KR101140284B1 - 개량형 직물필터 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라 다층 구조의 직물 필터가 제공된다. 상기 필터는 일정 간격을 두고 배치되는 복수 개의 필터를 포함하고, 상기 각각의 필터는 직물 필터로 이루어지며, 상기 복수 개의 직물 필터 중 필터 도입부에 배치되는 직물 필터를 구성하는 필라멘트에 의해 형성되는 기공의 크기가 가장 크고, 후단부에 배치되는 직물 필터로 갈수록 그 기공 크기가 점차 작아지며, 상기 필터 도입부와 정반대의 후단부에 배치되는 직물 필터 및 그 바로 앞쪽의 직물 필터의 직물을 구성하는 각각의 필라멘트에는 무촉매법에 의해 형성되는 휘스커 또는 별도의 촉매를 사용하여 휘스커를 형성하는 촉매법에 의한 휘스커가 형성되어, 그 일부가 상기 필라멘트 사이의 기공으로 돌출하여, 상기 기공을 통과할 수 있는 미세 입자를 포집하도록 구성되고, 상기 후단부에 배치되는 직물 필터의 직물을 구성하는 필라멘트에 형성된 휘스커의 크기는 상기 후단부 바로 앞쪽에 배치되는 직물 필터의 직물을 구성하는 필라멘트에 형성된 휘스커의 크기보다 더 작으며, 상기 휘스커 및 상기 휘스커가 형성된 상기 필라멘트의 기공벽에는 상기 휘스커와 동일한 재료의 보호층이 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

개량형 직물필터 및 그 제조 방법{IMPROVED TEXTILE FILTER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 필터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기체의 투과율이 좋고 또 작은 미세 입자를 보다 효율적으로 포집할 수 있는 구조를 갖고 있을 뿐만 아니라, 상기 미세 입자 포집 구조의 안정성을 향상시켜, 필터의 수명을 연장할 수 있고 더욱 혹독한 환경 하에서도 사용할 수 있는 직물 필터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

자동차 매연과 같은 분진의 포집/제거를 위해, 세라믹 단일체 필터를 이용하고 있다. 이러한 세라믹 단일체 필터는 포집이 진행됨에 따라 입자상 물질이 필터 벽에 쌓이게 되어, 배압(back pressure)이 증가하게 되는데, 이는 차량 엔진의 효율을 떨어뜨리는 요인으로 작용하게 된다.

즉, 도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 다공체 세라믹 필터(1)는 불규칙한 형태의 기공 구조를 갖고 있다. 따라서, 자동차에서 배기된 입자(2)가 필터 도입부로부터 기공 통로가 작은 구간에서 쌓여 필터 전체의 기체 투과율 저하를 가속화시 킬 수가 있다. 자동차 매연의 분진 제거 필터의 경우, 필터의 기체 투과율 저하는 차량 엔진의 배압을 증가시켜 엔진의 효율을 떨어뜨리는 문제를 발생시킨다.

또한, 종래의 다공체 세라믹 필터는 나노미터 크기의 입자들을 포집하는 데에는 많은 한계를 노출시키고 있다. 즉, 디젤 자동차의 경우, 배출되는 미세 입자들 중 그 크기가 10~20 nm 수준의 입자들이 있는데, 이들 입자는 흡입되는 경우, 호흡기 질환을 일으킬 수 있다. 그러나, 기존의 다공체 세라믹 필터로는 이러한 수준의 입자를 포집할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 종래의 세라믹 필터는 그 재료의 특성상 다양한 형태로 변형하기가 어려워 필터로의 적용시 그 용례에 맞는 설계변경을 하여야 하는 번거로움이 수반된다.

한편, 디젤 엔진의 후처리 장치의 경우, 매우 높은 온도가 가해지는 데, 이러한 차량의 배기가스 후처리 장치에 적용되어도 높은 온도를 견디면서 필터 본연의 목적을 달성할 수 있는 필터 장치에 대한 요구도 있다.

