KR101249885B1 - 플라즈몬을 이용한 광촉매 정수장치 - Google Patents

플라즈몬을 이용한 광촉매 정수장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈몬을 이용한 광촉매 정수장치에 관한 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은 플라즈몬을 이용하여 기존보다 더 넓은 대역의 광원에서 작동하고, 가시광선대의 램프를 이용하여 야간에 물속에서 장식적 효과를 가지고 정수할 수 있고, 광촉매반응을 일으키는 정수부의 단면적을 최대화시켜 효율적인 정수가 가능한 플라즈몬을 이용한 광촉매 정수장치을 제공함에 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 플라즈몬을 이용한 정수장치에 있어서, 밝기를 측정하는 밝기측정부; 가시광선대의 빛을 발생시키는 조명부; 저수조의 수질상태를 측정하는 수질측정부; 상기 조명부의 일측면에 부착되어 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 일으켜 용수에 포함된 미생물을 살균하며 수질을 정화하는 정수부; 및 상기 밝기측정부에서 측정한 밝기를 이용하여 조명부의 동작을 제어하고, 상기 수질측정부에서 측정한 수질을 이용하여 정수부의 동작을 제어하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈몬을 이용한 광촉매 정수장치{PHOTOCATALYST WATER PURIFIER USING PLASMON}
본 발명은 플라즈몬을 이용한 광촉매 정수장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가시광선 대역의 빛을 흡수하여 생성되는 플라즈몬을 이용하여 가시광선대역의 형광등, LED, OLED 등의 광원에서 동작하고, 장식적 효과를 가지는 플라즈몬을 이용한 광촉매 정수장치에 관한 것이다.
광촉매 용어 자체는 광반응을 가속시키는 촉매(catalyst of photoreactions)를 지칭할 때 사용된다. 즉, 광촉매는 반응에 직접 참여하여 소모되지 않아야 하며 기존의 광반응에 다른 메커니즘 경로를 제공하여 반응속도를 가속시킨다. 광촉매는 분자 상태로 용액 중에 존재하는 균일계 광촉매와 주로 반도체 물질로서 매질에 입자상으로 분산되어 있는 불균일계 광촉매로 분류할 수 있다. 광촉매중 이산화티타늄이 가장 많이 사용되고 있다. 이는 이산화티타늄이 내산성, 내알카리성 등이 좋으며 인체에 무해하기 때문이다. 각종 오염물질을 무해한 물질로 변화시켜주는 친환경적 소재이다. 광촉매(Photocatalyst) 반응은 태양광이나 형광등에서 방사되는 300 내지 400nm 대역의 파장영역을 갖는 자외선을 산화티타늄(TiO2)이 코팅된 물체의 표면에 조사하면 마치 가열된 것과 같은 상태가 되어 유기물이나 세균을 소각 분해시킬 뿐만 아니라 각종 오염물 질을 분해시키고, 각종 악취를 제거하게 된다. 광촉매 작용에서 이산화티타늄은 빛을 쪼이면 자외선을 흡수하여 전자와 정공을 발생한다. 이 전자와 정공은 대단히 강한 환원력과 산화력을 갖고 있으며, 특히 전자는 산소와의 반응에 의해 super oxide anion (O2 -)를 생성시키고 정공은 물과의 반응에 의해 OH radical을 생성시킨다.
현재, 수중의 오염물질을 제거하는 방법으로 널리 사용되고 있는 방법은 활성탄을 이용한 흡착제거, 응집, 펜톤 등의 화학적 산화처리와 미생물을 이용한 처리등이 있다. 그러나 이들의 방법 중 흡착 및 응집의 경우 완전한 오염물질이 분해되지 않으며 흡착 및 응집된 오염물질을 제거하기 위하여 2차 처리과정이 필요로 되고 다량의 침전슬러지를 배출함으로 2차 오염을 유발할 수 있다. 비교적 안정적인 방법인 생물학적처리 방법은 처리시간이 길고 운전이 까다로운 문제점을 가지고 있기 때문에 기존의 방식을 개선 및 대체할 새로운 수처리 기술이 필요한 실정이다.
