KR20170036173A

KR20170036173A - Uv led 물 살균 장치

Info

Publication number: KR20170036173A
Application number: KR1020150134655A
Authority: KR
Inventors: 김종락
Original assignee: 서울바이오시스 주식회사
Priority date: 2015-09-23
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2017-04-03

Abstract

본 발명은 저수조에 담겨 있는 물의 수위에 대응하여 자외선을 조사하는 UV LED의 위치가 변경되어 항상 높은 살균 효율을 발휘할 수 있는 물 살균 장치에 관한 것이다.
본 발명의 물 살균 장치는, 저수조 내에 마련되며 저수조 내의 물 위에 떠 있는 부력체; 상기 저수조 내의 수위에 따라 대응하여 뜨거나 가라앉는 상기 부력체의 이동을 안내하는 가이드; 상기 부력체에 설치되어 물에 자외선을 조사하는 UV LED; 및 상기 UV LED에 전원을 공급하는 전원부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

UV LED 물 살균 장치{Water Sterilizer Using Ultraviolet Light Emitting Diode}

본 발명은 물 살균 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저수조에 담겨 있는 물의 수위에 대응하여 자외선을 조사하는 UV LED의 위치가 변경되어 항상 높은 살균 효율을 발휘할 수 있는 물 살균 장치에 관한 것이다.

1910년, 수돗물을 염소가스로 소독하여 공급하기 시작하면서 콜레라 등 수인성 세균의 확산에 대한 공포는 크게 사라지게 되었고, 염소를 사용하는 방법은 이후 가장 광범위하게 사용하는 수돗물 소독방법이 되었다. 그러나, 1970년대에 들어 하천수 등에 자연적으로 존재하는 유기물(NOM, natural organic matter)과 염소가 반응하여 THM(trihalomethane)등 새로운 발암물질이 생성되는 것이 알려지게 되었다. 또한, 1980년대 이후에는 상수원수에 존재하는 미생물 중에서 Cryptosporidium이나 Giardia와 같은 원생동물이 인체에 유입되어 중대한 질병을 일으키는 사례가 증가되고 있다. 그렇지만, 이들 미생물이 염소 소독에는 저항성이 강하여 C. parvum의 경우 1,000 mg/L의 염소 농도에서도 24시간을 견디는 것으로 보고되고 있다. 이와 같은 염소 소독의 부작용 및 한계를 극복할 만한 다양한 소독 방법이 시도되고 있는데, 그 중 하나의 대안으로서 자외선 소독은 상당한 장점을 가지고 있다. 국내에서도 이미 염소 소독에서 나타나는 여러 가지 부산물들에 대한 연구가 진행되어 왔고, 최근 들어서는 우리나라도 이러한 원생동물이 상수도 순환시스템에 들어올 가능성을 배제할 수 없으므로 대책을 마련하여야 한다는 주장이 힘을 얻고 있다.

자외선(Ultraviolet light, UV)은 상수처리에서 Cryptosporidium이나 Giardia 혹은 다른 병원성 미생물을 살균하는데 일반 화학적 살균 방법보다 더 효과적인 것으로 알려져 있으며, 유럽이나 북미를 중심으로 급속히 확대 설치되고 있는 기술이다. 자외선은 10 ~ 400 nm의 파장대를 가진 모든 전자기적 방사에너지를 말한다. 파장대 별로 구분하여 320 ~ 400 nm 장파장대의 UVA, 280 ~ 320 nm의 UVB, 그리고 그 보다 파장이 짧은 200 ~ 280 nm의 UVC로 나뉘는데, UVC 영역의 자외선이 특히 미생물의 살균에 효과적이므로 상수나 하수, 기타 살균 목적으로 사용하는 자외선은 UVC 영역이다. 이 보다 파장이 짧은 10 ~ 200 nm의 자외선을 “진공자외선”이라고 부르는데 대부분 공기에 의해 흡수 되어 버리기 때문이다.

자외선 램프는 종류에 따라 저압램프(Low pressure), 저압고출력램프(Low pressure high output)와 중압램프(medium pressure)로 나눈다. 저압램프는 출력이 보통 40 ~ 100W 정도이고, 253 nm 내외의 한 파장이 발생하는 것이며, 중압램프는 출력이 1 ~ 5 kW 정도로서, 전 자외선 영역에 걸쳐 다양한 파장의 자외선이 모두 발생하는 것이다. 저압램프는 매우 소규모 시스템에 적합하며, 대부분의 도시 수처리 시스템에서는 저압고출력램프나 중압램프를 사용하고 있다.

