KR20120049174A

KR20120049174A - 나노파이버 제조 장치, 나노파이버 제조 방법

Info

Publication number: KR20120049174A
Application number: KR1020117022680A
Authority: KR
Inventors: 가즈노리 이시카와; 히로토 스미다; 다카히로 구로카와; 마사노부 미야타; 다카토시 미츠시마
Original assignee: 파나소닉 주식회사
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2010-08-11
Publication date: 2012-05-16
Also published as: JP4763845B2; JP5226151B2; JP2011168949A; US20140342027A1; US8834775B2; JP2013047410A; JP2011080186A; US20120013047A1; JP5236042B2; CN102365398B; CN102365398A; WO2011030506A1

Abstract

원료액(300)을 공간 중에서 전기적으로 연신시켜, 나노파이버(301)를 제조하는 나노파이버 제조 장치(100)로서, 원료액(300)을 공간 중에 유출시키는 유출 구멍(118)을 복수 가지는 유출체(115)이며, 유출 구멍(118)의 선단인 개구부(119)가 소정의 간격으로 일차원적으로 늘어서 배치되는 선단부(116)와, 선단부(116)로부터 멀어짐에 따라 상호의 간격이 넓어지도록 배치되고, 선단부(116)로부터 유출 구멍(118)을 사이에 두도록 연장 설치되는 2개의 측면부(117)를 가지는 유출체(115)와, 유출체(115)와 소정의 간격을 두고 배치되는 대전 전극(121)과, 유출체(115)와 대전 전극(121)의 사이에 소정의 전압을 인가하는 대전 전원(122)을 구비하며, 단위 시간당 단위 면적당의 나노파이버의 생산량을 높은 상태로 유지하고, 이온풍의 영향을 억제하여 나노파이버의 질 향상과 균일화를 도모한다.

Description

나노파이버 제조 장치, 나노파이버 제조 방법{NANOFIBER MANUFACTURING DEVICE AND NANOFIBER MANUFACTURING METHOD}

본원 발명은, 정전 연신 현상에 의해 서브 미크론 오더나 나노 오더의 가늘기인 섬유(나노파이버)를 제조하는 나노파이버 제조 장치, 나노파이버 제조 방법에 관한 것이다.

수지 등으로 이루어지고, 서브 미크론 스케일이나 나노 스케일의 직경을 가지는 실 형상(섬유 형상) 물질을 제조하는 방법으로서, 정전 연신 현상(일렉트로스피닝)을 이용한 방법이 알려져 있다.

이 정전 연신 현상이란, 용매 중에 수지 등의 용질을 분산 또는 용해시킨 원료액을 공간 중에 노즐 등에 의해 유출(분사)시킴과 더불어, 원료액에 전하를 부여하여 대전시키고, 공간을 비행 중의 원료액을 전기적으로 연신시킴으로써, 나노파이버를 얻는 방법이다.

보다 구체적으로 정전 연신 현상을 설명하면 다음과 같이 된다. 즉, 대전되고 공간 중에 유출된 원료액은, 공간을 비행 중에 서서히 용매가 증발해 간다. 이로 인해, 비행 중의 원료액의 체적은, 서서히 감소해 가지만, 원료액에 부여된 전하는 원료액에 머문다. 이 결과로서, 공간을 비행 중인 원료액은, 전하 밀도가 서서히 상승하게 된다. 그리고, 용매는, 계속해서 증발하기 때문에, 원료액의 전하 밀도가 더 높아지고, 원료액 중에 발생하는 반발 방향의 크론력이 원료액의 표면 장력보다 센 시점에서 원료액이 폭발적으로 선상으로 연신되는 현상이 발생한다. 이것이 정전 연신 현상이다. 이 정전 연신 현상이, 공간에 있어서 차차 기하급수 적으로 발생함으로써, 직경이 서브미크론오더나 나노오더의 수지로 이루어지는 나노파이버가 제조된다.

이상과 같은 정전 연신 현상을 이용하여 나노파이버를 제조하는 장치의 한결같은 과제로서 생산 효율의 향상을 들 수 있다. 예를 들면, 원료액을 공간 중에 유출시키는 원통 형상의 노즐을 매트릭스 형상으로 배치하고, 단위시간당 단위면적당의 나노파이버의 발생량을 증가시키고, 나노파이버의 생산 효율을 향상시키는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 단위면적당의 나노파이버의 발생량을 증가시키기 위해서는, 노즐의 배치 간격을 좁히면 되지만, 간격이 좁아지면 인접하는 노즐끼리가 전계 간섭을 일으켜 발생하는 나노파이버에 결함이 발생한다. 그래서 당해 과제를 해결하기 위해서 특허 문헌 1에 기재된 발명은, 노즐의 사이에 격자 형상으로 격리판을 배치하고, 그 격리판에 교류 전압을 인가함으로써, 전계 간섭을 방지하고 있다.

특허 문헌 1 :일본국 특개2008-174867호 공보

그런데, 특허 문헌 1의 발명에서는, 노즐의 사이에 격리판을 설치할 필요가 있기 때문에, 그 만큼 노즐의 간격이 넓어지고, 생산 효율 저하를 초래하게 된다. 또, 노즐을 격리판으로 둘러싸게 되기 때문에, 당해 둘러싸여진 공간에 대전 증기가 막히기 쉬워지고 제조되는 나노파이버에 악영향을 미치는 것이 염려된다. 또, 각 노즐에 공급되는 원료액의 압력을 균일하게 하는 것은 어렵고, 제조되는 나노파이버의 질에 편차가 발생하는 것을 생각할 수 있다.

