KR100698555B1 - 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터, 그 제조 방법및 이를 이용한 필터 장치 - Google Patents

3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터, 그 제조 방법및 이를 이용한 필터 장치 Download PDF

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KR100698555B1
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Abstract

오존, 휘산 이온 및 각종 유해가스의 제거 효능이 우수할 뿐만 아니라, 3차원 섬유구조체에 의하여 흡착제의 탈락이 줄어들고, 3차원 입체형의 섬유 구조체 특유의 통기성으로 인하여 유동유체의 압력손실을 감소시킬 수 있는 3차원 섬유구조체를 여재로 하는 화학흡착필터, 그 제조방법과 그 화학흡착필터를 포함하는 필터장치가 개시되어 있다. 이를 위하여 연속기공을 가지는 3차원 섬유 구조체로 이루어지는 시트 형태의 여재, 및 상기 여재에 균일하게 접착 도포되는 흡착제를 포함하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터와 그 제조방법 및 상기 화학흡착필터를 포함하는 필터장치를 제공한다. 3차원 섬유 구조체를 여재를 가지고 있기 때문에, 충분한 양의 흡착제를 충진 접착하여 오존, 휘산 이온 및 각종 유해가스를 매우 효과적으로 제거할 수 있다. 그리고, 기존의 이차원 여재의 표면에 흡착제가 접착되어 있는 경우보다 흡착제의 이탈이 현저히 저하되고, 통기성이 우수하여 유동유체의 압력손실이 감소된다.

Description

3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터, 그 제조 방법 및 이를 이용한 필터 장치{CHEMICAL ADSORPTION FILTER USING 3 DIMENTIONAL FIBER STRUCTURE AS MEDIA, METHOD OF PREPARING THE SAME AND FILTER APPARATUS HAVING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 화학흡착필터의 사시도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 여재 표면의 평면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 화학흡착필터 표면의 평면도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 화학흡착필터의 제조 방법의 순서도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 화학흡착필터 장치의 단면도
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 여재 13 : 흡착제
21 : 기재 23 : 섬유다발체
30 : 포상체
본 발명은 산업체에서 사용되는 화학흡착필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오존, 휘산 이온 및 각종 유해가스에 대한 우수한 제거효율을 가질 뿐만 아니 라, 경제적이면서도 현저히 향상된 통기성을 가지는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터에 관한 것이다.
최근 들어 반도체 산업은 고도의 미세공정을 이용하여 집적기술을 향상시키고 있으며, 이에 따라 반도체 제조가 이루어지는 클린룸(clean room) 내부 대기의 청정도를 향상시킬 수 있는 기술이 매우 중요하게 부각되고 있다.
이를 위하여 반도체 제조과정에서 발생되는 분진 등의 고체 미립자를 제거하여, 반도체 소자의 고도 집적화를 이루고자 하는 노력이 계속되고 있다. 그러나, 클린룸 내의 분진 발생을 방지하는 것만으로는 반도체의 집적도를 향상시키는데 한계가 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 휘발성 유기 또는 무기화합물 등의 오염물질을 제거하고자 여러가지 방안이 시도되고 있다.
종래에는 상술한 휘발성 유무기 화합물을 제거하기 위하여 입상(粒狀) 또는 조립활성탄(造粒活性炭)에 인산, 수산화칼륨 등의 산, 알칼리를 함침첨착(含浸添着)한 활성탄계 첨착 흡착필터 등을 사용하여 주로 공기 중에 포함된 오염물질을 제거하는 방법을 사용하였다.
그러나, 상기 방법은 산, 알칼리의 중화반응에 의하여 휘산산(揮散酸), 알칼리계 이온을 제거하는 것으로서, 중성염은 약품첨착 활성탄의 내부 및 표면에 석출되지만, 이것은 단순히 물리적으로 담지(擔持)되는 것에 지나지 않는다.
그리고, 첨착약품의 양보다 석출하는 중성염이 양적으로 많게 되면, 석출된 중성염은 풍량의 변화, 압력손실의 작은 변화에 수반되는 진동 등의 물리적 요인에 의해 비산되고, 하류 측에 설치한 헤파(HEPA, High Efficiency Particulate Air) 필터의 오염과 막힘(clogging) 을 유발하여 유동유체의 압력손실을 확대시키는 위험성이 증가된다. 따라서, 고효율의 분위기를 요구하는 슈퍼클린룸의 순환계에 적용하는 것이 곤란하다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 산, 알카리 첨착 활성탄계 첨착 흡착필터는 습도에 대단히 취약하여 클린룸 도입계에서 외부 공기조화기의 입구 측에 설치할 수 없고, 온습도 조절장치 통과 후의 저습도 영역 외에는 사용할 수 없으며, 안정된 환경을 구축하는 것이 곤란하다는 문제점이 있다.
