KR20210009915A - 지지체를 구비하는 용액 방사용 동축 노즐 - Google Patents

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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 용액 방사를 위한 동축 노즐에 있어서,
내부공간을 갖는 중공관 형상으로 구비되고, 일측 끝단면에 홈을 가지는 노즐 팁을 포함하며, 용액이 상기 내부공간으로 유입되어 노즐 팁의 홈을 통해 나노 섬유를 방사하도록 구성된 내부노즐;
상기 내부노즐의 제 1 부분의 외면과 소정간격으로 이격된 중공관 형상으로 구비되고, 내면과 상기 내부노즐의 외면 사이의 이격 공간에 시스 에어(sheath air)가 유입되어, 상기 노즐 팁을 둘러 싸도록 에어를 방사하는 에어 캡과; 상기 에어 캡과 결합되며, 상기 내부노즐의 제 2 부분의 외면과 소정간격으로 이격된 중공관 형상으로 구비되고, 내면과 상기 내부노즐의 외면 사이의 이격 공간에 하기 에어 유입 노즐로부터 시스 에어(sheath air)가 유입되어 저장 및 수송하는 에어 본체;를 포함하는 외부노즐; 및
상기 에어 본체와 연결되어 있고, 상기 에어 본체의 이격공간에 시스 에어(sheath air)를 유입시키는 에어 유입 노즐;을 포함하고,
상기 에어 캡의 이격 공간에서 상기 내부노즐의 외면에는, 시스 에어의 이동방향으로 연장된 판 형상으로, 내부노즐의 외면으로부터 에어 캡의 내면까지 연장되어 상기 시스 에어가 유입되는 에어 캡의 이격 공간을 분할하는 2 이상의 지지체들이 형성되어 있고,
상기 에어 캡과, 에어 본체의 사이에는, 탈착 가능한 스페이서(spacer)가 1 이상 장착되어 있는 동축 노즐을 제공한다.

Description

지지체를 구비하는 용액 방사용 동축 노즐{Coaxial Nozzle for Solution Blow Spinning with Support members}
본 발명은 지지체를 구비하는 용액 방사용 동축 노즐에 관한 것이다.
고분자 물질 등으로 구성되고 서브미크론 스케일의 직경을 가지는 실형 (섬유형) 물질(나노섬유)을 제조하는 방법으로서 드로잉(drawing), 주형 합성(template synthesis), 상전이(phase separation), 자기조립(self assembly), 용액 방사(solution blowing), 전기 방사(electrospinning) 등이 알려져 있다.
이중 용액 방사는 방사 속도와 휘발, 용액 주변을 감싸는 시스 에어(sheath air)의 속도에 따라 섬유가 형성된다.
상기 용액 방사 공정은 같은 목적의 전기 방사와 비교하였을 때, 빠른 생산 속도와 구동의 안정성이 높다는 장점이 있으나, 공압에 의한 부착에만 의존하기 때문에 섬유간 간격, 즉, 공극(pore)의 크기와 분포가 균일하지 못하다는 단점이 존재한다. 그럼에도 불구하고, 현재 나노 섬유의 포메이션(formation)을 제어하는 방법에 대한 기술이 없다.
뿐만 아니라, 다수의 노즐을 사용 시 에어의 흐름 및 난류가 발생함에 따라 섬유끼리 붙는 번들(bundle)의 제어도 어렵다는 단점이 있으나, 이에 대한 해결책도 아직 나와있지 않다.
한편, 상기 용액 방사 공정을 위해서는 동축 노즐이 사용되고 있으나, 고 유량의 시스 에어(sheath air)를 사용하는 경우, 내부에 용액을 이송하는 노즐의 흔들림이 발생하여 시스 에어가 섬유를 감싸는 유동의 불안정성이 높아져서 섬유를 고르게 감싸주지 못하고, 결과적으로 포메이션에 악영향을 주는 문제가 있다.
따라서, 이러한 문제를 해결하여 시스 에어의 흐름을 안정적으로 함으로써 섬유 포메이션 질을 우수하게 유지할 수 있는 동축 노즐 기술에 대한 필요성이 절실한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 에어 캡의 이격 공간에서 상기 내부노즐의 외면에, 에어캡과 내부노즐을 연결하여 지지하는 지지체들을 포함하고, 에어 캡과 에어 본체 사이에 탈착 가능한 스페이서를 형성함으로써 에어의 안정성을 높여 섬유 포메이션 질을 우수하게 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 에어 유입 노즐을 에어 본체와 수직된 방향으로 형성함으로써, 에어가 공간을 가득 채운 후 공급되도록 하여 수평방향으로 갑자기 유입되는 에어에 의한 불안정성을 보완할 수 있는 것을 목적으로 한다.
