KR101965395B1 - Electrospinning apparatus for making a fine line - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 미세선 제조용 전기방사장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하전 필라멘트의 방향성을 제어하여 미세선을 균일한 패턴으로 제작할 수 있는 구조를 가진 미세선 제조용 전기방사장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrospinning apparatus for fine line production, and more particularly, to an electrospinning apparatus for manufacturing fine wires having a structure capable of controlling the directionality of charged filaments to produce fine lines in a uniform pattern.
일반적으로 전기방사(electrospinning)법은 고분자 용액에 수천 내지 수만 볼트의 (+)직류 고전압을 인가하고, 하전 필라멘트를 받는 집적판(collector)에 접지 혹은 (-)전압을 연결하여 전기장을 형성시킨 장치를 이용해 나노섬유를 제조하는 공정을 말한다. 이때, 노즐을 통하여 미량토출된 하전 액적은 전기력으로 인하여 길이방향으로 길게 연신되면서 나노미터(nm)~마이크로미터(㎛) 크기의 미세섬유로 제조된다.Generally, the electrospinning method is a method in which an electric field is formed by applying a (+) DC high voltage of several thousands to several tens of thousands of volts to a polymer solution and connecting a ground or a negative voltage to an integrated collector receiving the charged filament To produce nanofibers. At this time, the charged droplets discharged through the nozzles in a small amount are elongated in the longitudinal direction due to the electric force, and are made of fine fibers having a size of nanometer (nm) to micrometer (탆).
전기방사 공정으로 제조되는 미세섬유는 집적판에 모여 적층되면서 미세 다공성의 멤브레인으로 제작되거나, 소정의 기재에 박막으로 코팅된다. 또한, 미세선을 형성시키는 공정은 선형으로 구성된 회로제작에 적용될 수 있다.The microfibers produced by the electrospinning process are laminated on the integrated plate and laminated to form a microporous membrane or coated on a predetermined substrate with a thin film. In addition, the process of forming fine lines can be applied to the fabrication of linearly structured circuits.
전기방사 공정에서 나노섬유를 형성하는 하전 필라멘트는 고전압이 인가된 상태에서 중공관 니들(노즐)에서 토출된 하전용액으로부터 제조되거나, 고전압이 인가된 롤이나 와이어에 박막으로 코팅된 용액으로부터 제조된다.Charged filaments that form nanofibers in an electrospinning process are made from a charged solution discharged from a hollow tube needle (nozzle) under a high voltage, or from a solution coated thinly on a roll or wire to which a high voltage is applied.
노즐을 사용하는 전기방사 공정의 경우, 노즐에서 토출된 액적으로부터 하전 필라멘트가 형성되는 과정을 살펴보면, 용액의 표면장력보다 큰 전기력이 가해지면, 노즐에서 토출되는 하전용액의 액적은 노즐 팁에서 원추형 모양으로 형성되고, 원추형 돌기부분은 집적판 향하여 길이방향으로 연신되면서 하전 필라멘트를 형성한다. 이때, 노즐 끝에서 형성된 원추형을 테일러 콘(taylor cone)이라고 하고, 길이방향으로 연신된 필라멘트를 제트(jet)라고 한다. 테일러 콘의 돌기에서 만들어지는 제트는 더 높은 전기력에서 임의의 지점부터 급격한 요동(whipping 모드)과 용매휘발 과정을 거치면서 나노섬유로 제조된다.In the case of an electrospinning process using a nozzle, when a charged filament is formed from a droplet discharged from a nozzle, if an electric force larger than the surface tension of the solution is applied, the droplet of the charged solution discharged from the nozzle becomes a conical shape And the conical projection portion is drawn in the longitudinal direction toward the accumulating plate to form the charged filament. At this time, the conical shape formed at the tip of the nozzle is referred to as a taylor cone, and the filament drawn in the longitudinal direction is referred to as a jet. The jets made from the Taylor cone protrusions are made of nanofibers while undergoing a whipping mode and a solvent volatilization process from a higher point at higher electrical power.
상기의 원추형의 테일러 콘은 고전압 세기가 강할수록, 또한 용매 휘발성이 강할수록 노즐 끝에서 불안정한 상태를 나타낸다. 테일러 콘이 불안정하면, 이로부터 형성된 하전 필라멘트 제트도 방향성을 유지하지 못하여 불안정한 상태로 된다. 이처럼 노즐 끝에서 테일러 콘이 불안정하면, 하부 집적판의 동일한 위치에 균일하게 집적되지 않는 문제점이 생긴다. 또한, 기재 위에 미세선을 반복적으로 일정하게 제작하기 어려워 동일한 형태 혹은 크기를 갖는 웹을 제조하기 어렵다.The above-mentioned cone-shaped Taylor cone shows an unstable state at the nozzle end as the high voltage intensity becomes stronger and the solvent volatility becomes stronger. If the Taylor cone is unstable, the charged filament jet formed from the Taylor cone becomes unstable because it can not maintain the directionality. If the Taylor cone is unstable at the nozzle end, there is a problem that the lower integrated plate is not uniformly integrated at the same position. In addition, it is difficult to repeatedly and uniformly produce fine lines on a substrate, making it difficult to produce a web having the same shape or size.
또한, 동축 이중노즐을 사용하여 코어 쉘 구조의 구조체를 제조할 때, 노즐 팁에서 형성된 테일러 콘이 불안정하면, 원추형이 제대로 형성되지 못하여 균일한 형상을 갖는 구조체를 제작하기 어렵다.In addition, when the core shell structure is manufactured using the coaxial double nozzle, if the tail cone formed at the nozzle tip is unstable, it is difficult to form a cone with a uniform shape because the cone is not formed properly.
전기방사 과정에서 주위의 방사환경이 비대칭이면 노즐의 위치에 따라 하전 필라멘트가 영향을 받기 때문에 기재에 일정한 패턴을 제작할 수 없다.If the surrounding radiation environment is asymmetric during the electrospinning process, the charged filament is affected by the position of the nozzle, so that a uniform pattern can not be formed on the substrate.
특허문헌 1과 특허문헌 2에는 전기방사법에 의한 패턴구조 형성방법이 개시되어 있다. 근접장 전기방사법(Near-field electrospinning)은 노즐과 집적판 간의 거리를 5mm이하로 설정하여 용액을 토출시켜 미세선을 제작하는데 활용되고 있다. 하지만, 종래의 근접장 전기방사 장치는 고점성의 용액으로 미세선을 제작하는데 한계가 있다. 즉, 고점성의 용액인 경우, 미세선을 제작하기 위하여 전압세기를 높여야 하지만, 높은 고전압 세기에서 노즐 끝에 형성된 테일러 콘의 상태가 불안정해지는 문제점이 있다.Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose a method of forming a pattern structure by electrospinning. Near-field electrospinning is used to manufacture fine lines by setting the distance between the nozzle and the integrated plate to 5 mm or less. However, the conventional near field electrospinning apparatus has a limitation in manufacturing fine lines with a high viscosity solution. That is, in the case of a high-viscosity solution, the voltage intensity must be increased to fabricate fine lines, but the state of the tail cone formed at the tip of the nozzle becomes unstable at high high voltage intensities.
한편, 바이오 분야에서 의료용 생체고분자를 활용하여 격자형 구조체를 만드는 과정에서 용융방사 공정과 전기방사 공정을 결합시켜 3D 구조의 복합다층 구조체를 제조한다. 하지만, 용융방사로 직경이 굵은 고분자 섬유로 구성된 구조층 위에 전기방사 공정으로 나노섬유 층을 형성할 경우, 고분자 구조물 위에 잔존하는 전하로 인하여 두꺼운 층을 구성하기 어려운 문제점이 있다. 세포배양 지지체로 사용되는 스캐폴더는 3차원 두께의 웹으로 제작하여야 하지만, 제조과정에서 일정한 두께가 되면, 웹 표면에 하전 필라멘트의 전하가 누적되어 동일하전을 갖는 필라멘트의 반발로 동일 영역에 집적되지 않아 두꺼운 웹을 제작하기 어렵다.On the other hand, in the bio-field, a multi-layered structure of a 3D structure is manufactured by combining a melt spinning process and an electrospinning process in the process of making a lattice structure using a medical biopolymer. However, when a nanofiber layer is formed by an electrospinning process on a structure layer composed of a polymer fiber having a large diameter by melt spinning, it is difficult to form a thick layer due to the charge remaining on the polymer structure. The scaffolds used as cell culture supports should be made of a three-dimensional web. However, if the thickness of the scaffold is constant during the manufacturing process, the charge of the charged filament accumulates on the web surface and is accumulated in the same area due to the repulsion of the filament having the same charge. It is difficult to make a thick web.
