KR20010077127A - Photcatalyst and Air cleaner using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광촉매필터 및 이를 이용한 공기정화장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 광원을 설치하지 않고 가사광선으로도 동작이 가능한 광촉매필터 및 이를 이용한 공기정화장치에 관한 것이다.The present invention relates to a photocatalyst filter and an air purifier using the same. More particularly, the present invention relates to a photocatalyst filter capable of operating as a house light without installing a separate light source and an air purifier using the same.
일반적으로 가정 또는 산업 현장 등에서는 각종 공기정화장치가 사용된다. 예를 들어 쓰레기 소각로나 공장의 굴뚝 등에서는 배출가스 중에 포함된 유해물질이나 먼지 등을 제거하기 위하여 공기정화장치를 이용한다. 그리고 가정에서도 청정한 환경을 유지하기 위하여 공기정화기가 사용되며, 에어콘, 팬히터, 진공청소기 등에서도 공기를 정화하는 각종 필터가 장착된다.In general, various air purification devices are used in homes or industrial sites. For example, in an incinerator or a chimney of a factory, an air purifier is used to remove harmful substances and dusts contained in exhaust gas. And in order to maintain a clean environment at home, an air purifier is used, and air filters, fan heaters, vacuum cleaners, etc. are equipped with various filters for purifying air.
종래에는 공기를 정화하기 위하여 일반적으로 폴리프로필렌(PP)수지 섬유 또는 폴리에틸렌(PE)수지 섬유를 이용하는 부직포 형태의 필터를 사용하거나, 전기집진방식의 정전필터 등을 사용하였다. 그러나 이러한 형식의 필터로는 먼지를 거르는 것은 가능하지만 그 구조상 악취를 제거하거나 세균을 살균하는 것은 곤란하였다. 따라서 탈취를 위하여 활성탄으로 만들어진 별도의 탈취필터를 사용하기도 하였다. 그러나 활성탄을 이용한 탈취필터는 탈취성능 및 내구성이 좋지 않았고, 공기중에 포함된 유해한 미생물을 살균할 수은 없었다는 문제점이 있었다.Conventionally, in order to purify air, a nonwoven fabric type filter using polypropylene (PP) resin fibers or polyethylene (PE) resin fibers is generally used, or an electrostatic precipitating type electrostatic filter is used. However, with this type of filter, it is possible to filter out dust, but it is difficult to remove odor or sterilize bacteria due to its structure. Therefore, a separate deodorization filter made of activated carbon was used for deodorization. However, the deodorizing filter using the activated carbon was not good deodorizing performance and durability, there was a problem that could not sterilize harmful microorganisms contained in the air.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 광에너지에 의하여 활성화되어 살균 및 탈취기능을 갖는 광촉매물질을 이용한 소위 광촉매필터가 제안되고 있으며, 대표적인 광촉매가 산화티타늄(TiO2)이다.In order to solve this problem, a so-called photocatalyst filter using a photocatalyst material activated by light energy and having a sterilization and deodorization function has been proposed, and a representative photocatalyst is titanium oxide (TiO 2 ).
도 1을 참조하여, 종래의 광촉매를 이용한 공기정화장치를 설명하면 다음과 같다.Referring to Figure 1, the air purifying apparatus using a conventional photocatalyst will be described.
광촉매를 이용한 공기정화장치는 광촉매가 코팅된 메쉬상의 광촉매필터(1)와, 상기 필터(1)에 코팅된 광촉매를 활성화시키기 위한 에너지를 발생시키는 에너지원(3)으로 구성된다.The air purifier using the photocatalyst is composed of a photocatalyst filter 1 on a mesh coated with a photocatalyst and an energy source 3 for generating energy for activating the photocatalyst coated on the filter 1.
상기 에너지원(3)은 광촉매를 여기시키기 위한 에너지, 즉 사용되는 광촉매의 밴드 갭 에너지(band gap energy) 이상의 에너지를 발생시켜주는 역할을 한다. 예를 들어, 광촉매로서 산화티타늄(TiO2)를 사용하는 경우에는 산화티타늄을 여기시키기 위해서는 약 350 ~ 400nm의 파장을 가지는 광에너지(3.2eV에 상당함)를 필요로 하며, 종래에는 이러한 에너지를 얻기 위하여 자외선 램프와 같은 별도의 외부 에너지원을 사용하였다.The energy source 3 serves to generate energy for exciting the photocatalyst, that is, energy more than band gap energy of the photocatalyst used. For example, when titanium oxide (TiO 2 ) is used as a photocatalyst, optical energy (equivalent to 3.2 eV) having a wavelength of about 350 to 400 nm is required to excite the titanium oxide. In order to obtain a separate external energy source such as an ultraviolet lamp was used.
