KR20190091075A - 창호용 미세먼지 필터 및 이의 제조방법 - Google Patents

창호용 미세먼지 필터 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 창호용 미세먼지 필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방충망 및 방충망에 부착된 나노섬유의 망구조를 포함하는 창호용 미세먼지 필터로서, 상기 창호용 미세먼지 필터는 나노섬유의 망구조가 방충망에 부착된 형태인 바 창호틀에 쉽게 적용이 가능하고, 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자를 포함하는 나노섬유를 포함하여 미세먼지 제거 효율이 우수한 창호용 미세먼지 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

창호용 미세먼지 필터 및 이의 제조방법{Fine dust filter for windows and method for manufacturing the same}
본 발명은 창호용 미세먼지 필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방충망 및 방충망에 부착된 나노섬유의 망구조를 포함하는 창호용 미세먼지 필터로서, 상기 창호용 미세먼지 필터는 나노섬유의 망구조가 방충망에 부착된 형태인 바 창호틀에 쉽게 적용이 가능하고, 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자를 포함하는 나노섬유를 포함하여 미세먼지 제거 효율이 우수한 창호용 미세먼지 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
실내 공간을 창호로 밀폐하여 장시간 생활할 경우, 실내공간에는 각종 먼지, 미생물, 실내 건축재에서 배출되는 각종 오염물질(포름알데히드, 휘발성 유기물, 석면가루, 라돈) 등이 공기 중에 부유하게 되며, 이들은 호흡기 질병과 각종 알레르기를 유발하고, 두통, 기침, 피부병, 암 등의 질병을 유발시킨다.
따라서 실내와 외부를 통풍시켜 실내 공기를 환기시키는 것이 중요한데, 이러한 환기과정에서 창호를 열게 되면 외부의 먼지, 날벌레가 침입할 뿐 아니라 공기중의 중금속 등이 실내로 유입되어 오히려 건강을 해치게 되는 문제점이 발생되었다.
특히, 공기 중의 미립자물질(Particulate Matter, PM)은 사람들의 건강에 위협이 될 수 있다. PM은 아주 작은 입자와 액체 방울의 복합 혼합물이다. PM은 입자 크기에 기초하여 PM2.5 및 PM10으로 분류되고, 이들은 각각 2.5μm 및 10μm 미만의 입자 크기를 말한다. PM2.5 및 PM10 오염물질은 작은 크기로 인해 사람의 기관지와 폐에 침투할 수 있으므로 PM2.5 및 PM10에 장기간의 노출은 유병률과 사망률을 증가시킨다.
이에 따라, 일례로 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0003992호에서는 벌레의 침입을 막는 방충 기능과 함께, 플라즈마를 발생시켜 공기를 정화시킬 수 있는 기능을 동시에 가지는 방충망을 개시하고 있다.
그러나 상기와 같은 방충망은 외부와 내부의 이중망으로 일측은 '+', 타측은 '-'전극을 인가하는 등 복수개의 프레임을 사용하여야 하므로 구성이 복잡하고 부피가 커져서 기존의 창호틀에 쉽게 적용이 어려운 문제점이 있었다.
따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창호틀에 쉽게 적용이 가능하고, 미세먼지 제거 효율이 우수한 창호용 미세먼지 필터의 개발이 절실히 요구되는 실정이다.
KR 10-2012-0003992 A (2012. 1. 12.)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 창호틀에 쉽게 적용이 가능하고, 미세먼지 제거 효율이 우수한 창호용 미세먼지 필터 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명은 방충망 및 방충망에 부착된 나노섬유의 망구조를 포함하는 창호용 미세먼지 필터로서, 상기 나노섬유는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자를 3-50중량% 포함하는 것인 창호용 미세먼지 필터를 제공한다.
또한, 본 발명은 A)폴리비닐피롤리돈으로 유전체 무기입자를 코팅하는 단계; B)폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자를 1-20중량% 포함하는 방사용액을 제조하는 단계; 및 C)방충망에 상기 방사용액을 전기 방사하여 상기 방충망에 나노섬유의 망구조를 부착시키는 단계를 포함하는 창호용 미세먼지 필터의 제조방법을 제공한다.
