KR102523753B1 - 광촉매 헤파필터 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기청정기능 및 공기정화기능이 겸비된 광촉매 헤파필터 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 사각 틀 형상의 프레임; 상기 프레임의 내측 전부(前部)에 형성된 여과식 필터; 상기 프레임의 내측 후부(後部)에 형성된 정전식 필터; 및 상기 정전식 필터에 코팅된 광촉매;를 포함하는 헤파필터 및 이 헤파필터를 제조하기 위한 방법을 개시한다.

Description

광촉매 헤파필터 및 그 제조방법{Photocatalytic HEPA filter and manufacturing method of the same}
본 발명은 광촉매 헤파필터 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기청정기능 및 공기정화기능이 겸비된 광촉매 헤파필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
헤파필터에 관한 종래의 기술로서, 대한민국 공개특허공보 제10-2022-0052129호(2022.04.27. 공개, 이하 '선행기술'이라고 함) "항균 기능을 가지는 헤파 필터"가 제시되어 있다.
상기 선행기술은 "유해 물질과 미세 먼지를 포집하는 것으로 다단 접힘 구조를 이루는 여과지; 및, 상기 여과지의 일면에 접착되는 카본필터; 를 포함하고, 상기 여과지에는 바이러스 제거를 위한 메인 항균층을 형성하는 것을 특징으로 하는 항균 기능을 가지는 헤파 필터"를 제시하고 있다.
[문헌 1] 대한민국 공개특허공보 제10-2022-0052129호(2022.04.27. 공개)
본 발명은 공기청정 성능이 향상되도록 함과 아울러, 공기정화 기능을 겸비하도록 한 광촉매 헤파필터 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 언급한 과제로 제한되지 않는다. 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 의한 광촉매 헤파필터는, 사각 틀 형상의 프레임; 상기 프레임의 내측 전부(前部)에 형성된 여과식 필터; 상기 프레임의 내측 후부(後部)에 형성된 정전식 필터; 및 상기 정전식 필터에 코팅된 광촉매;를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 여과식 필터는 유리섬유 필터로 구성되고, 상기 정전식 필터는 멜트블로운 필터로 구성된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 정전식 필터의 후방에 설치되어 상기 광촉매를 활성화하기 위한 빛을 조사하는 광원; 및 상기 프레임의 후면에 장착되어 상기 광원을 지지하는 광원장착대;를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 광원장착대는, 상기 프레임의 후면 형상과 대응되는 사각 틀 형상의 테두리부; 상기 테두리부의 내측에 배열된 다수의 가로대; 및 상기 프레임과 상기 테두리부의 사이에 설치되어 프레임과 테두리부를 연결하는 브래킷;을 포함하고, 상기 광원은 기다랗게 형성된 엘이디모듈로 이루어져 상기 각 가로대에 장착된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 광촉매는, 산화티타늄 50 내지 95중량%; 및 산화텅스텐 또는 구리텅스텐산화물 5 내지 50 중량%;를 포함하는 혼합물로 이루어진다.
본 발명의 실시예에서, 상기 광촉매는, 산화티타늄 50 내지 94.9중량%; 산화텅스텐 또는 구리텅스텐산화물 5 내지 49.9 중량%; 및 백금 0.001 내지 0.1중량%;를 포함하는 혼합물로 이루어진다.
한편, 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 의한 광촉매 헤파필터의 제조방법은, 광촉매 소재를 제작하는 광촉매 소재 제작 단계; 상기 정전식 필터에 상기 광촉매 소재를 코팅하는 광촉매 소재 코팅 단계; 및 상기 프레임, 여과식 필터 및 정전식 필터를 조립하는 조립 단계;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 여과식 필터와 정전식 필터가 겸비되어 공기청정 성능이 향상될 뿐만 아니라, 상기 정전식 필터에 코팅된 광촉매에 의해 세균, 바이러스, 질소산화물, 황산화물, 휘발성유기화합물 등이 제거될 수 있으므로 공기정화 기능까지 갖춘 광촉매 헤파필터가 제공될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 광촉매 헤파필터의 전면, 측면 및 상면을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 광촉매 헤파필터의 후면, 측면 및 상면을 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 광촉매 헤파필터의 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 광촉매 헤파필터 제조방법의 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
다만, 첨부된 도면은 요부에 관한 설명의 편의를 위해 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시될 수 있고, 설명에 사용되는 용어 및 명칭은 사전적인 의미가 아닌 구성의 형상이나 작용, 역할 등에 의해 함축적으로 정해질 수 있으며, 방향에 관한 설명은 최초로 제시된 도면으로부터 최초로 제시한 방향을 기준으로 결정되며, 위치에 관한 설명은 각 구성의 중간 또는 원의 중심을 기준으로 내외가 결정된다.
