KR20210003551A - 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조방법 - Google Patents

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KR20210003551A
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dust
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안승언
박현수
고영호
김일호
이지윤
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한국산업기술대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은, 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체는, 탄소나노튜브가 일 방향으로 배열된 탄소나노튜브 어레이를 포함하는 제1 탄소나노튜브 시트; 및 상기 탄소나노튜브 어레이의 방향과 상이한 방향으로 배열된 탄소나노튜브 어레이를 포함하는 제2 탄소나노튜브 시트;를 포함하고, 상기 제1 탄소나노튜브 시트 및 상기 제2 탄소나노튜브 시트가 적어도 2 층 내지 10 층인 것이다.

Description

먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조방법{CARBONNANO TUBE STRUCTURE FOR DUST FILTER OR MASK AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 미세먼지는 세계보건기구(WHO)에서 1급 발암물질로 지정될 정도로 인체에 매우 유해한 영향을 미치는 것으로 잘 알려져 있다.
따라서, 최근 빈번하게 발생하는 스모그나 황사처럼 미세먼지의 농도가 매우 높을 때에는 미세먼지로부터 건강을 보호하기 위해서 가급적 외출을 자제하는 것이 좋다. 만약 외출을 할 경우에는 식품의약품안전처에서 허가한 황사 마스크를 착용하는 것이 건강을 보호할 수 있는 대책이다. 또한, 황사 마스크처럼 호흡할 때 미세먼지를 차단하기 위한 미세먼지 차단 마스크가 있다.
그러나, 식품의약품안전처에서 허가받은 여러 종류의 황사 마스크는 마스크 본체 자체가 공기에 포함되어 있는 미세먼지를 걸러주는 필터의 역할을 하기 때문에 미세먼지의 제거 성능을 높이는데 한계가 있을 뿐만 아니라 효과적으로 먼지를 차단하는데 미흡하다.
또한, 마스크의 경우 미세먼지에 대한 필터링 효과가 큰 것은 여과 효율이 떨어져 호흡하기가 곤란한 문제가 있다.
한편, 미세먼지와 초미세먼지까지 제거할 수 있는 여과 필터를 장착한 공기청정기 및 청소기를 사용할 경우, 제거 대상물질의 입경이 작을수록 압력손실이 증가되므로 흡기용 팬과 모터의 동력 및 크기가 증대되고 소음도 크게 발생되며 단기간에 필터를 자주 교체해야 하는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 유해 미세 먼지 필터링 효과 및 여과 효율이 우수하고 재활용이 가능한 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체는, 탄소나노튜브가 일 방향으로 배열된 탄소나노튜브 어레이를 포함하는 제1 탄소나노튜브 시트; 및 상기 탄소나노튜브 어레이의 방향과 상이한 방향으로 배열된 탄소나노튜브 어레이를 포함하는 제2 탄소나노튜브 시트;를 포함하고, 상기 제1 탄소나노튜브 시트 및 상기 제2 탄소나노튜브 시트가 적어도 2 층 내지 10 층인 것이다.
