KR20040110847A - Air cleaner using dielectric barrier discharge - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 공기청정기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유전장벽방전을 이용한 공기청정기에 관한 것이다.The present invention relates to an air cleaner, and more particularly, to an air cleaner using a dielectric barrier discharge.
보다 쾌적한 실내 공간을 위한 공기청정기의 필요성은 오래전부터 계속되어 왔다. 현재 세계적으로 많은 양의 공기청정기가 판매되고 있으며 이는 생활 수준의 향상에 따라 더욱 증가할 것으로 보인다.The need for air cleaners for a more comfortable interior space has been around for a long time. Currently, a large amount of air purifiers are sold around the world, which is expected to increase with the improvement of living standards.
현재까지 알려진 공기 청정기는 구조에 따라 다음과 같이 크게 몇 가지 방식으로 분류할 수 있다. 먼저, 1) 코로나 방전을 이용하는 방식은, 코로나 방전을 통해 음이온을 생성시킴과 함께 실내에 존재하는 오염원을 이온화시켜서 집진시키고 미량의 오존을 발생시켜 살균 및 냄새 제거의 효과를 주는 것이고, 2) 필터 방식은 HEPA 필터 등의 필터와 팬(fan)을 이용하여 실내의 유해한 물질들을 필터에 흡입시킨 후 걸러서 제거하는 방식이고, 3) 음이온 생성 방식은 인체에 유익하다고 알려진 음이온을 생성시켜 대기중의 세균이나 냄새 분자들을 분해하는 방식이다. 그 외, 활성탄과 같은 탄소 성분의 물질을 첨가하거나 TiO2, MnO2등의 촉매를 이용한 공기청정기도 사용되고 있다.The air purifiers known to date can be classified in several ways according to their structure. First, the method using 1) corona discharge generates negative ions through the corona discharge and ionizes the pollutants present in the room and collects them and generates a small amount of ozone to give sterilization and odor removal effects. 2) Filter The method uses a filter and a fan, such as a HEPA filter, to inhale harmful substances in the filter and then filters them out. 3) The anion generation method generates anions known to be beneficial to the human body and causes bacteria in the air. Or break down odor molecules. In addition, an air cleaner using a carbon component such as activated carbon or a catalyst such as TiO 2 or MnO 2 is also used.
본 발명은 종래 코로나 방전에 비해 월등히 많은 음이온과 자외선을 생성시킬 수 있는 방전 구조를 채용한 공기청정기를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an air purifier employing a discharge structure capable of generating much more negative ions and ultraviolet rays than conventional corona discharges.
아울러, 본 발명은, 미량 발생하는 오존을 촉매기술을 사용하여 최소화시키는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to minimize the ozone generated in a small amount using a catalytic technique.
도 1a는 종래 기술에 따른 멀티 포인트 코로나 방전시스템을, 도 1b는 한쪽은 메쉬 전극이 반대쪽은 플레이트 전극이 형성된 본 발명의 일실시예에 따른 메쉬 DBD 시스템을, 도 1c는 메쉬 전극에 양쪽 다 형성된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 메쉬 DBD 시스템을 간략하게 보여준다.Figure 1a is a multi-point corona discharge system according to the prior art, Figure 1b is a mesh DBD system according to an embodiment of the present invention is formed on one side of the mesh electrode and the other side of the plate electrode, Figure 1c is both formed on the mesh electrode Briefly shows a mesh DBD system according to another embodiment of the present invention.
도 2a는 종래 기술에 따른 멀티 포인트 코로나 방전 시스템에서의 OES 데이터를 보여주고, 도 2b 및 2c는 본 발명에 따른 메쉬 DBD 시스템에서의 OES 데이터를 보여준다.2A shows OES data in a multi-point corona discharge system according to the prior art, and FIGS. 2B and 2C show OES data in a mesh DBD system according to the present invention.