그리고 선등록된 공지기술 및 통상적 기술에 대한 구체적인 설명은 요지를 흐릴 수 있어 생략 또는 간단한 부호나 명칭으로 대체한다. 또한, 도면을 통해 식별할 수 있는 구성의 구체적인 구조, 형상, 모양, 배치, 크기, 등과, 도면을 통해 유추할 수 있는 구성의 작동 및 그에 따른 작용효과 등도 요지를 흐릴 수 있어 상세한 설명을 생략할 수 있고, 구성 간의 결합을 위해 적용되는 볼트, 용접부위, 구멍 등은 요지를 흐릴 수 있어 도면에서 생략할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 광촉매 헤파필터의 전면, 측면 및 상면을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 광촉매 헤파필터의 후면, 측면 및 상면을 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 광촉매 헤파필터의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 광촉매 헤파필터는 사각 틀 형상의 프레임(100); 상기 프레임(100)의 내측 전부(前部)에 형성된 여과식 필터(200); 상기 프레임(100)의 내측 후부(後部)에 형성된 정전식 필터(300); 및 상기 정전식 필터(300)에 코팅된 광촉매(미도시);를 포함하여 이루어진다.
상기 여과식 필터(200)는 종래에 여과식 필터로 널리 사용되는 유리섬유 필터로 이루어지는 것이 바람직하지만, 이에 한정되지 아니하고 다양한 종류의 여과식 필터가 적용될 수 있다.
상기 정전식 필터(300)는 종래에 정전식 필터로 널리 사용되는 멜트블로운 필터(meltblown filter)로 이루어지는 것이 바람직하지만, 이에 한정되지 아니하고 다양한 종류의 정전식 필터가 적용될 수 있다.
상기 광촉매는 산화티타늄 50 내지 95중량%; 및 산화텅스텐 또는 구리텅스텐산화물 5 내지 50 중량%;를 포함하는 혼합물로 이루어진다.
필요에 따라 상기 혼합물에는 조촉매로서 백금이 첨가될 수 있다. 이때 상기 광촉매는 산화티타늄 50 내지 94.9중량%; 산화텅스텐 또는 구리텅스텐산화물 5 내지 49.9 중량%; 및 백금 0.001 내지 0.1중량%;를 포함하는 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 광촉매 헤파필터에서 상기 광촉매는 산화티타늄과 산화텅스텐을 주재료로 사용한다. 상기 산화티타늄은 자외선 영역에서 광촉매로써 효과가 우수한 것으로 확인되었으나, 가시광 영역에서는 광촉매 효과가 미미하다는 단점이 있다. 즉, 태양광에서 자외광은 약 4%에 지나지 않기 때문에 자외광이 거의 없는 실내에서는 광촉매로써의 효율이 크게 떨어진다. 반면에 산화텅스텐은 가시광 영역에서 광촉매 효과가 있으나, 산화텅스텐을 단독으로 사용하는 경우 특정 파장에서만 효과가 있고 전반적으로 가시광에서 광촉매 효과가 적은 것으로 알려졌다.
본 발명에서는 산화티타늄과 산화텅스텐을 일정 비율로 혼합하여 가시광 응답형 광촉매를 제작함으로써 산화티타늄과 산화텅스텐을 각각 단독으로 사용하는 경우보다 가시광 영역에서의 광촉매 효과가 우수하다.
한편, 도시된 바와 같이 본 발명의 광촉매 헤파필터는, 상기 정전식 필터(300)의 후방에 설치되어 상기 광촉매를 활성화하기 위한 빛을 조사하는 광원(400); 및 상기 프레임(100)의 후면에 장착되어 상기 광원(400)을 지지하는 광원장착대(500);를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 광원(400)은 400 내지 800㎚ 파장의 백색광을 방사하는 엘이디(LED : light emitting diode)를 포함한다.
