KR20190029976A - 마찰 전기 기반의 먼지 포집 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지지부; 지지부와 연결되어, 지지부로부터 돌출하는 복수의 양의 대전체부; 및 지지부와 연결되어, 지지부로부터 돌출하는 복수의 음의 대전체부;를 포함하고, 복수의 음의 대전체부 각각은, 복수의 양의 대전체부 각각의 사이마다 배치되며, 복수의 양의 대전체부와 복수의 음의 대전체부는 서로 마찰되어 마찰 전기를 발생하는 먼지 포집 장치에 관한 것이다.

Description

마찰 전기 기반의 먼지 포집 장치{A TRIBOELECTRICITY BASED DUST CAPTURING DEVICE}

본 발명은 마찰전기를 기반으로 하는 먼지 포집 장치에 관한 것으로, 구체적으로, 먼지 포집을 위해 나뭇잎의 표면 구조의 모사를 통해 먼지를 효율적으로 포집할 수 있는 장치에 관한 것이다.

공기 등의 기체에 포함된 미세 입자를 포집하기 위한 장치들이 많은 분야에서 사용되고 있다. 일반적으로, 공기청정기와 같은 여과방식의 필터기술, 산업용 집진설비와 같은 장치는 높은 전력을 사용하는 경우가 많다.

이를 개선하기 위해 제안된 자성필터를 사용하는 방식이 제안되었지만, 이는 금속성분의 먼지 흡착에 대해서만 고려한 장치로서, 통상적으로 실내용 공기청정기의 흡입구에 제한적으로 부착된다. 또한, 자성필터를 사용한 경우 흡착량이 한정되어 있기 때문에, 사용량에 따른 정화력 감소로 인하여 자성필터의 지속적인 교체가 필수적이다.

한편, 산업용 집진설비의 경우, 흡입한 먼지를 (-)극성으로 이온화시킨 뒤 양극 또는 음극으로 대전된 판에서 입자를 포집하는 원리가 일반적이다.

따라서, 산업용 집진설비의 경우, 지속적인 전기 공급이 필요하며, 설치가 용이하지 않다. 또한, 산업용 집진설비 주위에 금속 매질이 있을 경우, 오존 발생 가능성을 무시할 수 없기 때문에, 환경적으로도 부수적인 문제점이 발생할 가능성이 높다.

예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 종래의 특허문헌 1에 기재된 전기 집진 시스템(1000)은, 상부측에서 하부측으로 유동되는 액체에 하전 장치(1001)를 통해 액체에 포함된 먼지를 대전시키고, 이러한 대전된 먼지를 집진부(1002)에서 포집하게된다.

그러나, 전술한 바와 같이, 특허문헌 1에 기재된 전기 집진 시스템(1000)은, 하전 장치(1001)를 구동하기 위해 상당히 높은 전력이 필요하게 되므로, 에너지적인 측면에서 효율성이 높지 않고, 설비가 복잡한 문제점이 있다.

또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 종래의 특허문헌 2에 기재된 습식집진장치(2000)는 물이 저수된 케이싱(2001) 내부에 외부의 구동 전력에 의해 회전하는 복수의 디스크(2002)를 설치하여, 먼지를 포함하는 공기가 상기 디스크(2002)에 형성된 홀을 순차적으로 통과되면서, 디스크(2002) 표면에 먼지가 포집되는 방식을 사용하고 있다.

그러나, 특허문헌 2에 기재된 습식집진장치(2000) 역시 디스크(2002)를 구동하기 위한 상당히 높은 전력이 필요하며, 소정량 이상의 먼지가 디스크(2002)에 포집되었을 경우에는, 디스크(2002)를 더 이상 사용할 수 없는 문제점이 있으므로, 사용 주기에 맞추어 디스크(2002)를 교체해야하는 문제점 있다.