이러한 종래의 세라믹 필터와 관련하여, 본원의 출원인은 상기 문제점을 해결한 발명을 출원하였다(출원 번호 제10-2008-101821호). 이 직물 필터에 따르면, 직물 필터를 복수의 필터로 구성함과 아울러, 각 필터의 기공 크기를 달리 구성하고, 또한 각 기공에 탄화규소 휘스커를 형성하여, 비표면적의 증가 및 미세 포어 채널을 형성하여, 효과적으로 미세입자를 포집할 수 있도록 하고 있다.

그러나, 자동차 매연과 같은 미세입자 제거용 필터의 경우, 연소 기체가 기공 내부를 통해 흐름에 따라, 작은 크기의 기공에 불규칙적이고 또 순간적으로 높은 압력이 국부적으로 발생할 수 있다. 예컨대, 상기 특허 출원에 따른 필터의 경우, 수 마이크로미터 직경의 휘스커(30)가 도 2에 도시된 것과 같이, 직물 필터를 구성하는 필라멘트(10)의 기공벽에 형성된다. 기공의 단면 형태는 예컨대, 도 10에 도시한 것과 같은 형태일 수 있는데, 이러한 다공성 모재의 기공에는 연소 기체의 흐르으로 인해 높은 압력이 걸리기 쉽다. 이로 인해, 기체의 흐름이 빨라지고, 그 결과 배기되는 크고 작은 입자들이 기공의 벽에 충돌하게 된다. 기공 내부의 휘스커(30) 역시 이러한 고속/고압의 가스 및 그 흐름 속에 있는 입자들에 노출되는데, 직경이 수 마이크로미터 이하의 매우 미세하고 얇은 휘스커(30)가 그러한 입자들에 의해 파손될 수 있다. 따라서, 휘스커(30)는 그 원래의 형태를 유지할 수 없고 또 휘스커와 기공 벽 사이의 결합을 이루는 면적이 아주 작아, 휘스커가 모재의 기공으로부터 분리되어 제거되는 일이 발생할 수 있다. 결국, 미세입자 포집 효율을 향상시키기 위해 제공되었던 휘스커(30)가 그 원래의 기능을 발휘하지 못해, 포집효율이 저하되어, 필터로서의 효율 및 그 수명이 떨어지는 일이 발생할 수 있게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 미세 입자의 포집이 진행되어도, 미세 입자에 의한 기공 폐색을 효율적으로 방지할 수 있는 구조를 갖는 직물 필터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다양한 크기의 미세 입자를 그 크기에 따라 효율적으로 포집하여, 여과 효율을 증대시킬 수 있는 구조를 갖는 직물 필터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 나노미터 크기 수준의 미세 입자도 포집할 수 있는 직물 필터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 필터가 적용되는 용례에 관련하여 특별한 설계 변경 없이도 용이하게 적용할 수 있는 직물 필터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 직물 필터의 기공에 형성된 휘스커가 파손되거나 기공 벽으로부터 분리되는 현상을 방지하여, 필터의 효율 및 수명을 증대시킬 수 있는 직물 필터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 가혹한 환경하에서도 사용 가능한 직물 필터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라 다층 구조의 직물 필터가 제공된다. 상기 필터는 일정 간격을 두고 배치되는 복수 개의 필터를 포함하고, 상기 각각의 필터는 직물 필터로 이루어지며, 상기 복수 개의 직물 필터 중 필터 도입부에 배치되는 직물 필터를 구성하는 필라멘트에 의해 형성되는 기공의 크기가 가장 크고, 후단부에 배치되는 직물 필터로 갈수록 그 기공 크기가 점차 작아지며, 상기 필터 도입부와 정반대의 후단부에 배치되는 직물 필터 및 그 바로 앞쪽의 직물 필터의 직물을 구성하는 각각의 필라멘트에는 무촉매법에 의해 형성되는 휘스커 또는 별도의 촉매를 사용하여 휘스커를 형성하는 촉매법에 의한 휘스커가 형성되어, 그 일부가 상기 필라멘트 사이의 기공으로 돌출하여, 상기 기공을 통과할 수 있는 미세 입자를 포집하도록 구성되고, 상기 후단부에 배치되는 직물 필터의 직물을 구성하는 필라멘트에 형성된 휘스커의 크기는 상기 후단부 바로 앞쪽에 배치되는 직물 필터의 직물을 구성하는 필라멘트에 형성된 휘스커의 크기보다 더 작으며, 상기 휘스커 및 상기 휘스커가 형성된 상기 필라멘트의 기공벽에는 상기 휘스커와 동일한 재료의 보호층이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, 상기 다층 구조의 직물 필터를 제조하는 방법이 제공되는데, 상기 휘스커를 상기 직물 필터의 직물을 구성하는 각각의 필라멘트에 형성한 후, 상기 휘스커의 형성 공정에서 이용된 동일한 온도 및 압력 조건 하에서, 운반기체와 희석 기체를 약 1:7의 비율로 반응관에 공급하여, 상기 휘스커와 동일한 재질로 된 보호층을 상기 휘스커 및 상기 기공벽에 형성하는 단계를 포 함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 휘스커 및 보호층은 탄화규소로 이루어진다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 휘스커는 무촉매법 또는 별도의 촉매를 사용하는 촉매법에 의해 형성될 수 있는데, 촉매법에 의해 상기 휘스커를 형성하는 경우, 그 휘스커의 끝 뿌분에 잔조하는 금속 촉매를 제거하는 공정을 수행하지 않고 상기 보호층을 형성하는 공정을 수행할 수 있다.

