KR102069725B1 - 3d 프린터용 여과장치. - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린터용 여과장치에 관한 것으로서, 3D 프린터의 챔버의 하우징에 설치되며, 4중 프리필터, 2중 탄소필터 및 헤파필터가 적층되어 7층 구조로 이루어지며, 3D 프린터의 동작 중 발생하는 휘발성 유기 화합물을 비롯한 초미세 먼지를 효율적으로 여과할 수 있는 여과장치에 관한 것이다.

Description

3D 프린터용 여과장치.{A Filter Unit For 3D Printer}

본 발명은 3D 프린터용 여과장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린터의 동작시 발생하는 각종 휘발성 유기화합물을 포함하는 초미세 먼지를 효과적으로 여과할 수 있는 여과장치에 관한 것이다.

3D 프린터는 플라스틱 재료를 녹여 굳히는 용융 적층 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM) 방식으로 대상물을 인쇄하는 장치인데 플라스틱 재료를 녹이고 굳히는 과정에서 100㎚ 이하 크기의 초미세 먼지가 다량 발생하고 있다. 이러한 초미세 먼지의 발생량은 일반 부엌에서 가스레인지로 요리할 때 발생하는 초미세 먼지와 비슷한 수준으로 알려져 있다. 특히, 이러한 초미세 먼지 중에는 벤젠, 톨루엔, 포름알데히드, 프탈레이트와 같은 휘발성 유기화합물이 포함되어 사용자의 건강을 위협하고 있다.

최근 미국 일리노이공대 브렌트 슈테펜 교수팀이 데스크톱 FDM 방식의 프린터가 얼마나 많은 초미세먼지를 방출하는지 실험한 결과를 살펴보면, 45㎥(학교 교실의 약 4분의 1)인 일반 사무실에 FDM 방식의 프린터를 작동시키면서 1분 간격으로 대기 중 입자 개수를 측정하면, 분당 최고 1900억 개의 초미세먼지가 검출되는 것으로 나타나 있다. 이는 가정에서 가스레인지로 요리를 하거나 향초를 태울 때, 레이저 프린터를 작동시킬 때 또는 담배 한 개비를 태울 때 나오는 초미세먼지의 농도와 비슷한 수치이다.

종래의 프린터에서도 분진이 발생하기 때문에 이를 제거하기 위하여 여과장치를 적용하고 있다.

예를 들어, 대한민국 등록특허공보 10-1707783호 및 10-1707784호에서는 잉크젯 프린터 장치에서 발생하는 잉크 분진을 제거하기 위한 헤파 필터가 개시되어 있고, 대한민국 등록특허공보 10-1104902호에서는 토너 방식의 프린터에서 발생하는 분진을 집진하기 위한 탄소 나노튜브와 키토산 복합재인 탄소 나노튜브-키토산 멤브레인을 포함하는 프린터용 집진필터가 개시되어 있다.

이러한 필터들은 종래의 잉크젯 프린터나 레이저 프린터와 같이 분진이 발생하는 환경에서 사용하기에는 적합하나 3D 프린터와 같이 초미세 먼지가 발생하는 환경에서 이를 여과하는 성능을 나타내지 못하는 문제가 있다.

한편, 대한민국 공개특허공보 10-2017-0088874호에서는 3D 프린터의 챔버에 유입되는 공기의 입자 및 오염물을 여과하기 위한 헤파(HEPA)필터 또는 울파(ULPA)필터가 개시되어 있다. 그러나 상기 필터는 단순히 챔버내로 유입되는 공기를 여과하기 위한 것으로 3D 프린터 동작 중 내부에서 발생하는 각종 휘발성 유기화합물을 포함하는 초미세 먼지를 여과하는 장치에 적용하기에는 부적합한 문제가 있다.

또한, 대한민국 등록특허공보 10-1802746호에서는 3D 프린터에서 발생하는 미세먼지 및 휘발성 유기 화합물을 저감시킬 수 있는 복합 필터로서 흡착필터 모듈, 프리필터 모듈, 울파필터 모듈로 구성된 여과장치를 개시하고 있으나, 상기 여과장치를 사용하였을 때의 항균도를 확인하였을 뿐 휘발성 유기 화합물이 충분히 여과되는지를 확인할 수 없어 그 효과가 불충분한 것으로 파악된다.

또한, 대한민국 등록특허공보 10-1594834호에서는 3D 프린터의 노즐 주위에 팬 및 필터를 포함하는 여과장치를 설치하여 재료의 용융 시 열분해에 의해 발생되는 독성물질이나 미세먼지 등이 장치 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있도록 하고 있으나, 단순히 카본필터나 헤파필터가 착탈 가능한 구조로 장착되는 것으로 기재되어 있을 뿐이며 휘발성 유기 화합물이나 초미세먼지가 어느 정도 제거되는지 확인할 수 없어 그 효과가 불충분한 것으로 파악된다.

