KR102327317B1 - 복합 다층구조의 정화 필터 카트리지가 구비된 마스크 - Google Patents

복합 다층구조의 정화 필터 카트리지가 구비된 마스크 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복합 다층 구조의 필터 카트리지를 구비하여 수차례의 반복 세척한 후에도 여전히 차단 성능이 유지되며, 우수한 정화 능력을 구비하는 마스크에 관한 것이다.

Description

복합 다층구조의 정화 필터 카트리지가 구비된 마스크{MASK EQUIPPED WITH COMPLEX MULTI-LAYERED PURIFICATION FILTER CARTRIDGE}
본 발명은 복합 다층 구조의 필터 카트리지를 구비하여 수차례의 반복 세척한 후에도 여전히 차단 성능이 유지되며, 우수한 정화 능력을 구비하는 마스크에 관한 것이다.
2019년 말부터 2020년 초 전세계를 휩쓴 신종 코로나바이러스(COVID-19) 사태로 개인 위생 및 비말 전염을 방지하기 위한 마스크의 중요성이 대두되면서 일시적으로 마스크 수급이 어려워짐에 따라 재사용 가능한 마스크에 대한 관심이 높아졌다.
종래의 마스크는 복수 겹으로 형성되는 필터의 조직이 치밀하여 착용자의 호흡에 불편을 초래하고, 종래의 필터는 대체로 합성수지 재질로 된 것이어서 그 자체로 인제에 이롭지 못하다는 문제가 있었다. 나아가 호흡과정에서 발생하는 수분으로 인해 필터에서 세균 증식이 상당하게 되므로 이를 방지하고자 항균제를 이용하고 있는데, 주지된 바와 같이 항균제는 화학물질이어서 인체에 이롭지 못하고 심할 경우 착용자, 특히 어린이나 노약자의 건강을 해칠 우려가 있는 것이었다.
또한, 비말 감염 등의 공포로 인하여 마스크의 장기간 및 밀착 착용이 지속되면서 피부가 짓무르거나 습기가 차 불편하고, 불쾌한 냄새가 지속되는 등의 문제가 계속적으로 제기되고 있어 새로운 마스크에 대한 필요성이 증대되고 있는 실정이다.
또한, 최근 황사나 스모그 등 국외 대기오염물질 유입이 증가함에 따라 일상생활에서 미세먼지나 황사로부터 호흡기를 보호하기 위하여 마스크를 착용하는 경우가 점점 늘어나고 있으나, 기존의 미세먼지 차단용 마스크는 정전기필터 방식이 대부분이기 때문에 습기에 매우 취약한 문제점이 있다. 따라서 마스크를 착용 중 입김에 의하여 습기가 마스크에 부착되면 미세먼지 차단능이 급격히 저하된다. 또한, 정전기 방식의 마스크는 습기가 닿는 순간부터 정전기가 사라져 미세먼지 여과 능력 등이 현저히 하락하는 문제점이 존재하였다.
