KR20060067940A - 3파장형광등 부착식 광촉매 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광촉매를 이용하여 공기를 정화시키는 3파장형광등 부착식 광촉매(光觸媒:Photocatalyst)필터에 관한 것이다.

실내 또는 실외의 광원에서 방사되는 자외선 파장대를 받아서 밴드갭 이상의 광에너지를 흡수하여 오염물질을 산화시켜 분해하는 광촉매가 코팅된 다수의 코팅면을 갖는 필터로 구성되어 있기 때문에, 일반적인 3파장형광등에 부착하여 공기 중의 가스상 오염물질인 질소산화물, 탄화수소, 일산화탄소, 황산화물, 오존 등과, VOC물질인 포름알데히드, 톨루엔, 크실렌, 벤젠, 라돈 등과 담배연기와 그 냄새, 기타 암모니아 등의 악취를 산화 분해시켜 공기를 정화하고, 집먼지 진드기, 박테리아, 바이러스, 곰팡이, 세균 등 유해생물 세균을 사멸시키는 기능을 수행하며 공기를 정화시키는 3파장형광등 부착식 광촉매필터라고 할 수 있다.

자외선, UV, 공기정화, 새집증후군, VOC

Description

3파장형광등 부착식 광촉매 필터{Photocatalyst Filter Attached Fluorescent Lamp}

도 1은 일반적인 3파장형광등의 사시도

도 2는 본 발명의 광촉매 필터

도 3은 본 발명의 광촉매 필터를 3파장형광등에 부착하는 조립도

도 4는 본 발명의 광촉매 필터를 3파장형광등에 부착한 단면도

1: Air Hole 2: TiO2 Coating Plate 3: Stand

4: Clip 5: Lamp 6: Base 7: Screw

본 발명은 공기 중에 함유된 휘발성 유기물질이나 담배연기 등 각종 오염물질을 광촉매를 이용하여 제거하는 광촉매 정화기 필터에 관한 것이다.

일반적으로, 공기 중에 함유된 휘발성 유기물질이나 담배연기 등 각종 오염물질을 제거하는 공기정화기는 자외선 램프와 광촉매를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성된 공기정화기에서, 자외선램프로부터 광촉매를 향해 자외 선이 조사되면 광촉매는 자외선램프로부터 자외선을 받아 밴드갭 이상에 해당하는 광에너지를 흡수하면, 광촉매 내부의 가전자대에 채워진 전자들이 전도대로 이동하는 전자의 여기 현상이 일어난다.

전자가 여기 되면 가전자대에 남아있는 정공에 휘발성 유기물질이나 담배연기 등과 같은 각종 오염물질이 전자의 도너로서 작용하여 실내공기 중에 함유된 각종 오염물질을 산화시켜 분해함으로써 실내공기를 정화하도록 되어 있다.

음이온은 공기 중의 원자가 전자를 얻어 (-)전자를 띠고 있는 원자요소를 말하는 것으로, 깊은 산속이나 해안 폭포수 아래에서 주로 많이 발생한다. 인공적인 발생은 주로 전기적 장치에 의해 발생 된다. 그 원리는 침 전극(니들 포인트)에 고압의 부(-)고전압을 인가시키면 고 에너지 공정에 의해 침 끝으로부터 음전기를 띤 전자가 전리를 일으킬 수 있을 정도의 에너지를 가지고 고속으로 방출되어 공기 중의 분자와 충돌하여 음이온을 발생시킨다.

일반적으로 음이온은 각종 가스상 오염물질인 질소산화물, 황산화물, 탄화수소, 일·이산화 탄소 등과 VOC물질인 포름알데히드, 톨루엔 등과 담배연기 등을 중화 침전시켜 공기를 정화하고, 세균 박테리아 악취 등을 제거한다. 그리고 각종 유해 전자파의 중화와 신경통, 천식, 불면증 등 각종 만성질환의 예방 및 치료에 도움을 주며, 인체를 활성화하여 피로를 회복시키고 스트레스 해소와 학습의 증진에도 도움을 준다.

이러한 음이온의 효과를 이용하여 공기정화기에 부착 사용하거나, 스탠드식 음이온 공기정화기로도 사용된다. 필터의 청소나, 교체의 번거로움이나, 비용이 들 지않고, 소음이 없고, 콤팩트한 사이즈로 장소의 구애를 받지 않는 장점이 있다. 이러한 음이온 공기정화기들은 대부분 금속 니들포인트 방전극에 고전압을 인가하여 공기를 정화하는 방식(특,공개190-00123)으로 음이온 발생시 부수적으로 발생하는 오존과 질소산화물이 논란으로 되어왔다. 특히 밀폐된 공간에서는 산소의 부족으로 기준치 이하의 오존도 인체에 치명적인 악영향을 끼칠 수 있다는 우려도 있다.

