KR102005618B1 - 대기압 러닝 플라즈마 발생장치를 이용한 공기청정기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 각종 유해물질을 분해 제거할 수 있는 대기압 플라즈마를 이용한 공기청정기를 제공하고자 하며, 대기압 플라즈마의 방전에 따라 발생 되는 오존을 제거할 수 있는 수단을 구비한 공기청정기를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은, 대기압 플라즈마 소스와 플라즈마 자외선 램프를 마주 배치하여 대기압 플라즈마 소스에서 방전된 플라즈마 및 활성종들에 의하여 공기를 살균 소독 및 유해물질 분해처리하고, 마주 배치된 플라즈마 자외선 램프에 의해 활성종에 포함된 오존을 제거하여 공기정화작용을 하는 공기청정기를 제공한다.

Description

대기압 러닝 플라즈마 발생장치를 이용한 공기청정기{AIR PURIFIER USING AIR RUNNING PLASMA SOURCE}

본 발명은 대기압 플라즈마를 이용한 공기청정기에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 대기압 플라즈마 소스를 이용하여 공기를 살균 정화하는 동시에 오존을 제거할 수 있는 플라즈마 공기청정기에 관한 것이다.

대기압 플라즈마는 방전에 의해 오존을 포함한 여러 가지 활성종들을 생성한다. 이러한 활성종들은 살균 소독 또는 표백 작용을 나타내며, 화학물질을 분해하기도 한다. 그에 따라 각종 물품이나 환부의 살균 소독에 적용될 수 있으며, 공기 정화에도 적용될 수 있다. 특히, 최근 환경오염의 큰 문제로 제기되어온 미세먼지 역시 각종 토양성분 또는 금속화합물, 탄소화합물 등의 유해물질이 그 정체로 이러한 물질들을 분해할 수 있는 공기정화에 플라즈마가 적용될 수 있다.

플라즈마 방식의 공기청정기는 코로나 방전을 이용한 전기집진기로서 전극에 전기장을 인가하여 플라즈마를 생성하고 미세먼지가 음의 전기를 띠게 하여 정전기 집진방식으로 미세 먼지를 제거한다. 이러한 플라즈마 공기청정기는 일차적으로 공기 필터로 큰 먼지를 걸러내고 추가적으로 정전기 집진 방식을 채용하고 있다. 대한민국 공개특허 10-2012-0135602호에서도 비슷한 방식으로 저온 플라즈마를 이용하여 공기청정기를 제작한다. 이러한 플라즈마 공기청정기는 오존 발생의 문제가 있다. 오존은 공기 필터로 제거되지 않으며, 오존은 호흡기 질환 등의 심각한 문제를 야기한다.

그 외에 실내 공기청정기는 자외선 광촉매를 이용한 유기화합물의 분해 방식의 공기 청정기 등도 있다.

공기를 수조 탱크의 물속에 통과하여 미세 먼지를 녹여서 걸러내는 방식을 고려할 수 있으나, 수조 탱크의 물이 부패하므로 오염된 물의 영향으로 인하여 상용화되기 어렵다.

본 발명의 목적은 각종 유해물질을 분해 제거할 수 있는 대기압 플라즈마를 이용한 공기청정기를 제공하고자 하며, 대기압 플라즈마의 방전에 따라 발생 되는 오존을 제거할 수 있는 수단을 구비한 공기청정기를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은, 대기압 플라즈마 소스와 플라즈마 자외선 램프를 마주 배치하여 대기압 플라즈마 소스에서 방전된 플라즈마 및 활성종들에 의하여 공기를 살균 소독 및 유해물질 분해처리하고, 마주 배치된 플라즈마 자외선 램프에 의해 활성종에 포함된 오존을 제거하여 공기정화작용을 하는 공기청정기를 제공한다.