한국등록실용신안 제20-0489651호
본 발명의 목적은 복합 다층 구조의 나노 섬유 필터를 포함하는 정화 필터 카트리지가 구비된 마스크를 제공하는 것으로서, 상기 필터 카트리지를 구비한 마스크는 반복 세척한 후에도 여전히 차단 성능이 유지되는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 원활한 호흡이 가능하면서도 미세먼지를 비롯한 이물질이나 세균을 효과적으로 걸러줄 수 있고, 특히나 화학물질의 사용을 최소화하면서도 세균의 증식을 억제할 수 있도록 하는 마스크를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 복합 다층 구조의 필터 카트리지가 구비된 마스크에 있어서, 상기 필터 카트리지는 가장 외부에 두 개의 신축성 원단이 위치하고, 상기 신축성 원단;의 사이에 나노 필터 구조물이 구비되며, 상기 신축성 원단은 천연 고무, 네오프렌(neoprene), 부틸 고무(butyl rubber), 니트릴 고무(nitrile rubber) 및 실리콘으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 원료를 이용하여 직조된 직물이고, 상기 나노 필터 구조물은 나노 방진망; 및 나노 필터;가 연속적으로 결합된 형태로 구성되며, 상기 나노 방진망;은 5 내지 50 nm의 선폭을 갖는 복수의 나노와이어들이 기재 상에 5 내지 100 nm의 간격으로 형성되어 있는 형태로 구성된 나노 메쉬(mesh);의 일 측면에 직접 나노 섬유를 전기방사하여 코팅된 나노 섬유 코팅층;을 가지고, 상기 나노 섬유 코팅층;에 균일하게 분포되어 존재하는 광촉매 미세입자를 포함하고, 상기 나노 섬유 코팅층은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 100 중량부, PEO(polyethylene oxide) 12 중량부 및 PAN(Polyacrylonitrile) 70 중량부를 DMA(dimethyl acetamide)와 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)가 1:2의 중량비로 혼합된 용매에 용해하여 방사용액을 구성하는 혼합단계; 상기 방사용액에 고전압을 인가하여 전기방사함으로써 나노 섬유를 성형하는 단계; 및 상기 성형된 나노 섬유에서 50~70℃의 물을 이용하여 PEO를 용해시키는 공정을 거쳐 PEO만을 선택적으로 제거하여 생성된 나노 섬유 표면을 다공성화 하는 기공형성 단계;를 포함하여 제조된 것이고, 상기 나노 섬유 코팅층에 분포된 광촉매는 이산화 티타늄(TiO2) 15%를 스프레이 한 것이며, 상기 나노 필터;는 두개의 외피층 사이에 나노 섬유 층이 위치하는 삼층의 구조로 구성되고, 상기 외피층은 친환경 천연 섬유인 목화, 대마 껍질 및 코코넛 열매 껍질로부터 수득한 섬유를 이용하여 제조된 것이고, 상기 나노 필터;에 포함되는 나노 섬유층은 각 나노 섬유가 직교하면서 0.05㎛ 내지 0.1㎛의 기공을 형성하는 형태로 구성되며, 상기 나노 필터;에 포함되는 나노 섬유는 PVDF에 항균물질인 글루콘산 클로르헥시딘(Chlorhexidine gluconate) 또는 폴리헥사메틸렌 비구아니드(Polyhexamethylene biguanide)를 추가로 첨가하여 제조한 것인, 필터 카트리지가 구비된 마스크를 제공한다.
구체적으로, 상기 신축성 원단의 일 측면부는 고분자화합물 원단과 결합된 형태일 수 있으며, 상기 고분자화합물 원단은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 것일 수 있으며, 바람직하게는 폴리우레탄 소재일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 측면은, 가장 외부에 두 개의 신축성 원단이 위치하고, 상기 신축성 원단;의 사이에 하나 이상의 나노 필터 구조물 및 멤브레인이 구비된 마스크 필터 카트리지에 있어서, 상기 신축성 원단은 천연 고무, 네오프렌(neoprene), 부틸 고무(butyl rubber), 니트릴 고무(nitrile rubber) 또는 실리콘 고무와 같은 합성 탄성중합체를 이용하여 직조된 직물이고, 상기 나노 필터 구조물은 나노 방진망; 및 나노 필터;가 연속적으로 결합된 형태로 구성되며, 상기 나노 방진망;은 나노 메쉬(mesh);위에 직접 전기방사하여 코팅된 나노 섬유 코팅층;을 가지고, 상기 나노 섬유 코팅층;에 균일하게 분포되어 존재하는 광촉매 미세입자를 포함하고, 상기 나노 필터;는 두개의 외피층 사이에 나노 섬유 층이 위치하는 삼층의 구조로 구성되며, 상기 멤브레인은 비대칭성 다공성 멤브레인으로서, 실리콘 아크릴레이트, 폴리에테르술폰 수지, 폴리술폰, 폴리아릴술폰, 폴리비닐피롤리돈 중 하나 이상을 혼합하여 제조한 것인, 마스크 필터 카트리지를 제공한다.
