KR102367092B1 - VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매용 램프를 포함하는 공기 살균기 - Google Patents
VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매용 램프를 포함하는 공기 살균기 Download PDFInfo
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Abstract
VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매용 램프를 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 광촉매용 램프를 포함하는 공기 살균기에 관한 것이다.
Description
VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매용 램프를 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 광촉매용 램프를 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 광촉매용 램프를 포함하는 공기 살균기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시형태인 공기 살균기는 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 내측 상부에 위치하는 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.
상기 VUV 조사 램프는 100nm 내지 200nm의 파장을 갖는 VUV 자외선을 조사할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태인 공기 살균기에서, 상기 VUV 조사 램프는 쿼츠 튜브, 상기 쿼츠 튜브 내부의 양단에 위치하고 외부에서 공급되는 전기를 내부로 연결되게 하는 한쌍의 전극, 상기 한쌍의 전극에 전기를 공급하기 위하여 상기 안정기로부터 연결되는 한쌍의 전선, 상기 쿼츠 튜브의 양단에 위치하여 상기 쿼츠 튜브를 보호하는 램프 베이스를 포함한다.
상기 광촉매층은 광촉매 분말을 포함하고, 상기 광촉매 분말은 TiO2 분말 및 SiO2 분말을 포함하며, TiO2 분말 및 SiO2 분말은 중량비로 1:8 내지 9의 비율로 혼합되고, TiO2 분말은 아나타제 결정구조를 갖는다.
상기 광촉매층의 상부에 TiO2 중의 산소 원자의 일부를 질소 원자로 치환하여 얻어진 TiO(2-x)Nx 분말(여기서, x는 0.1 내지 0.5)을 포함하는 상부층을 형성한다.
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 광촉매용 램프를 포함하는 공기 살균기에 의하면, 자외선에서 감응하면서도 램프에 코팅층을 형성하였을 때 오염물질에 대한 분해능은 우수한 공기살균기가 가능하다.
도 1은 광의 스펙트럼을 나타내는 개략도이다.
도 2 (a)는 TiO2의 기저 상태 및 여기 상태를 나타내는 개략도이며, 도 2 (b)는 TiO2의 광촉매 반응을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매용 램프를 포함하는 공기 살균기의 개략도이다.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매용 램프를 포함하는 공기 살균기의 개략적인 측면 단면도를 나타내며, 도 4(b)는 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매용 램프를 포함하는 공기 살균기의 개략적인 상부 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매용 램프의 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 14는 본 발명의 일 실시형태인 공기 살균기, 모터의 구조도를 나타낸다.
도 2 (a)는 TiO2의 기저 상태 및 여기 상태를 나타내는 개략도이며, 도 2 (b)는 TiO2의 광촉매 반응을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매용 램프를 포함하는 공기 살균기의 개략도이다.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매용 램프를 포함하는 공기 살균기의 개략적인 측면 단면도를 나타내며, 도 4(b)는 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매용 램프를 포함하는 공기 살균기의 개략적인 상부 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태인 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매용 램프의 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 14는 본 발명의 일 실시형태인 공기 살균기, 모터의 구조도를 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(20); 상기 케이스(10)의 내측 일면에 위치하는 안정기(17); 상기 케이스(10)의 내측 상부에 위치하는 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(20), 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 공기 흡입팬(13)을 구비하여 외부의 공기가 케이스(10) 내부에 유입되도록 할 수 있다.
상기 VUV 조사 램프(20)는 쿼츠 튜브, 상기 쿼츠 튜브(21) 내부의 양단에 위치하고 외부에서 공급되는 전기를 내부로 연결되게 하는 한쌍의 전극(22), 상기 한쌍의 전극(22)에 전기를 공급하기 위하여 상기 안정기(17)로부터 연결되는 한쌍의 전선(23), 상기 쿼츠 튜브(21)의 양단에 위치하여 상기 쿼츠 튜브(21)를 보호하는 램프 베이스(24)를 포함하고, 상기 쿼츠 튜브(21)의 외면에 광촉매층(미도시)을 포함할 수 있다. 광촉매층을 상기 쿼츠 튜브(21)의 외측 표면에 적층함으로써 투명한 쿼츠를 통하여 전달된 VUV광에 의하여 광촉매가 활성화되는 효율을 높일 수 있는 장점을 갖는다. 예를 들어, 상기 VUV 조사 램프(20)는 광촉매층에 100nm 내지 400nm의 파장을 갖는 VUV 자외선, 바람직하게는 100nm 내지 200nm의 파장을 갖는 VUV 자외선을 조사하게 되고, 외부로부터 유입된 공기의 살균은 달성될 수 있다. 여기서, VUV는 진공자외선을 의미한다. 상기 VUV 조사 램프(20)는 이중 밀폐관을 사용할 수 있고, 상기 VUV 조사 램프(20)의 바깥쪽 관에 광촉매층을 포함할 수 있다. 본 발명에서 광촉매층은 코팅층의 용어로 사용될 수 있다.
