KR101880532B1 - 방진, 방독용 마스크 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

방진, 방독용 마스크 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 구체예에 따른 방진 및 방독용 마스크는 내피, 외피 및 내피와 외피 사이에 형성된 복수의 필터층을 포함하고, 필터층은 카본필터층 및 방진필터층을 포함하고, 카본필터층은 구리(Cu) 및 수산화칼륨이 표면에 첨착된 제1 활성탄소 분말과, 망간(Mn) 및 수산화칼륨이 표면에 첨착된 제2 활성탄소 분말이 필터부재에 코팅되어 이루어진다.

Description

방진, 방독용 마스크 및 그 제조방법{GAS MASK AND MANUFACTURING METHOD THE SAME}
본 발명은 마스크 및 그 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 방진, 방독용 마스크 및 및 제조방법에 관한 것이다.
재난재해(예컨대 화재)시 사용되는 대피용 마스크는 독성가스와 대기 중에 존재하는 미세한 먼지(분진)을 효과적으로 차단하거나 포집하여야 한다. 즉 대피용 마스크는 방진 기능 및 방독 기능을 모두 구비한 것으로, 오염지역, 각종 위급상황, 공기가 오염될 수 있는 산업분야, 방사성 물질에 노출될 수 있는 발전소 등에서 발생되는 유해성 물질이 인체에 유입되는 것을 방지하기 위해 안면에 착용된다.
이러한 방진 및 방독용 마스크는 인체의 코와 입을 덮으면서 안면에 밀착되는 본체와, 본체를 안면에 밀착시키면서 착용자에게 고정시키기 위한 걸이 밴드를 포함하는 것이 일반적이다. 본체는 직물, 편물, 부직포, 스펀본드(spunbond) 등이 이용되고, 본체의 전면에는 교체 가능한 정화 필터부가 결합되거나 또는 본체 자체에 별도의 필터층을 두기도 한다.
관련하여 본 출원인은 방진 마스크와 그 제조방법에 대하여 특허출원하여 등록받은 바 있다(한국등록특허 제10-1495311호). 본 특허문헌에 개시된 방진 마스크는 마스크의 본체를 이루는 외피와 내피 사이에 카본 필터와 방진 필터의 필터층을 포함한다. 카본 필터는 활성 탄소가 내장되어 중금속 이온 유기화학적인 독성 물질을 제거하고, 방진 필터는 진폐증 등을 유발하는 분진을 차폐하는 기능을 구현한다.
이후, 본 출원인은 방진 및 방독용 마스크의 성능 향상을 위해 필터층의 성능 향상을 위한 연구개발을 지속적으로 수행해 왔다.
특허문헌 1: 한국등록특허 제10-1495311호(2015.02.13 등록)
본 발명은 독성가스와 대기 중에 존재하는 미세한 먼지(분진)을 효과적으로 차단하거나 포집할 수 있는 방진 및 방독용 마스크와 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내피, 외피 및 상기 내피와 외피 사이에 형성된 복수의 필터층을 포함하고, 상기 필터층은 카본필터층 및 방진필터층을 포함하고, 상기 카본필터층은 구리(Cu) 및 수산화칼륨이 표면에 첨착된 제1 활성탄소 분말과, 망간(Mn) 및 수산화칼륨이 표면에 첨착된 제2 활성탄소 분말이 필터부재에 코팅되어 이루어지는 방진 및 방독용 마스크가 제공될 수 있다.
또한, 상기 카본필터층은 제1 활성탄소 분말 40wt% 내지 60wt%, 제2 활성탄소 분말 60wt% 내지 40wt%를 포함하고, 제1 활성탄소 분말 및 제2 활성탄소 분말의 입자크기는 10㎛ 내지 30㎛일 수 있다.
