KR102042655B1 - 공기이동공과 광촉매층을 갖는 조명기구 - Google Patents

공기이동공과 광촉매층을 갖는 조명기구 Download PDF

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정형채
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Abstract

"공기정화기능을 갖는 조명기구"이 개시된다. 본 발명의 "공기정화기능을 갖는 조명기구"은, 기판(120)과; 기판(120)에 실장되는 복수개의 LED(130)와; 내부에 상기 기판(120)을 수용하며, 하부가 개방형성된 하우징(110)과; 상기 하우징(110)의 개방된 하부에 결합되어 상기 LED(130)에서 발생된 광을 외부로 확산시키는 확산판(140)을 포함하며, 상기 하우징(110)에는 외부공기 이동을 위한 공기이동공(115,117)이 관통형성되고, 상기 하우징(110)의 표면 또는 상기 확산판(140)의 표면에는 무기산화물 기반 광촉매를 포함하는 광촉매층(150)이 형성되고, 상기 무기산화물 기반 광촉매는, 무기산화물과; 상기 무기산화물 상에 형성된 페로센 유래 철 산화물층을 포함하며, 상기 무기산화물 기반 광촉매는 400nm 이상의 가시광선 영역에서 광활성된다.

Description

공기이동공과 광촉매층을 갖는 조명기구{Lighting apparatus with photocatalyst layer and air flow path}
본 발명은 조명기구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 LED 조명 점등시 발생되는 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있는 구조와 가시광선에서 광활성되는 광촉매 층을 구비함으로써 공기의 정화가 용이한 조명기구의 구조에 관한 것이다.
일반적으로 가로등 및 형광등을 포함한 각종 조명기구는 일반적인 벌브(Bulb)를 광원으로 사용하고 있다.
그러나, 벌브는 사용수명이 짧고 내충격성이 떨어지므로, 최근에는 사용수명이 길고 내충격성이 뛰어난 고휘도의 LED(Light Emitting Diode)를 광원으로 사용하는 추세에 있다.
특히, 고휘도의 LED는 가로등 및 형광등을 포함한 각종 조명기구의 광원으로 사용될 수 있어 그 적용범위가 매우 광범위한 장점이 있다.
종래 LED를 이용한 조명장치는 방열성이 우수한 소재로 이루어진 PCB 기판에 일정한 간격을 갖고 다수의 LED를 실장하여 LED의 점등시 발생하는 열을 PCB 기판을 이용하여 냉각시키고 있다.
그러나 이와 같은 종래의 냉각 구조는 단순히 알루미늄 소재로 이루어진 PCB 기판에 발광다이오드를 직접 부착한 구성으로 이루어져 있기 때문에 열전도 속도가 매우 느릴 뿐만 아니라 발광다이오드에서 열이 전도된 알루미늄 소재로 된 PCB 기판과 금속 케이스 외에 별도의 냉각 수단이 없기 때문에 냉각이 신속하게 이루어지지 못하여 냉각 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
한편, 사람이 많이 모이는 백화점, 기차나 버스 대합실, 병원, 지하도, 음식점 등에 설치된 조명기구는 공기 중에 부유된 먼지와 각종 세균과 곰팡이가 번식하고 있다. 이들 번식된 세균이나 곰팡이는 송풍기나 에어콘의 바람에 의하여 조명기구 커버에서 이탈하여 공기 중에 부유하는 중에 사람의 호흡기관을 통하여 인체에 감염되거나 옷이나 피부에 접촉하여 질병을 유발할 수 있는 비위생적인 문제점이 있다.
물론 조명기구 커버를 청결하게 청소하면 이러한 문제는 어느 정도 해소할 수 있으나 대부분의 경우 조명기구가 높은 곳에 위치하므로 청소가 용이하지 않아 오염된 상태로 방치되는 경우가 허다하다.
문헌 1. 대한민국특허청, 등록특허 제10-0927027호, "LED 조명기구"
본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, LED의 점등시 발생되는 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있는 구조를 채택하되, 하우징 또는 확산판에 가시광선에서 활성화되는 광촉매층을 구비함으로써 방열과 공기정화를 동시에 달성하는 조명기구를 제공하는 것에 있다.
상술한 본 발명의 목적은 본 발명의 조명기구에 의해 달성될 수 있다. 본 발명의 조명기구는, 기판(120)과; 기판(120)에 실장되는 복수개의 LED(130)와; 내부에 상기 기판(120)을 수용하며, 하부가 개방형성된 하우징(110)과; 상기 하우징(110)의 개방된 하부에 결합되어 상기 LED(130)에서 발생된 광을 외부로 확산시키는 확산판(140)을 포함하며, 상기 하우징(110)에는 외부공기 이동을 위한 공기이동공(115,117)이 관통형성되고, 상기 하우징(110)의 표면 또는 상기 확산판(140)의 표면에는 무기산화물 기반 광촉매를 포함하는 광촉매층(150)이 형성되고, 상기 무기산화물 기반 광촉매는, 무기산화물과; 상기 무기산화물 상에 형성된 페로센 유래 철 산화물층을 포함하며, 상기 무기산화물 기반 광촉매는 400nm 이상의 가시광선 영역에서 광활성된다.