이상과 같은 구성에 따른 본 발명의 창호용 미세먼지 필터는 나노섬유의 망구조가 방충망에 부착된 형태인 바, 방충망의 설치라는 간단한 시공으로 창호틀에 쉽게 적용이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 창호용 미세먼지 필터는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자를 포함하는 나노섬유를 포함하여 미세먼지 제거 효율이 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 창호용 미세먼지 필터는 방사용액 하부에 침전물이 생기지 않아 나노섬유 내 유전체 무기입자의 분산성이 우수한 효과가 있다.
도 1은 광 투과율에 따른 본 발명의 창호용 미세먼지 필터의 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 창호용 미세먼지 필터 제조방법의 모식도이다.
도 3은 나노섬유 내에 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자(BaTiO3)의 함량을 분석하기 위한 열중량분석(Thermogravimetric analysis, TGA) 그래프이다.
이하에서는 본 발명을 본 발명의 첨부한 도면과 함께 구체적으로 설명한다.
본 발명은 방충망 및 방충망에 부착된 나노섬유의 망구조를 포함하는 창호용 미세먼지 필터로서, 상기 나노섬유는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자를 3-50중량% 포함하는 것인 창호용 미세먼지 필터에 관한 것이다.
상기 방충망은 금속, 합성수지 및 무기섬유 중 선택되는 1종 이상으로 제조될 수 있다.
상기 금속은 일례로 구리, 알루미늄 및 스테인레스 스틸으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 합성수지는 일례로 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리프로필렌 테레프탈레이트 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 폴리에스테르 및 나일론으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 무기섬유는 일례로 유리섬유를 포함할 수 있다.
상기 방충망은 가로와 세로 방향으로 와이어가 일정간격으로 배열되어 일정 크기의 격자가 형성된 메쉬 구조로 이루어질 수 있다.
상기 와이어의 직경은 110-140μm, 또는 120-130μm일 수 있다. 상기 와이어의 직경이 상기 범위 미만인 경우 와이어의 강도가 낮게 되어 파손의 우려가 있고, 상기 범위 초과인 경우 강도가 필요 이상으로 높게 되면서 재료비가 상승할 수 있다.
상기 방충망의 격자의 크기는 310-340μmⅹ310-340μm 또는 320-330μmⅹ320-330μm일 수 있다. 상기 격자의 크기가 상기 범위 미만인 경우 통기성이 저하될 수 있고, 상기 범위 초과인 경우 큰 오염입자 및 해충을 제외한 오염물질들이 실내공간으로 유입가능해질 수 있다.
상기 유전체 무기입자는 여과성능을 높이기 위해 첨가되는 것으로, 일례로, BaTiO3, TiO2, SiO2, Al2O3, V2O3, ZnO2, La2O3, HfO2, SrTiO3, 및 Nb2O5으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 유전체 무기입자의 유전상수는 1000-1600, 또는 1200-1400일 수 있다. 물질의 유전율은 보통 상대 유전율, 즉 진공의 유전율에 대한 상대적인 값 εr로 나타낼 수 있다. 이 값을 흔히 유전상수(dielectric constant, 誘電常數)라고도 한다. 실제 유전율은 상대 유전율에다 진공의 유전율 ε0를 곱해서 구할 수 있다(ε = εrε0). 물질의 유전상수가 클수록 정전력이 커져 정전력에 의한 여과성능을 높일 수 있다. 상기 유전체 무기입자는 구체적 일례로 1200의 유전상수를 갖는 BaTiO3일 수 있다.
상기 유전체 무기입자는 나노섬유에 포함되도록 하기 위해 방사용액을 제조할 때, 방사용액 내에서 상기 유전체 무기입자가 균일하게 분산되지 못하고 침전물로 가라앉아 전기방사 노즐이 막히거나 방사되더라도 나노섬유로 잘 형성되지 않을 수 있다. 특히, 상기 유전체 무기입자의 함량이 증가할수록 분산성은 더 저하될 수 있다. 따라서, 나노섬유에 대한 상기 유전체 무기입자의 분산성을 향상시키기 위하여 상기 유전체 무기입자는 코팅될 수 있다.
