KR101409421B1 - 나노네트층을 갖는 섬유상 필터 및 그 제조 방법 - Google Patents

나노네트층을 갖는 섬유상 필터 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

섬유상 필터는 초극세 섬유가 연속적으로 랜덤하게 배치되어 있으며, 기공 크기 분포에서 최대 빈도의 기공 크기가 0.1~2 ㎛인 섬유상 다공체, 그리고 이방성 나노재료가 배치되어 있으며, 기공 크기 분포에서 최대 빈도의 기공 크기가 1~100 nm인 나노네트층(nanonet layer)을 갖는 여과층을 포함한다. 섬유상 필터는 바이러스와 중금속과 같은 극미세 입자까지도 제거할 수 있는 우수한 여과효율을 가지면서도 여과시 압력손실이 낮아 높은 투과유량을 나타내며, 공기 및 수처리 필터로 유용하게 사용될 수 있다.

Description

나노네트층을 갖는 섬유상 필터 및 그 제조 방법{FIBER-BASED FILTER WITH NANONET LAYER AND PREPARATION METHOD THEREOF}
나노네트층을 갖는 섬유상 필터 및 그 제조 방법이 제공된다.
물의 정화 시스템에서는 여과하려는 입자보다 작은 기공을 지닌 막에 의해 미세입자를 분리하는 멤브레인 필터가 일반적으로 사용되는데, 멤브레인 필터의 예로는 정밀여과막(microfiltration, MF; 기공크기 50~2000 nm), 한외여과막(ultrafiltration, UF; 기공크기 1~200 nm), 담수화에 사용되는 역삼투막(reverse osmosis, RO; 기공크기 0.1~2 nm) 등이 있다. 이와 같은 멤브레인 기반 액체 필터 및 분리 기술은 오일/물 에멀젼 분리나 탈염수화 같은 수처리 분야에 유용하다. 하지만, 일반적인 멤브레인 필터를 이용하여 바이러스 등과 같은 극미세 입자들을 제거하고자 하는 경우, 작은 기공으로 인해 압력 손실이 매우 높아지고 낮은 투과성으로 투과유량이 낮아지며, 사용 중에 막의 기공이 폐쇄되어 투과속도가 급격히 감소할 수 있다. 또한, 일반적인 멤브레인 필터는 빈번한 역류 세정(backwashing)이 요구되어 불순물 제거시 다양한 온도적용에 제한을 받으며, 에너지 소모가 크고, 분리막 소재 자체가 강하지 못하여, 분리막이 파괴되거나 기공이 커질 수 있다.
한편, 종래의 섬유필터는 여과 정밀도가 낮고, 수중의 바이러스 등을 제거할 수 없기 때문에 수처리 정밀여과에 사용하기 어렵다. 예를 들어, 현재 필터에 보편적으로 적용되고 있는 용융취입(melt-blown) 부직포의 경우, 구성 섬유의 직경이 커서 바이러스 등과 같은 나노사이즈 크기의 입자를 여과할 수 없다. 또한, 용융취입 방식으로 고분자 블렌드섬유를 제조하고 해성분을 제거하여 5~500 nm의 직경분포를 갖는 초극세 섬유를 제조할 경우에도 큰 직경의 섬유가 혼재되어 큰 기공이 형성되므로 이로 인해 여과 정밀도가 떨어지고 수중 바이러스 등을 제거하기 어렵다.
이를 개선하기 위하여, 일본공개특허 2008-136896은 고분자 블렌드로 압출하여 얻은 초극세섬유를 절단하여 종이로 만든 수처리 필터를 개시하고 있다. 블렌드 방사로 나노섬유를 제조한 후, 이를 2 mm 정도로 절단하여 초지법으로 종이로 이루어진 여과층을 제조하고 있다.
또한, 일본공개특허 2009-148748은 기존 부직포 위에 전기방사(electrospinning)로 고분자 나노 섬유를 도포한 필터를 개시하고 있다. 전기방사 방법은 섬유 직경이 수 백 nm인 초극세 섬유를 제조할 수 있으며, 이렇게 제조된 초극세 섬유로 구성된 필터는 종래의 섬유필터에서는 얻을 수 없는 미세 물질을 제거할 수 있으며, 필터의 작동 압력은 다공막을 이용한 정밀여과 필터에 비해 현저히 낮다.
여과층의 기공크기가 매우 작을 경우 바이러스와 같은 극미세 입자가 고효율로 여과될 수 있지만, 이렇게 작은 기공 크기를 갖는 필터를 제조하는 것은 어렵다. 즉, 기공 크기는 나노섬유 직경 및 기공도에 크게 의존하므로, 바이러스 등과 같은 극미세 입자를 여과할 수 있을 만큼 작은 직경을 지닌 나노섬유를 제조하는 것이 어려운 것이다. 또한, 이러한 극미세 기공을 지닌 여과층은 매우 높은 여과효율을 갖고 있으나, 기공크기가 너무 작아지기 때문에 높은 작동 압력이 요구되고 압력 손실이 너무 크고 투과용량이 너무 낮을 수 있다. 이에 따라 여과 효율은 증대되나 투과유량이 매우 낮게 되어 고여과효율과 고투과유량을 동시에 만족하는 것은 어려울 수 있다.
대략 60 nm 이상 크기를 갖는 기공을 지닌 필터는 물오염으로 야기되는 문제를 해결할 수 있다. 이러한 선택성을 지닌 필터는 식수 공급원, 공기 공급원 또는 혈액으로부터 박테리아나 병원성 바이러스를 제거할 수 있다. 최근 Severe Acute Respiratory Syndrome(SARS)와 조류독감이 발생하면서, 바이러스를 제거할 수 있는 호흡마스크의 필요성이 대두되었다. 바이러스의 크기는 대략 80~200 nm이므로 필터의 기공의 크기는 이러한 바이러스를 제거할 수 있는 크기를 갖는다.
극미세 입자를 제거하기 위하여 세라믹 나노필터가 사용될 수 있으며, 세라믹 나노필터는 일반적으로 금속산화물 전구체의 졸-겔 방법에 의해 제조될 수 있다. 그러나 졸-겔 방법의 단점은 불규칙한 입자의 형성 때문에 기공크기의 제어가 매우 어렵다는 점이다. 또한, 졸-겔 방법의 건조 과정에서 핀홀(pinholes)과 크랙(cracks)이 발생되며, 기공 길이가 증대되어 투과유량이 감소하고, 낮은 기공도 및 폐쇄기공(dead end pore)의 존재로 인해 높은 선택성과 높은 투과유량을 지닌 세라믹 필터를 제조하는 것을 어려울 수 있다. 또한, 세라믹 초극세 섬유만을 사용하는 필터는 세라믹 소재의 깨지는 특성을 그대로 지니기 때문에 필터의 기계적 물성이 약할 수 있으며, 이를 극복하기 위하여 필터의 두께를 증대시키면 투과유량이 급감할 수 있다.
이에 본 발명자들은 전기방사에 의해 제조되는 초극세 섬유의 직경에 한계가 있어 바이러스를 제거할 수 있는 기공 크기 및 기공 크기 분포를 얻기가 어렵기 때문에, 이방성 나노재료로 이루어진 나노네트(nanonet)층을 초극세 섬유상 다공체 내에 도입하여 여과층으로 사용함으로써, 바이러스 등과 같은 극미세 입자를 여과할 수 있으면서 고여과효율/고투과유량을 동시에 만족하는 필터소재를 완성하였다.