하지만 이러한 종래의 자외선 램프는 살균에 가장 효과적인 파장대의 자외선만을 발광하지 않기 때문에 살균 효율이 그다지 높지 않았다. 하지만 이러한 종래의 램프들은 모두 전력소모와 발열이 심하고, 수명이 짧으며, 내부에 충진되는 유독가스로 인해 환경이 오염된다는 문제가 있었다.

모든 생물체의 대사와 복제는 핵산(Nuclein acid)이 담당한다. 핵산의 중요한 두가지 형태는 DNA(deoxyribonucleic acid)와 RNA(ribonucleic acid)이다. DNA와 RNA는 뉴클리오타이드 배열이 단일 혹은 이중구조로 형성되어 있다. DNA에서 뉴클리오타이드는 퓨린(아데닌과 구아닌) 또는 피리미딘(티민과 시토신)으로 구성된다. RNA는 퓨린은 DNA와 같고, 피리미딘은 우라실과 시토신으로 구성된다. 뉴클리오타이드는 자외선의 200 ~ 300 nm 파장을 흡수한다. DNA나 RNA가 자외선을 흡수하는 정도는 뉴클리오타이드의 구성에 따라 차이가 나는데 대략 260 nm에서 최대 흡수율을 보이는 것으로 알려져 있다.

퓨린과 피리미딘 모두 자외선을 강하게 흡수하지만 UV에 의한 손상은 피리미딘이 더 크다. 흡수된 UV는 핵산의 피리미딘에 6 종류의 손상을 입힌다고 하는데, 그 중에서도 피리미딘 2중 결합(pyrimidine dimers)에 따른 손상이 미생물의 불활성화에 직접적인 영향을 미친다.

피리미딘 2중 결합은 DNA나 RNA 배열 구조에서 인접한 피리미딘들 사이에 공유결합이 존재할 때 자외선에 의해 피리미딘 2중 결합이 만들어진다. 피리미딘 2중 결합에 의한 손상은 다른 손상 예를 들면, 나선 구조의 파괴, DNA와 DNA의 교차, 단백질과 DNA의 교차에 의한 손상보다 1000배나 더 흔히 나타나는 손상으로 알려져 있다.

피리미딘 2중 결합이나 다른 형태의 핵산 손상으로 인해 미생물은 복제가 불가능하고, 인체에 유입된다 하더라도 발병하지 못하게 된다. 그렇다고 미생물의 대사작용까지 불가능하게 하지는 못한다. 다른 화학적 살균과 같이 세포 파괴나 산화를 통해 미생물을 사멸시키기 위해서는 핵산의 손상에 필요한 조사량의 수십 수백배 많은 조사량이 필요하다. 미생물은 생물학적 회복(microbial repair)이나 광 회복(photorepair), 암실 회복(dark repair) 등의 기능이 있어 일차 손상이 있더라도 회복하는 기능이 있다.

미생물의 종류에 따라 자외선에 대한 내성도 서로 다르다. 바이러스와 박테리오파아지의 자외선에 대한 민감도는 100배 이상 차이가 나며, 박테리아 안에서도 포자형성균이나 그람양성균은 그람음성균보다 자외선에 대한 저항성이 더 크다. 수도의 병원균 관점에서 보면 자외선 살균에 대해서 바이러스가 가장 저항성이 크고, Bacteria, Cryptosporidium, Giardia순이다.

하지만 발명자가 조사한 결과 상수원에 주로 존재하는 미생물들의 뉴클리오타이드의 구성은 대부분 270nm 부근의 자외선에 대해 최대 흡수율을 보이 고 있었다. 따라서 253nm 내외의 파장대에서 집중적으로 자외선이 발생하는 기존의 저압램프나 저압고출력램프는 상수원의 미생물을 살균하기에 미진한 부분이 있었다.

이에 반해 LED는 피크파장대에 에너지가 집중적으로 발광하도록 제작하는 것이 가능하기 때문에, 가령 살균 대상이 되는 미생물들이 최대 흡수율을 가지는 파장과 피크파장대가 일치하도록 자외선 LED를 제작할 경우, 살균 효율을 극히 높일 수 있다.

한편 도시 수처리 시스템에서 자외선 살균을 하고, 집에서 정수기를 쓴다고 하더라도 상수로에서 세균이나 바이러스가 혼입되거나 정수기 필터가 세균이나 바이러스에 의해 오염되면 사람이 마시는 물에 이들이 혼입되는 문제가 발생한다. 또한 정수기 필터를 거친 후 물이 저장되는 수조도 세균이나 바이러스로부터 자유로울 수는 없다. 특히 수도꼭지(노즐)가 오염되어 세균이 역류할 가능성도 배제할 수 없다. 따라서 상수원을 임시적으로 저수하는 정수기 내의 소형 저수조는 물론 건물 등에 사용되는 대형 저수조에 저장된 물 역시 지속적인 살균 관리가 필요하다.

