KR102679120B1 - 에어 필터용 섬유 소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어 필터용 섬유 소재에 관한 것으로, 섬유 소재를 구성하는 미세 섬유 사이에 고분자 비드를 최적화한 형태로 포함함으로써, 섬유 소재의 두께와 공극도를 동시에 최적화하여 높은 입자 제거 효율과 함께 저차압 특성을 구현할 수 있다.

Description

에어 필터용 섬유 소재 {FIBER MATERIALS FOR AIR FILTER}

본 발명은 에어 필터용 섬유 소재에 관한 것으로, 좀더 구체적으로 섬유 소재를 구성하는 미세 섬유 사이에 고분자 비드를 포함하여 섬유 소재의 두께와 공극 분포를 최적화하여 높은 입자 제거 효율과 함께 저차압을 특성을 구현하는 에어 필터용 섬유 소재와 이를 제조하는 방법, 및 이를 이용한 에어 필터에 관한 것이다.

내연기관, 가스터빈, 공기청정기, 에어컨 등의 다양한 기기에서 공기 중에 함유된 각종 이물질을 여과하여 제거할 목적으로 공기정화기가 설치되어 있으며, 이러한 공기정화기에는 여과매체로서 다양한 종류의 필터 소재가 장착된다.

상기와 같이 공기정화기에 장착되는 필터 소재는, 기기 작동을 위하여 공급되는 공기 중에 함유된 각종 이물질을 여과함으로써, 상기 기기의 정상적인 작동을 보장하고 기기 수명을 연장시키는 역할을 수행한다. 따라서, 이러한 필터 소재는 이물질을 효과적으로 포집하는 높은 여과효율 및 장기간의 여과수명을 동시에 지녀야 하는 것이 필수적이다. 그런데, 실제로 공기 중의 각종 이물질을 효율적으로 포집하기 위해서는 필터 소재의 통기공을 미세하게 형성해야 하는데, 그렇게 되면 통기공이 조기에 폐쇄되어 필터 소재의 여과수명이 단축된다.

이와 반대로, 필터 소재의 통기공을 크게 형성하게 되면 여과수명이 연장되는 대신, 상기 통기공을 통하여 미세한 이물질이 빠져나가게 되므로 필터 소재의 여과효율이 대폭 저하된다. 그러므로, 이물질을 효과적으로 포집하는 여과효율과 장기간의 여과수명을 동시에 지닌 공기정화용 필터 소재의 개발이 절실하게 요구되고 있다.

한편, 일본 특공소 63-51725호에는 공기청정기의 소재포로 사용하는 부직포로서 멜트블로운 부직포의 양면에 스펀본드형 부직포를 배치하고, 각 섬유층을 수지 접착제를 이용하여 접착시킨 부직포가 개시되어 있다. 또한, 일본 특공소 62-2060호에는 연신된 섬유로 된 스펀본드 부직포에 미고화 상태의 멜트블로운 부직포를 접합시킨 필터가 개시되어 있다.

그러나, 종래의 에어 필터 소재는 합지 공정에서 차압이 지나치게 높아지고 압력손실이 많이 발생할 뿐 아니라 포집 효율 향상에 한계가 있었다. 특히 지지체 사이에 소재층을 구비하는 3층 이상의 에어필터의 경우 기능성 부여를 목적으로 합지를 하기 때문에 제거율의 향상보다는 압력손실이 상당히 증가하는 문제가 있었다.

또한, 전기방사를 이용하여 제조하는 에어 필터 소재는 나노 섬유가 밀집된 형태로, 두께가 얇은 특징이 있다. 이처럼 에어 필터 소재에서 두께가 얇은 경우 섬유의 높은 충진율을 의미하며 이는 우수한 제거 효율을 달성할 수 있으나, 공기의 흐름을 막아 차압의 상승을 유발하는 단점이 있다. 더욱이, 전기방사법을 이용하여 나노 섬유 제조 시 섬유가 적층 될수록 섬유가 서로 압착되어 두께 상승폭이 감소하여 충진율이 상승한다. 이러한 문제를 해결하고자 무기입자 (TiO₂, SiO₂)등을 사용하는 경우가 있으나, 무기입자 사용 시 제조 과정에서 응집 현상, 무기입자의 이탈 등의 현상이 발생할 수 있다.

이에 따라, 별도의 무기 입자 등을 사용하지 않고도 효과적으로 섬유 소재의 두께를 조절하여 높은 입자 제거 효율과 함께 저차압을 특성을 구현할 수 있는 에어 필터용 섬유 소재에 대한 개발이 지속적으로 요구되고 있다.

