KR20100078811A - 전기방사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기재 위에 전기방사되는 나노 섬유층을 열풍에 의해서 접합시키는 캘린더링 에어가이드를 포함하는 전기방사장치에 관한 것으로, 이러한 장치에 의하면 나노 섬유의 물성을 해하지 않으면서 이상적인 조건으로 기재 위에 나노섬유층을 접합시킬 수 있다.

전기방사장치, 캘린더링 에어가이드, 나노섬유, 열풍

Description

전기방사 장치{Electrospinning Device}

본 발명은 전기방사 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 형성되는 나노섬유층을 기재 위에 열풍에 의해 접합시키는 캘린더링 에어가이드를 포함하여, 특성 저하 없이 기재 위에 나노섬유층을 이상적으로 접합시켜 고품위의 나노웹을 제조할 수 있는 전기방사장치에 관한 것이다.

전기방사(Electrospinning)는 섬유 원료 용액을 하전상태에서 방사하여 미세 직경의 섬유를 제조하는 기술로서 최근에는 나노미터급 섬유를 제조하기 위한 기술로 이용되어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 전기방사에 의해 제조되는 섬유는 직경이 마이크로미터 굵기에서 나노미터 굵기가 되는데, 이와 같이 굵기가 줄어들면 전혀 새로운 특성들을 나타낸다. 예들 들어, 체적에 대한 표면적 비율의 증가와 표면 기능성 향상, 장력을 비롯한 기계적 물성의 향상 등이 그것이다. 이러한 우수한 특성에 의해서 나노섬유는 많은 중요한 응용 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 나노섬유로 구성된 웹은 다공성을 갖는 분리막형 소재로 서 각종 필터류, 상처치료용 드레싱, 인공지지체 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

특히 기재 위에 나노섬유층을 형성하여 필터 등으로 응용하는데, 기재 위에 나노섬유층을 접함시키기 위해서 기존에는 수지, 접착제 등으로 기재와 나노섬유층을 접착시키는 방법을 사용한다. 그러나 별도의 접착제 등을 처리하는 것은 공정이 복잡해지고 그러한 접착제 등으로 인해서 나노웹의 특성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.

다른 방법으로 고온의 캘린더롤 사이에 나노섬유층이 형성된 기재를 통과시켜 열압착하는 캘린더 접합 방법이 사용되고 있다. 그러나 캘린더 접합을 하는 경우에는 불완전한 접합은 불량한 내마모성 및 불량한 강도 특성을 초래하고, 과도한 접합도 불량한 강도 특성 및 부드러움의 상실과 같은 바람직하지 않은 결과를 초래하는 문제점이 있다. 또한 캘린더롤의 압력에 의해 나노웹의 기공이 막힐 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 것으로서, 본 발명의 목적은 내마모성, 강도 등의 물성 저하 없이 기재 위에 나노섬유층을 이상적으로 접합시켜 고품위의 나노웹을 제조할 수 있는 전기방사 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 이점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관 되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 자명해질 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전기방사장치는 폴리머 재료를 공급하는 방사재료 공급부, 상기 방사재료 공급부로부터 이송된 방사재료가 토출되는 방사노즐부, 상기 방사노즐부에 고전압을 인가하는 고전압발생기, 상기 방사노즐부로부터 토출된 섬유를 기재 위에 수집하여 나노섬유층을 형성하는 컬렉터를 포함하는 전기방사장치에 있어서, 상기 장치가 열풍에 의해서 기재 위에 나노섬유층을 접합시키는 캘린더링 에어가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치에 관한 것이다.

본 발명에 의하면 나노웹의 특성을 해하지 않는 이상적인 조건으로 기재에 나노섬유층을 접합시킬 수 있다. 따라서 본 발명의 전기방사장치에 의하면 울파(ULPA) 및 헤파 필터(HELPA) 이상의 뛰어난 여과 성능을 제공할 수 있는 필터를 저렴한 비용으로 대량생산할 수 있다.

