KR20090082418A - 나노섬유를 포함한 입자 필터 시스템 - Google Patents

나노섬유를 포함한 입자 필터 시스템 Download PDF

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KR20090082418A
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데이비드 에스 엔서
하워드 제이 웰스
앤서니 엘 안드라디
테리 에이 워커
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리써치 트라이앵글 인스티튜트
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Abstract

전기장이 급격히 변할 때에 섬유 매트로 형성되는, 직경이 1 마이크론 보다 작은 복수의 나노섬유를 포함하는 필터 매체를 포함하는 필터 장치. 이 필터 장치는 상기 필터 매체에 부착되며, 유체가 흐르는 개구를 구비한 지지체를 포함한다. 필터 재료를 제조하는 장치. 이 장치는 팁으로부터 복수의 섬유를 전기방사하도록 구성된 전기방사 요소, 상기 전기방사 요소에 대향하고, 전기방사된 섬유를 표면 상에 모으도록 구성된 콜렉터, 및 상기 섬유의 전기방사 중에 상기 콜렉터에서 전기장을 시간적으로 적어도 한 번 급격히 변화시키도록 구성된 전기장 변조 장치를 포함한다. 필터 재료를 형성하는 방법. 이 방법은 유체가 흐르는 개구를 구비한 지지체를 제공하고, 상기 개구 전체에 걸쳐 나노섬유를 전기방사하고, 그리고 상기 나노섬유의 전기방사 중에 콜렉터에서 전기장을 적어도 한 번 급격히 변화시킨다.

Description

나노섬유를 포함한 입자 필터 시스템{PARTICLE FILTER SYSTEM INCORPORATING NANOFIBERS}
관련 출원의 상호 인용
본 출원은 미국 특허출원 제10/819,916호(출원일: 2004년 4월 8일, 발명의 명칭: "회전 스프레이 헤드를 이용한 중합체 나노섬유의 전기방사(Electrospinning of Polymer Nanofibers Using a Rotating Spray Head)", Attorney Docket No. 241015US-2025-2025-20)에 관련된 것으로, 이 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다. 본 출원은 또한 미국 특허출원 제10/819,942호(출원일: 2004년 4월 8일, 발명의 명칭: "전기분무/전기방사 장치 및 방법(Electrospray/Electrospinning Apparatus and Method)", Attorney Docket No. 241013US-2025-2025-20)에 관련된 것으로, 이 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다. 본 출원은 미국 특허출원 제10/819,945호(출원일: 2004년 4월 8일, 발명의 명칭: "제어된 가스 환경에서의 전기방사(Electrospinning in a controlled Gaseous Environment)", Attorney Docket No. 245016US-2025-2025-20)에 관련된 것으로, 이 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다. 본 출원은 미국 특허출원 제11/130,269호(출원일: 2005년 5월 17일, 발명의 명칭: "나노섬유 매트 및 그 제조 방법(Nanofiber Mats and Production Methods Thereof)", Attorney Docket No. 256964US-2025-2025-20)에 관련된 것으로, 이 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
본 발명은 나노섬유, 전기방사 방법 및 장치, 나노섬유 증착 방법 및 장치, 및 증착된 나노섬유로부터 형성된 필터 및 물품에 관한 것이다.
종래의 필터 장치 산업에서는 롤(rolled) 제품으로서 제공되도록 만들어진 유리, 솜 또는 중합체 섬유와 같은 종래의 매체를 이용하여 미립자 에어 필터를 제조하였다. 섬유질 매체는 웨트 레이드 페이퍼(wet laid paper)와 같은 부직포 프로세스나, 용융 방사(melt brown spinning) 또는 직조 방적사로 만들어질 수 있다. 이 재료는 매체를 절단, 플리팅(pleating), 지지, 필터 프레임에 접착하고, 누설 검사를 실시하는 장비로 이송한다. 롤 제품의 여러 특성들의 측정값은 단위 면적당 적합한 중량 및 다공성 등을 포함한다.
다공성 필터 매체는 개별 필터 유니트 내에서 매체 면적을 증가시켜 압력 강하를 감소시키기 위해 플리트되거나 백에 접합될 수 있다. 먼지가 포집됨에 따라 필터 유닛에 흐르는 공기의 힘에 의해 매체가 붕괴되는 것을 막기 위하여 흔히 스크린이나 기타 다른 지지체가 부가된다. 필터 사용 목적에 따라서는 압력 강하와 입자 포집 효율에 대해 적당한 챌린지 에어로졸을 가지고 정격 또는 표준 공기흐름율로 테스트될 수 있다.(예컨대, ASHRAE 52.2, MIL-STD-282, IEST RP-CC 007.1, NIOSH APRS-STP-0051-00, 및 NIOSH APRS-0057-00이 필터를 테스트하는데 이용될 수 있다.)
이론적으로는 필터 내의 섬유 직경을 감소시키면 필터 시스템 성능이 개선될 소지가 있다. 고효율 필터링 작용을 위해서는 200 nm 내지 5000 nm 크기 범위의 섬유 직경을 가진 유리 섬유 웨트 레이드 페이퍼가 널리 사용되며, 이 경우 섬유 크기들은 내구성과 필터링 성능 양쪽을 만족하도록 의도적으로 섞게 된다.
섬유 직경을 작게하여 여과 매체를 개선하는 한 가지 기술은 중합체를 전기방사하여 수마이크론이나 나노크기의 섬유를 만드는 것이다. 현재 사용되고 있는 전기방사는 정전압을 이용하여 여기서는 정전계 전기방사로 정의되는 방사 프로세스를 구동한다.
그러나 500 nm보다 큰 전기방사 나노섬유는 통상적으로 부서지기 쉽고 제조하고 취급하기 어렵다. 한 가지 종래의 방식은 나노섬유를 종래의 다공질 섬유 매체에 증착하여 적층형 나노섬유 필터 매체를 만드는 것이다. 다음의 특허, 미국특허 제7,008,465호, 제6,994,742호, 제6,974,490호, 제6,955,775호, 제6,924,028호, 제6,875,256호, 제6,875,249호, 제6,800,117호, 제6,746,517호, 제6,743,273호, 제6,740,142호, 제6,716,274호, 및 제6,673,136호, 미국특허 출원 제10/757,924호 및 제10/676,185호는 각종 응용을 위한 나노섬유 포함 필터를 제조하는 종래의 방식을 개시하며, 이들 특허의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
종래의 다공질 필터 매체 상에 적층된 나노섬유로부터 만든 종래의 적층형 나노섬유 필터는 본래적인 한계를 갖고 있다. 이들 필터의 지지 매체는 보통은 조립 단계에서 플리팅 또는 조작될 정도로 충분히 유연하다. 그와 같은 유연성 기판 매체는 공기압 강하력으로 구부러지거나 신장될 수 있으며 나노섬유를 파손시키거 나 탈락시킬 수 있다. 종래 매체의 지지층은 전체 구조의 압력 강하에 크게 기여할 수 있다.
이상적인 미립자 필터는 최소 압력 강하로 최대 입자 포집 효율(최소 입자 침투)을 주는 것이다. 두께가 서로 다른 필터들을 비교하는 한 가지 기준은 필터 양호도 또는 성능 지수(FoM)이다. FoM 값이 클수록 필터 성능은 더 좋아질 것이다(Hinds, 1982). 이 파라미터에 대한 한 가지 표현은 다음과 같이 주어진다.
FoM = -Log(Pt)/ΔP (1)
여기서, Pt는 특정 에어로졸 입자 직경의 부분 침투(효율=(1-Pt))이고, ΔP는 필터의 특정면 속도에 대응하는 압력 강하(필터 단면적으로 나눈 체적 공기 흐름)이다. 여기서 사용된 -Log(Pt)/ΔP로 주어진 성능 지수에서, Pt는 특정 에어로졸 입자 직경의 부분 침투이고, ΔP는 5.3 cm/s의 면속도와 0.3 마이크론의 입자 크기에 대응하는 필터 매체를 가로지르는 압력 강하이다.
통상적으로 고효율 미립자 공기(HEPA) 유리 섬유 매체의 FoM은 5.33 cm/s의 면속도와 0.3 ㎛의 입자 직경에서 측정했을 때에 12 kPa-1이다. 이들은 HEPA 매체 테스트(즉, IEST-RP-CC021.1)의 표준 조건이다.
전술한 종래의 적층형 나노섬유 다공질 필터 매체의 FoM은 비교적 낮은 FoM을 나타내는 거친 기판의 비교적 큰 섬유 직경에 의해 제한된다. 종래의 적층형 나노섬유 다공질 필터 매체 복합체의 FoM은 나노섬유와 종래 매체의 층들의 상대량과 각자의 FoM에 따라 다르다. 즉, 나노섬유의 개별 층들은 종래의 다공질 필터 매체 기판보다 FoM이 더 높을 수 있지만, 복합 FoM은 종래 방식에서 사용된 재료의 상대량 때문에 종래의 다공질 필터 매체 기판의 값에 더 가깝다. 그러므로 현재의 최신 기술 수준에서는 종래의 적층형 나노섬유 필터 매체는 필터에 종래의 유리 섬유 매체보다 훨씬 더 큰 FoM을 제공하지 못한다.
각종 배경 재료와 필터 테스트 절차에 대해 설명하는 참조 문헌은 다음과 같가.
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이들 문헌의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
본 발명의 일 실시예에서, 전기장이 급격히 변할 때에 섬유 매트로 형성되는, 직경이 1 마이크론 보다 작은 복수의 나노섬유를 포함하는 필터 매체를 포함하는 필터 장치가 제공된다. 이 필터 장치는 상기 필터 매체에 부착되며, 유체가 흐르는 개구를 구비한 지지체를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 유체가 흐르는 개구를 구비한 지지체를 포함하는 필터 장치가 제공된다. 이 필터 장치는 상기 지지체에 부착된 복수의 섬유를 포함하는 필터 매체를 포함한다. 상기 필터 매체는 -Log(Pt)/ΔP로 주어진 성능 지수 FoM를 가지며, 상기 Pt는 특정 에어로졸 입자 직경의 부분 침투이고, 상기 ΔP는 5.3 cm/s의 면속도와 0.3 마이크론의 입자 직경에 대응하는 상기 필터 매체의 필터 매체를 가로지르는 압력 강하이다.
본 발명의 일 실시예에서, 필터 재료를 제조하는 장치가 제공된다. 이 장치는 팁으로부터 복수의 섬유를 전기방사하도록 구성된 전기방사 요소, 상기 전기방사 요소에 대향하고, 전기방사된 섬유를 표면 상에 모으도록 구성된 콜렉터, 및 상기 섬유의 전기방사 중에 상기 콜렉터에서 전기장을 시간적으로 적어도 한 번 급격히 변화시키도록 구성된 전기장 변조 장치를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 필터 재료를 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은 유체가 흐르는 개구를 구비한 지지체를 제공하는 단계, 상기 개구 전체에 걸쳐 나노섬유를 전기방사하는 단계, 및 상기 나노섬유의 전기방사 중에 콜렉터에서 전기장을 적어도 한 번 급격히 변화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 더 완전한 이해와 그에 부수하는 많은 이점들은 첨부도면을 참조한 하기의 상세한 설명로부터 쉽게 얻을 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 기재 필터 제조 방법을 보여주는 플로우차트.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 기재 필터의 개략도.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어된 환경에서의 전기방사 장치의 개 략도.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 증착 제어를 위한 다이나믹 필드 전기방사라 불리는 장치의 세부를 보여주는 개략도.
도 3은 다이나믹 필드 전기방사 장치의 전기적 개략도.
도 4는 본 발명에서 설명된 기술을 이용하여 얻은 나노섬유 형태의 타입을 표시하는 현미경 사진.
도 5는 본 발명의 실시예를 이용하여 만든 필터 매체와 비교된 종래 필터 매체로부터의 압력 강하의 함수로서 부분 입자 침투의 데이터를 보여주는 도.
도 6은 지지 메시(2차 전극) 시변 전위와, 다이나믹 필드 스피닝의 일 요소를 나타내는 지지 메시와 연관된 전압 제한 장치(VLD)를 통해 흐르는 대응 전류의 데이터를 보여주는 도.
도 7은 가장 큰 침투 입자 크기에서의 개선을 설명하기 위하여 본 발명의 실시예를 이용하여 만든 필터 매체와 비교된 종래의 필터 매체의 입자 크기의 함수로서 입자 침투의 데이터를 보여주는 도.
도 8은 복수의 나노섬유/메시 스택을 이용하는 본 발명의 일 실시예을 도시한 개략도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상가공 필터 유니트와 이 형상가공 필터 유니트를 만드는 장치의 개략도.
도 10a 및 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 프레임 및 메시의 개략적인 평면도와 측면도.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전 헤드를 구비한 필터 제조 장치의 개략도.
도 12는 도 10의 장치로 만든 필터의 셀의 개략도.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른, 종래의 필터 매체로 구성된 개략 프리필터를 가진 나노섬유 필터 장치의 개략도.
본 발명은 예컨대 필터 작용 애플리케이션(이에 한정되는 것은 아님)에 이용될 수 있는 나노섬유 매트의 제조하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 단일 필라멘트, 방적사, 부직포 재료 및 박막과 같은 여러 가지 다양 영경에도 적용될 수 있다. 본 발명의 각종 실시예에서는 FoM으로 나타내는 필터 성능의 현저한 개선이 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에서, 다이나믹 필드 전기방사 기술을 이용하여 여기서 설명되고 그리고/또는 필라멘트, 방적사, 부직포 및 박막을 포함하는 응용분야에서 사용되는 각종 물품을 제조한다. 특히,다이나믹 필드 전기방사를 이용하는 본 발명은 나노섬유 기재 재료, 특히 나노섬유 기재 필터를 이용하는 필터링 분야에 적용될 수 있다. 나노섬유를 지지하는 부직포 필터 매체를 이용하지 않고 결합된 최종적인 나노섬유 매트의 형태는 최종 필터 FoM에 영향을 미친다. 본 발명의 다른 양상은 (1) 개선된 필터 FoM에 반영된 낮은 압력 강하 및/또는 양호한 필터 작용 효율을 가진 필터, 필터 장치 또는 필터 재료, (2) 최대 침투 입자 크기의 감소, (3) 필터, 필터 장치 또는 필터 재요의 제조 방법, 및 (4) 나노섬유 매트 제조 중의 개 선된 프로세서 모니터링 및 제어 방법을 포함한다.
이제 도면을 참조로 설명하고, 여기서 전체 도면에서 동일한 도면부호는 동일 또는 대응 부분을 지시하며, 도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 기재 필터 제조 방법을 보여주는 플로우차트이다. 더욱이, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 지지 메시(7)가 복수의 나노섬유(12)를 균일한 깊이까지 지지하는 나노섬유 기재 필터의 개략도이다. 명확하게 하기 위하여 몇 개의 섬유층만이 도시되어 있고, 섬유들은 적절하게 배향된 것으로 도시되어 있다. 본 발명은 더 두꺼운 섬유 매트(즉, 더 많은 층)을 이용할 수 있으며, 이들 섬유를 배향시키는 기술이 존재하지만, 도 4에 도시된 바와 같이 섬유 배향은 반드시 필요한 것은 아니다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 단계(100)에서 물리적 지지를 위한 지지 매시기 구비되어 있다. 단계(102)에서, 200 nm 또는 그 보다 작은 평균 섬유 직경(AFD)을 가진 나노섬유는 지지 메시로 전기방사된다. 단계(103)에서, 프로세스의 모니터링과 제어를 가능하게 하는 압력 강하, 에어로졸 침투 및 레이저 광 산란을 포함하는 여러 가지 방법을 이용하여 필터 매트 성능이 측정된다.
단계(102)에서, 본 발명의 일 실시예에서, 나노섬유는 어떤 밀봉체가 전기방사 환경의 CO2 제거와 같은 양상을 통한 전기방사 환경의 제어, 상대 습도의 제어, 및 용매 증기압의 제어를 가능하게 하는 조건 하에서 전기방사된다.
