KR20120077437A - 전기방사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사 노즐을 포함하는 노즐블록(2)과 방사 노즐 팁(3) 사이에 위치하여 전기장을 차폐하는 절연 플레이트(4)를 구비하는 전기방사장치에 관한 것으로, 본 발명에 의하면, 전기장이 방사 노즐 팁 부분에 집중적으로 인가됨에 따라, 방사 원액의 토출량이 균일해져서 방사되는 나노미터급 필라멘트사의 섬도가 균일해지고 콜렉터 위에 수집되는 부직포 웹의 품질이 양호해진다.

Description

전기방사장치{Electrospinning Device}

본 발명은 전기방사장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 노즐블록에 절연 플레이트를 구비하여 전기장을 차폐함으로써 전기방사 효율을 향상시킬 수 있는 전기방사장치에 관한 것이다.

전기방사법(Electrospinning)은 열가소성 중합체를 용매에 용해시켜 수득한 방사 원액을 하전상태하에서 방사하여 나노미터급 필라멘트를 제조하는 용액 전기방사법과 열가소성 중합체를 용매에 용해시키지 않고 용융물로 하여 하전상태하에서 방사하여 나노미터급 필라멘트를 제조하는 용융 전기방사법으로 대별(大別)되며, 최근에는 이들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 전기방사법은 한 쌍의 전극 중, 한 쪽 전극은 방사 노즐부에 위치하고 다른 쪽 전극은 콜렉터에 위치하는, 서로 반대하는 극성을 가지는 두 전극 사이에서, 하전된 열가소성 중합체 용융물을 방사 노즐부를 거쳐서 공기 중으로 토출하고, 이어서 공기 속에서 하전된 필라멘트의 연신 및 또 다른 필라멘트의 분기(分岐)를 거쳐서 나노미터급 필라멘트를 제조하는 방법이다. 즉, 하전된 토출 필라멘트는 노즐과 콜렉터 사이에 형성된 전기장 내에서 상호 반발 등의 전기적 영향으로 심한 요동을 거치면서 극세화된다.

전기방사법에 의해 제조되는 필라멘트는 직경이 마이크로미터에서 나노미터 가 되는데, 이처럼 직경이 줄어들면 생성된 웹은 전혀 새로운 특성들을 나타낸다. 예들 들면, 체적에 대한 표면적 비율의 증가와 표면 기능성 향상, 장력을 비롯한 기계적 물성의 향상 등을 언급할 수 있다. 이러한 우수한 특성에 의해서 나노미터급 필라멘트는 많은 중요한 응용 분야에 적용될 수 있다. 예를 들면, 이러한 나노미터급 필라멘트로 구성된 웹은 다공성 분리막 소재로서 각종 필터류, 상처 치료용 드레싱, 인공 혈관 지지체 등의 여러 분야에 응용될 수 있다.

방사 노즐블록은 수십 개 내지 수천 개의 방사 노즐로 구성되어 있는데, 노즐블록의 한쪽 말단 또는 양쪽 말단에 고전압이 인가되는 경우, 고전압 입력단에 인접한 방사 노즐과 고전압 입력단에서 먼 곳에 위치하는 방사 노즐에 형성되는 전기장에 차이가 생겨 전기장의 불균일성이 발생한다. 또한, 방사 노즐블록 전체에 고전압을 인가하게 되면, 전기장이 노즐 전체에 분산되어 형성되므로, 방사 노즐 팁에 전기장이 집중적으로 형성되지 못하여 전기방사의 효율성이 저하된다. 이로 인하여 콜렉터에 집속되는 나노미터급 필라멘트사를 포함하는 최종 생성물인 부직포 웹의 두께가 균일해지지 않아 강도, 기공도 등이 저하됨에 따라 제품으로서의 상품성이 떨어지는 문제 등이 발생할 수 있다.