이에 새로운 수처리방법으로 광화학반응을 이용한 광촉매장치가 소개되고 있으며 이는 온도, 오염물질 농도 등에 영향을 받지 않으며 수중의 유, 무기계 오염물질을 산화, 환원시킬 뿐만 아니라 살균이 동시에 수반됨으로 그 관심이 크게 부각되고 있다.
광화학반응을 유발하기 위한 광촉매 물질로는 TiO2, ZnO, CdS, ZrO2, V2O3, WO3 등과 페로브스카이트형 복합금속산화물(SrTiO3) 등이 있다.
이러한 광촉매 정수장치에 대해서는 대한민국특허출원10-2004-0093324호(발명의 명칭 : 광촉매 정수장치)(이하 선행기술)외에 다수 출원 및 등록되어있다.
선행기술은 수로와 연결되는 수로연결부와, 자외선발생유니트를 설치하기 위한 결합공 및 처리수가 토출되는 토출구를 구비하는 꼭지몸체; 상기 결합공에 결합되는 결합부재와, 상기 결합부재가 상기 결합공에 결합되었을 때 상기 꼭지몸체 내부에 위치되어 자외선을 발생하는 자외선램프; 상기 자외선램프를 완전히 감싸는 제1관을 포함하는 적어도 하나 이상의 자외선 발생유니트; 및 상기 꼭지몸체 내부에 설치되어 상기 자외선램프로부터 발생되는 자외선에 의하여 광촉매반응을 일으키는 광촉매부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 선행발명은 자외선램프를 사용하여 광촉매반응을 일으키는 광촉매 정수장치에 대한 것이나 이는 고가의 자외선램프가 반드시 있어야만 정수장치가 작동하였다. 그리고, 광촉매반응을 일으키는 광촉매부의 단면적이 넓지 않아 효율적인 정수가 가능하지 않았다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은 플라즈몬을 이용하여 기존보다 더 넓은 대역의 광원에서 작동하는 플라즈몬을 이용한 광촉매 정수장치를 제공함에 있다.
또한 본 발명의 제 2목적은, 가시광선대의 램프를 이용하여 야간에 수중에서 장식적 효과를 가지고 정수할 수 있는 플라즈몬을 이용한 광촉매 정수장치를 제공함에 있다.
그리고 본 발명의 제 3 목적은, 광촉매반응을 일으키는 정수부의 단면적을 최대화시켜 효율적인 정수가 가능한 플라즈몬을 이용한 광촉매 정수장치을 제공함에 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 플라즈몬을 이용한 정수장치에 있어서, 밝기를 측정하는 밝기측정부; 가시광선대의 빛을 발생시키는 조명부; 저수조의 수질상태를 측정하는 수질측정부; 상기 조명부의 일측면에 부착되어 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 일으켜 용수에 포함된 미생물을 살균하며 수질을 정화하는 정수부; 및 상기 밝기측정부에서 측정한 밝기를 이용하여 조명부의 동작을 제어하고, 상기 수질측정부에서 측정한 수질을 이용하여 정수부의 동작을 제어하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 밝기측정부는, 다수의 밝기측정부가 존재하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 조명부는, 형광등, LED, OLED 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 정수부는, 플라즈몬을 형성하는 물질인 금, 은, 금합금, 은합금 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게, 상기 정수부는, 용수와 접촉면적을 넓히기 위해 사다리형태 또는 2단 사다리형태인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 자외선램프가 없어도 자연광 또는 가시광선대역의 빛을 방출하는 형광등, LED, OLED 등의 광원을 이용하여 정수할 수 있고, 가시광선대역의 광원들을 장식적 효과도 가능하고, 용수와 접촉하는 정수부의 단면적을 최대화하여 효율적인 정수가 가능한 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 정수장치의 개략적인 구성도.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 정수장치의 구성도.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 정수부의 구조도.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 사다리꼴 형태 정수부의 일예시도.
