KR100861078B1 - 비대칭 다층 세라믹 필터 및 그 제조 방법과 이를 이용한정수 시스템 - Google Patents

비대칭 다층 세라믹 필터 및 그 제조 방법과 이를 이용한정수 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비대칭 다층 세라믹 필터 및 그 제조 방법과 이를 이용한 정수 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터는, 원통형 다층 세라믹 필터로서, 원통 형상의 세라믹 지지층; 세라믹 지지층 표면에 적층된 적어도 하나의 세라믹 코팅층;을 포함하고, 세라믹 필터의 각 층은 외층의 평균 기공 크기가 인접한 내층의 평균 기공 크기의 1/5~1/20이며, 최외각층의 평균 기공 크기는 40nm~0.2㎛이고, 세라믹 필터의 각 층은 그 체적 전체에 분포되어 있는 은나노 입자를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해, 기공 크기를 달리하는 비대칭 다층 필터 구조를 창안하여 종래 세라믹 필터보다 여과 기능을 개선하고 사용 시간이 경과하여도 정수량을 유지하며 역세척이 가능하여 반 영구적 사용이 가능한 새로운 구조의 세라믹 필터를 제공할 수 있으며, 구조적으로 향균 기능을 높일 수 있도록 은 나노 입자를 코팅하는 방법을 개선하고 향균볼을 추가적으로 도입하여 향균 기능이 더욱 향상된 세라믹 필터를 제공할 수 있다.
필터, 세라믹, 정수

Description

비대칭 다층 세라믹 필터 및 그 제조 방법과 이를 이용한 정수 시스템{Asymmetric multi-layer ceramic filter, manufacturing method thereof and the water filtration system using the filter}
도 1a는 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터의 일례를 나타낸 것이고, 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터의 다층 구조를 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터의 세부 구조를 나타내는 전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터의 향균 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터의 세라믹 코팅층을 기존 세라믹 필터들과 비교한 전자현미경 사진이다.
도 7a는 종래 중고사막 필터 및 종래 세라믹 필터의 세부구조를 도 7b는 본 발명의 일실시예 따른 비대칭 다층 세라믹 필터의 세부구조를 나타내는 전자현미경 사진이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터와 기존 세라믹 필터들의 시간에 따른 정수량을 비교한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터 제조 방법의 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터를 이용한 정수시스템을 도시한 도면이다.
본 발명은 비대칭 다층 세라믹 필터 및 그 제조 방법과 이를 이용한 정수 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 외층이 내층보다 기공 크기가 작고 각 층에는 은 나노 입자가 증착되어 있는 정수기용 비대칭 다층 세라믹 필터 및 그 제조 방법과 이를 이용한 정수 시스템이다.
종래의 정수기 필터에 따른 정수 방식에는, 중공사막 필터 방식, 역삼투압 필터 방식, 자연하중필터 여과방식, 이온교환수지 필터 방식 및 기능성 필터를 추가한 방식 등이 있다. 이 중에서 기능성 필터를 추가한 정수 방식에서는 파이 세라믹 필터나 실버 카본 필터 등이 사용되고 있다.
특히 종래 세라믹 필터는 하나의 층으로 구성되는 단순한 구조를 가지고 있으며, 특히, 규조토 등 가격이 저렴한 저질의 세라믹 분말로 성형하고 소성한 결과 기공의 크기가 수 마이크론에서 수백 마이크론까지 분포하는 불균일하고 조악한 기공구조를 갖고 있다. 이로 인해 실질적인 필터 기능을 하지 못함을 물론 사용 시간이 경과 할수록 정수량이 현저히 떨어지며, 역세척시에도 여과 물질이 잘 세척되지 않아 반복 사용이 불가능한 문제점이 있었다.
