KR101906586B1 - 필터 제조 방법 및 이에 의해 제조된 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 필터 제조 방법 및 이에 의해 제조된 필터를 제공한다. 이 제조 방법은 3차원 형상부를 가지는 집전체를 이용하여 필터를 간단하게 3차원 형태로 제조할 수 있다. 또한 집전체 표면에 다양한 패턴을 형성하여, 필터의 표면에도 간단하게 패턴을 형성할 수 있다. 이로써, 필터 제작의 필수 요소 중에 하나인 차압 조절에 유리하다. 이 필터는 고분자 나노 섬유에 고르게 분산되어 부착되는 그래핀 입자들을 포함하므로, 항균성이 뛰어나다.

Description

필터 제조 방법 및 이에 의해 제조된 필터{Filter fabrication method and the filter fomred thereby}

본 발명은 필터 제조 방법 및 이에 의해 제조된 필터에 관한 것이다.

현대 산업의 급속한 발달에 따라 환경오염에 대한 관심이 집중되고 있는 가운데, 각종 유해물질을 차단하기 위한 필터의 개발도 활발하게 진행되고 있다. 필터는 공업제품의 정제, 오·폐수의 정수처리시설, 소각시설의 유해 배기가스의 흡착 및 제거 장치 등에 널리 사용되고 있다.

또한 필터는 정수기, 에어컨 및 공기청정기과 같은 가전제품 등에도 사용되며, 의료장비에서 혈액 내의 특정 크기의 세포(예를 들면 백혈구)를 거르는 용도로도 사용된다. 이와 같이 가전제품이나 의료장비에 사용되는 필터는 뛰어난 항균성도 요구된다.

이러한 다양한 용도로 사용되는 필터는 단순히 2차원적인 형태 뿐만 아니라 장착되는 장비의 위치에 따라 다양한 3차원적인 형태가 요구된다.

본 발명이 해결하려는 과제는 항균성이 뛰어나며 3차원적인 형태를 가지는 필터를 보다 간단하게 제작할 수 있는 필터 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는 항균성이 뛰어나며 3차원적인 형태를 가지는 필터를 제공하는데 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 필터 제조 방법은, 그래핀 함유 용액 또는 그래핀 산화물 함유 용액을 제조하는 단계; 상기 그래핀 함유 용액 또는 상기 그래핀 산화물 함유 용액과 고분자를 섞어 그래핀·고분자 혼합 용액을 제조하는 단계; 3차원 형태의 전도성 집전체를 제조하는 단계; 상기 혼합 용액을 상기 집전체 표면에 전기방사하여 3차원 그래핀·고분자 복합 필터를 형성하는 단계; 및 상기 3차원 그래핀·고분자 복합 필터를 상기 집전체로부터 분리하는 단계를 포함한다.

상기 그래핀 함유 용액 또는 그래핀 산화물 함유 용액을 제조하는 단계는, 그래핀 입자들 또는 그래핀 산화물 입자들을 용매에 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 용매는, 물, 아세트산(acetic acid, C₂H₄O₂), 아세톤(acetone, C₃H₆O), 아세토니트릴(acetonitrile, C₂H₃N), 벤젠(benzene, C₆H₆), 1-부타놀(1-butanol, C₄H₁₀O), 2-부타놀(2-butanol, C₄H₁₀O), 2-부타논(2-butanone, C₄H₈O), 터셔리-부틸 알콜(t-butyl alcohol, C₄H₁₀O), 사염화탄소(carbon tetrachloride, CCl₄), 클로로벤젠(chlorobenzene, C₆H₅Cl), 클로로포름(chloroform, CHCl₃), 시클로헥산(cyclohexane, C₆H₁₂), 1,2-디클로로에탄(1,2-dichloroethane, C₂H₄Cl₂), 디클로로벤젠(chlorobenzene), 디클로로메탄(dichloromethane, CH₂Cl₂), 디에틸 에테르(ethyl ether, C₄H₁₀O), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol, C₄H₁₀O₃), 디글리메(디에틸렌 글리콜, 디메틸 에테르){diglyme (diethylene glycol, dimethyl ether), C₆H₁₄O₃), 1,2-디메톡시-에탄(1,2-dimethoxy-ethane (glyme, DME), C₄H₁₀O₂), 디메틸에테르(dimethylether C₂H₆O), 디메틸-포름아미드(dimethyl- formamide (DMF), C₃H₇NO), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide(DMSO), C₂H₆OS), 디옥산(dioxane, C₄H₈O2), 에탄올(ethanol, C₂H₆O), 에틸 아세테이트(ethyl acetate C₄H₈O₂), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol, C₂H₆O_{2 ),} 글리세린(glycerin, C₃H₈O₃), 헵탄(heptane, C₇H₁₆), 헥사메틸포스포아미드(Hexamethylphosphoramide (HMPA), C₆H₁₈N₃OP), 헥사메틸포스포로스 트리아미드(Hexamethylphosphorous triamide (HMPT), C₆H₁₈N₃P), 헥산(hexane C₆H₁₄), 메타놀(methanol, CH₄O), 메틸 터셔리-부틸 에테르(methyl t-butylether (MTBE), C₅H₁₂O), 메틸렌 클롤이드(methylene chloride, CH₂Cl₂), 노르말-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), CH₅H₉NO), 니트로메탄(nitromethane, CH₃NO₂), 펜탄(pentane C₅H₁₂), 페트롤리엄 에테르{Petroleum ether (ligroine)}, 1-프로파놀(1-propanol, C₃H₈O), 2-프로파놀(2-propanol, C₃H₈O), 피리딘(pyridine, C₅H₅N), 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran (THF), C₄H₈O), 톨루엔(Toluene, C₇H₈), 트리에틸 아민(triethyl amine, C₆H₁₅N), 오르소-크실렌(o-xylene, C₈H₁₀), 메타-크실렌(m-xylene, C₈H₁₀), 및 파라-크실렌(p-xylene, C₈H₁₀)을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.

