KR102030011B1 - 분리된 전기 방전실을 이용한 공기 정화 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 기존제품에 비하여 탈취 살균 제연(smoke removal) 속도가 빠르며 동시에 필터의 사용 없이 공기 중의 미세입자를 제거하는 공기정화장치를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 공기정화장치는 전기방전을 일으키는 영역, 피 처리 공기가 통과하는 영역, 그리고 두 영역 사이의 경계면으로 구성되어 있다. 전기방전 영역에서는 수소/산소 혼합가스를 주 매체로하는 전기방전을 통하여 플라즈마를 형성하고 이를 경계면을 통하여 피처리 가스가 통과하는 영역으로 분사하여 탈취, 살균, 제연 및 미세먼지 제거의 효과를 얻는 것이다. 이러한 구조를 통하여 오존이나 질소산화물의 발생 없이 OH같은 자유 라디칼을 대량 생산하여 신속한 탈취 살균 효과를 일으키며 방전으로 생성된 전자로 피처리 가스의 입자를 하전 시켜 제연이나 미세먼지 제거의 효율을 높인다.

Description

분리된 전기 방전실을 이용한 공기 정화 장치 및 방법{Apparatus and method for air cleaning using separate electrical discharge compartment}
본 발명은 수소 등을 작동매체(working gas)로 하는 전기방전을 처리하려는 공기가 통과하는 영역에서 분리된 영역에서 일으키고 그 결과물을 피처리가스와 합류시켜 공기 중의 미세먼지, 냄새, 세균 등을 제거하는 장치와 그 제거 방법에 관한 것이다.
전기방전에 의해 생성된 플라즈마를 탈취, 살균, 먼지제거 등에 이용하는 공기정화방법은 잘 알려진 기술이다. 탈취 등의 공기정화를 위한 방법은 플라즈마방법 이외에도 화학약품을 사용하는 방법, HEPA(high efficiency particle arrestor)와 같은 필터를 사용하는 방법, 자외선광과 광촉매 등을 이용하는 방법 등이 있으나 교체의 번거로움이 없고 장치의 간편성 등의 이점 때문에 플라즈마 방법이 선호되고 있으며 많은 연구 개발이 진행되고 있다.
플라즈마를 이용한 탈취나 살균을 위해서는 전기방전 시에 생성되는 전자나 이온을 이용할 수도 있지만 방전을 통하여 OH, O, HOO 와 같은 자유 radical, 혹은 오존, 과산화수소와 같은 산화력이 높은 분자를 생성하고 이들의 산화력을 이용한 탈취나 살균이 더욱 효율적이다. 먼지제거를 위해서는 방전을 통하여 생성된 전자를 이용하여 미세먼지 입자를 하전 시킨 후 "+" 극성의 집진판 표면에 부착시키는 전기집진 방법들이 가장 보편적으로 사용되고 있다.
탈취나 미세먼지 제거를 위해 가장 널리 사용되고 있는 전기방전 방법은 코로나방전이다. 이 방전은 작동의 단순성과 장치의 간편성 때문에 가장 보편적으로 이용된다. 그러나 공기를 매체로 하고 고전압을 인가하여 코로나 방전을 일으킬 때는 오존과 질소산화물의 생성이 불가피하다. 방전에 의하여 생성된 오존양은 원래의 살균기능을 초과하여 인체에 유해한 수준의 농도에 도달하기도 한다.
오존 생성 등 코로나 방전의 고전압 인가 때문에 발생하는 단점을 보완하기 위해서 유전체장벽 방전(dielectric barrier discharge), 다공성 세라믹 미세방전(microdischarge inside porous ceramics), 메쉬 유전체장벽 방전(mesh dielectric barrier discharge), 배면 표면장벽 방전(coplanar DBD) (특허문헌 1), 공동(空洞)음극방전(hollow cathode discharge), 미끄럼아크방전(gliding arc discharge)등이 대체 수단으로 이용된다. 그러나 대기압에서 안정한 플라즈마를 형성하는 이러한 방전 역시 공기를 작동매체로 사용하는 경우 오존과 질소산화물의 생성은 불가피하며 입자를 하전 시키는데도 효과적이지 못하다.
