KR20150122282A - 여과 필터 및 여과 필터 카트리지 - Google Patents

여과 필터 및 여과 필터 카트리지 Download PDF

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KR20150122282A
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filter
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박종필
김용도
송수용
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삼성전기주식회사
주식회사 청수테크노필
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Abstract

본 발명의 은 정밀 여과 필터 및 정밀 여과 필터 카트리지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부직포 층 및 부직포 층의 일 면에 배치되며 폴리비닐리덴프로라이드(PVDF) 나노 섬유를 포함하는 제1 여과층을 포함하는 여과 필터 및 여과 필터 카트리지를 제시한다.

Description

여과 필터 및 여과 필터 카트리지 {MICROFILTRATION FILTER AND MICROFILTRATION FILTER CARTRIDGE}
본 발명은 여과 필터 및 여과 필터 카트리지에 관한 것이다.
정밀 여과 분야의 필터 소재는 고분자 분리막, 기타 부직포, 유리섬유(glass fiber) 여과재 등이 사용되는데, 향상된 정밀여과에 사용하기에는 한계가 있다. 고분자 분리막의 경우 가격이 고가이며, 처리대상물질이 고점도, 고농도의 경우 필터링 시 즉각적으로 막힘 현상이 발생하는 단점이 있다. 유리 섬유는 제거성능이 탁월한 소재로 알려져 있으나, 유리의 특성상 깨지는 위험을 동반하고 있다.
또한, 마이크로 섬유(micro fiber)를 포함하는 여과재에는 필터로 가공하기 전 기공이 형성 된다. 상기 기공을 1㎛ 이하로 가공하기 위해 과도한 캘린더링 가공을 할 경우 기공 막힘 현상이 발생한다.
한국 공개 특허 제1999-0071608호
본 발명의 일 실시 예의 목적은 정밀 여과 분야에 있어서 경제성과 효율성을 갖는 여과 필터 및 여과 필터 카트리지를 제안하는 것이다.
본 발명의 일 실시 형태의 여과 필터는, 폴리비닐리덴프로라이드(PVDF) 나노 섬유를 포함하는 제1 여과층이 부직포 층의 일면에 배치될 수 있다.
또한, 상기 부직포 층 및 제1 여과층 중 적어도 어느 하나의 일면에 배치되는 와이어 메쉬를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 여과 필터는 상기 부직포 층 및 상기 제1 여과층 중 적어도 어느 하나의 층의 일 면에 배치되고 아세테이트 셀룰로오스계를 포함하는 제2 여과층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태의 필터 카트리지는 상기 여과 필터와 필터 케이스를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르는 여과 필터 및 여과 필터 카트리지에 의하면, 정밀 여과 분야에 있어서 경제성과 효율성을 향상 시킬 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 여과 필터의 부분 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 여과 필터의 단면도이다.
도 3는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 여과 필터의 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 여과 필터의 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 제5 실시 형태에 따른 여과 필터의 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 제6 실시 형태에 따른 여과 필터 카트리지의 사시도이다.
도 5b는 도 5a의 실시 형태에 따른 여과 필터 카트리지의 분해 사시도이다.
도 6은 도 5a의 실시 형태에 따른 여과 필터 카트리지의 단면도이다.
도 7a는 본 발명의 제7 실시 형태에 따른 여과 필터 카트리지의 내부 구조를 나타내는 분해 사시도이다.
도 7b는 본 발명의 제8 실시 형태에 따른 여과 필터 카트리지의 내부 구조를 나타내는 분해 사시도이다.
도 7c는 도 7b의 실시 형태에 따른 여과 필터 카트리지의 내부 구조의 단면도이다.
도 8a은 본 발명의 제9 실시 형태에 따른 여과 필터의 사시도 이다.
도 8b은 본 발명의 제10 실시 형태에 따른 여과 필터의 사시도 이다.
이하, 구체적인 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
여과 필터
도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 여과 필터(100)의 부분 절개 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 여과 필터(100)는 부직포 층(110) 및 제1 여과층(120)을 포함한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 여과 필터의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 여과 필터(100)는 부직포 층(110) 및 부직포 층(110)의 일 면에 배치되는 폴리비닐리덴프로라이드(PVDF: Polyvinylidene fluoride) 나노 섬유를 포함하는 제1 여과층(120)을 포함한다.
