KR20190054821A - 광촉매 필터 및 이의 제조방법 - Google Patents

광촉매 필터 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 실시예에 따른 광촉매 필터는 목표 피치 범위로 형성된 요철면을 구비하는 제1 광촉매층, 상기 요철면을 따라 제1 광촉매층 상에 배치되는 제2 광촉매층 및 제1 광촉매층과 제2 광촉매층 사이의 계면에 형성된 접합부를 포함한다. 여기서 제1 광촉매층은 자외선 영역의 광을 흡수하고, 제2 광촉매층은 가시광 영역 또는 적외선 영역의 광을 흡수하고, 접합부는 제1 광촉매층 및 제2 광촉매층에서 광여기에 의해 생성된 전자/정공을 서로 분리시킬 수 있다.

Description

광촉매 필터 및 이의 제조방법{Photocatalytic filter and manufacturing method thereof}
본 발명은 광촉매 필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광촉매층을 복합체로 구성하여 접합부위에 에너지 밴드를 튜닝시켜 전자/정공을 효율적으로 분리함으로써 휘발성 유기화합물을 효율적으로 분해할 수 있는 광촉매 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
화석자원의 고갈과 지구온난화로 인류 장래에 대한 우려가 팽배한 오늘날 인류에게 오염물질의 배출을 줄이고 대체에너지를 찾기 위한 노력이 절실히 요구되고 있다. 깨끗하고 무한하게 존재하는 태양에너지를 유용한 화학에너지로 전환시킴으로써 환경오염 문제를 해결하는 것이 인류의 후손들에게 물려줄 수 있는 가장 큰 유산일 수 있다.
더욱이 인간의 삶의 질이 향상됨에 따라, 인체에 무해한 소재의 사용 또는 유해 물질의 억제 또는 제거 방법에 관심이 집중되고 있으며, 국제 환경 규제 역시 휘발성 유기화합물의 배출량을 제한하고 있다
여기서 휘발성 유기화합물(volatile organic compounds; VOCs)이란 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 증발되는 액체 또는 기체상 유기화합물의 총칭이다. 상기한 휘발성 유기화합물(VOCs)는 비점(끊는 점)이 낮아서 대기 중으로 쉽게 증발되는 액체 또는 기체상 유기화합물로, 산업체에서 많이 사용하는 용매에서 화학 및 제약공장이나 플라스틱 건조공정에서 배출되는 유기가스에 이르기까지 매우 다양하며 끓는점이 낮은 액체연료, 파라핀, 올레핀, 방향족화합물 등 생활주변에서 흔히 사용하는 탄화수소류가 거의 해당될 수 있다.
휘발성 유기화합물(VOCs)는 대기 중에서 질소산화물(NOx)과 함께 광화학반응으로 오존 등 광화학산화제를 생성하여 광화학스모그를 유발하여 대기오염과 지구 온난화의 원인물질일 뿐만 아니라, 직접적으로 인간에게 백혈병, 중추신경장애 및 염색체 이상 등을 유발하며, 벤젠과 같은 물질은 발암성 물질로 인체에 매우 유해한 물질로 알려져 있다.
주요 배출원으로는 유기용제사용시설, 도장시설, 세탁소, 저유소, 주유소 및 각종 운송수단의 배기가스 등의 인위적 배출원과 나무와 같은 자연적 배출원도 있을 수 있다.
특히, 건축자재, 생활용품, 자동차 소재 등 일상생활에 밀접한 주변 기기들로부터 발생되는 휘발성 유기화합물들은 건강에도 유해할 뿐만 아니라 제품에 대한 이미지도 하락시키는 원인이 될 수 있다.
이에 휘발성 유기화합물의 감소 또는 저감시키기 위한 노력이 다양하게 연구되고 있다. 상기한 연구 중에서 대기와 물속의 공해물질을 줄이고 태양광 에너지를 이용하는 깨끗한 에너지원을 확보하기 위한 방법의 하나로 광촉매의 개발을 들 수 있다.