본 발명에서 단계(100, 102, 103)에서 사용된 프로세스에 대해 더 자세한 것은 다음에 개시되는 각종 실시예에서 설명할 것이다.
본 발명의 몇 가지 양상을 이용한 전자 스핀 나노섬유 제조의 일예는 도 2a 및 2b에 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 나노섬유의 제조는 밀봉되고 환경적으로 제어된 챔버(1)에서 실시된다. 필터 조립 홀더(41-43) 상에는 거친 지지 매시(7)(2차 전극)를 가진 전기 절연 필터 프레임(6)이 배치된다. 회로를 완성하는 것은 전도성 튜브(28)에 의해 접지에 연결된 접지 전극(43)이다. 전기방사 재료의 지지체로 기능하는 메시(7)는, 비한정적인 일예로서 약 1.4 mm x 1.4 mm의 크기를 갖고 필터의 압력 강하에 거의 기여하지 않지만 나노섬유에 구조적 지지체를 제공하는 미세 개구부를 갖고 있다. 본 예에서 메시는 0.1 mm의 직경을 가진 와이어로 만든다. 챔버(1) 내로는 이산화탄소(CO2) 처리 가스가 도입되어, 챔버의 습도는 건조 CO2와 습윤 CO2의 혼합을 이용하여 20%와 40% RH 사이로 제어된다. 저장소(3)로부터의 중합체 용액(예컨대 용매 디메틸아세트아미드 속의 21 wt% 폴리술폰)은 고전압 전원 장치(5)에 연결된 전기방사 에미터/오리피스(2) 쪽으로 흐른다. 오리피스(2)의 끝에서 나타나는 전기장은 오리피스로부터 중합체 용액을 추출하여 중합체 용액의 섬유를 형성한다.
(전원 장치(5)로부터 전력을 공급받은) 에미터(2)와 접지 사이의, 섬유 증착을 구동하는 전기장의 구조는 부분적으로는 필터 프레임 홀더(41-43)의 설계에 따라 제어된다. 더욱이, 지지 메시(7)의 전위는 전기장 맥동 장치(9)(즉, 전압 리미터 또는 방전 장치 또는 전기장 인가 장치)에 의해 제어된다. 전기자 맥동 장치(9)는 섬유의 전기방사 중에 콜렉터에 전기장을 적어도 한 번(또는 자주) 펄스 형태로 인가하여 전기방사된 섬유에 축적된 전하를 방전하도록 구성된다.
전기방사 회로의 전기적 개략도는 도 3에 도시되어 있다. 전기방사된 섬유(8)는, 본 예에서 전기장 맥동 장치로 기능하는 전압 리미터 장치(9)에 의해 접지 1차 전극(43)으로 자주 방전되는 전하를 메시(즉, 2차 전극(7))로 이송한다. 도 3의 회로는 도 6에 도시된 시변 전압이 2차 전극 또는 콜렉터(7)에 나타나는 다이나믹 전계 전기방사를 이용한다. 본 발명의 일 실시예에서, 결과적인 전기장은 방사 섬유의 방향으로 배향되며, 전기장의 구조를 동적으로 변경하여, 본 발명에 따라, 콜렉터(7)가 예컨대 접지된(후술함) 종래의 정전기장 전기방사에 비해 (매트의 FoM으로 측정해서) 개선된 섬유 및 매트 특성을 보여준다.
본 발명의 일 실시예에서, CO2 가스(26A)의 재킷(jacket)은 에미터(2)를 통해 흐른다. 필터 조립체 및 홀더쪽으로 이동하는 중합체 섬유(8)의 사출구(jet)가 형성된다. 거친 매시(7)로 전기방사된 폴리술폰(PSu) 섬유는 통상적으로 200 nm보다 작은 평균 섬유 직경을 갖는다. 나노섬유에 의해 형성된 필터 매트(12)는 두께가 약 3 ㎛이며, 따라서 5-20개 정도의 나노섬유층을 포함한다. 증착 프로세스 중에 처리 가스의 적어도 일부는 필터 매트를 통해 흐른다.
본 발명의 일 실시예에서, 형성 나노섬유 필터의 압력 강하는 차동 압력 게이지(32)를 이용하여 제조 중에 실시간으로 모니터될 수 있다. 최종 필터 성능에 영향을 미치는 요인은 많이 있다. 이들 요인 중 일부는 적당히 작은 나노섬유 크기, 적당한 나노섬유 매트 형태, 및 지지체 구조가 압력 강하를 제한하지 않도록 최종 복합체에 견고성을 부여하는 필터 프레임 + 나노섬유 매트 구성을 얻는 것이다.
방사 적합 나노섬유
미세 중합체 섬유를 제조하는 기술로서 정전계 전기방사는 공지되어 있다. 이것의 가장 단순한 형태로 유동 중합체 용액을 가진 공동(hollow) 오리피스가 통상적으로 정전압에서 제어되는 고전압(AC 또는 DC) 전원 장치에 연결된다. 전압 구배는 이 유체를 오리피스(또는 스피너렛(spinneret))로부터 유체 필라멘트 쪽으로 끌어당긴다. 중합체 용액이 마름에 따라 중합체 표면의 전하는 서로 반발하여, 섬유를 신장시키고 휘핑 동작(whipping motion)을 일으켜 섬유 직경을 크게 감소시키게 된다. 이 섬유는 접지된 전극 표면 상에 매트로서 모아진다. 이 프로세스는 복잡하며, 동일하게 대전된 섬유의 자체 반발력과 인가된 외부 전기장 간에 힘이 경합한다.
몇 가지 예로서 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리스티렌 및 폴리술폰을 포함하는 넓은 범위의 중합체는 전기방사되었다. 예컨대 폴리술폰(Psu)(MW∼35,000g/mol)은 N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 내의 21 wt% 용액으로부터 방사될 수 있으며, 폴리카보네이트(MW∼60,000g/mol)은 테트라하이드로퓨란(THF)과 N,N-디메틸포름아미드(DMF)의 50/50 용액 내의 중합체의 15 wt% 용액으로부터 방사될 수 있다.
미국특허 출원공개 제2005/0224999호는 방사 오리피스나 에미터 부근에 예컨 대 이산화탄소(CO2)를 도입함으로써 전기방사 프로세스를 용이하게 하는 음전기 가스의 이용에 대해서 개시하고 있으며 이 특허의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다. CO, CF4, N2O, CCl4, CCl3F, CCl2F2 및 기타 다른 할로겐화 가스와 같은 가스는 26A 및/또는 26B에서의 전기방사 환경 속으로 도입될 수 있다. 음전기 처리 가스는 이것이 니들(needle)을 벗겨내고, 니들에서의 코로나 방전을 감소시키고 섬유 직경을 감소시킴에 따라 중합체 분사에 의해 형성된 테일러 콘(Taylor cone)을 안정화시킨다. 더욱이 제어된 환경에서의 방사는 섬유의 오염을 줄일 수 있으며, 안전성을 높이고, 섬유 형성을 미세 조정하는데 이용될 수 있는 다른 차원의 제어 파라미터를 부가시킨다.
본 발명의 일 실시예에서, 음전기 가스(26A)는 제어된 가스 환경의 이용과 함께 방사 니들과 동축으로 흐른다. 통상적으로 동축 가스 흐름을 제공하는데는 가스 쉬라우드(shroud)가 사용된다. 본 발명에서 사용되는 통상적인 쉬라우드는 외측 반경이 약 0.48 cm이고 내측 반경이 약 0.40 cm인 환형상일 수 있다. 여러 가지 기하학적 형태 및 크기, 예컨대 외측은 육각형 모양이고 내부는 또 다른 형태를 지닌 원형도 가능하다. 이 환형상에서는 가스가 방출되는 환형의 출구단에서 전기방사 요소의 팁까지의 거리는 동일높이(0 cm)에서 8 cm 사이일 수 있는데, 통상적으로는 이 거리는 4 내지 5 cm이고, 뒤에 상세한 예에서는 이 거리는 4.7 cm이다.
본 발명의 일 실시예에서, 전기방사 조건의 제어는 100 nm 보다 작은 평균 섬유 직경(AFD)을 가진 중합체 나노섬유를 제조하였다. 200 nm보다 작은 나노섬유 는 본 발명의 다른 요소와 조합 시에 최종 섬유의 필터링 특성을 개선하는 것으로 드러났다.
본 발명의 일 실시예에서, 중합체 용액 내의 첨가제는 섬유의 크기와 품질에서 큰 차이를 보여줄 수 있다. 미량의 염분이나 계면활성제을 첨가하면 용액 전도성이 증가하고 따라서 전기방사 요소의 팁에서 전하가 축적되고, 그 결과 형성 섬유에 인가되는 신장력이 더 커지고 따라서 섬유 직경이 더 작아진다. 계면활성제도 중합체의 표면 장력을 감소시켜 스핀되는 섬유의 크기를 훨씬 작게 할 수 있다. 리튬염(예컨대 리튬 클로라이드와 리튬 트리플레이트)이나, 테트라부틸암모늄 클로라이드(TBAC)와 같은 계면활성제가 본 발명에 적당하다. 0.01 내지 3 wt% 정도의 리튬염 농도가 본 발명에 적당하다. 0.06 내지 0.4 wt% 정도의 TBAC 농도는 예시적인 것이며 다른 농도도 적당할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 전기방사 용액 내의 중합체 농도는 전기방사된 섬유의 품질에 영향을 미친다. PSu의 분자량으로 17 wt% 내지 30 wt%의 농도가 본 발명에 적당하며, 통상적으로 21 wt% 정도가 이상적이다.
본 발명의 일 실시예에서, 솔베이 어드밴스드 폴리머즈사(Solvay Advanced Polymers)에서 제조한 Udel P3500 LCD PSu가 사용되었다. 분자량은 22,000 내지 36,000 g/mol 범위이다. 분자량은 중합체 용액을 체계화하는데 중요한 성분인 것으로 이해된다. P3500 LCD는 약간의 고리형 디머(cyclic dimmer)를 포함하며 여기서 설명되는 많은 응용에 적당하다. 그러나 본 발명에서 이러한 중합체와 그 특성은 단지 예시적인 것이며, 본 발명은 이러한 특정 중합체에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에서, 내부 직경(ID)이 0.15 mm 내지 0.59 mm에 이르는 스테인레스 스틸 압출 팁이 본 발명에 적당하다. 더 크거나 작은 직경도 이용될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, ID가 0.076 mm 내지 0.31 mm인 테플론(TeflonTM) 모세관이 본 발명에 적당하다. 더 크거나 작은 직경도 이용될 수 있다. 양 타입의 오리피스는 작은 섬유를 제조할 수 있다. 양 오피리스에 대해 고전압 강하와 결합된 중합체 용액의 낮은 유속(예컨대 0.05 ml/hr)에 의해 섬유 직경은 최저(예컨대 100 nm보다 작은 AFD)가 되었다. 양 경우에 전압은 17.8 cm 내지 25.4 cm 간극(즉, 에미터(2)와 메시(7) 사이의 거리)에 대해 22 kV 내지 30 kV로 살정되었다. 여기서 전기방사 간극당 전극은 인장강도를 결정하는 한 가지 파라미터이고, 이 간극도 이동 시간을 결정하고 따라서 부분적으로 섬유 신장 시간을 결정하는 것이라는 점에 유의한다.
본 발명에서는 스테인레스 스틸과 TeflonTM 압출 팁이외에도, 예컨대 중합체, 유리, 세라믹 또는 기타 금속 압출 팁과 같은 다른 재료(이 재료가 전기방사 프로세스에서 이용되는 임의의 용매를 포함하는 전기방사되는 물질과 반응하지 않는다면)도 사용될 수 있다.
다른 방사 오리피스에 대해서 CO2 유속(26A, 섬유 방향에서의 방사 오리피스 부근과 위쪽의 가스 재킷 흐름)의 효과도 존재한다. 스테인레스 스틸 니들이 사용된 경우에는 가스 유속이 높을수록(예컨대 8 lpm에서 13 lpm으로 증가하면) 통상적으로 섬유의 직경은 더 작아지는 것으로 개선되었다. 이와 대조적으로 폴리테트라 플루오로에틸렌(즉, TeflonTM ) 모세관이 사용된 경우에는 CO2 유속이 8 lpm에서 13 lpm으로 증가함에 따라 통상적으로 섬유 품질이 저하되었다. 스테인레스 스틸 니들에 대해서보다 TeflonTM 모세관에 대해서 최적 CO2 유속이 더 낮을 가능성이 높다. TeflonTM 모세관에서 사용되는 최적 CO2 유속은 약 8 lpm이며, 스테인레스 스틸 모세관에 대한 최적 CO2 유속은 이보다 더 높다.
스테인레스 스틸 오리피스에 대해 13 lpm 대 8 lpm에서 더 작은 섬유가 얻어지지만 CO2 유속이 더 높아지면 PSu 섬유에 대한 나노섬유 매트 형태에 부정적인 영향을 주었다. 즉, 13 lpm에서 형성된 PSu 나노섬유 매트는 8 lpm에서 제조된 것과 마찬가지의 성능을 갖고 있지 않았다. 여기서 주어진 음전기 가스 유속(이 경우 CO2) 값은 단지 예시적인 것이며, 최종 나노섬유 필터 매트에 영향을 미치는 여기에 개시된 인자들(예컨대 전기방사 오리피스, 중합체 공식, 지지 메시, 및 스피닝 조건)의 조합이 주어진면 다른 가스 유속도 이용될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예는 0 내지 30 lpm의 재킷 가스(26A) 유속을 이용한다. 또한 처리 가스(26)의 총유속은 0 내지 300 lpm 또는 그보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 전기방사 챔버의 상대 습도(RH)는 섬유 형태에 영향을 미친다. 예컨대 DMAc 중에 21 wt% PSu(MW∼35,000 g/mol)를 이용하는 경우, RH가 높으면(예컨대 65% 보다 큰) 섬유는 결함은 아주 적고 표면이 부드럽지만 직경 이 더 커졌다. 섬유 내의 결함은 일반적으로 길이가 긴 부드럽고 둥근 섬유에서의 굴곡으로 보여진다. 섬유 방사 분야의 통상의 전문가라면 이를 잘 알 것이다. RH가 낮으면(예컨대 13%이하) 섬유는 작아지나 결함이 더 많이 생겼다. 통상적으로 RH가 적당히 낮을 때에(예컨대 40% 내지 20%) 섬유 크기가 작으면서도 결함도 작었다.
본 발명에서 수분을 흡수하는 물질(예컨대 칼슘 황산염) 또는 방출하는 물질(예컨대 하드로겔) 배치하고, 챔버 내에 소형 가습기를 가동하고, 습기를 전기방사 챔버 내에 도입하기 전에 처리 가스 스트림(26)에 부가하는 것과 같이 챔버 RH를 제어하는데 여러 가지 메카니즘이 적당하다. 예컨대 탈이온화된(DI) 물을 통해 CO2에 거품을 일으키고 그 다음에 가습된 CO2 가스를 챔버 내로 도입함으로써 긍정적인 결과를 얻었다. 본 발명의 일 실시예에서, 2개의 가스 스트림(하나는 가습된 것 다른 하나는 건조한 것)이 이용하여 챔버 및/또는 전기방사 오리피스를 통해 흐르는 가스 재킷에 대해 원하는 RH를 얻는다.
본 발명의 다른 실시예에서, RH와 전기방사 조건을 이용하여 섬유 직경을 시간 함수로서 변화시키고, 이에 따라서 나노섬유 매트의 두께 방향에서 섬유 직경이 변화하는 나노섬유 매트를 제작한다.
나노섬유를 제작하는 본 발명의 각종 실시예는 0.2 wt%의 계면활성제(TBAC)을 포함하는 N,N-디메틸아세트아미드(DMAC) 용액 중의 21 wt% PSu(MW∼35,000 g/mol)를 이용하며, 이에 따라 표면장력이 낮아지고 용액의 이온 전도성과 유전상수가 높아진다. 전술한 중합체 용액은 중합체 용액의 유속이 0.05 ml/hr인 30G(ID ≒0.1524 mm) 스테인레스 스틸 니들로부터 스테인리스강 니들로 스핀되었고, 니들과 콜렉터 간의 간극은 25.4 cm로 설정되었고, 29.5 kV DC의 전위가 인가되었고, 6.5 L/min의 CO2 가스 재킷 유속이 이용되었고, RH는 22 내지 38%의 범위로 제어되었다. SEM으로 조사한 바로는 평균 섬유 직경(AFD)은 82±35 nm이었고, 가장 작은 섬유 크기는 30 내지 40 nm 범위이었다. 도 4는 이러한 PSu 섬유의 주사 전자현미경 사진(SEM)을 보여준다.
