WO2012077873A1 - 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법 - Google Patents

나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법 Download PDF

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long sheet
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nanofiber
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이재환
김익수
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Shinshu University NUC
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    • D04H3/16—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length characterised by the method of strengthening or consolidating with bonds between thermoplastic filaments produced in association with filament formation, e.g. immediately following extrusion
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures

Definitions

  • FIG. 15 is a diagram for explaining a nanofiber production apparatus 900 using the nanofiber production method described in Patent Document 1.
  • numeral 910 denotes a nozzle block
  • numeral 912 denotes a nozzle
  • numeral 920 denotes a blower
  • numeral 922 denotes a wind direction control plate
  • numeral 924 denotes an edge member
  • numeral 926 denotes a suction device.
  • 928 denotes a fan
  • 950 denotes a collector.
  • the nanofiber manufacturing method of patent document 1 volatilized by forming an airflow in the spinning zone which consists of the blower 920, the two edge members 924, and the suction device 926. By removing a solvent or floating impurities, the spinning conditions in the field spinning process are adjusted.
  • an object of the present invention is to provide a nanofiber manufacturing apparatus and a nanofiber manufacturing method capable of mass-producing a nanofiber nonwoven fabric having a uniform thickness.
  • the nanofiber manufacturing apparatus of the present invention includes a conveying apparatus for conveying a long sheet at a predetermined conveying speed, a spinning apparatus for depositing nanofibers on a long sheet being conveyed by the conveying apparatus, and a nanofiber by the spinning apparatus. And a feed rate control device for controlling the feed rate based on the thickness measured by the thickness measuring device.
  • the feed rate control device controls the feed rate in consideration of the time change rate of the deviation amount.
  • the thickness measuring device is arranged to face each other with the long sheet interposed therebetween, and comprises a pair of laser range measuring devices for measuring the distance to the long sheet by a triangulation method. It is preferable that a thickness measuring part is provided and the thickness of the long sheet is calculated based on the distance measured by the pair of laser range finders.
  • the thickness measuring device includes a thickness measuring roller for guiding the long sheet along the circumferential direction, and an outermost circumferential portion of the long sheet being led by the thickness measuring roller. It is preferable to calculate the thickness of the long sheet by providing a thickness measuring section comprising a camera that enlarges and photographs the long sheet along the conveying direction, and image-processing the image photographed by the camera.
  • the thickness measuring device is a thickness measuring part for measuring the thickness of the long sheet, and includes a plurality of thickness measuring parts disposed at different positions in the width direction of the long sheet. desirable.
  • the feed rate control device controls the feed rate based on an average thickness obtained by averaging the thicknesses measured by the plurality of thickness measuring units.
  • the nanofiber manufacturing apparatus of the present invention it is possible to control the feed rate on the basis of the thickness measured by the thickness measuring device. Accordingly, by appropriately controlling the feed rate, it is possible to stop the variation in thickness in a predetermined range, and as a result, it becomes possible to mass produce a nanofiber nonwoven fabric having a uniform thickness.
  • the thickness is increased by slowing the feed rate to increase the deposition amount of the nanofibers per unit area. It is possible to stop the value in a predetermined range.
  • the thickness is reduced by reducing the deposition amount of the nanofibers per unit area by increasing the feed rate to reduce the thickness value. It becomes possible to stop at the range.
  • the radiation conditions such as “gap between nozzle and collector”, “voltage applied between nozzle and collector”, it is also possible to stop the value of the thickness in a predetermined range.
  • the physical properties of the nanofibers such as the diameter of the nanofibers, the density of the nanofiber layer, and fluctuate, and it is difficult to produce a nanofiber nonwoven fabric having uniform physical properties.
  • the nanofiber manufacturing apparatus of the present invention it becomes possible to mass-produce a nonwoven fabric having a uniform thickness by a simple method of controlling the feed rate based on the thickness measured by the thickness measuring apparatus. Therefore, there is no problem that it takes a certain time to adjust the spinning conditions in accordance with the variation of the thickness, and there is no problem that the physical properties of the nanofibers, such as the diameter of the nanofibers, the density of the nanofiber layer, and the like.
  • a "nano fiber” consists of a polymer and shall be a thing of the fiber of several nm-several thousand nm in average diameter.
  • a "polymer solution” means the thing of the solution which melt
  • the nanofiber manufacturing apparatus of the present invention by considering the "time variation rate of the deviation amount", it becomes possible to control the feeding speed more appropriately than in the case of controlling the feeding speed based only on the deviation amount. For example, in the case where the spinning condition changes abruptly, the rate of change in the amount of deviation is large, so that the control amount (change amount from the initial value) of the feed rate is increased to match it. In addition, when the variation amount of the spinning condition is small, since the rate of change of the variation amount is small, the control amount (change amount from the initial value) of the feed rate is made small to match it.
  • the distance between one side in a long sheet and the laser ranger located in the one side side can be calculated using the distance between the laser ranger located in the center of the laser beam and the laser distance measuring device located therein, so that the thickness of the long sheet can be accurately measured even if the long sheet to be conveyed swings up and down.
  • the thickness of the long sheet can be accurately measured.
  • the thickness can be measured over a wide area in the width direction of the long sheet, and the feed rate can be controlled more appropriately.
  • the thickness can be measured over the wide area of the long sheet in the width direction, and the feed rate can be controlled more appropriately.
  • the feeding speed is controlled more appropriately by controlling the feeding speed based on the average thickness. It becomes possible to control the speed.
  • the nanofiber production apparatus of the present invention since it is possible to completely evaporate a solvent remaining in the nanofiber layer, it is possible to produce a high quality nanofiber nonwoven fabric with a very low residual solvent amount. In addition, since it becomes possible to measure thickness in the state which evaporated the solvent completely, it becomes possible to measure thickness correctly.
  • the nanofiber manufacturing apparatus of the present invention it is possible to sequentially deposit nanofibers on a long sheet in each of a plurality of spinning apparatuses, thereby mass-producing a nanofiber nonwoven fabric having a uniform thickness at a higher productivity. It becomes possible.
  • mass-producing a nanofiber nonwoven fabric in which various kinds of nanofibers are sequentially deposited on a long sheet it is possible to mass-produce a nanofiber nonwoven fabric having a uniform thickness with higher productivity.
  • mass production of nanofiber nonwoven fabrics having a uniform thickness is achieved by simply controlling the feed rate rather than adjusting the spinning conditions in each of the plurality of spinning apparatuses. It becomes possible.
  • nanofiber manufacturing apparatus of the present invention even in a nanofiber manufacturing apparatus having an electric field emission value capable of producing a nanofiber having an extremely thin diameter (a few nm to several thousand nm) as a spinning device, It becomes possible to mass-produce the nanofiber nonwoven fabric which has.
  • nanofiber manufacturing apparatus and nanofiber manufacturing method of the present invention medical products such as high-performance and highly sensitive textiles, cosmetic-related products such as health care, skin care, industrial materials such as wiping cloth, filters, and secondary batteries Medical materials such as electronic and mechanical materials such as separators, separators of capacitors, carriers of various catalysts, various sensor materials, regenerative medical materials, biomedical materials, medical MEMS materials and biosensor materials, and a wide range of other applications. Nanofibers that can be used can be prepared.
  • FIG. 1 is a view for explaining a nanofiber production apparatus according to the first embodiment.
  • Fig. 2 is an enlarged view of the main portion of the field emission device according to the embodiment.
  • 3 is a view for explaining a thickness measuring device.
  • FIG. 4 is a top view for explaining the movement of the thickness measurement unit.
  • FIG. 5 is a flowchart for explaining a method of manufacturing nanofibers.
  • FIG. 6 is a graph showing the time variation of the thickness d, the average thickness ⁇ d>, and the feed rate (V).
  • FIG. 7 is a graph showing the time variation of the thickness d, the average thickness ⁇ d> and the feed rate V in the modification 1.
  • FIG. 8 is a flowchart for explaining a nanofiber manufacturing method in modified example 2.
  • FIG. 9 is a graph showing the time variation of the thickness d, the average thickness ⁇ d> and the feed rate V in the second modification.
  • FIG. 10 is a front view of a nanofiber production apparatus according to Example 2.
  • FIG. 10 is a front view of a nanofiber production apparatus according to Example 2.
  • FIG. 1 It is a figure for demonstrating the thickness measuring apparatus in Example 2.
  • FIG. 1 It is a figure for demonstrating the thickness measuring apparatus in Example 2.
  • 12 is a view for explaining the principle of calculating the thickness of the long sheet W by the thickness measuring unit.
  • FIG. 1 It is a figure for demonstrating the movement of the thickness measurement part in Example 3.
  • FIG. 1 It is a figure for demonstrating the movement of the thickness measurement part in Example 3.
  • the nanofiber manufacturing apparatus 1 which concerns on Example 1 is conveyed by the conveying apparatus 10 which conveys the elongate sheet
  • Thickness measurement for measuring the thickness d of the field radiating device 20 for depositing nanofibers on the long sheet W to be transferred and the long sheet W for depositing nanofibers by the field radiating device 20.
  • a device 40 and a feed rate control device 50 for controlling the feed rate V based on the thickness d measured by the thickness measuring device 40 are provided.
  • the electric field radiating apparatus As the electric field radiating apparatus, four electric field radiating apparatuses 20 arranged in series along a predetermined conveying direction a to which the long sheet W is conveyed are provided. It is provided.
  • the nanofiber manufacturing apparatus 1 according to Example 1 is disposed between the electric field radiating apparatus 20 and the thickness measuring apparatus 40, and a heating apparatus 30 for heating the long sheet W on which the nanofibers are deposited. ), A main control device 60 for controlling the feeding speed of the long sheet, and the like, and a VOC processing device 70 for burning and removing volatile components.
  • the conveying apparatus 10 is located between the feeding roller 11 which throws in the long sheet W, the winding roller 12 which winds the long sheet W, and between the feeding roller 11 and the winding roller 12. Auxiliary rollers 13 and 18 and drive rollers 14, 15, 16 and 17.
  • the input roller 11, the winding roller 12, and the drive rollers 14, 15, 16, and 17 are structured to rotate by a drive motor not shown.
  • the electric field radiating device 20 is mounted to the case 100 via an insulating member 152 and is disposed at one side of the long sheet W at the long side of the collector 150. It is located in the position which faces the collector 150 in the other surface side in the sheet
  • the power supply device 160 for applying a high voltage (for example, 10 kV to 80 kV) between the nozzle block 110, the collector 150, and the nozzle block 110, and the long sheet W are transferred.
  • Auxiliary belt device 170 is provided.
  • the positive electrode of the power supply device 160 is connected to the collector 150, and the negative electrode of the power supply device 160 is connected to the nozzle block 110 through the case 100.
  • the nozzle block 110 has a plurality of nozzles as a plurality of nozzles for discharging the polymer solution upward from the discharge port.
