R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 202020CTAP-C151876-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 생체모사 흡착강화필터 개발 및 이를 이용한 차세대 미세먼지 집진플렛폼 구축 기술 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2019-04-15 ~ 2020-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 우상혁 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
6명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
10명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 206,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 206,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 370,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 370,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 중앙대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
고농도의 미세먼지는 최근 들어 많은 사회/경제적 문제를 야기하고 있으며 실내/외 공기질 모두에 영향을 미치는 등 시민들의 건강에 직접적인 위협을 미치고 있다. 때문에 미세먼지의 발생을 억제하고 외부에서 실내로 유입되는 먼지들 또한 더욱 효과적으로 차단 및 포집할 수 있는 새로운 필터 기술이 반드시 필요한 상황이다. - 기존 미세먼지/유해가스 포집기술 기존 HEPA(High Efficiency Particulate Air)필터와 같은 고체필터는 고체미세먼지와의 낮은 흡착력(반데르발스 힘, 정전기력)의 한계 때문에 작은 기공을 만들고 기공보다 큰 크기의 먼지를 여과하는 방식이 주로 사용되어 왔다. 하지만 2.5 μm이하 크기의 초미세먼지 등 작은 크기의 먼지를 포집하기 위해서는 그보다 더욱 작은 크기의 기공이 사용되어야 하고, 이 경우 기체의 압력손실이 증가하여 효율적인 포집에 어려움이 있다. 고체필터를 이용하는 방식이 아닌 액상물질을 이용하는 습식포집은 액체-고체미세먼지간의 강한 흡착 및 유해가스 흡수를 바탕으로 한 효과적인 대기오염물질 포집이 가능하다. 때문에 지속적인 물 분사를 이용한 흡수탑(Scrubber) 혹은 인공강우 등을 이용한 습식포집이 개발되어 활용되고 있으나, 중력에 의해 흐르고 고정되어있지 못하는 특성으로 인해 고체필터들과 같이 고정형으로 다양한 분야에서 이용 되지 못하고 있는 실정이다. - 본 과제의 연구대상 및 독창성 기존 고체필터가 갖는 근원적 문제인 집진효율과 통기성의 상충은 미세먼지와 필터간의 약한 흡착력이 그 주요 원인이다. 따라서 본 연구는 미세먼지와의 흡착력을 극대화 한 새로운 개념의 고체필터((1) 나노/마이크로 계층적구조 필터, (2) 비휘발성 액상-겔 박막필터)를 구현하고, 흡착강화 필터들을 이용한 집진설비를 구축하는 핵심성과를 확보한다. 이는 습식포집과 같이 미세먼지에 대한 강한흡착을 이용하기 때문에 상대적으로 낮은 압력손실에서도 효과적인 미세먼지 포집이 가능하여 이를 바탕으로 우수한 통기성의 확보가 가능하다. 또한 기존 고체필터와 같이 고정형으로 다양한 분야에서의 적용이 가능하기 때문에 먼지의 발생억제부터, 유입차단 및 공기정화까지 종합적인 역할 수행이 가능한 새로운 집진플렛폼으로써 공기질 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서 제안하는 두 가지 다른 필터들은 모두 자연 및 인체에서 강한 흡착력을 갖는 기관을 모사한 생체모방형 필터이다. 먼저 나노/마이크로 계층적구조 필터는 높은 반데르발스 힘을 갖는 게코(Gecko) 도마뱀의 발판을 모사한 구조로 마이크로 다기공 기판표면에 나노필라멘트를 합성하여 미세먼지와의 흡착력을 극대화 한다. 반데르발스 힘은 계면의 면적에 비례하기 때문에 나노필라멘트로 인해 넓어진 계면은 기존 고체필터 대비 10~100배 가량의 흡착력 증가에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 액상-겔 박막필터는 마이크로 다기공 기판 표면위에 액상-겔 박막으로 이루어진 흡착강화 층을 단량체중합과 실리콘고분자 액상-겔 박막 코팅을 통해 구현한다. 이는 호흡 시 유입되는 미세먼지를 차단하는 비강의 점액을 모사한 구조로 액체와 고체간의 강한 흡착을 통해 미세먼지를 포집한다. 