KR20150135608A - 초미세 버블 발생용 나노섬유 복합막 및 이를 이용한 초미세 버블 발생장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3차원 열린 기공 구조를 갖는 나노섬유 멤브레인에서 평균기공의 크기를 나노 크기로 설정함과 동시에 기공 크기를 쉽게 조절할 수 있어 초미세 버블을 간단하게 생성할 수 있는 초미세 버블 발생용 나노섬유 복합막 및 이를 이용한 초미세 버블 발생장치에 관한 것이다.
본 발명의 나노섬유 복합막은 섬유 성형성 고분자 물질로 이루어지며, 방사되어 직경 3㎛ 이하의 나노섬유에 의해 집적되어 1㎛ 이하의 평균기공을 갖는 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 멤브레인; 및 상기 나노섬유 멤브레인의 일측면 또는 양측면에 적층되어 나노섬유 멤브레인을 지지하는 다공성 기재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 나노섬유 복합막은 섬유 성형성 고분자 물질로 이루어지며, 방사되어 직경 3㎛ 이하의 나노섬유에 의해 집적되어 1㎛ 이하의 평균기공을 갖는 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 멤브레인; 및 상기 나노섬유 멤브레인의 일측면 또는 양측면에 적층되어 나노섬유 멤브레인을 지지하는 다공성 기재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 3차원 열린 기공 구조(3-D open pore structure)를 갖는 나노섬유 멤브레인에서 평균기공의 크기를 나노미터 크기로 설정함과 동시에 기공의 크기를 쉽게 조절할 수 있어 초미세 버블(bubble)을 간단하게 생성할 수 있는 초미세 버블 발생용 나노섬유 복합막 및 이를 이용한 초미세 버블 발생장치에 관한 것이다.
수중 생물인 어패류나 호기성 미생물은 물속에 녹아 있는 용존 산소에 의해 생활하고, 수중 유기물은 용존산소에 의해 산화 분해된다. 따라서 용존산소가 부족할 경우 유기물의 침전으로 인해 수중오염이나 오탁, 녹조발생 등을 초래하여 어패류가 패사하는 원인을 제공한다. 이러한 용존산소의 농도는 온도가 상승하거나 기압이 낮아지면 감소하는데 특히, 하절기나 폭염기 활어차나 어선의 활어저장 수조의 경우 온도가 급격히 상승하여 수중 용존산소의 농도를 급격히 저하시켜 어패류의 패사를 가져오는 경우가 있다.
일반적으로 용존산소는 흐르는 물속에 공기가 유입되어 공기 중 산소가 물에 용해되는 경우로 20℃, 1 atm에서 순수는 9ppm 정도이다. 따라서 수중 용존산소의 농도를 높이기 위해서는 공기와 물의 접촉을 최대한 많게 할 필요가 있다. 현재 수족관이나 양식장에서 사용되고 있는 기포발생기의 경우 세라믹 소재의 에어스톤(air stone)을 사용하여 기포 크기를 조절, 물과의 접촉을 최대화하려고 한다. 따라서 버블의 크기를 최소화한다면 물과 공기의 접촉이 많아져 수중 용존산소의 농도를 높일 수 있어 최근 마이크로/나노 버블(micro-nano bubble)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
수중의 버블은 버블 생성시 직경 크기에 따라 마이크로 버블(10㎛∼수십㎛), 마이크로/나노 버블(수백 ㎚ ∼ 10㎛), 나노 버블( ~ 수백 ㎚ 이하)로 구분하고 있다. 특히, 마이크로 버블은 발생 후 수축 운동에 의해 그 일부가 마이크로/나노 버블로 변화되는 경우가 많으며, 버블의 크기가 작아질수록 수중 내 버블의 상승속도가 낮아지고, 용해되어 용존산소의 농도를 크게 높일 수 있다. 특히, 나노 버블은 수중내에서 부력의 영향을 거의 받지 않고 장시간 머물 수 있어 수중 용존산소의 농도를 획기적으로 높여줄 수 있다.
현재 용존산소의 농도를 높여주기 위한 방법으로는 산소발생기를 부착하거나 산소용해장치를 사용하고, 마이크로-나노 버블 장치 등을 부착하여 산소의 농도를 높이려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나, 상기 산소용해장치 등은 긴 유로를 따라 흐르는 물에 산소를 직접 공급함으로써 용존산소를 증가시키고자 고안된 장치로, 공기로부터 산소를 분리하여 공급하는 장치를 별도로 구비하여야 하고, 장치가 복잡해져서 큰 공간을 차지하며, 직접 공기를 공급하는 것이 아닐 뿐만 아니라, 일반 물에 비해 용존 산소의 농도를 크게 증가시키지 않고 효율면에서도 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 산소통(산소 봄베)을 직접 이용하여 수족관, 양식장, 활어 수송차, 어선 등에 이용하는 경우 산소통을 주기적으로 교환해주어야 하며, 활어 수송차에 산소통을 싣고 운행하는 국가는 OECD 국가 중 한국이 유일이다.
최근, 마이크로 나노 버블 장치를 이용한 용존산소의 농도를 증가시키는 방법으로는 고압의 콤프레셔(compressor)가 필요하고, 특수하게 설계된 유로나 모터 등을 사용하여 수중 회전 방법 등을 사용하므로 사용자가 신규장비를 갖추어야하고, 부대시설이나 전력 등을 요구하는 단점이 있었다.
나노 버블을 생성시키는 방법으로는 크게, (1)산기관(散氣管; gas dispersing tube)의 미세구멍을 통해 기체를 액체로 보내는 송기법(送氣法; gas transport method) 폭기방식, (2)다공질체(porous body)를 통하여 기체를 액체로 보낼 때, 다공질체에 1 kHz 이하의 주파수의 진동을 부여하는 방법, (3)초음파를 이용하여 기포를 생성하는 방법, (4)액체 교반, 기체를 전단(shearing)하여 기포를 생성하는 진동·교반하는 방법(shaking·stirring method)으로 가압 하 기체를 액체에 용해시킨 후, 감압하여 과포화 상태의 용해 기체로부터 기포를 생성하는 방법, (5)화학반응에 의해 액체 중에 기체를 발생시켜 기포 생성하는 화학적 발포법(chemical foaming method) 등이 있다.
나노 버블을 이용한 환경, 의료, 식품, 전기전자 산업분야로의 응용의 예가 활발히 진행되고 있으며, 나노 버블수의 제조로 음료분야로까지 확대되고 있는 추세이다.
이러한 나노 버블의 제조방법으로는 상기 5가지의 방법이 있으나 이를 크게 보면, 기계적 방법으로 고압의 에어를 분사하는 방법과 다공성 멤브레인에 압력을 가해 나노 버블(주로 마이크로 버블)을 형성하는 방법이 주로 이용되고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2010-40682호에는 제1조 내에 도입된 액체를 사용하여 제1미세 기포 함유 액체를 제조하는 제1마이크로 버블 함유 액체 제조 수단과, 제2조 내에 도입된 제1미세 기포 함유 액체를 사용하여 제2미세 기포 함유 액체를 제조하는 제2마이크로 나노버블 함유 액체 제조 수단과, 제3조 내에 도입된 제2미세 기포 함유 액체를 사용하여 제3미세 기포 함유 액체를 제조하는 제3나노버블 함유 액체 제조 수단을 구비하는 나노버블 함유 액체 제조 장치가 개시되어 있다.
그러나, 한국 공개특허공보 제10-2010-40682호에 제안된 나노버블 함유 액체 제조 장치는 장치가 복잡하고, 대형 크기를 갖는 문제가 있다.
또한, 한국 공개특허공보 제10-2007-1888호에는 다공질체를 통하여 기체를 액체 중에 압입하고 분산시켜서 기포를 생성하는 방법으로서, 상기 다공질체가, 그 상대 누적 세공 분포곡선에 있어서, 세공 용적 전체의 10%를 차지할 때의 세공 지름을, 세공 용적 전체의 용적의 90%를 차지할 때의 세공 지름으로 나눈 값이 1~1.5인 기포생성 방법이 개시되어 있다.
상기 한국 공개특허공보 제10-2007-1888호에 제안된 기포생성 방법은 유리, 세라믹스, 실리콘, 고분자 등의 재료를 사용하여 세공지름이 0.02~25㎛이고, 다공질체의 적어도 액체와 접하는 면에서의 해당 액체에 대한 접촉각이 0°보다 크고 90° 미만인 다공질체를 통하여 기체를 액체 중에 압입하고 분산시켜서 단분산성(monodispersity)이 우수한 기포를 생성하는 방법이다. 특히, 다공질체로서 유리의 미세상 분리(microphase separation)를 이용하여 제조되는 다공질 유리를 제안하고 있다.