즉, 본 발명은,

대기압 러닝 플라즈마 발생장치; 및

상기 대기압 러닝 플라즈마 발생장치와 마주 배치되는 플라즈마 자외선 램프를 포함하여,

상기 대기압 러닝 플라즈마 발생장치에 흘러들어온 공기를 방전 가스로 하여 플라즈마를 방전시켜 살균 소독 및 유해물질 분해 처리하고, 플라즈마 방전에 의해 발생된 오존은 상기 플라즈마 자외선 램프의 자외선으로 분해 제거하여 정화된 공기를 방출하며,

상기 대기압 러닝 플라즈마 발생장치는,

유전체 기판;

상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 스트라이프 패턴형 전극;

상기 유전체 기판의 상면에 형성되는 전면 전극; 및

상기 스트라이프 패턴형 전극과 상기 전면전극을 덮는 유전체;를 포함하고,

상기 플라즈마 자외선 램프는,

유전체 기판;

상기 유전체 기판 위에 배치되는 X전극과 Y전극;

전극이 배치된 상기 유전체 기판 둘레에 세워진 격벽; 및

상기 격벽 위에 놓이는 수정 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기청정기를 제공한다.

상기에 있어서, 상기 대기압 러닝 플라즈마 발생장치의 전면 전극을 덮는 유전체의 두께를 스트라이프 패턴형 전극을 덮는 유전체 두께보다 더 두껍게 하여 플라즈마 방전이 스트라이프 패턴형 전극 쪽에서 일어나게 하는 것을 특징으로 하는 공기청정기를 제공한다.

상기에 있어서, 상기 플라즈마 자외선 램프의 내부는, 공기를 방전 가스로 하고, 10 내지 100Torr의 저진공 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 공기청정기를 제공한다.

본 발명에 따르면, 공기를 대기압 플라즈마 소스로 불어넣어 플라즈마 방전에 의해 살균 소독 및 미세먼지와 같은 유해물질을 분해제거하고, 오존은 플라즈마 자외선 램프에서 방사된 자외선에 의해 제거되어 안전하고 깨끗한 공기를 제공한다.

도 1은 본 발명의 공기청정기의 전체적인 구조를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 공기청정기에 적용된 플라즈마 발생장치와 자외선 램프의 구성도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 공기청정기의 전체적인 구성이 개략적으로 나와있다.

공기청정기 하우징의 양단부에는 프리 필터(510, 520)가 각각 배치된다. 제1 프리필터(510)의 내측에 공기 팬(900)을 배치하여 외부의 오염된 공기를 빨아들이게 한다. 제1 프리 필터(510)는 공기청정기로 유입되는 공기 중에 존재하는 미세먼지를 1차적으로 포집하는 역할을 한다. 이러한 프리 필터는 일반적인 공조기용으로 상용화된 것으로 구성된다. 이와 같이 1차적인 필터링을 거친 공기는 공기청정기 하우징 내에 배치된 대기압 플라즈마 발생장치(700)와 플라즈마 자외선 램프(800)에 의해 본격적인 청정화 처리가 이루어진다. 대기압 플라즈마 발생장치(700)는 유전체 장벽 방전 방식의 플라즈마 소스로서 방전된 플라즈마가 전극을 따라 뻗어나가는 러닝(running) 플라즈마를 발생시킨다. 이에 대한 상세한 구조는 도 2와 함께 후술된다. 대기압 플라즈마 발생장치(700)는 활성종을 풍부하게 생성할 수 있는 대면적 유전체 장벽 플라즈마 소스로 구성된다. 그에 따라 플라즈마 방전시 생성되는 활성종으로 흡입된 공기를 살균 소독하고, 공기에 포함된 유해물질을 분해한다. 또한, 플라즈마 방전시 생성되는 전자 및 음이온에 의한 정전기력은 먼지를 포집하여 미세먼지가 뭉쳐 그 크기가 증가 된다. 그에 따라 제2 프리 필터(520)를 통해 크기가 커진 먼지가 쉽게 걸러지게 된다. 즉, 대기압 플라즈마 발생장치(700)에서 플라즈마 방전시 생성되는 전자, 이온 등이 전기집진의 역할을 하여 준다.