이 외에도, 산, 알카리 첨착 활성탄은 활성탄에 인산, 수산화칼륨, 과망간산 칼륨을 첨착하여 제조하는데, 이러한 첨착물질은 휘발성을 크기 때문에 휘산에 의해 2차 오염이 발생할 가능성이 있으므로, 실제 제조공정에 적용하는 것이 곤란하다는 문제점이 있다.
결론적으로 슈퍼클린룸을 구축하는데 있어서 산, 알카리 첨착 활성탄계 첨착 흡착필터를 사용하는 것은 적절한 해결방안이 아니다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 다양한 방안이 제시되고 있다. 대한민국 공개특허공보 제 1999-72765호(1999. 09. 27 공개)에서는 대경(大徑) 연속기공(連續氣孔)을 가지는 발포 우레탄 폼의 골격에 상기 흡착제를 접착하여 통기성을 향상시킨 흡착 필터가 개시되어 있다.
이와 같은 흡착 필터는 발포 우레탄 폼의 연속기공에 의해 통기성을 크게 확보하면서도, 고밀도로 배치되는 흡착제가 공기와 고효율로 접촉할 수 있으므로 흡착능력이 우수하다는 특성을 지니고 있다. 하지만, 유동유체의 압력손실이 매우 크 고 가공이 곤란할 뿐만 아니라, 이러한 발포 우레탄 폼의 내부 공간에 흡착제를 균일하게 부착하는 것이 용이하지 않아 생산 효율이 저하된다는 문제점이 있다.
또한, 대한민국 공개특허공보 제 2002-72666 호(2002. 09. 18. 공개)에서는 규칙적인 기공을 갖는 금속의 2차원(평면의) 망체형 여재에 이온교환수지 등의 흡착제를 접착한 필터가 개시되어 있다.
이와 같은 흡착 필터는 2차원 망체에 흡착제를 규칙적으로 균일하게 접착함으로써 유해물질의 흡착 및 제거 성능은 향상되는 효과가 있다. 그러나, 상기 필터를 장기간 사용하게 되면 흡착제 탈락 등의 문제가 발생하며, 일정 수준 이상의 유해가스 제거율을 유지하기 위해서는 얇은 망체를 여러 겹으로 겹쳐서 필터를 제작해야 하기 때문에 유동유체의 압력손실이 증가한다는 문제점이 있다.
그리고, 대한민국 등록특허공보 제 0351369 호(2002. 09. 05. 공고)에서는 금속재료, 무기재료, 유기고분자재료, 복합재료의 다양한 망간 구조를 갖는 지지체와, 상기 지지체의 지지사에 부착되는 흡착제를 포함하는 공기정화용 화학 흡착 필터가 개시되어 있다.
이와 같은 화학 흡착 필터는 지지체의 지지사의 배치가 균일하여 유동유체의 압력손실이 작은 대신, 유해물질의 흡착 및 제거 성능이 부족하다는 문제점이 있다. 따라서, 유해물질의 흡착 및 제거 성능을 향상시키기 위해서는 화학 흡착 필터를 여러겹 적층해서 사용해야 하며, 이 경우에는 결과적으로 유동유체의 압력손실이 증가된다는 문제점이 있다.
이외에, 대한민국 공개특허공보 제 2003-0045298 호(2003. 6. 11 공개)에서 도 폴리에스테르의 2차원 망체 형의 여재에 이온교환수지 등의 흡착제를 접착한 필터가 개시되어 있다.
이와 같은 2차원 망체를 사용하는 경우 2차원 여재라는 특징 때문에 충분한 양의 흡착제를 망체에 접착시킬 수 없고, 흡착제의 대부분은 망체 표면에노출되어 상기 필터를 장기간 사용하게 되면 흡착제 탈락 등의 문제가 발생하며, 필터의 내구성이 부족하다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 목적은 여재에 충분한 양의 흡착제가 충진 접착되어 오존, 휘산 이온 및 각종 유해가스의 제거 효능이 우수할 뿐만 아니라, 3차원 섬유구조체에 의하여 흡착제의 탈락이 줄어들고, 3차원 입체형의 섬유 구조체 특유의 통기성으로 인하여 유동유체의 압력손실을 감소시킬 수 있는 3차원 섬유구조체를 여재로 하는 화학흡착필터를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 2 목적은 상술한 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 제 3 목적은 상술한 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터를 포함하는 필터 장치를 제공하는데 있다.
상술한 본 발명의 제 1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 연속기공을 가지는 3차원 섬유 구조체로 이루어지는 시트 형태의 여재, 및 상기 여재에 균일하게 접착 도포되는 흡착제를 포함하는 3차원 섬유구조체를 여재 로 한 화학흡착필터를 제공한다.