또한, 상기 방진필터층은 견운모 분말이 필터부재에 코팅되어 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, RF 플라즈마 처리장치 내로 구리 전구체와 활성탄소를 혼합한 혼합 분말을 공급하고 가스를 주입하는 단계; RF 플라즈마 처리를 통해 상기 구리 전구체를 기화시켜 생성되는 구리입자를 상기 활성탄소 표면에 첨착시키고 핵성장을 일으켜 결정화시켜 제1 첨착 활성탄소 분말을 형성하는 단계; RF 플라즈마 처리장치 내로 망간 전구체와 활성탄소를 혼합한 혼합 분말을 공급하고 가스를 주입하는 단계; RF 플라즈마 처리를 통해 상기 망간 전구체를 기화시켜 생성되는 망간입자를 상기 활성탄소 표면에 첨착시키고 핵성장을 일으켜 결정화시켜 제2 첨착 활성탄소 분말을 형성하는 단계; 유동식 반응기에 상기 제1 첨착 활성탄소 분말 및 제2 첨착 활성탄소 분말을 투입하고 교반한 후, 0.1M 내지 1.0M의 수산화칼륨을 드롭핑하여 상기 제1 첨착 활성탄소 분말 및 제2 첨착 활성탄소 분말의 표면에 상기 수산화칼륨을 추가 첨착하는 단계; 상기 수산화칼륨이 추가 첨착된 상기 제1 첨착 활성탄소 분말 및 제2 첨착 활성탄소 분말을 제1 필터부재에 코팅하여 제1 필터층을 제조하는 단계; 및 내피, 제1 필터층, 외피를 순차적으로 적층시켜 마스크 원단을 제조하고, 상기 마스크 원단을 초음파 가공하여 마스크 형태로 제조하는 단계를 포함하는 방진 및 방독용 마스크 제조방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 유동식 반응기에는 상기 제1 첨착 활성탄소 분말 40wt% 내지 60wt% 및 제2 첨착 활성탄소 분말 60wt% 내지 40wt%를 포함하고, 상기 활성탄소의 입자크기는 10㎛ 내지 30㎛ 일 수 있다.
또한, 견운모 분말을 제2 필터부재에 코팅하여 제2 필터층을 제조하는 단계를 더 포함하고, 상기 마스크 원단은 내피, 제2 필터층, 제1 필터층, 외피를 순차적으로 적층시켜 제조될 수 있다.
본 발명의 구체예들에 따른 방진 및 방독용 마스크는 카본필터층에 구리 및 수산화칼륨이 표면에 첨착된 제1 활성탄소 분말과, 망간 및 수산화칼륨이 표면에 첨착된 제2 활성탄소 분말을 혼합하여 코팅시킴으로써 독성가스(유해가스)의 흡착 성능 및 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 방진필터층에 견운모 분말을 코팅시킴으로써 미세 먼지의 흡착 효율을 향상시키고, 착용자에 대해 항균효과를 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 구체예들에 따른 방진 및 방독용 마스크의 제조방법은 RF 플라즈마 처리 방식을 통해 첨착 활성탄소 분말을 형성함으로써 비교적 간단하고 낮은 비용으로 고효율의 첨착 효과를 갖는 활성탄소 분말을 제조하고, 이를 필터부재에 코팅하여 필터층을 제조함으로써 효율적이고 효과적으로 마스크를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 방진 및 방독용 마스크와 본체의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 방진 및 방독용 마스크 제조방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 시험예에서 제작된 첨착활성탄소가 코팅된 필터원단의 FE-SEM 이미지이다.
도 4는 일산화탄소 파과 시험 및 이산화황 파과 시험의 결과 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 하기의 설명은 본 발명을 구체적인 예시를 들어 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 기술적 사상이 하기의 설명에 한정되는 것은 아니다. 그리고 첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로, 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 방진 및 방독용 마스크(100, 이하 마스크)와 본체의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
마스크(100)는 마스크의 형태를 이루는 본체와, 상기 본체의 양측면에 접합되는 조절구(80)와, 조절구(80)에 끼워져 감아 붙여지는 루프 상의 걸이 밴드(90)를 포함할 수 있다. 즉 상기 본체의 좌우에 걸이 밴드(90)를 부착하여 마스크(100)가 완성될 수 있다. 조절구(80)의 구조, 기능 및 조립 방법에 대해서는 본 출원인이 선출원한 등록실용신안공보 제20-0392648호(2005.08.04 등록)에 구체적으로 설명되어 있으므로, 본 명세서에서는 중복 설명을 생략하도록 한다.
도 1의 우측 확대도에서 확인되듯이, 마스크(100)의 본체는 외피(102), 내피(101)와 외피(102), 내피(101) 사이에 적층되는 복수의 필터층(103,104)을 포함하여 이루어질 수 있다. 도 1에서는 필터층이 2개 층으로 구성된 경우를 도시하고 있으나, 필터층은 2보다 많은 층으로 형성될 수도 있다. 부호 21은 마스크(100) 착용자의 콧등 윤곽에 일치되는 스트립이다.
필터층은 카본필터층(103)과 방진필터층(104)을 포함할 수 있다. 도 1에서는 카본필터층(103)이 1개 층으로 구성된 경우를 도시하고 있으나, 카본필터층(103)은 2 이상의 층으로 형성될 수도 있다. 마찬가지로 방진필터층(104) 역시 2 이상의 층으로 형성될 수 있다.