  • the nanofiber manufacturing apparatus 1 discharges the polymer solution from the discharge ports of the plurality of upward nozzles while radiating the polymer solution from the discharge ports of the plurality of upward nozzles, thereby electrospinning the nanofibers, and from the discharge ports of the plurality of upward nozzles. It is comprised so that the overflowed polymer solution can be collect
  • the some upward nozzle 112 is arrange
  • the number of the plurality of upward nozzles 112 is, for example, 36 (6 * 6 when arranged in the same number) and 21904 (148 * 148 when arranged in the same number).
  • the nozzle block having various sizes and various shapes can be used for the field emission device of the present invention, the nozzle block 110 includes, for example, a rectangle (square) of 0.5m to 3m on one side when viewed from the top surface. ) Has a size and shape shown.
  • the auxiliary belt device 170 includes five auxiliary belt rollers that assist the rotation of the auxiliary belt 172 and the auxiliary belt 172 which rotates in synchronization with the feeding speed of the long sheet W.
  • One of the five subbelt rollers 174 or two or more subbelt rollers 174 is a driving roller, and the remaining subbelt rollers are driven rollers. Since the auxiliary belt 172 is disposed between the collector 150 and the long sheet W, the long sheet W is smoothly conveyed without being pulled by the collector 150 to which a positive high voltage is applied. .
  • the heating device 30 is disposed between the field radiating device 20 and the thickness measuring device 40 to heat the long sheet W in which the nanofibers are deposited.
  • the heating temperature varies depending on the type of the long sheet W or the nanofibers, but for example, the long sheet W can be heated to a temperature of 50 ° C to 300 ° C.
  • the thickness measuring device 40 controls the operations of the three thickness measuring units 42 and the three thickness measuring units 42, and simultaneously controls the three thickness measuring units 42.
  • the main body part 41 which has a function which calculates the thickness of a elongate sheet
  • the thickness measuring device 40 transmits the information about the measured thickness to the feed rate control device 50.
  • the feed rate control device 50 controls the feed rate V of the long sheet W when the feed device 10 feeds the long sheet W based on the received information about the corresponding thickness. do.
  • the thickness measuring part 42 is arrange
  • the laser rangefinders 43 and 44 are projected from the laser diode 45, the transmissive lens 46 for transmitting the laser light emitted from the laser diode, and the transmissive lens 46, and the A light receiving lens 47 for receiving the laser light reflected by the surface (one side or the other side), and a light receiving circuit 48 made of a CCD element receiving the laser light received by the light receiving lens 47.
  • the amount of change is changed. by reading it is possible to measure the distance (L 1, L 2).
  • the thickness measuring apparatus 40 is the above-mentioned three thickness measuring parts 42, and is a plurality of different position in the width direction of the long sheet W (in the width direction of a long sheet.
  • the thickness measuring device 40 can transmit the value of the measured thickness d to the feed rate control device 50 as it is, and the average obtained by averaging the thicknesses d measured by the three thickness measuring units 42.
  • the thickness ⁇ d> value can be transmitted to the feed rate control device 50.
  • the feed rate control device 50 is a feed rate V of the long sheet W conveyed by the feed device 10 based on the thickness d or the average thickness ⁇ d> measured by the thickness measuring unit 40. ).
  • the thickness is made thick by increasing the deposition amount of the nanofibers per unit area by slowing the feed rate V. do.
  • the control of the feed rate V can be performed by controlling the rotation speed of the drive rollers 14, 15, 16, 17. FIG.
  • the VOC processing apparatus 70 burns and removes volatile components generated when the nanofibers are deposited on the long sheet.
  • Nanofibers manufacturing method using nanofibers manufacturing apparatus 1 according to Example 1 is described.
  • Example 1 nanofiber manufacturing method concerning Example 1 which manufactures a nanofiber nonwoven fabric using the nanofiber manufacturing apparatus 1 which concerns on Example 1 comprised as mentioned above is demonstrated.
  • FIG. 6 is a graph showing the time variation of the thickness d, the average thickness ⁇ d>, and the feed rate V.
  • FIG. FIG. 6 (a) is a graph showing the time change of the thickness d
  • FIG. 6 (b) is a graph showing the time change of the average thickness ⁇ d>
  • FIG. 6 (c) is the time of the feed rate (V).
  • Figure 6 (a) and 6 (b) wherein reference numeral Do represents a target thickness, and reference numeral D H denotes the thickness of the acceptable upper limit, the reference numeral D L represents the lower limit of acceptable thickness.
  • the code Vo shows the initial value of a feed rate.
  • the nanofiber manufacturing method according to Example 1 is "target thickness setting" "long sheet feeding. Electric field radiation”, “thickness measurement”, “average thickness calculation”, “calculation of deviation ( ⁇ P)” Each process of "feed rate control” is included.
  • the thickness of the nanofiber nonwoven fabric to be produced is set as the target thickness do.
  • Each long electric field W is set in the conveying apparatus 10, and each long electric field W is conveyed from the feeding roller 11 toward the winding roller 12 at the predetermined conveying speed V, In the spinning device 20, nanofibers are sequentially deposited on the elongated sheet (W). Thereafter, the long sheet W having the nanofibers deposited thereon is heated by the heating device 30. As a result, a nanofiber nonwoven fabric made of a long sheet in which nanofibers are deposited is produced.
  • the thickness d of the long sheet W in which the nanofibers were deposited by the electric field radiator 20 was measured and the thickness d measured by the thickness measuring device 40 by the following procedure.
  • the feed rate (V) is controlled based on. In Example 1, as shown in Figs. 6 (a) to 6 (c), the feed rate is not controlled for the period before time t passes, and the period after time t passes. The feed rate is controlled. The same applies to Modifications 1 and 2 described below.
  • the thickness of the elongate sheet W is measured by the three thickness measuring parts 42. As shown in FIG. The thickness measurement by the thickness measurement part 42 is performed every 10 ms, for example. As a result, a graph as shown in Fig. 6A is obtained.
  • the average thickness ⁇ d> is calculated by averaging the thicknesses d measured by the three thickness measuring units 41. As a result, a graph as shown in Fig. 6B is obtained.
  • the feed rate V is controlled based on the deviation amount ⁇ d.
  • the feed rate V is delayed to reduce the nanoparticles per unit area.
  • the thickness is made thicker by increasing the deposition amount of the fiber.
  • the feed rate V is increased to increase the amount of nanofibers deposited per unit area.
  • the thickness is made thin by reducing (see FIG. 6 (c)). Accordingly, after time t passes, the thickness d gradually converges to a predetermined target thickness do value.
  • the long sheet a nonwoven fabric, a woven fabric, a knitted fabric, a film, or the like made of various materials can be used.
  • the thickness of a long sheet the thing of 5um-500um can be used, for example.
  • the length of the long sheet may be, for example, 10 m to 10 km.
  • polylactic acid polypropylene
  • PVAc polyvinyl acetate
  • PET polyethylene terephthalate
  • PBT polyethylene na Phthalate
  • PA Polyamide
  • PUR Polyurethane
  • PVA Polyvinyl Alcohol
  • PAN Polyacrylonitrile
  • PEI Polyethylimide
  • PCL Polycaprolactone
  • PLGA Polylactic acid glyc Rollic acid
  • a solvent used for a polymer solution dichloromethane, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, methyl ethyl ketone, chloroform, acetone, water, formic acid, acetic acid, cyclohexane, THF, etc. can be used, for example. You may mix and use multiple types of solvent.
  • the polymer solution may contain additives such as conductivity improvers.
  • the thickness (d) of the nanofiber nonwoven fabric to be manufactured can be set to 1 micrometer-100 micrometers, for example.
  • the feed speed V can be set, for example, from 0.2 m / min to 100 m / min.
  • the voltage applied to the nozzle, the collector 150, and the nozzle block 110 can be set at 10 kV to 80 kV, and is preferably set at around 50 kV.
  • the temperature of a spinning zone can be set to 25 degreeC, for example.
  • the humidity of the radiation zone can be set to 30%, for example.
  • the thickness measuring apparatus 40 which measures the thickness d of the elongate sheet W which deposited the nanofiber by the spinning apparatus 20, and thickness measurement
  • the thickness d measured by the thickness measuring device 40 is provided by the feed rate control device 50 which controls the feed rate V based on the thickness d measured by the device 40. It becomes possible to control the feed rate V on the basis of. For this reason, even if the radiation conditions fluctuate and the thickness fluctuates during the long-term field emission process, it is possible to stop the variation in the thickness in a predetermined range by appropriately controlling the feed rate accordingly. It becomes possible to mass-produce the nanofiber nonwoven fabric which has.
  • the transfer speed (based on the deviation d? D between the thickness d measured by the thickness measuring device 40 and the predetermined target thickness do)
  • V the transfer speed (based on the deviation d? D between the thickness d measured by the thickness measuring device 40 and the predetermined target thickness do)
  • the control amount change amount from the initial value Vo
  • the deviation amount ⁇ P is increased.
  • the thickness measuring apparatus 40 is three thickness measuring parts arrange
  • the average thickness ⁇ d> obtained by the feed rate control apparatus 50 averages the thickness d measured by the three thickness measuring parts 40. Since it is possible to control the feed rate V on the basis of the above, even if the distribution is in the thickness d in the width direction of the long sheet W, the feed rate (d) is based on the average thickness ⁇ d>. By controlling V), it becomes possible to control the feed rate more appropriately.
  • the heating which arrange
  • the electric field radiating apparatus includes a plurality of electric field radiating apparatuses arranged in series along a predetermined conveying direction a in which the long sheet W is conveyed ( 20), it is possible to sequentially deposit nanofibers on the long sheet W in each of the plurality of electric field radiating devices 20, and further increase the productivity of the nanofiber nonwoven fabric having a uniform thickness. It is possible to mass-produce. Further, even when mass-producing a nanofiber nonwoven fabric in which various kinds of nanofibers are sequentially deposited on the long sheet W, it is possible to mass-produce a nanofiber nonwoven fabric having a uniform thickness with higher productivity.
  • the nanofiber manufacturing apparatus 1 which concerns on Example 1, the nanofiber manufacturing apparatus provided with the field emission value which can manufacture the nanofiber which has extremely thin diameter (a few nm-several thousand nm) as a spinning device. On the other hand, it becomes possible to mass-produce a nanofiber nonwoven fabric having a uniform thickness.
  • the nanofiber is deposited on the elongate sheet W conveyed at the predetermined
  • FIG. 7 is a graph showing the time variation of the thickness d, the average thickness ⁇ d>, and the feed rate V in the modification 1.
  • FIG. 7 (a) is a graph showing the time change of the thickness d
  • FIG. 7 (b) is a graph showing the time change of the average thickness ⁇ d>
  • FIG. 7 (c) is the time of the feed rate (V).
  • Figure 7 (a) and represents a numeral do is the target thickness of the Fig. 7 (b)
  • reference numeral H d denotes a thickness of the acceptable upper limit
  • the code L d represents the lower limit of acceptable thickness.
  • the code Vo shows the initial value of a feed rate.
  • the feed rate V is controlled in a stepped shape.
  • the thickness d and the average thickness ⁇ d are similar to those in the first embodiment. It is possible to converge> to the target thickness do.
  • FIG. 9 is a graph showing the time variation of the thickness d, the average thickness ⁇ d>, and the feed rate V in the second modification.
