KR102397171B1 - 미세입자 집진용 필터 및 이를 제조하는 미세입자 집진용 필터 제조 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세입자 집진용 필터에 관한 것으로, 일 실시예에 따르면, 소정 두께를 갖는 판재; 및 상기 판재를 관통하며 동일 형상으로 형성된 다수의 관통홀들;을 포함하고, 상기 다수의 관통홀들은 서로 이격되어 상기 판재의 표면에 일정한 패턴으로 형성된 미세입자 집집용 필터를 제공한다.

Description

미세입자 집진용 필터 및 이를 제조하는 미세입자 집진용 필터 제조 시스템 {Fine particle collecting filter and manufacturing system for producing the fine particle collecting filter}

본 발명은 미세입자 집진용 필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로미터 단위의 직경의 관통홀이 균일하게 형성되어 나노 사이즈의 미세입자를 포집할 수 있는 미세입자 집진용 필터 및 이를 제조하는 필터 제조 시스템에 관한 것이다.

미세먼지에 대한 관심이 높아지면서 자동차의 매연 저감을 위한 규제와 제품들이 많이 생겨나고 있다. 그 중에서 DPF(Diesel Particulate Filter)는 디젤 차량의 매연 입자를 줄이기 위해 가장 많이 이용되는 기술이다. 디젤차량에서는 입자의 크기가 200나노미터 이하인 미세 매연입자가 매우 빠른 유동속도로 배출되므로 고성능의 필터가 요구된다. DPF는 집진, 가열, 재생의 사이클을 반복하며 반영구적으로 쓰일 수 있지만 재생을 위한 가열에 필요한 온도가 650℃ 이므로 주기적으로 배기가스 온도를 650℃로 맞추기 위해 고속 주행을 해주어야 한다. 하지만 시내주행에서만 차를 사용하는 경우에 위와 같은 재생 조건을 만족하지 못해서 1년에 한 번도 DPF 재생을 하지 못하는 경우도 발생하고 있다.

또한 기존 DPF의 재질은 주로 세라믹으로 이루어져 있다. 세라믹 재질 필터는 비열이 높고 열전도율이 낮아 발생한 열을 잘 분산시키지 못하여 재생시 국부적인 급속 발열로 인한 열충격에 약하여 균열 및 파열이 발생할 수 있고 고온에서 표면 입자상 물질이 필터와 융착될 우려도 있다.

세라믹 재질 DPF의 단점을 해결하기 위해 최근 금속 재질의 DPF가 연구되고 있다. 금속 재질 DPF는 강성이 좋고 열전도성이 우수하여 고온의 재생조건에서 파손될 우려가 적다. 금속 재질 DPF는 기존에 금속 마이크로 파이버(fiber)를 겹겹이 쌓은 메탈 파이버 필터나 금속을 다공성 스티로폼처럼 가공한 메탈 폼(foam) 필터 등이 있다. 그러나 파이버나 폼 형태의 금속 필터는 기공의 크기가 일정하지 않아서 필터 차압이나 제거 효율이 일정하지 않다. 더욱이 메탈 파이버 필터는 차량 운행 중에 필터의 파손으로 인한 파이버 가닥이 배기관 밖으로 배출되는 문제가 있고 메탈 폼 필터는 기공 크기가 최소 450 마이크로미터로 커서 필터 차압이 작지만 집진율이 떨어지는 단점이 있다.

특허문헌1: 한국 공개특허 제10-2004-0105279호 (2004년 12월 16일 공개) 특허문헌2: 한국 등록특허 제10-1749028 (2017년 6월 14일 등록)

