KR102300126B1 - 고순도, 고강도의 초박막 공기정화용 광촉매 필터 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공기정화용 광촉매 필터에 관한 것으로 광촉매 입자가 필터 부재로부터 탈리가 쉽게 일어나지 않으며 단위면적당 공기정화률이 우수하여 실내 가정에서도 적은 공간을 차지하는 공기정화 살균장치를 제공하도록 필터 부재; 상기 필터 부재 상에 대기압 플라즈마 처리에 의해 형성된 고정층; 상기 고정층은 광촉매 입자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 광촉매 필터에 관한 것으로 더욱 상세하게는 공기청정 살균 장치의 내부에 구비되는 부재인 공기정화용 광촉매 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 실내 공기 중의 먼지, 세균, 기타 오염 물질 등의 제거를 위한 목적으로 공기정화기, 공기청정기, 공기살균기 등 공기정화 기기를 구비하고 있으며 기기 부재로서 공기정화용 필터를 사용하고 있다. 이러한 공기정화용 필터는 다공성 구조로 오염 물질 등이 흡착되어 제거될 수 있으나, 시간에 지남에 따라 흡착된 오염 물질이 쌓여 공기정화 기능이 저하되어 계속하여 필터를 교체해야 하는 번거로움이 있었고 비경제적이었다.
이에 광촉매를 사용하여 공기 중에 포함된 물, 산소 등을 활성화시켜 흡착된 오염물질을 분해, 제거함으로써 필터의 수명을 연장시킬 수 있었다. 다만, 이러한 광촉매를 필터에 코팅하기 위해서는 실리콘 알콕사이드의 축중합체나 불소계 수지와 같은 바인더 물질을 사용해야 하고, 그에 따라 필터의 공극을 막거나, 또는 광촉매의 표면에 부착되어 광촉매의 빛에 대한 표면 활성을 저하시키는 문제가 있다. 게다가, 광촉매를 빠르게 코팅하기 위해 알코올 용매를 사용하는 경우에도 광촉매의 빛에 대한 표면 활성을 저하시키는 문제가 있다.
한국등록특허 제10-0765825호는 미세먼지 여과율을 높이고 내구성이 우수한 광촉매 필터를 제공하기 위해 미세한 공극이 형성되도록 복수의 비드가 결합되어 형성된 비드층과, 비드층상에 형성된 광촉매층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터를 개시한다. 그러나 여전히 바인더 역할을 하는 열경화성수지 및 경화제를 사용하므로 환경에 위해가 되며 특히 비드층상의 비드가 떨어져나와 외부로 유출되어 천식, 비염, 호흡기 장애 등을 일으킬 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 필터 부재 표면과의 우수한 결합으로 인해 필터 부재로부터 광촉매 입자가 탈리되지 않고 공기정화 기능이 장기간 지속됨으로써 수명 및 교체 주기가 증가한 공기정화용 필터를 제공하는 데에 있다.
본 발명은 바인더를 사용하지 않으면서도 필터 부재와 광촉매 입자들 간의 부착력이 우수하고 밀도 높은 고순도의 광촉매 공기정화용 필터를 제공하는 데에 있다.
본 발명은 광촉매 입자들이 기기 장치 밖으로 유출되어 실내 환경을 오염시키거나 호흡기 질환을 유발하지 않도록 필터 부재로부터 광촉매 입자들이 탈리되지 않는 공기정화용 광촉매 필터를 제공하는 데에 있다.
본 발명은 광촉매 입자들의 높은 밀도를 부여하여 적은 부피에서도 단위면적당 살균력, 항균력이 우수하고 순간 살균 능력을 극대화된 필터 부재 및 이를 포함하는 공기청정 살균 장치를 제공하는 데에 있다.
또한 본 발명은 상기 공기정화용 필터를 포함하는 공기청정 살균 장치를 제공하고 상기 공기정화용 필터의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 측면에 따른, 본 발명의 공기정화용 필터는 필터 부재; 상기 필터 부재 상에 대기압 플라즈마 처리에 의해 형성된 고정층을 포함하며, 상기 고정층은 복수의 광촉매 입자층을 포함한다.
상기 광촉매 입자는 입경이 10 nm 내지 50 nm이고, 상기 고정층은 20 nm 내지 500 nm 일 수 있다.
