KR100225024B1 - 자동차 실내용 에어 필터 메디아와 그 가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정전기력이 부여된 초극세 섬유층을 포함하는 3층구조의 부직포로 이루어진 자동차 실내용 에어 필터 메디아 가공방법에 관한 것이다. 기계적인 포집과 정전기력에 의한 포집을 공히 수반하면서 통기저항이 적고 포집량이 많으며 포집효율을 극대화한 것이다. 융착점의 패턴이 양각된 롤과 평롤의 사이에 초극세 섬유층을 포함하여 결합되지 않은 3겹의 시트상 섬유집합체를 통과시키며, 양각된 롤 상에서 섬유집합체에 혼(Horn)으로 초음파 에너지를 전달하여 그 마찰열과 압력으로 겉층과 초극세 섬유층은 융착점 이외 부분이 미세공극을 이루며 분리되고 초극세 섬유층과 지지층은 접합되는 3층구조로 융착되도록 한 것이다.

[색인어]

융착점, 섬유 집합체, 혼, 초음파 에너지, 초극세 섬유, 미세 공극, 부직포 필터, 에어 필터, 자동차 실내용 필터

Description

자동차 실내용 에어 필터 메디아 가공방법(Automotive Cabin Air Fi1ter Med ia Processing Method)

본 발명은 정전기력이 부여된 초극세 섬유층을 포함하는 3층구조의 부직포로 이루어진 자동차 실내용 에어 필터 메디아 가공방법에 관한 것이다.

자동차 실내용 에어 필터는 인테리어 필터라고도 불려지는데, 대기중에 포함되어 있으면서 인체에 질병을 유발하는 미세입자 중에서 3㎛ 이상의 입자들을 자동차의 공조장치 내에서 자동차의 외기 유입모드 또는 내부순환모드 작동시에 여과시키는 기능을 한다. 미세입자는 도로먼지, 꽃가루, 박테리아, 에어로졸, 고무연마분, 브레이크 라이너 연마분, 석면입자 등의 악성 미립자상 물질과 오존, 벤젠, 톨루엔, 수소 아황산염, 포름알데히드, 암모니아 등과 같은 유해 기체상 물질들이다. 그런데, 이러한 입자들의 영향을 주행중 가장 많이 받게 되는 자동차 실내에서 인체에 가장 유해한 입자들은 3㎛이하에 해당하는 미세입자들이기 때문에 이를 포집하기 위하여 개발된 것이 있었다.

독일 프로이덴버그(FREUDENBERG)사의 정전 초극세 섬유층 에어 필터 메디아와 미국 쓰리엠(3M)사의 정전 벌키 섬유층 에어 필터 메디아가 그 예이다. 이 에어 필터 메디아들은 양자 공히 정전기력이 인위적으로 부여된 섬유층을 포함하고 있는데, 이렇게 섬유층에 정전기력을 부여하는 이유는, 제1도에서 보는 바와 같이 일반적인 기계적 포집원리에서는 약 0.5㎛ 이상의 입자크기에서 초극세 섬유층 또는 벌키 섬유층에 입자의 관성 및 충돌에 의한 입자점착곡선이 상승하는 것으로 나타나지만, 정전기력을 부여하는 경우에는 약 0.1㎛∼2.3㎛까지는 정전기 입자점착곡선(점선표시부분)에서 보듯이 포집효율이 상승되기 때문이다.

구체적으로, 프로이덴버그사의 정전 초극세 섬유층 에어 필터 메디아는 제2도에서 보는 바와 같이 겉층(1st Layer)(1)이 스펀접착(spunbond)된 PET(폴리테레프탈산에티렌) 30g/㎡으로 되어 있고, 초극세 섬유층(2nd Layer)(2)은 정전기력이 인위적으로 부여된 미세벌키(micro-bulky)구조의 폴리카보네이트 10g/㎡으로 되어 있으며, 지지층(3rd Layer)(3)은 스펀접착된 PET(폴리테레프탈산에티렌) 130g/㎡의 장섬유로 이루어져 있다. 이 에어 필터 메디아는 각 층을 초음파접착으로 결합한다.

