KR101771462B1 - 여과 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 여과 장치는, 10㎚ 이하의 두께로 형성되며, 대전된 먼지와 흡착 가능한 상태로 대전되도록 전기전도성을 갖는 멤브레인; 및 상기 멤브레인을 지지하도록 상기 멤브레인의 적어도 일면에 형성되는 지지체를 포함한다.

Description

여과 장치{FILTERING APPARATUS}

본 발명은 유체로부터 이물질을 제거하는 여과 장치에 관한 것이다.

공기 청정기는 필터를 이용하여 공기로부터 먼지를 제거한다. 공기 청정기에 사용되는 필터의 종류에는 여러 가지가 있다. 예를 들어 헤파 필터와 정전 필터가 공기 청정기에 사용될 수 있다.

헤파 필터와 정전 필터는 각각 장점과 단점을 갖는다.

헤파 필터는 높은 먼지 제거 효율을 갖는다는 장점이 있다. 그러나 헤파 필터는 압력 손실이 높고, 에너지 소비가 크다는 단점이 있다. 이에 반해 정전 필터는 압력 손실이 낮다는 장점이 있다. 그러나 정전 필터는 헤파 필터에 비해 미세먼지의 제거효율이 낮다는 단점이 있다.

이와 같이 종래의 필터들 중에는 높은 먼지 제거 효율 및 저압손의 두 가지 장점을 모두 갖지 못하였다.

본 발명의 일 목적은 10㎚ 이하의 얇은 두께를 갖는 멤브레인을 통해 높은 투과 유량 및 높은 투과 속도를 보이는 여과 장치를 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은 초저압손 멤브레인 및 이를 구비하는 여과 장치를 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은 정전력을 이용하여 먼지를 흡착시키거나 먼지를 분리시킬 수 있는 멤브레인 및 이를 구비하는 여과 장치를 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은 얇은 두께로 인한 강도 저하 및 내구성 저하의 문제를 해결할 수 있는 멤브레인 및 이를 구비하는 여과 장치를 제안하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 여과 장치는, 10㎚ 이하의 두께로 형성되며, 대전된 먼지와 흡착 가능한 상태로 대전되도록 전기전도성을 갖는 멤브레인; 및 상기 멤브레인을 지지하도록 상기 멤브레인의 적어도 일면에 형성되는 지지체를 포함한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 멤브레인은 그래핀 소재로 이루어질 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 멤브레인은 금속 소재로 이루어질 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 멤브레인의 평균 기공 크기는 0.01~10㎛일 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 멤브레인의 기공도는 10~50%일 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 지지체는 상기 멤브레인의 표면을 보호하도록 상기 멤브레인의 전면에 접합되는 부직포를 포함하고, 상기 부직포는 고분자 섬유 또는 유리 섬유의 적층에 의해 형성되며, 프리 필터로 동작하도록 상기 멤브레인의 기공보다 큰 평균 크기의 기공을 가질 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 지지체는 상기 멤브레인의 후면에 배치되는 고분자 필름을 더 포함하고, 상기 고분자 필름은 상기 멤브레인을 통과한 유체를 통과시키도록 상기 멤브레인의 기공보다 큰 평균 크기의 기공을 가질 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 지지체는, 상기 멤브레인의 표면을 보호하도록 상기 멤브레인의 전면에 접합되고, 고분자 섬유 또는 유리 섬유의 적층에 의해 형성되며, 프리 필터로 동작하도록 상기 멤브레인의 기공보다 큰 평균 크기의 기공을 갖는 부직포; 및 상기 멤브레인의 후면에 배치되고, 상기 멤브레인을 통과한 유체를 통과시키도록 상기 멤브레인의 기공보다 큰 평균 크기의 기공을 갖는 고분자 필름을 포함할 수 있다.

상기 여과 장치는 정전력에 의한 먼지의 흡착 또는 분리를 위해 상기 멤브레인을 대전시키도록 이루어지는 대전장치를 더 포함할 수 있다.