즉, 종래의 전기방사 장치는 집적부를 단순히 접지시키거나, 혹은 하전용액과 반대되는 극성을 갖는 고전압 공급 장치에 연결하여 나노섬유를 집적시킨다. 하지만, 이러한 구성방법은 나노섬유의 배열성이 높은 두꺼운 웹을 제조하는 방법으로 부적합하다. 나노섬유가 집적부에 집적될수록, 나노섬유 배열성은 나빠지고, 웹의 표면전하는 계속 유지되어 동일한 전하를 갖는 후속 필라멘트는 반발하여 지정된 위치에 집적되지 못한다. 결국, 집적부에 형성된 전하로 인하여 두꺼운 웹을 제조할 수 없는 문제점이 있다.That is, in the conventional electrospinning device, the integrated portion is simply grounded or connected to a high-voltage supply device having a polarity opposite to that of the charged solution, thereby integrating the nanofibers. However, such a method is not suitable as a method of producing a thick web having a high degree of arrangement of nanofibers. As the nanofibers are integrated in the integrated portion, the nanofiber arrangement becomes worse and the surface charge of the web is maintained, so that the subsequent filaments having the same charge are repelled and are not integrated at the designated positions. As a result, there is a problem that a thick web can not be manufactured due to the charge formed on the integrated portion.
한편, 고전압 세기를 증가시키면, 용액이송 장치에 장착된 시린지는 절연파괴되어 펌프 주위로 고전압 전기장이 형성되면서 순간적인 누전에 따른 전기적 쇼크로 용액 이송장치의 제어회로가 제어불능 상태로 되는 경우가 있다. 이러한 문제점은 고전압 세기를 증가시킬수록 자주 발생한다.On the other hand, when the high voltage intensity is increased, the syringe mounted on the solution transferring apparatus is broken down, and a high voltage electric field is formed around the pump, so that the control circuit of the solution transferring apparatus can not be controlled due to an electrical shock due to an instantaneous leak . This problem frequently occurs as the high voltage intensity is increased.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 고분자 용액을 일정하게 전기방사하여 미세선 패턴을 균일하게 제작할 수 있는 미세선 제조용 전기방사장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide an electrospinning device for fine line manufacturing which is capable of uniformly fabricating fine line patterns by uniformly electrospinning a polymer solution.
본 발명의 다른 목적은 전기방사 중 노즐 끝에 형성된 하전용액의 흔들림을 안정되게 유지하여 하전 필라멘트의 집적부에 대한 직진상태를 유지시킴으로써 기재 위에 선형패턴을 반복적으로 일정하게 제작할 수 있는 미세선 제조용 전기방사장치를 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide an electrospinning method for fine line fabrication which can stably maintain a swing of a charged solution formed on a tip of a nozzle during electrospinning to maintain a linear state of the charged filament with respect to the integrated part, Device.
본 발명의 또 다른 목적은 하전 필라멘트의 방향성을 제어하여 집적부의 특정위치에 하전 필라멘트를 반복적으로 일정하게 집속시킴으로써 두꺼운 웹을 제작할 수 있는 미세선 제조용 전기방사장치를 제공하는 데 있다.It is still another object of the present invention to provide an electrospinning apparatus for fine line production, which can manufacture thick webs by controlling the directionality of charged filaments and repeatedly and uniformly focusing charged filaments at specific positions of the integrated portion.
본 발명의 또 다른 목적은 시린지의 누설 고전압을 차단할 수 있는 구조를 가진 미세선 제조용 전기방사장치를 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide an electrospinning device for manufacturing fine lines having a structure capable of blocking leakage high voltage of a syringe.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 고분자 물질이 용해된 용액을 정량 공급하는 용액공급부; 상기 용액에 고전압을 가하여 하전시키는 고전압제공부; 상기 용액공급부로부터 용액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하는 적어도 하나 이상의 중공관 니들을 구비한 방사노즐부; 상기 방사노즐부에 배치되고, 하전 용액으로부터 생성된 원추형의 테일러 콘을 안정화시키고 테일러 콘의 끝부분에서 생성된 하전 필라멘트의 제트를 기재에 대하여 일직선으로 집속시키도록 고전압이 가해지는 전도성 부재; 및 상기 방사노즐부의 하방에 배치되어 하전 필라멘트를 수집하는 집적부;를 포함하는 미세선 제조용 전기방사장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell comprising: a solution supply unit for supplying a solution in which a polymer material is dissolved; A high voltage supplier for charging the solution by applying a high voltage thereto; A spinneret portion having at least one hollow tube needle for receiving a solution from the solution supply portion and discharging the solution in a filament form; A conductive member disposed in the spinneret portion to apply a high voltage to stabilize the conical tailor cone generated from the charged solution and to focus the jet of the charged filament generated at the end of the tail cone in a straight line with respect to the substrate; And an accumulation unit disposed below the spinning nozzle unit and collecting charged filaments.
상기 전도성 부재는 상기 방사노즐부의 하부에 배치된 금속 플레이트 또는 금속관이고, 상기 중공관 니들은 상기 전도성 부재의 중심에 배치되는 것이 바람직하다.Preferably, the conductive member is a metal plate or a metal tube disposed at a lower portion of the spinning nozzle portion, and the hollow tube needle is disposed at the center of the conductive member.
상기 금속 플레이트는 직경이 5mm~50mm이고, 두께가 1mm~5mm인 금속원판으로 이루어지고, 상기 금속관은 내경이 3mm~10mm, 외경이 4mm~15mm인 금속 원형관으로 이루어지고, 상기 금속원판의 하단은 상기 방사노즐부의 하단으로부터 1mm~20mm 상방에 위치하고, 상기 금속관의 하단은 상기 방사노즐부의 하단으로부터 1mm~5mm 상방에 위치할 수 있다.Wherein the metal plate is composed of a metal circular plate having a diameter of 5 mm to 50 mm and a thickness of 1 mm to 5 mm and the metal tube is composed of a metal circular tube having an inner diameter of 3 mm to 10 mm and an outer diameter of 4 mm to 15 mm, May be located 1 mm to 20 mm above the lower end of the spinning nozzle unit and the lower end of the metal pipe may be located 1 mm to 5 mm above the lower end of the spinning nozzle unit.
상기 중공관 니들을 둘러싸도록 배치된 보조 캡;을 더 포함할 수 있다.And an auxiliary cap disposed to surround the hollow needle.
상기 보조 캡의 내부에서 상기 중공관 니들과 상기 금속원판을 전기적으로 연결하는 금속 스프링이 구비될 수 있다.And a metal spring for electrically connecting the hollow tube needle and the metal disk within the auxiliary cap.
상기 전도성 부재는 상기 중공관 니들을 중심으로 주변에 배치된 복수개의 가이드 핀으로 구성될 수 있다.The conductive member may include a plurality of guide pins disposed around the hollow needle.
상기 가이드 핀은 직경이 1mm~10mm이고, 상기 중공관 니들의 둘레에 72도 ~ 180도의 간격으로 배치되는 것이 바람직하다.Preferably, the guide pins have a diameter of 1 mm to 10 mm and are disposed at intervals of 72 to 180 degrees around the hollow needle.
수평 및 수직방향으로 정해진 구간을 왕복 운동하여 하전 필라멘트의 집적 영역을 제어하는 로봇 구동부;를 더 포함할 수 있다.And a robot driving unit that reciprocates in a section defined in the horizontal and vertical directions to control the integrated area of the charged filament.
