KR102663639B1 - 가시광 반응형 광촉매를 활용한 공기정화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위에 기술된 기존의 공기정화용 필터방식의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로 가시광 반응형 광촉매 소재(WO3, Ag-WO3, Ag-CuO-WO3, AgO-ZnO 등)를 이용하여 청색 또는 백색 LED 환경에서 작동하는 특징이 있다. 기존의 건식 방식과는 달리 공기를 정화장치내로 유입시켜 무기 및 유기계 오염 물질들을 물에 흡착시키는 방식을 사용하며, 흡착된 수조 내부에 청색 또는 백색 LED를 설치하고, 동시에 비표면적이 큰 광촉매 비드(Bead)를 스텐레스 망구조물에 배치, 정렬함으로써 광원과 광촉매, 물의 접촉을 크게 개선하였다. 이로써 혼입된 유기물을 효과적으로 분해할 수 있는 기술적 차별성을 갖는다. 또한, 반응 수조 내 물은 가시광 반응형 광촉매를 활용한 광화학 반응으로 살균된 상태로 유지하며 가습용 물 공급원으로도 사용할 수 있다.

Description

가시광 반응형 광촉매를 활용한 공기정화장치 {Air purifier system using visible-light sensitive photocatalytic materials}
본 발명은 가시광 광촉매를 활용한 공기정화장치에 관한 것으로, 특히 습식 기반의 공기정화용 장치와 가시광 광촉매를 주요 구성요소로 포함하는 특징이 있다.
상용 기계식 공기청정기는 음이온 방출형, 필터링형, 음이온과 필터링 겸용으로 분류할 수 있다. 보통 팬(fan)을 이용해 오염된 공기를 유입하여 필터로 먼지나 오염물질을 걸러서 정화해주는 방식으로 필터식은 보통 3μm 이하 크기의 미세먼지를 99% 이상 제거하는 헤파 필터, 탈취 효과 및 포름알데히드나 벤젠 등의 일부 공해물질 제거에 효과가 있는 활성탄 필터 등이 있다. 보통은 헤파 필터+활성탄 필터의 조합이 많이 사용되고 있다.
물리적 필터를 사용하는 공기정화장치는 필터의 구조가 작은 그물망 구조 및 미세기공을 가지고 있어 오염물질을 부착 또는 흡착하는 기능을 갖는다. 그물망의 구멍 크기를 조절하여 작은 입자로부터 큰 입자에 이르기까지 거를 수 있으며, 형태는 다양하다. 예를 들어 부직포 형태는 섬유조직을 겹친 형태이며, 이는 단순히 오염 물질들이 섬유조직 사이에서 포획되어 막힌(clogged) 형태이며, 구멍 크기를 매우 미세하게 조절하여 헤파 필터 등으로 상용화되고 있다. 이러한 유형의 필터 방식은 유기물 등의 흡착으로 섬유조직이 부식, 부패하기 쉬워 필터가 오히려 실내공기를 오염시킬 수도 있다. 따라서, 무기계 입자를 필터링하는데 그 장점이 있으며, 유기물의 경우 그 효과가 매우 제한적이다. 또한, 주기적으로 자주 교환해야 하는 문제점이 있는 등 고기능성 필터 방식으로 인정받지는 못하고 있는 실정이다.
활성탄 같은 경우는 작은 미세 기공을 이용하여 미세 입자(미세먼지, 유기물, 무기물 등)를 물리적으로 거를 수 있으며, 동시에 기공에 미세 오염 물질이 화학 흡착되는 특징이 있어 널리 상용화되어 있다. 최근 활성탄과 은(Ag) 나노(Nano)입자를 복합화하여 화학 흡착된 유기물을 은 나노입자가 분해하는 기술이 보고되었다.(부직포 및 활성탄을 이용한 항균 및 살균 기능이 있는 필터 제조방법, 등록번호 10-1500464-0000). 그러나, 이는 은 나노 입자가 고가이며, 활성탄 즉 탄소와 은이 화학적 결합을 하지 않기 때문에 밀착성 등 내구성 측면에서 구조적 결함을 갖고 있었다. 필터의 성능은 여과 성능과 공기 유통량으로 결정되는데, 공기 유통량은 공기정화에 있어서 매우 중요한 요소 중 하나이다. 공기청정기 필터 교체는 필터의 여과 성능 저하가 아니라 공기 유통량(통기성)이 감소 때문이다. 즉, 구멍이 막히는 문제가 필터의 교환 주기와 밀접한 관련이 있다.