  • FIG. 9 (a) is a graph showing the time change of the thickness d
  • FIG. 9 (b) is a graph showing the time change of the average thickness ⁇ d>
  • FIG. 9 (c) is the time of the feed rate (V).
  • Graph showing change. 9 (a) and 9 (b) the symbol do indicates the target thickness
  • the symbol d H indicates the upper limit of the allowable thickness
  • the symbol d L indicates the lower limit of the allowable thickness
  • the symbol d H1 indicates the upper side.
  • the control start thickness is shown, and the sign d L1 represents the bottom control start thickness.
  • the symbol Vo represents the initial value of the feed rate.
  • the average thickness ⁇ d> is higher than the upper control start thickness d H1 or lower than the lower control start thickness d L1 .
  • the feed rate V change from the initial value.
  • the thickness d and the average thickness ⁇ d> are set to the target thickness do as in the case of the first embodiment. It is possible to converge.
  • the effect that it becomes possible to reduce the frequency of changing the feed rate V can also be acquired.
  • FIG. 10 is a front view of the nanofiber manufacturing apparatus 2 which concerns on Example 2.
  • FIG. FIG. 11 is a figure for demonstrating the thickness measuring apparatus 40a in Example 2.
  • FIG. 11 (a) is a block diagram showing the relationship between the thickness measuring device 40a, the feed rate control device 50, and the feeding device 10.
  • FIGS. 11 (b) and 11 (c) show the thickness measuring part 42a.
  • 12 is a diagram for explaining an image picked up by the thickness measuring unit 42a.
  • the nanofiber manufacturing method (2) according to Example 2 basically has the same configuration as that of the nanofiber manufacturing apparatus 1 according to Example 1, but the configuration of the thickness measurement apparatus is the nanofiber manufacturing according to Example 1. It is different from the case of the apparatus 1. That is, in the nanofiber manufacturing apparatus 2 which concerns on Example 2, as for thickness measuring apparatus 40a, as shown to FIG. 10 and FIG. 11, the thickness measuring roller along the long sheet W along the circumferential direction Thickness measurement part 42a which consists of a camera which enlarges and photographs the outermost peripheral part of the long sheet W guide
  • the thickness measuring apparatus 40a is a thickness measuring part which measures the thickness d of the long sheet W, and has three different positions (long sheet in the width direction of the long sheet W).
  • the thickness measurement part 42a what combined the digital camera and the high magnification optical microscope can be used.
  • the main body part 41a calculates the thickness d of the long sheet W by image-processing the image image
  • FIG. 12: is a figure for demonstrating the principle which calculates the thickness of the elongate sheet W by the thickness measuring part 42a.
  • 12A is an image when the line S 1 indicating the upper end of the long sheet W is displayed above the target line So
  • FIG. 12B is the upper end of the long sheet W. Is an image in the case where the line S 1 indicating is displayed at the same height position as the target line So, and in FIG. 12C, the line S 1 indicating the upper end of the long sheet W is the target line (S). It is an image when it is displayed below than.
  • the feed rate V is controlled based on the thickness measuring device 40a for measuring the thickness d of the long sheet W on which the fibers are deposited, and the thickness d measured by the thickness measuring device 40a. Since the feed rate control apparatus 50 is provided, it becomes possible to control a feed rate based on the thickness measured by the thickness measuring apparatus. For this reason, as in the case of the nanofiber manufacturing apparatus 1 according to the first embodiment, even if the spinning condition is changed and the thickness is varied in the long-term field spinning process, the amount of variation in the thickness is controlled by controlling the feed rate accordingly. Can be stopped within a predetermined range, and as a result, it becomes possible to mass produce a nanofiber nonwoven fabric having a uniform thickness.
  • the thickness measuring apparatus 40a is three thickness arrange
  • the nanofiber manufacturing apparatus 2 which concerns on Example 2 has a structure similar to the case of the nanofiber manufacturing apparatus 1 which concerns on Example 1 except the structure of the thickness measuring apparatus, it relates to Example 1 It has a corresponding effect among the effects which the nanofiber manufacturing apparatus 1 has.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating the operation of the thickness measurement unit 42b in the third embodiment.
  • the curve shown in the sine curve shape in FIG. 13 is a trace which the thickness measurement part 42b encloses the site
  • the nanofiber manufacturing apparatus 3 which concerns on Example 3 has the structure similarly to the nanofiber manufacturing apparatus 1 which concerns on Example 1, the structure of a thickness measuring apparatus is Example 1 It differs from the case of the nanofiber manufacturing apparatus 1 which concerns on this. That is, in the nanofiber manufacturing apparatus 3 which concerns on Example 3, the thickness measuring apparatus 40b (not shown) is the thickness which measures the thickness d of the long sheet W as shown in FIG.
  • the measuring part 42b and the thickness measuring part 42b are provided with the drive part 49 which reciprocates by the predetermined period T along the width direction of the elongate sheet
  • the thickness measuring device 40b measures the thickness d of the long sheet W while reciprocating the thickness measuring unit 42b along the width direction b of the long sheet W.
  • the feed rate control device 50 converts the thickness d measured by the thickness measuring unit 42b into a predetermined period T or a time corresponding to n times the period T (where n is a natural number).
  • the feed rate V is controlled based on the average thickness ⁇ d> obtained by averaging.
  • the nanofiber manufacturing apparatus 3 according to the third embodiment is different from the case of the nanofiber manufacturing apparatus 1 according to the first embodiment, although the configuration of the thickness measuring apparatus is different.
  • the thickness measuring apparatus 40b makes the thickness measuring part 42b reciprocate along the width direction b of the long sheet W, it is long. It becomes possible to measure thickness over the wide area
  • the conveyance speed control apparatus 50 makes the thickness d measured by the thickness measuring part 42 into the predetermined period T or the said period ( Since the feed rate V is controlled on the basis of the average thickness ⁇ d> obtained by averaging for n times of T), the average thickness in any case in the width direction of the long sheet is obtained. By controlling the feed rate on the basis, it becomes possible to control the feed rate more appropriately.
  • the nanofiber manufacturing apparatus 3 which concerns on Example 3 has a structure similar to the case of the nanofiber manufacturing apparatus 1 which concerns on Example 1 except the structure of the thickness measuring apparatus, it relates to the nanofiber which concerns on Example 1 It has a corresponding effect among the effects which the fiber manufacturing apparatus 1 has.
  • the nanofiber production apparatus of the present invention has been described by using a nanofiber production apparatus having four field emission values as an electric field radiator, but the present invention is not limited thereto.
  • the present invention can be applied to a nanofiber manufacturing apparatus having one to three or five or more field emission values.
  • the present invention can be applied to a nanofiber production apparatus using a melt blow spinning device instead of the field spinning value.
  • the nanofiber manufacturing apparatus of the present invention uses a melt blown spinning device, a spanbond spinning device, a needle punch spinning device, and other spinning devices to produce a nonwoven fabric on a long sheet, and further to deposit nanofibers. In the case of controlling the feed rate on the basis of the thickness, it can be suitably used.
  • the nanofiber manufacturing apparatus of this invention was demonstrated using the upward field emission value which has an upward nozzle, this invention is not limited to this.
  • the present invention can be applied to a top-down field emission device having a downward nozzle or a nanofiber production device having a side field emission device having a side nozzle.
  • the positive electrode of the power supply device 160 is connected to the collector 150, and the negative electrode of the power supply device 160 is connected to the nozzle block 110.
  • the nanofiber manufacturing apparatus was demonstrated, this invention is not limited to this.
  • the present invention can be applied to a nanofiber production apparatus having an electric field emission value in which a positive electrode of a power supply device is connected to a nozzle and a negative electrode of the power supply device is connected to a collector.
  • Example 1 Although the nanofiber manufacturing apparatus of this invention was demonstrated using the nanofiber manufacturing apparatus provided with three thickness measuring parts as an example, this invention is not limited to this.
  • the present invention may be applied to a nanofiber manufacturing apparatus having one, two, or four or more thickness measurement units.
  • the nanofiber manufacturing apparatus of the present invention is, of course, mass production of nanofiber nonwoven fabric having a uniform thickness by depositing nanofibers having a uniform thickness on a long sheet having a uniform thickness.
  • nanofibers having a thickness according to the long sheet having a non-uniform thickness it can be suitably used even when mass-producing a nanofiber nonwoven fabric having a uniform thickness as a whole.
  • the present invention has been described using a nanofiber production apparatus in which one nozzle block is disposed in one electric field radiator, but the present invention is not limited thereto.
  • 14 is an enlarged view illustrating main parts of the field radiating device 20a.
  • the present invention may be applied to a nanofiber manufacturing apparatus in which two nozzle blocks 110a1 and 110a2 are disposed in one field radiator 20a, and two or more nozzle blocks.
  • the present invention can also be applied to this excreted nanofiber manufacturing apparatus.
  • the nozzle arrangement pitch may be the same with all nozzle blocks, and the nozzle arrangement pitch may be different with each nozzle block.
  • the height position of the nozzle block may be the same for all the nozzle blocks, or the height position of the nozzle block may be different for each nozzle block.
  • a mechanism for reciprocating the nozzle block at a predetermined reciprocating cycle along the width direction of the long sheet may be provided.
  • the mechanism By using the mechanism, electric field spinning is performed while reciprocating the nozzle block at a predetermined reciprocating cycle, so that the deposition amount of the polymer fibers along the width direction of the long sheet can be made uniform.
  • the reciprocating cycle and the reciprocating distance of the nozzle block may be independently controlled for each field radiating device or for each nozzle block. With such a configuration, it is possible to reciprocate all the nozzle blocks at the same period, and to reciprocate each nozzle block at different periods. Further, the reciprocating distance of the reciprocating motion may be the same with all the nozzle blocks, or the reciprocating distance of the reciprocating motion with each nozzle block may be different.

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Abstract

균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 것이 가능한 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법을 제공한다. 장척시트(W)를 소정의 이송속도(V)로 이송하는 이송장치(10)와, 이송장치(10)에 의해 이송되어 가는 장척시트(W)에 나노섬유를 퇴적시키는 전계방사장치(20), 전계방사장치(20)에 의해 나노섬유를 퇴적시킨 장척시트(W)의 두께(d)를 계측하는 두께 계측장치(40)와, 두께 계측장치(40)에 의해 계측된 두께(d)를 기초로 하여 이송속도(V)를 제어하는 이송속도 제어장치(50)를 구비하는 나노섬유 제조장치(1).

Description

나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법
본 발명은, 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법에 관한 것이다.
종래, 전계 방사 과정에 있어서의 방사 조건(예를 들면, 방사 구역내에 있어서의 부유물의 유무, 노즐블록과 컬렉터와의 간격, 컬렉터의 구조 등.)을 조정함으로써 균일한 물성을 가지는 나노 섬유를 제조하는 것이 가능한 나노섬유 제조방법이 알려져 있다(일본국 특허공개 2008-274522호 공보 이하, "특허 문헌 1" 이라 함.).
