KR20180043561A - 정전기 에어필터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 정전기 에어필터는, 간격을 두고 대향하도록 위치하는 제1 필터 소재 및 제2 필터 소재 및 미세먼지가 통과하는 공기 유로부를 포함하고,외력에 의해 상기 간격이 좁아지고, 상기 간격을 유지하는 복원력에 의해 넓어지는 것에 의하여 마찰전기가 발생하고, 상기 제1 필터 소재 및 상기 제2 필터 소재에 제1 전극 및 제2 전극이 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

정전기 에어필터{STATIC ELECTRICITY AIR FILTER}

본 발명은 먼지 집진 기능을 수행하는 에어필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서로 다른 소재간 마찰에 의해 발생하는 정전기를 이용한 정전기 에어필터에 관한 것이다.

일반적으로 먼지 집진 장치 또는 에어 필터가 적용되는 진공 청소기는 집안이나 차안 또는 기타의 장소를 청소함에 있어서 일반 빗자루나 기타 청소도구로는 청소가 곤란한 구석진 곳 및 기타 장소의 청소를 위해 흡입력을 발생시켜 상기 흡입력에 의해 먼지 등의 이물질을 제거하는 기기를 일컫는다.

이와 같은 진공 청소기는 도시한 도 1과 같이 크게 흡입력을 발생시키는 본체(10)와, 상기 본체에서 발생된 흡입력을 전달 받아 실내의 공기 및 각종 이물질을 흡입하는 흡입노즐(20)로 크게 구성된다. 또한, 상기 본체와 흡입노즐 사이에는 상기 본체 내부와 연통되는 흡입호스(31)와, 컨트롤러부(도시는 생략함)를 갖는 손잡이부(32)와, 상기 손잡이부와 흡입노즐을 연결하는 연장관(33)이 각각 연결되어 상호간의 흡입력 전달이 가능하다. 이 때, 상기 본체 내부에는 도시한 도 2와 같이 그 내부와 연통된 흡입호스(31)의 일단이 연결됨과 함께 상기 흡입호스를 통해 본체(10) 내부로 흡입되는 각종 이물질을 집진하는 집진봉투(11)가 구비되어 있고, 모터(12)의 구동력을 받아 회전하면서 흡입력을 발생시키도록 팬(13)이 설치되어 있으며, 상기 본체 내의 후면에는 본체(10) 내로 흡입된 공기가 배출되도록 배출공(14)이 형성되어 있다.

따라서, 사용자의 필요에 따라 청소를 수행하고자 할 때에는 청소기에 전원을 공급시킨 상태에서 흡입호스(31)의 타단에 부착된 손잡이부(32)를 잡고 상기 손잡이부에 구비된 컨트롤러부(도시는 생략함)의 흡입모드를 선택하여 본체(10) 내에 장착된 모터(12)를 구동시킴으로써 팬(13)을 회전하며 흡입력을 발생시키게 된다. 이와 같이 하여 흡입력이 발생되면 사용자는 손잡이부(32)를 이용하여 청소를 원하는 위치에 흡입노즐(20)을 위치시켜 청소를 행하게 된다.

이 때, 상기 흡입노즐을 통해 흡입되는 공기 및 각종 이물질은 연장관(33), 손잡이부(32), 흡입호스(31) 등을 순차적으로 통과하여 본체(10) 내부로 유입됨과 함께 상기 흡입호스와 연통된 집진봉투(11) 내로 유입된다. 이와 같이 집진봉투(11) 내부로 유입된 공기 및 각종 이물질 중 대부분의 이물질은 상기 집진봉투 내에 집진되고, 나머지 미세먼지를 포함한 공기만이 계속되는 팬(13)의 회전에 따른 흡입력에 의해 집진봉투(11)를 빠져나와 본체(10)의 후방 쪽으로 이동한다.

또한, 이렇게 상기 본체(10)의 후방 쪽으로 이동한 공기는 본체의 후면에 형성된 배출공(14)을 통해 실내로 배출됨으로써 청소가 수행된다.

