KR101558886B1 - 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템 - Google Patents

상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템 Download PDF

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고정곤
양희태
김나리
권미라
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Abstract

본 발명은 대용량 스파크 방전 모듈을 이용하여 대용량의 에어로졸 항균/항바이러스 입자를 발생시켜서 상압 건식 방식으로 에어필터를 연속 제조하는 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 대용량의 스파크 방전 모듈을 이용한 대용량 에어로졸 항균/항바이러스 입자 발생장치를 적용함과 더불어 상압 건식 에어로졸 공정을 채택하여, 항균/항바이러스 에어필터를 연속으로 제조하는 새로운 시스템을 구현함으로써, 에어필터 제조공정의 효율성 향상 및 생산성 향상은 물론 제품의 품질을 확보할 수 있는 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템을 제공한다.

Description

상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템{Continuous manufacturing system for antimicrobial/antivirus air filter based atmospheric dry aerosol process}
본 발명은 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 대용량 스파크 방전 모듈을 이용하여 대용량의 에어로졸 항균/항바이러스 입자를 발생시켜서 상압 건식 방식으로 에어필터를 연속 제조하는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 가정 또는 산업현장 등에서 산업발전에 따른 환경오염이 증대됨에 따라 대기오염으로 인한 인체의 유해성도 날로 증가하고 있으며, 환경오염의 대부분을 차지하는 대기오염은 실외의 공기뿐만 아니라 사람들이 장시간 활동하는 실내의 공기를 더욱 심각하게 오염시키고 있다.
예를 들면, 실내의 공기는 한정된 공간에서 오염된 공기가 계속적으로 순환하므로서 실외 공기보다 오염이 심각하며, 아울러 새로운 건축자재의 등장으로 오염물질이 방출되고 각종 가정용품의 사용으로 실내 공기의 오염이 더욱 증가되고 있다.
보통 실내의 공기를 정화시켜 쾌적한 환경을 제공하기 위하여 일반가정, 사무실, 병원이나 공장 등의 실내공간에 공기청정기를 설치하여 사용하고 있으며, 이러한 공기청정기에는 미세한 먼지나 세균류를 포집하거나 분진제거 기능과 함께 악취 및 유해가스, 탈취기능 등을 수행하는 각종 기능의 필터류가 갖추어져 있다.
예를 들면, 오염물질이 포함된 공기를 프라즈마 프리필터, 헤파 프리필터, 광촉매 필터 등을 통과하도록 하여 먼지 및 오염물질 등을 제거하고 있다.
최근에는 오염물질 제거 뿐만 아니라 곰팡이 등의 세균번식과 악취발생을 제거하여 건강을 보호하고 뛰어난 항균력을 장기간 유지할 수 있는 새로운 항균 및 항바이러스 에어필터가 요구되고 있는 추세이다.
이러한 추세에 따라 항균섬유를 이용하거나 활성탄을 덧붙이거나 금속망을 이용한다든지 부직포 제조공정과정에서 메탈릭이나 항균물질을 첨가하는 등의 다양한 에어필터가 제시되고 있으나, 기능적인 측면, 제작성 측면, 경제적인 측면에서 미흡한 점이 많이 있다.
일 예로서, 한국공개특허 10-2003-0010848호에서 제시하는 광촉매가 코팅된 활성탄 필터는 탈취제 또는 광촉매를 소정의 바인더 혼합물을 사용함으로써, 섬유층에 부분적으로 매립됨에 의해 탈취효과가 낮아지는 단점이 있다.
다른 예로서, 한국공개특허 10-2003-0039811호에서 제시하는 은 화합물과 제오라이트를 촉매로 한 필터는 필터를 은 화합물에 침염한 후 고온 건조 단계를 거쳐 다시 제오라이트를 침지함으로써, 은이 가려져 항균효과를 기대하기 어렵고 기공의 막힘 우려도 있으며 복잡한 습식방식으로 인한 폐수처리에 따른 환경문제 뿐만 아니라 건조비용이 증가하는 단점이 있다.
또 다른 예로서, 한국공개특허 10-2003-0015646호에서 제시하는 음이온 발생물질을 포함하는 부직포 에어필터 및 그 제조방법의 경우, 음이온을 발생한다는 광물질은 새로이 발견된 화강암의 일종으로서 분말상태로 만들어 부직포 제조공정 중에 원사에 도포한 후, 고온/압착/건조시키는 공정을 거쳐 부직포를 제조하게 되는데, 이 방식도 역시 성분이 분말이기 때문에 아무리 고온에서 압착처리를 하였어도 분말유출의 위험과 유해물질 포화상태 이후 통기 기능을 일찍 상실하는 등 성능면에서 미흡하고 제조공정이 복잡할 뿐만 아니라 제조비용도 많이 드는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 대용량의 스파크 방전 모듈을 이용한 대용량 에어로졸 항균/항바이러스 입자 발생장치를 적용함과 더불어 상압 건식 에어로졸 공정을 채택하여, 항균/항바이러스 에어필터를 연속으로 제조하는 새로운 시스템을 구현함으로써, 에어필터 제조공정의 효율성 향상 및 생산성 향상은 물론 제품의 품질을 확보할 수 있는 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템은 다음과 같은 특징이 있다.
