KR20140124567A - 제어 시스템이 구비된 전기방사장치 - Google Patents

Abstract

본 기술은 전기방사에 의한 나노섬유의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균일한 두께를 갖는 나노섬유를 대량생산이 가능한 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조 방법에 관한 것으로서, 방사용액이 토출되는 노즐블록 및 컬렉터로 구성되는 방사구역(이하'유닛')이 복수로 구비되고, 각 유닛마다 장착되어 있는 두께를 측정하는 두께측정장치는 소정의 이송속도(V)로 이송하는 이송장치에 의해 이송되는 장척시트의 적층된 나노섬유의 두께측정 값을 기초로 하여 이송속도(V)를 제어하는 이송속도(V) 제어장치와 노즐블록의 분출되는 노즐의 수를 제어를 구비하는 전기방사장치에 관한 것이다.

Description

제어 시스템이 구비된 전기방사장치{Electrospinning with device control system}

본 발명은 나노섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로, 전기방사조건을 일정하게 유지하여도 균일한 두께를 갖는 나노섬유를 대량생산하지 못하는 문제를 해결하기 위해, 유닛마다 초음파 두께측정장치를 설치하여, 장척시트 이송속도(V)제어와 노즐블록의 분출되는 토출량과 전압의 세기를 제어하는 자동화장치가 구비된 전기방사장치를 제공한다.

본 발명은 초음파 두께측정장치를 이용하여 전기방사의 방사 조건을 조절하여 일정한 두께의 나노섬유를 생산하는 것으로서, 일반적으로 비파괴 검사의 일종인 초음파에 의한 두께 측정은 원자력, 화력, 제철 분야 등을 포함한 여러 산업분야에서 각종 구조물의 품질관리를 위해서는 물론이고 구조물에서의 부식 등에 의한 두께 변화를 측정하여 안전성을 평가하고자 하는 경우 등 다양한 분야에서 다양한 목적을 위해 필요로 하고 있다.

초음파에 의한 두께 측정의 대표적인 종래기술로는 듀얼 탐촉자를 이용한 초음파 두께 측정 방법을 들 수 있다. 이러한 방법에서는 송신용 탐촉자와 수신용 탐촉자를 일체화한 듀얼 탐촉자를 이용하며, 상기 듀얼 탐촉자를 피검사체의 표면에 접촉시키고 송신용 탐촉자에서 발사한 초음파 펄스가 피검사체의 반대 면에서 반사되어 돌아오는 초음파 신호, 즉 에코신호를 수신용 탐촉자로 수신하여 송수신 신호 사이의 시간차를 측정하게 된다.

여기서, 피검사체에 대한 초음파 전파속도는 미리 알고 있어야 하며, 특히 이때 초음파 전파속도를 피검사체에 대해 온도에 무관한 일정한 값으로 설정한 후 초음파 신호가 피검사체의 두께를 왕복하는 시간을 측정하여 두께를 측정하고 있다. 그런데, 초음파 전파속도는 온도에 따라 변화하고, 피검사체의 내부온도가 불균일하여 전파속도가 일정하지 않은 경우에는 큰 오차를 가져오게 된다. 또한 모든 고체재료는 온도 변화에 의한 열팽창이 일어나 두께와 밀도가 변화하고, 아울러 탄성계수도 변화하며, 고체재료의 초음파 전파속도는 탄성계수의 제곱근에 비례하고 재료의 밀도의 제곱근에 반비례하기 때문에, 종래의 초음파 두께 측정 방법은 온도 변화에 의한 열팽창과 탄성계수의 변화에 따른 초음파 전파속도의 변화를 고려하지 않은 관계로 고온 환경에서 운전되고 있는 설비재료의 두께 측정값은 실제 두께보다 크게 평가될 수밖에 없다.

따라서, 온도에 따른 초음파 전파속도의 변화를 보정해줄 필요가 있어 한국공개특허 제2006-10940호에서는 피검사체의 표면온도를 온도센서로 측정하여 실시간으로 온도 보정을 수행하는 초음파 두께 측정 방법이 제안된 바 있다.

전기방사는 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 토출하고, 이어서 공기 중에서 하전된 필라멘트를 연신하거나 또는 다른 필라멘트 분기를 거쳐 극세섬유를 제조하는 방법이다. 즉, 하전된 토출 필라멘트는 노즐과 컬렉터 사이에 형성된 전기장 내에서 상호 반발 등의 전기적 영향으로 심한 요동을 거치면서 극세화된다.

