KR100585665B1 - 탄소 섬유를 이용한 가스 및 세균 제거 필터 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스 및 세균 제거 필터 및 그 필터링 방법에 관한 것으로, 흡착 기구와 발열 기구를 하나의 탄소 섬유로 구성되므로 저렴하고 간단한 제작이 가능하며, 흡착 기구와 분해제가 동시에 구성되므로 쾌속 운전이나 절전 운전 등의 적절한 운전에 따라 공기 중에 포함된 유해 가스나 냄새 성분, 곰팡이, 세균을 지속적으로 제거할 수 있고, 필터의 성능 및 수명을 향상시킨 탄소 섬유를 이용한 가스 및 세균 제거 필터 및 그 필터링 방법을 제공한다.
가스 제거 필터, 흡착제, 히터, 분해제, 탄소 섬유, 발열체
Description
도1은 광촉매의 반응 원리를 도시한 개략도.
도2는 자외선에 의한 살균 원리를 도시한 개략도.
도3 내지 도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 섬유를 이용한 가스 및 세균 제거 필터에 관한 것으로,
도3은 활성 탄소 섬유의 면상 발열체 필터의 구성을 도시한 개략도.
도4는 도3의 탄소 섬유에 분해제가 코팅된 상태를 도시한 개략도.
도5는 도3의 필터의 운전 방법을 도시한 개략도.
도6은 도3의 필터의 적용 알고리즘을 도시한 그래프.
도7은 도3의 필터에 히터를 장착한 상태를 도시한 개략도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
110: 활성 탄소 섬유 111,112: 전극
114: 섬유사 114a: 미세 공극
115: 송풍팬 120: 분해제
131: 외부 히터
132: 자외선 램프
본 발명은 탄소 섬유를 이용한 가스 및 세균 제거 필터 및 그 필터링 방법에 관한 것으로, 상세하게는 공기 중에 포함된 유해 가스나 냄새 성분, 곰팡이, 세균을 지속적으로 제거할 수 있고, 필터의 성능 및 수명을 향상시킨 탄소 섬유를 이용한 가스 및 세균 제거 필터 및 그 필터링 방법에 관한 것이다.
공기 중에 포함된 유해한 가스나 냄새 성분, 곰팡이, 세균을 제거하는 가장 일반적인 방법은 미세한 공극(Nano pore)들로 이루어져 가스나 냄새 등을 용이하게 흡착할 수 있는 소재의 필터를 사용하는 것이다. 흡착된 냄새, 세균 등은 흡착 영역에 계속 쌓이게 되어 시간이 지나면 흡착 영역이 포화되어 별도의 탈착이나 세척 과정이 없으면 냄새나 세균 등을 더이상 흡착하기 어렵게 되어 필터로서의 기능을 상실하게 된다.
또한, 곰팡이나 세균의 경우에는 별도의 살균 작용이 없다면 필터 내에서 그대로 번식 또는 증식되어 오히려 세균의 발생원으로 작용할 수 있다. 이에 따라, 공기 청정용 필터 개발은 유해한 가스, 냄새, 세균 및 곰팡이 등을 걸러내는 것과 함께 가스 성분을 분해, 제거하는 필터의 재생 기술과 세균, 곰팡이 등을 살균하는 살균 기능을 아울러 갖춘 시스템 개발로 집중되어 왔다.
종래에 사용되는 가스 및 세균 제거 방법은 광촉매와 자외선(UltraViolet: UV) 램프를 이용하여 제거하는 것이다. 여기서, 광촉매란 촉매의 한 종류로서 빛에 너지를 받아 촉매 작용이 일어나는 촉매를 말하며, 대표적인 광촉매로는 ZnO, CdS, WO3, TiO2 가 있으며, 이 가운데 TiO2가 활성이 우수하므로 가장 널리 사용된다.
TiO2를 이용한 광촉매 반응은 다음과 같다. 즉, TiO2의 표면에 빛을 조사하면, 도1에 도시된 바와 같이, 광촉매 내에 전자가 여기되어 전자와 정공이 만들어진다. 생성된 전자와 정공의 쌍은 공기 중의 산소와 물과 반응하여 산소 이온과 수산기를 형성하며, 이들의 산화 작용에 의하여 세균을 포함한 거의 모든 유기물을 산화시켜 이산화탄소와 물로 분해시킨다. 한편, 유전자 기능을 갖는 디앤에이(DNA)는 도2(a)에 도시된 바와 같이 이중 나선 구조를 갖는 디앤에이(DNA)의 새끼줄처럼 꼬여 있는 길다란 두가닥의 사슬(1)과 이들 사슬(1)사이를 연결하며 유전자 기능으로 중요한 의미를 갖는 한 쌍의 염기 서열(4)로 이루어지는 데, 살균 작용을 갖는 자외선(UV)을 디앤에이에 조사하면 디앤에이의 염기 서열(4)의 형태를 도면 부호 4a로 표시된 바와 같이 변화시키거나, 미생물의 세포막에 외상을 주어 미생물 세포막으로 하여금 삼투압을 조절할 수 없도록 함으로써 사멸시킨다.