본 발명에 따른 조명기구는 하우징의 양측에 공기이동공이 형성되어 대류에 의해 LED에서 발생된 열을 외부로 방출시킬 수 있어 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 조명기구는 확산판 또는 하우징에 가시광선에 의해 활성화되는 무기산화물 기반 광촉매가 포함된 광촉매층을 형성하여 주간 동안 태양광을 이용하여 조명기구 주변의 공기를 정화할 수 있으며, 야간이나 실내에서는 조명기구로부터 발산되는 가시광선 영역 파장을 이용하여 주변의 공기를 정화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 조명기구의 구성을 도시한 사시도,
도 2는 도 1의 A-A선에 따른 단면구성을 도시한 단면도,
도 3은 도 1의 B-B선에 따른 단면구성을 도시한 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 조명기구에 코팅된 무기산화물 기반 광촉매의 제조과정을 도시한 흐름도,
도 5는 무기산화물 기반 광촉매의 제조공정에 이용되는 TR-CVD 반응기의 구성을 도시한 예시도,
도 6은 무기산화물 기반 광촉매의 제조공정을 도시한 예시도,
도 7은 무기산화물 기반 광촉매의 이미지를 나타낸 예시도,
도 8은 무기산화물 기반 광촉매의 TEM 이미지를 나타낸 도면,
도 9는,무기산화물 기반 광촉매의 광분해성능의 평가 결과를 나타낸 그래프,
도 10은 무기산화물 기반 광촉매의 습도에 따른 광분해 성능의 평가 결과를 나타낸 그래프,
도 11은 무기산화물 기반 광촉매의 반복적인 광분해 실험에 따른 광분해 성능의 안정성 평가 결과를 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명의 조명기구의 다른 실시예를 도시한 사시도,
도 13은 본 발명의 조명기구의 또 다른 실시예를 도시한 사시도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하되, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭함을 전제하여 설명하기로 한다.
발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 조명기구(100)이 구현된 일 예를 특정한 실시예를 통해 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명기구(100)이 도시된 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A선에 따른 단면구성을 도시한 단면도이고, 도 3은 도 1의 B-B 선에 따른 단면구성을 도시한 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명기구(100)은 하우징(110)과, 하우징(110)의 내부에 수용되는 기판(120)과, 기판(120)에 실장되는 복수개의 LED(130)와, 하우징(110)의 하부에 구비되어 LED(130)에서 조사되는 광을 확산시키는 확산판(140)과, 하우징(110)의 표면 또는 확산판(140)의 표면에 형성되는 광촉매층(150)을 포함한다.
본 발명의 조명기구(100)은 LED(130)에서 발생된 가시광선 영역의 광에 의해 확산판(140)에 도포된 광촉매층(150)의 무기산화물 기반 광촉매가 활성화된다. 이에 의해 조명기구(100) 본연의 발광 기능외에 광촉매층(150)에 의한 공기정화기능을 더 포함할 수 있다. 즉, 무기산화물 기반 광촉매의 광활성에 의해 휘발성 물질, 악취물질, 오염 물질 등을 광분해하거나 정화할 수 있다.
하우징(110)은 기판(120)을 지지하며, 천정과 같은 설치면에 결합된다. 하우징(110)은 기판(120)이 수용될 수 있도록 상부를 향해 일정 깊이 함몰된 형태로 형성된다. 하우징(110)은 도시된 형태와 같이 사각형 함체 이외에도 반구형, 타원형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다. 하우징(110)은 하부가 개방된 형태로 형성되어 LED(130)에서 발생된 빛이 하부로 조사될 수 있게 한다.
도면에 도시되지 않았으나 하우징(110)의 상면에는 천정에 하우징(110)을 결합시키기 위한 결합수단(미도시), 전원공급수단(미도시)이 구비될 수 있다.
하우징(110)에는 외부공기를 내부로 유입시키는 공기이동공(115,117)이 하나 이상 형성될 수 있다. 공기이동공(115,117)으로 유입된 외부공기는 대류방식에 의해 LED(130)에서 발생된 열을 외부로 방출시킨다. 이에 의해 조명기구(100)의 방열 효율을 높일 수 있다.
대류에 의한 방열 효율을 최대화하기 위해 공기이동공(115,117)은 하우징(110)의 양측면에 각각 형성될 수 있다. 양측면(111,113)에 서로 마주보게 제1공기이동공(115)과 제2공기이동공(117)이 형성된다.
제1공기이동공(115)과 제2공기이동공(117)이 동축상에 배치되므로, 도 3에 도시된 바와 같이 제1공기이동공(115)으로 유입된 외부공기(A)가 LED(130)와 접촉하며 열교환한 후 제2공기이동공(117)으로 배출될 수 있다.
이때, 제1공기이동공(115)과 제2공기이동공(117)은 하우징(110)의 저부로 연장될 수 있다.
한편, 제1공기이동공(115)과 제2공기이동공(117)에는 프리필터(미도시)와 팬(미도시)이 더 구비되어 강제 대류를 하도록 할 수 있으며, 광촉매가 디핑된 비드(미도시)를 채워 하우징(110) 내부의 미세먼지를 제거함으로써, 미세먼지가 쌓여 LED(130)의 발광효율을 떨어뜨리는 것을 방지할 수 있다.
