KR102329494B1 - VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기 - Google Patents
VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기 Download PDFInfo
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Abstract
VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기에 관한 것이며, 보다 상세하게는 케이스, 외부 공기를 유입하는 공기 유입구, VUV 조사 램프, 안정기, 필터, 내부 공기를 외부로 유출하는 공기 유출구를 구비하는 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기에 관한 것이다.
Description
VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기에 관한 것이며, 보다 상세하게는 케이스, 외부 공기를 유입하는 공기 유입구, VUV 조사 램프, 안정기, 필터, 내부 공기를 외부로 유출하는 공기 유출구를 구비하는 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기에 관한 것이다.
일반적으로 가정 또는 산업 현장 등에서는 각종 공기정화장치가 사용된다. 예를 들어, 산업 현장에서는 각종 유해물질이나 먼지 등을 제거하기 위해 공기정화장치가 사용되며, 가정에서도 청결한 환경을 유지하기 위하여 공기정화장치가 사용되며, 에어컨, 팬히터, 진공청소기 등에서도 공기를 정화하는 각종 필터가 장착된다. 또한, 무균실이나 실험실 등 매우 깨끗한 공기질을 원하는 실내의 경우에는 실내공기 중에 부유하는 병원성 세균이나 미세먼지 등을 제거하기 위하여 필터방식의 공기살균기를 사용하고 있다.
더구나 산업의 발전에 따라, 환경오염이 심각하고 대기오염으로 인하여 미세먼지, 또한 이전에 볼 수 없던 각종 바이러스, 병원성 세균류 등에 의한 호흡기 질환을 비롯하여 각종 전염성 질병과, 특히 COVID19 바이러스가 범세계적으로 유행하여, 많은 인명이 죽고 산업과 경제활동이 위축되며, 국가적 재정손실이 막대하고 사회적 질서와 행복한 삶을 잃게 되는 등 심각한 국제적 문제로 떠오르고 있다. 코로나19 바이러스 전염병으로 인하여 공기 중에 포함된 바이러스의 살균 필요성이 증가되면서 미세입자를 제거할 수 있을 뿐만 아니라 세균이나 바이러스를 살균할 수 있는 공기 정화장치에 관한 필요성이 증대되고 있다.
공기살균기의 필터로는 보통 헤파(HEPA, High Efficiency Particulate Arrestor) 필터나 전기집진방식의 정전필터 등이 사용되고 있다. 그러나, 필터만을 사용하는 경우에는 미세먼지에 대한 제거효율이 우수하고 입자에 부착되어 있는 상당부분의 세균을 필터링하여 제거할 수 있는 장점이 있지만, 세균 자체를 살균하기는 어려울 뿐만 아니라 엄격한 기준의 살균효율을 구현하는 데에는 한계가 있다는 문제점이 있었다.
따라서, 오존을 발생시켜 공기 중의 미생물을 살균시키는 장치가 사용되었으나, 이러한 장치를 사용하는 경우에는 어느 정도의 살균효과는 기대할 수 있지만, 산화 및 부식 등과 같은 반응이 우려되며 사람이 실내에 머무를 때 사용하기 어려운 문제점이 있다.
특히, 오존을 사용하는 경우에는 미반응 오존이 오히려 인체에 해를 끼치기 때문에 사용상 각별한 주의가 필요하며 오존 특유의 냄새를 유발하기 때문에 쾌적한 실내환경을 유지하기 어렵다는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 자외선 램프를 이용한 공기살균장치가 제안된 바도 있다. 자외선 램프를 이용하면 약품 살균이 갖는 각종 문제점을 해결할 수 있지만 자외선 파장범위 내에서 살균될 수 있는 세균 및 바이러스가 한정되어 충분한 살균 과정이 이루어지지 못하는 문제점이 있다.
한편, 공기오염에 따른 먼지의 집진에 의한 공기정화수단, 각종 질병을 유발하는 각종 바이러스와 병원성 세균의 살균수단, 쾌적한 생활환경을 위한 다양한 환경정화수단에 대한 연구가 진행되고 있다.
그러나, 종래의 공기 살균기를 복잡한 제조기기에 비하여 충분한 성능을 발휘하지 못하고 있으며, 이에 따라 공기 살균기에 대한 연구 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 케이스, 외부 공기를 유입하는 공기 유입구, VUV 조사 램프, 안정기, 필터, 내부 공기를 외부로 유출하는 공기 유출구를 구비하는 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시형태인 공기 살균기는 케이스; 상기 케이스의 측면에 위치하여 외부 공기를 유입하는 공기 유입구; 상기 유입구로부터 유입된 공기에 100nm 내지 200nm의 파장을 갖는 VUV 자외선을 조사하기 위하여 상기 케이스 내측 바닥면에 위치하는 VUV 조사 램프; 상기 케이스의 내측 일면에 위치하는 안정기; 상기 케이스의 내측에 위치하며, 상기 VUV 자외선이 조사되는 필터; 상기 필터의 상부에 위치하며 케이스 내부 공기를 외부로 유출하는 공기 유출구; 상기 케이스의 일면에 위치하거나 상기 케이스와 분리된 리모콘에 위치하며, 공기 살균기의 작동 상태를 나타내고 LCD 입력 화면을 구비하여 터치 입력을 가능하게 하는 입력부;를 구비한다.