코로나 방전의 문제점을 보완하기 위해 본 발명자들에 의해서 2015년 계면 전기방전을 이용한 공기정화방법(특허문헌 2)이 공개된 바 있다. 고전압 코로나 방전에 비하여 계면방전에서는 낮은 전압에서 방전이 유발되므로 오존의 생성량을 대폭 줄이는데 성공하였다. 그러나 피처리가스를 방전영역으로 통과시키는 계면방전 방법은 코로나 방전형태를 사용함으로 방전영역이 협소하며 따라서 가스처리 용량에 한계가 있으며 피처리가스의 유속이 증가할수록 방전이 불안정해지는 등의 문제가 발생한다. 또한 미세먼지 제거를 위해서는 먼지입자를 전자나 음이온으로 하전 시켜야 하는데 이 역시 방전영역의 협소함 때문에 효율이 낮았다.
본 발명에서는 이러한 계면방전의 장치나 방법에 비하여 피처리가스의 처리가 단순하고 방전이 훨씬 안정되며 먼지제거 효율이나 탈취 및 살균 효율이 월등히 높은 대면적 방전방법을 제공하는 것을 목적으로 하고, 이를 이용하여 고효율 공기정화장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
1. 성낙섭, 백홍구, 최재역, "차량의 하이브리드 공기청정시스템," 대한민국특허 등록번호 10-0747178 (2007) 2. 이웅무, 김종훈, 이정남, "공기정화 장치 및 방법," 대한민국특허 등록번호 10-1553587 (2015)
1. I. G. Koo, J. H. Cho, M. Y. Choi and W.M. Lee, "Room-temperature slot micro-plasma in atmospheric pressure air between cylindrical electrodes with nano-porous alumina dielectric," Appl. Phys. Lett., vol. 91, 41502(2007). 2. U. Kogelschatz, "Dielectric-barrier discharges," Plasma Chem. and Plasma Processing, vol. 23, pp. 1-46 (2003)
본 발명의 목적은 기존제품에 비하여 오존이나 질소산화물 같은 부산물을 전혀 발생하지 않으면서 탈취 살균 속도가 빠르며 동시에 필터를 필수적으로 사용하지 않고 공기 중의 미세입자나 연기를 제거하는 공기정화장치를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명에서는 상기한 바와 같이 신속하고 단순한 공기 정화 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 필요시 물 전기분해에 의하여 즉시 제조된 수소와 산소가스를 이용하거나 고압용기에 저장된 수소와 산소가스를 사용하여 산화에 의하여 빠른 탈취, 살균, 제연 및 미세먼지 제거를 가능하게 하는 방법을 제공한다. 이 방법의 가장 큰 특징은 탈취, 살균에 이용되는 산화력이 강한 화학성분과 연기나 미세먼지 제거에 필요한 전자를 동시에 발생시키는 전기방전영역과 피처리가스가 통과하는 처리영역을 분리하는 것이다. 전기방전의 형태로는 대면적 방전이 가능한 유전체 장벽 방전(비특허문헌 1,2)을 사용하지만 방전매체(working gas)로 수소와 산소 혼합가스를 사용하므로 오존이나 질소산화물 생성이 봉쇄된다. 방전영역에서 생성되는 전자와 OH, HOO, O와 같은 자유라디칼은 처리영역에서 피처리가스와 반응하여 탈취, 살균, NOx의 산화, 제연 미세먼지 제거의 효과를 갖는다.
수소와 산소의 혼합가스를 전기방전의 매체로 사용하는 이점은 방전 시 오존이나 질소산화물(NOx)의 생성 위험이 전혀 없고 OH 같은 자유라디칼이 고농도로 생성되므로 탈취나 살균의 효과가 신속하다는 것이다. 다만 수소와 산소의 부피비가 2에 접근하면 폭발의 위험이 있으므로 2보다 훨씬 작은 값으로 혼합가스를 만드는 것이 중요하다.
혼합가스의 수소와 산소 분자는 방전실에서 가지확장 연쇄반응(branched chain reaction)을 일으켜 OH와 같은 산화력이 강한 species를 고농도로 생성시키며 처리실로 방출되어 탈취와 살균에 이용된다. 방전실에서는 방전 매체로의 역할을 하는 수소분자가 전자와 충돌하여
H2 + e → H + H + e
H2 + e → H* + H + e
H2 + e → H2 + + 2 e
H2 + e → H2 * + e
등의 반응에 의하여 활성 수소원자(H*), 수소원자(H), 활성 수소분자(H2 *), 혹은 수소이온(H2 +) 등의 수소 화학종(hydrogen species)을 생성한다. 이 들 중 수소원자는 수소와 혼합돼 있는 산소분자와 반응하여
O2 + H → O + OH
O + H2 → OH + H
H2 + OH → H2O + H
등의 가지확장 연쇄반응(branched chain reaction)에 의하여 탈취 살균에 필요한 OH, O, HOO와 같은 라디칼을 고농도로 생성한다.