더욱이, 본 발명은 내부노즐에서 용액이 유입되는 타측 끝단면의 내부 공간 직경을 용액이 수송되는 중간부의 내부 공간 직경보다 크도록 테이퍼진 구조로 함으로써, 용액이 공급될 때 병목현상을 최소화하여 안정적이고 연속적인 용액 공급이 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.
더 나아가, 본 발명은 노즐 팁을 금, 은, 또는 백금족 원소, 또는 루비와 같은 보석류, 또는 세라믹 물질로 함으로써, 클로깅(clogging)의 대처 및 세척시 노즐 팁의 마모율을 현저히 감소시켜, 방사 섬유의 균일성을 향상시킬 수 있는 것을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명은, 용액 방사를 위한 동축 노즐에 있어서,
내부공간을 갖는 중공관 형상으로 구비되고, 일측 끝단면에 홈을 가지는 노즐 팁을 포함하며, 용액이 상기 내부공간으로 유입되어 노즐 팁의 홈을 통해 나노 섬유를 방사하도록 구성된 내부노즐;
상기 내부노즐의 제 1 부분의 외면과 소정간격으로 이격된 중공관 형상으로 구비되고, 내면과 상기 내부노즐의 외면 사이의 이격 공간에 시스 에어(sheath air)가 유입되어, 상기 노즐 팁을 둘러 싸도록 에어를 방사하는 에어캡과; 상기 에어 캡과 결합되며, 상기 내부노즐의 제 2 부분의 외면과 소정간격으로 이격된 중공관 형상으로 구비되고, 내면과 상기 내부노즐의 외면 사이의 이격 공간에 하기 에어 유입 노즐로부터 시스 에어(sheath air)가 유입되어 저장 및 수송하는 에어 본체;를 포함하는 외부노즐; 및
상기 에어 본체와 연결되어 있고, 상기 에어 본체의 이격공간에 시스 에어(sheath air)를 유입시키는 에어 유입 노즐;을 포함하고,
상기 에어 캡의 이격 공간에서 상기 내부노즐의 외면에는, 시스 에어의 이동방향으로 연장된 판 형상으로, 내부노즐의 외면으로부터 에어 캡의 내면까지 연장되어 상기 시스 에어가 유입되는 에어 캡의 이격 공간을 분할하는 2 이상의 지지체들이 형성되어 있고,
상기 에어 캡과, 에어 본체의 사이에는, 탈착 가능한 스페이서(spacer)가 1 이상 장착되어 있는 동축 노즐을 제공한다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
동축 노즐은 보통 에어 캡을 제외한 나머지 내부노즐, 에어 본체, 및 에어 유입 노즐이 일체로 형성되어 있는 반면, 에어 캡은 별도의 부재로 형성된다.
따라서, 에어 캡과 에어 캡이 감싸는 내부노즐은 고 유량의 에어의 이동에 의해 에어 플로우에 따른 흔들림이 발생할 수 밖에 없다.
반면, 본 발명에 따르면, 상기 지지체들이, 내부노즐의 외면에 형성되고, 내부노즐의 외면으로부터 에어 캡의 내면까지 연장되어 있으므로, 에어 캡을 내부노즐로부터 지지할 수 있으므로, 에어 캡의 흔들림을 감소시킬 수 있다.
따라서, 이러한 흔들림의 저하로 섬유의 방사상태가 안정적이며, 시스 에어의 흐름을 방해하지 않고, 고 유량의 구동 시에도 소음이 발생하지 않는 효과가 있다.
이러한 점에서, 상기 지지체들은, 에어 캡이 결합되는 부위인, 제 1 부위에서 내부노즐의 외면에서 시스 에어의 이동 방향으로 연장된 판 형태일 수 있다.
여기서, 상기 지지체들은 이격 공간을 그 부피가 서로 동일하도록 분할할 수 있다.
상기와 같이 이격 공간을 그 부피가 서로 동일하도록 분할하는 경우,지지체들 사이의 간격은 동일하다.
이 경우, 에어 캡의 지지를 전체적으로 고르게 하여 더욱 에어 캡의 고정이 견고하여 안정성을 높일 뿐 아니라, 에어 캡 내부의 시스 에어의 공급이 한 부분으로 치우치지 않도록, 원주 방향으로 전체적으로 고르게 공급 해주는 역할을 할 수 있어, 방사되는 섬유를 효과적으로 감싸주며, 공정조건의 일관성 및 안정성 향상을 통한 재현성이 높아질 수 있다.
