KR20230078431A - 유리섬유와 탄소구조체를 이용한 무전원 정전식 공기청정 필터 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유리섬유와 탄소구조체를 이용한 무전원 정전식 공기청정 필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 유리섬유로 이루어진 지지체; 및 상기 지지체상에 형성되는 시드로부터 성장된 탄소구조체;를 포함하는 무전원 정전식 공기청정 필터에 관한 것이다.
Description
본 발명은 유리섬유와 탄소구조체를 이용한 무전원 정전식 공기청정 필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유리 섬유상에 금속 전구체를 이용하여 금속 촉매를 담지하고 이를 기반으로 탄소구조체를 성장시킨 무전원 정전식 공기 청정 필터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 공기조화시스템은 고도의 경제성장과 더불어 주거문화의 향상으로 건축물이 더욱 고급화 되어감에 따라 건축물의 설비도 고급화 및 선진화 되가는 추세에 부흥하고자 하는 것으로, 이미 선진국에서는 실내공기질(IAQ: Indoor Air Quality)을 법으로 정하여 규제하고 있으며, 이를 기준으로 현재 보다 나은 실내환경을 도모하고자 끊임없이 연구하고 있는 추세이다.
그러나, 이러한 건축물들은 에너지 절약을 위하여 밀폐식 구조를 채택하게 되고, 이로 인한 자연환기의 부족과 외기도입을 감소시킴으로 인해서 실내공기 오염이라는 문제가 대두되고 있다. 또한, 최근에는 황사 및 미세먼지로 인한 공기 오염에 대한 관심이 급증하면서, 공기 청정 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다.
기존의 에어필터는 대부분 기공이 20-30um이어서 탈리에 의한 미세분진의 제거가 불가능하며 화학적 오염에 취약하여 필터 교환주기가 짧다는 문제점이 있으며, 지속적인 유지 보수비용이 발생한다. 특히, 현재 상용화되어 있는 정전식 필터 소재의 경우 대부분 고분자 섬유소재를 이용하여 화학적 내구성이 떨어지고 탈진이 불가능하며 유증기와 같은 복합 오염원 상에서는 성능 및 유지보수가 어렵다. 또한, 나노소재를 복합한 필터는 주로 고분자 소재에 나노물질을 복합화하는 것으로 내구성이 낮고 향후 나노물질에 의한 2차 오염이 우려되는 단점을 가지고 있다(공개특허 제10-2012-0109696호, 등록특허 제1284893호, 공개특허 제2014-0085450호).
최근 황사에 의한 오염물 중에는 질산염, 황산염 등이 다량 존재함에 따라서 더욱더 내구성이 뛰어난 필터 소재가 요구되고 있다. 이와 관련하여 유리 섬유(glass fiber) 소재를 이용한 에어필터의 경우는 내구성은 뛰어나나 소재 전반이 수입에 의존하며 필터 소재 자체의 인체 유해성 문제로 인해 국내 생산이 어렵다. 탄소섬유상에 탄소나노튜브(CNT)를 생성시키는 공정의 경우 전처리 공정이 고가이며 탄소 섬유의 가격 경쟁력 문제로 상용화가 되지 않은 문제를 가지고 있다.
이에 따라, 열적, 화학적으로 안정하며 나노물질의 분리나 탈리에 의한 2차 오염을 막을 수 있는 공기청정 필터가 요구된다.