이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 구현예에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 전기방사장치는 방사재료 공급부, 상기 방사재료 공급부로부터 공급되는 재료를 섬유상으로 토출하는 방사노즐부, 상기 방사노즐부에서 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터, 상기 방사노즐부와 컬렉터에 전압을 인가하는 고전압 발생기를 포함하고, 상기 장치가 컬렉터 상에 형성되는 나노섬유층을 열풍에 의해서 접합하는 캘린더링 에어가이드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 캘린더링 에어가이드를 포함하는 전기방사장치의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 방사장치는 방사재료 공급부(100), 방사노즐부(200), 컬렉터(300), 고전압 발생기(400) 및 컬렉터에 설치되는 캘린더링 에어가이드(500)를 포함한다.

캘린더링 에어가이드(500)는 불소계 폴리머, 폴리에테르에테르케톤, 나일론과 같은 폴리아미드계 폴리머 등의 엔지니어링 플라스틱으로 제작될 수 있으며 금속재질도 가능하다. 캘린더링 에어가이드(500)는 컬렉터의 다음단에 설치되어 기재 위에 나노섬유층이 형성된 후 기재와 나노섬유층을 열풍으로 접합시킨다. 따라서 기재 위에 방사되는 나노섬유들은 캘린더링 에어가이드(500)에서 방출되는 열풍(hot air flow)에 의해 컬렉터 상의 기재 위에 상해 없이 수집될 수 있다. 이 때 열풍의 온도는 방사되는 재료에 따라서 달라질 수 있는데, 예를 들어 약 50 내지 약 180도 정도의 열풍으로 기재 위에 나노섬유층을 접합시킨다.

도 2는 본 발명의 다른 구현예에 의한 캘린더링 에어가이드의 개략사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 캘린더링 에어가이드(500)는 보다 효과적인 접합을 위해서 하단에 다수의 에어 분사구(520)가 형성된 형태로 구현될 수 있다. 또한 상기 캘린더링 에어가이드(500)는 위치를 바꿀 수 있는 변위가능한 이동형 구조일 수 있다. 이 경우에 상기 캘린더링 에어가이드(500)는 방사되는 기재의 길이 방향으로 변위되면서 열풍을 고르게 분사할 수 있다.

전기방사되는 섬유는 수마이크로미터 내지 수나노미터 정도의 굵기로 방사될 수 있는데, 이와 같이 열풍으로 접합시킬 경우 접착제 또는 열압착하는 기존의 방식에 비해서 나노섬유의 손상을 예방할 수 있고, 방사되는 섬유의 내마모성, 강도 등의 물성의 저하를 방지할 수 있다.

본 발명의 전기방사장치는 상기 캘린더링 에어가이드(500) 이외에 상기 캘린더링 에어가이드 후단에 캘린더롤(600)을 더 포함할 수 있다. 이러한 캘린더롤은 상하 1조로 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서는 캘린더링 에어가이드(500)에 의해서 열고정된 나노섬유층(70)을 상하부의 캘린더롤(600)을 통과시켜 약120 내지 약200도의 온도 및 약2 내지 약 50 bar의 압력 조건 하에서 기재(10) 위에 캘린더링할 수 있다.

상기 방사재료 공급부(100)는 섬유 원료가 되는 폴리머 재료가 공급되어 용매에 용해되거나 용융액으로 상변화되는 부분이다. 도시된 구현예에서, 상기 방사재료 공급부는 폴리머 방사액 저장부(110), 폴리머 방사액을 방사노즐부(200)측으로 정량공급하기 위한 정량펌프(120)를 포함하여 구성된다. 그러나 방사재료 공급부(100)는 이러한 구성에 한정되는 것은 아니며, 폴리머칩을 용융하기 위한 가열수단, 용융된 폴리머 용융액을 이송하기 위한 이송수단을 구비한 익스트루더(extruder) 타입의 용융전기방사용 폴리머 공급장치로 구성될 수도 있다.

본 발명에서 사용가능한 폴리머 재료는 폴리머 용액, 폴리머 용해물, 용해된 유리 물질, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 본 발명에서 사용가능한 대표적인 폴리머의 비제한적인 예들은 불소 중합체, 폴리올레핀, 폴리이미드, 폴리락타이드, 폴리에스테르, 폴리카프로락톤, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리에틸렌 옥사이드를 포함하며, 이들을 단독으로 혹은 둘 이상이 혼합된 상태로 사용될 수도 있다. 또한 본 발명에서 폴리머 용액 또는 용융 폴리머에는 물성의 향상을 위하여 기타 첨가제가 첨가될 수 있다.