상기 한국 공개특허공보 제10-2007-1888호에 제안된 기포생성 방법으로서 다공성 멤브레인을 사용하여 나노버블을 발생시키는 경우 상분리법을 이용하여 제조된 멤브레인으로 세공경의 구조가 불균일하고 닫힌 구조(closed 2-D pore)의 세공이 다수 형성되어 전체적인 단위 부피당 세공용적(porosity)율이 낮은 단점을 가지고 있으며, 세공의 크기가 불균일하여 버블을 안정화시키기 어려운 단점이 있었다. 또한, 세라믹을 사용할 경우 상분리시 열처리 등 다양한 방법으로 제조가 되어 제조비용이 상승하는 단점을 가지고 있으며, 튜브형 이나 평탄타입 등의 형상의 유연성이 낮아 제품을 적용하는데 한계가 있어왔다.
더욱이, 한국 공개특허공보 제10-2010-63876호에는 콤프레서로 가압되어 발생되는 공기와 오존, 이산화염소가(기체상) 같이 압축된 기체를 10∼30 나노미터 크기의 수많은 구멍(기공)을 가진 다공성 고분자 필름(POLYMER)이 충전된 디퓨저(산기관)에 공급하여 압력 개방으로 발생되는 산소 단독 또는 오존이나 이산화염소가 혼합된 극미세 기포를 고압 조건의 수처리 탱크로 유입되는 피처리 원수에 지속적으로 공급 접촉시켜서 용해효율 및 접촉효율, 정화효율이 극대화된 물성의 나노 버블 처리수(나노 버블을 함유한 물, 기포수)를 발생시키는 나노 버블수 발생장치가 개시되어 있다.
상기 한국 공개특허공보 제10-2010-63876호에서는 산소 단독 또는 오존이나 이산화염소가 혼합된 극미세 기포를 고압 조건의 수처리 탱크로 유입되는 피처리 원수에 지속적으로 공급 접촉시키기 위해, 압축된 기체를 10∼30 나노미터 크기의 수많은 구멍(기공)을 가진 다공성 고분자 필름(POLYMER)이 충전된 디퓨저(산기관)를 사용하고 있다.
그러나, 디퓨저(산기관)에 충전된 다공성 고분자 필름(POLYMER)은 상기 한국 공개특허공보 제10-2007-1888호에 제안된 것과 동일한 상분리법을 이용하여 제조된 멤브레인을 이용하는 것이므로 동일한 문제점을 가지고 있다.
한국 등록특허공보 제10-1307188호에는 배관 상에 설치되어 송액되는 유체에 기포를 발생시키는 기포 발생장치에 관한 것으로, 내부에 유체가 송액되는 메인 유로가 형성된 회전 디스크 수용 블록; 상기 메인 유로 상에서 서로 이격되도록 적층되어 상기 메인 유로보다 좁은 유로를 형성하는 복수의 회전 디스크들; 상기 회전 디스크들의 중심에 삽입 고정되며, 상기 회전 디스크들의 회전 중심으로 제공되는 회전축; 인접한 상기 회전 디스크들 사이에 각각 위치하며, 내측에 상기 회전축이 위치하는 공간이 형성된 기포 발생판; 및 상기 기포 발생판에 대해 상기 회전 디스크들이 상대 회전하도록 상기 회전축을 회전시키는 구동기를 포함하는 기포 발생장치가 제안되어 있으나, 장치가 매우 복잡하고 제조 비용이 증가하며, 버블 발생구조가 구조적으로 초미세 버블을 발생하기 어려운 문제가 있다.
상기한 종래의 나노버블 발생장치 및 방법은 장치가 복잡
하고 다공질체의 제조가 어렵다는 점을 고려하여, 평균기공의 크기를 쉽게 조절할 수 있고, 제조가 용이한 나노섬유 멤브레인을 적용하면 나노 크기의 버블을 저렴하고, 간단하게 구성될 수 있는 점을 발견하여 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 3차원 적층 구조를 이루는 나노섬유의 적층밀도 및 섬유의 직경을 조절하여 평균기공의 크기를 쉽게 조절할 수 있으며, 표면에서 이면까지 기공이 연결되는 3차원 열린 구조의 기공(3-D open pore)을 갖고 초미세 버블을 생성할 수 있는 초미세 버블 발생용 나노섬유 복합막 및 이를 이용한 초미세 버블 발생장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 단위 부피당 세공용적이 크고, 균일하여 상분리법에 의해 제조된 멤브레인 대비 부피감소, 에너지 절감의 효과를 제공할 수 있는 초미세 버블 발생용 나노섬유 복합막 및 이를 이용한 초미세 버블 발생장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존 수처리나 에어 필터용 멤브레인의 경우 필터용량을 키우기 위해 절곡하는 형태를 취하였으나 버블 발생용으로 사용할 경우 절곡할 필요 없이 사용이 가능한 초미세 버블 발생용 나노섬유 복합막 및 이를 이용한 초미세 버블 발생장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 수족관, 양식장, 활어 운송 및 저장 시설에 대하여 바로 적용할 수 있어, 나노버블 발생장치 등의 부대비용 없이 교체 가능한 초미세 버블 발생용 나노섬유 복합막 및 이를 이용한 초미세 버블 발생장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 나노섬유 멤브레인에 다공성 기재를 합지하여 사용할 경우 나노섬유의 중량을 최소화 할 수 있고 나노섬유가 갖는 물리적 취약점을 다공성 기재가 보완할 수 있으며, 원통형, 각형, 판상형 등 제품의 형상이 자유롭게 이루어질 수 있고 저렴한 비용으로 제조가 용이한 초미세 버블 발생용 나노섬유 복합막 및 이를 이용한 초미세 버블 발생장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 생성되는 버블의 크기를 최소화하여 수중에 분산시킴에 따라 물속에 용존산소의 농도를 크게 높일 수 있는 초미세 버블 발생용 나노섬유 복합막 및 이를 이용한 초미세 버블 발생장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 나노 크기의 버블 발생과 동시에 1.0㎛ 이하의 각종 이물질 또는 중금속, 병원균을 필터링할 수 있는 초미세 버블 발생용 나노섬유 복합막 및 이를 이용한 초미세 버블 발생장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 섬유 성형성 고분자 물질로 이루어지며, 전기방사되어 직경 3㎛ 이하의 나노섬유에 의해 집적되어 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 멤브레인; 및 상기 나노섬유 멤브레인의 일측면 또는 양측면에 적층되어 나노섬유 멤브레인을 지지하는 다공성 기재를 포함하는 나노섬유 복합막을 제공한다.
상기 다공성 기재는 부직포, 직포 등으로 구성되어 나노섬유 멤브레인을 지지하는 강도 보강층으로 나노섬유의 물리적 특성을 보완하고, 취급성을 향상시킬 수 있는 소재로 이루어진 것을 사용할 수 있다.
본 발명에서 나노섬유 멤브레인을 형성하기 위해 방사되는 나노섬유의 함량(평량)은 방사용액 전체를 기준으로 0.5 ~ 50gsm(gram per square meter) 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 이 경우, 0.5gsm 미만의 경우 지나친 박막으로 취급성에 문제가 있고, 50gsm을 초과할 경우 사용상의 문제점은 없으나 재료비 및 생산속도로 인해 공정비용이 상승하며, 차압상승으로 인한 낮은 통수량과 통기량으로 원하는 기포를 얻기 곤란하게 된다. 따라서, 용매에 용해되는 상기 고분자 물질의 양은 얻어지는 나노섬유의 평량을 고려하여 결정된다.
또한, 나노섬유 멤브레인의 평균 기공크기는 0.2~1.0㎛, 섬유직경은 0.05~3㎛, 나노섬유 멤브레인의 두께는 5~100㎛ 범위로 설정되며, 나노섬유 복합막이 적용되는 용도에 따라 통기저항 및 통수저항을 적절한 범위로 설정되도록 평균 기공크기와 두께를 설정하는 것이 바람직하다.
상기 고분자 물질은 천연 고분자 또는 합성 고분자 물질을 단독 또는 혼합한 것을 사용할 수 있으며, 전기방사에 의해 나노섬유를 형성할 수 있는 고분자 물질이면 특별한 제한은 없다.
더욱이, 상기 나노섬유 멤브레인은 항균성을 부여하도록 은나노 물질 또는 천연물을 담지하여 제조할 수 있다.
