KR101611131B1 - 전기집진장치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 전기집진장치는 표면에 탄소나노튜브(CNT)가 형성된 방전전극 및 상기 방전전극과 대향되어 배치되며 대전된 먼지를 집진하는 집진전극을 포함한다. 본 발명에 의한 탄소나노튜브가 합성, 성장된 방전전극은 탄소나노튜브가 금속 방전전극에 직접 합성 성장되었기 때문에 방전전극 표면에 많은 미세한 탄소나노튜브 방전침이 부착되어 있어 코로나 방전이 용이하게 형성되어 기체분자를 쉽게 이온화할 수 있다.

Description

전기집진장치 및 그 제조방법{ELECTRIC PRECIPITATOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 전기집진장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방전을 이용하여 대전된 먼지나 분진을 포집함으로써 오염된 공기를 정화하는 전기집진장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

대기 중이나 특정한 환경 하에 존재하는 미세입자들을 제어하는 기술들은 다양한 기술분야에서 광범위하게 응용되고 있으며, 산업적으로도 중요한 위치를 차지해 가고 있다. 특히 대기 중에 존재하는 미세입자들은 관련 장치들의 올바른 작동을 방해하거나, 대기오염 물질로서 시계를 떨어뜨리고 인체에 치명적인 영향을 줄 수 있기 때문에, 이런 미세입자들을 제거하기 위한 노력이 전 세계적으로 진행되고 있다.

대도시 현대인들은 대부분의 시간(약 90%)을 밀폐된 실내 주거 공간, 사무 공간, 지하 공간, 쇼핑 공간 등에서 보내고 있다. 실외로부터 유입되거나 실내의 가구 등에서 생성된 벤젠, 톨루엔, 수소황화물(hydrogen sulphite), 포름알데히드, 암모니아, 질소산화물(NOx), 황산화물(Sox) 등과 같은 유해 기체상 물질, 먼지 입자 또는 자연계에서 생성되는 꽃가루, 황사, 박테리아 등과 같은 미세 입자상 물질은 인체의 호흡기 질환을 유발한다. 특히 봄철 황사와 꽃가루 등은 호흡기 질환 이외에 피부 알레르기 및 안구 질환 등 인간 생활에 여러 가지 악영향을 미치고 있으며, 실내 공간을 오염시키는 주요인으로 사회적 관심이 집중되고 있다.

반도체나 액정 디스플레이(display)의 제조 산업에서는 생산기술이 극한적 수준에 이르면서 반도체나 액정 디스플레이 생산업체들은 눈에 보이지 않는 먼지나 가스 등에 더욱 민감해 지고 있다 웨이퍼(wafer)나 액정 디스플레이 제작 기술이 초고정밀도 수준에서 진행되면서 미세한 공기 중의 이물질에 의해 오작동이나 불량이 유발될 수 있기 때문이다.

이러한 문제점들을 해결하기 위한 방법 중 하나인 전기집진장치는 분진이나 먼지 등 미세 입자의 제거는 물론, 배기시에 100%에 가까운 이물제거를 통하여 분진 및 먼지를 배출하지 않기 때문에, 클린룸에서도 사용할 수 있다.

종래의 전기집진장치로는 한국등록특허 제10-1112002호에서 오염입자등에 X-선을 조사하여 오염입자를 포함하는 공기를 이온화시키고 이를 집진판에 집진하는 것을 개시하고 있으나 X-선관을 구비함으로써 전기집진장치가 복잡한 구성을 갖게 된다. 또한, 방전을 이용하는 종래의 전기집진장치들은 코로나 방전을 일으키기 위한 방전개시 전압이 높아서 장치의 가격이나 내구성에 문제를 일으키고 있다.

따라서, 전기집진장치의 방전개시 전압을 낮추면서도 집진효율이 향상된 전기집진장치의 개발 필요성이 매우 크다.

본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는, 방전개시 전압을 낮추어서 보다 낮은 전압에서 동작할 수 있는 전기소자의 이용이 가능하고, 방전의 균일성 및 효율이 개선되어 전력 소모가 감소되고, 인위적인 기류의 형성없이도 하전된 먼지나 분진이 집진전극 방향으로 효율적으로 이동할 수 있는 전기집진장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기의 전기집진장치를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기의 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 표면에 탄소나노튜브(CNT)가 형성된 방전전극과, 상기 방전전극과 대향되어 배치되며 대전된 먼지를 집진하는 집진전극을 포함하는 전기집진장치를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소나노튜브는 방전전극 표면에서 기상반응에 의하여 성장된 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 방전전극은 와이어(wire), 메쉬(mesh) 또는 바(bar)의 형태로 이루어질 수 있다.

