KR20220001769A - 창호용 필터 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 창호용 필터에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 메쉬층; 및 상기 메쉬층 표면의 적어도 일부 영역 상에 형성되고, 상기 메쉬층의 표면에 대하여 적어도 일부가 제1 방향으로 배향되어 성장한 제1 영역을 포함하는 나노 와이어를 포함하는 창호용 필터가 제공된다.

Description

창호용 필터 및 이의 제조 방법{Window filter and manufacturing method for the same}

본 발명은 창호용 필터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 창호는 건물의 개구부에 설치되어 외부와의 차단 및 개방기능을 수행하게 된다. 실내 환기를 위하여, 이러한 창호에는 창짝의 개방시 외부로부터 황사나 미세먼지, 초미세먼지 등(이하, 미세먼지라 통칭함)의 유입을 방지할 수 있도록 상기 방충망 대신, 또는 방충망과 함께 이중구조로 미세먼지 차단용 필터를 설치한다.

이러한 미세먼지 차단용 필터는 미세 먼지를 포집하는 분진 포집 효율이 중요한 기능으로 요구되며, 이러한 필터로는 메쉬층에 고압의 전류로 정전 처리한 정전필터가 알려져 있다.

그러나, 이러한 정전 필터의 경우, 메쉬층의 표면에만 전하가 존재하여 기재 두께에 따른 성능 편차가 있으며, 또한 전하가 쉽게 손실되어 지속적인 성능 유지가 어려운 문제가 있었다.

최근에는 상기 메쉬층의 일면에 섬유층을 적층시켜, 이중 구조를 갖는 이중 필터가 개발되었고, 상기 이중 필터는 정전필터 대비 분진 포집 효율이 개선되었다. 그러나, 이중 필터는 분진 포집 효율을 개선할 수 있지만, 섬유층에 의해 메쉬층의 격자형 공극이 가려지기 때문에, 공극을 통과하는 빛과 공기 중 적어도 일부는 섬유층에 의해 차단될 수 있다. 즉, 종래 이중 필터는 공기 투과도와 광투과도의 효율이 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 우수한 분진포집효율, 광 투과도 및 공기 투과도가 구현된 창호용 필터및 창호용 필터의 제조 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 메쉬층; 및 상기 메쉬층 표면의 적어도 일부 영역 상에 형성된, 상기 메쉬층의 표면에 대하여 적어도 일부가 제1 방향으로 배향되어 성장한 제1 영역을 포함하는 나노 와이어를 포함하는 창호용 필터가 제공된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 창호용 필터는 우수한 분집 포집 효율, 광 투과도 및 공기 투과도가 구현된 장점을 가진다.

도 1은 본 출원에 따른 창호용 필터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2 및 3은 표면 처리된 메쉬층의 SEM 및 EDS 측정 결과이다.
도 4 및 5는 이산화티탄 나노 와이어의 SEM 및 EDS 측정 결과이다.
도 6 내지 도 8은 티탄산바륨 나노 와이어의 SEM 및 EDS 측정 결과이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 창호용 필터에 대하여 설명한다.

본 발명에서 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 발명의 기술적 사항에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.

아울러, 본 발명의 실시예는 본 발명의 권리 범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예이다.

그리고, 아래 실시예에서의 선택적인 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.

이에, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한, 도 1은 본 발명에 따른 창호용 필터의 구조를 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 창호용 필터는 메쉬층(100) 및 나노 와이어(200)를 포함한다.

상기 메쉬층(100)은 격자형 공극을 형성하도록 복수 개의 프레임이 엇갈려 배치되는 구조(메쉬 구조)를 가지며, 재질은 금속 재질일 수 있고, 예를 들어, 알루미늄일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 나노 와이어(200)는 상기 메쉬층(100) 표면의 적어도 일부 영역 상에 형성되고, 상기 메쉬층 표면에 대하여 적어도 일부가 제1 방향으로 배향되어 성장한 제1 영역을 포함한다.

