KR20140005938A - 여과용 필터 및 여과용 필터의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 강성을 확보하면서, 상수나 담수를 손쉽게 얻을 수 있는 여과용 필터를 제공하는 것이다. 여과용 필터(21)는, 제1 세라믹층(12), 제2 세라믹층(15) 및 나노 입자층(14)을 구비하고, 상기 나노 입자층(14)은 제1 세라믹층(12) 및 제2 세라믹층(15)에 끼워지고, 제1 세라믹층(12) 및 제2 세라믹층(15)은 실리카를 주성분으로 하는 다수의 세라믹 입자(11)를 소결시켜서 생성되고, 각 세라믹 입자(11)의 사이의 간극이 50㎚ 내지 500㎚로 조정되고, 나노 입자층(14)은 입경이 3㎚ 내지 5㎚인 다수의 나노 입자(13)를 열처리에 의해 서로 용융 결합시켜서 생성된다.
Description
본 발명은, 여과용 필터 및 여과용 필터의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 세라믹의 소결체를 기체로 하는 여과용 필터 및 여과용 필터의 제조 방법에 관한 것이다.
공장이나 가정으로부터의 배수(하수)로부터 오염 물질이나 불순물을 제거하여 상수를 정제하고, 혹은, 해수로부터 염분 등을 제거하여 담수를 정제할 때, 여과용 필터가 다용되고 있다. 여과용 필터로서는, 고분자 재료로 이루어지는 것, 예를 들어, 아세트산 메틸의 고분자막을 사용하는 역침투막이 알려져 있다. 역침투막은 직경이 수 ㎚인 무수한 관통 구멍을 갖고, 하수나 해수에 압력을 가하여 역침투막을 통과시킬 때, 1개의 지름이 약 0.38㎚인 물 분자는 관통 구멍을 통과하지만, 크기가 수십 ㎚인 오염 물질의 분자나 수화에 의해 주위에 물 분자가 배위되는 나트륨 이온은 관통 구멍을 통과하지 않는다. 이에 의해, 역침투막은 물 분자와 오염 물질이나 염분을 분리하여 하수나 해수로부터 상수나 담수를 정제한다.
그런데, 개발 도상국이나 자연 재해의 피해지에 있어서 오수로부터 상수를 역침투막에 의해 정제할 때, 오수 중의 박테리아가 고분자막을 부식하므로, 역침투막의 수명이 극단적으로 짧아진다고 하는 문제가 있다.
또한, 해안가에 배치되는 풍차형의 풍력 발전기에서는, 윤활유에 염분이나 미세한 모래가 섞이기 쉬우므로, 윤활유로부터 염분이나 미세한 모래를 제거하는 것이 강하게 요구되고 있지만, 염분이나 미세한 모래의 제거에 역침투막을 사용한 경우, 윤활유의 성분이 고분자막을 용해시키므로, 역시, 역침투막의 수명이 극단적으로 짧아진다고 하는 문제가 있다.
또한, 역침투막은 고분자막을 주요 구성 요소로 하므로, 강도가 낮아, 정제 효율 향상을 위해 하수나 해수로 인가하는 압력(1차측 압력)을 상승시켜서 부하를 가하면 깨져버린다고 하는 문제가 있다.
따라서, 최근, 박테리아에 의해 부식되는 경우가 없고, 윤활유에도 용해하지 않고, 또한 강성이 높은 다공질 세라믹체로 이루어지는 여과용 필터가 개발되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
그러나, 다공질 세라믹체로 이루어지는 여과용 필터는 비교적 직경이 큰 금속 산화물의 복수의 입자를 압축시켜서 고온에서 서로 접착함으로써 제조되므로, 입자 사이의 간극의 크기를 직접적으로 제어할 수 없고, 우발적으로 원하는 직경보다도 큰 직경의 관통 구멍이 형성되는 경우가 있어, 오염 물질이나 염분의 제거에 관하여 여전히 우려가 있다.
또한, 하수 중에는 크기가 수십 ㎚인 바이러스, 예를 들어, 약 50㎚의 인플루엔자 바이러스나 약 20㎚의 피코 바이러스나 파보 바이러스가 존재하지만, 이들 바이러스는 직경이 수십 ㎚인 관통 구멍을 통과할 우려가 있다.
또한, 다공질 세라믹체로 이루어지는 여과용 필터를 액체 중에 포함되는 크기가 다른 복수의 의약 성분의 분류에 이용할 경우, 원하는 크기가 아닌 의약 성분이 관통 구멍을 통과할 우려가 있어, 의약 성분의 분류를 할 수 없다고 하는 문제가 있다.
그 결과, 상수나 담수의 정제에 증류법 등을 병용할 필요가 있고, 또한, 의약 성분의 구분에 원심 분리법 등을 병용할 필요가 있다. 즉, 상수나 담수를 손쉽게 얻을 수 없다고 하는 문제가 있다.
