KR20200021113A - 플라즈마 방전을 이용한 오존 프리 미세먼지 제거 및 살균 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 미세먼지 제거와 살균을 실시하는 데에 적합한 플라즈마 방전 소스를 제공하고자 하는 것으로, 저전압으로 풍부한 플라즈마를 얻고, 플라즈마 방전 시 발생되는 자외선을 이용할 수 있으며, 상대적으로 오존 농도가 낮고, 미세먼지의 수집이 효율적인 플라즈마 방전 소스를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은 유전체 기판의 양면에 각각 X 전극과 Y 전극을 형성하고, 상기 전극들을 각각 유전체로 덮고, X 전극이 있는 공간을 투명 유전체 챔버로 포위하여 X 전극이 배치된 공간을 저압의 챔버로 구성하여 전극에 전압을 인가하여 플라즈마를 방전시킴에 있어서, 저압 공간이 형성된 X 전극 쪽에서 강한 플라즈마 방전을 일으키며, 이로 인해 발생되는 자외선이 투명 유전체 챔버를 투과하여 살균력을 발휘하게 하고, 챔버없이 구성된 Y 전극 쪽에서는 약한 암방전 플라즈마를 일으키고 이로 인해 활성종을 생성하고, X전극과 Y 전극 사이에 형성된 전기장이 미세먼지 진동을 일으켜 미세먼지를 뭉쳐 미세먼지 입자를 생장시켜 뭉쳐진 먼지 입자를 필터로 제거할 수 있는 플라즈마 소스를 제공한다.

Description

플라즈마 방전을 이용한 오존 프리 미세먼지 제거 및 살균 장치{Ozone Free Fine Dust Removal and Sterilization Device Using Plasma Discharge}

본 발명은 플라즈마 방전을 이용하여 미세먼지 제거와 살균을 실시하는 장치에 관한 것이다.

플라즈마 기술의 적용 범위는 반도체 제조 분야를 넘어서서 바이오 분야와 접목하여 점점 더 다양하게 사용되고 있다. 특히, 대기압 플라즈마는 피부 미용, 치료, 각종 살균 장치, 세정 장치, 그외 다양한 표면처리 장치에 응용된다. 이러한 대기압 플라즈마의 경우, 플라즈마 제트 소스와 유전장벽방전 플라즈마 소스를 이용하여 발생되는 것이 일반적이다. 플라즈마 제트 소스의 경우, 방전 가스 공급의 편리함이 있지만 방전 면적이 좁아 넓은 범위에 플라즈마 처리를 하기 어려워 대면적화를 위해 유전장벽플라즈마 소스를 이용하는 것이 좀 더 유리하다. 유전장벽플라즈마 소스의 경우, 대면적화는 유리하지만 원하는 활성종을 생성시키기 위해 적절한 방전가스를 공급할 경우 플라즈마 방전에 필요한 전압이 높아지거나 방전이 원활하게 이루어지지 않는 경우가 있다. 또한, 산소를 포함한 대기 방전의 경우, 오존이 생성되어 오존의 살균력을 이용할 수 있지만, 인체 유해성으로 규제 수준 이하로 제거된 후 방출되어야 한다.

등록특허 10-1522902호는 오염된 공기 정화를 위해 이오나이저와 플라즈마 발생장치를 결합한 유해가스 제거장치를 제안하며, 등록특허 10-0769328호는 DBD 플라즈마 장치와 각종 촉매 필터를 적용한 공기정화장치를 제안한다. 전자의 경우, 플라즈마 발생용 전극과 별도의 이오나이저를 구비하며, 후자는 단순한 DBD 전극 구조를 보이고 있다. 상기와 같은 플라즈마 응용에서 전극의 구조는 피처리 대상 입자가 하전되지 않은 중성입자일 경우 방전된 플라즈마에 의한 처리효과가 미미할 수 있으며, 별도의 이오나이저의 구성은 전체적인 설비의 복잡성과 전력소모증가 등의 문제를 지닐 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이 대기압 하에서는 저전압으로 풍부한 플라즈마를 얻기 어렵고, 오존 생성 시 오존 제거 수단을 요한다.

