KR102273728B1

KR102273728B1 - 나노 멤브레인, 나노 멤브레인 조립체 및 나노 멤브레인 제조방법

Info

Publication number: KR102273728B1
Application number: KR1020200095919A
Authority: KR
Inventors: 최정영; 김성진; 박준영; 이범준; 남기택
Original assignee: 코오롱머티리얼 주식회사
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2021-07-06
Also published as: JP2023536178A; CN116096483A; US20230271137A1; WO2022025336A1

Abstract

방진성이 향상되어 PCB, MEMS 마이크 등의 전자 기기 내부로 물질, 오염/먼지 등이 유입되는 것을 효과적으로 방지하고, 아울러 공기 및 음향 투과도가 저하되지 않는 나노 멤브레인이 개시된다. 본 발명은 평균 직경이 0.5~20㎛인 복수의 기공을 포함하며, 상기 각 기공의 최대 직경이 30㎛이고, 상기 각 기공의 최소 직경은 0.1㎛이며, 기공도가 50~90%인 나노 멤브레인이다.

Description

나노 멤브레인, 나노 멤브레인 조립체 및 나노 멤브레인 제조방법{Nano membrane, nano membrane assembly and manufacturing method of nano membrane}

본 발명은 방진성이 우수한 나노 멤브레인과 나노 멤브레인을 포함한 조립체에 관한 것이다.

인쇄 회로 기판(PRINTED CIRCUIT BOARD, PCB), 센서(Sensor), 마이크로 전자 기기 시스템(Micro Electro-Mechanical Systems, MEMS) 등의 전자 기기에는 내/외부로 소리 및 공기를 통과시키고, 먼지 등 이물질의 내부 유입을 방지할 수 있는 나노 멤브레인이 부착되어 있으며, 이러한 나노 멤브레인의 공기 및 음향 투과도는 저하시키지 않으면서 방진성은 향상시키기 위한 개발 및 연구가 다양하게 진행되고 있다.

공개특허 제10-2017-0094396호를 보면, 환경 배리어 멤브레인을 포함하는 벤트 조립체에 대하여 개시하고 있으나, 멤브레인의 투과도를 저하시키지 않으면서 방진성을 향상시키는 방안에 대하여는 언급하지 않고 있다.

대한민국 공개특허 제10-2017-0094396호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 방진성이 향상되어 PCB, MEMS 등의 전자 기기 내부로 물질, 오염/먼지 등이 유입되는 것을 효과적으로 방지하고, 아울러 공기 및 음향 투과도가 저하되지 않는 나노 멤브레인을 제공하는 것이다.

본 발명의 일실시예는, 평균 직경이 0.5~20㎛인 복수의 기공을 포함하며, 상기 각 기공의 최대 직경이 30㎛이고, 상기 각 기공의 최소 직경은 0.1㎛이며, 기공도가 50~90%인 나노 멤브레인이다.

상기 나노 멤브레인을 구성하는 소재의 체적저항이 1.6~2.0 X 10¹⁶Ω·cm(ASTM D257)이고, 유전강도가 200~600kV/mm(ASTM D149)일 수 있다.

상기 소재는 폴리이미드(PI), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌(PS), 스티렌메틸메타크릴레이트(SMMA) 또는 스티렌아크릴로니트릴(SAN)일 수 있다.

상기 나노 멤브레인의 두께는 1~30㎛일 수 있다.

상기 나노 멤브레인의 공기 투과도는 1~200 cm³/cm²/sec일 수 있다.

상기 나노 멤브레인의 단위 중량은 0.1~10g/m²일 수 있다.

상기 나노 멤브레인의 밀도는 0.1~1.0g/cm³일 수 있다.

상기 나노 멤브레인의 하기 방법에 따른 분진 포집효율은 95% 이상일 수 있다. 분진포집효율 측정방법으로, 분진크기 5㎛, 공기 유속 32ℓ/min 및 측정면적 100cm²에서 AFT 8130을 사용하였다.

상기 나노 멤브레인의 300℃에서의 열 수축률은 1% 이하일 수 있다.

상기 나노 멤브레인의 300℃에서의 중량 감소율은 1% 이하일 수 있다.

상기 나노 멤브레인은 나노 섬유들이 부직포 형태로 집적된 것일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 0.5~20㎛인 복수의 기공을 포함하고, 기공도는 50~90%이며, 두께는 1~30㎛이고, 공기 투과도는 1~200 cm³/cm²/sec이며, 하기 측정방법에 따른 분진 포집효율이 95% 이상인 방진용 나노 멤브레인이다. 분진포집효율 측정방법으로, 분진크기 5㎛, 공기 유속 32ℓ/min 및 측정면적 100cm²에서 AFT 8130을 사용하였다.

본 발명의 다른 실시예는 나노 멤브레인, 상기 나노 멤브레인의 일면에 연결되어 있는 접착제 및 상기 접착의 일면에 연결되어 있는 캐리어를 포함하는 방진용 나노 멤브레인 조립체이다.

본 발명의 다른 실시예는 마이크로 전자 기기 시스템(MEMS) 내부로 이물질이 유입되는 것을 막기 위해 상기 마이크로 전자 기기 시스템에 부착되는 멤스용 나노 멤브레인 조립체로서, 평균 직경이 0.5~20㎛인 복수의 기공을 가지며, 소재의 체적저항이 1.6~2.0 X 10¹⁶Ω·cm(ASTM D257)이고, 유전강도가 200~600kV/mm(ASTM D149)인 나노 멤브레인, 상기 나노 멤브레인 상에 연결되어 있는 접착제, 그리고 상기 접착제 상에 연결되어 있는 캐리어를 포함하는 멤스용 나노 멤브레인 조립체이다.