한국특허공보 제10-1502333호 한국특허공보 제10-1564562호

따라서, 본 발명은 자연풍에 의한 나뭇잎 구조물 사이의 마찰을 통해 발생된 마찰전기를 이용하기 때문에, 금속뿐만 아니라 비금속 성분의 먼지를 모두 포집이 가능한 먼지 포집 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 외부 전원이 필요 없기 때문에, 에너지 효율면에서 우수하고, 설치가 용이한 먼지 포집 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 나뭇잎 구조물 표면에 나노 구조물을 구성하여 초소수성(Lotus effect)을 띄게 함으로써, 수분에 노출하는 것만으로 마찰 전기를 소멸시켜 자연적으로 세척이 가능하면서도 지속적인 먼지 포집이 가능한 먼지 포집 장치를 제공하고자 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 지지부; 지지부와 연결되어, 지지부로부터 돌출하는 복수의 양의 대전체부; 및 지지부와 연결되어, 지지부로부터 돌출하는 복수의 음의 대전체부;를 포함하고, 복수의 음의 대전체부 각각은, 복수의 양의 대전체부 각각의 사이마다 배치되며, 복수의 양의 대전체부와 복수의 음의 대전체부는 서로 마찰되어 마찰 전기를 발생하는 먼지 포집 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 복수의 양의 대전체부 각각과 복수의 음의 대전체부 각각은, 골격부 및 골격부에 도포된 대전체를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 골격부는, 가요성의 재료로 형성될 수 있고, 대전체의 표면에는, 마이크로미터 단위의 복수의 돌출부가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 돌출부는, 대전체의 표면에 대하여 선형으로 배열될 수 있고, 복수의 돌출부는, 각각 소정의 간격을 두고 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 복수의 돌출부 각각의 표면에는 나노미터 크기 단위의 복수의 구조부가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 양의 대전체부를 이루는 대전체는, 폴리우레탄, 소보텐, 마그네슘플로라이드, 나일론 중에서 선택될 있고, 음의 대전체부를 이루는 대전체는, 테플론, 고무, 바이톤, 네오프렌, 셀룰로우스-니트레이트, 올레핀, 폴리스티렌, 실리콘 중에서 선택될 수 있다.

또한, 본 발명의 양의 대전체부를 이루는 대전체의 전자 친화도와 음의 대전체부를 이루는 대전체의 전자 친화도 사이의 차이는 100nC/J 이상인 먼지 포집 장치를 제공할 수 있다.

본 발명과 관련하는 대기오염 관련 분야는 기술의 발전이 가져온 부작용 중 하나로 시간이 지날수록 지속적으로 심각해질 것으로 추측된다. 따라서, 본 발명에 따른 먼지 포집 장치는, 마찰전기를 기반으로 하기 때문에, 외부 전원이 필요 없는 친환경 및 고효율의 공기 정화 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 먼지 포집 장치는, 환경오염 발생요인이 없으며 금속 및 비금속 성분의 모든 먼지를 지속적으로 포집할 수 있다.

또한, 본 발명의 먼지 포집 장치는, 인공 나뭇잎을 시스템화하여 나무와 같은 형태로 제작할 경우, 기존 나무가 가지는 미세먼지 포집 효율보다 향상된 기능성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 공원화가 어려운 도심환경을 개선하며, 심미적인 효과 또한 부여할 수 있는 차세대 공기정화 솔루션이 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 먼지 포집 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 기재된 A 부분의 확대도로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 양의 대전체부와 음의 대전체부를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 도 2에 기재된 B 부분의 확대도로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 돌출부와 구조부를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 구조부를 통해, 소수성이 구현되는 것을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5a는 소수성이 구현되지 않은 표면을 개략적으로 나타내고, 도 5b는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 소수성이 구현되는 표면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따라, 돌출부가 선형적으로 배열된 것을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 돌출부를 통해 미세 먼지가 이동하는 궤적을 나타내는 실험 결과이고, 도 7b는 돌출부가 형성되지 않은 경우 미세 먼지가 이동하는 궤적을 나타내는 실험 결과이며, 도 7c는 단위면적당 대전된 전하의 량인 표면 전하 밀도를 색으로 표시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따라, 양의 대전체부와 음의 대전체부가 서로 마찰되는 것을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 9는 도 8에 기재된 양의 대전체부와 음의 대전체부 사이의 마찰을 통해, 양의 대전체부와 음의 대전체부가 대전되는 것을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 10은 종래의 전기 집진 시스템을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 11은 종래의 습식 집진 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

이하, 첨부된 도면을 기준으로 본 발명의 바람직한 실시 형태를 통하여, 본 발명에 따른 마찰 전기를 기반으로 하는 먼지 집진 장치에 대하여 설명하기로 한다.

