KR20170096779A - 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은, 나노섬유 웹이 적층형성되는 지지체, 기재 또는 원단을 회전시키어 동일한 면에 연속적으로 상향식 및 하향식 전기방사장치에 의해 나노섬유 웹을 제조하여 나노섬유 분리막의 제조공정이 간소화됨과 동시에 제조 시간을 절감할 수 있다는 효과를 거둘 수 있다.

Description

나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법{Nanofiber manufacturing apparatus and nanofiber manufacturing method using the same}
본 발명은 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어, 전자기기의 소형화, 박형화 및 경량화 등 경박 단소화가 급속도로 이루어지고 있으며, 이러한 경향에 맞추어 전력을 공급하는 전지에 대해서도 고성능화가 요구되고 있다.
이러한 요구에 가장 잘 부합하는 전지가 리튬 이차전지이며, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 전해액 및 분리막을 포함하여 구성된다.
여기서, 양극에서 양극활물질은 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 물질로서, 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트산화물, 리튬 철 인산 옥사이드 등의 복합 금속 산화물이 주로 사용된다.
그리고, 음극에서 음극활물질은 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 리튬합금, 카본(carbon), 코크스(cokes), 활성화 카본(activated carbon), 그래파이트(graphite), 실리콘(Si), 주석(Sn) 등 금속 및/또는 합금 등이 주로 사용된다.
또한, 전해액으로는 리튬염과 유기용매를 포함하는 비수 전해액으로서, 리튬염으로는 LiClO4, LiCF3SO3, LiAsF6, LiBF4, LiPF6, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, LiBOB 등이 사용되고, 유기용매로는 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 디메틸카보네이트(DMC), 디메톡시에탄(DME), 디에톡시에탄(DEE), 2-메틸테트라하이드로퓨란(2-MeTHF), 디메틸설폭사이드(DMSO) 등이 각각 또는 혼합되어 사용된다.
그리고, 분리막은 리튬 이차전지의 양극과 음극의 접촉에 의한 내부 단락을 방지하고 이온을 투과시키는 역할을 하는 것으로서, 현재 일반적으로 사용되고 있는 분리막은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌 복합막이 사용되고 있으나 이는 열적 불안정성으로 인해 이차전지에 안정성에 문제를 야기할 수 있다.
이에 따라 최근에는 이를 보완하기 위해 이차전지에 사용되는 분리막을 다층구조로 제조하여 열안정성을 향상시키기 위한 시도가 있었고, 그 중 하나로 다공성 나노섬유 웹 및 그 제조방법에서 제 1 나노섬유 웹과 제 2 나노섬유 웹을 각각 형성하여 결합시킨 방법이 제안되었다. 그러나, 상기와 같은 방법은 2층 나노섬유 웹을 만드는 과정에서 전기방사 공정을 2번 거치므로 제조공정이 복잡해지고 소모되는 시간도 길어져 이에 따라 경제성이 저하되는 문제가 있었다.
또한, 기존의 상향식 전기방사 장치에 의한 나노섬유를 제조하는 경우 상향식에 따른 생산 속도 및 생산량이 낮아지는 문제가 있었다.
또한, 종래의 나노섬유를 방사하는 기술의 경우, 실험실 위주의 소규모 작업 라인으로 한정되어 있기 때문에 방사구간을 구획하여 유닛 개념으로 나노섬유를 방사하는 기술이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 상향식 전기방사장치와 하향식 전기방사장치를 교대로 설치하여 방사용액을 분사하고, 전기방사장치 사이에 회전장치를 구비함으로서 지지체, 기재 또는 원단의 일면에 연속적으로 나노섬유 웹이 적층되는 것이 가능함과 동시에 상향식 전기방사장치의 이점인 고품질의 나노섬유 웹 생산과 하향식 전기방사장치의 이점인 대량생산이 가능한 나노섬유 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 노즐이 하부에서 상부로 향하고, 고분자 방사용액을 지지체 상에 전기방사하여 제1 나노섬유 웹을 제조하는 상향식 전기방사장치, 지지체의 하부면이 상부면으로 180도 회전되도록 하는 회전장치; 및 노즐이 상부에서 하부로 향하고, 상기 상향식 전기방사장치에 사용된 동일한 고분자 방사용액을 제1 나노섬유 웹상에 전기방사하여 제2 나노섬유 웹을 적층하는 하향식 전기방사장치;를 구비하고 상기 상향식 전기방사장치와, 상기 회전장치와, 상기 하향식 전기방사장치의 순서대로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치를 제공한다. 