또한, 본원 발명자들은, 격리판이 설치되어 있었다고 해도, 노즐의 외주벽 등으로부터 이온풍이 발생하고, 그 이온풍이 제조되는 나노파이버에 악영향을 미치는 것을 발견하기에 이르렀다.

여기서, 이온풍은, 다음과 같은 현상에서 발생한다고 생각되고 있다. 즉, 외주 벽면의 어느 부분에 전하가 모이면, 그 부분의 주변에 존재하는 공기가 이온화된다. 그리고, 이온화된 공기가 벽면의 전하에 반발하여 뛰쳐나옴으로써, 이온을 포함한 공기의 흐름인 이온풍이 발생한다. 특히 이온풍은, 예를 들면, 돌기부의 선단이나 모서리의 선단 등, 외주벽의 형상의 특이한 부분에서 발생하기 쉽다는 지견을 얻고 있다.

또, 당해 이온풍이 공간 중을 비행하고 있는 원료액과 교차하면, 원료액이나 제조 중인 나노파이버의 비행 경로를 어지럽히거나, 원료액의 대전 상태에 악영향을 미치거나 하여 제조되는 나노파이버의 품질이 저하되어 있었다. 또, 나노파이버의 생산 효율의 저하로도 이어져 있었다.

본원 발명은, 상기 문제점이나 지견에 기초하는 것이며, 전계 간섭을 억제하여 단위시간당 단위면적당의 나노파이버의 생산량을 높은 상태로 유지하고, 이온풍의 영향을 억제하여 나노파이버의 질 향상과 균일화를 도모하는 나노파이버 제조 장치, 나노파이버 제조 방법의 제공을 목적으로 하고 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본원 발명에 관련되는 나노파이버 제조 장치는, 원료액을 공간 중에서 전기적으로 연신시켜, 나노파이버를 제조하는 나노파이버 제조 장치로서, 원료액을 공간 중에 유출시키는 유출 구멍을 복수 가지는 유출체이며, 상기 유출 구멍의 선단인 개구부가 소정의 간격으로 일차원적으로 늘어서 배치되는 선단부와, 상기 선단부로부터 멀어짐에 따라 상호의 간격이 넓어지도록 배치되고, 상기 선단부로부터 상기 유출 구멍을 사이에 두도록 연장 설치되는 2개의 측면부를 가지는 유출체와, 상기 유출 구멍에 소정의 압력으로 원료액을 공급하는 공급 수단과, 상기 유출체와 소정의 간격을 두고 배치되는 대전 전극과, 상기 유출체와 상기 대전 전극의 사이에 소정의 전압을 인가하는 대전 전원을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.

이로 인해, 소정 간격으로 배치되는 유출 구멍의 개구부의 간극이 선단부에 의해 메워진 상태가 되기 때문에, 전계 간섭이 발생하기 어려운 상태가 된다. 따라서, 원료액이 유출하는 개구부의 간격을 가급적 좁힐 수 있고, 단위면적당의 나노파이버의 생산량을 증가시키는 것이 가능해진다.

또, 유출체는, 선단부의 폭이 가장 좁고, 개구부로부터 멀어짐에 따라 서서히 넓어지도록 측면부를 구비하고 있기 때문에, 비록 측면부로부터 이온풍이 발생했다고 해도, 그 이온풍이 제조되는 나노파이버에 악영향을 주는 방향으로 비상하기 어려운 구조로 되어 있다. 또한, 측면부는 개구부가 배치되는 방향으로 넓게 연장되는 면이기 때문에, 이온풍이 발생하기 어렵다. 따라서, 유출체는 이온풍이 나노파이버에 주는 영향을 억제하는 것이 가능해진다.

상기 유출체는 또한, 상기 공급 수단으로부터 공급되는 원료액을 저류하고, 복수의 상기 유출 구멍에 접속되고, 상기 유출 구멍에 동시에 원료액을 공급하는 저류조를 구비하고 있어도 된다.

이에 따르면, 공급 수단에 의해 공급되는 원료액을 일단 저류하고, 동시에 원료액을 유출 구멍에 공급할 수 있기 때문에, 유출 구멍에 공급하는 원료액의 압력을 가능한 한 균등하게 하는 것이 가능해진다. 또, 당해 효과를 간단한 구조로 또한, 부품 점수를 증가시키지 않고 향수하는 것이 가능해진다.

또, 상기 선단부는, 소정폭의 직사각형이며, 상기 선단부에 배치되는 대응하는 상기 개구부의 직경보다 넓은 폭이어도 된다.

이에 따르면, 개구부의 주위에 발생하는 액 고임(액 고임에 대해서는 실시의 형태의 항 참조)이 선단부에 의해 충분히 유지된다. 그리고, 액 고임으로부터 원료액이 공간 중에 가늘게 유출되고, 거기서부터 정전 연신 현상이 발생한다. 이상에 의해, 유출 구멍과 선단부의 접합 부분을 원료액이 덮어 가리기 때문에, 이온풍의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.

또한, 공간 중에서 제조되는 나노파이버를 수집하는 수집 수단과, 상기 수집 수단에 나노파이버를 유인하는 유인 수단을 구비해도 된다.

이로 인해, 제조된 나노파이버를 퇴적하는 대상을 한정하여, 기능적인 재료 등을 제조하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 유출체와, 상기 수집 수단을 상대적으로 이동시키는 이동 수단을 구비해도 된다.

이로 인해, 광범위에 걸쳐 균일하게 나노파이버를 퇴적시키는 것이 가능해진다.

또, 상기 유출체는, 상기 유출 구멍이 형성하는 면이 노출되도록 분할 가능하고, 또한, 분할된 유출체를 조립 가능하게 구성되는 것이 바람직하다.

이로 인해, 유출체의 메인트넌스성이 향상된다.

