KR20220142852A - 다기능성 환기필터 및 이를 포함하는 환기시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다기능성 환기필터 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마찰전기와 상전이 물질을 활용하여 미세먼지와 초미세먼지의 흡착효율 및 지속성을 향상 시키는 동시에, 환기과정에서 발생되는 냉, 난방 에너지 손실을 감소시킬 수 있는 다기능성 환기필터 및 이를 포함하는 환기시스템에 관한 것이다.

Description

다기능성 환기필터 및 이를 포함하는 환기시스템{Bi-functional ventilation filter and ventilation system comprising the same }

본 발명은 다기능성 환기필터 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마찰전기와 상전이 물질을 활용하여 미세먼지와 초미세먼지의 흡착효율 및 지속성을 향상 시키는 동시에, 환기과정에서 발생되는 냉, 난방 에너지 손실을 감소시킬 수 있는 다기능성 환기필터 및 이를 포함하는 환기시스템에 관한 것이다.

일반가정에서는 실내 공기의 환기를 위해 창문을 개폐하는 방식으로 외부공기와 내부 공기를 순환 시킨다. 이 과정에서 외부 미세먼지가 내부로 유입되는 문제가 있어 창호형 필터 소재가 등장하고 있다. 하지만, 여전히 초미세먼지 흡착 효율이 낮고, 환기 과정에서 발생되는 열손실에 대한 문제가 존재 한다.

또한, 다중이용시설이나, 초고층 빌딩과 같은 건물은 쾌적한 실내 공기를 유지하기 위하여 환기 시스템을 갖추고 있다. 이러한 환기 시스템은 건물에 설치되어 외부로부터 공기를 유입하고 내부의 오염된 공기를 배출하여 순환하는 방식으로 이루어지는데, 이 때 외부의 여과되지 않은 공기가 내부로 유입되게 되고, 특히 겨울철과 같은 시기에는 차가운 공기가 유입되어 내부의 온도를 낮추어 건물 내부의 에너지 손실이 생기는 문제점이 발생한다.

따라서 이러한 문제점 없이 미세먼지와 초미세먼지의 흡착효율 및 지속성을 향상 시키는 동시에, 환기과정에서 발생되는 냉, 난방 에너지 손실을 감소시킬 수 있는 기술이 개발될 필요성이 대두되고 있다.

국내특허공개번호 제10-2019-0036606호

본 발명자들은 다수의 연구결과 마찰전기와 상전이 물질의 활용을 통해 우수한 성능을 갖는 다기능성 필터를 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 기계적 에너지를 마찰전기 에너지로 변환 가능한 제너레이터와 필터를 결합하여 필터의 성능을 향상시키고 흡착효율을 지속적으로 유지할 수 있는 구조의 다기능성 필터 및 이를 포함하는 환기시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상전이물질(PCM:Phase Change Material)이 코어에 위치한 마이크로캡슐을 고분자용액에 분산 후 나노 섬유 형태로 제작함으로써 열 손실률을 감소시킬 수 있는 다기능성 필터 및 이를 포함하는 환기시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 상세한 설명의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 목적 역시 당연히 포함될 수 있을 것이다.

상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 먼저, 본 발명은 마찰전기를 생성하는 마찰전기제너레이터; 상기 마찰전기제너레이터가 생성한 마찰전기를 공급받아 필터부로 마찰전기를 공급하는 금속부재; 및 고분자 나노섬유를 포함하고 상기 금속부재의 상면에 부착 형성되어 상기 금속부재로부터 공급된 마찰전기에 의해 발생된 전기장에 의한 정전기 효과를 이용하여 미세먼지 및 초미세먼지를 포함한 유해물질을 흡착하는 필터부;를 포함하는 다기능성 환기필터를 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 고분자 나노섬유는 상전이물질(PCM: phase change material)로 된 코어를 고분자로 이루어진 쉘이 감싸서 형성된 코어-쉘 구조의 PCM 마이크로캡슐을 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 고분자 나노섬유는 고분자를 용매에 용해시켜 얻어진 고분자용액에 PCM마이크로캡슐을 분산시켜 전기방사용액을 얻은 후, 상기 전기방사용액을 전기 방사하여 얻어진다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전기방사용액은 상기 고분자 10중량% 초과 19중량% 미만, 상기 PCM 마이크로캡슐 20중량% 미만 및 잔량의 용매를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 용매는 상기 고분자를 잘 용해시키는 동시에 낮은 비점의 용매이거나 상기 고분자를 잘 용해시키는 동시에 높은 비점의 용매와 공용매를 병행 사용한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 코어를 이루는 PCM은 파라핀 왁스, OAP (4'-n-octylacetophenone), 1-도데카놀, 포르말린산, 락트산, 메틸 팔미테이트, 캄페닐론, 도카실 브로마이드, 카프릴론, 페놀류, 헵타데카논, 1-시클로헥실옥타데칸, 4-헵타데카논, 시안 아미드, 메틸 에이코사네이트(eicosanate), 3-헵타데카논, 2-헵타데카논, 히드로신남산, 세틸 알코올, A-넵틸아민, 캄펜, O-니트로 아닐린, 9-헵타데카논, 디페닐 아민, 클로로 아세트산, 나프탈렌, 클로로산, 꿀벌 왁스, 글리콜산, P-브로모 페놀, 아크릴산, 페닐 아세트산, 글루타르산, 카테콜, 퀴논, 부티르산(Butyric acid), 카프로산(Caproic acid), 카프릴산(Caprylic acid), 카프르산(Capric acid), 라우르산(Lauric acid), 미리스트산(Myristic acid), 팔미트산(Palmitic acid), 스테아르산(Stearic acid), 아라키도닌산(Arachidic acid), 리그노세르산(Lignoceric acid) 글리세롤(glycerol), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene glycol)로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상이고,