자외선 강도에 대해서는 다음과 같은 인자들이 사용되고 있다.

1. 자외선 출력(UV Output)

램프에서 물로 전달되는 동력(파장 200 ~ 300 nm 영역)으로 램프당 와트(W)로 표시한다. 램프에서 나오는 동력은 수정이나 물을 통과하면서 감소하게 되며, 램프의 출력 역시 램프의 수명, 수온, 램프의 fouling 등에 따라 감소하게 된다.

2. 자외선 강도(UV Irradiance)

자외선 에너지가 단위 면적당 입사하는 자외선 에너지를 말하며, 단위면적당 자외선 동력으로 표시한다. 즉, 단위 cm²당 마이크로와트(μW/cm²) 또는 단위 cm²당 밀리와트(mW/cm²) 등이다.

3. 자외선 조사량(UV Dose)

자외선의 살균력은 자외선의 강도와 접촉시간의 곱으로 정의되는 자외선 주입율(UV dose)에 비례하는데, 화학적 처리에서 농도와 접촉시간의 곱으로 정의되는 주입율(dose)과 같은 의미로 사용된다. 주입된 에너지는 자외선 강도와 실제 노출시간의 곱으로 정량화할 수 있다.

조사율(mWsec / cm²) = UV강도(mW / cm²) × Time(sec)

조사율(mJ / cm²) = UV강도(mW / cm²) × Time(sec)

광원의 자외선 출력이 높을수록 살균효과는 높아지게 된다. 그런데, 광원의 자외선 출력을 높이는 데에는 한계가 있고, 이는 비용 증가와 직결된다. 특히 광원이 살균 대상에서 멀어지게 되면 살균 효율이 떨어지므로, 살균 효율을 높이기 위해서는 광원과 살균 대상물이 가깝게 배치되도록 하는 것이 중요하다.

일반적으로 저수조에 설치되는 기존의 자외선 살균 램프는 물이 닿지 않도록 하기 위해 저수조의 천장에 설치되는 것이 보통이었다. 하지만, 저수조의 수위가 낮아지는 경우에는 물과 자외선 살균 램프의 거리가 멀어져서 살균 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 UV LED를 사용하여 살균 효율을 현저히 높인 물 살균 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 저수조 내에서 변화하는 수위가 변하여도 지속적으로 높은 살균 효율을 유지할 수 있는 물 살균 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 물에 지속적으로 가깝게 배치되거나 접촉하면서도 수밀(水密)에 유리한 물 살균 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 저수조 내에 마련되며 저수조 내의 물 위에 떠 있는 부력체; 상기 저수조 내의 수위에 따라 대응하여 뜨거나 가라앉는 상기 부력체의 이동을 안내하는 가이드; 상기 부력체에 설치되어 물에 자외선을 조사하는 UV LED; 및 상기 UV LED에 전원을 공급하는 전원부;를 포함하는 물 살균 장치를 제공한다.

상기 부력체는 중공형의 수밀형 함체일 수 있다.

상기 부력체는 물에 뜨는 배 구조일 수 있다.

상기 UV LED는 상기 부력체 내부에 수용되고, 상기 부력체에서 적어도 자외선이 투과되어야 하는 부분은 자외선 투과율이 높은 재질로 이루어질 수 있다.

상기 부력체는 물보다 밀도가 낮은 재질로 이루어진 부표일 수 있다.

상기 UV LED는 상기 부력체의 하부에 연결되며 적어도 하방을 향해 자외선을 조사하는 방향으로 설치될 수 있다.

상기 가이드는 저수조의 바닥 또는 천장 중 적어도 어느 한 면으로부터 상하 방향으로 연장되되, 부력체에 대한 안내를 하는 구간의 단면이 실질적으로 동일한 하나 이상의 가이드 부재를 포함할 수 있다.

상기 부력체는 상기 가이드 부재에 외삽될 수 있다.

상기 가이드 부재는 중공부를 구비하며, 상기 중공부에는 전자기 유도를 발생시키는 1차 코일이 설치되고, 상기 부력체에는 상기 1차 코일에 의해 발생하는 전자기 유도를 받는 2차 코일이 설치될 수 있다.