한국 공개특허공보 제10-2004-0016320호에서는, 방사 불균일성을 해소시키기 위해, 노즐블록을 구성하는 다수 개의 방사 노즐이 중앙부 열을 기준으로 외곽방향으로 가면서 방사 노즐 팩의 수직 길이가 짧게 형성되도록 하는 기술적 구성을 개시하고 있다.

한국 등록특허공보 제10-0642609호에서는, 방사 불균일성을 해소시키기 위해, 노즐블록 내의 평면 공간을 2개 이상의 구획으로 분리시키는 단일층 분배판이 노즐블록 내에 설치되도록 하는 기술적 구성을 개시하고 있다.

한국 등록특허공보 제10-0843269호에서는, 진행방향을 기준으로 노즐블록의 폭 방향의 가장 바깥 열부터 일정한 수의 열에 배치된 방사 노즐의 높이와 일정한 수의 열로부터 중앙 부분 사이에 정렬된 방사 노즐의 높이를 서로 상이하게 하여 방사 불균일성을 해소시키고 있다.

고분자 용융액(방사 원액)에 고전압을 인가하여 나노미터급 필라멘트사를 제조하는 용융 전기방사장치의 경우, 방사 노즐블록 전체에 고전압을 인가하게 되면, 전기장이 노즐블록 전체에 분산되어 형성된다. 한편, 방사 노즐블록의 한쪽 또는 양쪽에 고전압이 인가되면, 고전압이 도입되는 위치에 가까이 위치하는 방사 노즐에는 전기장이 많이 발생하겠지만, 고전압이 도입되는 위치로부터 멀리 위치하는 방사 노즐, 즉 노즐블록의 한쪽 말단에서 반대편 말단으로 갈수록, 또는 노즐블록의 양쪽 말단에서 중앙부로 갈수록 전기장이 적게 발생하여 이들 방사 노즐 사이에 전기장 차이가 발생하게 된다. 이처럼 전기장이 노즐블록 전체에 불균일하게 발생함에 따라, 방사 원액 방사시 방사 노즐을 통해 토출되는 방사 원액의 토출량에 있어서 편차가 발생하여 균일하지 않게 되고, 방사되는 나노미터급 필라멘트사의 굵기(섬도) 또한 균일해지지 않게 되어 최종적으로 생산되는 부직포 웹의 물성이 저하되어 품질 불량의 원인이 된다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하는 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 고전압 인가시 전기장이 방사 노즐 팁에 국부적으로 집중되도록 하여 전기방사의 공정 효율성을 높일 수 있는 방사 노즐블록을 구비하는 전기방사장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 노즐블록과 방사 노즐 팁 사이에 위치하여 전기장을 차폐하여 전기방사 효율을 향상시키는 절연 플레이트에 관한 것이다.

본 발명에 따르는 방사 노즐블록(1)은 수십 내지 수천 개의 방사 노즐을 포함하는 노즐블록(2)과 방사 노즐 팁(3) 사이에 위치하여 전기장을 차폐하여 전기방사 효율을 향상시킬 수 있는 절연 플레이트(4)를 포함한다.

절연 플레이트(4)는 방사 노즐 팁에 가해지는 고전압이 노즐블록 후방으로 분산되어 형성되는 것을 방지하여 고전압이 방사 노즐 팁에 집중적으로 형성될 수 있도록 하는 역할을 한다.

절연 플레이트(4)의 두께는 방사 노즐의 길이에 상응하며, 바람직한 두께 범위는 1mm 내지 1cm이다. 절연 플레이트(4)의 두께는 이 범위 내에서 임의로 조절하여 사용할 수 있다.

절연 플레이트(4)의 재질로는 전기 절연 특성을 지닌 재료라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있지만, 본 발명의 방사 노즐블록에 포함되는 절연 플레이트(4)의 재질로는 방사 노즐블록의 재질과의 적합성을 고려하여 세라믹, 강화 유리, 유리섬유 강화 플라스틱, 고내열성 엔지니어링 플라스틱, 전기 절연 무기재 등을 사용하는 것이 바람직하다. 절연 플레이트(4)는 이러한 재질을 통상적인 성형법에 따라 성형하여 수득할 수 있는 성형품이다.