하지만, 전술한 바와 같이 배출공(14)을 통해 본체 외부로 배출되는 공기에는 인체에 유해한 성분을 포함한 미세먼지가 함께 배출될 수 있음에 따라 종래에는 진공 청소기를 구성하는 본체(10)의 배출공(14)에 별도의 에어필터(40)를 구비하여 배

출되는 공기에 함유된 미세먼지를 제거할 수 있도록 하고 있다. 즉, 폴리프로필렌(PolyPropylene;PP)수지 혹은 폴리에틸렌(PolyEthylen;PE)수지 등과 같은 소재의 섬유로 이루어진 정전부직포(41)로 구성된 에어필터(40)를 별도로 구성함으로써 실내로 배출되는 미세먼지 까지도 집진할 수 있도록 한 것이다.

또한, 이와 같은 종래 에어필터의 정전부직포(41)는 도시한 도 3과 같이 전체적으로 다수의 산과 골을 이루도록 다중 절곡 형성함으로써 배출되는 공기와의 접촉면적을 최대화하여 그 집진면적을 더욱 넓게하였다. 최근 다양한 종류의 가정용 공기청정기가 보급되고 있는데, 공기 여과방법에 따라 건식 또는 습식, 여과 방식에 따라 필터방식, 전기집진방식, 광촉매 방식 등으로 나눌 수 있다. 가장 흔하게 보편화된 건식 필터방식 공기청정기는 보통 기본적으로 입자가 큰 섬유물질 등 1차로 거른 뒤, 2차에서 입자가 작은 미세먼지 등을 걸러내게 되며, 2차 필터로 쓰이는 HEPA (high efficiency particulate air) 필터는 최근 0.3 μm 의 미세먼지을 걸러낼 정도로 발전하였다. 하지만, 0.3 μm 이하의 초미세먼지 (PM2.5, 지름 2.5㎛ 이하) 제거 효율이 낮고, 필터 관리 과정에서 탈진 후에도 필터 표면에 분진이 잔재하게 되는 현상이 빈번하게 발생하여 막힘 현상에 따른 압력손실이 커서 필터의 여과효율이 떨어져 필터의 교환 주기가 짧다.

본 발명의 목적은 앞서 설명한 종래 집진방식에 따른 기술적인 문제점을 해결하고, 새로운 집진방식에 대한 제안에 있다.

본 발명의 다른 목적은 여과 과정에서 에어필터 소재 표면에 자연적으로 발생하는 정전기를 이용하여 여과 특성이 향상된 정전기 에어필터 제조 방법을 제공하고자 한다.

또 다른 목적은 기존의 고온, 고전압의 정전기 부여 단계의 제조공정으로 인한 고비용 제조 공정을 개선함으로써, 경제성 향상을 제공하고자 한다.

또 다른 목적은 필터의 물 세척이 가능하여 유지 비용 및 사용자의 편의성을 높이는데 있다.

또 다른 목적은 정전기의 대전차이를 측정하여, 에어필터의 오염 정도를 센싱하여, 사용자에게 필터 정도의 필요여부를 제공하고자 한다.

또 다른 목적은 정전기의 대전 차이를 이용한 에너지 하베스팅에 응용하여, 먼지센서, Voc센서 등 각종 센서를 자체적으로 구동시키고, 소모전력을 낮추고자 한다.

또 다른 목적은 공기 통로의 크기에 따라, 집진되는 미세먼지의 크기를 조절할 수 있게 하는데 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터는, 간격을 두고 대향하도록 위치하는 제1 필터 소재 및 제2 필터 소재 및 미세먼지가 통과하는 공기 유로부를 포함하고,

외력에 의해 상기 간격이 좁아지고, 상기 간격을 유지하는 복원력에 의해 넓어지는 것에 의하여 마찰전기가 발생하고, 상기 제1 필터 소재 및 상기 제2 필터 소재에 제1 전극 및 제2 전극이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터의 제1 필터 소재 및 상기 제2 필터 소재의 표면에 다수의 미세 돌기 구조체가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터의 미세 돌기 구조체는 반구형 형상, 사각기둥 형상, 피라미드 형상, 또는 다각 기둥 형상인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터는, 간격을 유지하는 복원력을 가진 플렉서블한 절연물질을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터의 제1 필터 소재는 기판 상에 배치되고, 마찰전기는 상기 기판 또는 상기 제2 필터 소재 사이의 접촉면이 변화하여 발생되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터의 제1 필터 소재를 이루는 물질은 제2 필터 소재를 이루는 물질보다 마찰전기 시리즈(triboelectric series)에서 보다 음의 값을 가지는 물질인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터는, 공기 유로부의 입구 측에 기 정해진 크기 이상의 먼지를 여과하는 프리필터를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터의 공기 유로부에는 기 정해진 크기 미만의 먼지가 공기 유로 방향과 동일한 방향으로 이동하고, 상기 기 정해진 크기 미만의 먼지는 극성에 따라 제1 필터소재 또는 제2 필터소재의 표면에 집진되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 효과는 다음과 같다.