더욱이, 이격 공간을 동일하게 분할함으로써, 에어의 난류형성을 억제하고, 안정적으로 층류 유동화를 시켜줄 수 있는 바, 바람직하다.
또한, 상기 지지체들은 4개 이상 포함될 수 있고, 그 부피가 서로 동일하도록 이격공간을 분할할 수 있다.
상기 지지체들은 많을수록 에어 캡을 더욱 견고히 고정할 수 있으나, 너무 많은 경우, 오히려 시스 에어의 흐름을 막고, 유량이 급격히 감소되므로, 바람직하지 않다.
이러한 관점에서, 상기 지지체들은 상세하게는 4개 이상 내지 8개 이하로 형성될 수 있다.
또한, 상기와 같은 이유로, 지지체들이 차지하는 총 부피는 제 1 부분의 이격 공간, 즉, 에어 캡의 이격 공간의 전체 부피 대비 10 내지 40%의 범위에서 형성될 수 있다. 이러한 부피 범위를 만족하도록 지지체들의 단면에서의 내부노즐 원주방향으로의 폭이 결정될 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 너무 작은 경우에는 고정 효과가 감소되고, 너무 큰 경우에는 시스 에어 이동 통로가 작아지므로 바람직하지 않다.
더 나아가, 상기 지지체들의 단면 형상, 즉, 내부노즐 외면으로부터 에어 캡의 내면으로 연장되는 방향을 두께 방향이라고 할 때, 두께 방향에서의 단면 형상이 사다리꼴일 수 있다.
이때, 상기 사다리꼴 형상은 내부노즐의 외면에서 원주방향의 길이가 에어 캡 내면에서의 원주방향의 길이보다 긴 형태의 사다리꼴 형상일 수 있으며, 이 경우, 흔들림 방지 측면에서 지지체들의 안정성이 높고, 직사각형 형상에 비하여 유입되는 시스 에어의 양을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 동축 노즐에서 에어 캡과 내부노즐에서 노즐 팁이 구비되는 일측 끝단면의 직경은 용액이 수송되는 중간부의 직경보다 작도록 테이퍼진 구조로 이루어질 수 있으며, 이 경우, 상기 지지체들은 내부노즐의 외면에서 테이퍼지지 않은 부분에 형성될 수 있다.
여기서, 용액이 수송되는 중간부는 일측과 타측 끝단면 일부를 제외한 부분으로 테이퍼지지 않은 부분이다.
상기 지지체들은 내부노즐 등의 다른 부재와 에어 캡을 견고히 결합되게 하는 역할이면 충분하므로, 공정성 등을 고려하여 테이퍼진 부분까지 형성될 필요는 없고, 그렇지 않은 부위에서만 형성되어도 된다.
다만, 상기 위치의 한정은 하나의 예이며, 상기 지지체들이 내부노즐의 외면에서 에어 캡을 지지하여 흔들림을 방지할 수 있다면, 그 위치에 한정이 없음은 물론이다.
한편, 본 발명에 따른 동축 노즐은 에어 캡과, 에어 본체의 사이에는, 탈착 가능한 스페이서(spacer)가 1 이상 장착되어 있다.
상기 스페이서는, 링 형태의 금속으로 에어 캡과 에어 본체의 결합 부위에 장착될 수 있으며, 1 내지 10개가 장착될 수 있으며, 그 두께는, 100 내지 1000㎛ 내에서 다양하게 선택될 수 있다.
상기 스페이서는 에어 캡과 에어 본체 사이에 장착되므로 이들의 간격을 조절할 수 있고, 따라서, 노즐 팁에서 도출되는 용액이 시스 에어와 만나게 되는 위치를 조절할 수 있을 뿐 아니라, 내부노즐의 일측 끝단면은 테이퍼진 구조로 이루어져 있고 이에 따라 에어 캡도 테이퍼진 구조로 이루어질 수 있는 바, 에어 캡과 에어 본체 사이의 거리 변화로 인해 에어 캡 내부와 노즐 팁의 각도 차에 따른 공압이 조절될 수 있다.
따라서, 압축 시스 에어 자체의 불안정한 특성으로 인하여 미세 조절이 어려운 부분들을 상기 스페이서를 장착하고, 그 개수를 조절함으로써, 미세 압력 조절 및 시스 에어의 용액에의 공급 위치등의 조절을 통해 해결할 수 있어 나노 섬유의 연신율을 정교하게 제어 가능하다.
