KR20090028708A - 소형 오존 발생기 및 물의 정화를 위한 이의 용도 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물의 정화를 위한 소형 오존 발생기에 관한 것이다. 상기 장치는 오존 발생 회로가 프린트된 인쇄 회로 기판을 포함하며, 이는 양극 및 음극이 교대로 프린트되고 서로에게 그리고 전력 공급 장치에 병렬적으로 연결되어 있다. 상기 전극은 거친 표면을 가지고 그에 따라 시용 시 오존 발생기가 정화될 물을 함유하는 용기에 투입되는 경우, 상기 전극은 그 거친 표면 때문에 음극에서 발생된 수소 기포를 큰 수소 기포로 융합하고, 따라서 양극에서 오존의 높은 생산을 가져온다. 수소는 음극을 만드는데 사용된 전도성 물질에 의한 흡수되어 추가로 제거될 수 있으며, 이는 재사용될 수 있다. 본 발명은 또한 상기 소형 오존 발생기를 물 등의 정화에 사용하기 위한 용도 및 그 방법에 관한 것이다.
오존 발생기, 수소, 휴대용, 소형, 물, 정화, 음용
Description
본 발명은 수중의 원위치에서(in-situ) 오존을 발생시켜 물에 존재하는 다양한 오염물질, 특히 유기 오염물질, 나아가 박테리아 및 바이러스를 제거하여 음용이 가능하도록 하기 위한 소형 장치에 관한 것이다.
본 발명은 물의 정화에만 제한되는 것은 아니며, 과일주스, 우유 또는 유제품의 액체, 차, 커피 등과 같이 물을 함유하는 어떠한 종류의 액체 용액을 포함할 수 있다.
즉, 본 발명은 인쇄회로기판(PCB)상에 프린트된(printed) 소형 물 정화 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 PCB에 구비된 전력공급장치(power supply) 또는 휴대하기 쉬운 배터리, 태양 전지판, 변압기(electric transformer) 등과 같은 외부의 전력에 의해 생산되는 낮은 전류로 작동할 수 있다.
소형 오존 발생기의 크기는 스탬프(stamp)와 같이 작을 수 있고 유리컵 또는 병에 담겨있는 물의 정화를 위해 이에 직접 투입하는 경우 에너지적으로 자급자족(self-sufficient)이 가능하다.
본 발명은 또한 컵 또는 병의 물에 직접 소형 물 정화기를 사용하는 용도 및 이를 위한 방법에 관한 것이다.
물의 정화를 수행하기 위해 염소 및 다른 화학물질과 같은 살생물제(biocide)를 사용하지 않고 오존(O3)을 살균제(disinfectant)로 사용하는 것이 당해 기술 분야에 잘 알려져 있다. 오존은 일반적으로 매질(물) 외부에서 제조되어 그 후 접촉 컬럼에서 인젝터 또는 버블링에 의해 수중으로 주입된다. 이렇게 상기 방법은 몇몇 장치의 사용과 연관되어 있기 때문에 부피가 크고 고비용이다.
전기분해에 의한 오존(O3)의 생산은 19세기 이후 잘 알려져 있다. 그 예로서, 미국특허 번호 5,250,177 및 5,154,895는 전기분해에 의해 오존을 발생하는 장치를 개시한다. 이렇게 발생된 오존은 그 후 물의 정화에 사용된다. 미국특허번호 4,728,441은 오존이 전기분해에 의해 발생한 산소로부터 제조되는 장치를 개시한다. 그러나 이렇게 발생된 오존은 회수되어 상기 장치의 외부에서 사용된다. 미국특허 번호 4,416,747; 5,205,994; 5,686,051; 5,203,972 및 5,779,865는 고체 전해질을 이용하여 오존을 생산하는 장치를 개시한다. 미국특허 번호 3,623,970은 물의 전기분해 및 산소를 오존으로 변환함에 의해 오존 스트림을 생산하는 장치를 개시한다.
또한 미국특허 번호 4,189,363(BEITZEL) 및 4,992,169(IZUMIYA)에 기재된 바와 같이 당해 기술 분야에는 오존이 UV광을 통해 생산될 수 있는 것이 알려져 있 다.
나아가 미국특허 번호 5,266,215(ENGELHARD)에 기재된 바와 같이 오존이 정화될 물과 혼합되는 경우 UV광을 이용하여 미생물을 파괴하는 장치의 성능이 향상될 수 있음이 당해 기술 분야에 알려져 있다.
미국특허 번호 5,151,252(MASS)에는, 광반응체(photoreactant) 성분으로 유체 오염물질을 처리하기 위한 광화학적 반응기가 개시되어 있다. 상기 특허는 처리 영역 내 반응기의 벽을 촉매로 코팅하여 상기 최초의 광화학 반응에 의해 생산된 반응 생성물과 함께 일어나는 2차 반응의 속도를 증가시킬 수 있음을 개시한다.
막을 갖는 염다리가 음극(cathode)에서 발생한 산소로부터 양극(anode) 주변에서 발생한 오존, 산소 및 혼합 옥시던트(oxidants)를 분리하기 위해 사용되었다. 플래티늄(Pt) 와이어가 상기 음극 및 양극으로 사용되었다. 상기 막 분리의 아이디어는 또한 본 발명자에 의해 미국특허 번호 6,180,014(SALAMA)에 개시되고 개선되었으며, 여기서는 충분한 오존 발생을 얻기 위해 하기에 기재되는 본 발명의 장치에 비하여 상대적으로 높은 전압이 사용되었다.