본 발명은 상기의 두 번째 과제를 달성하기 위하여, 방전전극을 제공하는 단계와, 상기 방전전극을 화학적증기증착 장치에 장입하는 단계와, 상기 화학적증기증착 장치에 반응가스와 열에너지를 공급하여 상기 방전전극 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계와, 상기 탄소나노튜브가 성장된 방전전극에 대향하여 소정의 간격으로 이격된 집진전극을 배치하는 단계를 포함하는 전기집진장치의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 전기집진장치는 아래의 효과를 가진다.

1. 방전전극의 표면에 탄소나노튜브가 형성되고 있어서 탄소나노튜브의 끝부분에 집중된 전계가 형성되므로 방전개시 전압 및 방전유지 전압을 감소시킬 수 있다.

2. 탄소나노튜브를 합성하고 이를 방전전극에 도포하거나 결합시키는 방식이 아니고, 방전전극의 재료에 직접 기상반응에 의하여 탄소나노튜브를 성장시키므로 탄소나노튜브가 방전전극의 표면에서 외부 방향으로 배향될 수 있어서 전계의 집중 효과를 극대화할 수 있다.

3. 탄소나노튜브 페이스트화하여 방전전극에 도포하는 경우는 소성되어 결합된 탄소나노튜브와 방전전극 표면간의 결합력이 약할 수 있으나, 방전전극의 표면에 직접 탄소나노튜브를 성장시키므로 방전전극과 탄소나노튜브의 결합력을 향상시킬 수 있고, 결과적으로 방전전극에 부착된 분진이나 먼지를 효과적으로 제거할 수 있다.

4. 와이어 형태의 방전전극으로 이루어진 제1전기집진장치와 메쉬 형태의 방전전극으로 이루어진 제2전기집진장치를 결합하고, 이때 제1전기집진장치의 방전전극과 제2전기집진장치의 방전전극을 대향하여 배치함으로써, 별도의 공기흐름 형성없이도 효과적으로 분진을 집진전극 방향으로 이송시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기방진장치에서 탄소나노튜브가 합성 및 성장된 와이어 형상의 방전전극을 집진전극에 대향하여 배치한 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전기방진장치에서 탄소나노튜브가 합성 및 성장된 메쉬 형상의 방전전극을 집진전극에 대향하여 배치한 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 와이어 형상의 방전전극에 탄소나노튜브가 직접 합성 성장되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 스테인리스강의 금속 메쉬(SUS316L) 표면상에 탄소나노튜브가 직선 형상으로 직접 합성 성장된 메쉬의 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 스테인리스강의 금속 메쉬(SUS304) 표면상에 탄소나노튜브가 곡률을 갖고 직접 합성 성장된 메쉬의 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

본 발명의 전기집진장치는 방전전극과 집진전극을 포함한다. 방전전극에는 음 전압이 인가될 수 있고, 집진전극에는 양 전압이 인가될 수 있으며, 방전전극과 집진전극 사이에 소정의 크기 이상의 전계가 형성되면 방전이 일어난다. 방전은 대전된 입자가 전하를 잃는 현상을 말하는데, 전극 사이에 기체가 채워진 상태에서 일정 이상의 전기장이 형성되면 그 사이의 공간에 플라즈마가 형성된다. 플라즈마는 제3의 상태로 불리는 상이며, 하전입자, 중성입자가 혼재되어 존재하는 상태이다.

플라즈마가 형성되는 과정을 설명하면 다음과 같다. 두 전극 사이에 전기장이 형성되면, 공기 또는 방전가스 중에 미량으로 존재하는 자유전자가 전기장을 따라 가속되고, 가속된 전자는 분자와 충돌하여 분자에서 새로운 전자가 방출되면서 공간에는 전자의 밀도가 증가한다. 증가한 전자들은 다시 중성상태의 분자들과 충돌하면서 새로운 전자가 방출되고, 기체상에는 전자, 이온 등의 밀도가 증가하면서 전자는 양전극 방향으로 이동하고 양이온들은 음전극 방향으로 이동하면서 두 전극 사이에 전류가 흐르게 되고, 양이온들은 음전극과 충돌하면서 새로운 전자를 방출시키고 플라즈마가 유지되게 된다. 이때, 두 전극 사이에 플라즈마를 형성시킬 수 있는 최소전압을 방전개시 전압이라 하고, 플라즈마가 형성된 상태에서 플라즈마를 유지할 수 있는 최소전압을 방전유지 전압이라 한다.

