KR20110078813A - 전기방사장치용 노즐 유니트 및 그를 포함하는 전기방사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압출기에 연결되는 노즐블록을 구비하는 노즐 유니트로서, 상기 노즐유니트는 압출기를 절연하기 위해서 압출기 연결부분에 설치되는 절연체, 상기 노즐블록에 연결되어 상기 절연체의 노즐블록 지지부분을 보완하는 절연 노즐지지부; 및 상기 절연 노즐지지부와 상기 노즐블록을 연결하는 절연 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융전기방사장치용 노즐 유니트 및 그를 포함하는 전기방사장치에 관한 것으로, 본 발명의 노즐 유니트에 의하면 용융전기방사 장치에 있어서 방사블록을 효과적으로 지지하고 방사블록에 안정적으로 열을 공급하여 방사효율을 향상시킬 수 있다.

용융전기방사, 노즐블록, 절연 노즐지지부, 절연체, 와이어, 이중자켓

Description

전기방사장치용 노즐 유니트 및 그를 포함하는 전기방사장치{NOZZLE UNIT FOR AN ELECTROSPINNING DEVICE AND AN ELECTROSPINNING DEVICE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 노즐 유니트 및 그를 포함하는 전기방사장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압출기의 절연을 위해서 압출기와 노즐블록 사이에 연결되는 절연체의 노즐블록 지지부분을 보완하여 노즐블록을 안정적으로 지지하고 확실하게 절연함으로써 방사효율을 향상시킬 수 있는 노즐 유니트 및 그를 포함하는 전기방사장치에 관한 것이다.

전기방사(Electrospinning)는 섬유 원료 용액을 하전 상태에서 방사하여 미세 직경의 섬유를 제조하는 기술로서 최근에는 나노미터급 섬유를 제조하기 위한 기술로 이용되어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 전기방사법은 전극의 한 극은 방사노즐부에, 다른 한 극은 컬렉터에 위치한 서로 반대 극성을 가지는 두 전극 사이에서, 하전된 방사 재료를 방사노즐부를 거쳐 공기 중으로 토출하 고, 이어서 공기 중에서 하전 필라멘트의 연신 및 또 다른 필라멘트 분기를 거쳐 극세섬유를 제조하는 방법이다. 즉, 하전된 토출 필라멘트는 노즐과 컬렉터 사이에 형성된 전기장 내에서 상호 반발 등 전기적 영향으로 심한 요동을 거치면서 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 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 나노섬유로 구성된 웹은 다공성을 갖는 분리막형 소재로서 각종 필터류, 상처치료용 드레싱, 인공지지체 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

전기방사를 위한 전기방사장치는 통상적으로 방사용액을 보관하는 방사용액 주탱크, 방사용액의 정량 공급을 위한 계량펌프, 방사용액을 토출하는 다수개의 노즐이 배열된 멀티노즐, 상기 멀티노즐과 대향하여 위치하며 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터 및 고전압을 발생시키는 고전압 발생장치들로 구성된다.

기존의 용액전기방사는 폴리머 용액을 포함하고 있는 방사노즐을 가진 방사블록에 고전압을 인가하여 방사되고 컬렉터에 집적되어 나노섬유 웹을 제조한다. 이때 고전압이 가해지는 방사블록은 별도의 열 공급이 필요 없고, 폴리머 용액이 연결되는 선의 긴 길이에 의해 절연에 크게 문제가 없다. 그러나 용융전기방사의 경우는 방사재료를 용융시키기 위하여 방사블록에 대한 별도의 열 공급이 필요하 고, 압출기와 노즐블록 사이에 연결되는 절연체는 강도와 열팽창 계수의 문제로 인해 압출기와 방사블록 사이의 연결이 느슨해지거나 절연체의 일부가 파손될 우려가 있기 때문에 별도의 지지 장치가 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 하나의 목적은 융융전기방사장치의 노즐 유니트에 있어서, 방사블록에 열공급 시 절연체와 방사블록의 소재의 다름으로 인한 열팽창 계수의 문제 등의 불안전한 연결의 문제를 극복할 수 있고, 노즐에 고전압 인가 시 열매순환기 등의 장비에 대한 절연 문제를 해결할 수 있는 노즐 유니트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 방사 효율을 향상시킬 수 있고, 더욱 더 가는 섬유를 전기방사할 수 있는 전기방사장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,