물 정화 시스템은 일반적으로 큰 장치이며, 운반 및 이동이 쉽지 않다. 따라서 물 정화 시스템의 분야에서 낮은 전압의 공급으로도 동일한 정화 성능을 유지하면서 작동하는 휴대용, 소형 그리고 재사용 가능하며, 몇초 내에 컵 또는 병의 물을 정화하는데 이용할 수 있는 물 정화 시스템을 제공하는 것은 중요한 진보이다.
본 발명의 목적은 전기분해 하는 동안 발생된 수소 기포의 크기가 오존의 최종 양에 큰 영향을 미치는 것을 발견함에 기초한다. 기포의 크기가 클수록 오존의 양이 많아지며, 물의 정화가 향상되고 빨라진다.
따라서 본 발명의 한 측면은 제 1면 및 제 2면을 갖는 인쇄회로기판(PCB), 및 PCB의 제 1면에 프린트된(printed) 오존 발생 회로(ozone producing circuit, OPC)를 포함하는 물 정화용 오존 발생기를 제공하는 것이다. 상기 OPC는 PCB 상에 교대로 프린트되고 서로에 대해 그리고 전력 공급 장치에 대해 병렬로 연결된 복수의 양극 및 음극을 포함한다. 상기 OPC의 양극 및 음극은 거친 표면을 가지며, 이에 따라, 정화될 물이 담겨진 용기에 상기 오존 발생기를 투입하는 경우, 사용 시 상기 음극이 수소 기포를 생산하고 양극이 오존 및 혼합 옥시던트를 생산하는데, 이 때 거친 표면에 기인하여 상기 음극에서 수소 기포가 보다 큰 수소 기포로 융합되도록 유도되고, 따라서 높은 오존 농도를 유도한다.
당해 기술분야에 잘 알려진 바와 같이, 물의 전기분해는 양극(anode)(음전극(negative pole))에서의 수소 기체(H2), 및 음극(cathod)(양전극(positive pole))에서의 옥시던트 발생을 유발한다. 상기 옥시던트는 오존 기체(O3) 및 산소 기체(O2), 과산화물, 수산기(Hydroxyl Radical) 등을 포함하는 혼합 옥시던트를 포함한다. H2와 O3 사이의 접촉은 수중에서 O3의 생산을 향상시켜 물의 정화를 향상시키기 위해 제한되어야 한다.
따라서, 동일한 전류에서 매끄러운 표면과 비교할 때 양극의 거친 표면이 많은 양의 오존 생산을 가능하게 하는 것이 발견되었다.
실제로, 거친 표면이 물과의 접촉에 있어서 높은 성능의 표면을 가지며 매끄러운 표면에 의해 일반적으로 발생하는 작은 수소 기포를 융합하여 보다 큰 수소 기포의 생산을 가능하게 하고, 따라서 수소 기포와 음극에서 발생된 오존과 같은 옥시던트 사이의 반응성 표면을 크게 감소시킨다.
결과적으로 전극 사이에서 발생하는 오존과 수소의 원하지 않는 기생 반응이 상당히 감소되며, 낮은 전류의 사용에 의한 오존의 높은 생산 및 매우 효율적인 물의 정화를 유도한다.
본 발명에 따른 오존 발생기의 양극 및 음극은 하기의 물질로 만들어지거나 도금되는 것이 바람직하다:
- 활성화 또는 불-활성화(non-activated) 탄소 섬유 또는 나노튜브,
- 원소 주기율표의 3열(column) 내지 13열(IB 내지 VIIIB 및 IIIB으로도 지칭됨)로부터 선택된 금속 또는 이러한 금속의 합금.
보다 바람직하게, 하기와 같이 상기 음극은 수소를 흡수할 수 있는 금속 또는 코팅으로 만들어지거나 도금된다:
- 원소 주기율표의 서브그룹 IIIB, IVB, VB, VIIB 또는 VIIIB, 더욱 바람직하게는 팔라듐, 팔라듐 합금, 마그네슘 합금, 및 티타늄 합금으로부터 선택되는 금속 또는 합금이나, 이에 제한되는 것은 아니며;
- 특수한(special) 활성화 탄소, 또는
- 당해 기술분야에 알려진 전기적으로 전도성이거나 H2를 흡수하는 다른 물질.
본 발명에 따른 오존 발생기의 크기 및/또는 개수는 정화될 물의 양 및 질에 따라 선택되는 것이다.
상기 오존 발생기는 주로 전극의 전기적 동력 공급 방식의 차이에 기초하여 상이한 배치를 가질 수 있다.
I) 보다 바람직하게, 본 발명의 일 견지에 따르면 상기 전력 공급 장치는 인쇄회로기판에 구비되어 있다. 이러한 경우, 상기 전력 공급 장치는 인쇄회로기판(PCB)의 제1 표면에 프린트되고 서로 직렬로 연결된 복수의 갈바니전지(galvanic cell)를 포함할 수 있다.
상기 갈바니전지는 갈바니전지 제조 기술 분야에 잘 알려진 어떠한 종류의 금속 조합으로 만들어질 수 있다. 바람직하게, 상기 금속 조합은 Pt/Al, Pt/Ti, Pt/Mn 및 Pt/Mg로부터 선택된다.