상기 고분자는 나일론(Nylon-6,6), 폴리아미드(Polyamide-6,6), 폴리우레탄(polyurehthanes, PU), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리엑틱 엑시드(polylactic acid, PLA), 폴리에틸렌 코비닐아세테이트(Polyethylene-co-vinyl acetate, PEVA), 폴리메틸 메타크릴레이트(poly methyl methacrylate, PMMA), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아닐린(polyaniline, PANI), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리비닐페놀(polyvinyl phenol, PVP), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 셀룰로이드(Celluloid), 셀룰로스 아세테이트(Cellulose acetate), 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide, PAAm), 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 폴리비닐라이덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리에터이미드(polyetherimide), 폴리이미드(polyimide), 폴리나프타레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 콜라겐(Collagen), 피브린(Fibrin), 키토산(Chitosan), 및 젤라틴(gelatin)을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.

상기 방법은, 상기 혼합 용액을 상기 집전체 표면에 전기방사하는 단계 전에, 분리용 고분자 용액을 상기 집전체 표면에 전기방사하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 집전체는 지지부와 상기 지지부 상에 배치되는 3차원 형상부를 포함할 수 있으며, 상기 3차원 그래핀·고분자 복합 필터는 상기 형상부의 상부면과 측면을 덮을 수 있다.

상기 형상부의 표면에 선, 원, 다각형, 글씨 또는 그림 모양의 패턴이 형성될 수 있다.

상기 패턴은 복수개의 선들을 포함할 수 있으며, 상기 3차원 그래핀·고분자 복합 필터는 고분자 나노 섬유와 상기 고분자 나노 섬유에 부착된 그래핀 입자들 또는 그래핀 산화물 입자들을 포함하며, 상기 고분자 나노 섬유은 상기 패턴의 선들과 교차하도록 형성될 수 있다.

상기 패턴은 복수개의 서로 평행하며 간격이 1mm~5cm인 선들일 수 있다.

또는, 상기 패턴은 직경이 1mm~5cm인 원(circle)일 수 있다.

또는, 상기 패턴은 1mm~5cm의 변(side) 길이를 가지는 다각형일 수 있다.

또는, 상기 패턴은 1mm~1cm의 선폭을 가지는 글씨 또는 그림일 수 있다.

상기 3차원 형상부는 원통형, 다면체 또는 다공체 구조를 가질 수 있다.

상기 형상부는 도전성이며, 상기 집전체는 상기 형상부 표면에 배치되는 분리층을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 분리층은 절연성 고분자막, 부직포, 실리콘 필름 또는 종이일 수 있다.

상기 전기 방사는 단일 모드 또는 다중 모드의 노즐을 사용할 수 있다.

상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 필터는, 바닥면과 상기 바닥면으로부터 연결된 측면을 포함하는 3차원 구조를 가지며, 고분자 나노 섬유와 상기 고분자 나노 섬유에 부착된 그래핀 입자들 또는 그래핀 산화물 입자들을 포함한다.

상기 바닥면과 상기 측면 중 적어도 하나에 패턴이 형성될 수 있다.

상기 패턴은 선, 원, 다각형, 글씨 또는 그림일 수 있다.

상기 바닥면과 상기 측면에 배치되는 분리용 잔여 고분자막을 더 포함할 수 있으며, 상기 분리용 잔여 고분자막은 그래핀 입자들과 그래핀 산화물 입자들을 포함하지 않을 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 필터 제조 방법은 3차원 형상부를 가지는 집전체를 이용하므로, 필터를 간단하게 3차원 형태로 제조할 수 있다. 따라서 3차원 형태로 제조하기 위한 추가 공정을 필요로 하지 않는다. 또한 집전체 표면에 다양한 패턴을 형성하여, 필터의 표면에도 간단하게 패턴을 형성할 수 있다. 이로써, 필터 제작의 필수 요소 중에 하나인 차압 조절에 유리하다.