절연 플레이트(4)의 각각의 구멍(5)은 이의 직경이 방사 노즐 팁(3)의 직경에 상응하며, 개개 구멍(5)은 도전성 와이어(conductive wire)(6)로 서로 연결되어 각각의 방사 노즐 팁에 전압이 집중적으로 인가되도록 한다.

절연 플레이트(4)의 각각의 구멍을 연결하는 도전성 와이어(6)는 방사 노즐블록(1)에 고전압이 인가되어 발생한 전기장이 방사 노즐블록의 어느 특정 부분에 집중되지 않고 방사 노즐블록 전체에 균일하게 분산되도록 하는 역할을 한다.

본 발명에 따르는 방사 노즐블록은 고분자 방사 원액에 고전압을 직접 인가할 수 없는 용융 전기방사장치에 더욱 효과적으로 사용할 수 있다. 노즐블록과 방사 노즐 팁 사이에 전기장 차폐효과를 부여하여 방사 노즐 팁에 전기장이 집중적으로 형성될 수 있도록 하며, 이로써 전기방사의 효과를 높이고 방사 노즐 팁 이후의 필라멘트 방사영역에서 필라멘트의 윕핑(whipping)이 더욱 원활하게 이루어지도록 유도해 준다. 또한, 용융 전기방사장치에서 본 발명에 따르는 방사 노즐블록을 채택함으로써 최종적으로 생산되는 부직포 웹의 품질 저하를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따르는 방사 노즐블록의 개략적인 측면도이다.
도 2는 방사 노즐블록과 방사 노즐 팁 사이에 위치하는 절연 플레이트의 평면도이다.

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

본 발명은 전기방사하기 위한 고분자 재료를 공급하기 위한 방사 원액 공급부; 방사 재료 공급부로부터 방사 재료를 공급받아 필라멘트 형태로 토출하며 다수 개의 방사 노즐로 이루어지는 방사 노즐블록; 방사 노즐블록과 소정의 거리로 이격되어 아래쪽에 설치되며, 하전 필라멘트와 반대의 극성으로 대전되어 방사 노즐로부터 토출되는 하전 필라멘트를 집적하는 콜렉터; 및 방사 노즐블록과 콜렉터에 소정의 전압을 인가하는 전압 인가부를 포함하는 전기방사장치에 있어서, 방사 노즐블록이 방사 노즐을 포함하는 노즐블록과 방사 노즐 팁 사이에 위치하여 전기장을 차폐하는 절연 플레이트를 구비하고 있음을 특징으로 하는 전기방사장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 방사 노즐을 포함하는 노즐블록과 방사 노즐 팁 사이에 위치하여 전기장을 차폐하는 절연 플레이트를 구비하고 있음을 특징으로 하는 방사 노즐블록에 관한 것이기도 하다.

본 발명에 따르는 방사 노즐블록에 있어서, 방사 노즐 팁에 상응하는 절연 플레이트의 구멍 부분(5)은 도전성 와이어로 서로 연결되어 있는데, 이로 인하여 방사 노즐 팁에 인가되는 고전압이 노즐블록 후방으로 분산되는 것이 방지되는 한편, 방사 노즐 팁에 전기장이 집중적으로 인가되도록 하며, 노즐블록과 방사 노즐 팁 사이에 전기장 차폐효과가 부여될 수 있다.

절연 플레이트(4)의 두께는 방사 노즐의 길이와 일치하며, 절연 플레이트(4)의 바람직한 두께는 1mm 내지 1cm의 범위이다. 절연 플레이트(4)의 두께는 이러한 범위 내에서 임의로 조절하여 사용할 수 있다.

