KR20170028472A

KR20170028472A - Uv led를 이용한 유체 살균 장치

Info

Publication number: KR20170028472A
Application number: KR1020150124673A
Authority: KR
Inventors: 정상욱; 김성헌
Original assignee: 서울바이오시스 주식회사
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2017-03-14

Abstract

본 발명은 유체를 사용하기 직전에 배관에 흐르는 유체를 살균할 수 있는 유체 살균 장치에 관한 것이다.
본 발명은 내부에 유체가 흐르는 배관, 상기 배관의 내부를 향해 자외선을 조사하도록 상기 배관의 길이방향을 따라 이격 설치된 복수 개의 UV LED 및 상기 UV LED에서 조사되는 자외선의 확산각을 소정 각도 이하로 줄이는 렌즈를 포함하는 배관 내부의 유체 살균 장치이다.

Description

UV LED를 이용한 유체 살균 장치{Fluid Sterilizer Using UV LED}

본 발명은 유체를 살균하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체를 사용하기 직전에 배관에 흐르는 유체를 살균할 수 있는 유체 살균 장치에 관한 것이다.

환경 오염이 진행됨에 따라 정수기는 현대인들의 필수품이 되었다.

정수기는 필터를 거쳐 정화된 물을 공급하는 장치이다. 그런데 물이 필터를 통과할 때 상당한 시간이 소요되기 때문에 대부분의 정수기는 내부의 수조에 필터를 통과한 물을 미리 받아 놓는 것이 일반적이다.

그런데 이렇게 정수기를 한번 거친 물이 다시 수조에 장시간 보관되면서, 세균이 다시 번식하는 일이 빈번하게 된다. 하지만 수조나, 수조에서 출수구에 이르는 배관은 정수기 내부에 내장되어 있기 때문에 이를 청소하기 위해서는 정수기를 분해해야 하는 번거로움이 있다. 또한 수조를 청소하기 위해서는 수조 내의 물을 비워야 하는 점에서 번거롭고, 배관은 내부 깊숙한 곳까지 깨끗이 청소하기 어렵다.

이러한 세균의 번식을 방지하기 위해 수조에 자외선 램프 등을 설치하는 기술이 제안되었다. 하지만 이러한 기술에 의하면 자외선 램프를 계속 켜 놓아야 하는 점, 수조에 담겨 있는 물은 소독이 되었다 하더라도 수조의 물이 배관을 지나며 다시 배관 내부에 번식하고 있는 세균을 만나기 때문에 완벽한 살균을 기대하기는 어렵다.

상술한 문제점은 출수구 직전에 있는 배관에 흐르는 물을 소독함으로써 해결될 수 있을 것이다. 그러나 배관에 흐르는 물은 상당히 순식간에 지나치기 때문에 배관 내부에 자외선을 조사하더라도 흐르는 물 내에 있던 세균은 잠시 자외선에 노출되는 정도에 불과하다. 따라서 이러한 방식으로 살균을 할 때에는, 잠시 노출되더라도 살균이 가능할 정도로 자외선의 강도가 높아야 한다.

자외선의 강도를 높이기 위해서는 자외선을 발생시키는 광원을 많이 사용해야 하지만, 이는 살균장치의 단가를 높이고, 살균장치의 부피가 커져야 한다는 문제가 있다.

공개특허공보 제2009-2987호 공개특허공보 제2008-74612호

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 자외선 광원의 설치 개수를 최소화하면서도 배관에 흐르는 물을 살균할 수 있는 유체 살균 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 내부에 유체가 흐르는 배관; 상기 배관의 내부를 향해 자외선을 조사하도록 상기 배관의 길이방향을 따라 이격 설치된 복수 개의 UV LED; 상기 UV LED에서 조사되는 자외선의 확산각을 소정 각도 이하로 줄이는 렌즈;를 포함하는 배관 내부의 유체 살균 장치를 제공한다.

상기 복수 개의 UV LED는 배관의 길이방향을 따라 설치되는 위치가 배관의 반경 방향으로 오프셋 될 수 있다.

상기 UV LED에서 조사되는 자외선의 피크파장은 255~285nm의 범위 내에 있을 수 있다.

상기 렌즈는 UV LED 전면에 설치되고, 상기 렌즈의 외부면 중심이 상기 배관에 접촉 설치되며, 상기 렌즈에 의한 자외선의 확산각은 60˚ ~ 75˚ 범위 내에 있을 수 있다.

상기 렌즈는 UV LED 전면에 설치되고, 상기 배관에는 상기 렌즈가 끼워지는 홀이 형성되며, 상기 렌즈가 상기 배관의 홀에 끼워져 렌즈의 외부면이 배관 내부 공간으로 노출될 수 있다.