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로 재생을 위한 주행 제한이 없고 고른 온도 구배로 국부 팽창에 의한 파손이 없으면서 필터 차압이나 제거 효율이 일정한 고집진율의 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 관통홀의 크기를 균일하게 형성함으로써 전류 인가시 전류가 균일하게 공급되어 필터 표면에 균일한 온도분포를 가질 수 있는 미세입자 집진용 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 미세입자 집진용 필터로서, 소정 두께를 갖는 판재; 및 상기 판재를 관통하며 동일 형상으로 형성된 다수의 관통홀들;을 포함하고, 상기 다수의 관통홀들은 서로 이격되어 상기 판재의 표면에 일정한 패턴으로 형성된 것인, 미세입자 집집용 필터를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 미세입자 집진용 필터 제조 시스템으로서, 소정 두께의 판재를 고정시킬 수 있는 스테이지; 상기 스테이지에 고정되는 상기 판재에 펨토초 레이저를 조사하여 다수의 관통홀들을 형성시킬 수 있는 펨토초 레이저 장치; 및 상기 펨토초 레이저 장치가 상기 스테이지에 대해 상대적으로 이동하도록 제어하고 상기 펨토초 레이저의 조사 시간, 출력에너지, 및 레이저빔 직경 중 적어도 하나를 조절하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부가, 상기 다수의 관통홀들이 상기 판재의 표면에서 서로 이격되어 일정한 패턴으로 형성되도록, 상기 펨토초 레이저 장치를 제어하는 것인, 미세입자 집집용 필터 제조 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 미세입자 집진용 필터를 직경이 수 내지 수십 마이크로미터의 미세하고 균일한 관통홀을 갖는 다공성 판재로 제작하여 필터의 차압 분포와 전기 저항 분포를 필터 전체 면적에 걸쳐 균일하게 유지할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 관통홀의 입구측 직경보다 출구측 직경이 작도록 관통홀 내부에 단차를 두거나 직경이 연속적으로 감소하도록 구성하여 큰 입자에 의해 필터가 막히는 것을 방지한다.

그러므로 본 발명에 따르면 디젤 자동차의 배기가스에 포함된 불완전 연소 입자를 포집하고 재생을 함에 있어서 열전도도가 우수한 금속 재질을 필터 재료로 사용이 가능하고 균일한 유로로 필터 표면에 고른 유동 저항을 가지게 함으로써 국부적 필터 막힘을 방지하며 국부적 온도 상승에 따른 입자의 융착을 방지하고 전기 가열을 통한 필터 온도상승으로 낮은 주행속도에서도 필터 재생을 가능하게 하는 기술적 효과를 가진다.

도1 및 도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세입자 집진용 필터를 설명하는 도면,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사장치를 설명하는 도면,
도4는 미세입지 집진용 필터를 배기관에 설치한 예시적 구성을 나타내는 도면,
도5 및 도6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세입자 집진용 필터를 설명하는 도면,
도7 및 도8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세입자 집진용 필터를 설명하는 도면,
도9 및 도10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세입자 집진용 필터를 설명하는 도면이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 이와 유사하게, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결(또는 결합, 체결, 부착 등)된다고 언급하는 경우 그것은 다른 구성요소에 직접적으로 연결(또는 결합, 체결, 부착 등)되거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소를 개재하여 간접적으로 연결(또는 결합, 체결, 부착 등)될 수 있다는 것을 의미한다. 또한 본 명세서의 도면들에 있어서 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '~를 포함한다', '~로 구성된다', 및 '~으로 이루어진다'라는 표현은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

도1 및 도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세입자 집진용 필터를 설명하는 도면으로, 도1은 필터(10)의 평면을 개략적으로 나타내고 도2는 도1의 A-A' 선을 따른 측단면을 개략적으로 나타내었다.

도면을 참조하면, 제1 실시예에 따른 미세입자 집진용 필터(10)(이하 간단히 '필터'라고도 함)는 소정 두께를 갖는 판재(11)와 이 판재(11)에 관통하며 형성된 다수의 관통홀(12)을 포함한다.

일 실시예에서 판재(11)는 고온에도 견딜 수 있는 금속이나 합금 등의 메탈 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어 판재(11)는 스테인리스 스틸(SUS), 페크랄로이(FeCrAl 합금) 등으로 구현될 수 있다. 또 다른 예로서 판재(11)는 전기전도성과 열전도성 및 전기 발열성을 갖는 재질로 형성될 수 있다. 즉 판재(11)에 전류를 인가하면 전류가 판재(11)를 통해 흐르면서 판재(11)를 예컨대 섭씨 600도 이상의 고온으로 가열할 수 있다.

