KR20210090530A

KR20210090530A - 복합 기능을 갖는 공기 정화 필터 및 장치

Info

Publication number: KR20210090530A
Application number: KR1020200003945A
Authority: KR
Inventors: 강신현
Original assignee: 주식회사 퀀텀캣
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2021-07-20
Also published as: KR102374213B1

Abstract

본 발명은 공기를 정화하는 공기정화필터와 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세먼지, 황사, 분진 등의 부유물뿐만 아니라 암모니아, 휘발성 유기화합물, 오존, 황산, 일산화탄소, 메탄, 수소, 알콜 등의 유해가스 또는 인화성 가스, 곰팡이, 병원성 세균, 바이러스 등의 유해 미생물, 악취와 같이 다양한 오염 물질을 동시에 제거하는 복합 기능을 갖는 공기 정화 필터와 이를 구비한 공기청정기에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 복합 기능을 갖는 공기 정화 필터는, 미세먼지를 필터링하는 공극을 포함하는 제1 필터부; 및 상기 제1 필터부의 적어도 어느 일측에 형성되어, 촉매 연소 반응을 이용하여 유해물질를 제거하는 촉매구조체를 구비한 제2 필터부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

복합 기능을 갖는 공기 정화 필터 및 장치{ Air purification filter and device with integrated functions}

본 발명은 공기를 정화하는 공기정화필터와 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세먼지, 황사, 분진 등의 부유물뿐만 아니라 암모니아, 휘발성 유기화합물(VOCs), 포름알데히드, 자일렌, 아세트알데히드, 톨루엔, 아세트산, 오존, 황화수소, 일산화탄소, 메탄, 수소, 알콜 등의 유해가스 또는 인화성 가스, 곰팡이, 병원성 세균, 바이러스 등의 유해 미생물, 악취와 같이 다양한 오염 물질을 동시에 제거하는 복합 기능을 갖는 공기 정화 필터와 이를 구비한 공기청정기에 관한 것이다.

산업화의 진전에 따른 대기 환경이 점차 열악해지고 오염물질의 종류도 다양해지고 있으며, 인체에 해로운 입자 및 미세먼지, 가스, 생활 악취, 박테리아, 바이러스 등 각종 유해 물질이 급속하게 증가하고 있는 현실이다. 이에 현대 사회에서는 대기오염물을 걸러주는 대기질의 오염을 방지해주는 필터, 오염된 공기를 신선한 공기로 바꿔주는 공기 정화 장치의 중요성이 점점 대두되고 있다.

공기 정화 장치는 공기 정화 방식에 따라, 필터 방식, 전기 집진 방식 또는 위터 필터 방식으로 분류될 수 있다. 필터 방식의 공기 정화 장치는 부직포와 같은 다양한 필터에 포함되는 공극을 이용하여, 공극보다 크기가 큰 유해 물질을 필터링한다. 전기 집진 방식의 공기 정화 장치는 장치 내부에 고전압을 발생시켜 그 정전기로 유해물질을 포집한다. 최근 개발되어 상용화된 워터 필터 방식의 공기 정화 장치의 경우, 물의 흡착력을 이용해 공기 중의 유해 물질을 침전시켜 공기를 정화한다.

그러나 이와 같은 필터는, 공기의 다양한 오염물질, 예를 들어 암모니아, 휘발성 유기화합물(VOCs), 포름알데히드, 자일렌, 아세트알데히드, 톨루엔, 아세트산, 오존, 황화수소, 일산화탄소, 메탄, 수소, 알콜 등 가스상 오염물질 및 악취와 곰팡이, 병원성 세균, 바이러스 등 생물학적 오염물질을 효과적으로 정화하는 것이 어렵다. 이는 오염물질의 종류에 따라 제거되는 메커니즘이 다르기 때문인데, 일반적으로 분자량이 큰 유해물질은 미세기공이 포함된 극세 필터나 활성탄에 의해 제거가 가능하지만, 분자량이 작은 오염물질에 대해서는 물리적 제거량이 미미하다.