본 발명의 과제는, 강성을 확보하면서, 상수나 담수를 손쉽게 얻을 수 있는 여과용 필터 및 여과용 필터의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제1 형태에 따르면, 금속 산화물을 주성분으로 하는 다수의 세라믹 입자를 소결시켜서 생성되고, 각 상기 세라믹 입자 사이의 간극이 50㎚ 내지 500㎚로 조정된 적어도 2개의 세라믹층과, 입경이 3㎚ 내지 5㎚인 다수의 나노 입자를 열처리에 의해 서로 용융 결합시켜서 생성되어, 인접하는 2개의 상기 세라믹층에 끼워진 나노 입자층을 구비하는 것을 특징으로 하는 여과용 필터가 제공된다.
본 발명의 제1 형태에 있어서, 상기 나노 입자층의 일부가 상기 세라믹스층에 부분적으로 침투하고 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 형태에 있어서, 각 상기 나노 입자는 긴 직경이 5㎚ 이하이고 또한 짧은 직경이 3㎚ 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 형태에 있어서, 3개 이상의 상기 세라믹층을 구비하고, 상기 3개 이상의 세라믹층 중, 인접하는 2개의 상기 세라믹층의 사이에는 상기 나노 입자층이 개재되는 것이 바람직하다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 금속 산화물을 주성분으로 하는 다수의 세라믹 입자를 서로 접합시키고, 또한 각 상기 세라믹 입자 사이의 간극을 50㎚ 내지 500㎚로 조정하여 제1 세라믹층을 생성하는 제1 세라믹층 생성 스텝과, 상기 생성된 제1 세라믹층의 표면을 덮도록 입경이 3㎚ 내지 5㎚인 다수의 나노 입자를 분포시키는 나노 입자 분포 스텝과, 상기 분포한 다수의 나노 입자를 열처리에 의해 서로 용융 결합시켜서 나노 입자층을 생성하는 나노 입자층 생성 스텝과, 상기 생성된 나노 입자층의 표면을 덮도록 다수의 상기 세라믹 입자를 분포시켜, 상기 분포된 다수의 세라믹 입자를 서로 접합시키고, 또한 각 상기 세라믹 입자 사이의 간극을 50㎚ 내지 500㎚로 조정하여 제2 세라믹층을 생성하는 제2 세라믹층 생성 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 여과용 필터의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 제2 형태에 있어서, 상기 나노 입자 분포 스텝에서는, 상기 생성된 제2 세라믹층의 표면을 덮도록 입경이 3㎚ 내지 5㎚인 다수의 나노 입자를 분포시키고, 상기 제1 세라믹층 생성 스텝 후, 상기 나노 입자 분포 스텝, 상기 나노 입자층 생성 스텝 및 제2 세라믹층 생성 스텝을 이 순서대로 소정의 횟수 만큼 반복하는 것이 바람직하다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제3 형태에 따르면, 금속 산화물을 주성분으로 하는 다수의 세라믹 입자를 서로 접합시키고, 또한 각 상기 세라믹 입자 사이의 간극을 50㎚ 내지 500㎚로 조정하여 세라믹층을 생성하는 세라믹층 생성 스텝과, 상기 생성된 세라믹층의 표면을 덮도록 입경이 3㎚ 내지 5㎚인 다수의 나노 입자를 분포시켜 여과 필터 전구체를 형성하는 여과 필터 전구체 형성 스텝과, 상기 여과 필터 전구체 형성 스텝에 있어서 형성된 2개의 상기 여과 필터 전구체를, 상기 다수의 나노 입자가 분포되는 면끼리가 접촉하도록 접합하여, 상기 분포된 다수의 나노 입자를 열처리에 의해 서로 용융 결합시켜서 1개의 나노 입자층을 생성하는 나노 입자층 생성 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는, 여과용 필터의 제조 방법이 제공된다
본 발명에 따르면, 세라믹 입자를 소결시켜서 생성된 2개의 세라믹층에, 나노 입자층이 끼워지므로, 여과용 필터의 강성을 확보할 수 있고, 또한, 입경이 3㎚ 내지 5㎚인 다수의 나노 입자를 열처리에 의해 서로 용융 결합시켜서 나노 입자층을 생성하므로, 각 나노 입자 사이의 간극의 크기를 수 ㎚ 이하로 설정할 수 있고, 이에 의해, 직경이 수 ㎚인 관통 구멍을 생성할 수 있다. 그 결과, 상수나 담수의 정제에 증류법 등을 병용할 필요를 없앨 수 있고, 이로써, 상수나 담수를 손쉽게 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 금속 산화물을 주성분으로 하는 다수의 세라믹 입자를 서로 접합시켜서 제1 세라믹층을 생성하고, 상기 생성된 제1 세라믹층의 표면을 덮도록 다수의 나노 입자를 분포시키고, 상기 분포된 다수의 나노 입자를 열처리에 의해 서로 용융 결합시켜서 나노 입자층을 생성하고, 또한, 생성된 나노 입자층의 표면을 덮도록 다수의 세라믹 입자를 분포시켜, 또한 서로 접합시켜서 제2 세라믹층을 생성하므로, 직경이 수 ㎚인 관통 구멍을 구비하는 여과용 필터를 간편하게 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 여과용 필터의 구성을 개략적으로 도시하는 부분 확대 단면도이다.