상기 배관의 단면 방향 평면으로 보았을 때 렌즈에 의한 자외선의 확산각은 80˚ ~ 100˚ 범위 내에 있을 수 있다.

상기 배관의 단면 방향 평면으로 보았을 때 렌즈에 의한 자외선의 세기(I) 분포는 자외선의 조사각(θ)에 따라 실질적으로 다음의 조건을 만족할 수 있다.

I = k(1+cos 2θ)

(여기서 k는 비례상수, θ는 UV LED의 광 조사 영역의 중심축으로부터 조사된 자외선의 방향이 이루는 각도이다.)

상기 배관의 길이 방향 평면으로 보았을 때 렌즈에 의한 자외선의 확산각은 상기 배관의 단면 방향 평면으로 보았을 때 렌즈에 의한 자외선의 확산각보다 더 클 수 있다.

상기 렌즈의 베이스 측에는 단턱이 형성되고, 상기 단턱과 배관 사이에 실링 부재가 협지될 수 있다.

상기 렌즈는 배관에 일체로 형성되고, 상기 UV LED가 상기 배관에 형성된 렌즈에 설치될 수 있다.

상기 렌즈가 일체로 형성된 상기 배관의 단면 형상은 길이방향으로 동일할 수 있다.

상기 자외선이 입사되는 영역을 제외한 상기 배관 외측 또는 내측 표면의 적어도 일부 영역에는 배관의 내부 공간과 마주하는 반사면이 구비될 수 있다.

상기 배관의 단면 방향에서 본 상기 렌즈의 외부면은 볼록한 곡면 형상을 하되, 광 조사 영역의 중심축에서 멀어질수록 UV LED의 발광지점에서 렌즈의 외측 표면까지의 거리가 가까워지는 형상일 수 있다.

상기 배관의 재질은 자외선이 투과되는 재질일 수 있다. 여기서 상기 배관의 재질은 석영, PMMA, 또는 불소계 합성수지일 수 있다.

상기 UV LED 상부에는 렌즈 형태의 밀봉부재가 형성되고, 상기 UV LED는 상기 밀봉부재를 개재한 상태로 상기 렌즈에 설치될 수 있다. 여기서 상기 렌즈의 내부면이 상기 밀봉부재의 외부면의 형상과 대응하여서, 상기 밀봉부재의 외부면이 상기 렌즈의 내부면과 밀착될 수 있다.

상기 UV LED와 마주하는 렌즈의 내부면은 입사면을 형성하고, 상기 입사면은 상기 UV LED에서 조사된 광이 상기 입사면에 수직으로 입사되는 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서 상기 입사면은 UV LED의 발광지점을 중심으로 하는 반구 형태일 수 있다.

상기 UV LED는 기판에 실장되고, 상기 기판과 상기 렌즈 사이에는 반사층이 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면, UV LED에서 배관에 조사되는 자외선의 확산각을 소정 각도 이하로 줄여 배관과 배관 내부 공간 사이의 경계에서 전반사가 일어나지 않도록 하여, 배관 내부에 조사되는 자외선의 손실을 최소화함으로써 살균 효율을 높일 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 배관 내에 흐르는 유체에 전체적으로 자외선이 조사되도록 하여, 자외선이 조사되지 않은 채 통과하는 유체를 최소화함으로써 살균 효율을 높일 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 제조 과정에서 조사되는 피크파장을 설정할 수 있는 UV LED의 장점을 활용하여 세균이나 바이러스에 대한 살균효율이 높은 파장의 자외선을 조사하는 UV LED를 사용함으로써, 살균 효율을 높일 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, UV LED와 그 전면의 렌즈가 직접 배관 내부의 공간에 노출되어 설치될 수 있어, 배관의 내부를 흐르는 유체에 직접적으로 자외선을 조사할 수 있으므로, 살균 효율을 높일 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 배관에 렌즈 형상을 일체로 성형하여 렌즈가 배관 내부로 직접적으로 노출되면서도, UV LED를 설치함에 있어서 수밀(水密) 구조가 필요 없어 구조가 간단하면서도 자외선에 의한 살균 효율을 높일 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 자외선이 조사되어 들어가는 영역을 제외한 배관 영역에 반사면을 두어 배관 내부에 조사된 자외선이 배관 내에서 계속적으로 반사되도록 함으로써 자외선에 의한 살균 효율을 더욱 높일 수 있다.