상기 나노섬유는 일례로 폴리비닐리덴플루오라이드 (Polyvinylidenefluoride), 폴리에테르설폰 (Polyethersulfone), 폴리설폰(polysulfone), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile), 폴리이미드 (Polyimide), 폴리아미드이미드(Polyamideimide), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리스타이렌(Polystyrene), 폴리아릴설폰(Polyarylsulfone) 및 에틸렌클로로-트리플루오로에틸렌(Ethylene chloro-trifluoroethylene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수지를 포함할 수 있다.
상기 수지의 쌍극자 모멘트는 5-12 Debye(D), 또는 6-10D일 수 있다. 미세먼지의 표면은 극성 작용기를 갖기 때문에 상기 수지의 쌍극자 모멘트가 클수록 전기적으로 미세먼지를 포집하는 능력이 증가할 수 있다.
상기 수지의 융점은 300-400℃, 또는 320-380℃일 수 있다. 상기 수지는 상기 범위의 융점을 가져 미세먼지 배출 온도 범위인 50-300℃에서 열적 안정성을 가질 수 있다.
상기 수지는 구체적 일례로 6.16D의 쌍극자 모멘트와 300-400℃의 융점을 갖는 폴리이미드일 수 있다.
상기 나노섬유의 직경은 방사용액의 농도 및 적용되는 전압을 변화시킴으로써 조절될 수 있는 것으로, 상기 나노섬유의 직경은 10-900nm, 또는 100-800nm, 또는 300-500nm일 수 있다. 상기 나노섬유의 직경이 작을수록 이용가능한 비표면적이 증가하여 창호용 미세먼지 필터의 미세먼지 제거 효율이 증가할 수 있기 때문에 상기 범위의 직경을 갖는 나노섬유를 포함하는 창호용 미세먼지 필터는 미세먼지를 효율적으로 제거할 수 있다.
상기 나노섬유는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자를 3-50중량%, 또는 3-48중량% 포함할 수 있다. 상기 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자가 상기 범위 미만으로 포함되는 경우 이를 포함하는 창호용 미세먼지 필터의 미세먼지 제거 효율이 저하될 수 있다. 또한, 상기 나노섬유는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자를 포함하는 방사용액을 전기방사하여 제조되는 것으로, 상기 방사용액 내에 상기 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자가 과량으로 포함되는 경우 상기 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자가 균일하게 분산되지 못하고 침전물로 가라앉아 전기방사 노즐이 막히거나 방사되더라도 나노섬유로 잘 형성되지 못할 수 있다. 따라서, 상기 나노섬유는 상기 범위 초과로 상기 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자를 포함할 수 없다.
상기 나노섬유의 망구조의 평량은 0.01-0.2g/m2, 또는 0.01-0.1g/m2일 수 있다. 평량(Basis Weight or Grammage)은 단위 면적당 질량, 즉 바람직한 단위로서 제곱미터당 그램(g/m2)으로 정의될 수 있다. 상기 나노섬유의 망구조의 평량이 상기 범위 미만인 경우 기계적 물성이 저하될 수 있고, 상기 범위 초과인 경우 생산성이 저하될 수 있다.
상기 창호용 미세먼지 필터는 광 투과율이 50-95%, 60-93%, 또는 70-90% 일 수 있다. 상기 광 투과율은 400 내지 800nm 의 AM(Air Mass)1.5 태양광 스펙트럼을 가중하여 얻어지는 광 투과율의 평균값일 수 있다. 상기 창호용 미세먼지 필터의 광 투과율이 상기 범위 미만인 경우 가시성 및 통기성을 확보하기 어려울 수 있고, 상기 범위 초과인 경우 미세먼지 제거효율이 저하될 수 있다. (도 1 참조)
상기 창호용 미세먼지 필터는 50-95%의 광 투과율에서 PM2.5 기준의 품질인자(Quality factor, QF)가 0.05-0.8Pa-1, 또는 0.06-0.65Pa-1일 수 있다. 구체적 일례로, 52%의 광 투과율에서 QF는 0.055-0.16Pa-1, 또는 0.06-0.14Pa-1일 수 있다. 또다른 구체적 일례로, 89%의 광 투과율에서 QF는 0.23-0.6 Pa-1, 또는 0.25-0.59 Pa-1일 수 있다.