상기 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템은 한 쌍의 전극에 전원을 인가하여 스파크 방전을 통해 항균/항바이러스 입자를 발생시키는 스파크 방전 모듈과, 상기 스파크 방전 모듈의 내부에 유체를 공급하는 유체공급장치와, 내부에서 필터 여재가 연속적으로 이송됨과 더불어 이렇게 이송되는 필터 여재에 스파크 방전 모듈측으로부터 유입되는 항균/항바이러스 입자의 코팅이 이루어지는 코팅 챔버를 포함하는 구조로 이루어진다.
따라서, 상기 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템은 대용량의 스파크 방전 모듈을 이용하여 대용량의 에어로졸 항균/항바이러스 입자를 발생시킬 수 있으므로, 에어필터 제조공정의 효율성 향상 및 생산성 향상을 도모할 수 있는 특징이 있다.
여기서, 상기 스파크 방전 모듈의 전극에 전원을 인가하기 위하여, 상기 두 전극을 일정간격으로 이격시키는 동시에 저항, 축전기, 고전압 파워서플라이로 구성된 고전압 회로에 병렬로 연결한 회로구성을 채택할 수 있다.
이때의 상기 고전압 회로는 방전 시 인가되는 파워의 손실을 감소시키기 위하여 1개의 전극, 예를 들면 방전극의 후단에 연결되는 인덕터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 유체공급장치는 스파크 방전 모듈로 공급되는 유체를 완충시켜 전극 사이에서의 유동 분포를 균일하게 해주는 플로 믹싱 박스를 포함할 수 있다.
특히, 상기 스파크 방전 모듈은 베이스 플레이트 상의 LM 레일을 따라 이동가능하며 서로 일정간격을 두고 마주보며 배치되는 한 쌍의 전극과, 상기 전극의 전후 이동을 위해 동력을 제공하는 모터와, 상기 모터의 동력을 전극측으로 전달하는 볼/스크류를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 상기 스파크 방전 모듈은 한 쌍의 전극 간의 간격을 유지시켜주는 수단으로 간격조절장치를 포함할 수 있으며, 이때의 간격조절장치는 상하 이동하여 전극 사이에 위치가능한 갭 스페이서와, 상기 갭 스페이서의 상하 동작을 위한 스페이서 실린더로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 스파크 방전 모듈의 전극은 전극의 후단부를 잡아주는 전극 홀더와, 상기 전극 홀더의 선단부에 체결되어 전극이 끼워져 있는 홀더 선단부를 가압하는 체결 너트에 의해 착탈가능한 구조로 장착되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 제공하는 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템은 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 상압 건식 에어로졸 공정을 이용함으로써 기존의 습식 공정 대비 공정수와 공정비용을 줄일 수 있는 등 전체적인 공정을 단순화할 수 있는 동시에 제조비용을 절감할 수 있으며, 폐수 발생이 없어 친환경적이다.
둘째, 대용량의 스파크 방전 모듈에서 발생하는 대용량의 항균/항바이러스 입자, 예를 들면 은나노 입자를 연속 진행하는 필터 여재에 코팅하는 방식이므로, 생산성을 향상시킬 수 있다.
셋째, 스파크 방전 모듈에서 발생한 항균/항바이러스 입자를 에어나 가스와 함께 곧바로 필터 여재에 코팅하는 방식이므로, 항균/항바이러스 입자의 코팅 효율을 높일 수 있는 등 제품의 품질을 확보할 수 있다.
넷째, 스파크 방전 모듈에 있는 한 쌍의 전극 간의 초기 간격을 일정하게 유지시킬 수 있는 간격조절장치를 적용함으로써, 전극의 효과적인 사용은 물론 전극의 정확한 리셋이 가능한 효과가 있다.
다섯째, 스파크 방전 모듈의 전극측으로 분사되는 에어나 가스를 1차 완충시킬 수 있는 플로어 믹싱 박스를 적용함으로써, 전극 전체 단면에 걸쳐 균일한 유량을 공급할 수 있는 등 입자 발생의 효율성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템을 나타내는 개략도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템의 대용량 스파크 방전 모듈에서 회로구성을 나타내는 개략적인 회로도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템의 대용량 스파크 방전 모듈을 나타내는 사시도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템의 대용량 스파크 방전 모듈을 나타내는 일부 단면 사시도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템의 대용량 스파크 방전 모듈에서 전극 장착구조를 나타내는 단면 사시도
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템의 대용량 스파크 방전 모듈에서 간격조절장치의 작동상태를 나타내는 정면도
도 7a 내지 도 7k는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템으로 제조한 필터 여재의 성능 평가 방식과 결과를 나타내는 개략도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 상기 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템은 대기압 하의 건식 에어로졸 공정에 기반을 두고 항균/항바이러스 에어필터를 연속으로 제조하는 친환경 시스템으로서, 대용량의 스파크 방전모듈을 통해 대용량의 항균/항바이러스 입자, 예를 들면 은나노 입자를 발생시키고, 이를 일반 필터 여재나 미디움/헤파 필터 여재 등에 직접 코팅하는 방식으로 이루어진다.
