KR20080101348A - 다공성 세라믹 나노 구조체 제조방법 및 이 방법에 의해제조된 다공성 세라믹 나노 구조체 - Google Patents

다공성 세라믹 나노 구조체 제조방법 및 이 방법에 의해제조된 다공성 세라믹 나노 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다공성 세라믹 나노 구조체 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 다공성 세라믹 나노 구조체에 관한 것으로서, 전기방사장치를 이용하여 고분자 나노섬유필터를 제조시키는 제1단계와; 상기 고분자 나노섬유필터에 나노 세라믹입자를 코팅시키는 제2단계와; 상기 제2단계의 결과물을 소결하여 다공성 세라믹 나노 구조체를 제조시키는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 나노 구조체 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 다공성 세라믹 나노 구조체를 기술적 요지로 한다. 이에 따라 고분자 나노섬유필터에 나노 세라믹입자를 코팅한 후 소결시킴으로써 섬유상의 내부가 빈 튜브로 이루어진 나노튜브 구조체를 제조할 수 있으며, 필터로서 사용할 경우 나노 입자에 대한 여과 및 집진기능이 우수하며 고온에서의 적용성이 뛰어날 뿐만 아니라 섬유상의 내부가 빈 튜브로 이루어져 경량이면서 가공성이 우수한 필터를 제공할 수 있다. 또한, 나노 티타니아(TiO2) 입자를 사용하여 코팅을 하여 나노튜브 구조체를 제작할 경우 유해가스를 분해할 수 있는 특성을 가지게 되므로 나노 입자 및 가스상 물질의 제거도 용이하다. 본 발명에 따른 다공성 세라믹 나노 구조체를 건축자재로 활용할 경우 높은 통기성과 항진성을 가지므로 실내 공간의 자연환기를 유도할 수 있을 뿐만 아니라 쾌적한 공기를 유입시켜 실내 환경을 개선할 수 있다.
나노 세라믹 섬유 소결 튜브 다공성 통기성 항진성 필터

Description

다공성 세라믹 나노 구조체 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 다공성 세라믹 나노 구조체{manufacturing method of porous ceramic nano structure and the porous ceramic nano structure}
도 1 - 본 발명에 따른 다공성 세라믹 나노 구조체의 제조방법에 대한 블럭도.
도 2 - 본 발명에 따른 다공성 세라믹 나노 구조체의 제조방법에 있어서 전기방사에 의해 제조된 고분자 나노섬유필터에 대한 표면 사진을 나타낸 도.
도 3 - 본 발명에 따른 다공성 세라믹 나노 구조체의 제조방법에 있어서 나노 세라믹입자 코팅막이 형성된 고분자 나노섬유필터에 대한 표면 사진을 나타낸 도.
도 4 - 본 발명에 따른 다공성 세라믹 나노 구조체에 대한 표면 사진을 나타낸 도.
본 발명은 다공성 세라믹 나노 구조체 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 다공성 세라믹 나노 구조체에 관한 것으로서, 특히 고분자 나노섬유필터에 나노 세 라믹입자를 코팅한 후 소결시킴으로써 고분자 성분은 연소되고 나노 세라믹입자에 의해 이루어지는 튜브 형상의 다공성 세라믹 나노 구조체만 형성되어, 나노 입자에 대한 여과 및 집진기능이 우수하고, 고온에서의 적용성이 뛰어나며, 건축자재로 활용시 통기성과 항진성이 우수한 다공성 세라믹 나노 구조체 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 다공성 세라믹 나노 구조체에 관한 것이다.
현대산업의 발달에 따른 오염물질의 배출량이 늘어남에 따라 공기 중에는 먼지, 분체, 분진 등이 증가하게 되고, 각종 산업현장이나 가정에서는 이러한 오염물질을 효과적으로 여과하고 집진하기 위한 필터의 개발이 활발한 실정이다.
산업현장에서는 산업활동의 결과로 발생되는 배출가스에 포함된 중금속 등을 여과하거나, 산업현장을 외부와 차단하여 오염물질이 유출입되는 것을 방지하거나, 또는 다공성 재질의 건축자재로서 사용하여 벽체를 통한 자연환기가 가능하며 분진이 실내로 유입되는 것을 막아주는 용도로 사용된다.