또한 본 발명의 렌즈 구조는 UV LED에서 조사된 자외선의 소실을 최소화하고 그 확산각을 줄여 강하게 집속할 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 E. coli O157:H7 (ATCC 43894)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프,
도 2는 B. subtilis spore (ATCC 6633)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프,
도 3은 B. MS2 phage (ATCC 15597-B1)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 유체 살균 장치의 일실시예를 나타낸 사시도,
도 5는 도 4의 단면도,
도 6은 도 5의 A 부분의 확대도,
도 7은 본 발명에 따른 유체 살균 장치의 다른 일실시예를 나타낸 사시도,
도 8과 도 9는 본 발명의 유체 살균 장치에 사용되는 UV LED와 그 렌즈를 나타낸 사시도 및 단면도,
도 10은 본 발명에 따른 유체 살균 장치의 다른 일실시예를 나타낸 사시도,
도 11은 도 10의 단면도,
도 12는 배관의 테두리 부분에 UV LED가 배치된 상태에서 배관의 내부 공간에 자외선을 조사하는 형태를 기하학적으로 표현한 도면,
도 13은 렌즈를 거쳐 나온 자외선의 조사각에 따라 자외선의 세기 분포를 나타낸 그래프,
도 14는 본 발명에 따른 유체 살균 장치의 다른 일실시예를 나타낸 사시도, 그리고
도 15는 도 14의 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명에 사용되는 자외선 광원은 일측 방향으로 지향성이 강한 광원인 UV LED(20)이다. UV LED는 구성 성분의 비율에 따라 조사되는 광의 피크파장을 미세하게 조정할 수 있다. 따라서 자외선이 활용되는 환경에서 가장 효율이 좋은 자외선의 파장을 피크파장으로 가지는 UV LED를 제작 사용함으로써 자외선의 효율을 높일 수 있다.

일반적으로는 253nm의 자외선이 살균력이 가장 뛰어난 파장으로 알려져 있다. 하지만 실제 실험 결과, 물에 혼입되어 있는 세균을 살균하는데 있어서 가장 살균력이 높은 파장은 270nm인 것으로 확인되었다.

도 1은 E. coli O157:H7 (ATCC 43894)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프이다. 물에 혼입된 세균의 초기 농도는 1.9~3.0×105 cfu/mL이다. 자외선의 파장을 제외한 나머지 실험 조건은 동일하다.

실험 결과 270nm의 자외선을 1.4 mJ/cm²만큼 조사하였을 때 99%의 살균율을 보였으며, 이는 다른 파장의 자외선보다 매우 탁월한 수치이다.

도 2는 B. subtilis spore (ATCC 6633)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프이다.

역시 실험 결과 270nm의 자외선을 22 mJ/cm²만큼 조사하였을 때 99%의 살균율을 보였으며, 이는 다른 파장의 자외선보다 매우 탁월한 수치이다.

도 3은 B. MS2 phage (ATCC 15597-B1)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프이다.

역시 실험 결과 270nm의 자외선을 42 mJ/cm²만큼 조사하였을 때 99%의 살균율을 보였으며, 이는 다른 파장의 자외선보다 매우 탁월한 수치이다.

실험 결과에 대해서는 다양한 분석이 나왔다. 이들 중 하나는 매질이 공기인 경우와 물인 경우 살균율이 변화할 수 있다는 점이고, 다른 하나는 표면 살균이 아니라 매질이 채워진 입체 공간에 분포된 세균에 대한 살균이라는 점이다. 또 하나는 물에 혼입되는 세균이나 바이러스의 경우, 일반적인 DNA 또는 RNA가 270nm에 더 민감할 수 있다는 점이다.

결과적으로 실험 결과 270nm를 기준으로 + - 방향으로 파장이 멀어질수록 살균효율이 떨어지는 점을 확인하였다. 따라서 본 발명에서는 270nm를 기준으로 하여 ± 15nm 정도의 범위 내에 피크파장을 가지는 자외선을 조사하는 UV LED를 사용하여 배관 내부에 흐르는 물의 살균 효율을 향상시키도록 하였다.

도 4는 본 발명에 따른 유체 살균 장치의 일실시예를 나타낸 사시도, 도 5는 도 4의 단면도, 그리고 도 6은 도 5의 A 부분의 확대도이다.