여기서 상기 나노섬유 제조장치는 상향식 전기방사장치 및 하향식 전기방사장치가 수평방향, 수직방향 또는 수평방향에 대해 U자 방향으로 연속되게 배치되는 것을 특징이고, 상기 하향식 전기방사장치의 후단부에 제1 나노섬유 웹 및 제2 나노섬유 웹이 적층된 지지체를 라미네이팅하기 위한 라미네이팅 장치를 추가로 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상향식 전기방사장치 및 하향식 전기방사장치는 각각 고분자 방사용액의 온도를 조절하기 위한 온도조절 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 지지체를 준비하는 단계, 상기 지지체의 하부면에 상향식 전기방사장치로 제1 고분자 방사용액을 전기방사하여 제1 나노섬유 웹을 적층형성하는 단계, 상기 제1 나노섬유 웹이 적층형성된 지지체가 회전장치를 지나면서 하부면이 상부면으로 180도 회전되는 단계, 상기 지지체 상에 적층된 제1 나노섬유 웹 상에 하향식 전기방사장치로 제2 고분자 방사용액을 전기방사하여 제2 나노섬유 웹을 연속적으로 적층형성하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 나노섬유 웹이 연속적으로 적층형성된 지지체를 권취하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 제1 고분자 방사용액과 제2 고분자 방사용액은 동일한 것을 특징으로 하는 나노섬유의 제조방법을 제공한다. 여기서 상기 지지체는 기재 또는 원단인 것을 특징으로 하고, 상기 제1 및 제2 나노섬유 웹은 지지체의 길이방향 또는 폭방향으로 동일 평면 상에 평량이 상이한 것을 특징으로 하며, 상기 제2 나노섬유 웹을 연속적으로 적층형성하는 단계 이후에 상기 제1 나노섬유 웹 및 제2 나노섬유 웹이 적층형성된 지지체를 라미네이팅하는 단계를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 제1 및 제2 고분자 방사용액은 온도조절 장치를 통하여 50 내지 100℃의 온도에서 전기방사되는 것이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은, 나노섬유 웹이 적층형성되는 지지체를 회전시키어 동일한 면에 연속적으로 상향식 및 하향식 전기방사장치에 의해 나노섬유 웹을 제조하여 나노섬유 분리막의 제조공정이 간소화됨과 동시에 제조 시간을 절감할 수 있다는 효과를 거둘 수 있다.
그리고, 본 발명은 지지체를 회전시키는 회전장치를 각 전기방사장치 사이에 설치시킴으로서 전기방사 장치의 설치시 공간활용을 평면상에 수평방향으로 또는 수직으로 배치되는 층층으로 설치가 가능함에 따라 공간활용이 용이함과 동시에 설치공간에 여유가 있는 효과가 있다. 다시 말해, 협소한 공간에서도 전기방사장치의 설치 및 가동이 가능하고 나노섬유 웹의 대량생산이 가능한 효과를 거둘 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 나노섬유 제조장치를 개략적으로 나타내는 측면도,
도 2는 본 발명의 나노섬유 제조장치의 각 전기방사장치 내에 설치되는 노즐블록을 개략적으로 나타내는 평면도,
도 3은 본 발명의 나노섬유 제조장치의 각 전기방사장치 내에 설치되는 노즐블록 내에 온도조절을 위한 열선이 설치된 모습을 개략적으로 나타내는 정단면도,
도 4는 도 3의 A-A’선 단면도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 나노섬유 제조장치의 회전장치의 일 실시예로 사용되는 플립장치를 개략적으로 나타낸 단면도,
도 7은 본 발명의 노즐블록의 관체가 CD 방향으로 On-Off되는 상태를 나타내는 평면도,
도 8은 도 7과 같은 노즐블록 내 노즐에 작동에 따른 CD 방향으로 평량이 상이한 전기방사가 진행되는 작업과정을 나타내는 평면도,
도 9는 본 발명의 노즐블록 내 노즐블록 내 노즐에 작동에 따른 MD 방향으로 평량이 상이한 전기방사가 진행되는 작업과정을 나타내는 평면도,
도 10은 본 발명의 나노섬유 제조장치를 수직방향으로 배치한 경우의 배치도를 개략적으로 나타낸 측면도,
도 11은 본 발명의 나노섬유 제조장치를 수평방향에 대해 U자로 배치한 경우의 배치도를 개략적으로 나타낸 조감도이다.
이하, 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시예에서는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시한 것이며, 그 기술적인 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 나노섬유 제조장치를 개략적으로 나타내는 측면도이고, 도 2는 본 발명의 나노섬유 제조장치의 각 전기방사장치 내에 설치되는 노즐블록을 개략적으로 나타내는 평면도이며, 도 3은 본 발명의 나노섬유 제조장치의 각 전기방사장치 내에 설치되는 노즐블록 내에 온도조절을 위한 열선이 설치된 모습을 개략적으로 나타내는 정단면도이고, 도 4는 도 3의 A-A’선 단면도이며, 도 5 및 도 6은 본 발명의 나노섬유 제조장치에서 사용되는 회전장치(20)의 일 실시예인 플립장치(20-1)를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 7은 본 발명의 노즐블록의 관체가 CD 방향으로 On-Off되는 상태를 나타내는 평면도이며, 도 8은 도 7과 같은 노즐블록 내 노즐에 작동에 따른 CD 방향으로 평량이 상이한 전기방사가 진행되는 작업과정을 나타내는 평면도이고, 도 9는 본 발명의 노즐블록 내 노즐블록 내 노즐에 작동에 따른 MD 방향으로 평량이 상이한 전기방사가 진행되는 작업과정을 나타내는 평면도이며, 도 10은 본 발명의 나노섬유 제조장치를 수직방향으로 배치한 경우의 배치도를 개략적으로 나타낸 측면도이고, 도 11은 본 발명의 나노섬유 제조장치를 수평방향에 대해 U자로 배치한 경우의 배치도를 개략적으로 나타낸 조감도이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 나노섬유 제조장치(1)는 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)를 포함하여 구성되되, 상기 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)가 일정간격 이격되어 배열설치된다.