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 열적, 화학적으로 안정하며 미세먼지에 대한 필터 효과가 뛰어난 유리섬유와 탄소구조체를 이용한 무전원 정전식 공기청정 필터를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 기존의 나노소재와 필터매재를 결합하는 방식과 다르게 유리 섬유상에 탄소구조체를 형성시킴으로써 필터 소재 자체의 안정성뿐만 아니라 나노물질의 분리나 탈리에 의한 2차 오염을 막을 수 있는 무전원 정전식 공기청정 필터를 제공하는데 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유리섬유로 이루어진 지지체; 및 상기 지지체상에 형성되는 시드로부터 성장된 탄소구조체;를 포함하는 무전원 정전식 공기청정 필터를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 정전식 공기청정 필터에 있어서, 상기 탄소구조체는, 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene)이고, 상기 시드는 금속산화물 전구체 및 금속 촉매를 포함하는 혼합물을 이용하여 상기 유리섬유상에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 정전식 공기청정 필터에 있어서, 상기 유리섬유는 장섬유 또는 분쇄된 섬유인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 유리 섬유, 금속산화물 전구체 및 금속 촉매를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계(S10); 상기 혼합물을 이용하여 상기 유리섬유상에 버퍼층(buffer layer)을 형성하는 단계(S20); 및 상기 버퍼층에 탄소구조체를 성장시키는 단계(S30);를 포함하는 무전원 정전식 공기청정 필터의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 정전식 공기청정 필터에 있어서, 상기 유리섬유는 장섬유 또는 분쇄된 섬유인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 정전식 공기청정 필터에 있어서, 상기 금속산화물 전구체는 금속 알콕사이드(metal alkoxide)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 정전식 공기청정 필터에 있어서, 상기 금속 알콕사이드(metal alkoxide)는 금속 메톡사이드(metal methoxide) 또는 금속 에톡사이드(ethoxide)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 정전식 공기청정 필터에 있어서, 상기 금속촉매는 MgO 또는 Al2O3인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 정전식 공기청정 필터에 있어서, 상기 S10단계는, 상기 탄소구조체 성장을 위한 촉매 담지에 적용되는 금속 전구체 용액이 metal halide(?), metal nitrate인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 정전식 공기청정 필터에 있어서, 상기 S30단계는, CVD(chemical vapor deposition)법을 이용하여 상기 버퍼층에 상기 탄소구조체를 성장시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 정전식 공기청정 필터에 있어서, 상기 CVD(chemical vapor deposition)법은 500 ~ 700 ℃의 온도에서 상기 탄소구조체를 성장시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 정전식 공기청정 필터에 있어서, 상기 S30단계 이후에, 상기 유리섬유가 분쇄된 섬유인 경우, 상기 S30단계에서 생성된 탄소구조체가 성장된 유리섬유 소재를 접착제로 2개 이상 접착시켜 필터를 제조하는 단계(S40);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유리섬유와 탄소구조체를 이용한 무전원 정전식 공기청정 필터는 전원의 공급없이 정전 방식으로 공기속의 미세한 부유물질을 포함하는 오염원을 제거하도록 하는 효과가 있다.
또한, 종래의 방식과는 다르게 유리 섬유상에 탄소구조체로 필터 소재를 형성하고, 필터 소재 제조시 탄소구조체를 유리 섬유상에서 성장시킴으로써 화학적, 열적 안정성이 뛰어나고 분리나 탈리에 의한 2차 오염 가능성이 거의 없는 우수한 효과가 있다.
또한 열처리를 이용하여 분진 및 유기물을 제거 가능하며 이를 통해 재사용이 가능하며, 계층 구조를 가지는 소재로서 기존 단일 소재 대비 미세먼지 포집 효율이 뛰어나고 안정성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 정전식 공기필터의 사시도 및 확대도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 정전식 공기 청정 필터 제조방법에서 탄소구조체를 성장시키기 위한 CVD공정을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 정전식 공기 청정 필터 제조방법에서 탄소구조체를 성장시키기 위한 CVD공정을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 별도로 정의 되지 않는 한 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 화학적 용어, 실험 방법들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 정전식 공기필터의 사시도 및 확대도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 무전원 정전식 공기필터는 지지체(10) 및 지지체(10)상에 형성된 탄소구조체(20)를 포함한다.
지지체(10)는 유리섬유로 이루어져 있으며, 탄소구조체(20)가 성장하는 베이스로서, 유리섬유가 섬유상(fibrous)으로 불규칙적으로 얽혀져 있는 가지(branched) 형상이다. 따라서, 지지체(10)는, 유리섬유의 섬유상의 얽힌 형상으로 인해, 지지체(10) 가지 형상 사이 공간의 크기보다 큰 공기 중의 부유물을 걸러낼 수 있다.
이러한 유리섬유로 이루어진 지지체(10)는 그 섬유상의 직경이 20nm 내지 1㎛ 의 나노파이버 형상이 되도록 할 수 있다. 상기 지지체(10)가 가는 섬유상으로 된 불규칙적인 형상을 나타내기 때문에, 탄소구조체(20)가 성장할 수 있는 표면적이 증가될 수 있다.
탄소구조체(20)는 지지체(10)상에 형성된 시드로부터 성장된 것으로서, 지지체(10)상에 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene)일 수 있다. 지지체(10)상에 시드는 금속산화물 전구체 및 금속 촉매를 포함하는 혼합물을 이용하여 상기 유리섬유상에 형성되고, CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해, 지지체(10)상에 탄소구조체(20)를 성장할 수 있다.
즉, 탄소구조체는 CVD 기법에 의해 지지체상에 수직한 방향으로 성장되어 형성된다. 따라서, 본 발명의 무전원 정전식 공기 청정 필터는 유리섬유로 이루어진 불규칙적으로 얽힌 가지(branch) 구조의 지지체(10)에 탄소구조체(20)가 수직한 방향으로 성장되어 지지체(10)가 1차적으로 부유물을 제거하고 지지체(10)의 공극보다 더 작은 입자는 탄소구조체(20)에 정전기적으로 결합하는 방식으로 공기를 정화한다.