절연 플레이트(4)의 재질로는 전기 절연 특성을 지닌 재료라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있지만, 본 발명의 절연 플레이트(4)의 재질로는 방사 노즐블록의 재질과의 적합성을 고려하여 세라믹, 유리섬유 강화 플라스틱, 탄소섬유, 엔지니어링 플라스틱 등으로부터 선택된 재료가 바람직하게 사용되며, 절연 플레이트(4)는 이러한 재료를 성형한 성형품을 사용하는 것이 바람직하다.

절연 플레이트(4)의 각각의 구멍(5)은 이의 직경이 방사 노즐 팁(3)의 직경에 상응하며, 도전성 와이어(6)에 의해 서로 연결되어 각각의 방사 노즐 팁에 전압이 집중적으로 인가되도록 한다. 방사 노즐 팁에 전압이 집중적으로 인가되어, 방사 노즐을 통하여 방사되는 나노미터급 필라멘트사의 섬도 불균일 문제나 방사 원액의 토출량 불균일 문제가 해소되며, 이로써 콜렉터상에 수집되는 부직포 웹의 우수한 품질이 확보된다.

절연 플레이트(4)의 구멍(5)을 서로 연결해주는 도전성 와이어(6)로는 금, 은, 알루미늄, 납 등의 금속 와이어를 사용할 수 있지만, 전기전도율과 가격 면에서 구리 와이어를 사용하는 것이 가장 바람직하다.

또한, 도전성 와이어(6)는 굵기가 0.1 내지 2mm인 것이 바람직하다. 도전성 와이어(6)의 굵기가 0.1mm 미만이면 너무 가늘어서 절연 플레이트(4)의 구멍(5)을 연결하기에 부적합하며, 이의 굵기가 2mm를 초과하면 절연 플레이트의 두께에 대비하여 굵어져서 바람직하지 않다.

방사 재료 공급부와 방사 노즐블록(1)은 중합체 용융물인 방사 재료를 공급하여 방사 노즐을 통하여 나노미터급 필라멘트사를 방사하는 역할을 한다. 방사 재료 공급부는 나노미터급 필라멘트사의 원료가 되는 고분자 물질이 용해된 용액(용융물)을 공급하는 부분으로서, 용액 저장부와 당해 용액을 방사 노즐팩 쪽으로 정량공급하기 위한 정량 펌프를 포함하여 구성된다.

방사 원액을 구성하는 고분자 물질로는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리에틸렌 옥사이드 등, 용매에 용해 가능하거나 열에 용융될 수 있는 모든 고분자 물질을 사용할 수 있으며, 단독으로 사용하거나, 또는 두 가지 이상의 고분자 물질을 혼합하여 사용할 수 있다.

방사 노즐블록(1)은 수십 내지 수천 개의 방사 노즐을 포함하여 이루어진다. 이러한 방사 노즐블록(1)은 바람직하게는 수십 내지 수백 개의 열로 이루어진다. 방사 노즐블록을 구성하는 방사 노즐의 개수나 방사 노즐블록의 수는 최종적으로 제조하고자 하는 부직포 웹의 크기나 두께, 생산속도 등을 종합적으로 고려하여 설정한다. 예를 들면, 분당 1m의 속도로 두께 10 내지 100㎛, 폭 5 내지 100cm의 부직포 웹을 제조하고자 하는 경우, 각각의 방사 노즐블록은 10개 이상의 방사 노즐로 구성된다. 방사 노즐블록(1)은 1 내지 20열로 배치되는 것이 보다 바람직하다. 방사 노즐블록(1)은 방사 노즐블록의 수직 길이가 중앙부의 열을 기준으로 외곽으로 가면서 점차 짧아지도록 형성하여 균일한 토출이 이루어지도록 배치할 수 있다. 방사 노즐블록에 인가되는 전압은 10 내지 100kV가 바람직하며, 10 내지 60kV가 보다 바람직하다.

