KR102378077B1

KR102378077B1 - 다중박막코팅층을 포함하는 공기청정기용 필터 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR102378077B1
Application number: KR1020200022016A
Authority: KR
Inventors: 조충연
Original assignee: 주식회사 에스엠전자
Priority date: 2020-02-24
Filing date: 2020-02-24
Publication date: 2022-03-25
Also published as: KR20210107270A

Abstract

본 발명은 다중박막코팅층을 포함하는 공기청정기용 필터와 공기청정기용 필터의 코팅 방법을 제공하는 것으로, 상기 공기청정기용 필터는 기재 및 기재의 표면상에 형성된 복수개의 다중박막코팅층을 포함하는 공기청정기용 필터로서, 상기 다중박막코팅층은 양이온성 고분자전해질 용액으로 형성된 코팅층과 음이온성 고분자전해질 용액으로 형성된 코팅층이 번갈아가며 포함된 것을 특징으로 한다.

Description

다중박막코팅층을 포함하는 공기청정기용 필터 및 이의 제조 방법 {Filter for air cleaner comprising multi-layered coating and the manufacturing method thereof}

본 발명은 다중박막코팅층을 포함하는 공기청정기용 필터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 미세먼지에 의한 대기 오염이 심각해지고 있다. 미세먼지 미세먼지(Particulate Matter; PM는 대기 중에 떠다니며 눈에 보이지 않을 정도로 작은 먼지를 의미하는 것으로, 미세먼지는 인체에 해로운 다량의 유해물질과 오염물질 등을 함유하고 있는 것으로 알려져 있다. 미세먼지는 또한 악취도 수반하고 있어서 환경적으로 그 심각성이 점차 증가하고 있는 실정이다. 이러한 인체에 해로운 유해물질과 악취를 동반하는 오염물질 등이 함유된 미세먼지에 장기적으로 노출될 경우 면역력이 급격히 저하되어 감기, 천식, 기관지염 등의 호흡기 질환은 물론 심혈관 질환, 피부질환, 안구질환 등 각종질병에 노출될 수 있다. 특히 직경 2.5㎛ 이하의 초미세먼지는 인체 내 기관지 및 폐 깊숙한 곳까지 침투하기 쉬워 기관지, 폐 등에 붙어 각종 질환을 유발한다.

이러한 이유로, 상기한 미세먼지 중의 유해물질과 오염먼지 등을 필터링하여 주는 다양한 형태의 필터 시스템을 구비한 공기 청정기와 공기순환기 등이 주거공간, 업무공간, 및 상업공간에서 사용되고 있다.

기존의 공기순환기는 실내외 급배기를 통해 실내환경을 개선하며, 이때 발생할 수 있는 열손실을 최소화할 수 있어 최근 신축되는 건축물에서는 의무적으로 적용하고 있는 추세이다. 공기순환기는 필터로서 헤파필터, 탈취 필터 및 집진필터를 포함할 수 있다. 상기 헤파필터의 HEPA는 고효율 미립자 공기(High Efficiency Particulate Air)의 머리글자로서, 원자력 연구가 시작된 초기에 연구원들의 건강에 위험을 끼칠 수 있는 방사성 미립자를 정화하기 위해 처음으로 개발되었으며, 0.3㎛ 이하의 미세먼지를 여과하는데 사용되었으나, 실내공기질 향상에 대한 수요가 높아지며 가정용 제품에서도 헤파필터를 채용하여 사용하고 있다. 이에 상기 헤파필터의 성능을 보다 개선하거나, 항균성 등의 기능성을 상승시키기 위한 코팅 방법에 대한 연구가 다수 이루어지고 있다(대한민국 등록특허공보 제1933908호).

본 발명은 다중박막코팅층을 포함하는 공기청정기용 필터 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 기재; 및 기재의 표면상에 형성된 복수개의 다중박막코팅층을 포함하는 공기청정기용 필터로서, 상기 다중박막코팅층은 하기 코팅층이 순차적으로 형성된 것을 특징으로 하는, 공기청정기용 필터를 제공한다:

제1양이온성 고분자전해질 코팅층;

음이온성 고분자전해질 코팅층;

제2양이온성 고분자전해질 코팅층; 및

나노클레이 코팅층.