부직포 층(110)은 폴리프로필렌를 포함할 수 있다. 상기 부직포 층(110)에 사용되는 폴리프로필렌은 화학적으로 안정되고, 인장강도가 매우 높고 2 ∼ 2.5 kgf/㎠ 정도의 여과압력에 조직 파괴현상이 발생하지 않는다.
부직포 층(110)은 멜트브라운(Melt brown) 부직포를 포함할 수 있다. 멜트브라운 부직포는 단계적 여과를 수행한다. 멜트브라운 부직포가 여과 가능한 입자를 우선적으로 여과하여 제1 여과층(120)이 받는 충격을 감소시킨다.
부직포 층(110)의 두께는 효율적인 여과를 위하여 2mm이하일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 부직포 층(110)의 두께를 2mm 보다 얇게 하여 여과 대상 물질의 유동거리가 여과에 필요한 정도 이상으로 길어지는 것을 방지할 수 있다. 여과 대상 물질의 유동거리가 커질수록 부직포 층(100)에서 여과 대상 물질의 압력 강하가 커지고 제1 여과층(120)에서 여과 대상 물질의 압력이 여과에 필요한 압력 이하로 감소하기 때문에 여과 효율이 감소하게 된다.
부직포 층(110)의 기공의 크기는 미세한 여과 대상 물질을 여과하기 위하여 3㎛ 이하일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 부직포 층(110)의 기공의 크기가 3㎛ 보다 크면 부직포 층(110)에서 큰 입자를 차단하지 못하여 제1 여과층(120)이 받는 충격이 크고 제1 여과층(120)의 기공이 쉽게 막혀 필터의 수명이 짧아 질 수 있다.
제1 여과층(120)은 폴리비닐리덴프로라이드(PVDF) 나노 섬유를 포함한다. 폴리비닐리덴프로라이드(PVDF) 나노 섬유는 3차원의 네트워크로 용착되어 적층된 형태의 다공성 나노웹(Nano Web)을 포함한다. 제1 여과층(120)은 다공성 나노웹을 포함함으로써 초박막, 초경량, 부피 대비 높은 표면적비, 높은 기공도를 가진다. 또한 폴리비닐리덴프로라이드(PVDF) 나노 섬유는 미세섬유가 두꺼운 층으로 구성되어 있기 때문에 캘린더링 가공조건을 약하게 하여도 우수한 제거효율성능을 가질 수 있다.
폴리비닐리덴프로라이드(PVDF) 나노 섬유는 일반적으로 필터에 사용되는 마이크로 섬유에 비하여 섬유 굵기가 가늘고 일정한 굵기로 되어 있다. 마이크로 섬유의 기공은 0.2~1.5㎛ 범위에 분포되어 있어 기공 분포가 넓다. 반면, 폴리비닐리덴프로라이드(PVDF) 나노 섬유는 기공은 보다 좁은 범위인 0.5~0.6㎛ 범위에 분포되어 있어 우수한 정밀 여과 효과를 가질 수 있다.
제1 여과층(120)에 사용되는 폴리비닐리덴프로라이드 (PVDF) 나노 섬유는 지름이 수십에서 수백 나노미터인 초극세실일 수 있다. 폴리비닐리덴프로라이드 (PVDF) 나노 섬유는 전기방사(Electrospinning) 방법으로 제조할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 여과층(120)의 두께는 효율적인 여과를 위하여 0.01 내지 1mm일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 제1 여과층(120)의 두께를 0.01mm 보다 두껍게 할 경우 여과 대상 물질이 제1 여과층(120)을 통과하는 유동거리가 길어지므로 여과 대상 물질과의 제1 여과층(120)의 접촉면적이 넓어져 보다 효율적인 여과가 가능하다. 제1 여과층(120)의 두께를 1mm 보다 얇게 하여 여과 대상 물질의 유동거리가 여과에 필요한 정도 이상으로 길어지는 것을 방지할 수 있다. 여과 대상 물질의 유동거리가 커질수록 제1 여과층(120)에서 여과 대상 물질의 압력 강하가 커지기 때문에 여과 효율이 감소하게 된다.
제1 여과층(120)의 기공의 크기는 미세한 여과 대상 물질을 여과하기 위하여 2㎛ 이하일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 제1 여과층(120)의 기공의 크기가 2㎛ 보다 크면 제1 여과층(120)에서 큰 입자를 차단하지 못하여 다음 단계의 여과층이 받는 충격이 크고 제2 여과층(130)의 기공이 쉽게 막혀 필터의 수명이 짧아 질 수 있다.