도 1을 참조하여, 종래의 광촉매를 이용한 공기정화장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.Referring to Figure 1, the operation of the conventional air purification device using a photocatalyst will be described.
자외선 램프(3)에서 나오는 소정 크기 이상의 광에너지가 광촉매필터(1)에 조사되면, 광촉매필터(1)에 코팅된 광촉매가 여기(勵起)되어 여러형태의 라디칼(radical)을 형성된다. 그러면, 상기 라디칼의 강한 산화력에 의하여 미생물을 살균하고, 동시에 라디칼이 악취를 유발하는 냄새물질과 반응하면서 이를 분해한다. 즉, 광촉매를 이용하면 상술한 원리로 살균, 탈취 및 알레르겐 분해작용을 할 수 있게 된다.When light energy of a predetermined magnitude or more emitted from the ultraviolet lamp 3 is irradiated to the photocatalyst filter 1, the photocatalyst coated on the photocatalyst filter 1 is excited to form various types of radicals. Then, the microorganisms are sterilized by the strong oxidizing power of the radicals, and at the same time, the radicals react with the odor causing substances to decompose. In other words, the use of a photocatalyst enables sterilization, deodorization and allergen decomposition in the above-described principle.
그러한, 상술한 종래의 광촉매를 이용한 공기정화장치는 다음과 같은 문제점이 있었다.Such a conventional air purifying apparatus using the photocatalyst has the following problems.
첫째, 광촉매를 활성화시키기 위한 에너지원으로서 자외선 램프와 같은 별도의 광원을 사용하여야 하므로 장치가 복잡해지고 또한 생산원가가 상승한다는 문제가 있다.First, since a separate light source such as an ultraviolet lamp is to be used as an energy source for activating the photocatalyst, there is a problem that the apparatus becomes complicated and the production cost increases.
둘째, 상술한 바와 같이, 종래의 광촉매필터는 자외선 램프와 같은 별도의 광원이 필요하므로, 종래의 광촉매필터가 사용되는 장치 예를 들어 공기정화장치의 설계 자유도가 저하한다. 또한, 자외선 램프가 광촉매필터로부터 소정거리 이상 떨어져 설치되면 광에너지가 광촉매필터에 도달하지 않는 경우가 발생할 수 있고 이에 따라 광촉매가 여기되지 못한다는 문제점이 있었다.Second, as described above, since the conventional photocatalyst filter requires a separate light source such as an ultraviolet lamp, the degree of freedom in designing a device in which the conventional photocatalyst filter is used, for example, an air purifier, is reduced. In addition, when the UV lamp is installed away from the photocatalyst filter by a predetermined distance or more, there may occur a case where the light energy does not reach the photocatalyst filter, thereby preventing the photocatalyst from being excited.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 별도의 에너지원 없이가시광선으로도 활성화가 가능한 광촉매필를 제공하는 것이다.In order to solve the above problems, it is an object of the present invention to provide a photocatalyst pen which can be activated even with visible light without a separate energy source.
본 발명의 다른 목적은 광촉매필터가 설치되는 각종 장치의 설계 자유도를 향상시킬 수 있는 광촉매필터 및 이를 이용한 공기정화장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a photocatalyst filter and an air purifier using the same, which can improve the design freedom of various devices in which the photocatalyst filter is installed.
도 1은 종래의 광촉매를 이용한 공기정화장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of an air purifier using a conventional photocatalyst
도 2는 본 발명에 따른 광촉매필터의 실시예의 내부구성을 개략적으로 도시한 구조도2 is a structural diagram schematically showing an internal configuration of an embodiment of a photocatalyst filter according to the present invention
도 3은 본 발명에 따른 광촉매를 이용한 공기정화장치의 실시예를 도시한 구성도Figure 3 is a block diagram showing an embodiment of an air purification apparatus using a photocatalyst according to the present invention
도 4는 본 발명에 따른 광촉매를 이용한 공기정화장치의 다른 실시예를 도시한 구성도Figure 4 is a block diagram showing another embodiment of an air purification apparatus using a photocatalyst according to the present invention
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 광촉매필터 7 : 전원1 photocatalyst filter 7 power supply
5 : 대향전극 10 : 5가원소5: counter electrode 10: 5 valent element
12 : 잉여전자 14 : 광촉매물질12: surplus electron 14: photocatalytic material
20 : 금속기재20: metal base
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 금속기재와, 상기 금속기재에 코팅되는 광촉매를 포함하는 광촉매필터에 있어서, 상기 광촉매에는 원자가 3가 또는 5가의 원소가 도핑되는 것을 특징으로 하는 광촉매필터를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a photocatalyst filter comprising a metal substrate and a photocatalyst coated on the metal substrate, wherein the photocatalyst is doped with a trivalent or pentavalent element. to provide.
