KR102137766B1 - Manufacturing method of a metal textile typed photocatalyst filter, the metal textile typed photocatalyst filter manufatured therefrom, a photocatalyst filter module and a cleaner the same - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a method for manufacturing a metal textile typed photocatalyst filter, including: (S1) a step of preparing a metal textile including stainless steel wire having 15 wt% or more of chromium content; (S2) a step of primarily performing heat treatment for the metal textile at a temperature of 600-800°C; (S3) a step of forming a titanium dioxide coating layer on the surface of the metal textile subjected to high temperature heat treatment through chemical vapor deposition; and (S4) a step of secondarily performing heat treatment for a metal textile coated with the titanium dioxide coating layer at a temperature of 400-500°C. According to the manufacturing method of the present invention, there may be manufactured a metal textile type photocatalytic filter with improved pollutant resolution, through a simpler manner, and at an economical cost.

Description

금속직물형 광촉매 필터의 제조방법, 이로부터 제조된 금속직물형 광촉매 필터, 이를 구비한 광촉매 필터 모듈 및 정화기 {Manufacturing method of a metal textile typed photocatalyst filter, the metal textile typed photocatalyst filter manufatured therefrom, a photocatalyst filter module and a cleaner the same}Manufacturing method of metal fabric type photocatalyst filter, metal fabric type photocatalyst filter manufactured therefrom, photocatalyst filter module and purifier having same {Manufacturing method of a metal textile typed photocatalyst filter, the metal textile typed photocatalyst filter manufatured therefrom, a photocatalyst filter module and a cleaner the same}

본 발명은 이산화티타늄의 광촉매 활성을 이용하여 오염물질을 분해 및 제거하는 기능을 갖는 금속직물 형태의 광촉매 필터의 제조방법, 이로부터 제조된 금속직물형 광촉매 필터, 이를 구비한 광촉매 필터 모듈 및 정화기에 관한 것이다. The present invention is a method of manufacturing a metal fabric type photocatalyst filter having a function of decomposing and removing contaminants using the photocatalytic activity of titanium dioxide, a metal fabric type photocatalyst filter prepared therefrom, a photocatalyst filter module and a purifier having the same It is about.

이산화티타늄은 빛, 특히 자외선에 의해 활성화되어 각종 유기 및 무기 오염물질을 분해하여 제거하는 기능을 갖는 것으로 잘 알려져 있다. 이러한 오염물질의 분해반응은 이산화티타늄의 밴드갭(아나타제 결정 기준 3.2eV) 이상의 에너지를 빛으로부터 흡수하여 개시된다. It is well known that titanium dioxide is activated by light, particularly ultraviolet light, to decompose and remove various organic and inorganic pollutants. The decomposition reaction of these pollutants is initiated by absorbing energy above the band gap of titanium dioxide (3.2eV based on anatase crystals) from light.

그러나, 빠른 속도로 흘러가는 공기나 액체중의 오염물질을 제거하기에는 이산화티타늄 광촉매의 활성이 낮아 실용화에 한계가 있다. However, in order to remove contaminants from air or liquid flowing at a high speed, the activity of the titanium dioxide photocatalyst is low, and thus there is a limit to practical use.

이산화티타늄 광촉매 활성이 낮은 주요한 이유로는 첫째, 이산화티타늄은 광촉매 반응을 위한 주된 광원인 자외선 흡수율이 충분치 않고, 둘째 광촉매 반응으로 생성된 전자(electron)과 정공(hole)이 불안정하여 쉽게 재결합이 일어나기 때문이다. The main reason for the low titanium dioxide photocatalytic activity is that, first, titanium dioxide does not have sufficient UV absorption, the main light source for photocatalytic reactions, and secondly, recombination occurs easily because electrons and holes generated by the photocatalytic reaction are unstable. to be.

이러한 문제점들을 해결하고자 많은 연구가 진행되고 있다. 금속 산화물인 광촉매의 결정구조 속에 다른 종류의 금속 또는 비금속을 주입하여 내부의 밀도와 결합 에너지를 변화시킴으로써 광전이된 전하의 재결합을 방해하고 전자-정공 전달율을 상승시키도록 밴드갭 에너지를 변화시키는 방법 등이 대표적이다. 예를 들어, 귀금속을 광촉매 물질와 혼성하는 방법(한국 등록특허 10-1060200), 스퍼터링을 통해 광촉매 물질에 금속을 코팅하는 방법(한국 등록특허 10-1465299), 금속이온 혹은 질소이온을 광촉매 물질에 도핑하는 방법(한국 등록특허 10-0726336), 밴드갭이 상대적으로 작은 다른 반도체간의 복합체를 혼성하는 방법(한국 등록특허 10-1446327), 탄소 기재를 이용하여 하이브리드 광촉매 구조를 만드는 방법(한국 등록특허 10-1802590 및 한국 등록특허 10-1576635) 등이 보고되어 있다. To solve these problems, many studies are being conducted. Method of changing bandgap energy to prevent recombination of photoelectric charges and increase electron-hole transfer rate by injecting different types of metals or nonmetals into the crystal structure of a photocatalyst that is a metal oxide to change the density and binding energy inside The back is typical. For example, a method of hybridizing a noble metal with a photocatalytic material (Korea Patent No. 10-1060200), a method of coating a metal with a photocatalyst material through sputtering (Korea Patent No. 10-1465299), doping metal ions or nitrogen ions into the photocatalytic material Method (Korea Patent Registration No. 10-0726336), a method of hybridizing a complex between different semiconductors having a relatively small band gap (Korea Patent Registration No. 10-1446327), and a method of making a hybrid photocatalytic structure using a carbon substrate (Korea Patent Registration No. 10 -1802590 and Korean Patent No. 10-1576635).

그러나 전술한 방법들은 고가의 기기를 적용하여 복잡한 여러 단계의 공정을 거쳐 제조해야 하거나, 실험실 수준이 아닌 상업적 대량생산시 경제성을 만족하지 못하는 문제점들이 있다. However, the above-described methods have problems in that they need to be manufactured through a complicated multi-step process by applying expensive equipment, or they do not satisfy the economical efficiency in commercial mass production, not in the laboratory level.