상기 대전장치는 유체의 여과 시 상기 멤브레인을 상기 먼지의 반대 극성으로 대전시키고, 상기 멤브레인의 세정 시 상기 멤브레인을 상기 먼지와 같은 극성으로 대전시킬 수 있다.

상기 여과 장치는 상기 대전장치에 의해 상기 멤브레인이 먼지와 같은 극성으로 대전되었을 때, 상기 멤브레인을 통과하는 유체의 유동 방향과 교차하는 방향으로 바람을 일으키는 송풍장치를 더 포함할 수 있다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 멤브레인은 10㎚ 이하의 두께를 갖는다. 멤브레인의 두께는 상기 멤브레인을 통과하는 유체의 투과 유량, 투과 속도 및 압력 손실과 관련된다. 본 발명은 10㎚ 이하의 두께를 갖는 멤브레인을 이용하여 높은 투과 유량 및 투과 속도를 갖는 초저압손(0.1mmAq 미만) 여과 장치를 구현할 수 있다.

본 발명의 여과 장치는 종래의 정전필터보다 우수한 이물질 제거율을 갖는다. 여과 장치는 헤파 필터(HEPA filter) 수준의 이물질 제거율을 보이면서도, 헤파 필터(헤파 필터의 유체 투과율은 약 0.5mol/m2sPa 수준)보다 수십 내지 수백배의 유체 투과율을 가지며, 헤파 필터보다 월등히 우수한 초저압손 성능을 갖는다.

또한 본 발명에 의하면, 멤브레인은 전기전도성을 갖기 때문에 정전력에 의해 먼지와 흡착 또는 분리될 수 있다. 정전력을 이용하여 먼지를 멤브레인으로부터 분리시킬 수 있으므로, 본 발명은 멤브레인의 자가세정을 구현할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 멤브레인은 그래핀 소재 또는 금속 소재로 이루어지기 때문에 10㎚ 이하의 얇은 두께로 인한 강도 저하 및 내구성 저하의 문제를 해결할 수 있으며, 전기전도성을 가질 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 멤브레인은 미세먼지와 초미세먼지를 여과할 수 있는 기공을 가진다. 작은 크기의 기공은 멤브레인을 통과하는 유체의 투과 속도를 저하시킬 우려가 있으나, 본 발명의 멤브레인은 10㎚ 이하의 매우 얇은 두께를 가지므로 유체의 투과 속도 저하를 보완할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 멤브레인은 지지체와 결합되어 여과 장치를 형성할 수 있다. 지지체는 매우 얇은 두께의 멤브레인을 지지하는 기능을 할 뿐만 아니라 프리 필터로 동작하기도 한다. 프리 필터로 동작하는 지지체는 멤브레인을 통과하게 될 유체로부터 상대적으로 큰 먼지를 먼저 여과할 수 있다. 멤브레인과 지지체를 포함하는 여과 장치는 프리 필터로 동작하는 지지체를 이용하여 1차적으로 먼지를 여과하고, 멤브레인을 이용하여 2차적으로 미세먼지와 초미세먼지를 여과할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 여과 장치의 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 여과 장치의 개념도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 여과 장치의 개념도.

이하, 본 발명에 관련된 여과 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 여과 장치(100)의 개념도다.

여과 장치(100)는 단순히 여과 작용을 하는 것 이외에 다른 기능이 추가된 시스템을 가리킨다. 예를 들어 본 발명의 여과 장치(100)는 여과 작용 이외에 자가 세정 작용을 하도록 이루어지도 한다. 자가 세정 작용에 대하여는 후술한다.

여과 장치(100)는 멤브레인(110)과 지지체를 포함한다.

1. 멤브레인(110)

멤브레인(110)은 여과 장치(100)에서 실질적인 여과, 정제 작용을 한다. 이하에서는 멤브레인(110)의 두께, 전기전도성, 소재 및 기공(111)에 대하여 차례로 설명한다.