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 지그재그 사다리꼴 형태 정수부의 일예시도.
도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 2단 사다리꼴 형태 정수부의 일예시도.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 플라즈몬을 이용한 광촉매 정수장치(이하, 정수장치)(100)에 관하여 도 1 내지 도 6 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 정수장치의 개략적인 구성도로서, 도시된 바와 같이 상기 정수장치(100)는 밝기측정부(110), 조명부(120), 수질측정부(130), 정수부(140) 및 제어부(150)를 포함하여 이루어진다.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 정수장치(100)의 구성도로서, 도시된 바와 같이 상기 밝기측정부(110)는 상기 플라즈몬을 이용한 정수장치(100)가 위치한 곳의 밝기를 측정할 수 있는 위치에 설치되어 밝기를 측정한다. 그리고 바람직하게는, 상기 밝기측정부(110)는 다수가 위치하여 일측이 파손되더라도 타측에서 밝기를 측정가능하다.
상기 조명부(120)는 빛을 발생시켜 상기 정수부(140)에서 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 일으켜 정수할 수 있도록 한다. 따라서, 상기 조명부(120)는 플라즈몬이 활성화되는 가시광선 대역의 빛을 방출한다. 상기 조명부(120)는 가시광선을 방출하는 형광등, LED, OLED 등의 다양한 광원을 이용할 수 있다. 그리고 가시광선대역의 광원을 이용하여 장식적 효과를 얻을 수 있다.
상기 수질측정부(130)는 수질을 측정할 수 있는 위치에 설치되어 정수장치(100)가 설치된 저수조의 수질상태를 측정한다.
상기 정수부(140)는 상기 조명부(120)의 일측면에 부착되어 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 일으켜 용수에 포함된 미생물 살균과 수질 정화한다. 상기 정수부(140)의 구조는 도 3 에 도시된 바와 같이 하단에 기판(141)이 위치하고 이산화티타늄(TiO2) 등의 광촉매 박막(143)으로 기판(141)을 덮는다. 이때, 플라즈몬을 형성하는 물질(145)인 금(Au), 은(Ag), 금합금(AuCu), 은합금(AgCu)를 나노크기로 광촉매 박막(153) 사이 또는 광촉매 박막 상부, 광촉매 박막 하부에 결합시킨다.
플라즈몬을 형성할 수 있는 귀금속의 나노 구조는 전자선묘화법(electron beam lithography), 나노 임프린트(nano-Imprint) 및 레이저 간섭법(laser interference lithography) 등을 사용하여 포토레지스트 또는 레진의 나노 패턴을 형성하고 증착기(Sputter, evaporator)를 이용하여 귀금속을 증착하며 이때 귀금속의 두께는 100 nm 이하로 하며 lift-off 방법에 의해 최종적으로 귀금속 나노 구조를 형성한다. 상기 귀금속의 나노구조는 100nm 이하로 직선형, 원형, 체크형 등으로 돌출된다. 또한, 플라즈몬을 형성할 수 있는 귀금속을 화학적 합성 방법으로 나노 와이어, 나오 파티클 형태로 제조하여 이를 기판에 분산하여 고정화 시킨다.
또한, 플라즈몬현상을 이용하면 기존보다 더 넓은 대역의 광원에서 활발하게 광촉매반응을 일으켜 효율적인 정수가 가능하다.
그리고, 상기 정수부(140)의 표면적을 넓히기 위하여 도 4 내지 6과 같이 정수부(140)를 조명부(120)의 상단에 사다리형, 지그재그형, 2단 사다리형으로 만들어 용수와 접촉하는 단면적을 최대화 한다. 이러한 상기 정수부(140)의 구조는 한정되지 않고 설치장소나 구비되는 구성요소에 따라 다양하게 변형되어 구현될 수 있다.