본 발명의 과제는 상기와 같은 기술적 배경을 고려하여 창안된 것으로서, 비교적 간단하고 경제적인 비용으로 이산화티타늄의 오염물질 분해능이 개선된 금속직물형 광촉매 필터를 제조하는 방법, 이로부터 제조된 금속직물형 광촉매 필터, 이를 구비한 광촉매 필터 모듈 및 정화기를 제공하는데 있다.The object of the present invention was devised in consideration of the technical background as described above, a method for manufacturing a metal fabric type photocatalyst filter with improved pollutant resolution of titanium dioxide at a relatively simple and economical cost, and a metal fabric type produced therefrom It is to provide a photocatalyst filter, a photocatalyst filter module and a purifier having the same.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 금속직물형 광촉매 필터의 제조방법은, To achieve the above object, a method of manufacturing a metal fabric type photocatalyst filter according to the present invention,

(S1) 크로뮴 함량이 15 중량% 이상인 스테인레스강 와이어로 이루어진 금속직물을 준비하는 단계;(S1) preparing a metal fabric made of stainless steel wire having a chromium content of 15% by weight or more;

(S2) 상기 금속직물을 600 내지 800 ℃의 온도로 1차 열처리하는 단계;(S2) the primary heat treatment of the metal fabric at a temperature of 600 to 800 ℃;

(S3) 상기 고온 열처리된 금속직물의 표면에 화학기상증착을 이용하여 이산화티타늄 코팅층을 형성하는 단계; 및(S3) forming a titanium dioxide coating layer on the surface of the high-temperature heat-treated metal fabric using chemical vapor deposition; And

(S4) 상기 이산화티타늄 코팅층이 형성된 금속직물을 400 내지 500 ℃의 온도로 2차 열처리하는 단계를 포함한다. (S4) a second heat treatment of the metal fabric formed with the titanium dioxide coating layer at a temperature of 400 to 500°C.

본 발명에 따른 금속직물형 광촉매 필터의 제조방법에 있어서, 상기 스테인레스강 와이어의 평균 직경은 0.035 내지 1.0 mm이고, 상기 금속직물의 공극율을 30% 이상일 수 있다. In the method of manufacturing a metal fabric type photocatalyst filter according to the present invention, the average diameter of the stainless steel wire is 0.035 to 1.0 mm, and the porosity of the metal fabric may be 30% or more.

본 발명에 따른 금속직물형 광촉매 필터의 제조방법에 있어서, 상기 1차 열처리 후의 금속직물 표면은 산화크로뮴이 50 중량% 이상일 수 있다.In the method of manufacturing a metal fabric type photocatalyst filter according to the present invention, the surface of the metal fabric after the first heat treatment may have chromium oxide of 50% by weight or more.

본 발명에 따른 금속직물형 광촉매 필터의 제조방법에 있어서, 상기 화학기상증착은 400 내지 440 ℃에서 수행하는 것이 바람직하다.In the method of manufacturing a metal fabric type photocatalyst filter according to the present invention, the chemical vapor deposition is preferably performed at 400 to 440°C.

또한, 본 발명은 전술한 방법들로 제조된 금속직물형 광촉매 필터를 포함하는 필터 유니트; 및In addition, the present invention is a filter unit including a metal fabric type photocatalyst filter manufactured by the above-described methods; And

상기 금속직물형 광촉매 필터에 자외선을 조사하기 위한 발광 다이오드 램프가 장착된 광원 유니트를 구비하는 광촉매 필터 모듈을 제공한다.It provides a photocatalyst filter module having a light source unit equipped with a light emitting diode lamp for irradiating ultraviolet rays to the metal fabric type photocatalyst filter.

본 발명의 광촉매 필터 모듈에 있어서, 오염물질들이 상기 필터 유니트를 균일하게 통과되도록 유도하는 허니컴 구조의 통로 유니트를 더 구비할 수 있다.In the photocatalyst filter module of the present invention, it is possible to further include a honeycomb structure passage unit that induces contaminants to pass through the filter unit uniformly.

이러한 광촉매 필터 모듈은 공기 청정기와 같은 정화기에 구비되어 유기 또는 무기 오염물질의 정화에 유용하게 이용될 수 있다. The photocatalyst filter module is provided in a purifier such as an air purifier and can be usefully used for purifying organic or inorganic pollutants.

본 발명의 제조방법에 따르면, 이산화티타늄 광촉매는 저렴한 스테인레스강 와이어 위에 코팅층으로 형성하여 직물 형태로 제직함으로서 양호한 제직성을 확보할 수 있으며, 필터의 내구성 또한 매우 양호하다.According to the manufacturing method of the present invention, the titanium dioxide photocatalyst can be formed as a coating layer on an inexpensive stainless steel wire to weave in the form of a fabric to ensure good weavability, and the durability of the filter is also very good.

또한, 소정 함량 이상의 크로뮴을 함유하는 스테인레스강 와이어로 된 직물을 1차 고온 열처리-화학기상증착에 의한 이산화티타늄 코팅층 형성-2차 열처리를 수행하는 비교적 간단한 방법으로 이산화티타늄 코팅층에 크로뮴을 효율적으로 도핑함으로서 이산화티나튬 코팅층의 광촉매 활성이 개선된다. In addition, a relatively simple method of performing a primary heat treatment-forming a titanium dioxide coating layer by chemical vapor deposition-secondary heat treatment of a fabric made of stainless steel wire containing a certain amount or more of chromium efficiently doping chromium on the titanium dioxide coating layer By doing so, the photocatalytic activity of the titanium dioxide coating layer is improved.

