KR20180023932A - 다기능성 여재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다기능성 여재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 탄소나노튜브가 성장된 광촉매입자가 섬유 표면에 부착됨으로써, 미세분진, 유해 미생물 및 가스를 현저하게 저감하고, 여과에 필요한 에너지를 최소화 시킬 수 있는, 다기능성 여재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

다기능성 여재 및 그 제조방법{MULTIFUCTIONAL FILTER MEDIA AND METHOD OF PREPARING THE SAME}
본 발명은 다기능성 여재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
차량 내 유입하는 분진 저감을 위한 공기 여재의 경우, 대부분 섬유를 기반으로 한 포켓(pocket)형과 카셋트(cassette)형으로 구현된 제품을 적용하고 있으나, 분진의 포집 효율 증가는 차량 공조 시스템의 에너지 소비 증가 문제를 유발한다.
차량 배터리의 부하 중 공조 시스템은 최대 38%에 달함으로써 전기 기반의 미래형 차량에서 공조 시스템의 에너지 소비 감소는 핵심 이슈가 되었다.
분진, 유해 미생물 및 가스의 효과적 저감을 위한 기존의 방식은 여재 섬유의 크기를 보다 미세화 하여 미세분진의 제거효율을 개선시키는 동시에 제거 대상별로 여재를 독립적으로 두는 다단 방식을 적용하고 있으나, 상기 두 방식은 모두 압력강하 증가를 초래한다. 그 제조에 있어서 액상화학공정을 기반으로 하기 때문에 기능성 물질이 섬유 표면이 아닌 섬유 내부에 존재함으로써 기능성 물질을 활용하는데에 한계가 있다.
이와 관련하여, 한국공개특허 제2014-0103866호에는 필터 여재 및 그 제조방법이 개시되어있으나, 상기 문제점에 대한 대안을 제시하지 못하였다.
한국공개특허 제2014-0103866호
본 발명은 탄소나노튜브가 성장된 광촉매입자가 섬유 표면에 부착됨으로써, 미세분진, 유해 미생물 및 가스를 현저히 저감한 다기능성 여재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 단일 여재로도 사용이 가능한 다기능성 여재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 액상 첨착 없이 건식 기술을 적용함으로써 공정 폐수 발생을 근본적으로 차단할 수 있는 다기능성 여재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 롤투롤(roll-to-roll) 시스템 구현으로 연속 제조가 가능하게 함으로써 생산성을 제고할 수 있는 다기능성 여재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
1. 섬유로 형성된 다기능성 여재로서, 탄소 나노 튜브가 성장된 광촉매입자가 상기 섬유 표면에 부착된, 다기능성 여재.
2. 위 1에 있어서, 상기 섬유는 탄소 섬유를 포함하는, 다기능성 여재.
3. 위 1에 있어서, 상기 섬유의 직경은 2 내지 200㎛ 인, 다기능성 여재.
4. 위 1에 있어서, 상기 광촉매입자는 산화티타늄, 산화아연, 산화텅스텐, 산화세륨, 산화주석, 산화지르코늄 및 황화아연으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 다기능성 여재.
5. 위 4에 있어서, 상기 광촉매 입자는 Sc, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, Re, Os, Ir, Pt 및 Au로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 더 포함하는, 다기능성 여재.
6. 산소 또는 황화수소(H2S)를 포함하는 불활성 기체 흐름 내에서 저온플라즈마 입자 발생장치를 통해 광촉매입자를 제조하는 단계;
섬유 표면에 상기 광촉매입자를 부착시키는 단계; 및
상기 섬유에 부착된 광촉매입자 표면에 탄소나노튜브를 성장 시키는 단계를 포함하는, 다기능성 여재의 제조방법.
7. 산소 또는 황화수소(H2S)를 포함하는 불활성 기체 흐름내에서 저온플라즈마 입자 발생장치를 통해 광촉매입자를 제조하는 단계;
광촉매입자 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계; 및
상기 탄소나노튜브가 성장된 광촉매입자를 섬유에 부착시키는 단계를 포함하는, 다기능성 여재의 제조방법.
8. 위 6 또는 7에 있어서, 상기 광촉매입자가 섬유에 부착하는 단계는 상기 광촉매입자가 상기 불활성 기체 흐름에 실려 상기 섬유에 도달되어 부착되는 단계인, 다기능성 여재의 제조방법.