본 발명은 별도의 무기 입자 등을 사용하지 않고도 효과적으로 섬유 소재의 두께와 함께 공극 분포를 최적화하여 높은 입자 제거 효율과 함께 저차압을 특성을 구현할 수 있는 에어 필터용 섬유 소재와 이를 제조하는 방법, 및 이를 이용한 에어 필터를 제공하고자 한다.

발명의 일 구현예에 따르면, 섬유의 직경이 550 nm 내지 2.0 ㎛인 미세 섬유, 및 상기 미세 섬유 사이에 존재하는 고분자 비드를 포함하고, 상기 고분자 비드의 직경은 5 ㎛ 내지 10 ㎛인, 에어 필터용 섬유 소재가 제공된다.

또한, 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 전기방사법 또는 용액방사법(Solution blowing)으로, 섬유의 직경이 550 nm 내지 2.0 ㎛인 미세 섬유를 형성시키고, 비드의 직경이 5 ㎛ 내지 10 ㎛인 고분자 비드를 상기 미세 섬유 사이에 형성시키는 단계;를 포함하며, 상술한 바와 같은 에어 필터용 섬유 소재를 제조하는 방법이 제공된다.

또한, 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상술한 바와 같은 에어 필터용 섬유 소재를 사용한 필터 팩을 장착한 에어 필터가 제공된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 섬유 소재를 구성하는 미세 섬유 사이에 고분자 비드를 포함하여 섬유 충진율을 감소시켜 높은 입자 제거 효율과 함께 저차압을 특성을 구현할 수 있는 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 에어 필터용 섬유 소재에 대한 전자현미경 사진이다(좌측: 5,500 배 확대, 우측: 5,500 배 확대).
도 2는 본 발명의 비교예 1에 따라 제조된 에어 필터용 섬유 소재에 대한 전자현미경 사진이다 (좌측: 5,5000 배 확대, 우측:4,000배 확대).
도 3은 본 발명의 실시예 1와 비교예 1에 따라 제조된 에어 필터용 섬유 소재에 대하여 캐필러리 플로우 포어미터(Capillary flow porometer)를 이용해 측정한 공극 구조 분포 그래프이다.

본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명은 별도의 무기 입자 등을 사용하지 않고도 섬유 소재의 두께와 공극 분포를 최적화하여 높은 입자 제거 효율과 함께 저차압을 특성을 구현할 수 있는 에어 필터용 섬유 소재와 이를 제조하는 방법, 이를 이용한 에어 필터가 제공된다.

특히, 본 발명은 섬유 소재를 구성하는 미세 섬유 사이에 고분자 비드가 개별적인 형태로 포함되도록 구성하면서, 상기 미세 섬유와 고분자 비드의 직경을 최적화함으로써, 별도의 무기 입자 등을 사용하지 않고도 섬유 소재의 두께와 공극 분포를 조절하여 높은 입자 제거 효율과 함께 저차압을 특성을 구현할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

발명의 일 구현예에 따르면, 상기 에어 필터용 섬유 소재는 섬유의 직경이 550 nm 내지 2.0 ㎛인 미세 섬유, 및 상기 미세 섬유 사이에 비드의 직경이 5 ㎛ 내지 10 ㎛인 고분자 비드가 형성되어 있다.

상기 에어 필터용 섬유 소재는 후술되는 바와 같은 전기 방사법이나 용액 방사법을 통해 형성되어, 부직포 등의 형태로 서로 얽혀 있는 구조를 갖는 섬유집합체를 형성하는 것이 될 수 있다. 여기서, 섬유 소재는 원단(fabric)이나 부직포, 여과재 등으로 지칭될 수 있다.

상기 에어 필터용 섬유 소재에서 미세 섬유는 높은 충진율로 우수한 제거효율을 달성할 수 있도록 하는 것으로, 구체적으로는 미세 섬유의 직경은 550 nm 내지 2.0 ㎛이거나, 혹은 600 nm 내지 1.5 ㎛, 혹은 700 nm 내지 1.2 ㎛일 수 있다. 이러한 미세 섬유의 평균 직경은 750 nm 내지 1.3 ㎛, 혹은 800 nm 내지 1.15 ㎛, 혹은 850 nm 내지 1.0 ㎛일 수 있다. 상기 미세 섬유의 직경은 섬유 충진율 제어의 측면에서 550 nm 이상이 되어야 하고, 전기 방사 등을 이용한 섬유 제조시 생산 속도 저하를 방지하는 측면에서 2.0 ㎛ 이하가 되어야 한다. 미세 섬유의 직경이 550 nm 이하일 경우 섬유 직경이 공극을 채워 충진율에 영향을 주어 차압의 상승이 발생할 수 있다.