이러한 탄소구조체에 의한 정전특성 부가로 인하여 필터의 포집 능력을 향상시키고 탄소구조체 직경이 수십나노에 불과하여 필터 매재의 투과성(permeability) 또는 차압 특성에 영향이 적다. 이와 같은 특징은 상기 소재를 이용하여 필터를 만들 경우 차압 10mmAq.이하, 필터효율은 85%이상으로 에너지 소모는 줄이고 포집 효율은 높일 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 무전원 정전식 공기청정 필터의 제조 방법은, 유리 섬유, 금속산화물 전구체 및 금속 촉매를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계(S10), 상기 혼합물을 이용하여 상기 유리섬유상에 버퍼층(buffer layer)을 형성하는 단계(S20) 및 상기 버퍼층에 탄소구조체를 성장시키는 단계(S30)를 포함한다.
유리 섬유, 금속산화물 전구체 및 금속 촉매를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계(S10)는 무전원 정전식 필터의 지지체인 유리섬유에 버퍼층(buffer layer)을 형성하기 위한 원료를 제조하는 단계이다.
유리섬유로는 장섬유 또는 분쇄된 섬유 등이 이용될 수 있으며, 금속산화물 전구체는 금속 알콕사이드(metal alkoxide)가 이용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 금속 알콕사이드(metal alkoxide)는 금속 메톡사이드(metal methoxide) 또는 금속 에톡사이드(ethoxide)인 것이 바람직하다.
금속 촉매는 유리섬유로 이루어진 지지체상에 탄소구조체가 성장할 수 있도록 시드(SEED)가 되는 물질이다.
금속촉매는 지지체(10)의 종류에 따라, 선택될 수 있으며, Fe, Pt, MgO, Al2O3 등이 이용될 수 있다.
이러한, 유리섬유, 금속산화물 전구체 및 금속촉매를 혼합물로 만들기 위해서, 유리섬유, 금속산화물 전구체 및 금속촉매를 용매에 용해한다.
탄소구조체 성장을 위한 금속 촉매 담지에 적용되는 금속 전구체 용액으로는 metal halide, metal nitrate가 바람직하다.
상기 금속 전구체 용액은 금속 촉매가 균일하게 분산되도록 하는 용매로서,촉매 대 용매는 약 1:1 내지 1:10000의 범위일 수 있다.
상기 S20단계는 상기 혼합물을 이용하여 상기 유리섬유상에 버퍼층(buffer layer)을 형성하는 단계이다.
버퍼층(buffer layer)은 유리 섬유 재료와 탄소구조체 사이의 중간층으로서, 탄소구조체가 유리 섬유 재료에서 성장할 수 있도록 한다. 또한 버퍼층은 유리섬유가 수분에 노출되어 발생되는 화학적 손상으로부터 보호하고, 탄소구조체 성장 단계에서 유리 섬유 재료의 가열로 인한 열적 손상으로부터 보호하는 역할을 한다.
유리섬유, 금속산화물 전구체 및 금속촉매의 혼합비율은 금속산화물의 종류에 따라 달리하며, 버퍼층의 형성이 가능한 적합한 농도비로 배합하여 제조한다.
유리섬유 재료 상에 금속촉매를 형성하는 방법은 금속전구체 용액을 스프레이 방식 또는 딥 코팅 방식으로 수행할 수 있고, 또는 플라즈마 공정에 의한 기상증착으로 수행될 수도 있다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 무전원 정전식 공기 청정 필터 제조방법에서 탄소구조체를 성장시키기 위한 CVD공정을 나타낸 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이, 상기 버퍼층에 탄소구조체를 성장시키는 단계(S30)는 유리섬유인 지지체(10)에 CVD기법을 이용하여 탄소구조체(20)를 성장시키는 단계이다.
탄소구조체(20)는 화학적 증기 증착법에 의해 지지체(10)의 시드 부분에 형성되며, 탄소구조체(20)를 성장시키기 위한 공정조건은 탄소구조체의 종류에 따라, 500 ~ 700 ℃의 온도에서 메탄(CH4), 에틸렌(C2H4), 아세틸렌(C2H2), 아세틸렌 가스와 수소의 혼합 등의 조건하에서 이루어질 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 탄소구조체(CNT, graphene 등)를 CVD 기법으로 성장시킬 때 사용되는 금속 촉매(MgO, Al2O3 등)의 전구체 용액을 이용하여 유리섬유상에 버퍼층(buffer layer)을 형성하고 이를 CVD 공정을 통해 탄소나노구조체를 형성하여 필터 소재를 형성시킨다.