도 3a는 비교예인 플레이트 DBD 시스템의 개략적인 구조를, 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 메쉬 DBD 시스템의 개략적인 구조를 보여준다.3A shows a schematic structure of a plate DBD system as a comparative example, and FIG. 3B shows a schematic structure of a mesh DBD system according to an embodiment of the present invention.
도 4a 및 4b는 각각 유전체로 마이카를 사용한 경우, 비교예인 플레이트 DBD 시스템과 본 발명의 일실시예에 따른 메쉬 DBD 시스템의 OES 데이터를 보여준다.4A and 4B show OES data of a plate DBD system as a comparative example and a mesh DBD system according to an embodiment of the present invention, when mica is used as a dielectric.
도 5a 및 5b는 각각 유전체로 알루미나를 사용한 경우, 비교예인 플레이트 DBD 시스템과 본 발명의 일실시예에 따른 메쉬 DBD 시스템의 OES 데이터를 보여준다.5A and 5B show OES data of a plate DBD system as a comparative example and a mesh DBD system according to an embodiment of the present invention when alumina is used as a dielectric, respectively.
도 6a 및 6b는 각각 유전체로 유리를 사용한 경우, 비교예인 플레이트 DBD 시스템과 본 발명의 일실시예에 따른 메쉬 DBD 시스템의 OES 데이터를 보여준다.6A and 6B show OES data of a plate DBD system as a comparative example and a mesh DBD system according to an embodiment of the present invention when glass is used as a dielectric.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 공기청정기의 개략적인 구조를 보여준다.7 shows a schematic structure of an air cleaner according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 공기청정기의 오존농도 측정 데이터를 보여준다.8 shows ozone concentration measurement data of an air cleaner according to an embodiment of the present invention.
본 발명은, 서로 마주보는 전극 중 하나 이상이 메쉬로 형성된 금속 전극과, 상기 금속 전극의 서로 마주보는 면에 형성되는 유전체층과, 상기 유전체층 사이의 간격으로 이루어지는 메쉬 DBD 시스템을 포함하고, 상기 간격을 통해 공급되는 공기에 글로우 방전이 발생하는 공기청정기를 제공한다.The present invention includes a mesh DBD system comprising a metal electrode formed of a mesh of at least one of the electrodes facing each other, a dielectric layer formed on opposite surfaces of the metal electrode, and a gap between the dielectric layers, It provides an air cleaner in which glow discharge occurs in the air supplied through the air supply.
여기서, 상기 메쉬 DBD 시스템이 다수층 적층되고, 외부로부터 유입되는 공기가 상기 간격을 통과하는 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the mesh DBD system is stacked in multiple layers, and air flowing from the outside passes through the gap.
아울러, 상기 유전층 재료는 유리, 알루미나 혹은 마이카이고, 상기 유전층 재료에 따라 방전특성이 변화할 수도 있다.In addition, the dielectric layer material may be glass, alumina, or mica, and discharge characteristics may vary depending on the dielectric layer material.
또한, 더욱 바람직하게는 상기 메쉬 DBD 시스템의 상기 간격을 통과한 공기는 MnO2촉매를 통과하여 오존 농도를 최소화하는 것이 좋다.Further, more preferably, air passing through the gap of the mesh DBD system passes through a MnO 2 catalyst to minimize ozone concentration.
이하에서, 본 발명을 첨부하는 도면 및 바람직한 실시예에 기초하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 후술하는 설명에 의해 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 오로지 특허청구범위의 기재에 의해서만 제한될 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments of the present invention will be described in more detail. However, the scope of the present invention is not limited by the description below, and the scope of the present invention will be limited only by the description of the claims.
본 발명은 메쉬 유전장벽방전(DBD: dielectric barrier discharge)을 통해 종래 코로나 방전에 비해 월등히 많은 음이온과 자외선을 생성시켜 집진, 탈취, 살균 효과를 증가시키고, 촉매를 통해 미량 발생하는 오존마저 최소화시키는 것을 특징으로 한다.The present invention generates much more negative ions and ultraviolet rays than the conventional corona discharge through mesh dielectric barrier discharge (DBD) to increase the dust collection, deodorization, sterilization effect, and to minimize even a small amount of ozone generated through the catalyst It features.