따라서 본 발명에 따른 한 실시예는 초극세 섬유상 다공체 내에 이방성 나노재료의 나노네트층을 도입하여 여과층을 형성함으로써, 바이러스와 같은 극미세 입자까지도 제거할 수 있는 우수한 여과효율을 가지면서도 여과시 압력손실이 낮아 높은 투과유량을 나타내는 초극세 섬유상 필터를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 한 실시예는 초극세 섬유상 필터를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 극세 섬유상 다공체 내에 이방성 나노재료의 나노네트층을 도입하여 여과층을 형성함으로써, 바이러스와 같은 극미세 입자까지도 제거할 수 있는 우수한 여과 효율 및 높은 투과유량을 나타내는 초극세 섬유상 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
고분자 용액, 금속산화물 전구체 졸-겔 용액, 또는 고분자 수지에 금속산화물의 졸-겔 용액의 혼합용액을 전기방사하여 초극세 섬유상 다공체를 제조할 수 있고, 초극세 섬유 직경과 다공체의 기공 크기 및 기공 크기 분포를 조절하여 초극세 섬유상 다공체를 여과층으로 사용할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 고분자 용액, 금속산화물 전구체 졸-겔 용액, 또는 고분자 용액과 금속산화물의 졸-겔 용액의 혼합 용액을 전기방사하여 초극세 섬유가 연속적으로 랜덤하게 배열 및 축적되며, 기공 크기 분포에서 최대 빈도의 기공 크기가 대략 0.1~2 ㎛인 초극세 섬유상 다공체가 여과층으로 포함되고, 여과층이 이방성 나노재료로 이루어진 나노네트층을 함유한 초극세 섬유상 필터가 제공될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 전기방사에 의해 제조되는 초극세 섬유상 다공체 및 다공체에 이방성 나노재료의 분산액을 분사하여 형성된 나노네트층을 형성시키는 것을 포함하는 초극세 섬유상 필터의 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 필터는 내열성 및 기계적 물성이 우수하며, 수중 및 공기 중의 바이러스를 제거할 수 있는 우수한 여과효율을 가지면서 동시에 여과시 압력 손실이 낮아 높은 투과유량을 나타내므로, 공기 및 수처리 필터로 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 초극세 섬유상 필터의 두께에 따른 평균기공크기 및 기공크기분포도이다.
도 2a 내지 도 2c는 열압착에 의해 서로 다른 기공도를 갖는 필터의 주사전자현미경(SEM) 사진과 이들의 평균기공크기 및 기공크기분포도이다
도 3은 실시예 1-1에 따라 제조된 보헤마이트(bohemite) 나노섬유 분산액 및 이를 여과하여 형성시킨 나노네트층을 보여주는 주사전자현미경 사진(SEM)이다.
도 4a 및 도 4b는 실시예 1-2에 따라, 도 4a는 탄소나노튜브 존재 하에서 보헤마이트를 약 12시간 수열합성 하여 제조한 보헤마이트/탄소나노튜브 복합체의 분산액 및 이의 전자투과현미경사진(TEM)이며, 도 4b는 약 22 시간 반응시켜 제조한 분산액을 여과하여 형성시킨 나노네트층을 보여주는 주사전자현미경 사진(SEM)이다.
도 5a 및 도 5b는 실시예 2-1에 따라, SiO2/PVdF 복합 초극세 섬유상 다공체(도 5a)에 보헤마이트 나노섬유 분산액의 정전스프레이(electrospray)로 형성된 나노네트층(도 5b)을 보여주는 주사전자현미경 사진(SEM)이다.
도 6은 실시예 2-2에 따라, PVdF/PAN 복합 초극세 섬유상 다공체에 보헤마이트/탄소나노튜브 복합체 분산액의 정전스프레이로 형성된 나노네트층을 보여주는 주사전자현미경 사진(SEM)이다.
도 7a 내지 도 7d는 실시예 2-3에 따라, 실리카 초극세 섬유상 다공체(도 7a)에 분사량을 달리하여 보헤마이트 나노섬유 분산액을 에어스프레이하여 형성시킨 나노네트층을 보여주는 주사전자현미경 사진(SEM)이다.
도 8a 내지 도 8d는 실시예 3-1에 따라, 실리카/PVdF 복합 초극세 섬유상 필터의 내부에 있는 보헤마이트 나노네트층(도 8a), 양표면의 실리카/PVdF 복합 초극세 섬유층(도 8b), 열압착되어 약 52%의 기공도를 지닌 실리카/PVdF 복합 초극세 섬유상 필터(도 8c)를 보여주는 주사전자현미경 사진(SEM) 및 이들의 기공크기 및 기공크기분포(도 8d)이다
도 9a 및 도 9b는 실시예 3-2에 따라, 실리카/PVdF 복합 초극세 섬유상 필터 내부에 부분적으로 형성시킨 보헤마이트 나노네트층(도 9a)을 보여주는 주사전자현미경 사진(SEM) 및 이들의 기공크기 및 기공크기분포(도 9b)이다
도 10a 및 도 10b는 실시예 3-3에 따라, 메타-아라미드/PVdF 초극세 섬유상 필터(도 10a) 내부에 2개의 보헤마이트 나노네트층(도 10b)을 지닌 필터를 보여주는 주사전자현미경 사진(SEM)이다
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
그러면, 본 발명의 실시예에 따른 이방성 나노재료의 나노네트층을 지닌 초극세 섬유상 필터에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고분자 용액, 금속산화물 전구체 졸-겔 용액, 또는 이 고분자 용액과 금속산화물의 졸-겔 용액의 혼합 용액을 전기방사하여 형성되는 평균섬유직경이 대략 100~3000 nm인 초극세 섬유가 연속적으로 랜덤하게 배열 및 축적되며, 기공크기 분포에서 최대 빈도의 기공크기가 약 0.1~2 ㎛인 초극세 섬유상 다공체가 여과층으로 포함되고, 여과층이 평균직경이 약 1~100 nm인 이방성 나노재료의 분산액을 분사하여 형성된 나노네트(nanonet)층을 함유한 섬유상 필터가 제공된다. 또한, 초극세 섬유상 다공체의 기공크기 분포에서 최대 빈도의 기공크기는 약 0.1~2 ㎛이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기방사(electrospinning)에 의해 제조되는 초극세 섬유상 다공체 및 이 다공체에 이방성 나노재료의 분산액을 분사하여 형성된 나노네트층을 형성하는 것을 포함하는 초극세 섬유상 필터의 제조방법이 제공된다.
그물구조의 나노네트층을 형성하는 이방성 나노재료는 보헤마이트(AlOOH), 수산화알루미늄(Al(OH)3), 감마-알루미나(γ-Al2O3), 이산화티탄(TiO2), 산화아연(ZnO) 등을 포함하는 금속산화물, 탄소나노섬유(carbon nanofiber), 단일벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube, SWCNT),이중벽 탄소나노튜브( double wall carbon nanotube, DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube, MWCNT), 탄소나노로드(carbon nanorod), 흑연성 탄소나노섬유(graphite nanofiber), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
이방성 나노재료의 평균직경 대비 길이의 비는 약 50-3000 이며, 이방성 나노재료의 분산액은 고전압 전기장 하에서 분사하는 정전스프레이 또는 공기압으로 분산액을 분사하는 에어스프레이(air-spray) 방법으로 분사되며, 이방성 나노재료가 그물구조를 형성하는 나노네트층의 기공 크기 분포에서 최대 빈도의 기공크기는 약 1~100 nm이다.