본 발명의 일 실시형태인 공기 살균기에서, 상기 필터의 일면에 코팅층을 형성하고, 상기 필터는 카본 TiO2 필터이며, 상기 카본 TiO2 필터의 표면에 코팅층을 형성한다.
본 발명의 일 실시형태인 공기 살균기에서, 상기 코팅층은 광촉매 분말, 아크릴레이트 단량체, 폴리아크릴아미드 중합체, 폴리비닐알코올, 폴리카보네이트에서 선택된 적어도 어느 하나의 화합물, 폴리메틸메타크릴레이트와 산화아연의 나노복합체를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태인 공기 살균기에서, 상기 광촉매 분말인 TiO2 분말 및 SiO2 분말은 중량비로 1:8 내지 9의 비율로 혼합되고, 상기 광촉매 분말, 및 아크릴레이트 단량체, 폴리아크릴아미드 중합체, 폴리비닐알코올, 폴리카보네이트에서 선택된 적어도 어느 하나의 화합물은 중량비로 100:1 내지 5의 비율로 혼합되고, 상기 광촉매 분말, 및 폴리메틸메타크릴레이트와 산화아연의 나노복합체는 중량비로 100:1 내지 5의 비율로 혼합된다.
본 발명의 일 실시형태인 공기 살균기에서, TiO2은 아나타제 결정구조를 사용한다.
본 발명의 일 실시형태인 공기 살균기에서, 상기 폴리메틸메타크릴레이트 및 산화아연의 나노복합체는 폴리메틸메타크릴레이트 분말 상에 원자 증착 방법에 의하여 75nm 내지 85nm의 산화아연층이 형성되어 이루어진다.
상기 TiO2 분말의 일부는 그 표면에 상기 나노복합체가 흡착된다.
본 발명의 일 실시형태인 공기 살균기에서, 상기 TiO2 분말의 일부는 TiO2 중의 산소 원자의 일부를 질소 원자로 치환하여 얻어진 TiO(2-x)Nx 분말(여기서, x는 0.1 내지 0.5)이며, 상기 TiO(2-x)Nx 분말의 표면에 요오드화은(AgI), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 중 어느 하나를 선택된 입자가 부착된다.
본 발명에 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기에 의하면, 자외선에서 감응하면서도 필터의 표면에 코팅층을 형성하였을 때 오염물질에 대한 분해능은 우수하면서도 필터 본연의 공기 정화 기능에는 영향을 미치지 않는 공기살균기가 가능하다.
도 1은 TiO2의 기저 상태 및 여기 상태를 나타내는 개략도이다.
도 2는 TiO2의 광촉매 반응을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기의 개략도이다.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기의 개략적인 측면 단면도를 나타내며, 도 4(b)는 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기의 개략적인 상부 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터의 개략도를 나타낸다.
도 6 내지 10은 실험결과를 나타낸다.
도 11은 DNA 구조 GS-T(thymine)C 와 RNA Urasil(U)의 Hydrogen Bonds 구조를 나타낸다.
도 12 내지 15는 본 발명의 일 실시형태인 공기 살균기, 케이스 모터를 나타낸다.
도 2는 TiO2의 광촉매 반응을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기의 개략도이다.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기의 개략적인 측면 단면도를 나타내며, 도 4(b)는 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기의 개략적인 상부 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터의 개략도를 나타낸다.
도 6 내지 10은 실험결과를 나타낸다.
도 11은 DNA 구조 GS-T(thymine)C 와 RNA Urasil(U)의 Hydrogen Bonds 구조를 나타낸다.
도 12 내지 15는 본 발명의 일 실시형태인 공기 살균기, 케이스 모터를 나타낸다.
하기에 나타난 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
하기에서 본 발명의 공기 살균기(100)를 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 공기 살균기(100)는 케이스(10); 상기 케이스(10)의 측면에 위치하여 외부 공기를 유입하는 공기 유입구(11); 상기 유입구로부터 유입된 공기에 100nm 내지 400nm의 파장을 갖는 VUV 자외선을 조사하기 위하여 상기 케이스(10) 내측 바닥면에 위치하는 VUV 조사 램프(14); 상기 케이스(10)의 내측 일면에 위치하는 안정기(17); 상기 케이스(10)의 내측 상부에 위치하며, 상기 VUV 자외선이 조사되는 필터(18); 상기 필터(18)의 상부에 위치하며 케이스(10) 내부 공기를 외부로 유출하는 공기 유출구(12);상기 케이스(10)의 일면에 위치하거나 상기 케이스(10)와 분리된 리모콘에 위치하며, 공기 살균기(100)의 작동 상태를 나타내고 LCD 입력 화면을 구비하여 터치 입력을 가능하게 하는 입력부를 구비한다.