도 2는 도 1에 있어서의 나노 입자층 중의 간극을 통과할 수 있는 입자의 크기를 설명하기 위한 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 여과용 필터의 구성을 개략적으로 도시하는 부분 확대 단면도이다.
도 4A는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(여과 필터 전구체 형성 스텝).
도 4B는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다.
도 4C는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 여과용 필터의 구성을 개략적으로 도시하는 부분 확대 단면도이다.
도 6A는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(제1 세라믹층 생성 스텝).
도 6B는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(나노 입자층 생성 스텝).
도 6C는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 여과용 필터의 구성을 개략적으로 도시하는 부분 확대 단면도이다.
도 8A는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(제1 세라믹층 생성 스텝).
도 8B는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(나노 입자층 생성 스텝).
도 8C는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(제2 세라믹층 생성 스텝).
도 8D는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(나노 입자층 생성 스텝).
도 8E는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(제2 세라믹층 생성 스텝).
도 2는 도 1에 있어서의 나노 입자층 중의 간극을 통과할 수 있는 입자의 크기를 설명하기 위한 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 여과용 필터의 구성을 개략적으로 도시하는 부분 확대 단면도이다.
도 4A는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(여과 필터 전구체 형성 스텝).
도 4B는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다.
도 4C는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 여과용 필터의 구성을 개략적으로 도시하는 부분 확대 단면도이다.
도 6A는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(제1 세라믹층 생성 스텝).
도 6B는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(나노 입자층 생성 스텝).
도 6C는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 여과용 필터의 구성을 개략적으로 도시하는 부분 확대 단면도이다.
도 8A는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(제1 세라믹층 생성 스텝).
도 8B는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(나노 입자층 생성 스텝).
도 8C는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(제2 세라믹층 생성 스텝).
도 8D는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(나노 입자층 생성 스텝).
도 8E는 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다(제2 세라믹층 생성 스텝).
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
우선, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 여과용 필터에 대하여 설명한다.
도 1은, 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 구성을 개략적으로 도시하는 부분 확대 단면도이다.
도 1에 있어서, 여과용 필터(10)는, 금속 산화물, 예를 들어, 실리카(SiO2)로 이루어지는 다수의 세라믹 입자(11)로 이루어지는 제1 세라믹층(12)과, 상기 제1 세라믹층(12)의 표면에 형성된 다수의 나노 입자(13)로 이루어지는 나노 입자층(14)을 구비한다.
제1 세라믹층(12)은, 입경이 수 100㎚ 이상인 다수의 세라믹 입자(11)를 소결시켜서 생성된다. 소결 시에 다수의 세라믹 입자(11)에 부여되는 압력을 비교적 크게 설정하면, 각 세라믹 입자(11)의 일부가 파쇄되거나 하여 각 세라믹 입자(11)에 있어서의 다른 세라믹 입자(11)와의 접촉 부분의 면적이 커져, 상기 접촉 부분이 용융되어 다른 세라믹 입자(11)와 접합된다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 다수의 세라믹 입자(11)에 부여되는 압력의 설정값을 크게 한다. 이에 의해, 제1 세라믹층(12)에서는, 각 세라믹 입자(11) 사이의 접촉 면적을 크게 할 수 있고, 이로써, 각 세라믹 입자(11) 사이의 접합력을 높일 수 있다. 그 결과, 제1 세라믹층(12)의 강성을 향상시켜, 내마모성도 향상시킬 수 있다.
또한, 상기와 같이 강성을 높이기 위해서 부여하는 압력의 설정값을 크게 했을 경우, 제1 세라믹층(12)에서는, 각 세라믹 입자(11)의 일부가 파쇄되므로, 각 세라믹 입자(11) 사이의 간극(16)의 형상은 불규칙하게 되지만, 각 세라믹 입자(11)에 부여되는 압력을 조정함으로써, 각 세라믹 입자(11) 사이의 간극(16)의 대표 길이, 즉, 간극(16)을 통하여 대향하는 2개의 세라믹 입자(11) 사이의 거리의 최대값이 50㎚ 내지 500㎚로 조정된다.
나노 입자층(14)은, 입경이 3㎚ 내지 5㎚인 다수의 나노 입자(13)를 제1 세라믹층(12)의 표면에 분무하여 상기 제1 세라믹층(12)의 표면상에 다수의 나노 입자(13)를 골고루 분포시켜, 이들 나노 입자(13)를 400℃ 내지 1000℃의 고온에서 열처리함으로써 형성된다. 열처리 시, 각 나노 입자(13)에 있어서 다른 나노 입자(13)와 접촉하는 부분이 용융되어 각 나노 입자(13)끼리가 접합하지만, 각 나노 입자(13)의 일부가 파쇄될 정도의 압력을 부여하지 않는다. 따라서, 각 나노 입자(13) 사이의 간극(17)의 형상은 불규칙하게 되지 않아, 간극(17)의 크기의 제어가 용이하게 된다.
