KR20210126333A - 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예는 목표 전체 평균유동기공크기를 선택하는 제1 단계, 각각 제i 기공률 및 제i 평균유동기공크기를 갖는 n 개의 제i 나노섬유 여재층을 선택하는 제2 단계, 선택된 층들이 적층된 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기를 계산하는 제3 단계, 상기 목표 전체 평균유동기공크기와 상기 제3 단계에서 계산된 전체 평균유동기공크기를 비교하고, 오차 범위를 벗어난 경우, 상기 제2 단계 내지 제3 단계를 반복하는 제4 단계 및 최종적으로 선택된 층들을 적층하는 제5 단계를 포함하는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 및 이의 제조방법을 제공한다. 이 때, 상기 제2 단계는 상기 나노섬유 여재층들 사이에 개재되는 m개의 제j 개방 스크림층을 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.

Description

맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 및 이의 제조방법{Tailored Multilayered Dust Capturing Media And Fabrication Method Thereof}
본 발명은 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 및 이의 제조방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는 향상된 분진유지용량을 갖는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
정밀여과(Microfiltration)는 미생물 또는 부유 입자와 같은 불필요한 오염물질을 유체로부터 제거하기 위하여, 특정한 기공 크기 분포를 갖는 다공질 막을 오염된 유체가 통과하는 기계적 여과 공정을 일컫는다.
정밀 여과의 효율성을 위하여 정밀 여과 필터를 구성하는 막은 1) 좁고 균일한 기공 크기 분포, 2) 높은 기공률, 3) 오염물질을 여과하기 위한 최소 기공 크기를 가지면서도 얇은 박층성의 세가지 특성이 요구된다.
기존의 정밀여과용 필터 여재들은 섬유 멤브레인에 정전기를 부여하여 입자를 정전기력에 의하여 포집하는 방식을 많이 사용하였다. 그러나 이러한 정전기 집진 방식은 수명이 짧고, 수분 또는 유성 입자에 노출되는 경우 여과 효율이 급격히 떨어지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 정밀여과용 필터 여재로 나노섬유 여재가 주목을 받고 있다. 나노섬유는 나노미터 단위의 직경을 갖는 섬유로서, 이를 이용한 나노섬유 여재는 기존의 필터 여재에 비하여 큰 표면적을 가져 여과효율이 높으며, 공극률 또한 매우 높아 필터링 중 발생하는 압력강하가 작다.
나노섬유는 전계방사(electrospinning) 또는 원심방사(forcespinning)를 이용한 제조방법이 알려져 있다. 그러나 이러한 방식은 실제 적용에 있어서 중합체에 이용되는 대부분의 용매가 유해한 유기물이므로 용매 회수를 필요로 하며, 공정이 느리고, 섬유 자체의 강도가 약하며 열적 안정성이 낮다는 문제가 있다.
다공성 ePTFE(expanded polytetrafluoroethylene) 나노섬유는 높은 용융점을 가질 수 있으며, 화학적인 불활성 및 소수성을 가질 뿐 아니라, 전계방사 방식으로 제조된 나노섬유 여재층에 비하여 높은 유연성, 높은 유량비, 긴 사용 연한 및 보다 강한 나노섬유 구조를 제공할 수 있다.
한국 공개특허공보 10-2017-0060938(2017.06.02.)호는 나노섬유를 포함하는 필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 기재상에 친수성 폴리우레탄 나노섬유 및 내열성 고분자 나노섬유층을 포함하고, 기재와 나노섬유층 및 나노섬유층 사이를 에폭시 수지 및 경화제가 포함된 혼합용액을 전기방사하여 접착층을 형성시킨 것을 특징으로 한다.
그러나 이러한 종래의 기술은 상술한 바와 같이 전기 방사를 이용함으로써 공정이 매우 느리고 생산 비용이 높아질 뿐 아니라, 접착층으로 인하여 나노섬유층의 기공이 차단되어 기공률이 낮아지고, 평균유동기공크기의 분포가 넓어져 원하는 필터 효율을 나타내지 못하는 문제점이 있다.