압출기에 연결되는 노즐블록을 구비하는 노즐 유니트로서, 상기 노즐유니트는 압출기를 절연하기 위해서 압출기 연결부분에 설치되는 절연체, 상기 노즐블록에 연결되어 상기 절연체의 노즐블록 지지부분을 보완하는 절연 노즐지지부; 및 상기 절연 노즐지지부와 상기 노즐블록을 연결하는 절연 와이어를 포함하는 것을 특 징으로 하는 용융전기방사장치용 노즐 유니트에 관한 것이다.

상기 절연 노즐지지부는 목재, 세라믹 및 베이클라이트 등으로 이루어진 군에서 선택되는 재료로 구성될 수 있다. 상기 절연 와이어는 노즐블록을 지지할 수 있는 강도를 지닌 금속 소재의 와이어와 절연을 위해서 상기 와이어를 감싸는 절연 테이프부로 구성될 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은,

방사 재료를 공급하는 방사 재료 공급부; 상기 방사 재료 공급부로부터 공급된 방사 재료를 압출하여 방사하는 압출기; 상기 압출기 선단에 연결된 노즐블록을 구비하는 노즐 유니트, 상기 압출기에 대향하여 위치되고 상기 압출기에서 노즐을 통해서 방사되는 섬유를 집적하는 컬렉터; 상기 노즐에 고전압을 인가하는 고전압 발생기를 포함하는 전기방사장치로서, 상기 노즐 유니트는 압출기를 절연하기 위해서 압출기 연결부분에 설치되는 절연체, 상기 노즐블록에 연결되어 상기 절연체의 노즐블록 지지부분을 보완하는 절연 노즐지지부; 및 상기 절연 노즐지지부와 상기 노즐블록을 연결하는 절연 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치에 관한 것이다.

본 발명의 노즐 유니트 및 그를 포함하는 전기방사장치에 의하면, 압출기와 노즐블록 사이에 연결되는 세라믹 등의 절연체는 방사블록에 열 공급 시 열팽창 계수 차이에 의해 연결 부분이 약해질 수 있는데, 노즐 유니트는 이러한 불안전한 연 결 부분을 보완할 수 있으며, 방사블록에 열 공급 시 이중자켓으로 안정적으로 열을 공급할 수 있고, 방사블록에 고전압 인가 시 열매순환기 등의 장비에 대한 절연의 문제도 해결할 수 있다.

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

본 발명의 일 구현예의 용융 전기방사용 노즐 유니트는 압출기에 연결되는 노즐블록을 구비하는 노즐 유니트로서, 상기 노즐유니트는 압출기를 절연하기 위해서 압출기 연결부분에 설치되는 절연체, 상기 노즐블록에 연결되어 상기 절연체의 노즐블록 지지부분을 보완하는 절연 노즐지지부; 및 상기 절연 노즐지지부와 상기 노즐블록을 연결하는 절연 와이어를 포함한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 노즐 유니트의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 용융전기방사장치용 노즐 유니트(100)는 상기 노즐유니트는 압출기(미도시)를 절연하기 위해서 압출기 연결부분에 설치되는 절연체(60), 상기 압출기와 노즐블록(40) 사이에 연결되는 절연체(60)의 지지부분을 보완하는 절연 노즐지지부(10); 및 상기 절연 노즐지지부(10)와 상기 노즐블록(40)을 연결하는 절연 와이어(20)를 포함한다.

상기 절연 노즐지지부(10)는 노즐블록(40)에 인가된 전기장이 차폐되도록 비 전도성 소재로 구성되는 것이 필요하다. 따라서 상기 노즐지지부(10)는 목재, 세라믹 및 베이클라이트 등으로 이루어진 군에서 선택되는 재료로 구성될 수 있다.