상술한 본 발명의 제 2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 의하면 연속기공을 가지는 3차원 섬유 구조체로 이루어지는 시트 형태의 여재를 접착제에 함침하여 상기 여재에 접착제를 균일하게 도포시키는 단계, 상기 여재에 그 연속기공의 공경의0.01 내지 0.3 배의 입경을 지니며 함수율25 내지 30% 이하인 흡착제를 투입하는 단계, 상기 여재를 두께 방향으로 압축·복원하여 상기 여재에 흡착제를 균일하게 접착시키는 단계, 및 상기 여재를 진동시켜서 미접착된 흡착제를 낙하 제거하는 단계를 포함하는3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터의 제조 방법을 제공한다.
상술한 본 발명의 제 3 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 의하면 연속기공을 가지는 3차원 섬유 구조체로 이루어지는 시트 형태의 여재와, 상기 여재에 균일하게 접착 도포되는 흡착제를 포함하는 화학흡착필터가 1층, 2층 이상 적층된 형태 또는 복수회 절곡되어 형성된 화학흡착필터부, 및 상기 화학흡착필터부를 밀착하여 커버하는 포상체를 포함하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터를 이용한 필터 장치를 제공한다.
이와 같이 구성되는 화학흡착필터는 3차원 섬유 구조체를 여재를 가지고 있기 때문에, 충분한 양의 흡착제를 충진 접착하여 오존, 휘산 이온 및 각종 유해가스를 매우 효과적으로 제거할 수 있다.
그리고, 접착제에 의한 접착력뿐만 아니라3차원섬유구조체를 이루는 섬유다발체가 흡착제의 이탈을 방지하는 역할을 함께 수행하기 때문에 기존의 이차원 여 재의 표면에 흡착제가 접착되어 있는 경우보다 흡착제의 이탈이 현저히 저하되는 장점이 있다. 따라서 필터의 기능이 장기간 유지되고 전체적인 시스템의 유지 보수 비용이 줄어 들 수 있다.
한편, 3차원 입체형의 섬유 구조체는 기존의 금속망체를 사용하는 경우보다 경제적이고, 기존의 폴리우레탄 폼을 사용하는 경우보다 제작공정이 간단하고 또한, 흡착제를 용이하게 3차원 구조내에 침투시킬 수 있다. 그리고 3차원 섬유구조체 특유의 통기성으로 인하여 유동유체의 압력손실이 감소된다.
또한, 상기 3차원 섬유구조체를 여재로 한 기능성 화학흡착필터를 포상체로 밀착 커버하여 흡착제의 이탈을 방지함으로써 화학흡착필터의 분진 및 2차 오염의 해가 없으며, 필터의 사용수명을 대폭 향상시킬 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 섬유구조체를 여재로 하는 화학흡착필터를 상세하게 설명한다. 후술하는 화학흡착필터는 광의의 개념으로 사용된다. 구체적으로, 일반적인 물리적 흡착과 화학적 흡착을 모두 포함하는 것으로 예를 들어 이온교환수지필터까지 포괄하는 개념으로 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 화학흡착필터의 구조를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 여재표면의 평면을 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 화학흡착필터 표면의 평면을 도시한 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 화학흡착필터는 연속기공을 가지는 3차원 섬유 구조체로 이루어지는 시트 형태의 여재(11), 및 상기 여재에 균일하게 접착 도포되는 흡착제(13)를 포함한다.
상기 여재(11)는 각각 망상 구조로 형성되는 대면하는 시트 형태의 한 쌍의 기재(21), 및 상기 한 쌍의 대면하는 기재(21)를 서로 연결하여 3차원의 구조체를 형성하도록 하는 섬유다발체(23)로 이루어져서 3내지 300개/in의 연속기공을 지니도록 구성된다. 상기 기재(21)는 직경이 0.08 내지 8 mm이고, 4 내지 100개/in의 연속기공을 가지는 것이 보다 바람직하다.
상기 연속기공이 3개/in 미만이면 상기 기공의 공경이 상대적으로 커지게 되고, 결국 후술하는 흡착제 입경보다 상기 기공이 지나치게 크게 되므로, 상기 여재와 흡착제의 충진효율이 저하되고, 충진 후 상기 흡착제가 여재에서 이탈될 가능성이 높아진다.
반대로, 상기 연속기공이 300개/in를 초과하면, 상기 기공의 공경이 상태적으로 작아지게 되고, 결국 상기 정해진 입경을 가지는 흡착제의 용이한 침투를 위한 이상적인 공경크기에 비하여 상기 기공이 작아지게 된다. 따라서, 흡착제의 충진이 원활하지 못하게 되어 결국 흡착제의 충진량이 부족하여 충분한 이온교환능력을 갖지 못하게 된다. 또한, 작은 공경은 통기성을 저하시키고 압력손실을 커지게 하는 문제점을 유발한다.