한편, 광촉매란, 산화 금속 반도체에 자외선을 조사하여, 오염물질의 분해와 악취 등을 제거하는 것으로, 광촉매의 대표적인 것으로 TiO2(Titanium dioxide)가 널리 사용되고 있다. 태양광이나 형광등에서 조사되는 300~400nm 대역의 파장을 갖는 자외선을 TiO2가 코팅된 물체의 표면에 조사하면, 전자들이 전도대에 전이되어 전자와 정공이 형성된다. 이러한 전자와 정공은 매우 강한 산화력과 환원력이 있으므로 공기 중의 수증기(H2O)나 산소(O2) 등과 반응하여 강한 OH라디칼, H라디칼(radical), 등을 발생시켜 모든 유기물이나, 오염물질을 산화, 분해하는 기능으로, 공기 중의 가스상 오염물질인 질소산화물, 탄화수소, 일산화탄소, 황산화물, 오존 등과, VOC물질인 포름알데히드, 톨루엔, 크실렌, 벤젠, 라돈 등과 담배연기와 그 냄새, 기타 암모니아 등의 악취를 산화 분해시켜 공기를 정화하고, 집먼지 진드기, 박테리아, 바이러스, 곰팡이, 세균 등 유해생물 세균을 사멸시키는 탁월한 효과가 있으며, 조명등의 자외선을 차단하여 시력을 보호하면서도 햇볕을 쬐는 효과와 같은, 생물의 생육촉진 효과도 있다.

그런데 이와 같은 종래 광촉매를 이용한 공기정화기 시스템에 있어서는, 광촉매를 여기 시키기 위한 여기 광원으로 자외선 영역의 저항열전자방출식(예를 들면, 전구), 플라즈마식(예를 들면, 형광등)을 이용하므로 고에너지(30~40V이상)가 필요하며, 고에너지 전원이 있는 곳에서만 작동이 가능하다는 문제점이 있었다.

또한, 분광 스펙트럼에서 불필요한 에너지 대역의 발광 에너지 소모로 에너지 효율이 떨어지고, 광원의 부피 및 내구성에 한계가 있어 시스템 구성시 규모 및 설치에 한계가 있다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 자외선 영역(U.V)의 파장대를 포함한 실내 또는 실외의 광선이 광촉매 필터에 직접 조사되어 광촉매효과를 구동시킬 수 있는 3파장형광등 부착식 광촉매 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 실내,외의 광원에 포함되어 있는 자외선을 이용하여 오염된 공기를 정화할 수 있는 기기에 관한 것으로서 상기에 전술하였듯이 본원 발명의 핵심 구성체인 광촉매 필터에 대하여 좀더 자세히 기술하면 다음과 같다.

UVA(Ultra Violet Alpha)는 인체에 무해하며 TiO2는 UV의 차단제로 본 발명에서의 UV 조사범위에는 광촉매 커버가 대부분 위치되므로, UVA에 대한 피해 염려는 조금도 할 필요가 없다. 상기 충분한 광촉매의 지지대와 충분한 광원의 확보로 종래 기술보다 월등히 향상된 광촉매 효과를 볼 수 있다 하겠다.

광촉매제는 TiO2로서 UV에 반응하여 산화 환원력을 발휘하는데, 가시광선에 반응하는 첨가제를 넣어 광촉매 작용을 할 수 있게 개발되어 있다.

이하 첨부된 도면을 이용하여 보다 자세히 설명해 보기로 하자면, 도 1은 일반적인 3파장형광등의 모습을 보여주는 사시도이다. 일반 형광등에 비해 3파장형광등은 기존의 백열등과 같은 사이즈이기 때문에 최근 급격히 활용도가 높은 램프가 되었다.

도 2는 도 1의 3파장형광등의 상단에 부착하는 본원 발명의 광촉매 필터의 사시도인데, 도 2의 도형과 같은 형태로 제작하여 표면에 광촉매를 코팅하는 장식으로 되어 있다. 즉, 광촉매가 코팅된 다수개의 코팅 플레이트(2: TiO2 Coating Plate)는 그림에서와 같이 다수개의 공기통과 구멍(1: Air Hole)을 갖고 있기 때문에 2차원적인 표면적이 아니고 그보다 훨씬 많은 면적의 광촉매 코팅면을 형성할 수 있는 잇점이 있으므로 이를 특징으로 한다.

