KR102454332B1 - 공기 청정기 - Google Patents

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Abstract

가시광 활성 촉매를 포함하는 탈취 필터; 및 백색 발광다이오드 모듈;을 포함하는 공기 청정기가 제공된다.

Description

공기 청정기{AIR PURIFIER}
공기 청정기에 관한 것이다.
공기 청정기는 최근 실내 및 대기 오염이 심화됨에 따라 점차 필요성이 증가되고 있는 추세이다. 또한, 공기 청정기 규제 (규격) 역시 높아지는 소비자의 요구에 맞춰 증가하고 있다.
공기 청정기에 구비되는 탈취필터의 주 소재인 활성탄은 나노 또는 마이크로 크기를 갖는 다양한 기공을 통해 나타나는 높은 비표면적과 (첨착제에 의한) 표면의 여러 작용기에 의해 유해가스(VOCs), 중금속, 세균, 바이러스 등을 흡착하게 된다. 이를 위해서 흡착제는 높은 비표면적을 갖는 것이 매우 중요하다. 흡착제에서 높은 비표면적은 결국 흡착제의 포화흡착량 및 흡착속도와 밀접한 관계를 가지고 있기 때문이다. 이 외에도 흡착제의 표면처리를 통해서 흡착제 표면에 특정 작용기를 부착시킴으로써 제거 대상 물질의 흡착성을 향상시키는 것도 가능하다.
하지만, 활성탄은 흡착제이기 때문에 흡착가능한 싸이트 (기공)가 포화될 경우 성능이 급격히 저하되는 문제를 가지고 있고, 특히, 알데히드 계열의 가스는 흡착이 어렵다. 따라서, 알데히드 계열의 가스 제거를 위해 화학흡착 방식의 유기 첨착제를 도입하게 되지만, 이 경우 한번 흡착되면 재생이 불가능한 화학흡착 방식의 한계상 내구성을 확보하기 어렵고, 중국 규격과 같이 누적 정화량을 평가할 경우 규제를 만족시킬 수 있는 성능을 구현하는 것이 어렵다.
본 발명의 일 구현예는 유해가능 분해능, 탈취 성능 및 내구성이 향상된 공기 청정기를 제공한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 구현예에서, 가시광 활성 촉매를 포함하는 탈취 필터; 및 백색 발광다이오드 모듈;을 포함하는 공기 청정기를 제공한다. 실내공기 청정기에 대하여 한국공기청정협회가 제정한 SPS-KACA002-132 규격에 따른 규격 시험(CA)에 의거하여, 상기 공기 청정기를 반복 평가하여 평가 대상 가스의 제거율을 측정한 결과가 하기 식 2 내지 식 4를 만족하고, 상기 평가 대상 가스는 아세트산 10 ppm, 아세트알데히드 10 ppm, 암모니아 10 ppm, 포름알데히드 10 ppm 및 톨루엔 10 ppm을 포함하고, 상기 반복 평가는 각 회차 간 15 시간의 휴지기를 두어 회차별로 상기 평가 대상 가스의 제거율을 측정하여 수행되고, 각 회차별로 측정된 상기 평가 대상 가스의 제거율을 제거율n회차로 표시하고, n은 회차의 차수를 의미하는 자연수이고, 상대 제거율n회차은 n 회차에서 측정된 상기 평가 대상 가스의 제거율을 1회차에서 측정된 제거율 100% 대비 상대적 비율%로 계산된 값이고, 성능 저하율은 하기 식 1로 정의된다.
[식 1]
성능 저하율(%) = [상대 제거율(n-1)회차 - 상대 제거율n회차] × 100 / 상대 제거율(n-1)회차
[식 2]
상대 제거율9회차 ≥ 70%
[식 3]
n 은 9 내지 15의 정수일 때, 성능 저하율 ≤ 1.0 %
[식 4]
n 은 9 내지 15의 정수일 때, 성능 저하율의 평균값 ≤ 0.8%
상기 공기 청정기는 유해가능 분해능, 탈취 성능 및 내구성이 향상된다.
상기 공기 청정기는 탈취 필터의 성능 저하율을 개선하여 탈취 필터의 기재 수명을 증가시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 공기 청정기를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 상기 가시광 활성 촉매가 코팅된 펠렛형의 활성탄 입자를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 공기 청정기에 포함된 가시광 활성 촉매 입자의 모식도이다.
도 4는 실시예 및 비교예에서 제작된 공기 청정기에 대하여 성능 평가한 결과 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 구현예에 따른 창호용 기능성 건축 자재를 설명하도록 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 가시광 활성 촉매를 포함하는 탈취 필터; 및 백색 발광다이오드 모듈;을 포함하는 공기 청정기를 제공하고, 실내공기 청정기에 대하여 한국공기청정협회가 제정한 SPS-KACA002-132 규격에 따른 규격 시험(CA)에 의거하여, 상기 공기 청정기를 반복 평가하여 평가 대상 가스의 제거율을 측정한 결과가 하기 식 2 내지 식 4를 만족한다.
상기 평가 대상 가스는 아세트산 10 ppm, 아세트알데히드 10 ppm, 암모니아 10 ppm, 포름알데히드 10 ppm 및 톨루엔 10 ppm을 포함한다.
상기 반복 평가는 각 회차 간 15 시간의 휴지기를 두어 회차별로 상기 평가 대상 가스의 제거율을 측정하여 수행된다. 예를 들어, 제거율은 상기 평가 대상 가스 각각에 대한 ppm 농도를 기반으로 측정되고, 각 회차의 제거율은 각 평가 대상 가스의 제거율의 산술적 평균 값으로 평가될 수 있다.
각 회차별로 측정된 상기 평가 대상 가스의 제거율을 '제거율n회차'로 표시하고, 'n'은 회차의 차수를 의미하는 자연수이다.
'상대 제거율n회차'은 n 회차에서 측정된 상기 평가 대상 가스의 제거율을 1회차에서 측정된 제거율 100% 대비 상대적 비율%로 계산된 값이다.
'성능 저하율'은 하기 식 1로 정의된다.
[식 1]
성능 저하율(%) = [상대 제거율(n-1)회차 - 상대 제거율n회차] × 100 / 상대 제거율(n-1)회차
[식 2]
상대 제거율9회차 ≥ 70%
[식 3]
n 은 9 내지 15의 정수일 때, 성능 저하율 ≤ 1.0 %
[식 4]
n 은 9 내지 15의 정수일 때, 성능 저하율의 평균값 ≤ 0.8%
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 공기 청정기(100)를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 상기 공기 청정기(100)는 탈취 필터(10); 및 백색 발광다이오드 모듈(white LED)(20);을 포함한다.
상기 탈취 필터(10)는 활성탄을 더 포함하여, 활성탄 및 가시광 활성 촉매 입자를 함께 포함할 수 있다.
상기 공기 청정기(100)는 가시광 활성 촉매를 포함하는 탈취 필터(10)에 광을 조사할 수 있는 광원인 백색 발광다이오드 모듈(20)을 포함하기 때문에, 자연 광원이 없는 조건에서도 가시광 활성 촉매를 활성화 할 수 있다. 이와 같이 제작된 상기 공기 청정기(100)는 상기 탈취 필터(10)에 유해가스 분해 능력이 부여됨에 따라 흡착된 유해 가스를 제거하여 필터를 재생함으로써, 필터의 내구성 및 누적 정화량, 초기 제거효율 등을 향상될 수 있다.
