KR20210062019A

KR20210062019A - 광촉매액 및 그것이 도포된 물품

Info

Publication number: KR20210062019A
Application number: KR1020217008967A
Authority: KR
Inventors: 타카하루 후지이
Original assignee: 타카하루 후지이
Priority date: 2018-09-13
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-05-28
Also published as: JPWO2020054805A1; CN111432927A; WO2020054805A1

Abstract

[과제] 치밀한 광촉매층을 형성하기 위해서, 수성 매체 내에 아나타아제형 산화티탄 미립자가 분산된 상태를 장기적으로 유지할 것.
[해결수단] 가수분해에 의해서 생성되는 족형 형상의 결정 입자의 광촉매와 구상 결정 입자의 광촉매가 결합하여, 상기 가수분해 시에 이용되는 수산화물로부터 이탈한 양이온이 수식된 광촉매 입자를 구비하고, 상기 촉형 형상의 결정 입자는 5 nm∼30 nm의 크기이며, 그 평균 사이즈가 상기 구상 결정 입자의 평균 사이즈 이상이고, 상기 촉형 형상의 결정 입자의 광촉매가 아나타스형으로 한다.

Description

광촉매액 및 그것이 도포된 물품

본 발명은 광촉매액 및 그것이 도포된 물품에 관한 것이며, 특히 치밀한 광촉매층을 형성할 수 있는 광촉매액 및 그것이 도포된 물품에 관한 것이다.

종래 특허문헌 1에는, 티탄 화합물 수용액과 염기를 혼합·반응시켜 티탄 화합물을 가수분해하는 공정과, 상기 가수분해 공정에 의해 얻어지는 가수분해물을 분리하는 공정과, 상기 분리 공정에 의해 얻어진 분리 잔사를 건조하는 공정과, 상기 건조 잔사를 소성하는 공정을 포함하는 산화티탄의 제조 방법에 있어서, 상기 가수분해 공정이, 미리 수성 매체 내에 아나타아제형 산화티탄 미립자가 분산된 분산액을 조제하고, 상기 분산액에 티탄 화합물 수용액과 염기를 혼합·반응시켜 티탄 화합물을 가수분해하는 것을 특징으로 하는 산화티탄의 제조 방법이 개시되어 있다.

JP

2009-120422

A

그러나, 특허문헌 1에 기재되어 있는 제조 방법에 의해서 제조된 산화티탄은, 수성 매체 내에 아나타아제형 산화티탄 미립자가 분산된 상태를 장기적으로 유지하기 어렵다고 하는 문제가 있다. 이 결과, 수성 매체 내에 아나타아제형 산화티탄 미립자가 침전되는 경우가 있고, 이 결과, 치밀한 광촉매층을 형성하기가 어려워진다.

그래서, 본 발명은 상기 문제를 해결할 수 있는 광촉매액을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 광촉매액은,

가수분해에 의해서 생성되는 족형(spear-shaped) 형상의 결정 입자의 광촉매와 구상 결정 입자의 광촉매가 결합하고, 상기 가수분해 시에 이용되는 수산화물로부터 이탈한 양이온이 수식된 광촉매 입자를 구비한다.

또한, 상기 족형 형상의 결정 입자는 5 nm∼30 nm의 크기이며, 그 평균 사이즈가 상기 구상 결정 입자의 평균 사이즈 이상이고, 상기 족형 형상의 결정 입자의 광촉매가 아나타스형(anatase form)이라도 좋다.

상기 광촉매 입자는, 편평 형상의 결정 입자와 상기 편평 형상의 결정 입자와 비교하여 두께가 있는 입체 형상의 결정 입자와의 결합물이다.

상기 각 입자의 어느 하나는, 가시광선에 의해서 광촉매 활성을 얻을 수 있도록 밴드 갭을 좁히기 위해서, 예컨대 결정 상태의 구조 결함을 생기게 하고 있다.

상기 편평 형상의 결정 입자의 평균 사이즈를 상기 입체적 형상의 결정 입자의 평균 사이즈 이상으로 하면, 광촉매액을 도포 건조시켰을 때에, 광촉매막의 기공률 저하에 기여하기 때문에 바람직하다.

구체적으로는, 도포 건조 후의 광촉매의 기공률이 50% 이하이면 된다. 광매체의 단위용적 당 결정수가 증가하여, 재결합 속도를 느리게 하는 등에 공헌하기 때문이다.

또한, 본 발명의 광촉매액은, 공기청정기, 가습기 또는 에어컨디셔너 등의 공조기에 적합하게 이용할 수 있다. 일례로서는, 공조기의 하우징은 투광성을 갖고 있고, 상기 광촉매액의 도포 대상은, 상기 하우징을 통해 얻어지는 빛을 이용하여 촉매 작용을 얻을 수 있게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 가시광선에 의해서 광촉매 활성을 얻을 수 있는 광촉매 입자를 포함하는 액체의 제조 공정의 개요 설명도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1의 공기청정기(100)의 모식적인 내부 구성을 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2의 가습 시스템(200)의 모식적인 내부 구성을 도시하는 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시형태의 광촉매액에 관해서 도면에 기초하여 설명한다. 여기서, 본 실시형태의 광촉매액이란, 가시광선에 의해서 광촉매 활성이 얻어지는 광촉매 입자를 포함하는 액체를 의미하며, 본 실시형태에 따른 광촉매 입자는 소위 가시광 응답형인 것으로 하고 있다.

도 1은 본 실시형태에 따른 가시광선에 의해서 광촉매 활성이 얻어지는 광촉매 입자를 포함하는 액체의 제조 공정의 개요 설명도이다.

이 액체는 2종류의 광촉매 입자의 결합체를 포함한다. 우선, 2종류의 광촉매 입자의 한쪽이 되는 광촉매 원액을 제조한다(단계 S1).