9. 위 6 또는 7에 있어서, 상기 탄소나노튜브가 성장된 광촉매입자를 섬유에 부착하는 단계는 각각 열영동 방법 및 정전기적 인력 방법 중 적어도 하나를 포함하는, 다기능성 여재의 제조방법.
10. 위 6 또는 7에 있어서, 탄소나노튜브를 성장시키는 단계는 500 내지 2000℃의 온도에서 수행되는, 다기능성 여재의 제조방법.
11. 위 6 또는 7에 있어서, 탄소나노튜브를 성장시키는 단계는 0.05 내지 50torr의 압력에서 수행되는, 다기능성 여재의 제조방법.
12. 위 6 또는 7에 있어서, 상기 광촉매입자의 제조 후에 광촉매입자를 입경에 따라 분류하는 단계를 더 포함하는, 다기능성 여재의 제조방법.
13. 위 1에 있어서, 상기 섬유는 직조 또는 편직된 원단 또는 부직포를 형성하고 있는 것인, 다기능성 여재의 제조방법.
본 발명의 다기능성 여재는 탄소나노튜브가 성장된 광촉매입자가 상기 섬유 표면에 부착됨으로써, 미세분진, 유해 미생물 및 가스를 현저히 저감할 수 있다.
본 발명의 다기능성 여재는 나노 섬유를 사용하지 않아 여과 시 압력 강하가 적으므로, 여과에 필요한 에너지를 최소화 시킬 수 있다. 또한, 단일 여재로도 충분한 여과 성능을 발휘할 수 있다.
본 발명에 따른 다기능성 여재의 제조방법은 액상 첨착 없이 건식 기술을 적용함으로써 공정 폐수 발생을 근본적으로 차단할 수 있고, 롤투롤(roll-to-roll) 시스템 구현으로 연속 제조가 가능하게 함으로써 생산성 제고할 수 있다.
본 발명은 다기능성 여재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 탄소나노튜브가 성장된 광촉매입자가 섬유 표면에 부착됨으로써, 미세분진, 유해 미생물 및 가스를 현저하게 저감하고, 여과에 필요한 에너지를 최소화 시킬 수 있는, 다기능성 여재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이하 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예는 탄소나노튜브가 성장된 광촉매입자가 섬유 표면에 부착된 다기능성 여재를 제공한다.
섬유는 소정의 크기와 모양을 갖는 기공을 포함하고 있어 미세분진, 유해 미생물 및 가스 제거에 높은 효율성을 나타낼 수 있다.
섬유는 여재를 형성할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 금속 섬유 및 폴리머 섬유 등일 수 있고, 바람직하게는 탄소 섬유일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 섬유는 다공성을 가질 수 있다.
섬유의 직경은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 2 내지 200㎛ 일 수 있다. 섬유의 직경이 상기 범위 내인 경우, 기존 여재 대비 압력강하를 동등 이하의 수준으로 유지할 수 있다.
상기 섬유는 직조 또는 편직된 원단 또는 부직포를 형성하고 있는 섬유일 수 있고, 그에 따라 본 발명의 제조방법은 롤투롤 방식과 같은 연속 공정에 용이하게 적용이 가능하여 생산성을 제고할 수 있다. 또한, 상기 직조 또는 편직된 원단 또는 부직포는 다기능성 여재 제품으로 유용하게 사용될 수 있다.
광촉매입자는 그 표면에서 탄소나노튜브를 성장시키는 기능을 하고, 유기물질들을 산화분해할 수 있는 능력이 매우 뛰어나기 때문에 공기 속에 존재하는 악취물질, 바이러스, 박테리아등을 저감하는데에 효과적일 수 있다.
광촉매입자의 소재로는 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있는 소재라면 그 종류는 특별히 한정되지 않으나 바람직하게는 금속산화물일 수 있고, 예를 들면 산화아연, 산화티타늄, 산화텅스텐, 산화세륨, 산화주석, 산화지르코늄 및 황화아연 등일 수 있고, 바람직하게는 산화아연일 수 있다. 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 광촉매의 성능을 높이기 위해서 상기 광촉매 입자는 Sc, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, Re, Os, Ir, Pt 및 Au로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 더 포함할 수 있다.
