KR102306662B1

KR102306662B1 - 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102306662B1
Application number: KR1020190115090A
Authority: KR
Inventors: 인정빈; 김경연
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2021-09-28
Also published as: KR20210033610A

Abstract

본 발명은 레이저 유도 타입 에어 필터에 관한 것이다. 본 발명에 의한 레이저 유도 타입 에어 필터는, 폴리머 필름에 스캐닝 방식으로 레이저를 조사시켜 형성되는 것으로, 상기 폴리머 소재로 이루어진 베이스층; 및 상기 레이저 조사에 의해 탄화된 상태로 상기 베이스층 위에 마련되는 것으로, 상기 레이저 조사 강도를 변조시킴으로써, 구멍이 형성된 관통부와 그 관통부 주위에 형성된 유도부를 구비하는 다공성 탄소나노구조층;을 포함하여 이루어진다.

Description

레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터 및 이의 제조방법{Laser-induced graphene type air filter and manufacturing method thereof}

본 발명은 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 유도에 의한 그래핀화에 의해 전기적 집진성능을 향상시킬 수 있게 하고 이러한 정화용 필터의 제작에 있어서 상대적으로 저비용으로 신속하게 대량생산이 가능한 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근 공기 오염이 중요한 사회 문제로 대두되고 있으며, 특히 미세먼지가 신체에 미치는 악영향에 대한 관심이 증대되고 있다.

미세먼지는 입자의 직경이 10 ㎛ (PM₁₀) 이하인 미세먼지와 2.5 ㎛ (PM_2.5) 이하인 초미세먼지로 분류되고, 초미세먼지는 사람의 기관지와 폐에 침투할 수 있기 때문에 특히 그 위험성이 부각된다.

폴리머에 레이저를 조사하면 국부적인 높은 광열에 의해 탄화가 되어 다공성 탄소나노물질이 생성되는데 이를 레이저 유도 그래핀 (LIG)라 한다.

넓은 비표면적과 공극을 갖는 다공성 탄소나노물질은 에너지 저장 장치, 필터, 흡착제, 향균 물질, 센서 등 다양한 환경적인 응용 분야에서 활용되고 있다.

과거부터 다공성 탄소나노물질을 필터에 응용한 다수의 논문들이 출판되었고, 최근의 대기 오염 문제와 맞물려 공기 필터에도 응용되고 있다.

기존의 전기 집진 필터의 경우 많은 에너지가 필요하고 큰 부피와 무게를 갖는다는 문제점이 있고, 헤파 필터의 경우 높은 압력 강하와 재사용이 어렵다는 문제점이 있다.

금속 나노 입자를 이용하여 집진 성능을 증가시킨 필터의 경우 재료의 가격이 비싸고, 장기간 사용 시 산화를 방지하기 어렵다. 또한, 연속 발진 레이저를 통해 제조된 LIG의 경우, 공기가 흐를 수 없는 구조이기 때문에 공기 필터에 사용될 수 없다.

대한민국 공개특허공보 공개번호 제2019-0002770호 대한민국 공개특허공보 공개번호 제2014-0080450호 일본 공개특허공보 공개번호 제2017-522175호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 작은 부피와 무게를 가지면서도 전기 집집 효율을 높일 수 있게 하고, 저렴한 비용으로 신속하게 대량생산을 가능하게 하는 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 레이저 유도 타입 에어 필터는, 폴리머 필름에 스캐닝 방식으로 레이저를 조사시켜 형성되는 것으로, 상기 폴리머 소재로 이루어진 베이스층; 및 상기 레이저 조사에 의해 탄화된 상태로 상기 베이스층 위에 마련되는 것으로, 상기 레이저 조사 강도를 변조시킴으로써, 구멍이 형성된 관통부와 그 관통부 주위에 형성된 유도부를 구비하는 다공성 탄소나노구조층;을 포함하여 이루어진다.

상기 베이스층의 상기 구멍을 한정하는 내주면은, 상기 레이저 조사에 의해 탄화됨으로써 그래핀화된 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터 제조방법은, 폴리머 필름에 스캐닝 방식으로 레이저의 세기를 변조하여 조사시켜서, 베이스층 및 레이저 관통에 의해 형성된 관통부와 그 관통부 주위에 레이저 유도에 의해 형성된 유도부를 포함하는 다공성 탄소나노구조층을 형성시키는 그래핀화 단계; 및 상기 다공성 탄소나노구조층의 표면의 불순물을 제거시키는 불순물 제거 단계;를 포함하여 이루어진다.

상기 불순물 제거 단계는, 상기 다공성 탄소나노구조층의 표면에 질소를 불어 넣어서 과도하게 형성된 탄소와 불순물을 제거시키는 것이 바람직하다.

