노즐(20)에 전압을 인가한다.

전압 인가부(10)로부터 나온 전류는, 다수 개의 노즐(20)을 거쳐서 각각 저항(R)(50)과 LPF(Low Pass Filter)(60)를 거쳐서 수집기(30)로 돌아오게 된다. 여기서 해당 노즐에 흐르는 전류를 측정하기 위하여 해당 노즐마다 전류 측정부(70)를 각각의 LPF(60)과 수집기(30) 사이에 두는 구성이다.

여기서, LPF(60)와 저항(R)(50)은 임의적인 구성요소로서, 필수적인 구성요소는 아니다. 즉, LPF(60)은 전류의 고주파 성분 중 잡음을 제거하기 위해서 부가할 수 있는 구성요소로, 경우에 따라서 LPF(60)가 없어도 본 발명의 구성으로 가능한 것이다. 또한, 저항(R)(50)은 전류의 범위를 적절히 조절하기 위해서 저항(R)(50)의 크기가 크게 또는 작게 할 수 있는 것이다. 경우에 따라서, 저항(R)(50)이 없어도 본 발명의 구성으로 가능한 것이다.

하지만, 일반적으로, 상기 전기 방사 장치에서의 구성에서, 저항 성분(resistance)을 갖는 것은, 노즐(해당 노즐의 재질이나 길이, 단면적 등과 같은 형상에 따라 정해지는 특성값인 저항값을 가짐)과, 전기 방사 장치로부터 방사되는 용액(용액의 종류와 방사되는 형태에 따라 정해지는 특성값인 저항값을 가짐)과, 저항(R)(50)과, 전류 측정부(70)이다.

즉, 본 발명과 같은 구성에서는, 노즐-방사액-수집기(30)로 흐르는 전류와, 노즐-전류 측정부(70)로 흐르는 전류로, 전기적으로 병렬 구성을 이루게 된다. 이 경우, 즉 저항(R)(50)이 없는 경우에는, 노즐에 일부 저항 성분이 있다 하더라도, 전류 측정부(70)의 저항값이 거의 zero에 가까운 값이므로, 통상적으로 전류 측정부(70) 쪽으로 전류 측정부(70)가 측정 가능한 범위를 벗어난 전류가 흐를 위험이 있다. 이와 같은 경우를 방지하기 위해서, 일반적으로는 전류 측정부(70)가 측정 가능한 범위를 고려하여, 저항(R)(50)의 저항값을 정하는 것이 바람직할 것이다. 참고로, 후술하는 본 발명의 실시예에서는, 저항(R)(50)을 50메가옴으로 하여 실험하였다.

이와 같은 구성을 통하여 다수 개의 노즐(20)에 대하여 해당 노즐에 흐르는 전류를 전류 측정부(70)를 통하여 측정할 수 있게 된다.

이와 같은 구성의 전기 방사 장치를 제작한 다음, 특정 노즐에 대해서는 정상적으로 노즐에서 방사액이 방사되는 것이 가능한 조건으로 만들고, 특정 노즐에 대해서는 정상적으로 노즐에서 방사액이 방사되지 않도록 하는 조건을 만들었다.

그리고 나서 전류 측정부(70)에서 측정된 전류를 측정한 결과 도 3과 같은 그래프를 얻을 수 있었다. 이와 같은 결과는 수차례 변경된 조건으로 실시해 본 결과 동일한 결과를 얻을 수 있었다.

도 3을 참조해 보면, 전압 인가부(10)는 인가 전압 6, 7, 8, 9 및 10kV을 노즐의 주사기 팁 부분에 걸어주었다. 이 경우, 9kV와 10kV는 노즐의 상태가 비정상(불량)의 상태였으며, 6, 7, 8kV는 노즐의 상태가 정상 상태의 조건을 만들어 주었 다.

그 결과, 인가 전압이 6, 7, 8kV의 경우, 전기 방사 가시화에 의한 stable jet의 거동을 살펴보면, 안정한 방사 거동을 보이고 있음을 확인했으며, 전압의 증가에 따라 전기방사 전류도 약간씩 증가하는 모습을 확인하였다. 시간에 따른 전기 방사 거동을 살펴보면, 전류의 증가와 감소가 나타나고 있는데, 이러한 현상은 방사되는 나노섬유가 롤러에 최단거리로 감길 때는 전류가 증가하고 보다 먼 거리로 감길 때는 전류가 감소하고 있다. 전반적으로 노즐이 정상 상태일 경우, 전류값이 작고 전류의 변화폭이 작음을 확인하였다.

즉, 다수 개의 노즐 중에서 정상 상태에 놓인 노즐에 대한 전류 측정부(70)의 측정값은 정상 전류 범위(0 ㎂ 내지 0.01 ㎂) 내에 있는 것을 확인하였다.