본 발명의 제 1 효과는 정전기 에어필터의 구성은 플러스 (+)로 대전되는 제1 소재와 마이너스 (-)로 대전되는 제2 소재로 구성되어 정전기를 통한 집진이 가능한 것이다.

본 발명의 제 2 효과는 에어필터의 두 소재는 직포 또는 부직포의 형태로 공기 흐름에 따라 최적의 진동이 발생 할 수 있도록 다공성 구조를 가질 수 있고, 구멍의 크기를 다르게 하여 집진 효과를 극대화 하는 효과가 있다.

본 발명의 제 3 효과는 여과 성능 향상을 위해 지그재그 (갈지자형) 또는 구불구불한 형태 등의 공기 통로를 통해, 집진 효과를 향상시키는 효과가 있다.

본 발명의 제 4 효과는 전기를 사용하지 않는 정전기 에어필터를 통해 사용자가 편리하게 물 세척이 가능하다는 것이다.

본 발명의 제 5 효과는 제1 소재와 제2 소재에 의해 발생하는 정전기의 대전차이를 측정하여, 에어필터의 청소 필요 여부를 알 수 있는 것이다.

본 발명의 제 6 효과는 제1 소재와 제2 소재에 의해 발생하는 정전기의 대전차이를 이용하여, 에너지 하베스팅에 응용이 가능한 것이다.

도 1 은 종래 일반적인 에어필터가 적용된 진공 청소기를 나타낸 사시도이다.
도 2 는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선을 단면하여 나타내 구성도이다.
도 3 은 도 2의 “A”부분을 확대하여 나타낸 종단면도이다.
도 4 는 본 발명 일 실시예에 따른 에어필터가 장착된 상태를 나타낸 진공 청소기의 단면도이다.
도 5 는 도 4의 “B”부분을 확대한 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터를 보다 구체적으로 나타낸 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 에어필터의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 에어필터의 결합상태를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 에어필터의 구성을 나타낸 분리사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 에어필터의 결합상태를 나타낸 단면도이다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터의 원리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 14 및 도 15는 전기 집진 방식 에어필터에 대하여 설명하기 위한 도면들이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터의 집진 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 17 및 도 18은 본 발명에 따른 정전기 에어필터의 다양한 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터의 대전 차이를 측정하는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명과 관련된 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

도 4는 본 발명 에어필터가 장착된 상태를 나타낸 진공 청소기의 단면도이고, 도 5는 도 5 는 도 4의 "B"부분을 확대한 본 발명에 따른 에어필터를 보다 구체적으로 나타낸 확대 단면도로서, 본 발명에 따른 진공 청소기의 에어필터(400)는 진공 청소기의 본체(10)내 공기 배출측인 배출공(14)이 형성된 측에 설치되는 필터몸체(410)와, 상기 필터몸체 내측을 따라 다수의 산과 골을 가지도록 일체화된 내부정전부직포(420)와, 상기 내부정전부직포의 각 절곡된 부위 사이사이에 투입된 입상활성탄(430)과, 상기 필터몸체의 외측을 감싸면서 그 내측에 투입된 입상활성탄(430)의 누출을 방지하는 외부정전부직포(440)를 포함하여서 된 것이다.

즉, 본 발명에 따른 에어필터(400)는 PP수지 혹은 PE수지 등과 같은 소재의 섬유로 이루어진 내부정전부직포(420)를 다수의 산과 골을 가지도록 절곡한 상태로써 필터몸체(410)의 내측을 따라 일체화하고, 상기 정전부직포가 형성하는 각 산과 골 사이사이에는 입자 상태의 활성탄(430)을 투입하며, 상기 필터몸체의 외부로는 상기 입상의 활성탄이 누출됨을 방지하도록 외부정전부직포(440)를 감싸서 된 것이다.

이 때, 상기 내부정전부직포는 외부정전부직포(440)에 비해 더욱 미세한 먼지까지도 집진할 수 있도록 구성함으로써 순차적인 미세먼지의 집진을 수행할 수 있도록 함이 바람직하다.