상기 나노 와이어(200)는 나노 와이어 전구체 용액을 메쉬층 표면의 적어도 일부 영역에 도포하고, 수열 합성함에 따라, 적어도 일부가 제1 방향으로 배향되어 성장한 제1 영역이 형성된다. 상기에서 제1 방향은 나노 와이어가 메쉬층 표면으로부터 배향되는 방향을 의미하며, 다양한 요인에 따라 제1 방향은 달라질 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 방향은 수직 방향일 수 있고, 제1 영역은 상기 메쉬층 표면에 대하여 수직 방향으로 배향될 수 있다. 본 발명에서 수직 방향은 수학적인 90°를 의미하는 것이 아니고, 보다 넓은 범위, 예를 들어, 30 내지 150° 또는 60°내지 120°범위도 모두 포함하는 의미로 사용된다. 제1 영역은 수열 합성의 공정 조건을 통해 안정적으로 메쉬층 표면으로부터 수직 배향될 수 있다. 예를 들어, 상기 수열 합성의 공정 조건은 나노 와이어 재질, 온도, 압력, pH 조건, 산 종류 등을 들 수 있다.

또한, 상기 나노 와이어(200)는 나노 와이어 전구체 용액을 도포하고 수열 합성하는 것만으로 제조되기 때문에, 이미 제품화된 종래 필터에도 적용 가능한 장점을 가진다.

본 발명에 따른 창호용 필터는 종래 이중 필터와 달리 나노 와이어가 메쉬층 표면에 특정 방향으로 배향 형성됨에 따라, 메쉬층의 공극을 가리지 않기 때문에, 우수한 광 투과도 및 공기 투과도 구현이 가능한 장점을 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 창호용 필터는 종래 이중 필터와 유사한 수준의 분진 포집 효율이 구현될 있으며, 이는 나노 와이어(200)의 재질을 정전기력을 갖는 물질로 선택함으로써 달성된다. 미세 먼지 등의 이물질은 정전기력을 갖는 물질과 인력이 작용하여 포집된다.

구체적으로, 상기 나노 와이어(200)는 강유전성 나노 와이어일 수 있다. 상기에서, 용어 「강유전성」는 외부의 전기 자극 없이 자발적으로 양전하와 음전하로 갈라지는 자발 분극 현상을 의미하며, 용어 「강유전성 나노 와이어」는 외부의 전기 자극 없이 상기 자발 분극 현상이 일어나 정전기력을 갖는 나노 와이어를 의미한다.

예를 들면, 상기 강유전성 나노 와이어는 PZT(Lead Zirconate Titantate), 티탄산바륨(BaTiO₃), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), PbTiO₃, 트리글리신 술페이트(triglycine sulfate: (NH₂CH₂COOH)₃·H₂SO₄), 리튬 탄탈레이트(Lithium tantalate: LiTaO₃), 및 리튬 니오베이트(Lithium niobate: LiNbO₃) 중에서 선택되는 1종 이상의 강유전성 물질을 포함할 수 있다.

일 구체예에서, 상기 나노 와이어는 제1 영역으로부터 연장되며, 제1 영역과 기울어 제1 방향과는 다른 제2 방향으로 배향된 제2 영역을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 나노 와이어는 수열 합성에 의해 성장하는 과정에서 외력 (예를 들면, 중력)이 작용하여 최초 성장하는 방향(제1 방향)과 소정 각도로 비틀리거나 꺽임 등 다른 방향으로 성장할 수 있다. 본 발명에서는 최초 성장 방향(제1 방향)과 달라지는 지점부터 연장되는 모든 영역을 제2 영역으로 부르기로 한다. 따라서, 제2 영역은 제2 방향에서 연장되며, 제2 방향과 다른 제3 방향으로 배향되는 영역도 모두 포함한다.

또 하나의 예시에서, 상기 제1 영역의 길이는 5 nm 내지 100 ㎛, 10nm 내지 50㎛, 50nm 내지 10㎛ 또는 100nm 내지 1㎛ 범위 내일 수 있다. 상기 제1 영역의 길이에 따라 필터의 분진 포집 효율, 광 투과도 및 공기 투과도가 다르게 조절될 수 있고, 상기 제1 영역의 길이는 수열 합성의 구체적인 공정 조건, 예를 들면, 온도, 압력, pH 조건, 산 종류, 전구체 물질의 함량 등을 통해 조절될 수 있다.