플라즈마 자외선 램프(800)는 대기압 플라즈마 발생장치(700)와 마주하게 배치된다. 상기 대기압 플라즈마 발생장치(700)에서 플라즈마 방전에 따라 발생되는 오존을 플라즈마 자외선 램프(800)에서 방사되는 자외선을 통하여 분해, 제거한다. 즉, 공기청정기로부터 배출되는 청정 공기에는 자외선에 의해 오존이 제거되어 안전하다.

플라즈마와 자외선에 의해 청정화된 공기가 제2 프리 필터(520)를 통과하여 외부로 배출되기 전에 활성탄 필터(610)를 거치게 하여 오존을 좀 더 철저히 제거하였다. 활성탄 필터(610)는 제2 프리 필터(520) 후방(안쪽)이자 대기압 플라즈마 발생장치(700)의 전방에 배치하였다.

제2 프리 필터(520)는 상술한 바와 같이 플라즈마 방전에 의한 정전기력으로 뭉쳐져 크기가 커진 미세먼지를 최종적으로 한 번 더 포집하여 제거하는 역할을 한다. 그에 따라 제2 프리 필터(520)를 거쳐 공기청정기 외부로 배출되는 공기는 미세먼지, 유해물질, 세균 및 오존 등을 충분히 제거한 청정공기가 될 수 있다.

오존은 반응성이 높은 물질로 살균, 소독, 유해물질 제거에 큰 효과가 있지만 인체에 문제를 야기할 수 있다. 상기와 같은 공기청정기는 플라즈마 자외선 램프를 통해 일차적으로 플라즈마 소스에서 발생하는 오존을 자외선을 이용하여 분해하고, 이차적으로 활성탄을 통해 한 번 더 제거한다. 그에 따라 오존이 발생된 초기에는 살균력을 발휘하게 되지만 거의 동시에 자외선에 의해 제거되고 공기 배출 직전에 활성탄으로 추가 제거되어 안전성을 확보한다.

본 발명은 상기와 같이 대면적 유전체 장벽 플라즈마 발생장치를 이용하여 활성종에 의한 살균과 더불어 전기집진작용을 하도록 구성하여 공기청정기로서 매우 우수한 효과를 얻을 수 있게 하였다.

도 2를 보면, 본 발명의 공기청정기의 내부 구성이 상세히 나와있다. 본 발명의 공기청정기는 대기압 플라즈마 발생장치와 플라즈마 자외선 램프가 서로 마주 배치되어 구성된다. 대기압 플라즈마 발생장치로 들어온 공기는 방전가스로 사용되어 플라즈마 방전을 일으키며, 그로 인한 각종 활성종의 생성으로 방전가스이자 정화를 요하는 공기는 살균처리되며, 미세먼지와 같은 유해물질이 분해되어 정화된다. 또한, 활성종 중에 포함된 오존은 살균 및 물질 분해 작용에는 일조하지만 궁극적으로 호흡기 질환 야기 등의 문제를 지니므로 제거해야 할 대상이다. 이러한 오존은 플라즈마 자외선 램프의 자외선 발생으로 인해 분해 제거된다. 따라서 공기청정기를 거친 공기는 본래 포함했던 유해물질의 제거와 플라즈마 방전에 의해 생성된 오존의 제거 작용을 거쳐 안전하게 정화될 수 있다.

먼저, 대기압 플라즈마 발생장치의 구성을 살펴본다.

대기압 플라즈마 소스는 유리와 같은 유전체 기판(10)의 양면에 각각 전극을 형성하고 전극을 유전체로 덮어 제작한다. 유전체 기판(10)의 일면(하면)에는 두 개의 선형 X 전극(100)을 약간의 간격을 두고 형성하였고 기판(10)의 상면에는 두 개의 선형 전극(100)의 간격부분을 커버 하는 면형 Y 전극(200)을 형성하였다. 상기에서, 다수의 선으로 된 스트라이프 패턴형 전극으로 X 전극을 형성할 수 있다. 이와 같이 형성된 전극 중 Y 전극(200)의 전체를 유전체(300)로 덮고 X 전극(100)은 전극이 있는 곳만 유전체(300)로 덮는다. X 전극(100)과 Y 전극(200)에 전압을 인가하면 X 전극(100)과 Y 전극(200) 사이에서 플라즈마가 방전된다. Y 전극(200)을 덮는 유전체(300)의 두께를 X 전극(100)을 덮는 유전체에 비해 더 두껍게 하면, 플라즈마 방전은 X 전극(100) 쪽에서만 일어난다. 이러한 구성은 플라즈마 방전을 좀 더 효율적으로 이용할 수 있게 한다.

