KR20190112507A - 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가시광선 램프와, 이산화티탄(TiO₂) 광촉매박막층 및 금속박막층이 일정 두께로 증착 코팅되어 이루어진 광촉매담체를 통해 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 일으켜 본체 내부의 밀폐공간에 항균에어를 발생시킴으로써 세균 증식에 노출된 물품을 효과적으로 살균할 수 있는 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치에 관한 것으로, 그 구성은, 살균대상물이 수납되기 위한 수납공간이 형성된 본체와; 상기 수납공간 내부로 항균에어를 발생시키는 살균수단을; 포함하되, 상기 살균수단은, 기재가 구비되고 상기 기재에 증착된 이산화티탄(TiO₂) 광촉매박막층이 구비되며 상기 기재와 상기 광촉매 박막층 사이로 증착된 금속박막층이 구비되어 구성된 광촉매담체와, 상기 광촉매담체에서 빛을 흡수하고 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 일으켜 상기 살균대상물을 살균하도록 상기 광촉매담체에 가시광선대의 빛을 조사하는 가시광선 램프를 포함하는 것으로 이루어진다.

Description

플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치 {Photocatalytic sterilizer using plasmon}

본 발명은 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가시광선 램프와, 이산화티탄(TiO₂) 광촉매박막층 및 금속박막층이 일정 두께로 증착 코팅되어 이루어진 광촉매담체를 통해 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 일으켜 본체 내부의 밀폐공간에 항균에어를 발생시킴으로써 세균 증식에 노출된 물품을 효과적으로 살균할 수 있는 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치에 관한 것이다.

일반적으로, 마우스, 리모콘, 휴대폰 등과 같은 일상 생활용품에는 세균, 바이러스, 곰팡이 등이 서식하기 마련이다. 이러한 일상 생활용품에 서식하는 세균, 바이러스, 곰팡이 등은 악취를 유발하고, 여러 가지 질병을 일으키는 원인이 된다.

특히, 일상 생활용품 중 휴대폰의 송신부 및 버튼부는 사용자의 입에 매우 근접하기 때문에 사용시 사용자로부터 발생되는 침이나 호흡시 포함된 수분 등이 공기 중에 떠돌아다니는 먼지 및 각종 균들과 결합하여 부착됨으로써 오염되기 쉽고, 특히 이곳에 서식하는 세균, 바이러스, 곰팡이 등은 사용자의 호흡기를 통해 인체 내로 쉽게 유입될 수 있다.

한의학회 논문에 의하면, 호흡기 질환 및 각종 질병의 원인이 되는 진드기의 경우, 700만 마리 이상이 휴대폰에서 검출되었다고 발표되고 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 휴대폰에는 각종 세균, 바이러스, 곰팡이(이하, "병원균"이라고 통칭함) 등이 서식하고 있으나, 이들 병원균들을 제거하기 위한 적당한 방법이나 장치가 없는 실정이다.

또한, 알코올이나 화학약품을 사용하여 휴대폰 본체를 닦을 경우, 병원균이 가장 많이 서식하는 휴대폰의 각종 틈새와 구멍, 예를 들어 버튼과 본체 사이의 틈새, 또는 송신부, 수신부의 구멍 등을 쉽게 청소할 수 없는 문제도 있다.

한편, 일상 생활용품에 대한 살균 필요성이 증대되고, 상기와 같은 종래 살균방법의 문제점을 해결해보고자 공개특허 제10-2006-0012144호(공개일자: 2006.02.07)에는 "자외선 살균기능을 갖춘 휴대폰 충전기"가 제안된 바있다.

하지만, 자외선램프만을 이용하여 살균하는 경우에는 빛의 조사 범위의 한계로 음영지역이 존재하는 등 살균 범위가 한정되고, 자외선램프에서 조사되는 자외선 파장의 빛이 물품 또는 인체에 직접 미침으로써 물품의 성질 또는 인체에 영향을 미칠 염려가 있었다.

