KR20230007727A - 그래핀을 이용하여 정전력이 향상된 부직포 필터를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그래핀을 이용하여 정전력이 향상된 필터를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 부직포 필터를 제조하는 방법은, 부직포 제조용 소재와 그래핀 분말을 혼합하여 교반하는 혼합 단계; 상기 혼합 단계를 거친 혼합 소재를 용융분산기를 이용하여 칩 형태로 제조하는 용융분산 단계; 상기 칩을 이용하여 부직포를 제조하는 부직포 제조 단계; 를 포함한다.
이러한 구성에 따르면, 마스크 등의 필터 소재에 그래핀을 용융분산시켜 사용함으로써 정전력 향상을 위한 추가 설비의 도입이나 인체에 해로울 수 있는 유무기 첨가제의 사용 없이 필터의 정전력 및 유지효율이 매우 높은 부직포 필터를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.

Description

그래핀을 이용하여 정전력이 향상된 부직포 필터를 제조하는 방법 {Method for manufacturing nonwoven filter with improved electrostatic power using graphene}
본 발명은 그래핀을 이용하여 정전력이 향상된 부직포 필터를 제조하는 방법에 관한 것이다.
근래에 이르러, 중국발 황사와 미세먼지나 병원성 세균, 사스, 메르스, 코로나 바이러스 등에 의한 감염은 심각한 문제로 인식되어 공기청정기와 더불어 마스크의 필요성과 중요성이 어느 때보다 부각되고 있다.
공기질 저하에 의해 유발되는 호흡기 질환을 예방하기 위해서는 공기청정기나 마스크 등에서 미세먼지를 걸러낼 수 있는 효과적인 필터 제조 기술이 필요하다.
종래에는 유기 또는 무기계통의 정전조제나 안료 등을 투입하여 마스터 뱃치 등으로 제조하여 부직포 필터를 제조하였다. 이러한 방법으로 제조된 필터는 정전력이 약하여 미세먼지에 대한 포집률이 낮아져 필터 효율이 떨어지게 되었다.
이러한 문제점을 해결하고자, 플라즈마(건식) 또는 수처리 장치(습식)를 이용하여 정전력을 끌어올려 미세먼지 차단효율(PFE; Particle Filtration Efficiency)이 94% 이상이 되도록 재처리 하는 방식을 사용하였다.
그러나, 이러한 재처리 설비를 갖추는 데에는 매우 큰 공간과 설비가 투입되어야 하므로, 그만큼 공정비용이 높아지고 제조시간도 증가하게 되었다.
이에 따라, 통상적으로 투입되는 합성유기물인 지방산에스테르형 정전조제 종류나 다른 무기 정전제를 사용하지 않으면서 필터를 효과적으로 제조할 수 있는 방법이 필요하다.
대한민국 등록특허 제10-2175223호
따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 마스크 등의 필터에 그래핀을 사용함으로써 정전력 향상을 위한 추가 설비 도입이나 인체에 해로울 수 있는 유무기 첨가제의 사용 없이 정전력 및 유지효율이 높은 부직포 필터를 제조하는 방법을 제공하고자 함에 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 부직포 필터를 제조하는 방법은, 부직포 제조용 소재와 그래핀 분말을 혼합하여 교반하는 혼합 단계; 상기 혼합 단계를 거친 혼합 소재를 이용하여 부직포를 제조하는 부직포 제조 단계; 를 포함한다.
또한, 상기 부직포 제조 단계는, 상기 혼합 단계를 거친 혼합 소재를 용융분산기를 이용하여 칩 형태로 제조하는 용융분산 단계; 상기 칩을 이용하여 부직포를 제조하는 부직포 제조 단계; 를 포함한다.
또한, 상기 혼합 단계에서 상기 부직포 제조용 소재는 93~99.99 중량%, 상기 그래핀 분말은 0.01~7 중량%의 비율로 혼합된다.
또한, 상기 용융분산 단계에 의해 상기 부직포 제조용 소재 속에 상기 그래핀 분말은 수 마이크론 내지 수십 마이크론의 입자로 분산된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 부직포 필터를 제조하기 위한 칩을 생산하는 방법은, 부직포 제조용 소재와 그래핀 분말을 혼합하여 교반하는 혼합 단계; 상기 혼합 단계를 거친 혼합 소재를 용융분산기를 이용하여 칩 형태로 제조하는 용융분산 단계; 를 포함한다.
