KR101935011B1 - 오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치 - Google Patents

오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치는 요구 이상의 오존 생성 효율을 만족하면서 저전압에서 운전이 가능하고, 기계적 강도 및 화학적 안정성이 우수하여 운전 시 유전체에 온도 편차가 심하게 유발되더라도 전극과 유전체 간 팽창률 차이에 의한 유전체의 박리, 크랙, 홀 생성 등의 변형 및 파손에 대한 문제를 방지할 수 있으며, 기계적 강도 및 화학적 안정성을 유지하면서 유전체의 두께를 nm 단위의 수준으로 매우 얇게 형성 및 그 두께의 균일성이 우수하고, 산소, 공기 등의 유체의 유량을 가속하기 위한 별도의 수단 및 냉각 장치가 수반되지 않으며, 유지, 보수, 설비 등에 필요한 비용을 최소화할 수 있고, 대량화 및 상용화에 적합한 효과가 있다.

Description

오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치{ozone generator}
본 발명은 오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치에 관한 것이다.
오존은 산소가 분해되는 성질을 이용하여 공기의 정화(淨化), 오폐수 처리 등에 사용되며, 살균작용에 의한 음료수 소독, 표백이나 유기화합물의 구조 결정 등에 사용되는 유용한 물질이다.
일반적으로 오존은 산소에 물리/화학적으로 에너지를 가하여 생성되며, 무성 방전법, 전해법, 광화학법, 고주파 전계법, 방사선 조사법 등의 방법으로 제조하고 있으며, 산업 쪽에서는 주로 무성 방전법이 에너지 효율, 안정성, 조작성, 편리성 등의 측면에서 우수하여 널리 이용되고 있다.
무성 방전법의 경우, 오존 생성 효율은 오존 농도에 따라 변화하나, 보통 공기를 원료로 할 때 10 내지 35 g/m3 농도, 산소를 원료로 할 때 50 내지 150 g/m3 농도를 얻을 수 있다. 소비전력은 냉각수 온도가 25℃인 수냉식의 경우, 보통 공기를 원료로 할 때 15 내지 20 kwh/kg-O3이며, 산소를 원료로 할 때 10 내지 13 kwh/kg-O3이다.
무성 방전법에 의해 오존이 생성되는 원리는, 전극과 전극 사이에 유리, 세라믹 등의 유전체를 두고 산소 기체 또는 공기를 주입되는 상태에서 전극에 고압(6 내지 15 kV)을 가하면 방전 영역에서 산소가 분해되는 반응을 거쳐 오존이 생성된다.
무성 방전법을 이용하여 오존을 생성할 때 다음의 원리를 통하여 오존 생성 효율을 증가시킬 수 있다. 무성 방전법을 이용하여 오존을 생성할 경우, 종래에는 유전체로 석영관, 세라믹 도료 등이 사용되었으며, 동일 소비전력에서 유전체의 유전상수가 높을수록 오존 생성량이 증가한다. 또한 동일 소비전력에서 유전체의 두께가 얇을수록 오존 생성량이 증가하고, 방전에 필요한 인가전압이 감소되며, 이는 소비전력의 감소가 가능함을 의미한다.
아울러 유전체의 단위 부피당 두께가 일정할수록 안정성이 향상되어 지속적인 오존 생성에 있어 유리해진다. 유전체의 두께가 일정하지 않을 경우, 예컨대 극히 조금이라도 유전체 두께가 상대적으로 작은 부분에서 방전이 심하게 일어나게 되고, 따라서 그 부분의 온도가 극도로 상승하게 되므로 이로 인해 유전체에 크랙, 홀 등의 치명적인 결함이 발생하게 된다. 이는 곧 오존의 지속적 생성이 불가함을 뜻하고 오존 생성 없이 에너지만 소모하게 되며, 결국 시간이 경과함에 따라 오존 발생기는 파손된다. 이에 따라, 유전체는 유전상수이 높으면서 얇은 박막으로 제조될 수 있어야 하고, 박막의 두께를 일정하게 제어할 수 있어야 하며, 기계적 강도 및 화학적 안정성이 우수하여야 한다.
하지만 석영관을 유전체로 사용하는 종래 기술의 경우에는 제조 가격의 크게 올라가는 문제로 석영관의 순도를 향상시키는 것에 한계가 있으므로, 위치별 유전상수가 동일하지 않아 방전이 고르게 발생되기 어려운 문제가 있다. 또한 석영관은 내충격성이 약하기 때문에 1~2 mm 이하로 두께를 감소시키는 것에 한계가 있다. 아울러 일정한 두께로 제조하기가 어려우며, 구형, 관형 등의 특정 형태의 제조가 용이하지 않다.
석영관을 유전체로 사용하는 종래 기술의 경우, 석영관 내측 또는 외측에 주로 스테인리스 등의 금속 전극이 구비되며, 이 또한 구형도가 높아야 하고 석영관과의 이격거리를 좁게 유지하면서 이 사이로 공기를 주입하여야 하므로, 냉각 효율성, 인위적인 공기 주입을 위한 에너지 소비 등으로 인해 실제로는 오존 생성 효율이 저하될 수밖에 없다.