효율과 압력 강하를 모두 고려한 필터의 전체적 성능은 QF에 의해 평가될 수 있으며 상기 QF가 높을수록 필터는 우수한 성능을 나타낸다. 상기 QF는 QF = -ln(1-E)/ΔP로 정의될 수 있다. 상기 E는 미세먼지 제거 효율, 상기 ΔP는 필터의 압력 강하이다. 상기 QF 범위 내에서 상기 창호용 미세먼지 필터는 우수한 미세먼지 제거효율 및 통기성을 구현할 수 있다.
상기 창호용 미세먼지 필터는 50-95%의 광 투과율에서 미세먼지(PM 2.5) 제거 효율(E)이 81-98%, 또는 81.5-97%일 수 있다. 구체적 일례로, 52%의 광 투과율에서 미세먼지(PM 2.5) 제거 효율은 81-98%, 또는 81.5-97%일 수 있다. 또다른 구체적 일례로, 89%의 광 투과율에서 미세먼지(PM 2.5) 제거 효율은 80-96%, 또는 81-95.5%일 수 있다.
상기 창호용 미세먼지 필터는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자와 수지를 포함하는 나노섬유 사이의 큰 전기적 인력으로 상기와 같은 미세먼지 제거 효율을 나타낼 수 있다. (표 1 참조)
상기 창호용 미세먼지 필터는 50-95%의 광 투과율에서 압력강하가 5-27Pa, 또는 5.5-26.5Pa일 수 있다. 구체적 일례로, 52%의 광 투과율에서 압력강하는 25-30Pa, 또는 26-28Pa일 수 있다. 또다른 구체적 일례로, 89%의 광 투과율에서 압력강하는 5.5-6.5Pa, 또는 5.8-6.2Pa일 수 있다.
한편, 압력강하는 공기의 유속이 증가함에 따라 그 값이 증가하는 것으로 상기 창호용 미세먼지 필터의 압력강하는 단위면적 당 0.21m/s 풍속의 바람으로 측정한 결과이다. 본 발명의 창호용 미세먼지 필터는 상기의 풍속 조건 하에서 상기와 같은 압력 강하를 나타내어 우수한 통기성을 구현할 수 있다.
창호용 미세먼지 필터 제조방법은 A)폴리비닐피롤리돈으로 유전체 무기입자를 코팅하는 단계; B)폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자를 1-20 중량% 포함하는 방사용액을 제조하는 단계; 및 C)방충망에 상기 방사용액을 전기방사하여 상기 방충망에 나노섬유의 망구조를 부착시키는 단계를 포함할 수 있다. (도 2 참조)
상기 A)폴리비닐피롤리돈으로 유전체 무기입자를 코팅하는 단계는 a) 유전체 무기입자를 포함하는 용액을 제조하는 단계; b)상기 용액에 폴리비닐피롤리돈을 첨가하는 단계; 및 c)상기 폴리비닐피롤리돈이 첨가된 용액을 교반 및 원심분리하여 생긴 침전물을 세척 및 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 a)단계는 에탄올에 유전체 무기입자를 첨가한 용액을 음파 처리(sonication) 방법으로 1-2시간 동안 분산시키는 단계일 수 있다.
상기 b)단계는 상기 용액에 폴리비닐피롤리돈이 유전체 무기입자와 0.7:1 내지 1.3:1, 또는 0.8:1 내지 1.2:1의 중량비율로 포함되도록 첨가한 후 sonication 방법으로 1-2시간 동안 분산시키는 단계일 수 있다. 상기 폴리비닐피롤리돈이 상기 중량비율 미만으로 포함되는 경우 상기 나노섬유에 대한 상기 유전체 무기입자의 분산성 향상효과가 미미할 수 있고, 상기 중량비율 초과로 포함되는 경우 폴리비닐피롤리돈이 용액 내에 분산되지 않고 뭉치게 되어 유전체 무기입자가 상기 폴리비닐피롤리돈으로 코팅되기 어려울 수 있다.
