KR102382941B1 - 공기 여과용 필터여재 및 이를 이용한 방진 마스크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마스크 제조방법에 관한 것으로서, 부직포 재질인 복수의 레이어로 구성하되 최전방에 배치되는 레이어 및 착용자의 안면과 접촉되는 레이어는 각각 마스크 형태를 유지할 수 있도록 딱딱한 질감의 부직포를 사용하고 이들 사이에 배치되는 레이어는 유전성 기능을 갖는 AT 부직포가 사용되도록 하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 기존에 제조된 입체형 마스크 소재와는 달리 4겹의 다양한 부직포를 적층하여 초미세먼지의 초기 부착, 내부 흡착, 차단 등의 과정을 거쳐 높은 초미세먼지 차단성을 갖고 포집된 초미세먼지를 내부 공간을 확대하여 대용량화하고 흡입된 초미세 먼지를 탈착이 어려운 유전성능을 부여하여 사용기간을 늘리는 동시에 평균 미세 다기공의 수량 및 크기 확대를 통해 호흡 기능이 뛰어난 마스크의 제조가 가능하게 되고, 또한, 제시한 4 layer 구조의 마스크 소재는 기존 마스크 대비 동등 이하의 중량으로 구성되어 착용감이 우수할 뿐만 아니라 본 발명에서 제시한 호흡성 개선을 위한 방법으로 초미세 먼지 차단을 위해 기공을 줄이는 대신 포집효과가 뛰어나도록 단계별 정전 효과를 극대화하고 호흡구로 통과된 초미세먼지의 포집 성능을 높여 호흡성이 우수할 뿐만 아니라 내구성도 향상되며, 또한, 이러한 구조설계는 마스크 뿐만 아니라 자동차 및 필터 구조로서도 응용이 가능하므로 다양한 분야까지 확대될 수 있는 등의 효과를 얻을 수 있다.

Description

공기 여과용 필터여재 및 이를 이용한 방진 마스크{Filter media for air filtration and dust mask using it}

본 발명은 공기 여과용 필터여재 및 이를 이용한 방진 마스크에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부직포 재질인 복수의 레이어로 구성하되 최전방에 배치되는 레이어 및 안면과 접촉되는 레이어는 각각 필터여재(마스크) 형태를 유지할 수 있도록 딱딱한 질감의 스펀본드(SPUNBOND, SB) 부직포를 사용하고 이들 사이에 배치되는 레이어들(또는, 단일 레이어)은 정전성 기능을 갖는 멜트블로운(MELT BLOWN, MB) 부직포나 유전성 기능을 갖는 AT부직포가 투입되도록 한 공기 여과용 필터여재 및 이를 이용한 방진 마스크에 관한 것이다.

일반적으로, 공기 여과용 필터여재, 자동차나 가정용 공기청정기용 필터 등의 경우, 특히 마스크는 면, 레이온 등의 천연 소재 또는 합성소재와의 혼섬 소재를 이용하여 편물 형태로 제조하여 사용하여 왔으나 편물 형태의 마스크는 자체 신축성이 우수하여 착용감과 호흡성은 좋으나 미세먼지의 차단성이 떨어져 실질적으로 초미세먼지 차단 마스크로 사용하기는 어려웠으며 단순히 위생적 측면의 마스크로 사용되고 있다.

또한, 최근에 많이 사용되고 있는 부직포 소재의 경우에도 저가의 일자형 마스크를 사용하여 초미세 먼지에 대응하고 있으나 안면 흡착성이 떨어져 이에 따라 누기율이 높아 이 또한 충분한 미세 먼지 차단 효과를 얻을 수 없다.

마스크 구조의 기술 향상에 따라 3D 형태의 입체형 마스크는 구조의 특징뿐만 아니라 사용되는 소재를 특성화하여 초미세먼지의 차단성은 물론 착용감을 높여 가장 사용도가 높은 제품으로 최근 가장 많이 사용하고 있다.

그러나, 이런 입체형 마스크의 경우에도 높은 여과효율을 얻기 위해 사용되는 정전성 부직포인 멜트 블로운(Melt Blown, MB) 부직포를 사용하고 있기 때문에 차단 효과가 우수한 반면 흡기 저항성이 높아 호흡이 어려워서 노인이나 유아의 경우 낮은 효율성의 마스크 사용을 권고하는 현실이다.

특히, 안경을 낀 사용자의 경우 김 서림 등이 나타나 사용상의 불편함을 호소하고 있는 등의 문제점을 갖고 있었다.