또, 상기 목적을 달성하기 위해서, 본원 발명에 관련되는 나노파이버 제조 방법은, 원료액을 공간 중에서 전기적으로 연신시켜, 나노파이버를 제조하는 나노파이버 제조 방법으로서, 원료액을 공간 중에 유출시키는 유출 구멍을 복수 가지는 유출체이며, 상기 유출 구멍의 선단인 개구부가 소정의 간격으로 일차원적으로 늘어서 배치되는 선단부와, 상기 선단부로부터 멀어짐에 따라 상호의 간격이 넓어지도록 배치되고, 상기 선단부로부터 상기 유출 구멍을 사이에 두도록 연장 설치되는 2개의 측면부를 가지는 유출체로부터 원료액을 유출시키는 유출 공정과, 공급 수단에 의해 상기 유출 구멍에 소정의 압력으로 원료액을 공급하는 공급 공정과, 상기 유출체와 소정의 간격을 두고 배치되는 대전 전극과, 상기 유출체의 사이에 소정의 전압을 인가하는 대전 공정을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.

이로 인해, 소정 간격으로 배치되는 유출 구멍의 개구부의 간극이 선단부에 의해 메워진 상태가 되기 때문에, 전계 간섭이 발생하기 어려운 상태가 된다. 따라서, 원료액이 유출되는 개구부의 간격을 가급적 좁힐 수 있고, 단위면적당의 나노파이버의 생산량을 증가시키는 것이 가능해진다.

본원 발명에 의하면, 나노파이버의 생산 효율을 향상시킴과 동시에, 제조되는 나노파이버의 품질의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.

도 1은, 나노파이버 제조 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는, 유출체를 절결하여 나타내는 사시도이다.
도 3은, 선단부측에서 본 유출체를 나타내는 사시도이다.
도 4는, 선단부의 베리에이션을 나타내는 사시도이다.
도 5는, 다른 실시 형태에 관련되는 나노파이버 제조 장치를 나타내는 사시도이다.
도 6은, 분해 가능한 유출체를 나타내는 분해 사시도이다.
도 7은, 다른 형태의 유출체를 절결하여 나타내는 사시도이다.
도 8은, 다른 형태의 유출체를 절결하여 나타내는 사시도이다.
도 9는, 다른 형태의 유출체를 절결하여 나타내는 사시도이다.
도 10은, 다른 형태의 유출체를 절결하여 나타내는 사시도이다.

(실시의 형태 1)

다음에, 본원 발명에 관련되는 나노파이버 제조 장치, 나노파이버 제조 방법을, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은, 나노파이버 제조 장치를 나타내는 사시도이다.

이 도면에 나타내는 바와 같이, 나노파이버 제조 장치(100)는, 원료액(300)을 공간 중에서 전기적으로 연신시켜, 나노파이버(301)를 제조하는 장치로서, 유출체(115)와, 공급 수단(107)과, 대전 전극(121)과, 대전 전원(122)을 구비하고 있다. 본 실시의 형태의 경우 또한, 나노파이버 제조 장치(100)는, 수집 수단(128)과, 유인 수단(104)을 구비하고 있다. 또한, 나노파이버 제조 장치(100)는, 이동 수단(129)을 구비하고 있다.

도 2는, 유출체를 절결하여 나타내는 사시도이다.

유출체(115)는, 원료액(300)의 압력(중력도 포함하는 경우가 있다)에 의해 원료액(300)을 공간 중에 유출시키기 위한 부재이며, 유출 구멍(118)과, 선단부(116)와, 측면부(117)를 구비하고, 또한, 저류조(113)를 구비하고 있다. 또, 유출체(115)는, 유출되는 원료액(300)에 전하를 공급하는 전극으로서도 기능하고 있고, 원료액(300)과 접촉하는 부분의 적어도 일부는 도전성을 구비한 부재로 형성된다. 본 실시의 형태의 경우, 유출체(115) 전체가 금속으로 형성되어 있다. 또한, 금속의 종류는 도전성을 구비하고 있으면, 특별히 한정되는 것은 아니며, 황동이나 스테인리스강 등 임의의 재료를 선정할 수 있다.

유출 구멍(118)은, 원료액(300)을 공간 중에 유출시키는 구멍이며, 유출체(115)에 복수개 설치되어 있다. 또, 유출 구멍(118)의 선단에 있는 개구부(119)는, 소정의 간격으로 일차원적으로 늘어서 배치되어 있다. 본 실시의 형태의 경우, 유출 구멍(118)은, 개구부(119)가 동일 평면내에 직선적으로 늘어서도록 배치되어 있고, 개구부(119)가 배치되는 방향에 대해서 유출 구멍(118)의 축이 직각으로 교차하도록 배치되어 있다.

유출 구멍(118)의 구멍 길이나 구멍 직경은, 특별히 한정되는 것은 아니며, 원료액(300)의 점도 등에 의해 적합한 형상을 선정하면 된다. 구체적으로는, 구멍 길이는, 1㎜ 이상, 5㎜ 이하의 범위로부터 선정되는 것이 바람직하다. 구멍 직경은, 0.1㎜ 이상, 2㎜ 이하의 범위로부터 선정되는 것이 바람직하다. 또, 유출 구멍(118)의 형상은, 원통 형상으로 한정되는 것은 아니며, 임의의 형상을 선정할 수 있다. 특히 개구부(119)의 형상은, 원형으로 한정되는 것은 아니며, 삼각형이나 사각형 등의 다각형, 성형(星形) 등 내측으로 돌출하는 부분이 있는 형상 등이어도 상관없다.