도 4에 도시된 배관(10)은 원형 단면을 하며 가늘고 긴 형태로 이루어져 있다. 이러한 배관(10)의 외부에는 배관을 향해 자외선을 조사하는 UV LED(20)가 설치된다. UV LED(20)는 255 ~ 285nm 범위 내에서 피크 파장을 가지는 자외선을 조사한다. UV LED(20)는 기판(26) 상에 일렬로 복수 개 이격 설치되며, UV LED(20)의 전방에는 렌즈(30)가 설치되어 있다. UV LED(20)에서 조사된 자외선이 배관(10) 내부의 공간(11)으로 들어갈 수 있도록 하기 위해, 배관(10)의 재질은 자외선이 잘 투과되는 재질인 것이 바람직하다. 이러한 재질로는, 석영, 단량체 비율이 80% 이상인 PMMA, 그리고 Dupont 사의 Teflon 계열의 불소계 합성수지 등이 사용될 수 있다.

도 5를 참조하면, UV LED(20)에서 조사된 자외선은 렌즈(30)에 의해 그 확산각(w)이 조절된다. 여기서 확산각(w)은 가장 센 자외선의 크기의 1/2이 되는 영역이 이루는 각도를 의미한다. 따라서 확산각(w) 영역의 테두리는 가장 센 자외선(통상 UV LED의 중앙부) 세기의 1/2 만큼의 자외선이 조사되는 부분이라 이해할 수 있다.

UV LED(20)는 그 전방에 렌즈(30)가 설치되어 있기 때문에, 렌즈(30)를 배관(10)에 최대한 밀착시킨다 하더라도 UV LED의 발광지점과 배관 사이에는 이격 간격이 존재하게 된다. 따라서 UV LED에서 조사되는 자외선의 확산각을 조절할 필요가 있다. 즉 UV LED에서 조사되는 자외선이 배관 외부로 조사되는 것을 최소화하면서도 배관 내부에 자외선이 골고루 조사되도록 할 필요가 있다.

이 때 고려해야 할 부분이 바로 전반사에 관한 것이다. 일반적으로 공기의 굴절률(n_a)과 배관(석영, PMMA, 불소계 합성수지)의 굴절률(n_p)과 물의 굴절률(n_w)은 n_a< n_w < n_p 의 관계가 있다. 도 6을 참조하면, 자외선이 배관 내부로 침투할 때 공기와 배관 사이의 경계인 배관의 외측 표면(16)에서는 전반사가 일어나지 않지만, 배관과 배관 내부의 물 사이인 배관의 내측 표면(14)에서는 전반사가 일어나게 된다. 또한 전반사가 일어나지 않는 경우에도 각 경계(14, 16)에서는 입사된 광이 일부는 투과되고 일부는 반사된다. 그리고 이러한 반사의 정도는 입사각이 커질수록 증가한다. 따라서 배관의 경계(14, 16)로 입사되는 자외선의 입사각을 줄이는 것이 바람직하다. 배관의 경계로 입사되는 자외선의 입사각을 줄이기 위해 확산각(w)을 줄이면, 반사되어 나가는 자외선의 양을 줄일 수 있음은 물론, 그만큼 자외선이 집중되어 확산각 내의 영역에서는 자외선 강도가 커지게 된다.

반면 확산각이 너무 좁게 되면 확산각 내의 영역에서는 살균에 필요한 정도 이상의 강도로 자외선이 집중되는 반면, 그 외부의 영역에서는 살균이 제대로 일어나지 않게 된다.

따라서 본 발명에서는 배관의 외부에 UV LED를 설치하는 경우 그 확산각의 범위를 대략 60˚ ~ 75˚의 범위 내로 유지하도록 하였다. 확산각이 75˚를 넘어가면 배관의 경계에서 반사되어 나가는 자외선의 비중이 높아지고, 60˚ 이하이면 지나치게 자외선이 집중되게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 유체 살균 장치의 일실시예를 나타낸 사시도이다. 도 7에 도시된 유체 살균 장치의 일실시예는 도 5의 경우와 비교하여, 렌즈(30)가 아예 배관(10)에 접하는 상태로 UV LED(20)가 설치되고, 이렇게 렌즈가 설치되어 자외선이 입사하는 배관의 영역을 제외한 배관의 나머지 영역에 반사면(18)이 설치된 점에 차이가 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 렌즈(30)가 배관(10)에 접할 정도로 UV LED(20)를 접근시키면, 그만큼 배관의 경계에서 반사되어 나가는 자외선의 비율이 더 줄게 된다. 또 발광지점과 살균이 필요한 지점이 더 가까워지므로 살균 효율이 더 높아지게 된다. 일반적으로 자외선의 세기(intensity, irradiance)는 발광지점과의 거리의 제곱에 반비례한다.

한편 반사면(18)은 자외선이 입사되는 데에 방해가 되지 않는 한도 내에서 최대한 넓은 배관의 면적에 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 반사면(18)은 도 7에 도시된 바와 같이 발광지점에서 배관의 외측 표면(16)에 다다르는 접선의 범위 외측에 형성되는 것이 바람직하다.