도 15는, 특허 문헌 1에 기재된 나노섬유 제조방법을 이용하여 나노섬유 제조장치(900)를 설명하기 위한 도면이다. 도 15중, 부호 910은 노즐블록을 나타내고, 부호 912는 노즐을 나타내며, 부호 920은 송풍 장치를 나타내고, 부호 922는 풍향 조정판을 나타내며, 부호 924는 가장자리 부재를 나타내고, 부호 926은 흡입 장치를 나타내며, 부호 928은 팬을 나타내고, 부호 950은 컬렉터를 나타낸다.
특허 문헌 1에 기재된 나노섬유 제조방법은, 도 15에 나타내는 바와 같이, 송풍 장치(920), 2개의 가장자리 부재(924) 및 흡입 장치(926)로 구성되는 방사 구역에 공기류를 형성시켜 휘발된 용매나 부유 불순물을 제거하는 것 등에 의해, 전계 방사 과정에 있어서의 방사 조건을 조정하는 것이다.
특허문헌 1에 기재된 나노섬유 제조방법에 의하면, 전계방사과정에 있어서의 방사조건을 조정함으로써, 균일한 물성을 갖는 나노섬유를 제조하는 것이 가능하기 때문에, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 제조하는 것이 가능한 것으로 생각할 수 있다.
그러나, 특허문헌 1에 기재된 나노섬유 제조방법으로 해도, 현실적으로는 전계방사과정에 있어서의 방사조건을 장시간에 걸쳐서 일정하게 유지하는 것은 용이하지 않기 때문에, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 것이 곤란한 것이 실정이다. 그리고, 이와 같은 사정은, 멜트블로우 방사장치 그 밖의 방사장치에 의해 나노섬유를 제조하는 나노섬유 제조방법에 있어서도 마찬가지이다.　
그러므로, 본 발명은, 상기와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 것이 가능한 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 나노섬유 제조장치는, 장척시트를 소정의 이송속도로 이송하는 이송장치와, 상기 이송장치에 의해 이송되어 가는 장척시트에 나노섬유를 퇴적시키는 방사장치와, 상기 방사장치에 의해 나노섬유를 퇴적시킨 장척시트의 두께를 계측하는 두께 계측장치와, 상기 두께 계측장치에 의해 계측된 두께를 기초로 하여 상기 이송속도를 제어하는 이송속도 제어장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.　
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 상기 이송속도 제어장치는 상기 두께 계측장치에 의해 계측된 두께와, 소정의 목표 두께와의 편차량을 기초로 하여 상기 이송속도를 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 상기 이송속도 제어장치는, 상기 편차량의 시간변화율을 고려하여 상기 이송속도를 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 상기 두께 계측장치는, 상기 장척시트를 사이에 두고 마주하도록 배치되고, 삼각측거방식에 의해 상기 장척시트까지의 거리를 계측하는 한 쌍의 레이저 측거장치로 이루어지는 두께 계측부를 구비하고, 상기 한 쌍의 레이저 측거장치에 의해 계측된 거리를 기초로 하여 상기 장척시트의 두께를 산출하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 상기 두께 계측장치는, 상기 장척시트를 둘레방향을 따라서 인도하는 두께 계측용 롤러와, 상기 두께 계측용 롤러에 의해 인도되고 있는 상기 장척시트의 가장 외주부를 상기 장척시트의 이송방향을 따라서 확대촬영하는 카메라로 이루어지는 두께 계측부를 구비하고, 상기 카메라에 의해 촬영된 화상을 화상처리함으로써 상기 장척시트의 두께를 산출하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 상기 두께 계측장치는, 상기 장척시트의 두께를 계측하는 두께 계측부로서, 상기 장척시트의 폭방향에 있어서의 다른 위치에 배치된 복수의 두께 계측부를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 상기 이송속도 제어장치는, 상기 복수의 두께 계측부에 의해 계측된 두께를 평균하여 얻어지는 평균두께를 기초로 하여 상기 이송속도를 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 상기 두께 계측장치는 상기 장척시트의 두께를 계측하는 두께 계측부와, 상기 두께 계측부를 상기 장척시트의 폭방향을 따라서 소정 주기로 왕복이동시키는 구동부를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 상기 이송속도 제어장치는, 상기 두께 계측부에 의해 계측된 두께를 상기 소정 주기 또는 해당 주기의 n배에 해당하는 시간(단, n은 자연수)으로 평균하여 얻어지는 평균두께를 기초로 하여 상기 이송속도를 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 상기 방사장치와 상기 두께 계측장치와의 사이에 배치되고, 상기 나노섬유를 퇴적시킨 상기 장척시트를 가열하는 가열장치를 추가로 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 상기 방사장치로서, 상기 장척시트가 이송되어 가는 소정의 이송방향을 따라서 직렬로 배치된 복수의 방사장치를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 상기 방사장치는, 전계방사장치인 것이 바람직하다.
본 발명의 나노섬유 제조방법은, 소정의 이송속도로 이송되어 가는 장척시트에 나노섬유를 퇴적시키면서, 상기 나노섬유를 퇴적시킨 상기 장척시트의 두께를 계측하고, 해당 장척시트의 두께를 기초로 하여 장척시트이 이송속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 의하면, 두께 계측장치에 의해 측정된 두께를 기초로 하여 이송속도를 제어하는 것이 가능해지기 때문에, 장시간의 전계방사과정에 있어서 방사조건이 변동하여 두께가 변동했다고 해도, 그것에 따라서 이송속도를 적절하게 제어함으로써 두께의 변동량을 소정의 범위로 멈추는 것이 가능해지고, 그 결과, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 것이 가능해진다.　
예를 들면, 장시간의 전계방사과정에 있어서 두께가 얇아지는 방향으로 방사조건이 변동한 경우에는, 이송속도를 늦게 하여 단위면적당의 나노섬유의 퇴적량을 증대시키는 것에 의해 두께를 두껍게 함으로써, 두께의 값을 소정의 범위로 멈추는 것이 가능해진다. 또한, 장시간의 전계방사과정에 있어서 두께가 두꺼워지는 방향으로 방사조건이 변동한 경우에는 이송속도를 빠르게 하여 단위면적당의 나노섬유의 퇴적량을 줄이는 것에 의해 두께를 얇게 함으로써, 두께의 값을 소정의 범위에 멈추는 것이 가능해진다.
그리고, 「폴리머 용액의 농도」, 「방사구역에 있어서의 온도나 습도」 등의 방사조건을 조정하는 것에 의해, 두께의 값을 소정의 범위로 멈추는 것도 가능하지만, 이들의 경우에는, 두께의 변동에 따라서 방사조건을 조절하는 것에 일정시간이 걸리기 때문에, 장척방향을 따라서 두께가 균일한 나노섬유 부직포를 높은 생산성으로 제조하는 것이 곤란하다.
또한, 「노즐과 컬렉터와의 간격」, 「노즐과 컬렉터와의 사이에 인가하는 전압」 등의 방사조건을 조정하는 것에 의해, 두께의 값을 소정의 범위에 멈추는 것도 가능하지만, 이들의 경우에는, 나노섬유의 직경, 나노섬유층의 밀도 등의 나노섬유의 물성이 변동해버리며, 균일한 물성을 갖는 나노섬유 부직포를 제조하는 것이 곤란하다.
이것에 대하여, 본 발명의 나노섬유 제조장치에 의하면, 두께 계측장치에 의해 계측된 두께를 기초로 하여 이송속도를 제어한다는 간단한 방법으로, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 것이 가능해지기 때문에, 두께의 변동에 따라서 방사조건을 조정하는 것에 일정 시간이 걸린다고 하는 문제도 없고, 또한, 나노섬유의 직경, 나노섬유층의 밀도 등의 나노섬유의 물성이 변동해버린다는 문제도 없다.
그리고, 본 발명에 있어서, 나노섬유를 퇴적시킨 장척시트의 두께란, 장척시트상에 퇴적시킨 나노섬유층과, 장척시트가 적층된 상태에서 두께를 계측한 경우에 있어서의 두께의 것을 말한다. 또한, 나노섬유 부직포란, 나노섬유를 퇴적시킨 장척시트인 것을 말한다. 나노섬유 부직포는, 이것을 그대로 제품으로 해도 좋고, 나노섬유 부직포로부터 장척시트를 제거하여 「나노섬유층만으로 이루어지는 부직포」를 제조하여, 이것을 제품으로 해도 좋다. 또한, 「나노섬유」란, 폴리머로 이루어지고, 평균직경이 수nm~수천nm의 섬유의 것으로 한다. 또한, 「폴리머 용액」이란, 폴리머를 용매로 용해시킨 용액의 것을 말한다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 예를 들면, 상기 편차량이 소정값 미만인 경우에는, 이송속도를 초기값으로부터 변화시키지 않고, 상기 편차량이 소정값 이상인 경우에는, 이송속도를 초기값으로부터 변화시키도록 제어하는 것도 가능해지기 때문에, 이송속도 제어장치에 의한 이송속도의 제어를 단순화하는 것이 가능해진다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 「편차량의 시간변화율」을 고려함으로써, 편차량만을 기초로 하여 이송속도를 제어하는 경우와 비교하여, 이송속도를 보다 적절하게 제어하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 방사조건이 급격하게 변동한 경우에는, 편차량의 시간변화율이 크기 때문에, 그것에 맞도록 이송속도의 제어량(초기값으로부터의 변화량)을 크게 한다. 또한, 방사조건의 변동량이 작은 경우에는, 편차량의 시간변화율이 작기 때문에, 그것에 맞도록 이송속도의 제어량(초기값으로부터의 변화량)을 작게 한다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 「장척시트에 있어서의 한쪽 면과 해당 한쪽 면측에 위치하는 레이저 측거장치와의 사이의 거리」와, 「장척시트에 있어서의 다른쪽 면과 해당 다른 쪽 면측에 위치하는 레이저 측거장치와의 사이의 거리」를 이용하여 장척시트의 두께를 산출하는 것이 가능해지기 때문에, 이송되어 가는 장척시트가 상하로 요동했다고 하더라도 장척시트의 두께를 정확하게 계측할 수 있다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 이송되어 가는 장척시트가 요동하지 않는 부위에서 카메라 촬영을 실시하게 되기 때문에, 장척시트의 두께를 정확하게 계측할 수 있다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 장척시트의 폭방향의 광역에 걸쳐서 두께를 계측하는 것이 가능해지고, 보다 적절하게 이송속도의 제어를 하는 것이 가능해진다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 장척시트의 폭방향에 있어서 두께에 분포가 어느 경우라도, 평균두께를 기초로 하여 이송속도를 제어함으로써, 보다 적절하게 이송속도의 제어를 하는 것이 가능해진다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 나노섬유 제조장치의 경우와 마찬가지로, 장척시트의 폭방향의 광역에 걸쳐서 두께를 계측하는 것이 가능해지고, 보다 적절하게 이송속도의 제어를 하는 것이 가능해진다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 나노섬유 제조장치의 경우와 마찬가지로, 장척시트의 폭방향에 있어서 두께에 분포가 어느 경우라도, 평균두께를 기초로 하여 이송속도를 제어함으로써, 보다 적절하게 이송속도의 제어를 하는 것이 가능해진다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 나노섬유층에 잔존하는 일이 있는 용매를 완전히 증발시키는 것이 가능해지기 때문에, 잔존용매량이 극히 적고 고품질의 나노섬유 부직포를 제조하는 것이 가능하다. 또한, 용매를 완전히 증발시킨 상태에서 두께를 계측하는 것이 가능해지기 때문에, 두께를 정확하게 계측하는 것이 가능해진다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 복수의 방사장치의 각각에 있어서 장척시트상에 나노섬유를 차례로 퇴적시키는 것이 가능해지기 때문에, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 보다 한층 높은 생산성으로 대량생산하는 것이 가능해진다. 또한, 장척시트상에 여러 종류의 나노섬유를 순차퇴적시킨 나노섬유 부직포를 대량생산하는 경우에도 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 보다 한층 높은 생산성으로 대량생산하는 것이 가능해진다. 또한, 복수의 방사장치를 구비하는 나노섬유 제조장치에 있어서도, 복수의 방사장치의 각각에 있어서 방사조건을 조정하는 것이 아닌 이송속도를 제어하는 것만으로, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 것이 가능해진다.