한편, 종래의 특허를 살펴보면, 대한민국 공개특허 10-2015-0118655에서는 필터여재에 산화그래핀, 양이온성 산화그래핀, 다공성 실리카 등을 부직포에 코팅하여 초미세 먼지 뿐 아니라 혐수성 환경 유해물질 등 음전하를 띠는 물질을 제거하고 세균 번식을 억제하는 살균작용을 하는 마스크를 제조하는 방법을 제시하였다.

이러한 종래 기술은 미세먼지 뿐 아니라 냄새 등의 부가적 차단효과를 얻고자 하였으나 호흡 편의성의 문제와 코팅 후 잔재물에 의한 위해성 등의 문제가 예상될 수 있었다.

중국 특허출원 201410266195.4 에서는 PTFE 필름막을 이용한 마스크 소재를 제시하였다.

이는, 외층에 죽탄 원단을 배치하고 중간층에 PTFE 다공성 필름막을 배치하며 내층에는 은나노 섬유 등을 배치하여 초미세먼지의 차단 효과를 얻고자 하였다.

그러나, PTFE 필름의 경우 초미세먼지 뿐만 아니라 박테리아 제거 성능 등 외부 오염에 대한 차단효과는 우수하나 호흡성이 불량하여 마스크 적용에는 문제가 있었다.

한편, 일반적으로 마스크의 경우 일회용 제품이나 내구성 향상을 위해 각각의 소재와 마스크 형상, 구조체 등을 달리하여 제조하기도 한다.

공개특허 10-2017-0104194의 경우 마스크 구조체를 감싸는 외부 커버를 제조하고 핵심 구조체를 교체함으로써 반복적으로 사용할 수 있도록 하였으나 일반적인 일회용 마스크대비 교체 후 전면 보호면적이 확보되기 어렵고 사용상의 불편함이 있었다.

최근, 급속한 환경 문제는 폐기 자원과 맞물려 재활용 부분도 중요시되는 것이 사실이지만 우선적으로 사용상의 성능과 편의성이 중요한 것으로 재활용 제품의 성능 저하보다는 초미세먼지 차단 효과가 우선적으로 기대되는 점에 초점을 맞추어 제조하는 것이 필요하며, 호흡성을 향상시키기 위한 종래의 특허로는 일본특허 4372638(출원번호 3133876)가 있다.

이는, 마스크의 일정 형상을 유지해 착용시 코를 압박하지 않으면서 마스크 내부 결로 현상을 방지하는 기능성 마스크 제조 발명으로 3D형태로 중앙 부위가 부풀어 오른 마스크 본체와 복수의 통기공, 콧대 지지부, 배기시 배출을 위한 하단부 공기배출 엠보 패턴 등 형상적으로는 호흡성은 개량되었으나 흡입시의 누기 현상과 통기공 및 엠보 패턴 형상 등 가격면이나 생산면에서 상용화에 문제가 있어 보인다.

그리고, 공개특허 10-2015-0047776에서도 3D 형상의 유사한 마스크 제조 발명이 있는데 형태는 반구형으로 중앙부분이 전면으로 돌출되어 여유 공간을 확보하고 중앙부분이 통기성 소재로 형성되고 여유 공간을 유지할 수 있는 형태로 제조하는 것으로 고 효율적으로 초미세 먼지를 차단하기는 어려운 소재 구성으로 되어 있다.

또한, 공개특허 10-2017-0104194는 3D형태이나 고정형 반구타입이 아닌 안면 형태를 감싸 안는 형태로 제조되었으며 끈 조절용 부재를 포함하여 안면 흡착성을 개량하고 호흡성 개선을 위해 별도의 통기밸브를 부착함으로써 배기 성능을 향상시키는 방법을 제시하였다.

그러나, 이 방법은 기존 마스크에 별도의 배기 장치를 설치하고 끈 조절 장치에 의한 착용감의 저하를 유발함으로써 가격, 생산성, 사용 편의성 등에서 범용화 제품으로 경쟁력 확보가 어려울 뿐 아니라 본 발명이 목적하는 착용 편이성과 호흡 용이성을 동시에 얻기는 어려운 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허 제10-2015-0118655호