상기 쉘을 이루는 고분자는 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리카보네이트, 에폭시, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리에테르, 폴리비닐 알콜, 아크릴 수지, 폴리아마이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체, 멜라민 수지, 셀롤로오스, 아이소보르닐 메타크릴레이트와 (메트)아크릴산 공중합체, 나일론, 젤라틴, 포름알데하이드, 멜라닌 및 이들의 (공)중합체로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 고분자 나노섬유를 이루는 고분자는 폴리에틸렌(Polyehtylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리스타이렌(Polystyrene)을 포함하는 폴리올레핀(Polyolefin)계 고분자, 폴리비닐리덴플루오르(polyvinylidenefluore)계 고분자, 폴리아마이드(polyamide)계 고분자, 폴리우레아(polyurea)계 고분자, 폴리우레탄계(polyurethane)계 고분자, 폴리이미드(polyimide)계 고분자, 폴리히드라지드(polyhydrazide)계 고분자, 폴리에스테르(polyester)계 고분자, 폴리카보네이트(polycarbonate)계 고분자, 또는 이들의 공중합체로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속부재는 다수의 관통구가 형성된 메쉬 구조의 평판으로 구현될 수 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 마찰전기제너레이터는 장방형 바형상 내부공간이 형성되고 상기 내부공간은 길이방향 양단부면 각각의 중심측에 형성된 관통구를 통해 외부와 연통되는 구조를 갖는 하우징부재; 상기 내부공간의 상면과 하면에 각각 배치된 한 쌍의 전극부재; 상기 한 쌍의 전극부재 내측표면에 각각 배치되는 한 쌍의 마찰부재; 및 상기 한 쌍의 마찰부재 사이에 배치되는 플러터링부재;를 포함하고, 상기 하우징부재의 관통구를 통해 상기 외부에서 풍력에너지가 가해지면 상기 플러터링부재에 플러터링이 발생되는 것이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 플러터링 부재는 상기 하우징부재의 일측 관통구에 그 단부가 부착되는 플래그 형태의 유연물질로 구성된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 한 쌍의 마찰부재와 상기 플러터링부재는 서로 상이한 재료로 구성되는데, 마찰전기 시리즈(triboelectric series) 상에서 서로 다른 극성을 갖는 재료로 구성된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 한 쌍의 마찰부재와 상기 플러터링부재는 서로 반대로 대전되는 물질 또는 서로 상대적 대전 정도의 차이가 큰 물질로 각각 구성되는 것이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 플러터링부재는 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질로서, 천연섬유, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄으로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 한 쌍의 마찰부재는 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질로서, polyamide, wool, silk, PVA, cotton, polyester로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 한 쌍의 전극은 무기전극, 스테인레스, 백금(Platinum), 금(Gold), 은(Silver), 구리(Copper), 알루미늄(Aluminum)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나로 구성된 금속전극 또는 전도성 폴리머로 이루어진 폴리머전극 중 어느 하나이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 하우징부재에 형성된 내부공간의 폭방향 단면의 가로길이비와 세로길이비는 2 ~ 4 : 1 ~ 1.5이다.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 다기능성 환기필터를 포함하는 환기시스템을 제공한다.

상술된 본 발명의 다기능성 필터 및 이를 포함하는 환기시스템에 의하면 기계적 에너지를 마찰전기 에너지로 변환 가능한 제너레이터와 필터를 결합하여 필터의 성능을 향상시키고 흡착효율을 지속적으로 유지할 수 있어 실내외 공기의 환기 시에 발생하는 먼지, 오염물질들을 마찰 전기를 통하여 높은 효율로 여과할 수 있고, 지속적인 마찰전기 에너지의 공급을 통하여 장시간의 정전 필터 성능을 발휘할 수 있다.

또한, 본 발명의 다기능성 필터 및 이를 포함하는 환기시스템에 의하면 상전이 물질이 분산된 필터로 인하여 실내외의 온도 차이를 줄여 환기시 열 손실률을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 마찰전기 제너레이터와 필터부를 포함하는 다기능성 환기필터의 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다기능성 환기필터에 포함되는 PCM을 코어로 하는 마이크로캡슐이 분산된 고분자 나노섬유를 제조하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다기능성 환기필터에 포함되는 마찰전기 제너레이터의 개략적인 구조도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다기능성 환기필터에 포함되는 필터부와 마찰전기 제너레이터의 연결 회로도 및 실제 구현된 다기능성 환기필터의 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다기능성 환기필터의 필터부에 포함되는 고분자 나노섬유를 구현하기 위한 것으로, 전기방사용액에 포함된 PVDF가 10wt%, 13wt%, 16wt%, 19wt%의 질량비인 경우 전기 방사되어 형성된 PVDF 나노 섬유의 SEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다기능성 환기필터의 필터부에 포함된 고분자 나노섬유가 PCM마이크로캡슐을 포함할 수 있는 최적 함량을 찾기 위한 것으로, 전기방사용액에 0wt%, 10wt%, 20wt%의 PCM 마이크로캡슐이 분산된 상태에서 전기방사되어 형성된 PVDF 나노섬유의 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다기능성 환기필터에 포함되는 마찰전기 제너레이터의 Gap Size와 Width에 따라 달라지는 플러터링 특성을 보여주는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다기능성 환기필터에 포함되는 마찰전기 제너레이터에서 Gap Size와 Width에 따른 마찰전기 제너레이터의 전압 및 전류를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예에 따른 다기능성 환기필터의 필터부에 포함된 고분자 나노섬유에 분산된 PCM 마이크로캡슐의 유??무에 따른 표면 온도 변화를 열화상 카메라로 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다기능성 환기필터에 포함된 마찰전기 제너레이터의 Gap Size와 Width에 따라 달라지는 다기능성 환기필터의 전위 변화를 분석한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다기능성 환기필터에서 마찰전기 제너레이터와 결합된 필터부의 표면에 전위 차이가 발생했을 때 향상되는 미세먼지(PM 2.5)의 흡착효율을 보여주는 그래프이다.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 특히, 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등이 사용되는 경우 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되는 것으로 해석될 수 있다.

시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간 적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명의 기술적 특징은 기계적 에너지를 마찰전기 에너지로 변환 가능한 제너레이터와 필터를 결합하여 필터의 성능을 향상시키고 흡착효율을 지속적으로 유지할 수 있어 실내외 공기의 환기 시에 발생하는 먼지, 오염물질들을 마찰 전기를 통하여 높은 효율로 여과할 수 있고, 지속적인 마찰전기 에너지의 공급을 통하여 장시간의 정전 필터 성능을 발휘할 수 있으며, 상전이물질(PCM:Phase Change Material)이 코어에 위치한 마이크로캡슐을 고분자용액에 분산 후 나노섬유 형태로 제작함으로써 열 손실률을 감소시킬 수 있는 다기능성 환기필터 및 이를 포함하는 환기시스템에 있다.