본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 방사장치로서, 극히 가는 직경(수nm~수천nm)을 갖는 나노섬유를 제조하는 것이 가능한 전계방사장치를 구비하는 나노섬유 제조장치에 있어서도, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 것이 가능해진다.
본 발명의 나노섬유 제조방법은, 나노섬유가 퇴적된 장척시트이 두께를 계측하고, 해당 두께를 기초로 하여 장척시트의 이송속도를 제어하는 것으로 하고 있기 때문에, 장시간의 전계방사과정에 있어서 방사조건이 변동하여 두께가 변동했다고 해도, 그것에 따라서 이송속도를 적절하게 제어함으로써 두께의 변동량을 소정의 범위에 멈추는 것이 가능해지고, 그 결과, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 것이 가능해진다.
본 발명의 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법에 의하면, 고기능.고감성 텍스타일 등의 의료(衣料)품, 헬스케어, 스킨케어 등 미용관련용품, 와이핑 클로스, 필터 등 산업재료, 이차전지의 세퍼레이터, 콘덴서의 세퍼레이터, 각종 촉매의 담체(擔體), 각종 센서재료 등의 전자.기계재료, 재생의료재료, 바이오 메디칼 재료, 의료용 MEMS재료, 바이오센서 재료 등의 의료재료, 그 밖의 폭넓은 용도로 사용가능한 나노섬유를 제조할 수 있다.
도 1은 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 실시예에 있어서의 전계방사장치의 요부 확대도이다.
도 3은 두께 계측장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 두께 계측부의 움직임을 설명하기 위한 상면도이다.
도 5는 나노섬유 제조방법을 설명하기 위한 플로차트이다.
도 6은 두께(d), 평균두께<d> 및 이송속도(V)의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 변형예 1에 있어서의 두께(d), 평균두께<d> 및 이송속도(V)의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 변형예 2에 있어서의 나노섬유 제조방법을 설명하기 위한 플로챠트이다.
도 9는 변형예 2에 있어서의 두께(d), 평균두께<d> 및 이송속도(V)의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예 2에 관한 나노섬유 제조장치의 정면도이다.
도 11은 실시예 2에 있어서의 두께 계측장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 두께 계측부에 의해 장척시트(W)의 두께를 산출하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 실시예 3에 있어서의 두께 계측부의 움직임을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 전계방사장치의 요부 확대도이다.
도 15는 특허문헌 1에 기재된 나노섬유 제조방법에 이용하는 나노섬유 제조장치를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 나노섬유 제조장치 및 나노섬유 제조방법에 대하여, 도면에 나타내는 실시예를 기초로 하여 설명한다.
[실시예 1]
1. 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)의 구성 1은, 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)를 설명하기 위한 도면이다. 도 1(a)는 나노섬유 제조장치(1)의 정면도이고, 도 1(b)는 나노섬유 제조장치(1)의 평면도이다. 그리고, 도 1에 있어서는, 폴리머 용액 공급부 및 폴리머 용액 회수부의 도시를 생략하고 있다. 또한, 도 1(a)에 있어서는, 일부 부재는 요부 확대도로 나타내고 있다. 도 2는, 실시예에 있어서의 전계방사장치(20)의 요부 확대도이다. 도 3은, 두께 계측장치(40)를 설명하기 위한 도면이다. 도 3(a)는 두께 계측장치(40)와 이송속도 제어장치(50)와 이송장치(10)와의 관계를 나타내는 블록도이고, 도 3(b)는 두께 계측부(42)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 4는, 두께 계측부(42)의 움직임을 설명하기 위한 평면도이다.
실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 장척시트(W)를 소정의 이송속도(V)로 이송하는 이송장치(10)와, 이송장치(10)에 의해 이송되어 가는 장척시트(W)에 나노섬유를 퇴적시키는 전계방사장치(20)와, 전계방사장치(20)에 의해 나노섬유를 퇴적시킨 장척시트(W)의 두께(d)를 계측하는 두께 계측장치(40)와, 두께 계측장치(40)에 의해 계측된 두께(d)를 기초로 하여 이송속도(V)를 제어하는 이송속도 제어장치(50)를 구비한다.
실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)에 있어서는, 전계방사장치로서, 장척시트(W)가 이송되어 가는 소정의 이송방향(a)을 따라서 직렬로 배치된 4대의 전계방사장치(20)를 구비한다.
실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)는, 전계방사장치(20)와 두께 계측장치(40)와의 사이에 배치되고, 나노섬유를 퇴적시킨 장척시트(W)를 가열하는 가열장치(30)와, 장척시트의 이송속도 등을 제어하는 주제어장치(60)와, 휘발성 성분을 연소하여 제거하는 VOC 처리장치(70)를 추가로 구비한다.
이송장치(10)는, 장척시트(W)를 투입하는 투입 롤러(11) 및 장척시트(W)를 권취하는 권취 롤러(12) 및 투입 롤러(11)와 권취 롤러(12)와의 사이에 위치하는 보조 롤러(13, 18) 및 구동 롤러(14, 15, 16, 17)를 구비한다. 투입 롤러(11), 권취 롤러(12) 및 구동 롤러(14, 15, 16, 17)는, 도시하지 않은 구동 모터에 의해 회전구동되는 구조로 이루어져 있다.
전계방사장치(20)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 케이스(100)에 절연부재(152)를 통하여 취부되고, 장척시트(W)에 있어서의 한쪽 면측에 위치하는 컬렉터(150)와, 장척시트(W)에 있어서의 다른쪽 면측에 있어서의 컬렉터(150)에 마주하는 위치에 위치하고, 도시하지 않은 폴리머 용액 공급부로부터 공급되는 폴리머 용액을 장척시트(W)를 향하여 토출하는 복수의 노즐을 갖는 노즐블록(110)과, 컬렉터(150)와 노즐블록(110)과의 사이에 고전압(예를 들면, 10kV~80kV)을 인가하는 전원장치(160)와, 장척시트(W)가 이송되는 것을 보조하는 보조벨트장치(170)를 구비한다. 전원장치(160)의 정극은, 컬렉터(150)에 접속되고, 전원장치(160)의 부극은, 케이스(100)를 통하여 노즐블록(110)에 접속되어 있다.
노즐블록(110)은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 복수의 노즐로서, 폴리머 용액을 토출구로부터 상향으로 토출하는 복수의 상향 노즐을 갖는다. 그리고, 나노섬유 제조장치(1)는 복수의 상향 노즐의 토출구로부터 폴리머 용액을 오버플로우시키면서 복수의 상향 노즐의 토출구로부터 폴리머 용액을 토출하여 나노섬유를 전계방사하는 동시에, 복수의 상향 노즐의 토출구로부터 오버플로우한 폴리머 용액을 회수하여 나노섬유의 원료로서 재이용하는 것이 가능해지도록 구성되어 있다. 복수의 상향노즐(112)은, 예를 들면, 1.5cm~6.0cm의 피치로 배치되어 있다. 복수의 상향노즐(112)의 수는 예를 들면, 36개(가로세로 같은 수로 배열한 경우 6개*6개)~21904개(가로세로로 같은 수로 배열한 경우, 148개*148개)이다. 또한, 본 발명의 전계방사장치에는 다양한 크기 및 다양한 형상을 갖는 노즐블록을 이용할 수 있지만, 노즐블록(110)은, 예를 들면 상면으로부터 보았을 때 일변이 0.5m~3m의 장방형(정방형을 포함한다)으로 보이는 크기 및 형상을 갖는다.
보조벨트장치(170)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 장척시트(W)의 이송속도에 동기하여 회전하는 보조벨트(172)와, 보조벨트(172)의 회전을 돕는 5개의 보조벨트용 롤러(174)를 갖는다. 5개의 보조벨트용 롤러(174) 중 하나 또는 2개 이상의 보조벨트용 롤러(174)가 구동 롤러이고, 나머지 보조벨트용 롤러가 종동 롤러이다. 컬렉터(150)와 장척시트(W)와의 사이에 보조벨트(172)가 배설되어 있기 때문에, 장척시트(W)는 정의 고전압이 인가되고 있는 컬렉터(150)에 끌어 당겨지는 일 없이 부드럽게 이송되도록 이루어진다.
가열장치(30)는, 전계방사장치(20)와 두께 계측장치(40)와의 사이에 배치되고, 나노섬유를 퇴적시킨 장척시트(W)를 가열한다. 가열온도는, 장척시트(W)나 나노섬유의 종류에 따라 다르지만, 예를 들면, 장척시트(W)를 50℃~300℃의 온도로 가열할 수 있다.
두께 계측장치(40)는, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 3개의 두께 계측부(42)와, 해당 3개의 두께 계측부(42)의 동작을 제어하는 동시에, 3개의 두께 계측부(42)에 의해 계측된 거리를 기초로 하여 장척시트의 두께를 산출하는 기능을 갖는 본체부(41)를 구비한다. 두께 계측장치(40)는, 계측한 두께에 관한 정보를 이송속도 제어장치(50)로 송신한다. 이송속도 제어장치(50)는, 수신한 해당 두께에 관한 정보를 기초로 하여, 이송장치(10)가 장척시트(W)를 이송할 때의 장척시트(W)의 이송속도(V)를 제어한다.
두께 계측부(42)는, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 장척시트(W)를 사이에 두고 마주하도록 배치되고, 삼각측거방식에 의해 장척시트(W)까지의 거리를 계측하는 한 쌍의 레이저 측거장치(43, 44)로 이루어진다. 레이저 측거장치(43, 44)는, 레이저 다이오드(45)와, 해당 레이저 다이오드로부터 사출된 레이저광을 투광하는 투광렌즈(46)와, 투광렌즈(46)로부터 투광되고, 장척시트(W)의 표면(한쪽 면 또는 다른쪽 면)에 의해 반사된 레이저광을 수광하는 수광렌즈(47)와, 수광렌즈(47)에 의해 수광된 레이저광을 받는 CCD소자로 이루어지는 수광회로(48)를 구비한다. 이 때, 수광회로(48) 상에 형성되는 빔 스폿의 위치는 장척시트(W)의 표면(한 쪽면 또는 다른 쪽면)까지의 거리(L1, L2)에 의해 변화되기 때문에, 그 변화량을 판독함으로써 거리(L1, L2)를 계측할 수 있다. 장척시트(W)의 두께(d)는, 한 쌍의 레이저 측거장치(43, 44) 사이의 거리를 L3이라고 했을 때, 「d=L3-(L1 + L2)」의 관계식으로 산출할 수 있다.
