KR20210007424A - 에어 필터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20210007424A
KR20210007424A KR1020190083864A KR20190083864A KR20210007424A KR 20210007424 A KR20210007424 A KR 20210007424A KR 1020190083864 A KR1020190083864 A KR 1020190083864A KR 20190083864 A KR20190083864 A KR 20190083864A KR 20210007424 A KR20210007424 A KR 20210007424A
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carbon atoms
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이지석
윤해성
박규태
전광승
전하림
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은, 에어 필터 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 예에 따른 에어 필터는, 공기 청정기나 개인용 마스크 필터에 적용 시, PM2.5에 해당하는 초미세 먼지에 대한 제거 능력이 매우 우수하면서도 압력의 손실이 크지 않아, 미세먼지 제거 효율이 높고, 사용자에게 호흡 곤란 등의 문제점을 일으키지 않으며, 높은 정화 효율이 오래 지속될 수 있다.

Description

에어 필터 및 그 제조 방법{AIR FILTER AND THE METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은, 에어 필터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
필터는 유체 속의 이물질을 걸러내는 여과 장치로, 그 중, 에어 필터는 가정, 사무실 등 실내 공기 중의 미세 먼지 등을 제거하기 위해 사용되는 공기 청정기, 에어컨, 공조기, 차량 내부 공기 순환기 등의 장치나, 안면 마스크 등의 개인 위생 도구 등으로 사용될 수 있으며, 첨단 제품의 제조 공정에서, 제품의 불량 방지를 위해 설치되는 클린 룸(Clean room) 등에도 사용될 수 있다.
특히, 최근에는, 산업화에 따라 공기의 질이 점차 열악해지고, 중금속 입자나, 미세 먼지, 휘발성 유기 화합물, 및 병원성 미생물 등, 각종 오염 물질들이 대기 중에 포함되어 있는 것으로 알려지면서, 일반 사람들의 공기의 질에 대한 관심이 증가하고 있으며, 실내 공기청정기나, 미세먼지 차단용 개인 마스크 등의 수요가 크게 증가하고 있다.
미세 먼지는, 그 크기에 따라, 크기가 약 10㎛ 이하인 초미세 먼지(PM10) 및 크기가 약 2.5㎛ 이하인 초미세 먼지(PM2.5)로 분류하는 것이 일반적인데, 이 중 PM2.5의 경우, 기관지나 폐를 통해 인체 내부로 침투할 가능성이 있어, 특히 건강에 해로운 것으로 알려져 있으며, 그 중에서도, 특히 약 100nm 내지 약 500nm 정도의 초미세 먼지가 인체에 가장 쉽게 침투될 수 있는 것으로 알려져 있다.
그러나, 공기 청정기나 개인용 마스크에 사용되는 기존의 일반적인 필터는, 이를 구성하고 있는 섬유 사의 직경을 일정 정도 이하로 제조하기 매우 어렵기 때문에, 상술한 크기의 초미세 먼지를 차단하기 매우 어렵다.
본 명세서는, 공기 청정기나 개인용 마스크 필터에 적용 시, PM2.5에 해당하는 초미세 먼지에 대한 제거 능력이 매우 우수하면서도 압력의 손실이 크지 않아, 미세먼지 제거 효율이 높고, 사용자에게 호흡 곤란 등의 문제점을 일으키지 않으며, 높은 정화 효율이 오래 지속될 수 있는 에어 필터 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은, 나노 섬유 부직포 층을 포함하며; 상기 나노 섬유 부직포 층은, 고분자 바인더 및 음이온성 계면활성제를 포함하는, 에어 필터를 제공한다.
이 때, 상기 나노 섬유 부직포 층은, 평균 직경이 120nm 이하, 또는 약 10 내지 약 120nm, 또는 약 50 내지 약 100nm, 또는 약 60 내지 약 90nm인 나노 섬유를 포함할 수 있다.