본 발명의 다른 예에 따른 필터는 고분자 나노 섬유에 고르게 분산되어 부착되는 그래핀 입자들을 포함하므로, 항균성이 뛰어나다.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 필터 제조 방법의 순서도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 필터 제조 과정의 일 부분을 나타내는 개념도이다.
도 3a는 본 발명의 일 예에 따른 필터 제조 과정에 사용되는 집전체의 단면도이다. 도 3b 내지 3e는 본 발명의 예들에 따른 집전체의 사시도들이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 예들에 따라 집전체 표면에 형성되는 패턴의 모양들과 패턴 상에 형성되는 고분자 나노 섬유의 형상들을 나타낸다.
도 5a는 분리용 고분자 용액의 전기 방사 없이, 제조된 필터의 사시도이다.
도 5b는 분리용 고분자 용액을 전기 방사한 후에, 제조된 필터의 사시도이다.
도 6은 실험예 1에서 제조된 그래핀 산화물 함유 용액들의 사진을 나타낸다.
도 7은 실험예 1에서 제조된 그래핀·나일론 혼합 용액에 포함된 그래핀 산화물 입자의 원자현미경 사진이다.
도 8은 실험예 1에서 제조된 그래핀·나일론 복합 필터의 사진이다.
도 9는 도 8의 필터의 일부분을 확대한 전자현미경 사진이다.
도 10은 실험에 2에서 제조된 그래핀 함유 용액의 사진이다.
도 11은 실험에 2에서 제조된 그래핀·폴리스티렌 혼합 용액에 포함된 그래핀 입자의 원자현미경 사진이다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 필터 제조 방법의 순서도를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 필터 제조 과정의 일 부분을 나타내는 개념도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저, 그래핀 함유 용액 또는 그래핀 산화물 함유 용액을 제조한다(제 1 단계, S10). 상기 그래핀 함유 용액 또는 상기 그래핀 산화물 함유 용액은, 그래핀 입자들 또는 그래핀 산화물 입자들을 용매에 분산시킴으로써 제조될 수 있다. 상기 용매는 물, 에탄올, 메탄올, 이소프로필렌, 아세트산(acetic acid, C₂H₄O₂), 아세톤(acetone, C₃H₆O), 아세토니트릴(acetonitrile, C₂H₃N), 벤젠(benzene, C₆H₆), 1-부타놀(1-butanol, C₄H₁₀O), 2-부타놀(2-butanol, C₄H₁₀O), 2-부타논(2-butanone, C₄H₈O), 터셔리-부틸 알콜(t-butyl alcohol, C₄H₁₀O), 사염화탄소(carbon tetrachloride, CCl₄), 클로로벤젠(chlorobenzene, C₆H₅Cl), 클로로포름(chloroform, CHCl₃), 시클로헥산(cyclohexane, C₆H₁₂), 1,2-디클로로에탄(1,2-dichloroethane, C₂H₄Cl₂), 디클로로벤젠(chlorobenzene), 디클로로메탄(dichloromethane, CH₂Cl₂), 디에틸 에테르(ethyl ether, C₄H₁₀O), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol, C₄H₁₀O₃), 디글리메(디에틸렌 글리콜, 디메틸 에테르){diglyme (diethylene glycol, dimethyl ether), C₆H₁₄O₃), 1,2-디메톡시-에탄(1,2-dimethoxy-ethane (glyme, DME), C₄H₁₀O₂), 디메틸에테르(dimethylether C₂H₆O), 디메틸-포름아미드(dimethyl- formamide (DMF), C₃H₇NO), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide(DMSO), C₂H₆OS), 디옥산(dioxane, C₄H₈O2), 에틸 아세테이트(ethyl acetate C₄H₈O₂), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol, C₂H₆O_{2 ),} 글리세린(glycerin, C₃H₈O₃), 헵탄(heptane, C₇H₁₆), 헥사메틸포스포아미드(Hexamethylphosphoramide (HMPA), C₆H₁₈N₃OP), 헥사메틸포스포로스 트리아미드(Hexamethylphosphorous triamide (HMPT), C₆H₁₈N₃P), 헥산(hexane C₆H₁₄), 메틸 터셔리-부틸 에테르(methyl t-butylether (MTBE), C₅H₁₂O), 메틸렌 클롤이드(methylene chloride, CH₂Cl₂), 노르말-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), CH₅H₉NO), 니트로메탄(nitromethane, CH₃NO₂), 펜탄(pentane C₅H₁₂), 페트롤리엄 에테르{Petroleum ether (ligroine)}, 1-프로파놀(1-propanol, C₃H₈O), 2-프로파놀(2-propanol, C₃H₈O), 피리딘(pyridine, C₅H₅N), 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran (THF), C₄H₈O), 톨루엔(Toluene, C₇H₈), 트리에틸 아민(triethyl amine, C₆H₁₅N), 오르소-크실렌(o-xylene, C₈H₁₀), 메타-크실렌(m-xylene, C₈H₁₀), 및 파라-크실렌(p-xylene, C₈H₁₀)을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.