광촉매 중에서 이산화티탄과 같은 천이금속 산화물의 분산계는 자외선에 의해 여기되면, 여기 상태에서 전하이동 착체를 형성하여 산소 마이너스 2가 이온으로부터 금속이온으로 전자가 이동, 여기상태에서 전자와 홀(hole)이 전자-홀 쌍을 형성할 수 있다. 상기한 전자-홀 쌍은 촉매로써 작용하여 NOx, N2, O2를 분해시키면서 유기 공해물질을 제거할 수 있다.
여기서 이산화티탄은 자외선을 받을 경우, 활성산소를 발생하여 살균, 탈취, 포름알데히드 제거 등을 하지만, 자외선이 없는 환경에서 제대로 기능이 발휘되지 못하며, 유기물의 물성을 저하시키는 단점이 있다.
게다가 상기 이산화티탄은 태양광 에너지는 자외선이 대략 3% 정도이고, 태양광 에너지의 90%이상은 가시광선으로 이루어져 상기한 태양광 에너지를 이용하는 효율면에서 상당히 비효율적이다.
이에 높은 반응성과 선택성을 갖는 광촉매의 설계와 광촉매의 활성에 대한 연구 및 개발을 시도하고 있으나, 태양광 에너지의 전환 효율성면에서 만족할 만한 결과를 얻지 못하고 있는 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광촉매층을 복합체로 구성하여 접합부위에 에너지 밴드를 튜닝시켜 전자/정공을 효율적으로 분리함으로써 휘발성 유기화합물을 효율적으로 분해할 수 있는 광촉매 필터 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터는 목표 피치 범위로 형성된 요철면을 구비하는 제1 광촉매층, 상기 요철면을 따라 상기 제1 광촉매층 상에 배치되는 제2 광촉매층 및 상기 제1 광촉매층과 상기 제2 광촉매층 사이의 계면에 형성된 접합부를 포함하고, 상기 제1 광촉매층은 자외선 영역의 광을 흡수하고, 상기 제2 광촉매층은 가시광 영역 또는 적외선 영역의 광을 흡수하고, 상기 접합부는 상기 제1 광촉매층 및 상기 제2 광촉매층에서 광여기에 의해 생성된 전자/정공을 서로 분리시킨다.
상기 제1 광촉매층은 자외선 영역의 광을 흡수하는 산화티타늄(TiO2) 계열로 형성될 수 있다.
상기 제1 광촉매층의 요철면의 목표 피치는 10nm 내지 100nm 범위로 형성될 수 있다.
상기 제1 광촉매층은 종횡비(aspect ratio)가 100:1 범위인 나노튜브로 형성될 수 있다.
상기 나노 튜브로 형성된 제1 광촉매층의 지름은 50nm 내지 80nm로 형성될 수 있고, 길이는 5um내지 8um로 형성될 수 있다.
상기 제2 광촉매층은 상기 요철면을 따라 상기 제1 광촉매층 상에 원자 단위로 형성될 수 있다.
상기 제2 광촉매층은 가시광 영역 또는 적외선 영역의 광을 흡수할 수 있는 오산화바나듐(V2O5)으로 형성될 수 있다.
상기 접합부(300)에는 에너지띠가 휘는 띠굽음(band bending)이 발생될 수 있다.
상기 접합부는 상기 제1 광촉매층 및 상기 제2 광촉매층의 광여기에 의해 생성된 전자/정공을 서로 분리시켜 재결합을 최소화시킬 수 있다.
상기 생성된 전자는 상기 제1 광촉매층 방향으로 이동되고, 상기 생성된 정공은 상기 제2 광촉매층 방향으로 이동될 수 있다.
상기 제2 광촉매층은 상기 제1 광촉매층 상에 5 내지 20nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광촉매 필터의 제조방법은 기판을 폴리싱하고 상기 기판을 애노다이징하여 제1 애노다이징 기판을 형성하는 단계, 상기 제1 애노다이징 기판을 에칭하여 에칭기판을 형성하는 단계, 상기 에칭기판를 애노다이징하여 제2 애노다이징 기판을 형성하는 단계, 상기 제2 애노다이징 기판의 기공을 넓혀 요철면을 구비한 제1 광촉매층을 형성하는 단계 및 상기 요철면을 따라 상기 제1 광촉매층 상에 원자층 증착법(atomic layer deposition: ALD)으로 제2 광촉매층을 형성하는 단계를 포함한다.