(1) 멤브레인(110)의 두께

멤브레인(110)은 10㎚ 이하의 두께로 형성된다. 멤브레인(110)의 두께가 10㎚ 이하의 두께로 형성되는 것은 멤브레인(110)을 투과하는 유체의 유량과 속도를 극대화하고, 초저압손을 구현하기 위해서이다.

멤브레인(110)의 성능을 평가하는 요소는 다양하다. 그 중 유체의 투과 유량, 멤브레인(110)의 이물질 제거율, 저압손 성능은 멤브레인(110)의 성능을 평가하는 중요한 요소다. 유체의 투과 유량, 이물질 제거율, 저압손 성능은 이하에서 차례로 설명된다.

유체가 멤브레인(110)을 통과하는 경우, 멤브레인(110)의 두께가 얇을수록 유체의 투과 유량과 투과 속도가 증가한다. 유체의 투과 유량과 투과 속도가 증가할록 단위 시간 당 더욱 많은 유체를 여과할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 멤브레인(110)의 두께가 얇을수록 더욱 우수한 성능의 멤브레인(110)으로 평가될 수 있다. 유체의 투과 유량과 투과 속도가 크다는 것은 유로 저항이 작다는 것과 같은 의미이다.

또한, 멤브레인(110)에 존재하는 기공(111)의 크기는 균일할수록, 멤브레인(110)의 이물질 제거율이 증가하고 멤브레인(110)이 안정적인 성능을 발휘한다. 따라서 멤브레인(110)의 기공(111) 크기가 균일할수록 더욱 우수한 성능의 멤브레인(110)으로 평가될 수 있다.

또한, 멤브레인(110)을 투과하는 유체의 흐름에 필요한 압력이 최소화될수록 에너지 소비가 줄어들 수 있다. 유체의 흐름에 필요한 압력이 작다는 것은 멤브레인(110)이 저압손 성능을 가진다는 의미이다. 따라서 저압손 성능을 가질수록 더욱 우수한 성능의 멤브레인(110)으로 평가될 수 있다.

유체가 멤브레인(110)을 통과할 때, 이론적으로 유체의 투과 속도는 수학식 1에 기재된 Hagen-Poseuille 식으로 표현될 수 있다.

[수학식 1]

수학식 1에서 Φ는 유체의 투과 속도, R은 기공(111)의 크기, η은 유체의 점도, ΔP는 멤브레인(110) 사이의 압력, L은 멤브레인(110)의 두께를 의미한다.

수학식 1에 따르면, 멤브레인(110)의 두께(L)와 유체의 투과 속도(Φ)는 서로 반비례한다. 이를테면 멤브레인(110)의 두께가 두꺼울수록 유체의 투과 속도는 감소하고, 멤브레인(110)의 두께가 얇을수록 유체의 투과 속도는 증가한다. 따라서 나머지 변수들이 일정할 때 멤브레인(110)의 두께(L)가 얇을수록 유체의 투과 속도(Φ)를 극대화할 수 있다. 그리고 유체의 투과 속도(Φ)를 극대화하면 유체의 투과 유량도 극대화될 수 있다.

또한, 수학식 1에 따르면, 멤브레인(110)의 두께(L)와 멤브레인(110) 사이의 압력(ΔP)은 서로 반비례한다. 멤브레인(110) 사이의 압력의 압력(ΔP)이란 멤브레인(110)을 투과하는 유체의 흐름에 필요한 압력을 의미한다. 따라서 나머지 변수들이 일정할 때 멤브레인(110)의 두께(L)가 얇을수록 유체의 흐름에 필요한 압력(ΔP)을 최소화할 수 있다.

본 발명의 멤브레인(110)은 10㎚ 이하의 두께로 형성되기 때문에, 수학식 1에서의 L값이 매우 작다. 따라서 본 발명은 유체의 투과 속도(Φ)와 유체의 투과 유량을 극대화할 수 있으며, 유체의 흐름에 필요한 압력(ΔP)을 최소화할 수 있다.

