KR102486999B1 - 미세 먼지를 차단하는 창호용 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 창호용 필터에 관한 것으로서, 상기 필터는 메쉬층의 공간율 제어를 통해 광 투과도 및 공기 투과도의 제어가 가능하고, 섬유층의 밀도 제어를 통해 분진포집효율이 개선되며, 단일 메쉬 구조가 도입되어 강성/연성 특성 설계가 용이한 장점을 가진다.

Description

미세 먼지를 차단하는 창호용 필터{window filter for blocking fine dust}

본 발명은 미세 먼지를 차단하는 창호용 필터에 관한 것이다.

일반적으로, 창호는 건물의 개구부에 설치되어 외부와의 차단 및 개방기능을 수행하게 된다. 실내 환기를 위하여, 이러한 창호에는 창짝의 개방시 외부로부터 황사나 미세먼지, 초미세먼지 등(이하, 미세먼지라 통칭함)의 유입을 방지할 수 있도록 상기 방충망 대신, 또는 방충망과 함께 이중구조로 미세먼지 차단용 필터를 설치한다.

창호에 설치되는 미세먼지 차단용 필터는 미세먼지를 효과적으로 포집하면서도 우수한 환기성이 구현되어야 하며, 이를 위해서, 필터는 우수한 미세먼지의 포집 효율, 광 투과도 및 공기 투과도 등의 물성이 요구된다.

일반적으로 미세먼지 차단용 필터는 다수의 공극이 형성된 메쉬층과 섬유층으로 구성되고, 이러한 필터는 외부 공기가 메쉬층의 공극을 거쳐 섬유층을 통과하면서, 외부 공기에 존재하는 미세 먼지가 섬유층에 포집됨에 따라, 실내로 유입되는 미세 먼지를 차단하는 효과가 있다.

종래의 미세먼지 차단용 필터는 단일 또는 이중 메쉬 구조가 도입된다. 도 1에 도시된 바와 같이 단일 메쉬 구조의 필터는 섬유층(20)의 일면에 메쉬층(10) 접합된 구조를 가지고, 도 2에 도시된 바와 같이 이중 메쉬 구조는 섬유층(20)의 양면에 메쉬층(10)이 접합된 (메쉬층-섬유층-메쉬층)의 구조를 가진다.

그러나, 단일 메쉬 구조를 갖는 필터는 메쉬층이 단일층으로 형성됨에 따라, 필터의 공극률(Open Area)이 증가되어 광 투과도 및 공기 투과도가 우수하지만, 미세먼지의 포집효율(분진포집효율)이 저하되는 단점이 있었다. 또한, 이중 메쉬 구조의 필터는 메쉬층이 늘어남에 따라, 필터의 공극률이 감소되어 분진포집효율은 우수하였으나, 광 투과도 및 공기 투과도가 저하되는 단점이 있었다.

본 발명은 메쉬층의 공간율 제어를 통해 원하는 광 투과도 및 공기 투과도의 물성 제어가 가능하고, 섬유층의 단위 면적당 밀도 제어를 통해 분진포집효율을 조절 가능하고, 특히, 단일 메쉬 구조가 도입되어 강성/연성 특성 설계가 용이한 창호용 필터를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 메쉬층; 및 상기 메쉬층에 접합되는 제1 면 및 메쉬층에 접합되지 않는 제2 면을 포함하는 섬유층을 포함하고, 상기 메쉬층은 일반식 1에 따른 공간율(n)이 10 내지 50%이고, 상기 섬유층의 단위 면적당 밀도는 0.1 내지 10g/m²인 창호용 필터가 제공된다.

[일반식 1]

n=A_v/A×100(%)

상기 일반식 1에서, A_v는 메쉬층의 전체 면적이고, A는 메쉬층의 공극 면적을 나타낸다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 창호용 필터는 메쉬층의 공간율 제어를 통해 광 투과도 및 공기 투과도의 제어가 가능하고, 섬유층의 밀도 제어를 통해 분진포집효율이 개선되며, 단일 메쉬 구조가 도입되어 강성/연성 특성 설계가 용이한 장점을 가진다.

도 1은 단일 메쉬 구조를 가지는 창호용 필터를 나타내는 구성도이다.
도 2는 이중 메쉬 구조를 가지는 창호용 필터를 나타내는 개념도이다.

본 출원은 창호용 필터에 관한 것이다. 도 1과 같이, 상기 창호용 필터는 메쉬층(10) 및 섬유층(20)을 포함한다. 상기 필터는 메쉬층의 공간율 및 섬유층의 밀도를 제어함으로써, 강성/연성 특성 설계가 용이하고, 원하는 광 투과도, 공기 투과도, 및 분집포집효율를 얻을 수 있다.