상기 반응에서 생성된 라디칼은 처리실로 유입되어 처리실을 통과하는 공기 중의 산소분자와 반응하여 추가적인 라디칼을 생성할 수 있다. 그리고 방전실에는 수소가스가 다량 존재함으로 오존의 생성을 봉쇄할 수 있다. 한편 방전으로부터 생성된 전자는 방전실과 처리실의 경계면에 평행하게 처리영역 반대편에 설치된 집진판으로 전장에 의하여 가속되며 이 때 흐르는 공기 중에 함유된 미세먼지를 "-" 극성으로 하전 시키며 하전된 먼지 등은 "+" 극성의 전기 집진판에 집진된다.
수소의 생산이 쉽지 않은 경우 전기방전의 매체로 공기를 사용할 수 있다. 이 경우 전자는 생성되므로 미세먼지 제거의 효과는 볼 수 있으나 오존의 생성을 피할 수는 없으므로 그 제거제를 정화장치에 장착하는 것이 중요하다. 그러나 방전실을 통과하는 공기의 양은 처리하려는 공기의 양에 비해 훨씬 낮으므로 발생되는 오존이나 질소산화물의 양을 크게 줄일 수 있다.다만 생성되는 OH 자유기의 농도는 수소/산소 혼합가스의 경우 보다 훨씬 낮다는 단점이 있다.
본 발명에 따른 공기정화장치는 피처리가스를 처리하는 영역과 처리에 필요한 전자나 화학종을 발생시키는 영역을 분리하는 것이 발명의 가장 중요한 특징이다. 이러한 구성의 효과는 다음 세 가지로 요약된다. 첫째, 피처리가스가 방전영역을 통과하지 않으므로 공기분자들이 플라즈마화학반응에 참여하지 않는다. 따라서 오존이나 질소산화물 같은 유해 화학종의 생성을 막을 수 있다. 둘째, 피처리가스가 방전영역을 통과하지 않으므로 방전의 불안정화를 방지할 수 있고 장시간 운전을 가능케 한다. 셋째, 유전체 장벽 방전과 같은 대면적 방전을 사용하고 또한 수소와 산소 혼합가스를 작동가스 (working gas)로 하여 전자와 고농도의 OH같은 자유라디칼의 생산을 가능케 한다. 생산된 전자와 활성종은 처리영역으로 분사되어 탈취, 살균, 질소산화물(NOx)의 산화 그리고 미세먼지와 연기의 제거 효율을 높인다.
도 1은 본 발명에 따른 분리형 공기정화장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 분리형 공기정화장치의 전원공급을 보여주는 도면으로, 도 2a는 방전실의 작동가스의 흐르는 방향에 대하여 전극판이 수직으로 배치되는 경우이고, 도 2b는 방전실의 작동가스의 흐르는 방향에 대하여 수평으로 배치되는 경우를 보여주는 도면.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 분리형 공기정화장치에서 전기방전영역으로부터 처리영역으로 자유라디칼과 전자가 통과하는 경계면을 보여주는 도면으로 도 2a 및 도 2b와 마찬가지로 작동가스의 흐르는 방향에 상대하여 도 3a는 전극판이 수직으로 배치되는 경우, 도 3b는 수평으로 배치되는 경우를 보여주는 도면.
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.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 수소와 산소의 혼합가스를 매체로 하는 전기방전을 이용하여 빠른 탈취, 살균, 제연(smoke removal), 질소산화물(NOx)의 산화 및 미세먼지 제거를 가능하게 하는 방법을 제공한다. 오존 미발생 전기방전은 이미 물/공기 계면 방전 방법(특허문헌 2)에 의하여 그 기술의 유효성이 증명된 바 있다. 그러나 이러한 계면방전 방법은 피처리 가스의 유속이 높아질 때 방전이 불안정해지는 약점을 노출하였다. 이번에 공표하는 새로운 방법은 이 문제의 해결책을 제시한다.