상기 한쌍의 전극(22)은 VUV 조사 램프(20) 내부에는 금속, 예를 들어 텅스텐으로 된 전극이 램프를 중심을 양쪽에 1개씩 있다. 외부에서 공급되는 전기를 VUV 조사 램프(20) 내부로 연결시켜 주며, 공급된 전기는 전자의 흐름이며, 전기가 공급되면 전극의 끝 부분에서 열전자가 방출되고, 이 열전자는 VUV 조사 램프(20) 내부의 수은 원자 궤도의 전자와 충돌하여 원자 궤도의 전자가 원래 위치로 복귀하면서 에너지를 전자기파의 형태로 방출하며, 이때 나오는 전자기파 중에서 파장이 100nm 내지 400nm, 바람직하게는 100nm 내지 200nm인 전자기파가 발생된다. 전극은 온도가 2,800℃ 내지 3,000℃로 높아지므로 고온에서 견딜 수 있는 텅스텐으로 제조된다. 전극의 핵심은 저온에서 전자를 잘 방출하며, 불순물에 의해 전극이 산화되거나 파손되지 않는 것이 바람직하다.
쿼츠 튜브(21)의 내부에는 아르곤, 크세논, 헬리움, 크립톤 등의 완충 가스가 10 Torr 내지 100 Torr로 함유되고, 완충 가스의 종류와 량에 따라 진공 자외선의 파장이나 세기를 제어할 수 있다.
램프 베이스(24)는 100V 내지 1,000V의 고전압이 인가되므로 전기가 도입되는 부분은 고압에 변형되지 않고, 쿼츠 튜브(21)는 잘 깨지기 쉬운 재질이므로 램프 베이스(24)를 사용한다. 램프 베이스(24)는 세라믹, 황동, 또는 니켈 도금한 황동을 사용할 수 있다.
상기 VUV 조사 램프(20)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(20)의 높이를 조절할 수 있다. 상기 VUV 조사 램프(20)의 후면에 위치하며 상기 하부 지지대(15)에 부착된 반사판(16)을 구비하여 외부 공기의 흐름을 고려하여 케이스(10)의 내부 공기의 광촉매 작용 방향을 제어할 수 있다. 반사판(16)은 금속 등 자외선을 반사할 수 있는 재료를 사용할 수 있다. 나아가, 상기 쿼츠 튜브(21)가 하부 지지대(15)에 고정되었을 때, 공기 유입구(11)를 향하는 상기 쿼츠 튜브(21)의 외측면에서 광촉매층의 두께를 상기 쿼츠 튜브(21)가 반사판(16)을 향하는 외측면에서 광촉매층의 두께보다 두껍게 코팅가능하다. 따라서, 반사판(16) 쪽으로 향하는 광촉매 양을 작게하고 공기 유입구(11) 쪽으로 향하는 광촉매 양을 많게 하여 공기의 흐름에 직접적으로 접촉하는광촉매 효율을 높일 수도 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 개별적으로 광을 조사하여 광촉매와 VUV에 의한 살균의 양을 제어할 수 있다.
상기 안정기(17)는 상기 케이스(10)의 내측 일면에 위치하며, VUV 조사 램프(20)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 14는 본 발명의 일실시 형태인 공기 살균기를 나타낸다. 도 12 및 13에 나타난 것처럼, 본 발명의 공기 살균기는 하부의 4곳으로부터 공기가 유입되고, 상부 원통형 공간으로부터 공기가 유출된다. 공기 살균기의 내부에는 필터가 구비되고, 필터의 상부에는 모터에 의하여 가동되는 원심 팬(Centrifugal Fan) 및 축류 팬(axial fan)으로 인하여 내부 공기가 외부로 유출될 수 있다. 또한, 공기 살균기의 외측에는 커버를 설치가능하다.
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 광촉매층에 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 광촉매용 램프를 포함한 공기살균기의 특징을 가질 수 있다.
본 발명의 광촉매층에 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 광촉매용 램프를 포함한 공기살균기의 특징을 가질 수 있다.
본 발명의 광촉매층에 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 광촉매용 램프를 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 광촉매층에 적용하기 위한 일예는 VUV 조사 램프를 진공 상태에서 고온, 예를 들어 400℃ 내지 500℃의 온도에서 아르곤 및 질소에서 선택된 1종 또는 2종의 혼합가스를 주입하여 플라즈마로 TiO2 분말 및 SiO2 분말을 코팅하고 소성하여 제조될 수 있다. TiO2 분말 및 SiO2 분말은 각각 10nm 내지 30nm의 분말로 VUV 조사 램프에 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 광촉매용 램프를 포함한 공기살균기의 특징을 가질 수 있다. 여기서, 상기 VUV 조사 램프(20)는 카본을 함유하는 카본 TiO2 광촉매용 램프를 사용할 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 TiO2 광촉매용 램프의 광촉매층의 물성은 무색투명하며 강한 VUV에 노출되어도 황변하지 않는다. 졸-겔 방법으로 고분자 화합물과 혼합하여 코팅 후 소성하는 방법은 코팅층에 고분자 화합물을 포함하고 있기 때문에 VUV 조사 램프와 일정 간격으로 이격되어 있는 필터층에 형성하는 경우는 문제되지 않을 수 있으나, 강한 진공 자외선의 지속적인 조사에 의하여 고분자 화합물의 변형을 일으킬 수 있기 때문에 VUV 조사 램프에는 고분자 화합물을 포함하지 않고 TiO2 분말 및 SiO2 분말을 사용하여 코팅하는 것이 바람직하다.