설명에 앞서, 여러 실시 형태에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시 형태에서 설명하고, 그 외의 실시 형태에서는 다른 구성 요소에 대해서만 설명하기로 한다.

본 발명은 나뭇잎의 표면에 자연적으로 먼지가 흡착되는 것에 착안하여, 인공 나뭇잎 표면의 구조를 재현함으로써, 외부전원 없이 설치가 용이하고 환경 친화적인 고효율의 먼지 포집 장치(1)를 제안하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 먼지 포집 장치(1)를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 먼지 포집 장치(1)는 지지부(10)에 복수의 대전체부들(20, 30)이 돌출되어 연결되어 있다.

구체적으로, 복수의 양의 대전체부(20)들이 서로 소정의 간격을 두고 배치되어 있으며, 전술한 소정의 간격 사이에 복수의 음의 대전체부(30)들이 배치된다. 또한, 복수의 양의 대전체부(20)들과 복수의 음의 대전체부들(30)들은 전기 등의 별도의 구동 전력등을 사용하지 않고, 자연풍에 따른 복수의 대전체부들(20, 30)의 흔들림에 따라, 인접하는 대전체부(20, 30)와 서로 마찰하여 마찰 전기를 발생시킬 수 있다. 마찰 전기 발생의 구체적인 설명은 후술하기로 하겠다.

도 2는 도 1에 기재된 A 부분의 확대도로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 양의 대전체부(20)와 음의 대전체부(30)를 개략적으로 나타낸 모식도이다. 참고로, 양의 대전체부(20)와 음의 대전체부(30)는 구조적으로 같은 구조를 갖기 때문에, 대전체부(20)의 구체적인 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 대전체부(20)는 골격부(21)에 양 또는 음의 성질을 갖는 대전체(22)를 도포하여 형성될 수 있다. 골격부(21)는 가요성을 갖는 재료로 형성되어 자연풍 등의 외력이 가해질 때 전체 대전체부(20)가 전체적으로 흔들릴 수 있다.

또한, 도포된 양 또는 음의 성질을 갖는 대전체(22)의 표면에는 마이크로미터 크기 단위의 복수의 돌출부(23)가 형성되어 있다. 복수의 돌출부(23)를 통해, 양의 성질을 갖는 대전체(22)가 도포된 양의 대전체부(20)와 음의 성질을 갖는 대전체(22)가 도포된 음의 대전체부(30)가 자연풍을 통해 흔들려 서로 충돌하는 경우, 양의 대전체부(20)와 측면에서 인접하는 음의 대전체부(30)가 서로 마찰될 가능성을 높일 수 있다.

구체적으로, 도 8은 양의 대전체부(20)와 측면에서 바로 인접하는 음의 대전체부(30)가 서로 충돌되어 마찰되는 것을 개략적으로 나타낸 모식도이고, 도 9는 양의 대전체부(20)와 음의 대전체부(30) 사이의 마찰을 통해, 양의 대전체부(20)와 음의 대전체부(30)가 대전되는 것을 개략적으로 나타내는 모식도이다.

물체들 사이의 마찰을 통한 전기장의 발생은, 두 물체 사이의 고유의 전자 친화도에 따라 계산될 수 있으며, 일반적인 물체들의 전자 친화도는 아래의 [표 1]에 나타내었다.

[표 1]

[표 1]에 도시된 자료에 따라, 예를 들어, +60nC/J의 폴리우레탄과 72nC/J의 실리콘을 마찰하면, 폴리우레탄은 양의 값인 +132nC/J를 갖고, 실리콘은 음의 값인 132nC/J를 갖게 된다.

따라서, 양의 대전체부(20)에 도포되는 대전체(22)는 전자 친화도 값이 양의 값으로 비교적 큰 값을 갖는 재료들이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 위 [표 1]에 있어서, 폴리우레탄, 소보텐, 마그네슘플로라이드, 나일론 중에서 선택될 수 있다.