메쉬 DBD는 고효율 글로우 방전 특성을 가지고 있는데, 메쉬 DBD 방전이 고효율인 이유는 메쉬 전극의 기하학적 구조를 이용하기 때문이다. 메쉬 전극의 기하학적 구조 원리란 전극의 규칙적인 배열하에서 플라즈마를 발생시켰을 때 플라즈마 내의 전자의 농도가 메쉬의 고유 특성으로 인해 균일하게 분포하게 되어 글로우 플라즈마가 쉽게 발생하는 것을 말한다.The mesh DBD has a high efficiency glow discharge characteristic because the mesh DBD discharge is highly efficient because it uses the geometry of the mesh electrode. The geometrical principle of the mesh electrode means that when plasma is generated under a regular arrangement of electrodes, the concentration of electrons in the plasma is uniformly distributed due to the inherent properties of the mesh, so that a glow plasma is easily generated.
이러한 글로우 방전이 코로나 방전보다 활성종 발생량과 자외선 발생량이 훨씬 많다. 그러므로, 오염 성분을 분해하는데 있어서 기존의 코로나 방전보다는 메쉬 DBD 글로우 플라즈마를 이용할 경우 분해 효율이 크게 향상된다. 또한 메쉬를 이용한 DBD 구조의 멀티 글로우 방전은 강한 UV(자외선)를 방출하므로 광촉매와 살균 효과를 동시에 나타낸다.Such glow discharges generate much more active species and generate ultraviolet rays than corona discharges. Therefore, the decomposition efficiency is greatly improved by using mesh DBD glow plasma rather than the conventional corona discharge in decomposing contaminants. In addition, the multi-glow discharge of the DBD structure using the mesh emits strong UV (ultraviolet rays), thereby simultaneously exhibiting a photocatalyst and a sterilization effect.
용량적인 면에서도 메쉬 전극의 크기를 자유롭게 조절할 수 있어 플라즈마의 부피를 안정적으로 크게 할 수 있어서 다량의 공기를 분해 처리하면서도 적은 파워 소모를 기대할 수 있어 고효율 대용량 공기청정 시스템을 구현할 수 있다.In terms of capacities, the size of the mesh electrode can be freely adjusted to stably increase the volume of the plasma, so that a large amount of air can be decomposed and a small power consumption can be expected, thereby achieving a high efficiency large-capacity air cleaning system.
이하의 바람직한 실시예에서 본 발명에 따른 메쉬 DBD의 방전특성과 촉매에 의한 오존농도 감소효과를 기술한다.In the following preferred embodiment describes the discharge characteristics of the mesh DBD according to the present invention and the ozone concentration reduction effect by the catalyst.
다른 방전 시스템과의 방전특성 비교Comparison of discharge characteristics with other discharge systems
메쉬 DBD 전극으로 인해 고효율의 글로우 방전이 가능하며, 그에 따른 UV 생성밀도가 다른 방전 시스템에 비해 얼마나 뛰어난지를 확인하기 위해 OES(Optical Emission Spectroscopy)를 이용하여 살펴보았다.The mesh DBD electrode enables high-efficiency glow discharge, and the optical emission spectroscopy (OES) was used to determine how excellent the UV generation density is compared to other discharge systems.