본 발명의 목적은 미세먼지 제거와 살균을 실시하는 데에 적합한 플라즈마 방전 소스를 제공하고자 하는 것으로, 저전압으로 풍부한 플라즈마를 얻고, 플라즈마 방전 시 발생되는 자외선을 이용할 수 있으며, 상대적으로 오존 농도가 낮고, 미세먼지의 수집이 효율적인 플라즈마 방전 소스를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은 유전체 기판의 양면에 각각 X 전극과 Y 전극을 형성하고, 상기 전극들을 각각 유전체로 덮고, X 전극이 있는 공간을 투명 유전체 챔버로 포위하여 X 전극이 배치된 공간을 저압의 챔버로 구성하여 전극에 전압을 인가하여 플라즈마를 방전시킴에 있어서, 저압 공간이 형성된 X 전극 쪽에서 강한 플라즈마 방전을 일으키며, 이로 인해 발생되는 자외선이 투명 유전체 챔버를 투과하여 살균력을 발휘하게 하고, 챔버없이 구성된 Y 전극 쪽에서는 약한 플라즈마 방전을 일으키고 이로 인해 활성종을 생성하고, X전극과 Y 전극 사이에 형성된 전기장이 미세먼지 진동을 일으켜 미세먼지를 뭉쳐 미세먼지 입자를 생장시켜 뭉쳐진 먼지 입자를 필터로 제거할 수 있는 플라즈마 소스를 제공한다.

상기에서, X 전극은 패턴형으로 구성되고, Y 전극은 패턴형 또는 평판형으로 구성된다.

상기에서, 전극이 형성된 플라즈마 소스를 다수 병렬로 연결하여 적용 범위와 효율을 확대한 플라즈마 소스를 제공할 수 있다.

상기에서, 각각의 전극 쪽에 원하는 종류의 가스를 공급함으로써 원하는 활성종들을 얻을 수 있다.

즉, 본 발명은,

유전체 기판의 일면에 형성된 X 전극;

상기 기판의 이면에 형성된 Y 전극; 및

상기 X 전극이 있는 공간을 포위하고 자외선 투과 유전체를 포함하는 챔버;를 포함하여,

상기 챔버 내부를 대기압보다 저기압 공간으로 형성하여 X 전극과 Y 전극 사이에 전압을 인가하면 Y 전극 쪽보다 압력이 더 낮은 X 전극 쪽에서 주방전을 일으키고, 플라즈마 주방전에 의해 생성된 자외선이 상기 챔버를 투과하여 살균력을 발휘하되, 생성된 오존은 챔버 내에 가두어 지고,

Y 전극 쪽에서는 X 전극의 주방전에 비해 약한 암방전 플라즈마를 일으켜 활성종들에 의한 작용을 일으키며,

X 전극과 Y 전극 사이에 형성된 전기장이 미세입자를 전기적으로 진동시켜 뭉치게 할 수 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스를 제공한다.

상기에 있어서, 상기 X 전극은 방전점을 다수 형성할 수 있는 패턴을 지닌 패턴형 전극으로 구성되고, 상기 Y 전극은 패턴형 또는 평판 모양의 전면형 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스를 제공한다.

상기에서, 챔버는 도어 또는 기체 주입구를 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스를 제공한다.

상기에 있어서, 상기 챔버 내에 불활성 기체, 질소, 공기 또는 산소 중 하나 이상의 기체를 주입한 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스를 제공한다.

상기에 있어서, 상기 챔버 내부는 1mTorr 이상 그리고 대기압 미만의 압력으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스를 제공한다.

상기 플라즈마 소스를 다수 병렬로 연결한 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스를 제공한다.

본 발명에 따르면, X 전극 쪽의 저압 환경은 상대적으로 방전 전압에 대비하여 플라즈마 방전이 활성화되며, Y 전극 쪽은 대기압 하에서 암방전이 발생 되므로 동일한 전압에 의해 X 전극 쪽에 비해 플라즈마 방전이 약화되어 오존 농도가 낮은 활성종들이 생성된다. 그에 따라 X 전극 쪽의 자외선 살균력을 얻을 수 있고 Y 전극 쪽의 다양한 활성종들을 얻을 수 있어 용도에 맞게 가스의 종류를 공급하여 살균, 미세먼지 제거, 악취 제거 등 소기의 목적을 이룰 수 있다.