본 발명은 이러한 종래 필터 및 장치의 단점을 보완하기 위하여, 간단히 미세먼지를 필터링하는 필터 수단과 함께, 유해가스 등의 유해물질을 제거할 수 있는 필터 수단을 구비하여, 필터의 성능을 향상시키고 보다 다양한 오염물질을 제거할 수 있는 공기 정화 필터와 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

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 일실시예에 따른 공기 정화 필터는, 미세먼지를 필터링하는 공극을 포함하는 제1 필터부; 및 상기 제1 필터부의 적어도 어느 일측에 형성되어, 촉매 연소 반응을 이용하여 공기 중 유해물질을 제거하는 촉매구조체를 구비한 제2 필터부를 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 공기 정화 필터에서 상기 촉매구조체는, 메소 및 마이크로 기공을 갖는 실리카 매트릭스 구조체; 및 상기 메소 및 마이크로 기공을 갖는 실리카 매트릭스 구조체에 포집된 금속 나노입자;를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 의한 유해물질 제거용 촉매 물질을 포함한 공기정화필터와 이를 장착한 공기청정기를 이용하여 공기 중의 부유물은 물론 암모니아, 휘발성 유기화합물(VOCs), 포름알데히드, 자일렌, 아세트알데히드, 톨루엔, 아세트산, 오존, 황화수소, 일산화탄소, 메탄, 수소, 알콜 등의 유해 가스 및 악취, 생물학적 유해물질을 동시에 제거할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 공기정화필터와 이를 장착한 공기청정기는, 금속 나노입자가 함유된 다공성 촉매구조체를 포함하여 형성됨으로써, 상온 혹은 저온에서도 높은 촉매 변환 효과를 가지며, 추가적인 광 또는 열 등의 에너지를 소모하지 않으면서도 현저하게 상승된 유해물질 제거 효과를 가진다.

또한, 본 발명의 공기정화필터와 이를 장착한 공기청정기는, 다공성 촉매구조체의 기공율 등을 용이하게 조절할 수 있는 특징을 구비함으로써, 공기정화 성능, 제조비용 등 사용자의 목적에 따라 세부 구조, 함량 등을 쉽게 선택하여 형성할 수 있는 우수한 편리성을 제공할 수 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 1. 본 발명의 일실시예에 따른 공기 정화 필터의 기본 외형 구조.
도 2. 본 발명의 일실시예에 따른 공기 정화 필터의 단면 구조.
도 3. 본 발명의 일실시예에 따른 공기 정화 필터의 부분 확대 구조.
도 4. 본 발명의 구성요소인 금속 나노입자를 내포한 촉매구조체의 모식도.
도 5. 본 발명의 일실시예에 따른 촉매구조체의 기공 크기에 따른 기공 부피 분포.
도6. 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매구조체를 이용한 일산화탄소의 산화 변환 효과.
도7. 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매구조체를 이용한 메탄 산화 반응의 온도에 따른 변환율.
도8. 본 발명의 일실시예에 따른 촉매구조체를 이용한 수소 산화 반응의 결과.
도9. 본 발명의 일 실시예에 따른 공기정화필터가 구비된 공기청정기의 성능 실험.
도10. 본 발명의 일 실시예에 따른 공기정화필터가 구비된 공기청정기의 일산화탄소 제거 성능 실험에서 시간에 따른 일산화탄소 농도 변화율.

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.

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.