상기 그래핀화 단계는, 상기 베이스층에 레이저를 조사하여 다공성 탄소나노구조층을 형성시키는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 공기 정화 장치는, 상기 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터를 포함하는 필터부; 상기 필터부 측으로 유입되는 미세먼지의 유입경로 상에 설치되어서 그 미세먼지를 음이온화시키는 이온화부; 및 상기 필터부를 양전하로 대전시키는 대전부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 레이저 유도 타입 에어 필터는, 레이저 조사 강도를 변조하여 조사키는 방식에 의해 구멍이 형성된 관통부와 그 관통부 주변에 탄화되어 그래핀화된 유도부를 포함하여 이루어져서, 필터 기능을 발휘하기 위한 메쉬 구조를 갖도록 구성됨으로써, 작은 부피와 무게를 가지면서도 전기 집집 효율을 높일 수 있게 하고, 저렴한 비용으로 신속하게 대량생산을 가능하게 하는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터의 구조를 설명하기 위한 도면대용 샘플사진 확대도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터의 단면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터 제조방법의 블럭도.
도 5는 발명의 일실시예에 따른 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터를 이용한 공기 정화 장치의 구조 및 정화 원리를 설명하기 위한 도면.

이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

그리고, 이하의 설명에서 동일한 식별 기호는 동일한 구성을 의미하며, 불필요한 중복적인 설명 및 공지 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 발명의 배경이 되는 기술에 대한 기재 내용과 중복되는 이하의 본 발명의 각 실시예에 관한 설명 역시 생략하기로 한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터의 구조를 설명하기 위한 도면대용 샘플사진 확대도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 유도 타입 에어 필터는, 폴리머 필름에 스캐닝 방식으로 레이저를 조사시켜 형성되는 것으로, 베이스층(1)과 다공성 탄소나노구조층(2)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 스캐닝 방식은 레이저를 상기 폴리머 필름의 좌우로 시간에 따라 이동시키면서 조사하는 것을 의미한다. 또한, 상기 스캐닝 방식은 레이저를 연속적으로 조사시키는 것은 물론, 시간에 따라 불연속적으로 조사하는 것을 포함한다.

상기 베이스층(1)은, 레이저 조사에 의해 탄화가 가능한 폴리머 소재로 이루어지고, 예컨대 30㎛ 두께의 폴리이미드 재질의 필름으로 구현시킬 수 있다.

상기 다공성 탄소나노구조층(2)은, 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 상기 폴리머 소재가 탄화됨으로써 상기 베이스층(1) 위에 그 베이스층(1)과 구별되게 마련되는 것으로, 구멍이 형성된 관통부(21)와 그 관통부(21) 주위에 형성된 유도부(22)를 포함하여 이루어져서, 필터 기능을 발휘하기 위한 메쉬 구조를 갖게 된다.

상기 관통부(21)와 유도부(22)는 레이저 강도 변조에 의해 서로 구별되게 형성되는 것으로, 상기 관통부(21)는 레이저 조사강도의 세기를 구멍이 형성될 정도로 크게 하여 형성되는 부분이고, 상기 유도부(22)는 그렇지 않은 세기로 나머지 부분을 조사하여 형성되는 부분이다.

한편, 상기 유도부(22)는 레이저 직접 조사에 의해 형성될 수도 있으나, 상기 관통부(21)를 형성시키기 위한 레이저 조사에 의해 주변이 간접적으로 탄화됨으로써 형성될 수도 있다. 이러한 경우 제품의 제작공정수를 줄일 수 있어 제조원가 절감 및 양산성 개선에 기여할 수 있는 장점이 있으나, 탄화 정도가 균일하지 않을 수 있어서 이러한 점을 보완할 필요성이 있다.

이러한 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 유도 타입 에어 필터는, 레이저 조사 강도를 변조하여 조사키는 방식에 의해 구멍이 형성된 관통부(21)와 그 관통부(21) 주변에 탄화되어 그래핀화된 유도부(22)를 포함하여 이루어져서, 필터 기능을 발휘하기 위한 메쉬 구조를 갖도록 구성됨으로써, 작은 부피와 무게를 가지면서도 전기 집집 효율을 높일 수 있게 하고, 저렴한 비용으로 신속하게 대량생산을 가능하게 하는 장점을 기대할 수 있게 한다.

상기 베이스층(1)의 상기 구멍을 한정하는 내주면은, 상기 레이저 조사에 의해 탄화됨으로써 그래핀화되어서, 본 실시예의 전기 집진 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 한다.

그리고, 상기 다공성 탄소나노구조층(2)에 금속 도금, KOH를 이용한 활성화 처리 등을 하여 집진 성능을 더욱 향상시킬 수 있도록 구성되는 것도 가능하다.

한편, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터의 단면도이다.

본 실시예는, 앞에서 설명한 실시예의 구성에 더하여, 다공성 탄소나노구조층(3)을 더 포함하여 이루어진다.

상기 다공성 탄소나노구조층(3)은, 베이스층(1)을 중심으로 앞에서 설명한 다공성 탄소나노구조층(2)의 반대측에, 그 베이스층(1)에 레이저를 조사하여 형성되는 것으로, 본 실시예에 따른 에어 필터의 전기적 특성을 더욱 향상시킬 수 있게 한다.