더욱 구체적으로, 상기 멤브레인은 표면에 폴리테트라 플루오로에틸렌 (Polytetrafluoroethylene, PTFE)이 코팅된 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 나노 섬유는 PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드, polyvinylidene fluoride)를 포함하는 원료 물질을 전기방사하여 제조한 것일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 원료물질로서 PVDF(polyvinylidene fluoride), PEO(polyethylene oxide) 및 PAN(Polyacrylonitrile)를 함께 용매에 용해하여 방사용액을 구성하는 혼합단계; 상기 방사용액에 고전압을 인가하여 전기방사함으로써 나노 섬유를 성형하는 단계; 및 상기 성형된 나노 섬유에서 PEO만을 선택적으로 제거하여 생성된 나노 섬유 표면을 다공성화 하는 기공형성 단계를 포함하여 제조된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 더욱 구체적으로, 상기 PVDF : PEO : PAN의 중량비는 PVDF 100중량부 대비 PEO 8 내지 20 중량부, PAN 45 내지 70중량부인 것일 수 있고, 가장 구체적으로는 PVDF 100중량부 대비 PEO 12 중량부, PAN 70 중량부일 수 있다.
상기 나노 섬유는 50~70℃의 물을 이용하여 PEO를 용해시키는 공정을 거쳐 PEO를 제거하여 나노 섬유 표면에 기공을 형성하는 과정을 거칠 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 마스크 필터 카트리지는 우수한 미세먼지 여과능 및 항균력을 나타내며(표 1), 이는 세척 후에도 유지되는 것을 확인하였고(표 3), 나아가 통기성 및 쾌적함 또한 시중에 유통중인 미세먼지 필터보다 현저히 우수한 것을 확인하였다(표 2).
본 발명의 복합 다층 구조의 필터 카트리지를 구비한 마스크는 나노 섬유로 구성된 나노 필터를 포함함으로써 우수한 통기성 및 차단 효과를 가지고, 반복 세척 후에도 우수한 차단 성능이 유지되며, 세척하여 반복 사용 가능하므로 일회용 마스크가 유발할 수 있는 환경오염 및 공급 부족의 문제를 해결한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 마스크는 나노 필터 외에도 멤브레인 필터를 추가로 더 포함한 필터 카트리지를 포함함으로써 마스크 착용에 의한 습기 및 세균 번식의 문제를 해결하였으며, 항균 및 구취 제거에 효과를 나타내어 장기간 마스크를 착용함에 있어 불편함을 최소화한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명 일 실시예의 나노필터구조물의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명 일 실시예에 따라 제조한 마스크용 정화 필터 카트리지의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명 일 실시예에 따라 제조한 멤브레인이 구비된 마스크용 정화 필터 카트리지의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 정화 필터 카트리지의 가장 외측면에 존재하는 신축성 원단과 고분자화합물 원단을 결합한 상태를 사진으로 나타낸 것이다(A: 고분자 화합물 원단에 신축성 원단을 붙인 후/붙이기 전, 고분자 화합물 원단에 신축성 원단을 결합한 후 측면에서 바라본 모습).
도 5는 본 발명 일 실시예에 따라 나노 필터에 탑재되는 나노 섬유층의 미세먼지 차단 효율 등급을 확인한 시험 성적서를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명 일 실시예에 따라 멤브레인에 PTFE 코팅을 한 후에 미세먼지 차단 효율 등급을 확인한 시험 성적서를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 마스크 필터 카트리지는 간략하게는 가장 외부에 두 개의 신축성 원단 층 사이에 나노 필터 구조물이 구비된 형태로 제조되었다.
구체적으로, 상기 신축성 원단은 교차 결합된 폴리아이소프렌(polyisoprene)과 같은 천연 고무, 네오프렌(neoprene), 부틸 고무(butyl rubber), 니트릴 고무(nitrile rubber) 또는 실리콘 고무와 같은 합성 탄성중합체를 이용하여 직조된 직물일 수 있으며, 본 발명 일 실시예에서는 네오프렌 원단을 사용하였으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 네오프렌을 원단으로 하여 마스크를 제조하는 경우, 일반적으로 사용하는 면 또는 부직포에 비하여 비말 감염경로를 효과적으로 차단할 수 있어, 비말 감염 예방에 효과적일 수 있다.
구체적으로, 상기 나노 필터 구조물은 나노 방진망 및 나노 필터가 연속적으로 결합된 형태로 구성된 것일 수 있다.