(2) 멤브레인(110)의 전기전도성

본 발명의 멤브레인(110)은 대전된 먼지(10)와 흡착 가능한 상태로 대전되도록 전기전도성을 갖는다. 대전된 먼지(10)는 전하를 갖는다. 따라서 전기전도성을 갖는 멤브레인(110)이 대전되면, 대전된 먼지(10)와 흡착될 수 있다.

대전된 멤브레인(110)의 극성에 따라 먼지(10)와 흡착될 수도 있고, 먼지(10)와 분리될 수도 있다. 멤브레인(110)이 먼지(10)의 전화와 반대 극성으로 대전되면 먼지(10)는 멤브레인(110)에 흡착된다. 반대로 멤브레인(110)이 먼지(10)의 전화와 같은 극성으로 대전되면 먼지(10)는 멤브레인(110)으로부터 분리된다.

대전된 멤브레인(110)의 극성은 선택적으로 달라질 수 있다. 본 발명의 멤브레인(110)은 양극과 음극 중 어느 하나의 극성으로 대전될 수 있도록 전기전도성을 가질 뿐 항상 특정한 극성으로 고정되어 있는 것은 아니다. 멤브레인(110)은, 먼지(10)와의 흡착이 필요한 시점에는 먼지(10)와 반대 극성으로 대전될 수 있다. 반대로 멤브레인(110)은 먼지(10)와의 분리가 필요한 시점에는 먼지(10)와 같은 극성으로 대전될 수 있다.

전기전도성은 멤브레인(110)의 자가 세정을 구현할 수 있다. 멤브레인(110)이 먼지(10)의 전하와 같은 극성으로 대전되면, 멤브레인(110)에 흡착되었던 먼지(10)는 멤브레인(110)으로부터 분리된다. 멤브레인(110)에 흡착되었던 먼지(10)를 멤브레인(110)으로부터 분리함에 따라 멤브레인(110)은 먼지(10)와 흡착되기 전의 깨끗한 상태로 되돌려질 수 있다. 이러한 과정을 자가 세정이라 한다. 자가 세정이 완료된 멤브레인(110)은 다시 먼지(10)와 반대의 극성으로 대전되어 먼지(10)를 흡착시킬 수 있다. 이러한 과정을 반복하여 멤브레인(110)은 1회성 사용에 끝나는 것이 아니라 자가 세정을 통해 반영구적으로 사용될 수 있다.

(3) 멤브레인(110)의 소재

멤브레인(110)이 얇을수록 유체의 투과 유량, 유체의 투과 속도, 유체의 흐름에 필요한 압력과 관련된 성능을 개선할 수 있다. 그러나 지나치게 얇은 두께의 멤브레인(110)은 낮은 강도로 인한 내구성의 문제가 있을 수 있다.

본 발명의 멤브레인(110)은 얇은 두께로 인해 유발될 수 있는 강도 저하 및 내구성 저하의 문제를 개선하기 위해 얇은 두께에도 충분한 강도를 갖는 소재로 이루어진다.

뿐만 아니라 본 발명의 멤브레인(110)은 앞서 설명한 전기전도성을 가져야 한다. 따라서 멤브레인(110)은 얇은 두께에도 충분한 내구성을 가질 뿐만 아니라, 전기전도성을 갖는 소재로 이루어져야 한다.

멤브레인(110)은 그래핀 소재로 이루어질 수 있다.

그래핀 소재는 단분자층으로 알려진 대표적인 소재다. 그래핀의 이상적인 인장강도는 약 130GPa로, 이 값은 강철의 약 200배다. 따라서 그래핀 소재로 이루어진 멤브레인(110)은 10㎚ 이하의 두께라도 내구성의 문제를 해결할 수 있다.

또한 그래핀 소재는 먼지(10)와의 흡착이나 분리를 위해 대전될 수 있는 충분한 전기전도성을 가지고 있다. 따라서 그래핀 소재의 멤브레인(110)이 대전되면, 정전력에 의해 먼지(10)와 흡착되거나 먼지(10)와 분리될 수 있다.