기판(120)은 하우징(110)의 내부에 수평방향으로 배치되어, 복수개의 LED(130)를 지지한다. 복수개의 LED(130)는 복수개의 행과 열로 배치되어 전원공급에 따라 점등하게 된다. LED(130)에서 조사된 가시광선(L)은 광촉매층(150)의 무기산화물 기반 광촉매를 활성화시켜 주변의 공기를 살균, 소독 및 정화하게 한다.
LED(130)는 무기산화물 기반 광촉매를 활성화시킬 수 있도록 400nm 이상의 가시광선을 조사할 수 있게 구비된다.
확산판(140)은 하우징(110)의 하부 개구에 결합되어 복수개의 LED(130)로부터 발생된 광을 주변으로 확산시킨다. 확산판(140)은 투명한 재질로 형성되거나, 물투명한 재질로 형성될 수 있다. 확산판(140)은 플라스틱과 같은 합성수지 재질로 형성되거나, 강화유리로 형성될 수 있다.
확산판(140)의 표면에는 광확산을 위해 복수개의 돌기가 돌출 형성될 수 있다.
광촉매층(150)은 확산판(140)의 표면 또는 하우징(110)의 표면에 일정 두께 구비되어 LED(130)로부터 조사되는 가시광선에 의해 광활성 되어 공기를 정화한다. 본 발명의 광촉매층(150)에 포함된 광촉매는 가시광선 영역에서 우수한 광촉매 활성을 갖고, 다양한 습도 및 온도 영역에서 우수한 광분해 효율을 갖는 무기산화물 기반 광촉매로 구비된다.
광촉매층(150)은 확산판(140)의 하면에만 도포되거나, 경우에 따라 도 2에 확대도시된 바와 같이 확산판(140)의 하면과 상면에 함께 도포될 수 있다. 이 경우, 확산판(140)의 하부에 형성된 광촉매층(150)은 조명기구(100) 외부의 공기를 정화하는데 사용되고, 확산판(140)의 상부에 형성된 광촉매층(150)은 하우징(110) 내부로 유입된 공기를 정화하는데 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 무기산화물 기반 광촉매의 제조과정을 도시한 흐름도이고, 도 5는 무기산화물 기반 광촉매의 제조공정에 이용되는 TR-CVD 반응기의 구성을 도시한 예시도이고, 도 6은 무기산화물 기반 광촉매의 제조공정을 개략적으로 도시한 예시도이고, 도 7은 무기산화물 기반 광촉매의 이미지를 도시한 예시도이고, 도 8은 무기산화물 기반 광촉매의 TEM 이미지를 나타낸 도면이다.
본 발명에 사용되는 무기산화물 기반 광촉매는 무기산화물과, 무기산화물 상에 형성된 페로센 유래 철 산화물층을 포함할 수 있다. 이 때, 페로센 유래 철 산화물층에서 철의 함량은 무기산화물 대비 0.001 내지 10 중량% 범위 일 수 있다.
그리고, 페로센 유래 철 산화물층은 무기산화물 상에 증착된 페로센이 열처리된 것일 수 있다. 여기서, 무기산화물은, Ti, Zn, Al 및 Sn 중 적어도 하나를 포함하는 산화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 무기산화물은, 비드, 분말, 로드, 와이어, 니들 및 섬유 형태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 무기산화물의 크기는 1 nm 내지 500 ㎛일 수 있다.
무기산화물은 빛 에너지를 흡수하여 촉매활성을 나타내는 무기반도체화합물이며, 예를 들어, Ti, Zn, Al, Fe, W, Sn, Bi, Ta, Cu, Si, Ru, Sr, Ba 및 Ce으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 산화물이며, 바람직하게는 Ti, Zn, Al 및 Sn일 수 있다. 구체적으로, TiO2, Al2O3, ZnO2, ZnO, SrTiO3, Fe2O3, Ta2O5, WO3, SnO2, Bi2O3, NiO, Cu2O, SiO, SiO2, MoS2, InPb, RuO2, CeO2 등일 수 있다. 또한, 산화물 외에 CdS, GaP, InP, GaAs, InPb 등의 반도체 화합물을 더 포함할 수 있다.
여기서, 페로센 유래 철 산화물층은 페로센 도핑 공정에 의해서 형성된다. 예를 들어, 무기산화물 상에 형성된 페로센층을 열처리하여 페로센을 열분해하고, 이러한 열분해 공정에 의해 페로센에서 전환된 철 산화물을 포함할 수 있다. 유기금속화합물의 도핑 공정은, 하기의 제조방법에서 보다 구체적으로 설명한다.
