보고서 정보
주관연구기관 |
한국과학기술원 Korea Advanced Institute of Science and Technology |
연구책임자 |
김일두
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보고서유형 | 연차보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2021-01 |
과제시작연도 |
2020 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 |
TRKO202100009354 |
과제고유번호 |
1711125449 |
사업명 |
한국과학기술원연구운영비지원(R&D)(주요사업비) |
DB 구축일자 |
2021-08-21
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키워드 |
미세먼지.공기필터.나노섬유.가스 흡착.가스 분해.Particular Matter.Air Filter.Nanofiber.iCVD.Gas Adsorption.Gas Decomposition.
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초록
▼
① 연구 과제 개요
연구 목표
○ 초미세먼지 및 생성 원인 물질 제거용 Sustainable 공기필터 개발
- 신개념 공기필터 (미세먼지 및 유해가스 동시 포집 제거) 소재 합성을 위한 원천 공정기술 개발 및 사업화
- 초미세먼지 마스크용 공기필터, 창문형 방진망 개발 및 산업용 초미세먼지 제거 및 가스포집을 위한 고내열성 고분자/세라믹 나노섬유 필터 개발
- 직교 나노섬유 멤브레인을 구성하는 개별 섬유 개발 및 해당 표면에 초박막 점착제 코팅 공정 적용 (iCVD 공정 최초 적용).
- 섬유 표면의
① 연구 과제 개요
연구 목표
○ 초미세먼지 및 생성 원인 물질 제거용 Sustainable 공기필터 개발
- 신개념 공기필터 (미세먼지 및 유해가스 동시 포집 제거) 소재 합성을 위한 원천 공정기술 개발 및 사업화
- 초미세먼지 마스크용 공기필터, 창문형 방진망 개발 및 산업용 초미세먼지 제거 및 가스포집을 위한 고내열성 고분자/세라믹 나노섬유 필터 개발
- 직교 나노섬유 멤브레인을 구성하는 개별 섬유 개발 및 해당 표면에 초박막 점착제 코팅 공정 적용 (iCVD 공정 최초 적용).
- 섬유 표면의 화학적 기능화 및 기능성 소재 결착을 통해, 고온에서 사용 가능한 초미세먼지 및 유해가스 저감 공기필터 소재 개발.
- 초미세먼지 마스크, 초미세먼지 방진망, 산업용 초미세먼지 저감 및 분해 필터 생산
○ iCVD를 활용한 나노섬유 표면 이온성 고분자 기능화
- iCVD를 활용한 나노섬유 표면 이온성 고분자 (VBC, DMAEMA) 기능화
∙ 그람음성균, 그람양성균 등에 대한 향균 특성 평가 (미세먼지/박테리아 제거 기능 부여)
- 나노섬유 표면의 이온성 고분자 기능화에 따른 공기필터 특성의 메커니즘 규명
- SCI급 논문 1편 / 특허 출원 1건 이상
○ 가스 흡착용 다공성 소재 결착 요소기술 개발
- iCVD로 코팅된 점착제를 활용한 나노섬유 표면 금속유기구조체/다공성 고분자 결착
- 금속유기구조체/다공성 고분자의 작용기, 형태, 기공크기 제어에 따른 가스 흡착 특성 평가
∙ SOx, NOx, VOCs 흡착 특성에 대한 메카니즘 규명
∙ SOx, NOx, VOCs 흡착 특성 및 공기필터 특성의 상관관계 확립
- SCI급 논문 2편 / 특허 출원 2건 이상
○ 초미세먼지 방진망 개발
- 초미세먼지 여과 효율: PM10 95% 이상 & PM2.5 90% 이상 (air flow: 300m3/h 기준)