따라서, 본 발명의 다기능성 환기필터는 마찰전기를 생성하는 마찰전기제너레이터; 상기 마찰전기제너레이터가 생성한 마찰전기를 공급받아 필터부로 마찰전기를 공급하는 그리드형태의 금속부재; 및 고분자 나노섬유를 포함하고 상기 금속부재의 상면에 부착 형성되어 상기 금속부재로부터 공급된 마찰전기에 의해 발생된 정전기 효과를 이용하여 미세먼지 및 초미세먼지를 포함한 유해물질을 흡착하는 필터부;를 포함한다. 도 1에 본 발명의 다기능성 환기필터의 개략적인 개념도가 개시되어 있다.

먼저, 필터부는 고분자나노섬유를 포함하여 미세먼지 및 초미세먼지를 포함한 유해물질을 흡착하는 구성요소로서, 마찰전기제너레이터가 생성한 마찰전기를 금속부재를 통해 공급받아 정전기 효과를 발생시키면 유해물질을 흡착하는 흡착효율을 보다 상승시킬 수 있다.

본 발명에서는 특히 필터부에 포함된 고분자 나노섬유가 도 1에 도시된 바와 같이 상전이물질(PCM: phase change material)로 된 코어를 고분자로 이루어진 쉘이 감싸서 형성된 코어-쉘 구조의 PCM 마이크로캡슐을 포함할 수 있다. 이와 같이 필터부에 포함된 고분자 나노섬유가 PCM 마이크로캡슐을 포함하게 되면 후술하는 실험예로부터 알 수 있듯이, 상전이 물질의 상전이 현상을 통해 환기과정에서 발생되는 냉, 난방 에너지 손실을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 고분자 나노섬유에 포함되는 PCM 마이크로캡슐에서 코어를 이루는 PCM은 파라핀 왁스, OAP (4'-n-octylacetophenone), 1-도데카놀, 포르말린산, 락트산, 메틸 팔미테이트, 캄페닐론, 도카실 브로마이드, 카프릴론, 페놀류, 헵타데카논, 1-시클로헥실옥타데칸, 4-헵타데카논, 시안 아미드, 메틸 에이코사네이트(eicosanate), 3-헵타데카논, 2-헵타데카논, 히드로신남산, 세틸 알코올, A-넵틸아민, 캄펜, O-니트로 아닐린, 9-헵타데카논, 디페닐 아민, 클로로 아세트산, 나프탈렌, 클로로산, 꿀벌 왁스, 글리콜산, P-브로모 페놀, 아크릴산, 페닐 아세트산, 글루타르산, 카테콜, 퀴논, 부티르산(Butyric acid), 카프로산(Caproic acid), 카프릴산(Caprylic acid), 카프르산(Capric acid), 라우르산(Lauric acid), 미리스트산(Myristic acid), 팔미트산(Palmitic acid), 스테아르산(Stearic acid), 아라키도닌산(Arachidic acid), 리그노세르산(Lignoceric acid) 글리세롤(glycerol), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene glycol)로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상일 수 있다. 특히 파라핀 왁스는 heptane, octane, nonane, decane, undecane, dodecane, tridecane, tetradecane, pentadecane, hexadecane, heptadecane, octadecane, nonadecane, eicosane, heneicosane, docosane, tricosane, tetracosane, pentacosane, hexacosane, heptacosane, octacosane, nonacosane, triacontane으로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상일 수 있다.

또한, PCM 마이크로캡슐에서 쉘을 이루는 고분자는 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리카보네이트, 에폭시, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리에테르, 폴리비닐 알콜, 아크릴 수지, 폴리아마이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체, 멜라민 수지, 셀룰로오스, 아이소보르닐 메타크릴레이트와 (메트)아크릴산 공중합체, 나일론, 젤라틴, 포름알데하이드, 멜라닌 및 이들의 (공)중합체로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상일 수 있다.

본 발명에서 사용하는 고분자 나노섬유는 고분자를 용매에 용해시켜 얻어진 고분자용액에 PCM마이크로캡슐을 분산시켜 전기방사용액을 얻은 후, 전기방사용액을 전기방사하여 제조될 수 있는데, 전기방사용액에 포함되는 PCM 마이크로캡슐의 함량이 고분자 나노섬유에 포함되는 함량일 수 있다.

일 구현예로서 본 발명에서 전기방사용액은 고분자 10 내지 20중량%, PCM 마이크로캡슐 20중량% 미만 및 잔량의 용매를 포함할 수 있는데, 필터부에 포함되는 고분자 나노섬유를 이루는 고분자의 종류에 따라 정전능력이 결정되고 고분자의 함량에 따라 나노섬유와 같은 섬유구조가 결정되므로, 가능한 높은 정전능력이 발휘될 수 있는 고분자의 종류 및 함량을 실험적으로 결정하였다.

본 발명에서 고분자 나노섬유에 포함되는 고분자는 유전성이 우수하고 적절한 형태로 전기 방사가 되기만 하면 제한되지 않으나, 일 구현예로서 폴리에틸렌(Polyehtylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리스타이렌(Polystyrene)을 포함하는 폴리올레핀(Polyolefin)계 고분자, 폴리비닐리덴플루오르(polyvinylidenefluore)계 고분자, 폴리아마이드(polyamide)계 고분자, 폴리우레아(polyurea)계 고분자, 폴리우레탄계(polyurethane)계 고분자, 폴리이미드(polyimide)계 고분자, 폴리히드라지드(polyhydrazide)계 고분자, 폴리에스테르(polyester)계 고분자, 폴리카보네이트(polycarbonate)계 고분자, 또는 이들의 공중합체로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상일 수 있다.

또한, 전기방사용액에 포함되는 고분자의 함량이 너무 낮으면 섬유의 직경이 얇아 먼지 흡착 효율이 떨어지고, 중량비가 너무 높으면 전기 방사시 고분자 용액의 점도가 너무 높아 섬유가 형성되지 못하고, 서로 뭉치는 문제가 발생하기 때문에 적절한 농도를 선택하여야 하는데, 후술하는 실험예로부터 알 수 있듯이 10중량% 보다는 많이 함유되고 19중량% 보다는 적게 함유되는 것이 전기방사가 용이하고 나노섬유가 잘 제조되는 것을 알 수 있었다.