일 실시형태에 있어서, 상기 탄소나노튜브 어레이의 탄소나노튜브 밀도는, 2 × 1011/cm2 내지 10 × 1011/cm2이고, 상기 탄소나노튜브의 직경은 10 nm 내지 15 nm이고, 상기 탄소나노튜브 구조체에 3 V 내지 15 V의 전압 인가 시 30 ℃ 내지 170 ℃의 온도가 발생하고, 상기 탄소나노튜브 구조체를 통과한 후 먼지 여과 효율은 75 % 내지 80 %인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 탄소나노튜브 구조체에 물리적 흡착된 먼지는 열처리 탈착 가능한 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체의 제조방법은, 탄소나노튜브를 일 방향으로 성장시켜 적어도 2 개 이상의 탄소나노튜브 어레이를 형성하는 단계; 상기 탄소나노튜브 어레이를 드로잉(drawing)하여 제1 탄소나노튜브 시트를 형성하는 단계; 및 상기 제1 탄소나노튜브 시트 상에, 상기 탄소나노튜브 어레이의 방향과 수직 방향으로 배열된 탄소나노튜브 어레이를 포함하는 제2 탄소나노튜브 시트를 적층하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 탄소나노튜브 및 상기 제2 탄소나노튜브가 적어도 2 층 내지 10 층인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 탄소나노튜브를 일 방향으로 성장시켜 적어도 2 개 이상의 탄소나노튜브 어레이를 형성하는 단계는, 기판 상에 금속촉매 박막을 형성하는 단계; 상기 금속촉매 박막을 촉매입자 아일랜드로 형성하는 단계; 및 상기 촉매입자에 운반가스 및 반응가스를 주입하여 일 방향으로 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체는, 필터 성능이 우수하면서 동시에 여과 효율이 우수한 필터를 제공할 수 있다. 또한, 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체는 먼지 필터링 후 탄소나노튜브 구조체에 물리적으로 흡착된 먼지는 인가 전압에 따른 발열에 의해 먼지를 탈착시킬 수 있어 재활용이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체의 제조방법에 의하여 간단한 방법으로 필터 성능이 우수하면서 동시에 여과 효율이 우수한 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체의 제조방법의 순서를 나타내는 순서도이다.
도 4는 도 3의 탄소나토튜브 어레이 형성 단계의 세부 단계를 나타내는 순서도이다.
도 5 내지 도 9는 본 발명읠 일 실시예에 따른 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체를 제조하는 개략도이다.
도 10은 본 발명의 탄소나노튜브 포레스트(어레이)에서 탄소나노튜브 시트로의 SEM 이미지이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트를 서로 수직으로 교차 배열하여 8 층의 탄소나노튜브 젠가의 제조를 설명한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 8 층 탄소나노튜브 젠가의 이미지이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 비교예 1에 따른 6 층의 탄소나노튜브 시트가 적층된 먼지 필터의 미세먼지 필터링 후의 SEM 이미지이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실시예 1에 따른 8 층의 탄소나노튜브 시트가 적층된 먼지 필터의 미세먼지 필터링 후의 SEM 이미지이다.
도 17은 본 발명의 필터 종류에 따른 미세먼지 필터링 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 필터 종류에 따른 유량 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 먼지 필터에 인가 전압에 따른 탄소나노튜브 시트 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 20 및 도 21은, 본 발명의 실시예 1의 먼지 필터에 먼지 필터링 후 전압을 인가하기 전 및 후의 먼지 필터의 이미지이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면에 따른 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체는, 탄소나노튜브가 일 방향으로 배열된 탄소나노튜브 어레이를 포함하는 제1 탄소나노튜브 시트; 및 상기 탄소나노튜브 어레이의 방향과 상이한 방향으로 배열된 탄소나노튜브 어레이를 포함하는 제2 탄소나노튜브 시트;를 포함하고, 상기 제1 탄소나노튜브 시트 및 상기 제2 탄소나노튜브 시트가 적어도 2 층 내지 10 층인 것이다.
도 1은 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(100)는, 제1 탄소나노튜브 시트(110) 및 제2 탄소나노튜브 시트(120)를 포함한다. 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110) 및 제2 탄소나노튜브 시트(120)는, 각각 1 층씩 배치된 것으로서, 도 1에 도시된 탄소나노튜브 구조체(100)는 총 2 층의 탄소나노튜브 시트가 배치된 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체는, 제1 탄소나노튜브 시트(110), 제2 탄소나노튜브 시트(120), 제3 탄소나노튜브 시트(130), 제4 탄소나노튜브 시트(140), …, 제9 탄소나노튜브 시트(190) 및 제10 탄소나노튜브 시트(200)를 포함한다. 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110), 제2 탄소나노튜브 시트(120), 제3 탄소나노튜브 시트(130), 제4 탄소나노튜브 시트(140), …, 제9 탄소나노튜브 시트(190) 및 제10 탄소나노튜브 시트(200)는, 각각 1 층씩 배치된 것으로서, 도 2에 도시된 탄소나노튜브 구조체는 총 10 층의 탄소나노튜브 시트가 배치된 것이다.