도 3은 도 2의 그림의 조립순서로 조립되는 본원 발명의 광촉매 필터가 부착된 3파장형광등의 전체 모습을 보여주는 조립도이며 도 4는 그 단면도라고 할 수 있다.

광촉매의 원리는 가전자대 E, 전도대 D, 밴드갭 G를 가지며, 밴드갭 G는 광촉매의 고유 값으로 이산화티탄(TiO2 )의 경우 약 3eV로, 파장으로 환산하면 400nm이다. 상기 이산화티탄(TiO2 ) 광촉매에 광에너지가 조사되면 광촉매 내부에 전자 e-, 정공 h+ 쌍이 생성되어 표면으로 취출되고, 흡착물질과 반응시키면 A는 A- 로 환원되고 알칼리 R은 R+ 로 산화되어 광촉매 반응이 일어난다.

한편, 상기 광촉매는 이산화티탄(TiO2)으로 제한되는 것은 아니며, 산화텅스텐(WO3) 또는 산화아연과 같은 금속산화물의 단일 또는 복합물이나, 무광촉매, 산소촉매, 은나노졸 등의 공기정화 기능이 있는 원료를 본원 발명에 사용할 수 있으며 이를 특징으로 한다.

전도대 D로 이동하는 전자의 여기 현상으로 전자 e- 가 빠져나간 곳에 정공 h+ 가 생기게 되는데, 이러한 상태가 광촉매의 여기 상태이다.

이때, 여기 전자 e- 가 갖는 환원력보다 정공 h+ 가 갖는 산화력이 훨씬 크므로, 전자 e- 가 여기 되면 가전자대 E에 남아있는 정공 h+ 에 실내공기 중에 함유된 휘발성 유기물질이나 담배연기 등과 같은 각종 오염물질이 전자의 도너로서 작용하여 각종 오염물질을 산화시켜 분해함으로써 광촉매의 표면으로부터 아래와 같은 화학반응이 발생하여 실내공기가 정화되는 것이다.

VOC(휘발성 유기화합물) → CO2+ H2O + Mineral acid(무기산)

따라서, 350~400nm의 광에너지를 광촉매(60)에 조사하면 공기 속의 유기물은 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)로 산화되어 냄새는 제거된다.

광촉매 탈취 반응은 상온에서 가능하며 산소의 환원에 의해 생성된 O2 는 과산화수소를 거쳐 보다 산화력이 강한 수산 래디컬 OH로 되기도 하고 혹은 물과 산소로 된다.

한편, 실내공기 중에 함유된 휘발성 유기물질이나 담배연기 등과 같은 각종 오염물질을 제거하는 공기정화를 예로 들어 본 발명을 설명하였으나, 광촉매의 기 능은 이에 한정되지 않고 유해물질을 포함한 각종 폐수 즉, 상·하수도, 산업폐수 처리, 한국형 냉장고에서 김치 등의 냄새 제거 등에 이용하기도 한다.

본 발명에서는 광촉매 필터의 외주에 가시광선이나 자외선에 반응하는 나노 TiO2가 코팅된 10~40 매쉬 크기의 여러 가지 모양의 그라스비드를 커버 외주에 투명 바인더로 부착시키거나, 혹은 커버 표면에 산화규소의 박막을 배양한 성막(成幕) 기술을 이용, 나노 TiO2 졸이나, 겔을 코팅한 커버를 사용한다. 그라스비드 는 그 모양이나 크기를 광촉매 효율이 가장 높게 선택하여 사용할 수 있다.

이와 같은 그라스비드나 성막 기술로 된 커버는 일반커버 표면에 코팅하는 것보다 몇 배 많은 TiO2가 코팅된 것과 같은, 높은 집적도로 효과 또한 일반 커버보다 4~5배 크다. 그리고 필터의 내, 외주에 코팅하는 이유는 광 촉매제가 광원을 조사받아 촉매작용을 할 때는 반드시 공기와의 접촉이 필요하기 때문이다.

상기 필터 부분은 고강도 플라스틱을 채택하여, 플라스틱용 나노 TiO2가 코팅된 그라스비드를 투명 바인더로 부착하여 사용할 수 있을 것이며, 또한 상기 스탠드(3:Stand)와 클립(4:Clip)의 내, 외부에 나노 TiO2를 코팅하여, 광촉매 코팅면을 지지대에까지 확장하여 효능을 최대화함과 동시에, 음이온 방전 시 하전 되는 오염물질이 부착되지 않게 하여, 상기 부품들의 오염을 방지한다. TiO2는 방오(防汚) 기능이 뛰어난 물질이며, 초 친수성으로 욕실 등에 광촉매 코팅 램프를 사용할 때 램프에 김이 서리지 않는 장점이 있다.