이방성 나노재료가 나노네트층을 형성한 후, 부러지는 특성을 개선하기 위하여, 이방성 나노재료 분산액에 고분자 바인더가 소량 첨가될 수 있다. 그러나 바인더의 양이 지나치게 많을 때, 나노네트층의 기공구조가 폐쇄될 수 있으므로, 바인더를 최소량으로 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 사용한 보헤마이트(bohemite) 분산액과 이를 여과할 때 형성되는 보헤마이트 나노네트층을 보여주고 있다. 도 4a는 탄소나노튜브 존재 하에서 보헤마이트를 약 12시간 수열합성 하여 제조한 보헤마이트/탄소나노튜브 복합체의 분산액 및 이의 전자투과현미경사진(TEM)이며, 도 4b는 약 22 시간 반응시켜 제조한 분산액을 여과하여 형성시킨 나노네트층을 보여주는 주사전자현미경 사진(SEM)이다. 도 3 및 도 4를 참고하면, 나노네트층을 형성하는 이방성 나노재료 분산액을 다양한 초극세 섬유상 다공체 위에 정전스프레이 또는 에어스프레이할 때, 섬유상 다공체의 기공구조 위에 나노네트 구조가 형성된다.
도 5 및 6을 참고하면, 각각 SiO2/PVdF 복합 초극세 섬유상 다공체 위에 보헤마이트 나노섬유 분산액을 정전스프레이할 때 그리고 PVdF/PAN 복합 초극세 섬유상 다공체 위에 보헤마이트/탄소나노튜브 복합체 분산액의 정전스프레이할 때, 나노네트층이 형성된다. 도 7을 참고하면, 실리카 초극세 섬유상 다공체 위에 보헤마이트 나노섬유 분산액을 서로 다른 분사량으로 에어스프레이할 때, 분사량에 따라 보헤마이트 나노네트층의 두께가 조절될 수 있다.
전구체 용액을 전기방사하여 형성된 초극세 섬유상 다공체의 두께, 기공도, 그리고 구성 섬유의 직경은 필터 성능에 영향을 미치는 인자들이다. 초극세 섬유상 다공체의 두께를 증대시킬 때, 필터의 여과효율을 증대시킬 수 있으나 투과경로가 길어지므로 투과유량이 감소될 수 있다.
하기 비교예 1, 표 1, 그리고 도 1에서 알 수 있는 것처럼, 동일한 기공도를 유지하면서 필터의 두께를 증대시키면, 평균 기공크기는 감소하지만, 기공크기 분포는 크게 감소하지 않는다. 필터의 두께가 증대하여도 큰 기공은 사라지지 않으며, 이는 미세 입자의 여과효율이 증대되지 않는 것을 나타낸다.
비교예 2에서 알 수 있는 것처럼, 필터의 기공도를 감소시키면 기공크기 및 기공크기 분포가 급격히 감소하여, 미세입자의 여과효율이 증대할 수 있다. 그러나 표 2 및 도 2에서 알 수 있는 것처럼, 여과효율의 증대는 있으나, 기공도의 감소는 투과유량을 감소시킬 수 있다. 또한, 기공도를 줄이기 위해 다공체를 압착하는 과정은 구성 섬유의 직경을 증가시키고, 이는 유량의 투과 저항을 증가시키므로 투과 유량이 감소할 수 있다. 필터를 구성하는 섬유의 평균직경이 감소하면, 기공크기 및 기공크기분포가 감소하지만, 평균 섬유직경이 큰 필터보다도 기공도 감소에 따른 투과유량의 감소가 더 적기 때문에, 더 적은 투과유량 손실 하에서 미세입자의 여과효율이 높을 수 있다.
필터의 여과 정밀도, 즉 여과효율과 투과유량은 여과층의 기공도와 기공크기에 영향을 받는다. 비교예 2에서 알 수 있는 것처럼, 여과층인 초극세 섬유상 다공체의 기공크기, 기공 분포, 그리고 기공도는 구성섬유의 평균 직경 및 직경 분포의 영향을 받는다. 섬유 직경이 작을수록, 기공 크기가 작아지며 기공 크기 분포도 작아진다. 또한, 섬유의 직경이 작을수록, 섬유의 비표면적이 증대되므로 필터에서 여과액에 함유된 미세입자를 포집하는 능력도 커질 수 있다.
멤브레인 필터의 경우 표면의 기공크기와 멤브레인 내부의 기공크기 및 기공도가 다르다. 이는 멤브레인 제조공정에서 멤브레인 표면과 내부에서 용매의 증발 또는 용출속도의 차이 때문이며, 여과에 기여를 하지 못하는 데드 엔드 포어(dead end pore)가 존재한다. 그러나 섬유로 이루어진 필터의 경우 표면의 기공크기 및 기공도는 필터 벌크와 큰 차이를 나타내지 않으며, 데드 엔드 포어도 존재하지 않는다. 기공도는 필터의 성능평가에 직접적인 요소는 아니나, 기공도가 높으면 투과유량이 높을 수 있다. 그러므로 필터에서 여과층이 높은 여과효율과 높은 투과유량을 지닐 수 있는 기공크기를 조절하는 한 방법으로 구성 섬유의 직경을 조절하는 방법이 있다.
여과층을 구성하는 섬유상 다공체의 평균 섬유직경은 약 100~3000 nm 범위이다. 예를 들어, 필터를 구성하는 초극세 섬유상 다공체는 고분자 용액, 금속산화물 전구체 졸-겔 용액, 또는 이 고분자 용액과 금속산화물의 졸-겔 용액의 혼합 용액을 전기방사하여 형성되는 초극세 섬유가 연속적으로 랜덤하게 배열 및 축적되어 이루어졌으며, 초극세 섬유상 다공층은 비교예 2와 같은 압착공정을 통해 기공도를 낮추거나 초기 초극세 섬유의 평균섬유직경을 최소화하여, 초극세 섬유상 다공체의 기공크기 분포에서 최대 빈도의 기공크기가 약 0.1~2 ㎛인 초극세 섬유상 다공체를 여과층으로 포함할 수 있다.
일반적으로 전기방사에 의해 제조된 섬유상 다공체는 섬유직경이 가늘수록 기공도 및 기공크기가 비례하여 감소하지 않는다. 즉, 섬유직경의 감소에 비하여 기공도 및 기공크기는 크게 감소하지 않는다. 바이러스와 같은 극미세 입자를 여과하기 위한 기공크기로 약 1~100 nm가 요구되고 있으나, 전기방사로 제조한 섬유상 다공체의 기공크기를 이와 같이 감소시키기는 매우 어려우며, 이와 같이 작은 기공크기를 지닌 다공체를 제조할 경우 높은 여과효율을 얻을 수는 있으나 낮은 투과속도로 인하여 투과유량이 현저히 낮아진다. 따라서 투과유량에 큰 손실이 일어나지 않는 수준에서 이들 초극세 고분자 섬유 다공체를 고분자의 유리전이온도(Tg) 내지 용융온도(Tm)의 범위에서 열압착하여, 기공도 및 기공크기를 감소시킬 수 있다. 일반적으로, 전기방사에 의해 고분자만으로 이루어진 섬유상 다공체를 열압착을 할 경우, 기공도가 약 20% 이하까지도 낮아질 수 있으며, 더 많은 열압착을 할 경우 고분자 성분의 용융에 의해 기공구조가 거의 붕괴될 수 있다.