세라믹 도료 코팅제를 유전체로 사용하는 종래 기술의 경우, 예컨대 Al2O3 6.21~17.3 mol%, Na2O 4.5~16.7 mol%, SiO2, 32.3~67.5 mol%, TiO2 7.6~25.4 mol%, 그리고 MgO, CaO, BaO, B2O3, P2O5, K2O, Fe2O3, ZrO2, NiO, PbO 및 CoO을 각각 1.29~8.5 mol%로 포함하는 액상 코팅 조성물을 금속 전극 외면에 얇게(0.18~2 mm) 코팅한 후 고화하여 제조한다. 이 경우, 유전상수가 석영관과 비교하여 높은 이점이 있으나, 금속 전극과 유전체 간 온도 팽창율 편차가 심하여 금속에서부터 박리되거나 파괴될 수 있어 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 또한 도료 형태의 조성물을 도포하는 제조 공정 특성상 100 ㎛ 이하의 얇은 두께로 제조하는 것은 현실적으로 쉽지 않다.
이러한 종래 기술에서는 전술한 바와 같이 구조상 차이로 방전 효율을 높이기 위해 공기를 장치의 내부로 주입하는 방식을 채택할 수밖에 없기 때문에 방전 효율 측면에서는 문제되지 않을 수 있더라도 공기의 원활한 흐름 및 냉각 효율에 있어서 떨어지는 한계가 있다. 구체적으로, 좁은 장치의 내부를 공기가 통과해야 하므로 원활한 유체 흐름을 주기 위한 공기 역학적 구조를 갖지 못함에 따라, 공기 흐름을 강제할 수 있는 인위적 수단 및 이에 소요되는 에너지가 증가할 수밖에 없다. 또한 원활한 공기 흐름이 저해되기 때문에 상대적으로 공랭에 의한 냉각 효율이 저하될 수밖에 없다.
나아가, 특히 전술한 종래 기술에서는 구조적 문제 및 오존 생성 효율이 우수하지 못함으로 인해, 저압에서의 사용이 현실적으로 어렵고, 실제로 6 내지 15 kV의 고압에서 사용될 수밖에 없는 한계가 있다. 따라서 고주파 전원 공급 장치의 최대 전압 사양, 중량, 크기 및 가격이 올라갈 수밖에 없으므로, 비용적인 측면에서도 효율적이지 못하며, 오폐수 처리 등을 위한 대량화 및 상용화에는 아직까지 큰 어려움이 있다.
KR10-2004-0107834A (2004.12.23)
본 발명의 목적은 요구 이상의 오존 생성 효율을 만족하면서도 저전압에서 운전이 가능한 오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기계적 강도 및 화학적 안정성이 우수하여 운전 시 유전체에 온도 편차가 심하게 유발되더라도 전극과 유전체 간 팽창률 차이에 의한 유전체의 박리, 크랙, 홀 생성 등의 변형 및 파손에 대한 문제를 방지할 수 있는 오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기계적 강도 및 화학적 안정성을 유지하면서도 유전체의 두께를 nm 단위의 수준으로 매우 얇게 형성 가능하며, 그 두께의 균일성 또한 우수한 오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 산소, 공기 등의 유체의 유량을 가속하기 위한 별도의 수단 및 냉각 장치가 수반되지 않으면서도 요구 이상의 오존 생성 효율을 만족하는 오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유지, 보수, 설비 등에 필요한 비용을 최소화할 수 있으며, 오폐수 처리, 공기 정화 등을 위한 대량화 및 상용화에 적합한 오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치의 제조 방법 및 이의 이용 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀은, 전원의 일단과 연결되는 제1전극; 상기 전원의 타단에 연결되고, 망목 구조를 갖는 제2전극; 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 형성되는 유전체; 및 상기 전극에 상기 전원에 의해 전압이 인가될 시, 상기 유전체에서 상기 제2전극 방향으로 형성되는 방전 영역;을 포함한다. 이때 주변 공기의 흐름에 의해 상기 방전 영역에 산소가 공급되어 오존이 생성될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1전극, 상기 제2전극 및 상기 유전체는 기둥 형상일 수 있고, 상기 유전체는 상기 제1전극의 외주면에 형성되고, 상기 제2전극은 상기 유전체의 외주면에 형성될 수 있으며, 상기 방전 영역은 상기 유전체의 외주면측 및 상기 제2전극의 외주면측으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1전극은 알루미늄 금속으로 형성될 수 있으며, 상기 유전체는 상기 제1전극의 외주면부가 양극산화되어 형성되는 알루미늄계 다공성 양극산화막일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 유전체는 유전상수가 20 내지 70일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제2전극은 상기 유전체의 외주면을 감싸 형성될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 전원은 0.45 내지 1.2 kV 사이의 전압을 가지는 교류 전원일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 전원은 1,000 내지 20,000 Hz 사이의 주파수를 가지는 교류 전원일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1전극은 일단과 타단이 관통된 관형 형상일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀의 사용 방법은, 0.45 내지 1.2 kV 사이의 전압을 가지는 교류 전원을 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 오존 생성 