전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는, 기공 크기를 달리하는 비대칭 다층 필터 구조를 창안하여 종래 세라믹 필터보다 여과 기능을 개선하고 사용 시간이 경과하여도 정수량을 유지하며 역세척이 가능하여 반 영구적 사용이 가능한 새로운 구조의 세라믹 필터를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 구조적으로 향균 기능을 높일 수 있도록 은 나노 입자를 코팅하는 방법을 개선하고 향균볼을 추가적으로 도입하여 향균 기능이 더욱 향상된 세라믹 필터를 제공하는데 있다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터는, 원통형 다층 세라믹 필터로서, 원통 형상의 세라믹 지지층; 세라믹 지지층 표면에 적층된 적어도 하나의 세라믹 코팅층;을 포함하고, 세라믹 필터의 각 층은 외층의 평균 기공 크기가 인접한 내층의 평균 기공 크기의 1/5~1/20이며, 최외각층의 평균 기공 크기는 40nm~0.2㎛이고, 세라믹 필터의 각 층은 그 체적 전체에 분포되어 있는 은나노 입자를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명은 이러한 원통형 비대칭 다층 필터 구조를 갖게 되어, 원통 내부에서 외부로 물이 이동하면서 각 층별로 다양한 크기의 불순물을 여과할 수 있고, 층간 계면에서의 압력효과에 의해 물질 여과 효과를 증대시킬 수 있으며, 은 입자에 의한 향균 효과도 갖게 된다.
본 발명의 비대층 다층 세라믹 필터의 구체적인 구성의 일례는, 상기 세라믹 지지층은 평균 기공 크기가 25㎛~35㎛이며, 상기 세라믹 코팅층은 평균 기공 크기가 2㎛~3㎛인 제 1 세라믹 코팅층 및 평균 기공 크기가 0.1㎛~0.2㎛인 제 2 세라믹 코팅층으로 이루어질 수 있다. 또한, 제 2 세라믹 코팅층 표면에는 적층된 표층을 더 구비할 수 있고, 이러한 표층은 평균 기공 크기가 45nm~55nm인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 세라믹 필터의 각 층에 포함되어 있는 은 나노 입자는, 화학증착 방식에 의해 증착되어 세라믹 필터의 각 층의 기공을 둘러싸는 입계면과 각 층 사이의 계면에 집중적으로 분포하게 된다. 즉, 화학증착에 의하여 은 나노 입자가 표면 에너지가 상대적으로 높은 기공 주위 입계면이나 각 층 사이 계면에 집중적으로 증착됨으로써, 기공이나 층 사이의 계면을 통과하는 원수의 향균 효과를 보다 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 세라믹 필터의 각 층은, 외층의 두께가 인접하는 내층의 두께보다 작은 것이 바람직하다. 이는 기공이 작은 외층일수록 원수의 통과속도가 느려 여과 시간이 길어지므로 그 두께를 내층보다 작게 하는 것이 기능면에서나 경제적인 면에서 효과적이기 때문이다.
본 발명의 세라믹 필터의 세라믹 지지층은 압출 성형으로 형성되고, 세라믹 코팅층은 주입 성형(slip casting)으로 형성된다. 세라믹 지지층은 지지체를 형성하기 위한 압출성형이 바람직하나, 세라믹 코팅층은 슬러리상 분체의 안정화된 해 교를 통해 균일한 결정구조 및 기공구조를 형성하는데 유리한 주입성형 방법이 바람직하다.
구체적인 일실시예로서, 세라믹 지지층은 압출 성형되고, 1350℃~1450℃에서 110분~130분 소성하여 형성되며, 제 1 세라믹 코팅층은 주입 성형되고, 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 형성되고, 제 2 세라믹 코팅층은 주입 성형되고, 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 본 발명의 세라믹 필터가 형성된다.
또한, 표층은 제 2 세라믹 코팅층 표면에 주입 성형되고, 1150℃~1250℃에서 110분~130분 소성하여 형성된다.