두께 계측장치(40)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 상기한 3개의 두께 계측부(42)로서, 장척시트(W)의 폭방향에 있어서의 다른 복수의 위치(장척시트의 폭방향에 있어서의 중앙부, 좌단부, 우단부)에 배치된 3개의 두께 계측부(42)를 구비한다.
두께 계측장치(40)는, 계측된 두께(d)의 값을 그대로 이송속도 제어장치(50)로 송신할 수 있고, 3개의 두께 계측부(42)에서 계측된 두께(d)를 평균하여 얻어지는 평균두께<d>값을 이송속도 제어장치(50)로 송신할 수 있다.
이송속도 제어장치(50)는, 두께 계측부(40)에 의해 계측된 두께(d) 또는 평균두께<d>를 기초로 하여 이송장치(10)가 이송하는 장척시트(W)의 이송속도(V)를 제어한다. 예를 들면, 장시간의 전계방사과정에 있어서 두께(d)가 얇아지는 방향으로 방사조건이 변동한 경우에는, 이송속도(V)를 늦게 하여 단위면적 당의 나노섬유의 퇴적량을 증대시킴으로써 두께를 두껍게 한다. 한 편, 장시간의 전계방사과정에 있어서 두께가 두꺼워지는 방향으로 방사조건이 변동한 경우에는, 이송속도를 빠르게 하여 단위면적 당의 나노섬유의 퇴적량을 줄이게 함으로써 두께를 얇게 한다. 그리고, 이송속도(V)의 제어는, 구동 롤러(14, 15, 16, 17)의 회전속도를 제어하는 것에 의해 실시할 수 있다.
주제어장치(60)는, 이송장치(10), 전계방사장치(20), 가열장치(30), 두께 계측장치(40), 이송속도 제어장치(50), VOC 처리장치(70), 폴리머 공급장치 및 폴리머 회수장치의 동작을 제어한다.
VOC 처리장치(70)는 장척시트에 나노섬유를 퇴적시킬 때에 발생하는 휘발성 성분을 연소하여 제거한다.
2. 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)를 이용한 나노섬유 제조방법
이하, 상기와 같이 구성된 실시예 1 에 관한 나노섬유 제조장치(1)를 이용하여 나노섬유 부직포를 제조하는 방법(실시예 1에 관한 나노섬유 제조방법)에 대해서 설명한다.
도 5는, 실시예 1에 관한 나노섬유 제조방법을 설명하기 위한 플로챠트이다. 도 6은, 두께(d), 평균두께<d> 및 이송속도(V)의 시간변화를 나타내는 그래프이다. 도 6(a)는 두께(d)의 시간변화를 나타내는 그래프이고, 도 6(b)는 평균두께<d>의 시간변화를 나타내는 그래프이며, 도 6(c)는 이송속도(V)의 시간변화를 나타내는 그래프이다. 도 6(a) 및 도 6(b) 중, 부호 Do는 목표두께를 나타내고, 부호 DH는 허용되는 두께의 상한을 나타내며, 부호 DL은 허용되는 두께의 하한을 나타낸다. 도 6(c) 중, 부호 Vo는 이송속도의 초기값을 나타낸다.
실시예 1에 관한 나노섬유 제조방법은 도 5에 나타내는 바와 같이, 「목표두께설정」 「장척시트 이송.전계방사」, 「두께 계측」, 「평균두께 산출」, 「편차량(ΔＰ)산출」의 「이송속도제어」의 각 공정을 포함한다.
1. 목표두께설정(S10)
제조하는 나노섬유 부직포의 두께를 목표두께(do)로서 설정한다.
2. 장척시트의 이송.전계방사(S12)
장척시트(W)를 이송장치(10)에 세트하고, 그 후, 장척시트(W)를 투입 롤러(11)로부터 권취 롤러(12)를 향하여 소정의 이송속도(V)로 이송시키면서, 각 전계방사장치(20)에 있어서 장척시트(W)에 나노섬유를 순차퇴적시킨다. 그 후, 가열장치(30)에 의해, 나노섬유를 퇴적시킨 장척시트(W)를 가열한다. 이에 따라, 나노섬유가 퇴적한 장척시트로 이루어지는 나노섬유 부직포가 제조된다.
이때, 이하의 수순에 의해, 전계방사장치(20)에 의해 나노섬유를 퇴적시킨 장척시트(W)의 두께(d)를 계측하는 동시에, 두께 계측장치(40)에 의해 계측된 두께(d)를 기초로 하여 이송속도(V)를 제어한다. 그리고, 실시예 1에 있어서는 도 6(a)~도 6(c)에 나타내는 바와 같이, 시간(t)경과 전의 기간에 대해서는 이송속도의 제어를 실시하지 않고, 시간(t)경과 후의 기간에 대해서는 이송속도의 제어를 실시하는 것으로 하고 있다. 이하의 변형예 1 및 2에 있어서도 마찬가지이다.
3. 두께계측(S14)
우선, 도 4에 나타내는 바와 같이, 3대의 두께 계측부(42)에 의해, 장척시트(W)의 두께를 계측한다. 두께 계측부(42)에 의한 두께의 계측은 예를 들면 10ms마다 실시한다. 그 결과, 도 6(a)에 나타내는 바와 같은 그래프가 얻어진다.
4. 평균두께 산출(S16)
이어서, 3대의 두께 계측부(41)에 의해 계측된 두께(d)를 평균하는 것으로써 평균두께<d>를 산출한다. 그 결과, 도 6(b)에 나타내는 바와 같은 그래프가 얻어진다.
5. 편차량(Δd)산출(S18)
이어서, 상기의 평균두께<d>와, 소정의 목표두께(do)와의 편차량(Δd)을 산출한다.
6. 이송속도제어(S20~S26)
이어서, 상기 편차량(Δd)을 기초로 하여 이송속도(V)를 제어한다.
예를 들면, 장시간의 전계방사과정에 있어서 두께(d)가 얇아지는 방향으로 방사조건이 변동한 경우(편차량(Δd)이 부인 경우)에는, 이송속도(V)를 늦게 하여 단위면적 당의 나노섬유의 퇴적량을 증대시킴으로써 두께를 두껍게 한다. 한 편, 장시간의 전계방사과정에 있어서 두께가 두껍게 되는 방향으로 방사조건이 변동한 경우(편차량(Δd)이 정인 경우)에는, 이송속도(V)를 빠르게 하여 단위면적 당의 나노섬유의 퇴적량을 줄임으로써 두께를 얇게 한다(도 6(c) 참조). 이에 따라, 시간(t)경과 후, 서서히 두께(d)는 소정의 목표두께(do)값으로 수렴한다.
이하에, 실시예 1에 관한 나노섬유 제조방법에 있어서의 방사조건을 예시적으로 나타낸다.
장척시트로서는, 각종 재료로 이루어지는 부직포, 직물, 편물, 필름 등을 이용할 수 있다. 장척시트의 두께는, 예를 들면 5um~500um의 것을 이용할 수 있다. 장척시트의 길이는 예를 들면 10m~10km의 것을 이용할 수 있다.
나노 섬유의 원료가 되는 폴리머로서는, 예를 들면, 폴리유산(PLA), 폴리프로필렌(PP), 폴리초산비닐(PVAc), 폴리에틸렌 텔레프탈레이트(PET), 폴리에틸린 텔레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리아미드(PA), 폴리우레탄(PUR), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리에틸이미드(PEI), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리유산 글리롤산(PLGA), 실크, 셀룰로오스, 키토산 등을 이용할 수 있다.
폴리머 용액에 이용하는 용매로서는, 예를 들면, 디클로로메탄, 디메틸포름아미드, 디메틸설폭시드, 메틸에틸케톤, 클로로포름, 아세톤, 물, 포름산, 초산, 시클로헥산, THF 등을 이용할 수 있다. 복수 종류의 용매를 혼합하여 이용해도 좋다. 폴리머 용액에는, 도전성 향상제 등의 첨가제를 함유시켜도 좋다.
제조하는 나노섬유 부직포의 두께(d)는, 예를 들면 1um~100um으로 설정할 수 있다. 이송속도(V)는 예를 들면 0.2m/분~100m/분으로 설정할 수 있다. 노즐과 컬렉터(150)와 노즐블록(110)에 인가하는 전압은, 10kV~80kV로 설정할 수 있고, 50kV 부근으로 설정하는 것이 바람직하다.
방사구역의 온도는, 예를 들면 25℃로 설정할 수 있다. 방사구역의 습도는, 예를 들면 30％로 설정할 수 있다.
3. 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)의 효과
실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)에 의하면, 방사장치(20)에 의해 나노섬유를 퇴적시킨 장척시트(W)의 두께(d)를 계측하는 두께 계측장치(40)와, 두께 계측장치(40)에 의해 계측된 두께(d)를 기초로 하여 이송속도(V)를 제어하는 이송속도 제어장치(50)를 구비하기 때문에, 두께 계측장치(40)에 의해 계측된 두께(d)를 기초로 하여 이송속도(V)를 제어하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 장시간의 전계방사과정에 있어서 방사조건이 변동하여 두께가 변동했다고 해도, 그것에 따라서 이송속도를 적절하게 제어함으로써 두께의 변동량을 소정의 범위에 멈추는 것이 가능해지고, 그 결과, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 것이 가능해진다.
또한, 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치에 의하면, 두께 계측장치(40)에 의해 계측된 두께(d)와, 소정의 목표두께(do)와의 편차량(Δd)을 기초로 하여 이송속도(V)를 제어하기 때문에, 예를 들면, 상기 편차량(Δd)이 큰 경우에는, 이송속도(V)의 제어량(초기값(Vo)으로부터의 변화량)을 크게 하고, 상기 편차량(ΔＰ)이 작은 경우에는, 이송속도(V)의 제어량(초기값(Vo)으로부터의 변화량)을 작게 하도록 제어를 하는 것이 가능해지고, 두께의 변동의 정도에 따라서 이송속도를 적절하게 제어하는 것이 가능해진다.
또한, 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)에 의하면, 두께 계측장치(40)가, 두께 계측부로서, 장척시트(W)의 폭방향에 있어서의 다른 위치에 배치된 3대의 두께 계측부(42)를 구비하기 때문에, 장척시트의 폭방향의 광역에 걸쳐서 두께를 계측하는 것이 가능해지고, 보다 적절하게 이송속도를 제어하는 것이 가능해진다.