예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, 직경 D가 5㎚인 3개의 진구 형상의 나노 입자(13)가 동일 평면상에 있어서 서로 균등하게 접촉했을 경우, 각 나노 입자(13) 사이의 간극(17)의 대표 길이는 약 2㎚가 되고, 상기 간극(17)을 통과할 수 있는 입자(18)의 최대 직경 d는 약 0.7㎚가 된다. 나노 입자층(14)에서는, 각 나노 입자(13)의 입경이 5㎚ 이하로 설정되므로, 각 나노 입자(13) 사이의 간극(17)의 대표 길이는 2㎚ 이하가 되고, 또한 상기 간극(17)을 통과할 수 있는 입자(18)의 최대 직경은 0.7㎚ 이하가 된다.
나노 입자(13)는, 고온에서 표면이 부분적으로 용융되는 재료에 의해 구성될 필요가 있지만, 예를 들어, 세라믹(실리카를 포함함), 석영, 각종 금속, 유기 폴리머(폴리에틸렌 라텍스의 폴리머 등)로 이루어지는 것이 바람직하다. 특히, 나노 입자(13)를 은으로 구성한 경우, 은은 살균 작용을 갖으므로, 여과용 필터(10)는 완전하게 살균된 상수나 담수를 제공할 수 있다.
또한, 여과용 필터(10)에 있어서, 나노 입자(13)의 크기는 3㎚ 내지 5㎚이므로, 제1 세라믹층(12)의 간극(16), 특히 표면에 존재하는 간극(16)으로 진입한다. 그 결과, 나노 입자층(14)의 일부가 제1 세라믹층(12)에 침투한다.
다음에, 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법에 대하여 설명한다.
우선, 다수의 세라믹 입자(11)를 소정의 형틀에 봉입하여 고온 하에서, 소정의 압력을 부하함으로써, 소결을 행하여 제1 세라믹층(12)을 얻는다. 이어서, 다수의 나노 입자(13)를 제1 세라믹층(12)의 표면을 덮도록 분무하여 간극 없이 분포시킨 후, 각 나노 입자(13)를 열처리에 의해 서로 용융 접합시켜 나노 입자층(14)을 얻는다.
이어서, 제1 세라믹층(12) 및 나노 입자층(14)이 적층된 적층체로부터 소정의 형상의 여과용 필터(10)를 잘라내어 본 처리를 종료한다.
본 실시 형태에 관한 여과용 필터(10)에 따르면, 다수의 세라믹 입자(11)의 소결 시, 각 세라믹 입자(11)의 일부를 파쇄하거나 하여 각 세라믹 입자(11) 사이의 접촉 면적을 크게 하므로, 각 세라믹 입자(11) 사이의 접합력을 높일 수 있고, 이로써, 제1 세라믹층(12)의 강성을 향상할 수 있다. 그 결과, 여과용 필터(10)의 강성을 확보할 수 있다.
또한, 입경이 3㎚ 내지 5㎚인 다수의 나노 입자(13)를 열처리에 의해 서로 용융 결합시켜서 나노 입자층(14)을 생성하므로, 각 나노 입자(13) 사이의 간극(17)의 대표 길이를 2㎚ 이하로 설정할 수 있고, 이에 의해, 직경이 2㎚인 관통 구멍을 여과용 필터(10)에 생성할 수 있다. 그 결과, 여과용 필터(10)를 사용하면, 상수나 담수의 정제에 증류법 등을 병용할 필요를 없앨 수 있고, 이로써, 상수나 담수를 손쉽게 얻을 수 있다.
또한, 여과용 필터(10)에 있어서, 나노 입자층(14)의 일부가 제1 세라믹층(12)에 부분적으로 침투하고 있으므로, 제1 세라믹층(12) 및 나노 입자층(14)의 결합력을 높일 수 있고, 이로써, 여과용 필터(10)에 있어서의 층간 박리의 발생을 방지할 수 있는 동시에, 여과용 필터(10) 전체의 강성을 향상할 수 있다.
상술한 여과용 필터(10)에서는, 나노 입자층(14)을 구성하는 각 나노 입자(13)는 진구 형상인 것을 전제로 하고, 그 입경은 3㎚ 내지 5㎚이었지만, 각 나노 입자층(14)은 진구 형상일 필요는 없고, 직사각형에 들어가는 형상, 예를 들어, 긴 직경이 5㎚ 이하이고 또한 짧은 직경이 3㎚ 이상인 타원 형상이여도 된다.
또한, 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법에 따르면, 다수의 세라믹 입자(11)를 서로 접합시켜서 제1 세라믹층(12)을 생성하고, 상기 생성된 제1 세라믹층(12)의 표면을 덮도록 다수의 나노 입자(13)를 분포시켜, 상기 분포된 다수의 나노 입자(13)를 열처리에 의해 서로 용융 결합시켜서 나노 입자층(14)을 생성하므로, 직경이 2㎚인 관통 구멍을 구비하는 여과용 필터(10)를 간편하게 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 여과용 필터 및 그 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 3은, 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 구성을 개략적으로 도시하는 부분 확대 단면도이다. 제2 실시 형태는, 제1 실시 형태에서 얻어진 세라믹층과 상기 세라믹층에 분사된 다수의 나노 입자(13)로 이루어지는 여과용 필터를 전구체로서 2개 사용하고, 서로의 나노 입자가 접촉하도록 상기 2개의 전구체를 접합함으로써 여과용 필터를 구성하는 점에서 제1 실시 형태와 상이하다. 따라서, 중복된 구성, 작용에 대해서는 설명을 생략하고, 이하에 다른 구성, 작용에 대한 설명을 행한다.