페로센 유래 철 산화물층은 페로센, 페로센 유도체 중 적어도 하나에 의해 유래된 철 산화물일 수 있다. 페로센 유도체는, 페로센 알데히드, 페로센 케톤, 페로센 카르복시산, 페로센 알콜, 페놀 또는 에테르 화합물, 질소-함유 페로센 화합물, 황-함유 페로센 화합물, 인-함유 페로센 화합물, 규소-함유 페로센 화합물, 1,1'-디코퍼 페로센(1,1'-di-copper ferrocene), 페로센 보로닉산(ferrocene boric acid), 페로세닐 큐프러스 아세틸라이트(ferrocenyl cuprous acetylide) 및 비스페로세닐 티타노센(bisferrocenyl titanocene)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
페로센 유래 철 산화물층에서 철의 함량은 무기산화물 대비 0.001 내지 10 중량%; 0.01 내지 10 중량%; 0.01 내지 3 중량%; 0.01 내지 1.5 중량%; 또는 0.01 내지 1 중량%로 포함될 수 있다. 상술한 범위 내에 포함되면, 가시광 영역에서 광촉매 활성을 증가시켜 광분해 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 철의 함량이 증가하면 가시광 영역의 흡수가 증가할 수 있으나, 이러한 철의 함량 증가에 의한 광촉매 활성의 저하가 발생할 수 있으므로, 상기 범위 내의 철의 함량을 포함하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 철의 함량은 0.01 내지 5 중량%일 수 있다.
또한, 페로센 유래 철 산화물층은 0.01 nm 이상; 0.1 nm 이상; 10 nm 이상; 또는 1 nm 내지 100 nm의 두께를 갖는 것일 수 있다. 상술한 두께 범위 내에 포함되면, 코팅층의 두께 증가에 따른 광촉매의 다공도 저하를 방지하고, 표면에 수분, OH- 이온, 분해 대상 등의 흡착량을 증가시켜 광분해 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 페로센 유래 철 산화물층은 0.01 nm 이상; 0.1 nm 이상; 10 nm 이상; 또는 1 nm 내지 100 nm의 크기를 갖는 페로센 유래 철산화물을 포함할 수 있다. 여기서, 크기는 형태에 따라 길이, 직경, 두께 등을 의미할 수 있다.
페로센 유래 철 산화물은 하기의 화학식 1로 표시되는 화합물 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
FexOYHZ
(X, Y, Z는 각각 0 내지 3에서 선택되고, X 및 Y는 0이 아니다.)
즉, 가시광선 영역의 빛을 흡수하고 안정적이며 값이 싼 반도체성 물질인 상화철(FexOYHZ )을 나노 크기의 입자 형태로 TiO2 표면에 도입하여 가시광선에 감응하는 광촉매를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 무기산화물 기반 광촉매는 광흡수하여 광반응을 나타내는 파장 영역이 자외선에서 가시광선 영역까지 확대되고, 특히 400nm 이상의 가시광선 영역에서 우수한 광촉매 활성을 나타낼 수 있다. 또한, 표면에서 분해 대상의 흡착 및 분해시킬 수 있는 광촉매 반응성이 향상되어 다양한 습도 영역에서 광촉매 활성을 가지며, 30% 이하의 습도인 건식 조건에서도 우수한 광촉매 활성을 나타낼 수 있다.
무기산화물 기반 광촉매는 5 (m2/g) 이상; 5 (m2/g) 내지 1000 (m2/g); 또는 5 (m2/g) 내지 100 (m2/g)의 비표면적을 갖고, 평균 기공 크기는 50 nm 이하일 수 있다. 즉, 표면에 페로센 유래 철 산화물을 도입함으로써, 광촉매의 표면에 분해 대상의 흡착량이 증가하고, 광분해 반응성을 증가시켜 광촉매의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 무기산화물 기반 광촉매는, 다양한 유해물질의 분해에 적용되고, 즉, 환경 오염물질, 악취 물질, 유기화합물, 산성가스 등의 처리에 이용될 수 있다. 예를 들어, 기체, 액체 및 고체 물질 중 적어도 하나를 흡착 및/또는 광분해하는데 이용되고, 할로겐램프, 제논램프, 태양광, 발광다이오드 등 다양한 광선을 포함하는 빛 에너지에 의해서 광활성을 나타낼 수 있다.
일예로, 상기 기체로는 산성, 염기성 가스, 아세트알데히드, 케톤류 등의 VOC(휘발성 유기 화합, Volatile Organic Compounds), 방향족 탄화수소와 지방족 탄화수소(Paraffin계와 Olefin계)의 탄화수소류, 오존 가스, 유기 및 무기계 유리 가스 등일 수 있고, 보다 구체적으로, 이산화탄소, 일산화탄소, NOx, SOx, HCl, HF, NH3, 메틸아민, 포름알데히드, 황화수소, 아민, 메틸메르갑탄, 수소, 산소, 질소, 메탄, 파라핀, 올레핀 등일 수 있다.
상기 액체로는 포름알데하이드(Formaldehyde), 아세트알데하이드(Acetaldehyde), 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), MEK(Methyl Ethyl Ketone), 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene), 살균제, 가솔린, 디젤, 오일, 알코올, 페놀, 염료 등이며, 상기 고체로는 전이금속, Pt, Pd 등의 귀금속, Hg, Cr 등의 이온 및/또는 입자, 100 nm 이하의 나노입자 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
한편, 본 발명의 무기산화물 기반 광촉매를 형성하는 광촉매 조성물은 잔량으로 수성 용매, 유성 용매 또는 둘 다를 포함할 수 있고, 적용 분야에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 물, 탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올과 같은 C1-C4의 저급 알코올 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
광촉매 조성물은, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는다면, 성능 향상과 적용 분야에 따라 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 계면활성제, 실록산계 바인더, 항균제, 살균제 등을 더 포함할 수 있으나, 본 명세서에는 구체적으로 언급하지 않는다.