상기 광원장착대(500)는, 상기 프레임(100)의 후면 형상과 대응되는 사각 틀 형상의 테두리부(510); 상기 테두리부(510)의 내측에 배열된 다수의 가로대(520); 및 상기 프레임(100)과 상기 테두리부(510)의 사이에 설치되어 프레임(100)과 테두리부(510)를 연결하는 브래킷(530);을 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 광원(400)은 기다랗게 형성된 엘이디모듈(LED module)로 이루어져 상기 각 가로대(520)에 장착된다.
상기 광원(400) 및 광원장착대(500)에 의하면, 태양광으로 인한 상기 광촉매의 활성도가 미미할 경우 상기 광원(400)을 이용하여 광촉매의 활성도를 높일 수 있다.
이하, 도 4를 더 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 광촉매 헤파필터의 제조방법을 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 광촉매 헤파필터 제조방법의 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 광촉매 헤파필터의 제조방법은, 광촉매 소재 제작 단계(S10), 광촉매 소재 코팅 단계(S20) 및 조립 단계(S30)를 포함하여 이루어진다.
상기 광촉매 소재 제작 단계(S10)는 가시광 응답성 광촉매 소재를 제작하기 위한 단계로서, 산화티타늄 재료와 산화텅스텐 재료를 혼합하는 재료 혼합 단계(S11); 및 상기 산화티타늄 재료와 산화텅스텐 재료의 혼합물을 400 내지 600℃로 열처리하는 열처리 단계(S12);를 포함하여 이루어진다.
상기 재료 혼합 단계(S11)에서 상기 산화티타늄 재료는 티타늄금속염액을 가수분해한 수산화티탄 겔이나, 수산화티탄 겔을 열처리하여 결정화된 산화티타늄을 사용한다. 그리고 상기 산화텅스텐 재료는 초경슬러지를 산화시킨 산화텅스텐에 수산화나트륨 수용액을 넣고 가열하여 얻은 나트륨텅스테이트를 양이온교환수지를 통과시켜 만들어 산화텅스텐 콜로이드를 사용한다.
여기서 콜로이드 서스펜션(colloidal suspension) 또는 콜로이드는, 용매와 용질이 완전히 혼합되어 단일상을 이루는 용액과 달리, 크기가 1 내지 1000nm이고 불용성인 물질이 분산된 상태로 다른 물질과 섞여 있는 혼합물이다. 따라서 산화텅스텐 콜로이드는 산화텅스텐 미립자가 분사된 상태로 다른 물질과 섞여 있는 것이다. 이러한 산화텅스텐 콜로이드는 수산화티탄 겔이나 산화티타늄과 혼합될 때 장시간의 기계적 혼합이 요구되지 않을 뿐만 아니라 산화티타늄과의 결합이 쉽게 이루어진다.
구체적으로, 산화티타늄(TiO2)의 재료는 티타늄금속염액을 용매로 분산시킨 후 열가수분해 공정에 따라 가수분해시킨다. 이때 열가수분해의 온도는 60 내지 100℃이다. 이와 같이 열가수분해 하면 비정질의 수산화티탄 겔이 얻어진다. 수산화티탄의 정량적인 화학식은 Ti(OH)4이지만 보통 비정질 상태에서는 Ti-OH 결합과 Ti-O 결합이 혼재하므로 정량화학식으로 표기하지는 않는다.
그리고 수산화티탄 겔을 물 또는 알콜로 세정한 후 분리 여과하여 광촉매 재료로 사용하거나 세정한 수산화티탄 겔을 다시 물에 재산분시킨 후 압력용기에 넣고 열처리 예를 들어, 100 내지 300℃에서 100시간 열처리하여, 결정화된 산화티타늄을 제조하여 광촉매 재료로 사용할 수 있다.
이어 산화텅스텐(WO3)의 재료는 국내에서 구입하기 어렵고 산화텅스텐 분말을 콜로이드(colloidal) 상태로 제조하는 것은 매우 어렵기 때문에 초경슬러지로부터 산화텅스텐 콜로이드를 제조하여 사용한다.
