Electronspinning (electrospun) 전자방사

 

 

 

 Electrospinning (electrospun) 전자방사

 

고분자 용액에 전기장(고전압)을 가해 실처럼 나노섬유를 뽑아내는 전기방사 공정.

전기방사장치 (electrospinning/electrospun), 전기분무장치 (electrospraying), 용융 전기방사장치 (meltelectrospinning), 섬유, 물방울/구슬/비드, 지주 (structure) 등 제작되는 형상에 따라 명칭이 정해진다.

 

 

 구성

 

주사기 펌프 (syringe pump), 고전압 공급 장치 (high voltage power supply), 방사된 섬유 수집판 (collector)으로 구성.

 

 원리

 

일반적으로 전기방사장치는 속도를 제어한 고분자 용액을 고전압이 걸린 모세관 노즐 팁(Nozzle tip)을 통해 토출시킨다. 이때, 모세관의 노즐 끝부분으로 통과되는 용액은 고전압의 전기장으로 인해 많은 전하를 갖는 이온 액체가 만들어진다. 모세관 끝에 분포된 고분자 용액은 중력과 표면장력 사이에 평형을 이루며 반구형 방울을 형성하며 매달려 있게 되는데, 전기장이 부여될 때 이 반구형 방울 표면에 전하 또는 쌍극자 배향이 공기층과 용액의 계면에 유도되고, 전하 또는 쌍극자 반발로 표면장력과 반대되는 힘을 발생시킨다. 따라서 모세관 끝에 매달려 있는 용액의 반구형 표면은 양이온들이 표면에 축적되며 축적된 양이온들로 생긴 전기력이 표면장력에 영향을 주어 증가할 때, 콜렉터 방향으로 이동이 이루어져 ‘테일러 콘(Taylor cone)’을 형성하게 된다.

 

다시 말하면, 중력의 힘에도 용액이 떨어지지 않는 것은 표면장력으로 인해 용액끼리 뭉치며 둥그른 표면을 만들고, 그 힘으로 위에 뭉쳐있게 된다. 하지만 이때 작용한 전기적 작용에 의해 표면에 전하가 모이고, 그들간의 반발력이 가세해 표면장력을 이겨내고 떨어지는 것이다.

분출된 용액은 전기장 및 압력장 기울기(Potential and pressure gradient)를 따라 콜렉터로 이동하게 되는데, 그 도중 이온 내의 용매들이 증발하게 되고 그에 따른 이차분열(Secondary fissions: Coulomb explosion)을 통해 더 작은 크기로 변하며 궁극적으로 나노 단위의 섬유를 형성한다. 테일러 콘에서 형성된 용액은 날아가는 과정에서 방향은 굽어지거나 방향이 바뀌기도 한다.

 

 

 Parameter에 따른 변화

 

1. 모세관에서 콜렉터까지의 거리

 

모세관 끝에서 콜렉터까지의 거리가 너무 짧을 경우 용매가 함유된 섬유가 도달되기 때문에 건조되는 과정에서 섬유 간에 접착이 일어난다. 이러한 효과는 부직포의 열 또는 용제 결합과 비슷하므로 전기방사에 의해 제조된 섬유 간, 층간 결합력을 강화시키는 역할을 한다.

 

2. 전기장의 세기

 

또한, 전기장의 세기를 증대시키면 전체 전하밀도가 증대되어 미세한 섬유가 얻어진다. 전하밀도가 아주 높아 젯(Jet) 흐름이 분기되어 더 작은 여러 필라멘트로 분열되는 것이 스플레잉(Splaying)이라 한다.

 

3. 용액의 점도

 

전기 방사에서 점도가 낮은 용액의 경우 표면장력 때문에 고분자는 방울 형태로 축적되고, 점차 농도가 높아짐에 따라 붕괴되지 않고 공기 중을 날아가 방추형 방울들이 서로 미세한 실에 의해 연결된 형태를 거쳐 안정된 연속상 섬유를 형성한다. 또한, 용액의 점도가 높아질수록 용매 내에서 고분자 사슬의 얽힘 정도가 증가되어 제트(Cone jet, Liquid jet or Initial jet)의 붕괴를 방해하므로 제트는 섬유상으로 늘어나는 형상이 된다.

 

이와 같은 방법으로 전기장을 이용한 방사장치는 고분자 용액의 점도와 전체 전하밀도가 높을수록 구슬상이 없는 섬유가 제조될 뿐만 아니라 가는 섬유를 얻을 수 있다.

 

 분무, 이온 스프레이

 

이와 반대 속성인 분무의 경우 이온 스프레이의 분출속도, 용매의 조성, 모세관에 걸린 전기장의 세기 등이 분무기체 및 분무속도를 결정하는 주요 요소들을 조정하여 비드(Bead)를 형성한다. 비드 형태는 전기장 하에서 변형된 표면장력에 의해 제트가 붕괴된 결과이다.

 

비드의 표면에 전기장으로 인한 전하가 띄게 됨으로써 분열을 통해 단분자 이온만 남아 비드 간의 응집이 이루어지지 않고, 나노 사이즈의 비드까지 제어가 가능해 큰 장점을 가지고 있다. 수십 마이크로/나노미터 크기까지 다양한 영역의 비드들이 만들어지는 전기분무 장치에 사용되는 용액은 알루미늄, 세라믹 등과 같은 금속이 녹아있는 현탁액을 전기 분무시켜 물리, 전기, 화학적으로 특성이 우수한 소재를 만드는 데 사용되고 있다.

 

 용액(혹은 용매)의 선택

 

일반적으로 전기방사에 쓰이는 용매의 선택은 극성, 점성도(Viscosity, Pa-s), 표면장력(Surface tension, N/m), 전기전도도(Electrical conductivity, μs/cm), 밀도 (Density, kg/m3) 등의 요소들을 고려하여 결정한다. 이러한 공정변수의 변화에 따라 섬유의 형태가 다르게 형성된다.

 

특별히, 고분자 전기방사에 쓰이는 용매의 선택에는 크게 두 가지 요소가 중요한데, 첫째로 고분자를 잘 용해시킬 수 있는 용매이어야 하며, 동시에 전기방사가 안정적으로 이루어져야 한다는 점이다.

 

산소나 질소와 같은 친 양성자 원자가 포함되어 있거나, 이중결합 또는 벤젠고리가 있는 경우는 비교적 쉽게 물, 메탄올, AcCN 등의 양성자성 용매(Protic solvent)에 반응하며, 고순도 AcOH나 약간의 산을 넣어 용매로 사용할 수 있다. 고분자의 극성 정도에 따라, 위에서 언급된 용매들을 적절한 혼합비로 섞어서 이용할 수 있다. 또한, THF, 벤젠, Trichlorotrifluoro ethane 등의 용매도 위의 용매들과 섞어서 사용하기도 한다.

 

 응용분야

 

글린룸용 의류, 광화학 센서, 탄소나노튜브, 생체의학용, 차세대 전지(thin, flexible), 웨어러블 디바이스

외부에서 액체나 미세입자, 박테리아는 통과 못하지만, 방풍성/통기성 가능

나노섬유의 공극률(porosity) 조절이 가능

 

 

 참고

 

2020/03/31 - [정리, 공부해요/전기, 전자, 통신] - 전자기파, 전기장과 자기장의 영향 - 전자기유도

전자기파, 전기장과 자기장의 영향 - 전자기유도

2020/03/27 - [정리, 공부해요/전기, 전자, 통신] - 축전기(capacitor)에 사용되는 유전체에 대해

축전기(capacitor)에 사용되는 유전체에 대해