여기서 상기 상향식 전기방사장치(10)와 하향식 전기방사장치(30)는 고분자 방사용액(미도시)이 내부에 충진되는 방사용액 주탱크(11,31) 내의 고분자 방사용액을 토출하되, 핀 형태로 이루어지는 노즐(15,35)이 다수개 배열설치되는 노즐블록(13,33)과 상기 노즐(15,35)의 상단(상향식 전기방사장치의 경우) 및 하단(하향식 전기방사장치의 경우)에 위치하여 분사되는 고분자 방사용액을 집적하기 위하여 노즐(15,35)로부터 일정간격 이격되는 컬렉터(17,37) 및 상기 컬렉터(17,37)에 전압을 발생시키기는 전압 발생장치(14)를 포함하여 구성된다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 본 발명에 의한 나노섬유 제조장치(1)는 상기 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)의 방사용액 주탱크(11,31) 내에 충진되는 방사용액이 계량 펌프를 통하여 높은 전압이 부여되는 다수의 노즐(15,35) 내의 연속적으로 정량 공급되고 노즐(15,35)로 공급되는 고분자 방사용액은 노즐(15,35)을 통해 높은 전압이 걸려있는 컬렉터(17,37) 상에 방사, 집속되어 나노섬유 웹을 형성하며, 형성된 나노섬유를 엠보싱 또는 니들펀칭하여 부직포로 제조한다.
한편, 상기 각 전기방사장치에서 노즐(15,35)이 배치되어 있는 노즐블록(13,33)은 각 관체(112) 내에 온도조절장치(60)가 구비된다. 즉, 상기 각 전기방사장치(10,30) 내에 설치되되, 다수개의 노즐(15,35)로 고분자 방사용액이 공급되는 노즐블록(13,33)의 관체에 고분자 방사용액의 온도를 조절하기 위한 온도조절장치가 구비된다. 여기서, 상기 노즐블록(13,33) 내의 고분자 방사용액의 흐름은 고분자 방사용액이 저장되는 방사용액 주탱크(11,31)로부터 방사용액 유동파이프(미도시)를 통하여 각 관체로 공급된다. 그리고 각 관체에 공급되는 고분자 방사용액은 다수의 노즐(15,35)을 통해 방사 및 토출되어 나노섬유 웹의 형태로 지지체(3)에 집적된다. 이때 각 관체 및 상기 관체의 상부에 길이방향으로 일정간격 이격되어 다수개로 장착되는 노즐(15,35)은 도전부재로 이루어져 전기적으로 접속된 상태로 관체에 장착된다. 여기서 상기 온도조절장치(60)는 각 관체로 공급 및 유입되는 고분자 방사용액의 온도조절을 제어하기 위하여 상기 관체의 내주연에 열선(113) 형태로 구비된다. 즉, 도 3 내지 도 5에서 도시하고 있는 바와 같이 상기 노즐블록(13,33)의 관체 내주연에 열선으로 이루어지는 온도조절장치(60)가 노즐블록(13,33)의 관체 내주연에 나선상으로 형성되어 관체로 공급 및 유입되는 고분자 방사용액의 온도를 조절한다. 본 발명에서는 상온에서 방사하는 것이 일반적이나, 바람직하게 50 내지 100℃인 고온에서 방사하는 것도 가능하다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 노즐블록(13,33)의 관체 내주연에 열선으로 이루어지는 온도조절장치(60)가 나선상으로 구비되어 있으나, 상기 온도조절장치(60)가 열선 형태로 형성되되, 상기 관체의 내주연 방사상에 길이방향으로 다수개 구비되어 고분자 방사용액의 온도를 조절하도록 이루어지는 것도 가능하고, 상기 온도조절장치(60)가 대략 “C”형태의 판체형상으로 형성되되, 상기 관체의 내주연에 구비되어 고분자 방사용액의 온도를 조절하도록 이루어지는 것도 가능하다.
한편, 상기 나노섬유 제조장치(1)의 전단에는 상향식 전기방사장치(10)가 배치되고 후단에는 하향식 전기방사장치(30)가 배치되고 각 전기방사장치에서 고분자 방사용액이 분사되어 나노섬유 웹이 적층형성되는 지지체(3)를 공급하는 공급롤러(5)가 구비되고, 나노섬유 제조장치(1)의 최후단에는 나노섬유가 적층형성되는 지지체(3)를 권취하기 위한 권취롤러(9)가 구비된다.
여기서, 상기 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)의 고분자 방사용액이 적층되는 지지체(3)는 부직포 또는 직물 등으로 이루어지는 것이 바람직하나 이에 한정하지 아니하고, 지지체(3)를 기재 또는 원단으로 직접 이용하는 것도 가능하다.
이때, 상기 상향식 전기방사장치(10)와 하향식 전기방사장치(30)는 컬렉터(17,37)를 기준으로 그 하, 상방향으로 상호 대칭되게 각각 배열설치된다. 즉, 상기 상향식 전기방사장치(10)는 컬렉터(17)가 노즐(15)의 상단에 위치하고, 상기 하향식 전기방사장치(30)는 컬렉터(37)가 노즐(35)의 하단에 위치한다.