광촉매 필터를 사용한 공기정화장치는 주로 광촉매 화학반응을 이용하는데, 이러한 광촉매 반응은 금속산화물 반도체의 광학밴드갭(Optical band gap)에 상당하는 광 에너지를 가하여 가전자대에서 전도체로 여기 된 전자와 그 빠진 자리의 정공(h+)이 주변 물질과 반응함으로써 발생한다. 즉, 공기 중의 산소나 물과, 정공이 반응하여 생성되는 Hydroxyl Radical(·OH) 등의 산화력이 강한 활성종이 유기물 분자들을 분해하여 정화작용이 이루어진다. 광촉매 필터 방식의 장점은 무해, 무독성이며, 물리화학적으로 안정한 특징이 있다. 광촉매 반응을 통하여 형성된 반응성 물질은 수처리 분야에도 적용되고 있어 각종 세균이나 유기성 오염물질들을 분해한다. 광촉매 물질로는 TiO2, ZnO, CdS, Zr02, V203, WO3 등과 페로브스카이트형 복합 금속산화물(SrTiO2) 등이 있다. 공기정화 필터로 쓰이는 대표적인 광촉매 소재는 이산화티타늄(TiO2)이다. 이산화티타늄 분말, 박막 혹은 볼과 같은 비표면적이 큰 형태로 쓰이며, 자외선(파장 400nm이하) 빛 환경하에서 오염된 공기분자가 광촉매 소재 표면에 흡착시 표면상에서 광화학 반응으로 유기물을 분해하는 원리이다. 광촉매 방식의 장점 중 하나는 백금과 같은 귀금속 촉매가 200
Figure 112022068137823-pat00001
의 온도에서 작용하는 것과 달리 자외선 광원에서 작동하기 때문에 안정성 및 에너지 절약 측면에서 장점이 있다. 그러나, TiO2 기반의 광촉매는 광학밴드갭이 3.2eV이기 때문에 약 380nm이하의 자외선에 노출되어야 광촉매 반응이 일어나는 문제점이 있다. 자외선 LED(UV-LED) 광원이 필요하며, 지금까지 빛 세기(light intensity)가 큰 UV-LED가 개발되지 못하였고, 그 가격도 높기 때문에 상용화에 걸림돌이 되고 있다.
광촉매를 이용한 공기청정기 구조 관련 공지기술로 광촉매 세척장치가 포함된 공기청정기 (등록번호, 10-0570099)의 경우 광촉매 반응판에 UV 램프를 조사하고 상단에서 물을 분사하도록 하여 TiO2 기반의 광촉매 반응장치 표면을 지속적으로 공기에 노출하도록 하였다. 이는 TiO2가 물과 친수성이 있어 광촉매 반응을 위해 표면을 노출시키는 목적이었다. 이러한 기술은 복잡하고 광촉매 반응판에 광원을 균일하게 조사하기 어려운 문제점도 있다.
또 다른 공지기술로는 Pt-WO3 광촉매를 활용한 필터 (가시광 활성 광촉매 코팅 조성물 및 공기정화용 필터, 공개번호 10-2016-0104823) 특허가 있다. 이는 Pt를 WO3와 혼합하여 광촉매능을 향상시킨 필터로 이는 공기정화용 건식 필터 제조기술에 해당하며, 가격이 비싸다는 단점이 있다.