또, 개구부(119)가 늘어놓여지는 간격은, 전부를 등간격으로 해도 되고, 또, 유출체(115)의 단부에 있어서의 개구부(119)의 간격은, 유출체(115)의 중앙부에 있어서의 개구부(119)의 간격보다 넓게(좁게) 하는 등 임의로 정할 수 있다. 현재 얻어져 있는 지견에 있어서, 개구부(119)의 구멍 직경이 0.3㎜인 경우, 개구부(119)의 피치는, 2.5㎜ 정도까지는 단축 가능하다. 또한, 이들 구멍 직경이나 피치 등은, 원료액(300)의 점도 등 다른 조건에 의해 변화하는 것을 생각할 수 있다.

또, 개구부(119)는, 동일 직선 상에 배치될 뿐만 아니라, 일차원적으로 늘어놓여져 있으면 된다. 여기서, 일차원적이란, 모든 개구부(119)가 배치되는 최대한의 영역을 직사각형으로 둘러싼 경우, 개구부(119)가 상기 직사각형의 폭방향으로는 늘어서지 않는 상태를 말한다. 또, 상기 개구부(119)가 배치되는 직사각형의 영역은, 띠형상이 된다. 이 의미에 있어서, 개구부(119)는, 지그재그로 배치되어도 되고, 싸인 커브 등의 물결을 그리도록 배치되어도 된다.

선단부(116)는, 유출 구멍(118)의 개구부(119)가 배치되는 유출체(115)의 부분이며, 소정의 간격으로 배치되는 개구부(119)의 사이를 매끄러운 면으로 접속하는 부분이다. 본 실시의 형태의 경우, 선단부(116)는, 가늘고 긴 직사각형의 평면을 표면에 구비하고, 그 폭은, 대응하는 개구부(119)의 직경보다도 넓어지도록 설정되어 있다. 구체적으로 예를 들면, 선단부(116)의 폭은, 유출 구멍(118)의 구멍 직경에 따라 다르지만, 액 고임(303)(후술, 도 3 참조)의 근원의 직경이 1㎜ 정도가 되는 것을 감안하여, 1㎜ 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 개구부(119)의 주위의 전부에 걸쳐서 표면이 평면의 선단부(116)가 존재함으로써, 개구부(119)의 주위에 액 고임(303)이 발생한다. 이 액 고임(303)은, 테일러 콘으로 칭해지고 있고, 원료액(300)의 점성에 의해 발생한다고 생각되고, 개구부(119)보다도 큰 원형의 저면을 구비하는 원추 형상으로 되어 있다. 액 고임(303)은, 개구부(119)를 덮도록 유출체(115)의 선단부(116)에 부착한다. 그리고, 원추형의 액 고임(303)으로부터 원료액(300)이 공간 중에 가늘게 유출하는 것으로 되어 있다. 이로 인해 개구부(119)가 공기와 직접 접촉하지 않기 때문에, 개구부(119)로부터 발생하는 이온풍을 억제하는 것이 가능해진다.

또한, 선단부(116)는, 직사각형의 평면을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니며, 또, 평면이 아니어도 액 고임(303)이 발생하는 경우도 있다. 예를 들면 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 선단부(116)는 곡면을 구비해도 되고, 또, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 단부가 맞대어진 2개의 평면을 구비하고 있어도 된다.

또, 선단부(116)는, 상술한 바와 같이 개구부(119)가 지그재그나 파형으로 배치된 경우, 똑바른 띠형상이어도 되고, 개구부(119)의 배치에 추종한 지그재그 형상이나 파형 등이어도 된다.

이상과 같이, 선단부(116)는, 복수 존재하는 개구부(119)의 사이를 면으로 연결하고 있기(도 4(b)에서는, 상기와 같이 2개의 평면으로 연결하고 있다) 때문에, 복수의 노즐을 늘어놓았을 때에 발생하는 전계 간섭을 억제하는 것이 가능해진다. 또, 개구부(119)와 개구부(119)의 사이의 영역에서 발생하는 이온풍을 억제할 수 있다. 따라서, 개구부(119)의 간격을 좁힌 상태에서 배치해도, 양호하게 나노파이버(301)를 제조할 수 있기 때문에, 단위시간, 단위면적당의 나노파이버(301)의 생산량을 향상시키는 것이 가능해진다.

또, 선단부(116)에 의해 액 고임(303)을 양호한 상태로 유지하는 것이 가능하기 때문에, 이온풍의 발생을 억제하고, 나노파이버(301)의 품질 향상이나 생산 효율의 향상이 도모된다고 생각된다.

도 2에 있어서, 측면부(117)는, 유출 구멍(118)을 사이에 두도록 배치되는 2개의 면이며, 선단부(116)로부터 연장 설치되고, 기립 상태에서 배치되는 유출체(115)의 부분이다. 또, 측면부(117)는, 늘어서 배치되어 있는 유출 구멍(118)의 배치 방향으로 연장된 상태에서 설치되어 있고, 모든 유출 구멍(118)을 2개의 측면부(117)에서 사이에 두도록 설치되어 있다. 또, 측면부(117)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 선단부(116)로부터 멀어짐에 따라 상호의 간격이 넓어지도록 배치되어 있다. 쌍방의 측면부(117)의 사이의 각도는, 예각일 수록 선단부에 전하를 집중할 수 있고, 원료액(300)을 높은 전하 밀도로 하여 고품질인 나노파이버(301)를 제조하는 것이 가능해진다. 한편, 쌍방의 측면부(117)의 사이의 각도가 예각이 될 수록, 유출체(115)에 구비되는 저류조(113)의 용적이 작아지고, 또, 유출체(115)에 저류조(113)를 설치할 때의 가공이 어려워진다. 이상을 감안하여, 쌍방의 측면부(117)의 사이의 각도는 60도 정도로 설정하는 것이 바람직하다. 단, 유출체(115)에 있어서의 쌍방의 측면부(117)의 사이의 각도는 이것에 한정되는 것은 아니다.