- 공기저항: 압력강하 30 Pa 이하 (air flow: 300 m3/h 기준)
- VOCs 여과 효율: NOx, HCHO, NH3, toluene 등 80% 이상 제거
- 시인성: 40% 이상 (550 nm wavelength 기준)
○ 나노 섬유 및 복합 나노 필터의 연속식, 대량생산 시스템 구축
- 복합 나노 필터 제작을 위한 멀티 원심방사 디스크 설계 및 제작 (복수고분자 섬유의 동시 방사 가능성 확보 및 기존 공정의 1단계 압축으로 공정간소화)
- 공기 흐름을 이용한 나노 섬유 수집 기술의 개발과 필터화까지 연속식으로 제조 가능한 시스템 구축 및 복합 나노 필터 대량생산 (20 g/h)
○ 멀티 원심방사 시스템의 스케일 업을 통해 연속식 대량생산 시스템 구현
- 멀티 원심방사 디스크 직경 및 적층 수 증가를 통한 대량생산용 다층 멀티 방사 디스크 제작 (최소 5단 이상)
- 고분자 및 용매 조합에 따른 고분자 용액의 물리적, 화학적, 유변학적 특성 연구
- 기존 나노 필터 대비 포집 효율 및 통기성을 동시에 고려한 양질 계수 0.1, 인장 강도 50% 이상 향상 목표
- 다층 방사 디스크 사용 공정에서 랩 스케일 최적화 조건의 검증 및 필요시 최적 조건 수정
- 대면적·고효율·고강도 복합 나노 필터를 대량·고속 생산 (시간당 40 g이상, 1000 cm2 이상 대면적 필터 제작)
② 연구 내용
□ 대면적 직교나노섬유 멤브레인 및 초미세먼지 방진망 개발
○ 대면적 나노섬유 공기필터 제조 공정 구축
- 본 연구팀에서는 대량 방사 공정 개발을 위해 8구이상의 노즐이 동시에 방사될 수 있는 멀티노즐방사 공정을 구축함.
- 전기방사 공정의 변수(전압, 집전체간의 거리, 토출속도)와 방사용액 조건(점도, 농도, 휘발성) 제어를 통해 방사구동을 위한 연속성을 확보함.
- 나노섬유 직경 및 배향성 조절을 통해 고 필터효율의 나노섬유 구조 최적화
- 나노섬유의 적층법 및 방사 시간 제어를 통해 반복적인 굽힘 테스트에도 구조가 변형되지 않는 필터를 개발함. 나노섬유의 기계적 내구성을 향상시킴.
○ 초미세먼지 방진망 개발
- 나노섬유의 배향성을 조절하여 조밀한 기공 크기 기반의 최소두께 및 초박형의 방진망을 개발함.
- 개발된 방진망은 우수한 입자 여과 효율 특성을 보임과 동시에 우수한 시인성 및 공기 투과도를 가짐.
□ iCVD를 활용한 나노섬유 표면 기능화 요소기술 개발
○ Charge를 띄며 anti-bacteria 특성을 지닌 고분자 박막 코팅
- 본 연구팀에서는 iCVD 공정을 활용하여 나노섬유 표면에 이온성 고분자를 기능화하여, 공기필터 특성 향상 및 항균성이 도입된 나노섬유 기반 공기필터 여재를 개발함.
- Dmethylaminomethylstyrene (DMAMS) 와 vinylbenzylchloride (VBC)를 공중합하여 고분자 박막을 나노섬유 표면에 도입하였고, 이온성 가교 반응을 통해 고분자 표면에 4차 암모늄이 형성된 것을 확인함.
- 그 결과, 코팅을 하지 않은 필터 대비 성능이 10% 증가된 것을 확인하였고, 해당 고분자 코팅 위에서 박테리아가 사멸되는 것을 확인함.
□ 유해가스 흡착용 다공성 소재 결착
○ iCVD 표면처리 공정 기술 개발
- MOF와 organic ligand를 형성할 수 있는 imidazole을 나노섬유 필터에 도입하여 나노섬유와 MOF의 접착 안정성 향상을 도모함.
- Vinyl imidazole의 homopolymer는 polar한 특성 때문에 용매에 잘 녹는 문제가 있어, 가교제인 V3D3의 도입을 통해 용매 안정성을 확보함.
