WO2021201482A1 - 전기방사 정렬 장치 - Google Patents

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황원태
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Definitions

  • the following description relates to an electrospinning alignment device.
  • an electrospinning method is generally applied as a method for continuously manufacturing nanofibers.
  • Nanofibers manufactured by the electrospinning method are affected by material properties such as viscosity, elasticity, conductivity, dielectric properties, polarity and surface tension of the spinning solution, the strength of the electric field, and the distance between the nozzle and the integrated electrode.
  • nanofiber membranes in which nanofibers are arranged in a grid shape can be manufactured by moving and rotating the lower substrate. These nanofiber membranes can be applied to bio applications or fine dust filters.
  • an electrospinning alignment device capable of mass-producing nanofiber membranes by simultaneously spinning nanofibers uniaxially aligned and spun on a transported body and randomly spun nanofibers.
  • the plurality of first electrospinning units and the plurality of second electrospinning units are disposed between the position and the stage portion is continuously passed through the transfer member between the plurality of first electrospinning units and the plurality of second It provides an electrospinning alignment device comprising a carrier transfer unit for coating the nanofibers radiated from the electrospinning unit on the carrier.
  • the plurality of first electrospinning units are disposed to be spaced apart from each other along a second horizontal direction perpendicular to the first horizontal direction, and each of the plurality of first electrospinning units spins nanofibers from a spinning solution.
  • a first spinning nozzle and transforming the electric field formed between the first spinning nozzle and the stage part so that the nanofibers emitted from the first spinning nozzle are aligned in the first horizontal direction, so that the nanofibers emitted from the first spinning nozzle are applied to the first
  • It may be characterized in that it comprises a guide portion for generating a force acting in the horizontal direction.
  • the guide part includes a first guide body and a second guide body spaced apart from each other in a second horizontal direction perpendicular to the first horizontal direction, and the first radiation nozzle includes the first It may be characterized in that it is disposed below the space between the guide body and the second guide body.
  • At least one of the first guide body and the second guide body included in one first electrospinning unit of the plurality of first electrospinning units is another of the plurality of first electrospinning units. It may be characterized in that it is shared with one of the first electrospinning units.
  • first guide body and the second guide body may be each independently formed of a material having a relative permittivity of 50 or less.
  • the plurality of second electrospinning units are disposed to be spaced apart from each other in a second horizontal direction perpendicular to the first horizontal direction, and each of the plurality of second electrospinning units is a nanofiber from a spinning solution. It may be characterized in that it comprises a second spinning nozzle for radiating.
  • the plurality of first electrospinning units are arranged to form m (wherein m is a natural number) number of first rows each including n (where n is a natural number) number of first radiation nozzles, and the plurality of The second electrospinning unit is disposed to form i (where i is a natural number) second rows each including j (where j is a natural number) second radiation nozzles, the m first rows and the i second rows may be characterized in that they are arranged to cross each other.
  • the n and the j may be determined based on a width of the transport member in a second horizontal direction perpendicular to the first horizontal direction.
  • it may be characterized in that by adjusting the transport speed of the m, the i, and the transporter to control the production of nanofibers per hour.
  • the thickness of the nanofibers spun from the plurality of first electrospinning units is relatively larger than the thickness of the nanofibers spun from the plurality of second electrospinning units.
  • the nanofibers coated on the carrier by controlling the difference between the thickness of the nanofibers spun from the plurality of first electrospinning units and the thicknesses of the nanofibers spun from the plurality of second electrospinning units. It may be characterized in that the size of the space between the liver is adjusted.
  • the first vertical direction in which the nanofiber is spun may be characterized in that it includes an upper direction perpendicular to the first horizontal direction.
  • the conveying body conveying unit may be characterized in that it conveys the conveying material unwinding from a roll in a roll-to-roll manner.
  • the carrier may be characterized in that it comprises a non-woven fabric.
  • the nanofibers radiated by the plurality of first electrospinning units and the nanofibers radiated by the plurality of second electrospinning units may be characterized in that they include a polyacrylonitrile material. .
  • the nanofibers spun by the plurality of first electrospinning units and the nanofibers spun by the plurality of second electrospinning units are polyacrylonitrile, PVDF-HFP (Polyvinylidene fluoride - hexafluoropropylene) , polymethyl methacrylate (PMMA, Polymethylmethacrylate), polyurethane (Polyurethane), polysulfone-based polymers (polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfone), polyvinyl acetate (PVAc, Poly(vinyl acetate)), polyacrylic acid (PAA) , Polyacrylic acid), polyvinyl alcohol (PVA, Polyvinyl alcohol), polyvinylidene fluoride (PVDF, Poly(vinylidene fluoride)), polyimide (PI, Polyimide), polystyrene (PS, polystyrene), polycaprolactam (PCL) , poly(
  • the diameter of the nanofibers radiated by the plurality of first electrospinning units is included in the range of 300 nm to 2,000 nm, and the diameter of the nanofibers radiated by the plurality of second electrospinning units is 10 nm to It may be characterized in that it is included in the range of 300 nm.
  • Nanofiber membranes can be mass-produced by simultaneously spinning nanofibers that are uniaxially aligned and spun on a transported body and randomly spun nanofibers.
  • 1 to 5 are views for explaining the concept of the electrospinning method of the electrospinning alignment device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 6 and 7 are views showing an example of an electrospinning alignment device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 and 9 are scanning electron microscope (SEM, Scanning Electron Microscope) pictures of nanofibers manufactured by the electrospinning alignment device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a photograph showing a nanofiber membrane manufactured by an electrospinning alignment device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a washing stability test photograph of a filter including a nanofiber membrane manufactured by an electrospinning alignment device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a photograph showing an example of performing a repeated bending test of a filter including a nanofiber membrane manufactured by an electrospinning alignment device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 and 14 are graphs showing the results of the repeated bending test of a filter including a nanofiber membrane according to an embodiment of the present invention.
  • 1 to 5 are views for explaining the concept of the electrospinning method of the electrospinning alignment device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 schematically shows a plurality of spinning nozzles 1 to 16 for spinning nanofibers from a spinning solution.
  • Arrows corresponding to each of the plurality of spinning nozzles 1 to 16 indicate directions in which each of the plurality of spinning nozzles 1 to 16 spins the nanofiber.
  • 1 shows an example in which a plurality of spinning nozzles (1 to 16) are spinning nanofibers upward in 4 columns and 4 rows, but the number of spinning nozzles, the number of columns, the number of rows, the number of nanofibers The direction and the like may be variously adjusted as will be described later.
