KR20110079204A - 전기방사용 노즐블럭 및 이를 구비하는 전기방사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기방사용 노즐블럭 및 이를 구비하는 전기방사장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 방사재료가 유입되는 유입부; 및 상기 유입부의 하부에 연결되며, 유입된 방사재료가 필라멘트 형태로 토출되게 하는 복수개의 노즐을 포함하는 노즐판을 포함하는 전기방사용 노즐블럭으로서, 복수개의 방사구가 천공되어 형성된 다공성 노즐판을 구비하는 전기방사용 노즐블럭을 제공함으로써, 전기방사에 있어서 각 노즐 간의 전기장 간섭을 최소화하여 제품의 불량률을 낮출 수 있는 새로운 형태의 멀티 방사 노즐 시스템을 제공하는 것이다

전기방사, 방사노즐, 다공성 노즐판

Description

전기방사용 노즐블럭 및 이를 구비하는 전기방사장치 {Nozzle Block for Electrospinning and Electrospinning Device having the same}

본 발명은 극세섬유 제조를 위한 전기방사용 노즐블럭 및 이를 구비하는 전기방사장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 새로운 멀티방사노즐 시스템을 위한 다공성 노즐판을 포함하는 전기방사장치에 관한 것이다.

전기방사(Electrospinning)는 방사재료를 하전상태에서 방사하여 미세 직경의 섬유를 제조하는 기술로서 최근에는 나노미터급 섬유를 제조하기 위한 기술로 이용되어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.　

이러한 전기방사법은 방사노즐부에 전압을 인가하여 하전된 방사재료를 방사노즐부를 거쳐 공기 중으로 토출하고, 이어서 공기 중에서 하전 필라멘트의 연신 및 또 다른 필라멘트 분기를 거쳐 극세섬유를 제조하는 방법이다. 즉, 하전된 토출 필라멘트는 방사노즐과 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.

종래의 기술에 따른 전기방사는 단일 또는 소수의 노즐을 이용하는 것으로 생산속도가 매우 낮아 상용화에 어려움이 있다. 나노섬유의 대량생산을 위한 전기방사의 상용화에는 일정 길이 이상의 길이를 갖는 방사노즐팩이 필요하다. 전기방사에 나노섬유의 대량생산을 위해 복수개의 노즐을 포함하는 멀티방사노즐 시스템을 도입할 수 있으나, 멀티 노즐 방사 장치를 구동함에 따라 발생하는 문제점에 대한 연구 또한 미미한 실정이다.

전기방사장치를 이용하여 극세섬유를 제조하는 경우, 극세섬유의 특성을 결정하는 요인 중 하나는 노즐팩의 팁의 형태, 노즐 팁 간의 간격에 따른 전기장 간섭, 전기장 전하밀도, 노즐 내에서의 정전기적 압력 등을 들 수 있다.

따라서, 전기방사의 상용화를 위해 노즐 형태에 따른 문제점과 노즐 간의 간섭 등에 대한 연구를 통해 상용화용 멀티방사노즐팩의 문제점을 파악하고 이를 해결하기 위한 연구가 요구되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 전기방사에 있어서 멀티방사노즐의 노즐 간의 전기장 간섭을 최소화할 수 있는 새로운 형태의 노즐판을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 전기방사용 노즐블럭을 포함하여 생산성을 높일 수 있는 전기방사장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,

전기방사용 노즐블럭에 있어서, 상기 노즐블럭이 방사재료가 유입되는 유입부; 및 상기 유입부의 하부에 연결되며, 유입된 방사재료가 필라멘트 형태로 토출되게 하는 복수개의 노즐을 포함하는 노즐판을 포함하며, 상기 노즐판은 복수개의 방사구가 천공되어 형성된 다공성 노즐판인 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블럭에 관한 것이다.

상기 다공성 노즐판에 천공된 방사구는 상기 다공성 노즐판의 상부로부터 하부 쪽으로 점차 좁아지다가 어느 일부분까지 일정한 두께를 가지고, 상기 일부분 이후로 점차 테이퍼되면서 좁아다가 그로부터 상기 방사구의 하부까지 일정한 두께를 가지는 형상을 가짐으로써, 상기 노즐판의 상부와 하부에 형성된 구멍의 직경이 서로 상이하게 될 수 있다.