판재(11)의 두께는 예컨대 200 마이크로미터일 수 있으나 이에 한정되지 않으며 구체적 실시형태에 따라 더 두껍거나 더 얇을 수 있다. 판재(11)의 두께는 관통홀(12)의 직경보다 큰 것이 바람직하다.

다수의 관통홀(12)은 모두 동일 직경과 동일 형상으로 형성되고 관통홀(12)들이 서로 이격되어 일정한 패턴으로 형성된다. 예컨대 도시한 실시예에서 관통홀(12)이 격자 패턴으로 배열되었지만 대안적 실시예에서 다른 형상의 패턴으로 일정하고 균일하게 배열 형성될 수 있다.

관통홀(12)의 직경은 수 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터 사이일 수 있고, 일 실시예에서 나노 사이즈의 미세입자를 집진하기 위해 수십 마이크로미터, 예컨대 20 마이크로미터 또는 그 이하의 직경을 갖도록 형성될 수 있다. 일반적인 기계적 드릴링의 한계가 200 마이크로미터이므로, 본 발명과 같이 수십 마이크로미터 사이즈의 직경의 관통홀을 형성하기 위해 펨토초 레이저를 이용하는 것이 바람직하다. 펨토초 레이저는 나노초 레이저보다 상대적으로 적은 에너지로 큰 첨두출력을 내기 때문에 고품질의 초정밀 미세가공이 가능하며 수십 내지 200 마이크로미터 사이의 직경의 관통홀(12)들을 일정하고 균일하게 형성할 수 있다.

관통홀(12)의 단면 형상은 구체적 실시예에 따라 달라질 수 있다. 도시한 실시예에서는 관통홀(12)의 단면이 원 형상이지만 대안적 실시예에서 타원 또는 다각형 형상으로 형성될 수 있다. 또한 판재(11)의 면적 대비 전체 관통홀(12)의 면적, 즉 기공율(porosity)도 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있으며, 예컨대 필터(10)의 양쪽 면에 걸리는 압력차(차압)가 크지 않도록 기공율을 설정할 수 있다.

일 실시예에서 관통홀(12)의 반지름은 미세입자가 관통홀(12)을 통과하는 동안 확산하는 거리, 즉 확산거리를 넘지 않도록 한다. 확산거리는 관통홀(12)의 깊이(즉 판재(11)의 두께)와 (미세입자가 포함된 유체의) 유속에 관련되고, 유속은 판재(11)의 기공율 및 유압에 관련된다. 따라서, 예를 들어 판재(11)의 두께와 기공율이 결정된 경우 이에 기초하여 관통홀(12)의 적정 직경을 산출할 수 있다.

이러한 구성에 의하면, 필터(10)의 모든 관통홀(12)이 동일 직경과 동일 형상으로 판재(11)에 균일하게 배치되어 있으므로 필터(10)를 통과하는 유동이 판재(11)의 전체 표면에 걸쳐 고른 유동 분포와 차압을 가질 수 있다. 도2에 도시한 것처럼 미세입자(P)가 포함된 유동이 도면상의 상부에서 하부 방향으로 필터(10)를 통과하는 경우, 유동 중의 무겁거나 큰 입자는 관성과 중력에 의해 판재(11)의 내측 표면(11a)에서 관통홀(12)로 진입하는 유선 변경 구간에서 유선을 따라가지 못하고 내측 표면(11a)에 충돌하여 포집되며 나노 사이즈의 미세입자는 관통홀(12)을 통과하는 동안 확산에 의해 관통홀(12)의 내측면(12a)에 포집된다. 특히 관통홀(12)의 반지름을 미세입자(P)의 확산거리보다 작게 구성하면 미세입자(P)가 관통홀(12)을 통과하는 동안 중력과 확산 등에 의해 관통홀의 내측 표면(11a)에 포집될 가능성을 높이므로 집진 효율을 향상시킬 수 있다.

이와 같이 다수의 관통홀(12)을 동일 직경 동일 형상으로 형성하기 위해, 바람직한 일 실시예에서 펨토초 레이저를 이용하여 관통홀(12)을 형성할 수 있으며, 도3은 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치를 구비한 필터 제조 시스템을 개략적으로 나타내었다.