일 실시형태에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브 어레이의 방향이 서로 수직인 방향 즉, 교차되게 배치되는 적어도 2 층의 탄소나노튜브 시트로 구성될 수 있고, 도 2에 도시된 바와 같이, 10 층의 탄소나노튜브 시트가 서로 교차 배치될 수도 있다.
일 실시형태에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 10 층의 탄소나노튜브 시트가 배치된 경우, 제1 탄소나노튜브 시트(110) 및 제2 탄소나노튜브 시트(120)가 서로 수직인 방향으로 배치되고, 그 이후의 탄소나노튜브 시트도 연속으로 수직 방향으로 배치되어, 제1 탄소나노튜브 시트(110), 제3 탄소나노튜브 시트(130), 제5 탄소나노튜브 시트(150)가 동일한 방향이 되고, 제2 탄소나노튜브 시트(120), 제4 탄소나노튜브 시트(140), 제6 탄소나노튜브 시트(160)가 서로 동일한 방향이 될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 도면에 도시되어 있지는 않지만, 제1 탄소나노튜브 시트(110)의 탄소나노튜브 어레이가 일 방향으로 배열되어 있으면, 제2 탄소나노튜브 시트(120)의 탄소나노튜브 어레이는 제1 탄소나노튜브 시트(110)의 탄소나노튜브 어레이가 배열된 일 방향에서 일정 각도, 예를 들어, 30도 틸트된 방향으로 배치될 수 있고, 제3 탄소나노튜브 시트(130)의 탄소나노튜브 어레이는 제2 탄소나노튜브 시트(120)의 탄소나노튜브 어레이가 배치된 방향에서 30도 틸트된 방향으로 배치될 수 있고, 제4 탄소나노튜브 시트(140)의 탄소나노튜브 어레이는 제3 탄소나노튜브 시트(130)의 탄소나노튜브 어레이가 배치된 방향에서 30도 틸트된 방향으로 배치될 수 있고, 이런식으로, 제10 탄소나노튜브 시트(200)의 탄소나노튜브 어레이가 일정 각도로 틸트되어 배치될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 탄소나노튜브 어레이의 탄소나노튜브 밀도는, 2 × 1011/cm2 내지 10 × 1011/cm2인 것일 수 있다. 상기 탄소나노튜브 어레이의 탄소나노튜브 밀도가 2 × 1011/cm2 미만인 경우 드로잉 자체가되지 않아 탄소나노튜브 시트를 제조할 수 없고, 10 × 1011/cm2 초과인 경우 먼지 필터의 여과 효율이 떨어진다. 수직성장 탄소나노튜브의 밀도가 낮으면 드로잉 자체가 되지 않으므로 탄소나노튜브 시트를 만들 수 없다. 따라서, 본 발명의 필터 제작이 불가능하다. 따라서 탄소나노튜브의 직경을 감안했을 때 상기 범위의 정도의 밀도를 가져야 드로잉이 가능하다.일 실시형태에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 직경은 10 nm 내지 15 nm인 것일 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 직경이 10 nm 미만인 경우 필터 성능이 떨어지고, 15 nm 초과인 경우 제조 비용이 많이든다. 상기 탄소나노튜브의 성장 시간을 길게 할 때 탄소나노튜브 길이가 길어질 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 탄소나노튜브 어레이의 밀도가 높아야 하기 때문에 수직 성장된 탄소나노튜브의 간격은 거의 제로에 가깝다. 드로잉 할 때 탄소나노튜브 간의 간격이 결정되는 것으로서, 성장 후의 탄소나노튜브 간격은 필터와 직접적 관련이 없다.
