KR102529173B1 - 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극과 그 제조방법, 및 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치 - Google Patents
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Abstract
종이원료인 셀룰로스를 평판 형태로 제조하여 미세먼지를 제거하기 위한 종이전극을 경량화시킬 수 있으며, 또한, 셀룰로스 종이전극판의 일측 표면은 그래핀의 코팅에 의해 전도성을 갖도록 형성하여 직류전류 인가에 의한 정전기 발생표면을 만들고, 셀룰로스 종이전극판의 타측 표면은 부도체의 특성을 갖게 하여 유전체에 의한 정전기 발생표면을 만들어 먼지 흡착에 필요한 정전기 표면을 극대화할 수 있다고, 또한, 전기집진장치의 먼지 집진기인 무거운 금속전극을 종이원료인 셀룰로스 성분의 종이전극으로 대체함으로써 전기집진장치를 경량화시킬 뿐만 아니라 셀룰로스 성분의 종이전극의 정전 면적을 크게 형성함으로써 먼지 부착량을 향상시킬 수 있는, 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극과 그 제조방법, 및 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치가 제공된다.
Description
본 발명은 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 종이원료인 천연펄프 또는 한지원료인 닥나무 펄프 등과 같은 셀룰로스를 평판 형태로 제조하여 경량화하고, 일측 표면은 전도체인 그래핀을 코팅하여 정전기에 의해 먼지를 제거하며, 부도체인 타측 표면은 유전체에 의한 정전기를 이용하여 미세먼지를 제거하는, 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극과 그 제조방법, 및 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치에 관한 것이다.
일반적으로, 대기 중이나 특정한 환경하에 존재하는 미세입자들을 제어하는 기술들은 각종 과학기술 분야에서 광범위하게 응용되고 있으며, 산업적으로도 중요한 위치를 차지하고 있다. 특히, 대기 중에 존재하는 미세입자들은 대기오염물질로서 시계를 저하시키고, 인체에 치명적인 영향을 줄 수 있기 때문에 이를 제거하기 위한 기술들이 지속적으로 개발되고 있다.
이러한 미세입자 제거 기술에는 미세먼지를 전기적으로 대전시키거나, 인위적인 응집을 통해 일정한 크기의 입자로 변환시키는 기술, 입자의 거동을 인위적으로 제어 및 분리하는 기술 등이 있다. 이것은 기존의 대기오염 방지 기술과 더불어 최근 관심이 집중되고 있는 미세먼지 제거장치의 기본 메커니즘으로 활용되고 있다. 즉, 대기 중의 미세입자 제거 기술은 인위적으로 외력을 가하거나, 공기의 흐름 가운데 장애물을 설치하여 미세입자를 분리해내는 원리를 기본적으로 이용하고 있다.
통상적인 미세먼지 처리기법은 전기적 집진, 여과 집진(필터), 원심력 집진, 촉매반응을 이용한 집진 및 습식 집진 등이 있다.
도 1a는 전기적 집진의 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 1b는 여과 집진의 원리를 설명하기 위한 도면이며, 도 1c는 광산화 분해 작용 원리를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 전기집진기는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 정전기력을 이용하여 먼지 및 미스트(mist) 등의 입자들을 코로나 방전에 의해 하전시킨 후 집진전극 표면으로 이동시켜 포집하는 원리를 이용한다. 구체적으로, 코로나 방전의 형성 및 분진의 대전, 대전입자의 이동, 집진극에 의한 포집 등의 메커니즘으로 이루어진다. 중유 연소 보일러를 비롯하여 발전소, 시멘트 소성로, 유리 용해로, 제철 제강로, 소각로 등 주로 다량의 먼지가 배출되는 발생원에 효율적으로 사용될 수 있다. 정전기력에 의해 먼지를 포집하기 때문에 기계적인 집진 기술에 비해 입경이 작은 입자의 제거에 효과적이며, 장기간 운전이 가능하여 유기물의 회수, 제품의 품질 향상, 공기 조화 등 광범위한 분야에 서 활용될 수 있다.
또한, 여과 집진(필터)은, 도 1b에 도시된 바와 같이, 기상이나 액상 중의 작은 고형물을 제거하기 위한 여과체로서, 미세먼지를 제어하기 위해 주로 사용하는 섬유필터는 연소가스로부터 입자상 오염물질을 분리하는데 매우 효과적이다. 필터에 있어서 단일섬유의 포집원리는 관성, 차단, 확산, 중력에 의한 메커니즘이 작용하며, 단일섬유 자체도 일부 먼지를 포집하지만 직물 위에 빠르게 쌓인 먼지 입자층에 의해 더욱 효율적으로 입자가 포집된다. 필터는 섬유의 종류, 필터의 형태, 집진기 내의 필터 배치 방법, 처리가스가 필터로 유입되는 방법 등에 따라 다양하다. 필터의 형태를 인위적으로 조작할 수 있기 때문에 여러 가지 형태의 먼지를 포집할 수 있으며, 설계규모에 따라 처리용량을 조절할 수 있다. 또한 다양한 압력 저항의 조건에서 운전할 수 있으며, 다른 집진 방식에 비해 가격이 저렴하다는 장점을 지닌다.
또한, 원심력 집진은 먼지를 함유한 공기를 원통 내에서 회전시켜, 그 원심력으로 먼지를 외측으로 분리시켜 집진하는 원리를 이용한다. 일반적으로 처리 풍량은 지름의 제곱에 비례하여 증가하며, 지름이 커질수록 집진 가능한 한계입자의 크기도 커진다. 따라서 미립자를 포집하기 위해서는 소형 사이클론을 필요한 수만큼 병렬로 설치해야 하는데, 이처럼 다수의 소형 사이클론을 이용하는 방식을 멀티 사이클론이라 일컫는다. 이러한 사이클론은 구조가 비교적 간단하고, 관리도 수월하여 널리 이용되지만 운전 시 압력손실이 높아 에너지 소비가 많고 마모성 분진에 취약하다는 단점을 지닌다.