상기 절연 와이어(20)는 노즐블록을 지지할 수 있는 강도를 지닌 금속 소재의 와이어와 절연을 위한 상기 와이어를 감싸는 절연 테이프부로 구성되고, 바람직하게는 길이를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상은, 방사 재료를 공급하는 방사 재료 공급부; 상기 방사 재료 공급부로부터 공급된 방사 재료를 압출하여 방사하는 압출기; 상기 압출기 선단에 연결된 노즐블록을 구비하는 노즐 유니트, 상기 압출기에 대향하여 위치되고 상기 압출기에서 노즐을 통해서 방사되는 섬유를 집적하는 컬렉터; 상기 노즐에 고전압을 인가하는 고전압 발생기를 포함하는 전기방사장치로서, 상기 노즐 유니트는 상술한 바와 같이 절연체(60), 절연 노즐지지부(10)와 절연 와이어(20)를 포함한다.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 노즐 유니트를 포함하는 전기방사장치의 각 구성요소를 개략적으로 도시한 모식도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 전기방사장치는 방사 재료를 공급하는 방사 재료 공급부(1); 상기 방사 재료 공급부로부터 공급된 방사 재료를 압출하여 방사하는 압출기(2); 상기 압출기 선단에 연결된 노즐블록(40)을 구비하는 노즐 유니트(100), 상기 압출기에 대향하여 위치되고 상기 압출기에서 노즐 유니트를 통해서 방사되는 섬유를 집적하는 컬렉터(4); 상기 노즐 유니트와 컬렉터 사이에 고전압을 인가하는 고전압 발생기(5)를 포함하는 전기방사장치로서, 상기 노즐 유니트는 상기 압출기(2)를 절 연하기 위해서 압출기 연결부분에 설치되는 절연체(60), 상기 노즐블록에 연결되어 상기 절연체의 노즐블록 지지부분을 보완하는 절연 노즐지지부(10); 및 상기 절연 노즐지지부(10)와 상기 노즐블록을 연결하는 절연 와이어(20)를 포함한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 전기 방사장치에서 상기 방사재료 공급부(1)는 섬유 원료가 되는 방사재료가 공급되어 압출기(2)로 이송시켜주는 부분이다. 도시된 구현예에서, 방사재료 공급부(1)는 고분자칩을 용융하는 가열수단(미도시), 용융된 폴리머 용융액을 이송하는 이송수단(미도시)을 구비할 수 있다.

방사재료 공급부(1)는 이러한 구성에 한정되는 것은 아니며, 대안으로, 압출기에 공급할 폴리머를 저장하는 방사재료 저장탱크, 저장된 폴리머를 시간당 일정한 양으로 압출기에 공급해주는 조절장치인 정량펌프 및 공급관을 포함할 수 있다.

본 발명에서 사용가능한 방사재료는 폴리머 용액, 폴리머 용해물, 용해된 유리 물질 및 이들의 혼합물을 포함한다. 본 발명에서 사용가능한 대표적인 방사재료의 비제한적인 예들은 불소 중합체, 폴리올레핀, 폴리이미드, 폴리락타이드, 폴리에스테르, 폴리카프로락톤, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리우레탄 등을 포함하며, 이들을 단독 혹은 둘 이상의 혼합된 상태로 사용할 수 있다. 또한 본 발명에서 폴리머 용액 또는 용융 폴리머에는 물성의 향상을 위하여 기타 첨가제가 첨가될 수 있다.

