27. 전기방사를 이용한 섬유 제조 방법

전기방사 (Electrospinning)란?

 

1) 전기방사의 이론

- 용융된 고분자나 고분자 용액에 고압 직류를 가해 직조(섬유 제조)하는 방법 중 하나로 Nano Scale(수십~수백 nm)의 섬유 제조 가능할 뿐만 아니라 다양한 소재에 적용하여 비교적  간단하게 섬유를 뽑아낼 수 있어 생체 재료, 필터, 센서, 이차전지, 방호복, 전자소자 등 다양한 응용분야에 적용 가능하다.

 

 

 

- 전기 방사 시스템은 용액을 분사할 수 있는 시린지 펌프를 비롯하여 고전압 공급 장치, 방적 돌기, 콜렉터로 구성된다. 고전압 공급 장치의 전극은 각각 노즐 팁과 콜랙터에 연결되는데 이렇게 되면 상호간의 전기적 작용 아래 방사된 섬유들이 콜랙터(집전판)에 모여들게 된다.

 

- 또한 0 ~ 30kV의 고 전압이 노즐 팁(고분자 용액 분사구)에 인가되면

 

 1) 표면전하 사이의 정전기적 반발력

 2) 외부 전기장에 의한 쿨롱력

 

에 의해 노즐팁에 맺힌 고분자 용액이 원뿔 형태의 형상으로 연신되며 이를 Taylor Cone이라고 한다. 이 후 방사된 액상이 연신과 휘발됨에 따라 콜랙터에서 섬유형태로 포집할 수 있다.    

장점	단점
a. 얇은 나노 섬유 제조 가능 b.단위 무게당 표면적이 큼(공극 크기) c. 다양한 재료 응용가능	a. 단일 섬유 단위 활용 어려움 b. 다공성의 정량화 어려움 c. 생상선이 낮음

 

 

2) (전기 방사) 제조 섬유의 특징

 

A. 섬유의 굵기

 

 - 제조 섬유의 굵기나 형태 등은 주로 인가 전압, 용액이 점도 등 다양한 영향을 받게 되며 용액의 농도가 높을 수록  굵은 섬유가 형성된다.

 

        a. 용액의 점도(농도) = 점도가 높을 수록 굵은 섬유 제조 가능

        b. 인가 전압의 세기 = 전압의 세기가 강해질 수록 굵은 섬유 제조 가능        

        c. 용액 유입 속도 = 속도가 빠를 수록 국은 섬유 제조 가능

 

- 그 외에도 전기방사에 사용되는 재료의 종류(각 재료의 전기적, 기계적 성질)에 따라 각기 영향을 받는다.

 

B. 공극(간극)률

 

- 전기 방사에 의해 제조된 섬유는 나노 스케일의 섬유 가닥을 갖는 특성 외에도 섬유간 거리로 인해 공극(간극)이 발생되거나 특정 처리를 통해 섬유에 기공(Pore)를 형성시킬 수 있기 때문에 다양한 응용 분야에 적용될 수 있으며 대표적으로 전자분야, 의학 분야 등이 있다. 이러한 성질을 발현하는 것은 다양한 방법이 있으며 대표적으로 서로 다른 용해도의 재료를 혼합하여 용해한 후 섬유를 제조, 제조된 섬유를 산처리 등을 통해 한가지 성분을 제거하는 방식이다.

 

 

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참고 자료

1) 박정호, 전기방사(Electrospinning)와 이를 이용한 나노 섬유상의 구조, KOSEN Expert Review 2011

2) Wan-Tae Kim, Dong-Cheol Park, Wan-Hee Yang, Churl-Hee Cho, and Won-Youl Choi  Effects of Electrospinning Parameters on the Microstructure of PVP/TiO2 Nanofibers Nanomaterials 2021, 11, 1616

3)Ju-Young Park and In-Hwa Lee, Relative Humidity Effect on the Preparation of Porous Electrospun Polystyrene Fibers Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol. 10, 3473–3477, 2010