특히, X 전극(100)은 유전체(300)의 두께를 얇게 만들어 방전 전압을 낮추어도 풍부한 플라즈마 방전을 얻을 수 있으며, 방전된 플라즈마는 전극 길이를 따라 불꽃이 뻗어나가는 러닝 플라즈마(running plasma)를 얻을 수 있다. 이러한 대기압 러닝 플라즈마 발생장치에 정화하고자 하는 공기를 불어넣으면, 그 자체가 플라즈마 방전 가스로 사용되어 플라즈마 방전이 일어나고, 플라즈마 방전에 의해 생성되는 활성종들에 의해 공기 중에 포함된 세균이 살균되며, 미세먼지 등 각종 유해물질들이 분해된다. 상기 활성종 중에는 오존이 포함되며, 오존은 탁월한 살균력이 있지만 인체 호흡기 등에 악영향을 미쳐 그 농도는 일정 수준 이하로 제한되어야 한다. 따라서 오존을 제거할 수 있는 수단을 구비하여야 한다.

본 발명은 오존의 제거 역시 플라즈마 자외선 램프를 이용하였다. 즉, 도 2에 도시한 바와 같이 플라즈마 램프를 구성하여 여기서 방출되는 자외선을 이용하여 오존을 제거한다. 플라즈마 램프는 다음과 같이 구성한다.

유리와 같은 유전체 기판(20)에 X전극(110)과 Y전극(210)을 선형으로 형성한다. 여기에 전압을 인가하면 X전극(110)과 Y전극(210) 사이에서 플라즈마 방전이 일어나며 자외선이 방출된다. 이는 일반적인 DBD 플라즈마 소스의 형태라 할 수 있다. 여기서 플라즈마 방전 구역의 옆면을 격벽(500)으로 막고, 상판(천장)은 수정 플레이트(400)로 막아 내부 방전영역을 수십 Torr 정도(10 내지 100Torr)의 저 진공으로 유지하면서 방전을 시켜 자외선이 방출되게 한다. 즉, 격벽과 상판 구성 후 작은 홀을 형성하여 내부를 진공화한 후 밀폐하여 제작될 수 있다. 이러한 제작 작업은 진공 챔버 내에서 실시될 수 있다. 내부에 잔류 되는 저압의 방전 가스는 공기를 사용할 수 있다. 상기 플라즈마 램프에서는 플라즈마에 의해 200 내지 400nm 대역의 UV A, B, C가 모두 발생한다. 오존은 UV C(200 내지 280nm), UV B(280 내지 315 nm)를 흡수하여 분해된다.

상판을 수정으로 구성한 것은 자외선이 투과될 수 있게 한 것이다. 정면부와 후면부는 수정 플레이트 또는 격벽(불투명 재질일 수 있다) 중 어느 하나를 선택적으로 설치할 수 있다. 이와 같은 플라즈마 램프를 대기압 러닝 플라즈마 발생장치 아래에 배치함으로써 플라즈마 방전에 의한 오존을 자외선에 의해 분해 제거할 수 있다.

상기와 같은 공기청정기의 동작은 다음과 같이 정리될 수 있다. 정화를 요하는 공기를 대기압 러닝 플라즈마 발생장치와 플라즈마 램프 사이로 불어넣어 주면, 대기압 러닝 플라즈마 발생장치에서 플라즈마를 방전하여 활성종들에 의해 살균 및 유해물질 분해 처리되며, 오존은 플라즈마 램프에서 방출되는 자외선으로 분해 제거하여 정화된 공기를 배출한다. 이때, 대기압 러닝 플라즈마 소스와 플라즈마 램프의 길이를 길게 하여줌으로써(예를 들면, 15cm) 공기 정화 및 오존 제거를 위해 플라즈마와 자외선에 노출되는 시간을 늘려줄 수 있고, 이로 인해 좀 더 확실하게 정화된 공기를 배출하게 할 수 있다.