상기 케이스(10)는 내부에 VUV 조사 램프(14), 안정기(17), 공기 유입구(11) 및 공기 유출구(12)를 포함하며, 내부 회로를 보호한다.
상기 공기 유입구(11)는 상기 케이스(10)의 측면에 위치하여 외부 공기를 유입하며, 공기 유입구(11)의 안쪽 면에는 공기를 흡입하여 외부의 공기가 케이스(10) 내부에 유입되도록 할 수 있다.
상기 VUV 조사 램프(14)는 상기 유입구로부터 유입된 공기에 100nm 내지 400nm의 파장을 갖는 VUV 자외선을 조사할 수 있다. 또한, 상기 VUV 조사 램프(14)의 상부에 위치한 필터(18)에도 100nm 내지 400nm의 파장을 갖는 VUV 자외선을 조사할 수 있다. 여기서, VUV는 진공자외선을 의미한다.
상기 VUV 조사 램프(14)는 하부 지지대(15)에 의하여 케이스(10)에 고정될 수 있다. 상기 하부 지지대(15)는 높이 조절부(미도시)를 구비하며, 상기 높이 조절부로 케이스(10) 내부의 VUV 조사 램프(14)의 높이를 조절할 수 있고, 상기 VUV 조사 램프(14)와 필터(18)의 거리를 조절하여, VUV 조사 램프(14)가 일정량의 진공 자외선을 조사할 때 상기 VUV 조사 램프(14)와 필터(18)의 거리를 제어하여 필터(18)의 코팅층(18A)에 포함되는 광촉매에 조사되는 진공 자외선의 세기를 조절할 수 있다. 또한, 상기 VUV 조사 램프(14)의 후면에 위치하며 상기 하부 지지대(15)에 부착된 반사판(16)을 구비하여 진공 자외선을 필터(18) 방향으로 더 많은 양을 조사할 수 있다. 반사판(16)은 금속 등 자외선을 반사할 수 있는 재료를 사용할 수 있다. 상기 하부 지지대(15)와 반사판(16)을 연결하는 반사판용 회전부(19)를 구비할 수 있다. 상기 VUV 조사 램프(14)에서 필터(18)로 조사되는 진공 자외선의 방향을 조절할 수 있고, 특히 하부 지지대(15)의 높이 조절부에 의하여 VUV 조사 램프(14)의 높이가 달라졌을 때, 반사판용 회전부(19)의 각도를 조절하여 진공 자외선의 조사 방향을 필터(18)로 향하도록 할 수 있다. 반사판(16)은 곡면을 형성하여 진공 자외선의 조사 방향을 조절할 수 있다. 상기 반사판(16)는 제1 반사판 및 제2 반사판을 구비하고, 상기 제1 반사판 및 제2 반사판은 서로 이격되어 위치하며, 반사판용 회전부(19)는 제1 반사판용 회전부 및 제2 반사판용 회전부를 구비하고, 상기 제1 반사판용 회전부 및 제2 반사판용 회전부는 각각 상기 제1 반사판 및 제2 반사판에 연결되어 상기 제1 반사판 및 제2 반사판의 회전 각도를 개별적으로 제어할 수 있다. 이렇게 하여, 일부는 유입되는 공기에 광을 조사하고, 일부는 필터를 향하게 광을 조사할 수 있어, 광촉매와 VUV에 의한 살균의 양을 제어할 수 있다.
상기 안정기(17)는 상기 케이스(10)의 내측 일면에 위치하며, VUV 조사 램프(14)가 안정적으로 광을 조사하기 위하여 전기적으로 안정화하는 역할을 한다.
상기 필터(18)는 카본필터, 헤파필터, 제오라이트필터에서 선택된 어느 하나 또는 2이상을 포함할 수 있다. 여기서, 카본필터는 TiO2를 포함하는 카본 TiO2 필터를 사용할 수 있다. 예를 들어, 카본 TiO2 필터는 카본필터 내부 또는 표면에 TiO2 분말은 분산된 형태를 가질 수 있다. 카본 TiO2 필터, 헤파필터, 제오라이트필터가 순서대로 적층되어 사용될 수 있다. 필터(18)는 공기 정화의 순도를 높이기 위하여 여과 기공의 크기를 큰 것에서 작은 것의 순서로 다단계 구조를 형성하여 단계별 기능을 갖는 필터를 통과함으로써 공기 정화 효과를 높일 수 있다. 필터를 공기 유입구가 있는 케이스면에 설치하여 공기를 정화할 수도 있다.
상기 공기 유출구(12)는 상기 필터(18)의 상부에 위치하며 케이스(10) 내부 공기를 외부로 유출한다. 공기 유출구(12)의 일측에 송풍팬을 구비하여 케이스(10) 내부에 있는 공기가 외부로 유출할 수 있게 할 수 있다.