본 발명에 따르면, 각기 다른 기공크기의 카본 직물과 또한 카본직물 상에 각기 다른 직경의 휘스커 형성을 통하여 다양한 기공크기의 직물필터를 제작하여, 이들을 기공크기순으로 경사형태로 배치함으로써 기체투과율 감소를 최소화하며, 미세 입자를 크기에 따라 효율적으로 포집할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 더욱이, 필터의 필라멘트에 의해 형성된 기공으로 휘스커의 일부가 돌출하도록 형성되어, 상기 기공을 통과하는 미세 입자를 포집하도록 구성되어, 미세입자의 포집 효율을 한층 더 높일 수 있다.

이 때문에, 투과율 저하에 따른 배압을 최소화 할 수 있으며 나노분진 포집 효율을 향상시킬 수 있어 필터로서 장점을 가진다. 본 발명에 의한 경사기능형 필터는 또한 세라믹에서의 취성파괴(brittle fracture) 단점이 없으며, 필터 자체가 직물로서 형태의 제약이 적은 장점을 가져, 건설기기나 차량용 매연여과 장치, 선박, 발전소 등 다양한 분야에서 각종 필터재료로서 유용하게 이용될 수 있다. 또한, 휘스커 및 기공 벽에 휘스커와 동일 재료의 보호층이 형성되어, 휘스커가 더욱 안정적으로 기공 벽에 고정된다. 따라서, 빠르게 흐르는 기체에 대해서도 휘스커거 손상되지 않고 또 기공벽으로부터 분리되지 않아, 필터의 수명을 향상시킬 수가 있고 더욱 가혹한 조건 하에서도 필터를 사용할 수가 있다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 본 발명의 특징을 구성하지 않는 부분 또는 당업계에 이미 널리 알려진 구성에 대하여는 그 설명을 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도, 당업자라면 이하의 설명의 통해 본 발명의 본질적 특징을 쉽게 이해할 수 있을 것이며, 특별한 어려움 없이 본 발명을 구현할 수 있을 것이다.

종래 기술과 관련하여 설명한 바와 같이, 종래의 필터, 특히 자동차용 필터의 경우 세라믹 단체로 구성되어, 그 필터의 효율이 제한되고 또 자유로운 형상 변경이 어려웠다.

본 발명자는 이러한 종래 기술과 관련하여, 먼저 필터를 다중 필터로 구성하여 다양한 크기의 미세 입자를 여과시키고자 하였다. 즉, 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 다중 필터의 구조가 개략적으로 도시되어 있는 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 필터(8)는 복수 개의 필터(4, 5, 6, 7)로 이루어진다. 이들 필터는 기체 투과 효율의 증대를 도모하기 위해 일정 간격을 두고 배치된다. 즉 필터 사이에 간격 없이 필터들을 배치하는 것이 아니라, 서로 다른 기공의 크기를 갖는 필터들을 일정 간격을 두고 배치함으로써, 필터를 통한 기체의 투과를 향상시킨다.