또한, 입상의 활성탄(430)에는 산화구리(CuO) 혹은 2가아연(ZnO₂) 등 일반적으로 냄새 성분의 제거를 위해 저온활성이 높은 것으로 알려진 촉매를 함침시킴으로써 에어필터(400)를 통과하는 공기중의 냄새 제거 효율을 더욱 상승시킬 수 있도록 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용중 진공 청소기의 본체(10) 내에서 발생된 흡입력에 의해 본체(10) 내의 집진봉투(11)에 각종 이물질이 집진되는 과정은 종래 기 설명한 바 있음에 따라 그 상세한 설명은 생략하고, 상기 집진봉투를 통과한 공기 및 미세먼지가 에어필터(400)를 통과하는 과정에 관해서만 보다 구체적으로 설명하면 후술하는 바와 같다.

우선, 집진봉투(11)를 통과한 공기 및 미세먼지는 계속적인 팬(13)의 회전에 따른 흡입력에 의해 본체(10) 내의 후방측 공간부를 유동한 후 에어필터(400)를 통과하게 된다.

이 때, 상기 에어필터는 외부정전부직포(440), 입상활성탄(430), 내부정전부직포(420) 등의 3단계 필터링을 순차적으로 수행하도록 그 구성이 이루어져 있음에 따라 각각을 통과하는 과정중 배출되는 공기 내의 미세먼지 및 오염취와 같은 냄새성분의 완전한 제거가 이루어지게 된다.

즉, 에어필터(400)를 통과하는 배출공기는 외부정전부직포(440)를 통과하는 과정중 상기 배출공기에 포함된 미세먼지의 일차적인 제거가 이루어지게 되고, 입상활성탄(430)을 통과하는 과정에서 상기 공기에 함유된 오염취 등의 냄새 성분 제거가 이루어지게 되며, 내부정전부직포(420)를 통과하는 과정에서 재차적인 미세먼지의 제거가 이루어지게 된다.

이후에도 계속적인 입상활성탄(430) 및 외부정전부직포(440)를 통과함에 따라 배출되는 공기에 함유된 냄새 성분의 재차적인 제거 및 초미세먼지의 제거가 이루어지게 됨은 이해 가능하다.

한편, 상기 입상의 활성탄에는 산화구리(CuO) 혹은 2가아연(ZnO₂)등의 촉매가 함침되어 있음에 따라 이를 통과하는 배출공기 중의 냄새 성분은 보다 원활히 제거될 수 있음은 이해 가능하다.

또한, 상기의 산화구리는 항균성을 크게 향상시키는 작용 역시 행하게 되는 일반적인 사실을 고려할 때 각종 배출 공기에 포함된 미생물의 제거 역시 더불어 이룰 수 있게 됨은 이해 가능하다.

한편, 에어필터(400)는 굳이 진공 청소기를 구성하는 본체(10)의 공기 배출측에만 구비하여야만 하는 것은 아니다. 즉, 집진봉투(11)가 구비된 공간과 모터(12) 및 팬(13)이 구비된 공간을 각각 구획하는 구획판(15)에 설치된 필터(16)에도그 적용이 가능하다.

하지만, 상기 모터 및 팬이 구비된 공간 상에서도 그 구동에 의한 미세 먼지 혹은 각종 미생물이 발생할 수 있음에 따라 상기와 같은 각종 오염물질을 모두 제거할 수 있도록 하기 위해서는 본 발명에서와 같이 공기 배출측에 본 발명에 따른 에어필터(400)를 구비하는 것이 가장 바람직하다.

이 때, 상기 에어필터는 진공 청소기의 본체 내부나 외부 중 어느 곳에 위치하여도 상관은 없으며, 필요에 따른 그 적절한 구성이 가능하다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 에어필터의 구성을 나타낸 사시도이고,도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 에어필터의 결합상태를 나타낸 단면도이고, 도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 에어필터의 구성을 나타낸 분리사시도이고, 도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 에어필터의 결합상태를 나타낸 단면도이다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 2차적으로 공기중에 포함된 미세먼지를 포집시켜주는 에어필터(611)의 구성은, 본체의 후단부로 착탈이 용이토록 결합되는 프레임(612)과, 상기 프레임(612)과 일체로 인서트 성형되어 구동실에서 대기중으로 에어되는 공기중의 미세먼지를 여과시키기 위한 정전절곡필터(613)와, 상기 프레임(612)이 본체에 밀착상태를 유지하면서 장착될 수 있도록 프레임(612)에 결합되는 밀폐부재(614)를 구비한 구성으로 되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 에어필터(611)가 장착되는 장치의 집진실과 구동실을 통과한 공기가 정전절곡필터(621)를 통과하여 외부로 에어될때 발생되는 압력손실을 최소화하여 흡입 성능 및 집진 효율을 향상시킬수 있도록 하기 위해 정전절곡필터(621)를 일체로 형성하고 있는 프레임(611)에 부착되는 정전평면필터(641)와, 상기 정전평면필터(641)를 프레임(611)에 고정시키기 위하여 프레임(611)으로 결합되는 지지대(651)와, 상기 지지대(651)를 프레임(611)으로 부터 착탈시켜 정전평면필터(641)의 교환이 용이토록 하기 위한 지지대의 착탈수단을 구비한 구성이다.