이렇게 반사면(18)이 형성되면, 배관 내부로 한번 입사된 자외선은 반사면(18)에 의해 배관 내에서 계속 반사됨으로써 흡수 소멸될 때까지 살균 작용을 할 수 있다. 따라서 반사면을 설치함으로써 살균 효율을 더욱 높일 수 있다. 이러한 반사에 의한 살균 효율의 상승 효과는 배관이 원형 단면일 때 더욱 유리하다. 원형 단면 내에서 반사가 일어나면 배관 내부의 모든 공간에 자외선이 골고루 분포될 수 있기 때문이다.

도 8과 도 9는 본 발명의 유체 살균 장치에 사용되는 UV LED와 그 렌즈를 나타낸 사시도 및 단면도이다. 도시된 바와 같이 UV LED(20)는 기판(26) 상에 실장되고, UV LED(20)에는 밀봉부재(22)가 씌워져 있다. 밀봉부재는 UV LED의 발광지점을 중심으로 하는 반구 형태로 이루어진다.

UV LED(20)의 전방에는 렌즈(30)가 설치되는데, 렌즈(30)의 내부면(34)은 오목한 반구 형태로서 상기 밀봉부재(22)의 외부면(221)과 대응하는 형상이다. 렌즈(30)의 내부면(34)과 밀봉부재(22)의 외부면(221)은 서로 밀착된다.

렌즈(30)의 외부면(32)은 도시된 바와 같이 실질적으로 도 9에 도시된 도면의 상하 방향으로 장축을 갖는 타원의 형태일 수 있다. 렌즈(30)의 외부면(32)은 부드러운 곡면으로 이루어지며, 광 조사 영역의 중심(O)에서 멀어질수록 UV LED(20)의 발광지점과 렌즈(30) 외부면(32)의 거리가 점점 가까워지는 형상이다. 이러한 형상에 의하면 도시된 바와 같이 UV LED에서 출사된 자외선이 렌즈의 외부면(32)을 거치면서 광 조사 영역의 중심(O) 방향으로 굴절되어, 확산각이 줄어드는 효과를 가진다. 렌즈(30)의 외부면(32)의 프로파일이 반드시 위와 같은 형상에 한정되는 것은 아니다. 가령 광 조사 영역의 중심(O)에서 멀어질수록 UV LED(20)의 발광지점과 렌즈(30) 외부면(32)의 거리가 점점 가까워지는 구간과 UV LED(20)의 발광지점과 렌즈(30) 외부면(32)의 거리가 동일한 구간이 반복되도록 형성될 수도 있고, 이 외에도 다양한 형태의 프로파일이 가능하다. 즉 확산각을 줄일 수 있다면 그 형태는 다양할 수 있다.

UV LED(20)에는 밀봉부재(22) 없이 바로 렌즈(30)가 씌워질 수도 있음은 물론이다. 이 경우에도 물론 렌즈(30)의 내부면은 UV LED(20)에서 조사된 광이 렌즈로 입사하는 면이 된다. 따라서 밀봉부재의 유무, 또는 밀봉부재와 렌즈의 재질에 관계 없이 UV LED에서 조사된 자외선이 렌즈의 내부면에 입사될 때 수직으로 입사되도록 하면 렌즈의 입사면에서 반사되는 자외선의 양을 최소화할 수 있다. 앞서 설명한바 있듯이, UV LED가 점광원임을 감안하면, 렌즈의 내부면은 UV LED의 발광 지점을 중심으로 하는 반구 형태인 것이 바람직하다. 그러나 밀봉부재에 의해 UV LED에서 출사된 광의 경로가 변경된다면 렌즈의 내부면 역시 그 변경된 경로에 맞게 입사각이 0도가 되는 형상(즉 입사면에 수직으로 입사되도록 하는 형상)으로 형성할 수 있을 것이다.

도 8에서 본 X-X 단면의 형상과 Y-Y 단면의 형상은 서로 일치할 수도 있지만, 경우에 따라서는 서로 차이가 있을 수 있다. 가령 원형 단면의 배관의 경우, 배관의 단면 형상은 원형이지만, 배관의 길이 방향의 형상은 직선의 형태가 되므로, 배관의 단면(원형)에서 보았을 때 자외선이 전반사될 가능성이 더 높다. 따라서 도 8의 X-X 단면이 배관의 단면(원형) 형상과 대응하는 단면이고, 도 8의 Y-Y 단면이 배관의 길이방향에 대응하는 단면이라고 보았을 때, X-X 단면에서 바라본 렌즈의 폭이 더 좁아 확산각이 더 좁고, Y-Y 단면에서 바라본 렌즈의 폭은 X-X 단면의 렌즈의 폭 보다는 조금 넓어 확산각이 조금 더 넓어도 무방하다. 오히려 이렇게 하면 배관에 입사되는 자외선이 더 골고루 배관 내부에 입사될 수 있다.