한편, 도시한 바와 같이, 각각의 필터는 필라멘트, 바람직하게는 카본 직물 필라멘트에 의해 마치 체(sieve)처럼 구성되는데, 이들 필라멘트에 의해 예컨대 미세 입자를 여과하기 위한 기공 통로를 형성한다. 또한, 카본 직물의 경우 800℃ 이상의 높은 온도에서도 사용할 수 있어, 본 발명의 직물 필터를 차량 배기가스 후처리 장치에 이용할 수가 있으며, 종래의 세라믹 필터와는 달리, 다양한 형태로 변형할 수 있어, 용례에 맞게 적절히 설계변경을 할 수가 있다. 이때, 상기 기공 통로를 형성함에 있어서, 필라멘트 사이의 배치 조절을 통해 다양한 크기의 미세 입자를 여과할 수 있도록 구성한다.

즉, 직물 필터(4)는 필터 도입부에 배치되는 필터로서, 그 필터를 구성하는 필라멘트에 의해 형성되는 기공의 크기는, 상기 직물 필터(4)와 정반대쪽, 즉 본 발명의 다층 구조의 직물 필터에서 맨 후단부에 배치되는 직물 필터(7)를 구성하는 필라멘트에 의해 형성되는 기공의 크기보다 더 크게 형성된다. 즉, 필터 도입부에서 후단부로 갈수록 필터의 기공 크기가 점차 감소하도록 직물 필터(8)를 구성한다. 이러한 직물 필터의 구조는 도 4를 통해 더 쉽게 확인할 수 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 직물 필터(8)는 기공 크기에 따라 각각의 필터가 순차적으로 배치된다. 즉, 필터 도입부에 배치되는 직물 필터(4)의 기공 통로의 크기가 가장 크다. 이와 같이 직물 필터를 구성하게 되면, 입자의 크기 에 따라 순차적인 입자 포집이 가능하며, 따라서 입자들이 필터 도입부에서부터 쌓이는 현상을 최소화할 수가 있게 된다. 즉 필터 도입부에 배치되는 필터의 기공 크기가 크므로, 그 보다 작은 미세 입자는 직물 필터(4)를 통과하게 되고, 그 크기에 따라 후순위 배치되는 직물 필터에 의해 포집된다. 따라서, 미세 입자가 그 크기에 따라 각각의 직물 필터에서 포집되므로, 시간이 흐름에 따라 필터 도입부에서 미세 입자가 쌓이는 현상을 최대한 방지할 수가 있게 되고, 결국 필터 전체의 기체 투과율이 저하되는 문제점을 최소화할 수가 있게 된다.

이와 같이, 직물 필터(8)를 구성하는 각각의 필터의 기공 통로를 마이크로미터 단위 내지 나노미터 단위로 형성하게 되면, 나노미터 크기의 미세 입자는 후단부의 직물 필터(6 또는 7)를 통해 포집할 수 있고, 마이크로 크기의 미세 입자는 필터 도입부의 직물 필터에 의해서 포집할 수 있어, 포집 효율을 극대화할 수 있다. 따라서, 기공의 형태가 불규칙적인 종래의 세라믹 단일체 필터와 비교하여, 보다 효율적으로 다양한 크기의 미세 입자를 포집할 수가 있다.

한편, 후단부에 배치되는 직물 필터(6, 7)를 구성하는 필라멘트를 서로 밀접하게 배치하여, 기공 통로를 형성한다 하더라도 그 기공 통로의 크기를 줄이는 데에는 설계상 일정 한계가 있다. 따라서, 기공의 크기가 가장 작은 직물 필터(7)를 미세 입자가 통과할 가능성이 있게 된다.