본 발명의 에어 필터용 섬유 소재에서 미세 섬유라 함은, 방사법이나 용액 방사법을 통해 형성되었을 때 섬유 직경이 최소한 약 0.1 nm 이상 혹은 약 0.5 nm 이상이 되는 것을 지칭한다. 섬유 소재로 사용한 미세 섬유는 거미줄과 같은 나노 네트(nano net) 형태가 아닌 독립된 섬유로 존재하며, 원통형으로 섬유장의 끊김 없이 최소한 약 20 ㎛ 이상 혹은 약 30 ㎛ 이상의 길이가 연속되는 긴 형태를 갖는다.

본 발명의 에어 필터용 섬유 소재는, 상술한 바와 같은 나노 네트(nano net) 형태의 구성 없이 미세 섬유(nanofiber)와 고분자 비드(bead) 로만 구성된 형태일 수 있다. 이처럼 미세 섬유(nanofiber)와 고분자 비드(bead)로만 구성된 형태는, 나노 네트 형태보다 차압 감소 측면에서 우수한 효과를 얻을 수 있다. 상기 나노 네트 형태에서는 공극의 크기가 매우 작아 에어 필터 원단으로 사용 시 높은 차압이 발생할 가능성이 높다. 이러한 경우 실제 사용 환경에서 에너지 효율 감소 및 소음 발생의 원인이 될 수 있다.

또한, 상기 미세 섬유의 사이에 형성된 고분자 비드는 미세 섬유 에어 필터의 충진율 제어하여 에어 필터용 섬유 소재에 공기의 흐름을 원활히 할 수 있어 유사한 제거 효율에서 보다 차압 (Pressure drop)을 낮출 수 있도록 하는 것으로, 구체적으로는 고분자 비드의 직경은 5 ㎛ 내지 10 ㎛이거나, 또는 5.15 ㎛ 내지 8.5 ㎛, 또는 5.3 ㎛ 내지 7 ㎛일 수 있다. 또한, 상기 고분자 비드의 평균 직경은 약 5 ㎛ 내지 약 8 ㎛, 혹은 약 5.2 ㎛ 내지 약 7 ㎛, 약 5.5 ㎛ 내지 약 6.5 ㎛일 수 있다. 상기 고분자 비드유의 직경은 충분한 공극률 확보를 위하여 5 ㎛ 이상이 되어야 하고, 균일한 형태의 원단 제조 측면에서 10 ㎛ 이하가 되어야 한다.

상기 고분자 비드는 폴리비닐리덴 디플루오라이드 (PVDF, polyvinylidenedifluroride), 폴리에틸렌옥사이드 (PEO, Polyethylene oxide), 폴리비닐피롤리돈(PVP, Polyvinyl pyrollidone) 또는 그의 혼합물로 이루어진 것일 수 있다.

또한, 상기 미세 섬유는 폴리 아크릴로니트릴 (PAN, polyacrylonitrile), 폴리아마이드 (Polyamid6, Polyamide 6,6), 폴리에테르 술폰산 (PES, Polyethyer sulfone), 폴리우레탄 (Polyurethane), 폴리이미드 (Polyimide), 폴리부틸렌 숙시네이트 (Polybutylene succinate), 폴리에틸렌 옥사이드 (Polyethylene oxide), 폴리 염화비닐 (Polyvinyl chloride), 폴리비닐알코올 (PVA, Polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 셀룰로오스 아세테이트 (Cellulose acetate) 또는 그의 혼합물 로 이루어진 것일 수 있다.

상기 고분자 비드는 상기 미세 섬유와 동일한 고분자 성분으로 이루어지거나, 또는 상기 미세 섬유와 상이한 고분자 성분으로 이루어지는 것일 수 있다.

한편, 상기 고분자 비드는 상기 미세 섬유와 일체화된 형태가 아닌 별도의 형태로 존재하는 것으로, 상기 미세 섬유와 물리적으로 분리 가능한 형태로 존재하는 것일 수 있다. 이는 미세 섬유와, 비드가 물리적/화학적으로 부착 또는 결합되지 않은 상태를 의미한다. 이러한 고분자 비드의 형태는 미세 섬유와 일체화된 형태에 비하여 충진률 제어 측면에서 우수한 효과를 얻을 수 있다. 일체화된 형태의 섬유의 경우 비드의 크기를 5 ㎛ 이상 포함시킬 경우 미세 섬유 형성에 어려움이 있으며 이로 인해 생산성 저하 및 균일한 섬유 제조에 어려움이 있다.

상기 고분자 비드는 구형(globular shape)을 비롯하여 3차원 구조를 갖는 원뿔(cone shape), 원기둥(cylinder shape), 육면체(hexahedron, cubic shape) 등 다양한 형태를 갖는 것일 수 있다.

