KR20210028800A - 초미세먼지 필터 및 그 제조 방법 - Google Patents

초미세먼지 필터 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강유전성 고분자의 함량에 따라 나노섬유 필터의 직경을 조절하여 광 투과율 및 공기 투과성이 우수한 나노섬유 필터를 제조하고, 분극효과 및 마찰 대전효과를 이용하여 표면 전위를 장기간 유지하여 필터링 효과를 향상시킨 초미세먼지 필터 및 그 제조 방법을 제공한다.

Description

초미세먼지 필터 및 그 제조 방법{Super fine dust filter and manufacturing method thereof}
본 발명은 초미세먼지 필터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강유전성 고분자의 함량에 따라 나노섬유 필터의 직경을 조절하여 광 투과율 및 공기 투과성이 우수한 나노섬유 필터를 제조하고, 분극효과 및 마찰 대전효과를 이용하여 표면 전위를 장기간 유지하여 필터링 효과를 향상시킨 초미세먼지 필터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 자동차 배기가스, 공장이나 발전소 등에서 석탄·석유 등 화석연료를 태울 때 발생하는 매연, 건설 현장과 같은 작업장에서 발생하는 날림 먼지, 소각 시 발생하는 소각 연기 등으로 인한 미세먼지와 황사로 인해 대기 오염이 심해져, 미세먼지나 황사 등에 의한 실내 대기 오염을 막기 위해 일반 가정집이나 사무실, 병원 등의 각종 건물에서는 창문이나 출입문 등에 가시광선 투과율이 소정 비율 이상인 가시광선 투과성 미세먼지 차단용 시설을 설치하고 있다.
이와 같은 미세먼지 차단용 시설에는 필터 방식, 스크러버 방식, 전기집진기 방식이 있으며, 이 중 필터를 사용한 미세먼지 차단 필터망은 미세먼지를 관성, 차단, 확산, 중력의 효과에 의해 물리적으로 포집하고/하거나 정전기에 의해 전기적으로 포집할 수 있다.
정전기에 의한 전기적 효과는 공기 중에 부유하고 있는 미세먼지가 전기분극을 가지고 주위에 전계(자기장)를 형성하고 있는 필터의 섬유에 정전기력으로 포집되거나, 유도 전하가 발생되어 섬유 표면에 포집되는 효과이다.
대기 중 고농도의 입자상 물질 (Particulate Matter, PM)은 입자의 크기에 따라 PM은 PM1.0, PM2.5, PM10으로 분류 될 수 있고, 각각 1, 2.5 및 10 μm 미만의 입자 크기를 나타낸다.
나노섬유를 포함하는 필터를 사용하는 경우 기존의 필터에 비하여 비표면적이 매우 높고, 나노 급의 기공 사이즈를 가지게 되므로, 10㎛ 이하의 크기를 가지는 미세먼지를 보다 효율적으로 포집할 수 있다.
또한, 필터를 구성하는 성분의 일부 혹은 전체에 정전기 대전이 쉬운 물질을 사용할 경우, 미세먼지가 부유하고 있는 공기가 흐르면서 마찰에 의한 자연스러운 정전기가 형성되어 정전기 효과에 의한 미세먼지 포집을 효율적으로 할 수 있게 된다.