대한민국 등록특허공보 10-1707783호 대한민국 등록특허공보 10-1707784호 대한민국 등록특허공보 10-1104902호 대한민국 공개특허공보 10-2017-0088874호 대한민국 등록특허공보 10-1802746호 대한민국 등록특허공보 10-1594834호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 4중 프리필터, 2중 탄소필터 및 헤파필터를 적층한 여과장치를 통하여 3D 프린터의 동작시 발생하는 각종 휘발성 유기화합물을 포함하는 초미세 먼지를 효과적으로 여과할 수 있는 3D 프린터용 여과장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 3D 프린터용 여과장치는 3D 프린터의 챔버의 하우징에 설치되며, 4중 프리필터, 2중 탄소필터 및 헤파필터가 적층되어 7층 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 7층 구조는 제1 프리필터, 제1 탄소필터, 제2 프리필터, 헤파필터, 제3 프리필터, 제2 탄소필터, 제4 프리필터의 순서로 적층되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 탄소필터는 활성탄 및 제올라이트를 포함할 수 있으며, 제올라이트가 흡착된 활성탄소섬유를 포함할 수도 있다.

본 발명에 따른 3D 프린터용 여과장치는 4중 프리필터, 2중 탄소필터 및 헤파필터를 적층한 여과장치를 적용함으로써 3D 프린터의 동작시 발생하는 각종 휘발성 유기화합물을 포함하는 초미세 먼지를 효과적으로 여과할 수 있는 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 3D 프린터용 여과장치의 적층 구조를 나타낸 단면도이다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 여과장치는 3D 프린터에 적용하기 위한 것으로 3D 프린터의 챔버의 하우징에 설치되며, 4중 프리필터, 2중 탄소필터 및 헤파필터가 적층되어 7층 구조로 이루어지는 것을 기술적 특징으로 한다.

3D 프린터는 일반적으로 외부의 공기가 차단되는 챔버에서 인쇄 작업이 이루어지며 내부에서 발생하는 초미세 먼지는 챔버 상단으로 부유하기 때문에 상기 여과장치는 챔버의 하우징 상단에 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 초미세 먼지를 여과장치에 집진하기 위하여 상기 여과장치의 전면 또는 후면에 블로우 팬을 결합할 수도 있다.

상기 7층 구조의 적층구조는 도 1에 도시된 바와 같이 형성될 수 있다. 즉, 제1 프리필터, 상기 제1 프리필터 상에 적층되는 제1 탄소필터, 상기 제1 탄소필터 상에 적층되는 제2 프리필터, 상기 제2 프리필터 상에 적층되는 헤파필터, 상기 헤파필터 상에 적층되는 제3 프리필터, 상기 제3 프리필터 상에 적층되는 제2 탄소필터, 상기 제2 탄소필터 상에 적층되는 제4 프리필터의 순서로 적층될 수 있다.

초미세 먼지를 제거하기 위한 필터로서 탄소필터와 헤파필터가 사용되는데 탄소필터와 헤파필터가 교차하여 적층될 때 그 전후에 프리필터가 삽입되는 구조로 이루어져 있다. 다양한 실험을 거친 결과, 이와 같이 7층 구조로 이루어질 때 3D 프린터에서 발생하는 초미세 먼지를 효율적으로 제거할 수 있는 것으로 나타났다. 종래기술에서와 같이 탄소필터나 헤파필터 중 어느 하나만 사용하거나 울파필터를 사용할 경우 초미세 먼지를 제거하기는 하나 제거 효율이나 여과장치의 유효 운전 시간이 불충분한 것으로 나타났다.

또한, 본 발명에서는 초미세 먼지의 여과 효율을 향상시키기 위하여 탄소필터에 활성탄 및 제올라이트를 혼합하거나, 또는, 제올라이트가 흡착된 활성탄소섬유를 혼합하고 있다. 이러한 활성탄 및 제올라이트, 또는, 제올라이트가 흡착된 활성탄소섬유는 탄소필터에 대하여 5 내지 30 중량% 혼합하여 제조함으로써 그 효율을 향상시킬 수 있다.

이때, 상기 활성탄은 비표면적이 400 내지 1600 ㎡/g이며 세공 용적이 30㎤/100g 이상인 활성탄을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 제올라이트는 FAU 결정구조의 제올라이트 Y 또는 MFI 결정구조의 ZSM-5가 적합한 것으로 나타났다. 또한, 은 또는 구리 이온 교환을 통하여 휘발성 유기화합물의 포집 효율이 더욱 향상될 수 있다. 이온 교환을 할 경우 제올라이트에 대하여 0.1 내지 0.5 중량% 함량으로 은 또는 구리 이온 교환을 하는 것이 바람직하다. 이온 교환 양이 상기 범위를 벗어나 너무 많거나 너무 적을 경우 담지가 제대로 이루어지지 않거나 담지 촉매에 의한 효과가 미미한 것으로 나타났다.