계속해서, 상기 그래핀 함유 용액 또는 상기 그래핀 산화물 함유 용액과 고분자를 섞어 그래핀·고분자 혼합 용액을 제조한다(제 3단계, S20). 상기 고분자는 나일론(Nylon-6,6), 폴리아미드(Polyamide-6,6), 폴리우레탄(polyurehthanes, PU), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리엑틱 엑시드(polylactic acid, PLA), 폴리에틸렌 코비닐아세테이트(Polyethylene-co-vinyl acetate, PEVA), 폴리메틸 메타크릴레이트(poly methyl methacrylate, PMMA), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아닐린(polyaniline, PANI), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리비닐페놀(polyvinyl phenol, PVP), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 셀룰로이드(Celluloid), 셀룰로스 아세테이트(Cellulose acetate), 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide, PAAm), 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 폴리비닐라이덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리에터이미드(polyetherimide), 폴리이미드(polyimide), 폴리나프타레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 콜라겐(Collagen), 피브린(Fibrin), 키토산(Chitosan), 및 젤라틴(gelatin)을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.

계속해서, 도 1 및 도 2를 참조하면, 3차원 형태의 전도성 집전체(40)를 제조한다(제 3 단계, S30). 이하에서, 이를 구체적으로 설명하기로 한다.

도 3a는 본 발명의 일 예에 따른 필터 제조 과정에 사용되는 집전체의 단면도이다. 도 3b 내지 3e는 본 발명의 예들에 따른 집전체의 사시도들이다.

도 2 및 3a~3e를 참조하면, 상기 집전체(40)는 지지 기판(10)과, 상기 지지 기판(10)으로부터 돌출된 지지부(20)와 상기 지지부(20) 상에 배치되는 3차원 형상부(30)를 포함한다. 상기 집전체(40)는 알루미늄이나 구리와 같은 도전성 물질로 형성될 수 있다. 상기 지지부(20)의 하단은 상기 지지기판(10)에 나사산에 의해 결합될 수 있다. 상기 지지 기판(10)은 가로폭(W1)과 세로폭(W2)을 가질 수 있다. 일 예에 있어서, 상기 가로폭(W1)은 약 10cm이다. 상기 세로폭(W2)은 일 예에 있어서, 약 5cm이다. 상기 지지 기판(10)의 수직 길이(T1)는 예를 들면, 약 1cm일 수 있다. 상기 지지부(20)의 폭(W3)은 상기 형상부(30)의 폭(W4)보다 작을 수 있다. 상기 지지부(20)의 폭(W3)은 예를 들면 약 0.5cm 이다. 상기 형상부(30)의 촉(W4)은 예를 들면 약 1cm 이다. 상기 지지부(20)의 수직 길이(T2)는 예를 들면 약 2cm일 수 있다. 상기 형상부(30)의 수직 길이(T3)는 예를 들면 약 2cm일 수 있다. 상기 형상부(30)는 도 3b에서처럼 원기둥 형태를 가지거나 도 3c에서처럼 직육면체의 형태를 가질 수 있다. 또는 상기 형상부(30)는 피라미드 형이나 여러 면을 가지는 다면체 또는 다공체일 수 있다. 도 3d나 3e에서처럼, 상기 형상부(30)의 표면에는 패턴(31)이 형성될 수 있다. 상기 패턴(31)은 복수개의 선이나, 원, 다각형, 글씨 또는 그림 모양일 수 있다.

도 4a 및 4b는 본 발명의 예들에 따라 집전체 표면에 형성되는 패턴의 모양들과 패턴 상에 형성되는 고분자 나노 섬유의 형상들을 나타낸다.

도 4a를 참조하면, 상기 패턴(31)은 복수개의 서로 평행한 선일 수 있다. 이때 선들의 간격(D1)은 약 1mm~5cm일 수 있다. 또는 도 4b를 참조하면, 상기 패턴(31)은 교차하는 복수의 선들일 수 있으며, 이때 이웃하는 선들 간의 간격(D1)은 약 1mm~5cm일 수 있다.

도 4a 및 4b에서 도시하지는 않았지만, 상기 패턴(31)이 원(circle)일 경우, 원의 직경은 약 1mm~5cm일 수 있다. 또는 상기 패턴(31)이 다각형일 경우, 다각형의 한 변(side)의 길이는 약 1mm~5cm일 수 있다. 또는 상기 패턴(31)이 글씨 또는 그림일 경우, 글씨들 또는 그림들 간의 간격은 약 1mm~1cm일 수 있다.

상기 집전체(40)의 상기 형상부(30) 표면에 분리층이 추가로 배치될 수 있다. 상기 분리층은 절연성 고분자막, 부직포, 실리콘 필름 또는 종이일 수 있다.