한국공개특허공보 10-2003-0010848(공개일 : 2003년 2월 6일) 한국공개특허공보 10-2016-0104823(공개일 : 2016년 9월 6일) 한국공개특허공보 10-2014-0015005(공개일 : 2014년 2월 6일) 한국공개특허공보 10-2005-0095214(공개일 : 2005년 9월 29일)
따라서, 본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 실내 휘발성 유기화합물(아세트알데히드, 톨루엔, 벤젠 등), 병원균(세균, 바이러스) 및 미세먼지와 같은 오염된 공기를 정화하는 가시광 반응형 광촉매를 활용한 공기정화장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
구체적으로, 기존의 공기정화용 단순 필터방식의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로 종래의 건식 방식과는 달리 실내 공기를 정화장치내로 유입시켜 무기 및 유기계 오염 물질들을 물에 흡착시키는 방식을 사용하며, 흡착된 물 수조 내부에 청색 또는 백색 LED를 설치하고, 동시에 비표면적이 큰 광촉매 비드(Bead)를 스텐레스 망구조물에 배치, 정렬함으로써 광원과 광촉매, 물의 접촉을 향상시켜 물을 살균된 상태로 유지하고, 이를 가습용 물 공급원으로 사용함으로써 인체에 유해한 가습기 살균제와 같은 첨가제를 사용하지 않는 자정 기능을 탑재한 공기정화장치를 제공한다.
본 실시예에 따른 가시광 반응형 광촉매를 활용한 공기정화장치는, 외부 공기를 흡기하는 흡기부, 흡기된 공기에 액적을 분사하여 공기 속 오염물질을 상기 액적에 흡착시키는 흡착부와 액적에 흡착된 오염물질을 가시광 반응형 광촉매를 활용한 광화학 반응으로 제거하는 반응부, 오염물질이 제거된 정화 공기 및 수증기를 배기하는 배기부를 포함한다.
또한, 흡착부는 하나 이상의 미세구멍을 통해 액적을 분사하는 노즐을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 반응부는 흡착부로부터 낙하하는 액적들이 저장되는 반응 수조와 반응 수조 내에 구비되어 낙하하는 액적들이 맺혀 서로 뭉쳐지게 하는 금속망, 금속망 하부에 위치하고 상기 금속망으로부터 낙하하는 액적들에 광화학 반응을 일으키는 제 1반응모듈 및 제 1반응모듈 하부에 위치하고 제 1반응모듈과 동일한 구성을 가지며, 제 1반응모듈로부터 낙하하는 액적들에 광화학 반응을 일으키는 제 2반응모듈을 포함한다.
또한, 제 1반응모듈은 낙하하는 액적과 접촉하면서 표면에서 광화학 반응을 일으키는 구 형상의 광촉매 비드와 광촉매 비드 하부에서 상기 광촉매 비드를 지지하는 비드 지지대 및 비드 지지대 하부에서 상기 반응 수조 안으로 빛을 조사하는 청색 또는 백색 LED 램프를 포함한다.
이 때, 광촉매 비드의 표면은 가시광 반응형 광촉매 물질로 코팅되며, 직경은 1mm~5mm인 것을 특징으로 한다.
반응 수조는 원통형으로 소재가 스텐레스이고, 조사된 청색 또는 백색 LED 빛이 반사되어 상기 반응 수조의 중앙부로 모인다.
또한, 흡착부는 반응 수조 내 물을 수중모터, 유량조절기 및 노즐관을 이용하여 노즐로 공급하고, 배기부는 상기 흡착부의 하단에 위치하고, 정화된 공기 및 수증기가 함께 배기될 수 있다.
본 발명은 무기 및 유기물로 오염된 공기를 정화장치내로 유입시켜 작은 액적과 물리, 화학적으로 흡착시킨 후 모아진 물을 광촉매와 접촉시켜 LED 빛에 의해 광화학반응을 유도한다. 이 과정에서 오염물질을 지속적으로 정화하기 때문에 실내 공기를 정화하는 효과가 있으며, 정화된 물을 다시 방출하여 실내 공간의 습도를 조절하는 기능까지 하는 다기능의 공기정화장치를 제공하는 효과가 있다. 이러한 특성을 갖는 공기정화장치는 종래 장치에 비해 반 영구적이며, 물의 오염을 제거하기 위해 살균제를 사용할 필요가 없는 안전하며, 경제적인 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가시광 반응형 광촉매 공기정화장치의 전반적인 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 반응부 내의 LED, 비드 지지대 및 광촉매 비드를 확대한 확대도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가시광 반응형 광촉매 공기정화장치의 정화과정을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 본 발명의 일 실시예에 따른 'Ag-CuO-WO3 광촉매를 활용한 유기물(메틸렌블루 10ppm 용액) 분해 시험결과를 나타낸 이미지이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적으로 해석되어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 가시광 반응형 광촉매 공기정화장치의 전반적인 구성을 나타낸 구성도이다.