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로써, 초미세먼지 차단성이 높고 착용 호흡시 배기 성능이 우수하여 사용자의 호흡이 편하게 일어날 수 있도록 마스크의 구조설계를 부직포의 종류(특성)에 따라 재배열하고 각각의 배열된 부직포의 성능과 구조를 특성화하여 공기 투과성능은 우수하되, 초미세먼지 는 걸러 주는 필터여재(마스크)를 제조하기 위해 기존 적용된 layer 부직포의 중량을 경량화하여 기공 밀도를 낮추고 Bulky한 구조의 부직포를 이용하여 공기투과도(호흡성)를 높이는 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 3rd layer에 적용되는 Bulky 구조의 부직포는 유전성이 높은 특성을 부여하여 호흡에 의해 흡입된 초미세먼지를 용이하게 섬유 표면으로 흡착하고 쉽게 탈리되지 않도록 함으로써 포집 효율을 높여 마스크 내구성 향상 뿐만 아니라 인체 내로 흡입되지 못하도록 하고자 하는 것으로 유전성 높은 섬유소재와 첨가제를 혼합하여 방사한 후 단섬유 형태로 제조한 후 AT(Air Through) 부직포 형태로 제조하여 부직포 웹의 벌키성을 높이고 여재의 통기성 및 여과 효율을 향상시키기 위한 필터여재(마스크) 제공하는데 다른 목적이 있다.

이러한 필터여재는 공기여과용 필터, 특히, 호흡성이 우수한 고성능 방진 마스크의 제조에 사용될 수 있다.

이와 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 여과용 필터여재는 4개의 레이어로 구성되고, 제 1레이어 내지 제 4레이어가 순차적으로 적층되며, 상기 제 1레이어 및 제 4레이어는 스펀본드 부직포로 구성되고, 제 1레이어 및 제 4레이어 사이의 제 2레이어는 정전성 기능을 갖는 멜트블로운 부직포로 적층되며, 제 3레이어는 정전성 기능을 갖는 멜트블로운 부직포 또는 유전성 AT 부직포로 적층되는 것임을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 AT 부직포의 소재는 PP/PE 복합방사 단섬유 방식으로 제조하되 직경이 10㎛ ~100㎛인 섬유인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 스펀본드 부직포는 PP 또는 PET 소재의 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 멜트블로운 부직포는 PP 소재의 것으로서, 방사시에 유전성 첨가제를 포함한 것 일수 있다.

또한, 본 발명의 상기 AT 부직포의 소재는 side by side 형태의 복합방사 부직포로서, 1섬유상의 PP 고분자가 50% 이상 90%까지 PE 고분자보다 높은 비율로 구성된 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 AT 부직포의 소재는 side by side 형태의 복합방사된 필라멘트를 단섬유화하고 이 단섬유를 부직포로 제조한 후에 열처리 공정을 통해 bulky하고 유전성이 높은 특성을 갖도록 한 것일 수 있다.

위에서 제조된 필터여재는 특히, 마스크의 제조에 사용될 수 있다.

위에서 제조된 필터여재는 특히, 제조된 자동차 및 공기청정기용 필터 제조에 사용될 수 있다.

또한 본 발명의 공기 여과용 마스크는 4개의 레이어로 구성되고, 제 1레이어 내지 제 4레이어가 순차적으로 적층되며, 상기 제 1레이어 및 제 4레이어는 스펀본드 부직포로 구성되고, 제 1레이어 및 제 4레이어 사이의 제 2레이어는 정전성 기능을 갖는 멜트블로운 부직포이고, 제 3레이어는 정전성 기능을 갖는 멜트블로운 부직포 또는 유전성 AT 부직포로 구성되며, 상기 스펀본드 부직포는 PP 또는 PET 소재의 것이고, 상기 제 4레이어가 제 1레이어보다 저중량이고, 상기 멜트블로운 부직포는 15-25gam 소재의 것이고, 상기 AT 부직포의 소재는 side by side 형태의 복합방사 부직포로서, 1섬유상의 PP 고분자가 50% 이상 90%까지 PE 고분자보다 높은 비율로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기에서 AT 부직포의 소재는 side by side 형태의 복합방사된 필라멘트를 단섬유화하고 이 단섬유를 부직포로 제조한 후에 열처리 공정을 통해 bulky하고 유전성이 높은 특성을 갖도록 한 것일 수 있다.

상기에서, 제 4레이어는 15-25gsm 정도의 것일 수 있다.

또한 상기 마스크는 초미세먼지 0.25㎛ 이하를 80%이상 차단하는 것일 수 있다.