실험에 사용된 방전 시스템의 개략적인 도면을 도 1a 내지 1c에 나타내었다. 도 1a는 멀티 포인트 코로나 방전시스템을 보여주는데, 양 금속 플레이트 전극(1, 3) 사이에 메탈 팁(2)과 유전체인 유리로 형성된 유전층(4)이 일정 간격을 갖고 형성된다. 도 1b는 한쪽은 메쉬 전극이 반대쪽은 플레이트 전극이 형성된 일실시예에 따른 메쉬 DBD 시스템을 보여주는데, 메쉬 전극(10)과 표면에 유전층(4)이 형성된 플레이트 전극(12)이 일정 간격을 갖고 형성된다. 도 1c는 메쉬 전극에 양쪽 다 형성된 또 다른 실시예에 따른 메쉬 DBD 시스템을 보여주는데, 서로 마주 보는 쪽으로 유전층(4)이 형성된 메쉬 전극(10)이 일정 간격을 갖고 형성된다.A schematic drawing of the discharge system used in the experiment is shown in FIGS. 1A-1C. FIG. 1A shows a multi-point corona discharge system, in which a dielectric layer 4 formed of a metal tip 2 and a glass, a dielectric, is formed between both metal plate electrodes 1, 3 at regular intervals. FIG. 1B shows a mesh DBD system according to an embodiment in which a mesh electrode is formed on one side and a plate electrode is formed on the opposite side, wherein the mesh electrode 10 and the plate electrode 12 having the dielectric layer 4 formed on the surface thereof are formed at regular intervals. do. Figure 1c shows a mesh DBD system according to another embodiment both formed on the mesh electrode, the mesh electrode 10 formed with the dielectric layer 4 facing each other is formed at a predetermined interval.
인가 전압은 DC 펄스 파워로 공급된 11kV였고, 인가 주파수는 500Hz였고, 유전체는 1mm 두께의 유리를 사용하였으며, 전극간 간격은 2mm였다.The applied voltage was 11 kV supplied with DC pulse power, the applied frequency was 500 Hz, the dielectric material was 1 mm thick glass, and the electrode spacing was 2 mm.
OES는 방전 중에 플라즈마 영역 내부에서 생성되는 빛에너지(hv)를 측정함을 통해, 플라즈마 내부에 존재하는 여러가지 활성종들의 종류와 에너지 상태를 보여주는 장치이다. 일반적인 대기중의 방전에서는 대기의 약 80%를 차지하는 N2의 피크가 가장 크게 나타나며, 피크의 위치는 300nm ~ 370nm 사이의 UV 영역에 주로 위치한다.OES is a device that shows the type and energy state of various active species in the plasma by measuring the light energy (hv) generated in the plasma region during discharge. In general atmospheric discharge, the peak of N 2 , which occupies about 80% of the atmosphere, is the largest, and the position of the peak is mainly located in the UV region between 300 nm and 370 nm.
도 2a 내지 2c에 나타난 바와 같이 메쉬 DBD의 UV 상대강도는 최대 2300 정도였으며, 약 320 정도의 값을 갖는 멀티 포인트 코로나와 비교해 볼 때 월등히 높은 UV 생성량을 나타내었다.As shown in Figures 2a to 2c the UV relative strength of the mesh DBD was up to about 2300, showing a significantly higher UV generation amount compared to the multi-point corona having a value of about 320.
유전체 종류에 따른 일반 플레이트 DBD 및 메쉬 DBD의 방전특성 비교Comparison of Discharge Characteristics between Normal Plate DBD and Mesh DBD According to Dielectric Types
DBD의 전극구조 중에서 일반적으로 알려진 금속 전극 플레이트를 사용한 플레이트 DBD 시스템과 본 발명에 따른 메쉬 DBD 시스템의 방전특성을 유전체 종류를 바꿔가면서 상호 비교하였다. 실험에 사용된 유전체는 유리(glass), 알루미나(Al2O3), 마이카(mica)였다.Among the electrode structures of the DBD, the discharge characteristics of a plate DBD system using a generally known metal electrode plate and a mesh DBD system according to the present invention were compared with each other by changing dielectric types. The dielectrics used in the experiment were glass, alumina (Al 2 O 3 ), and mica.