  • FIG. 2 shows an example in which guide portions are formed in each of the spinneret nozzles 1 to 4 in the first row and the spinneret nozzles 9 to 12 in the third row.
  • the first guide body 210 and the second guide body 220 may be formed to be spaced apart from each other on the upper portions of the radiation nozzles 1 in the first row and the first column.
  • the first guide body 210 and the second guide body 220 radiate from the radiation nozzles 1 of the first row and the first column along the direction in which the radiation nozzles 1 to 4 of the first row are spaced apart.
  • the nanofibers may be disposed to pass between the first guide body 210 and the second guide body 220 .
  • the first guide body 210 and the second guide body 220 may be formed of a material having a relative permittivity of 50 or less independently of each other.
  • the guide portion formed in each of the spinneret nozzles 1 to 4 in the first row and the spinneret nozzles 9 to 12 in the third row deforms an electric field formed between the spinneret nozzles and a stage to be described later. By doing so, a force in a certain direction may be applied to the nanofibers spun from each of the spinning nozzles 1 to 4 in the first row and the spinning nozzles 9 to 12 in the third row.
  • the first guide body 210 and the second guide body 220 are arranged in a horizontal and vertical direction (hereinafter, ' A force may be applied in the first horizontal direction').
  • the guide bodies included in the guide unit may be shared between adjacent spinning nozzles.
  • 3 shows an example in which guide bodies are shared between neighboring spinneret nozzles. More specifically, the first guide body 210 for the radiation nozzles 1 in the first row and the first column and the second guide body 220 among the second guide bodies 220 are provided for the radiation of the first row and the second column. It may be shared with the nozzle 2 .
  • the nanofibers radiated from the spinning nozzles 1 to 4 in the first row and the spinning nozzles 9 to 12 in the third row are aligned in the first horizontal direction by the guide part.
  • the nanofibers spun from the spinning nozzles 5 to 8 in the second row and the spinning nozzles 13 to 16 in the fourth row may be randomly spun.
  • FIG. 4 shows a case in which the transport body 410 is transported in the first horizontal direction on the plurality of spinning nozzles 1 to 16 described with reference to FIG. 2 .
  • the nanofibers radiated from the spinning nozzles 1 to 4 in the first row and the spinning nozzles 9 to 12 in the third row may be coated on the carrier 410 in the first horizontal direction
  • the nanofibers spun from the spinning nozzles 5 to 8 in the second row and the spinning nozzles 13 to 16 in the fourth row may be randomly coated on the carrier 410 .
  • the stage unit 510 may be formed above the plurality of spinning nozzles 1 to 16 as shown in FIG. 5 .
  • a first voltage may be applied to each of the plurality of radiation nozzles 1 to 16
  • a second voltage different from the first voltage may be applied to the stage unit 510 .
  • electrospinning may be performed on the spinning solution injected into the plurality of spinning nozzles 1 to 16, and the plurality of spinning nozzles 1 to 16 and the stage unit ( 510), an electric field may be formed between them.
  • the guide unit can apply a force in the first horizontal direction to the nanofiber by transforming the electric field.
  • the electrospinning alignment apparatus 600 may include a conveying body conveying unit for conveying the conveying body 410 as shown in the first dotted line box 610, and in the second dotted line box 620. As shown, it may include an electrospinning unit for manufacturing a nanofiber membrane by spinning the nanofibers to the transporter 410 being transported and coating the nanofibers on the lower end of the transporter 410 .
  • the electrospinning unit includes a plurality of radiation nozzles 1 to 16 and a plurality of radiation, as described above with reference to FIGS.
  • the conveying body conveying unit conveys the conveying body 410 unwinding from the roll in a roll-to-roll manner, and in this case, the conveying body 410 is a plurality of spinning nozzles ( 1 to 16) and the stage unit 510 may be implemented to pass therebetween.
  • a first voltage is applied, a plurality of first electrospinning units aligning and spinning nanofibers in a first horizontal direction, a first voltage is applied, and nanofibers are applied.
  • a plurality of second electrospinning units randomly radiating the nanofibers from the plurality of first electrospinning units and a plurality of second electrospinning units are spaced apart in a first vertical direction, a second voltage different from the first voltage
  • a plurality of first electrospinning units and a plurality of second electrospinning units and a plurality of second electrospinning units and a plurality of first electrospinning units and a plurality of second by continuously passing the transfer body between the position where the stage unit is disposed and the stage where the stage unit is applied and the plurality of first electrospinning units and the plurality of second electrospinning units are applied
  • It may include a carrier transfer unit for coating the nanofibers spun from the electrospinning unit on the carrier.
  • the plurality of first electrospinning units may be disposed to be spaced apart from each other along a second horizontal direction perpendicular to the first horizontal direction, and each of the plurality of first electrospinning units is a first for spinning nanofibers from a spinning solution.
  • the electric field formed between the first spinning nozzle and the stage is modified so that the spinning nozzle and the nanofibers radiated from the first spinning nozzle are aligned in the first horizontal direction, and acting on the nanofibers radiated from the first spinning nozzle in the first horizontal direction
  • It may include a guide unit for generating a force.
  • the plurality of first electrospinning units may correspond to, for example, the spinning nozzles 1 to 4 in the first row and the spinning nozzles 9 to 12 in the third row to which the guide part is applied.
  • the guide unit may include a first guide body and a second guide body spaced apart from each other in a second horizontal direction perpendicular to the first horizontal direction, and the first spinning nozzle includes the first guide body and the second guide body. It may be disposed below the space between the two guide bodies.
  • the radiation nozzles 1 of the first row and the first column are disposed below the space between the first guide body 210 and the second guide body 220 has been described above.
  • At least one of the first guide body and the second guide body included in the first electrospinning unit of the plurality of first electrospinning units is the first electrospinning unit of the other one of the plurality of first electrospinning units.
  • first guide body and the second guide body may be formed of a material having a relative permittivity of 50 or less independently of each other.
  • the plurality of second electrospinning units may be disposed to be spaced apart from each other along a second horizontal direction perpendicular to the first horizontal direction, and each of the plurality of second electrospinning units is a second spinning unit for spinning nanofibers from a spinning solution. It may include a nozzle.
  • the plurality of second electrospinning units may correspond to, for example, the spinning nozzles 5 to 8 of the second row and the spinning nozzles 13 to 16 of the fourth row to which the guide part is not applied.
