KR100575654B1 - 나노 기술이 적용된 탄소 섬유 음이온 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음이온 발생장치에 관한 것으로, 특히 공기 필터로 사용되는 면상 탄소 섬유에 은 나노입자를 고르게 담지한후, 이를 음이온 발생 재료로 사용하도록 하여 음이온 발생 효율을 높이고 항균 및 살균 기능을 부가한 나노 기술이 적용된 탄소 섬유 음이온 발생장치에 관한 것이다. 종래 이온 발생장치 중에서 전자 제품이나 크기와 비용이 높지 않은 산업 장비에 사용되는 이온 발생장치는 이온발생의 핵심이 되는 팁을 금속과 같은 도전성 물질을 물리적으로 가공하여 형성하거나 와이어 형태의 것을 사용하므로 팁의 반경을 줄이는데 한계를 가지므로 음이온 발생 효율이 낮은 문제점이 있었다. 또한, 이온 발생장치가 적용되는 시스템에 공기 정화 기능을 추가하기 위해 나노 기술을 이용한 나노실버를 적용하고 있지만, 현재에는 이온 발생장치와 별개의 구성요소인 필터등에 적용되고 있으므로 시스템의 구성을 복잡하게 하며 관리를 어렵게 하는 문제점이 있었다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 탄소 섬유사가 펠트(felt) 형태로 제조된 활성 탄소섬유 팰트에 살균 효과를 가진 나노크기 귀금속 입자를 담지하고, 상기 활성 탄소섬유 팰트에 전극을 인가하는 것으로 이를 음이온 발생부로 사용하도록 함으로써, 음이온 발생 효율을 높이고 살균효과 및 필터기능까지 동시에 제공할 수 있어 높은 품질의 공기 정화 장치를 낮은 비용으로 제조할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

나노 기술이 적용된 탄소 섬유 음이온 발생장치{NANO TECHNOLOGY APPLIED CARBON FIBER NEGATIVE ION GENERATOR}

도 1은 일반적인 전자 방사식 음이온 발생 원리를 보인 개념도.

도 2a 내지 도 2b는 종래 이온 발생장치의 와이어형 방전팁구조를 보이는 사시도.

도 3은 본 발명 일 실시예에서 사용하는 활성 탄소섬유 팰트의 확대 사진.

도 4는 본 발명 일 실시예에서 사용되는 나노입자 담지된 활성 탄소섬유 팰트의 확대 사진.

도 5는 비전도성 하부 기판을 가지는 본 발명 일 실시예의 구조를 보인 단면도.

도 6은 하부 기판이 없는 본 발명 다른 실시예의 구조를 보인 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 실시예들의 음이온 발생량을 측정한 그래프도.

도 8은 본 발명에 따른 음이온 발생 및 공기 청정기의 구조 및 동작 방식을 보이는 개념도.

***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***

10: 방전팁 100: 기판

110: 인가전극 120: 활성 탄소섬유 팰트

150: 음이온 200: 순환팬

300: 오염된 공기 400: 정화된 공기

450: 음이온

본 발명은 음이온 발생장치에 관한 것으로, 특히 공기 필터로 사용되는 면상 탄소 섬유에 은 나노입자를 고르게 담지한후, 이를 음이온 발생 재료로 사용하도록 하여 음이온 발생 효율을 높이고 항균 및 살균 기능을 부가한 나노 기술이 적용된 탄소 섬유 음이온 발생장치에 관한 것이다.

최근 매연과 황사등과 같은 공기 오염에 의한 문제들이 심각해 짐에 따라 보다 쾌적하고 신선한 공기에 대한 관심이 높아지고 있다. 오염된 공기에 의해 각종 호흡기 질환이나 알레르기 반응을 나타내는 사람들이 증가함에 따라 공기의 질을 높이기 위한 수단으로 음이온을 발생시켜 오염된 공기를 정화하고자 하는 시도가 여러 방면에 걸쳐 다양하게 실시되고 있다.

음이온이란 공기중의 산소나 질소 등의 분자가 음의 전하를 갖고 있는 상태를 의미하며, 이러한 음이온은 인체에 매우 유익할뿐만 아니라 먼지 및 냄새 제거에도 효과가 있음이 보고되어 근래에는 공기청정기뿐만 아니라, 헤어드라이어, 정수기 등과 같은 대부분의 가전제품에 이온 발생장치를 부착하여 판매를 하고 있다.

