KR102021420B1 - 광촉매 프리코트를 이용한 유리 및 알루미늄 구조체 공기필터 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광촉매가 코팅된 유리 기재 및 알루미늄 기재를 이용한 공기필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 유리 재료가 갖는 광학 특성과 알루미늄 금속 소재가 갖는 표면 반사율을 이용하여, 한정적으로 제공되는 빛에 대한 투과와 반사를 적극 활용함으로써 공기 중의 유기 가스를 제거하는데 보다 효율적인 공기필터를 개시한다.
Description
본 발명은 콜로이드 광촉매 프리코트가 적용된 유리 구조체 또는 알루미늄 허니컴 구조체를 이용한 광촉매 공기필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광촉매와 이를 수용하기 위한 필터 구조체로 구성된 공기 청정기 또는 공기 정화기의 내부에 사용되는 공기필터에 있어서 필터 구조체와 광촉매의 표면 결합력을 향상시켜 광촉매 효과의 지속성과 광촉매 광활성 효율을 개선시키기 위한 기술을 개시한다.
즉, 본 발명에서는 광활성이 높고 최 외곽 표면층을 형성하는 광촉매 층과 필터 구조체 표면과의 견고한 결합 층을 형성시키는 콜로이드 광촉매 프리코트를 적용시킴으로써 성능적으로 보다 강화된 광촉매 공기필터를 제공하게 된다.
특히, 필터 구조체의 선정에 있어서는 빛의 투과성이 높거나 반사율과 광택율이 높은 소재를 사용하여 제한된 광원으로부터 발생하는 빛의 효율적 이용을 극대화함으로써 공기필터의 광촉매 활성이 보다 증가되어 공기 정화 효율이 향상된 유리 구조체 공기필터와 알루미늄 허니컴 구조체 공기필터에 관한 것이다.
종래의 공기청정기의 구조를 보면 프리 필터, 헤파 필터, 활성탄 필터, 또는 프라즈마 이온발생기나 음이온 발생기 등을 도입하여 공기청정기의 필터부를 구성하게 된다. 이러한 구조의 공기청정기는 일정한 크기 이상을 갖는 먼지나 초미세먼지 제거에는 긍정적인 효과를 보이고 있으나, 공기 중에 포함되어 있는 유기 가스의 경우에는 분자의 크기가 필터의 기공보다도 훨씬 작은 사이즈를 갖기 때문에 필터를 통과하게 되어서 유기 가스의 제거 효과가 매우 미미한 수준이다. 활성탄 필터를 채용한 필터 구조에서는 다공성 구조를 갖는 활성탄의 케이지 효과(cage effect)를 이용하여 저 농도의 유기가스를 흡착, 포집하여 제거하고 있으나, 장기적으로는 활성탄 필터의 흡착 용량 및 바람과 온도에 의하여 이미 포집된 유기가스가 재 배출되는 문제점이 있는 것으로 나타났다. 최근에는 이러한 유기 가스의 제거에 대한 문제점을 보완하고자, 앞에서 언급한 필터 외에 광촉매가 코팅된 필터를 추가하거나, 단독으로 적용한 제품들이 출시되고 있는 실정이다. 그러나 일부 광촉매 공기필터의 경우에 있어서는 유기 가스 분해 성능을 평가하였을 때에는 소비자의 기대에 못 미치는 수준을 보이고 있다.
일반적으로 광촉매가 코팅된 공기필터를 사용하는 공기청정기의 경우 광촉매를 코팅하려는 소재의 선정이 중요하다. 광촉매의 유기가스 분해능을 높이려는 목적을 위하여 다양한 형태의 광촉매코팅 필터 소재를 사용하고 있다.
미국의 한 공기청정기 회사는 유리관을 일정한 길이로 자른 광촉매가 코팅된 유리 재료를 사용하여 공기필터를 구성하였으나, 유리관의 방향성 없이 케이스 속에 무작위로 채운 형태로서 바람이 흐르는 속도에 부정적인 효과를 나타냄으로써 풍속이 충분하지 않아 유기가스의 제거 효율이 큰 효과를 나타내지 못하는 것으로 나타났다.
대한민국의 한 회사는 러시아 기술로 도입된 유리구슬을 접합한 표면에 광촉매 코팅된 구조의 공기필터를 시판하고 있으나, 바람의 유속 방향에 대하여 평행으로 배치된 구조를 가짐으로써 오염된 공기가 광촉매 코팅된 유리구슬 소재와의 접촉시간이 적고, 열에 의한 공기의 자연 대류를 이용한 광촉매 공기청정기로 구성되어 있기 때문에, 풍속이 매우 적어 광촉매 효과는 기대 수준에 크게 미치지 못하는 것으로 나타났다.
대한민국 공개특허 10-2016-0098631호에 개시된 효율이 증가된 광촉매 필터 구조를 구비하는 공기청정기는 세라믹 허니컴 필터를 이용하여 광촉매가 코팅된 공기필터를 이용하고 있으나, 다공성 막을 갖고 있는 세라믹 필터의 빛을 흡수하는 성질과 일정 거리 이상에서는 빛의 세기가 급격히 줄기 때문에 광촉매 필터의 효과적인 높이를 30mm 이하로 제한하고 있다. 이러한 문제로 인하여 대량의 유기가스를 처리하기에는 사용 용량이 제한적이어서, 소형 공기청정기에 한하여 사용되고 있는 실정이다. 또한 세라믹 필터 자체의 다공성 구조로 인하여 미 분해된 유기가스를 흡착하는 성질 때문에, 필터 자체에서 불쾌한 냄새를 유발할 가능성을 가지고 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결코자 제공하는 것으로, 공기의 흐름을 크게 방해하지 않으며, 광촉매 고유의 유기가스 분해 효율을 극대화하며, 광촉매 코팅이 적용될 재료와 광촉매의 접착력 강화를 통해 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라 공기필터 내의 광촉매 코팅 면적을 최대화하며, 광원을 효율적으로 사용하기 위한 광투과율 또는 반사율이 높은 재료의 선정, 및 필터 재료가 유기물을 흡착할 수 있는 다공성 구조를 갖지 않는 것이 유리하다는 점을 고려하여 최적화된 공기 청정기의 광촉매 공기필터를 개시한다.
본 발명의 목적은 상기한 광촉매 분해효율을 극대화하기 위하여, 광촉매 코팅 면적을 최대화하고, 공기 흐름을 원활히 하며, 불투명 및 비반사(반사가 낮은 표면)에 의한 광원의 효율성 저하를 개선하고, 광촉매 코팅 소재의 다공성에 의한 냄새 유발 문제를 우선적으로 고려하여 광촉매가 코팅된 공기필터를 제조하는데 있어서 필터 구조를 이루는 소재를 투과율이 높은 유리 재료와 반사율과 광택율이 높은 알루미늄 금속 재료를 선정함으로써 광원의 빛 효율을 더욱 향상시켜 광촉매의 활성을 최대한 증가시킴으로써 공기 정화 효율을 보다 더 높이게 된다. 또한 금속기재에 광촉매 물질을 코팅하는데 있어서 금속 표면의 발수성 때문에 광촉매를 도포하는데 있어서 어려움이 있다. 광촉매와 기재 사이에 결합력을 강하게 하기 위해 결합제(Binder)를 많이 사용하게 되면 광촉매 효과가 급속히 저감되고, 결합제를 사용하지 않거나 소량을 쓸 경우에는 기재와 광촉매 간의 결합력이 약화되어 형성된 막이 쉽게 소실되는데 이를 개선하기 위한 방법이 도입되어야만 한다.