또한, 촉매반응을 이용한 집진의 경우, 도 1c에 도시된 바와 같이, 촉매는 반응속도 변화 및 반응 개시 등의 역할을 수행하며, 배기가스의 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx) 처리 시에 산화환원 반응에 주로 활용된다. 이때, 빛을 흡수해서 촉매반응을 일으켜 각종 세균과 오염물질을 분해시키는 반도체 물질로 광촉매가 활용되고 있다. 즉, 반도체 분말을 용액에 넣어 밴드 갭(band-gap) 이상의 에너지 광을 비추면 마이너스 전하를 갖는 전자와 플러스 전하를 갖는 정공(正孔)이 생성되고, 강한 산화환원 작용에 의해 광분해반응이 발생하여 오염물질이 제거된다. 이러한 광촉매로 사용할 수 있는 물질은 광학적으로 활성이 있으면서 광부식이 없어야 한다. 또한 생물학적 및 화학적으로 비활성이어야 하며, 가시광선이나 자외선 영역의 빛을 이용할 수 있어야 한다.
또한, 습식 집진은 물에 의해 분진을 세정 및 분리하는 방식으로, 관련 장치로는 세정탑, 분무조, 스크레이퍼등이 있으며, 친수성 분진 및 퓸(fume) 외에 미스트나 가용성 가스, 증기 등을 제거할 수 있다. 액적, 액막, 기포 등을 통해 미립자를 분리 및 포집하며, 관성력, 확산력, 응집력, 중력 등이 이용된다. 관성력과 중력 등은 입경이 클수록 커지고, 확산력과 응집력은 입경이 작을수록 집진효율이 뛰어나다. 하지만 습식 집진장치는 세정액의 처리 및 세정액에 의한 장치 부식의 우려가 있다는 단점이 존재한다.
한편, 도 1a에 도시된 기존의 전기집진장치 기술의 핵심은 유입먼지에 음이온 정전하를 띄게 하기 위해 코로나 방전이 반드시 필요하고, 동시에 오존 제거 시설이 추가로 필요하며 전극재료로는 철전극 또는 알루미늄전극을 사용하여, 그에 따른 무게 때문에 실제 시공시 공장규모의 지지대 및 프레임(frame)이 필요하여 도로 및 터널에 설치하기에 부적절하다는 문제점이 있다.
한편, 도 2는 종래의 기술에 따른 공기정화탑을 예시하는 사진이다.
최근 중국 베이징 및 시안에서는 도시에서 발생하는 미세먼지 제거사업(smog free)의 일환으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 가로 45m, 세로 60m 받침에 지름 10m, 높이 60m 높이의 공기정화탑(추마이타)을 설치하여 운전중에 있다. 이러한 공기정화탑의 먼지제거 원리는 태양의 복사열에 의해 타워내에서 더워진 공기가 상부로 빠져나가는 원리를 이용하고, 유입공기에 먼지제거 필터를 설치하여 공기정화가 일어나지만, 이때, 부지면적을 줄이기 위해서는 필터에 의한 수두손실(Head loss)을 감소시키기 위한 기술이 가장 필요하다.
또한, 국내의 강남의 경우, 자동차 배연가스에 의한 미세먼지로 대부분 아파트에서는 공기정화기를 장시간 가동하여 실내에 이산화탄소가 축적되는 문제가 있어서, 외부공기의 유입이 필요할 경우 창문에 통기성이 큰 미세먼지 제거시설의 설치에 대한 필요성이 크게 대두되고 있다.
따라서 도로터널, 지하터널 등 비교적 공간이 밀폐된 장소의 경우, 미세먼지 제거를 효과적으로 수행하기 위해서 미세먼지 제거시설의 무게가 가벼워야 하고, 또한 미세먼지 제거시설의 수두손실(head loss)을 감소시키기 위해서 통기성이 우수하여야 하며, 동시에 먼지 부착면적을 극대화시킬 수 있는 기술이 개발되어야 한다.
한편, 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1471345호에는 "셀룰로오스계 결합제를 사용하는 그래핀-종이 전극"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 종래의 기술에 따른 그래핀-종이 전극의 제조 과정 모식도이다.
종래의 기술에 따른 그래핀-종이 전극은, 공극 내 셀룰로오스가 함침된 필터 종이; 상기 필터 종이 표면에 셀룰로오스 및 그래핀 함유 용액으로 코팅된, 평평한 그래핀 코팅층을 포함하며, 셀룰로오스 용액을 이용하여 종이와 그래핀이 완전히 상호 결합되며 내부 공극 구조 및 외부 평평한 표면을 제공할 수 있다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 2-하이드록시에틸 셀룰로오스를 탈이온수에 3wt%로 용해하고, 셀룰로오스 용액을 병에 밀봉하여 무색 투명한 용액이 되도록 50℃에서 25시간 동안 교반 및 가열하였다.
이때, 전극 활물질로 사용되는 그래핀 나노파우더는 약 510㎡/g의 표면적을 가지며 평균 1nm의 두께를 가진다. 그래핀 나노파우더의 평균 입자 사이즈는 약 10㎛이다.
그래핀 및 소듐 도데실벤젠설포네이트(sodium dodecylbenzenesulfonate; Sigma-aldrich)는 활성물질로서 탈이온수 내에서 분산되었으며, 농도는 0.6㎎/㎖ 이었다. 그래핀 용액은 10분의 배스 소니케이션(bath sonication) 후, 그래핀 분산은 완전한 흑색 용액을 형성하기 위해 200W에서 30분 동안 프로브 소니케이션하였다.
다음으로, 그래핀 용액은 셀룰로오스 용액과 50/50 vol%로 혼합되며, 혼합물은 전도성 잉크를 형성하기 위해 200W에서 30분 동안 프로브 소니케이트하였다.
이때, 제조된 전도성 잉크를 코팅하기 전에, 필터 종이를 3wt% 셀룰로오스 용액에서 한 시간동안 함침한 후, 35℃에서 24시간 동안 건조하였다.
이후, Meyer rods(Sigma-Aldrich)를 사용하여 상기 필터 종이 상에 상기 제조된 전도성 잉크를 코팅하였다.
바-코팅 공정에서, 전도성 잉크는 필터 종이의 공극이 HC로 채워져 있기 때문에 필터 종이를 통과하여 침투하는 것이 불가능하며, 그래핀은 HC 결합제에 의해 필터 종이의 표면에 부착된다. 또한, 필터 종이 공극의 충전제 및 그래핀의 결합제는 동일 물질이기 때문에, 전극/전해질 접촉면에서 좋은 전기적 접촉에 의거한 향상된 전기화학적 안정성을 가진다.
종래의 기술에 따른 그래핀-종이 전극에 따르면, 향상된 이온 플럭스를 제공하는 공극 구조 및 낮은 표면 저항을 제공하는 평평한 표면을 갖는 전극을 제공할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 그래핀-종이 전극의 경우, 높은 전기화학적 능력 및 구성요소 사이의 높은 결합력을 갖는 안정적인 전지를 제공하기 위한 것이다.