여기서 상기 제1 광촉매층과 상기 제2 광촉매층 사이의 계면에 형성되는 접합부는 상기 제1 광촉매층 및 상기 제2 광촉매층에서 광여기에 의해 생성된 전자/정공 쌍을 상기 계면을 따라 서로 반대 방향으로 분리시키며 상기 전자/정공의 재결합을 최소화시킬 수 있다.
상기 제2 광촉매층은 상기 요철면을 따라 상기 제1 광촉매층 상에 원자 단위로 증착될 수 있다.
상기 제2 광촉매층은 상기 제1 광촉매층 상에 5 내지 20nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 제1 광촉매층은 자외선 영역의 광을 흡수하고, 상기 제2 광촉매층은 가시광 영역 또는 적외선 영역의 광을 흡수할 수 있다.
상기 제2 애노다이징 기판을 기공을 넓혀 요철면을 구비한 제1 광촉매층을 형성하는 단계에 있어서, 상기 제2 애노다이징 기판에 제공되는 인가 전압을 조절하여 상기 기공의 형상을 제어함으로써 상기 요철면의 크기를 제어할 수 있다.
상기 요철면은 10nm 내지 100nm 범위로 목표 피치를 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터 및 이의 제조방법은 광촉매층을 복합체로 구성하여 접합부위에 에너지 밴드를 튜닝시켜 전자/정공을 효율적으로 분리함으로써 휘발성 유기화합물을 효율적으로 분해할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터 및 이의 제조방법은 제1 광촉매층을 나노튜브 형상의 나노 구조로 합성하여 비표면적을 증대시켜 휘발성 유기화합물(VOC)의 제거율이 향상될 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터의 제1 광촉매층을 촬상한 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터를 촬상한 TEM(transmission electron microscope) 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터의 접합부의 에너지 밴드를 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터의 시간에 따른 RhB 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터의 제조방법을 도시한 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터를 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터의 제1 광촉매층을 촬상한 사진이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터를 촬상한 TEM(transmission electron microscope) 사진이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터의 접합부의 에너지 밴드를 도시한 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터(10)는 제1 광촉매층(100), 제2 광촉매층(200) 및 상기 제1 광촉매층(100)과 제2 광촉매층(200) 사이의 계면에 형성된 접합부(300)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터(10)는 광반응을 가속시키는 촉매(catalyst of photoreactions)로 사용될 수 있어 빛을 흡수하여 광촉매 기능을 발휘할 수 있다.
광촉매 필터(10)는 촉매로서의 조건을 만족시킬 수 있다. 다시 말해, 광촉매 필터(10)는 반응에 직접 참여하여 소모되지 않고, 광반응 과정에 다른 메커니즘 경로를 제공하여 반응속도를 가속시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터(10)는 제1 광촉매층(100)과 제2 광촉매층(200)을 구비하여 자외선, 적외선 및 가시광선을 포함하는 태양광을 흡수하여 표면에서 전자와 정공이 생성될 수 있고, 이들 활성종(전자, 전공)을 이용하여 유해물질을 분해시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터(10)는 제1 광촉매층(100)과 제2 광촉매층(200)을 통해 태양광 에너지 중 적외선, 자외선 및 가시광선을 흡수하여 흡수효율을 향상시킬 수 있다.
제1 광촉매층(100)은 자외선 영역의 광을 흡수할 수 있는 산화티타늄(TiO2)으로 형성될 수 있다.
여기서 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 광촉매층(100)은 적어도 일 표면에 요철면(150)을 구비할 수 있다. 본 실시예에서는 용이한 설명을 위해 기판 형상의 일 표면에 요철면(150)이 형성된 형상을 도시하였으나 이에 한정하는 것은 아니며, 제1 광촉매층(100)은 나노튜브 형상으로 형성할 수 있다.
제1 광촉매층(100)의 요철면(150)은 목표 피치(P) 범위로 형성될 수 있다. 상기 목표 피치(P)는 10nm 내지 100nm 범위로 형성될 수 있다.
