KR102219204B1

KR102219204B1 - 세라믹 허니컴 항균필터 및 그 제조방법, 제조시스템

Info

Publication number: KR102219204B1
Application number: KR1020200106689A
Authority: KR
Inventors: 범성근; 최승현; 범창수; 김가영; 염지철; 이정훈
Original assignee: 범성근
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2021-02-23

Abstract

본 발명은 공기정화기능이 우수함은 물론이며, 항균성이 부여되어 세균이나 바이러스가 번식되는 것이 방지되어 위생적인 사용이 가능한 새로운 구성의 세라믹 허니컴 항균필터 및 이러한 세라믹 허니컴 항균필터를 효율적으로 제조할 수 있는 새로운 구성의 세라믹 허니컴 항균필터 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 다공질 격벽에 의해 복수개의 나란한 유체통로가 형성된 세라믹 허니컴 필터에 있어서, 상기 세라믹 허니컴 필터의 다공성 격벽에는 나노 항균제가 부착되며, 상기 나노 항균제는 은 나노입자가 수산화 아파타이트에 결합된 복합체인 것을 특징으로 하는 세라믹 허니컴 항균필터 및 그 제조방법이 제공된다.

Description

세라믹 허니컴 항균필터 및 그 제조방법, 제조시스템{Ceramic honeycomb antibacterial filter and manufacturing method, manufacturing system of the same that}

본 발명은 세라믹 허니컴 항균필터 및 그 제조방법, 제조시스템에 관한 것으로서, 공기정화기능이 우수함은 물론이며, 항균성이 부여되어 한층 더 위생적인 사용이 가능한 새로운 구성의 세라믹 허니컴 항균필터 및 그 제조방법, 제조시스템에 관한 것이다.

세라믹 허니컴 필터는 도 1에 도시된 바와 같이, 다공질 격벽에 의해 복수개의 유체통로가 형성된 구성을 가지는데, 다공질 격벽이 마이크론 크기의 미세기공을 가지므로 초미립자 또는 입자상 물질의 포집성이 우수한 특성을 가지므로 디젤엔진 등의 내연기관 또는 각종 연소장치의 연소가스 정화필터 뿐만 아니라 지하철이나 대형공동시설 등에 설치되는 공기정화장치의 필터로도 많이 이용되고 있다.

그런데 이러한 세라믹 허니컴 필터는 항균기능이 없기 때문에 세균이나 바이러스가 번식될 우려가 있다. 특히, 지하철 등의 공기정화장치와 같이 상온에서 사용되는 경우에는 세균이나 바이러스 등이 번식될 우려가 상당히 높다.

대한민국 등록특허 제10-1123173호(2012. 02. 27.) 대한민국 등록특허 제10-1480811호(2015. 01. 05.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 공기정화기능이 우수함은 물론이며, 항균성이 부여되어 세균이나 바이러스가 번식되는 것이 방지되어 위생적인 사용이 가능한 새로운 구성의 세라믹 허니컴 항균필터 및 이러한 세라믹 허니컴 항균필터를 효율적으로 제조할 수 있는 새로운 구성의 세라믹 허니컴 항균필터 제조방법, 제조시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 특징에 따르면, 다공질 격벽에 의해 복수개의 나란한 유체통로가 형성된 세라믹 허니컴 필터에 있어서, 상기 세라믹 허니컴 필터의 다공성 격벽에는 나노 항균제가 부착되며, 상기 나노 항균제는 은 나노입자가 수산화 아파타이트에 결합된 복합체인 것을 특징으로 하는 세라믹 허니컴 항균필터가 제공된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 나노 항균제 분말을 청정공기와 혼합하는 과정; 상기 과정에서 나노 항균제가 혼합된 공기를 다공질 격벽을 가지는 세라믹 허니컴 필터에 진공흡입력으로 통과시켜서, 상기 나노 항균제를 상기 세라믹 허니컴 필터에 흡착시키는 과정; 상기 과정에 나노 항균제가 흡착된 세라믹 허니컴 필터에 무기바인더용액을 분사하여, 세라믹 허니컴 필터에 무기바인더용액을 부착시키는 과정; 및 상기 세라믹 허니컴 필터를 소성시키는 과정;을 포함하며, 상기 나노 항균제 분말은 은 나노입자가 수산화 아파타이트에 결합된 복합체를 나노크기로 분말화시킨 것을 특징으로 하는 세라믹 허니컴 항균필터의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 서로 대향되는 양측면에 유입구(110)와 배출구(120)가 형성되고, 내부에는 세라믹 허니컴필터(10)가 양측 단부가 상기 유입구(110) 및 배출구(120)를 향하도록 상기 유입구(110)와 배출구(120)사이에 배치되는 코팅챔버(100); 은 나노입자가 수산화 아파타이트에 결합된 복합체를 나노크기로 분말화하여 이루어진 나노 항균제가 저장되며, 배출구(210)가 상기 코팅챔버(100)의 유입구(110)와 연결되는 항균제저장탱크(200); 상기 항균제저장탱크(200)와 코팅챔버(100) 사이에 연결되며, 상기 항균제저장탱크(200)에서 배출되는 나노 항균제를 청정공기와 혼합시키는 믹싱탱크(300); 상기 코팅챔버(100)의 배출구(120)와 연결되어 상기 코팅챔버(100)에 진공흡입력을 발생시켜서, 상기 믹싱탱크(300)에서 나노 항균제가 혼합된 공기를 상기 세라믹 허니컴필터(10)를 통과하도록 상기 코팅챔버(100)로 흡입시키는 진공펌프(400); 무기바인더용액이 저장되는 바인더용액저장탱크(500); 및 상기 코팅챔버(100)의 유입구(110) 측에 위치되도록 상기 코팅챔버(100)에 설치되어 상기 무기바인더용액을 코팅챔버(100)에 분사하는 분사노즐(600);을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 허니컴필터의 항균코팅시스템이 제공된다.