구체적으로, 상기 창호용 필터는 메쉬층; 및 상기 메쉬층에 접합되는 제1 면 및 메쉬층에 접합되지 않는 제2 면을 포함하는 섬유층을 포함한다. 상기 필터는 상기와 같은 제1 및 제2 면을 갖는 섬유층을 포함함에 따라, 도 1과 같은 단일 메쉬 구조를 가질 수 있다.

상기 메쉬층은 일반식 1에 따른 공간율(n)이 10% 내지 70%, 20% 내지 60% 또는 30 내지 50%이다.

[일반식 1]

n=A_v/A×100(%)

상기 일반식 1에서, A_v는 메쉬층의 전체 면적이고, A는 메쉬층의 공극 면적을 나타낸다. 상기 면적은 공지된 통상적인 방법으로 측정할 수 있다. 상기 필터는 메쉬층의 공간율을 제어함으로써, 강성/연성 특성 설계가 용이하고, 원하는 광 투과도 및 공기 투과도를 얻을 수 있다. 예를 들어, 메쉬층의 공간율이 상기 범위 내에서 작아질수록 광 투과도 및 공기 투과도는 낮게 조절되며, 공간율이 상기 범위 내에서 커질수록 공기 투과도 및 광 투과도는 높게 조절된다. 또한, 공간율이 커질수록 필터의 연성 특성이 우세하게 나타난다.

또한, 상기 섬유층의 단위 면적당 밀도는 0.1 내지 10g/m², 0.1 내지 8 g/m², 0.1 내지 6 g/m², 또는 0.1 내지 4 g/m²일 수 있다. 상기 섬유층의 단위 면적당 밀도가 증가되면, 분집포집효율이 향상되는 반면, 광 투과도 및 공기투과도는 떨어질 수 있다.

따라서, 사용자는 필터의 설치 목적에 따라 요구되는 물성을 구현하기 위하여 메쉬층의 공간율과 섬유층의 단위 면적당 밀도를 상기 범위 내에서 적절히 선택할 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 메쉬층은 단일 층으로 형성될 수 있다. 상기에서 용어 「단일 층」은 별도의 고정 수단을 이용하여 메쉬층 상에 다른 메쉬층이 적층되지 않는 것을 의미한다. 상기와 같이, 본 출원에 따른 필터가 단일 층으로 형서됨에 따라, 다층 또는 이중 메쉬 구조를 가지는 필터에 비해 다양한 구조 설계가 가능한 장점을 가진다.

일 구체예에서, 섬유층의 단위 면적당 밀도가 상기 범위로 조절된 필터는 ASHRAE STANDARD 52.1 중량법에 따른 분집 포집 효율이 40 내지 99.99 %, 50 내지 95% 또는 60 내지 90%일 수 있다.

또한, 본 출원에 따른 필터는 단일 메쉬 구조가 도입됨에 따라, 전술한 공간율을 조절하여 강성/연성 특성 설계가 용이할 수 있다. 이러한 강성/연성 특성은 필터의 유연도를 조절함으로써 설계될 수 있다. 예를 들어, 상기 필터는 ISO 17235에 따른 유연도가 1 내지 10mm, 2 내지 9mm, 또는 3 내지 8mm일 수 있다. 메쉬층의 공간율이 전술한 범위 내에서 커질수록 필터의 유연도는 높게 나타난다. 유연도가 높은 필터는 연성 특성이 우세하게 나타난다. 따라서, 상기 필터는 설치 목적에 따라 메쉬층의 공간율을 조절하여, 원하는 강성/연성 특성 설계가 가능한 장점이 있다.

앞서 기술한 바와 같이, 메쉬층의 공간율 제어를 통해 원하는 공기 투과도 및 광 투과도가 구현될 수 있으며, 예를 들어, 메쉬층의 공간율이 전술한 범위 내로 조절된 필터는 가시광선 영역에 대한 광 투과도가 10 내지 90%, 15 내지 85% 또는 20 내지 80%일 수 있다. 상기 광 투과도는 UV-VIS-NIR spectrophotometer를 이용하여 측정할 수 있다. 또한, JIS L 1096:2010에 따른 공기 투과도는 50 내지 1000 cm³/cm²/s, 50 내지 900 cm³/cm²/s, 50 내지 800 cm³/cm²/s 또는 50 내지 700 cm³/cm²/s일 수 있다.