외피(102) 및 내피(101)는 마스크(100)에 사용되는 통상의 마스크 원단일 수 있다. 일 구체예에 있어서, 외피(102) 및 내피(101)는 스펀본드/멜트블로운/스펀본드로 구성되는 복수 적층물로 이루어질 수 있다(소위 SMS라고도 함). 여기에서 스펀본드는 용융된 방사구 중의 통상 원형인 다수의 미세한 모세관으로부터의 소정 직경의 필라멘트로, 열가소성 재료를 압출시키거나 1종 이상의 용융된 열가소성 재료를 동시 압출시키고, 이어서 비인취적 또는 인취적 유체 연신법 또는 공지된 스펀본딩 매커니즘에 의해 신속하게 감소시켜 형성된 소 직경 섬유 내지 필라멘트 웹을 의미한다. 멜트블로운은 통상 원형인 다수의 미세한 다이 모세관을 통해 고속 가스에 용융된 열가소성 재료를 용융된 스레드 또는 필라멘트로서 압출시켜 형성된 섬유를 포함하는 직물을 의미한다. 상술한 마스크 원단의 경우에는 본 기술분야에서 일반적인 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.
카본필터층(103)은 구리(Cu) 및 수산화칼륨이 표면에 첨착된 제1 활성탄소 분말과, 망간(Mn) 및 수산화칼륨이 표면에 첨착된 제2 활성탄소 분말이 필터부재에 코팅되어 이루어질 수 있다. 일 구체예에 있어서, 카본필터층(103)은 상기 제1 활성탄소 분말 40wt% 내지 60wt%와 상기 제2 활성탄소 분말 60wt% 내지 40wt%를 포함할 수 있다. 상기 필터부재는 미세 공극이 있는 지지체일 수 있다. 상기 지지체의 예로는 부직포, 스펀본드 등이 있다. 일 구체예에 있어서, 상기 미세 공극의 크기는 평균 10㎛ 미만일 수 있다. 이 때, 상기 제1 활성탄소 분말 및 제2 활성탄소 분말의 입자크기는 10㎛ 내지 30㎛ 일 수 있다. 상기 제1 활성탄소 분말 및 제2 활성탄소 분말의 입자크기가 10㎛ 보다 작은 경우에는 상기 필터부재의 미세 공극보다 작은 크기가 되어, 착용자의 들숨에 의해 인체 내로 흡입될 우려가 있다. 반면 상기 제1 활성탄소 분말 및 제2 활성탄소 분말의 입자크기가 30㎛ 보다 큰 경우에는 착용자가 호흡하기에 곤란할 우려가 있다.
상기 제1 활성탄소 분말 및 제2 활성탄소 분말에 사용되는 활성탄소는 미세기공이 발달된 상용의 활성탄소를 이용할 수 있다. 상기 활성탄소는 석탄계, 야자계, 또는 목탄계 활성탄일 수 있다. 상기 활성탄소는 분말상, 조립상, 파쇄상, 필터상 또는 섬유상의 형태를 유지할 수 있다.
상기 제1 활성탄소 분말의 표면에는 구리와 수산화칼륨이 첨착된다. 여기에서 구리는 유해가스(특히, 일산화탄소 가스 및 이산화황 가스)의 흡착점으로 기능하는 주촉매이고, 수산화칼륨은 조촉매이다. 구리는 일산화탄소 가스, 이산화황 가스의 산화반응에 우수한 활성을 띠는 금속인 바, 흡착된 일산화탄소 가스 및 이산화황 가스를 산화시켜 제거하는 기능을 할 수 있다. 상기 제1 활성탄소 분말의 표면에는 구리 입자들이 활성탄소 표면 상에서 구형 또는 반구형으로 균질한 결정 형태를 나타낸다. 구체적으로 구리 입자들은 후술할 바와 같이 RF 플라즈마 처리를 통해 선택적인 기화과정을 거쳐 결정화되어 활성탄소 표면에 강하게 융착된다. 이에 대해서는 제조방법에 대한 설명에서 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 일 구체예에 있어서 구리는 상기 제1 활성탄소 분말의 총 중량에 대하여 5wt% 내지 20wt% 범위 내의 총 함유량을 가질 수 있다. 구리 입자의 함유량이 5wt% 미만인 경우에는 의도하는 유해가스의 흡착능이 구현되기 어려우며, 20wt%를 초과하는 경우에는 촉매 활성이 떨어지거나 구리 입자들끼리 뭉쳐 조대화된 입자를 형성할 가능성이 있다. 한편, 수산화칼륨은 유해가스가 활성탄소 표면에 첨착된 구리 입자에 흡착되는 흡착 효율을 높이는 기능을 한다. 상기 수산화칼륨의 농도는 0.1M 내지 1.0M 일 수 있다. 상기 수산화칼륨의 농도가 0.1M 미만인 경우에는 조촉매로서의 기능이 구현되지 못할 우려가 있으며, 1.0M을 초과하는 경우에는 활성탄소의 세공을 막거나 덮어 오히려 유해가스가 흡착되는 것을 방해할 우려가 있다.
