1. 서 론

대기오염의 원인 물질 중 하나인 미세먼지는 고체 또는 액체상 물 질로 구성된 부유 입자성 분진이다[1]. 미세먼지 크기가 작을수록 오 래 부유하며 호흡을 통해 호흡기, 폐에 침투하여 호흡기 질환, 폐 질 환, 심혈관계 질환 등을 유발한다[3-4]. 폐암 사망자의 37%, 심장마비 발생의 34%는 이러한 미세먼지의 영향을 받은 것으로 보고되었다[4].

환경부에 따르면 국내 미세먼지의 약 30%가 제조업 연소 공정에서 배출되고 있다[5]. 고온의 배기가스 내 미세먼지를 저감하기 위해 정 전식 또는 기계식 여과 시스템을 사용하고 있다. 기계식 여과 시스템 에서 널리 사용되는 백하우스 시스템은 원통형 백(bag) 모양의 백필터 를 이용하여 미세먼지를 여과한다. 백필터 소재는 내열성, 내화학성, 그리고 기계적 강도가 우수해야 하며, 주로 polyimide, meta-aramid, polyphenylene sulfide, 및 polytetrafluoroethylene (PTFE)가 사용되고 있다[6,9]. 상용 PTFE 필터 중에서 PTFE 폼 필터는 평균 약 17 μm 기공으로 이루어진 폼(foam) 형상의 PTFE 필름 형태로 이루어져 있 으며, 유리섬유 기재에 코팅되어 있어 우수한 통기성을 가지고 있다 [10,11]. 그러나, 상대적으로 큰 기공 크기 때문에 여과 성능이 낮아지 는 단점이 있다[6,11].

이러한 낮은 여과 성능은 PTFE 폼 필터 위에 전기방사와 열처리 공정을 통해 PTFE 나노섬유를 코팅하여 필터 기공을 줄임으로써 향 상될 수 있다(Figure 1)[12]. 하지만 실제 산업현장에서 적용하기 위해 서는 대면적 필터로 제작되어야 한다. 대면적 나노섬유 여과체를 제 조하기 위하여 roll-to-roll 공정에 대한 연구들이 진행되었으나[13,14] PTFE 나노섬유 여과체를 대면적으로 제작하기 위해서는 전기방사 공 정뿐만 아니라 열처리 공정을 순차적으로 진행할 수 있는 장치 및 공 정이 개발되어야 한다. 본 연구에서는 PTFE 나노섬유를 PTFE 폼 필 터 표면에 연속적으로 코팅하기 위해 roll-to-roll 공정용 장비와 제조 공정을 제안하고, 제작한 대면적 필터의 균일성과 필터 특성을 평가 하였다.

2. 실 험

2.1. PTFE 전기방사 용액 제조

PTFE 나노섬유를 제조하는 전기방사 용액에 사용된 시약은 다음과 같다. PTFE 에멀전 용액은 Zhejiang Juhua社(중국) 제품, polyvinyl alcohol (PVA, M_w 85,000-124,000, 87-89% hydrolyzed), polyethylene oxide (PEO, M_v 200,000), sodium alginate (SA)는 Sigma-Aldrich社 (미국)의 제품을 사용하였다. 기재로 사용한 PTFE foam-coated glass fabric (이하 PG) 필터는 롤(roll, 길이 40 m, 두께 900 μm) 형태로 ㈜창명산업에서 제공받아 사용하였다[11]. SA 분말을 증류수에 넣어 1시간 동안 교반하여 SA 2 wt% 용액을 제조하고, PEO, PVA 분말을 제조한 SA 용액에 순차적으로 첨가하여 완전히 용해될 때까지 충분 히 교반하였다. 그 다음 PTFE 에멀전 용액을 첨가하여 12시간 동안 교반하여 최종적으로 PTFE/PVA/PEO/SA 혼합용액을 제조하였다. 사 용된 시약의 농도는 이전 연구와 동일하게 적용하였다[12].