상기 집적부는 드럼형 회전체 또는 평판으로 이루어져서 접지되거나 마이너스 전극이 연결되고, 상기 용액의 극성과 반대 극성을 갖는 전하를 발생시켜서 방사된 하전 필라멘트의 집적 방향을 반대 극성의 전하를 갖는 영역으로 유도하고, 하전 필라멘트의 전하를 중화시키는 전하방전부;를 더 포함할 수 있다.The accumulating portion is formed of a drum type rotating body or a flat plate and is grounded or connected to a negative electrode to generate a charge having a polarity opposite to the polarity of the solution to guide the direction of accumulation of the charged filament to a region having a charge of opposite polarity And a charge discharging part for neutralizing the charge of the charged filament.
상기 전하방전부는 직경 0.5mm~8mm인 복수개의 침상니들 혹은 한쪽 끝부분이 뾰족한 봉이 전극 침으로 구성되고, 상기 전극 침이 상기 집적부의 표면으로부터 0.1mm~20mm 간격을 두고 설치될 수 있다.The charge discharger may include a plurality of needles having a diameter of 0.5 mm to 8 mm or a rod having a pointed end having an electrode needle, and the electrode needles may be installed at intervals of 0.1 mm to 20 mm from the surface of the accumulating portion.
상기 고전압제공부는 상기 용액에 (+)1kV~(+)50kV의 고전압을 가하고, 상기 전하방전부에 (-)1kV~(-)50kV의 고전압을 가하는 것이 바람직하다.It is preferable that the high voltage providing unit applies a high voltage of (+) 1 kV to (+) 50 kV to the solution and applies a high voltage of (-) 1 kV to (-) 50 kV to the charge discharging unit.
상기 용액공급부는, 모터부와, 상기 모터부의 축과 연결된 스크류와, 플런저가 내장된 시린지와, 상기 스크류에 체결되어 상기 시린지의 플런저를 미는 푸셔와, 상기 중공관 니들에 고전압을 인가하는 고전압 인가수단과, 상기 고전압 인가수단에 의해 고전압이 가해지는 노즐홀더부를 구비할 수 있다.The solution supply unit includes a motor unit, a screw connected to the shaft of the motor unit, a syringe having a plunger therein, a pusher coupled to the screw to push the plunger of the syringe, and a high voltage And a nozzle holder portion to which a high voltage is applied by the high voltage applying means.
본 발명에 따르면 미세선 제조용 전기방사장치는 다음과 같은 효과를 가진다.According to the present invention, an electrospinning apparatus for fine line production has the following effects.
첫째, 노즐의 니들몸체 주위에 가이드 핀과 금속원판 등을 포함하는 전도성 부재를 배치함으로써 노즐 끝에 토출액적으로부터 형성된 테일러 콘이 안정된 상태를 이루고, 이로부터 형성된 하전 필라멘트는 기재에 대하여 일정한 방향성이 유지되어 기재 위에 미세선으로 구성된 균일한 패턴을 제작할 수 있다.First, by disposing a conductive member including a guide pin and a metal disk around the needle body of the nozzle, a tailor cone formed at the nozzle end is formed in a stable state, and the charged filament formed therefrom is maintained in a certain direction So that a uniform pattern composed of fine lines can be formed on the substrate.
둘째, 노즐 끝에서 안정된 테일러 콘을 형성시킴으로써 코어 쉘의 이중구조를 갖는 구조체를 용이하게 제조할 수 있다.Secondly, by forming a stable tail cone at the nozzle end, a structure having a double structure of core shell can be easily manufactured.
셋째, 하전 필라멘트의 극성과 반대 극성의 전하를 집적부로 방출하는 침상구조의 전하 방전극이 구성됨으로써 미세선이 반복적으로 균일하게 집적되어 1mm 이상의 두꺼운 웹을 제작할 수 있다.Third, since the charge discharge electrode having an acicular structure that discharges the charge of the polarity opposite to the polarity of the charged filament to the accumulation portion is formed, the fine lines are repeatedly and uniformly integrated so that a thick web having a thickness of 1 mm or more can be manufactured.
넷째, 시린지와 일체로 구성된 노즐 홀더가 구성된 용액이송 장치는 시린지로부터 누설되는 고전압이 차단되어 제어부의 전기적 단락과 같은 문제를 해결할 수 있다.Fourth, the solution transfer apparatus having the nozzle holder integrally formed with the syringe can solve the problem such as electrical short of the control unit by breaking the high voltage leaked from the syringe.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세선 제조용 전기방사장치의 구성을 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1에서 용액공급부 및 방사노즐부의 구성을 도시한 측면도이다.
도 3은 도 2의 사시도이다.
도 4는 도 3의 변형예를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 2에서 A 부분에 대한 주요 구성을 도시한 단면도이다.
도 6은 도 2에서 시린지 커버를 갖는 시린지 및 방사노즐부의 구성을 도시한 단면도이다.
도 7은 도 1에서 전도성 부재의 배치 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세선 제조용 전기방사장치에 다중노즐이 구비된 구성을 도시한 단면도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate preferred embodiments of the invention and, together with the description of the invention given below, serve to further the understanding of the technical idea of the invention. And should not be construed as limiting.
FIG. 1 is a front view showing a configuration of an electrospinning apparatus for manufacturing fine lines according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view showing the structure of the solution supply part and the spinning nozzle part in FIG.
3 is a perspective view of FIG.
Fig. 4 is a perspective view showing a modification of Fig. 3. Fig.
5 is a cross-sectional view showing a main configuration of the portion A in Fig.
Fig. 6 is a sectional view showing the configuration of a syringe and a spinning nozzle unit having a syringe cover in Fig. 2. Fig.
Fig. 7 is a view showing the arrangement structure of the conductive member in Fig. 1. Fig.