- 또한, 나노섬유 필터에 유해가스 흡착용 촉매 입자의 부착을 위해, 나노필터 표면에 가교가 가능한 끈적끈적한 접착제를 도포함.
- 해당 고분자는 가교 전에 sticky한 특성 때문에 나노입자와 반데르발스 상호작용이 유리하여 간단한 접촉만으로 접착이 이루어짐. 그 이후 추가적인 가교를 진행하여 나노입자의 결착력 향상을 도모함. 이를 통해 섬유 위의 촉매 입자 탈리 문제를 해결함.
○ 표면처리를 활용한 금속유기구조체/다공성 고분자 결착 요소기술 개발
- 높은 비표면적으로 가스 흡착 특성이 우수한 금속유기구조체를 나노섬유와 결합하여 필터소재로 이용함. 나노섬유 표면에 기능화된 리간드와의 배위결합을 통해 금속유기구조체를 나노섬유에 결착시켰으며, 표면 처리를 하지 않은 경우보다 결합 안정성이 상승함을 확인함.
- 접착성 공중합체를 이용하여 금속산화물 나노입자를 나노섬유에 결착시켰으며, 나노입자가 결합된 다공성 복합구조를 확인함. 또한, 접착 공중합체 코팅으로 인하여 세척 이후 향상된 결착 안정성을 확인함.
- 진공필터레이션, 수열합성 등으로 금속유기구조체와 나노입자가 결착된 나노섬유를 필터 형태로 제작하여 필터 성능시험을 진행함. 다양한 유해가스에 대한 가스 제거 특성을 확인하였으며, 미세먼지에 대한 포집 성능이 향상됨을 확인함.
□ 필터 차압 54Pa 이하, 양질 계수 0.15 이상, 인장 강도 기존 나노 필터 대비 50% 향상
- 다양한 고분자 및 용매 조합에 따른 고분자 섬유 제조
- 연속식 필터 여재 생산을 위한 공정 최적화 및 공정 조건 연구
- 음압을 활용한 효율적인 섬유 수집 기술 개발
- 보조 섬유 도입을 통한 복합 필터 인장 강도 향상 (나노 필터 대비 75%이상 향상)
- 미세먼지 포집 효율 및 통기성이 확보된 필터 여재 생산
- 복합 필터 내 고분자 섬유 함량 조절을 통해 물리적, 화학적 특성 조절
- 코로나 바이러스 차단을 위한 마스크 필터 제조 및 비말 차단 능력 확인
③ 연구 성과 우수성
당초 연구계획서상 계획 성취도
□ 연구계획서 목표 및 계획
○ iCVD를 활용한 나노섬유 표면 이온성 고분자 기능화
- iCVD를 활용한 나노섬유 표면 이온성 고분자 (VBC, DMAEMA) 기능화
- 나노섬유 표면의 이온성 고분자 기능화에 따른 공기필터 특성의 메커니즘 규명
- SCI급 논문 1편 / 특허 출원 1건 이상
○ 가스 흡착용 다공성 소재 결착 요소기술 개발
- iCVD로 코팅된 점착제를 활용한 나노섬유 표면 금속유기구조체/다공성 고분자 결착
- 금속유기구조체/다공성 고분자의 작용기, 형태, 기공크기 제어에 따른 가스 흡착 특성 평가
∙ SOx, NOx, VOCs 흡착 특성에 대한 메카니즘 규명
∙ SOx, NOx, VOCs 흡착 특성에 및 공기필터 특성의 상관관계 확립
- SCI급 논문 2편 / 특허 출원 2건 이상
○ 초미세먼지 방진망 개발
- 초미세먼지 여과 효율: PM10 95% 이상 & PM2.5 90% 이상 (air flow: 300m3/h 기준)
- 공기저항: 압력강하 30Pa 이하 (air flow: 300 m3/h 기준)
- VOCs 여과 효율: NOx, HCHO, NH3, toluene 등 80% 이상 제거
- 시인성: 40% 이상 (550nm wavelength 기준)
○ 다양한 고분자의 사용 및 공정 최적화를 통한 고효율/저차압/고강도 복합 나노필터 생산
- 고분자의 종류에 따른 용매 조합 선정 및 고분자 용액의 유변학적 파라미터 제어를 통한 생산된 섬유 형태 및 특성 연구