여기서, 상기 광촉매필터에 전계를 형성시키기 위하여 상기 광촉매필터에 직접 전원을 인가하거나, 전원이 인가되는 별도의 대향전극을 설치하는 것이 바람직하다.In this case, in order to form an electric field in the photocatalyst filter, it is preferable to directly apply power to the photocatalyst filter or to provide a separate counter electrode to which power is applied.
따라서, 본 발명에 따르면 별도의 에너지원없이 가시광선으로 광촉매를 여기시키는 것이 가능하게 된다.Therefore, according to the present invention, it becomes possible to excite the photocatalyst with visible light without a separate energy source.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 광촉매필터 및 이를 이용한 공기정화장치의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of a photocatalyst filter and an air purifying apparatus using the same according to the present invention will be described.
도 2는 본 발명에 따른 광촉매필터의 실시예를 도시한 구조도로서, 이를 참조하여 먼저 본 발명에 따른 광촉매필터를 설명하면 다음과 같다.2 is a structural diagram showing an embodiment of a photocatalyst filter according to the present invention. First, the photocatalyst filter according to the present invention will be described with reference to the following.
종래와 유사하게, 본 발명의 광촉매필터(100)도 금속기재(20)와, 상기 금속기재(20)에 코팅되는 광촉매물질(14)로 이루어지며, 상기 광촉매필터(100)는 메쉬상으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 따른 광촉매필터(100)의 금속기재(20)는 다수개의 판상의 금속을 공기의 유동방향에 대하여 수평으로 적층되도록 구성하여 이용할 수도 있다.Similarly, the photocatalyst filter 100 of the present invention also includes a metal substrate 20 and a photocatalyst material 14 coated on the metal substrate 20, and the photocatalyst filter 100 is formed in a mesh shape. It is preferable to be. In addition, the metal substrate 20 of the photocatalyst filter 100 according to the present invention may be used to configure a plurality of plate-like metal to be stacked horizontally with respect to the flow direction of air.
다만, 본 발명에서는 광촉매필터의 밴드 갭 에너지를 줄이기 위하여 광촉매물질 예를 들어 원자가가 4가인 산화티타늄(14)에 원소(10)을 첨가한다.However, in the present invention, in order to reduce the band gap energy of the photocatalyst filter, an element 10 is added to the photocatalyst material, for example, titanium oxide 14 having a valence of four.
상기 원소(10)은 잉여전자 혹은 잉여정공을 가지는 원자가 3가 또는 5가인 원소를 사용하는 것이 가능하며, 바람직하게는 5가 원소를 첨가한다.The element 10 may be an element having a valence trivalent or pentavalent element having excess electrons or excess holes, and preferably a pentavalent element is added.
도 2에 도시한 바와 같이, 예를 들어 5가 원소(10)를 산화티타늄(14)에 도핑하면 5가 원소(10)에 의한 잉여전자(12)가 발생하게 된다. 즉, 본 발명에서는 상기 잉여전자(12)때문에 밴드 갭 에너지를 줄일 수 있게 된다.As shown in FIG. 2, for example, when the pentavalent element 10 is doped into the titanium oxide 14, excess electrons 12 due to the pentavalent element 10 are generated. That is, in the present invention, the band gap energy can be reduced due to the surplus electrons 12.
실험에 의하면, 산화티타늄(14)에 5가 원소(10)을 도핑하는 경우에 밴드 갭 에너지가 약 2.4eV 이하로 됨을 알 수 있었다. 즉, 5가 원소(10)을 도핑되지 않은 산화티타늄의 밴드 갭 에너지는 약 3.2eV이므로 본 발명에 따르면 밴드 갭 에너지를 약 0.8eV정도 낮출 수 있게 된다.As a result, it was found that when the titanium oxide 14 was doped with the pentavalent element 10, the band gap energy became about 2.4 eV or less. That is, since the band gap energy of titanium oxide not doped with the pentavalent element 10 is about 3.2 eV, the band gap energy can be reduced by about 0.8 eV according to the present invention.
즉, 본 발명에 따른 광촉매필터(100)는 약 2.4eV의 광에너지로 여기시킬수 있게 된다. 그리고, 광에너지의 파장과 주파수는 E= h/ν = (hc/λ) ≒ 1240/λ (여기서, E는 광에너지, h는 플랑크상수, ν는 주파수, c는 전자기파의 속도, λ는 파장을 의미함)의 관계를 가지므로, 2.4eV는 약 500nm의 파장을 가지는 광에너지 즉 가시광선에 상당한다. 따라서, 본 발명에 따른 광촉매필터(100)는 가시광선으로도 활성화시킬 수 있음을 알 수 있다.That is, the photocatalyst filter 100 according to the present invention can be excited with light energy of about 2.4 eV. The wavelength and frequency of the light energy are E = h / ν = (hc / λ) ≒ 1240 / λ (where E is light energy, h is Planck's constant, ν is frequency, c is the speed of electromagnetic waves, and λ is the wavelength 2.4 eV corresponds to light energy having a wavelength of about 500 nm, that is, visible light. Therefore, it can be seen that the photocatalyst filter 100 according to the present invention can also be activated with visible light.