그러나 여과층 전체의 기공크기 분포에서, 여과층은 단일 크기의 기공만을 갖는 것은 아니며, 필요에 따라 작은 기공과 큰 기공을 함께 가질 수 있다. 예를 들어, 바닥층은 더 큰 직경의 섬유로 구성되어 기공크기가 큰 다공층일 수 있고, 위층에는 더 가는 직경의 섬유로 구성되어 작은 크기의 기공들을 갖는 다공층일 수 있으며, 이러한 다공층은 다층구조 또는 경사구조를 가질 수 있다. 다층구조 또는 경사구조를 갖는 여과층의 형성은 전기방사 과정에서 먼저 직경이 큰 섬유를 축적한 후 점차 직경이 가는 섬유를 축적함으로써 이루어질 수 있다.
바이러스와 같은 극미세 입자를 고효율로 여과하기 위하여, 여과층의 기공크기가 약 1~100nm, 더 바람직하게는 약 1~60 nm 정도가 될 수 있다. 그러나 여과층이 바이러스를 여과할 수 있는 약 0.1 ㎛ 이하의 미세 기공크기를 갖기 위하여, 기공도를 과도하게 낮추게 되면, 투과유량의 감소할 수 있으며, 전기방사에 의해 평균 섬유직경을 약 100nm 이하로 감소시키는 것은 어려울 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터는 최대 빈도의 기공크기가 약 0.1~2 ㎛인 초극세 섬유상 다공체 여과층을 포함하며, 여과층은 평균직경이 약 1~100 nm인 이방성 나노재료의 분산액을 분사하여 형성된 나노네트층을 포함한다. 그물구조를 갖는 나노네트층은 기공 크기 분포에서 최대 빈도의 기공크기가 약 1~100 nm일 수 있다.
적절한 평균 섬유직경을 지닌 초극세 섬유로 이루어진 다공체를 고분자의 유리전이온도(Tg) 내지 용융온도(Tm)의 범위에서 열압착하고, 기공도 및 기공도 크기분포를 사전에 조절한 다공체 위에 이방성 나노재료의 분산액을 분사하여 나노네트층을 형성함으로써, 필터의 여과층이 제조될 수 있다.
또한, 초극세 섬유상 다공체를 제조하는 전기방사 과정에서 초극세 섬유층을 소정 두께로 적층한 후 나노네트층을 적층하고, 나노네트층 위에 초극세 섬유층을 소정 두께로 적층한 다공체를 열압착하고, 초극세 섬유상 다공체의 기공크기 및 기공크기분포를 조절함으로써, 필터의 여과층이 제조될 수 있다. 이때 나노네트층은 단층 구조 외에도 다층 구조를 가질 수 있다.
또한 전기방사 과정에서 초극세 섬유층의 적층과 동시에 나노네트 분산액을 분사시켜 초극세 섬유층과 나노네트층이 혼재된 다공체가 제조될 수 있고, 열압착에 의해 초극세 섬유상 다공체의 기공크기 및 기공크기 분포를 조절함으로써, 필터의 여과층이 제조될 수 있다.
그러나 극미세 기공을 갖는 여과층은 매우 높은 여과효율을 갖고 있으나, 압력 손실이 커서 투과용량이 낮을 수 있다. 따라서 여과층의 기공크기만을 이용하여 바이러스와 같은 극미세입자를 여과하는 것은 바람직하지 않을 수 있다. 보헤마이트는 바이러스를 흡착할 수 있으므로, 나노네트층이 보헤마이트를 함유할 때 여과층의 기공 크기를 과도하게 줄이지 않아도 투과유량이 높을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고분자 수지는 필터 소재로 사용되는 고분자들이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 및 그 공중합체, 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol) 및 그 공중합체, 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride) 및 그 공중합체, 셀룰로오스(cellulose) 및 그 공중합체 등이 사용될 수 있다. 이러한 고분자 외에도 폴리비닐피롤리돈, 아라미드, 폴리아마이드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리아마이드, 폴리페닐렌술폰, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르케톤 등을 포함하는 고내열성 수지가 사용될 수 있으며, 이 경우 내열성이 더욱 개선될 수 있다. 또한, 술폰화 폴리에테르에테르케톤(SPEEK) 및 술폰화 폴리술폰 등과 같이 -SO3H, COOH 또는 이온성 작용기를 지닌 고분자 수지 또한 이들의 공중합체가 사용될 수 있다. 또한 두 가지 이상의 고분자가 혼합되어 사용될 수 있다.
두 가지 이상의 고분자 혼합으로 이루어진 초극세 고분자 섬유의 경우, 각각의 고분자 성분이 서로 잘 혼합되지 않는 성질을 가질 때, 초극세 섬유는 한 성분이 코어 구조로 다른 성분이 쉘 구조로 형성되는 멀티코어-쉘 구조를 가질 수 있다. 이러한 경우, 서로 다른 고분자의 선택에 따라 쉘 구조에 친수성 성분의 도입될 수 있다. 또한, 코어 구조에 내열성 고분자가 도입될 때, 내열성이 향상된 초극세 고분자 섬유가 제공될 수 있다. 이때 쉘성분의 고분자가 용융이 가능한 고분자인 경우, 기공도 조절을 위한 열압착 과정에서 초극세 섬유간 융착이 일어나므로 필터의 기계적 강도가 증가할 수 있다.
금속산화물 초극세 섬유는 실리카(silica), 알루미나(alumina), 이산화티탄(titanium dioxide), 지르코니아(zirconia), 또는 이들의 혼합물 등을 포함하는 금속산화물로 이루어진 초극세 섬유일 수 있다. 금속산화물은 그 전구체가 M(OR)x, MRx(OR)y, MXy 또는 M(NO3)y로 표시되며, 여기서 M은 Si 또는 Al 또는 Ti 또는 Zr이고, R은 C1-C10 알킬기이며, X는 F, Cl, Br 또는 I이고, x 및 y는 1 내지 4의 정수일 수 있으며, 이들 전구체의 졸-겔 반응 용액으로부터 제조된 것일 수 있다.
또한, 고분자와 금속산화물 혼합 초극세 섬유는 금속산화물 전구체의 졸-겔 용액과 고분자의 혼합용액으로부터 제조될 수 있다. 예를 들어, 용융되거나 유리전이온도가 낮은 고분자나 용융 전에 열분해가 되는 고분자의 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 전구체 졸-겔 용액, 알루미나 전구체 졸-겔 용액, 이산화티탄 전구체 졸-겔 용액, 또는 이들 혼합물의 졸-겔 용액과 고분자 수지가 혼합된 용액으로부터 섬유가 형성될 때, 고분자 수지의 융점 또는 유리전이온도보다 훨씬 높은 온도에서도 섬유의 형태안정성이 유지될 수 있고, 섬유의 열분해온도가 크게 상승하여 내열성이 증대될 수 있다.
또한, 금속산화물 초극세 섬유 단독은 내열성이 우수하나, 깨지는(brittle) 특성을 지니고 있다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고분자와 금속산화물 혼합 초극세 섬유는 금속산화물 전구체의 졸-겔 용액과 고분자의 혼합용액으로부터 제조되는 초극세 섬유로서 유연성을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초극세 섬유의 내부 구조는 금속산화물 성분은 초극세 섬유의 표면층(스킨층)을 형성하고, 고분자 성분이 표면층 안에 쉘(shell)층을 형성하고, 금속산화물이 멀티-코어(multi-core)를 형성하는 스킨 멀티코어-쉘 나노구조(skin multicore-shell nanostructure)이거나, 또는 표면층 없이 고분자 성분이 쉘층을 형성하고 금속산화물이 멀티-코어를 형성하는 멀티 코어-쉘 나노구조(multicore-shell nanostructure)일 수 있다. 이러한 나노구조의 초극세 섬유는 고분자 섬유가 지닌 유연성을 그대로 유지하면서도 금속산화물이 지닌 내열성을 가질 수 있으며, 우수한 보헤마이트 흡착력을 가질 수 있다.