한편, 상기 각 컬렉터(17,37)의 양 단부에는 이송롤러(7)가 각각 구비되고, 상기 각 이송롤러(7)를 통하여 각 컬렉터(17,37)에 집적되어 나노섬유가 적층형성되는 지지체(3)가 수평방향으로 이송된다. 즉, 상기 상향식 전기방사장치(10)의 노즐(15)에서 분사되는 고분자 방사용액을 컬렉터(17)의 지지체(3)상에 적층형성시켜 제조된 나노섬유를 하향식 전기방사장치(30)의 컬렉터(37) 상으로 수평이동시킴과 상기한 공정을 반복적 및 연속적으로 진행하기 위한 이송롤러(7)가 상기 각 컬렉터(17,37)의 양 단부에 각각 구비된다.
한편, 본 발명에서는 상향식 전기방사장치(10)와 하향식 전기방사장치(30) 사이에 회전장치(20)가 구비되는 것을 특징으로 한다. 상기 회전장치(20)는 전기방사장치 사이에 위치되어 지지체(3)를 180도 회전시켜 후단에 위치한 전기방사장치에서는 지지체의 상부면은 하부면으로, 하부면은 상부면이 되도록 회전시키기 위한 장치이다.
도 5 및 6은 회전장치의 일 실시예로 사용되는 플립장치(20-1)를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 구체적으로 도 5는 플립장치(20-1)의 초기 동작과정을 나타낸 단면도이며, 도 6은 플립장치(20-1)의 후기 동작과정을 나타낸 단면도이다.
상기 회전장치의 일 실시예로 사용되는 플립장치(20-1)는 내부에 중공을 갖는 원통형상체로 형성되고 그 중심부에서 수평방향 양 측 내주연 상에 지지체(3)의 양 단부가 삽입되기 위한 가이드홈을 갖는 좌, 우측 가이드 부재(21,21‘)가 각각 내향돌출되게 형성된다. 이 때 상기 플립장치(20-1)의 내주연에 내향돌출되게 형성되는 좌,우측 가이드부재(21,21’) 중 좌측 가이드부재(21)는 내주연을 따라 상방향으로 연장형성된후 다시 하방향으로 연장형성되도록 나선상으로 회전되어 우측 가이드 부재(21‘)의 최초 위치 및 방향에 위치하고, 우측 가이드부재(21’)는 내주연을 따라 하방향으로 연장형성된 후 다시 상방향으로 연장형성되도록 나선상으로 회전되어 좌측 가이드부재(21)의 최초 위치 및 방향에 위치한다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 상기 플립장치(20-1)의 내주연에 내향돌출되게 형성되는 좌, 우측 가이드부재의 각 가이드홈(22,22‘)으로 삽입된 지지체의 일측 단부 및 타측 단부가 좌, 우측 가이드부재(21,21’)를 가이드되면서 플립장치(20-1)의 내주연을 상호 대향되게 나선상으로 180도 회전됨으로써 지지체(3)의 상, 하부면이 역전된다.
본 발명에서는 전기방사장치 사이에 위치하고 전기방사된 나노섬유 웹을 180도 회전시키는 회전장치(20)로 플립장치(20-1)를 사용하고 있으나, 이에 한정하지 아니하고 변형적으로 비틀림 롤러를 구비한 장치나 비틀림 롤러에 의해 지지체의 진행방향으로 90도 굴곡하도록 회전시키는 장치가 사용되는 것도 가능하다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 상기 상향식 전기장치(10)의 방사용액 주탱크(11) 내에 충진된 고분자 방사용액이 노즐(15)을 통하여 컬렉터(17)의 지지체(3) 상에 분사되고, 상기 컬렉터(17)의 지지체(3) 상에 분사된 고분자 방사용액이 집적되면서 나노섬유를 형성한 후 나노섬유 웹이 적층형성된 지지체(3)는 회전장치(20)에 의하여 상향식 전기방사에 의해 나노섬유 웹이 적층형성된 지지체(3)의 하부면이 상부면으로 180도 회전된다. 그 이후 이송롤러(7)를 통하여 하향식 전기방사장치(30)의 컬렉터(37) 상으로 이송되고, 상기 컬렉터(37) 상으로 이송된 나노섬유가 적층된 지지체(3)에 상기 하향식 전기방사장치(30)의 방사용액 주탱크(31) 내에 충진된 고분자 방사용액이 노즐(35)을 통하여 전기방사되어 상기한 과정을 연속적 및 반복적으로 수행하면서 최종 제품이 제조된다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 본 발명에 의한 나노섬유 제조장치(1)의 상향식 전기방사장치(10), 회전장치(20) 및 하향식 전기방사장치(30)를 통과하면서 제조되는 나노섬유는 지지체(3)에 상기 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)의 각 노즐(15,35)을 통하여 고분자 방사용액이 분사되어 컬렉터(17,37) 상의 지지체(3)의 일면에 나노섬유 웹이 연속적으로 적층형성되는 등 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)의 노즐(15,35)에서 분사되는 고분자 방사용액이 적층되어 나노섬유 웹이 다수 층으로 형성됨으로써 최종 나노섬유 제품이 제조된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 상향식 전기방사장치의 전압을 하향식 전기방사장치의 전압보다 높게 적용하여 상기 상향식 전기방사장치(10)에 의해 제조된 나노섬유 웹의 직경이 상기 하향식 전기방사장치(30)에 의해 제조된 나노섬유 웹의 직경보다 가늘게 제조하는 것이 가능하다.