또한, 제올라이트를 활성탄소섬유에 담지하는 경우 활성탄소섬유에 대하여 5 내지 20 중량%의 제올라이트를 담지하는 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나 제올라이트의 함량이 너무 많아지면 담지되지 않는 제올라이트 분말이 발생하여 여과장치의 효율을 감소시킨다.

본 발명의 여과장치의 효율을 검증하기 위하여 표 1과 같은 구성으로 여과장치를 제조하였다. 표 1에서 탄소필터 1은 0.2 중량%의 구리 이온 교환 처리된 제올라이트 Y 5 중량% 및 활성탄 10 중량%를 함유한 것이며, 탄소필터 2는 0.2 중량%의 구리 이온 교환 처리된 ZSM-5 10 중량%를 담지시킨 활성탄소섬유를 함유한 것이다. 또한, 탄소필터 3은 활성탄 10 중량%를 함유한 것이며, 탄소필터 4는 제올라이트, 활성탄, 활성탄소섬유 등의 성분을 함유하지 않은 일반적인 탄소필터이다.

	1층	2층	3층	4층	5층	6층	7층
실시예1	프리	탄소1	프리	헤파	프리	탄소1	프리
실시예2	프리	탄소2	프리	헤파	프리	탄소2	프리
비교예1	프리	탄소	프리	-	-	-	-
비교예2	프리	헤파	프리	-	-	-	-
비교예3	프리	탄소3	프리	헤파	프리	탄소3	프리
비교예4	프리	탄소4	프리	헤파	프리	탄소4	프리
비교예5	프리	탄소1	프리	헤파	프리	-	-

제조된 여과장치를 시판되는 3D 프린터인 3DWOX DP200(신도리코)의 챔버 상부에 설치하고 1시간 동안 가동하면서 상기 여과장치를 통과해 나오는 기체를 분취하여 테들러 백에 수집하였다. 상기 테들러 백에 질소 기체 1ℓ를 혼합하고 60℃ 오븐에서 1시간 동안 가열한 후 실온에서 냉각하고 다시 질소 기체를 가득 채운 후 GC-FID로 TVOC의 양을 분석하였다. 또한, 비교를 위하여 여과장치를 설치하지 않고 배출구를 형성하여 수집한 기체를 blank로 분석하였다. 그 결과는 표 2와 같다.

	TVOC(ppm)	TVOC 감소율
blank	7.45	-
실시예1	0.58	92.2
실시예2	0.62	91.7
비교예1	4.85	34.9
비교예2	3.45	53.7
비교예3	1.36	81.7
비교예4	2.65	64.4
비교예5	2.12	71.5

시험 결과를 살펴보면, 실시예 1 및 2에 따른 여과장치를 적용하는 경우 TVOC의 양이 약 92% 감소하는 것으로 나타나 초미세 먼지를 효율적으로 여과하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 탄소필터에 제올라이트를 혼합하지 않은 비교예 3이나 제올라이트와 활성탄소를 혼합하지 않은 비교예 4의 경우 TVOC의 감소율이 81.7% 및 64.4%로 초미세 먼지의 여과 효율이 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.

또한, 카본필터나 헤파필터 1종만을 사용하여 여과하는 경우 비교예 1 및 2에서와 같이 TVOC 감소율이 매우 낮아 본 발명에서와 같이 7층 구조의 필터를 적용할 때 효율적인 여과가 가능하다는 것을 알 수 있었다.

또한, 탄소필터를 1개만 사용하여 5층 구조로 구성하는 경우 비교예 5에서와 같이 71.5%의 TVOC 감소율을 나타내어 7층 구조에 비해 여과효율이 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터 적층 수를 늘이면 여과효율이 증가할 것으로 예상되나 7층 이상의 구조로 적층하면 여과장치의 두께가 지나치게 두꺼워지고 실험에서도 TVOC 감소율의 더 향상되는 결과를 얻지 못해 7층 이상의 적층 구조는 불필요한 것으로 파악되었다.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (4)

1. 3D 프린터의 챔버의 하우징 상단에 설치되며, 4중 프리필터, 2중 탄소필터 및 헤파필터가 적층되어 7층 구조로 이루어지는 3D 프린터용 여과장치로서,
   상기 여과장치의 전면 또는 후면에 블로우 팬이 결합되며,
   상기 7층 구조는,
   제1 프리필터;
   상기 제1 프리필터 상에 적층되는 제1 탄소필터;
   상기 제1 탄소필터 상에 적층되는 제2 프리필터;
   상기 제2 프리필터 상에 적층되는 헤파필터;
   상기 헤파필터 상에 적층되는 제3 프리필터;
   상기 제3 프리필터 상에 적층되는 제2 탄소필터;
   상기 제2 탄소필터 상에 적층되는 제4 프리필터;
   로 이루어지며,
   상기 탄소필터는 0.2 중량%의 구리 이온 교환 처리된 MFI 결정구조의 ZSM-5 제올라이트가 흡착된 활성탄소섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 여과장치.
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