광촉매입자의 직경은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 200nm 이하일 수 있고, 바람직하게는 0.5nm 내지 200nm일 수 있다. 광촉매입자의 직경이 0.5nm 보다 작은 경우에는 후술하는 공정에서 탄소나노튜브가 성장된 광촉매입자를 섬유에 부착시 정전기적 인력을 적용할 경우, 섬유로의 포집 효율이 급격히 저하될 수 있고, 촉매입자의 직경이 200nm 보다 큰 경우에는 탄소나노튜브 성장이 잘 이뤄지지 않거나, 튜브의 직경이 200nm 보다 큰 조대(coarse) 튜브만 생성되어 여재 적용에 적절하지 않을 수 있다.
탄소나노튜브는 나노크기의 기공을 포함한 탄소 튜브로서, 표면적이 넓어 여과효율이 높고 공극률이 높아 여과 중 발생하는 압력 강하가 적을 수 있다.
종래의 여재는 미세분진, 미생물 및 유해가스 등의 저감 대상물질 증가에 따라 마이크로 섬유와 나노섬유의 다단여재를 적용함으로써 제거 효율은 증가시키지만 에너지 소비 증가를 초래하는 반면, 본 발명에 따른 다기능성 여재는 마이크로의 직경을 갖는 섬유에 탄소나노튜브를 성장시킴으로써, 전술한 문제점을 해소할 수 있다.
또한, 본 발명은 다기능성 여재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다기능성 여재의 제조방법의 일 실시예는 산소 또는 황화수소(H2S)를 포함하는 불활성 기체 흐름 내에서 저온플라즈마 입자 발생장치를 통해 광촉매입자를 제조하는 단계; 상기 섬유 표면에 광촉매입자를 부착시키는 단계; 및 상기 섬유에 부착된 광촉매입자 표면에 탄소나노튜브를 성장 시키는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 제조방법의 일 실시예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 산소 또는 황화수소(H2S)를 포함하는 불활성 기체 흐름내에서 저온플라즈마 입자발생장치를 통해 광촉매입자를 제조한다.
불활성 기체는 광촉매입자의 캐리어 기체로 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 불활성 기체는 광촉매입자를 섬유까지 운반하는 기능을 할 수 있다.
불활성 기체로는 당분야에 공지된 불활성 기체가 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들면 질소, 아르곤, 헬륨등일 수 있고, 바람직하게는 질소일 수 있다. 불활성 기체는 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합되어 사용될 수 있다.
산소 또는 황화수소(H2S)는 광촉매입자를 제조하는데 있어 반응기체로서 사용될 수 있다. 더 바람직하게는 불활성 기체의 흐름내에 산소 또는 황화수소를 저온플라즈마 입자발생장치에 공급함으로써, 금속성분과 산소 또는 황화수소가 반응하여 금속산화물 또는 금속황화물 등의 광촉매 입자를 제조할 수 있다.
상기 산소 또는 황화수소(H2S)의 부피비는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 0.01 내지 5%일 수 있다. 산소 또는 황화수소(H2S)의 부피비가 0.01% 이하이면 생산적인 측면에서 광촉매입자가 적게 제조될 수 있고, 산소 또는 황화수소(H2S)의 부피비가 5% 초과하면 공정 비용이 많이 발생할 수 있다.
광촉매입자는 저온플라즈마 입자발생장치를 통해 제조된다. 저온플라즈마 입자발생장치는 저온플라즈마로 발생하는 고열에 의해 금속 성분을 기화시켜 광촉매 입자를 형성하는 방법으로써, 양 금속 전극에 고전압을 인가하면 저온플라즈마가 발생되고, 저온플라즈마로 발생되는 고열에 의해 금속 전극의 금속 성분이 기화 후 응축되어 광촉매입자가 형성될 수 있다. 이 경우, 불활성 기체 외에 산소 또는 황화수소(H2S)를 더 공급하게 되면, 금속 산화물 또는 금속황화물의 광촉매입자를 형성할 수 있다.
이 때, 양 금속 전극의 간격은 0.5mm 내지 10mm 범위일 수 있다. 예를 들어, 금속 전극의 간격이 1mm인 경우 2.5kV 내지 3kV의 고전압 인가시 5000℃ 내외의 고열이 발생되면서 상기 금속 전극의 금속성분이 기화되어 상기 광촉매입자가 형성될 수 있다. 공급되는 기체 중 산소 또는 황화수소(H2S)와 금속 성분이 반응하여 금속 산화물 또는 금속 황화물의 광촉매입자가 형성될 수 있다. 기화된 광촉매입자는 저온플라즈마 발생지점에 비해 온도가 낮은 저온플라즈마 외부 영역으로 이동되는 동안의 급격히 낮아진 환경온도에 의해 냉각되어 응축될 수 있다.