상기 제2 활성탄소 분말의 표면에는 망간과 수산화칼륨이 첨착된다. 여기에서 망간은 유해가스(특히 일산화탄소 가스)의 흡착점으로 기능하는 주촉매이고, 수산화칼륨은 조촉매이다. 망간은 구리와 더불어 일산화탄소 가스의 산화반응에 우수한 활성을 띠는 금속인 바, 흡착된 일산화탄소 가스를 산화시켜 제거하는 기능을 할 수 있다. 상기 제2 활성탄소 분말의 표면에는 망간 입자들이 활성탄소 표면 상에서 구형 또는 반구형으로 균질한 결정 형태를 나타낸다. 구체적으로 망간 입자들은 후술할 바와 같이 RF 플라즈마 처리를 통해 선택적인 기화과정을 거쳐 결정화되어 활성탄소 표면에 강하게 융착된다. 이에 대해서는 제조방법에 대한 설명에서 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 일 구체예에 있어서 망간은 상기 제2 활성탄소 분말의 총 중량에 대하여 5wt% 내지 20wt% 범위 내의 총 함유량을 가질 수 있다. 망간 입자의 함유량이 5wt% 미만인 경우에는 의도하는 유해가스의 흡착능이 구현되기 어려우며, 20wt%를 초과하는 경우에는 촉매 활성이 떨어지거나 망간 입자들끼리 뭉쳐 조대화된 입자를 형성할 가능성이 있다. 한편, 수산화칼륨은 유해가스가 활성탄소 표면에 첨착된 망간 입자에 흡착되는 흡착 효율을 높이는 기능을 한다. 상기 수산화칼륨의 농도는 0.1M 내지 1.0M 일 수 있다. 상기 수산화칼륨의 농도가 0.1M 미만인 경우에는 조촉매로서의 기능이 구현되지 못할 우려가 있으며, 1.0M을 초과하는 경우에는 활성탄소의 세공을 막거나 덮어 오히려 유해가스가 흡착되는 것을 방해할 우려가 있다.
상술한 바와 같이, 마스크(100)의 본체에 삽입되는 카본필터층(103)은 제1 활성탄소 분말, 제2 활성탄소 분말이 혼합되어 코팅됨으로써 유해가스의 흡착 성능 및 제거 효율을 향상시킬 수 있다. 구체적으로는 일산화탄소가 카본필터층(103)의 제1 활성탄소 분말 및 제2 활성탄소 분말에 흡착된 후, 이들 분말들에 첨착된 구리 및 망간에 의해 산화되어 분해될 수 있다.
방진필터층(104)은 견운모 분말이 필터부재에 코팅되어 이루어질 수 있다. 견운모(Sericite)는 규산염 광물로 이루어진 층상 구조물로 항균성과 원적외선 방출율이 우수한 것으로 알려져 있다. 본 발명에 따른 마스크(100)는 방진필터층(104)으로 종래 방진 및 방독용 마스크에서는 거의 사용되지 않았던 견운모를 사용하는 것을 일 특징으로 한다. 상기 견운모 분말이 코팅되어 이루어지는 방진필터층(104)은 마스크(100)를 통과하는 유해물질을 거르는 기능을 할 뿐 아니라 항균작용을 발현시키는 기능을 할 수 있다. 한편, 견운모의 화학조성은 다양할 수 있으며, 일 구체예에 있어서 방진필터층(104)에 코팅되는 견운모는 SiO2 62~80wt%, Al2O3 12~18wt%, K2O 및 Na2O 9~11wt%, H2O 4.13~6.12wt%로 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 방진 및 방독용 마스크 제조방법의 순서도이다. 도 2를 참조하면, 방진 및 방독용 마스크 제조를 위해 우선 카본필터층에 코팅되는 제1 첨착 활성탄소 분말과 제2 첨착 활성탄소 분말을 제조하여야 한다. 상기 제1 첨착 활성탄소 분말은 RF 플라즈마 처리장치 내로 구리 전구체와 활성탄소를 혼합한 혼합 분말을 공급하고 가스를 주입하는 S11 단계와, RF 플라즈마 처리를 통해 상기 구리 전구체를 기화시켜 생성되는 구리입자를 상기 활성탄소 표면에 첨착시키고 핵성장을 일으켜 결정화시켜 제1 첨착 활성탄소 분말을 형성하는 S12 단계를 거쳐 제조될 수 있다.