항균성을 갖는 나노섬유 멤브레인은 섬유성형성 고분자 물질 및 은(Ag) 금속염을 용매에 용해하여 방사용액을 제조한 후, 상기 방사용액을 전기방사하여 나노섬유 멤브레인을 형성하는 방법으로 제조할 수 있다.
상기 은나노 전구체 금속염으로 질산은, 황산은, 염화은을 사용할 수 있으며, 상기 용매는 디메칠포름아마이드(dimethylformamide, DMF)나 디메칠아세트아마이드(dimethylacetamide, DMAc), THF(tetrahydrofuran), MC(Methylene chloride), 개미산(Formic acid), 아세톤, 알콜류(alcohol), 클로로포름(chloroform) 등의 유기용매를 단독 혹은 복합화하여 사용할 수 있다.
본 발명에서는 나노섬유 멤브레인을 형성할 때, 섬유 성형성 고분자 물질을 2종 이상 블렌드(blend)하여 전기방사를 할 수 있으며, 이때 용매는 사용하는 고분자 물질에 대해 상용성을 갖는 것을 선택하여 1종 내지는 2종 이상 혼합하여 제조할 수 있다.
본 발명에서 상기 전기방사는 전기방사(electrospinning), 전기분사(electrospray), 전기분사방사(electrobrown spinning), 원심전기방사(centrifugal electrospinning), 플래쉬 전기방사(flash-electrospinning), nozzle-less 방사방법, 상향식, 하향식 등의 다양한 방식의 방사법을 포괄하는 의미로 사용되며, 이들 공정들 중에서 적절히 채택하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 나노섬유 복합막은 나노섬유 웹을 형성한 후, 열압착 또는 라미네이팅 방법에 의해 나노섬유와 나노섬유간 융착을 유도하여 사용시 압력에 의해 나노섬유 사이가 벌어지지 않도록 하여 나노버블을 형성, 유지시키는 방법이다. 또한, 나노섬유 멤브레인의 일측면 또는 양측면에 다공성 기재와 복합화를 유도하여 나노섬유의 물리적 성질을 향상시키고, 버블의 크기를 조절할 수 있도록 형성한다.
더욱이, 나노섬유 복합막은 별도의 동력 없이도 초미세 나노버블의 생성과 동시에 피처리 액체에 섞여 있는 불순물이나 오염물질의 자연 필터링이 이루어질 수 있어 필터 기능을 가지게 된다.
또한, 상기 나노섬유 복합막은 싱크대, 샤워기, 치아 세정제, 미용/목욕 등의 헬스 케어(health care) 용으로 헤드에 적용될 때, 통수압에 견딜 수 있도록 금속이나 플라스틱, 목질계 등의 재질로 이루어지며, 충격 등의 각종 외부환경에 대하여 나노섬유 복합막을 보호할 수 있는 형태로 지지층이 부가될 수 있다. 상기 지지층은 메쉬, 망, 기타 형태로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 메쉬나 망 형태의 지지층은 예를 들어, 은사 또는 금속사를 나노섬유 복합막의 제조시에 내부에 매입하여 설치하거나 또는 외부에 설치함에 따라 항균 또는 멸균 기능을 부여할 수 있다.
본 발명의 초미세 버블 발생장치는 나노섬유 복합막의 세척 또는 역세척이 이루어질 수 있도록 헤드나 몸체에 착탈 가능하게 결합되는 구조를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 나노섬유 복합막은 지지체 역할을 하는 다공성 기재; 및 상기 다공성 기재의 양측면에 적층되며 섬유 성형성 고분자 물질로 이루어지고, 전기방사되어 직경 3㎛ 이하의 초극세 나노섬유에 의해 집적되어 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 멤브레인;을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 나노섬유 복합막을 이용하여 구성되는 본 발명의 초미세 버블 발생장치는 내부로 피처리 액체가 도입되는 몸체; 상기 몸체에 착탈 가능하게 결합되며 다수의 관통구멍이 형성된 커버; 및 상기 커버에 의해 외주부가 몸체의 선단부에 지지되는 나노섬유 복합막;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 초미세 버블 발생장치는 입구에 고압의 기체가 도입되고 외주부에 나노버블이 배출되는 다수의 관통구멍이 형성되며 선단부가 실링된 공급관; 상기 공급관에 수용되며 중앙부에 제1관통구멍이 형성된 다수의 지지막; 및 상기 다수의 지지막 사이에 삽입되며 중앙부에 제1관통구멍과 연통되는 제2관통구멍이 형성된 나노섬유 복합막;을 포함하며, 상기 고압의 기체가 상기 제2관통구멍으로 인가될 때 나노섬유 복합막에 구비된 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 멤브레인의 단면을 통과하면서 나노버블이 발생되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 초미세 버블 발생장치는 상호 연통 연결되고 입구에 고압의 기체가 도입되며 선단부가 실링되고 각각 나노버블을 발생하는 다수의 단위 기포발생장치를 포함하며, 상기 다수의 단위 기포발생장치는 각각 외주부에 나노버블이 배출되는 다수의 관통구멍이 형성되며 선단부가 인접한 단위 기포발생장치를 상호 연통 연결하는 관연결구가 결합된 공급관; 상기 공급관에 수용되며 중앙부에 제1관통구멍이 형성된 다수의 지지막; 및 상기 다수의 지지막 사이에 삽입되며 중앙부에 제1관통구멍과 연통되는 제2관통구멍이 형성된 나노섬유 복합막;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 초미세 버블 발생장치는 입구에 피처리 액체와 고압의 기체가 공급되고, 반대편 출구로부터 초미세 버블이 분산된 피처리 액체가 배출되는 통형상의 하우징; 상기 하우징의 입구 측에 배치되어 하우징 내부를 격리시키며 외측에 다수의 관통구멍이 형성된 입구격판; 상기 하우징의 출구 측에 배치되어 하우징 내부를 격리시키며 중앙부에 출구용 관통구멍이 형성된 출구격판; 상기 입구격판과 출구격판 사이에 직경방향으로 간격을 두고 하우징의 길이방향을 따라 동심원상으로 배치되며, 각각 외측과 내측을 관통하는 다수의 관통구멍이 형성되는 제1 및 제2 원통형 케이지; 및 상기 제1 및 제2 원통형 케이지 사이에 충진 되어 있는 나노섬유 복합막;을 포함하며, 상기 제2 원통형 케이지의 하단부는 출구격판의 출구용 관통구멍과 연통되고, 상기 출구용 관통구멍은 하우징의 출구와 연통되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 본 발명은 섬유 성형성 고분자 물질을 단일 또는 2종 이상의 혼합 유기용매에 용해하여 방사용액을 제조하는 단계; 상기 방사용액을 전기방사하여 직경 3㎛ 이하의 나노섬유가 포집된 나노섬유 멤브레인을 형성하는 단계; 및 상기 나노섬유 멤브레인의 일측면 또는 양측면에 다공성 기재를 복합화하여 나노섬유 복합막을 형성하는 단계를 포함하는 나노섬유 복합막의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 나노섬유 멤브레인과 다공성 기재의 복합화는 나노섬유 멤브레인을 다공성 기재(부직포나 직포 등)와 열융착이나 접착제 등을 사용하여 복합화하는 방법으로, 라미네이팅, 캘린더링, 열판 캘린더링, 초음파 본딩, 엠보싱, 핫멜트 본딩 등의 방법을 적용할 수 있으며, 나노섬유 멤브레인(층)이 박리되지 않는 방법이라면 특별한 제한은 없다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 3차원 적층 구조를 이루는 나노섬유의 적층밀도 및 섬유의 직경을 조절하여 평균기공의 크기를 쉽게 조절할 수 있으며, 표면에서 이면까지 기공이 연결되는 3차원 열린 구조의 기공(3-D open pore)을 가지고 있어, 초미세 버블을 생성할 수 있다.
특히, 평균 기공크기가 0.2~1.0㎛인 나노섬유 멤브레인을 사용함에 따라 기포 지름이 나노미터 사이즈인 미세한 단분산 기포(단분산 나노 버블)를 제공할 수도 있다.
또한, 본 발명에서는 단위 부피당 세공용적이 크고, 균일하여 상분리법에 의해 제조된 멤브레인 대비 부피감소, 에너지 절감의 효과를 제공할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 기존 수처리나 에어 필터용 멤브레인의 경우 필터용량을 키우기 위해 절곡하는 형태를 취하였으나 버블 발생용으로 사용할 경우 절곡할 필요 없이 간단하게 사용이 가능하다.
또한, 본 발명에서는 수족관, 양식장, 활어 운송 및 저장 시설에 대하여 바로 적용할 수 있어, 나노버블 발생장치 등의 부대비용 없이 교체 가능하다.