다른 구현예에서는 상기 다공성 노즐판에 천공된 방사구는 상기 유입부와 접하는 상부로부터 그 반대방향의 하부를 향하여 어느 일부분까지 점차 테이퍼되며 좁아지다가, 상기 일부분으로부터 상기 방사구의 하부까지 일정한 두께를 가지는 형상을 가짐으로써, 상기 노즐판의 상부와 하부에 형성된 구멍의 직경이 서로 상이하게 될 수도 있다.

또 다른 구현예에서는 상기 다공성 노즐판에 천공된 방사구는 상기 유입부와 접하는 상부로부터 그 반대방향의 하부를 향하여 어느 일부분까지 일정한 두께를 가지고, 상기 일부분으로부터 상기 방사구의 하부에 근접하면서 점차 테이퍼되는 형상을 가짐으로써, 상기 노즐판의 상부와 하부에 형성된 구멍의 직경이 서로 상이하게 될 수 있다.

상기 방사구의 단면의 형상은 원형, 정사각형 또는 직사각형일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이때, 상기 다공성 노즐판의 방사구의 상부 내경은 2 내지 5 mm이며, 하부 내경은 0.06 내지 0.5 mm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 다공성 노즐판의 하부 방사구 간의 간격은 1 내지 10 mm 일 수 있으며, 보다 바람직하게는 2 내지 7 mm, 보다 바람직하게는 5 mm 일 수 있다.

상기 다공성 노즐판은 소정의 두께를 갖는 노즐판 형성용 금속재료 중에서 스테인리스강, 특수강, 카본스틸, 초경합금 등에서 선택된 판에 방사구를 형성하여 제조될 수 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은 섬유 원료가 되는 고분자 물질을 공급하는 원료 공급부; 상기 원료 공급부와 연결되며, 상기 원료 공급부로부터 방사재료를 공급받아 필라멘트 형태로 토출하게 하는 복수개의 노즐을 구비하는 노즐블럭으로서, 상기 원료 공급부에 연결되어 방사재료가 유입되는 유입부, 상기 유입부의 하부에 연결되며, 유입된 방사재료가 필라멘트 형태로 토출되게 하는 복수개의 노즐을 포함하는 노즐판을 포함하며, 상기 노즐판은 복수개의 방사구가 천공되어 형성된 다공성 노즐판인 전기방사용 노즐블럭; 상기 노즐블럭에 소정의 전압을 인가하여 상기 방사재료를 하전시키는 전압인가부; 및 상기 노즐블럭과 소정의 이격거리를 두며 하측에 위치되며, 상기 노즐블럭을 통해서 토출되는 하전 필라멘트를 상면에 집적하는 컬렉터를 포함하는 전기방사장치에 관한 것이다.

상기 전기방사장치는 용액방사 또는 용융방사에 사용될 수 있으며, 상기 원료 공급부는 섬유 원료가 되는 고분자 물질을 압출하여 방사하는 압출기를 포함할 수 있고, 용융방사의 경우 상기 압출기로 용융 압출기를 사용하여 고분자 물질의 상변화를 함께 유도할 수 있다.

본 발명의 구현예들에 의하면, 전기방사에 있어서 새로운 형태의 다공성 노즐판을 도입함으로써 멀티 노즐의 각 노즐 간의 전기장 간섭을 최소화하도록 방사구를 설계한 노즐블럭장치를 이용하여 설비의 제조를 용이하게 하고 제품의 생산성을 높여 전기방사의 상용화에 기여할 수 있다.

이하, 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명의 구현예들에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 첨부되는 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 개략적인 것으로 본 발명을 보다 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었고, 도면에 표시된 두께, 크기, 비율 등에 의해 본 발명의 범위가 제한되지 아니한다.

본 발명의 일구현예에 의한 전기방사용 노즐블럭은 새로운 형태의 멀티 방사 시스템을 위한 다공성 노즐판을 도입한 노즐블럭에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭의 단면 개략도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭의 다공성 노즐판의 단면 개략도이다.

도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭(10)은 방사재료(A)가 유입되는 유입부(110); 및 상기 유입부(110)의 하부에 연결되며, 유입된 방사재료(A)가 필라멘트 형태로 토출되게 하는 복수개의 노즐을 포함하는 노즐판(120)을 포함하며, 이때 상기 노즐판(120)은 복수개의 방사구(121)가 천공되어 형성된 다공성 노즐판인 것을 특징으로 한다.