쓰리엠사의 정전 빌키 섬유층 에어 필터 메디아는 제3도에서 보는 바와 같이 겉층(21)이 스펀접착된 폴리프로필렌 10g/㎡으로 되어 있고, 벌키(bulky) 섬유층(22)은 정전기력이 인위적으로 부여된 폴리프로필렌 50g/㎡으로 되어 있으며, 지지층(23)은 망상(mesh)의 폴리프로필렌 140g/㎡으로 이루어져 있다. 이 에어 필터 메디아의 결합방법은, 겉층(21)과 벌키 섬유층(22)을 미리 바느질로 펀칭하고 나서 3개의 층을 가열하여 주름을 잡으면서 합지한다.

상기 에어 필터 메디아 중에서 프로이덴버그사의 경우에는 정전방사공정(Polymer Solution Spinning)에 의하여 정전기력을 부여하면서 초극세 섬유층을 만든다. 정전방사공정은 폴리머용액으로 차단되어 있는 분사전극과, 이 분사전극의 양측에 위치하는 집적판 및 운반캐리어 사이에서 고전압의 전장이 만들어진다. 전기력은 폴리머의 작은 용액 방울을 분사전극에서 분사시켜 캐리어 위에서 고체화되면서 전하가 전도된 섬유상(micro fiber)부직포를 형성시킨다.

반면, 쓰리엠사의 에어 필터 메디아에서 벌키 섬유층은 무극성 물질의 고분자 필름을 연속적으로 압출하여 코로나방전처리를 하여 균일하게 하전한다. 연신한 하전필름을 섬유화해서 섬유재를 집적하고, 모아진 섬유재를 희망하는 모양의 필터로 하므로서 벌키 섬유층이 얻어지도록 한 것이다.

그러나, 상기한 에어 필터 메디아 중에서 정전 초극세 섬유층을 사용하는 경우에는 겉층과 초극세 섬유층이 전면에 걸쳐 접착되어 있기 때문에 통기저항값이 크고, 먼지(dust)의 포집량이 작다는 단점이 있다. 일반적으로 에어 필터 메디아가 추구하는 주목적은 미세 먼지를 오랫 동안 얼마나 효율적으로 잡는가에 달려 있다. 그리고, 통상 에어 필터 메디아가 3층 구조를 이룰 때 먼지의 미세 포집이 가장 많이 이루어지는 부분은 겉층과 중간층 사이에 해당하는 부분이다. 이런 관점에서 보았을 때 상기 에어 필터 메디아는, 투과소공(pore)이 큰(1㎛ 이상) 겉층을 지나는 먼지 입자가 포집량이 늘어나면서 미세벌키 구조로 이루어진 초극세 섬유층의 섬유간 투과소공을 막아서 결국 겉층의 투과소공에 쌓이게 되기 때문에 비교적 단기간에 통기저항값은 커지면서 상대적으로 포집량이 작아지는 결과를 낳아 포집효율을 떨어뜨린다. 이때 계속적인 먼지 부하에 의해 정전기력의 중화와 더불어 기계적인 포집원리(확산 등)가 상호작용하면서 통기저항값을 상승시키는 요인이 된다.

그리고, 상기한 에어 필터 메디아 중에서 정전 벌키 섬유층을 사용하는 경우에는 상기 정전 초극세 섬유층을 갖는 에어 필터 메디아 보다도 포집효율이 현격하게 떨어지는 단점을 가지고 있다. 그 원인은 벌기 섬유층이 먼지 부하를 받게 되면 정전기력을 상실하게 되기 때문이다. 예컨데, 0.2㎛의 NaCl 입자의 경우 부하의 경과에 따라 정전기력이 상실되고 이에 따라 여과의 둔화는 물론 기계적인 포집 원리에 의한 여과도 경미하여 자동차 실내정화용의 에어 필터로는 부적합하다.