방사 노즐블록(1)으로부터 전기방사된 나노미터급 필라멘트사는 콜렉터 위에 집적된다. 콜렉터는 접지되거나, 방사 노즐블록 쪽에 인가된 전압의 극성과는 반대 극성의 전압이 인가되고, 예를 들면, 롤러와 같은 이송수단을 통해 컨베이어 벨트 방식으로 방사 노즐블록 아래쪽으로 연속적으로 공급되도록 구성하는 것이 바람직하다. 콜렉터의 소재로는 전도성이 우수한 금속판이 바람직하게 사용되며, 그밖에 다양한 종류의 전도성 재료를 사용할 수 있다. 콜렉터의 이송속도는 하전된 필라멘트사가 콜렉터 위에 안정적으로 집적되도록 하기 위해 0.1 내지 30m/min로 설정하는 것이 바람직하다.

방사 노즐블록의 하단부와 콜렉터 사이의 거리는 바람직하게는 10 내지 100cm로 설정함으로써 나노미터급 필라멘트사의 연신을 위한 적정 전기장이 형성되도록 한다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하였다. 본원 명세서와 청구의 범위에서 사용된 용어나 단어는 당해 기술분야에서 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본원 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 한 가지 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술사상을 완벽하게 반영하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

1: 방사 노즐블록 2: 노즐블록
3: 방사 노즐 팁 4: 절연 플레이트
5: 절연 플레이트의 구멍 6: 도전성 와이어

Claims (10)

1. 전기방사하기 위한 고분자 재료를 공급하기 위한 방사 원액 공급부; 방사 재료 공급부로부터 방사 재료를 공급받아 필라멘트 형태로 토출하며 다수 개의 방사 노즐로 이루어지는 방사 노즐블록; 방사 노즐블록과 소정의 거리로 이격되어 아래쪽에 설치되며, 하전 필라멘트와 반대의 극성으로 대전되어 방사 노즐로부터 토출되는 하전 필라멘트를 집적하는 콜렉터; 및 방사 노즐블록과 콜렉터에 소정의 전압을 인가하는 전압 인가부를 포함하는 전기방사장치에 있어서,
   방사 노즐블록이 방사 노즐을 포함하는 노즐블록과 방사 노즐 팁 사이에 위치하여 전기장을 차폐하는 절연 플레이트를 구비하고 있음을 특징으로 하는 전기방사장치.
2. 청구항 1항에 있어서, 방사 노즐 팁에 상응하는 절연 플레이트의 구멍 부분이 도전성 와이어로 서로 연결되어 있음을 특징으로 하는 전기방사장치.
3. 청구항 1항에 있어서, 상기 절연 플레이트가 세라믹, 강화 유리, 유리섬유 강화 플라스틱, 고내열성 엔지니어링 플라스틱 및 전기 절연 무기재로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재질을 성형하여 수득한 성형품임을 특징으로 하는 전기방사장치.
4. 청구항 1항에 있어서, 절연 플레이트의 두께 범위가 1mm 내지 1cm임을 특징으로 하는 전기방사장치.
5. 청구항 2항에 있어서, 도전성 와이어가 구리 와이어이고 이의 굵기가 0.1 내지 2mm임을 특징으로 하는 전기방사장치.
6. 방사 노즐을 포함하는 노즐블록과 방사 노즐 팁 사이에 위치하여 전기장을 차폐하는 절연 플레이트를 구비하고 있음을 특징으로 하는 방사 노즐블록.
7. 청구항 6항에 있어서, 절연 플레이트의 구멍 부분이 도전성 와이어로 서로 연결되어 있음을 특징으로 하는 방사 노즐블록.
8. 청구항 6항에 있어서, 상기 절연 플레이트가 세라믹, 강화 유리, 유리섬유 강화 플라스틱, 고내열성 엔지니어링 플라스틱 및 전기 절연 무기재로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재질의 성형품임을 특징으로 하는 방사 노즐블록.
9. 청구항 6항에 있어서, 절연 플레이트의 두께가 1mm 내지 1cm임을 특징으로 하는 방사 노즐블록.
10. 청구항 7항에 있어서, 도전성 와이어가 구리 와이어이고 이의 굵기가 0.1 내지 2mm임을 특징으로 하는 방사 노즐블록.

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