- 물리적, 화학적, 유변학적 특성을 고려한 다양한 고분자 사용을 통해 우수한미세먼지 포집 효율 및 통기성이 확보된 필터 여재 생산 (양질 계수 0.1 목표)
- 복합 나노 필터의 인장 강도, 기공 크기, 두께, 단가 등의 비교를 통한 최적화 연구 진행 (인장 강도 기존 나노 필터대비 50% 이상 향상 목표)
□ 성취내용 및 성취도
○ iCVD를 활용한 나노섬유 표면 이온성 고분자 기능화
- 나노섬유 표면에 iCVD를 이용하여 이온성 고분자 p(DMAMS-co-VBC)를 도입. (100 %)
- 필터기능 향상 및 항균성 부여 확인(100 %)
○ 가스 흡착용 다공성 소재 결착 요소기술 개발
- iCVD를 이용하여 나노섬유 표면에 금속유기구조체/다공성고분자 결착을 위한 기능층 도포 확인. (100 %)
- 나노섬유 표면에 iCVD 기능화를 통해 금속유기구조체(ZIF-8, HKUST-1)와 다공성 금속산화물 촉매(ZnO, TiO2)를 안정적으로 결착시킴. (100%)
- 금속유기구조체 및 금속산화물로 기능화된 나노섬유 필터를 제작하여 메틸 메르캅탄, 암모니아, 포름알데하이드,벤젠 등 대표 유해가스에 대한 흡착특성 평가를 진행함. (100%)
- 미세먼지 필터 성능에 대한 실험을 진행하여, 금속유기구조체와 금속산화물 나노입자의 기능화를 통해 높은 필터효율과 유해가스 저감 성능을 동시에 달성할 수 있음을 확인함 (100%).
○ 직교나노섬유 멤브레인 구조 최적화 및 초미세먼지 방진망 개발
- 대면적 직교나노섬유 멤브레인 개발 및 나노섬유의 배향성 및 직경 제어(100%)
- 나노섬유 배향성에 따른 여과효율의 상관관계 규명 (100%)
- 나노섬유 미세구조 제어에 따른 기계적 내구성 향상 (100%)
- 미세먼지 여과 효율 ~ 95%, 압력 강하~ 30Pa 달성 (DIN 71460-1, NaCl 1~3μm 입자 기준) (100%)
- 시인성 ~ 50% 확보 (100%)
○ 멀티 원심방사 공정 최적화 및 복합필터와 섬유 수집 기술 연구
- 다양한 고분자 및 용매 조합을 통한 섬유 제조 가능성 및 직경 변화 확인(100%)
- 최적 고분자 및 용매 조합 선정 및 상업화된 마스크 필터와 유사한 성능의 필터 여재 제조 (60%)
- 나노 필터 대비 복합 나노 필터의 인장 강도 75% 이상 향상 (100%)
- 국내 특허 출원 진행 중 (초과 달성)
- 복합 필터의 물리적, 화학적 특성 제어 가능성 확인 (초과 달성)
- 코로나 바이러스 차단을 위한 마스크 제조 및 비말 차단 능력 확인 (초과 달성)
- 계획서 상 목표 미달성 사유: 1. 블로워로부터 형성된 공기 흐름을 이용한 원심방사 장치의 경우, 섬유의 수집 효율이 낮으며, 섬유의 뭉침 현상 발생으로 인해 실질적으로 연속식 섬유 필터 생산이 어렵다는 문제 확인 → 원심방사 장치로부터 섬유를 효율적으로 수집하기 위한 새로운 기술개발 및 현재 구축 진행 중 (음압을 이용한 연속식 원심방사 장치) 2.코로나 바이러스로 인한 마스크 필터 테스트 기관의 연구 목적용 분석 의뢰 거절
○ SCI 논문 1편 게재, 1건 리비전 및 1건 투고 예정/ 특허 출원 2건 및 2건 진행 중 (100 %)
④ 연구 향후 기대효과 및 차년도 계획
□ 연구 결과물의 향후 기대효과 및 차년도계획
○ 초고성능 미세먼지 제거 및 가스 분해/제거 공기필터 소재의 원천기술확보
∘ iCVD 공정을 통해 표면이 균일하게 화학 처리된 직조 나노섬유 멤브레인은 다공성 구조로 인해 공기투과도가 높을 뿐만 아니라 표면의 화학물질과 미세먼지와의 반응을 통해 압력 강하를 최소화한 상태에서 미세먼지를 용이하게 제거할 수 있음.