상기 입력부(미도시)는 상기 케이스(10)의 외부 일면에 위치하거나 상기 케이스(10)와 분리된 리모콘에 위치하며, 공기 살균기의 작동 상태를 나타내고 LCD 입력 화면을 구비하여 터치 입력을 가능하게 한다.
도 12 내지 15는 본 발명의 일실시 형태인 공기 살균기, 모터, 케이스를 나타낸다. 도 12 내지 14에 나타난 것처럼, 본 발명의 공기 살균기는 하부의 4곳으로부터 공기가 유입되고, 상부 원통형 공간으로부터 공기가 유출된다. 공기 살균기의 내부에는 필터가 구비되고, 필터의 상부에는 모텅에 의하여 구동되는 원심 팬(Centrifugal Fan) 및 축류 팬(axial fan)으로 인하여 내부 공기가 외부로 유출될 수 있다. 또한, 필터는 원형의 필터를 사용할 수 있고, 공기 살균기의 내측의 하부면에 필터 분리부를 구비하여 원형의 필터를 착탈식으로 부착할 수 있다.
본 발명의 VUV 조사 램프(14)에 의한 복사광에 의한 높은 에너지의 포톤(200㎚에서 62eV; 1㎚에서 12398eV)은 어떤 화학적 결합도 파괴하기에 충분하다. 이점에서 VUV 영역의 광화학은 λ>200㎚인 가시광선이나 UV를 다루는 고전적 광화학(광촉매, 광화학 반응, 광 변색)과 다르다. λ≤124㎚(10eV)에서는 포톤 에너지가 유기분자 대부분을 이온화하기에 충분하다. 이 영역에서는 VUV의 효과는 이온화 복사와 흡사하다.
또한, VUV와 이온화한 복사 사이의 보다 중요한 차이는 스핀 효과에 연관된 것이다. 전자적 전환은 복사로부터 에너지 흡수 도중 양자역학의 선택 법칙에 의하여 조정된다. 이 선택의 법칙은 VUV(광학적 전환)과 이온화 복사 간 서로 다르다. 한편, VUV 복사의 흡수계수가 비교적 크며(예를 들면, λ=147㎚인 광은 폴리에틸렌에서 34㎚; 60Co γ-선에서 이 값은 약 15㎝), 따라서, 살균자외선 253.7nm와 동시에 산소종 생성 작용을 가진 185nm의 자외선을 투과하는 진공 자외선의 다파장 살균 램프를 사용함으로써, 광세정과 표면처리, 공기살균, 부유 물질 탈취 등을 가능할게 하는 것이다.
또한, 공기 살균기에 의한 바이러스의 세포를 파괴하는 것은 DNA 및 RNA로 설명할 수 있다. 도 11은 DNA 구조 GS-T(thymine)C 와 RNA Urasil(U)의 Hydrogen Bonds 구조를 나타낸다. 도 11에 나타난 것처럼, 공기 살균기에 의한 살균은 세포 내의 DNA의 뉴클레오티드인 티민(thymine, T)와 RNA는 티민대신 우라실(uracil, U)에 흡수되어 DNA, RNA의 배열을 파괴하여 유전자 세포막의 수소원자(H+)를 OH- 라디칼 포토플라즈마 광촉매로 순간에 파괴시켜 살균하는 것이 가능하다. 이에 따라, 유전자로서 기능을 나타내는 DNA, RNA의 구조는 (이중)나선구조에서도 VUV 자외선 포토플라즈마 카본TiO2 광촉매에 의한 살균의 특성을 가질 수 있다.
나아가, 본 발명의 공기 살균기 메카니즘은 DNA, RNA의 (이중)나선구조의 사이를 연결하는 4가지 염기 [아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T)] 중 티민은 우라실(U)에 흡수되어 전혀 다른 유전자로 되어 단백질을 형성하지 못하게 하여 살균이 되는 효과를 가질 수 있다.
특히, 상술한 작용은 "포토플라즈마"로 순간적인 수행이 가능하기 때문에 다른 살균 방법 (약품처리, 고열) 보다 작용이 빠르고 잔류 물질이 없다는 장점을 가지므로 VUV 자외선 포토플라즈마 카본TiO2 광촉매 필터를 사용하게 되면 매우 유용하다. 포토플라즈마를 사용하여 바이러스의 바깥 세포막을 손상하여 바이러스를 비활성화되며, 결과적으로 공기 중의 유해한 바이러스가 파괴되어 공기 살균기가 위치하는 공간에서 유해한 바이러스의 감염은 현저하게 줄일 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명의 광촉매 필터(18)에 사용되는 TiO2는 백색의 안료로 도료, 고무, 제지 등에 사용되며 TiO2를 이용하여 물을 분해하여 수소를 제조하면서 광촉매 반응에 대한 연구가 주목을 받게 되었는데, TiO2는 광촉매 특성을 가지는 여러 가지 산화물 중 물리, 화학적으로 안정하고 부식에 대한 내구성과 내열성, 생체적합성 등으로 실생활에서 가장 널리 사용되고 있는 친환경 소재이며, 특히 TiO2는 난분해성 오염물질의 분해반응에 있어서 그 성능을 인정받아 환경 정화용 촉매로서 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터(18)를 포함한 공기살균기의 특징을 가질 수 있다.