본 발명에 따라 금속표면에 광촉매를 도포하기 위해 브릿지(연결층) 역할을 할 수 있는 광촉매 프리코트 층을 도입하여 형성함으로써 광촉매와 기재 사이의 접착력의 개선이 가능하다. 또한 공기 청정기 내부에 장착되는 광촉매가 코팅된 유리 구조체 공기필터와 알루미늄 허니컴 구조체 공기필터는 광원으로부터 제공되는 빛에 의하여 광학적으로 활성화됨으로써 유기가스 분해 및 제균 효과를 나타나게 되는데, 이러한 효과를 이용함으로써 오염된 환경을 개선하는데 있어서 보다 효과적인 광촉매 공기필터 구조체를 제공할 수가 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 콜로이드 광촉매 프리코트 용액과 탑코트 광촉매 졸 용액, 빛의 투과성이 우수한 유리재료 또는 반사율과 광택율이 높은 알루미늄 금속재료를 선정하여, 이중으로 광촉매 층이 코팅된 공기필터 구조체와 광원으로는 자외선 LED 램프로 구성된 공기정화필터 시스템을 제공한다.
상기 탑코트 광촉매 졸 용액은 광촉매로 이산화티탄 단독 또는 이산화티탄과 WO3, ZnO, SnO2, CdS, ZrO2와의 복합 촉매 또는 이산화티탄에 질소가 도핑된 TiO(2-x)Nx인 것이 바람직하다.
또한, 상기 광촉매 졸 용액은 광촉매 전구체를 저온에서 가수분해하여 얻어진 용액을 용매열 반응을 통하여 결정화된 이산화티탄 졸 용액을 후처리하여 목적에 맞는 콜로이드형 졸 용액을 제조하게 되며, 특별히 바인더를 추가적으로 사용하지 않고, 콜로이드 광촉매 프리코트를 적용함으로써 고온 소결 과정을 이용하여 기재와의 결합력을 갖게 하는 것이 바람직하다.
또한, 이산화티탄계 광촉매를 이용하기 위해서는 385nm 이하의 광원을 이용하게 되는데, 상기 유리 재료는 자외선 A 영역(320~380nm)에서 빛의 투과율이 높은 재료를 선정하는 것이 바람직하다.
또한 상기 투과율이 우수한 유리 구조체 공기필터는 유리판 그리고(또는) 유리관 같이 빛 투과율이 우수한 재료를 이용하여 제작된 광촉매 유리 구조체 공기필터와 표면이 높은 반사율과 광택율을 갖는 광촉매 알루미늄 허니컴 구조체 공기필터에 대해 단위 체적당 광촉매 코팅이 가능한 면적을 계산한 기하학적 표면적(Geometric Surface Area, GSA, 단위 m2/m3) 값과 공기를 전면에서 받았을 때 통과되는 비율 값인 전면 개방율(Open Frontal Area, OFA, 단위 %) 값을 이용하여, 광촉매가 코팅된 표면적과 공기 저항에 대한 결과를 예측함으로써 더욱 더 효과적인 광촉매 공기필터의 제작이 가능해 진다.
본 발명은 콜로이드 광촉매 프리코트가 적용된 유리 기재 그리고(또는) 알루미늄 금속 기재에 광촉매가 코팅된 공기필터의 제조방법을 제공한다.
실내 환경의 대표적 휘발성 유기화합물질(Volatile organic compounds, VOC)인 포름알데히드를 비롯한 유기가스 화합물의 제거 처리시스템에 효율적인 광촉매 산화반응 효과를 얻기 위한 본 발명의 광촉매 공기필터는 광촉매 프리코트가 기재 표면에 도입됨으로써 절연도막 층을 형성하며, 기재 표면과 광촉매 층과의 부착력 향상과 알루미늄 금속표면으로의 전자 이동에 따른 누설현상에 의한 광촉매 산화반응의 성능을 반감시키는 문제를 해결한다. 광촉매 산화반응의 효과는 385nm 이하의 자외선을 흡수하여 밴드 갭 에너지 차이에 의하여 전자(e-)이동과 정공(electron hole, hydroxy radical, OH· 형성)이 광촉매 입자 표면에 형성되고, 분해대상물질이 소정의 광촉매 막으로 구성된 공기필터 표면을 통과 하면서 흡착되어 정공에서 생성된 수산화라디칼의 강한 산화력에 의하여 분해된다.
종래의 광촉매 적용 공기정화장치는 바인더를 사용하여 공기필터 구조체 표면에 부착시키는 방법으로 광촉매 산화반응의 효과를 구현하였지만, 입자 표면에 바인더 성분이 덮인 형태를 가지게 됨으로 정공의 형성이 제약을 받아 그 효과가 반감되는 문제점이 있다.
또한 광촉매 산화반응은 표면반응이기 때문에 VOC 또는 악취물질을 유효하게 제거하기 위해선 접촉 입자층의 표면적을 넓게 하거나 자외선 빛의 세기 및 광량을 증대시킬 필요가 있기 때문에 넓은 표면적과 광촉매 활성을 효율적으로 제공할 수 있는 구조체로 구성된 시스템 개발이 요구되고 있다.
이에 본 발명은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위하여 콜로이드 광촉매 프리코트를 개발함으로써 결합력이 우수하며, 광촉매 활성이 높은 공기필터를 공기정화장치에 적용할 수 있었고, 포름알데히드와 같은 유해환경물질을 효율적으로 분해 제거할 수 있는 공기정화필터 시스템을 완성할 수 있었다.
특히, 상기 광촉매 공기필터는 유리기재의 경우 콜로이드 광촉매 프리코트 및 광촉매 탑코트를 유리 재료에 코팅하기 위해서는 스프레이코팅, 플로우 코팅, 침지법과 같은 코팅 방법 중 어느 하나 이상에 의해 유리 재료에 광촉제 졸 용액을 균일하게 도포하여 구조체를 제작하는 것이 바람직하며, 알루미늄 허니컴 구조체의 경우는 조밀한 셀 구조를 갖기 때문에 침지법에 의한 표면코팅이 더욱 바람직하다.
특히, 상기 광촉매 탑코트 층을 형성하기 위한 코팅은 1회에 국한되지 않고, 저 농도의 광촉매를 수회에 걸쳐 도포하는 것이 광촉매와 기재와의 결합력을 향상시키는데 유리하며, 코팅을 실시 할 때에는 매회 코팅이 끝날 때 마다, 120 ~ 150℃에서 20~30분간 열 건조를 통해 보다 치밀한 예비 코팅 막의 구조가 형성되도록 유도하는 것이 바람직하다.
특히, 상기 광촉매가 코팅된 기재는 400~550℃에서 30분 내지 2시간의 소결 공정을 통하여, 탑코트 층과 프리코트 층 그리고 기재 표면 사이의 접착력이 더욱 강화되게 하는 것이 바람직하다. 이 경우 고온에서 오랜 시간 소결하는 경우에는 접착력은 향상될 수는 있어도 이산화티탄 광촉매의 구조가 아나타제형에서 루틸형으로 전환될 수 있으며, 이로 인하여 광촉매 효율은 크게 저하되게 되기 때문에 온도와 소결 시간을 최적화하는 연구가 필요하다.
또한 광촉매가 코팅된 유리재료를 이용하려면 일정한 크기로 조립을 하여야 하며, 이때 유리 재료를 감싸는 외부 재료로는 자외선 빛의 효율적인 활용을 위하여 거울과 같이 빛을 반사하는 성질을 갖고 있는 재료를 이용하는 것이 보다 광효율적측면에서 유리하다.
본 발명에서 고안된 콜로이드 광촉매 프리코트 와 탑코트용 광촉매가 적용된 유리 구조체 공기필터와 알루미늄 허니컴 구조체 공기필터의 경우, 기재 표면과의 부착력 강화를 통해 우수한 내구성을 갖으며, 광촉매에 의한 유기가스 분해에 있어서 기존 제품에 비해 탁월한 성능이 실현되었다. 즉 일반적인 헤파 필터, 또는 헤파 필터에 활성탄 필터를 추가로 채택한 필터 종류에 비하여, 유기 가스를 제거하는 효율이 매우 높은 광촉매 공기필터를 제공한다고 할 수 있다.