본 발명의 세라믹 필터의 각 층을 형성하는 세라믹 분체는 알루미나 분말인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 세라믹 필터의 원통 내부 공간에는, 맥반석 또는 전기석(tormaline) 재질이며, 직경이 2~20mm이고, 기공률이 35% 이상인 향균볼이 채워질 수 있다. 이를 통하여 필터의 향균 기능을 보다 증대시킬 수 있다.
또한 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터를 이용한 정수시스템은, 복수의 필터가 연결되어 이루어지는 정수시스템으로서, 전처리 필터; 전술한 특징을 적어도 하나 이상 구비하고 있는 비대칭 다층 세라믹 필터; 및 후처리 필터;를 포함하고,전처리 필터, 비대칭 다층 세라믹 필터, 후처리 필터가 순차적으로 연결된다.
이때, 전처리 필터는 침전필터(sediment filter), 카본필터, 압축카본필터 중 적어도 하나이고, 후처리 필터는 카본필터, 압축카본필터 중 적어도 하나이다. 전처리 필터를 통해서는 불순물을 제거하거나 염소를 여과하게 되며, 후처리 필터 를 통해서는 물에 스며든 불쾌한 맛, 색소 등을 제거하여 깨끗한 물맛을 되살릴 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 정수 시스템은 정수 저장통을 더 포함하고, 후처리 필터가 정수 저장통에 연결되며, 정수 저장통에는 맥반석 또는 전기석 재질이며, 직경이 2~20mm이고, 기공률이 35% 이상인 향균볼이 채워져 있는 것이 바람직하다. 이로써, 정수된 물이 정수통에서 장시간 머무르게 되는 경우에도 물의 오염을 방지할 수 있다.
본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터를 제조하는 방법은, (a) 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 압출 성형한 후 소성하여 원통형의 세라믹 지지층을 형성하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계에서의 세라믹 분말 직경의 1/5~1/20의 직경을 갖는 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여, 내층의 표면에 주입 성형한 후 소성하여 세라믹 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하며, 최외각층의 평균 기공 크기가 40nm~0.2㎛이 되도록 상기 (b) 단계를 1회 이상 수행하게 된다.
본 발명의 구체적인 일실시예에 따르면, (a) 단계는 직경이 25㎛~35㎛인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 압출 성형한 후 1350℃~1450℃에서 110분~130분 소성하여 원통형의 세라믹 지지층을 형성하고, (b) 단계는 (b-1) 직경이 2.5㎛~3.5㎛인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 상기 세라믹 지지층의 표면에 주입 성형한 후 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 제 1 세라믹 코팅층을 형성하는 단계 및, (b-2) 직경이 0.25㎛~0.35㎛인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 상기 제 1 세라믹 코팅층의 표면에 주입 성형한 후 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 제 2 세 라믹 코팅층을 형성하는 단계로 이루어진다.
또한, (b-2) 단계 이후에, (b-3) 직경이 50nm~70nm인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 상기 제 2 세라믹 코팅층의 표면에 주입 성형한 후 1150℃~1250℃에서 110분~130분 소성하여 표층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전술한 (b) 단계 이후에는, (c) AgNO3 분위기에서 은 나노 입자가 증착되어 600℃~900℃에서 열처리하는 단계를 더 포함하여 은 나노 입자를 각 층 전체에 증착하게 된다. 이러한 은 나노 입자 증착 단계는 세라믹 필터의 각 층을 형성할 때 마다 각 층마다 각각 수행될 수도 있다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 구체적으로 설명한다. 이하에서 설명하는 실시예는 본 발명의 특징적인 기술적 사상을 구체화하는 일례를 서술하는 것이며 본 발명의 기술분야의 평균적 기술자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
본 발명의 세라믹 필터는 원통 형상의 세라믹 지지층 및 세라믹 지지층 표면에 적층된 적어도 하나의 세라믹 코팅층을 포함하여 이루어진다. 즉, 원통형의 다층(muti-layer) 구조를 가지며, 각 층은 기공 크기나 두께가 다른 비대칭 구조를 갖고 있다.
