KR102535580B1 - 공기 청정용 광촉매 필터의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

공기 청정용 광촉매 필터의 제조 방법이 개시된다. 본 제조 방법은, 티타늄 금속을 산화시켜 나노 구조의 이산화티타늄(TiO2)를 획득하는 단계, 나노 구조의 이산화티타늄을 산성의 불소 함유 용액에 넣어 기 설정된 시간동안 반응시키는 단계 및 산성의 불소 함유 용액에서의 처리 이후, 나노 구조의 이산화티타늄에 열처리를 수행하는 단계를 포함한다.

Description

공기 청정용 광촉매 필터의 제조 방법 { METHOD OF MANUFACTURING PHOTOCATALYTIC FILTER FOR AIR CLEANING }
본 개시는 공기 청정용 광촉매 필터의 제조 방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 광촉매 활성을 향상시키기 위해 광촉매로 사용되는 이산화티타늄 표면 결정 구조를 변화시키는 공기 청정용 광촉매 필터의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 대기 오염, 미세먼지, 황사 등 때문에 실내 공기를 정화하기 위한 공기 정화 장치에 대한 수요가 증가하면서, 다양한 방식의 공기 정화 장치가 생산되었다. 예를 들어, 부직포 형태의 필터를 사용하거나 전기집진 방식의 정전 필터 등을 사용하는 공기 정화 장치가 있었다. 하지만, 이러한 필터로는 먼지를 거르는 것은 가능하지만 악취를 제거하거나 세균을 살균하는 것은 곤란하였다. 따라서 탈취를 위하여 활성탄으로 만들어진 별도의 탈취 필터가 사용되기도 하였으나, 활성탄을 이용한 탈취 필터는 내구성이 좋지 않고, 공기 중에 포함된 유해한 미생물을 살균할 수 없다는 문제가 있었다.
이러한 문제들을 해결하기 위해 탈취, 살균 등의 공기 정화 기능을 수행할 수 있는 광촉매 물질을 이용하는 기술이 연구되고 있었고, 대표적인 광촉매 물질로서 이산화티타늄(TiO2)을 들 수 있다. 이산화티타늄은 자외선을 받으면 라디칼을 생성하는데, 이러한 라디칼이 가지는 강한 산화력에 의해 미생물을 살균할 수 있고, 악취를 유발하는 냄새 물질을 분해시킬 수도 있다.
이와 같은 광촉매 물질을 이용하기 위해선 공기 정화기에 LED와 같은 별도의 광원이 구비될 필요가 있다. 광원이 많을수록 광촉매 반응이 증가하여 공기 정화 효과가 증가될 수 있으나, 그만큼 에너지 소비량도 증가한다는 단점이 있었다.
따라서, 에너지 소비를 절감할 수 있으면서도 공기 정화 효과를 향상시킬 수 있는 광촉매가 적용된 공기 정화 장치에 대한 요구가 있었다.
본 개시는 상술한 필요성에 따른 것으로, 본 개시의 목적은 광촉매 활성을 향상시키기 위해 광촉매로 사용되는 이산화티타늄 표면 결정 구조를 변화시키는 공기 청정용 광촉매 필터의 제조 방법을 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따른 공기 청정용 광촉매 필터의 제조 방법은, 티타늄 금속을 산화시켜 나노 구조의 이산화티타늄(TiO2)를 획득하는 단계, 상기 나노 구조의 이산화티타늄을 산성의 불소 함유 용액에 넣어 기 설정된 시간동안 반응시키는 단계 및 상기 산성의 불소 함유 용액에서의 처리 이후, 상기 나노 구조의 이산화티타늄에 열처리를 수행하는 단계를 포함한다.
이 경우, 상기 산성의 불소 함유 용액은 pH 3 내지 4일 수 있다.
한편, 상기 산성의 불소 함유 용액은 pH 3.5일 수 있다.
한편, 상기 산성의 불소 함유 용액은, NaF 수용액, HF 수용액, LiF 수용액 또는 KF 수용액일 수 있다.
한편, 상기 산성의 불소 함유 용액은, NaF 수용액일 수 있다.
한편, 상기 기 설정된 시간은, 30분 내지 1시간일 수 있다.