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 발생장치 등으로 구성된다.

이러한 전기방사장치를 이용하여 나노섬유를 제조하는 경우, 나노섬유의 특성을 결정하는 요인으로는 방사재료의 농도, 유전특성, 표면장력 등의 물질 특성과, 노즐과 컬렉터 사이의 거리, 노즐과 컬렉터 사이의 전압, 전기장 전하밀도, 노즐 내에서의 정전기적 압력, 방사재료의 주입속도와 같은 제어변수들을 들 수 있다. 이런한 방사조건을 조정함으로써, 균일한 물성을 갖는 나노섬유를 제조하는 것이 가능한 것으로 일본 공개특허 제2008-274522호에서 볼 수 있다. 그러나, 현실에서는 전기방사조건을 장시간에 걸쳐서 일정하게 유지하는 것이 용이하지 않기 때문에, 균일한 두께를 갖는 나노섬유를 대량생산 할 수 없다.

본 발명은 전기방사에 의한 나노섬유의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균일한 두께를 갖는 나노섬유를 대량생산이 가능한 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조 방법에 관한 것으로서, 방사용액이 토출되는 노즐블록 및 컬렉터로 구성되는 방사구역(이하'유닛')이 복수로 구비되고, 각 유닛마다 장착되어 있는 두께를 측정하는 초음파 두께측정장치는 소정의 이송속도(V)로 이송하는 이송장치에 의해 이송되는 장척시트에 적층된 나노섬유의 두께측정 값을 기초로 하여 이송속도(V)를 제어하는 이송속도(V) 제어장치와 노즐블록에서 분출되는 토출량을 제어하는 노즐제어장치를 구비하는 전기방사장치에 관한 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 한개 이상의 유닛으로 구성되어 있는 전기방사장치에 있어서, 상기 유닛은 도전체 또는 부도전체로 이루어진 케이스와, 상기 케이스 안에, 핀 형태로 이루어지는 노즐이 다수 개 배열되는 노즐블록,상기 노즐의 하단 또는 상단에 위치하여 분사되는 고분자 방사용액을 집적하기 위하여 노즐에서 일정간격 이격되는 컬렉터, 상기 컬렉터와 노즐사이에 소정의 속도로 이동하는 장척시트 및 상기 컬렉터와 노즐블록에 전압을 발생시키는 전압 발생장치를 포함하고 각 유닛마다 두께측정장치를 설치하여 나노섬유를 적층시키는 장척시트의 이송속도제어 또는 노즐블록의 토출량과 전압발생장치의 전압을 제어하는 전기방사장치로, 상기 이송속도 제어장치 또는 노즐블록의 토출량과 전압발생장치의 전압의 제어는 상기 두께측정장치에서 의해 측정된 두께와 소정의 목표두께와의 편차량을 기초로 하여 상기 이송속도를 제어하는 것이고, 상기 두께측정장치는 초음파로 측정하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제조된 전기방사 장치는 두께측정장치에 의해 측정된 두께를 기초로 하여 이송속도(V) 및 노즐블록(3)을 제어하는 것이 가능해지기 때문에, 장시간의 전기방사에 있어서, 균일한 두께를 갖는 나노섬유를 대량 생산 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 전기방사장치의 공정모식도이다.
도 2는 본 발명의 전기방사장치의 1개의 유닛에 관한 공정모식도이다.
도 3은 본 발명의 두께측정장치의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 노즐블록의 모식도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도1과 도2는 본 발명의 실시예에 따른 전기방사장치의 구성의 모식도이다.

도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 도1의 전기방사장치(10)는 여러개의 유닛(20)으로 구성되어 있으며, 각 유닛(20)마다 두께측정장치가 연속되게 배열 설치된다.

여기서, 전기방사장치(10)는 상향식 또는 하향식이며, 상기 각 유닛(20)마다 설치되어 있는 전기방사장치는 전도체 또는 부전도체로 이루어져 있는 케이스(8) 안에 설치되어 있으며, 전체 고분자방사용액이 내부에 충진되는 방사용액 주탱크와 상기 방사용액주탱크(도번 미도시) 내에 충진된 고분자 방사용액의 정량 공급을 위한 계량 펌프(도번 미도시)와 상기 방사 용액 주탱크 내의 고분자 방사용액을 토출하되, 핀 형태로 이루어지는 노즐(2)이 다수 개 배열되는 노즐블록(3)과 상기 노즐의 하단에 위치하여 분사되는 고분자 방사용액을 집적하기 위하여 노즐(2)에서 일정간격 이격되는 컬렉터(4) 및 상기 컬렉터에 전압을 발생시키는 전압 발생장치(1)를 포함하여 구성된다.