한편, 전기방사용액에 포함되는 PCM 마이크로캡슐의 농도에 따라 방사 조건에 영향을 주기 때문에 방사조건에 영향을 미치지 않을 적절한 농도의 PCM 마이크로캡슐이 포함되어야 하는데, 일 구현예로서 20중량%미만으로 포함될 수 있을 것이다. 즉, 후술하는 실험예로부터 PCM 마이크로캡슐이 10wt% 포함된 방사용액으로 제조된 고분자나노섬유의 경우 동일한 방사 조건에서 포함되지 않은 경우와 비교하여 섬유 형태 및 직경 크기 변화가 없다. 하지만, 20wt%를 사용한 방사용액으로 제조된 고분자 나노섬유의 경우 직경이 불균일해지는 문제가 발생하는 것이 발견되기 때문이다.

본 발명에서 전기방사용액에 포함되는 용매는 고분자를 잘 용해시키는 동시에 낮은 비점의 용매일 수 있다. 경우에 따라서는 사용된 고분자를 잘 용해시키는 동시에 높은 비점의 용매와 공용매를 병행 사용할 수 있는데, 비점이 높은 용매인 경우 공용매(Co-Solvent)와 함께 사용하여 점도와 비점을 조절할 수 있기 때문이다. 이 때, 공용매는 비점이 낮으며, 용해도 차이가 크지 않아 상분리 현상이 발생하지 않는 용매를 선택할 수 있을 것이다. 일 구현예로서 후술하는 실시예와 같이 용매로 Dimethylformamide(DMF)을 사용하는 경우 DMF가 비점이 153℃로 매우 높기 때문에 비점이 56℃이고 DMF와 용해도 차이가 낮아 상분리 현상이 발생하지 않는 Acetone을 공용매로 사용하여 전기 방사 용액을 제조하였다.

본 발명에서 고분자나노섬유는 이와 같이 제조된 전기방사용액을 전기 방사(Electro spinning)하여 제조할 수 있는데, 이 때 제조되는 고분자 나노섬유를 포함하는 필터부는 전기방사 시 인가되는 전압과 전기방사용액의 유량에 따라 섬유의 직경과 분포가 달라지기 때문에 필요한 나노섬유의 직경을 고려하여 적절한 값의 전압과 유량을 선택하여 제작할 수 있다. 일 구현예로서 후술하는 실시예와 같이 전기방사 조건을 1.5ml/h의 유량과 15kV 전압을 인가하여 전기방사용액을 방사하고, 전기 방사가 된 나노섬유를 포함하는 필터부를 1000rpm의 Roller를 통해 수집할 수 있다. 그 후, 어닐링(Annealing)이라 하는 열처리 공정을 진행함으로써 잔여용매를 완전히 휘발시킬 수 있다. 일 구현예로서 어닐링 공정은 전기 방사가 완료된 고분자 나노섬유로 된 필터부를 100℃ 오븐에서 1시간 동안 건조하여 필터부에 남아 있는 잔여 용매를 완전히 휘발시킨 뒤, 1℃/min의 속도로 상온까지 온도를 감소시켜 진행할 수 있다.

다음으로, 금속부재는 마찰전기제너레이터가 생성한 마찰전기를 공급받아 필터부로 마찰전기를 공급하는 구성요소로서 전기전도성이 우수하기만 하면 제한되지 않으나 일 구현예로서 구리, 알루미늄, 스테인레스 등이 될 수 있다.

본 발명에서 금속부재는 그 형태는 제한되지 않으나, 마찰전기를 필터부에 잘 공급할 수 있도록 필터부의 후면에 부착될 수 있는 얇은 두께를 갖는 평판구조를 가질 수 있는데, 금속부재의 크기는 필터부와 동일할 수 있으며, 그 두께는 40 내지 100㎛일 수 있다. 금속부재의 일구현예로서 나노섬유를 포함하는 필터부의 지지체 역할을 수행하며, 필터부의 차압 성능에 영향을 주지 않기 위하여 매쉬 구조의 전극 형태를 선택할 수 있다. 여기서, 매쉬의 형태는 육각형, 원형, 정사각형, 직사각형 등에서 선택할 수 있지만 후술하는 실시예에서는 정사각형 형태를 갖는 그리드 타입의 금속부재를 선택하였다.

다음으로, 마찰전기제너레이터는 필터부에 공급되는 마찰전기를 생성하는 구성요소로서, 장방형 바형상 내부공간이 형성되고 상기 내부공간은 길이방향 양단부면 각각의 중심측에 형성된 관통구를 통해 외부와 연통되는 구조를 갖는 하우징부재; 상기 내부공간의 상면과 하면에 각각 배치된 한 쌍의 전극부재; 상기 한 쌍의 전극부재 내측표면에 각각 배치되는 한 쌍의 마찰부재; 및 상기 한 쌍의 마찰부재 사이에 배치되는 플러터링부재;를 포함할 수 있다.

본 발명의 마찰전기제너레이터에서 하우징부재는 조립된 상태에서 장방형 바형상 내부공간이 형성되고 외부와 연통되도록 내부공간의 길이방향 양단부의 중심측에 한 쌍의 관통구가 형성되기만 하면 그 형상은 제한되지 않으나, 일 구현예로서 내부공간과 동일한 형태의 외부형태를 갖고 그 재질은 절연체일 수 있다. 후술하는 바와 같이 본 발명에서 하우징부재는 3D 프린팅으로 제조할 수 있는데, 내부공간에 구성요소를 용이하게 설치하기 위해 장방형 바의 길이방향 4개의 측면 중 어느 하나의 측면이 개방되었다가 폐쇄할 수 있는 뚜껑형식으로 구현할 수 있다.

한 쌍의 전극 및 한 쌍의 마찰부재는 하우징부재의 내부공간의 상면 및 하면에 전체적으로 삽입되어 부착될 수 있는 크기를 갖고 한 쌍의 전극 및 한 쌍의 마찰부재가 각각 하우징부재의 내부공간에 부착된 상태에서 내부공간의 중심부 즉 관통구가 형성된 공간이 플러터링 부재가 플러터링이 가능한 간격이 형성될 수 있는 두께를 갖는다.

플러터링 부재는 플러터링이 가능하기만 하면 제한되지 않으나, 일 구현예로서 하우징부재의 일측 관통구에 그 단부가 부착되는 플래그 형태의 유연물질로 구성될 수 있으며, 그 길이는 내부공간의 길이와 동일할 수 있다.