발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 바인더는, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 및 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자 수지를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 음이온성 계면활성제는, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
[R-L-An][M]
상기 화학식 1에서, R은, 탄소 수 8 내지 30의 알킬기, 또는 탄소 수 8 내지 30의 옥시알킬기이고, L은, 단 결합(single bond), 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬렌기, 또는 페닐렌기이고, An은, 설포네이트(sulfonate), 설페이트(sulfate), 카복실레이트(carboxylate), 또는 포스페이트(phosphate)이고, M은, 알칼리 금속이다.
이 때, 상기 음이온성 계면활성제는, 상기 고분자 바인더 100 중량부에 대하여, 약 0.1 내지 약 5 중랑부, 또는 약 0.2 내지 약 2 중량부의 비율로 포함되는 것이 바람직할 수 있다.
발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 에어 필터는, 평균 기공 크기가 0.01 내지 10㎛이고, 기공률이 50% 내지 95%일 수 있다.
그리고, 상기 에어 필터는, 나노 섬유 층의 면 밀도가 0.1g/m2 내지 30g/m2일 수 있다.
한편, 발명의 다른 일 측면에 따르면, 고분자 수지 및 음이온성 계면활성제를 혼합하여, 방사 액을 준비하는 단계; 및 일렉트로스피닝(electrospinning)에 의해, 상기 방사 액을 방사하는 단계를 포함하는, 에어 필터의 제조 방법이 제공된다.
이 때, 상기 고분자 수지는, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 및 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 음이온성 계면활성제는, 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
[R-L-An][M]
상기 화학식 1에서, R은, 탄소 수 8 내지 30의 알킬기, 또는 탄소 수 8 내지 30의 옥시알킬기이고, L은, 단 결합(single bond), 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬렌기, 또는 페닐렌기이고, An은, 설포네이트(sulfonate), 설페이트(sulfate), 카복실레이트(carboxylate), 또는 포스페이트(phosphate)이고, M은, 알칼리 금속이다.
이 때, 상기 음이온성 계면활성제는, 상기 고분자 바인더 100 중량부에 대하여, 약 0.1 내지 약 5 중랑부, 또는 약 0.2 내지 약 2 중량부의 비율로 포함되는 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 상기 방사 액은, 아세톤(acetone), 메틸에틸케톤(methylethylketone), 메틸이소부틸케톤(methylisobutylketone), 시클로헥사논(cyclohexanone), 메틸 셀로솔브 (methyl cellosolve), 에틸 셀로솔브(ethyl cellosolve), 부틸 셀로솔브(butyl cellosolve), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 부틸 아세테이트(butyl acetate), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide), 디에틸아세트아미드(diethylacetamide), 디메틸메톡시아세트아미드(dimethylmethoxyacetamide), 및 N-메틸 피롤리돈(N-methyl pyrrolidone)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 용매를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합을 설명하기 위한 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 이들의 조합 또는 부가 가능성을 배제하는 것은 아니다.
또한 본 명세서에 있어서, 각 층 또는 요소가 각 층들 또는 요소들의 "상에" 또는 "위에" 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층 또는 요소가 직접 각 층들 또는 요소들의 위에 형성되는 것을 의미하거나, 다른 층 또는 요소가 각 층 사이, 대상체, 기재 상에 추가적으로 형성될 수 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, 단순히 탄닌 산이라 함은, 탄닌 산(tannic acid) 그 자체뿐 아니라, 탄닌 산의 염(tannate)을 포함하는 개념으로 사용된다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은, 나노 섬유 부직포 층을 포함하며; 상기 나노 섬유 부직포 층은, 고분자 바인더 및 음이온성 계면활성제를 포함하는, 에어 필터를 제공한다.
전술한 바와 같이, 인체에 가장 해로운 것으로 여겨지는 초미세 먼지의 크기는 약 100 내지 약 500nm 정도인데, 이러한 초미세 먼지를 포집하기 위해 기존의 일반적인 마이크로 섬유를 사용하는 경우, 공기 정화 능력이 상승되는 만큼, 압력 손실 역시 커지게 된다.