∘ iCVD 공정을 활용하여, 나노섬유 표면 위의 금속유기구조체/다공성 고분자/금속산화물 나노입자 촉매를 균일하고 강하게 결착시켜, 초미세먼지제거 및 원인물질을 동시에 저감할 수 있으며 재사용이 가능한 신개념의 미세먼지 공기필터 소재의 원천기술을 확보할 수 있음.
∘ 멀티 원심방사 시스템은 기존의 전기방사 혹은 원심방사에서 적용하기 어려웠던 복수 종류의 고분자 섬유 동시 방사를 가능하게 함. 이를 통해 공정의 간소함을 유지하면서 복합 섬유를 이용한 단일층 필터 형성이 가능해지고, 보조 및 나노 섬유가 동시 집적되어 형성되는 단일층 하이브리드 매트릭스 구조를 통해 획기적인 강도 향상을 가능하게 하는 혁신적 방법으로 기술적 도약이 예상됨.
○ 내열성 고분자 기반 직교 나노섬유 멤브레인 및 iCVD 코팅 기술 개발
- 내열성 고분자 (예: 폴리이미드) 기반 나노섬유 구조 최적화
- 내열성 점착제 (예: poly(GMA-co-HEA)) iCVD 공정 최적화
- 열적 안정성이 우수한 금속유기구조체-점착제-고분자 나노섬유 복합 공기필터 개발
- SCI급 논문 1편 / 특허 출원 1건 이상
○ 유연 세라믹 기반 나노섬유 멤브레인 및 iCVD 코팅 기술 개발
- 동결건조를 활용한 에어로졸 형태의 유연 세라믹 나노섬유 멤브레인 제조
- iCVD를 점착 기술을 활용한 유연 세라믹/고분자/유연 세라믹 나노섬유복합화 기술 개발
- 귀금속 나노입자 촉매의 기능화를 통한 가스 제거 특성 평가
∙ SOx, NOx, VOCs 분해 특성 및 공기필터 특성의 상관관계 확립
- SCI급 논문 2편 / 특허 출원 2건 이상
○ 산업용 초미세먼지 저감 및 분해 필터 개발
- 초미세먼지 여과 효율: PM0.2 99.99% 이상
- 공기저항: 압력강하 (ΔP) 30 Pa 이하 (air flow: 300 m3/h 기준)
- 내열성: 500 ℃ 이상의 고온에서 성능 95% 이상 유지
- 초미세먼지 주요 원인 물질 여과 효율: SOx, NOx 등 95% 이상
- 초미세먼지 주요 원인 물질 분해 효율: SOx, NOx 등 95% 이상
○ 서브 디스크 적층 수 증가를 통해 파일럿 플랜트 스케일의 대량생산 시스템 구현
- 적층 구조를 통한 대량생산용 다층 멀티 방사 디스크 제작
- 효율적인 필터 제조를 위한 음압 기반의 섬유 수집 기술 도입
- 다층 방사 디스크 사용 공정에서 랩 스케일 최적화 조건의 검증 및 필요시 최적 조건 수정
- 대면적·고효율 나노 필터를 대량·고속 생산 (시간당 40 g 이상, 1000cm2 이상 대면적 필터 제작)
□ 사회적/경제적 파급효과
○ 사회적 측면
- 미세먼지는 2013년 세계보건기구 (WHO) 산하 국제암연구소 (IARC)에서 1군 발암물질로 새롭게 지정될 만큼, 인류의 건강에 악영향을 준다고 알려져 있음. 미세먼지는 전세계적으로 그 농도가 급증하고 있으며 우리나라는 1년 중 미세먼지의 농도가 대기질 기준 (25㎍/㎥)을 초과하는 날이 23.83일(평균: 12.35일)로 경제개발협력기구 (OECD) 가입국 중에서 가장 높은 상황임. 인체로 흡수된 미세먼지는 호흡기에서 걸러지지 않고 폐포 깊숙이 침투하여, 납, 카드뮴 등 중금속과 각종 화학 물질을 포함한 상태로 체내에 누적되어 직접적으로는 혈액과 폐에 염증 반응을 일으킬 뿐 아니라 심장질환과 호흡기 질환의 원인이 됨.