본 발명의 일 실시예에서, 21 wt% 중합체와 0.2 wt% TBAC으로 구성된 PSu 용액은 유속ㅇ 0.05 ml/hr이고, CO2 유속이 8 lpm이고, 간극이 25.4 cm이고, 전위가 121 kV/m인 0.1524 mm ID 테플론 모세관으로부터 방사되었다. 이 조건에 의해 81±49 nm의 AFD가 얻어졌다. AFD에서 큰 편차는 50 nm보다 작은 매우 작은 섬유를 포함하는 섬유 크기의 다양함을 보여준다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 폴리카보네이트(PC)는 0.06 wt% TBAC을 가진 테트라하이드로퓨란(THF)과 N,N-디메틸포름아미드(DMF)의 50/50 용액 내의 중합체의 15 wt% 용액으로부터 방사될 수 있다. 30G 스테인레스 스틸 니들, 0.5 ml/hr의 중합체 용액 유속 및 8 lpm의 CO2 유속을 이용하고 간극은 25.4 cm로, 인가 전위는 25 kV로 하여 서브 200 nm 섬유를 얻었다. SEM으로 조사한 바로는 AFD는 150±31 nm이었고, 가장 작은 섬유 크기는 100 nm 정도이었다.
본 발명에서 얻은 섬유 직경은 중합체 분자량, 중합체 구조, 용매 또는 용매들, 용매계 내의 중합체 농도, 첨가제 및 그 농도, 인가된 전기방사 전위, 방사 오 리피스와 접지간의 간극, 방사 오리피스의 크기와 형태, 중합체 용액 유속, 니들을 통해 흐르는 처리 가스의 유속 및 성분, 처리 가스의 RH, 및 용매(들)의 분압의 함수이다. 상기 예들은 나노섬유 필터 구성에 적합한 섬유를 얻는데 알맞지만 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 실시예는 다른 중합체 용매계, 따라서 다른 전기방사 조건을 이용하여 적당한 나노섬유를 얻을 수 있었다. 더욱이 동일한 중합체 용매계를 서로 다른 전기방사 조건과 조합하여 개선된 섬유 또는 다른 응용에 맞추어진 섬유를 제작할 수 있었다. 예컨대 니들을 통해 흐르는 CO2 재킷은 니들 팁에 형성된 중합체 사출구에서 용매(들)의 증발 속도를 낮추기 위해, 따라서 중합체 섬유의 신장 시간을 증가시키기 위해 용매 증기를 포함할 수 있었다. 용매의 분압도 용매의 온도, 압력 및 혼합의 제어를 통해 변경될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 대기 중의 상대 농도에 의해 결정되는 용매 농도는 0 내지 100% 사이로 제어된다.
본 발명의 또 다른 실시예는 전기방사 환경의 제어에 관한 것으로, 중합체(들) 용매(들)의 선택은 나노섬유가 용매를 완전히 건조하지 못한 상태에서 메시 상에 또는 그들 자신 상에 증착될 전기방사된 섬유를 제공한다. 따라서 섬유들은 메시에 접합되고 그리고/또는 서로 접합되어 일체적인 메시/섬유 필터 구조를 형성한다.
본 발명에 의해 제조된 나노섬유는 아크릴로니트릴/부타디엔 공중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 아세테이트, 키토산, 콜라겐, DNA, 피브리노겐, 피브로넥틴, 나일 론, 폴리(아크릴산), 폴리(클로로스티렌), 폴리(디메틸실록산), 폴리(에테르이미드), 폴리(에테르술폰), 폴리(에틸아크릴레이트), 폴리(에틸비닐아세테이트), 폴리(에틸-코-비닐아세테이트), 폴리(에틸렌 산화물), 폴리(에틸렌테레프탈레이트), 폴리(젖산-코-클리콜릭산), 폴리(메타크릴산)염, 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리(메틸스티렌), 폴리(스티렌 술폰산)염, 폴리(스티렌술포닐 불화물), 폴리(스티렌-코-아크릴로니트릴), 폴리(스티렌-코-부타디엔), 폴리(스티렌-코-디비닐벤젠), 폴리(비닐아세테이트), 폴리(비닐알코올), 폴리(비닐클로라이드), 폴리(비닐리덴플로라이드), 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드, 폴리아닐린, 폴리벤지미다졸, 폴리캡로락톤, 폴리카보네이트, 폴리(디메틸실록산-코-폴리에틸렌옥사이드), 폴리(에테르에테르케톤), 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리이미드, 폴리이소프렌, 폴리락티드, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리술폰, 폴리우레탄, 폴리(비닐피롤리돈), 폴리(2-히드록시에틸메타크릴레이트)(PHEMA), 젤라틴, 단백질, SEBS 공중합체, 실크(천연 또는 합성), 및 스티렌/이소프렌 공중합체를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 중합체 혼합물도 2 또는 그보다 큰 중합체가 보통의 용매 또는 혼합 용매계에서 용해될 수 있는 한 제조될 수 있다. 몇 가지 예로는 폴리(비닐리덴플로라이드)-블렌드-폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리스티렌-블렌드-폴리(비닐메틸에테르), 폴리(메틸메타크릴레이트)-블렌드-폴리(에틸렌옥사이드), 폴리(히드록시프로필메타크릴레이트)-불렌드 폴리(비닐피돌리돈), 폴리(히드록시부티레이트)-블렌드-폴리(에틸렌옥사이드), 단백질 블렌드-폴리에틸렌옥사이드, 폴리락티드-블렌드-폴리 비닐피롤리돈, 폴리스티렌-블렌드-폴리에스테르, 폴리에스테르-불렌드-폴리(히드록시에틸메타크릴레이트), 폴리(에틸렌옥사이드)-블렌드 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리(히드록시스티렌)-블렌드-폴리(에틸렌옥사이드)가 있을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 나노섬유 매트가 뒤에 변형될 수 있도록 pH 및/또는 열적 반응하고, 환경 변화에 반응하거나 용이하게 용해될 수 있는 중합체 이용을 포함한다. 예시적인 중합체로는 N-이소프로필아크릴레아미드(NIPAM)과 N-메티아크리로이-L-류신(MALEU) 또는 (N,N-디메틸아미노)에틸메타크릴레이트(DMAEMA)의 공중합체는 물론 유드라짓(Eudragit) 중합체로 알려져 있는 상용의 pH 감응 중합체가 있다. 유사한 방식은 키토산 가수분해 효소에 의해 변질되는 키토산과 α-셀룰라제에 의해 변질되는 셀룰로스와 같이, 효소에 의해 쉽게 변질되는 중합체를 이용하는 것이다. 중합체계의 조합을 이용하여 나노섬유 필터 매트 특성을 특정 응용에 맞출 수가 있었다.
본 발명의 일 방법은 밀본체(1)와 처리 가스(26)의 이용을 포함하지만, 다른 실시예는 밀봉체(1) 대신에 개방 환기 시스템(예컨대 흄 후드)을 포함한다. 또 다른 실시예에서 처리 가스(26)는 생략될 수 있다.
필터 지지 메시
결함이 적고 섬유 직경 크기들이 촘촘하게 분포된 나노섬유를 얻는 것이외에도 지지체(7)의 구성과 지지체 표면의 제작은 최종 섬유 매트와 최종 필터 특성에 영향을 미친다. 본 발명의 일 실시예에서, 미세한 메시는 나노섬유를 적당하게 지 지하여 필터링 작용 중에 필터 매트에 가해지는 힘을 견뎌낸다. 지지 메시는 최종 필터의 압력 강하에 거의 기여하지 않는다. 본 발명의 거친 메시 양상은 종래의 필터 매체를 나노섬유 지지체로 이용하는 것에 대한 다른 방식이다.
구리, 청동, 니켈, 스테인레스 스틸 및 알루미늄 금속을 이용하여 1.27 cm, 0.635 cm 또는 0,159 cm(즉, 미국 공학 표준(American Engineering Standard) 크기: 각각 1/2", 1/4" 및 1/16") 개구를 포함하는 메시와 함께 형성된 필터가 본 발명에 적당하다. 약 1.2 mm×1.6 mm의 개구를 가진 알루미늄 윈도우 스크린도 수용될 수 있는 지지체이다. 금속 메시, 특히 알루미늄 메시의 표면을 세척하여 오물과 기름을 제거하고, 이어서 이 메시를 묽은 황산(DI수 중의 체적으로 10 내지 20% H2SO4) 중에서 세척하여 남아있는 산화물과 불순물을 제거하였다. 이 같은 세척에 의해 나노섬유의 분산성과 접착력이 개선되었다. 본 발명에서는 여러 가지 형태(정사각형, 직사각형, 원형, 마름모형, 타원형 및 기타 여러 가지 형상)를 가지면서 크기가 약 12.7 mm에서 AFD의 1000배까지 이르는 개구를 가지고 임의 수의 금속 또는 금속 합금이 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 지지 메시에 대한 나노섬유의 접착력은 전기방사 직전에 메시에 접착제를 도포함으로써 향상된다. 접착제는 통상적으로 전기방사된 섬유가 증착될 때에 접착제가 끈적끈적하게 되는(즉, 점착성을 띄게 되는) 느리게 굳는 접착제이다. 아니면, 다른 실시예에서 메시의 와이어(또는 구성요소)가 메시에 증착되는 중합체와 상호작용하는(반데르 발스, 수소 결합, 다이폴, 정전 인력, 등) 표면 그룹을 가진 중합체의 매우 얇은 층으로 코팅될 수 있다. 한 가지 예시적인 시스템은 코팅된 메시 상게 증착된 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA)의 나노섬유를 가진 니켈 메시 상에 폴리(글리시딜메타크릴레이트)(PGMA)를 얇게 코팅한 것이다. 본 발명의 다른 실시예는 섬유가 증착된 후에 중합되는 교차결합 시스템을 사용한다. 예로는 글루타르알데히드와 교차결합하는 키토산 나노섬유와 붕사와 교차결합하는 폴리비닐아세테이트가 있으며, 메르캅토-에스테르 화합물 기재의 놀랜드 라인(Norland's line) 경화성 접착제와 같은 접착제 상에 나노섬유를 증착하는 것이 있다. 이들 표면 코팅은 지지체에 대한 나노섬유의 지지력과 접착력을 증가시킨다.
본 발명의 다른 실시예에서, 금속 메시는 ERG의 듀오셀(DuocelTM)과 같은 금속 발포체, 예컨대 인치당 20개의 세공(PPI: 대안으로서 1.27 mm의 평균 세공크기)을 가진 알루미늄 듀로셀로 대체된다. 발포체도 중합체 재료는 물론 구리, 니켈, 및 기타 다른 여러 가지 금속으로 만들 수 있다. 10 PPI(2.5 mm 세공)에서 40 PPI(0.064 mm 세공) 범위의 다공도는 본 발명에서 수용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 알루미늄 부분(또는 산화되는 다른 금속)은 예컨대 "무전해 니켈" 또는 금전기도금으로 알려져 있는 프로세스를 이용하여 산화 알루미늄(금속 산화물)의 형성을 방지하도록 처리된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 지지 메시는 전도성 플라스틱으로 구성된다. 예컨대 폴리에스테르 또는 나일론 스크린(또는 거친 부직포 중합체 메시)에 금, 백 금 또는 다른 여러 가지 금속 합금과 같은 전도성 마무리재가 코팅된다. 코팅 프로세스는 진공 증착(예컨대, 스퍼터 코팅, 증발 증착, 및 화학적 기상 증착)과 플라스틱의 크롬 도금을 포함하는 기존의 많은 기술로 달성될 수 있다. 대안으로서 메시는 매립된 전도성 입자(탄소 나노튜브, 금속 등)를 통해 또는 플라스틱 메시에 전도성, 반도체성 또는 정전기 소산성을 부여하는 임의의 방법을 통해 그 전도성을 얻는 전도성 플라스틱으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 전도성 또는 전도성이 부여된(예컨대 전술한 스퍼터 코팅 등) 부직포 지지체가 사용된다. 부직포 지지체를 사용하면 압력 강하는 더 커지겠지만 특정 응용에서는 수용될 수 있다. 이 실시예는 기술 기술과 유사하나, 첫째, 전도성 부직포가 사용된다는 점, 둘째, 후술하는 바와 같이 지지체의 전기장과 전위의 구조가 기존의 기술과는 다르게 제어된다는 점(이점이 가장 중요함)에서 다르다.
본 발명의 일 실시예에서, 높은 FoM을 가진 나노섬유 매트의 유리한 특성(뒤에 설명됨)을 이용하여 본 발명의 나노섬유는 방사 중에 금속 메시에 의해 지지되는 종래의 필터 매체의 기판 상에 증착된다. 이렇게 제작된 종래의 적층형 나노섬유 필터 매체는 뒤에 메시로부터 떼어내 플리팅되고, 백에 접합되어, 여러 가지 필터 제품을 만드는 관련된 종래의 제조 기술에서 사용될 수 있다. 이 실시예는 기존의 기술과 유사하지만, 후술하는 바와 같이 지지 메시의 전기장과 전위의 구조가 20 kPa-1 보다 큰 FoM을 가진 매체를 만드는데 있어 기존의 기술과는 다르게 제어된 다. 게다가 전기방사의 특성으로 인해 섬유는 플리팅된 필터 또는 저효율 필터를 개선한 다른 필터 제품(예컨대 백 필터)에 바로 방사될 수 있었다. 그와 같은 예는 플리팅된 일반적인 환기 필터에 나노섬유 층을 도포하여 알레르겐(꽃가루, 내독소 등)이나 생물 독소(내독소, 냄새, 감염균 등)의 제거를 개선할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 중합체는 물, pH 및/또는 조절된 완충 용액에서 용해되도록 선택될 수 있으며, 나노섬유가 샘플링을 위해 이용되는 경우에 후속의 분석을 위해 입자나 바이오에어로졸의 재생을 용이하게 하기위해 실온 이상으로 가열함으로써 변질되거나, 효소에 의해 변질될 수 있다.
필터 제조 및 나노섬유 매트 형태
전술한 바와 같이 필터 성능을 평가하고 여러 가지 필터를 비교하는 한 가지 방법은 성능 지수(FoM) 비교를 이용하는 것이다. FoM은 비교될 여러 가지 두께의 필터의 비교를 가능하게 하는 필터의 기본 척도로서, FoM이 클수록 필터 성능은 더 좋다.
기본적으로 FoM은 개별적인 섬유 공기 저항으로 정규화되는 개별적인 섬유 수집 효율의 비이다. FoM을 이해하는 간단한 방법(반드시 유일한 방법은 아님)은 다음과 같다. 만일 2개의 동일한 필터를 취해 연속적으로 놓은 경우에 시스템의 효율은 증가하나 두께가 2배로 되었기 때문에 압력 강하도 마찬가지로 증가한다. 그러므로 FoM은 변함없이 그대로 유지된다. 섬유질 필터와 FoM의 특별히 관심있는 양상은 상용 섬유질 필터 매체의 대부분은 FoM이 비슷하다는 것이다. 도 5는 이 현상 을 부분적으로 설명하는 것으로, 부분 침투 대 각종 상용 유리 섬유 필터(속빈 다이어몬드 모양으로 표시)로부터의 압력 강하의 데이터가 FoM을 나타내는 대각선을 따라 표시되어 있는 것을 보여준다. 5.33 cm/s의 면속도에서 0.3 ㎛ 입자에 대한 약 12±2 kPa-1의 FoM은 넓은 범위의 효율에 걸친 거의 모든 섬유질 유리 섬유 매체의 성능을 설명한다.