이러한 필터의 적용환경은 일반적으로 상온 정도의 낮은 온도에서 적용되나, 고온의 배출가스가 발생되는 곳에서의 사용도 많이 이루어지고 있다. 특히, 소각로, 발전소나 화학공장 등의 연소과정에서는 고온의 배출가스와 함께 연소에 의해 나노미터 크기의 입자가 많이 발생되므로, 여기에 적용되는 필터는 고온에 견뎌야 하며 나노 입자에 대한 포집성능이 뛰어나야 한다.
즉, 산업현장이나 가정에서 효율적으로 필터를 사용하기 위해서는 여과 및 집진 효율이 뛰어나야 하며, 고온의 배출가스에 의해 필터가 손상되거나 파손되지 않을 정도의 내연성이 있어야 한다. 이를 위해 종래에 널리 사용되는 필터는 세라 믹 필터이며, 세라믹 필터는 내연성이 우수한 특징을 가지고 있다.
그러나 종래의 이러한 세라믹 필터는 발포제와 세라믹 재질을 혼합하여 성형틀 내에서 발포하여 세라믹 필터를 제조하였으나, 이러한 방법은 필터 내부의 기공의 크기가 균일하지 못할 뿐만 아니라, 기공의 싸이즈가 너무 크거나 작게 되어 효율적인 여과 및 집진이 이루어지지 않은 문제점이 있다. 또한, 나노미터 정도의 크기를 가진 분체나 분진 등에 대한 여과 및 집진을 위해서는 매우 높은 압력손실이 수반되므로 전체적으로 효율적인 집진이 이루어지지 않아 본래의 필터 기능을 제대로 수행하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 이러한 세라믹 필터는 높은 압력손실로 인해 건축자재로 활용하더라도 자연환기에 의한 실내환경 개선효과는 전혀 기대할 수 없으며 유해가스의 분해와 같은 부가적인 기능성의 부여도 불가능하다.
본 발명은 고분자 나노섬유필터에 나노 세라믹입자를 코팅한 후 소결시킴으로써 섬유상의 내부가 빈 튜브로 이루어진 다공성 세라믹 나노 구조체를 제조하여, 기능성 입자 코팅에 의한 유해가스 제거능력과 나노 입자에 대한 여과 및 집진기능이 우수하며 고온에서의 적용성이 뛰어나고 건축자재로 활용시 통기성 및 항진성이 우수한 다공성 세라믹 나노 구조체 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 다공성 세라믹 나노 구조체의 제공을 그 목적으로 한다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전기방사장치를 이용하여 고분자 나노섬유필터를 제조시키는 제1단계와; 상기 고분자 나노섬유필터에 나노 세라믹입자를 코팅시키는 제2단계와; 상기 제2단계의 결과물을 소결하여 다공성 세라믹 나노 구조체를 제조시키는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 나노 구조체 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 다공성 세라믹 나노 구조체를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 제1단계의 고분자는, 폴리에틸렌옥사이드(PEO, Polyethylene oxide), 나일론, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, Polymethyl methacrylate), 폴리스티렌(PS, Polystyrene), 폴리카보네이트(PC, Polycarbonate) 및 이들의 혼합물 중에 선택된 1종인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2단계에서의 나노 세라믹입자의 코팅은, 딥코팅법 또는 필터링코팅법으로 이루어지는 것이 바람직하며, 여기에서 나노 세라믹입자는, 실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 산화주석, 산화아연 및 이들의 혼합물 중에 선택된 1종인 것이 바람직하다.