따라서, 상기 공기 청정기(100)는 유해가능 분해능, 탈취 성능 및 내구성이 향상되고, 탈취 필터의 성능 저하율을 개선하여 탈취 필터의 기재 수명을 증가시킬 수 있다.
상기 활성탄 (activated carbon)은 미세 공극을 포함하는 다공성 탄소 물질로서 매우 높은 흡착성을 가지고 있다. 상기 활성탄은 가격과 성능 면에서 매우 효과적인 탈취 소재이다. 상기 활성탄은 흡착제로서 흡착가능한 싸이트 (기공)를 통해 유해 가스를 제거할 수 있다.
상기 활성탄이 포화되지 않도록, 상기 가시광 활성 촉매 입자가 흡착된 유해 가스를 분해시킴으로써 재생할 수 있다. 또한, 상기 활성탄은 활성탄은 5대 가스 (포름알데히드, 아세트알데히드, 아세트산, 암모니아 및 톨루엔) 중 아세트산이나 톨루엔의 흡착성능은 우수하지만, 알데히드 계열 및 암모니아에 대한 흡착성은 떨어지나, 상기 탈취 필터(10)는 활성탄과 함께 포함된 상기 가시광 활성 촉매의 우수한 유해가스 특히, 알데히드 계열에 대한 분해 성능을 통하여, 알데히드 계열 및 암모니아에 대한 제거성능을 향상시킬 수 있다.
상기 탈취 필터(10)는 다양한 방식으로 활성탄을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 탈취 필터(10)는 펠렛형의 활성탄 입자를 포함할 수 있다. 상기 탈취 필터(10)는 상기 펠렛형의 활성탄 입자를 수용하는 공간을 포함하는 구조체일 수 있다. 구체적으로, 상기 탈취 필터(10)는 세라믹 허니컴 구조체를 더 포함할 수 있다. 상기 세라믹 허니컴 구조체는 벌집 형상으로 형성된 구조체이다. 상기 세라믹 허니컴 구조체에 상기 펠렛형의 활성탄 입자를 수용할 수 있다. 상기 세라믹 허니컴 구조체가 활성탄을 약 50 중량% 내지 약 80 중량%로 포함할 수 있다.
상기 탈취 필터(10)가 펠렛형의 활성탄 입자를 수용하는 경우, 활성탄 입자 200g 내지 600g을 포함할 수 있다. 상기 함량의 활성탄 입자를 포함하는 탈취 필터(10)를 구비한 공기 청정기는 약 20 m3 내지 40m3 공간에서 효과적으로 작동할 수 있다.
다른 예를 들어, 상기 탈취 필터(10)는 섬유 사이에 활성탄이 분포하거나, 는 방식으로 혼합된 활성탄 함유 섬유 기재를 포함할 수 있다.
또 다른 예를 들어, 상기 탈취 필터(10)는 콜게이트형 활성탄 필터를 포함할 수 있다. 상기 콜게이트형 활성탄 필터를 포함하는 상기 탈취 필터(10)에서, 상기 콜게이트형 활성탄 필터는, 구체적으로, 세라믹 또는 부직포의 파형 페이퍼 구조체를 포함할 수 있다. 상기 페이퍼 구조체는 부직포 섬유에 활성탄 및, 선택적으로, 흡착제 입자를 수용하는 공간을 포함하거나, 또는 상기 페이퍼 구조체의 표면에 활성탄 및, 선택적으로, 흡착제가 코팅되어 있는 형태를 포함할 수 있다. 활성탄이 수용되는 경우는 후술되는 바와 같이 가시광 활성 촉매가 아일랜드상으로 표면에 코팅된 활성탄 (도 2 참조)일 수 있다.
상기 페이퍼 구조체는 상기 활성탄 입자를 수용하는 공간은 파형 페이퍼의 면으로 형성된 폐쇄 공간일 수 있다. 또는, 상기 활성탄 함유 섬유 기재 또는 상기 페이퍼 구조체의 면상에 활성탄 및, 선택적으로 흡착제가 코팅될 수 있다.
본 명세서에서, 상기 섬유 기재 및 상기 페이퍼 구조체는 이하 "다공성 기재"로 칭한다.
예를 들어, 상기 섬유 기재 또는 상기 페이퍼 구조체의 다공성 기재는 유기 섬유 또는 무기 섬유 재질의 직포나 부직포, 종이 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 재료를 포함할 수 있다.
상기 다공성 기재의 기공률이 약 50% 내지 약 80%일 수 있다. 상기 기공률을 갖는 다공성 기재는 적절한 함량의 활성탄을 담지하면서도, 구조적인 강도를 유지할 수 있다.
이러한 다공성 기재에 상기 활성탄을 부착 또는 코팅시키거나, 함침시키는 방법은 이 기술분야에서 공지된 방법에 따라 수행될 수 있고, 예를 들어, 섬유 기재 또는 페이퍼 구조체와 같은 다공성 기재를 활성탄 함유 조성물에 침지한 후 건조시키거나, 또는 상기 다공성 기재에 활성탄 함유 조성물을 스프레이법에 의해 분사하여 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성탄 함유 조성물은 용제로서 알코올 또는 물을 사용할 수 있고, 별도의 유기 바인더 물질을 포함하여 우수한 부착성을 구현함과 동시에 신속하게 흡수 및 건조될 수 있는 이점이 있다. 그에 따라, 공기 청정기 작동시 공기의 흐름에 의해 상기 활성탄이 상기 기재로부터 탈리되지 않아 장기간 공기청정, 탈취 또는 향균 효과를 구현할 수 있다.
상기 활성탄 함유 다공성 기재가 활성탄을 약 50 중량% 내지 약 80 중량%로 포함할 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함함으로써 공기 중 유해 물질 등을 충분히 흡착하면서 상기 가시광 활성 광촉매 코팅 조성물이 우수한 수준으로 부착됨과 동시에 비용을 지나치게 증가시키지 않을 수 있다.
상기 탈취 필터(10)가 상기 다공성 기재를 포함하는 경우로서, 활성탄 입자를 수용하는 경우, 활성탄 입자 50g 내지 200g을 포함할 수 있다. 또한, 상기 탈취 필터(10)가 상기 다공성 기재를 포함하는 경우로서, 다공성 기재의 면상에 활성탄이 코팅되는 경우, 활성탄 50g 내지 200g을 포함할 수 있다. 상기 함량의 활성탄 입자를 포함하는 탈취 필터(10)를 구비한 공기 청정기는 약 20 m3 내지 40m3 공간에서 효과적으로 작동할 수 있다.
상기 활성탄과 함께 선택적으로 포함되는 흡착제는 규조토, 제올라이트, 실리카겔, 녹말, 벤토나이트, 알루미나 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 섬유 기재 또는 페이퍼 구조체와 같은 다공성 기재의 두께가 약 0.5mm 내지 약 3.0mm일 수 있다. 상기 범위 내의 두께를 가짐으로써 상기 공기정화용 필터의 두께를 지나치게 증가시키지 않으면서도 공기청정, 탈취 또는 향균 효과를 우수한 수준으로 발휘할 수 있다.