그래핀 소재로 이루어진 멤브레인(110)은 10㎚ 이하의 충분히 얇은 두께를 가질 수 있고, 얇은 두께로 인해 우려되는 내구성의 문제를 해결하면서도, 충분히 높은 전기전도성을 가질 수 있다. 그래핀 소재는 이상적인 멤브레인(110)을 구현할 수 있다.

멤브레인(110)은 금속 소재로 이루어질 수도 있다.

금속 소재의 강도는 그래핀 소재에 비해 작지만, 10㎚ 이하의 매우 얇은 두께로 형성되더라도 충분한 내구성을 가질 수 있다. 또한 금속 소재는 전기전도성을 가진다. 따라서 금속 소재로 형성된 멤브레인(110)은 10㎚ 이하의 충분히 얇은 두께를 가질 수 있고, 두께로 인한 내구성의 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 대전된 상태에서 먼지(10)와 흡착 또는 분리될 수 있다.

(4) 멤브레인(110)의 기공(111)

멤브레인(110)은 기공(111)을 갖는다. 멤브레인(110)의 평균 기공(111) 크기는 0.01~10㎛다. 멤브레인(110)의 평균 기공(111) 크기는 멤브레인(110)에 의해 여과되는 먼지(10)의 크기와 관련된다. 기공(111)보다 큰 크기의 먼지(10)는 멤브레인(110)을 통과하지 못하므로, 유체로부터 제거될 수 있다. 이와 같은 멤브레인(110)의 작용을 체거름(sheiving) 또는 크게 배제 매커니즘이라고 한다.

먼지(10)는 입자의 크기에 따라 구분된다. 지름이 10㎛ 이하인 먼지는 미세먼지(PM-10, 12)로 구분되고, 지름이 2.5㎛ 이하인 먼지는 초미세먼지(PM-2.5, 13)로 구분된다. 본 발명의 멤브레인(110)은 미세먼지(12)를 여과할 수 있도록 평균 크기 10㎛ 이하의 기공(111)을 갖는다. 더욱 바람직하게 멤브레인(110)은 초미세먼지(13)도 여과할 수 있도록 평균 크기 2.5㎛ 이하의 기공(111)을 갖는다.

여과하고자 하는 먼지(10)의 입자 크기에 맞게 균일하게 가공된 기공(111)은 멤브레인(110)의 여과 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어 평균 크기 5㎛의 기공(111)을 갖는 멤브레인(110)은 99% 이상의 미세먼지(12) 여과 성능을 보인다.

매우 작은 크기의 초미세먼지(13)를 여과하기 위해서 기공(111)의 평균 크기는 작을수록 바람직하다. 그러나 수학식 1에 따르면, 유체의 투과 속도는 기공(111)의 크기의 네 제곱에 비례한다. 따라서 기공(111)의 크기가 너무 작아지면 유체의 투과 속도가 작아지는 문제가 있다. 본 발명의 멤브레인(110)은 10㎚ 이하의 매우 얇은 두께를 가지므로, 기공(111)의 크기가 10㎛ 이하보다 작더라도 멤브레인(110)의 얇은 두께는 유체의 투과 속도 저하를 보완할 수 있다.

멤브레인(110)의 기공도는 10~50%다. 기공도란 멤브레인(110)에서 기공(111)이 차지하는 면적을 가리킨다. 기공도가 클수록 기공(111)을 통해 투과될 수 있는 유체의 투과 유량이 증가한다. 따라서 기공도는 클수록 바람직하다.

2. 지지체

지지체는 멤브레인(110)을 지지하도록 상기 멤브레인(110)의 적어도 일면에 형성된다. 멤브레인(110)의 적어도 일면에 형성된다는 것은 멤브레인(110)의 어느 한 면(110a) 뿐만 아니라 양 면(110a, 110b)에 형성될 수도 있다는 것을 의미한다. 지지체는 멤브레인(110)과 접합되어 멤브레인(110)과 일체로 형성될 수 있다.