공기 중의 유해한 가스나 냄새 성분을 제거하는 방법으로 필터를 이용하여 제거하는 방법 이외에도 직접 열을 가하여 분해시키는 방법도 있다. 이는, 냄새를 포함한 유기 화합물 가스들을 약 400℃ 내지 500℃의 온도로 가열하면 물과 이산화탄소로 분해되는 원리를 이용한 것이다.
그러나, 종래의 가스 및 세균 제거 필터는 가스나 세균을 분해시키기 위하여 별도의 장치를 이용하여 열을 가해야 하므로 상기 필터의 구성이 복잡하고 제작비 용이 고가이며, 가스나 냄새 성분을 제거하기 위하여 약 400℃ 내지 500℃의 높은 온도로 가열해야 하므로 이에 따른 전력 손실과 필터의 작동 신뢰성이 보장되기 어렵다는 문제점이 있었다. 또한, 흡착된 냄새, 세균 등이 흡착 영역에 쌓이게 포화된 경우에 별도의 탈착이나 세척 과정이 없으면 냄새나 세균 등을 더이상 흡착하기 어렵게 되므로 지속적인 필터링이 곤란한 문제점도 아울러 갖고 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 공기 중에 포함된 유해 가스나 냄새 성분, 곰팡이, 세균을 지속적으로 제거할 수 있고, 필터의 성능 및 수명을 향상시킨 탄소 섬유를 이용한 가스 및 세균 제거 필터 및 그 필터링 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 흡착제가 동시에 발열 기구로도 사용될 수 있도록 함으로써 필터의 구성을 단순화하고 제작비용을 절감할 수 있도록 하며, 낮은 온도에서도 우수한 분해 효율을 갖고 반응하는 분해제를 이용함으로써 필터의 신뢰성과 수명을 향상시킬 수 있도록 하는 것이다. 또한, 본 발명은 흡착 단계에서는 열을 발생시키지 않고 분해 단계에서만 열을 발생시키도록 구성함으로써 전력 소비를 최소화할 수 있는 저전력 소비형 가스 및 세균 제거 필터를 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 가스 및 세균 필터에 있어서, 전원을 공급하면 열을 발생시키는 발열체이고, 가스 또는 세균을 흡착시키 도록 활성 탄소 소재로 형성된 흡착제를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가스 및 세균 제거 필터를 제공한다.
이는 탄소 소재를 흡착제로 사용함으로써, 이에 전원을 인가하여 열을 발생시키는 발열체로도 함께 사용할 수 있도록 하기 위함이다.
여기서, 상기 탄소 소재는 면(面)상의 활성 탄소 섬유로 형성될 수도 있고, 구(求)상의 활성 섬유볼로 형성될 수도 있다.
그리고, 귀금속이나 금속 산화물로 형성된 분해제를 더 포함하여 구성된 것이 분해제의 반응 온도를 낮추는 데에 있어서 효과적이다.
또한, 상기 분해제를 활성화시키는 자외선(UV) 램프 또는 적외선(IR) 램프 중 어느 하나를 더 포함하여 구성됨으로써 상기 분해제를 활성화하여 가스 등을 제거할 수 있게 된다.
그리고, 흡착된 가스 등의 물질에 열을 가하도록 피티시(Positive Temperature Coefficient; PTC) 세라믹 히터 등의 히터를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
또한, 자동 운전 기능을 구현하고 전력 소비량을 줄이기 위하여 주위 공기의 가스 농도를 감지하는 가스 센서를 더 포함하여 구성된 것이 바람직하다.
한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은 가스 및 세균을 제거하는 필터링 방법에 있어서, 활성 탄소 섬유로 가스나 세균을 흡착하는 흡착 단계와; 흡착된 가스나 세균을 분해제로 분해하는 분해 단계를; 포함한 것을 특징으로 하는 가스 및 세균의 필터링 방법을 제공한다.