이러한 방법으로 제조된 금속직물형 광촉매 필터는 오염물질 분해능이 양호하므로, 자외선을 조사하기 위한 발광 다이오드 램프가 장착된 광원 유니트와 함께 광촉매 필터 모듈로 제조되어 공기 청정기와 같은 정화기로서 유용하게 이용된다.Since the metal fabric type photocatalyst filter manufactured in this way has good pollutant resolution, it is manufactured as a photocatalyst filter module together with a light source unit equipped with a light emitting diode lamp for irradiating ultraviolet rays, and is useful as a purifier such as an air purifier.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 광촉매 필터 모듈에 대한 개략적인 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 광촉매 필터 모듈을 구현한 시제품 사진이고,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 금속직물을 1차 열처리 수행 전후의 표면에 대한 X-선 회절분석 그래프이고,
도 4의 (a)는 본 발명의 실시예 1에 따라 금속직물을 1차 열처리 수행 전후의 표면에 대한 SEM 사진이고, (b)는 본 발명의 실시예 1에 따라 금속직물을 1차 열처리 수행 전후의 표면 성분을 주사전자현미경-에너지분산 분석법(SEM-EDX법)을 이용하여 분석한 표이고,
도 5의 (a)는 본 발명의 실시예에 따라 화학기상증착을 이용하여 이산화티타늄 코팅층을 형성시 공정 온도 변화에 따른 이산화티타늄 코팅층의 X-선 회절분석 그래프이고, (b)는 이들에 대한 SEM 사진이고, (c)는 이들 표면을 원자현미경(AFM)으로 분석한 평탄도(RMS)를 도시한 그래프이고,
도 6의 (a)는 실시예 1 및 비교예에 따라 얻은 금속직물형 광촉매 필터의 자외선-가시광선 영역에 대한 흡광도이고 (b)는 자외선 A의 대표 파장(365nm)에서 실시예 1 및 비교예의 금속직물형 광촉매 필터가 유기물질인 니트로벤젠을 분해하는 농도 변화를 측정하여 광촉매 활성을 평가한 그래프이다.
1 is a schematic configuration diagram of a photocatalyst filter module according to an aspect of the present invention,
Figure 2 is a prototype picture of a photocatalyst filter module according to an aspect of the present invention,
3 is an X-ray diffraction analysis graph of the surface before and after performing the first heat treatment of the metal fabric according to Example 1 of the present invention,
Figure 4 (a) is a SEM image of the surface before and after the first heat treatment of the metal fabric according to the first embodiment of the present invention, (b) is the first heat treatment of the metal fabric according to the first embodiment of the present invention Table before and after surface component analysis using a scanning electron microscope-energy dispersion analysis method (SEM-EDX method),
Figure 5 (a) is an X-ray diffraction analysis graph of the titanium dioxide coating layer according to the process temperature changes when forming a titanium dioxide coating layer using a chemical vapor deposition according to an embodiment of the present invention, (b) is for these SEM photograph, (c) is a graph showing the flatness (RMS) of these surfaces analyzed by atomic force microscopy (AFM),
Figure 6 (a) is the absorbance of the UV-visible region of the metal fabric type photocatalyst filter obtained according to Example 1 and Comparative Example (b) is a representative wavelength of ultraviolet A (365nm) of Example 1 and Comparative Example It is a graph that evaluates the photocatalytic activity by measuring the concentration change in which the metal fabric type photocatalyst filter decomposes the organic material, nitrobenzene.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to ordinary or lexical meanings, and the inventor appropriately explains the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as meanings and concepts consistent with the technical spirit of the present invention. Therefore, the embodiments shown in the embodiments and the drawings described in this specification are only the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical spirit of the present invention, and thus can replace them at the time of application. It should be understood that there may be equivalents and variations.

본 발명에 따른 금속직물형 광촉매 필터의 제조방법에 따르면, 먼저 크로뮴 함량이 15 중량% 이상인 스테인레스강 와이어로 이루어진 금속직물을 준비한다(S1 단계). According to the method of manufacturing a metal fabric type photocatalyst filter according to the present invention, first, a metal fabric made of stainless steel wire having a chromium content of 15% by weight or more is prepared (step S1).

시판되는 스테인레스강은 구성 성분들의 함량이 제공되고 있는데, 크로뮴 함량이 15 중량% 이상인 스테인레스강으로는 오스테아이트계 스테인레스강 등이 있으며, 이에 한정되지 않는다. 스테인레스강 와이어에 함유된 크로뮴 함량이 15 중량% 이상일 때 후술하는 1차 열처리에 의해 스테인레스강 와이어의 표면에 산화크로뮴층이 충분히 형성되어 후속 단계에 의해 이산화티타늄 코팅층으로 원활한 크로뮴 도핑이 이루어질 수 있다.Commercially available stainless steels are provided with the contents of the components, and stainless steels having a chromium content of 15% by weight or more include, but are not limited to, austenitic stainless steels. When the chromium content in the stainless steel wire is 15% by weight or more, a chromium oxide layer is sufficiently formed on the surface of the stainless steel wire by a primary heat treatment, which will be described later, so that chromium doping can be smoothly performed with the titanium dioxide coating layer by a subsequent step.

스테인레스강 와이어를 이용하여 금속직물을 제직하는 방법은 당업계에 잘 알려져 있다. 예를 들어 스테인레스강 와이어를 이용하여 평직 또는 능직 등의 구조로 금속직물을 제직할 수 있다. 이 ‹š, 스테인레스강 와이어의 평균 직경은 0.035 내지 1.0 mm이고, 상기 금속직물의 공극율을 30% 이상인 것이 제직성, 내구성 및 필터 시스템의 차압을 고려할 때 유리하다. 제직밀도는 13*13 picks/mm2 이하인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다. Methods of weaving metal fabrics using stainless steel wire are well known in the art. For example, a metal fabric may be woven in a structure such as plain weave or twill weave using stainless steel wire. The average diameter of this ‹š, stainless steel wire is 0.035 to 1.0 mm, and the porosity of the metal fabric is 30% or more, which is advantageous when considering the weavability, durability, and differential pressure of the filter system. Weaving density is preferably 13*13 picks/mm 2 or less, but is not limited thereto.