이러한 점을 감안하여, 본 발명자는 기공의 크기가 작은 직물 필터를 통과하는 크기의 미세 입자도 포집할 수 있는 구조를 고안하였다. 이러한 실시예가 도 5및 도 6에 도시되어 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 직물 필터의 후단부에 배치되는 직물 필터(6, 7)를 구성하는 필라멘트에는 각각 휘스커(9, 10)가 형성되어, 그 일부가 상기 필라멘트 사이의 기공으로 돌출하고 있다. 이와 같이, 기공 통로로 휘스커, 바람직하게는 탄화규소(SiC)로 이루어진 휘스커가 돌출하도록 하면, 필라멘트 사이의 기공 통로를 통과할 정도로 작은 미세 입자라도, 상기 휘스커에 의해 그 입자가 포집된다. 따라서, 필라멘트에 의한 기공 통로 크기를 줄이는 데에 어느 정도 한계가 있다 하더라도, 상기 휘스커에 의해 그러한 한계를 보완할 수 있어, 더 미세한 크기의 미세 입자도 여과할 수 있어, 필터의 효율을 극대화할 수 있다.

한편, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 휘스커의 크기가 상이하다. 즉, 맨 후단부에 배치되는 직물 필터의 필라멘트에 형성되는 탄화규소 휘스커(10)의 직경(예컨대, 수백 나노미터 수준의 직경)이, 그 바로 앞쪽에 배치되는 직물 필터(6)를 구성하는 필라멘트에 형성되는 휘스커(9)의 직경(마이크로미터 수준의 직경)보다 더 작게 형성되어, 필라멘트 사이에 형성되는 기공 통로를 보완하도록 구성된다. 이와 같이, 휘스커의 크기를 달리하여 형성하는 것은 직물 필라멘트 제조시 여러 공정 조건의 조절을 통해 이루어질 수 있다. 한편, 특정 재료를 이용하여 휘 스커를 형성하는 기술 자체, 반응 챔버 내부의 압력 조절과 같은 공정 조건의 조절을 통해 상이한 크기의 휘스커를 형성하는 기술 자체는 본 발명의 요지를 구성하는 것이 아니며, 공지의 기술을 이용하여 실험실 또는 제조 차원에서 다양하게 구현할 수 있으므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

상기한 구성의 직물 필터가 자동차 매연 가스와 같은 가혹한 환경 하에서 사용되는 경우, 빠른 유속의 미세 입자에 의해 기공 벽에 형성된 휘스커가 손상될 수 있다. 즉 기공 내부를 흐르는 빠른 유속의 미세 입자와 휘스커가 충돌하여, 휘스커가 파손되거나, 휘스커가 기공 벽으로부터 분리되어, 필터의 수명을 떨어뜨리는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 휘스커를 기공 벽에 안정되게 고정하여, 휘스커 본연의 기능을 장기간에 걸쳐 발휘함으로써, 필터의 수명을 연장할 필요성이 있다.

본 발명자는 이를 위하여, 휘스커를 보호하는 보호층을 휘스커 및 기공 벽에 형성함으로써, 휘스커의 안정성을 증대시키는 방안에 대하여 연구를 수행하였다. 이하에서는 구체적인 실험예를 통해, 본 발명의 특징을 더욱 상세히 설명한다.

실험예 1

도 11은 본 발명에 따른 휘스커의 형성을 위하여 사용된 저압화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)장치의 개략적인 구성도이다. 이러한 장치를 이용하여 다공성 모재에 휘스커를 형성하는 방법은 다음과 같다.