한편 여기서, 상기 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)의 각 방사용액 주탱크(11,31)에 동일한 종류의 고분자 방사용액을 충진시키거나, 각기 다른 종류의 고분자 방사용액을 충진시킴으로써 상기 나노섬유 제조장치(1)를 통하여 제조되는 나노섬유를 특성에 따라 다양하게 제조할 수 있다.
그러나, 본 발명에서는 상기 상향식 전기방사장치(10)에서 분사되는 고분자 방사용액과 하향식 전기방사장치(30)에서 분사되는 고분자 용액이 동일한 종류의 고분자 방사용액으로 이루어지는 것이 특징이다.
여기서, 상기 고분자 방사용액으로는 별도로 제한받지 아니하나, 예를 들면 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET), 폴리비닐리덴플루라이드, 나일론, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리우레탄(PUR), 폴리부틸렌텔레프탈레이트(PBT), 폴리비닐부틸랄, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌이민, 폴리올레핀, 폴리유산(PLA), 폴리초산비닐(PVAc), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리아미드(PA), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에틸렌이미드(PEI), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리유산글리롤산(PLGA), 실크, 셀룰로오스, 키토산 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]과 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄 공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 등의 폴리머로 이루어진 군이 상용적으로 사용되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고분자 방사용액은 전기방사가 가능한 합성수지 재질인 고분자를 적당한 용매에 용해시킨 용액으로서, 용매의 종류 또한 폴리머를 용해시킬 수 있는 것이라면 제한되지 않는다. 예를 들면, 페놀, 포름산, 황산, m-크레솔, 티플루오르아세트앤하이드라이드/다이클로로메테인, 물, N-메틸모폴린 N-옥시드, 클로로폼, 테트라히드로푸란과 지방족 케톤군인 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 지방족 수산기 군인 m-부틸알콜, 이소부틸알콜, 이소프로필알콜, 메틸알콜, 에탄올, 지방족 화합물인 헥산, 테트라클로로에틸렌, 아세톤, 글리콜군으로서 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 할로겐 화합물군으로 트리크롤로에틸렌, 다이클로로메테인, 방향족 화합물 군인 톨루엔, 자일렌, 지방족 고리 화합물군으로서 사이클로헥사논, 시클로헥산과 에스테르군으로 n-부틸초산염, 초산에틸, 지방족에테르군으로 부틸셀로살브, 아세트산2-에톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 아미드로 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 등을 사용할 수 있으며, 복수 종류의 용매를 혼합하여 이용할 수 있다. 고분자 방사용액에는 도전성 향상제 등의 첨가제를 함유하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 아니한다.
본 발명에서는 이때, 상기 상향식 전기방사장치(10)의 방사용액 주탱크(11)에 충진되는 고분자 방사용액과 하향식 전기방사장치(30)의 방사용액 주탱크(31)에 충진되는 고분자 방사용액의 종류를 동일한 종류로 하는 것이 특징이다.
한편, 본 발명의 각 노즐블록(13,33)은 다수개의 노즐(15,35)이 선형으로 구비되는 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)가 노즐블록에 기재의 길이방향 또는 폭방향으로 다수개 배열설치되고, 상기 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)는 방사용액 주탱크(11,31)에 연결되어 상기 방사용액 주탱크(11,31) 내에 충진된 고분자 방사용액이 공급된다.
여기서, 상기 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)는 방사용액 주탱크(11,31)에 공급배관(미도시)으로 연결되되, 상기 공급배관은 다수개의 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)와 방사용액 주탱크(11,31)를 연결하기 위하여 다수개로 분기형성된다.
이때, 상기 방사용액 주탱크(11,31)에서 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 연설되는 공급배관에는 공급량 조절수단(도번 미도시)이 구비되되, 상기 공급량 조절수단은 밸브로 이루어진다.
이렇게 상기 방사용액 주탱크(11,31)에서 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 연설되는 공급배관에 밸브가 각각 구비되고, 상기 각 밸브에 의하여 방사용액 주탱크(11,31)에서 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 공급되는 고분자 방사용액의 공급이 조절 및 제어되는 on-off 시스템에 의해 제어된다.
즉, 상기 공급배관을 통하여 방사용액 주탱크(11,31)에서 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 고분자 방사용액의 공급 시 상기 방사용액 주탱크(11,31)와 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)를 연설하는 공급배관에 구비되는 밸브의 개, 폐에 의해 노즐블록(13,33)에 배열설치되는 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i) 중 특정위치의 관체(112b, 112d, 112f, 112g, 112h, 112i)에만 선택적으로 고분자 방사용액을 공급하는 등 상기 밸브(212, 213, 214, 233)의 개, 폐에 의해 방사용액 주탱크(11,13)에서 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 공급되는 고분자 방사용액의 공급이 조절 및 제어된다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여, 상기 방사용액 주탱크(11,31)와 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)를 연설하되, 분기형성되는 공급배관에 밸브가 각각 구비되어 방사용액 주탱크(11,31)에서 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 고분자 방사용액의 공급 시 다수개의 밸브 중 특정 밸브를 개방하여 노즐블록(13,33)에 배열설치되는 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i) 중 특정위치의 관체(112b, 112d, 112f, 112g, 112h, 112i)에만 고분자 방사용액을 공급하거나, 특정 밸브를 폐쇄하여 노즐블록(13,33)에 배열설치되는 관체 중 특정위치의 관체(112a, 112c, 112e)에만 고분자 방사용액의 공급을 차단하는 등 상기 밸브의 개, 폐에 의해 방사용액 주탱크(11,31)에서 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 공급되는 고분자 방사용액의 공급이 조절 및 제어된다.