부직포 층(110)과 제1 여과층(120)을 적절히 배치하여 각 층에서 여과 대상 물질의 입자를 입자의 크기에 따라 선택적으로 여과할 수 있다. 이를 통하여 제1 여과층(120)에서 더 높은 여과 효율을 가질 수 있고, 필터의 수명을 늘릴 수 있다.
부직포 층(110)에서 먼저 여과 대상 물질을 여과한 다음 제1 여과 층에서 여과할 수 있지만, 여과 순서가 이에 한정되는 것은 아니며 필터 공정 특성에 따라 다양하게 부직포 층(110)과 제1 여과층(120)을 배치시킬 수 있다.
도 2에 따르면 부직포 층(110) 상에 제1 여과층(120)이 적층된다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 필터 공정의 특성에 따라 다양한 형태와 배치를 가질 수 있다. 또한, 부직포 층(110) 및 제1 여과층(120)이 복수로 배치될 수 있다.
도 3는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 여과 필터의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 여과 필터(100)는 폴리프로필렌(P.P: Polypropylene)을 포함하는 부직포 층(110), 부직포 층(110)의 일 면에 배치되는 폴리비닐리덴프로라이드(PVDF) 나노 섬유를 포함하는 제1 여과층(120) 및 부직포 층(110) 및 제1 여과층(120) 중 적어도 어느 하나의 층의 일면에 배치하는 와이어 메쉬(Wire mesh)(140)를 더 포함한다.
와이어 메쉬(140)는 여과 대상 물질과 여과재 사이에 공간을 확보하여 유로를 형성한다. 또한 높은 압력으로부터 소재의 손상에 완충역할(Cushion)을 하고 궁극적으로 유로 폐쇄를 막고, 처리대상 용액을 고르게 분포하는 역할한다.
와이어 메쉬(140)는 금속, 나일론, 플라스틱 등 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 여과 대상 물질의 종류를 고려하여 선택될 수 있고, 이에 한정 되지 않는다. 와이어 메쉬(140)는 미세망을 포함할 수 있다. 미세망의 크기는 특정 크기 이상의 침전물을 포획하도록 만들어 질 수 있고, 필터 공정의 특성에 따라 침전물을 포획하지 않도록 적절한 크기로 구성될 수 있다.
도 3에 따르면 와이어 메쉬(140)는 부직포 층(110)의 아래에 배치되지만, 이에 한정하는 것은 아니며 필터 공정의 특성에 따라 부직포 층(110) 및 제1 여과층(120) 사이에 배치하거나 최상부에 배치할 수 있다. 또한 복수의 와이어 메쉬(140)가 배치될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 여과 필터의 단면도이고, 도 4b는 본 발명의 제5 실시 형태에 따른 여과 필터의 단면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 여과 필터(100)는 셀룰로오스 아세테이트(Cellouse actate) 계를 포함하는 제2 여과층(130)을 더 포함한다.
도 4a 및 4b에 따르면 제2 여과층(130)는 제1 여과층(120)의 상면에 배치되고, 또는 부직포 층(110)과 제1 여과층(120) 사이에 배치되지만, 이에 한정하는 것은 아니며 필터 공정의 특성에 따라 부직포 층(110) 및 와이어 메쉬(140) 사이에 배치할 수 있다. 또한 복수의 제2 여과층(130)이 배치될 수 있다.
셀룰로오스 아세테이트는 기체투과성이 우수하고, 성형이 용이하다. 또한, 셀룰로오스는 직선형 사슬 고분자 물질로서, 글리코오스들이 수평방향으로 배치되어 뻣뻣한 막대같은 입체구조이다. 한 사슬의 글루코오스 하이드록실기는 다른 사슬의 글루코오스의 하이드록실기와 수소결합 형태로 있기 때문에 고압력에도 견딜 수 있다. 이와 같은 특징에 의해 고점도, 고농도 용액의 여과에 적용 가능하고, 거대입자의 이물질 및 부유물질 여과 시 폴리비닐리덴프로라이드(PVDF) 나노 섬유가 받는 여과충격을 감소하는 역할을 한다.
제2 여과층(130)의 두께는 효율적인 여과를 위하여 1㎛ 이하 일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 제2 여과층(130)의 두께를 1㎛ 보다 두껍게 할 경우 여과 대상 물질이 제2 여과층(130)을 통과하는 유동거리가 길어지므로 여과 대상 물질과의 제2 여과층(130)의 접촉면적이 넓어져 보다 효율적인 여과가 가능하다.