또한, 도 4(a), 도 4(b)에 나타내는 바와 같이 선단부(116)와 측면부(117)의 경계는 애매하다. 또, 측면부(117)의 형상은, 평면뿐만 아니라, 곡면이어도 상관없다. 예를 들면 도 7에 나타내는 바와 같이, 원통형의 유출체(115)의 둘레 벽에 유출 구멍(118)을 설치한 경우, 원통형의 유출체(115)의 둘레 벽에 있어서의 유출 구멍(118)의 배치 개소가 선단부가 되고, 그 선단부(유출 구멍(118)의 배치 개소)를 사이에 두는 양단의 둘레의 벽부가 측면부(117)가 된다. 이 경우, 유출체(115)를 구성하는 부재를 용이하게 입수할 수 있고, 또, 가공도 용이해진다. 한편, 선단부(116)로의 전하의 집중이 다른 형상(예를 들면, 도 2에 나타내는 유출체(115)의 형상)보다도 떨어지지만, 전압을 높게 하거나, 대전 전극(121)의 위치나 형상을 연구하거나 함으로써 커버 가능하다. 또, 도 8에 나타내는 바와 같이, 측면부(117)는 평면이지만, 저류조(113)가 생성되는 부분은 원통형이어도 상관없다. 또, 도 9에 나타내는 바와 같이, 측면부(117)는, 선단부(116)를 사이에 두고 상호의 간격이 곡면 상에 퍼지는 형상으로 되어 있고, 또, 저류조(113)를 형성하는 부분은 직사각형의 통형상이어도 상관없다. 또한, 도 10에 나타내는 바와 같이, 유출체(115)는, 단면 형상이 계란형의 통체여도 상관없다.

이상으로 예시한 측면부(117)는, 선단부(116)로부터 멀어짐에 따라 상호의 간격이 넓어지도록 배치되어 있다. 또, 선단부(116)로부터 유출 구멍(118)을 사이에 두도록 유출 구멍(118)의 늘어선 방향을 따라 연장 설치되어 있다. 또, 예시한 유출체(115)의 각 부분을 조합하여 이루어지는 유출체(115)도, 본원 발명에 포함된다. 또, 선단부(116)로부터 멀어짐에 따라 상호의 간격이 넓어지는 연속적인 면을 구비하는 유출체(115)의 부분이 측면부(117)이다.

측면부(117)나 선단부(116)는, 전체에 걸쳐서 매끄러운 표면을 구비하고 있고, 가능한 한 특이한 부분을 설치하지 않고(개구부(119)는 제외) 이온풍의 발생을 억제하는 형상으로 하는 것이 바람직하다.

유출체(115)는, 상기 측면부(117)를 구비함으로써, 이온풍의 발생을 억제하고, 또, 이온풍이 발생했다고 해도, 공간 중에 유출하는 원료액(300)과 교차하지 않는 방향으로 이온풍을 날릴 수 있기 때문에, 이온풍이 영향을 미치지 않고 안정된 상태에서 나노파이버(301)를 제조하는 것이 가능해진다.

또, 측면부(117)는 선단부(116)를 향해 서서히 가늘어지도록 배치되어 있기 때문에, 선단부(116)에 전하를 집중시키기 쉽고, 원료액(300)에 효율적으로 전하를 공급할 수 있다.

또한, 개구부(119)의 주위의 공간을 넓게 개방할 수 있기 때문에, 대전 증기가 충만한 것을 회피하는 것이 가능해진다. 또, 측면부(117)를 따른 기체의 흐름이 발생하고, 대전 증기의 충만을 적극적으로 회피하고 있다고도 생각된다.

또 예를 들면, 개구부(119) 근방으로부터 원료액(300)의 유출 방향의 하류측을 향하는 바람을 발생시키면, 측면부(117)로부터 원료액(300)을 따라 유출 방향(하방)으로 대전 증기나 이온풍을 배제할 수 있고, 제조되는 나노파이버(301)의 품질의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.

저류조(113)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 유출체(115)의 내부에 형성되고, 공급 수단(107)(도 1 참조)으로부터 공급되는 원료액(300)을 저류하는 탱크이다. 또, 저류조(113)는, 복수의 유출 구멍(118)에 접속되고, 유출 구멍(118)에 동시에 원료액(300)을 공급하는 것으로 되어 있다. 본 실시의 형태의 경우, 저류조(113)는, 유출체(115)에 1개 설치되어 있고, 유출체(115)의 일단부로부터 타단부에 걸쳐서 넓게 설치되고, 모든 유출 구멍(118)과 접속되어 있다.

이상과 같이 저류조(113)는, 원료액(300)을 유출 구멍(118)의 근방에서 일시적으로 저류하고, 복수의 유출 구멍(118)에 균등한 압력으로 원료액(300)을 공급하는 기능을 구비하고 있고, 이로 인해, 각 유출 구멍(118)으로부터 균등한 상태에서 원료액(300)을 유출시키는 것이 가능해진다. 따라서, 제조되는 나노파이버(301)의 품질의 공간적인 편차를 억제하는 것이 가능해진다.

공급 수단(107)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 유출체(115)에 원료액(300)을 공급하는 장치이며, 원료액(300)을 대량으로 저류하는 용기(151)와, 원료액(300)을 소정의 압력으로 반송하는 펌프(도시 생략)와, 원료액(300)을 안내하는 안내관(114)을 구비하고 있다.