장치는 상기 오존 생성용 무성 방전 단위 셀을 적어도 하나 이상 포함하고, 상기 전원을 공급하는 전원 공급 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 오존 생성 장치는 상기 오존 생성용 무성 방전 단위 셀의 제조 방법은, a) 관형의 알루미늄 제1전극의 일단 및 타단의 개구부를 폐쇄하는 단계, b) 개구부가 폐쇄된 관형의 알루미늄 제1전극을 양극산화 용액에 침지하고 양극산화하여 상기 제1전극의 외주면부를 알루미늄계 다공성 양극산화막으로 전환하여 제1전극-양극산화막 복합체를 제조하는 단계 및 c) 상기 제1전극-양극산화막 복합체의 외주면의 적어도 일부와 관형의 제2전극의 내주면의 적어도 일부가 접하도록 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 이때 상기 관형의 제2전극은 상기 제1전극-양극산화막 복합체의 외주면을 덮도록 하는 금속선이 교차 형성된 망형 구조를 가지는 망상 전극일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 오존 생성 장치는, d) 상기 b) 단계와 상기 c) 단계 사이 또는 상기 c) 단계 이후에, 상기 관형의 알루미늄 제1전극의 일단 및 타단의 개구부를 개방하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치는 요구 이상의 오존 생성 효율을 만족하면서도 저전압에서 운전이 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치는 기계적 강도 및 화학적 안정성이 우수하여 운전 시 유전체에 온도 편차가 심하게 유발되더라도 전극과 유전체 간 팽창률 차이에 의한 유전체의 박리, 크랙, 홀 생성 등의 변형 및 파손에 대한 문제를 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치는 기계적 강도 및 화학적 안정성을 유지하면서도 유전체의 두께를 nm 단위의 수준으로 매우 얇게 형성 가능하며, 그 두께의 균일성 또한 우수한 효과가 있다.
본 발명에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치는 산소, 공기 등의 유체의 유량을 가속하기 위한 별도의 수단 및 냉각 장치가 수반되지 않으면서도 요구 이상의 오존 생성 효율을 만족하는 효과가 있다.
본 발명에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치는 유지, 보수, 설비 등에 필요한 비용을 최소화할 수 있으며, 오폐수 처리, 공기 정화 등을 위한 대량화 및 상용화에 적합한 효과가 있다.
본 발명에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 명세서에서 기재된 효과 및 그 내재적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀의 절개 사시도로, 제1전극, 유전체 및 제2전극의 일면을 각각 절개하여 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀의 전체 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 오존 생성용 무성 방전 단위 셀을 이용하여 전력(W)에 따른 오존 농도(g/m3)를 측정한 데이터이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 오존 생성용 무성 방전 단위 셀의 실제 이미지이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀 및 이를 포함하는 오존 생성 장치를 상세히 설명한다.
본 명세서에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.
본 명세서에서 언급되는 ‘공기’는 산소를 포함하는 혼합 기체로서 사전적 의미를 가지나, 오존의 생성을 위한 원료를 의미하는 것으로서 해석될 수 있으므로, ‘공기’는 방전에 의해 오존을 생성할 수 있는 기체 또는 이를 포함하는 혼합 기체로서 해석될 수 있다.
종래의 오존 생성 장치는 공기가 장치의 내부 또는 내측으로 유입되어, 장치의 내부 또는 내측에서 방전 영역을 형성하는 구조를 가졌다. 따라서 협소할 수밖에 없는 장치의 내부 또는 내측에서 공기가 분해되는 반응을 거쳐 오존이 생성됨에 따라, 방전 효율이 높더라도 그에 필요한 만큼의 양의 공기가 지속적으로 유입되기가 어려워 오존 생성 효율이 저하되는 문제가 있었다. 따라서 별도의 유체 가속 장치 등이 더 구비되어야 하고 이에 따른 에너지가 더 소요되므로, 비용의 증가는 물론 시설 부피 및 중량이 증가하는 문제가 있었다.
또한 전압을 인가하는 특성상 장치에 발열이 필연적으로 발생하게 되며, 장치의 내부 또는 내측으로 방전 영역이 형성되므로, 방열 효율이 떨어져 별도의 방열 장치 및 냉각 장치가 더 구비되어야 하는 문제가 있었다. 이 또한 비용의 증가는 물론 시설 부피 및 중량이 증가하는 문제를 일으킨다.
전술한 바와 같이, 종래의 오존 생성 장치는 장치의 내부 또는 내측으로 공기가 유입되는 구조를 가짐에 따라, 공기 유제 역학적 흐름 특성 및 방열 특성이 현저히 떨어지는 한계가 있다.
그러나 본 발명에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀(100) 및 이를 포함하는 오존 생성 장치는 오존이 생성되는 방전 영역이 셀의 외부 노출면 방향으로 형성되어 주변 공기의 흐름에 의해 산소가 자동 공급될 수 있음에 따라, 별도의 유체 가속 장치 없이도 공기 유입 속도가 높은 방전 효율에 따른 필요 공기 유량을 만족할 수 있는 효과가 있다. 뿐만 아니라 방전 영역이 셀 및 장치의 외부 및 외측에서 형성되므로, 별도의 방열 장치 없이도 주위의 자유 공기 흐름에 의해 방열 특성이 우수한 효과가 있다.