상기 나노 방진망은 나노 메쉬(mesh)위에 직접 전기방사하여 코팅된 나노 섬유 코팅층을 가지고, 상기 나노 섬유 코팅층에 균일하게 분포되어 존재하는 광촉매 미세입자를 함유하고 있는 것으로서, 상기 나노메쉬는, 예를 들어, 약 5 내지 50 nm의 선폭을 갖는 복수의 나노와이어들이 기재 상에 약 5 내지 100 nm의 간격으로 형성되어 있는 형태로 구성된 것일 수 있다.
이때, 상기 나노와이어의 “선폭”이라 함은, 하나의 나노와이어의 길이 방향과 수직하는 폭 방향에서, 하나의 나노와이어 표면 상의 임의의 두 점을 잇는 폭 방향의 직선 거리 중 가장 짧은 거리를 의미하는 것일 수 있고, 나노메쉬의 “직경”이라 함은, 기재와 수평하는 방향으로 하나의 나노메쉬의 표면 상의 임의의 두 점을 잇는 직선 거리 중 가장 긴 거리를 의미할 수 있다. 또, “간격(또는 피치)”이라 함은 서로 인접하는 나노와이어 또는 나노메쉬들 간의 거리 중 가장 짧은 직선 거리를 의미할 수 있다.
상기 나노 섬유 코팅층은 상기 나노 메쉬 위에 직접 나노 섬유를 전기방사하여 이루어지는 것으로서, 나노 섬유는 다음과 같은 과정을 거쳐 제조될 수 있다.
구체적으로, 상기 나노 섬유는 원료물질로서 PVDF(polyvinylidene fluoride), PEO(polyethylene oxide) 및 PAN(Polyacrylonitrile)를 함께 용매에 용해하여 방사용액을 구성하는 혼합단계; 상기 방사용액에 고전압을 인가하여 전기방사함으로써 나노 섬유를 성형하는 단계; 및 상기 성형된 나노 섬유에서 PEO만을 선택적으로 제거하여 생성된 나노 섬유 표면을 다공성화 하는 기공형성 단계를 포함한다.
구체적으로, PVDF : PEO : PAN의 중량비는 PVDF 100중량부 대비 PEO 8 내지 20 중량부, PAN 45 내지 70중량부인 것일 수 있고, 더욱 구체적으로는 PVDF 100중량부 대비 PEO 12 중량부, PAN 70 중량부일 수 있다.
이 범위보다 PEO의 함량이 적으면 방사 과정에서 제거에 따른 기공형성이 부족하고, 많이 포함시키는 경우에는 PEO의 완전한 제거가 어려울 뿐만 아니라 PEO가 제거된 나노 섬유의 물성이 나빠지는 단점이 있다. 또한 PAN이 상기 함량보다 적으면 나노 섬유의 굵기가 굵어져 원하는 두께를 맞추기 어렵고, 상기 함량을 초과하는 경우에는 인장강도 및 신장율이 하락하는 문제가 발생한다.
상기 원료물질의 용매로서 EMC (ethyl methyl carbonate), NMP(N-methyl-2-pyrrolidone), DMA(dimethyl acetamide), DMF(N,N-dimethylformamide), DMSO(dimethyl sulfoxide), THF(tetra-hydrofuran), EC(ethylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate), PC(propylene carbonate), 및 아세톤으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 것을 사용할 수 있다. 구체적으로는 DMA와 NMP가 1:2의 비율로 혼합된 경우 가장 수득률이 높은 것을 확인하였다.
상기 PVDF, PEO 및 PAN 혼합물을 DMA와 NMP가 1:2의 비율로 혼합된 85℃의 용매에 녹여 농도가 20%(w/w)인 용액을 제조하고, 용액 100중량부를 기준으로 물 2 내지 4 중량부를 추가하여 혼합하였다. 물과 혼합하는 경우에는 증기압 차이와 액체-액체 상분리에 의해서 더 많은 기공이 형성될 수 있다.
상기 방사용액을 방사구에 연결하고, 45℃에서 70kV의 전압을 인가하고 홀당 0.05 ~ 1cc/g으로 토출하여 전기방사를 실시하여 나노 섬유를 수득하였다.