또한 세라믹 필터와 비교하였을 때에도 보다 효율적인 유기가스 제거 성능을 갖는다고 할 수 있다.
이러한 유기가스 제거 능력, 특히 포름알데히드의 탁월한 제거 능력을 이용하여, 화학물질로 인한 아토피성 질환자의 주거환경 개선, 새집 증후군, 새차 증후군, 식품 저장소, 냉장고 등에서 발생하는 불쾌한 냄새를 효율적으로 제거 할 수 있다. 또한 본 발명의 공기필터를 대형화함으로써 연구소, 산업체 등에서 발생하는 유기가스를 효율적으로 정화할 수 있게 된다.
도 1은 광촉매 유리판 구조체 공기필터의 일실시예에 따른 단면도 및 사시도,
도 2는 광촉매 알루미늄 허니컴 구조체의 일실시예에 따른 단면도 및 사시도,
도 3은 광촉매 유리관 구조체 공기필터의 일실시예에 따른 단면도 및 사시도,
도 4는 광촉매 유리판과 유리관 구조체 공기필터의 일실시예에 따른 단면도 및 사시도,
도 5는 UVA LED PCB 와 광촉매 알루미늄 허니컴 구조체 공기필터의 배치도,
도 6은 실험 1의 포름알데히드의 분해성능 그래프,
도 7은 실험 2의 포름알데히드의 분해성능 그래프,
도 8은 실험 3의 포름알데히드의 분해성능 그래프,
도 9는 실험 4의 포름알데히드의 분해성능 그래프,
도 10은 실험 5의 포름알데히드의 분해성능 그래프,
도 11은 구조체 종류에 따른 공기필터의 포름알데히드 분해성능 비교 그래프,
도 12는 비교예 1의 포름알데히드 분해성능 그래프,
도 13은 비교예 2의 포름알데히드 분해성능 그래프, 및
도 14는 비교예 3의 포름알데히드 분해성능 그래프이다.
도 2는 광촉매 알루미늄 허니컴 구조체의 일실시예에 따른 단면도 및 사시도,
도 3은 광촉매 유리관 구조체 공기필터의 일실시예에 따른 단면도 및 사시도,
도 4는 광촉매 유리판과 유리관 구조체 공기필터의 일실시예에 따른 단면도 및 사시도,
도 5는 UVA LED PCB 와 광촉매 알루미늄 허니컴 구조체 공기필터의 배치도,
도 6은 실험 1의 포름알데히드의 분해성능 그래프,
도 7은 실험 2의 포름알데히드의 분해성능 그래프,
도 8은 실험 3의 포름알데히드의 분해성능 그래프,
도 9는 실험 4의 포름알데히드의 분해성능 그래프,
도 10은 실험 5의 포름알데히드의 분해성능 그래프,
도 11은 구조체 종류에 따른 공기필터의 포름알데히드 분해성능 비교 그래프,
도 12는 비교예 1의 포름알데히드 분해성능 그래프,
도 13은 비교예 2의 포름알데히드 분해성능 그래프, 및
도 14는 비교예 3의 포름알데히드 분해성능 그래프이다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 공기필터의 구조를 나타낸 것으로, 대표적으로 도 5에 광촉매 알루미늄 허니컴 구조체(1)와 UVA-LED PCB(2) 및 광촉매 필터 모듈 하우징(3)으로 구성된 구조를 알 수가 있다.
본 발명에 사용하는 탑코트용 광촉매 제조방법을 간단히 기술하면 다음과 같다.
먼저 무수에탄올에 98% 순도의 티타늄 테트라이소프로폭사이드 (Titanium tetraisopropoxide, TTIP)를 넣고, 가수분해를 진행시키기 위해 소량의 물과 TAAH (Tetra-alkyl ammonium hydroxide)를 첨가한 후 실온에서 6시간 동안 서서히 가수분해를 시킨다. 이로부터 수득된 용액을 고압반응기에 넣고, 용매의 누출이 없게 단단히 밀봉한 후, 용매열 방법으로 고온 가압분위기에서, 즉 250도의 온도에서 6시간을 실시하여 용액 중에 아나타제 구조를 갖는 이산화티탄 결정상을 수득하게 된다. 이렇게 얻어진 용액은 반응에 사용한 TAAH를 제거하기 위하여 에탄올을 이용하여, 원심분리법으로 수 회 세정을 실시한 후 강 산성 용액을 이용하여 pH가 1에서 2정도의 산성 용액으로 만들면, 분산성이 매우 우수한 초미세 입자의 콜로이드형 분산 용액을 수득하게 된다. 이때 얻어진 이산화티탄의 함유량은 무게 비로써 약 10~20%의 함량을 갖는다. 이렇게 얻어진 콜로이드형 광촉매 용액은 스프레이법이나 침지법으로 사용하기 위해서 적당한 농도로 희석하여 사용하는 것이 바람직하다. 그 이유는 너무 농도가 높으면, 코팅과정 중에 박리가 용이하게 일어나게 되고, 반면에 농도가 너무 낮으면 코팅의 횟수가 증가하기 때문에 많은 시간을 필요하게 되므로 적절한 농도의 선정 또한 필요하다. 이렇게 희석된 이산화티탄 졸 용액은 결합제(Binder)를 포함하지 않기 때문에 고온 소결법으로 결합력을 부여하기로 한다.
특히 기재 표면과 탑코트를 형성하는 광촉매 층과의 결합력 제고를 위해 본 발명에서는 콜로이드 광촉매 프리코트를 층간 사이에 적용한다. 유리와 같은 세라믹 소재와 금속 소재에 대해 부착력이 뛰어난 실록산 반응물과 상기의 이산화티탄 졸 용액과의 화합물을 제조하여 고온에 견딜 수 있는 적당한 기재에 프리코트 층과 광촉매 탑코트 층을 형성시킨 후, 400도내지 550도에서 고온 소결 과정을 통하여 이산화티탄 화합물이 안정한 아나타제형 구조를 형성함과 동시에 고온에서 기재와의 결합력을 강화시키는 목적이 있다.
본 발명에서는 광촉매가 코팅될 재료를 선정하는 것이 매우 중요하다. 사용가능한 재료의 선정은 고온 소결과정에서 재료의 탄화나 변형을 가져오지 않아야 하기 때문에 금속 재료, 세라믹 재료 등에서 선정될 수 있으나, 금속의 경우에는 광촉매 반응에서 생성된 전자의 누설현상이 발생할 수 있으며, 또한 고온에서 열화에 의한 변형을 야기할 수 있기 때문에 이 점을 고려하여 선정해야만 한다. 예로써 일반적으로 잘 알려진 허니컴 세라믹필터 재료는 가격을 고려할 때 경제적인 측면이 있으나, 성능적인 측면에서는 재료의 표면에서 자외선 빛의 흡수가 일어나고, 광촉매 층의 유효한 표면적을 넓히기 위하여 cell크기를 조밀한 것을 사용할 경우 격벽에 의해 자외선 빛이 차단되는 현상과 공기유동에 대한 저항이 발생되는 문제점이 있기 때문에 광촉매 산화반응의 효율적 활용이 제한을 받게 된다. 또한 자외선 빛의 강도는 필터 공기 유동로가 길어질수록 관로 중심 표면에 도달하는 빛의 강도와 조사면적의 감소가 일어나게 되므로 세라믹 허니컴 필터 높이가 길어질수록 비효율성을 나타내게 된다.