초극세 섬유가 금속산화물 단독이거나, 고분자와 금속산화물의 혼합물인 경우, 기공도 조절을 위한 열압착후에 약 150~350℃ 온도에서 열처리함으로써 졸-겔 반응을 완결시킬 수 있다. 열처리 과정은 전기방사에 의해 제조된 금속산화물 초극세 섬유상 다공체를 탈수시킬 수 있다. 열처리 과정에서 고분자 섬유상 다공체는 탈수반응이 진행함에 따라 수축이 일어나지만 탈수반응이 종료된 후에는 더 이상의 수축이 일어나지 않는다. 열처리 온도가 약 350 ℃를 넘는 경우, 보헤마이트와 같은 수산화알루미늄을 포함하는 나노네트층은 열처리 과정에서 알루미나(Al2O3)로 전환될 수 있다.
초극세 섬유의 제조방법은 특별이 한정되지 않으나, 고분자 용액, 금속산화물 전구체의 졸-겔 용액, 또는 고분자용액과 금속산화물 전구체의 졸-겔 용액과의 혼합용액을 전기방사하는 것을 포함할 수 있으며, 이에 따라 더욱 가는 섬유 직경을 갖는 초극세 섬유가 제조될 수 있으며, 다양한 종류의 고분자 용액, 금속산화물 전구체 졸-겔 용액, 또는 이들의 혼합용액에 대하여 적용이 가능하다.
초극세 고분자섬유를 형성시키는 전기방사의 원리는 여러 문헌에 잘 나타나 있다[G. Taylor. Proc. Roy. Soc. London A, 313, 453(1969); J. Doshi and D. H. Reneker, J. Electrostatics, 35 151(1995)]. 임계전압 이상의 고전압 전기장 하에서 저점도의 액체가 극미세 방울로 분무되는 현상인 정전스프레이와는 달리, 전기방사는 충분한 점도를 지닌 고분자 용액, 금속산화물 전구체 또는 이들 혼합물의 졸-겔 용액, 또는 이들 졸-겔 용액과 고분자의 혼합용액에 고전압의 정전기력이 인가되며, 전기방사에 의해 초극세 섬유가 형성될 수 있다. 전기방사 및 정전스프레이 장치는 동일한 장치에서 사용될 수 있으며, 이러한 장치는 용액을 저장하는 배럴, 일정 속도로 용액을 토출하는 정량 펌프, 그리고 고전압 발생기가 연결된 방사노즐을 포함할 수 있다. 정량 펌프를 통하여 토출되는 고점도의 용액은 고전압 발생기에 의하여 하전된 방사 노즐을 통과하면서 초극세 섬유로 방출되고, 일정 속도로 이동하는 컨베이어 형태의 접지된 집전판 위에 다공성 초극세 섬유가 축적된다. 이와 같은 용액의 전기방사에 의해 수 내지 수천 나노미터 크기를 갖는 초극세 섬유가 제조될 수 있고, 섬유의 생성과 동시에 3차원의 네트워크 구조로 융착되어 적층된 형태를 갖는 다공성 웹이 제조될 수 있다. 초극세 섬유상 다공체는 기존 섬유보다 높은 부피 대비 표면적 비를 가지며, 높은 기공도를 갖는다.
본 명세서에서 전기방사는 용융취입(melt-blowing), 플래쉬 방사(flash spinning) 또는 이들 공정의 변형으로서 고전압 전기장과 에어분사에 의해 초극세 섬유를 제조하는 전기취입(electro-blowing)법을 포함하며, 이들 방법들 모두 전기장 하에서 노즐을 통해 압출하는 것을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고분자 용액, 금속산화물 전구체 졸-겔 용액, 또는 고분자 용액과 금속산화물의 졸-겔 용액의 혼합 용액을 전기방사하여 형성되는 평균 섬유직경이 약 100~3000 nm인 초극세 섬유가 연속적으로 랜덤하게 배열 및 축적되며, 이의 기공크기 분포에서 최대 빈도의 기공크기가 약 0.1~2 ㎛인 초극세 섬유상 다공체가 여과층으로 필터에 포함되고, 여과층은 평균직경이 약 1~100 nm인 이방성 나노재료의 분산액을 분사하여 형성된 나노네트층을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존 섬유상 필터여재를 포함하는 여과층의 기공도를 줄이지 않는 대신, 중금속이나 바이러스와 같은 극미세 입자를 흡착할 수 있는 보헤마이트를 포함하는 나노네트층을 필터의 여과층에 도입함으로써, 바이러스 등과 같은 극미세 입자를 여과할 수 있으면서 고여과효율/고투과유량을 동시에 만족하는 필터소재가 제조될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 보헤마이트 나노 복합체가 도입된 여과층을 갖는 필터의 형태는 평판인 상태로 적층한 형태, 플리츠(pleats)형, 또는 스파이럴(spiral) 형 등일 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하지만, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예에서 제조된 필터에서, 섬유 직경, 기공 크기, 기공도, 여과 효율, 그리고 투과유량은 하기의 방법에 의해 측정되었다.
1. 필터를 구성하는 섬유의 직경
내열성 초극세 고분자 섬유상 다공체의 표면 또는 단면의 SEM 사진으로부터 Sigma Scan Pro 5.0, SPSS를 사용하여 초극세 고분자섬유의 직경, 섬유의 평균직경, 그리고 섬유직경 분포가 측정되었다.
2. 초극세 고분자 섬유상 다공체의 기공크기
평균 기공크기는 모세관 흐름 다공성 측정기(capillary flow porometer, PMI사, 버전 7.0)를 사용하여 약 0-30 psi의 압력 범위에서 측정되었으며, 기공크기는 측정된 습류(wet flow) 및 건류(dry flow) 곡선으로부터 계산되었으며, 습윤제(wetting agent)로 퍼플루오로폴리에테르(propene 1,1,2,3,3,3 hexafluoro, oxidized, polymerized)가 사용되었다.
3. 기공도 평가
내열성 초극세 고분자 섬유상 다공체의 기공도 평가는 하기식의 부탄올 함침법으로 평가되었다
부탄올 함침법 P(%) ={(MBuOH/ρBuOH)/(MBuOH/ρBuOH+Mm/ρp)}×100
(흡수됨 BuOH 무게, Mm: 내열성 고분자 섬유상 다공체 무게, ρBuOH: BuOH 밀도, ρp: 내열성 고분자 섬유 밀도)
4. 여과 정밀도(여과 효율) 평가
직경 약 200 nm 및 약 105 nm의 폴리스티렌 라텍스 입자(Magsphere Inc.) 약 10 중량%의 현탁 수용액을 탈이온수로 희석하여 제조한 약 0.1 중량% 현탁액 약 30 mL는 공급액과 투과액 사이의 압력차이가 약 20 kPa가 되도록 진공시스템을 사용하여 내열성 초극세 고분자 섬유상 다공체를 투과하도록 공급되었다. 이후, 원래 현탁액과 내열성 초극세 고분자 섬유상 다공체를 투과한 투과액에 함유된 라텍스 나노입자의 농도가 자외선-가시광선 분광광도계(UV-visible spectrometer)에 의해 약 200~205 nm에서의 흡광도 세기로 정량 평가되었고, 하기의 식에 따라 필터 효율이 평가되었다. 또한, 투과액 약 5 ㎕를 채취하여 슬라이드 글라스 위에 놓고 진공 건조한 후, 라텍스 입자 수를 계산함으로써 필터 효율이 평가되었다.