도면을 참조하면 일 실시예에 따른 미세입자 집진용 필터 제조 시스템은 제어부(110), 레이저 생성부(120), 빔조절부(130), 스테이지(140), 및 구동부(150)를 포함할 수 있다.

레이저 생성부(120)는 판재(11)에 관통홀(12)을 형성하기 위한 레이저(L)를 생성하는 장치이다. 바람직한 실시예에서 레이저 생성부(120)는 펨토초 레이저와 같은 극초단파 레이저를 생성한다. 극초단파 레이저는 수 펨토초(femto-second) 내지 수 피코초(pico-second)의 펄스 지속시간(duration time)을 갖는 레이저이다.

일 실시예에서 레이저 생성부(120)는 판재(11)에 관통홀(12)을 형성하기 위해 수십 펨토초 내지 수백 펨토초 사이의 펄스폭(펄스 지속시간) 및 수 마이크로줄(μJ) 내지 수 밀리줄(mJ)의 펄스 에너지, 그리고 각 펄스당 수십 기가와트(GW) 내지 수 테라와트(TW)의 순간 출력을 낼 수 있는 펨토초 레이저를 생성한다.

빔조절부(130)는 레이저 생성부(120)에서 생성된 레이저 빔의 크기를 조절 할 수 있다. 예를 들어 빔조절부(130)는 레이저 생성부(120)에서 생성된 레이저 빔을 콜리메이트 빔(collimated beam)으로 만들고 필요에 따라 레이저 빔의 직경을 확대 또는 축소시킬 수 있으며, 이와 같이 빔조절부(130)에 의해 조절된 펨토초 레이저(L)를 판재(11)에 조사하여 관통홀(12)을 형성할 수 있다.

스테이지(140)는 필터용 판재(11)를 고정시키는 부재이다. 도시한 실시예에서 스테이지(140)는 구동부(150)에 동작적으로 결합되어 있어 구동부(150)에 의해 수평 방향으로 움직일 수 있다. 구동부(150)는 예를 들어 액추에이터, 유압실린더, 또는 전기모터 등으로 구현될 수 있고 스테이지(140)를 X-Y 방향, 즉 수평방향으로 움직일 수 있다. 대안적으로, 구동부(150)가 빔조절부(130)에 동작적으로 결합될 수도 있고, 이 경우 구동부(150)의 구동에 의해 빔조절부(130)를 수평방향으로 움직일 수 있다.

제어부(110)는 레이저 생성부(120), 빔조절부(130), 및 구동부(150)의 각각의 동작을 제어하여 펨토초 레이저의 조사 시간, 출력 에너지, 및 레이저빔 직경 등을 조절할 수 있고 빔조절부(130)와 스테이지(140)가 서로에 대해 상대적으로 움직이도록 제어할 수 있다.

일 실시예에서 제어부(110)는 레이저 생성부(120)를 제어하여 펨토초 레이저의 조사시간, 펄스폭, 출력에너지 등을 조절할 수 있다. 제어부(110)는 빔조절부(130)를 제어하여 펨토초 레이저의 조사시간, 레이저빔 직경을 조절할 수 있다. 또한 제어부(110)는 빔조절부(130)와 스테이지(140)가 서로에 대해 상대적으로 움직이도록 구동부(150)를 제어할 수 있다. 예컨대 도시한 것처럼 구동부(150)가 스테이지(140)에 동작적으로 결합된 경우 제어부(110)가 구동부(150)를 제어하여 스테이지(140)를 수평 방향으로 이동시킴으로써 스테이지(140)를 빔조절부(130)에 대해 상대적으로 움직일 수 있다.

이와 같이 제어부(110)는 레이저 생성부(120), 빔조절부(130), 및 구동부(150)를 각각 제어하여 스테이지(140) 위에 고정된 판재(11)에 펨토초 레이저(L)를 조사한다. 펨토초 레이저는 수십 내지 수백 펨토초의 펄스와 높은 첨두 출력으로 판재(11)에 조사되기 때문에 판재(11)의 열확산 시간보다 조사되는 레이저 펄스의 시간이 짧아 판재의 열적 변성이 없는 비열 가공을 가능하게 하고 이에 따라 동일 직경과 동일 형상을 갖는 다수의 관통홀(12)을 판재(11)의 표면 전체에 걸쳐 일정한 패턴으로 형성할 수 있다.