대전 전극(121)은, 유출체(115)와 소정의 간격을 두고 배치되고, 자신이 유출체(115)에 대해 높은 전압 혹은 낮은 전압이 됨으로써, 유출체(115)에 전하를 유도하기 위한 도전성을 구비하는 부재이다. 본 실시의 형태의 경우, 대전 전극(121)은, 나노파이버(301)를 유인하는 유인 수단(104)으로서도 기능하고 있고, 유출체(115)의 선단부(116)와 대향하는 위치에 배치되어 있고, 접지되어 있다. 따라서, 유출체(115)에 정의 전압이 인가되면 대전 전극(121)에는, 부의 전하가 유도되고, 유출체(115)에 부의 전압이 인가되면 대전 전극(121)에는, 정의 전하가 유도된다.

대전 전원(122)은, 유출체(115)에 고전압을 인가할 수 있는 전원이다. 대전 전원(122)은, 일반적으로는, 직류 전원이 바람직하다. 특히, 발생시키는 나노파이버(301)의 대전 극성에 영향을 받지 않는 경우, 생성한 나노파이버(301)의 대전을 이용하여, 역극성의 전위를 인가한 전극으로 나노파이버(301)를 유인하는 경우에는, 직류 전원을 채용하는 것이 바람직하다. 또, 대전 전원(122)이 직류 전원인 경우, 대전 전원(122)이 대전 전극(121)에 인가하는 전압은, 5KV 이상, 100KV 이하의 범위의 값으로부터 설정되는 것이 적합하다.

본 실시의 형태와 같이, 대전 전원(122)의 한쪽 전극을 접지 전위로 하고, 대전 전극(121)을 접지하는 것으로 하면, 비교적 대형의 대전 전극(121)을 접지 상태로 할 수 있고, 안전성의 향상에 기여하는 것이 가능해진다.

또한, 대전 전극(121)에 전원을 접속하여 대전 전극(121)을 고전압으로 유지하고, 유출체(115)를 접지함으로써 원료액(300)에 전하를 부여해도 된다. 또, 대전 전극(121)과 유출체(115) 모두 접지하지 않는 접속 상태여도 상관없다.

수집 수단(128)은, 정전 연신 현상에 의해 제조되는 나노파이버(301)를 퇴적시켜 수집하는 부재이다. 본 실시의 형태의 경우, 수집 수단(128)은, 전자 디바이스인 콘덴서를 형성하는 부재인 텅스텐의 시트이며, 롤(127)에 감긴 상태에서 공급되어 있다.

또한, 수집 수단(128)은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 수집 수단(128)은, 강성이 있는 판 형상의 부재로 이루어지는 것이어도 상관없다. 또, 나노파이버(301)의 퇴적물만을 이용하는 경우에는, 수집 수단(128)의 표면에 불소 수지 코트, 또는, 실리콘 코트를 행하는 등, 나노파이버(301)를 벗겨낼 때의 박리성이 높은 수집 수단(128)이어도 된다.

유인 수단(104)은, 공간 중에서 제조된 나노파이버(301)를 수집 수단(128)에 유인하기 위한 장치이다. 본 실시의 형태의 경우, 유인 수단(104)은, 대전 전극(121)으로서도 기능하는 금속판이며, 수집 수단(128)의 후방에 배치되어 있다. 유인 수단(104)은, 대전하고 있는 나노파이버(301)를 전계에 의해 수집 수단(128)에 유인한다. 즉, 유인 수단(104)은, 대전한 나노파이버(301)를 유인하기 위한 전계를 발생시키기 위한 전극이다.

이동 수단(129)은, 유출체(115)와, 수집 수단(128)을 상대적으로 이동시키는 장치이다. 본 실시의 형태의 경우, 유출체(115)는 고정되어 있고, 수집 수단(128)만을 이동하는 것으로 되어 있다. 구체적으로 이송 수단은, 긴 수집 수단(128)을 감으면서 롤(127)로부터 인출하고, 퇴적하는 나노파이버(301)와 함께 수집 수단(128)을 반송하는 것으로 되어 있다.

또한, 이동 수단(129)은, 수집 수단(128)을 이동시킬 뿐만 아니라, 유출체(115)를 수집 수단(128)에 대해서 이동시키는 것이어도 상관없는, 또, 이동 수단(129)은, 수집 수단(128)을 일정 방향으로 이동시키고, 유출체(115)를 왕복 이동 시키는 등, 임의의 동작 상태를 예시할 수 있다. 또, 개구부(119)의 늘어선 방향과 직교하는 방향으로 수집 수단(128)을 이동시키고 있지만, 거기에 한정하는 것은 아니며, 개구부(119)의 늘어선 방향으로 수집 수단(128)을 이동시키고, 유출체(115)를 개구부(119)의 늘어선 방향과 직교하는 방향으로 왕복 이동시키는 것이어도 상관없다.

여기서, 나노파이버(301)를 구성하는 수지이며, 원료액(300)에 용해, 또는, 분산하는 용질로서는, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리-m-페닐렌테레프탈레이트, 폴리-p-페닐렌이소프탈레이트, 폴리불화비닐리덴, 폴리불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴-아크릴레이트 공중합체, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴로니트릴-메타크릴레이트 공중합체, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에스테르카보네이트, 폴리아미드, 아라미드, 폴리이미드, 폴리카프롤락톤, 폴리젖산, 폴리글리콜산, 콜라겐, 폴리히드록시낙산, 폴리아세트산비닐, 폴리펩티드 등 및 이들 공중합체 등의 고분자 물질을 예시할 수 있다. 또, 상기로부터 선택되는 일종에서도 되고, 또, 복수 종류가 혼재해도 상관없다. 또한, 상기는 예시이며, 본원 발명은 상기 수지로 한정되는 것은 아니다.