상기 c)단계는 상기 폴리비닐피롤리돈이 첨가된 용액을 상온에서 22-26시간 동안 교반하여 상기 유전체 무기입자 표면에 상기 폴리비닐피롤리돈이 완전히 코팅되도록 한 후, 5000rpm에서 10-30분 동안 원심분리하여 생긴 침전물을 증류수로 세척 및 동결건조하는 단계일 수 있다.
상기 폴리비닐피롤리돈은 상기 유전체 무기입자 표면에 3-10nm, 또는 4-8nm의 두께로 코팅될 수 있다. 상기 폴리비닐피롤리돈은 상기 범위의 두께로 상기 유전체 무기입자 표면에 코팅되어 상기 나노섬유에 대하여 우수한 분산성을 구현할 수 있다.
상기 B)폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자를 1-20중량% 포함하는 방사용액을 제조하는 단계는 수지를 DMF(Dimethyl Formamide)에 용해시켜 수지 용액을 제조한 후, 상기 용액에 상기 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자를 첨가하여 4-6시간동안 교반하여 방사용액을 제조하는 단계일 수 있다.
상기 C)방충망에 상기 방사용액을 전기방사하여 상기 방충망에 나노섬유의 망구조를 부착시키는 단계는 21-게이지 니들 팁을 가진 16mm 내경, 12mL 부피의 주사기를 사용하여 방사용액을 로딩하고, 주사기 펌프를 사용하여 니들 팁으로부터 방사용액을 펌핑한 후, 상기 방충망에 상기 방사용액을 직접 전기방사하여 상기 방충망에 나노섬유의 망구조를 부착하는 단계일 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예
실시예 1
A) 폴리비닐피롤리돈으로 유전체 무기입자를 코팅하는 단계
94 중량%의 에탄올 250mL에 BaTiO3 10g을 첨가한 후 1시간 동안 sonication하여 분산시킨 후, 상기 용액에 폴리비닐피롤리돈(MW=360,000 g/mol, Sigma Aldrich, CAS#9003-39-8)을 BaTiO3와 1:1의 중량비율이 되도록 첨가한 후 1시간 동안 sonication하여 더 분산시켰다. 이후, 상기 용액을 상온에서 24시간 동안 교반하여 BaTiO3에 폴리비닐피롤리돈이 6nm의 두께로 완전히 코팅되도록 한 후, 5000rpm에서 20분 동안 원심분리하여 수득한 침전물을 증류수로 4-5번 세척 및 동결건조하였다.
B)폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자를 20중량% 포함하는 방사용액을 제조하는 단계
폴리이미드(Alfa Aesar, CAS#62929-02-6) 0.903g을 DMF(Duksan Reagents, CAS#68-12-2) 5mL에 용해시켜 16 중량%의 폴리이미드 용액을 제조한 후, 이 용액에 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3를 20 중량%로 포함되도록 첨가하고 5시간 동안 교반시켜 방사용액을 제조하였다.
C) 방충망에 상기 방사용액을 전기 방사하여 상기 방충망에 나노섬유의 망구조를 부착시키는 단계
21-게이지 니들 팁을 가진 16mm 내경, 12mL 부피의 주사기를 사용하여 상기 방사용액을 로딩하고 전압 공급부(ES30P-5W, Gamma High Voltage Research)에 연결했다. 주사기 펌프(KD Scientific)를 사용하여 니들 팁으로부터 상기 방사용액을 펌핑했다. 접지된 구리 메시에 상기 방사용액을 전기방사하여 나노섬유의 망구조를 부착하였다. 구리 메시의 와이어 직경은 127μm였고, 구리 메시의 격자의 크기는 322.45μmⅹ324.12μm였다. 전기방사 동안 나노섬유를 메시 구멍을 가로질러 배치하여 창호용 미세먼지 필터를 형성하였다. 이 때, 나노섬유의 직경은 391nm였고, 나노섬유의 망구조의 평량은 0.05g/m2였다.