이후 PEO를 제거하여 기공을 형성하는 기공형성단계는 50~70℃의 물을 이용하여 PEO를 용해시키는 공정을 거쳐 최종적으로 본 발명의 다공성 나노 섬유를 수득하였다.
즉, 본 발명의 나노 방진망은 나노 섬유가 나노 메쉬 위에 직접 방사되어 코팅된 것을 특징으로 하는 바, PEO를 용해하는 공정을 거침으로써 다공성 나노 섬유가 코팅된 층을 수득할 수 있다.
이와 같이 다공성 나노 섬유가 코팅된 후에는 광촉매를 스프레이 하는 과정을 추가로 거치는데, 상기 광촉매는 루틸(Rutile)과 아나타제(Anatase)와 같은 이산화 티타늄(TiO2), 산화 아연(ZnO), 이산화 지르코늄(ZrO2), 삼산화텅스텐(WO3), 페롭스카이트형 복합 금속산화물 등 빛과 반응하여 광촉매 표면의 산소와 반응해 슈퍼옥사이드 음이온(O2 -)을 생성할 수 있는 것이면 어떠한 종류라도 무관하나, 본 실시예에서는 이산화티타늄 15%를 스프레이 하였다.
한편, 나노 필터는 상기 나노 방진망과 함께 나노 필터 구조물을 구성하고, 상기 나노 필터는 천연섬유, 합성섬유 및 부직포 등 다양한 소재로 구성된 두개의 외피층 사이에 나노 섬유 층이 위치하는 삼층의 구조로 구성된 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 외피층은 친환경 천연섬유로 이루어진 것으로서, 목화, 대마 껍질 및 코코넛 열매 껍질로부터 수득한 섬유를 이용하여 제조된 직물을 이용한 것일 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 섬유는 목화 섬유, 대마 껍질 및 코코넛 열매 껍질의 10 내지 20배 중량부의 정제수를 첨가하여 24시간 동안 불리는 과정을 거친 후, 120℃의 물에서 1 내지 5시간 동안 가열하는 증해(蒸解) 단계를 거치고, 락토바실러스 살리바리우스(Lactobacillus salivarius) 10 내지 15 중량부 및 마이크로코커스 로제우스(Micrococcus roseus) 5 내지 10 중량부, 펙틴 3 중량부, 프락토올리고당 3 중량부를 혼합하여 실온에서 2 내지 4시간 동안 숙성시켜 제조한 것을 사용하였다.
상기 나노 필터 구조물에 구비되는 나노 섬유는 평균 50 내지 1,000nm의 직경을 가지는 것으로서, 나노 섬유가 직교 또는 무작위 형태로 교차되면서 나노 섬유 층을 형성하고, 상기 나노 섬유 층을 형성하는 나노 섬유 사이에 미세한 기공이 형성되어 세균이나 미세 먼지가 통과하는 것을 막는다. 나노 섬유 층에 형성된 기공의 크기는 직경 0.05㎛ 내지 0.1㎛인 것이 바람직하다. 구체적으로, 본 발명의 나노 섬유 층은 각 나노 섬유가 직교하면서 0.05㎛ 내지 0.1㎛의 기공을 형성하는 형태로 형성될 수 있고, 이러한 직교형태를 유지함으로써 기존의 미세먼지 필터가 정전기에 의존해 먼지를 포집하는 것과 달리 구조적 특성에 의해 먼지를 포집할 수 있는 효과를 나타낸다. 나노 섬유 층에 형성된 기공의 크기가 직경 0.1㎛ 이상이면, 대부분의 세균이나 미세 먼지의 크기가 0.1㎛ 내지 1.0㎛인 것을 고려할 때 세균과 미세 먼지에 대한 충분한 차단 효과를 얻기 힘들다. 또한, 나노 섬유 층에 형성된 기공의 크기가 직경 0.05㎛이하이면, 착용자가 호흡에 불편함을 느낄 수 있다.
또한, 상기 나노 섬유 층을 이루는 나노 섬유는 상기한 바 PVDF를 이용하여 제조된 것일 수 있으며, 나아가 상기 PVDF에 항균물질인 글루콘산 클로르헥시딘(Chlorhexidine gluconate) 또는 폴리헥사메틸렌 비구아니드(Polyhexamethylene biguanide)가 추가로 첨가된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 복수의 나노 필터 구조물을 구비하며, 상기 나노 필터 구조물 사이에 멤브레인 구조를 추가로 포함하는 형태의 마스크 필터 카트리지를 제공한다.
