KR101189890B1 - 가스 클러스터 코팅을 이용한 메소포러스 ＴｉＯ2 피막을 형성시킨 스테인레스 전극 및 그 제조 방법 및 장치 - Google Patents

가스 클러스터 코팅을 이용한 메소포러스 ＴｉＯ2 피막을 형성시킨 스테인레스 전극 및 그 제조 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온 수 발생 장치용 전극에 관한 것으로 종래 전극은 값 비싼 백금을 소재로 채용하고 있어 이온 수 발생 장치의 생산 단가가 높았으며, 백금을 코팅처리 한 전극은 수명이 짧아 문제되었다.
본 발명에 따르면 백금을 도금한 티타늄 대신 저렴한 스테인레스 스틸을 모재로 하여 여기에 내식성을 강화하기 위해 질소 주입에 의한 확산층 및 석출물과 동시에 친수성을 부여하기 위해 나노클러스터형상의 메소 포러스 TiO2 피막을 형성시킨 전극을 제공한다.
본 발명에 따라 제작된 전극은 이온 수 발생 장치의 가격을 현저히 낮출 수 있으며, 내식성이 뛰어나면서도 전도성이 양호하고, 가시광선을 조사하여도 광 분해에 따른 살균력을 발휘하여 경쟁력이 압도적으로 강력한 이온 수 발생장치를 제공할 수 있다.

Description

가스 클러스터 코팅을 이용한 메소포러스 ＴｉＯ2 피막을 형성시킨 스테인레스 전극 및 그 제조 방법 및 장치{Mesoporous TiO2 formed Electrode Using Gas Cluster Coating on stainless steel And Manufacturing Method and System Thereof}
본 발명은 TiO2 피막을 형성시킨 가스 클러스터 코팅용 전극 및 그 제조 방법에 관한 것으로 좀 더 특별하게는 가스 클러스터 코팅을 이용하여 스테인레스 스틸의 표면에 메소포러스(meso porous) TiO2 피막을 형성함과 동시에 질소주입처리를 행하여 특성이 우수한 이온수용 수 처리 전극을 제조하는 기술에 관한 것이다.
최근 환경과 건강에 대한 관심이 높아지면서 생명 활동에 필수적인 물에 대한 연구도 활발하여 음용 시 건강을 증진시키는 알칼리 수와 살균력 등의 성질을 이용하는 산성 수를 제공할 수 있는 이온수 발생기에 대한 연구 개발도 활발하다.
종래, 이온수 발생용 전극은 모재로서 티타늄(Ti)을 채택하고 그 표면에 백금(Pt)을 도금하여 제작되어 왔다. 이러한 Ti/Pt 조합의 전극은 1 내지 5 μm 두께의 Pt 피막 형성에 따르는 비용이 높아 이온 수 발생기의 생산단가가 높아질 수밖에 없는 상황이다. 뿐만 아니라 전극을 300 시간 정도 사용하면 백금 피막이 손상되어 이온 수 발생 기능이 저하되는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-0620590호, 제10-0758756호 및 제10-0801686호에는 수중 플라즈마 방전을 이용한 이온수 생성 장치가 개시되며, 여기에서 사용되는 전극재는 모두 백금 와이어로 생산 단가가 매우 높아 가격 경쟁력이 없다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-0741741호에는 저온 플라즈마 발생을 위한 수중방전 전극이 개시되며, 전극재는 티타늄(Ti)에 백금(Pt)을 코팅한 것으로 고비용과 더불어 앞서 언급한 단수명의 문제를 모두 지니고 있다.
생산 단가를 현저히 낮출 수 있는 전극 재료로 고려해 볼 수 있는 것으로 스테인레스 스틸이 있으나, 스테인레스 스틸은 내식성 향상을 위해 첨가된 크롬(Cr)으로 인해 시간이 경과됨에 따라서 자체 보호막의 두께가 두꺼워짐과 동시에 오염물질의 흡착으로 내식성은 유지되나 전기 전도성이 악화되어 전류량이 커지는 단점이 있고, 물과의 친수성이 좋지 않아 이온 수 발생 효율이 저조할 수 있다.