한편, 이하에서는 본 발명의 무기산화물 기반 광촉매의 제조과정에 대해 설명한다. 무기산화물 기반 광촉매의 제조방법은 도 4에 도시된 바와 같이 무기산화물을 준비하는 단계(S110), 무기산화물 상에 페로센층을 형성하는 단계(S120) 및 페로센층을 형성하는 단계 이후에 열처리하여 페로센 유래 철산화물층을 형성하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.
무기산화물을 준비하는 단계(S110)는, 무기산화물 분산액을 준비하거나 또는 무기산화물을 기판 상에 도포하는 단계이다. 분산액은 수성 용매, 유성 용매 또는 이 둘의 혼합물을 적용하고, 기판은, 실리콘 기판, 웨이퍼, 유리 기판, 반도체 기판, 금속 기판 등일 수 있다. 무기산화물은 스핀 코팅, 롤 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 플로 코팅, 닥터 블레이드법 등으로 도포될 수 있다.
페로센층을 형성하는 단계(S120)는, 습식 코팅법, 스퍼터링법 또는 증착법을 이용하여 페로센막을 형성할 수 있다. 바람직하게는 ALD(atomic layer deposition), CVD(temperature-regulated chemical vapor deposition) 등의 증착법을 이용하고, 더 바람직하게는 TR-CVD(온도 조절식 화학 증착법, temperatureregulated chemical vapor deposition)를 이용하여 페로센층을 형성할 수 있다.
TR-CVD의 적용시 페로센 양의 조절을 통하여 무기산화물 상에 증착되는 철 산화물의 양을 용이하게 조절할 수 있고, 광촉매의 제조공정을 단순화시키고 효율적으로 광촉매를 제공할 수 있다.
페로센층을 형성하는 단계는 상온 내지 120 ℃에서 실시되고, 바람직하게는 40 ℃ 내지 100 ℃, 더 바람직하게는 60 ℃ 내지 100 ℃에서 실시될 수 있다. 즉, TR-CVD의 적용 시 페로센의 기화 공정에 의한 증착을 유도하기 위해서 60℃ 내지 100 ℃에서 실시될 수 있다.
여기서, 페로센층을 형성하는 단계는, 대기 조건하에서 공기 또는 산소 분위기에서 실시되고, 비활성 기체를 더 포함할 수 있다.
또한, 페로센층을 형성하는 단계는, 무기산화물 대비 0.01 중량% 내지 20 중량%의 페로센을 포함하여 형성할 수 있다.
한편, 페로센 유래 철산화물층을 형성하는 단계(S10)는 페로센층의 열처리를 통하여 철 산화물로 부분적 또는 완전하게 산화시키고, 탄소 잔여물 등과 같은 불순물을 제거할 수 있다.
페로센 유래 철 산화물층을 형성하는 단계는, 50 ℃ 내지 900 ℃ 또는 100 ℃ 내지 800 ℃ 온도에서 2 단계 이상으로 열처리할 수 있다. 예를 들어, 페로센 유래 철 산화물층을 형성하는 단계는, 100 ℃ 내지 300 ℃ 온도에서 제1 열처리하는 단계 및 300 ℃ 내지 900 ℃ 온도에서 제2 열처리하는 단계를 포함하고, 각 단계는 서로 상이한 온도에서 열처리할 수 있다.
이 때, 각 단계는 각각 1분 내지 20시간 동안 실시되고, 공기 20 % 이상; 40 % 이상의 산소를 포함하는 공기 또는 비활성 기체 분위기에서 실시될 수 있다.
보다 자세하게 제1 열처리하는 단계는, 페로센과 산소의 반응에 의해서 철 산화물로 전환하는 철 산화물 증착을 위한 어닐링 공정일 수 있다. 제2 열처리하는단계는 제1 열처리 단계 이후의 후열 처리단계이며, 탄화물 등과 같은 불순을 제거하여 광촉매의 활성 및 성능을 향상시키는 어닐링 공정일 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
[실시예 1]
도 5의 TR-CVD(온도 조절식 화학 증착법) 반응기를 이용하고, 도 6에 나타낸 온도 조절식 화학 증착법을 활용하여 TiO2에 나노 크기의 산화철 입자가 증착된 광촉매(Fe-TiO2)를 제조한다.
보다 구체적으로, 가열 밴드로 둘러 쌓인 스테인리스강으로 만든 반응기의 내부 바닥에 철의 전구체인 Ferrocene 0.02 g을 Quartz로 만든 용기에 담아 위치시킨다. 반응기 내부 중앙에 3g의 TiO2 (TiO2, P-25, Evonik, 입자 크기: 25 nm)를 스테인리스강 철망으로 만든 용기에 담은 뒤 위치시킨 후 반응기를 폴리이미드 테이프를 이용하여 밀봉한다. 반응기의 온도를 60 ℃에서 2 시간 동안 TR-CVD 기화 공정으로 페로센의 증착공정을 진행하고, 다음으로, 온도를 200 ℃로 올려 12 시간 동안 유지하여 철산화물로 전환한다.