여기서, 제균하거나 분해를 활성화하기 위하여 열을 발생시키는 발열 단계를 더 포함한 것이 효과적이다.
그리고, 상기 발열 단계는 상기 흡착 단계에서는 이루어지지 않고, 상기 분해 단계에서만 함께 이루어지도록 하는 것이 전력 소비를 줄이는 측면에서 바람직하다.
또한, 주위 공기의 가스 농도를 감지하는 가스 감지 단계를 더 포함하여 구성되어, 감지된 가스 농도가 일정치 이상인 경우에는 필터를 쾌속 운전으로 작동시키고, 감지된 가스 농도가 일정치 이하인 경우에는 필터를 절전 운전으로 작동시키는 것이 효과적이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도3 내지 도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 섬유를 이용한 가스 및 세균 제거 필터에 관한 것으로, 도3은 활성 탄소 섬유의 면상 발열체 필터의 구성을 도시한 개략도로서, 도3(a)는 활성 탄소 섬유의 면상 발열체의 형상의 평면도, 도3(b)는 도3(a)의 'A'부 확대 사시도, 도3(c)는 도3(b)의 'B'부 확대 사시도, 도3(d)는 도3(c)의 'C'부의 확대 단면도, 도4는 도3의 탄소 섬유에 분해제가 코팅된 상태를 도시한 개략도, 도5는 도3의 필터의 운전 방법을 도시한 개략도, 도6은 도3의 필터의 적용 알고리즘을 도시한 그래프, 도7은 도3의 필터에 히터를 장착한 상태를 도시한 개략도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 및 세균 제거 필터는 가스나 세균 등을 흡착하도록 면상 활성 탄소 섬유(113)를 구비한 흡착 기구(110)와, 흡착된 가스나 세균에 열을 가하는 발열 기구와, 흡착된 가스나 세균을 분해시키도록 탄소 섬유(113) 내에 소재금속 산화물로 형성되어 탄소 섬유(113)의 표면에 코팅된 분해제(120)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 흡착 기구(110)는 활성 탄소 소재로 면(面)형상의 탄소 섬유(113)로 구성되며, 탄소 섬유(113)의 각각의 섬유사(114) 표면에는 가스나 세균과의 접촉 면적을 넓히고 흡착시킬 수 있는 넓은 표면적을 갖도록 형성된 미세 공극(114a)들이 형성된다. 한편, 면형상의 탄소 섬유(113) 대신 흡착 기구의 형상을 자유로이 제작하기 용이하도록 볼형상의 탄소볼로 구성될 수도 있다.
상기 발열 기구는 탄소 소재의 탄소 섬유(113)를 면상 발열체로 사용하여 열을 발생시킴으로써 유해한 가스나 냄새를 물과 이산화탄소로 분해시키는데 필요한 에너지원을 분해제(120)에 공급하도록 구성된 것으로, 탄소 섬유(113)의 외부로 연결된 (+)극과 (-)극의 단자에 전원을 공급하면 탄소 섬유(113)가 면상 발열체로 작동하여 열이 발생된다.
상기 분해제(120)는 탄소 섬유(113)의 섬유사(114)의 홈(114a)들에 흡착된 유기 화합물 가스나 세균을 물과 이산화탄소로 분해시키도록 탄소 섬유(113)에 코팅된 것으로, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 아연(Zn) 등의 귀금속으로 형성된 금속 산화물로 형성됨으로써 분해제의 반응 온도를 150℃ 전후로 낮출 수 있고, 우수한 분해 효율을 갖고 많은 양의 가스를 한꺼번에 처리할 수 있게 되므로 공장 등과 같은 많은 양의 오염된 가스가 발생하는 지역에서 사용될 수 있다. 이 때, 반응 표면적을 넓게 하여 반응이 활발히 일어나도록 하면 분해제의 반응 온도를 낮출 수 있게 되므로, 분해제(120)의 크기는 가능한 작은 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에는 탄소 섬유(113)가 면상 발열체로 작동하여 분해제(120)에 필요한 에너지를 공급하도록 구성되었으나, 도7에 도시된 바와 같이, 이에 부가하거나 대체하여 분해제를 활성화하여 가스와 세균, 곰팡이 등을 쉽게 제거할 수 있는 자외선(UV) 램프(132) 또는 적외선(IR) 램프나 외부의 히터(131)로 구성할 수 도 있다. 여기서, 외부의 히터로는 탄소 소재의 히터뿐만 아니라, 일정 온도 이상이 되면 자동적으로 열 발생을 차단하도록 구성되어 자동으로 온도 조절이 가능한 피티씨(Positive Temperature Coefficient; PTC) 세라믹 히터나 SEATH 히터로 구성될 수도 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예의 가스 및 세균 제거 필터의 자동 운전이 가능하도록 주위의 유해한 가스 농도를 감지하는 가스 센서(미도시)를 더 포함하도록 구성함으로써, 가스 농도가 일정치 이상인 경우에는 신속하게 가스 농도를 낮추기 위하여 송풍팬(115)을 빠르게 회전시키고 전극(111,112)을 통해 흘려주는 전류량을 증가시켜 발열량을 증가시켜 분해제(120)의 반응을 촉진시키는 쾌속 운전으로 작동하도록 하고, 가스 농도가 일정치 이하인 경우에는 전력 소비량을 줄이기 위하여 전력 소비량이 높은 분해제(120)의 작동 시간를 짧게 하고 작동 주기를 길게 함으로써 발열 시간을 최소화시키도록 하는 것이 효과적이다.