우선, 각 도면을 살펴보면, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공기 정화 필터의 기본 외형 구조를 도시한 것으로서, 공기의 유동을 허용하되 미세먼지를 필터링하는 공극이 기본적으로 구비된 구조를 갖는다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공기 정화 필터의 단면 구조를 도시한 것으로서, 도 2(a)는 제1 필터부의 상류방향 측에 제2 필터부가 구비된 구조이고, 도 2(b)는 제1 필터부의 하류방향 측에 제2 필터부가 구비된 구조이고, 도 2(c)는 제1 필터부의 중간에 제2 필터부가 구비된 구조이고, 도 2(d)는 제1 필터부의 상류방향 측에 제2 필터부가 구비되되 유해가스 제거용 필터부와 유해물질 제거용 필터부가 혼재되도록 형성된 구조이고, 도 2(e)는 본 발명의 공기정화필터를 복수개 구비하되 각각의 제2 필터부가 유해가스제거용 필터부 또는 미생물제거용 필터부 등으로 상이하게 구비된 구조를 예시적으로 나타낸 것이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 공기 정화 필터의 부분 확대 구조를 도시한 것으로서, 도 3(a)는 제1 필터부의 일측 표면에 촉매구조체(catalyst structure)를 도포하여 제2 필터부를 형성함으로써 제2 필터부를 제1 필터부와 일체로 형성한 것을 나타낸 것이며, 도 3(b) 및 3(c)는 공극이 구비된 별도의 섬유 부재 또는 멤브레인 부재의 일측 표면에 촉매구조체를 도포하여 제2 필터부를 형성함으로써 제2 필터부를 별도로 형성하여 준비한 후 제1 필터부의 어느 일측에 배치하여 본 발명의 공기 정화 필터를 구성한 것을 나타낸 것이다. 그리고 도3(d)는 제1필터부의 일측 표면에 촉매구조체가 위치하여 제 2필터부가 형성된 것 중 촉매구조체가 롤상으로 ?緞? 펴져 하나이상의 판형태 또는 필름형태로 형성된 것을 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명의 구성요소인 금속 나노입자를 내포한 촉매구조체를 모식도로 도시한 것으로서 금속 나노입자가 실리카 지지체 내에 적어도 하나 이상의 메소 기공 사이에 위치되어 있는 금속 나노입자 분산체의 구조를 나타낸다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 촉매구조체의 기공 크기에 따른 기공 부피 분포를 도시한 것으로서 본 발명의 구성요소인 금속 나노입자 촉매 물질을 일실시예에 따라 제조하여 기공 크기에 따른 기공의 부피 분포를 측정하고 그래프로 도시한 것이다. 도6은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매구조체를 이용한 일산화탄소의 산화 변환 효과를 도시한 것으로서, 도 6(a)는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매구조체를 이용한 일산화탄소 산화 반응을 상온에서 측정한 것이고, 도 6(b)는 상온에서 고온까지의 온도에 따른 일산화탄소 산화변환율을 도시한 것이며, 촉매구조체에 의하여 일산화탄소 변환 성능이 일관되게 높은 수준으로 제공됨을 확인할 수 있다. 도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매구조체를 이용한 메탄 산화 반응의 온도에 따른 변환율을 도시한 것으로서, 본 그래프에서 메탄이 비교적 저온에서부터 산화 변환이 일어나며 370℃부터는 사실상 모두 산화되는 우수한 성능을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 촉매구조체를 이용한 수소 산화 반응의 결과를 도시한 것으로서, 수소 산화 변환 성능이 상온에서부터 우수하게 확보됨을 확인할 수 있다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기정화필터가 구비된 공기청정기의 성능 실험을 도시한 것으로서, 도 9(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매구조체가 구비된 제2 필터부와, 제1 필터부를 구비한 공기정화필터가 장착된 공기청정기 성능의 실험에 관한 것이다. 상기 실험은 밀폐 상태인 청정시험용 장치 내에 일산화탄소 발생원과, 본 발명의 필터가 구비된 공기청정기, 일산화탄소 측정기를 설치하고, 일산화탄소 농도가 1000ppm인 조건에서 측정되었다. 도 9(b)는 상기 실험의 비교예로서, 본 발명의 공기정화필터가 아닌 제1 필터부만 구비된 공기정화필터가 장착된 공기청정기를 이용하여 같은 조건으로 실험하였다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기정화필터가 구비된 공기청정기의 일산화탄소 제거 성능 실험에서 시간에 따른 일산화탄소 농도 변화율을 도시한 그래프이다. 일실시예에 따른 실험결과에 의하면 본 발명의 공기청정필터는 1000ppm 농도의 일산화탄소를 100ppm 이하까지 제거시킨 것을 확인할 수 있었다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 공기 정화 필터는 공기정화 장치에 설치되어 오염물질이 포함되는 실내 공기를 여과하는 것으로, 공기정화 필터를 통과하는 공기의 입자상 이물질 등을 제거하는 한 개 이상의 제1 필터부(10)와, 상기 제1 필터부의 적어도 일측에 배치되어 유해가스 및/또는 생물학적 유해물질을 제거하는 촉매구조체(P)를 구비한 제2 필터부(20)를 포함하여 구성된다. 또한, 본 발명의 공기 정화 장치는 상기 공기 정화 필터 및 상기 공기 정화 필터로 공기의 유동을 제공하는 송풍부;를 포함하여 구성된다.