도 1a는 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터의 일례를 나타낸 것이고, 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터의 다층 구조를 나타내는 도면이다. 또한, 도 2 내지 도 4는 비대칭 다층 세라믹 필터의 세부 구조를 나타내는 전자현미경 사진이다.
도 1b에는 원통의 내부로부터 지지층(support), 제 1 코팅층(1st coating layer), 제 2 코팅층(2nd coating layer) 및 제 3 코팅층인 표층(top layer)으로 이루어진 다층 구조가 나타나 있다.
본 발명에서 세라믹 코팅층(표층 포함)은 적어도 하나 이상이 형성될 수 있다. 따라서, 도 1b에서 제 2 코팅층(2nd coating layer) 또는 제 3 코팅층인 표층(top layer)이 생략될 수도 있으며, 세라믹 코팅층이 더 추가될 수도 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 각 층 내에 기공은 균일한 크기를 가지나, 각 층 사이의 기공 크기는 지지층에서 표층으로 갈수록 작아지며, 물은 원통 내부에서 외부로 이동하면서 정수된다.
이러한 비대칭 다층 구조로 인하여, 원통 내부에서 외부로 물이 이동하면서 각 층별로 여과되는 물질의 크기에 따라 선택적으로 여과될 수 있고 다양한 크기의 불순물을 여과할 수 있다. 또한, 각 층간 계면에서는 유체의 병목 현상에 따른 압력효과에 의해 물질 여과 효과를 증대시킬 수 있다. 즉, 외층의 기공이 인접하는 내층의 기공보다 작으므로 각 층의 계면에서는 물이 이동하는 통로가 갑자기 좁아지는 병목현상이 발생하며, 이로 인하여 경계면에서는 물의 진행방향을 방해하는 방향으로 압력이 발생하고 그 결과 물질의 여과 효과를 높일 수 있게 된다. 이는 갑자기 좁아지는 하수 구멍 주위에 미세한 물질들이 달라붙어 여과되는 현상과 유사한 것이다.
각 층 사이의 기공 크기의 차이가 너무 작으면 전술한 압력효과를 기대하기 어려우며, 기공 크기의 차이가 너무 크면 경계면에서 물의 진행 속도가 너무 늦어져 오히려 정수효율을 저하시키게 된다. 본 발명의 세라믹 필터의 각 층 사이의 기공 크기의 비율은 실험적으로 외층의 평균 기공 크기가 인접한 내층의 평균 기공 크기의 1/5~1/20인 것이 바람직하다.
본 발명에서 세라믹 코팅층이 하나이거나 복수이더라도 최외각층의 평균 기공 크기는 가능한 가장 작은 크기일수록 바람직하나, 현재 제조 가능한 한도 내에서 약 40nm~0.2㎛인 것이 바람직하다.
도 1b에 도시된 1-3 layer 구조인 경우, 본 발명의 일실시예에 따르면, 세라믹 지지층은 평균 기공 크기가 25㎛~35㎛, 제 1 세라믹 코팅층은 평균 기공 크기가 2㎛~3㎛, 제 2 세라믹 코팅층은 평균 기공 크기가 0.1㎛~0.2㎛인 것이 바람직하며, 표층은 평균 기공 크기가 45nm~55nm인 것이 바람직하다.
본 발명의 세라믹 필터의 각 층은, 외층의 두께가 인접하는 내층의 두께보다 작은 것이 바람직하다. 이는 기공이 작은 외층일수록 원수의 통과속도가 느려 여과 시간이 길어지므로 그 두께를 내층보다 작게 하는 것이 기능면에서나 경제적인 면에서 효과적이기 때문이다.
