KR20160055505A - 소수성 및 소유성 멤브레인과 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소수성 및 소유성 멤브레인과 그의 제조 방법에 관한 것으로, 소수성 및 소유성 멤브레인은 발수 발유제, 용매, 고분자 물질이 혼합된 방사 용액이 전기 방사된 나노 섬유가 축적되어 형성된 구조를 가진다.

Description

소수성 및 소유성 멤브레인과 그의 제조 방법{Membrane having hydrophilicity and oleophobicity, and method of manufacturing the same}
본 발명은 소수성 및 소유성 멤브레인에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전체 영역에서 발수 발유성을 발현하여, 발수 발유 특성을 극대화시킬 수 있는 소수성 및 소유성 멤브레인과 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 소수성 및 소유성 멤브레인은 가스를 비롯한 공기를 여과 및 통과시키거나 액체는 통과시키지 않는 특성을 가진 막이다.
이러한 소수성 및 소유성 멤브레인은 컴퓨터, 모바일 전자기기, 의료 장치 등 다양한 산업 분야의 장치에 적용되어 사용되고 있으며, 용도에 따라 기공이 있는 형태와 기공이 없는 형태로 사용될 수 있다.
종래의 소수성 멤브레인은 멤브레인을 제조한 후, 후처리로 발수제에 디핑(dipping)하여 발수 코팅하여 제조하였으나, 이경우, 멤브레인 표면에만 발수 특성을 가지게 되어, 소수성 멤브레인 전체의 유효 발수 특성은 낮아지는 단점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2009-0098566호에는 미세 홀이 외면에 형성된 템플릿(template)을 준비하는 템플릿 단계; 상기 템플릿의 외면에서 기 설정된 패턴 영역에 고분자 물질을 도포하는 고분자 물질 도포 단계; 상기 템플릿의 외면에 친수성 필름을 부착하는 필름 부착 단계; 및 상기 친수성 필름으로부터 상기 템플릿을 분리 제거하는 템플릿 제거 단계;를 포함하는 친수성과 소수성을 갖는 멤브레인의 제조방법이 개시되어 있다.
그러나, 한국 공개특허공보 제10-2009-0098566호에는 템플릿을 제거시켜 고분자 물질에 나노 크기의 기둥들을 형성하고, 나노 크기의 기둥들이 형성된 영역이 젖음성이 최소화되는 소수성 표면이 되어, 멤브레인의 고분자 물질 표면에만 소수성을 형성하는 기술이 개시되어 있으므로, 멤브레인 전체의 유효 발수 특성이 저하되는 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2009-0098566호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 발수 발유제를 포함하고 있는 나노 섬유로 멤브레인을 형성함으로써, 멤브레인의 절단면을 포함하는 전체 영역에서 발수 발유 특성을 발현할 수 있으므로, 발수 발유성을 극대화시킬 수 있는 소수성 및 소유성 멤브레인과 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 발수 발유제, 용매 및 고분자 물질을 혼합한 방사 용액을 전기 방사하여 형성된 나노 섬유를 축적시켜 소수성 및 소유성 멤브레인을 제조함으로써, 발수 발유제의 잔량이 발생되지 않아 이 잔량 처리에 따른 환경 오염 물질의 배출을 방지할 수 있는 소수성 및 소유성 멤브레인과 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 의한 소수성 및 소유성 멤브레인은, 발수 발유제, 용매, 고분자 물질이 혼합된 방사 용액이 전기 방사된 나노 섬유가 축적되어 형성된 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 소수성 및 소유성 멤브레인에서, 상기 발수 발유제는 상기 용매에 용해되거나, 또는 용해되지 않는 액상 또는 고체 상태의 발수 발유제일 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 소수성 및 소유성 멤브레인에서, 상기 나노 섬유의 직경은 0.1 ~ 2um이고, 상기 나노 섬유에 상기 발수 발유제의 분말 또는 필러가 분산되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 