제2 여과층(130)의 기공의 크기는 미세한 여과 대상 물질을 여과하기 위하여 5㎛ 이하일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 제2 여과층(130)의 기공의 크기가 5㎛ 보다 크면 제2 여과층(130)에서 큰 입자를 차단하지 못하여 다음 단계의 여과층, 예를 들면 제 1여과층(120)이 받는 충격이 크고 제1 여과층(120)의 기공이 쉽게 막혀 필터의 수명이 짧아 질 수 있다.
부직포 층(110)과 제1 및 제2 여과층(130)을 적절히 배치하여 각 층에서 여과 대상 물질의 입자를 선택적으로 여과할 수 있다. 이를 통하여 제1 및 제2 여과층(130)에서 여과 효율을 높이고, 필터의 수명을 늘릴 수 있다.
여과 필터 카트리지
도 5a는 본 발명의 제8 실시 형태에 따른 여과 필터 카트리지의 사시도이고, 도 5b는 도 5a의 실시 형태에 따른 여과 필터 카트리지의 분해 사시도이며, 도 6은 도 5a의 실시 형태에 따른 여과 필터 카트리지의 단면도이다.
도 5a, 도 5b 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 여과 필터 카트리지(200)는, 부직포 층(110) 및 부직포 층(110)의 일 면에 배치되며 폴리비닐리덴프로라이드(PVDF) 나노 섬유를 포함하는 제1 여과층(120)을 포함하는 여과 필터(100), 상기 여과 필터를 내부에 배치하고, 여과 대상 물질이 상기 여과 필터를 통해 여과되도록 이동통로를 구비하는 필터 케이스를 포함한다.
도 5a에 따르면 필터 케이스는 바디(body)(201) 및 캡(cap)(202)을 포함한다. 필터 케이스는 적어도 하나의 이동 통로를 가질 수 있는데, 도 5a에는 이동 통로의 예로 유입구(203) 또는 배출구(204)를 도시하고 있다. 유입구(203)를 통하여 외부로부터 여과 대상 물질이 필터 카트리지 내부로 유입되고, 여과된 여과 대상 물질이 배출구(204)를 통하여 외부로 배출된다. 이동 통로의 형상 또는 배치는 필터 공정의 특성에 따라 다양한 형상 및 배치를 가질 수 있으며 이에 한정하는 것은 아니다.
도 5a에 따르면, 필터 케이스는 여과 필터(100)가 내부에 배치되는 바디(201)및 여과 필터(100)를 분리할 수 있도록 뚜껑 역할을 하는 캡(202)을 포함한다. 이동 통로는 필터 케이스의 바디(201) 또는 캡(202) 중 적어도 어느 하나에 배치할 수 있다. 바디(201) 및 캡(202)의 형상 또는 배치는 필터 공정의 특성에 따라 다양한 형상 및 배치를 가질 수 있으며 이에 한정하는 것은 아니다.
도 7a는 본 발명의 제9 실시 형태에 따른 여과 필터 카트리지의 내부 구조를 나타내는 분해 사시도이다.
도 7a에 따르면 필터 케이스는 내부에 여과 필터(100)의 외주면을 감싸는 제1 케이지(210)를 포함한다.
제1 케이지(210)는 필터 케이스의 내부에 배치되며 내부가 빈 원통 형상을 가지고, 케이지 측벽에는 통공을 구비하여 용액이 투과된다. 유입구(203)를 통하여 필터 카트리지 내부로 유입된 여과 대상 물질은 제1 케이지(210) 의 측벽 통공을 통해 여과 필터(100)로 유입되고 여과 필터(100)를 거쳐 여과된 후 배출구(204)를 통해 필터 카트리지 외부로 배출된다. 이와 반대로, 유입구(203)를 통하여 유입된 여과 대상 물질은 여과 필터(100)를 거쳐 제1 케이지(210)의 통공을 통해 제1 케이지(210)의 외부로 유출된 후 배출구(204)를 통해 배출될 수 있다.
도 7b는 본 발명의 제10 실시 형태에 따른 여과 필터 카트리지의 내부 구조를 나타내는 분해 사시도이고, 도 7c는 도 7b의 실시 형태에 따른 여과 필터 카트리지의 내부 구조의 단면도이다.