본 발명의 일구현예로, 상기 필터는 다중박막코팅층을 1 내지 20개 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구현예로, 상기 양이온성 고분자전해질 코팅층은 폴리에틸렌이민 및 키토산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구현예로, 상기 음이온성 고분자전해질 코팅층은 폴리아크릴산을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 나노클레이 코팅층은, 100nm 내지 2 μm의 직경을 갖는 점토광물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또다른 구현예로, 상기 점토광물은 수용액 상에서 음이온을 띄는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 하기 단계를 포함하는, 공기청정기용 필터의 코팅 방법을 제공한다:

기재를 양이온성 고분자전해질 용액에 담궈 제1양이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S1);

상기 S1 단계를 통해 제1양이온성 고분자전해질 코팅층이 형성된 기재를 음이온성 고분자전해질 용액에 담궈 음이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S2);

상기 S2 단계를 통해 음이온성 고분자전해질 코팅층이 형성된 기재를 다시 양이온성 고분자전해질 용액에 담궈 제2양이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S3); 및

상기 S3 단계를 통해 제2양이온성 고분자전해질 코팅층이 형성된 기재를 나노클레이 용액에 담궈 나노클레이 코팅층을 형성하는 단계(S4).

본 발명의 또다른 구현예로, 상기 S4 단계의 나노클레이 코팅층이 형성된 후, 하기 단계를 반복 수행하여 다중박막코팅층을 복수개 형성하는 것을 특징한다:

이전 단계에서 나노클레이 코팅층이 형성된 기재를 양이온성 고분자전해질 용액에 담궈 제1양이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S1');

상기 S1' 단계를 통해 제1양이온성 고분자전해질 코팅층이 형성된 기재를 음이온성 고분자전해질 용액에 담궈 음이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S2');

상기 S2' 단계를 통해 음이온성 고분자전해질 코팅층이 형성된 기재를 다시 양이온성 고분자전해질 용액에 담궈 제2양이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S3'); 및

상기 S3' 단계를 통해 제2양이온성 고분자전해질 코팅층이 형성된 기재를 나노클레이 용액에 담궈 나노클레이 코팅층을 형성하는 단계(S4').

본 발명의 또다른 구현예로, 상기 양이온성 고분자전해질 용액은 폴리에틸렌이민 및 키토산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또다른 구현예로, 상기 음이온성 고분자전해질은 폴리아크릴산을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또다른 구현예로, 상기 나노클레이 코팅층은, 100nm 내지 2μm의 직경을 갖는 점토광물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 공기청정기에 사용되는 필터의 코팅방법과 상기 코팅방법으로 코팅된 공기청정기용 필터를 제공할 수 있다. 상기 코팅층은 다층박막필름 코팅층으로서, 양이온성 코팅층과 음이온성 코팅층이 서로 번갈아가며 포함되는 구조를 갖는다. 상기 코팅층의 최종 코팅 두께는 2㎛ 이하의 초 박막형태로 기재에 코팅되어, 우수한 성능의 필터를 제조할 수 있다. 상기 코팅층의 층수 조절을 통해 발암물질 (NOx, SOx 등)과 이산화탄소 등을 효과적으로 제거할 수 있고, 특히 본 발명의 코팅에 사용되는 코팅 용액은 가격이 저렴하면서도 필터의 색상 및 형태에 전혀 영향을 주지 않는 바, 본 발명의 코팅방법은 헤파 필터와 같은 공기청정기용 필터에 유용하게 활용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 코팅층의 원리를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 4중층 코팅방법을 모식화하여 나타낸 것이다(Priolo, M. A.; Gamboa, D.; Holder, K. M.; Grunlan, J. C. Nano Lett 2010, 10, 4970).
도 3은 본 발명의 실시예에서 수행한 2중층 코팅방법을 모식화하여 나타낸 것이다(M. A. Priolo , K. M. Holder , D. Gamboa , J. C. Grunlan , Langmuir 2011 , 27 , 12106).
도 4는 4중층 코팅에 의해 형성되는 코팅층 구조의 예시를 나타낸 것이다(Priolo, M. A.; Gamboa, D.; Holder, K. M.; Grunlan, J. C. Nano Lett 2010, 10, 4970).
도 5는 2중층 코팅에 의해 형성되는 코팅층 구조의 예시를 나타낸 것이다(M. A. Priolo , K. M. Holder , D. Gamboa , J. C. Grunlan , Langmuir 2011 , 27 , 12106).