소수성 및 소유성 멤브레인 구조는, 다수의 기공이 형성된 구조 또는 기공이 없는 무기공 상태의 구조일 수 있으며, 이때, 기공의 크기는 2um 이하일 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 의한 소수성 및 소유성 멤브레인 구조를 구성하는 나노 섬유가 발수 발유제를 포함하고 있어, 구조의 X,Y,Z 방향 및 절단면이 발수 발유성을 발현하여 발수 발유성을 극대화시킬 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 소수성 및 소유성 멤브레인의 제조 방법은, 고분자 물질, 발수 발유제 및 용매를 혼합하여 방사용액을 제조하는 단계; 및 상기 방사용액을 전기방사하여 상기 발수 발유제가 포함된 나노 섬유를 축적하여 소수성 및 소유성 멤브레인을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 소수성 및 소유성 멤브레인을 구성하는 나노 섬유가 발수 발유제를 포함하고 있어, 멤브레인의 절단면을 포함하는 전체 영역에서 발수 발유 특성을 발현할 수 있으므로, 발수 발유성을 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, 전기 방사된 나노 섬유에 별도의 후처리 없이도 소수성 및 소유성 멤브레인의 전면 및 후면 모두 발수 발유성을 발현할 수 있고, 내수압을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 소수성 및 소유성 멤브레인은 극미세한 기공을 가질 수 있어, 공기는 원활하게 통과시키고 액체나 이물질은 통과시키지 못하게 하는 구조를 구현할 수 있으며, 또는 기공을 갖지 않는 구조로도 구현할 수 있다.
본 발명에 의하면, 발수 발유제, 용매 및 고분자 물질을 혼합한 방사 용액을 전기 방사하여 형성된 나노 섬유를 축적시켜 소수성 및 소유성 멤브레인을 제조함으로써, 발수 발유제의 잔량이 발생되지 않아 이 잔량 처리에 따른 환경 오염 물질의 배출을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 소수성 및 소유성 멤브레인을 설명하기 위한 도면,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 소수성 및 소유성 멤브레인을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 소수성 및 소유성 멤브레인의 제조 방법의 흐름도,
도 4는 본 발명에 따라 전기 방사된 나노 섬유를 설명하기 위한 모식적인 도면,
도 5는 본 발명에 따른 소수성 및 소유성 멤브레인의 나노 섬유에 발수 발유제의 분말이 분포된 상태를 설명하기 위한 모식적인 도면,
도 6은 본 발명에 따른 소수성 및 소유성 멤브레인을 제조하기 위한 전기 방사 장치를 설명하기 위한 모식적인 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 소수성 및 소유성 멤브레인(100)은 발수 발유제, 용매, 고분자 물질이 혼합된 방사 용액이 전기 방사된 나노 섬유가 축적되어 형성된 구조(structure)를 갖는다.
여기서, 구조는 기공을 갖는 구조 또는 무기공을 갖는 구조일 수 있고, 나노 섬유 웹 구조(때론, 부직웹(non woven webs) 구조로 지칭될 수 있음)일 수 있다.
그리고, 소수성 및 소유성 멤브레인(100)은 상기 구조에 부직포, 기공을 갖는 나노 섬유 웹 및 직물 중 적어도 하나가 더 적층되어 있을 수 있다.
본 발명에 따른 소수성 및 소유성 멤브레인(100)은 에어 벤트(air vent)용 멤브레인, 어쿠스틱(acoustic) 멤브레인 및 진동판 멤브레인 중 하나일 수 있다.
이때, 에어 벤트용 멤브레인은 공기는 유통시키고, 액체는 유통되지 못하게 하는 기능을 수행하는 것으로, 본 발명의 에어 벤트용 멤브레인은 차량, 운동화, 의료 등 다양한 기술 분야에 적용될 수 있다.
그리고, 어쿠스틱 멤브레인은 음향을 외부로 방출시키고, 액체나 이물질이 외부에서 내부로 침투되지 못하게 하는 기능을 수행하며, 본 발명의 어쿠스틱 멤브레인은 스피커, 마이크 등과 같은 음향 장치와 결합되어 구현될 수 있다.
또, 진동판 멤브레인은 진동 동작을 수행하기 위한 멤브레인으로, 전기 또는 물리적인 외력에 의해 상,하로 움직여 진동할 수 있는 기능을 수행하는 멤브레인이다.