금속 전극에 인가되는 고전압 전원은 직류 또는 교류일 수 있고, 교류인 경우 사각파, 삼각파, 오프셋 조절 등의 상기 전원 적용예는 보다 다양할 수 있다.
다음으로, 섬유 표면에 광촉매입자를 부착한다.
본 발명의 일 구현예로서, 광촉매 입자는 불활성 기체 흐름에 실려 상기 섬유에 도달되어 부착될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예로서, 상기 부착 공정은 정전기적 인력 방법 및 열영동 방법 중 적어도 하나로 수행될 수 있다. 본 구현예에서는 상기 광촉매입자와 상기 섬유를 서로 반대의 전하로 하전시켜 수행되는 정전기적 인력 방법을 예시로 설명한다.
예를 들어 촉매입자가 양전하를 띠는 경우에는 섬유에 음전하를 띠게 하여(펄스 전류 또는 교류 전류를 인가) 촉매입자의 부착을 보다 신속하게 수행할 수 있다.
다음으로, 상기 광촉매입자가 부착된 섬유로부터 탄소나노튜브를 성장 시킨다.
상기 탄소나노튜브를 제조하는 방법은 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 열 처리방법 일 수 있다.
탄소나노튜브의 제조방법의 구체적인 예로는, 광촉매입자가 부착된 섬유에 대해 화학기상증착 챔버에서 열 처리방법을 통해 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있다.
상기 화학기상증착 챔버의 온도는 500 내지 2000℃일 수 있고, 압력은 0.05 내지 50torr일 수 있다. 상기 온도와 압력은 상기 범위 내에서 탄소나노튜브를 규칙적으로 성장시킬 수 있다.
화학기상증착 챔버 내에는 탄소나노튜브를 형성하기 위한 탄소계 기체가 공급될 수 있다.
상기 탄소계 기체는 탄소가 포함된 기체라면 그 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 메탄, 에탄, 프로판, 에틸렌 및 아세틸렌 등일 수 있고, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 다기능성 여재의 제조방법의 다른 일 실시예로서, 산소 또는 황화수소(H2S)를 포함하는 불활성 기체 흐름내에서 저온플라즈마 입자 발생장치를 통해 광촉매입자를 제조하는 단계; 상기 광촉매입자 표면에 탄소나노튜브를 성장 시키는 단계; 및 상기 탄소나노튜브가 성장된 광촉매입자를 섬유에 부착시키는 단계를 포함하는 다기능성 여재의 제조방법을 제공한다.
먼저, 광촉매입자를 제조하는 단계는 전술한 실시예와 동일하게 수행될 수 있다.
다음으로, 광촉매입자 표면에 탄소나노튜브를 성장시킨다.
탄소나노튜브는 상기 불활성 기체에 실려온 광촉매입자를 화학 기상 증착 챔버 내에서 열처리하여 성장될 수 있다. 탄소나노튜브의 성장 방법의 구체적인 사항은 전술한 실시예와 동일할 수 있다.
다음으로, 상기 탄소나노튜브가 성장된 광촉매입자를 섬유에 부착시킨다.
본 발명의 일 구현예로서, 광촉매 입자는 불활성 기체 흐름에 실려 상기 섬유에 도달되어 부착될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예로서, 상기 부착 공정은 정전기적 인력 방법 및 열영동 방법 중 적어도 하나로 수행될 수 있다. 본 구현예에서는 촉매입자와 섬유 간 온도 차를 통해 수행되는 열영동 방법에 대해서 설명한다.
예를 들어 촉매입자는 상대적으로 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 특성을 지니는 바 섬유를 냉각시켜 촉매입자와의 온도 차를 통해 촉매입자의 부착을 수행할 수 있다. 섬유의 냉각 방법으로는 예를 들면, 섬유를 이송하는 롤의 일 부위에 냉각소자를 배치하여 섬유를 냉각할 수 있다.