한편, 상기 전력 공급 장치는 상기 인쇄회로기판의 표면에 고정된 적어도 하나의 배터리 및/또는 적어도 하나의 실리콘 태양 전지판일 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 견지는 오존 발생기를 정화될 물이 든 컵, 병 등과 같은 용기에 투입하여 직접적인 사용을 가능하게 한다.
따라서, 상기 선택된 용기에 담긴 물을 정화하는 방법은 하기의 단계를 포함한다:
a) 상술한 본 발명의 일 견지에 따라 정의된 오존 발생기를 정화될 물이 담긴 용기에 투입하는 단계, 및
b) 오존 발생기가 오존을 발생하여 물을 정화할 수 있도록 적절한 기간 동안 기다리는 단계.
물을 정화하기 위해 요구되는 적절한 기간을 단축시키기 위해 상기 용기를 약하게 교반하는 임의의 단계가 상술한 방법에 추가될 수 있다.
"적절한 기간(adequate period of time)"은 상기 장치의 전력 그리고 효과적이고 안전하게 처리될 물의 양과 질에 의존하는 기간인 것으로 이해되어야 한다.
II) 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 상기 전력 공급 장치는 인쇄회로기판의 외부에 존재하며 전선에 의해 오존발생회로에 연결된다.
상기 본 발명의 제 2견지에 의하면, 전력 공급 장치는 다른 인쇄회로기판에 프린트되고 서로 직렬로 연결된 상기 I)에 정의된 바와 같은 복수의 갈바니전지를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 전력공급 장치는 전선을 통해 오존 생산 회로에 연결된다. 사용 시, 상기 전력공급장치는 전해질 용액이 담긴 다른 용기에 이를 투입함으로써 켜진다.
상술한 바와 같이 상기 전해질 용액은 물 또는 물과 염화나트륨 같은 하나 이상의 염의 혼합물이다.
따라서, 선택된 용기에 담긴 물을 정화하는 방법은 하기의 단계를 포함한다:
a) 정화될 물에 상기에서 정의된 오존 발생기를 투입하는 단계;
b) 상기 오존 발생기의 전력 공급장치를 전해질 용액이 담긴 다른 용기에 투입하는 단계; 및
c) 오존 발생기가 오존을 발생시키고 물을 정화하기에 적절한 기간 동안 기다리는 단계.
본 발명의 제2견지에 따르면, 상기 외부 전력공급 장치는 또한 재충전이 가능하거나 혹은 가능하지 않은 하나 또는 복수의 배터리일 수 있다.
상기 전력공급 장치는 나아가 태양전지판, 풍차 등과 같은 공공의 전기 시스템 또는 개인의 전기 시스템에 의해 지원되는 변압기(transformer)일 수 있다. 이러한 배열은 상기 장치가 공공의 전기를 이용할 수 없는 지역에서 사용되는 경우에 특히 유용하다.
모든 경우에서, 상기 전력 공급은장치는 전선을 통해 오존 발생 회로와 연결된다. 사용에 있어서, 상기 전력 공급장치는 전류를 생산하고 오존 발생기가 오존을 생산하도록 하기 위해 켜진다.
상기 본 발명의 제2견지에 따르면, 물의 정화 방법은 하기의 단계를 포함한다:
a) 본 발명의 제2견지에 따른 오존 발생기를 정화될 물에 투입하는 단계;
b) 상기 오존 발생기의 전력 공급 장치의 전원을 켜는 단계; 및
c) 오존 발생기가 오존을 생산하고 물을 정화하기에 적절한 기간을 기다리는 단계.
여기서 다시 상기 용기를 약하게 교반하는 임의의 단계가 상술한 방법에 추가되어 물의 정화에 필요한 적절한 기간을 단축시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현에 따르면, 상기 오존 발생기는 또한 PCB의 제1면 및 오존 생산 회로 하부에, 전력 공급장치에 연결된 박막 발열체(heating element)를 포함할 수 있다.
임의로 상기 오존 발생기는 또한 PCB의 제2면에 전력 공급장치에 연결된 다른 박막 발열체를 포함할 수 있다. 사용에 있어서, 상기 박막 발열체는 열을 생산한다. 이러한 열의 생산은 음극의 재생을 유도한다.
본 발명의 다른 바람직한 구현에 따르면, 상기 오존 발생기는 인쇄회로기판(PCB)의 제2면에 프린트된 제 2 오존 발생 회로를 더욱 포함할 수 있다. 상기 제2 오존 발생 회로는 상기에서 정의된 PCB의 제1면에 프린트된 오존 발생회로와 동일할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 구현에 따르면, 상기 오존 발생기는 인쇄회로기판에 고정되고 또한 상기 전력 공급장치에 연결된 복수의 광 또는 발광다이오드(LEDs)를 더욱 포함하여 물의 정화에 있어서 오존에 도움을 줄 수 있다.
