KR102331737B1 - 이산화탄소 흡수 복합체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

이산화탄소 흡수 복합체 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 출원은 이산화탄소 흡수 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 이산화탄소의 흡수 성능 및 환원 성능이 우수한 이산화탄소 흡수 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

이산화탄소 흡수 복합체 및 이의 제조 방법{CARBON DIOXIDE ABSORBING COMPOSITE AND METHOD OF PREPARING SAME}
본 출원은 이산화탄소 흡수 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 이산화탄소의 흡수 성능 및 환원 성능이 우수한 이산화탄소 흡수 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 대기 오염, 미세먼지, 황사 등 대기 오염이 심해지고, 실내 공간은 밀폐되어 환기가 쉽지 않기 때문에 생활 중에 발생되는 먼지로 인해 실내공기가 쉽게 오염된다.
실내공기가 오염되면 여러 가지 건강상의 문제가 발생할 수 있고, 생활의 불쾌감을 느낄 수 있기 때문에 근래에는 건강을 보호하는 동시에 쾌적한 생활을 느낄 수 있도록 공기청정치의 설치가 늘어나고 있는 추세이다.
그러나, 에너지 효율 극대화로 제한된 환기 조건에서 공기청정기 작동시, 공기 중 이산화탄소 농도가 증가하고, 이는 재실자의 건강에 부정적인 영향을 초래하여 이산화탄소 농도 증가를 방지하기 위한 방안이 필요한 실정이다.
한편, 이산화탄소 저감을 위한 흡수 물질은 수명이 짧고, 저감 촉매의 경우 대부분 고온 조건에서 작동되거나, 액상에서 전기 화학적으로 저감되는 방식으로 상온의 공기 중 이산화탄소를 효율적으로 저감하기 위한 필터 기술이 부재한다.
따라서, 이산화탄소를 효율적으로 저감시키면서, 그 과정에서 추가적인 오염 물질을 배출시키지 않는 공기정화장치에 대한 연구가 필요하다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 이산화탄소의 흡수 성능 및 환원 성능이 우수한 이산화탄소 흡수 복합체 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 출원의 일 측면은 이산화탄소 흡수 복합체에 관한 것이다.
일 예시에서, 이산화탄소 흡수 복합체는 유전체 비드; 상기 유전체 비드 상에 형성된 이산화탄소 흡수 코팅층을 포함하며, 상기 이산화탄소 흡수 코팅층은: 상기 유전체 비드의 일 영역 상에 형성된 이산화탄소 흡수층; 상기 이산화탄소 흡수층 상에 형성되고, 칼코겐화 금속을 포함하는 금속층; 및 상기 비드, 이산화탄소 흡수층 및 금속층을 감싸도록 형성되고, bovine serum albumin (BSA), human serum albumin (HSA), alkanolamines, monoethanolamine, polyethyleneimine, diethanolamine, methyldiethanolamine, piperazine, etraethylenepentamine, entaethylenehexamine, diethylenetriamine, ethylenediamine, triethylenetetramine, triethanolamine, polyallylamine 및 2-amino-2-methyl-1-propanol로 이루어진 그룹으로부 선택된 적어도 하나를 포함하는 유기화합물층을 포함할 수 있다.
일 예시에서, 상기 이산화탄소 흡수층은 소다라임, 제올라이트, 활성탄소 및 metal-organic framework(MOF)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예시에서, 상기 금속층은 순금속 및 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예시에서, 상기 순금속은 Ru, Rh, Pt, Pd, Au, Ag, Cu, Ni, Ir, Sn, Gd, Sm, La, Zr 및 Mg로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예시에서, 상기 산화물은 CeO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, Ni2O3, Fe2O3, Co3O4, MgO, CaO, SiO2, Al2O3, La2O3 및 Ga2O3로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예시에서, 상기 금속층은 금속산화물을 포함할 수 있다.
삭제
본 출원의 다른 측면은 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
플라즈마 반응기는 외기가 유입되는 유입구, 내기가 배출되는 배출구 및 상기 유입구와 배출구 사이에 형성된 수용부를 포함하는 챔버; 상기 수용부에 위치되며, 하나 또는 그 이상의 전술한 비드 타입의 이산화탄소 흡수 복합체; 및 상기 챔버 내를 관통하며, 유입구로부터 배출구 방향으로 위치된 와이어 전극을 포함할 수 있다.
일 예시에서, 상기 와이어 전극의 표면은 나노핀(nanopin) 형태를 가질 수 있다.
본 출원의 다른 측면은 필터 장치에 관한 것이다.