  • the plurality of first and second electrospinning units are more generalized, m (wherein m is a natural number) number of first rows each including n (wherein n is a natural number) number of first radiating nozzles is formed in the plurality of first electrospinning units. and a plurality of second electrospinning units may be disposed to form i (where i is a natural number) second rows each including j (where j is a natural number) number of second radiation nozzles, the m
  • the number of first columns and the number of i second columns may be arranged to cross each other.
  • n and j may be determined based on the width in the second horizontal direction perpendicular to the first horizontal direction of the transport body.
  • the number of spinning nozzles included in one row may be determined based on the width of the transport body.
  • m, i, and the carrier by adjusting the transport speed of m, i, and the carrier, it is possible to control the production of nanofibers per hour.
  • increasing m and i may mean that the area in which nanofibers can be spun at one time is widened. Therefore, if the transport speed of the transporter is increased, the area in which the nanofibers are coated on the transporter at the same time can be increased, and thus the hourly production of nanoislands can be increased.
  • the nanofibers may be spun so that the thickness of the nanofibers spun from the plurality of first electrospinning units is relatively larger than the thickness of the nanofibers spun from the plurality of second electrospinning units.
  • the size of the space between the nanofibers coated on the carrier by controlling the difference between the thickness of the nanofibers radiated from the plurality of first electrospinning units and the thicknesses of the nanofibers radiated from the plurality of second electrospinning units. can be adjusted
  • FIG. 8 and 9 are scanning electron microscope (SEM, Scanning Electron Microscope) pictures of nanofibers manufactured by the electrospinning alignment device according to an embodiment of the present invention. Both the photograph of FIG. 8 and the photograph of FIG. 9 show nanofibers of relatively thick thickness (eg, 100 nm to 340 nm) and nanofibers of relatively thin thickness (eg, 60 nm to 100 nm).
  • SEM Scanning Electron Microscope
  • the first vertical direction in which the nanofibers are spun may include an upward direction perpendicular to the first horizontal direction, but according to an embodiment, the direction in which the nanofibers are spun may be configured as a downward direction.
  • the conveying body conveying unit may convey the conveying body unwinding from the roll in a roll-to-roll manner, and the conveying body may include a nonwoven fabric.
  • the nanofibers radiated by the plurality of first electrospinning units and the nanofibers radiated by the plurality of second electrospinning units may include a polyacrylonitrile material.
  • the nanofibers spun by the plurality of first electrospinning units may include a polyacrylonitrile material
  • the nanofibers spun by the plurality of second electrospinning units are PVDF-HFP ( Polyvinylidene fluoride - hexafluoropropylene) material may be included.
  • spun nanofibers are polymethyl methacrylate (PMMA, Polymethylmethacrylate), polyurethane (Polyurethane), polysulfone-based polymers (polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfone), polyvinyl acetate (PVAc, Poly(vinyl) acetate)), polyacrylic acid (PAA, Polyacrylic acid), polyvinyl alcohol (PVA, Polyvinyl alcohol), polyvinylidene fluoride (PVDF, Poly(vinylidene fluoride)), polyimide (PI, Polyimide), polystyrene (PS) , polystyrene), polycaprolactam (PCL, poly(caprolactone)), polylactic acid (PLA, poly(L-lactic acid)), polylacticcoglycolic acid (PLGA, Poly(lactic-coglycolic acid)), chitosan (chitosan) material may include any one or a mixture of two or
  • the thickness of the nanofibers spun by the first electrospinning unit is thicker than the thickness of the nanofibers spun by the second electrospinning unit, there is no restriction on a specific polymer.
  • the diameter of the nanofibers emitted by the first electrospinning unit may be included in the range of 300 nm to 2,000 nm, and the diameter of the nanofibers emitted by the second electrospinning unit may be included in the range of 10 nm to 300 nm.
  • FIG. 10 is a photograph showing a nanofiber membrane manufactured by an electrospinning alignment device according to an embodiment of the present invention.
  • the photograph of FIG. 10 shows one layer of nanofibers separated from the carrier. Since it contains uniaxially aligned nanofibers with a thick diameter, it is durable enough to handle by hand despite its thin thickness of 10 ⁇ m or less.
  • 11 is a washing stability test photograph of a filter including a nanofiber membrane manufactured by an electrospinning alignment device according to an embodiment of the present invention.
  • 11 is a photograph of a washing stability test of a filter laminated with a non-woven fabric-nano fiber-non-woven fabric.
  • a filter using a nano-fiber membrane is washable because it uses a physical blocking method rather than an electrostatic method, and the filter is stable even after washing. effect can be maintained.
  • the nanofiber filter is attached between the nonwoven filters even after washing.
  • FIG. 12 is a photograph showing an example of performing a repeated bending test of a filter including a nanofiber membrane manufactured by an electrospinning alignment device according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 13 and 14 are an embodiment of the present invention In an example, it is a graph showing the progress result of the repeated bending test of a filter including a nanofiber membrane.
  • the PAN-PAN nanofibers may indicate that the plurality of first electrospun parts and the plurality of second electrospun parts were prepared using a polyacrylonitrile material to produce nanofibers
  • FIG. 13 the PAN-PAN nanofibers may indicate that the plurality of first electrospun parts and the plurality of second electrospun parts were prepared using a polyacrylonitrile material to produce nanofibers
  • a plurality of first electrospinning units are manufactured using a polyacrylonitrile material, and a plurality of second electrospinning units are PVDF-HFP (Polyvinylidene fluoride - hexafluoropropylene) material.
  • times may mean the number of bending tests
  • particle size may indicate the size of particles used in the filter performance test.
  • the graphs of FIGS. 13 and 14 show that the performance is reduced by mechanical stress when the bending test is performed up to 4000 times, but it can still satisfy the performance of the KF80 level (average 0.6 ⁇ m particle standard, filtration efficiency 80% or more) is indicating
  • nanofiber membranes can be mass-produced by simultaneously spinning nanofibers uniaxially aligned and spun on a transported body and randomly spun nanofibers.
  • the system or apparatus described above may be implemented as a hardware component or a combination of a hardware component and a software component.
  • devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable gate array (FPGA). , a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions, may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers.
  • the processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system.
  • the processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software.
  • OS operating system
  • the processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software.
  • the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that can include For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.
  • the software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more thereof, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device.
  • the software and/or data may be any kind of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device, to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. may be embodied in The software may be distributed over networked computer systems, and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.
  • the method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium.
  • the computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • the medium may be to continuously store a computer executable program, or to temporarily store it for execution or download.
  • the medium may be various recording means or storage means in the form of a single or several hardware combined, it is not limited to a medium directly connected to any computer system, and may exist distributed on a network.