본 발명의 광촉매 필터(18)에 사용되는 TiO2는 n형 반도체로서 아나타제(anatase), 루타일(rutile) 구조 중 인공 합성이 가능한 아나타제 상과 루타일 상 중 아나타제 상이 상호 대칭적인 구조의 산소와 결합되어 있어 안정하고 밴드 갭 에너지가 3.2eV로 넓어서 산화와 환원에 있어 전자와 정공의 재결합 시간이 길기때문에 2가지 형태 중 광촉매 효과가 높은 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터(18)를 포함한 공기살균기의 특징을 가질 수 있다.
본 발명의 광촉매 필터(18)에 사용되는 TiO2의 광촉매 반응의 메커니즘은, 불균일계 광촉매의 반응은 반도체 표면에서 진행되는데, 도 1에 나타난 것처럼, TiO2가 밴드 갭 에너지 이상의 빛 에너지를 흡수하게 되면 TiO2의 가전자대(valence band)의 전자가 전도대(conduction band)로 여기되어, 가전자대에는 정공(h+)이 전도대에는 전자(e-)가 형성되는 것을 통하여 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터(18)를 포함한 공기살균기의 특징을 가질 수 있다.
이 때 형성된 전자와 정공은 도 2에 나타난 것처럼, 하기의 산화 및 환원 반응을 일으킨다.
① 형성된 전자와 정공이 다시 표면에서 빠르게 재결합하는 경우
② 전도대로 여기(Eecitation)된 전자가 주변에서 흡수된 산소 분자와 반응하여 Superoxide radicals(O-, O2-, O3-)를 생성하는 경우
③ 가전자대에서 형성된 정공이 물 분자를 산화시키거나 수산화 이온을 흡수하여 반응성이 높은 Hydroxyl radicals(OH-)을 생성하는 경우
이와 같은 전자와 정공의 반응으로 인하여 생성된 hydroxyl radicals 과 superoxide radicals는 그와 접하는 유기화합물이나 바이러스 등을 산화와 분해함으로써 광촉매 기능을 발휘하게 되는 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매용 램프(20)를 포함한 공기살균기의 특징을 가질 수 있다.
TiO2 + hv → e- + h+
① e- + h+ → TiO2 (Recombination)
② e- + O2 → O2- (Photoreduction)
1/2O2- + 2H+ → H2O
③ h+ + H2O → OH + H+ (Photooxidation)
h+ + O2- → 2O
본 발명의 TiO2의 광촉매 필터(18)에 적용하기 위한 일예는 Titanium Tetraisopropoxide를 전구체로 하여 졸-겔 법으로 TiO2졸을 만들고 이를 Dip-Pad-Dry-Cure 과정을 통하여 필터(18)의 표면에 코팅 처리한 후, 광촉매 작용에 따른 박테리아에 대한 항균성을 얻을 수 있다. 또한, TiO2졸을 제조한 뒤 10nm 내지 30nm의 분말로 필터의 표면에 코팅 처리하여 진공 VUV자외선 다파장 조사면적을 최대로 하여 TiO2의 광촉매를 활성화하여 대장균류인 E.coli에 대한 항균성을 가질 수 있다. 메틸렌 블루에 의한 유기물 분해성에 대한 결과를 전압과 전류의 량을 조사하면 최대 광촉매 활성화를 이루는 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함한 공기살균기의 특징을 가질 수 있다. 여기서, TiO2 광촉매 필터는 카본을 함유하는 카본 TiO2 광촉매 필터(18)를 사용할 수 있다.
상기 필터의 표면에 코팅층(18A)을 형성하고, 상기 코팅층(18A)은 광촉매 분말, 아크릴레이트 단량체 또는 아크릴레이트 중합체, 폴리아크릴아미드 중합체, 폴리비닐알코올, 폴리카보네이트에서 선택된 적어도 어느 하나의 화합물, 폴리메틸메타크릴레이트와 산화아연의 나노복합체를 포함할 수 있다. 일예로서, 아크릴레이트 단량체 또는 아크릴레이트 중합체, 폴리아크릴아미드 중합체, 폴리비닐알코올, 및 폴리카보네이트를 포함할 수 있다.
상기 아크릴레이트 단량체 또는 아크릴레이트 중합체는 하기 화학식 1 내지 3의 어느 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 일예로서, 화학식 1 내지 3로 표시되는 화합물을 중량비로 동일한 비율로 포함할 수 있다.
여기서, 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용하게 되면 이중 결합에 의한 반응성으로 인하여 광촉매 분말과 반응성이 높아져서 더욱 바람직하다.
상기 폴리아크릴아미드 중합체는 하기 화학식 4 내지 6의 어느 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 일예로서, 화학식 4 내지 6의 화합물을 중량비로 동일한 비율로 포함할 수 있다.