다공성 모재, 바람직하게는 세라믹 다공성 모재를 반응관(60) 내에 장입하여 일정한 승온 속도로 가열한다. 이때, 상기 반응관은 진공 펌프(64)에 의해 반응관 내의 압력을 벨로즈 밸브(bellows valve)(63)를 이용하여 10 torr 이하의 진공으로 유지하는데, 반응관의 압력은 도면 부호 62로 표시한 압력 표시 장치(62)를 통해 표시된다. 가스 공급원(51)으로부터 공급되는 운반 기체는 가스 정화 장치(52)에 의해 정화된 후, 증발기(56)에 의해 승화 또는 기화된 반응물을 상기 반응관(60)으로 운반한다. 한편, 동일한 가스 공급원(51)으로부터 희석기체를 도입하며, 상기 희석기체는 가스 정화 장치(52)에 의해 정화된다. 용도에 따라 구별되는 상기 운반 기체와 희석 기체는 각각 유량 조절기(55, 54)에 의해 그 유량이 조절되어, 운반 기체와 희석 기체의 비율이 조절된다. 상기 희석 기체는 상기 운반 기체에 의해 운반된 반응물이 반응관(60)에 도입되기 전 그 반응물을 희석시키는 역할을 한다. 즉 상기 희석 기체는 상기 반응물 기체를 더 옅게 혹은 더 진하게 그 밀도를 조절하여 반응 속도 및 증착되는 증착 물질의 미세 구조에 영향을 주는 역할을 한다. 한편, 상기 반응관 내의 온도는 1000~ 1400℃의 온도로 유지하도록 가열하는 것이 바람직하다. 그리고, 희석기체로는 수소가 바람직하며, 희석기체를 반응관 내로 흘리면서 증발기(56)에 의해 승화 또는 기화된 반응물을 상기 반응관(60)으로 흘려보낸다. 본 발명에서 반응물로는 Si와 C가 함유된 물질이면 바람직한데, 이러한 물질로는 예컨대 메틸트리클로로실렌(Methyltrichlorosilane, MTS, CH3SiCl3)을 들 수 있다. 반응물은 항온조(57)를 통해 항온 유지하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 반응물의 운반기체는 희석기체와 동일할 수 있다. 상기 증발기(56)의 압력은 밸브(59)를 통하여 조절할 수 있으며 그 표시장치(58)를 통하여 일정한 압력으로 유지되는 것이 바람직하다. 반응관 내의 온도를 일정 고온, 일정 압력으로 유지시킨 상태에서 상기 운반기체의 유량을 50 cm/m³미만으로 하고, 증발된 반응 기체와 희석?운반기체의 비를 100이상으로 조절하여 상기 다공성 모재에 흘려주면 다공성 모재 상에 휘스커가 형성된다. 휘스커 형성 시간은 120분 미만이다.

본 발명자는 상기와 같은 공정을 통해, 다공성 모재에 휘스커를 형성한 다음에, 수소 기체와 희석 기체를 다양한 유량으로 흘려보내 반응시킴으로써, 휘스커에 보호층을 형성하고자 하였다. 예컨대, 도 7에 도시한 것과 같은 형태의 휘스커를 다공성 모재에 형성한 후, 휘스커 형성시에 수행되었던 공정과 동일한 온도와 압력조건에서 반응관에 수소 기체를 운반 기체로 사용하여 10 cm³/min의 유량으로 반응관(60)에 흘려주었다. 이와 동시에, 희석 기체를 30 cm³/min의 유량으로 휘스커가 형성된 다공성 모재에 흘려주었다. 이때, 휘스커를 보호하기 위한 보호층은 휘스커 형성시 사용되는 재료와 동일한 재료를 이용하여 형성한다. 이러한 과정을 10분 동안 수행하였다. 그 결과, 도 8a에 나타낸 바와 같이, 휘스커 형태가 오히려 감소하여 박막 형태에 가까운 증착이 일어난 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 본 발명자는 희석 기체의 양이 너무 적어 상기 공정에서 휘스커 형태를 유지하기가 어렵다는 결론에 도달하였다. 한편, 실험예 1에서보다 더 적은 양의 희석 기체를 사용할 경우, 완전한 박막 형태의 증착이 이루어져 휘스커의 형태가 더 감소한다는 것은 쉽게 예측할 수가 있다.

실험예 2

희석기체를 70 cm³/min의 유량으로 증가시킨 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 과정을 수행하였으며, 그 결과를 도 8b에 나타내었다. 도 8b에 도시한 바와 같이, 제어된 조건 하에서, 휘스커(30) 및 기공 벽(20) 상에 보호층(40)이 균일하게 형성되어 있음을 잘 확인할 수 있으며, 그 단면 구조를 모식적인 형태로 도 9에 나타내었다. 이는 기존에 휘스커 또는 박막 형태의 증착물로 이분화되었던 화학 기상 증착 시스템에서의 증착 형태와는 또 다른 형태의 증착 현상으로, 휘스커의 안정성 향상과 같이 본 발명에서 이루고자 하는 목표에 부합되는 적합한 결과인 것으로 판단할 수 있다.