일 예시에서, 필터 장치는 외기가 유입되는 유입구, 내기가 배출되는 배출구 및 상기 유입구와 배출구 사이에 형성된 수용부를 포함하는 챔버; 상기 수용부에 위치되며, 하나 또는 그 이상의 전술한 비드 타입의 필터 복합체; 및 상기 유입구에 위치되며, 수용부 내로 이온을 공급하는 공기 이오나이저(air ionizor)를 포함할 수 있다.
본 출원의 다른 측면은 이산화탄소 흡수 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.
일 예시에서, 이산화탄소 흡수 복합체의 제조 방법은 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정으로서, 구형의 유전체 비드의 일 반구 상에 이산화탄소 흡수층, 금속층, 및 bovine serum albumin (BSA), human serum albumin (HSA), alkanolamines, monoethanolamine, polyethyleneimine, diethanolamine, methyldiethanolamine, piperazine, etraethylenepentamine, entaethylenehexamine, diethylenetriamine, ethylenediamine, triethylenetetramine, triethanolamine, polyallylamine 및 2-amino-2-methyl-1-propanol 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 유기화합물층을 순차적으로 포함하는 코팅층을 형성하는 단계; 상기 일 반구가 코팅된 유전체 비드의 타 반구 상에 이산화탄소 흡수층, 금속층, 및 bovine serum albumin (BSA), human serum albumin (HSA), alkanolamines, monoethanolamine, polyethyleneimine, diethanolamine, methyldiethanolamine, piperazine, etraethylenepentamine, entaethylenehexamine, diethylenetriamine, ethylenediamine, triethylenetetramine, triethanolamine, polyallylamine 및 2-amino-2-methyl-1-propanol 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 유기화합물층을 순차적으로 포함하는 코팅층을 형성하는 단계; 상기 코팅층이 형성된 유전체 비드에 광조사하여 상기 금속층을 칼코겐화하는 단계; 및 상기 코팅층이 형성된 유전체 비드 상의 용매를 제거하고, 코팅층이 형성된 유전체 비드를 세척하고 건조하는 후처리단계를 포함할 수 있다.
일 예시에서, 상기 이산화탄소 흡수층은 소다라임, 제올라이트, 활성탄소 및 metal-organic framework(MOF)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예시에서, 상기 금속층은 순금속 및 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예시에서, 상기 순금속은 Ru, Rh, Pt, Pd, Au, Ag, Cu, Ni, Ir, Sn, Gd, Sm, La, Zr 및 Mg로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예시에서, 상기 산화물은 CeO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, Ni2O3, Fe2O3, Co3O4, MgO, CaO, SiO2, Al2O3, La2O3 및 Ga2O3로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예시에서, 상기 금속층은 금속산화물을 포함할 수 있다.
삭제
본 출원의 일 실시예에 따르면, 촉매 반응에 의해 흡수된 이산화탄소를 탄산 또는 탄소로 전환시켜, 이산화탄소 저감 능력이 향상된 이산화탄소 흡수 복합체를 제공할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 금속층에 금속산화물이 포함되는 경우, 입자 제조시 기체의 산소함량을 조절하여, 산소 베이컨시(vacancy) 수준을 제어함으로써, 보다 우수한 이산화탄소 흡수 능력을 갖는 이산화탄소 흡수 복합체를 제공할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 반응기 내에 이산화탄소 흡수 복합체를 충전하여, 보다 우수한 이산화탄소 흡수 성능을 향상시키고 장치의 수명을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 측면인 이산화탄소 흡수 복합체의 모식도이다.
도 2는 본 출원의 일 측면인 이산화탄소 흡수 복합체의 모식도이다.
도 3은 본 출원의 일 측면인 이산화탄소 흡수 복합체의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 출원의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기에 대한 모식도이다.
도 5는 일반적인 전극과 본 출원의 일 실시예에 따른 와이어 형태로 에칭된 전극의 이미지이다.
도 6은 일반적인 전극과 본 출원의 일 실시예에 따른 와이어 형태로 에칭된 전극을 이용한 플라즈마 형성을 나타내는 이미지이다.