한편, 다른 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1817506호에는 "종이 집전체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학소자"라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 종래의 기술에 따른 종이 집전체 제작을 위한 이중 연속 전기방사법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
종래의 기술에 따른 종이 집전체의 제조방법은, 나노 셀룰로오스 섬유를 포함하는 섬유층 상에 도전층을 도입할 때 전기방사를 이용함으로써 도전층을 구성하는 도전재를 섬유층 상에 균일하게 분산시킬 수 있을 뿐만 아니라 섬유층의 나노 셀룰로오스 섬유와 효과적으로 전도성 네트워크를 형성할 수 있고,
2종 이상의 도전재가 각각의 도전층을 형성하는 경우 각 도전층에 포함된 도전재간의 전도성 네트워크를 용이하게 형성할 수 있다.
이에 따라, 종래의 기술에 따른 종이 집전체는, 나노 셀룰로오스 섬유를 포함하는 섬유층; 상기 섬유층 상에 형성되고, 제1 도전제를 포함하는 제1 도전층; 및 제2 도전재를 포함하는 제2 도전층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 도전재는 평균 직경이 10㎚ 내지 100㎛이며, 평균 직경 대비 길이의 비율(L/D)이 평균 50 이상이고, 상기 제1 및 제2 도전층은 나노 셀룰로오스 섬유 100 중량부에 대하여 1 내지 50 중량부의 도전재를 포함하며, 550㎚에서의 광 투과도가 70% 내지 99%인 것을 특징으로 한다.
이때, 전기방사는 연속 전기방사법(sequential electrospinning) 또는 이중 전기방사법(dual electrospinning)일 수 있다.
구체적으로, 연속 전기방사법이란 나노 셀룰로스 섬유를 포함하는 섬유층 상에 제1 도전재와 제2 도전재를 함께 포함하는 방사액을 하나의 노즐로 전기방사하여 제1 도전재와 제2 도전재가 섬유층의 표면에서 분산 혼합되는 방식을 말한다.
또한, 이중 전기방사법이란, 도 4에 나타낸 바와 같이, 나노 셀룰로오스 섬유를 포함하는 섬유층 상에 도전층 형성 시 전기방사기에 구비된 제1 노즐과 제2 노즐에서 연속적으로 제1 도전층을 구성하는 제1 도전재와 제2 도전층을 구성하는 제2 도전재를 방사하여 각각의 도전재가 섬유 형태로 섬유층 상에 순차적으로 적층되도록 하는 방식을 말한다.
종래의 기술에 따른 종이 집전체는 나노 셀룰로오스 섬유를 포함하는 섬유층 상에 나노 셀룰로오스 섬유와 전도성 네트워크를 이루는 도전재가 포함된 도전층을 구비함으로써 무게가 가볍고, 전극 제조 시 전극의 에너지 밀도가 높으며, 기계적 유연성이 우수할 뿐만 아니라, 소재의 전기적 물성과 투명성을 모두 확보할 수 있다.
한편, 부도체인 종이를 전극으로 사용하려면 도체물질의 코팅이 필요하며, 통상적으로 전도성 페이스트의 이용이 필요하다.
하지만, 통상적으로 사업적인 측면에서 사용되는 전도성 페이스트의 도체물질은 고가물질인 금, 팔라듐 분말 등이 사용하거나, 저가물질인 나노구리 분말, 은나노 분말 등을 사용하고 있다. 또한, 분말 결합제로서 대표적인 폴리머 물질인 에폭시레진(epoxy resin)을 사용하고 있다.
그러나 나노구리 분말, 은나노 등은 대기중에서 산화되기가 쉽고, 에폭시레진은 시너 등의 휘발성이 강한 유기용제를 사용하는 소수성이기 때문에, 친수성을 갖는 셀룰로스 등에 부착하기 어렵다는 한계가 있고, 또한, 빠른 건조에 의해 균열(Crack)이 발생함에 따라 전압 인가시 도체로 사용하기 어렵다는 한계가 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종이원료인 셀룰로스를 평판 형태로 제조하여 미세먼지를 제거하기 위한 종이전극을 경량화시킬 수 있는, 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극과 그 제조방법, 및 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 셀룰로스 종이전극판의 일측 표면은 그래핀의 코팅에 의해 전도성을 갖도록 형성하여 직류전류 인가에 의한 정전기 발생표면을 만들고, 셀룰로스 종이전극판의 타측 표면은 부도체의 특성을 갖게 하여 유전체에 의한 정전기 발생표면을 만들어 먼지 흡착에 필요한 정전기 표면을 극대화할 수 있는, 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극과 그 제조방법, 및 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전기집진장치의 먼지 집진기(dust collector)인 무거운 금속전극을 종이원료인 셀룰로스 성분의 종이전극으로 대체함으로써 전기집진장치를 경량화시킬 뿐만 아니라 셀룰로스 성분의 종이전극의 정전 면적을 크게 형성함으로써 먼지 부착량을 향상시킬 수 있는, 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극과 그 제조방법, 및 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치를 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극은, 종이원료 또는 한지원료를 수중에서 분쇄하여 여과시킨 후, 이를 건조하여 평판 형태로 가공하는 셀룰로스 종이전극판; 친수성 폴리머로 형성되고, 상기 셀룰로스 종이전극판 상에 그래핀이 코팅되도록 상기 셀룰로스 종이전극판 상부에 도포되는 결합제; 및 전도체로서, 상기 결합제 내에 함유되어, 상기 셀룰로스 종이전극판 상부에 코팅되는 그래핀을 포함하되, 상기 셀룰로스 종이전극판의 일측 표면은 상기 그래핀이 코팅되어 전도체로 사용되고, 상기 셀룰로스 종이전극판의 타측 표면은 부도체로 사용되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 셀룰로스 종이전극판의 일측 표면은 상기 그래핀의 코팅에 의해 전도성을 갖도록 형성하여 직류전류 인가에 의한 정전기 발생표면을 만들고, 상기 셀룰로스 종이전극판의 타측 표면은 부도체의 특성을 갖게 하여 유전체에 의한 정전기 발생표면을 만들어서 먼지 흡착에 필요한 정전기 표면을 극대화할 수 있다.
여기서, 상기 종이원료는 천연펄프이고 한지원료는 닥나무 펄프일 수 있다.