여기서 창호용 미세먼지 필터의 나노섬유에는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3가 46.1중량% 포함되었다.
실시예 2
상기 B)단계에서 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3를 폴리이미드 용액에 7중량%로 포함되도록 첨가하여 방사용액을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 창호용 미세먼지 필터를 형성하였다.
여기서 상기 나노섬유에는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3가 27.4중량% 포함되었다.
실시예 3
상기 B)단계에서 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3를 폴리이미드 용액에 1중량%가 되도록 첨가하여 방사용액을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 창호용 미세먼지 필터를 형성하였다.
여기서 상기 나노섬유에는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3가 3중량% 포함되었다.
실시예 4
상기 B)단계에서 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3를 폴리이미드 용액에 3중량%가 되도록 첨가하여 방사용액을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 창호용 미세먼지 필터를 형성하였다.
여기서 상기 나노섬유에는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3가 10중량% 포함되었다.
실시예 5
상기 B)단계에서 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3를 폴리이미드 용액에 5중량%가 되도록 첨가하여 방사용액을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 창호용 미세먼지 필터를 형성하였다.
여기서 상기 나노섬유에는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3가 19.3중량% 포함되었다.
실시예 6
상기 B)단계에서 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3를 폴리이미드 용액에 10중량%가 되도록 첨가하여 방사용액을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 창호용 미세먼지 필터를 형성하였다.
여기서 상기 나노섬유에는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3가 34.5중량% 포함되었다.
비교예 1
상기 A)단계를 포함하지 않고, 상기 B)단계에서 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3를 폴리이미드 용액에 첨가하지 않고 방사용액을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 창호용 미세먼지 필터를 형성하였다.
비교예 2
상기 B)단계에서 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3를 폴리이미드 용액에 0.5중량%가 되도록 첨가하여 방사용액을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 창호용 미세먼지 필터를 형성하였다.
여기서 상기 나노섬유에는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3가 1.2중량% 포함되었다.
비교예 3
상기 B)단계에서 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3를 폴리이미드 용액에 25중량%가 되도록 첨가하여 방사용액을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 창호용 미세먼지 필터를 형성하였다.
참조예 1
상기 A)단계를 포함하지 않고, B)단계에서 폴리아크릴로나이트릴(Mw=150,000, Sigma Aldrich, CAS#25014-41-9) 0.58g를 DMF(Duksan Reagents, CAS#68-12-2) 5ml에 용해시켜 11중량% 농도의 폴리아크릴로나이트릴 용액을 제조한 후 BaTiO3를 첨가하지 않고 상기 폴리아크릴로나이트릴 용액을 방사용액으로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 창호용 미세먼지 필터를 형성하였다.
상기 실시예, 비교예, 참조예에 사용된 물질의 그레이드는 아래와 같다.
- 폴리이미드(Alfa Aesar, CAS#62929-02-6)
- 에탄올(OCI company Ltd Korea, CAS#64-17-5)
- 폴리비닐피롤리돈(Mw=360,000, Sigma Aldrich, CAS#9003-39-8)
- DMF(Duksan Reagents, CAS#68-12-2)
- 폴리아크릴로나이트릴(Mw=150,000, Sigma Aldrich, CAS#25014-41-9)
- 위에서, 상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1의 창호용 미세먼지 필터의 나노섬유 내의 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3의 함량은 열중량분석을 통해 측정한 것으로, 구체적으로는 가열 전의 나노섬유 중량을 기준으로 800℃에서의 나노섬유의 중량을 측정하여 %로 환산한 값이다(도 3 참조).
시험예
분산성
상기 실시예 1 내지 3, 비교예 2 내지 3의 방사용액의 분산성을 육안으로 측정하였다. 가라앉는 유전체 무기입자가 생겨 상기 방사용액의 하부에 흰색 침전물이 생긴 경우 분산성이 불량한 것으로 평가하였고, 그렇지 않은 경우 분산성이 우수한 것으로 평가하여 표 1에 나타내었다.