이어서 TiO2를 꺼내 건조 공기 가스 분위기에서 750 ℃에서 2 시간 동안 추가적인 열처리를 하여 최종적으로 철 산화물-TiO2 하이브리드 나노구조의 광촉매(또는, Fe-TiO2로 표시)를 제조한다. 해당 조건에서 TiO2에 증착된 철의 함량은 약 0.09 wt%이다.
[실시예 2]
철 전구체 Ferrocene를 0.05g을 적용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 철 산화물-TiO2 하이브리드 나노구조의 광촉매를 제조하였다. 해당 조건에서 TiO2에 증착된 철의 함량은 약 0.13 wt%이다.
[실시예 3]
철 전구체 Ferrocene를 0.1g을 적용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 철 산화물-TiO2 하이브리드 나노구조의 광촉매를 제조한다. 해당 조건에서 TiO2에 증착된 철의 함량은 약 0.65 wt%이다.
[실시예 4]
철 전구체 Ferrocene를 0.3g을 적용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 철 산화물-TiO2 하이브리드 나노구조의 광촉매를 제조한다. 해당 조건에서 TiO2에 증착된 철의 함량은 약 1.81 wt%이다.
앞서 제조된 광촉매(Fe-TiO2)를 일반 철 산화물로 코팅된 TiO2 광촉매와 투명도 및 색을 비교하여 도 7에 나타내었다. 도 7의 (a)는 철 산화물(Fe2O3)로 코팅된 광촉매(Fe2O3-TiO2)이고, 도 7의 (b)는 본 발명에 의한 페로센 유래 철 산화물로 코팅된 광촉매(Fe-TiO2)이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 페로센 유래 철 산화물로 코팅된 광촉매(Fe-TiO2)가 철 산화물(Fe2O3)로 코팅된 광촉매(Fe2O3-TiO2) 보다 투명하고 연한 노란색을 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 광촉매(Fe-TiO2)의 TEM 이미지(투과 전자현미경으로 측정된 이미지)를 나타낸 도면이다. 도 8을 통해 철의 함량이 감소할수록 Fe-TiO2 표면에 증착된 산화철 입자의 크기가 작아지는 것을 알 수 있다.
한편, 표 1은 광촉매(Fe-TiO2)의 질소 흡착 분석을 통한 비표면적(BET) 및 BJH 평균 기공 크기를 측정하여 나타낸 도표이다.
0.13wt% Fe-TiO2 0.65wt% Fe-TiO2 1.81wt% Fe-TiO2
BET Surface area(m2/g) 11.6259 10.3426 8.3939
BJHAdasorption average pore size(nm) 13.2 12.5 13.9
표 1을 살펴보면, Fe-TiO2의 철의 함량이 변화하여도 비표면적과 평균 기공 크기는 크게 변하지 않는 것을 확인할 수 있고, Fe-TiO2의 메조 기공이 형성된 것을 확인할 수 있다.
[평가예 1]
위면이 쿼츠 유리로 이루어진 부피 53 L 반응기(batch reactor) 내에 실시예 1의 광촉매(Fe-TiO2)를 넣고, 아세트알데히드 초기 농도 66 ppm, 건조 공기(상대습도: ~33%, 총 압력은 760 torr) 및 상온에서 백색 LED로 가시광 영역을 조사하여 아세트알데히드의 광분해 특성을 분석하였다. 반응기 내의 아세트알데히드는 기체크로마토그래피를 이용하여 주시적으로 측정하였다. 그 결과는 도 9에 나타내었다.
도 9는, 33 %의 습도 조건에서 가시광선 (백색광) 조사 시간에 따른 (a) 아세트알데하이드 몰수 변화, 및 (b) 아세트알데하이드의 광분해 반응의 결과 발생한 이산화탄소 몰수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9을 살펴보면 광촉매(Fe-TiO2)는 가시광선(백색광) 조사에 의한 광촉매 활성에 의해서 아세트알데히드의 광분해가 이루어지는 것을 확인할 수 있고, 페로센 증착양이 0.09 wt %에서 가시광에서 분해 효율이 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 또한, 철의 함량이 적어질수록 Fe-TiO2의 아세트알데하이드 광분해 속도가 빨라지는 것을 확인할 수 있다.
[평가예 2]
페로센 증착양이 0.13 wt %인 광촉매(Fe-TiO2)를 습도가 없는 건식 조건 및 상대습도: ~33%의 습도 조건에서 각각 평가예 1과 동일한 방법으로 아세트알데히드의 광분해 특성을 분석하였다. 반응기 내의 아세트알데히드 및 이산화탄소를 기체크로마토그래피를 이용하여 주기적으로 측정하였다. 그 결과는 도 10 및 도 11에 나타내었다.
도 10은, 건조 조건과 33% 습도 조건에서의 아세트알데하이드 광분해 실험을 했을 때, 가시광선 조사 시간에 따른 (a) 아세트알데하이드 몰 수 변화와 (b) 아세트알데하이드의 광분해 반응의 결과 발생한 이산화탄소 몰수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10을 살펴보면 점선으로 표시된 같은 아세트 알데하이드 농도 구간에서 두 그래프의 기울기는 비슷하게 나타났는데, 습도의 유무와 상관없이 가시광 조사에서 아세트 알데하이드 광분해 활성은 비슷하게 유지됨을 보여준다.