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a structure including multiple nozzles in an electrospinning apparatus for fine line manufacturing according to a preferred embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately It should be interpreted in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세선 제조용 전기방사장치의 구성을 도시한 정면도, 도 2는 도 1에서 용액공급부 및 방사노즐부의 구성을 도시한 측면도, 도 3은 도 2의 사시도, 도 4는 도 2의 변형예를 도시한 사시도, 도 5는 도 2에서 방사노즐부의 내부 구성을 도시한 단면도, 도 6은 도 2에서 시린지 커버를 갖는 시린지 및 방사노즐부의 구성을 도시한 단면도이다.FIG. 1 is a front view showing the configuration of an electrospinning device for microneutilizing according to a preferred embodiment of the present invention, FIG. 2 is a side view showing the structure of a solution supply part and a spinning nozzle part in FIG. 1, Fig. 4 is a perspective view showing a modified example of Fig. 2, Fig. 5 is a sectional view showing the inner configuration of the spinning nozzle unit in Fig. 2, and Fig. 6 is a sectional view showing the configuration of a syringe and spinning nozzle unit having a syringe cover in Fig. to be.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세선 제조용 전기방사장치는, 원료 고분자 용액을 공급하는 용액공급부와, 용액에 고전압을 가하는 고전압제공부(110)와, 용액을 공급받아 하전 필라멘트를 토출하는 방사노즐부(120)와, 방사노즐부(120)의 하부에 배치된 전도성 부재(121)와, 하전 필라멘트를 수집하는 집적부(140)와, 하전 필라멘트의 집적 방향을 반대 극성의 전하를 갖는 영역으로 유도하고, 하전 필라멘트의 전하를 중화시키는 전하방전부(170)를 포함한다.1 to 6, an electrospinning device for manufacturing a fine wire according to a preferred embodiment of the present invention includes a solution supply part for supplying a raw polymer solution, a high
상기 용액공급부는 고분자 물질이 용해된 용액을 정량 공급한다. 상기 용액공급부는 시린지(syringe)(도 2의 108)와, 시린지(108)에 저장된 용액을 방사노즐부(120) 쪽으로 이송하는 용액이송펌프(100)를 구비한다.The solution supply part supplies a solution in which the polymer material is dissolved. The solution supply unit includes a syringe (108 in FIG. 2) and a
시린지(108)는 내부용량이 100㎕~500㎖인 용기 배럴부를 구비하는 것이 바람직하다. 대안으로는, 내부용량이 500㎖~5,000㎖인 저장탱크가 채용되는 것도 가능하다. 시린지(108)의 용기 배럴부에는 밀대에 해당하는 플런저(plunger)(107)가 삽입된다. 플런저(107)가 없는 저장탱크의 경우, 공기압력으로 용액을 이송시킬 수도 있다. 시린지(108)는 내전압성이 우수한 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 나일론(Nylon), 아세탈, 유리등 절연성 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 배럴의 두께가 얇은 절연체인 경우, 전기방사 공정 중 높은 고전압에서 절연파괴되거나, 연결부위에서 하전용액의 전기가 시린지(108)의 외부로 방전될 수 있어 배럴의 외부에 절연성 재질의 커버를 함께 사용하는 것이 바람직하다.The
시린지(108)에 투입되는 고분자 용액은 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF(poly (vinylidene fluoride)), 폴리아크릴로니트릴(PAN(poly(acrylonitile)), 폴리비닐알코올(PVA(poly(vinylalcohol))), 폴리이미드(PI(poly (imide)), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO(poly(ethylene oxide)), 폴리락틱-co-글리콜린산(PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid)), 폴리락트산(PLA(polylactic acid)), 폴리락틱산(PLLA(poly-L-lactic acid)), 폴리글리콜린산(PGA(polyglycolic acid)), 폴리카프로락톤(PCL(polycarpro lactone))과 같은 용매에 용해되는 고분자를 포함하는 용액, 또는 전도성 입자를 포함하는 고분자 용액 등이 적용될 수 있다.The polymer solution to be injected into the
코어 쉘(core-shell) 구조의 이중층 구조체를 제조하는 경우, 쉘부 용액으로 상기의 고분자 용액이 채용되고, 코어부 용액은 오일과 같은 기능성 물질이 채용될 수 있다. 이때, 기능성 물질은 약물, 은(Ag) 혹은 카본계 입자를 포함하는 전도성 물질, 항균소취 물질, 향 마이크로캡슐, 전자파 차폐물질, 자외선 경화물질, 오일 등이 적용될 수 있다.When a double-layer structure of a core-shell structure is prepared, the above-mentioned polymer solution is employed as the shell part solution, and the core part solution can employ functional materials such as oil. At this time, the functional material may be a conductive material including a drug, silver (Ag) or carbon-based particles, an antibacterial deodorant, a fragrance microcapsule, an electromagnetic wave shielding material, an ultraviolet ray hardening material, oil and the like.
시린지(108)에 저장된 용액은 용액이송펌프(100)를 통하여 방사노즐부(120)로 이송된다. 용액이송펌프(100)는 용액의 이송량을 일정하게 유지할 수 있도록 스태핑 모터 혹은 서보모터로 이루어진 모터부(103)와 연결된다. 용액이송펌프(100)로는 통상의 정량이송펌프나, 튜브연동식 펌프(peristaltic pump)가 사용될 수 있다.The solution stored in the
모터부(103)는 모터 장착용 블록(104)에 부착되고, 소정의 커플링을 통하여 스크류(105)에 동력을 전달한다. 이때, 상기 커플링으로는 스크류(105)를 통한 고전압 누전이 차단되도록 절연 커플링이 모터 축과 스크류(105) 사이에 배치된다. 모터부(103)는 스테핑 모터 혹은 서보모터가 사용될 수 있고, 미세한 이동을 위하여 스테핑 모터가 채용되는 것이 보다 바람직하다. 엔코더(102)는 모터부(103)의 후면에 부착되어 모터의 회전을 감지한다. 스크류(105)의 회전이 예컨대, 1~2초 동안 정지되면, 엔코더(102)가 모터부(103)의 회전을 감지하여 모터부(103)의 작동을 멈추게 하면서 과부하에 따른 모터부(103)의 과열을 방지한다.The
용액이송펌프(100)의 모터부(103)를 구동시키면 스크류(105)에 부착된 푸셔 블록(106)이 시린지(108)의 플런저(107)를 밀어서 시린지(108)의 배럴 내의 용액을 방사노즐부(120)로 이송시킨다. 이때, 용액의 토출량은 노즐 홀당 0.05㎕/분 ~ 500㎕/분으로 한다. 나노섬유급의 미세선을 제작하기에 바람직한 용액의 토출량은 0.2㎕/분 ~ 50㎕/분이다. 여기서, 스크류(105)의 리드는 0.5mm 내지 2mm이다. 바람직하게는 1mm이다. 스크류(105)의 회전에 따른 푸셔 블록(106)의 이동속도는 최소속도가 1㎛/시간~100㎛/시간이고, 최고속도가 1cm/분 ~ 20cm/분인 것이 바람직하다. 푸셔는 가이드 봉 대신 리니어 블록에 설치되어 이동될 수 있다.The
시린지(108)를 고정하는 시린지 홀더(109)는 시린지(108)의 외부로 흐르는 전류를 차단할 수 있도록 아세탈, 혹은 폴리에틸에틸에텔케톤(PEEK)의 절연성 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 시린지(108)를 고정하는 홀더는 필요에 따라 수 개 내지 수십 개의 시린지(108)가 안착되도록 구성될 수 있다.The