한편 도 9에 도시된 바와 같이 렌즈(30)와 기판(26) 사이에는 반사층(24)이 형성될 수 있다. 반사층(24)은 UV LED(20)에서 출사된 광이 렌즈(30)의 외부면(32)에서 반사 내지 전반사 된 경우, 그러한 자외선을 다시 반사시켜 렌즈 쪽으로 다시 출사시키는 기능을 한다.

도 10은 본 발명에 따른 유체 살균 장치의 다른 일실시예를 나타낸 사시도이고, 도 11은 도 10의 단면도이다.

도 10을 참조하면, 배관(10)에는 홀(12)이 형성되어 있다. 배관의 홀은 배관의 길이방향을 따라 이격 형성되되, 도시된 바와 같이 그 위치가 배관의 반경 방향으로 오프셋 된다. 그리고 이러한 홀(12)에는 도시된 바와 같이 UV LED(20)가 끼워져 설치된다. 이러한 구조에 의하면 배관의 길이방향에 따라 UV LED(20)의 자외선 조사 방향이 계속 달라지므로 배관 내부에 흐르는 물에 보다 골고루 자외선을 조사할 수 있다. 하지만 홀의 위치가 반드시 이렇게 오프셋 되어야 하는 것은 아니다

도 11을 참조하면, 홀(12)에는 렌즈(30)가 끼워 맞춰진다. 렌즈(30)의 베이스 부분(즉 기판과 가까운 부분)에는 확경된 형상의 단턱(36)이 형성되고, 이러한 단턱(36)과 배관(10) 사이에 고무 패킹과 같은 실링 부재(40)가 개재된 상태로 렌즈(30)가 배관(10)에 고정된다. 마찬가지로, 렌즈(30)와 기판(26) 사이에는 반사층(24)이 존재하여, 렌즈(30)의 외부면(32)에서 배관의 내부 공간으로 출사되지 못하고 반사되어 되돌아온 자외선을 다시 반사시켜 출사시킨다.

도 10과 도 11의 실시예에 사용되는 배관은 상기 홀(12) 부분을 제외한 나머지 외측 표면(16)에 전부 반사면(18)이 형성될 수 있다. 또한 경우에 따라서는 반사면(18)의 배관의 내측 표면(14)에 형성될 수도 있다.

이러한 형태의 실시예에 의하면, UV LED가 배관의 내부 공간(11)과 더욱 가까이 배치되는 점, 렌즈의 외부면이 배관의 내부공간에 노출되므로 UV LED에서 조사된 자외선이 배관(10)을 관통하지 않고 바로 직접 배관 내부로 조사되는 점에서 살균 효율을 더 높일 수 있다.

한편 이러한 형태의 실시예는, 자외선이 배관을 통과하지 않는 점과 UV LED가 배관의 내부 공간에 더 가깝게 배치된 점을 감안하여, 앞서 도 4와 도 7의 실시예와 그 확산각에 다소 차이를 두는 것이 바람직하다.

도 12는 배관의 테두리 부분에 UV LED가 배치된 상태에서 배관의 내부 공간에 자외선을 조사하는 형태를 기하학적으로 표현한 도면이고, 도 13은 렌즈를 거쳐 나온 자외선의 조사각에 따라 자외선의 세기 분포를 나타낸 그래프이다.

도 12를 참조하면, UV LED(20)의 발광지점이 배관(10)의 테두리 상에 존재한다고 가정하고, 반지름 r을 가지는 원형의 배관 내부 공간(11)에 자외선이 조사되는 각도(θ)와 그 조사 거리(d)를 나타낸 도면이다.

도 12의 기하학적인 관계에 따르면, 코사인 제2법칙을 통해

d² = r² + r² - 2r²cos(π-2θ)

이라는 식을 이끌어낼 수 있고,

d² = 2r² (1 + cos 2θ)

이라는 식을 이끌어낼 수 있다.

한편 자외선의 강도는 거리의 제곱에 반비례한다. 따라서 UV LED(20)의 광 조사 영역의 중심(O)을 기준으로 조사각(θ)만큼 기울어진 위치에 있는 배관(10)의 표면에서 받는 자외선의 세기는 2r² (1 + cos 2θ)의 값에 반비례한다. 그러므로 UV LED(20)에서 조사각 별로 조사되는 자외선의 세기 분포가 k (1 + cos 2θ)이 되도록 하면 배관(10)의 모든 표면에서 측정되는 자외선의 세기는 일정하게 된다(여기서 k는 비례상수이다).