이론적으로는 FoM은 필터의 섬유 직경과 패킹 밀도에 따라 달라진다. 0.09의 패킹 밀도와 10 nm의 섬유 직경(실제 섬유 방사 시에는 이 한계는 더 낮아질 수 있음)에 대해서, FoM은 5.3 cm/s에서 0.3 ㎛ 입자에 대해 720 kPa-1인 것으로 계산된다. 이러한 계산은 파옛(Payet) 등(1992)과 토마스(Thomas) 등(1992)(참조로서 포함됨)이 보고한 압력 강하와 입자 수집에 대한 방정식에 근거하였다.
필터 FoM의 섬유 직경 함수로서의 모델링은 섬유 직경 감소에 따른 필터 성능의 현저한 개선을 예측하지만 이러한 개선은 실현되지는 않았다. 종래에는 필터는 접지 표면에 놓인 접지 지지체 또는 기판(예컨대 저효율 셀룰로스 필터 매체) 상에의 나노섬유를 전기방사하여 형성되었다. 그러나 FoM의 큰 향상은 관측되지 않았다. 즉 얻어진 FoM은 5.3 cm/s에서 0.3 ㎛ 입자에 대해 12 kPa-1이하이었다. 그러므로 전기 방사된 나노섬유를 이용하여 기존의 기술 이상으로 개선된 고효율 필터를 얻는 것은 쉽지 않았으며 여태까지 실현되지 못하였다.
나노섬유를 접지된 지지체로 전기방사하여 만든 필터는 도 5에서 반이 채워진 육각형으로 나타낸다. 본 발명의 개발 중에 얻어 이 결과는 종래 기술에 의해 가능한 것을 나타낸다. ASTM 표준 F1215-89(또는 관련 필터 테스트 표준)으로 테스트된 고효율 나노섬유 필터에 대한 문헌값들은, 비록 이 문헌에서는 쉽게 주어지지 않지만, 도 5에 나타낸 값들(즉, FoM의 통상적인 값<<5.3 cm/s에서 0.3 ㎛ 입자에 대해 12 kPa-1)과 비슷하거나 이보다 훨씬 나쁘다.
기존의 기술 이상으로 성능이 개선된 나노섬유 필터를 제조하는 것은 통상적으로 서브 200 nm 섬유와 적당한 필터 매트 형태(예컨대 넓은 영역의 균일성과, 평균 섬유 직경과 비슷한 평균 섬유 직경의 편차를 가진 섬유)를 수반한다. 높은 FoM 필터에 적합한 필터 매트 형태를 얻는 것은 나노섬유 필터링 작용층의 두께, 섬유의 패킹 밀도, 평균 섬유 직경 및 섬유 직경의 범위와 개체수와 같은 인자를 수반한다. (나노섬유 매트에 의한 기여와 비교해서) 압력 강하에 거의 기여하지 않는 지지체 매시의 선택과 조합하여 서브 200 nm 섬유를 얻기 위한 전술한 전기방사 기술은 본 발명의 개선된 나노섬유 필터의 일부이다.
필터 FoM은 성분 경계에서의 누설, 지지체 매시 전체에 걸친 매트 균일성 및 매트 형태(섬유 패킹 밀도, 섬유 직경 등)에도 부분적으로 영향을 받을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 필터(또는 필터 매트)의 제조는 거친 메시(7)를 지지 프레임(6)에 부착하는 것을 포함할 수 있다. 한 가지 문제는 나노섬유의 부적절한 증착으로 인해 메시/프레임 경계에서 누설이 발생하는 것을 방지하는 부착 방식을 선택하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에서는 접착제가 이용된다. 이 실시예에서 섬유는 단순한 지지체 매시 상의 나노섬유 증착에 이용된 조건과 유사한 조건으로 증 착되지만, 접착제가 있으므로 나노섬유 매트의 프레임에의 밀봉성이 개선된다. 다른 실시예에서 이 경계는 밀봉되거나, 약해진 나노섬유/접착제 경계가 발생하지 않도록 중합체 나노섬유와 양립할 수 있는 접착제로 더 밀봉된다(나노섬유를 용해시키지 않고서 중합체 나노섬유, 메시 및 프레임에 부착된다).
본 발명에서는 밀봉 수간으로서의 실리콘 고무, 에폭시 및 고전압 전기 테이프와 같은 각종 접착제가 사용되었다. 접착제 절연 내력과 접착제의 표면 특성(표면 화학기와 전하)의 조합은 전기방사된 나노섬유가 접착제와 반응하는 방법을 결정한다. 폴리스티렌과 PSu 섬유는 보통의 에폭시 접착제 상에는 쉽게 증착되었지만, 일렉트릭 프로덕츠사의 플럼버즈 굽(Plumber's GoopTM)과 다우 코닝사의 RTVTM와 같은 보통의 실리콘 접착제 상에는 잘 증착되지 않았다. 섬유 최소 증착량은 플럼버즈 굽과 3M 고전압 전기 테이프에서 나타났다.
본 발명의 일 실시예에서, 지지체 매시와 프레임의 경계에서 PSu 나노섬유의 양호한 커버리지를 보장하기 위하여 에폭시(예컨대 록타이트(LoctiteTM) 에폭시 겔)가 도포된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이와 동일한 에폭시가 PSu를 전기방사한 후에 누설과 얇은 스폿을 밀봉하도록 사용된다. PSu와 다른 중합체(들)를 사용하는 다른 실시예는 접착제/중합체 나노섬유 양립성이 유지되도록 하는 접착제의 선택을 필요로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 필터 기하학적 형태의 특정 영역에서 섬유 증착을 최소화하도록 접착제가 선택된다. 예컨대 낮거나 높은 섬유 증착 특성을 가진 접착제와 함께 메시 형상과 전압 전위의 조합은 나노섬유의 복잡한 2차원 또는 3차원 패턴을 생성하는데 이용될 수 있다.
각종 실시예는 프레임에 부착되는 지지체 매시를 포함하지만, 본 발명의 다른 실시예는 메시를 지지하는 프레임을 필요로 하지 않는다.
부동 및 접지 지지체 메시(예컨대 도 2b와 도 3에서의 구성요소(7)) 모두 본 발명의 개발에서 사용되었다. 전기적으로 부동인 메시를 가지고는 초기에 증착된 섬유는 직접 접지된 메시 상에 증착된 것보다 분산성이 더 균일하였다. 그러나 섬유가 메시 상에 증착됨에 따라 메시 전위가 시간에 따라 빠르게 상승하고, 따라서 전기방사 니들(오리피스(2)과 프로세스를 구동하는 타겟(지지체 매시(7)) 간의 전위차를 감소시킨다. 실제로는 메시 상의 전압 전위는 전기방사 프로세스가 중단될 때까지 상승할 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에서, 메시 전위를 시간 함수로 조절하는 전압 방전 장치나 전압 제한 장치(VLD)가 구비된다. 이들 장치는 전술한 전기장 맥동 장치의 예들이다. 메시/형성 나노섬유 매트의 전압을 제어하는 방법응 예컨대 스파크 갭 장치나 전압 방전관을 포함한다. 매시/매트가 일단 한계값에 도달하면 방전은 없어진다. 따라서 VLD는 전기방사 프로세스가 중단되는 것을 방지한다.
본 발명의 VLD의 일 실시예는 스파크 갭 장치, 즉 섬유가 증착될 지지체 매시의 평면 아래의 과잉 지지체 매시를 접음으로써 형성된 도 2b와 도 3에서의 구성요소(9)이다. 이들 아래의 접지 플레이트(41)로의 외이어의 팁들 간의 거리는 약 3.5 mm이었다. 방전이 일어나는 전압은 갭 거리(예컨대 3.5 mm)와 전기방사 챔버 내의 가스의 절연 파괴전압에 의해 제어되는 절연 파괴전압이다. 가스의 절연 파괴 전압은 가스 조성과 환경적 조건(즉, RH와 온도)에 따라 결정된다.
지지체 매시 전위는 시간에 따라 변하며 VLD(9)와 전기방사 조건에 따라 결정된다. 이 시변 전위는 높은 FoM 필터를 제조하는데 유리하다. 도 6은 시간 함수로서의 지지체 메시 전위와 방전 전류/VLD 전류의 예를 보여준다. 메시 전위는 고임피던스 프로브를 이용하여 측정하였고, 방전 전류는 접지 플레이트 시스템과 어쓰 접지 간에 직렬로 배치된 저항에 대해서 측정하였다. 29.5 kV의 인가 방사 전위에 대해서 메시(7) 전위의 산술적 평균은 약 5.7 kV이었고, 방전 주파수는 5.3±1.0 Hz이었고, 피크 전압은 약 10 kV이었다. 이 시변 메시 전위와 그 평균값은 도 6에서 예시적으로 보인 것이며 이들 값에 한정되지 않는다. 다른 주파수와 전위도 본 발명에 적합할 수 있다. 실제로 본 발명의 일 실시예에서, 나노섬유층은 접지로의 주기적인 방전이 있을 때에 증착된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 나노섬유층은 인가된 전기장 맥동이 있을 때에 증착된다.
본 발명의 일 실시예에서, 갑자기 변하는 파형은 얻어진 최종 FoM값으로 측정해본 바로 필터링 작용 특성이 개선된 섬유 매트를 만들어낸다. 성능 개선에 대한 정확한 메카니즘이나 메카니즘들은 이 시점에서는 확실치 않다. 개선을 가능하게 하는 원천은 섬유 밀도의 변화, 필터 매트의 3차원 구조의 변화, 개선된 섬유 형태, 및 지지 구조체(예컨대 메시) 상의 섬유의 개선된 분포를 포함할 수 있다.
급격한 전기장 변조를 이용한 이러한 섬유 제조 경로는 본 발명의 다른 실시예에서 나노섬유의 제조, 나노섬유 방적사, 나노섬유 부직포, 및 필터링 작용 매체 와 장치의 형성을 넘어 여러 가지 응용을 위한 기타 다른 나노섬유 구조에 적용될 수 있었다.
본 발명은 도 6에 도시된 급격한 전이에만 한정되는 것은 아니다. 그럼에도 불구하고, 도 6에서의 전이는 설명에 도움이 되는 실례이다. 급격한 방전 이벤트는 통상적으로 10 kV를 방전하는데 16 ms가 걸리는 것으로 보였다. 그러나 이러한 수치는 도 6에 도시된 전이에 대해서도 고정되는 것은 아니다. 마찬가지로 10 kV로 다시 충전하는 시간은 약 200 ms이지만 사이클 마다 다르다.
본 발명의 일 실시예에서, 인가된 파형 또는 충전 이벤트(예컨대 1500 V 또는 인가 전압의 50%까지)는 100 ms 내지 1초가 걸릴 수 있지만, 200 ms가 통상적이다. 방전 이벤트 또는 거의 제로 전기장 전위로의 급격한 전이는 빠르게 일어날 수 있으며, 예컨대 2 ms 내지 80 ms가 걸리며, 16 ms가 통상적이다. 도 6에 나타낸 값과 파형은 본 발명의 각종 실시예에 따라 여러 가지 나노섬유 응용을 위해 섬유 매트를 제조하는데 이용될 수 있는 대표적인 급격한 전이로 생각된다.
본 발명에서는 VLD에 의해 메시 전위를 제어하는 많은 방법이 가능하다. 도 2b에 도시된 지지체의 일체화된 부분은 아니지만 필터 메시에 간단히 연결되는 스파크 갭 장치가 사용될 수 있다. 이 갭은 마이크로미터와 같은 장치를 이용하여 주위깊게 제어될 수 있다. 이 갭은 또한 동적으로 제어될 수 있다, 즉, 메시의 시변 전위가 모니터되고 갭 크기는 메시 전위 행동을 원하는 값으로 능동적으로 제어하도록 조정된다. VLD는 가스 방전관(예컨대 SRC의 전압 제한 가스 방전관), 소형 네온 램프, 스위치, 또는 메시 전압을 시간 함수로서 능동적으로 또는 수동적으로 조 절하는 기타 다른 전자 부품이나 시스템과 같이, 한정된 전압 또는 시변 파형을 설정하는 임의 수의 장치일 수 있다.
본 발명의 실시예들은 주파수가 1000 Hz까지 이르고 평균 메시/매트 전위가 0 V에서 15000 V까지 또는 전기방사 오리피스에 인가된 전압의 50%까지 이를 수 있도록 하는 VLD와 전기방사 조건을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예는 이들 크기 및 주파수에서 유사한 전압 파형을 인가할 수 있다.
지지체 메시(7)의 전위이외에도 전기장의 형태(또는 구조)도 섬유 형성 프로세스에 중요하였다. 메시(7)가 조절된 전압 전위에 유지되는 동안에, 접지된 금속 전극의 존재, 위치 및 형상이 중요하였다. 원형 또는 원통형 구성요소가 사용되었지만 다른 기하학적 형태도 가능하다.
일 실시예에서 접지 플레이트(41)는 메시 상에서 섬유의 적당한 전기방사와 증착을 얻는데 필요한 충분한 전위차와 전기장의 형태를 제공하기 위하여 메시(7) 아래의 소정의 설정 거리에 배치되었다. 본 발명의 다른 실시예에서, 제2 접지 플레이트(42)가 지지 프레임(6) 아래에 배치되었고, 이 금속 접지 플레이트의 일부는 프레임(6)의 측면을 넘어 신장한다. 이것은 적당한 전기방사 전위와 전기장 형태를 유지하는데 더 도움이 되어, 필터 프레임(6)의 상단 에지까지를 포함하여 메시 상의 섬유의 증착을 촉진한다.
본 발명의 일 실시예에서, 양호한 나노섬유 및 매트 형태를 제공하기 위해서, 메시(7)에서 내부 접지 플레이트(41)까지의 거리는 5 mm, 스파크 갭 거리(9)는 3.5 mm, 하부 접지 플레이트(43)의 외측 에지에서 필터 프레임(6)의 측면까지의 거 리는 7 mm, 그리고 도면부호 43에서 41까지의 거리는 69 mm이다. 다른 실시예에서는 도면부호 43에서 41까지의 거리는 감소되며, 심지어 도면부호 43은 제거된다. 관련 실시예에서 이 거리는 유지되지만 매우 얇은 필터 구조가 생성되도록(프레임+메시+나노섬유 매트≤1 cm; 및 프레임+메시+나노섬유 매트≤0.5 cm) 가동 스페이서가 사용될 수 있다. 요소(42)의 높이는 통상적으로 일정하며 스페이서는 프레임(6)을 대체할 수 있다. 즉, 프레임(6)은 2 부분으로 될 수 있으며, 전기방사 중에 사용된 스페이서와 메시(7)를 지지하는 실제 프레임은 얇을 것이다. 대안으로서, 프레임(6)과 요소(42)가 더 짧아질 수 있다. 메시(7)와 접지 플레이트(41) 간의 거리는 0.5 mm 내지 10 mm 범위일 수 있으며, 스파크 갭은 거의 0 mm에서 10 mm 범위일 수 있으며, 도면부호 6의 측면에서 도면부호 43의 외측 에지까지의 거리는 0에서 10 cm까지 변할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 가스 방전관 또는 기타 다른 VLD는 갭 거리가 특정/사용되지 않도록 사용되나, 필터 조립체와 접지 플레이트 시스템은 전술한 바와 같다.
본 발명의 일 실시예에서, 전압 제한 장치는 사용되지 않으며, 메시(7)는 접지에 연결되지만, 접지 플레이트 시스템(41-43)은 동일하다. 이 구성은 효율은 매우 높으나(즉, 입자 침투 Pt<10-6) FoM은 감소된 필터를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 메시에 대한 상기 실시예와 동일한 방식으로 부직포의 전위가 변조되고 전기장이 성형/유지되도록 전압 제한 장치와 접지 플레이트 시스템을 구비한 시스템의 상단에 전도성, 반도체성 또는 절연성 부직포 지지체가 배치된다. 일 변형에서, 부직포 매체는 전도성 금속 메시 상에 지지된다. 이렇게 해서 형성된 적층형 매체는 금속 메시에서 떼어내, 종래의 필터 제조 공정에서 사용하여, 나노섬유층이 고효율 입자 트랩을 제공하고 종래의 필터 매체가 1 마이크론 보다 큰 입자에 대한 보충적 필터링 작용 매체를 제공하는 복합 필터를 제공할 수 있다. HEPA 필터도 보충적 필터링 작용 매체로서 사용될 수 있다.