상기와 같이 기술된 본 발명의 일 실시예인 마스크(필터여재)에 의하면, 기존에 제조된 입체형 마스크(필터여재) 소재와는 달리 4겹의 다양한 부직포를 적층하여 초미세먼지의 초기 부착, 내부 흡착, 차단 등의 과정을 거쳐 높은 초미세먼지 차단성을 갖고 포집된 초미세먼지를 내부 공간을 확대하여 대용량화하고 흡입된 초미세 먼지를 탈착이 어려운 유전성능을 부여하여 사용기간을 늘리는 동시에 평균 미세 다기공의 수량 및 크기 확대를 통해 호흡 기능이 뛰어난 마스크(필터여재)의 제조가 가능하게 되는 등의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 제시한 4 layer 구조의 마스크(필터여재) 소재는 기존 마스크(필터여재) 대비 동등 이하의 중량으로 구성되어 착용감이 우수할 뿐만 아니라 본 발명에서 제시한 호흡성 개선을 위한 방법으로 초미세 먼지 차단을 위해 기공을 줄이는 대신 포집효과가 뛰어나도록 단계별 정전 효과를 극대화하고 호흡구로 통과된 초미세먼지의 포집 성능을 높여 호흡성이 우수할 뿐만 아니라 내구성 향상 효과도 얻을 수 있다.

또한, 이러한 구조설계는 마스크 뿐만 아니라 자동차 및 필터 구조로서도 응용이 가능하므로 다양한 분야까지 확대될 수 있는 등의 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크의 각 레이어들을 나타낸 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크의 각 레이어들을 통해 초미세먼지가 걸러지는 과정을 나타낸 개략 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크의 각 레이어들 중 제2레이어를 나타낸 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크의 각 레이어들 중 제3레이어를 나타낸 정면도이다.

본 발명의 필터여재를 마스크에 적용한 실시예를 기준으로 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크는 다음과 같다.

본 발명의 초미세먼지 차단 마스크는 일반적 기준인 미세먼지(10.0 ㎛이하)와 초미세먼지(2.5㎛이하)를 모두 차단할 수 있는 성능을 갖기 위해 정전성이 부여된 멜트 블로운(MELT BLOWN, MB)부직포/에어스루(AIR THROUGH. AT)를 핵심 소재로 사용하고 스펀본드(SPUNBOND, SB) 또는 서멀 본드(THERMAL BOND, TB)를 지지체로 구성한다.

본 발명은 4 layers로 구성되며 MB 부직포의 성능에 따라 미세 먼지 또는 초미세 먼지 차단 효율이 결정된다.

지지체로 사용되는 SB는 마스크의 형태 안정성을 부여하기 위해 일반적으로 Polyprophylene(PP)또는 Polyester(PET) 50-60gsm 소재를 사용하며 표면 평활성이 우수하고 사용시 섬유 보푸라기(lint)발생이 적어 안면접착 부직포로도 사용된다.

주요 핵심 소재로 사용되는 MB의 경우 PP소재를 사용하며 공정상에 정전처리를 통해 초미세 먼지의 포집 성능을 배가시키는 실질적인 차단 성능을 부여하는 핵심 기술이기도 하다.

소재의 첨가제 배합과 정전처리 방법에 따라 차단성이 좌우되기도 하지만 미세먼지의 물리적 차단효과를 위해서는 기공도를 제어하는 기술도 필요하므로 공정 조건을 통해 부직포 섬유의 굵기나 배열 상태, 표면 형상 등의 요인도 마스크 성능을 결정하는 인자로 작용한다.

국내의 경우 식약청의 허가에 따라 KF 80, 94, 99 등 3가지 형태로 초미세 먼지 차단 성능의 마스크 제품을 구분하며 이는 각각 80%, 94%, 99%의 초미세 먼지 차단 성능이 있다는 의미이다.

높은 차단 성능의 부직포는 초미세 먼지를 물리적으로 차단하기 위해 미세한 기공 구조로 분포할 뿐 아니라 먼지를 포집할 수 있는 정전성을 부여하여 초미세 먼지를 포집하는 효과를 얻어야하므로 호흡성이 떨어질 수밖에 없는 문제점이 있다.

그러므로, 호흡이 어려운 노인이나 유아의 경우 높은 성능의 마스크를 착용하기는 무리가 있으므로 식약청에서도 낮은 성능(KF80)의 마스크를 권고하는 실정이다.

KF 80과 같은 상대적으로 낮은 성능의 마스크는 호흡성이 좋은 반면 초미세먼지 차단 성능은 있으나 이론적으로는 20% 정도의 미세먼지를 흡입할 수 있다는 의미이므로 호흡성이 좋은 고성능의 초미세 먼지 차단 마스크의 개발이 필요한 것이다.

또한, 부직포 마스크는 1회용으로 한번 사용하면 폐기해야 하는 제품으로 초미세먼지의 포집량이 증가하면 사용시간을 다소 연장할 수 있는 효과도 얻을 수 있으므로 마스크 구조 설계를 통해 이에 대한 효과도 부가적으로 얻을 수 있다.