종래기술 (한국공개특허 제10-2019-0020498호)는 고분자 수지를 전기방사한 나노섬유를 이용한 초미세먼지 차단용 나노방진망 및 그 제조방법이 개시되어 있다. 하지만, 광 투과율이 및 차압이 좋지 않고, 전기방사한 나노섬유를 방충망에 롤러를 이용하여 방충망에 도포해야 하므로 제조 방법이 복잡한 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2019-0020498호(2017.08.21.) 초미세먼지 차단용 나노방진망 및 그 제조방법
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 강유전성 고분자의 함량을 조절하여 광 투과율 및 공기 투과성이 우수한 나노섬유 필터를 제조하고, 분극효과 및 마찰 대전효과를 이용하여 표면 전위를 장기간 유지하여 필터링 효과를 향상시킨 초미세먼지 필터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 초미세먼지 필터는 폴리에스테르(PE) 메쉬와, 상기 폴리에스테르(PE) 메쉬 상에 전기방사되어 적층된 나노섬유 필터를 포함하되, 상기 나노섬유 필터는 강유전성 고분자를 9-15wt% 포함하는 망 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 강유전성 고분자는, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예인 초미세먼지 필터의 제조 방법은 강유전성 고분자를 9-15wt% 포함하는 솔루션을 제조하는 솔루션제조단계와, 상기 솔루션을 실린지에 투입하는 솔루션투입단계와, 상기 실린지와 전기적으로 접지된 금속콜렉터에 폴리 에스테르(PE) 메쉬를 준비하는 메쉬준비단계와, 상기 실린지와 금속 콜렉터에 전기장을 인가하여 상기 폴리 에스테르(PE) 메쉬 상으로 상기 솔루션을 방사하여 나노섬유 필터를 형성하는 나노섬유필터형성단계와, 상기 나노섬유 필터의 상하에 전극을 형성하고 전기장을 인가하여 분극 효과를 발생시키는 분극발생단계 및 분극이 발생한 상기 나노섬유 필터의 표면을 브러쉬로 대전시키는 표면대전단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 분극발생단계는, 상기 나노섬유 필터에 상기 강유전성 고분자의 큐리온도로 열을 가하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 표면대전단계는, 상기 나노섬유 필터와 반대되는 마찰 전기 특성을 갖는 브러쉬에 의해 상기 창문형 초미세먼지 필터는 음으로 대전되고, 상기 브러쉬는 양으로 대전되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 브러쉬는, 폴리프로필렌, 울 및 나일론을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초미세먼지 필터는 강유전성 고분자의 함량에 따라 나노섬유 필터의 직경을 조절하여 전기방사로 제조함으로써 광 투과성 및 공기 투과성이 우수한 이점이 있다.
본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법은 분극효과 및 마찰 대전효과를 이용하여 나노섬유 필터의 표면 전위를 장기간 유지하며 필터링 효과를 극대화시켜 PM1.0의 초미세먼지를 고효율로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터 및 그 제조 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 강유전성 고분자의 함량에 따른 나노섬유 직경 분포를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 강유전성 고분자 함량에 따른 PM1.0의 제거효율을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 강유전성 고분자 12wt%일 때의 PM1.0 제거 전/후 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 분극효과에 따른 강유전성 거동을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 P-E 곡선을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계 전/후의 필터링 효율을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계 전/후의 Quality Factor(QF)를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계 전/후의 필터의 푸리에 변환 적외분광법(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계 전/후의 X선 회절계를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계 이후 시간에 따른 정전기전압계(Electrostatic voltmeter, ESVM)를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계 이후 시간에 따른 필터링 효율 및 QF를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 표면대전단계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 표면대전단계에서 브러쉬의 종류에 따른 정전기전압계(Electrostatic voltmeter, ESVM)를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 표면대전단계에서 마찰 대전쌍에 대한 필터링 효율을 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계에 따른 표면전위 변화를 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계 전/후 및 표면대전단계를 수행한 표면 전위를 켈빈 탐침력 현미경(Kelvin probe force microscopy, KPFM)으로 촬영한 사진이다.
도 19는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 표면대전단계의 전/후에 나일론 브러쉬로 표면 대전하는 경우의 필터링 효율 및 QF를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 일실시 예를 설명한다. 이때, 본 발명은 실시 예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위해 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터 및 그 제조 방법을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 강유전성 고분자의 함량에 따른 나노섬유 직경 분포를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 강유전성 고분자 함량에 따른 PM1.0의 제거효율을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 강유전성 고분자 12wt%일 때의 PM1.0 제거 전/후 사진이며, 도 5는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 6는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 분극효과에 따른 강유전성 거동을 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 P-E 곡선을 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계 전/후의 필터링 효율을 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계 전/후의 Quality Factor(QF)를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계 전/후의 필터의 푸리에 변환 적외분광법(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)을 나타낸 도면이며, 도 11은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계 전/후의 X선 회절계를 나타낸 도면이고, 도 12는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계 이후 시간에 따른 정전기전압계(Electrostatic voltmeter, ESVM)를 나타낸 도면이며, 도 13은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계 이후 시간에 따른 필터링 효율 및 QF를 나타낸 도면이고, 도 14는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 표면대전단계를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 15는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 표면대전단계에서 브러쉬의 종류에 따른 정전기전압계(Electrostatic voltmeter, ESVM)를 나타낸 도면이고, 도 16은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 표면대전단계에서 마찰 대전쌍에 대한 필터링 효율을 나타낸 도면이며, 도 17은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계에 따른 표면전위 변화를 나타낸 도면이고, 도 18은 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 분극발생단계 전/후 및 표면대전단계를 수행한 표면 전위를 켈빈 탐침력 현미경(Kelvin probe force microscopy, KPFM)으로 촬영한 사진이며, 도 19는 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법에서 표면대전단계의 전/후에 나일론 브러쉬로 표면 대전 하는 경우의 필터링 효율 및 QF를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초미세먼지 필터는 폴리에스테르(PE) 메쉬 및 나노섬유를 포함한다.