또한, 음의 대전체부(30)에 도포되는 대전체(22)는 전자 친화도 값이 음의 값으로 비교적 큰 값을 갖는 재료들이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 위 [표 1]에 있어서, 테플론, 고무, 바이톤, 네오프렌, 셀루로우스-니트레이트, 올레핀, 폴리스티렌, 실리콘 중에서 선택될 수 있다.

또한, 양의 대전체부(20)에 도포되는 대전체(22) 재료의 전자 친화도와 음의 대전체(30)에 도포되는 대전체(22) 재료의 전자 친화도의 차가 클수록 더욱 큰 마찰 전기를 생성할 수 있고, 예를 들어, 그 차이는 100nC/J 이상이면 실용적으로 바람직하다.

한편, 미세먼지를 유인하는 힘은 입자와 대전체 표면의 전하량과, 미세 먼지 입자와 대전체 표면 사이의 거리에 좌우되는데, 대전체의 표면 전하량은 표면 전하 밀도와 대전체 표면적의 곱으로 결정될 수 있다.

또한, 도 7c은 단위면적당 대전된 전하량인 표면 전하 밀도를 색으로 표시한 것으로, 도 7c에 도시된 바와 같이, 상측의 백색에 가까울수록 표면 전하 밀도가 높고, 하측의 흑색에 가까울수록 표면 전하 밀도가 낮은 것을 나타낸다.

도 7a는 돌출부(23)가 형성된 경우 미세 먼지가 이동하는 궤적을 나타내는 실험 결과이고, 도 7b는 돌출부가 형성되지 않은 경우 미세 먼지가 이동하는 궤적을 나타내는 실험 결과이다.

구체적으로, 도 7a에 도시된 바와 같이, 대전체(22) 표면에 돌출부(23)가 형성되는 경우, 대전체(22)는 돌출부(23)의 양 측면의 면적(S)에 해당하는 만큼 추가적인 면적을 확보할 수 있기 때문에, 대전체의 표면 전하량은 돌출부가 없는 경우에 비하여 크게 증가될 수 있다.

또한, 도 7b에 도시된 바와 같이, 돌출부(23)가 형성되지 않더라도 수직 낙하하는 미세 먼지 입자들을 소정의 각도(β)로 유인할 수 있지만, 도 7a에 도시된 바와 같이, 돌출부(23)를 통해 대전체(22)의 표면적이 크게 증가한 경우, (β)각도보다 큰 각도(α)로 미세 먼지 입자들을 유인하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 7c에 기재된 표면 전하 밀도를 참고하였을 때, 도 7a는 황색에 가까운 전하 밀도를 나타내었고, 도 7b는 적색에 가까운 전하 밀도를 나타내었고, 이는 도 7a에 기재된 구성의 대전된 전하량이 도 7b에 기재된 구성의 대전된 전하량보다 큰 것을 알 수 있다.

또한, 도 7a에 도시된 바와 같이, 돌출부(22)들 사이에 미세 먼지 입자들이 안착할 수 있는 공간(C)이 마련될 수 있기 때문에, 효과적으로 미세 먼지 입자들을 포집할 수 있다.

한편, 미세 먼지 입자들이 상당량으로 포집된 이후에는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 먼지 포집 장치(1)의 포집 효율이 감소될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 먼지 포집 장치(1)는 포집된 미세 먼지 입자들을 세척할 수 있는 방안을 마련하고 있으며, 이에 대해서는 도 3 내지 도 5를 참고하여 설명하기로 한다.

도 3은 도 2에 기재된 B 부분의 확대도로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 돌출부(23)와, 돌출부(23) 표면에 나노미터 크기 단위의 복수의 구조부(24)들이 형성되어 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 구조부(24)에 물 입자(W)를 접촉시킨 경우의 모식도로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 물 입자(W)는 물의 표면 장력으로 인하여 구조부(24) 위에서 물 입자의 형상을 그대로 유지하려하기 때문에, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 양의 대전체부(20)의 돌출부(23)와 음의 대전체부(30)의 돌출부(23)는 소수성을 보유할 수 있게 된다.

구체적으로, 도 5a에서 소수성이 구현되지 않은 표면, 즉, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 구조부(24)가 형성되지 않은 표면은 물 입자(W)의 형상이 유지되지 않기 때문에, 표면에 흡착되어 있는 미세 먼지 입자(P)들을 포획하지 못하고 거동된다.