한편, 인가 전압이 9kV, 10kV의 경우, 전기 방사 가시화에 의한 stable jet의 거동을 살펴보면, 불안정한 방사 거동을 보이고 있음을 확인하였고, 전압의 증가에 따라 전기 방사 전류가 전보다 더 큰 것을 알 수 있었다. 시간에 따른 전기 방사 거동을 살펴보면, 전류의 증가와 감소의 변화가 심하게 나타나고 있는데, 이런 현상은 관찰된 전기 방사 거동에서와 같이 방사되는 나노 섬유의 거동이 매우 흔들리며 방사되므로 이에 따라 롤러에 감기는 거리도 매우 달라지는 영향으로 이와 같은 결과가 발생한다.

즉, 다수 개의 노즐 중에서 비정상(불량) 상태에 놓인 노즐에 대한 전류 측정부(70)의 측정값은 비정상 전류 범위(0 ㎂ 내지 0.08 ㎂) 내에서 극심하게 변동함을 확인하였다.

노즐의 정상 상태와 비정상 상태의 결과를 이용하여, 불량 판정부(미도시)는 전류 측정부(70)에서 측정한 전류값이 상기 정상 전류 범위 내에서 전반적으로 일정하게 유지되는 경우 해당 노즐의 방사가 정상이라는 판정을 하고, 전류 측정부(70)에서 측정한 전류값이 상기 정상 전류 범위보다 진폭이 큰 비정상 전류 범위 내에서 극심하게 진동을 할 경우 해당 노즐의 방사가 불량이라고 판정하게 된다.

여기서, 불량 판정부는 컴퓨터 등에 소프트웨어를 이용하여, 정상 전류 범위 내에 있느냐 비정상 전류 범위에 있느냐 여부와, 해당 전류 범위 내에서 변화가 극심한가 아니면 일정하게 유지되어서 큰 변화가 없느냐 여부를 판단하여, 정상과 비정상(불량)에 대한 결과값을 출력하게 된다.

여기서 설명한 정상 전류 범위와 비정상 전류 범위는, 해당 노즐(20)과 수집기(30) 간에 걸리는 전위차와 노즐의 저항 성분, 또는 저항(R)(50)의 크기에 따라서 달라지는 값으로서, 상기 정상 전류 범위와 비정상 전류 범위의 수치는 예시에 불과한 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은, 종래 일반적인 전기 방사 장치의 개략도이며, 본 발명의 일 실시예에서도 사용하는 전기 방사 장치이다.

도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사 장치로서, 종래 일반적인 전기 방사 장치에 더하여 포함되는 부분만을 강조한 개략도이다.

도 3은, 시간에 따른 전기 방사 장치에서의 노즐에 흐르는 전류의 변화를 관촬한 것으로서, 노즐이 정상적인 경우와 노즐이 비정상(불량)인 경우를 대비한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 전압 인가부

20 전기 방사 장치의 각각의 노즐

30 수집기

50 저항

60 LPF(Low Pass Filter)

70 전류 측정부

Claims (6)

1. 전기 방사에 의해 방사액을 방사시키는 다수의 노즐과, 상기 노즐로부터 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 표면에 집적되는 수집기와, 상기 노즐과 상기 수집기에 전위차를 제공하는 전압 인가부를 구비하는 전기 방사 장치에 있어서,

   상기 노즐의 방사에 대하여 불량 여부를 판정하는 불량 판정부를 포함하고,

   상기 불량 판정부는, 상기 노즐 각각에 흐르는 전류를 측정하기 위한 전류 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 노즐 각각과 상기 전류 측정부와의 사이에 직렬로 연결된 저항과 LPF를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 불량 판정부는,

   상기 전류 측정부에서 측정한 전류값이 정상 전류 범위 내에서 유지되는 경우 상기 노즐의 방사가 정상이라는 판정을 하고,

   상기 전류 측정부에서 측정한 전류값이 상기 정상 전류 범위보다 진폭이 큰 비정상 전류 범위 내에서 진동을 할 경우 상기 노즐의 방사가 불량이라고 판정하는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 장치.
4. 전기 방사에 의해 방사액을 방사시키는 다수의 노즐; 상기 노즐로부터 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 표면에 집적되는 수집기; 상기 노즐과 상기 수집기에 전압을 인가하는 전압 인가부; 상기 노즐 각각에 흐르는 전류를 측정하기 위한 전류 측정부를 포함하는 불량 판정부를 구비하는 전기 방사 장치에 대하여 상기 노즐 방사의 불량 여부를 판정하는 방법에 있어서,

   상기 불량 판정부가 상기 전류 측정부에서 측정한 전류값을 기초로 하여 상기 노즐의 방사의 불량 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 불량 판정부가 상기 노즐의 방사의 불량 여부를 판정함에 있어서,

   상기 전류 측정부에서 측정한 전류값이 정상 전류 범위 내에서 유지되는 경우 상기 노즐의 방사가 정상이라는 판정을 하고,

   상기 전류 측정부에서 측정한 전류값이 상기 정상 전류 범위보다 진폭이 큰 비정상 전류 범위 내에서 진동을 할 경우 상기 노즐의 방사가 불량이라고 판정하는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 노즐 각각과 상기 전류 측정부와의 사이에 직렬로 연결된 저항과 LPF를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방사 장치의 노즐 모니터링 방법.

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