도 3에 있어서, 여과용 필터(20)는, 겹쳐진 2개의 제1 세라믹층(12)과, 상기 2개의 제1 세라믹층(12) 사이에 개재하는 나노 입자층(14)을 구비한다.
그런데, 제1 실시 형태에 관한 여과용 필터(10)에서는, 제1 세라믹층(12)에 비해 내마모성이 떨어지는 나노 입자층(14)이 노출되어 있으므로, 나노 입자층(14)을 구성하는 나노 입자(13)가 나노 입자층(14)으로부터 유출되어버릴 우려가 있다. 그러나, 제2 실시 형태에 관한 여과용 필터(20)에 따르면, 나노 입자층(14)을 2개의 제1 세라믹층(12)에 의해 끼우므로, 나노 입자층(14)이 노출되는 경우가 없어, 이에 의해, 나노 입자층(14)으로부터 나노 입자(13)가 유출될 우려는 없다.
본 실시 형태에 관한 여과용 필터(20)에 따르면, 다수의 세라믹 입자(11)를 소결시켜서 생성된 2개의 제1 세라믹층(12)에 나노 입자층(14)이 끼워져 있으므로, 여과용 필터(20)의 강성을 확보할 수 있다.
또한, 여과용 필터(20)에 있어서, 나노 입자(13)의 크기는 3㎚ 내지 5㎚이므로, 2개의 제1 세라믹층(12)의 간극(16), 특히 표면에 존재하는 간극(16)으로 진입한다. 그 결과, 나노 입자층(14)의 일부가 2개의 제1 세라믹층(12)의 각각에 침투한다.
도 4A 내지 도 4C는, 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다.
우선, 제1 실시 형태에 관한 여과용 필터(10)와 마찬가지로, 제1 세라믹층(12)을 형성하고(세라믹층 생성 스텝), 또한, 다수의 나노 입자(13)를 제1 세라믹층(12)의 표면을 덮도록 분사하여 간극 없이 분포시킨다. 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법에서는, 제1 세라믹층(12)에 다수의 나노 입자(13)가 분사된 상태인 것을, 여과 필터 전구체(19)로 하여, 상기 여과 필터 전구체(19)를 2개 준비한다(도 4A)(여과 필터 전구체 형성 스텝).
이어서, 2개의 여과 필터 전구체(19)를, 서로 분사된 다수의 나노 입자(13)끼리가 접촉되도록 접합하고(도 4B), 그 후, 맞대어진 2개의 여과 필터 전구체(19)를 400℃ 내지 1000℃의 고온에서 열처리함으로써, 서로 접촉하는 다수의 나노 입자(13)를 용융 접합시켜 나노 입자층(14)을 얻는다(나노 입자층 생성 스텝).
이어서, 2개의 제1 세라믹층(12) 및 나노 입자층(14)이 적층된 적층체로부터 소정의 형상의 여과용 필터(20)를 잘라내어 본 처리를 종료한다.
본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법에 따르면, 다수의 나노 입자(13)를 열처리에 의해 서로 용융 결합시켜서 나노 입자층(14)을 생성하므로, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 각 나노 입자(13) 사이의 간극(17)의 크기의 제어가 용이하여, 직경이 2㎚인 관통 구멍을 구비하는 여과용 필터(20)를 간편하게 얻을 수 있다.
또한, 도 4A 내지 도 4C의 제조 방법에서는, 2개의 여과 필터 전구체(19)를, 서로 분사된 다수의 나노 입자(13)끼리 접촉하도록 접합했지만, 한쪽의 여과 필터 전구체(19)의 나노 입자(13)가 분사된 면에 다른 쪽의 여과 필터 전구체(19)의 나노 입자(13)가 분사되어 있지 않는 면을 접합하고, 그 후, 열처리를 행함으로써 제1 세라믹층(12) 및 나노 입자층(14)이 적층된 적층체를 얻어도 된다. 이 방법에 따르면, 여과 필터 전구체(19)의 부착을 반복함으로써, 제1 세라믹층(12) 및 나노 입자층(14)의 적층수에 제한을 두는 일 없이, 제1 세라믹층(12) 및 나노 입자층(14)을 교대로 적층할 수 있고, 이로써, 3층 이상의 제1 세라믹층(12) 및 2층 이상의 나노 입자층(14)을 구비하는 여과용 필터를 용이하게 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 여과용 필터 및 그 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 제3 실시 형태에 관한 여과용 필터는, 제2 실시 형태에 관한 여과용 필터(20)와 동일한 구성을 갖지만, 2개의 세라믹층 및 나노 입자층이 순차 적층되어서 형성되어 가는 점에서 제2 실시 형태에 관한 여과용 필터(20)와 상이하다. 따라서, 중복된 구성, 작용에 대해서는 설명을 생략하고, 이하에 다른 구성, 작용에 대한 설명을 행한다.