먼저, 기존 MB 부직포의 중량을 줄여 기공 밀도를 감소시키고 중간층에 bulky성과 유전성이 우수한 부직포를 적층하여 기공성과 포집성을 향상시키는 구조로 마스크를 설계한다.

또한, 안면에 접하는 지지층의 경우 부드러운 질감의 부직포를 적용하여 착용감을 향상시키고 안면 형태에 맞는 입체 구조의 절개 형태로 제조하여 부착시 흡입 공기의 차단을 방지할 수 있도록 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 4개의 부직포 layers로 구성되는데 핵심층으로 2nd layer의 MB 부직포와 3rd layer의 AT 부직포가 초미세먼지 차단효과와 호흡성 개선 효과를 얻게 한다.

지지층으로 사용되는 1st layer와 4th layer 부직포는 SB로 제조된 PET소재를 사용하고 마스크의 형상을 유지할 수 있을 수준으로 중량을 조정하며, 4th layer 부직포는 호흡시 안면과의 직접적 부착으로 불편함을 주지 않을 정도의 중량으로 구성한다.

일반적으로 1st layer 부직포는 50 ~60gsm, 4th layer 부직포는 25-35gsm 정도의 중량을 사용하는데, 본 발명의 경우 AT 부직포 구성으로 형태 안정성이 일정 확보됨으로써 각각 10gsm 정도씩 줄여서 경량화하여 1st layer 부직포는 40 ~50gsm, 4th layer 부직포는 15-25gsm 정도의 중량으로도 마스크 형태 안정성이 확보된다.

핵심소재인 2nd layer인 MB 부직포를 상세히 설명하면, PP고분자의 방사 안정성과 유전성을 높이는 첨가제를 혼합하여 일반적인 단방사 형태로 방사하고 초미세먼지 흡착성을 위해 정전처리한 부직포를 사용한다.

부직포 섬유 정전(Electro charging)처리는 (+), (-)각각의 전하를 공급하는 정전장치를 이용하여 부직포가 형성되어 와인더에 감기기 전에 웹의 표면에 전하를 하전시켜 필터가 사용되는 공기 중의 각종 미세먼지를 흡착시키는 기능을 하게 되어 효율을 향상시키는 역할을 한다.

이때, 사용되는 전압은 (+) 20-40KV, (-) 15-35KV 수준이다.

적용된 상기 정전 MB 부직포는 요구되는 성능에 따라 15-25gsm으로 일반 마스크 대비 10-20gam 정도 경량화시켰고 성능은 약 5-10% 여과효율이 낮아지나 부직포의 구성된 섬유 밀도가 저하됨으로써 호흡성은(차압 또는 압손) 개선되게 된다.

저하된 여과효율은 본 발명의 주요 구성 부직포인 AT 부직포에서 흡착, 포집 등의 효과를 통해 기존 마스크의 여과효율보다 우수한 성능과 호흡성을 갖게 된다.

3rd layer인 AT 부직포는 일반적인 단방사 형태가 아닌 복합방사를 이용하여 2가지 성분의 PP/PE 고분자를 장섬유로 방사하는 방법으로 제조된다.

열가소성 특성의 1성분 고분자와 제2열가소성 고분자인 PP와 PET는 각각의 녹는점이 다르고 점도가 다르고 잠재적으로 curing 형태로 나타나게 된다.

각각의 고분자는 side by side 형태로 섬유가 형성되는데 1섬유상의 PP 고분자가 50% 이상 90%까지 PE 고분자보다 높은 비율로 구성된다.

이것은 유전적 특성이 우세한 PP 고분자가 초미세 먼지에 대응하는 능력이 크기 때문이다.

장섬유 방사시에는 유전 특성이 우수한 Si, F 계열의 첨가제를 혼용하여 방사하게 되고 PP소재의 유전특성과 시너지 효과를 얻게 되므로 정전성 MB 부직포를 통과한 소량의 초미세 먼지뿐 아니라 중금속까지 흡착, 포집하는 성능이 강화된다.

본 발명은 성질이 다른 2성분의 고분자를 복합 방사하면서 필라멘트 형태로 제조하고, bulky하고 유전성이 높은 AT 부직포를 제조하기 위해 38mm-51mm 길이의 단섬유 형태로 만든 후 AT 부직포 공정을 통해 포집성이 높은 구조의 부직포를 제조한다.

부직포 형성 이후 열처리를 행하여 섬유상 밀도를 낮추고 기공의 크기를 균일하게 조정하고, 아울러 섬유 분산성을 균일화시켜 벌키(bulky)화 시킴으로써 초미세먼지의 여과 효율을 높일 뿐 아니라 차압을 낮춰 호흡성 효과를 얻게 된다.