도 3a는 플레이트 DBD 시스템의 개략적인 구조를 보여주는데, 금속 플레이트 전극(12)의 서로 마주보는 면에 유전층(4)이 서로 일정 간격(100)을 갖고 형성된다. 도 3b는 메쉬 DBD 시스템의 개략적인 구조를 보여주는데, 금속 플레이트 전극(12)의 서로 마주보는 면에 메쉬 전극(10)이 형성되고, 그 상면에 유전층(4)이서로 마주보면서 서로 일정 간격(100)을 갖도록 형성된다. 본 실시예에서 상기 간격(100)은 1mm로 하였다.FIG. 3A shows a schematic structure of a plate DBD system, in which dielectric layers 4 are formed at predetermined intervals 100 on opposite sides of metal plate electrodes 12. 3b shows a schematic structure of a mesh DBD system, in which mesh electrodes 10 are formed on opposite surfaces of a metal plate electrode 12, and a dielectric layer 4 is disposed on the upper surface thereof and faces a predetermined distance 100 from each other. It is formed to have). In this embodiment, the interval 100 was set to 1 mm.
유전체로 마이카를 사용한 경우의 실험조건은 DC 펄스 18.5kV에 500Hz였고, 알루미나를 사용한 경우의 실험조건은, DC 펄스 15kV에 500Hz였다. 또한, 유전체로 유리를 사용한 경우의 실험조건은 DC 펄스 17kV에 500Hz였다.The experimental conditions when mica was used as a dielectric were 500 Hz at a DC pulse of 18.5 kV, and the experimental conditions when alumina was used were 500 Hz at a 15 pulse of DC pulses. In addition, the experimental conditions when glass was used as a dielectric material were 500 Hz with a DC pulse of 17 kV.
도 4a 및 4b는 각각 유전체로 마이카를 사용한 경우 비교예인 플레이트 DBD 시스템과 본 발명의 일실시예에 따른 메쉬 DBD 시스템의 OES 데이터를 보여주고, 도 5a 및 5b는 각각 유전체로 알루미나를 사용한 경우 비교예인 플레이트 DBD 시스템과 본 발명의 일실시예에 따른 메쉬 DBD 시스템의 OES 데이터를 보여주며, 도 6a 및 6b는 각각 유전체로 유리를 사용한 경우 비교예인 플레이트 DBD 시스템과 본 발명의 일실시예에 따른 메쉬 DBD 시스템의 OES 데이터를 보여준다.4A and 4B show OES data of a plate DBD system which is a comparative example when the mica is used as a dielectric and a mesh DBD system according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 5A and 5B are comparative examples when alumina is used as the dielectric, respectively. The OES data of the plate DBD system and the mesh DBD system according to an embodiment of the present invention are shown. FIGS. 6A and 6B show a plate DBD system and a mesh DBD according to an embodiment of the present invention, respectively, when glass is used as a dielectric. Shows the system's OES data.
실험결과, 플레이트 DBD에 비해서 메쉬 DBD의 UV 생성량이 더 많은 것을 확인할 수 있었다. 그 이유는, 금속 플레이트 전극을 사용할 경우, 유전 장벽 표면에 인가되는 전기장이 균일하므로 전하(charge)들이 통계적으로 특정 분포 형태를 가지면서 유전체(dielectric)에 불균일하게 쌓이게 된다. 그리고 이는 글로우 방전이 아닌, 스트리머 방전을 유도하여 UV 생성량을 감소시킨다. 하지만 메쉬 DBD의 경우 메쉬 와이어(wire)와 유전체가 일정 간격을 두고 접촉하게 되어 결과적으로 방전구역 내부의 전기장을 규칙적으로 향상시킨다. 따라서 전체적으로 균일한 글로우 방전이 가능하며, 그에 따라 UV 생성량도 증가한다.As a result, it was confirmed that the amount of UV generated in the mesh DBD compared to the plate DBD. The reason for this is that when using a metal plate electrode, the electric field applied to the surface of the dielectric barrier is uniform, so that the charges accumulate nonuniformly in the dielectric while having a statistically specific distribution form. This induces streamer discharges, not glow discharges, to reduce the amount of UV produced. However, in the mesh DBD, the mesh wire and the dielectric come into contact with each other at regular intervals, and as a result, the electric field inside the discharge zone is regularly improved. Therefore, a uniform glow discharge is possible throughout, and the amount of UV generated is increased accordingly.