하기 화학식 4의 화합물을 사용하게 되면, 광촉매 분말과 필터의 표면 장력을 감쇄하여 필터 상에 코팅성을 향상하게 한다.
(여기서, n은 50 내지 300의 정수를 나타낸다)
하기 화학식 5의 화합물을 사용하게 되면 분자 간의 강한 수소 결합을 갖게되고, 화학식 6의 화합물을 사용하게 되면 자외선에 대한 안정성과 용매에서 용해성을 높이는 측면에서 바람직하다.
(여기서, n은 50 내지 300의 정수를 나타낸다)
본 발명의 폴리비닐알코올은 광촉매 분말과 헤파필터 표면과의 접착성을 향상시킬 수 있고, 본 발명의 폴리카보네이트는 형성된 코팅층(18A)의 내열성, 내충격성, 투명성을 높이는 성능을 가질 수 있다.
본 발명의 광촉매 분말은 TiO2 분말 및 SiO2 분말을 혼합하여 사용할 수 있으며, 광촉매 TiO2-SiO2은 그 혼합비가 TiO2 분말 및 SiO2 분말을 중량비로 1:8 내지 9의 비율로 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명의 아크릴레이트 단량체 또는 아크릴레이트 중합체, 폴리아크릴아미드 중합체, 폴리비닐알코올, 폴리카보네이트에서 선택된 적어도 어느 하나의 화합물의 혼합비는, 상기 광촉매 분말에 아크릴레이트 단량체 또는 아크릴레이트 중합체, 폴리아크릴아미드 중합체, 폴리카보네이트에서 선택된 적어도 어느 하나의 화합물을 중량비로 100:1 내지 5의 비율로 혼합하여 광촉매 분말과 결합력을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 아크릴레이트 공중합체를 바인더로 하는 TiO2-acrylate copolymer와 QNT(Quartz Nano Tube)-TiO2-acrylate copolymer인 어느 하나 혼합체를 중합체로 표면 코팅 처리에 적용하여 사용할 수 있다.
부틸아크릴레이트나 에틸아크릴레이트 등의 단량체들이 사용되면, 이들의 약한 결합력으로 인하여 단독 중합체로 사용하기 보다는 공단량체들과 공중합하여 사용하는 것이 좋으며, 주 단량체의 유리 전이온도를 높일 수 있다. 상기 아크릴레이트 단량체에서 주단량체와 공단량체는 중량비로 5~9:10~4의 비율로 사용할 수 있다.
본 발명의 TiO2 광촉매 필터(18)의 코팅층(18A)의 물성은 무색투명하며 황변하지 않는다. 또한, 내후성과 내유성, 그리고 내열성도 가질 수 있다. 코팅층(18A)의 중합은 라디칼 중합을 사용할 수 있다. 여기서, 라디칼 중합이란 열, 빛, 방사선 혹은 개시제에 의하여 불안정한 라디칼이 발생하여 연쇄 반응적으로 중합이 진행되는 방법을 사용할 수 있다. 또한, 라디칼 중합은 조성물의 혼합 비율에 따라 괴상중합, 용액중합, 유화중합, 현탁중합을 사용할 수 있고, 특히 현탁중합은 H2O를 용매로 하여 단량체를 개시제와 분산제를 이용하여 H2O 속에서 고분자를 중합하는 것이 가능하다.
본 발명의 TiO2 광촉매 필터(18)의 코팅층(18A)은 폴리메틸메타크릴레이트와 산화아연의 나노복합체를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 광촉매 분말에 폴리메틸메타크릴레이트와 산화아연의 나노복합체를 중량비로 100:1 내지 5의 비율로 혼합할 수 있다. 광촉매 필터(18)의 친화성이 향상되도록 폴리메틸메타크릴레이트의 고분자 사슬을 개질하여 입자의 응집을 최소화 시킨 나노복합체를 제조하여 입자의 미세분산을 통하여 높은 광촉매 성능과 분산 안정성을 가질 수 있다.
광촉매의 고정화가 높은 광촉매 성능과 안정성을 가진 폴리메틸메타크릴레이트와 산화아연의 나노복합체를 이용하는데, 폴리메틸메타크릴레이트 분말 상에 원자 증착 방법에 의하여 70℃ 내지 90℃의 온도, 바람직하게는 80℃의 온도에서 75nm 내지 85nm의 산화아연층이 형성되고, 그 후 초음파 처리 및 용액 주조 방법을 수행하여 폴리메틸메타크릴레이트와 산화아연의 나노복합체를 얻을 수 있다.