본 발명의 세라믹 필터의 각 층은 그 체적 전체에 분포되어 있는 은 나노 입자를 포함하고 있다. 본 발명에서 은 코팅 방법은 스퍼터링이나 이온 클러스터 방식보다는 화학증착 방식이 보다 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서는, AgNO3의 환원 분위기에서 은 나노 입자를 증착시켜 코팅한다. 이 경우 은 나노 입자는 상대적으로 표면 에너지가 높은 기공 주변 입계면이나 각 층 사이의 계면에 집중적으로 증착되게 된다. 따라서, 코팅된 은 나노 입자는 물이 이동하는 기공 주변이나 물의 이동속도가 낮아 상대적으로 오래 머무를 수 있는 각 층의 경계면에 집중적으로 분포하게 되어 구조적으로 향균 효과를 더 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 세라믹 필터의 세라믹 코팅층에 은 나노 입자가 증착되어 있는 상태를 나타내는 전자현미경 사진이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 코팅된 은 나노 입자는 기공 주변의 입계면에 집중적으로 분포하고 있는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 비대칭 다층 세라믹 필터의 향균 테스트 결과를 나타낸 것이다. 테스트는 은 나노 입자가 0.5%가 증착된 본 발명의 세라믹 필터를 일반적인 세라믹 필터로 이루어진 세라믹 다공체와 비교하였으며, 배양균은 대장균 및 황색포도상구균을 이용하였고, 실험조건은 실온에서 24시간 배양하였다.
도 5에 도시된 바와 같이, 세라믹 다공체에 비하여 은 나노 입자가 증착된 본 발명의 세라믹 필터가 향균성이 보다 뛰어나다는 것을 쉽게 알 수 있다.
본 발명의 세라믹 필터의 원통 내부 공간에는, 향균볼을 채워 향균 효과를 높일 수도 있다. 본 발명의 향균볼은 맥반석 또는 전기석(tormaline) 재질이며, 직경은 2~20mm이고, 기공률이 35% 이상인 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터의 제조 방법에 대해서 상세히 설명한다.
본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터를 제조하는 방법은, (a) 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 압출 성형한 후 소성하여 원통형의 세라믹 지지층을 형성하는 단계 및 (b) 세라믹 분말의 크기가 이전 단계보다 1/5~1/20인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여, 내층의 표면에 주입 성형한 후 소성하여 세라믹 코팅층을 형성하는 단계로 이루어지며, 최외각층의 평균 기공 크기가 40nm~0.2㎛이 되도록 상기 (b) 단계를 적어도 1회 이상 수행하게 된다.
본 발명에서 세라믹 분말은 알루미나 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 세라믹 필터의 세라믹 지지층은 압출 성형된 후 소성되며, 세라믹 코팅층은 주입 성형(slip casting)된 후 소성된다. 세라믹 지지층은 지지체를 형성하기 위한 압출성형이 바람직하나, 세라믹 코팅층은 슬러리상 분체의 안정화된 해교를 통해 균일한 결정구조 및 기공구조를 형성하는데 유리한 주입 성형 방식이 바람직하다.
주입 성형은 분말과 분산매를 혼합하여 슬립을 제조한 후 석고몰드의 모세관힘(삼투압)을 이용하여 성형하는 방법을 말한다. 세라믹 분말을 슬러리화하면 분말 입자들의 분산이 용이하여 편리 및 불균일성이 감소하므로, 균일한 기공 형성이 필요한 본 발명에 적합하다. 또한 주입 성형은 압축 성형보다 입자 충전 변화(ΔPF)가 작아 소성시 보다 안정적인 결정 구조를 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터 제조 방법의 흐 름도이다. 본 발명의 일실시예에서는, 세라믹 지지층을 압출 성형하여 소성하는 단계(S110), 제 1 세라믹 코팅층을 주입 성형하여 소성하는 단계(S130), 제 2 세라믹 코팅층을 주입 성형하여 소성하는 단계(S150), 표층을 주입 성형하여 소성하는 단계(S170) 및 은 나노 입자를 증착하여 코팅하는 단계(S190)로 수행된다.