상기 방사용액의 분산성이 우수하면 나노섬유 내 유전체 무기입자의 분산성이 우수할 수 있다.
광 투과율
상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 3 및 참조예 1의 창호용 미세먼지 필터의 광 투과율은 400 내지 800nm의 AM1.5 태양광 스펙트럼을 가중한 후 얻어지는 광 투과율 값의 평균값으로 나타내었다.
미세먼지(PM,Particulate Matter) 제거 효율(E)
상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 2 및 참조예 1의 창호용 미세먼지 필터가 있을 때와 없을 때 PM2.5 입자 수 농도를 비교하여 PM2.5 제거 효율을 측정하여 표 1에 나타내었다. 상기 PM 2.5 농도는 portable particle counter(DT-9881, CEM instrument, India)를 사용하여 측정되었다. 초기 농도는 250μg/m3 초과의 농도에서 실험을 진행하였다.
상기 PM 2.5 제거 효율 증가할수록 창호용 미세먼지 필터가 우수한 성능을 나타낼 수 있다.
압력강하(ΔP)
상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 2 및 참조예 1의 단위면적 당 0.21m/s 풍속의 바람이 창호용 미세먼지 필터를 가로지르는 압력 차이를 차등 압력 게이지(EM201B, UEi test instrument)로 측정하여 압력 강하를 측정하여 표 1에 나타내었다.
상기 압력강하가 낮을수록 창호용 미세먼지 필터가 우수한 통기성을 나타낼 수 있다.
QF(Quality Factor)
상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 2 및 참조예 1의 상기 창호용 미세먼지 필터의 QF는 QF = -ln(1-E)/ΔP에 의해 계산하여 표 1에 나타내었다.
상기 QF가 증가할수록 미세먼지 필터가 우수한 성능을 나타낼 수 있다.
Sample 분산성 광 투과율(%) PM 2.5 제거 효율(%) 압력강하(Pa) QF(Pa-1)
PM2.5기준
실시예 1
 우수 89 95.3 6 0.5085
52 96.8 28 0.1230
20 98.4 57 0.0730
실시예 2
 우수 89 87.6 6 0.3477
52 92 28 0.0902
20 94.6 57 0.0512
실시예 3
 우수 89 82.3 6 0.2883
52 85.6 28 0.0692
20 93.1 57 0.0470
비교예 1
 - 89 68.1 6 0.1906
52 76 28 0.0510
20 90.5 57 0.0413
비교예 2
 우수 89 74.3 6 0.2264
52 78.3 28 0.0546
20 92.6 57 0.0457
비교예 3 불량 89 - - -
52 - - -
20 - - -
참조예 1 - 89 62.3 6 0.1626
52 70.4 28 0.0435
20 82 57 0.0301
(비교예 1 및 참조예 1의 방사용액의 분산성 시험 미실시, 비교예 3의 창호용 미세먼지 필터의 PM2.5 제거효율, 압력강하, QF 측정 불가)
상기 실시예 1 내지 3의 창호용 미세먼지 필터는 나노섬유 내에 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3의 분산성이 우수하였다. 또한, 상기 창호용 미세먼지 필터는 미세먼지 제거 효율 및 QF가 우수하며 낮은 압력강하를 나타내어 통기성이 우수하였다.
한편, 비교예 1의 창호용 미세먼지 필터는 나노섬유에 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3가 포함되지 않아 실시예들에 비해 미세먼지 제거 효율 및 QF가 저하되었다.
한편, 비교예 2의 창호용 미세먼지 필터는 나노섬유에 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3가 1.2중량% 포함되어 실시예들에 비해 미세먼지 제거 효율이 저하되었다.
한편, 비교예 3의 창호용 미세먼지 필터는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3가 25중량% 포함된 방사용액을 이용한 것으로, 상기 방사용액은 하부에 침전물이 생겨 분산성이 불량하였다. 따라서, 상기 방사용액의 침전물로 인하여 상기 방사용액을 전기방사 하였을 때 방사공정이 원활하지 못하여 창호용 미세먼지 필터의 제조가 불가하였으며, 이에 따라 미세먼지 제거효율, 압력강하 및 QF 측정을 할 수 없었다.