본 발명의 다른 실시예는 폴리아믹산 용액을 전기 방사하여 프리커서를 제조하는 전기 방사 단계, 상기 프리커서의 밀도와 두께를 조절하는 가공 단계, 상기 프리커서의 형태를 결정하는 컨버팅 단계, 그리고 컨버팅된 상기 프리커서를 경화하는 단계를 포함하며, 상기 전기 방사 단계에서, 상기 프리커서가 토출되는 방향으로 공기를 불어주는 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 제조방법이다.

상기 폴리아믹산 용액의 고형분은 5~30중량%이고, 용액점도는 200~300poise일 수 있다.

상기 전기 방사 단계의 토출속도는 3~8ml/min일 수 있다.

상기 가공 단계는 20~100℃의 온도에서 20~200kgf/cm² 압력을 가할 수 있다.

상기 경화는 200~400℃에서 10~30분간 진행될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 공기 및 음향 투과도를 저하시키지 않으면서 동시에 방진성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 폴리이미드 나노 멤브레인과 종래의 폴리이미드 멤브레인 및 PVDF 폴리이미드 멤브레인을 영상현미경으로 촬영한 사진이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예인 나노 멤브레인이 포함된 나노 멤브레인 조립체를 나타낸 도면이고,
도 3은 나노 멤브레인 조립체를 촬영한 사진이며,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 멤브레인 제조방법에 관한 흐름도이며,
도 5는 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 나노 멤브레인과 비교에 1에서 제조된 PVDF 나노 멤브레인의 열 중량 곡선을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

본 발명에 따른 나노 멤브레인(100)은 평균 직경이 0.5~20㎛인 복수의 기공을 포함한다. 각 기공의 최대 직경이 30㎛이고, 각 기공의 최소 직경은 0.1㎛이다. 기공들의 평균 직경은 바람직하게 1~10㎛이다. 그리고 나노 멤브레인(100)의 기공도는 50~90%이며, 바람직하게 60~85%이다.

기공들의 평균 직경이 0.5㎛ 미만, 각 기공의 최소 직경이 0.1㎛ 미만, 기공도가 50% 미만이면, 방진성은 우수하나 음향 투과도가 저하되어 음 손실이 발생할 수 있고, MEMS MIC 제조 시 MEMS MIC 내부의 압력이 상승되어 MEMS MIC의 물리적인 손상이 발생할 수 있다. 기공들의 평균 직경이 20㎛를 초과, 각 기공의 최대 직경이 30㎛를 초과, 기공도가 90%를 초과하면, 방진성이 저하될 수 있다.

나노 멤브레인(100)을 구성하는 소재의 체적저항은 1.6~2.0 X 10¹⁶Ω·cm(ASTM D257)이고, 유전강도는 200~600kV/mm(ASTM D149)이다. 체적저항 및 유전강도가 상기 범위 미만이면, 충분한 정전기가 발생되지 않아 방진성이 저하되어 MEMS MIC용으로 적합하지 않을 수 있고, 상기 범위를 초과하면 과도한 정전기가 발생하여 MEMS MIC 및 PCB에 전기적인 노이즈가 발생될 수 있다.

이러한 특성을 가지는 소재는 마찰에 의한 정전기를 발생시켜 먼지 등의 이물질을 포집하는 효과를 증진시킨다. 이로 인해 나노 멤브레인(100)의 방진성이 향상된다.

나노 멤브레인(100)을 형성하는 소재는 폴리이미드(PI), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌(PS), 스티렌메틸메타크릴레이트(SMMA) 또는 스티렌아크릴로니트릴(SAN)이 사용될 수 있다.

특히, 폴리이미드의 경우 내열성이 뛰어나기 때문에 열에 의한 손실을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 나노 멤브레인(100)의 수명을 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 나노 멤브레인(100)은 정전기를 발생시키는 소재로 구성됨으로써 직경이 큰 기공을 가짐에도 불구하고 우수한 방진효과를 나타낼 수 있다. 아울러 직경이 큰 기공을 가지기 때문에 음향손실은 최소화된다.

나노 멤브레인(100)의 두께는 1~30㎛이고, 바람직하게는 2~20㎛일 수 있다. 나노 멤브레인(100)의 두께가 1㎛ 미만이면 MEMS MIC 제조 시 MEMS MIC 내부의 압력이 상승되어 MEMS MIC의 물리적인 손상이 발생할 수 있으며, 방진성이 저하될 수 있다. 나노 멤브레인(100)의 두께가 30㎛를 초과하면, 방진성은 우수하나 음향 투과도가 저하되어 음손실이 발생할 수 있다.

나노 멤브레인(100)의 공기 투과도는 1~200 cm³/cm²/sec일 수 있고, 바람직하게는 100~200 cm³/cm²/sec일 수 있다. 공기 투과도가 1cm³/cm²/sec 미만이면 방진성은 우수하나, MEMS MIC 제조 시 MEMS MIC 내부의 압력이 상승되어 MEMS MIC의 물리적인 손상이 발생할 수 있고, 음향 투과도가 저하되어 음손실이 발생할 수 있다. 공기 투과도가 200cm³/cm²/sec을 초과하면, 방진성이 저하될 수 있다.