즉, 상기 공급배관과 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)에 구비되는 각 노즐(15,35)은 연설되되, 상기 공급배관은 노즐(15,35)의 갯수와 대응되게 분기형성된다.
상기 방사량 조절수단은 밸브로 이루어진다. 이렇게, 상기 방사량 조절수단으로 밸브가 구비됨으로써 상기 밸브의 개, 폐에 의하여 공급배관에서 각 노즐(15,35)로 공급되는 고분자 방사용액의 공급이 개별적으로 제어되고, 상기 밸브는 제어부(미도시)에 제어가능하게 연결되되, 상기 밸브의 개, 폐가 제어부에 의해 자동으로 제어되는 것이 바람직하나, 현장상황 및 작업자의 요구에 따라 상기 밸브의 개, 폐가 수동으로 제어되도록 이루어지는 것도 가능하다.
본 발명에서는 상기 방사량 조절수단이 밸브로 이루어져 있으나, 공급배관에서 노즐(15,35)로 공급된 후 방사되는 고분자 방사용액의 방사량의 조절 및 제어가 용이하다면 상기 방사량 조절수단은 기타 다양한 구조 및 수단으로 이루어지는 것도 가능하며, 이에 한정하지 아니한다.
본 발명에서는 상기 공급배관에 밸브가 구비되어 상기 방사용액 주탱크(11,31)에서 노즐블록(13,33)의 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 공급되는 고분자 방사용액의 공급량을 조절 및 제어함과 동시에 상기 공급배관에 밸브가 구비되어 상기 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)에서 공급되어 각 노즐(15,35)을 통하여 전기방사되는 고분자 방사용액의 방사량을 조절 및 제어함으로써 상기 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)의 각 노즐(15,35)에서 전기방사되는 고분자 방사용액에 의해 지지체(3)의 폭방향 또는 길이방향에 고분자 종류 또는 평량이 상이한 나노섬유 웹을 적층형성하도록 이루어져 있다.
본 발명에 제조되는 나노섬유 웹은 폭방향 즉 CD방향 또는 횡방향으로 평량이 상이하거나 길이방향 즉 MD방향으로 평량이 상이하게 전기방사되어 적층되는 것을 특징으로 한다. CD방향은 Cross Direction로서 MD방향(Machine Direction)의 직각 방향을 의미하는데, MD방향은 길이방향/종방향을, CD방향은 폭방향/횡방향을 지칭하기도 한다.
한편, 평량(Basis Weight or Grammage)은 단위 면적당 질량, 즉 바람직한 단위로서 제곱미터당 그램(g/㎡)으로 정의된다.
도 7은 본 발명의 각 전기방사장치 내의 노즐(15,35)이 CD방향으로 ON-OFF되는 상태를 나타내는 평면도이고 도 8은 도 7과 같은 전기방사 장치 내의 노즐의 작동에 따른 CD방향으로 고분자의 평량이 상이하게 전기방사되는 작업과정을 나타내는 평면도인데, 전술한 바와 같이 전기방사장치 내의 노즐의 작동을 전기적으로 ON-OFF 조절하여 CD방향으로 고분자 방사용액의 종류 또는 평량이 상이한 나노섬유 웹을 형성할 수 있다. 도 9는 본 발명의 각 전기방사 장치 내의 노즐이 MD방향으로 ON-OFF되는 상태를 나타내는 평면도인데, 전술한 바와 같이 전기방사장치 내의 노즐의 작동을 전기적으로 ON-OFF 조절하여 MD방향으로 고분자 방사용액의 종류 또는 평량이 상이한 나노섬유 웹을 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 나노섬유 제조장치를 이루는 상기 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)를 통하여 제작되는 나노섬유 웹과 지지체(3)를 라미네이팅(Laminating)하기 위한 라미네이팅 장치(50)가 더 구비되고, 상기 라미네이팅 장치(50)는 본 발명에 의한 나노섬유 제조장치(1)의 후단에 위치하여 후공정을 수행한다.
또한 상기 나노섬유 제조장치(1)를 구성하는 상향식 전기방사장치(10)와 하향식 전기방사장치(30)는 수평방향에 대하여 일직선에 평행하게 배치되거나, 각 전기방사장치가 층별로 위치되는 수직방향으로 배치되거나, 동일한 층 내에 각 전기방사장치를 U자 방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 층별로 수직방향으로 배치하거나 동일 층 내에서 U자 방향으로 배치할 수 있는 것은 한정된 면적에서 생산력을 높일 수 있는 이점이 있다.