공기정화필터

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 공기 정화 필터(100)의 외형을 개략적으로 나타낸 개념도로서, 제1 필터부(10)에는 관통구조의 공극(11)이 형성되고, 제2 필터부(20)는 하나의 제1 필터부(10)의 적어도 일측에 혹은 둘 이상의 제1 필터부(10) 사이에 배치되거나 둘 이상의 제1 필터부 일측에 각각 배치되어 공기정화 필터를 구성할 수 있으며, 이외에도 다양한 배치구조를 가질 수 있다.

상기 제1 필터부(10)는 털, 보푸라기, 황사, 분진, 미세먼지 등의 입자상 오염물질을 제거할 수 있도록 공극(11)이 형성된 섬유형태 또는 멤브레인 형태 등일 수 있다. 구체적으로 오염 물질을 포함하는 공기가 흡입되는 경우, 흡입되는 공기에 포함될 수 있는 비교적 입자 크기가 큰 입자를 상기 공극에 의하여 필터링하며, 바람직하게는, 미세 먼지 또는 비교적 입자 크기가 작은 입자상 오염 물질까지도 필터링할 수 있는 공극(11)을 구비할 수 있다. 이렇게 제1 필터부(10)는 미세먼지의 크기보다 작은 공극(11)을 포함하도록 형성되어, 공극의 크기보다 큰 미세먼지 등을 필터링할 수 있다. 예를 들어, 0.3μm 이상의 미세먼지를 포함하여 걸러낼 수 있으나, 제1 필터부(10)가 필터링하는 대상은 미세먼지에 한정되거나 제한되지 않고, 상기 공극의 크기보다 큰 입자 형태의 모든 유해물질일 수 있다.

또한 제1 필터부(10)는 공기의 유동 전후방향으로 지그재그로 접어진 형태로 형성되는 것이 바람직한데, 이는 제1 필터부(10)에 유입되는 공기의 접촉 면적을 증대시키기 위함이다.

제2 필터부(20)는 상기 제1 필터부의 적어도 일측에 배치되어 유해가스 등의 오염물질을 제거할 수 있다. 도 2(a)에는 제2 필터부(20)가 제1 필터부(10)의 일측에 배치된 경우로 도시되었으나 이에 한정되지 않고 제1 필터부(10)의 타측 또는 양측에 배치되거나 제1 필터부(10)의 내부 또는 제1 필터부들의 사이에 제2 필터부(20)가 배치될 수도 있다.

제2 필터부(20)를 제1 필터부(10)의 어느 일측에 배치하는 방식은 제1 필터부(10)의 표면에 직접으로 분말형태의 촉매구조체(P)를 도포하여 도 3(a)와 같이 제2 필터부(20)를 형성하는 방식 이외에도 공극이 구비된 별도의 섬유 부재 또는 멤브레인 부재(25)에 분말형태의 촉매구조체(P)를 도포하여 도 3(b)와 같이 제2 필터부(20)를 형성한 후 제1 필터부(10)의 일측에 위치시키는 방식 등으로부터 선택될 수 있다. 여기서 도포하는 방식은 분말형태의 촉매구조체(P)를 분산시킨 분산액을 준비하여 붓을 이용하여 도포하거나 스프레이로 균일하게 분사하여 도포하거나, 촉매구조체 분산액에 담지하여 표면 도포하거나, 분말형태의 촉매구조체(P)를 건조상태에서 그대로 붓을 이용하여 도포하는 방식 등 공지된 방식을 필요에 따라 선택적으로 이용할 수 있다. 이때, 사용된 분산액을 건조시킬 때 너무 강한 바람이나 고온을 사용하면 촉매구조체가 날아가거나 공기 정화 필터가 상할 수 있으므로 주의하거나 상온에서 자연건조시키는 방법 등을 채용할 수 있다.

또는 제2 필터부(20)를 제1 필터부(10)의 어느 일측에 배치하는 방식은, 도3(d)와 같이 제1필터부(10)의 적어도 어느 한 표면에 판형태 또는 필름형태의 촉매구조체(P)가 하나 이상 배치하는 구조를 포함할 수 있다. 이때 제2필터부(20)는 촉매구조체가 얇게 펴진 것으로서 단위체적당 요구되는 필터 처리 능력을 고려하여 해당분야 기술자는 다양한 크기의 촉매구조체를 선택 조절할 수 있다.