빛의 생산은 오존에 의한 물의 정화를 촉진하고 O2 및 수산기(hydroxyl radicals) 또는 과산화물과 같으나 이에 제한되지 않는 혼합 옥시던트로부터 O3의 형성을 향상시키는 것으로 잘 알려져 있다. 물의 정화를 효과적으로 향상시키기 위해 상기 광 또는 LEDs는 약 1 nm(원자외선 광) 내지 600nm(녹색 광)의 파장을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 상술한 복수의 오존 발생기를 포함하는 물 정화용 휴대용 오존 발생기에 관한 것이다. 상기 소형 장치는 피라미드, 입방체와 같이 기하학적으로 배열될 수 있다. 기하학적 구조의 각 면은 본 발명에 따른 소형 오존발생기를 포함한다.
본 발명은 또한 물을 음용가능하도록 정화하기 위한 상기 정의된 오존 발생기의 용도에 관한 것이다.
본 발명에 따른 상기 오존 발생기는 용이하게 이동할 수 있고 정화될 물이 담긴 컵, 물동이 또는 병에 투입될 수 있도록 충분히 작은 이점을 가진다. 상기 오존 발생기는 물이 용기에 채워질 때마다 물을 정화하기 위해 상기 용기에 알맞게 개조되거나 영구적으로 고정될 수 있다.
따라서, 본 발명은 또한 상기 정의된 장치를 정화될 물이 담긴 용기에서 사용하는 용도에 관한 것이다. 바람직하게 상기 용기는 물병이다. 보다 바람직하게, 상기 물병은 음용 꼭지(drinking nipple)를 포함하는 목을 가지고, 임의로 필터를 가질 수 있다. 상기 필터는 활성화된 입자상 탄소, 탄소 블럭, 막 필터 또는 수지로 제조된 것일 수 있다.
바람직하게는, 상술한 물병은 내부 체적을 가지고 이러한 내부 제적을 정화될 물을 함유하는 상부(top) 체적과 전해질 용액을 함유하는 하부(bottom) 체적으로 분리하기 위한 벽을 포함할 수 있다. 상기에서 정의된 오존 발생기는 분리벽을 관통하여 삽입될 수 있다. 실제로 이러한 분리 벽은 오존 발생기에 맞는 크기의 구멍을 포함할 수 있다. 설치되면, 상기 오존 발생기의 오존 발생 회로는 병의 상부 체적에 위치하고 전력 공급 장치는 하부 체적에 위치한다.
여기서 다시 상기 전해질 용액은 물 또는 물과 염화나트륨 같은 염의 혼합물을 포함한다.
보다 바람직하게 상술한 분리 벽은 물은 통과할 수 있고 염은 하부 체적 내에 유지할 수 있도록 하는 막일 수 있다.
임의로, 상술한 병은 내부 체적과 하부(bottom)를 포함할 수 있으며, 상기 병은 그 하부에 고정되고 정화될 물을 함유하는 병의 상기 내부 체적으로부터 밀폐되어 분리된 구획을 포함한다. 밀폐에 의해 상기 구획은 오존 발생기의 오존 발생 회로와 분리 벽을 관통하여 연결된 적어도 하나의 배터리와 같은 전기적 동력 공급기를 포함할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참고하여 하기의 바람직한 실시예에 의해 더욱 잘 이해될 수 있을 것이나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1A는 물컵에 투입된 본 발명에 의한 바람직한 구현에 따른 소형 오존 발생기를 도시한 것이다.
도 1B는 본 발명의 바람직한 구현에 따른 갈바니 전지 내부 전력 공급 장치를 갖는 소형 오존 발생기를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 바람직한 구현에 따른 외부의 갈바니 전지 전력 공급 장치를 갖는 소형 오존 발생기를 도시한 것이다.
도 3은 꼭지 내에 필터를 갖는 병에 투입된 도 1B에서 도시된 바와 같은 소형 오존 발생기를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 바람직한 구현에 따른 내부 전력 공급 장치가 장착된 오존 발생기가 필터 및 전해질을 포함하는 구획을 갖는 물병에 투입된 것을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 구현에 따른 외부 전력 공급장치를 갖는 소형 오존 발생기가 필터 및 병에 부착된 전력 공급장치를 갖는 물병에 투입된 것을 도시한 것이다.
도 1A에 도시된 바와 같이 물의 정화를 위한 상기 오존 발생기(1)는 물(5)이 담긴 컵(3)과 같은 용기에 투입되기에 충분히 작다. 본 발명의 바람직한 구현에 따른 상기 소형 오존 발생기는 도 1B에 보다 상세하게 나타나 있으며, 여기서 물(5) 의 정화를 위한 상기 오존 발생기(1)는 인쇄회로기판(7)(이하에서 'PCB'라 함)을 포함하는 것을 확인할 수 있다.
상기 PCB(7)은 세라믹, 폴리머(폴리카보네이트 등과 같은), 유리, 아노다이징된(anodized) 알루미늄, 또는 인쇄 회로 기판의 기술 분야에 알려진 어떠한 다른 재질로 제조된 것일 수 있다.
상기 PCB(7) 상에, 오존 발생 회로(9)(이하 'OPC'라 함)가 프린트되어 있다. 상기 OPC는 복수의 양극(11) 및 음극(13)으로 구성되어 PCB(7) 상에 프린트되어 있고 전력 공급 장치(15)에 서로 병렬로 연결되어 있다.