  • Examples of the medium include a hard disk, a magnetic medium such as a floppy disk and a magnetic tape, an optical recording medium such as CD-ROM and DVD, a magneto-optical medium such as a floppy disk, and those configured to store program instructions, including ROM, RAM, flash memory, and the like.
  • examples of other media may include recording media or storage media managed by an app store distributing applications, sites supplying or distributing other various software, and servers.
  • Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

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Abstract

이송되는 이송체상에 일축으로 정렬되어 방사되는 나노섬유와 랜덤하게 방사되는 나노섬유를 동시에 방사하여 나노섬유 멤브레인을 대량생산할 수 있는 전기방사 정렬 장치를 제공한다.

Description

전기방사 정렬 장치
이하의 설명은 전기방사 정렬 장치에 관한 것이다.
나노섬유를 제조하는 방법에는 드로윙(drawing), 주형 합성(template synthesis), 상전이(phase separation), 자기조립(self assembly), 전기방사(electrospinning) 등이 알려져 있다. 이들 방법 중 나노섬유를 연속적으로 제조할 수 있는 방법으로는 전기방사 방식이 일반적으로 적용되고 있다.
전기방사 방법은 방사 용액을 방사하는 노즐과 기판이 배치되는 스테이지 사이에 고전압을 인가하여 방사 용액의 표면장력보다 큰 전기장을 형성하여, 방사용액이 나노섬유 형태로 방사되도록 한다. 전기방사 방법으로 제조되는 나노섬유는 방사 용액의 점도, 탄성, 전도성, 유전성, 극성 및 표면장력 등의 소재 물성과 전기장의 세기, 노즐과 집적 전극 사이의 거리 등에 영향을 받는다.
이때, 전기방사 과정에서 절연 블록을 이용하여 전기장을 변형함으로써, 나노섬유를 일방향으로 배열하기 위한 종래기술이 존재한다. 이러한 종래기술에서는 하부 기판을 이동 및 회전시키는 방식으로 나노섬유들이 그리드 형상으로 정렬된 나노섬유 멤브레인을 제조할 수 있다. 이러한 나노섬유 멤브레인은 바이오 응용 혹은 미세먼지 필터로 응용될 수 있다.
그러나, 이러한 종래기술에서는 하나의 노즐을 사용하여 전기방사용액을 방사하면서 하부 기판을 이동 및/또는 회전시키는 방식을 사용하고 있기 때문에 나노섬유 멤브레인의 대량생산에 제약이 있다.
이송되는 이송체상에 일축으로 정렬되어 방사되는 나노섬유와 랜덤하게 방사되는 나노섬유를 동시에 방사하여 나노섬유 멤브레인을 대량생산할 수 있는 전기방사 정렬 장치를 제공한다.
제1 전압이 인가되고, 나노섬유를 제1 수평방향으로 정렬하여 방사하는 복수의 제1 전기방사부; 제1 전압이 인가되고, 나노섬유를 랜덤하게 방사하는 복수의 제2 전기방사부; 상기 복수의 제1 전기방사부 및 상기 복수의 제2 전기방사부에서 나노섬유가 방사되는 제1 수직방향으로 이격되고, 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되는 스테이지부; 및 상기 복수의 제1 전기방사부 및 상기 복수의 제2 전기방사부가 배치된 위치와 상기 스테이지부가 배치된 위치 사이로 지속적으로 이송체를 통과시켜 상기 복수의 제1 전기방사부 및 상기 복수의 제2 전기방사부로부터 방사되는 나노섬유를 상기 이송체에 코팅시키는 이송체 이송부를 포함하는 전기방사 정렬 장치를 제공한다.
일측에 따르면, 상기 복수의 제1 전기방사부는 상기 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치되고, 상기 복수의 제1 전기방사부 각각은, 방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 제1 방사노즐; 및 상기 제1 방사노즐에서 방사되는 나노섬유가 상기 제1 수평방향으로 정렬되도록 상기 제1 방사노즐과 상기 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 제1 방사노즐에서 방사되는 나노섬유에 상기 제1 수평방향으로 작용하는 힘을 생성하는 가이드부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 가이드부는, 상기 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치된 제1 가이드체 및 제2 가이드체를 포함하고, 상기 제1 방사노즐은 상기 제1 가이드체와 상기 제2 가이드체 사이의 공간 하부에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 복수의 제1 전기방사부 중 하나의 제1 전기방사부에 포함된 상기 제1 가이드체 및 상기 제2 가이드체 중 적어도 하나는 상기 복수의 제1 전기방사부 중 다른 하나의 제1 전기방사부에 공유되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 가이드체 및 상기 제2 가이드체는 서로 독립적으로 상대 유전율 50 이하인 물질로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 복수의 제2 전기방사부는 상기 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치되고, 상기 복수의 제2 전기방사부 각각은 방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 제2 방사노즐을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 복수의 제1 전기방사부는 각각 n(상기 n은 자연수) 개의 제1 방사노즐을 포함하는 m(상기 m은 자연수) 개의 제1 열을 형성하여 배치되고, 상기 복수의 제2 전기방사부는 각각 j(상기 j는 자연수) 개의 제2 방사노즐을 포함하는 i(상기 i는 자연수) 개의 제2 열을 형성하여 배치되며, 상기 m 개의 제1 열과 상기 i 개의 제2 열은 서로 교차로 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 n 및 상기 j는 상기 이송체의 상기 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향으로의 폭에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 m, 상기 i 및 상기 이송체의 이송 속도를 조절하여 나노섬유의 시간당 생산량을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 복수의 제1 전기방사부에서 방사되는 나노섬유의 굵기가 상기 복수의 제2 전기방사부에서 방사되는 나노섬유의 굵기보다 상대적으로 더 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 복수의 제1 전기방사부에서 방사되는 나노섬유의 굵기와 상기 복수의 제2 전기방사부에서 방사되는 나노섬유의 굵기간의 차이를 조절하여 상기 이송체에 코팅되는 나노섬유간의 스페이스의 크기를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 나노섬유가 방사되는 제1 수직방향은 상기 제1 수평방향에 수직한 상측 방향을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 이송체 이송부는, 롤에서 언와인딩(unwinding)되는 상기 이송체를 롤투롤 방식으로 이송시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 