즉, 상기 회전장치는 플립장치에 의해 지지체가 180도 회전하거나, 수직으로 U턴 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명의 일 실시예에서는 상기 나노섬유 제조장치(1)의 후단에 라미네이팅 장치(50)가 구비되어 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)를 통하여 제작되되, 나노섬유 웹이 적층형성되는 지지체(3)를 라미네이팅하도록 이루어져있으나, 상기 라미네이팅 장치(50)의 하측에 기재(미도시)를 공급하는 공급롤러(미도시)가 구비되고, 상기 공급롤러를 통하여 공급되는 기재 상에 나노섬유 웹이 직접 전기방사되어 적층형성되면서 상기 라미네이팅 장치(50)를 통하여 다층으로 라미네이팅 하도록 이루어지는 것도 바람직하다.
또한 상기 라미네이팅 장치(50)의 상측에 또 다른 기재(미도시)를 공급하는 공급롤러가 구비되어 상기 나노섬유 웹이 적층형성되는 지지체(3)의 상부에 기재를 적층하면서 라미네이팅 장치(50)를 통하여 다층으로 라미네이팅하도록 이루어지는 것도 바람직하다.
이하, 본 발명에 의한 나노섬유 제조장치의 동작과정을 설명한다.
먼저, 본 발명에 의한 나노섬유 제조장치(1)의 선단에 구비되는 공급롤러(5)를 통하여 지지체(3)가 상향식 전기방사장치(10)로 공급된다. 이때, 상기 지지체(3)는 부직포 또는 직물 등으로 이루어지는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 아니하고, 지지체(3)를 기재 또는 원단으로 사용하는 것이 가능하다.
한편, 이렇게 상기 공급롤러(5)를 통하여 상향식 전기방사장치(10)로 공급되는 지지체(3)는 상기 컬렉터(17)의 하부면 상에 위치한다. 이때, 상기 전압 발생장치(미도시)의 고전압이 노즐(15)과 컬렉터(17) 상에 발생되고, 컬렉터(17)상에 방사용액 주탱크(11) 내에 충진되는 고분자 방사용액이 노즐블록(13)의 노즐(15)을 통해 전기방사된다.
여기서, 상기 방사용액 주탱크(11) 내에 충진되는 방사용액이 계량 펌프(미도시)를 통하여 높은 전압이 부여되는 다수의 노즐(15)내에 연속적으로 정량 공급되고, 상기 각 노즐(15)로 공급되는 방사용액은 노즐(15)을 통해 높은 전압이 걸려있는 컬렉터(17) 상에 방사 및 집속되면서 지지체(3)의 하부면 상에 제1 나노섬유 웹이 적층형성된다.
상기한 바와 같이 상기 상향식 전기방사장치(10)를 통하여 그 하부면에 제1 나노섬유 웹이 적층되는 지지체(3)는 이후 회전장치(20)로 이동된다.
하부면에 제1 나노섬유 웹이 적층형성된 지지체(3)는 회전장치(20)를 통과하면서 하부면이 상부면으로 180도 회전됨에 따라, 지지체(3)의 하부면에 위치한 제1 나노섬유 웹은 상부면 방향으로 반전된다.
상기한 바와 같이 상기 회전장치(20)를 통하여 하부면이 상부면으로 회전된 지지체(3)는 이후 이송롤러(7)에 의해 하향식 전기방사장치(30)로 공급되고, 상기 하향식 전기방사장치(30)로 공급되는 지지체(3)는 상기 컬렉터(37)의 상부면 상에 위치한다.
이때에도 상기 전압 발생장치의 고전압이 노즐(35)과 컬렉터(37)에 발생되고, 고전압이 발생되는 컬렉터(37) 상에 방사용액 주탱크(31) 내에 충진되는 고분자 방사용액이 노즐블록(33)의 노즐(35)을 통해 분사된다.
여기서, 상기 각 전압 발생장치는 일반적인 전기방사장치와 동일한 구조로 노즐(15,35)을 통하여 컬렉터(17,37)에 높은 전압을 발생시키고, 전기력에 의한 나노섬유의 생성을 촉진시키기 위하여 노즐(15,35)과 노즐블록(13,33)의 하부 또는 상부에 위치한 컬렉터에서 1kV 이상의 전압을 걸어주는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 20kV 이상의 전압을 걸어준다.
한편, 상기 방사용액 주탱크(31) 내에 충진되는 방사용액이 계량 펌프를 통하여 높은 전압이 부여되는 다수의 노즐(35) 내에 연속적으로 정량 공급되고, 노즐(35)로부터 공급되는 방사용액은 노즐(35)에 의해 높은 전압이 걸려있는 컬렉터(37) 상에 방사, 집속되면서 지지체(3)의 상부면에 상향식 전기방사에 의해 적층형성된 제1 나노섬유 웹 상에 하향식 전기방사법에 의한 제2 나노섬유 웹이 적층형성된다.
이때, 상기 지지체(3)가 상향식 전기방사장치(10)로의 이송, 회전장치(20)로의 이송 및 하향식 전기방사장치(30)로의 이송은 이송롤러(7)에 의해 수행된다.