일 실시형태에 있어서, 상기 탄소나노튜브 구조체(100)에 3 V 내지 15 V의 전압 인가 시 30 ℃ 내지 170 ℃의 온도가 발생하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 탄소나노튜브 구조체에 물리적 흡착된 먼지는 열처리 탈착 가능한 것일 수 있다. 상기 탄소나노튜브 구조체에 전압 인가 시 탄소나노튜브 시트가 발열하게 되는데 이 때 발열된 열에 의해 먼지가 제거되는 것일 수 있다. 이에 따라, 탄소나노튜브 구조체를 활용한 먼지 필터링 후 열에 의해 먼지를 제거함으로써, 먼지 필터 또는 마스크는 1 회용이 아닌 재활용이 가능하다.
일 실시형태에 있어서, 상기 탄소나노튜브 구조체를 통과한 후 먼지 여과 효율은 75 % 내지 80 %인 것일 수 있다. 일반적으로 먼지 필터 또는 마스크의 필터 성능이 좋아지면 여과 효율이 떨어지게 되지만, 본 발명의 탄소나노튜브 구조체를 이용한 먼지 필터 또는 마스크는 탄소나노튜브 시트 기반의 필터가 여과 효율 성능을 보완할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체는, 필터 성능이 우수하면서 동시에 여과 효율이 우수한 필터를 제공할 수 있다. 또한, 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체는 먼지 필터링 후 탄소나노튜브 구조체에 물리적으로 흡착된 먼지는 인가 전압에 따른 발열에 의해 먼지를 탈착시킬 수 있어 재활용이 가능하다.
본 발명의 다른 측면에 따른 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체의 제조방법은, 탄소나노튜브를 일 방향으로 성장시켜 적어도 2 개 이상의 탄소나노튜브 어레이를 형성하는 단계; 상기 탄소나노튜브 어레이를 드로잉(drawing)하여 제1 탄소나노튜브 시트를 형성하는 단계; 및 상기 제1 탄소나노튜브 시트 상에, 상기 탄소나노튜브 어레이의 방향과 수직 방향으로 배열된 탄소나노튜브 어레이를 포함하는 제2 탄소나노튜브 시트를 적층하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 탄소나노튜브 및 상기 제2 탄소나노튜브가 적어도 2 층 내지 10 층인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 탄소나노튜브를 일 방향으로 성장시켜 적어도 2 개 이상의 탄소나노튜브 어레이를 형성하는 단계는, 기판 상에 금속촉매 박막을 형성하는 단계; 상기 금속촉매 박막을 촉매입자 아일랜드로 형성하는 단계; 및 상기 촉매입자에 운반가스 및 반응가스를 주입하여 일 방향으로 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체의 제조방법의 순서를 나타내는 순서도이고, 도 4는 도 3의 탄소나토튜브 어레이 형성 단계의 세부 단계를 나타내는 순서도이고, 도 5 내지 도 9는 본 발명읠 일 실시예에 따른 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체를 제조하는 개략도를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체의 제조방법은, 탄소나노튜브 어레이 형성 단계 (310), 제1 탄소나노튜브 시트 형성 단계 (320) 및 제2 탄소나노튜브 시트 적층 단계 (330)를 포함한다.