이어서, 금속직물을 600 내지 800 ℃의 온도로 1차 열처리한다(S2 단계).Subsequently, the metal fabric is first heat-treated at a temperature of 600 to 800°C (step S2).

금속직물은 필요에 따라 1차 열처리 이전에 표면의 불순물을 제거하기 위래 세척 공정을 거칠 수 있다. 세척은 약한 산성의 물이나 메탄올 등에 충분한 시간 동안 침지하여 불순물을 제거한 후 이온이 제거된 물로 씻어내는 방법으로 수행될 수 있다. The metal fabric may be subjected to a cleaning process to remove impurities on the surface before the first heat treatment, if necessary. Washing may be performed by immersing in weakly acidic water or methanol for a sufficient period of time to remove impurities, and then washing with ion-removed water.

금속직물은 공기 또는 산소 공급이 가능한 600 ℃ 내지 800 ℃의 열처리로에 넣어 예를 들어 1~2 시간 열처리하는 방법으로 1차 열처리를 할 수 있다. 이러한 1차 열처리 공정을 통해 이미 자연적으로 형성되어 있는 금속직물 표면의 산화층을 추가로 강화시키고 두껍게 한다. 1차 열처리에 따라 금속직물의 표면에는 크로뮴 산화물(Cr2O3 등), 철 산화물(Fe2O3 등), 니켈 산화물(NiO 등)이 추가적으로 형성되어 금속 산화층을 이루어진다.The metal fabric may be subjected to primary heat treatment by, for example, 1 to 2 hours heat treatment in a heat treatment furnace at 600°C to 800°C capable of supplying air or oxygen. Through the primary heat treatment process, the oxide layer on the surface of the metal fabric that is already naturally formed is further strengthened and thickened. Chromium oxide (Cr 2 O 3, etc.), iron oxide (Fe 2 O 3, etc.), nickel oxide (NiO, etc.) are additionally formed on the surface of the metal fabric according to the first heat treatment to form a metal oxide layer.

열처리 온도와 시간에 따라 특정 성분의 함량 비율을 높이거나 줄일 수 있다. Depending on the heat treatment temperature and time, the content ratio of a specific component may be increased or decreased.

1차 열처리 온도가 600 ℃ 미만이면 내구성이 약한 철 산화물의 상대적인 함량 비율이 높아지고, 열처리 온도가 올라가면 내구성이 우수한 크로뮴 산화물의 함량 비율이 상대적으로 높아진다. 그러나 800 ℃가 넘어가면 크로뮴 산화물 함량 비율이 유의미하게 증가하지는 않는다. 또한 1차 열처리 온도가 800 ℃에 가까와질수록 금속직물 표면의 금속 산화층은 두껍게 강화되어 충분한 크로뮴 산화물 등이 표면에 존재하게 되고, 필터 기재로 장기간 사용할 수 있는 내구성이 우수한 금속 산화층을 가지게 된다. 열처리 공정은 바람직하게는 1시간 이상을 유지하며 그 후 상온의 공기를 순환시키는 방법 등으로 급냉시키는 것이 바람직하다. 1차 열처리 후의 금속직물 표면은 산화크로뮴이 50 중량% 이상이 되도록 열처리 온도와 시간을 조절하는 것이 바람직하다.When the primary heat treatment temperature is less than 600° C., the relative content ratio of iron oxide, which is weak in durability, increases, and when the heat treatment temperature increases, the content ratio of chromium oxide, which has excellent durability, increases. However, the chromium oxide content ratio does not increase significantly when the temperature exceeds 800°C. In addition, as the primary heat treatment temperature approaches 800°C, the metal oxide layer on the surface of the metal fabric is strengthened so that sufficient chromium oxide or the like is present on the surface and has a metal oxide layer having excellent durability that can be used for a long time as a filter substrate. The heat treatment process is preferably maintained for 1 hour or more, and then quenched by a method of circulating air at room temperature. It is preferable to control the heat treatment temperature and time so that the surface of the metal fabric after the first heat treatment is 50 wt% or more of chromium oxide.

그런 다음, 고온으로 1차 열처리된 금속직물의 표면에 화학기상증착을 이용하여 이산화티타늄 코팅층을 형성한다(S3 단계).Then, a titanium dioxide coating layer is formed on the surface of the metal fabric primarily heat-treated at high temperature using chemical vapor deposition (step S3).

화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)을 이용하여 금속직물의 표면에 이산화티타늄 광촉매의 코팅층을 형성함으로서 표면적을 극대화하고 코팅층 내의 이산화티타늄 입자를 나노 구조로 성장시킬 수 있다.By forming a coating layer of a titanium dioxide photocatalyst on the surface of a metal fabric using chemical vapor deposition (CVD), it is possible to maximize the surface area and grow the titanium dioxide particles in the coating layer into a nanostructure.

화학기상증착시 티타늄 전구체로 티타늄 테트라-이소프로폴사이드(Titanium tetra-isopropoxide, TTIP) 또는 테트라부틸티타네이트(Tetrabutyltitanate, TBOT) 등을 사용하여 불활성 운반가스에서 진행할 수 있다. In chemical vapor deposition, titanium tetra-isopropoxide (TTIP) or tetrabutyltitanate (TBOT) may be used as the titanium precursor to proceed in an inert carrier gas.

화학기상증착시의 온도는 400 내지 440 ℃에서 수행하는 것이 바람직하다. 이러한 비교적 높지 않은 온도 범위에서 화학기상증착을 수행하면, 이산화티타늄 코팅층의 평탄도도 양호하면서도 형성되는 이산화티타늄 결정구조를 아나타제 타입으로 천천히 성장시키면서 비표면적이 일정 수준 이상이 되도록 하는데 유리하다. The temperature at the time of chemical vapor deposition is preferably performed at 400 to 440°C. When chemical vapor deposition is performed in a temperature range that is not relatively high, the flatness of the titanium dioxide coating layer is good, but it is advantageous to slowly grow the formed titanium dioxide crystal structure to the anatase type and have a specific surface area of a certain level or more.