상기 가시광 활성 촉매는 가시광 영역의 빛을 흡수하여 얻은 에너지로부터 생성된 전자와 정공이 퍼옥사이드 음이온 또는 하이드록시 라디칼을 등을 생성하고, 이들이 유해 물질을 분해 및 제거하여 공기 청정, 탈취 또는 향균 작용을 수행할 수 있다.
상기 가시광 활성 촉매는 백금 입자 및 텅스텐 산화물 입자를 포함하는 복합입자로서, 상기 복합입자는 상기 텅스텐 산화물 입자의 표면에 나노 크기의 백금 입자가 담지된 형태로 형성된다.
상기 가시광 활성 촉매에 대하여 측정된, Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼은 보이트(Voigt) 함수를 통해 적어도 하나의 정규분포가 추출되고, 보이트 함수를 통해 추출된 하나의 정규분포가 70.8 내지 71.2에서 제1 피크를 갖는 제1 정규분포이고, 상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼의 적분 면적 대비 상기 제1 정규분포의 적분 면적의 비율이 85% 이상일 수 있다.
상기 XPS 스펙트럼은 상기 가시광 활성 촉매의 분말에 대하여 측정할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼은 상기 제1 정규분포와 일치할 수 있고, 이 경우, 상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼의 적분 면적 대비 상기 제1 정규분포의 적분 면적의 비율이 100%가 된다.
일 구현예에서, 상기 제1 정규분포와 함께, 71.8 내지 72.2에서 제2 피크를 갖는 제2 정규분포가 상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼으로부터 상기 보이트 함수를 통해 추출될 수 있고, 이 경우, 상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼의 적분 면적 대비 상기 제1 정규분포의 적분 면적의 비율이 85% 이상 내지 100% 미만일 수 있다.
상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼으로부터 보이트 함수를 통해 추출된 정규분포로서, 상기 제1 정규분포 및 상기 제2 정규분포 이외에 추가적으로 다른 정규분포가 존재할 수 있다.
상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 스펙트럼은 Sigma Probe 社 제조의 ESCA의 XPS 측정 장치를 사용할 수 있다.
상기 제1 정규분포와 상기 제2 정규분포는 상기 가시광 활성 촉매 분말에 대하여 측정된, Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼으로부터 보이트(Voigt) 함수를 통해 추출하여 얻고, 예를 들어, Voigt amplitude 를 이용하고, R2 값 0.999 이상이 되도록 하여 얻어질 수 있다.
상기 백금 입자는 후술되는 제조 방법에 의하는 경우 백금 전구체로부터 환원되어 형성된다. 예를 들어, 상기 백금 전구체가 H2PtCl6인 경우 Pt의 산화수는 +4이고, 이러한 Pt4+ 이온이 환원되어 상기 복합입자 중 백금 입자로 형성된다. 상기 복합입자 중 백금 입자는 환원되어 산화수가 0이 되어야 효과적으로 가시광 활성 작용을 할 수 있다. 산화수가 0인 백금 입자는 이온이 아닌 금속 상태로 담지된 것을 의미한다.
그러나, 상기 복합입자 중 일부 백금 입자는 산화수가 +2 인 경우도 발생한다. 제조 공정 중에서 백금의 환원이 불완전하게 이루어져 생성되는 Pt2+와 같은 이온 상태의 백금 입자는, 상기 복합입자의 광촉매 반응시 조촉매로 제대로 작동하지 않고 오히려 유해가스 제거 반응과 같은 광촉매 반응을 방해하여 전체 효율을 저하시킨다. 즉, 이온 상태로 담지된 백금 입자는 복합입자의 가시광 활성 촉매로서의 광촉매 반응을 방해하기 때문에 성능의 저하를 유발할 수 있다. 또한, 이러한 이온 상태로 담지된 백금 입자의 함량이 높아지게 되면, 값 비싼 백금 전구체를 낭비한 것으로도 볼 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 복합입자를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 3에서, 상기 복합입자는 텅스텐 산화물 입자(11) 및 백금 입자(12)를 포함한다. 편의상, 도 1에서, 상기 백금 입자(12)는 산화수에 따라 구별하여 표시하지 않았으나, 산화수가 0이 아닌 경우, 또는 산화수가 +2인 경우의 백금 입자가 산화수가 0인 백금 입자와 혼재한다.
상기 복합입자는 광을 흡수하여 얻은 에너지로부터 생성된 전자와 정공이 수퍼옥사이드 음이온 또는 하이드록시 라디칼 등과 같은 표면 활성 산소를 생성함으로써 공기청정, 탈취, 항균 작용을 할 수 있는 물질이다. 예를 들어, 상기 복합입자의 광활성 작용에 의해 생성된 수퍼옥사이드 음이온 또는 하이드록시 라디칼은 아세트알데히드, 암모니아, 포름알데히드, 아세트산, TVOC 등과 같은 유해 물질을 분해할 수 있고, 대장균, 황색포도상구균 등의 세균에 대한 항균 작용이 가능하다.
상기 복합입자는 자외선뿐만 아니라 가시광선에 의해서도 활성이 될 수 있으므로 실내 광원에서도 우수한 효율을 보일 수 있기 때문에, 별도의 자외선 공급 장치를 요하지 않을 수 있다.
상기 복합입자는 전체 백금 입자 중에서 산화수가 0인 백금 입자의 함량이 높기 때문에 우수한 가시광 활성 작용을 한다. 따라서, 상기 가시광 활성 촉매 분말은 제조 공정 상의 경제성을 높이고, 전구체의 낭비를 줄여준다.
한편, 상기 복합입자는 산화수가 0인 백금 입자의 함량이 높아짐에 따라 광촉매 성능의 향상되고, 유해 가스 분해시, 반응 중간체의 완전 분해 확률을 높이는 장점을 가질 수 있다. 즉, 상기 가시광 활성 촉매 분말에 의해 유해 가스를 분해할 때, 반응 중간체가 물과 CO2로 완전 분해될 확률이 높아진다.
상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼은 상기 가시광 활성 촉매 분말 중 포함된 백금 입자의 4f 전자 껍질에 속한 전자들의 결합 에너지(binding energy)에 대하여 측정된 것이다. 상기 제1 정규분포는 결합 에너지)가 70.8 eV 내지 71.2 eV 에서, 구체적으로 약 71.0 eV 전후에서 피크를 가지므로, 산화수가 0인 백금 입자과 관련되고, 상기 제2 정규분포는 결합 에너지 (Binding Energy)가 71.8 eV 내지 72.2 eV 에서, 구체적으로 약 72.0 eV 전후에서 제2 피크를 가지므로, 산화수가 +2인 백금 입자와 관련된다.
즉, 상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼은 산화수가 0인 백금 입자뿐만 아니라, 다른 산화수를 가지는 백금 입자를 모두 포함한 결과로 나타나기 때문에, 상기 제1 정규분포와 상기 제2 정규분포로 추출하여 산화수가 0인 백금 입자와 산화수가 +2인 백금 입자의 함량비를 알 수 있다.
상기 제1 정규분포의 적분 면적 및 상기 제2 정규분포의 적분 면적을 대비하여 산화수가 0인 백금 입자와 산화수가 +2인 백금 입자의 질량비가 얻어진다. 상기 가시광 활성 촉매 분말에서, 상기 제1 정규분포의 적분 면적 및 상기 제2 정규분포의 적분 면적의 총 합에서 상기 제1 정규분포의 적분 면적의 비율이 85% 이상, 구체적으로 90% 내지 100%가 될 수 있다.