이에 따라 고분자 나노섬유필터에 나노 세라믹입자를 코팅한 후 소결시킴으로써 섬유상의 내부가 빈 튜브로 이루어진 다공성 세라믹 나노 구조체를 제조할 수 있으며, 나노 입자에 대한 여과 및 집진기능이 우수하며 고온에서의 적용성이 뛰어날 뿐만 아니라 통기성 및 항진성이 뛰어나며 섬유상의 내부가 빈 튜브로 이루어져 경량이면서 가공성이 우수한 다공성 세라믹 나노 구조체를 제공할 수 있는 이점이 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다공성 세라믹 나노 구조체 제조방법은 크게 전기방사장치에 의한 고분자 나노섬유필터를 제조하고(제1단계), 상기 고분자 나노섬유필터에 나노 세라믹입자를 코팅한 후(제2단계), 이를 소결하여 고분자 성분을 연소시키고, 그 외부에 코팅된 나노 세라믹입자로 이루어진 코팅막만을 남기도록 하여 최초의 고분자 나노섬유필터의 형상에 대응되어 섬유상의 튜브 형태의 다공성 세라믹 나노 구조체(제3단계)를 제조하는 것이다.
먼저, 상기 제1단계의 전기방사장치를 이용하여 고분자 나노섬유필터를 제조하는 과정에 대해 살펴보고자 한다.
고분자 물질을 가열하여 용융시키거나 용매를 사용하여 액체상태(solution)로 녹인 다음, 모세주입관 내에 고분자 용액을 투입한다. 이 고분자 용액에 고전기장을 인가하게 되면, 전극의 끝단과 접지되어 있는 포집기 사이에 전기적 방전이 일어나게 된다. 전기적 방전이 진행되는 동안 고분자 용액은 표면장력에 의해 모세주입관의 끝에서 원뿔 형상의 방울(droplet)을 형성하다가 상기 표면장력과 전기응력이 서로 균형을 이룬 상태에서 전기적 방전이 일어나게 되면, 모세주입관 끝에서 고분자 용액이 포집기를 향해 분사되게 된다.
분사된 고분자 용액은 포집기를 향해 날아가면서 정전기력에 의해 미세한 섬유가닥으로 갈라지게 되며 포집기에 부착되게 된다. 부착된 고분자 물질은 직경 수십~수백nm의 크기를 가지는 나노섬유의 형상을 가지고 있으며 일정한 규칙이 없이 포집기에 포집됨으로 인해 최종적으로 부직포 형상의 고분자 나노섬유필터가 형성되게 되는 것이다.
여기에서 상기 고분자 나노섬유필터를 이루는 고분자는 폴리에틸렌옥사이드(PEO, Polyethylene oxide), 나일론, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, Polymethyl methacrylate), 폴리스티렌(PS, Polystyrene), 폴리카보네이트(PC, Polycarbonate) 및 이들의 혼합물 중에 어느 하나를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
도 2는 나일론을 이용하여 고분자 나노섬유필터를 형성시킨 것으로, 섬유상의 무질서한 형상을 띄고 있으며, 섬유체 사이에 무수한 공극이 있음을 알 수 있다.
다음으로, 상기 고분자 나노섬유필터에 나노 세라믹입자를 코팅시키는 상기 제2단계에 대해 살펴보고자 한다. 이러한 나노 세라믹입자를 코팅하는 방법은 딥코팅법이나 필터링코팅법으로 수행된다.
상기 딥코팅법(dip coating)은 나노 크기의 세라믹입자를 물 혹은 적절한 분산용매에 넣어 분산용액을 제조한 다음, 상기 고분자 나노섬유필터를 상기 분산용액에 담그게 된다. 상기 분산용액이 고분자 나노섬유필터에 코팅이 됨과 동시에 이에 포함된 나노 세라믹입자가 고분자 나노섬유필터에 코팅되게 되며, 그 후 상기 분산용액이 코팅된 고분자 나노섬유필터를 들어올린 후 건조시킴으로써 고분자 나노섬유필터에 나노 세라믹입자로 형성된 코팅막을 형성시키게 된다.
또한, 상기 필터링코팅법(filtration coating)은 필터 홀더에 상기 고분자 나노섬유필터를 고정시킨 후, 필터 홀더 안으로 나노 세라믹입자가 분산되어 있는 분산용액을 넣어, 진공펌프를 이용하여 하측에서 공기를 빼내게 되면 분산용액 중 용매만이 고분자 나노섬유필터를 빠져 나오고 나노 세라믹입자는 고분자 나노섬유필터 표면에 부착되어 코팅막을 형성하게 된다.