나노 멤브레인(100)의 단위 중량은 0.1~10g/m²일 수 있고, 바람직하게는 0.3~5g/m²일 수 있다. 단위 중량이 0.1g/m² 미만이면 MEMS MIC 제조 및 사용 시 진동과 충격에 의해 나노 멤브레인(100)이 파손될 수 있다. 단위 중량이 10g/m²을 초과하면 MEMS MIC 또는 PCB에 음손실이 발생할 수 있다.

나노 멤브레인(100)의 밀도는 0.1~1.0g/cm³일 수 있다. 밀도가 0.1g/cm³미만이면, 발생하는 정전기가 작아 방진성이 저하될 수 있다. 밀도가 10g/cm³를 초과하면 MEMS MIC 또는 PCB의 음향 신호에 노이즈가 발생할 수 있다.

나노 멤브레인(100)의 하기 측정방법에 따른 분진 포집효율은 95% 이상이고, 바람직하게는 98% 이상이다. 분진 포집효율이 95% 미만이면 MEMS MIC 제조 시 MEMS MIC 내부로 이물질이 유입되어 MEMS MIC의 품질에 영향을 줄 수 있다.

분진포집효율 측정방법으로는, 분진크기 5㎛, 공기 유속 32ℓ/min 및 측정면적 100cm²에서 AFT 8130(TSI사)을 사용하였다.

나노 멤브레인(100)의 300℃에서의 열 수축률은 1% 이하이고, 중량 감소율은 1% 이하이다.

MEMS MIC 제조 시 용접에 의해 MEMS MIC 내부는 최대 270℃까지 온도가 상승하나, 본 발명에 따른 나노 멤브레인(100)은 300℃에서의 열 수축률 및 중량 감소율이 각각 1% 이하이므로, MEMS MIC 제조 시 열에 의한 나노 멤브레인(100)의 파손을 방지할 수 있다.

나노 멤브레인(100)은 나노 섬유들이 부직포 형태로 집적된 것일 수 있으며, 나노 멤브레인(100)이 부직포 형태를 가짐으로써 무공형 멤브레인, 습식/건식 멤브레인, 타공/천공 필름 등과 비교할 때, 우수한 통기도를 가진다. 따라서 공기 및 음향 투과도는 저하되지 않고, 방진성은 향상되어 분진 등의 이물질이 PCB, 센서, MEMS MIC 등의 전자 기기 내부로 유입되는 것을 효율적으로 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 폴리이미드 나노 멤브레인과 종래의 폴리이미드 멤브레인 및 PVDF 폴리이미드 멤브레인을 영상현미경으로 촬영한 사진이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 부직포 형태는 나노 섬유들이 불규칙적으로 얽혀 직경이 큰 기공을 가진 형태이다. 직경이 큰 기공을 가짐으로써 공기투과도가 기존의 폴리이미드 멤브레인 및 PVDF 폴리이미드 멤브레인과 비교할 때 현저하게 향상될 수 있다.

부직포는 직포 천과 동일한 방식이 아닌, 개개의 섬유 또는 필라멘트의 구조를 갖는 시트를 의미한다. 부직포는 카딩(carding), 가네팅(garneting), 에어-레잉(air-laying), 웨트-레잉(wet-laying), 멜트 블로잉(melt blowing), 스펀본딩(spunbonding), 써멀본딩(thermal bonding) 및 스티치 본딩(stitch bonding)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 방법에 의하여 제조될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 평균 직경이 0.5~20㎛인 복수의 기공을 포함하고, 기공도는 50~90%이며, 두께는 1~30㎛이고, 공기 투과도는 1~200 cm³/cm²/sec이며, 하기 측정방법에 따른 분진 포집효율이 95% 이상인 방진용 나노 멤브레인(100)이다. 분진포집효율 측정방법으로는, 분진크기 5㎛, 공기 유속 32ℓ/min 및 측정면적 100cm²에서 AFT 8130을 사용하였다.

본 발명의 나노 멤브레인(100)은 평균 직경, 기공도, 두께 및 공기투과도를 가짐으로써 공기 및 음향 투과도는 저하되지 않으면서, 분진 포집효율은 95% 이상, 바람직하게는 98% 이상인 우수한 방진효과를 나타낼 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예인 나노 멤브레인이 포함된 나노 멤브레인 조립체를 나타낸 도면이고, 도 3은 나노 멤브레인 조립체를 촬영한 사진이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 나노 멤브레인(100)이 포함된 나노 멤브레인 조립체(200)는 나노 멤브레인(100)에 부착되는 캐리어(220)를 더 포함하고, 캐리어(220)는 중심부에 개구부가 형성되어 있다.

캐리어(220)는 접착제(210)를 통해 나노 멤브레인(100)에 부착될 수 있으며, 접착제(210)는 실리콘 계열 또는 아크릴 계열의 점착성 고분자일 수 있고, 바람직하게는 실리콘 계열일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

캐리어(220)가 나노 멤브레인(100)에 부착됨으로써, 나노 멤브레인(100)의 내구성을 향상시킬 수 있다.

나노 멤브레인 조립체(200)의 형상은 원형, 타원형, 직사각형, 끝이 둥근 직사각형, 다각형, P자 형태 등의 형상일 수 있으며, 이에 한정되지 않고 PCB, 센서, MEMS MIC 등의 전자 기기에 따라 다양한 형상일 수 있다.