더욱이, 본 발명에서는 나노섬유 멤브레인에 다공성 기재를 합지하여 사용할 경우 나노섬유의 중량을 최소화 할 수 있고 나노섬유가 갖는 물리적 취약점을 다공성 기재가 보완할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 원통형, 각형, 판상형 등 제품의 형상이 자유롭게 이루어질 수 있고 저렴한 비용으로 대량 생산이 이루어질 수 있어 높은 경쟁력을 가질 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 나노섬유 멤브레인에 은나노 물질 또는 천연물을 담지함에 의해 항균성을 부여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 나노섬유 멤브레인에 사용되는 나노섬유와 종래의 마이크로 섬유의 표면 상태와 섬유의 크기와 수를 개략적으로 비교하기 위해 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 나노섬유 멤브레인에 사용되는 나노섬유와 종래의 마이크로 섬유의 단면 상태와 기공의 크기와 수를 개략적으로 비교하기 위해 나타낸 모식도이다.
도 3은 제1실시예에 따른 나노섬유 복합막을 이용한 초미세 버블 발생장치를 기포발생기에 적용한 개략 구성도이다.
도 4는 제2실시예에 따른 나노섬유 복합막을 이용한 초미세 버블 발생장치를 샤워기의 헤드에 적용한 개략 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 나노섬유 복합막을 이용한 초미세 버블 발생장치를 나타낸 개략 구성도이다.
도 6a 내지 도 6d는 각각 본 발명에 따른 나노섬유 복합막의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명에 따른 모듈형 나노섬유 복합막을 나타내는 정면도 및 도 7a의 X-X'선 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예로 PVC 나노섬유의 표면을 각각 1,000배 및 10,000배 확대하여 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일실시예로 PVDF 나노섬유의 표면을 각각 500배 및 10,000배 확대하여 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예로 PVC/TPU을 50/50 wt.%로 블랜드 전기방사하여 얻은 복합나노섬유의 표면을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일실시예로 PVDF 나노섬유웹과 PET 부직포가 복합화된 나노섬유 복합막의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진을 타나낸다.
도 2는 본 발명의 나노섬유 멤브레인에 사용되는 나노섬유와 종래의 마이크로 섬유의 단면 상태와 기공의 크기와 수를 개략적으로 비교하기 위해 나타낸 모식도이다.
도 3은 제1실시예에 따른 나노섬유 복합막을 이용한 초미세 버블 발생장치를 기포발생기에 적용한 개략 구성도이다.
도 4는 제2실시예에 따른 나노섬유 복합막을 이용한 초미세 버블 발생장치를 샤워기의 헤드에 적용한 개략 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 나노섬유 복합막을 이용한 초미세 버블 발생장치를 나타낸 개략 구성도이다.
도 6a 내지 도 6d는 각각 본 발명에 따른 나노섬유 복합막의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명에 따른 모듈형 나노섬유 복합막을 나타내는 정면도 및 도 7a의 X-X'선 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예로 PVC 나노섬유의 표면을 각각 1,000배 및 10,000배 확대하여 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일실시예로 PVDF 나노섬유의 표면을 각각 500배 및 10,000배 확대하여 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예로 PVC/TPU을 50/50 wt.%로 블랜드 전기방사하여 얻은 복합나노섬유의 표면을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일실시예로 PVDF 나노섬유웹과 PET 부직포가 복합화된 나노섬유 복합막의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진을 타나낸다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 더욱 명확해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
먼저, 본 발명에서 사용하는 기체는 특별히 제한되지 않고, 원하는 기체를 적당하게 사용할 수 있다. 예를 들면, 공기, 질소, 산소, 아르곤, 헬륨, 오존, 탄산, 메탄, 수소, 암모니아, 황화수소 등 상온에서 기체인 물질; 및 에탄올, 물, 헥산 등 상온에서 액체인 물질의 증기;로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 액체도 제조된 나노섬유나 복합화된 나노섬유층을 물리, 화학적으로 용해시키지 않으면 특별히 제한되지 않으며 각종 액체를 사용할 수 있다. 예를 들면, 물, 유지(油脂), 유기용제 등의 유제(乳劑) 등을 들 수 있다.
본 발명에 따라 얻어진 기포는, 의료분야, 농약, 화장품, 식품 등의 각종 용도에 적용할 수 있다. 의료 용도로서는 구체적으로는 조영제, DDS(drug delivery system, 약물 수송계)용 제제 등에 사용할 수 있다. 초음파 진단에 사용하는 조영제에 나노 버블을 봉입하면, 기포가 초음파에 대하여 특이적인 증감 작용을 나타내는 것에 의해 조영제의 감도가 비약적으로 향상한다. 또한, 마이크로캡슐에 기포를 함유시켜, 목적부위에서 충격파를 조사함으로써 캡슐을 붕괴시켜 캡슐 중의 약품이 방출되도록 하는 것도 가능하다.
식품으로는, 단분산 나노 버블 또는 단분산 마이크로 버블의 안정성에 의해, 무스 식품 등의 식감·음식 맛의 개선에 사용할 수 있다. 또한, 질소나 아르곤, 헬륨 가스 등의 불활성가스의 나노 버블을, 패트 병 또는 팩의 차, 우유 등의 음료 중에 불어넣어서 음료의 열화의 원인이 되고 있는 용존산소를 효율적으로 제거할 수 있어, 품질 열화를 억제할 수 있다.
화장품 용도로서는, 단분산 나노 버블 또는 단분산 마이크로 버블의 안정성에 의해 질 좋은 무스(헤어 셋팅 물질, 피부용 크림 등)로 사용할 수 있다.
생물·화학적 용도로서는, 나노 버블 또는 마이크로 버블의 대단히 큰 표면적을 이용하여 산소를 물속에 용해시킴으로써 수경재배, 수산양식 등에 적합하게 사용할 수 있다. 또한, 오존의 나노 버블을 사용하면, 효율적으로 물 등을 살균할 수도 있다. 또한, 나노 버블 또는 마이크로 버블은 액체 중에서 물질의 부착 작용을 하기 때문에, 큰 표면적에 의해 효율적으로 미생물의 증식을 억제(항균작용)하기도 하고, 효율적으로 부유물질을 분리 회수할 수도 있다.
그 외에, 목욕이나 온천 시에, 나노 버블 또는 마이크로 버블을 몸에 접촉시킴으로써, 혈류촉진 효과, 보온 효과, 피부소생 효과 등을 더욱 높일 수 있다.
첨부된 도 1 및 도 2는 본 발명의 나노섬유 멤브레인에 사용되는 나노섬유와 종래의 마이크로 섬유의 표면 및 단면 상태와 기공 구조를 비교하여 설명하기 위한 모식도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 나노섬유 복합막을 이용한 초미세 버블 발생장치를 기포발생기에 적용한 개략 구성도이고, 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 나노섬유 복합막을 이용한 초미세 버블 발생장치를 샤워기의 헤드에 적용한 개략 구성도이고, 도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 나노섬유 복합막을 이용한 초미세 버블 발생장치의 모식도이며, 도 6a 내지 도 6d는 각각 본 발명에 따른 나노섬유 복합막의 구조를 나타내는 단면도이며, 도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명에 따른 모듈형 나노섬유 복합막을 나타내는 정면도 및 도 7a의 X-X'선 단면도이다.
먼저, 도 1a와 도 1b에 도시된 바와 같이, 종래의 직경 20㎛인 마이크로 섬유와 본 발명의 나노섬유 멤브레인에 사용되는 직경 0.2㎛인 나노섬유의 표면에 형성되는 기공 크기와 수를 비교하면 직경이 약 100배 정도 작은 나노섬유의 표면이 상대적으로 작은 크기의 기공과 많은 수의 기공을 보유하고 있음을 알 수 있다.
또한, 도 2a와 도 2b와 같이 마이크로 섬유와 나노섬유의 단면 구조를 비교하면 직경이 20㎛인 마이크로 섬유의 경우 1㎠의 단위면적당 기공의 수가 2.5×105개인데 비해, 직경 0.2㎛의 나노섬유는 단위면적당 기공의 수가 2.5×109를 형성할 수 있어 약 10,000배 이상의 더 많은 기공을 보유하고 있음을 알 수 있다. 즉, 섬유의 직경이 가늘면 가늘수록 섬유와 섬유 사이에 형성되는 기공의 크기는 줄어들고 기공의 수는 증가하여, 나노섬유와 섬유 사이에 형성된 초미세 기공을 이용하면 간단히 나노 사이즈의 버블을 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 나노섬유 멤브레인을 이용한 초미세 버블 장치를 수족관, 양식장, 활어 수송차, 어선 등에 활용할 수 있는 가압형 기포발생기(air stone, bubble distributer, 콩돌)에 적용한 개략적인 구성도이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따라 구현된 가압형 기포발생기(air stone)은 공기나 산소와 같은 가스상 물질을 통과할 수 있는 금속제 또는 플라스틱으로 구성되는 공급관(500), 다수의 오링(501), 한쌍의 가이드 막(502), 다수의 지지막(503) 및 다수의 나노섬유 복합막(10)으로 구성되어 있다.