고전압제공부(110)는 용액에 고전압을 가하여 용액을 하전시킨다. 고전압제공부(110)는 직류전원을 제공하는 장치이며, 직류전원은 방사노즐부(120)와의 접촉을 통하여 용액에 공급된다. 방사노즐부(120)에 가해지는 직류전압은 노즐과 집적부(140) 간에 0.01kV/cm ~ 10kV/cm이다. 바람직한 전압세기는 노즐(중공관 니들(122))과 집적부(140) 간의 거리 1cm~30cm 에서 1kV~ 50kV이다. 근접장 전기방사의 경우, 거리는 0.1cm 내지 2cm이 바람직하고, 인가전압은 0.1kV/cm ~ 1.5kV/cm가 바람직하다. 고전압 세기는 노즐을 통하여 토출되는 하전용액으로부터 미세선 혹은 나노섬유 제조, 고분자의 종류, 고분자의 점도, 노즐의 특성, 노즐에 구성된 원판의 형태에 따라 적절하게 설정될 수 있다.The
고전압제공부(110)에서 발생된 고전압은 방사노즐부(120)의 내부에 설치된 소정의 금속관을 통하여 노즐에 제공된다. 방사노즐부(120)는 시린지(108)에 장착된 중공관 니들(122)이 안착될 수 있는 노즐 홀더부(도 3의 101)와, 고전압 케이블(190)과 연결되고 노즐몸체와 접촉하여 고전압을 인가하는 금속관과, 노즐 캡(도 5의 123)에 결합되고, 고전압이 인가되는 전도성부재(121)을 포함한다. 상기 금속관은 노즐에 대한 접촉을 통하여 용액에 고전압이 인가되도록 한다. 금속관의 재질은 스테인레스스틸(SUS), 구리 또는 황동인 것이 바람직하다. 부식성 용액인 경우, SUS 재질의 금속관이 보다 적합하다. 상기의 노즐홀더부(101)는 노즐 플레이트(도 5의 124)를 갖는다. 노즐 플레이트(124)는 PEEK 혹은 아세탈, 혹은 나일론 소재로 이루어진 절연성 재질로 구성하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직한 재질은 절연성이 우수한 PEEK이다. 용액이송펌프(100)에서 시린지(108)의 홀더 하단에 구성된 노즐 플레이트의 설치 위치는 시린지(108)의 크기에 따라 달라질 수 있다.The high voltage generated in the high
방사노즐부(120)는 용액이송펌프(100)로부터 용액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하는 적어도 하나 이상의 중공관 니들(122)을 구비한다. 구체적으로, 중공관 니들(122)은 내경 0.01mm~2mm, 외경 0.02mm~3mm, 길이 2mm~100mm인 것이 바람직하다.The spinning
또한, 방사노즐부(120)에는 중공관 니들(122)을 잡아주는 고전압 인가용 노즐홀더부(101)와, 중공관 니들(122)이 안착되는 노즐 캡(123)과, 고전압 케이블(190)과 연결된 금속관으로 구성되어 노즐에 고전압을 인가하는 고전압 인가수단과, 상기 고전압 인가수단과 연결되는 전도성 부재(121)가 구비된다.The spinning
부가적으로, 방사노즐부(120)의 상단에는 시린지 하우징(151)이 구비될 수 있다. 이때, 고전압 인가용 노즐홀더부(101)는 시린지 하우징(151)과 일체형으로 구성되어 시린지(108)에서 누설되는 고전압을 차단하는 것이 바람직하다.In addition, a
전도성 부재(121)는 방사노즐부(120)에 구비된 중공관 니들(122)과 일대일 대응하게 배치되고, 하전 용액으로부터 생성된 원추형의 테일러 콘을 안정화시키고 테일러 콘의 끝부분에서 생성된 하전 필라멘트의 제트를 일직선으로 집속시키도록 고전압이 가해진다.The
전도성 부재(121)는 중공관 니들(122)이 중심에 정렬되도록 방사노즐부(120)의 하부에 배치된 금속 플레이트인 금속원판(도 3의 121a), 중공관 니들(122)을 중심으로 주변에 배치된 복수개의 가이드 핀(121b), 중공관 니들(122)을 둘러싸도록 배치된 보조 캡(121c), 금속 원형관(도 4의 121d) 또는 이들 중 적어도 둘 이상의 조합으로 구성된다.The
전도성 부재(121)로서 금속원판(121a)과 보조 캡(121c)이 조합되는 경우, 도 5에 나타난 바와 같이 금속원판(121a)은 테두리가 노출되지 않도록 보조 캡(121c) 하부의 안쪽에 부착된다. 금속원판(121a)의 크기는 직경이 5mm~50mm이고, 두께가 1mm~5mm인 것이 바람직하다. 금속원판(121a)의 위치는 용액이 토출되는 노즐 끝에서 상단으로 1mm~20mm인 것이 바람직하다. 더욱 바람직한 위치는 2mm~10mm이다.When the
금속원판(121a)은 SUS 금속, 알루미늄, 황동 중 전기가 통하는 어느 하나의 재질로 구성된다.The
가이드 핀(121b)은 금속원판(121a)의 둘레에 일정한 간격으로 바람직하게 복수개가 설치되어 하전 필라멘트의 방향성을 제어한다. 가이드 핀(121b)은 하전 필라멘트의 방향성을 보조적으로 조절하는데 사용된다.Preferably, a plurality of guide pins 121b are provided around the
가이드 핀(121b)은 금속원판(121a)의 둘레에 72도~180도의 간격으로 1개 내지 5개가 배치될 수 있다. 가이드 핀(121b)의 돌출길이는 금속원판(121a) 둘레로부터 5cm 이하의 범위 내에서 조정된다. 가이드 핀(121b)은 직경이 1mm~10mm이고, SUS 금속재질인 것이 바람직하다. 이때, 가이드 핀(121b)은 금속원판(121a) 대신 보조 캡(121c)에 구성될 수 있다. 가이드 핀(121b)은 금속원판(121a) 혹은 보조 캡(121c) 둘레에 90도 간격으로 4곳에 설치되었다면, 필요에 따라 3곳은 돌출시키지 않고 1곳만 돌출시켜 하전 필라멘트의 방향성을 보조적으로 제어할 수 있다. 본 발명의 변형예에 따르면, 가이드 핀(121b)은 스트립 형태의 판상 가이드로 대체될 수도 있다. 스트립 형태의 판상 가이드의 경우, 판의 폭은 2mm~10mm 이고, 두께는 0.1mm~5mm가 바람직하다. 판의 재질은 금속계 SUS가 바람직하다.One to five
노즐에 고전압이 인가되면, 보조 캡(121c)에 구성된 금속원판(121a)과 가이드 핀(121b)이 모두 고전압으로 인가되어 테일러 콘의 균형과 하전 필라멘트의 방향성이 제어된다.When a high voltage is applied to the nozzle, the
보조 캡(121c)은 금속, 황동 비금속, 테프론, PEEK, 아세탈 중 어느 하나의 재질로 구성될 수 있다. 보조 캡(121c)이 절연성 재질인 경우, 금속원판(121a)에 대한 고전압 인가는 보조 캡(121c) 내에 노즐에서 원판까지 금속 스프링(124)을 설치함으로써 이루어진다.The
한편, 노즐 플레이트 없이 구성되는 개별노즐의 경우, 가이드 핀(121b)을 포함하는 금속원판(121a)이 노즐몸체에 직접 구성된다. 도 7의 (a)는 가이드 핀(121b)을 포함하는 금속원판(121a)이 단일 중공관 니들(122)의 니들몸체에 부착된 노즐의 구성을 도시한 것이다. 도 7의 (b)는 가이드 핀(121b)을 포함하는 금속원판(121a)이 중공관 니들(122)의 몸체에 부착된 동축 이중노즐을 도시한 것이다. 도 7의 (c)는 금속원판(121a)이 보조 캡(121c)에 장착된 동축 이중노즐을 도시한 것이다. 보조 캡(121c)이 금속인 경우, 금속원판(121a)이 없이 보조 캡(121c)만으로 노즐 끝에서 하전 필라멘트의 균형을 유지시킬 수 있다. 상기에서 기술한 모든 개별노즐의 경우, 금속원판(121a)의 고전압 인가는 중공관 니들(122)의 몸체를 통해 이루어진다. 가이드 핀(121b)은 상기에서 설명한 바와 같이 하전 필라멘트의 방향성을 제어하는 보조적 수단으로 사용된다.On the other hand, in the case of the individual nozzles configured without the nozzle plate, the
금속 원형관(121d)은 시린지(108)에 결합된 중공관 니들(122)이 중심에 위치하도록 배치되고, 중공관 니들(122)에 비해 높게 위치하여 중공관 니들(122)이 실질적으로 하방으로 돌출되도록 배치된다. 금속 원형관(121d)의 내경은 3mm~10mm, 외경 4mm~15mm이고, 하단 위치는 니들 팁보다 1mm~5mm 높게 위치되는 것이 바람직하다.The metal
집적부(140)는 방사노즐부(120)의 하방에 배치되어 하전 필라멘트를 수집한다. 집적부(140)는 드럼형 회전체(160)로 구성되거나, 평판으로 구성되거나, 컨베이어로 구성되거나, 혹은 직경이 5mm~50mm인 롤, 혹은 외경 1mm ~ 5mm의 봉이 복수개로 구성된 컨베이어로 구성되거나, 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 롤 혹은 봉 간의 거리는 표면이 접촉되지않는 범위에서 필요에 따라 큰 간격까지 조절될 수 있다. 연속공정인 경우, 롤러 집적부 혹은 복수개로 구성된 봉 집적부가 바람직하다. 집적부(140)는 접지로 연결되거나, 혹은 (-) 직류전압으로 연결된다. 집적부(140)에 접지가 연결되면, 노즐부와 집적부(140) 사이에 전기장이 형성되면서 전기방사 환경이 만들어진다.The collecting
전하방전부(170)는 복수개의 침상 니들로 구성된다. 용액에 (+)직류 고전압을 인가하면, 집적부(140)인 드럼 회전체 혹은 평판은 접지 혹은 무접지 상태로 두고, 전극침에 (-)직류전기를 연결한다. 드럼형 회전체(160)에 대하여 전하방전부(170)가 구성되는 경우, 드럼 회전체(160)의 재질은 플라스틱 절연체가 사용될 수 있다.The charge discharger 170 is composed of a plurality of needle needles. When a (+) direct current high voltage is applied to the solution, the drum rotating body or flat plate as the accumulating