이어서, 이산화티타늄 코팅층이 형성된 금속직물을 400 내지 500 ℃의 온도로 2차 열처리한다(S4 단계).Subsequently, the metal fabric having the titanium dioxide coating layer formed thereon is subjected to a second heat treatment at a temperature of 400 to 500°C (step S4).

2차 열처리를 수행함으로서, 화학기상증착으로 형성된 이산화티타늄 코팅층과 금속직물 사이의 약한 화학적 결합을 개선시키고 아닐링(anealing) 효과를 통해 평탄도도 개선하는 기능 외에, 금속직물 표면에 형성된 금속 산화층 표면의 크로뮴 이온(Cr3+) 등의 금속이온을 이산화티타늄 코팅층의 결정구조 내에 안정적으로 열확산(Thermal Diffusion)시켜 결합시킴으로서 광촉매 활성을 증가시키게 된다. 금속직물의 금속산화층에 존재하는 크로뮴 이온은 이산화티타늄 코팅층의 아나타제 구조의 밴드갭 에너지(3.2eV)보다 낮은 밴드갭을 가지고 있으므로, 2차 열처리 과정에서 이산화티타늄의 결정 내에 전자의 포획 사이트를 형성하고 전자와 정공의 결합을 방해하는 역할을 하여 광촉매 활성 증가시킨다. 2차 열처리는 이산화티타늄 코팅층이 형성된 금속직물을 400~500℃ 에서 예를 들어 1시간 이상 동안 대기중의 열처리로에서 열처리하고 열처리로 내에서 자연스럽게 냉각시키는 방법으로 수행할 수 있다. 2차 열처리 온도가 400℃ 미만이면 크로뮴 이온의 충분한 열확산을 기대하기 어렵고, 500℃를 초과하면 이산화티타늄 결정 구조가 루타일 타입으로 전환될 가능성이 커져서 광촉매 활성의 개선이 어려울 수 있다. In addition to the function of improving the weak chemical bond between the titanium dioxide coating layer formed by chemical vapor deposition and the metal fabric by performing secondary heat treatment and improving the flatness through an annealing effect, the surface of the metal oxide layer formed on the surface of the metal fabric by thermal diffusion of chromium ions stably (Thermal diffusion) metal ions, such as in the crystal structure of the titanium dioxide coating (Cr + 3), thereby increasing the bonding sikimeuroseo photocatalytic activity. The chromium ion present in the metal oxide layer of the metal fabric has a band gap lower than the band gap energy (3.2 eV) of the anatase structure of the titanium dioxide coating layer, thereby forming an electron capture site in the crystal of titanium dioxide in the second heat treatment process. It acts as a barrier to the binding of electrons and holes, increasing photocatalytic activity. The secondary heat treatment may be performed by heat-treating the metal fabric formed with the titanium dioxide coating layer at 400 to 500° C. in a heat treatment furnace in the atmosphere for at least 1 hour, and naturally cooling the heat treatment furnace. If the secondary heat treatment temperature is less than 400°C, it is difficult to expect sufficient thermal diffusion of chromium ions, and if it exceeds 500°C, the possibility of the titanium dioxide crystal structure being converted to a rutile type increases, which may make it difficult to improve the photocatalytic activity.

전술한 방법으로 제조된 금속직물형 광촉매 필터는 오염물질 분해능이 양호하여 광촉매 필터 모듈로 제조되어 공기 청정기와 같은 정화기로서 유용하게 이용될 수 있다.The metal fabric-type photocatalyst filter manufactured by the above-described method has good contaminant resolution and is manufactured by a photocatalyst filter module, and thus can be usefully used as a purifier such as an air purifier.

따라서, 본 발명은 자외선을 조사하기 위한 발광 다이오드 램프가 장착된 광원 유니트와 함께 광촉매 필터 모듈로 제조되어 공기 청정기와 같은 정화기로서 유용하게 이용된다.Therefore, the present invention is made of a photocatalyst filter module together with a light source unit equipped with a light emitting diode lamp for irradiating ultraviolet rays, and is useful as a purifier such as an air purifier.

전술한 방법으로 제조된 금속직물형 광촉매 필터를 포함하는 필터 유니트; 및A filter unit including a metal fabric type photocatalyst filter manufactured by the above-described method; And

상기 금속직물형 광촉매 필터에 자외선을 조사하기 위한 발광 다이오드 램프가 장착된 광원 유니트를 구비하는 광촉매 필터 모듈을 제공한다.It provides a photocatalyst filter module having a light source unit equipped with a light emitting diode lamp for irradiating ultraviolet rays to the metal fabric type photocatalyst filter.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 광촉매 필터 모듈에 대한 개략적인 구성도이고, 도 2는 이를 구현한 시제품 사진이다. 이하에는 공기와 같은 기체를 정화하기 위한 경우를 예로 하여 설명하기로 한다. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a photocatalyst filter module according to an aspect of the present invention, and FIG. 2 is a prototype photograph implementing this. Hereinafter, a case for purifying a gas such as air will be described as an example.

도 1에 도시된 바와 같이 ,광촉매 필터 모듈은 앞서 설명한 방법으로 제조된 금속직물형 광촉매 필터와, 금속직물형 광촉매 필터에 자외선을 조사하기 위한 발광 다이오드 램프가 장착된 광원 유니트를 구비한다. 광원 유니트로는 충분한 자외선 광량을 확보하기 위하여 다수의 LED 램프가 장착된 광원 유니트를 사용하는 것이 바람직하다. LED 램프는 도 1에 나타난바 와 같이 다수의 자외선 LED 칩이 장착된 막대(bar)형태의 형상이 바람직하며 이러한 LED 램프들을 다수 준비하여 서로 평행하게 배치하되 LED 칩의 간격과 광조사 각도를 고려하여 그 간격을 조절할 수 있다. LED 램프는 사각 후레임에 고정하여 한 유니트를 구성하는 것이 바람직하나, 필요에 따라 공기청정기 또는 공기조화기와 같은 오염물질 정화기 등의 제품 내부 본체에 직접 고정할 수도 있다. As shown in FIG. 1, the photocatalyst filter module includes a metal fabric type photocatalyst filter manufactured by the method described above, and a light source unit equipped with a light emitting diode lamp for irradiating ultraviolet rays to the metal fabric type photocatalyst filter. As a light source unit, it is preferable to use a light source unit equipped with a plurality of LED lamps in order to secure a sufficient amount of ultraviolet light. As shown in Fig. 1, the LED lamp is preferably in the form of a bar in which a number of UV LED chips are mounted, and a number of these LED lamps are prepared and placed parallel to each other, but taking into account the spacing of the LED chips and the angle of light irradiation. You can adjust the interval. The LED lamp is preferably fixed to a square frame to form one unit, but if necessary, it can also be fixed directly to the internal body of the product such as an air purifier or an air conditioner.