상기 공급관(500)은 한쌍의 가이드 막(502), 다수의 지지막(503) 및 다수의 나노섬유 복합막(10)을 수용하며, 외주부에 버블이 발생되도록 다수의 관통구멍(500d)이 형성된 원통부(500a), 상기 원통부(500a)의 후단부에 나사산 결합방식으로 연통 결합되며, 공기나 산소와 같은 가스상 물질이 공급되는 도입 연결구(500c) 및 상기 원통부(500a)의 선단부에 나사산 결합방식으로 결합되어 원통부(500a)의 선단부를 실링하는 실링캡(500b)을 포함하고 있다.
상기 공급관(500)은 단위 기포발생기를 구성하며, 기포발생기가 설치되는 수족관, 양식장의 면적이 클 경우 다수의 단위 기포발생기를 연결하여 사용할 수 있다.
이와 같이 다수의 단위 기포발생기를 연결하여 사용하는 경우, 상기 공급관(500)의 실링캡(500b)은 일측의 단위 기포발생기와 인접한 단위 기포발생기를 연통 연결하는 연결구로 대체될 수 있다.
상기 원통부(500a)와 도입 연결구(500c), 원통부(500a)와 실링캡(500b) 사이에는 각각 오링(501)이 삽입되어 관연결부가 실링상태로 설정된다.
상기 원통부(500a) 내부에는 양측부에 각각 한쌍의 가이드 막(502)이 배치되고, 한쌍의 가이드 막(502) 사이에는 다수의 지지막(503)과 다수의 나노섬유 복합막(10)이 교대로 적층되어 있다. 이 경우, 다수의 지지막(503) 및 다수의 나노섬유 복합막(10)은 지지막(503) 사이에 나노섬유 복합막(10)을 위치시켜, 지지막(503)으로 나노섬유 복합막(10)을 밀착시키는 형태로 조밀하게 적층된다.
또한, 상기 한쌍의 가이드 막(502), 다수의 지지막(503) 및 다수의 나노섬유 복합막(10)은 각각 공기나 산소와 같은 가스상 물질이 통과할 수 있는 동일한 축선상으로 배열된 관통구멍(510)이 형성되어 있다.
더욱이, 상기 다수의 나노섬유 복합막(10)은 후술하는 도 6a 내지 도 6d에 도시된 구성 중 어느 것을 사용하여도 무방하나, 가압되는 압력의 범위, 원하는 버블사이즈에 의해 구분하여 사용할 수 있으며, 원형, 각형 등 형태를 다양하게 변경하는 것이 가능하다.
상기 지지막(503)은 플라스틱이나 금속재질을 사용할 수 있으며, 착탈이 가능한 형태의 공급관(500)을 사용하여 나노섬유 복합막(10)을 교환, 세척 등 유지보수가 가능한 형태로 구성하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성을 갖는 가압형 기포발생기(air stone)는 수족관, 양식장, 활어 수송차, 어선 등에 설치되며, 관상어, 양식 어류, 활어 등에 사용될 때, 하나의 공급관(500)으로 이루어진 단위 기포발생기를 사용하거나, 다수의 단위 기포발생기를 연결하여 설치될 수 있다.
그 후, 공급관(500)의 도입 연결구(500c)로 가압된 공기나 산소와 같은 가스상 물질을 공급하여 원통부(500a) 내부로 주입하면, 한쌍의 가이드 막(502), 다수의 지지막(503) 및 다수의 나노섬유 복합막(10)의 관통구멍(510)을 따라 가스가 이송되면서 다수의 나노섬유 복합막(10)에 구비된 나노섬유 멤브레인(200)의 3차원 미세 기공을 통과하면서 나노버블이 발생되며, 발생된 나노버블은 원통부(500a)의 다수의 관통구멍(500d)을 통하여 수족관, 양식장, 활어 수송차의 물속으로 방출된다.
이 경우, 나노섬유 멤브레인(200)의 3차원 미세 기공은 평균 기공크기가 0.2~1.0㎛로 설정되어 있으므로 이를 통과하는 가스에 의해 물속에 초미세 버블이 발생하게 된다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 나노섬유 복합막을 이용한 초미세 버블 발생장치를 샤워기의 헤드에 적용한 개략 구성도를 나타냈다.
도 4에 도시된 샤워기 헤드는 별도의 동력을 사용하지 않고 자체의 수압을 이용하여 물에 초미세 버블 또는 기포를 생성할 수 있는 응용 분야의 하나의 예이다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따라 구현된 샤워기의 헤드(1)는 일단이 물이 공급되는 호스에 연결되어 고압의 물이 공급되는 헤드 몸체(11)와, 상기 헤드 몸체(11)에 착탈 가능하게 결합되는 커버(13) 및 상기 커버(13)에 의해 헤드 몸체(11)에 외주부가 지지되는 나노섬유 복합막(10)을 포함한다.
상기 헤드 몸체(11)로 공급되는 물은 호스 또는 헤드 몸체(11)로부터 외부 공기가 유입되어 혼합되거나 물 이외의 피처리 액체일 수 있다.
상기 헤드 몸체(11)는 물이 공급되는 호스에 연결되어 있고, 선단부의 외주에 나사산이 형성되어 커버(13)가 착탈 가능하게 결합되며, 선단부 내측에는 나노섬유 복합막(10)의 외주부가 수용되도록 단차부(11a)가 형성되어 있다.
상기 커버(13)에는 물이 분출될 수 있도록 다수의 관통구멍(13a)이 형성되어 있으며, 단면 형상은 평면 또는 곡면으로 이루어질 수 있다.
상기 커버(13)는 나노섬유 복합막(10)에 수압이 가해질지라도 형상을 유지함과 동시에 다수의 관통구멍(13a)을 통하여 물을 분출하는 노즐 역할을 한다.
또한, 상기 샤워기의 헤드(1)는 나노섬유 복합막(10)의 내측면에 커버(13)와 동일하게 나노섬유 복합막(10)에 수압이 가해질지라도 나노섬유 복합막(10)이 헤드 몸체(11)의 내측으로 변형되는 것을 억제하여 형상을 유지할 수 있도록 다수의 관통구멍이 형성된 지지체(도시되지 않음)이 부가될 수 있다.
상기 지지체는 예를 들어, 메쉬, 망, 필라멘트, 그리드, 기타 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 나노섬유 복합막(10)은 도7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 외주부에 링 형상으로 이루어지고 소정의 강도를 가지도록 합성수지 또는 금속재로 이루어진 지지 프레임(14)이 일체로 형성되어 모듈형으로 구성될 수 있다.
따라서, 헤드 몸체(11)의 선단부에 모듈형 나노섬유 복합막(10)을 조립할 때 커버(13)가 지지 프레임(14)을 압착하는 구조로 견고하게 지지된다.
본 발명에 따른 나노섬유 복합막(10)은 도 6a 내지 도 6d에 나타낸바와 같이 나노섬유 멤브레인(200)의 단일층으로 이루어지거나, 나노섬유 멤브레인(200)의 일측면 또는 양측면에 다공성 기재(100,300)가 적층된 2층 또는 3층 구조로 이루어질 수 있다.
우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 복합막(10a)은 도 6a에 도시된 바와 같이, 섬유 성형성 고분자 물질로 이루어지며, 전기방사되어 직경 3㎛ 이하의 나노섬유에 의해 집적되어 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 멤브레인(200); 및 상기 나노섬유 멤브레인(200)의 일측면에 적층되어 나노섬유 멤브레인(200)을 지지하는 다공성 기재(100)를 포함하여 2층 구조로 이루어진다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노섬유 복합막(10b)은 도 6b에 도시된 바와 같이, 섬유 성형성 고분자 물질로 이루어지며, 전기방사되어 직경 3㎛ 이하의 나노섬유에 의해 집적되어 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 멤브레인(200); 및 상기 나노섬유 멤브레인(200)의 양측면에 적층되어 나노섬유 멤브레인(200)을 지지하는 한쌍의 다공성 기재(100,300)를 포함하여 3층 구조로 이루어질 수 있다.