도4는 본 발명의 실시예에 따른 미세입자 집진용 필터(10)를 배기관에 설치한 예시적 구성을 나타낸다. 도4(a)에 도시한 것처럼 일 실시예에서 필터(10)를 지그재그 형상으로 만들 수 있다. 예를 들어 길다란 직사각형 형태의 판재(11)에 펨토초 레이저를 조사하고 이렇게 만들어진 필터(10)를 소정 길이마다 절곡하여 도4(a)와 같이 표면적이 넓은 지그재그 형상의 필터를 만들 수 있다.

도4(b)는 이렇게 절곡된 구조의 필터(10)를 엔진 배기관(200)에 설치한 예를 개략적으로 도시하였다. 배기관(200)은 예컨대 디젤 엔진의 배기관일 수 있다. 도시한 것처럼 “ㄹ”자 또는 지그재그 형상으로 절곡된 필터(10)를 배기관(200)에 설치하고 배기가스가 필터(10)의 넓은 표면적과 접촉하도록 하여 필터 차압을 낮추고 미세입자 제거 효과를 높일 수 있다.

또한 필터(10)를 전기전도성과 열전도성 및 전기 발열성을 갖는 재질로 제조한 경우, 도4(b)에 도시한 것처럼 필터(10)의 양쪽 단부에 전극을 연결하고 전류를 흘림으로써 필터(10)를 고온으로 가열할 수 있다.

일반적으로 현재 디젤 엔진의 배기관에 사용되는 필터의 경우 재생을 위한 가열에 필요한 온도가 650℃ 가량 되므로 주기적으로 필터 재생을 위해 배기가스 온도를 650℃로 올려야 한다. 즉 주기적으로 고속 주행을 하여 엔진을 대략 2,000 rpm전후로 20분 내지 30분 이상을 회전시켜 배기가스 온도를 650℃까지 올려야 하는데 시내주행에서만 차를 사용하는 경우 이와 같은 재생 조건을 만족하지 못하므로 필터 재생을 할 수 없는 문제가 있다.

또한 종래의 메쉬형 금속재 필터의 경우 필터의 관통홀 크기나 배열이 일정하지 않으므로 필터의 양단에 전압을 걸고 전류를 흘릴 경우 저항이 판재에 균일하게 분포하지 않아 전류가 특정 경로로 집중하여 흐르게 되어 필터가 국부적으로 급격히 발열하는 문제가 있었다.

그러나 본 발명의 실시예에서는 필터(10)의 전체 면적에 걸쳐 동일 직경과 동일 형상을 갖는 관통홀(12)을 일정한 패턴으로 균일하게 형성하였으므로 필터(10) 전체 면적에 걸쳐 균일한 저항 분포를 나타내므로 필터(10)에 전류를 인가하여 필터(10) 전체 면적에 걸쳐 고른 온도 분포로 고온으로 발열시킬 수 있으므로 차량의 운행조건에 상관없이 필터 재생이 가능한 이점이 있다.

도5 및 도6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세입자 집진용 필터(20)를 설명하는 도면으로, 도5는 필터(20)의 평면을 개략적으로 나타내고 도6은 도5의 B-B' 선을 따른 측단면을 개략적으로 나타내었다.

도면을 참조하면 제2 실시예에 따른 미세입자 집진용 필터(20)는 소정 두께를 갖는 판재(21)와 이 판재(21)에 관통하며 동일 형상으로 형성된 다수의 관통홀(22)을 포함한다. 제2 실시예에서 판재(21)는 제1 실시예의 판재(11)와 동일 또는 유사한 구성과 역할 및 재질을 가지므로 이하에서는 설명을 생략한다.