1. 한국 공개특허공보 공개번호 10-2017-0060938(2017.06.02.)호
본 발명이 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는 상술한 제조방법에 따라 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재를 제공하는데 있다.
상술한 제1 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은 목표 전체 평균유동기공크기를 선택하는 제1 단계, 각각 제i 기공률 및 제i 평균유동기공크기를 갖는 n 개의 제i 나노섬유 여재층을 선택하는 제2 단계, 선택된 층들이 적층된 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기를 계산하는 제3 단계, 상기 목표 전체 평균유동기공크기와 상기 제3 단계에서 계산된 전체 평균유동기공크기를 비교하고, 오차 범위를 벗어난 경우, 상기 제2 단계 내지 제3 단계를 반복하는 제4 단계 및 최종적으로 선택된 층들을 적층하는 제5 단계를 포함하고, 상기 제3 단계는 하기의 방정식 1을 이용하여 전체 평균유동기공크기를 계산하는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 제조방법을 제공한다.
[방정식 1]
Figure pat00001
여기서, OMFP는 상기 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기이고, εi는 선택된 제i 나노섬유 여재층의 기공률이고, di는 선택된 제i 나노섬유 여재층의 유동 기공 크기이고, n은 선택된 나노섬유 여재층의 총 수이고, n=1,2,3,…이다.
상기 제2 단계는 상기 나노섬유 여재층들 사이에 개재되는 m개의 제j 개방 스크림층을 선택하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이 때, 상기 제3 단계는 하기 방정식 2를 이용하여 전체 평균유동기공크기를 계산할 수 있다.
[방정식 2]
Figure pat00002
여기서, OMFP는 상기 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기이고, εi는 선택된 제i 나노섬유 여재층의 기공률이고, εj는 선택된 제j 개방 스크림층과 공기 유입 방향에서 접하는 나노섬유 여재층의 기공률이고, di는 선택된 제i 나노섬유 여재층의 유동 기공 크기이고, n은 선택된 나노섬유 여재층의 총 수이고, n=1,2,3,…이며, m은 선택된 개방 스크림층의 총 수이고, m=1,2,3…이다.
상기 개방 스크림층은 폴리올레핀(polyolefin)을 포함하고, 인접한 상기 나노섬유 여재층들과 라미네이트될 수 있다.
상기 개방 스크림층은 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 최종적으로 선택된 층들을 적층한 적층 구조물의 실질 전체 평균유동기공크기를 측정하는 제6 단계 및 상기 실질 전체 평균유동기공크기와 상기 목표 전체 평균유동기공크기를 비교하여, 상기 실질 전체 평균유동기공크기가 상기 목표 전체 평균유동기공크기보다 크고 오차 범위를 벗어난 경우, 상기 제2 단계 내지 제6 단계를 반복하는 제7 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 나노섬유 여재층들 중 적어도 하나의 층은 ePTFE(expanded Polytetrafluoroethylene)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 최종적으로 선택된 상기 나노섬유 여재층들 중 적어도 2개의 층은 동일한 기공률과 동일한 평균유동기공크기를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에서 최종적으로 선택된 상기 나노섬유 여재층들 중 적어도 2개의 층은 서로 다른 기공률 또는 서로 다른 평균유동기공크기를 가질 수 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 일 측면은 상술한 제조방법으로 제조된 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재를 제공한다.
본 발명이 제공하는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 제조방법에 따르면 매우 좁은 유동 기공 크기 분포를 가지며 전체 평균유동기공크기가 사용 용도에 따라 맞춤화된 집진 여재를 제조할 수 있다.
복수 개의 나노섬유 여재층을 적층함으로써 높은 여과효율을 가지면서도 압력 강하가 적은 집진 여재를 제조할 수 있다.
적어도 하나의 나노섬유 여재층은 팽창 폴리테트라플루오로에틸렌(Expanded Polytetrafluoroethylene, ePTFE)을 포함함으로써, 집진 여재의 내구성, 소수성, 화학적 열적 안정성 및 유연성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 집진 여재는 나노섬유 여재층 사이에 개방 스크림층을 개재하여 적층함으로써 향상된 분진유지용량을 가진다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 층 구조를 도시하는 박리 사시도이다.