예를 들어, KF 인증 기준에 따르면, KF80의 경우, 평균 입자 크기가 약 600nm인 미세 입자를 약 80% 이상 차단할 수 있는 동시에, 압력 손실(혹은, 차압) 값이 약 60Pa 이하여야 하고, KF94의 경우, 평균 입자 크기가 약 400nm인 미세 입자를 약 94% 이상 차단할 수 있는 동시에, 압력 손실 값이 약 70Pa 이하여야 하며, KF99의 경우, 평균 입자 크기 약 400nm인 미세 입자를 약 99% 이상 차단할 수 있는 동시에, 압력 손실 값이 약 100Pa 이하여야 한다.
그러나, 이 인증 수준에 있어서도, 크기가 약 400nm 이하인 초미세 먼지에 대한 정화 혹은 차단 효과는 전혀 알 수 없고, 초미세 먼지에 대한 차단 효과가 높아질수록, 압력 손실 역시 높아지기 때문에, 이를 공기 청정기 등의 필터에 적용할 경우, 정화 효율에 비해 에너지 사용 량이 지나치게 많아지고, 소음이 커지는 문제점이 발생할 수 있으며, 이를 마스크 등, 개인 장구의 필터에 적용할 경우, 호흡이 곤란해지는 문제점이 발생할 수 있다.
이에 따라, 큰 압력 손실 없이 초미세 먼지에 대한 정화 능력을 향상시키기 위해서는, 필터에 사용되는 섬유의 직경을 초미세 먼지의 크기에 준하는 수준으로 작게 만들 필요가 있지만, 필터 제조에 사용되는 기존의 고분자 수지나, 제조 방법 만으로는, 제조되는 섬유의 직경을 일정 범위 이하로 조절하기가 매우 어려웠다.
본 발명의 발명자들은, 에어 필터 제조 시, 제조에 사용되는 방사 액에, 나노 섬유 형성을 위한 바인더로 사용되는 고분자 수지 외에, 음이온성 계면활성제를 혼합하여 사용하는 경우, 제조되는 섬유의 직경을 줄일 수 있는 등, 이를 쉽게 조절할 수 있다는 점을 발견하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 섬유 부직포 층은, 평균 직경이 120nm 이하, 또는 약 10 내지 약 120nm, 또는 약 50 내지 약 100nm, 또는 약 60 내지 약 90nm인 나노 섬유를 포함할 수 있다.
여기서 나노 섬유의 평균 직경이라 함은, 각 개별 나노 섬유의 직경에 대한 산술 평균 값을 의미하는 것으로, 제조된 나노 섬유를 SEM으로 관찰하고, 이미지 처리 프로그램을 이용하여 측정된 값을 말한다.
그리고, 상기 나노 섬유 부직포 층은, 그 개별 섬유의 직경이 120nm 이하, 또는 약 10 내지 약 120nm, 또는 약 50 내지 약 100nm인 나노 섬유를 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 상기 범위에 포함되는 나노 섬유 만을 포함하여, 그 평균 직경이 상술한 범위에 드는 것일 수 있다.
나노 섬유의 직경이 너무 작은 경우, 이를 제조하기 위한 공정 상의 문제로, 비용이 크게 증가할 수 있으며, 나노 섬유의 직경이 너무 큰 경우, 정화 능력이 저하되고, 정화 능력을 높이기 위한 압력 손실이 커지는 문제점이 발생할 수 있다.
그리고, 상기 고분자 바인더는, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 및 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자 수지를 포함할 수 있다.
상기와 같은 고분자 수지는, 종래에, 나노 섬유 제조를 위해 일반적으로 사용되는 고분자 수지 중, 올레핀 계열 수지 등의 비극성 수지와 비교해 보았을 때, 단위 분자 내에, 극성이 매우 큰 작용 그룹을 가지는 특징이 있다.
이러한 분자 내 극성 작용 그룹들은, 비극성 수지에 비해 후술하는 음이온성 계면활성제와의 상호작용이 상대적으로 활발하며, 상기 고분자 수지가 나노 섬유화 되는 과정에서 함께 첨가되는 음이온성 계면활성제가 상술한 고분자 수지의 상 변화(beta phase)를 유발할 수 있다.
