| 2차년도 |
- 계층적구조 필터 구현: 실리콘고분자 나노필라멘트(10~100nm) 합성 및 표면 dipole조절- 비휘발성 액상-겔 박막필터 구현: PDMS겔과 실리콘오일을 이용한 액상-겔 박막필터 구현
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- 나노/마이크로 계층적구조의 흡착강화 고체필터 구현 현재 사용되고 있는 고체필터는 일반적으로 마이크론(혹은 sub-마이크론) 크기의 기공으로 이루어진 다기공 구조로써, 기공의 크기보다 큰 먼지들을 여과시키는 방식으로 미세먼지를 포집한다. 때문에 2.5 μm 이하 크기의 초미세먼지와 같이 매우 작은 먼지를 포집하기 위해서는 더욱 작은 기공이 요구되며, 이는 압력손실의 증가로 인한 통기성 감소로 이어지게 된다. 고체필터는 먼지와의 반데르발스(Van der Waals) 힘에 의한 흡착력 또한 작용하지만 마이크로 기공 표면과 미세먼지 간 반데르발스 힘에 의한 흡착력은 수 nN(nano Newton)정도의 매우 작은 힘으로 먼지를 효과적으로 포집하는데 충분하지 않다. 하지만 반데르발스 힘은 접촉 계면의 면적에 비례하기 때문에 필터표면에 수~수십 나노미터 크기의 구조를 추가적으로 구현하게 되면 먼지와의 흡착계면 면적을 극대화하여 서브μN 이상의 미세먼지 포집에 충분한 강한 흡착력 구현이 가능해질 것으로 기대된다. 이에 따라 본 연구에서는 1차년도 연구를 통해 반데르발스 힘의 극대화를 위해 나노/마이크로 계층적구조로 구성된 게코 도마뱀 발판과 같이, 마이크로 기공으로 이루어진 고체필터 표면위에 나노필라멘트를 추가적으로 합성하여 미세먼지 포집에 효과적인 흡착력을 확보한 계층적구조 필터를 구현한다 (그림6). 나노필라멘트는 실리콘단량체(Octadecyltrichlorosilane과 1H,1H,2H,2H- Perfluorooctyltrichlorosilane)를 이용한 졸겔(Sol-Gel)용액공정을 통해 합성 가능한데, 이는 본 연구단이 확보하여 응용 중인 기술로써 본 연구 기간 동안 마이크로 기공 표면에의 합성을 통해 필터로 구현하고, 반응 온도 및 단량체와 촉매의 함량 조절을 통해 나노필라멘트의 크기를 조절하며 표면 dipole을 조절하는 연구를 수행한다.- 비휘발성 액상-겔 박막필터 구현 본 연구단은 액체와 고체(미세먼지)간 강한 흡착을 이용하여 효과적인 미세먼지 포집을 가능하게 하는 액상-겔 박막필터를 구현한다. 액상물질은 중력에 의해 흐르기 때문에 고정형으로 이용이 어려운 한계가 있어왔다. 본 연구단은 최근 나노스케일에서의 계면에너지 조절연구를 통해 흐르지 않고 안정적으로 마이크로 기공 기판에 액상박막을 구현하여 필터로의 이용 가능성을 확인한 바 있다. 이 경우 액체와 고체미세먼지 간 강한 흡착을 통해 효과적인 미세먼지 포집이 가능하였으나 강한 압력 하에서는 여전히 액상물질이 해리되는 안정성 문제가 발생하였다. 때문에 본 연구에서는 더욱 강하게 액상물질을 마이크로 기공기판에 고정하기 위해 겔(Gel)을 추가적으로 도입하여 안정적인 액상층을 구현한다. 겔은 PDMS(Polydimethylsiloxane)기반의 물질로 액상물질로 이용할 실리콘오일(Silicone Oil)과는 화학적으로 매우 유사한 구조를 가진다. 때문에 겔 구조 사이에 실리콘오일이 습윤(Swelling)된 구조를 이루며 이는 실리콘오일 액상층의 안정도를 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대된다. PDMS 겔은 양 끝단이 Vinyl그룹으로 이루어진 Polysilicone 단량체와 수소기를 다량 보유한 가교제를 금속촉매를 통해 반응 시키는 방식으로 구현 가능하다. 간단한 공정을 위해 본 연구단은 PDMS 겔 단량체, 가교제, 금속촉매와 함께 실리콘오일을 함께 섞은 용액에 마이크로 다기공 기판을 담지하고 건조시키는 방법으로 액상-겔 박막을 구현하며, 또한 액상-겔 박막의 두께 및 점도 조절 연구를 함께 수행한다. 본 공정 최적화 시 대면적의 필터를 단시간에 구현 가능 할 것으로 예상되며, 2스텝으로 이루어진 액상박막필터 구현 공정(표면개질과 용액담지)보다도 간단한 공정으로 더욱 안정적인 액상막 구현이 가능 할 것으로 기대된다.