또 하나의 예시에서, 상기 메쉬층(100)은 단층 구조를 가질 수 있다. 단층 구조란 메쉬 구조를 갖는 층이 1개라는 것을 의미한다. 반대로, 메쉬 구조를 갖는 층이 적어도 2개 이상이 적층된 경우 다층 구조라 한다. 창호용 필터는 일반적으로 메쉬층의 공극 비율에 따라 공기 투과도가 조절되는데, 다층 구조를 갖는 메쉬층은 공기 투과도 조절을 위해 복수 개의 메쉬 구조 내 공극 비율을 개별적으로 조절해야 되는 반면, 상기 단층 구조를 갖는 메쉬층은 하나의 메쉬 구조 내 공극 비율만 조절하기 때문에 다층 구조를 갖는 메쉬층에 비해 공기 투과도를 보다 유기적으로 조절할 수 있다. 또한, 단층 구조를 갖는 메쉬층은 두께 조절이 자유로워 다양한 구조 설계가 가능한 장점을 가진다.

상기 메쉬층(100)이 단층 구조를 가질 경우, 본 발명에 따른 창호용 필터도 단층 구조일 수 있다. 이는 본 발명에 따른 나노 와이어(200)가 메쉬층(100) 표면에 성장(배향)하는 방식으로 형성됨에 따라 별도의 층을 형성하지 않기 때문이다.

종래 필터와 다른 구조적 특징을 갖는 본 발명에 따른 창호용 필터의 분진 포집 효율, 광 투과도 및 공기 투과도가 다음과 같은 범위 내로 조절될 수 있다.

예를 들어, 상기 필터는 가시광선 영역에 대한 광 투과도가 10 내지 90%, 15 내지 85% 또는 20 내지 80%일 수 있다. 상기 광 투과도는 UV-VIS-NIR spectrophotometer를 이용하여 측정할 수 있다.

또한, 상기 필터의 공기 투과도는 JIS L 1096:2010에 따른 공기 투과도는 50 내지 1000 cm³/cm²/s, 50 내지 900 cm³/cm²/s, 50 내지 800 cm³/cm²/s 또는 50 내지 700 cm³/cm²/s일 수 있다.

일 구체예에서, 상기 필터는 ASHRAE STANDARD 52.1 중량법에 따른 분집 포집 효율이 40 내지 99.99 %, 50 내지 95% 또는 60 내지 90%일 수 있다.

본 출원은 또한 전술한 창호용 필터의 제조 방법에 관한 것이다. 창호용 필터와 관련된 상세한 설명은 전술한 내용과 중복되므로, 이하에서 생략하기로 한다.

상기 방법은 나노 와이어 전구체 물질, 산 및 용매를 포함하는 나노 와이어 전구체 용액을 준비하는 준비 단계; 상기 나노 와이어 전구체 용액을 메쉬층 표면의 적어도 일부 영역에 도포하는 도포 단계; 및 수열 합성을 이용하여 메쉬층 표면에 대하여 적어도 일부가 제1 방향으로 배향되어 성장한 제1 영역을 포함하는 나노 와이어를 형성하는 형성 단계를 포함한다.

상기 나노 와이어 전구체 용액에 있어서, 용매는 예를 들어, 물일 수 있다. 또한, 나노 와이어 전구체 물질은 공지된 다양한 재료를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 티탄산바륨(BaTiO₃)의 전구체 물질로 티탄늄 이소프로폭사이드(Titanium isopropoxide)을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

나노 와이어의 안정적인 성장을 위해 산성 조건에서 수열 합성하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 전구체 용액은 산을 추가로 포함하고, 이 때 용액의 pH는 1 내지 6 범위 내일 수 있다. 상기 용액의 pH는 나노 와이어의 종류에 따라 다르게 조절되며, 이는 용매와 산의 함량 비율을 조절하여 달성할 수 있다.