한편, 제1 필터부(10)의 일측에 촉매구조체(P)를 도포하여 제2 필터부(20)를 형성하는 경우에는 공기정화시 제1 필터부(10)의 공극에 의하여 미세먼지 등을 먼저 정화하도록 도 3(c)와 같이 제2 필터부(20)가 제1 필터부(10)보다 하류측에 배치되는 것이 바람직한데, 이를 통하여 제2 필터부(20)에 포함되는 촉매구조체(P)의 기공을 효과적으로 이용할 수 있다.

상기 촉매구조체(P)는 10 내지 500 nm 간격으로 분산된 금속 나노입자가 내포된 다공성 실리카 매트릭스 구조를 가지며, 구체적으로는, 금속 나노입자가 분산되어 실리카 매트릭스에 고정되어 있고 사이사이에 메소기공 또는 마이크로 기공이 체심입방(BCC) 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.(도 4 참조) 또한, 상기 메소기공과 마이크로기공 비율은 본 명세서의 일 실시예에 따라 사용자가 용이하게 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 촉매구조체를 구비하여 형성한 제2 필터부(20)는, 공기 중 유해물질을 적어도 하나 이상 제거할 수 있다. 즉, 제2 필터부는, 예를 들어 암모니아, 휘발성 유기화합물(VOCs), 포름알데히드, 자일렌, 아세트알데히드, 톨루엔, 아세트산, 오존, 황화수소, 일산화탄소, 메탄, 수소, 알콜 등 유해가스 또는 인화성 가스를 제거하거나 혹은 박테리아 등의 미생물 또는 각종 부유성 유기물을 포함하는 악취물질 등을 제거할 수 있다.

상기의 유해가스는 일반적으로 자동차, 화학플랜트, 산업현장, 하수처리장, 쓰레기매립장, 소각장, 대형발전소, 보일러 등 산업활동에 의해 발생되는 유해가스로 인식되었으나 최근 일상 생활공간, 시장 및 상가, 펜션, 캠핑장, 화장실 등 다양한 장소까지 확대되어 유해가스 사고가 잇따르고 있다. 국내의 일례로, 몇 명의 학생이 지하 공중화장실에서 고농도 유독가스에 노출되는 사고가 발생하였는데, 해당 화장실에서 기준치 500배가 넘는 1000ppm 이상의 황화수소가 검출되었다.

황화수소는 주로 하수나 폐수처리장, 쓰레기장 등에서 화학작용으로 발생하는 유해가스로써 심한 썩은 달걀 냄새가 나고, 농도가 짙어 질수록 후각을 마비시켜 냄새만으로 위험 수준에 이른 것을 알아차리기 어려우며, 공기보다 무거워 환기가 안 되는 공간에서는 밑에 쌓인다는 특성이 있다. 이러한 황화수소를 산화철(Fe2O3), 활성탄 등과 같은 고체 흡착제와 접촉시켜서 제거하는 방식과 액상 흡수제가 세정장치를 통해 향류 또는 병류로 제공되어 제거하는 방식이 주로 이용되고 있는데 성능 및 비용, 관리부담 등의 측면에서 제한이 있었다.

또다른 유해가스 관련 사고의 일례로, 국내의 한 고등학교에서 포름알데히드가 5리터 누출되는 사고가 있었는데, 과학실에 있던 포름알데히드 보관함을 이동하던 중 발생한 것으로 알려져 있다. 이후 해당 안전대원이 오염여부를 측정한 결과 0.01ppm의 생활에는 지장이 없는 수치로 확인되었지만 일부 교직원은 어지럼증을 호소하여 병원에 옮겨지기도 했다.

포름알데히드는 가구나 내장재에서 배출되는 실내대기오염의 대표적인 화학물질로 1 ppm 이상의 농도에 단기적으로 노출 시 점막 자극, 두통, 어지러움 및 목, 코 등에 이상 증상을 초래하며, 장기 노출 시 피부염, 기침, 천식 등을 유발하는 인체발암성 물질로 알려져 있다. 종래에는 이러한 유해물질의 처리방법으로 흡착, 세정, 고도산화 등이 적용되고 있으며, 그 중에서도 활성탄을 이용한 흡착 방법이 가장 보편적으로 사용되고 있다.