한편, 본 실시 예에 따른 제조 방법은 상기 열처리 후 획득된 나노 구조의 이산화티타늄을 소재로 하여 광촉매 필터를 제작하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 티타늄 금속은 메쉬 형태이고, 상기 열처리 후 획득된, 나노 구조의 이산화티타늄이 형성된 메쉬를 광촉매 필터로 이용할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 공기정화장치를 도시한 도면,
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 공기정화장치의 내부 구성을 도시한 도면,
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 공기 청정용 광촉매 필터를 제조하기 위한 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따라 불소를 함유한 용액(NaF)에 반응시키는 과정을 수행한 나노 구조와, 불소를 함유한 용액에 반응시키는 과정을 수행하지 않은 나노 구조를 비교 설명하기 위한 도면 그리고,
도 5 내지 도 6은 본 개시의 실시 예에 따른 필터의 광촉매 활성과 비교 예에 따른 필터의 광촉매 활성을 비교 설명하기 위한 도면이다.
본 개시를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 후술 되는 용어들은 본 개시에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관계 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 개시에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 권리범위를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
아래에서는 본 개시의 실시 예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 개시는 공기정화장치에 사용되는 필터에 관한 것이다. 공기정화장치는 건물 내부의 공기를 정화하기 위한 장치로, 주로 일반가정, 사무실 등에 설치하여 공기 중에 부유하는 분진 포집 또는 이와 병행하여 가스제거를 위하여 사용되는 송풍기를 내장한 장치이다. 공기정화장치는 공기를 청정화 시키는 기능을 구비한 모든 디바이스를 의미할 수 있다. 예컨대, 공기정화장치는 공기청정만을 목적으로 한 장치 또는, 공기 청정 기능을 탑재한 에어컨, 공기 청정 기능을 탑재한 가습기 등과 같이 복합 기능을 수행할 수 있는 장치로 구현될 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 공기정화장치를 도시한 도면이다. 도 1을 참고하면, 공기정화장치(1000)는 외관을 형성하는 본체(110), 실내 공간으로부터 공기를 흡입하기 위한 흡입구(111), 유입되어 정화된 공기가 토출되는 토출구(113a, 113b), 입력부(120), 공기정화장치(1000)의 동작 상태를 표시하기 위한 표시부(160)를 포함할 수 있다.
입력부(120)는 공기정화장치(1000)의 전원을 턴온 또는 턴오프시키기 위한 전원 버튼, 공기정화장치(1000)의 구동 시간을 설정하기 위한 타이머 버튼, 입력부의 오 조작을 방지하기 위해 입력부의 조작을 제한하기 위한 잠금버튼 등과 같은 공기정화장치(1000)와 관련된 각종 제어정보를 입력하기 위한 버튼을 포함할 수 있다. 이때, 각 입력 버튼은 사용자의 가압을 통해 입력신호를 발생시키는 방식의 푸시 스위치(push switch)와 멤브레인 스위치(membrane) 또는 사용자의 신체 일부의 터치를 통해 입력 신호를 발생시키는 터치 스위치(touch switch)일 수 있다.
만약, 입력부(120)가 터치 스위치 방식을 채용하는 경우, 입력부(120)는 표시부(160)와 일체형으로 구현되는 것도 가능하다.
표시부(160)는 공기정화장치(1000)의 상태에 대한 정보를 표시할 수 있다. 예컨대, 공기정화장치(1000) 내 필터의 오염도에 대한 정보, 필터의 교체 시기에 대한 정보, 현재 진행 중인 활동에 대한 정보(예컨대, 공기질 센싱 단계 또는 필터링 단계인지에 대한 정보, 공기 이동방향에 대한 정보)를 표시할 수 있다. 한편, 또 다른 실시 예에 따르면 이와 같은 정보는 공기정화장치(1000)와 통신하는 스마트 폰과 같은 외부 장치에서 제공될 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 공기정화장치(1000)의 개략적인 분해 사시도이다.
도 2를 참고하면, 공기정화장치(1000)는 본체(110) 내부에 프리 필터(210), 헤파(HEPA) 필터(220), 광원부(230), 광촉매 필터(240)를 포함할 수 있다. 도시하진 않았지만 프리 필터(210)와 헤파 필터(220) 사이에 활성탄을 포함하는 탈취 필터를 더 포함할 수 있다. 필터들의 배치 순서는 도 2에 도시된 바에 따를 수 있고, 다른 순서로 배치되는 것도 가능하다. 또한, 필터의 개수도 도 2에 도시된 것에 제한되는 것은 아니다. 실시 형태에 따라 구성들 중 일부는 생략될 수 있고, 도시되지 않았더라도 당업자에게 자명한 수준의 적절한 구성들이 공기정화장치(1000)에 추가로 포함될 수 있다.