이와 같이 구성된 마찰전기제너레이터는 하우징부재의 관통구를 통해 외부에서 풍력에너지가 가해지면 플러터링부재에 플러터링이 발생되고, 발생된 플러터링에 의해 한 쌍의 마찰부재와 마찰이 일어나 마찰전기가 발생되므로, 한 쌍의 마찰부재와 플러터링부재는 서로 상이한 재료로 구성되는데, 마찰전기 시리즈(triboelectric series) 상에서 서로 다른 극성을 갖는 재료로 구성될 수 있다. 특히, 한 쌍의 마찰부재와 플러터링부재가 서로 반대로 대전되는 물질 또는 서로 상대적 대전 정도의 차이가 큰 물질로 각각 구성되면 발생되는 마찰전기가 더 커질 수 있을 것이다.

특히 플러터링부재가 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질이면, 천연섬유, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄으로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상일 수 있다. 이 경우, 한 쌍의 마찰부재는 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질로서, polyamide, wool, silk, PVA, cotton, polyester로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상일 수 있다.

한 쌍의 전극은 무기전극, 스테인레스, 백금(Platinum), 금(Gold), 은(Silver), 구리(Copper), 알루미늄(Aluminum)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나로 구성된 금속전극 또는 전도성 폴리머로 이루어진 폴리머전극 중 어느 하나일 수 있다.

한편, 본 발명의 마찰전기제너레이터를 제조하는 방법을 살펴보면 일 구현예로서 길이방향 일측면 중 좌측면이 개방된 뚜껑 형태를 갖도록 하우징부재를 3D 프린팅 한 후, 하우징 부재의 내부공간 상면 및 하면에 전체적으로 한 쌍의 전극부재를 부착한다. 내부공간의 상면 및 하면에 부착된 한 쌍의 전극부재 표면에 한 쌍의 마찰부재를 부착한 후 하우징부재의 일측 관통구에 플러터링부재의 일단부를 부착한 후 하우징부재의 좌측면을 폐쇄하게 되면 마찰전기 제너레이터를 용이하게 제조할 수 있다. 여기서, 한 쌍의 전극부재, 한 쌍의 마찰부재 및 플러터링부재는 동일한 길이를 가질 수 있을 것이다.

후술하는 바와 같이 본 발명의 마찰전기제너레이터에서 하우징부재에 형성된 내부공간의 폭 방향 단면을 형성하는 가로길이비와 세로길이비는 2 ~ 4 : 1 ~ 1.5일 수 있는데, 이와 같이 구현되면 필터부의 표면에 발생되는 정전기의 양이 커져서 흡착효율이 좋아지는 것을 알 수 있다. 특히 정전기 양은 가로길이와 세로길이비가 2:1일 때 최대가 되는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다.

실시예 1

1. PCM 마이크로캡슐 준비

전기방사 용액 제조를 위해서, 상전이 물질이 고분자 쉘에 갇혀 있는 구조의 PCM마이크로캡슐을 다음과 같이 제조하였다. 먼저 emulsion을 형성하기 위해 water phase와 oil phase를 갖는 2개의 용액을 제조 했다. Water phase는 PVA(poly vinyl alchohol) 2.5g과 50ml 증류수를 80℃에서 400rpm으로 60분 동안 교반하여 제작했다. Oil phase는 OAP (4'-n-octylacetophenone) 10g, TDI (toluene diisocyanate) 6g, MEK (methyl ethyl ketone) 10g을 80℃에서 400rpm으로 30분 동안 교반하여 제작했다. O/W emulsion을 형성하기 위해서 water phase 용액을 80℃에서 400rpm으로 교반시키면서 oil phase 용액을 2ml/min 유속으로 water phase 용액에 적가 했다. 그리고 emulsion 균질화를 위해 8000rpm으로 증가 시켜 30분 동안 추가로 교반 시켰다. 마지막으로 PCM 마이크로캡슐의 쉘 부분에 우레아를 합성하기 위해서 TETA(triethylene tetramine)을 O/W emlusion 용액에 2ml/min 적가 하면서 7시간 동안 400rpm으로 교반했다. 그 결과 슬러리 상태의 PCM 마이크로캡슐을 얻을 수 있다. 파우더 형태의 PCM 마이크로캡슐을 제조 하기 위해서 슬러리 상태의 마이크로캡슐을 40℃의 증류수에 5회 세척 후 12시간 동안 건조했다.

2. 필터부 준비

도 2에 도시된 순서도에 따라 필터부를 다음과 같이 제조하였다.

(1)전기방사용액 준비

전기방사용액에 포함되는 구성요소를 살펴보면 고분자는 PVDF이고, 용매는 Dimethylformamide(DMF)와 Acetone이며, 제조된 PCM 마이크로캡슐로서, 다음과 같이 용매에 고분자를 용해시킨 후 PCM을 분산시켜 용해하여 전기방사용액을 준비하였다. PVDF 1.5g을 적정하여 DMF 3.4g과 Acetone 5.1g에 70℃, 400rpm의 속도로 1시간 동안 교반하여 고분자용액을 제조하였다. PCM 마이크로캡슐을 PVDF에 대하여 10wt%를 사용하여 전기방사용액을 제조하였는데 구체적으로는 고분자용액에 PCM마이크로캡슐 0.17g을 추가한 후 70℃, 400rpm에서 1시간 동안 교반하여 PCM 마이크로캡슐이 분산된 전기방사용액을 제조하였다.

(2)전기방사를 통한 고분자 나노섬유 형성

PCM 마이크로캡슐이 분산된 전기방사용액을 1.5ml/h의 유량과 15kV의 전압을 인가하여 전기 방사를 실시하였으며, 1000rpm의 속도로 회전하는 Roller를 통하여 전기방사섬유를 수집하였다.

(3)건조 및 열처리

수집된 전기방사섬유를 100℃ 오븐에서 1시간 동안 건조하여 잔여 용매인 DMF와 Acetone을 완전히 휘발 시킨 뒤, 1℃/min의 속도로 상온까지 온도를 감소시키는 어닐링(Annealing)을 진행하여 PVDF 나노섬유의 열처리를 진행하여 고분자 나노섬유를 포함하는 필터부를 얻었다.

상기 과정을 통하여 얻어진 필터부는 50 마이크로미터의 두께를 가지며, 가로 및 세로길이는 각각 21cm 및 14cm였다.