한편, 휘스커의 형성 방법은 크게 두가지로 나뉠 수 있는데, 본 실험예에서와 같이 별도의 촉매가 사용되지 않고 휘스커가 형성될 수 있는 무촉매법(VS(vapor-solid) mechanism)과 Fe, Ni과 같은 금속 촉매를 기판에 미리 형성시켜 휘스커를 형성시키는 방법인 촉매법(VLS (vapor-liquid-solid)mechanism)이 있다. 촉매법에 의해 형성되는 휘스커의 경우, 본 실시예의 무촉매 휘스커와는 달리 공정 후에 휘스커 끝 부분에 둥근형태의 금속 촉매가 잔존하여 불순물로 작용을 하기도 하며 따라서 별도의 제거 공정이 필요하다는 단점이 있었다. 하지만 본 발명 의 특징인, 보호층을 휘스커에 형성하는 방법을 촉매법에 의해 형성된 휘스커에 적용한다면, 휘스커와 함께 휘스커 끝 부분의 금속 촉매까지 덮으며 보호층을 형성할 수 있어 휘스커 끝 부분의 촉매를 별도로 제거할 필요가 없게 된다는 장점이 있다. 이는 촉매법에 의해 형성된 휘스커에도 그 안정성을 향상 시킬 수 있을 뿐만 아니라 촉매법 휘스커의 끝부분에 잔존하는 금속 촉매를 덮어줌으로써 잔존하는 촉매로 인해 발생할 수 있는 단점들을 보완할 수 있다는 장점이 있다. 이는 본 발명의 또 다른 중요한 한 가지 특징을 구성한다.

실험예 3

희석기체를 110 cm³/min의 유량으로 증가시키고 공정 시간을 30분으로 한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 과정을 수행하였으며, 그 결과를 도 8c에 나타내었다. 도 8c에 도시한 바와 같이, 휘스커가 성장하는 증착 조건으로 실험예 1 및 2와 비교하여, 대략 3배에 달하는 시간 동안 증착을 하였음에도 불구하고, 휘스커의 직경만 증가하였을 뿐, 기공의 벽에는 증착이 이루어지지 않는다는 것을 발견하였다. 즉 휘스커의 직경만이 증대되어서, 휘스커가 갖는 본연의 기능이 제대로 발휘될 수 없을뿐만 아니라, 휘스커의 안정성을 향상시키킬 수가 없다. 한편, 실험예 3에서보다 더 많은 양의 희석 기체를 사용할 경우, 휘스커의 직경이 계속 증가하기만 한다는 것은 쉽게 예측할 수 있다.

상기와 같은 일련의 화학 기상 증착 반응이 종료된 후, 상온까지 수소 분위기에서 자연 냉각한 후, 질소기체를 사용하여 퍼징할 수 있는데, 상기 실험예에서는 퍼징용 기체 공급원(50)으로부터의 질소 기체를 이용하여 10분간 퍼징을 행한 다음 다공성 재료를 반응관에서 꺼내었다. 도면 부호 53은 퍼징용 기체의 유량을 조절하기 위한 장치이다.