도 7은 본 출원의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 8은 본 출원의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
본 출원에서 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 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 출원에서 용어 "나노"는 나노 미터(nm) 단위의 크기를 의미할 수 있고, 예를 들어, 1 내지 1,000 nm의 크기를 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 용어 "나노 입자"는 나노 미터(nm) 단위의 평균 입경을 갖는 입자를 의미할 수 있고, 예를 들어, 1 내지 1,000 nm의 평균입경을 갖는 입자를 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
에너지 효율의 극대화로 제한된 환기조건에서 공기청정기 작동시, 공기 중 이산화탄소 농도 증가하고, 이는 재실자의 건강에 부정적 영향을 초래한다. 그러나 이산화탄소 저감을 위한 대부분의 흡수 물질은 수명이 짧고, 저감 촉매의 경우 대부분 고온 조건에서 작동되거나, 액상에서 전기화학적으로 저감되는 방식으로 상온의 공기 중 이산화탄소를 효율적으로 저감하기 위한 필터에 대한 기술이 부재한다. 이에 본 발명자는 우선 이산화탄소의 흡수 능력을 극대화하기 위해, 상용 흡수재인 소다라임, 제올라이트, 활성탄소, 또는 MOF 표면에 촉매금속+산화물 나노입자를 부착시키는 동시에 촉매 반응에 의해 흡수된 이산화탄소를 탄산 또는 탄소로 전환시킴으로써 저감성능을 개선하였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 이러한 본 출원의 이산화탄소 흡수 복합체 및 이의 제조 방법을 상세히 설명한다. 다만, 첨부된 도면은 예시적인 것으로, 본 출원의 이산화탄소 흡수 복합체 및 이의 제조 방법의 범위가 첨부된 도면에 의해 제한되는 것은 아니다.
1. 이산화탄소 흡수 복합체
도 1은 본 출원의 일 측면인 이산화탄소 흡수 복합체의 모식도이다. 또한, 도 2는 본 출원의 다른 측면인 이산화탄소 흡수 복합체의 모식도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 이산화탄소 흡수 복합체(1)는 유전체 비드(11); 상기 유전체 비드 상에 형성된 이산화탄소 흡수 코팅층(12)을 포함하며, 상기 이산화탄소 흡수 코팅층(12)은: 상기 유전체 비드(11)의 일 영역 상에 형성된 이산화탄소 흡수층(13); 상기 이산화탄소 흡수층(13) 상에 형성되고, 칼코겐화 금속을 포함하는 금속층(15); 및 상기 비드(11), 이산화탄소 흡수층(13) 및 금속층(15)을 감싸도록 형성된 유기화합물층(17)을 포함할 수 있다.
(1) 유전체 비드
이산화탄소 흡수 복합체는 유전체 비드를 포함한다.
여기서, "비드(bead)"는 구형상을 의미하는 것으로서, 더욱이, 구형상에 근접한 다양한 형상을 포함하는 것을 의미한다.
여기서, "유전체"는 부도체 물질로서, 전자(electron)을 댐(dam)처럼 가둘 수 있는 특징을 가진 소재를 의미한다. 댐에 가둬진 물은 에너지가 높아져서 수문이 열리면 큰 압력을 갖고 흐르듯이, 유전체를 사이에 두고 두 전극 사이에 전압이 인가되면, 유전용량 만큼 유전체에 전자가 채워지고, 이를 넘어서면 댐에서 물이 흐르듯이, 전자가 강한 에너지를 가지고 흐르게 되는 전자사태(electron avalanche)가 일어난다. 이 때, 공기분자가 강한 에너지의 전자와 충돌하면서, 이온 및 라디칼(radical)이 생성되어, 이산화탄소 저감 반응을 촉진시킬 수 있다. 일 예시로서, 세라믹, 유리, 운모(mica), 플라스틱 등과 같은 부도체 물질일 수 있다.
비드의 크기에 따라 표면적이 달리지기 때문에 전자사태의 강도가 변해 발생되는 이온 및 라디칼의 양이 달라질 수 있다. 또한, 비드 크기에 따라 공극률이 달라지기 때문에 흘러가는 공기의 통기성 또한 달라질 수 있다.
다만, 본 출원에서는 비드의 성분 및 크기 등은 특별히 한정되는 것은 아니며, 전술한 바와 같이 활용될 수 있으며, 후술하는 바와 같이, 플라즈마 반응기에 충전하여 사용할 수 있는 성분 및 크기에 해당된다면 어떠한 것이라도 적용가능하다.
도 1에서 비드의 평판형으로 도시되었지만, 이는 비드의 일부를 나타내는 것이며, 비드는 전술한 바와 같이 구형일 수 있다.
(2) 이산화탄소 흡수층
이산화탄소 흡수층은 유전체 비드의 일 영역 상에 형성된다. 예를 들어, 도 1에서와 같이, 유전체 비드 중 일부 영역 상에 구형(예를 들어 입자의 응집체)으로 형성될 수 도 있고, 유전체 비드의 전 영역 상에 레이어 형태로 형성될 수 도 있다.
도 1에서와 같이 입자의 응집체 형태일 경우에는 그 평균 직경은 마이크로 단위로서 1 마이크로 내지 1000 마이크로의 크기를 가질 수 있다.
다만, 본 명세서에서 "층"이라고 표현하더라도 이는 반드시 하위층의 모든 영역에 형성된 레이어(layer) 형태만을 의미하는 것은 아니며, 도 1에서와 같이 일부 영역에 형성된 부분도 포함한다. 이러한 의미는 후술하는 금속층, 유기화합물층에도 적용될 수 있다.