전기집진장치에서는 상기의 플라즈마가 이용되는데, 그 작동 및 방전상태의 변화를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 전기집진장치의 두 전극 사이에 전계를 형성하기 위하여 전극에 전압을 인가하면 대기 중에 존재하는 우주선 또는 방사선에 의하여 형성된 미량의 전자가 이동하며 미세전류가 흐르기 시작하고, 두 전극 사이에 전계강도가 증가하면 전극사이에 전류도 증가하기 시작한다. 이 상태에서는 공기 또는 가스 중에 존재하는 전자가 전계에 의해 운동에너지를 얻어 기체분자가 충돌하여 기체 분자는 양이온과 전자로 전리된다. 이때 분자가 전리될 수 있는 최소의 전압을 전리전압이라 한다. 전극사이에 인가된 전압을 더욱 상승시키면 기체(공기 또는 가스)의 중성분자 M은 먼저 전리된 분자의 전자와 충돌 전리되어 양이온 M⁺와 전자 e^-로 전리된다. 즉, M^-, M⁺, e^-의 변화가 일어나며 이러한 전리에 의해 생긴 전자로 인하여 중성 분자는 핵분열 반응에서와 마찬가지 모양으로 차례로 전리되고 전자사태 상태로 도달한다. 충돌 전리에 의해 생긴 전자는 전리 영역을 벗어나 양극인 집진전극으로 향하다가 중성분자와 결합되어 중성분자를 음이온 M^-로 되게 한다. 한편 전리에 의해 생긴 양이온은 음극인 방전전극을 향하여 이동하여 음극에 충돌 흡수된다. 이때 충돌에너지에 의해 음극 표면에서 새로운 전자가 튀어 나온다. 이러한 2차 전자의 방출에 의해 방전은 자속방전이 된다. 이와 같이 자속방전을 부(-)코로나 방전이라고 일컫는다. 부코로나 방전에 의해 생긴 양이온과 음이온은 서로 이극성의 전극을 향해 이동하게 된다. 이때 전리 영역이 방전전극 즉, 음극 근방에 국한되어 있는 까닭에 양이온은 단거리 행정을, 음이온은 장거리 행정을 갖게 되므로 분진입자의 거의 대부분은 음이온으로 대전되어 양극으로 이동되며, 따라서 양극인 평판 전극 또는 원통 전극을 집진전극이라 한다. 또한 음극인 방전전극은 지속방전을 위한 전자를 방출한다는 의미이다. 그리고 분진 입자의 대전 방법으로는 이온이 전계에 의해 에너지를 얻어 분진 입자와 충돌하여 대전시키는 충돌대전(field charge)과 기체 중의 이온이 기체 분자 운동론의 법칙에 의해 불규칙한 열운동을 하게 되어 확산하게 되어 이러한 확산에 의해 분진 입자에 부착하여 대전시키는 확산대전(diffusion charge)이 있다. 전극으로 이동된 분진 입자는 전극 표면에 부착 포집되고, 이는 다시 탈진 또는 세정되어 낙하 집진된다.

본 발명의 전기집진장치는 방전전극의 표면에 탄소나노튜브가 외부 방향으로 성장하여 있으므로 이러한 탄소나노튜브가 방전침으로 기능하여 코로나 방전이 효율적으로 일어나도록 한다. 즉, 전계가 탄소나노튜브 끝 부분에 집중되므로 방전이 일어날 수 있는 방전개시 전압이 낮아지고, 방전을 유지하는 방전유지 전압도 함께 낮아진다. 이와 같이 방전개시 전압과 방전유지 전압이 낮아지면 같은 전압에서의 플라즈마 밀도가 향상되므로 전기집진장치의 전기 소모 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 전기집진장치는 방전전극의 표면에 탄소나노튜브를 직접 성장시키는 것을 특징으로 한다. 별도의 제조공정에서 제조된 탄소나노튜브를 방전전극의 표면에 코팅하는 경우에는 탄소나노튜브의 방향성이 없이 코팅되므로 탄소나노튜브의 끝 부분이 플라즈마 공간 방향으로 집중될 수 없고, 결과적으로 방전전압을 낮추는 효과가 적어진다.