본 발명의 TiO2 광촉매 필터(18)의 코팅 물질은 100nm 내지 400nm의 스펙트럼 범위의 빛을 조사하게 되면, 가장 광촉매 기능이 뛰어난 아나타제 상의 TiO2의 밴드 갭은 3.2eV로 넓기 때문에 광촉매 활성화되기 위해서는 380nm 이하의 자외선을 필요로하게 되어, 다파장의 진공 UV램프로 이에 해당되는 파장으로 활성화시키면 TiO2를 포토플라즈마 상태의 광촉매 활동의 가전자대(Band Gap Energy 3.2eV)에서 정공(hv+)로 인하여 OH-라디칼을 최대 활성화시키는 동시에 전도대(Conduction Band)에서 ·O2, O2 -, O2 (1.23eV)에서는 활성 산소종이 만들어지며, TiO2 및 SiO2 혼합물에서도 Si, Ti와 SiO2 내에 존재하는 O2의 배위수는 유지되지만 첨가된 TiO2 내에 존재하는 O2의 배위수는 3에서 SiO2 내에 존재하는 O와 같이 2로 변화한다.
즉, TiO2 각 결합에 + 4/6- 2/2= -1/3의 charge difference가 발생하여 Bronsted acid site가 새롭게 생성되어 acid site는 광촉매 반응에 중요한 요소인 OH- group을 증가시킬 뿐만이 아니라 광조사에 의하여 여기 되어진 전자를 잡아주는 부비트랩 역할을 하여 전자와 정공이 재결합하는 것을 방지하여 광촉매 활동을 증진시키고, SiO2는 TiO2의 광촉매 활성점 주변에서 강한 흡착점을 제공하여 주변의 유기 오염물질과 TiO2의 활발한 광촉매 활동을 갖게 하여 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매용 필터를 포함한 공기살균기의 특징을 가질 수 있다.
한편, TiO2는 상압 하에서 루틸(rutile), 아나타제(anatase) 그리고 브루카이트(brookite) 등 3가지 결정상을 가지며, 온도 상승에 따라 준 안정적인 브루카이트, 아나타제 상으로부터 루틸 상으로 전이된다. 정방정계 구조를 가지는 루틸과 아나타제, 사방정계 구조를 가지는 브루카이트 구조 모두 Ti를 중심으로 하는 TiO6 팔면체를 기본구조로 하고 있으며, 루틸은 2모서리, 아나타제는 4모서리, 브루카이트는 3모서리를 공유하고 있다. 결정의 단위격자를 보면 루틸의 경우 2개의 unit cell을 포함하고, 아나타제가 4개, 브루카이트가 8개를 포함하는 구조로 되어 있다. 이 때 기본구조를 이루는 TiO6 팔면체는 정팔면체로부터 비틀어져 있으며, 그 비틀림의 정도는 루틸 < 아나타제 < 브루카이트 순으로 증가하는 Pauling의 법칙으로 판단하면 에너지가 가장 안정한 것은 루틸이며, 다른 두 종류는 준 안정상으로서 고온 열처리에 의하여 안정상으로 전이될 수 있고, 에너지 band 개념으로 해석을 하면 아나타제는 좌측 그림에서 다음과 같이 각각 3.2eV(루틸은 3.0eV)의 band gap을 가지고 있으나 결과적으로는 아나타제가 훨씬 우수한 성능을 나타낸다.
이와 관련하여, 첫 번째로는 서로의 에너지 구조의 차이로 기인하며, 두 번째로는 결정 구조 상 표면의 이온 배열이 차이가 있어서, 수산화기나 산소의 흡착도가 차이가 나는 일부 빈도 발생도 있으나, 루틸은 아나타제를 고온으로 가열할 때 생성되므로 고온에서의 입자 변화에의한 비표면적 감소가 원인일 수도 있다. 따라서, 서로의 에너지 구조의 차이에 의해 아나타제가 더 높은 광촉매 활성을 가질 수 있다. 한편, 가전자대 위치는 서로가 함께 깊은 위치에 있고, 생성된 정공(hv+)은 충분한 산화력을 가지지만, 전도대의 위치를 보면, 수소의 산화, 환원 전위에 가깝게 위치하고 있어서, 환원력에 관해서는 비교적 약한 특징이 있는데, 아나타제 형의 전도대의 위치는 루틸보다 더욱 마이너스의 위치에 있는 것으로 확인되어 아나타제 상이 루틸 상보다 강한 환원력을 갖고 있어서, 이 전도대의 위치 차이 때문에 전체로는 아나타제 구조가 더욱 높은 광촉매 활성을 나타내고 있다.
본 발명의 코팅층(18A)에는 광촉매 분말의 크기를 작게 함으로써 표면적을 증가시킬 수 있다. 코팅층(18A)에 백금을 첨가하여 전자와 정공의 재결합 시간을 연장시킴으로써 가시광선 하에서도 활성화를 할 수 있다. 또한, 상기 TiO2 분말의 일부는 TiO2 표면에 자외선을 흡수할 수있는 염료를 흡착시켜서 광촉매 기능을 강화시키고 이를 자외선 조사하여 methylene blue와 rhodamine B 분해성을 가질 수 있다.