상기 제2 첨착 활성탄소 분말은 RF 플라즈마 처리장치 내로 망간 전구체와 활성탄소를 혼합한 혼합 분말을 공급하고 가스를 주입하는 S13 단계와, RF 플라즈마 처리를 통해 상기 망간 전구체를 기화시켜 생성되는 망간입자를 상기 활성탄소 표면에 첨착시키고 핵성장을 일으켜 결정화시켜 제2 첨착 활성탄소 분말을 형성하는 S14 단계를 거쳐 제조될 수 있다.
S11 단계 및 S13 단계에서의 금속 전구체 및 활성탄소의 혼합은 상용의 혼합기를 이용할 수 있다. 한편 구리 전구체의 예로는 Cu(CH3COO)2 ·H2O가 있으며, 망간 전구체의 예로는 Mn(CH3COO)2 ·4H2O가 있다. 금속 전구체의 함량은 혼합 분말 총 중량에 대하여 5wt% 내지 20wt% 범위 내 일 수 있다.
S12 단계 및 S14 단계에서의 RF 플라즈마 처리는 RF-열플라즈마 장치를 이용하여 이루어질 수 있다. 첨착 활성탄소는 첨착물이 활성탄소의 표면에 많이 분포될수록, 첨착물의 입자가 작을수록, 첨착물의 분산이 잘 이루어질수록 활성 효과가 높아질 수 있다. 그런데 함침법이나 습식법을 이용하여 첨착 활성탄소를 제조하는 경우에는 첨착 효율이 낮을 뿐더러, 요구되는 공정수가 늘어나는 단점이 있다. 그러나 본 발명에서와 같이 RF 플라즈마 처리를 통해 첨착 활성탄소를 제조하는 경우에는 첨착 효율이 상대적으로 높고 공정이 간단하다는 장점이 있다. 첨착물이 진공 분위기에서 활성탄소의 세공 내에 첨착되고 핵성장을 일으켜, 첨착율이 높기 때문이다. 보다 구체적으로, RF 열플라즈마 장치의 전원공급장치로 전력을 공급하면 전기에너지에 의해 아크가 형성되고 열플라즈마 발생기체로 사용된 아르곤 가스에 의해 약 10,000K의 초고온 플라즈마가 생성된다. 상기 전력을 유지한 상태로 아르곤 가스를 발생가스로 하여 발생된 초고온의 열플라즈마는 열처리방식이나 연소방식에 의해 발생된 열플라즈마보다 높은 온도에서 발생되는 효과가 있다. 이 때, 상기 RF 열플라즈마 장치의 전원공급장치에서 공급되는 전력은 활성탄소에 대해 첨착을 진행하는 경우 5 내지 30 kW일 수 있다.
상기 혼합 분말 투입 및 가스 주입 전에 RF 열플라즈마 처리 장치는 진공펌프에 의해 진공 상태로 유지될 수 있다. 사용되는 가스는 그 기능에 따라, 시스(sheath) 가스, 센트럴(Central) 가스, 캐리어(Carrier) 가스 등으로 분류될 수 있다. 상기 가스의 예로는 불활성 기체, 수소, 질소 또는 이들을 혼합한 기체가 사용될 수 있으며, 아르곤 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 시스 가스는 벽체의 내부 표면에 기화된 입자가 부착되는 것을 방지하고 또한 벽면을 초고온의 플라즈마로부터 보호하기 위해 주입되는 것으로서, 30~80 lpm(liters per minute)의 아르곤 가스를 사용할 수 있다. 상기 센트럴 가스는 고온의 열플라즈마를 생성하기 위하여 주입되는 것으로서, 30~70 lpm의 아르곤 가스를 사용할 수 있다. 상기 캐리어 가스는 혼합 분말을 플라즈마 반응기 내부로 공급하는 역할을 하는 것으로서, 5~15lpm의 아르곤 가스를 사용할 수 있다. 구체적으로 RF 열플라즈마 처리 장치의 반응부로 시스 가스 및 센트럴 가스를 공급하고, 냉각부로는 ?칭 가스를 공급한 후에 플라즈마 토치에 전원을 인가하면 플라즈마 전극에서 플라즈마가 형성되어 전극 내에 고온의 열플라즈마가 생성된다. 이 때, 플라즈마 처리장치 내부로 상기 혼합 분말이 캐리어 가스와 함께 주입된다.