이를 위하여, 상기 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템은 한 쌍의 전극(10a,10b)에 전원을 인가하여 스파크 방전을 통해 항균/항바이러스 입자를 발생시키는 스파크 방전 모듈(11)을 포함한다.
이러한 스파크 방전 모듈(11)은 전원이 인가되는 한 쌍의 전극(10a,10b)으로 스파크는 발생시켜 기상의 항균/항바이러스 입자를 대용량으로 발생시키는 역할을 수행하게 된다.
여기서, 상기 스파크 방전 모듈(11)은 여러 쌍의 전극(10a,10b)을 포함할 수 있으며, 각 쌍의 전극(10a,10b)은 하나의 방진 챔버(24) 내에 배치되거나, 또는 각 쌍의 전극(10a,10b)은 각각의 개별 방진 하우징(도 3의 도면부호 25)을 포함할 수 있게 된다.
또한, 상기 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템은 스파크 방전 모듈(11)의 내부에 유체를 공급하는 유체공급장치(12)를 포함한다.
상기 유체공급장치(12)는 스파크 방전에 의해 항균/항바이러스 입자가 만들어지는 영역에 압축 공기나 가스 등을 공급하는 역할을 수행하게 된다.
이러한 유체공급장치(12)는 컴프레서(26), 에어 드라이어(27), 필터(28), 유량측정장치(29) 등을 포함하며, 이들로부터 제공되는 압축 공기나 압축 가스 등의 유체는 채널을 통해 방진 챔버(24)의 내부나 방진 하우징(25)의 내부로 공급되어, 전극(10a,10b) 간의 스파크 발생 부위로 공급될 수 있게 된다.
예를 들면, 상기 컴프레서(26)에서 공급되는 다량의 공기가 원활하게 공급될 수 있도록 에어 탱크(미도시)에 저장되며, 발생된 공기의 습도 및 먼지 제거를 위해 에어 탱크 후단에는 에어 드라이어(27) 및 고효율 필터(28)가 설치된다.
이와 같은 유체공급장치(12)가 여러 대의 스파크 방전 모듈(11)에 동시에 적용되는 경우, 청정건조 공기는 공기분산공급장치(미도시)를 통해 여러 개의 채널로 나뉘어지며, 각각의 공기 채널은 볼유량계 등의 유량측정장치(29)에 의해 유량이 컨트롤되고, 이렇게 볼유량계에 의해 컨트롤된 일정한 유량은 각각 스파크 방전 모듈(11)로 유입된 후, 은나노 입자를 함유한 상태에서 방진 챔버나 방진 하우징을 빠져나와 코팅 챔버(14)로 유입될 수 있게 된다.
특히, 상기 유체공급장치(12)는 스파크 방전 모듈(11)로 공급되는 유체를 완충시켜주는 수단으로 플로 믹싱 박스(도 2의 도면부호 16)를 포함한다.
이러한 플로 믹싱 박스(16)는 스파크 방전 모듈(11)의 유체 도입부에 설치되며, 전극 사이에서 고른 유동 분포가 이루어질 수 있도록 해주는 역할을 하게 된다.
즉, 고압의 유체가 직접 스파크 방전이 이루어지고 있는 전극 사이로 분사될 경우, 유체가 전극의 전체 단면적을 고르게 통과하지 못하고 일부 편중되는 현상, 예를 들면 전극 전체 단면적 중에서 중심이 속해 있는 중앙영역으로는 많은 양이 빠른 흐름을 보이게 되는 동시에 외곽영역으로는 유량이 적은 흐름을 보이는 현상이 있어나게 되고, 결국 이러한 유량의 불균일한 흐름에 의해 중앙영역에서는 입자 생성을 방해하게 되고 또 외곽영역에 입자가 잔존하게 되면서 이상 스파크가 일어날 수 있게 된다.
이러한 점을 고려하여 유체 도입부측에 플로 믹싱 박스(16)를 설치하고, 유체의 흐름을 1차 완충시키면서 속도 등을 줄여줌으로써, 전극 단면적을 통과하는 유체가 전체 단면적의 영역에서 균일한 유량과 흐름을 보일 수 있게 되고, 결국 유체의 흐름이 전극측에 직접적으로 영향을 끼치지 않게 되면서 이상 스파트 발생없이 스파크 방전을 통해 입자가 고르게 또 많은 양이 생성될 수 있게 된다.
이와 같은 플로 믹싱 박스(16)로부터 공급되는 에어 또는 가스의 유량은 전극의 직경 25mm, 전극 간의 갭 0.5mm인 경우, 10∼50ℓ/min, 바람직하게는 30ℓ/min가 적당하다.
또한, 상기 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템은 내부에서는 필터 여재(13)가 연속적으로 이송되고 있고, 이렇게 이송되는 필터 여재(13)에 스파크 방전 모듈(11)측으로부터 유입되는 항균/항바이러스 입자의 코팅이 이루어지고 있는 코팅 챔버(14)를 포함한다.