본 발명의 에어 필터용 섬유 소재는 미세 섬유와 고분자 비드의 직경을 최적화하여 미세 섬유 사이에 고분자 비드가 개별적인 형태로 포함되도록 구성함으로써, 섬유 충진율을 효과적으로 감소시켜 높은 입자 제거 효율과 함께 저차압을 특성을 구현할 수 있다.

상기 에어 필터용 섬유 소재는 적용 풍량 32 L/min (면풍속 5.33 ㎝/sec) 조건 하에서 직경 0.3 ㎛인 염화나트륨(NaCl) 입자의 포집 효율이 85% 이상, 혹은 90% 이상, 혹은 95% 이상일 수 있다.

또한, 상기 에어 필터용 섬유 소재는 적용 풍량 32 L/min (면풍속 5.33㎝/sec) 조건 하에서 섬유 소재 통과 전후의 압력 손실 값으로부터 측정한 차압이 범위에서 5.8 mmAQ 이하가 될 수 있다. 구체적으로, 상기 에어 필터용 섬유 소재는, 95% 이상의 제거효율 범위에서 5.8 mmAQ 이하, 혹은 90% 이상 95% 미만의 제거효율 범위에서 4.0 mmAQ 이하, 혹은 80% 이상 90% 미만의 제거효율 범위에서 3.5 mmAQ 이하, 80% 이하의 제거효율 범위에서 2.0 mmAQ 이하가 될 수 있다.

일반적으로, 에어필터 분야에서 차압은 공기정화능력(Clean air delivery rate)에 매우 중요한 영향을 주는 값으로, 특히 공기청정기 분야에서는 에너지효율과 청정 면적을 결정한다. 차압이 높은 에어필터를 사용할 경우 정화된 공기의 공급량이 급격히 감소하며, 이를 보완하고자 할 경우 공기청정기에 부착된 팬(FAN)의 출력을 높여야 한다. 이와 같은 경우 공기청정기의 소비전력이 증가하게 되며, 소음이 발생할 수 있다. 팬의 출력을 변경하지 않을 경우, 에어필터를 적용한 장치의 청정 가능 면적이 급격히 감소하며, 이러한 경우 실내 공기 질을 정화하기에 어려움이 발생한다.

특히, 물리적 포집 방식을 이용한 에어필터의 경우 대부분 높은 차압이 발생하게 되어 기존 정전부직포 필터를 사용하는 실내용 공기청정기 적용에 한계가 있다. 하지만 정전기적 포집 방식에 비해 주변 환경에 의한 먼지 제거 성능의 감소가 발생하지 않으며, 사용기간 동안 일정한 정화 능력을 유지할 수 있다. 본 발명의 에어 필터용 섬유 소재는 물리적 포집 방식을 이용함에도 낮은 차압을 구현할 수 있는 특징이 있다.

상기 에어 필터용 섬유 소재는, 섬유 충진율이 약 0.01 내지 약 0.25일 수 있다.

상기 에어 필터용 섬유 소재는, 섬유 소재로 제작한 원단의 면적과 무게를 측정하여 계산한 평량이 20 g/㎡ 내지 50 g/㎡, 혹은 25 g/㎡ 내지 45 g/㎡, 혹은 30 g/㎡ 내지 40 g/㎡일 수 있고, 디지털 두께 측정기(Mitutoyo, 507-401)를 이용하여 측정한 두께가 120 ㎛ 내지 200 ㎛, 혹은 130 ㎛ 내지 180 ㎛, 혹은 140 ㎛ 내지 170 ㎛일 수 있다. 상기 평량은 필터의 입자 포집 효율 측면에서 20 g/㎡ 이상일 수 있으며, 평량이 50 g/㎡를 초과할 경우 입자 포집 효율 대비 차압이 급격하게 상승할 수 있다. 또한, 상기 두께는 평량 대비 120 ㎛ 미만일 경우 차압이 급격하게 상승하게 된다. 평량 대비 두께가 크게 증가하며 200 ㎛를 초과할 경우에는 입자 포집 효율이 떨어질 수 있으며, 원단의 형태가 균일하게 형성되지 않을 수 있다.