액체와 고체간의 흡착은 고체-고체 간 흡착에 비해 약 100~10000배 이상의 강한 흡착으로, 안정한 액상-겔 박막의 구현을 통해 기존에 없던 높은 집진효율 및 통기성 확보가 기대된다. 흡착강화 필터는 우수한 통기성에도 높은 집진효율이 기대되며, 계층적구조 필터는 특히 1μm 이하 크기의 초미세먼지에 대한 우수한 포집효과가 기대되기 때문에 (i) 계층적구조 필터를 이용한 실내용 고효율 집진설비를 구축하고 (ii) 기존 고체필터들을 대체할 고효율 마스크로의 적용이 가능하다. 액상-겔 박막필터는 대부분 크기의 (초)미세먼지에 대한 효과적인 포집이 가능할 것으로 예상되지만 액상물질을 함유하고 있기 때문에 기존의 고체필터와 융합에 한계가 있을 것으로 예상 된다. 따라서 기존 집진설비와의 융합화 보다는 (iii) 환기 시 외부에서 유입되는 먼지차단을 위한 창호용 필터 및 (iV) 건설현장과 도로 등에서의 비산먼지 포집용 필터 등 새로운 집진분야를 개척하고, 이를 바탕으로 미세먼지의 발생억제부터, 유입차단 및 공기정화까지 다양한 분야에서 활용 가능한 미세먼지 종합 집진플렛폼을 구축한다. [최종목표] 본 연구단은 고체필터의 근원적인 문제인 압력손실과 집진효율의 상충성을 해결하고자, 생체모사 (i) 나노/마이크로 계층적구조 필터와 (ii) 비휘발성 액상-겔 박막필터를 구현한다. 본 필터들은 먼지와의 흡착력을 극대화시킨 새로운 개념의 흡착강화 필터로, 나노스케일에서의 표면/계면제어를 통해 구현 가능하며 이후 정량화 분석을 통해 집진에 최적화된 구조를 확보한다. 또한 궁극적으로는 높은 통기성과 먼지포집효율을 바탕으로 마스크, 공기청정기 필터와 같은 기존 집진분야에 적용할 뿐만 아니라, 공사장 및 도로 비산먼지 포집용 필터와 창호용 필터 등으로의 응용을 통해 새로운 미세먼지 집진 플렛폼을 구축한다. [연구내용 및 범위] 본 연구에서 개발하고자 하는 계층적구조(hierarchical structure) 고체필터와 비휘발성 액상-겔 박막필터는 각각 (i) 게코 도마뱀의 발판과 같이 반데르발스힘을 증가시켜 흡착력을 강화시킨 구조와 (ii)호흡 시 액체-고체간의 강한 흡착으로 인체로 유입되는 먼지를 걸러주는 비강의 점액을 모사한 형태로, 다음과 같은 단계별 연구를 통해 구현하고자 한다. [나노/마이크로 계층적구조 필터 개발 연구] - 1단계: 마이크로 기공 기판 표면에 실리콘고분자 나노필라멘트(직경: 3~10 nm)가 합성된 나노/마이크로 계층적구조 필터를 구현한다. 합성조건을 조절하여 나노필라멘트의 직경 및 구조를 변화시키고 이를 바탕으로 계층적구조 필터와 미세먼지 간의 흡착력을 극대화 한다. - 2단계: 필터와 미세먼지간의 흡착력을 정량화 하고 미세먼지 포집효율 및 압력손실을 분석을 통해 필터의 구조를 최적화 한다. 또한 기존의 E11 미디움필터급의 압력손실을 갖는 기판에서 나노필라멘트 구현을 통해 E13 HEPA 필터급의 미세먼지포집 효과를 갖는 필터를 구현한다. 계층적구조 필터는 기존의 고체필터와 같이 사용 가능하기 때문에 우수한 통기성 및 집진효율을 바탕으로 기존 고체필터를 이용하는 마스크 및 실내 미세먼지 정화용 고효율 필터로 적용 시 집진효과를 극대화 할 수 있을 것으로 기대되며, 본 응용을 위한 시제품을 제작한다. [비휘발성 액상-겔 박막필터] - 1단계: 액상-겔 박막필터는 비강을 통해 들어오는 공기의 먼지를 거르는 점액을 모사한 구조로 다공성 기판을 실리콘 오일에 담지시킨 겔 박막형태로 구현한다. 더불어 미세먼지를 포집효율 극대화를 위한 기판의 종류, 박막의 두께, 오일의 점도에 따른 포집효율을 분석한다. - 2단계: 필터 최적화를 통해 기존 F9 Secondary 필터급 압력손실에서 E11 미디움 필터급 혹은 보다 높은 집진효율의(압력손실 50Pa 이하에서 PM2.5 포집효율 98% 이상) 흡착강화 필터를 구현한다. 이러한 우수한 통기성 및 포집효율을 바탕으로 환기 시 외부로부터 유입되는 먼지차단에 효과적인 창호용 필터 구현 및 건설현장에서 발생하는 비산먼지 포집용 필터 개발 등 응용 및 실용화 연구를 수행하여, 이를 토대로 기존의 실내 공기 질 개선용 집진 시스템의 성능을 한층 높일 뿐만 아니라 외부유입 먼지를 차단하고, 근원적으로는 비산먼지의 발생을 억제가능 한 실내공기질 개선 토탈 집진 플렛폼을 구축한다. |
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| 색인어 | 한글 | 미세먼지 | 흡착 | 먼지필터 | 계층적구조 | 액상-겔 박막 |
| 영문 | Fine Dust | Adhesion | Dust Filter | Hierarchical Structure | Liquid-Gel Thin Film | |
| 최종보고서 | 2. 최종보고서(안)_수정보완_중앙대학교.pdf | |||||