또한, 전극 간에 형성되는 전기장은 하전된 미세먼지들의 전기 진동을 일으켜 필터로 제거되지 않던 미세먼지들을 뭉쳐지게 함으로써 필터로 제거될 수 있게 한다.

다수의 병렬연결된 플라즈마 소스는 대용량 공기청정기와 같이 대량의 처리 내지 강력한 살균 등의 목적을 달성할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 소스의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1에서 Y 전극을 평판형으로 대체한 플라즈마 소스를 보여주는 단면도이다.
도 3은 도 1의 플라즈마 소스를 다수 병렬연결한 것을 보여주는 단면도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 소스를 보여준다.

유전체로 된 기판의 상면과 하면에 각각 X 전극과 Y 전극을 형성하고, 각각의 전극 위를 유전체로 덮고, X 전극이 형성된 곳에 투명유전체로 된 챔버를 구성한다. 즉, X 전극이 있는 기판 외곽에 격벽을 세우고, 자외선 투과용 투명유전체 천장을 얹어 X 전극을 포위하는 챔버를 구성한다. 전극을 유전체로 덮으면 전극 수명이 길어지고 플라즈마와 활성종의 양이 풍부하게 된다.

격벽은 불투명 유전체일 수도 있지만 천장은 반드시 투명 유전체로 구성한다. 격벽과 천장은 일체형으로 된 커버 형태일 수도 있고, 돔 형태일 수도 있다. 이와 같은 구성은 X 전극이 있는 공간을 저기압 환경으로 구성할 수 있기 때문에 상대적으로 저전압으로 강한 플라즈마 방전을 이룰 수 있다. 그에 따라 동일한 전원을 이용하여 양 전극 사이에 고전압을 인가하면 상대적으로 압력이 낮은 X전극부에서 주 방전이 발생하고, 이때 발생하는 UV에 의해 유해세균이 살균된다.

X 전극과 Y 전극은 리소그라피 술을 이용하여 방전점이 다수 포함된 패턴형 전극으로 구성될 수 있다. 다수개의 선형 전극이 배열된 스트라이프 패턴에 각각의 선형 전극은 일측단에서 서로 연결되고, 개개의 선형 전극 마다 다각형, 원형, 타원형, 선형의 돌출부나 오목부를 구비하여 방전점이 다수 포함되게 할 수 있다.

상기에서 X 전극을 포함하는 챔버는 도어 또는 기체주입구를 구비할 수 있으며, 대기압보다 낮은 진공 상태의 환경, 예를 들면, 1mTorr ~ 수백 Torr 상태를 만들어 주고, 아르곤, 헬륨, 제논 등 불활성 기체를 질소, 공기 등과 적절한 조성비로 혼합하여 사용할 수 있다. 불활성 가스는 플라즈마 방전을 강화할 수 있으며, 질소, 산소, 공기는 질소종, 산소종, 오존과 같이 살균이나 악취 제거에 효율적인 활성종을 발생시킨다.

뿐만아니라 X 전극과 Y 전극에 동일한 전원을 이용하여 플라즈마를 방전시킬 경우, 상대적으로 저압 환경인 X 전극 쪽에서는 Y 전극 쪽보다 더 강한 플라즈마 방전을 일으켜 그에 따른 자외선이 방출되며, 자외선 투과성 챔버를 통해 자외선 살균도 병행할 수 있다. 상대적으로 Y 전극에서 일어나는 약한 암 방전 플라즈마는 Y 전극 주변의 공기와 같은 기체로부터 활성종을 생성한다. 플라즈마 소스 주변에 특정 기체를 공급할 경우, Y 전극에서 발생되는 활성종은 공급 기체에 의존하여 특정 활성종을 생성하게 된다.

또한, X 전극과 Y 전극 사이에 전기장이 형성되고, 상기 전기장은 플라즈마 방전에 대한 기여 외에도 주변의 미세입자를 대전시키고 진동시켜 전기적인 인력으로 서로 뭉쳐지게 한다. 따라서 일반 필터에 걸러지지 않는 미세먼지나 초미세먼지를 전기장으로 뭉쳐지게 함으로써 필터에서 걸러지게 할 수 있다. 즉, Y 전극 부분에서는 약한 방전에 의해 NO₂ ^-나 발생기 산소([O])가 발생하여 살균효과 나타나고, 전기장에 의해 먼지 집진효과가 발생한다.