공기정화장치의 상부(10)에는 공기 흡입을 위한 흡기부(100)가 위치한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 흡기부의 송풍팬에 의해 송풍된 공기가 하단 흡착부(200)의 노즐에 고르게 공급될 수 있도록 흡기부의 송풍팬은 적절한 크기와 성능을 선택적으로 적용할 수 있다. 또한 공기정화장치 상부(10)에는 공기정화장치 뚜껑에 적절한 형태의 그릴 혹은 에어필터가 설치될 수 있다.
흡착부(200)는 노즐(210), 미세 구멍(211), 노즐관(230), 유량조절기(240) 및 수중 모터(250)로 구성된다. 흡입된 공기(110)는 액적 분사 노즐(210)의 미세 구멍(211)들을 통해 분사되는 다량의 액적(droplet)들에 흡착된다. 액적은 작은 물방울 형태를 의미하고, 오염물질을 흡착하는데 있어 액적(410)들의 비표면적이 크기 때문에 공기 중에 미세 오염 물질들은 쉽게 흡착이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나 이상의 미세구멍을 통해 액적을 분사하는 노즐의 직경을 조절함으로써, 형성되는 액적의 크기를 조절할 수 있다. 보다 작은 액적을 형성할 경우, 비표면적이 증가함에 따라 흡착효율도 함께 증가한다.
흡착부(200)의 다른 구성요소인 노즐관(230), 유량조절기(240) 및 모터(250)는 후술하도록 한다.
본 발명에 따르면, 반응부(300)는 금속망(310), 제 1반응모듈 및 제 2반응모듈로 구성되어 있다. 금속망(310)은 반응부(300) 최상단에 위치하며, 제 1반응모듈과 제 2반응모듈은 동일한 구성으로, 상기 금속망(310) 하부에 차례로 위치한다. 따라서 본 발명의 반응부(300)는 제 1반응모듈에서 1차 광화학 반응이 일어나고, 제 1반응모듈 하부에 위치한 제 2반응모듈에서 2차 광화학 반응을 일으키면서 광화학 반응을 거듭하는 적층구조를 형성하고 있다.
오염물질을 흡착한 액적들은 낙하하여 액적 버퍼(buffer)용 금속망(310)에서 잠시 머물면서 액적들끼리 뭉쳐지게 되고, 뭉쳐진 액적들은 다시 낙하하여 금속망(310) 하부의 제 1반응모듈로 진입하게 된다.
본 발명의 금속망(310)은 낙하하는 액적들이 맺혀서 잠시 머무르면서 서로 뭉치게 하는 액적 버퍼(buffer)용으로 구비된 부재이다. 금속망(310)은 금속으로 된 망으로 간격이 일정한 격자형의 구조가 일반적이며 경우에 따라서는 금속사가 뒤엉킨 구조로 형성되어 액적들이 더욱 잘 뭉쳐지게 할 수도 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속망(310)은 양단에 탈부착 부재를 구비하여 다양한 형태의 금속망을 반응부(300)에 장착할 수도 있다.
금속망에서 뭉쳐 크기가 커진 액적들은 하부로 낙하하면서 광촉매 비드(320)와 접촉한다. 광촉매 비드(320)는 하부의 비드 지지대(330)에 의해 지지되며, 광촉매 비드와 오염물질을 흡착한 액적은 가시광 반응형 광촉매 물질로 코팅된 광촉매 비드 표면에서 하부의 LED 램프(340)의 빛에 의해 광화학반응을 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가시광 반응형 광촉매 소재로는 WO3, Ag-WO3, Ag-CuO-WO3, AgO-ZnO 등이 있고, 청색 LED 환경에서 광화학 반응을 일으키는 특징이 있다. 백색 LED는 청색파장의 LED를 포함하므로 백색 LED를 사용하는 경우도 있다.
광촉매 비드(320)는 표면에 가시광 반응형 광촉매 물질들이 코팅된 구조이다. 광촉매 비드(320)의 직경은 작을수록 표면적이 증가하여 광화학반응 표면적이 증가하는 효과가 있으며, 그 직경은 1mm ~ 5mm가 적당하다. 직경이 1mm보다 작으면 광촉매 비드 사이로 빛 투과가 어려워 광촉매 비드 표면에서 광화학 반응을 유도하기 힘들고, 5mm보다 클 경우 표면적이 감소하여 반응 속도가 감소할 수 있다.