일 예시에서, 상기 이산화탄소 흡수층은 소다라임, 제올라이트, 활성탄소 및 metal-organic framework(MOF)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다만, 본 출원이 이에 한정되는 것은 아니다.
(3) 금속층
금속층은 이산화탄소 흡수층 상에 형성되고, 칼코겐화 금속을 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 1에서와 같이, 이산화탄소 흡수층 상에 구형(예를 들어 입자의 응집체)으로 형성될 수 도 있고, 이산화탄소 흡수층의 전 영역 상에 레이어 형태로 형성될 수 도 있다.
도 1에서와 같이 입자의 응집체 형태일 경우에는 그 평균 직경은 나노 단위로서 1 나노 내지 1000 나노의 크기를 가질 수 있다.
본 명세서에서 금속층이라고 지칭하였지만, 단순히 금속만을 포함하는 것은 아니며, 금속 이외에 산화물 특히 금속산화물을 포함할 수 있다.
상기 금속층은 순금속 및 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 금속층은 금속산화물을 포함할 수 있다. 도 3은 본 출원의 일 측면인 이산화탄소 흡수 복합체의 작용을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 금속산화물이 포함되는 경우에는 입자 제조시 기체의 산소함량을 조절하여 산소 베이컨시(이산화탄소 중 O=C로 채워지는 부분) 수준을 조절할 수 있다. 즉, 금속산화물에서 산소가 위치하여야 할 부분을 베이컨시로 제어하면 그 부분을 이산화탄소의 산소가 차지할 수 있으며, 이는 이산화탄소 흡수층 이외에 금속층에서도 이산화탄소를 흡수, 포집할 수 있는 능력을 제공할 수 있는 것이다.
일 예시에서, 상기 순금속은 Ru, Rh, Pt, Pd, Au, Ag, Cu, Ni, Ir, Sn, Gd, Sm, La, Zr 및 Mg로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예시에서, 상기 산화물은 CeO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, Ni2O3, Fe2O3, Co3O4, MgO, CaO, SiO2, Al2O3, La2O3 및 Ga2O3로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 금속산화물을 포함되는 경우에는 이산화탄소 포집 능력을 향상시킬 수 있다.
또한, 후술하는 바와 같이, 광조사에 의하여 금속이 칼코겐화되면 이산화탄소의 환원촉매로 작용하여, 포집된 이산화탄소를 용이하게 다시 탄소 또는 탄산으로 전환하여, 이산화탄소 흡수층의 성능을 복귀시키는데 도움을 줄 수 있다.
전이금속 칼코겐 화합물(Transition-Metal Dichalcogenides; TMDs)은 MX 또는 MX2의 화학식으로 나타내며, M은 전이금속원소(주기율표 4~6족)이고, X는 칼코겐 원소(주기율표 6B족에 속하는 원소 중 산소(O), 황(S),·셀렌(Se),·텔루르(Te),·폴로늄(Po))이다. 단일층 내에서는 전이금속 원소와 칼코겐 원소들이 매우 강한 공유결합을 이루는 반면에, 각각의 층 사이에는 약한 반데르발스 결합을 하는 층상구조로 이루어져 있어 그래핀과 유사하게 층간 분리를 통하여 원자 수준의 두께를 지닌 박막 형성이 가능하다.
상기 칼코겐화 금속이 광촉매로 사용되면 항균, 공기 정화, 탈취, 방오, 정수 기능을 할 수 있다. 예컨대, CO, CO2 저감 뿐만 아니라, 각종 병원균과 박테리아를 살균할 수 있으며, 공기 중의 질소산화물(NOX), 유황산화물(SOX), 포름알데히드 등과 같은 유해물질을 제거할 수 있다.
특히, 칼코겐화 금속은 광촉매로 작용할 수 있으며, 여기서 광은 가시광 또는 UV일 수 있다.
(4) 유기화합물층
유기화합물층은 유전체 비드, 이산화탄소 흡수층 및 금속층을 커버하도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 1에서와 같이, 이산화탄소 흡수층 및 금속층 상에 분자 단위의 크기의 레이어로 형성될 수 도 있고, 금속층의 전 영역 상에 레이어 형태로 형성될 수 도 있다.
유기화합물은 바인더 또는 접착제의 역할을 할 수 있는 화합물이라면 어떠한 화합물도 적용가능하다.
일 예시에서, 상기 유기화합물은 BSA, HSA, alkanolamines, monoethanolamine, polyethyleneimine, diethanolamine, methyldiethanolamine, piperazine, etraethylenepentamine, entaethylenehexamine, diethylenetriamine, ethylenediamine, triethylenetetramine, triethanolamine, polyallylamine 및 2-amino-2-methyl-1-propanol 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다만, 본 출원이 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 이러한 화합물은 아민기를 포함한다. 아민기가 코팅되어 있는 경우, 이산화탄소와 아민 사이에서 공유결합이 생성될 수 있어서, 부착된 이산화탄소가 필터로부터 떨어져 나가는 현상을 억제할 수 있다.