제2 실시예에서는 각각의 관통홀(22)이 판재(21)의 일측 표면에서부터 타측 표면으로 갈수록 관통홀의 직경이 작아지도록 형성되어 있다. 예를 들어 도5와 도6의 실시예에서 관통홀(22)은 제1 관통홀(25)과 제2 관통홀(26)로 구성될 수 있다. 제1 관통홀(25)은 판재(21)의 일측 표면에서부터 제1 깊이(D1)까지 형성되고 소정의 제1 직경을 가지며, 제2 관통홀(26)은 상기 제1 깊이(D1)에서부터 판재(21)의 타측 표면까지 제2 깊이(D2)만큼 형성되고 상기 제1 직경보다 작은 소정의 제2 직경을 갖도록 형성된다. 일 실시예에서 제2 관통홀(26)은 예컨대 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터의 직경을 가지며 제1 관통홀(25)은 제2 관통홀(26)의 직경의 대략 2배 내지 5배 사이의 직경을 가질 수 있다.

도6에 도시한 것처럼 유동 내에서 제1 관통홀(25)이 유동의 상류측을 향하고 제2 관통홀(26)이 유동의 하류측을 향하도록 필터(20)를 배치한 경우, 미세입자(P)들 중 크기가 충분히 큰 입자상 물질은 제1 관통홀(25)의 내측면 및 제1 관통홀(25)과 제2 관통홀(26) 사이의 단차면에 여럿이 얽혀서 포집되고 작은 입자상 물질은 제1 관통홀(25)에 포집된 큰 입자상 물질 사이의 틈새를 지나 제2 관통홀(26)을 통과하면서 확산되어 제2 관통홀(26)의 내부 측면(26a)에서 포집된다. 이와 같이 필터(20)의 관통홀(22) 직경을 관통홀의 깊이에 따라 달라지도록 구성함으로써 크기가 큰 입자가 필터의 관통홀(22)을 막아서 필터로서의 기능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 도면에서는 관통홀(22)을 직경이 상이한 2개의 관통홀(25,26)의 2단 구조로 구성하였지만 대안적 실시예에서 3단 이상으로 단차를 두고 직경이 하류측으로 갈수록 점차 감소하도록 관통홀(22)을 구성할 수도 있다.

한편 위와 같이 관통홀(22) 내부를 직경이 상이한 다단 관통홀로 제조하기 위해 제어부(110)에서 레이저의 조사시간, 레이저빔 직경, 및/또는 출력에너지를 조절할 수 있다. 펨토초 레이저의 펄스 횟수나 출력 에너지에 따라 판재(21)에 형성하는 홈의 깊이를 수십 나노미터 단위로 조절 가능하다. 예를 들어, 소정 펄스 횟수로 펨토초 레이저를 판재(21)에 조사하여 제1 깊이(D1) 만큼의 구멍을 형성하고 그 후 출력 에너지나 레이저빔 직경을 줄이고 다시 조사하여 판재(21)를 완전히 관통시킴으로써 제1 관통홀(25)과 제2 관통홀(26)을 형성할 수 있다.

다른 대안적 방법으로서, 각기 다른 관통홀이 형성된 두 개의 판재를 결합하여 필터(20)를 제조할 수도 있다. 예를 들어 필터(20)가 제1 관통홀(25)이 형성된 제1 깊이(두께)(D1)의 제1 판재와 제2 관통홀(26)이 형성된 제2 깊이(두께)(D2)의 제2 판재의 적층 구조로 구성될 수 있다.

이 경우, 예컨대 도3의 레이저 조사 장치를 이용하여 제1 판재에 펨토초 레이저 조사하여 제1 판재의 표면에 동일 직경과 동일 형상의 제1 관통홀(25)을 일정한 패턴으로 형성하고, 레이저 출력이나 레이저빔 직경을 조절한 후 제2 판재에 펨토초 레이저를 조사하여 제2 판재의 표면에 동일 직경과 동일 형상의 제2 관통홀(26)을 형성하고, 그 후 각각의 제1 관통홀(25) 내에 제2 관통홀(26)이 하나씩 위치하도록 제1 및 제2 판재를 적층하고 정렬하고 적층 결합하여 필터(20)를 제조할 수 있다.

도7 및 도8은 본 발명의 제3 실시예에 미세입자 집진용 필터(30)를 설명하는 도면으로, 도7은 필터(30)의 평면을 개략적으로 나타내고 도8은 도7의 B-B' 선을 따른 측단면을 개략적으로 나타내었다.