이와 같이 집전체(40)를 제조한 후에, 다시 도 1 및 도 2를 참조하여, 상기 그래핀·고분자 혼합 용액(60)을 주사기(50) 안에 넣고, 주사기(50)의 바늘(또는 노즐, 55)을 통해 상기 집전체(40)의 형상부(30)의 표면 상으로 전기방사한다(제 4단계, S40). 이때 상기 주사기(50)와 상기 집전체(40)에는 특정 전압이 인가될 수 있다. 이로써 상기 집전체(40)의 상기 형상부(30)의 표면에 고분자 나노 섬유(61)와 이에 부착된 그래핀 입자들 또는 그래핀 산화물 입자들을 포함하는 3차원 그래핀·고분자 복합 필터가 형성된다. 상기 바늘(55)은 단일 모드이거나 다중 모드일 수 있다. 상기 바늘(55)이 단일 모드일 경우, 상기 바늘(55)은 하나의 구멍을 가질 수 있다. 상기 바늘(55)이 다중 모드일 경우, 상기 바늘(55)은 두개 이상의 구멍을 가질 수 있다. 예를 들어 상기 바늘(55)이 듀얼 모드일 경우, 상기 바늘(55)은 두개의 구멍을 가지되, 가운데 하나의 제 1 구멍이 있으며 상기 제 1 구멍을 둘러싸는 외곽의 제 2 구멍을 포함할 수 있다.

도 4a 및 4b에서처럼, 상기 필터를 형성하는 전기 방사 단계(S40) 동안, 상기 고분자 나노 섬유(61)는 상기 패턴(31)의 선들과 교차하도록 형성될 수 있다.

그리고 상기 3차원 그래핀·고분자 복합 필터를 상기 집전체(40)의 형상부(30)로부터 분리한다(제 5 단계, S50). 상기 분리 작업을 위해 진공 건조 및 열처리등의 과정이 필요할 수 있다.

상기 필터 제조 방법에 있어서, 상기 3차원 형상부(30)를 가지는 집전체(40)를 이용하므로, 상기 필터를 간단하게 3차원 형태로 제조할 수 있다. 따라서 3차원 형태로 제조하기 위한 추가 공정을 필요로 하지 않는다.

또한 상기 필터 제조 방법에 있어서, 상기 집전체(40)의 형상부(30) 표면에 다양한 패턴(31)을 형성하여, 필터의 표면에도 간단하게 패턴을 형성할 수 있다. 이로써, 필터 제작의 필수 요소 중에 하나인 차압 조절에 유리하다.

일 예에 있어서, 상기 혼합 용액을 상기 집전체(40)의 상기 형상부(30)의 표면에 전기 방사하기(S40) 전에, 상기 집전체(40)의 상기 형상부(30)의 표면에 분리용 고분자 용액을 전기 방사하여 분리층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 분리용 고분자 용액은 그래핀 입자나 그래핀 산화물 입자를 포함하지 않을 수 있다. 상기 분리용 고분자 용액은, 상기 분리 작업시 상기 형상부(30) 표면으로부터 분리가 용이하도록, 열에 의해 쉽게 녹는 고분자를 포함할 수 있다.

도 5a는 분리용 고분자 용액의 전기 방사 없이, 제조된 필터의 사시도이다.

도 5a를 참조하면, 이와 같이 형성된 그래핀·고분자 복합 필터(100)는 바닥면(100a)과 상기 바닥면(100a)으로부터 연결된 측면(100b)을 포함하는 3차원 구조를 가질 수 있다. 상기 그래핀·고분자 복합 필터(100)는 컵과 같은 형태를 가질 수 있다. 상기 고분자 나노 섬유(61)에 고르게 분산되어 부착되는 그래핀 입자들(62) 또는 그래핀 산화물 입자들을 포함한다. 상기 고분자 나노 섬유(61)는 1 ~ 1000 nm 의 직경을 가질 수 있다. 상기 필터(100)는 그래핀 입자들(62) 또는 그래핀 산화물 입자들을 포함하므로, 항균성이 뛰어나다.

도 5b는 분리용 고분자 용액을 전기 방사한 후에, 제조된 필터의 사시도이다.

도 5b를 참조하면, 상기 필터(100)의 내부에 분리용 잔여 고분자막(110)이 남을 수 있다. 상기 분리용 잔여 고분자막(110)은 그래핀 입자들과 그래핀 산화물 입자들을 포함하지 않는다.

도 5a 및 5b의 필터들(100)의 표면에, 도시되지는 않았지만, 상기 형상부(30)의 표면의 패턴(31)들과 반대되는 형태의 패턴들이 형성될 수 있다. 이로써, 필터 제작의 필수 요소 중에 하나인 차압 조절에 유리하다.