또한, 광촉매 셀프클리닝(self-cleaning) 효과를 갖는 TiO2 증착에 대한 연구 논문에 따르면, 티타늄 전구체를 사용하여 노즐 형태 HCP (hollow cathode plasma)를 적용시킨 RT(room temperature)-MOCVD에 의한 금속재에 TiO2 증착 공정을 개시한다. 반응물로 제공되는 티타늄 전구체로는 TTNB(titanium tetra-n-butoxide), TTIP (titanium tetra-isoproxide), 금속-유기 화합물인 Ti(OR)4(titanium alkoxide)를 제시하고 있다.
이러한 티타늄 전구체를 이용한 TiO2 증착은 티타늄에 결합된 다른 라디칼 등을 떼어내는 개질 단계를 필요로 하여 반응공정이 복잡해질 수 있고 TiO2 증착막에 불순물이 혼합될 수 있으며 전구체를 사용하는 경우 고가품으로 제조 단가가 올라가는 문제가 있다(J. Korean Ind. Eng. Chem., Vol. 17, No. 2, 2006 참조).
또한, 대한민국 등록특허 제10-0482649호에서도 티타늄 전구체로서 티타늄테트라클로라이드를 이용해 CVD 방법으로 TiO2 광촉매를 증착하는 방법을 개시하며, 이 방법 역시 위와 동일한 문제를 지닌다.
따라서 본 발명의 목적은 생산 단가를 현저히 낮추면서도 내식성은 유지하면서, 전도성 및 친수성이 모두 우수한 특성을 갖는 이온 수 발생 장치용 전극을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 이온 수 발생 장치에 살균력을 용이하게 부여할 수 있는 전극 구성을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 이온 수 발생 장치용 전극의 제조 방법 및 제조 장치를 제공하고자 하는 것으로 그 제조 방법에 있어서는 티타늄 전구체를 사용하지 않는 상당히 간편하고 효율적인 공정을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은, 모재인 스테인레스 스틸의 표면에 질소를 주입 및 석출시키고, 동시에 TiO2 피막을 입힌 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 질소주입 처리에 의한 질소 농도는 2000 내지 4000 ppm 임을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 TiO2 피막은 2 내지 50 nm의 공극을 갖는 메소 포러스 구조이고, 0 내지 40˚의 수(水) 접촉 각도를 갖는 친수성임을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 TiO2 피막은 미량의 바나듐을 포함한 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 진공 챔버에 스테인레스 스틸 모재를 장입하고,
상기 스테인레스 스틸 모재와 간격을 두고 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극을 배치하고,
상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극의 주변에 질소와 아르곤 가스를 불어넣고, 상기 스테인레스 스틸 모재 주위로 산소를 불어넣고,
상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극에 전압을 인가하고,
진공 챔버 내하여 상기 스테인레스 스틸 모재의 표면에 질소 투입과 동시에 TiO2 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극을 상기 스테인레스 스틸 모재의 좌우에 각각 배치하고,
상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 상기 스테인레스 스틸 모재와의 간격은 발생된 플라즈마 입자들의 평균 자유행로로 하는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 상기 스테인레스 스틸 모재와의 간격은 10 내지 300 mm 로 조절하는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 질소는 50 내지 300 sccm, 산소는 5 내지 30 sccm 및, 아르곤은 10 내지 150 sccm으로 공급되는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 진공 챔버에 스테인레스 스틸 모재를 장입하고 나서,
상기 진공 챔버를 10-6 내지 10-7 torr로 진공화하고 400 내지 450℃로 2 내지 3 시간 가열하여 상기 스테인레스 스틸 모재에 함유된 이물질을 배출시키고 모재 표면을 활성화하는 단계; 및
상기 스테인레스 스틸 모재에 30 내지 45 %의 듀티 온의 20 내지 50 KHz의 -200 내지 -600 V의 펄스 전압을 인가하고, 상기 진공 챔버에 수소 가스를 투입하고, 온도를 250 내지 400℃로 제어하여 상기 스테인레스 스틸 모재를 수소 분위기로 세정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극에 인가하는 전압은 -200 내지 -600 V의 수준이고, 상기 진공 챔버 내의 온도는 250 내지 400 ℃로 유지하며, 피막으로 형성되는 TiO2는 나노사이즈의 아나타제(Anatase) 형태의 메소 포러스(meso porous) 한 구조임을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 가스 투입구를 구비한 진공 챔버 내에 스테인레스 스틸 모재를 장착할 수 있는 프레임으로 이루어진 전도성 지그;