또 다른 종래기술로 공개특허 제10-2006-0018432호(공개일자: 2006.03.02)에는 "살균 건조기"가 제안된 바 있는 데, 상기 살균 건조기는 자외선 발광 다이오드 모듈에 반응하는 광촉매 도포 필터와 대기 순환 장치를 포함하여 신발을 살균, 건조 및 탈취할 수 있도록 하고 있는데, 상기와 같은 종래 기술은 내부 구조가 복잡하여 광촉매도포 필터와 같은 내부 구성품의 교체작업 등이 어려워 유지관리가 어려울 뿐만 아니라, 이산화 티타늄(TiO2)의 광촉매 물질에 자외선 발광 다이오드 모듈을 사용하여 광촉매 물질을 활성화시키면서 살균의 효율을 높였으나,이는 UV램프를 사용하거나 태양광중에 있는 약 5% 미만의 UV광원에만 의존하므로 활용영역에 한계가 있는 문제점이 있었다.

한국공개특허 제10-2006-0012144호(자외선 살균기능을 휴대폰 충전기) 한국공개특허 제10-2006-0018432호(살균 건조기)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 가시광선 영역의 빛을 조사하는 가시광선 램프와, 이산화티탄(TiO₂) 광촉매박막층 및 금속박막층이 일정 두께로 증착 코팅되어 이루어진 광촉매담체를 통해 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 일으켜 본체 내부의 밀폐공간에 항균에어를 발생시킴으로써 세균 증식에 노출된 물품을 간편하고 효과적으로 살균할 수 있게 될 뿐만 아니라, 특히, 자외선 영역에 비해 넓은 파장 범위를 갖는 가시광선에 의해 플라즈몬을 이용한 광촉매반응이 발생되어 기존 광촉매에 비해 유기물 분해 능력이 월등하게 향상되도록 할 수 있는 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치는, 살균대상물이 수납되기 위한 수납공간이 형성된 본체와; 상기 수납공간 내부로 항균에어를 발생시키는 살균수단을; 포함하되, 상기 살균수단은, 기재가 구비되고 상기 기재에 코팅된 금속박막층이 구비되며 상기 금속박막층에 상부로 코팅된 이산화티탄(TiO₂) 광촉매박막층이 구비되어 구성된 광촉매담체와, 상기 광촉매담체에서 빛을 흡수하고 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 일으켜 상기 살균대상물을 살균하도록 상기 광촉매담체에 가시광선대의 빛을 조사하는 가시광선 램프를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈몬을 이용한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치는, 살균대상물이 수납되기 위한 수납공간이 형성된 본체와; 상기 수납공간 내부로 항균에어를 발생시키는 살균수단을; 포함하되, 상기 살균수단은, 기재가 구비되고 상기 기재에 코팅된 금속박막층이 구비되며 상기 금속박막층에 상부로 코팅된 이산화티탄(TiO₂) 광촉매박막층이 구비되어 구성된 광촉매담체와, 상기 광촉매담체에서 빛을 흡수하고 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 일으켜 상기 살균대상물을 살균하도록 상기 광촉매담체에 가시광선대의 빛을 조사하는 가시광선 램프를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치는, 상기 광촉매담체는, 상기 금속박막층의 증착 두께가 20±5nm이고, 상기 광촉매박막층의 증착 두께가 100±10nm인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치는, 상기 수납공간 내부에서 산소 또는 이산화탄소의농도를 검출하기 위한 산소 감지센서; 및 이산화탄소 감지센서와; 상기 산소 감지센서 및 이산화탄소 감지센서에서 검출된 산소 및 이산화탄소 농도의 변화량을 연산하여 세균의 존재 및 멸균 여부를 판단하는 연산부와, 상기 연산부에서 판단된 정보를 상기 본체의 외부에 표시하는 디스플레이부를 포함하여 구성된 살균상태표시수단을; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치는 가시광선 램프와, 이산화티탄(TiO₂) 광촉매박막층 및 금속박막층이 일정 두께로 증착 코팅되어 이루어진 광촉매담체를 통해 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 일으켜 본체 내부의 밀폐공간에 항균에어를 발생시킴으로써 세균 증식에 노출된 물품을 효과적으로 살균할 수 있는 장점을 갖는다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치를 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치의 광촉매담체의 단면을 도시한 단면도.

이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치(이하에서는 "광촉매 살균장치"라 한다.)를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치를 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치의 광촉매담체의 단면을 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치의 가시광 파장 영역에서의 투과도를 도시한 그래프이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치는, 본체(10)와, 살균수단(20)과, 산소 감지센서(30) 및 이산화탄소 감지센서(40)와, 살균상태표시수단(50)을 포함하여 구성된다.