방전전극은 다양한 전도체 재질로 이루어질 수 있는데, 예를 들어 금속일 수 있고, 구체적으로 스테인레스 스틸 재질로 이루어질 수 있다. 방전전극이 스테인레스 스틸로 이루어진 경우에 스테인레스 스틸은 일반적으로 코팅막과의 결합력이 약하여 코팅된 탄소나노튜브와의 결합력이 충분하지 않은 경우 분진의 제거과정에서 탄소나노튜브도 함께 분리될 수 있다. 본 발명에서는 방전전극의 표면에 탄소나노튜브를 직접 성장시키므로 페이스트를 이용한 코팅법 등에 비하여 높은 결합력을 확보할 수 있다. 방전전극에 탄소나노튜브를 성장시키는 방법에는 기상반응법이 이용될 수 있고, 구체적으로 화학증기증착법이 이용될 수 있고, 반응전구체, 반응온도, 반응압력, 플라즈마 유도 조건 등은 다양하게 변경될 수 있다.

이하에서 도면을 이용하여 본 발명을 보다 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와이어 형상의 탄소나노튜브(CNT)-방전전극(110)이 집진전극(115)에 대향 배치된 구조를 갖는 전기집진장치(100)를 개략적으로 도시한 도면으로 도면부호 110은 와이어 형상의 탄소나노튜브(CNT)-방전전극이고, 도면부호 112는 방전전극에 직접 합성 성장된 탄소나노튜브 방전침이고, 도면부호 115는 먼지 등을 부착 제거하는 타공판 집진전극(115)이다.

도 1과 같은 전기집진장치에서, 와이어 형상의 방전전극과 집진전극에 전압이 인가되어 그 사이에 전계가 형성되면 방전이 일어나면서 하전된 입자들이 전극에 부착되는데, 와이어 형상의 방전전극 표면에는 탄소나노튜브 방전침이 외부 방향으로 성장되어 있으므로, 방전침의 끝 부분에 전계가 집중되어서 방전전압을 낮추는 효과를 가진다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메쉬 형상의 탄소나노튜브(CNT)-방전전극(210)이 집진전극(215)에 대향 배치된 전기집진장치(200)를 개략적으로 도시한 도면으로 도면부호 210은 메쉬 형상의 탄소나노튜브(CNT)-방전전극이고, 도면부호 212는 방전전극에 직접 합성 성장된 탄소나노튜브(112) 방전침이고, 도면부호 215는 먼지 등을 부착 제거하는 타공판 집진전극이다. 도면에서는 타공판 집진전극에 대향하는 면적의 일부에만 메쉬 전극을 도시하였으나, 메쉬 전극은 타공판 집진전극과 동일한 면적으로 형성될 수 있다.

도 2와 같은 전기집진장치에서는 방전전극이 메쉬형태로 이루어지므로 와이어 형태의 방전전극보다 집진전극과 대향한 면적인 상대적으로 넓다. 따라서, 메쉬 형태의 방전전극은 와이어 형태의 방전전극보다 양전하로 하전된 입자를 밀어내는 효과가 상대적으로 높다.

반도체 공정의 클린룸에서는 파티클에 의한 오염을 막기 위하여 위에서 아래 방향으로 공기 흐름이 유지되고 있다. 따라서, 클린룸에서는 내부 기류의 왜곡 없이 먼지나 분진을 제거해야 하므로 펌프나 송풍기에 의한 강제기류를 사용할 수 없고 정전기력만을 사용하여 먼지나 분진을 제거해야 한다.

강제기류없이 정전기력만으로 먼지나 분진을 제거하는 전기집진장치에서는, 방전전극과 다른 극성을 띤 이온과 결합한 먼지나 분진은 전기적 인력에 의하여 집진전극 방향으로 이동하지만, 방전전극과 같은 극성을 띤 이온과 결합한 먼지는 전기적 척력이 작용하여 집진전극의 반대 방향으로 이동한다. 또한, 정전기력(electrostatic force)이 도달할 수 있는 거리의 한계가 있기 때문에 원 거리에 있는 먼지나 분진을 집진하기가 쉽지 않다. 도 1의 전기집진장치와 도 2의 전기집진장치를 결합하면 보다 높은 효율의 전기집진장치를 구현할 수 있다. 즉, 제1전기집진장치는 와이어 형태의 방전전극을 이용하고, 제2전기집진장치는 메쉬형태의 방전전극을 이용하며, 와이어 형태의 방전전극과 메쉬 형태의 방전전극을 서로 대향하여 제1전기집진장치와 제2전기집진장치를 배치하면, 보다 효율적으로 먼지나 분진을 제거할 수 있다.