도 3 및 도 8을 참조하면, 상기 탄소나노튜브 어레이 형성 단계 (310)는, 탄소나노튜브(430)를 일 방향으로 성장시켜 적어도 2 개 이상의 탄소나노튜브 어레이(440)를 형성하는 단계이다. 상기 탄소나노튜브 어레이(440)는 복수 개의 탄소나노튜브(430)를 포함하는 탄소나노튜브 포레스트(forest)인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 탄소나노튜브를 일 방향으로 수직배열시켜 제조할 수 있는 데, 탄소나노튜브를 수직배열시키는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니나, 금속촉매를 이용하여 탄소나노튜브를 수직배향하는 것이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 어레이 형성 단계 (310)의 세부 단계는, 금속촉매 박막 형성 단계 (312), 촉매입자 아일랜드 형성 단계 (314) 및 탄소나노튜브 성장 단계 (316)를 포함한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 금속촉매 박막 형성 단계 (312)는, 기판(410)을 준비하고, 상기 기판(410) 상에 금속촉매 박막(410)을 형성하는 단계이다. 상기 기판(410)은, p타입 실리콘 기판, n타입 실리콘 기판 또는 표면에 산화층이 형성된 실리콘 기판이 사용될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속촉매 박막(410)은 물리기상증착(PVD) 박막 필름 코팅 공정에 의해 형성되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 탄소나노튜브(430)는 금속촉매 박막(410)에서 성장할 수 있는 데, 상기 금속촉매는, Pd, Ni, Co, Fe, Au 및 Pt으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 실리콘(Si) 기판 상에 산화알루미늄(Al2O3) 또는 산화실리콘(SiO2)을 증착한 후에 금속촉매로서 Fe 촉매를 형성하는 것일 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 촉매입자 아일랜드 형성 단계 (314)는, 상기 금속촉매 박막을 촉매입자 아일랜드로 형성하는 단계이다. 예를 들어, 상기 금속촉매는 탄소나노튜브 성장 단계에서 반응가스를 주입하기 이전에 고온에서 일정 시간을 대기하게 되는데, 이 때 금속촉매 박막이 녹는점이 넘게 되면서 탄소나노튜브가 밀도있게 성장하기 좋도록 아일랜드 타입으로 형성되는 것일 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 탄소나노튜브 성장 단계 (316)는, 상기 촉매입자에 운반가스 및 반응가스를 주입하여 일 방향으로 탄소나노튜브를 성장시키는 단계 이다. 탄소나노튜브는, 화학기상증착(CVD), 유기금속화학기상증착(MOCVD) 방법 등에 의해 성장시키는 것일 수 있다. 상기 운반가스로는, 예를 들어, 비활성가스인 Ar, He, N2 등을 이용할 수 있으며, 반응가스로는, 예를 들어, C2H2, CH4 등을 이용할 수 있다. 운반가스 및 소스가스(source gas)를 주입하고 700 ℃ 내지 900 ℃의 온도를 가하여 주는 경우, 소스가스의 탄소가 패터닝된 금속촉매(412)에 결합되어 성장되면서 탄소나노튜브(430)가 형성된다. 탄소나노튜브의 성장은 균일한 높이를 가지면서 높은 밀도를 갖는 수직배열된 탄소나노튜브(430)가 형성될 수 있고, 복수개의 탄소나노튜브가 성장된 탄소나노튜브 어레이(440)가 형성되는 것일 수 있다.
도 9를 참조하면, 제1 탄소나노튜브 시트 형성 단계 (320)는, 상기 탄소나노튜브 어레이(440)를 드로잉(drawing)하여 제1 탄소나노튜브 시트를 형성하는 단계이다. 상기 탄소나노튜브 어레이(440)를 드로잉 장치를 통해 드로잉한 후 패킹하여 탄소나노튜브 시트(450)를 제조한다. 이때 패킹은 드로잉한 탄소나노튜브 시트(450)를 유기용매에 통과시켜 모세관 현상에 의해 패킹된 탄소나노튜브 시트(450)를 제조한다. 유기용매로는 에탄올 또는 아세톤이 사용될 수 있으며, 이것에 제한되는 것은 아니다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제2 탄소나노튜브 시트 적층 단계 (330)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1 탄소나노튜브 시트(110) 상에, 상기 탄소나노튜브 어레이의 방향과 수직 방향으로 배열된 탄소나노튜브 어레이를 포함하는 제2 탄소나노튜브 시트(120)를 적층하는 단계이다. 도 1에 도시된 탄소나노튜브 구조체에 제한되지 않고, 2 층 이상의 탄소나노튜브 시트들이 다양한 방향으로 적층배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체의 제조방법에 의하여 간단한 방법으로 필터 성능이 우수하면서 동시에 여과 효율이 우수한 먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체를 제조할 수 있다.