본 발명의 화학흡착필터는 필요에 따라 단독으로 사용하거나, 두개 이상을 적층하여 두께 2 내지 40 mm로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 여재(11)의 두께가 2 mm 미만이면 상기 여재(11)에 충분한 양의 흡착제가 충진될 수 없어서, 필터의 단위 면적당 충분한 흡착용량을 제공하지 못하는 문 제점이 있다. 또한, 두께가 40 mm를 초과하면 상기 여재(11)에 흡착제(13)를 균일하게 분산하여 접착하는 것이 곤란하고 또한, 필터를 절곡하여 사용할 필요가 있는 경우 절곡이 어려워지는 문제점이 있다.
이러한 여재(11)의 내부와 표면에 흡착제(13)를 균일하게 접착시키기 위해서는, 흡착제(13)가 투입된 상태인 여재(11)를 그 두께 방향으로 압축/복원하는 과정을 반복 실시하여야 한다. 상기 압축/복원 과정을 반복 실시하기 위하여, 시트 형태인 여재(11)는 두께 방향으로 외력이 가해지면 충분히 압축되고, 상기 외력이 해제되면 자동적으로 복원되는 특성을 지니고 있어야 한다.
따라서, 본 발명에서는 탄성력, 복원력 및 강도가 우수한 폴리에스테르, 나일론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이소프로필렌, 폴리부틸렌 및 아크릴 섬유가 단독으로 사용되거나, 또는 2 종 이상 혼합하여 여재(11)로 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시예에 의한 화학흡착필터는 상기 여재에 도포된 흡착제(13)를 포함한다.
상기 흡착제(13)는 입자형태를 가지고 있으며 상기 여재(11)의 내부와 표면에 균일하게 도포 또는 침투되어 있다. 즉, 상기 기재(21)뿐만 아니라 상기 섬유다발체(23) 상에도 균일하게 접착되어 있다.
이러한 화학흡착필터의 흡착 능력을 일정한 수준으로 유지하기 위해서는 화학흡착필터 단위용적당 흡착제 밀도가 150 내지 300 g/L이 되도록 구성하는 것이 바람직하다. 상기 흡착제의 밀도가 150g/L 미만이면 충분하지 못한 흡착제 때문에 흡착효율이 저하되는 문제점이 있으며, 300g/L를 초과하면 통기성이 저하되고, 필터의 제조단가가 상승하는 문제점이 있다.
또한, 상기 흡착제(13) 입자는 상기 여재(11)의 연속기공의 공경 0.01 내지 0.3배의 입경을 가지는 것이 바람직하다.
상기 흡착제(13)의 입경이 상기 여재(11)의 연속기공의 공경의 0.01배 미만이면, 즉 흡착제의 입경이 공경에 비하여 지나치게 작으면 흡착제(13)의 충진효율이 저하되고, 흡착제 충진이후 흡착제의 이탈현상이 발생되는 문제점이 있다.
또한, 0.3 배를 초과하면, 즉 흡착제의 입경이 공경에 비하여 지나치게 크면 흡착제의 충진이 용이하지 못하게 되고, 충진량이 부족하여 충분한 이온교환능력을 가지지 못하고 통기성이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 상기 흡착제(13)는 함수율 25 내지 30 % 이하로 건조된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 3차원 섬유 구조체의 골격에 이온교환수지 등의 흡착제를 접착하고자 할때, 이온교환수지 등의 흡착제는 비교적 유동성이 부족하고 수지 표면의 친수성으로 인해 다른 수지에 대한 접착성이 낮기 때문에, 이온교환수지 등의 흡착제를 3차원 섬유 구조체의 전체에 걸쳐 균일하면서도 충분량 공급시켜 접착하는 것은 곤란하다. 따라서, 이러한 이온교환수지 등을 흡착제로 사용하여 이온교환용량 및 흡착량이 큰 동시에 안정적인 접착력을 가지는 이온교환 및 유해가스 제거용 화학흡착필터를 제조하는 것은 곤란하다.
상술한 이온교환수지 등의 흡착제의 접착성 결핍 및 유동성의 결핍은 흡착제 표면에 존재하는 함수율(수분율)에 의존하고 있다. 따라서, 이러한 이온교환수지의 함수율을 조절하면 그 이온교환수지 등의 흡착제의 효능을 손상시키지 않고 접착성 및 유동성을 향상시킬 수 있고, 입체적인 섬유 구조체에 균일하면서도 충분한 양의 이온교환수지 등의 흡착제를 접착시킬 수 있다. 그 결과, 기존의 필터보다 압력손실은 줄어들고 유해가스 제거율은 현저하게 향상된다.
상기 흡착제(13)의 함수율이 30 %를 초과하면, 흡착제(13)가 수분과 이온교환함으로써 극성의 OH기, COOH기 등이 발생되고, 흡착제(13) 입자 사이의 상호작용이 증가하여 상기 흡착제(13)의 흡착력이 저하되고, 수분이 흡착제(13) 입자 사이의 부착력을 증가시켜서 상기 흡착제(13)가 경화되므로서 유동성이 저하되고 상기 흡착제(13) 입자가 여재(11)의 내부에 용이하게 침투하는 것이 곤란하게 된다.