여기서, 상기 필터 여재(13)는 컨베이어 수단 또는 롤러 수단 등을 통해 이송되면서 코팅 챔버(14)의 내부를 가로지를 수 있게 되고, 이렇게 필터 여재(13)가 연속해서 이송되는 동안 코팅 챔버(14)의 내부에서는 상부로부터 공급되는 항균/항바이러스 입자가 필터 여재(13)의 상면에 흡착 코팅될 수 있게 된다.
그리고, 상기 코팅 챔버(14)에는 챔버 내부의 환기 및 코팅 후의 잔여 공기가 가스 배출처리를 위한 수단으로 배기팬(30)이 구비되도록 하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템의 대용량 스파크 방전 모듈에서 회로구성을 나타내는 개략적인 회로도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 여기서는 스파크 방전 모듈(11)의 전극(10a,10b)에 전원을 인가하기 위한 수단으로 고전압 회로(15)를 보여준다.
상기 고전압 회로(15)는 저항(15a), 축전기(15b), 고전압 파워서플라이(15c) 등으로 구성되며, 이러한 고전압 회로(15)는 서로 일정간격으로 이격 배치되어 있는 한 쌍의 전극(10a,10b)과 병렬로 연결된다.
그리고, 상기 고전압 회로(15)는 1개의 전극(10a), 예를 들면 방전극의 후단에 연결되는 인덕터(15d)을 포함하며, 이때의 인덕터(15b)는 방전 시 인가되는 파워의 손실을 감소시키기 역할을 하게 된다.
실시예
1)스파크 방전을 이용한 은나노 입자 발생
한 쌍의 은전극을 이용하여 은나노 입자를 발생시키는 스파크 방전 모듈을 제작하였다.
두 전극을 일정간격으로 이격시키고, 저항, 축전기, 고전압 파워서플라이, 인덕터로 구성된 회로를 병렬로 연결하였다.
이에 따라, 고전압을 회로에 인가하면, 축전기에 에너지가 저장되며 축전기의 전압이 두 전극 사이 공기의 방전 개시전압(Discharge voltage) 이상이 되면 두 전극 사이에 스파크가 발생되며, 축전기에 축척되었던 에너지가 전극으로 흐른다.
이때, 두 전극 표면은 순간적으로 기화된 후 응고 및 응집 과정을 거쳐 은나노 입자가 발생된다.
여기서, 디스차지 볼테이지는 Vd이고, 스파크 에너지(J/spark)는 Espark = 1/2CV2 d이고, 주파수(event/sec)는 fspark = 1/CVd이다.
2) 스파크 방전 장치 구성
스파크 방전을 위해서 도 2와 같은 축전기, 코일, 전극 등으로 이루어진 RLC 회로를 구성하였다.
위의 회로에서 축전용량은 33nF, 인덕턴스는 33uH로 구성하였다.
또한, 대용량의 은나노 입자 발생을 위해 직경 25mm의 은노드를 0.5mm 이격시킨 스파크 방전 챔버를 구성하였다.
두 전극은 99.9% 이상의 은으로 이루어져 있으며, 이격거리는 0.5mm이다.
3) 실험 방법
청정공기 시스템, 스파크 방전 장치, SMPS 등을 조합한 시스템을 구성한 후, 입자의 수농도 및 질량농도, 시간에 따른 방전극 사이의 전위차를 측정하였다(1000:1 프로브 사용).
청정공기 시스템에서 발생되는 30ℓ/min 정도의 공기가 유량측정장치를 통해 스파크 방전 챔버 내부로 유입되고, 고전압 회로를 통해 고전압이 은 전극 양단에 공급되도록 하였다.
스파크에 의해 발생된 은나노 입자는 유동을 타고 배기되며, 이때 0.3ℓ/min 정도의 유량을 샘플링하여 입경별 입자 계수 측정장치(SMPS)를 이용하여 발생되는 입자의 입경별 수농도를 측정하였다.
4) 실험 결과
두 전극에 인가되는 전압은 약 3kV 였으며, 스파크는 1kHz의 주기로 발생됨을 확인하였다.
톱니 모양의 전압변화는 축전기가 1ms 동안 2kV로 충전된 후, 스파크 발생에 의해 빠르게 방전되고, 두 전극이 다시 절연되면 충천되는 과정의 반복에 의해 나타났다.
수농도 기준 약 3×103 파티클/㎤, 질량농도 약 2.34×104 ㎍/m3의 입자가 발생되었고, 이때 입자의 모드 입경은 23.3nm, 기하학적 표준편차는 1.41이였다.
시험 결과를 통해 발생양을 계산해본 결과, 은나노 입자의 발생량은 0.7mg/min이였다.
5) 스파크 방전장치 설계 및 제작
직경 25mm의 은 노드가 양쪽에 설치하였고, 두 전극은 레일과 모터를 이용해 이동가능하도록 구성하였다.
장치의 중앙 부분에 공기가 유/출입할 수 있도록 유로가 확보되어 있으며, 은 전극의 간격은 0.5mm로 자동조절되도록 간격조절장치를 구성하였다.
즉, 간격조절장치를 통해 한 쌍의 전극 간의 초기 간격을 일정하게 유지하였으며, 전극이 한가운데 자동으로 위치조절될 수 있도록 하였다.