상기 폴리 에스테르(PE) 메쉬는 폴리에스테르 섬유로 제조된 메쉬로, 집진성, 내구성 및 회복력이 우수하여 상기 나노섬유 필터를 지지할 수 있다.
상기 나노섬유 필터는 상기 폴리에스테르(PE) 메쉬 상에 전기 방사되어 적층됨으로써 제조되며, 강유전성 고분자를 9-15wt% 포함하는 망 구조로, 조밀하게 적층되어 초미세먼지 PM1.0을 제거할 수 있다.
여기서, 상기 강유전성 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)으로, α상, β상 및 γ상의 3가지 상이한 상을 나타내고, 그 중에서도 β상과 γ상은 강유전성 거동을 나타내며, 상대적으로 높은 전기 쌍극자 모멘트를 갖는 β상에 분극 효과를 통해 전기적으로 활성화시켜 상기 나노섬유 필터 성능을 향상시킬 수 있고, 이는 후술하기로 한다.
도 2를 참조하면, 상기 강유전성 고분자(이하, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE))의 함량에 따라서 전기방사되는 상기 나노섬유 필터의 직경 분포가 다양할 수 있다.
도 2의 <ⅰ>는 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)의 함량이 9wt%, <ⅱ>는 12wt%, <ⅲ>는 15wt%일 때, 전기방사된 상기 나노섬유 필터의 직경 및 SEM을 나타낸 것이다.
먼저, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)의 함량이 9wt%에서는 상기 나노섬유의 직경이 약 100 내지 200nm의 범위에 분포되어 있고, 12wt%에서는 직경이 약 200 내지 400nm의 범위에 분포되어 있으며, 15wt%에서는 직경이 약 400 내지 800nm의 범위에 분포되어 있어 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)의 함량이 적을수록 직경이 작고, 함량이 높을수록 직경이 큰 상기 나노섬유 필터가 전기방사 될 수 있다.
여기서, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)의 함량이 9wt%일 경우, 가장 얇은 직경으로 PM 필터링 효율을 향상시키는데 유리할 수 있지만, 전기 스피닝 프로세스 중에 많은 비드가 상기 나노섬유 필터에 형성되는 문제가 있으며, 15wt%일 경우, 비교적 두꺼운 직경으로 상기 나노섬유 필터의 광 투과성 및 공기 투과성을 저하시킬 수 있는 문제가 있어, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)의 함량은 상기 나노섬유 필터에 비드가 형성되지 않는 12wt%가 가장 바람직할 수 있다.
도 3을 참조하면, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)의 함량에 따라 상기 나노섬유 필터의 필터링 효율에 차이가 있을 수 있다.
먼저, 약 63Pa의 기압에서 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)의 함량에 따른 PM1.0 필터링 효율을 확인하였고, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)의 함량이 15wt%일 때, 필터링 효율과 QF가 가장 낮은 값으로 나타났고, 12wt%일 때 PM1.0에서 필터링 효율(84%)과 QF(0.027Pa-1) 가 가장 높은 값을 갖는 것으로 나타나 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)의 함량은 12wt%가 가장 바람직할 수 있다.
여기서, 여과 효율(η)은 필터층 전후의 챔버내 KCI 시험 입자의 수를 계수함으로써 계산되고, 측정된 압력강하(ΔP)와 여과 효율(η)을 이용하여 수학식 1을 이용하여 Quality Factor(QF)를 계산할 수 있다.
수학식 1
Figure pat00001
도 4를 참조하면, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)의 함량이 12wt%일 때 PM1.0 필터링 전후의 SEM 사진으로, 필터링 전에는 상기 나노섬유 필터에 입자가 없고, 필터링 후에는 상기 나노섬유 필터에 입자가 여과된 것을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명에 따른 초미세먼지 필터를 설명하였으며, 이하 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법을 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 초미세먼지 필터의 제조 방법은, 솔루션제조단계(S100), 솔루션투입단계(S200), 메쉬준비단계(S300), 나노섬유필터형성단계(S400), 분극발생단계(S500) 및 표면대전단계(S600)를 포함한다.
