KR20040026719A

KR20040026719A - 플라즈마 발생 공기청정램프

Info

Publication number: KR20040026719A
Application number: KR1020020058238A
Authority: KR
Inventors: 이현석
Original assignee: 프라임휴텍 주식회사
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-01

Abstract

본 발명은 조명장치 내부에 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 발생기를 장착하여 플라즈마를 발생시킴으로써 조명과 함께 탈취 및 공기정화를 수행하는 플라즈마 발생 공기청정램프에 관한 것이다. 본 발명의 구조구성은 적어도 하나 이상의 조명등들이 장착되는 상부케이스와 일측 표면에는 소정형상의 관통구멍이 형성되어 있는 하부케이스로 나누어져 있는 몸체와; 상기 하부케이스의 내부에 설치되며 외부로부터 공급받은 전류를 고압의 교류 전류로 증폭하는 증폭회로와; 플라즈마가 발생되는 표면이 상기 하부케이스의 관통구멍에 인접하게 설치되고, 상기 증폭회로에 연결되어 증폭된 교류 전류를 공급받아 상기 표면에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 발생 공기청정램프{Air cleaning lamp generating plasma}

본 발명은 실내공기질 개선을 위한 공기청정기능을 갖는 플라즈마 발생 공기청정램프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 조명장치 내부에 플라즈마 발생시키는 플라즈마 발생기를 장착하여 플라즈마를 발생시킴으로써 조명과 함께 탈취 및 공기정화를 수행하는 플라즈마 발생 공기청정램프에 관한 것이다.

일반적으로 음이온이라 하면 공기중의 원자가 전자를 얻어 (-)전자를 띠고 있는 원자요소를 말하는 것으로서, 순수한 공기가 안정된 상태에 있을 때 음이온 대 양이온의 비율은 약 1 대 1.2인 것으로 알려져 있고, 음이온이 공기 1cc당 1000개 이상으로 풍부해지면 뇌에서 알파(α)-파의 활동을 증가시켜서 천식과 편두통의 본질적인 요소가 되는 긴장과 스트레스를 완화시켜 주며 천식과 같은 호흡기 질환을 일으키는 신경호르몬인 세로토닌과 자유히스타민을 억제하여 정신운동 수행 능력과 긴장 완화와 같은 효과가 있음이 알려져 있다.

이러한 음이온은 숲속, 온천, 폭포, 해안과 같은 쾌적한 자연상태에 많이 존재하게 되며, 이와는 달리 TV, 컴퓨터를 비롯한 각종 전기, 전자 제품으로부터 방출되는 전자파는 높은 에너지를 가지고 있어서 이것은 공기 중에서 양이온을 생성하는 원인이 됨으로써, 최근에는 과학기술이 발달됨에 따라 공기 중의 유해한 양이온을 중화 제거하여 깨끗하고 신선한 공기를 만들 수 있도록 인위적으로 음이온을 발생시킬 수 있는 장치가 많이 개발되어 있다.

이러한 음이온 발생장치들은 주로 부 코로나 방전에 의해 음이온을 생성할 수 있도록 하는 기기로서, 뾰족한 침에 직류 부전압을 걸면 고에너지 공정에 의해 침끝으로부터 음전기를 띤 전자가 전리를 일으킬 수 있을 정도의 에너지를 가지고 고속으로 방출되어 공기 중의 분자와 충돌하여 음이온을 형성할 수 있도록 이루어져 있다.

그러나 이러한 코로나 방전을 이용하는 경우, 점차로 사용시간이 늘어남에 따라 침끝이 무뎌져 방전이 극도로 저하되어 음이온 방출이 저감되는 문제점이 있었다.

한편, 흔히 실내에 존재하는 암모니아(NH₃), 황화수소(H₂S) 및 메틸메르캅탄(CH₃SH) 등의 가스상 악취오염물질은 기관지염이나 정신, 신경계통을 자극시켜 만성질병을 일으키거나 급성으로 인한 사망뿐만 아니라 정서생활 및 건강상의 피해를 주는 오염물질이다. 이러한 악취물질들은 대기오염 문제를 일으키는 까다로운 물질들로 처리하기 어렵고 그 종류도 대단히 많을 뿐만 아니라 복합적인 작용과 개인적인 차이 등으로 인하여 그 피해도를 표시하기란 매우 어려운 실정이다.