도 5는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 전체 평균유동기공크기를 계산하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 나노섬유 여재 단일층, 이중층 및 나노섬유 여재 이중층 사이에 개방 스크림층이 개재되었을 때 기공의 크기 및 밀도를 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 미세 분진 포집 후 사진이다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하 도면 상의 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 참조 부호를 사용하고, 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 제조방법은 목표 전체 평균유동기공크기를 선택하는 제1 단계, 각각 제i 기공률 및 제i 평균유동기공크기를 갖는 n 개의 제i 나노섬유 여재층을 선택하는 제2 단계, 선택된 층들이 적층된 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기를 계산하는 제3 단계, 상기 목표 전체 평균유동기공크기와 상기 제3 단계에서 계산된 전체 평균유동기공크기를 비교하고, 오차 범위를 벗어난 경우, 상기 제2 단계 내지 제3 단계를 반복하는 제4 단계 및 최종적으로 선택된 층들을 적층하는 제5 단계를 포함한다.
먼저, 목표 전체 평균유동기공(Overall Mean Flow Pore, OMFP) 크기를 선택한다(S1). 이 때, 목표 전체 평균유동기공크기는 집진 여재의 사용 용도에 따라 선택될 수 있다.
집진 여재를 구성하는 나노섬유 여재층을 선택한다(S2).
나노섬유 여재층들 중 적어도 하나의 층은 ePTFE를 포함할 수 있다. 즉 나노섬유 여재층들 중 적어도 하나의 층은 ePTFE를 일정 비율로 포함하거나, 본질적으로 ePTFE로 구성될 수 있다.
상기 ePTFE를 포함하는 나노섬유 여재층은 단축 연신(uniaxial stretching)된 것이거나, 이축 연신(biaxial stretching)된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 ePTFE를 포함하는 나노섬유 여재층은 캘린더 된 시트의 단축 또는 이축 연신에 의하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 나노섬유 여재층들 중 적어도 두 개의 층은 동일한 기공률과 동일한 평균유동기공크기를 가질 수 있다. 즉, 제1 나노섬유 여재층의 기공률이 ε1이고, 평균유동기공크기가 d1일 때, 제2 나노섬유 여재층의 기공률과 평균유동기공크기가 각각 ε1 및 d1일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에서 나노섬유 여재층들 중 적어도 두 개의 층은 서로 다른 기공률 또는 서로 다른 평균유동기공크기를 가질 수 있다. 즉, 제1 나노섬유 여재층의 기공률이 ε1이고, 평균유동기공크기가 d1일 때, 제2 나노섬유 여재층의 기공률과 평균유동기공크기는 (ε2, d1), (ε1, d2) 또는 (ε2, d2)일 수 있다.
선택된 층들이 적층되어 형성하는 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기를 계산한다(S3).
전체 평균유동기공크기의 계산은 다음과 같은 식으로부터 유도될 수 있다.
라플라스 방정식(Laplace'equation)으로부터 모세관 압력(capillary pressure)는 다음과 같이 유도된다.
Figure pat00003
여기서, RM과 RL은 초기 곡률 반지름이고, σ는 액체의 표면 장력이다. 만약 모세관의 반지름이 r일 때, 계면이 구의 일부이면 식은 다음과 같이 표시된다.
Figure pat00004
여기서 θ는 접촉각이고, r은 모세관의 반지름이다.
각각 모세관 반지름이 r1, r2, r3 …인 제1층, 제2층, 제3층…이 적층된 적층 구조물 전체의 모세관 압력을 구하면 다음과 같다.
Figure pat00005
Figure pat00006
여기서 R은 적층 구조물 전체의 평균유동기공크기다.
막의 굴곡률(tortuosity)은 1/ε로 가정할 수 있다. 기공률 ε은 기공의 부피를 막층의 총 부피로 나눈 비율을 의미한다. 이러한 가정을 적용하면, 상기 식은 다음과 같이 쓸 수 있다.
Figure pat00007
평균유동기공크기는 기공의 직경으로 사용될 수 있으므로, 이를 다시 정리하면 식은 다음과 같다.