또한 본 발명의 다른 일 측면에 따른, 본 발명의 공기정화용 필터의 제조방법은 필터 부재, 플라즈마 전구물질, 광촉매 입자를 준비하는 단계; 상기 필터 부재 상에 대기압 플라즈마 처리하여 광촉매 입자를 코팅하는 단계; 및 상기 광촉매 입자가 코팅된 필터 부재를 열처리 하는 단계를 포함하고 상기 플라즈마 전구물질은 실록산 및 광촉매 입자를 포함하고 상기 대기압 플라즈마 처리는 반응 가스의 유량이 5000 내지 30000 sccm이고, 80 ℃ 내지 150 ℃ 온도에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
필터 부재 상에 대기압 플라즈마 처리하여 광촉매 입자를 코팅하는 단계; 및 광촉매 입자가 코팅된 필터 부재를 열처리 하는 단계를 포함하고, 상기 플라즈마 전구물질은 실록산 및 광촉매 입자를 포함하고, 상기 대기압 플라즈마 처리는 반응 가스의 유량이 5000 내지 30000 sccm이고, 80 ℃ 내지 150 ℃ 온도에서 수행된다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 본 발명의 공기정화용 필터의 제조 방법에 의해서 제조된 필터를 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 본 발명의 공기정화용 필터를 내부 부재로 사용하는 공기청정 살균 장치를 제공한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광촉매 입자가 필터 부재에 강하게 결합되어 있기 때문에 필터 부재로부터 탈리가 쉽게 일어나지 않으므로 공기정화용 필터의 수명 및 내구성이 향상된다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광촉매 입자는 높은 밀도로 필터 부재에 결합되어 단위면적당 공기정화율이 우수한 공기정화용 필터를 제공할 수 있고 따라서 공기청정살균기의 부피 역시 작아서 일반 가정에서도 적은 공간을 차지하면서도 성능이 높은 기기를 구비할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광촉매 입자들이 필터 부재로부터 탈리되지 않고 따라서 기기 외부로 유출되지 않기 때문에 안전한 실내 환경을 유지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광촉매 필터를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 필터의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 필터의 제조방법을 도시한 순서도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이하에서 설명될 본 발명의 실시예들은 공기청정기, 공기청정살균기, 공기순환기, 공기정화기와 같은 공기청정 살균 장치의 내부에 구비되는 공기정화용 광촉매 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이하에서는 공기청정 살균 장치의 내부에 구비되는 공기정화용 광촉매 필터를 간략하게 “광촉매 필터”로, 공기청정기, 공기청정살균기, 공기순환기, 공기정화기를 간략하게 “공기청정 살균 장치”으로 호칭할 수 있다.
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도 2은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광촉매 필터를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광촉매 필터(200)는 필터 부재(210), 상기 필터 부재 내 세라믹 볼(230) 표면 상에 대기압 플라즈마 처리에 의해 형성된 고정층(220)을 포함하는 공기정화용 광촉매 필터를 제공하며 상기 고정층(220)은 복수의 광촉매 입자층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 대기압 플라즈마를 처리하여 필터 부재 상에 광촉매 입자를 포함하는 고정층을 형성함으로써 광촉매 입자들이 필터 부재에 더욱 견고하고 밀도 높게 결합하여 복수의 층을 이루어 부착될 수 있다.