본 발명자들은 친환경적으로 공기청정기용 필터의 성능을 상승시킬 수 있는 방법 개발하고자 예의 연구한 결과, 다층 박막 필름 코팅 방식을 적용하여, 양이온성 코팅층과 음이온성 코팅층을 번갈아가며 형성하여 코팅을 수행할 경우 필터의 물리적 특성에 영향을 끼치지 않으면서도 필터의 성능을 향상시킬 수 있는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다. 즉, 본 발명은 기재 및 기재의 표면상에 형성된 복수개의 다중박막코팅층을 포함하는 공기청정기용 필터와 상기 다중박막코팅층을 형성하는 코팅 방법을 제공한다.

즉 본 발명은, 기재 및 기재의 표면상에 형성된 복수개의 다중박막코팅층을 포함하는 공기청정기용 필터로서, 상기 다중박막코팅층은 하기 코팅층이 순차적으로 형성된 것을 특징으로 하는, 공기청정기용 필터를 제공한다:

제1양이온성 고분자전해질 코팅층;

음이온성 고분자전해질 코팅층;

제2양이온성 고분자전해질 코팅층 및

나노클레이 코팅층.

또한 본 발명은, 하기 단계를 포함하는, 공기청정기용 필터의 코팅 방법을 제공한다:

기재를 양이온성 고분자전해질 용액에 담궈 제1양이온성 코팅층을 형성하는 단계(S1);

상기 S1 단계를 통해 제1양이온성 코팅층이 형성된 기재를 음이온성 고분자전해질 용액에 담궈 음이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S2);

본 발명의 방법은 도 1에 나타낸 것과 같이 박막 필름 코팅층을 다수개 형성하여 입자 크기별로 선택적 필터링을 가능하게 한 것이다. 본 발명의 코팅 방법에 적용된 필터는 나노 사이즈에서 마이크로 수준까지 기체 투과도의 제어가 가능한 것으로, 기판에 형성되는 코팅 수, 사용되는 나노클레이 농도, 나노클레이의 크기, 고분자 수지 용액의 pH, 이온화도 등을 조절하여 미세먼지 입자를 종류별로 선택적 필터링을 수행할 수 있다.

본 발명에서 상기 필터는 다중박막코팅층을 1 내지 20개 포함할 수 있다. 상기 다중박막코팅층의 개수에는 제한이 없으나 바람직하게는 4 내지 10개 포함될 수 있다. 본 발명에서 코팅이 수행되는 기재의 소재는 종래 헤파필터에 사용되는 소재라면 제한없이 이용이 가능하며, 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 소재가 사용될 수 있다.

본 발명의 일구현예로, 본 발명의 코팅 방법은 상기 S1 내지 S4단계를 수행한 후, 하기의 S1' 내지 S4' 단계를 반복 수행하여 다중박막코팅층을 복수개 형성할 수 있다:

이전 단계에서 나노클레이 코팅층이 형성된 기재를 양이온성 고분자전해질 용액에 담궈 양이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S1');

상기 S1' 단계를 통해 양이온성 고분자전해질 코팅층이 형성된 기재를 음이온성 고분자전해질 용액에 담궈 음이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S2');

상기 S2' 단계를 통해 음이온성 고분자전해질 코팅층이 형성된 기재를 다시 양이온성 고분자전해질 용액에 담궈 양이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S3'); 및

상기 S3' 단계를 통해 양이온성 고분자전해질 코팅층이 형성된 기재를 나노클레이 용액에 담궈 나노클레이 코팅층을 형성하는 단계(S4').

본 발명의 다른 구현예로 상기 양이온성 고분자전해질 용액은 폴리에틸렌이민, 키토산 등 수용액에서 양이온성을 띄는 고분자전해질을 포함하는 것이라면 제한없이 이용이 가능하다.

바람직하게는 폴리에틸렌이민 고분자전해질 용액은, 중량평균분자량이 10,000 내지 50,000인 폴리에틸렌이민 수지를 0.1 내지 1.00 중량%로 포함하는 수용액인 것을 특징으로 한다. 상기 폴리에틸렌이민 수지는 0.1 중량% 미만으로 포함될 경우 필터 표면이 양전하를 갖게 하는 효과가 낮아져 필터의 성능에 영향을 미칠 수 있고, 1 중량%를 초과할 경우 필터의 제작 비용이 증가하고 물리적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 또한 바람직하게는 키토산 용액은 중량평균분자량이 10,000 내지 50,000인 키토산을 0.1 내지 1.00 중량%로 포함하는 수용액인 것을 특징으로 한다. 상기 키토산은 0.1 중량% 미만으로 포함될 경우 필터 표면이 양전하를 갖게 하는 효과가 낮아져 필터의 성능에 영향을 미칠 수 있고, 1 중량%를 초과할 경우 필터의 제작 비용이 증가하고 물리적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 또한 상기 폴리에틸렌이민 수지 용액과 키토산 용액은 1: 1~99의 다양한 중량비로 혼합되어 사용될 수도 있다.