따라서, 이러한 고분자 수지를 음이온성 계면활성제와 함께 혼합하여 방사할 경우에는, 고분자 수지 단독으로 방사에 사용하거나, 기타 용매만을 혼합하여 방사에 사용하는 경우에 비해, 형성되는 나노 섬유의 직경을 더욱 줄일 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 고분자 수지가 나노 섬유화 되는 과정에서 베타 상으로 상 변화가 유발된 경우, 방사 과정에서 고분자 수지에 인가된 전기적 특성이 더욱 길게 유지될 수 있는데, 이러한 베타 상의 고분자 수지가 필터용 나노 섬유에 사용되는 경우, 필터의 정화 성능이 더 오래 유지되어, 필터의 공기 정화 효율 저하가 늦어지는 장점을 추가로 가질 수 있게 된다.
그리고, 상기 음이온성 계면활성제는, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
[R-L-An][M]
상기 화학식 1에서, R은, 탄소 수 8 내지 30의 알킬기, 또는 탄소 수 8 내지 30의 옥시알킬기이고, L은, 단 결합(single bond), 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬렌기, 또는 페닐렌기이고, An은, 설포네이트(sulfonate), 설페이트(sulfate), 카복실레이트(carboxylate), 또는 포스페이트(phosphate)이고, M은, 알칼리 금속이다.
즉, 상술한 화학식 1의 음이온성 계면활성제는, 지방족 사슬과 음이온성 그룹이 단결합, 혹은 알킬렌기, 혹은 페닐렌기로 연결된, 장쇄 지방족의 설포네이트 염(sulfonate), 설페이트 염(sulfate), 카복실레이트 염(carboxylate), 또는 포스페이트 염 형태일 수 있다.
상기 탄소 수 8 내지 30의 알킬기는, 옥틸, 노닐, 데실, 운데실, 도데실, 트리데실, 테트라데실, 펜타데실, 헥사데실, 헵타데실, 옥타데실, 노나데실, 아이코실 등, 8 내지 30의 범위에 있는 특정 탄소 수를 가지는 알킬기로, 직쇄 또는 분지쇄 형태일 수 있다.
상기 탄소 수 8 내지 30의 옥시알킬기라 함은, 메틸렌 옥사이드(-CH2-O-) 반복 단위, 혹은 에틸렌 옥사이드(-CH2-CH2-0-; -CH2(CH3)-0-) 반복 단위, 혹은 프로필렌 옥사이드 (-CH2-CH2-CH2-O-; -CH2-CH2(CH3) -O-) 반복 단위를 가지는, 폴리알킬렌 옥사이드 그룹을 의미하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 M은, 알칼리 금속으로, 리튬, 또는 나트륨, 또는 칼륨일 수 있으며, 이 때 M의 수는, 상술한 An 그룹의 음이온 가에 따라 달라질 수 있다.
이러한 음이온성 계면활성제들은, 친수성과 소수성 물질의 계면에서 미셀 구조를 형성하는, 일반적인 계면활성제의 용례로 사용되는 것이 아니라, 나노 섬유 제조를 위해 사용되는 고분자 수지의 상(phase), 또는 삼차원적 구조를 변형시키는 역할을 할 수 있다.
구체적으로, 상기와 같은 음이온성 계면활성제들은, 상술한 고분자 수지가 나노 섬유를 형성하는 과정에서 고분자 수지의 극성 부분과 상호작용하여, 고분자의 구조를 베타 상(beta phase)으로 변경시킬 수 있는데, 이러한 베타 상의 고분자 수지들은, 고분자의 쌍극자 모멘트가 균일하게 분포하게 되며, 이러한 경우, 방사 과정에서 섬유의 연신을 위해 인가되는 외력을 따라 길게 배향되는 경향이 있다. 이러한 이유로, 방사 과정에서, 그 직경이 더욱 가늘어지게 되어, 제조되는 나노 섬유의 직경을 더욱 줄일 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 고분자 수지가 나노 섬유화 되는 과정에서 음이온성 계면활성제에 의해 베타 상으로 상 변화가 유발된 경우, 방사 과정에서 고분자 수지에 인가된 전기적 특성이 더욱 길게 유지될 수 있는데, 이러한 베타 상의 고분자 수지가 필터용 나노 섬유에 사용되는 경우의 장점은, 전술한 바와 같다.