그리고, 상기 지지대의 착탈수단은 프레임(611)의 양측면에 형성되는 다수개의 결합공(612)과, 상기 결합공(612)으로 삽입 또는 분리가능토록 지지대(651) 양측에 돌설되는 다수개의 후크(652)로 구비하였다.

또한, 상기 정전절곡필터(621)와 정전평면필터(641)가 결합되어 있는 프레임(611)을 장치 본체로부터 간편하게 분리 및 조립할 수 있도록 하기 위해 프레임(611)의 일측부에 형성되는 손잡이(613)를 더 구비하였다.

그리고, 상기 지지대(651)에는 정전절곡필터(621)와 정전평면필터(641)를 통과한 공기가 외부로 에어될 수 있도록 다수개의 에어공(653)을 더 구비하였다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의한 에어필터는 정전절곡필터(621)와 정전평면필터(641)를 밀폐부재(631)를 부착하고 있는 프레임(611)에 결합시키기 위해서는 프레임(611)에 정전절곡필터(621)와 정전평면필터(641)를 차례대로 결합시키고 뒤이어 지지대(651)를 프레임(611)으로 결합시킨다. 이때, 상기 프레임(611)양측에 형성된 결합공(612)으로 지지대(651) 양측에 형성된 후크(652)를 결합시키면 상기 지지대(651)가 정전평면필터(641)와 정전절곡필터(621)를 압지하는 상태가 되기 때문에 견고한 결합이 유지된다. 그리고, 상기와 같이 결합이 완료된 에어필터(661)를 장치에 결합시켜야 하는 바, 이때에는 프레임(611)에 형성된 손잡이(613)를 잡고 장치의 후측부로 밀어 넣으면 간단한 결합이 이루어지게 된다. 상기와 같이 에어필터(661)의 결합이 완료된 후 청소기(601)를 사용하기 위해서는 장치 본체에 전원을 인가하여 구동실의 모터를 구동시키면 모터의 회전축에 결합되는 임펠러의 회전에 의해 외부의 공기가 흡입기구와 흡입공를 통해 집진실로 흡입되고 집진실의 공기는 구동실과 본 발명의 에어필터(661)를 통해 에어공으로 에어 된다. 즉, 상기의 집진실과 구동실의 기압은 대기압보다 낮아진 상태가 되기 때문에 흡입력이 발생하게 된다.

따라서, 청소 대상면 주변의 공기는 이물질과 함께 흡입기구로 유도되어 몸체 전단부의 흡입공을 통해 집진실 내부로 빨려들어가게 된다. 상기와 같이 집진실로 빨려들어간 이물질은 집진실의 집진봉지에 모아진다. 그리고, 상기 집진봉지를 통과한 공기는 집진필터에 의해 1차적으로 먼지가 포집되면서 구동실로 흡입되어진다. 또한, 상기 구동실을 통과하여 에어되는 공기는 에어필터(661)를 통과하면서 2차적으로 미세먼지가 걸러진 상태로 정화된후 에어공을 통해 장치 외부로 에어되는 작용을 하게 된다. 이때, 상기의 에어필터(661)를 통과하는 공기는 정전절곡필터(621)와 정전평면필터(641)그리고 지지대(651)의 에어공를 순차적으로 통과하면서 공기중에 포함된 미세한 먼지들을 포집하여 주기 때문에 고성능의 필터링을 할 수 있게 된다.