본 발명의 또다른 구현예로 상기 음이온성 고분자전해질 용액은 수용액에서 음이온성을 갖는 고분자 전해질을 포함하는 것이라면 제한없이 이용이 가능하고 바람직하게는 폴리아크릴산을 포함하는 것일 수 있다. 상기 폴리아크릴산 고분자전해질 용액은, 중량평균분자량이 50,000 내지 200,000인 폴리아크릴산 수지를 0.05 내지 1.20 중량%로 포함하는 수용액일 수 있다. 상기 폴리아크릴산 수지는 0.05 중량% 미만으로 포함될 경우 필터 표면이 음전하를 갖게 하는 효과가 낮아져 필터의 성능에 영향을 미칠 수 있고, 1.20 중량%를 초과할 경우 필터의 제작 비용이 증가하고 물리적 특성에 영향을 미칠 수 있다.

본 발명에서 상기 나노클레이 용액은, 수용액 상에서 음이온을 띄는 점토광물을 포함하는 것이라면 제한없이 이용이 가능하다. 상기 점토광물의 종류에는 제한이 없으나 예를들어 몬모릴로나이트(Montmorillonite), 버미큘라이트(vermiculite) 및 벤토나이트(bentonite)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.

상기 몬모릴로나이트는 100nm 내지 2 μm의 직경을 갖는 것으로, 상기 나노클레이 코팅층은 소듐몬모릴로나이트가 0.5 내지 5.00 중량%로 포함되는 수용액을 통해 제조될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명할 것이다.

[실시예]

<박막필름 코팅>

필터로 사용될 부직포(PET 소재)를 기재로서 준비하였고, 코팅에 사용하기 위하여 Polyethyleneimine (PEI, Sigma-Aldrich, Mw=25,000 g/mol) 고분자전해질 용액(0.1 wt% 수용액, pH 10), Sodium montmorillonite (MMT, Southern Clay Products, Inc. 1 nm thick, 직경 100-1000 nm) 용액(1.0 wt% 수용액 Natural pH ~10), Poly(acrylic acid) (PAA, Sigma Aldrich, Mw=100,000 g/mol) 고분자전해질 용액(0.2 wt% 수용액, pH 4)을 준비하였다.

상기 용액을 용기에 넣어 준비한 후, 도 2(코팅방식 A) 또는 도 3(코팅방식 B)에 기재된 것과 같이 코팅 과정을 진행하였다. 상기 코팅방식 A에 의해 수행되어 형성되는 4중 코팅층을 4번 반복하여 형성시킨 코팅층 구조의 예시를 도 4에 나타내었고, 상기 코팅방식 B에 의해 수행되어 형성되는 2중 코팅층을 4번 반복하여 형성시킨 코팅층 구조의 예시를 도 5에 나타내었다.

	코팅 방식	코팅공정 반복 수
실시예 1	A	3
실시예 2	A	4
비교예 1	B	3
비교예 2	B	4
비교예 3	-	0

* 코팅방식 A : 도 2에 제시된 것과 같이 기재를 폴리에틸렌이민 수지 용액에 1분 동안 침지시킨 후 꺼내어 건조시켰고, 건조가 완료되면 폴리아크릴산 수지 용액에 1분 동안 침지시킨 후 꺼내어 건조시켰으며, 건조가 완료되면 다시 폴리에틸렌이민 수지 용액에 1분 동안 침지시킨 후 꺼내어 건조시켰고, 건조가 완료되면 소듐몬모릴로나이트 용액에 1분 동안 침지시킨 후 꺼내어 건조시켰다. 각각의 화학물질을 적층한 후에는 DI water에 1분간 침지하여 과량으로 흡수된 화학물질을 제거하였다. 상기 코팅 반복 수에 따라 상기 코팅을 동일하게 다수회 수행하였다.