또한, 나노 멤브레인 조립체(200)가 부착된 PCB, 센서, MEMS MIC(MEMS Microphone) 등의 전자 기기는 내부로 소리, 공기 등은 유입시키면서 이물질 등의 유입은 차단할 수 있으며, 이물질의 유입이 차단됨에 따라 내구도 등이 향상되어 사용수명이 길어질 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 마이크로 전자 기기 시스템(MEMS) 내부로 이물질이 유입되는 것을 막기 위해 상기 마이크로 전자 기기 시스템에 부착되는 멤스용 나노 멤브레인 조립체(200)로서, 평균 직경이 0.5~20㎛인 복수의 기공을 가지며, 소재의 체적저항이 1.6~2.0 X 10¹⁶Ω·cm(ASTM D257)이고, 유전강도가 200~600kV/mm(ASTM D149)인 나노 멤브레인(100), 나노 멤브레인 상에 연결되어 있는 접착제(210), 그리고 접착제(210) 상에 연결되어 있는 캐리어(220)를 포함하는 멤스용 나노 멤브레인 조립체(200)이다.

이와 같이 본 발명에 따른 멤스용 나노 멤브레인 조립체(200)는 우수한 방진성을 나타내는 나노 멤브레인(100)을 포함하고 있으며, 이에 따라 멤스, 바람직하게는 멤스 마이크(MEMS MIC) 내부로 공기 및 음향은 투과시키면서 먼지 등 이물질의 유입은 차단시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 멤브레인 제조방법에 관한 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명은 폴리아믹산 용액을 전기 방사하여 프리커서를 제조하는 전기 방사 단계, 상기 프리커서의 밀도와 두께를 조절하는 가공 단계, 상기 프리커서의 형태를 결정하는 컨버팅 단계, 그리고 컨버팅된 상기 프리커서를 경화하는 단계를 포함한다. 상기 전기 방사 단계에서, 프리커서가 토출되는 방향으로 공기를 불어줄 수 있다.

본 발명에서 폴리아믹산 용액은 디아민 단량체 및 디언하이드라이드 단량체를 용매에 용해시켜 제조될 수 있다.

디아민 단량체는 4,4'-옥시디아닐린(4,4'-oxydianiline, ODA), 1,3-비스(4-아미노페녹시)벤젠(1,3-bis(4-aminophenoxy)benzene, RODA), p-페닐렌 디아민(p-phenylene diamine, p-PDA) 및 o-페닐렌 디아민(o-phenylene diamine, o-PDA)으 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 4,4'-옥시디아닐린(4,4'-oxydianiline, ODA), p-페닐렌 디아민(p-phenylene diamine, p-PDA), o-페닐렌 디아민(o-phenylene diamine, o-PDA) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

디언하이드라이드 단량체는 피로멜리트산 무수물(pyromellyrtic dianhydride, PMDA), 3,3',4,4'-벤조페논 테트라카르복실산 이무수물(3,3',4,4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride, BTDA), 4,4'-옥시디프탈산무수물(4,4'-oxydiphthalic anhydride, ODPA), 3,4,3',4'-비페닐테트라카르복실산 무수물(3,4,3',4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride, BPDA), 및 비스(3,4-카르복시페닐디메틸실란 이무수물(bis(3,4-dicarboxyphenyl)dimethylsilane dianhydride, SiDA)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

용매는 m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름 및 γ-부티로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 디메틸포름아미드(DMF) 용액일 수 있다.

폴리아믹산 용액의 고형분은 5~30중량%이고, 용액점도는 200~300poise일 수 있으며, 바람직하게는 고형분이 10~20중량%이고, 용액점도가 220~280poise일 수 있다. 용액점도는 KS M ISO 2555 방법으로 23 ℃ 온도에서 측정할 수 있다. 고형분의 함량이 5중량% 미만이고, 용액점도가 200poise 미만이면, 전기 방사 과정에서 고분자의 함량이 낮아 섬유가 생성되지 못하고 비드 상으로 분사될 수 있다. 고형분의 함량이 30중량%를 초과하고, 용액점도가 300poise를 초과하면 전기 방사 과정에서 고화가 발생하여 나노 멤브레인의 결점이 증가할 수 있다.

전기 방사 단계는 폴리아믹산 용액을 전기 방사하여 프리커서를 제조하는 단계이다. 전기 방사 단계에서 프리커서를 분산시키기 위해 프리커서가 토출되는 방향으로 공기를 불어줄 수 있다. 공기의 방향은 프리커서를 분산시키기 위해 프리커서가 토출되는 방향을 기준으로 다양한 각도로 조절될 수 있다.

전기 방사 시 노즐에서 폴리아믹산 용액이 방사되어 프리커서가 제조되고, 방사된 프리커서 간에 발생하는 정전기력으로 인해 프리커서가 분산된다. 이때 프리커서를 더욱 넓은 범위로 분산시키기 위하여 소정의 각도로 프리커서를 향해 공기를 불어줄 수 있다. 공기의 압력으로 인해 프리커서는 더욱 넓은 범위로 분산되어 쌓이게 된다. 이 과정에서 프리커서에 포함된 용매가 제거된다.

본 발명에서는 프리커서를 향해 공기를 불어줌으로써 프리커서를 더욱 넓은 범위로 분산시킬 수 있고, 이에 따라 제조되는 나노 멤브레인(100)은 직경이 큰 기공을 가지며, 높은 공기 투과도를 가진다.

또한, 전기 방사 단계에서 용매를 효율적으로 제거하기 위하여 수평 방향으로 공기를 주입할 수 있으며, 이러한 수평 방향으로 주입된 공기와 프리커서를 분산시키기 위한 공기의 양을 조절하여 나노 멤브레인(100)의 기공 크기, 기공도 등을 조절할 수 있다.