하나의 예시에서, 섬유층은 불소 수지, 강유전성 나노 입자 및 분산제를 포함하는 섬유 조성물로 형성될 수 있다. 불소 수지는 방사 과정을 거쳐, 조성물이 섬유로 형성될 때, 섬유를 구성하는 주 성분이다. 이 때, 섬유는 미세 먼지를 포집하는 기능을 한다. 또한, 강유전성 나노 입자는 자발적으로 양전하와 음전하로 갈라지는 자발 분극이 일어나는 입자이다. 상기 입자는 방사 과정을 거쳐 섬유 내부에 분산되어 섬유의 포집 효율을 향상시키는 역할을 한다. 한편, 강유전성 나노 입자는 자발 분극 현상에 의해 서로 응집되는 경향을 가진다. 분산제는 강유전성 나노 입자가 서로 응집되지 않도록, 입자의 분산성을 향상시키는 기능을 하며, 이로써, 나노 입자는 섬유 내부에서 균일한 분산이 가능하다.

상기 섬유층을 구성하는 요소들의 종류 및 그 함량에 따라 섬유층의 밀도가 조절될 수 있다.

구체적으로, 상기 불소 수지는 방사 과정을 거쳐 섬유로 형성되는 수지라면 그 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 일 수 있다.

상기 불소 수지의 함량은 섬유 조성물 총 중량에 대하여 1 중량% 내지 40 중량%, 5 중량% 내지 35 중량% 또는 10 중량% 내지 30 중량%일 수 있다.

또한, 상기 강유전성 나노 입자는 예를 들면, PZT(Lead Zirconate Titantate), 티탄산바륨(BaTiO₃), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 티탄산납(PbTiO₃), 트리글리신 술페이트(triglycine sulfate: (NH₂CH₂COOH)₃·H₂SO₄), 리튬 탄탈레이트(Lithium tantalate: LiTaO₃), 및 리튬 니오베이트(Lithium niobate: LiNbO₃) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.

본 출원에 따른 섬유 조성물은 나노 입자의 함량, 분산제의 종류 등의 요소를 조절하여 방사 과정을 거쳐 형성되는 섬유의 직경을 제어할 수 있다. 이러한 섬유 직경의 제어를 통해 창호용 필터에서 요구되는 미세먼지의 포집 효율, 광 투과도 및 공기 투과도의 최적 설계가 가능하다. 또한, 분산제의 첨가는 직접적으로 섬유의 직경 제어와 관련되며, 분산제의 첨가 유무에 따라 형성된 섬유의 직경이 다르게 조절될 수 있다.

예를 들어, 강유전성 나노 입자의 함량은 섬유 조성물 총 중량에 대해 0.1 중량% 내지 20 중량%, 0.1 중량% 내지 15 중량% 또는 0.1 중량% 내지 10 중량% 범위 내일 수 있다. 상기 함량 범위 내에서, 나노 입자의 함량이 증가할 수록, 섬유의 직경도 증가되는 경향을 나타낸다.

하나의 예시에서, 분산제는 인산계 분산제, 아민계 분산제 또는 아크릴계 분산제일 수 있다. 상기 분산제의 시판품으로는 빅케미사의 상품명: DISPER BYK-103, DISPER BYK-110, DISPER BYK-111, DISPER BYK-2000, DISPER BYK-2001, DISPER BYK-2070, DISPER BYK-2013, DISPER BYK-2150, DISPER BYK-160, DISPER BYK-161, DISPER BYK-162, DISPER BYK-163, DISPER BYK-164, DISPER BYK-166, 또는 DISPER BYK L-9540 등을 사용할 수 있다.

일 구체예에서, 분산제의 함량은 섬유 조성물 총 중량에 대하여 1 중량% 내지 40 중량%, 3 중량% 내지 35 중량% 또는 5 중량% 내지 25 중량% 범위 내일 수 있다.

본 출원에 따른 섬유 조성물은 용매를 추가로 포함할 수 있다. 상기 용매는 불소 수지, 나노 입자, 분산제 및 용매 간의 상용성을 고려하여 적절히 선택될 수 있으며, 예를 들어, 상기 용매는 아세톤, 클로로포름, 테트라하이드로퓨란(THF), 디옥산(dioxane), 모노글라임(monoglyme), 디글라임(diglyme), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸술폭사이드(DMSO) 및 디메틸아세트아미드(DMAC)로 이루어진 군에서 선택된 1종의 극성 용매 또는 2 종 이상의 혼합 용매일 수 있다.

특히, 불소 수지의 종류에 따라 혼합 용매를 사용하는 것이 바람직할 수 있고, 이 때, 혼합 용매는 제1 용매 및 제2 용매를 포함한다. 예를 들어, 불소 수지가 PVDF 또는 PTFE인 경우, 제1 용매는 디메틸포름아미드 또는 디메틸아세트아미드이고, 제2 용매는 아세톤일 수 있으며, 제1 용매와 제2 용매의 혼합비는 4:6 내지 3:7 범위 내일 수 있다.