상기 가이드에는 상기 부력체가 위치를 확인하는 위치 감지부가 구비될 수 있다.

상기 위치 감지부는 상기 가이드의 하단에 설치되고, 상기 위치 감지부에서 상기 부력체가 하단에 있음을 확인한 경우 UV LED에 공급되는 전원을 차단할 수 있다.

상기 부력체에는 서로 다른 조사 방향으로 자외선을 조사하는 2 이상의 UV LED가 설치되고, 상기 위치 감지부에서 감지된 부력체의 위치에 따라 상기 2 이상의 UV LED 각각에 공급되는 전원의 세기가 달라지거나 상기 2 이상의 UV LED 각각에 대한 전원 공급 여부 또는 전원 공급 시간이 달라질 수 있다.

상기 부력체의 위치가 높아질수록 자외선 조사 방향이 하방을 향하는 UV LED에 공급되는 전원의 세기가 강해지거나 UV LED의 점등 기간이 길어지도록 제어될 수 있다.

상기 부력체에는 자성체가 설치되고, 상기 위치 감지부는 상기 가이드 부재의 길이 방향을 따라 이격 배치된 복수 개의 자성 센서일 수 있다.

상기 위치 감지부는 상기 가이드를 따라 승강하는 부력체의 이동 경로에 돌출 형성되는 트리거 스위치일 수 있다.

상기 UV LED는 상기 부력체의 상부에 설치되고, 상기 부력체는 하부로 갈수록 점점 좁아지거나 단계적으로 좁아지는 형상일 수 있다.

상기 UV LED는 복수 개 구비되며, 측방으로 자외선을 조사하는 UV LED와 하방으로 자외선을 조사하는 UV LED를 포함할 수 있다.

상기 UV LED에서 조사되는 자외선의 피크 파장은 265nm 내지 275nm 의 범위에 있을 수 있다.

본 발명에 의하면, 살균에 가장 효과적인 파장대에 에너지가 집중된 자외선을 조사함으로써 물 살균 효율을 더욱 높일 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 저수조의 변하는 수위에 대응하여 에너지 소비량 대비 지속적으로 높은 살균 효율을 유지할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 물에 지속적으로 접촉하거나 물에 가깝게 위치하면서도 수압까지 고려할 필요 없이 전기 부품들을 물에 대해 쉽게 격리시킬 수 있다.

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

도 1은 본 발명에 따른 물 살균 장치의 일 실시예를 간략하게 나타낸 사시도,
도 2는 도 1의 부력체 부분의 확대 사시도,
도 3은 도 2의 부력체 부분의 단면도,
도 4 내지 도 6은 각각 부력체와 가이드의 다른 일 실시예들의 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 물 살균 장치의 다른 일 실시예를 간략하게 나타낸 사시도,
도 8은 도 7의 부력체의 측면 단면도,
도 9 내지 도 11은 각각 부력체의 다른 일 실시예의 단면도,
도 12는 E. coli O157:H7 (ATCC 43894)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프,
도 13은 B. subtilis spore (ATCC 6633)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프, 그리고
도 14는 B. MS2 phage (ATCC 15597-B1)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프이다.

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.

도 1은 본 발명에 따른 물 살균 장치의 일 실시예를 간략하게 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 부력체 부분의 확대 사시도이며, 도 3은 도 2의 부력체 부분의 단면도이다.

본 발명은 저수조(10)에 담겨 있는 물(W)을 살균하기 위한 장치이다. 이러한 살균 장치는, 저수조(10)의 바닥(11) 또는 천장(12) 중 적어도 어느 한 곳에서 상하방향으로 연장 형성된 가이드(20)와, 물의 수위에 대응하여 상기 가이드(20)를 따라 승강하는 부력체(40), 그리고 부력체(40)에 설치되어 물에 자외선을 조사하는 UV LED(50)를 포함한다.

가이드(20)는 수평면 방향의 단면도가 일정한 가이드 부재(22)로 이루어져 있다. 가이드 부재(22)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 하나 구비될 수도 있고, 필요에 따라 2개 이상으로 구성될 수도 있다(도 7 참조). 이러한 가이드 부재(22)는 도 1에 도시된 바와 같이 저수조(10)의 바닥(11)과 천장(12)에 모두 연결 고정된 형태일 수 있고, 도 7에 도시된 바와 같이 바닥(11)에만 연결되거나, 비록 도시하지는 아니하였으나 천장에만 연결 고정된 형태일 수도 있다. 어떠한 방식으로 가이드 부재를 설치할 것인지는, 저수조의 크기, 형태, 조립 방식 등 제반 여건을 고려하여 결정될 수 있다.