여기서, 상기 친수성 폴리머인 결합제에서 상기 그래핀의 균일한 분산을 위하여 알칸계 경량오일 및 양이온 계면활성제가 주입되어 상기 그래핀이 부착된 오일이 수용액 내에 균등하게 분산된 수중유적형(O/W) 폴리머 페이스트를 형성할 수 있다.
여기서, 부도체인 셀룰로스 종이전극판의 일측 표면에 그래핀이 함유된 페이스트 내의 수분 및 오일은 상기 셀룰로스 종이전극판 내에 흡수되고 셀룰로스 종이전극판의 표면에는 그래핀만 남는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 결합제는 수용성 폴리머인 하이드록실 에틸 셀룰로스(hydroxyl ethyl cellulose: HEC) 또는 카르복실 메틸 셀룰로스(carboxyl methyl cellulose: CMC)을 사용하여 슬러리 타입으로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 결합제에 함유되는 그래핀 함량은 결합제 단위부피(ℓ)당 60g 정도일 수 있다.
여기서, 상기 알칸계 경량오일은 도데칸(dodecane), 트리데칸(tridecane), 테트라데칸(tetradecane) 또는 펜타데칸(pentadecane) 중에서 선택되고, 상기 알칸계 경량오일은 및 양이온 계면활성제는 그래핀이 부착된 오일이 수용액 내에 균등하게 분산된 수중유적형(O/W) 폴리머 페이스트를 형성하며, 각각 결합제 단위부피(ℓ)당 1㎖가 상기 수용액 내에 주입되는 것을 특징으로 한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 제조방법은, a) 종이원료 또는 한지원료를 수중에서 분쇄하여 여과시키는 단계; b) 소정 두께를 갖는 셀룰로스 종이전극판을 평판 형태로 제작하여 건조시키는 단계; c) 그래핀이 함유된 결합제를 수용액 내에 슬러리 타입으로 형성하는 단계; d) 상기 그래핀의 균질화를 위해 알칸계 경량오일 및 양이온 게면활성제를 상기 수용액 내에 주입하는 단계; e) 상기 수용액의 교반을 통해 상기 그래핀이 균질화된 수중유적형 폴리머 페이스트를 형성하는 단계; f) 상기 수중유적형 폴리머 페이스트를 상기 셀룰로스 종이전극판 상에 코팅하는 단계; 및 g) 상기 수중유적형 폴리머 페이스트가 코팅된 셀룰로스 종이전극판을 건조시켜 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 제조를 완료하는 단계를 포함하되, 상기 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 직류전류를 인가하여 미세먼지 통과에 따른 먼지를 흡착하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 g) 단계에서 상기 셀룰로스 종이전극판의 상부는 고밀도의 그래핀과 결합제가 남고, 상기 셀룰로스 종이전극판의 하부는 결합제만 남아, 상기 그래핀이 포함된 상부는 전도체로 이용하여 정전기를 유도하고, 부도체인 하부는 유전체로 이용하여 정전기를 유도할 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치는, 셀룰로스 종이전극판 상에 그래핀이 코팅되도록 상기 그래핀이 함유된 결합제를 상기 셀룰로스 종이전극판 상에 도포하여 형성되고, 양극(+)과 음극(-)이 교대로 배열되는 셀룰로스 종이전극; 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극이 교대로 배열되도록 안착시키는 셀룰로스 종이전극 탑재 하우징; 상기 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 (+) 전원을 인가하도록 상기 셀룰로스 종이전극 탑재 하우징으로부터 인출되는 (+) 전극 인출배선; 상기 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 (-) 전원을 인가하도록 상기셀룰로스 종이전극 탑재 하우징으로부터 인출되는 (-) 전극 인출배선; 및 상기 (+) 전극 인출배선 및 상기 (-) 전극 인출배선을 통해 각각 상기 셀룰로스 종이전극 탑재 하우징에 안착된 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 직류전원을 인가하는 전원공급부를 포함하되, 미세먼지의 제거시, 상기 전원공급부를 통해 직류전류를 공급하고, 교대로 배열된 셀룰로스 종이전극 각각의의 양극(+)과 음극(-) 전극에서 전도체 및 유전체에 의해 발생된 정전기에 의해 미세먼지를 흡착하여 제거하고, 청정공기를 배출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 종이원료인 셀룰로스를 평판 형태로 제조하여 미세먼지를 제거하기 위한 종이전극을 경량화시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 셀룰로스 종이전극판의 일측 표면은 그래핀의 코팅에 의해 전도성을 갖도록 형성하여 직류전류 인가에 의한 정전기 발생표면을 만들고, 셀룰로스 종이전극판의 타측 표면은 부도체의 특성을 갖게 하여 유전체에 의한 정전기 발생표면을 만들어 먼지 흡착에 필요한 정전기 표면을 극대화할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전기집진장치의 먼지 집진기인 무거운 금속전극을 종이원료인 셀룰로스 성분의 종이전극으로 대체함으로써 전기집진장치를 경량화시킬 뿐만 아니라 셀룰로스 성분의 종이전극의 정전 면적을 크게 형성함으로써 먼지 부착량을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 전기적 집진의 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 1b는 여과 집진의 원리를 설명하기 위한 도면이며, 도 1c는 광산화 분해 작용 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 공기정화탑을 예시하는 사진이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 그래핀-종이 전극의 제조 과정 모식도이다.
도 4는 종래의 기술에 따른 종이 집전체 제작을 위한 이중 연속 전기방사법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 개략적인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 제조방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치를 나타내는 사시도이고, 도 7b는 평면도이다.
도 8은 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 대한 먼지 흡착실험을 수행하기 위한 실험장치를 예시하는 사진이다.
도 9a는 도 8에 도시된 먼지 흡착 실험장치에서 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 각각의 전압을 인가하는 것을 나타내는 사진이고, 도 9b는 전압 인가에 따른 각각의 먼지 흡착량을 확인하는 것을 나타내는 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 있어서 위치별 먼지 흡착량을 예시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 있어서 (+) 전압 인가시와 (-) 전압 인가시의 평균 먼지 흡착량을 예시하는 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 공기정화탑을 예시하는 사진이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 그래핀-종이 전극의 제조 과정 모식도이다.
도 4는 종래의 기술에 따른 종이 집전체 제작을 위한 이중 연속 전기방사법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 개략적인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 제조방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치를 나타내는 사시도이고, 도 7b는 평면도이다.