다른 한 가지 방식은 나노섬유가 부직포의 상류측에 있도록 하고, 부직포가 단순히 구조적 지지체를 제공하도록 하는 것이다. 선택적으로는 양면 매체, 즉 나노섬유/부직포/나노섬유가 있을 수 있다.
RH도 적층된 나노섬유 매트 형태에 영향을 미치는 것을 알았다(섬유 형태에 미치는 영향에 대해서는 전술하였음). RH가 높을 수록 섬유는 메시의 와이어와 더 강하게 정렬되고, 습도가 낮을 수록 메시 개구에 걸쳐 섬유의 분산성이 더 균일하였다. 전술한 PSu예에 대해서는 38% 내지 22% 범위의 RH가 더 양호한 섬유 형태를 보여주는 경향이 있었다.
섬유 증착 중에 전기방사 오리피스(2) 및/또는 필터 프레임 조립체(6)를 이동시킴으로써 나노섬유 매트의 균일성이 더 개선되었다. 본 발명의 일 실시예에서, 필터 프레임(6)은 섬유 증착 중에 회전된 방사 사출구와 프레임으로부터 중심을 벗어나 배치되었다. 예컨대 8.89 cm OD 필터 프레임과 방사 오리피스는 축상에 배치되었지만 방사 오리피스는 중심으로부터 2.22 cm만큼 어긋나 있다. 그 다음 필터 프레임은 7분마다 시계방향으로 90도 회전시켰다. 본 발명의 다른 실시예에서는 30 초 마다에서 10 분마다의 다른 시구간을 이용하였다. 대안으로서 자동화 시스템이 필터 프레임을 연속적으로 또는 주기적으로 회전시킬 수 있다. 원형이외의 형상이 이용되는 실시예에서는 프레임 및/또는 방사 사출구는 종료 시까지 반복적으로 필터 메시에 대해 래스터링하는 x-y 방식으로 변환된다. 다른 실시예는 필터의 기하학적 형태와 무관하게 원하는 메시 커버리지를 얻기 위하여 회전 및 경사와 함께 x, y, 및 z 방향에서의 이동을 이용한 에미터와 메시 간의 상대적 이동을 포함한다.
나노섬유 매트의 두께는 약 0.25 ㎛(250 nm)에서 500 ㎛까지, 필요한 경우 그보다 크게 변할 수 있다. 이 경우에 대부분의 필터의 평균 매트 두께는 2 내지 5 마이크론 범위이었다. 평균 매트 두께 수치는 필터 내의 전체 나노섬유 매트의 평균 두께를 나타낸다. 대안으로서 매트 두께는 나노섬유층으로 정해질 수 있는데, 이 경우에는 두께는 4개 내지 400개의 층을 포함한다. 각종 실시예에서는 4 내지 400, 5 내지 100 또는 5 내지 15개 층이 통상적이다.
원하는 섬유 매트 두께, 압력 강하 및/또는 필터 효율을 얻기 위해서 전기방사 시간을 얼마나 길게 할 것인가는 주로 형성 필터의 압력 강하를 실시간으로 모니터링하여 결정하였다. 처리 가스(26)는 전기방사 중에 형성 필터를 통해 흐르고 전용 능동 배기구(28)를 통해 나온다. 차동 압력 게이지(32)는 형성 필터를 통해 흐르는 처리 가스의 면속도에서 필터에 대한 총 압력 강하를 측정하였다. 이 측정된 압력 강하와 최종 필터가 특정 면속도(예컨대 5.3 cm/s)에서 테스트/사용될 때에 관측된 압력 강하 간에는 직접적인 관계가 있다. 또한 차동 압력 게이지(320에 의해 측정된 압력과 매트 두께 및 밀도 간에도 관계가 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 압력 강하를 이용하여 FoM이 20 kPa-1 보다 큰 필터를 얻는데 걸리는 전기방사 시간을 결정하였다.
다른 실시예에서, 전기방사 지속기간(시간)과 섬유 매트 밀도 및 두께 간의 직접적인 관계가 주어지면 시간만을 이용하여 전기방사를 중지할 시기를 결정한다.
실시예 1
표준 알루미늄 윈도우 스크린을 알코올로 세척하고, DI수로 행구고, 아세톤으로 세정하고, DI수로 행구고, 건조하고, 묽은 (14 vol%) 황산으로 세정하고, DI수로 철저히 행구고, 그 다음 깨끗하고 건조한 질소 가스로 건조하였다. 깨끗하게 된 메시의 8.89 cm 직경 원을 7.7 cm 길이의 7.63 ID PVC 파이프 조각에 붙이고, 메시 에지의 일부를 도면부호 9 아래로 접혔다. 메시를 LocktiteTM 에폭시 겔로 PVC 프레임에 부착하였다. 메시(7) 프레임(6) 조립체를 전기방사 밀봉체(1) 내부의 접지 플레이트 시스템(28, 41-43) 위에 배치하였다. 도면부호 7과 14 간의 거리는 약 8 mm이고, 스파크 갭 장치(9)의 갭은 약 5 mm이었다. 도면부호 6의 측면에서 도면부호 43의 외측 에지까지의 거리는 7 mm이었다(에미터(2)와 필터 조립체 간의 전기장을 성형하고 유지하는데 도움을 주는 하부 접지 플레이트(43)의 면적을 결정한다). 건조하고 (DI수를 통한 거품발생을 통해) 습윤한 CO2(26)의 혼합을 이용하여 26 내지 38% 범위의 RH를 얻었다.
0.2 wt% TBAC을 가진 DMAC 중의 21 wt% PSu(솔베이 어드밴스드 폴리머즈사의 Udel P3500 LCD)를 중합체 용액으로서 사용하였다. 이 중합체 용액은 30G(ID∼0.152 mm) 스테인레스 스틸 니들로부터 0.05 ml/hr의 유속, 25.4 cm 갭, 29.5 kV DC의 인가 전위, 8 L/min의 CO2 가스 재킷 유속으로 방사하였다.
필터 프레임 조립체를 7분마다 총 50분 동안 시계방향으로 회전시켰다. 마무리된 필터의 최종 압력 강하는 5.3 cm/s의 면속도에서 53.9 Pa이었다. 이 필터를 깨끗하고 건조한 저장 지역에서 2주 동안 숙성한 한 후에 그 FoM은 5.3 cm/s에서 0.3 ㎛ 입자에 대해 약 85 kPa-1이었다.
실시예 2
실례 1과 동일한 알루미늄 메시 및 필터 프레임 구성을 사용하였으나, 스파크 갭(9)은 3.5 mm이고 메시(7)에서 (41)에 이르는 거리는 5 mm인 것을 사용하였다. RH는 33% 내지 26% 범위가 되도록 조절하였다. 나머지 조건과 구성은 실례 1과 동일하다. 필터를 5분마다 총 45분 동안 회전시켜 압력 강하가 48.8 Pa이고, 침투 Pt가 1.7×10-5, 즉 FoM이 약 98 kPa-1인 필터를 제조하였다.
비교예
실례 3은 지지체 메시가 도면부호 41과 밀접하게 접촉하여 배치되어 전압 제한 장치를 사용하는 대신에 접지된 메시를 제공하는 점만 제외하고는 제1 실례와 유사하다. 오리피스와 메시 간의 갭은 16.83 cm이고 접지 플레이트 시스템의 나머지 치수는 동일하다. 동일한 중합체 용액을 사용하였고, 스테인레스 스틸 니들과 인가 방사 전압의 크기도 동일하다. 필터의 전기방사를 약 34분 동안 실시하였다. 이렇게 해서 제조된 필터의 압력 강하는 448 Pa이었다. 입자 침투 Pt는 측정하기 어려웠지만 5×10-7보다 작은 것으로 추정되며, 이는 FoM이 약 14 kPa-1 정도인 것으로 추정된다. 메시를 접지시킴으로써 형성된 필터 구조는 높은 FoM 필터를 제공하지는 않지만 HEPA 필터에 비해 압력 강하에 대해 매우 고효율(HEPA보다 양호)의 필터를 제공한다.
성능이 개선된 필터
본 발명은 일 실시예에서 200 nm 보다 작은 나노섬유의 평균 섬유 직경에 대해 20 kPa-1 보다 큰 성능 지수를 가진 필터링 작용 매체를 형성하기 위하여 지지체 메시 상에 복수의 나노섬유가 배치된 필터를 제공한다. 본 발명은 일 실시예에서 100 nm 보다 작은 나노섬유의 평균 섬유 직경에 대해 40 kPa-1 보다 큰 FoM을 가진 필터를 구현한다.
현재의 유리 섬유 HEPA 필터 매체에 비해 얻어진 다른 개선점은 최대 침투 입자 크기의 직경이 감소된다는 것이다. 최대 침투점은 필터의 효율이 최소가 되는(대부분의 입자가 빠져 나가는) 크기 범위이다. 종래의 유리 섬유 HEPA 매체에 있어서는 이 크기는 0.1 내지 0.3 ㎛ 범위지만, AFD가 약 82 nm인 본 발명의 나노섬유 필터에 있어서는 최대 침투 크기는 도 7에 도시된 바와 같이 약 0.07 ㎛이다.
본 발명은 최대 침투 크기 0.07 ㎛에 한정되지 않으며, 데이터는 단지 본 발명의 실시에 의해서 기존 기술에 대해 개선된 점을 얻는다는 것을 설명하는 것이 다. 도시된 HEPA 필터는 (5.3 cm/s 면속도에서) 압력 강하가 약 330 Pa이지만, 나노섬유 필터는 압력 강하가 약 48 Pa인 것에 주목하는 것이 중요하다. HEPA 필터와 동일한 최대 입자 침투를 가진 나노섬유 필터는 최대 침투 입자 크기의 변화없이 압력 강하가 86 Pa가 될 것이다.
나노섬유 매트의 모니터링과 피드백 제어
전술한 바와 같이 필터 매트 두께와 균일성은 최종 필터의 특성에 영향을 준다. 도 1a에서 단계(103)는 전기방사 프로세스의 제어를 포함한다. 필터 매트의 밀도가 불균일하면 할당된 이상의 가스가 흐르고 필터링 작용 효율이 평균이하가 되는 영역들이 나타나게 된다. 필터 효율과 함께 나노섬유 매트 밀도, 두께 및 균일성은 몇 가지 추가적인 신기술을 이용하여 모니터할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 광산란 기술을 이용하여 매트 밀도와 균일성을 측정한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 평균 섬유 직경(AFD)는 100 nm이하이지만, 200 내지 250 nm 크기 범위의 섬유도 더러 있다. 중심 파장이 650 nm인 적색 레이저는 매트로부터 충분한 광을 산란시켜 매트 두께들 간의 차이를 검출하는 것을 실증하였다. 본 발명의 일부 실시예에서는 섬유의 전체 개체군으로부터의 산란과는 대조적으로 섬유의 대표적인 개체군으로부터의 산란이 유리하다.
그러나 적색 레이저에 있어서 섬유 직경과 그 수가 너무 작거나 더 많은 산란 정보가 필요한 경우에는 청색 405 nm 레이저와 같이 파장이 더 짧은 레이저가 더 쓸모가 있다. 이 청색 레이저는 회절 한계가 약 101 nm인데, 이는 필터 매트를 제조하는데 이용되는 최소 나노섬유에 대해서도 AFD의 원 시그마(one-sigma) 범위 내에 있는 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 섬유 매트로부터의 광산란은 전기방사의 정지점을 결정하는데 이용된다. 다른 실시예는 필터의 인-플레이스(in-place) 품질 보증(QA)과 매트 균일성의 모니터링을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 레이저 광산란과, 방사 오리피스와 필터 프레임의 상대적으로 이동시키는 자동화 시스템은 마이크로프로세서 제어 시스템에서 연계된다. 나노섬유 매트 균일성을 개선하고 정확한 매트 두께와 밀도를 얻기 위하여 섬유의 증착이 모니터되고 실시간 제어된다. 본 발명의 다른 실시예는 이 제어 시스템과 실시간 압력 강하 테스팅과 에어로졸 테스팅(후술함)을 통합한 것을 포함한다.
필터 효율을 모니터하는 것과 정지점을 결정하거나 인-플레이스 QA를 수행하는 것을 다루는 본 발명의 다른 실시예는 테스트 에어로졸을 이용하여 필터 성능을 측정한다. 도 2b에서 유출구(28)는 출력 가스의 조성을 분석할 수 있는 에어러졸 기구(30)에 연결될 수 있다. 유입구(26B)에서 도입된 가스는 형성된 필터의 효율을 테스트하는 테스트 에어로졸 입자를 포함할 수 있다. 도 2b에 도시된 구성으로, 전기방사된 섬유를 포함하는 필터의 제조는 그 수행이 온라인으로, 즉 필터 제조 중에 필터에 의해 제거되는 에어로졸의 양을 에어로졸 기구(30)로 실시간으로 분석함으로써 모니터된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서, 제조업자는 필터에 의해 주위로부터 제거되어야 하는 입자량(예컨대 입자 백분율로서)의 한계치를 설정할 수 있으며, 이 한계치에 도달할 때에 섬유의 전기방사가 중지된다. 이런 식으로 필터 의 제조는 필터를 형성하는데 재료와 시간이 낭비되지 않는다는 의미에서 효율적이다. 이러한 필터 제조 공정의 실시간 모니터링에 따라 필터가 테스트 입자에 의해 오염되는 양은 극히 적을 것이다.
형성 필터를 에어로졸로 테스트하는 것에 관한 본 발명의 다른 실시예에서, 에어로졸 기구(30)에 연결된 등속(isokinetic) 프로브가 필터의 아래쪽 영역에 대해 스캔되며, 이에 따라 누설 또는 얇은 스폿을 찾기 위해 섬유를 국부적으로 테스트할 수 있게 된다. 본 기술분야에 공지된 등속 프로브는 프로브 내의 공기 속도를 주위의 공기 속도와 일치시켜 입자 관성으로인한 입자 크기 종속 샘플링 에러를 최소화하는 것과 관련있다. 작은 입자(예컨대 200 nm이하)를 측정하는 상황에서는 입자 관성으로 인한 샘플링 에러는 보통은 작으며, 비등속(anisokinetic) 샘플링(유속이 같지 않음)이 이용될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서 비등속 프로브가 사용될 수 있다. 광산란 실시예와 유사하게 제어 시스템은 스캐닝 프로브/에어로졸 기구의 테스트 결과에 따라서 형성 필터 매트에 대한 전기방사 오리피스의 상대 위치를 지시할 것이다.
다른 필터 형상 및 구성
앞에서는 평탄한 7.62 cm 원형 필터를 가지고 설명하였지만, 본 발명의 다른 실시예는 광범위한 나노섬유 매트 응용을 위해 다양한 크기의 정사각형, 직사각형, 관형, 및 기타 다른 임의 형태의 필터 프레임을 포함한다. 필터 장치의 크기(단면적)는 매우 작은 것(직경 1 cm 정도 크기의 콧구멍)부터 매우 큰 것(2피트×2피트 정도 이상의 건물이나 클린 룸 필터)에 이르기까지 제한이 거의 없다.
도 8은 확장된 깊이를 가진 필터가 복수의 나노섬유/메시 스택으로부터 형성되는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, (개별적으로 형성된) 메시 지지체(7) 상의 전기방사된 복수의 나노섬유 매트(12) 층이나 단은 서로 적층되어 복수의 필터링 작용 또는 중복 필터링 작용 단을 제공할 수 있다. 관련 실시예에서 적층된 필터의 각 단을 만드는데 이용된 중합체 조성 및/또는 AFD는 변화된다. 이에 대한 이용 예로서, 제1 단이 거친 필터이고 마지막 단이 고효율 필터가 되도록 각 단의 필터 효율이 서로 다를 수 있다. 이 실싱예의 다른 예로서 단들은 서로 다른 기능을 가질 수 있다. 예컨대 제1 단은 입자를 제거하고, 그 다음 단들은 독성 또는 유해 화학물질(예컨대 사린 가스)를 제거 또는 중화시키는 반응, 흡수 및/또는 촉매 특성을 가진 섬유를 포함한다.