이하 본 발명에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀(100) 및 이를 포함하는 오존 생성 장치를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀(100)은, 전원의 일단과 연결되는 제1전극(110); 상기 전원의 타단에 연결되고, 망목 구조를 갖는 제2전극(130); 상기 제1전극(110)과 상기 제2전극(130) 사이에 형성되는 유전체(120); 및 상기 전극에 전압이 인가될 시, 상기 유전체(120)에서 상기 제2전극(130) 방향으로 형성되는 방전 영역;을 포함한다. 이때 주변 공기의 흐름에 의해 상기 방전 영역에 산소가 공급되어 오존이 생성될 수 있다.
바람직한 일 예에 있어서, 상기 제1전극(110), 상기 제2전극(130) 및/또는 상기 유전체(120)는 기둥 형상인 것이 좋다. 이때 상기 유전체(120)는 상기 제1전극(110)의 외주면에 형성될 수 있고, 상기 제2전극(130)은 상기 유전체(120)의 외주면에 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 방전 영역은 상기 유전체(120)의 외주면측 및 상기 제2전극(130)의 외주면측으로 형성되게 된다. 이를 만족할 경우, 제1전극(110)이 판형의 경우와 비교하여 공기의 흐름에 대한 저항을 최소화 할 수 있어, 보다 높은 효율로 방전 영역에 공기가 유입되도록 유도될 수 있다. 유전체(120)는 제1전극(110)의 외주면의 전체에 형성될 수도 있고, 외주면의 일부 영역에 형성될 수도 있으므로, 제한되지 않으나, 방전 효율 측면에서 제1전극(110)의 외주면 전체에 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 제2전극(130)은 유전체(120)의 외주면의 전체에 형성될 수도 있고, 외주면의 일부 영역에 형성될 수도 있으므로, 제한되지 않으나, 방전 효율 측면에서 유전체(120)의 외주면 전체에 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 기둥 형상의 단면 형태, 즉, 기둥 형상의 테두리 모양은 제한되지 않으며, 예컨대 원형, 타원형, n각형(n은 2 이상), 완곡도가 서로 다른 복수의 호가 서로 연결된 형태, 하나 이상의 선과 하나 이상의 호가 서로 연결된 형태 등의 다양한 것들을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않음은 물론이다. 또한 상기 기둥 형상의 단면 형태는 일반적인 닫힌 모양이 아닌 열린 형태, 예를 들어 일단에서 타단 방향, 즉, 기둥 형상의 길이 방향으로 연속 또는 비연속한 홈이 형성될 수도 있음은 물론이다.
상기 제1전극(110)은 기둥 형상일 수 있으며, 이때 일단과 타단이 관통된 관형 형상일 수도 있고, 일단과 타단이 막히거나, 관형 형상과 같은 내부 공간이 없는 기둥 형상일 수 있다.
바람직한 일 예로, 상기 제1전극(110)이 기둥 형상일 경우, 일단과 타단이 관통된 관형 형상인 것이 좋다. 여기서 ‘관형’은 기둥의 길이 방향으로 일단과 타단이 관통된 기둥 형태, 즉, 사전적 의미를 가지며, 이때 기둥의 단면, 즉, 기둥의 테두리 모양은 상기와 같이 제한되지 않는다. 이를 만족할 경우, 공기의 흐름 저항을 더 최소화할 수 있는 것은 물론, 주위 공기 흐름에 의한 공랭을 더 유도하여 방열 특성이 보다 향상될 수 있다. 이때 상기 제1전극(110)은 평균 내부직경이 1 내지 5 mm, 일 실시예로 22 mm일 수 있으나, 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
또한 상기 제1전극(110)이 일단과 타단이 폐쇄된 상태이거나, 관형 형상과 같은 내부 공간이 애초에 없는 기둥 형상일 경우에, 셀의 외측으로 노출되는 방전 영역으로 주위 공기 흐름을 보다 원활히 할 수 있어 오존 생성 효율을 더 높일 수 있다.
바람직한 일 예에 있어서, 상기 유전체(120)는 알루미늄계 다공성 양극산화막인 것이 좋다. 이를 만족할 경우, 유전체(120)의 유전상수 및 유전율이 높아 방전 효율이 보다 향상된다. 구체적으로, 상기 유전체(120)는 유전상수가 20 내지 70일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
따라서 상기 제1전극(110)은 알루미늄 금속으로 형성되는 것이 좋다. 제1전극(110)이 알루미늄 금속일 경우, 제1전극(110)인 알루미늄 금속의 표면부를 유전체(120)인 알루미늄계 다공성 양극산화막으로 전환할 수 있으므로, 제1전극(110)과 유전체(120) 간의 계면 결합력을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 제1전극(110)의 외측에 형성되는 유전체(120)를 알루미늄계 다공성 양극산화막으로 쉽게 제조할 수 있다.
즉, 보다 바람직한 일 예에 있어서, 상기 유전체(120)는 알루미늄 금속인 상기 제1전극(110)의 표면부(외주면부)가 양극산화되어 형성되는 알루미늄계 다공성 양극산화막인 것이 좋다.