전하방전부(170)는 집적부(140) 표면으로부터 0.1mm~20mm 간격을 두고 설치된다. (-) 전하를 발생시키는 전극침은 하전 필라멘트의 집적 방향을 반대 극성의 전하를 갖는 영역으로 유도하고, 이어서 하전 필라멘트의 전하를 중화시킨다. 또한, 방사 중 집적부(140)에 나노섬유가 쌓이면, 표면에 남아있는 (+)전하를 중화시켜 두꺼운 웹을 제조할 수 있다. 전하방전부(170)를 이루는 전극 침의 직경은 0.5 내지 8mm이다. 바람직한 전극 침은 한쪽 끝부분이 뾰족한 직경 2mm 내지 5mm 봉이다.The charge discharging unit 170 is installed at an interval of 0.1 mm to 20 mm from the surface of the accumulating
전하방전부(170)는 집적부(140) 폭 혹은 길이만큼 복수개의 전극 침으로 집적 구성된다. 전극 침간의 간격은 0.5mm 내지 50mm가 바람직하다. 고전압 극성은 용액에 (+)극성의 고전압이 인가되면, (-) 고전압이 인가되고, 용액에 (-)극성의 고전압이 인가되면, (+) 고전압이 인가되도록 한다. 고전압 세기는 용액의 인가극성과 반대로 1kV ~ 50kV범위내로 한다.The charge discharging unit 170 is integrated with a plurality of electrode needles as much as the width or length of the accumulating
전하방전부(170)는 드럼형 회전체(160) 혹은 평판 집적부(140)에 균일하고 두께가 일정한 웹을 제조하기 위해 집적부(140)의 폭 혹은 길이 방향을 따라 반복적으로 구동되는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해 두께가 1mm 이상인 두꺼운 웹이 제조될 수 있다.It is preferable that the charge discharging unit 170 is repeatedly driven along the width or longitudinal direction of the accumulating
로봇구동부(130,131)는 일정크기의 집적부(140)에 방사된 미세선이 균일하게 집적될 수 있도록 집적부(140)의 수평 혹은 수직방향으로 반복적으로 왕복구동한다. 로봇구동부(130,131)의 전단에는 수직방사 혹은 수평방사를 구현하기 위하여 방사 각도의 조절을 위한 각도 조절부(180)가 구비되는 것이 바람직하다.The
제어부(111)는 표시용 화면과 숫자 및 기능입력용 버튼을 포함한다. 상기 표시용 화면은 로봇구동부(130,131)에 대한 X축과 Y축의 시작점과 끝점, 로봇 구동속도, 회전체 속도, 용액공급부의 구동중 토출진행량, 총 토출량, 유량속도, 주사기 직경, 주사기 용량 등을 표시한다. 숫자 및 기능입력용 버튼은 로봇구동부(130,131)의 X축 라인 횟수, Y축 스텝 간 이동거리를 입력할 수 있고, 용액공급부의 모터전원 켜짐과 꺼짐 버튼, 유량제어용 버튼, 유량제어 재시작 버튼, 설정한 속도로 빠르게 모터를 구동하는 조그버튼, 전단계 이동버튼을 구비한다. 유량제어용 버튼을 누르면, 용액의 총 토출량, 유량제어 단위 선택, 유량제어량, 제조사별 주사기 선정 및 선택된 제조사의 주사기 용량 선택하거나 혹은 주사기의 내부직경을 직접 입력할 수 있고, 유량제어 단위는 나노리터(nℓ)/분 혹은 마이크로리터(㎕)/분 혹은 밀리리터(mℓ)/시간(hr)중 어느 하나를 선택할 수 있도록 구성되고, 엔코더(102) 기능의 사용유무를 선택할 수 있도록 구성되어 엔코더(102) 기능작동 문제가 발생한다면 기능 사용을 중지시켜 모터만 계속 구동시킬 수 있도록 구성된다.The
본 발명에 따른 전기방사장치는, 집적부(140)에 접지 대신에 (-)극성을 인가할 수 있는 고전압 발생장치가 포함될 수 있다. 또한, 노즐 끝에서 하전용액으로부터 형성된 테일러 콘의 방사상태를 실시간으로 모니터링하여 동영상 혹은 이미지로 저장할 수 있는 영상 시스템이 포함될 수 있다.The electrospinning apparatus according to the present invention may include a high voltage generating apparatus capable of applying (-) polarity to the accumulating
도 8은 금속원판(121a)을 포함하는 다중노즐의 구성을 도시한 것이다. 다중노즐인 경우, 시린지(108)로부터 용액 이송라인(미도시)으로 연결되는 몸체부(126)와, 상기 몸체부의 길이방향을 따라 집적 배열된 복수개의 캐피러리형 중공관 니들(122)을 구비한다.Fig. 8 shows the configuration of multiple nozzles including the
몸체부(126)에 이송된 용액이 유입되는 내부공간에 고전압이 인가될 수 있는 전압 인가판과 복수개로 설치되는 노즐의 근처에서 전압이 각각 인가되도록 인가판에 구성된 전극 침 혹은 전극 봉, 상기 내부공간과 연통되는 복수개의 어댑터 장착구, 어댑터 장착구에 연결된 금속원판을 갖는 보조 캡(121c)이 일정 간격으로 구성된다. 상기 전압 인가판에 구성된 전극 침 혹은 전극 봉의 길이는 복수개의 노즐에 직접 접촉되거나, 노즐 근처의 용액에 고전압이 전달될 수 있도록 조절된다. 이때, 고전압 인가는 금속SUS계의 용액 주입구가 고전압 인가판에 직접 맞닿도록 구성되어 이루어지고, 고전압 전원은 용액주입구에 연결되도록 구성된다. 전압 인가판은 부식성에 강한 SUS 금속이 바람직하다. An electrode needle or an electrode rod configured to be applied to a voltage applying plate to which a high voltage can be applied and an electrode to which a voltage is applied in the vicinity of a plurality of nozzles to which the solution transferred to the
다중노즐의 몸체부(126)는 PEEK, 아세탈, 테프론과 같은 불소계 고분자, 폴리프로필렌계, 나일론계, 폴리에스테르계 등의 재질로 구성된다. 어댑터 장착구(404)는 PEEK 재질이 바람직하다. 상기 어댑터 장착구는 두줄나사의 루어락(luerlock) 구조가 될 수 있다. 보조 캡(121c)은 하부에 금속원판(121a)이 배치되고, 내부에 스프링(124)을 구비하여 노즐로부터 금속원판(121a)까지 동일극성의 고전압이 인가된다. 보조 캡(121c)은 테프론 혹은 PEEK수지 혹은 아세탈 수지의 절연성 재질인 것이 바람직하다. 금속인 경우, 인접 보조 캡(121c) 간의 전기장 형성으로 방사과정에서 인가 고전압 세기를 높여야 하기 때문에 바람직하지 않다.The
다중노즐에서 노즐 간의 거리는 10mm~100mm가 바람직하다. 노즐 간의 거리가 좁을수록 하전 필라멘트의 반발이 커져서 필라멘트의 직진성이 떨어져 방사가 불안정해진다.The distance between the nozzles in the multiple nozzles is preferably 10 mm to 100 mm. As the distance between the nozzles becomes narrower, the repulsive force of the charged filament becomes larger, so that the linearity of the filament becomes lower and the radiation becomes unstable.
상기의 본 발명의 전기방사 장치를 사용하면 노즐 끝에 형성된 테일러 콘은 길이방향으로 제트를 형성하면서 안정된 상태를 유지한다. 테일러 콘과 제트는 10kV 이상의 높은 고전압 환경에서도 노즐 끝에서 어느 한 방향으로 치우침이 없이 안정된 상태를 유지한다. 상기의 하전 필라멘트의 제트는 금속판을 비롯하여 필름, 섬유원단, 직물, 부직포, 종이, 금속판, 유리판, 세라믹판 등 기재 위에 미세선을 제작할 수 있다. 또한, 상기의 제트는 더 높은 고전압에서 길게 신장된 제트가 특정한 지점부터 심한 요동과 용매 휘발과정을 거치면서 마이크로 내지 나노 크기의 미세섬유로 제조된다. 제조된 미세섬유는 접지된 집적판에 쌓여 멤브레인이 제작된다. With the electrospinning apparatus of the present invention, the tail cone formed at the tip of the nozzle maintains a stable state while forming a jet in the longitudinal direction. Taylor cones and jets maintain a steady state without bias in either direction from the tip of the nozzle, even at high high voltage environments above 10 kV. The jet of the charged filament may be formed on a substrate such as a metal plate, a film, a fiber fabric, a fabric, a nonwoven fabric, a paper, a metal plate, a glass plate, or a ceramic plate. In addition, the jet is made from micro- to nano-sized microfibers while a long elongated jet at a higher high voltage undergoes significant fluctuations and solvent volatilization from a specific point. The prepared microfibers are piled up on a grounded integrated plate to form a membrane.