본 발명에서는 특별히 별도 활성탄을 이용하지 않고도 다수의 기공을 보유한 촉매구조체(P)를 포함함으로써 상기 촉매구조체(P)의 메조기공 및 마이크로기공을 통과한 유해물질이 촉매구조체(P) 내에 함침되어 있는 나노크기의 금속 나노입자와 만나서 파괴될 수 있다. 이는 흡착방법에서 예를 들어 활성탄을 이용하여 유해물질 혹은 인화성 물질을 포집하는 종래기술과 전혀 다른 방식이어서 임시로 포집 저장된 유해물질 혹은 인화성 물질이 다시 활성화될 수 있는 종래기술의 단점을 크게 낮출 수 있다.

구체적으로, 금속 나노입자들이 실리카 지지체에 높은 분산도로 담지됨으로써 다양한 반응에 촉매적 활성을 가지게 된 촉매구조체(P)가 주변의 유해 물질들과 접촉하여 상호작용함으로써 암모니아, 휘발성 유기화합물(VOCs), 포름알데히드, 자일렌, 아세트알데히드, 톨루엔, 아세트산, 오존, 황화수소, 일산화탄소, 메탄, 수소, 알콜 등의 유해가스 또는 인화성 가스를 제거하는 공기 정화 필터의 작동원리로 설명할 수 있다.

한편, 본 발명의 촉매구조체가 제거하는 대상은 가스상에 제한되거나 한정되지 않고, 미세한 크기의 입자, 예를 들어, 곰팡이, 바이러스, 박테리아 등의 미생물이 더 포함될 수 있다. 이때 입자의 크기가 큰 대부분의 미생물은 제 1 필터부의 공극이나 혹은 제2필터부에 구비된 촉매구조체의 기공에 의해 걸러질 수 있고, 촉매구조체의 기공보다 더 작은 일부 세균 및 바이러스는 촉매구조체의 메조기공으로 진입하여 걸러지거나 촉매구조체 내의 금속 나노입자와 접촉되어 사멸될 수 있다.

본 발명의 촉매구조체를 형성함에 있어서 가스상보다 입자의 크기가 큰 일부 세균 또는 바이러스가 촉매구조체의 메조기공 및 마이크로 기공을 통과하여 금속 나노입자와 쉽게 만날 수 있도록 기공 비율 및 기공의 길이를 적절히 선택하여 조절하는 것이 가능하다.

이때, 유해가스 또는 인화성 가스 제거용 촉매구조체의 금속은 금 및 은, 니켈, 구리, 팔라듐, 백금, 로듐으로 이루어진 군에서 하나 이상이 포함되고, 미생물을 사멸시키거나 악취물질을 제거하는 촉매구조체의 금속은 은, 니켈, 구리로 이루어진 군에서 하나 이상이 포함될 수 있다. 또한 본 발명을 실시함에 있어서 휘발성 유기화합물, 그 중에서도 포름알데히드를 제거하는 용도로 집중하고자 하는 경우에는 금 및 은, 백금, 로듐, 팔라듐으로 이루어진 군에서 하나 이상 포함된 촉매구조체를 사용할 수 있다.

또한, 공기정화필터를 형성하는 방식에 있어서, 상기 유해가스 또는 인화성 가스 제거용 촉매구조체와 상기 미생물 또는 악취물질을 제거하는 촉매구조체 중 적어도 어느 하나를 분말형태로 형성하여 제1 필터부의 적어도 어느 일면에 도포하여 제2 필터부를 형성하거나 혹은 공극이 구비된 별도의 섬유 부재 또는 멤브레인 부재에 상기 분말형태의 촉매구조체를 도포하여 제2 필터부를 형성한 후 제1 필터부의 일측에 위치시키는 방식 등으로부터 선택될 수 있다. 또는 판형태 및 필름형태로 제조된 미생물 등 공기 내 부유입자 제거용 촉매구조체가 제2필터부를 형성하여 제1필터부 일측에 배치되는 것으로 공기정화필터를 형성할 수 있다. 이외에도 두 개의 제1 필터부 사이에 촉매구조체가 포함된 형태 등 산업상 이용 가능한 별도의 필터로 다양하게 제작될 수 있다.

한편, 금속 물질에 의한 항균 또는 살균작용은 일반적으로 미생물, 예를 들어 박테리아의 막의 구성 성분과, 상기 금속 입자 사이의 상호 작용이 막의 구조적 변화 또는 막의 손상을 유발하여 최종적으로 미생물의 사멸을 초래하는 방식으로 일어나는 것으로 이해된다. 따라서 금속 물질을 나노 단위 크기의 작은 금속입자로 형성하여 분산 배치할 경우 미세 세균 또는 박테리아와 접촉되는 금속 물질의 표면적이 증가하여 미생물 제거 효율을 향상시킬 수 있다.