이러한 관점에서, 상기 음이온성 계면활성제는, 상기 고분자 바인더 100 중량부에 대하여, 약 0.1 내지 약 5 중랑부, 또는 약 0.2 내지 약 2 중량부의 비율로 포함되는 것이 바람직할 수 있다.
음이온성 계면활성제의 함량이 너무 적은 경우, 상술한 고분자 수지와의 상호작용이 충분하지 못하여, 베타 상으로 변화되는 고분자 수지의 양이 너무 작아지는 문제점이 발생할 수 있으며, 함량이 너무 많아지는 경우, 유기 용매 상에서 안정한 방사용액을 유지하지 못하고 계면활성제가 침전하는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 경우 전기방사 과정에서 계면활성제가 입자의 형태로 분무될 수 있으며 노즐을 막을 수 있어 나노 섬유 제조가 어려운 문제점이 발생할 수 있다.
그리고, 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에어 필터는, 평균 기공 크기가 약 0.1 내지 10㎛, 기공률이 약 50% 내지 95%일 수 있다.
평균 기공 크기 값이나, 기공률이 상기 범위를 벗어나는 경우, 에어 필터의 차압이 너무 증가하여, 오히려 공기 정화 효율이 저하되거나, 혹은, 공기 정화 능력이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
이와 별도로, 상기 에어 필터는, 상기 나노 섬유 층의 면 밀도가 약 0.1g/m2 내지 30g/m2 일 수 있다.
발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 에어 필터는, 별도의 기재를 더 포함할 수 있다. 이 경우 상기 에어 필터는, 기재 및 상기 기재 상에 형성된 나노 섬유 부직포 층을 포함하며; 상기 나노 섬유 부직포 층은, 고분자 바인더 및 음이온성 계면활성제를 포함하는 형태일 수 있다.
한편, 발명의 다른 일 측면에 따르면, 고분자 수지 및 음이온성 계면활성제를 혼합하여, 방사 액을 준비하는 단계; 및 일렉트로스피닝(electrospinning)에 의해, 상기 방사 액을 방사하는 단계를 포함하는, 에어 필터의 제조 방법이 제공된다.
일렉트로스피닝(electrospinning, 전기 방사)는 고분자 용액, 혹은 고분자 용융 액에 전압을 인가하며, 노즐로부터 토출시켜, 섬유 형태로 방사하는 방법으로, 일렉트로스피닝을 이용하면, 기재(substrate) 위에 또는 기재 없이 직접 섬유 형태로 방사하여 부직포 형태의 섬유 집합체를 얻을 수 있다.
구체적으로, 고분자 용액 혹은 고분자 용융 액 등의 방사 액에, 전압 혹은 전기장을 인가하면, 방사 액의 표면에 정전기적 척력이 발생하는데, 이러한 정전기적 척력이 증가함에 따라 방사 액이 노즐의 말단으로부터 신장되면서, 테일러 콘이라고 알려진 원뿔 형태의 액적 형상을 형성하게 된다. 그리고, 전기장의 세기가 방사 액의 표면 장력보다 더 커지면, 결국 방사 액이 노즐로부터 섬유 형태로 방사되어, 컬렉터에 집적된다.
따라서, 상기와 같은 일렉트로스피닝 공정에 있어서는, 고분자 수지의 정전기적 특성이 매우 중요한데, 본 발명의 일 예에 따른 제조 방법의 경우, 방사 액으로, 기존에 사용되던 고분자 수지나 용매 외에, 음이온성 계면활성제를 추가로 사용하는 특징이 있으며, 이러한 음이온성 계면활성제와 고분자 수지의 상호작용에 의한 정전기적 특성 변화에 대해서는, 전술한 바와 같다.
