KR20110077466A - 전기방사용 다중 전압 인가 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 구현예들은 전기방사시 저항 증가로 인한 전압 다운 현상을 방지하여 연속적으로 전기방사를 할 수 있도록 유지시킴으로써 나노섬유의 품질을 향상시킬 수 있고 제조 공정을 향상시킬 수 있는 전기방사용 다중 전압 인가 장치에 관한 것이다.

전기방사, 전압 인가 장치, 공기압, 스위치

Description

전기방사용 다중 전압 인가 장치{MULTIPLE VOLTAGE APPLYING APPARATUS FOR ELECTROSPINNING}

본 발명은 전기방사용 다중 전압 인가 장치에 관한 것이다.

전기방사(Electrospinning)는 방사재료를 하전 상태에서 방사하여 미세 직경의 섬유를 제조하는 기술로서 최근에는 나노미터급 섬유를 제조하기 위한 기술로 이용되어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 전기방사법은 하나의 전극은 방사노즐블록에, 다른 하나의 전극은 컬렉터에 위치한 서로 반대 극성을 가지는 두 전극 사이에서, 하전된 방사 재료를 방사노즐을 거쳐 공기 중으로 토출하고, 이어서 공기 중에서 하전 필라멘트의 연신을 거쳐 극세섬유를 제조하는 방법이다. 즉, 하전된 토출 필라멘트는 노즐과 컬렉터 사이에 형성된 전기장 내에서 극세화된다.

전기방사에 의해 제조되는 섬유는 직경이 마이크로미터 두께에서 나노미터 두께가 되는데, 이와 같이 두께가 줄어들면 전혀 새로운 특성들을 나타낸다. 예를 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 응용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 나노섬유로 구성된 웹은 다공성을 갖는 분리막형 소재로서 각종 필터류, 상처치료용 드레싱, 인공지지체 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

고분자 폴리머 용액을 용제에 녹인 방사 용액 또는 고분자 폴리머의 용융물은 방사 노즐을 가진 방사노즐블록에서 방사된 후, 컬렉터에 집속이 되어 나노섬유 웹(web)을 형성한다.

전기방사에 의해 제조되는 섬유는 직경이 마이크로미터 두께에서 나노미터 두께가 되는데, 이와 같이 두께가 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 소재로서 각종 필터류, 상처치료용 드레싱, 인공지지체 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

전기 방사가 용융 상태에서 이루어진다면 전기 방사하는 과정에서 사용되는 용매가 불필요하다. 따라서 전기방사 과정에서 제거되는 용매의 처리 및 회수 문제가 해결될 수 있다. 그리고 나노섬유의 용도에 따라 nm 크기로부터 ㎛ 크기에 이르는 다양한 섬유 직경 및 구조 그리고 이로 인하여 특별한 성질을 가진 나노 섬유가 제조될 수 있다.

용융전기방사는 용액전기방사에 비해 생산수율이 높고 환경친화적이라는 점 등 여러 가지 장점을 갖지만, 용융조건을 일정하게 유지하기 어렵고 수득섬유의 굵기를 나노미터로 가늘게 방사하기 어려운 한계를 가지고 있으며, 장시간 운전시 용융체 및 외부적인 요인으로 인해 전압계의 저항이 증가하여 전압 다운 현상이 발생하기 때문에 연속적으로 방사하는 것이 어려워진다.

본 발명의 구현예들은 전기방사장치에서 1차 전압계의 저항 증가로 인한 전압 다운시 2차 전압계로 전환되어 1차 전압계가 다운된 후 재가동되는데 소요되는 시간 동안 발생되는 불량률을 최소화할 수 있는 전기방사용 다중 전압 인가 장치를 제공한다.

본 발명의 하나의 양상은 전기방사용 노즐블럭에 전압을 인가하는 제 1 전압계 및 제 2 전압계; 상기 제 1 전압계 및 제 2 전압계에서 발생하는 전류의 증감을 인식하는 전류 디텍팅 모듈; 상기 전류 디텍팅 모듈에서 인식된 전류의 증감을 인식하여 전압을 조절하는 전압 조절 모듈; 상기 제 1 전압계의 전압이 다운되는 경우 상기 제 1 전압계를 상기 제 2 전압계로 전환시키는 전압계 전환 모듈; 및 상기 제 1 및 제 2 전압계에 연결되어 상기 제 1 전압계의 저항이 임계치 이상일 때 상기 제 2 전압계로 스위칭 되도록 구성된 스위칭 수단을 포함하는 전기방사용 다중 전압 인가 장치에 관한 것이다.