알루미늄계 다공성 양극산화막(Porous anodic oxide film, PAOF)은 금속의 표면 처리 기술 중 하나인 양극산화 기술(Anodization)에 해당하며, 이를 이용하여 금속 표면에 다양하고 규칙적인 나노구조를 형성할 수 있다. 특히 본 발명에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀(100)의 제1전극(110)인 알루미늄 금속에 적용될 경우, 전술한 바와 같이, 알루미늄 금속의 표면부에 형성되는 알루미늄계 다공성 양극산화막이 유전체(120)로 작용하여 높은 효율로 오존을 생성할 수 있다.
상기 알루미늄계 다공성 양극산화막은 중심부가 빈 기둥(통상 6각 기둥) 형태의 셀들이 촘촘히 모인 벌집 구조를 이루는 다공 구조를 가진다. 유전체(120)인 알루미늄계 다공성 양극산화막은 제1전극(110)과 접하여 존재하므로 이 사이에 별도의 이격 공간은 없고, 상기 유전체(120)와 제2전극(130) 사이에 이격 공간 없을 수 있더라도, 상기 양극산화막이 다공 구조를 가짐에 따라 오존이 생성되는 방전 영역이 유전체(120)의 외측 및 상기 제2전극(130)의 외측으로 셀의 외부 노출면 방향으로 형성이 가능하도록 한다. 따라서 제1전극(110)과 유전체(120)와의 이격거리가 존재하지 않고 제2전극(130)과 유전체(120)와의 이격거리가 존재하지 않을 수 있더라도 방전 효율에 전혀 문제가 되지 않는다. 따라서 셀 및 장치의 단위 부피당 오존 생성량을 더 증대시킬 수 있는 것은 물론, 특히 셀 및 장치의 외부 노출면으로 방전 영역이 형성되도록 할 수 있다. 이러한 구조에 의해 종래에서 방전 영역을 장치의 외부로 할 수 없었던 문제의 극복이 가능한 특징이 있다.
상기 알루미늄계 다공성 양극산화막의 빈 기둥 형태의 셀의 직경은 크게 제한되지 않으나, 50 내지 300 ㎚일 수 있다. 상기 셀의 중심부의 세공의 직경은 크게 제한되지 않으나 상기 셀의 직경이 1/3 내지 1/2일 수 있다. 상기 셀의 높이(양극산화막의 두께)와 상기 세공 직경의 비는 약 500 내지 1,500일 수 있다. 그러나 이러한 수치는 알루미늄계 다공성 양극산화막의 제조 방법, 구체적으로 상기 제조 방법에서 후술하는 용액의 조성, 온도, 전압 등의 변수에 따라 제어할 수 있으므로, 이에 본 발명이 제한되지 않음은 물론이다. 구체적인 일 예로, 묽은 황산을 포함하는 양극산화용 용액에서 성장한 20 내지 50 ㎛ 두께의 알루미늄계 다공성 양극산화막의 경우 세공의 직경은 20 ㎚ 일 수 있다.
상기 알루미늄계 다공성 양극산화막은 공지된 양극산화 기술을 이용하면 무방하므로, 그 제조 방법에 제한을 두지 않으며, 이의 구체적인 방법을 이후에 후술한다.
본 발명에서 유전체(120)가 알루미늄계 다공성 양극산화막일 경우, 그 두께를 nm 단위로 제조할 수 있음에도 단위 부피당 두께가 균일하도록 제조할 수 있다. 뿐만 아니라, 제1전극(110)이 알루미늄 금속일 경우에 제1전극(110) 및 유전체(120) 간 계면의 치밀성을 극단적으로 확보할 수 있으므로, 내마모성, 내충격성 등의 기계적 강도 및 화학 안정성이 우수한 효과가 있다. 따라서 두께를 nm 단위로 매우 작게 하여 방전 효율을 증가시킬 수 있음에도 지속적으로 오존을 생성할 수 있는 구조 안정성을 유지할 수 있다.
상기 유전체(120)가 알루미늄계 다공성 양극산화막이면서 상기 제1전극(110)이 일단과 타단이 관통된 관형 형상의 알루미늄 금속일 때, 제1전극(110)의 일단과 타단을 폐쇄한 후 이를 양극산화 용액에 침지하고 양극산화할 경우, 제1전극(110)의 내면의 표면부가 알루미늄계 다공성 양극산화막으로 전환되는 것을 방지하므로, 제1전극(110)의 내면을 알루미늄 금속 상태로서 유지할 수 있다. 이후 제1전극(110)의 일단과 타단을 개방함으로써, 제1전극(110)의 내면인 알루미늄 금속에 쉽게 전압을 인가할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 유전체(120)의 평균 두께는 크게 제한되지 않지만, 예컨대 0.3 내지 5 ㎛, 구체적으로 0.5 내지 3 ㎛인 것이 적절한 기계적 강도 및 방전 효율 측면에서 좋을 수 있다. 구체적인 일 실시예로 유전체(120)의 평균 두께는 1.2 ㎛일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 제2전극(130)은 상기 유전체(120)의 외측에 형성되면 무방하며, 일 예로 유전체(120)의 외측을 감싸 형성될 수 있다. 바람직한 일 예로, 상기 제1전극(110)이 기둥 형상일 경우에, 상기 유전체(120) 또한 기둥 형상으로 제1전극(110)의 외주면부에 형성되므로, 제2전극(130)은 유전체(120)의 외주면을 감싸 형성될 수 있다.