도면을 참조하면 제3 실시예에 따른 미세입자 집진용 필터(30)는 소정 두께를 갖는 판재(31)와 이 판재(31)에 관통하며 동일 형상으로 형성된 다수의 관통홀(32)을 포함한다. 제3 실시예에서 판재(31)는 제1 실시예 또는 제2 실시예의 판재(11,21)와 동일 또는 유사한 구성과 역할 및 재질을 가지므로 설명을 생략한다.

제3 실시예에서 각각의 관통홀(32)은 제1 관통홀(35)과 제2 관통홀(36)로 구성되되 제1 관통홀(35) 내에 여러 개의 제2 관통홀(36)이 형성되어 있다. 즉 제1 관통홀(35)은 판재(31)의 일측 표면에서부터 소정의 제1 깊이까지 형성되고 복수개의 제2 관통홀(36)이 상기 제1 깊이에서부터 판재(31)의 타측 표면까지 제2 깊이만큼 형성되어 있다. 일 실시예에서 제2 관통홀(36)은 예컨대 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터의 직경이고 제1 관통홀(35)은 제2 관통홀(36)의 대략 3배 내지 8배 사이의 직경을 가질 수 있다.

이와 같이 각 관통홀(32)을 하나의 큰 직경의 제1 관통홀(35) 및 이와 연통하는 복수개의 작은 직경의 제2 관통홀(36)로 구성된 다단 구조로 형성함으로써 큰 입자들이 관통홀(32)을 완전히 막는 것을 방지하여 필터로서의 기능을 장시간 유지할 수 있다.

제3 실시예에 따른 필터(30)의 제조 방법도 상술한 제2 실시예의 필터(20)의 방법과 동일 또는 유사할 수 있으므로 설명을 생략한다. 또한 제3 실시예의 필터(30)에도 관통홀(32)을 2단 이상의 단차를 갖도록 구성할 수도 있음은 물론이다.

도9 및 도10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세입자 집진용 필터(40)를 설명하는 도면으로, 도9는 필터(40)의 평면을 개략적으로 나타내고 도10은 도9의 C-C' 선을 따른 측단면을 개략적으로 나타내었다.

도면을 참조하면 제4 실시예에 따른 미세입자 집진용 필터(40)는 소정 두께를 갖는 판재(41)와 이 판재(41)에 관통하며 형성되고 동일 직경과 동일 형상으로 형성된 다수의 관통홀(42)을 포함한다. 제4 실시예에서 판재(41)는 제1 내지 제3 실시예의 판재(11,21,31)와 동일 또는 유사한 구성과 역할 및 재질을 가지므로 설명을 생략한다.

제4 실시예에서 각각의 관통홀(42)은 판재(41)의 일측 표면에서 타측 표면으로 갈수록 직경이 점진적으로 감소하는 형상으로 구성된다. 즉 각각의 관통홀(42)이 판재(41)의 일측 표면에서 제1 직경을 가지며 관통홀의 깊이에 따라 직경이 점진적으로 감소하여 판재(41)의 타측 표면에서 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖도록 형성된다. 이 때 제2 직경은 예컨대 수 내지 수십 마이크로미터이고 제1 직경은 제2 직경보다 2 내지 5배 큰 값으로 설정될 수 있다.

이 구성에 따르면 관통홀(42)의 입구측에서부터 출구측까지 내부 측면(42a)이 경사지게 형성되어 있어서 큰 입자상 물질과 작은 입자상 물질이 연속적으로 필터(40) 깊이에 따라 포집될 수 있다. 또한 제2 실시예 또는 제3 실시예에서 설명한 것처럼 크기가 큰 입자들이 관통홀(42)의 입구측에 포집되지만 입자들 사이의 틈새를 통해 작은 입자들이 통과할 수 있으므로 큰 입자들이 관통홀(42)을 완전히 막는 것을 방지하고 필터로서의 기능을 장시간 유지할 수 있다.