도 8은 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 대한 먼지 흡착실험을 수행하기 위한 실험장치를 예시하는 사진이다.
도 9a는 도 8에 도시된 먼지 흡착 실험장치에서 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 각각의 전압을 인가하는 것을 나타내는 사진이고, 도 9b는 전압 인가에 따른 각각의 먼지 흡착량을 확인하는 것을 나타내는 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 있어서 위치별 먼지 흡착량을 예시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 있어서 (+) 전압 인가시와 (-) 전압 인가시의 평균 먼지 흡착량을 예시하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)]
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 개략적인 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)은, 셀룰로스 종이전극판(110), 결합제(Binder: 120) 및 그래핀(graphene: 130)으로 이루어진다.
셀룰로스 종이전극판(110)은 종이원료 또는 한지원료를 수중에서 분쇄하여 여과시킨 후, 이를 건조하여 평판 형태로 가공한다.
결합제(120)는 친수성 폴리머로 형성되고, 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상에 그래핀(130)이 코팅되도록 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상부에 도포된다.
그래핀(130)은 전도체로서, 상기 결합제(120) 내에 함유되어, 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상부에 코팅된다.
이에 따라, 상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 일측 표면은 상기 그래핀(130)이 코팅되어 전도체로 사용되고, 상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 타측 표면은 부도체로 사용된다.
즉, 상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 일측 표면은 상기 그래핀(130)의 코팅에 의해 전도성을 갖도록 형성하여 직류전류 인가에 의한 정전기 발생표면을 만들고,
상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 타측 표면은 부도체의 특성을 갖게 하여 유전체에 의한 정전기 발생표면을 만들어서 먼지 흡착에 필요한 정전기 표면을 극대화할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)의 경우, 셀룰로스 종이전극을 제조할 원료로서, 전도체로는 그래핀(graphene)을 사용하고, 종이전극판은 종이원료인 천연펄프 또는 한지원료인 닥나무 펄프 등과 같은 셀룰로스 부도체를 평판 형태로 형성한다.
전도체인 그래핀(130)은 소수성 물질이기 때문에 친수성인 펄프에 부착하기 위해서 친수성 폴리머를 결합제(120)로 사용한다.
여기서, 탄소 동소체 중 하나인 그래핀(graphene)은 탄소 원자들은 육각형의 꼭짓점에 존재하며(sp2 결합) 넓게 퍼진 육각형 벌집 모양의 2차원 평면 결정 구조를 이룬다.
그래핀은 원자 한 개 두께로 이루어진 막으로 안정적인 구조로 존재한다. 이러한 그래핀의 두께는 0.2㎚ 정도이지만 물리적 화학적 안정성이 높다는 특징이 있다.
이러한 친수성 폴리머 결합제(120)에서, 상기 그래핀(130)의 균일한 분산을 위하여 알칸계 경량오일,
예를 들면, 도데칸(dodecane), 트리데칸(tridecane), 테트라데칸(tetradecane) 또는 펜타데칸(pentadecane)을 첨가하고,
또한, 양이온 계면활성제를 추가하여 그래핀이 부착된 오일이 수용액 내에 균등하게 분산된 수중유적형(oil in water: O/W) 폴리머 페이스트(Polymer paste)를 형성한다.
이때, 상기 그래핀이 균질화된 폴리머 페이스트를 셀룰로스 종이전극판(110) 상에 코팅한다.
이에 따라, 부도체인 셀룰로스 종이전극판(110)의 일측 표면에 그래핀이 함유된 페이스트 내의 수분 및 오일은 상기 셀룰로스 종이전극판 내에 흡수되고 셀룰로스 종이전극판의 표면에는 그래핀만 남게 된다.
이후, 건조 과정을 거치면 상기 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)의 일측 표면은 전도체로 사용하고, 상기 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)의 타측 표면은 부도체로 사용되며,
이때, 잔류된 폴리머 페이스트는 전극의 강도를 유지하는 강도유지제 역할을 할 수 있다.
다시 말하면, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)의 경우, 전도체 원료로서 대기중에서 산화되지 않고 안정적이며 전도성이 뛰어난 물질인 그래핀(130)을 사용하고,
또한, 결합제(120)는 셀룰로스 종이전극판(110) 표면에 견고하게 부착하기 위하여 친수성이면서 나노사이즈 크기의 도체 분말을 균등하게 분산시킬 수 있도록 친수성 폴리머 페이스트를 형성한다.
또한, 상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 일측 표면은 상기 그래핀(130)의 코팅에 의해 전도성을 갖도록 형성하여 직류전류 인가에 의한 정전기 발생표면을 만들고,
상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 타측 표면은 부도체의 특성을 갖게 하여 유전체에 의한 정전기 발생표면을 만들어서 먼지 흡착에 필요한 정전기 표면을 극대화할 수 있다.
즉, 종이원료인 천연펄프 또는 한지원료인 닥나무 펄프 등과 같은 셀룰로스를 평판 형태로 제조하여 경량화하고, 일측 표면은 전도체인 그래핀을 코팅하여 정전기에 의해 먼지를 제거하며, 부도체인 셀룰로스 종이전극판의 타측 표면은 기공이 그래핀보다 작기 때문에 유전체에 의한 정전기를 이용하여 미세먼지를 제거할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)에 따르면, 종이원료를 이용하여 셀룰로스 종이전극을 형성함으로써 경량화시킬 수 있고, 직류전류 인가에 의한 정전기 표면과 유전체에 의한 정전기 발생표면을 각각 형성함으로써 먼지 흡착(또는 부착)에 필요한 정전기 표면을 극대화할 수 있다.
[그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 제조방법]
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 제조방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 제조방법은,
먼저, 종이원료 또는 한지원료를 수중에서 분쇄하여 여과하여 여과시킨다(S110). 이때, 상기 종이원료는 천연펄프이고 한지원료는 닥나무 펄프일 수 있다.
다음으로, 소정 두께의 셀룰로스 종이전극을 평판 형태로 제작하여 건조시킨다(S120). 여기서, 상기 평판 형태의 셀룰로스 종이전극은 부도체이고, 예를 들면, 상기 소정 두께는 2㎜ 정도이다.
다음으로, 그래핀(130)이 함유된 결합제(120)를 수용액 내에 슬러리 타입으로 형성한다(S130).