이송체는 부직포를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 복수의 제1 전기방사부가 방사하는 나노섬유 및 상기 복수의 제2 전기방사부가 방사하는 나노섬유는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 소재를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 복수의 제1 전기방사부가 방사하는 나노섬유 및 상기 복수의 제2 전기방사부가 방사하는 나노섬유는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile), PVDF-HFP(Polyvinylidene fluoride - hexafluoropropylene), 폴리메틸메타클릴레이트(PMMA, Polymethylmethacrylate), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리술폰계 고분자 (polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfone), 폴리비닐아세테이트 (PVAc, Poly(vinyl acetate)), 폴리아크릴릭에시드 (PAA, Polyacrylic acid), 폴리비닐알코올(PVA, Polyvinyl alcohol), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF, Poly(vinylidene fluoride)), 폴리이미드(PI, Polyimide), 폴리스티렌(PS, polystyrene), 폴리카프로락탐(PCL, poly(caprolactone)), 폴리락틱에시드(PLA, poly(L-lactic acid)), 폴리락틱코글라이콜릭에시드(PLGA, Poly(lactic-coglycolic acid)), 키토산 (chitosan) 소재 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 소재로서 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 제 1 전기방사부가 방사하는 나노섬유의 굵기가 제 2 전기방사부가 방사하는 나노섬유의 굵기 보다 굵으면 특정 고분자에 제약을 두지 않을 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 복수의 제1 전기방사부가 방사하는 나노섬유의 직경은 300 nm 내지 2,000 nm의 범위에 포함되고, 상기 복수의 제2 전기방사부가 방사하는 나노섬유의 직경은 10 nm 내지 300 nm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이송되는 이송체상에 일축으로 정렬되어 방사되는 나노섬유와 랜덤하게 방사되는 나노섬유를 동시에 방사하여 나노섬유 멤브레인을 대량생산할 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 정렬 장치의 전기방사 방식의 개념을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전기방사 정렬 장치의 예를 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전기방사 정렬 장치에 의해 제조된 나노섬유의 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope) 사진들이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 전기방사 정렬 장치에 의해 제조된 나노섬유 멤브레인을 도시한 사진이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 전기방사 정렬 장치에 의해 제조된 나노섬유 멤브레인을 포함하는 필터의 세탁 안정성 테스트 사진들이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 전기방사 정렬 장치에 의해 제조된 나노섬유 멤브레인을 포함하는 필터의 반복 굽힘 테스트를 진행하는 예를 나타난 사진들이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일실시예에 있어서, 나노섬유 멤브레인을 포함하는 필터의 반복 굽힘 테스트의 진행 결과를 도시한 그래프들이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들이 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제 1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 정렬 장치의 전기방사 방식의 개념을 설명하기 위한 도면들이다.
우선, 도 1은 방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 복수의 방사노즐들(1 내지 16)을 개략적으로 나타내고 있다. 복수의 방사노즐들(1 내지 16) 각각에 대응하는 화살표들은 복수의 방사노즐들(1 내지 16) 각각이 나노섬유를 방사하는 방향을 나타내고 있다. 도 1에서는 복수의 방사노즐들(1 내지 16)이 4열 4행을 이루어 상측으로 나노섬유를 방사하고 있는 예시를 나타내고 있으나, 방사노즐의 개수나 열의 개수, 행의 개수, 나노섬유를 방사하는 방향 등은 이후 설명하는 바와 같이 다양하게 조절될 수 있다.
도 2는 제1 행의 방사노즐들(1 내지 4)과 제3 행의 방사노즐들(9 내지 12) 각각에 가이드부가 형성되는 예를 나타내고 있다. 예를 들어, 제1 행 및 제1 열의 방사노즐(1)의 상부에는 제1 가이드체(210)와 제2 가이드체(220)가 서로 이격하여 형성될 수 있다. 이때, 제1 가이드체(210)와 제2 가이드체(220)는 제1 행의 방사노즐들(1 내지 4)이 이격된 방향을 따라 제1 행 및 제1 열의 방사노즐(1)에서 방사되는 나노섬유가 제1 가이드체(210)와 제2 가이드체(220)의 사이로 지나가도록 배치될 수 있다. 이러한 제1 가이드체(210)와 제2 가이드체(220)는 서로 독립적으로 상대 유전율 50 이하인 물질로 형성될 수 있다. 다시 말해, 제1 행의 방사노즐들(1 내지 4)과 제3 행의 방사노즐들(9 내지 12) 각각에 형성된 가이드부는, 방사노즐들과 이후 설명될 스테이지부 사이에 형성되는 전기장을 변형함으로써, 제1 행의 방사노즐들(1 내지 4)과 제3 행의 방사노즐들(9 내지 12) 각각에서 방사되는 나노섬유에 일정한 방향으로의 힘을 작용할 수 있다. 예를 들어, 제1 행 및 제1 열의 방사노즐(1)에서 방사되는 나노섬유에는 제1 가이드체(210)와 제2 가이드체(220)가 나열된 방향에 수평으로 수직한 방향(이하, '제1 수평방향')으로 힘이 작용될 수 있다.
실시예에 따라 가이드부가 포함하는 가이드체들은 서로 이웃한 방사노즐들간에 공유될 수도 있다. 도 3은 서로 이웃한 방사노즐들간에 가이드체들을 공유하는 예를 나타내고 있다. 보다 구체적으로, 제1 행 및 제1 열의 방사노즐(1)을 위한 제1 가이드체(210)와 제2 가이드체(220) 중 제2 가이드체(220)는 제1행 및 제2 열의 방사노즐(2)과 공유될 수 있다.
이때, 도 2 및 도 3에서 제1 행의 방사노즐들(1 내지 4)과 제3 행의 방사노즐들(9 내지 12)로부터 방사되는 나노섬유들은 가이드부에 의해 제1 수평방향으로 정렬될 수 있고, 제2 행의 방사노즐들(5 내지 8)과 제4 행의 방사노즐들(13 내지 16)로부터 방사되는 나노섬유들은 랜덤하게 방사될 수 있다.
도 4는 도 2를 통해 설명한 복수의 방사노즐들(1 내지 16) 위에서 이송체(410)가 제1 수평방향으로 이송되는 경우를 나타내고 있다. 이때, 제1 행의 방사노즐들(1 내지 4)과 제3 행의 방사노즐들(9 내지 12)로부터 방사되는 나노섬유들은 제1 수평방향으로 이송체(410)에 코팅될 수 있으며, 제2 행의 방사노즐들(5 내지 8)과 제4 행의 방사노즐들(13 내지 16)로부터 방사되는 나노섬유들은 랜덤하게 이송체(410)에 코팅될 수 있다.