본 발명에서 필터 부재(210)는 공기정청 살균 장치에 사용되는 공기정화용 필터 부재로서 직물 필터, 부직포 필터, 세라믹 필터, 나노섬유 필터, 헤파 필터, 울파 필터 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 이러한 필터 부재는 다공성의 금속, 세라믹 볼, 섬유 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에서 광촉매 입자는 가시광선이나 자외선 영역의 빛 등 다양한 종류의 빛에서 광학적 활성이 있으면서 광부식이 일어나지 않으며 화학적, 생물학적으로 비활성인 물질로서, 이산화티탄(TiO2), 산화아연(ZnO), 황화카드뮴(CdS) 및 이산화주석(SnO2) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명에서 광촉매 입자는 바람직하게는 반영구적 사용이 가능하고 내구성, 내마모성이 우수하여 경제적 측면에서도 유리할 뿐만 아니라 높은 산화력 및 살균력을 갖춘 이산화티탄(TiO2) 입자일 수 있다. 이산화티탄(TiO2) 입자는 가전자띠와 전도띠 구조사이에 3.2 eV 정도의 밴드갭이 존재한다. 이산화티탄(TiO2) 입자에 이 밴드갭에 해당하는 에너지를 가진 근자외선 (380 nm 부근) 광을 조사하면 가전자띠내의 전자는 전도띠로 여기되어 가전자띠에 (+)전하를 띈 정공과 전도띠에 (-)전하를 갖는 전자로 charge 의 분리가 일어난다. 이러한 전자와 정공은 각각 높은 환원력과 산화력을 가짐으로써 이산화티탄(TiO2) 입자 표면에서 오염원을 직접 산환 환원시키거나 물과 산소를 산화/환원시켜 활성 산소 라디칼을 형성하며 이 라디칼들을 매개로 하여 오염원의 산화/환원 분해반응을 유발시킨다. 380 nm에 해당하는 광자가 가진 에너지를 열에너지로 환산하면 약 3만6천 K에 해당한다. 따라서 이산화티탄(TiO2) 입자는 광촉매 반응을 통하여 대부분의 유기오염원을 미량의 자외선광이 조사되더라도 거의 완벽하게 이산화탄소와 물로 쉽게 분해시킬 수 있다.
본 발명에서 광촉매 입자는 5 nm 내지 50 nm 의 입경을 가질 수 있다. 광촉매 입자의 표면에서 오염물질의 분해가 일어나므로 공기정화 효과를 높이기 위해서는 광촉매 입자의 비표면적이 증대되어야 하는데, 광촉매 입자의 입경이 50 nm 초과인 경우 광촉매 입자의 비표면적이 작아 오염물질을 분해하는 능력이 떨어지는 문제점이 있다. 반면 광촉매 입자의 입경이 5 nm 미만인 경우 가루날림이 일어날 수 있고 광촉매 입자들이 응집되어 분산 시키기 어려울 수 있다. 또한 대기압 플라즈마 전구물질로 사용되는 실록산과 균일하게 혼합되어 분사되지 못하고 따라서 밀도가 일정한 고정층을 형성하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 광촉매 필터(200)에서 고정층(220)은 두께가 20 nm 내지 500 nm일 수 있다. 상기 고정층이 20 nm 미만이면 필터 부재 표면에 결합된 광촉매 입자 수가 너무 적어 광촉매 입자의 촉매 활성으로 인한 공기정화 효과를 기대하기 어려울 수 있고, 상기 고정층이 500 nm 초과이면 광촉매 입자의 양적 증가에도 불구하고 공기정화 효과는 더 증가하지 않아 경제적으로 손실일 뿐아니라 고정층 사이에 응력이 발생하여 광촉매 입자가 판을 이루며 필터 부재로부터 박리되어 고정층이 파괴되는 문제가 일어날 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 필터의 제조방법을 도시한 순서도이다. 도 3을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 필터는 헥사메틸 디실록산과 같은 실록산 및 광촉매 입자를 혼합한 플라즈마 전구물질을 준비(S110)하고, 필터 부재 상에 대기압 플라즈마 처리를 통해 플라즈마 전구물질을 도포함으로써 광촉매 입자를 코팅하고(S120), 광촉매 입자가 코팅된 필터 부재를 열처리 하여 필터 부재에 잔존하는 플라즈마 전구물질을 제거하는 열처리 단계(S130)를 거쳐 제조된다.
여기서, 본 발명에서 반응 가스는 아르곤 또는 산소일 수 있으며, 반응 가스의 유량은 5,000 내지 30,000 sccm, 바람직하게는 5,000 내지 20,000 sccm이다. 반응 가스의 유량이 5,000 sccm 미만인 경우에는 플라즈마 전구물질을 배출 시킬 수 있는 출력이 부족하고, 반응 가스의 유량이 30,000 sccm 초과인 경우에는 배출 속도가 너무 높아져 필터 부재 상에 광촉매 입자가 코팅되지 못하고 튕겨 나가 유실 될 수 있는 문제가 있다.