여기서, 상기 결합제(120)는 수용성 폴리머인 하이드록실 에틸 셀룰로스(hydroxyl ethyl cellulose: HEC) 또는 카르복실 메틸 셀룰로스(carboxyl methyl cellulose: CMC)을 사용하여 슬러리 타입으로 형성할 수 있다.
또한, 상기 결합제(120)는 수용성 폴리머를 수용액 내에서 3% 함량으로 제조할 수 있다.
이때, 상기 결합제(120)에 함유되는 그래핀(130) 함량은 결합제 단위부피(ℓ)당 60g 정도인 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 그래핀(130)의 균질화를 위해 알칸계 경량오일 및 양이온 게면활성제를 상기 수용액 내에 주입한다(S140).
즉, 상기 결합제(120)에 함유되는 그래핀(130)의 균질화를 위하여 알칸계 경량오일(dodecane, tridecane, tetradecane, pentadecane)과 양이온 계면활성제를 각각 결합제 단위부피(ℓ)당 1㎖를 추가로 상기 수용액 내에 주입할 수 있다.
다음으로, 상기 수용액의 교반을 통해 상기 그래핀이 균질화된 수중유적형 폴리머 페이스트를 형성한다(S150).
다음으로, 상기 수중유적형 폴리머 페이스트를 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상에 코팅한다(S160).
다음으로, 상기 수중유적형 폴리머 페이스트가 코팅된 셀룰로스 종이전극판(110)을 건조시켜 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)의 제조를 완료한다(S170).
이에 따라, 상기 셀룰로스 종이전극의 상부는 고밀도의 그래핀과 결합제가 남고, 상기 셀룰로스 종이전극의 하부는 결합제만 남아, 상기 그래핀이 포함된 상부는 전도체로 이용하여 정전기를 유도하고, 부도체인 하부는 유전체로 이용하여 정전기를 유도할 수 있다
후속적으로, 상기 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 직류전류를 인가하여 미세먼지 통과에 따른 먼지를 흡착하게 된다.
[그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치(200)]
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치를 나타내는 사시도이고, 도 7b는 평면도이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치(200)는,
셀룰로스 종이전극 탑재 하우징(210), (+) 전극 인출배선(220), (-) 전극 인출배선(230) 및 전원공급부(240)를 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
셀룰로스 종이전극 탑재 하우징(210)은 상기 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100) 각각이 교대로 배열되도록 안착시킨다.
구체적으로, 상기 셀룰로스 종이전극(100)은,
종이원료 또는 한지원료를 수중에서 분쇄하여 여과시킨 후, 이를 건조하여 평판 형태로 가공하는 셀룰로스 종이전극판(110);
친수성 폴리머로 형성되고, 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상에 그래핀(130)이 코팅되도록 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상부에 도포되는 결합제(120); 및
전도체로서, 상기 결합제(120) 내에 함유되어, 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상부에 코팅되는 그래핀(130)을 포함하되,
상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 일측 표면은 상기 그래핀(130)이 코팅되어 전도체로 사용되고, 상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 타측 표면은 부도체로 사용될 수 있다.
이때, 상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 일측 표면은 상기 그래핀(130)의 코팅에 의해 전도성을 갖도록 형성하여 직류전류 인가에 의한 정전기 발생표면을 만들고,
상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 타측 표면은 부도체의 특성을 갖게 하여 유전체에 의한 정전기 발생표면을 만들어서 먼지 흡착에 필요한 정전기 표면을 극대화할 수 있다.
즉, 도 7a에 도시된 바와 같이, 셀룰로스 종이전극판(110)은 부도체인 유전체 역할을 하고, 그래핀(130)은 전도체 역할을 한다.
또한, 상기 친수성 폴리머인 결합제(120)에서 상기 그래핀(130)의 균일한 분산을 위하여 알칸계 경량오일 및 양이온 계면활성제가 주입되어 상기 그래핀(130)이 부착된 오일이 수용액 내에 균등하게 분산된 수중유적형(O/W) 폴리머 페이스트를 형성할 수 있다.
여기서, 상기 알칸계 경량오일은 도데칸, 트리데칸, 테트라데칸 또는 펜타데칸 중에서 선택되고, 상기 알칸계 경량오일은 및 양이온 계면활성제는 그래핀이 부착된 오일이 수용액 내에 균등하게 분산된 수중유적형(oil in water: O/W) 폴리머 페이스트를 형성하며, 각각 결합제 단위부피(ℓ)당 1㎖가 상기 수용액 내에 주입될 수 있다.
(+) 전극 인출배선(220)은 상기 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)에 (+) 전원을 인가하도록 상기 셀룰로스 종이전극 탑재 하우징(210)으로부터 인출된다.
(-) 전극 인출배선(230)은 상기 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)에 (-) 전원을 인가하도록 상기 셀룰로스 종이전극 탑재 하우징(210)으로부터 인출된다.
전원공급부(240)는 상기 (+) 전극 인출배선(220) 및 상기 (-) 전극 인출배선(230)을 통해 각각 상기 셀룰로스 종이전극 탑재 하우징(210)에 안착된 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)에 직류전원을 인가한다.
이에 따라, 미세먼지의 제거시 전원공급부(240)를 통해 직류전류를 공급하고, 이때, 양극(+)과 음극(-)을 교대로 배열하여 각각의 전극에서 전도체 및 유전체에 의해 발생된 정전기에 의해 미세먼지를 흡착하여 제거할 수 있다. 즉, 미세먼지 제거를 위해 (+) 전극 및 (-) 전극 사이를 오염공기가 통과하면 각 전극면에 미세먼지가 흡착되고 청정공기가 배출될 수 있다.
[실험결과]
전술한 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 제조 방법에 따라, 먼저, 셀룰로스는 건조된 한지원료를 분쇄하고 수중에서 분산시킨 후 여과시키고, 이후, 건조 과정을 거쳐서 두께 2㎜, 지름 약 3㎝의 평판 형태의 셀룰로스 종이전극판(110)을 제조하였다.
다음으로, 3%의 하이드록실에틸셀룰로스(HEC) 용액을 제조한 후, 상기 3% HEC 용액 50㎖에 그래핀 3g, 경량오일인 도데칸(dodacane) 1㎖, 양이온 계면활성제 0.5㎖(span 80)를 주입하여 슬러리 타입의 그래핀 함유 폴리머 페이스트를 제조하였다.
다음으로, 이러한 그래핀 함유 폴리머 페이스트를 결합제(120)로 하여 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상에 코팅하여 건조시킴으로써 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)을 제조하였다.