전기 방사 단계에서 토출속도는 2~8㎖/min일 수 있고, 바람직하게는 3~5㎖/min일 수 있다. 토출속도가 2㎖/min 미만이면, 적층되는 섬유의 양이 적어 생산성이 저하되거나 층간 박리가 발생할 수 있고, 기공도 및 기공 직경이 커져 방진성이 저하될 수 있다. 토출속도가 8㎖/min를 초과하면 챔버 내 용매의 포화 농도가 증가하여 용매의 미휘발이 진행되고, 이에 따라 최종적으로 제품이 재용해되어 필름화하는 문제가 발생할 수 있다.

전기 방사는 전압 10~100 kV에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 50~90 kV에서 수행될 수 있다. 전압이 10 kV 미만이면, 전기 방사가 용이하지 않을 수 있다. 전압이 100 kV를 초과하면, 전기 방사 공정 중 절연에 취약한 부분에서 스파크가 발생하여 제품의 손상이 발생하거나 정전기에 의해 이송 중 박리되는 문제가 있을 수 있다.

가공 단계는 전기 방사 단계에서 쌓인 프리커서의 밀도와 두께를 조절하는 단계로서 2단 연속 캘린더를 통해 수행될 수 있다. 가공 단계는 20~100℃의 온도에서 20~200kgf/cm² 압력을 가하여 수행될 수 있고, 바람직하게는 30~80℃의 온도에서 30~150kgf/cm² 압력을 가하여 수행될 수 있다. 온도가 20℃ 미만이고, 압력이 20kgf/cm²미만이면 나노 멤브레인(100)의 벌키성이 과도하여 나노 멤브레인(100)의 내구성이 저하될 수 있다. 온도가 80℃를 초과하고, 압력이 200kgf/cm²를 초과하면 나노 멤브레인(100)의 벌키성이 낮아 음투과도가 저하될 수 있다.

컨버팅 단계는 가공된 프리커서의 형태를 결정하는 단계이다. 컨버팅은 원하는 폭의 용품을 얻기 위한 슬릿팅과 원하는 길이의 용품을 얻기 위한 절단(guillotining)과 같은 횡절삭을 포함할 수 있고, 원하는 형상의 용품을 얻기 위한, 예를 들면 평압식 또는 회전식 다이 커팅을 포함할 수 있다.

경화 단계는 컨버팅된 프리커서에 열을 가하는 단계로서, 200~400℃에서 10~30분간 수행될 수 있고, 바람직하게는 250~350℃에서 15~25분간 진행될 수 있다. 경화 단계에서 온도가 200℃ 미만이고, 시간이 10분 미만이면 경화가 진행되지 않아 습도와 일광에 의해 소재의 분자량이 저하되어 멤브레인이 파손될 수 있다. 온도가 300℃를 초과하고, 시간이 30분을 초과하면 과도한 열에 의해 열수축이 발생할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 구체적인 실시예를 들어 설명한다.

실시예 1

고형분이 11중량%이고, 용액점도 250poise(KS M ISO 2555, 23 ℃)인 폴리아믹산 용액 5L를 제조하였다.

제조된 폴리아믹산 용액을 용액 탱크에 이송한 후, 이를 정량 기어펌프를 통해 노즐이 20개로 구성되고 고전압이 60kV로 인가된 방사 챔버로 공급하고, 전기 방사하여 프리커서를 제조하였다. 이때 토출속도는 4 ml/min이고, 노즐과 집적판 사이의 거리와 노즐 끝단 거리의 비는 1.2이었으며, 프리커서가 토출되는 방향으로 소정의 각도로 공기를 불어넣어 프리커서를 분산시켰다.

이후, 프리커서를 롤투롤 방식으로 이송시키면서 65℃의 온도로 유지된 2단 연속 캘린더를 사용하여 100kgf/㎝²의 선압력을 가하여 가공하고, 컨버팅 공정을 거쳐 두께 5㎛, 단위 중량 3g/m²인 컨버팅된 프리커서를 제조하였다.

이후, 컨버팅된 프리커서를 롤투롤 방식으로 이송시키면서 300℃의 온도로 유지된 연속 경화로에서 20분 동안 열경화하여, 최종적으로 두께 4㎛ 및 단위 중량 2g/m²인 폴리이미드 나노 멤브레인을 제조하였다.

실시예 2

실시예 1에서 경화 시 온도 및 시간을 250℃ 및 30분으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 나노 멤브레인를 제조하였다.

실시예 3

실시예 1에서 경화 시 온도 및 시간을 350℃ 및 10분으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 나노 멤브레인를 제조하였다.

실시예 4

실시예 1에서 토출속도 및 인가 전압을 8ml/min 및 90kV로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 나노 멤브레인를 제조하였다.

실시예 5

실시예 1에서 폴리아믹산 용액의 고형분 및 용액점도를 12중량% 및 280poise(KS M ISO 2555, 23 ℃)로 변경하고, 인가 전압을 65kV로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 나노 멤브레인를 제조하였다.

실시예 6

고형분이 8중량%이고, 용액점도 200poise(KS M ISO 2555, 23 ℃)인 폴리아믹산 용액 5L를 제조하였다.

제조된 폴리아믹산 용액을 용액 탱크에 이송한 후, 이를 정량 기어펌프를 통해 노즐이 20개로 구성되고 고전압이 60kV로 인가된 방사 챔버로 공급하고, 전기 방사하여 프리커서를 제조하였다. 이때 토출속도는 3 ml/min이고, 노즐과 집적판 사이의 거리와 노즐 끝단 거리의 비는 1.2이었으며, 프리커서가 토출되는 방향으로 소정의 각도로 공기를 불어넣어 프리커서를 분산시켰다.