가이드 부재(22)는 원기둥 형태일 수 있으며, 환형의 부력체(40)가 이러한 원기둥 형상의 외측으로 삽입되어 가이드 부재를 따라 상하 승강 가능하다. 본 발명의 일실시예에서 부력체(40)는 중공형의 수밀형 함체일 수 있다. 부력체(40)가 수밀형인 것은 단순히 부력을 유지하기 위한 것에서 더 나아가, 중공의 내부 공간에 UV LED를 비롯한 전자 부품을 수용하기 위한 것일 수 있다. 여기서 부력체(40)는 물 위에 떠 있는 상태에서 물에 대해 방수 기능을 가지면 되기 때문에, 수압에 견뎌야 할 정도로 수밀을 유지할 필요는 없다.

함체(41) 내에는 도시된 바와 같이 하방을 향해 자외선을 조사하는 UV LED(50)와 외측 방향을 향해 자외선을 조사하는 UV LED(50)를 포함한다. 이들 UV LED(50)는 하나의 와셔 내지 링 형상의 기판(52)에 복수 개 실장된 형태일 수도 있고, 각각 하나의 UV LED가 실장된 기판들을 필요한 부분에 설치하는 방식일 수도 있다. 기존의 자외선 광원 램프와 달리, UV LED는 확산각이 좁기 때문에 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 살균이 필요한 영역에만 자외선을 집중적으로 선택하여 조사하도록 광원을 구성할 수 있다.

UV LED(50)에서 조사되는 자외선은 275nm의 피크파장을 가진다. 이러한 파장에 대해서는 후술한다. 함체를 이루는 부분 중 적어도 UV LED(50)의 전방에는 자외선 투과율이 높고 자외선에 조사되더라도 쉽게 열화되지 않는 재질의 창(43)이 구비되며, 함체 자체를 이러한 재질로 제작할 수도 있다. 자외선에 열화되지 않는 재질로는 석영, 단량체 비율이 80% 이상인 PMMA, 또는 불소계 투명 수지 등이 사용될 수 있다.

가이드 부재(22)에 대해 부력체(40)가 외삽되는 구조에 의하면 가이드 부재(22)가 자외선의 광 경로를 차폐하는 현상을 최소화하면서 UV LED를 배치할 수 있다. 도면 상에는 가이드 부재의 직경이 다소 과장되어 표현되어 있으나 가이드 부재는 큰 하중을 받는 부품이 아니기 때문에 직경을 작게 해도 무방하다. 또한 함체의 직경은 도시된 치수보다 얼마든지 더 키울 수 있다. 따라서 도 3에 도시된 바와 같이 함체의 외측면과 저면에 UV LED를 배치하면, 하나의 가이드 부재에 하나의 부력체를 설치하더라도 저수조의 모든 영역에 자외선을 조사하기 유리하다.

UV LED(50)에 전원을 공급하는 전원부는 유연한 전선(66)을 통해 전력을 공급받아 각 UV LED에 전원을 제공하는 제어회로(68)를 구비한다. 전선(66)은 유연하며, 적어도 부력체(40)가 이동하는 구간에 대해, 전선이 당겨져서 부력체(40)에 외력을 주지 않는 정도의 길이를 구비한다. 전선(66)을 저수조(10)의 천장(12)을 통해 유입시키면 전선이 물에 닿지 않도록 할 수 있다.

상술한 구성을 포함하는 물 살균 장치에 의하면, 저수조 내의 물의 수위에 관계 없이 UV LED(50)가 설치된 부력체(40)는 항상 물 위에 떠 있는 상태가 되므로, UV LED(50)가 물과 가장 가까운 위치에서 물에 대해 자외선을 조사할 수 있다. 이러한 구조는, 저수조의 일정 위치에 자외선 광원을 고정시키는 것에 비해 살균 효율을 현저히 증가시킬 수 있다. 살균 효율을 높이기 위해 저수조의 바닥 부분에 광원을 설치한다면 최소한 저수조의 높이에 해당하는 만큼의 수압에 견뎌야 하는 방수 구조를 적용해야 하지만, 본 발명에 의하면, 그러한 구조 없이도 항상 물에 접하는 위치에서 자외선을 조사함으로써 살균 효율을 높일 수 있게 된다.