유체가 멤브레인(110)을 통과하는 방향을 기준으로 멤브레인(110)의 양 면(110a, 110b)은 전면(110a)과 후면(110b)으로 구분할 수 있다. 도 1에 도시된 지지체는 멤브레인(110)의 표면을 보호하도록 멤브레인(110)의 전면(110a)에 접합되는 부직포(120)를 포함한다.

멤브레인(110)에 의해 여과되는 유체는 지속적으로 멤브레인(110)의 전면(110a)을 향해 흐른다. 유체의 입자는 멤브레인(110)의 전면(110a)에 지속적으로 충돌한다. 따라서 유체의 입자와 지속적으로 충돌함에 따라 멤브레인(110)의 전면(110a)이 손상될 수 있다. 그러나 멤브레인(110)의 전면(110a)에 형성되는 부직포(120)는 멤브레인(110)의 표면을 보호할 수 있다.

부직포(120)는 고분자 섬유 또는 유리 섬유의 적층에 의해 형성될 수 있다. 부직포(120)는 프리 필터로 동작하도록 멤브레인(110)의 기공(111)보다 큰 평균 크기의 기공(111)을 갖는다. 프리 필터로 동작하는 지지체는 멤브레인(110)을 통과하게 될 유체로부터 상대적으로 큰 먼지(11, 12)를 먼저 여과할 수 있다. 미세먼지(12)는 초미세먼지(13)보다 크므로, 상대적으로 큰 먼지는 미세먼지(12) 및 상기 미세먼지(12)보다 큰 먼지(11)를 의미할 수 있다. 또는 상대적으로 큰 먼지는 미세먼지(12)보다 큰 먼지(11)만 의미할 수도 있다.

3. 여과 장치(100)의 제조

여과 장치(100)는 지지체에 멤브레인(110)을 성장시켜 형성된다. 멤브레인(110)을 형성하는 공정은 10㎚ 이하의 박막을 성장시킬 수 있는 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어 멤브레인(110)을 형성하는 공정은 CVD(chemical vapor deposition), 열증착, 플라즈마 스퍼터링(plasma sputtering) 등을 이용할 수 있다.

멤브레인(110)의 기공(111)은 멤브레인(110)을 지지체로 전사하기 전에 형성되거나, 멤브레인(110)을 지지체로 전사한 후에 형성될 수 있다. 멤브레인(110)에 기공(111)을 형성하는 공정으로는 레이저, 건식 식각, 나노 임프린트 방식 등 0.01~10㎛ 수준의 기공(111)을 형성할 수 있는 공정이 이용될 수 있다.

4. 여과 장치(100)의 동작

부직포(120)는 멤브레인(110)의 전면(110a)에 형성되어 멤브레인(110)을 지지할 뿐만 아니라 멤브레인(110)의 표면을 보호한다. 유체는 멤브레인(110)을 통과하기 전에 먼저 부직포(120)를 통과한다. 도 1의 화살표는 유체의 유동 방향을 의미하는 것이다. 부직포(120)는 프리 필터로 동작한다. 부직포(120)는 멤브레인(110)을 통과하게 될 유체로부터 1차적으로 큰 먼지(11)를 여과할 수 있으며, 부직포(120)는 큰 먼지(11)와 미세먼지(12)를 여과할 수도 있다. 부직포(120)의 이물질 제거율은 상기 부직포(120)를 형성하는 고분자 섬유 또는 유리 섬유의 밀도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 부직포(120)는 미세먼지(12)의 70% 이상을 제거할 수 있다.

멤브레인(110)은 유체로부터 이물질을 2차적으로 제거한다. 멤브레인(110)을 부직포(120)를 통과한 유체를 통과시키면서, 유체로부터 미세먼지(12)와 초미세먼지(13)를 제거한다. 기공(111)의 크기와 기공도에 따라 멤브레인(110)은 초미세먼지(13)를 99.9% 이상 제거할 수 있고, 부직포(120)에 의해 여과되지 않은 미세먼지(12)를 제거할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 여과 장치(200)의 개념도다.