상기 지그의 좌우 각각에 지그와 간격을 두고 지그와 나란하게 배치되는 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극;
상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극을 슬라이딩 식으로 이동시킬 수 있는 전도성 이송 선로; 및
상기 전도성 지그, 전도성 이송 선로, 또는 진공 챔버에 전압을 인가하는 전원 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극은 3 내지 5 mm 직경의 노즐을 다수 구비하는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 전도성 이송 선로는 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 수직으로 배열되고 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극의 배면 에지가 슬라이딩 식으로 접속되는 슬롯을 구비하는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 이온 수 발생 장치용 전극의 제조 장치는 피드스루를 더 포함하고,
상기 피드스루는 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 동일한 재질로 형성됨을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조 장치를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이온 수 발생 장치용 전극을 값비싼 백금을 사용하지 않고 저렴한 스테인레스 스틸 모재를 사용하고 상기 스테인레스 스틸 모재에 질소 주입 및 석출상 형성 처리 및 메소 포러스 TiO2 피막 형성을 통하여 내식성, 전도성 및 친수성을 모두 향상시킬 수 있어 이온 수 발생 장치의 생산 단가를 현저히 낮추어 가격 경쟁력을 크게 향상시키면서도 전극의 수명을 향상시키는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기와 같은 전극을 효율적으로 양산할 수 있는 방법과 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 메소 포러스 TiO2 피막이 형성된 전극은 가시 광선에 의해서도 광분해성을 나타내어 강력한 살균력을 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이온 수 발생 장치용 전극의 제조 장치의 개략적인 구성도로 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 모재의 배열을 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 이온 수 발생 장치용 전극의 제조 방법에 따라 발생하는 반응을 모식적으로 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 이온 수 발생 장치용 전극을 양산할 경우 전극 모재를 장착하는 지그의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 제작된 전극 표면을 보여 주는 TEM 사진이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 실시예를 구현하기 위한 장치 구성의 개략적인 사항은 도 1을 참조할 수 있다.
도 1을 보면, 스테인레스 스틸 모재(100)와 그 좌우에 나란히 배치된 티타늄(Ti)으로 된 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)이 나와 있다. 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극은 티타늄(Ti)에 미량(예를 들면 1 내지 9 중량%)의 바나듐(V)이 혼합된 것으로 이로 인해 TiO2 피막의 살균성이 가시광선영역의 빛이 조사될 때에도 발휘될 수 있게 된다. 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)은 스테인레스 스틸 모재(100)에 형성할 TiO2 피막의 재료인 Ti을 제공한다.
상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)은 도 2에 그 단면 구성이 도시되어 있는 바, 기체가 통과할 수 있는 직경 3 내지 5 mm의 노즐이 다수 형성되어 있다. 후술하겠지만 가스를 흘려줄 때 상기 노즐을 통하여 모재(100) 쪽을 충격하도록 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)의 후면으로 가스를 투입한다(도 2 참조).