본 발명의 목적은 정전 초극세 섬유층을 갖는 부직포를 이용하여 기계적인 포집과 정전기력에 의한 포집을 공히 수반하면서 통기저항이 적고 포집량이 많으며 정전기력을 잃지 않도록 하여 포집효율을 극대화한 에어 필터 메디아를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 초극세 섬유층에 대한 정전기 부여방법과 메디아의 접합공정 및 메디아의 재질을 기존의 메디아보다 개선하여 포집효율을 높이고 수명이 연장되도록 하므로서 자동차 실내의 공기정화능력을 보다 향상시키는데 있다.

제1도은 일반적인 기계적 포집원리에 의한 입자점착곡선과 정전기 포집원리에의한 정전기 입자점착곡선을 입자직경 대비 포집효율로 나타낸 비교선도.

제2도는 종래의 정전 초극세 섬유층 에어 필터 메디아 구성도.

제3도는 종래의 정전 벌키 섬유층 에어 필터 메디아 구성도.

제4도는 본 발명의 에어 필터 메디아 부분 단면도.

제5도는 그 평면 모양을 예시한 부분 평면도.

제6a도는 본 발명의 작용상태도.

제6b도는 종래의 정전 초극세 섬유층을 갖는 에어 필터 메디아의 작용상태도.

제7도는 본 발명과 정전 초극세 섬유층을 갖는 프로이덴버그사의 에어 필터 메디아를 자동여과시험기에 의하여 분진급진량 대비 포집효율과 분진급진량 대비압력손실로 비교시험한 비교선도.

제8도는 본 발명과 정전 초극세 섬유층을 갖는 프로이덴버그사의 에어 필터 메디아를 입자분포계수기에 의하여 입자크기 대비 입자크기값/ft³의 초기 입자별 분포를 비교시험한 막대그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

51 : 겉층 52 : 초극세 섬유층

53 : 지지층 54 : 융착점

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 융착점의 패턴이 양각된 롤과 평롤의 사이에 초극세 섬유층을 포함하여 결합되지 않은 3겹의 시트상 섬유집합체를 통과시키며, 양각된 롤 상에서 섬유집합체에 혼(Horn)으로 초음파 에너지를 전달하여 그 마찰열과 압력으로 겉층과 초극세 섬유층은 융착점 이외 부분이 미세공극을 이루며 분리되고 초극세 섬유층과 지지층은 접합되는 3층구조로 융착되도록 한 것이다.

상기 가공법에 의하여 얻어진 에어 필터 메디아는 1㎛이상의 먼지를 포집하는 부직포로 이루어진 겉층과, 0.1∼0.5㎛의 먼지를 포집하는 정전기력이 부여된 부직포로 이루어진 초극세 섬유층, 그리고 부직포로 이루어진 지지층이 일정 패턴의 융착점을 형성하며 결합되어 있고, 상기 겉층과 상기 초극세 섬유층 사이는 융착점 이외의 부분이 공극을 이루며 서로 분리되어 있다.

본 발명의 형상과 구조를 보다 명확히 하기 위하여 제4도 및 제5도에 의하여 설명한다. 제4도는 본 발명의 에어 필터 메디아 단면을 예시하고 있고, 제5도는 그 평면 모양을 예시하고 있다. 겉층(51)과 초극세 섬유층(52) 및 지지층(53)은 융착점(54)이 있는 부분에서는 모두 접합되어 있지만 융착점(54)이 없는 부분에서는 그 결합상태가 다르다. 즉, 겉층(51)과 초극세 섬유층(52)은 미세공극 B(약 0.3㎜ 이하)를 이루며 분리되어 있고, 초극세 섬유층(52)과 지지층(53)은 접합되어 있다. 융착점(54)은 제5도에서 보는 바와 같이 군데 군데 일정 간격으로 배치되어 있다. 융착점(54)은 에어 필터 메디아의 양면(겉층과 지지층의 외면)에 원형, 장원형 등의 흠을 형성하게 되고, 이 융착점(54)이 없는 부분에서는 겉층(51)의 표면에서 보았을 때 미세한 불륨감을 가지게 된다. 그래서 이러한 볼륨감으로 말미암아 겉층(51)과 초극세 섬유층(52) 간에는 거의 붙어 있는 듯한 작거나 큰 미세공극 B들이 불규칙하게 존재한다. 이러한 미세공극 B는 1㎛ 이하 먼지들의 포집량을 증가시키는데 결정적인 역할을 한다. 융착점(54)은 평면상 사방으로 연속하는 패턴을가지고 있다. 예컨데, 융착점(54)의 직경은 1.5㎜로 하고, 융착점(54)과 융착점(54) 간의 최소 간격은 8㎜로 하며, 이 융착점(54) 8개를 정사각의 변에 등간격으로 배치한 모양이 사방으로 연속하는 패턴으로 구성하면 적합하다. 이렇게융착점 패턴을 형성하면 인체에 유해한 1㎛ 이하의 미세 먼지가 기계적 포집에 의하여 확산되면서도 겉층(51)과 초극세 섬유층(52) 사이에 많은 양이 포집된다.