본 발명의 VUV 조사 램프의 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 램프를 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 광촉매층에는 광촉매 분말의 크기를 작게 함으로써 표면적을 증가시킬 수 있다. 광촉매층에 백금을 첨가하여 전자와 정공의 재결합 시간을 연장시킴으로써 가시광선 하에서도 활성화를 할 수 있다.
나아가, 광촉매층의 상부에 TiO2 중의 산소 원자의 일부를 질소 원자로 치환하여 얻어진 TiO(2-x)Nx 분말(여기서, x는 0.1 내지 0.5)을 코팅할 수 있다. 상기 TiO(2-x)Nx 분말의 표면에 요오드화은(AgI), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 중 어느하나를 선택된 입자가 부착될 수 있다. TiO2에 질소를 치환하여 그 후에 다시 요오드화은(AgI), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 중 어느하나를 선택된 입자를 표면에 부착시킴으로써 광촉매 물질의 밴드갭 에너지를 낮춰 가시광선에서도 감응할 수 있는 자정능력을 증진시킬 수 있다. TiO(2-x)Nx 분말의 코팅은 예를 들어 용매에 혼합하여 VUV 조사 램프에 코팅하여 소성처리하여 코팅층을 형성할 수 있다.
본 발명의 VUV 조사 램프는 광촉매가 형성된 광촉매층을 구비함으로써, 광촉매에 의한 살균 효과도 기대될 수 있다. 케이스(10) 내부의 면에 광촉매층을 코팅하는 것보다 진공 자외선의 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 120분 경과후 암모니아, 아세트알데히드, 초산, 톨루엔는 100%제거, 포름알데히드는 92% 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
15 하부 지지대
16 반사판
17 안정기
18 필터
19 반사판용 회전부
20 VUV 조사 램프
21 쿼츠 튜브
22 전극
23 전선
24 램프 베이스
10 케이스
11 공기 유입구
12 공기 유출구
13 공기 흡입팬
15 하부 지지대
16 반사판
17 안정기
18 필터
19 반사판용 회전부
20 VUV 조사 램프
21 쿼츠 튜브
22 전극
23 전선
24 램프 베이스
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 내측 상부에 위치하는 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 광촉매용 램프를 포함하는 공기 살균기이며,
상기 VUV 조사 램프는 쿼츠 튜브, 상기 쿼츠 튜브 내부의 양단에 위치하고 외부에서 공급되는 전기를 내부로 연결되게 하는 한쌍의 전극, 상기 한쌍의 전극에 전기를 공급하기 위하여 상기 안정기로부터 연결되는 한쌍의 전선, 상기 쿼츠 튜브의 양단에 위치하여 상기 쿼츠 튜브를 보호하는 램프 베이스를 포함하고, 상기 쿼츠 튜브의 내부에는 아르곤, 크세논, 헬리움, 크립톤에서 선택된 어느 하나의 가스를 포함하며, 또한 상기 쿼츠 튜브의 외면에 광촉매층을 포함하며,
상기 광촉매층은 광촉매 분말을 포함하고, 상기 광촉매 분말은 TiO2 분말 및 SiO2 분말을 포함하며, TiO2 분말 및 SiO2 분말은 중량비로 1:8 내지 9의 비율로 혼합되고, TiO2 분말은 아나타제 결정구조를 갖고,
상기 광촉매층의 상부에 TiO2 중의 산소 원자의 일부를 질소 원자로 치환하여 얻어진 TiO(2-x)Nx 분말(여기서, x는 0.1 내지 0.5)을 포함하는 상부층을 형성하고, 상기 TiO(2-x)Nx 분말의 표면에 요오드화은(AgI), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 중 어느 하나를 선택된 입자가 부착되며,
상기 VUV 조사 램프는 하부 지지대에 의하여 상기 케이스에 고정되며, 상기 하부 지지대는 높이 조절부를 구비하며, 상기 높이 조절부로 상기 케이스 내부의 상기 VUV 조사 램프의 높이를 조절하며, 또한 상기 VUV 조사 램프의 후면에 위치하며 상기 하부 지지대에 부착된 반사판을 구비하여 상기 케이스의 내부 공기의 광촉매 작용 방향을 제어하며,상기 공기 유입구를 향하는 상기 쿼츠 튜브의 외측면에서 광촉매층의 두께는, 상기 반사판을 향하는 상기 쿼츠 튜브의 외측면에서 광촉매층의 두께보다 두껍게 코팅된 것을 특징으로 하는 VUV 자외선 포토플라즈마 TiO2 광촉매용 램프를 포함하는 공기 살균기.
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