이하, 본 발명의 일 실시예의 작동 원리를 상술한다.
사용자가 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 및 세균 제거 필터를 사용하여 일정 공간 내의 가스 등을 제거하고자 상기 필터를 작동시키면, 도5(a)의 흡착 시간(T1) 동안에는 도5(b)에 도시된 바와 같이, 송풍팬(115)이 작동하여 필터 외부의 공기를 필터 내로 흡입시키게 되고, 외부의 공기가 흡착 기구(110)를 통과하는 도중에 탄소 섬유(113)의 섬유사(114)의 미세 공극(114a)들에 외부 공기 중의 유해 가스나 세균 등이 흡착된다. 흡착 시간(T1)이 경과한 후에 도5(a)의 분해 시간(T2) 동안에는 도5(c)에 도시된 바와 같이, 송풍팬(115)의 작동은 중지되고 탄소 섬유(113)에 전원이 공급되어 탄소 섬유(113)에 열이 발생되어 탄소 섬유(113)에 코팅된 분해제(120)가 작동하여 유해 가스나 세균을 물과 이산화탄소로 분해하게 된다. 상기와 같이 분해제가 작동하는 분해 시간(T2) 동안에만 전원을 공급하여 열을 발생시킴으로써, 필터링에 사용되는 전력 용량이 종래 2~3KWatt/hour에서 800Watt/hour로 현격히 감소하게 된다.
그리고, 사용자가 상기 필터를 자동 운전으로 설정한 상태에서 상기 가스 및 세균 제거 필터는, 도6에 도시된 바와 같이, 주위 공기의 유해한 가스 농도를 감지하여 가스 농도가 일정치 이상인 경우에는 신속하게 가스 농도를 낮추기 위하여 흡착 기구, 발열 기구를 동시에 작동시키는 쾌속 운전으로 작동되고, 가스 농도가 일정치 이하인 경우에는 전력 소비량을 줄이기 위하여 흡착 시간(T1)을 길게 하고 분해 시간(T2)을 짧게 동작하는 절전 운전으로 작동되도록 한다.
한편, 세균이나 곰팡이의 살균에 필요한 온도와 작동 시간은 다음 표와 같으며, 대상 세균에 따라 본 발명의 필터의 작동 온도 및 작동 시간을 조절할 수 있 다.
| 세균명 | 살균 온도 (℃) | 살균 시간 |
| 장출혈성 대장균 | 75 | 1분 이상 |
| 비브리오균(장염,식중독) | 60 | 5~10분 |
| 캠피로 벡터균 | 70 | 1분 |
| 살모넬라균(식중독) | 60 | 20분 |
| 리스테리아균 | 71.7 | 15초 |
| 포도상구균(식중독) | 218~248 | 30분 |
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 흡착 기구와 발열 기구를 하나의 탄소 섬유로 구성되므로 저렴하고 간단한 제작이 가능하며, 흡착 기구와 분해제가 동시에 구성되므로 쾌속 운전이나 절전 운전 등의 적절한 운전에 따라 공기 중에 포함된 유해 가스나 냄새 성분, 곰팡이, 세균을 지속적으로 제거할 수 있고, 필터의 성능 및 수명을 향상시킨 탄소 섬유를 이용한 가스 및 세균 제거 필터 및 그 필터링 방법을 제공한다.
그리고, 흡착제를 탄소 섬유로 구성하여 이를 발열 기구로도 사용될 수 있도록 함으로써 필터의 구성을 단순화하고 제작비용을 절감할 수 있도록 하며,, 낮은 온도에서도 우수한 분해 효율을 갖고 반응하는 분해제를 이용함으로써 필터의 신뢰성과 수명을 향상시킬 수 있도록 한다.