구체적인 일실시예에 의하면, 상기 S110 단계에서는, 직경이 25㎛~35㎛인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 압출 성형한 후 1350℃~1450℃에서 110분~130분 소성하여 원통형의 세라믹 지지층을 형성한다. 다음으로, S130 단계에서는, 직경이 2.5㎛~3.5㎛인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 상기 세라믹 지지층의 표면에 주입 성형한 후 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 제 1 세라믹 코팅층을 형성한다. 다음으로 S150 단계에서는, 직경이 0.25㎛~0.35㎛인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 상기 제 1 세라믹 코팅층의 표면에 주입 성형한 후 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 제 2 세라믹 코팅층을 형성한다. 다음으로 S170 단계에서는, 직경이 50nm~70nm인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 상기 제 2 세라믹 코팅층의 표면에 주입 성형한 후 1150℃~1250℃에서 110분~130분 소성하여 표층을 형성한다.
상기 각 단계에서 알루미나 분말을 충전시킨 후 물과 혼합하게 되는데, 보다 고밀도로 충전하는 것이 바람직하며, 이를 위하여 충전시 진동을 가하는 것도 바람직하다. 충전 후 알루미나 분말 40~50vol%, 물 50~60vol%를 혼합하여 성형하게 된다. 주입 성형에서는 해교제로서 폴리아크릴산 암모니아나 구연산 나트륨을 사용하는 것이 바람직하며, 결합제로서는 Na CMC 등이 사용될 수 있다.
다음으로 S190 단계는 AgNO3 환원 분위기에서 은 나노 입자를 증착시켜 600℃~900℃에서 열처리한다.
본 발명에서 은 나노 입자를 증착하여 코팅하는 단계는 전술한 실시예와 달리 세라믹 필터의 각 층을 형성하는 단계마다 AgNO3 환원분위기에서 은 나노 입자를 증착시켜 600℃~900℃에서 열처리할 수도 있다.
전술한 바와 같이 본 발명은 세라믹 필터를 다층으로 형성하고 각 층의 형성 단계마다 해당 크기의 세라믹 분말을 분류하고 선택하여 성형 및 소성하는 방식을 채택하여 종래 세라믹 필터에 비해 균일한 결정입자 및 기공 구조를 갖게 된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 비대칭 다층 세라믹 필터의 세라믹 코팅층을 기존 세라믹 필터들과 비교한 전자현미경 사진이며, 도 7a는 종래 중고사막 필터 및 종래 세라믹 필터의 세부구조를 도 7b는 본 발명의 일실시예 의한 비대칭 다층 세라믹 필터의 세부구조를 나타내는 전자현미경 사진이다.
도 6 및 도 7에 나타난 바와 같이, 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터(AML)는 종래 세라믹 필터의 일종인 세라믹 파이나 카타딘 필터 또는 중공사막 필터에 비해 결정입자 및 기공 구조가 균일하게 형성되어 있음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터와 기존 세라믹 필터들의 사용 시간에 따른 정수량을 비교한 그래프이다.
도 8에 나타난 바와 같이, 종래 세라믹 필터(CFA, CFB, CFC)는 50 내지 150 시간의 사용 기간에서도 정수량이 급격하게 감소하는 것을 볼 수 있다. 그러나 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터(AML)는 사용 시간이 1000시간을 경과한 경우에도 정수량의 감소가 완만하며, 일정수준의 정수량을 유지하고 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 세라믹 필터는 종래 세라믹 필터에 비해 장시간 동안 필터 기능을 유지하고 있으며, 역세척이 가능하므로 반 영구적으로 사용할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터를 이용한 정수 시스템에 대하여 자세히 설명한다.
본 발명의 정수 시스템은, 복수의 필터가 연결되어 이루어지며, 전처리 필터, 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터 및 후처리 필터를 포함하여 구성되고, 전처리 필터, 비대칭 다층 세라믹 필터, 후처리 필터가 순차적으로 연결되어 이루어진다. 본 발명의 정수 시스템은 메인 필터의 전 후에 전/후처리 필터를 연결하여 보다 완전한 정수 시스템을 이룬다.