그러한 악취물질을 제거하기 위하여 활성탄을 이용한 흡착, 화학적 필터를 이용한 흡착 등을 이용하여 제거하고 있으나 이러한 필터들은 높은 압력손실, 짧은 수명, 많은 공간점유, 2차오염물질 생성 등으로 손쉽게 사용되지 못하는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 오존, 음이온 등의 플라즈마가 발생되는 플라즈마 발생기를 공기청정램프에 장착함으로써 조명등에서 발생하는 빛으로 실내를 밝히는 동시에 플라즈마 발생기에서 발생하는 플라즈마로 공기를 정화할 수 있는 플라즈마 발생 공기청정램프를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 플라즈마가 발생되는 플라즈마 발생기로서 교류 전류를 사용하는 연면방전체를 이용하여 적정량의 오존과 음이온을 발생시켜 공기의 정화기능과 함께 실내에 흔히 존재하는 암모니아(NH₃), 황화수소(H₂S) 및 메틸메르캅탄(CH₃SH) 등으로 인한 악취를 효과적으로 제거할 수 있는 플라즈마 발생 공기청정램프를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 오랫동안 음이온 등의 플라즈마가 다량으로 발생하더라도 성능 변화없이 지속적으로 플라즈마를 발생시키는 연면방전체를 사용하여 지속적으로 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 공기청정램프를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 공기청정램프의 사시도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 공기청정램프의 단면도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 공기청정램프의 분해 사시도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 증폭회로도.

도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 연면방전체의 전면사시도.

도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 연면방전체의 후면사시도.

도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 연면방전체의 플라즈마 발생예시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 몸체2 : 상부케이스

4 : 하부케이스6 : 조명등

8 : 나사선10 : 관통구멍

12 : 조명회로14 : 절연막

16 : 증폭회로18 : 플라즈마 발생기

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 플라즈마 발생 공기청정램프는 적어도 하나 이상의 조명등들이 장착되는 상부케이스와 일측 표면에는 소정형상의 관통구멍이 형성되어 있는 하부케이스로 나누어져 있는 몸체와;

상기 하부케이스의 내부에 설치되며 외부로부터 공급받은 전류를 고압의 교류 전류로 증폭하는 증폭회로와;

플라즈마가 발생되는 표면이 상기 하부케이스의 관통구멍에 인접하게 설치되고, 상기 증폭회로에 연결되어 증폭된 교류 전류를 공급받아 상기 표면에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 플라즈마 발생기는 교류 전류를 공급받아 오존, 음이온 등이 발생되는 연면방전체인 것이 바람직하며, 특히, 두께 0.1mm 또는 그 이하의 알루미나 세라믹(순도 92% 이상)의 절연층상에 매우 엷게 설치한 텅스텐, 백금 또는 티타늄 선형태의 방전극으로 형성된 연면방전체인 것이 더욱 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 플라즈마 발생 공기청정램프에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 공기청정램프의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 공기청정램프의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 공기청정램프의 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 증폭회로도이며, 도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 연면방전체의 전면·사시도이며, 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 연면방전체의 플라즈마 방전예시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 공기청정램프의 몸체(1)는 상부 케이스(2)와 하부케이스(4)로 각각 나누어지며, 상부케이스(2)와 하부케이스(4)는 일체로 조립되어 내부에 조명등(6)을 작동시키는 조명회로(12)와 플라즈마 발생기(18)를 작동시키는증폭회로(16)가 위치한다. 하부케이스(4)에는 소켓에 조립되어 외부전원을 조명회로(12)와 증폭회로(16)에 공급하도록 나사선(8)이 형성된다.

상부케이스(2)에는 실내를 밝히는 조명등(6)이 부착되는데 일반적으로 형광등처럼 조명기능만을 갖는 조명등과, 자외선램프처럼 특수한 목적을 위한 조명등이 부착될 수 있다.

하부케이스(4)의 일측면에는 표면을 관통하여 내부와 외부가 서로 연통된 다수의 관통구멍(10)이 형성되고, 관통구멍(10)을 중심으로 내측면에는 플라즈마 발생기(18)를 고정하기 위한 지지편(미도시)이 형성된다.

한편, 상부케이스(2)와 하부케이스(4)로 형성된 공간에는 조명등(6)을 작동시키는 조명회로(12)와 플라즈마 발생기(18)를 작동시키는 증폭회로(16)가 각각 위치한다. 이때, 증폭회로(16)는 형광등의 작동시 발생되는 열에 의한 손상을 방지하기 위하여 조명등에서 멀리 떨어진 하부케이스(4)의 내측에 위치한다. 즉, 상부케이스(2)의 내측에는 조명회로가 내장되고, 하부케이스의 내측에는 증폭회로가 설치된다. 또한, 도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 조명회로(12)와 증폭회로(16) 사이에 절연막(14)을 설치하여 조명회로(12)에 공급되는 전원과 증폭회로(16)에 인가되는 전원을 서로 차단시킨다.