여과 장치(200)는 멤브레인(210)과 지지체를 포함한다.

멤브레인(210)은 도 1에서 설명한 것과 동일하므로, 멤브레인(210)에 대한 설명은 도 1의 설명으로 갈음한다.

지지체는 부직포(220)와 고분자 필름(230)을 포함한다. 부직포(220)에 대한 설명은 도 1의 설명으로 갈음한다. 다만 부직포(220)의 이물질 제거율은 도 1의 부직포(220)와 다를 수 있다. 예를 들어 도 2의 부직포(220)는 미세먼지(22)를 50% 이상 제거하는 밀도를 가질 수 있다.

고분자 필름(230)은 멤브레인(210)을 지지하도록 멤브레인(210)의 후면(210b)에 배치된다. 고분자 필름(230)은 부직포(220)와 달리 멤브레인(210)을 지지하는 역할만 할 뿐, 이물질을 제거하는 역할을 하는 것은 아니므로 평판 형태로 형성되기만 한다면 특별히 형상의 제한이 있는 것은 아니다.

고분자 필름(230)은 멤브레인(210)을 통과한 유체를 통과시키도록 멤브레인(210)의 기공(211)보다 큰 평균 크기의 기공(231)을 갖는다. 예를 들어 고분자 필름(230)의 기공(211)은 평균 100㎛ 내외의 크기로 형성될 수 있다.

고분자 필름(230)은 유기 또는 무기 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어 고분자 필름(230)은 PET(polyethylene terephthalate) 소재로 이루어질 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 여과 장치(300)의 개념도다. 도 3a는 먼지(30)를 흡착시키도록 멤브레인(310)이 대전된 상태의 여과 장치(300)를 도시한 것이고, 도 3b는 먼지(30)를 분리시키도록 멤브레인(310)이 대전된 상태의 여과 장치(300)를 도시한 것이다.

여과 장치(300)는 멤브레인(310), 지지체, 대전장치(340) 및 송풍장치(350)를 포함한다.

멤브레인(310)은 도 1의 설명으로 갈음한다.

지지체는 고분자 필름(330)을 포함한다. 고분자 필름(330)에 대한 설명은 도 2의 설명으로 갈음한다.

대전장치(340)는 정전력에 의한 먼지(30)의 흡착 또는 분리를 위해 상기 멤브레인(310)을 대전시키도록 이루어진다. 대전장치(340)는 극성을 선택하여 멤브레인(310)을 대전시킬 수 있다. 대전장치(340)는 유체의 여과 시 멤브레인(310)을 먼지(30)의 반대 극성으로 대전시킨다. 대전장치(340)는 멤브레인(310)의 세정 시 멤브레인(310)을 먼지(30)와 같은 극성으로 대전시킨다.

예를 들어 도 3a를 참조하면, 먼지(30)는 양전하로 대전되어 있다. 그리고 멤브레인(310)은 대전장치(340)에 의해 음전하로 대전되어 있다. 먼지(30)와 멤브레인(310) 사이에는 인력이 발생하므로, 먼지(30)는 멤브레인(310)에 흡착된다. 정전력에 의한 흡착 매커니즘을 통해 멤브레인(310)은 초미세먼지(33)를 포함하는 먼지(30)를 99.9% 이상 제거할 수 있다.

도 3b를 참조하면, 음전하로 대전되어 있던 멤브레인(310)은 대전장치(340)에 의해 양전하로 대전된다. 먼지(30)와 멤브레인(310) 사이에는 척력이 발생하므로, 먼지(30)는 멤브레인(310)으로부터 분리된다.