이상과 같은 구성의 본 발명은 세라믹 허니컴필터의 다공질 격벽에 나노 항균제가 코팅되어 항균성을 가진다. 따라서 필터에 세균이나 바이러스가 번식되는 것이 방지되는데, 특히, 본 발명에 의한 필터를 상온의 환경에서 사용되더라도 세균이나 바이러스가 번식될 우려가 없으므로 상당히 위생적이다.

특히, 본 발명은 진공흡입력을 이용하여 분말상의 나노 항균제를 세라믹 허니컴필터에 흡착시켜서 코팅시킴으로써, 나노 항균제가 세라믹 허니컴필터의 다공성 격벽에 고르게 흡착되어 코팅되며, 세라믹 허니컴필터의 다공이 폐쇄되어 필터성능이 저하될 우려도 없어서 필터성능이 우수하면서도 항균특성을 갖는 세라믹 허니컴필터를 제조할 수 있다.

도 1은 일반적인 세라믹 허니컴 필터의 사시도
도 2는 본 발명에서 사용되는 코팅시스템의 개략도

이하에서 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명은 다공질 격벽에 의해 복수개의 평행한 유체통로가 형성된 세라믹 허니컴필터로서, 다공질 격벽에 나노 항균제가 코팅되어 항균성이 부여된 것이다.

상기 나노 항균제는 은 나노입자가 수산화 아파타이트(Hydroxyapatite)에 결합된 복합체로서, 입자크기가 수십 ㎚로 조절된 것이다. 은은 대표적인 무기항균제로서 강력한 살균력을 가지는 것은 공지된 바와 같다. 은 나노입자는 우수한 항균력을 가지나, 그 차제만으로는 공업적인 핸들링이 쉽지 않다. 따라서 본 발명에서는 은 나노입자가 수산화 아파타이트에 결합된 복합체를 사용하는데, 수산화 아파타이트는 뼈나 치아와 같은 인체 경조직의 주요 성분으로서, 인체에 무해하고 내열성도 우수하며, 은에 대한 흡착성도 우수하므로 은 나노입자를 결합시키는 세라믹소재로서 적합하다. 이러한 은 나노입자가 수산화 아파타이트에 결합된 복합체는 공지된 것으로서, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다. 바람직하게는 본 발명에서는 은 나노입자 6중량%와 수산화아파타이트 94중량%가 결합된 복합체를 사용한다.

한편, 일반적으로 세라믹 허니컴필터의 다공질 격벽의 기공은 수십 ㎛ 크기를 가지는데, 상기 나노 항균제는 나노크기를 가지기 때문에, 나노 항균제가 다공질 격벽에 코팅되더라도 다공질 격벽의 기공이 폐색되지 않는다. 본 발명에서 코팅이란 나노 항균제가 다공질 격벽의 표면을 완전히 커버하는 것을 의미하는 것은 아니며, 나노 항균제가 다공질 격벽에 부분적으로 코팅되는 것도 포함하는 의미로 사용된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 나노 항균제, 즉, 은 나노입자가 수산화 아파타이트에 결합된 복합체의 나노분말을 진공흡입방식으로 세라믹 허니컴필터에 흡착시킨 다음, 무기바인더용액으로 1차 고정시켜서 소성시키는 방법으로 세라믹 허니컴 항균필터를 만든다. 이러한 제조방법에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