도 1B에 도시된 바람직한 구현에 따르면, 상기 전력 공급 장치(15)는 동일한 PCB(7) 그리고 OPC(9) 상에 프린트되고 OPC와 서로에 대해 직렬로 연결된 복수의 갈바니 전지(17)로 구성되어 있다. 상기 오존 발생기(1) 그에 따라 갈바니전지(17)가 함께 물(5)에 투입되는 경우, 상기 갈바니전지(17)는 전류를 생산하고, 이의 전압은 OPC(9)가 오존을 생산하고 물을 정화하기에 충분하다. 이 경우, 상기 처리될 물은 전해질 용액으로 작용한다.
도 2는 본 발명의 다른 바람직한 구현에 따른 물 정화용 오존 발생기(1)를 나타내며, 이는 전력 공급 장치가 제 1 PCB(7)에 독립적인 다른 PCB(21)에 프린트된 외부의 전력 공급 장치(19)인 점을 제외하고는 도 1B에 도시된 장치와 매우 유사하다. 상기 외부 전력 공급 장치(19)는 따라서 전선(23)을 통해 OPC(9)에 연결되어 있다. 사용시, 상기 외부 전력 공급 장치(19)는 물 또는 전해질 용액, 바람직하게는 전해질 용액(도 2에 도시되지 않음)이 담긴 다른 용기에 투입된다.
도 1B 또는 2에 도시된 바와 같은 갈바니 전지(17)의 선 두께는 어떠한 범위일 수 있으나 바람직하게는 1.27μm(50 마이크로인치) 내지 1.27mm(50 밀리인치)이다. 상기 전지들은 충분한 전지들이 직렬로 연결되어 OPC(9) 상에서 요구되는 기전력(EMF)을 제공할 수 있다면 금속의 어떠한 조합으로 제조될 수 있다. 상기 금속 조합은 Pt/Al, Pt/Ti, Rt/Mn, Pt/Mg 또는 갈바니 전지의 기술 분야에 알려진 어떠한 종류의 금속 조합을 포함한다. "Modern Electroplating"(3판, THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY INC., Princeton, NJ 편집, Wiley Interscience, 1974 발행)의 776쪽 표2에 기술된 바와 같은 다른 가능한 금속 조합이 사용될 수 있다.
잘 알려진 바와 같이 OPC(9)의 전기분해 과정은 또한 음극(13)에서 수소 분자(H2)를 발생시킨다. H2가 양극(11)에서 발생된 오존(O3)과 쉽게 반응하여 물(H2O)을 만드는 것은 잘 알려져 있다. 오존의 생산에 있어서 H2의 영향을 감소시키기 위해, OPC(9)의 양극(11) 및 음극(13)의 표면은 거칠게 제조되었다. 상술한 바와 같이 표면의 거칠기는 미세한 수소 기포가 융합하여 큰 수소 기포를 형성하도록 유도한다. 이렇게 큰 수소 기포는 미세한 수소 기포보다 수천배 정도의 매우 작은 유효 표면적을 가진다. 이러한 큰 수소 기포는 오존과 혼합이 발생하더라도, 양극(11)에서 발생된 오존 및 혼합 옥시던트와 보다 덜 반응성인 크기 차수(orders of magnitude)를 갖는다. 환언하면, 이렇게 보다 큰 기포는 수중에 용해성이 보다 낮은 수소 기체(H2)를 생산하게 되고, 따라서 O2, O3 및 과산화물, 수산기 등과 같은 다른 혼합 옥시던트와의 부수적 반응을 보다 적게 생산한다. 이는 물 정화를 위한 OPC(9)에 의한 높은 오존 생산성 결과를 가져온다.
오존 생산 회로 OPC(9)의 선의 두께, 즉 상기 전극(11, 13)은 어떠한 넓이일 수 있으며, 바람직하게는 0.1μm 내지 100μm이다. 이러한 선 사이의 간격은 어떠한 값일 수 있으며, 바람직하게는 0.1μm 내지 100μm이다. 상기 전극은 원소 주기율표의 3 내지 14 열(column)로부터 선택된 화합물로 만들어진다. 바람직하게, 상기 전극은 도금된 Pt, Pd, Au 또는 러프 도금(rough plating) 또는 수지상 타입의 전기도금(dendritic type electroplating)에 의해 별도로 혹은 조합으로 만들어진다.
도 1에 도시된 상기 오존 발생기는 따라서 에너지적으로 자급자족(self-sufficient)이다. 또한 상기 소형 휴대용 오존 발생기는 박막 기술을 이용하여 구성될 수 있기 때문에, 무게가 매우 가벼우며 크기가 작다.
오존 및 혼합 옥시던트가 하기에 의해 만들어진 양극을 이용하여 원위치(in situ)에서 형성되었다:
- 팔라듐, 레늄, 로듐과 같은 도금 플래티늄 패밀리 그룹 금속;
- 거친 표면 상의 또는 수지상 도금(dendritic plating)을 이용한 금; 또는
- 활성화 또는 불-활성화 탄소 섬유 또는 나노튜브.
상기 수소 음극(13)에서 발생한 수소는 양극에서 발생된 오존 및 혼합 옥시던트에 대한 스캐빈징(scavenging) 효과를 억제하기 위해 제한되거나 제거될 수 있다. 이를 위해 상기 음극은 팔라듐, 팔라듐 합금 또는 마그네슘 합금과 같이 원소주기율표의 서브그룹 IIIB, IVB, VB, VIIIB로부터 선택된 금속 및 합금으로 만들어 진다.