특히 본 발명의 촉매구조체는 기공의 비율을 조절하여 금속 나노 입자의 표면적을 용이 조절할 수 있는 다공성 실리카 매트릭스가 포함되어, 사용자가 목적에 맞는 다양한 필터를 제작하여 성능을 높일 수 있다.

또한, 예를 들어, 은을 이용한 촉매구조체는 유해가스뿐만 아니라 유해 미생물까지 제거하는 기능을 수행할 수 있으므로 단독으로 제2 필터부에 포함되거나, 혹은 다른 촉매구조체와 함께 제2 필터부에 포함됨으로써, 공기 청정 필터의 활용도를 높일 수 있다. 예를 들어, 앞선 설명처럼, 도 2(a) 내지 2(c)의 형태처럼 은 함유 촉매구조체만 구비한 제2 필터부(20)를 형성할 수 있고, 혹은, 도 2(d)의 형태처럼 필터부 일측에 유해가스 또는 인화성 가스 제거용 촉매구조체를 구비한 부분(21)과 은 함유 촉매구조체를 구비한 부분(22)을 함께 형성하여 사용할 수 있고, 도 2(e)의 형태처럼 종류가 다른 제2 필터부(21, 22)를 별도로 구비하여 조합형태로 사용할 수도 있다.

상기 미생물 또는 악취물질 제거용 촉매구조체의 제조방법과, 유해가스 또는 인화성 가스 제거용 촉매구조체의 제조방법은 촉매구조체의 형성에 관한 앞선 설명에서 금속 촉매 물질을 대체하여 준용할 수 있다. 이때, 상기 미생물 또는 악취물질 제거용 촉매구조체와, 유해가스 또는 인화성 가스 제거용 촉매구조체는 메소 및 마이크로 기공의 비율 또는 전체 기공률을 서로 다르게 조절하여 형성할 수 있다. 이 외에도 상기 금속 촉매 물질을 활용하여 제조되는 제2 필터부는 상기의 형태로만 한정되는 것은 아니며, 제2 필터부에 담지된 금속 촉매 물질은 촉매의 양과 온도 조건에 따라 유해물질 중 적어도 하나 이상을 매우 우수하게, 심지어 100% 수준으로 제거할 수 있는 성능을 가진다.

촉매구조체(catalyst structure)

이하 본 발명의 일실시예에 따른 촉매구조체의 구성 및 제조 과정을 상세히 설명한다.

촉매는 표면에서 반응물질과 상호작용을 통해 촉매반응이 이루어지며, 촉매물질이 나노입자 크기로 만들어질 경우 반응을 일으키는 표면적이 극적으로 증대되어 적은 양의 촉매물질로도 매우 높은 효율을 갖는 촉매를 구현할 수 있다. 그러나 나노입자는 안정성이 낮아서 표면의 원자들이 적절히 보호되지 않고 노출되어 있을 경우 인근의 나노입자와 쉽게 소결하여 더 큰 입자가 되는데, 이렇게 나노촉매 입자가 반응 중에 소결될 경우 촉매 표면적이 감소하여 활성도가 떨어지는 문제점이 있다.

이에 본 발명의 공기정화필터에 이용되는 촉매구조체는 금속 나노입자 촉매가 다공성 실리카에 포집된 구조를 통하여 이러한 문제점을 해소한 것으로서 촉매 나노입자들이 지지체 내에서 흔들리지 않고 고정된 상태에서 비교적 균일하게 분산된 금속 나노 입자 촉매 물질을 제공한다. 이러한 촉매구조체는 금속 촉매와 반응물질과의 접촉면적을 넓히기 위해 지지체가 다공성 구조체의 형상을 형성한다. 구체적으로 상기 촉매구조체는 금속 나노입자가 10 내지 500 nm 정도의 간격으로 분산되어 구조체 내부에 고정되어 있고, 사이사이에 메소기공 또는 마이크로 기공이 체심입방(BCC) 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.(도 4 참조)

상기 촉매구조체에서 메소 기공(mesopore) 및 마이크로 기공(micropore)의 비율은 사용자의 필요에 따라 낮추거나 증가시키는 조절이 가능하다. 따라서 이 분야의 지식을 가진 통상 기술자는 촉매의 용도에 맞게 기공의 비율을 조절하는 방식으로 금속 나노입자간의 간격을 멀리하거나 가까이 설정함으로써, 효율이 크게 저하되지 않으면서도 단가를 낮출 수 있는 금속 나노입자 촉매의 촉매구조체를 제작할 수 있다.