겉층과 초극세 섬유층 및 지지층을 결합하는 방법은 3개층을 초음파 에너지를 이용하여 융착하는 초음파접착방법을 적용한다.

초음파접착방법은 상기한 바와 같이 융착점의 패턴이 양각된 롤과 평롤의 사이에 초극세 섬유층을 포함하여 결합되지 않은 3겹의 시트상 섬유집합체를 통과시키며, 양각된 롤 상에서 섬유집합체에 혼(Horn)으로 초음파 에너지를 전달하여 그 마찰열과 압력으로 겉층과 초극세 섬유층은 융착점 이외 부분이 미세공극을 이루며 분리되고, 초극세 섬유층과 지지층은 접합되는 3층구조로 융착되도록 한 것이다. 상기 초음파접착방법에 의하여 결합하면 초극세 섬유층과 지지층간은 가벼운 융착상태 하에서 접합된다.

상기 겉층은 스펀접착한 PET 부직포 30g/㎡이고, 상기 초극세 섬유층은 폴리프로필렌 부직포 20g/㎡이며, 상기 지지층은 단섬유로 된 PET 부직포 75g/㎡이다. 본 발명의 초극세 섬유층은 컴팩트(compact)구조이다. 그래서 열변형온도가 비교적 낮은 초극세 섬유층을 다른 층과 결합할 때에는 그 성형성과 형태안정성이 종래보다 뛰어나다. 또, 지지층을 방향성을 가지지 않고 집합시킨(부직포) 단섬유로 이루어졌기 때문에 종래의 장섬유에 비하여 압력손실이 적고, 타층과의 결합에 따른 에어 필터 제작면에 있어서 그 성형성이 좋아진다. 그리고, 이 지지층은 부직포화시킬 때 난연성분, 발수성분 등을 첨가시켜 온습도의 영향을 적게 받도록 하는데 적합하다.

초극세 섬유층에 정전기력을 부여하는 방법으로는 소위 멜트 브라운(Me1t Blown)을 사용한다. 이 멜트 브라운은 냉충전(Cold Charge)과 열충전(Hot Charge)의 두가지를 선택적으로 적용할 수 있다. 냉충전에 의한 멜트 브라운은 이미 만들어진 시트상의 부직포를 이송시키면서 코로나(Corona)방전을 시키는 것이고, 열충전에 의한 멜트 브라운은 아직 시트화되지 않은(Pre-Sheet) 뜨거운 섬유가 부직포화되는 시점에서 코로나방전시키는 것이다. 이 방전은, 방전전극과 대항전극 간에 높은 직류전압을 인가하면 방전전극의 끝에 부분적으로 공기의 절연파괴가 일어나서 방전을 일으키게 되며, 이때 방전전극으로 부터 대항전극을 향하여 단극성 이온이 이동하여 초극세 섬유층의 부직포 표면에 부착하고 대전하며 하전이 이루어지도록 한 것이다.