즉, 초경슬러지로부터 산화텅스텐 콜로이드 상태로 제조하기 위해서는, 먼저 초경슬러지에서 산화텅스텐과 나머지 불순물을 분리하는 공정이 필요한데, 이를 위해서 초경슬러지를 600 내지 800℃의 높은 온도에서 산화시켜 불순물을 함유한 산화텅스텐 슬러지를 제조한다. 그리고 제조된 불순물 함유 산화텅스텐을 수산화나트륨 수용액을 100℃로 가열한 용액에 넣고 가열하면서 교반하여 나트륨텅스테이트가 되도록 하여 불순물과 분리하는 공정을 수행한다.
이어 제조된 나트륨텅스테이트(sodium tungstat; 텅스텐산나트륨, 나트륨텅스텐산염)는 양이온교환수지를 통과시켜 산화텅스텐 콜로이드로 제조한다. 양이온교환수지는 수용액 속의 양이온과 자신의 양이온을 교환하는 합성수지로서, 양이온교화수지에 나트륨텅스테이트를 통과시키면 양이온이 교환되어 산화텅스텐 콜로이드로 된다.
한편, 산화텅스텐(WO3)의 재료는 구리 등의 제2 원소가 첨가될 수 있다. 예를 들어 구리는 콜로이드 상태의 산화텅스텐에 무수상태의 염화구리(CuCl2)를 반응시켜 제조한다. 즉, 구리의 첨가는 산화텅스텐 콜로이드와의 반응으로 제조한다.
이와 같은 방법으로 제조된 이산화티탄 겔과 산화텅스텐 콜로이드(또는 제2 원소가 첨가된 산화텅스텐 콜로이드)를 적정 비율로 혼합하여 광촉매 재료로 사용한다.
바람직하게, 산화티타늄과 산화텅스텐의 혼합비율은 산화티타늄 50 내지 95 중량%과 산화텅스텐(또는 구리텅스텐산화물) 5 내지 50 중량%로 혼합한다.
또한, 조촉매로서 백금을 더 첨가할 수 있다. 백금(Pt)은 산화티타늄 졸이나 산화텅스텐 콜로이드 중 어느 쪽에 첨가하여도 좋으나, 반드시 티타늄산화물과 산화텅스텐 콜로이드를 합성하기 이전에 첨가해야 한다. 이때 백금은 전체 중량에 대해 0.001 내지 0.1중량%가 되도록 첨가한다.
이와 같이 제조된 백금 및 산화텅스텐(또는 구리텅스텐산화물) 첨가 티타늄산화물을 상기 열처리 단계(S12)를 통해 열처리하여 가시광 응답형 광촉매 소재를 제조한다. 이때, 상기 열처리 단계(S12)에서는 백금 및 산화텅스텐(또는 구리텅스텐산화물) 첨가 티타늄산화물을 티타늄산화물의 조직이 아나타제(이산화티타늄)의 비율이 70% 이상이 되도록 400 내지 600℃의 온도 범위에서 약 2시간 열처리하여 가시광 응답형 광촉매 소재로 제조한다.
상기 광촉매 소재 코팅 단계(S20)는, 상기 정전식 필터(300)에 무기질 프라이머를 도포하는 프라이머 도포 단계(S21); 상기 광촉매 소재에 무기질 바인더를 혼합하여 졸(sol) 상태의 광촉매 소재를 제작하는 광촉매 졸 제작 단계(S22); 및 상기 광촉매 졸을 상기 정전식 필터(300)에 코팅하는 광촉매 졸 코팅 단계(S23);를 포함하여 이루어진다.
상기 프라이머 도포 단계(S21)에서 사용되는 프라이머는, 유기물 프라이머가 사용될 경우 광촉매의 활성에 의해 유기물이 분해될 수 있으므로 무기물 프라이머가 사용된다.
상기 광촉매 졸 제작 단계(S22)에서는 상기 광촉매 소재 제작 단계(S10)에서 제작된 광촉매 소재를 무기질 바인더와 혼합하여 졸 상태로 만들게 된다. 이때 상기 바인더는 상기 프라이머와 마찬가지로 광촉매의 활성에 의해 분해되지 않도록 무기질 바인더가 사용된다. 구체적으로 상기 무기질 바인더는 규산나트륨 20 내지 30중량%, 규산칼륨 5 내지 15중량%, 물 50 내지 70중량% 및 분산제 3 내지 7중량%를 250 내지 350℃의 온도에서 중합반응시켜 제작된다. 이렇게 제작된 무기질 바인더는 광촉매 소재를 상기 정전식 필터(300)에 박리현상 없이 코팅할 수 있게 한다.