이러한 일렉트로스피닝 공정에서 사용되는, 방사 액으로는, 고분자 수지가 용매에 용해된 용액 형태가 사용될 수도 있으며, 고분자 수지가 용융된 용융 액 형태가 사용될 수도 있다.
그리고, 이러한 방사 액은, 기타 본 발명이 속한 기술 분야에서 일렉트로스피닝 공정에 사용되는 기타 첨가제 등을 더 포함할 수도 있다.
발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 수지는, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 및 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 음이온성 계면활성제는, 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
[R-L-An][M]
상기 화학식 1에서, R은, 탄소 수 8 내지 30의 알킬기, 또는 탄소 수 8 내지 30의 옥시알킬기이고, L은, 단 결합(single bond), 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬렌기, 또는 페닐렌기이고, An은, 설포네이트(sulfonate), 설페이트(sulfate), 카복실레이트(carboxylate), 또는 포스페이트(phosphate)이고, M은, 알칼리 금속이다.
이 때, 상기 음이온성 계면활성제는, 상기 고분자 바인더 100 중량부에 대하여, 약 0.1 내지 약 5 중랑부, 또는 약 0.2 내지 약 2 중량부의 비율로 포함되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 용매로는 아세톤(acetone), 메틸에틸케톤(methylethylketone), 메틸이소부틸케톤(methylisobutylketone), 시클로헥사논(cyclohexanone), 메틸 셀로솔브 (methyl cellosolve), 에틸 셀로솔브(ethyl cellosolve), 부틸 셀로솔브(butyl cellosolve), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 부틸 아세테이트(butyl acetate), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide), 디에틸아세트아미드(diethylacetamide), 디메틸메톡시아세트아미드(dimethylmethoxyacetamide), 및 N-메틸 피롤리돈(N-methyl pyrrolidone)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상 등을 들 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 그 외 분산제나 기타 첨가제 등, 본 명세서에서 특별히 한정하지 않은 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 방사 공정을 이용하여 섬유 부직포를 제조하는데 일반적으로 사용되는 공정 조건, 혹은 물질 등은, 본 발명에 특별한 제한 없이 적용될 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 에어 필터는, 공기 청정기나 개인용 마스크 필터에 적용 시, PM2.5에 해당하는 초미세 먼지에 대한 제거 능력이 매우 우수하면서도 압력의 손실이 크지 않아, 미세먼지 제거 효율이 높고, 사용자에게 호흡 곤란 등의 문제점을 일으키지 않으며, 높은 정화 효율이 오래 지속될 수 있다.
도 1 및 도 2는, 각각, 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 나노 섬유 부직포 층의 표면을 SEM으로 관찰한 것이다.
도 3은, 각각, 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 나노 섬유에 대한 FT-IR 스펙트럼이다.
이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
<실시예>
나노 섬유 방사를 위한 고분자 수지로는 플루오르화 폴리비닐리덴 (polyvinylidene fluoride, PVDF)을 사용하였다.
실시예 1:
PVDF 16 중량%을, 용매인 디메틸포름아미드와 아세톤 50:50 혼합 용액을 이용하여 용해시키고, 여기에 음이온성 계면활성제로, 소듐 도데실벤젠 설포네이트 PVDF 대비 중량 1wt%을 추가하고 3시간 동안 교반하여, 방사액을 준비하였다.
전기 방사 조건으로, 0.14mm의 직경을 가진 노즐을 이용하였고, 방사 거리는 15cm, 방사 전압은 22kV을 부여하여 나노 섬유 부직포 층을 형성하였다. PVDF 나노섬유는 단위 면적 당 0.5g이 될 수 있도록 방사를 진행하였다.
비교예 1:
음이온성 계면활성제를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 방사를 진행하여, 나노 섬유 부직포 층을 형성하였다.
나노 섬유 부직포 층의 외관 관찰 및 직경 측정
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 나노 섬유 부직포 층을 SEM으로 관찰하고, 이미지 처리 프로그램을 이용하여, 나노 섬유의 평균 직경을 측정하였다.