원료액(300)에 사용되는 용매로서는, 휘발성이 있는 유기용제 등을 예시할 수 있다. 구체적으로 예시하면, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 헥사플루오로이소프로판올, 테트라에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 디벤질알코올, 1,3-디옥소란, 1,4-디옥산, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 메틸-n-헥실케톤, 메틸-n-프로필케톤, 디이소프로필케톤, 디이소부틸케톤, 아세톤, 헥사플루오로아세톤, 페놀, 기산, 기산메틸, 기산에틸, 기산프로필, 안식향산메틸, 안식향산에틸, 안식향산프로필, 아세트산메틸, 아세트산에틸, 아세트산프로필, 프탈산디메틸, 프탈산디에틸, 프탈산디프로필, 염화메틸, 염화에틸, 염화메틸렌, 클로로포름, o-클로로톨루엔, p-클로로톨루엔, 클로로포름, 사염화탄소, 1,1-디클로로에탄, 1,2-디클로로에탄, 트리클로로에탄, 디클로로프로판, 디브로모에탄, 디브로모프로판, 취화메틸, 취화에틸, 취화프로필, 아세트산, 벤젠, 톨루엔, 헥산, 시클로헥산, 시클로헥사논, 시클로펜탄, o-크실렌, p-크실렌, m-크실렌, 아세토니트릴, 테트라히드로푸란, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세토아미드, 디메틸술포옥시드, 피리딘, 물 등을 예로 들 수 있다. 또, 상기로부터 선택되는 일종이어도 되고, 또, 복수 종류가 혼재해도 상관없다. 또한, 상기는 예시이며, 본원 발명에 이용되는 원료액(300)은 상기 용매를 채용하는 것에 한정되는 것은 아니다.

또한, 원료액(300)에 무기질 고체 재료를 첨가해도 된다. 당해 무기질 고체 재료로서는, 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화산, 규화산, 불화물, 황화물 등을 들 수 있지만, 제조되는 나노파이버(301)의 내열성, 가공성 등의 관점으로부터 산화물을 이용하는 것이 바람직하다. 당해 산화물로서는, Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, Li₂O, Na₂O, MgO, CaO, SrO, BaO, B₂O₃, P₂O₅, SnO₂, ZrO₂, K₂O, Cs₂O, ZnO, Sb₂O₃, As₂O₃, CeO₂, V₂O₅, Cr₂O₃, MnO, Fe₂O₃, CoO, NiO, Y₂O₃, Lu₂O₃, Yb₂O₃, HfO₂, Nb₂O₅ 등을 예시할 수 있다. 또, 상기로부터 선택되는 일종이어도 되고, 또, 복수 종류가 혼재해도 상관없다. 또한, 상기는 예시이며, 본원 발명의 원료액(300)에 첨가되는 물질은, 상기 첨가제로 한정되는 것은 아니다.

원료액(300)에 있어서의 용매와 용질의 혼합 비율은, 선정되는 용매의 종류와 용질의 종류에 따라 다르지만, 용매량은, 약 60중량% 내지 98중량%의 사이가 바람직하다. 적합하게는 용질이 5~30%가 된다.

다음에, 상기 구성의 나노파이버 제조 장치(100)를 이용한 나노파이버(301)의 제조 방법을 설명한다.

우선, 공급 수단(107)에 의해 유출체(115)에 원료액(300)을 공급한다(공급 공정). 이상에 의해, 유출체(115)의 저류조(113)에 원료액(300)이 채워진다.

다음에, 대전 전원(122)에 의해 대전 전극(121)을 정 또는 부의 고전압으로 한다. 대전 전극(121)과 대향하는 유출체(115)의 선단부(116)에 전하가 집중하고, 당해 전하가 유출 구멍(118)을 통과하여 공간 중에 유출하는 원료액(300)에 전이하고, 원료액(300)이 대전한다(대전 공정).

상기 대전 공정과 공급 공정은 동 시기에 실시되고, 유출체(115)의 개구부(119)로부터 대전한 원료액(300)이 유출한다(유출 공정).

여기서, 개구부(119)로부터 유출하는 원료액(300)은, 개구부(119)를 덮고 선단부(116)로부터 늘어지는 액 고임(303)을 형성한다. 이 액 고임(303)은, 복수 있는 개구부(119)마다 형성되고, 그 선단으로부터 원료액(300)이 실 형상으로 늘어진다. 이와 같이 액 고임(303)이 형성됨으로써, 이온풍의 발생을 억제하고, 제조되는 나노파이버(301)의 품질을 높이는 것이 가능해진다.

다음에 어느 정도 공간 중을 비행한 원료액(300)에 정전 연신 현상이 작용함으로써 나노파이버(301)가 제조된다(나노파이버 제조 공정). 여기서, 원료액(300)은, 이온풍에 영향을 받지 않고 강한 대전 상태(높은 전하 밀도)에서 유출되고, 또, 각 개구부(119)로부터 비행하는 원료액(300)이 뭉치지 않고 가는 상태에서 유출된다. 이로 인해, 원료액(300)의 대부분이 나노파이버(301)로 변화해 간다. 또, 원료액(300)은, 강한 대전 상태(높은 전하 밀도)에서 유출되고 있기 때문에, 정전 연신이 몇차에도 걸쳐 발생하고, 선 직경이 가는 나노파이버(301)가 대량으로 제조된다.

이 상태에 있어서, 수집 수단(128)의 뒤쪽에 배치되는 유인 수단(104)과 유출체(115)의 사이에 발생하는 전계에 의해, 나노파이버(301)가 수집 수단(128)에 유인된다(유인 공정).