제6a도는 본발명의 작용상태도를 나타낸 것으로서, 여과시에는 약 1㎛ 이상의입자들이 겉층(51)에서 포집되고, 1㎛ 이하, 보다 정확히는 0.1∼0.5㎛의 초극세 섬유층(52)에서 포집되어 간다. 이때 0.3㎛ 이하의 작은 입자들은 확산이나 담배연기와 같이 불규칙한 브라운 운동에 의하여 초극세 섬유층(52)의 미세섬유로 끌어당겨진다. 이것은 섬유와 입자의 하전에 기인한 쿠올럼력과 섬유하전에 기인한 쌍극자력에 의한 것이다. 미세 입자들은 섬유표면에 흡착되기 시작하여 다소 큰 입자들이 메워지고 있는 섬유와 섬유간의 투과소공까지 메워진다. 그래서 0.05㎛의 미세먼지까지 효과적으로 포집되며, 큰 입자와 작은 입자를 포함하는 미세먼지들은 확산과 관성 및 충돌 등의 기계적 포집원리와 정전기적 포집원리를 동시에 수반하면서 겉층(51)과 초극세 섬유층(52)의 미세공극 B와 그 주변에 많은 양이 집중하여 포집된다.

제6b도는 종래의 정전 초극세 섬유층을 갖는 에어 필터 메디아의 작용상태도를 나타낸 것이다. 이 경우는 기본적인 미세먼지 흡착은 본 발명의 경우와 유사하지만, 겉층(1)과 초극세 섬유층(2)이 전면에 걸쳐 집합(융착)되어 있기 때문에 먼지입자의 포집이 집중되는 겉층(1)과 초극세 섬유층(2)의 사이가 빠른 시간 내에 막혀 통기저항이 높아지고, 포집량은 적어지는 결과를 낳는다.

이하에서 본 발명에 의한 에어 필터(XETEX)와, 기존에 정전 초극세 섬유층 포함하는 독일 프로이덴버그사의 에어 필터(CF)를 비교시험한 결과를 나타낸다.

1. 필터 시험방법

계수법 이론에 입각한 자동여과시험기(Automated Filter Tester : AFT, 미국 TSI사 MODEL 8110)와 입자분포계수기(Particle Distribution Counter, 미국 PMS사MODEL 510)를 이용하여 일정 조건하에서 본 발명의 에어 필터 메디아(XETEX)와 독일 프로이덴버그사의 에어 필터 메디아(CF)를 비교시험한다.

1) 계수법 이론: 샘플링 공기는 광학적으로 형성되는 검지 셀(Cel1)을 통과해서 나오는 사이에 레이저광원으로 부터의 입자에 의한 빛의 틴들(tyndal1)현상에의해 산란광을 발하며 입자의 크기에 의해 정해지는 산란광의 세기는 광전자 증배관에의 전기량으로 변환된 입자수를 나타낸다.

2) 자동여과시험기: 0.1㎛∼0.5㎛의 입자크기를 NaCl이나 다이옥실 피탈산의에어로졸(단분산 에어로졸 : 0.2㎛기준)을 발생시켜 여과가 가장 않되는 미세 입자들을 측정하고, 이때 특정한 공기유동(15∼110ℓ/min)에 대하여 하강기류와 상승기류 사이의 측정하려는 필터 메디아로 여과되어지는 위의 입자들이 광원으로 부터 산란되어지며 이때의 광의 세기를 전기량의 세기로 변환하여 측정된 여과전과 여과후의 전기량의 차이를 {효율(%)=1-관입}로 나타내며 이때의 압력차이를 압력손실(ΔP)로 나타낸다.

3) 입자분포계수기: 0.5㎛∼10㎛의 입자크기를 갖는 큰 대기 먼지를 계수법 이론에 의해 각각의 입자크기(0.5㎛, 1.0㎛, 2.0㎛, 3.0㎛, 4.0㎛, 5.0㎛, 7.0㎛, 10.0㎛)별로 농도(입자크기값/ft³)와 입자수를 구하며, 공기청정기 성능시험기의 입구와 출구를 연결하고 먼지 부하시 각각의 농도를 측정하여 위의 데이터로 부터 입자크기별 효율을 구한다.