Figure pat00008
따라서, 전체 평균유동기공 크기는 다음과 같이 정리된다.
[방정식 1]
Figure pat00009
여기서, OMFP는 상기 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기고, εi는 선택된 제i 나노섬유 여재층의 기공률이고, di는 선택된 제i 나노섬유 여재층의 유동 기공 크기이고, n은 선택된 나노섬유 여재층의 총 수이고, n=1,2,3,…이다.
제1 단계에서 선택된 목표 전체 평균유동기공크기와 제3 단계에서 계산된 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기를 비교한다(S4).
계산된 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기가 목표 전체 평균유동기공크기와 근사적으로 동일한 경우, 즉 일정한 오차범위 이내인 경우 나노섬유 여재층들의 선택은 종료되고, 선택된 층들을 순차적으로 적층하는 단계로 진행된다.
계산된 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기가 목표 전체 평균유동기공크기와 근사적으로 같지 않고, 오차범위를 벗어나는 경우 제2 단계 내지 제4단계를 반복한다. 이 때, 제2 단계 또는 제3 단계에서 다른 특성을 가진 나노섬유 여재층들이 선택되거나, 동일한 특성을 가진 나노섬유 여재층들의 수가 다르게 선택될 수 있다. 즉, 제2 단계 내지 제3 단계를 반복할 때, 반복 이전에 선택된 층들과 성분, 기공률 및 평균유동기공크기가 동일하거나, 동일하지 않은 층들이 추가되거나, 기존에 선택된 층들의 성분, 기공률 및 평균유동기공크기를 변경할 수 있다.
최종적으로 선택된 층들을 순차적으로 적층하여 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재를 이루는 적층 구조물을 제조한다(S5).
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 제조방법은 상술한 제2 단계 이후에 상기 나노섬유 여재층들 사이에 개재되는 m개의 제j 개방 스크림층을 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.
개방 스크림층은 폴리올레핀(polyolefin)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 개방 스크림층은 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 개방 스크림층은 나노섬유 여재층들에 비하여 매우 큰 기공 크기를 가진다. 즉, 개방 스크림층의 기공 크기가 dscrim이고, 나노섬유 여재층들의 기공 크기가 dnano일 때, dscrim≫dnano 이다.
이 때, 각각 기공률과 평균유동기공크기가 εi 및 di인 n 개의 나노섬유 여재층과 εj 및 dj인 m 개의 개방 스크림층이 적층된 경우, 방정식 1은 하기의 방정식 2와 같이 다시 정리할 수 있다.
Figure pat00010
이 때, 개방 스크림층의 유동 기공 크기 dscrim은 나노섬유 여재층의 유동 기공 크기에 비하여 매우 크므로, 1/dj는 매우 작아 무시할 수 있다.
개방 스크림층에 인접한 나노섬유 여재층 중 공기가 유입되는 방향에서 접하는 나노섬유 여재층의 기공률을 ε1이라 하고, 공기가 유출되는 방향에서 접하는 나노섬유 여재층의 기공률을 ε2라고 할 때, 단일 개방 스크림층의 실질 기공률은 1에 가깝지만, 개방 스크림층이 나노섬유 여재층과 적층되었을 때 굴곡된 경로에 의하여 개방 스크림층의 기공률을 ε1으로 가정할 수 있다.
따라서, 전체 평균유동기공의 크기는 다음과 같이 정리된다.
[방정식 2]
Figure pat00011
여기서, OMFP는 선택된 나노섬유 여재층들 및 선택된 개방 스크림층들의 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기고, εi는 선택된 제i 나노섬유 여재층의 기공률이고, εj는 선택된 제j 개방 스크림층과 공기 유입 방향에서 접하는 나노섬유 여재층의 기공률이고, di는 선택된 제i 나노섬유 여재층의 유동 기공 크기이고, n은 선택된 나노섬유 여재층의 총 수이고, n=1,2,3...이며, m은 선택된 개방 스크림층의 총 수이고, m=1,2,3…이다.