더욱이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노섬유 복합막(10c)은 도 6c에 도시된 바와 같이, 지지체 역할을 하는 다공성 기재(300)와, 상기 다공성 기재(300)의 양측면에 적층되는 한 쌍의 나노섬유 멤브레인(200,200a)을 포함하여 3층 구조로 이루어질 수 있다.
상기 다공성 기재(100,300)는 부직포, 직포 등으로 구성되어 나노섬유 멤브레인(200,200a)을 지지하는 강도 보강층으로 나노섬유의 물리적 특성을 보완하고, 취급성을 향상시킬 수 있는 소재로 이루어진 것을 사용할 수 있다.
본 발명에서는 나노섬유 멤브레인(200,200a)의 평균 기공크기가 0.2~1.0㎛인 것을 예시하고 있으나, 통수량 내지는 통기량과 생성되는 기포의 크기(지름)를 고려하여 나노섬유 멤브레인(200,200a)의 평균 기공크기를 적절하게 조절할 수 있으며, 사용되는 용도를 고려하여 피처리수의 기포의 크기 조절 뿐 아니라 피처리수에 포함된 이물질을 필터링할 수 있도록 나노섬유의 직경과 평균 기공크기를 제어할 수 있다.
전기방사에 의해 제조되는 나노섬유는 통상 1㎛ 미만이나 3㎛까지 제작이 가능하다.
본 발명에 따른 나노섬유 복합막(10-10c)은 나노섬유 멤브레인(200,200a)을 형성한 후, 열압착 또는 라미네이팅 방법에 의해 나노섬유 멤브레인(200,200a)의 일측면 또는 양측면에 다공성 기재(100,300)와 복합화하여 형성한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 나노섬유 복합막(10-10c)은 샤워기의 헤드(1)에 적용될 때, 수도관과 호스를 통하여 샤워기 헤드(1)의 몸체(11)로 인가되는 물은 부직포, 직포 등의 다공성 기재(100,300)와 나노섬유 멤브레인(200,200a)을 거쳐서 커버(13)의 관통구멍(13a)을 통하여 외부로 분출된다.
이 경우, 나노섬유 멤브레인(200,200a)은 직경 3㎛ 이하의 나노섬유에 의해 집적되어 3차원 열린 구조의 미세 기공을 가지며, 평균 기공크기는 0.2~1.0㎛이므로 나노섬유 멤브레인(200,200a)의 미세 기공을 통과하여 분출되는 물은 수압만으로도 초미세 입자 물방울로 분출이 이루어지게 된다.
또한, 상기 나노섬유 멤브레인(200,200a)에 형성된 0.2~1.0㎛ 크기의 평균 기공크기는 입자가 2.5㎛ 이하인 경우는 극미세 먼지(PM(particulate matter) 2.5)도 필터링이 가능한 크기를 가지고 있다.
더욱이, 상기 나노섬유 복합막(10-10c)은 별도의 동력 없이도 샤워기의 헤드(1)에 공급되는 물의 수압만으로 초미세 기포의 발생이 가능하며, 1.0㎛ 이하의 각종 이물질 또는 중금속, 병원균 등이 기공을 통하여 샤워기의 외부로 분출되는 것을 차단하는 필터링 기능을 가진다.
한편, 본 발명에 따른 샤워기의 헤드(1)는 일정기간 사용함에 따라 수도관의 녹이나 이물질 등이 나노섬유 복합막(10)의 기공에 걸리어 쌓이는 경우, 역세척에 의해 이를 제거하고 사용할 수 있다.
즉, 역세척이 필요한 경우, 헤드 몸체(11)로부터 커버(13)를 분리한 후, 나노섬유 복합막(10-10c)을 세척한 후 재조립하거나 또는 나노섬유 복합막(10-10c)을 전후면을 반대로 뒤집어서 재조립한 후 사용함에 따라 나노섬유 복합막(10-10c)의 외부에 쌓여 있던 이물질을 쉽게 제거할 수 있다.
이하에 도 5를 참고하여, 본 발명의 제3실시예에 따른 나노섬유 복합막을 이용한 초미세 버블 발생장치를 설명한다.
본 발명의 제3실시예에 따른 초미세 버블 발생장치(1a)는 피처리수에 초미세 버블을 용존시키기 위한 대량 생산시설로서, 피처리 액체를 고압으로 이송시키는 펌프(P)(42) 및 고압의 기체가 충전되어 있는 가스 봄베(43)를 구비하고, 펌프(P)(42)로부터 공급되는 피처리 액체에 가스 봄베(43)로부터 고압의 기체가 혼합되어 공급될 때 피처리 액체에 초미세 버블을 분산시키는 역할을 한다.
상기 본 발명의 제3실시예에 따른 초미세 버블 발생장치(1a)는 입구(45)에 피처리 액체에 고압의 기체가 혼합되어 공급되고, 반대편 출구(46)로부터 초미세 버블이 분산된 피처리 액체가 배출되는 통형상의 하우징(41), 상기 하우징(41)의 입구측에 배치되어 하우징 내부를 격리시키며 외측에 다수의 관통구멍(38)이 형성된 입구격판(36), 상기 하우징(41)의 출구측에 배치되어 하우징 내부를 격리시키며 중앙부에 출구용 관통구멍(39)이 형성된 출구격판(37), 상기 입구격판(36)과 출구격판(37) 사이에 직경방향으로 간격을 두고 하우징(41)의 길이방향을 따라 동심원상으로 배치되며, 입구격판(36)과 출구격판(37)에 각각 양단부가 고정되고, 각각 외측과 내측을 관통하는 다수의 관통구멍(35,34)이 형성되는 제1 및 제2 원통형 케이지(31,32) 및 상기 제1 및 제2 원통형 케이지(31,32) 사이에 충진되어 있는 나노섬유 복합막(10)을 포함하며, 상기 제2 원통형 케이지(32)의 하단부는 출구격판(37)의 출구용 관통구멍(39)과 연통되어 있다.
상기한 제3실시예에 따른 초미세 버블 발생장치(1a)에 적용되는 나노섬유 복합막(10)은 도 6a 내지 도 6c에 도시된 2층 또는 3층 구조의 나노섬유 복합막(10a-10c)을 적용할 수 있으며, 원통 형상으로 가공되어 사용된다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 제3실시예에 따른 초미세 버블 발생장치(1a)는 하우징(41)의 입구(45)에 피처리 액체에 고압의 기체가 혼합되어 공급되면, 하우징 내부로 도입된 후, 입구격판(36)의 다수의 관통구멍(38)을 통하여 하우징(41)과 제1 원통형 케이지(31) 사이의 공간(41a)으로 유도된다.
그 후, 공간(41a)으로 유도된 피처리 액체는 제1 원통형 케이지(31)의 다수의 관통구멍(35)을 통하여 나노섬유 복합막(10)으로 공급된다. 이 경우, 피처리 액체는 나노섬유 복합막(10)에 포함된 나노섬유 멤브레인(200,200a)의 3차원 열린 구조의 초미세 기공을 통과하면서 피처리 액체는 초미세 입자로 분할되고, 기체도 초미세 단위로 분할되면서 초미세 입자에 초미세 버블이 혼합되어 피처리 액체에 초미세 기포의 분산이 이루어지게 된다.
그 후, 초미세 기포의 분산이 이루어진 피처리 액체는 제2 원통형 케이지(32)의 다수의 관통구멍(34)을 통하여 출구용 관통구멍(39)으로 수집된 후, 하우징(41)의 출구(46)로 배출된다.
상기한 제3실시예에서는 고압의 기체가 피처리 액체에 먼저 혼합된 후, 초미세 버블 발생장치(1a)의 입구로 공급되는 구조를 예시하였으나, 고압의 기체가 초미세 버블 발생장치(1a)의 다른 입구를 통하여 나노섬유 복합막(10)에 공급된 후 나노섬유 복합막(10)에서 피처리 액체와 혼합 및 분산이 이루어지는 것도 가능하다.
버블 발생장치(1a)는 하우징(41)과 하우징 내부에 수용되는 버블 발생장치 코어(40)로 구성될 수 있으며, 버블 발생장치 코어(40)는 입구격판(36)과 출구격판(37), 제1 및 제2 원통형 케이지(31,32) 및 나노섬유 복합막(10)을 포함한다. 또한, 하우징(41)은 버블 발생장치 코어(40)를 내부에 쉽게 조립할 수 있도록 원통부와, 원통부의 입구측 및 출구측에 결합되는 한쌍의 커버로 구성될 수 있다.