본 발명의 전기방사장치의 노즐블록은 방사재료를 용융시키기 위해 이중자켓으로 구성된다. 이중자켓의 내부에는 노즐블록 주위로 열매를 순환시킬 수 있는 유로가 형성되고, 이러한 유로 내에 약 250도 내지 약 300도의 고온의 오일과 같은 열매를 공급하는 열매순환기(50)를 포함하며, 이중자켓 내에 고온의 열매가 순환되어 방사재료를 용융시키도록 구성된다. 이러한 열매 순환기(50) 또한 노즐블록(30)에 인가되는 고전압을 차폐하기 위해서 노즐블록(40)과 열매순환기(50) 사이에 설치된 절연부(30)를 포함할 수 있다. 이러한 절연부(30)는 고온과 절연에 적합한 세라믹 등의 절연체로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 방사재료 공급부(1)에서 이송된 방사재료를 섬유상으로 토출하는 압출기(2)는 방사 재료의 유량을 시린지 보다 더 정확하게 조절하여 토출량에 따른 나노 섬유 굵기 제어 및 균일한 섬유 굵기를 얻을 수 있다. 상기 압출기(2)는 수평식과 수직식의 두 가지 방식이 모두 가능하다. 압출기(2)는 폴리머를 녹이는 압출기로 3 내지 6개로 온도를 설정할 수 있는 히터(미도시)와 폴리머를 이송할 수 있는 트윈 스크류 또는 싱글 스크류(미도시) 및 이러한 히터 온도, 스크류의 속도 등을 조절할 수 있는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 노즐 유니트(100)는 압출기(2)로부터 용융된 방사 재료를 받아서 방사액을 토출하는 하나 이상의 노즐이 배열된 노즐블록을 포함하고 있다.

상기 컬렉터(4)는 상기 전기방사용 노즐블록(40)에 인가된 전압의 극성과 반대의 극성이 인가되는 것으로, 상기 방사공을 통해 방사된 미세 필라멘트 형태의 방사재료와 강력한 전기장을 형성하여 필라멘트가 나노급의 직경으로 방사되어 집적되도록 한다.

상기 컬렉터(4)는 전도성이 우수한 금속재가 사용되며, 이송롤러와 같은 이송수단으로 섬유가 방사되는 노즐을 포함하고 있는 상기 전기방사용 노즐블록(40) 에 대하여 연속적으로 공급되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 하전되어 방사된 필라멘트는 직물, 부직포, 종이 등과 같은 비금속성기재 위에 집적시킬 수도 있는데, 이 경우에는 상기 컬렉터(4)의 전면에 기재를 위치하고 집적시켜 웹을 형성할 수 있으며, 웹이 형성된 기재는 이동수단을 통해 이동되어 상, 하 히팅장치(미도시)를 통과하면서 가열되어 캘린더링(calendering)되며, 최종적으로 권취롤러(미도시)에 권취된다.

한편, 본 발명의 일 구현예에서, 상기 압출기(2)와 컬렉터(4)는 수직방향으로 대향하여 배치되어 있으나, 여기에 한정되지 않으며 수평방향으로도 대향하여 배치될 수 있다. 즉 본 발명의 노즐블록 및 전기방사장치는 종방향식 방사장치뿐만 아니라 횡방향식 또는 상방향식 방사장치에도 적용될 수 있다.

상기 고전압 발생기(5)는 당업계에서 공지된 방식을 제한 없이 사용할 수 있다. 바람직하게 상기 고전압 발생기(5)에서 인가되는 전압은 10~100 kV의 범위 내에 해당하도록 하는 것이 나노미터급의 방사를 위해 적합하다.

본 발명의 노즐 유니트 및 전기방사장치를 이용하여 제조될 수 있는 나노섬유는 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.

그러면 이상과 같이 구성되는 본 발명에 따른 전기방사장치의 동작에 대하여 설명하기로 한다. 먼저, 방사재료 공급부(1)로부터 압출기(2) 측으로 원료 용액이 정량공급되면, 압출기(2) 내의 히터 및 스크류에 의해 폴리머 재료가 용융되면서 노즐을 포함하고 있는 노즐블록(40)을 통해 토출된다. 이 때 제어부에 의해 온도가 조절될 수 있다.

압출기(2) 내에 공급된 중합 재료는 압출기 내의 스크류의 회전에 의해 공급되면서 압축탈포 또는 혼합용융되어 균일한 용융액이 되어 다음 공정으로 공급된다. 압출되는 동안에는 중합 재료의 융융 상태를 유지하기 위해 가열되는데, 가열은 압출기 외벽에 장착된 히터에 의해 이루어진다. 중합 재료는 여과장치에 의해 여과되어 방사 시 사절의 원인이 되는 이물질을 제거한다. 필터에 의해 여과된 중합 재료는 노즐블록(40)에 공급되어 공기 중으로 토출된다.

