[논문]HEPA Filter형 숨쉬는 벽체용 나노세라믹 여재개발

김종원; 안영철; 김길태

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In the perspective of saving energy in buildings, high performance of insulation and air tightness for improving the heating and the cooling efficiency has brought the positive effect in an economical view. However, these building energy saving technologies cause the lack of ventilation, which is th...

In the perspective of saving energy in buildings, high performance of insulation and air tightness for improving the heating and the cooling efficiency has brought the positive effect in an economical view. However, these building energy saving technologies cause the lack of ventilation, which is the direct cause of increasing the indoor contaminants, and it is also very harmful to residents because they spend over 90% of their time in the indoor area. Therefore, the ventilation is important to keep indoor environment clean and it can also save energy consumption. In this study, a HEPA type breathing wall is designed as a passive ventilation system to collect airborne particles and to supply fresh outdoor air. To make fine porous structures, polymer nano fibers which were made by electro spinning method are used as a precursor. The nano fibers are coated with SiO2 nano particles and finally the HEPA type breathing wall is made by sintering in the electric furnace at $300\sim500^{\circ}C$. The pressure drops of nano ceramic structure are 8.2, 25.5 and 44.9 mmAq at the face velocity of 2.0, 5.9 and 8.8 cm/s, respectively. Also the water vapor permeability is $3.6g/m^2{\cdot}h{\cdot}mmHg$. In this research, the porous nano ceramic structures are obtained and the possibility for the usage of a material for HEPA type breathing wall can be obtained.

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문제 정의

그러므로 본 연구에서는 통기성 숨쉬는 벽체의 일부분을 구성할 HEPA 필터형 숨쉬는 벽을 개발하고자 하며 특히 황사 등의 미세입자가 실내로 유입되는 것을 방지하기 위하여 고효율 분진 포집 성능을 가지는 숨쉬는 벽을 개발하고자 한다.
가지고 있다. 본 연구의 목표인 HEPA 필터급효율을 가지는 숨쉬는 벽체를 만들기 위해서 재질은 Si02, AI2O₃, TiO₂ 등의 세라믹 재질을 고려하였으며 고효율을 위해 HEPA 필터와 유사한 1 이하의 세라믹 섬유를 제작하고자 하였다.
본 연구에서는 HEPA 필터형 숨쉬는 벽체의 부재를 구성할 나노 세라믹 구조체를 개발하기 위한 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
h . imHg로 측정 되어 숨쉬는 벽 체를 구성할 재료로서의 활용 가능성을 확인하였다.

제안 방법

전기방사를 통해 제조된 고분자 나노섬유는 Fig. 3에 나타낸바와 같은 크기 30 nm 정도의 SiO₂ 나노입자가 분산된 용액을 이용하여 침지법(Dipping) 에 의해 코팅을 하게 되며 초음파 분산기 (Branson, B2510)를 통하여 고른 코팅이 이루어지도록 하였다. 코팅된 고분자 나노섬유는 바람이 잘 통하는그늘에서 충분히 건조시킨 뒤 전기로 속에서 300 - 500 ℃ 사이에서 소결시킨다.
실험은 4wt%와 6wt% 두 가지 경우에 대하여 수행되었으며 전자 현미경분석 결과 두 가지 경우 모두에서 나노섬유의 표면 전체어 걸쳐 코팅상태가 양호한 것으로 분석되었다. 그래서 본 연구에서는 분산매체인 물의 질량을 기준으로 하여 4wt%의 농도로 설정하여 실험을 수행하였다.
(1) PEO 재질을 이용하여 고분자 나노 섬유를 전기 방사법으로 제조하였으며 농도 10wt%, 전계 강도 2kV/cm의 조건에서 100-200 nme 굵기를 가지는 균일한 나노섬유를 제조하였다.
(2) 침지법 등을 통해 SiO₂ 나노 입자를 이용, 고분자 나노섬유의 표면을 코팅하는 기술을 도출하였다.

성능/효과

5에는 SiCte 입자의 질량농도에 따른 코팅 특성을 비교하여 나타내었다. 실험은 4wt%와 6wt% 두 가지 경우에 대하여 수행되었으며 전자 현미경분석 결과 두 가지 경우 모두에서 나노섬유의 표면 전체어 걸쳐 코팅상태가 양호한 것으로 분석되었다. 그래서 본 연구에서는 분산매체인 물의 질량을 기준으로 하여 4wt%의 농도로 설정하여 실험을 수행하였다.
그 이유는 침지법에 의한 코팅과정중에 SiO₂ 입자를 용해 분산시키기 위해 사용된 용제와의 반응 때문에 나노섬유들간에 서로 융착이 생겨 굵기가 증가하는 현상이 발생되어 전체적으로 굵기가 증가한 것으로 판단된다. 그리고 전자현미경 분석결과 소결 온도에 따른 영향은 거의 없는 것으로 분석되었다.
8에는 나노 세라믹 구조체의 공기투과성능을 측정한 것으로 통과 유속에 따른 압력손실을 상용 HEPA 필터와 비교하여 나타내었다. 나로 세라믹 구조체의 압력손실 값이 HEPA 필터와 비교하여 낮게 측정되었으며 이는 분진포집능력은 HEPA 필터에 비해 다소 낮을 수 있으나 공기의 통과성능은 우수함을 나타낸다. 그리고 KS F 2607⑹의 "건축재료의 투습성 측정방법”에 의해 투습 계수를 측정한 결과 3.

후속연구

7에는 고분자 나노 섬유가 분해되어 없어지고 주위에 코팅된 SiO₂ 입자들이 튜브 형상으로 형성되어 있는 모습을 볼 수 있다. 이렇게 형성된 튜브상의 구조는 일반 섬유형상의 재료에 비해 강도가 떨어져 하중에 견딜수 있는 능력은 떨어지나, 넓은 비표면적을 가질 수 있으며 재질 자체의 경량화를 달성할 수 있고 SiO₂ 입자들 대신 광촉매 특성을 가지는 TiO₂ 입자를 사용할 경우 매우 큰 반응성으로 유해가스를 제거할 수 있는 잠재력을 가지게 되므로 향후 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 예상된다.

참고문헌 (7)

Jang, Y. S. and Park, H. S., 2004, A study on thermal performance analysis of the sustainable clayed hollow block wall, Journal of the Korea Institute of Ecological Architecture and Environment, Vol. 4, No. 3, pp. 65-70
Yoon, S. and Hoyano, A., 1998, Passive ventilation system that incorporates a pitched roof constructed of breathing walls for use in a passive solar house, Solar Energy, Vol. 64, No. 4-6, pp. 189-195

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Imbabi, M. S., 2006, Full-scale evaluation of energy use and emissions reduction of a dynamic breathing building, WREC-IX(World Renewable Energy Congress) Invited paper
Jo, S. M., Lee, W. S., and Chun, S. W., 2002, Nanofiber technology and applications, Fiber Technology and Industry Vol. 6
Lee, S. G., Choi, S. S., and Joo, C. W., 2002, Nanofiber formation of polyetherimide under various electrospinning conditions, Journal of the Korean Fiber Society Vol. 39
KS, F., 2007, Measuring method of water vapor permeability for building materials, Korean Standard
Lee, J. W. and Lim, J. M., 2004, The Experimental study on an effect of Korean Paper(Hanji) on indoor humidity control, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 16, No. 6, pp. 599-607

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