이하에서는, 메쉬층의 공간율, 광 투과도 및 공기 투과도 간의 상관 관계, 및 섬유의 밀도와 분진포집효율 간의 상관 관계를 확인하기 위한 실험을 진행하였다.

실험예 1- 메쉬층의 공간율에 따른 가시광 투과도 및 공기 투과도 제어

메쉬층의 공간율이 각각 31%, 37% 및 65%인 필터 샘플을 제조하였다.

제조된 샘플에 대한 가시광선 영역에 대한 광 투과도는 UV-VIS-NIR spectrophotometer를 이용하여 측정하였고, 공기 투과도는 JIS L 1096:2010 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

공간율[%]	31	37	65
공기투과도[cm3/cm2/s]	N.A	643	498
광 투과도[%]	55	58	72

실험예 2- 메쉬층의 공간율에 따른 가시광 투과도 및 공기 투과도 제어

메쉬층의 공간율이 각각 31%, 37% 및 65%인 필터 샘플을 제조하였다.

제조된 필터에 대한 유연도를 ISO 17235 규격에 따라 측정하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

공간율[%]	31	37	65
유연도[mm]	3.6	4.3	6.2

실험예 3- 메쉬층의 공간율에 따른 가시광 투과도 및 공기 투과도 제어

메쉬층의 공간율이 37%이고, 섬유의 밀도가 각각 0.5g/m³, 0.7g/m³ 1.2g/m³인 필터 샘플을 제조하였다.

제조된 샘플에 대한 분진포집효율을 ASHRAE STANDARD 52.1 중량법에 따라 측정하였고, 그 결과를 표 3에 나타내었다.

섬유의 단위 면적당 밀도[g/m2]	0.5	0.7	1.2
분진포집효율[%]	69	73	84

이상의 실험예를 통해, 메쉬층의 공간율 제어를 통해 광 투과도 및 공기 투과도의 제어가 가능하면서, 동시에 강성/연성 특성 설계가 가능하며, 섬유층의 밀도 제어를 통해 분진포집효율의 조절이 가능한 것을 확인할 수 있었다.

10: 메쉬층
20: 섬유층

Claims (13)

1. 메쉬층; 및
   상기 메쉬층에 접합되는 제1 면 및 메쉬층에 접합되지 않는 제2 면을 포함하는 섬유층을 포함하고,
   상기 메쉬층은 일반식 1에 따른 공간율(n)이 10 내지 70%이고,
   상기 섬유층의 단위 면적당 밀도는 0.1 내지 10g/m²이며,
   ISO 17235에 따른 유연도(Softness)가 1 내지 10mm인 창호용 필터:
   [일반식 1]
   n=A_v/A×100(%)
   상기 일반식 1에서, A_v는 메쉬층의 전체 면적이고, A는 메쉬층의 공극 면적을 나타낸다.
2. 제 1 항에 있어서, 메쉬층은 단일 층으로 형성된 창호용 필터.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 필터는 ASHRAE STANDARD 52.1 중량법에 따른 분진포집효율이 40% 내지 99.99%인 창호용 필터
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 가시광선 영역에 대한 광투과도가 10 내지 90%인 창호용 필터.
6. 제 1 항에 있어서, JIS L 2010:1096에 따른 공기 투과도가 50 cm³/cm²/s 내지 1000 cm³/cm²/s인 창호용 필터.
7. 제 1 항에 있어서, 섬유층은 불소 수지, 강유전성 나노 입자 및 분산제를 포함하는 섬유 조성물로 형성되는 창호용 필터.
8. 제 7 항에 있어서, 불소 수지의 함량은 섬유 조성물 총 중량에 대해 1 중량% 내지 40 중량%인 창호용 필터.
9. 제 7 항에 있어서, 강유전성 나노 입자는 강유전성 나노 입자는 PZT(Lead Zirconate Titantate), 티탄산바륨(BaTiO₃), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 티탄산납(PbTiO₃), 트리글리신 술페이트(triglycine sulfate: (NH₂CH₂COOH)₃·H₂SO₄), 리튬 탄탈레이트(Lithium tantalate: LiTaO₃), 및 리튬 니오베이트(Lithium niobate: LiNbO₃) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함 창호용 필터.
10. 제 7 항에 있어서, 강유전성 나노 입자의 함량은 섬유 조성물 총 중량에 대해 0.1 중량% 내지 20 중량% 중량부인 창호용 필터.
11. 제 7 항에 있어서, 분산제는 인산계 분산제, 아민계 분산제 또는 아크릴계 분산제인 창호용 필터.
12. 제 7 항에 있어서, 분산제의 함량은 섬유 조성물 총 중량에 대해 1 중량% 내지 40중량%인 창호용 필터.
13. 삭제

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