상기 멤브레인은 대칭성 또는 비대칭성 멤브레인 중 어떤 것이든 사용 가능하며, 상기 멤브레인을 제조하기 위해서는 실리콘 아크릴레이트, 폴리에테르술폰 수지, 폴리술폰, 폴리아릴술폰, 폴리비닐피롤리돈 중 하나 이상을 혼합하여 제조할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
구체적으로, 본 발명 일 실시예에서 상기 멤브레인은 비대칭성 다공성 멤브레인이고, 폴리에테르술폰 수지를 이용하여 제조하였으며, 상기 멤브레인의 내부 기공에 폴리도파민을 형성함으로써 멤브레인의 오염이 감소된 것을 특징으로 한다. 더욱 구체적으로는 트리스(하이드록시메틸)아미노메탄(TRIS) 수성 완충액(pH 8 내지 10) 1㎖당 도파민 2㎎ 농도의 도파민 용액을 준비하고, 이 용액에 멤브레인을 1 내지 3시간 동안 함침시켜 제조한 것일 수 있다. 1시간보다 적게 함침시키는 경우에는 내부 기공에 충분한 폴리도파민이 침착되지 않으며, 3시간을 넘는 경우에는 효율이 급격히 떨어져 채산성이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
실시예 1. 다층구조의 나노 필터를 포함하는 마스크 필터 카트리지 제조
본 발명의 다층구조 나노 필터를 포함하는 마스크 필터 카트리지를 제조하였다. 구체적으로, 마스크 필터 카트리지의 최외층부에는 네오프렌 원단을 사용하였고, 그 사이에 나노방진망 및 나노 필터가 연속적으로 결합되어 있는 나노 필터 구조물이 위치하는 구조로 제조되었다. 이를 간략히 표현하면 네오프렌 원단 - [나노 방진망] - [나노 필터층] - 네오프렌 원단의 구조이고, 이를 더욱 상세히 표현하면 네오프렌 원단 - [나노메쉬-다공성 나노 섬유 코팅층(광촉매층)] - [외피층-나노 섬유층-외피층]- 네오프렌 원단으로 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 마스크 필터 카트리지의 내구성 향상 및 형태 보존을 위하여 상기 네오프렌 원단과 나노 방진망 사이에 고분자화합물 원단층을 추가로 더 포함할 수 있으며, 세부적인 구성에 대해서는 전술한 바와 같다.
각 층의 내부 구성에 대해서는 전술한 바와 같다.
실시예 2. 이중 나노 필터 및 멤브레인 층을 포함하는 복합 다층 구조의 마스크 필터 카트리지의 제조
이중의 나노 필터 및 사익 나노 필터 사이에 멤브레인 층을 포함하는 복합 다층 구조의 마스크 필터 카트리지를 제조하였다. 구체적으로, 마스크 필터 카트리지의 최외층부에는 네오프렌 원단을 사용하였고, 그 사이에 {나노 필터 구조물-멤브레인 층-나노 필터 구조물}으로 구성된 복합 다층구조물이 위치하는 구조로 제조되었다. 이를 간략히 표현하면 네오프렌 원단 - {[나노 방진망] - [나노 필터층] - [멤브레인 층] - [나노 방진망] - [나노 필터층]} - 네오프렌 원단의 구조로 나타낼 수 있다.
또한, 상기 멤브레인 표면에는 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)을 코팅 처리한 것일 수 있다.
실험예 1. 미세먼지 여과, 항균 효과 및 선호도 확인 실험
상기 실시예 1, 2의 마스크 필터 카트리지를 이용해 제조한 마스크와 및 시중에 판매중인 마스크용 멜트블로운(Melt Blown, MB) 필터 2종(KF80, KF94) 및 면마스크를 각각 비교예 1 내지 3으로 하여 미세먼지 여과 효과, 항균 및 선호도(통기성 및 쾌적함)에 대한 비교를 실시하였다.