광촉매 원액을 제조하기 위해서, 우선 수산화티탄, 염화티탄, 사염화티탄, 산화티탄, 황화티탄 등의 수용성의 티탄산염의 수용액을 준비한다(단계 S11). 이어서, 상기 수용액에 대하여, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화마그네슘, 수산화칼슘, 암모니아수 등의 수산화물로 이루어지는 침전물생성제를 첨가한다(단계 S12). 이로써, 상기 수용액 등에 수산화티탄의 침전물이 생성된다.

구체적으로는, 예컨대 사염화티탄의 약 10 중량%∼약 20 중량%의 수용액 약 10 ml에 대하여, 증류수 약 1000 ml로 희석한 것을 분산액으로서 준비한다. 또한, 상기 분산액에 대하여, 약 20 중량%∼약 30 중량%의 암모니아수 약 10 ml를 증류수 약 100 ml로 희석한 것을 준비한다. 그리고, 상기 분산액에 대하여 상기 암모니아수 약 10 ml 정도를 적하함으로써, 수산화티탄의 침전물을 생성한다.

이어서, 상기 분산액으로부터 침전물을 원심분리나 여과분별 등에 의해서 추출하고, 그 후, 수산화티탄 겔 자체를, 불순물 제거를 위해서, 순수, 이온교환수, 증류수 등으로 수세한다(단계 S13). 수산화티탄 겔에 순수, 이온교환수 또는 증류수를 가하여 약 100 ml∼약 500 ml로 한 수산화티탄 현탁액을 제조한다(단계 S14).

이어서, 수산화티탄 현탁액에 약 25 중량%∼약 45 중량%의 과산화수소수를 약 10 ml∼약 50 ml 가하여 교반하고 나서(단계 S15), 예컨대 2시간∼15시간, 65℃∼450℃의 온도에서 가열한다(단계 S16). 이렇게 해서, 약 5 nm∼약 30 nm의 아나타아제 결정의 산화티탄을 포함하는 광촉매 원액을 얻는다. 또한, 이 광촉매 원액에는, 약 5 nm 이하의 결정화가 불완전한 산화티탄도 잔존하고 있다.

여기서, 본 실시형태에 따른 광촉매 원액은, 이미 알려진 것과 비교하여, 상기한 예에서 말하자면, 암모니아수를, 일반적으로 말하면 수산화나트륨 등의 수산화물을, 고농도 및/또는 다량으로 가하고 있는 것이 특징적이다. 이것은, 이하에 설명하는 이유에 의해, 광촉매 원액 내에 있어서의 암모늄 이온 등을 상대적으로 봤을 때 과잉으로 하기 위해서이다. 구체적으로는, 본 실시형태에서는, 암모늄 이온 농도는 100 ppm 이상, 바람직하게는 150 ppm 이상이 되는 조건으로 광촉매 원액을 제조하고 있다.

이 광촉매 원액은, 산화티탄의 길이 방향의 평균 사이즈가 약 10 nm 이다. 산화티탄의 표면에는 퍼옥소기가 수식되게 된다. 이 때문에, 광촉매 원액 내에서는, 퍼옥소기의 분극에 의해서 입자 사이의 전기적 척력(斥力)이 작용하여, 산화티탄이 서로 반발하기 때문에 응집하는 일은 없다.

또한, 상기한 예에서 말하자면, 광촉매 원액 내에 있어서의 암모늄 이온을 상대적으로 봤을 때 과잉이 되는 조건으로 혼합하고 있기 때문에, 암모늄 이온은, 광촉매 원액 내의 광촉매를 수식하게 되며, 이들에 의한 반발력도 상기 분산에 기여하고 있다. 이 때문에, 광촉매 원액은 산화티탄이 균일하게 분산된 액체가 된다.

또한, 이렇게 해서 제조한 산화티탄은 1개 이상의 OH기를 갖게 된다. 또한, 암모늄 이온에 의해서, 광촉매 원액의 pH는 7.0을 웃돌며, 제조 조건에 따라 다르기도 하지만, 통상은 이 pH는 7.3 정도 이상이 된다.

광촉매 원액에 포함되는 산화티탄의 결정 입자는 대략 족형을 하고 있다(이하, 「족형 산화티탄」이라고 부른다.). 대략 족형으로 되는 것은, 단계 S14의 가열에 의해서, 산화티탄의 결정이 아모르퍼스에서 아나타스형 결정으로 되었음을 의미한다. 또한, 산화티탄은, 대략 족형으로 하기 위해서는, 상기한 예에서 말하자면, 암모늄 이온 이외의 불순물을 최대한 적게 할 필요가 있다.

그렇지만, 광촉매 원액에 포함되는 족형 산화티탄의 형상은 제어가 가능하며, 대략 족형 이외에도, 예컨대 단계 S14, S15 사이에, 광촉매 원액에 대하여 붕소 등을 첨가함으로써, 길이 방향을 따른 단면이, 대략 사각형, 대략 오각형, 대략 팔각형 등의 편평한 다양한 기하학 형상으로 하는 것도 가능하다. 본 실시형태에서는, 광촉매 원액의 산화티탄의 결정 입자가 편평 형상이면 된다.

즉, 본 명세서에서의 「편평 형상」이란, 면 방향으로 상대적으로 넓으며 또한 두께 방향으로 상대적으로 얇은 형상의 총칭으로 정의한다. 면은 평활면만은 아니며, 다소의 요철형, 곡면형인 것도 포함한다. 면의 형상도 한정되지 않고, 원, 타원, 육각형, 사각형 등의 다각형 등 어느 것이라도 좋다. 편평 형상의 광촉매 입자의 크기는, 판면 방향으로는 대략 3 nm²∼40 nm² 정도의 범위에 수습되고, 평균으로는 10 nm²∼20 nm² 정도이다. 편평 형상의 광촉매 입자의 두께는, 대략 0.3 nm∼5 nm 정도의 범위에 수습되고, 평균으로는 1 nm∼3 nm 정도이다.

화학식 1은 족형 산화티탄의 화학 구조식이다. 화학식 1에 나타내는 것과 같이, 족형 산화티탄은, 한 쌍의 티탄(Ti)이 5개의 산소(O)를 통해 결합되어 있으며, 또한 각 티탄은 2개의 OH기와 결합되어 있다. 또한, 이들 전체는 양이온인 암모늄 이온에 의해서 수식되어 있다.