한 쌍의 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)은 동일한 이송 선로(300)에 슬라이딩 식으로 이동할 수 있게 접속된다. 이 때 전원장치의 전력을 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)에 연결할 때 사용되는 동(Cu) 재질의 피드스루는 통상 스퍼터링 공정 중 동에 의해 제품을 오염시키게 된다. 따라서 이를 방지하기 위해 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)과 동일한 재질의 박판(호일)을 이용하여 피드스루의 외경에 맞도록 가공하여 피드스루를 둘러싸도록 한다.
이송 선로(300)는 슬롯(350)을 구비하여 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)의 위치를 슬라이딩 식으로 이동시키고 조임 부재 등으로 고정시켜 그 위치를 조절할 수 있으며 이는 전극을 형성하는 표면 처리 공정에서 모재(100)와 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200) 사이의 간격이 궁극적으로 형성된 피막 특성에 중요한 영향을 미치기 때문이다.
상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)은 두 쌍으로 구성되어 어느 한 쌍의 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)에서 피막 형성 공정을 수행한 후 다음 공정을 위한 준비 시간 동안 다른 한 쌍의 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)에서 피막 형성 공정을 수행하는 연속 공정으로 생산성을 향상시킬 수도 있다.
본 실시예에서는 모재(100)에 피막을 형성하기에 앞서 먼저 모재(100)에 스며있는 이물질을 제거하기 위해 이물질 배출 공정을 수행하였다. 즉, 진공 챔버에 스테인레스 스틸 모재(100)를 장입하고 나서, 상기 진공 챔버를 10-6 내지 10-7 torr로 고 진공화하고, 상기 모재(100)를 400 내지 450℃로 2 내지 3 시간 가열하여 상기 스테인레스 스틸 모재(100)에 함유된 이물질을 배출시킨다. 이 과정에서 가공 중 사용되는 오일 등과 이후 불순물이 될 수 있는 물질들이 마치 땀이 배출되는 것과 같이 배출되게 된다. 또한 이러한 공정은 모재 표면을 활성화 시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 모재(100) 표면을 세정하기 위한 세정 공정도 수행하였으며, 이는, 진공 챔버에 수소(H2) 가스를 투입하고 모재(100)에 30 내지 45 %의 듀티 온(Duty On)의 20 내지 50 KHz의 -200 내지 -600 V의 펄스 전압을 인가하고, 온도를 250 내지 400℃로 제어하여 상기 스테인레스 스틸 모재를 플라즈마로 활성화 된 수소 분위기로 세정한다. 이로써 모재(100)의 표면에서 나온 이물질 및 잔류 부산물을 제거할 수 있다. 온도를 이물질 배출 단계의 고온으로부터 이와 같이 낮추기 위해서는 챔버와 연계된 냉각 장치를 필요로 하며, 본 실시예에서는 냉각수를 흘려 조절하였다. 세정 단계는 10-3 내지 10-1 torr에서 1 내지 2 시간 지속하는 것이 바람직하다. 또한, 세정 단계는 수소와 아르곤 혼합 가스를 투입하여 10-3 내지 10-2 torr에서 프리 스퍼터링(pre-sputtering) 형태로 실시할 수도 있다.
다음으로 본격적인 모재(100) 표면처리를 하여 피막 형성 및 질소주입처리를 수행한다. 이와 같은 표면처리 공정은, 챔버 안으로 질소주입처리를 위한 질소 가스와 TiO2 피막 형성을 위한 아르곤 및 산소 가스를 흘려주고 가스 클러스터를 형성하여 스퍼터 반응을 일으키는 데 적합한 수준의 전압을 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)에 걸어주고 챔버 안의 온도를 소정 수준으로 유지하여 수행된다. 또한, 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)을 둘러싸는 자기장을 형성시켜 발생한 전자 등의 하전 입자를 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200) 근처에 가두어 놓아 하전 입자의 밀도를 향상시킨다. 이 때 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)에 흘려주는 전류량을 10 내지 30 A 정도로 조절하면 전류방향에 따라 에르스텟(Oersted)의 법칙에 따라 전극의 주변으로 자기장이 형성되어 전자가 내부에서 포집되는 효과가 있어 확연히 에너지가 높아지는 것을 확인할 수 있다.