즉, 함수율을 30 %이하로 조정하면 흡착제(13) 충진시에 유동성을 확보하여 충진작업능률을 향상시킬 수 있다. 또한, 함수율이 25% 미만이 되면 흡착제로 사용하는 이온교환수지 내의 가교결합이 파괴되어 이온교환능력이 저하되는 문제점이 발생되는 경우가 발생될 수도 있다.
상기 흡착제(13)로는 강산성 또는 강알카리성의 다공성 이온교환수지, 다공성 유기-무기 하이브리드 흡착제, 첨착활성탄, 및 다공성 무기흡착제가 단독으로 사용하거나 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 이온교환수지는 양이온 교환수지, 음이온 교환수지를 단독으로 사용하거나 또는 2 종이상 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 음이온교환수지는 아민 냄새를 수반하는 경우가 많고 이와 같은 아민 냄새는 양이온교환수지를 병용함으로써 해소될 수 있다. 따라서, 두 가지 종류의 이온교환수지를 병용하면 양·음이온을 동시에 처리할 수 있게 되어 유용하다고 할 수 있다. 또한, 흡착 효율의 측면에서 페놀계 이온교환수지, 스티렌계 이온교환수지 등을 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 여재의 내부와 표면에 접착되는 흡착제에 의하여 여러가지 유해물질, 예를 들면 SOx, NOx, HCl, HF, HNO3, H2SO4, NH3, 유기아민류, 유기용제류, 디옥틸프탈레이트(DOP, DiOctylPhthalate), 디부틸프탈레이트(DBP, DiButylPhthalate), 보론(boron), 실록산(siloxane), 포스페이트(phosphate) 및 포스포러스(phosphorus) 등과 같은 산성과 알카리성 및 휘발성 유기화합물(VOCs, Volatile Oganic Compounds) 가스를 흡착하여 제거할 수 있다. 따라서 반도체 제조공정과 같은 고도의 청정도가 요구되는 환경에 적합하다.
상기 여재의 내부 및 표면에 흡착제 입자를 접착하는 접착제는 아크릴계, 우레탄계, 초산비닐계, 에틸렌초산비닐계, 에틸렌비닐아세테이트계, 실리콘계 및 에폭시계의 수용성 접착제를 단독으로 사용하거나 혼합하여 사용할 수 있으며, 또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 아교의 핫멜트(hot melt)형 접착제가 단독으로 사용하거나 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 수용성 접착제와 핫멜트형 접착제를 혼합하여 사용할 수도 있다.
본 발명은 상기 3차원 섬유 구조체인 여재의 내부와 표면에 이온교환수지 등의 흡착제를 접착하여 균일하고도 충분한 양을 충진함으로서 유해가스 제거 기능을 효과적으로 발휘할 수 있는 화학흡착필터의 제조방법을 제공한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 화학흡착필터의 제조 방법의 순서를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 먼저, 연속기공을 가지는 3차원 섬유 구조체로 이루어지는 쉬트 형태의 여재를 접착제에 함침하여 상기 여재에 접착제를 균일하게 도포시킨다(단계 S10).
구체적으로, 연속기공을 가지는 3차원 섬유 구조체로 만들어지는 시트상의 여재를 아크릴계, 우레탄계, 초산비닐계, 에틸렌초산비닐계, 에틸렌비닐아세테이트계, 실리콘계 및 에폭시계 등의 수용성 접착제나, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 아교 등의 핫멜트형 접착제 중에서 하나 이상으로 이루어지는 접착제에 함침시켜서 상기 여재의 내부와 표면의 전역(全域)에 접착제를 균일하고 충분히 도포 및 침투시킨다.
이어서, 상기 여재에 그 연속기공의 공경의0.01 내지0.3배의 입경을 지니며 함수율25 내지 30% 인 흡착제를 투입한다(단계 S20).
상기 여재에 흡착제를 투입하는 단계는 상기 여재를 수평으로 유지한 상태에서 상기 여재로부터 일정한 높이에서 흡착제를 수직으로 낙하공급하거나, 또는 상기 여재를 수평으로 유지한 상태에서 상기 여재로부터 일정한 높이에서 흡착제를 수직으로 하향 분사하여 여재에 흡착제를 과량으로 투입한다. 이때, 흡착제를 효과적으로 여재에 투입시키기 위하여 흡착제 공급장치에 공기노즐 등을 사용하여 공기압으로 분사하여 여재에 흡착제를 투입할 수도 있다.
본 실시예에 의하여 제조되는 화학흡착필터의 흡착 능력을 향상시키기 위하여, 화학흡착필터 단위용적당 흡착제 밀도가 150 내지 300 g/L이 되도록 여재에 흡착제를 투입하여 접착시키는 것이 바람직하다. 본 단계를 수행 한 후에 투입된 흡착제는 아직 여재에 균일하게 도포되어 있지 못하고, 충분히 여재에 접착되어 있지 못한 상태이다.