상기 에어 유입 노즐은 에어 본체와 연결되어 있으며, 에어 본체 내부로 시스 에어를 유입시킬 수 있는 구조라며 한정되지 아니한다. 다만, 에어 본체와 에어 유입 노즐이 평행한 방향으로 형성되어, 에어 유입 노즐로부터도 에어 본체에 시스 에어가 직접 유입되면, 갑자기 유입되는 시스 에어에 의해 불안정성이 증가할 수 있는 바, 상세하게는, 에어 유입 노즐이 에어 본체와 수직된 방향으로 형성되어, 에어 본체로의 시스 에어 유입 방향과, 에어 본체에서 에어 캡으로의 시스 에어 수송 방향이 수직일 수 있다.
이 경우, 에어 본체 내에서 시스 에어가 저장되고, 에어 본체의 내부 공간인 이격 공간을 채운 후, 시스 에어가 에어 캡 방향으로 공급되기 시작하는 바, 갑자기 유입되는 시스 에어에 대한 불안정성을 해결할 수 있다.
한편, 상기 내부노즐은 용액이 이동하는 공간을 제공한다. 상기 용액은 나노 섬유를 형성할 수 있는 폴리머 용액일 수 있고, 상기 폴리머 용액은 제조하고자 하는 나노 섬유에 따라 결정될 수 있다.
상기 내부노즐의 일측 끝단면에는 실질적으로 용액의 방사가 이루어지는 노즐 팁을 포함할 수 있다.
상기 노즐 팁의 홈 형상은 한정되지 아니하나, 일반적인 섬유의 방사를 고려하여, 원형일 수 있다.
또한, 노즐 팁을 이루는 물질은, 종래에 사용되는 것으로서 본체와 같은 재질의 금속류, 예를 들어, 알루미늄, 또는 철 등의 금속류로 이루어질 수 있다.
다만, 상기와 같은 물질은 산화가 쉬운 물질로서, 세척 혹은 클로깅(clogging) 발생으로 인한 노즐 축 세척시 마모를 유발하여 내구성이 감소하며, 이에 따라 방사 특성에 영향을 주어 방사 섬유의 균일성을 감소시키는 문제가 있을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 상기 노즐 팁은 금, 은, 및 백금족 원소로이루어진 군에서 선택된 어느 하나, 즉, 귀금속으로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 백금족 원소는, 백금, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 또는 이리듐일 수 있다.
또한, 상기 노즐 팁은, 루비, 에머랄드, 사파이어 및 비취로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나, 또는 세라믹 물질도 사용될 수 있다.
반면, 내부노즐의 타측 끝단면에서, 내부 공간의 형태는 한정되지 아니하나, 상세하게는, 용액이 유입되는 부분인 타측 끝단면의 내부 공간의 직경은 용액이 수송되는 중간부의 내부 공간의 직경보다 크도록 테이퍼진 구조로 이루어질 수 있다.
이와 같은 형태에서 상기 용액은 내부노즐로 유입될 때 병목현상을 최소화하여 안정적이고 연속적인 용액 공급이 가능한 효과가 있어, 더욱 바람직하다.
한편, 상기 외부노즐은, 에어 캡과 에어 본체를 포함한다. 상기에서도 설명한 바와 같이, 상기 에어 본체는 내부노즐과 일체로 형성되어 있으나, 에어 캡은 별도의 부재로 형성되어, 에어 본체와 결합된다.
상기 에어 본체는 에어 유입 노즐로부터 시스 에어가 유입되는 부재로, 시스 에어를 저장 및 에어 캡으로 수송하는 역할을 수행하는 바, 내부노즐에서 노즐 팁과 먼 부분쪽에 위치하고, 에어 캡은 상기 에어 본체로부터 시스 에어가 유입되어 노즐 팁을 둘러싸도록 에어를 방사하는 바, 노즐 팁이 형성된 부분에 장착된다.
따라서, 본 발명에서는 상기 내부노즐에서 에어 본체가 형성되는 부분을 제 2 부분, 에어 캡이 장착되는 부분을 제 1 부분이라고 구분하였다.