이와 관련, 은전극 사용, 은전극 교체도 매우 용이함을 알 수 있다.
전극이 모두 소진되면 알람이 울리도록 하였다.
그리고, 에어 플로 인렛 및 아웃렛 설치, 유량 20ℓ/min 로 설정하였으며, 방전확인용 윈도우 및 전기장 차폐는 물론 은나노 입자 발생량은 0.7mg/min으로 설정하였다.
한편, 요구되는 입자 발생량, 예를 들면 7mg/min을 얻기 위해 총 10대의 스파크 방전장치(방전 챔버+제어장치+방전 회로+고전압 인가장치)를 병렬로 연결하여 제작하였으며, 실제 공정 상에서 공간의 제약없이 설치 가능하도록 구성하였다.
도 3과 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템의 대용량 스파크 방전 모듈을 나타내는 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템의 대용량 스파크 방전 모듈에서 전극 장착구조를 나타내는 단면 사시도이다.
도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 스파크 방전 모듈(11)의 본체는 베이스 플레이트(17)와 커버(31)를 포함하며, 이러한 스파크 방전 모듈(11)은 베이스 플레이트(17)의 좌우 길이 중간을 기준으로 양편에 한 세트씩의 전극, 볼/스크류, 모터가 설치되는 구조를 포함한다.
이를 위하여, 상기 베이스 플레이트(17)의 상면에는 플레이트 길이방향을 따라 나란하게 LM 레일(18)이 설치되고, 상기 LM 레일(18)에 있는 양쪽 2개의 슬라이더에는 홀더 블럭(32)이 각각 설치된다.
그리고, 상기 각 홀더 블럭(32)의 상단부에는 전극 홀더(22)가 끼움관통되는 구조로 설치되며, 이때의 전극 홀더(22)의 선단부에는 체결너트(23)가 나사 체결구조로 장착되는 동시에 후단부에는 전원 연결을 위한 와이어링 등이 연결된다.
이에 따라, 전원 인가 시 전극 홀더(22)와 그 선단부에 결합되는 전극(10a,10b)은 통전상태가 된다.
또한, 상기 전극 홀더(22)의 선단부에는 홈부(33)가 형성되고, 이때의 홈부(33)가 형성되는 홀더 선단부의 바깥 둘레면은 경사면(34)으로 이루어짐과 더불어 원주 둘레방향을 따라가면서 배치되는 다수 개의 절개부(미도시)가 구비된다.
이에 따라, 상기 체결너트(23)를 풀어놓은 상태에서, 전극(10a,10b)의 후단부를 전극 홀더(22)의 홈부(33) 내에 삽입한 후, 체결너트(23)를 체결하게 되면 이때의 체결너트(23)가 체결됨과 더불어 경사면(34)을 눌러주게 되므로, 전극(10a,10b)이 끼워져 있는 홀더 선단부분이 오므라들면서 전극(10a,10b)을 꽉 물어주게 되므로서, 전극(10a,10b)이 안정적으로 고정될 수 있게 된다.
이와 같은 전극 고정구조는 전극의 교체를 용이하게 할 수 있는 이점을 제공한다.
즉, 상기 체결너트(23)를 풀고 조이는 간단한 조작만으로 전극(10a,10b)을 손쉽게 탈거하거나 다시 장착할 수 있게 된다.
그리고, 상기 전극(10a,10b) 및 전극 홀더(22)를 포함하는 홀더 블럭(32) 전체의 플레이트 길이방향 이동을 위한 수단으로 모터(19)와 볼/스크류(20)가 마련된다.
상기 모터(19)와 볼/스크류(20)는 베이스 플레이트(17) 상의 지지블럭(35a,35b)에 의해 지지되면서 플레이트 길이방향을 따라 나란하게 앞뒤로 설치되고, 모터(19)의 축은 볼/스크류(20)의 스크류 바(20a)의 후단부에 연결된다.
그리고, 상기 볼/스크류(20)의 스크류 바(20a)는 홀더 블럭(32)에 장착되어 있는 볼 하우징(20b)에 볼스크류 전동가능한 구조로 관통 결합된다.
이에 따라, 상기 모터(19)의 작동 시 볼/스크류(20)의 스크류 바(20a)와 볼 하우징(20b) 간의 볼스크류 전동에 의해 전극(10a,10b) 및 전극 홀더(22)를 포함하는 홀더 블럭(32) 전체가 플레이트 길이방향을 따라 전진 또는 후진될 수 있게 되고, 결국 양쪽 전극(10a,10b)의 간격이 좁혀지거나 벌어질 수 있게 된다.
또한, 상기 전극(10a,10b)의 스파크 발생 영역 주변, 즉 전극(10a,10b) 간의 갭 주변은 대략 링 모양의 방진 하우징(25)에 의해 둘러쌓여지게 되며, 스파크 방전에 의해 발생되는 입자는 방진 하우징(25)의 아래쪽에 관통 형성되어 있는 입자 배출홀(36a)을 통해 배출될 수 있게 된다.