상기 에어 필터용 섬유 소재는, 평균 공극 크기가 약 1.5 내지 약 4.5 ㎛, 혹은 약 1.8 내지 약 4.0 ㎛, 혹은 약 2.0 내지 약 3.8 ㎛일 수 있다. 상기 평균 공극 크기는 필터의 입자 포집 효율 측면에서 4.5 ㎛ 이하일 수 있으며, 약 1.5 ㎛ 미만인 경우에는 입자 포집 효율 대비 차압이 급격하게 상승할 수 있다. 여기서, 상기 에어 필터용 섬유 소재의 평균 공극 크기는 캐필러리 플로우 포어미터(Capillary flow porometer; PMI, Porous materials, Inc, USA)를 이용하여 방법으로 공극 크기를 측정하고, 하기의 식 1로 표시되는 Washburn equation에 의해 자동으로 산측된 값을 얻을 수 있다. 이때, 45.9 dynes/㎝의 표면장력을 가지는 습윤 물질(Galwick 용액)을 사용할 수 있다.

[식 1]

D = 4γ × cos θ × 1/P

상기 식 1에서,

D는 에어 필터 원단의 공극 크기(㎛)이고,

γ는 측정에서 사용한 용액의 표면장력(Galwick, 45.9 dynes/cm)이고,

θ는 측정에 사용한 용액의 접촉각이고,

P는 측정시 적용한 기체 압력(단위: psi)이다.

상기 섬유 소재의 공극 크기를 측정할 때, 용액은 예컨대, 45.9 dynes/㎝의 표면장력을 가지는 습윤 물질(Galwick 용액: Galwick, silwick, water)을 사용할 수 있고, 기체는 공기, 질소 등을 사용할 수 있다. 이러한 용액의 표면장력(γ)은 15 내지 72 dynes/㎝일 수 있고, 용액의 접촉각(θ)은 0 내지 180 도일 수 있고, 측정시 적용한 기체 압력(P)는 0.01 내지100 psi일 수 있다. 특히, 일반적으로 섬유 소재의 공극 크기 측정에 사용하는 용액은 섬유 소재에 흡수가 가능한 용액을 이용하므로 상기 식 1의 cos θ = 1을 사용한다.

한편, 발명의 다른 일 구현예에서, 상술한 바와 같은 에어 필터용 섬유 소재를 제조하는 방법이 제공된다.

상기 에어 필터용 섬유 소재의 제조 방법은 전기방사법 또는 용액방사법(Solution blowing)으로, 섬유의 직경이 550 nm 내지 2.0 ㎛인 미세 섬유를 형성시키고, 비드의 직경이 5 ㎛ 내지 10 ㎛인 고분자 비드를 상기 미세 섬유 사이에 형성시키는 단계;를 포함한다.

여기서, 미세 섬유 및 고분자 비드, 섬유 소재 관련한 특징은 전술한 바와 같으며, 구체적인 설명은 생략한다.

상기 전기방사법은 노즐 형태의 전기방사 장치를 사용한 것을 특징으로 하는 것으로 노즐형태로 구성된 통상의 전기방사 장치를 이용하여 미세섬유 제조용 용액, 고분자 비드 제조용 용액을 각각 사용하여 수행할 수 있다.

또한, 상기 용액방사법(Solution blowing)은 섬유의 미세화를 고압의 공기를 이용한 것을 특징으로 하는 것으로 통상의 용액방사용 장치를 이용하여 미세섬유 제조용 용액, 고분자 비드 제조용 용액을 각각 사용하여 수행할 수 있다.

한편, 발명의 또 다른 일 구현예에서, 상술한 바와 같은 에어 필터용 섬유 소재를 사용한 필터 팩을 장착한 에어 필터가 제공된다.

상기 에어 필터는 섬유의 직경이 550 nm 내지 2.0 ㎛인 미세 섬유, 및 상기 미세 섬유 사이에 존재하는 고분자 비드를 포함하고, 상기 고분자 비드의 직경은 5 ㎛ 내지 10 ㎛인 섬유 소재를 사용한 필터 팩을 장착한 것을 특징으로 한다.

여기서, 미세 섬유 및 고분자 비드, 섬유 소재 관련한 특징은 전술한 바와 같으며, 구체적인 설명은 생략한다.

상기 에어 필터는 입자 제거를 위해 사용하는 필터용 원단을 특징으로 하는 것으로, 상기 에어 필터는 추가로 보호층으로 사용 가능한 메쉬, 부직포 또는 절곡을 위한 기재 등을 포함할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

<에어 필터용 섬유 소재의 제조>

실시예 1

전기 방사 장치로 Nano NC사의 Machine-5 장치를 이용하여 폴리 아크릴로니트릴 (PAN, polyacrylonitrile)과 폴리비닐리덴 디플루오라이드 (PVDF, polyvinylidene difluroride)를 동시에 방사하여 에어 필터용 섬유 소재를 제조하였다.