현재까지 알려져 있는 이온 발생장치는 주로 코로나 방전 방식, 전자 방사 방식, 레나-드 효과를 이용한 방식, 그리고 α선 이용 방식을 이용하는데, 그 중에서 레나-드 효과를 이용한 방식, 그리고 α선 이용 방식은 장비가 고가이며 그 용도가 주로 산업용으로 사용되므로 가전 제품등에는 적용되지 않는다. 그리고, 코로나 방사방식은 경제적이기는 하지만, 음이온과 동시에 양이온을 발생시키므로 인체에 유해할 수 있는 양이온 때문에 사용이 점차 줄어들고 있는 추세이다.

도 1은 음이온만 발생시킬 수 있는 전자 방사식 이온 발생장치의 동작 원리를 보인 것으로, 도시된 바와 같이 첨단 부분이 첨예한 팁(tip)에 펄스성의 고전압을 가하여 공기 중에 직접 전자를 방출하는 방식으로, 방출된 전자가 주위의 공기분자와 결합하여 음이온을 만드는 방식이다. 이는 접지 전극을 팁에 대향시키는 코로나 방전방식에 비해 음이온 생성량이 아주 많은 것이 장점이며, 방전 면적을 작게 하는 것으로 오존의 발생량을 억제할 수 있기 때문에 최근 많이 사용되는 방식이다.

일반적으로, 공기 중에 고전압을 인가하기 위해서는 끝이 뾰족한 팁을 갖는 물질을 방전팁으로 이용하는데, 이는 같은 전압을 걸어주더라도 팁 끝의 반경이 작을수록 팁 끝에 더 높은 전압이 인가되기 때문이다. 이와 같은 원리는 전자 방사식에서도 마찬가지로 적용된다. 기존에는 이러한 팁으로 인위적으로 끝을 뾰족하게 한 물질을 이용하거나 와이어(wire)형태의 팁을 이용하였다. 하지만 물리적으로 가공하여 제조한 팁의 경우 팁 끝의 반경을 작게 하는 데는 한계가 존재하게 된다. 따라서, 팁의 물리적인 크기에 의해 면적당 발생시킬 수 있는 이온의 양이 작고, 부피가 커지며 소모되는 전력 역시 커지게 되는 한계를 가질 수 밖에 없다.

따라서, 물리적으로 작은 팁을 가지도록 방전팁의 크기를 줄이고자 하는 노력이 가속되어 도 2a 내지 도 2b에 도시한 바와 같은 형태의 방전팁을 이용한 제품이 나타나게 되었다.

도 2a는 하나의 와이어를 이용하여 방전팁을 형성한 경우를 보인 것으로, 물리적으로 금속을 가공하여 침형 방전팁을 형성한 경우보다 더욱 작은 팁 반경을 가질 수 있는 와이어를 바늘처럼 가공하여 사용하는 것으로, 이를 통해 팁의 반경을 더욱 줄이도록 한 것이다. 이를 통해 전자 방출을 위한 전력 소모를 줄이고, 전자 방출 효율을 높이도록 한 것인데, 이러한 와이어를 사용한 경우라 할지라도 실제 팁 반경을 줄이는데는 한계를 가지게 된다.

도 2b는 상기 도 2a보다 더욱 미세한 팁 반경을 가질 수 있도록 나노크기의 팁 반경을 가지는 탄소 섬유 다발을 이용한 경우를 보인다. 도시한 바와같이 비교적 대량 생산이 가능하고 가격이 저렴한 탄소 섬유를 이용하여 방전팁을 형성한 경우로서, 이 경우 팁 반경을 6㎛ 정도까지 줄일 수 있다.

상기 설명한 바와 같이 팁 반경을 줄여 전자 방출 효율을 높일 수 있는 새로운 소재의 음이온 방전팁을 이용하는 경우 금속판을 뾰족하게 잘라서 사용하는 기존의 방법에 비해 효율은 높아지겠지만, 이를 좁은 면적에 대량으로 배치하기 위한 구성이 어렵기 때문에 음이온 발생 장치를 제조하기 위한 비용이 높아지게 된다.

이러한 이온 발생장치는 최근 사회적인 추세인 웰빙(well-bing) 이라는 화두에 힘입어 공기 청정기로 많이 사용되고 있는데, 인체에 유익한 음이온을 생성하는 기능 외에 공기 중의 세균을 살균하고 미세 먼지를 걸려줄 수 있도록 하는 추가 기 능도 적용되고 있다. 이를 위해서, 이온을 발생시키는 이온 발생부로 공기를 흡입시키면서 기본적인 미세먼지를 걸러내기 위한 필터들을 배치하고, 이러한 필터들 중 하나에 나노실버(nano silver)를 적용하여 살균 효과를 얻을 수 있도록 하는 제품들이 개발되었다.