이러한 방진 하우징(25)은 베이스 플레이트(17) 상에 설치되어 있는 하우징 블럭(37) 내에 전극측과 동심원상으로 관통 결합되는 구조로 설치되고, 이렇게 설치되는 하우징 블럭(37)의 하부에도 방진 하우징(25)에 있는 입자 배출홀(36a)와 연통되는 입자 배출홀(36b)이 형성된다.
그리고, 상기 하우징 블럭(37)의 입자 배출홀(36b)에는 입자 배출관(37)이 연결되고, 이때의 입자 배출관(37)은 코팅 챔버(14)측으로 연장되어 연결된다.
또한, 상기 전극(10a,10b) 간의 스파크 발생 영역에 유체를 공급하기 위하여, 유체공급장치(12)측으로부터 연장되는 유체공급관(38)은 플로 믹싱 박스(16)를 가지면서 후술하는 실린더 하우징(21c)의 내부로 연결되어, 유체를 스파크 발생 부위에 공급할 수 있게 된다.
즉, 상기 유체공급관(38)을 통해 실린더 하우징(21c)의 내부로 들어온 유체는 실린더 하우징(21c)의 하단부에 형성되어 있는 슬릿홀(도 6a 내지 도 6d의 도면부호 39), 예를 들면 후술하는 갭 스페이서(21a)를 통과시키기 위해 만들어놓은 홀을 통해 전극(10a,10b) 간의 갭 사이로 분사되고, 계속해서 전극(10a,10b) 사이를 거쳐 후술하는 입자 배출홀(36a,36b)을 경유한 후에 입자 배출관(37)을 통해 빠져나가게 된다.
한편, 별도의 에어 믹싱 박스 없이도 이때의 실린더 하우징(21c)이 에어 완충을 위한 믹싱 박스 역할을 할 수도 있게 된다.
한편, 상기 스파크 방전 모듈(11)은 한 쌍의 전극(10a,10b) 간의 간격을 유지시켜주는 수단으로 간격조절장치(21)를 포함한다.
상기 간격조절장치(21)는 전극 간의 초기 간격은 물론 재세팅 시 전극이 한가운데 자동으로 위치조절될 수 있도록 해주는 역할을 하게 된다.
이를 위하여, 상기 홀더 블럭(32)의 상면에는 내부에 공간을 가지는 실린더 하우징(21c)이 설치되고, 이렇게 설치되는 실린더 하우징(21c)의 상면 바깥쪽에는 스페이서 실린더(21b)가 수직 자세로 설치되는 동시에 하우징 안쪽으로 위치되는 실린더 로드에는 전극 사이에 위치되어 실질적으로 간격을 맞춰주는 갭 스페이서(21a)가 연결된다.
따라서, 도 6a 내지 도 6d에 도시한 바와 같이, 서로 마주보고 있는 양쪽의 전극(10a,10b)이 양편으로 벌어져 있는 상태에서, 스페이서 실린더(21b)가 하강 작동하면 갭 스페이서(21a) 또한 슬릿홀(37)을 통과하여 전극 위치(높이)에 상응하는 위치까지 수직 하강하게 된다.
이 상태에서 모터(19)의 구동에 의해 양쪽의 전극(10a,10b)이 이동하여 서로 모이면서 갭 스페이서(21a)를 사이에 두고 그 선단면을 통해 서로 접촉하게 된다.
계속해서, 스페이서 실린더(21b)의 상승 작동에 의해 갭 스페이서(21a)가 전극(10a,10b) 사이에서 빠져나가게 되면(이때 갭 스페이서는 슬릿홀로부터 완전히 빠져나온 상태가 된다) 이때의 전극(10a,10b) 간의 간격이 한가운데에서 맞춰질 수 있게 된다.
도 7a 내지 도 7k는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템으로 제조한 필터 여재의 성능 평가 방식과 결과를 나타내는 개략도이다.
1) 항균/항바이러스 필터 여재 제조(도 7a)
위 실험 방법을 이용하여 항균/항바이러스 성능을 가지는 필터 여재를 제작하였다.
스파크 방전장치를 이용하여 은나노 입자를 발생시킨 후, 필터 여재가 장착되어 있는 코팅 덕트 내로 입자를 유입/필터를 코팅시켰으며, 입경별 수농도 측정장치를 이용하여 필터에 코팅된 입자의 양을 산출하였다.
본 발명의 최종목표(5mg/min 입자 발생량으로, 3m/min의 코팅 속도)를 고려하여 3가지 경우의 코팅양을 선정, 항균/항바이러스 필터 여재를 제조하였다.
제작된 필터 여재에서 케이스 2가 실제 공정에서 3m/min의 조건과 같은 코팅양을 가지는 경우이며, 케이스1은 그보다 1/2 적은 양, 케이스 3은 2배 많은 코팅 양으로 선정하였다.
2) 차압 평가(도 7b)
랩 스케일의 실험을 통하여, 은나노 코팅이 필터의 차압에 미치는 영향을 살펴보았다.
