KR102241806B1 - 휘발성 유기 화합물 저감을 위한 직물 기반 자가히팅 유연소자 및 그 제조방법 - Google Patents

휘발성 유기 화합물 저감을 위한 직물 기반 자가히팅 유연소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는 직물 기반 자가히팅 유연소자 및 그 제조방법을 제공한다. 상기 직물 기반 자가히팅 유연소자는 복수의 섬유사가 서로 교차하여 직조된 직물기재; 상기 직물기재의 상기 섬유사 표면 상에 형성된 발열 전극층; 및 상기 발열 전극층 상에 형성된 촉매층;을 포함하고, 상기 발열 전극층에 전압을 인가할 때 발생하는 열에 의해 상기 촉매층을 활성화시켜 휘발성 유기화합물(VOC) 가스를 제거하는 것을 특징으로 한다. 상기 직물 기반 자가히팅 유연소자에 따르면, 직물기재를 이용하여 VOC를 포함하는 가스 또는 유량과의 반응면적을 넓히고 비교적 낮은 반응온도(약 120 °C 이하) 범위에서 VOC를 효과적으로 제거할 수 있다.

Description

휘발성 유기 화합물 저감을 위한 직물 기반 자가히팅 유연소자 및 그 제조방법{Self-heating flexible device based on textile for volatile organic compound removal and manufacturing method thereof}
본 발명은 자가히팅의 기능을 가지는 직물 기반 유연소자에 나노촉매를 코팅하여 휘발성 유기화합물(volatile organic compound, VOC)을 저감하는 장치 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
휘발성 유기화합물(VOC, Volatile Organic Compound)은 대부분 인간의 산업 활동에 의해서 많이 발생되고, 최근 자동차수의 급증이나 각종 화석연료의 사용량 증가로 인해 많은 사람들이 밀집해 주거하고 있는 대도시지역에서는 이러한 문제가 더욱 더 심각하게 받아들여지고 있다. 최근에는 생산과 소비의 증대에 따라 증가된 폐기물을 처리하는 매립지 등에서는 대기 중으로 방출되는 VOC가 환경문제로 대두되고 있다.
휘발성 유기화합물(VOC), 유기용제 등을 처리하는 방법들 중에서 일반적으로 많이 이용되고 있는 처리방법은 대부분 활성탄 흡착식 또는 흡착 후 연소 및 촉매산화법이다. 그러나 활성탄 흡착식은 처리효율은 좋으나 짧은 파과점(break-through point)으로 인해 활성탄을 자주 교환해야 하는 문제점이 있기 때문에 운영비가 많고, 활성탄 교체주기를 넘길 경우에는 휘발성 유기화합물이 직접 대기로 방출되게 된다. 연소에 의한 제거 시 기존 방법으로는 산소를 공급하여 화염을 발생시켜 650~800 ℃의 비교적 고온에서 VOC를 연소시켜 제거하는 방법을 사용, 배기가스에 포함되어 있는 VOC 오염물질을 99% 이상 처리하는 직접 산화 장치를 사용하였다. 촉매산화법은 고정원에서 발생된 VOC를 촉매로 산화시켜 제거하는 방법으로서, 직접연소법에 비해 낮은 반응온도에서 VOC를 효과적으로 제거할 수 있으며 연간운전비가 적게 들어 경제적이고 설비확장이 용이하다. 따라서 낮은 반응온도에서 VOC를 제거하는 기술은 환경적 유해화합물을 감축하는 기술임과 동시에 반응온도를 낮추어 에너지를 저감시켜 주므로 중요한 청정기술이라 할 수 있다.
대한민국 등록특허 제10-1832849호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 VOC를 포함하는 유체가 통과할 수 있는 직물 기재 상에 자가히팅 기능을 갖는 히팅소자 및 촉매물을 코팅하여 비교적 낮은 반응온도에서 VOC를 효과적으로 제거할 수 있는 직물 기반 자가히팅 유연소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 직물 기반 자가히팅 유연소자를 제공한다. 상기 직물 기반 자가히팅 유연소자는 복수의 섬유사(111)가 서로 교차하여 직조된 직물기재(110), 상기 직물기재(110)의 상기 섬유사(111) 표면 상에 형성된 발열 전극층(120) 및 상기 발열 전극층(120) 상에 형성된 촉매층(130)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 발열 전극층(120)에 전력을 인가할 때 발생하는 열에 의해 상기 촉매층을 활성화시켜 휘발성 유기화합물(VOC) 가스를 제거할 수 있다.