본 발명자는 종래의 노즐 팁을 사용하는 멀티방사노즐 시스템의 경우에는 노 즐 팁의 형태로 인해 대량생산을 위해 각 노즐의 말단 팁 간의 간격을 좁힘에 따라 전기장의 간섭이 심화되어 제품의 불량률이 증가하는 문제가 있음을 발견하고, 이를 개선하기 위하여 복수개의 노즐 형상의 방사구를 천공한 다공성 노즐판을 도입하였다.

이러한 다공성 노즐판을 도입함으로써 종래와 달리 각 노즐의 말단 팁이 노출되어 있지 아니하여 각 노즐 팁 간의 전기장 간섭으로부터 자유로울 수 있으며, 그에 따라 제품의 불량률을 감소시킬 수 있으며, 각 노즐간의 간격을 좁힐 수 있어 단위 면적 당 노즐의 개수를 늘리게 되어 대량생산에 기여할 수 있다.

상기 유입부(110)는 방사재료(A)가 노즐로 유입되는 부분으로서, 복수개의 노즐에 균일하게 방사재료(A)가 공급되도록 하기 위하여 원통형의 유입구(111)와 유입구에서 원위방향으로 점점 넓어지는 형상을 가진 확산부분(112)으로 구성된다. 상기 유입부는 열변형을 최소화하기 위하여 금속 재료 중에서도 열탄성계수가 낮은 물질로 구성되며, 예를 들면 스테인리스강, 특수강, 카본스틸, 초경합금 등이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 유입부(111)의 두께는 20 내지 100 mm 일 수 있으나, 특별히 제한되지는 아니한다.

본 발명의 구현예들에서 사용가능한 방사재료(A)는 용융방사를 위한 고분자 물질의 용융체 또는 용액방사를 위한 고분자 물질이 용해된 폴리머 용액, 폴리머 용해물, 용해된 유리 물질, 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭의 다공성 노즐 판(120)의 부분 확대 단면도이다. 도 3을 참조하면, 상기 노즐판(120)은 하전된 방사재료(A)가 방사구(121)를 거쳐 공기 중으로 토출되고, 이어서 공기 중에서 하전 필라멘트의 연신 및 또 다른 필라멘트 분기를 거쳐 극세섬유를 제조되게 하는 역할을 한다.

이때, 상기 다공성 노즐판(120)은 종래의 실린더 타입의 노즐 팁을 이용하는 경우와 달리 일정 두께의 판에 복수개의 노즐 형상의 구멍을 천공함으로써 제작될 수 있어 대량생산을 위한 설비에 적합하며, 설비의 제조가 용이하다. 상기 다공성 노즐판에 천공된 방사구는 다양한 형상을 지닐 수 있으며, 일례를 들면 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 방사구(121)는 상기 유입부(110)와 접하는 상부로부터 그 반대방향의 하부 쪽으로 주사기 형상으로 천공될 수 있다.

보다 구체적인 설명을 위해 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭의 다공성 노즐판(120)의 부분 확대 단면도에 관한 도 4를 참조하면, 다공성 노즐판(120)에 형성된 방사구(121)는 상기 다공성 노즐판(121)의 상부로부터 하부 쪽으로 점차 좁아지다가(E 구간) 상기 구간 이후로 어느 일부분까지 일정한 두께를 가지다가(F 구간) 상기 일부분 이후로 점차 테이퍼되면서 좁아다가(G 구간) 그로부터 상기 방사구의 하부까지 일정한 두께를 가지는(K 구간) 주사기와 유사한 형상을 가짐으로써, 상기 노즐판(120)의 상부와 하부에 형성된 구멍의 직경이 서로 상이하게 될 수 있다. 즉, 상기 방사구(121)는 상부의 내경(B)이 하부의 내경(C)과 상이하게 됨을 확인할 수 있다.

일반적으로 방사 노즐을 가공함에 있어서 노즐에 가해지는 압력 및 토출량의 조절이 중요하다. 이는 길이/직경(L/D)로 조절할 수 있으며, 본 발명에서는 상기와 같이 끝 부분에 니들 형상을 포함하는 주사기 형상을 가진 경우 하부 방사구의 내경(C)과 니들의 역할을 하는 하부 원통 부분의 길이(K)의 비율인 K/C 에 해당하며, 그 값이 0.1 내지 10 이 되도록 가공하는 것이 좋으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일례를 들어 설명하자면, 방사구 하부 내경(C)가 0.3mm 이고, K/C 의 값을 3으로 가공한다면 하부 니들의 길이(K)는 0.9mm 가 되도록 방사구를 형성할 수 있다.

이때 상기 방사구(121)의 단면의 형상은 예들 들어 원형, 정사각형 또는 직사각형일 수 있으며, 그에 따라 전체적인 방사구(121)의 형상은 받침이 있는 원통형 아래에 원뿔과 원뿔 아래에 폭이 좁은 원통형이 결합된 형상 또는 받침이 있는 직육면체 아래에 사각뿔과 사각뿔 아래에 폭이 좁은 직육면체가 결합된 형상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 유선형의 단면을 가질 수도 있다.

상기 다공성 노즐판(120)에 형성된 복수개의 방사구(121)는 좌우대칭의 형상을 가지는 것이 바람직하다. 즉, 도 3에서 도시된 중앙선 D-D' 기준으로 좌우 대칭의 형상을 가질 수 있다.

이러한 다공성 노즐판(120)에 형성된 복수개의 방사구(121)의 형상은 각각 독립적으로 동일하거나 상이할 수 있으나, 동일한 것이 바람직하다. 또한, 상기 다공성 노즐판(120)에 형성된 복수개의 방사구(121)는 일정한 간격으로 형성될 수 있다.

본 발명의 다공성 노즐판에 형성된 방사구의 형상은 상기 예를 든 형상만으로 제한되는 것은 아니며, 필요에 의해 다른 형상을 가질 수도 있다. 도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭의 다공성 노즐판의 부분 확대 단면도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 구현예에 의한 상기 다공성 노즐판(220)에 형성된 방사구(221)는 상기 유입부와 접하는 상부로부터 그 반대방향의 하부를 향하여 어느 일부분까지 점차 테이퍼되며 좁아지다가, 상기 일부분으로부터 상기 방사구의 하부까지 일정한 두께를 가지는 형상을 가질 수도 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭의 다공성 노즐판의 부분 확대 단면도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 구현예에 의한 상기 다공성 노즐판(320)에 형성된 방사구(321)는 상기 유입부와 접하는 상부로부터 그 반대방향의 하부를 향하여 어느 일부분까지 일정한 두께를 가지고, 상기 일부분으로부터 상기 방사구(321)의 하부에 근접하면서 점차 테이퍼되는 형상을 가질 수도 있다. 즉, 상기 방사구(321)는 상기 다공성 노즐판(320)의 상부로부터 하부 쪽으로 일정한 두께를 가지다가(I 구간) 상기 구간 이후로 점차 테이퍼되면서 좁아지는(J 구간) 형상을 가질 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭의 다공성 노즐판(120)의 부분 절개 사시도이며, 도 8a는 상기 다공성 노즐판(120)을 상부 방향(L 방향)에서 바라본 평면도이며, 도 8b는 상기 다공성 노즐판(120)을 하부 방향(M 방향)에서 바라본 저면도이다.

도 7, 8a 및 8b를 참조하면, 상기 다공성 노즐판(120)의 방사구(121)의 상부 내경(B)과 하부 내경(C)이 상이함을 확인할 수 있다.

이때, 상기 다공성 노즐판(120)의 방사구(121)의 상부 내경(B)은 2 내지 5 mm이며, 하부 내경(C)은 0.06 내지 0.5 mm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 3을 참조하면, 상기 다공성 노즐판(120)의 하부 홀, 즉 방사구(121) 간의 간격(H)은 1 내지 10 mm 일 수 있으며, 보다 바람직하게는 2 내지 7 mm 일 수 있으며, 5mm 당 하나의 방사구가 존재할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때 하부 방사구 간의 간격은 방사구의 중심과 중심 간의 거리(H)를 의미한다.

이러한 다공성 노즐판(120)은 소정의 두께를 갖는 노즐판 형성용 금속재료 중에서 열에 견딜 수 있는 스테인리스강, 특수강, 카본스틸, 초경합금 등에서 선택된 판에 방사구(121)를 형성하여 제조될 수 있다.

이때, 상기 다공성 노즐판(120)의 두께는 20 내지 70 mm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 설비의 크기에 따라 유동적으로 설계될 수 있다.