본 발명의 광촉매 필터 모듈은 도 1에 도시된 바와 같이 오염물질들이 상기 필터 유니트를 균일하게 통과되도록 유도하는 허니컴 구조의 통로 유니트를 더 구비할 수 있다. 이러한 허니컴 구조의 통로 유니트를 구비함으로서 풍량이나 풍속의 영향을 배제할 수 있다. 허니컴 구조의 통로 유니트는 장기간의 산화-환원 반응에 대한 내구성이 있고 LED 램프 광을 반사할 수 있는 소재로서 알루미늄 재질인 것이 바람직하다. 허니컴 구조의 통로 유니트는 공기가 유입되는 방향 쪽으로 위치하며, 단일 허니컴의 구멍 크기는 용도에 따라 조절 가능하고 두께는 통과하는 공기의 유동 형태에 따라 조절하되 일반적으로 10~30mm가 바람직하다. As illustrated in FIG. 1, the photocatalyst filter module of the present invention may further include a honeycomb structure passage unit that induces contaminants to pass through the filter unit uniformly. By providing the honeycomb structured passage unit, it is possible to exclude the influence of wind volume or wind speed. The honeycomb structured passage unit is preferably made of aluminum as a material that is durable against long-term oxidation-reduction reactions and can reflect LED lamp light. The passage unit of the honeycomb structure is located toward the direction in which the air flows, and the hole size of a single honeycomb can be adjusted according to the application, and the thickness is adjusted according to the flow form of the air passing through, but generally 10 to 30 mm is preferable.

금속직물형 광촉매 필터는 허니컴 구조의 통로 유니트의 전면 또는 후면에 선택적으로 위치할 수 있으며 광원 및 오염물질을 포함한 공기와 골고루 접촉이 용이하도록 위치시킨다. 이때 금속직물형 광촉매 필터는 도 2에 나타난 바와 같이 허니컴 구조 통로 유니트 후레임에 같이 고정시켜 모듈화 할 수도 있다. 또한, 금속직물형 광촉매 필터 외에 다른 필터를 광촉매 필터 모듈 내 또는 오염물질 정화기의 다른 부분에 더 장착할 수 있음은 물론이다. The metal fabric type photocatalyst filter can be selectively positioned on the front or rear of the honeycomb structured passage unit and positioned to facilitate even contact with the air including light sources and contaminants. At this time, the metal fabric type photocatalyst filter may be modularized by fixing the honeycomb structure passage unit frame together as shown in FIG. 2. In addition, it is of course possible to mount other filters in addition to the metal fabric type photocatalyst filter in the photocatalyst filter module or other parts of the pollutant purifier.

이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명의 바람직한 구현예 및 그에 따른 효과를 설명하나, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention and effects according to the examples and comparative examples will be described, but the present invention is not limited thereto.

실시예 1Example 1

단계 1 : 금속직물의 준비단계Step 1: Preparation of metal fabric

오스테나이트계 스테인레스강 SUS304 재질의 직경 0.04mm 와이어를 경사 및 위사로 적용하여 레피어 직기에서 10*10 picks/mm2의 밀도, 공극율 34%로 제직하였다. Austenitic stainless steel SUS304, 0.04mm in diameter wire was applied as warp and weft to woven at a density of 10*10 picks/mm 2 and porosity of 34% in a rapier loom.

단계 2 : 1차 열처리 단계Step 2: primary heat treatment step

상기 단계 1에서 제직된 스테인레스강 원단을 필터 모듈에 적합한 600*600mm의 정사각형 모양으로 절단하고, 10wt%의 구연산 희석액에서 30분간 침지하여 불순물을 제거한 후 이온이 제거된 물로 세척하여 건조하였다. 준비된 스테인레스강 원단은 공기가 자연스럽게 공급되는 800℃로 가열된 열처리로 에 위치시키고 2시간동안 처리한 후 꺼내어 상온에서 공기를 순환시켜 급냉시켰다.The stainless steel fabric woven in step 1 was cut into a square shape of 600*600 mm suitable for a filter module, immersed in 10 wt% citric acid diluent for 30 minutes to remove impurities, washed with deionized water, and dried. The prepared stainless steel fabric was placed in a heat treatment furnace heated to 800°C where air was naturally supplied, treated for 2 hours, and then taken out and quenched by circulating air at room temperature.

단계 3 : 화학기상증착에 의한 이산화티타늄 코팅층의 형성 단계 Step 3: Forming the titanium dioxide coating layer by chemical vapor deposition

일반적인 유기금속 화학기상증착법을 적용하였다. A general organometallic chemical vapor deposition method was applied.

가열된 티타늄 전구체 티타늄 테트라-이소프로폭사이드(Titanium tetra-isopropoxide, TTIP) 0.1몰/L 농도를 50ml/min의 속도로 질소 운반가스를 이용하여 산소와 함께 1시간 동안 투입하였다. 증착 단계에서는 스테인레스강 직물의 표면 온도를 400℃로 유지하였고 압력은 10torr 이하로 유지하고 배출가스와 부산물인 기상 전구체는 콜드트랩에서 제거하였다. Heated titanium precursor titanium tetra-isopropoxide (Titanium tetra-isopropoxide, TTIP) 0.1 mol / L concentration was added for 1 hour with oxygen using a nitrogen carrier gas at a rate of 50ml / min. In the deposition step, the surface temperature of the stainless steel fabric was maintained at 400° C., the pressure was maintained at 10 torr or less, and the exhaust gas and the byproduct vapor phase precursor were removed from the cold trap.