종래의 광촉매 비드는 광촉매 소재만을 사용하여 제조하였기 때문에 취약하고, 가격도 고가인 반면, 본 발명의 일 실시예에 따르면 비드는 모재가 스텐레스강 재질의 볼로 구성되고, 표면 층이 다양한 가시광 반응형 광촉매로 구성되기 때문에 가격이 저렴하되, 크기 조절도 용이하며, 반영구적으로 사용이 가능하다. 또한, 광촉매 비드의 표면은 스텐레스 뿐 아니라 세라믹 등 광촉매 코팅층을 잘 형성할 수 있는 다양한 소재로 구성될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 무기 및 유기계 오염 물질들은 노즐(210)에 의해 분사된 미세한 액적과 흡착된 후, 반응 수조(350) 내에서 LED 환경하에 광촉매 비드(320) 표면에서 광화학 반응에 의해 제거된다. 따라서, 광촉매 비드(320)가 빛에 충분히 노출된다면, 광촉매 비드(320) 크기가 작을수록 표면적 증가하고, 광촉매 비드(320) 표면의 광화학반응 속도는 증가할 수 있다. 광촉매 비드(320) 반드시 단층으로만 형성될 필요는 없으며, 다층으로 적층하여 광화학 반응을 더욱 빈번하게 일으키는 구조를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 청색 또는 백색 LED 램프를 상하로 더 배치할 수도 있다. 즉, 반응 수조(350) 내의 금속망(310)마다 하단에 청색 또는 백색 LED를 부착하여 광촉매 비드(320) 표면의 광화학 반응 발생 빈도 및 세기를 증가시킬 수도 있다.
본 발명에 따르면, 광촉매 비드(320)는 하부의 비드 지지대(330)에 의해 지지된다. 비드 지지대(330)는 상부 금속망과 유사한 구조를 가질 수 있으며, 비드 지지대(330) 상부에서 움직이는 광촉매 비드(320)의 크기보다 작은 것이 일반적이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광촉매 비드(320)의 직경은 1mm~5mm이므로 그에 맞게 구멍의 크기가 적절한 비드 지지대(330)로 교체 가능할 수도 있다. 비드 지지대(330)는 금속망(310)과 마찬가지로 양단에 탈부착 부재를 구비하여 구멍의 크기가 다양한 비드 지지대를 장착할 수도 있다. 발명의 또다른 실시예에 따르면, 하부의 LED 빛을 잘 투과할 수 있고 다수의 광촉매 비드(320)가 상부에 있더라도 그 움직임이 제약이 없다면, 비드 지지대(330)는 도 2에 도시된 망 구조뿐 아니라 유리 혹은 다른 투과성 물질(판)이 비드 지지대를 대체할 수도 있다.
비드 지지대(330) 하부에는 청색 또는 백색 LED 램프가 위치하며, LED 램프 빛은 반응 수조(350) 전 영역에 고르게 조사되는 특징을 갖는다. 청색 또는 백색 LED 램프는 하부에 위치한 금속망(310)에 의해 지지될 수 있고, 연속적으로 낙하하는 액적들을 뭉쳐 크기를 증가시키기 위해 반응 수조(350) 내에는 다수의 금속망(310)이 구비될 수 있다.
상기 살펴본 바와 같이, 반응모듈은 광촉매 비드(320), 광촉매 비드(320) 하부에서 광촉매 비드를 지지하는 비드 지지대(330), 비드 지지대(330) 하부에서 반응 수조(350) 안으로 빛을 조사하는 청색 또는 백색 LED 램프(340) 및 청색 또는 백색 LED(340)를 지지하는 금속망(310)으로 구성되어 있다. 반응모듈에서는 가시광 반응형 광촉매 물질을 코팅한 광촉매 비드(320) 표면에서 오염물질이 흡착된 액적과 LED 빛이 접촉하여 광화학 반응을 일으키게 되고, 본 발명에서는 정화효율을 높이고 지속적인 정화를 도모하기 위하여 제 1반응모듈 하부에 제 2반응모듈을 위치시킨다. 본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 공기정화장치(1)의 길이를 늘리고 제 2반응모듈 하부에 다수의 반응모듈을 구성함으로써 더욱 대용량의 공기를 정화함과 동시에 부수적으로 공기정화장치(1)의 가습량 또한 늘어날 수 있다.