한편, 전기방사를 처리하기 위해, 도 1 내지 도 4에서는 생략되었으나, 도 5와 같이 복수의 방사노즐들(1 내지 16) 위쪽으로 스테이지부(510)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 방사노즐들(1 내지 16) 각각에는 제1 전압이 인가될 수 있으며, 스테이지부(510)에는 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가될 수 있다. 이러한 제1 전압과 제2 전압의 인가에 따라 복수의 방사노즐들(1 내지 16)로 주입되는 방사용액에 대한 전기방사가 이루어질 수 있으며, 복수의 방사노즐들(1 내지 16)과 스테이지부(510) 사이에 전기장이 형성될 수 있다. 이때, 가이드부는 이러한 전기장을 변형시켜 나노섬유에 제1 수평방향의 힘을 작용할 수 있게 된다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전기방사 정렬 장치의 예를 도시한 도면이다. 본 실시예에 따른 전기방사 정렬 장치(600)는 제1 점선박스(610)에 나타난 바와 같이 이송체(410)를 이송시키기 위한 이송체 이송부를 포함할 수 있으며, 제2 점선박스(620)에 나타난 바와 같이, 이송중인 이송체(410)로 나노섬유를 방사하여 이송체(410)의 하단에 나노섬유를 코팅함으로써 나노섬유 멤브레인을 제조하기 위한 전기방사부를 포함할 수 있다. 도 6 및 도 7의 실시예에서는 1개 열의 방사노즐들만을 나타내고 있으나, 실질적으로 전기방사부는 앞서 도 1 내지 도 5를 통해 설명한 바와 같이, 복수의 방사노즐들(1 내지 16)과 복수의 방사노즐들(1 내지 16) 중 적어도 일부(일례로, 제1 행의 방사노즐들(1 내지 4)과 제3 행의 방사노즐들(9 내지 12))에 적용되는 가이드부 및 스테이지부(510)를 포함하여 구현될 수 있으나, 이때, 이송체 이송부는 롤에서 언와인딩(unwinding)되는 이송체(410)를 롤투롤 방식으로 이송시키고, 이때, 이송체(410)가 복수의 방사노즐들(1 내지 16)과 스테이지부(510) 사이를 통과하도록 구현될 수 있다.
보다 일반화하여, 일실시예에 따른 전기방사 정렬 장치는 제1 전압이 인가되고, 나노섬유를 제1 수평방향으로 정렬하여 방사하는 복수의 제1 전기방사부, 제1 전압이 인가되고, 나노섬유를 랜덤하게 방사하는 복수의 제2 전기방사부, 복수의 제1 전기방사부 및 복수의 제2 전기방사부에서 나노섬유가 방사되는 제1 수직방향으로 이격되고, 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되는 스테이지부 및 복수의 제1 전기방사부 및 복수의 제2 전기방사부가 배치된 위치와 스테이지부가 배치된 위치 사이로 지속적으로 이송체를 통과시켜 복수의 제1 전기방사부 및 복수의 제2 전기방사부로부터 방사되는 나노섬유를 이송체에 코팅시키는 이송체 이송부를 포함할 수 있다.
이때, 복수의 제1 전기방사부는 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치될 수 있고, 복수의 제1 전기방사부 각각은, 방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 제1 방사노즐 및 제1 방사노즐에서 방사되는 나노섬유가 제1 수평방향으로 정렬되도록 제1 방사노즐과 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형하여 제1 방사노즐에서 방사되는 나노섬유에 제1 수평방향으로 작용하는 힘을 생성하는 가이드부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 전기방사부는 일례로, 가이드부가 적용된 제1 행의 방사노즐들(1 내지 4)과 제3 행의 방사노즐들(9 내지 12)에 대응될 수 있다.
한편, 가이드부는, 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치된 제1 가이드체 및 제2 가이드체를 포함할 수 있으며, 제1 방사노즐은 제1 가이드체와 상기 제2 가이드체 사이의 공간 하부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 앞서 제1 행 및 제1 열의 방사노즐(1)이 제1 가이드체(210)와 제2 가이드체(220) 사이의 공간 하부에 배치되는 예를 설명한 바 있다.
또한, 복수의 제1 전기방사부 중 하나의 제1 전기방사부에 포함된 제1 가이드체 및 제2 가이드체 중 적어도 하나는 복수의 제1 전기방사부 중 다른 하나의 제1 전기방사부에 공유될 수 있다. 앞서 도 3에서는 제1 행 및 제1 열의 방사노즐(1)과 제1 행 및 제2 열의 방사노즐(2)이 제2 가이드체(220)를 공유하는 예를 설명한 바 있다.
또한, 이미 설명한 바와 같이, 제1 가이드체 및 제2 가이드체는 서로 독립적으로 상대 유전율 50 이하인 물질로 형성될 수 있음을 설명하였다.
또한, 복수의 제2 전기방사부는 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치될 수 있고, 복수의 제2 전기방사부 각각은 방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 제2 방사노즐을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 제2 전기방사부는 일례로, 가이드부가 적용되지 않은 제2 행의 방사노즐들(5 내지 8)과 제4 행의 방사노즐들(13 내지 16)에 대응될 수 있다.
이러한 복수의 제1, 2 전기방사부를 보다 일반화하면, 복수의 제1 전기방사부는 각각 n(상기 n은 자연수) 개의 제1 방사노즐을 포함하는 m(상기 m은 자연수) 개의 제1 열을 형성하여 배치될 수 있고, 복수의 제2 전기방사부는 각각 j(상기 j는 자연수) 개의 제2 방사노즐을 포함하는 i(상기 i는 자연수) 개의 제2 열을 형성하여 배치될 수 있으며, 상기 m 개의 제1 열과 상기 i 개의 제2 열은 서로 교차로 배치될 수 있다.
이때, n 및 j는 이송체의 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향으로의 폭에 기반하여 결정될 수 있다. 다시 말해, 하나의 열에 포함되는 방사노즐의 수는 이송체의 폭에 기반하여 결정될 수 있다.
또한, m, i 및 이송체의 이송 속도를 조절함으로써, 나노섬유의 시간당 생산량을 조절할 수 있다. 예를 들어, m과 i가 커진다는 것은 한번에 나노섬유를 방사할 수 있는 면적이 넓어짐을 의미할 수 있다. 따라서, 이송체의 이송 속도를 증가시키게 되면, 동일한 시간에 이송체에 나노섬유가 코팅되는 면적을 증가시킬 수 있고 따라서 나노섬의 시간당 생산량이 증가될 수 있다.