상기 제1 광촉매층(100)은 나노 튜브로 형성될 수 있다. 나노 튜브로 형성된 제1 광촉매층(100)의 종횡비(aspect ratio)가 100:1 범위일 수 있다. 여기서 나노 튜브로 형성된 제1 광촉매층(100)의 지름은 50nm 내지 80nm로 형성될 수 있고, 길이는 5um 내지 8um로 형성될 수 있다.
그리고 도 1 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터(10)는 상기 요철면(150)을 따라 제1 광촉매층(100) 상에 배치된 제2 광촉매층(200)을 구비할 수 있다.
제2 광촉매층(200)은 가시광 영역 또는 적외선 영역의 광을 흡수할 수 있는 오산화바나듐(V2O5)으로 형성될 수 있다. 여기서 제2 광촉매층(200)은 상기 요철면(150)의 표면을 따라 원자 단위로 증착될 수 있다.
그리고 도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터(10)는 상기 제1 광촉매층(100)과 제2 광촉매층(200) 사이의 계면에 형성된 접합부(300)를 형성할 수 있다.
여기서 제1 광촉매층(100)은 광전극으로써의 역할을 할 수 있으며, 제2 광촉매층(200)은 상대전극으로써의 역할을 할 수 있다.
상기 제1 광촉매층(100)과 제2 광촉매층(200) 사이의 계면에서 전하이동의 평형을 이루기 위하여 전자전이가 발생될 수 있고, 이 결과 상기 접합부(300) 내의 에너지띠가 휘는 띠굽음(band bending)이 발생할 수 있다.
상기 에너지띠의 띠굽음은 표면부분 즉, 상기 접합부(300)에 형성될 수 있는 공간 전하층(space charge layer)에만 국한될 수 있고, 제1 광촉매층(100)의 광흡수 또한 주로 광투과 깊이 이내의 표면부분인 접합부(300)에서 발생할 수 있다.
따라서 제1 광촉매층(100) 및 상기 제2 광촉매층(200)의 광여기에 의해 생성된 전자/정공 쌍은 상기 계면에 형성된 접합부(300)를 따라 서로 반대 방향으로 분리될 수 있다.
구체적으로 상기 생성된 전자는 제1 광촉매층(100) 내부 방향으로 이동될 수 있고, 상기 생성된 정공은 제2 광촉매층(200) 내부 방향으로 이동될 수 있다. 이 결과 상기 접합부(300)는 상기 전자/정공의 재결합을 최소화시킬 수 있다.
다시 말해, 상기 에너지띠의 띠굽음은 빛에너지의 전환 효율을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 광촉매층(200)의 계면으로 이동한 상기 정공은 휘발성 유기화합물(VOC)의 전자주개 분자(Donor)와 반응하여 산화반응을 발생시킬 수 있다. 그리고 제1 광촉매층(100)로 이동한 상기 전자는 상기 접합부(300)를 지나 제2 광촉매층(200)에서 전자받개 분자(Acceptor)와 환원반응을 일으킬 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터(10)는 광산화반응과 광환원반응이 각각 제1 광촉매층(100)과 제2 광촉매층(200)에서 분리되어 일어나므로 상기 휘발성 유기화합물의 분해가 용이하고, 효율이 향상되어 상기 휘발성 유기화합물을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터(10)는 광촉매층을 제1 광촉매층(100) 및 제2 광촉매층(200)을 구비하여 접합부(300)에 에너지 밴드를 튜닝시켜 전자/정공을 효율적으로 분리함으로써 휘발성 유기화합물을 효율적으로 분해할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터(10)은 제1 광촉매층(100)을 나노튜브 형상의 나노 구조로 합성하여 비표면적을 증대시켜 휘발성 유기화합물(VOC)의 제거율이 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터의 시간에 따른 RhB 농도 변화를 도시한 그래프이다.