본 실시예에 의한 코팅방법은 도 2에 도시된 바와 같은 코팅시스템을 사용하여 행해지는데, 상기 코팅시스템은 대향되는 양측에 유입구(110)와 배출구(120)가 형성되어 도 1에 도시된 바와 같은 세라믹 허니컴필터(10)가 거치되는 코팅챔버(100)와, 분말상의 나노 항균제가 저장되며 배출구(210)가 상기 코팅챔버(100)의 유입구(110)와 연결되는 항균제저장탱크(200)와, 코팅챔버(100)와 항균제저장탱크(200) 사이에 연결되어 외부에서 유입되는 청정공기를 상기 항균제저장탱크(200)에서 배출되는 나노 항균제와 혼합하는 믹싱챔버(300)와, 코팅챔버(100)의 배출구(120)에 연결되어 코팅챔버(100)에 진공흡입력을 발생시키는 진공펌프(400)와, 무기바인더용액이 저장되는 바인더저장탱크(500)와, 코팅챔버(100)에 구비되어 상기 바인더저장탱크(500)에 저장된 무기바인더용액을 코팅챔버(100)에 거치된 세라믹 허니컴필터(10)에 분사하는 분사노즐(600)을 포함하여 이루어진다.

상기 코팅챔버(100)는 세라믹 허니컴필터(10)가 코팅되는 공간으로서, 세라믹 허니컴필터(10)가 거치되는 거치수단이 구비된다.

그리고 상기 항균제저장탱크(200)에는 에어콤프레셔(220)가 연결되어 저장된 나노 항균제가 에어콤프레셔(220)에서 발생하는 압축공기에 의해 배출되는 구성을 가진다. 이러한 항균제저장탱크(200)의 배출구(210)는 일단이 상기 코팅챔버(100)의 유입구(110)에 연결되는 배관에 의해 코팅챔버(100)에 연결된다.

상기 믹싱챔버(300)는 필터가 구비된 외기유입구(310)가 상측에 형성되어 오염물질이 필터링된 청정공기가 유입되며, 상기 항균제저장탱크(200)에 배출되는 나노 항균제는 믹싱챔버(300)로 유입되어 믹싱챔버(300) 내부의 청정공기와 혼합된다. 이와 같이 나노 항균제가 믹싱챔버(300)에서 공기와 혼합되어, 후술하는 바와 같이 코팅챔버(100)로 분사되기 때문에 나노 항균제가 세라믹 허니컴필터(10)에 전체적으로 고르게 부착된다.

한편, 상기 진공펌프(400)는 코팅챔버(100)의 배출구(120)에 연결된 배출라인에 설치되어 코팅챔버(100)에 진공흡입력을 발생시킨다. 그리고 상기 바인더저장탱크(500)에는 무기바인더용액이 저장되는데, 이 무기바인더용액은 후술하는 바와 같이, 나노 항균제를 세라믹 허니컴필터(10)에 1차적으로 고정시키며, 소성 후에는 나노 항균제를 허니컴필터(10)에 완전히 고착시킨다. 무기바인더용액으로는 규산소다, 실리카 등의 무기물을 주성분으로 하는 공지된 무기 바인더조성물을 용매를 이용하여 분사가능한 점도로 저 점도화시킨 것이 사용되거나 액상유리를 저 점도화시킨 것이 사용된다.

그리고 상기 분사노즐(600)은 코팅챔버(100)의 유입구(110) 측에 구비되어 상기 바인더저장탱크(500)와 연결된 배관을 통해 공급되는 무기바인더용액을 코팅챔버(100)에 배치된 세라믹 허니컴필터(10)에 분사한다.

이러한 구성을 가지는 코팅시스템을 사용하여 세라믹 허니컴필터를 코팅하는 경우에는 먼저, 세라믹 허니컴필터(10)를 양측 단부가 코팅챔버(100)의 유입구(110) 및 배출구(120) 측으로 향하도록 코팅챔버(100)에 거치시킨다. 그리고 상기 에어컴프레셔(220)를 작동시켜서 항균제저장탱크(200)에 저장된 나노 항균제를 배출시키는데, 배출되는 나노 항균제는 믹싱탱크(300)로 유입되어 믹싱탱크(300) 내부의 청정공기와 혼합된다.