상기 형성 단계에서, 수열 합성은, 고온·고압 반응기 내에서 수행될 수 있다. 상기 반응기 예를 들어, 오토클레이브일 수 있다. 상기 수열 합성은 전구체 용액이 도포된 메쉬층을 일정 시간동안 고온·고압 조건의 오토클레이브에 넣어 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 온도는 100℃ 내지 500℃ 범위 내이고, 상기 압력은 0 내지 200kgf/cm² 범위 내이며, 상기 시간은 10시간 내지 150시간 범위 내일 수 있다. 상기 온도, 압력 시간은 나노 와이어의 종류에 따라 상기 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 나노 와이어는 강유전성 나노 와이어일 수 있다. 강유전성 나노 와이어의 수열 합성은, 안정적인 성장을 위하여 2 단계로 수행될 수 있다.

상기 형성 단계는, 나노 와이어 전구체 용액을 수열 합성(제1 수열 합성)하여 나노 와이어를 형성하는 제1 형성 단계; 및 강유전성 전구 물질과 상기 나노 와이어를 수열 합성(제2 수열 합성)하여 강유전성 나노 와이어를 형성하는 제2 형성 단계를 포함할 수 있다.

티탄산 바륨 나노 와이어의 경우, 상기 나노 와이어 전구체 용액은 물, 염산 및 티타늄 이소프로폭사이드를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 강유전성 전구 물질은 수산화 바륨 무수물일 수 있고, 예를 들어, Ba(OH)2·8H2O일 수 있으나, 이외 공지된 다양한 재료를 제한 없이 사용할 수 있다.

또 하나의 예시에서, 본 발명에 따른 제조 방법은 나노 와이어의 안정적인 성장을 위해, 상기 도포 단계 전, 메쉬층 표면을 코팅하고, 열 처리하는 표면 처리 단계를 추가로 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 코팅은 나노 와이어 전구체 물질을 메쉬층 표면에 스퍼터링 하는 것으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 티탄산 바륨 나노 와이어의 경우, 상기 코팅은 이산화티타늄을 메쉬층 표면에 스퍼터링 하는 것으로 수행될 수 있다. 그리고, 상기 열 처리는 300℃ 내지 1000℃ 온도 범위 내에서, 1 시간 내지 10 시간 범위 내로 수행될 수 있다.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 기술한 내용을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예

<메쉬층의 표면 처리: 이산화 티탄 표면 처리>

알루미늄 재질의 메쉬층을 수세 및 정련한 후, 스퍼터링을 이용하여 상기 메쉬층 표에 이산화 티탄(TiO₂) 증착시킨 후, 500℃에서 2시간동안 열처리하였다.

<제1 합성 단계: 이산화티타늄 나노와이어 합성 >

물, 염산 및 티타늄 이소프로폭사이드(티타늄 전구체)를 10:10:1의 비율로 혼합한 나노 와이어 전구체 용액을 제조하였고, 상기 상기 나노 와이어 전구체 용액을 표면 처리된 메쉬층 표면에 도포하였다. 이어서, 60ml 부피를 갖는 오토클레이브에 넣고 200℃, 50 시간, 100 kgf/cm² 압력 조건에서 수열 합성하였다.

<제2 합성 단계: 티탄산바륨 나노 와이어 합성 >

제1 합성 단계를 거친 메쉬층 표면에 그리고, 수산화 바륨 수화물 (Ba(OH)₂ㆍ8H₂O, 바륨 전구체)을 도포한 후, 다시 오토클레이브에 넣고 200℃, 50 시간, 100kfg/cm² 압력 조건에서 수열 합성하여 메쉬층 표면에 티탄산바륨 나노 와이어가 형성된 창호용 필터를 제조하였다.

실험예 - 구조 및 성분 분석

SEM-EDS를 이용하여 상기 실시예에서 합성된 이산화티탄 나노 와이어 및 티탄산바륨 나노 와이어의 구조 및 성분 분석하였다.