한편, 본 발명에 따른 광촉매필터는 가시광선에 의해 여기되는 것이 가능하나, 여기된 전자가 다시 정공과 재결합 확률이 높다. 따라서, 광촉매필터(100)의 표면의 소정 크기의 전계를 형성시켜 전자와 정공의 분리상태를 유지시키는 것이 바람직하다.On the other hand, the photocatalyst filter according to the present invention can be excited by visible light, but the excited electrons have a high probability of recombination with holes. Therefore, it is preferable to form an electric field having a predetermined size on the surface of the photocatalyst filter 100 to maintain the separation state of electrons and holes.
상술한 바와 같이, 광촉매필터(100)의 표면에 전계를 형성시키면, 이러한 전계는 여기된 전자가 정공이 다시 결합하는 것을 방지됨과 아울러 광촉매의 광화학 반응을 촉진시키는 역할도 하게 된다.As described above, when an electric field is formed on the surface of the photocatalyst filter 100, such an electric field prevents the excited electrons from recombining holes and also promotes a photochemical reaction of the photocatalyst.
도 3 및 도 4를 참조하여, 광촉매필터의 표면에 전계를 형성시키는 방법을 설명하면 다음과 같다.Referring to FIGS. 3 and 4, a method of forming an electric field on the surface of the photocatalyst filter is as follows.
도 3에 도시한 바와 같이, 광촉매필터(100)의 전방 혹은 후방에 대향전극(5)을 설치하고, 상기 대향전극(5)에 전원(7)을 인가하게 된다. 물론, 도 4에 도시한 바와 같이, 별도의 대향전극없이 광촉매필터(100)에 직접 전원(7)을 인가하는 것도 가능하다.As shown in FIG. 3, a counter electrode 5 is provided in front of or behind the photocatalyst filter 100, and a power source 7 is applied to the counter electrode 5. Of course, as shown in Figure 4, it is also possible to apply the power source 7 directly to the photocatalyst filter 100 without a separate counter electrode.
즉, 본 발명에 따르면, 자외선 램프와 같은 별도의 광원없이도 광촉매필터를 여기시키는 것이 가능하므로 공기정화장치의 구조가 간단해진다.That is, according to the present invention, it is possible to excite the photocatalyst filter without a separate light source such as an ultraviolet lamp, thereby simplifying the structure of the air purifier.
또한, 살균, 탈취 등이 작용이 요구되는 각종 기기 예를 들어 진공청소기, 에어콘, 냉장고, 식기세척기 등에 광촉매필터를 설치하는 경우에도 본 발명에 따른 광촉매필터를 이용하면 별도의 에너지원이 필요하지 않으므로 광촉매필터의 설치가 간단하게 된다. 따라서, 광촉매필터의 사용 범위가 넓어진게 된다.In addition, even when the photocatalyst filter is installed in various devices such as vacuum cleaners, air conditioners, refrigerators, dishwashers, etc., which require sterilization and deodorization, an additional energy source is not required. Installation of the photocatalyst filter is simplified. Therefore, the range of use of the photocatalyst filter becomes wider.
상술한 본 발명에 따른 광촉매필터의 효과를 설명하면 다음과 같다.The effect of the photocatalyst filter according to the present invention described above is as follows.
첫째, 본 발명의 광촉매필터는 별도의 광원없이 가시광선으로 여기되는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 광촉매필터를 이용하면 각종 기기 예를 들어 공기정화장치의 구조가 간단해지며 생산원가가 절감된다는 이점이 있다.First, the photocatalyst filter of the present invention can be excited with visible light without a separate light source. Therefore, the use of the photocatalyst filter according to the present invention has the advantage of simplifying the structure of various devices, for example, an air purifying device, and reducing the production cost.
둘째, 광촉매필터가 필요한 각종 기기의 구조의 변경을 최소화하면서 광촉매필터를 설치할 수 있다. 따라서, 탈취, 살균 등이 필요한 각종 기기에 광촉매필터를 간단히 설치하여 사용하는 것이 가능하다는 장점이 있다.Second, it is possible to install the photocatalyst filter while minimizing the change of the structure of various devices requiring the photocatalyst filter. Therefore, there is an advantage that it is possible to simply install and use a photocatalyst filter in various devices that require deodorization, sterilization, and the like.
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