또한, 도 5의 버블 발생장치(1a)는 출구(46)가 대형 저수조에 연통되고, 저수조가 펌프(P)(42)를 통하여 피처리 액체를 버블 발생장치(1a)로 공급하는 순환형 구조로 이루어지는 것도 가능하다.
도 5에서 미설명 부재번호 44는 기체 공급을 조절하는 밸브를 가리킨다.
본 발명은 다양한 분야에 다양한 구조로 적용될 수 있으며, 수족관, 양식장이나 오폐수 처리시설에 산소를 공급하여 용존 산소를 높이는 경우는 기포발생기나 산기관에 나노섬유 복합막(10)을 구비하고, 나노섬유 복합막(10)의 미세 기공을 통하여 나노 버블을 공급하는 것도 가능하다.
즉, 도 4에 도시된 샤워기 헤드(1)는 물을 분출하는 대신에 피처리 액체에 기체를 분출함에 따라 상기한 기포발생기로 적용 가능하다.
이하 각 공정 단계별로 나노섬유 복합막(10)의 제조방법을 설명한다.
A. 섬유 성형성 고분자 물질의 방사용액 제조
섬유 성형성 고분자 물질을 용매에 방사 가능한 농도로 용해하여 방사용액을 준비한다. 상기 방사용액의 농도는 방사시 섬유상 형태를 유지할 수 있는 농도가 적당하며, 방사용액에서 고분자 물질은 약 5 내지 70wt%의 범위가 적당하다.
고분자 물질의 비율이 5wt% 미만인 경우 전기방사시 나노섬유를 형성하기 보다는 낮은 농도에 기인한 드롭(drop)이 형성되어 섬유를 형성하지 못하는 경우가 많으며, 70wt%를 초과하는 경우 고분자 물질의 함량이 너무 많아 방사 불량으로 나노섬유를 형성하지 못하는 경우가 발생한다. 따라서 사용하는 고분자 물질의 종류에 따라 섬유가 형성될 수 있는 적당한 농도 범위에서 방사용액을 제조할 필요가 있다.
특히, 두 성분 이상의 고분자 물질을 블렌드하여 방사할 경우, 고분자 물질과 용매는 상용성이 있어야 하며, 상분리 등이 발생하지 않는 조건을 만족할 필요가 있다. 또한, 용매는 1종 또는 2종을 혼합하여 사용할 수 있으며, 용매의 휘발성이 지나치게 크거나 낮을 경우 방사 트러블의 원인이 될 수 있으므로 용매의 휘발에 대해서도 충분히 고려하면서 방사용액을 제조하는 것이 바람직하다.
항균성을 갖는 나노섬유 멤브레인(200)을 제조하는 경우, 섬유성형성 고분자 물질 및 은(Ag) 금속염을 용매에 용해하여 방사용액을 제조한 후, 상기 방사용액을 전기방사하여 나노섬유 멤브레인(200)을 형성하고, 후공정으로서 얻어진 나노섬유 멤브레인(200)에 자외선(UV)을 조사하여 나노섬유의 내외부에 함유된 은나노 입자의 표면을 환원시키는 것이 좋다.
B. 고분자 나노섬유 멤브레인의 형성
제조된 방사용액을 정량펌프(metering pump)를 사용하여 방사노즐이 설치된 노즐팩으로 이송하고, 고전압 조절장치를 사용하여 방사노즐에 전압을 인가하여 전기방사를 실시한다. 사용 전압은 120kV 이하에서 방사가 가능한 전압으로 실시하며, 집전판은 접지를 하거나 (-)극으로 대전하여 사용할 수 있다.
집전판은 전기전도성 금속이나 박리지 등의 트랜스퍼 시트로 구성되는 것이 바람직하다. 집전판의 경우 방사시 섬유의 집속을 원활하게 하도록 포집장치(suction collector)를 부착하여 사용하는 것이 바람직하며, 방사노즐과 집전판까지의 거리는 5~50㎝ 범위에서 조절하여 사용하는 것이 좋다.
방사시 토출량은 정량펌프를 사용하여 홀당 0.01~5cc/holemin 으로 트랜스퍼 시트(transfer sheet)에 토출하여 나노섬유 층을 형성하고, 트랜스퍼 시트로부터 나노섬유 층을 분리하여 나노섬유 멤브레인(200)을 얻을 수 있다.
상기 전기방사는 방사시 온도 및 습도를 조절할 수 있는 방사 챔버 내에서 상대습도 30~70%의 환경에서 방사하는 것이 바람직하다. 특히, 취급성 향상을 위하여 나노섬유 멤브레인(200)의 두께가 열압착 후 5㎛~200㎛ 정도가 되도록 방사하는 것이 바람직하다.
상기 나노섬유 멤브레인(200)은 단일 고분자의 방사용액을 전기방사하여 형성하거나, 2종류 이상의 고분자 방사용액을 준비한 후, 각각의 고분자 방사용액을 교차 전기방사하여 형성하는 것도 가능하다.
C. 열압착 또는 열접합(캘린더링) 또는 라미네이션
전기방사된 나노섬유 멤브레인(200)은 나노섬유 상호간의 결합력이 약해 방사된 섬유가 탈리되거나 보푸라기가 발생하는 경우가 있어 취급성을 향상시킬 필요가 있다. 나노섬유 멤브레인(200)의 취급성을 향상시키는 일반적인 방법으로는 사용하는 고분자 물질의 유리전이온도(Tg, glass transition temperature)와 용융온도(Tm, melting temperature) 사이의 온도범위에서 캘린더 장치에 의해 열압착 내지는 캘린더링(calendering) 가공 등의 열처리를 통해 나노섬유와 나노섬유간 접촉면에서 융착이 일어나 결합하도록 하는 방법을 사용한다.
도 6b와 같이, 다공성 기재(100,300) 사이에 나노섬유 멤브레인(200)이 삽입되어 적층된 적층체는 캘린더 장치에서 가열하여 캘린더링이 이루어져서 적층체의 두께 조절이 이루어지면, 다공성 나노섬유 멤브레인(200)과 다공성 기재(100,300)로 이루어진 3층 구조의 나노섬유 복합막(10)이 얻어진다.
또한, 도 6c와 같이, 나노섬유 멤브레인(200)을 먼저 캘린더링하고, 나노섬유 멤브레인(200)의 일측면 또는 양측면에 다공성 기재(100,300)를 합지하는 것도 가능하다.
D. 지지층 결합
상기 나노섬유 멤브레인(200)의 일측면 또는 양측면에 다공성 기재(100,300)가 합지된 나노섬유 복합막(10b)은 도 7에 도시된 바와 같이, 적용되는 용도에 따라 메쉬, 망, 필라멘트, 그리드, 기타 형태의 지지층(400)과 결합되어 강도 보강이 이루어질 수 있다.
이 경우, 예를 들어, 메쉬 형태의 지지층(400)이 결합된 나노섬유 복합막(10b)은 기포발생기의 물과 접촉하는 계면에 적용될 수 있다.
이하에서는, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 아래의 실시예들은 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
섬유 성형성 고분자 물질로 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC)를 DMAc(dimethylacetamide)/THF(tetrahydrofuran)의 혼합용매(혼합비는 wt.%로 4/6)에 15wt.%가 되도록 혼합하여 방사용액을 제조하였다. 이렇게 제조된 방사용액을 방사노즐팩으로 이송하여 인가전압 20kV, 방사노즐과 집전체와의 거리 20㎝, 토출량 분당 0.05cc/ghole, 온도 30℃, 상대습도 60%의 방사 분위기에서 전기방사를 실시하여 평균 섬유직경 1㎛ 내외로 이루어진 PVC 나노섬유를 얻었다. 이렇게 제조된 PVC 나노섬유를 70℃로 가열된 롤러를 통해 섬유 간 열융착을 진행하였다.
도 8에 상기한 PVC 나노섬유 멤브레인의 표면 주사전자 현미경 사진을 나타냈다. 도8b에서와 같이 열융착에 의해 PVC 나노섬유 표면이 열용융에 의해 섬유간 융착이 일어났음을 확인할 수 있다.