그리고 전기방사장치(10) 전단에는 각 유닛(20)에서 고분자 방사용액이 분사되어 나노섬유가 적층형성되는 장척시트(5)를 공급하는 공급롤러(11)가 구비되고, 후단에는 나노섬유가 적층형성되는 장척시트(5)를 권취하기 위한 권취롤러(12)가 구비된다.

이때, 각 유닛(20)의 전기방사장치는 컬렉터(4)를 기준으로 각각 수평방향으로 설치된다. 또한, 상기 각 컬렉터(4)와 장척시트(5) 사이에 보조벨트(7)가 각각 구비되고, 각 보조벨트(6)를 통하여 각 컬렉터(4)에 집적되어 나노섬유가 적층형성되는 장척시트(5)가 수평방향으로 이송된다. 즉, 보조벨트(6)은 장척시트의 이송속도(V)에 동기하여 회전하는 보조벨트(6)와, 보조벨트용 롤러(7, 7')를 갖는다. 보조벨트용 롤러(7, 7')는 2개 이상의 마찰력이 극히 적은 자동 롤러이다. 컬렉터와 장척시트와의 사이에 보조벨트(6)가 구비되기 때문에, 장척시트(5)는 고전압이 인가되어 있는 컬렉터에 끌어 당겨지는 일이 없이 부드럽게 이송되도록 이루어진다.

본 발명은 각 유닛(20)마다 설치되어 있는 두께측정장치(9)에 의해 측정된 두께를 기초로 하여 이송속도(V) 및 노즐블록(3)을 제어한다.

예를 들면, 전기방사에 있어서 각 유닛(20)마다 토출된 나노섬유의 두께가 편차량보다 얇게 측정이 되면, 다음 유닛(20)의 이송속도(V)를 늦게하거나 노즐블록(3)의 토출양을 증가시키고 전압 발생장치(1) 전압의 세기를 조절하여 단위면적당의 나노섬유의 토출량을 증대시켜 두께를 두껍게 한다. 또한, 전기방사에 있어서 유닛(20)에서 토출된 나노섬유의 두께가 편차량보다 두껍게 측정이 되면, 다음 유닛(20)의 이송속도(V)를 빠르게 하거나 노즐블록(3)의 토출양을 작게하고 전압 발생장치(1) 전압의 세기를 조절하여 단위면적당의 나노 섬유의 토출량을 작게하여 적층량을 줄임으로써 두께를 얇게 하여, 균일한 두께를 갖는 나노섬유를 만든다.

본 발명의 두께측정장치(9)는 장척시트를 사이에 두고 마주보게 배치되고, 초음파 측정방식에 의해 상기 장척시트까지의 거리를 측정하는 한쌍의 초음파 종파 횡파 측정방식으로 이루어지는 두께측정부를 구비하고, 상기 한쌍의 초음파 측정장치에 의해 측정된 거리를 기초로 하여 상기 장척시트의 두께를 산출하는 것으로 이는 도3에 도시되어 있다.

초음파 두께측정장치에 대해 보다 상세하는 나노섬유가 적층된 장척시트(5)에 초음파 종파와 횡파를 함께 투사하여 종파와 횡파의 각 초음파 신호가 장척시트(5)에서 왕복 이동하는 시간, 즉 종파와 횡파의 각 전파시간을 측정한 뒤, 상기 측정된 종파와 횡파의 전파시간과 나노섬유가 적층된 장척시트(5)의 기준온도에서 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수를 이용하는 소정의 연산식으로부터 피검사체의 두께를 계산하는 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께측정장치이다. 즉, 종파와 횡파의 각 전파 시간을 측정한 뒤, 상기 측정된 종파와 횡파의 전파시간과, 장척시트의 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수를 이용하는 소정의 연산식으로부터 나노섬유가 적층된 장척시트의 두께를 계산함으로써, 내부온도가 분균일한 상태에서도 온도 변화에 따른 전파속도의 변화에 의한 오차를 자체 보상하여 두께를 정밀하게 측정할 수 있고, 나노섬유 내부에 어떤 형태의 온도 분포가 존재하더라도 정밀한 두께의 측정이 가능한 초음파의 종파와 횡파를 이용한 두께측정장치이다.