SEM 관찰 결과를 도 1 및 도 2에 도시하였다.
도 1 및 도 2는, 각각, 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 나노 섬유 부직포 층의 표면을 SEM으로 관찰한 것이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 경우에는, 비교예의 경우보다, 제조되는 나노 섬유의 직경이 확연히 줄어든 것을 확인할 수 있으며, 특히, 도 1의 경우, 범위 내에 관찰되는 모든 나노 섬유의 직경이 약 120nm 이하인 것을 알 수 있는데 비해, 비교예의 경우 나노 섬유의 직경이 그 이상인 것을 명확히 확인할 수 있으며, 특히 실시예의 경우, 섬유의 밀도가 매우 높은데 비해, 비교예의 경우, 섬유 밀도가 크게 줄어든 것을 명확히 확인할 수 있다.
이는, 전술한 바와 같이, 방사 과정에서 음이온성 계면활성제가 고분자 수지와 상호작용하여, 고분자 수지의 상을 변화시키고, 그에 따른 전기적 특성 역시 변화시킨 것으로부터 기인하는 것으로 생각된다.
나노 섬유 부직포 층의 FT-IR 측정
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 나노 섬유 부직포 층에 사용된 나노 섬유에 대해 FT-IR 측정을 진행하였다.
도 3은, 각각, 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 나노 섬유에 대한 FT-IR 스펙트럼이다.
도 3을 참고하면, 특히, 파수 약 976, 763cm-1를 확인해 보면, 비교예 1에서는 관찰되는 Alpha phase peak가 실시예에서는 peak가 관찰되지 않았음을 확인할 수 있다. 이는, 본 발명의 실시예에 따른 나노 섬유에서는, 비교예에 비해 알파 상이 확연히 감소된 것을 명확히 확인할 수 있으며, 이는 전술한 바와 같이, 음이온성 계면활성제와의 상호작용에 의한 상 변화로부터 기인하는 것으로 생각된다.
집진 효율 및 차압 실험
필터의 입자 제거 효율은 입자 발생 장치, 입자 계수기(TSI Scanning mobility particle sizer), 차압계(TSI DP-CALC 5825)로 구성된 필터 성능 평가 시스템을 사용하여 측정하였다. 입자 발생 장치(TSI Atomizer)는 염화 칼륨 수용액을 분무시켜 초당 106개 이상의 입자를 발생시킬 수 있는 장치를 사용하였다.
측정에 사용한 나노 섬유 원단의 면적은 5cm X 5cm로 준비하였으며 면 속도(Face velocity)라 5.33 cm/s에서 필터의 입자 포집 효율과 차압을 측정하였다.
입자의 포집 효율은 300 nm의 직경을 갖는 염화 칼슘의 입자 개수를 비교하였으며, 다음과 같은 식을 이용하여 계산하였다.
Figure pat00001
Figure pat00002
= 나노 섬유 원단 통과 전의 염화 칼슘의 입자 개수
Figure pat00003
= 나노 섬유 원단 통과 후의 염화 칼슘의 입자 개수
압력 손실은 차압계를 이용하여 필터 통과 전, 후 공기의 압력 변화를 측정하였다.
성능 유지율 평가
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 나노 섬유 부직포에 대하여, 증류수를 이용하여 5회 이상 반복 침지하는 방법에 의해 세척을 진행하고, 다시 상기와 동일한 방법으로, 4cmX4cm 크기의 미세 입자에 대한 집진 효율을 측정하면서, 집진 시의 압력 감소 값을 측정하였다.
측정 결과는 하기 표 1에 정리하였다.
또한, 이와는 별개로, 고분자 수지에 인가된 정전기적 특성의 소멸 평가를 위해, 상압 및 상온 조건에서 자연적인 증발에 의해 발생하는 이소프로필 알코올 증기에 노출시키고, 24시간동안 방치하는 방법으로 표면의 정전기를 소멸시켰다. 소멸시키는 과정에서 각 시간에 따른 시료를 채취한 후 필터 성능을 평가하였다.