(실시예 2)
섬유 성형성 고분자 물질로 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinyliden fluoride, PVDF)를 DMAc(dimethylacetamide)/아세톤(acetone)의 혼합용매(혼합비는 wt.%로 7/3)에 15wt.%가 되도록 혼합하여 방사용액을 제조하였다. 이렇게 제조된 방사용액을 방사노즐팩으로 이송하여 인가전압 25kV, 방사노즐과 집전체와의 거리 20㎝, 토출량 분당 0.05cc/ghole, 온도 30℃, 상대습도 60%의 방사 분위기에서 전기방사를 실시하여 평균 섬유직경 400㎚로 이루어진 PVDF 나노섬유 웹을 얻었다. 이렇게 제조된 PVDF 나노섬유 웹을 150℃로 가열된 롤러를 통해 섬유 간 열융착을 진행하였다. 도 9에 상기한 PVDF 나노섬유 웹의 표면 주사전자 현미경 사진 500배와 10,000배로 확대하여 나타냈다.
(실시예 3)
폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC)와 열가소성 폴리우레탄 (Thermoplastic polyurethane, TPU)를 50:50 wt. %로 혼합하여 DMAc(dimethylacetamide)/THF(tetrahydrofuran)의 혼합용매(혼합비는 wt.%로 4/6)에 15wt.%가 되도록 혼합하여 방사용액을 제조하였다.
제조된 방사용액은 상기 실시예 1의 방법과 동일하게 전기방사하여 PVC/TPU 블랜드 나노섬유를 얻고, 얻어진 나노섬유는 보푸라기가 발생하지 않도록 상기 실시예 1의 방법과 동일한 조건에서 열융착시켰다. 그 결과, 평균 직경 약 1㎛ 내외로 이루어진 PVC/TPU 블랜드 나노섬유 멤브레인을 얻었다. 도 10에는 PVC/TPU 블랜드 나노섬유 멤브레인의 표면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타냈다.
(실시예 4)
실시예 2에서 제조된 PVDF 나노섬유 웹을 PET 부직포와 라미네이션하여 2 층(layer) 형태의 복합막을 얻었다. 이렇게 얻은 복합막의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진을 도 11에 나타냈으며, 나노섬유 멤브레인이 부직포 위에 적층된 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명은 나노섬유 복합막을 이용한 초미세 버블발생장치는 수중요염물의 제거 등 각종 수처리 시설, 싱크대, 샤워기, 치아 세정제, 미용/목욕 등 헬스케어용으로 응용이 가능하다.
또한, 본 발명은 수경재배, 어패류의 양식, 기포를 함유한 식품, 마이크로캡슐, 의약 제제 및 화장품, 각종 발포재료, 기포를 이용한 포말 분리나 부유 선광의 분리 프로세스 등의 광범한 분야에 적용할 수 있다.
1: 샤워기 헤드
1a: 버블 발생장치
10-10c: 나노섬유 복합막 11: 헤드 몸체
11a: 단차부 13: 커버
13a,34,35,38,39: 관통구멍 14: 지지프레임
31,32: 원통형 케이지 36: 입구격판
37: 출구격판 40: 버블 발생장치 코어
41: 하우징 41a: 공간
42: 펌프 43: 가스 봄베
44: 밸브 45: 입구
46: 출구 400: 지지층
500: 공급관 500a: 원통부
500b: 실링캡 500c: 도입 연결구
510: 관통구멍 501: 오링
502: 가이드 막 503: 지지막
100,300: 다공성 기재 200,200a: 나노섬유 멤브레인
10-10c: 나노섬유 복합막 11: 헤드 몸체
11a: 단차부 13: 커버
13a,34,35,38,39: 관통구멍 14: 지지프레임
31,32: 원통형 케이지 36: 입구격판
37: 출구격판 40: 버블 발생장치 코어
41: 하우징 41a: 공간
42: 펌프 43: 가스 봄베
44: 밸브 45: 입구
46: 출구 400: 지지층
500: 공급관 500a: 원통부
500b: 실링캡 500c: 도입 연결구
510: 관통구멍 501: 오링
502: 가이드 막 503: 지지막
100,300: 다공성 기재 200,200a: 나노섬유 멤브레인
Claims (12)
- 섬유 성형성 고분자 물질로 이루어지며, 방사되어 직경 3㎛ 이하의 나노섬유에 의해 집적되어 1㎛ 이하의 평균기공을 갖는 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 웹; 및
상기 나노섬유 웹층의 일측면 또는 양측면에 적층되어 나노섬유 웹을 지지하는 다공성 기재;를 포함하는 초미세 버블 발생용 나노섬유 복합막. - 제1항에 있어서,
상기 나노섬유의 평량은 방사용액 전체를 기준으로 0.5 ~ 20gsm(gram per square meter) 범위로 설정되는 나노섬유 복합막. - 제1항에 있어서,
상기 나노섬유 웹의 평균 기공크기는 0.2~1.0㎛, 섬유직경은 0.05~3㎛로 설정되는 나노섬유 복합막. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 기재는 부직포 또는 직포인 나노섬유 복합막. - 제1항에 있어서,
상기 나노섬유 웹은 항균성을 부여하도록 은나노 물질 또는 천연물을 담지한 나노섬유 복합막. - 제1항에 있어서,
상기 나노섬유 복합막의 외측면에 메쉬, 망 또는 필라멘트로 이루어진 지지층을 더 포함하는 나노섬유 복합막. - 제1항에 있어서,
상기 나노섬유 복합막의 외주를 둘러싸는 지지프레임을 더 포함하는 나노섬유 복합막. - 지지체 역할을 하는 다공성 기재; 및
상기 다공성 기재의 양측면에 적층되며 섬유 성형성 고분자 물질로 이루어지고, 방사되어 직경 3㎛ 이하의 나노섬유에 의해 집적되어 1㎛ 이하의 평균기공을 갖는 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 멤브레인;을 포함하는 나노섬유 복합막. - 입구에 고압의 기체가 도입되고 외주부에 나노버블이 배출되는 다수의 관통구멍이 형성되며 선단부가 실링된 공급관;
상기 공급관에 수용되며 중앙부에 제1관통구멍이 형성된 다수의 지지막; 및
상기 다수의 지지막 사이에 삽입되며 중앙부에 제1관통구멍과 연통되는 제2관통구멍이 형성된 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 나노섬유 복합막;을 포함하며,
상기 고압의 기체가 상기 제2관통구멍으로 인가될 때 나노섬유 복합막에 구비된 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 멤브레인의 단면을 통과하면서 나노버블이 발생되는 초미세 버블 발생 장치. - 상호 연통 연결되고 입구에 고압의 기체가 도입되며 선단부가 실링되고 각각 나노버블을 발생하는 다수의 단위 기포발생장치를 포함하며,
상기 다수의 단위 기포발생장치는 각각
외주부에 나노버블이 배출되는 다수의 관통구멍이 형성되며 선단부가 인접한 단위 기포발생장치를 상호 연통 연결하는 관연결구가 결합된 공급관;
상기 공급관에 수용되며 중앙부에 제1관통구멍이 형성된 다수의 지지막; 및
상기 다수의 지지막 사이에 삽입되며 중앙부에 제1관통구멍과 연통되는 제2관통구멍이 형성된 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 나노섬유 복합막;을 포함하는 초미세 버블 발생장치. - 내부로 피처리 액체가 도입되는 몸체;
상기 몸체에 착탈 가능하게 결합되며 다수의 관통구멍이 형성된 커버; 및
상기 커버에 의해 외주부가 몸체의 선단부에 지지되는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 나노섬유 복합막을 포함하는 초미세 버블 발생장치. - 입구에 피처리 액체와 고압의 기체가 공급되고, 반대편 출구로부터 초미세 버블이 분산된 피처리 액체가 배출되는 통형상의 하우징;
상기 하우징의 입구측에 배치되어 하우징 내부를 격리시키며 외측에 다수의 관통구멍이 형성된 입구격판;
상기 하우징의 출구측에 배치되어 하우징 내부를 격리시키며 중앙부에 출구용 관통구멍이 형성된 출구격판;
상기 입구격판과 출구격판 사이에 직경방향으로 간격을 두고 하우징의 길이방향을 따라 동심상으로 배치되며, 각각 외측과 내측을 관통하는 다수의 관통구멍이 형성되는 제1 및 제2 원통형 케이지; 및
상기 제1 및 제2 원통형 케이지 사이에 충진되어 있는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 나노섬유 복합막;을 포함하며,
상기 제2 원통형 케이지의 하단부는 출구격판의 출구용 관통구멍과 연통되고, 상기 출구용 관통구멍은 하우징의 출구와 연통되는 초미세 버블 발생장치.
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| KR102551394B1 (ko) * | 2022-02-25 | 2023-07-28 | 주식회사 지와이엘제이 | 기능성 자화수 생성장치 |
| WO2024117751A1 (ko) * | 2022-11-30 | 2024-06-06 | 한양대학교 산학협력단 | 마이크로 버블과 나노 버블을 이용한 고도 산화 처리 장치 |
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