도 2 및 3은 표면 처리된 메쉬층의 SEM 및 EDS 측정 결과이다. 도 4 및 5는 이산화티탄 나노 와이어의 SEM 및 EDS 측정 결과이다. 도 6 내지 도 8은 티탄산바륨 나노 와이어의 SEM 및 EDS 측정 결과이다. 구체적으로, 도 7(a)는 도 6(a)에 도시된 (1) 번 위치를 확대한 SEM 이미지이고, 도 7 (b)는 도 6에 도시된 (2) 번 위치를 확대한 SEM 이미지이다. 또한, 도 8(a)는 도 6에 도시된 (1)번 위치에 대한 EDS 결과이고, 도 8(b)는 도 6에 도시된 (2)번 위치에 대한 EDS 결과이다.

상기 도 2 내지 8의 결과로부터, 각각 표면 코팅, 이산화티탄 나노와이어 및 티탄산바륨 나노 와이어가 성공적으로 형성되었음을 확인할 수 있었다. 특히, 도 7 및 8의 결과로부터 나노 와이어가 메쉬층 표면에 대하여 수직 방향으로 성장한 제1 영역을 포함함을 확인할 수 있었다.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100: 메쉬층
200: 나노 와이어

Claims (14)

1. 메쉬층; 및
   상기 메쉬층 표면의 적어도 일부 영역 상에 형성되고, 상기 메쉬층 표면에 대하여 적어도 일부가 제1 방향으로 배향되어 성장한 제1 영역을 포함하는 나노 와이어를 포함하는 창호용 필터.
2. 제 1 항에 있어서, 제1 영역은 상기 메쉬층 표면에 대하여 수직 방향으로 배향된 창호용 필터.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 와이어는 강유전성 나노 와이어인 창호용 필터.
4. 제 3 항에 있어서, 강유전성 나노 와이어는 PZT(Lead Zirconate Titantate), 티탄산바륨(BaTiO₃), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), PbTiO₃, 트리글리신 술페이트(triglycine sulfate: (NH₂CH₂COOH)₃·H₂SO₄), 리튬 탄탈레이트(Lithium tantalate: LiTaO₃), 및 리튬 니오베이트(Lithium niobate: LiNbO₃) 중에서 선택되는 1종 이상의 강유전성 물질을 포함하는 창호용 필터.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 와이어는 제1 영역으로부터 연장되며, 제1 영역과 기울어 제1 방향과는 다른 제2 방향으로 배향된 제2 영역을 포함하는 창호용 필터.
6. 제 1 항에 있어서, 메쉬층의 표면에 대하여 측정한 상기 제1 영역의 길이는 5 nm 내지 100 ㎛ 범위 내인 창호용 필터.
7. 제 1 항에 있어서, 가시광선 영역에 대한 광투과도가 10% 내지 90%인 창호용 필터.
8. 제 1 항에 있어서, JIS L 2010:0196에 따른 공기 투과도는 50 cm³/cm²/s 내지 1000 cm³/cm²/s인 창호용 필터.
9. 제 1 항에 있어서, ASHRAE STANDARD 52.1 중량법에 따른 분진포집효율이 40 내지 99.99%인 창호용 필터.
10. 나노 와이어 전구체 물질 및 용매를 포함하는 나노 와이어 전구체 용액을 준비하는 준비 단계;
    상기 나노 와이어 전구체 용액을 메쉬층 표면의 적어도 일부 영역에 도포하는 도포 단계; 및
    수열 합성을 이용하여 메쉬층 표면에 대하여 적어도 일부가 제1 방향으로 배향되어 성장한 제1 영역을 포함하는 나노 와이어를 형성하는 형성 단계를 포함하는 창호용 필터의 제조 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 나노 와이어는 강유전성 나노 와이어인, 창호용 필터의 제조 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 형성 단계는, 나노 와이어 전구체 용액을 수열 합성하여 나노 와이어를 형성하는 제1 형성 단계; 및
    강유전성 전구 물질과 상기 나노 와이어를 수열 합성하여 강유전성 나노 와이어를 형성하는 제2 형성 단계를 포함하는, 창호용 필터의 제조 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 도포 단계 전, 메쉬층 표면을 코팅하고 열 처리하는 표면 처리 단계를 추가로 포함하는, 창호용 필터의 제조 방법.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 코팅은, 나노 와이어 전구체 물질을 메쉬층 표면에 스퍼터링 하는 것으로 수행되는, 창호용 필터의 제조 방법.

Images