KR20210011349A - 필터여재 및 이를 포함하는 복합필터 - Google Patents

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Abstract

필터여재가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 필터여재는 정전 처리된 다공성의 제1지지체 및, 상기 제1지지체의 일면 상에 배치되고, 나노섬유가 축적되어 형성된 나노섬유웹을 포함하여 구현된다. 이에 의하면, PM 2.5 이하의 미세먼지에도 매우 우수한 공기 여과효율을 가지며, 이에 나아가 사용시간이 장시간 연장되는 경우에도 공기여과 성능의 저하가 방지 또는 최소화될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 필터여재 및 복합필터는 각종 공기여과 장치용 필터류의 여재로써 널리 응용될 수 있다.

Description

필터여재 및 이를 포함하는 복합필터{Filter media and composite filter comprising the same}
본 발명은 필터여재에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 필터여재 및 이를 포함하는 복합필터에 관한 것이다.
멜트블로운(Melt blown)기반의 여재는 정전처리를 통해 압력손실은 낮추며 고효율을 구현할 수가 있어 기존의 유리섬유(Glass Fiber)를 시장을 대체해 가고 있다.
이러한 장점에도 불구하고 실사용 시 효율이 저하되는 단점이 큰문제로 작용하고 있다. 정전 처리된 파이버에 Dry Dust, Wet Dust(수분, 유분) 등이 달라 붙거나, 습도와 온도에 의해 정전기력이 감소되어 제거 효율이 저하되는 문제가 있다. 또한, 가정에서 공기청정기에 사용 하였을 시 6개월 정도 지나면 효율이 60%이하로 떨어지는 문제가 있다. 하이드로 차징 처리되어 99.97%(@ NaCl 0.3㎛, TSI 8130A) 효율을 가지는 멜트블로운 여재를 IPA로 제전시키게되면 효율이 40%정도로 현격히 저하되는 치명적인 단점이 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 기존 멜트 블로운 여재를 구성하는 파이버의 크기를 줄이는 방안들이 연구되고 적용되었으나, 사용되는 고분자와 생산공법의 문제로 전기방사된 나노섬유만큼 파이버의 크기를 줄이는 데에는 한계가 있다.
필터의 발수발유성은 부여하기 위해 종래에는 여러 발수/발유 가공법에 의해 부직포에 발수/발유 성능을 부여하여 사용해왔다. 그러나, 종래의 발수/발유 가공법은 가공 성능이 저하되어 제품의 수명을 짧게 하는 문제점이 있다.
당사는 전기방사시 발수발유제를 함께 혼합하여 여재를 제조하는 공법을 사용하고 있어, 나노섬유의 구조와 발수발유 특성을 함께 이용하여 발수발유성이 우수한 필터 여재를 만들수 있다.
한편, 종래의 PTFE 멤프레인을 적용한 필터는 발수성능은 좋으나, 필터가 오염물질을 많이 포집하지 못하고 공기를 제대로 통과시켜주지 못하는 문제점이 있다.
이에 따라, 여과효율, 통기도 및 압력손실이 낮으며, 운전시간이 증가해도 여과효율 저하를 방지할 수 있는 필터여재에 대한 연구가 시급한 실정이다.
대한민국 공개특허 제10-2004-0049760호(공개일: 2004.06.12)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 우수한 공기 여과 기능을 보유하면서도, 사용시간이 장시간 연장되는 경우에도 공기여과 성능의 저하가 방지됨에 따라서 각종 공기여과 장치용 필터류에 널리 사용될 수 있는 필터여재 및 이를 포함하는 복합필터를 제공하는데 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 정전 처리된 다공성의 제1지지체; 및 상기 제1지지체의 일면 상에 배치되고, 나노섬유가 축적되어 형성된 나노섬유웹;을 포함하는 필터여재를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 나노섬유웹은 평량이 0.4 ~ 2.5 gsm일 수 있다.
또한, 상기 나노섬유웹은, 평균공경이 0.3 ~ 2.5㎛일 수 있고, 통기도가 4 ~ 35 cfm일 수 있다.
또한, 상기 제1지지체는 평량이 15 ~ 40 gsm일 수 있다.
또한, 상기 제1지지체는, 평균공경이 5 ~ 15㎛일 수 있고, 통기도가 25 ~ 40 cfm일 수 있다.
또한, 상기 제1지지체 측에 대응되는 나노섬유웹의 다른 일면 상, 또는 상기 제1지지체 및 나노섬유웹 사이에 제2지지체;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2지지체 측에 대응되는 제1지지체의 다른 일면 상에 제3지지체;를 더 포함할 수 있고, 상기 제2지지체 측에 대응되는 나노섬유웹의 다른 일면 상에 제4지지체;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1지지체는 멜트블로운 부직포일 수 있다.
또한, 상기 제2지지체는 써멀본딩 부직포일 수 있다.
또한, 상기 제3지지체 및 제4지지체는 스펀본드 부직포일 수 있다.
또한, 상기 필터여재는, 여과효율이 99.5% 이상일 수 있고, 압력손실이 20 ~ 120 mmH2O일 수 있다.
또한, 하기 측정방법 1에 따라 측정한 여과효율의 저하율이 8% 이하일 수 있다.
[측정방법 1]
필터여재를 통해 평균입경 0.4㎛의 파라핀 오일을 95 LPM으로 5시간 동안 여과시킨 후 여과효율을 측정하고, 초기 여과효율 대비 5시간 후 감소된 여과효율을 계산하여 여과효율의 저하율을 측정함.