도시되지 않았지만 공기정화장치(1000)는 실내 공간에 퍼져있는 공기가 흡입구(111)를 통해 본체(110) 내부로 유입되도록 하기 위한 적어도 하나의 팬을 포함할 수 있다. 흡입구(111)로 유입되는 공기는 필터들을 경유하게 되어, 공기 중 불순물이 필터링되는 것이다.
프리 필터(210)에서는 비교적 큰 먼지 입자가 일차적으로 걸러진다. 헤파 필터(220)는 앞서서 걸러지지 않은 미세 먼지 등을 거르기 위한 구성으로 예컨대 유리 섬유로 구성될 수 있다.
광원부(230)는 광촉매 필터(240)를 구성하는 광촉매에서 광촉매 반응을 일으키기에 적합한 광원을 발광할 수 있다. 예컨대, 광원부(230)는 형광등, 백열등과 같은 소자 또는 LED로 구현될 수 있으며, 백색광, 적색광, 녹색광, 청색광, 자외선, 가시광선, 적외선, NIR (0.75~1.4μm), SWIR (1.4~3μm), MWIR (3~8μm), LWIR (8~15μm), FIR (15~1000μm) 등의 파장 범위를 갖는 빛을 발광할 수 있다.
도 2에선 광원부(230)가 광촉매 필터(240) 일면에 배치된 것으로 도시하였으나, 반드시 이러한 배치 형태에 한정되는 것은 아니고, 광촉매 필터(240)의 양면 각각에 구비될 수도 있다. 또한, 광원부(230)는 광촉매 필터(240)와 반드시 마주보도록 배치되어야 하는 것은 아니고 광촉매 필터(240)에 빛을 조사하기에 적합한 위치 어디라도 배치될 수 있다.
광촉매 필터(240)는 광에너지에 의한 화학적 반응을 유도하여 공기 중에 존재하는 각종 병원균과 박테리아를 살균할 수 있으며, 공기 중의 질소산화물(NOX), 유황산화물(SOX), 포름알데히드 등과 같은 유해물질을 제거할 수 있으며, 아세트알데히드, 암모니아, 황화수소 등의 악취물을 분해할 수 있으며, 담배연기, 기름찌꺼기 등 유기물질을 분해할 수 있다. 또한, 가스를 제거할 뿐만 아니라, 발생된 광전자로 먼지 등을 대전시켜 제거할 수도 있다.
이러한 반응의 초기 유발을 도와주는 물질을 광촉매라고 하고, 광촉매 필터(240)는 이산화티타늄(TiO2), 이산화규소(SiO2), 산화바나듐(V2O3), 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO2), 황화카드늄(CdS), 산화텅스텐(WO3) 등을 광촉매로 사용할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 광촉매 필터는 이산화티타늄(TiO2)을 광촉매 소재로 사용할 수 있다.
이산화티타늄(TiO2)은 빛을 받으면 전자(e-)와 정공(h+)이 생성되고, 전자(e-)는 표면 흡착 산소와 반응하여 O2-(슈퍼옥사이드 음이온)을 생성하고, 정공(h+)은 강력한 산화 작용을 하는 수산화물(OH Radical)을 생성한다. 이러한 산화 반응에 의해 방오, 항균, 살균, 방취, 유해물질 제거, 대기오염물질 감소, 초친수성 효과가 발생한다.
이산화티타늄(TiO2)은 세가지 결정 구조, 즉 {001}, {101}, {100} 면(facet)으로 구성될 수 있다. 그 중에서도 표면에너지가 가장 높은 {001} 면에서 산화반응(oxidation)이 가장 활발히 발생하기 때문에 {001} 면이 풍부한 광촉매 소재의 OH 라디칼 발생량이 높으며 이에 따라 공기 정화 성능도 높아질 수 있다. 하지만, 자연적으로 형성되는 이산화티타늄(TiO2)은 [001] 방향보다 [101] 방향을 따라 느린 성장 속도를 갖기 때문에 열역학적으로 안정한 {101} 면으로 대부분 구성된다. {101} 면과 {001} 면의 유해가스 분해 활성은 8배까지도 차이가 난다.
한편, 나노 구조로 광촉매를 제작하면 표면적을 증가되어 광촉매 활성이 향상될 수 있다.
따라서 본 개시는 나노 구조이면서 {001} 면을 풍부하게 함유하는 이산화티타늄(TiO2) 광촉매를 이용하여 공기 정화용 필터를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 광촉매 필터의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3을 참고하면, 먼저 티타늄 금속을 산화시켜 나노 구조의 이산화티타늄(TiO2)을 획득한다(S310).