전술한 바와 같이 적층된 이산화탄소 흡수 복합체는 종래의 이산화탄소 흡수재 뿐만 아니라 금속산화물의 역할이 더하여 우수한 이산화탄소 흡수능을 보유하고 있으며, 칼코겐화합물에 의하여 이산화탄소를 용이하게 환원시켜 이산화탄소 흡수 복합체의 지속적인 사용을 보장할 수 있다.
2. 플라즈마 반응기
본 출원의 다른 측면은 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
여기서, 전술한 코팅층이 형성된 유전체 비드를 챔버내에 충전하여 이용한다.
도 4는 본 출원의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기에 대한 모식도이다.
도 4를 구체적으로 참조하면, 플라즈마 반응기(2)는 외기가 유입되는 유입구(22), 내기가 배출되는 배출구(23) 및 상기 유입구와 배출구 사이에 형성된 수용부(24)를 포함하는 챔버(21); 상기 수용부에 위치되며, 하나 또는 그 이상의 전술한 이산화탄소 흡수 복합체(25); 및 상기 챔버 내를 관통하며, 유입구로부터 배출구 방향으로 위치된 와이어 전극(26)을 포함할 수 있다.
플라즈마 반응기는 packed-bed 타입일 수 있다. 여기서, 챔버의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니며, 원통형일 수 있다. 일 단부는 유입구로서, 외기가 유입되고, 타 단부는 내기가 배출되는 배출구를 구비하며, 그 사이에는 수용부가 존재한다.
수용부에는 전술한 비드 타입의 이산화탄소 흡수 복합체가 충전된다. 비드는 반응기 내 유전체로 적용될 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 반응기 내에 이산화탄소 흡수 복합체를 충전하여, 보다 우수한 이산화탄소 흡수 성능을 향상시키고 장치의 수명을 크게 향상시킬 수 있다.
일 예시에서, 상기 와이어 전극의 표면은 나노핀(nanopin) 형태를 가질 수 있다.
도 5는 일반적인 전극과 본 출원의 일 실시예에 따른 와이어 형태로 에칭된 전극의 이미지이다.
도 6은 일반적인 전극과 본 출원의 일 실시예에 따른 와이어 형태로 에칭된 전극을 이용한 플라즈마 형성을 나타내는 이미지이다.
공기가 이온화되기 위해서는, 전기적으로 중성(neutral)인 공기분자가 절연파괴(electrical breakdown)되어, 전기적 극성을 띠게(공기이온)된다. 이러한 절연파괴는 두 전극 사이에 고전압을 인가함으로써 이뤄지는데, 인가되는 전압이 높을수록 절연파괴 과정에서 오존이 생성될 수 있는 확률이 높아진다. 이를 낮추기 위해서는 절연파괴 전압이 낮아져야 하는데, 이를 낮출 수 있는 방법 중 하나가, 전극의 직격을 극단적으로 작게하는 것이 방법이며, 대략적 상관관계는 하기와 같다.
Vbreakdown ∝ Delectrode
Cozone ∝ Vbreakdown
나노핀을 이용하여, 이러한 메커니즘을 달성할 수 있다. 따라서, 일반적으로 전극을 사용하는 경우와 비교하여, 나노크기의 핀 또는 로드가 형성된 와이어 전극을 사용하는 경우 오존의 생성없이 라디칼 및 이온을 생성시킬 수 있다. 낮은 전압에서 전자가 빠르게 이동하여, 오존이 거의 생성되지 않은채 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
3. 필터 장치
본 출원의 다른 측면은 필터 장치에 관한 것이다.
전술한 플라즈마 반응기와 유사한 형태를 구비하나, 나노핀 형태의 와이어전극을 포함하지 않으며, 대신 공기 이오나이저를 포함할 수 있다. 구체적으로, 필터 장치는 외기가 유입되는 유입구, 내기가 배출되는 배출구 및 상기 유입구와 배출구 사이에 형성된 수용부를 포함하는 챔버; 상기 수용부에 위치되며, 하나 또는 그 이상의 비드 타입의 필터 복합체; 및 상기 유입구에 위치되며, 수용부 내로 이온을 공급하는 공기 이오나이저를 포함할 수 있다.
공기 이오나이저는 예시로서 양/음이온 공기 발생기(carbon brush ionizer)를 포함할 수 있으며, 오존발생량 매우 낮다. 필터 전단에 설치되어, 이산화탄소와 이온이 필터내로 함께 유입되어, 이온은 이산화탄소의 흡착을 보다 우수한 효율로 수행하도록 도와준다.