또한, 상기 나노섬유웹은 발수/발유성 나노섬유웹일 수 있고, 상기 제3지지체는 발수/발유성 부직포일 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 필터여재;가 절곡되어 구비되는 복합필터를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 절곡된 필터여재의 적어도 일측면을 둘러싸도록 배치되는 필터프레임;을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 필터여재 및 이를 포함하는 복합필터는 PM 2.5 이하의 미세먼지에도 매우 우수한 공기 여과효율을 가지며, 이에 나아가 사용시간이 장시간 연장되는 경우에도 공기여과 성능의 저하가 방지 또는 최소화될 수 있다.
따라서, 각종 공기여과 장치용 필터류의 여재로써 널리 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 필터여재의 단면도,
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 필터여재의 단면도,
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 필터여재의 단면도,
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 필터여재의 단면도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 필터여재가 구비된 마스크의 사시도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합필터의 사시도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합필터의 단면도,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 복합필터의 사시도, 그리고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합필터가 구비된 환기형 공기청정기의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 필터여재(100)는 다공성의 제1지지체(10) 및 상기 제1지지체(10)의 일면 상에 형성되고, 복수 개의 나노섬유로 형성된 나노섬유웹(20)을 포함하여 구현된다.
먼저, 상기 제1지지체(10)에 대하여 설명한다.
상기 제1지지체(10)는 정전 처리된 다공성 부재로써, 외기가 1차로 통과하는 여재로써 정전기력을 이용해서 공기 중에 포함된 미세먼지, 분진 등을 여과시키는 기능을 수행한다. 상기 제1지지체(10)는 일예로 공지된 부직포일 수 있으며, 바람직하게는 케미컬본딩 부직포, 써멀본딩 부직포, 에어레이 부직포 등의 건식부직포나 습식부직포, 스판레스 부직포, 니들펀칭 부직포 또는 멜트블로운 부직포일 수 있으며, 보다 바람직하게는 멜트블로운 부직포일 수 있다.
상기 멜트블로운 부직포는 공지된 멜트블로운 부직포일 수 있음에 따라, 본 발명에서는 이를 특별히 제한하지 않는다.
또한, 목적에 따라서 적절히 다공성 부재에 함유된 섬유의 직경, 평량을 조절할 수 있는데, 보다 향상된 여과성능, 내구성 등을 담보하기 위하여 상기 제1지지체(10)는 섬유평균직경이 0.5 ~ 12㎛인, 바람직하게는 섬유평균직경이 1 ~ 10㎛인 섬유를 포함하며, 평량이 15 ~ 40 gsm일 수 있고, 바람직하게는 평량이 20 ~ 38 gsm일 수 있다. 또한, 상기 제1지지체(10)의 평균 공경은 5 ~ 15㎛일 수 있고, 바람직하게는 7 ~ 12㎛일 수 있다.
만일, 제1지지체(10)의 평량이 15 gsm 미만이면 편차가 커짐에 따라 여과효율이 저하되거나, 균일한 여과효율을 발현하지 못할 수 있으며, 평량이 40 gsm을 초과하면 통기도가 저하되고, 압력손실이 증가할 수 있다. 또한, 만일 상기 제1지지체(10)의 평균공경이 5㎛ 미만이면 통기도가 저하되고, 압력손실이 증가할 수 있으며, 평균 공경이 15㎛를 초과하면 여과효율이 저하될 수 있다. 그리고, 제1지지체(10)를 형성하는 제1섬유의 평균직경이 과도하게 작을 경우 통기도가 저하되고, 압력손실이 증가할 수 있으며, 섬유 평균 직경이 과도하게 클 경우 여과효율이 저하될 수 있다.
또한, 상기 제1지지체(10)는 통기도가 25 ~ 40 cfm일 수 있고, 바람직하게는 통기도가 30 ~ 36 cfm일 수 있다. 만일 상기 제1지지체의 통기도가 25 cfm 미만이면 압력손실이 증가할 수 있고, 통기도가 40 cfm을 초과하면 여과효율이 저하되거나, 균일한 여과효율을 발현하지 못할 수 있다.
그리고, 상기 제1지지체(10)를 형성하는 섬유는 폴리에스테르계, 폴리우레탄계, 폴리올레핀계 및 폴리아미드계로 이루어진 군에서 선택되는 합성고분자 성분; 또는 셀룰로오스계를 포함하는 천연 고분자성분을 포함할 수 있고, 일예로 폴리프로필렌을 포함할 수 있다.
다음, 상기 나노섬유웹(20)에 대하여 설명한다.
상기 나노섬유웹(20)은 상기 제1지지체(10)를 통과한 공기가 통과하여 재여과되는 웹 형상의 부재이다.
상기 나노섬유웹(20)은 피처리유체, 바람직하게는 피처리되는 공기의 물리적 여과를 담당하며, 복수 개의 나노섬유가 랜덤하게 3차원적으로 적층되어 형성된 3차원 네트워크 구조일 수 있다.
상기 제2나노섬유웹(20)은 나노섬유가 축적되어 형성된 것으로 이들 나노섬유가 3차원 네트워크 구조를 형성한 것일 수 있다. 상기 나노섬유웹(20)은 PM2.5 이하의 미세먼지까지 물리적으로 여과시킬 수 있는 공경을 갖도록 설계될 수 있고, 통과되는 공기의 유량 저하가 방지되도록 유로가 형성될 수 있다. 상기 나노섬유웹(10)은 상술한 제1지지체(10)와 함께 구비됨에 따라서 정전처리된 제1지지체(10)에 발생할 수 있는 제전에 따른 포집효율 감소의 문제를 보완하며 장시간 초도 설계된 여과효율을 유지시키도록 기능할 수 있다.