이때, 사용된 티타늄 금속의 형상은 박막(foil), 메쉬(mesh), 섬유(fiber), 필름(film), 시트(sheet) 등일 수 있다.
티타늄 금속의 산화에 의해 형성된 나노 구조는 나노 튜브, 나노 결정, 나노 섬유, 나노 시트, 나노 플라워 등의 형태일 수 있다.
그리고 상기 획득된 나노 구조의 이산화티타늄(TiO2)을 산성의 불소 함유 용액에 넣어 기 설정된 시간 동안 반응시킨다(S320). 이 과정에서 나노 구조의 이산화티타늄(TiO2)의 표면이 {001} 면으로 변환되게 된다.
이 경우, 산성의 불소 함유 용액은 NaF, HF, LiF, KF 등의 수용액일 수 있다. 바람직하게는 산성의 불소 함유 용액으로 NaF 수용액을 사용할 수 있다.
그리고 산성의 불소 함유 용액의 pH는 3 내지 4일 수 있고, 상기 기 설정된 시간은 30분 내지 1시간일 수 있다. pH는 3 내지 4의 산성 환경을 조성함으로써 비교적 짧은 시간으로도 충분한 반응을 이끌어낼 수 있다.
그리고 산성의 불소 함유 용액에서의 처리 이후, 나노 구조의 이산화티타늄(TiO2)에 열처리(annealing)를 수행한다(S330). 이때의 열처리 온도는 350℃ 내지 400℃일 수 있다.
본 실시 예에 따른 광촉매 필터 제조 방법은 상기 열처리 후 획득된 나노 구조의 이산화티타늄을 소재로 하여 광촉매 필터를 제작하는 추가 단계를 더 포함할 수 있다. 또 다른 실시 예에 따르면, 처음부터 광촉매 필터 형태로 제작된 티타늄 금속을 사용하는 경우 상기의 추가 단계는 생략될 수 있다. 이 경우, 광촉매 필터 형태의 티타늄 금속은 예컨대 메쉬 형태일 수 있다.
상술한 제조 방식과 같이 나노 구조를 산성의 불소 함유 용액에 침지한 후 고온 열처리를 하게 되면 {001} 면이 풍부한 나노 구조의 이산화티타늄이 얻어질 수 있다. 따라서, 광촉매 필터의 광촉매 활성이 향상될 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따라 불소를 함유한 용액(NaF)에 반응시키는 과정을 수행한 나노 구조와, 불소를 함유한 용액에 반응시키는 과정을 수행하지 않은 나노 구조를 비교 설명하기 위한 도면으로서, 도 4를 참고하면, 티타늄 금속을 산화시켜서 비정형(amorphous)의 이산화티타늄 나노튜브(TiO2 Nanotube; TNT)를 얻을 수 있고, 이를 열처리하게 되면 주로 {101} 면을 갖는 다결정 이산화티타늄 나노튜브(polycrystalline TNT)가 형성된다. 반면, 비정형 이산화티타늄 나노튜브를 불소를 함유한 용액에 반응시키는 과정을 수행하면 표면에 불소를 함유하는 비정형 이산화티타늄 나노튜브(F-TNT)를 획득할 수 있고, 이후에 열처리하게 되면 {001} 면을 풍부하게 함유하는 이산화티타늄 나노튜브({001} facet TNT)를 형성할 수 있다. 불소를 함유한 용액에 반응시키는 과정을 수행하지 않은 경우는 나노튜브의 색 변화가 없으나 불소를 함유한 용액에 반응시키는 과정을 수행한 경우는 나노튜브가 검정색에서 진갈색으로 색이 변화하기 때문에 제조 공정 중 나노 튜브의 형성 여부 및 불량 제조 여부를 색 변화로 판단할 수 있다.
이하에선 본 개시의 이해를 돕기 위해, 본 개시에 따른 실시 예에 따른 광촉매 필터의 제조 방법을 설명하도록 한다. 하기의 실시 예는 본 개시의 일 실시 예일 뿐 본 개시가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
광촉매 필터 제조 실시 예
본 개시의 일 실시 예에 따른 광촉매 필터 제조 방법은 다음과 같은 양극 산화, NaF 처리 및 열처리 과정이 수행된다.
1. 양극 산화(Anodization)
1) 티타늄 포일(foil) 혹은 메쉬(mesh)를 원하는 크기로 자른다.