본 발명의 전기방사장치에서는 압출기(2)에 직접 고전압 발생기가 연결되는 것이 아니고 노즐블록(40)에 삽입되어 있는 노즐에 고전압 발생기(5)가 연결된다. 압출기(2) 선단의 노즐블록(40)에서 방사되는 방사액은 고전압 발생기(5)를 통해 하전된다. 상기 방사재료 공급부(1)의 폴리머 방사액은 절연체(60)에 의해 절연되고 노즐블록(40)을 통해서 토출된다. 방사액은 노즐부를 거치면서 미세 필라멘트 형태로 연신되어 대향하는 컬렉터(4) 측으로 토출된다. 이때 컬렉터(4)와 하전 필 라멘트 간에 형성되는 강력한 전기장으로 인해 방사 섬유가 테일러 콘 형상의 위핑 모션(whipping motion)에 의해 나노급의 직경이 되도록 연신되며 방사된다.

본 발명의 전기방사장치에서는 노즐 유니트의 노즐지지부에 의해서 노즐블록이 안정적으로 지지되면서도 노즐블록에 인가되는 고전압으로부터 나머지 부분들이 확실하게 절연되어 전기방사장치의 수명을 연장하여 효율적으로 장기간 동안 안정적으로 전기방사 할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나 본 발명은 상술한 구현예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 많은 변형이 가능함은 자명할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 노즐 유니트의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사장치의 개략도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 절연 노즐지지부 20: 절연 와이어

30 : 절연부 40 : 노즐블록

50 : 열매 순환기 60 : 절연체

100: 노즐 유니트

1 : 방사재료 공급부 2 : 압출기

4 : 컬렉터 5 : 고전압 발생기

Claims (8)

1. 압출기에 연결되는 노즐블록을 구비하는 노즐 유니트로서, 상기 노즐유니트는 압출기를 절연하기 위해서 압출기 연결부분에 설치되는 절연체, 상기 노즐블록에 연결되어 상기 절연체의 노즐블록 지지부분을 보완하는 절연 노즐지지부; 및 상기 절연 노즐지지부와 상기 노즐블록을 연결하는 절연 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융전기방사장치용 노즐 유니트.
2. 제 1항에 있어서, 상기 절연 노즐지지부는 목재, 세라믹 및 베이클라이트로 구성되는 군에서 선택되는 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 용융전기방사장치용 노즐 유니트.
3. 제 1항에 있어서, 상기 절연 와이어는 노즐블록을 지지할 수 있는 강도를 지닌 금속 소재의 와이어와 상기 와이어를 감싸는 절연 테이프부로 구성된 것을 특징으로 하는 용융전기방사장치용 노즐 유니트.
4. 제 3항에 있어서, 상기 절연 와이어는 길이를 조절할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 용융전기방사장치용 노즐 유니트.
5. 방사 재료를 공급하는 방사 재료 공급부; 상기 방사 재료 공급부로부터 공급된 방사 재료를 압출하여 방사하는 압출기; 상기 압출기 선단에 연결된 노즐블록을 구비하는 노즐 유니트, 상기 압출기에 대향하여 위치되고 상기 압출기에서 노즐블록을 통해서 방사되는 섬유를 집적하는 컬렉터; 상기 노즐블록에 고전압을 인가하는 고전압 발생기를 포함하는 전기방사장치로서, 상기 노즐 유니트는 압출기를 절연하기 위해서 압출기 연결부분에 설치되는 절연체, 상기 노즐블록에 연결되어 상기 절연체의 노즐블록 지지부분을 보완하는 절연 노즐지지부; 및 상기 절연 노즐지지부와 상기 노즐블록을 연결하는 절연 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 전기방사장치의 노즐블록은 방사재료를 용융시키기 위해 이중자켓으로 구성되고, 이중자켓 내에 열매를 공급하는 열매순환기를 포함하며, 이중자켓 내에 고온의 열매가 순환되어 방사재료를 용융시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 전기방사장치는 노즐블록과 열매순환기 사이에 설치된 절연부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
8. 제 7항에 있어서, 상기 절연부는 세라믹으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.

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