본 발명에 따른 소수성 및 소유성 멤브레인(100)은 도 1의 확대도와 같이, 축적된 나노 섬유(110)에 의해 다수의 기공이 형성된 구조 또는 기공이 없는 무기공 상태의 구조로 구현될 수 있다. 참고로, 도 1의 확대도는 기공이 형성된 구조를 도시한 것이다.
여기서, 다수의 기공이 형성된 구조 및 무기공 형태의 구조는 에어 벤트용 멤브레인, 어쿠스틱(acoustic) 멤브레인 및 진동판 멤브레인으로 사용될 수 있다.
그리고, 발수 발유제, 용매, 고분자 물질을 혼합하여 방사 용액을 만들때, 발수 발유제는 용매에 용해되지 않은 상태로 혼합되거나, 또는 용매에 용해되면서 혼합된다. 즉, 소수성 및 소유성 멤브레인(100)을 형성하기 위한 방사 용액에서 발수 발유제는 용매에 용해되지 않은 상태이거나, 또는 용매에 용해되어 있는 상태로 존재한다.
이때, 발수 발유제는 액상 타입이거나, 또는 분말, 펠렛 등과 같은 고체 타입을 적용할 수 있다.
한편, 고분자 용액은 고분자 물질이 용매에 용해된 것이며, 본 발명에서 사용 가능한 고분자물질로는 전기방사를 위해 용매에 용해될 수 있고, 전기방사에 의해 나노 섬유를 형성할 수 있는 수지이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌), 퍼풀루오로폴리머, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드 또는 이들의 공중합체, 폴리에틸렌글리콜 디알킬에테르 및 폴리에틸렌글리콜 디알킬에스터를 포함하는 폴리에틸렌글리콜 유도체, 폴리(옥시메틸렌-올리 고-옥시에틸렌), 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드를 포함하는 폴리옥사이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리(비닐피롤리돈-비닐아세테이트), 폴리스티렌 및 폴리스티렌 아크릴로니트릴 공중합체, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴로니트릴 메틸메타크릴레이트 공중합체를 포함하는 폴리아크릴로니트릴 공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 공중합체 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
용매는 DMAc(N,N-Dimethyl acetoamide), DMF(N,N-Dimethylformamide), NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone), DMSO(dimethyl sulfoxide), THF(tetra-hydrofuran), (EC(ethylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate), EMC(ethyl methyl carbonate), PC(propylene carbonate), 물, 초산(acetic acid), 개미산(formic acid), 클로로포름(Chloroform), 디클로로메탄(dichloromethane), 아세톤(acetone) 및 이소프로필알콜(isopropy alcohol)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
그리고, 소수성 및 소유성 멤브레인(100)은 두께에 따라 기공수 및 기공의 평균 직경이 결정되어, 다양한 특성을 가지는 멤브레인을 만들 수 있다.
소수성 및 소유성 멤브레인(100)의 나노 섬유의 직경은 0.1 ~ 2um이고, 기공을 가지는 경우, 기공의 크기는 2um 이하이고, 기공도는 20 내지 90%로 설정되는 것이 바람직하다.
소수성 및 소유성 멤브레인(100)은 단독으로 사용하는 것이 바람직하나, 강도를 보강하기 위해 부직포와 합지될 수 있다. 부직포는 예를 들어, 코어로서 PP 섬유의 외주에 PE가 코팅된 이중 구조의 PP/PE 섬유로 이루어진 부직포, 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: polyethyleneterephthalate) 섬유로 이루어진 PET 부직포, 셀룰로즈 섬유로 이루어진 부직포 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
그러므로, 본 발명에서는 전기 방사된 나노 섬유에 별도의 후처리 없이도 소수성 및 소유성 멤브레인의 전면 및 후면 모두 발수 발유성을 발현할 수 있고, 내수압을 향상시킬 수 있는 잇점이 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 소수성 및 소유성 멤브레인을 설명하기 위한 도면이다.
전술된 바와 같이, 본 발명에 따른 소수성 및 소유성 멤브레인(100)은 발수 발유제가 포함되어 있는 나노 섬유가 축적되어 형성되어 있다.