제안하는 방법의 핵심은 수소/산소 혼합가스를 작동 매체로 하는 전기방전 영역과 공기의 처리 영역을 분리하는 것이다. 전기 방전실에서의 방전 형태로는 유전체장벽 방전(dielectric barrier discharge), 물과 공기간의 계면방전(interface discharge), 메쉬 유전체 장벽 방전(mesh DBD), 배면 표면장벽 방전(coplanar DBD), 다공성 세라믹 물질 내부에서의 미세방전(micro-discharge in porous ceramics), 공동(空洞)음극방전(hollow cathode discharge), 미끄럼아크방전(gliding arc discharge), 마이크로캐비티(microcavity) 방전 또는 마이크로토치(microtorch) 방전을 포함하는 방전 형태의 그룹 중에서 선택된 방전 형태가 사용되는 것이 가능하다. 본 발명에서 다른 하나의 중요한 요소는 유전체장벽 방전(dielectric barrier discharge)과 같은 대면적 방전을 전기방전의 형태로 사용하는 것이다. 대면적 방전을 사용하면 방전영역의 단위 부피 당 높은 농도의 활성 종을 얻을 수 있는 장점이 있다.
방전 영역에서 형성된 플라즈마는 OH같은 자유라디칼과 전자로 조성돼 있으며 이를 처리실로 분사하여 탈취, 살균에 이용되는 산화력이 강한 화학성분을 합성하고 미세먼지 혹은 연기 입자를 하전 시켜 집진하는 것이다. 방전실과 처리실이 만나는 경계지역의 구성은 분리형 정화장치의 중요한 인자이다. 이 경계지역은 피처리가스의 방전실로의 유입은 억제하면서 방전실의 결과물만 처리실로 분사되는 일방적인 흐름만 가능케 해야 한다. 이를 위해서는 다음 조건이 만족되어야 한다. 수소/산소 혼합가스가 처리실로 분사되는 출구의 단면적은 최소로 하여 혼합가스의 유속은 증가시키되 피처리가스의 방전실로의 흐름은 억제해야 한다.
한편, 상기 방전 영역(방전실)로 공급되는 상기 반응 가스는, 수소 가스와 산소 가스의 혼합가스를 필요할 때 제조하여 공급하는 물 전기분해부에 의해 공급될 수 있고, 또는 수소 가스를 저장하는 고압용기와 산소 가스를 저장하는 고압용기 각각에 의해 공급될 수도 있다. 상기 수소 가스와 산소 가스의 혼합가스에서 수소의 부피비율은 50% 이하인 것이 안전을 위해 바람직하다.
상기 처리실로 방전의 매체인 수소/산소 혼합가스(작동가스)가 유출되는 출구의 단면적은 다음과 같은 방법에 의하여 조정이 가능하며 이 방법의 이해를 위해서는 먼저 방전실 전극 배치에 관한 지식이 필요하다. 유전체 장벽 전기방전을 위해서는 유전체를 사이에 두고 다른 극성의 두 전극판을 서로에 평행하도록 배치한다. 마주보는 전극판은 평행면이라는 기준을 제공한다. 방전실을 통한 작동가스의 흐름은 이 전극판에 수평 혹은 수직의 방향을 가질 수 있다. 방전의 매체인 작동가스가 전극판에 수직으로 처리실로 유입되는 첫 번째 경우에서는 경계면의 실 면적이 수평으로 유입되는 둘째 경우에 비하여 훨씬 높다. 따라서 방전실과 처리실의 경계면을 통하여 일방적인 가스의 흐름만 허용되도록 경계면의 면적을 조정해야 한다. 가스가 통과하는 경계면의 단면적을 최소화시키면 작동가스는 이 경계면이 유일한 출구이므로 높은 유속으로 유출될 것이고 다른 출구를 갖고 있는 피처리가스는 이 경계면을 통해 방전실로의 흐름이 거의 차단될 것이다.
즉, 상기 경계면은 방전실의 방전 결과물만 처리실로 방출되고 처리실을 통과하는 피처리가스는 방전실로 유입되지 않도록 다공성 박막을 포함하도록 만들어지는 것이 바람직하다.
또한, 단면적을 줄이기 위해 제1전극의 작동가스 출구를 다공성 박막으로 덮는 방법을 생각할 수 있다. 즉, 상기 경계면은 다공성 제1전극과 상기 제1전극 상부에 배치된 다공성 박막을 포함하는 판의 복합체이고, 상기 다공성 박막의 기공의 크기는 0.1마이크로미터에서 2mm 크기를 갖거나 기공의 총면적이 지름 0.1mm 이상 3mm 이하로 형성될 수 있다.