이와 같은 구조의 동축 노즐은 상기에서 설명한 바와 같은 효과의 조합으로 보다 안정적으로 용액 방사가 이루어질 수 있어, 결과적으로 형성되는 나노 섬유의 포메이션 질이 향상되고, 번들이나, 비즈 등을 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 동축 노즐은, 에어 캡의 이격 공간에서 상기 내부노즐의 외면에, 에어캡과 내부노즐을 연결하여 지지하는 지지체들을 포함함으로써, 에어 캡의 흔들림 감소시킬 수 있는 바, 섬유의 방사상태가 안정적이며, 시스 에어의 흐름을 방해하지 않고, 고 유량의 구동 시에도 소음이 발생하지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 동축 노즐은, 에어 캡과 에어 본체 사이에 탈착 가능한 스페이서를 형성함으로써 에어 캡과 에어 본체 사이에 장착되므로 이들의 간격을 조절함에 따라 노즐 팁에서 도출되는 용액이 시스 에어와 만나게 되는 위치를 조절할 수 있을 뿐 아니라, 에어 캡 내부와 노즐 팁의 각도 차에 따른 공압이 조절될 수 있는 바, 미세 압력 조절이 가능하므로 나노 섬유의 연신율을 정교하게 제어 가능하다.
더 나아가, 본 발명에 따른 동축 노즐은, 에어 유입 노즐이 에어 본체와 수직된 방향으로 형성됨으로써, 에어가 공간을 가득 채운 후 공급되도록 하여 수평방향으로 갑자기 유입되는 에어에 의한 불안정성을 보완할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 동축 노즐은, 내부노즐에서 용액이 유입되는 타측 끝단면의 내부 공간 직경을 용액이 수송되는 중간부의 내부 공간 직경보다 크도록 테이퍼진 구조로 함으로써, 용액이 공급될 때 병목현상을 최소화하여 안정적이고 연속적인 용액 공급이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 노즐 팁을 금, 은, 또는 백금족 원소, 또는 루비 등의 보석류, 또는 세라믹 물질로 함으로써, 클로깅(clogging)의 대처 및 세척시 노즐 팁의 마모율을 현저히 감소시켜, 방사 섬유의 균일성을 향상시킬 수 있는 바, 상기와 같은 효과로 방사된 나노 섬유의 질이 전체적으로 향상된다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 동축 노즐의 내부 형태를 전체적으로 볼 수 있는 투시단면도이다;
도 2는 본 발명이 하나의 실시예에 따른 동축 노즐의 사진이다;
도 3은 도 1의 동축 노즐에서 지지체들이 형성된 부분으로 A-A'의 단면도이다;
도 4는 도 1의 동축 노즐에서 스페이서 부분으로 B-B'의 확대도이다;
도 5는 비교예 1에서 사용된 종래 동축 노즐이다;
도 6은 비교예 2에서 사용된 종래 동축 노즐이다;
도 7은 실험예 1에 따른 실시예 1를 사용한 PVDF 13%의 용액방사의SEM 사진이다;
도 8은 실험예 1에 따른 실시예 1를 사용한 PVDF 12%의 용액방사의 SEM 사진이다;
도 9는 실험예 1에 따른 실시예 1를 사용한 PU 10%의 용액방사의 SEM 사진이다;
도 10은 실험예 1에 따른 비교예 1를 사용한 PVDF 13%의 용액방사의 SEM 사진이다;
도 11은 실험예 1에 따른 비교예 1를 사용한 PVDF 12%의 용액방사의 SEM 사진이다;
도 12는 실험예 1에 따른 비교예 1를 사용한 PU 10%의 용액방사의 SEM 사진이다;
도 13은 실험예 1에 따른 비교예 2를 사용한 PVDF 13%의 용액방사의 SEM 사진이다;
도 14는 실험예 1에 따른 비교예 2를 사용한 PVDF 12%의 용액방사의 SEM 사진이다;
도 15는 실험예 1에 따른 비교예 2를 사용한 PU 10%의 용액방사의 SEM 사진이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 동축 노즐의 투시단면도를 도시하였고, 도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 동축 노즐의 사진을 도시하였다.
먼저 도 1을 참조하면, 동축 노즐(100)은,
폴리머 용액이 이동하는 통로로서 내부공간(111)을 갖는 중공관 형상으로 구비되고, 일측 끝단면에는, 홈을 가지는 노즐 팁(112)을 구비하는 내부노즐(110)을 포함한다.
따라서, 폴리머 용액은 내부노즐(110)의 내부공간(111)을 통해 유입되고 노즐 팁(112)의 홈을 통해 나노 섬유를 방사한다.