또한, 이산화탄소 발생이 광조사 시간에 따라 증가되는 것을 확인할 수 있고, 이는 아세트 알데히드의 완전산화에 의한 이산화탄소 발생된 것이다.
도 11은 33% 습도 조건에서 반복적으로 아세트 알데하이드 광분해 실험에 활용하였을 때, 가시광선 조사 시간에 따른 (a) 아세트알데하이드 몰 수 변화와 (b) 아세트알데하이드의 광분해 반응의 결과 발생한 이산화탄소 몰수 변화를 나타낸 그래프이며, 도 11에서 반복적인 광분해 실험에도 높은 광촉매 활성이 유지됨을 확인할 수 있다.
종합적으로, 본 발명은, 산화철이 증착된 TiO2 (이하 Fe-TiO2)는 대표적인 휘발성 유기 화합물 중 하나인 아세트알데하이드의 광분해 실험에 활용되었고 산화철의 함량에 따른 Fe-TiO2의 아세트알데하이드 광분해 활성을 비교하였다.
그 결과 철의 함량이 약 0.09 wt% 정도로 낮을 때 Fe-TiO2의 아세트알데하이드의 광분해 활성이 가장 높았고, 20 시간 안에 초기 아세트알데하이드 농도(~95 mol ppm)의 약 70%가 감소하였다. 또한, 일반적으로 광촉매의 활성은 습도에 많은 영향을 받게 되지만 본 발명에서 제조된 Fe-TiO2는 건조 조건과 습도 조건에서 비슷한 촉매 활성을 보여 광촉매 활성이 습도에 민감하지 않음을 확인하였다.
다양한 철의 함량을 가지는 Fe-TiO2의 질소 흡착 실험을 진행한 결과, 철의 함량이 광촉매의 총 비표면적에 크게 영향을 주지 않은 것을 확인하였다. 또한, Fe-TiO2의 광촉매 활성은 철의 함량에 크게 영향을 받은 것으로 보았을 때 광촉매의 활성은 표면 구조보다는 증착된 산화철 나노입자와 TiO2가 이루는 계면의 전자구조가 더 중요하다는 것을 알 수 있다.
또한, 투과전자현미경을 통해 철 함량이 낮아질수록 표면에 존재하는 산화철 입자의 크기가 작아지는 것을 확인하였고 1~3 나노미터 수준의 산화철 입자가 증착되었을 때 광촉매 활성이 증가될 수 있다. 분석 결과들을 통해 미루어보았을 때 아주 작은 크기의 산화철 나노입자가 약 0.09 wt%의 함량을 가질 때 Fe-TiO2는 가시광선 영역의 빛을 흡수하여 전자/정공 쌍을 가장 효율적으로 분리해내어 산소/물과 반응해 라디칼을 생성시켜 아세트알데하이드를 빠르게 분해시킬 수 있다.
한편, 타켓 유기물이 완전히 산화되지 않고 부분적으로 산화가 되어 광촉매 표면에 남아 활성 자리를 막으면 광촉매의 활성이 감소하게 되는데, 이는 광촉매의 가장 큰 문제점 중의 하나로 지적받고 있다. 그러나 본 발명에서 제조한 Fe-TiO2는 반복된 아세트알데하이드 광분해 실험에도 촉매 활성이 동일하게 유지가 되었고 따라서 촉매 활성 저하의 문제점 역시 없는 것을 확인하였다.
여기서, 상술한 무기산화물 기반 광촉매를 포함하는 광촉매층(150)은 확산판(140) 뿐만 아니라 경우에 따라 하우징(110)의 내벽면 또는 외벽면에도 도포될 수 있다. 이 경우, 하우징(110)의 내벽면 또는 외벽면에 형성된 광촉매층(150)을 활성화시키기 위해 기판(120)의 상면에도 LED(130)가 배치될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 조명기구(100)의 사용과정을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
본 발명의 조명기구(100)은 실내의 천정에 설치될 수 있다. 이를 위해 하우징(110)의 상면이 천정에 설치되고, 전선 등이 기판(120)에 전기적으로 연결된다.
전원이 공급되면, 기판(120)에 실장된 복수개의 LED(130)가 발광된다. 도 2에 도시된 바와 같이 LED(130)가 발광되면서 400nm 이상의 가시광선(L)이 확산판(140)을 향해 조사된다. 확산판(140)에 도포된 광촉매층(150)은 가시광선(L)에 의해 활성화된다.
특히, 본 발명의 광촉매층(150)에 사용된 무기산화물 기반 광촉매는 가시광선(L)에 의해 활성화되며 공기중의 유해물질 등을 분해하거나 정화한다. 이에 의해 본 발명의 조명기구(100)이 설치된 내부공간을 밝힐 뿐만 아니라 공기도 정화하게 된다.
이 때, 도 3에 도시된 바와 같이 하우징(110)의 양측에 형성된 제1공기이동공(115)으로 외부공기(A)가 유입된 후 제2공기이동공(117)으로 배출된다. 이러한 자연대류에 의해 복수개의 LED(130)에서 발생되는 열이 외부공기(A)와 열교환될 수 있다.