본 발명의 구현예들에 의한 노즐블럭(10)은 유입부(110) 및 다공성 노즐판(120) 이외에 방사노즐에 필요한 구성성분들을 제한없이 채용하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 유입부(110)와 다공성 노즐판(120)의 사이에 방사재료(A)의 불순물을 제거할 수 있는 필터판을 추가로 포함하거나, 유입된 방사재료(A)의 균일한 재분배를 돕는 역할을 하는 분배 조절판을 추가로 포함할 수도 있다. 이 밖에도 용융전기방사에 사용되는 경우, 유입된 방사재료인 용융체(A)의 물성을 유지하여 제품의 신뢰성을 향상시키기 위해서 상기 용융체(A)의 온도를 고온으로 유지시 킬 수 있는 하우징을 추가로 포함할 수 있다.

상기 하우징은 상기 노즐블럭의 상부를 덮을 수 있는 알루미늄 재질의 자켓일 수 있으며, 고온의 오일을 공급하기 위한 오일 공급관들을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상은 본 발명의 구현예들에 따른 전기방사용 노즐블럭을 구비한 전기방사장치에 관한 것이다.

본 발명의 일실시예에 의한 전기방사장치는 섬유 원료가 되는 고분자 물질을 공급하는 원료 공급부; 상기 원료 공급부와 연결되며, 상기 원료 공급부로부터 방사재료를 공급받아 필라멘트 형태로 토출하게 하는 복수개의 노즐을 구비하는 노즐블럭으로서, 상기 원료 공급부에 연결되어 방사재료가 유입되는 유입부, 상기 유입부의 하부에 연결되며, 유입된 방사재료가 필라멘트 형태로 토출되게 하는 복수개의 노즐을 포함하는 노즐판을 포함하며, 이때 상기 노즐판은 복수개의 방사구가 천공되어 형성된 다공성 노즐판인 전기방사용 노즐블럭; 상기 노즐블럭에 소정의 전압을 인가하여 상기 용융체를 하전시키는 전압인가부; 및 상기 노즐블럭과 소정의 이격거리를 두며 하측에 위치하며, 상기 노즐블럭을 통해서 토출되는 하전 필라멘트를 상면에 집적하는 컬렉터를 포함한다.

상기 전기방사장치는 용액방사 또는 용융방사에 사용될 수 있으며, 상기 원료 공급부는 섬유 원료가 되는 고분자 물질이 공급되어 용매에 용해되거나(용액방사) 용융방사를 위해 용융액으로 상변화되는 부분이다.　 상기 원료 공급부는 방사재료를 이송하는 이송수단, 또는 섬유 원료가 되는 고분자 물질을 압출하여 방사하 는 압출기를 포함할 수 있고, 특히 용융방사의 경우 상기 원료 공급부는 고분자 칩을 용융하는 가열수단, 용융된 폴리머 용융액을 이송하는 이송수단을 구비할 수 있으며, 이에 용융 압출기를 사용하여 고분자 물질의 상변화를 함께 유도할 수 있다.

원료 공급부는 이러한 구성에 한정되는 것은 아니며, 대안으로, 노즐블럭에 공급할 폴리머를 저장하는 원료 저장탱크, 저장된 폴리머를 시간당 일정한 양으로 공급해주는 조절장치인 정량펌프 및 공급관을 포함할 수도 있다.

본 발명에서 사용가능한 고분자 물질으로는 고분자 칩, 폴리머 용액, 폴리머 용해물, 용해된 유리 물질, 및 이들의 혼합물을 포함한다.　 본 발명에서 사용가능한 대표적인 고분자 재료의 비제한적인 예들은 불소 중합체, 폴리올레핀, 폴리이미드, 폴리락타이드, 폴리에스테르, 폴리카프로락톤, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리우레탄, 엘라스토머, 또는 고무류를 포함하며, 이들을 단독으로 혹은 둘 이상이 혼합된 상태로 사용할 수도 있다.　 또한 본 발명에서 폴리머 용액 또는 용융 폴리머에는 물성의 향상을 위하여 기타 첨가제가 첨가될 수 있다.

본 발명의 일구현예에서, 상기 원료 공급부는 섬유 원료가 되는 고분자 물질을 압출하여 방사하는 압출기를 포함할 수 있으며, 용융방사의 경우 상기 압출기로 용융 압출기를 사용하여 고분자 물질의 상변화를 함께 유도할 수 있다.