또한, 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)에 의하면, 이송속도 제어장치(50)가, 3대의 두께 계측부(40)에 의해 계측된 두께(d)를 평균하여 얻어지는 평균두께<d>를 기초로 하여 이송속도(V)를 제어하는 것이 가능하기 때문에, 장척시트(W)의 폭방향에 있어서 두께(d)에 분포가 어느 경우라도, 평균두께<d>를 기초로 하여 이송속도(V)를 제어함으로써, 보다 적절하게 이송속도의 제어를 하는 것이 가능해진다.
또한, 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)에 의하면, 전계방사장치(20)와 두께 계측장치(40)와의 사이에 배치되고, 나노섬유를 퇴적시킨 장척시트(W)를 가열하는 가열장치(30)를 추가로 구비하기 때문에, 나노섬유층에 잔존하는 용매를 완전히 증발시키는 것이 가능해지기 때문에, 잔존용매량이 극히 적고, 고품질의 나노섬유 부직포를 제조하는 것이 가능하다. 또한, 용매를 완전히 증발시킨 상태에서 두께를 계측하는 것이 가능해지기 때문에, 두께를 정확하게 계측하는 것이 가능해진다.
또한, 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)에 의하면, 전계방사장치로서, 장척시트(W)가 이송되어 가는 소정의 이송방향(a)을 따라서 직렬로 배치된 복수의 전계방사장치(20)를 구비하기 때문에, 복수의 전계방사장치(20)의 각각에 있어서 장척시트(W) 상에 나노섬유를 차례차례로 퇴적시키는 것이 가능해지고, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 보다 한층 높은 생산성으로 대량생산하는 것이 가능해진다. 또한, 장척시트(W) 상에 여러 종류의 나노섬유를 순차퇴적시킨 나노섬유 부직포를 대량생산하는 경우에도 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 보다 한층 높은 생산성으로 대량생산하는 것이 가능해진다. 또한, 복수의 전계방사장치(20)를 구비하는 나노섬유 제조장치에 있어서, 복수의 전계방사장치(20)의 각각에 있어서 방사조건을 조정하지 않고 이송속도(V)를 제어하는 것만으로, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 것이 가능해진다.
또한, 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)에 의하면, 방사장치로서, 극히 가는 직경(수nm~수천nm)을 갖는 나노섬유를 제조하는 것이 가능한 전계방사장치를 구비하는 나노섬유 제조장치이면서, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 것이 가능해진다.
또한, 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)에 의하면, 소정의 이송속도(V)로 이송되어 가는 장척시트(W)에 나노섬유를 퇴적시키는 동시에, 나노섬유가 퇴적된 장척시트(W)의 두께(d)를 계측하고, 해당 장척시트(W)의 두께(d)를 기초로 하여 장척시트(W)의 이송속도(V)를 제어하기 때문에, 장시간의 전계방사과정에 있어서 방사조건이 변동하여 두께가 변동했다고 해도, 그것에 따라서 이송속도를 적절하게 제어함으로써 두께의 변동량을 소정의 범위로 멈추는 것이 가능해지고, 그 결과, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 것이 가능해진다.
[변형예 1]
도 7은, 변형예 1에 있어서의 두께(d), 평균두께<d> 및 이송속도(V)의 시간변화를 나타내는 그래프이다. 도 7(a)는 두께(d)의 시간변화를 나타내는 그래프이고, 도 7(b)는 평균두께<d>의 시간변화를 나타내는 그래프이며, 도 7(c)는 이송속도(V)의 시간변화를 나타내는 그래프이다. 도 7(a) 및 도 7(b) 중, 부호 do는 목표두께를 나타내고, 부호 dH는 허용되는 두께의 상한을 나타내고, 부호 dL은 허용되는 두께의 하한을 나타낸다. 도 7(c) 중, 부호 Vo는 이송속도의 초기값을 나타낸다.
변형예 1에 있어서는, 도 7(c)로부터도 알 수 있듯이, 이송속도(V)를 계단형상으로 제어하는 것으로 하고 있다. 이와 같이, 이송속도(V)를 계단형상으로 제어하는 경우라도, 도 7(a) 및 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, 실시예 1의 경우와 마찬가지로, 두께(d) 및 평균두께<d>를 목표두께(do)로 수렴시키는 것이 가능해진다.
[변형예 2]
도 8은, 변형예 2에 관한 나노섬유 제조방법을 설명하기 위한 플로챠트이다. 도 9는, 변형예 2에 있어서의 두께(d), 평균두께<d> 및 이송속도(V)의 시간변화를 나타내는 그래프이다. 도 9(a)는 두께(d)의 시간변화를 나타내는 그래프이고, 도 9(b)는 평균두께<d>의 시간변화를 나타내는 그래프이며, 도 9(c)는 이송속도(V)의 시간변화를 나타내는 그래프이다. 도 9(a) 및 도 9(b) 중, 부호 do는 목표두께를 나타내고, 부호 dH는 허용되는 두께의 상한을 나타내고, 부호 dL은 허용되는 두께의 하한을 나타내며, 부호 dH1은 상측제어개시 두께를 나타내고, 부호 dL1은 하측제어개시 두께를 나타낸다. 도 9(c) 중 부호 Vo는 이송속도의 초기값을 나타낸다.
변형예 2에 관한 나노섬유 제조방법에 있어서는, 도 8 및 도 9에서도 알 수 있듯이, 평균두께<d>가 상측제어개시 두께(dH1)보다 높게 된 경우 또는 하측제어개시 두께(dL1)보다 낮게 된 경우에, 이송속도(V)를 제어하는(초기값으로부터 변화시킨다) 것으로 하고 있다. 이와 같은 제어를 실시하는 경우라도, 도 9(a) 및 도 9(b)에 나타내는 바와 같이, 실시예 1의 경우와 마찬가지로, 두께(d) 및 평균두께<d>를 목표두께(do)로 수렴시키는 것이 가능해진다. 또한, 변형예 2에 관한 나노섬유 제조방법에 의하면, 이송속도(V)를 변경하는 빈도를 적게하는 것이 가능해진다고 하는 효과도 얻을 수 있다.
[실시예 2]
도 10은, 실시예 2에 관한 나노섬유 제조장치(2)의 정면도이다. 도 11은, 실시예 2에 있어서의 두께 계측장치(40a)를 설명하기 위한 도면이다. 도 11(a)는 두께 계측장치(40a)와 이송속도 제어장치(50)와 이송장치(10)와의 관계를 나타내는 블록도이고, 도 11(b) 및 도 11(c)는 두께 계측부(42a)와 장척시트(W)와의 위치관계를 나타내는 도면이다. 도 12는 두께 계측부(42a)에 의해 촬영된 화상을 설명하기 위한 도면이다.
실시예 2에 관한 나노섬유 제조방법(2)은, 기본적으로는 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)와 마찬가지의 구성을 갖지만, 두께 계측장치의 구성이 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)의 경우와 다르다. 즉, 실시예 2에 관한 나노섬유 제조장치(2)에 있어서는, 두께 계측장치(40a)는, 도 10 및 도 11에 나타내는 바와 같이, 장척시트(W)를 둘레방향을 따라서 얇은 두께 계측용 롤러(43a)와, 두께 계측용 롤러(43a)에 의해 인도되고 있는 장척시트(W)의 가장 외주부를 장척시트(W)의 이송방향을 따라서 확대촬영하는 카메라로 이루어지는 두께 계측부(42a)와, 본체부(41a)를 구비한다. 두께 계측장치(40a)는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 장척시트(W)의 두께(d)를 계측하는 두께 계측부로서, 장척시트(W)의 폭방향에 있어서의 3개의 다른 위치(장척시트의 폭방향에 있어서의 중앙부, 좌단부, 우단부)에 배치된 3개의 두께 계측부(42a)를 구비한다. 두께 계측부(42a)로서는, 디지털 카메라와 고배율 광학현미경을 조합한 것을 이용할 수 있다.
본체부(41a)는, 두께 계측부(42a)에 의해 촬영된 화상을 화상처리함으로써 장척시트(W)의 두께(d)를 산출한다. 도 12는, 두께 계측부(42a)에 의해 장척시트(W)의 두께를 산출하는 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 12(a)는 장척시트(W)의 상단을 나타내는 선(S1)이 목표선(So)보다 상측에 표시되어 있는 경우의 화상이고, 도 12(b)는 장척시트(W)의 상단을 나타내는 선(S1)이 목표선(So)과 같은 높이위치에 표시되어 있는 경우의 화상이며, 도 12(c)는 장척시트(W)의 상단을 나타내는 선(S1)이 목표선(So)보다 하측에 표시되어 있는 경우의 화상이다. 도 12(a)~12(c)에 나타내는 바와 같이, 목표선(So)에 대한, 장척시트(W)의 상단을 나타내는 선(S1)의 높이위치를 계측함으로써, 장척시트(W)의 두께(d)를 산출할 수 있다.
이와 같이, 실시예 2에 관한 나노섬유 제조장치(2)는, 두께 계측장치의 구성이 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)의 경우와는 다르지만, 전계방사장치(20)에 의해 나노섬유를 퇴적시킨 장척시트(W)의 두께(d)를 계측하는 두께 계측장치(40a)와, 두께 계측장치(40a)에 의해 계측된 두께(d)를 기초로 하여 이송속도(V)를 제어하는 이송속도 제어장치(50)를 구비하기 때문에, 두께 계측장치에 의해 계측된 두께를 기초로 하여 이송속도를 제어하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)의 경우와 마찬가지로, 장시간의 전계방사과정에 있어서 방사조건이 변동하여 두께가 변동되었다고 하더라도, 그것에 따라서 이송속도를 적절하게 제어함으로써 두께의 변동량을 소정의 범위로 멈추는 것이 가능해지고, 그 결과, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 것이 가능해진다.
또한, 실시예 2에 관한 나노섬유 제조장치(2)에 의하면, 두께 계측장치(40a)가, 두께 계측부로서, 장척시트(W)의 폭방향에 있어서의 3개의 다른 위치에 배치된 3대의 두께 계측부(42a)를 구비하기 때문에, 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)의 경우와 마찬가지로, 장척시트의 폭방향의 광역에 걸쳐서 두께를 계측하는 것이 가능해지고, 보다 적절하게 이송속도의 제어를 하는 것이 가능해진다.
그리고, 실시예 2에 관한 나노섬유 제조장치(2)는, 두께 계측장치의 구성 이외는 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)의 경우와 마찬가지의 구성을 갖기 때문에, 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)가 갖는 효과 중 해당하는 효과를 갖는다.
[실시예 3]
도 13은, 실시예 3에 있어서의 두께 계측부(42b)의 동작을 나타내는 도면이다. 그리고, 도 13 중, 정현곡선 형상으로 나타내는 곡선은 두께 계측부(42b)가 장척시트(W) 위에서 두께를 계측한 부위를 매어두는 궤적이다.