일반적인 필터 소재의 경우 고분자 소재를 주로 사용하는 반면, 본 발명은 장섬유 또는 분쇄된 유리 섬유상에 금속산화물 버퍼층과 촉매를 담지하여 CVD 공정을 통해 복합소재를 제조한다.
이렇게 형성된 탄소구조체(20)는 일반적으로 나노사이즈이며, 필터에 정전 특성을 부여하여 전원이 공급되지 않더라도 정전기적으로 공기 중의 오염원을 제거할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 필터 소재의 특성은 유리섬유상에 생성된 버퍼층의 두께, CVD 기법을 통해 성장된 탄소나노구조체의 크기 등에 따라서 가변적이며 필터 소재의 최종 요구 특성인 차압과 투과성(permeability)에 따라서 조절할 수 있다.
본 발명의 무전원 정전식 공기 청정 필터는 장섬유 또는 분쇄된 유리섬유에 탄소구조체를 생성하여 이를 기반으로 필터를 제조함에 있어서 필터 미디어 특성을 결정하고 탄소구조체를 성장시키는 공정을 통해서 정전특성을 향상시킨 소재로써 화학적 내구성과 열안정성을 갖기 때문에 산업현장 및 다중이용시설 등 공기청정 필터가 쓰이는 다양한 응용분야에서 활용이 가능하다. 또한, 기존의 나노소재와 필터매재를 결합하는 방식과 다르게 유리섬유상에 탄소구조체를 형성시킴으로써 필터 소재 자체의 안정성과 함께 나노물질에 의한 2차 오염을 막을 수 있다.
한편, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
10: 지지체
20: 탄소구조체;
Claims (12)
- 유리섬유로 이루어진 지지체; 및
상기 지지체상에 형성되는 시드로부터 성장된 탄소구조체;
를 포함하는 무전원 정전식 공기청정 필터.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소구조체는, 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene)이고,
상기 시드는 금속산화물 전구체 및 금속 촉매를 포함하는 혼합물을 이용하여 상기 유리섬유상에 형성되는 것을 특징으로 하는 무전원 정전식 공기청정 필터.
- 제1항에 있어서,
상기 유리섬유는 장섬유 또는 분쇄된 섬유인 것을 특징으로 하는 무전원 정전식 공기청정 필터.
- 유리 섬유, 금속산화물 전구체 및 금속 촉매를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계(S10);
상기 혼합물을 이용하여 상기 유리섬유상에 버퍼층(buffer layer)을 형성하는 단계(S20); 및
상기 버퍼층에 탄소구조체를 성장시키는 단계(S30);
를 포함하는 무전원 정전식 공기청정 필터의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 유리섬유는 장섬유 또는 분쇄된 섬유인 것을 특징으로 하는 무전원 정전식 공기청정 필터의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 금속산화물 전구체는 금속 알콕사이드(metal alkoxide)인 것을 특징으로 하는 무전원 정전식 공기청정 필터의 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 금속 알콕사이드(metal alkoxide)는 금속 메톡사이드(metal methoxide) 또는 금속 에톡사이드(ethoxide)인 것을 특징으로 하는 무전원 정전식 공기청정 필터의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 금속 촉매는 MgO 또는 Al2O3인 것을 특징으로 하는 무전원 정전식 공기청정 필터의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 S10단계는, 상기 탄소구조체 성장을 위한 촉매 담지에 적용되는 금속 전구체 용액이 metal halide, metal nitrate인 것을 특징으로 하는 무전원 정전식 공기청정 필터의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 S30단계는,
CVD(chemical vapor deposition)법을 이용하여 상기 버퍼층에 상기 탄소구조체를 성장시키는 것을 특징으로 하는 무전원 정전식 공기청정 필터의 제조 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 CVD(chemical vapor deposition)법은 500 ~ 700 ℃의 온도에서 상기 탄소구조체를 성장시키는 것을 특징으로 하는 무전원 정전식 공기청정 필터의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,
상기 S30단계 이후에,
상기 유리섬유가 분쇄된 섬유인 경우, 상기 S30단계에서 생성된 탄소구조체가 성장된 유리섬유 소재를 접착제로 2개 이상 접착시켜 필터를 제조하는 단계(S40);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무전원 정전식 공기청정 필터의 제조 방법.
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| KR20140085450A (ko) | 2011-09-12 | 2014-07-07 | 유니버시티 오브 휴스턴 시스템 | 박테리아 및 중금속의 동시 제거를 위한 나노복합물 고분자-탄소 기반 나노재료 필터 |
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2021
- 2021-11-26 KR KR1020210166242A patent/KR20230078431A/ko not_active Application Discontinuation
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