도 4a 내지 도 6b로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 유전체 물질의 변화에따라서도 UV 생성량이 변화하였다. 그 이유는 유전체 물질의 고유 특성중 하나인 유전상수(dielectric constant) 때문이다. 유전상수는 그 물질이 전하들을 수용할 수 있는 용량을 의미하는데, 유전상수가 큰 물질일수록 방전구역 내부에 존재하는 전하를 더 많이 유전체 내부에 저장하게 되므로 방전 조건을 변화시키게 된다.As can be seen from FIGS. 4A to 6B, the amount of UV generated also changed with the change of the dielectric material. This is because of the dielectric constant, one of the intrinsic properties of dielectric materials. Dielectric constant refers to the capacity of the material to accommodate the charges, the larger the dielectric constant material is to store the more charges in the discharge zone inside the dielectric, which will change the discharge conditions.
촉매 사용에 따른 오존 발생량 비교Comparison of Ozone Generation by Using Catalyst
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 공기청정기의 개략적인 구조를 보여준다. 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 팬(30)에 의해 강제로 흡입된 공기가 메쉬 DBD 구조가 다수층으로 적층 형성된 방전 시스템의 간격(100)을 흐르면서 글로우 방전이 발생한 후, MnO2촉매(20)를 통과한 후 팬(30)을 통해 배출된다. 이 때, 상기 촉매(20)를 통과하면서 오존의 양이 현저히 줄어든다.7 shows a schematic structure of an air cleaner according to an embodiment of the present invention. According to an exemplary embodiment of the present invention, after the forcibly sucked air by the fan 30 flows through the gap 100 of the discharge system in which the mesh DBD structure is formed by stacking a plurality of layers, the glow discharge occurs, and then the MnO 2 catalyst ( After passing through 20, it is discharged through the fan 30. At this time, while passing through the catalyst 20, the amount of ozone is significantly reduced.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 공기청정기의 오존농도 측정 데이터를 보여준다. 오존 측정기를 이용한 오존 농도 측정시, MnO2촉매를 사용한 경우 오존 농도가 사용하지 않았을 때의 오존 농도보다 1/5 정도로 크게 줄어들었음을 확인할 수 있다.8 shows ozone concentration measurement data of an air cleaner according to an embodiment of the present invention. When measuring the ozone concentration using an ozone meter, it can be seen that when the MnO 2 catalyst is used, the ozone concentration is reduced to about 1/5 of the ozone concentration when not used.
본 발명은 메쉬 DBD를 이용하기 때문에, 기존 공기청정기에서 사용되는 멀티 포인트 코로나 방전보다 고효율 대면적 방전이 가능해서 활성종 및 자외선의 생성밀도가 높아서, 오염 성분의 분해효율을 향상시킬 수 있고, 더불어 MnO2촉매를 사용하는 경우, 인체에 유해한 오존의 양을 획기적으로 줄일 수 있다.Since the present invention uses a mesh DBD, a high-efficiency large-area discharge is possible than the multi-point corona discharge used in conventional air cleaners, and the generation density of active species and ultraviolet rays is high, and the decomposition efficiency of pollutants can be improved. The use of MnO 2 catalysts can dramatically reduce the amount of ozone that is harmful to humans.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100747178B1 (en) * | 2006-06-20 | 2007-08-07 | 현대자동차주식회사 | A hybrid air cleaning system for a vehicle |
| CN105312155A (en) * | 2015-10-19 | 2016-02-10 | 常州大学 | Copper-coated dielectric barrier electrode and photocatalyst coupling electrostatic dust collection device |
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2003
- 2003-06-20 KR KR1020030040322A patent/KR20040110847A/en not_active Application Discontinuation
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |