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균일한 고분자 나노섬유 매트 제작을 위한 다중 노즐 전기방사 공정 연구

Multi-Nozzle Electrospinning Process to Fabricate Uniform Polymer Nanofiber Mats

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.17 no.3, 2018년, pp.120 - 126  

이봉기 (전남대학교 기계공학부) ,  박재한 (전남대학교 기계공학부) ,  박건중 (전남대학교 기계공학부) ,  박광련 (전남대학교 기계공학부)

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In the present study, the multi-nozzle electrospinning process is investigated for the fabrication of uniform polymer nanofiber mats. Electrospinning has been one of the simple and efficient methods to manufacture polymer nanofibers and their mats. Although a typical electrospinning has many advanta...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구에서는 다중 노즐 전기방사 공정을 이용하여 균일한 열가소성 폴리우레탄 나노섬유 매트를 성공적으로 구현하였다. 넓은 면적의 나노섬유 매트의 제작과 나노섬유의 생산성 향상을 위한 다중 노즐 전기방사 장치를 개발하고 이를 적용한 기초 공정 연구를 수행하였다. 이를 통하여 다수의 노즐을 적용함에 따라 나타나는 전기장의 간섭과 이에 따른 나노섬유가 집적되지 않는 영역의 발생 및 집적 밀도의 불균일성을 확인할 수 있었다.
  • 노즐 사이의 거리 및 노즐의 배열 등 주요한 공정 변수가 제작되는 나노섬유 매트의 균일성(uniformity)에 미치는 영향을 확인하였다. 또한 안정적인 나노섬유 매트의 제작이 가능한 최대 유량을 실험적으로 확인함으로써 개발된 다중 노즐 전기방사 공정의 적용 가능성을 검증하였다.
  • 본 연구에서 개발된 다중 노즐 전기방사 장치를 이용하여 두 개의 노즐 사이의 거리에 따른 나노섬유 제작 특성을 확인하였다. 다공성 판에 형성된 구멍에 의하여 노즐의 위치가 고정되기 때문에 노즐 사이의 거리는 구멍 피치(8 mm)의 배수로 결정된다.
  • 본 연구에서는 다중 노즐 전기방사 공정을 이용하여 균일한 열가소성 폴리우레탄 나노섬유 매트를 성공적으로 구현하였다. 넓은 면적의 나노섬유 매트의 제작과 나노섬유의 생산성 향상을 위한 다중 노즐 전기방사 장치를 개발하고 이를 적용한 기초 공정 연구를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 다중 노즐 전기방사 공정의 기초 연구를 수행하기 위하여 Fig. 1과 같은 다중 노즐 전기방사 장치를 개발하였다. 개발된 전기방사 장치는 크게 고분자 용액 분배부(solution distributor), 노즐, 다공성 판(perforated plate), 드럼 집진판 등의 주요 요소들로 구성된다.
  • 본 연구에서는 드럼 집진판과 함께 노즐의 위치 조절이 용이한 다중 노즐 전기방사 공정을 개발하였다. 이를 이용하여 균일한 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane) 나노섬유 매트의 제작을 위한 기초 공정 연구를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 열가소성 폴리우레탄 나노섬유로 구성된 나노섬유 매트의 전기방사 공정을 개발하였다. 전기방사 고분자 용액은 펠렛(pellet) 형태의 열가소성 폴리우레탄(K-385A, Kolon Industries) 을 DMF(N,N-dimethylformamide 99.
  • 이와 같은 기준 공정 조건 중 주요 변수들을 Table 1에 나타내었다. 이 외에 본 연구 에서는 노즐 사이의 거리, 노즐의 배열, 고분자 용액의 최대 유량 등이 나노섬유 매트의 제작과 균일성에 미치는 영향을 확인하였다.
  • 본 연구에서는 드럼 집진판과 함께 노즐의 위치 조절이 용이한 다중 노즐 전기방사 공정을 개발하였다. 이를 이용하여 균일한 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane) 나노섬유 매트의 제작을 위한 기초 공정 연구를 수행하였다. 노즐 사이의 거리 및 노즐의 배열 등 주요한 공정 변수가 제작되는 나노섬유 매트의 균일성(uniformity)에 미치는 영향을 확인하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
다중 노즐 전기방사 공정의 단점은 무엇인가? 하지만 전기방사 공정은 일반적으로 낮은 생산성이라는 단점을 가지고 있다 나노섬유 제작의 낮은 생산성은 전기방사 공정이 다양한 분야로 적용되는 것을 다소 제한하고 있어 이를 극복하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있다 대표적으로 다중 노즐(multi-nozzle) 혹은 멀티 제트(multi-jet) 전기방사 공정이 연구되고 있다[5~7]. 이 기술을 적용할 경우 다수의 노즐 등을 이용함으로써 전기 방사되는 고분자 용액의 유량 을 효과적 (flow rate)으로 증가시킬 수 있다 하지만 노즐들의 상대적인 위치에 따른 전기장(electric field)의 간섭이 발생할 수 있으며 그 결과 나노섬유가 불균일하게 집적된 나노섬유 매트(nanofiber mat)가 제작될 수 있다 이와 함께 회전하는 드럼(drum) 형태의 집진판을 적용함으로써 나노섬유가 집적되는 면적을 향상시키는 기술[8] 및 전기방사 중 압축 공기에 의한 공기 유동을 가해줌으로써 고분자 용액 제트의 추가적인 신장과 생산성을 증가시키는 공정[9~11] 등이 보고되고 있다.
전기방사는 무엇인가? 전기방사(electrospinning)는 수십에서 수백 나노미터 수준의 지름을 가지는 고분자 나노섬유(polymer nanofiber)를 제작을 제작할 수 있는 대표적인 공정이다[1]. 일반적으로 노즐 을 통하 (nozzle)여 분사되는 고분자 용액(polymer solution)과 집진판 사이에 높은 전압 (collector) (electric voltage), 즉 전위차(electric potential difference)를 가해 주어 대전된 고분자 용액의 신장 을 유도한다 (elongation).
전기방사 공정이 가지는 단점은 무엇인가? 하지만 전기방사 공정은 일반적으로 낮은 생산성이라는 단점을 가지고 있다 나노섬유 제작의 낮은 생산성은 전기방사 공정이 다양한 분야로 적용되는 것을 다소 제한하고 있어 이를 극복하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있다 대표적으로 다중 노즐(multi-nozzle) 혹은 멀티 제트(multi-jet) 전기방사 공정이 연구되고 있다[5~7]. 이 기술을 적용할 경우 다수의 노즐 등을 이용함으로써 전기 방사되는 고분자 용액의 유량 을 효과적 (flow rate)으로 증가시킬 수 있다 하지만 노즐들의 상대적인 위치에 따른 전기장(electric field)의 간섭이 발생할 수 있으며 그 결과 나노섬유가 불균일하게 집적된 나노섬유 매트(nanofiber mat)가 제작될 수 있다 이와 함께 회전하는 드럼(drum) 형태의 집진판을 적용함으로써 나노섬유가 집적되는 면적을 향상시키는 기술[8] 및 전기방사 중 압축 공기에 의한 공기 유동을 가해줌으로써 고분자 용액 제트의 추가적인 신장과 생산성을 증가시키는 공정[9~11] 등이 보고되고 있다.
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참고문헌 (12)

  1. Yarin, A. L., Pourdeyhimi, B. and Ramakrishna, S., Fundamentals and Applications of Micro- and Nanofibers, Cambridge University Press, pp. 179-180, 2014. 

  2. Li, D. and Xia, Y., "Electrospinning of Nanofibers: Reinventing the Wheel?," Advanced Materials, Vol. 16, No. 14, pp. 1151-1170, 2004. 

  3. Jeong, Y. H., Lee, J. and Jin, S., "Fabrication of Polymeric Film with Nanofiber-based Porous Window and Its Application to Co-culture," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 13, No. 2, pp. 21-27, 2014. 

  4. Sa, M.-W., Lee, C.-H. and Kim, J. Y., "Fabrication of Nanofiber-Combined 3D Scaffolds using Dual-Head Deposition Technique," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 17, No. 1, pp. 108-115, 2018. 

  5. Theron, S. A., Yarin, A. L., Zussman, E. and Kroll, E., "Multiple Jets in Electrospinning: Experiment and Modeling," Polymer, Vol. 46, No. 9, pp. 2889-2899, 2005. 

  6. Wang, X., Wang, X. and Lin, T., "Electric Field Analysis of Spinneret Design for Needleless Electrospinning System," Journal of Materials Research, Vol. 27, No. 23, pp. 3013-3019, 2012. 

  7. Zheng, Y. and Zeng, Y., "Electric Field Analysis of Spinneret Design for Multihole Electrospinning System," Journal of Materials Science, Vol. 49, No. 5, pp. 1964-1972, 2014. 

  8. Katta, P., Alessandro, M., Ramsier, R. D. and Chase, G. G., "Continuous Electrospinning of Aligned Polymer Nanofibers onto a Wire Drum Collector," Nano Letters, Vol. 4, No. 11, pp. 2215-2218, 2004. 

  9. Hsiao, H.-Y., Huang, C.-M., Liu, Y.-Y., Kuo, Y.-C. and Chen, H., "Effect of Air Blowing on the Morphology and Nanofiber Properties of Blowing-Assisted Electrospun Polycarbonates," Journal of Applied Polymer Science, Vol. 124, No. 6, pp. 4904-4914, 2012. 

  10. Tanioka, A. and Takahashi, M., "Highly Productive Systems of Nanofibers for Novel Applications," Industrial and Engineering Chemistry Research, Vol. 55, No. 13, pp. 3759-3764, 2016. 

  11. Liu, Y. and He, J.-H., "Bubble Electrospinning for Mass Production of Nanofibers," International Journal of Nonlinear Sciences and Numerical Simulation, Vol. 8, No. 3, pp. 393-396, 2007. 

  12. Gadkari, S. B., "Scaling Analysis of Electrospinning," SpringerPlus, Vol. 3, No. 1, pp. 705, 2014. 

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