또한, 상기 직물기재는 면, 모, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스터, 폴리페닐렌설파이드, m-폴리아라미드, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 유리 및 세라믹 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 소재로 형성될 수 있다.
또한, 상기 직물기재는 상기 복수의 섬유사가 서로 교차하여 직조된 단층 또는 다층구조일 수 있다.
또한, 상기 발열 전극층은 금속, 금속산화물, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 전도성 고분자 또는 전도성 세라믹스를 포함할 수 있다.
또한, 상기 촉매층은 금속 또는 금속산화물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 섬유사와 상기 발열 전극층 사이에 섬유보호층이 추가로 형성될 수 있다.
또한, 상기 촉매층에 도핑되거나 상기 촉매층 상에 코팅된 추가 촉매물질을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 공기정화 시스템을 제공한다. 상기 공기정화 시스템은 본 발명의 일 실시예에 따른 직물 기반 자가히팅 유연소자를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 직물 기반 자가히팅 유연소자의 제조방법을 제공한다. 상기 직물 기반 자가히팅 유연소자는 복수의 섬유사가 서로 교차하여 직조된 직물기재를 준비하는 단계, 상기 직물기재의 상기 섬유사 표면 상에 발열 전극층을 형성하는 단계 및 상기 발열 전극층 상에 촉매물질을 증착하여 촉매층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 발열 전극층에 전력을 인가할 때 발생하는 열에 의해 상기 촉매층을 활성화시켜 휘발성 유기화합물(VOC) 가스를 제거할 수 있다.
또한, 상기 직물기재를 준비하는 단계 다음에, 상기 섬유사의 표면 상에 섬유보호층을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 직물기재는 상기 복수의 섬유사가 서로 교차하여 직조된 단층 또는 다층구조일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 물리적으로 1차적인 필터 역할을 하는 직물기재, 발열 전극층 및 촉매층을 이용하여 종래 기술과 비교하여 낮은 반응온도(약120 °C 이하)에서 VOC를 효과적으로 제거할 수 있다. 구체적으로, 직물기재는 유연성 및 통기성을 가지므로, VOC와 반응하는 면적을 넓힐 수 있어 VOC 저감 효율을 높일 수 있다. 또한, 직물기재는 유연성을 가져 기존 금속 벌크 박판 대비 가공성이 우수하여 다양한 형태로 VOC 저감시스템에 응용될 수 있다. 또한, 직물기재는 물리적으로 1차적인 필터 역할을 수행할 수 있다. 또한, 발열 전극층에서의 열 에너지가 촉매층과 VOC에 열손실 없이 효과적으로 전달되어 VOC 저감 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 직물기재(110)의 상면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직물 기반 자가히팅 유연소자의 세부 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 섬유보호층(113)이 추가로 형성된 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직물 기반 자가히팅 유연소자에 인가된 전력에 따른 온도 값을 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직물 기반 자가히팅 유연소자의 VOC 분해 성능을 측정한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직물 기반 자가히팅 유연소자에 대해 설명한다. 상기 직물 기반 자가히팅 유연소자는 복수의 섬유사가 서로 교차하여 직조된 직물기재(110), 상기 직물기재(110)의 상기 섬유사(111) 표면 상에 형성된 발열 전극층(120) 및 상기 발열 전극층(120) 상에 형성된 촉매층(130)을 포함할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 상기 직물 기반 자가히팅 유연소자에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 상기 직물기재(110)의 상면도이다. 도 1을 참조하면, 상기 직물기재(110)는 복수의 가늘고 긴 섬유사(111)가 일정한 간격을 두고 서로 교차하여 직조된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 복수의 섬유사(111)간의 간격에 의해 형성된 관통홀(112)을 포함할 수 있다.