이에 본 발명은 예비 실험을 통해 얻어진 실험 결과를 토대로, 빛의 투과성이 우수한 반면에, 빛의 흡수성이 매우 적은 유리재료와 반사율과 광택율이 높은 알루미늄 금속 재료를 이용함으로서 광원으로부터 제공되는 빛의 강도를 최적화하여 사용하게 된다. 예로써 세라믹 필터의 경우는 두께가 3cm 내지 5cm로 하였을 때가 높이를 10cm로 하였을 때보다도 훨씬 우수한 유기가스 분해 결과를 보였다. 그러나 본 발명의 기재를 사용하였을 때는 빛의 흡수가 거의 일어나지 않아서 높이를 20cm 이상으로 하여도 광촉매의 효과가 구현되었으나, 본 발명의 실시예에서는 최적화된 높이 15cm에서 효과를 구현하게 된다.
시판되는 유리 재료의 종류는 판상형과 유리관 타입으로 구별할 수 있다. 재료의 선정을 위한 기초 실험을 통해 사용하고자 하는 재료의 크기를 선정하였다.
유리판의 경우에는 두께가 다른 많은 종류의 유리판이 존재하는데, 제한된 공간에 설치하는데 있어서는 유리판의 두께, 수량 그리고 유리판 사이의 간격 등에 의해서 설치 개수가 제한되며, 광촉매 코팅면적은 유리판의 총 설치 개수에 비례하게 된다.
본 발명의 예비 실험에서 두꺼운 유리를 사용할 경우 광촉매 코팅 면적이 감소하게 되는데 유기가스의 분해 성능에도 비례적으로 영향을 미치는 것을 확인하였으며, 가장 효율적인 유리의 두께는 0.3mm 내지 0.5mm 두께를 갖는 것이 표면적을 넓히는데 유리함을 확인하였다.
특히 유리관의 경우에는 다양한 크기의 유리관을 확보하고, 이를 실험하였는데, 유리관의 사이즈가 작을수록 공간 조밀도가 높아져서 풍속과 풍량이 저하되는 요인이 되어 광촉매 분해 효과가 줄어드는 반면에 유리관의 크기가 너무 크게 되면, 풍속과 풍량은 원활하게 되지만, 광촉매의 코팅 면적이 줄어들게 되어, 이 경우에도 광촉매 분해효과가 적게 나타나는 것을 알 수 있었다. 유효한 성능을 구현하는 유리관의 구성은 내경이 2mm 내지 3mm, 그리고 외경이 4mm 내지 5mm의 크기가 VOC를 제거하는데 있어서의 효율성이 가장 크게 나타났다.
광촉매에 의한 유기 가스의 분해 특성을 구현하기 위해서는 일정한 규격으로 구성된 크기 안에 콜로이드 광촉매 프리코트 층 위에 광촉매 층이 형성된 공기필터를 설치하고, 광원으로부터 자외선 영역의 빛을 공급하는 것이 필수적이라고 할 수 있다.
일반적으로 이산화티탄(TiO2)의 밴드 갭 에너지가 3.2 eV 이기 때문에 이산화티탄계 광촉매의 활성화를 위한 문턱 에너지는 385nm 이하이어야 한다. 즉 광촉매의 광화학적 활성을 부여하기 위한 광원으로는 자외선 영역 중에서 비교적 안전한 UVA(Ultraviolet A, 320nm~380nm)) 영역의 광원을 사용하는 것이 바람직하다.
현재 가장 보편화되어 사용되는 UVA 램프의 경우에는 사이즈가 크고, 공급되는 빛의 강도가 단위 면적당 불과 수mW/㎠의 세기를 갖는다. 그러나 최근에 개발된 UVA LED광원은 불과 수 mm의 사이즈를 갖기 때문에 크기가 작고, 특정 파장에서 방출되는 빛의 강도가 수십 mW/㎠로 램프 형에 비해 매우 강하기 때문에 소형 기구등과 같이 작은 공간의 면적에 대해서는 사용상에서 많은 이점이 있으며, 수명 또한 램프형의 일반적인 교체주기가 3,000~4,000 시간인 점에 비해, UVA LED는 25,000시간 이상으로 매우 길기 때문에 교체주기가 길어 유지 보수에 편리성이 있다고 할 수 있다. 단점으로는 가격이 고가인 점이 사용 개수를 늘리는 것에 대해서는 제약 요건으로 작용하며, LED의 특징인 발열로 인하여 회로의 손상과 수명의 단축을 가져오기 때문에 적용하고자 하는 기구 내에 열 대책이 절대적으로 필요하게 된다.
공기청정기에 사용되는 광촉매코팅 공기필터는 공급하는 광원의 강도, 광촉매의 코팅량과 면적, 공기 순환을 위한 팬의 풍량, 그리고 주변 온도와 습도의 영향을 받게 되는데, 가장 중요한 것은 광촉매가 코팅된 재료의 선정이라고 할 수 있다.
이렇게 제작된 광촉매 필터는 공급되는 광원에 의하여 광화학적 광촉매 반응이 일어나며, 광촉매 표면에 유입된 유기화합물은 여러 단계의 화학 반응을 통하여 최종적인 생성물로는 기체상의 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)가 발생하게 된다.
본 발명의 예시로서 진행한 광촉매에 의한 포름알데히드 가스의 분해반응에 대한 메카니즘은 아래와 같이 알려져 있다.
반도체 특성을 갖는 이산화티탄에 밴드갭 에너지(Band Gap Energy) 이상의 빛 에너지를 가하면 불균일계 광촉매제로서 역할을 하게 되며, 이는 광촉매 표면에 유기화합물이 흡착되면 촉매작용에 의해 화학 분해과정을 거치게 되는데, 그 메카니즘을 간단히 정리하면 반도체 성질을 갖는 금속산화물에 밴드갭 에너지 이상의 에너지를 조사하게 되면, 광자가 가전자대(valence band)로부터 전도대(conduction band)로 전자가 여기하게 됨으로써 가전대는 전자가 결핍된 정공(electron hole)이 형성되고, 전도대로 여기(excitation)된 전자가 화학반응을 일으키게 된다. 또한 형성된 정공은 공기 중의 습기(물)로부터 제공되는 수산화기(OH - )과의 반응으로부터 발생되는 수산라디칼(hydroxy radical, OH·)은 산화반응을 일으키는 매우 강력한 화학종으로서 유기화합물의 산화반응으로서 화학물의 분해에 참여하게 되고, 공기 중에 포함된 산소는 전도대로 여기된 전자와 반응하여 super oxide anion, O 2 - 은 환원반응에 참여하는 화학종으로 유기화합물의 분해과정에는 참여하지 않는다. 이렇게 발생된 수산라디칼은 순환 과정에서 사라지지 않고 유기화합물의 분해에 지속적으로 작용하며 유기화합물의 분해에 참여하는 촉매 역할을 하게 되는 것이다. 그러므로 단위 시간당 풍부한 전자와 정공을 만드는 과정이 광촉매 효과를 발현하는데 중요한 요인이 되는 것이다.
본 발명에서 사용한 공기 팬은 블로워 타입을 사용하여 풍량의 세기를 조절할 수 있게 하였고, 광촉매에 의한 유기가스의 분해효과는 풍량에 의존하여 가변적으로 일어남을 알 수 있었다.
또한 광촉매 분해반응도 일반적인 화학반응과 같이 온도와 습도에 영향을 받아서 실험 온도가 낮아짐으로써 분해 대상 물질의 기체 이동 확산도가 떨어짐에 따라 분해 제거 효율이 감소되는 경향을 확인할 수 있었다. 이에 순수한 광촉매 효과를 평가하기 위하여 챔버의 온도는 25±3도로 유지하였으며, 상대습도는 50±15%이내에서 조정하여 포름알데히드를 사용하여 유기가스 분해 실험을 진행하였다.