[화학식 1]

이어서, 2종류의 광촉매 입자의 다른 쪽이 되는 광촉매 원료를 제조한다(단계 S2).

우선, 산화철 및 산화티탄이 주성분인 일루메나이트 광석과 황산을 반응시킴으로써 황산염을 제조한다(단계 S21). 이어서, 황산염으로부터 불순물을 제거한다(단계 S22). 그 후, 그 황산염을 가수분해하고(단계 S23), 불용성의 백색 함수 산화티탄을 침전시킨다. 이때, 하나 이상의 OH기가 형성된다.

그 후, 이것을 중화 세정하고, 건조 또는 소성하여, 평균 사이즈가 6 nm 정도이고 크기에 변동이 적은 대략 구형으로 될 때까지 미립자화함으로써, 광촉매 원료를 얻는다. 이와 같이 제조한 산화티탄은 1개 이상의 OH기를 갖게 된다.

또한, 상기 제조 방법은 소위 황산법이라고 불리고 있는 수법이지만, 이것에 한정되지 않고, 염소법, 불산법 염화티탄칼륨법, 사염화티탄수용액법, 알콕시드가수분해법 등 다른 제조 방법을 이용하여도 좋다.

또한, 가시광 조사에 의해서 광촉매 작용이 얻어지도록 가시광역의 흡수가 가능한 밴드 갭으로 하기 위해서 산화티탄에 대한 각종 도펀트의 도입, 산화티탄의 고온 환원, 산화티탄에 대한 X선 등의 고에너지 조사 등을 실시한다.

광촉매 원료에 포함되는 산화티탄의 결정 입자는 입체 형상인 구형을 하고 있다(이하, 「구형(球型) 산화티탄」이라고 부른다.). 구형 산화티탄의 결정 입자의 형상은 제어가 가능하며, 구형 이외에도, 예컨대 단면이 대략 타원형, 원형, 각형, 이들의 절선형 등의 입체적인 다양한 형상으로 할 수 있다. 본 실시형태에서는, 광촉매 원료의 산화티탄의 결정 입자가 입체적인 형상이면 된다.

즉, 본 명세서에서의 「입체 형상」이란, 「편평 형상」과는 달리, 면 방향과 두께 방향의 상대차가 작은 형상의 총칭으로 정의된다.

여기서, 본 실시형태에서는, 족형 산화티탄의 결정 입자의 평균 사이즈를, 구형 산화티탄의 결정 입자의 평균 사이즈 이상으로 하고 있다. 이렇게 하면, 족형 산화티탄의 간극에 구형 산화티탄이 들어가게 되고, 더구나 후술하는 것과 같이 양 산화티탄은 서로 혼합된다. 이 때문에, 광촉매액을 피도포체에 대하여 도포 건조시킨 경우, 광촉매의 기공률 저하가 실현된다.

이어서, 광촉매액을 제조한다(단계 S3).

우선, 단계 S1에서 제조한 광촉매 원액에 대하여, 단계 S2에서 제조한 광촉매 원료를 섞고(단계 S31), 필요에 따라서 이 광촉매 원액을 교반하여, 족형 산화티탄과 구형 산화티탄을 결합시킨다(단계 S32). 이때, 광촉매 원액을 가열하거나 하는 처리는 불필요하며, 교반 스피드, 교반 시간 등의 교반 조건은 특별히 한정되는 것은 아니다.

여기서, 이미 상술한 것과 같이, 광촉매 원액 내의 산화티탄은, 퍼옥소기로 수식되어 있으며, 또한 수산화물인 암모늄 이온에 의해서 수식되어 있기 때문에, 광촉매 원액 내에서 분산되어 있고, 이 상태를 유지하면서 광촉매 원액에 대하여 광촉매 원료를 첨가하면 된다. 또한, 상기한 분산 상태는, 제조 후 몇 년 경과한 후에도 침전물이 보이지 않았기 때문에, 유지되고 있다고 생각된다.

이를 위해서는, 퍼옥소기의 감소를 피하거나 또는 광촉매 원액 내에 있어서의 상기 분산에 기여하는 암모늄 이온 농도 등의 불순물의 감소를 피하면 된다. 구체적으로는, 퍼옥소티탄산의 농도가 예컨대 5 w% 이하가 되지 않게 하거나 또는 암모늄 이온 등 불순물이 예컨대 100 ppm 이하가 되지 않게 한다.

또한, 이미 상술한 것과 같이, 광촉매 원액 내의 산화티탄과 광촉매 원료의 산화티탄 양쪽 모두 1개 이상의 OH기를 갖고 있다. 이 때문에, 양 산화티탄은 서로의 OH기 부분에서 수소 결합이 이루어진다. 즉, OH기가 치환기로 된다. 그렇지만, 치환기는 OH기에 한정되는 것이 아니라는 점에 유의하길 바란다.

그런데, 일반적인 구형 산화티탄은 비수계로 제조되고, 족형 산화티탄은 수계로 제조되고 있다. 따라서, 이들은 이론적으로는 결합하지 않는다. 그래서, 본 발명자는, 이들을 결합시키기 위해서, 예컨대 OH기를 포함하는 구형 산화티탄을 선택했다. 이 결과, 상기한 것과 같이, 구형 산화티탄과 족형 산화티탄을 OH기를 통해 서로 결합하는 것이 가능하게 된다.

구형 산화티탄의 대부분은 광촉매 원액 내의 족형 산화티탄과 결합된다. 또한, 소요의 진동 등을 광촉매 원액에 가하더라도, 구형 산화티탄과 족형 산화티탄의 분리는 확인되지 않았다.

또한, 구형의 광촉매 입자에 의한 광촉매막 표면의 전자·정공의 재결합 속도와, 본 실시형태의 광촉매액을 도포 건조시킨 광촉매막 표면의 전자·정공의 재결합 속도를, 펨토초 레이저 펄스의 확산 반사 스펙트럼(PP-DRS)법을 채용하여 측정한 결과, 양자에는 다음과 같은 차이가 있었다.