3. 금속부재 준비

필터부의 하면에 부착되는 금속부재로서, 스테인리스 소재이고 필터부와 동일한 크기 즉 가로 및 세로가 21cmㅧ14cm이고, 두께가 250μm인 금속판을 준비한 후 정사각형 또는 직사각형 관통구를 형성하여 그리드 형태의 금속부재(16메쉬)를 준비하였다.

4. 마찰전기 제너레이터 준비

도 3에 도시된 개략구조를 갖는 마찰 전기 제너레이터를 제작하기 위하여 먼저, 하우징부재로서 내부공간의 길이가 20cm인 마찰전기 제너레이터몸체를 PLA 필라멘트를 이용하여 3D-Printing하였다. 이 때 하우징부재의 내부공간의 길이방향 단면의 가로 및 세로가 2cmㅧ1cm가 되도록 준비하였는데, 길이방향 4개의 측면 중 좌측면을 오픈시켜 뚜껑으로 제작하였으며, 길이방향 양측단부면의 중심측에 직사각형의 관통구를 각각 형성하였다. 3D-Printing된 하우징부재의 내부공간 상면 및 하면에 오픈된 좌측면을 통해 전극부재로서 각각 한 쌍의 구리 전극을 부착 한 후, 구리 전극 위에 각각 한 쌍의 nylon을 부착하여 양으로 대전되는 한 쌍의 마찰부재를 형성하였다. 그 후 마찰전기 제너레이터의 중심부이며 한 쌍의 마찰부재 사이 공간에 위치하는 하우징부재의 일측 관통구에 플러터링부재로서 PTFE 소재 플래그의 일단부를 부착한 후 하우징부재의 좌측면을 폐쇄함으로써 최종적으로 마찰전기 제너레이터1(1-2)을 제조하였다. 여기서, 전극부재, 마찰부재 및 플러터링부재는 길이는 20㎝이하이고, 너비는 2㎝이하일 수 있다.

5. 다기능성 환기필터 준비

도 4에 도시된 바와 같이 그리드 형태의 금속부재위에 전기방사를 통해 형성된 필터부를 부착한 후 금속부재와 마찰전기제너레이터의 전극부재를 정류기를 포함한 회로를 통하여 전기가 통하도록 연결시켜 다기능성 환기필터1(1-2)을 준비하였다.

실시예 2

하우징부재의 내부공간의 너비 즉 가로길이를 3cm로 구현하여 전극부재, 마찰부재 및 플러터링부재의 너비도 3㎝이하로 하여 마찰전기 제너레이터2(1-3)를 준비한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법으로 다기능성 환기필터2(1-3)를 준비하였다.

실시예 3

하우징부재의 내부공간의 너비 즉 가로길이를 4cm로 구현하여 전극부재, 마찰부재 및 플러터링부재의 너비도 4㎝이하로 하여 마찰전기 제너레이터3(1-4)를 준비한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법으로 다기능성 환기필터3(1-4)을 준비하였다.

실시예 4

하우징부재의 내부공간의 간격 즉 세로길이를 1.5cm로 구현하여 마찰전기 제너레이터4(1.5-2)를 준비한 것을 제외하면한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법으로 다기능성 환기필터4(1.5-2)를 준비하였다.

실시예 5

하우징부재의 내부공간의 너비 즉 가로길이를 3cm로 구현하여 전극부재, 마찰부재 및 플러터링부재의 너비도 3㎝이하로 하여 마찰전기 제너레이터5(1.5-3)를 준비한 것을 제외하면 실시예4와 동일한 방법으로 다기능성 환기필터5(1.5-3)를 준비하였다.

실시예 6

하우징부재의 내부공간의 너비 즉 가로길이를 4cm로 구현하여 전극부재, 마찰부재 및 플러터링부재의 너비도 4㎝이하로 하여 마찰전기 제너레이터6(1.5-4)을 준비한 것을 제외하면 실시예4와 동일한 방법으로 다기능성 환기필터6(1.5-4)를 준비하였다.

비교예 1

하우징부재의 내부공간의 간격 즉 세로길이를 2cm로 구현하여 비교예마찰전기 제너레이터1(2-2)을 준비한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법으로 비교예다기능성 환기필터1(2-2)을 준비하였다.

비교예 2

하우징부재의 내부공간의 너비 즉 가로길이를 3cm로 구현하여 전극부재, 마찰부재 및 플러터링부재의 너비도 3㎝이하로 하여 비교예 마찰전기 제너레이터2(2-3)를 준비한 것을 제외하면 비교예1과 동일한 방법으로 비교예다기능성 환기필터2(2-3)를 준비하였다.

비교예 3

하우징부재의 내부공간의 너비 즉 가로길이를 4cm로 구현하여 전극부재, 마찰부재 및 플러터링부재의 너비도 4㎝이하로 하여 비교예마찰전기 제너레이터3(2-4)을 준비한로 한 것을 제외하면 비교예1과 동일한 방법으로 비교예다기능성 환기필터3(2-4)을 준비하였다.

비교예 4

전기방사용액에 PCM 마이크로캡슐을 첨가하지 않은 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 비교예다기능성 환기필터4를 제조하였다.

실험예 1

필터부에 포함된 고분자나노섬유의 최적의 섬유 두께와 분포를 확인하기 위해 PVDF가 10wt%, 13wt%, 16wt% 및 19wt%로 포함된 전기방사용액을 준비하여 실시예1과 동일한 방법으로 전기방사한 후 얻어진 고분자 나노섬유를 SEM으로 관찰하고 그 결과이미지를 도 5에 나타내었다.

도 5에 도시된 바와 같이 전기방사용액에 포함된 PVDF의 농도가 10wt%인 경우, 섬유의 직경이 얇아 먼지의 흡착 효율이 떨어지는 것을 알 수 있고, 전기방사용액에 포함된 PVDF의 농도가 19wt%로 증가할 때, 높은 점도로 인하여 나노섬유 구조가 형성되지 못하고 고분자끼리 서로 뭉치는 현상을 관찰할 수 있다.

따라서, 실시예 1과 같이 전기방사용액에 16wt%의 PVDF가 포함될 때, 섬유 직경의 분포가 필터 활용에 적합하며 섬유 형성 또한 잘 이루어졌음을 확인할 수 있으므로, 전기방사용액에 포함되는 고분자의 농도는 10wt%를 초과하고 19wt% 미만이 사용될 수 있을 것이다. 특히, 전기방사용액에 포함되는 고분자의 농도는 13~16wt%인 것이 바람직할 수 있다.