S12 단계 및 S14 단계에서 구리입자 또는 망간입자는 RF 열플라즈마 처리장치를 통해 선택적으로 기화된다. 그리고 기화된 구리입자 또는 망간입자가 활성탄소 표면에 첨착된 후 핵성장을 일으켜 결정화된다. 상기 첨착을 위해 ?칭 가스가 사용될 수 있으며, 상기 ?칭 가스에 의해 응축 또는 급냉되어 구리입자나 망간입자가 급격하게 성장하지 않으면서도 적절한 속도로 핵성장을 일으켜 결정화될 수 있다.
다음으로, 제조된 상기 제1 첨착 활성탄소 분말 및 제2 첨착 활성탄소 분말을 유동식 반응기에 넣고 교반한 후에, 0.1M ~ 1.0M의 농도를 갖는 수산화칼륨을 드롭핑하여 상기 활성탄소 분말 표면에 추가 첨착하는 S20 단계를 거친다. 본 단계에서와 같이 수산화칼륨을 드롭핑하여 추가 첨착하는 방법은 활성탄소를 수산화칼륨에 침지시켜 처리하는 기존 방법보다 적은 양의 수산화칼륨을 사용하여 동일 유사한 효과를 얻을 수 있는 바, 보다 효율적인 방법이다. 첨착 후에는 활성탄소 분말을 건조시킨다.
다음으로, 수산화칼륨이 추가 첨착된 제1 첨착 활성탄소 분말 40wt% 내지 60wt%와 제2 첨착 활성탄소 분말 60wt% 내지 40wt%를 교반한 후에, 필터부재(제1 필터층)에 코팅함으로써 필터층을 제조하는 S30 단계를 거친다. 상기 코팅 방법은 특정되지 않으며, 예컨대 바인더, 첨가제 등을 이용한 코팅액을 사용할 수 있다.
한편, 방진필터층 형성을 위해 필터부재(제2 필터층)에 견운모 분말을 코팅한다. 상기 견운모 분말은 SiO2 62~80wt%, Al2O3 12~18wt%, K2O 및 Na2O 9~11wt%, H2O 4.13~6.12wt%로 이루어진 것일 수 있다. 상기 코팅 방법은 특정되지 않는다.
다음으로, 스펀본드/멜트블로운/스펀본드로 구성되는 복수 적층물로 이루어지는 외피 및 내피 사이에 제1 필터층(첨착 활성탄소 분말 코팅), 제2 필터층(견운모 분말 코팅)을 순차적으로 적층시켜 마스크 원단을 제조한다. 즉, 안쪽에서부터 내피, 제2 필터층, 제1 필터층, 외피 순으로 적층시켜 마스크 원단을 제조한다(S40 단계).
다음으로는 본 출원인이 선출원한 등록특허공보 제10-1495311호(2015.02.13 등록)에 설명된 대로, 마스크 본체를 형성하기 위해 상기 마스크 원단을 초음파 절단하고, 초음파 접합 등의 가공을 통해 마스크 형태로 가공하고, 가공된 마스크 본체의 양측에 조절구(80)를 초음파 접합하고, 조절구(80)에 끼워져 감아 붙여지는 루프 상의 걸이 밴드(90)를 장착함으로써 본 발명에 따른 방진 및 방독용 마스크가 완성될 수 있다. 상술한 S40 단계 이후의 단계는 상기 등록특허공보 제10-1495311호에 구체적으로 설명되어 있으므로, 본 명세서에서는 중복 설명을 생략하도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구체예들에 따른 방진 및 방독용 마스크는 카본필터층에 구리 및 수산화칼륨이 표면에 첨착된 제1 활성탄소 분말과, 망간 및 수산화칼륨이 표면에 첨착된 제2 활성탄소 분말을 혼합하여 코팅시킴으로써 독성가스(유해가스)의 흡착 성능 및 제거 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 방진필터층에 견운모 분말을 코팅시킴으로써 미세 먼지의 흡착 효율을 향상시키고, 착용자에 대해 항균효과를 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 구체예들에 따른 방진 및 방독용 마스크의 제조방법은 RF 플라즈마 처리 방식을 통해 첨착 활성탄소 분말을 형성함으로써 비교적 간단하고 낮은 비용으로 고효율의 첨착 효과를 갖는 활성탄소 분말을 제조하고, 이를 필터부재에 코팅하여 필터층을 제조함으로써 효율적이고 효과적으로 마스크를 제조할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보충하여 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 의해 제한되지 않음은 당업자에게 자명하다.