본 발명의 다른 양상은 전기방사용 노즐블럭에 전압을 인가하는 제 1 및 제 2 전압계 및 전기방사용 컬렉터에 상기 노즐블럭에 인가된 전압과 반대 극성의 전압을 인가하는 제 3 전압계; 상기 제 1 전압계, 제 2 전압계 및 제 3 전압계에서 발생하는 전류의 증감을 인식하는 전류 디텍팅 모듈; 상기 전류 디텍팅 모듈에서 인식된 전류의 증감을 인식하여 전압을 조절하는 전압 조절 모듈; 상기 제 1 전압계의 전압이 다운되는 경우 이를 상기 제 2 전압계로 전환시키는 전압계 전환 모듈; 및 상기 제 1 전압계 및 제 2 전압계에 연결되어 제 1 전압계의 저항이 임계치 이상일 때 제 2 전압계로 스위칭 되도록 구성된 스위칭 수단을 포함하는 전기방사용 다중 전압 인가 장치에 관한 것이다.

본 발명의 구현예들에 의한 전기방사용 다중 전압 인가 장치는 제 1 전압계 및 제 2 전압계에 연결된 스위칭 수단을 구비하여 제 1 전압계의 저항이 임계치 이상일 때 제 2 전압계로 스위칭되게 함으로써 전기방사장치가 연속적으로 운전되도록 한다.

본 발명의 구현예들에 의한 전기방사용 다중 전압 인가 장치는 저항 증가로 인한 전압 다운 현상을 방지하여 연속적으로 전기방사를 할 수 있도록 유지시키며 전압 다운시 1차 전압계를 2차 전압계로 전환시켜 1차 전압계가 다운된 후 재가동되는데 소요되는 시간에 발생하는 불량률을 최소화함으로써 방사되는 나노 섬유의 품질을 향상시킬 수 있고 제조 공정을 향상시킬 수 있다.

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

본 발명의 구현예들에 의한 전기방사용 다중 전압 인가 장치는 1차 전압계의 저항이 증가하여 전압이 다운되는 경우 1차 전압계를 2차 전압계로 전환시켜 전기방사장치를 장시간동안 연속적으로 운전할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 의한 다중 전압 인가 장치의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 의한 전기방사용 다중 전압 인가 장치는 전기방사장치(미도시)의 노즐블럭(10)에 전압을 인가하는 제 1 전압계(1) 및 제 2 전압계(2), 제 1 및 제 2 전압계에서 발생하는 전류의 증감을 인식하는 전류 디텍팅 모듈(3), 전류 디텍팅 모듈(3)에서 인식된 전류의 증감을 인식하여 전압을 조절하는 전압 조절 모듈(4), 제 1 전압계(1)의 전압이 다운되는 경우 이를 제 2 전압계(2)로 전환시키는 전압계 전환 모듈(5), 및 제 1 전압계(1) 및 제 2 전압계(2)에 연결되어 제 1 전압계(1)의 저항이 임계치 이상일 때 제 2 전압계(2)로 스위칭 되도록 구성된 스위칭 수단(6)을 포함한다.

제 1 및 제 2 전압계(1,2)는 전기방사장치의 노즐블럭(10)에 전압을 인가하는데, 전기방사장치를 장시간 운전할 경우 용융체 또는 외부적인 요인 등에 의해 전압계의 저항이 증가하여 전류가 상승하게 된다. 이러한 전류의 증가는 전류 디 텍팅 모듈(3)에서 아날로그의 형태로 인식되어 디지털 형태로 전환된다. 전환된 디지털 신호는 PLC(7)에 입력되고 전압 조절 모듈(4)에서 다시 아날로그로 전환되어 전압의 양을 조절한다.

상기와 같은 방법에 의해 전압계에 흐르는 전류의 양을 조절할 수 있으나 일정 요인에 의해 가전류가 계속해서 흐르면 제 1 전압계(1)의 저항값이 계속 증가하여 전류가 상승하고 이에 의해 제 1 전압계(1)의 전압이 일시적으로 다운될 수 있는데, 이 때 전압계 전환 모듈(5)에 의해 제 1 전압계(1)가 제 2 전압계(2)로 전환된다. 보다 구체적으로, 전압계 전환 모듈(5)은 제 1 전압계(1)가 셧 다운(shut down)되었을 때 PLC(7)에서 출력된 디지털 신호를 전류로 바꿔 제 1 전압계(1)에 연결된 스위칭 수단(6)의 접지부(62)가 공기압 방식에 의해 제 2 전압계(2)에 연결된 접지부(62')로 스위칭 되도록 한다. 즉, 제 1 전압계(1)의 저항이 임계치 이상이 되면 전압계 전환 모듈(5)에 의해 스위칭 신호가 주어지고 스위칭 수단(6) 내부의 바(bar)(63)가 공기압차에 의해 밀려 제 1 전압계에 연결된 접지부(62)를 이탈하여 제 2 전압계(2)에 연결된 접지부(62')와 접촉한다. 이로 인해 노즐블럭(10)은 제 2 전압계에 의해 운전되게 된다.