필터효율(%) = [1-(Ct/Co)]×100
Ct :투과액 라텍스 입자농도, Co: 원래 라텍스 현탁액 농도
5. 투과유량 평가
여과 정밀도 측정과 동일한 방식으로 필터가 필터 홀더에 장착되었고, 약 25℃의 탈이온수가 약 20 kPa의 압력차로 공급되면서, 필터를 투과한 투과액 약 5 mL마다 투과 시간을 측정함으로써 투과 유량이 측정되었다.
비교예 1: 초극세 섬유상 필터 제조
테트라에톡시오르토실리케이트(TEOS, Aldrich사) 약 37.5g, 메틸트리에톡시실란(Aldrich사) 약 16.0g, 에틸알콜 약 24.9g, 물 약 9.6g 및 염산수용액 약 0.28g가 혼합된 후, 약 70℃에서 약 3시간 동안 교반되어 약 31g의 실리카 졸-겔 용액이 제조되었다. 제조된 용액에, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF, Kynar 761) 약 14 g가 용해된 DMF 용액 약 140 g를 첨가하여 혼합용액이 제조된 후, 이 혼합용액을 약 20kV의 고전압 전기장, 약 30 ㎕/분의 토출속도 및 약 30G의 방사 노즐 하에서 전기방사함으로써, 약 87 %의 기공도를 가지며, 평균 섬유직경 약 380 nm인 실리카 /PVdF 복합 초극세 섬유로 이루어지며, 두께가 대략 63㎛, 189 ㎛, 315㎛, 그리고 441㎛인 다공체가 제조되었다. 기공도가 대략 60%가 제조된 다공체들이 약 130℃에서 열압착된 후, 약 180℃에서 약 10분 동안 열처리되어, 최종 두께 대략 24㎛, 72㎛, 120㎛, 그리고 168㎛를 갖는 섬유상 필터가 제조되었고, 이들 섬유상 필터의 기공크기 및 분포와 통기도는 표 1과 도 1에 나타냈다.
비슷한 기공도를 유지하면서 필터의 두께를 증대시키는 경우, 평균 기공크기는 감소하고 통기도는 약간 줄어든다. 그러나 도 1에 도시된 것처럼 기공크기 분포는 작아지지 않으므로 큰 기공의 존재로 인하여 여과효율이 저하될 수 있다.
막두께(㎛) 겉보기
기공도 (%)		 통기도
(Gurley number)		 평균기공크기 (nm) 가장 큰 기공크기(nm)
초기 압착 후
63 24 60 11 377 600
189 72 60 24.9 329 546
315 120 57 47.0 282 518
441 168 61 41.7 273 541
비교예 2: 초극세 섬유상 필터 제조
비교예 1과 동일한 방사용액을 사용하여 동일한 조건으로 전기방사하지만, 각각 대략 25 ㎕/분, 15㎕/분, 그리고 10㎕/분의 토출속도로 방사하여, 평균 섬유직경이 각각 대략 355nm, 235nm, 그리고 201 nm인 초극세 섬유로 이루어진 다공체가 제조된 후, 다공체를 열압착하여 서로 다른 기공도를 지닌 필터가 제조된다. 제조된 필터의 기공크기 및 분포와 통기도는 표 2와 도 2에 나타냈다.
막 시료 두께
(㎛)		 기공도(%) 평균섬유직경(nm) 통기도(Gurley number) 평균기공크기(nm) 투과유량
(L/hr/m2),20kPa		 여과효율(%),20kP1 )
200nm
입자2 ) 		105nm
입자2 )
1 초기막 130 89 355 6 799 -
열압착후 50
37
30
25		 71
61
52
43		 375
385
492
529		 12
28
66
190		 387
198
138
87		 8100
979
596
176		 11.9(10.1)
40.4[76.4]
85.9
88.0		 6.9(4.1)
9.8
30.4
51.8
2 초기막 110 89 235 7 550 -
열압착후 42
31
25
21		 68
57
47
37		 250
255
310
347		 20
31
69
185		 282
232
163
122		 6966
896
561
166		 32.6
51.2
88.3
95.3		 13.2
20.1
41.5
63.0
3 초기막 131 87 201 8 442 -
열압착후 61
47
36		 72
63
52		 271
354
408		 18
33
72		 239
162
100		 5812
676
341		 48.9
82.7
99.7		 31.0
43.5
71.0
1) 1 사이클 여과, 2) 100ppm-polystyrene latex 분산용액,
[ ] : 두께 105㎛, 기공도 60%, 투과유량 81 L/hr/m2(20kPa),
( ):상용막-기공도 75%, 두께 170 ㎛, 통기도 27.5, 평균기공크기 188nm, 투과유량 2566 L/hr/m2(20kPa),
압착률이 커져 기공도가 저하되는 경우, 평균 기공크기 및 분포는 작아지고 큰 기공이 사라질 수 있다. 그러나 압착률의 증대는 구성 섬유의 압착으로 인하여 평균섬유 직경이 증대될 수 있고, 이에 따라 통기도 및 투과 유량이 급격히 감소할 수 있다. 초기 구성 섬유의 평균 직경이 감소하는 경우, 압착에 의해 기공도가 감소하여도 통기도의 큰 손실 없이 더 작은 기공과 기공 분포도가 나타날 수 있다. 그러나 초기 평균 섬유 직경을 감소시키기 위해서 전기방사시 토출 속도를 크게 줄여야 하며, 이는 생산성을 저하시킬 수 있다.
실시예 1-1: 보헤마이트 ( bohemite ) 나노섬유의 제조
알루미늄 부톡사이드 [Al(O-secButyl)3] 약 15 mL을 증류수 약 1450 mL에 넣고 약 10.9 mL의 염산을 가하여 백색 분산액이 제조되었다. 백색 분산액에 약 38 g의 알루미늄 이소프로폭사이드 [Al(O-isoPropyl)3]이 첨가된 후, 얼음 욕조에서 초음파로 약 1 시간 동안 교반된다. 교반된 용액은 테프론 튜브로 연결된 고압반응기에서 약 섭씨 150 도에서 약 22 시간 반응된 후, 도 3에 나타낸 바와 같은 백색 분산액이 제조되었다.
도 3은 분산액을 여과하여 얻은 나노네트 구조로 이루어진 보헤마이트 나노섬유 다공층의 표면을 보여 주는 주사현미경 사진(SEM)이다. 도 3을 참고하면, 분산액을 사용하는 경우 필터에 보헤마이트 나노네트층이 도입될 수 있다.
실시예 1-2: 보헤마이트 /탄소나노튜브 복합체의 제조
알루미늄 부톡사이드 [Al(O-secButyl)3] 약 15 mL을 증류수 약 1450 mL에 넣고 약 10.9 mL의 염산을 가하여 백색 분산액이 제조되었다. 백색 분산액에 약 38 g의 알루미늄 이소프로폭사이드 [Al(O-isoPropyl)3]과 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, Nanocyl 공급품)가 첨가된 후, 얼음 욕조에서 초음파로 약 1 시간 동안 교반된다. 교반된 용액은 테프론 튜브로 연결된 고압반응기에서 약 섭씨 150 도에서 약 12 시간 및 22 시간 반응된 후, 도 4에 나타낸 바와 같은 분산액이 제조되었다.