상기의 내용을 다시 종합해서 설명하자면, 조명수단을 갖춘 3파장형광등에 있어서, 상기 전등의 일 측에 적어도 하나의 광촉매 필터를 부착식으로 고정하며; 상기 광촉매 필터를 3파장형광등에 부착시키기 위하여 광촉매 필터의 일 측에 적어도 하나의 스탠드(3-Stand)와, 램프(5-Lamp)에 고정시키는 적어도 하나의 클립(4-Clip)을 가지며; 상기 광촉매 필터는 적어도 하나의 광촉매 코팅 플레이트(2-TiO2 Coating Plate)로 구성되며; 상기 광촉매 코팅 플레이트에는 적어도 하나의 공기 구멍(1-Air Hole)으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 광촉매 필터의 내,외주면에 광촉매(TiO2), 무광촉매, 산소촉매, 은나노졸 중에서 적어도 하나를 사용하여 코팅을 하는 것을 특징으로 하는 3파장형광등 부착식 광촉매 필터인 것이 바람직하다. 또한 현재 이산화티탄을 이용한 광촉매가 반응하는 자외선의 파장대에 의존하지 않고, 가시광선 파장대에서도 반응할 수 있는 신물질의 촉매연구가 활발하게 이루어지고 있기 때문에, 그러한 촉매를 적용하는 필터에도 본 발명의 범주가 적용되는 것을 당업자라면 당연히 알 수 있다.

또한 상기 광촉매 필터 내,외주면의 일 측에 전원이 인가되는 구조의 자외선 엘이디(UV LED)를 부착하여 3파장형광등이나 자연광에서 부족한 자외선을 보충하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다. 이는 외부에서 전원을 인가받아 작동하는 자외선 엘이디(UV LED)를 상기 광촉매 필터의 일 측에 고정시켜 발광을 하게 해주면 광촉매의 공기정화가 극대화 될 수 있기 때문에 이를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 광촉매 기능은 음이온의 방출에 의해 침전되는 오염물질을 산화 분해시켜 공기정화에 시너지 효과를 발휘함은 물론, 음이온이 양이온인 오염물질을 중화 침전하는 량을 감소시켜 빠르고 많은 음이온 생성과 음이온의 공기 잔존율을 높이는 작용을 한다.

본 발명은 구조가 간단하며 청소나 유지 관리비가 필요 없고, 가격이 저렴하며 경제적으로 공기를 정화하며, 숲 속과 같은 풍부한 자연의 환경과 살균효과를 볼 수 있다.

상기와 같은 구성으로 3파장형광등에 전원이 인가되면, 점등과 동시에 광촉매 필터에 자외선이 조사되어 공기정화의 역할을 수행할 수가 있는 것이다.

상기의 설명에서와 같이 본 발명에 의한 3파장형광등 부착식 광촉매 필터에 의하면, 3파장형광등에서 나오는 자외선 영역(U.V)의 광원과 광촉매 코팅 필터를 이용하여 각종 유해 물질과 오염된 공기를 정화시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 조명수단을 갖춘 3파장형광등에 있어서,

   상기 3파장형광등의 일 측에 적어도 하나의 광촉매 필터를 부착식으로 고정하며;

   상기 광촉매 필터를 3파장형광등에 부착시키기 위하여, 광촉매 필터의 일 측에 적어도 하나의 스탠드(3-Stand)와, 램프(5-Lamp)에 고정시키는 적어도 하나의 클립(4-Clip)을 가지며;

   상기 광촉매 필터는 적어도 하나의 광촉매 코팅 플레이트(2-TiO2 Coating Plate)로 구성되며;

   상기 광촉매 코팅 플레이트에는 적어도 하나의 공기 구멍(1-Air Hole)이 형성되는 것을 특징으로 하는 3파장형광등 부착식 광촉매 필터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 광촉매 필터의 내,외주면에 광촉매(TiO2), 무광촉매, 산소촉매, 은나노졸 중에서 적어도 하나를 사용하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 3파장형광등 부착식 광촉매 필터.
3. 제 1항 또는 제 2항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 광촉매 필터 내,외주면의 일 측에 전원이 인가되는 구조의 자외선 엘이디(UV LED)를 부착하여;

   3파장형광등이나 자연광에서 부족한 자외선을 상기 자외선 엘이디(UV LED)에서 보충하는 것을 특징으로 하는 3파장형광등 부착식 광촉매 필터.

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