<실험예 1: 3차원 그래핀·나일론 복합 필터의 제조>

① 제 1 단계(S10)에 따라, 그래핀 산화물 함유 용액을 제조하였다. 먼저, 그래핀 산화물은 베이 카본(Bay carbon) 사에서 구입한 그라파이트 분말(SP-1 graphite)을 모디파이드 휴멀스(modified Hummers)와 오픈만스(Offenmans) 방법으로 제조하였다. 상기 그래핀 산화물 분말을 증류수에 대하여, 0.05 ~ 0.5 중량% 의 중량비로 첨가한 후, 상기 용액을 4시간 동안 초음파 방법으로 분산하였다. 도 6은 이때 제조된 0.05중량%의 그래핀 산화물 용액(좌)과 0.5중량%의 그래핀 산화물 용액(우)의 사진을 나타낸다.

② 분산된 그래핀 산화물 용액을 14000 rpm 의 회전속도로 12시간 동안 원심분리한 후, 바닥의 그래핀 산화물 함유 용액만을 남기고 나머지 증류수는 제거하였다. 그래핀 산화물 함유 용액과 50 mL 포름산을 혼합한 후, 초음파 방법으로 다시 4시간 동안 분산하였다.

③ 제 2 단계(S20)에 따라, 20 g 나일론(Nylon-6)과 50 mL 그래핀 산화물 용액을 혼합한 후, 60 ℃의 교반기를 이용하여 4시간 동안 충분히 섞었다. 4시간 이후에는 짙은 회색의 그래핀 산화물·나일론 혼합용액이 제조되었다. 상기 혼합 용액에 분산되어 있는 그래핀 산화물의 입자의 상태를 확인하기 위해 상기 용액의 일부를 실리콘 기판 위에 올린 후에, 원자현미경으로 촬영하였으며, 그 촬영 사진을 도 7에 나타내었다. 도 7을 참조하면, 그래핀 산화물 입자의 두께는 약 0.5 ~ 2.8 nm 이었다.

④ 제 3 단계(S30)에 따라, 도 2, 3a 및 3b를 참조하여, 알루미늄으로 된 3차원 원기둥 형태의 형상부(30)를 가지는 집전체(40)를 제조하였다. 이때 지지 기판(10)의 가로폭(W1)은 10cm, 세로폭(W2)은 5cm, 수직 두께(T1)은 1cm 이었고, 지지부(20)의 폭(W3)은 0.5cm, 수직 두께(T2)은 2cm이었으며, 형상부(30)의 폭(W4)은 1cm, 수직 두께(T3)는 2cm이었다.

⑤ 분리용 고분자 용액으로, 나일론과 표면성질이 다른 즉 친수성인 분자량 400 K 폴리에틸렌 옥사이드를 증류수와 혼합하여 5 중량% 폴리에틸렌 옥사이드 용액을 제조하였다. 상기 제조된 5 중량% 폴리에틸렌 옥사이드 용액을 30G 바늘을 가지는 주사기에 주입한 후, 인가전압 7 kV, 주사기와 집전체와의 거리 10 cm, 용액 주입속도 0.1 ml/h 의 조건으로 준비된 집전체에 전기방사하였다. 그 후, 진공오븐에서 24시간 동안 건조하여 분리용 고분자막을 형성하였다.

⑥ 제 4 단계(S40)에 따라, 상기 제조된 그래핀 산화물·나일론 혼합용액을 25G 바늘이 달린 10 mL 주사기에 주입한 후, 인가 전압 5 ~ 30 kV, 주사기와 집전체와의 거리 10 cm, 용액 주입속도 0.2 ml/h 의 조건으로 고분자가 코팅된 집전체에 전기방사하였다.

⑦ 제 5 단계(S50)에 따라, 상기 제조된 그래핀 산화물·나일론 복합체를 집전체로부터 분리시키기 위하여, 50 ℃ 의 진공오븐에서 일주일 동안 건조하고, 그 후에 150 ℃, 1시간 동안 열처리하였다. 이로써 상기 분리용 고분자막이 열에 의해 녹으면서 상기 그래핀 산화물·나일론 복합체를 상기 집전체로부터 분리하여 그래핀 산화물·나일론 복합 필터를 제조할 수 있었다.

⑧ 상기 그래핀 산화물·나일론 복합 필터를 HI-AcOH(hydriodic acid with acetic acid) 용액를 이용한 상온 증기법으로 그래핀·나일론 복합필터로 환원하였다. 좀더 자세하게는, 2 ml 요오드화수소산/5 ml 초산 혼합용액이 담겨진 밀폐된 유리반응기에 그래핀 산화물·나일론 복합 필터를 넣고 40 ℃로 24시간 반응하였다. 그 후, 환원된 그래핀·나일론 복합필터를 완성하였다.

이와 같이 제조된 필터의 사진을 도 8에 나타내었다. 도 8을 참조하면, 원기둥 형태의 컵 모양의 하얀색의 3차원 그래핀·나일론 복합 필터를 확인할 수 있다.