상기와 같이 구성된 플라즈마 소스는 도 2에서와 같이 Y 전극을 패턴형이 아닌 평판으로 된 전면형 전극으로 변형 실시할 수도 있다. 이러한 구조변화를 통해 플라즈마 방전 영역을 조절할 수 있고, 발생하는 활성종 양을 조절할 수 있다.

또한, 전면형 전극은 패턴형 전극에 비해 좀 더 안정적인 플라즈마 방전을 얻을 수 있으며, 특히, 플라즈마 소스가 진동이 있거나 이동중인 차량과 같은 곳에 설치될 경우, 신뢰도를 높일 수 있다.

도 3은 도 1의 단일구조 플라즈마 소스 여러 개를 병렬 연결하여 처리 영역을 확대하거나 효과를 향상 시키고자 하는 시도를 보여준다. 상기에서 Y 전극을 전면형으로 구성한 것을 하나 이상 배치할 수도 있고, Y 전극끼리 서로 인접하게 배치하거나 그 반대로 Y 전극과 X 전극이 인접하게 배치하여 전기장의 형성 변화를 적절히 이용하여 미세먼지 또는 활성종들의 동작을 제어할 수 있다.

Y 전극 쪽에서 일어나는 플라즈마 방전은 상대적으로 약한 암방전이기 때문에 비교적 오존 농도가 낮게 나타난다. 즉, X 전극 쪽의 주 방전에 의해 오존 농도는 높게 나타나지만 이들은 챔버 안에 가두어지기 때문에 소정 시간이 지나면 자연 소멸되어 플라즈마 소스 전체로는 거의 오존 프리를 이룬다. 따라서 지외선 살균과 저농도의 오존을 포함한 활성종들의 역할을 통한 악취제거, 살균, 치료 작용 등을 얻을 수 있다. 전기장에 의한 집진 효과는 상술한 바와 같다.

이와 같이 하여 오존 프리 플라즈마 미세먼지 제거 및 살균 장치를 제작할 수 있다.

한편, 상기 실시 예와 실험 예들에서 제시한 구체적인 수치들은 예시적인 것으로 필요에 따라 변형 가능함은 물론이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도면부호 없음.

Claims (6)

1. 유전체 기판의 일면에 형성된 X 전극;
   상기 기판의 이면에 형성된 Y 전극; 및
   상기 X 전극이 있는 공간을 포위하고 자외선 투과 유전체를 포함하는 챔버;를 포함하여,
   상기 챔버 내부를 대기압보다 저기압 공간으로 형성하여 X 전극과 Y 전극 사이에 전압을 인가하면 Y 전극 쪽보다 압력이 더 낮은 X 전극 쪽에서 주방전을 일으키고, 플라즈마 주방전에 의해 생성된 자외선이 상기 챔버를 투과하여 살균력을 발휘하되, 생성된 오존은 챔버 내에 가두어 지고,
   Y 전극 쪽에서는 X 전극의 주방전에 비해 약한 암방전 플라즈마를 일으켜 활성종들에 의한 작용을 일으키며,
   X 전극과 Y 전극 사이에 형성된 전기장이 미세입자를 전기적으로 진동시켜 뭉치게 할 수 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
2. 제1항에 있어서, 상기 X 전극은 방전점을 다수 형성할 수 있는 패턴을 지닌 패턴형 전극으로 구성되고, 상기 Y 전극은 패턴형 또는 평판 모양의 전면형 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
3. 제1항에 있어서, 상기 챔버는 도어 또는 기체 주입구를 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
4. 제3항에 있어서, 상기 챔버 내에 불활성 기체, 질소, 공기 또는 산소 중 하나 이상의 기체를 주입한 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
5. 제4항에 있어서, 상기 챔버 내부는 1mTorr 이상 그리고 대기압 미만의 압력으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
6. 제1항 또는 제2항의 플라즈마 소스를 다수 병렬로 연결한 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
   
   

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