제작된 필터가 설치된 덕트에 청정 공기를 유입한 후, 필터 전후단에 차압을 측정하였으며, 이때 필터 전면부에서의 유속은 필터 구동 조건인 면속도 0.5∼1.5m/s 조건을 고려하여, 미디어 속도 0.03m/s, 0.06m/s, 0.09m/s로 제어하였다.
실험 결과, 모든 필터 여재에서 유속이 증가할수록 필터의 차압이 증가하는 경향을 보였으나, 은나노 입자 코팅양에 따른 유의미한 차압 변화는 나타나지 않았다.
3) 차압 및 먼지 포집 효율 평가(한국생산기술연구원)(도 7c)
필터 원지에 은 코팅 전후의 차압 변화 및 집진 효율 변화를 확인하였다.
확인 결과, 은 코팅 전후의 변화는 없었으며, 달성 목표인 차압증가율 5% 이하, 표준먼지기준 90% 이상 달성하였다.
4) 미생물 평가:시험 미생물 선정(도 7d)
미생물은 에어로졸 상태로 생존할 수 있는 박테리아와 바이러스를 시험 미생물로 선정하였다.
5) 부유 박테리아/바이러스 포집 효율 평가(도 7e)
분무 입자 발생장치(atomizer)를 이용하여 2종 미생물(E. coli 또는 S.epidermidis)과 1종의 바이러스를 각각 발생시켰다.
에어로졸화된 미생물 입자를 확산건조장치를 통과하여 습기가 제거된 후, 필터가 설치된 테스트 덕트 내부로 유입시켰다.
필터 전/후단에서 미생물의 농도를 측정하여, 필터의 부유 미생물 포집 효율을 산출하였다.
또한, 필터 전면부에서의 유속은 필터 구동조건인 0.5m/s, 1m/s, 1.5m/s 조건을 고려하여, 미디어 속도를 0.03m/s, 0.06m/s, 0.09m/s로 제어하였다
6) 부유 박테리아 포집 효율(도 7f)
E. coli의 경우 발생된 미생물의 농도는 미디어 속도가 0.03m/s일 때 1290cells/㎤, 0.06m/s일 때 1090cells/㎤, 0.09m/s일 때 870cells/㎤이였다.
S. epidermidis의 경우 발생된 미생물의 농도는 미디어 속도가 0.03m/s일 때 1340cells/㎤, 0.06m/s일 때 1760cells/㎤, 0.09m/s일 때 2200cells/㎤이였다.
E. coli의 모드 입경은 0.9μm, S. epidermidis의 모드 입경은 0.8μm로 일반적으로 알려진 박테리아의 크기인 0.5∼3.0μm 안에 있었다.
두 미생물 모두 필터 후단에서의 농도가 0.5∼4cells/㎤로 매우 낮았으며, 유속 및 미생물 종에 무관하게 모두 99.8% 이상의 포집 효율을 보였다.
7) 부유 바이러스 포집 효율(도 7g)
필터 전단에서의 바이러스 수농도는 1.4×106∼1.9×106 cells/㎤이였으며, 필터 후단에서의 바이러스 수농도는 1.4×106∼1.9×106 cells/㎤이였다.
발생된 입자의 모드 입경은 약 27nm이였고, MS2 바이러스의 모드 입경은 20∼30nm 사이인 것으로 알려져 있어, 측정된 바이러스 입자의 모드 입경과 일치한다.
면유속 0.5∼1.5m/s 조건에서 면유속이 증가할수록 바이러스 입자의 포집 효율이 감소하는 경향을 보였다.
나노 사이즈 입자의 경우, 필터 포집 메커니즘은 입자의 확산 운동에 기인하여, 유속이 작을수록 포집 효율이 높고, 제작된 필터는 면유속 1.5m/s의 고속 운동 조건에서도 포집 효율이 99% 이상이었다.
8) 박테리아 제거성능 평가 시스템 구축(도 7h, 도 7i)
시험방법으로 항균기능 제품의 항균력 시험방법을 채택하였다(진탕 플라스크법 - KS J 4206, 2008)
상대적으로 은나노 입자 코팅량이 적은 케이스1의 경우 평균적으로 약 10% 정도의 항균 능력을 보였다.
하지만, 케이스2,3은 두 종의 박테리아에 대해 모두 99% 이상의 항균력을 나타내었다.
따라서, 본 발명에서 10대의 스파크 방전기를 병렬로 연결하고, 3m/min의 코팅 속도로 필터를 코팅했을 경우, 99% 이상의 항균력을 기대할 수 있다.
9) 바이러스 제거성능 평가 시스템 구축(도 7j,도 7k)
Bacteriphage MS2 바이러스를 이용하여 제작된 필터의 기상에서의 부유 바이러스 제거 성능을 평가하였다.
MS2 바이러스의 호스트 셀로는 E. coli strain C3000을 이용하였다.
에어로졸화된 MS2바이러스를 10분간 필터 상에 포집시킨 후, 필터 상에 포집된 바이러스 U-APB 용액을 이용하여 용액 상에 용출시켰다.
바이러스가 용출된 용액 0.1ml를 6시간 동안 진탕 배양된 호스트 용액 0.3ml, 8%의 agar가 함유된 트립티케이스대두 한천 배지(TSA) 29ml와 섞은 후, 페트리디쉬에 도말하여 굳혔다.