상기 가시광 활성 촉매 분말에서 백금 입자가 거의 모두 산화수가 0인 백금 입자로 형성되며, 상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼은 그 자체로서 상기 제1 정규분포가 될 수 있고, 이 경우, 상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼의 적분 면적 대비 상기 제1 정규분포의 적분 면적의 비율은 100%이다 (즉, 상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼과 상기 제1 정규분포가 일치한다).
상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼으로부터 보이트(Voigt) 함수를 통해 추출된 정규분포에는 제1 정규분포와 제2 정규분포 이외에도, 다른 산화수를 가지는 백금에 대한 정규분포가 더 추출될 수 있다. 그러나, 산화수가 0인 백금 입자의 함량이 높아질수록 광촉매 성능이 우수하게 되므로, 다른 산화수를 가지는 백금 입자에 대한 정규분포 또한 존재하지 않거나, 그 적분 면적이 상대적으로 작은 것이 바람직하다.
상기 제1 정규분포 및 상기 제2 정규분포는 R2 값 0.999 이상으로 얻어진 것으로서 정규분포 피팅의 정확도가 우수하다.
상기 텅스텐 산화물 입자(11)는 담지체로서 예를 들어, 졸겔법이나, 수열합성법 (hydrothermal method)에 의해 구형, 판형 또는 침형의 입자로 형성될 수 있으나, 그 형상에 제한이 없다.
상기 텅스텐 산화물 입자(11)는 가시광 활성 성능이 우수하다.
상기 백금 입자(12)가 상기 다공성의 금속 산화물에 광증착법에 의해 담지될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 백금 입자(12)는 조촉매로서 작용하여 광을 흡수하여 얻은 에너지로부터 전자와 정공의 분리를 용이하게 한다.
상기 복합입자의 제조시 사용되는 텅스텐 산화물 입자(11)의 평균 직경은 SEM 이미지 분석과 같은 전자현미경 측정으로 계산될 수 있고, 예를 들어, 평균 직경이 약 30 nm 내지 약 500 nm 인 것을 사용할 수 있다. 상기 텅스텐 산화물 입자(11)의 평균 직경이 상기 범위를 초과하여 너무 크다면, 상기 가시광 활성 촉매 분말을 용매에 분산시켰을 때 안정한 코팅액을 형성하는 것이 불가능하여, 상기 가시광 활성 촉매 분말을 이용하는 필터 제조시, 상기 가시광 활성 촉매 분말을 코팅하는 공정에 적합하지 않을 수 있다. 즉, 상기 복합입자 (또는 가시광 활성 촉매 입자)의 입경이 상기 범위의 크기를 갖는 텅스텐 산화물 입자 로부터 제조됨으로써, 상기 활성탄 함유 섬유 기재 또는 상기 페이퍼 구조체와 같은 다공성 기재의 표면에 대한 높은 부착성을 확보할 수 있고, 상기 다공성 기재의 표면에 적절한 분산도를 가지면서 균일하게 분산되어 우수한 광촉매 활성을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 크기 범위로 형성된 가시광 활성 촉매 입자는 가시광선에 대한 노출 면적을 확보하여 충분한 공기 청정 및 향균 기능을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 텅스텐 산화물 입자(11)의 직경이 상기 범위 미만으로 너무 작다면, 상기 백금 입자(12)가 안정적으로 담지되기 어려울 수 있다.
상기 백금 입자(12)는 수 나노미터(㎚), 예를 들어 약 3㎚ 내지 약 5㎚의 오차 범위 내의 입경을 가질 수 있다.
상기 복합입자의 평균 입경 (particle diameter)은 약 1 ㎛ 이하이고, 구체적으로, 약 0.2 ㎛내지 약 1 ㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 0.4 ㎛ 내지 약 0.5 ㎛일 수 있다. 상기 복합입자의 평균 입경은 입도분석기(Beckman, LS 13 320)로 가시광 활성 촉매 약 4wt% 수분산액에 대한 측정으로 얻어질 수 있다. 또한, 상기 가시광 활성 촉매 입자의 최대 입경은 약 10 ㎛ 이하가 되도록 한다.
상기 가시광 활성 촉매는 상기 텅스텐 산화물 입자(11) 100 중량부 및 상기 백금 입자(12) 약 0.01 내지 약 5 중량부를 포함할 수 있다. 상기 범위 내의 중량비로 이들의 함량을 조절함으로써 상기 텅스텐 산화물 입자(11)가 가시광선에 의해 전자와 정공을 충분히 생성하면서도 상기 백금 입자(12)가 생성된 전자와 정공의 재결합을 충분히 방지하여 광촉매 활성 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
상기 텅스텐 산화물 입자(11)의 함량이 상기 함량 범위를 초과하게 되면 가시광선에 의해 생성된 전자와 전공이 쉽게 재결합할 수 있고, 이들의 분리가 어려워 충분한 광촉매 활성을 나타내지 못하고, 상기 함량 범위 미만인 경우에는 상기 텅스텐 산화물 입자(11)에서 전이되는 전자의 수가 충분히 확보되지 못하여 광촉매 활성이 저하될 우려가 있고, 상기 텅스텐 산화물 입자(11)의 광에 대한 노출 면적이 감소하여 광촉매 성능이 저하될 수 있다.
상기 텅스텐 산화물 입자(11)의 비표면적이 약 50㎡/g 내지 약 500㎡/g일 수 있다. 상기 범위 내의 높은 수준의 비표면적을 가짐으로써 가시광선 등의 광원에 효과적으로 노출될 수 있으면서 기공률을 적절한 수준으로 형성하여 상기 백금 입자(12)를 충분히 담지할 수 있다.
상기 공기 청정기(100)는 전술한 바와 같은 상기 가시광 활성 촉매(2)를 포함하는 탈취 필터(10)를 구비함으로써, 하기 식 1에서 정의된 성능 저하율로 평가된 식 2 내지 식 3의 결과를 만족할 수 있도록, 우수한 성능을 구현한다.
[식 1]
성능 저하율(%) = [상대 제거율(n-1)회차 - 상대 제거율n회차] × 100 / 상대 제거율(n-1)회차
[식 2]
상대 제거율9회차 ≥ 70%
[식 3]
n 은 9 내지 15의 정수일 때, 성능 저하율 ≤ 1.0 %
[식 4]
n 은 9 내지 15의 정수일 때, 0.1% ≤ 성능 저하율의 평균값 ≤ 0.8%
일 구현예에서, 상기 공기 청정기(100)는 식 4에 대하여, 0.1% ≤ 성능 저하율의 평균값 ≤ 0.6%를 만족할 수 있다.
이하, 상기 가시광 활성 촉매를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
상기 가시광 활성 촉매를 제조하는 방법은 하기 (a) 내지 (c) 단계를 순차적으로 수행하여 진행된다.
(a) 텅스텐 산화물 분말을 백금 전구체 용액에 혼합하여 슬러리 용액을 준비한 뒤, 상기 슬러리 용액을 광조사하여 1차 광반응을 진행한다.
(b) 상기 슬러리 용액에 알코올을 첨가한 후, 광조사하여 2차 광반응을 진행한다.