본 발명에서는 상향식 전기방사장치(10)와 하향식 전기방사장치(30)가 수평방향을 향하여 일직선으로 배치되는 것이 바람직하나, 각 전기방사장치가 층별로 위치되는 수직방향으로 배치되거나, 동일한 층 내에 각 전기방사장치를 U자 방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 층별로 수직방향으로 배치하거나 동일 층 내에서 U자 방향으로 배치할 수 있는 것은 한정된 면적에서 생산력을 높일 수 있는 이점이 있다.
즉, 상기 회전장치는 플립장치에 의해 지지체가 180도 회전하거나, 수직으로 U턴 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 상기 지지체(3)가 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)로 이송되면서 지지체(3)의 일면에 나노섬유가 연속적으로 적층형성되는 공정을 반복함으로써 상기 지지체(3)에 나노섬유 웹이 다수의 층으로 적층형성된다.
본 발명에서는 상기 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)의 각 방사용액 주탱크(11,31)에 동일한 종류의 고분자 방사용액을 충진시킨다.
즉, 상기 상향식 전기방사장치(10)에서 분사되는 고분자 방사용액과 하향식 전기방사장치(30)에서 분사되는 고분자 용액이 동일한 종류의 고분자 방사용액으로 이루어진다.
상기한 바와 같이, 교대로 연속되게 배열설치되는 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)를 갖는 나노섬유 제조장치(1)를 통하여 나노섬유가 일면에 다층으로 형성되는 지지체(3)는 권취롤러(7)를 통하여 권취되고 제조된 나노섬유를 엠보싱 또는 니들펀칭하여 부직포로 제조한다.
여기서, 상기 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)를 통하여 제조되는 나노섬유 웹이 적층형성되는 지지체(3)를 라미네이팅 장치(50)로 라미네이팅(Laminating)하여 후공정을 수행한다.
또한, 제조된 나노섬유 웹의 공기 투과도 등의 이상 유, 무를 측정하기 위한 공기 투과도 측정장치(70) 및 기타 후공정을 위한 별도의 공정장치들이 더 구비되는 것도 가능하다.
이상, 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하지만, 첨부 특허청구의 범위에 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
1: 나노섬유 제조장치, 3: 지지체,
5: 공급롤러, 7: 이송롤러,
9: 권취롤러, 10: 상향식 전기방사장치,
11: 방사용액 주탱크, 13: 노즐블록,
14: 전압발생장치, 15: 노즐,
17: 컬렉터, 20: 회전장치,
20-1: 플립장치,
21, 21‘: 좌, 우측 가이드 부재,
22, 22‘: 좌, 우측 가이드홈,
30: 하향식 전기방사장치, 31: 방사용액 주탱크,
33: 노즐블록, 35: 노즐
37: 컬렉터, 50: 라미네이팅 장치,
60: 온도조절장치,
70: 공기 투과도 측정장치,
112, 112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i: 관체,
113: 열선.

Claims (9)

  1. 노즐이 하부에서 상부로 향하여 있고, 상기 노즐을 통해 고분자 방사용액을 전기방사하여 지지체 하부면에 제1 나노섬유 웹을 제조하는 상향식 전기방사장치;
    상기 지지체의 하부면이 상부면으로 180도 회전되도록 하는 회전장치; 및
    노즐이 상부에서 하부로 향하여 있고, 상기 상향식 전기방사장치에 사용된 동일한 고분자 방사용액을 제1 나노섬유 웹상에 전기방사하여 제2 나노섬유 웹을 적층하는 하향식 전기방사장치;를 구비하고
    상기 상향식 전기방사장치와, 상기 회전장치와, 상기 하향식 전기방사장치는 진행순서대로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 회전장치는 플립장치에 의해 지지체가 180도 회전하거나, 수직으로 U턴 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 나노섬유 제조장치는 상기 하향식 전기방사장치의 후단부에 제1 나노섬유 웹 및 제2 나노섬유 웹이 적층된 지지체를 라미네이팅하기 위한 라미네이팅 장치를 추가로 더 구비하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 상향식 전기방사장치 및 하향식 전기방사장치는 각각 고분자 방사용액의 온도를 조절하기 위한 온도조절 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  5. 지지체를 준비하는 단계;
    상기 지지체의 하부면에 상향식 전기방사장치로 제1 고분자 방사용액을 전기방사하여 제1 나노섬유 웹을 적층형성하는 단계;
    상기 제1 나노섬유 웹이 적층형성된 지지체가 회전장치를 지나면서 하부면이 상부면으로 180도 회전되는 단계;
    상기 지지체 상에 적층된 제1 나노섬유 웹 상에 하향식 전기방사장치로 제2 고분자 방사용액을 전기방사하여 제2 나노섬유 웹을 연속적으로 적층형성하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 나노섬유 웹이 연속적으로 적층형성된 지지체를 권취하는 단계; 를 포함하고,
    상기 제1 고분자 방사용액과 제2 고분자 방사용액은 동일한 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 지지체는 기재 또는 원단인 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 나노섬유 웹은 지지체의 길이방향 또는 폭방향으로 동일 평면 상에 평량이 상이한 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 제2 나노섬유 웹을 연속적으로 적층형성하는 단계 이후에
    상기 제1 나노섬유 웹 및 제2 나노섬유 웹이 적층형성된 지지체를 라미네이팅하는 단계를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 고분자 방사용액은 온도조절 장치를 통하여 50 내지 100℃의 온도에서 전기방사되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조방법.
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