상기 솔루션제조단계(S100)는 강유전성 고분자를 9-15wt% 포함하는 솔루션을 제조하는 단계로, 상기 강유전성 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)일 수 있고, 바람직하게는 함량이 12wt% 일 수 있으며, 상기 강유전성 고분자를 용해하기 위해 디메틸포름아미드(DMF) 및 아세톤(acetone)과 같은 용매를 더 포함할 수 있어 상기 강유전성 고분자가 완전히 용해된 솔루션을 제조할 수 있다.
상기 솔루션투입단계(S200)는 상기 솔루션을 실린지에 투입하는 단계로, 상기 실린지는 상기 솔루션을 전기방사하기 위한 금속니들 팁이 있는 실린지일 수 있고, 전기 방사 시스템의 실린지 펌프에 연결되어 상기 솔루션을 전기방사 할 수 있다.
상기 메쉬준비단계(S300)는 상기 실린지와 전기적으로 접지된 금속콜렉터에 폴리에스테르(PE) 메쉬를 준비하는 단계로, 상기 폴리에스테르(PE) 메쉬는 상기 솔루션이 전기방사되어 제조되는 나노섬유 필터가 적층되어 지지할 수 있다.
상기 나노섬유필터형성단계(S400)는 상기 실린지와 금속 콜렉터에 전기장을 인가하여 상기 폴리에스테르(PE) 메쉬 상으로 상기 솔루션을 방사하여 나노섬유 필터를 형성하는 단계로, 상기 실린지 펌프의 주입 속도는 1.0mL h-1, 상기 실린지 금속 니들팁과 금속 콜렉터 사이의 거리는 10cm일 수 있으며, 10kV의 고전압이 인가되어 상기 금속 콜렉터에 준비된 폴리 에스테르(PE) 메쉬 상에 상기 솔루션이 전기방사되어 상기 나노섬유 필터가 제조 될 수 있다.
상기 분극발생단계(S500)는 상기 나노섬유 필터의 상하에 전극을 형성하고 전기장을 인가하여 분극 효과를 발생시키는 단계로, 강유전성 고분자인 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)의 강유전성 및 마찰 전기 특성에 의해 상기 나노섬유 필터를 전기적으로 활성화하여 필터링 성능을 향상시킬 수 있으며, 이는 후술하기로 한다.
상기 표면대전단계(S600)는 분극이 발생한 상기 나노섬유 필터의 표면을 브러쉬로 대전시키는 단계로, 상기 나노섬유 필터는 음(Negative)으로 대전되고, 상기 브러쉬는 양(Positive)으로 대전되어 필터링 성능을 향상시킬 수 있으며, 이는 후술하기로 한다.
도 6 및 7을 참조하면, 상기 분극발생단계(S500)에서 상기 나노섬유 필터에 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)의 큐리 온도로 열을 가할 수 있고, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)는 분극 효과에 의해 강유전성 거동을 나타낼 수 있다.
먼저, 도 6을 참조하면, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)을 12wt% 함유한 나노섬유 필터를 2kVcm-1의 높은 전계하에서 분극시켰다.
여기서, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)는 α상, β상 및 γ상의 3가지 상이한 상을 나타내고, 특히, β상 및 γ상은 강유전성 거동을 나타내며, 상대적으로 β상에서 높은 전기 쌍극자 모멘트가 관찰되어, 전기장을 인가하여 분극시키면, β상의 전기적 위상이 활성화되어 상기 나노섬유 필터의 정전기 전위를 증가시켜 필터링 성능을 향상시킬 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 분극발생단계(S500) 전/후의 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)을 12wt% 함유한 나노섬유 필터의 P-E 곡선으로, 상기 분극발생단계(S500) 전에 해당하는 검은색 선(Pristine) 보다 상기 분극발생단계(S500) 이후에 해당하는 빨간색 선(After polarization)이 강유전성을 명확하게 나타내고, 분극 효과 이후 0.34에서 1.67μCcm-2로 잔류 분극이 증가한 것을 확인할 수 있다.
이어서, 도 8 내지 13을 참조하면, 상기 분극발생단계(S500)에 전/후의 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)을 12wt% 함유한 상기 나노섬유 필터의 필터링 성능변화를 설명할 수 있다.