나아가, 상기 TiO2 분말의 일부는 TiO2 중의 산소 원자의 일부를 질소 원자로 치환하여 얻어진 TiO(2-x)Nx 분말(여기서, x는 0.1 내지 0.5)이며, 상기 TiO(2-x)Nx 분말의 표면에 요오드화은(AgI), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 중 어느 하나를 선택된 입자가 부착될 수 있다. TiO2에 질소를 치환하여 그 후에 다시 요오드화은(AgI), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 중 어느 하나를 선택된 입자를 표면에 부착시킴으로써 광촉매 물질의 밴드갭 에너지를 낮춰 가시광선에서도 감응할 수 있는 자정능력을 증진시킬 수 있다.
본 발명의 필터(18)는 광촉매가 형성된 필터층(18)을 구비함으로써, 필터 본연의 공기 정화와 함께 광촉매에 의한 살균 효과도 기대될 수 있다. 한편, 진공 자외선의 조사에 따른 광촉매 효율을 높이기 위하여 필터층(18)의 중앙부의 코팅 두께를 필터층(18)의 외곽부의 코팅 두께보다 두껍게 코팅할 수 있다. 중앙부에서 외곽부로 갈수록 코팅 두께가 얇아지게 하여 VUV 조사 램프의 상부에서 가장 코팅 두께를 두껍게 하여 광촉매 효율을 높일 수 있다.
도 6 내지 9는 시험성적서에 의한 결과를 나타낸다. 케이스, 공기 유입구, 자외선 조사램프, 안정기, 필터, 내부 공기 유출구를 포함하는 공기살균기(EN-AD01)에서 가동시간에 따른 시험풍량레벨은 강의 레벨을 갖고 부유세균을 98%제거율을 나타내었다. 그리고, 유해가스 제거효율은 암모니아, 아세트알데히드, 초산, 톨루엔, 포름알데히드에서 유효한 제거 성능을 나타내었다. 나아가, 부유세균 저감율 98.3%이며, 오존 방출량은 0.031ppm, 부유바이러스 저감 90%이상으로 성능은 매우 우수하였다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 공기 살균기
10 케이스
11 공기 유입구
12 공기 유출구
13 공기 흡입팬
14 VUV 조사 램프
15 하부 지지대
16 반사판
17 안정기
18 필터
18A 코팅층
19 반사판용 회전부
10 케이스
11 공기 유입구
12 공기 유출구
13 공기 흡입팬
14 VUV 조사 램프
15 하부 지지대
16 반사판
17 안정기
18 필터
18A 코팅층
19 반사판용 회전부
Claims (1)
- 케이스;
상기 케이스의 측면에 위치하여 외부 공기를 유입하는 공기 유입구;
상기 공기 유입구로부터 유입된 공기에 100nm 내지 200nm의 파장을 갖는 VUV 자외선을 조사하기 위하여 상기 케이스 내측 바닥면에 위치하는 VUV 조사 램프;
상기 케이스의 내측 일면에 위치하는 안정기;
상기 케이스의 내측에 위치하며, 상기 VUV 자외선이 조사되는 필터;
상기 필터의 상부에 위치하며 케이스 내부 공기를 외부로 유출하는 공기 유출구;
상기 케이스의 일면에 위치하거나 상기 케이스와 분리된 리모콘에 위치하며, 공기 살균기의 작동 상태를 나타내고 LCD 입력 화면을 구비하여 터치 입력을 가능하게 하는 입력부;를 구비하는 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기이며,
상기 필터의 일면에 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층은 광촉매 분말, 아크릴레이트 단량체, 폴리아크릴아미드 중합체, 폴리비닐알코올, 폴리카보네이트에서 선택된 적어도 어느 하나의 화합물, 폴리메틸메타크릴레이트와 산화아연의 나노복합체를 포함하고,
상기 광촉매 분말은 TiO2 분말 및 SiO2 분말을 포함하며, TiO2 분말 및 SiO2 분말은 중량비로 1:8 내지 9의 비율로 혼합되고, 상기 광촉매 분말에 아크릴레이트 단량체, 폴리아크릴아미드 중합체, 폴리비닐알코올, 폴리카보네이트에서 선택된 적어도 어느 하나의 화합물을 중량비로 100:1 내지 5의 비율로 혼합되고, 상기 광촉매 분말에 폴리메틸메타크릴레이트와 산화아연의 나노복합체를 중량비로 100:1 내지 5의 비율로 혼합되고, TiO2 분말은 아나타제 결정구조를 갖고,
상기 폴리메틸메타크릴레이트 및 산화아연의 나노복합체는 폴리메틸메타크릴레이트 분말 상에 원자 증착 방법에 의하여 75nm 내지 85nm의 산화아연층이 형성되어 이루어지며,
상기 TiO2 분말의 일부는 그 표면에 상기 나노복합체가 흡착되며,
상기 TiO2 분말의 일부는 TiO2 중의 산소 원자의 일부를 질소 원자로 치환하여 얻어진 TiO(2-x)Nx 분말(여기서, x는 0.1 내지 0.5)이며, 상기 TiO(2-x)Nx 분말의 표면에 요오드화은(AgI), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 중 어느 하나를 선택된 입자가 부착되는 것을 특징으로 하는 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매 필터를 포함하는 공기 살균기.
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| GRNT | Written decision to grant |