2.2. Roll-to-roll 장비의 구성과 대면적 여과체 제작

일반적인 실험실에서 사용되는 전기방사와 열처리 장비, 그리고 본 연구에서 사용된 roll-to-roll 장비는 각각 Figure 2(a1), (b1), (c1)에서 나타내었다. 이전 연구에서는 랩 스케일의 PTFE 나노섬유 여과체 (Figure 2(a2), (b2))를 제조하기 위해 소형 전기방사 장비와 줄 히팅 기반의 박스로(box furnace) 장비를 이용하였다[12].

본 연구에서는 대면적의 여과체 필터(Figure 2(c-2))를 제작하기 위 해 roll-to-roll 타입의 장비를 설계하고 제조하여 사용하였다. 제작된 roll-to-roll 장비의 구성은 다음과 같다. 먼저 와인딩 부에 기재인 PG 필터 롤(길이 40 m, 너비 0.55 mm)을 장착하고, 장착된 기재에 전기 방사부와 열처리부를 거치면서 PTFE 나노섬유를 코팅한 후, 최종적 으로 PTFE 나노섬유가 코팅된 여과체는 디와인딩 부에 롤의 형태로 제작된다.

기재인 여과체 필터의 와인딩 속도는 0.2 m/min으로 설정하고, 와 인딩부-전기방사부-열처리부-디와인딩부 순서로 roll-to-roll 공정으로 이동하게 하였다. 전기방사부는 너비 55 cm 기재 표면에 나노섬유를 균일하게 코팅하기 위해 12 mm 간격의 48개 전기방사 노즐을 일렬로 설계하여 제작하였다. 전기방사 조건은 전체 유량을 50 μL/min, 전압을 19 kV, 노즐 끝과 집진판 사이의 거리를 6 cm로 설정하였다. 열처리 부는 장비 내 roll-to-roll 방식으로 이동하는 여과체 표면에 있는 나노 섬유를 짧은 시간 내(각 영역 열처리 시간 2분 내외) 열처리하기 위하 여, 박스로와 같이 폐쇄적인 시스템을 사용하지 않고, 적외선 히터를 3열로 배열하여 설계하고 제작하였다. 열처리 공정 중에 PTFE 나노섬 유를 형성함과 동시에 PTFE 나노섬유와 PTFE 폼 필터를 접합하기 위해 열처리 온도는 340 °C로 설정하였다.

2.3. 측정

미세조직과 조성은 공초점 레이저 주사 현미경(Confocal laser scanning microscopy, VK-X200, Keyence社, 일본), 푸리에 변환 적외선 분 광기(Fourier-transform infrared, FT-IR, Nicolet 6700, Thermo Fisher Scientific社, 미국)을 이용하여 확인하였다. 표면 섬유경과 표면 기공 크기는 공초점 레이저 주사 현미경 장비 회사에서 제공하는 소프트웨 어를 이용하여 측정하였다. 여과체의 집진효율은 먼저 관형로 내 체 결부에 필터를 고정하고 특정 온도를 설정한 후, Arizona 테스트 분진 (ATD A1, PTI社, 미국)을 에어로졸화해 주입하여(유속 4 m/min) 광 학 입자 크기 측정기(optical particle sizer, OPS, TSI 8530, TSI社, 미 국)로 입자 농도를 측정해 계산하였다. 필터의 압력 손실은 압력계 (manometer, 510, Testo, 독일)를 사용하고 1, 1.67, 2, 3 cm/s의 면 속 도에서 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 나노섬유가 코팅된 PTFE 필터 형상

대면적 PG 필터 표면(Figure 3(a))에 나노섬유를 전기방사하고 (Figure 3(b)) 열처리한 후(Figure 3(c)) 각 표면을 관찰하였다. 이 때 장비 내측, 중간, 외측으로 나누어 위치 별 표면을 확인하였다. Figure 3(b) 이미지 비교를 통해 PTFE/PVA/PEO/SA나노섬유가 기재인 PG 필터 위에 전반적으로 균일하게 코팅된 것을 확인할 수 있다. 열처리 후에는 PVA/PEO/SA 성분이 대부분 분해되고 PTFE 성분만 남아 PTFE 나노섬유의 형태로 관찰되며 기재인 PG 필터에 코팅되어 있었 다. 사용된 PG필터의 PTFE foam의 표면 기공 크기는 평균 8.39 μm 이고, PTFE나노섬유가 코팅 된 후, 나노섬유의 평균 직경과 표면 기 공 크기는 각각 462.9 nm, 3.36 μm로 확인된다.