도 5는, 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 구성을 개략적으로 도시하는 부분 확대 단면도이다.
도 5에 있어서, 여과용 필터(21)는, 제1 세라믹층(12)과, 상기 제1 세라믹층(12) 상에 형성된 나노 입자층(14)과, 상기 나노 입자층(14)을 사이에 두고 제1 세라믹층(12)과 대향하는 제2 세라믹층(15)을 구비한다.
본 실시 형태에 관한 여과용 필터(21)에 따르면, 제1 세라믹층(12) 및 제2 세라믹층(15)에 나노 입자층(14)이 끼워지므로, 여과용 필터(21)의 강성을 확보할 수 있는 동시에, 나노 입자층(14)으로부터 나노 입자(13)가 유출될 우려를 없앨 수 있다.
또한, 여과용 필터(21)에 있어서, 나노 입자(13)의 크기는 3㎚ 내지 5㎚이므로, 제1 세라믹층(12)이나 제2 세라믹층(15)의 간극(16), 특히 표면에 존재하는 간극(16)으로 진입한다. 그 결과, 나노 입자층(14)의 일부가 제1 세라믹층(12)이나 제2 세라믹층(15)의 각각에 침투된다. 이에 의해, 제1 세라믹층(12) 및 나노 입자층(14), 및 제2 세라믹층(15) 및 나노 입자층(14)의 결합력을 높일 수 있고, 이로써, 여과용 필터(10)에 있어서의 층간 박리의 발생을 방지할 수 있는 동시에, 여과용 필터(10) 전체의 강성을 향상할 수 있다.
도 6A 내지 도 6C는, 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다.
우선, 다수의 세라믹 입자(11)를 소정의 형틀에 봉입하여 고온 하에서, 소정의 압력을 부하함으로써, 소결을 행하여 제1 세라믹층(12)을 얻는다(도 6A)(제1 세라믹층 생성 스텝). 이어서, 다수의 나노 입자(13)를 제1 세라믹층(12)의 표면을 덮도록 분무하여 간극 없이 분포시킨(나노 입자 분포 스텝)후, 각 나노 입자(13)를 열처리에 의해 서로 용융 접합시켜 나노 입자층(14)을 얻는다(도 6B)(나노 입자층 생성 스텝).
이어서, 다수의 세라믹 입자(11)를 나노 입자층(14)의 표면을 덮도록 골고루 분포시킨 후, 고온 하에서, 소정의 압력을 부하함으로써, 소결을 행하여 제2 세라믹층(15)을 얻는다(도 6C). 단, 이때, 상기 소정의 압력은 나노 입자층(14)을 구성하는 나노 입자(13)를 파쇄하지 않는 값으로 설정할 필요가 있고, 예를 들어, 제1 세라믹층(12)의 형성시에 있어서의 값보다도 낮은 값인 것이 바람직하다.
이어서, 제1 세라믹층(12), 나노 입자층(14) 및 제2 세라믹층(15)이 적층된 적층체로부터 소정의 형상의 여과용 필터(21)를 잘라내어 본 처리를 종료한다.
본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법에 따르면, 입경이 3㎚ 내지 5㎚인 다수의 나노 입자(13)를 열처리에 의해 서로 용융 결합시켜서 나노 입자층(14)을 생성하므로, 각 나노 입자(13) 사이의 간극(17)의 대표 길이를 2㎚ 이하로 설정할 수 있고, 이에 의해, 직경이 2㎚인 관통 구멍을 여과용 필터(21)에 생성할 수 있다. 그 결과, 여과용 필터(21)를 사용하면, 상수나 담수의 정제에 증류법 등을 병용하는 필요를 없앨 수 있고, 이로써, 상수나 담수를 손쉽게 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 여과용 필터 및 그 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 실시 형태는, 나노 입자층(14)이나 제2 세라믹층(15)을 복수 구비하는 점에서 제3 실시 형태와 상이할 뿐이며, 그 구성, 작용이 상술한 제3 실시 형태와 기본적으로 동일하므로, 중복된 구성, 작용에 대해서는 설명을 생략하고, 이하에 다른 구성, 작용에 대한 설명을 행한다.
도 7은, 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 구성을 개략적으로 도시하는 부분 확대 단면도이다.
도 7에 있어서, 여과용 필터(30)에서는, 도면 중 최하층에 배치된 제1 세라믹층(12) 상에 있어서 나노 입자층(14) 및 제2 세라믹층(15)이 교대로 반복하여 적층된다(도면 중에서는 2개의 나노 입자층(14) 및 2개의 제2 세라믹층(15)이 적층되어 있음). 즉, 하방의 나노 입자층(14)은 제1 세라믹층(12) 및 하방의 제2 세라믹층(15)에 끼워지고, 상방의 나노 입자층(14)은 하방의 제2 세라믹층(15) 및 상방의 제2 세라믹층(15)에 끼워져 있다. 또한, 하방의 나노 입자층(14)의 일부가 제1 세라믹층(12)이나 제2 세라믹층(15)에 침투하고, 상방의 나노 입자층(14)의 일부가 하방의 제2 세라믹층(15)이나 상방의 제2 세라믹층(15)에 침투하고 있다.