그리고, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 에어필터의 정전절곡필터(621)는 종래의 것을 그대로 사용하는 대신 정전평면필터(641)를 더 부가시킨 구성이므로 가공과 조립공정이 매우 손쉽게 이루어진다. 또한, 상기와 같은 본 발명의 구성에 의해 공기가 통과하는 압력 손실이 작아 흡입력이 떨어지는 것을 방지할 수 있기 때문에 강한 흡입력을 발휘할 수 있게 되는 동시에 양호한 통기성과 향상된 집진효율을 얻을수 있게 된다.

그리고, 상기 에어필터(661)를 교환할 경우에는 외부로 노출되어 있는 프레임(611)의 손잡이(613)를 잡아 당기면 간편하게 분리가 되어지고 아울러 프레임(611)의 결합공(612)에 결합되어 있는 후크(652)를 외측에서 내측으로 밀은뒤 지지대(651)를 외측으로 당기면 쉽게 지지대(651)를 분리시킬수 있게 되므로 정전평면필터(641)의 분리도 용이하여진다.

따라서, 상기 간편하게 분리되어지는 정전평면필터(641)및 정전절곡필터(621)의 교환이 편리하게 이루어질 수 있게 된다.

도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터의 원리를 설명하기 위한 도면들이다.

도체는 보통 금속결합으로 안전한 원자배치를 가지고 남은 별도의 전자를 자유전자로 원자핵의 인력 없이 움직일 수 있도록 배치되어 있는 구조를 갖는다. 그렇기 때문에 쉽게 전자가 이동하여 전류가 잘 흐르게 된다. 반면 부도체의 경우에는 원자들끼리의 공유결합을 통하여 서로의 전자를 금속보다 강한 인력으로 속박하게 되어 전자가 원자핵으로부터 쉽게 벗어날 수 없는 구조를 가지고 있다. 그렇기 때문에 전자가 쉽게 움직일 수 없기 때문에 전류가 잘 흐르지 못하게 된다.

정전기 에어필터는 정전기 원리를 이용할 수 있다. 정전기(static electricity)는 정지된 전기를 의미할 수 있다. 일반적으로 전기현상은 대부분 전자의 이동에 의해 일어나게 되는데 이러한 저자가 부도체의 경우는 잘 움직이지 못하므로, 부도체에서 일어나는 전기현상을 정전기라 한다.

정전기 현상은 마찰을 통하여 쉽게 발생하므로 마찰전기라고 명명할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 우선 부도체인 두 물체가 마찰하게되면 마찰에 의한 마찰열이 두 부도체에 작용할 수 있다. 마찰열에 의한 열에너지를 바탕으로 전자의 운동이 활발해질 수 있다. 단 이 때 원자핵은 전자에 비해 2000배 정도 무겁기 때문에 가벼운 전자가 상대적으로 더 활발한 운동을 할 수 있다. 이 때문에 정전기 현상은 전자의 이동에 의해서 일어나는 현상이지 원자핵(양전하)은 이동할 수 없다는 원리가 나타나는 것이다.

또한, 서로 다른 두 물체의 경우 전자에 대한 친화도가 달라 상대적으로 전자를 좋아하는 물질이 전자를 끌고 가게 된다. 그러면 상대적으로 다른 전자를 잃은 물체는 전자가 부족해지고 반대의 물체는 전자가 남게 되는 것이다. 전자가 많아진 물체는 많은 전자로 인하여 (-) 전기를 띄고 전자가 부족해진 물체는 상대적으로 (+) 전하를 띌 수 있다. 이러한 원리에 의하여 부도체에서 정전기가 생기게 된다.

도 14 및 도 15는 전기 집진 방식 에어필터에 대하여 설명하기 위한 도면들이다.