또한 저수조의 물이 고갈된 경우, 부력체(40)는 바닥(11)에 가라앉게 되는데, 이 때 바닥 부근에 설치된 위치 감지부(30)가 부력체를 인지하면 UV LED에 대한 전원 공급이 차단되도록 구성할 수 있다. 도 1에는 가이드 부재(22)의 하단에 트리거 스위치 형식으로 위치 감지부(30)가 설치된 것이 예시되어 있다.

도 4는 부력체와 가이드의 다른 일 실시예의 단면도이다.

도 4에 도시된 물 살균 장치는 앞서 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예와 대비하여, 전원 공급 방식에 차이가 있다. 즉 도 4의 물 살균 장치는 전선이 물에 노출되는 것 자체를 방지하기 위해, 가이드 부재(22)를 중공형으로 구성하고 그 내부에 전자기 유도를 위한 1차코일(62)을 권선하며, 부력체(40)인 수밀형 함체(41)의 중공부에 상기 1차코일에 의해 전기를 무선으로 전달받을 수 있는 2차코일(64)을 권선하였다. 1차코일(62)은 가이드 부재(22)의 길이 방향을 따라 전체적으로 권선되어 있어서 부력체(40)가 어디에 위치하더라도 2차코일(64)에 전자기 유도 방식으로 전류가 흐르도록 구성할 수 있다. 또한 함체(41) 내부에는 커패시터(69)가 설치된 제어회로(68)가 설치되어 있어서 불안정할 수 있는 전자기 유도 방식의 전원 공급의 안정성을 높였다.

한편, 가이드 부재(22)의 수밀 편의성을 위해 가이드 부재(22)는 천장(12)으로부터 연장된 형태로 구현 가능하다.

이러한 구조를 가지는 물 살균 장치에 의하면 물이 저장되는 저수조 내부 공간으로 전선이 노출되지 않도록 하면서, 상하로 이동하는 부력체에 설치된 UV LED에 안정적으로 전원을 공급할 수 있다.

도 5는 부력체와 가이드의 다른 일 실시예의 단면도이다.

도 5에 도시된 물 살균 장치에는 부력체인 수밀형 함체(41) 내부에 영구 자석과 같은 자성체(34)가 설치되어 있고, 가이드 부재(22)의 내부에는 길이 방향에 따라 복수 개로 구간을 나누어 각각 자성센서(32)가 설치되어 있다. 이와 같은 장치에 의하면, 부력체의 높이에 따라 자성체(34)의 자성을 감지하는 자성센서(32)가 달라지게 된다.

도 5에 도시된 바와 같이 서로 다른 방향을 향해 자외선을 조사하는 UV LED가 구비된 경우, 물의 수위에 따라 UV LED의 온 오프와 조사되는 자외선의 강도를 조절함으로써 소비 전력 대비 살균 효율을 더 높일 수 있다. 가령 물의 수위가 낮아 부력체가 저수조 내부 공간에서 아래쪽에 위치하는 경우에는 측면을 향해 자외선을 조사하는 UV LED에 비해 바닥을 향해 자외선을 조사하는 UV LED의 자외선 강도를 낮출 수 있다. 반대로 물의 수위가 높아 부력체가 저수조 위쪽에 위치하는 경우에는 바닥을 향해 자외선을 조사하는 UV LED에 더 많은 전원을 공급하여 바닥으로 조사되는 자외선의 강도를 증가시킬 수 있다.

도 5에 도시된 장치 구조에 의하면, 어떠한 구간에 있는 자성센서(32)가 자성체(34)의 자성을 감지하느냐에 따라 위와 같이 UV LED에 공급되는 자외선의 강도나 온 오프를 조절할 수 있다.

따라서 본 발명에 따르면 물의 수위에 대응하여 최적의 효율을 가지도록 자외선 광원을 운용할 수 있다.

앞서 설명한 사항은 자외선의 강도와 UV LED의 온 오프의 관점을 기준으로 설명하였으나, 이 외에도 UV LED의 점등 기간이나 점등 간격을 조정하는 등의 방법으로도 상술한 바와 같이 최적의 효율로 자외선 광원을 운용할 수 있다. 즉 자외선의 강도를 세게 해야 하는 상황이라면 주기적으로 점등과 소등이 반복되는 UV LED의 자외선 조사 기간을 길게 하고 소등 기간을 짧게 하는 방식이 적용될 수도 있다.

도 6는 부력체와 가이드의 다른 일 실시예의 단면도이다.