한편, 복수의 제1 전기방사부에서 방사되는 나노섬유의 굵기가 상기 복수의 제2 전기방사부에서 방사되는 나노섬유의 굵기보다 상대적으로 더 크도록 나노섬유가 방사될 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 전기방사부에서 방사되는 나노섬유의 굵기와 복수의 제2 전기방사부에서 방사되는 나노섬유의 굵기간의 차이를 조절하여 이송체에 코팅되는 나노섬유간의 스페이스의 크기를 조절할 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전기방사 정렬 장치에 의해 제조된 나노섬유의 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope) 사진들이다. 도 8의 사진과 도 9의 사진 모두 상대적으로 굵은 굵기(일례로, 100nm~340nm)의 나노섬유와 상대적으로 얇은 굵기(일례로, 60~100nm)의 나노섬유들을 나타내고 있다. 나노섬유의 직경을 얇게 하여 공기필터를 제조하는 경우, 공기필터의 기공크기가 작아져 필터 효율을 높일 수 있지만, 기공이 작아지는만큼 공기가 더 안통하게 되어 전반적인 필터성능이 떨어지게 된다. 이러한 필터성능은 퀄리티 팩터(Quality factor)로 수치화할 수 있고, QF=-ln(1-효율%)/차압(Pa)으로 표현될 수 있다. 따라서, 차압(공기저항)을 낮춰주는 방안이 필요하며 이를 위해 직경이 얇은 나노섬유의 하나의 레이어가 적절하게 공간을 두고 떨어져 여러 층으로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 따라서, 상대적으로 더 굵은 굵기의 나노섬유는 직경이 얇은 부직포 형태의 나노섬유의 레이어들 간의 간격을 벌려주는 이상적인 스페이서 역할을 할 수 있다.
나노섬유가 방사되는 제1 수직방향은 제1 수평방향에 수직한 상측 방향을 포함할 수 있으나, 실시예에 따라 나노섬유가 방사되는 방향을 하측 방향으로 구성할 수도 있다.
이송체 이송부는, 롤에서 언와인딩(unwinding)되는 이송체를 롤투롤 방식으로 이송시킬 수 있으며, 이송체는 부직포를 포함할 수 있다.
일실시예에서 복수의 제1 전기방사부가 방사하는 나노섬유 및 복수의 제2 전기방사부가 방사하는 나노섬유는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 소재를 포함할 수 있다. 또한, 다른 실시예에서, 복수의 제1 전기방사부가 방사하는 나노섬유는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 소재를 포함할 수 있고, 복수의 제2 전기방사부가 방사하는 나노섬유는 PVDF-HFP(Polyvinylidene fluoride - hexafluoropropylene) 소재를 포함할 수 있다. 그 밖에 방사되는 나노섬유의 소재는, 폴리메틸메타클릴레이트(PMMA, Polymethylmethacrylate), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리술폰계 고분자 (polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfone), 폴리비닐아세테이트 (PVAc, Poly(vinyl acetate)), 폴리아크릴릭에시드 (PAA, Polyacrylic acid), 폴리비닐알코올(PVA, Polyvinyl alcohol), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF, Poly(vinylidene fluoride)), 폴리이미드(PI, Polyimide), 폴리스티렌(PS, polystyrene), 폴리카프로락탐(PCL, poly(caprolactone)), 폴리락틱에시드(PLA, poly(L-lactic acid)), 폴리락틱코글라이콜릭에시드(PLGA, Poly(lactic-coglycolic acid)), 키토산 (chitosan) 소재 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 두 종류 이상이 혼합된 복합 고분자의 경우 서로 다른 분자량을 바탕으로, 기계적 내지는 열적 내구성이 높아지는 장점이 있다. 제 1 전기방사부가 방사하는 나노섬유의 굵기가 제 2 전기방사부가 방사하는 나노섬유의 굵기 보다 굵으면 특정 고분자에 제약을 두지 않는다.
제1 전기방사부가 방사하는 나노섬유의 직경은 300 nm ~ 2,000 nm의 범위에 포함될 수 있고, 제2 전기방사부가 방사하는 나노섬유의 직경은 10 nm ~ 300 nm의 범위에 포함될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 전기방사 정렬 장치에 의해 제조된 나노섬유 멤브레인을 도시한 사진이다. 도 10의 사진은 이송체에서 분리된 나노섬유의 하나의 레이어를 나타내고 있다. 일축으로 정렬된 직경이 두꺼운 나노섬유를 포함하고 있기 때문에 10μm 이하의 얇은 두께에도 불구하고 손으로 핸들링 할 수 있을 정도의 내구성을 가지고 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 전기방사 정렬 장치에 의해 제조된 나노섬유 멤브레인을 포함하는 필터의 세탁 안정성 테스트 사진들이다. 도 11의 사진은 부직포-나노섬유-부직포로 적층된 필터의 세탁 안정성 테스트 사진으로, 나노섬유 멤브레인을 이용한 필터는 정전기 방식이 아닌 물리적인 차단을 이용하기 때문에 세탁이 가능하며, 세탁 후에도 안정적으로 필터 효과를 유지할 수 있다. 우측 하단의 사진에서는 세탁 이후에도 나노섬유 필터가 부직포 필터 사이에 붙여 있는 형상이 나타나 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 전기방사 정렬 장치에 의해 제조된 나노섬유 멤브레인을 포함하는 필터의 반복 굽힘 테스트를 진행하는 예를 나타난 사진들이고, 도 13 및 도 14는 본 발명의 일실시예에 있어서, 나노섬유 멤브레인을 포함하는 필터의 반복 굽힘 테스트의 진행 결과를 도시한 그래프들이다. 도 13에서 PAN-PAN 나노섬유는 복수의 제1 전기방사부와 복수의 제2 전기방사부 모두 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 소재를 이용하여 나노섬유를 제조하였음을 나타낼 수 있으며, 도 14에서 PAN-PVDF/HFP 나노섬유는 복수의 제1 전기방사부는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 소재를 이용하여 나노섬유를 제조하고, 복수의 제2 전기방사부는 PVDF-HFP(Polyvinylidene fluoride - hexafluoropropylene) 소재를 이용하여 나노섬유를 제조하였음을 나타낼 수 있다. 도 13 및 도 14의 그래프들에서 "times"는 굽힘테스트 횟수를 의미할 수 있으며, "Particle size"는 필터 성능 테스트에 사용된 입자의 크기를 나타낼 수 있다. 도 13 및 도 14의 그래프들은 최대 4000번까지 굽힘테스트를 하였을 때 기계적 스트레스에 의해 성능은 감소하지만, 여전히 KF80 수준(평균 0.6μm 입자 기준, 여과효율 80% 이상)의 성능을 만족시킬 수 있음을 나타내고 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 이송되는 이송체상에 일축으로 정렬되어 방사되는 나노섬유와 랜덤하게 방사되는 나노섬유를 동시에 방사하여 나노섬유 멤브레인을 대량생산할 수 있다.