도 9는 도 2a와 유사한 구성을 보여주지만, 본 발명의 이 실시예에서는 메시 지지체(20)는 예컨대 흡입된 공기를 필터링하는 마스크와 같은 제조 장치의 형상을 갖는다. 예컨대 본 발명의 일시예에 따라 메시 지지체(20)는 마스크 카트리지 필터의 형상(예컨대 "모자" 형상)을 가질 수 있다. 전기방사된 나노섬유 매트가 이용된 지지체 메시와 합치될 수 있기 때문에 제조될 수 잇는 각종 형상이 상정될 수 있다. 형상가공된 필터 매트를 제조하는 실시예에서 메시와 에미터는 회전과 경사 이외에도 x, y, z 방향에서 서로 간에 이동된다(예컨대, 메시와 필터 홀더 시스템을 짐벌 상에 배치하는 것).
종래 매체의 높은 압력 강하는 통상적으로 필터 장치의 특정 단면에 존재하 는 필터 매체의 표면적을 증가시킴으로써 완화된다. 이 매체는 확장 면적 필터를 얻기 위해 플리이팅된다. 본 발명에서는 확장 면전 필터를 제조하는 여러 가지 방식이 가능하다. 확장 면적 필터를 제조하기 위한 본 발명의 일 실시예에서, 지지체 메시 상에 나노섬유 필터 매체가 제조되고, 나노섬유 매트/메시는 "V" 구조로 조립된다. 또 다른 실시예에서, 확장 면적 구조는 지지체 메시에 의해 형성되고, 그 다음에 나노섬유가 이 확장 면적 구조로 바로 방사된다.
도 10, 11 및 12에 도시된 바와 같이 섬유가 각 셀로 전기방사된 복수의 셀로 구성된 필터는 확장 면적 필터를 제조하는 것과 관련된 또 다른 실시예이다. 도 10b의 측면도에 도시된 바와 같이 메시(307)는 나노섬유가 방사상으로 전기방사될 수 있는 셀(322)을 한정한다.
도 11은 밀봉체(1) 내에 배치된 도 10a 및 10b의 프레임(6)을 보여준다. 또한 도 11은 본 발명의 전기방사 시스템을 작동시키는 제어 시스템도 개략적으로 보여준다. 특히 제어기(미도시)는 전기방사된 섬유의 컬렉터 위에서 측방향으로의 에미터(32)의 병진 운동을 제어하기 위하여 그리고/또는 에미터(302)가 각 셀에 머무르는 시간을 제어하기 위하여 입자 검출기(30)와 차동 압력 게이지(32)와 같은 각종 테스트 장치로부터 입력을 수신한다. 또한 밀봉체(1)는 도 2a의 에미터(20와는 기능은 유사하나 형상이 다른 에미터(302)를 수용한다. 더 완전하게 설명하기 위하여 도 10에 도시되었지만, 제어기(10)는 예컨대 도 2a의 에미터(2)의 측방 및/또는 수직 위치를 제어하는데 이용될 수 있다.
에미터(302)는 예컨대 미국 특허출원 제10/819,916호에 개시된 회전 헤드일 수 있다. 이 특허출원의 전체 내용은 본 명세서에서 참조로서 포함된다. 대안으로서, 에미터는 복수의 오리피스를 구비하여 모든 방향에서 섬유를 제공할 수 있으며, 또는 회전과 복수의 오리피스의 조합이 이용된다. 에미터(302)는 (i) 화살표 A로 표시된 회전과, (ii) 방향 B를 따른 이동이 가능할 수 있다. 또한 에미터(302)는 밀봉체(1)에서 수직 방향을 따라 이동할 수 있다. 에미터(302)는 전원 장치(5)에 연결되며, 프레임(6)은 선택적으로 접지에 연결된다.
본 발명의 일 실시예에서, 회전하는 에미터(302)는 메시(307) 상에서 섬유(312)를 전자방사하는 각 셀(322)에 삽입된다. 섬유(312)가 어떤 셀 상에 형성된 후에는 에미터(302)는 가동 메카니즘(미도시)에 의해 다음 셀로 이동한다. 이 동작은 마이크로프로세서에 의해 자동으로 제어될 수 있다. 메시(307)는 전기적으로 전도성을 가질 수 있다. 셀들은 와이어 메시 시트로부터 형성된 바닥부를 가질 수 있다. 프레임(6)은 공기가 스며들지 못할 수 있으며, 예컨대 목재, 금속 또는 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 프레임 및 메시 영역에는, 본 기술분야의 통상의 전문가라면 잘 알고 있는 바와 같이, 전기방사된 섬유의 접합을 용이하게 하도록 접착제가 도포될 수 있다. 복수의 에미터(302)를 사용하여 처리량을 증가시킬 수 있다. 필터의 면은 섬유 또는 나노섬유가 방사된 원형의 관형 동공 어레이를 포함할 수 있다.
도 12는 전기방사 요소(302)가 삽입되는 단일 셀(322)을 도시한 것이다. 섬유(312)의 일부는 메시(7)의 측벽에 도달하지 않을 것이지만, 셀(322)의 바닥부를 구성할 섬유층을 형성할 것이다. 셀(322)의 상단부에서는 동일한 프로세스가 일어 나 섬유(312)의 폐쇄 동공을 형성할 수 있다. 일부 경우에는 셀의 바닥부에 회전하지 않는 에미터가 필요할 수 있다.
필터 로딩
필터 장치 분야에서 한 가지 만연한 문제는 필터에 먼저가 쌓이거나 필터가 오염되어 필터에 대한 압력 강하가 너무 커진다는 것이다. 그러면 필터를 교체하거나 청소해야 한다. 본 발명의 일부 실시예는 먼지문제를 해결하는 프리필터(pre-filter)를 구비하여 이 문제를 해결한다.
본 발명의 일 실시예에서(도 13 참조), 종래의 매체(210)로 구성된 프리필터는 공기 흐름 방향에서 전기방사된 섬유(12)의 정면에 배치될 수 있다. 종래의 매체는 먼지, 큰 입자 또는 오염물을 여과하여 제거하는 제1 층을 제공하며, 나노섬유 기재 매체는 고효율 여과작용(더 작은 크기의 입자를 철저히 제거하는 작용)을 제공한다. 예컨대 1회용의 거친 먼지 필터의 스냅(snap)이 나노섬유 필터의 정면에 배치되고, 이 거친 필터가 큰 입자로 막히면 쉽사리 교체되고, 나노섬유 필터는 작은 입자에 대해 연속적인 고효율 여과 작용을 제공한다. 이러한 구성은 나노섬유 필터의 수명을 연장하며 높은 FoM 여과 시스템을 제공한다.
본 발명의 여러 가지 방법
이제 도 1a에서의 일반적인 설명으로 되돌아가면, 도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 섬유 매트를 형성하는 방법을 보여준다. 단계(100)에서, 유체가 흐르 는 개구를 가진 지지체가 구비된다. 단계(102)에서, 섬유는 육안으로 보이는(macroscopic) 개구 전체에 대해 전기방사되어, 층으로 들어가는 입자가 유체 흐름으로부터 필터링되는 필터링 작용 매체를 제공하는 복수의 층을 형성한다. 도 1a 및 도 4에 도시된 바와 같이, 200 nm보다 작은 평균 섬유 직경을 가진 나노섬유ㄴ가 높은 FoM 필터링 작용에 특히 적합하다. 본 발명의 일 특정 실시예에서, 단계(102)에서 섬유의 전기방사 중에 콜렉터에 전기장 펄스가 적어도 한 번은 발생되어 전기방사된 섬유에 축적된 전하를 방전시킨다. 이 펄스 발생은 전술한 전압 방전 장치들 중 하나로부터 나올 수 있으며, 또는 외부적으로 주어질 수 있다. 예컨대 본 발명의 일 실시예에서, (도 6에 도시된 것과 유사한) 시변 파형이 지지체에 인가될 수 있다. 본 발명에는 구형파나 톱니파와 같은 파형도 적합하다.
단계(100)에서, 지지체는 전도성 메시일 수 있다. 지지체의 주변부에 접착제를 도포하여 이 주변부를 필터의 입자 우회로부터 밀봉할 수 있다. 전도성 메시는 메시에 대한 나노섬유의 접착력을 증강하도록 처리되고 코팅될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 지지체는 필터에 내장될 수 있다.
이렇게 하여 본 발명의 필터링 작용 매체는 육안으로 보이는 개구를 가진 강성 구조에서부터 고효율 미립자 공기(HEPA) 필터 매체에 이르기까지 많은 지지 매체를 포함할 수 있다. 이렇게 하여 본 발명의 일 실시예에서, 최소 효율 보고치(MERV)가 3 내지 12에 이르는 주거용 또는 상업용 건물 필터와 같은 기존의 저효율 매체에 나노섬유가 바로 전자방사함으로써 고성능 필터를 형성할 수 있다.
MERV 등급은 ASHRAE 표준 52.2(1999)에 기재된 일반 환기 필터에 대해서 결 정된다. 칼륨 클로라이드 에어로졸(KCI) 챌린지를 이용하여 넓은 범위의 입자 직경에 대해 입자 크기 종속 효율을 얻는다. 압력 강하와 필터 효율은 필터 테스트 시의 2가지 주요 기준이다. 압력 강하의 결정은 가스 유속의 함수이고, 정격 유속에서의 필터 효율의 측정은 0.3 내지 10 ㎛ 범위의 입자 직경의 함수이다. 입자 직경 함수로서의 초기 효율은 KCI 에어로졸과 광 입자 카운터를 가지고 결정된다. 이 효율은 다음의 단계에 따라 결정된다. 깨끗한 필터의 효율을 측정한다. 그 다음, ASHRAE 먼지 조절 단계를 실시하여 영구적으로 대전된 필터에 대해 입자에의 대기 노출과 그 결과 생기는 효율 감소를 시뮬레이트한다. KCI 에어로졸과 OPC(s)를 이용하여 입자 직경 함수로서의 효율의 측정을 반복한다. 그 다음 필터에 ASHRAE 먼지를 4번에 걸처 다르게 증분시켜 쌓은 다음에 KCI 에어로졸과 OPC(s)를 이용하여 입자 직경 함수로서의 효율을 측정한다. 먼지를 마지막으로 쌓게 되면 필터의 압력 강하가 제조업자가 정한 압력 강하 한계와 일치되게 할 것이다. 최소 효율 보고치(MERV)는 먼저 0.3 내지 1, 1.0 내지 3.0 및 3.0 내지 10.0 ㎛ 범위의 3가지 입자 크기에서 관측된 최소 효율의 평균을 계산하여 결정된다. ASHRAE(1999)의 표준 테이블을 이용하여 최소 효율에 해당하는 MERV를 찾아낸다.
본 발명의 다른 응용에서 나노섬유는 플리팅된 섬유와 기타 처리된 필터 유니트를 만드는데 이용된 필터 매체에 전기방사될 수 있다. 그와 같은 방식은 예컨대 나노섬유가 코팅된 필터 매체가 플리이팅되어 표준 공기 조절기에 설치할 종래의 성형된 HEPA 필터 유니트로 형성되는 개선된 필터를 형성하는 한 가지 실제적인 방법일 수 있다. 다른 예에서 HEPA 매체에 나노섬유가 코팅되어 압력 강하를 다루 기 쉬우면서도 종전에는 도달할 수 없었던 효율(>99.9999%)을 가진 필터를 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 본 발명의 섬유 매트의 증착을 위한 지지체를 제거하거나 증착된 섬유 매트로부터 용해시켜내어 섬유 매트를 예컨대 종래의 필터 매체, 플라스틱 발포체, 금속 발포체, 반도체성 발포체, 직포 재료, 부직포 재료, 플라스틱 스크린, 직물 및 고효율 미립자 공기(HEPA) 필터와 같은 다른 필터링 작용 매체로 이송할 수 있다.
메시는 통상적으로는 전도성을 갖지만 전기방사 중에 전도성 프레임과 결합하여 시용될 때는 절연성을 가질 수 있다. 지지체는 원뿔형 지지체, 원형 지지체, 평면 지지체, 구형 지지체 또는 원통형 지지체일 수 있다. 지지체는 예컨대 마스크 카트리지에 맞추는 것과 같이 몰드로서 성형될 수 있다. 지지체는 서로 인접하여 배치된 복수의 셀형 프레임을 포함할 수 있다. 이렇게 하여 각 프레임에서의 전기방사는 각 프레임에서 입자를 적당히 포집하여 필터링하면서 면적은 큰 필터를 얻는 메카니즘을 제공하게 된다.
단계(102)에서, 전기방사는 한 층 내의 나노섬유 각각이 인접 층 내의 다른 나노 섬유에 일체적으로 부착된 나노섬유층들을 형성할 수 있다. 전기방사는 예컨대 일부 실시예에서는 중합체가 일부 실시예에서는 1 내지 50 wt% 농도로 용해되어 있고 다른 실시예에서는 17 내지 30 wt% 농도로 용해되어 있는 용액을 전기방사할 수 있다. 또한 전기방사는 용융된 중합체를 가지고 실시될 수 있다. 중합체는 20,000 내지 2,000,000 g/mol의 분자량을 가질 수 있다. 다른 중합체 농도와 중합 체 분자량이 적당한 용매와 혼합되어 전기방사 프로세스를 위해 사용될 수 있다.
전기방사된 나노섬유는 전술한 바와 같이 이용된 특정 전기방사 조건에 따라 평균 섬유 직경이 500 nm 이하, 200 nm 이하, 또는 100 nm 이하일 수 있다. 전기방사는 먼저 제1 평균 섬유 직경을 가진 제1 나노섬유를 전기방사하고, 그 다음에 제1 평균 섬유 직경보다 작은 제2 평균 섬유 직경을 가진 제2 나노섬유를 전기방사할 수 있다. 이런 식으로 나노섬유 필터 매트의 점진적으로 더 미세한 메시를 얻는다. 전기방사는 먼저 제1 평균 섬유 직경을 가진 제1 나노섬유를 전기방사하고, 그 다음에 제1 평균 섬유 직경보다 큰 제2 평균 섬유 직경을 가진 제2 나노섬유를 전기방사할 수 있다. 이런 식으로 나노섬유 필터 매트의 점진적으로 더 큰 메시를 얻는다. 단계(102)에서, 전기방사는 4 내지 4000(또는 10 내지 100)개의 나노섬유층을 형성할 수 있다.
더욱이, (지지체가 있는 또는 없는) 최종 섬유 매트에 이 섬유 매트나 지지체에 인접하여 배치된 필터링 작용 매체가 구비될 수 있다. 기본 필터링 작용은 거친 입자 필터링 작용(예컨대 1 마이크론 보다 큰 입자 필터링 작용)이다. 대안으로서, 본 방법은 각각이 나노섬유층을 포함하는 복수의 지지체를 조립하여 다단 필터링 작용을 제공할 수 있다.
단계(102)에서, 분위기 내의 습도나 용매 농도를 제어하여 전기방사를 위한 제어된 분위기를 제공할 수 있다. 습도는 100% 보다 작은 상대 습도로, 또는 일부 실시예에서는 5% 내지 65%로, 또는 다른 실시예에서는 15 내지 40%로 제어될 수 있다. 용매 농도는 포화량 이하로서, 밀봉체 내의 분위기의 10 내지 80%의 상대 농 도(예컨대 분압)으로, 더 구체적으로는 20 내지 45%의 상대 농도로 제어될 수 있다. 단계(102)에서, 전기방사는 pH 감응 중합체 물질을 전기방사하여 일부 경우에 입자 포집 후에 전기방사된 섬유를 용해시킬 수 있다. 단계(102)에서, 전기방사는 열 감응 중합체 물질이나 효소 감응 중합체 물질을 전기방사하고, 일부 경우에 입자 포집 후에 전기방사된 섬유를 용해시킬 수 있다.