본 발명에 따르면, 마스크 등의 필터 소재에 그래핀을 용융분산시켜 사용함으로써 정전력 향상을 위한 추가 설비의 도입이나 인체에 해로울 수 있는 유무기 첨가제의 사용 없이 필터의 정전력 및 유지효율이 매우 높은 부직포 필터를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 부직포 필터를 제조하는 방법을 설명하는 공정흐름도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 부직포 필터를 제조하는 방법을 순차적으로 설명하는 도면이다.
도 3은 용융분산에 의해 그래핀 입자가 수지 속에 균일하게 분산되어 있는 사진을 나타낸다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 부직포 필터를 제조하는 방법을 설명하는 공정흐름도이다. 도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 부직포 필터를 제조하는 방법을 순차적으로 설명하는 도면이다. 도 3은 용융분산에 의해 그래핀 입자가 수지 속에 균일하게 분산되어 있는 사진을 나타낸다.
본 발명은 마스크, 공기청정기, 에어컨디셔너, 정수기 등 생활용품과 산업용품에 폭넓게 사용되고 있는 부직포 필터 소재의 미세먼지 흡착(여과) 성능을 효과적으로 지속시키고, 고성능의 미세먼지 흡착 성능을 지닌 부직포를 제조하기 위하여, 부직포 제조 소재에 전기적인 특성이 탁월한 신소재인 그래핀을 미세하고 균일하게 분산시키는 방법에 대한 것이다.
그래핀은 열전도성이 매우 높으며 빛을 대부분 통과시켜 투명하며 신축성도 뛰어나다. 그래핀은 순수한 구리보다 100배 이상 높은 전기전도도를 갖고 있고, 적용 방법에 따라서는 항균(살균) 기능도 발휘하는 것으로 알려져 있다.
본 발명에서는 전기전도도가 매우 높고, 두께가 0.3마이크론 내외로 형성되어 있으며, 제조공법에 따라 판상 또는 미세한 분말 상태로 제조 공급이 가능한 그래핀을 필터 소재에 미세한 입자로 분포되게 한다. 그에 따라, 필터는 그래핀 각각의 입자가 지닌 탁월한 전기적인 특성에 의해 유기 또는 무기계 정전조제를 첨가하는 것보다 탁월한 정전기적인 특성을 발휘하고, 또한 필터 소재에 균일하게 분산되어 있는 그래핀 입자에 의해 장기간 뛰어난 정전 특성을 유지할 수 있게 된다.
도 1 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명의 부직포 필터를 제조하는 방법은 혼합 단계, 용융분산 단계, 칩생성 단계, 부직포 제조 단계를 포함한다.
먼저, 도 2a를 참조하면 혼합 단계에서는 부직포 제조용 소재(예를 들어, 폴리프로필렌수지)에 1차 가공된 그래핀 분말을 교반기(110)에서 혼합하여 교반한다. 여기서, 1차 가공된 그래핀 분말은 수십~수백 마이크론 크기가 될 수 있다. 교반기(110)는 100~300rpm의 저속교반기를 사용할 수 있다.
교반기(110)에 공급되는 폴리프로필렌수지와 그래핀 분말의 비율은 표 1과 같다.
성분명 함량(wt%)
폴리프로필렌 수지 93~99.99
그래핀 분말 7~0.01
합계 100
* 최종 목적(요구되는 효율)에 따라 투입량을 더 증가시키거나 더 감소시킬
수 있다.
다음에, 도 2b를 참조하면 용융분산 단계에서는 폴리프로필렌수지와 그래핀 분말이 혼합된 혼합 소재(101)가 용융분산기(130)에 투입되어 용융 및 분산된다. 이때, 용융분산기(130)의 온도는 100~300℃로 조절될 수 있다.
혼합 소재(101)는 용융분산기(130)의 스크류를 거치면서 매우 작은 입자단위로 쪼개져 균일하게 분산될 수 있다. 용융분산기(130)는 단일축(signle screw type extruder) 또는 쌍축(twin screw type extruder)으로 구성될 수 있다.
다음에, 도 2c를 참조하면 용융분산된 혼합 소재(101)는 용융분산기(130)의 데크(131)에 형성된 다수의 홀(131a)을 통과하면서 홀(131a)의 형상과 같이 균일한 형상(102)으로 빠져나올 수 있다. 이때, 홀(151)의 크기는 2mm 내외로 형성될 수 있다.
다음에, 칩생성 단계에서는 홀(131a)을 통해 빠져나오는 혼합 소재(102)를 1~5mm의 길이로 컷팅하여 그래뉼 또는 칩 형상(103)으로 제조한다. 이러한 용융분산 단계에 의해 부직포 제조용 소재 속에 그래핀 분말은 수 마이크론 내지 수십 마이크론의 입자로 분산될 수 있다.