본 발명의 미세선 제작용 전기방사 장치는 나노섬유 웹을 비롯하여 미세다공성 멤브레인, 중공나노섬유, 세포배양용 스캐폴드, 미세선 구성 회로 제작에 활용된다.The electrospinning device for the production of fine wires of the present invention is used for manufacturing nanofiber webs, microporous membranes, hollow nanofibers, scaffolds for cell culturing, and fine line construction circuits.
실시예Example 1 One
실시예 1에서는 도 1에 도시된 사용한 전기방사 장치를 사용하였다.In Example 1, the used electrospinning apparatus shown in Fig. 1 was used.
방사용액은 PVDF[(poly)vinylidenefluoride, Arkema 사의 Kynar 2801] 고분자를 acetone:dimethylacetamide(DMAc) 7:3인 혼합용매에 용액농도 17중량%로 제조한 투명한 용액이다. 상기의 방사용액은 플런저(107)가 장착되고, 용액 출구부분이 루어락(luerlock) 구조로 이루어져있는 용량 10ml의 시린지(108)에 담고, 시린지(108)의 출구에 중공형 니들(122)을 바로 연결시켜 정량이송펌프에 장착하였다. 시린지(108)에 연결된 금속노즐은 정량이송펌프의 노즐 플레이트에 구성된 고전압 인가용 금속관과 접촉되고, 금속원판(121a)을 갖는 보조 캡(121c)이 노즐 플레이트에 구성되었다. 보조 캡(121c)의 금속원판(121a)은 노즐 끝에서 2mm 상단으로 위치된다. 가이드 핀(121b)은 금속원판(121a) 내부에서 돌출되지 않고 사용된다.The spinning solution is a clear solution prepared by mixing PVDF [(poly) vinylidenefluoride (Kynar 2801, manufactured by Arkema) with acetone: dimethylacetamide (DMAc) in a solvent mixture of 17: 3 by weight. The spinning solution is placed in a
전기방사는 고전압이 인가된 상태에서 모터를 구동시켜 진행하였다. 고전압 세기는 15kV로 설정하고, 용액의 토출량은 10ul/분, 노즐은 27G(내경 0.2mm, 니들 길이 13mm)를 사용하였다. 집적부(140)는 평판 SUS 금속판을 사용하였다. 노즐 팁과 SUS 판 사이의 거리는 13mm이다.The electrospinning was carried out by driving the motor with high voltage applied. The high voltage intensity was set at 15 kV, the solution discharge rate was 10 / / min, and the nozzle was 27 G (inner diameter 0.2 mm, needle length 13 mm). The stacking
선형 패턴의 선폭과 선간 거리를 촬영하기위하여 광학 현미경(Vinity사, model : UM08)을 사용하였다. 그 결과 중공관 니들(122)에 원판이 구성된 노즐을 사용하여 집적판에 마이크로급 선폭을 갖는 라인을 제작할 수 있었다. 이때, 선폭 45㎛~50㎛이고, 선간 거리는 380㎛~400㎛인 것으로 나타났다. 본 실시예는 라인을 반복적으로 그려 선형 패턴을 제작하는 기술을 보여주기 위한 예시로서 용액의 점도와 토출량, 그리고 노즐직경에 따라 나노급의 미세한 선을 제작할 수도 있다.An optical microscope (Vinity, model: UM08) was used to photograph the line width and line distance of the linear pattern. As a result, a line having a micrometer line width on the integrated plate can be manufactured using the nozzle having the
본 실시예는 높은 점성을 갖는 용액으로부터 하전 필라멘트를 미세하게 제조하는 과정에서, 노즐 팁과 집적부(140) 간의 거리가 10mm 이상 넓고, 높은 고전압 환경 하에서도 니들에 원판을 갖는 노즐을 사용하여 함으로써 테일러 콘과 제트의 흔들림이 없이 안정된 토출를 할 수 있어 전기방사 공정법으로 선 패턴을 제작할 수 있었다. 본 발명은 노즐과 집적판의 간격을 높인 상태에서 전기방사 공정으로 선 패턴을 제작할 수 있음을 보여준다.By using a nozzle having a disk on the needle even in a high-voltage environment where the distance between the nozzle tip and the accumulating
실시예Example 2 2
실시예 2는 노즐에 토출된 하전필라멘트의 방향성을 안정화시키고, 집적부(140)에 대하여 전하필라멘트와 반대 극성을 갖는 전하방전부(170)를 설치하여 집적부(140) 위의 전하를 중화시킴으로써 지속적으로 미세선을 집속시켜 두께가 두꺼운 웹을 제작하였다.The second embodiment stabilizes the directionality of the charged filament discharged to the nozzle and neutralizes the charge on the
실시예 2에서는 실시예 1의 것과 동일한 용액과 방사장치를 사용하였다. 집적부(140)는 절연체인 아세탈 재질의 플라스틱 드럼 회전체를 사용하였다. 그리고, 전하방전부(170)가 드럼회전체에 대하여 2mm 간격을 두고 설치되었다. 전하방전부(170)는 직경 0.4mm이고, 간격 2.5mm, 폭 10cm로 복수개의 전극 침으로 구성된다. 용액에 인가한 고전압은 (+)14kV이었고, 전극침에 인가한 고전압은 (-)14kV이었다. 집적부(140)간의 거리는 14cm로 고정하였다. 사용한 노즐은 25G(0.25mm)이고, 토출량은 30㎕/분 이었다. 방사중 노즐부가 설치된 로봇을 드럼 회전체의 폭 방향으로 5cm 반복구동시키면서 미세선을 드럼회전체 위에 수집하였다.In Example 2, the same solution and spinning apparatus as in Example 1 were used. The accumulating
그 결과 집적부(140)로서 플라스틱 드럼 회전체 위에 미세선을 지속적으로 수집시킴으로써 두께 1mm 이상의 웹이 제작됨을 확인할 수 있었다. 본 실시예는 절연성의 드럼 회전체에 집적되는 하전 필라멘트의 극성과 반대 극성의 전하를 방출하는 전하방전부(170)의 설치로 드럼 위의 하전필라멘트의 전하와 서로 중화되어 두꺼운 웹이 제작될 수 있음을 보여준다.As a result, it was confirmed that a web having a thickness of 1 mm or more was manufactured by continuously collecting fine lines on the plastic drum rotating body as the accumulating
실시예Example 3 3
실시예 3은 가이드 핀(121b)을 포함하고 있는 보조 캡(121c)이 외부에 구성된 동축 이중노즐(코어-쉘 동축노즐)을 사용하여 방사하였다. 쉘부의 용액은 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide ;PEO)용액과 코어부 용액은 은(Ag)용액을 사용하였다. 동축 이중노즐에서 중심부 노즐의 내경은 0.15mm, 쉘부의 두께는 0.05mm, 토출량은 코어부의 Ag용액은 25㎕/분이고 쉘부의 PEO 용액은 250㎕/분, 전압세기는 7kV, 노즐 팁과 집적부(140) 간의 거리는 15cm로 설정하였다. 노즐 끝의 위치는 보조캡 하단으로부터 2mm 더 하방으로 설정하였다. 방사중 하전 필라멘트가 다소 기울어진 상태에서 반대편의 직경 5mm 가이드 핀(121b)을 보조캡 외부로 3cm 돌출시켜 하전 필라멘트의 위치를 일직선으로 조절하여 방사하였다. 그 결과 노즐 끝에서 코어 쉘 구조체가 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 하전 필라멘트의 코어부와 쉘부에서 용액 경계가 뚜렷하게 나타난 것으로 보아 금속원판(121a)이 배치된 노즐을 사용하는 것은 현저한 효과가 있음을 알 수 있다.In Example 3, a coaxial double nozzle (core-shell coaxial nozzle) having an
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not to be limited to the details thereof and that various changes and modifications will be apparent to those skilled in the art. And various modifications and variations are possible within the scope of the appended claims.