상기 실험예를 통해, 본 발명자는 휘스커의 형성 재료와 동일한 재료를 휘스커의 형성시 이용된 환경 하에서 동일 과정을 수행하고 이때 매우 제한된 조건, 즉 운반기체와 희석 기체의 비율을 대략 1:7의 조건으로 적용하면, 기존에 존재하지 않던 증착 거동, 즉 짧은 시간 내에 휘스커와, 휘스커가 형성된 기공 벽을 감싸는 형태로 재료가 증착된다는 사실을 발견하였다. 특히, 보호층(40)이 휘스커(30)만을 보호하는 것이 아니라, 기공 벽(20) 전체에 걸쳐 형성되어, 휘스커의 안정성을 더욱 증대시킬 수가 있다. 따라서, 휘스커(30)가 기공 벽(20)에 더욱 안정적으로 고정되어 있기 때문에, 빠른 유속의 기체 흐름에 의해 휘스커가 손상되거나 휘스커가 기공 벽으로부터 분리되는 문제점을 더욱 방지할 수 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 전술한 실시예에 제한되지 않는다는 점에 유의하여야 한다. 예컨대, 본 발명의 직물 필터가 차량 배기가스용 직물 필터로 적용되는 것을 설명하였지만, 본 발명의 직물 필터는 이외에도 미세 입자를 포집하기 위한 용도에 널리 적용될 수 있다. 즉, 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 다양하게 변형, 수정할 수 있으며, 이러한 것은 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 구성 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

도 1은 종래 기술에 따른 세라믹 단체 필터의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.

도 2는 휘스커가 필라멘트의 기공 벽에 형성된 형태를 모식적으로 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 다층 구조의 직물 필터의 전체적인 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 4는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 다층 구조의 직물 필터의 각 필터의 단면 모식도이다.

도 5는 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 휘스커가 형성된 직물 필터의 구조를 보여주는 도면이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 상이한 크기의 휘스커를 형성한 모습을 보여주는 이미지이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 형성된 휘스커의 형태를 보여주는 도면이다.

도 8a 내지 도 8c는 조건을 달리한 상태에서의 보호층 형성 여부를 보여주는 도면이다.

도 9는 도 8b에 도시한 보호층이 휘스커 및 기공벽에 형성된 모습을 모식적으로 보여주는 도면이다.

도 10은 도 9의 단면 형태를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 11은 본 발명에 따른 휘스커의 형성을 위하여 사용된 저압 화학 기상 증착 장치의 개략적인 구성도이다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 일정 간격을 두고 배치되고 각각 직물 필터로 이루어지는 복수 개의 필터를 포함하고,

   상기 복수 개의 직물 필터 중 필터 도입부에 배치되는 직물 필터를 구성하는 필라멘트에 의해 형성되는 기공의 크기가 가장 크고, 후단부에 배치되는 직물 필터로 갈수록 그 기공 크기가 점차 작아지며,

   상기 필터 도입부와 정반대의 후단부에 배치되는 직물 필터 및 그 바로 앞쪽의 직물 필터의 직물을 구성하는 각각의 필라멘트에는 무촉매법에 의해 형성되는 휘스커 또는 별도의 촉매를 사용하여 휘스커를 형성하는 촉매법에 의한 휘스커가 형성되어, 그 일부가 상기 필라멘트 사이의 기공으로 돌출하여, 상기 기공을 통과할 수 있는 미세 입자를 포집하도록 구성되고,

   상기 후단부에 배치되는 직물 필터의 직물을 구성하는 필라멘트에 형성된 휘스커의 크기는 상기 후단부 바로 앞쪽에 배치되는 직물 필터의 직물을 구성하는 필라멘트에 형성된 휘스커의 크기보다 더 작은 구조로 되어 있는 차량 배기가스용 다층 구조의 직물 필터를 제조하는 방법으로서,

   상기 휘스커를 상기 직물 필터의 직물을 구성하는 각각의 필라멘트에 형성한 후, 상기 휘스커의 형성 공정에서 이용된 동일한 온도 및 압력 조건 하에서, 운반기체와 희석 기체를 1:7의 유량 비율로 반응관에 공급하여, 상기 휘스커와 동일한 재질로 된 보호층을 상기 휘스커 및 상기 휘스커가 형성된 상기 필라멘트의 기공벽을 감싸도록 형성하는 단계를 포함하며,

   상기 휘스커를 촉매법에 의해 형성하는 경우, 그 휘스커의 끝 부분에 잔존하는 금속 촉매를 제거하는 공정을 수행하지 않고 상기 보호층을 형성하는 것을 특징으로 하는 차량 배기가스용 다층 구조의 직물 필터 제조 방법.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 휘스커 및 보호층은 탄화규소로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량 배기가스용 다층 구조의 직물 필터 제조 방법.
4. 삭제

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