상술한 제4단계에서, 계산된 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기가 목표 전체 평균유동기공크기와 근사적으로 동일한 경우, 즉 일정한 오차범위 이내인 경우 나노섬유 여재층들과 개방 스크림층들의 선택은 종료되고, 선택된 층들을 순차적으로 적층하는 단계로 진행된다.
계산된 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기가 목표 전체 평균유동기공크기와 근사적으로 같지 않고, 오차범위를 벗어나는 경우 제2 단계 내지 제4단계를 반복한다. 이 때, 제2 단계 또는 제3 단계에서 다른 특성을 가진 나노섬유 여재층들 또는 개방 스크림층들이 선택되거나, 동일한 특성을 가진 나노섬유 여재층들 또는 개방 스크림층들의 수가 다르게 선택될 수 있다. 즉, 제2 단계 내지 제4 단계를 반복할 때, 반복 이전에 선택된 층들과 성분, 기공률 및 평균유동기공크기가 동일하거나, 동일하지 않은 층들이 추가되거나, 기존에 선택된 층들의 성분, 기공률 및 평균유동기공크기를 변경할 수 있다.
상술한 바와 같이 개방 스크림층은 나노섬유 여재층들의 사이에 개재된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 나노섬유 여재층과 개방 스크림층이 순차적으로 교차 적층될 수 있다. 즉, 제1 나노섬유 여재층, 제1 개방 스크림층, 제2 나노섬유 여재층과 같은 순서로 교차 적층될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 하나 이상의 나노섬유 여재층이 적층되고, 개방 스크림층이 적층된 후, 다시 하나 이상의 나노섬유 여재층이 적층될 수 있다. 즉, 일 예로 제1 나노섬유 여재층, 제2 나노섬유 여재층, 제1 개방 스크림층, 제3 나노섬유 여재층, 제4 나노섬유 여재층과 같이 적층될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 개방 스크림층은 인접한 나노섬유 여재층들과 라미네이트 될 수 있다. 상기 개방 스크림층은 나노섬유 여재층들의 기공 구조에 손상이 없는 한도에서 약한 열로 라미네이트 될 수 있다.
다만, 상술한 전체 평균유동기공크기 계산은 라미네이트 단계 또는 적층 단계에서 나노섬유 여재층 및 개방 스크림층에 심각한 변형이 생기는 경우 적용되지 않을 수 있다. 따라서, 본 계산이 적용되기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 제조방법은 나노섬유 여재층 및 개방 스크림층이 라미네이트 및 적층 공정 후에도 본래의 특성을 실질적으로 유지할 것을 요구한다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 제조방법은 최종적으로 선택된 상기 나노섬유 여재층들 및 상기 개방 스크림층들을 적층한 적층 구조물의 실질 전체 평균유동기공크기를 측정하는 제6 단계 및 상기 실질 전체 평균유동기공크기와 상기 목표 전체 평균유동기공크기를 비교하여, 상기 실질 전체 평균유동기공크기가 상기 목표 전체 평균유동기공크기보다 크고 오차 범위를 벗어난 경우, 상기 제2 단계 내지 제6 단계를 반복하는 제7 단계를 더 포함할 수 있다.
선택된 층들을 순차 적층하여 제조된 적층 구조물의 실질 전체 평균유동기공크기를 측정한다(S6).
제1 단계에서 선택된 목표 전체 평균유동기공크기와 제7 단계에서 측정된 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기를 비교한다(S7).
측정된 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기가 목표 전체 평균유동기공크기와 근사적으로 동일한 경우, 즉 일정한 오차범위 이내인 경우 나노섬유 여재층들과 개방 스크림층들의 선택은 종료된다.
측정된 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기가 목표 전체 평균유동기공크기보다 크고, 오차범위를 벗어나는 경우 제2 단계 내지 제6단계를 반복한다. 이 때, 제2 단계 또는 제3 단계에서 다른 특성을 가진 나노섬유 여재층들 또는 개방 스크림층들이 선택되거나, 동일한 특성을 가진 나노섬유 여재층들 또는 개방 스크림층들의 수가 다르게 선택될 수 있다. 즉, 제2 단계 내지 제6 단계를 반복할 때, 반복 이전에 선택된 층들과 성분, 기공률 및 평균유동기공크기가 동일한 층 또는 동일하지 않은 층들이 추가되거나, 기존에 선택된 층들의 성분, 기공률 및 평균유동기공크기를 변경할 수 있다.