일반적으로 제조 공급이 가능한 그래핀을 필터구성소재에 적정량 도입하여, 그래핀 입자가 서로 연결(중첩)되어 있을 때에는 전기전도도가 매우 높아 정전력 향상보다는 전도도가 높은 비저항체로서의 역할이 증대되어 필터의 미세먼지 차단 효과가 낮아지게 된다.
그러나, 그래핀이 폴리프로필렌수지 속에 미세입자로 분포되면, 그래핀 각각의 입자가 지닌 탁월한 전기적인 특성에 의해 유기 또는 무기계 정전조제를 첨가하는 것보다 탁월한 정전기적인 특성을 발휘하고, 그래핀 입자는 폴리프로필렌수지 속에 균일하게 분산되어 있으므로 장기간 뛰어난 정전특성을 유지할 수 있게 된다.
그래핀을 멜트블로운 필터나 스판본드 필터 제조에 적합한 입자 크기로 미세하게 분쇄하여 폴리프로필렌수지 속에 투입할 수도 있으나, 그래핀의 고유 특성상 1차 가공된 그래핀 분말을 10마이크론 내외의 미세입자화 하기가 매우 어려우며, 미립화하는 데에 별도의 특수한 설비와 장치가 필요하고 많은 제조비용이 들어가므로, 높은 단가로 인해 현실적으로 다양한 용도로 사용하기 어렵다. 또한, 그래핀의 특성으로 미분말화된 그래핀이 2차 응집이 일어나 그 크기가 다시 커지며, 커진 입자의 크기를 다시 미세하게 분산하는 것이 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 분말도료에서 일반적으로 사용되는 백색안료나 무기계 충진안료가 다량 혼합되어 있는 것보다 수지성분 만으로 구성된 분말도료가 정전 도장에 더 효율적이며, 더 나아가 수지 성분 만으로 구성된 분말도료보다 카본블랙 안료가 균일하게 분산되어 있는 분말도료가 더 정전도장에 유리하다는 것에 착안하였다.
카본블랙보다 전기전도도가 수백배 높은 그래핀 입자를 수지 속에 균일하게 분산시켜 종래의 방법과 동일한 설비 및 동일한 방법으로 필터류를 제조할 경우, 상대적으로 카본블랙보다 더 적은 량의 투입으로도 높은 효율의 정전력 발휘가 가능하고, 그만큼 미세먼지 차단효과도 높아질으로 것으로 판단하고 실제 견본 제조를 실행하여 목표한 결과를 얻을 수 있었다.
이와 같이, 본 발명에서는 별도의 그래핀 분쇄장치를 사용하지 않고, 1차 제조된 그래핀 분말을 교반하고 용융분산하는 과정을 통해, 필터 제조에 적합한 크기(수마이크론 내지 수십 마이크론)로 미세화되어 수지 속에 분산시킬 수 있으므로 효율이 높고 단가 상승에도 영향을 미치지 않으며, 정전력은 향상되고 유지기간도 길어지는 여러가지 부수적인 효과를 가질 수 있다.
멜트블로운 필터의 경우에는 그래핀이 분산된 수지를 200~300℃ 사이로 가열하여 0.2~0.3mm의 노즐로 방사하고, 이때 강한 에어를 불어주어 직경 0.2마이크론 내외의 초극세사 섬유화하고, 동시에 수지 속에 분산되어 있던 미세한 그래핀 입자도 초극세사가 적층되어 섬유를 형성할 때에 사이사이 함께 적층되며, 이러한 각각의 입자가 지닌 정전력이 필터 전체에 균일하게 정전력을 확보해 준다.
초극세사가 용융분사되어 적층되며 섬유화가 진행되므로, 개개의 그래핀 입자는 용융된 수지 사이사이에 들러붙어 통상적인 흡배기 에어의 흐름에 의해 필터 섬유조직에서 이탈되기 어렵다. 현재까지 각종 필터류에 사용되어온 10마이크론 내외 크기의 지르코늄 입자 또는 산화아연 입자가 필터로부터 분리, 이탈되는 현상이 없는 것과 동일시된다.
이러한 기술을 이용하여 제조된 완제품에는, 통상적으로 투입되어온 합성유기물인 지방산에스테르형 정전조제 종류나 다른 무기 정전제를 사용하지 않고 그래핀만을 사용하므로 그만큼 안전성이 더 확보된다고 할 수 있다.
도 3은 용융분산에 의해 그래핀 입자가 수지 속에 균일하게 분산되어 있는 상태를 나타낸다.