4. 제조 방법
본 출원의 다른 측면은 이산화탄소 흡수 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.
도 7은 본 출원의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 8은 본 출원의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이 이산화탄소 흡수 복합체의 제조 방법은 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정으로서, 구형의 유전체 비드의 일 반구 상에 이산화탄소 흡수층, 금속층, 및 유기화합물층을 순차적으로 포함하는 코팅층을 형성하는 단계(S10); 상기 일 반구가 코팅된 유전체 비드의 타 반구 상에 이산화탄소 흡수층, 금속층, 및 유기화합물층을 순차적으로 포함하는 코팅층을 형성하는 단계(S20); 상기 코팅층이 형성된 유전체 비드에 광조사하여 상기 금속층을 칼코겐화하는 단계(S30); 및 상기 코팅층이 형성된 유전체 비드 상의 용매를 제거하고, 코팅층이 형성된 유전체 비드를 세척하고 건조하는 후처리단계(S40)를 포함할 수 있다.
이하, 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 출원의 이산화탄소 흡수 복합체의 제조 방법은 롤투롤 형식이다. 이는 일반적으로 여러 공정을 하나로 연결한, 고속 연속 컨버팅 공정기술로 Reel-to-reel 프로세스라고도 한다
S10: 일 반구의 코팅층 형성 단계
구형의 유전체 비드의 일 반구 상에 이산화탄소 흡수층, 금속층, 및 유기화합물층을 순차적으로 포함하는 코팅층을 형성한다.
이산화탄소 흡수층은 유전체 비드의 일 영역 상에 형성된다. 예를 들어, 유전체 비드 중 일부 영역 상에 구형(예를 들어 입자의 응집체)으로 형성될 수 도 있고, 유전체 비드의 전 영역 상에 레이어 형태로 형성될 수 도 있다. 입자의 응집체 형태일 경우에는 그 평균 직경은 마이크로 단위로서 1 마이크로 내지 1000 마이크로의 크기를 가질 수 있다.
일 예시에서, 상기 이산화탄소 흡수층은 소다라임, 제올라이트, 활성탄소 및 metal-organic framework(MOF)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다만, 본 출원이 이에 한정되는 것은 아니다.
이들 이산화탄소 흡수 입자는 스프레이 타입으로 제공된다.
스프레이 타입이란 액상 내부에 입자가 포함된 액적형태로 분무되고, 이 후 액적에서 액체는 기화되어 제거되는 방식을 의미한다.
그리고, 금속층은 이산화탄소 흡수층 상에 형성될 수 있다.
예를 들어, 이산화탄소 흡수층 상에 구형(예를 들어 입자의 응집체)으로 형성될 수 도 있고, 이산화탄소 흡수층의 전 영역 상에 레이어 형태로 형성될 수 도 있다. 입자의 응집체 형태일 경우에는 그 평균 직경은 나노 단위로서 1 나노 내지 1000 나노의 크기를 가질 수 있다.
본 명세서에서 금속층이라고 지칭하였지만, 단순히 금속만을 포함하는 것은 아니며, 금속 이외에 산화물 특히 금속산화물을 포함할 수 있다.
상기 금속층은 순금속 및 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 금속층은 금속산화물을 포함할 수 있다. 금속산화물이 포함되는 경우에는 입자 제조시 기체의 산소함량을 조절하여 산소 베이컨시(이산화탄소 중 O=C로 채워지는 부분) 수준을 조절할 수 있다. 즉, 금속산화물에서 산소가 위치하여야 할 부분을 베이컨시로 제어하면 그 부분을 이산화탄소의 산소가 차지할 수 있으며, 이는 이산화탄소 흡수층 이외에 금속층에서도 이산화탄소를 흡수, 포집할 수 있는 능력을 제공할 수 있는 것이다.
일 예시에서, 상기 순금속은 Ru, Rh, Pt, Pd, Au, Ag, Cu, Ni, Ir, Sn, Gd, Sm, La, Zr 및 Mg로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예시에서, 상기 산화물은 CeO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, Ni2O3, Fe2O3, Co3O4, MgO, CaO, SiO2, Al2O3, La2O3 및 Ga2O3로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 금속산화물을 포함되는 경우에는 이산화탄소 포집 능력을 향상시킬 수 있다.