단계 4 : 2차 열처리 단계Step 4: Second heat treatment step

상기 단계 3에서 제조된 이산화티타늄 코팅층 형성 금속직물을 400℃에서 1시간 이상 동안 대기중 열처리로에서 열확산법으로 도핑 처리하고 그 후 자연스럽게 냉각시켰다. The titanium dioxide coating layer-forming metal fabric prepared in step 3 was doped by heat diffusion in an air heat treatment furnace at 400° C. for 1 hour or more, and then naturally cooled.

비교예 1Comparative Example 1

단계 2의 1차 열처리 단계를 생략한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 금속직물형 광총매 필터를 제조하였다.A metal fabric photocatalyst filter was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the first heat treatment step of Step 2 was omitted.

비교예 2Comparative Example 2

단계 4의 2차 열처리 단계를 생략한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 금속직물형 광총매 필터를 제조하였다.A metal fabric photocatalyst filter was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the second heat treatment step of Step 4 was omitted.

비교예 3Comparative Example 3

단계 4의 열처리 온도를 800℃로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 금속직물형 광촉매 필터를 제조하였다.A metal fabric-type photocatalyst filter was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the heat treatment temperature of Step 4 was changed to 800°C.

실시예 1의 단계 2에서 스테인레스강 직물을 1차 열처리 수행 전후 표면을 분석하여 그 결과를 도 3과 도 4에 나타내었다. 도 3의 X-선 회절분석 패턴에서는, 1차 열처리 전에는 스테인레스강의 표면에 철(γFe) 성분의 결정격자 피크가 나타났으나 1차 열처리 후에는 Cr2O3 및 Fe2O3의 금속 산화물 성분의 피크가 나타남을 발견할 수 있다. 도 4의 (a)는 1차 열처리 전후 표면의 형태를 주사전자현미경(SEM)으로 분석하여 나타낸 것으로, 1차 열처리 전에는 매끄러운 표면을 지니고 있으나 1차 열처리 후에는 거친 형태의 두꺼운 금속 산화물이 표면을 이루고 있음을 알 수 있다. 도 4의 (b)에서는 1차 열처리 전후 표면에 추가적으로 형성된 금속 산화물의 성분을 분석하기 위하여 주사전자현미경-에너지분산분석법(SEM-EDX법)으로 열처리 후 생성된 각 금속산화물의 중량 비율을 계산하였다. 크로뮴 원소의 함량이 증가하여 Cr2O3이 활발히 형성된 것을 알 수 있고 Fe2O3, NiO 도 스테인레스강 직물 표면에 일부 형성된 것을 알 수 있다. In step 2 of Example 1, the surface of the stainless steel fabric was analyzed before and after the first heat treatment, and the results are shown in FIGS. 3 and 4. In the X-ray diffraction analysis pattern of FIG. 3, the crystal lattice peak of the iron (γFe) component appeared on the surface of stainless steel before the first heat treatment, but after the first heat treatment, the metal oxide component of Cr 2 O 3 and Fe 2 O 3 It can be found that the peak of. 4(a) shows the analysis of the shape of the surface before and after the first heat treatment with a scanning electron microscope (SEM), which has a smooth surface before the first heat treatment, but a thick metal oxide in a rough form after the first heat treatment. You can see that it is fulfilling. In (b) of FIG. 4, the weight ratio of each metal oxide generated after heat treatment was calculated by a scanning electron microscope-energy dispersion analysis method (SEM-EDX method) to analyze the components of the metal oxide additionally formed on the surface before and after the first heat treatment. . It can be seen that Cr 2 O 3 is actively formed due to an increase in the content of the chromium element, and Fe 2 O 3 and NiO are also partially formed on the surface of the stainless steel fabric.

한편, 화학기상증착시 온도에 따라 형성되는 이산화티타늄 코팅층의 결정구조를 비교하기 위하여, 실시예 1의 단계 3에서 스테인레스강 직물 대신 유리기판을 사용하고 공정온도만 250, 300, 350, 400, 450℃로 다양하게 조절하면서 화학기상증착으로 이산화티타늄 코팅층을 형성하였다. 제조된 각 샘플의 X-선 회절분석 결과를 도 5의 (a)에 나타내었으며, 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 표면 변화를 도 5의 (b)에 나타내었다고, 원자현미경(AFM)으로 분석한 평탄도(RMS Roughness)를 도 5의 (c)에 나타내었다. 도 5의 (a)로부터, 공정 온도가 상승함에 따라 피크가 점차 날카로와 지면서 결정구조가 성장해 나가지만 공정온도 450도에서는 아나타제 결정구조 피크(100,200)가 급격히 루타일 결정구조(112)로 전환되고 있음을 알 수 있다. 이는 도 5의 (b)의 주사전자현미경 관찰 결과와도 일치하며 공정온도가 400~440℃의 조건에서 입자가 작게 분열(fregmentation)되면서 균일하고 비표면적이 넓은 결정구조를 이루게 됨을 추정할 수 있다. 광촉매 활성에 직접적인 영향을 미치는 비표면적의 지표인 평탄도를 분석한 결과인 도 5의 (c)로부터, 온도가 상승함에 따라 평탄도가 증가함을 알 수 있었으며 400℃에서 10nm 이상의 값을 나타내었다.On the other hand, in order to compare the crystal structure of the titanium dioxide coating layer formed according to the temperature during chemical vapor deposition, in step 3 of Example 1, a glass substrate was used instead of the stainless steel fabric and only the process temperatures were 250, 300, 350, 400, 450 A titanium dioxide coating layer was formed by chemical vapor deposition while variously adjusting to ℃. The results of X-ray diffraction analysis of each prepared sample are shown in FIG. 5(a), and the surface change observed by a scanning electron microscope (SEM) is shown in FIG. 5(b), and an atomic microscope (AFM) is used. The analyzed flatness (RMS Roughness) is shown in Fig. 5(c). From (a) of FIG. 5, as the process temperature increases, the peak gradually becomes sharper and the crystal structure grows, but at a process temperature of 450°C, the anatase crystal structure peak (100,200) rapidly changes to the rutile crystal structure 112. You can see that it is. This is consistent with the observation result of the scanning electron microscope of FIG. 5(b), and it can be estimated that the particles form small crystals at a process temperature of 400 to 440° C., resulting in a uniform and specific crystal structure with a large specific surface area. . From (c) of FIG. 5, which is a result of analyzing the flatness, which is an index of the specific surface area, which directly affects the photocatalytic activity, it was found that the flatness increases as the temperature rises and shows a value of 10 nm or more at 400°C. .