이 때, 비드 형성용 방사 용액으로 PVDF를 디메틸포름아미드(DMF, dimethylformamide)에 10 wt% 농도로 용해하였으며, 미세 섬유 형성용 방사 용액으로 PAN을 DMF에 11 wt% 농도로 용해하였다. 그리고나서, PVDF 및 PAN을 포함하는 각각의 방사 용액을 주입 속도 1.5 mL/hr로 30 kV 전압 조건에서 동시에 전기 방사하였다. 이때, 비드 형성용 노즐 직경 형성은 0.86 mm이었으며, 미세 섬유 형성용 노즐 직경 형성은 0.86 mm이었으며, 이러한 노즐을 전기방사구로 이용하여 전기방사하였다.

실시예 2

전기 방사 공정에서 방사 용액의 주입 시간을 조절하여 용액 주입량을 실시예 1 대비 50%로 달리하여 섬유 소재의 평량을 조절하여 80% 내외의 성능을 갖도록 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 에어 필터용 섬유 소재를 제조하였다.

비교예 1

전기 방사 장치로 Nano NC사의 Machine-5 장치를 이용하여 PAN과 PVDF를 동시에 방사하여 에어 필터용 섬유 소재를 제조하였다.

이 때, 비드 형성용 방사 용액으로 PVDF를 DMF에 10 wt% 농도로 용해하였으며, 미세 섬유 형성용 방사 용액으로 PAN을 DMF에 8 wt% 농도로 용해하였다. 그리고나서, PVDF 및 PAN을 포함하는 각각의 방사 용액을 1.5 mL/hr 속도로 30 kV 전압 조건에서 동시에 전기 방사하였다. 이때, 비드 형성용 노즐 직경은 0.41 mm이었으며, 미세 섬유 형성용 노즐 직경 형성은 0.86 mm이었으며, 이러한 노즐을 전기방사구로 이용하여 전기방사하였다.

비교예 2

전기 방사 공정에서 방사 용액의 주입 시간을 조절하여 용액 주입량을 비교예 1 대비 50%로 달리하여 섬유 소재의 평량을 조절하여 80% 내외의 성능을 갖도록 한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법으로 에어 필터용 섬유 소재를 제조하였다.

비교예 3

이 때, 비드 형성용 방사 용액으로 PVDF를 디메틸포름아미드(DMF, dimethylformamide)에 10 wt% 농도로 용해하였으며, 미세 섬유 형성용 방사 용액으로 PAN을 DMF에 8 wt% 농도로 용해하였다. 그리고나서, PVDF 및 PAN을 포함하는 각각의 방사 용액을 주입 속도 1.5 mL/hr로 30 kV 전압 조건에서 동시에 전기 방사하였다. 이때, 비드 형성용 노즐 직경 형성은 0.86 mm이었으며, 미세 섬유 형성용 노즐 직경 형성은 0.86 mm이었으며, 이러한 노즐을 전기방사구로 이용하여 전기방사하였다.

<에어 필터 원단의 물성 및 성능 평가>

시험예 1

실시예 및 비교예 따라 얻어진 에어 필터 원단에 대하여, 다음과 같은 방법으로 물성 평가를 수행하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

1) 미세 섬유의 직경 및 고분자 비드의 직경 (㎛)

실시예 및 비교예 따라 얻어진 에어 필터 원단을 백금코팅한 후 전자주사현미경 (JSM-7610, HITACHI-S4800, 일본)을 이용하여 전자현미경 분석을 수행하였다. 전자주사현미경으로 촬영한 사진을 이용하여 미세 섬유의 직경과 고분자 비드의 직경을 측정하고 각각의 평균값을 산측하였다. 이 때 미세 섬유는 직경이 최소한 0.1 nm 이상이며, 원통형의 형상을 갖는 섬유를 대상으로 한 것이며, 고분자 비드는 직경이 최소한 1㎛ 이상인 비드를 대상으로 하였다.

2) 평균 공극 크기 (㎛)

캐필러리 플로우 포어미터(Capillary flow porometer; PMI, Porous materials, Inc, USA)를 이용하여 방법으로 공극 크기를 측정하고, 하기의 식 1로 표시되는 Washburn equation을 이용하여 계산하였다.

[식 1]

D = 4γ × cos θ × 1/P

상기 식 1에서,

D는 에어 필터 원단의 공극 크기(㎛)이고,

γ는 측정에서 사용한 용액의 표면장력(Galwick, 45.9 dynes/cm)이고,

θ는 측정에 사용한 용액의 접촉각이고,

P는 측정시 적용한 기체 압력(단위: psi)이다.