한편, 참조예 1의 창호용 미세먼지 필터는 실시예 1 내지 6에서 사용된 수지로 폴리이미드 대신 쌍극자 모멘트 값이 작은 폴리아크릴로나이트릴을 사용하고, 나노섬유에 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 BaTiO3가 포함되지 않아 미세먼지 제거효율 및 QF가 저하되었다.

Claims (15)

  1. 방충망 및 방충망에 부착된 나노섬유의 망구조를 포함하는 창호용 미세먼지 필터로서, 상기 나노섬유는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자를 3-50중량% 포함하는 것인 창호용 미세먼지 필터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 방충망은 금속, 합성수지 및 무기섬유 중 선택되는 1종 이상으로 제조되는 것인 창호용 미세먼지 필터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 방충망은 와이어의 직경이 110-140μm, 격자의 크기가 310-340μmⅹ310-340μm인 것인 창호용 미세먼지 필터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유전체 무기입자는 BaTiO3, TiO2, SiO2, Al2O3, V2O3, ZnO2, La2O3, HfO2, SrTiO3, 및 Nb2O5으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것인 창호용 미세먼지 필터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 유전체 무기입자의 유전상수는 1000-1600인 것인 창호용 미세먼지 필터.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 나노섬유는 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidenefluoride), 폴리에테르설폰 (Polyethersulfone), 폴리설폰(polysulfone), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile), 폴리이미드 (Polyimide), 폴리아미드이미드(Polyamideimide), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리스타이렌(Polystyrene), 폴리아릴설폰(Polyarylsulfone) 및 에틸렌클로로-트리플루오로에틸렌(Ethylene chloro-trifluoroethylene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수지를 포함하는 것인 창호용 미세먼지 필터.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 수지는 쌍극자 모멘트가 5-12Debye, 융점이 300-400℃인 것인 창호용 미세먼지 필터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 나노섬유는 직경이 10-900nm인 것인 창호용 미세먼지 필터.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 창호용 미세먼지 필터는 광 투과율이 50-95%인 것인 창호용 미세먼지 필터.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 창호용 미세먼지 필터는 52%의 광 투과율에서 미세먼지(PM2.5) 기준의 QF가 0.055-0.16Pa-1 또는 89%의 광 투과율에서 미세먼지(PM2.5) 기준의 QF가 0.23-0.6Pa-1인 것인 창호용 미세먼지 필터.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 창호용 미세먼지 필터는 52%의 광 투과율에서 미세먼지(PM2.5) 제거효율이 81-98% 또는 89%의 광 투과율에서 미세먼지(PM2.5) 제거 효율이 80-96%인 것인 창호용 미세먼지 필터.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 창호용 미세먼지 필터는 52%의 광 투과율에서 압력강하가 25-30Pa 또는 89%의 광 투과율에서 압력 강하가 5.5-6.5Pa인 것인 창호용 미세먼지 필터.
  13. A)폴리비닐피롤리돈으로 유전체 무기입자를 코팅하는 단계; B)폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 유전체 무기입자를 1-20 중량% 포함하는 방사용액을 제조하는 단계; 및 C)방충망에 상기 방사용액을 전기방사하여 상기 방충망에 나노섬유의 망구조를 부착시키는 단계를 포함하는 창호용 미세먼지 필터의 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 A)단계는 a)유전체 무기입자를 포함하는 용액을 제조하는 단계; b)상기 용액에 폴리비닐피롤리돈을 첨가하는 단계; 및 c)상기 폴리비닐피롤리돈이 첨가된 용액을 교반 및 원심분리하여 생긴 침전물을 세척 및 건조하는 단계를 포함하는 것인 창호용 미세먼지 필터 제조방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 용액은 폴리비닐피롤리돈과 유전체 무기입자를 0.7:1 내지 1.3:1의 중량비율로 포함하는 것인 창호용 미세먼지 필터 제조방법.
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