상기 본체(10)는 본 발명 광촉매 살균장치의 외형을 이루도록 형성되고 내부에 구성요소들을 수용하도록 구성된 것으로, 탁상 등에 간편하게 비치될 수 있도록 박스 형태로 형성될 수 있다. 이에, 상기 본체(10)는 내부에 살균대상물(P)이 수용될 수 있도록 수납공간(11)이 형성되고, 상기 수납공간(11)으로 상기 살균대상물(P)을 수용시킬 수 있는 개폐문(12)이 구비되도록 구성될 수 있다.

상기 개폐문(12)은 상기 수납공간(11)이 밀폐된 상태에서 상기 살균수단(20)으로부터 항균에어가 공급될 수 있도록 상기 수납공간(11)을 간편하게 개폐할 수 있으며, 상기 본체(10) 내부의 수납공간(11)에서 이루어지는 살균 작동상태를 육안으로 식별할 수 있도록 투명창으로 이루어지는 구성이 가능하다.

상기 살균수단(20)은 상기 살균대상물(P)을 살균하도록 상기 수납공간(11) 내부로 항균에어를 발생시키는 구성으로, 광촉매담체(21)와, 가시광선 램프(22)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 광촉매담체(21)는 상기 가시광선 램프(22)에서 조사되는 가시광선 영역의 빛을 흡수하고 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 일으켜 항균에어를 발생시키도록 구성된 것으로, 상기 광촉매담체(21)는 알루미늄 금속판 또는 유리판과 같은 재질로 형성되어 상기 본체(10)의 수납공간(11) 내부 바닥에 위치하는 기재(211)가 구비되고, 상기 기재(211)에 증착 코팅되는 이산화티탄(TiO₂) 광촉매박막층(213)이 구비되며, 상기 광촉매박막층(213)이 코팅되기 전에 상기 기재(211)와 상기 광촉매박막층(213) 사이에 증착 코팅된 금속박막층(212)이 구비되는 구성으로 이루어진다.

상기 가시광선 램프(22)는 상기 본체(10)의 수납공간(11) 내부 천장에 부착 고정되도록 배치되어 상기 광촉매담체(21)를 향하여 가시광선 영역의 빛을 조사하는 구성으로, 상기 광촉매담체(21)에서 빛을 흡수하고, 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 일으켜 상기 살균대상물(P)을 살균할 수 있도록 한다. 이에 상기 가시광선 램프(22)는 가시광선대의 빛을 조사하는 다수의 발광다이오드가 배치된 엘이디모듈로 이루어질 수 있다.

따라서, 상술한 바와 같은 구성을 통해 상기 광촉매담체(21)에 가시광선 영역의 빛이 조사되는 경우 이산화티탄(TiO₂)에 흡수되면서 전자(e-)와 정공(h+)이 발생되고, 상기 전자(e-)와 정공(h+)이 대기중의 산소(O₂)와 물(H₂O)과 반응하여 (O₂-)와 (OH) 2종의 활성산소를 갖는 항균에어가 발생되는 것이다.

상기 2종의 활성산소를 갖는 항균에어가 유기물질을 분해함에 따라 병원성 세균이나 박테리아, 곰팡이 등이 제거되는 것은 물론, 암모니아, 황화수소, 트리메틸아닌, 메틸메르캅탄, 아세트 알데히드 성분으로부터 발생되는 불쾌한 냄새나 찌든 담배냄새, 곰팡이냄새 등 각종 생활악취 또한 효율적으로 제거되며, 새집증후군의 주요 원인이 되는 접착제 성분인 포름알데히드 등 난분해성 유해물질도 함께 제거되는 것이다.

이때, 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매 살균장치는, 상기 광촉매담체(21)는 상기 광촉매박막층(213)의 증착두께가 100±5nm이고, 상기 금속박막층(212)의 두께가 20±5nm인 것이 바람직하다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기재(211)로 사용될 수 있는 유리기판에 20±5nm두께의 금속박막층(212)을 형성하고, 그 금속박막층(212) 위에 100±5nm 두께의 이산화티탄(TiO₂) 광촉매박막층(213)을 증착 코팅시켜 가시광 영역에서 상기 광촉매담체(21)가 어느 정도의 광투과도가 유지될 수 있도록 한다.