도 2는 상기 직물 기반 자가히팅 유연소자의 세부 구성을 설명하기 위한 단면도이다. 도 2를 참조하면, 섬유사(111) 표면 상에 발열 전극층(120)이 형성되고, 발열 전극층(120) 상에 촉매층(130)이 형성될 수 있다. 발열 전극층(120)에 전압을 인가할 때 발생하는 열에 의해 촉매층(130)을 활성화할 수 있으며, 이를 통해 관통홀(112)을 통해 유입되거나 상기 직물 기반 자가히팅 유연소자의 표면을 지나는 휘발성 유기화합물(VOC) 가스를 제거할 수 있다.
종래의 VOC를 연소시켜 제거하는 히팅방식의 경우 VOC를 포함하는 가스와 시스템의 온도를 모두 올려야 한다는 점에서 에너지 사용이 많은 단점이 있다. 촉매를 이용한 분해 방식의 경우 대부분의 촉매는 높은 온도에서 고효율을 가지므로 저온 조건에서는 효율이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 저온에서 활용 가능한 저온촉매로는 대부분 백금을 이용하고 있으나, 백금은 귀금속이므로 경제성이 떨어지며, 장기 사용 시 표면이 오염되어 효율이 저하되고 교체 및 추가적인 관리를 요하는 단점이 있다. 이 외에는 히팅과 촉매를 동시에 이용하는 방식이 있다. 종래의 히팅과 촉매를 동시에 이용하는 방식은 하부 기판으로 견고한 벌크 박판 기재를 사용한다. 그러나 벌크 박판을 히터 기재로 사용하는 경우 VOC와 반응하는 비표면적을 넓히는데 한계가 있으며, 산업현장에서 VOC를 포함하는 유동층이 빠르게 지나가는 경우가 대다수 이므로 VOC를 효과적으로 제거하기 어려운 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직물 기반 자가히팅 유연소자는 섬유 직물을 기재로 이용하여 반응면적을 넓힐 수 있다. 구체적으로, 섬유 직물은 통기성을 가지므로 VOC를 포함하는 기체 또는 액체가 섬유 직물을 통과함으로써 반응면적을 넓힐 수 있다. 또한, 섬유 직물은 가공 및 제조 유연성이 우수하여 적층(Stack), 롤(Roll) 등으로 응용하여 다양한 형상으로 가공할 수 있다. 또한, 기존의 벌크 박판을 이용한 방식과 비교하여 부피 대비 섬유 직물의 무게가 가벼워 소재 및 소자의 초경량화가 가능한 장점이 있다. 또한, 직물 기재는 1차적인 필터역할을 수행하여 VOC를 물리적 저감시킬 수 있다.
직물기재(110)는 발열 전극층(120) 및 촉매층(130)에 충분한 지지력을 제공하고 고온 환경하에서 안정적으로 유지될 수 있는 소재라면 제한 없이 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 직물기재는 면, 모, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스터, 폴리페닐렌설파이드, m-폴리아라미드, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 유리 및 세라믹 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 소재로 형성될 수 있다. 바람직한 효과를 위해서는 내열성 및 화학적 안정성이 우수한 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리페닐렌설파이드, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 유리 또는 세라믹 섬유가 직물기재(110)의 소재로 더 바람직하다.
또한, 직물기재(110)는 복수의 섬유사(111)가 서로 교차하여 직조된 단층 또는 다층구조로 이루어질 수 있다. 다층구조로 형성될 경우 단층구조에 비해 반응면적을 넓힐 수 있다. 또한, 단층구조에 비해 복잡한 내부구조로 인해 VOC를 포함하는 기체 또는 유량의 체류시간을 늘려 VOC의 제거에 유리하다.
발열 전극층(120)은 섬유사(111) 표면 상에 형성될 수 있다. 발열 전극층(120)에 전력을 인가하여 열을 발생시킬 수 있으며, 발생된 열에너지는 VOC를 연소시켜 이산화탄소와 물로 전환시킬 수 있다. 또한, 발열 전극층(120) 상에 형성된 촉매층(130)에 열에너지를 전달하여 활성화시킬 수 있다. 상기 직물 기반 자가히팅 유연소자는 기존의 히팅만 이용하는 방식과 비교하여 히팅방식과 촉매에 의한 분해를 동시에 이용하므로 상대적으로 낮은 반응온도(약 120 °C 이하)에서 VOC를 효과적으로 제거할 수 있다.