이후, 상기 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)에 2㎸의 직류전류를 인가하여 미세먼지를 약 1분간 통과시킨 후 상기 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)에 부착되는 먼지 흡착량을 측정하였다.
도 8은 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 대한 먼지 흡착실험을 수행하기 위한 실험장치를 예시하는 사진이다.
도 9a는 도 8에 도시된 먼지 흡착 실험장치에서 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 각각의 전압을 인가하는 것을 나타내는 사진이고, 도 9b는 전압 인가에 따른 각각의 먼지 흡착량을 확인하는 것을 나타내는 사진이다.
구체적으로, 도 9a는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 (+)1 내지 (+)4, (-)1 내지 (-)4 위치에 따라 2㎸의 직류전원을 인가하고, 그래핀이 코팅되지 않은 셀룰로스 종이인 (+)B 및 (-)B에 2㎸의 직류전원을 인가하며,
또한, 그래핀이 코팅되지 않은 다른 셀룰로스 종이(B1, B2)에는 전류전원을 인가하지 않았을 경우를 나타내며, 도 9b는 상기 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 (+)1 내지 (+)4, (-)1 내지 (-)4 위치에 따른 먼지 흡착량과 상기 그래핀이 코팅되지 않은 셀룰로스 종이인 (+)B 및 (-)B) 각각에 대하여 먼지 흡착량을 관찰한 것이다.
한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 있어서 위치별 먼지 흡착량을 예시하는 도면이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극에 있어서 (+) 전압 인가시와 (-) 전압 인가시의 평균 먼지 흡착량을 예시하는 도면으로서, 도 10은 전술한 도 9에 따른 결과를 산정한 것이 도 10은 이를 평균하여 나타낸 것이다.
도 10 및 도 11에 각각 도시된 바와 같이, 각각의 결과에서 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극은 양전극(+) 및 음전극(-)에 관계 없이 먼지 부착량이 비슷하고 그래핀이 코팅되지 않은 셀룰로스 종이보다는 약 2배의 부착량을 보여주었다.
반면에 직류전원이 인가되지 않은 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극은 직류전원이 인가되지 않은 그래핀이 코팅되지 않은 셀룰로스 종이에 비해 먼지 부착량에 큰 차이를 나타내지 않았다.
이에 따라, 셀룰로스 종이전극판에 전도체인 그래핀(130)을 코팅시킴으로써, 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)의 먼지 흡착량이 크다는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)을 이용하여 미세먼지 제거장치의 제작이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 종이원료인 셀룰로스를 평판 형태로 제조하여 미세먼지를 제거하기 위한 종이전극을 경량화시킬 수 있다.
또한, 셀룰로스 종이전극판의 일측 표면은 그래핀의 코팅에 의해 전도성을 갖도록 형성하여 직류전류 인가에 의한 정전기 발생표면을 만들고, 셀룰로스 종이전극판의 타측 표면은 부도체의 특성을 갖게 하여 유전체에 의한 정전기 발생표면을 만들어 먼지 흡착에 필요한 정전기 표면을 극대화할 수 있다.
또한, 전기집진장치의 먼지 집진기(dust collector)인 무거운 금속전극을 종이원료인 셀룰로스 성분의 종이전극으로 대체함으로써 전기집진장치를 경량화시킬 뿐만 아니라 셀룰로스 성분의 종이전극의 정전 면적을 크게 형성함으로써 먼지 부착량을 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극
110: 셀룰로스 종이전극판
120: 결합제
130: 그래핀
200: 미세먼지 제거장치
210: 셀룰로스 종이전극 탑재 하우징
220: (+) 전극 인출배선
230: (-) 전극 인출배선
240: 전원공급부
110: 셀룰로스 종이전극판
120: 결합제
130: 그래핀
200: 미세먼지 제거장치
210: 셀룰로스 종이전극 탑재 하우징
220: (+) 전극 인출배선
230: (-) 전극 인출배선
240: 전원공급부
Claims (20)
- 종이원료 또는 한지원료를 수중에서 분쇄하여 여과시킨 후, 이를 건조하여 평판 형태로 가공하는 셀룰로스 종이전극판(110);친수성 폴리머로 형성되고, 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상에 그래핀(130)이 코팅되도록 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상부에 도포되는 결합제(120); 및 전도체로서, 상기 결합제(120) 내에 함유되어, 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상부에 코팅되는 그래핀(130)을 포함하되,
상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 일측 표면은 상기 그래핀(130)이 코팅되어 전도체로 사용되고, 상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 타측 표면은 부도체로 사용되는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극. - 제1항에 있어서,
상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 일측 표면은 상기 그래핀(130)의 코팅에 의해 전도성을 갖도록 형성하여 직류전류 인가에 의한 정전기 발생표면을 만들고, 상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 타측 표면은 부도체의 특성을 갖게 하여 유전체에 의한 정전기 발생표면을 만들어서 먼지 흡착에 필요한 정전기 표면을 극대화하는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극. - 제1항에 있어서,
상기 종이원료는 천연펄프이고 한지원료는 닥나무 펄프인 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극. - 제1항에 있어서,
상기 친수성 폴리머인 결합제(120)에서 상기 그래핀(130)의 균일한 분산을 위하여 알칸계 경량오일 및 양이온 계면활성제가 주입되어 상기 그래핀(130)이 부착된 오일이 수용액 내에 균등하게 분산된 수중유적형(oil in water: O/W) 폴리머 페이스트를 형성하는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극. - 제4항에 있어서,
부도체인 셀룰로스 종이전극판(110)의 일측 표면에 그래핀이 함유된 페이스트 내의 수분 및 오일은 상기 셀룰로스 종이전극판 내에 흡수되고 셀룰로스 종이전극판의 표면에는 그래핀만 남는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극. - 제4항에 있어서,
상기 결합제(120)는 수용성 폴리머인 하이드록실 에틸 셀룰로스(hydroxyl ethyl cellulose: HEC) 또는 카르복실 메틸 셀룰로스(carboxyl methyl cellulose: CMC)을 사용하여 슬러리 타입으로 형성되는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극. - 제4항에 있어서,
상기 결합제(120)에 함유되는 그래핀(130) 함량은 결합제 단위부피(ℓ)당 60g 정도인 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극. - 제4항에 있어서,