메쉬 형태의 방전전극이 형성된 제2전기집진장치에서는 방전전극의 면적이 넓으므로 인력보다는 척력이 강하게 작용하여 이온화된 먼지를 밀어내는 힘이 더 강하고, 와이어 형태의 방전전극이 형성된 제1전기집진장치에서는 방전전극의 면적이 상대적으로 작아서 척력보다는 인력이 크게 작용하여 이온화된 먼지를 끌어들이는 힘이 더 강하다. 따라서 전기집진장치가 한 개 설치되어 있을 시 집진을 하지 못하는 먼 거리에 있는 먼지나 분진을 두 개의 전기집진장치를 마주보고 설치(각각의 방전전극이 서로 마주 보도록 설치)할 시에는 반대편에 있는 방전전극이 메쉬인 전기집진장치에서 먼지나 분진을 밀어주므로 방전전극이 와이어인 전기집진장치에서 먼 거리에 있는 먼지나 분진을 용이하게 부착 제거 할 수 있다.

따라서, 상기와 같은 점에 착안한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전기집진시스템은 탄소나노튜브가 합성된 와이어 형상의 방전전극을 포함하는 제1 전기집진장치(미도시) 및 상기 제1 전기집진장치와 이격되어 배치되며 탄소나노튜브가 합성된 메쉬 형상의 방전전극을 포함하는 제2 전기집진장치(미도시)를 포함한다.

상기 제1 전기집진장치와 제2 전기집진장치는 전술한 본 발명의 실시예에 의한 전기집진장치의 다양한 실시예에 해당한다.

본 발명의 전기집진장치를 제조하는 과정은 방전전극을 제공하는 단계와, 상기 방전전극을 화학적증기증착 장치에 장입하는 단계와, 상기 화학적증기증착 장치에 반응가스와 열에너지를 공급하여 상기 방전전극 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계와, 상기 탄소나노튜브가 성장된 방전전극에 대향하여 소정의 간격으로 이격된 집진전극을 배치하는 단계를 포함한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전전극에 탄소나노튜브(112)가 직접 합성 성장된 와이어 형상의 탄소나노튜브(CNT)-방전전극(110)의 제조방법을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 방전전극(111)을 화학적증기증착(Chemical Vapor Deposition)장치에 삽입한 후 반응가스와 열에너지를 공급하여 방전전극(111)에 직접 탄소나노튜브(112)를 합성 성장시킨다. 이때, 상기 화학적증기증착은 열, 전계, 빛 등의 외부 에너지를 사용하여 원료가스를 분해시켜 화학적 기상반응으로 기판 상에 박막을 형성시키는 기술이다. 화학적증기증착법은 보통의 고체상, 액체상의 반응에서는 얻기 어려운 화학조성의 박막도 쉽게 제작할 수 있으며, 원료가스에 따라 임의의 박막을 얻을 수 있고, 전기적 특성, 기계적 특성 등의 기능을 기판에 부여할 수 있다. 화학적증기증착 장치는 사용하는 외부 에너지에 따라 열 CVD, 플라즈마 CVD, 광 CVD 등으로 분류되며, 본 발명을 구현하기 위해서는 어느 것도 사용가능하다. 또한, 상기 반응가스는 일반적으로 탄소나노튜브의 합성, 성장에 사용되는 가스가 사용될 수 있다.

이와 같이 기상반응을 통하여 반응전극 표면에 직접 탄소나노튜브를 성장시킨 경우는 바인더(binder)를 사용하여 방전전극에 부착시킨 탄소나노튜브보다 방전전극과의 결합력이 강해서 고압의 공기로 탄소나노튜브-방전전극을 오염시킨 이물질을 청소할 시 탄소나노튜브(112)는 방전전극(111)에 잘 부착되어 있고, 이물질만 효과적으로 제거할 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 메쉬(SUS316L) 표면상에 탄소나노튜브가 직선 형상으로 직접 합성 성장된 메쉬의 주사전자현미경 사진을 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 메쉬(SUS304) 표면상에 탄소나노튜브가 곡률이 있는 형상으로 직접 합성 성장된 메쉬의 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸 것이다.