나노 기술은 나노미터(10억분의 1m) 크기를 갖는 분자나 원자수준에서 물질을 제어하는 초미세 극한기술을 통칭하는 것으로써 이러한 나노기술을 이용하여 은(Ag)입자의 크기를 나노미터 크기의 수준으로 만든 것을 나노실버라 한다. 이러한 나노실버는 환경친화적이고 독성이 없어 인체에 해가 없으며, 약 650종의 세균을 박멸할 수 있는 항균효과를 가지고 있다. 또한 나노실버는 염소계열 보다 수십 배 강한 살균력을 가지고 있으며, 항균, 탈취, 전자파 차폐등의 특성이 있으며 인체에 무해하기 때문에 다양한 생활용품과 가전제품등에 많이 응용이 되고 있다.

따라서, 이러한 나노 기술을 이용한 나노실버는 정화하고자 하는 대상에 직접 접촉하는 필터등에 적용되는 것으로 공기 청정기에 사용되는 경우에는 음이온 발생장치와는 별개의 추가적인 구성요소가 된다. 따라서, 지속적으로 관리하기 위해서는 음이온 발생장치와 부가되는 여러 필터들을 주기적으로 청소해줄 필요가 있다.

상기한 바와같이 종래 이온 발생장치 중에서 전자 제품이나 크기와 비용이 높지 않은 산업 장비에 사용되는 이온 발생장치는 이온발생의 핵심이 되는 팁을 금속과 같은 도전성 물질을 물리적으로 가공하여 형성하거나 와이어 형태의 것을 사 용하므로 팁의 반경을 줄이는데 한계를 가지므로 음이온 발생 효율이 낮은 문제점이 있었다. 또한, 이온 발생장치가 적용되는 시스템에 공기 정화 기능을 추가하기 위해 나노 기술을 이용한 나노실버를 적용하고 있지만, 현재에는 이온 발생장치와 별개의 구성요소인 필터등에 적용되고 있으므로 시스템의 구성을 복잡하게 하며 관리를 어렵게 하는 문제점이 있었다.

상기한 바와같은 종래의 문제점들을 해결하기 위해 본 발명은, 탄소 섬유사가 펠트(felt) 형태로 제조된 활성 탄소섬유 팰트에 살균 효과를 가진 나노크기 귀금속 입자를 담지하고, 상기 활성 탄소섬유 팰트에 전극을 인가하는 것으로 이를 음이온 발생부로 사용하도록 하여 음이온 발생 효율을 높이고 살균효과 및 필터기능까지 동시에 제공할 수 있도록 한 나노 기술이 적용된 탄소 섬유 음이온 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 귀금속 나노입자가 균일하게 분포되며 첨단부가 노출되는 면상 탄소 섬유와; 상기 면상 탄소 섬유에 음전압을 인가하기 위해 연결된 인가전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 면상 탄소 섬유는 활성 탄소 섬유(Activated Carbon Fiber) 팰트이며, 첨단부가 면 방향으로 노출되게 직조되거나, 절단을 통해 첨단부가 면 방향으로 노출되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와같은 본 발명을 첨부한 도면들을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.

도 3 내지 도 4는 본 발명 일 실시예에서 사용되는 음이온 발생부의 구조를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 탄소 섬유사를 팰트(felt) 형태로 제조한 활성 탄소섬유(Activated Carbon Fiber) 팰트의 현미경 사진이다. 도 3에 도시된 활성 탄소섬유는 미세한 크기의 탄소 섬유가 복잡하게 얽혀져 있으며, 절단에 의해 소정의 면을 가지도록 제조되기 때문에 절단된 표면에는 무수히 많은 탄소 섬유사의 종단면이 위치하고 있다. 이를 확대된 사진을 통해 확인할 수 있을 것이다.

상기 사진으로 도시한 바와 같이, 직경이 수㎛인 탄소 섬유를 이용한 활성 탄소섬유 팰트는 현재 공기 및 수질의 정화를 위한 흡착필터로 사용되고 있는 재료로서, 1000㎡/g 이상의 비표면적을 가지고 있기 때문에 그 자체로서도 유해 물질의 흡착에 따른 공기 청정 기능을 가진다.