상기 제2전극(130)의 형상은 일반적으로 알려진 그물 형상, 네트워크 형상을 의미하며, 구체적으로 제2전극(130)은 전도성 재질의 선 및 상기 선들의 교차에 의해 형성되는 망목을 포함하는 망목 구조의 망형 전극일 수 있다. 여기서 ‘망목’은 폭이 존재하는 선과 선이 서로 교차하여 상기 선을 테두리로 함과 동시에 상기 선의 폭을 측벽으로 하여 형성되는 홈을 의미한다. 망목의 장폭은 전극에 인가되는 전압, 요구 오존 생성량 등에 따라 적절히 조절될 수 있으므로 크게 제한되지 않으나, 예컨대 0.05 내지 5 mm, 구체적으로 0.1 내지 5 mm를 들 수 있다. 상기 제2전극(130)이 이러한 망목 구조를 가질 경우, 오존이 생성되는 방전 영역이 유전체(120)의 표면의 외측, 유전체(120)와 제2전극(130) 사이 또는 제2전극(130)의 망목을 포함함으로써, 공기 흐름 저항을 최소화할 수 있고, 방열 특성을 보다 향상시킬 수 있으며, 결과적으로 방전 영역을 셀 및 장치의 외측으로 형성되도록 하는 구조를 가질 수 있도록 한다.
또한 상기 제2전극(130)은 유전체(120)와 접하여 존재할 수도 있지만, 이격하여 존재할 수도 있고, 일부분이 접하고 일부분이 이격하여 존재할 수도 있다. 이때 제2전극(130)과 유전체(120)가 이격할 경우에 이 이격공간의 폭은 0.1 내지 3 mm, 구체적으로 0.18 내지 1.7 mm일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 제2전극(130)의 재질은 전기가 잘 통하는 전도성 물질이라면 무방하고, 예를 들어, 구리, 철, 크롬, 니켈 또는 이들의 합금(스테인리스 등) 등에서 선택될 수 있으며, 부식에 강한 스테인리스인 것이 바람직할 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 전원은 다양한 교류 전원이 사용될 수 있으나, 효율 측면에서 0.45 내지 1.2 kV 사이의 전압을 가지는 교류 전원일 수 있으며, 1,000 내지 20,000 Hz 사이의 주파수를 가질 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
종래 오존 생성 장치는 전술한 다양한 문제들로 인해 6 내지 15 kV 사이의 고전압의 전원이 사용될 수밖에 없었으나, 전술한 구조를 만족할 경우, 바람직한 일 예로, 상기 제1전극(110)이 기둥 형상의 알루미늄 금속으로 형성되고, 상기 유전체(120)가 상기 제1전극(110)의 외주면에 형성되며, 상기 제2전극(130)이 상기 유전체(120)의 외주면에 형성되고, 상기 유전체(120)가 알루미늄계 다공성 양극산화막일 경우, 0.45 내지 1.2 kV 사이의 저전압의 전원이 사용될 수 있음에도 요구되는 오존 생성 효율을 만족할 수 있다. 따라서 고전압의 경우와 비교하여 고주파 전원 공급 장치의 최대 전압 사양, 사이즈, 규격, 중량, 부피 및 가격을 현저히 감소시킬 수 있어, 유지, 보수, 설비 등에 필요한 비용을 최소화할 수 있는 효과가 있다. 여기서 요구되는 오존 생성 효율이라 함은 현실적으로 대량화하여 장치를 구동하여 이익을 실현할 수 있는 통상의 정도를 의미한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀(100) 및 이를 포함하는 오존 생성 장치는 전술한 특징적 구성을 가짐에 따라, 주변 공기의 흐름에 의해 냉각될 수 있는 자유 공랭 방식을 채택할 수 있으며, 인가되는 전원 또한 저전압임에 따라 발생하는 코로나 방전에 의해 셀의 온도 자체가 크게 증가하지 않는 효과가 있다.
본 발명에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀(100)은 하나로서 단독으로 사용될 수도 있지만, 다수가 직렬 또는 병렬로 배치되어 사용될 수 있다. 따라서 대량화 및 상용화에 유리한 큰 이점이 있다. 특히 협소한 공간에 오존 생성용 무성 방전 단위 셀(100)을 다수 배치하더라도, 각 셀들의 방열 특성이 우수하고 셀과 셀 사이의 공간에서 방전 영역이 형성되므로, 이를 통해 자유롭게 공기가 흐름으로써 높은 방열 효과 및 높은 방전 효율을 기대할 수 있다. 구체적인 일 예로, 오존 생성용 무성 방전 단위 셀(100)을 다수 이격 배치할 수 있으며, 이때 상기 셀의 길이방향을 기준으로 이들을 2차원적으로 병렬 배치할 수 있으며, 3차원적으로 적층하여 배치할 수도 있다. 셀의 배치 시 별도의 지지부재 위에 다수의 상기 셀들을 고정할 수 있으며, 다수의 지지부재를 높이 방향으로 이격하여 위치시킨 후 이들 위에 상기 셀들을 배열하여 고정할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 오존 생성 장치는 상기 전원을 공급하는 전원 공급 장치를 더 포함할 수 있다. 하지만 이 외에 오존 생성용 무성 방전 단위 셀(100)을 구동하기 위하여 필요한 것들은 기 공지된 것들이므로, 상기 셀을 포함하는 오존 생성 장치에 이들이 더 포함될 수 있으며, 이는 공지된 문헌을 참고하면 된다.