구형의 광촉매 측에서는 20 피코초 경과 시에 대부분의 전자·정공의 재결합이 완료되고 있지만, 본 실시형태에 따른 광촉매 측에서는 20 피코초 경과 시에도 반 이상의 전자·정공의 재결합이 완료되지 않았다. 이것은, 본 실시형태에 따른 광촉매 측에서는, 전자·정공의 재결합 속도가 늦다는 것을 의미하고 있다.

또한,

전자 농도=시간 제로에서의 전자 농도/1+시각 제로에서의 전자 농도×전자·정공의 재결합의 이차속도 상수×시간+베이스라인

이라는 수식을 이용하여, 양자의 전자 농도를 산출한 결과, 구형의 광촉매 측의 전자 농도는 약 10×10¹² cm³/s, 본 실시형태의 광촉매 측의 전자 농도는 약 1×10¹² cm³/s였다.

양자에게는 약 10배 정도의 전자 농도의 차이가 확인되었다. 이것은, 실시형태에 따른 광촉매 함유 필터(16)의 광촉매성이, 구형의 광촉매 입자밖에 이용하지 않은 필터의 광촉매성과 비교하여 10배 우수하다는 것을 의미한다.

즉, 전자와 정공의 「재결합 속도」가 늦다는 것은 광촉매성이 우수하다는 것과 동의이다. 「재결합 속도」를 결정하는 파라미터는, 「B. Ohtani, S.-W. Zhang, S.-i. Nishimoto and T. Kagiya, J. Photochem. Photobiol., A: Chem., 64, 223 (1992)」, 「B. Ohtani and S.-i. Nishimoto, J. Phys. Chem., 97, 920 (1993)」에 기재되어 있는 것과 같이, 광촉매 입자의 결정성 및 광촉매 입자의 직경(표면적)이다.

아모르퍼스 상태의 광촉매의 고결정화를 실현하고자 하는 경우에는, 그 저해 요인이 되는 불순물을 제로에 가깝게 하면서 또한 결정화를 위한 충분한 시간을 확보할 필요가 있다. 이 때문에, 본원발명의 경우에는, 이미 상술한 것과 같이, 불순물 제거를 위해서 순수, 이온교환수, 증류수 등으로 수세하여, 예컨대 2시간∼15시간, 65℃∼400℃의 온도에서 가열하고 있다. 즉, 「편평 형상」의 광촉매 입자를 이용하면, 「재결합 속도」에 기여하는, 광촉매의 고결정화를 실현할 수 있다.

여기서, 광촉매 입자의 직경이 작을수록 광촉매 입자의 표면적이 커지고, 그 결과, 광촉매 입자의 표면에 흡착 가능한 분자의 수가 증가하여, 촉매 활성이 높아진다. 그 한편으로, 「J. Phys. Chem., 99,16655(1995)」에 기재되어 있는 것과 같이, 광촉매 입자의 입경이 2 nm 이하가 되면, 전자와 정공의 제짝 재결합이 생기기 쉽게 되기 때문에 촉매 활성이 저하한다고도 여겨지고 있다.

본 실시형태의 광촉매 함유 필터(16)는, 그 광촉매에 있어서의 「편평 형상」의 광촉매 입자의 크기가 5 nm∼30 nm로 변동되고 있다. 단, 이 광촉매 입자에는, 5 nm 이하의 결정화가 불완전한 것도 있다. 이 결과, 2 nm 이하 크기의 광촉매 입자, 상기 제짝 재결합을 생기게 하여, 촉매 활성이 저하하는 경우가 있다.

이 단점은 「입체 형상」의 광촉매 입자를 이용함으로써 해소할 수 있다. 즉, 「입체 형상」의 광촉매 입자는, 직경의 평균적인 크기가 6 nm이며, 더구나 직경의 크기 변동이 적다. 이 때문에, 「입체 형상」의 광촉매 입자와 「편평 형상」의 광촉매 입자가 결합된 광촉매 입자는, 상대적으로 2 nm 이하 크기인 것이 적어진다. 즉, 각각의 직경의 크기가 6 nm인 광촉매 입자를, 5 nm∼30 nm 크기의 광촉매 입자와 함께 이용함으로써, 재결합의 발생 원인인 2 nm 이하 크기의 광촉매 입자의 비율을 적게 하여, 단점을 줄이고 있다.

(비교예)

1. 광촉매 원액만을 기판에 도포하여 건조시킨 후에, 상기 기판 표면을 전자현미경을 이용하여 관찰한 바, 표면에 부착된 산화티탄에는, 평균적으로 약 60%의 기공률이 확인되었다.

2. 구형 산화티탄을 증류수에 섞고 나서, 기판에 도포하여 건조시킨 후에, 상기 기판 표면을 전자현미경을 이용하여 관찰한 바, 표면에 부착된 산화티탄에는, 평균적으로 약 70%의 기공률이 확인되었다.

3. 본 실시형태에 따른 광촉매액을 기판에 도포하여 건조시킨 후에, 상기 기판 표면을 전자현미경을 이용하여 관찰한 바, 표면에 부착된 산화티탄에는, 평균적으로 약 30%의 기공률이 확인되었다. 기공률이 45%를 넘는 부분은 확인되지 않았다.

또한, 본 실시형태에 따른 광촉매액을 기판에 도포하여 건조시킨 광촉매막에서의 광촉매 결정의 배향성이 높다는 것이 확인되었다. 더욱이, 광촉매막의 강도가 우수하다는 것도 확인할 수 있었다.

또한, 본 실시형태에 따른 광촉매액 내에서의, 2종류 형상의 산화티탄의 혼합 비율을, 약 3:7, 약 5:5, 약 7:3 등 여러 가지로 변경하더라도 기공률에 큰 차는 없었다.

덧붙여 말하자면, 광촉매액에 있어서의 구형 산화티탄의 함유 비율이 높아짐에 따라, 족형 산화티탄과 구형 산화티탄이 결합 상태에 있는 산화티탄이 무겁게 되고, 이것이 광촉매액 중에 침전되게 되었다. 결국, 족형 산화티탄과 구형 산화티탄의 비율은, 약 3:7 내지 약 7:3이 바람직하고, 약 5:5가 가장 좋다는 것을 알 수 있었다.

또한, 본 실시형태에서는, 주로 광촉매액으로서 산화티탄 함유액을 예로 들어 설명했지만, 액상에 한정되지 않고, 겔형, 졸형인 것도 이것에 포함되는 것으로 한다. 또한, 광촉매 활성 물질은, 산화티탄(TiO₂)뿐만 아니라, Fe₂O₃, Cu₂O, In₂O₃, WO₃, Fe₂TiO₃, PbO, V₂O₅, FeTiO₃, Bi₂O₃, Nb₂O₃, SrTiO₃, ZnO, BaTiO₃, CaTiO₃, KTaO₃, SnO₂, ZrO₂, Si, GaAs, CdSe, GaP, CdS, ZnS 등으로 하여도 좋다.

실시예

(실시예 1)

도 2는 본 발명의 실시예 1의 공기청정기(100)의 모식적인 내부 구성을 도시하는 단면도이다. 본 실시예의 공기청정기(100)는, 도 2에 도시하는 것과 같이, 이하 설명하는, 흡입구(10)와 팬(12)과 오존 가스 발생기(14)와 광촉매 함유 필터(16)와 광원(18)과 배출구(20)와 광촉매 용액 분무기(22)와 제어부(24)와 하우징(30)을 구비한다.

흡입구(10)는 하우징(30)의 제1 면에 형성되어 있으며, 공기청정기(100)의 설치 위치 주변의 공기를 흡입하는 부분이다. 흡입구(10)에는 여과 필터, 정전식 필터 등이 마련되어 있다. 이들 필터에는, 후술하는 광촉매를 함유시켜 놓으면 된다. 또한, 흡입구(10)로부터 흡입되는 공기란, 단순히 지구를 둘러싸는 대기권의 하층 부분을 구성하는 무색투명한 혼합 기체라는 의미뿐만 아니라, 미세한 입자(화분이나 집먼지 등)나 냄새(애완동물이나 요리 시 등의 냄새 등)가 포함되어 있는 것을 말한다.

팬(12)은 하우징(30)의 흡입구(10) 근방에 설치되어 있다. 팬(12)은, 흡입구(10)로부터 공기를 흡입하고, 배출구(20)로부터 청정 공기를 배출하기 위한 것이다. 그렇지만, 팬(12)은, 하우징(30) 내이면, 예컨대 배출구(20) 부근에 설치되어 있어도 좋다.

오존 가스 발생기(14)는, 팬(12)을 구동시킴으로써 하우징(30) 안으로 흡입되는 공기에 혼합되는 오존 가스를 발생시키는 것이다. 오존 가스 발생기(14)는, 광촉매 함유 필터(16)보다도 기체 유로의 상류에 설치되는 것이 필수적이다. 또한, 오존 가스 발생기(14) 근방에는, 오존 농도를 측정하기 위한 오존 센서가 마련되어 있어, 제어부(24)가 오존 센서의 검지 결과에 기초하여 오존 발생량을 제어한다.

광촉매 함유 필터(16)는, 오존 가스 발생기(14)에 의해서 발생된 오존 가스와 흡입구(10)로부터 흡입된 공기와의 혼합 가스의 유로에 설치되어 있다. 광촉매 함유 필터(16)에는, 이미 상술한 실시예에서 설명한 광촉매액이 도포된 것이다.

도 2에는, 2개의 광촉매 함유 필터(16)를 설치하고 있는 예를 도시하고 있지만, 이 수는 예시이며, 하나라도 좋고, 3개 이상이라도 좋다. 또한, 광촉매 함유 필터(16) 대신에 광촉매 함유 시트를 이용하여도 좋다.

나아가서는, 광촉매 함유 필터(16)를 이용하는 대신에, 하우징(30) 전체 또는 적어도 내벽에 광촉매를 혼입 또는 도포함으로써, 하우징(30) 내의 스페이스 효율을 향상시키더라도 좋다. 또한, 하우징(30)은, 제조 단계에서 광촉매를 혼입하면, 하우징(30)의 내벽 및 외벽 표면에도 광촉매가 나타난다. 이 경우, 하우징(30)의 외벽에 접촉한 공기도 광촉매 작용에 의해 청정된다고 하는 효과를 발휘한다.

광원(18)은 광촉매 함유 필터(16)를 조명하는 것이다. 광원(18)은, 자외광, 가시광 등, 광촉매 함유 필터(16)의 광촉매에 대하여 광촉매 작용을 부여하는 것이면 된다. 광원(18)은 도면 앞쪽의 안쪽 방향으로 뻗어 있다. 광원(18)의 수도 예시이며, 도시하고 있는 수에 한정되는 것은 아니다.

또한, 후술하는 것과 같이, 광촉매를 소위 가시광 응답형으로 하며, 또한 하우징(30)의 적어도 일부를 투명 또는 반투명과 같이 스켈레톤 타입으로 하는 경우에는, 광원(18)을 하우징(30) 내에 설치하는 것은 반드시 필수는 아니다.

배출구(20)는, 광촉매 함유 필터를 통과한 청정 공기가 하우징(30) 밖으로 배출되는 부분이다. 배출구(20)는 하우징(30)의 제1 면의 이면인 제2 면에 형성되어 있다.

광촉매 용액 분무기(22)는, 정기적으로 혹은 소정의 사용 기간이 경과할 때마다 광촉매 함유 필터(16)에 대하여 광촉매 용액을 분무하는 것이다. 도시하지 않는 광촉매 용액의 용기 및 광촉매 함유 필터(16)는, 하우징(30)에 대하여 착탈 가능하게 하고 있고, 적절하게 교환 가능하게 구성하고 있다.

제어부(24)는, 팬(12), 오존 가스 발생기(14), 광원(18) 및 광촉매 용액 분무기(22)의 동작을 제어하는 것이다. 제어부(24)는, 본체의 전원이 온으로 되고 나서 오프로 될 때까지 팬(12)을 예컨대 5초 동안에 1 회전하도록 제어한다.

제어부(24)는, 팬(12)의 구동에 따라 오존 가스 발생기(14)로부터 2∼8 g/H 정도로 오존 가스가 발생하도록 제어한다. 제어부(24)는 팬(12)의 구동에 따라 광원(18)을 점등시킨다. 제어부(24)는, 광촉매 용액 분무기(22)에 대하여, 본체의 전원이 예컨대 1000시간 온으로 될 때마다 수 ml 정도 분무하도록 제어한다.

하우징(30)은 흡입구(10) 및 배출구(20)가 형성되어 있다. 하우징(30)의 재료는 한정되는 것은 아니며, 플라스틱, 알루미늄 등 적절하게 선택하면 된다. 단, 하우징(30)의 적어도 일부를 투명 플라스틱 등과 같은 투광성을 갖는 재료를 이용하여 스켈레톤 타입으로 한 경우에는, 하우징(30)을 통해 입사되는 빛에 의해서도 광촉매 함유 필터(16)의 촉매 작용이 얻어지기 때문에 바람직하다.

또한, 필요에 따라서, 혼합 가스의 농도를 균일하게 하여 공기 청정의 효율화를 도모하기 위해서, 예컨대 기체의 유로이며 오존 가스 발생기(14)와 광촉매 함유 필터(16)의 사이에, 공기와 오존 가스를 교반하는 교반부를 두어도 좋다.

나아가서는, 하우징(30) 내이며 광촉매 함유 필터(16)에 대한 기체 유로의 하류에 마이너스 이온 발생기를 두어도 좋다. 또한, 하우징(30)의 형상, 구성 비율 등은 예시이며, 도시하고 있는 것에 한정되지 않는다.

우선, 공기청정기(100)의 전원이 온으로 되면, 제어부(24)는 팬(12)을 구동한다. 이에 따라, 팬(12)이 회전하면, 흡입구(10)로부터 주변 공기가 하우징(30) 내에 흡입된다. 또한, 제어부(24)는 오존 가스 발생기(14)를 구동한다. 이에 따라, 오존 가스 발생기(14)로부터 오존 가스가 발생된다. 이 결과, 오존 가스 발생기(14)를 통과하는 공기는 오존 가스와의 혼합 가스가 된다. 이때, 상기 공기는 오존 가스의 항균·살균 효과에 의해 일부 항균·살균된다.

또한, 혼합 가스는, 팬(12)이 회전하고 있기 때문에, 광촉매 함유 필터(16)에 도달한다. 제어부(24)는, 광원(18)을 점등시키고 있기 때문에, 광촉매 함유 필터(16)가 조명되게 된다.

광촉매 함유 필터(16)에서는, 광원(18)으로부터의 빛을 받아 광촉매 작용을 얻고 있는, 광촉매 함유 필터(16) 부근에 도달한 혼합 가스는 항균·살균되기 시작하고, 광촉매 함유 필터(16)를 통과한 혼합 가스는 항균·살균이 완료된다.

(실시예 2)

도 3은 본 발명의 실시예 2의 가습 시스템(200)의 모식적인 내부 구성을 도시하는 단면도이다. 여기서는, 물을 필터에 함유시킨 후에 상기 필터에 공기를 댐으로써 기화시킨 수분을 방출하는 타입의 가습기를 구비한 가습 시스템에 관해서 설명한다.

그렇지만, 가습기의 타입은 이것에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 물을 초음파 진동에 의해서 미세한 입자로 하여 방출하는 타입의 가습기, 물을 가열시킴으로써 생기는 증기를 방출하는 타입의 가습기, 혹은 이들을 적절하게 조합한 것이라도 본 발명을 적용할 수 있다.

또한, 가습기에 공급하는 물의 용기로서는, 최근 페트병을 이용하는 타입의 것이 있으므로, 이러한 가습기를 구비한 가습 시스템을 예로 들어 본 실시예에 관해서 설명한다. 또한, 페트병의 입을 아래쪽으로 향하게 하여 셋트하는 타입의 가습기와, 위쪽으로 향하게 하여 셋트하는 타입의 가습기가 있지만, 이들 어느 것에 관해서나 본 발명을 적용할 수 있다.

도 3에는, 이하에 설명하는, 페트병(202)과 광촉매 도포체(204)와 트레이(206)와 가습부(208)와 송풍부(210)와 하우징(212)과 흡입구(214)와 토출구(216)와 받음부(218)를 도시하고 있다.

페트병(202)은, 가습 대상의 공기에 부여하는 수원(水源)이 되는 물이 담겨 있는 용기이다. 페트병(202)은, 이것에 한정되는 것이 아니지만, 광촉매 도포체(204)에 대하여 촉매 반응에 필요한 빛이 충분히 도달하도록 투명 또는 반투명과 같은 투광성이 있는 소재로 된 것으로 하는 것이 바람직하다.

광촉매 도포체(204)는, 실시형태에서 설명한 광촉매액을 도포한 플라스틱, 알루미늄 등을 적절하게 선택하면 된다. 광촉매 도포체(204)는 페트병(202) 내에 물과 함께 수용되는 것이다. 광촉매 도포체(204)는, 크기는 한정되지 않지만, 일반적으로는 광촉매 효과를 높이기 위해서, 빛의 조사 면적을 크게 하면 좋다.

따라서, 광촉매 도포체(204)는, 플라스틱제인 경우에는, 페트병(202)의 입보다도 작게 뭉친 상태에서 또는 접어 포갠 상태에서 혹은 그대로의 상태에서 페트병(202) 내에 투입하는 크기로 하면 된다. 이 때문에, 광촉매 도포체(204)는, 예컨대 시트형의 가요성이 있는 소재로 하는 것이 바람직하다.

한편, 광촉매 도포체(204)는, 알루미늄제인 경우에는, 페트병(202)의 입의 직경보다도 가는 직경의 것으로 하면 된다. 이러한 경우에는, 광촉매 도포체(204)를 페트병(202)으로부터 적절하게 빼내어 세정할 수도 있다.

그렇지만, 본 실시예의 가습 시스템(200)은, 광촉매 도포체(204)를 구비하는 것은 필수는 아니다. 예컨대 광촉매 도포체(204)를 구비하는 대신에 또는 이와 함께, 그 내벽에 실시형태에서 설명한 광촉매액이 도포된 페트병(202)을 이용할 수도 있다.

트레이(206)는 페트병(202)에 담겨 있던 물을 받는 것이다. 트레이(206)는 범용적인 페트병(202)의 용량에 대응하는 용적의 것으로 하고 있다. 구체적으로는, 이것이 통상 생각할 수 있는 사용 시에 넘쳐흐르지 않을 정도의 크기로 하면 된다.

일례로서는, 1 리터의 물을 받을 수 있게 하면, 500 밀리리터용의 페트병(202)을 받음부(216)에 셋트한 경우라도 넘치지 않게 할 수 있다.

트레이(206)의 내벽에는, 페트병(202)이 투광성이 있는 소재로 되어 있는지 여부와 상관없이, 실시형태에서 설명한 광촉매액을 도포함과 더불어, 광촉매액의 도포 부분을 조명하는 광원을 하우징(212) 내에 설치하면 된다.

또한, 하우징(212)의 트레이(206)의 비스듬히 위쪽 부근을 스켈레톤 타입으로 하고 있는 경우에는, 트레이(206)에 빛이 도달하는 것이 가능하게 되기 때문에, 상기 광원을 설치하는 것은 필수는 아니다.

가습부(208)는, 트레이(206)로 받은 물 또는 페트병(202)으로부터 배출된 물을 가습하는 것이다. 가습부(208)는, 이미 알려진 것과 같이 물을 함유할 수 있는 필터(도시하지 않음)를 구비하고 있다.

가습부(208)를 구성하는 이미 알려진 필터의 표면에는, 페트병(202)이 투광성이 있는 소재로 되어 있는지 여부와 상관없이, 실시형태에서 설명한 광촉매액을 도포함과 더불어, 광촉매액의 도포 부분을 조명하는 광원을 하우징(212) 내에 설치하면 된다.

가습부(208)는, 도시하지 않는 모터의 구동에 의해서, 예컨대 도 3에 있어서의 반시계 방향으로 회동된다. 가습부(208)는, 트레이(206) 내에 일정량의 물이 있는 경우에, 그 물에 접하는 위치에 배치되어 있다.

여기서, 물을 가열시킴으로써 생기는 증기를 방출하는 타입의 가습기인 경우에는, 가습기의 전원을 오프로 하고 있는 상태에서는, 하우징(212) 내에 상대적으로 장시간 물이 담겨진 채로 있게 되기 때문에, 그 물에 잡균 등이 번식될 기회를 피하기 위해서, 트레이(206) 및/또는 가습부(208)에, 실시형태에서 설명한 광촉매액을 도포함과 더불어, 광촉매액의 도포 부분을 조명하는 광원을 하우징(212) 내에 설치하는 것이 적합하다.

송풍부(210)는, 가습 대상의 공기를 하우징(212) 내에 흡입하여, 가습부(208)에 의해서 가습된 공기를 하우징(212) 밖으로 방출하는 것이다. 송풍부(210)는, 도시하지 않는 몇 개인가의 팬을 구비하고 있고, 도시하지 않는 모터의 구동에 의해서 회동한다. 송풍부(210)의 회동 방향은 도면 앞쪽에서 안쪽으로이다. 또, 도 3에 도시하는 예에서는, 송풍부(210)는 흡입구(214)에 형성되어 있지만, 토출구(216) 부근에 형성하여도 좋다.

하우징(212)은 상기한 각 부가 수용되는 것이다. 하우징(212)은, 송풍부(210)의 구동 시에 가습 대상의 공기를 흡입하는 흡입구(214)와, 흡입구(214)의 예컨대 대향면에 위치하는 토출구(216)와, 페트병(202)을 받는 받음부(218)를 갖는다.

하우징(212)은, 전형적으로는 플라스틱 등의 수지제, 알루미늄제, 방청 대책이 이루어진 금속제 또는 합금제 등과 같은 것으로 하면 되지만, 다른 소재로 하여도 좋다. 또한, 실시예 1과 마찬가지로, 하우징(30)의 적어도 일부를 투명 플라스틱 등과 같이 투광성을 갖는 재료를 이용하여 스켈레톤 타입으로 하는 것도 한 방법이다.

이어서, 도 3에 도시하는 가습 시스템(200)의 동작에 관해서 설명한다. 우선, 전형적으로는, 음료수 등이 들어 있던 사용 완료된 페트병(202)을 준비한다. 그리고, 페트병(202) 내의 물에 잡균 등이 번식되는 것을 방지하기 위해서, 페트병(202)을 잘 세정하고 나서, 그 안에 광촉매 도포체(204)를 투입한다.

혹은 그 내벽에 실시형태에서 설명한 광촉매액이 도포된 페트병(202)을 준비하여, 선택적으로 그 안에 광촉매 도포체(204)를 투입한다.

이어서, 그 페트병(202)에 수돗물 등을 넣은 상태에서, 페트병(202)의 입이 하향으로 되는 양태로, 하우징(212)의 받음부(218)에 셋트한다. 이때, 페트병(202)이 투광성이 있는 소재로 되어 있는 경우라면, 광촉매 도포체(204)에 대하여 촉매 반응에 필요한 빛이 충분히 도달한다.