이후, 프리커서를 롤투롤 방식으로 이송시키면서 65℃의 온도로 유지된 2단 연속 캘린더를 사용하여 100kgf/㎝²의 선압력을 가하여 가공하고, 컨버팅 공정을 거쳐 두께 1.5㎛, 단위 중량 1g/m²인 컨버팅된 프리커서를 제조하였다.

이후, 컨버팅된 프리커서를 롤투롤 방식으로 이송시키면서 300℃의 온도로 유지된 연속 경화로에서 10분 동안 열경화하여, 최종적으로 두께 1㎛ 및 단위 중량 0.5g/m²인 폴리이미드 나노 멤브레인을 제조하였다.

실시예 7

고형분이 15중량%이고, 용액점도 300poise(KS M ISO 2555, 23 ℃)인 폴리아믹산 용액 5L를 제조하였다.

제조된 폴리아믹산 용액을 용액 탱크에 이송한 후, 이를 정량 기어펌프를 통해 노즐이 20개로 구성되고 고전압이 80kV로 인가된 방사 챔버로 공급하고, 전기 방사하여 프리커서를 제조하였다. 이때 토출속도는 3 ml/min이고, 노즐과 집적판 사이의 거리와 노즐 끝단 거리의 비는 1.2이었으며, 프리커서가 토출되는 방향으로 소정의 각도로 공기를 불어넣어 프리커서를 분산시켰다.

이후, 프리커서를 롤투롤 방식으로 이송시키면서 65℃의 온도로 유지된 2단 연속 캘린더를 사용하여 100kgf/㎝²의 선압력을 가하여 가공하고, 컨버팅 공정을 거쳐 두께 6㎛, 단위 중량 4g/m²인 컨버팅된 프리커서를 제조하였다.

이후, 컨버팅된 프리커서를 롤투롤 방식으로 이송시키면서 300℃의 온도로 유지된 연속 경화로에서 10분 동안 열경화하여, 최종적으로 두께 5㎛ 및 단위 중량 3g/m²인 폴리이미드 나노 멤브레인을 제조하였다.

비교예 1

폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF, Polyvinylidene difluoride)을 디메틸포름아미드(DMF) 용매에 용해시켜 고형분이 15중량%이고, 용액점도 250poise(KS M ISO 2555, 23 ℃)인 전기 방사 용액 5L를 제조하였다.

제조된 전기 방사 용액을 용액 탱크에 이송한 후, 이를 정량 기어펌프를 통해 노즐이 20개로 구성되고 고전압이 60kV로 인가된 방사 챔버로 공급하고, 전기 방사하여 PVDF 나노 멤브레인을 제조하였다. 이때 토출속도는 4 ml/min이고, 노즐과 집적판 사이의 거리와 노즐 끝단 거리의 비는 1.2이었다.

비교예 2

제조된 폴리아믹산 용액을 용액 탱크에 이송한 후, 이를 정량 기어펌프를 통해 노즐이 20개로 구성되고 고전압이 60kV로 인가된 방사 챔버로 공급하고, 전기 방사하여 프리커서를 제조하였다. 이때 토출속도는 4 ml/min이고, 노즐과 집적판 사이의 거리와 노즐 끝단 거리의 비는 1.2이었다.

이후 300℃의 온도로 유지된 연속 경화로에서 20분 동안 열경화하여, 최종적으로 두께 25㎛ 및 단위 중량 13g/m²인 폴리이미드 나노 멤브레인을 제조하였다.

실험예 1

실시예 1, 비교에 1 및 2에서 제조된 나노 멤브레인의 표면을 영상현미경을 이용하여 60배, 160배 및 1000배율로 사진을 촬영하였으며, 이에 대한 결과를 도 1에 나타내었다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 나노 멤브레인(실시예 1)의 경우, 1000배에서 기공의 직경이 매우 큰 것을 알 수 있고, 이로부터 PVDF 나노 멤브레인(비교예 1) 및 종래의 폴리이미드 나노 멤브레인(비교예 2)보다 우수한 공기 투과도를 나타낼 수 있다.

실험예 2

실시예 1 내지 7, 비교예 1 및 2에서 제조된 나노 멤브레인의 단위 중량, 두께, 기공도, 공기투과도 및 기공크기를 하기 측정 방법에 따라 측정하였고, 이를 하기 표 1에 나타내었다.

[측정 방법]

단위 중량 : KS K 0514 또는 ASTM D 3776

두께 : KS K 0506 또는 KS K ISO 9073-2, ISO 4593

기공도 : 하기 수학식 1에 따라 나노섬유 멤브레인의 전체 부피 대비 공기 부피의 비율로 계산함(전체 부피는 직사각형 또는 원형 형태의 샘플을 제조하여 가로, 세로, 두께를 측정하여 계산하고, 공기 부피는 샘플의 질량을 측정 후 밀도로부터 역산한 고분자 부피를 전체 부피에서 빼서 계산하였음).

[수학식 1]

기공도(%) = [1 - (A/B)]×100 = {1 - [(C/D)/ B]}×100

수학식 1에서, A는 나노 멤브레인의 밀도, B는 나노 멤브레인 고분자의 밀도, C는 나노 멤브레인의 중량, D는 나노 멤브레인의 부피임.

공기 투과도 : ASTM D 737, 면적 38㎠, 정압 125Pa의 조건으로 측정하였음(㎤/㎠/s를 CFM으로 환산할 수 있고, 환산계수는 0.508016이며 그 단위는 ft³/ft²/min(CFM) 임)

평균 기공 직경 : ASTM F316에 규정된 모세관 흐름 공극 측정기(capillary flow porometer, CFP)를 사용하여 가장 협소한 구간에서의 공극 크기인 제한 공극의 직경에서 평균 공극 크기 및 공극의 크기 분포를 측정함.