상술한 바와 같이 스위칭 수단(6) 내부의 바는 공기압 방식에 의해 각 전압계에 연결된 접지부들(62, 62')과 접촉하는데, 여기서 공기압 방식이란 내부의 바를 밀어주는 실린더(미도시)를 공기로 가압하여 실린더의 피스톤을 움직이는 방식이다. 이 때, 공기의 가압은 PLC(7)에서 온 신호를 공기압 실린더 제어기에서 감지하여 가압유무를 결정한다.

본 발명의 일 구현예에서 스위칭 수단(6)은 도 1에 도시된 바와 같이 절연체(61)로 둘러싸여 있을 수 있으며, 내부 접지부(62, 62')는 구리와 같은 도체일 수 있다. 절연체는 세라믹, 백크라이드, 플라스틱 및 유리로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어질 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

이상 제 1의 전압계(1)의 전압이 다운된 경우를 예로 들어 설명하였으나, 제 2 전압계(2)가 셧 다운 되었을 때에는 상술한 바와 동일한 과정에 의해 제 2 전압계(2)가 제 1 전압계(1)로 스위칭될 수 있다.

상술한 바와 같이 도 1을 참조하면, 전류 디텍팅 모듈(3), 전압 조절 모듈(4) 및 전압계 전환 모듈(5)은 PLC(7)와 연결되어 작동하며 사용자는 PLC(7)와 연결된 터치 스크린(8)에 의해 이를 제어할 수 있다.

본 발명은 용액 방사 및 용융 전기방사 장치와 같은 임의의 방사도프(dope)를 위한 전기 방사 장치에 적용될 수 있고 아울러 상향, 측면 및 하향식 전기방사장치에서의 전기방사에 모두에 적용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 구현예에 의한 전기방사용 다중 전압 인가 장치의 개략도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 다중 전압 인가 장치는 전기방사장치(미도시)의 노즐블럭(10)에 전압을 인가하는 제 1 전압계(1)와 제 2 전압계(2) 및 전기방사장치의 컬렉터(11)에 노즐블럭(10)에 인가된 전압과 반대 극성의 전압을 인가하는 제 3 전압계(9), 제 1 전압계, 제 2 전압계 및 제 3 전압계에서 발생하는 전류의 증감을 인식하는 전류 디텍팅 모듈(3), 전류 디텍팅 모듈(3)에서 인식 된 전류의 증감을 인식하여 전압을 조절하는 전압 조절 모듈(4), 제 1 전압계(1)의 전압이 다운되는 경우 이를 제 2 전압계(2)로 전환시키는 전압계 전환 모듈(5), 및 제 1 전압계(1) 및 제 2 전압계(2)에 연결되어 제 1 전압계(1)의 저항이 임계치 이상일 때 제 2 전압계(2)로 스위칭 되도록 구성된 스위칭 수단(6)을 포함한다.

본 발명의 일 구현예에서 제 3 전압계(9)는 전기방사장치의 컬렉터(11)에 마이너스(-) 전압을 인가하여 노즐블럭(10)에서 방사되는 플러스(+)로 대전된 필라멘트가 컬렉터(11) 상에 보다 용이하게 집적되도록 한다. 도 2를 참조하면 제 3의 전압계(9) 역시 전류 디텍팅 모듈(3) 및 전압 조절 모듈(4)과 연결되어 있으며, 나머지 구성 요소들은 상술한 바와 동일하게 작동하는바 자세한 설명은 생략하기로 한다.

다음으로, 이상과 같이 구성되는 본 발명에 따른 다중 전압 인가 장치를 포함하는 전기방사장치의 동작에 대하여 설명하기로 한다. 전기방사장치는 통상적으로 방사재료를 보관하는 방사재료 공급부, 방사재료의 정량 공급을 위한 계량펌프, 방사재료를 토출하는 다수 개의 노즐이 배열된 하나 이상의 노즐블록들, 상기 노즐블럭들과 대향하여 위치하며 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터 및 상기 노즐블럭 및 컬렉터에 연결된 다중 전압 인가 장치로 구성되어 있다.