이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 레이저 유도 그래핀 타입 에어필터 제조방법은 그래핀화 단계와 불순물 제거 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 그래핀화 단계에서는, 예컨대 30㎛ 두께의 폴리이미드와 같은 폴리머 필름에, 스캐닝 방식으로 레이저의 세기를 변조하여 조사시켜서, 베이스층(1) 및 레이저 관통에 의해 형성된 관통부(21)와 그 관통부(21) 주위에 레이저 유도에 의해 형성된 유도부(22)를 포함하는 다공성 탄소나노구조층(2)이 형성되게 한다.

여기서, 상기 베이스층(1)은 상기 다공성 탄소나노구조층(2)과는 달리, 레이저 조사에 의해 탄화되지 않은 영역에 해당되나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예컨대 추가 레이저 조사공정을 거쳐 상기 다공성 탄소나노구조층(2)과 같이 그래핀화되는 것도 가능하다.

상기 불순물 제거 단계에서는, 예컨대 상기 다공성 탄소나노구조층(2)의 표면에 질소를 불어 넣는 방식으로, 과도하게 형성된 탄소와 불순물을 제거시키는 공정이 수행된다.

이러한 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 유도 그래핀 타입 에어필터 제조방법은, 공기 정화를 위해 사용되는 에어 필터를 레이저의 강도를 변조시켜 조사하는 방식에 의해 제조할 수 있도록 구성되어서, 전기적 집진 특성을 갖는 에어 필터를 저렴한 비용으로 신속하게 대량 생산할 수 있게 하는 장점을 기대할 수 있게 한다.

한편, 도 5는 발명의 일실시예에 따른 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터를 이용한 공기 정화 장치의 구조 및 정화 원리를 설명하기 위한 도면이다.

본 실시예에 따른 공기 정화 장치는, 필터부(100)와 이온화부(200)와 대전부(300)를 포함하여 이루어진다.

상기 필터부(100)는, 앞에서 설명한 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터를 포함하여 이루어지고, 상기 이온화부(200)는 상기 필터부(100) 측으로 유입되는 미세먼지의 유입경로 상에 설치되어서 그 미세먼지를 음이온화시키는 역할을 하며, 상기 대전부(300)는 상기 필터부(100)를 양전하로 대전시키는 역할을 한다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 레이저 유도에 따른 탄화에 의해 그래핀화됨으로써 전기적 집진 성능을 가진 필터부(100)가, 대전부(300)에 의해 양전하로 대전되고, 이렇게 양전하로 대전된 필터부(100)가 음이온화된 미세먼지를 전기적으로 흡착시킬 수 있도록 구성됨으로써, 저렴하고 규격이 작은 레이저 유도 그래핀 유도 타입 에어 필터를 활용한 미세먼지 제거를 가능하게 하여 상대적으로 제조원가 및 필터의 교체 등으로 발생되는 유지관리 비용을 절감시킬 수 있는 장점을 가진다.

한편, 본 실시예는 미세먼지의 정전기적 필터링을 가능하게 하는 공기 정화 장치 뿐만 아니라 , 공기 중의 유해 분자를 흡착할 수 있는 흡착 필터로도 활용될 수 있음은 물론이다.

이상 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

1:베이스층 2:다공성 탄소나노구조층
21:관통부 22:유도부
100:필터부 200:이온화부
300:대전부

Claims

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폴리머 필름에 스캐닝 방식으로 레이저의 세기를 변조하여 조사시켜서, 베이스층 및 레이저 관통에 의해 형성된 관통부와 그 관통부 주위에 레이저 유도에 의해 형성된 유도부를 포함하는 다공성 탄소나노구조층을 형성시키는 그래핀화 단계; 및
상기 다공성 탄소나노구조층의 표면의 불순물을 제거시키는 불순물 제거 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 불순물 제거 단계는,
상기 다공성 탄소나노구조층의 표면에 질소를 불어 넣어서 과도하게 형성된 탄소와 불순물을 제거시키는 것을 특징으로 하는 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 그래핀화 단계는, 상기 베이스층에 레이저를 조사하여 다공성 탄소나노구조층을 형성시키는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터 제조방법.
폴리머 필름에 스캐닝 방식으로 레이저를 조사시켜 형성되는 에어 필터를 포함하는 필터부; 상기 필터부 측으로 유입되는 미세먼지의 유입경로 상에 설치되어서 그 미세먼지를 음이온화시키는 이온화부; 및 상기 필터부를 양전하로 대전시키는 대전부;를 포함하되,
상기 에어 필터는 폴리머 소재로 이루어진 베이스층; 및 상기 레이저 조사에 의해 탄화된 상태로 상기 베이스층 위에 마련되는 것으로, 상기 레이저 조사 강도를 변조시킴으로써, 구멍이 형성된 관통부와 그 관통부 주위에 형성된 유도부를 구비하는 다공성 탄소나노구조층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 유도 그래핀 타입 에어 필터를 이용한 공기 정화 장치.