구분	단위중량 (g/m²)	두께 (㎛)	기공도 (%)	공기투과도 (cm³/cm²/sec)	기공직경 (㎛)	평균기공직경 (㎛)
실시예 1	2	4	85	120	4~20	10
실시예 2	2	4	85	120	4~20	10
실시예 3	2	4	85	120	4~20	10
실시예 4	2	4	70	80	3~8	5
실시예 5	2	4	90	150	6~35	20
실시예 6	0.5	1	30	40	0.5~4	2
실시예 7	3	5	75	110	5~30	15
비교예 1	2	4	80	30	0.5~3	1.5
비교예 2	13	25	80	5	1~5	2

상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 폴리이미드 나노 멤브레인(실시예 1 내지 7)의 경우, PVDF 나노 멤브레인(비교예 1)보다 공기투과도가 매우 우수한 것을 확인할 수 있다.

또한, 기공도가 30%로 낮은 경우(실시예 6)에도 기공도가 80%인 PVDF 나노 멤브레인(비교예 1)보다 공기투과도가 우수한 것을 확인할 수 있다.

또한, 종래의 방법에 따라 제조된 폴리이미드 나노 멤브레인(비교예 2)의 경우, 본 발명에 따라 제조된 폴리이미드 나노 멤브레인(실시예 1 내지 7)와 비교할 때, 통기도가 매우 저조한 것을 확인할 수 있다.

실험예 3

실시예 1 내지 7, 비교예 1 및 2에서 제조된 나노 멤브레인에 아크릴계 점착성 조성물(폴리아크릴아미드)을 부착하고 캐리어로 폴리이미드 필름을 부착하여 나노 멤브레인 조립체를 제조하였다. 나노 멤브레인 조립체를 이용하여 음향투과손실, 통기성 및 방진성을 하기 측정방법에 따라 평가하였고, 이에 대한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

[측정방법]

음투과손실 : 스피커의 주파수 범위(100~20,000Hz)에서 마이크의 감도 변화를 확인하였으며, 마이크 감도를 인식하는 MEMS에 나노 멤브레인 조립체를 부착한 경우와 부착하지 않은 경우의 민감도(Sensitivity)를 측정하여 음손실 정도를 평가하였음.

분진포집효율(방진성) : 분진크기 5㎛, 공기 유속 32ℓ/min 및 측정면적 100cm²에서 AFT 8130을 사용하여 측정함.

구분	음투과손실(insertion Loss) (dB/pa@94dB))	방진성 (%)
실시예 1	1.5	98.5
실시예 2	1.5	96.0
실시예 3	1.5	97.5
실시예 4	3.5	99.0
실시예 5	0.5	95.0
실시예 6	2.5	99.0
실시예 7	1.2	95.5
비교예 1	1.0	99.5
비교예 2	6.5	99.5

상기 표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 나노 멤브레인을 사용한 경우(실시예 1 내지 7), 방진성이 95% 이상이며, 음투과 손실이 3.5dB 이하인 것을 확인할 수 있다.

한편, 종래의 제조방법으로 제조한 폴리이미드 나노 멤브레인의 경우(비교예 2), 방진성은 99.5%로 우수하나 음투과 손실이 6.5dB로 매우 큰 것을 확인할 수 있다.

실험예 4

실시예 1 내지 7, 비교예 1 및 2에서 제조된 나노 멤브레인의 열수축률을 하기 측정방법에 따라 평가하였고, 이에 대한 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

[측정방법]

열수축률(%) : 300℃ ± 2℃ 온도의 오븐에서 30 ± 2분간 열처리한 후 23℃ ± 2℃의 온도 및 50% ± 5% 의 습도(상대습도) 조건에서 24시간 방치한 후 길이의 변화를 측정함.

구분	열수축률(%)
실시예 1	< 1
실시예 2	< 1
실시예 3	< 1
실시예 4	< 1
실시예 5	< 1
실시예 6	< 1
실시예 7	< 1
비교예 1	15
비교예 2	< 1

상기 표 3을 참조하면, 폴리이미드 나노 멤브레인의 경우(실시예 1 내지 7, 비교예 2), 열 수축률이 1% 미만으로, PVDF 나노 멤브레인(비교예 1)보다 우수한 내열성이 있음을 알 수 있다.

실험예 5

실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 나노 멤브레인의 열에 따른 중량 감소율을 측정하기 위하여 하기 측정방법에 따라 중량을 측정하였고, 이에 대한 결과를 도 5에 나타내었다.