3) 섬유 소재의 평량 (Basis weight, g/㎡)

기재로 폴리에스테르(Polyester) 부직포를 사용하여, 기재를 포함한 실시예 및 비교예의 에어백용 섬유 소재를 4㎝ x 4㎝ 크기로 샘플을 3개 이상 준비하여 질량을 측정하고 평균값을 산측하였다. 접착제만을 도포한 기재를 동일한 방법으로 측정한 후, 상기 실측값에서 제외하는 방법으로 실시예 및 비교예의 에어백용 섬유 소재의 평량을 확인하였다.

4) 섬유소재의 두께 (㎛)

기재로 폴리에스테르(Polyester) 부직포를 사용하여, 기재를 포함한 실시예 및 비교예의 에어백용 섬유 소재를 4㎝ x 4㎝ 크기로 샘플을 3개 이상 준비하여 Mitutoyo 두께 게이지를 이용, 샘플의 전체 면적 중 5 영역 이상을 균등 분할하여 각 샘플의 동일한 위치에서 각각 두께를 측정 후 평균값을 산측하였다.

	미세 섬유 직경 범위 (㎛)	미세 섬유 평균 직경 (㎛)	고분자 비드 직경 범위 (㎛)	고분자 비드 평균 직경 (㎛)	섬유 소재 평량 (g/㎡)	섬유 소재 두께 (㎛)	평균 공극 크기 (㎛)
실시예 1	0.72 -1.13	0.95	5.65 - 6.21	5.96	37.17	163	2.33
비교예 1	0.33 - 1.50	0.45	1.90 - 3.62	2.83	35.02	153	1.38
실시예 2	0.72 -1.13	0.95	5.65 - 6.21	5.96	35.01	148	3.61
비교예 2	0.33 - 1.50	0.45	1.90 - 3.62	2.83	32.19	139	2.6
비교예 3	0.33 - 1.50	0.45	5.65 - 6.21	5.96	35.07	151	1.24

한편, 본 발명의 실시예 1와 비교예 1에 따라 제조된 에어 필터용 섬유 소재에 대하여 캐필러리 플로우 포어미터(Capillary flow porometer)를 이용해 측정한 공극 구조 분포 그래프를 도 3에 나타내었다. 도 3의 그래프에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 에어 필터용 섬유 소재는 거의 모든 측정값이 비교예 1의 평균 공극 크기인 1.38 ㎛보다 큰 쪽에 분포하고 있음을 알 수 있으며, 이에 따라 실시예 1의 에어 필터용 섬유 소재는 평균 공극 크기가 2.33 ㎛로 현저한 차이로 크게 나타남을 알 수 있다.

시험예 2

실시예 및 비교예 따라 얻어진 에어 필터 원단에 대하여, 다음과 같은 방법으로 필터 성능 평가를 수행하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

1) 입자 제거 효율 ( % )

필터 자동화 측정 장치를 이용하여 입자 제거 효율(%)을 측정하였다. 이때, TSI사(USA)의 필터자동화 측정장치인 TSI 8130A 장비를 이용하여 32 L/min의 유량으로 측정하였다. 입자로는 NaCl을 Aerogel 형태로 분사한 것을 이용하였다.

2) 차압 ( mmAQ )

필터 자동화 측정 장치를 이용하여 차압(mmAQ)을 측정하였다. 이때, TSI사(USA)의 필터자동화 측정장치인 TSI 8130A 장비를 이용하여 32 L/min(면풍속 5.33 ㎝/sec)의 유량으로 측정하였다.

	입자 제거 효율 (%)	차압 (mmAQ)
실시예 1	95.35	5.8
비교예 1	99.10	9.7
실시예 2	86.22	2.5
비교예 2	88.40	4.0
비교예 3	97.78	6.1

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 고분자 비드 지름 5.65 내지 6.21 ㎛, 섬유 직경 720 nm 내지 1.13 ㎛의 미세 섬유로 구성된 실시예 1의 경우, 고분자 비드 지름 1.90 내지 3.62 ㎛, 섬유 직경 330 nm 내지 1.50 ㎛의 미세 섬유로 구성된 비교예 1과 유사한 정도의 입자 제거 효율에서 약 3 mmAQ 만큼의 차압 개선 효과를 확인할 수 있다. 특히, 미세 섬유의 평균 직경이 450 nm인 비교예 1에서는 섬유 소재 두께가 실시예 1 대비 10 ㎛ 가량 낮으며, 평균 공극 크기 또한 1.38 ㎛에 불과한 것으로 확인되었으며, 이로 인해 차압이 크게 증가되었음을 알 수 있다. 또한, 실시예 2는 실시예 1과 동일한 방법으로 제작하여 중성능 필터에 적용하기 위해 제작한 것으로, 비교예 1과 동일한 방법으로 제작한 비교예 2와 유사한 입자 제거효율에서 약 1.5 mmAQ의 차압 개선 효과를 나타내었다. 이로써, 본 발명에 따른 실시예 1 및 2를 적용한 에어필터의 경우, 물리적 포집 방식을 이용하면서도 낮은 차압 구현이 가능하여, 정화된 공기의 공급량이 크게 증가될 뿐만 아니라 우수한 에너지효율과 청정 면적을 제공할 수 있으며, 주변 환경에 의한 먼지 제거 성능의 감소가 발생하지 않으며, 사용기간 동안 일정한 정화 능력을 유지하는 우수한 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