구체적으로, 정전처리된 제1지지체(10)는 정전기력을 이용해 분진을 섬유 표면에 흡착하는데, 시간이 경과할수록 정전기력이 감소하여 사용시간 5개월이 경과하면 여과효율이 초도 설계된 효율의 50% 이하로 저하됨에 따라서 교체주기가 매우 짧은 문제가 있다. 그러나 정전처리된 제1지지체(10)와 함께 나노섬유웹(20)를 사용 시 제1지지체(10) 만 사용되었을 때 포집효율이 계속 낮아지는 것에 대비해서 제1지지체(10)와 나노섬유웹(20)이 함께 사용되는 경우 포집효율 저하가 적으며, 수개월 지속하더라도 포집효율이 초도 설계된 수치의 95% 이상을 유지할 수 있다.
상기 나노섬유웹(20)을 형성하는 나노섬유는 공지된 섬유형성성분으로 형성된 것일 수 있다. 다만 바람직하게는 불소계 화합물을 섬유형성성분으로 포함할 수 있다. 상기 불소계 화합물은 나노섬유로 제조될 수 있는 공지된 불소계 화합물의 경우 제한 없이 사용될 수 있으며, 일예로, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(PFA)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(EPE)계, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE)계, 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE)계, 클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ECTFE)계 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)일 수 있다. 이때, 상기 나노섬유가 섬유형성성분으로 PVDF를 포함할 경우 상기 PVDF의 중량평균분자량은 10,000 ~ 1,000,000일 수 있고, 바람직하게는 300,000 ~ 600,000일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 한편, 목적에 따라서 불소계 화합물이 아닌 폴리이더술폰, 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 폴리우레탄, 폴리에스테르 등 공지된 이종의 화합물을 섬유형성성분으로 더 포함할 수 있다. 다만, PVDF로 형성된 나노섬유웹이 다른 재질에 대비해 섬도가 균일하고, 3차원 네트워크 구조를 뚜렷하게 형성할 수 있음에 따라, 다른 재질에 대비하여 나노섬유웹의 재질로 PVDF가 더욱 적합할 수 있다.
상기 나노섬유웹(20)을 형성하는 복수 개의 나노섬유의 섬유 평균직경은 0.05 ~ 0.5㎛, 바람직하게는 섬유 평균직경이 0.1 ~ 0.4㎛일 수 있다. 또한, 상기 나노섬유웹(20)은 평량이 0.4 ~ 2.5 gsm일 수 있고, 바람직하게는 평량이 0.5 ~ 2 gsm일 수 있다. 만일 상기 나노섬유웹의 평량이 0.4 gsm 미만이면 편차가 커짐에 따라 여과효율이 저하되거나 장시간 사용 후 여과효율이 저하되거나, 균일한 여과효율을 발현하지 못할 수 있고, 평량이 2.5 gsm을 초과하면 통기도가 저하되며, 압력손실이 증가할 수 있다.
또한, 상기 나노섬유웹(20)은 평균공경이 0.3 ~ 2.5㎛일 수 있고, 바람직하게는 평균공경이 0.5 ~ 2㎛일 수 있다. 만일 상기 나노섬유웹의 평균공경이 0.3㎛ 미만이면 통기도가 저하되고 압력손실이 증가할 수 있으며, 평균공경이 2.5㎛를 초과하면 여과효율이 저하되거나, 장시간 사용 후 여과효율이 저하될 수 있다.
또한, 상기 나노섬유웹(20)은 통기도가 4 ~ 35 cfm일 수 있고, 바람직하게는 통기도가 4.5 ~ 30 cfm일 수 있다. 만일 상기 나노섬유웹(20)의 통기도가 4 cfm 미만이면 압력손실이 증가할 수 있고, 통기도가 35 cfm을 초과하면 여과효율이 저하되거나 장시간 사용 후 여과효율이 저하되거나, 균일한 여과효율을 발현하지 못할 수 있다.
그리고, 나노섬유웹(20)을 형성하는 나노섬유의 섬유평균직경이 과도하게 작을 경우 통기도가 저하되고, 압력손실이 증가할 수 있으며, 섬유평균직경이 과도하게 클 경우 여과효율이 저하될 수 있다.
한편, 상기 나노섬유웹(20)은 나노섬유웹의 표면에 발수/발유제가 코팅되거나, 발수/발유제를 포함하는 방사용액을 방사시켜서 형성된, 바람직하게는 발수/발유제를 포함하는 방사용액을 방사시켜서 형성된 발수/발유성 나노섬유웹일 수 있다. 이에, 옥외 환경에 적용하는 경우 더욱 유리할 수 있고, 발수/발유성과 더불어 통기도 및 여과효율까지 우수한 측면에서 더욱 유리할 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터여재(101)는 상기 제1지지체(11) 측에 대응되는 나노섬유웹(21)의 다른 일면 상에 제2지지체(31)를 포함할 수 있다. 또는 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 필터여재(102)는 상기 제1지지체(12) 및 나노섬유웹(22) 사이에 제2지지체(32)를 포함할 수도 있다.
상기 제2지지체(31,32)는 필터여재의 지지기능을 수행하는 것으로, 통상적으로 지지기능을 수행할 수 있는 다공성 부재인 경우 특별한 제한은 없으나, 그 형상에 있어서는 바람직하게는 직물, 편물 또는 부직포일 수 있다. 일예로 부직포인 경우 바람직하게는 케미컬본딩 부직포, 써멀본딩 부직포, 에어레이 부직포 등의 건식부직포나 습식부직포, 스판레스 부직포, 니들펀칭 부직포 또는 멜트블로운 부직포일 수 있고, 더욱 바람직하게는 써멀본딩 부직포일 수 있다.