또한, 본 발명은 흡착 단계에서는 열을 발생시키지 않고 분해 단계에서만 열을 발생시키도록 구성함으로써 전력 소비를 최소화할 수 있으며, 또한, 주위 공기 의 가스 농도를 감지하는 가스 감지 단계를 더 포함하여 구성되어, 감지된 가스 농도가 일정치 이상인 경우에는 필터를 쾌속 운전으로 작동시키고, 감지된 가스 농도가 일정치 이하인 경우에는 필터를 절전 운전으로 작동시키는 저전력 자동 운전이 가능해지도록 한다. 나아가, 본 발명은 공기중의 유해한 냄새나 가스뿐만 아니라 세균이나 곰팡이의 제거가 가능하므로 공기 청정기의 탈취, 브이오씨(Volatile Organic Compound; VOC) 제거 및 곰팡이, 세균의 제거 등 다용도로 응용이 가능하므로 실내 공기를 장시간동안 지속적으로 쾌적하게 유지할 수 있도록 한다.
Claims (15)
- 가스 및 세균 필터에 있어서,전원을 공급하면 열을 발생시키는 발열체이고, 가스 또는 세균을 흡착시키도록 활성 탄소 소재로 형성된 흡착제를 포함하여 구성되고,주위 공기의 가스 농도를 감지하는 가스 센서를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가스 및 세균 제거 필터.
- 제 1항에 있어서,상기 탄소 소재로 형성된 흡착제는 활성 탄소볼(Carbon Ball)이나 면상 탄소 섬유 형태 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 가스 및 세균 제거 필터.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,귀금속 재질의 금속 산화물로 형성된 분해제를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가스 및 세균 제거 필터.
- 제 3항에 있어서,상기 분해제를 활성화시키는 자외선(UV) 램프 또는 적외선(IR) 램프 중 어느 하나를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가스 및 세균 제거 필터.
- 제 4항에 있어서,흡착된 가스 등의 물질에 열을 가하는 히터를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가스 및 세균 제거 필터.
- 제 5항에 있어서,상기 히터는 피티시(Positive Temperature Coefficient; PTC) 세라믹 히터인 것을 특징으로 하는 가스 및 세균 제거 필터.
- 삭제
- 제1항의 가스 및 세균 제거 필터를 이용하여 가스 및 세균을 제거하는 필터링 방법에 있어서,활성 탄소 섬유로 가스나 세균을 흡착하는 흡착 단계와;흡착된 가스나 세균을 분해제로 분해하는 분해 단계를;포함한 것을 특징으로 하는 가스 및 세균의 필터링 방법.
- 제 8항에 있어서,제균하거나 분해를 활성화하기 위하여 열을 발생시키는 발열 단계를;더 포함한 것을 특징으로 하는 가스 및 세균의 필터링 방법.
- 제 9항에 있어서,상기 발열 단계는 상기 활성 탄소 섬유에 전원을 공급함으로써 상기 활성 탄소 섬유에서 열이 발생되는 것을 특징으로 하는 가스 및 세균의 필터링 방법.
- 제 9항에 있어서,상기 발열 단계는 소정의 온도 범위 내로 자동 조절하기 위하여 피티시(PTC) 세라믹 히터에 의하여 열이 발생되는 것을 특징으로 하는 가스 및 세균의 필터링 방법.
- 제 9항에 있어서,상기 발열 단계는 상기 분해제를 활성화하도록 자외선 또는 적외선을 포함하는 램프를 조사함에 의하여 열이 발생되는 것을 특징으로 하는 가스 및 세균의 필터링 방법.
- 제 8항 또는 제 9항에 있어서,상기 분해제의 활성 온도를 낮출 수 있도록 상기 분해제는 금속 산화물로 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 및 세균의 필터링 방법.
- 제 9항에 있어서,상기 발열 단계는 상기 흡착 단계에서는 이루어지지 않고, 상기 분해 단계에서만 함께 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 가스 및 세균의 필터링 방법.
- 제 8항 또는 제 9항에 있어서,주위 공기의 가스 농도를 감지하는 가스 감지 단계를 더 포함하여 구성되어, 감지된 가스 농도가 일정치 이상인 경우에는 필터를 쾌속 운전으로 작동시키고, 감지된 가스 농도가 일정치 이하인 경우에는 필터를 절전 운전으로 작동시키는 것을 특징으로 하는 가스 및 세균의 필터링 방법.
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