노즐블록(3)은, 도 4에서 나타내는 바와 같이, 복수의 노즐(42)로서, 고분자 용액을 토출구로부터 상향 또는 하향 배치되는 노즐을 갖는다. 그리고, 복수의 노즐(42)의 토출구로부터 고분자 용액을 오버플로우시키어 용액을 재이용할 수 있으며, 각각 노즐의 폴리머 용액 유통 파이프(45)를 고분자 용액 저장탱크(44)에서 용액의 토출량을 제어장치의 신호에 따라 자동적으로 토출량을 조절할 수 있다.

나노섬유를 적층시킨 장척시트(5)의 두께는 장척시트상에 적층시킨 나노섬유층과 장척시트(5)가 적층된 상태에서 두께를 측정한 값의 두께를 의미하는 것이다.

본 발명의 전기방사장치는 나노섬유의 두께 편차량(△d)이 소정의 값 미만인 경우에는 이송속도(V)를 초기 값으로부터 변화시키지 않고, 상기 편차량(△d)이 소정값 이상인 경우에는 이송속도(V)를 초기 값으로부터 변화시키도록 제어하는 것도 가능하기 때문에, 이송속도(V) 제어장치에 의한 이송속도(V)의 제어를 단순화하는 것이 가능해 진다.

또한, 이송속도(V)의 제어 외에도 노즐블록(3)의 토출양과 전압의 세기도 조절할 수 있어서, 두께 편차량(△d)이 소정의 값 미만인 경우에는 노즐블록(3) 토출양과 전압의 세기를 초기 값으로부터 변화시키지 않고, 상기 편차량(△P)이 소정의 값 이상인 경우에는 노즐블록(3)의 토출양과 전압의 세기를 초기 값으로부터 변화시키도록 제어하는 것이 가능하기 때문에, 노즐블록(3) 토출양과 전압의 세기의 제어를 단순화하는 것이 가능해진다.

나노섬유는 전기방사가 가능한 합성수지 재질로서 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리비닐리덴플루라이드, 나일론, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리부틸렌텔레프탈레이트, 폴리비닐부틸랄, 폴리비닐클로라이드, 폴리에티렌이민, 폴리올레핀 등이 있으며, 그 중 폴리프로필렌(PP)재질의 소재와 내열성 고분자 물질인 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드), 폴리설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌텔레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디페녹시포스파젠, 폴리 비스[2-(2-메톡시에톡시)포스파젠] 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄 공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 등의 고분자로 이루어지고 평균직경이 수nm~ 수천nm 의 섬유인 것을 의미한다.

또한, 고분자 용액은 고분자를 용해시킨 용액으로서, 페놀, 포름산, 황산, m- 크레솔, 티플루오르아세트앤하이드라이드/다이클로로메테인, 물, N-메틸모폴린N-옥시드, 클로로폼, 테트라히드로푸란과 지방족 케톤 군으로서, 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 지방족 수산기 군으로서, m-부틸알콜, 이소부틸알콜, 이소프로필알콜, 메틸알콜, 에탄올, 지방족 화합물인 헥산, 테트라클로로에틸렌, 아세톤, 글리콜 군으로서, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 할로겐 화합물 군으로서 트리클로로에틸렌, 다이클로로메테인, 방향족 화합물 군으로서, 톨루엔, 자일렌, 지방족 고리 화합물 군으로서, 사이클로헥사논, 시클로헥산과 에스테르 군으로서, n-부틸초산염, 초산에틸, 지방족에테르군으로 부틸셀로살브, 아세트산, 2-에톡시에탄올, 아미드로 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 등을 용매로 사용한다.

이하에서는 본 발명이 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

1. 목표 두께측정

제조하는 나노섬유의 두께를 목표두께(d₀)로 설정한다.

2. 두께측정

두께측정부를 장척시트(5)의 폭방향을 따라서 소정의 주기로 왕복운동을 하며 초음파 센서를 통하여 장척시트(5)의 두께를 측정한다. 두께측정부에 의한 두께의 측정은 예를 들면 10ms마다 실시한다.

2. 평균두께(d)

두께측정부에 의해 측정된 두께를 소정의 주기로 평균하는 것으로써 평균두께를 산출한다.

3. 편차량(△d)

상기의 평균두께(d)와, 소정의 목표두께(d₀)와의 편차량이다.