발열 전극층(120)은 전력을 인가할 때 저항열을 발생시킬 수 있는 소재이면 충분할 것이다. 예를 들어, 발열 전극층(120)은 금속, 금속산화물, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 전도성 고분자 또는 전도성 세라믹스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 발열 전극층(120)은 Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ru, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, B, Al, Ga, In, Tl Si, GE, Sn, Pb, As, Sb, Bi, TE, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Db, Ho, Er, Tm Yb 및 Lu로 이루어진 군에서 선택되는 금속 또는 이의 산화물을 포함할 수 있다. 또한, 발열 전극층(120)은 ITO(indium tin oxdie), IZO(indium zinc oxide), SnO2(tin oxide), ATO(antimony-doped tin oxdie), AZO(al-doped zinc oxide), GZO(gallium-doped zinc oxdie) 및 FTO(fluorine-doped tin oxide)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물을 포함할 수 있다.
발열 전극층(120)은 전력 인가 시 적절한 저항열을 발생시킬 수 있는 저항 값을 가질 수 있다. 저항 값이 너무 낮은 경우 저항열이 촉매층(130)을 활성화하고 VOC를 연소시키기에 충분하지 않은 문제가 있다. 저항 값이 너무 큰 경우 에너지 효율이 저하되는 문제가 있다. 따라서 바람직한 효과를 위해서는 발열 전극층(120)의 저항은 0.4 내지 1.0 Ω일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.5 내지 0.7일 수 있다. 이러한 저항 범위를 가질 때 전력 인가 시 상기 직물 기반 자가히팅 유연소자는 최대 200 °C를 유지하여 VOC를 연소시키고 촉매층(130)을 활성화 할 수 있다.
도 3은 섬유보호층(113)이 추가로 형성된 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 섬유보호층(113)은 섬유사(111)와 발열 전극층(120) 사이에 형성될 수 있다. 이때, 섬유보호층(113)은 직물기재(110)의 기계적 안정성을 향상시키고 발열 전극층(120)에서 발생하는 열로부터 섬유사(111)가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 섬유보호층(113)은 절연성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 섬유보호층(113)은 실리콘 고무(silicone rubber) 또는 PVC를 포함할 수 있다.
촉매층(130)은 VOC의 연소에 필요한 활성화 에너지를 낮춤으로서 비교적 낮은 온도에서 VOC를 이산화소와 물로 연소(산화)시킬 수 있다. 촉매를 활용하지 않는 직접 소각의 경우 연소실의 온도를 800 ~ 900 °C로 유지하여야 하나, 촉매를 이용하면 200 ~ 400 °C 정도의 낮은 온도에서 산화반응이 일어나게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 직물 기반 자가히팅 유연소자는 직물 기재를 이용하여 촉매의 반응면적을 넓히고 발열 전극층(120)을 통해 촉매층(130)에 열에너지를 효과적으로 전달함으로써, 종래 기술에 비하여 비교적 저온 조건(약 120 °C 이하)에서 VOC를 효과적으로 연소시킬 수 있다.
촉매층(130)은 VOC의 연소 반응을 활성화 하기에 적합한 촉매를 포함할 수 있다. 상기 촉매는 금속 또는 금속산화물일 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매는 Au, Ag, Pt, Co, Cr, Cu, V, Mo, Ni, Pd, Cu 및 Mn으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 또는 이의 산화물일 수 있다. 또한, 상기 촉매는 MnO2, ZnO, TiO2, MnCl2, Mn(NO3)2, MnSO4, Mn(ClO4)2, CuCl2, Cu(NO3)2, CuSO4, Cu(ClO4)2, Cr2O3/Al2O3, Co3O4 및 CuO-Mn2O3로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
촉매층(130)에 추가 촉매물질을 포함할 수 있다. 상기 추가 촉매물질은 기존의 촉매층(130)에 포함된 상기 촉매와 서로 다른 종류일 수 있다. 이때, 상기 추가 촉매물질은 촉매층(130)에 도핑되거나 촉매층(130) 표면 상에 코팅된 형태로 첨가될 수 있다. 상기 추가 촉매물질을 기존의 촉매층(130)에 도핑 또는 코팅함으로써 기존의 촉매층(130)만을 형성한 경우보다 VOC의 연소 반응을 더욱 활성화시켜 보다 저온 조건에서 VOC를 효과적으로 연소시킬 수 있다. 이때, 상기 추가 촉매물질은 촉매층(130)에 도핑 또는 코팅되어 VOC의 연소 반응을 활성화시킬 수 있는 물질이라면 제한 없이 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 추가 촉매물질은 Au, Ag 및 Pt로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.