상기와 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상술한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 또한 본 명세서에서는 필터가 디젤 엔진의 매연 입자를 포집하는 용도로 설명하였지만 본 발명에 따른 미세입자 집진용 필터는 디젤 엔진 뿐만 아니라 다양한 기술분야에서 미세입자를 포집하고 제거하는 용도로 사용될 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10, 20, 30, 40: 미세입자 집진용 필터
11, 21, 31, 41: 판재
12, 22, 32, 42: 관통홀
110: 제어부
120: 레이저 생성부
130: 빔제어부
140: 스테이지
150: 구동부

Claims (11)

1. 미세입자 집진용 필터로서,
   소정 두께를 갖는 판재; 및
   상기 판재를 관통하며 동일 형상으로 형성된 다수의 관통홀들;을 포함하고,
   상기 다수의 관통홀들은 서로 이격되어 상기 판재의 표면에 일정한 패턴으로 형성되며, 각각의 상기 관통홀의 반지름은 미세입자가 상기 관통홀을 통과하는 동안 확산하는 확산거리보다 작은 것인, 미세입자 집진용 필터.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 판재의 일측 표면에서부터 상기 판재의 타측 표면으로 갈수록 각각의 상기 관통홀의 직경이 작아지도록 형성된 것인, 미세입자 집진용 필터.
4. 제 3 항에 있어서, 각각의 상기 관통홀이,
   상기 판재의 일측 표면부터 제1 깊이까지 형성되고 제1 직경을 갖는 제1 관통홀; 및
   상기 제1 깊이부터 상기 판재의 타측 표면까지 형성되고 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 하나 이상의 제2 관통홀;을 포함하는 것인, 미세입자 집진용 필터.
5. 제 3 항에 있어서,
   각각의 상기 관통홀이, 상기 판재의 일측 표면에서 제1 직경을 가지며 관통홀의 깊이에 따라 직경이 점진적으로 감소하여 상기 판재의 타측 표면에서 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖도록 형성된 것인, 미세입자 집진용 필터.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 판재는 제1 판재와 제2 판재가 적층되어 형성되고, 각각의 상기 관통홀은 상기 제1 판재에 형성된 제1 직경의 제1 관통홀과 상기 제2 판재에 형성되고 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경의 하나 이상의 제2 관통홀이 연통함으로써 형성된 것인, 미세입자 집진용 필터.
7. 미세입자 집진용 필터 제조 시스템으로서,
   소정 두께의 판재를 고정시킬 수 있는 스테이지;
   상기 스테이지에 고정되는 상기 판재에 펨토초 레이저를 조사하여 다수의 관통홀들을 형성시킬 수 있는 펨토초 레이저 장치; 및
   상기 펨토초 레이저 장치가 상기 스테이지에 대해 상대적으로 이동하도록 제어하고 상기 펨토초 레이저의 조사 시간, 출력에너지, 및 레이저빔 직경 중 적어도 하나를 조절하는 제어부;를 포함하고,
   상기 제어부가, 상기 다수의 관통홀들이 상기 판재의 표면에서 서로 이격되어 일정한 패턴으로 형성되도록, 상기 펨토초 레이저 장치를 제어하고, 각각의 상기 관통홀의 반지름이 미세입자가 상기 관통홀을 통과하는 동안 확산하는 확산거리보다 작은 값을 갖도록 상기 펨토초 레이저 장치를 제어하는 것인, 미세입자 집진용 필터 제조 시스템.
8. 삭제
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 제어부가, 상기 판재의 일측 표면에서부터 상기 판재의 타측 표면으로 갈수록 각각의 상기 관통홀의 직경이 작아지도록 상기 펨토초 레이저 장치를 제어하는 것인, 미세입자 집진용 필터 제조 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,
    각각의 상기 관통홀을 형성할 때, 상기 제어부가, 상기 판재의 일측 표면부터 제1 깊이까지 제1 직경을 갖는 제1 관통홀을 형성하고, 상기 제1 깊이부터 상기 판재의 타측 표면까지 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 하나 이상의 제2 관통홀을 형성하도록 상기 펨토초 레이저 장치를 제어하는 것인, 미세입자 집진용 필터 제조 시스템.
11. 제 9 항에 있어서,
    각각의 상기 관통홀을 형성할 때, 상기 제어부가, 상기 판재의 일측 표면에서 제1 직경을 가지며 관통홀의 깊이에 따라 직경이 점진적으로 감소하여 상기 판재의 타측 표면에서 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖도록 상기 펨토초 레이저 장치를 제어하는 것인, 미세입자 집진용 필터 제조 시스템.

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