상기 금속 메쉬(211)에 탄소나노튜브(212)가 직접 합성 성장된 메쉬형상의 탄소나노튜브-방전전극(210)에는 미세한 탄소나노튜브(212) 방전침이 조밀하게 부착되어 있어 탄소나노튜브-방전전극 전 구간에 걸쳐 광범위하게 코로나 영역으로 확산 분포하여 이온화의 사각이 없어지므로 이온화율이 극도로 높아져 유입된 분진이 거의 100%에 가깝게 대전시킬 수 있다.

이하에서 실시예를 이용하여 본 발명을 설명한다.

실시예 1(와이어 형태의 탄소나노튜브-방전전극이 적용된 전기집진장치의 제조)

와이어 형태의 탄소나노튜브-방전전극이 적용된 전기집진장치를 아래와 같이 제조하였다.

먼저, 텅스텐 또는 스테인레스 스틸로 이루어진 금속 와이어에 탄소나노튜브를 성장시켰다. 이를 위한 공정으로서, 지름이 0.3mm인 금속 와이어를 먼저 환원 처리하였다. 환원처리는 금속 와이어 표면으로부터 촉매입자가 생성되게 하기 위한 것으로서, 반응온도 600℃에서 10분 동안 불활성 가스인 아르곤 가스 1,000sccm과 환원 가스인 수소 가스 100sccm을 공급하면서 금속 와이어 표면을 환원 처리하였다. 이어서, 환원처리된 금속 와이어 표면에 탄소나노튜브를 성장시켰다. 구체적인 공정은 1,000℃에서 10분 동안 아세틸렌 가스 10sccm, 아르곤 가스 1,000sccm 및 수소 가스 400sccm를 공급하면서 탄소나노튜브를 직접 합성 성장시켰다.

이어서, 24cm × 24cm의 사각형 프레임에 상기 탄소나노튜브가 성장된 금속 와이어를 3cm의 간격으로 배열하여 고정함으로써, 방전전극을 제조하였다.

이어서, 24cm × 24cm의 사각형 프레임의 내부에, 지름 1cm의 원형 홀이 3cm의 간격으로 형성된 금속판을 고정하여 타공성 집진전극을 제조하였다.

이어서, 상기 방전전극과 집진전극을 2cm의 간격으로 이격하여 설치하고, 전극들에 플라즈마 발생에 필요한 파워써플라이를 연결하여 전기집진장치를 제조하였다.

실시예 2(메쉬 형태의 탄소나노튜브-방전전극이 적용된 전기집진장치의 제조)

방전전극으로 와이어 형태의 금속을 이용하지 않고, 메쉬 형태를 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전기집진장치를 제조하였다. 이때, 금속 메쉬를 구성하는 와이어의 직경은 약 30㎛이며, 금속 메쉬 기공 크기는 32∼36㎛인 400 메쉬를 이용하였다.

실시예 3(와이어 형태의 전기집진장치과 메쉬 형태의 전기집진장치가 결합된 시스템의 구성)

실시예 1의 전기집진장치와 실시예 2의 전기집진장치를 일정 간격으로 결합시켜 전기집진장치를 제조하였다. 이때, 와이어 형태의 방전전극과 메쉬 형태의 방전전극이 서로 대향하도록 배치되었다. 구체적으로는 실시예 1의 전기집진장치인 (+)집진전극과 (-)와이어 방전전극이 결합하여 설치되고 120cm로 이격해서 도 2의 실시예 2의 전기집진장치인 (-)메쉬 방전전극과 (+)집진전극이 결합하여 설치되었다. 그 결과 실시예 1의 전기집진장치의 와이어 방전전극에서 끌어당기는 힘과 실시예 2의 전기집진장치의 메쉬 방전전극에서 밀어내는 힘이 결합되어 실시예 1의 전기집진장치에서 더 먼 거리에 있는 먼지 및 분진을 제거할 수 있다.

비교예 1(탄소나노튜브가 적용되지 않은 전기집진장치의 제조)

탄소나노튜브가 성장되지 않은 금속 와이어를 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전기집진장치를 제조하였다.