이상에 의해, 수집 수단(128)에 나노파이버(301)가 퇴적하여 수집된다(수집 공정). 수집 수단(128)은, 이동 수단(129)에 의해 천천히 이송되고 있기 때문에, 나노파이버(301)도 이송 방향으로 연장된 긴 띠 형상 부재로서 회수된다.

이상과 같은 구성의 나노파이버 제조 장치(100)를 이용하여, 이상의 나노파이버 제조 방법을 실시함으로써, 높은 생산 효율을 유지하면서, 품질이 높은 나노파이버(301)를 공간적으로 편차가 발생하지 않고 균일하게 제조하는 것이 가능해진다.

또한, 본원 발명은, 상기 실시의 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 도 5에 나타내는 바와 같이, 유출체(115)의 근방이며, 유출체(115)와 수집 수단(128)의 사이에, 대전 전극(121)을 배치해도 상관없다. 또, 이러한 형태의 나노파이버 제조 장치(100)로 한 경우, 또한, 통기성을 구비함과 더불어 나노파이버(301)를 퇴적시킬 수 있는 수집 수단(128)을 구비하고, 소정의 장소에 모이는 기체류를 발생시키는 유인 수단(104)을 구비해도 된다. 구체적으로는, 이 도면에 나타내는 바와 같이, 진공 흡인 장치(141)를 배치하여 수집 수단(128)의 뒷 부분으부터 수집 수단(128)을 향하는 기체류를 발생시키는 유인 수단(104)으로 하면 된다. 또한, 대전 전원(122)과는 다른(또는 공용으로) 수집 전원(123)을 구비하고, 나노파이버(301)를 전계로 유인하는 전계 방식과, 기체류에 의해 유인하는 기체류 방식을 동시, 또는, 선택적으로 실시할 수 있도록 해도 상관없다.

또, 도 6에 나타내는 바와 같이, 유출체(115)를 분할 가능한 구성으로 해도 상관없다. 특히, 유출 구멍(118)의 내벽면을 노출할 수 있는 분할 구조를 채용하면, 유출 구멍(118)에 부착한 수지 등의 제거가 용이해져 바람직하다.

(산업상의 이용 가능성)

본원 발명은, 나노파이버의 제조나 나노파이버를 이용한 방사, 부직포의 제조에 이용 가능하다.

100:나노파이버 제조 장치 104:유인 수단
107:공급 수단 113:저류조
114:안내관 115:유출체
116:선단부 117:측면부
118:유출 구멍 119:개구부
121:대전 전극 122:대전 전원
127:롤 128:수집 수단
129:이동 수단 151:용기
300:원료액 301:나노파이버

Claims

원료액을 공간 중에서 전기적으로 연신시켜, 나노파이버를 제조하는 나노파이버 제조 장치로서,
원료액을 공간 중에 유출시키는 유출 구멍을 복수 가지는 유출체이며, 상기 유출 구멍의 선단인 개구부가 소정의 간격으로 일차원적으로 늘어서 배치되는 선단부와, 상기 선단부로부터 멀어짐에 따라 상호의 간격이 넓어지도록 배치되고, 상기 선단부로부터 상기 유출 구멍을 사이에 두도록 연장 설치되는 2개의 측면부를 가지는 유출체와,
상기 유출체와 소정의 간격을 두고 배치되는 대전 전극과,
상기 유출체와 상기 대전 전극의 사이에 소정의 전압을 인가하는 대전 전원을 구비하는 나노파이버 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 유출체는,
상기 유출 구멍에 소정의 압력으로 원료액을 공급하는 공급 수단과,
상기 공급 수단으로부터 공급되는 원료액을 저류하고, 복수의 상기 유출 구멍에 접속되고, 상기 유출 구멍에 동시에 원료액을 공급하는 저류조를 더 구비하는, 나노파이버 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 선단부는, 소정 폭의 직사각형이며, 상기 선단부에 배치되는 대응하는 상기 개구부의 직경보다도 넓은 폭을 구비하는, 나노파이버 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
공간 중에서 제조되는 나노파이버를 수집하는 수집 수단과,
상기 수집 수단에 나노파이버를 유인하는 유인 수단을 더 구비하는, 나노파이버 제조 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 유출체와, 상기 수집 수단을 상대적으로 이동시키는 이동 수단을 더 구비하는, 나노파이버 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 유출체는, 상기 유출 구멍이 형성하는 면이 노출되도록 분할 가능하고, 또한, 분할된 유출체를 조립 가능하게 구성되는, 나노파이버 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 선단부는, 복수의 상기 개구부의 사이를 매끄러운 면으로 연결하는, 나노파이버 제조 장치.
원료액을 공간 중에서 전기적으로 연신시켜, 나노파이버를 제조하는 나노파이버 제조 방법으로서,
원료액을 공간 중에 유출시키는 유출 구멍을 복수 가지는 유출체이며, 상기 유출 구멍의 선단인 개구부가 소정의 간격으로 일차원적으로 늘어서 배치되는 선단부와, 상기 선단부로부터 멀어짐에 따라 상호의 간격이 넓어지도록 배치되고, 상기 선단부로부터 상기 유출 구멍을 사이에 두도록 연장 설치되는 2개의 측면부를 가지는 유출체로부터 원료액을 유출시키는 유출 공정과,
상기 유출체와 소정의 간격을 두고 배치되는 대전 전극과, 상기 유출체의 사이에 소정의 전압을 인가하는 대전 공정을 포함하는 나노파이버 제조 방법.
청구항 8에 있어서,
공간 중에서 제조되는 나노파이버를 수집 수단에 의해 수집하는 수집 공정과,
상기 수집 수단에 나노파이버를 유인하는 유인 공정을 더 포함하는, 나노파이버 제조 방법.