여기서 도 5는 중복설명을 회피하고, 용이한 설명을 위해 도 1 내지 도 4를 인용하여 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 로다늄 비(RhB)를 재료로 사용하여 흡광도를 측정하였다. 로다늄 비는 염색약에 사용되는 재료로써 물로 녹이면 분홍빛을 발생시킬 수 있다. 여기서 그래프에서 x축은 파장을 나타내며, 분홍 색상의 파장인 550nm에 피크가 형성된 것을 볼 수 있다. 여기서 로다늄 비(RhB) 수용액에 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터(10)를 넣고 흡광도를 측정하였다.
도 5를 참조하면, 로다늄 비(RhB) 수용액의 흡광도가 지속적으로 저하되는 것을 볼 수 있다. 흡광도가 저하된다는 것은 로다늄 비가 분해되어 흡수되는 광량이 저감됨을 나타낸다. 즉, 로다늄 비를 분해하여 흡수되는 광량이 저감되는 것은 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터(10)가 휘발성 유기화합물린 상기 로다늄 비를 효율적으로 분해하는 것으로 판단할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터(10)는 광촉매층을 제1 광촉매층(100) 및 제2 광촉매층(200)을 구비하여 접합부(300)에 에너지 밴드를 튜닝시켜 전자/정공을 효율적으로 분리함으로써 휘발성 유기화합물을 효율적으로 분해할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터(10)은 제1 광촉매층(100)을 나노튜브 형상의 나노 구조로 합성하여 비표면적을 증대시켜 휘발성 유기화합물(VOC)의 제거율이 향상될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터의 제조방법을 도시한 순서도이다.
여기서 도 6은 중복 설명을 회피하고 용이한 설명을 위해 도 1 내지 도 5를 인용하여 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 기판을 폴리싱하고 상기 기판을 애노다이징하여 제1 애노다이징 기판을 형성하는 단계(S100), 상기 제1 애노다이징 기판을 에칭하여 에칭기판를 형성하는 단계(S200), 상기 에칭기판을 애노다이징하여 제2 애노다이징 기판을 형성하는 단계(S300), 상기 제2 애노다이징 기판의 기공을 넓혀 요철면을 구비한 제1 광촉매층을 형성하는 단계(S400) 및 상기 요철면을 따라 상기 제1 광촉매층(100) 상에 원자층 증착법(atomic layer deposition: ALD)으로 제2 광촉매층(200)을 형성하는 단계(S500)를 포함한다.
여기서 상기 제1 광촉매층(100)과 상기 제2 광촉매층(200) 사이의 계면에 형성되는 접합부(300)는 상기 제1 광촉매층(100) 및 상기 제2 광촉매층(200)에서 광여기에 의해 생성된 전자/정공 쌍을 상기 계면을 따라 서로 반대 방향으로 분리시키며 상기 전자/정공의 재결합을 최소화시킬 수 있다.
그리고, 상기 제1 광촉매층(100)은 자외선 영역의 광을 흡수할 수 있고, 상기 제2 광촉매층(200)은 가시광 영역 또는 적외선 영역의 광을 흡수할 수 있다.
그리고 제2 광촉매층(200)은 원자층 증착법(atomic layer deposition: ALD)으로 상기 제1 광촉매층 상에 5 내지 20nm의 두께로 척층될 수 있다.
기판을 폴리싱하고 상기 기판을 애노다이징하여 제1 애노다이징 기판을 형성하는 단계(S100)에 있어서, 상기 기판은 이산화티탄늄일 수 있다.
상기 제1 애노다이징 기판을 에칭하여 에칭기판를 형성하는 단계(S200)에 있어서, 이산화티타늄은 그 표면이 매끄럽지 못하여 제1 애노다이징을 실시하면 방향성이 없이 산화막이 형성될 수 있다.
이에, 상기 제1 애노다이징 기판을 에칭하여 일정한 방향성을 갖도록 에칭기판를 형성할 수 있다. 여기서 방향은 기판의 상부 방향 즉, 수직성을 갖도록 상기 에칭기판을 형성할 수 있다.
상일정 방향을 갖도록 형성된 상기 상기 에칭기판을 애노다이징하여 제2 애노다이징 기판을 형성하는 단계(S300)를 실시한다. 여기서 일정 방향성을 가진 에칭기판 상에 애노다이징을 실시함에 따라 제2 애노다이징 기판은 일정한 방향성을 갖는 산화막이 형성될 수 있다.