본 발명에 따르면, 1차로 광화학반응한 물은 하부로 낙하하여 동일한 구조에서 2차 광화학반응으로 이어진다. 이러한 과정은 반복되어 물 속의 오염을 효과적으로 제거할 수도 있다. 청색 또는 백색 LED 램프의 광조사를 균일하게 유도하기 위해 반응 수조(350)는 스텐레스 소재로 원통형으로 구성된다. 또한, 청색 또는 백색 LED 빛이 반사되어 반응 수조(350)의 중앙부로 모이도록 구성하며, 반사율이 우수하고, 부식에 강한 재질로 반응 수조(350) 표면을 구성할 수 있다. 청색 또는 백색 LED 빛의 세기는 전류세기를 변화시켜 광화학 반응의 세기를 조절할 수 있다.
광화학 반응으로 정화된 물은 일정시간 반응 수조(350)에 머무를 수 있고, 반응 수조(350) 하부에 위치한 수중 모터(250)에 의해 유량 조절기(240)와 노즐관(230)을 거쳐 흡착부(200)의 노즐(210)로 공급된다. 반응 수조(350)내 저장되어 있는 물은 가습용 물 공급을 위한 공급원으로 사용될 수 있다.
흡착부(200)와 반응부(300) 사이의 공간에서는 공기 내의 오염물질들이 흡착됨과 동시에, 오염물질이 제거된 공기 및 수증기가 배기부(400)를 통해 배출된다. 공기정화장치 상부(10)에서 흡기된 공기와 액적의 결합으로 일부 형성된 수증기는 배기부(400)를 통해서 외부로 방출되어 실내 공간의 습도조절이 가능하다. 즉, 본 발명의 시스템이 작동하는 동안, 반응 수조(350) 내 물은 광화학반응이 지속되므로 무기 및 유기계 오염물질이 제거된 상태이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배기부(400)를 통해 정화된 공기 및 수증기가 배기될 수 있고, 적당한 그릴 및 그릴가이드를 설치되어 사용자가 원하는 방향 및 각도로 배기되는 공기 및 수증기를 조절할 수 있다. 특히, 본 발명은 정화된 공기와 함께 수증기도 같이 배기되는 바, 실내에서 가습기의 기능도 수행할 수 있으므로 침실, 가구 혹은 사용자 가까이에서 작동할 수 있어 사용자가 불쾌감을 느끼지 않을 수 있도록 그릴을 통해 배기 방향 및 각도를 조절할 수도 있다. 또한 필요시 배기부 유량조절기(410)를 활용하여 배기되는 공기 및 수증기의 양을 조절하여 실내 습도를 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 가시광 반응형 광촉매 공기정화장치의 정화과정을 도시한 블록도이다. 미세먼지, 세균, 바이러스, 무기 및 유기 오염물질 등이 포함된 공기(S100)는 노즐에 의해 분사된 액적에 흡착되는 과정(S200)을 거친 후 반응 수조내에서 LED 환경 하에 가시광 반응형 광촉매 비드 표면에서 광화학 반응(S300)을 일으킨다. 배기부를 통해 정화된 공기 및 수증기가 배기됨으로써 공기를 정화함과 동시에 습도를 조절(S400)한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이 Ag-CuO-WO3 광촉매를 활용한 유기물(메틸렌블루(Methylene blue (MB), C16H18ClN3S) 10ppm 용액) 분해 시험결과를 제시할 수 있다.
가시광 반응형 광촉매 광화학반응 실험을 유기물이 희석된 물을 이용하여 수행한다. 유기물로는 대표적인 메틸렌블루(Methylene blue (MB), C16H18ClN3S) 10ppm 용액을 사용하고,(도 4의 빨간색 graph) 광원은 가시광 Lamp(제논램프 광원에서 400nm 이하 파장의 광원을 제거)를 준비한다. 일정시간마다 액체시료를 채취 후 광분석기(optical spectrometer)를 통해 분해율을 평가하고 결과를 분석한다.