실험예 2

고분자나노섬유에 포함되는 PCM마이크로캡슐의 함량을 결정하기 위해 실시예1의 전기방사용액에 PCM마이크로캡슐을 전혀 포함시키지 않거나, 10wt%의 PCM마이크로캡슐이 아니라 20wt%의 PCM마이크로캡슐을 포함시켜 실시예1과 동일한 방법으로 전기방사하여 얻어진 고분자나노섬유를 각각 SEM으로 관찰하고 그 결과이미지를 도 6에 나타내었다.

도 6으로부터, 전기방사용액에 고분자로서 PVDF가 16wt% 포함된 경우 10wt%의 PCM 마이크로캡슐이 사용되었을 때, 동일한 방사 조건에서 섬유 형태 및 직경 크기 변화가 없어 고분자 나노섬유가 잘 형성되는 것을 확인할 수 있다. 하지만, PCM마이크로캡슐이 20wt%로 포함된 전기방사용액을 사용한 고분자 나노섬유의 경우 직경이 불균일해지는 문제가 발생한다. 따라서 PCM마이크로캡슐을 20wt% 미만으로 포함하는 것이 바람직할 수 있을 것이다.

실험예 3

실시예1, 실시예3, 실시예4 및 실시예6에서 얻어진 마찰전기 제너레이터1,3,4 및 6과 비교예1 및 비교예3에서 얻어진 비교예마찰전기 제너레이터1 및 3을 대상으로 마찰전기 제너레이터의 구조에 따른 플러터링 특징을 파악하고 그 결과를 도 7에 도시하였다.

도 7을 참고하면, 마찰 전기 제너레이터의 간격과 너비가 감소할수록, 외부에서 동일한 풍력에너지가 제공될 때 더 많은 Contact Point가 발생하기 때문에 더 많은 마찰 전기를 수확할 수 있음을 예측할 수 있다.

실험예 4

실험예 3의 예측을 확인하기 위해 실시예1 내지 6에서 얻어진 마찰전기 제너레이터1 내지 6 및 비교예1 내지 3에서 얻어진 비교예마찰전기 제너레이터의 규격에 따른 마찰전기를 동일 조건에서 측정하여 평가하고 그 결과를 도 8에 나타내었다.

도 8에 도시된 바와 같이, 마찰전기 제너레이터에 일정한 풍속(10m/s)을 가해준 상태에서 발생되는 전압, 전류를 측정한 결과 gap크기가 1cm, width 크기가 2cm인 마찰전기 제너레이터에서 250V, 2.1u A로 가장 높은 에너지를 수확할 수 있음을 확인 할 수 있다. 그 이유는 도 7에 도시된 바와 같이 플러터링 과정에서 마찰면적이 극대화되기 때문이다.

실험예 5

실시예에서 제조된 다기능성 환기필터의 축열 성능을 평가하기 위하여 다기능성필터1과 비교예다기능성필터4를 준비한 후, 필터 주변을 밀폐한 다음 필터를 중심으로 온도 구배를 형성하고 열화상 카메라를 통하여 온도 변화를 측정함으로서 필터의 단열 성능을 평가하고 그 결과를 도 9에 나타내었다.

도 9를 참고하면, 비교예다기능성 환기필터4와 같이 마찰전기 제너레이터만 존재하였을 때 초기 23.5℃의 온도에서 12분 후 18℃로 5.5℃가 떨어진 것을 확인할 수 있고, 실시예1에서 얻어진 다기능성 환기필터1과 같이 필터부에 PCM마이크로캡슐이 분산된 고분자 나노섬유가 존재할 때는 초기 23.2℃의 온도에서 12분 후, 19.4℃로 3.8℃가 떨어진 것을 확인하여 PCM의 축열 성능으로 인해 온도 변화 속도가 감소된 것을 확인 할 수 있다.

실험예 6

실시예1 내지 실시예 6에서 얻어진 다기능성환기필터1 내지 6과 비교예1내지 4에서 얻어진 비교예환기필터1 내지 4를 대상으로 마찰 전기 제너레이터로부터 발생되는 전기에너지의 크기에 따라 달라지는 필터 표면의 전위를 ESVM(Electrostatic voltameter)을 이용하여 측정하고 그 결과를 도 10에 나타내었다. 도 4에 도시된 회로를 통해 각 환기필터에서는 마찰 전기 제너레이터에서 발생되는 전기 에너지가 금속부재를 통해 필터부로 전달되어 전기에너지를 인가하게 되는데, 인가되는 전기에너지 크기가 커질수록 필터부 표면의 전위가 커지는 것을 확인 할 수 있다.

도 10에서 x축은 마찰 전기 나노제너레이터의 Gap size와 width를 표시한 것으로 예를 들어 1-2는 gap size가 1cm, width가 2cm인 마찰전기 나노제너레이터를 이용했을 때 발생되는 표면 전위 값을 y축에 나타낸 그래프이다.

도 7과 8에 도시된 바와 같이 마찰전기 제너레이터에서 Gap size와 Width가 각각 1cm, 2cm 일 때 최대의 출력 전압과 전류를 나타냄을 확인할 수 있는데, 도 10을 통해 마찰전기가 높은 마찰전기 제너레이터를 사용할수록 필터부의 표면 전위가 증가하는 것을 확인 할 수 있다.

실험예 7

실시예2에서 제작된 다기능성 환기필터2, 일반적인 에어필터만 사용한 경우 및 방충망을 사용한 경우 미세 먼지 포집 효율을 측정하기 위하여 KLEPTON ultra fine dust air measuring instrument(클렙튼 초미세먼지 측정기, Klepton inc)를 사용하여 미세 먼지 포집 효율을 다음과 같이 평가하고 그 결과를 도 11에 나타내었다. 필터 주변을 밀폐 후, 필터로 향하는 공기 흐름을 생성 한 뒤 미세먼지를 발생 시킨 뒤 필터를 통과한 공기의 미세먼지 양을 측정하여 평가를 진행하였다.