상기 노즐블럭은 상기 압출기에 부착되어 설치되거나, 유도관 및 절연단관과 같은 추가 구성을 통하여 연결되도록 디자인될 수도 있다.

상기 노즐블럭은 방사재료를 공급받아 필라멘트 형태로 토출하게 하는 복수 개의 노즐을 구비하며, 상기 원료 공급부 또는 압출기에 연결되어 방사재료가 유입되는 유입부, 상기 유입부의 하부에 연결되며, 유입된 방사재료가 필라멘트 형태로 토출되게 하는 복수개의 노즐을 포함하는 노즐판을 포함하며, 상기 노즐판은 복수개의 방사구가 천공되어 형성된 다공성 노즐판이다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에서는 방사재료가 방사되는 노즐블럭 주위의 온도를 일정하게 유지하도록 고온의 에어 또는 오일을 공급하는 공급관을 구비하여 상기 노즐블럭의 온도를 유지시켜, 상기 노즐블럭 내부에 공급된 방사재료의 물성이 유지되도록 한다. 또한, 상기 노즐블럭에서 다공성 노즐판의 주변의 공급관은 노즐블럭의 다른 부분 주변의 공급관과 유입 통로를 달리 하여 노즐 끝에서 순간적으로 온도를 200℃ 이상으로 높여 방사재료가 다공성 노즐판에 형성된 방사구을 통해 필라멘트 형태로 토출되도록 한다.

상기 노즐블럭에는 소정의 전압이 인가되어 방사되는 방사재료를 하전시켜 전기장을 형성한다.　 이러한 역할을 하는 상기 전압인가부는 당업계에서 공지된 방식을 제한없이 사용할 수 있다.

상기 노즐블럭의 노즐판의 방사구로부터 토출된 하전 필라멘트는 상기 컬렉터 상부에 집적된다. 상기 컬렉터는 전도성이 우수한 금속재가 사용되며, 이송롤러와 같은 이송수단으로 상기 노즐블럭에 대하여 연속적으로 공급되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 컬렉터는 접지된 상태이거나, 상기 노즐블럭에 인가된 전압의 극성과 반대의 극성이 인가되어 상기 하전 필라멘트와 반대 극성을 가짐으로써, 하전 필라 멘트의 집적을 도울 수 있다. 즉, 상기 노즐블럭을 통해 방사된 미세 필라멘트 형태의 고분자재료와 강력한 전기장을 형성하여 필라멘트가 나노급의 직경으로 방사되어 집적되도록 한다.

한편, 하전되어 방사된 필라멘트는 직물, 부직포, 종이 등과 같은 비금속성 기재 위에 집적시킬 수도 있는데, 이 경우에는 상기 컬렉터의 전면에 기재를 위치시켜 집적시켜 웹을 형성할 수 있으며, 웹이 형성된 기재는 이동수단을 통해 이동되어 상, 하 히팅장치를 통과하면서 가열되어 칼렌더링(calendering)되며, 최종적으로 권취롤러에 권취된다.

한편, 상기 노즐블럭과 컬렉터는 수직방향으로 대향하여 배치되거나, 수평방향으로 대향하여 배치될 수 있다.

본 발명의 전기방사장치를 이용하여 제조될 수 있는 나노섬유는 필터소재, 광화학 센서소재, 전자소자용 소재, 생체 의학용 소재, 조직 공학용 소재, 약물 전달용 소재 및 미용소재 등으로 광범위하게 응용될 수 있다.　　 예를 들어, 나노섬유는 부피에 비해 표면적이 매우 크기 때문에 필터용으로 응용시 탁월한 효과를 나타내며, 전기 전도성을 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.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조로 설명하였으나, 이들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예의 의한 전기방사용 노즐블럭의 단면 개략도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭의 다공성 노즐판의 단면 개략도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭의 다공성 노즐판의 부분 확대 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭의 다공성 노즐판의 부분 확대 단면도이다.

도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭의 다공성 노즐판의 부분 확대 단면도이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭의 다공성 노즐판의 부분 확대 단면도이다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭의 다공성 노즐판의 부분 절개 사시도이다.

도 8a는 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭의 다공성 노즐판의 평면도이다.