또한, 후술하는 바와 같이, 광조사에 의하여 금속이 칼코겐화될 수 있다. 이 때, 싸이올 용액(Thiol Solution)을 동시에 주입하여 UV 램프로 빛을 조사하면 광이온화 과정이 일어나 FeS2, MoS2, WS2, ZnS, PbS, CdS를 포함하는 칼코겐화된 금속 광촉매가 생성될 수 있다. 이들은 이산화탄소의 환원촉매로 작용하여, 포집된 이산화탄소를 용이하게 다시 탄소 또는 탄산으로 전환하여, 이산화탄소 흡수층의 성능을 복귀시키는데 도움을 줄 수 있다. 특히, 칼코겐화 금속은 광촉매로 작용할 수 있으며, 여기서 광은 가시광 또는 UV일 수 있다.
이들 금속층을 형성하는 입자는 분말 형태로 제공될 수 있다.
이들은 나노 크기의 입자로 제조되어 제공될 수 있으며, 일 예시에서 순금속 또는 칼코겐화 금속을 위한 하나의 전극과 산화물을 위한 하나의 전극 사이에서의 플라즈마 방전에 의하여 UV 조사하에서 제조된 나노물질을 이용할 수 있다.
유기화합물층은 유전체 비드, 이산화탄소 흡수층 및 금속층을 커버하도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 이산화탄소 흡수층 및 금속층 상에 분자 단위의 크기의 레이어로 형성될 수 도 있고, 금속층의 전 영역 상에 레이어 형태로 형성될 수 도 있다.
유기화합물은 바인더 또는 접착제의 역할을 할 수 있는 화합물이라면 어떠한 화합물도 적용가능하다.
일 예시에서, 상기 유기화합물은 BSA, HSA, alkanolamines, monoethanolamine, polyethyleneimine, diethanolamine, methyldiethanolamine, piperazine, etraethylenepentamine, entaethylenehexamine, diethylenetriamine, ethylenediamine, triethylenetetramine, triethanolamine, polyallylamine 및 2-amino-2-methyl-1-propanol 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다만, 본 출원이 이에 한정되는 것은 아니다.
이들 유기화합물층을 형성하는 입자는 스프레이 타입으로 제공된다.
스프레이 타입이란 액상 내부에 입자가 포함된 액적형태로 분무되고, 이 후 액적에서 액체는 기화되어 제거되는 방식을 의미한다.
S20: 타 반구의 코팅층 형성 단계
일 반구가 코팅된 유전체 비드의 타 반구 상에 이산화탄소 흡수층, 금속층, 및 유기화합물층을 순차적으로 포함하는 코팅층을 형성한다.
전술한 바와 같이, 롤투롤 공정에서 유전체 비드의 일 반구에 대하여 코팅을 실시한 후 유전체 비드의 미코팅된 부분인 타 반구를 코팅하기 위하여, 상기 유전체 비드를 약 180도 회전시키고, 미코팅된 영역에 대해 S10에서 제시한 방법과 동일한 방법으로 유전체 비드의 타 반구를 코팅할 수 있다.
예를 들어, 도 8에 도시한 바와 같은 장치에서, 우측 상단 도면의 코터(coater) 아래에서, 롤 흐름을 잠시 정지한 후, 롤 위에 배치된 비드를 보조 롤러를 이용하여, 일정 정도, 예를 들어 1회 이상 회전(전체가 코팅되도록)한 후, 다시 롤 흐름을 진행시키는 방식을 적용할 수 있다. 다만, 본 출원은 이에 한정되는 것은 아니다.
이를 통하여, 구형상의 유전체 비드의 전 영역을 코팅할 수 있다.
S30: 광조사 단계
구형상의 유전체 비드의 전 영역을 코팅한 후 상기 코팅층이 형성된 유전체 비드에 광조사하여 상기 금속층을 칼코겐화할 수 있다. 칼코겐화합물에 의하여 이산화탄소를 용이하게 환원시켜 이산화탄소 흡수 복합체의 지속적인 사용을 보장할 수 있다.
S40: 후처리 단계
상기 코팅층이 형성된 유전체 비드 상의 용매를 제거하고, 코팅층이 형성된 유전체 비드를 세척하고 건조한다.
용매 제거, 세척, 및 건조하는 방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 본 출원이 속한 기술분야에 적용가능한 방법은 어떠한 방법이라도 적용될 수 있다.
이러한 일련의 단계를 통하여, 촉매 반응에 의해 흡수된 이산화탄소를 탄산 또는 탄소로 전환시켜, 이산화탄소 저감 능력이 향상된 이산화탄소 흡수 복합체를 제공할 수 있다.