이 때문에, 페트병(202) 내의 물은, 광촉매 도포체(204) 등의 광촉매 반응에 의해서, 시간이 경과함에 따라 발생할 수 있는 잡균 등의 번식이 억제된다. 따라서, 본 실시예의 경우에는, 페트병(202)을 받음부(218)에 셋트한 경우에는, 잡균 등이 번식하지 않은 물이 받음부(218) 바닥면의 개구부에서 가습부(208)로 향하여 적하하게 된다.

이때, 이 물은, 가습부(208)로 받아짐과 더불어, 잉여분은 아래쪽에 위치하는 트레이(206)로 향하여, 트레이(206)로 받게 된다. 따라서, 가습부(208)의 필터에는, 트레이(206)로 받은 물 또는 페트병(202)으로부터 배출된 물이 포함된다.

그 후, 가습기의 전원을 온으로 하면, 가습부(208) 및 송풍부(210)가, 이들에 연결되어 있는 도시하지 않는 모터의 구동에 의해서 회동된다. 송풍부(210)가 회동하면, 하우징(212)에 대하여, 흡입구(214)로부터 가습 시스템(200) 주변의 가습 대상의 공기가 받아들여진다.

이 공기는, 가습부(208)의 필터에 포함된 물을 기화시키고, 이에 따라 수분을 포함하게 된다. 이렇게 해서, 가습된 공기는 하우징(212)으로부터 토출구(216)를 통해 가습 시스템(200) 주변으로 토출된다.

여기서, 트레이(206) 및/또는 가습부(208)에 대하여, 실시형태에서 설명한 광촉매액을 도포함과 더불어, 광촉매액의 도포 부분을 조명하는 광원을 하우징(212) 내에 설치하는 경우에는, 가습기의 전원을 온으로 하면 광원이 점등하도록 되어 있다.

여기서, 상기 광원에 관해서는 실시예 1과 같은 식으로 하면 되지만, 또한, 트레이(206)로 받은 물에 잡균 등이 번식되는 것을 방지하기 위해서, 가습기의 전원을 오프로 한 경우에도, 예컨대 수 분 내지 수 시간은 광원을 점등 또는 점멸시키는 것도 한 방법이다.

본 실시예의 가습 시스템(200)에 의하면, 토출구(216)를 통해 주변에 토출되는 가습된 공기에 잡균 등이 포함되는 것을 방지할 수 있다고 하는 이점이 있다.

(다른 실시예)

본 명세서에서 설명해 온 광촉매액은 다양한 것에 도포할 수 있다. 예컨대 주택 등의 건물의 외장(타일, 콘크리트, 유리, 텐트재, 태양광 패널의 커버 유리 등), 건물의 내장(형광등, 커튼, 벽지, 천장재 등), 전기 제품(에어컨디셔너, 냉장고, 세탁기 등), 차량(자동차의 사이드미러, 창유리, 바디 등), 도로 관계(터널의 증명, 차폐판, 차음벽 등), 농업 관계(잔류 농약 처리, 축산 사육 방취, 수경 재배 등), 인쇄 관계(오프셋 인쇄 등), 의료 관계(카테터, 수술기구, 커튼, 암 치료 등)를 들 수 있다.

또한, 본 명세서에서 설명해 온 광촉매액은, 규조토, 시멘트 몰타르, 콘크리트, 돌로마이트 플라스터, 회반죽 등과 같이 다공질 또는 요철을 갖는 부재에 도포하면 적합하다. 이 광촉매액은, 부재의 다공질 부분 또는 요철 부분에 대하여, 그 전체를 덮도록 도막을 형성하는 것은 아니며, 부분적으로 침투해 나가 도막을 형성하게 된다.

그러면, 예컨대 회반죽 및 광촉매는, 모두 포름알데히드 등의 화학 물질 과민증의 주된 원인 물질의 흡착 분해 기능을 갖는데, 회반죽벽의 전면에 광촉매 도포막이 형성되어 버리면, 기껏 회반죽이 갖고 있는 흡착 분해 기능이 충분히 발휘될 수 없게 된다.

그러나, 본 명세서에서 설명해 온 광촉매액을 회반죽벽에 도포하면, 회반죽벽이 갖는 흡착 분해 기능과 광촉매 도막이 갖는 흡착 분해 기능 모두 손상되는 일이 없다. 회반죽과 광촉매의 흡착 원리, 흡착 대상은 반드시 전부 일치하는 것은 아니기 때문에, 양쪽의 흡착 분해 기능을 발현시킬 수 있는 것은 유용하다. 또한, 회반죽은, 이것에 한정되는 것은 아니지만, 예컨대 가리비의 껍질 등의 자연물이 원료로 되어 있으면 좋다.

본 명세서에서 설명해 온 광촉매액은, 이와 같은 다양한 용도에 있어서, 소취, 제균, 방오 등에 공헌하기 때문에, 도포되는 물품은 한정적이지는 않다. 또, 본 명세서에서는, 공기청정기 및 가습기를 포함하는 광촉매액의 다양한 용도에 관해서도 설명했지만, 본 발명을 일탈하지 않는 범위에서, 여러 가지로 활용할 수 있으며, 그 권리 범위는 한정되는 것이 아니다.

10: 발광 소자 수용부, 20: LED, 30: 전지 수용부, 60: 스트랩, 100: 광원 장치

Claims

가수분해에 의해서 생성되는 족형 형상의 결정 입자의 광촉매와 구상 결정 입자의 광촉매가 결합하고, 상기 가수분해 시에 이용되는 수산화물로부터 이탈한 양이온이 수식된 광촉매 입자를 구비하는 광촉매액.
제1항에 있어서, 상기 광촉매 입자는, 편평 형상의 결정 입자와 상기 편평 형상의 결정 입자에 대하여 두께가 있는 입체 형상의 결정 입자와의 결합물인 광촉매액.
제1항에 있어서, 상기 족형 형상의 결정 입자는 5 nm∼30 nm의 크기이며, 그 평균 사이즈가 상기 구상 결정 입자의 평균 사이즈 이상이고,
상기 족형 형상의 결정 입자의 광촉매가 아나타스형인 광촉매액.
제1항에 기재한 광촉매액이 도포된 물품.