계속하여, 상기와 같이 흡착제가 투입된 여재를 두께 방향으로 압축·복원하되, 상기와 같은 압축·복원 과정을 반복 실시하여 상기 여재에 흡착제를 균일하고 안정적으로 접착시킨다(단계 S30).
상기 여재는 탄성력, 복원력 및 강도가 우수한 폴리에스테르, 나일론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이소프로필렌, 폴리부틸렌 및 아크릴 중에서 하나 이상의 재질로 이루어지는 3차원 섬유 구조체의 시트이므로, 압축 및 복원력이 우수하다. 구체적으로, 여재가 롤러 또는 프레스 등의 외압에 의해 압축시키고, 상기 외압을 해제하여 상기 여재를 복원되시키는 과정을 반복한다.
이와 같은 압축·복원 과정의 반복 실시에 의해 여재의 내부와 표면에 흡착제가 균일하게 접착된다.
그 다음, 상기 여재를 충분한 시간동안 진동시켜서 상기 여재에 미접착된 흡착제를 낙하시켜서 제거함으로써 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터를 제조한다(단계 S40). 낙하된 미접착 흡착제를 회수하여 본 발명의 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터을 제조하는데 다시 사용하거나, 또는 다른 용도로 재사용할 수 있다.
이 후, 상기 화학흡착필터를 이용한 필터장치를 제조하기 위하여 상기 화학흡착필터를 일정한 크기로 절단하여 2층 이상적층하거나, 또는 복수 회 절곡하는 단계를 더 수행할 수 있다.
또한 본 발명은 상기와 같은 방법에 의하여 제조되는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터를 이용한 필터 장치를 제공한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 화학흡착필터 장치의 단면을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 화학흡착필터부를 포상체(30)로 밀착 커버하여 제조된 화학흡착필터 장치가 도시되어 있다.
상기 화학흡착필터부는 상술한 방법으로 제작된 화학흡착필터를 1층 또는 2층으로 겹치거나(적층하거나), 절곡하여 형성한다. 이와 같이 화학흡착필터를 2겹이상 적층하여 사용하거나, 절곡하여 사용함으로써, 필터가 유동기체와 접촉하는 표면적을 넓힐 수 있다.
상기 포상체(30)는 여재를 효과적으로 보호하는 동시에 상기 흡착제의 이탈을 방지하기 위하여 상기 흡착제 입자 보다 작은 메쉬(mesh)로 직조된 직포(織布) 또는 부직포를 사용한다. 부직포를 사용하는 경우보다 직조된 직포를 사용하는 경우, 내구성이 우수한 장점이 있기 때문에 상기 화학흡착필터부를 직조된 직포를 사용하여 포장하는 것이 보다 바람직하다. 이 때, 상기 포상체(30)는 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리이소프로필렌 및 아크릴을 단 독으로 또는 2 이상 혼합하여 제작한 부직포 또는 직포를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 필터 제조상 접착이 불완전한 입자가 잔존한 상태로 사용되는 경우, 흡착제 입자의 탈락의 상기 직포 등의 포상체가 산란하는 입자를 포착함으로써 사용환경에 대한 악영향을 방지할 수 있기 때문이다.
또한 상기 화학흡착필터 장치는 단독으로 또는 적층한 상태로 통기성이 있는 케이스에 수납하여 사용하는 것이 화학흡착필터 장치의 흡착기능 및 신뢰성 유지와 수명 연장 측면에서 측면에서 바람직하다.
본 발명에 관하여 다음과 같은 구체적인 실시예를 제시하여 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예1>
1. 폴리에스테르 섬유재질로 이루어지고, 밀도가 124g/L이고, 두께가 3.5mm이며, 약 6개/in의 기공을 가지고 있는 3차원 섬유 구조체인 여재를 초산비닐계 수용성 접착제가 담겨진 함침조를 통과시켜서, 상기 여재를 상기 아크릴계 수용성 접착제에 함침시켰다. 이때, 수용성 접착제는 상기 여재에 0.04g/L의 양이 함침될 수 있도록 사용하였다.
2. 상기와 같이 아크릴계 수용성 접착제가 함침된 여재를 대기 중으로 이송하여 수평으로 유지하였다. 한편, 상기 여재 연속기공의 공경의0.1배의 입경을 지니는 강산성 양이온 교환수지(제조사: 삼양사, 모델명: SCR-BH)를 수세한 후, 30%의 함수율을 가지도록 건조하여 흡착제를 준비하였다. 이와 같이 준비된 흡착를 상 기 여재에 수직으로 공압 분사하여 250g/L의 밀도로 강산성 양이온 교환수지를 상기 여재에 투입하였다.
3. 상기와 같이 흡착제가 투입된 여재를 두께 방향으로 롤러로 외압을 가하여 압축하고, 상기 롤러를 통과하면 상기 여재가 자동적으로 복원하는데, 이러한 압축 및 복원 과정을 5회 반복 실시하여 상기 여재에 상기 강산성 양이온 교환수지인 흡착제를 균일하게 접착시켰다.
4. 상기 여재를 5분간 진동시켜서 상기 여재에 미접착된 흡착제를 낙하시켜서 제거하므로서 3차원 섬유구조체를 여재로 한 기능성 화학흡착필터를 제조하였다.
낙하된 미접착 흡착제를 회수하고 건조하여, 상기와 같은 과정의 기능성 화학흡착필터를 제조하는데 재사용하였다
<실시예2>
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 두께 3.5mm가 아닌5.0 mm인3차원 섬유 구조체인 여재를 사용하였다.
<실시예3>
실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 흡착제로서, 강산성 양이온 교환수지 대신에 강염기성 음이온 교환수지를 사용하였다.
<실시예4>
실시예 2와 동일하게 실시하되, 상기 흡착제로서 강산성 양이온 교환수지 대신에 강염기성 음이온 교환수지를 사용하였다.
상기 실시예들에서 사용한 원재료의 종류, 및 그 사용량을 다음의 표 1에서 나타낸다.
[표1] 실시예에 의한 화학흡착필터의 원재료의 종류 및 사용량
구 분 여재두께 (mm) 흡착제의 종류 흡착제(이온 교환수지 ) 충진량 (g / L)
실시예 1 3.5 강산성 양이온 교환수지 250
실시예 2 5.0 강산성 양이온 교환수지 250
실시예 3 3.5 강염기성 음이온 교환수지 250
실시예 4 5.0 강염기성 음이온 교환수지 250
상기 표 1에서 이온 교환수지의 총이온 교환 용량은 강산성 양이온교환수지가 2.0 eq/l, 강염기성 음이온 교환수지가 1.3 eq/l이었다. 이것은 상대습도에 대응한 함수율을 적용한 것이기 때문에, 이온 교환수지의 총이온 교환 용량을 단순 건조중량으로 환산하면 강산성 양이온 교환수지가 3.46 eq/kg, 강염기성 음이온교환수지가 2.65 ~ 2.7 eq/kg이었다.
또한, 상기 실시예에 의한 화학흡착필터 단위용적당 이온 교환수지 밀도 250g/L로 충진하여 제조된 두께 3.5 mm의 이온 교환필터를 0.4 m/sec의 풍속으로 압력테스트를 실시한 결과, 압력손실은 필터두께가 3.5mm인 실시예1 및 실시예 3의 경우 1.0 mmAq, 필터두께가 5.0mm 인 실시예 2 및 실시예 4의 경우 0.9 mmAq로 측정되었다.
또한, 상기 각 실시예에 의거하여 제조된 화학흡착필터의 유해가스 제거율은 각 필터의 통과전후 가스를 일정한 간격으로 자동적으로 샘플링하여 분석하는 온라인(online) 자동분석시스템을 이용하여 분석하고, 그 결과를 다음의 표 2에서 나타 냈다.
[표 2] 실시예에 의한 화학흡착필터의 성능 비교
구 분　 압력손실(mmAq) 유해가스 제거율(%) 이온 교환용량(eq/L) 이온 교환능력 (eq/kg)
실시예 1 1.0 95 ~ 99.9 2.0 3.46
실시예 2 0.9 95 ~ 99.9 2.0 3.46
실시예 3 1.0 95 ~ 99.9 1.3 2.65 ~ 2.7
실시예 4 0.9 97 ~ 99.9 1.3 2.65 ~ 2.7
상기 표 2에서 기재된 바와 같이 본 발명의 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터는 유해가스 제거율과 이온 교환능력이 탁월한 것으로 나타났다.
상기 실시예들에서는, 이온 교환수지로서 양이온 교환수지와 음이온 교환수지중에서 어느 하나만을 단독으로 사용하였으나, 양이온 교환수지와 음이온 교환수지를 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 의한 화학흡착필터는 3차원 섬유 구조체를 여재를 가지고 있기 때문에, 충분한 양의 흡착제를 충진 접착하여 오존, 휘산 이온 및 각종 유해가스를 매우 효과적으로 제거할 수 있다.
그리고, 접착제에 의한 접착력뿐만 아니라3차원섬유구조체를 이루는 섬유다발체가 흡착제의 이탈을 방지하는 역할을 함께 수행하기 때문에 기존의 이차원 여재의 표면에 흡착제가 접착되어 있는 경우보다 흡착제의 이탈이 현저히 저하되는 장점이 있다. 따라서 필터의 기능이 장기간 유지되고 전체적인 시스템의 유지 보수 비용이 줄어 들 수 있다.
한편, 3차원 입체형의 섬유 구조체는 기존의 금속망체를 사용하는 경우보다 경제적이고, 기존의 폴리우레탄 폼을 사용하는 경우보다 제작공정이 간하고, 특유의 통기성으로 인하여 유동유체의 압력손실이 감소된다.
또한, 상기 3차원 섬유구조체를 여재로 한 기능성 화학흡착필터를 포상체로 밀착 커버하여 흡착제의 이탈을 방지함으로써 화학흡착필터의 분진 및 2차 오염의 해가 없으며, 필터의 사용수명을 대폭 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. 연속기공을 가지는 3차원 섬유 구조체로 이루어지는 시트 형태의 여재; 및
    상기 여재에 균일하게 접착 도포되는 흡착제를 포함하고,
    상기 여재가 3내지 300개/in의 연속기공을 가지는 망상 구조이고, 서로 대면하고 있는 한 쌍의 기재; 및 상기 대면하고 있는 한 쌍의 기재를 연결하여 3차원 구조체를 형성하는 섬유다발체를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 여재가 폴리에스테르, 나일론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이소프로필렌, 폴리부틸렌, 및 아크릴로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 섬유 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 여재를 하나 이상 적층하여 상기 화학흡착필터의 두께가 2 내지 40 mm가 되도록 사용하는 것을 특징으로 하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 흡착제는 상기 여재의 연속기공의 공경(孔徑)의 0.01 내지 0.3배의 입경을 지니는 입자 형태인 것을 특징으로 하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 흡착제는 강산성 또는 강알카리성의 다공성 이온 교환수지, 다공성 유기-무기 하이브리드 흡착제, 첨착활성탄, 및 다공성 무기흡착제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 흡착제인 것을 특징으로 하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 이온 교환수지는 양이온 교환수지, 음이온 교환수지, 및 상기 양이온 교환수지와 음이온 교환수지의 혼합물인 것을 특징으로 하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 기능성 화학흡착필터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 흡착제의 함수율이 25 내지 30 % 이하인 것을 특징으로 하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 기능성 화학흡착필터.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 화학흡착필터 단위용적당 흡착제 밀도가 150 내지 300 g/L인 것을 특징으로 하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터.
  10. 제1항에 있어서, 상기 여재와 흡착제 입자를 접착하는 접착제는 아크릴계, 우레탄계, 초산비닐계, 에틸렌초산비닐계, 에틸렌비닐아세테이트계, 실리콘계 및 에폭시계로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 수용성 접착제, 또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 아교로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 핫멜트형 접착제인 것을 특징으로 하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 기능성 화학흡착필터.
  11. 연속기공을 가지는 3차원 섬유 구조체로 이루어지는 시트 형태의 여재를 접착제에 함침하여 상기 여재에 접착제를 균일하게 도포시키는 단계;
    상기 여재에 그 연속기공의 공경의0.01 내지 0.3배의 입경을 지니며 함수율25 내지30% 이하인 흡착제를 투입하는 단계;
    상기 여재를 두께 방향으로 압축·복원하여 상기 여재에 흡착제를 균일하게 접착시키는 단계; 및
    상기 여재를 진동시켜서 미접착된 흡착제를 낙하 제거하는 단계를 포함하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 여재에 흡착제를 투입하는 단계는 여재에 흡착제를 수직으로 낙하공급하거나 또는 수직으로 하향 분사공급하여 수행되는 것을 특징으로 하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 여재에 흡착제를 균일하게 접착시키는 단계는 흡착제가 투입된 여재를 롤러 또는 프레스에 의해 두께 방향으로 외력을 가하여 압축시키고, 상기 외압이 해제되면 상기 여재가 자동적으로 복원되도록 하여 수행되는 것을 특징으로 하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터의 제조 방법.
  14. a) 연속기공을 가지는 3차원 섬유 구조체로 이루어지는 시트 형태의 여재;
    상기 여재에 균일하게 접착 도포되는 흡착제를 포함하는 화학흡착필터가 1층, 2층 이상 적층된 형태, 또는 절곡된 형태로 형성된 화학흡착필터부; 및
    b) 상기 화학흡착필터부를 밀착하여 커버하는 포상체를 포함하고,
    상기 여재가 3내지 300개/in의 연속기공을 가지는 망상 구조이고, 서로 대면하고 있는 한 쌍의 기재; 및 상기 대면하고 있는 한 쌍의 기재를 연결하여 3차원 구조체를 형성하는 섬유다발체를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터를 이용한 필터 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 포상체는 상기 흡착제의 입경보다 작은 공경을 지닌 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리이소프로필렌 및 아크릴로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터를 이용한 필터 장치.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 포상체가 상기 흡착제의 입경보다 작은 공경을 지닌 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리이소프로필렌 및 아크릴로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 재질로 직조된 것을 특징으로 하는 3차원 섬유구조체를 여재로 한 화학흡착필터를 이용한 필터 장치.
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