상기 음극은 또한 특수 활성 탄소(special activated carbon) 또는 전기적으로 전도성이거나 H2를 흡수하는 다른 물질로 만들어질 수 있다. 음극의 상기 수소 흡수력은 수소 및 오존/혼합 옥시던트가 생성되는 기판의 뒷면 혹은 전해질 영역 아래에 박막발열체를 포함하여 재생될 수 있다.
상술한 바와 같이 오존 발생 회로(OPC)는 음극 및 양극은 또한 오존의 형성및 수소의 흡수를 향상시키기 위해 특수 나노기술 공정에 의해 만들어질 수 있다. 이는 또한 보다 작은 표면적을 갖는 보다 큰 수소 기포의 형성을 향상시키며, 산소 및 오존/혼합 옥시던트 생성물에 대한 이들의 스캐빈징 효과를 최소화한다.
또한, 상술한 바와 같이, 도 1에 도시된 상기 오존 발생기는 PCB(3) 상에 구비된 갈바니전지(11)에 의해 자가 전력 공급(self-powered)되며, 처리될 물(13)을 전해질로 사용한다. 전류의 생산은 상기 금속 사이의 작은 간격 때문이다. 이러한 방식으로, 오존 및 혼합 옥시던트가 OPC 내 전극 사이의 작은 간격에 기인하여 높은 농도로 생산된다.
양극 및 음극의 거칠기 또는 수지상 도금(dendrite plating)은 전극의 유효 면적을 증가시키기 때문에 오존 및 다른 산화적 화합물의 발생이 증가된다.
전극의 제조에 있어서 귀금속의 사용은 화학물질, 산화 및 녹에 대한 높은 보호를 제공하고 따라서 장치의 수명을 연장한다.
나아가, 박막 및 인쇄회로기판 기술, 박막 포토리소그래 피(photolithography), 후막(thick film) 포토리소그래피, 후막 및 전도성 페이스트 인쇄(conductive paste printing) 기술은 낮은 비용으로 상기 장치를 제조할 수 있도록 하고 따라서 대량생산을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 상기 장치는 단일면이거나 또는 양면을 커버하고 각 면을 별개의 시점에 사용함으로써 성능을 향상시키거나 수명을 연장하기 위해 양면일 수 있다.
복수의 단일면 장치는 피라미드, 입방체 등과 같은 기하학적인 방식으로 설치될 수 있다.
상기 PCB는 처리될 물의 부피 및 품질에 따라서 수 밀리미터 넓이 내지 수 인치의 넓이일 수 있다. 그 길이 역시 수 밀리미터 내지 수 인치일 수 있다. 이는 PCB상에 전극을 인쇄하기 위한 포토리소그래피 기술에 의해 가능해진다.
도 1B 및 2에 도시된 바와 같이, 소형 광 또는 LEDs(25)가 PCB(7) 상에 도입될 수 있다. 상술한 바와 같이, 1 내지 600nm 파장의 빛의 생산은 오존에 의한 물의 정화를 촉진하고 O2 및 수산기 또는 과산화물 등과 같으나 이에 제한되지는 않는 혼합 옥시던트로부터의 O3의 형성을 향상시키는 것으로 잘 알려져 있다.
도면에 도시되지는 않은 본 발명의 또 다른 바람직한 구현에 따르면, 상기 OPC는 또한 상기 PCB 상에 부착된 작은 시계 크기의(watch-sized) 배터리, AAA 배터리, AA 배터리, 또는 실리콘 태양전지판과 같은 배터리를 이용하여 전력을 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 오존 발생장치는 또한 병에 담긴 물의 정화를 위해 직접 병에서 사용될 수 있다.
도 3에 나타난 바와 같이 상기 오존 발생기(1)는 물(29)이 담긴 병(27) 안에 배치된다. 바람직하게는, 상기 병은 필터(33)가 장착된 음용 꼭지(32)를 갖는 뚜껑(31)을 포함할 수 있다. 상기 필터는 입자상 활성 탄소, 탄소 블럭, 막 필터, 수지 등일 수 있다. 물의 정화는 오존 발생기(1)를 필터(33)와 함께 사용하여 향상될 수 있다. 상기 오존 발생기는 갈바니 전지를 함유하는 오존 발생기가 병(27)에 담긴 물(29)에 투입되면 자가 전력 공급된다. 병에 들어있는 물을 정화하기 위해, 상기 오존 발생기는 도 1A에 도시되고 작은 컵의 물을 정화하는데 사용되는 오존 발생기보다 크기가 커야 한다.
도 4에 도시된 본 발명의 다른 바람직한 구현에 따르면, 상기 오존 발생기(1)는 또한 전해질(37)을 함유하는 특수한 구획(35)을 갖는 음용 병(27)에 사용될 수 있다. 상기 구획(35)은 막(39)에 의해 물을 함유하는 병의 나머지 부분과 분리되어 있다. 상기 막은 물에 대해 투과성이나 전해질 용액(37)에 함유된 염에 대해서는 불투과성이다. 상기 오존 발생기(1)는 막을 관통하여 배치된다. 상기 전력 공급 장치(15)가 전해질(37)을 함유하는 구획(35)에 투입된다. 상기 오존 발생 회로(9)가 처리될 물에 투입된다. 전해질을 함유하는 상기 구획의 존재는 전력의 생산을 향상시키고 따라서 오존이 처리될 물로 생산되는 것을 개선한다.