도 8A 내지 도 8E는, 본 실시 형태에 관한 여과용 필터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다.
도 8A 내지 도 8E에 있어서, 우선, 다수의 세라믹 입자(11)를 소정의 형틀에 봉입하여 고온 하에서, 소정의 압력을 부하함으로써, 소결을 행하여 제1 세라믹층(12)을 얻는다(도 8A)(제1 세라믹층 생성 스텝). 이어서, 다수의 나노 입자(13)를 제1 세라믹층(12)의 표면을 덮도록 분무하여 간극 없이 분포시킨(나노 입자 분포 스텝)후, 각 나노 입자(13)를 열처리에 의해 서로 용융 접합시켜 하방의 나노 입자층(14)을 얻는다(도 8B)(나노 입자층 생성 스텝).
이어서, 다수의 세라믹 입자(11)를 하방의 나노 입자층(14)의 표면을 덮도록 완전히 분포시킨 후, 고온 하에서, 소정의 압력을 부하함으로써, 소결을 행하여 하방의 제2 세라믹층(15)을 얻는다(도 8C)(제2 세라믹층 생성 스텝).
이어서, 다수의 나노 입자(13)를 하방의 제2 세라믹층(15)의 표면을 덮도록 분무하여 간극 없이 분포시킨(나노 입자 분포 스텝)후, 각 나노 입자(13)를 열처리에 의해 서로 용융 접합시켜 상방의 나노 입자층(14)을 얻고(도 8D)(나노 입자층 생성 스텝), 또한, 다수의 세라믹 입자(11)를 상방의 나노 입자층(14)의 표면을 덮도록 골고루 분포시킨 후, 고온 하에서, 소정의 압력을 부하함으로써, 소결을 행하여 상방의 제2 세라믹층(15)을 얻는다(도 8E)(제2 세라믹층 생성 스텝).
이어서, 제1 세라믹층(12), 각 나노 입자층(14) 및 각 제2 세라믹층(15)이 적층된 적층체로부터 소정의 형상의 여과용 필터(10)를 잘라내어 본 처리를 종료한다.
본 실시 형태에 관한 여과용 필터(30)에 따르면, 여과용 필터(30)는 1개의 제1 세라믹층(12) 및 2개의 제2 세라믹층(15), 즉 3개 이상의 세라믹층(12, 15)을 구비하므로, 여과용 필터(30)의 강성을 보다 확실하게 확보할 수 있다. 또한, 3개 이상의 세라믹층(12, 15) 중, 인접하는 2개의 세라믹층 사이에는 나노 입자층(14)이 개재되므로, 결과적으로 여과용 필터(30)에는 복수의 나노 입자층(14)이 존재하고, 그 결과, 여과용 필터(30)의 필터링 능력이 높아져, 보다 확실하게 상수나 담수를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 여과용 필터(30)의 제조 방법에 따르면, 제1 세라믹층(12)을 생성한 후, 나노 입자층(14)의 생성 및 제2 세라믹층(15)의 생성을 이 순서대로 2회 정도 반복하므로, 용이하게 복수의 세라믹층(12, 15) 및 복수의 나노 입자층(14)이 적층된 여과용 필터(30)를 얻을 수 있다.
상술한 여과용 필터(30)에서는, 2개의 나노 입자층(14) 및 2개의 제2 세라믹층(15)이 배치되었지만, 나노 입자층(14) 및 제2 세라믹층(15)의 배치수는 동일한 수이면 「2」에 한정되지 않고, 여과용 필터(30)의 사용 목적에 따라서 나노 입자층(14) 및 제2 세라믹층(15)의 배치수를 증감해도 된다.
상술한 각 실시 형태에 있어서의 여과용 필터는, 일정 시간 이상, 상수나 담수의 정제에 제공되면 트랩된 오염 물질이나 염분에 의해 막힘을 일으켜서 상수나 담수의 정제 효율이 저하된다. 따라서, 가압된 약액을 여과용 필터로 흘림으로써, 트랩된 오염 물질이나 염분을 제거하여 여과용 필터를 재생할 필요가 있지만, 각 실시 형태에 있어서의 여과용 필터는 실리카 등의 비교적 경질(硬質)의 부재에 의해 구성되므로, 가압된 약액을 흘려도 여과용 필터가 파손, 소모되는 경우가 거의 없다. 즉, 상술한 각 실시 형태에 있어서의 여과용 필터는 재생 가능하다.
