KR100575655B1 - 활성 탄소 섬유 음이온 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음이온 발생장치에 관한 것으로, 특히 불순물이 적고 표면적이 넓으며 제조가 용이한 활성 탄소 섬유를 다양하게 구성한 것을 음이온 발생 재료로 사용하도록 하여 음이온 발생 효율을 높이고 불순물 필터 기능을 부가한 활성 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 필터를 더 적용하고 있지만, 현재에는 이온 발생장치와 별개로 적용되고 있으므로 시스템의 구성을 복잡하게 하며 관리를 어렵게 하는 문제점이 있었다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 불순물이 적고 표면적이 크며 제조가 용이한 활성 탄소섬유를 섬유 다발, 팰트(felt)등의 다양한 형태로 구성하고, 이러한 구성물에 음전극을 인가하는 것으로 이를 음이온 발생부로 사용하도록 함으로써, 음이온 발생 효율을 높이고 필터기능까지 동시에 제공할 수 있는 높은 품질의 공기 정화 장치를 낮은 비용으로 제조할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

활성 탄소 섬유 음이온 발생장치{ACTIVE 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 비전도성 하부 기판을 가지는 본 발명 일 실시예의 구조를 보인 단면도.

도 5는 하부 기판이 없는 본 발명 다른 실시예의 구조를 보인 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 실시예들의 음이온 발생량을 측정한 그래프도.

도 7은 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 불순물이 적고 표면적이 넓으며 제조가 용이한 활성 탄소 섬유를 다양하게 구성한 것을 음이온 발생 재료로 사용하도록 하여 음이온 발생 효율을 높이고 불순물 필터 기능을 부가한 활성 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 용 도가 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 제품 이 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 웰빙(well-bing) 이라는 사회적인 추세에 힘입어 공기 청정기로 많이 사용되고 있는데, 인체에 유익한 음이온을 대량 생성하면서 미세 먼지를 걸려줄 수 있도록 하는 추가 기능도 적용되고 있다. 이를 위해서, 이온을 발생시키는 이온 발생부로 공기를 흡입시키면서 기본적인 미세먼지를 걸러내기 위한 필터들을 배치하는 제품들이 개발되었다.

하지만, 정화하고자 공기를 걸러주기 위한 필터는 음이온 발생장치와는 별개의 추가적인 구성요소가 된다. 따라서, 지속적으로 관리하기 위해서는 음이온 발생장치와 부가되는 필터를 주기적으로 청소해줄 필요가 있어 관리가 불편하다.

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 사용하므로 팁의 반경을 줄이는데 한계를 가지므로 음이온 발생 효율이 낮은 문제점이 있었다. 또한, 이온 발생장치가 적용되는 시스템에 공기 정화 기능을 추가하기 위해 필터를 더 적용하고 있지만, 현재에는 이온 발생장치와 별개로 적용되고 있으므로 시스템의 구성을 복잡하게 하며 관리를 어렵게 하는 문제점이 있었다.

상기한 바와같은 종래의 문제점들을 해결하기 위해 본 발명은, 불순물이 적고 표면적이 크며 제조가 용이한 활성 탄소섬유를 섬유 다발, 팰트(felt)등의 다양한 형태로 구성하고, 이러한 구성물에 음전극을 인가하는 것으로 이를 음이온 발생부로 사용하도록 하여 음이온 발생 효율을 높이고 필터기능까지 동시에 제공할 수 있도록 한 활성 탄소 섬유 음이온 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예는 첨단 부분이 노출된 복수의 활성 탄소 섬유와; 상기 활성 탄소 섬유가 전자 방사식 음이온 발생부로 동작하도록 상기 활성 탄소 섬유에 연결된 고전압 음전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 활성 탄소 섬유는 첨단 부분이 노출되도록 음이온 발생 부분에서 절단된 단면을 가지는 대량의 탄소 섬유 집합체인 것을 특징으로 한다.

상기한 바와같은 본 발명을 첨부한 도면들을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명 일 실시예에서 사용되는 음이온 발생부의 구조를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 활성 탄소 섬유사(Activated Carbon Fiber)를 팰트(felt) 형태로 제조한 예를 보인 것이다. 당연히, 이러한 팰트 형태 외에 활성 탄소 섬유사 다발 등의 형태로도 사용이 가능하다.

도시된 바와 같이 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.

일반적으로 이러한 활성 탄소섬유는 새로운 형태의 섬유상 흡착제로서, 천연 섬유, 인조 유기물, 화학 섬유를 원료로 소성, 부활시켜 만든 섬유상태의 활성탄이라 할 수 있다. 주요 성분은 탄소로서, 흑연 결정체의 누적된 형태이며 탄소 이외의 미량의 수소등을 포함하고 있다. 표면적은 1100~1600㎡/g으로 매우 크며, 공격은 10~14Å으로 균등하여 작은 세공구조로 되어 있어 활성탄의 10~100배의 흡착 속도를 가지는 물질이다.

이미 여러 분야에서 사용되는 분말이나 입상 활성탄소에 비해서 10배 이상의 높은 흡착력을 가지며 흡착제의 중량을 경량화 할 수 있고 크기를 소형화 할 수 있어 현재 공기 및 수질의 정화를 위한 흡착필터로 사용되고 있는 재료이기도 하다. 따라서, 그 자체로서 유해가스, 악취 물질, 미생물을 흡착하는데 탁월한 성능을 제공하므로 우수한 성능의 공기 필터로도 사용할 수 있다.