상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 이산화탄소 흡수 복합체
11: 비드
12: 이산화탄소 흡수 코팅층
13: 이산화탄소 흡수층
15: 금속층
17: 유기화합물층
2: 플라즈마 반응기
21: 챔버
22: 유입구
23: 배출구
24: 수용부
25: 비드 타입의 이산화탄소 흡수 복합체
26: 와이어 전극

Claims (17)

  1. 유전체 비드;
    상기 유전체 비드 상에 형성된 이산화탄소 흡수 코팅층을 포함하며,
    상기 이산화탄소 흡수 코팅층은:
    상기 유전체 비드의 일 영역 상에 형성된 이산화탄소 흡수층;
    상기 이산화탄소 흡수층 상에 형성되고, 칼코겐화 금속을 포함하는 금속층; 및
    상기 비드, 이산화탄소 흡수층 및 금속층을 감싸도록 형성되고, bovine serum albumin (BSA), human serum albumin (HSA), alkanolamines, monoethanolamine, polyethyleneimine, diethanolamine, methyldiethanolamine, piperazine, etraethylenepentamine, entaethylenehexamine, diethylenetriamine, ethylenediamine, triethylenetetramine, triethanolamine, polyallylamine 및 2-amino-2-methyl-1-propanol 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 유기화합물층을 포함하는 비드 타입의 이산화탄소 흡수 복합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 흡수층은 소다라임, 제올라이트, 활성탄소 및 metal-organic framework(MOF)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 이산화탄소 흡수 복합체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층은 순금속 및 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 이산화탄소 흡수 복합체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 순금속은 Ru, Rh, Pt, Pd, Au, Ag, Cu, Ni, Ir, Sn, Gd, Sm, La, Zr 및 Mg로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 이산화탄소 흡수 복합체.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 산화물은 CeO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, Ni2O3, Fe2O3, Co3O4, MgO, CaO, SiO2, Al2O3, La2O3 및 Ga2O3로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 이산화탄소 흡수 복합체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층은 금속산화물을 포함하는 이산화탄소 흡수 복합체.
  7. 삭제
  8. 외기가 유입되는 유입구, 내기가 배출되는 배출구 및 상기 유입구와 배출구 사이에 형성된 수용부를 포함하는 챔버;
    상기 수용부에 위치되며, 하나 또는 그 이상의 제 1 항의 비드 타입의 이산화탄소 흡수 복합체; 및
    상기 챔버 내를 관통하며, 유입구로부터 배출구 방향으로 위치된 와이어 전극을 포함하는 플라즈마 반응기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 와이어 전극의 표면은 나노핀(nanopin) 형태를 갖는 플라즈마 반응기.
  10. 외기가 유입되는 유입구, 내기가 배출되는 배출구 및 상기 유입구와 배출구 사이에 형성된 수용부를 포함하는 챔버;
    상기 수용부에 위치되며, 하나 또는 그 이상의 제 1 항의 비드 타입의 이산화탄소 흡수 복합체; 및
    상기 유입구에 위치되며, 수용부 내로 이온을 공급하는 공기 이오나이저(air ionizor)를 포함하는 필터 장치.
  11. 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정으로서,
    구형의 유전체 비드의 일 반구 상에 이산화탄소 흡수층, 금속층, 및 BSA, HSA, alkanolamines, monoethanolamine, polyethyleneimine, diethanolamine, methyldiethanolamine, piperazine, etraethylenepentamine, entaethylenehexamine, diethylenetriamine, ethylenediamine, triethylenetetramine, triethanolamine, polyallylamine 및 2-amino-2-methyl-1-propanol 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 유기화합물층을 순차적으로 포함하는 코팅층을 형성하는 단계;
    상기 일 반구가 코팅된 유전체 비드의 타 반구 상에 이산화탄소 흡수층, 금속층, 및 BSA, HSA, alkanolamines, monoethanolamine, polyethyleneimine, diethanolamine, methyldiethanolamine, piperazine, etraethylenepentamine, entaethylenehexamine, diethylenetriamine, ethylenediamine, triethylenetetramine, triethanolamine, polyallylamine 및 2-amino-2-methyl-1-propanol 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 유기화합물층을 순차적으로 포함하는 코팅층을 형성하는 단계;
    상기 코팅층이 형성된 유전체 비드에 광조사하여 상기 금속층을 칼코겐화하는 단계; 및
    상기 코팅층이 형성된 유전체 비드 상의 용매를 제거하고, 코팅층이 형성된 유전체 비드를 세척하고 건조하는 후처리단계를 포함하는 이산화탄소 흡수 복합체의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 흡수층은 소다라임, 제올라이트, 활성탄소 및 metal-organic framework(MOF)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 제조 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속층은 순금속 및 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 순금속은 Ru, Rh, Pt, Pd, Au, Ag, Cu, Ni, Ir, Sn, Gd, Sm, La, Zr 및 Mg로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 산화물은 CeO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, Ni2O3, Fe2O3, Co3O4, MgO, CaO, SiO2, Al2O3, La2O3 및 Ga2O3로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 제조 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속층은 금속산화물을 포함하는 제조 방법.
  17. 삭제
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