또한, 여과 시에 하수나 해수를 흘리는 방향과는 역방향으로부터 가압된 약액을 흘려 트랩된 오염 물질 등을 제거해도 된다. 이 경우도, 여과용 필터가 경질의 재질로 구성되어 있으므로, 여과용 필터는 비교적 높은 압력에도 견디어, 효율적인 오염 물질 등의 제거를 행할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 각 실시 형태에 있어서의 여과용 필터는 소결된 세라믹으로 이루어지는 비교적 경질의 층을 구성에 포함하므로, PVD나 CVD를 이용하여 은 등의 살균, 항균 작용이 있는 금속으로 코팅할 수 있어, 보다 청정한 상수나 담수의 정제에 기여할 수 있다. 여기서, 여과용 필터를 산화티탄으로 코팅하고, 상수나 담수의 정제시에 자외선을 조사시킴으로써 광촉매 작용에 의한 강력한 멸균 효과를 얻을 수 있고, 이로써, 상수나 담수의 멸균을 확실하게 행할 수 있다.
이상, 본 발명에 대해서, 상기 각 실시 형태를 사용하여 설명했지만, 본 발명은 상기 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.
10, 20, 21, 30 : 여과용 필터
11 : 세라믹 입자
12 : 제1 세라믹층
13 : 나노 입자
14 : 나노 입자층
15 : 제2 세라믹층
16, 17 : 간극
19 : 여과 필터 전구체
11 : 세라믹 입자
12 : 제1 세라믹층
13 : 나노 입자
14 : 나노 입자층
15 : 제2 세라믹층
16, 17 : 간극
19 : 여과 필터 전구체
Claims (7)
- 금속 산화물을 주성분으로 하는 다수의 세라믹 입자를 소결시켜서 생성되고, 각 상기 세라믹 입자 사이의 간극이 50㎚ 내지 500㎚로 조정된 적어도 2개의 세라믹층과,
입경이 3㎚ 내지 5㎚인 다수의 나노 입자를 열처리에 의해 서로 용융 결합시켜서 생성되어, 인접하는 2개의 상기 세라믹층에 끼워진 나노 입자층을 구비하는 것을 특징으로 하는, 여과용 필터. - 제1항에 있어서, 상기 나노 입자층의 일부가 상기 세라믹스층에 부분적으로 침투한 것을 특징으로 하는, 여과용 필터.
- 제1항에 있어서, 각 상기 나노 입자는 긴 직경이 5㎚ 이하이고 또한 짧은 직경이 3㎚ 이상인 것을 특징으로 하는, 여과용 필터.
- 제1항에 있어서, 3개 이상의 상기 세라믹층을 구비하고,
상기 3개 이상의 세라믹층 중, 인접하는 2개의 상기 세라믹층의 사이에는 상기 나노 입자층이 개재되는 것을 특징으로 하는, 여과용 필터. - 금속 산화물을 주성분으로 하는 다수의 세라믹 입자를 서로 접합시키고, 또한 각 상기 세라믹 입자 사이의 간극을 50㎚ 내지 500㎚로 조정하여 제1 세라믹층을 생성하는 제1 세라믹층 생성 스텝과,
상기 생성된 제1 세라믹층의 표면을 덮도록 입경이 3㎚ 내지 5㎚인 다수의 나노 입자를 분포시키는 나노 입자 분포 스텝과,
상기 분포된 다수의 나노 입자를 열처리에 의해 서로 용융 결합시켜서 나노 입자층을 생성하는 나노 입자층 생성 스텝과,
상기 생성된 나노 입자층의 표면을 덮도록 다수의 상기 세라믹 입자를 분포시켜, 상기 분포된 다수의 세라믹 입자를 서로 접합시키고, 또한 각 상기 세라믹 입자 사이의 간극을 50㎚ 내지 500㎚로 조정하여 제2 세라믹층을 생성하는 제2 세라믹층 생성 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는, 여과용 필터의 제조 방법. - 제5항에 있어서, 상기 나노 입자 분포 스텝에서는, 상기 생성된 제2 세라믹층의 표면을 덮도록 입경이 3㎚ 내지 5㎚인 다수의 나노 입자를 분포시키고,
상기 제1 세라믹층 생성 스텝 후, 상기 나노 입자 분포 스텝, 상기 나노 입자층 생성 스텝 및 제2 세라믹층 생성 스텝을 이 순서대로 소정의 횟수 만큼 반복하는 것을 특징으로 하는, 여과용 필터의 제조 방법. - 금속 산화물을 주성분으로 하는 다수의 세라믹 입자를 서로 접합시키고, 또한 각 상기 세라믹 입자 사이의 간극을 50㎚ 내지 500㎚로 조정하여 세라믹층을 생성하는 세라믹층 생성 스텝과,
상기 생성된 세라믹층의 표면을 덮도록 입경이 3㎚ 내지 5㎚인 다수의 나노 입자를 분포시켜 여과 필터 전구체를 형성하는 여과 필터 전구체 형성 스텝과,
상기 여과 필터 전구체 형성 스텝에 있어서 형성된 2개의 상기 여과 필터 전구체를, 상기 다수의 나노 입자가 분포되는 면끼리가 접촉하도록 접합하여, 상기 분포된 다수의 나노 입자를 열처리에 의해 서로 용융 결합시켜서 1개의 나노 입자층을 생성하는 나노 입자층 생성 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는, 여과용 필터의 제조 방법.
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