이렇게 배관(10)의 내부 표면에서 측정되는 자외선의 세기가 모두 일정하도록 자외선이 조사되면, 반사면(18)에서 균일한 세기의 자외선이 다시 배관(10)의 내부 공간(11)으로 반사되어, 내부 공간의 모든 영역에 자외선의 세기가 균일하게 분포 조사되는 효과를 가지고, 그에 따라 살균 효율이 향상된다.

자외선의 세기 분포가 k (1 + cos 2θ)인 것을 그래프로 도시하면 도 13과 같다. 도 13에서 자외선 세기의 최고치의 1/2이 되는 위치는 +45˚ 위치와 -45˚ 위치이므로, 이 때 확산각은 90˚가 된다. 따라서 각종 편차를 감안하였을 때 도 11의 실시예에서 렌즈(30)에 의한 UV LED(20)의 자외선 확산각은 80˚ ~ 100˚ 범위에 있는 것이 바람직하다.

한편 앞서 도 8과 관련하여 설명한 바와 같이 배관의 길이 방향 평면(Y-Y)으로 보았을 때 렌즈에 의한 자외선의 확산각은 상기 배관의 단면 방향 평면(X-X)으로 보았을 때 렌즈에 의한 자외선의 확산각보다 더 크도록 구성하게 되면, 배관의 길이방향으로도 자외선 조사가 더 분산되도록 할 수 있다.

도 14는 본 발명에 따른 유체 살균 장치의 다른 일실시예를 나타낸 사시도, 그리고 도 15는 도 14의 단면도이다.

도 14와 도 15에 도시된 실시예에 따르면, 앞서 실시예들과 대비하여 렌즈(30)가 배관(10)에 일체로 형성되어 있다는 점에 가장 큰 차이를 가진다. 배관(10)은 가령 압출 성형이 가능한 재질일 수 있고, 배관(10)은 도 15에 도시된 단면 형상으로 압출 성형할 수 있다. 또한 배관에는 반사면(18)이 형성된다. 본 발명에 따르면 렌즈가 배관에 일체로 성형되므로 UV LED가 배관의 내부 공간(11)에 더욱 가깝게 배치될 수 있으면서도, 그 자체로 밀봉 구조이므로 도 11에 도시된 구조와 달리 수밀 구조를 별도로 구성할 필요가 없다.

여기서 도 15에 도시된 렌즈(30)의 단면 형상은 앞서 도 9에 도시된 형상과 실질적으로 동일하게 구성할 수 있다. 다만 도 14의 실시예에 의하면 배관의 길이방향 평면에서 바라본 렌즈(30)의 형상은 직선 형상으로 되어 있다. 본 실시예에서는 렌즈가 배관의 압출 성형 과정에서 함께 배관과 함께 성형되는 것을 설명하였으나, 렌즈가 배관과 일체로 성형될 수 있는 다른 성형 공정을 적용할 수 있음은 물론이다. 또한 압출 성형 외에, 길이 방향으로 단면이 일정하지 않도록 할 수 있는 다른 가공 방법을 적용하면 렌즈의 이면(34)이 반구형 홈 형상으로 이루어지고 렌즈의 표면(32)이 도 8에 도시된 바와 같은 볼록한 타원형 형태로 이루어질 수도 있음은 물론이다.

렌즈(30)에 설치되는 UV LED(20)는 도시된 바와 같이 긴 바 형상의 기판(26) 상에 소정 간격 이격 설치될 수 있다. 따라서 복수 개의 UV LED(20)가 배관(10)의 길이방향을 따라 형성된 렌즈(30)의 이면(34)에 끼워지도록 기판(26)을 고정하면 렌즈의 설치가 완료된다.