4. 이송속도(V)제어

상기 편차량(△d)을 기초로 하여 이송속도(V)를 제어한다.

5. 노즐블록 토출량 및 전압 제어

상기 편차량(△d)을 기초로 하여 노즐블록 토출량 및 전압을 제어한다.

[실시예 1]

5개의 유닛을 설치하고, 장척시트를 공급롤러(11)로부터 권취롤러(12)를 향하여 소정의 이송속도(V)로 이송시키면서, 순차적으로 나노섬유를 적층시킨다.

이때, 첫번째 유닛에서 전기방사장치에 의해 나노섬유를 적층시킨 장척시트의 두께를 측정하는 동시에, 두께측정장치에 의해 측정된 두께를 기초로 하여 이송속도(V)를 제어한 후, 다음 유닛에서 연속해서 장척시트에 나노섬유를 적층시킨 후 두께를 측정하여, 이송속도(V)를 제어하는 것을 반복하여 나노섬유을 적층시킨다.

[실시예 2]

5개의 유닛을 설치하고, 장척시트를 공급롤러(11)로부터 권취롤러(12)를 향하여 소정의 이송속도(V)로 이송시키면서, 순차적으로 나노섬유를 적층시킨다.

이때, 각 유닛에서 전기방사장치에 의해 나노섬유를 적층시킨 장척시트의 두께를 측정하는 동시에, 두께측정장치에 의해 측정된 두께를 기초로 하여 노즐블록의 토출량과 전압의 세기를 제어한 후, 다음 유닛에서 연속해서 장척시트에 나노섬유를 적층시킨 후 두께를 측정하여, 노즐블록의 토출량과 전압의 세기를 제어하는 것을 반복하여 나노섬유을 적층시킨다.

[비교예 1]

5개의 유닛을 설치하고 장척시트를 공급롤러(11)로부터 권취롤러(12)를 향하여 소정의 이송속도(V)로 이송시키면서, 순차적으로 나노섬유를 적층시킨다.

연속해서 나노섬유를 적층시킨후 이송속도(V)를 제어하지 않고 마지막 유닛 이후 두께를 측정한다.

	실시예 1	실시예 2	비교예 3
제어횟수	5	4	0
최종두께편차량(△d)	0.1	+0.3	+13.3

상기 결과에서 알 수 있듯이 본 발명의 이송속도, 노즐블록 토출량과 전압의 세기를 제어하는 제어장치를 갖춘 전기방사장치는 일정한 두께을 갖은 나노섬유를 제조한다.

1: 전압 발생장치 2, 42: 노즐
3: 노즐블록 4: 컬렉터
5: 장척시트 6: 보조벨트
7, 7': 보조벨트 롤러 8: 케이스
9: 두께측정장치 10: 전기방사장치
11: 공급롤러 12: 권취롤러
13, 18: 보조롤러 14, 15, 16, 17: 구동롤러
19: 가열장치 20: 유닛
41: 오버플로우 용액 저장탱크 43: 관체
44: 폴리머 용액 저장탱크 45: 폴리머 용액 유통 파이프
60: 노즐블록 토출량 제어장치 61: 노즐블록 토출량 제어장치 연결부

Claims (3)

1. 한개 이상의 유닛으로 구성되어 있는 전기방사장치에 있어서,
   상기 유닛은 도전체 또는 부도전체로 이루어진 케이스;
   상기 케이스 안에, 핀 형태로 이루어지는 노즐이 다수 개 배열되는 노즐블록;
   상기 노즐의 하단 또는 상단에 위치하여 분사되는 고분자 방사용액을 집적하기 위하여 노즐에서 일정간격 이격되는 컬렉터;
   상기 컬렉터와 노즐사이에 소정의 속도로 이동하는 장척시트; 및
   상기 컬렉터와 노즐블록에 전압을 발생시키는 전압 발생장치;
   를 포함하고 각 유닛마다 두께측정장치를 설치하여 나노섬유를 적층시키는 장척시트의 이송속도제어 또는 노즐블록의 토출량과 전압발생장치의 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 이송속도제어 또는 노즐블록의 토출량과 전압발생장치의 전압의 제어는 상기 두께측정장치에서 의해 측정된 두께와, 소정의 목표두께와의 편차량을 기초로 하여 상기 이송속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 두께측정장치는 초음파 종파 및 횡파로 측정하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.

Images