먼저, 도 8은 상기 분극발생단계(S500) 전/후의 상기 나노섬유 필터의 PM1.0의 제거 성능을 나타낸 것으로, 상기 분극발생단계(S500) 전의 필터링 효율인 83%에서 상기 분극발생단계(S500) 이후에는 88%로 필터링 효율이 증가하였고, 이와 같이 도 9는 향상된 필터링 효율로 인해 QF도 0.026에서 0.031Pa-1로 증가한 것을 확인할 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 분극발생단계(S500) 전/후의 상기 나노섬유 필터의 푸리에 변환 적외분광법(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)을 나타낸 것으로, 흡광도 피크에서 볼 수 있듯이 상기 분극발생단계(S500) 전(Pristine) 보다 이후(After Polarization)의 β상의 위상피크가 증가한다.
여기서, β상의 위상은 수학식 2로 계산될 수 있다.
수학식 2
Figure pat00002
Aα는 α상에서의 흡수강도, Aβ는 β상에서의 흡수강도이다.
β상의 비율은 상기 분극발생단계(S500) 전에는 91%이지만, 상기 분극발생단계(S500) 이후에는 95%로 향상되며, 이는 상기 분극발생단계(S500)에서 β상 형성을 추가로 촉진하며, 분극 효과를 통해 정렬되어 상기 나노섬유 필터층의 쌍극자 모멘트를 증가시킬수 있어 필터링 성능을 향상시킬 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 분극발생단계(S500) 전/후의 상기 나노섬유 필터의 X선 회절계를 나타낸 것으로, α상은 2θ=17.66° 및 18.30°에서 피크를 가지며 이는 (100), (020) 및 (110) 면에서 회절을 나타내고, β상은 2θ=19.7°에서 피크를 갖고, (110) 및 (200) 평면에서의 회절을 나타낸다. 상기 분극발생단계(S500) 이후 α상 피크의 강도는 감소하는 반면, β상 피크의 강도는 증가하여 강유전성이 증가하여 필터링 성능을 향상시킬 수 있다.
도 12 및 13을 참조하면, 상기 분극발생단계(S500) 이후 정전기전압계(Electrostatic voltmeter, ESVM)를 이용하여 30일동안 상기 나노섬유 필터의 표면전위, 필터링 효율 및 QF를 모니터링 한 것으로, 상기 나노섬유 필터에서 상당히 높은 표면 전위가 5일동안 큰 변화 없이 측정되었고, 한달 후에도 거의 일정하게 유지되었으며, 이는 분극 효과의 장기 안정성을 의미하며, 분극 효과로 필터링 성능이 향상된 상기 나노섬유 필터를 장기간 유지할 수 있다.
도 14를 참조하면, 상기 표면대전단계(S600)는 상기 나노섬유 필터와 반대되는 마찰 전기 특성을 갖는 브러쉬에 의해 상기 나노섬유 필터는 음(Negative)으로 대전되고, 상기 브러쉬는 양(Positive)으로 대전되며, 마찰대전 효과에 의해 필터링 성능을 향상시킬 수 있다.
도 15를 참조하면, 상기 표면대전단계(S600)에서 상기 브러쉬의 종류에 따른 정전기전압계(Electrostatic voltmeter, ESVM)를 나타낸 것으로, 아무것도 하지 않은 초기의 표면전위는 -120V로 가장 낮으며, 폴리프로필렌(PP), 울(Wool) 및 나일론(Nylon)으로 상기 나노섬유 필터를 마찰시켜 마찰력을 충전한 후의 표면전위는 각각 -160V(폴리프로필렌(PP)), -260V(울(Wool)), -280V(나일론(Nylon))으로 나일론 브러쉬의 경우가 가장 높은 표면 전위 값을 나타내어 필터링 성능 향상에 바람직하다.
여기서, 도 16을 같이 참조하면, 상기 표면대전단계(S600)에서 마찰 대전쌍에 대한 필터링 효율을 나타낸 것으로, 상기 브러쉬의 종류에 따라 각각 측정하였는데, 도 15에서와 마찬가지로, 표면 전위 값에 비례하여 가장 높은 나일론 브러쉬의 경우 필터링 효율이 가장 높은 87%로 필터링 성능 향상에 바람직하다.
도 17을 참조하면, 상기 나노섬유 필터의 분극효과에 따른 표면전위 변화를 나타낸 것으로, 분극효과 전/후의 상기 나노섬유 필터의 ESVM은 거의 유사한 것을 확인할 수 있고, 이는 상기 분극발생단계(S500) 및 표면대전단계(S600)를 통해 상기 나노섬유 필터의 표면전위를 -120V에서 -680V까지 상승시켜 필터링 성능을 극대화 할 수 있다.