비교예 2(페이스트로 도포된 탄소나노튜브 방전전극이 적용된 전기집진장치의 제조)

금속 와이어에 탄소나노튜브를 직접 성장시키지 않고, 스크린 프린팅법으로 금속 와이어에 탄소나노튜브 입자를 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전기집진장치를 제조하였다. 스크린 프린팅된 탄소나노튜브는 바인더에 덮여있는 탄소나노튜브를 돌출시키기 위한 후처리로 테이핑 작업이 이루어졌고 바인더 물질을 소성시키기 위하여 전기로를 이용하여 200℃에서 열처리 하였다. 탄소나노튜브-바인더를 스크린 프린팅한 금속 와이어는 탄소나노튜브 사이에 바인더가 남아 있어서 탄소나노튜브를 직접 합성 성장시킨 탄소나노튜브-와이어보다 접촉 저항이 증가하여 동작 전압이 높으며, 이에 따라 열발생이 증가하여 탄소나노튜브의 점착력이 감소하여 수명을 단축시킨다.

평가예 1(페이스트로 도포된 탄소나노튜브 방전전극과 직접 성장된 탄소나노튜브의 방전전극의 부착력 테스트)

탄소나노튜브를 직접 합성 성장시킨 실시예 1의 금속 와이어와 탄소나노튜브-바인더를 스크린 프린팅한 비교예 2의 금속 와이어의 점착력을 비교하기 위해서, 흰색 융을 거치대에 고정시킨 후 아래로 쳐지게 걸어 놓고 융을 살짝 밀어도 밀리는 상태에서 탄소나노튜브가 융에 묻어나는 정도를 비교하였다.

비교예 2의 금속 와이어에서는 검은색 탄소나노튜브가 융에 묻어나는 것이 관찰되어서 점착력이 약한 것을 알 수 있다. 실시예 1의 금속 와이어는 융에 접촉시켜도 탄소나노튜브가 묻어나지 않고, 심지어 약간의 힘을 주어 융으로 닦아도 탄소나노튜브가 묻어나지 않았다.

평가예 2(분진 제거 효율 비교)

80cm×200cm×170cm의 룸에서 실시예들과 비교예들의 전기집진장치를 이용하여 분진 제거 효율을 비교하였다. 전기집진장치의 방전전극에는 -10kV를 인가시키고, 집진전극은 접지시켜서 전기집진장치를 작동시켰고, 작동시간은 30분이었다.

실시예 3의 전기집진장치는 방전전극과 집진전극이 각각 2개이므로, 동일한 조건에서의 비교를 위하여 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1, 비교예 2에 관한 실험에서는 전기집진장치를 소정의 간격으로 이격하여 2개씩 설치하였고, 실시예 3에 관한 실험에서는 전기집진장치를 1개 설치하였다.

전기집진장치를 작동시키기 전의 룸에서 측정된 파티클 농도와 30분 작동 후의 파티클 농도는 아래의 표 1과 같았다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2
초기 파티클 농도	1000/cc	1000/cc	1000/cc	1000/cc	1000/cc
30분 후 파티클 농도	320/cc	250/cc	140/cc	610/cc	490/cc

표 1을 참조하면, 실시예들이 비교예보다 전기집진 효율이 높았고, 특히 실시예 3의 효율이 매우 높은 것으로 나타났다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

100, 200 : 전기집진장치 110 : 와이어 형상의 탄소나노튜브-방전전극
111, 211 : 방전전극 112, 212 : 탄소나노튜브
115, 215 : 집진전극 210 : 메쉬 형상의 탄소나노튜브-방전전극

Claims (4)

1. 와이어 형태의 탄소나노튜브-방전전극과 타공성 집진전극이 마주보도록 설치된 제1전기집진장치; 및
   메쉬 형태의 탄소나노튜브-방전전극과 타공성 집진전극이 마주보도록 설치된 제2전기집진장치;를 포함하고,
   상기 와이어 형태의 탄소나노튜브-방전전극과 메쉬 형태의 탄소나노튜브-방전전극에 탄소나노튜브를 결합시키는 과정은, 방전전극을 제공하는 단계, 상기 방전전극을 화학적증기증착 장치에 장입하는 단계 및 상기 화학적증기증착 장치에 반응가스와 열에너지를 공급하여 상기 방전전극 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함하고,
   상기 제1전기집진장치와 제2전기집진장치는, 제1전기집진장치의 와이어 형태의 탄소나노튜브-방전전극과 제2전기집진장치의 메쉬 형태의 탄소나노튜브-방전전극이 서로 대향하도록 소정의 간격으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 전기집진 시스템.
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