도 4a는 약 12 시간 반응 시킨 후 얻은 보헤마이트/탄소나노튜브 복합체의 분산액 및 이의 전자투과현미경사진(TEM)을 보여 주고 있다. 도 4a를 참고하면, 탄소나노튜브 표면에 보헤마이트가 흡착된 모습이 나타나 있다. 도 4b는 약 22 시간 반응시켜 제조한 보헤마이트/탄소나노튜브 복합체의 분산액을 여과하여 얻은 보헤마이트/탄소나노튜브 이루어진 나노네트 구조의 다공층의 표면을 보여 주는 주사현미경 사진(SEM)이다. 도 4b를 참고하면, 보헤마이트 나노섬유가 성장되어 탄소나노튜브와 혼재되어 있는 모습이 나타나 있으며, 분산액을 사용하여 필터에 보헤마이트/탄소나노튜브 복합 나노네트층이 도입될 수 있다.
실시예 2-1: SiO 2 / PVdF 복합 초극세 섬유상 다공체에 보헤마이트 나노섬유 분산액의 정전스프레이
비교예 2에서 제조된 SiO2/PVdF 복합 초극세 섬유상 다공체 위에[도 5a], 실시예 1-1에서 제조된 보헤마이트 나노섬유 분산액이 약 27G 방사노즐을 통해 12kV의 고전압 전기 장하에서 약 30㎕/분 토출속도로 분사되었다.
도 5b는 섬유상 다공체 표면에 형성된 보헤마이트 나노섬유로 이루어진 나노네트 구조를 보여 주고 있다.
실시예 2-2: PVdF / PAN 복합 초극세 섬유상 다공체에 보헤마이트 /탄소나노튜브 복합체 분산액의 정전스프레이
전기방사에 의해 제조된 평균 섬유직경 약 650 nm인 PVdF/폴리아크릴로니트릴(PAN, Mw Polyccience, 분자량 약 150,000)(1/1 중량비) 복합 초극세 섬유상 다공체 표면 위에 실시예 1-2[도 4a]의 보헤마이트/탄소나노튜브 복합체의 분산액이 약 27G 방사노즐을 통해 약 10kV의 고전압 전기 장하에서 약 25㎕/분의 토출속도로 분사되었다.
도 6은 섬유상 다공체 표면에 형성된 보헤마이트/탄소나노튜브 복합체의 나노네트 구조를 보여 주고 있다.
실시예 2-3: 실리카 초극세 섬유상 다공체에 보헤마이트 나노섬유 분산액의 에어스프레이
테트라에톡시오르토실리케이트(TEOS, Aldrich사) 약 37.5g, 메틸트리에톡시실란(Aldrich사) 약 16.0g, 에틸알콜 약 24.9g, 물 약 9.6g 및 염산수용액 약 0.28g가 혼합된 후, 약 70℃에서 약 3시간 동안 교반되어 실리카 졸-겔 용액이 제조되었다. 제조된 실리카 졸-겔 용액을 전기방사하여 제조한 도 7a의 평균 섬유직경 약 280 nm의 실리카 나노섬유 다공체 표면에, 실시예 1-1에서 제조된 보헤마이트(bohemite) 나노섬유 분산액이 공기압으로 각각 대략 10 mL, 20mL, 30mL를 에어분사되었다.
도 7b 내지 도 7d는 각각 분사량을 달리하여 얻은 보헤마이트 나노네트 구조를 보여주고 있다.
실시예 3-1: 보헤마이트 나노네트층을 갖는 실리카/ PVdF 복합 초극세 섬유상 필터 제조
비교예 2에서의 평균섬유직경이 약 201 nm인 실리카/PVdF 복합 초극세 섬유로 이루어진 두께 약 131㎛ 다공체 제조 조건과 동일한 방법으로 제조되지만, 전기방사과정에서 먼저 약 65㎛의 실리카/PVdF 복합 초극세 섬유층이 축적된 후, 그 위에 실시예 2-3에서와 같은 방법으로 보헤마이트 나노섬유 분산액을 공기압으로 에어분사하여 보헤마이트 나노네트층이 도입되고[도 8a], 다시 약 65㎛의 실리카/PVdF 복합 초극세 섬유층이 축적되었다[도 8b]. 보헤마이트 나노네트층이 도입되어도 실리카/PVdF 복합 초극세 섬유상 다공체의 두께는 나노네트층이 없는 다공체와 차이가 없었다. 제조된 다공체는 약 130℃에서 열압착된 후, 약 180℃에서 약 10분 동안 열처리되어 최종 두께 각각 약 61㎛(기공도 약 72%) 및 약 36㎛(기공도 약 52%)를 갖는 섬유상 필터[도 8c]가 제조되었다. 보헤마이트 나노네트층이 도입된 것과 도입되지 않은 섬유상 필터의 기공크기 및 분포는 도 8d에 나타나 있다. 도 8d에 도시된 것처럼, 비슷한 막두께와 평균섬유직경을 갖는 기공도 약 87%의 초기막에서, 보헤마이트 나노네트층이 도입됨으로써 평균 기공크기 및 기공크기분포가 급격히 줄어들었고, 큰 기공들도 크게 줄었다. 또한 기공도기 대략 72% 및 52%가 되도록 압착하는 경우, 기공크기 및 기공크기분포가 작아지고, 큰 기공이 사라졌다. 특히, 나노네트층이 도입됨으로써 최대 빈도를 갖는 기공이 기공도 약 72%에서는 약 280nm에서 약 128nm로, 기공도 약 52%에서는 약 125nm에서 약 74nm로 크게 작아졌다. 필터의 투과유량은 약 20kPa 압력에서 기공도 약 72% 및 약 52%에서 각각 대략 582L/hr/m2 및 421 L/hr/m2이었으며, 약 100ppm농도의 약 102nm polystyrene latex 분산용액의 필터효율은 각각 대략 89.0% 및 95.0 %이었다.
실시예 3-2: 보헤마이트 나노네트층을 갖는 실리카/ PVdF 복합 초극세 섬유상 필터 제조
비교예 2에서의 평균섬유직경이 약 235 nm인 실리카/PVdF 복합 초극세 섬유로 이루어진 두께 약 110㎛ 다공체 제조조건과 동일한 방법으로 제조되지만, 전기방사과정에서 먼저 약 55㎛의 실리카/PVdF 복합 초극세 섬유층이 축적된 후, 그 위에 실시예 2-3에서와 같은 방법으로 보헤마이트 나노섬유 분산액이 공기압으로 에어분사되지만, 도 9a와 같이 보헤마이트 나노네트층이 부분적으로 도입되었고, 이 위에 다시 약 55㎛의 실리카/PVdF 복합 초극세 섬유층이 축적되었다. 제조된 다공체가 약 130℃에서 기공도 약 70% 수준으로 열압착되어 섬유상 필터가 제조되었다. 보헤마이트 나노네트층이 도입된 것과 도입되지 않은 섬유상 필터의 기공크기 및 분포를 도 9b에 나타나 있다. 보헤마이트 나노네트층이 부분적으로 도입되어도 평균 기공크기 및 기공크기분포가 급격히 줄어들었고, 큰 기공들도 사라졌다. 특히, 나노네트층이 도입됨으로써 최대 빈도를 갖는 기공이 기공도 약 70%에서는 약 286nm에서 약 175nm로로 크게 작아졌다. 투과유량은 약 571L/hr/m2 이었으며, 약 100ppm농도의 약 105 nm polystyrene latex 분산용액의 필터효율은 약 81.2 %이었다.