하기 실시예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위하여 예시하는 것이며, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : 탑코트용 광촉매 용액의 제조
탑코트용으로 사용할 광촉매 용액은 위에서 기술한 수열 합성법으로 진행하였으며, 수득된 탑코트용 광촉매 용액의 합성 공정을 간단히 기술하면 다음과 같다. 먼저 유리로 만들어진 2L 비이커에 99.5%의 순도를 갖는 무수에탄올 1Kg을 넣고, 상온에서 교반과 함께 98% 순도를 갖는 TTIP 320g을 30분간에 걸쳐서 투입하였다. 교반 중에 약간의 발열이 발생하였지만, 그 상태로 반응을 진행하였다. 여기에 수용액에 분산된 중량비 40%의 TBAH(Tetra-Butyl Ammonium Hydroxide) 용액 65g을 10분간에 걸쳐서 투입하였다. 이후 고압반응기로 용액을 옮겨 용액이 새지 않도록 단단히 밀봉한 다음, 250도의 고온 고압의 조건 하에서 6시간 동안 용매열 반응을 실시하여 용액 중에 아나타제 구조를 갖는 이산화티탄 결정상을 수득하였다. 이렇게 얻어진 용액은 반응에 사용한 TBAH를 제거하기 위하여 2kg의 에탄올을 이용하여, 원심분리법으로 3회에 걸쳐 세정을 실시한 후에 에탄올 용매에 분산된 이산화티탄을 수득하였으며, 여기에 0.01N 질산 용액을 이용하여 pH가 1에서 2 사이의 산성 용액으로 산도를 조정함으로써, 분산성이 매우 우수한 고형분 8 중량%의 초미세 입자의 콜로이드상 이산화티탄 용액을 수득하였다. 이로 부터 최종적으로 물과 에탄올을 이용하여 고형분 5 중량%를 함유하는 탑코트용 이산화티탄 광촉매 용액을 제조하였다.
실시예 2 : 프리코트용 광촉매 용액의 제조
실시예 1에서 수득한 고형분 8 중량%를 갖는 탑코트용 광촉매인 이산화티탄 졸 용액 60중량%에 1.5 중량%의 테트라에틸오르소실리케이트(Tetraethyl orthosilicate, TEOS)와 1.5 중량%의 메틸트리에톡시실란(Methyl triethoxysilane, MTEOS), 36 중량%의 무수 에탄올(anhydrous, 순도 99.5%), 0.5 중량%의 0.006N 질산 수용액을 혼합한 후에 반응 온도를 70℃로 승온시키면서 2시간 동안 반응한 후에 0.5중량%의 테트라놀말부틸티타네이트(TnBT, Tetra-n-butyl titanate)를 첨가하여 반응시킨 콜로이드 이산화티탄 광촉매 프리코트용 용액을 제조하였다.
실시예 3 : 2중으로 광촉매가 코팅된 유리판 구조체의 공기필터의 제조
실시예 1과 실시예 2에 따라 제조된 탑코트용 광촉매와 프리코트용 광촉매를 이용한 광촉매가 코팅된 유리판 구조체를 제조하기 위해서는 먼저 준비된 유리판(W/D/H, 100/0.3/150mm, 100매)을 세정하여 건조한 후, 실시예 2에 의해 준비된 프리코트용 용액에 상온에서 침지법으로 코팅한 후, 30분 이상 실온에서 자연 건조한 다음, 150℃의 건조 오븐에서 30분간 가경화시킨 콜로이드 광촉매 프리코트 막을 형성한 후에, 실시예 1에서 제조한 고형분 5중량%의 탑코트용 광촉매 졸 용액을 이용하여, 광촉매 프리코트 표면 위에 침지법으로 소정의 광촉매 층을 추가로 형성시킨 다음, 상온에서 30분간 건조한 다음에 150℃의 건조 오븐에서 30분간 건조 시킨 후에 광촉매와 기재 사이의 결합력을 강화하기 위하여, 450℃의 소성로에서 1시간 동안 소결하였다. 이 과정을 통하여 불순물로 함유되어 있던 미량의 잔존 계면활성제가 완전히 제거되며, 기재 표면에는 광촉매 층이 강하게 결속된 코팅기재를 수득하였다.
이렇게 얻어진 광촉매 코팅된 유리판을 빛을 반사시킬 수 있는 아크릴 거울 판(두께: 3T)을 이용하여, 가로100mm, 세로 100mm, 높이 150mm의 크기로 제작된 내부에 유리판의 간격이 0.7mm가 되게 일정한 간격으로 100장을 적층하여 조립함으로서, 광촉매 공기필터의 GSA 값이 2,000 이고, OFA 값이 69이며, 광촉매 막 표면적이 3.0m2가 코팅 된 유리판 공기필터를 제작하였다. 이렇게 얻어진 광촉매 유리 필터의 예시 단면도가 도 1이다.
실시예 4 : 광촉매가 코팅된 알루미늄 허니컴 구조체를 이용한 공기필터의 제조
알루미늄 허니컴 구조체(107cpsi, 크기 100(W)/100(D)/150mm(H))를 세정, 건조한 다음에 실시예 3에서 실시한 바와 같이 동일한 방법으로 프리코트 층과 탑코트 층을 도포하여, 알루미늄 금속 기재 사이의 결합력이 강화된 광촉매가 코팅된 알루미늄 허니컴 구조체의 공기필터를 제작하였으며, 이로부터 계산된 GSA 값이 1,490 이고, OFA 값이 96이며, 광촉매 막 표면적이 2.2m2이었다. 이렇게 얻어진 광촉매 알루미늄 허니컴 구조체 공기필터의 예시 단면도가 도 2이다.
실시예 5 : 광촉매가 코팅된 유리관 구조체의 공기필터의 제조
사용된 유리관은 외경 4mm, 내경 2.4mm의 크기를 갖으며, 길이가 150mm인 크기로 준비하였다. 실시예 3에서와 같은 방법으로 광촉매 프리코트 층과 광촉매 탑 코팅 층을 동일하게 형성하였다.
이렇게 얻어진 광촉매가 코팅된 유리관을, 아크릴 거울 판(두께: ３mm)으로 가로 100mm, 세로 100mm, 높이 150mm의 크기로 만들어진 내부 공간에 유리관을 적층하는데 있어서 유리관은 최대한 바람의 저항을 덜 받도록 관의 수직 방향으로만 일렬이 되게 배치하여, GSA 값이 1,260 이고, OFA 값이 49이며, 광촉매 막 표면적이 1.8m2인 광촉매 코팅된 유리관 공기필터를 제작하였다. 이렇게 얻어진 광촉매 유리관 구조체 필터의 단면이 도 3이다.
실시예 6 : 광촉매가 코팅된 유리판과 유리관을 이용한 공기필터의 제조
사용된 유리판은 실시예 3에서 사용한 유리판과 동일한 크기로 준비하였으며, 유리관은 외경 5mm, 내경 3.4mm의 크기를 갖으며, 유리관의 길이는 150mm로 준비하였다.
유리판 및 유리관에 광촉매를 코팅 과정은, 실시예 3에서 실시한 방법을 이용하였으며, 이로부터 광촉매가 코팅된 유리관과 유리판을 얻을 수 있었다.
이렇게 얻어진 광촉매 코팅된 유리관과 유리판을, 아크릴 거울 판(두께: 3mm)으로 가로100mm, 세로 100mm, 높이 150mm의 크기로 만들어진 내부 공간에 유리관을 일렬 배치한 후 유리판을 끼우고, 다시 유리관을 일렬 배치한 후 다시 유리판을 넣는 과정을 되풀이 하여 배치함으로써 GSA 값이 1,310 이고, OFA 값이 44 이며, 광촉매 막 표면적이 1.9m2인 유리관과 유리판으로 구성된 광촉매 공기필터를 제작하였다. 이렇게 얻어진 광촉매 유리 공기필터의 예시 단면도가 도 4이다.