이때, 노즐 팁(112)은, 금, 은, 및 백금족 원소에 선택된 어느 하나, 즉, 귀금속, 또는 루비, 에머랄드, 사파이어, 또는 비취 등의 보석류, 또는 세라믹 물질로 이루어질 수 있고, 이로써, 세척시 노즐 팁의 마모율을 현저히 감소시켜, 방사 섬유의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 동축 노즐(100)은, 내부노즐(110)의 제 1 부분에서, 내부노즐(110)의 외면과 소정간격으로 이격된 중공관 형상으로 구비되고, 내면과 내부노즐(110)의 외면 사이의 이격 공간(121)을 통해 시스 에어가 이동하여 내부노즐(110)의 일측 끝단면에 위치하는 노즐 팁(112)을 둘러 싸도록 에어를 방사하는 에어 캡(120)과, 에어 캡(120)과 결합되며 내부노즐(120)의 제 2 부분에서, 내부노즐(120)의 외면과 소정간격으로 이격된 중공관 형상으로 구비되고, 내면과 내부노즐(120)의 외면 사이의 이격 공간(131)으로 시스 에어가 유입되어 저장 및 수송되는 에어 본체(130)를 포함하는 외부노즐을 포함한다.
따라서, 시스 에어는 에어 본체(130)에 저장되어 있다가, 에어가 완전히 포화되면 에어 캡(120) 방향으로 수송되고, 에어 캡(120)은 폴리머 용액이 토출되는 노즐 팁(112)을 둘러싸도록 시스 에어를 방사하는 구조로 이루어져 있다.
또한, 동축 노즐(100)은, 외부노즐의 에어 본체(130)에 결합되어 에어 본체(130)에 시스 에어를 유입시키는 통로인 에어 유입 노즐(140)을 더 포함한다.
구체적으로 에어 유입 노즐(140)은 에어 본체(130)와 수직된 방향으로 형성되어, 에어 본체(130)로의 시스 에어 유입 방향과, 에어 본체(130)에서 에어 캡(120)으로의 시스 에어 수송 방향이 수직이다. 이로써, 에어 본체(130) 내에서 시스 에어가 저장되고, 에어 본체(130)의 내부 공간인 이격 공간(131)을 채운 후, 시스 에어가 에어 캡(120) 방향으로 공급되기 시작하는 바, 갑자기 유입되는 시스 에어에 대한 불안정성을 해결할 수 있다.
한편, 동축 노즐(100)은, 도 2의 (a)를 참조하면, 에어 캡(120)을 제외한 나머지 내부노즐(110), 에어 본체(130), 및 에어 유입 노즐(140)이 일체로 형성되어 있는 반면, 에어 캡(120)은 별도의 부재로 형성되어 있고, 에어 캡(120)과 에어 본체(130)은 기계적 결합에 의해 결합된다.
따라서, 내부노즐(110)의 제 1 부분과 에어 캡(120)은 완전히 결합된 형태가 아니게 되므로, 고 유량의 에어 플로우에 따른 흔들림이 발생할 수 밖에 없다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 동축 노즐(100)은, 다시 도 1을 참조하면, 에어 캡(120)의 이격 공간(121)에서 상기 내부노즐(110)의 외면에는, 시스 에어의 이동방향으로 연장된 판 형상으로, 내부노즐(110)의 외면으로부터 에어 캡(120)의 내면까지 연장되는 지지체들(113)이 형성되어 있다.
지지체들(113)의 구조를 더욱 명확히 보기 위해 도 3에는 도 1의 A-A' 방향으로의 단면도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 지지체들(113)은 에어 캡(120)의 이격 공간(121)에 형성되며, 내부공간(111)을 가지는 내부노즐(110)의 외면으로부터 연장되어 에어 캡(120)의 내면을 지지하도록 형성되어 있다. 따라서, 내부노즐(110)과 에어 캡(120)이 별도의 부재로서 고 유량의 에어 플로우시 흔들리는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 지지체들(113)은 2 이상으로 8개 형성되어 있으며, 에어 캡(120)의 이격 공간(121)을 각 지지체들(113) 사이의 부피가 서로 동일하도록 균등분할하고 있다.
더 나아가, 지지체들(113)의 A-A' 방향(내부노즐(110)의 외면으로부터 에어 캡(120)의 내면으로 연장되는 두께 방향)으로의 단면 형상은 사다리꼴이며, 구체적으로, 내부노즐(110)의 외면에서 원주방향의 길이(l1)가 에어 캡(120) 내면에서의 원주방향의 길이(l2)보다 긴 형태의 사다리꼴 형상으로 구성되어 있다.
