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1. WO2020111299 - DISPOSITIF DE FILAGE ÉLECTROSTATIQUE POUR FILAGE UNIFORME DE NANOMATÉRIAUX POLYMÈRES À L'AIDE DE CHARGES MOBILES

Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

15  

과제 해결 수단

16   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27  

발명의 효과

28  

도면의 간단한 설명

29   30   31   32   33   34   35  

발명의 실시를 위한 최선의 형태

36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70   71   72   73   74  

산업상 이용가능성

75  

청구범위

1   2   3   4   5   6   7   8  

도면

1   2   3   4   5   6   7  

명세서

발명의 명칭 : 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치

기술분야

[1]
본 발명은 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치에 관한 것으로서, 특히 전기방사시 나노섬유의 배열을 세밀하게 제어하여 균일화가 향상된 나노웹을 제조할 수 있는 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치에 관한 것이다.

배경기술

[2]
일반적으로 나노 섬유는 초고비표면적 효과, 나노사이즈 효과, 초분자 배열 효과 등의 특성을 가지므로, 차세대 고성능 하이테크 신소재로서 부각되고 있다. 나노 섬유는 전자, 환경, 에너지, 생명공학, 국방 등의 다양한 기술 분야에서 활용되고 있다.
[3]
[4]
나노 섬유를 제조하는 방법에는 드로윙(drawing), 주형 합성(template synthesis), 상전이(phase separation), 자기조립(self assembly), 전기방사(electrospinning) 등이 있다. 이 중 나노 섬유를 연속적으로 제조할 수 있는 방법으로 전기방사 방법이 일반적으로 사용되고 있다.
[5]
[6]
전기방사 방법은 고분자 나노물질로 이루어진 방사용액을 공급하는 토출부, 전기장 형성을 위한 전압발생장치, 나노섬유를 적층시키는 콜렉터의 세 부분으로 크게 구성되며 용융 또는 용매에 용해된 고분자 용액에 전기적인 힘을 가하게 되면 표면장력에 의해 방사구 끝에 맺혀있던 고분자 용액의 액체 표면으로 전하가 유도되고 유도된 전하의 상호 반발력에 의한 힘이 표면장력과 반대방향으로 생기게 된다. 이때, 고분자 용액 방울의 표면장력을 넘어서는 임계전압 이상이 가해지면 전기적 반발력에 의해 전하를 띈 고분자 용액 젯이 방출되는데 이 젯이 공기 중을 날아가는 동안 가늘게 찢어져 섬유화되고 용매는 휘발되어 콜렉터 상에는 초극세 섬유가 적층된 부직포 형태의 웹이 만들어지는 형태이다.
[7]
이렇게 형성된 전기방사 나노섬유 웹은 나노범위 직경의 섬유집합체로 이루어져 유연하고 부드러운 촉감을 구현할 수 있으며 초박막 초경량이라는 특성을 갖는다.
[8]
또한, 수많은 미세 공극 구조로 인해 호흡성을 가지게 되어 내부의 수증기나 땀을 배출하는 투급성과 공기 투과성을 보이며 공기를 함유할 수 있는 공간이 많아 보온성의 장점까지 함께 지닌다.
[9]
[10]
이러한 전기방사 나노섬유 웹은 다양한 고분자로 제작할 수 있으며 섬유의 직경 및 표면 기공 구조와 기공률 단면 구조 등을 조절하여 최종 제품의 물성제어가 가능하므로 고품질, 고성능의 고부가가치 섬유제품뿐 아니라 생명공학, 의료, 환경공학 및 에너지 저장장치 등 다양한 분야로의 응용이 시도되고 있다.
[11]
[12]
한편, 나노웹의 품질을 향상시키기 위해 특허문헌 0001(KR 10-1601169 B1 (2016.03.02))과 같이 다양한 전기방사방법이 제안되고 있다.
[13]
특허문헌 0001은 전기 방사장치는 나노섬유를 방사하는 다수의 니들을 구비한 방사노즐과, 다수 열로 배열되는 방사노즐들 사이에 배치되어 방사노즐에서 방사되는 나노섬유에 직접 항온항습된 공기를 분사하는 항온항습 유닛과, 상기 방사노즐 및 항온항습유닛이 교대로 고정되는 프레임과, 상기 방사노즐의 하측에 배치되고 나노섬유가 축적되어 나노 웹을 형성하는 콜렉터로 구성되어, 나노웹의 품질을 향상시킬 수 있고, 챔버 전체를 항온항습하지 않아도 되므로 비용을 줄일 수 있는 이점이 있다.
[14]
그러나, 특허문헌 001은 종래의 전기방사장치와 같이 고분자 용액이 노즐로부터 불규칙적으로 분사되므로 나노 섬유는 무질서한 구조를 가짐에 따라, 균일성이 우수한 나노웹을 제조하는데 한계가 있다.