다시 말하면, 본 발명은 성분이 다른 2성분 고분자를 복합 방사하여 필라멘트(장섬유)를 제조한 후 이를 이용하여 단섬유 부직포 구조체를 만든 후 열수축 처리함으로써 bulky하고 유전성이 높은 특성을 부여하여 초미세 먼지의 제거성 및 호흡성을 향상시켰으며 포집성을 확보하여 우수한 내구성을 갖도록 하였다.

상기 본 발명에 의하면 기존 마스크보다 우수한 고호흡성 초미세 먼지 제거 마스크 제조가 가능하다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

<4 layer 적층 구조 설계>

본 발명은 4개의 부직포층으로 구성되어 있고 1st layer는 마스크의 형태를 유지하기 위한 SB 부직포를 사용한다.

미세먼지 제거 효과는 없으나 마스크의 탈 부착시 안면에 밀착력을 유지하기 용이하도록 다소 hard한 질감의 부직포를 사용하고 기존보다 중량이 낮지만 2nd layer와의 결합특성이 좋은 부직포를 사용한다.

2nd layer MB 부직포는 초미세먼지를 차단하는 주요 특성의 정전성 부직포로써 섬유의 광 변화 및 정전성 향상을 위한 유전 효과 등을 위해 UV안정제, 산화방지제 등 각종 첨가제를 혼합하고 정전처리를 한 부직포를 사용하며 일반적인 중량보다 낮은 15-25gsm의 부직포를 사용하는데 여과효율은 초미세먼지 0.25㎛ 기준으로 최소 85% 이상의 차단효과를 얻는다.

이것은 본 발명의 주요 구성층인 3rd layer에서 통과된 초미세 먼지를 포집, 흡착하는 효과가 크기 때문에 최종 95%이상의 여과 효과를 얻을 수 있다.

3rd layer 부직포는 AT 부직포로 이성분 고분자인 PP와 PE를 복합방사에 의해 장섬유 형태로 제조한 후 단섬화시켜 AT 부직포 형태로 제조한다.

제조된 부직포는 열처리를 통해 부직포 구조 내에서 curing 효과를 통해 초 미세먼지를 흡착할 수 있는 랜덤 형태의 미세 기공을 포함한 구조로 형성되고 PP 고분자내 유전성이 높은 첨가제를 사용하여 2nd layer에서 통과된 먼지를 흡착, 포집하는 역할을 하게 된다.

4th layer은 안면에 직접 밀착되는 부직포로써 soft한 질감을 가져야 되지만 흡입시 호흡구에 밀착되어 오히려 호흡이 어려울 수 있으므로 얇은 저중량의 SB 부직포를 사용하여 안면흡착과 호흡구와의 밀착제어 효과를 얻을 수 있는 부직포를 선택하여 사용한다.

본 발명에서 구성된 4 layers 구조는 일반 초미세 방지 마스크와는 달리 각각의 구조층을 통해 초미세먼지가 순차적으로 제어되고 흡입시 중간단계에서 통과된 초미세먼지를 호흡구 전 단계에서 흡착 뿐 아니라 포집 효과를 높임으로써 호흡성 뿐 아니라 내구성 효과도 얻을 수 있다.

<마스크 적층별 구조 설계 효과>

본 발명은 앞서 설명한 것과 같이 1st layer ~4th layer 의 각각 구조층 부직포의 역할을 통해 호흡성과 내구성을 확보할 수 있는 구조로 구성되어 있다.

외피의 SB 부직포는 형태 안정 효과를 2nd layer MB 부직포는 미세구조와 정전효과를 통해 85% 이상의 초미세먼지 차단효과를 얻을 수 있고, 통과된 초미세먼지는 호흡구 흡입 전에 3rd layer AT 부직포의 단섬유의 curing 구조를 통해 랜덤 형태로 초미세먼지를 흡착, 포집하여 대부분의 초미세먼지를 차단하는 효과와 기존보다 향상된 내구 효과를 얻을 수 있다.

4th layer 부직포는 안면 뿐아니라 호흡구와의 적정한 밀착효과를 통해 호흡성을 용이하게 한다.

이러한 구조는 기존 마스크 대비 중량이 높아지는 것이 아니라 동등 중량에서도 호흡성과 내구성을 높이는 구조의 마스크 제조가 가능하다.

<주요 구조층 부직포의 형상>

2nd layer에 사용된 정전성 MB 부직포는 랜덤 형태로 노즐을 통해 방사되어 구조적으로는 망상 구조로 형성되는데 섬유의 굵기가 2-5㎛ 수준이며 망상 구조상의 기공은 10㎛ 이상으로 초미세 먼지를 물리적으로 차단할 수는 없지만 섬유 표면의 정전효과로 인해 초미세 먼지를 전기적으로 흡착, 차단효과를 얻을 수 있다.