도 9는 도 8의 일부분을 확대하여 측정한 전자현미경 사진이다. 도 9를 참조하면, 고분자 섬유와 이에 결합된 그래핀 입자를 확인할 수 있다. 그래핀 입자 부분의 직경은 1 ~ 2 ㎛로, 고분자 섬유의 직경 보다 두꺼움을 알 수 있다.

<실험예 2: 3차원 그래핀·폴리스티렌 복합 필터의 제조>

① 제 1 단계(S10)에 따라, 그래핀 분말은 준비된 그래핀 산화물 분말을 HI-AcOH 을 이용하여 환원하는 방법으로 제조하였다. 상기 제조된 그래핀 분말이 고르게 분산된 용액을 제조하기 위해, 47 mg 그래핀 파우더를 50 ml의 디메틸-포름아미드 용액에 섞은 후, 2시간 동안 초음파 방법으로 분산하여 그래핀 함유 용액을 제조하였다. 이때 제조된 0.1중량%의 그래핀 함유 용액의 사진을 도 10에 나타내었다.

② 제 2 단계(S20)에 따라, 20 g 폴리스티렌과 50 mL 그래핀 용액을 혼합한 후, 60 ℃의 교반기를 이용하여 4시간 동안 충분히 섞어 그래핀·폴리스티렌 혼합 용액을 제조하였다. 상기 혼합 용액에 분산되어 있는 그래핀의 입자의 상태를 확인하기 위해 상기 용액의 일부를 실리콘 기판 위에 올린 후에, 원자현미경으로 촬영하였으며, 그 촬영 사진을 도 7에 나타내었다. 도 11을 참조하면, 그래핀 입자의 두께는 약 0.5 ~ 2 nm 이었다.

③ 제 3 단계(S30)에 따라 실험예 1과 동일하게 집전체(40)를 제조하였다.

④ 제 4 단계(S40)에 따라, 상기 제조된 그래핀·폴리스티렌 혼합용액을 25G 바늘이 달린 10 mL 주사기에 주입한 후, 인가 전압 5 ~ 30 kV, 주사기와 집전체와의 거리 10 cm, 용액 주입속도 0.2 ml/h 의 조건으로 전기방사하였다.

⑤ 제 5 단계(S50)에 따라, 상기 제조된 그래핀·폴리스티렌 복합체는 50 ℃ 의 진공오븐에서 7일 동안 건조하였다. 그 후, 집전체와 분리하여 3차원 그래핀·폴리스티렌 복합 필터를 완성하였다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 그래핀·고분자 복합 필터의 제조 방법에 의하면, 3차원 형태의 독립형 그래핀·고분자 복합 필터를 원하는 형태와 크기로 손쉽게 제작할 수 있고, 이를 이용하여 실생활에서, 공기 혹은 수질 내의 오염물질 제거용 필터등 다양한 분야의 필터로 사용할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

10: 지지 기판
20: 지지부
30: 형상부
31: 패턴
40: 집전체
50: 주사기
55: 바늘
60: 혼합 용액
61: 고분자 나노섬유

Claims (15)