상기 광촉매 졸 코팅 단계(S23)는 상기 정전식 필터(300)를 상기 광촉매 소재에 침지시키거나, 상기 광촉매 소재를 상기 정전식 필터(300)에 분사하여 도포하는 등 다양한 방식에 의해 실시될 수 있다. 상기 광촉매 졸 코팅 단계(S23) 이후에는 상기 정전식 필터(300)에 코팅된 광촉매를 건조 및 경화하는 단계가 실시될 수있다.
상기 조립 단계(S30)는 상기 광촉매가 코팅된 정전식 필터(300)를 상기 프레임(100) 및 여과식 필터(200)와 조립하는 단계이다.
본 발명의 광촉매 헤파필터가 상기 광원(400) 및 광원장착대(500)를 포함하는 경우, 상기 조립 단계(S30)에서 상기 광원(400) 및 광원장착대(500)를 상기 프레임(100)에 조립하는 과정이 더 진행될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 광촉매 헤파필터 및 그 제조방법에 의하면, 여과식 필터(200)와 정전식 필터(300)가 겸비되어 공기청정 성능이 향상될 뿐만 아니라, 상기 정전식 필터(300)에 코팅된 광촉매에 의해 세균, 바이러스, 질소산화물, 황산화물, 휘발성유기화합물 등이 제거될 수 있으므로 공기정화 기능까지 갖춘 헤파필터가 제공될 수 있다.
이상에서 본 발명을 설명함에 있어 한정된 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로서, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 청구범위의 기재 및 그 균등 범위에 의해 정해져야 한다.
100 : 프레임 200 : 여과식 필터
300 : 정전식 필터 400 : 광원
500 : 광원장착대 510 : 테두리부
520 : 가로대 530 : 브래킷

Claims (7)

  1. 사각 틀 형상의 프레임(100);
    상기 프레임(100)의 내측 전부(前部)에 형성된 여과식 필터(200);
    상기 프레임(100)의 내측 후부(後部)에 형성된 정전식 필터(300); 및
    상기 정전식 필터(300)에 코팅된 광촉매;를 포함하는 광촉매 헤파필터를 제조하기 위한 방법으로서,
    광촉매 소재를 제작하는 광촉매 소재 제작 단계(S10);
    상기 정전식 필터(300)에 상기 광촉매 소재를 코팅하는 광촉매 소재 코팅 단계(S20); 및
    상기 프레임(100), 여과식 필터(200) 및 정전식 필터(300)를 조립하는 조립 단계(S30);를 포함하되,
    상기 광촉매 소재 코팅 단계(S20)는,
    상기 정전식 필터(300)에 무기질 프라이머를 도포하는 프라이머 도포 단계(S21);
    상기 광촉매 소재에 무기질 바인더를 혼합하여 졸(sol) 상태의 광촉매 소재를 제작하는 광촉매 졸 제작 단계(S22); 및
    상기 광촉매 졸을 상기 정전식 필터(300)에 코팅하는 광촉매 졸 코팅 단계(S23);를 포함하여 이루어지고,
    상기 광촉매 졸 제작 단계(S22)에서 사용되는 무기질 바인더는, 규산나트륨 20 내지 30중량%, 규산칼륨 5 내지 15중량%, 물 50 내지 70중량% 및 분산제 3 내지 7중량%를 250 내지 350℃의 온도에서 중합반응시켜 제작된 것을 특징으로 하는 광촉매 헤파필터의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 여과식 필터(200)는 유리섬유 필터로 구성되고,
    상기 정전식 필터(300)는 멜트블로운 필터로 구성된 것을 특징으로 하는 광촉매 헤파필터의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광촉매는,
    산화티타늄 50 내지 95중량%; 및
    산화텅스텐 또는 구리텅스텐산화물 5 내지 50 중량%;를 포함하는 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 광촉매 헤파필터의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광촉매는,
    산화티타늄 50 내지 94.9중량%;
    산화텅스텐 또는 구리텅스텐산화물 5 내지 49.9 중량%; 및
    백금 0.001 내지 0.1중량%;를 포함하는 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 광촉매 헤파필터의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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