본 발명에서 대기압 플라즈마 처리는 120 ℃ 내지 130 ℃ 온도에서 수행될 수 있다. 대기압 플라즈마 처리 온도가 120 ℃ 미만인 경우 필터 부재와 광촉매 입자 간의 결합을 높이기 위해 바인더를 필연적으로 사용해야 하고 또한 수행 횟수가 증가하여도 코팅 강도가 비례하여 증가하지 않고 열처리 후 또는 시간이 경과하면서 경계에서의 임계 응력이 발생하여 코팅층이 필터 부재로부터 박리되거나 파편을 이루어 떨어져 나가는 문제점이 있다. 반면 대기압 플라즈마 처리 온도가 130 ℃ 초과인 경우 광촉매 입자가 필터 부재 상에 균일하게 도포되지 않고 불규칙적으로 분산되어 밀도가 일정한 코팅층을 형성하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명에서 대기압 플라즈마 처리는 3 내지 5 회 반복하여 수행할 수 있다. 대기압 플라즈마 처리 횟수가 3 회 미만인 경우 필터 부재에 광촉매 입자들이 부착되지 않은 구역이 남아 있어 밀도 높은 복수의 광촉매 입자층이 형성되지 못하고, 대기압 플라즈마 처리 횟수가 5회 초과인 경우 광촉매 입자의 양적 증가에도 불구하고 공기정화 효과는 더 증가하지 않아 경제적으로 손실일 뿐아니라 복수의 광촉매 입자층 사이에 응력이 발생하여 광촉매 입자층이 박리되어 고정층이 파괴되는 문제가 일어날 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
200 : 공기정화용 광촉매 필터
210 : 필터 부재
220 : 고정층
210 : 필터 부재
220 : 고정층
Claims (10)
- 공기청정 살균 장치의 내부에 구비되는 광촉매 필터에 있어서,
다공성의 금속인 필터 부재(210);
상기 필터 부재 내 세라믹 볼(230); 및
상기 세라믹 볼 상에 형성된 고정층(220);을 포함하고,
상기 고정층(220)은 실록산 및 광촉매 입자를 전구물질로 하여 대기압 플라즈마 처리를 3 내지 5 회 수행함으로써 세라믹 볼(230) 상에 광촉매 입자가 코팅되어 형성되고,
상기 고정층은 20 nm 내지 500 nm이고, 상기 광촉매 입자는 입경이 10 nm 내지 50 nm이고, 이산화티탄(TiO2), 산화아연(ZnO), 황화카드뮴(CdS) 및 이산화주석(SnO2) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 공기정화용 광촉매 필터(200).
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- 공기청정 살균 장치의 내부에 구비되는 광촉매 필터의 제조방법에 있어서,
상기 광촉매 필터는 다공성의 금속인 필터 부재(210); 상기 필터 부재 내 세라믹 볼(230); 및 상기 세라믹 볼 상에 형성된 고정층(220);을 포함하는 광촉매 필터(200)이고,
상기 세라믹 볼(230)은
세라믹 볼(230), 플라즈마 전구물질, 광촉매 입자를 준비하는 단계;
상기 세라믹 볼(230) 상에 대기압 플라즈마 처리하여 광촉매 입자를 코팅하는 단계; 및
상기 광촉매 입자가 코팅된 세라믹 볼(230)을 열처리 하는 단계를 포함하고,
상기 플라즈마 전구물질은 실록산 및 광촉매 입자를 포함하고, 상기 대기압 플라즈마 처리는 반응 가스의 유량이 5000 내지 30000 sccm이고, 80 ℃ 내지 150 ℃ 온도에서 3 내지 5 회 수행되는 것을 특징으로 하는 공기정화용 광촉매 필터의 제조방법.
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- 제 7 항의 방법으로 제조된 공기정화용 광촉매 필터.
- 제 9 항의 공기정화용 광촉매 필터를 포함하는 공기청정 살균 장치.
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| KR1020200171803A KR102300126B1 (ko) | 2020-12-09 | 2020-12-09 | 고순도, 고강도의 초박막 공기정화용 광촉매 필터 및 이의 제조방법 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20100038768A (ko) * | 2008-10-06 | 2010-04-15 | 한국기계연구원 | 대기압 플라즈마 ｃｖｄ 장치용 반응기와 이를 이용한 박막형성방법 |
| JP2014054599A (ja) * | 2012-09-12 | 2014-03-27 | Dainippon Printing Co Ltd | 光触媒機能材料の製造方法及び光触媒性基材 |
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2020
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