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
흡착강화 필터는 기존 고체필터 대비 10~1000배 이상의 강한 흡착력을 바탕으로 우수한 통기성과 효과적인 미세먼지 집진효율 확보가 가능할 것으로 기대된다. 이는 기존 여과방식 고체필터의 패러다임을 바꾸는 새로운 개념의 필터로 다양한 집진분야에 응용 될 수 있을 뿐만 아니라 기존 필터들로는 적용이 어려웠던 새로운 집진 분야를 개척 할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구는 기초원천기술개발 연구로 연구기간동안 Top SCI 저널에 논문 투고 및 특허출원 뿐만 아니라 시제품 제작을 통해 궁극적으로 실내공기질 개선에 기여하는 가시적 성과를 확보하고자 한다.
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| 사회 경제적 파급효과 |
본 연구가 제시하는 생체모사 흡착강화 필터는 기존 수십년간 이용되어온 고체필터의 여과형 집진방식에서 한 단계 더 진보한, 미세먼지의 직접흡착을 이용하는 새로운 형태의 필터이다. 이는 기존 집진설비의 성능향상 뿐만 아니라 새로운 집진영역의 개척을 통해 실내공기질 개선에 크게 기여하는 종합 집진플렛폼 구축을 가능하게 하며, 미세먼지 포집의 새로운 패러다임을 제시하여 집진 및 공기질관련 연구 및 산업분야에 막대한 파급력을 불러올 것으로 기대된다. 본 연구는 현재는 기초원천기술 단계의 연구로써 앞으로 이와 관련된 원천기반기술 및 경제성을 확보하고 이를 바탕으로 차세대 집진관련 기술분야를 선점하고 표준화하여 세계적으로 미세먼지 포집연구에 대한민국이 선도자 역할을 하는데 기여하고자 한다. 또한, 궁극적으로는 국내뿐만 아니라 국내에 외부로부터 유입되는 미세먼지의 많은 부분을 차지하는 근원지이자 더욱 심각한 공기오염 문제를 겪고 있는 중국, 산업화와 높은 인구 밀도로 인해 공기오염 문제가 심각한 인도, 이집트, 그리고 전 세계 높은 대기오염도로 피해를 받는 모든 중/소/대도시의 미세먼지를 효율적으로 감소시키는데 일조하고자 한다.
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| 활용방안 |
본 연구단이 제시하는 흡착력 강화 필터는 미세먼지의 필터에의 직접흡착을 통해 기존 필터 대비 상대적으로 큰 기공에서도 효율적인 먼지포집이 가능하다. 이와 같이 큰 기공에서의 효과적인 집진은 기존 고체필터들의 가장 심각한 한계로 지적되어온 압력감소 문제를 해결함과 동시에 필터의 높은 통기성 구현을 가능하게 한다. 높은 통기성과 포집효율이 요구되는 대표적 분야로 미세먼지 마스크가 있다. 기존 여과방식의 고체필터를 이용하는 마스크는 기공의 크기가 크면 집진효율이 떨어지고 기공의 크기가 작아지면 낮은 통기성으로 인해 필터와 얼굴 사이의 유격을 통해 공기가 유입되어 결과적으로는 미세먼지 필터링이 효과적으로 이루어지지 않는 문제가 대두되어 왔다. 창호용 필터의 경우도 마찬가지로 높은 통기환경에서도 미세먼지의 효과적인 집진이 필수적이기 때문에 기존의 필터로 구현하는데 많은 문제점 및 한계를 보여 왔는데, 본 흡착강화 필터는 이러한 문제를 해결하고 보완하는데 활용가능 할 것으로 기대되며 각각의 구체적인 활용방안은 다음과 같다.- 계층적구조 필터는 흡착력이 강화된 고체필터로 기존의 다른 고체필터들과 함께 복합필터로써 활용 가능하다. 때문에 기존 필터들과의 융합화를 통해 미세먼지 마스크 및 실내공기정화용 공기청정기 필터 등으로의 응용 시 보다 높은 효율의 집진이 가능 할 것으로 기대된다.- 액상-겔 박막필터는 보다 높은 흡착력을 보이지만 다른 고체표면과 접합 시 액상물질이 여기 되는 문제가 있을 수 있기 때문에 단독활용이 용이 할 것으로 예상된다. 높은 흡착력으로 인해 더 우수한 통기성을 확보한 창호용 필터로써 효과적일 것으로 기대되며, 공사장 및 도로의 비산먼지 포집에도 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 기존 여과방식의 고체필터를 비산먼지 포집에 이용 시 공기청정기와 같이 추가적인 Fan 설비를 통해 공기를 빨아들여 유입시켜줘야 하고 여과되는 방향으로의 단방향성 필터링만이 가능하였지만, 액상-겔 박막필터의 경우 높은 통기성으로 인해 추가적인 공기 유입이 필요 없으며 직접흡착을 바탕으로 미세먼지를 포집하기 때문에 방향에 구애받지 않는 양방향 필터링이 가능하여 비산먼지 포집에 매우 우수한 효과를 보일 것으로 기대된다. 이와 같이 흡착강화 필터는 기존 집진분야 뿐만 아니라 새로운 집진 영역을 개척하는 등 다양한 분야의 활용 가능성이 기대되기 때문에, 본 연구를 통해 확보할 원천기반기술들을 바탕으로 기술이전을 통한 사업화 또한 가능 할 것으로 예상되며 다양한 분야에서의 집진을 통한 미세먼지 농도 절감이 가능 할 것으로 기대된다.
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