2. 필터 비교시험

1) 자동여과시험기에 의한 시험

공기속도: 5㎝/sec, 입자직경 : 단분산 0.2㎛ NaCl입자, 질량농도 : 12.6㎎/㎥(중량), 여과면적: 100㎠의 조건으로 자동여과시험기에 의하여 시험한 결과를 제7도와 같은 분진급진량(㎎) 대비 포집효율(%)과, 분진급진량(㎎) 대비 압력손실(㎜Aq)의 분포로 나타냈다.

여기에서, 초기에는 포집효율이 떨어지고 먼지 부하량이 증가하면서 효율이 높아지는 현상을 알 수 있으며, 이는 부하 초기에 초극세 섬유층에 부여된 정전기력으로 먼지를 포집하면서 동시에 섬유층 내의 정전기력의 중화에 의해서 약간의 효율 저하를 나타내며, 계속적인 먼지 부하에 의해 정전기력의 중화와 더불어 기계적인 포집원리(확산 등)가 상호작용하면서 효율의 상승을 보인다. 이러한 원리의 효율 상승은 압력손실(통기저항)의 상승이 예상되며 분포곡선에 잘 나타나 있다. 이 시험결과에 따르면 본 발명의 것(XETEX)이 프로이덴버그사의 것(CF)보다 높은 포집효율과 낮은 압력손실의 증가를 나타낸다.

2) 입자분포계수기에 의한 시험

공기유동률: 1.1ft³/min의 조건으로 입자분포계수기에 의하여 시험한 결과를 제8도과 같은 입자크기(㎛) 대비 입자크기값/ft³의 초기 입자별 분포를 막대그래프로나타냈다. 여기에서, 입자별 분포는 유사하나 본 발명의 것(XETEX)이 0.5㎛에서의 여과가 프로이덴버그사의 것(CF)보다 양호함을 보여준다.

이와 마찬가지로 정전 초극세 섬유층을 가지는 필터는 0.2㎛∼3㎛의 입자범위에서 포집효율이 큰 것을 알 수 있으며, 특히 0.5(0.2)㎛∼1㎛의 포집효율이 정전 벌키 섬유층을 가지는 필터(쓰리엠사)보다 탁월하다. 먼지 부하시의 입자별 분포도로 0.2㎛ NaCl입자로 측정한 AFT의 시험결과로 부터 유추해 낼 수 있다.

이와 같은 본 발명은 멜트 브라운에 의하여 정전기력을 인위적으로 부여한 컴팩트구조(프로이덴버그사의 것은 미세벌키구조임)의 초극세 섬유층을 폴리프로필렌 부직포로 하고, 발수성분과 난연성분 등을 첨가할 수 있는 단섬유의 PET 부직포를 갖는 점에서 종래보다 성형성 뿐만 아니라 포집효율이 향상되고, 겉층과 초극세 섬유층간이 융착점 이외의 부분에서 미세공극을 갖도록 분리되어 있어서 통기저항(압력손실)의 감소와 포집량의 대폭적인 증가를 가져온다. 다시 말해, 기존에 여과성능이 우수하다고 알려진 프로이덴버그사의 에어 필터 메디아보다 기계적인 포집과 정전기력에 의한 포집의 효율이 상승되면서 통기저항이 적고 포집량이 많으며 정전기력을 잃지 않아 포집효율의 극대화와 더불어 수명의 연장을 가져오고, 인체에 유해한 미세먼지까지 안정적으로 여과시켜 주기 때문에 자동차 실내로 유입되는 외기나 순환공기의 공기정화에 뛰어나다.

Claims (1)

1. 융착점의 패턴이 양각된 롤과 평롤의 사이에 초극세 섬유층을 포함하여 결합되지 않은 3겹의 시트상 섬유집합체를 통과시키며, 양각된 롤 상에서 섬유집합체에 혼(Horn)으로 초음파 에너지를 전달하여 그 마찰열과 압력으로 겉층과 초극세 섬유층은 융착점 이외 부분이 미세공극을 이루며 분리되고 초극세 섬유층과 지지층은 접합되는 3층구조로 융착되도록 한 것을 특징으로 하는 자동차 실내용 에어 필터 메디아 가공방법.

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