상기 탄소나노튜브가 성장된 광촉매입자와 섬유 간 온도 차는 1 내지 199℃일 수있다. 온도 차가 1℃ 이하일 경우, 열영동 속도가 느려 공정 시간이 오래 걸릴 수 있고, 온도 차가 199℃ 초과할 경우, 공정 비용이 많이 발생될 수 있다. 열영동 속도는 온도차이와 비례하기 때문에 온도차이가 클수록 열영동 속도가 빨라질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 광촉매입자의 제조 후에 광촉매입자를 입경에 따라 분류하는 단계를 더 포함할 수 있다.
광촉매입자의 입경예 따른 분류는 예를 들면, 정전분립기를 통해 수행할 수 있고, 예를 들면, 전기적인 방식으로 입력되는 다분산 에어로졸 입자 중에서 2 내지 1000nm의 입경을 갖는 입자를 분리할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 원하는 크기의 입자만을 분리시켜 섬유 표면에 보다 균일한 두께로 부착시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1.
2.97L/min 질소 및 0.03L/min 산소 기체를 흘려주면서 저온플라즈마 입자발생장치를 통해 제조된 광촉매입자인 산화아연을 제조하였다.
이때 저항은 0.5MΩ, 전기용량은 1.0nF, 부하전류는 2mA, 인가 전압은 3kV 및 진동수 667Hz, 양극 소재와 음극 소재는 아연의 저온플라즈마 입자발생장치의 운용 조건을 갖는다.
다음으로, 상기 광촉매입자가 상기 질소 기체 흐름에 실려 상기 탄소 섬유에 도달되도록 부착시켰다.
다음으로, 섬유에 부착된 광촉매입자 표면에 탄소나노튜브를 성장 시켰다. 탄소나노튜브는 3L/min의 질소기체 흐름 내에서 650℃의 온도와 2.5torr의 압력 조건을 갖는 화학기상증착 챔버내에서 30mL/min의 아세틸렌 기체를 공급하여 성장시켰다.
실시예 2.
2.97L/min 질소 및 0.03L/min 산소 기체를 흘려주면서 저온플라즈마 입자발생장치를 통해 제조된 광촉매입자인 산화아연을 제조하였다. 이때 저항은 0.5MΩ, 전기용량은 1.0nF, 부하전류는 2mA, 인가 전압은 3kV 및 진동수 667Hz, 양극 소재와 음극 소재는 아연의 저온플라즈마 입자발생장치의 운용 조건을 갖는다.
다음으로, 광촉매입자를 화학기상증착 챔버 내에 투입한 후, 그 표면에 탄소나노튜브를 성장 시켰다. 탄소나노튜브는 3L/min의 질소기체 흐름 내에서 650℃의 온도와 2.5torr의 압력 조건을 갖는 화학기상증착 챔버 내에 30mL/min의 아세틸렌 기체를 공급하여 성장시켰다.
다음으로, 탄소나노튜브가 성장된 광촉매입자와 섬유 간의 온도 차를 35℃로 하여 탄소나노튜브가 성장된 광촉매입자를 섬유에 부착하였다.

Claims (4)

  1. 불활성 기체 흐름 내에서 저온플라즈마 입자 발생장치를 통해 기화 금속을 형성하고, 이를 산소 또는 황화수소(H2S)와 반응시켜, 산화티타늄, 산화아연, 산화텅스텐, 산화세륨, 산화주석, 산화지르코늄 및 황화아연으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 광촉매입자를 제조하는 단계;
    제조된 광촉매입자를 불활성 기체의 흐름에 실어 롤로 이송되는 섬유에 도달시켜 섬유 표면에 상기 광촉매입자를 부착시키는 단계; 및
    상기 광촉매입자가 부착된 섬유를 화학기상증착 챔버로 롤로 이송시켜, 상기 섬유에 부착된 광촉매입자 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함하는, 다기능성 여재의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 저온플라즈마 입자 발생장치의 양 금속 전극의 간격은 0.5mm 내지 10mm이고, 상기 기화 금속 형성시에 2.5kV 내지 3kV의 전압을 인가하는, 다기능성 여재의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 산소 또는 황화수소(H2S)의 부피비는 전체 공기 중 0.01 내지 5%인, 다기능성 여재의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 부착시에 광촉매 입자와 상기 섬유를 서로 다른 전하로 대전시키거나, 상기 섬유를 냉각시키는, 다기능성 여재의 제조방법.
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