상기 공정 과정에서 유무기 정전조제나 항균기능 부여제, 탈취제 등을 추가로 혼합하여 칩으로 제조할 수 있다.
다음에, 부직포 제조 단계에서는 생산된 칩을 부직포를 제조하기 위해 사용할 수 있다. 제조된 마스터 뱃치는, 다른 폴리프로필렌수지와 적정 비율로 혼합하여 사용이 가능하며, 다양하게 요구되는 용도에 따라 혼합비율을 조정하여, 기존 멜트블로운 필터 제조설비를 그대로 사용하여 부직포를 제조할 수 있다.
부직포 필터 제조 공정은 설비 운전조건의 변경 없이도 제조가 가능하며, 멜트블로운 필터 방적세트의 분사노즐 직경이 250마이크론 크기이므로, 그래핀 입자의 크기가 10마이크론 내외이면 작업성에 영향을 주지 않는다. 또 투입되는 그래핀의 두께는 0.2마이크론 내외이며 투입되는 그래핀의 투입량도 전체 수지 대비 적어서 용융점도의 상승에도 거의 영향을 주지 않는다.
본 발명에서는 필터를 구성하는 주재료인 폴리프로필렌수지 외에 구조적으로 매우 안정하며 비활성물질인 그래핀만을 추가하여 정전력을 향상시킬수 있도록 설계되어 있으므로, 다른 유기계통의 정전조제나 무기계통의 안료 등을 추가할 필요가 없어서 더욱 안정적이고 사용에 안전하다고 할 수 있다.
이러한 부직포 필터는 마스크, 공기청정기 뿐만 아니라 에어컨, 정수기 등에 필터로 사용될 수 있다. 제조된 필터는 성능 검사 후 출하될 수 있다.
KF94 기준(40g) MB 필터에 대한 세균 여과 효율은 표 2과 같다.
시험균종 시험 횟수 및 결과
Staphylococcus aureus ATCC 6538
(황색포도상 구균)		 Test 1 >99.9
Test 2 >99.9
Test 3 >99.9
Test 4 >99.9
Test 5 >99.9
균의 평균 입경은 3.2 마이크론이며, 식품의약품 안전처 고시 제2020-85호 의약외품에 관한 기준 및 시험방법에 준한 세균여과효율(B.F.E)이다.
표 3은 본 발명으로 제조한 필터에 대한 SGS 시험보고서의 일부로, 중금속이나 유해화학물질 함유되어 있지 않음을 나타내고 있다.
Figure pat00001
상술한 바와 같이, 마스크 등의 필터에 그래핀을 사용함으로써 정전력 향상을 위한 추가 설비의 도입이나 인체에 해로울 수 있는 유무기 첨가제의 도입 없이 필터의 정전력 부여와 유지효율이 매우 높은 필터를 제조할 수 있다.
또한, 고효율 정전처리를 하기 위한 추가 설비공간과 공정을 없애 이러한 설비 가동에 필요한 에너지, 인력 및 공간을 절감하면서 제조단가도 줄일 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
101 : 혼합 소재
110 : 교반기
130 : 용융분산기
131 : 데크
131a : 홀

Claims (5)

  1. 부직포 필터를 제조하는 방법에 있어서,
    부직포 제조용 소재와 그래핀 분말을 혼합하여 교반하는 혼합 단계;
    상기 혼합 단계를 거친 혼합 소재를 이용하여 부직포를 제조하는 부직포 제조 단계;
    를 포함하는 부직포 필터를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부직포 제조 단계는,
    상기 혼합 단계를 거친 혼합 소재를 용융분산기를 이용하여 칩 형태로 제조하는 용융분산 단계;
    상기 칩을 이용하여 부직포를 제조하는 부직포 제조 단계;
    를 포함하는 부직포 필터를 제조하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 혼합 단계에서 상기 부직포 제조용 소재는 93~99.99 중량%, 상기 그래핀 분말은 0.01~7 중량%의 비율로 혼합되는 부직포 필터를 제조하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 용융분산 단계에 의해 상기 부직포 제조용 소재 속에 상기 그래핀 분말은 수 마이크론 내지 수십 마이크론의 입자로 분산되는 부직포 필터를 제조하는 방법.
  5. 부직포 필터를 제조하기 위한 칩을 생산하는 방법에 있어서,
    부직포 제조용 소재와 그래핀 분말을 혼합하여 교반하는 혼합 단계;
    상기 혼합 단계를 거친 혼합 소재를 용융분산기를 이용하여 칩 형태로 제조하는 용융분산 단계;
    를 포함하는 부직포 필터를 제조하기 위한 칩을 생산하는 방법.
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