측정 결과를 도 3에 정리하였다.
비교예 1 실시예 1
평균 직경
(nm)		 243±42.6 80.3±19.0
기공률
(%)
면 밀도(g/m2)
세척 전,
집진 효율
(%)		 98.6974 98.6974
세척 전,
차압 (mmH2O)		 11.06 11.06
세척 후,
집진 효율
(%)		 95.89197 98.62948
세척 후,차압 (mmH2O) 8.7 11.05
상기 표 1 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 필터는, 나노 섬유의 평균 직경 값이 비교예의 3분의 1수준으로 매우 가는 것을 확인할 수 있고, 차압에 비해, 집진 효율이 우수하며, 우수한 집진 효율이 세척 후에도 일정하게 유지되는 것을 명확히 확인할 수 있다.

Claims (12)

  1. 나노 섬유 부직포 층을 포함하며;
    상기 나노 섬유 부직포 층은, 고분자 바인더 및 음이온성 계면활성제를 포함하는, 에어 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노 섬유 부직포 층은, 평균 직경이 120nm 이하인 나노 섬유를 포함하는, 에어 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 바인더는, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 및 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자 수지를 포함하는, 에어 필터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 음이온성 계면활성제는, 하기 화학식 1로 표시되는, 에어 필터:
    [화학식 1]
    [R-L-An][M]
    상기 화학식 1에서,
    R은, 탄소 수 8 내지 30의 알킬기, 또는 탄소 수 8 내지 30의 옥시알킬기이고,
    L은, 단 결합(single bond), 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬렌기, 또는 페닐렌기이고,
    An은, 설포네이트(sulfonate), 설페이트(sulfate), 카복실레이트(carboxylate), 또는 포스페이트(phosphate)이고,
    M은, 알칼리 금속이다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 음이온성 계면활성제는, 상기 고분자 바인더 100 중량부에 대하여, 0.1 내지 5 중랑부의 비율로 포함되는, 에어 필터.
  6. 제1항에 있어서,
    평균 기공 크기가 0.01 내지 10㎛이고, 기공률이 50% 내지 95%인, 에어 필터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노 섬유 층의 면 밀도가 0.1g/m2 내지 30g/m2 인, 에어 필터.
  8. 고분자 수지 및 음이온성 계면활성제를 혼합하여, 방사 액을 준비하는 단계; 및
    일렉트로스피닝(electrospinning)에 의해, 상기 방사 액을 방사하는 단계를 포함하는, 에어 필터의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 고분자 수지는, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 및 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 에어 필터의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 음이온성 계면활성제는, 하기 화학식 1로 표시되는, 에어 필터의 제조 방법:
    [화학식 1]
    [R-L-An][M]
    상기 화학식 1에서,
    R은, 탄소 수 8 내지 30의 알킬기, 또는 탄소 수 8 내지 30의 옥시알킬기이고,
    L은, 단 결합(single bond), 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬렌기, 또는 페닐렌기이고,
    An은, 설포네이트(sulfonate), 설페이트(sulfate), 카복실레이트(carboxylate), 또는 포스페이트(phosphate)이고,
    M은, 알칼리 금속이다.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 음이온성 계면 활성제는, 상기 고분자 바인더 100 중량부에 대하여, 0.1 내지 5 중랑부의 비율로 포함되는, 에어 필터의 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 방사 액은, 아세톤(acetone), 메틸에틸케톤(methylethylketone), 메틸이소부틸케톤(methylisobutylketone), 시클로헥사논(cyclohexanone), 메틸 셀로솔브 (methyl cellosolve), 에틸 셀로솔브(ethyl cellosolve), 부틸 셀로솔브(butyl cellosolve), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 부틸 아세테이트(butyl acetate), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide), 디에틸아세트아미드(diethylacetamide), 디메틸메톡시아세트아미드(dimethylmethoxyacetamide), 및 N-메틸 피롤리돈(N-methyl pyrrolidone)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 용매를 더 포함하는, 에어 필터의 제조 방법.
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