실시예 3에 관한 나노섬유 제조장치(3)(도시하지 않음)는, 기본적으로는 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)와 마찬가지의 구성을 갖지만, 두께 계측장치의 구성이 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)의 경우와 다르다. 즉, 실시예 3에 관한 나노섬유 제조장치(3)에 있어서는 두께 계측장치(40b)(도시하지 않음)는, 도 13에 나타내는 바와 같이, 장척시트(W)의 두께(d)를 계측하는 두께 계측부(42b)와, 두께 계측부(42b)를 장척시트(W)의 폭방향을 따라서 소정 주기(T)로 왕복이동시키는 구동부(49)를 구비한다. 그리고, 두께 계측장치(40b)는, 두께 계측부(42b)를 장척시트(W)의 폭방향(b)을 따라서 왕복시키면서, 장척시트(W)의 두께(d)를 계측한다. 이송속도 제어장치(50)는, 두께 계측부(42b)에 의해 계측된 두께(d)를 소정의 주기(T) 또는 해당 주기(T)의 n배에 해당하는 시간(단, n은 자연수)으로 평균하여 얻어지는 평균두께<d>를 기초로 하여 이송속도(V)를 제어한다.
이와 같이, 실시예 3에 관한 나노섬유 제조장치(3)는, 두께 계측장치의 구성이 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)의 경우와 다르지만, 전계방사장치(20)에 의해 나노섬유를 퇴적시킨 장척시트(W)의 두께(d)를 계측하는 두께 계측장치(40)와, 두께 계측장치(40)에 의해 계측된 두께(d)를 기초로 하여 이송속도(V)를 제어하는 이송속도 제어장치(50)를 구비하기 때문에, 두께 계측장치에 의해 계측된 두께를 기초로 하여 이송속도를 제어하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)의 경우와 마찬가지로, 장시간의 전계방사과정에 있어서 방사조건이 변동하여 두께가 변동했다고 해도, 그것에 따라서 이송속도를 적절하게 제어함으로써 두께의 변동량을 소정의 범위에 멈추게 하는 것이 가능해지고, 그 결과, 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 것이 가능해진다.
또한, 실시예 3에 관한 나노섬유 제조장치(3)에 의하면, 두께 계측장치(40b)가, 두께 계측부(42b)를 장척시트(W)의 폭방향(b)을 따라서 왕복운동시키기 때문에, 장척시트의 폭방향의 광역에 걸쳐서 두께를 계측하는 것이 가능해지고, 보다 적절하게 이송속도의 제어를 하는 것이 가능해진다.
또한, 실시예 3에 관한 나노섬유 제조장치(3)에 의하면, 이송속도 제어장치(50)는, 두께 계측부(42)에 의해 계측된 두께(d)를 소정의 주기(T) 또는 해당 주기(T)의 n배에 해당하는 시간으로 평균하여 얻어지는 평균두께<d>를 기초로 하여 이송속도(V)를 제어하기 때문에, 장척시트의 폭방향에 있어서 두께의 분포가 어느 경우라도, 평균두께를 기초로 하여 이송속도를 제어함으로써, 보다 적절히 이송속도를 제어하는 것이 가능해진다.
그리고, 실시예 3에 관한 나노섬유 제조장치(3)는, 두께 계측장치의 구성 이외에는 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)의 경우와 마찬가지의 구성을 갖기 때문에, 실시예 1에 관한 나노섬유 제조장치(1)가 갖는 효과 중 해당하는 효과를 갖는다.
이상, 본 발명을 상기의 실시예를 기초로 하여 설명했지만, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 형태에 있어서 실시하는 것이 가능해지고, 예를 들면, 다음과 같은 변형도 가능하다.
(1) 상기 각 실시예에 있어서는, 전계방사장치로서 4대의 전계방사장치를 구비하는 나노섬유 제조장치를 예로써 본 발명의 나노섬유 제조장치를 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 1~3대 또는 5대 이상의 전계방사장치를 구비하는 나노섬유 제조장치에 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 전계방사장치를 대신하여 멜트블로우 방사장치 등을 이용한 나노섬유 제조장치에 본 발명을 적용할 수 있다. 그리고, 본 발명의 나노섬유 제조장치는, 멜트블로우 방사장치, 스판본드 방사장치, 니들펀치 방사장치 그 밖의 방사장치를 이용하여 장척시트상에 부직포를 제조하고, 추가로 나노섬유를 퇴적시킨 시트의 두께를 기초로 하여 이송속도를 제어하는 경우에도 적절하게 이용할 수 있다.
(2) 상기 각 실시예에 있어서는, 상향 노즐을 갖는 상향식 전계방사장치를 이용하여 본 발명의 나노섬유 제조장치를 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 하향 노즐을 갖는 하향식 전계방사장치나 측면 노즐을 갖는 측면식 전계방사장치를 구비하는 나노섬유 제조장치에 본 발명을 적용할 수 있다.
(3) 상기 각 실시예에 있어서는 전원장치(160)의 정극이 컬렉터(150)에 접속되고, 전원장치(160)의 부극이 노즐블록(110)에 접속된 전계방사장치를 이용하여 본 발명의 나노섬유 제조장치를 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 전원장치의 정극이 노즐에 접속되고, 전원장치의 부극이 컬렉터에 접속된 전계방사장치를 구비하는 나노섬유 제조장치에 본 발명을 적용할 수 있다.
(4) 상기 실시예 1 및 실시예 2에 있어서는, 두께 계측부를 3대 구비하는 나노섬유 제조장치를 예로써 본 발명의 나노섬유 제조장치를 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 1 대 혹은 2대 또는 4대 이상의 두께 계측부를 구비하는 나노섬유 제조장치에 본 발명을 적용할 수도 있다.
(5) 본 발명의 나노섬유 제조장치는, 균일한 두께를 갖는 장척시트에 균일한 두께를 갖는 나노섬유를 퇴적시키는 것에 의해 균일한 두께를 가지는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 경우는 물론, 어느 정도 균일하지 않은 두께를 갖는 장척시트에 그것에 따른 두께를 가지는 나노섬유를 퇴적시키는 것에 의해 전체로서 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 대량생산하는 경우에도 적절하게 이용할 수 있다.
(6) 상기 실시예에 있어서는, 하나의 전계방사장치에 하나의 노즐블록이 배설된 나노섬유 제조장치를 이용하여 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 도 14는, 전계방사장치(20a)의 요부 확대도이다. 예를 들면, 도 14에 나타내는 바와 같이, 하나의 전계방사장치(20a)에 2개의 노즐블록(110a1, 110a2)이 배설된 나노섬유 제조장치에 본 발명을 적용할 수도 있고, 2개 이상의 노즐블록이 배설된 나노섬유 제조장치에 본 발명을 적용할 수도 있다.
이 경우, 모든 노즐블록으로 노즐 배열피치를 동일하게 할 수 있고, 각 노즐블록으로 노즐 배열피치를 다르게 할 수도 있다. 또한, 모든 노즐블록으로 노즐블록의 높이위치를 동일하게 할 수도 있고, 각 노즐블록으로 노즐블록의 높이위치를 다르게 할 수도 있다.
(7) 본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서는, 장척시트의 폭방향을 따라서 노즐블록을 소정의 왕복운동주기로 왕복운동시키는 기구를 구비해도 좋다. 해당 기구를 이용하여 노즐블록을 소정의 왕복운동주기로 왕복운동시키면서 전계방사를 실시함으로써, 장척시트의 폭방향을 따른 폴리머 섬유의 퇴적량을 균일화할 수 있다. 이 경우, 노즐블록의 왕복운동주기나 왕복거리를, 전계방사장치마다 또는 노즐블록마다 독립적으로 제어 가능하도록 해도 좋다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 모든 노즐블록을 같은 주기로 왕복운동시키는 것도 가능하고, 각 노즐블록을 다른 주기로 왕복운동시키는 것도 가능하다. 또한, 모든 노즐블록으로 왕복운동의 왕복거리를 동일하게 할 수도 있고, 각 노즐블록으로 왕복운동의 왕복거리를 다르게 하는 것도 가능하다.

Claims (13)

  1. 장척시트를 소정의 이송속도로 이송하는 이송장치와,
    상기 이송장치에 의해 이송되어 가는 상기 장척시트에 나노섬유를 퇴적시키는 방사장치와,
    상기 방사장치에 의해 상기 나노섬유를 퇴적시킨 상기 장척시트의 두께를 계측하는 두께 계측장치와,
    상기 두께 계측장치에 의해 계측된 두께를 기초로 하여 상기 이송속도를 제어하는 이송속도 제어장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이송속도 제어장치는, 상기 두께 계측장치에 의해 계측된 두께와, 소정의 목표두께와의 편차량을 기초로 하여 상기 이송속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 이송속도 제어장치는, 상기 편차량의 시간변화율을 고려하여 상기 이송속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  4. 제 1 내지 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 두께 계측장치는, 상기 장척시트를 사이에 두고 마주하도록 배치되고, 삼각측거방식에 의해 상기 장척시트까지의 거리를 계측하는 한 쌍의 레이저 측거장치로 이루어지는 두께 계측부를 구비하고, 상기 한 쌍의 레이저 측거장치에 의해 계측된 거리를 기초로 하여 상기 장척시트의 두께를 산출하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  5. 제 1 내지 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 두께 계측장치는, 상기 장척시트를 둘레 방향을 따라서 인도하는 두께 계측용 롤러와, 상기 두께 계측용 롤러에 의해 인도되어 가는 상기 장척시트의 가장 외주부를 상기 장척시트의 이송방향을 따라서 확대촬영하는 카메라로 이루어지는 두께 계측부를 구비하고, 상기 카메라에 의해 촬영된 화상을 화상처리함으로써 상기 장척시트의 두께를 산출하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  6. 제 1 내지 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 두께 계측장치는, 상기 장척시트의 두께를 계측하는 두께 계측부로서, 상기 장척시트의 폭방향에 있어서의 다른 복수의 위치에 배치된 복수의 두께 계측부를 구비하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 이송속도 제어장치는, 상기 복수의 두께 계측부에 의해 계측된 두께를 평균하여 얻어지는 평균두께를 기초로 하여 상기 이송속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  8. 제 1 내지 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 두께 계측장치는, 상기 장척시트의 두께를 계측하는 두께 계측부와, 상기 두께 계측부를 상기 장척시트의 폭방향을 따라서 소정 주기로 왕복이동시키는 구동부를 구비하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 이송속도 제어장치는, 상기 두께 계측부에 의해서 계측된 두께를 상기 소정 주기 또는 해당 주기의 n배에 해당하는 시간(단, n은 자연수)으로 평균하여 얻어지는 평균의 두께를 기초로 하여 상기 이송속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  10. 제 1 내지 9 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 방사장치와 상기 두께 계측장치와의 사이에 배치되고, 상기 나노섬유를 퇴적시킨 상기 장척시트를 가열하는 가열장치를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  11. 제 1 내지 10 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 방사장치로서, 상기 장척시트가 이송되어 가는 소정의 이송방향을 따라서 직렬로 배치된 복수의 방사장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  12. 제 1 내지 11 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 방사장치는, 전계방사장치인 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
  13. 소정의 이송속도로 이송되어 가는 장척시트에 나노섬유를 퇴적시키면서, 상기 나노섬유를 퇴적시킨 상기 장척시트의 두께를 계측하고, 계측된 상기 장척시트의 두께를 기초로 하여 장척시트의 이송속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조방법.
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