여기에서 상기 나노 세라믹입자는 실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 산화주석, 산화아연 및 이들의 혼합물 중에 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있으며, 특히 티타니아를 사용할 경우 광촉매 작용에 의한 유해가스 분해효과를 얻을 수도 있다. 나노 세라믹입자의 크기는 통상 10~50nm정도의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
도 3은 대략 30nm 정도의 입자 크기를 가진 실리카(SiO2)를 물에 대해 4중량비로 분산시켜, 상기 고분자 나노섬유필터에 나노 세라믹입자로 이루어진 코팅막을 형성시킨 것으로, 상기 고분자 나노섬유필터의 형상에 대응되어 일정한 공극을 유지한 채 나노 세라믹입자로 이루어진 코팅막이 형성된 것을 알 수 있었다.
다음으로, 나노 세라믹입자로 이루어진 코팅막이 형성된 고분자 나노섬유필터를 소결(sintering)시켜 다공성 세라믹 나노 구조체를 제조하는 제3단계에 대해 설명하고자 한다.
상기 소결과정에 의해 나노 세라믹입자로 이루어진 코팅막이 형성된 고분자 나노섬유필터에서 고분자 성분은 연소되고, 나노 세라믹입자로 이루어진 코팅막 만을 남기게 되며, 이에 의해 최종적으로 고분자 나노섬유필터의 섬유상의 자리가 비게 되고 나노 세라믹입자로 이루어진 튜브가 형성되게 되어 다공성 세라믹 나노 구 조체가 완성되게 되는 것이다.
상기 소결과정은 나노 세라믹입자로 이루어진 코팅막이 형성된 고분자 나노섬유필터를 전기로에 넣어, 적당한 온도(100~700℃) 조건 및 시간(4~6시간) 동안 가열하여 고분자 성분을 제거하며, 세라믹 성분은 소결시키게 되는 것이다.
도 4는 나노 세라믹입자로 이루어진 코팅막이 형성된 고분자 나노섬유필터를 소결시켜 최종적으로 나노 세라믹입자들만으로 이루어진 다공성 세라믹 나노 구조체에 관한 것으로, 나노 세라믹입자로 이루어진 코팅막 사이에 섬유상의 공극이 형성되어 전체적으로 튜브 형상을 띔을 알 수 있다.
상기와 같이 제조된 다공성 세라믹 나노 구조체는 전기방사에 의해 기본적으로 나노필터의 특성을 가짐과 동시에 소결과정을 거쳐 고분자 성분을 미리 제거하여 고온 적용성이 우수한 장점을 가지게 된다. 또한 이러한 장점과 동시에 섬유상의 공극이 형성되어 마치 튜브형상을 이루어 높은 통기성과 항진성, 제품의 완성시 경량의 장점을 가지게 되는 것이다.
상기 구성에 의한 본 발명은, 고분자 나노섬유필터에 나노 세라믹입자를 코팅한 후 소결시킴으로써 섬유상의 내부가 빈 튜브로 이루어진 다공성 세라믹 나노 구조체를 제조할 수 있으며, 나노 입자에 대한 여과 및 집진기능이 우수하며 고온에서의 적용성이 뛰어날 뿐만 아니라 통기성과 항진성이 매우 높고 섬유상의 내부가 빈 튜브로 이루어져 경량이면서 가공성이 우수한 다공성 세라믹 나노 구조체를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 전기방사장치를 이용하여 고분자 나노섬유필터를 제조시키는 제1단계와;
    상기 고분자 나노섬유필터에 나노 세라믹입자를 코팅시키는 제2단계와;
    상기 제2단계의 결과물을 소결하여 다공성 세라믹 나노 구조체를 제조시키는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 나노 구조체 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1단계의 고분자는,
    폴리에틸렌옥사이드(PEO, Polyethylene oxide), 나일론, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, Polymethyl methacrylate), 폴리스티렌(PS, Polystyrene), 폴리카보네이트(PC, Polycarbonate) 및 이들의 혼합물 중에 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 나노 구조체 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제2단계에서의 나노 세라믹입자의 코팅은,
    딥코팅법 또는 필터링코팅법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 나노 구조체 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제2단계의 나노 세라믹입자는,
    실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 산화주석, 산화아연 및 이들의 혼 합물 중에 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 나노 구조체 제조방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 나노 구조체.
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