상기 (a) 단계에서, 텅스텐 산화물 분말은 반응 면적을 최대화 하기 위해 마이크로 단위 이하의 수준이 되도록 분쇄하여 준비한다.
상기 백금 전구체 용액을 제조하기 위한 백금 전구체 화합물은 광조사로 여기된 전자에 의해 백금으로 환원될 수 있는 물질을 사용할 수 있고, 수용액에 용해되는 염 화합물이 제한 없이 사용될 있으며, 구체적으로는, PtCl2, PtCl4, PtBr2, H2PtCl6, K2(PtCl4), Pt(NH3)4Cl2, Pt(NH3)4(OH)2, Pt(NH3)4(NO3)2, Pt(NH3)2(NO2)2, H2Pt(OH)6, Na2Pt(OH)6, K2Pt(OH)6 등의 예를 들 수 있다.
예를 들어, 상기 백금 전구체 용액의 농도는 산화 텅스텐 입자 100 중량부 대비 백금의 함량이 약 0.01 중량부 내지 약 5 중량부가 되도록 상기 텅스텐 산화물 분말에 대한 상대 함량으로써 조절할 수 있다.
상기 (a) 단계의 1차 광반응 동안 백금 전구체로부터 분리된 백금 이온이 텅스텐 산화물 입자의 표면에 부착되고, 상기 (b) 단계의 2차 광반응 동안 상기 텅스텐 산화물 입자 표면에 부착된 백금 이온이 환원되는 반응이 주로 일어나게 되는 것으로 이해된다.
최종 얻어지는 가시광 활성 촉매 분말이 전술한 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 분석 결과를 나타내도록 하기 위해서는 산화수를 가지는 백금 입자에 비하여 산화수 0으로 완전히 환원된 백금 입자의 비율이 더욱 높아지게 형성하여야만 한다.
이를 위해서, 여러 가지 공정 조건을 조절함으로써 전술한 바와 같은 가시광 활성 촉매를 얻을 수 있게 된다. 이하, 전술한 바와 같은 상기 가시광 활성 촉매를 합성할 수 있는 구체적인 공정 조건을 예시적으로 설명한다.
먼저, 상기 1차 광반응을 진행하는 시간 (1차 광반응 시간)과 상기 2차 광반응을 진행하는 시간 (2차 광반응 시간)의 비율을 조절할 수 있다.
상기 2차 광반응은 매우 빠른 속도로 진행되기 때문에 산화수 0의 백금 입자의 최종 형성 비율에 크게 영향을 주지 못하는 것으로 이해되고, 오히려, 상기 1차 광반응시 백금 이온을 텅스텐 산화물 입자의 표면에 고르게 잘 부착시키는 것이 산화수 0의 백금 입자의 최종 형성 비율에 영향을 주게 된다.
따라서, 상기 1차 광반응을 충분한 시간 동안 진행하여, 반응이 충분히 진행될 수 있도록 하는 것이 중요하다.
예를 들어, 상기 1차 광반응은 4시간 내지 24시간 동안 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 2차 광반응은 2시간 내지 6시간 동안 수행할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 1차 광반응 시간이 상기 2차 광반응 시간보다 길고, 구체적으로, 상기 1차 광반응 시간 대 상기 2차 광반응 시간의 비가 2:1 내지 12:1 일 수 있다.
또한, 상기 광조사에 의한 (a) 단계 및 (b) 단계의 각 광반응 수행시, 상기 슬러리 용액을 충분히 교반하는 것이 중요하다.
예를 들어, 상기 슬러리 용액의 내부에 질소와 같은 불활성 기체를 주입하여 광반응을 진행하는 동안 상기 슬러리 용액이 교반될 수 있게 할 수 있다.
상기 불활성 기체의 주입 유량과 주입 방법 및 위치에 따라 광반응이 잘 진행되도록 도와줄 수 있다. 예를 들어, 상기 슬러리 용액의 내부로 주입되는 불활성 기체의 유량은 5 L/min 내지 30 L/min일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 불활성 기체로서 질소를 사용할 수 있다. 질소 기체를 활용하여 상기 슬러리 용액을 교반하면, 기계적 교반에 비하여 교반 효율이 뛰어나고, 상기 슬러리 용액 내 산소를 제거하는 부차적인 효과까지 얻을 수 있는 이점이 있다.
상기 (a) 단계에서, 상기 슬러리 용액을 준비할 때, 텅스텐 산화물 분말의 농도가 1 내지 10 wt%가 되게 할 수 있다.
상기 (b) 단계에서, 상기 알코올의 첨가 비율은 상기 슬러리 용액 중 1 내지 30 wt%가 되게 할 수 있다.
예시적으로, 상기 슬러리 용액의 점도는 25℃에서, 약 5.0cP 내지 약 8.0cP일 수 있다. 상기 슬러리 용액의 점도는 Brookfield 점도계 (Spindle No.: 61번, 속도: 200rpm, 측정 시간: 30초)를 이용하여 측정할 수 있다.
예를 들어, 1차 광반응시, 상기 광조사의 세기는 약 5,000 lux 내지 약 100,000 lux 일 수 있고, 2차 광반응시 광조사의 세기를 상기 1차 광반응의 광조사 세기 보다 높일 수 있다. 구체적으로, 상기 2차 광조사의 세기는 상기 1차 광조사의 세기 대비하여 1배 내지 10배, 구체적으로 3 내지 5배 높을 수 있다.
2차 광조사 이후, 선택적으로 원심분리 등에 의한 촉매 회수, 건조 단계를 수행한다.
상기 가시광 활성 촉매는 가시광선에 대해 광활성을 가지는 금속 입자를 포함하기 때문에 자외선뿐만 아니라 가시광선에 대하여도 활성을 가질 수 있으며 가시광선 전영역에 걸쳐 빛을 흡수할 수 있다.
이와 같이, 상기 가시광 활성 촉매가 가시광선 영역의 파장 범위 내에서 활성을 가지므로 백색 발광다이오드 모듈(20)에 의한 공기 청정기 내부의 광원에 의해 상기 가시광 활성 촉매가 전자와 정공을 충분히 생성할 수 있어, 우수한 광촉매 효율을 구현할 수 있다.
상기 탈취 필터(10)는 다양한 방식으로 상기 가시광 활성 촉매를 포함할 수 있다. 상기 가시광 활성 촉매는 수계 슬러리 또는 바인더가 혼합된 슬러리로 제조된 뒤, 딥코팅, 스프레이코팅 등 다양한 방법으로 탈취 필터에 코팅될 수 있다.
예를 들어, 상기 펠렛형의 활성탄 입자의 표면에 상기 가시광 활성 촉매가 아일랜드상으로 코팅될 수 있다.
도 2는 상기 가시광 활성 촉매(2)가 코팅된 펠렛형의 활성탄(1)의 입자체를 모식적으로 나타낸 도면으로, 상기 입자체는 활성탄(1)과 가시광 활성 촉매(2) 입자를 포함한다. 상기 가시광 활성 촉매(2) 입자의 크기가 상기 활성탄(1) 보다 작아서, 상기 활성탄(1) 표면에 다수의 상기 가시광 활성 촉매(2) 입자가 부착될 수 있다.