실시예 7 : 광촉매 프리코트 층이 없는 광촉매 코팅 알루미늄 허니컴 구조체를 이용한 공기필터의 제조
알루미늄 허니컴 구조체(107cpsi, 크기 100(W)/100(D)/150mm(H))에 실시예 1에서 제조된 탑코트용 광촉매 용액만을 사용하여, 앞에서 기술한 방법으로 단독으로 탑코트용 광촉매 층이 형성된 광촉매 알루미늄 구조체 공기필터를 제작하였으며, GSA 값이 1,490 이고, OFA 값이 96, 광촉매 막 표면적이 2.2m2인 값을 갖는다.
유기가스 분해능 측정 장치의 구성
상기 실시예에서 제작된 광촉매가 코팅된 유리 공기필터의 유기가스 분해능을 평가하기 위하여 다음과 같이 실험 장치를 구성하였다.
실험 장치 구성은 유리를 이용하여, 가로 650mm, 세로 650mm, 높이 815mm의 크기로, 내부 체적을 330리터로 제작하였으며, 내부에 포름알데히드 농도 측정기를 설치하고, 내부의 공기 흐름을 원활하게 하기 위하여, 65CFM(Cubic Feet per Minute, CFM) 즉 시간당 110㎥의 풍량을 발생하는 블로워 타입의 팬을 설치함으로서 분당 5.5회의 내부의 공기 순환이 일어나게 하였으며, 블로워 팬 위에 광촉매가 코팅된 공기필터를 위치하게 하고, 공기필터 구조체 상하에는 UVA LED를 15mm 이격 거리를 두고 상하 교차 방향으로 삽입 설치하여 광원으로 사용하였다.
사용한 UVA LED는 서울 바이오시스사의 UVA LED 램프로서 365nm의 특정 파장을 방출하며, 광시야각이 120도를 갖는 Z5계열을 사용하였으며, 직류 전압 3.6V 이하, 전류는 0.35mA 이하의 전원 소스를 사용하였다.
UVA LED의 배치는 전극 간의 거리를 25mm로 하여, 상하 각각 16개의 LED로 구성하였으며, 일본 TOPCON사 UVR-2 UV Radiometer를 이용하여 UVA LED 광원의 세기를 측정하였을 때, 즉 UVA LED로 부터 최초로 공기필터의 전면부가 빛이 닿는 거리에서 측정하였을 때, 단위 면적당 평균 자외선의 세기는 60mW/㎠가 되도록 조정하였으며, 전원은 외부에서 인가할 수 있도록 구성하였다. 광촉매가 코팅된 알루미늄 허니컴 구조체와 UVA LED가 설치된 PCB의 설치 예가 도 5이다.
실험예 1 : 유리판 구조체 공기필터의 포름알데히드 분해성능 측정
본 실험에서 사용한 유기 가스는 1급 발암 물질로 규정된 새집증후군의 주요 발생원이며, 건축자재에서 많이 발생하는 포름알데히드 가스를 이용하여 광촉매에 의한 포름알데히드의 분해 속도를 측정하였다.
먼저 실시예 3에서 제작된 유리판 구조체 공기필터를 블로워 팬 위에 거치하고, UVA LED 램프 전원이 꺼진 상태에서, 팬만 구동되는 상태에서 40% 포름알데히드 수용액으로부터 채취한 포름알데히드 가스를 주입하여, 포름알데히드의 초기 농도가 5.5~6.0ppm이 되게 하였다. 포름알데히드 가스 주입 후 10분간의 농도 수치 변화가 1% 이내에서 유지되는 것을 확인하였다. 즉 광촉매 효과가 작용하지 않는 조건에서의 시간에 따른 포름알데히드의 농도변화는 무시할 수 있을 정도의 편차를 갖는 것으로 해석할 수 있다. 포름알데히드 농도가 일정 범위 내에서 유지되는 것을 확인한 후에, UVA LED의 전원을 인가함으로서 광촉매 반응을 개시하였으며, UVA LED에 전원을 인가한 후 광촉매 작용이 원활하게 일어난다고 판단되는 시점, 즉 포름알데히드가 5ppm이 되는 시점부터 0ppm이 되는 시간까지 30초 단위로 측정하였으며, 3회 측정한 실험 결과는 도면 6에 나타내었다. 여기서 포름알데히드의 농도비율 (C/Co)에서 C는 t 시간에서의 농도이고, Co는 t o 시간 즉, 5ppm의 포름알데히드 농도를 갖는 시점으로 초기 농도로 나타낸다. 광촉매에 의한 포름알데히드의 제거시간은 평균 340초가 소요되었다.
실험예 2 : 광촉매 알루미늄 허니컴구조체 공기필터의 포름알데히드 분해성능 측정
실시예 4에서 제작된 광촉매 알루미늄 허니컴 구조체로 구성된 공기필터를 블로워 팬 위에 거치한 후 실험예 1과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다. 30초 단위로 분해 속도를 측정하였으며, 3회 측정한 실험 결과를 도면 7에 나타내었다. 광촉매에 의한 포름알데히드의 제거시간은 평균 600초가 소요되었다.
실험예 3 : 광촉매 유리관 구조체 공기필터의 포름알데히드 분해성능 측정
실시예 5에서 제작된 유리관으로 구성된 유리 공기필터를 블로워 팬 위에 거치한 후 실험예 1과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다. 30초 단위로 분해 속도를 측정하였으며, 3회 측정한 실험 결과를 도면 8에 나타내었다. 광촉매에 의한 포름알데히드의 제거시간은 평균 460초가 소요되었다.
실험예 4 : 광촉매 유리판과 유리관으로 구성된 공기필터의 포름알데히드 분해성능 측정
실시예 6에서 제작된 유리판과 유리관으로 구성된 광촉매 유리 공기필터를 블로워 팬 위에 거치한 후 실험예 1과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다. 30초 단위로 분해 속도를 측정하였으며, 3회 측정한 실험 결과를 도면 9에 나타내었다. 광촉매에 의한 포름알데히드 가스의 제거시간은 평균 440초가 소요되었다.
실험예 5 : 프리코트 층이 없는 광촉매 알루미늄 허니컴 구조체 공기필터의 포름알데히드 분해성능 측정
실시예 7에서 제작된 광촉매 프리코트가 적용되지 않은 탑코트 광촉매가 코팅된 알루미늄 허니컴 구조체 공기필터를 블로워 팬 위에 거치한 후 실험예 1과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다. 30초 단위로 분해 속도를 측정하였으며, 3회 측정한 실험 결과를 도면 10에 나타내었다. 광촉매에 의한 포름알데히드의 제거시간은 평균 710초가 소요되었다.
실험예 1부터 5까지 다양한 구조체의 공기필터의 성능 비교를 위해 각 실험에서 얻어진 평균 포름알데히드 분해 속도를 도면 11에 나타내었다. 또한 다양한 광촉매 구조체가 갖는 특성을 해석하기 위해 구조체들이 갖는 특성을 표 1에 정리하였다.
| 실 험 | 구조체 재료 | GSA(M2/M3) | OFA(%) | 광촉매 코팅층 | 포름알데히드 분해시간(sec) |
| 실험예 1 | 유리판 | 2,000 | 69 | 프리코트, 탑코트 | 340 |
| 실험예 2 | 알루미늄허니컴 | 1,490 | 96 | 프리코트, 탑코트 | 600 |
| 실험예 3 | 유리관 | 1,260 | 49 | 프리코트, 탑코트 | 460 |
| 실험예 4 | 유리판,유리관 | 1,310 | 44 | 프리코트, 탑코트 | 440 |
| 실험예 5 | 알루미늄허니컴 | 1,490 | 96 | 탑코트 | 710 |
먼저 유리 구조체의 포름알데히드 분해 속도를 비교하면, 표 1에서 보는 바와 같이 단위 체적당 수용 가능한 광촉매 코팅 면적에 비례하여 분해 속도가 향상하는 것을 알 수 있다. 이는 광촉매 코팅 면적이 절대적으로 포름알데히드 유기가스의 분해 속도에 기여한다고 할 수 있다.