상기 방사재료 공급부(100)에서 이송된 폴리머 방사 재료를 섬유상으로 토출하는 방사노즐부(200)는 하나 이상의 방사노즐이 형성된 노즐팩과 상기 노즐팩을 지지하기 위한 지지체를 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 일 구현예에서, 상기 방사노즐부(200)와 컬렉터(300)는 수평방향으로 대향하여 배치되어 있으나, 여기에 한정되지 않으며 수직방향으로도 대향하여 배치될 수 있다. 즉 전기방사장치는 횡방향식 방사장치뿐만 아니라 상방식 또는 하방식 방사장치에도 적용될 수 있다. 본 발명의 전기방사장치는 용액 방사 또는 용융 방사에 모두 이용될 수 있다.

한편, 본 발명의 전기방사 장치는 방사노즐부(200)를 다양한 구조로 구성할 수 있다. 예를 들어, 하나의 구현예에서 상기 방사노즐부(200)는 폴리머 재료가 투입되는 호퍼와 상기 호퍼에 연결되고 상기 폴리머재료를 혼합용융한 후 방사블록 으로 제공하는 압출기, 상기 압출기로부터 압출되는 폴리머 재료를 여러 가닥의 섬유로 방사시키는 방사블럭을 포함할 수 있다.

다른 예로 상기 방사노즐부(200)는 고분자 재료가 담지된 주사기가 포함된 주사기 펌프로 구성될 수도 있다. 주사기 선단의 주사기 바늘의 방사구로부터 방사된 용액이 분사되어 컬럭터 상의 기재 위에 나노사이즈의 직경을 갖는 섬유가 형성될 수 있다.

상기 고전압 발생기(400)는 당업계에서 공지된 방식을 제한없이 사용할 수 있으며, 폴리머 방사액에 잠기도록 설치되어 전압 인가시 폴리머 방사액을 하전시킨다. 바람직하게 상기 전압발생기(400)에서 인가되는 전압은 10 ~ 100kV의 범위 내에 해당하도록 하는 것이 나노미터급의 방사를 위해 적합하다.

이하에서 본 발명의 다양한 구현예의 전기방사장치의 동작에 대해서 설명한다,

폴리머 공급부(100)로부터 방사 재료가 되는 폴리머 방사액이 방사노즐부(200)의 노즐팩으로 정량공급되면 노즐팩 내의 폴리머 방사액은 고전압발생기(400)를 통해 하전된다. 본 발명에서 고전압발생기(400)는 방사 용액에 잠기도록 설치되어 전압인가시 폴리머 용액을 하전시킨다. 상기 고전압 발생기(400)는 상기 방사노즐부(200)와 상기 컬렉터(300) 사이에 서로 반대의 극성이 연결되도록 형성되어 상기 방사노즐부(200)에 고전압을 인가한다.

하전상태의 폴리머 재료는 방사노즐의 모세관을 통과하면서 미세 필라멘트 형태로 공기 중으로 방사되고, 하전된 필라멘트는 컬렉터(500) 상에 놓인 직물, 부 직포, 종이 등과 같은 비금속성 기재(70)위에 집적된다. 이때 컬렉터(500)와 하전 필라멘트 간에 형성되는 강력한 전기장으로 인해 필라멘트가 마이크로미터 내지 나노급의 직경이 되도록 연신되며 방사된다. 방사된 섬유사들이 상기 컬렉터(300) 표면의 특정 위치에 집중되어 3차원 구조의 형태로 나노섬유층을 형성한다.

이어서 상기 컬렉터(300) 상측에 기재(10)를 위치시킨 상태에서 캘린더링 에어가이드(500)에서 분사되는 열풍으로 나노섬유층(70)을 기재(10) 상에 접합한다. 도 3은 본 발명의 일구현예에 의한 캘린더링 에어가이드(500)의 동작을 설명하기 위한 개략사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이 컬렉터(300) 상에 기재(10)가 놓이고 이러한 기재 위에 마이크로미터 내지 나노미터급의 섬유가 방사되어 나노섬유층(70)을 형성하는데, 이러한 기재의 폭에 상응하는 폭의 캘린더링 에어가이드(500)에 의해서 발생되는 열풍에 의해 나노섬유층(70)을 상해 없이 기재(10) 위에 접합할 수 있다. 이어서 필요한 경우 캘린더롤(600)에 의해서 추가적으로 열압착될 수 있다. 끝으로 나노섬유층이 접합된 기재는 권취롤러에 권취된다.