3.2. 전기 방사한 나노섬유 성분

Figure 4(a1-a2)에서 전기방사 후 형성된 각 위치(내측, 중간, 외측) 별 나노섬유의 peak을 확인한 결과, 모든 위치에서 1,149, 1,203 cm^-1 에서 symmetric과 asymmetric C–F stretching vibrations, 3,344 cm^-1에 서 -OH stretching vibrations, 2,919 cm^-1에서 –CH₂– stretching vibrations, 1,410 cm^-1에서 O–C–O stretching vibrations 피크가 관찰되어 PTFE, PVA, PEO, SA 피크가 모두 관찰됨을 확인하였다[15-17]. Figure 4(b1-b2)에서 열처리 후 각 위치 별 나노섬유는 모두 PTFE 피 크를 제외한 피크가 거의 관찰되지 않았다. 따라서 roll-to-roll 장비로 제작한 대면적의 PTFE 나노섬유는 기재인 PG 필터에 화학적으로 균 일하게 코팅되었으며, 고온 내 PTFE 여과체로서의 내열성이 확보된 것을 알 수 있다.

3.3. 필터 성능

상온과 280 °C의 각 대기 하에서 PTFE 나노섬유를 코팅한 PG 필 터가 코팅하지 않은 PG 필터에 비해 높은 집진효율을 갖는 것을 확인 하였다(Figure 5(a)). PTFE 나노섬유가 코팅된 PG 필터는 상온과 280 °C에서 PM_2.5 집진효율이 각각 93.32%, 91.79%로 코팅하지 않은 PG 필터의 89.84%, 89.16%보다 증가하였다. 필터 성능 향상은 Figure 3 의 표면 이미지에서 관찰한 바와 같이 PG 필터의 기공을 PTFE 나노 섬유가 채워 기공 크기가 줄어든 것에 기인하다. 또한 PTFE 나노섬유 가 코팅된 대면적 PG 필터의 압력 손실은 상온과 280 °C에서 각각 1 m/min 기준 60.67. 62.00 Pa, 2 cm/s 기준 125.67, 111.33 Pa로 PG 필터 1 m/min 기준 67.00, 68.00 Pa, 2 cm/s 기준 111.33, 110.33 Pa과 비교해 거의 유사하거나 일부 소폭 상승한 값을 보인다(Figure 5(b)). PTFE 나노섬유가 PG 필터에 비해 상대적으로 소량 코팅되었기 때문 에 기공의 크기가 감소함에도 불구하고 PG 필터와 거의 유사한 압력 손실을 가지는 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구에서는 기존의 실험실 스케일에서 연구되었던 PTFE 나노섬 유가 코팅된 PG 필터를 roll-to-roll 공정을 적용하여 대면적화 하는 제 조 장비와 방식을 제안했다. Roll-to-roll 방식에 적합한 전기방사 공정 과 열처리 공정을 적용하여 최종적으로 PTFE 나노섬유가 코팅된 여 과체를 롤의 형태로 제작하였다. 제작된 대면적 여과체 필터는 위치 에 상관없이 균일한 PTFE 나노섬유가 확인되었고, 열처리 후에 PTFE 를 제외한 나머지 성분이 분해되어 PTFE 나노섬유가 코팅된 것을 확 인하였다. PTFE 나노섬유가 코팅된 대면적 여과체는 280 °C 하에서 도 PG 필터에 비해 높은 집진효율을 보였고 압력 손실은 거의 변화하 지 않았다. 제안된 roll-to-roll 공정은 대면적의 고성능 여과체의 연속 적인 제작을 가능하게 하여, 나노섬유 필터 양산화와 미세먼지 저감 에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.