2) 아세톤, 에탄올, 증류수에 각각 10분간 초음파 처리한다(전처리 과정).
3) 티타늄 포일 또는 메쉬를 양극에, 백금(Pt)을 음극으로 50V, 1시간 동안 양극산화를 진행한다. 이 때, 0.2 wt% NH4F, 1 vol% H2O의 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 전해질을 양극산화 용액으로 사용한다.
4) 산화 결과, 비정형 이산화티타늄 나노튜브(amorphous TiO2 nanotube)가 형성된다.
2. NaF 처리
1) NaF 수용액(NaF: 30 mM, pH 3.5)을 준비한다.
2) 양극산화로 제조된 비정형 이산화티타늄 나노튜브를 NaF 수용액에 넣어 30분간 반응 시킨다.
3) 비정형 이산화티타늄 나노튜브가 F- 이온과의 반응을 통해 검정색으로 변화된다(표면 결정 구조 변환).
3. 열처리(Annealing)
1) 400℃에서 3시간 동안 열처리한다.
2) 열처리 결과, 진갈색의 {001}면 노출된 이산화티타늄 나노튜브가 형성된다.
광촉매 필터 제조 비교 예
비교 예에 따른 제조 방법은 상술한 실시 예에 따른 제조 방법과 비교하여 NaF 처리를 수행하지 않은 것이다. 구체적으로 다음과 같이 양극 산화와 열처리 단계로 구성된다.
1. 양극 산화(Anodization)
1) 티타늄 포일(foil) 혹은 메쉬(mesh)를 원하는 크기로 자른다.
2) 아세톤, 에탄올, 증류수에 각각 10분간 초음파 처리한다(전처리 과정).
3) 티타늄 포일 또는 메쉬를 양극에, 백금(Pt)을 음극으로 50V, 1시간 동안 양극산화를 진행한다. 이 때, 0.2 wt% NH4F, 1 vol% H2O의 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 전해질을 양극산화 용액으로 사용한다.
4) 산화 결과, 비정형 이산화티타늄 나노튜브(amorphous TiO2 nanotube)가 형성된다.
2. 열처리(Annealing)
상기 형성된 비정형 이산화티타늄 나노튜브를 400℃에서 3시간 동안 열처리한다.
도 5 내지 도 6은 상술한 본 개시의 실시 예에 따라 제조된 광촉매 필터와 상술한 비교 예에 따라 제조된 광촉매 필터의 유해물질 분해 성능을 비교한 도면이다.
도 5는 비교 예에 따라 제조된 광촉매 필터(bare TNT)와 본 개시의 실시 예에 따라 불소 함유 용액과 반응시키는 과정을 수행하여 {001} 면을 풍부하게 함유한 이산화티타늄 나노튜브({001} facet TNT)의 자외선 반응에 의한 톨루엔 가스 분해 성능을 나타낸 것이다.
비교 예에 따라 제조된 광촉매 필터(bare TNT)에 비하여 본 개시의 실시 예에 따라 불소 함유 용액과 반응시키는 과정을 수행한 이산화티타늄 나노튜브({001} facet TNT)의 경우 자외선(365nm)과 반응하였을 때 톨루엔 가스 분해 성능이 더 뛰어남을 알 수 있다.
도 6은 비교 예에 따라 제조된 광촉매 필터(bare TNT)와 본 개시의 실시 예에 따라 불소 함유 용액과 반응시키는 과정을 수행하여 {001}면을 풍부하게 함유한 이산화티타늄 나노튜브({001} facet TNT)의 가시광선 반응에 의한 아세트알데히드 가스 분해 성능을 나타낸 것이다.
비교 예에 따라 제조된 광촉매 필터(bare TNT)의 경우 가시광선 (파장 >420nm)과 반응하였을 때 아세트알데히드 가스가 거의 분해되지 않았으나, 본 개시의 실시 예에 따라 불소 함유 용액과 반응시키는 과정을 수행한 이산화티타늄 나노튜브({001} facet TNT)의 경우 가시광선과 반응하였을 때 아세트알데히드 가스를 분해할 수 있는 것으로 나타났다. 즉, 본 개시의 실시 예에 따라 제작된 광촉매 필터는 자외선뿐만 아니라 가시광선과도 반응할 수 있으므로 일반 형광등을 사용하는 것도 가능하다.