상기 가시광 활성 촉매(2) 입자가 아일랜드상으로 표면에 코팅된 활성탄(1) 입자체를 포함하는 탈취 필터(10)는, 상기 가시광 활성 촉매(2)의 코팅에 의해 덮이는 활성탄(1)의 흡착 싸이트 (기공)는 거의 미미하여, 그에 따른 영향이 미미하지만, 활성탄(1)이 갖고 있지 않는 분해 성능이 부여된다. 예를 들어, 상기 가시광 활성 촉매(2)의 코팅에 의해 활성탄(1)의 비표면적 감소는 10% 미만일 수 있다.
또한, 상기 가시광 활성 촉매(2)의 코팅은 물과 상기 가시광 활성 촉매를 혼합한 코팅 조성물을 제조한 뒤, 이를 이용하기 때문에, 유기 바인더가 포함되지 않는 시스템이다. 통상적으로, 광촉매는 표면이 노출되어야만 높은 성능을 기대할 수 있기 때문에, 기재에 코팅하는 과정에서 유기 바인더를 사용할 경우 유기 바인더에 의해 표면적이 감소하여 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 상기 가시광 활성 촉매(2)의 코팅시 활성탄(1)이 갖는 수분과의 친화력과 활성탄 표면의 작용기를 이용하여 상기 가시광 활성 촉매(2)를 활성탄(1)에 코팅할 수 있기 때문에, 유기 바인더를 사용하지 않아서 높은 성능을 유지할 수 있고, 공정 비용 및 재료비를 최소화 할 수 있다.
도 2에서와 같은, 가시광 활성 촉매(2)가 코팅된 펠렛형의 활성탄(1)의 입자체는 수용 공간을 구비한 구조체 내에 수용되어 탈취 필터(10)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 가시광 활성 촉매(2)가 코팅된 펠렛형의 활성탄(1)의 입자체는 전술한 세라믹 허니컴 구조체에 수용될 수 있고, 또는 활성탄 입자가 페이퍼 구조체 내에 수용되거나 표면에 코팅 될 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 활성탄 함유 섬유 기재 또는 상기 페이퍼 구조체는 구조체 면상에 상기 가시광 활성 촉매가 코팅될 수 있다. 마찬가지로, 상기 가시광 활성 촉매의 코팅은 물과 상기 가시광 활성 촉매를 혼합한 코팅 조성물을 제조한 뒤, 이를 상기 구조체의 면상에 도포하여 상기 탈취 필터(10)를 제조할 수 있다.
상기 탈취 필터(10)는 활성탄 100 중량부 대비 가시광 활성 촉매 2 내지 10 중량부를 포함할 수 있다. 상기 탈취 필터(10)는 상기 함량비 범위의 가시광 활성 촉매를 포함함으로써, 우수한 유해가스 분해능 및 우수한 내구성을 발휘할 수 있다. 상기 범위보다 작을 경우 촉매의 효과를 확인하기 어려우며, 상기 범위보다 많을 경우에는 활성탄의 기공 입구를 막아 흡착성능을 저하시키거나 과량 코팅으로 인해 촉매의 탈리 현상이 발생할 수 있다.
상기 백색 발광다이오드 모듈(20)은 상기 탈취 필터(10)에 광을 공급할 수 있다. 즉, 상기 백색 발광다이오드 모듈(20)은 상기 탈취 필터(10)에 가시광을 조사하여, 상기 가시광 활성 촉매가 활성화되도록 하는 기능을 수행한다. 상기 백색 발광다이오드 모듈(20)로부터 조사되는 가시광은 380nm 내지 780nm 파장범위의 가시광선을 포함할 수 있다.
상기 백색 발광다이오드 모듈(20)은 일반적으로 가정에서 조명으로 사용되는 백색 발광다이오드 (White LED)가 사용될 수 있고, 공기 청정기의 유로를 최대한 방해하지 않는 형태로 제작되는 것이 바람직하다.
상기 백색 발광다이오드 모듈(20)은 인체에 무해한 가정용 LED로 제작될 수 있어서 제작이 쉽고 가격이 저렴한 장점을 가지고 있다. 상기 백색 발광다이오드 모듈(20)은 필터의 형태에 따라 평판형 또는 원형 등으로 설계 변경이 가능하다.
상기 공기 청정기(100)는 소정의 범위로 상기 백색 발광다이오드 모듈(20)의 조도를 조절함으로써 공기 정화 효과를 더욱 개선할 수 있다.
조도가 높아질수록 상기 백색 발광다이오드 모듈(20)에서 발생하는 열이 많아지게 된다. 이와 같이 발생한 열로 인해 활성탄 주의의 온도가 증가하게 되면 활성탄의 물리 흡착 능력이 감소하기 때문에 제거 성능이 감소하게 된다. 그 결과, 가시광 활성 촉매의 효율 증가를 위해서는 조도가 높을수록 유리하지만, 상기 백색 발광다이오드 모듈(20)의 발열로 인한 활성탄의 흡착 성능 저하로 인해 최적 조도가 존재하게 된다.
일 구현예에서, 상기 백색 발광다이오드 모듈(20)은 10,000 lux 내지 30,000 lux의 조도로 발광될 수 있다.
상기 공기 청정기 (100)는 통상적으로 공기 청정기를 구성하는 공지된 구성요소 (미도시)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 공기 청정기 (100)는 전력 공급 수단 (미도시), 외부 케이스 등의 구성요소를 더 포함할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐이고 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
실시예 1
물 90wt%에 산화 텅스텐 분말 10wt%가 분산된 용액을 제조하였다. 평균 입경 0.8㎛ 산화 텅스텐 분말 분산 용액에 염화 백금산(H2PtCl6) 10wt% 수용액인 담지 원료를 혼합하여, 산화 텅스텐 분말 100 중량부 대비 백금의 함량이 1.5 중량부가 되도록 슬러리 용액을 제조하였다. 이어서, 상기 슬러리 용액을 광반응기에 투입하고, 기체발생기를 광반응기에 연결되도록 설치한 뒤, 이어지는 상기 1차 광조사 및 2차 광조사를 하는 동안, 상기 기체발생기로부터 발생된 질소가 상기 슬러리 용액의 내부로 직접 주입되도록 하여, 질소에 의해 상기 슬러리 용액이 교반되도록 하였다. 투입되는 질소의 순도는 99.00%, 유량은 15L/min 이었다.
가시광 조사 장치를 이용하여 400㎚~700㎚의 가시광선 광에너지를 상기 광반응기 내 상기 슬러리 용액에 조사하여 1차 광반응을 8 시간 동안 수행하였다. 이어서, 2분 가량 가시광 조사를 차단하고 메탄올의 비율이 상기 슬러리 용액 중 5 wt%가 되도록 첨가한 뒤, 상기 1차 광반응과 동일한 조사 장치를 이용하여 가시광선 광에너지를 상기 광반응기 내 상기 슬러리 용액에 3 시간 동안 조사하여 2차 광반응을 수행함으로써 백금 입자를 산화텅스텐 입자에 담지시켜 가시광 활성 촉매의 분말을 제조하였다.
상기 얻어진 가시광 활성 촉매를 적정 농도로 증류수에 분산하여 슬러리를 제조한다. 제조된 슬러리를 스프레이법으로 콜게이트형 활성탄 필터 (이노필텍, LG퓨리케어360 탈취필터)에 코팅하여 탈취 필터를 제조하였다.