도 14 및 도 15에 도시된 전기 집진 방식 에어필터의 경우, 코로나 방전을 이용한 이온의 쿨롬력에 의한 집식방법과 유전(誘電) 현상에 의한 정전기력을 이용하는 방법으로, 일반적으로 분진이 12,000~15,000 V의 강한 전계 속을 통과하여 3,000~8,000 V의 직류전압을 가진 부 전극에 흡착되어 여과된다. 이러한 방식은 필터방식과 비교하여 우수한 여과 성능, 낮은 압력손실, 그리고 반영구적 집진이 가능하지만, 고압 전류를 사용함으로써 오존을 동시에 발생시켜 기준치 (세계보건기구에서 허용한 기준 0.05 ppm 이하) 이상의 오존이 발생할 경우, 호흡기를 자극하여 인체에 좋지 않은 영향을 미친다는 단점이 있다. 또한 미국 특허 US 5807425, US 5871567, 대한민국 특허 10-0618464, 10-2007-0123103 등에서 고온, 고전압 제조 과정에서 유전 소재가 정전기 특성을 띄도록 하면 여과 성능을 크게 향상된다는 것이 밝혀졌다. 그러나, 별도의 고온, 고전압의 필터 제조 공정 단계가 필요하여 제조원가가 비싸고, 코로나 방전 공정을 통해 제작된 필터이기 때문에 사용시간에 따라 효율이 감소하고, 물 세척이 불가능하여 효율이 떨어진 필터를 교체해야 하여 관리 비용이 많이 들어간다. 그 밖에 습식 공기청정기의 경우, 물을 필터처럼 사용하여 물의 표면장력으로 인해 공기중의 부유 물질이 물 속에 침전되는 방식으로 냄새나 유해가스의 제거능력 및 가습효과가 뛰어나지만 먼지 제거 능력은 필터방식과 비교하여 떨어지고, 약 2주마다 청소가 필요하며, 녹조 방지를 위해 첨가물질을 병행하여 사용해야 하는 문제점이 있다

도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터의 집진 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터(1600)는 프리필터(1610)와 결합되어 먼지를 필터링할 수 있다. 프리필터(1610) 주변부(1605) 영역을 확대한 그림에 도시된 바와 같이, 기존 필터기술에 따라 기 정해진 크기 이상의 입자를 갖는 큰 먼지 또는 분진은 프리필터(1610)에 의해 1차로 여과될 수 있다. 그 이후, 입자가 작은 미세분진이 본 발명의 정전기 에어필터(1600)에 의해 집진될 수 있다. 먼저 여과 과정에서 공기 흐름에 의해 제1 필터 소재(1620) 및 제2 필터 소재(1630)의 접촉 또는 마찰로 인하여 각 필터 소재에 정전기가 발생할 수 있다. 즉, 제1 필터 소재(1620) 및 제2 필터 소재(1630)는 일정한 간격을 가지고 결합되나, 연성을 가지고 있어 공기 흐름에 따라 접촉 또는 마찰이 발생할 수 있다.

미세먼지의 경우, 제1 필터 소재(1620) 및 제2 필터 소재(1630)에 대전되어 있는 극성에 대응하여 중성 미세먼지, (+) 미세먼지 및 (-) 미세먼지로 구분할 수 있다.

제1 필터 소재(1620) 및 제2 필터 소재(1630)는 서로 접촉하거나 마찰하여 극성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 필터 소재(1620)는 (-) 극성을 가질 수 있고, 제2 필터 소재(1630)는 (+) 극성을 가질 수 있다.

(+) 미세먼지의 경우 (-) 극성을 갖는 제1 필터 소재(1620)의 표면에서 정전기력에 의해 포집될 수 있다. 반면, (-) 미세먼지의 경우 (+) 극성을 갖는 제2 필터 소재(1630)의 표면에서 정전기력에 의해 포집될 수 있다. 중성 미세먼지의 경우, 공기 통로를 따라 이동을 하면서 필터 소재와 마찰되어 (+) 또는 (-) 대전이 발생하게 되고, 그 결과 제1 필터 소재(1620) 또는 제2 필터 소재(1630)의 표면에서 포집될 수 있다.

또한, 제1 필터 소재(1620) 및 제2 필터 소재(1630)의 표면에는 마찰전기를다수보다 더 많이 발생시키기 위한 미세 돌기 구조체가 포함될 수 있다. 상기 미세 돌기 구조체는 반구형 형상, 사각기둥 형상, 피라미드 형상, 또는 다각 기둥 형상일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터(1600)는 제1 필터 소재(1620) 및 제2 필터 소재(1630) 사이의 간격을 유지하는 복원력을 가진 플렉서블한 절연물질을 더 포함할 수 있다.

또한, 도 16에 도시된 형태와 달리 정전기 에어필터(1600)는 제1 필터 소재(1620) 역할을 수행하는 플렉서블 기판이 포함될 수 있다. 플렉서블 기판과 제2 필터 소재(1630)의 접촉면 변화에 의하여 마찰전기가 발생할 수 있다.

도 17은 본 발명에 따른 정전기 에어필터의 다양한 형상을 설명하기 위한 도면이다.