그러나, 도 5b에서 소수성이 구현된 표면, 즉, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 구조부(24)가 형성된 표면은 물 입자(W)의 형상을 유지하면서 회전하여 이동(Roll-off)하기 때문에, 표면에 흡착되어 있는 미세 먼지 입자(P)들을 함께 포획하여 거동될 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 먼지 포집 장치(1)의 양의 대전체부(20)와 음의 대전체(30)는 구조적인 구성으로서 소수성을 구현할 수 있기 때문에, 이미 포집된 미세 먼지 입자들을 물로 세척하는 것만으로도 매우 간편하게 미세 먼지 입자들을 대전체부(20, 30)로부터 탈락시킬 수 있다.

또한, 구조부(24)의 형성을 통해, 양의 대전체부(20)에 형성된 돌출부(23)와 음의 대전체부(30)에 형성된 돌출부(23) 사이의 마찰 효율도 효과적으로 향상시킬 수 있다.

전술한 설명들을 참고하여, 본 발명이 속하는 기술 분야의 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 지금까지 전술한 실시 형태는 모든 면에서 예시적인 것으로서, 본 발명을 상기 실시 형태들에 한정하기 위한 것이 아님을 이해하여야만 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 균등한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 양의 대전체부와 음의 대전체부에 형성된 돌출부를 통해 효과적인 마찰을 유도하여, 자연풍만으로도 미세 먼지 입자들을 포집할 수 있는 먼지 포집 장치를 제공할 수 있다. 따라서, 별도의 전원 공급이 필요하지 않은 친환경의 고효율 미세 먼지 정화 시스템으로 이용될 수 있다.

또한, 이미 포집된 미세 먼지 입자들을 물의 세척만으로 제거할 수 있으므로, 사용이 용이한 미세 먼지 정화 시스템으로 이용될 수 있다.

1 먼지 포집 장치
10 지지부
20 양의 대전체부
21 골격부
22 대전체
23 돌출부
23a 선형 돌출부
24 구조부
30 음의 대전체부

Claims (10)

1. 지지부;
   상기 지지부와 연결되어, 상기 지지부로부터 돌출하는 복수의 양의 대전체부; 및
   상기 지지부와 연결되어, 상기 지지부로부터 돌출하는 복수의 음의 대전체부;를 포함하고,
   상기 복수의 음의 대전체부 각각은, 상기 복수의 양의 대전체부 각각의 사이마다 배치되며,
   상기 복수의 양의 대전체부와 상기 복수의 음의 대전체부는 서로 마찰되어 마찰 전기를 발생하는 것을 특징으로 하는 먼지 포집 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 양의 대전체부 각각과 상기 복수의 음의 대전체부 각각은, 골격부 및 상기 골격부에 도포된 대전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 먼지 포집 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 골격부는, 가요성의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 먼지 포집 장치.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 대전체의 표면에는, 마이크로미터 단위의 복수의 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 먼지 포집 장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 돌출부는, 상기 대전체의 표면에 대하여 선형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 먼지 포집 장치.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 복수의 돌출부는, 각각 소정의 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 먼지 포집 장치.
   
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 복수의 돌출부 각각의 표면에는 나노미터 크기 단위의 복수의 구조부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 먼지 포집 장치.
   
8. 제 2 항에 있어서,
   상기 양의 대전체부를 이루는 대전체는, 폴리우레탄, 소보텐, 마그네슘플로라이드, 나일론 중에서 선택되는 재료인 것을 특징으로 하는 먼지 포집 장치.
   
9. 제 2 항에 있어서,
   상기 음의 대전체부를 이루는 대전체는, 테플론, 고무, 바이톤, 네오프렌, 셀룰로우스-니트레이트, 올레핀, 폴리스티렌, 실리콘 중에서 선택되는 재료인 것을 특징으로 하는 먼지 포집 장치.
   
10. 제 2 항에 있어서,
    상기 양의 대전체부를 이루는 대전체의 전자 친화도와 상기 음의 대전체부를 이루는 대전체의 전자 친화도 차이는 100nC/J 이상인 것을 특징으로 하는 먼지 포집 장치.

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