이때 모재(100)와 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)과의 간격은 그 사이에서 발생한 플라즈마 입자의 평균 자유행로에 맞게 설정하는 것이 바람직하다. 본 실시예의 경우, 10 내지 300 mm로 조절하는 것이 피막 형성 및 질소주입처리에 유리하므로 그와 같이 조절하였다. 상기와 같은 범위를 넘어서는 간격은 피막의 형성 효율이 낮거나 피막이 손상되는 등의 문제를 일으킬 수 있으며 형성된 피막의 물성도 목적하는 바와 달리 우수하지 못하기 때문이다.
진공 챔버 자체를 양극으로 하고, 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)을 음극으로 하며, 이는 두 개의 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)을 장착하고 있는 이송 선로(300)를 전도성 재료로 구성하고 상기 이송 선로(300)에 마이너스 전압을 인가함으로써 두 쌍의 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)이 동시에 음극으로 작용하며 동일한 마이너스 전압을 인가받게 된다. 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)은 이송 선로(300)를 통해 -200 내지 -600 V의 전압을 인가받는다.
전압을 인가하는 음극 역할을 하게 되는 전도성재로 구성된 이송 선로(300)의 배치는 도 1과 같이 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)과 수직으로 배열되고 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)의 배면 에지가 슬라이딩 식으로 접속되도록 하는 것이 가스 클러스터 형성에 있어 다른 배열에 비해 더 유리하다. 즉, 이송 선로(300)를 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)의 윗 쪽에 배열하는 것 보다 더 균일한 분포의 가스 클러스터 코팅공정을 얻을 수 있다.
상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200) 주위로 질소와 아르곤 가스를 불어넣으면 클러스터를 형성한 비활성인 아르곤 가스의 에너지와 공급된 전기 에너지로 인해 질소가 활성화되어 질소 원자(N), 질소 이온 또는 액티브(active) 상태의 질소(N*)가 형성된다. 또한, 상기 티타늄소재의 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)으로부터 티타늄 원자가 이탈되면서 모재(100) 표면을 충격하게 된다. 모재(100) 주위로는 산소를 불어넣으며, 이로 인해 상기 티타늄 원자와 산소가 결합하는 반응이 일어나 모재(100)에 TiO2 피막을 형성하게 된다. 한편 이러한 반응이 일어남과 동시에 모재(100) 주위로 가스 클러스터를 형성하여 모재(100)인 스테인레스 스틸 표면으로 상기에서 형성된 질소 원자가 투입되어 질소가 쉽게 내부의 크롬 및 철 등의 원자와 반응하며 미세하게 석출되거나 고농도의 질소확산층을 얻을 수 있으며, 이로 인해 내식성이 매우 향상될 수 있다. 질소 주입 처리에 의한 모재(100) 표면은 2000 내지 4000 ppm 정도의 농도로 질소를 함유하게 된다.
도 2는 본 실시예에 따라 표면처리 공정이 진행될 때 반응이 일어나는 모습을 모식적으로 나타낸다. 즉, 앞서 설명한 자기장에 의한 전자 등의 하전입자의 밀도가 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200) 근처에서 높아져 발생 된 원자 상태의 질소가 이동하는 현상 및 TiO2 피막 형성 과정들을 나타낸다.
또한, 질소 투입처리에 의해 내식성이 향상되면서도 전기저항은 일반적인 스테인레스 스틸이 100 mΩcm-2인데 비해 표면처리 이후 15 mΩcm-2로 낮아져 전도성이 상당히 향상됨을 알 수 있다. 이는 스테인레스 스틸의 경우 대기중이나 수중에서 매우 빠른 속도로 산화물 층을 형성하여 전기전도성이 나빠지는데 질소를 투입하면 18 wt%정도의 크롬원자가 산화물로 반응할 수 없어 질소원자와 반응하기 때문이고, 이렇게 투입된 질소 층은 전기적으로 노블(noble)하게 된다.