또한 유리관 구조체 공기필터(실험예1과 실험예3과 실험예4의 비교)에 있어서 유기가스 분해속도의 OFA 값 의존도는 광촉매 코팅 표면적이 클수록 분해시간이 빠른 것과는 반비례하는 경향을 실험으로부터 확인할 수 있다. 이는 공기 중에 확산되어 있는 유기가스 입자들의 광촉매 입자표면과의 접촉 확률이 낮은 OFA 값을 가질수록 높을 것으로 예측할 수 있기 때문에, 유기가스의 흡착과 산화분해 반응의 순환과정을 갖는 광촉매 반응기구 상 상대적으로 양호한 유기가스 분해결과를 나타내는 것으로 해석할 수 있다. 이와 같은 시험 결과는 공기청정기의 공기 순환과 유기가스의 분해에 따른 청정능력과 밀접한 관계를 가지기 때문에 실제 공기청정기의 필터 설계에 주요인자로 고려될 수 있다.
또한 유리판 구조체와 알루미늄 허니컴 구조체를 비교하면, 같은 체적 내에서 광촉매 코팅 면적의 기여가 알루미늄 허니컴 구조체보다 유리판 구조가 약 1.34 배의 큰 면적을 갖게 되는데, 이러한 점을 고려하여 동일한 광촉매 면적을 기준으로 분해 속도를 유추하면, 알루미늄 구조체가 갖는 기대 분해시간은 약 450초가 예상된다. 그러나 실제 실험에서 이보다 긴 분해 시간이 나타나는 이유는 유리관에 입사되는 광원은 투과와 반사에 의해서 광촉매 활성화에 기여 할 것으로 기대되지만, 알루미늄 구조체는 기재가 갖는 특성으로 인해, 광투과성 성질이 없이 반사 특성에만 의존하기 때문에 빛의 효율적 사용이 유리 재료에 비해 떨어진다고 할 수 있다. 실험예 3과 4와 비교하여도 같은 결과를 유추 할 수 있다.
또한 알루미늄 구조체의 연구 결과를 보면 실시예 2가 실시예 5 보다 훨씬 우수한 결과를 보였다. 동일한 광촉매 표면적, 광원과 풍량이 동일한 조건에서 분해 속도가 차이를 금속 재료의 전자 누설현상으로 해석 할 수 있다. 즉 실험예 2에서는 절연막을 형성하는 프리코트 층을 먼저 형성 한 후에 탑코트 광촉매로 코팅하였고, 실험예 5에서는 탑코트 광촉매만을 사용하여, 광촉매 구조체를 제작하였다. 절연 막을 형성한 실험예 2의 구조체가 실험예 5 보다는 금속 표면으로 흐르는 전자 이동을 차단할 수 있기 때문에 보다 풍부한 전자들이 광촉매 표면층에 존재할 수 있어서 분해 효과가 향상된다고 해석된다. 이는 금속재료를 사용하여, 광촉매 층을 형성할 때에는 보다 효율적인 사용을 위해 절연막을 형성하는 프리코트 재료를 사용하는 것이 바람직하다는 것을 의미한다. 또한 양모(펠트)를 이용하여 광촉매층의 표면을 문지르게 되면, 탑코트 광촉매를 사용한 구조체는 쉽게 박리가 일어나는 반면에 프리코트 층이 있는 광촉매 구조체는 스크레치가 발생하는 정도로 도막의 접착강도가 훨씬 우수한 내구성을 보였다.
비교예 1 : 트루헤파필터(H13등급) 공기청정기의 포름알데히드의 분해성능 측정
비교예 1로는 H13등급의 헤파 필터로 구성된 시판 공기청정기를 구입하여, 시간에 따른 포름알데히드의 분해성능을 측정하였다. 원통형의 헤파 필터의 크기는 높이와 지름이 각각17cm이고, 주름진 헤파 필터의 두께는 약 2cm인 것을 사용하였다.
1차로 1ppm의 농도로 포름알데히드를 주입하고 시간 경과에 따른 포름알데히드의 가스 농도를 측정하였으나, 10분 동안 헤파 필터의 가스 흡착 결과는 1% 정도로 미미한 수준이었다. 2차 실험에서는 2ppm으로 농도를 증가시켜 재 실험을 실시하였으나, 도면 12에서 보여주는 바와 같이 포름알데히드의 감소는 오차범위 내에서 이루어지는 것으로 보아 트루헤파필터에 의한 포름알데히드 제거 효과는 무시할 만한 수준이다. 이는 포름알데히드의 경우 분자의 사이즈가 헤파 필터의 기공보다도 훨씬 작기 때문에, 유기가스의 여과 효과나 흡착 효과가 거의 일어나지 않으며, 포름알데히드 가스의 제거 용도로는 적당하지 않다.
비교예 2 : 헤파필터와 활성탄필터로 구성된 공기청정기의 포름알데히드 분해 성능
비교예 2로는 헤파 필터와 활성탄이 원통형으로 구성된 시판 공기청정기를 구입하여, 시간에 따른 포름알데히드의 분해성능을 측정하였다.
1차로 1.5ppm의 농도로 포름알데히드를 주입하고, 1.0ppm의 농도부터 시간 경과에 따른 포름알데히드의 제거 속도를 측정하였다. 2차 실험에서는 2.5ppm을 주입하고, 2.0ppm 농도부터 시간 경과에 따른 포름알데히드의 제거 속도를 측정하였다. 3차 실험에서는 6ppm을 주입하고 5ppm이 되는 시점에서 시간 경과에 따른 포름알데히드의 제거 속도를 측정하였다. 3차에 걸친 실험으로부터 얻어진 포름알데히드 농도의 감소 결과는, 비교예 1에서 헤파 필터의 포름알데히드 제거 효과가 미진함을 고려할 때, 활성탄의 흡착에 의해 나타나는 효과라고 단정할 수 있다. 활성탄에 의한 유기가스 흡착 효과는 초반부에는 매우 잘 작용하고 있는 것으로 나타났다. 그러나 시간이 경과함에 따라 기대했던 바와는 달리 잔류 포름알데히드의 제거에 있어서 유의미한 결과를 주기에는 매우 저조한 흡착 결과를 보여주는 것으로 나타났다. 또한 실험이 반복될수록 포름알데히드의 농도는 실험 진행 후 10분을 기준으로 1차에서는 0.06ppm, 2차에서는 0.33ppm, 3차에서는 0.46ppm으로 잔류 농도 값이 크게 증가하는 양상을 보였다. 이러한 활성탄의 흡착 기능은, 고유의 유기가스 흡착 량과 관계가 있으며, 바람의 속도나, 온도에 의해 흡착되었던 유기 가스들이 재 방출되는 문제가 발생한다는 점을 고려할 때, 유기가스를 완전히 제거한다는 기대 수준에는 미치지 못하는 결과를 준다. 즉, 일정시간 이후에는 활성탄에 의한 포름알데히드의 흡착 속도가 매우 완만한 제거 속도를 보이기 때문에 포름알데히드와 같이 분자량이 작은 유기가스를 지속적으로 제거하기에는 한계를 갖는다고 해석되며, 이에 대한 실험 결과를 도면 13에 나타내었다.
비교예 3 : 광촉매가 코팅된 세라믹 필터의 포름알데히드 분해 성능
비교예 3에서는 허니컴 구조를 갖는 근청석(Cordierite)을 원료로 제조된 세라믹 필터를 이용하여 실시예 3과 동일한 방법으로 코팅한 후, 실험예1과 같은 실험 조건에서 포름알데히드의 분해 성능을 측정하였다. 이 때 사용한 세라믹 필터의 셀의 밀도는 200 cpsi(cells per square inch), GSA 값은 1,850이며, OFA 값은 69.4를 갖으며, 가로 100mm, 세로 100mm, 높이 15mm 의 사이즈를 갖는 세라믹 필터 2개를 사용하여 30mm 높이로 구성하였다, 이 때 제작한 세라믹 광촉매 필터 구조체의 체적 0.3L 기준으로 광촉매 막 표면적은 0.555m2 가 된다.