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[15]
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 전기방사시 나노섬유의 배열을 세밀하게 제어하여 균일화가 향상된 나노웹을 제조할 수 있는 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치를 제공함에 그 목적이 있다.

과제 해결 수단

[16]
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
[17]
고분자 나노물질로 이루어진 방사용액이 토출되는 방사노즐과, 상기 방사노즐로부터 토출되는 고분자 나노물질로 이루어진 방사용액이 나노섬유로 포집되는 콜렉터와, 상기 방사노즐과 상기 콜렉터에 전원을 인가하는 전원공급부를 포함하고,
[18]
상기 콜렉터는 나노섬유가 웹상태로 포집되는 기재층과, 상기 기재층의 배면에 복수의 행 및 복수의 열로 배치되는 복수의 도전성 도트를 포함하고,
[19]
상기 전원공급부로부터 인가되는 전원을 상기 복수의 도전성 도트에 선택적으로 인가하는 릴레이가 구비되는 것을 특징으로 하는 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치를 제공한다.
[20]
[21]
그리고 상기 콜렉터의 기재층의 배면에 비전도성 플레이트가 구비되고, 상기 복수의 도전성 도트는 상기 비전도성 플레이트에 형성될 수 있다.
[22]
[23]
또한, 상기 복수의 도전성 도트 사이에 비전도성 간극유지부재가 가로방향으로 각각 개재될 수 있다. 특히, 상기 복수의 도전성 도트 사이에 비전도성 간극유지부재가 세로방향으로 각각 개재될 수 있다.
[24]
[25]
그리고 어느 한 열 또는 어느 한행의 복수의 도전성 도트를 어느 한 방향으로 순차적으로 전원을 인가하도록 상기 릴레이를 제어하는 제어부가 구비되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 제어부는 상기 복수 열의 복수의 도전성 도트를 상측에서 하측방향으로 지그재그형태로 순차적 전원을 인가하도록 상기 릴레이를 제어하고, 또한 상기 복수 행의 복수의 도전성 도트를 일측에서 타측방향으로 지그재그형태로 순차적 전원을 인가하도록 상기 릴레이를 제어하는 것이 좋다.
[26]
[27]
상기 콜렉터의 테두리는 부도체 재질의 프레임으로 고정되는 것이 바람직하다.

발명의 효과

[28]
본 발명의 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치는 복수의 도전성 도트에 선택적 또는 순차적으로 전원을 인가한 상태에서 방사노즐을 통해 고분자 나노물질로 이루어진 방사용액을 토출시킴에 따라 콜렉터의 기재층의 전체에 균일하게 나노섬유가 포집되어 균일성이 향상된 나노섬유웹을 제조할 수 있는 효과가 있다.

도면의 간단한 설명

[29]
도 1은 본 발명의 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
[30]
도 2는 콜렉터의 정면상태를 개략적으로 나타내는 정면도이다.
[31]
도 3은 복수의 도전성 도트 사이에 비전도성 간극유지부재가 가로방향으로 개재된 상태를 개략적으로 나타내는 일부 확대정면도이고,
[32]
도 4는 복수의 도전성 도트 사이에 비전도성 간극유지부재가 세로방향으로 개재된 상태를 개략적으로 나타내는 일부 확대정면도이다.
[33]
도 5는 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치를 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
[34]
도 6은 복수의 열의 도전성 도트에 지그재그 형태로 순차적으로 전원이 공급되는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이고,
[35]
도 7은 복수의 행의 도전성 도트에 지그재그 형태로 순차적으로 전원이 공급되는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.