상기 제2지지체(31,32)는 평량이 25 ~ 75 gsm일 수 있고, 바람직하게는 30 ~ 70 gsm일 수 있으며, 상기 제2지지체(31,32)를 형성하는 제2섬유는 섬유평균직경이 10 ~ 30㎛, 바람직하게는 섬유평균직경이 15 ~ 25㎛일 수 있고, 상기 제2지지체(31,32)는 평균공경이 30 ~ 200㎛일 수 있다.
일예로, 상기 제2지지체(31,32)는 폴리에스테르계, 폴리우레탄계, 폴리올레핀계 및 폴리아미드계로 이루어진 군에서 선택되는 합성고분자 성분; 또는 셀룰로오스계를 포함하는 천연 고분자성분이 사용될 수 있다.
또한, 다른 일예로, 상기 제2지지체(31,32)를 형성하는 제2섬유는 저융점 성분을 포함하는 복합섬유일 수 있다. 상기 복합섬유는 지지성분 및 저융점 성분을 포함하여 상기 저융점 성분의 적어도 일부가 외부면에 노출되도록 배치된 것일 수 있다. 일예로, 지지성분이 코어부를 형성하고, 저융점 성분이 상기 코어부를 둘러싸는 시스부를 형성한 시스-코어형 복합섬유나, 지지성분의 일측에 저융점 성분이 배치되는 사이드-바이-사이드 복합섬유일 수 있다. 상기 저융점 성분 및 지지 성분은 상술한 것과 같이 지지체의 유연성 및 신율 측면에서 바람직하게는 폴리올레핀계일 수 있고, 일예로 지지성분은 폴리프로필렌, 저융점 성분은 폴리에틸렌일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 필터여재(103)는 상기 제1지지체(13) 및 나노섬유웹(23) 사이에 제2지지체(33)를 포함하고, 상기 제2지지체(33) 측에 대응되는 상기 제1지지체(13)의 다른 일면 상에 제3지지체(43)를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2지지체(33) 측에 대응되는 상기 나노섬유웹(23)의 다른 일면 상에 제4지지체(53)를 더 포함할 수 있다.
상기 제3지지체(43)는 필터여재(103)를 지지하고, 발수/발유성을 향상시키는 기능을 하는 것으로, 이때, 상기 제3지지체(43)는 바람직하게는 부직포일 수 있고, 보다 바람직하게는 케미컬본딩 부직포, 써멀본딩 부직포, 에어레이 부직포 등의 건식부직포나 습식부직포, 스판레스 부직포, 니들펀칭 부직포, 스펀본드 부직포 또는 멜트블로운 부직포일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 스펀본드 부직포일 수 있다.
한편, 상기 제3지지체(43)는 폴리에스테르계, 폴리우레탄계, 폴리올레핀계 및 폴리아미드계로 이루어진 군에서 선택되는 합성고분자 성분; 또는 셀룰로오스계를 포함하는 천연 고분자성분이 사용될 수 있다.
또한, 상기 제3지지체(43)는 발수/발유성을 부여하기 위하여 발수/발유제를 상술한 고분자와 함께 방사용액에 포함시켜서 방사하거나 소정의 발수/발유 처리를 통해 구현한 발수/발유성 스펀본드 부직포일 수 있다.
또한, 상기 제3지지체(43)는 소정의 섬유 평균직경을 가지는 복수개의 제3섬유로 형성될 수 있다. 만일 상기 제3지지체를 형성하는 제3섬유의 섬유 평균직경이 과도하게 낮으면 통기도가 저하되고, 압력손실이 증가할 수 있으며, 과도하게 높으면 발수/발유성이 저하되거나 여과효율이 저하될 수 있다.
그리고, 상기 제3지지체(43)는 소정의 평량을 나타낼 수 있다. 만일 상기 제3지지체의 평량이 과도하게 낮으면 편차가 커짐에 따라 여과효율이 저하되거나, 균일한 여과효율을 발현하지 못할 수 있으며, 발수/발유성이 저하될 수 있고, 평량이 과도하게 높으면 통기도가 저하되며, 압력손실이 증가할 수 있다.
상기 제4지지체(53)는 필터여재(103)가 절곡되어 후술하는 복합필터로 구현되는 경우 손상을 방지하는 기능을 수행한다.
이때, 상기 제4지지체(53)는 바람직하게는 부직포일 수 있고, 보다 바람직하게는 케미컬본딩 부직포, 써멀본딩 부직포, 에어레이 부직포 등의 건식부직포나 습식부직포, 스판레스 부직포, 니들펀칭 부직포, 스펀본드 부직포 또는 멜트블로운 부직포일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 스펀본드 부직포일 수 있다.
한편, 상기 제4지지체(53)는 폴리에스테르계, 폴리우레탄계, 폴리올레핀계 및 폴리아미드계로 이루어진 군에서 선택되는 합성고분자 성분; 또는 셀룰로오스계를 포함하는 천연 고분자성분이 사용될 수 있다.
또한, 상기 제4지지체(53)는 소정의 섬유 평균직경을 가지는 복수 개의 제4섬유로 형성될 수 있다. 만일 상기 제4지지체를 형성하는 제4섬유의 섬유평균직경이 과도하게 낮으면 통기도가 저하되고, 압력손실이 증가할 수 있으며, 필터여재가 절곡될 때 손상을 방지할 수 없고, 과도하게 높으면 여과효율이 저하될 수 있다.