이어서 상기 진공펌프(400)를 작동시킴과 동시에 코팅챔버(100)의 유입구(110)와 배출구(120)를 개방시키고, 믹싱탱크(300)의 배출구도 개방시킨다. 이와 같이 하면 진공펌프(400)에 의해 코팅챔버(100)에 진공흡입력이 발생되어 믹싱탱크(300)의 공기가 코팅챔버(100)로 유입되면서 세라믹 허니컴필터(10)를 통과하는데, 이 과정에서 공기에 혼합된 나노 항균제는 세라믹 허니컴필터(10)의 다공성 격벽에 흡착되고, 세라믹 허니컴필터(10)를 통과한 공기는 코팅챔버(100) 배출구(120)로 배출된다.

이와 같이 하여 나노 항균제가 세라믹 허니컴필터(10)에 흡착되면, 코팅챔버(100)의 유입구(110)를 차단시키고, 상기 분사노즐(600)을 작동시켜서 무기바인더용액을 에어로졸형태로 코팅챔버(100)에 분사시키는데, 이 과정에서도 진공펌프(400)를 작동시켜서 코팅챔버(100)에 발생되는 진공흡입력에 의해 무기바인더용액이 세라믹 허니컴필터(10) 내부로 유입되어 세라믹 허니컴필터(10)의 다공성 격벽에 고르게 흡착되도록 한다. 이와 같이 나노 항균제가 흡착된 세라믹 허니컴필터(10)에 무기바인더용액을 흡착시킴으로써, 나노 항균제가 무기바인더용액에 의해 1차로 고정된다. 세라믹 허니컴필터(10)를 소성시키기 전까지는 나노 항균제가 세라믹 허니컴필터(10)에 완전히 고착된 상태가 아니어서 세라믹 허니컴필터(10)를 후처리하기 위해 이동시키는 과정에서 세라믹 허니컴필터(10)에 흡착된 나노 항균제가 탈리될 우려가 있으나, 나노 항균제가 무기바인더용액에 의해 세라믹 허니컴필터(10)에 1차적으로 고정되기 때문에 이러한 과정에서 나노 항균제가 세라믹 허니컴필터(10)에서 탈리되는 것이 방지된다.

이러한 코팅시스템을 이용하여 세라믹 허니컴필터(10)에 나노 항균제와 무기바인더용액을 흡착시킨 다음, 세라믹 허니컴필터(10)를 코팅챔버(100)에서 꺼내서 후처리, 즉, 소성시킨다. 세라믹 허니컴필터(10)를 300~400℃로 3~4시간 정도 가열하여 무기바인더용액을 소성시켜서 나노 항균제를 세라믹 허니컴필터(10)의 다공성 격벽에 고착시킨다.

이상과 같이 본 실시예에서는 분말상의 나노 항균제를 공기와 혼합시켜서 진공흡입력으로 세라믹 허니컴필터에 부착시키는 방법을 사용하기 때문에, 나노 항균제가 세라믹 허니컴필터의 다공성 격벽에 고르게 흡착되는 효과를 얻을 수 있는데, 이러한 코팅방법은 특히, 세라믹 허니컴필터 중에서도 유체통로의 흡입단부와 배출단부가 밀봉재에 의해 지그재그방식으로 어긋하도록 폐쇄된 일명, 월-플로우(wall-flow) 타입의 허니컴필터에 좀 더 유용하다. 월-플로우(wall-flow) 타입의 세라믹 허니컴필터를 코팅하는 경우에 액상의 코팅액을 사용하면 액상의 코팅액이 밀봉재에 의해 폐쇄된 단부 측에 고여서 다공성 격벽의 다공의 일부를 폐쇄시키고, 이에 따라 세라믹 허니컴필터의 필터성능이 저하될 우려가 있으나 전술한 바와 같은 발명으로 코팅하면 이러한 우려가 해소된다.

실험예 1

은 나노분말 6중량%가 수산화 아파타이트 94중량%에 결합된 복합체의 나노분말 1.5g을 외경(OD) 163 ㅧ 길이 253mm, 기공크기가 0.30∼1.00um 인 월-플로우(wall-flow) 타입의 세라믹 허니컴필터에 코팅하고, 규산소다를 주성분으로 하는 무기바인더용액을 25g 분사한 다음, 300℃에서 4시간 소성시켜서 세라믹 허니컴 항균필터를 만들었다.

제조된 세라믹 항균필터의 황색포도상구균(Staphylococcus aureus, ATCC 6538), 폐렴균(Klebsiella pneumoniae, ATCC 4352)에 대한 항균력을 KS K 0693:2011법에 의거하여 테스트한 결과 표 1과 같은 결과를 얻었다.