방전실의 가스가 전극판에 수평하게 흐르면서 처리실로 유입되는 둘째 경우에서는 제1전극의 두께를 가능한 한 얇게 하고 방전실의 전극간 거리를 최소화하여 처리실의 피처리가스의 방전실로의 유입을 막아야 한다. 방전실의 가스가 전극판에 수평하게 흐르는 경우에서는 방전실의 전극구조를 복수화 할 수 있고 따라서 처리실로 유입되는 작동가스의 양을 크게 증가시킬 수 있으며 처리 효율을 높일 수 있다는 장점을 갖고 있다. 다만 복수 전극구조의 경우에는 각 단위방전셀을 교류방전 전원에 연결할 때는 capacitor와 같은 추가적인 회로 구성요소가 필요하다.
한편, 방전실의 가스가 전극판에 수평하게 흐르면서 처리실로 유입되는 경우에도 방전실과 처리실 사이의 경계면에 다공성 박막을 배치하는 방법을 사용하는 것도 가능하다.
상기한 원리에 근거한 공기정화장치의 개략도를 도 1에 설명하였다. 도 1에서 보여주는 정화장치(100)의 두 핵심 구성요소는 전기 방전실(200)과 처리실(300)이며 그 사이에 다공성 경계면(252)이 배치된다. 플라스틱과 같은 절연체 외벽을 갖는 용기의 내부는 전기 방전실(200)과 처리실(300)로 양분되며 각각의 방으로 수소/산소 혼합가스와 피처리가스가 유입된다. 전기 방전실(200)로는 전기방전의 매체로의 역할을 하는 혼합가스(460)만이 유입된다. 전기 방전의 결과물인 플라즈마, 자유라디칼 그리고 미반응 혼합가스의 총체(260)는 다공성 경계면(252)을 통하여 처리실(300)로 보내지며 외부로부터 유입된 피처리가스(310)와 합류한다. 혼합가스(460)는 물 전기분해장치 혹은 고압가스 저장용기(450)로부터 공급 받는다. 처리된 가스(320)는 출구를 통하여 장치 외부로 유출된다. 피처리가스의 처리실로의 유입과 유출은 처리실에 장착된 펌프(350)에 의하여 동력을 얻는다.
도 2a와 도 2b에서는 방전실(200)과 처리실(300)의 전극 구조를 작동가스가 방전실의 전극판에 수직되게 처리실로 유입되는 경우(도 2a)와 전극판에 평행하게 처리실로 유입되는 경우(도 2b)로 구분하여 설명하였다.
도 2a에 도시된 실시예에서 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge)이 일어나는 방전실(200)은 교류전원(240)으로부터 전력을 공급 받으며 전원은 제1전극(250)과 용기벽 혹은 절연체(220)에 의하여 차단된 제2전극(230)에 연결된다.
도 2a에 도시된 실시예에서 제1전극(250)으로는 얇은 메쉬 형태의 구조를 갖는 금속이 바람직하다. 이 때 방전실(200)에 배치된 제2전극(230)은 접지된 제1전극과 함께 교류전원(240)에 연결되고, 제1전극과 제2전극간의 거리는 0.1 mm 이상 5 cm 이하로 하며 전원 교류의 주파수는 60 Hz에서 1 GHz의 범위를, 전압은 1 kV에서 20 kV 의 범위를 가진다. 처리실(300)에는 집진을 위해서 처리실 용기벽의 내부에 집진판으로의 역할을 하는 제3전극(330)을 배치하고 제1전극(250)과 함께 직류전원(340)에 연결한다. 제1전극(250)은 접지(grounding)시키며 집진에 사용되는 제3전극은 "+"의 극성을 갖게 한다. 제1전극과 제3전극 사이의 거리(L1)는 30cm 이하로 하며 직류전압은 500 V에서 20 kV 의 범위를 가진다. 제3전극(330)으로는 집진의 효율을 높이기 위해 다공성 금속 필터를 사용함이 바람직하다.
금속 필터로는 foam, felt, woven fabric 등의 형태를 갖는 다공성 금속 물체를 사용할 수 있으며 필터 기공의 크기는 0.01에서 1000 μm의 크기를 가지며 필터의 두께는 0.1에서 10 cm의 두께를 가질 수 있다.