상기 공정에서 또 하나의 중요한 변수는 가스 공급 속도이다. 본 실시예에서 질소는 50 내지 300 sccm, 아르곤은 10 내지 150 sccm으로 공급하여 질소 및 티타늄 가스 클러스터를 만들고 일정거리로 떨어진 스테인레스 스틸의 근처에 별도로 설치된 노즐을 통해 산소는 5 내지 30 sccm 를 공급하면 활성화되어 이동하는 티타늄이 선택적으로 반응하여 가스 클러스터 형태의 코팅층을 형성한다.
상기와 같은 모재(100)에 대한 표면처리 공정은 챔버 안의 온도를 200 내지 400 ℃로 유지하는 것이 바람직하며, 앞서 설명한 세정 공정에서와 같이 냉각수를 흘려주어 온도를 제어하였다. 또한, 상기 공정 중 진공 챔버 내 진공도는 10-3 내지 10-1 torr 로 유지한다.
모재(100) 표면에 형성된 TiO2 피막은 2 내지 50 nm의 공극을 갖는 메소 포러스 구조이고, 기존의 스테인레스 스틸이 70 내지 90˚의 수(水) 접촉 각도를 갖는 데 비해, 0 내지 40˚의 수(水) 접촉 각도를 갖는 친수성으로, 이온 수 발생 장치의 전극으로 사용되면, 물에 대한 친수성으로 이온수의 발생속도 및 양을 증가시킬 수 있다.
또한, 이른바 아나타제(Anatase)라고도 불리는 테트라고날(Tetragonal) TiO2 는 본래 자외선(U.V.)를 조사해야 광분해에 의한 살균력을 발휘하는 데 비해, 본 실시예에 따라 제작된 질소 주입처리와 동시에 형성된 바나듐을 미량 함유한 TiO2 피막은 가시광선을 조사하여도 어느 정도의 광분해에 의한 살균력을 가지는 이온 수 발생 장치의 전극으로 충분히 만족할만한 기능을 갖게 된다.
본 발명에 따른 이온 수 발생 장치용 전극을 양산하기 위해서는 도 3과 같은 프레임형의 지그(150)를 이용해 여러 장의 모재(100)를 이에 장착시켜 한꺼번에 표면처리 공정을 수행할 수 있다. 이는 더욱 생산 단가를 낮추어 가격 경쟁력이 있는 이온수 발생 장치를 제공할 수 있게 한다.
도 4를 보면, 본 발명에 따라 제작된 전극의 표면에 형성된 메소 포러스 구조의 TiO2 피막의 TEM 사진이 나와 있다. 나노 클러스터링된 결정구조를 보이고 있으며, TiO2는 친수성으로서 전극과 물의 접촉특성이 우수한 특성을 보임과 동시에 부가적으로 살균성을 가지게 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이온 수 발생 장치용 전극은 그 응용 분야가 널리 확대될 수
있으며, 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극은 노즐형태 외에 타공판과 스크린으로도 유사한 특성을 보일 수 있다. 이에 의해 형성된 피막을 가지는 전극은 공기 청정기용 전극으로도 활용될 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 모재 150: 지그
200: 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극
300: 이송 선로 350: 슬롯

Claims (14)

  1. 모재인 스테인레스 스틸의 표면에 질소를 주입 및 석출시키고, 동시에 TiO2 피막을 입힌 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 질소주입 처리에 의한 질소 농도는 2000 내지 4000 ppm 임을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극.
  3. 제2항에 있어서, 상기 TiO2 피막은 2 내지 50 nm의 공극을 갖는 메소 포러스 구조이고, 0 내지 40˚의 수(水) 접촉 각도를 갖는 친수성임을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 TiO2 피막은 미량의 바나듐을 포함한 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극.