다음으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기정화 시스템에 대해 설명한다. 상기 공기정화 시스템은 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 직물 기반 자가히팅 유연소자를 포함할 수 있다. 상기 직물 기반 자가히팅 유연소자는 유연한 특성의 섬유 직물을 기재로 이용하므로 기존의 벌크 박판 대비 가공성이 우수하고 초경량화가 가능하여 다양한 형태로 VOC 저감 시스템에 응용될 수 있다. 구체적으로, 자동차 및 발전소 SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템 장치, 실내외 공기청정기, 휴대용 공기청정기, 악취저감장치 등에 이용될 수 있다.
다음으로 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직물 기반 자가히팅 유연소자의 제조방법에 대해 설명한다. 상기 직물기반 자가히팅 유연소자의 제조방법은 복수의 섬유사가 서로 교차하여 직조된 직물기재를 준비하는 단계, 상기 직물기재의 상기 섬유사 표면 상에 발열 전극층을 형성하는 단계 및 상기 발열 전극층 상에 촉매물질을 증착하여 촉매층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 발열 전극층에 전압을 인가할 때 발생하는 열에 의해 상기 촉매층을 활성화시켜 휘발성 유기화합물(VOC) 가스를 제거할 수 있다.
또한, 상기 직물기재를 준비하는 단계 다음에, 상기 섬유사의 표면 상에 섬유보호층을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 섬유보호층은 결과적으로 상기 섬유사와 상기 발열 전극층 사이에 형성될 수 있다. 이때, 상기 섬유보호층은 상기 직물기재의 기계적 안정성을 향상시키고 상기 발열 전극층에서 발생하는 열로부터 상기 섬유사가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 상기 섬유보호층은 절연성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유보호층은 실리콘 고무(silicone rubber) 또는 PVC를 포함할 수 있다.
상기 직물기재를 준비하는 단계에 있어서, 상기 직물기재는 상기 복수의 섬유사가 서로 교차하여 직조된 단층 또는 다층구조로 형성될 수 있다. 다층구조로 형성될 경우 단층구조에 비해 반응면적을 넓힐 수 있다. 또한, 단층구조에 비해 복잡한 내부구조로 인해 VOC를 포함하는 기체 또는 유량의 체류시간을 늘려 VOC의 제거에 유리하다.
이하에서는 제조예 및 실험예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 제조예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
<제조예>
유리섬유를 직물기재로 선택하고, 은(Ag)을 발열 전극층 물질로 선택하여 유리섬유 표면 상에 은(Ag) 도금을 진행하였다. 유리섬유는 200~300 °C 에서 내열성을 가져 본 발명의 직물기재로 적합하다. 촉매물질로는 MnO2를 선택하였으며, 이에 따라 은 도금된 유리섬유 표면 상에 MnO2를 증착하여 촉매층을 형성하였다. MnO2 촉매층 표면 상에 금(Au) 입자를 소량 도핑하여 직물 기반 자가히팅 유연소자를 제조하였다.
<비교예>
상기 제조예에 있어서 상기 MnO2 촉매층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 상기 제조예와 동일한 방법으로 직물 기반 자가히팅 유연소자를 제조하였다.
<실험예 1>
직물 기반 자가히팅 유연소자에 인가하는 전력에 따른 온도 값을 확인하기 위한 실험을 진행하였다. 이를 위해 상기 제조예에 따라 제조된 직물 기반 자가히팅 유연소자를 실버 페이스트를 이용하여 외부 전원과 연결하였다. 이후 전력을 인가하여 그에 따른 온도 값을 측정하였으며 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4를 참조하면, 인가된 전력이 증가할수록 온도가 높아지는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 전력을 인가할 때 은(Ag) 소재의 발열 전극층에 저항열이 발생하고 전달된 열 에너지에 의해 촉매층이 활성화되는 것을 알 수 있다.