도 8b는 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블럭의 다공성 노즐판의 저면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 노즐블럭 110: 유입부

120, 220, 320: 노즐판 121, 221, 321: 방사구

Claims (14)

1. 전기방사용 노즐블럭에 있어서, 상기 노즐블럭이:

   방사재료가 유입되는 유입부; 및

   상기 유입부의 하부에 연결되며, 유입된 방사재료가 필라멘트 형태로 토출되게 하는 복수개의 노즐을 포함하는 노즐판을 포함하며,

   상기 노즐판은 복수개의 방사구가 천공되어 형성된 다공성 노즐판인 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블럭.
2. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 노즐판에 천공된 방사구는 상기 다공성 노즐판의 상부로부터 하부 쪽으로 점차 좁아지다가 어느 일부분까지 일정한 두께를 가지고, 상기 일부분 이후로 점차 테이퍼되면서 좁아다가 그로부터 상기 방사구의 하부까지 일정한 두께를 가지는 형상을 가짐으로써, 상기 노즐판의 상부와 하부에 형성된 구멍의 직경이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블럭.
3. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 노즐판에 천공된 방사구는 상기 유입부와 접하는 상부로부터 그 반대방향의 하부를 향하여 어느 일부분까지 점차 테이퍼되며 좁아지다가, 상기 일부분으로부터 상기 방사구의 하부까지 일정한 두께를 가지는 형상을 가짐으로써, 상기 노즐판의 상부와 하부에 형성된 구멍의 직경이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블럭.
4. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 노즐판에 천공된 방사구는 상기 유입부와 접하는 상부로부터 그 반대방향의 하부를 향하여 어느 일부분까지 일정한 두께를 가지고, 상기 일부분으로부터 상기 방사구의 하부에 근접하면서 점차 테이퍼되는 형상을 가짐으로써, 상기 노즐판의 상부와 하부에 형성된 구멍의 직경이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블럭.
5. 제 2항, 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 방사구의 단면의 형상은 원형, 정사각형 또는 직사각형인 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블럭.
6. 제 2항, 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 다공성 노즐판의 방사구의 상부 내경은 2 내지 5 mm이며, 하부 내경은 0.06 내지 0.5 mm 인 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블럭.
7. 제 2항, 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 다공성 노즐판의 하부 방사구 간의 간격은 1 내지 10 mm 인 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블럭.
8. 제 7항에 있어서, 상기 다공성 노즐판의 하부 방사구 간의 간격은 5 mm인 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블럭.
9. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 노즐판은 소정의 두께를 갖는 노즐판 형성용 금속재료인 스테인리스강, 특수강, 카본스틸, 또는 초경합금에서 선택된 판에 방사구를 형성하여 제조된 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블럭.
10. 제 9항에 있어서, 상기 다공성 노즐판의 두께는 20 내지 70mm 인 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블럭.
11. 섬유 원료가 되는 고분자 물질을 공급하는 원료 공급부;

    상기 원료 공급부와 연결되며, 상기 원료 공급부로부터 방사재료를 공급받아 필라멘트 형태로 토출하게 하는 복수개의 노즐을 구비하는 노즐블럭으로서, 상기 원료 공급부에 연결되어 방사재료가 유입되는 유입부; 상기 유입부의 하부에 연결되며, 유입된 방사재료가 필라멘트 형태로 토출되게 하는 복수개의 노즐을 포함하는 노즐판을 포함하며, 상기 노즐판은 복수개의 방사구가 천공되어 형성된 다공성 노즐판인 전기방사용 노즐블럭;

    상기 노즐블럭에 소정의 전압을 인가하여 상기 방사재료를 하전시키는 전압인가부; 및

    상기 노즐블럭과 소정의 이격거리를 두며 하측에 위치되며, 상기 노즐블럭을 통해서 토출되는 하전 필라멘트를 상면에 집적하는 컬렉터를 포함하는 전기방사장치.
12. 제 11항에 있어서, 상기 전기방사장치는 용액방사 또는 용융방사에 사용되는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
13. 제 11항에 있어서, 상기 원료 공급부는 섬유 원료가 되는 고분자 물질을 압출하여 방사하는 압출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
14. 제 11항에 있어서, 상기 컬렉터는 접지되거나 상기 하전 필라멘트와 반대 극 성으로 대전되는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.

Images