구 분		24시간 후 세균감소율(%)
구 분		황색도포상구균	폐렴균
실험예 1	접종균수	1.3 ×10⁵	1.7 × 10⁵
	24시간 경과 후	< 10	< 10
	감소율	99.9	99.9

실험예 2

기공크기가 다른 3종류의 세라믹 허니컴필터를 사용하여 실험예 1과 동일한 방법으로 세라믹 허니컴 항균필터를 만들었다. 3종류의 세라믹 허니컴 항균필터에 의 포집율 테스트하고, 항균코팅 전 세라믹 허니컴필터의 포집율과 비교하였다. 그 결과는 표 2와 같다.

포집율은 필터를 통과하기 전의 공기와, 필터를 통과한 공기를 의 일부를 여지에 공급하여 빛을 쬐어서통과한 양을 측정, 분진의 양에 따라 투과광의 양이 변하므로 투과광양을 필터의 상류,하류측에서 측정하여 효율을 계산.(OD값=광학밀도)

비색법포집효율(%)=[1-(OD하/OD상)]x100

* OD하 : 하류측의 OD값

* OD상 : 상류측의 OD값

코팅 전후 포집효율 비교

Filter종류	입자크기별 효율(%)/크기범위(um)				최소 최종 압력손실
Filter종류	0.30-1.0	1.0-3.0	3.0-10.0	Pascal
코팅 전	E1<75	90<E2	90<E3	350
코팅 후	E1<78	92<E2	91<E3	365

이상에서는 분말상의 나노 항균제를 세라믹 허니컴필터에 흡착시킨 다음, 무기바인더용액으로 1차 고정시킨 후 소성시켜서 본 발명을 제조하는 것으로 예시되었으나, 경우에 따라서는 나노 항균제를 액상유리에 혼합하고, 세라믹 허니컴필터를 나노 항균제가 혼합된 액상유리에 딥핑한 후 소성시키는 방법을 이용할 수도 있는데, 이러한 방법은 플로우-스로(flow-through) 타입의 세라믹 허니컴 항균필터를 제조하는 경우에 적용이 바람직하다.

Claims

나노 항균제 분말을 청정공기와 혼합하는 과정;
상기 과정에서 나노 항균제가 혼합된 공기를 다공질 격벽을 가지는 세라믹 허니컴 필터에 진공흡입력으로 통과시켜서, 상기 나노 항균제를 상기 세라믹 허니컴 필터에 흡착시키는 과정;
상기 과정에 나노 항균제가 흡착된 세라믹 허니컴 필터에 무기바인더용액을 분사하여, 세라믹 허니컴 필터에 무기바인더용액을 부착시키는 과정; 및
상기 세라믹 허니컴 필터를 소성시키는 과정;을 포함하며,
상기 나노 항균제 분말은 은 나노입자가 수산화 아파타이트에 결합된 복합체를 나노크기로 분말화시킨 것을 특징으로 하는 세라믹 허니컴 항균필터의 제조방법.
서로 대향되는 양측면에 유입구(110)와 배출구(120)가 형성되고, 내부에는 세라믹 허니컴필터(10)가 양측 단부가 상기 유입구(110) 및 배출구(120)를 향하도록 상기 유입구(110)와 배출구(120)사이에 배치되는 코팅챔버(100);
은 나노입자가 수산화 아파타이트에 결합된 복합체를 나노크기로 분말화하여 이루어진 나노 항균제가 저장되며, 배출구(210)가 상기 코팅챔버(100)의 유입구(110)와 연결되는 항균제저장탱크(200);
상기 항균제저장탱크(200)와 코팅챔버(100) 사이에 연결되며, 상기 항균제저장탱크(200)에서 배출되는 나노 항균제를 청정공기와 혼합시키는 믹싱탱크(300);
상기 코팅챔버(100)의 배출구(120)와 연결되어 상기 코팅챔버(100)에 진공흡입력을 발생시켜서, 상기 믹싱탱크(300)에서 나노 항균제가 혼합된 공기를 상기 세라믹 허니컴필터(10)를 통과하도록 상기 코팅챔버(100)로 흡입시키는 진공펌프(400);
무기바인더용액이 저장되는 바인더용액저장탱크(500); 및
상기 코팅챔버(100)의 유입구(110) 측에 위치되도록 상기 코팅챔버(100)에 설치되어 상기 무기바인더용액을 코팅챔버(100)에 분사하는 분사노즐(600);을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 허니컴필터의 항균코팅시스템.
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