이때, 전처리 필터는 침전필터(sediment filter), 카본필터, 압축카본필터 중 적어도 하나이고, 후처리 필터는 카본필터, 압축카본필터 중 적어도 하나이다. 전처리 필터를 통해서는 불순물을 제거하거나 염소를 여과하게 되며, 후처리 필터를 통해서는 물에 스며든 불쾌한 맛, 색소 등을 제거하여 깨끗한 물맛을 되살릴 수 있게 된다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터를 이용한 정수시스템을 도시한 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터에 연결된 전처리 필터는 sediment filter 및 pre-carbon filter이며, 후처리 필터로서 post-carbon filter가 연결되어 있다.
또한, 후처리 필터는 정수 저장통(냉수통 또는 온수통)에 연결되고, 정수 저장통에는 향균볼을 채워 넣는 것이 바람직하다. 본 발명의 향균볼은 맥반석 또는 전기석 재질이며, 직경이 2~20mm이고, 기공률이 35% 이상인 것이 바람직하다. 이로써, 정수된 물이 정수통에서 장시간 머무르게 되는 경우에도 물의 오염을 방지할 수 있다.
이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의해, 기공 크기를 달리하는 비대칭 다층 필터 구조를 창안하여 종래 세라믹 필터보다 여과 기능을 개선하고 사용 시간이 경과하여도 정수량을 유지하며 역세척이 가능하여 반 영구적 사용이 가능한 새로운 구조의 세라믹 필터를 제공할 수 있다.
또한, 구조적으로 향균 기능을 높일 수 있도록 은 나노 입자를 코팅하는 방 법을 개선하고 향균볼을 추가적으로 도입하여 향균 기능이 더욱 향상된 세라믹 필터를 제공할 수 있다.

Claims (19)

  1. 원통형 다층 세라믹 필터로서,
    원통 형상의 세라믹 지지층; 및
    상기 세라믹 지지층 표면에 적층된 적어도 하나의 세라믹 코팅층;
    을 포함하고,
    상기 세라믹 필터의 각 층은 외층의 평균 기공 크기가 인접한 내층의 평균 기공 크기의 1/5~1/20이며, 최외각층의 평균 기공 크기는 40nm~0.2㎛이고,
    상기 세라믹 필터의 각 층은 그 체적 전체에 분포되어 있는 은나노 입자를 포함하고 있는 비대칭 다층 세라믹 필터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 지지층은 평균 기공 크기가 25㎛~35㎛이며,
    상기 세라믹 코팅층은 평균 기공 크기가 2㎛~3㎛인 제 1 세라믹 코팅층 및 평균 기공 크기가 0.1㎛~0.2㎛인 제 2 세라믹 코팅층으로 이루어진 비대칭 다층 세라믹 필터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 2 세라믹 코팅층 표면에 적층된 표층을 더 포함하고,
    상기 표층은 평균 기공 크기가 45nm~55nm인 비대칭 다층 세라믹 필터.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 은 나노 입자는,
    환원 분위기에서 화학 증착되어 세라믹 필터의 각 층의 기공을 둘러싸는 입계면과 각 층 사이의 계면에 집중적으로 분포하는 비대칭 다층 세라믹 필터.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 세라믹 필터의 각 층은,
    외층의 두께가 인접하는 내층의 두께보다 작은 비대칭 다층 세라믹 필터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 지지층은 압출 성형으로 형성되고, 상기 세라믹 코팅층은 주입 성형(slip casting)으로 형성되는 비대칭 다층 세라믹 필터.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 세라믹 지지층은 압출 성형되고, 1350℃~1450℃에서 110분~130분 소성하여 형성되며,
    상기 제 1 세라믹 코팅층은 주입 성형되고, 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 형성되고,
    상기 제 2 세라믹 코팅층은 주입 성형되고, 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 형성되는 비대칭 다층 세라믹 필터.