도 4에 도시한 바와 같이, 플라즈마 발생기(18)에 고주파의 교류전류를 공급하는 증폭회로(16)는 외부로부터 공급받은 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 전원부(A)와, 약 29khz로 C.R.T.자력으로 발진시키는 피드백 발진부(E)와, 피드백 발진된 것을 TR로 구동하기 위하여 드라이브시키는 드라이브부(B)와, 드라이브된 것을 출력 TR을 통해 트랜스에 입력하는 발진출력부(C)와, 발진출력부에서 출력받아 트랜스를 구동시키는 트랜스부(D) 및 교류전압으로 출력하는 교류전압출력부(F)로 이루어진다. 이와 같은 증폭회로(16)는 외부전원을 5 내지 30khz의 주파수와 4 내지 7kV의 교류전압으로 증폭하여 플라즈마 발생기(18)에 인가한다. 이러한 증폭회로(16)는 도 3에 도시한 바와 같이 절연막(14)으로 조명회로(12)와 차단함으로써 합선이 방지된다.

도 5a 내지 도 5b에 도시한 바와 같이, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기(18)는 두께 약 1mm(바람직하게는 0.5mm) 이하의 고순도 알루미나 세라믹(바람직하게, 순도 92% 이상)의 절연층(22)상에 매우 엷게 설치한 텅스텐, 백금 또는 티타늄 등으로서 선형태의 방전극(24)과 평면형태의 유도전극(26)이 형성된 연면방전체(20)를 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같이 형성된 연면방전체(20)의 선형태의 방전극(24)와 유도전극(26) 사이에 고주파의 높은 고류전압을 인가하면 선형태의 방전극(24)에서부터 절연층의 표면에 이르는 다수의 스트리머(streamer)상에 교류방전으로 비평형 플라즈마를 생성시킨다. 이러한 교류방전은 진전속도가 매우 빠른 스트리머상 나노초(nanosecond)펄스방전으로 교류전압의 1/2사이클만의 일정기간 펄스방전이 발생하며 그 외의 기간은 방전이 일어나지 않는 휴지기간이 되어 간헐적 나노초 펄스방전이 생성되게 되며, 질량이 작은 전자는 가속되어 전계로부터 에너지를 얻어 비형평 플라즈마 상태로 전환되어 오존과 음이온 등을 발생시켜 살균 및 공기정화기능을 수행한다.

이하, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 플라즈마 발생 공기청정램프의 작동상태를 설명하면 다음과 같다. 이때, 플라즈마 발생기는 연면방전체를 이용한다.

먼저, 상부케이스(2)와 하부케이스(4)에 형성된 공간에 조명회로(12)와 증폭회로(16)를 설치하고 하부케이스(4)에 형성된 관통구멍(10)에 연면방전체(20)를 플라즈마 발생기(18)로 고정시킨 상태에서 상부케이스(2)와 하부케이스(4)를 일체로 조립시킨다.

하부케이스(4)의 일측에 형성된 나사선(8)을 소켓에 조립시킨 상태에서 전원을 인가하면 조명회로(12)와 증폭회로(16)에 각각 전원이 공급된다. 이에 따라 전원이 공급된 조명회로(12)는 형광등, 적외선등과 같은 조명등(6)에 전원을 인가하여 이들을 작동시키고, 증폭회로(16)는 공급된 전원을 5 내지 30khz의 주파수와 4 내지 7kV의 교류전압으로 변화시켜 연면방전체(20)에 공급한다.

도 5c에 도시된 바와 같이, 연면방전체(20)에 고주파수의 교류전압이 공급되면 선형태의 방전극(24)에서부터 절연층의 표면에 다수의 스트리머(streamer)상의 교류방전으로 비평형 플라즈마가 생성된다. 이때, 생성된 비평형 플라즈마는 해리, 여기, 전리 등의 과정을 통해 화학적으로 활성을 갖는 다량의 활성 음이온을 생성하며, 생성된 활성 음이온 산소, 수증기 및 암모니아(NH₃), 황화수소(H₂S) 및 메틸메르캅탄(CH₃SH) 등과 여기, 해리 또는 이온화 반응한다. 즉, O₂의 해리는 O+O, H₂O는 H⁺와 OH^-가 되며, O₂분자는 O₂ ⁺로 이온화되며 OH^-를 생성하기 위해 H₂O와 결합된다. 그리고, 오존은 산소를 화학식 1과 같이 해리시켜 생성된다.

즉, e + O₂→ e + O + O

O + O₂+ M → O₃ ^*+ M → O₃+ M(O₂, O₃, N₂)

또한, 악취를 발생시키는 암모니아(NH₃), 황화수소(H₂S) 및 메틸메르캅탄(CH₃SH) 등은 음이온 또는 오존과 반응하여 분해된다. 예를 들면, 암모니아는 최종적으로 질산암모늄(NH₄NO₃) 및 질산(NHO₃)미스트로 제거되며, 황화수소는 황분자 또는 수소분자 및 황산미스트로 제거되며, 메틸메르캅탄(CH₃SH)는 메틸황술폰산으로 제거되어 공기를 정화할 수 있다.