그러나 일부 초미세먼지는 통과하여 호흡구까지 도달하게 된다.

이를 방지하기 위해 망상 구조상의 기공크기를 적게 구성하면 통과된 초미세먼지는 줄일 수 있으나 호흡이 어려운 단점이 발생한다.

그러므로, 본 발명은 2nd layer의 기공을 줄이기 위해 중량을 증량하던지 또는 섬유 굵기를 미세하게 하여 부직포를 제조하는 대신 통과된 초미세먼지의 흡착율과 포집율을 높이는 효과를 얻기 위해 단섬유로 구성된 유전성 AT 부직포를 3rd layer에 적용한다.

AT 부직포는 이성질의 복합방사 섬유를 단섬유화하여 AT 부직포로 제조하고 구조 역시 랜덤의 망상 구조를 구성하고 있으나 2nd layer의 MB 부직포와는 달리 기공 크기가 크지만 호흡성은 우수한 효과를 얻을 수 있으며 유전 특성을 가지고 있기 때문에 초미세먼지의 흡착 효과 뿐 아니라 포집력이 크므로 우수한 내구성을 얻을 수 있다. 도 3은 통과된 초미세먼지가 흡착된 구조를 표현한 것이다.

<실시예 1>

도 1과 2에 개략적으로 도시한 공정도에 따라 SB/MB/AT/SB 4 layer 구조로 설계하고 2nd와 3rd layer의 부직포는 유전 특성을 가지고 있으며 2nd layer MB 부직포는 정전성 부직포를 사용하되 기존과 달리 20gsm의 경량 부직포를 사용하였고 3rd layer AT 부직포는 30gsm의 이성질 복합방사 PP/PE 섬유를 단섬화한 소재를 사용하였다. 1st layer과 4th layer는 SB 부직포를 사용하였고 중량은 40gsm과 20gsm을 사용하여 전체적으로는 기존 마스크와의 동등 이하의 중량을 갖도록 하였다.

4 layers 110gsm 마스크 여재 구성

1st layer : SB 40gsm PP

2nd layer : MB 20gsm PP

3rd layer : AT 30gsm PP/PE

4th layer : SB 20gsm PP

<비교예 1>

실시예 1의 각 구성 부직포와 달리 일반적으로 사용되고 있는 마스크용 부직포로 구성하였으며 실시예 1과 비교하였다. 2nd layer에서 사용된 MB 부직포는 초미세먼지 95%이상을 차단할 수 있도록 40gsm 중량의 정전성 PP 소재를 사용하였다. 또한 3layer 구조에서의 착용감과 밀착성, 형태 안정성을 위해 SB 부직포는 1layer, 3layer 에서 각각 50gsm 및 30gsm을 표면과 흡착면을 사용하였다.

3 layers 120gsm 마스크 여재 구성

1st layer : SB 50gsm PP

2nd layer : MB 40gsm PP

3rd layer : SB 30gsm PP

<비교예 2>

실시예 1의 각 구성 부직포와 동등한 4 layers로 부직포를 구성하였고 실시예 1의 3rd layer을 장섬유 형태의 MB 부직포를 랜덤한 구조로 제조하여 적용하였고 2nd layer과 유사한 정전처리를 하여 초미세먼지 차단 효과를 높이도록 하여 구성하였으며 기타 각각의 중량을 실시예 1과 동일하게 하였다.

4 layers 110gsm 마스크 여재 구성

1st layer : SB 40gsm PP

2nd layer : MB 30gsm PP

3rd layer : MB 20gsm PP

4th layer : SB 20gsm PP

구분	통기성 (cm3/cm2/s)	Loading후 차압(mmAq)		효율(%)	차압 (mmAq)
실시예 1	19	10		97	9
비교예 1	21	14		96	12
비교예 2	26	19		98	15

1. Test Particle : Paraffin mist 0.3 ㎛

2. 통기성 : 호흡성 평가

3. Loading후 차압 : 1시간 사용뒤 차압 분석 (TS 8130) - 내구성 평가

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크는 기존에 제조된 입체형 마스크 소재와는 달리 4겹의 다양한 특성의 부직포를 적층하여 초미세먼지의 초기 부착, 내부 흡착, 차단 등의 과정을 거쳐 높은 초미세먼지 차단성을 갖고 포집된 초미세먼지를 내부 공간을 확대하여 대용량화하고 흡입된 초미세 먼지를 탈착이 어려운 유전성능을 부여하여 사용기간을 늘리는 동시에 평균 미세 다기공의 수량 및 크기 확대를 통해 호흡 기능이 뛰어나다.