실시예
마스크 원단의 제조
석탄계 입상활성탄(Granular activated carbon, 2040W)에 Cu(CH3COO)2 ·H2O를 10wt% 혼합하고(입상활성탄의 중량을 기준으로 함), 그룹을 달리하여 동일한 입상활성탄에 Mn(CH3COO)2 ·4H2O를 10wt% 혼합하였다. 상기 혼합은 V-믹서를 사용하여 이루어졌다. 다음으로 RF-열플라즈마 장치에 상기 혼합된 원료를 각각 주입하였다. 센트럴 가스 및 시드 가스는 아르곤 가스를 이용하였다. RF-열플라즈마 장치 내부는 500 torr 가량의 진공도를 유지하였고, 플라즈마 토치 전원으로 30kV를 인가하여 열 플라즈마를 생성하였다. RF 플라즈마 처리의 종료 후에 구리입자가 첨착된 활성탄소와, 망간입자가 첨착된 활성탄소를 각각 수득하였다. 다음으로 각 활성탄소 분말을 유동식 반응기에 넣고 교반한 후, 1.0M의 농도를 갖는 수산화칼륨을 드롭핑하여 상기 수산화칼륨을 활성탄소 분말 표면에 추가 첨착하였다. 첨착 후에는 30분간 건조하였다. 다음으로, 구리입자가 첨착된 활성탄소 45wt%와, 망간입자가 첨착된 활성탄소 55wt%를 교반한 후에, 바인더 등을 추가로 넣어 코팅액을 제조한 후, 스펀본드 지지체에 코팅함으로써 하나의 필터원단을 형성하였다. 관련하여 도 3은 상기 필터원단의 FE-SEM 이미지이다. FE-SEM은 히타치 S-4800 모델을 사용하였다. 도 3을 참조하면, 금속 입자(구리 또는 망간)들이 첨착된 첨착활성탄소가 필터 지지체에 고르게 코팅되어 있음을 확인할 수 있다(좌측 이미지의 붉은색 부분이 첨착된 금속 입자다).
이어서 동일한 스펀본드 지지체에 견운모 분말을 코팅하여 다른 하나의 필터원단을 형성하였다. 견운모 분말은 SiO2 62~80wt%, Al2O3 12~18wt%, K2O 및 Na2O 9~11wt%, H2O 4.13~6.12wt%로 이루어진 것을 사용하였다. 다음으로, 스펀본드/멜트블로운/스펀본드로 구성되는 복수 적층물로 이루어지는 외피 및 내피 사이에 상기 두 개의 필터원단을 적층시켜 마스크 원단을 제조하였다.
한편, 비교예로는 스펀본드 지지체에 입상활성탄(2040W)을 코팅하여 필터원단을 제조하고, 스펀본드/멜트블로운/스펀본드로 구성되는 복수 적층물로 이루어지는 외피 및 내피 사이에 상기 필터원단을 게재한 후에 마스크 원단을 제조하였다.
가스 파과 시험
실시예와 비교예에 해당하는 각 마스크 원단에 대하여 일산화탄소 파과 시험 및 이산화황 파과 시험을 수행하였다. 일산화탄소 가스의 경우 400ppm을 기준으로 하였고, 이산화황 가스의 경우 5ppm을 기준으로 하였다. 온도는 25℃ 였으며, 압력은 10atm 이었다. 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4a는 일산화탄소 파과 시험 결과 그래프이고, 도 4b는 이산화황 파과 시험 결과 그래프이다. '파과'란 대응하는 가스에 대하여 흡착제가 포화상태가 되어 흡착능력을 상실한 상태를 말하며, '파과시간'은 파과가 보일 때까지의 시간, '파과곡선'은 파과시간과 유해가스의 농도와의 관계를 나타내는 곡선이다. 도 4의 그래프에서 x축은 시간을 나타내고, y축은 농도를 나타낸다. 그래프의 곡선은 파과곡선에 해당한다. 도 4의 그래프에서 파란색은 비교예이며, 빨간색은 실시예이다. 도 4를 참조하면, 실시예에 해당하는 마스크 원단의 경우 비교예에 해당하는 마스크 원단의 경우보다 일산화탄소 가스 및 이산화황 가스의 파과시간이 대략 10분 내지 20분 더 긴 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 일산화탄소 가스 및 이산화황 가스에 대한 파과 시험 결과 실시예에 해당하는 마스크 원단이 약 30분 긴 파과시간을 보였으며, 이는 본 발명에 따른 마스크 원단에서의 유해가스 흡착효과가 우수함을 나타낸다.