상술한 공기청정기는 건물의 배관 내부에 설치될 수도 있다.

한편, 상기 실시 예와 실험 예들에서 제시한 구체적인 수치들은 예시적인 것으로 필요에 따라 변형 가능함은 물론이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10, 20: 유전체 기판
100, 110: X 전극
200, 210: Y 전극
300: 유전체
400: 수정 플레이트
500: 격벽
510, 520: 프리 필터
610: 활성탄 필터
700: 대기압 플라즈마 발생장치
800: 플라즈마 자외선 램프
900: 공기 팬

Claims (7)

1. 공기가 유입되는 제1 프리 필터;
   상기 제1 프리 필터 안쪽에 배치되어 공기를 흡입하는 공기 팬;
   상기 공기 팬에서 흡입된 공기를 정화하기 위해 플라즈마 방전을 일으키는 대기압 플라즈마 발생장치;
   상기 대기압 플라즈마 발생장치로부터 방전되는 플라즈마에 의해 발생 되는 오존을 제거하기 위한 플라즈마 자외선 램프; 및
   상기 대기압 플라즈마 발생장치와 상기 플라즈마 자외선 램프에서 정화처리된 공기를 배출하는 제2 프리 필터;를 포함하고,
   상기 플라즈마 자외선 램프는,
   유전체 기판;
   상기 유전체 기판 위에 배치되는 X전극과 Y전극;
   전극이 배치된 상기 유전체 기판 둘레에 세워진 격벽; 및
   상기 격벽 위에 놓이는 상판;을 포함하여 구성되고,
   상기 제1 프리 필터는 유입되는 공기 중에 포함된 미세먼지를 1차적으로 포집하고,
   상기 대기압 플라즈마 발생장치는 유입된 공기를 방전 가스로 하여 플라즈마를 방전하여 활성종에 의한 공기의 살균, 소독 및 유해물질 분해 처리하며, 플라즈마 방전에 따른 전자 및 이온에 의한 정전기력으로 미세 먼지를 집진하여 크기를 크게 키워 포집을 용이하게 하고,
   상기 플라즈마 자외선 램프는 상기 활성종에 포함된 오존을 자외선으로 분해 제거하고,
   상기 제2 프리 필터는 집진작용으로 크기가 커진 미세 먼지를 최종적으로 포집 제거하는 것을 특징으로 하는 공기청정기.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 프리 필터의 안쪽이자 상기 대기압 플라즈마 발생장치의 전방에 활성탄을 배치하여 오존을 추가적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 공기청정기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 대기압 플라즈마 발생장치는,
   유전체 기판;
   상기 유전체 기판의 하면에 형성되는 스트라이프 패턴형 전극;
   상기 유전체 기판의 상면에 형성되는 전면 전극; 및
   상기 스트라이프 패턴형 전극과 상기 전면전극을 덮는 유전체;를 포함하고,
   방전된 플라즈마는 전극 길이를 따라 불꽃이 뻗어나가는 러닝 플라즈마(running plasma)를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 공기청정기.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서, 상기 대기압 플라즈마 발생장치의 전면 전극을 덮는 유전체의 두께를 스트라이프 패턴형 전극을 덮는 유전체 두께보다 더 두껍게 하여 플라즈마 방전이 스트라이프 패턴형 전극 쪽에서 일어나게 하는 것을 특징으로 하는 공기청정기.
6. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 자외선 램프의 내부는, 공기를 방전 가스로 하고, 10 내지 100 Torr의 저진공 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 공기청정기.
7. 제1항에 있어서, 상기 대기압 플라즈마 발생장치와 상기 플라즈마 자외선 램프는 서로 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 공기청정기.
   
   
   
   

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