본 발명은 상기와 같이 수많은 탄소 섬유 종단부가 섬유사 표면에 위치하는 활성 탄소섬유 팰트를 음이온 발생부로 사용한다. 즉, 매우 미세히고 무수히 많은 탄소섬유 끝단을 모두 음이온 발생팁으로 사용하도록 함으로써, 활성 탄소섬유 팰트 전면으로부터 다량의 음이온을 안정적으로 발생시킬 수 있다.

이러한 활성 탄소섬유로 이루어진 활성 탄소섬유 팰트는 섬유 형태로 직조되기 때문에 그 크기 및 모양이 쉽게 정의될 수 있으며, 귀금속 입자들을 자유롭게 담지할 수 있는 특성또한 가지고 있다.

실제 본 발명에 적용할 음이온 발생부는 상기와 같은 특징을 가진 활성 탄소섬유 팰트에 나노실버 입자와 같은 귀금속 입자를 고르게 분포시켜 음이온 발생과 더불어 공기중의 세균 및 박테리아와 같은 미생물을 제거할 수 있는 기능을 더 부가한 것이다. 적용될 수 있는 귀금속 입자는 Ag, Pt, Au, Cu, Al, Cr, W, Mo를 포 함하며, 이 중에서 나노실버 입자가 가장 대중화 되어 있다.

도 4는 이미 설명한 바와 같이 약 650종의 세균을 살균할 수 있는 항균 효과를 가진 나노실버 입자를 고르게 분포시킨 활성 탄소섬유 팰트를 보인 현미경 사진으로서, 확대한 사진을 보면 나노실버 입자가 탄소 섬유사에 고르게 담지되어 있음을 확인할 수 있을 것이다.

도시된 바와 같이 나노실버 혹은 다른 종류의 귀금속 나노 입자를 상기 활성 탄소섬유 팰트에 고르게 분포시킨 후, 상기 활성 탄소섬유 팰트에 음전압을 인가하게 되면, 상기 활성 탄소섬유 팰트의 전면에서 다량의 음이온이 발생하게 되며, 상기 활성 탄소섬유 팰트를 지나는 오염된 공기가 활성 탄소섬유 팰트에 흡착되어 공기를 정화하고, 공기에 섞인 미생물은 나노실버에 의해 살균 된다. 또한, 상기 음이온이 발생되는 탄소섬유의 종단부에서는 고열이 발생하기 때문에 고열에 의한 살균도 가능하게 된다.

도 5내지 도 6은 본 발명 실시예들의 전극 구조들로서, 도시된 바와 같이 상기 도 4에 도시된 활성 탄소섬유 팰트(120)에 적용할 전극을 활성 탄소섬유 팰트(120)와 일측 전면에서 접촉하도록 한 구조와, 활성 탄소섬유 팰트(120)의 측면에서 접촉하도록 한 구조를 나타내었다.

먼저, 도 5의 구조를 보면, 비전도성 기판(100) 상부에 인가전극(110)을 형성하고, 그 상부에 나노실버 입자가 고르게 분포된 활성 탄소섬유 팰트(120)를 부착하여 음전압이 상기 활성 탄소섬유 팰트(120)의 하단 전면에 고르게 인가되도록 하는 것으로 균일한 음이온(150)의 발생을 얻을 수 있도록 한 것이다. 이는 시간에 관계 없이 균일한 음이온 발생을 얻을 수 있지만, 상기 활성 탄소섬유 팰트(120)를 휴대 가스 흡착 및 탈취등의 용도로 사용하기는 어렵다.

도 6의 구조는 하부 기판 없이 활성 탄소섬유 팰트(120)의 측면에 인가 전극(110)을 부착한 구조로서, 상기 인가 전극(110)에 높은 음전압을 가하면 상기 활성 탄소섬유 팰트(120)의 양측 면에서 음이온(150)이 발생되게 된다. 이를 이용하면, 상기 활성 탄소섬유 팰트(120)를 음이온 발생부로도 사용할 수 있으면서 오염된 공기를 통과시켜 유해가스를 흡착하고, 불쾌한 냄새를 탈취하며 나노 실버에 의해 세균까지 살균할 수 있는 필터로도 사용 가능하다.