도 17에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 정전기 에어필터는 제1 타입(1600), 제2 타입(1710), 제3 타입(1720) 및 제4 타입(1730)의 형상을 가질 수 있다. 다만, 제1 타입(1600), 제2 타입(1710), 제3 타입(1720) 및 제4 타입(1730)의 정전기 에어필터는 모두 제1 필터 소재(1620) 또는 제2 필터 소재(1630)가 교차하는 순서대로 구현될 수 있다. 제1 필터 소재(1620) 또는 제2 필터 소재(1630)가 서로 교차하는 구조에서 마찰 또는 접촉에 따른 정전기가 발생할 수 있고, 그 결과 미세먼지를 집진할 수 있다.

나아가, 도 18에 도시된 바와 같이 정전기 에어필터(1600)가 장착되는 진공 청소기 등의 형상에 대응하여, 정전기 에어필터(1600)의 외형은 원형 또는 타원형 등의 외형을 가질 수 있다.

도 19는 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터의 대전 차이를 측정하는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 19에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 정전기 에어필터(1600)는 제1 필터 소재(1620) 및 제2 필터 소재(1630)에 의해 발생하는 정전기의 대전차이를 측정하여, 에어필터의 청소 필요 여부를 알 수 있다. 즉, 정전기 에어필터(1600)의 표면에 포집된 분진이 많아짐에 따라 제1 필터 소재(1620) 및 제2 필터 소재(1630)의 대전차이가 처음보다 적어질 수 있다. 이를 기준으로 사용자는 필터의 청소 여부를 파악할 수 있다. 나아가, 이러한 대전 차이를 이용하여 에너지 하베스팅 분야에 응용할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 여과 과정에서 발생하는 두 소재의 접촉 또는 마찰에 의한 정전기를 이용하므로 우수한 여과 성능뿐만 아니라, 저렴한 정전기 에어필터의 제작 비용 및 유지 비용을 제공한다. 또한, 본 발명을 이용하여 에어필터의 청소 여부를 알 수 있어 사용자의 편의성을 제공할 수 있다. 그리고 에너지 하베스팅 분야에 응용하여 온도, 습도, 먼지 센서와 같은 추가적인 전자장치를 외부의 전력원 없이 자체 전력으로 구동시킬 수 있다. 결국, 이런 활동이 사용자의 건강 생활 증진 및 주변 위생 환경 개선에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.

상기와 같이 설명된 정전기 에어필터는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (8)

1. 정전기 에어필터에 있어서,
   간격을 두고 대향하도록 위치하는 제1 필터 소재 및 제2 필터 소재; 및
   미세먼지가 통과하는 공기 유로부를 포함하고,
   외력에 의해 상기 간격이 좁아지고, 상기 간격을 유지하는 복원력에 의해 넓어지는 것에 의하여 마찰전기가 발생하고, 상기 제1 필터 소재 및 상기 제2 필터 소재에 제1 전극 및 제2 전극이 형성되는,
   정전기 에어필터.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 필터 소재 및 상기 제2 필터 소재의 표면에 다수의 미세 돌기 구조체가 형성되어 있는,
   정전기 에어필터.
   
3. 제2 항에 있어서,
   상기 미세 돌기 구조체는 반구형 형상, 사각기둥 형상, 피라미드 형상, 또는 다각 기둥 형상인,
   정전기 에어필터.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 간격을 유지하는 복원력을 가진 플렉서블한 절연물질을 더 포함하는,
   정전기 에어필터.
   
5. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 필터 소재는 기판 상에 배치되고,
   상기 마찰전기는 상기 기판 또는 상기 제2 필터 소재 사이의 접촉면이 변화하여 발생되는,
   정전기 에어필터.
   
6. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 필터 소재를 이루는 물질은 상기 제2 필터 소재를 이루는 물질보다 마찰전기 시리즈(triboelectric series)에서 보다 음의 값을 가지는 물질인,
   정전기 에어필터.
   
7. 제1 항에 있어서,
   상기 공기 유로부의 입구 측에 기 정해진 크기 이상의 먼지를 여과하는 프리필터가더 포함되는,
   정전기 에어필터.
   
8. 제1 항에 있어서,
   상기 공기 유로부에는 기 정해진 크기 미만의 먼지가 공기 유로 방향과 동일한 방향으로 이동하고,
   상기 기 정해진 크기 미만의 먼지는 극성에 따라 제1 필터소재 또는 제2 필터소재의 표면에 집진되는,
   정전기 에어필터.
   

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