본 발명은 상기와 같이 수많은 탄소 섬유 종단부가 섬유사 표면에 위치하는 활성 탄소섬유를 다발이나 팰트 등과 같은 다양한 구조로 형성한 후, 이를 적당한 크기와 형태로 잘라서 음이온 발생부로 사용한다. 즉, 매우 미세하고 무수히 많은 절단면 탄소섬유 첨단을 모두 음이온 발생팁으로 사용하도록 함으로써, 활성 탄소섬유 전면으로부터 다량의 음이온을 안정적으로 발생시킬 수 있다.

이러한 활성 탄소 섬유로 이루어진 펠트형 필터나 섬유 다발은 비교적 물리적인 강도가 높기 때문에 그 모양이 쉽게 정의될 수 있으며, 절단이나 취급이 대단히 용이하다. 또한, 이미 필터로서 사용되고 있기 때문에 대량 생산 체제가 갖추어져 있어 비용이 낮고 수급이 용이하다는 장점도 있다. 본 발명은 이러한 활성 탄소 섬유의 종단을 음이온 발생 팁으로 이용하기 때문에 다양한 형태나 구조의 활성 탄소 섬유 구조물을 형성한 후 이를 적절히 절단하는 것으로 그 절단면에 위치하는 수 많은 활성 탄소 섬유 첨단이 음이온 발생부로 사용될 수 있어야 하므로 절단면이 노출되는 구조를 가져여 한다.

상기와 같이 활성 탄소섬유로 형성한 다양한 구조물에 음전압을 인가하게 되면, 상기 활성 탄소섬유 구조물의 절단면 전면에서 다량의 음이온이 발생하게 되며, 상기 활성 탄소섬유 구조물를 지나는 오염된 공기가 활성 탄소섬유 구조물에 흡착되어 공기가 정화 된다. 또한, 상기 음이온이 발생되는 활성 탄소섬유의 첨단에서는 고열이 발생하기 때문에 고열에 의한 살균도 가능하게 된다.

도 4내지 도 5는 본 발명 실시예들의 전극 구조들로서, 도시된 바와 같이 상기 도 3에 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 4의 구조를 보면, 비전도성 기판(100) 상부에 인가전극(110)을 형성하고, 그 상부에 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 필터로 사용하기 어렵다.

도 5의 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 탈취하는 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 6은 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 전술한 두가지 전극 구조 모두 이 기준을 초과한다.

도 6a는 1.0㎥의 공간에서 음이온을 발생시킨 후 30㎝거리에서 측정한 경우로서, 도 4의 구조와 도 5의 구조 모두 측정기의 측정범위를 초과하여 120만개/cc 이상의 음이온이 발생하였다.

도 6b는 동일 조건으로 음이온을 발생시킨 후 50㎝ 거리에서 측정한 것으로, 도 4의 구조를 이용한 경우이다. 시간에 따라 균일한 음이온 발생정도를 보이며, 평균적으로 100만개/cc의 음이온을 발생시키고 있다.

도 6c 역시 50㎝ 거리에서 측정한 것으로, 도 5의 구조를 이용한 경우이다. 도 7b 보다는 불안정하지만, 시간이 지남에 따라 안정적으로 100만개/cc 이상의 음이온을 발생시키는 것을 알 수 있다.

도 7은 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 흡착되어 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 흡 착된 불순물도 제거할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명 활성 탄소 섬유 음이온 발생장치는 불순물이 적고 표면적이 크며 제조가 용이한 활성 탄소섬유를 섬유 다발, 팰트(felt)등의 다양한 형태로 구성하고, 이러한 구성물에 음전극을 인가하는 것으로 이를 음이온 발생부로 사용하도록 함으로써, 음이온 발생 효율을 높이고 필터기능까지 동시에 제공할 수 있는 높은 품질의 공기 정화 장치를 낮은 비용으로 제조할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 첨단 부분이 노출된 복수의 활성 탄소 섬유와;

   상기 활성 탄소 섬유가 전자 방사식 음이온 발생부로 동작하도록 상기 활성 탄소 섬유에 연결된 고전압 음전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 활성 탄소 섬유 음이온 발생장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 활성 탄소 섬유를 통하여 공기가 순환되도록 하는 팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 활성 탄소 섬유 음이온 발생장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 활성 탄소 섬유는 첨단 부분이 노출되도록 음이온 발생 부분에서 절단된 단면을 가지는 대량의 탄소 섬유 집합체인 것을 특징으로 하는 활성 탄소 섬유 음이온 발생장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 활성 탄소 섬유는 다양한 개별 형태를 가지는 다수의 활성 탄소 섬유를 펠트 형태로 제조한 것을 원하는 크기와 형태로 절단하여 절단면에 다수의 첨단 부분이 위치되도록 한 면상 구조를 가진 것을 특징으로 하는 활성 탄소 섬유 음이온 발생장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 인가 전극은 상기 면상 구조 활성 탄소 섬유의 일측 전면에 형성되며, 상기 인가 전극을 균일하게 형성하도록 하면서 이를 지지하는 비 전도성 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 활성 탄소 섬유 음이온 발생장치.
6. 제 4항에 있어서, 상기 인가 전극은 면상 구조 활성 탄소 섬유의 경계부에 형성되어 면상 구조 탄소 섬유의 양면에서 음이온이 발생되도로 하고, 면상 활성 탄소 섬유가 필터 기능을 하도록 한 것을 특징으로 하는 활성 탄소 섬유 음이온 발생장치.

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