또한, 상기 금속박막층(212)은 플라즈몬을 형성하는 물질 즉, 코팅층에 분산되는 나노 금속 입자로는 자유전자를 함유하며 플라즈몬 공진 현상을 일으킬 수 있는 금속은 모두 가능하며, 예를 들면 Au, Ag, Cu, Al, Pt, Pd,Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Ta, Nb, Hf, Zr, Ti, Zn, In, Sn, Pb, Sb, Bi 및 이들의 합금 중에서 선택될수 있다.

여기서, 도 4를 참조하면, 상기와 같은 상기 금속박막층(212) 및 광촉매박막층(213)의 증착 두께를 갖는 상기 광촉매담체(21)는 파장 400 내지 800nm의 가시광 영역에서 흡광도가 0.4 ~ 0.7 범위 안에 들게 되는데, 상기와 같은 증착 두께로 이루어진 광촉매담체(21)를 구성함으로써 매우 안정적인 광 투과도 즉, 흡광성을 유지할 수 있게 된다.

상기와 같이 가시광선 영역에서 반응하는 광촉매담체(21)는 자신은 반응 전후에 변화하지 않으면서 가시광선대의 빛을 흡수함으로써 살균대상물(P)에 부착된 각종 휘발성 유기화합물, 각종 세균, 바이러스 등을 산화/분해하여 제거하는 작용을 하기 때문에 인체에 무해하고, 영구적인 사용이 가능하며, 특히 가시광 영역에서 높은 광촉매 반응이 나타나므로 기존 자외선 반응형 광촉매에 비해 유기물 분해 능력이 월등하게 향상될 수 있게 된다.

상기 산소 감지센서(30) 및 이산화탄소 감지센서(40)는 상기 본체(10)의 수납공간(11) 내부에서 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 통해 발생된 산소 또는 이산화탄소의 농도를 검출하도록 구성된다.

이에, 상기 산소 감지센서(30) 및 이산화탄소 감지센서(40)는 상기 수납공간(11) 내부 일측에 부착 고정되어 산소 및 이산화탄소의 발생량을 각각 검출할 수 있게 된다.

상기 살균상태표시수단(50)은 상기 산소 감지센서(30) 및 이산화탄소 감지센서(40)에서 검출된 산소 또는 이산화탄소 농도의 변화량을 연산하고, 그 정보를 통해 상기 본체(10)의 외부에 색상, 수치, 음성 등으로 표시하여 사용자가 살균상태를 식별할 수 있도록 구성된 것으로, 연산부(51)와, 디스플레이부(52)를 포함하여 구성된다.

상기 연산부(51)는 상기 산소 감지센서(30) 및 이산화탄소 감지센서(40)에서 검출된 산소 및 이산화탄소의 농도의 변화량을 연산하여 세균의 존재 및 멸균 여부를 판단하게 된다.

즉, 상기 연산부(51)는 밀폐된 상태의 상기 수납공간(11) 내부에서 상기 살균대상물(P)에 부착되어 서식하고 있는 세균의 호흡 작용으로부터 산소량이 증가하고 이산화탄소량이 감소한 경우, 세균이 존재하고 있는 것으로 판단할 수 있게 되고, 본 발명 광촉매 살균장치의 살균 작용을 통해 세균의 호흡에서 발생되는 산소량이 감소되고, 이산화탄소량이 증가함에 따라 밀폐된 수납공간(11) 내에 존재하는 산소 및 이산화탄소의 농도가 평상을 유지한 경우, 세균이 박멸된 것으로 판단할 수 있게 된다.

상기 디스플레이부(52)는 상기 연산부(51)에서 판단된 정보를 상기 본체(10)의 외부에 표시하도록 구성되는데, 상기 디스플레이부(52)는 상태표시램프(521) 및 수치정보창(522)이 구비될 수 있다.

상기 상태표시램프(521)는 한 쌍 이상 다수개로 구성될 수 있는 것으로, 상기 본체(10)의 수납공간(11) 내부에서 살균대상물(P)의 살균작용이 이루어짐에 따라 그 살균상태를 표시하도록 일정 컬러의 LED가 점등 및 소등될 수 있다.