발명의 실시를 위한 최선의 형태

[36]
본 발명의 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[37]
[38]
도 1은 본 발명의 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
[39]
[40]
본 발명의 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치는 도 1과 같이 크게 방사노즐(10), 콜렉터(20), 전원공급장치(30) 및 릴레이(40)를 포함한다.
[41]
[42]
상기 방사노즐(10)은 고전압 정전기력에 의해 고분자 나노물질로 이루어진 방사용액을 상기 콜렉터(20)에 방사하여 나노섬유 웹을 형성하기 위한 것으로서, 방사 노즐은 일반적인 전기방사(electrospinning), 에어 전기방사(AES: Air-Electrospinning), 전기분사(electrospray), 전기분사방사(electrobrown spinning), 원심전기방사(centrifugal electrospinning), 플래쉬 전기방사(flash-electrospinning) 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
[43]
상기 방사노즐(10)에는 고분자 물질과 용매가 혼합되어 저장되는 믹싱태크에 의해 고분자 나노물질로 이루어진 방사용액이 공급되고, 상기 전원공급장치(30)의 + 극이 연결된다.
[44]
[45]
도 2는 콜렉터의 정면상태를 개략적으로 나타내는 정면도이다.
[46]
그리고 상기 콜렉터(20)는 상기 전원공급장치(30)의 - 극이 연결되고, 상기 방사노즐(10)로부터 토출되는 고분자 나노물질로 이루어진 방사용액이 나노섬유로 포집되어 나노섬유웹이 형성된다.
[47]
상기 콜렉터(20)는 도 2와 같이 나노섬유가 웹상태로 포집되는 기재층(210)과, 상기 기재층(210)의 배면에 복수의 행 및 복수의 열로 배치되는 복수의 도전성 도트(230)를 포함하여 구성된다.
[48]
상기 복수의 도전성 도트(230)는 상기 전원공급장치(30)의 - 극과 상기 릴레이(40)를 통해 연결된다.
[49]
상기 복수의 도전성 도트(230)는 도 1 및 도 2와 같이 상기 콜렉터(20)의 기재층(210)의 배면에 배치된 비전도성 플레이트(242)에 형성되어 배열될 수 있다.
[50]
[51]
도 3은 복수의 도전성 도트 사이에 비전도성 간극유지부재가 가로방향으로 개재된 상태를 개략적으로 나타내는 일부 확대정면도이고, 도 4는 복수의 도전성 도트 사이에 비전도성 간극유지부재가 세로방향으로 개재된 상태를 개략적으로 나타내는 일부 확대정면도이다.
[52]
[53]
또한, 상기 복수의 도전성 도트(230)는 도 3과 같이 비전도성 간극유지부재(244)에 의해 가로방향으로 결합되어 가로바(bar) 형태로 이루어질 수 있다. 즉, 도 3과 같이 상기 복수의 도전성 도트(230)의 사이에 상기 비전도성 간극유지부재(244)가 가로방향으로 각각 일체로 개재되어 가로바 형태로 이루어지고, 양단부가 상기 프레임(250)에 고정설치될 수 있다.
[54]
[55]
또한, 상기 복수의 도전성 도트(230)는 도 4와 같이 비전도성 간극유지부재(246)에 의해 세로방향으로 결합되어 세로바(bar)형태로 이루어질 수 도 있다. 즉, 도 4와 같이 상기 복수의 도전성 도트(230)의 사이에 상기 비전도성 간극유지부재(244)가 세로방향으로 각각 일체로 개재되어 세로바 형태로 이루어지고, 상단부 및 하단부가 상기 프레임(250)에 고정설치될 수 있다.
[56]
[57]
그리고 상기 콜렉터(20)의 테두리는 도 1과 같이 부도체 재질의 프레임(250)으로 고정된다. 상기 콜렉터(20)의 테두리에 부도체 재질의 프레임(250)이 고정됨에 따라 상기 기재층(210)에 한해 나노섬유가 포집되어 균일성이 향상된 나노섬유웹을 얻을 수 있는 이점이 있다.
[58]
[59]
도 5는 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치를 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
[60]