방전실에서 형성된 전자는 경계면(252)을 통과하여 처리실에 위치한 "+"극성의 제3전극 방향으로 가속된다. 가속되는 전자는 처리실을 통과하는 미세먼지를 "-" 극성으로 하전 시킨다. 이와 같이 하전된 미세먼지는 "+"극성의 집진판(330)에 집진된다. 비단 메세먼지 뿐만이 아니라 연기 입자(smoke aerosol) 등도 이러한 메카니즘에 의하여 집진 제거될 수 있다. 처리된 피처리가스(320)는 집진판(330)을 통하여 외부로 배출할 수도 있다.
도 2b에 도시된 실시예에서는 작동가스가 전극판에 평행하게 처리실로 분사되고, 이 경우에는 한 쌍의 전극을 병렬로 다수 연결하여 제1전극(250)에 평행한 복수의 가스 경로를 만들 수 있다.
도 2b에 도시된 실시예는 제1전극(250)으로는 얇은 메쉬 형태의 구조를 갖는 금속이 바람직하다. 이 때 방전실(200)을 구성하는 단위 방전셀의 제2전극(230)을 교류전원(240)에 연결할 때는 균일한 방전을 일으키기 위해서 capacitor와 같은 추가적인 회로 구성요소(242)가 필요하다. 두 전극간의 거리는 0.1 mm 이상 2 cm 이하로 하며 전원 교류의 주파수는 60 Hz에서 1 GHz 의 범위를, 전압은 1 kV에서 20 kV 의 범위를 가진다. 처리실(300)에는 집진을 위해서 처리실 용기벽 내부벽에 집진판으로의 역할을 하는 제3전극(330)을 배치하고 제1전극(250)과 함께 직류전원(340)에 연결한다. 제1전극(250)은 접지(grounding)시키며 집진에 사용되는 제3전극은 "+"의 극성을 갖게 한다. 제1전극과 제3전극 사이의 거리(L2)는 30cm 이하로 하며 직류전압은 500 V에서 20 kV 의 범위를 가진다. 제3전극(330)으로는 집진의 효율을 높이기 위해 도 2a의 실시예와 같이 다공성 금속 필터를 사용함이 바람직하다.
방전실에서 형성된 전자는 경계면(252)을 통과하여 처리실에 위치한 "+"극성의 제3전극 방향으로 가속된다. 가속되는 전자는 처리실을 통과하는 미세먼지를 "-" 극성으로 하전 시킨다. 이와 같이 하전된 미세먼지는 "+"극성의 집진판(330)에 집진된다. 비단 메세먼지 뿐만이 아니라 연기 입자(smoke aerosol) 등도 이러한 메카니즘에 의하여 집진 제거될 수 있다. 처리된 피처리가스(320)는 집진판(330)을 통하여 외부로 배출할 수도 있다.
다공성 경계면(252)의 기공은 처리실 공기의 방전실로의 유입은 억제하며 방전실의 작동가스만 처리실로 분사되도록 그 크기를 조정한다.
도 3a 및 도 3b에서는 방전실(200)에서 형성된 플라즈마와 혼합가스의 이동경로인 경계면(252)을 좀 더 자세히 보여준다.
도 3a에서 보는 바와 같이 작동가스가 전극판에 수직하게 처리실로 분사되는 경우는 다공성 경계면을 사용한다.
그러나 도 3b에 도시된 전극판에 수평하게 처리실로 분사되는 경우에는 도 3b의 제1전극(250)과 제2전극의 차단벽(225)을 밀착시키거나 1mm이하의 간격으로 배치하여 다공성 경계면을 대체할 수 있다. 물론 도 3a와 같이 다공성 경계면을 추가로 사용할 수도 있으나, 이를 사용하지 않고도 차단벽(225)과 제1전극을 밀착시키는 것으로 동일한 효과를 낼 수 있어 제작 비용을 절감할 수 있다.
(실험예 1)
실험실의 공기를 피처리가스로 사용하였고 공기정화장치를 통과하는 피처리가스 중 미세먼지의 농도를 먼지의 크기와 정화장치 전원 (방전실의 교류전원과 처리실의 직류전원) 작동 유무 별로 분류하여 표 1에 정리하였다. 작동가스로는 공기를 사용하였고 처리실로는 전극에 수직되게 방출되었다. 교류전원의 전력은 20 와트 이하, 직류전원의 전원은 3 kV이었다. 농도 측정시간은 10초 이었고 표의 값은 10회 측정의 평균 값이다. 피처리 공기의 장치를 통과하는 유속은 분당 3 리터 이었다. 표에서 보는 바와 같이 0.5 μm 이하의 초미세 입자에서 농도 변화가 뚜렷하였고 직류전원을 끄고 교류전원만 가동시켰을 때는 먼지농도가 감소하지 않았다.