단계(102)에서, 전기방사는 염과 계면활성제 중 적어도 하나를 포함하는 첨가제를 전기방사될 물질에 제공할 수 있다. 첨가제는 0.01 내지 10% 또는 그보다 큰 농도로, 각종 실시예에서는 0.06 내지 0.2% 농도로 공급될 수 있다. 단계(102)에서, 섬유 증착의 균일성은 일반적으로 전기방사 요소(즉, 스피너렛)와 지지체를 서로에 대해 상대적으로 이동시킴으로써 개선된다.
단계(103)에서, 전기방사는 테스트되고 있는 필터 부분을 통과하는 가스나 에어로졸의 양을 검출하고, 검출 결과에 응답하여 전기방사 요소를 병진시키거나 전기방사 요소와 콜렉터 간의 상대 운동을 제공할 수 있다. 매트 균일성의 검출에는 전술한 광산란 기술도 이용될 수 있다.
더욱이, 나노섬유의 전기방사를 위한 전술한 동적 전기방사 기술은 섬유의 전기방사와, 전기장 추출 물질로부터 액적, 고체 입자 잔류물 및/또는 이온화된 성분능 형성하는 (즉, 전기장 추출된) 액체의 전기분무(electrospraying)에 이용될 수 있다.
다른 응용 분야
전술한 방법으로 제작된 최종 나노섬유 매트는 여러 가지 필터 또는 비필터 응용을 위해 지지체에서 떼낼 수 있다. 예컨대 지지체로부터 복수의 나노섬유층을 떼어낸 다음에 이를 종래의 필터 매체, 플라스틱 발포체, 금속 발포체, 반도체성 발포체, 직포 재료, 부직포 재료, 직물, 플라스틱 스크린, 직물 및 고효율 미립자 공기(HEPA) 필터에 부착할 수 있다. 아니면, 떼어낸 나노섬유 매트를 예컨대 몇 가지 예를 들자면 촉매, 배터리 분리막, 상처 드레싱(wound dressings), 세포 성장용 지지체, 및 가스 센서와 같이 이전에 나노섬유 재료가 적용되었던 분야에서 이용될 수 있다.
본 발명의 나노섬유 매트 재료의 응용은 하기의 참조 문헌에 기술된 것과 유사한 기술을 따를 수도 있을 것이나 본 명세서에 기재된 전기방사 기술을 이용하여 본 발명의 섬유 매트를 제조할 수 있다.
이하 이들 비필터 응용의 각종 실례에 대해 설명한다.
촉매 응용에서, 본 발명의 나노섬유 매트 재료는 예컨대 Demir, M.M., M.A. Gulgun 등의 "폴리(아크릴로니트릴-코-아크릴산)-PdCl2 용액으로부터의 전기방사에 의한 팔라듐 나노입자"에 기재된 것과 유사하게, 촉매용 메카니즘을 제공하는 촉매 금속 입자(예컨대 나노미립자 금속과 금속 산화물 나노입자)를 포함하는 중합체를 이용하여 전기방사될 수 있다. 제작 조건, 입자 크기 및 촉매 활성도 간의 관계는 본 명세서에 이미 참조로서 포함되어 있다. 더욱이, 미국 특허출원 제11/130,269호에 기재된 바와 같이, 이들 나노입자는 전기방사 중에 섬유 매트의 섬유에 내포될 수 있다. 아니면, 이들 입자는 섬유 매트의 형성 중에 또는 형성 후에 (전기방사된 입자를 포함하지 않는) 섬유에 부가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 전기방사 후에 섬유 매트에 입자가 도포될 수 있다. 이 실시예에서 입자를 포함하는 용액이 제공되며, 나노섬유는 이 용액에 담군다. 이 용액은 나노섬유 매트가 용해되지 않으나 나노섬유 매트 내에 존재하는 중합체를 약간 팽창시키는 것이 선택된다. 네트워크 내의 이러한 섬유 팽창은 섬유 간의 공간을 확장시키고, 이에 따라 네트워크 공간을 열어 입자가 이 사이로 이동할 수 있게 한다. 따라서 입자들은 브라운 운동(Brownian motion)으로 인해 섬유 표면으로 이동한다. 섬유 매트는 10분 내지 72시간 동안 용액에 담굴 수 있으며, 느슨하게 붙어있는 표면 입자를 제거하기 위해 20 내지 30초 동안 용매를 일정하게 흘러보내어 행굴 수 있다. 그 다음, 섬유 매트를 지지체 상에 배치하고 사용하기 전에 완전히 마르게 한다.
본 발명의 나노섬유 매트는, 나노섬유의 직경이 작고 유체 흐름에 대한 저항이 작기 때문에, 촉매 반응에 이용되는 표면적이 종래 기술보다 증가될 수 있다는 점에서 전술한 종래의 촉매 매체와 종래의 나노섬유 기재 촉매 재료보다 유리하다. 나노섬유에 나노미립자 금속과 금속 산화물 나노입자를 포함시키면 산업적 프로세스와 생물학적 프로세스에서 가치있는 촉매 재료를 만들어 낼 수 있다.
마찬가지로, 배터리 분리막 응용에서, 본 발명의 나노섬유 매트 재료는 배터리액과 반응하지 않는 중합체를 이용하여 전기방사될 수 있다. 나노섬유 매트는, 나노섬유의 직경이 작고 유체 흐름에 대한 저항이 작기 때문에, 전해 반응을 위한 용액이 본 발명의 섬유 매트를 통해 음극에서 양극으로 더 쉽게 이동될 수 있다는 점에서, 예컨대 Choi, S. W., S. M. Jo 등의 "전기방사된 폴리(비닐리덴플로라이드) 나노섬유성 박막과 그 배터리 응용"(이미 본 명세서에 참조로서 포함됨)에 기재된 것과 유사하게, 종래의 배터리 분리막 매체와 종래의 나노섬유 기재 배터리 분리막 재료보다 유리하다.
마찬가지로, 상처 드레싱에서, 본 발명의 나노섬유 매트 재료는 생체 적합성 또는 생물 분해성 중합체를 이용하여 전기방사되어 가스를 자유롭게 교환할 수 있는 나노섬유 매트를 제공할 수 있다. 더욱이, 예컨대 Katti, D.S., K. W. Robinson 등의 "상처 치료와 약물 투여를 위한 생체 재흡수성 나노섬유 기재 시스템: 제조 파라미터의 최적화"(이미 본 명세서에 참조로서 포함됨)에 기재된 것과 유사하게, 나노섬유 매트는 세균이 상처 부위로 침입해 들어가는 것을 지연시킬 수 있다. 그러므로 본 발명의 섬유 매트는, 특히 지혈과 통제된 약물 투여와 같은 부가 기능이 구조 내에 설정되어 있는 경우에 효과적인 상처 드레싱으로 이용될 수 있다. 더욱이, 미국 특허출원 제11/130,269호에 기재된 바와 같이, 나노입자는 전술한 바와 같이 섬유 매트 형성 중에 또는 형성 후에 섬유 매트의 섬유에 내포될 수 있다. 그와 같은 나노입자는 섬유 매트가 시간이 지남에 따라 용해됨에 따라 약물을 방출하도록 고안된 약물 입자일 수 있다.
마찬가지로, 생체조직 공학용 비계(scaffolding)에서, 본 발명의 나노섬유 매트 재료는, 예컨대 Murugan, R. 및 S. Ramakrishna의 "생체조직 공학용 나노형상 비계: 방사 방법론의 고찰"(이미 본 명세서에 참조로서 포함됨)에 기재된 것과 유사하게, 생물 분해성 중합체를 이용하여 전기방사되어 구조 내에서 세포를 배양하 는데 이용되는 나노섬유 매트를 제공할 수 있다. 세포가 일단 증식되고 섬유 매트 비계가 외과적으로 인체 내에 이식될 수 있다. 나노섬유의 표면적이 클수록 세포 부착력도 증진되며, 구조의 다공성이 높을수록 가스와 영양분의 교환이 잘 이루어질 수 있다.
마찬가지로, 약물 또는 생체 활성 재료 투여 응용에서, 본 발명의 나노섬유 매트 재료는, 예컨대 Jia, H. F., G. Y. Zhu 등의 "고유 생물 촉매로 이용하기 이해 전기방사를 통해 제작된 효소 전달 중합체 나노섬유"(이미 본 명세서에 참조로서 포함됨)에 기재된 것과 유사하게, 수용성 중합체를 이용하여 전기방사되어, 전술한 입자를 포함하며(이제는 더 일반적으로 생체 활성 물질을 포함함) 생체 활성 물질의 투여를 제어하는데 이용되는 나노섬유 매트를 제공할 수 있다. 약품, 특히 물에 잘 녹지 않는 것은 나노섬유 디바이스를 이용하여 투여될 수 있다. 합성 약물은 중합체 나노섬유 매트릭스 내에서 미세 입자로서 용해되거나 분산된다. 생리적 조건 하에서는 배경기술란의 여러 문헌에 기재된 바와 같이 생체 활성제가 확산적으로 또는 나노섬유 매트릭스의 생물 분해성을 통해 투여된다. 더욱이, 미국 특허출원 제11/130,269호에 기재된 바와 같이, 나노입자 생체 활성 재료는 전술한 바와 같이 섬유 매트 형성 중에 또는 형성 후에 섬유 매트의 섬유에 내포될 수 있다. 그와 같은 나노입자는 섬유 매트가 시간이 지남에 따라 용해됨에 따라 약물을 방출하도록 고안된 약물 입자일 수 있다.
마찬가지로, 나노섬유 기재 복합물 응용에서, 본 발명의 나노섬유 매트 재료는, 예컨대 Chronakis, I. S. (2005)의 "전기방사 프로세스를 이용한 중합체 나노 섬유 기재의 신규한 나노복합물 및 나노세라믹 - 논평"(이미 본 명세서에 참조로서 포함됨)에 기재된 것과 유사하게, 전술한 것과 같이 강도와 내구성을 향상시키기 위해 플라스틱 조직 체계 내의 보강재로서 이용될 수 있는 탄소와 무기 나노섬유를 포함하는 중합체를 이용하여 전기방사될 수 있다.
마찬가지로, 향균성 나노섬유 매트 응용에서, 본 발명의 나노섬유 매트 재료는, 예컨대 Kenawy, E. R. 및 Y. R. Abdel-Fattah의 "개질되고 전기방사된 폴리(비닐페놀)의 향균 특성"(이미 본 명세서에 참조로서 포함됨)에 기재된 것과 유사하게, 전술한 것과 같이 이산화 티타늄과 같은 광촉매 화합물을 추가적으로 포함하는 중합체를 이용하여 전기방사될 수 있다. 광촉매 화합물의 입자는 전술한 바와 같이 섬유 매트 형성 중에 또는 형성 후에 이들 광촉매 화합물 입자의 첨가에 의해 포함될 수 있다. 이 응용에서 섬유 매트를 광에 노출시키면 살균성 자유 래디컬 종이 생성된다. 이것은 나노섬유에서의 은 나노입자와 같은 나노입자의 분산에 의해서도 달성될 수 있다. 이 응용에서 전기방사된 섬유는 광에 대해 거의 투명하여 섬유 매트 내부에서도 자유 래디컬을 생성할 수 있을 것이다.
마찬가지로, 직물 응용에서, 본 기술에 의해 제조된 전기방사된 나노섬유는 종래의 직물에 증착되거나 다층 직물 구조에서 일 성분으로 포함될 수 있다. 나노섬유를 직물에 일 부재로서 포함시키면 직물 재료의 입자 여과 효율이 향상될 것이다. 나노섬유층은 그와 같은 구조에서 아주 효과적인 필터층으로 기능할 뿐만 아니라, 나노섬유 매트가 직물을 통한 공기와 습기의 수송을 가능하게 하므로 재료의 '통기성'에 영향을 미치지 않을 것이다. 이 응용 분야는 개인의 피부가 나노입자를 포함하는 미립자에 노출되는 것을 방지한다는 환경적 관점에서 뿐만 아니라 생물학적 활성 물질이나 화학 시약을 옮기는 입자에 피부가 노출되는 것을 제어할 필요가 있는 군사적 응용에서도 관심을 갖는다.
마찬가지로, 센서 응용에서, 본 발명의 나노섬유 매트 재료는, Aussawasathien, D., J. H. Dong 등의 "전기방사된 중합체 나노섬유 센서"(이미 본 명세서에 참조로서 포함됨)에 기재된 것과 유사하게, 전술한 것과 같이 가스 센서 응용에서 이용될 큰 표면적을 가진 나노섬유를 제공하는 중합체를 이용하여 전기방사될 수 있다.
상기 비필터 응용에서 섬유 매트는 지지체에 부착되거나 이로부터 떼어낼 수 있다. 필터 응용에 관해서는 지지체는 섬유 매트 제조에 이용되는 지지체이거나, 예컨대 상처 드레싱에서 상처 부위로부터 떼어낼 수 있는 탈착식 지지체일 수 있다.
본 발명은 상기 교시로부터 많은 변경과 변형이 기능하다. 따라서 본 발명은 청구 범위 내에서 본 명세서에서 구체적으로 기술된 것과 달리 실시될 수 있음은 물론이다.

Claims (98)

  1. 전기장이 급격히 변할 때에 섬유 매트로 형성되는, 직경이 1 마이크론 보다 작은 복수의 나노섬유를 포함하는 필터 매체; 및
    상기 필터 매체에 부착되며, 유체가 흐르는 개구를 구비한 지지체
    를 포함하는 필터 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나노섬유는 상기 급격히 변하는 전기장을 발생하는 접지로의 주기적 방전이 있을 때에 형성되는 필터 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 나노섬유는 상기 급격히 변하는 전기장을 발생하는 인가 전기장 파형이 있을 때에 형성되는 필터 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 지지체는 개구를 형성하는 전도성 지지체를 포함하는 필터 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 지지체는 필터, 플라스틱 발포체, 금속 발포체, 반도체성 발포체, 직포 재료, 부직포 재료, 플라스틱 스크린, 직물 및 고효율 미립자 공기(HEPA) 필터 매체 중 적어도 하나를 포함하는 필터 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 필터는 3 내지 12의 최소 효율 보고치(MERV)를 갖는 필터 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 지지체는 원뿔 형상, 곡선 형상, 원 형상, 평면 형상, 구 형상, 원통 형상 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 갖는 필터 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 지지체는 서로 인접하여 배치된 복수의 셀형 프레임을 포함하는 필터 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 복수의 셀형 프레임은 원통형 셀을 포함하는 필터 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 나노섬유는 나노섬유들 중 각각의 나노섬유들을 따르는 지점들에 서로 일체적으로 부착된 필터 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 나노섬유는 500 nm 보다 작은 평균 섬유 직경을 갖는 필터 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 나노섬유는 200 nm 보다 작은 평균 섬유 직경을 갖는 필터 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 나노섬유는 100 nm 보다 작은 평균 섬유 직경을 갖는 필터 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 필터 매체는 상기 급격히 변하는 전기장이 있을 때에 형성된 복수의 나노섬유층을 포함하는 필터 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 복수의 나노섬유층은 4 내지 4000개의 나노섬유층을 포함하는 필터 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 복수의 나노섬유층은 10 내지 100개의 나노섬유층을 포함하는 필터 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 복수의 나노섬유층은 0.25 내지 500 ㎛의 두께를 갖는 필터 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 필터 매체는 -Log(Pt)/ΔP로 주어진 성능 지수 FoM를 가지며, 상기 Pt는 0.3 마이크론의 에어로졸 입자 직경의 부분 침투이고, 상기 ΔP는 5.3 cm/s의 면속도에 대응하는 상기 필터 매체를 가로지르는 필터 매체 압력 강 하이고, 상기 성능 지수는 20 kPa-1 보다 큰 필터 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 지지체는 상기 필터 매체 압력 강하의 10-50%보다 크지 않은 지지체 압력 강하를 갖는 필터 장치.
  20. 제18항에 있어서, 상기 성능 지수는 50 kPa-1 보다 큰 필터 장치.