먼저, 방사재료 공급부로부터 압출기 측으로 방사재료가 정량공급되면, 압출기 내의 히터 및 스크류에 의해 폴리머 재료가 용융되고 압출기 선단의 노즐블럭에서 방사된다. 이 때, 방사되는 방사액은 다중 전압 인가 장치를 통해 하전된다. 하전된 방사액은 미세 필라멘트 형태로 연신되어 대향하는 컬렉터 상에 집적된다. 이 때 컬렉터와 하전 필라멘트 간에 형성되는 강력한 전기장으로 인해 방사 섬유가 나노급의 직경이 되도록 연신되며 방사된다.

예를 들어, 이상에서는 압출기를 이용하는 전기방사장치에 관해서 주로 설명하였으나, 방사팩이 폴리머 재료를 정량 공급하는 펌프, 상기 펌프로부터 공급된 폴리머 재료를 균일한 형태의 흐름으로 변환시키는 시린지 튜브 및 상기 시린지 튜브로부터의 폴리머 재료를 방사하는 하나 이상의 노즐팩을 포함하는 전기방사장치에서도 응용될 수 있다.

본 발명의 전기방사장치를 이용하여 제조될 수 있는 나노섬유는 투습방수포, 마스크팩, 상처드레싱 등의 의료용 소재, 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 광범위하게 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.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 의한 다중 전압 인가 장치의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 다른 구현예에 의한 다중 전압 인가 장치의 개략도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 제 1 전압계 2: 제 2 전압계

3: 전류 디텍팅 모듈 4: 전압 조절 모듈

5: 전압계 전환 모듈 6: 스위칭 수단

7: PLC 8: 터치 스크린

9: 제 3 전압계 10: 노즐 블럭

11: 컬렉터 61: 절연체 62, 62': 접지부 63: 바

Claims (7)

1. 전기방사용 노즐블럭에 전압을 인가하는 제 1 전압계 및 제 2 전압계; 상기 제 1 전압계 및 제 2 전압계에서 발생하는 전류의 증감을 인식하는 전류 디텍팅 모듈;

   상기 전류 디텍팅 모듈에서 인식된 전류의 증감을 인식하여 전압을 조절하는 전압 조절 모듈;

   상기 제 1 전압계의 전압이 다운되는 경우 상기 제 1 전압계를 상기 제 2 전압계로 전환시키는 전압계 전환 모듈; 및

   상기 제 1 및 제 2 전압계에 연결되어 상기 제 1 전압계의 저항이 임계치 이상일 때 상기 제 1 전압계가 상기 제 2 전압계로 스위칭 되도록 구성된 스위칭 수단을 포함하는 전기방사용 다중 전압 인가 장치.
2. 전기방사용 노즐블럭에 전압을 인가하는 제 1 및 제 2 전압계 및 전기방사용 컬렉터에 상기 노즐블럭에 인가된 전압과 반대 극성의 전압을 인가하는 제 3 전압계;

   상기 제 1 전압계, 제 2 전압계 및 제 3 전압계에서 발생하는 전류의 증감을 인식하는 전류 디텍팅 모듈;

   상기 전류 디텍팅 모듈에서 인식된 전류의 증감을 인식하여 전압을 조절하 는 전압 조절 모듈;

   상기 제 1 전압계의 전압이 다운되는 경우 이를 제 2 전압계로 전환시키는 전압계 전환 모듈; 및

   상기 제 1 전압계 및 제 2 전압계에 연결되어 제 1 전압계의 저항이 임계치 이상일 때 상기 제 1 전압계가 제 2 전압계로 스위칭 되도록 구성된 스위칭 수단을 포함하는 전기방사용 다중 전압 인가 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 스위칭 수단은 상기 제 1 전압계에 연결된 상기 스위칭 수단 내부의 접지부가 공기압 방식에 의해 상기 제 2 전압계에 연결된 접지부로 스위칭 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기방사용 다중 전압 인가 장치.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 스위칭 수단은 절연체로 둘러싸인 것을 특징으로 하는 전기방사용 다중 전압 인가 장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 절연체는 세라믹, 백크라이드, 플라스틱 및 유리로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기방 사용 다중 전압 인가 장치.
6. 제 3항에 있어서, 상기 접지부는 구리로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기방사용 다중 전압 인가 장치
7. 제 1항 또는 제 2항의 전기방사용 다중 전압 인가 장치를 포함하는 전기방사장치.

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