그리고, 상기 제4지지체(53)는 소정의 평량을 나타낼 수 있다. 만일 상기 제4지지체의 평량이 과도하게 낮으면 편차가 커짐에 따라 여과효율이 저하되거나, 균일한 여과효율을 발현하지 못할 수 있으며, 필터여재가 절곡될 때 손상을 방지할 수 없고, 평량이 과도하게 높으면 통기도가 저하되며, 압력손실이 증가할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 상술한 필터여재(100,101,102,103)는 여과효율이 99.5% 이상일 수 있고, 바람직하게는 여과효율이 99.6% 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 여과효율이 99.7% 이상일 수 있고, 더욱 바람직하게는 여과효율이 99.8% 이상일 수 있다. 또한, 상술한 필터여재(100,101,102,103)는 압력손실이 20 ~ 120 mmH2O일 수 있고, 바람직하게는 압력손실이 25 ~ 110 mmH2O일 수 있다. 만일 상기 필터여재의 여과효율이 99.5% 미만이면, 목적하는 수준의 여과효율을 나타낼 수 없음에 따라 후술하는 마스크, 에어필터, 또는 환기형 공기청정기에 적용할 수 없다. 또한, 만일 상기 필터여재의 압력손실이 20 mmH2O 미만이면 여과효율이 좋지 않을 수 있고, 압력손실이 120 mmH2O를 초과하면 통기도가 저하될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상술한 필터여재(100,101,102,103)는 하기 측정방법 1에 따라 측정한 여과효율의 저하율이 8% 이하, 바람직하게는 여과효율의 저하율이 7% 이하일 수 있고, 보다 바람직하게는 여과효율의 저하율이 6% 이하일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 여과효율의 저하율이 5.5% 이하일 수 있다.
[측정방법 1]
필터여재를 통해 평균입경 0.4㎛의 파라핀 오일을 95 LPM으로 5시간 동안 여과시킨 후 여과효율을 측정하고, 초기 여과효율 대비 5시간 후 감소된 여과효율을 계산하여 여과효율의 저하율을 측정함.
만일 상기 여과효율의 저하율이 8%를 초과하면 정전처리된 제1지지체(10)에 발생할 수 있는 제전에 따른 포집효율 감소의 문제를 보완할 수 없을 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 상술한 필터여재는(100,101,102,103), 외부 노출면을 형성하는 제1원단(200), 상기 제1원단(200)의 적어도 일부에 고정되어 수용부를 형성하고 착용자의 안면부에 밀착되는 제2원단(300) 및 상기 제1원단(200)의 양 측단에 구비되는 이어밴드(400)를 구비하는 마스크(1000)에서 상기 수용부에 구비될 수 있다.
상기 제1원단(200)은 외부의 물이나 습기 또는, 사용자의 타액에 의한 세균발생과 증식을 방지하기 위하여 소수성, 속건성 및 발수성 등을 발현할 수 있다.
또한, 상기 제1원단(200)은 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 마스크 외피의 재질이라면 제한 없이 사용할 수 있으나, 바람직하게는 천연섬유 및 합성섬유 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리에스테르를 사용하는 것이 소수성, 속건성 및 발수성을 발현하는 측면에서 더욱 유리하다.
상기 천연섬유는 예를 들어, 한지, PLA(poly lactic acid; 생분해성 섬유), 면, 마, 모, 견 중의 어느 하나로 이루어진 섬유를 사용할 수 있다. 상기 합성섬유는 예를 들어, 나일론, 폴리에스테르계, 폴리염화비닐계, 폴리아크릴로니트릴계, 폴리아미드계, 폴리올레핀계, 폴리우레탄계, 폴리플로오르에틸렌계 중의 어느 하나로 이루어진 섬유를 사용할 수 있다.
더욱이, 합성섬유는 다음과 같은 중합체를 사용하여 얻어진 섬유를 사용할 수 있다.
- 폴리에틸렌계 수지, 예를 들면, 저밀도 폴리에틸렌 수지(LDPE), 초저밀도 폴리에틸렌 수지(LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 에틸렌-비닐아세테이트 수지 (EVA), 이의 공중합체 등
- 폴리스티렌계 수지, 예를 들면, HIPS, GPPS, SAN 등
- 폴리프로필렌계 수지, 예를 들면, HOMO PP, RANDOM PP, 이의 공중합체
- 투명 또는 일반 ABS(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 삼원공중합체)
- 경질 PVC
- 엔지니어링 플라스틱, 예를 들면, 나일론, PRT, PET, POM(아세탈), PC, 우레탄, 분체수지, PMMA, PES, 등
또한, 천연섬유나 합성섬유는 상기한 섬유 재료 이외에도 주지된 다른 섬유를 사용하는 것도 가능하다.
한편, 상기 제1원단(200)은 제직(weaving) 또는 편성(knitting)하여 제조된 직물 또는 편물일 수 있다.
먼저, 상기 직물의 조직은 평직, 능직, 수자직 및 이중직으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방법으로 이루어질 수 있다.
상기 평직, 능직 및 수자직을 삼원조직이라 할 때 삼원조직 각각의 구체적인 제직방법은 통상적인 제직방법에 의하며, 삼원조직을 기본으로 하여 그 조직을 변형시키거나 몇 가지 조직을 배합하여 변화 있는 직물일 수 있고, 예를 들어 변화평직으로 두둑직, 바스켓직 등이 있고, 변화능직으로 신능직, 파능직, 비능직, 산형능직 등이 있으며, 변화수자직으로 변칙수자직, 중수자직, 확수자직, 화강수자직 등이 있다.