또한, 상기 활성 탄소섬유 팰트(120)는 전기 전도도가 높기 때문에 전극을 가하면 히터로도 사용할 수 있으므로, 오염물질이 흡착된 상태에서 높은 전압을 인가하여 발열시키면 흡착된 오염물질을 태워서 제거할 수도 있다.

도 7은 상기와 같은 활성 탄소섬유 팰트(120)를 이용하는 경우 발생하는 음이온의 양을 측정한 것이다. 통상적으로 1.0㎥의 공간에서 음이온을 발생시킨 후 30㎝거리에서 측정하여 그 양이 100만개/cc가 되면 음이온 발생기로 사용할 수 있다고 간주되며, 본 발명은 이 기준을 초과한다.

도 7a는 1.0㎥의 공간에서 음이온을 발생시킨 후 30㎝거리에서 측정한 경우로서, 도 5의 구조와 도 6의 구조 모두 측정기의 측정범위를 초과하여 120만개/cc 이상의 음이온이 발생하였다.

도 7b는 동일 조건으로 음이온을 발생시킨 후 50㎝ 거리에서 측정한 것으로, 도 5의 구조를 이용한 경우이다. 시간에 따라 균일한 음이온 발생정도를 보이며, 평균적으로 100만개/cc의 음이온을 발생시키고 있다.

도 7c 역시 50㎝ 거리에서 측정한 것으로, 도 6의 구조를 이용한 경우이다. 도 7b 보다는 불안정하지만, 시간이 지남에 따라 안정적으로 100만개/cc 이상의 음이온을 발생시키는 것을 알 수 있다.

도 8은 최근 음이온 발생기에 적용되는 강제 대류 방식의 공기 정화기에 본 발명을 적용한 것으로, 순환팬(200)을 통해 외부의 오염된 공기(300)를 활성 탄소섬유 팰트(120) 쪽으로 유입시키게 되면, 활성 탄소섬유 팰트(120)의 넓은 비표면적에 의해 유해한 가스나 불순물이 흡착되게 되며, 균일하게 분포된 나노실버 입자에 의해 세균이나 박테리아등의 미생물이 살균되어 정화된 공기(400)가 음이온(45)과 함께 방출되게 된다. 이때, 음이온(45)이 발생되는 탄소 섬유 첨단부분은 고열이 발생되므로 부가적인 살균효과도 얻을 수 있다. 또한, 부가적인 전극을 연결하여 상기 활성 탄소섬유 팰트(120)를 가열하는 경우, 상기 활성 탄소섬유 팰트(120)에 흡착된 불순물도 제거할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명 나노 기술이 적용된 탄소 섬유 음이온 발생장치 는 탄소 섬유사가 펠트(felt) 형태로 제조된 활성 탄소섬유 팰트에 살균 효과를 가진 나노크기 귀금속 입자를 담지하고, 상기 활성 탄소섬유 팰트에 전극을 인가하는 것으로 이를 음이온 발생부로 사용하도록 함으로써, 음이온 발생 효율을 높이고 살균효과 및 필터기능까지 동시에 제공할 수 있어 높은 품질의 공기 정화 장치를 낮은 비용으로 제조할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 귀금속 나노입자가 균일하게 분포되며 첨단부가 노출되는 면상 탄소 섬유와;

   상기 면상 탄소 섬유에 음전압을 인가하기 위해 연결된 인가전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 기술이 적용된 탄소 섬유 음이온 발생장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 귀금속 나노입자는 Ag, Pt, Au, Cu, Al, Cr, W, Mo를 포함하는 귀금속 재료 중 하나인 것을 특징으로 하는 나노 기술이 적용된 탄소 섬유 음이온 발생장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 면상 탄소 섬유는 활성 탄소 섬유(Activated Carbon Fiber) 팰트이며, 첨단부가 면 방향으로 노출되게 직조되거나, 절단을 통해 첨단부가 면 방향으로 노출되는 것을 특징으로 하는 나노 기술이 적용된 탄소 섬유 음이온 발생장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 인가 전극은 면상 탄소 섬유의 일측 전면에 형성되며, 상기 인가 전극을 균일하게 형성하도록 하면서 이를 지지하는 비 전도성 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 기술이 적용된 탄소 섬유 음이온 발생장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 인가 전극은 면상 탄소 섬유의 경계부에 형성되어 면상 탄소 섬유의 양면에서 음이온이 발생되도록 하고, 면상 탄소 섬유가 필터 및 살균 기능을 하도록 한 것을 특징으로 하는 나노 기술이 적용된 탄소 섬유 음이온 발생장치.

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