적층 구조물의 실질 전체 평균유동기공크기를 측정하고 비교하는 단계를 더 포함함으로써, 실제 각 층의 적층 단계에서 생기는 인장, 압축, 변형에 의한 오차를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 상술한 제조방법들을 이용하여 제조되는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재를 제공한다.
본 발명에 따른 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재는 사용 용도에 따라 맞춤화 된 전체 평균유동기공크기 및 좁은 기공 분포를 가질 뿐 아니라, 개방 스크림층이 나노섬유 여재층들 사이를 고정하면서 이격함에 따라, 내구성이 향상되고 높은 분진유지용량을 갖는다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 층 구조를 도시하는 사시도이다.
도 4를 참조하면, 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 일 실시예는 제1 나노섬유 여재층(110), 개방 스크림층(130) 및 제2 나노섬유 여재층(150)을 포함한다.
상기 제1 나노섬유 여재층(110) 및 제2 나노섬유 여재층(150) 중 적어도 하나는 ePTFE를 포함할 수 있다. 제1 나노섬유 여재층(110) 및 제2 나노섬유 여재층(150)은 동일한 기공률과 동일한 평균유동기공크기를 가질 수 있다. 다른 일 실시예에서 제1 나노섬유 여재층(110) 및 제2 나노섬유 여재층(150)은 상이한 기공률 또는 상이한 평균유동기공크기를 가질 수 있다. 집진 여재의 효율성 및 압력 강하 방지를 위하여 공기 유입 방향과 공기 유출 방향 나노섬유 여재층의 기공률을 달리 구배할 수 있다.
상기 개방 스크림층(130)은 폴리올레핀(polyolefin)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 개방 스크림층은 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 개방 스크림층(130)은 제1 나노섬유 여재층(110) 및 제2 나노섬유 여재층(150)에 비하여 매우 큰 기공 크기를 가진다. 즉, 개방 스크림층(130)의 기공 크기가 dscrim이고, 나노섬유 여재층들의 기공 크기가 dnano일 때, dscrim≫dnano 이다.
도 5는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 전체 평균유동기공크기를 계산하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 제1 기공(111)은 제1 나노섬유 여재층(110)에 형성된 기공이고, 제2 기공(151)은 제2 나노섬유 여재층(150)에 형성된 기공이다. 조합 기공(200)은 나노섬유 여재층들(110, 150)과 개방 스크림층(130)의 적층 또는 결합에 의하여 형성된다.
상술한 바와 같이 조합 기공(200)의 직경은 상술한 방정식 1 또는 방정식 2를 통하여 계산될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 제1 기공(111)과 제2 기공(151)이 동일한 직경 d를 가지며, 각 나노섬유 여재층들(110, 150)의 기공률이 ε로 동일한 경우 상술한 방정식은 하기와 같이 쓸 수 있다.
Figure pat00012
실험예
평균유동기공크기가 2.65 μm인 나노섬유 여재층의 단일층, 이중층 및동일한 나노섬유 여재층을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 기공 크기 및 밀도를 측정하였다.
도 5는 나노섬유 여재 단일층, 이중층 및 나노섬유 여재 이중층 사이에 개방 스크림층이 개재되었을 때 기공의 크기 및 밀도를 도시하는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 나노섬유 여재 단일층의 기공 크기는 2.65 μm에 피크를 가지며, 이중층의 기공 크기는 1.45 μm, 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재는 1.55 μm에서 피크를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 전체 평균유동기공크기는 목표 전체 평균유동기공크기인 1.5 μm의 오차 범위 ±10 %이내였으며, 매우 좁은 기공 크기 분포를 갖는 것을 확인하였다.
나노섬유 여재 이중층의 평균유동기공크기로부터 기공률 ε을 계산할 수 있다.
Figure pat00013
나노섬유 여재층의 기공률 ε은 95.6 %이다.