<실험예 2>
직물 기반 자가히팅 유연소자의 VOC 제거 성능을 확인하기 위한 실험을 진행하였다. 이를 위해 상기 제조예 및 비교예에 의해 제조된 직물 기반 자가히팅 유연소자를 실버 페이스트를 이용하여 외부 전원에 연결하고, 피처리 가스 내 포름알데히드(Formaldehyde, 100 ppm)에 대한 분해성능을 측정하였다. 도 5는 이에 따른 측정결과는 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 상기 제조예에 따른 직물 기반 자가히팅 유연소자의 경우 상기 비교예의 경우와 비교하여 포름알데히드의 분해 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 약 85 °C에서 전체 포름알데히드의 약 50% 를 분해하였으며, 120 °C 부근에 이르러서는 95% 이상의 포름알데히드가 분해된 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 본 발명의 직물 기반 자가히팅 유연소자는 약 200 ~ 400 °C의 온도범위에서 VOC를 분해하던 종래 기술과 비교하여 저온 조건(약 120 °C 이하)에서 VOC를 효과적으로 제거할 수 있음을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 직물기재
111 : 섬유사
112 : 관통홀
113 : 섬유보호층
120 : 발열 전극층
130 : 촉매층

Claims (11)

  1. 복수의 섬유사가 서로 교차하여 직조된 직물기재;
    상기 직물기재의 상기 섬유사 표면 상에 형성된 발열 전극층; 및
    상기 발열 전극층 상에 형성된 촉매층;을 포함하고,
    상기 발열 전극층에 전압을 인가할 때 발생하는 열에 의해 상기 촉매층을 활성화시켜 휘발성 유기화합물(VOC) 가스를 제거하는 것을 특징으로 하고,
    상기 직물기재는 면, 모, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스터, 폴리페닐렌설파이드, m-폴리아라미드, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 유리 및 세라믹 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 소재로 형성된 것을 특징으로 하고,
    상기 발열 전극층의 저항은 0.4 내지 1.0 Ω인 것을 특징으로 하고,
    상기 휘발성 유기화합물(VOC) 가스를 제거하기 위하여 120℃ 이하의 저온 조건에서 구동하는 것을 특징으로 하는 직물 기반 자가히팅 유연소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 직물기재는 상기 복수의 섬유사가 서로 교차하여 직조된 단층 또는 다층구조인 것을 특징으로 하는 직물 기반 자가히팅 유연소자.
  4. 제1항에 있어서,
    발열 전극층은 금속, 금속산화물, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 전도성 고분자 또는 전도성 세라믹스를 포함하는 것을 특징으로 하는 직물 기반 자가히팅 유연소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 금속 또는 금속산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 직물 기반 자가히팅 유연소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 섬유사와 상기 발열 전극층 사이에 섬유보호층이 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 직물 기반 자가히팅 유연소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층에 도핑되거나 상기 촉매층 상에 코팅된 추가 촉매물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 직물 기반 자가히팅 유연소자.
  8. 제1항의 직물 기반 자가히팅 유연소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기정화 시스템.
  9. 복수의 섬유사가 서로 교차하여 직조된 직물기재를 준비하는 단계;
    상기 직물기재의 상기 섬유사 표면 상에 발열 전극층을 형성하는 단계; 및
    상기 발열 전극층 상에 촉매물질을 증착하여 촉매층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 발열 전극층에 전압을 인가할 때 발생하는 열에 의해 상기 촉매층을 활성화시켜 휘발성 유기화합물(VOC) 가스를 제거하는 것을 특징으로 하고,
    상기 직물기재는 면, 모, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스터, 폴리페닐렌설파이드, m-폴리아라미드, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 유리 및 세라믹 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 소재로 형성된 것을 특징으로 하고,
    상기 발열 전극층의 저항은 0.4 내지 1.0 Ω인 것을 특징으로 하고,
    상기 휘발성 유기화합물(VOC) 가스를 제거하기 위하여 120℃ 이하의 저온 조건에서 구동하는 것을 특징으로 하는 직물 기반 자가히팅 유연소자의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 직물기재를 준비하는 단계 다음에, 상기 섬유사의 표면 상에 섬유보호층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 직물 기반 자가히팅 유연소자의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 직물기재는 상기 복수의 섬유사가 서로 교차하여 직조된 단층 또는 다층구조인 것을 특징으로 하는 직물 기반 자가히팅 유연소자의 제조방법.
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