도 4에 도시된 바와 같은 상기 병(27)은 또한 입자상 활성 탄소, 탄소 블럭, 막 필터, 수지 등으로 만들어진 필터(33)를 갖는 음용 꼭지(32)를 포함할 수 있다.
상기 구획(35)에 함유된 전해질 용액(37)은 물, 수돗물(tap water) 또는 소금(NaCl) 등과 같은 염 용액일 수 있다. 처리될 물이 충분히 전도성인 경우, 상기 구획(35)은 처리될 물과 동일한 물로 채워질 수 있으며, 전해질로 작용하여 오존발생기를 작동 시킨다.
도 4에 도시된 다른 바람직한 구현에 따르면, 상기 막(39)는 액체 또는 염에 대해 불투과성인 고체 및 밀폐 벽(hermetic wall)일 수 있다. 사용 시, 상기 구획(35)이 먼저 전해질 또는 물로 채워지고, 그 후 상기 벽이 병(27)에 배치된다.
모든 경우에 있어서, 상기 막 또는 벽(39)은 오존 발생기와 밀폐되어 꼭 맞는 크기의 구멍을 가지고 상기 막 또는 벽을 통해 이를 고정한다.
도 5는 본 발명에 의한 다른 바람직한 구현을 나타내며, 여기서 상기 오존 발생기(1)는 병(43)의 하부(bottom)에 위치한 구획(41)을 함유하는 병(27) 안에 배치된다. 상기 구획(41)은 하부(43)를 관통하여 전선(47)에 의해 오존 발생기(1)의 오존 발생 회로(9)에 직접 연결된 전력 공급 장치(45)를 포함한다.
상기 전력 공급 장치(45)는 고전압(110 또는 220 볼트와 같은)을 오존 발생기(1)에 전력을 공급하기 위한 적절한 낮은 전압 전류로 전환하는 변압기일 수 있다. 도 5에 설명된 바와 같이, 상기 전력 공급장치는 또한 배터리일 수 있다. 또한, 작은 시계(watch ties) 배터리, AAA 배터리 등과 같은 복수의 배터리일 수 있다.
도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 상기 병(27)은 또한 필터(33)를 포함하는 뚜껑(31)에 설치된 음용 꼭지(32)를 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 필 터(33)는 입자상 활성 탄소, 탄소 블럭, 막 필터, 수지 등일 수 있다.
상기에서 본 발명의 바람직한 구현에 의해 본 발명을 설명하였으나, 이는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이러한 바람직한 구현에 대한 어떠한 변형은 본 발명의 본질 및 범위를 변화시키는 것으로 생각되는 것은 아니다.
Claims (31)
- 제1면 및 제2면을 갖는 인쇄회로기판, 및상기 인쇄회로기판의 제1면에 프린트된 오존 발생 회로를 포함하며,상기 오존 발생 회로는 상기 인쇄회로기판 상에 교대로(alternatively) 인쇄되고 서로에 대해 그리고 전력 공급 장치에 대해 병렬로 연결된 복수의 양극 및 음극을 포함하며, 상기 양극 및 음극은 거친 표면을 갖고, 이에 따라 상기 오존 발생기가 정화될 물이 담긴 용기에 투입되어 사용되는 경우 상기 음극(cathodes)이 수소 기포를 발생시키고 상기 양극(anodes)이 오존 및 혼합 옥시던트를 발생시키며, 상기 거친 표면에 의해 상기 음극은 수소 기포를 보다 큰 수소 기포로 융합되도록하여 오존의 생산을 높이는 물 정화용 오존 발생기.
- 제 1항에 있어서, 상기 전력 공급 장치는 상기 인쇄회로기판에 내장된 것을 특징으로 하는 물 정화용 오존 발생기.
- 제 2항에 있어서, 상기 전력공급장치는 상기 인쇄회로기판의 제1면에 프린트되고 서로 직렬로 연결된 복수의 갈바니전지(galvanic cell)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 정화용 오존 발생기.
- 제 2항에 있어서, 상기 잔력 공급 장치는 상기 인쇄회로기판의 면 중 일면에 고정된 적어도 하나의 배터리 및/또는 적어도 하나의 실리콘 태양 전지판을 포함하는 것을 특징으로 하는 물 정화용 오존 발생기.
- 제 1항에 있어서, 상기 전력 공급 장치는 상기 인쇄 회로 기판의 외부에 있고 전선에 의해 상기 오존 발생 회로에 연결된 것을 특징으로 하는 물 정화용 오존 발생기.
- 제 5항에 있어서, 상기 전력 공급 장치는 다른 인쇄 회로 기판에 인쇄되고 서로 직렬로 연결된 복수의 갈바니 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 정화용 오존 발생기.
- 제 3항 또는 제 6항에 있어서, 상기 갈바니 전지는 Pt/Al, Pt/Ti, Pt/Mn 및 Pt/Mg로부터 선택된 금속 조합으로 만들어진 것을 특징으로 하는 물 정화용 오존 발생기.
- 제 5항에 있어서, 상기 전력 공급 장치는 배터리, 복수의 배터리, 공공의 전기 시스템 또는 개인의 전기 시스템에 의해 지원되는 변압기(electric transformer)인 것을 특징으로 하는 물 정화용 오존 발생기.