본 발명에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀(100)의 사용 방법은 종래의 오존 생성 장치의 사용 방법을 이용할 수 있으나, 0.45 내지 1.2 kV 사이의 저전압의 전원으로 구동 가능한 점에서 큰 차이가 있다. 즉, 본 발명의 일 예에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀(100)의 사용 방법은, 0.45 내지 1.2 kV 사이의 전압을 가지는 교류 전원을 상기 제1전극(110) 및 상기 제2전극(130)에 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 교류 전원의 주파수는 크게 제한되는 것은 아니나, 1,000 내지 20,000 Hz일 수 있다. 일반적으로 1,000 내지 20,000 Hz의 고주파수를 가지는 교류 전원이 적용될 경우, 6 내지 15 kV의 고전압에서 사용될 수밖에 없는 종래의 오존 생성 장치는 상기 고주파수의 교류 전원을 이용하기 위해서 전압 사양, 중량, 크기 및 가격이 매우 높은 고주파 전원 공급 장치가 사용될 수밖에 없다. 따라서 비용적인 측면에서도 효율적이지 못하며, 오폐수 처리 등을 위한 대량화 및 상용화가 현실적으로 어려운 한계가 있다. 하지만 본 발명에서는 전술한 바와 같이 0.45 내지 1.2 kV 사이의 저전압에서도 높은 오존 생성 효율로 구동할 수 있음에 따라 비용적인 측면에서 매우 유리하고 대량화 및 상용화가 용이한 장점이 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 유전체(120)가 알루미늄계 다공성 양극산화막이면서 상기 제1전극(110)이 관형 형상의 알루미늄 금속일 경우에, 제1전극(110)의 내주면이 알루미늄 금속이면서, 제1전극(110)의 외주면이 알루미늄계 다공성 양극산화막이 되도록 쉽게 제조할 수 있으며, 이의 구체적 방법은 다음과 같다.
바람직한 본 발명의 일 예에 따른 오존 생성용 무성 방전 단위 셀(100)의 제조 방법은, a) 관형의 알루미늄 제1전극(110)의 일단 및 타단의 개구부를 폐쇄하는 단계, b) 개구부가 폐쇄된 관형의 알루미늄 제1전극(110)을 양극산화 용액에 침지하고 양극산화하여 상기 제1전극(110)의 외주면부를 알루미늄계 다공성 양극산화막으로 전환하여 제1전극-양극산화막 복합체를 제조하는 단계 및 c) 상기 제1전극-양극산화막 복합체의 외주면의 적어도 일부와 관형의 제2전극(130)의 내주면의 적어도 일부가 접하도록 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 이때 상기 관형의 제2전극(130)은 상기 제1전극(110)-양극산화막 복합체의 외주면을 덮도록 하는 금속선이 교차 형성된 망형 구조를 가지는 망상 전극일 수 있다. 상기 오존 생성용 무성 방전 단위 셀(100)은 개구부가 페쇄된 상태에서 사용될 수도 있지만, 전술한 바와 같이 개방된 상태에서도 사용될 수 있으므로, d) 상기 b) 단계와 상기 c) 단계 사이 또는 상기 c) 단계 이후에, 상기 관형의 알루미늄 제1전극(110)의 일단 및 타단의 개구부를 개방하는 단계를 더 거칠 수 있다.
상기 a) 단계에서 관형의 제1전극(110)의 개구부를 폐쇄하는 구체적 방법은, 용액이 상기 개구부를 통해 제1전극(110)의 내부로 흐르지 않을 정도로 개폐 수단을 이용하여 폐쇄하는 방법이라면 무방하며, 구체적인 일 예로 플라스틱, 고무 등의 재질의 마개를 이용하여 제1전극(110)의 개구부를 폐쇄할 수 있다.
상기 b) 단계의 양극산화 방법은, 구체적인 일 예로서 다음과 같으나 이에 본 발명이 제한되지 않음은 물론이다. 구체적인 일 실시예에 따르면, 0.1~5M H2SO4 등의 양극산화 용액에 알루미늄 금속을 침지하고 아르곤 등의 비활성 분위기에서 양극산화하며, 상기 용액은 기준전극과 보조전극을 각각 칸막이로 세 부분으로 구획될 수 있다. 이때 기준전극으로 포화 Ag, AgCl 등이 사용될 수 있고 보조전극으로 Pt 등이 사용될 수 있다. 양극산화 시간 및 전압은 양극산화막의 요구 두께를 만족할 정도로 적절히 조절될 수 있다. 상기 용액의 조성, 조성비, pH, 온도, 전압 등의 변수는 기 공지된 알루미늄 금속의 양극 산화 방법을 참고하면 되며, 금속 표면 처리 분야에서 알루미늄 금속을 양극산화하여 양극산화막을 형성하는 방법은 널리 알려진 기술에 해당하므로, 이를 사용해도 무방하다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
알루미늄 금속 재질의 관(내부직경 : 22 mm)의 개방된 전, 후단에 플라스틱 마개를 이용하여 폐쇄한 후, 이를 양극산화 용액에 침지하고 양극산화하여, 내주면이 알루미늄 금속이고, 외주면에 유전체인 알루미늄계 양극산화막이 형성된 전극-유전체 복합전극을 제조하였다. 이어서 상기 복합전극의 외주면에 망목의 장폭이 1 mm인 금속망(스테인리스)을 감싸 양극산화막 위에 망목 구조의 망형 전극인 제2전극을 형성하여 전극(Al)-유전체(Al2O3)-전극(Fe/Cr) 복합전극, 즉, 오존 생성용 무성 방전 단위 셀을 제조하였다.