도 7b에 따르면, 필터 케이스는 내부에 여과 필터(100)의 외주면을 감싸는 제1 케이지(210)와 여과 필터(100)의 내주면을 감싸는 제2 케이지(220)를 더 포함한다.
제2 케이지(220)는 필터 케이스의 내부에 배치되며 내부가 빈 원통 형상을 가지고, 케이지 측벽에는 통공을 구비하여 용액이 투과된다. 유입구(203)를 통하여 필터 카트리지 내부로 유입된 여과 대상 물질은 제1 케이지(210) 의 측벽 통공과 여과 필터(100)를 거쳐 제2 케이지(220) 내부로 유입되면서 여과된 후 배출구(204)를 통해 필터 카트리지 외부로 배출된다. 이와 반대로, 유입구(203)를 통하여 유입된 여과 대상 물질은 제2 케이지(220) 측벽의 통공과 여과 필터(100)를 거쳐 제1 케이지(210) 외부로 유입되면서 여과된 후 배출구(204)를 통해 배출될 수 있다.
제1 및 제2 케이지(220)의 형상 및 배치는 이에 한정되지 않고 필터 공정의 특성에 따라 다양한 형상 및 배치가 가능하다.
도 8a는 본 발명의 제9 실시 형태에 따른 여과 필터 카트리지(200)에 포함되는 여과 필터의 사시도 이고, 도 8b는 본 발명의 제10 실시 형태에 따른 여과 필터 카트리지(200)에 포함되는 여과 필터의 사시도 이다.
본 발명의 실시 예에 따른 여과 필터 카트리지(200)에 포함되는 여과 필터(100)는 도 1에 나타난 바와 같이 원통 형상을 가질 수 있고, 도 8a와 같이 권취 형상일 수 있으며, 도 8b와 같이 지그재그로 연결되는 주름 형상일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 필터 공정의 특성에 따라 판형, 적층형 등 다양한 형태일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 여과 필터(100) 및 여과 필터 카트리지(200)는, 다양한 산업 분야에 사용될 수 있다. CMP 공정 등의 반도체 제조 공정, MLCC 제조 등의 전자 부품 제조 공정, 식음료 제조 공정, 의약품 제조 공정에 사용될 수 있다. 또한 1㎛이하의 고형입자 제거에 사용할 수 있고, 세라믹, 금속, 금속 산화물 재료, 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료의 여과에 사용할 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다.
100: 여과 필터 110: 부직포 층
120: 제1 여과층 130: 제2 여과층
140: 와이어 메쉬 200: 여과 필터 카트리지
201: 바디 202: 캡
203: 유입구 204: 배출구
210: 제1 케이지 220: 제2 케이지

Claims (15)

  1. 부직포 층; 및
    상기 부직포 층의 일 면에 배치되며 폴리비닐리덴프로라이드(PVDF) 나노 섬유를 포함하는 제1 여과층; 을 포함하는 여과 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부직포 층은 폴리프로필렌(P.P)을 포함하는 여과 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부직포 층은 멜트 브라운 부직포 층인 여과 필터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 부직포 층 및 제1 여과층 중 적어도 어느 하나의 일면에 배치되는 와이어 메쉬; 를 더 포함하는 여과 필터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 부직포 층의 두께는 2mm이하인 여과 필터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 부직포 층의 기공의 크기는 3㎛ 이하인 여과 필터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 여과층의 두께는 0.01 내지 1mm인 여과 필터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 여과층의 기공의 크기는 2㎛ 이하인 여과 필터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 부직포 층 및 상기 제1 여과층 중 적어도 어느 하나의 층의 일 면에 배치되고 아세테이트 셀룰로오스계를 포함하는 제2 여과층; 을 더 포함하는 여과 필터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 여과층의 두께는 1㎛ 이하인 여과 필터.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 여과층의 기공의 크기는 5㎛ 이하인 여과 필터.
  12. 제1항의 여과 필터; 및
    상기 여과 필터를 내부에 배치하고, 여과 대상 물질이 상기 여과 필터를 통해 여과되도록 이동 통로를 구비하는 필터 케이스를 포함하는 여과 필터 카트리지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 여과 필터는 원통 형상인 여과 필터 카트리지.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 여과 필터는 지그재그로 연결되는 주름형상인 여과 필터 카트리지.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 여과 필터는 적층 권취 형상인 여과 필터 카트리지.












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