한편, 비교예 3은 고분자 비드의 지름이 실시예 1과 동일한 정도로 5.65 내지 6.21 ㎛로 적용하였음에도 불구하고, 실시예 1에 비해 필터 소재의 두께가 감소하였으며, 차압 대비 효율이 감소하는 것을 확인하였다. 이를 통해, 고분자 비드가 형성되는 미세 섬유의 직경이 감소할 경우 공극 구조 감소가 발생하며 그로 인해 차압이 증가하게 됨을 알 수 있다.

Claims (11)

1. 섬유의 직경이 600 nm 내지 1.5 ㎛인 미세 섬유, 및 상기 미세 섬유 사이에 존재하는 고분자 비드를 포함하고,
   상기 고분자 비드의 직경은 5.15 ㎛ 내지 8.5 ㎛이며, 상기 미세 섬유의 평균 직경은 800 nm 내지 1.15 ㎛이고, 상기 고분자 비드의 평균 직경은 5.2 ㎛ 내지 7 ㎛이고,
   평균 공극 크기가 1.5 ㎛ 내지 2.33 ㎛이고, 평량이 20 g/㎡ 내지 50 g/㎡이고, 두께가 120 ㎛ 내지 200 ㎛이고,
   적용 풍량 32 L/min 조건 하에서 직경 0.3 ㎛인 염화나트륨(NaCl) 입자의 포집 효율이 95% 이상이고, 적용 풍량 32 L/min 조건 하에서 섬유 소재 통과 전후의 압력 손실 값으로부터 측정한 차압이 5.8 mmAq 이하인,
   에어 필터용 섬유 소재.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 고분자 비드는 폴리비닐리덴 디플루오라이드 (PVDF, polyvinylidene difluroride), 폴리에틸렌옥사이드 (PEO, Polyethylene oxide), 폴리비닐피롤리돈(PVP, Polyvinyl pyrollidone) 또는 그의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는,
   에어 필터용 섬유 소재.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 미세 섬유는 폴리 아크릴로니트릴 (PAN, polyacrylonitrile), 폴리아마이드 (Polyamid6, Polyamide 6,6), 폴리에테르 술폰산 (PES, Polyethyer sulfone), 폴리우레탄 (Polyurethane), 폴리이미드 (Polyimide), 폴리부틸렌 숙시네이트 (Polybutylene succinate), 폴리에틸렌 옥사이드 (Polyethylene oxide), 폴리 염화비닐 (Polyvinyl chloride), 폴리비닐알코올 (PVA, Polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 셀룰로오스 아세테이트 (Cellulose acetate) 또는 그의 혼합물 로 이루어진 것을 특징으로 하는,
   에어 필터용 섬유 소재.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 고분자 비드는 상기 미세 섬유와 물리적으로 분리 가능한 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는,
   에어 필터용 섬유 소재.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 전기방사법 또는 용액방사법(Solution blowing)으로, 섬유의 직경이 600 nm 내지 1.5 ㎛이고, 섬유의 평균 직경은 800 nm 내지 1.15 ㎛인 미세 섬유를 형성시키고, 비드의 직경이 5.15 ㎛ 내지 8.5 ㎛이고, 비드의 평균 직경은 5.2 ㎛ 내지 7 ㎛인 고분자 비드를 상기 미세 섬유 사이에 형성시키는 단계;
    를 포함하고,
    평균 공극 크기가 1.5 ㎛ 내지 2.33 ㎛이고, 평량이 20 g/㎡ 내지 50 g/㎡이고, 두께가 120 ㎛ 내지 200 ㎛이고,
    적용 풍량 32 L/min 조건 하에서 직경 0.3 ㎛인 염화나트륨(NaCl) 입자의 포집 효율이 95% 이상이고, 적용 풍량 32 L/min 조건 하에서 섬유 소재 통과 전후의 압력 손실 값으로부터 측정한 차압이 5.8 mmAq 이하인, 에어 필터용 섬유 소재의 제조 방법.
    
11. 제1항에 따른 섬유 소재를 사용한 필터 팩을 장착한 에어 필터.