송풍장치(350)는 대전장치(340)에 의해 멤브레인(310)이 먼지(30)와 같은 극성으로 대전되었을 때, 멤브레인(310)을 통과하는 유체의 유동 방향과 교차하는 방향으로 바람을 일으킨다. 교차하는 방향은 실질적으로 유체의 유동 방향과 수직인 방향 또는 필터의 연장 방향과 평행한 방향을 의미한다. 척력에 의해 멤브레인(310)으로부터 분리된 먼지(30)는 송풍장치(350)에 의해 형성된 바람을 따라 이동하게 된다.

여과 장치(300)는 집진부(360)를 더 포함할 수 있다. 집진부(360)는 송풍장치(350)를 마주보는 위치에 배치되어, 바람을 따라 이동하는 먼지(30)를 수집할 수 있다.

여과 장치의 성능 평가는 KSB6141 규격의 질량법에 준해 실시될 수 있다.

멤브레인과 지지체를 장착한 여과 시험기, 유량계 및 송풍기로 공기를 순서대로 통과시킨다. 공기에는 분진 공급기로부터 공급되는 분진(카본 블랙 분진)을 0.5g/min 첨가하고, 3.9m/sec의 공기 속도로 시험을 실시한다. 여과 시험기의 출구에 설치된 포집 필터를 분리하여 포집된 분진으로부터 여과율을 측정한다.

여과율은 포집 필터에 포집된 분진의 무게 및 공기에 공급한 분진의 무게를 측정하여 하기의 수학식 2에 따라 계산한다.

[수학식 2]

여과율(%)=(1-(W2/W1)ⅹ100

수학식 2에서 W1은 공기에 공급한 분진의 무게(g)를 의미하고, W2는 멤브레인과 지지체을 통과하여 포집 필터에 포집된 분진의 무게(g)를 의미한다.

도 1 내지 도 3b에서 설명한 각 실시예들의 여과 장치는 수학식 2에 따라 측정하였을 때 99.9% 이상의 여과율을 갖는다.

이상에서 설명된 여과 장치는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (11)

10㎚ 이하의 두께로 형성되며, 대전된 먼지와 흡착 가능한 상태로 대전되도록 전기전도성을 갖는 멤브레인;
상기 멤브레인을 지지하도록 상기 멤브레인의 적어도 일면에 형성되는 지지체; 및
정전력에 의한 먼지의 흡착 또는 분리를 위해 상기 멤브레인을 대전시키도록 이루어지는 대전장치를 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 지지체는 상기 멤브레인의 후면에 배치되는 고분자 필름을 더 포함하고,
상기 고분자 필름은 상기 멤브레인을 통과한 유체를 통과시키도록 상기 멤브레인의 기공보다 큰 평균 크기의 기공을 갖는 것을 특징으로 하고,
상기 대전장치는 유체의 여과 시 상기 멤브레인을 상기 먼지의 반대 극성으로 대전시키고, 상기 멤브레인의 세정 시 상기 멤브레인을 상기 먼지와 같은 극성으로 대전시키는 것을 특징으로 하는 여과 장치.

제1항에 있어서,
상기 멤브레인은 그래핀 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 여과 장치.

제1항에 있어서,
상기 멤브레인은 금속 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 여과 장치.

제1항에 있어서,
상기 멤브레인의 평균 기공 크기는 0.01~10㎛인 것을 특징으로 하는 여과 장치.

제1항에 있어서,
상기 멤브레인의 기공도는 10~50%인 것을 특징으로 하는 여과 장치.

제1항에 있어서,
상기 지지체는 상기 멤브레인의 표면을 보호하도록 상기 멤브레인의 전면에 접합되는 부직포를 포함하고,
상기 부직포는 고분자 섬유 또는 유리 섬유의 적층에 의해 형성되며, 프리 필터로 동작하도록 상기 멤브레인의 기공보다 큰 평균 크기의 기공을 갖는 것을 특징으로 하는 여과 장치.

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제1항에 있어서,
상기 여과 장치는 상기 대전장치에 의해 상기 멤브레인이 먼지와 같은 극성으로 대전되었을 때, 상기 멤브레인을 통과하는 유체의 유동 방향과 교차하는 방향으로 바람을 일으키는 송풍장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 장치.

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