상기 제어부(150)는 기본적으로 상기 밝기측정부(110)에서 측정한 밝기와 상기 수질측정부(130)에서 측정한 수질을 전송받아 측정된 수질이 사전에 설정된 기준치 이하인 경우 측정된 밝기보다 조명부(120)의 밝기를 강하게 하고, 측정된 수질이 사전에 설정된 기준치 이상인 경우 측정된 밝기보다 조명부(120)의 밝기를 약하게 조절하여 정수부(140)에서 광촉매반응에 의하여 용수를 정수하도록 한다. 상기 정수장치(100)를 자연광을 흡수할 수 있는 수족관, 저수조, 연못, 저수지 등에 설치할 경우, 조명부(120)의 광원이 없이도 동작 가능하므로 정수장치(100)가 밝은 곳에 위치한 경우 제어부(150)는 조명부(120)의 전원을 차단하여 자연광으로 동작하도록 할 수 있다. 반면에, 야간 혹은 어두운 곳에 정수장치(100)가 위치한 경우 제어부(150)는 조명부(120)의 조명을 작동시켜 용수를 정수할 수 있다.
그리고, 상기 정수장치(100)가 자연광을 흡수할 수 없는 차광 저수조안에 설치된 경우에는 밝기측정부(110)를 동작시키지 않고 수질측정부(130)에서 측정된 수질에 따라 조명부(120)를 동작시킬 수 있다.
이하에서는 상기 구성으로 이루어진 본 발명의 작동과정 및 그 과정에서 발생되는 효과를 설명하도록 한다.
수질측정부(110)는 저수조의 수질을 측정하고, 밝기측정부(110)는 저수조의 밝기를 측정하여 제어부(150)로 측정결과를 전송한다. 상기 제어부(150)는 기본적으로 상기 밝기측정부(110)에서 측정한 밝기와 상기 수질측정부(130)에서 측정한 수질을 전송받아 측정된 수질이 사전에 설정된 기준치 이하인 경우 측정된 밝기보다 조명부(120)의 밝기를 강하게 하고, 측정된 수질이 사전에 설정된 기준치 이상인 경우 측정된 밝기보다 조명부(120)의 밝기를 약하게 조절하여 정수부(140)에서 광촉매반응에 의하여 용수를 정수하도록 한다.
반면에, 상기 정수장치(100)가 자연광을 흡수할 수 없는 차광 저수조안에 설치된 경우에는 밝기측정부(110)를 동작시키지 않고 수질측정부(130)에서 측정된 수질에 따라 조명부(120)를 동작시킬 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100 : 정수장치 110 : 밝기측정부
120 : 조명부 130 : 수질측정부
140 : 정수부 150 : 제어부

Claims (5)

  1. 플라즈몬을 이용한 정수장치에 있어서,
    밝기를 측정하는 밝기측정부;
    가시광선대의 빛을 발생시키는 조명부;
    저수조의 수질상태를 측정하는 수질측정부;
    상기 조명부의 일측면에 부착되어 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 일으켜 용수에 포함된 미생물을 살균하며 수질을 정화하는 정수부; 및
    상기 밝기측정부에서 측정한 밝기를 이용하여 조명부의 동작을 제어하고, 상기 수질측정부에서 측정한 수질을 이용하여 정수부의 동작을 제어하는 제어부; 를 포함하되,
    상기 정수부는,
    용수와 접촉면적을 넓히기 위해 사다리형태 또는 2단 사다리형태인 것을 특징으로 하는 플라즈몬을 이용한 광촉매 정수장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밝기측정부는,
    다수의 밝기측정부가 존재하는 것을 특징으로 하는 플라즈몬을 이용한 광촉매 정수장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명부는,
    형광등, LED, OLED 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈몬을 이용한 광촉매 정수장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 정수부는,
    플라즈몬을 형성하는 물질인 금, 은, 금합금, 은합금 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈몬을 이용한 광촉매 정수장치.
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