상기 이중직은 경사 또는 위사의 어느 한쪽이 2중으로 되어있거나 양쪽이 모두 2중으로 된 직물의 제직방법으로 구체적인 방법은 통상적인 이중직의 제직방법일 수 있다.
다만, 상기 직물조직의 기재에 한정되지 않으며, 제직에서의 경사 및 위사 밀도의 경우 특별하게 한정하지 않는다.
바람직하게는 상기 편성은 위편성 또는 경편성의 방법에 의할 수 있으며, 상기 위편성과 경편성의 구체적인 방법은 통상적인 위편성 또는 경편성의 편성방법에 의할 수 있다.
상기 위편성을 통해 구체적으로 평편, 고무편, 펄편 등의 위편성물이 제조될 수 있고, 상기 경편성을 통해 구체적으로 트리코, 밀러니즈, 라셸 등의 경편성물이 제조될 수 있다.
또한, 상기 제2원단(300)은 상술한 바와 같이, 상기 제1원단(200)의 적어도 일부에 고정되어 상술한 필터여재를 수용하기 위한 수용부를 형성하고 착용자의 안면부에 밀착된다. 이때, 바람직하게는 상기 제2원단(300)은 제1원단(200)에 상단 및 하단이 고정되어 수용부를 형성할 수 있다.
한편, 상기 제2원단(300)은 상술한 제1원단(200)과 동일 또는 상이한 재질 및 특성을 가질 수 있으며, 바람직하게는 동일한 재질 및 특성을 가질 수 있음에 따라, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
한편, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 마스크(1000, 1001)는 제1원단(200,201)에 비하여 제2원단(300,301)을 상대적으로 작은 면적으로 구비할 수 있고, 바람직하게는 상기 제2원단(300,301)은 착용자의 코와 입에 밀착되어 덮을 수 있는 소정의 면적으로 구비될 수 있다. 그리고, 상기 마스크(1000,1001)는 제1원단(200,201)에 비하여 상기 필터여재(100,101)를 상대적으로 작은 면적으로 구비할 수 있다. 또한, 상기 필터여재(100,101)는 상기 제2원단(300,301)에 비하여 작은면적으로 구비될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 마스크(1000,1001)는 제1원단(200,201)의 양 측단에 구비되는 이어밴드(400,401)를 포함하며, 상기 이어밴드(400,401)는 공지된 이어밴드와 동일한 재질 및 형상을 가질 수 있음에 따라, 본 발명에서는 이를 특별히 한정하지 않는다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 마스크(1001)는, 제1원단(201)의 상단부에 구비되는 코패드(500) 및 제1원단(201)의 하단부에 구비되는 턱받침(600)을 더 포함할 수 있다.
상기 코패드(500)는 사용자의 호흡 시 제1원단(201)과 제2원단(301)외에 다른 영역에서의 외기 유입과 내기의 배출을 방지하는 역할을 수행하는 것으로, 공지된 코패드와 동일한 재질 및 형상을 가질 수 있음에 따라, 본 발명에서는 이를 특별히 한정하지 않는다. 또한, 상기 턱받침(600)은 공지된 턱받침과 동일한 재질 및 형상을 가질 수 있음에 따라, 본 발명에서는 이를 특별히 한정하지 않는다.
한편, 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합필터(700,800)는 상술한 필터여재(710,810)가 절곡되어 구비된다. 이에 따라, 여과면적을 극대화하여 여과효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 복합필터(700,800)는 절곡된 필터여재(710,810)의 적어도 일측면을 둘러싸도록 배치되는 필터프레임(720,820)을 더 포함할 수 있다.
상기 필터프레임(720,820)은 상술한 바와 같이 절곡된 필터여재(710,810)의 적어도 일측면을 둘러싸도록 배치되고, 바람직하게는 절곡된 필터여재(710,820)의 전측면을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
다만, 상기 필터프레임은 공지된 필터프레임을 사용할 수 있음에 따라, 본 발명에서는 이를 특별히 한정하지 않는다.
한편, 상기 필터여재(710,810)는 산 높이 5 ~ 55㎜이 되도록, 바람직하게는 산 높이 10 ~ 50㎜이 되도록 절곡되어 구비될 수 있다. 만일 상기 산 높이가 5㎜ 미만이면 복합필터에 구비되는 필터여재의 면적이 작음에 따라 여과효율이 저하되고, 압력손실이 증가될 수 있으며, 산 높이가 55㎜를 초과하면 산과 산이 붙어서 오히려 여과 면적이 줄어들 수 있고, 압력이 높을 경우 산이 꺾이거나 변형될 수 있다. 한편, 이때 상기 산 높이는 골에서부터 산까지의 높이를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 복합필터(710,810)는 길이 300㎜당 상기 산을 70 ~ 95개, 바람직하게는 73 ~ 91개, 보다 바람직하게는 77 ~ 86개 포함할 수 있고, 길이 300㎜당 상기 필터여재가 1.3 ~ 8.5m, 바람직하게는 1.5 ~ 8.2m, 보다 바람직하게는 2 ~ 7.5m 포함될 수 있다. 복합필터(710,810)에 포함되는 산 개수 및 필터여재의 길이 범위를 만족함에 따라, 비표면적이 높음에 따라 제거효율이 우수하고, 압력손실이 낮으며, 제거효율 저하를 방지할 수 있는 효과를 모두 동시에 달성할 수 있다.
한편, 상술한 복합필터(710,810)는 에어필터로 구현될 수 있으며, 이때, 일 예로써 복수의 산을 포함하는 주름진 구조를 예를 들어 설명하였으나, 상기 복합필터는 평판형, 주름진 구조 및 원통형 등으로 형상에 제한 없이 구현될 수도 있다.