상술한 유체 살균 장치에 의하면 자외선 광원의 증가 없이 배관을 따라 유동하는 물의 살균 효율을 크게 높일 수 있다. 따라서 물의 출수구 직전에 있는 배관에 이를 설치하여 물을 살균할 수 있다. 또한 상술한 유체 살균 장치가 구성된 배관의 양단에 다른 배관과의 체결 구조를 형성하여 상술한 유체 살균 장치를 모듈화 하는 것도 가능하다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

10: 배관
11: 내부 공간
12: 홀
14: 내측 표면
16: 외측 표면
18: 반사면
20: UV LED
22: 밀봉부재
221: 외부면
24: 반사층
26: 기판
30: 렌즈
32: 외부면
34: 내부면
36: 단턱
40: 실링 부재
d: 자외선의 조사 거리
I: 자외선의 세기
w: 확산각
O: 광 조사 영역의 중심축
θ: 자외선의 조사각

Claims

내부에 유체가 흐르는 배관;
상기 배관의 내부를 향해 자외선을 조사하도록 상기 배관의 길이방향을 따라 이격 설치된 복수 개의 UV LED;
상기 UV LED에서 조사되는 자외선의 확산각을 소정 각도 이하로 줄이는 렌즈;를 포함하는 배관 내부의 유체 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 복수 개의 UV LED는 배관의 길이방향을 따라 설치되는 위치가 배관의 반경 방향으로 오프셋 되는 것을 특징으로 하는 유체 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 UV LED에서 조사되는 자외선의 피크파장은 255~285nm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 유체 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 렌즈는 UV LED 전면에 설치되고,
상기 렌즈의 외부면 중심이 상기 배관에 접촉 설치되며,
상기 렌즈에 의한 자외선의 확산각은 60˚ ~ 75˚ 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 유체 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 렌즈는 UV LED 전면에 설치되고,
상기 배관에는 상기 렌즈가 끼워지는 홀이 형성되며,
상기 렌즈가 상기 배관의 홀에 끼워져 렌즈의 외부면이 배관 내부 공간으로 노출되는 것을 특징으로 하는 유체 살균 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 배관의 단면 방향 평면으로 보았을 때 렌즈에 의한 자외선의 확산각은 80˚ ~ 100˚ 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 유체 살균 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 배관의 단면 방향 평면으로 보았을 때 렌즈에 의한 자외선의 세기(I) 분포는 자외선의 조사각(θ)에 따라 실질적으로 다음의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 유체 살균 장치.
I = k(1+cos 2θ)
(여기서 k는 비례상수, θ는 UV LED의 광 조사 영역의 중심축으로부터 조사된 자외선의 방향이 이루는 각도이다.)
청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
상기 배관의 길이 방향 평면으로 보았을 때 렌즈에 의한 자외선의 확산각은 상기 배관의 단면 방향 평면으로 보았을 때 렌즈에 의한 자외선의 확산각보다 더 큰 것을 특징으로 하는 유체 살균 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 렌즈의 베이스 측에는 단턱이 형성되고,
상기 단턱과 배관 사이에 실링 부재가 협지되는 것을 특징으로 하는 유체 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 렌즈는 배관에 일체로 형성되고,
상기 UV LED가 상기 배관에 형성된 렌즈에 설치되는 것을 특징으로 하는 유체 살균 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 렌즈가 일체로 형성된 상기 배관의 단면 형상은 길이방향으로 동일한 것을 특징으로 하는 유체 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 자외선이 입사되는 영역을 제외한 상기 배관 외측 또는 내측 표면의 적어도 일부 영역에는 배관의 내부 공간과 마주하는 반사면이 구비되는 것을 특징으로 하는 유체 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 배관의 단면 방향에서 본 상기 렌즈의 외부면은 볼록한 곡면 형상을 하되, 광 조사 영역의 중심축에서 멀어질수록 UV LED의 발광지점에서 렌즈의 외측 표면까지의 거리가 가까워지는 형상인 것을 특징으로 하는 유체 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 배관의 재질은 자외선이 투과되는 재질인 것을 특징으로 하는 유체 살균 장치.
청구항 14에 있어서,
상기 배관의 재질은 석영, PMMA, 또는 불소계 합성수지인 유체 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 UV LED 상부에는 렌즈 형태의 밀봉부재가 형성되고,
상기 UV LED는 상기 밀봉부재를 개재한 상태로 상기 렌즈에 설치되는 것을 특징으로 하는 유체 살균 장치.
청구항 16에 있어서,
상기 렌즈의 내부면이 상기 밀봉부재의 외부면의 형상과 대응하여서,
상기 밀봉부재의 외부면이 상기 렌즈의 내부면과 밀착되는 것을 특징으로 하는 유체 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 UV LED와 마주하는 렌즈의 내부면은 입사면을 형성하고,
상기 입사면은 상기 UV LED에서 조사된 광이 상기 입사면에 수직으로 입사되는 형상으로 이루어지는 유체 살균 장치.
청구항 18에 있어서,
상기 입사면은 UV LED의 발광지점을 중심으로 하는 반구 형태인 유체 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 UV LED는 기판에 실장되고, 상기 기판과 상기 렌즈 사이에는 반사층이 형성된 유체 살균 장치.