이상에서 설명된 시스템 또는 장치는 하드웨어 구성요소, 또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 매체는 컴퓨터로 실행 가능한 프로그램을 계속 저장하거나, 실행 또는 다운로드를 위해 임시 저장하는 것일 수도 있다. 또한, 매체는 단일 또는 수개 하드웨어가 결합된 형태의 다양한 기록수단 또는 저장수단일 수 있는데, 어떤 컴퓨터 시스템에 직접 접속되는 매체에 한정되지 않고, 네트워크 상에 분산 존재하는 것일 수도 있다. 매체의 예시로는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등을 포함하여 프로그램 명령어가 저장되도록 구성된 것이 있을 수 있다. 또한, 다른 매체의 예시로, 애플리케이션을 유통하는 앱 스토어나 기타 다양한 소프트웨어를 공급 내지 유통하는 사이트, 서버 등에서 관리하는 기록매체 내지 저장매체도 들 수 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (16)

  1. 제1 전압이 인가되고, 나노섬유를 제1 수평방향으로 정렬하여 방사하는 복수의 제1 전기방사부;
    제1 전압이 인가되고, 나노섬유를 랜덤하게 방사하는 복수의 제2 전기방사부;
    상기 복수의 제1 전기방사부 및 상기 복수의 제2 전기방사부에서 나노섬유가 방사되는 제1 수직방향으로 이격되고, 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되는 스테이지부; 및
    상기 복수의 제1 전기방사부 및 상기 복수의 제2 전기방사부가 배치된 위치와 상기 스테이지부가 배치된 위치 사이로 지속적으로 이송체를 통과시켜 상기 복수의 제1 전기방사부 및 상기 복수의 제2 전기방사부로부터 방사되는 나노섬유를 상기 이송체에 코팅시키는 이송체 이송부
    를 포함하는 전기방사 정렬 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전기방사부는 상기 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치되고,
    상기 복수의 제1 전기방사부 각각은,
    방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 제1 방사노즐; 및
    상기 제1 방사노즐에서 방사되는 나노섬유가 상기 제1 수평방향으로 정렬되도록 상기 제1 방사노즐과 상기 스테이지부 사이에 형성된 전기장을 변형하여 상기 제1 방사노즐에서 방사되는 나노섬유에 상기 제1 수평방향으로 작용하는 힘을 생성하는 가이드부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 정렬 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가이드부는, 상기 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치된 제1 가이드체 및 제2 가이드체를 포함하고,
    상기 제1 방사노즐은 상기 제1 가이드체와 상기 제2 가이드체 사이의 공간 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기방사 정렬 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전기방사부 중 하나의 제1 전기방사부에 포함된 상기 제1 가이드체 및 상기 제2 가이드체 중 적어도 하나는 상기 복수의 제1 전기방사부 중 다른 하나의 제1 전기방사부에 공유되는 것을 특징으로 하는 전기방사 정렬 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 가이드체 및 상기 제2 가이드체는 서로 독립적으로 상대 유전율 50 이하인 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기방사 정렬 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제2 전기방사부는 상기 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향을 따라 서로 이격되게 배치되고,
    상기 복수의 제2 전기방사부 각각은 방사용액으로부터 나노섬유를 방사하는 제2 방사노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 정렬 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전기방사부는 각각 n(상기 n은 자연수) 개의 제1 방사노즐을 포함하는 m(상기 m은 자연수) 개의 제1 열을 형성하여 배치되고,
    상기 복수의 제2 전기방사부는 각각 j(상기 j는 자연수) 개의 제2 방사노즐을 포함하는 i(상기 i는 자연수) 개의 제2 열을 형성하여 배치되며,
    상기 m 개의 제1 열과 상기 i 개의 제2 열은 서로 교차로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기방사 정렬 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 n 및 상기 j는 상기 이송체의 상기 제1 수평방향에 수직한 제2 수평방향으로의 폭에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는 전기방사 정렬 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 m, 상기 i 및 상기 이송체의 이송 속도를 조절하여 나노섬유의 시간당 생산량을 조절하는 것을 특징으로 하는 전기방사 정렬 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전기방사부에서 방사되는 나노섬유의 굵기가 상기 복수의 제2 전기방사부에서 방사되는 나노섬유의 굵기보다 상대적으로 더 큰 것을 특징으로 하는 전기방사 정렬 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전기방사부에서 방사되는 나노섬유의 굵기와 상기 복수의 제2 전기방사부에서 방사되는 나노섬유의 굵기간의 차이를 조절하여 상기 이송체에 코팅되는 나노섬유간의 스페이스의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 전기방사 정렬 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유가 방사되는 제1 수직방향은 상기 제1 수평방향에 수직한 상측 방향을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 정렬 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 이송체 이송부는, 롤에서 언와인딩(unwinding)되는 상기 이송체를 롤투롤 방식으로 이송시키는 것을 특징으로 하는 전기방사 정렬 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 이송체는 부직포를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 정렬 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전기방사부가 방사하는 나노섬유 및 상기 복수의 제2 전기방사부가 방사하는 나노섬유는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile), PVDF-HFP(Polyvinylidene fluoride - hexafluoropropylene), 폴리메틸메타클릴레이트(PMMA, Polymethylmethacrylate), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리술폰계 고분자 (polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfone), 폴리비닐아세테이트 (PVAc, Poly(vinyl acetate)), 폴리아크릴릭에시드 (PAA, Polyacrylic acid), 폴리비닐알코올(PVA, Polyvinyl alcohol), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF, Poly(vinylidene fluoride)), 폴리이미드(PI, Polyimide), 폴리스티렌(PS, polystyrene), 폴리카프로락탐(PCL, poly(caprolactone)), 폴리락틱에시드(PLA, poly(L-lactic acid)), 폴리락틱코글라이콜릭에시드(PLGA, Poly(lactic-coglycolic acid)), 키토산 (chitosan) 소재 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 소재로서 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 정렬 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전기방사부가 방사하는 나노섬유의 직경은 300 nm 내지 2,000 nm의 범위에 포함되고,
    상기 복수의 제2 전기방사부가 방사하는 나노섬유의 직경은 10 nm 내지 300 nm의 범위에 포함되는 것
    을 특징으로 하는 전기방사 정렬 장치.
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