본 발명의 미세먼지 여과능은 식약처의 보건용 마스크의 기준 규격에 대한 가이드라인에 준하여 염화나트륨 에어로졸을 이용한 실험을 통해 측정하였다. 구체적으로, 염화나트륨 시약을 물에 녹여 1 % 염화나트륨 용액을 만든 다음 자동필터 검사장비를 이용하여 염화나트륨 에어로졸을 발생시키고, 염화나트륨 에어로졸의 유량을 분당 95 L, 농도는 8 ± 4 mg/㎥가 되도록 하여 염화나트륨 에어로졸을 분당 95 L의 유량으로 통과시킨 다음 통과 전후의 농도를 측정하였다. 이 때의 측정값은 30 ± 3초 사이에서 얻어진 평균값으로 하되, 시험 시작 후 3분 이내에 측정하였다.
또한, 항균성은 KSK-0693 의하여 항균성을 비교하였다. 구체적으로, 고온고압멸균기(오토클레이브)에서 121℃로 멸균처리 한 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3의 필터에 측정 대상이 되는 스테필로코커스 아우레우스(Staphylococus aureus)를 1 x 107개 접종하여 18시간 동안 배양한 뒤, 표준 면포와 비교하여 정균의 감소율을 %로 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
구분 미세먼지 여과능(%) 항균도(%)
실시예 1 99 99
실시예 2 99.5 99
비교예 1 85 65
비교예 2 98 70
비교예 3 43 65
그 결과, 상기 표 1에 나타난 바와 같이 본 발명의 마스크 필터 카트리지를 사용하는 경우 99% 이상의 여과능을 보여 KF94 기준을 충족하며, 복합 다중구조로 구성된 마스크 필터 카트리지(실시예 2)의 경우에는 더욱 높은 99.5%의 여과능을 보여 KF94 기준을 충족하는 것을 확인하였다. 또한, 비교예에 비해 실시예 1, 2 모두에서 현저히 우수한 항균도를 나타내는 것을 확인하였다.본 발명에서 사용한 나노 섬유층의 시험 성적서를 도 5에 나타내었으며, PTFE을 코팅한 멤브레인의 시험성적서는 도 6에 나타내었다.
또한, 본 발명의 마스크 필터 카트리지를 사용한 경우의 관능 테스트로서 통기성 및 쾌적함에 대한 주관적 평가를 실시하였다. 특히, 마스크를 오래 쓰는 경우 습기가 차 찝찝하고 냄새가 발생하는 등 사용자로 하여금 여러가지 불쾌감을 유발할 수 있는 바, 이와 같은 항목을 쾌적함으로 정의하고, 착용시간에 따른 쾌적함 유지능력에 대하여 비교하였다.
구체적으로, 20 내지 60대의 성인 36명을 선정하여 10점 평점법을 사용하였으며, 선호도가 높을수록 높은 점수를 주도록 하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
항목 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3
통기성 9.3 9.1 8.2 7.2 9.9
쾌적함(10분) 8.9 9.5 8.8 8.0 9.9
쾌적함(30분) 8.3 8.8 7.3 6.9 8.5
쾌적함(2시간) 7.7 8.2 4.7 4.4 6.2
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 멜트블로운 방식의 비교예 1 및 2는 통기성에서 낮은 선호도를 받았으며, 오랜 시간 착용할수록 착용자의 쾌적함이 빠르게 감소하여 불쾌함을 유발할 수 있음을 확인하였다. 일반 면 마스크인 비교예 3은 통기성 및 착용 직후의 쾌적함은 가장 우수하였으나, 오랜 시간 착용하는 경우 축축해져 쾌적함 수치가 기하급수적으로 감소하는 것을 확인하였다. 반면, 본 발명 실시예 1 및 2의 마스크 필터 카트리지는 멜트블로운 방식 필터보다 우수한 통기성을 나타낼 뿐 아니라, 장시간 착용에 따른 불쾌감도 현저히 적은 것을 확인하였다. 특히 복합 다층구조의 실시예 2는 2시간이 지난 후에도 현저히 우수한 쾌적함을 유지하고 있는 바, 이는 두개의 나노 필터층 사이에 존재하는 멤브레인에 의해 습도가 조절됨과 동시에 항균효과에 따른 구취 제거 효과가 복합적으로 작용한 결과에 기인하는 것으로 보인다. 실험예 2. 세척 후 미세먼지 여과 및 항균 효과 유지여부 확인 실험
상기 실시예 1 및 2를 대상으로 세척 후에도 미세먼지 여과능 및 항균 효과가 유지되는지 여부를 확인하였다.