또한, 실시예 1 및 각 비교예에 대하여 스테인레스강 직물 위에 형성된 이산화티타늄 코팅층의 자외선 조사 하에서의 흡광도 및 광촉매 활성을 비교하였다. 자외선-가시광선 영역 전체의 흡광도를 비교하여 도 6의 (a)에 나타내었고, 자외선A의 대표 파장(365nm)의 조건에서 유기물질인 니트로벤젠이 분해되는 농도 변화를 측정하여 광촉매 활성을 계산하고 도 6의 (b)에 나타내었다. 본 발명에 의한 실시예 1의 샘플이 자외선 A 영역의 파장(315~400nm)에서 매우 광흡수도 및 오염물질 제거 능력을 나타내었으며, 가시광선 파장 영역에서도 상당한 광흡수율 개선을 보였다. In addition, for Example 1 and each comparative example, the absorbance and photocatalytic activity of the titanium dioxide coating layer formed on the stainless steel fabric under ultraviolet irradiation were compared. The absorbance of the entire ultraviolet-visible region is compared and shown in FIG. 6(a), and the photocatalytic activity is calculated by measuring the concentration change at which the organic material nitrobenzene is decomposed under the condition of the representative wavelength of ultraviolet A (365 nm). It is shown in Fig. 6 (b). The sample of Example 1 according to the present invention showed very light absorption and contaminant removal ability at a wavelength (315 to 400 nm) in the ultraviolet A region, and also showed a significant light absorption improvement in the visible wavelength region.

Claims (9)

(S1) 크로뮴 함량이 15 중량% 이상인 스테인레스강 와이어로 이루어진 금속직물을 준비하는 단계;
(S2) 상기 금속직물을 600 내지 800 ℃의 온도로 1차 열처리하여 상기 금속직물 표면의 산화크로뮴 함량을 50 중량% 이상으로 증가시키는 단계;
(S3) 상기 고온 열처리된 금속직물의 표면에 400 내지 440 ℃에서 화학기상증착을 이용하여 이산화티타늄 코팅층을 형성하는 단계; 및
(S4) 상기 이산화티타늄 코팅층이 형성된 금속직물을 400 내지 500 ℃의 온도로 2차 열처리하는 단계를 포함하는 금속직물형 광촉매 필터의 제조방법.
(S1) preparing a metal fabric made of stainless steel wire having a chromium content of 15% by weight or more;
(S2) increasing the chromium oxide content on the surface of the metal fabric to 50% by weight or more by first heat-treating the metal fabric at a temperature of 600 to 800°C;
(S3) forming a titanium dioxide coating layer on the surface of the high-temperature heat-treated metal fabric using chemical vapor deposition at 400 to 440°C; And
(S4) A method of manufacturing a metal fabric type photocatalyst filter comprising the step of secondary heat treatment of a metal fabric on which the titanium dioxide coating layer is formed at a temperature of 400 to 500 °C.
제1항에 있어서,
상기 스테인레스강 와이어의 평균 직경은 0.035 내지 1.0 mm이고, 상기 금속직물의 공극율을 30% 이상인 것을 특징으로 하는 금속직물형 광촉매 필터의 제조방법.
According to claim 1,
The average diameter of the stainless steel wire is 0.035 to 1.0 mm, the method of manufacturing a metal fabric type photocatalyst filter, characterized in that the porosity of the metal fabric is 30% or more.
삭제delete 삭제delete 제1항의 제조방법에 따라 형성된 금속직물형 광촉매 필터.A metal fabric type photocatalyst filter formed according to the method of claim 1. 제5항의 금속직물형 광촉매 필터를 포함하는 필터 유니트; 및
상기 금속직물형 광촉매 필터에 자외선을 조사하기 위한 발광 다이오드 램프가 장착된 광원 유니트를 구비하는 광촉매 필터 모듈.
A filter unit comprising the metal fabric type photocatalyst filter of claim 5; And
A photocatalyst filter module comprising a light source unit equipped with a light emitting diode lamp for irradiating ultraviolet rays to the metal fabric type photocatalyst filter.
제6항에 있어서,
상기 광촉매 필터 모듈은 오염물질들이 상기 필터 유니트를 균일하게 통과되도록 유도하는 허니컴 구조의 통로 유니트를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터 모듈.
The method of claim 6,
The photocatalyst filter module further comprises a honeycomb structure passage unit that guides contaminants through the filter unit uniformly.
제6항의 광촉매 필터 모듈을 구비하는 정화기.A purifier comprising the photocatalyst filter module of claim 6. 제8항에 있어서,
상기 정화기는 공기 청정기인 것을 특징으로 하는 오염물질 정화기.
The method of claim 8,
The purifier is a contaminant purifier, characterized in that the air purifier.
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Citations (3)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000023291A (en) * 1998-09-18 2000-04-25 마쯔노고오지 Three dimensional, photocatalytic filter apparatus
JP2004130157A (en) * 2002-10-08 2004-04-30 Nok Corp Photocatalytic filter medium
KR20110100088A (en) * 2010-03-03 2011-09-09 (주)오티앤티 Manufacturing method of photocatalyst filter and air cleaner using the same

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