[측정방법]

중량 감소율 : 0.5g의 각각의 시료를 준비하고, 상기 시료에 대하여 TGA분석기(Thermoplus EVO Ⅱ TG8120, Rigaku사)를 사용하여, 질소 조건 하에 20℃/min의 속도로 상온~800℃까지 온도를 올리면서 열을 가하고, 이에 따른 중량 변화를 측정함.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 폴리이미드 나노 멤브레인(실시예 1)의 경우 300℃에서의 중량 감소율이 1% 이하인 것을 확인할 수 있으나, PVDF 나노 멤브레인(비교예 1)의 경우, 중량 감소율이 1%를 현저하게 초과한 것을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 나노 멤브레인은 방진성과 공기투과도가 모두 우수한 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 나노 멤브레인은 내열성이 우수하여 MEMS MIC용으로 적합한 것을 확인할 수 있다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 나노 멤브레인 200 : 나노 멤브레인 조립체
210 : 접착제 220 : 캐리어

Claims

평균 직경이 0.5~20㎛인 복수의 기공을 포함하며, 상기 각 기공의 최대 직경이 30㎛이고, 상기 각 기공의 최소 직경은 0.1㎛이며, 기공도가 50~90%인 나노 멤브레인으로,
상기 나노 멤브레인은 하기 측정 방법에 따른 분진 포집효율이 95% 이상인 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인.
[분진포집효율 측정방법]
분진크기 5㎛, 공기 유속 32ℓ/min 및 측정면적 100cm²에서 AFT 8130 사용
제1항에 있어서,
상기 나노 멤브레인을 구성하는 소재의 체적저항이 1.6~2.0 X 10¹⁶Ω·cm(ASTM D257)이고, 유전강도가 200~600kV/mm(ASTM D149)인 나노 멤브레인.
제2항에 있어서,
상기 소재는 폴리이미드(PI), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌(PS), 스티렌메틸메타크릴레이트(SMMA) 또는 스티렌아크릴로니트릴(SAN)인 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인.
제1항에 있어서,
상기 나노 멤브레인의 두께는 1~30㎛인 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인.
제1항에 있어서,
상기 나노 멤브레인의 공기 투과도는 1~200 cm³/cm²/sec인 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인.
제1항에 있어서,
상기 나노 멤브레인의 단위 중량은 0.1~10g/m²인 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인.
제1항에 있어서,
상기 나노 멤브레인의 밀도는 0.1~1.0g/cm³인 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인.
제1항에 있어서,
상기 나노 멤브레인은 나노 섬유들이 부직포 형태로 집적된 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인.
평균 직경이 0.5~20㎛인 복수의 기공을 포함하며, 상기 각 기공의 최대 직경이 30㎛이고, 상기 각 기공의 최소 직경은 0.1㎛이며, 기공도가 50~90%인 나노 멤브레인으로,
상기 나노 멤브레인의 300℃에서의 열 수축률은 1% 이하인 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인.
평균 직경이 0.5~20㎛인 복수의 기공을 포함하며, 상기 각 기공의 최대 직경이 30㎛이고, 상기 각 기공의 최소 직경은 0.1㎛이며, 기공도가 50~90%인 나노 멤브레인으로,
상기 나노 멤브레인의 300℃에서의 중량 감소율은 1% 이하인 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인.
삭제
평균 직경이 0.5~20㎛인 복수의 기공을 포함하고, 기공도는 50~90%이며, 두께는 1~30㎛이고, 공기 투과도는 1~200 cm³/cm²/sec이며, 하기 측정방법에 따른 분진 포집효율이 95% 이상인 방진용 나노 멤브레인.
[분진포집효율 측정방법]
분진크기 5㎛, 공기 유속 32ℓ/min 및 측정면적 100cm²에서 AFT 8130 사용
제1항 내지 제10항 및 제12항 중 어느 한 항의 나노 멤브레인, 상기 나노 멤브레인의 일면에 연결되어 있는 접착제 및 상기 접착의 일면에 연결되어 있는 캐리어를 포함하는 방진용 나노 멤브레인 조립체.
마이크로 전자 기기 시스템(MEMS) 내부로 이물질이 유입되는 것을 막기 위해 상기 마이크로 전자 기기 시스템에 부착되는 멤스용 나노 멤브레인 조립체로서,
평균 직경이 0.5~20㎛인 복수의 기공을 가지며, 소재의 체적저항이 1.6~2.0 X 10¹⁶Ω·cm(ASTM D257)이고, 유전강도가 200~600kV/mm(ASTM D149)인 나노 멤브레인,
상기 나노 멤브레인 상에 연결되어 있는 접착제, 그리고
상기 접착제 상에 연결되어 있는 캐리어
를 포함하는 멤스용 나노 멤브레인 조립체로서,
상기 나노 멤브레인은 하기 측정 방법에 따른 분진 포집효율이 95% 이상인 것을 특징으로 하는 멤스용 나노 멤브레인 조립체.
[분진포집효율 측정방법]
분진크기 5㎛, 공기 유속 32ℓ/min 및 측정면적 100cm²에서 AFT 8130 사용
폴리아믹산 용액을 전기 방사하여 프리커서를 제조하는 전기 방사 단계,
상기 프리커서의 밀도와 두께를 조절하는 가공 단계,
상기 프리커서의 형태를 결정하는 컨버팅 단계, 그리고
컨버팅된 상기 프리커서를 경화하는 단계
를 포함하며,
상기 전기 방사 단계에서, 상기 프리커서가 토출되는 방향으로 공기를 불어주는 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 제조방법으로,
상기 나노 멤브레인은 하기 측정 방법에 따른 분진 포집효율이 95% 이상인 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 제조방법.
[분진포집효율 측정방법]
분진크기 5㎛, 공기 유속 32ℓ/min 및 측정면적 100cm²에서 AFT 8130 사용
제15항에 있어서,
상기 폴리아믹산 용액의 고형분은 5~30중량%이고, 용액점도는 200~300poise인 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 제조방법.
제15항에 있어서,
상기 전기 방사 단계의 토출속도는 3~8ml/min인 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 제조방법.
제15항에 있어서,
상기 가공 단계는 20~100℃의 온도에서 20~200kgf/cm² 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 제조방법.
제15항에 있어서,
상기 경화는 200~400℃에서 10~30분간 진행되는 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 제조방법.