세척은 각각 물 또는 에탄올을 이용한 세척을 1 내지 10회 실시하였고, 1회 세척 후에는 충분히 건조를 완료한 후, 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 여과능 및 항균 효과를 확인하고 표 3에 나타내었다.
항목 물세척 5회
여과능(%)		 물세척 10회
여과능(%)		 에탄올세척 5회
여과능(%)		 에탄올세척 10회
여과능(%)		 항균효과
실시예 1 81 80 80 78 99%유지
실시예 2 92 86 90 81 99%유지
그 결과, 실시예 1 및 2 모두에서 항균효과는 99% 유지되는 것을 확인하였고, 물과 에탄올을 이용해 세척하는 경우 모두에서 여과능은 여전히 80%정도를 유지하는 것을 확인하였다.전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (1)

  1. 복합 다층 구조의 필터 카트리지가 구비된 마스크에 있어서,
    상기 필터 카트리지는 가장 외부에 두 개의 신축성 원단이 위치하고, 상기 신축성 원단;의 사이에 나노 필터 구조물이 구비되며,
    상기 신축성 원단은 천연 고무, 네오프렌(neoprene), 부틸 고무(butyl rubber), 니트릴 고무(nitrile rubber) 및 실리콘으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 원료를 이용하여 직조된 직물이고,
    상기 나노 필터 구조물은 나노 방진망; 및 나노 필터;가 연속적으로 결합된 형태로 구성되며,
    상기 나노 방진망;은 5 내지 50 nm의 선폭을 갖는 복수의 나노와이어들이 기재 상에 5 내지 100 nm의 간격으로 형성되어 있는 형태로 구성된 나노 메쉬(mesh);의 일 측면에 직접 나노 섬유를 전기방사하여 코팅된 나노 섬유 코팅층;을 가지고, 상기 나노 섬유 코팅층;에 균일하게 분포되어 존재하는 광촉매 미세입자를 포함하고,
    상기 나노 섬유 코팅층은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 100 중량부, PEO(polyethylene oxide) 12 중량부 및 PAN(Polyacrylonitrile) 70 중량부를 DMA(dimethyl acetamide)와 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)가 1:2의 중량비로 혼합된 용매에 용해하여 방사용액을 구성하는 혼합단계;
    상기 방사용액에 고전압을 인가하여 전기방사함으로써 나노 섬유를 성형하는 단계; 및
    상기 성형된 나노 섬유에서 50~70℃의 물을 이용하여 PEO를 용해시키는 공정을 거쳐 PEO만을 선택적으로 제거하여 생성된 나노 섬유 표면을 다공성화 하는 기공형성 단계;를 포함하여 제조된 것이고,
    상기 나노 섬유 코팅층에 분포된 광촉매는 이산화 티타늄(TiO2) 15%를 스프레이 한 것이며,
    상기 나노 필터;는 두개의 외피층 사이에 나노 섬유 층이 위치하는 삼층의 구조로 구성되고,
    상기 외피층은 친환경 천연 섬유인 목화, 대마 껍질 및 코코넛 열매 껍질로부터 수득한 섬유를 이용하여 제조된 것이고,
    상기 나노 필터;에 포함되는 나노 섬유층은 각 나노 섬유가 직교하면서 0.05㎛ 내지 0.1㎛의 기공을 형성하는 형태로 구성되며,
    상기 나노 필터;에 포함되는 나노 섬유는 PVDF에 항균물질인 글루콘산 클로르헥시딘(Chlorhexidine gluconate) 또는 폴리헥사메틸렌 비구아니드(Polyhexamethylene biguanide)를 추가로 첨가하여 제조한 것으로서, 세척 후에도 미세먼지 여과 및 항균력이 유지되는 것을 특징으로 하는, 복합 다층 구조의 필터 카트리지가 구비된 마스크.
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