실시예 3-3: 보헤마이트 나노네트층을 갖는 메타 - 아라미드 / PVdF 초극세 섬유상 필터 제조
약 750 g의 디메틸아세트아마이드(DMAc)에 염화칼슘 약 30 g를 용해시킨 용매에 메타-아라미드(m-aramid, Aldrich) 약 79.8g와 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF, Kynar 761) 약 23.2g를 용해시켜 제조한 m-aramid/PVdF 용액이 약 20kV 고전압 전기 장하에서 약 10 ㎕/분의 토출속도로 전기방사되어, 도 10a에 도시된 것처럼 평균 섬유직경이 약 145 nm인 메타-아라미드/PVdF 복합 나노섬유가 제조되었다. 초극세 섬유를 제조하는 전기방사과정에서 먼저 약 40㎛의 메타-아라미드/PVdF 복합 초극세 섬유층, 에어분사에 의한 보헤마이트 나노네트층[도 10b], 약 40㎛의 메타-아라미드/PVdF 복합 초극세 섬유층, 보헤마이트 나노네트층, 그리고 약 40㎛의 메타-아라미드/PVdF 복합 초극세 섬유층을 연속적으로 적층하여 보헤마이트 나노네트층을 갖는 약 120 ㎛ 두께의 메타-아라미드/PVdF 복합 초극세 섬유상 다공체를 제조하였다. 제조된 다공체가 약 130℃에서 기공도 약 70% 수준으로 열압착되어 섬유상 필터가 제조되었다. 필터의 기공도 약 70%에서 평균 기공크기가 약 87 nm이었으며, 최대 빈도를 갖는 기공이 약 65nm로 크게 작아졌다. 투과유량은 약 271L/hr/m2 이었으며, 약 100ppm농도의 약 105 nm polystyrene latex 분산용액의 필터효율은 약 99.9%이었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (15)

  1. 초극세 섬유가 연속적으로 랜덤하게 배치되어 있으며, 기공 크기 분포에서 최대 빈도의 기공 크기가 0.1~2 ㎛인 섬유상 다공체, 그리고
    나노 섬유 형태의 금속산화물을 포함하는 이방성 나노재료가 배치되어 있으며, 기공 크기 분포에서 최대 빈도의 기공 크기가 1~100 nm이고, 상기 섬유상 다공체의 기공 내에 위치하는 나노네트층(nanonet layer)
    을 포함하는 여과층을 포함하는 섬유상 필터.
  2. 제1항에서,
    상기 금속산화물은 보헤마이트(AlOOH), 수산화알루미늄(Al(OH)3), 감마-알루미나(γ-Al2O3), 이산화티탄(TiO2) 또는 산화아연(ZnO) 중 1 이상을 포함하는 섬유상 필터.
  3. 제1항에서,
    상기 이방성 나노재료의 평균 직경은 1-100 nm이며, 평균 섬유직경 대비 섬유길이의 비가 50-3000인 섬유상 필터.
  4. 제1항에서,
    상기 이방성 나노재료는 탄소나노섬유(carbon nanofiber), 단일벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube, SWCNT),이중벽 탄소나노튜브( double wall carbon nanotube, DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube, MWCNT), 탄소나노로드(carbon nanorod), 흑연성 탄소나노섬유(graphite nanofiber), 또는 이들의 혼합물을 포함하는 섬유상 필터.
  5. 제1항에서,
    상기 초극세 섬유는 평균 직경이 100~3000 nm이며, 고분자 초극세 섬유, 금속산화물 초극세 섬유, 또는 고분자 및 금속산화물 혼합 초극세 섬유인 섬유상 필터.
  6. 제5항에서,
    상기 초극세 섬유에서 고분자는 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알콜, 폴리비닐리덴플루오라이드, 셀룰로우스, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아마이드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리아마이드, 폴리페닐렌술폰, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르케톤, -SO3H, COOH 또는 이온성 작용기를 갖는 고분자 수지, 이들의 공중합체, 또는 이들 두 가지 이상의 고분자 혼합물인 섬유상 필터.
  7. 초극세 섬유가 연속적으로 랜덤하게 배치되어 있으며, 기공 크기 분포에서 최대 빈도의 기공 크기가 0.1~2 ㎛인 섬유상 다공체, 그리고
    이방성 나노재료가 배치되어 있으며, 기공 크기 분포에서 최대 빈도의 기공 크기가 1~100 nm인 나노네트층(nanonet layer)을 포함하는 여과층을 포함하고,
    상기 초극세 섬유는 고분자 초극세 섬유, 금속산화물 초극세 섬유, 또는 고분자 및 금속산화물 혼합 초극세 섬유이고,
    상기 고분자가 두 가지 이상의 고분자 혼합물인 경우, 한 성분이 멀티코어 구조를 가지며, 다른 성분은 쉘 구조를 갖는 섬유상 필터.
  8. 제5항에서,
    상기 초극세 섬유에서 금속산화물은 실리카(silica), 알루미나(alumina), 이산화티탄(titanium dioxide), 지르코니아(zirconia), 또는 이들의 혼합물인 섬유상 필터.
  9. 제8항에서,
    상기 금속산화물의 전구체가 M(OR)x, MRx(OR)y, MXy 또는 M(NO3)y로 표시되며, 여기서 M은 Si, Al, Ti, 또는 Zr이고, R은 C1-C10 알킬기이며, X는 F, Cl, Br, 또는 I이고, x 및 y는 1 내지 4의 정수인 섬유상 필터.
  10. 초극세 섬유가 연속적으로 랜덤하게 배치되어 있으며, 기공 크기 분포에서 최대 빈도의 기공 크기가 0.1~2 ㎛인 섬유상 다공체, 그리고
    이방성 나노재료가 배치되어 있으며, 기공 크기 분포에서 최대 빈도의 기공 크기가 1~100 nm인 나노네트층(nanonet layer)을 포함하는 여과층을 포함하고,
    상기 초극세 섬유는 고분자 및 금속산화물 혼합 초극세 섬유이며,
    상기 고분자 및 금속산화물 혼합 초극세 섬유는 금속산화물 성분의 표면층, 고분자 성분의 쉘층, 그리고 금속산화물 성분의 멀티 코어를 갖는 스킨 멀티코어-쉘 나노 구조이거나, 또는 표면층 없이 고분자 성분의 쉘층, 금속산화물 성분의 멀티 코어를 갖는 멀티 코어-쉘 나노구조인 섬유상 필터.
  11. 고분자 용액, 금속산화물 전구체 졸-겔 반응용액, 또는 고분자와 금속산화물 전구체의 졸-겔 용액의 혼합용액을 전기방사(electrospinning)하여, 초극세 섬유상 다공체를 포함하는 여과층을 제조하는 단계, 그리고
    나노섬유 분산액을 상기 초극세 섬유상 다공체에 분사하여, 상기 섬유상 다공체의 기공 내에 나노네트층을 형성하되, 상기 분사는 정전스프레이(electrospray)에 의한 것인 단계
    를 포함하는 섬유상 필터의 제조 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 전기방사는 용융취입(melt-blowing), 플래쉬 방사(flash spinning), 또는 전기취입(electro-blowing)인 섬유상 필터의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 제11항에서,
    상기 초극세 섬유상 다공체는 고분자의 유리전이온도(Tg) 내지 용융온도(Tm)의 범위에서 열압착된 것인 섬유상 필터의 제조 방법.
  15. 제11항에서,
    상기 섬유상 다공체는 150~350℃ 온도 구간에서 열처리된 것인 섬유상 필터의 제조 방법.
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