도 5와 대비하여, 도 6에 도시된 물 살균 장치에는 위치 감지부(30)로서 트리거 스위치(36)가 설치되어 있다는 점에 차이가 있다. 트리거 스위치는 가이드 부재(22)를 따라 복수 개 구비되어 있어서, 복수 개의 트리거 스위치들 중 부력체(40)가 이동할 때 부력체(40)가 존재하는 높이 부분의 트리거 스위치가 눌리는 구조로 되어 있다. 도 6에는 도시된 트리거 스위치들 중 위쪽에 있는 트리거 스위치가 부력체에 의해 눌려 있는 상태가 도시되어 있다. 이러한 구조에 의하면, 앞서 도 5에서 설명한 바와 마찬가지로, 물의 수위에 대응하여 최적의 효율을 가지도록 자외선 광원을 운용할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 물 살균 장치의 다른 일 실시예를 간략하게 나타낸 사시도이고, 도 8은 도 7의 부력체의 측면 단면도이다.

도 7에 도시된 물 살균 장치는, 도 1에 도시된 물 살균 장치에 대비하여, 복수 개, 더 구체적으로는 서로 평행한 2개의 가이드 부재(22)를 구비하고 있다는 점, 그리고 가이드 부재가 바닥으로부터 상방을 향해 연장 형성되어 있다는 점에 차이가 있다. 가령 장축과 단축을 가지는 단면 형상을 가진 저수조(즉 좌우로 긴 저수조)에는 좌우로 긴 부력체가 필요한데, 이러한 형상의 부력체의 승강이 자연스럽게 안내되도록 하기 위해서는 도시된 바와 같이 가이드 부재(22)가 좌우에 각각 설치될 필요가 있다.

또한 도 7에 도시된 부력체는 위쪽이 트여 있는 배 형상이라는 점에서 도 1에 도시된 부력체와 차이가 있다. 즉 도 7의 부력체는 상부가 트여 있는 배(42) 구조이며, 도 8에 도시된 바와 같이 배(42)의 내부 공간에 광원 모듈(54)이 놓여진다. 광원 모듈(54)은 수밀 구조이며, 내부에 UV LED(50)가 실장된 기판(52)이 적절히 배치되어 있고 전원부(60)가 내장된 구조이다. 광원 모듈의 하우징은 자외선이 투과하는 재질로 제작된다. 이는 자외선이 투과되어야 하는 배(42)의 특정 부분(43)에 대해서도 마찬가지이다. UV LED는 직 하방 또는 45도 하방을 향하도록 배치될 수 있으나, 반드시 이러한 방향에 한정되는 것은 아니다.

이러한 구조에 의하면 광원에 문제가 발생할 경우 광원 모듈을 쉽게 수거하여 유지 관리할 수 있다.

도 9는 부력체의 다른 일 실시예의 단면도이다.

도 8과 대비하여 도 9의 실시예에서는 광원 모듈(54)이 배(42)의 하부에 매달린 형태라는 점에 차이가 있다. 이러한 구조에 의하면 배(42)의 일부분을 자외선 투과 재질로 구성할 필요가 없고 배의 수밀을 유지할 필요도 없다. 또한 이러한 구조는 앞서 실시예들에 비해 광원 모듈이 확실히 물 속에 잠긴 상태를 유지할 수 있다는 점에서 살균 효율에 조금 더 유리한 면이 있다. 물론 UV LED의 배향은 물속에 잠긴 깊이 정도에 대응하여 적절히 선정할 수 있을 것이다.

도 10은 부력체의 또 다른 일 실시예의 단면도이다.

도 9와 대비하여 도 10의 실시예에서는 부력체가 스티로폼과 같은 부표(44)로 이루어져 있다는 점에 차이가 있다. 또한 부표 대신 속이 빈 함체(41)로 이를 구성하고, 그 하부에 광원 모듈(54)을 설치하는 변형 역시 가능하다. 이러한 구조는 배 구조의 부력체를 사용할 때 배 내부에 물이 침투하여 부력이 낮아질 수 있는 현상을 근본적으로 방지할 수 있다.

도 11은 부력체와 광원 모듈의 또 다른 일 실시예의 단면도이다.

도 10과 대비하여 도 11의 실시예에서는 부력체인 부표(44)의 상부에 광원 모듈(54)이 설치된 점에 차이가 있다. 또한 부력체(40)의 형상은 하부로 갈수록 점점 그 단면적이 좁아지는 형태로 되어 있어서, 부력체보다 상부에 설치된 광원 모듈에서 조사되는 자외선을 간섭하지 않으면서도 부력을 유지할 수 있도록 하였다. 도시된 부력체는 하부로 갈수록 그 단면적이 단계적으로 좁아지는 형상이 예시되었으나 경사면을 이루며 좁아져도 무방하다.