다음으로 상기 제2 애노다이징 기판의 기공을 넓혀 요철면(150)을 구비한 제1 광촉매층(100)을 형성하는 단계(S400)를 실시한다. 여기서 상기 제2 애노다이징 기판의 기공을 넓히는 과정은 제2 애노다이징 기판에 제공되는 인가 전압을 조절하여 기공의 형상(크기)를 제어할 수 있다. 이와 같이, 기공의 형상을 제어하여 상기 요철면의 크기를 제어할 수 있다. 여기서 상기 요철면(150)은 10nm 내지 100nm 범위로 목표 피치를 갖도록 형성할 수 있다.
상기 요철면을 따라 상기 제1 광촉매층(100) 상에 원자층 증착법(atomic layer deposition: ALD)으로 제2 광촉매층(200)을 형성하는 단계(S500)를 실시한다. 여기서 상기 제2 광촉매층(200)은 상기 제1 광촉매층(100) 상에 5 내지 20nm의 두께로 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터(10)의 제조방법은 제1 광촉매층(100)을 요철부 형상 또는 나노튜브 형상의 나노 구조로 합성하여 비표면적을 증대시켜 휘발성 유기화합물(VOC)의 제거율이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 필터(10)의 제조방법은 광촉매층을 제1 광촉매층(100) 및 제2 광촉매층(200)을 구비하여 접합부(300)에 에너지 밴드를 튜닝시켜 전자/정공을 효율적으로 분리함으로써 휘발성 유기화합물을 효율적으로 분해할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 광촉매 필터
100: 제1 광촉매층
150: 요철면
200: 제2 광촉매층
300: 접합부
P: 피치

Claims (17)

  1. 목표 피치 범위로 형성된 요철면을 구비하는 제1 광촉매층;
    상기 요철면을 따라 상기 제1 광촉매층 상에 배치되는 제2 광촉매층; 및
    상기 제1 광촉매층과 상기 제2 광촉매층 사이의 계면에 형성된 접합부; 를 포함하고,
    상기 제1 광촉매층은 자외선 영역의 광을 흡수하고,
    상기 제2 광촉매층은 가시광 영역 또는 적외선 영역의 광을 흡수하고,
    상기 접합부는 상기 제1 광촉매층 및 상기 제2 광촉매층에서 광여기에 의해 생성된 전자/정공을 서로 분리시키는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광촉매층은 자외선 영역의 광을 흡수하는 산화티타늄(TiO) 계열로 형성되는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광촉매층의 요철면의 목표 피치는 10nm 내지 100nm 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광촉매층은 종횡비(aspect ratio)가 100:1 범위인 나노튜브로 형성되는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 나노 튜브로 형성된 제1 광촉매층의 지름은 50nm 내지 80nm로 형성될 수 있고, 길이는 5um내지 8um로 형성되는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 광촉매층은 상기 요철면을 따라 상기 제1 광촉매층 상에 원자 단위로 형성되는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 광촉매층은 가시광 영역 또는 적외선 영역의 광을 흡수할 수 있는 오산화바나듐(V2O5)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 접합부에는 에너지띠가 휘는 띠굽음(band bending)이 발생되는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 접합부는 상기 제1 광촉매층 및 상기 제2 광촉매층의 광여기에 의해 생성된 전자/정공을 서로 분리시켜 재결합을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 생성된 전자는 상기 제1 광촉매층 방향으로 이동되고, 상기 생성된 정공은 상기 제2 광촉매층 방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 광촉매층은 상기 제1 광촉매층 상에 5 내지 20nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터.