37도의 온도에서 24시간 배양한 후, 생성된 플라크의 수를 측정하였다.
은나노 입자의 코팅량이 증가할수록, 바이러스의 플라크 수가 감소하는 경향을 보였다.
케이스1의 경우 평균87%, 케이스2의 경우 평균 95%, 케이스3의 경우 평균 99%의 바이러스가 제거되는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명에서 10대의 스파크 방전기를 병렬로 연결하고, 3m/min의 코팅 속도로 필터를 코팅했을 경우, 90% 이상의 항바이러스 능력을 기대할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 상압 건식 방식에 기반을 두고, 대용량 스파크 방전 모듈을 이용하여 대용량의 에어로졸 항균/항바이러스 입자를 발생시켜서 에어필터를 연속 제조하는 시스템을 구축함으로써, 에어필터 제조공정의 효율성 향상 및 생산성 향상 뿐만 아니라 항균력 및 항바이러스 능력이 우수한 품질의 에어필터를 제조할 수 있다.
10a.10b : 전극
11 : 스파크 방전 모듈
12 :유체공급장치
13 : 필터 여재
14 : 코팅 챔버
15 : 고전압 회로
15a : 저항, 15b : 축전기, 15c : 고전압 파워서플라이, 15d : 인턱터
16 : 플로 믹싱 박스(Flow mixing box)
17 : 베이스 플레이트
18 : LM 레일
19 : 모터
20 : 볼/스크류
20a : 스크류 바, 20b : 볼 하우징
21 : 간격조절장치
21a : 갭 스페이서, 21b : 스페이서 실린더, 21c : 실린더 하우징
22 : 전극 홀더
23 : 체결 너트
24 : 방진 챔버
25 : 방진 하우징
26 : 컴프레서
27 : 에어 드라이어
28 : 필터
29 : 유량조절장치
30 : 배기팬
31 : 커버
32 : 홀더 블럭
33 : 홈부
34 : 경사면
35a,35b : 지지 블럭
36a,36b : 입자 배출홀
37 : 입자 배출관
38 : 유체 공급관
39 : 슬릿홀

Claims (7)

  1. 한 쌍의 전극(10a,10b)에 전원을 인가하여 스파크 방전을 통해 항균/항바이러스 입자를 발생시키는 스파크 방전 모듈(11);
    상기 스파크 방전 모듈(11)의 내부에 유체를 공급하는 유체공급장치(12);
    내부에서 필터 여재(13)가 연속적으로 이송됨과 더불어 이렇게 이송되는 필터 여재(13)에 스파크 방전 모듈(11)측으로부터 유입되는 항균/항바이러스 입자의 코팅이 이루어지는 코팅 챔버(14);
    를 포함하고,
    상기 스파크 방전 모듈(11)은 한 쌍의 전극(10a,10b) 간의 간격을 유지시켜주는 수단으로 상하 이동하여 전극 사이에 위치가능한 갭 스페이서(21a)와, 상기 갭 스페이서(21a)의 상하 동작을 위한 스페이서 실린더(21b)로 구성되는 간격조절장치(21)를 포함하며,
    상기 갭 스페이서가 전극 위치에 상응하는 위치까지 수직 하강한 상태에서 양쪽의 전극이 이동하여 서로 모이면서 갭 스페이서를 사이에 두고 그 선단면을 통해 서로 접촉함으로써 전극 간의 간격이 한가운데에서 맞춰질 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스파크 방전 모듈(11)의 전극(10a,10b)에 전원을 인가하기 위하여, 상기 두 전극(10a,10b)을 일정간격으로 이격시키는 동시에 저항(15a), 축전기(15b), 고전압 파워서플라이(15c)로 구성된 고전압 회로(15)에 병렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 고전압 회로(15)는 방전 시 인가되는 파워의 손실을 감소시키기 위하여 1개의 전극(10a)의 후단에 연결되는 인덕터(15d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 유체공급장치(12)는 스파크 방전 모듈(11)로 공급되는 유체를 완충시켜 전극 사이에서의 유동 분포를 균일하게 해주는 플로 믹싱 박스(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 스파크 방전 모듈(11)은 베이스 플레이트(17) 상의 LM 레일(18)을 따라 이동가능하며 서로 일정간격을 두고 마주보며 배치되는 한 쌍의 전극(10a,10b)과, 상기 전극(10a,10b)의 전후 이동을 위해 동력을 제공하는 모터(19)와, 상기 모터(19)의 동력을 전극(10a,10b)측으로 전달하는 볼/스크류(20)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템.
  6. 삭제
  7. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 스파크 방전 모듈(11)의 전극(10a,10b)은 전극(10a,10b)의 후단부를 잡아주는 전극 홀더(22)와, 상기 전극 홀더(22)의 선단부에 체결되어 전극(10a,10b)이 끼워져 있는 홀더 선단부를 가압하는 체결 너트(23)에 의해 착탈가능한 구조로 장착되는 것을 특징으로 하는 상압 건식 에어로졸 공정 기반 항균/항바이러스 에어필터 연속 제조 시스템.
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