그러므로, 본 발명에 따른 소수성 및 소유성 멤브레인(100)은 모든 나노 섬유가 발수 발유제를 포함하고 있어, 멤브레인의 전체 영역에서 발수 발유 특성을 발현할 수 있으므로, 발수 발유성을 극대화시킬 수 있는 잇점이 있다.
즉, 도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 소수성 및 소유성 멤브레인(100)은 평판 형상으로 구현할 수 있고, 이 평판 형상의 멤브레인의 X,Y,Z 방향으로 발수 발유성을 나타낼 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 소수성 및 소유성 멤브레인(100)은 절단면에서도 발수 발유성을 발현할 수 있다.
예컨대, 도 2a의 A-A'선으로 소수성 및 소유성 멤브레인(100)을 절단하면, 도 2b와 같이, 소수성 및 소유성 멤브레인(100)의 절단면(101)에서도 발수 발유 특성이 나타난다.
도 3은 본 발명에 따른 소수성 및 소유성 멤브레인의 제조 방법의 흐름도이고, 도 4는 본 발명에 따라 전기 방사된 나노 섬유를 설명하기 위한 모식적인 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 소수성 및 소유성 멤브레인의 나노 섬유에 발수 발유제의 분말이 분포된 상태를 설명하기 위한 모식적인 도면이다.
도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 소수성 및 소유성 멤브레인의 제조 방법은 먼저, 고분자 물질, 발수 발유제 및 용매를 혼합하여 방사용액을 제조한다(S100).
고분자 물질은 용매에 용해될 수 있는 것으로 사용하고, 발수 발유제는 용매에 용해되는 것, 또는 용해되지 않는 것 모두 사용할 수 있다.
그리고, 발수 발유제는 액상 타입이거나, 또는 분말, 펠렛 형상을 갖는 고체 타입을 사용할 수 있다.
그후, 상기 방사용액을 전기방사하여 상기 발수 발유제가 포함된 나노 섬유를 축적하여 소수성 및 소유성 멤브레인을 형성한다(S110).
이때, 방사용액은 후술된 전기 방사 장치의 노즐에서 전기방사되는데, 도 4에 도시된 바와 같이, 방사 노즐(40)에서는 나노 섬유(110)가 토출되고, 토출된 나노 섬유(110)는 축적되어 소수성 및 소유성 멤브레인(100)이 형성되는 것이다.
여기서, 발수 발유제 및 고분자 물질이 용매에 용해된 방사 용액으로 만들어진 소수성 및 소유성 멤브레인의 나노 섬유는 발수 발유제 및 고분자 물질을 구분하기 어려우나, 용매에 고분자 물질은 용해되고, 발수 발유제는 용해되지 않은 방사 용액으로 만들어진 소수성 및 소유성 멤브레인의 나노 섬유는 발수 발유제 및 고분자 물질을 구분할 수 있는 구조적인 특징을 가진다,
즉, 도 5와 같이, 소수성 및 소유성 멤브레인의 나노 섬유(110)에 발수 발유제의 분말 또는 필러(120)가 분산되어 있다.
전술된 바와 같은, 본 발명의 제조 방법으로 구현된 소수성 및 소유성 멤브레인이 기공을 가지는 형태로 제조된 경우, 기공은 축적된 나노 섬유 사이에 존재함으로, 소수성 및 소유성 멤브레인은 극미세한 기공을 가질 수 있어, 소수성 및 소유성 멤브레인이 공기는 원활하게 통과시키고 액체나 이물질은 통과시키지 못하게 하는 구조를 구현할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 제조 방법에서는 발수 발유제, 용매 및 고분자 물질을 혼합한 방사 용액을 전기 방사하여 형성된 나노 섬유를 축적시켜 소수성 및 소유성 멤브레인을 제조함으로써, 발수 발유제의 잔량이 발생되지 않아 이 잔량 처리에 따른 환경 오염 물질의 배출을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 소수성 및 소유성 멤브레인을 제조하기 위한 전기 방사 장치를 설명하기 위한 모식적인 도면이다.
도 6을 참고하면, 본 발명의 전기 방사 장치는 교반된 방사 용액을 공급하는 방사 노즐(40)과 연결되어 있는 교반탱크(20)가 구비되어 있고, 방사 노즐(40)과 이격된 하부에는 일정한 속도로 이동하는 컨베이어 형태의 접지된 콜렉터(50)가 배치되어 있고, 방사 노즐(40)은 고전압 발생기와 연결되어 있다.