  12. 기판을 폴리싱하고 상기 기판을 애노다이징하여 제1 애노다이징 기판을 형성하는 단계;
    상기 제1 애노다이징 기판을 에칭하여 에칭기판을 형성하는 단계;
    상기 에칭기판를 애노다이징하여 제2 애노다이징 기판을 형성하는 단계;
    상기 제2 애노다이징 기판의 기공을 넓혀 요철면을 구비한 제1 광촉매층을 형성하는 단계; 및
    상기 요철면을 따라 상기 제1 광촉매층 상에 원자층 증착법(atomic layer deposition: ALD)으로 제2 광촉매층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 광촉매층과 상기 제2 광촉매층 사이의 계면에 형성되는 접합부는 상기 제1 광촉매층 및 상기 제2 광촉매층에서 광여기에 의해 생성된 전자/정공 쌍을 상기 계면을 따라 서로 반대 방향으로 분리시키며 상기 전자/정공의 재결합을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터의 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제2 광촉매층은 상기 요철면을 따라 상기 제1 광촉매층 상에 원자 단위로 증착되는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터의 제조방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제2 광촉매층은 상기 제1 광촉매층 상에 5 내지 20nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터의 제조방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 광촉매층은 자외선 영역의 광을 흡수하고, 상기 제2 광촉매층은 가시광 영역 또는 적외선 영역의 광을 흡수하는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터의 제조방법.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 제2 애노다이징 기판을 기공을 넓혀 요철면을 구비한 제1 광촉매층을 형성하는 단계에 있어서,
    상기 제2 애노다이징 기판에 제공되는 인가 전압을 조절하여 상기 기공의 형상을 제어함으로써 상기 요철면의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터의 제조방법.
  17. 제 12항에 있어서,
    상기 요철면은 10nm 내지 100nm 범위로 목표 피치를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광촉매 필터의 제조방법.
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001096154A (ja) * 1999-09-29 2001-04-10 Yamada Sangyo Kk バナジウム酸化物／チタニアハイブリッド光触媒とその製造方法
JP2004130171A (ja) * 2002-10-09 2004-04-30 National Institute For Materials Science 基体上に形成されたチタニア系結晶体からなるナノ構造体及びその製造方法
JP2005211781A (ja) * 2004-01-29 2005-08-11 Noritake Co Ltd 光触媒フィルタ及びその製造方法、ならびに光触媒処理装置
KR20080058104A (ko) * 2006-12-21 2008-06-25 고려대학교 산학협력단 알루미늄 양극 산화막 템플레이트를 이용한 Ｔｉ０２광촉매의 제조방법 및 상기 방법에 의해서 제조된 Ｔｉ０２광촉매
JP2008221111A (ja) * 2007-03-12 2008-09-25 Bridgestone Corp 光触媒フィルタ及びその製造方法
KR20130025475A (ko) * 2011-09-02 2013-03-12 강릉원주대학교산학협력단 광촉매 분리막 및 그 제조 방법
KR20140119334A (ko) * 2013-03-29 2014-10-10 한국에너지기술연구원 티타늄 지지체에 자체성장한 나노튜브 TiO2 광촉매를 이용한 평판형 수처리 장치

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001096154A (ja) * 1999-09-29 2001-04-10 Yamada Sangyo Kk バナジウム酸化物／チタニアハイブリッド光触媒とその製造方法
JP2004130171A (ja) * 2002-10-09 2004-04-30 National Institute For Materials Science 基体上に形成されたチタニア系結晶体からなるナノ構造体及びその製造方法
JP2005211781A (ja) * 2004-01-29 2005-08-11 Noritake Co Ltd 光触媒フィルタ及びその製造方法、ならびに光触媒処理装置
KR20080058104A (ko) * 2006-12-21 2008-06-25 고려대학교 산학협력단 알루미늄 양극 산화막 템플레이트를 이용한 Ｔｉ０２광촉매의 제조방법 및 상기 방법에 의해서 제조된 Ｔｉ０２광촉매
JP2008221111A (ja) * 2007-03-12 2008-09-25 Bridgestone Corp 光触媒フィルタ及びその製造方法
KR20130025475A (ko) * 2011-09-02 2013-03-12 강릉원주대학교산학협력단 광촉매 분리막 및 그 제조 방법
KR20140119334A (ko) * 2013-03-29 2014-10-10 한국에너지기술연구원 티타늄 지지체에 자체성장한 나노튜브 TiO2 광촉매를 이용한 평판형 수처리 장치

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Preparation of narrow band gap V2O5/TiO2 composite films by micro-arc oxidation, nternational Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials, November 2012, Volume 19, Issue 11, pp 1045-1051* *

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