상기 알칸계 경량오일은 도데칸(dodecane), 트리데칸(tridecane), 테트라데칸(tetradecane) 또는 펜타데칸(pentadecane) 중에서 선택되고, 상기 알칸계 경량오일은 및 양이온 계면활성제는 그래핀이 부착된 오일이 수용액 내에 균등하게 분산된 수중유적형(oil in water: O/W) 폴리머 페이스트를 형성하며, 각각 결합제 단위부피(ℓ)당 1㎖가 상기 수용액 내에 주입되는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극. - a) 종이원료 또는 한지원료를 수중에서 분쇄하여 여과시키는 단계;
b) 소정 두께를 갖는 셀룰로스 종이전극판(110)을 평판 형태로 제작하여 건조시키는 단계;
c) 그래핀(130)이 함유된 결합제(120)를 수용액 내에 슬러리 타입으로 형성하는 단계;
d) 상기 그래핀(130)의 균질화를 위해 알칸계 경량오일 및 양이온 게면활성제를 상기 수용액 내에 주입하는 단계;
e) 상기 수용액의 교반을 통해 상기 그래핀이 균질화된 수중유적형 폴리머 페이스트를 형성하는 단계;
f) 상기 수중유적형 폴리머 페이스트를 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상에 코팅하는 단계; 및
g) 상기 수중유적형 폴리머 페이스트가 코팅된 셀룰로스 종이전극판(110)을 건조시켜 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극판(110)의 제조를 완료하는 단계를 포함하되,
상기 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극판(110)에 직류전류를 인가하여 미세먼지 통과에 따른 먼지를 흡착하는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 a) 단계의 종이원료는 천연펄프이고 한지원료는 닥나무 펄프인 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 b) 단계에서 상기 평판 형태의 셀룰로스 종이전극은 부도체이고, 소정 두께는 2㎜ 정도인 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 c) 단계의 결합제(120)는 수용성 폴리머인 하이드록실 에틸 셀룰로스(HEC) 또는 카르복실 메틸 셀룰로스(CMC)을 사용하여 슬러리 타입으로 형성되고, 상기 수용성 폴리머를 수용액 내에서 3% 함량으로 제조되는 는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 결합제(120)에 함유되는 그래핀(130) 함량은 결합제 단위부피(ℓ)당 60g 정도인 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 d) 단계의 알칸계 경량오일은 도데칸, 트리데칸, 테트라데칸 또는 펜타데칸 중에서 선택되고, 상기 알칸계 경량오일은 및 양이온 계면활성제는 그래핀이 부착된 오일이 수용액 내에 균등하게 분산된 수중유적형(O/W) 폴리머 페이스트를 형성하며, 각각 결합제 단위부피(ℓ)당 1㎖가 상기 수용액 내에 주입되는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 g) 단계에서 상기 셀룰로스 종이전극판의 상부는 고밀도의 그래핀(130)과 결합제(120)가 남고, 상기 셀룰로스 종이전극판의 하부는 결합제(120)만 남아, 상기 그래핀(130)이 포함된 상부는 전도체로 이용하여 정전기를 유도하고, 부도체인 하부는 유전체로 이용하여 정전기를 유도하는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극의 제조방법. - 셀룰로스 종이전극판(110) 상에 그래핀(130)이 코팅되도록 상기 그래핀(130)이 함유된 결합제(120)를 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상에 도포하여 형성되고, 양극(+)과 음극(-)이 교대로 배열되는 셀룰로스 종이전극(100);
그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)이 교대로 배열되도록 안착시키는 셀룰로스 종이전극 탑재 하우징(210);
상기 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)에 (+) 전원을 인가하도록 상기 셀룰로스 종이전극 탑재 하우징(210)으로부터 인출되는 (+) 전극 인출배선(220);
상기 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)에 (-) 전원을 인가하도록 상기 셀룰로스 종이전극 탑재 하우징(210)으로부터 인출되는 (-) 전극 인출배선(230); 및
상기 (+) 전극 인출배선(220) 및 상기 (-) 전극 인출배선(230)을 통해 각각 상기 셀룰로스 종이전극 탑재 하우징(210)에 안착된 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극(100)에 직류전원을 인가하는 전원공급부(240)를 포함하되,
미세먼지의 제거시, 상기 전원공급부(240)를 통해 직류전류를 공급하고, 교대로 배열된 셀룰로스 종이전극(100) 각각의의 양극(+)과 음극(-) 전극에서 전도체 및 유전체에 의해 발생된 정전기에 의해 미세먼지를 흡착하여 제거하고 청정공기를 배출하는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치. - 제16항에 있어서,
상기 셀룰로스 종이전극(100)은, 종이원료 또는 한지원료를 수중에서 분쇄하여 여과시킨 후, 이를 건조하여 평판 형태로 가공하는 셀룰로스 종이전극판(110); 친수성 폴리머로 형성되고, 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상에 그래핀(130)이 코팅되도록 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상부에 도포되는 결합제(120); 및 전도체로서, 상기 결합제(120) 내에 함유되어, 상기 셀룰로스 종이전극판(110) 상부에 코팅되는 그래핀(130)을 포함하되, 상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 일측 표면은 상기 그래핀(130)이 코팅되어 전도체로 사용되고, 상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 타측 표면은 부도체로 사용되는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치. - 제17항에 있어서,
상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 일측 표면은 상기 그래핀(130)의 코팅에 의해 전도성을 갖도록 형성하여 직류전류 인가에 의한 정전기 발생표면을 만들고, 상기 셀룰로스 종이전극판(110)의 타측 표면은 부도체의 특성을 갖게 하여 유전체에 의한 정전기 발생표면을 만들어서 먼지 흡착에 필요한 정전기 표면을 극대화하는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치. - 제17항에 있어서,
상기 친수성 폴리머인 결합제(120)에서 상기 그래핀(130)의 균일한 분산을 위하여 알칸계 경량오일 및 양이온 계면활성제가 주입되어 상기 그래핀(130)이 부착된 오일이 수용액 내에 균등하게 분산된 수중유적형(O/W) 폴리머 페이스트를 형성하는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치. - 제19항에 있어서,
상기 알칸계 경량오일은 도데칸, 트리데칸, 테트라데칸 또는 펜타데칸 중에서 선택되고, 상기 알칸계 경량오일은 및 양이온 계면활성제는 그래핀이 부착된 오일이 수용액 내에 균등하게 분산된 수중유적형(O/W) 폴리머 페이스트를 형성하며, 각각 결합제 단위부피(ℓ)당 1㎖가 상기 수용액 내에 주입되는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 셀룰로스 종이전극을 이용한 미세먼지 제거장치.
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