* 코팅방식 B : 도 3에 제시된 것과 같이 기재를 폴리에틸렌이민 수지 용액에 1분 동안 침지시킨 후 꺼내어 건조시켰고, 건조가 완료되면 소듐몬모릴로나이트 용액에 1분 동안 침지시킨 후 꺼내어 건조시켰다. 각각의 화학물질을 적층한 후에는 DI water에 1분간 침지하여 과량으로 흡수된 화학물질을 제거한다. 상기 코팅 반복 수에 따라 상기 코팅을 동일하게 다수회 수행하였다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

기재 및 기재의 표면상에 형성된 복수개의 다중박막코팅층을 포함하는 공기청정기용 필터로서, 상기 다중박막코팅층은 하기 코팅층이 순차적으로 형성된 것을 특징으로 하고,
제1양이온성 고분자전해질 코팅층;
음이온성 고분자전해질 코팅층;
제2양이온성 고분자전해질 코팅층; 및
나노클레이 코팅층
상기 양이온성 고분자전해질 코팅층은 중량평균분자량이 10,000 내지 50,000인 폴리에틸렌이민 수지를 0.1 내지 1.00 중량%로 포함하거나 중량평균분자량이 10,000 내지 50,000인 키토산을 0.1 내지 1.00 중량%로 포함하고,
상기 음이온성 고분자전해질 코팅층은 중량평균분자량이 50,000 내지 200,000인 폴리아크릴산 수지를 0.05 내지 1.20 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 공기청정기용 필터.
제1항에 있어서,
상기 필터는 다중박막코팅층을 1 내지 20개 포함하는 것인, 공기청정기용 필터.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 나노클레이 코팅층은, 100nm 내지 2 μm의 직경을 갖는 점토광물을 포함하는 것인, 공기청정기용 필터.
하기 단계를 포함하며,
기재를 양이온성 고분자전해질 용액에 담궈 제1양이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S1);
상기 S1 단계를 통해 제1양이온성 고분자전해질 코팅층이 형성된 기재를 음이온성 고분자전해질 용액에 담궈 음이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S2);
상기 S2 단계를 통해 음이온성 고분자전해질 코팅층이 형성된 기재를 다시 양이온성 고분자전해질 용액에 담궈 제2양이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S3); 및
상기 S3 단계를 통해 제2양이온성 고분자전해질 코팅층이 형성된 기재를 나노클레이 용액에 담궈 나노클레이 코팅층을 형성하는 단계(S4)
상기 양이온성 고분자전해질 용액은 중량평균분자량이 10,000 내지 50,000인 폴리에틸렌이민 수지를 0.1 내지 1.00 중량%로 포함하거나 중량평균분자량이 10,000 내지 50,000인 키토산을 0.1 내지 1.00 중량%로 포함하는 수용액이고,
상기 음이온성 고분자전해질 용액은 중량평균분자량이 50,000 내지 200,000인 폴리아크릴산 수지를 0.05 내지 1.20 중량%로 포함하는 수용액인 것을 특징으로 하는 공기청정기용 필터의 코팅 방법.
제6항에 있어서,
상기 S4 단계의 나노클레이 코팅층이 형성된 후, 하기 단계를 반복 수행하여 다중박막코팅층을 복수개 형성하는 것을 특징으로 하는, 공기청정기용 필터의 코팅 방법:
이전 단계에서 나노클레이 코팅층이 형성된 기재를 양이온성 고분자전해질 용액에 담궈 제1양이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S1');
상기 S1' 단계를 통해 제1양이온성 고분자전해질 코팅층이 형성된 기재를 음이온성 고분자전해질 용액에 담궈 음이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S2');
상기 S2' 단계를 통해 음이온성 고분자전해질 코팅층이 형성된 기재를 다시 양이온성 고분자전해질 용액에 담궈 제2양이온성 고분자전해질 코팅층을 형성하는 단계(S3'); 및
상기 S3' 단계를 통해 제2양이온성 고분자전해질 코팅층이 형성된 기재를 나노클레이 용액에 담궈 나노클레이 코팅층을 형성하는 단계(S4').
삭제
삭제
제6항에 있어서,
상기 나노클레이 코팅층은, 100nm 내지 2 μm의 직경을 갖는 점토광물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 공기청정기용 필터의 코팅 방법.
제10항에 있어서,
상기 점토광물은 수용액 상에서 음이온을 띄는 것을 특징으로 하는, 공기청정기용 필터의 코팅 방법.