그리고 상기 전원공급장치(30)는 상기 방사노즐(10)과 상기 콜레터 사이에 전계(電界)를 형성하기 위한 것으로서, 상기 전원공급장치(30)의 + 전극은 상기 방사노즐(10)에 연결되고, - 전극은 상기 릴레이(40)를 통해 상기 복수의 도전성 도트(230)에 연결된다.
[61]
상기 전원공급장치(30)는 통상 10 내지 100kV의 범위의 전압을 인가한다.
[62]
[63]
다음으로 상기 릴레이(40)는 상기 전원공급부로부터 인가되는 전원을 상기 복수의 도전성 도트(230)에 선택적으로 인가한다.
[64]
상기 릴레이(40)는 제어부(50)에 의해 제어된다. 상기 제어부(50)는 어느 한 열 또는 어느 한 행의 복수의 도전성 도트(230)를 어느 한 방향으로 순차적으로 전원을 인가하도록 상기 릴레이(40)를 제어한다.
[65]
이때 상기 릴레이(40)는 상기 전원공급부로부터 인가되는 전원을 상기 복수의 도전성 도트(230)에 순차적으로 인가하여 나노섬유가 상기 콜렉터(20)의 기재층(210) 상에 일측부터 타측까지 또한 상측에서 하측까지 균일하게 포집됨으로서, 전체적으로 균일하게 분산된 나노섬유웹을 얻을 수 있다.
[66]
[67]
도 6은 복수의 열의 도전성 도트에 지그재그 형태로 순차적으로 전원이 공급되는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 7은 복수의 행의 도전성 도트에 지그재그 형태로 순차적으로 전원이 공급되는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
[68]
[69]
상기 콜렉터(20)에 배치된 복수의 도전성 도트(230)를 구성하는 복수의 열의 도전성 도트를 상기 제어부(50)가 상기 릴레이(40)를 통해 지그재그 형태로 순차적으로 제어하는 방법을 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 최상측에 위치한 제1 열의 도전성 도트(230A1)를 일측에서 타측방향으로 순차적으로 전원을 인가한다. 이때 제1 열의 도전성 도트(230A1)의 전원의 인가는 '제1 열의 도전성 도트 1(230A1a)을 일정시간 동안 전원 인가 → 제1 열의 도전성 도트 1(230A1a) 전원차단과 동시에 제1 열의 도전성 도트 2(230A1b)를 일정시간 동안 전원 인가 → 제1 열의 도전성 도트 2(230A1b) 전원차단과 동시에 제1 열의 도전성 도트 3(230A1c)를 일정시간 동안 전원 인가 …'의 순으로 행한다. 다음으로 제2 열의 도전성 도트(230A2)를 타측에서 일측방향으로 순차적으로 전원을 인가한 다음 제3 열의 도전성 도트(230A3)를 다시 일측에서 타측방향으로 순차적으로 전원을 인가한다.
[70]
이와 같이 상기 제어부(50)가 상기 릴레이(40)를 제어하여 상기 복수의 열의 도전성 도트를 지그재그 형태로 순차적으로 전원을 인가하면 일정한 간격의 복수의 가로줄 형태의 나노섬유웹을 얻을 수 있다.
[71]
[72]
상기 콜렉터(20)에 배치된 복수의 도전성 도트(230)를 구성하는 복수의 행의 도전성 도트를 상기 제어부(50)가 상기 릴레이(40)를 통해 지그재그 형태로 순차적으로 제어하는 방법을 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 일측에 위치한 제1 행의 도전성 도트(230B1)를 상측에서 하측방향으로 순차적으로 전원을 인가한다. 이때 제1 행의 도전성 도트(230B1)의 전원의 인가는 '제1 행의 도전성 도트 1(230B1a)을 일정시간 동안 전원 인가 → 제1 행의 도전성 도트 1(230B1a) 전원차단과 동시에 제1 행의 도전성 도트 2(230B1b)를 일정시간 동안 전원 인가 → 제1 행의 도전성 도트 2(230B1b) 전원차단과 동시에 제1 행의 도전성 도트 3(230B1c)를 일정시간 동안 전원 인가 …'의 순으로 행한다. 다음으로 제2 행의 도전성 도트(230B2)를 하측에서 상측방향으로 순차적으로 전원을 인가한 다음 제3 행의 도전성 도트(230B3)를 다시 상측에서 하측방향으로 순차적으로 전원을 인가한다.
[73]
이와 같이 상기 제어부(50)가 상기 릴레이(40)를 제어하여 상기 복수의 행의 도전성 도트를 지그재그 형태로 순차적으로 전원을 인가하면 일정한 간격의 복수의 세로줄 형태의 나노섬유웹을 얻을 수 있다.
[74]
결과적으로 상기 콜렉터(20)의 기재층(210) 상에 균일성이 크게 향상된 격자형태의 나노섬유웹을 얻을 수 있다.