한편, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 조명기구(100a)의 구성을 도시한 사시도이다.
앞서 설명한 바람직한 실시예에 따른 조명기구(100)은 하우징(110)의 양측에 한 쌍의 공기이동공(115,117)이 마주보게 형성되어 자연 대류에 의해 LED(130)에서 발생된 열을 열교환하였다.
반면, 다른 실시예에 따른 조명기구(100a)은 한 쌍의 공기이동공(115,117)에 한 쌍의 카트리지(160,160a)를 결합한다. 카트리지(160,160a)의 내부에는 송풍팬(미도시)이 회전가능하게 구비된다.
이 때, 제1공기이동공(115)에 결합된 제1카트리지(160,160a)의 송풍팬(미도시)은 내부로 공기가 유입되는 방향으로 회전되고, 제2공기이동공(117)에 결합된 제2카트리지(160a)는 내부의 공기를 외부로 배출시키는 방향으로 회전된다.
이러한 한 쌍의 카트리지(160,160a)의 동작에 의해 강제로 외부공기가 하우징(110) 내부를 순환하며 LED(130)에서 발생된 열을 외부로 배출시키게 된다. 이에 의해 조명기구(100a)의 방열효율 및 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 조명기구(100b)의 구성을 도시한 사시도이다.
앞서 설명한 바람직한 실시예에 따른 조명기구(100)은 실내의 천정에 결합되는 실내등 형태이다.
반면, 또 다른 실시예에 따른 조명기구(100b)은 실외에 설치될 수 있는 형태이다. 이를 위해 하우징(110)에는 수직하게 형성된 등주(170)가 결합된다. 등주(170)는 지면에 대해 하우징(110)이 일정 높이 이격되게 배치되도록 하우징(110)을 지지한다.
이러한 또 다른 실시예에 따른 조명기구(100b)은 야외에 설치되어 가시광선을 조사하며 주변을 밝히고 공기를 정화하는 기능을 하게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 조명기구는 하우징의 양측에 공기이동공이 형성되어 대류에 의해 LED에서 발생된 열을 외부로 방출시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 조명기구는 확산판 또는 하우징에 가시광선에 의해 활성화되는 무기산화물 기반 광촉매가 포함된 광촉매층을 형성하여 공기를 정화할 수 있다.
이상에서는 다양한 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상을 살펴보았다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 상기 살펴본 실시예를 다양하게 변형하거나 변경할 수 있음은 자명하다. 또한, 비록 명시적으로 도시되거나 설명되지 아니하였다 하여도 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 본 발명에 의한 기술적 사상을 포함하는 다양한 형태의 변형을 할 수 있음은 자명하며, 이는 여전히 본 발명의 권리범위에 속한다. 첨부하는 도면을 참조하여 설명된 상기의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 기술된 것이며 본 발명의 권리범위는 이러한 실시예에 국한되지 아니한다.
본 발명은 조명기구에 관한 것이다.
100 : 조명기구 110 : 하우징
111 : 제1측면 113 : 제2측면
115 : 제1공기이동공 117 : 제2공기이동공
120 : 기판 130 : LED
140 : 확산판 150 : 광촉매층
160,160a : 카트리지
170 : 등주

Claims (5)

  1. 기판(120)과;
    기판(120)에 실장되는 복수개의 LED(130)와;
    내부에 상기 기판(120)을 수용하며, 하부가 개방형성된 하우징(110)과;
    상기 하우징(110)의 개방된 하부에 결합되어 상기 LED(130)에서 발생된 광을 외부로 확산시키는 확산판(140)을 포함하며,
    상기 하우징(110)에는 외부공기 이동을 위한 공기이동공(115,117)이 관통형성되고,
    상기 하우징(110)의 표면 또는 상기 확산판(140)의 표면에는 무기산화물 기반 광촉매를 포함하는 광촉매층(150)이 형성되고,
    상기 무기산화물 기반 광촉매는,
    무기산화물과;
    상기 무기산화물 상에 형성된 페로센 유래 철 산화물층을 포함하며,
    상기 무기산화물 기반 광촉매는 400nm 이상의 가시광선 영역에서 광활성되는 것을 특징으로 하는 공기이동공과 광촉매층을 갖는 조명기구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기이동공(115,117)은 상기 하우징(110)의 양측에 마주보게 한 쌍이 구비되어,
    일측 공기이동공(115)으로 유입된 외부공기가 타측 공기이동공(117)으로 배출되는 것을 특징으로 하는 공기이동공과 광촉매층을 갖는 조명기구.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하우징(110)의 하부에 수직하게 연장형성되어 상기 하우징(110)이 지면에 일정 높이 이격되게 배치되게 하는 등주(170)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기이동공과 광촉매층을 갖는 조명기구.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 페로센 유래 철 산화물층에서 철의 함량이 상기 무기산화물 대비 0.001 내지 10 중량% 인 것을 특징으로 하는 공기이동공과 광촉매층을 갖는 조명기구.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 페로센 유래 철 산화물층은 상기 무기산화물 상에 증착된 페로센이 열처리된 것을 특징으로 하는 공기이동공과 광촉매층을 갖는 조명기구.
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