상기 양극 산화의 구체적 방법으로, 1M H2SO4 용액에 알루미늄 금속을 침지하고 아르곤 분위기에서 양극산화하였으며, 상기 용액은 기준전극과 보조전극을 각각 소결 유리(fritted glass)로 칸막이 하여 세 부분으로 구획되었다. 이때 기준전극으로 포화 Ag/AgCl이 사용되었고 보조전극으로 Pt-wire가 사용되었다.
[비교예 1]
실시예 1과 동일한 크기 및 구조를 가지되, 유전체로 알루미늄계 양극산화막 대신 석영관을 사용하여 오존 생성용 무성 방전 단위 셀을 제조하였다.
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 오존 생성용 무성 방전 단위 셀을 이용하여, 구체적으로 상기 셀의 전극에 정현파 교류 전원(1000~20,000 Hz, 450~1,200 v)을 인가하여 전력(W)에 따른 오존 농도(g/m3)를 측정하였으며, 이의 결과를 도4에 도시하였다.
도 4로부터 유전체의 종류에 따라 오존 생성 효율에 큰 차이가 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 본 명세서에 구체적으로 기재하지는 않았으나, 유전체로 알루미늄계 양극산화막을 사용하더라도 망형 전극 대신 판형 전극이 사용될 경우, 방전 영역이 셀의 외부 노출면 방향으로 제대로 형성되지 않아 오존 생성 효율이 비교예 1 수준 이하로 저하되었다.
100 : 오존 생성용 무성 방전 단위 셀, 110 : 제1전극,
120 : 유전체, 130 : 제2전극,

Claims (12)

1,000 내지 20,000 Hz 사이의 주파수와 0.45 내지 1.2 kV 사이의 전압을 가지는 교류 전원의 일단과 연결되되, 알루미늄 금속을 포함하여 형성되는 관형의 제1전극;
상기 제1전극의 외주면부가 양극산화되어 형성되는 알루미늄계 다공성 양극산화막인 관형의 유전체;
상기 전원의 타단에 연결되되, 상기 유전체의 외주면을 감싸 형성되며, 망목 구조를 갖는 관형의 제2전극; 및
상기 전원에 의해 상기 전극에 전압이 인가될 시, 상기 유전체에서 상기 제2전극 방향으로 형성되되, 유전체의 외주면측 및 제2전극의 외주면측으로 형성되는 방전 영역;
을 포함하는 오존 생성용 무성 방전 단위 셀로서, 주변 공기의 흐름에 의해 상기 방전 영역에 산소가 공급되어 오존이 생성되며,
상기 유전체는 유전상수가 20 내지 70 범위 내의 값을 가지며,
일단과 타단이 관통된 관형 형상인 것을 특징으로 하는 오존 생성용 무성 방전 단위 셀.
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제1항의 오존 생성용 무성 방전 단위 셀의 사용 방법으로,
0.45 내지 1.2 kV 사이의 전압을 가지는 교류 전원을 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 인가하는 단계
를 포함하는 오존 생성용 무성 방전 단위 셀의 사용 방법.
제1항의 오존 생성용 무성 방전 단위 셀을 적어도 하나 이상 포함하고,
상기 전원을 공급하는 전원 공급 장치를 포함하는 오존 생성 장치.
제1항의 오존 생성용 무성 방전 단위 셀의 제조 방법으로서,
상기 제조 방법은,
a) 관형의 알루미늄 제1전극의 일단 및 타단의 개구부를 폐쇄하는 단계 및
b) 개구부가 폐쇄된 관형의 알루미늄 제1전극을 양극산화 용액에 침지하고 양극산화하여 상기 제1전극의 외주면부를 알루미늄계 다공성 양극산화막으로 전환하여 제1전극-양극산화막 복합체를 제조하는 단계 및
c) 상기 제1전극-양극산화막 복합체의 외주면의 적어도 일부와 관형의 제2전극의 내주면의 적어도 일부가 접하도록 결합하는 단계를 포함하며,
상기 관형의 제2전극은 상기 제1전극-양극산화막 복합체의 외주면을 덮도록 하는 금속선이 교차 형성된 망형 구조를 가지는 망상 전극인 오존 생성용 무성 방전 단위 셀의 제조 방법.
제11항에 있어서,
d) 상기 b) 단계와 상기 c) 단계 사이 또는 상기 c) 단계 이후에, 상기 관형의 알루미늄 제1전극의 일단 및 타단의 개구부를 개방하는 단계
를 더 포함하는 오존 생성용 무성 방전 단위 셀의 제조 방법.
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