산업상 이용가능성

[75]
본 발명의 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치는 복수의 도전성 도트에 선택적 또는 순차적으로 전원을 인가한 상태에서 방사노즐을 통해 고분자 나노물질로 이루어진 방사용액을 토출시킴에 따라 콜렉터의 기재층의 전체에 균일하게 나노섬유가 포집되어 균일성이 향상된 나노섬유웹을 제조할 수 있는 효과가 있다.

청구범위

[청구항 1]
고분자 나노물질로 이루어진 방사용액이 토출되는 방사노즐과, 상기 방사노즐로부터 토출되는 고분자 나노물질로 이루어진 방사용액이 나노섬유로 포집되는 콜렉터와, 상기 방사노즐과 상기 콜렉터에 전원을 인가하는 전원공급부를 포함하고, 상기 콜렉터는 나노섬유가 웹상태로 포집되는 기재층과, 상기 기재층의 배면에 복수의 행 및 복수의 열로 배치되는 복수의 도전성 도트를 포함하고, 상기 전원공급부로부터 인가되는 전원을 상기 복수의 도전성 도트에 선택적으로 인가하는 릴레이가 구비되는 것을 특징으로 하는 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치.
[청구항 2]
제1항에 있어서, 상기 콜렉터의 기재층의 배면에 비전도성 플레이트가 구비되고, 상기 복수의 도전성 도트는 상기 비전도성 플레이트에 형성되는 것을 특징으로 하는 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치.
[청구항 3]
제1항에 있어서, 상기 복수의 도전성 도트 사이에 비전도성 간극유지부재가 가로방향으로 각각 개재되는 것을 특징으로 하는 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치.
[청구항 4]
제1항에 있어서, 상기 복수의 도전성 도트 사이에 비전도성 간극유지부재가 세로방향으로 각각 개재되는 것을 특징으로 하는 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치.
[청구항 5]
제1항에 있어서, 어느 한 열 또는 어느 한행의 복수의 도전성 도트를 어느 한 방향으로 순차적으로 전원을 인가하도록 상기 릴레이를 제어하는 제어부가 구비되는 것을 특징으로 하는 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치.
[청구항 6]
제5항에 있어서, 상기 제어부는 상기 복수 열의 복수의 도전성 도트를 상측에서 하측방향으로 지그재그형태로 순차적 전원을 인가하도록 상기 릴레이를 제어하는 것을 특징으로 하는 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치.
[청구항 7]
제5항에 있어서, 상기 제어부는 상기 복수 행의 복수의 도전성 도트를 일측에서 타측방향으로 지그재그형태로 순차적 전원을 인가하도록 상기 릴레이를 제어하는 것을 특징으로 하는 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치.
[청구항 8]
제1항에 있어서, 상기 콜렉터의 테두리는 부도체 재질의 프레임으로 고정되는 것을 특징으로 하는 무빙 차지를 이용한 고분자 나노물질의 균일방사를 위한 전기방사장치.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]

[도5]

[도6]

[도7]