상기 제조된 탈취 필터를 백색 발광다이오드 모듈 (LG 이노텍, 3030)과 이격되게 설치하여, 공기 청정기를 제작하였다.
비교예 1
가시광 활성 촉매 제조시 1차 광반응을 8 시간 동안 수행하고, 2차 광반응을 2 시간 동안 수행하고, 질소가 슬러리 용액 내에 직접 주입되지 않고, 광반응기 내 상기 슬러리 용액의 상부로 투입되고 슬러리 용액을 기계적으로 교반시켜 준 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 가시광 활성 촉매를 제조하고, 얻어진 가시광 활성 촉매를 사용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 공기 청정기를 제조하였다.
비교예 2
탈취 필터에 가시광 활성 촉매를 코팅하지 않고, 콜게이트형 활성탄 필터 (이노필텍, LG퓨리케어360 탈취필터)를 그대로 사용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 공기 청정기를 제조하였다.
평가
실험예 1
실시예 1 및 비교예 1에서 얻은 가시광 활성 촉매의 분말에 대하여 X-ray Photoelectron Spectroscopy (Sigma Probe 社 ESCA)를 이용하여 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼을 얻었다. 상기 얻어진 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼에 대하여, Voigt amplitude 에 의해 피팅하여 정규분포를 추출하여, 결합 에너지 70.8 eV 내지 71.2 eV 에서 제1 피크를 갖는 제1 정규분포 및 결합 에너지 71.8 eV 내지 72.2 eV에서 제2 피크를 갖는 제2 정규분포를 얻었다.
Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼의 적분 면적 대비 제1 정규분포의 적분 면적의 비율을 계산하여 하기 표 1에 나타내었다.
구분 제1 정규분포의 적분 면적의 비율 (%) 제2 정규분포의 적분 면적의 비율 (%)
실시예 1 100 -
비교예 1 80 20
실험예 2
실내공기 청정기에 대하여 한국공기청정협회가 제정한 SPS-KACA002-132 규격에 따른 규격 시험(CA)에 의거하여, 실시예 1 및 비교예 1-2에서 제조된 공기 청정기를 반복 평가하여 평가 대상 가스의 제거율을 측정하였다.
구체적으로, 8루베 챔버에 공기 청정기를 놓고, 측정 가스는 아세트산 10 ppm, 아세트알데히드 10 ppm, 암모니아 10 ppm, 포름알데히드 10 ppm 및 톨루엔 10 ppm을 포함하는 농도로 주입한 후 30분간 공기 청정기를 가동하여 측정 가스의 제거율을 측정하였다.
탈취 필터의 수명을 예측하기 위해서 상기 평가 기준에 준하여 초기 제거율을 측정한 후 15 시간 방치 후 동일한 평가를 반복하여 제거율의 변화를 측정하였다.
측정가스는 공기 청정기 규격 시험에서 정한 5대 가스(Formaldehyde, Acetaldehyde, Acetic acid, Ammonia, Toluene)을 사용하였고, 각 가스의 평균 제거율을 기준으로 성능 저하율을 측정하였다.
하기 표 2은 1회차 평가 결과로서, 각 가스에 대하여 ppm 농도를 기반으로 한 제거율 (%)이다.
구분 (단위: %) 실시예 1 비교예 1 비교예 2
포름알데히드 100 100 100
아세트알데히드 90 91 91
암모니아 90 90 87
아세트산 90 90 90
톨루엔 100 100 100
평균 94 94.2 93.6
상기 표 2에서, 실시예 1과 비교예 1-2의 초기 제거율을 비교한 결과 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 비교예 1-2에 대하여, 15회차까지 반복 평가한 결과를 얻었다. 또한, 각 회차에서, 상기 표 2의 1회차 제거율 (5대 가스의 제거율의 평균)을 100%로 한 상대 제거율(%)로 계산하였다. 5대 가스의 제거율 평균을 기준으로 평가하였다.
도 4는 실시예 1과 비교예 1-2에 대하여, 9회차까지 각 회차의 상대 제거율(%)를 나타내고 있다.
실시예 1 및 비교예 1-2에서 공통적으로 사용된 콜게이트형 활성탄 필터는 상업적으로 입수된 제품으로서, 활성탄의 유해 가스 흡착성을 향상시키기 위한 목적 등으로 여러 작용기를 갖는 화학 물질로 이루어진 유기 첨착제가 코팅된 제품으로 추측된다. 이러한 유기 첨착제는 알데히드 계열의 가스 등을 흡착함으로써, 필터의 흡착성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 유기 첨착제는 한번 흡착되면 재생이 불가능한 화학흡착 방식에 의한 것이므로, 도 4의 결과에서, 1회차 이후 어느 회차까지 유기 첨착제에 의한 성능 저하가 나타날 것이고, 유기 첨착제에 의한 흡착이 포화될 경우, 더 이상 유기 첨착제는 성능을 발휘하지 못하게 되면서, 그 이후에는 유기 첨착제에 의한 성능 저하도 나타나지 않게 될 것이다.
도 4의 실시예 1의 결과에서, 7회차까지는 상대 제거율이 점점 낮아지면서 성능 저하를 나타내지만, 7회차 이후에는 상대 제거율이 일정 수준을 유지한다. 이는, 7회차까지의 성능 저하는 유기 첨착제에 의한 성능 저하를 의미하기 때문이고, 7회차 이후에는 유기 첨착제에 의한 성능 저하는 거의 미미하고, 필터의 성능 저하는 가시광 활성 촉매의 영향에 의해 감소되기 때문에 결국 7회차 이후 성능 저하가 현격히 감소됨을 확인할 수 있다.
따라서, 전술한 식 2 내지 식 4의 조건은 9회차 이후의 상대 제거율을 평가하는 것으로서, 유기 첨착제에 의한 성능 저하 영향을 배제하고 가시광 활성 촉매의 영향만을 살펴볼 수 있는 척도가 될 수 있다.
비교예 2는 활성탄 기공이 포화되고, 탈취 필터에 포함된 유기 첨착제가 대부분 소모되면서 성능이 지속적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 비교예 1은 가시광 활성 촉매의 영향으로 비교예 2에 비해 성능 저하를 감소시켜 비교예 2에 대비하여 상대적으로 높은 성능을 유지하는 것을 확인할 수 있다.
실시예 1의 경우에는 가시광 활성 촉매의 촉매 작용이 비교예 1보다 더욱 우수하기 때문에 비교예 1 보다도 더욱 높은 수준으로 성능을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 이는, 실험예 1에서의 결과에서 확인한 바와 같이, 실시예 1의 탈취 필터에 포함된 가시광 활성 촉매 중 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼의 가 전술하여 설명한 조건을 만족하도록 제조되었기 때문이다.
도 4의 결과로부터, 성능 저하율을 아래 식 1에 따라 계산하여, 표 3를 계산하였다.
도 4에서와 같은 방법으로, 10회차 내지 15회차에 대한 성능 저하율을 계산하여 표 4에 나타내었다.