100: 용액이송펌프 101: 노즐홀더부
102: 엔코더 103: 모터부
104: 모터 장착용 블록 105: 스크류
106: 푸셔 블록 107: 플런저
108: 시린지 109: 시린지 홀더
110: 고전압제공부 120: 방사노즐부
121: 전도성 부재 121a: 금속원판
121b: 가이드 핀 121c: 보조 캡
121d: 금속 원형관 122: 중공관 니들
123: 노즐 캡 130,131: 로봇구동부
140: 집적부 151: 시린지 하우징
160: 드럼형 회전체 170: 전하방전부
180: 각도 조절부 190: 고전압 케이블
201: 노즐의 용액저장부100: solution transfer pump 101: nozzle holder part
102: Encoder 103: Motor section
104: Motor mounting block 105: Screw
106: pusher block 107: plunger
108: Syringe 109: Syringe holder
110: high voltage supply unit 120: spinning nozzle unit
121:
121b:
121d: metal circular tube 122: hollow tube needle
123: nozzle cap 130,131: robot driving part
140: Integrated part 151: Syringe housing
160: Drum type rotation body 170: Charge discharge part
180: Angle adjuster 190: High voltage cable
201: solution storage portion of the nozzle
Claims (12)
상기 용액에 고전압을 가하여 하전시키는 고전압제공부;
상기 용액공급부로부터 용액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하는 적어도 하나 이상의 중공관 니들을 구비한 방사노즐부;
상기 적어도 하나 이상의 중공관 니들에 일대일 대응하게 상기 중공관 니들 주변에 배치되어 하전 용액으로부터 생성된 원추형의 테일러 콘을 안정화시키고 각각의 테일러 콘의 끝부분에서 생성된 하전 필라멘트의 제트를 일직선으로 집속시키도록 고전압이 가해지는 전도성 부재; 및
상기 방사노즐부의 하방에 배치되어 하전 필라멘트를 수집하는 집적부;를 포함하고,
상기 전도성 부재는,
상기 중공관 니들이 중심에 정렬되도록 방사노즐부의 하부에 배치된 금속 플레이트인 금속원판, 상기 중공관 니들을 중심으로 상기 금속원판의 둘레에 일정한 간격으로 복수개가 설치되어 하전 필라멘트의 방향성을 제어하기 위한 복수개의 가이드 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세선 제조용 전기방사장치.A solution supply part for supplying a solution in which the polymer material is dissolved in a fixed amount;
A high voltage supplier for charging the solution by applying a high voltage thereto;
A spinneret portion having at least one hollow tube needle for receiving a solution from the solution supply portion and discharging the solution in a filament form;
The tubular conical tail cone generated from the charged solution is stabilized in a one-to-one correspondence with the at least one hollow tubular needle, and the jet of the charged filament produced at the end of each tail cone is linearly focused A conductive member to which a high voltage is applied; And
And an accumulation unit disposed below the spinning nozzle unit and collecting charged filaments,
The conductive member includes:
A plurality of metal discs disposed at a lower portion of the spinning nozzle unit so that the hollow tube needles are aligned with the center, a plurality of metal discs disposed at regular intervals around the hollow metal tube, And a plurality of guide pins for guiding the microwires.
상기 금속 플레이트는 직경이 5mm~50mm이고, 두께가 1mm~5mm인 금속원판으로 이루어지고,
상기 금속원판의 하단은 상기 방사노즐부의 하단으로부터 1mm ~ 20mm 상방에 위치하는 것을 특징으로 하는 미세선 제조용 전기방사장치.The method according to claim 1,
Wherein the metal plate is made of a metal plate having a diameter of 5 mm to 50 mm and a thickness of 1 mm to 5 mm,
And the lower end of the metal disk is located 1 mm to 20 mm above the lower end of the spinning nozzle unit.
상기 중공관 니들을 둘러싸도록 배치된 보조 캡;을 더 포함하는 미세선 제조용 전기방사장치.The method according to claim 1,
And an auxiliary cap disposed to surround the hollow tube needles.
상기 보조 캡의 내부에서 상기 중공관 니들과 상기 금속원판을 전기적으로 연결하는 금속 스프링이 구비된 것을 특징으로 하는 미세선 제조용 전기방사장치.5. The method of claim 4,
And a metal spring for electrically connecting the hollow tube needle to the metal disk in the auxiliary cap.
상기 가이드 핀은 직경이 1mm~10mm이고, 상기 중공관 니들의 둘레에 72도~180도의 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 미세선 제조용 전기방사장치.The method according to claim 1,
Wherein the guide pins have a diameter of 1 mm to 10 mm and are arranged at an interval of 72 to 180 degrees around the hollow tube needles.
수평 및 수직방향으로 정해진 구간을 왕복 운동하여 하전 필라멘트의 집적 영역을 제어하는 로봇 구동부;를 더 포함하는 미세선 제조용 전기방사 장치The method according to claim 1,
And a robot driving unit for reciprocating the section defined by the horizontal and vertical directions to control the integrated area of the charged filament,
상기 집적부는 드럼형 회전체 또는 평판으로 이루어져서 접지되거나 마이너스 전극이 연결되고,
상기 용액의 극성과 반대 극성을 갖는 전하를 발생시켜서 방사된 하전 필라멘트의 집적 방향을 반대 극성의 전하를 갖는 영역으로 유도하고, 하전 필라멘트의 전하를 중화시키는 전하방전부;를 더 포함하는 미세선 제조용 전기방사장치.The method according to claim 1,
The integrated unit may include a drum type rotating body or a flat plate, and may be grounded or connected to a negative electrode,
And a charge discharging part for generating charges having a polarity opposite to the polarity of the solution to guide the direction of accumulation of the charged filament filaments to a region having a charge of opposite polarity and neutralize the charge of the charged filament Electrospinning device.
상기 전하방전부는 직경 0.5mm~8mm인 복수개의 침상니들 혹은 한쪽 끝부분이 뾰족한 봉이 전극 침으로 구성되고,
상기 전극 침이 상기 집적부의 표면으로부터 0.1mm~20mm 간격을 두고 설치된 것을 특징으로 하는 미세선 제조용 전기방사장치.10. The method of claim 9,
Wherein the charge discharger comprises a plurality of needle-like needles having a diameter of 0.5 mm to 8 mm, or a rod having a pointed end at one end,
Wherein the electrode needles are installed at intervals of 0.1 mm to 20 mm from the surface of the integrated portion.
상기 고전압제공부는 상기 용액에 (+)1kV~(+)50kV의 고전압을 가하고, 상기 전하방전부에 (-)1kV~(-)50kV의 고전압을 가하는 것을 특징으로 하는 미세선 제조용 전기방사장치.10. The method of claim 9,
Wherein the high voltage providing unit applies a high voltage of (+) 1 kV to (+) 50 kV to the solution and applies a high voltage of (-) 1 kV to (-) 50 kV to the charge discharging unit.
모터부와, 상기 모터부의 축과 연결된 스크류와, 플런저가 내장된 시린지와, 상기 스크류에 체결되어 상기 시린지의 플런저를 미는 푸셔와, 상기 중공관 니들에 고전압을 인가하는 고전압 인가수단과, 상기 고전압 인가수단에 의해 고전압이 가해지는 노즐홀더부를 구비한 것을 특징으로 하는 미세선 제조용 전기방사장치.The apparatus according to claim 1,
A high voltage applying means for applying a high voltage to the needle of the hollow tube; a high voltage applying means for applying a high voltage to the needle of the hollow tube; And a nozzle holder part for applying a high voltage by an application means.
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