- 미세먼지에 대한 이슈가 지속적으로 증가함으로써, 정부차원에서의 특별관리 대책을 시행하는 등 적극적인 노력이 진행되고 있으며, 2026년까지 미세먼지 농도를 세계보건기구 권장 수준 이하로 낮추는 것을 목표로 하고 있음 (환경부, 2016년). 이를 달성하기 위해, 정부는 미세먼지 저감 기술개발 R&D 국가과제를 통해 2015년도 28.9억 원, 2016년도 57.8억 원, 2017년도 70.0억 원을 투자하고 있음. 본 기술개발에 의한 결과물은 미세먼지 제거 및 저감에 크게 기여할 수 있기 때문에 이러한 사회적 이슈 해결에 큰 도움이 될 것으로 예상됨. 또한, 초미세먼지 마스크, 초미세먼지 방진망 등을 통해 국민의 건강 증진에 기여할 수 있을 것이라 기대됨.
○ 경제적 측면
- 나노섬유 멤브레인 및 iCVD 공정 기법의 융합연구를 통하여, 공기필터 응용 분야에 새로운 가능성을 제시하고, 고신뢰성을 바탕으로 초미세먼지제거 및 유해가스 제거가 가능한 다양한 응용분야에서 활용 가능할 것으로 기대됨.
- 본 연구개발 성과물은 상용화된 공기필터 소재 대비 절반 이하의 가격으로 저렴하게 제조가 가능하며 (50 x 50 cm2 기준 500원 추정), 세척을 통해 재사용이 가능하므로 기존 공기필터 소재의 획기적인 비용 절감을 이루어 낼 것으로 기대됨.
- 미세먼지 제거 및 유해가스 저감 기술개발은 환경 산업 발전의 새로운 원동력으로 자리매김하고 있으며, 이와 관련된 기술 및 제품 시장은 현재 약 1조 원 규모로 추정됨. 이에 따라 신속한 연구/개발을 통한 기술 확보시 환경 관련 공기필터 시장의 독보적인 선점이 가능하리라 판단됨.
(출처 : 요약문 3p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 2
- 요 약 문 ... 3
- 목차 ... 13
- 표목차 ... 13
- 그림목차 ... 13
- 제1장 연구 과제 개요 ... 16
- 제1절 연구 목표 ... 16
- 제2절 해당 연도 추진내용 ... 28
- 제3절 연구 추진체계 ... 30
- 제2장 연구 결과의 우수성 ... 32
- 제1절 해당 연도 연구 성과 ... 32
- 제2절 해당 연도 성과 DEMO ... 64
- 제3절 연구의 우수성 ... 74
- 제4절 해당연도 연구 수행 현황 및 목표 달성도 ... 76
- 제3장 연구 향후 기대효과 ... 79
- 제1절 차년도 연구 수행 계획 ... 79
- 제2절 연구 결과물의 향후 기대효과 ... 87
- 제3절 사회적 경제적 파급효과 ... 89
- 참고문헌 ... 90
- 약 어 표 ... 92
- 끝페이지 ... 93
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