이하, 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 그에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
[제조예]
실리콘(Si) 기판에 산화실리콘(SiO2)을 증착한 후에 금속인 Fe 촉매 박막을 전면 성장시켰다. 그런 다음, Fe 촉매 박막이 형성된 기판을 CVD 반응기에 적재시키고, N2 흐름 하에 750~800 ℃까지 기판을 가열하여 촉매 박막 표면에 Fe 아일랜드를 형성하였다. 이어서, 운반가스로는 H2를 주입하였고, 반응가스로는 C2H2을 주입하였다. 운반가스 및 소스가스를 주입하고 750~800 ℃의 온도를 가하여 주어, 소스가스의 탄소가 금속촉매에 결합되어 성장되면서 탄소나노튜브가 형성된다. 탄소나노튜브의 성장은 균일한 높이를 가지면서 높은 밀도를 갖는 수직배열된 탄소나노튜브 어레이가 복수개로 형성되었다. 탄소나노튜브 밀도는 8 × 1011/cm2이고, 직경은 10~15 nm이었다.
탄소나노튜브 어레이를 드로잉하여 탄소나노튜브 시트를 복수개로 제조하였다.
도 10은 본 발명의 탄소나노튜브 포레스트(어레이)에서 탄소나노튜브 시트로의 SEM 이미지이다.
[비교예 1]
제조예에서 제조한 복수개의 탄소나노튜브 시트를 한 방향으로 오버랩시켜 총 6 층의 탄소나노튜브 시트를 준비하였다.
[비교예 2]
제조예에서 제조한 복수개의 탄소나노튜브 시트를 한 방향으로 오버랩시켜 총 8 층의 탄소나노튜브 시트를 준비하였다.
[실시예 1]
제조예에서 제조한 복수개의 탄소나노튜브 시트를 서로 교차 오버랩하여 총 8 층의 탄소나노튜브 시트를 제조하였다.
[실시예 1]
제조예에서 제조한 복수개의 탄소나노튜브 시트를 서로 교차 오버랩하여 총 8 층의 탄소나노튜브 시트를 이용하여 Meltblown 탄소나노튜브 젠가(jenga)를 제조하였다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 비교예 1에 따른 6 층의 탄소나노튜브 시트가 적층된 먼지 필터의 미세먼지 필터링 후의 SEM 이미지이다. 도 11 및 도 12를 참조하면, 각각, 4.66 ㎛, 10.89 ㎛의 먼지가 필터링 된 것을 확인할 수 있다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예 1에 따른 8 층의 탄소나노튜브 시트가 적층된 먼지 필터의 미세먼지 필터링 후의 SEM 이미지이다. 도 13 및 도 14를 참조하면, 각각, 5.76 ㎛, 2.22 ㎛의 먼지가 필터링 된 것을 확인할 수 있다. 탄소나노튜브를 교차 오버랩할수록 그리고 층 수가 높아질수록 더욱 미세한 먼지를 필터링할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트를 서로 수직으로 교차 배열하여 8 층의 탄소나노튜브 젠가(jenga)의 제조를 설명한 도면이고, 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 8 층 탄소나노튜브 젠가의 이미지이다. 한 층, 한 층을 탄소나노튜브의 수직 방향, 수평 방향으로 서로 교차 오버랩하여 총 8 층 교차하여, 8 층 탄소나노튜브 젠가를 제조하였다.
도 17은 본 발명의 필터 종류에 따른 미세먼지 필터링 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 17을 참조하면, 각각, 실내(indoor), CNT 4*4# (실시예 1), 8층의 탄소나노튜브 시트가 적층된 먼지 필터 (실시예 2), 시판되는 KF 80 필터, 시판되는 KF 94 필터 및 jenga 각각에 대한 PM 1, PM 2.5 및 PM 10의 필터링 측정 결과를 나타낸다. 시판되는 KF 80 필터 및 시판되는 KF 94 필터 보다 실시예 1 및 2가 PM 1, PM 2.5 및 PM 10에 대해 필터링 효과가 우수한 것을 알 수 있다.