따라서, 지지체들(113)의 안정성이 더욱 높고 높고, 직사각형 형상에 비하여 유입되는 시스 에어의 양을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 동축 노즐(100)의 내부노즐(110)은 노즐 팁(112)이 구비되는 일측 끝단면의 직경(d1)이 용액이 수송되는 중간부의 직경(d2)보다 작도록 테이퍼진 구조로 이루어져 있다.
또한, 에어 캡(120) 역시, 내부노즐(110)에 대응되도록 테이퍼진 구조로 이루어져 있다.
여기서, 지지체들(113)은 내부노즐(110)과 에어 캡(120)을 견고히 결합되게 하는 역할이면 그 위치에 한정이 없으나, 공정성 등을 고려하여 테이퍼지지 않은 부위에서 에어 캡(120)의 내부에 소정의 길이로 형성되어 있다.
한편, 본 발명에 따른 동축 노즐(100)은 에어 캡(120)과, 에어 본체(130)의 사이에, 탈착 가능한 스페이서(150)를 더 포함한다.
스페이서(150)의 구조를 더욱 명확히 설명하기 위해, 도 4에는 도 1의B-B' 방향에서의 단면도가 도시되어 있다.
상기 도 4를 도 2의 (b) 사진과 함께 참조하면, 스페이서(150)는 링 형태의 금속으로 에어 캡(120)과 에어 본체(130)의 결합 부위에 1 이상 장착된다.
스페이서(150)는 에어 캡(120)과 에어 본체(130) 사이에 장착되므로 이들의 간격을 조절할 수 있고, 따라서, 노즐 팁(112)에서 도출되는 용액이 시스 에어와 만나게 되는 위치를 조절할 수 있을 뿐 아니라, 에어 캡(120) 내부와 노즐 팁(112)의 각도 차에 따른 공압이 조절될 수 있다.
따라서, 압축 시스 에어 자체의 불안정한 특성으로 인하여 미세 조절이 어려운 부분들을 스페이서(150)를 장착하고, 그 개수를 조절함으로써, 미세 압력 조절 및 시스 에어의 용액에의 공급 위치 등의 조절을 통해 해결할 수 있어 나노 섬유의 연신율을 정교하게 제어 가능하다.
다시 도 1을 참조하면, 내부노즐(11)의 타측 끝단면에서, 내부 공간(111)의 형태는, 용액이 유입되는 부분인 타측 끝단면의 내부 공간의 직경(r1)은 용액이 수송되는 중간부의 내부 공간의 직경(r2)보다 크도록 테이퍼진 구조로 이루어져 있다.
이와 같은 형태에서 상기 용액은 내부노즐(110)로 유입될 때 병목현상을 최소화하여 안정적이고 연속적인 용액 공급이 가능한 효과가 있다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
<비교예 1>
도 5에 도시한 Tamaru 사 동축노즐을 사용하였다.(스페이서 없음, 지지체 없음, 일반 노즐팁)
<비교예 2>
도 6에 도시한 Tamaru 사 동축노즐을 사용하였다.(스페이서 없음, 지지체 있음, 루비 노즐팁)
<실시예 1>
하기 도 1 및 2에 도시된 것과 같은 동축 노즐을 사용하였다.
지지체는 8개이며, l1이 0.2 mm, l2가 0.4 mm이다.
노즐 팁이 루비의 소재로 이루어졌다.
내부노즐에서 용액이 유입되는 끝단면의 r1은 7 mm이고, 중간부의 r2는 2.9 mm이다.
스페이서는 1개(황동소재, 두께: 1000 ㎛ 1개 사용) 사용되었다.
나머지 조건은 비교예 1 및 2와 동일하다.
<실험예 1>
상기 비교예 1, 2 및 실시예 1의 동축 노즐을 사용하여, 용액 방사로 나노 섬유 방사를 수행하였다.
폴리머 용액은 폴리비닐리덴 플루오라이드 PVDF 13% 용액(용매: NMP, 점도: 150.8 cP), PVDF 12% 용액(용매: NMP, 점도: 132 cP), 폴리우레탄 PU 10% 용액(용매: DMF, 점도: 180.3 cP)을 사용하였으며, 시스 에어(sheath air)의 유속은 330 cm/sec (PVDF), 515 cm/sec (PU) 이며, 압력은 0.0075 MPa (PVDF), 0.013 MPa (PU)이다. 또한, 용액의 송출압력은 0.0015 MPa (PVDF), 0.0018 MPa (PU) 이다.
상기와 같은 제조방법으로 제조된 나노 섬유의 SEM 사진을 찍고, 그 결과를 하기 도 7 내지 도 15에 도시하였다.