  21. 제1항에 있어서, 상기 나노섬유는 pH 변질 재료, 효소 변질 재료 및 열 변질 재료 중 적어도 하나를 포함하는 필터 장치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 섬유를 상기 지지체에 밀봉하기 위하여 상기 지지체의 주변에 배치된 밀봉제를 더 포함하는 필터 장치.
  23. 제1항에 있어서, 상기 지지체는 보충 필터 매체를 포함하는 필터 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 보충 필터 매체는 상기 복수의 나노섬유가 상기 급격히 변하는 전기장이 있을 때에 증착된 필터를 포함하는 필터 장치.
  25. 제23항에 있어서, 상기 보충 필터 매체는 직경이 1 마이크론 보다 큰 입자의 필터링을 제공하는 필터 장치.
  26. 제1항에 있어서, 다단 필터링을 제공하기 위하여 각각이 각자의 나노섬유층을 포함하는 복수의 지지체를 더 포함하는 필터 장치.
  27. 유체가 흐르는 개구를 구비한 지지체; 및
    상기 지지체에 부착된 복수의 섬유를 포함하는 필터 매체
    를 포함하고,
    상기 필터 매체는 -Log(Pt)/ΔP로 주어진 성능 지수 FoM를 가지며, 상기 Pt는 0.3 마이크론의 에어로졸 입자 직경의 부분 침투이고, 상기 ΔP는 5.3 cm/s의 면속도에 대응하는 상기 필터 매체를 가로지르는 필터 매체 압력 강하이고, 상기 성능 지수는 20 kPa-1 보다 큰 필터 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 지지체는 상기 필터 매체 압력 강하의 10-50%보다 크지 않은 지지체 압력 강하를 갖는 필터 장치.
  29. 제27항에 있어서, 상기 성능 지수는 50 kPa-1 보다 큰 필터 장치.
  30. 육안으로 보이는(macroscopic) 치수를 가지며, 유체가 흐르는 개구를 구비한 지지체; 및
    상기 지지체 상에 증착된 복수의 나노섬유를 포함하는 필터 매체
    를 포함하고,
    상기 복수의 나노섬유 중 일부는 상기 필터 매체를 상기 지지체에 고정하기 위하여 상기 지지체에 부착된 필터 장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 필터 매체를 상기 지지체에 결합시키는 접착제를 더 포함하는 필터 장치.
  32. 제30항에 있어서, 상기 복수의 나노섬유 중 상기 일부는 상기 지지체에 일체적으로 부착된 필터 장치.
  33. 제30항에 있어서, 상기 섬유를 상기 지지체에 밀봉하기 위하여 상기 지지체의 주변에 배치된 밀봉제를 더 포함하는 필터 장치.
  34. 제30항에 있어서, 상기 복수의 나노섬유는 0.25 내지 500 ㎛의 두께를 갖는 필터 장치.
  35. 급격히 변하는 전기장이 있을 때에 섬유 매트로 형성되는, 1 마이크론 보다 작은 직경을 가진 복수의 나노섬유를 포함하며,
    상기 섬유 매트는 필터, 촉매 재료원, 배터리 분리막, 상처 드레싱, 생체 조직 비계, 생체 활성 재료원, 향균성 재료원, 직물 품목(textile item) 및 센서 중 적어도 하나를 포함하는 섬유 매체.
  36. 제35항에 있어서, 상기 섬유 매트에 부착된 지지체를 더 포함하는 섬유 매체.
  37. 제36항에 있어서, 상기 지지체는 상기 섬유 매트로부터 탈착가능한 섬유 매체.
  38. 필터 재료를 제조하는 장치에 있어서,
    팁으로부터 복수의 섬유를 전기방사(electrospin)하도록 구성된 전기방사 요소;
    상기 전기방사 요소에 대향하고, 전기방사된 섬유를 표면 상에 모으도록 구성된 콜렉터; 및
    상기 섬유의 전기방사 중에 상기 콜렉터에서 전기장을 시간적으로 적어도 한 번 급격히 변화시키도록 구성된 전기장 변조 장치
    를 포함하는 필터 재료 제조 장치.
  39. 제38항에 있어서, 상기 전기방사 요소를 제어된 분위기에서 밀봉하도록 구성 된 밀봉체를 더 포함하는 필터 재료 제조 장치.
  40. 제38항에 있어서, 상기 밀봉체 내의 습도 및 용매 농도 중 적어도 한 가지를 제어하도록 구성된 제어 장치를 더 포함하는 필터 재료 제조 장치.
  41. 제40항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 습도를 5 내지 65%의 상대 습도로 제어하도록 구성된 필터 재료 제조 장치.
  42. 제40항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 습도를 15 내지 40%의 상대 습도로 제어하도록 구성된 필터 재료 제조 장치.
  43. 제40항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 용매 농도를 상기 밀봉체 내의 분위기의 10 내지 80%의 상대 농도로 제어하도록 구성된 필터 재료 제조 장치.
  44. 제40항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 용매 농도를 상기 밀봉체 내의 분위기의 20 내지 45%의 상대 농도로 제어하도록 구성된 필터 재료 제조 장치.
  45. 제38항에 있어서, 테스트되고 있는 필터의 일부를 통과하는 가스 또는 에어로졸의 양을 검출하도록 구성된 에어로졸 테스트 장치를 더 포함하는 필터 재료 제조 장치.
  46. 제45항에 있어서, 상기 에어로졸 테스트 장치의 결과에 응답하여 상기 전기방사 요소와 상기 콜렉터 간에 상대 운동을 제공하도록 구성된 병진 장치를 더 포함하는 필터 재료 제조 장치.
  47. 제46항에 있어서, 상기 병진 장치는 상기 콜렉터의 표면에 대한 상기 전기방사 요소의 팁의 위치를 제어하도록 구성된 필터 재료 제조 장치.
  48. 제38항에 있어서, 상기 콜렉터의 표면을 가로질러 상기 전기방사된 섬유의 두께 변화를 검출하도록 구성된 광산란 장치를 더 포함하는 필터 재료 제조 장치.
  49. 제48항에 있어서, 상기 광산란 장치의 결과에 응답하여 상기 전기방사 요소와 상기 콜렉터 간에 상대 운동을 제공하도록 구성된 병진 장치를 더 포함하는 필터 재료 제조 장치.
  50. 제49항에 있어서, 상기 병진 장치는 상기 콜렉터의 표면에 대한 상기 전기방사 요소의 팁의 위치를 제어하도록 구성된 필터 재료 제조 장치.
  51. 제38항에 있어서, 상기 콜렉터 아래에 배치되어 상기 전기장 맥동 장치에 접지 기준을 제공하는 제1 접지면을 더 포함하는 필터 재료 제조 장치.
  52. 제51항에 있어서, 상기 제1 접지면 아래에 배치되어 상기 제1 접지면의 경계를 넘어 신장하는 제2 접지면을 더 포함하는 필터 재료 제조 장치.
  53. 제38항에 있어서, 상기 전기방사 요소의 상기 팁은 중합체, 세라믹, 유리 및 금속 중 적어도 하나를 포함하는 필터 재료 제조 장치.
  54. 제38항에 있어서, 상기 전기방사 요소의 상기 팁은 폴리테트라플루오로에틸렌과 스테인레스 스틸 중 적어도 하나를 포함하는 필터 재료 제조 장치.
  55. 제38항에 있어서, 상기 전기방사 요소의 상기 팁은 회전 팁을 포함하는 필터 재료 제조 장치.
  56. 제38항에 있어서, 상기 전기장 변조 장치는 상기 전기방사된 섬유 상의 전하를 스파크 갭을 통해 접지로 적어도 한 번 방전시키는 전압 리미터 장치를 포함하는 필터 재료 제조 장치.
  57. 제38항에 있어서, 상기 전기장 변조 장치는 상기 콜렉터에 전기장을 인가하고, 그 후에 상기 콜렉터에 인가된 상기 전기장을 접지 전위로 적어도 한 번 감소시키도록 구성된 전기장 인가 장치를 포함하는 필터 재료 제조 장치.
  58. 필터 재료를 형성하는 방법에 있어서,
    유체가 흐르는 개구를 구비한 지지체를 제공하는 단계;
    복수의 나노섬유층을 상기 지지체 상에 필터 매체로서 형성하기 위하여 상기 개구 전체에 걸쳐 나노섬유를 전기방사하는 단계; 및
    상기 나노섬유의 전기방사 중에 상기 지지체에서 전기장을 적어도 한 번 급격히 변화시키는 단계
    를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  59. 제58항에 있어서, 상기 변화시키는 단계는 상기 전기방사 중에 상기 지지체에서 접지로 주기적으로 방전시키는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  60. 제58항에 있어서, 상기 변화시키는 단계는 상기 지지체에 전기장을 인가하고, 그 후에 상기 인가된 전기장을 접지 전위로 적어도 한 번 감소시키는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  61. 제58항에 있어서, 상기 지지체 제공 단계는 전도성 지지체를 제공하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  62. 제58항에 있어서, 상기 필터의 입자 우회로로부터 상기 지지체의 주변을 밀 봉하기 위하여 상기 지지체의 주변에 밀봉제를 도포하는 단계를 더 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  63. 제58항에 있어서, 상기 지지체 제공 단계는 상기 지지체에의 나노섬유의 접착력을 증강시키기 위하여 상기 지지체의 표면을 처리하는 것과 코팅하는 것 중 적어도 한 가지를 실시하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  64. 제58항에 있어서, 상기 지지체 제공 단계는 상기 지지체에 원뿔 형상 지지체, 곡선 형상 지지체, 원 형상 지지체, 평면 형상 지지체, 구 형상 지지체, 원통 형상 지지체 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 제공하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  65. 제58항에 있어서, 상기 지지체 제공 단계는 서로 인접하여 배치된 복수의 셀형 프레임을 상기 지지체에 제공하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  66. 제58항에 있어서, 상기 전기방사 단계는 한 층의 나노섬유 각각이 인접 층의 다른 나노섬유에 일체적으로 부착된 상기 복수의 나노섬유층을 형성하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  67. 제58항에 있어서, 상기 전기방사 단계는 중합체가 용해되어 들어있는 용액을 전기방사하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  68. 제58항에 있어서, 상기 전기방사 단계는 용용된 중합체를 전기방사하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  69. 제58항에 있어서, 상기 전기방사 단계는 500 nm 보다 작은 평균 섬유 직경을 가진 나노섬유를 전기방사하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  70. 제58항에 있어서, 상기 전기방사 단계는 200 nm 보다 작은 평균 섬유 직경을 가진 나노섬유를 전기방사하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  71. 제58항에 있어서, 상기 전기방사 단계는 100 nm 보다 작은 평균 섬유 직경을 가진 나노섬유를 전기방사하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  72. 제58항에 있어서, 상기 전기방사 단계는,
    제1 평균 섬유 직경을 가진 제1 나노섬유를 전기방사하는 단계; 및
    상기 제1 평균 섬유 직경보다 작은 제2 평균 섬유 직경을 가진 제2 나노섬유를 전기방사하는 단계
    를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  73. 제58항에 있어서, 상기 전기방사 단계는,
    제1 평균 섬유 직경을 가진 제1 나노섬유를 전기방사하는 단계; 및
    상기 제1 평균 섬유 직경보다 큰 제2 평균 섬유 직경을 가진 제2 나노섬유를 전기방사하는 단계
    를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  74. 제58항에 있어서, 상기 전기방사 단계는 4 내지 4000개의 나노섬유층을 상기 지지체 상에 형성하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  75. 제58항에 있어서, 상기 전기방사 단계는 10 내지 100개의 나노섬유층을 상기 지지체 상에 형성하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  76. 제58항에 있어서, 상기 전기방사 단계는 상기 지지체 상에 상기 나노섬유를 0.25 내지 500 ㎛ 두께로 형성하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  77. 제58항에 있어서, 상기 복수의 나노섬유층을 상기 지지체로부터 떼어내는 단계; 및
    상기 떼어낸 층을 필터, 플라스틱 발포체, 금속 발포체, 반도체성 발포체, 직포 재료, 부직포 재료, 플라스틱 스크린, 직물 및 고효율 미립자 공기(HEPA) 필터 매체 중 적어도 하나에 부착하는 단계
    를 더 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  78. 제58항에 있어서, 상기 복수의 나노섬유층을 보충 필터 매체에 부착하는 단계를 더 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  79. 제58항에 있어서, 다단 필터링을 제공하기 위하여 각각이 각자의 나노섬유층을 포함하는 복수의 지지체를 조립하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  80. 제58항에 있어서, 상기 전기방사 단계는 상기 전기방사를 위한 제어된 분위기를 제공하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  81. 제80항에 있어서, 상기 분위기 내에서 습도와 용매 농도 중 적어도 한 가지를 제어하는 단계를 더 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  82. 제81항에 있어서, 상기 제어 단계는 상기 습도를 5 내지 65%의 상대 습도로 제어하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  83. 제81항에 있어서, 상기 제어 단계는 상기 습도를 15 내지 40%의 상대 습도로 제어하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  84. 제81항에 있어서, 상기 제어 단계는 상기 용매 농도를 10 내지 80%의 상기 분위기 내의 상대 농도로 제어하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  85. 제81항에 있어서, 상기 제어 단계는 상기 용매 농도를 20 내지 45%의 상기 분위기 내의 상대 농도로 제어하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  86. 제58항에 있어서, 상기 전기방사 단계는 pH 변질 재료, 효소 변질 재료 및 열 변질 재료 중 적어도 하나를 전기방사하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  87. 제58항에 있어서, 테스트되고 있는 필터의 일부를 통과하는 가스 또는 에어로졸의 양을 검출하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  88. 제58항에 있어서, 상기 콜렉터의 표면을 가로질러 상기 전기방사된 섬유의 두께 변화를 검출하기 위하여 광산란을 이용하는 단계를 더 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  89. 제58항에 있어서, 상기 필터 매체에서의 국부적 불균일성을 검출하는 것에 응답하여 상기 형성된 필터 매체의 균일성을 개선하기 위하여 전기방사 요소와 상기 지지체 간에 상대 운동을 제공하는 단계를 더 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  90. 제58항에 있어서, 염과 계면활성제 중 적어도 하나를 포함하는 첨가제를 전기방사될 물질에 제공하는 단계를 더 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  91. 제90항에 있어서, 상기 첨가제 제공 단계는 상기 첨가제를 0.06 내지 0.2 wt%의 농도로 제공하는 단계를 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  92. 제58항에 있어서, 상기 전기방사 중에 전기방사 요소와 상기 지지체 중 적어도 하나를 회전시키는 단계를 더 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  93. 제58항에 있어서, 상기 전기방사 중에 상기 지지체 상의 나노섬유 필터 매체를 통해 처리 가스 흐름을 제공하는 단계를 더 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  94. 제93항에 있어서, 상기 전기방사 중에 상기 필터 매체를 가로지르는 압력 강하를 모니터하는 단계를 더 포함하는 필터 재료 형성 방법.
  95. 콜렉터 상에 재료를 증착하는 방법에 있어서,
    에미터로부터의 물질의 전기장 추출 단계;
    상기 에미터로부터의 상기 물질의 전기장 추출 후에 상기 콜렉터 상에 상기 물질을 모으는 단계; 및
    상기 물질의 전기장 추출 중에 상기 콜렉터에서 전기장을 적어도 한 번 급격히 변화시키는 단계
    를 포함하는 재료 증착 방법.
  96. 제95항에 있어서, 상기 전기장 추출 단계는 섬유를 전기방사하는 단계와 입자를 전기분무하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는 재료 층착 방법.
  97. 제95항에 있어서, 상기 입자 전기분무 단계는 상기 전기장 추출된 물질로부터 액적, 고체 입자 및 이온화된 성분 중 적어도 하나를 형성하는 단계를 포함하는 재료 증착 방법.
  98. 제95항에 있어서, 상기 급격히 변화시키는 단계는 전하를 상기 콜렉터로부터 접지로 방전시키는 전압 방전 장치를 이용하는 단계를 포함하는 재료 증착 방법.
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