도 18은 본 발명의 필터 종류에 따른 유량 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 18을 참조하면, 각각, 필터가 없는 경우 (No Filter), 8층의 탄소나노튜브 시트가 적층된 먼지 필터 (비교예 2), 시판되는 KF 80 필터, 시판되는 KF 94 필터 및 탄소나노튜브 8층젠가 (실시예 2, cnt8L jenga) 각각에 대한 유량 측정 (%)결과를 나타낸다.
도 19는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 먼지 필터에 인가 전압에 따른 탄소나노튜브 시트 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 19를 참조하면, 인가 전압이 높을수록 탄소나노튜브 시트의 온도가 높아지는 것을 알 수 있다. 이를 활용하여, 먼지 필터링 후 탄소나노튜브 먼지 필터의 먼지가 제거되는 것을 확인하였다.
도 20 및 도 21은, 각각, 본 발명의 실시예 1의 먼지 필터에 먼지 필터링 후 전압을 인가하기 전 및 후의 먼지 필터의 이미지이다. 약 150 ℃ 실험에서 상당부분의 먼지가 눈에 띄게 제거되는 것을 확인하였다. 따라서, 먼지 필터를 1 회용으로 사용하는 것이 아니라, 먼지 필터링 후 전압을 인가하여 재활용할 수 있는 것을 확인하였다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 탄소나노튜브 구조체
110: 제1 탄소나노튜브 시트
120: 제2 탄소나노튜브 시트
130: 제3 탄소나노튜브 시트
140: 제4 탄소나노튜브 시트
190: 제9 탄소나노튜브 시트
200: 제10 탄소나노튜브 시트
410: 기판
420: 금속촉매 박매
422: 패터닝된 금속촉매
430: 탄소나노튜브
440: 탄소나노튜브 어레이
450: 탄소나노튜브 시트

Claims (5)

  1. 탄소나노튜브가 일 방향으로 배열된 탄소나노튜브 어레이를 포함하는 제1 탄소나노튜브 시트; 및
    상기 탄소나노튜브 어레이의 방향과 상이한 방향으로 배열된 탄소나노튜브 어레이를 포함하는 제2 탄소나노튜브 시트;
    를 포함하고,
    상기 제1 탄소나노튜브 시트 및 상기 제2 탄소나노튜브 시트가 적어도 2 층 내지 10 층인 것인,
    먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 어레이의 탄소나노튜브 밀도는, 2 × 1011/cm2 내지 10 × 1011/cm2이고,
    상기 탄소나노튜브의 직경은 10 nm 내지 15 nm이고,
    상기 탄소나노튜브 구조체에 3 V 내지 15 V의 전압 인가 시 30 ℃ 내지 170 ℃의 온도가 발생하고,
    상기 탄소나노튜브 구조체를 통과한 후 먼지 여과 효율은 75 % 내지 80 %인 것인,
    먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 구조체에 물리적 흡착된 먼지는 열처리 탈착 가능한 것인,
    먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체.
  4. 탄소나노튜브를 일 방향으로 성장시켜 적어도 2 개 이상의 탄소나노튜브 어레이를 형성하는 단계;
    상기 탄소나노튜브 어레이를 드로잉(drawing)하여 제1 탄소나노튜브 시트를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 탄소나노튜브 시트 상에, 상기 탄소나노튜브 어레이의 방향과 수직 방향으로 배열된 탄소나노튜브 어레이를 포함하는 제2 탄소나노튜브 시트를 적층하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 제1 탄소나노튜브 및 상기 제2 탄소나노튜브가 적어도 2 층 내지 10 층인 것인,
    먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브를 일 방향으로 성장시켜 적어도 2 개 이상의 탄소나노튜브 어레이를 형성하는 단계는,
    기판 상에 금속촉매 박막을 형성하는 단계;
    상기 금속촉매 박막을 촉매입자 아일랜드로 형성하는 단계; 및
    상기 촉매입자에 운반가스 및 반응가스를 주입하여 일 방향으로 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;
    를 포함하는,
    먼지 필터 또는 마스크용 탄소나노튜브 구조체의 제조방법.
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