  5. 진공 챔버에 스테인레스 스틸 모재를 장입하고,
    상기 스테인레스 스틸 모재와 간격을 두고 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극을 배치하고,
    상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극의 주변에 질소와 아르곤 가스를 불어넣고, 상기 스테인레스 스틸 모재 주위로 산소를 불어넣고,
    상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극에 전압을 인가하고,
    진공 챔버 내부를 가열 및 유지하여 상기 스테인레스 스틸 모재의 표면에 질소 투입과 동시에 TiO2 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극을 상기 스테인레스 스틸 모재의 좌우에 각각 배치하고,
    상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 상기 스테인레스 스틸 모재와의 간격은 발생된 플라즈마 입자들의 평균 자유행로로 하는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 상기 스테인레스 스틸 모재와의 간격은 10 내지 300 mm 로 조절하는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조방법.
  8. 제5 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 질소는 50 내지 300 sccm, 산소는 5 내지 30 sccm 및, 아르곤은 10 내지 150 sccm으로 공급되는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 진공 챔버에 스테인레스 스틸 모재를 장입하고 나서,
    상기 진공 챔버를 10-6 내지 10-7 torr로 진공화하고 400 내지 450℃로 2 내지 3 시간 가열하여 상기 스테인레스 스틸 모재에 함유된 이물질을 배출시키고 모재 표면을 활성화하는 단계; 및
    상기 스테인레스 스틸 모재에 30 내지 45 %의 듀티 온의 20 내지 50 KHz의 -200 내지 -600 V의 펄스 전압을 인가하고, 상기 진공 챔버에 수소 가스를 투입하고, 온도를 250 내지 400℃로 제어하여 상기 스테인레스 스틸 모재를 수소 분위기로 세정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조방법.
  10. 제5항에 있어서, 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극에 인가하는 전압은 -200 내지 -600 V의 수준이고, 상기 진공 챔버 내의 온도는 250 내지 400 ℃로 유지하며, 피막으로 형성되는 TiO2는 나노사이즈의 아나타제(Anatase) 형태의 메소포러스(meso porous) 한 구조임을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조방법.
  11. 가스 투입구를 구비한 진공 챔버 내에 스테인레스 스틸 모재를 장착할 수 있는 프레임으로 이루어진 전도성 지그;
    상기 지그의 좌우 각각에 지그와 간격을 두고 지그와 나란하게 배치되는 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극;
    상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극을 슬라이딩 식으로 이동시킬 수 있는 전도성 이송 선로; 및
    상기 전도성 지그, 전도성 이송 선로, 또는 진공 챔버에 전압을 인가하는 전원 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극은 3 내지 5 mm 직경의 노즐을 다수 구비하는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조 장치.
  13. 제11 또는 12항에 있어서, 상기 전도성 이송 선로는 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 수직으로 배열되고 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극의 배면 에지가 슬라이딩 식으로 접속되는 슬롯을 구비하는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조 장치.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 이온 수 발생 장치용 전극의 제조 장치는 피드스루를 더 포함하고,
    상기 피드스루는 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 동일한 재질로 된 호일로 감싸지거나 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 동일한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 이온 수 발생 장치용 전극의 제조 장치.



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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103451631B (zh) * 2013-09-18 2016-06-15 庞晋山 一种抗菌不锈钢及其制备方法
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Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100482649B1 (ko) * 2002-04-25 2005-04-13 한국화학연구원 기재에 광촉매를 직접 고정시키는 방법
CN1212182C (zh) * 2003-01-25 2005-07-27 福州大学 金属基材表面光催化膜的电泳制备方法
JP3952296B2 (ja) * 2003-04-04 2007-08-01 住友チタニウム株式会社 溶融塩用熱交換器及びこれを使用するＴｉ材の製造方法
KR100741741B1 (ko) * 2005-02-18 2007-08-02 주식회사 에코프롬 수산기 생성용 수중 저온 플라즈마 발생장치

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Applied Catalysis B 7 (1995) pp49-63
Journal of The Electrochemical Society 156 (5) D188-D192 (2009)

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