한편, 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합필터(800)는 환기형 공기청정기(2000)에 적용될 수 있다. 이때, 상기 환기형 공기청정기(2000)는 벽걸이형, 스탠드형 및 천정형 중 어느 하나일 수 있다.
일예로써, 도 10에 도시된 천정형 타입 환기형 공기청정기(2000)에 대하여 설명한다.
상기 천정형 타입 환기형 공기청정기는 하우징, 제1송풍기, 제2송풍기, 열교환기(900) 및 복합필터(800)를 포함하여 구현될 수 있다.
상기 하우징은 전체적인 외형을 형성할 수 있으며, 상기 제1송풍기, 제2송풍기, 열교환기 및 필터부재가 배치될 수 있도록 내부공간을 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 하우징은 실내공기 및 실외공기가 상기 내부공간으로 유입된 후 배출될 수 있도록 상기 내부공간과 연통되는 복수 개의 포트를 포함할 수 있다.
일례로, 상기 복수 개의 포트는 실내공기를 상기 내부공간으로 유입하기 위한 실내공기 흡입구와, 상기 내부공간으로 유입된 실내공기를 외부로 배출하기 위한 실내 공기 배출구와, 실외공기를 상기 내부공간으로 유입하기 위한 실외공기 흡입구 및 상기 내부공간으로 유입된 실외공기를 실내로 배출하기 위한 실외 공기 배출구를 포함할 수 있다.
한편, 상기 천정형 타입 환기형 공기청정기(2000)는 상기 실내공기 흡입구 및 실외공기 흡입구를 통해 상기 내부공간으로 각각 유입된 실내공기 및 실외공기가 서로 섞이지 않으면서 열교환된 후 상기 내부공간으로부터 외부로 배출될 수 있다.
이를 위해, 상기 내부공간에는 제1송풍기를 통해 흡입된 실외공기와 제2송풍기를 통해 흡입된 실내공기가 모두 통과할 수 있도록 열교환기(900)가 배치될 수 있다.
이때, 상술한 복합필터(800)는 내부공간으로 유입된 실외공기가 여과된 후 열교환기(900) 측으로 유입될 수 있도록, 열교환기 측에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1송풍기의 작동을 통해 실외로부터 실내로 공급되는 실외공기는 상기 복합필터(800)를 통과하는 과정에서 황사나 미세먼지와 같은 이물질이 제거됨으로써 실내에 존재하는 실내공기의 질을 높일 수 있다.
상기 환기형 공기청정기에 대한 자세한 설명에 대해서는 본 출원인의 환기형 공기청정기에 대한 출원 발명인, 대한민국 출원번호 제10-2020-0070790호, 제10-2020-0068449호 및 제10-2020-0070792호가 참조로 삽입될 수 있음에 따라, 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
[실시예]
<실시예 1: 필터여재의 제조>
섬유평균직경이 5㎛인 복수 개의 제1섬유가 적층되어 형성된 평량이 30 gsm, 평균공경이 10㎛ 및 통기도 33 cfm의 정전처리된 폴리프로필렌 멜트블로운 부직포인 제1지지체, 섬유평균직경이 20㎛인 복수 개의 제2섬유가 적층되어 형성된 평량이 70 gsm, 평균공경이 150㎛ 및 통기도 836 cfm의 로우 멜팅 폴리에스터 써멀본딩 부직포인 제2지지체, 및 섬유평균직경이 0.3㎛인 복수 개의 나노섬유가 적층되어 형성된 평량이 1 gsm, 평균공경이 0.84㎛ 및 통기도가 10 cfm인 PVDF 나노섬유웹이 순차적으로 적층되도록 제조하여 필터여재를 제조하였다.
<실시예 2 ~ 25 및 비교예 1>
상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 나노섬유웹의 평량, 평균공경, 통기도, 제1지지체의 평량, 평균공경, 통기도 및 포함여부 등을 변경하여 하기 표 1 내지 표 3과 같은 필터여재를 제조하였다.
<실험예>
실시예 및 비교예에 따라 제조한 필터여재에 대하여, 하기의 물성을 평가하여 표 1 내지 표 3에 나타내었다.
1. 압력손실 및 여과효율 측정
실시예 및 비교예에 따라 제조한 필터여재에 대하여, 자동필터시험기(TSI 8130A-EN, TSI Incorporated(USA))를 통해 입자농도 20±5 mg/㎥, 평균입경 0.4㎛의 에어로졸 형태의 파라핀 오일을 95 LPM으로 여과시켜서, 이때의 압력손실 및 여과효율을 측정하였다.
2. 여과효율의 저하율
실시예 및 비교예에 따라 제조한 필터여재에 대하여, 상기 압력손실 및 여과효율 측정 방법으로 5시간 동안 연속여과시키며 1분 단위로 여과효율을 측정하고, 초기 여과효율 대비 5시간 후 감소된 여과효율을 계산하여 여과효율의 저하율을 측정하였다.