이와 같은 전기 방사 장치를 이용하여 소수성 및 소유성 멤브레인을 제조하려면, 초자에 고분자 물질, 발수 발유제 및 용매를 투입하고, 교반기(30)로 혼합하여 방사 용액을 만든다.
그 다음, 만들어진 용액을 전기 방사 장치의 용액통에 넣고, 콜렉터(50)와 방사 노즐(40) 사이에 고전압 정전기력을 인가하면, 방사 노즐(40)에서 방사 용액을 초극세 나노 섬유로 만들어 콜렉터(50)에 방사하고, 콜렉터(50)에는 나노 섬유가 축적되어 소수성 및 소유성 멤브레인(100)이 형성된다.
더 세부적으로 설명하면, 방사 노즐(40)로부터 토출되는 방사 용액은 고전압 발생기에 의하여 하전된 방사 노즐(40)을 통과하면서 나노 섬유(110)로 방출되어, 일정 속도로 이동하는 컨베이어 형태의 접지된 콜렉터(50) 상부에 나노 섬유가 순차적으로 적층되어 소수성 및 소유성 멤브레인이 형성되는 것이다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 소수성 및 소유성 멤브레인에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전체 영역에서 발수 발유성을 발현하여, 발수 발유 특성을 극대화시킬 수 있는 소수성 및 소유성 멤브레인을 제공한다.
10: 믹싱 모터 20: 교반 탱크
30: 교번기 40: 방사 노즐
50: 콜렉터 100: 소수성 및 소유성 멤브레인
101: 절단면 110: 나노 섬유

Claims (12)

  1. 발수 발유제, 용매, 고분자 물질이 혼합된 방사 용액이 전기 방사된 나노 섬유가 축적되어 형성된 구조를 가지는, 소수성 및 소유성 멤브레인.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구조에 부직포, 기공을 갖는 나노 섬유 웹 및 직물 중 적어도 하나가 더 적층되어 있는, 소수성 및 소유성 멤브레인.
  3. 제1항에 있어서, 상기 발수 발유제는 상기 용매에 용해되거나, 또는 용해되지 않는 액상 또는 고체 상태의 발수 발유제인, 소수성 및 소유성 멤브레인.
  4. 제1항에 있어서, 상기 나노 섬유에 상기 발수 발유제의 분말 또는 필러가 분산되어 있는 소수성 및 소유성 멤브레인.
  5. 제1항에 있어서, 상기 나노 섬유의 직경은 0.1 ~ 2um인, 소수성 및 소유성 멤브레인.
  6. 제1항에 있어서, 상기 구조는, 다수의 기공이 형성된 구조 또는 기공이 없는 무기공 상태의 구조인, 소수성 및 소유성 멤브레인.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기공의 크기는 2um 이하인, 소수성 및 소유성 멤브레인.
  8. 제1항에 있어서, 상기 구조의 X,Y,Z 방향으로 발수 발유성을 발현하는, 소수성 및 소유성 멤브레인.
  9. 제1항에 있어서, 상기 구조의 절단면이 발수 발유성을 발현하는, 소수성 및 소유성 멤브레인.
  10. 제1항 내지 제9항 중 한 항에 있어서, 상기 소수성 및 소유성 멤브레인은 에어 벤트(air vent)용 멤브레인, 어쿠스틱(acoustic) 멤브레인 및 진동판 멤브레인 중 하나인, 소수성 및 소유성 멤브레인.
  11. 고분자 물질, 발수 발유제 및 용매를 혼합하여 방사용액을 제조하는 단계; 및
    상기 방사용액을 전기방사하여 상기 발수 발유제가 포함된 나노 섬유를 축적하여 소수성 및 소유성 멤브레인을 형성하는 단계;를 포함하는 소수성 및 소유성 멤브레인의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 발수 발유제는 상기 용매에 용해되거나, 또는 용해되지 않는 액상 또는 고체 상태의 발수 발유제인, 소수성 및 소유성 멤브레인의 제조 방법.

















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