또한 부표 대신 속이 빈 통 형태의 함체(41) 역시 사용 가능하다. 그리고 함체 자체를 자외선이 투과되는 재질로 제작하면, UV LED에서 조사되는 자외선의 조사 영역이 차폐되지 않도록 하는 장점이 있다.

한편 앞서 설명한 바와 같이 일반적으로 260nm의 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 12는 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 13은 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 14는 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.

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: 저수조
11: 바닥
12: 천장
20: 가이드
22: 가이드 부재
24: 중공부
30: 위치 감지부
32: 자성센서
34: 자성체
36: 트리거스위치
40: 부력체
41: 수밀형 함체
42: 배
43: 창
44: 부표
50: UV LED
52: 기판
54: 광원 모듈
60: 전원부
62: 1차코일
64: 2차코일
66: 전선
68: 제어회로
69: 커패시터
W: 물

Claims

저수조 내에 마련되며 저수조 내의 물 위에 떠 있는 부력체;
상기 저수조 내의 수위에 따라 대응하여 뜨거나 가라앉는 상기 부력체의 이동을 안내하는 가이드;
상기 부력체에 설치되어 물에 자외선을 조사하는 UV LED; 및
상기 UV LED에 전원을 공급하는 전원부;를 포함하는 물 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 부력체는 중공형의 수밀형 함체인 물 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 부력체는 물에 뜨는 배 구조인 물 살균 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 UV LED는 상기 부력체 내부에 수용되고,
상기 부력체에서 적어도 자외선이 투과되어야 하는 부분은 자외선 투과율이 높은 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 물 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 부력체는 물보다 밀도가 낮은 재질로 이루어진 부표인 것을 특징으로 하는 물 살균 장치.
청구항 1, 청구항 2, 청구항 3, 및 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 UV LED는 상기 부력체의 하부에 연결되며 적어도 하방을 향해 자외선을 조사하는 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 물 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 가이드는 저수조의 바닥 또는 천장 중 적어도 어느 한 면으로부터 상하 방향으로 연장되되, 부력체에 대한 안내를 하는 구간의 단면이 실질적으로 동일한 하나 이상의 가이드 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 살균 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 부력체는 상기 가이드 부재에 외삽되는 것을 특징으로 하는 물 살균 장치.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
상기 가이드 부재는 중공부를 구비하며,
상기 중공부에는 전자기 유도를 발생시키는 1차 코일이 설치되고,
상기 부력체에는 상기 1차 코일에 의해 발생하는 전자기 유도를 받는 2차 코일이 설치되는 것을 특징으로 하는 물 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 가이드에는 상기 부력체가 위치를 확인하는 위치 감지부가 구비되는 것을 특징으로 하는 물 살균 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 위치 감지부는 상기 가이드의 하단에 설치되고,
상기 위치 감지부에서 상기 부력체가 하단에 있음을 확인한 경우 UV LED에 공급되는 전원을 차단하는 것을 특징으로 하는 물 살균 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 부력체에는 서로 다른 조사 방향으로 자외선을 조사하는 2 이상의 UV LED가 설치되고,
상기 위치 감지부에서 감지된 부력체의 위치에 따라 상기 2 이상의 UV LED 각각에 공급되는 전원의 세기가 달라지거나 상기 2 이상의 UV LED 각각에 대한 전원 공급 여부 또는 전원 공급 시간이 달라지는 것을 특징으로 하는 물 살균 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 부력체의 위치가 높아질수록 자외선 조사 방향이 하방을 향하는 UV LED에 공급되는 전원의 세기가 강해지거나 UV LED의 점등 기간이 길어지는 것을 특징으로 하는 물 살균 장치.
청구항 10 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부력체에는 자성체가 설치되고,
상기 위치 감지부는 상기 가이드 부재의 길이 방향을 따라 이격 배치된 복수 개의 자성 센서인 것을 특징으로 하는 물 살균 장치.
청구항 10 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위치 감지부는 상기 가이드를 따라 승강하는 부력체의 이동 경로에 돌출 형성되는 트리거 스위치인 것을 특징으로 하는 물 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 UV LED는 상기 부력체의 상부에 설치되고,
상기 부력체는 하부로 갈수록 점점 좁아지거나 단계적으로 좁아지는 형상인 것을 특징으로 하는 물 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 UV LED는 복수 개 구비되며, 측방으로 자외선을 조사하는 UV LED와 하방으로 자외선을 조사하는 UV LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 살균 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 UV LED에서 조사되는 자외선의 피크 파장은 265nm 내지 275nm 의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 물 살균 장치.