도 11에 도시된 바와 같이, 일반 방충망의 경우 999μg/m³ 의 미세먼지가 측정이 되었지만, 에어 필터를 장착했을 때 428μg/m³, 본 발명의 다기능성 환기필터2를 사용한 경우는 233μg/m³로 에어필터 대비 약 20%의 미세먼지 흡착 성능이 향상된 것을 확인 할 수 있었다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (17)

1. 마찰전기를 생성하는 마찰전기제너레이터;
   상기 마찰전기제너레이터가 생성한 마찰전기를 공급받아 필터부로 마찰전기를 공급하는 금속부재; 및
   고분자 나노섬유를 포함하고 상기 금속부재의 상면에 부착 형성되어 상기 금속부재로부터 공급된 마찰전기에 의해 발생된 정전기 효과를 이용하여 미세먼지 및 초미세먼지를 포함한 유해물질을 흡착하는 필터부;를 포함하는 다기능성 환기필터.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 고분자 나노섬유는 상전이물질(PCM: phase change material)로 된 코어를 고분자로 이루어진 쉘이 감싸서 형성된 코어-쉘 구조의 PCM 마이크로캡슐을 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능성 환기필터.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 고분자 나노섬유는 고분자를 용매에 용해시켜 얻어진 고분자용액에 PCM마이크로캡슐을 분산시켜 전기방사용액을 얻은 후, 상기 전기방사용액을 전기 방사하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 다기능성 환기필터.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 전기방사용액은 상기 고분자 10중량% 초과 19중량% 미만, 상기 PCM 마이크로캡슐 20중량% 미만 및 잔량의 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능성 환기필터.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 용매는 상기 고분자를 잘 용해시키는 동시에 낮은 비점의 용매이거나 상기 고분자를 잘 용해시키는 동시에 높은 비점의 용매와 공용매를 병행 사용하는 것을 특징으로 하는 다기능성 환기필터.
   
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 코어를 이루는 PCM은 파라핀 왁스, OAP (4'-n-octylacetophenone), 1-도데카놀, 포르말린산, 락트산, 메틸 팔미테이트, 캄페닐론, 도카실 브로마이드, 카프릴론, 페놀류, 헵타데카논, 1-시클로헥실옥타데칸, 4-헵타데카논, 시안 아미드, 메틸 에이코사네이트(eicosanate), 3-헵타데카논, 2-헵타데카논, 히드로신남산, 세틸 알코올, A-넵틸아민, 캄펜, O-니트로 아닐린, 9-헵타데카논, 디페닐 아민, 클로로 아세트산, 나프탈렌, 클로로산, 꿀벌 왁스, 글리콜산, P-브로모 페놀, 아크릴산, 페닐 아세트산, 글루타르산, 카테콜, 퀴논, 부티르산(Butyric acid), 카프로산(Caproic acid), 카프릴산(Caprylic acid), 카프르산(Capric acid), 라우르산(Lauric acid), 미리스트산(Myristic acid), 팔미트산(Palmitic acid), 스테아르산(Stearic acid), 아라키도닌산(Arachidic acid), 리그노세르산(Lignoceric acid) 글리세롤(glycerol), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene glycol)로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상이고,
   상기 쉘을 이루는 고분자는 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리카보네이트, 에폭시, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리에테르, 폴리비닐 알콜, 아크릴 수지, 폴리아마이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체, 멜라민 수지, 셀롤로오스, 아이소보르닐 메타크릴레이트와 (메트)아크릴산 공중합체, 나일론, 젤라틴, 포름알데하이드, 멜라닌 및 이들의 (공)중합체로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상인 것을 특징으로 하는 다기능성 환기필터.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 고분자 나노섬유를 이루는 고분자는 폴리에틸렌(Polyehtylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리스타이렌(Polystyrene)을 포함하는 폴리올레핀(Polyolefin)계 고분자, 폴리비닐리덴플루오르(polyvinylidenefluore)계 고분자, 폴리아마이드(polyamide)계 고분자, 폴리우레아(polyurea)계 고분자, 폴리우레탄계(polyurethane)계 고분자, 폴리이미드(polyimide)계 고분자, 폴리히드라지드(polyhydrazide)계 고분자, 폴리에스테르(polyester)계 고분자, 폴리카보네이트(polycarbonate)계 고분자, 또는 이들의 공중합체로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상인 것을 특징으로 하는 다기능성 환기필터.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속부재는 다수의 관통구가 형성된 메쉬 구조의 평판으로 구현되는 것을 특징으로 하는 다기능성 환기필터.
   
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 마찰전기제너레이터는 장방형 바형상 내부공간이 형성되고 상기 내부공간은 길이방향 양단부면 각각의 중심측에 형성된 관통구를 통해 외부와 연통되는 구조를 갖는 하우징부재; 상기 내부공간의 상면과 하면에 각각 배치된 한 쌍의 전극부재; 상기 한 쌍의 전극부재 내측표면에 각각 배치되는 한 쌍의 마찰부재; 및 상기 한 쌍의 마찰부재 사이에 배치되는 플러터링부재;를 포함하고, 상기 하우징부재의 관통구를 통해 상기 외부에서 풍력에너지가 가해지면 상기 플러터링부재에 플러터링이 발생되는 것을 특징으로 하는 다기능성 환기필터.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 플러터링 부재는 상기 하우징부재의 일측 관통구에 그 단부가 부착되는 플래그 형태의 유연물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 다기능성 환기필터.
    
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 마찰부재와 상기 플러터링부재는 서로 상이한 재료로 구성되는데, 마찰전기 시리즈(triboelectric series) 상에서 서로 다른 극성을 갖는 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 다기능성 환기필터.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 마찰부재와 상기 플러터링부재는 서로 반대로 대전되는 물질 또는 서로 상대적 대전 정도의 차이가 큰 물질로 각각 구성되는 것을 특징으로 하는 다기능성 환기필터.
    
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 플러터링부재는 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질로서, 천연섬유, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄으로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상인 것을 특징으로 하는 다기능성 환기필터.
    
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 마찰부재는 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질로서, polyamide, wool, silk, PVA, cotton, polyester로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상인 것을 특징으로 하는 다기능성 환기필터.
    
15. 제 9 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극은 무기전극, 스테인레스, 백금(Platinum), 금(Gold), 은(Silver), 구리(Copper), 알루미늄(Aluminum)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나로 구성된 금속전극 또는 전도성 폴리머로 이루어진 폴리머전극 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다기능성 환기필터.
    
16. 제 9 항에 있어서,
    상기 하우징부재에 형성된 내부공간의 폭방향 단면의 가로길이비와 세로길이비는 2 ~ 4 : 1 ~ 1.5인 것을 특징으로 하는 다기능성 환기필터.
    
17. 제 9 항의 다기능성 환기필터를 포함하는 환기시스템.
    

Images