본 발명의 전기방사장치를 이용하면 직경이 100 ~ 5000nm에 해당하는 나노급 섬유를 수득할 수 있고, 이러한 나노섬유를 컬렉터에 집적하여 두께 10 ~ 3000㎛의 나노웹을 제조할 수 있다.

본 발명의 전기방사장치에 의해서 제조될 수 있는 나노웹은 필터소재, 광화학 센서소재, 카본 나노튜브 등 탄소 소재, 전자소자용 소재, 생체 의학용 소재, 조직 공학용 소재, 약물 전달용 소재, DNA 제조용 기초소재 및 미용소재 등으로 광 범위하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 나노섬유는 부피에 비해 표면적이 매우 크기 때문에 필터용으로 응용시 탁월한 효과를 나타내며, 전기전도성을 지닌 고분자를 나노 섬유로 제조해 유리에 코팅하면 햇빛의 양을 감지해 창문의 색을 변하게 할 수 있다. 전도성 나노섬유를 리튬이온전지의 전해질로 사용할 경우, 전해액의 누출을 막으면서 도전지의 크기와 무게를 크게 줄일 수 있다. 또한 생체조직과 흡사하게 만든 인공단백질로 나노섬유를 만들면 상처가 아물면서 바로 몸속으로 흡수되는 붕대나 인조피부 제조에도 이용될 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 전기방사장치에 의해서 제조되는 나노웹 필터는 포집용량이 크고 동일 포집효율에 대하여 낮은 압력손실을 가지므로, 나노 단위의 미세오염 입자를 제거하여 바이러스 등의 인체에 유해한 물질을 효과적으로 제거할 수 있다. 따라서 이러한 나노웹 필터는 각종 위생용 또는 산업용 필터용으로 용도 전개가 가능한데, 일례로 반도체, 식품, 제약, 의료, 특수 화학분야, 공기 또는 특정가스 적용분야, 우주개발에 사용되는 고성능 필터로 사용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 예로 들어 상세하게 설명하였으나, 이러한 설명은 단순히 본 발명의 예시적인 실시예를 설명 및 개시하는 것이다. 당업자는 본 발명의 범위 및 정신으로부터 벗어남이 없이 상기 설명 및 첨부 도면으로부터 다양한 변경, 수정 및 변형예가 가능함을 용이하게 인식할 것이다. 따라서 본 발명의 이러한 변형이나 변경은 본 발명의 특허청구범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일구현예에 의한 전기방사장치의 개략사시도이다.

도 2는 본 발명의 다른 구현예에 의한 캘린더링 에어가이드의 개략사시도이다.

도 3은 본 발명의 일구현예에 의한 캘린더링 에어가이드의 동작을 설명하기 위한 개략사시도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100: 방사재료 공급부 130: 방사액 저장부

150: 정량펌프 200: 방사노즐부

300: 컬렉터 400: 고전압 발생장치

500: 캘린더링 에어가이드 600: 캘린더롤

Claims (6)

1. 방사재료 공급부, 상기 방사재료 공급부로부터 공급되는 재료를 섬유상으로 토출하는 방사노즐부, 상기 방사노즐부에서 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터, 상기 방사노즐부와 컬렉터에 전압을 인가하는 고전압 발생기를 포함하는 전기방사장치에 있어서, 상기 장치가 컬렉터 상에 형성되는 나노섬유층을 열풍에 의해서 접합하는 캘린더링 에어가이드를 포함하는 전기방사장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 방사노즐부는 폴리머 재료가 투입되는 호퍼, 상기 호퍼에 연결되고 상기 방사재료를 혼합용융한 후 방사블록으로 제공하는 압출기, 상기 압출기로부터 압출되는 폴리머 재료를 여러 가닥의 섬유로 방사시키는 방사블럭을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 방사노즐부는 주사기가 포함된 주사기 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 캘린더링 에어가이드는 고온의 열풍을 섬유층에 가하기 위한 하나 이상의 에어 분사구를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 캘린더링 에어가이드는 위치를 바꿀 수 있는 변위가 능한 구조인 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 장치는 캘린더링 에어가이드 후단에 캘린더링 가공을 위한 한 쌍의 캘린더롤을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.

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