표 1
_______________________________________________________________________
미세먼지 크기 먼지 농도
(μm) 전기방전 및 집진 전원 전기방전 및 집진 전원 꺼진 상태 켜진 상태
_______________________________________________________________________
0.3 6290 408
0.5 3417 1430
1.0 203 186
2.5 18 23
5.0 2 2
10 1 2
_____________________________________________________________________
(실험예 2)
피처리가스로 70 ppm의 표준 농도를 갖는 암모니아 가스(질소가 host gas)를 사용하였다. 처리실을 통과하는 암모니아 가스의 유속은 분당 400 ml이었다. 수소와 산소의 부피비가 1:2 인 혼합가스를 작동가스로 사용하였고 처리실로는 전극에 수직되게 방출되었다. 사용한 교류방전의 소모 전력은 20 와트 이었고 직류전원은 끈 상태로 실험하였다. 처리실과 방전실의 경계면으로는 기공의 크기가 500 마이크론 이하인 금속판을 사용하였다. 센서에 감지된 초기 농도는 48ppm이었고 방전의 안정화를 위해 3분 경과 후 10회 측정 한 암모니아 농도의 평균 값은 4 ppm 이하이었다.
지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해짐이 자명하다.
100: 공기 정화 시스템
200: 전기 방전실
220: 전기 방전실의 절연체 용기벽
225: 절연체 차단벽
230: 유전체 장벽으로 차단된 제2전극
240: 교류전원
242: 교류회로의 추가 구성요소
250: 제1전극
252: 다공성 경계면
255: 다공성 경계면의 미세기공
260: 미세기공을 통과하여 처리실로 분사되는 방전 결과물
300: 공기 처리실
310: 장치 외부에서 처리실로 유입되는 공기
320: 처리된 공기
330: 미세먼지 집진 금속판(제3전극)
340: 고압 직류전원
350: 공기유입 펌프
450: 물 전기분해장치 혹은 수소저장용기
460: 전기 방전실로 유입되는 수소가스

Claims (12)

  1. 반응 기체를 공급하는 공급부;
    상기 공급부로부터 유입된 반응 기체의 플라즈마를 형성시키는 전기 방전실; 및
    상기 전기 방전실에 인접하여 별도의 공간으로 형성되고 피처리 가스가 통과하는 처리실을 포함하고,
    상기 전기 방전실에서 플라즈마를 형성시킬 경우에는,
    상기 반응 기체는 수소와 산소의 혼합가스이고,
    플라즈마에 의해 전자나, OH, HOO 및 O를 포함하는 자유 라디칼의 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 자유 라디칼이 발생되며, 생성된 전자나 자유 라디칼은 상기 경계면을 통하여 처리실로 분사되고,
    상기 방전실에서 형성된 반응 기체 플라즈마를 상기 전기 방전실과 상기 처리실의 경계면을 통하여 상기 처리실로 분사하여 반응 기체 플라즈마의 작용에 의해 피처리 가스의 탈취, 살균, 제연 또는 미세먼지 제거의 효과를 얻는 공기정화장치.
  2. 반응 기체를 공급하는 공급부;
    상기 공급부로부터 유입된 반응 기체의 플라즈마를 형성시키는 전기 방전실; 및
    상기 전기 방전실에 인접하여 별도의 공간으로 형성되고 피처리 가스가 통과하는 처리실을 포함하고,
    상기 방전실에서 형성된 반응 기체 플라즈마를 상기 전기 방전실과 상기 처리실의 경계면을 통하여 상기 처리실로 분사하며,
    상기 경계면은,
    방전실의 방전 결과물만 처리실로 방출되고 처리실을 통과하는 피처리가스는 방전실로 유입되지 않도록 다공성 박막을 포함하도록 만들어져서,
    반응 기체 플라즈마의 작용에 의해 피처리 가스의 탈취, 살균, 제연 또는 미세먼지 제거의 효과를 얻는 공기정화장치.