또한, 제시한 4 layer 구조의 마스크 소재는 기존 마스크 대비 동등 이하의 중량으로 구성되어 착용감이 우수할 뿐만 아니라 본 발명에서 제시한 호흡성 개선을 위한 방법으로 초미세 먼지 차단을 위해 기공을 줄이는 대신 포집효과가 뛰어나도록 단계별 정전 효과를 극대화하고 호흡구로 통과된 초미세먼지의 포집 성능을 높여 호흡성이 우수할 뿐만 아니라 내구성도 향상된다.

또한, 이러한 구조설계는 마스크 뿐만 아니라 자동차 및 필터 구조로서도 응용이 가능하므로 다양한 분야까지 확대될 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 이를 기초로 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다 할 것이다.

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Claims (12)

1. 공기 여과용 필터여재로서,
   상기 필터 여재는 4개의 레이어로 구성되고, 제 1레이어 내지 제 4레이어가 순차적으로 적층되며,
   상기 제 1레이어 및 제 4레이어는 스펀본드 부직포로 구성되고,
   제 1레이어 및 제 4레이어 사이의 제 2레이어는 정전성 기능을 갖는 멜트블로운 부직포이고, 제 3레이어는 유전성 AT 부직포이며,
   상기 AT 부직포의 소재는 PP/PE 복합방사 단섬유 방식으로 제조하되 직경이 10㎛ ~ 100㎛인 섬유를 사용하는 것이고,
   상기 AT 부직포의 소재는 사이드바이사이드(side by side)형태의 복합방사 부직포로서, 1섬유상의 PP 고분자가 50% 이상 90%까지 PE 고분자보다 높은 비율로 구성된 것이고,
   상기 AT 부직포의 소재는 사이드바이사이드(side by side)형태의 복합방사된 필라멘트를 단섬유화하고 이 단섬유를 부직포로 제조한 후에 열처리 공정을 통해 벌키(bulky)하고 유전성이 높은 특성을 갖도록 한 것을 특징으로 하는 공기 여과용 필터여재.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 스펀본드 부직포는 PP 또는 PET 소재의 것임을 특징으로 하는 공기 여과용 필터여재.
4. 제1항에 있어서,
   상기 멜트블로운 부직포는 PP 소재의 것으로서, 방사시에 유전성 첨가제를 포함한 것임을 특징으로 하는 공기 여과용 필터여재.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1항, 제 3항, 또는 제 4항기재의 필터여재를 이용하여 제조된 마스크.
8. 공기 여과용 마스크로서,
   상기 마스크는 4개의 레이어로 구성되고, 제 1레이어 내지 제 4레이어가 순차적으로 적층되며,
   상기 제 1레이어 및 제 4레이어는 스펀본드 부직포로 구성되고,
   제 1레이어 및 제 4레이어 사이의 제 2레이어는 정전성 기능을 갖는 멜트블로운 부직포이고, 제 3레이어는 유전성 AT 부직포로 구성되며,
   상기 스펀본드 부직포는 PP 또는 PET 소재이고,
   상기 제 1레이어는 40 ~ 50gsm 정도의 것이고,
   상기 제 4레이어가 제 1레이어보다 저중량이고,
   상기 멜트블로운 부직포는 15 - 25gsm 소재의 것이고,
   상기 AT 부직포의 소재는 PP/PE 복합방사 단섬유 방식으로 제조하되 직경이 10㎛ ~ 100㎛인 섬유를 사용하는 것이고,
   상기 AT 부직포의 소재는 사이드바이사이드(side by side)형태의 복합방사 부직포로서, 1섬유상의 PP 고분자가 50% 이상 90%까지 PE 고분자보다 높은 비율로 구성된 것이고,
   상기 AT 부직포의 소재는 사이드바이사이드(side by side)형태의 복합방사된 필라멘트를 단섬유화하고 이 단섬유를 부직포로 제조한 후에 열처리 공정을 통해 벌키(bulky)하고 유전성이 높은 특성을 갖도록 한 것을 특징으로 하는 마스크.
9. 삭제
10. 제 8항에 있어서, 상기 제 4레이어는 15-25gsm 정도의 것임을 특징으로 하는 마스크.
11. 제 8항, 또는 제 10항에 있어서,
    초미세먼지 0.25㎛ 이하를 80%이상 차단하는 것을 특징으로 하는 마스크.
12. 제 1항, 제 3항, 또는 제 4항기재의 필터여재를 이용하여 제조된 공기 필터.

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