[식 1]
성능 저하율(%) = [상대 제거율(n-1)회차 - 상대 제거율n회차] × 100 / 제거율(n-1)회차
구분 2회차
(%)		 3회차
(%)		 4회차
(%)		 5회차
(%)		 6회차
(%)		 7회차
(%)		 8회차
(%)		 9회차
(%)
실시예 1 4.7 4.6 5.1 3.1 4.7 4.6 0.7 0.3
비교예 1 5.0 6.1 17.2 5.6 5.7 6.4 1.4 1.1
비교예 2 5.1 11.5 16.8 22.8 17.2 19.8 21.5 27.3
구분 10회차
(%)		 11회차
(%)		 12회차
(%)		 13회차
(%)		 14회차
(%)		 15회차
(%)		 평균
(%)
실시예 1 0.2 0.3 0.6 0.5 0.7 0.8 2.06
비교예 1 1.3 1.2 1.5 1.8 2.0 2.3 3.90
비교예 2 28.5 30.4 31.2 28.4 25.4 30.4 21.1
표 3 및 표 4에서, 비교예 2의 경우 회차가 진행될수록 성능 저하율이 커지는 반면 가시광 활성 촉매가 있을 경우인 비교예 1에서 성능 저하율의 증가 폭이 일정 회차 이후에는 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 가시광 활성 촉매가 활성탄의 포화를 억제하고 지속적으로 유해 물질을 분해함으로써 탈취필터의 제거 성능 저하를 최소화하기 때문이다.
실시예 1의 경우, 가시광 활성 촉매의 촉매 작용이 비교예 1보다 더욱 우수하기 때문에 비교예 1 보다도 더욱 높은 수준으로 성능 저하율을 낮춘 것을 확인할 수 있다. 즉, 실시예 1에서는 7회차 이후부터 1% 미만의 성능 저하율을 나타내는 것을 확인하였다. 이는, 실험예 1에서의 결과에서 확인한 바와 같이, 실시예 1의 탈취 필터에 포함된 가시광 활성 촉매 중 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼이 전술하여 설명한 조건을 만족하도록 제조되었기 때문이다.
실시예 1의 경우, 전술한 식 2 내지 식 4의 조건을 모두 만족하지만, 비교예 1의 경우 식 2 내지 식 4를 만족하지 못한다.
하기 표 5은 전술한 식 2 내지 식 4에 대한 실시예 1 및 비교예 1의 결과를 나타낸다.
구분 실시예 1 비교예 1
측정 값 식 2 내지 식4의 조건 부합 여부 측정 값 조건 부합 여부
[식 2] 상대 제거율9회차 (%) 75 ○ 63 ×
[식 3] n 은 9 내지 15의 정수 일 때, 성능 저하율 (%) 9회차 0.3 ○ 9회차 1.1 ×
10회차 0.2 ○ 10회차 1.3 ×
11회차 0.3 ○ 11회차 1.2 ×
12회차 0.6 ○ 12회차 1.5 ×
13회차 0.5 ○ 13회차 1.8 ×
14회차 0.7 ○ 14회차 2.0 ×
15회차 0.8 ○ 15회차 2.3 ×
[식 4] n 은 9 내지 15의 정수일 때, 성능 저하율의 평균값 (%) 0.48 ○ 1.6 ×
표 5에서, 실시예 1은 전술한 식 2 내지 식 4를 모두 만족하지만, 비교예 1은 전술한 식 2 내지 식 4를 만족하지 못한다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
1: 활성탄
2: 가시광 활성 촉매
10: 탈취 필터
20: 백색 발광다이오드 모듈
11: 텅스텐 산화물 입자
12: 백금 입자
10: 복합입자
100: 공기 청정기

Claims (10)

  1. 가시광 활성 촉매를 포함하는 탈취 필터; 및 상기 탈취 필터와 이격되게 배치되고, 상기 탈취 필터에 광을 조사할 수 있는 광원인 백색 발광다이오드 모듈;을 포함하는 공기 청정기고,
    상기 가시광 활성 촉매는 백금 입자 및 텅스텐 산화물 입자를 포함하며,
    상기 가시광 활성 촉매에 대하여 측정된, Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼은 보이트(Voigt) 함수를 통해 적어도 하나의 정규분포가 추출되고, 보이트 함수를 통해 추출된 하나의 정규분포가 결합 에너지 70.8 eV 내지 71.2 eV 에서 제1 피크를 갖는 제1 정규분포이고,
    상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼의 적분 면적 대비 상기 제1 정규분포의 적분 면적의 비율이 85% 이상이고,
    상기 보이트(Voigt) 함수를 통해 정규분포 추출시 R2 값 0.999 이상이고,
    실내공기 청정기에 대하여 한국공기청정협회가 제정한 SPS-KACA002-132 규격에 따른 규격 시험(CA)에 의거하여, 상기 공기 청정기를 반복 평가하여 평가 대상 가스의 제거율을 측정한 결과가 하기 식 2 내지 식 4를 만족하고,
    상기 평가 대상 가스는 아세트산 10 ppm, 아세트알데히드 10 ppm, 암모니아 10 ppm, 포름알데히드 10 ppm 및 톨루엔 10 ppm을 포함하고,
    상기 반복 평가는 각 회차 간 15 시간의 휴지기를 두어 회차별로 상기 평가 대상 가스의 제거율을 측정하여 수행되고,
    각 회차별로 측정된 상기 평가 대상 가스의 제거율을 제거율n회차로 표시하고, n은 회차의 차수를 의미하는 자연수이고,
    상대 제거율n회차은 n 회차에서 측정된 상기 평가 대상 가스의 제거율을 1회차에서 측정된 제거율 100% 대비 상대적 비율%로 계산된 값이고,
    성능 저하율은 하기 식 1로 정의되는
    공기 청정기.
    [식 1]
    성능 저하율(%) = [상대 제거율(n-1)회차 - 상대 제거율n회차] × 100 / 상대 제거율(n-1)회차
    [식 2]
    상대 제거율9회차 ≥ 70%
    [식 3]
    n 은 9 내지 15의 정수일 때, 성능 저하율 ≤ 1.0 %
    [식 4]
    n 은 9 내지 15의 정수일 때, 성능 저하율의 평균값 ≤ 0.8%
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼은 상기 제1 정규분포와 일치하거나, 또는,
    상기 제1 정규분포와 함께, 결합 에너지 71.8 eV 내지 72.2 eV에서 제2 피크를 갖는 제2 정규분포가 상기 Pt의 4f7/2에 대한 XPS 스펙트럼으로부터 상기 보이트 함수를 통해 추출되는
    공기 청정기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 텅스텐 산화물 입자 100 중량부 대비 상기 백금 입자의 함량이 0.01 중량부 내지 5 중량부인
    공기 청정기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탈취 필터는 활성탄을 더 포함하고, 활성탄 100 중량부 및 가시광 활성 촉매 2 내지 10 중량부를 포함하는
    공기 청정기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탈취 필터는:
    세라믹 허니컴 구조체; 활성탄 함유 섬유 기재; 또는 페이퍼 구조체를 포함하는
    공기 청정기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 세라믹 허니컴 구조체, 또는 상기 페이퍼 구조체는 내부 수용 공간에 상기 가시광 활성 촉매가 아일랜드상으로 표면에 코팅된 활성탄의 입자체를 수용하거나; 또는
    세라믹 허니컴 구조체, 활성탄 함유 섬유 기재 및 상기 페이퍼 구조체는 활성탄을 내부 공극에 포함하고, 상기 활성탄을 함유하는 구조체 면상에 상기 가시광 활성 촉매가 코팅된
    공기 청정기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 탈취 필터는 유기 바인더를 포함하지 않는
    공기 청정기.
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