3차에 걸쳐 진행된 실험 결과를 도면 14에 나타내었다. 포름알데히드 제거 속도는 평균 22분이 소요되었다.
또한 실험예1의 광촉매 코팅 필터 구조체와 같은 체적 및 유사한 표면적 크기로 포름알데히드 분해성능을 비교하기 위해 상기 세라믹 필터 10개를 적층하여 세라믹 광촉매 필터 구조체의 체적 1.5L 기준으로 광촉매 막 표면적이 2.78m2 가 되게 하였다. 3차에 걸친 실험 결과 포름알데히드 제거 속도는 평균 23분이 소요된 결과를 얻었다.
이와 같은 결과로부터 다음과 같은 해석을 유추해 볼 수 있다. 세라믹 허니컴 필터는 넓은 표면적을 확보하는 구조체인 반면 조밀한 cell 구성과 표면에서의 빛 흡수에 의해 세라믹 필터 내부 중심으로 까지 도달되는 광원의 조사면적이 적은 것을 확인할 수 있다. 때문에 유효한 광촉매 효과를 얻을 수 있는 세라믹 허니컴 구조체의 길이는 유리 기재 그리고(또는) 알루미늄 허니컴 기재와 비교할 때 상대적으로 제한적임을 알 수 있다.
따라서 세라믹 허니컴 광촉매 공기필터는 포름알데히드 분해에 있어서 유리재료로 구성된 광촉매 공기필터보다 3배 이상 시간이 더 걸리는 것으로 나타났다. 이러한 이유로는 유리재료의 경우 빛을 통과시키는 성질이 이용하여 빛을 최대한 사용하는 장점이 있으나, 세라믹의 경우에는 유리 재료와는 달리 빛을 흡수하는 성질로 인하여, 빛을 최대한 사용하는 유리 재료와 비교할 때, 상당 부분 그 유효성이 떨어진다고 할 수 있다. 또한 다공질을 갖지 않는 유리 표면에 비해, 세라믹의 다공질에 침투한 유기가스로 인하여 제거에 더 많은 시간이 걸린다고 할 수 있다.
위의 결과를 정리하면 광촉매의 유기가스 분해능은 구조체의 형태가 공기의 흐름을 크게 방해하지 않으며, 광촉매가 넓은 표면적을 가질 때 포름알데히드의 가스 분해이 더욱 효과적이고, 광촉매 코팅면에 대한 광원의 조사율이 높고, 적용 기재의 자외선 투과율 또는 반사율이 높은 cell 구조체 그리고(또는) 판상형 격자 구조체에서 광촉매의 활성이 더욱 향상되며, 구조체의 재료 자체가 다공성 구조를 갖고 있지 않는 재료로부터 제작된 광촉매 공기필터가 가장 효율적임을 알 수 있다.
본 발명에 따른 광촉매 프리코트를 이용한 유리 및 알루미늄 구조체 공기필터는 다양한 공기정화기나 공기청정기에 적용할 수가 있어 산업상 이용가능성이 매우 높다.
1. 광촉매 알루미늄 허니컴 구조체
2. UVA-LED PCB
3. 광촉매 필터 모듈 하우징
2. UVA-LED PCB
3. 광촉매 필터 모듈 하우징
Claims (10)
- 광촉매 프리코트를 이용한 유리 및 알루미늄 구조체 공기필터에 있어서,
유리 및 알루미늄 구조체에 광촉매 프리코트를 접착제 매개로 하여 광촉매 탑코트를 코팅하여 구성하되, 상기 광촉매 탑코트는 무수에탄올에 TTIP를 첨가하여 교반한 후에 TBAH 수용액을 혼합하여 고온고압에서 용매열반응을 실시하여 얻은 이산화티탄 결정상을 산용액에 분산시킨 콜로이드형 이산화티탄 용액으로 이루어지며, 상기 광촉매 프리코트는 상기 광촉매 수득과정에서 얻은 이산화티탄 용액에 테트라에틸오르소실리케이트와 메틸트리에톡시실란, 무수 에탄올 및 질산수용액을 혼합한 후에 테트라놀말부틸티타네이트를 첨가하여 반응시킨 콜로이드형 이산화티탄 용액으로 이루어지며, 상기 유리 및 알루미늄 구조체와 광촉매 프리코트 및 탑코트를 결합하여 고온 소결하여 형성한 것을 특징으로 하는 광촉매 프리코트를 이용한 유리 및 알루미늄 구조체 공기필터.
- 광촉매 프리코트를 이용한 유리 및 알루미늄 구조체 공기필터의 제조방법에 있어서,
유리 및 알루미늄 구조체에 광촉매 탑코트를 광촉매 프리코트 용액을 결합제 로 사용하여 코팅하되, 이러한 프리코트 용액은 광촉매 탑코트 용액과 테트라에틸오르소실리케이트(Tetraethyl orthosilicate, TEOS) 및 메틸 트리에톡시실란(MTEOS, methyl triethoxysilane)을 혼합하여 반응한 후에 테트라놀말부틸티타네이트(TnBT, tetra-n-butyl titanate)를 첨가하여 반응시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 광촉매 프리코트를 이용한 유리 및 알루미늄 구조체 공기필터의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,
상기 유리 및 알루미늄 구조체에 프리코트를 형성하는 공정은, 침지 공정, 플로우 코팅공정, 스프레이코팅 공정 중 하나 이상을 사용한 코팅 공정으로 도막 형성 후 120~150도의 건조 오븐에서 20분~30분간의 건조 과정을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 광촉매 프리코트를 이용한 유리 및 알루미늄 구조체 공기필터의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,
상기 유리 구조체는 판상 모양의 유리판 또는 관 형태의 유리관 재료를 한 가지 이상을 포함하는 유리 재료로 구성된 공기필터 구조체이며, 기하하적 표면적(Geometric Surface Area, GSA, 단위 m2/m3) 값이 2000이고, 전면 개방율(Open Frontal Area, OFA, 단위 %) 값이 69인 광촉매 막이 형성된 것을 특징으로 하는 광촉매 프리코트를 이용한 유리 및 알루미늄 구조체 공기필터의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,
상기 알루미늄 구조체는 육각형 또는 직육각형 모양의 벌집형으로 형성되며, 기하하적 표면적 값이 1490이고, 전면 개방율 값이 96인 것을 특징으로 하는 광촉매 프리코트를 이용한 유리 및 알루미늄 구조체 공기필터의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,
상기 광촉매 탑코트, 프리코트 및 유리와 알루미늄 구조체 사이의 결합력을 부여하기 위해 고온 소결 공정을 이용하고, 소결 공정의 온도 범위는 400 내지 550도이며, 소결 시간은 30분 내지 2시간으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광촉매 프리코트를 이용한 유리 및 알루미늄 구조체 공기필터의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,
공기필터 내에 유리판과 유리관을 배치하고, 기하하적 표면적 값이 1,310 이고, 전면 개방율 값이 44인 것을 특징으로 하는 광촉매 프리코트를 이용한 유리 및 알루미늄 구조체 공기필터의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,
유리 구조체의 유리관의 기하하적 표면적 값이 1,260이고, 전면 개방율 값이 49를 이루도록 한 것을 특징으로 하는 광촉매 프리코트를 이용한 유리 및 알루미늄 구조체 공기필터의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,
상기 유리 구조체는 유리판과 유리관을 교차하여 구성하고, 기하학적 표면적 값이 1310이고, 전면 개방율 값이 44를 이루도록 한 것을 특징으로 하는 광촉매 프리코트를 이용한 유리 및 알루미늄 구조체 공기필터의 제조방법.
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