여기서, 도 18을 같이 참조하면, 상기 분극발생단계(S500) 전/후 및 상기 표면대전단계(S600)를 수행한 상기 나노섬유 필터의 표면 전위를 켈빈 탐침력 현미경(Kelvin probe force microscopy, KPFM) 사진으로, 상기 분극발생단계(S500) 전(Pristine)은 -1.4V, 이후(After polarization)는 -2.8V, 상기 표면대전단계(S600) 이후(After friction)는 -3.8V로 초기 상태인 -1.4V보다 약 3배정도 증가하였고, 이는 도 15의 결과와 일치하며, 나일론 브러쉬로 표면 대전을 하는 경우가 가장 높은 표면 전위 값을 나타내어 필터링 성능 향상에 바람직하다.
또한, 도 19를 같이 참조하면, 상기 표면대전단계(S600)의 전/후 상기 나노섬유 필터를 나일론 브러쉬로 표면 대전하는 경우의 필터링 효율 및 QF를 나타낸 것으로, 상기 표면대전단계(S600) 전의 상기 나노섬유 필터의 필터링 효율은 87%, QF는 0.030Pa-1로 측정되었고, 나일론 브러쉬로 상기 표면대전단계(S600)를 수행한 경우의 필터링 효율은 94%, QF는 0.042Pa-1로 측정되었으며, 이는 상기 분극발생단계(S500)를 수행하고, 상기 표면대전단계(S600)를 나일론 브러쉬로 수행하는 것이 상기 나노섬유 필터의 필터링 성능을 극대화할 수 있다.
이상, 본 발명에 따른 초미세먼지 필터 및 그 제조 방법 따르면, 강유전성 고분자의 함량을 조절하여 나노섬유를 전기방사로 제조하여 광 투과성 및 공기 투과성이 우수한 나노섬유 필터의 직경을 갖고, 분극효과 및 마찰 대전효과를 이용하여 나노섬유 필터의 표면 전위를 장기간 유지하며 필터링 효과를 극대화시켜 PM1.0의 초미세먼지를 고효율로 제거하는 이점이 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
S100 : 솔루션제조단계
S200 : 솔루션투입단계
S300 : 메쉬준비단계
S400 : 나노섬유필터형성단계
S500 : 분극발생단계
S600 : 표면대전단계

Claims (6)

  1. 폴리에스테르(PE) 메쉬;
    상기 폴리에스테르(PE) 메쉬 상에 전기방사되어 적층된 나노섬유 필터;를 포함하고,
    상기 나노섬유 필터는,
    강유전성 고분자를 9-15wt% 포함하는 망 구조인 것을 특징으로 하는 초미세먼지 필터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 강유전성 고분자는,
    폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)인 것을 특징으로 하는 초미세먼지 필터.
  3. 강유전성 고분자를 9-15wt% 포함하는 솔루션을 제조하는 솔루션제조단계;
    상기 솔루션을 실린지에 투입하는 솔루션투입단계;
    상기 실린지와 전기적으로 접지된 금속콜렉터에 폴리에스테르(PE) 메쉬를 준비하는 메쉬준비단계;
    상기 실린지와 금속 콜렉터에 전기장을 인가하여 상기 폴리에스테르(PE) 메쉬 상으로 상기 솔루션을 방사하여 나노섬유 필터를 형성하는 나노섬유필터형성단계;
    상기 나노섬유 필터의 상하에 전극을 형성하고 전기장을 인가하여 분극 효과를 발생시키는 분극발생단계; 및
    분극이 발생한 상기 나노섬유 필터의 표면을 브러쉬로 대전시키는 표면대전단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초미세먼지 필터의 제조 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 분극발생단계는,
    상기 나노섬유 필터에 상기 강유전성 고분자의 큐리온도로 열을 가하는 것을 특징으로 하는 초미세먼지 필터의 제조 방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 표면대전단계는,
    상기 나노섬유 필터와 반대되는 마찰 전기 특성을 갖는 브러쉬에 의해 상기 나노섬유 필터는 음으로 대전되고, 상기 브러쉬는 양으로 대전되는 것을 특징으로 하는 초미세먼지 필터의 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 브러쉬는,
    폴리프로필렌, 울 및 나일론을 포함하는 것을 특징으로 하는 초미세먼지 필터의 제조 방법.
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