그 결과 1시간내 80% 이상의 메틸렌블루 제거, 2시간내 98% 이상의 메틸렌블루가 제거됨을 확인할 수 있다. 이러한 효과는 광촉매의 효율을 향상시킴으로써 공기정화장치의 성능이 더욱 개선될 수 있음을 의미하며, 동시에 Ag-CuO-WO3 광촉매를 습식형 공기정화장치의 광촉매로 활용될 수 있음을 의미한다.
이상에서 다양한 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 권리범위로부터 합리적으로 해석될 수 있는 것이라면 무엇이나 본 발명의 권리범위에 속하는 것은 당연하다.
1 - 가시광 반응형 광촉매를 활용한 공기정화장치
10 - 공기정화장치의 상부
100 - 흡기부 110 - 흡입된 공기
200 - 흡착부 210 - 노즐
211 - 미세 구멍 220 - 액적
230 - 노즐관 240 - 유량조절기
250 - 수중 모터
300 - 반응부 310 - 금속망
320 - 광촉매 비드 330 - 비드 지지대
340 - 청색 또는 백색 LED 램프
350 - 반응 수조 380 - 정화된 물
410 - 배기부 유량조절기
S100 - 오염된 공기
S200 - 흡착과정 S300 - 가시광 광촉매를 활용한 광화학반응과정
S400 - 배기 및 습도 조절과정

Claims (8)

  1. 외부 공기를 흡기하는 흡기부;
    흡기된 공기에 액적을 분사하여 공기 속 오염물질을 상기 액적에 흡착시키는 흡착부;
    상기 액적에 흡착된 오염물질을 가시광 반응형 광촉매를 활용한 광화학 반응으로 제거하는 반응부; 및
    상기 오염물질이 제거된 정화 공기 및 수증기를 배기하는 배기부;를 포함하고,
    상기 흡착부는
    하나 이상의 미세구멍을 통해 액적을 분사하는 액적 분사 노즐을 포함하며,
    상기 반응부는
    상기 흡착부로부터 낙하하는 액적들이 저장되는 반응 수조;
    상기 반응 수조 내에 구비되어 낙하하는 액적들이 맺혀 서로 뭉쳐지게 하는 금속망;
    상기 금속망 하부에 위치하고 상기 금속망으로부터 낙하하는 액적들에 광화학 반응을 일으키는 제 1반응모듈;
    상기 제 1반응모듈 하부에 위치하고 상기 제 1반응모듈과 동일한 구성을 가지며, 상기 제 1반응모듈로부터 낙하하는 액적들에 광화학 반응을 일으키는 제 2반응모듈;을 포함하고,
    상기 제 1반응모듈은
    낙하하는 액적과 접촉하면서 표면에서 광화학 반응을 일으키는 구 형상의 광촉매 비드;
    상기 광촉매 비드 하부에서 상기 광촉매 비드를 지지하는 비드 지지대;
    상기 비드 지지대 하부에서 상기 반응 수조 안으로 빛을 조사하는 청색 또는 백색 LED 램프;를 포함하며,
    상기 금속망은 상기 청색 또는 백색 LED 램프의 하부에 더 구비되어 낙하하는 액적들이 맺혀 서로 뭉쳐지게 하고,
    상기 광촉매 비드의 표면은 가시광 반응형 광촉매 물질로 코팅되며, 직경은 1mm~5mm인 것을 특징으로 하는 가시광 반응형 광촉매를 활용한 공기정화장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 수조는 원통형으로 소재가 스텐레스이고, 조사된 청색 또는 백색 LED 빛이 반사되어 상기 반응 수조의 중앙부로 모이는 것을 특징으로 하는 가시광 반응형 광촉매를 활용한 공기정화장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착부는 반응 수조 내 물을 수중모터, 유량조절기 및 노즐관을 이용하여 노즐로 공급하는 것을 특징으로 하는 가시광 반응형 광촉매를 활용한 공기정화장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 배기부는 상기 흡착부의 하단에 위치하고, 정화된 공기 및 수증기가 함께 배기되는 것을 특징으로 하는 가시광 반응형 광촉매를 활용한 공기정화장치.
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