  8. 청구항 3에 있어서, 상기 표층은,
    상기 제 2 세라믹 코팅층 표면에 주입 성형되고, 1150℃~1250℃에서 110분~130분 소성하여 형성되는 비대칭 다층 세라믹 필터.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 필터의 각 층을 형성하는 세라믹 분체는 알루미나 분말인 비대칭 다층 세라믹 필터.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 필터의 원통 내부 공간에는, 맥반석 또는 전기석(tormaline) 재질이며, 직경이 2~20mm이고, 기공률이 35% 이상인 향균볼이 채워진 비대칭 다층 세라믹 필터.
  11. 복수의 필터가 연결되어 이루어지는 정수시스템으로서,
    전처리 필터;
    청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항의 비대칭 다층 세라믹 필터; 및
    후처리 필터;
    를 포함하고,
    상기 전처리 필터, 상기 비대칭 다층 세라믹 필터, 상기 후처리 필터가 순차적으로 연결되어 이루어지는 정수 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 전처리 필터는 침전필터(sediment filter), 카본필터, 압축카본필터 중 적어도 하나이고,
    상기 후처리 필터는 카본필터, 압축카본필터 중 적어도 하나인 정수 시스템
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 정수 시스템은,
    정수 저장통을 더 포함하고,
    상기 정수 저장통은 상기 후처리 필터에 연결되고, 그 내부에 맥반석 또는 전기석 재질이며 직경이 2~20mm이고 기공률이 35% 이상인 향균볼이 채워져 있는 정수 시스템.
  14. 비대칭 다층 세라믹 필터를 제조하는 방법으로서,
    (a) 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 압출 성형한 후 소성하여 원통형의 세라믹 지지층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서의 세라믹 분말 직경의 1/5~1/20의 직경을 갖는 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여, 내층의 표면에 주입 성형한 후 소성하여 세라믹 코팅층을 형성하는 단계;
    를 포함하며,
    최외각층의 평균 기공 크기가 40nm~0.2㎛이 되도록 상기 (b) 단계를 1회 이상 수행하는 비대칭 다층 세라믹 필터의 제조 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    직경이 25㎛~35㎛인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 압출 성형한 후 1350℃~1450℃에서 110분~130분 소성하여 원통형의 세라믹 지지층을 형성하고,
    상기 (b) 단계는,
    (b-1) 직경이 2.5㎛~3.5㎛인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 상기 세라믹 지지층의 표면에 주입 성형한 후 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 제 1 세라믹 코팅층을 형성하는 단계 및,
    (b-2) 직경이 0.25㎛~0.35㎛인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 상기 제 1 세라믹 코팅층의 표면에 주입 성형한 후 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 제 2 세라믹 코팅층을 형성하는 단계로 이루어지는 비대칭 다층 세라믹 필터의 제조 방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 (b-2) 단계 이후에,
    (b-3) 직경이 50nm~70nm인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 상기 제 2 세라믹 코팅층의 표면에 주입 성형한 후 1150℃~1250℃에서 110분~130분 소성하여 표층을 형성하는 단계;
    를 더 포함하는 비대칭 다층 세라믹 필터의 제조 방법.
  17. 청구항 14에 있어서, 상기 (b) 단계 이후에,
    (c) AgNO3 환원분위기에서 은 나노 입자가 증착되어 600℃~900℃에서 열처리하는 단계;
    를 더 포함하는 비대칭 다층 세라믹 필터 제조 방법.
  18. 청구항 14에 있어서,
    세라믹 필터의 각 층을 형성하는 단계 이후에,
    (c) AgNO3 환원분위기에서 은 나노 입자가 증착되어 600℃~900℃에서 열처리하는 단계;
    를 각각 수행하는 비대칭 다층 세라믹 필터 제조 방법.
  19. 청구항 14에 있어서,
    상기 세라믹 분말은 알루미나로 이루어진 비대칭 다층 세라믹 필터 제조 방법.
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