종래의 수열방법(hydrothermal methode)을 통해 {001} 결정 구조의 이산화티타늄을 형성하는 방법에서는 강한 압력, 고온, 오랜 반응 시간(12시간 이상)이 필요하였다. 이러한 방법은 이산화티타늄 파우더를 제조하는 경우에는 적용 가능하더라도, 고온, 고압으로 인해 나노구조가 파괴될 수 있으므로 나노구조의 이산화티타늄에는 적용할 수 없다. 반면에 본 개시의 실시 예에 따른 제조방법에 의하면, 고온, 고압을 오랜 시간 동안 적용하지 않더라도 {001} 결정 구조 형성이 가능하므로 나노구조의 이산화티타늄에 적용할 수 있다.
또한, 기존의 이산화티타늄 파우더를 기판에 코팅한 표면을 갖는 필터보다 본 개시의 실시 예에 따른 나노 구조의 이산화티타늄을 표면에 갖는 필터의 광활성이 더 높게 나타날 수 있다.
한편, 양극산화를 통하여 형성시킨 이산화티타늄 나노 구조는 {101} 면이 대부분이므로 충분한 유해가스 분해 성능을 확보하는데 어려움이 있다. 반면 본 개시의 실시 예에 따른 광촉매 필터는 양극 산화시킨 이산화티타늄 나노 구조에 불소 처리를 하여 광활성이 높은 {001} 면을 풍부하게 함유하고 있으므로, 충분한 유해 가스 제거 성능을 나타낼 수 있다.
또한, 본 개시의 광촉매 필터는 자외선뿐만 아니라 가시광선에서도 충분한 광촉매 활성을 나타낼 수 있다는 장점이 있다. 즉, 적은 광 에너지로도 광촉매 반응을 할 수 있으므로 시스템 구성 비용과 에너지 소비량을 감소시킬 수 있다.
한편, 이상에서는 광촉매 필터가 공기정화장치에서 사용되는 것으로 설명하였으나, 본 개시의 실시 예들에 따라 제작된 광촉매 필터는 광촉매 물질을 이용해 항균, 대기정화, 탈취, 방오, 정수 기능을 할 수 있으므로, 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 예컨대, 광촉매 필터는 냉장고, 김치 냉장고, 벽장, 신발장, 세탁기, 정화조, 살균기, 가습기, 청소기, 에어컨 등에 배치되어 악취 제거, 물 정화, 세균을 제거, 실내 공기를 정화 등의 기능을 수행할 수 있다. 또한, 광촉매 필터는 소형 제품에서도 이용될 수 있는데, 예컨대, 스마트 폰, 태블릿 PC, 스마트 워치 패치, 또는 기타 제품(예컨대, 장갑, 밴드, 목걸이, 팔찌, 반지, 헤드밴드, 이어폰, 귀걸이, 의류 등)에도 배치될 수 있다. 또한, 창문틀, 벽지, 시공, 공조시스템, 화장실타일 등에 이용되는 것도 가능하다.
이상에서는 본 개시의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 개시는 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 개시에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 개시의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

Claims (8)

  1. 공기 청정용 광촉매 필터의 제조 방법에 있어서,
    티타늄 금속을 산화시켜 나노 구조의 이산화티타늄(TiO2)를 획득하는 단계;
    상기 나노 구조의 이산화티타늄을 pH가 3 내지 4인 산성의 불소 함유 용액에 넣어 30분 내지 1시간 동안 반응시키는 단계; 및
    상기 산성의 불소 함유 용액에서의 처리 이후, 상기 나노 구조의 이산화티타늄에 350℃내지 400℃온도의 열처리를 수행하는 단계;를 포함하고,
    상기 반응시키는 단계 및 상기 열처리를 수행하는 단계가 수행되면, 상기 이산화티타늄의 색상은 검정색에서 진갈색으로 변화되며, 상기 이산화티타늄은 {101}면 및 {100}면보다 {001}면을 더 많이 포함하게 되는 것을 특징으로 하는 공기 청정용 광촉매 필터의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산성의 불소 함유 용액은,
    pH 3.5인 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산성의 불소 함유 용액은,
    NaF 수용액, HF 수용액, LiF 수용액 또는 KF 수용액인 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산성의 불소 함유 용액은,
    NaF 수용액인 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열처리 후 획득된 나노 구조의 이산화티타늄을 소재로 하여 광촉매 필터를 제작하는 단계;를 더 포함하는 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 티타늄 금속은 메쉬 형태이고,
    상기 열처리 후 획득된, 나노 구조의 이산화티타늄이 형성된 메쉬를 광촉매 필터로 이용하는 제조 방법.
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