도 7 내지 도 9은, 비교예 1로 방사한 것이며, 도 10 내지 도 12는 비교예 2로 방사한 것이고, 도 13 내지 도 15는 실시예 1로 방사한 것이다.
하기 도면들을 참고하면, 비교예 1로 방사한 나노 섬유는 번들 또는 비즈가 다수 형성되어 있는 것을 확인할 수 있는 반면, 실시예 1을 사용한 경우, 나노 섬유의 포메이션, 번들, 비즈의 질이 매우 향상된 것을 확인할 수 있다.
또한, 스페이서가 없는 비교예 2로 방사한 나노 섬유도 약간의 비즈가 형성되어 실시예 1과 비교하면, 실시예 1을 사용한 경우가 품질적인 측면에서 더욱 향상된 것을 확인할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (13)

  1. 용액 방사를 위한 동축 노즐에 있어서,
    내부공간을 갖는 중공관 형상으로 구비되고, 일측 끝단면에 홈을 가지는 노즐 팁을 포함하며, 용액이 상기 내부공간으로 유입되어 노즐 팁의 홈을 통해 나노 섬유를 방사하도록 구성된 내부노즐;
    상기 내부노즐의 제 1 부분의 외면과 소정간격으로 이격된 중공관 형상으로 구비되고, 내면과 상기 내부노즐의 외면 사이의 이격 공간에 시스 에어(sheath air)가 유입되어, 상기 노즐 팁을 둘러 싸도록 에어를 방사하는 에어 캡과; 상기 에어 캡과 결합되며, 상기 내부노즐의 제 2 부분의 외면과 소정간격으로 이격된 중공관 형상으로 구비되고, 내면과 상기 내부노즐의 외면 사이의 이격 공간에 하기 에어 유입 노즐로부터 시스 에어(sheath air)가 유입되어 저장 및 수송하는 에어 본체;를 포함하는 외부노즐; 및
    상기 에어 본체와 연결되어 있고, 상기 에어 본체의 이격공간에 시스 에어(sheath air)를 유입시키는 에어 유입 노즐;을 포함하고,
    상기 에어 캡의 이격 공간에서 상기 내부노즐의 외면에는, 시스 에어의 이동방향으로 연장된 판 형상으로, 내부노즐의 외면으로부터 에어 캡의 내면까지 연장되어 상기 시스 에어가 유입되는 에어 캡의 이격 공간을 분할하는 2 이상의 지지체들이 형성되어 있고,
    상기 에어 캡과, 에어 본체의 사이에는, 탈착 가능한 스페이서(spacer)가 1 이상 장착되어 있는 동축 노즐.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 지지체들은 이격공간을 그 부피가 서로 동일하도록 분할하는 동축 노즐.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 지지체들은 4개 이상 포함되고, 그 부피가 서로 동일하도록 이격공간을 분할하는 동축 노즐.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 지지체들은 내부노즐 외면으로부터 에어 캡의 내면으로 연장되는 두께 방향으로 단면형상이 사다리꼴인 동축 노즐.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 내부노즐에서 노즐 팁이 구비되는 일측 끝단면의 직경은 용액이 수송되는 중간부의 직경보다 작도록 테이퍼진 구조로 이루어져 있으며, 상기 지지체들은 내부노즐의 외면에서 테이퍼지지 않은 부분에 형성되어 있는 동축 노즐.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 스페이서는 링 형태의 금속으로 에어 캡과 에어 본체의 결합부위에 장착되는 동축 노즐.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 스페이서는 1 내지 5개가 장착되는 동축 노즐.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 에어 유입 노즐은 에어 본체와 수직된 방향으로 형성되어, 에어 본체로의 시스 에어 유입 방향과 에어 본체에서 에어 캡으로의 시스 에어의 수송 방향이 수직인 동축 노즐.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 에어 유입 노즐로부터 유입되는 시스 에어는 에어 본체에 저장되고, 에어 본체의 이격 공간을 모두 채운 후 에어 캡으로 공급되기 시작하는, 동축 노즐.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 내부노즐에서 용액이 유입되는 타측 끝단면의 내부 공간의 직경은 용액이 수송되는 중간부의 내부 공간의 직경보다 크도록 테이퍼진 구조로 이루어진 동축 노즐.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐 팁은 금, 은, 및 백금족 원소로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어진 동축 노즐.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 백금족 원소는, 백금, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 또는 이리듐인 동축 노즐.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐 팁은 루비, 에머랄드, 사파이어 및 비취로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나, 또는 세라믹 물질로 이루어진 동축 노즐.
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