<실시예 1> 오존 발생 실험

96%의 순도 알루미나 세라믹의 기판위에 백금 유도전극을 인쇄하여 벨트 드라이어에서 120℃에서 10분간 건조시키고 최고 850℃에서 10분간 가열하여 연면방전체를 제조하고 형광등에 장착하였다.

사방 1m 실험챔버에 상기 형광등을 장착하고 오존측정기로 용기내 공기를 샘플링하면서 시간에 따른 오존농도를 측정하였다. 측정기 흡입량은 2ℓ/m으로 하였으며 측정결과를 표 1에 나타내었다.

항목	시간(min)	오존농도(ppm)
오존 발생량	0	0.011
	10	0.012
	20	0.016
	30	0.019
	40	0.022
	50	0.024
	60	0.027
평균	-	0.019

표 1과 같이 오존농도는 초기 0.011ppm에서 1시간 후 0.027ppm으로 증가한 것을 알 수 있었다. 이와 같이 연면방전체에서 발생하는 오존은 시간에 따라 점차적으로 증가하였으나 1시간 후 약 0.027ppm의 농도에서 거의 일정하게 유지되었다.

<실시예 2> 음이온 측정실험

실시예 1에서 제조된 연면방전체가 장착된 공기청정램프에서 발생하는 음이온의 발생량을 측정하였다. 시험방법은 한국건자재시험연구원의 KICM-FIR-102 방법을 사용하였으며, 전원을 켠 후 5분 후에 연면방전체가 장착된 관통구멍을 통해 측정하였다. 또한 전하입자 측정장치를 이용하여 온도 24℃, 습도 40%, 대기 중 음이온 수 76/CC조건에서 실험하였으며 측정대상물에서 방출되는 음이온을 측정하여 단위체적당 이온수로 표시한 결과이다. 실험결과 음이온 발생량은 1CC당 822180개의 음이온이 측정되었다.

<실시예 3> 악취제거 실험

실시예 1에서 제조된 연면방전체가 장착된 공기청정램프를 사방 1m 실험챔버에 장착하고 악취 발생물질 중 대표적인 암모니아를 주입한 후 시간 경과에 따라 농도를 계산하여 탈취효율을 가스검지관법을 사용하여 측정하였으며 측정결과는 표 2에 나타내었다.

항목	경과시간(hr)	램프
암모니아		농도(ppm)	탈취율(%)
	0	156	-
	2	104	33.3
	24	57.2	63.3
	42	25	83.9

표 1과 같이 암모니아는 초기 농도 156ppm에서 24시간이 경과한 후에는 63.%가 제거되었으며, 42시간이 경과한 후에는 83.9%가 제거되어 뛰어난 악취제거 효과가 있는 것을 알 수 있었다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 공기청정램프는 오존, 음이온 등의 플라즈마가 발생되는 플라즈마 발생기가 장착되어 있으므로 조명등에서는 실내를 밝히는 동시에 플라즈마 발생기에서 발생하는 플라즈마로 공기를 정화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 플라즈마 발생기로서 연면방전체를 이용함으로써 지속적으로 사용하더라도 발생되는 플라즈마의 량이 줄어들지 않으며 적정량의 오존과 음이온을 발생시켜 공기를 정화시키는 장점이 있다.

그리고, 플라즈마 발생기에서 발생되는 플라즈마로 실내에 존재하는 악취를 제거할 수 있어 쾌적한 환경을 유지하고, 실내에 흔히 존재하는 암모니아(NH₃), 황화수소(H₂S) 및 메틸메르캅탄(CH₃SH) 등으로 인한 악취를 효과적으로 제거할 수 있는 장점이 있다.

Claims

적어도 하나 이상의 조명등들이 장착되는 상부케이스와 일측 표면에는 소정형상의 관통구멍이 형성되어 있는 하부케이스로 나누어져 있는 몸체와;

상기 하부케이스의 내부에 설치되며 외부로부터 공급받은 전류를 고압의 교류 전류로 증폭하는 증폭회로와;

플라즈마가 발생되는 표면이 상기 하부케이스의 관통구멍에 인접하게 설치되고, 상기 증폭회로에 연결되어 증폭된 교류 전류를 공급받아 상기 표면에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 공기청정램프.
제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 발생기는 교류 전류를 공급받아 오존, 음이온 등이 발생되는 연면방전체인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 공기청정램프.
제 2 항에 있어서, 상기 교류전류는 주파수 5 내지 30khz, 교류전압 4 내지 7kV인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 공기청정램프.
제 1 항에 있어서, 상기 연면방전체는 두께 0.1mm 이하의 알루미나 세라믹(순도 92% 이상)의 절연층상에 매우 엷게 설치한 텅스텐, 백금 또는 티타늄 선형태의 방전극으로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 공기청정램프.