- 제 8항에 있어서, 상기 개인의 전기 시스템은 태양 전지판 또는 풍차인 것을 특징으로 하는 물 정화용 오존 발생기.
- 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 및 음극은 활성 혹은 비활성 탄소 섬유 또는 나노튜브로 만들어지거나 도금된 것을 특징으로 하는 물 정화용 오존 발생기.
- 제 1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 및 음극은 원소주기율표의 3열(column) 내지 13열로부터 선택된 금속 또는 합금으로 만들어지거나 도금되는 것을 특징으로 하는 물 정화용 오존 발생기.
- 제 11항에 있어서, 상기 음극은 팔라듐, 팔라듐 합금, 마그네슘 합금, 또는 티타늄 합금으로 만들어지거나 도금되는 것을 특징으로 하는 물 정화용 오존 발생기.
- 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오존 발생기는상기 인쇄 회로 기판의 제1면 위 상기 오존 발생 회로 아래에 전력 공급 장치에 연결된 박막발열체, 및/또는상기 인쇄 회로 기판의 제2면 위 전력 공급 장치에 연결된 또 다른 박막 발열체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 물 정화용 오존 발생기.
- 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,제2면에 프린트된 제2 오존 발생 회로를 추가로 포함하며, 상기 제2 오존 발생 회로는 제1면에 프린트되고 제 1항에서 정의된 오존 발생회로와 동일한 것을 특징으로 하는 물 정화용 오존 발생기.
- 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오존 발생기의 크기는 정화될 물의 양에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는 물 정화용 오존 발생기.
- 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인쇄 회로 기판에 고정되고 상기 전력 공급 장치에 연결된 복수의 광 또는 발광다이오드를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 물 정화용 오존 발생기.
- 물을 음용가능하게 정화하기 위한, 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에서 정의된 오존 발생기의 용도.
- 병에 담긴 물을 정화하기 위한 제 1항에서 정의된 오존 발생기의 용도.
- 제 18항에 있어서, 상기 병은 음용 꼭지(drinking nipple)를 포함하는 목(neck)을 갖는 것을 특징으로 하는 오존 발생기의 용도.
- 제 19항에 있어서, 상기 꼭지는 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 오존 발생기의 용도.
- 제 20항에 있어서, 상기 필터는 입자상 활성 탄소, 탄소 블럭, 막 필터 또는 수지로 만들어진 것을 특징으로 하는 오존 발생기의 용도.
- 제 18항 내지 제21항 중 어느 한 한에 있어서, 상기 병은 내부 체적을 가지며 상기 내부 체적을 정화될 물을 포함하는 상부(top) 체적과 전해질 용액을 포함하는 하부(bottom) 체적으로 분리하는 분리벽을 포함하며, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에서 정의된 오존 발생기가 상기 분리벽을 관통하여 삽입되어 있으며, 상기 분리벽은 상기 오존 발생기에 맞는 크기의 구멍을 가지며, 상기 오존 발생 회로는 병의 상부 체적에 배치되고 전력공급 장치는 병의 하부 체적에 배치되는 것을 특징으로 하는 오존 발생기의 용도.
- 제 22항에 있어서, 상기 전해질 용액은 물 또는 물과 염의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 오존 발생기의 용도.
- 제 23항에 있어서, 상기 염은 염화나트륨인 것을 특징으로 하는 오존 발생기의 용도.
- 제 22항 내지 제 24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리벽은 물은 통과시키고 염은 하부 체적 내에 유지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 오존 발생기의 용도.
- 제 18항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 병은 내부 체적 및 하부(bottom)를 가지며, 상기 병은 상기 하부에 고정되고 정화될 물을 포함하는 병의 내부 체적과 밀폐적으로 분리된 구획을 포함하며, 상기 구획은 제 8항 내지 제 16항 중 어느 한 항에서 정의된 오존 발생기의 오존 발생 회로와 연결된 전력공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 오존 발생기의 용도.
- a) 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 오존 발생기를 정화될 물에 투입하는 단계; 및b) 상기 오존 발생기가 오존을 생산하고 물을 정화하기 위한 적절한 기간을 기다리는 단계를 포함하는 물의 정화 방법.
- a) 제 6항 또는 제 7항에서 정의된 오존 발생기를 정화될 물에 투입하는 단계;b) 상기 오존 발생기의 전력 공급 장치를 전해질 용액을 포함하는 다른 용기에 투입하는 단계; 및c) 상기 오존 발생기가 오존을 생산하고 물을 정화하기 위한 적절한 기간을 기다리는 단계를 포함하는 물의 정화 방법.
- a) 제 8항 또는 제 9항에서 정의된 오존 발생기를 정화될 물에 투입하는 단계;b) 상기 오존 발생기의 오존 발생 회로에 연결된 전력 공급 장치를 작동시키는(turn on) 단계; 및c) 상기 오존 발생기가 오존을 생산하고 물을 정화하기 위한 적절한 기간을 기다리는 단계를 포함하는 물의 정화 방법.
- 제 27항 내지 제 29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오존 발생기는 전력(power)을 가지고, 정화될 물은 부피와 품질을 가지며, 상기 적절한 기간은 상기 전력 및 상기 정화될 물의 부피와 품질에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 물의 정화 방법.
- 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에서 정의된 복수의 오존 발생기를 포함하는 물 정화용 휴대용 오존 발생기
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