이를 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 전체 평균유동기공크기를 계산하는 식에 대입하여 보면,
Figure pat00014
계산된 전체 평균유동기공크기는 1.52 μm로 측정된 전체 평균유동기공크기인 1.55 μm와 유사한 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재의 미세 분진 포집 후 사진이다.
도 6을 참조하면, 공기 유출 방향으로 개방 스크림층과 접하는 나노섬유 여재층에 미세 분진이 포집된 것을 확인할 수 있다. 개방 스크림층이 나노섬유 여재층들을 매우 좁은 거리로 이격하고 라미네이트하여 다층 구조 집진 여재에 보다 높은 내구성 및 분진유지용량을 제공한다.
110 : 제1 나노섬유 여재 111 : 제1 기공
130 : 개방 스크림층
150 : 제2 나노섬유 여재 151 : 제2 기공
200 : 조합 기공

Claims (9)

  1. 목표 전체 평균유동기공크기를 선택하는 제1 단계;
    각각 제i 기공률 및 제i 평균유동기공크기를 갖는 n 개의 제i 나노섬유 여재층을 선택하는 제2 단계;
    선택된 층들이 적층된 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기를 계산하는 제3 단계;
    상기 목표 전체 평균유동기공크기와 상기 제3 단계에서 계산된 전체 평균유동기공크기를 비교하고, 오차 범위를 벗어난 경우, 상기 제2 단계 내지 제3 단계를 반복하는 제4 단계; 및
    최종적으로 선택된 층들을 적층하는 제5 단계를 포함하고,
    상기 제3 단계는 하기의 방정식 1을 이용하여 전체 평균유동기공크기를 계산하는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 제조방법:
    [방정식 1]
    Figure pat00015

    여기서, OMFP는 상기 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기고,
    εi는 선택된 제i 나노섬유 여재층의 기공률이고,
    di는 선택된 제i 나노섬유 여재층의 유동 기공 크기이고,
    n은 선택된 나노섬유 여재층의 총 수이고, n=1,2,3,…이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 단계는 상기 나노섬유 여재층들 사이에 개재되는 m개의 제j 개방 스크림층을 선택하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제3 단계는 하기 방정식 2를 이용하여 전체 평균유동기공크기를 계산하는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 제조방법:
    [방정식 2]
    Figure pat00016

    여기서, OMFP는 상기 적층 구조물의 전체 평균유동기공크기고,
    εi는 선택된 제i 나노섬유 여재층의 기공률이고,
    εj는 선택된 제j 개방 스크림층과 공기 유입 방향에서 접하는 나노섬유 여재층의 기공률이고,
    di는 선택된 제i 나노섬유 여재층의 유동 기공 크기이고,
    n은 선택된 나노섬유 여재층의 총 수이고, n=1,2,3,…이며,
    m은 선택된 개방 스크림층의 총 수이고, m=1,2,3,…이다.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 개방 스크림층은 폴리올레핀(polyolefin)을 포함하고, 인접한 상기 나노섬유 여재층들과 라미네이트되는 것을 특징으로 하는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 개방 스크림층은 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    최종적으로 선택된 층들을 적층한 적층 구조물의 실질 전체 평균유동기공크기를 측정하는 제6 단계; 및
    상기 실질 전체 평균유동기공크기와 상기 목표 전체 평균유동기공크기를 비교하여, 상기 실질 전체 평균유동기공크기가 상기 목표 전체 평균유동기공크기보다 크고 오차 범위를 벗어난 경우, 상기 제2 단계 내지 제6 단계를 반복하는 제7 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유 여재층들 중 적어도 하나의 층은 ePTFE(expanded Polytetrafluoroethylene)를 포함하는 것을 특징으로 하는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    최종적으로 선택된 상기 나노섬유 여재층들 중 적어도 2개의 층은 동일한 기공률과 동일한 평균유동기공크기를 갖는 것을 특징으로 하는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    최종적으로 선택된 상기 나노섬유 여재층들 중 적어도 2개의 층은 서로 다른 기공률 또는 서로 다른 평균유동기공크기를 갖는 것을 특징으로 하는 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재 제조방법.
  9. 제 1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 맞춤화된 다층 구조의 집진 여재.
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