이상, 본 발명의 구현예들에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술의 구체적 적용에 따른 단순한 설계변경, 일부 구성요소의 생략, 단순한 용도의 변경 등 본 발명을 다양하게 변형할 수 있을 것이며, 이러한 변형 역시 본 발명의 권리범위 내에 포함됨은 자명하다.
100: 방진 및 방독용 마스크
80: 조절구
90: 걸이 밴드

Claims (6)

  1. 내피, 외피 및 상기 내피와 외피 사이에 형성된 복수의 필터층을 포함하고,
    상기 필터층은 카본필터층 및 방진필터층을 포함하고,
    상기 카본필터층은 일산화탄소 가스와 이산화황 가스의 흡착점이자 주촉매로 작용하는 구리(Cu) 및 조촉매로 작용하는 수산화칼륨이 표면에 첨착된 제1 활성탄소 분말과, 일산화탄소 가스의 흡착점이자 주촉매로 작용하는 망간(Mn) 및 조촉매로 작용하는 수산화칼륨이 표면에 첨착된 제2 활성탄소 분말이 필터부재에 코팅되어 이루어지는 방진 및 방독용 마스크.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 카본필터층은 제1 활성탄소 분말 40wt% 내지 60wt%, 제2 활성탄소 분말 60wt% 내지 40wt%를 포함하고, 제1 활성탄소 분말 및 제2 활성탄소 분말의 입자크기는 10㎛ 내지 30㎛인 방진 및 방독용 마스크.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 방진필터층은 견운모 분말이 필터부재에 코팅되어 이루어지는 방진 및 방독용 마스크.
  4. RF 플라즈마 처리장치 내로 구리 전구체와 활성탄소를 혼합한 혼합 분말을 공급하고 가스를 주입하는 단계;
    RF 플라즈마 처리를 통해 상기 구리 전구체를 기화시켜 생성되는 구리입자를 상기 활성탄소 표면에 첨착시키고 핵성장을 일으켜 결정화시켜 제1 첨착 활성탄소 분말을 형성하는 단계;
    RF 플라즈마 처리장치 내로 망간 전구체와 활성탄소를 혼합한 혼합 분말을 공급하고 가스를 주입하는 단계;
    RF 플라즈마 처리를 통해 상기 망간 전구체를 기화시켜 생성되는 망간입자를 상기 활성탄소 표면에 첨착시키고 핵성장을 일으켜 결정화시켜 제2 첨착 활성탄소 분말을 형성하는 단계;
    유동식 반응기에 상기 제1 첨착 활성탄소 분말 및 제2 첨착 활성탄소 분말을 투입하고 교반한 후, 0.1M 내지 1.0M의 수산화칼륨을 드롭핑하여 상기 제1 첨착 활성탄소 분말 및 제2 첨착 활성탄소 분말의 표면에 상기 수산화칼륨을 추가 첨착하는 단계;
    상기 수산화칼륨이 추가 첨착된 상기 제1 첨착 활성탄소 분말 및 제2 첨착 활성탄소 분말을 제1 필터부재에 코팅하여 제1 필터층을 제조하는 단계; 및
    내피, 제1 필터층, 외피를 순차적으로 적층시켜 마스크 원단을 제조하고, 상기 마스크 원단을 초음파 가공하여 마스크 형태로 제조하는 단계를 포함하는 방진 및 방독용 마스크 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 유동식 반응기에는 상기 제1 첨착 활성탄소 분말 40wt% 내지 60wt% 및 제2 첨착 활성탄소 분말 60wt% 내지 40wt%를 포함하고, 상기 활성탄소의 입자크기는 10㎛ 내지 30㎛인 방진 및 방독용 마스크 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    견운모 분말을 제2 필터부재에 코팅하여 제2 필터층을 제조하는 단계를 더 포함하고,
    상기 마스크 원단은 내피, 제2 필터층, 제1 필터층, 외피를 순차적으로 적층시켜 제조되는 방진 및 방독용 마스크 제조방법.
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