구분 실시예
1		 실시예
2		 실시예
3		 실시예
4		 실시예
5		 실시예
6
나노
섬유웹		 평량(gsm) 1 0.28 0.5 2 3.2 2.2
평균공경(㎛) 0.84 1.82 1.48 0.73 0.54 0.22
통기도(cfm) 10 50 30 4.5 2.1 4.1
제1
지지체		 평량(gsm) 30 30 30 30 30 30
평균공경(㎛) 10 10 10 10 10 10
통기도(cfm) 33 33 33 33 33 33
압력손실(mmH2O) 57.6 18.5 28.3 107.1 214.2 148.9
여과효율(%) 99.9976 99.8623 99.9596 99.9996 99.9999 99.9148
5시간후 여과효율(%) 94.5339 89.7794 94.1749 94.8637 94.8802 94.8685
여과효율의 저하율(%) 5.4637 10.0829 5.7847 5.1359 5.1197 5.0463
구분 실시예
7		 실시예
8		 실시예
9		 실시예
10		 실시예
11		 실시예
12
나노
섬유웹		 평량(gsm) 1.6 0.6 0.47 1 1 1
평균공경(㎛) 0.5 2 2.7 0.84 0.84 0.84
통기도(cfm) 11.7 26.1 34 10 10 10
제1
지지체		 평량(gsm) 30 30 30 10 20 38
평균공경(㎛) 10 10 10 11.7 10.2 8.6
통기도(cfm) 33 33 33 20 30 36
압력손실(mmH2O) 96.9 48.7 22.4 20.7 41.3 89.6
여과효율(%) 99.9003 99.9669 99.7614 98.4014 99.8819 99.9977
5시간후 여과효율(%) 94.6942 94.1887 91.2763 93.1866 94.3951 94.6490
여과효율의 저하율(%) 5.2061 5.7782 8.4851 5.2148 5.4868 5.3487
구분 실시예
13		 실시예
14		 실시예
15		 실시예
16		 실시예
17		 비교예
1
나노
섬유웹		 평량(gsm) 1 1 1 1 1 -
평균공경(㎛) 0.84 0.84 0.84 0.84 0.84 -
통기도(cfm) 10 10 10 10 10 -
제1
지지체		 평량(gsm) 44 39 34 27 18 30
평균공경(㎛) 7.4 3 7 12 18 10
통기도(cfm) 45 26 31 33 39 33
압력손실(mmH2O) 153.2 126.5 77.3 44.9 21.8 11.4
여과효율(%) 99.9982 99.9271 99.9134 99.8986 98.1268 99.7822
5시간후 여과효율(%) 94.6796 94.6112 94.4885 94.4010 93.4933 57.9174
여과효율의 저하율(%) 5.3186 5.3159 5.4249 5.4976 4.6335 41.8648
상기 표 1 내지 표 3에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 나노섬유웹의 평량, 평균공경, 통기도, 제1지지체의 평량, 평균공경, 통기도 및 포함여부 등을 모두 만족하는 실시예 1, 3, 4, 7, 8, 11, 12, 15 및 16이, 이 중에서 하나라도 누락된 실시예 2, 5, 6, 9, 10, 13, 14, 17 및 비교예 1에 비하여 적절한 압력손실을 나타내고, 여과효율이 우수하며, 여과효율의 저하율이 낮은 효과를 모두 동시에 달성할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10,11,12,13: 제1지지체 20,21,22,23: 나노섬유웹
31,32,33: 제2지지체 43: 제3지지체
53: 제4지지체
100,101,102,103,710,810: 필터여재
200,201: 제1원단 300,301: 제2원단
400,401: 이어밴드 500: 코패드
600: 턱받침 700,800: 복합필터
720,820: 필터프레임 900: 열교환기
1000, 1001: 마스크 2000: 환기형 공기청정기

Claims (15)

  1. 정전 처리된 다공성의 제1지지체; 및
    상기 제1지지체의 일면 상에 배치되고, 나노섬유가 축적되어 형성된 나노섬유웹;을 포함하는 필터여재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유웹은 평량이 0.4 ~ 2.5 gsm인 필터여재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 나노섬유웹은,
    평균공경이 0.3 ~ 2.5㎛이고, 통기도가 4 ~ 35 cfm인 필터여재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1지지체는 평량이 15 ~ 40 gsm인 필터여재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1지지체는,
    평균공경이 5 ~ 15㎛이고, 통기도가 25 ~ 40 cfm인 필터여재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1지지체 측에 대응되는 나노섬유웹의 다른 일면 상, 또는 상기 제1지지체 및 나노섬유웹 사이에 제2지지체;를 더 포함하는 필터여재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2지지체 측에 대응되는 제1지지체의 다른 일면 상에 제3지지체;를 더 포함하고,
    상기 제2지지체 측에 대응되는 나노섬유웹의 다른 일면 상에 제4지지체;를 더 포함하는 필터여재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1지지체는 멜트블로운 부직포인 필터여재.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제2지지체는 써멀본딩 부직포인 필터여재.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제3지지체 및 제4지지체는 스펀본드 부직포인 필터여재.
  11. 제1항에 있어서, 상기 필터여재는,
    여과효율이 99.5% 이상이고, 압력손실이 20 ~ 120 mmH2O인 필터여재.
  12. 제1항에 있어서,
    하기 측정방법 1에 따라 측정한 여과효율의 저하율이 8% 이하인 필터여재:
    [측정방법 1]
    필터여재를 통해 평균입경 0.4㎛의 파라핀 오일을 95 LPM으로 5시간 동안 여과시킨 후 여과효율을 측정하고, 초기 여과효율 대비 5시간 후 감소된 여과효율을 계산하여 여과효율의 저하율을 측정함.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 나노섬유웹은 발수/발유성 나노섬유웹이고,
    상기 제3지지체는 발수/발유성 부직포인 필터여재.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 필터여재;가 절곡되어 구비되는 복합필터.
  15. 제14항에 있어서,
    절곡된 필터여재의 적어도 일측면을 둘러싸도록 배치되는 필터프레임;을 더 포함하는 복합필터.
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