예를 들면, 상기 본체(10)의 수납공간(11) 내부에 살균대상물(P)을 수용시키고 상기 본체(10)의 작동 전원을 인가한 경우, 상기 산소 감지센서(30) 및 이산화탄소 감지센서(40)에서 일정 ppm의 산소 및 이산화탄소 농도를 검출하게 되고, 상기 연산부(51)에서 상기 상태표시램프(521) 중 어느 하나의 램프를 작동시켜 상기 LED가 적색으로 표시되도록 점등시킬 수 있으며, 상기와 같이 특정색으로 상기 살균대상물(P)의 오염 상태를 표시함과 동시에 상기 수치 정보창(522)을 통해 그 수치값을 숫자 등으로 표시할 수 있게 된다.

또한, 상기 본체(10)에서 활발한 살균 작용이 이루어진 경우, 상기 광촉매담체(21)를 통해 플라즈몬을 이용한 광촉매반응이 발생됨에 따라 상기 수납공간(11) 내부에 존재하는 산소 및 이산화탄소의 농도가 일정 ppm 이하로 낮아지는 과정에서 평상의 상태에 가깝게 돌아갈 때에는 상기 연산부(51)에서 세균의 멸균 상태로 판단하여 상기 상태표시램프(521)에서 어느 하나의 램프가 파란색으로 점등되도록 작동시킬 수 있게 된다.

그리고 상기 수납공간(11) 내부에 존재하는 산소 및 이산화탄소의 농도가 점차적으로 줄어들어 평상화된 경우, 상기 연산부(51)에서는 세균이 완전히 박멸된 상태로 판단하여 안정 상태인 녹색으로 바뀌도록 하는 실시예가 가능한 것이다.

또한, 상기 디스플레이부(52)는 상기 수치정보창(522)에 구비된 다수의 버튼을 통해 표시 모드를 변경한 경우 산소 및 이산화탄소의 농도에 따라 세균의 존재 및 멸균 상태 또는 그 살균 작용 과정을 수치, 기호, 퍼센트(%)와 같은 상태로 표시될 수 있도록 함과 동시에, 스피커 등을 구비한 경우 살균 작동 상태 등을 사용자에게 음성으로 알려주는 기능이 가능하게 된다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치는 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다.

본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

10 : 본체 11 : 수납공간
12 : 개폐문 20 : 살균수단
21 : 광촉매담체 211 : 기재
212 : 금속박막층 213 : 광촉매박막층
22 : 가시광선 램프 30 : 산소 감지센서
40 : 이산화탄소 감지센서 50 : 살균상태표시수단
51 : 연산부 52 : 디스플레이부
521 : 상태표시램프 522 : 수치정보창

Claims (3)

1. 살균대상물이 수납되기 위한 수납공간이 형성된 본체와; 상기 수납공간 내부로 항균에어를 발생시키는 살균수단을; 포함하되,
   상기 살균수단은, 기재가 구비되고 상기 기재에 코팅된 금속박막층이 구비되며 상기 금속박막 층에 상부로 코팅된 이산화티탄(TiO₂) 광촉매박막 층이 구비되어 구성된 광촉매담체와, 상기 광촉매담체에서 빛을 흡수하고 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 일으켜 상기 살균대상물을 살균하도록 상기 광촉매담체에 가시광선대의 빛을 조사하는 가시광선 램프를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광촉매담체는, 상기 금속박막층의 증착 두께가 20±5nm이고, 상기 광촉매박막층의 증착 두께가 100±10nm인 것을 특징으로 하는 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 수납공간 내부에서 산소 또는 이산화탄소의 농도를 검출하기 위한 산소 감지센서; 및 이산화탄소 감지센서와;
   상기 산소 감지센서 및 이산화탄소 감지센서에서 검출된 산소 및 이산화탄소 농도의 변화량을 연산하여 세균의 존재 및 멸균 여부를 판단하는 연산부와, 상기 연산부에서 판단된 정보를 상기 본체의 외부에 표시하는 디스플레이부를 포함하여 구성된 살균상태표시수단을; 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈몬을 이용한 광촉매 살균장치.

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