1. 그래핀 함유 용액 또는 그래핀 산화물 함유 용액을 제조하는 단계;
   상기 그래핀 함유 용액 또는 상기 그래핀 산화물 함유 용액과 고분자를 섞어 그래핀·고분자 혼합 용액을 제조하는 단계;
   3차원 형태의 전도성 집전체를 제조하는 단계;
   상기 혼합 용액을 상기 집전체 표면에 전기방사하여 3차원 그래핀·고분자 복합 필터를 형성하는 단계; 및
   상기 3차원 그래핀·고분자 복합 필터를 상기 집전체로부터 분리하는 단계를 포함하되,
   상기 집전체는 지지부와 상기 지지부 상에 배치되는 3차원 형상부를 포함하며,
   상기 3차원 그래핀·고분자 복합 필터를 상기 집전체로부터 분리하는 단계 전에 상기 3차원 그래핀·고분자 복합 필터는 상기 3차원 형상부의 상부면과 측면을 덮는 것을 특징으로 하는 필터 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 그래핀 함유 용액 또는 그래핀 산화물 함유 용액을 제조하는 단계는,
   그래핀 입자들 또는 그래핀 산화물 입자들을 용매에 분산시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 용매는, 물, 아세트산(acetic acid, C₂H₄O₂), 아세톤(acetone, C₃H₆O), 아세토니트릴(acetonitrile, C₂H₃N), 벤젠(benzene, C₆H₆), 1-부타놀(1-butanol, C₄H₁₀O), 2-부타놀(2-butanol, C₄H₁₀O), 2-부타논(2-butanone, C₄H₈O), 터셔리-부틸 알콜(t-butyl alcohol, C₄H₁₀O), 사염화탄소(carbon tetrachloride, CCl₄), 클로로벤젠(chlorobenzene, C₆H₅Cl), 클로로포름(chloroform, CHCl₃), 시클로헥산(cyclohexane, C₆H₁₂), 1,2-디클로로에탄(1,2-dichloroethane, C₂H₄Cl₂), 디클로로벤젠(chlorobenzene), 디클로로메탄(dichloromethane, CH₂Cl₂), 디에틸 에테르(ethyl ether, C₄H₁₀O), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol, C₄H₁₀O₃), 디글리메(디에틸렌 글리콜, 디메틸 에테르){diglyme (diethylene glycol, dimethyl ether), C₆H₁₄O₃), 1,2-디메톡시-에탄(1,2-dimethoxy-ethane (glyme, DME), C₄H₁₀O₂), 디메틸에테르(dimethylether C₂H₆O), 디메틸-포름아미드(dimethyl- formamide (DMF), C₃H₇NO), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide(DMSO), C₂H₆OS), 디옥산(dioxane, C₄H₈O2), 에탄올(ethanol, C₂H₆O), 에틸 아세테이트(ethyl acetate C₄H₈O₂), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol, C₂H₆O_{2 ),} 글리세린(glycerin, C₃H₈O₃), 헵탄(heptane, C₇H₁₆), 헥사메틸포스포아미드(Hexamethylphosphoramide (HMPA), C₆H₁₈N₃OP), 헥사메틸포스포로스 트리아미드(Hexamethylphosphorous triamide (HMPT), C₆H₁₈N₃P), 헥산(hexane C₆H₁₄), 메타놀(methanol, CH₄O), 메틸 터셔리-부틸 에테르(methyl t-butylether (MTBE), C₅H₁₂O), 메틸렌 클롤이드(methylene chloride, CH₂Cl₂), 노르말-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), CH₅H₉NO), 니트로메탄(nitromethane, CH₃NO₂), 펜탄(pentane C₅H₁₂), 페트롤리엄 에테르{Petroleum ether (ligroine)}, 1-프로파놀(1-propanol, C₃H₈O), 2-프로파놀(2-propanol, C₃H₈O), 피리딘(pyridine, C₅H₅N), 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran (THF), C₄H₈O), 톨루엔(Toluene, C₇H₈), 트리에틸 아민(triethyl amine, C₆H₁₅N), 오르소-크실렌(o-xylene, C₈H₁₀), 메타-크실렌(m-xylene, C₈H₁₀), 및 파라-크실렌(p-xylene, C₈H₁₀)을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 필터 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 고분자는 나일론(Nylon-6,6), 폴리아미드(Polyamide-6,6), 폴리우레탄(polyurehthanes, PU), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리엑틱 엑시드(polylactic acid, PLA), 폴리에틸렌 코비닐아세테이트(Polyethylene-co-vinyl acetate, PEVA), 폴리메틸 메타크릴레이트(poly methyl methacrylate, PMMA), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아닐린(polyaniline, PANI), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리비닐페놀(polyvinyl phenol, PVP), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 셀룰로이드(Celluloid), 셀룰로스 아세테이트(Cellulose acetate), 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide, PAAm), 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 폴리비닐라이덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리에터이미드(polyetherimide), 폴리이미드(polyimide), 폴리나프타레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 콜라겐(Collagen), 피브린(Fibrin), 키토산(Chitosan), 및 젤라틴(gelatin)을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 필터 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 혼합 용액을 상기 집전체 표면에 전기방사하는 단계 전에,
   분리용 고분자 용액을 상기 집전체 표면에 전기방사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 형상부의 표면에 선, 원, 다각형, 글씨 또는 그림 모양의 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 필터 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 패턴은 복수개의 선들을 포함하며,
   상기 3차원 그래핀·고분자 복합 필터는 고분자 나노 섬유와 상기 고분자 나노 섬유에 부착된 그래핀 입자들 또는 그래핀 산화물 입자들을 포함하며,
   상기 고분자 나노 섬유은 상기 패턴의 선들과 교차하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 필터 제조 방법.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 패턴은 복수개의 서로 평행하며 간격이 1mm~5cm인 선들인 것을 특징으로 하는 필터 제조 방법.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 패턴은 직경이 1mm~5cm인 원(circle)인 것을 특징으로 하는 필터 제조 방법.
10. 제 6 항에 있어서,
    상기 패턴은 1mm~5cm의 변(side) 길이를 가지는 다각형인 것을 특징으로 하는 필터 제조 방법.
11. 제 6 항에 있어서,
    상기 패턴은 1mm~1cm의 선폭을 가지는 글씨 또는 그림인 것을 특징으로 하는 필터 제조 방법.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 형상부는 원통형, 다면체 또는 다공체 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 필터 제조 방법.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 형상부는 도전성이며,
    상기 집전체는 상기 형상부 표면에 배치되는 분리층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 제조 방법.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 분리층은 절연성 고분자막, 부직포, 실리콘 필름 또는 종이인 것을 특징으로 하는 필터 제조 방법.
15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 방사는 단일 모드 또는 다중 모드의 노즐을 사용하는 것을 특징으로 하는 필터 제조 방법.

Images