  3. 제1 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기 방전실은,
    상기 전기 방전실과 상기 처리실의 경계면에 인접한 상기 전기 방전실 영역 내에 배치된 제1전극과,
    상기 제1전극과 이격되어 상기 전기 방전실 영역 내에서 상기 전기 방전실의 밑면인 고체 절연체 바깥 면에 밀착 배치된 제2전극; 및
    상기 제1전극과 상기 제2전극을 연결하는 교류전원을 포함하고,
    상기 전기 방전실 내에서 유전체 장벽 방전을 일으키며,
    상기 처리실은,
    상기 처리실 영역에 배치되는 것으로 상기 경계면을 사이에 두고 상기 제1전극과 마주보는 제3전극을 포함하고,
    상기 제3전극은"+" 극성의 직류전원에 연결되며, 상기 제1전극은 접지된 상태로 상기 제3전극과 연결되어서 방전실에서 생성된 전자와 자유 라디칼은 경계면을 통하여 각각 제3전극 방향으로 가속되거나 이동하며,
    상기 처리실에는,
    외부로부터 전기 방전실로부터 처리실로 유입되는 유량에 비해 2배 이상 50배 이하의 유량의 피처리 가스가 전기 방전실로부터 유입되는 전자 또는 자유 라디칼과 반응한 후 다시 외부로 유출되는 처리 가스 출구가 구비된 것을 특징으로 하는 공기정화장치.
  4. 제3항에 있어서,
    전기 방전실에서 형성된 전자와 자유라디칼을 경계면을 통하여 처리실로 분사시킬 때 자유라디칼은 처리실을 흐르는 공기와 반응하여 질소산화물(NOx)을 포함한 공기 중의 유해성분을 산화시키고;
    경계면을 통과한 전자는 제3전극인 다공성 금속 필터로 가속되며 이 때 피처리가스에 함유된 미세 입자를 하전시켜 상기 다공성 금속 필터에 집진시키는 것을 특징으로 하는 공기정화장치.
  5. 제1 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기 방전실은,
    상기 전기 방전실과 상기 처리실의 경계면에 대해 교차하는 방향으로 배치된 제1전극과,
    상기 제1전극과 나란한 방향으로 상기 제1전극과 이격되어 상기 전기 방전실 영역 내에 배치된 제2전극; 및
    상기 제1전극과 상기 제2전극을 연결하는 교류전원을 포함하고,
    상기 전기 방전실 내에서 유전체 장벽 방전을 일으키며,
    상기 처리실은,
    상기 처리실 영역에 배치되는 것으로 상기 경계면을 사이에 두고 상기 제1전극과 교차하는 방향으로 배치된 제3전극을 포함하고,
    상기 제3전극은"+" 극성의 직류전원에 연결되며, 상기 제1전극은 접지된 상태로 상기 제3전극과 연결되어서, 상기 방전실에서 생성된 전자와 자유 라디칼은 경계면을 통하여 각각 제3전극 방향으로 가속되거나 이동하는 것을 특징으로 하는 공기정화장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극은 상기 경계면에 대해 교차하는 방향으로 복수개가 배치되고, 각각의 제1전극은 제1전극 간에 병렬로 연결되며, 각각의 제2전극은 제2전극 간에 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 공기정화장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 방전실로 공급되는 상기 반응 가스는,
    수소 가스와 산소 가스의 혼합가스를 필요할 때 물 전기분해부에 의해 공급하거나 장치 내에 배치된 수소 혹은 산소가스를 저장하는 고압용기에 의해 공급하는 것을 특징으로 하는 공기정화장치.
  9. 삭제
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 경계면은,
    다공성 제1전극으로 형성되고,
    상기 다공성 제1전극의 기공의 크기는 0.1마이크로미터에서 2mm 크기를 갖거나 기공의 총면적이 지름 0.1mm 이상 3mm 이하인 것을 특징으로 하는 공기정화장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 경계면은,
    다공성 제1전극과 상기 제1전극 상부에 배치된 다공성 박막을 포함하는 판의 복합체이고,
    상기 다공성 박막의 기공의 크기는 0.1마이크로미터에서 2mm 크기를 갖거나 기공의 총면적이 지름 0.1mm 이상 3mm 이하인 것을 특징으로 하는 공기정화장치.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 제1전극은,
    두께가 0.1mm 이상 1mm 이하이고,
    상기 제1전극과 상기 제2전극 차단벽은 서로 밀착되거나 1mm이하의 간격으로 배치되어서, 상기 방전실에서 생성된 전자를 포함한 활성종들이 처리실로 분사되는 경계면 통로의 면적이 극소화된 것을 특징으로 하는 공기정화장치.
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