본 발명에 따른 금속 나노 촉매가 포함된 촉매구조체(P)의 제조방법은, 크게, 안정제를 씌워 안정화시킨 금속 나노입자를 티올화된 중합체로 기능화하는 단계; 기능화된 금속 나노입자와 활성제를 용액상에서 실리카 전구체와 혼합하여 다공성 실리카에 포집된 금속 나노입자 분산체를 합성하는 단계; 및 상기 금속 나노입자 분산체를 400~500℃ 소성하는 단계;를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 금속 나노입자의 금속은 금, 은, 니켈, 구리, 팔라듐, 백금, 로듐으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상일 수 있으며, 상기 금속 나노입자는 본 명세서에 기재된 방법으로 제조할 수 있고, 또는 시판되는 물질을 사용하거나 통상의 기술자에게 공지된 방법으로 제조할 수도 있다.

본 발명의 일실시예로서 상기 촉매구조체를 판형태로 형성하고자 하는 경우에는, 안정제를 씌워 안정화시킨 금속 나노입자를 티올화된 중합체로 기능화하는 단계; 및, 기능화된 금속 나노입자와 활성제를 용액상에서 실리카 전구체와 혼합하여 실리카에 포집된 금속 나노입자 분산체를 합성하는 단계; 상기 실리카에 포집된 금속 나노입자 분산체를 가압하여 판형태로 성형하는 단계; 소성에 의하여 상기 판형태의 다공성 촉매구조체를 완성하는 단계;를 포함하는 제조방법을 이용할 수 있다. 즉, 상기 촉매구조체(P)의 제조방법 중 기능화된 금속 나노입자와 활성제를 용액상에서 실리카 전구체와 혼합한 금속 나노입자 분산체는 소성 이전 단계에 수동형 롤링기 또는 자동형 롤링기 등 통상의 방식으로 판형 또는 얇은 필름형태를 형성한 후에 소성함으로써 판형태의 촉매구조체를 제조할 수 있다.

본 발명의 일실시예로서 상기 촉매구조체를 분말 형태로 형성하고자 하는 경우에는, 앞선 설명에서 침전된 금속 나노입자 분산체를 소성하는 과정에서 교반하면서 소성하거나 혹은 먼저 소성한 후에 분쇄하는 방식 등을 통하여 분말형태의 촉매구조체를 수득할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일실시예로서 상기 촉매구조체를 분말 형태로 구비한 제2 필터부를 형성함에 있어서, 앞선 설명에서 침전된 금속 나노입자 분산체를 소성에 앞서 제1 필터부 또는 공극이 구비된 별도의 섬유 부재 또는 멤브레인 부재(25)에 도포한 후에 함께 소성 환경에 노출하여 제2 필터부를 형성하는 방식을 채용할 수 있다. 이때, 제1 필터부 또는 공극이 구비된 별도의 섬유 부재 또는 멤브레인 부재는 소성 온도를 견딜 수 있는 재질로 형성될 필요가 있으며, 예를 들어, 유리섬유(glass fiber) 등이 채용될 수 있다. 참고로, 유리섬유는, 비교적 높은 연화점(softening temperature)을 갖고 있어서 소성 환경에서 별다른 영향을 받지 않으며, 발암물질로 인정되는 석면(asbestos)과 구별되는 인체에 무해한 소재로서 건물이나 선박의 단열재와 방음장치에 널리 사용되며 최근에는 생활용품에도 광범위하게 사용되고 있고, 헤파필터(HEPA filter)에 포함되어 건물의 공조용 필터 등 각종 공기정화 필터에 활발하게 이용되고 있다.

본 발명에 활용되는 금속 나노 촉매가 포함된 촉매구조체의 제조방법에서 상기 티올화된 중합체는 분자량을 조절함으로써 기공의 길이를 조절할 수 있는데, 그 분자량을 200 내지 20k Da의 범위에서 선택할 수 있으며, 더 바람직하게는, 300 내지 10k Da의 범위에서 선택할 수 있다. 이렇게 중합체의 분량을 조절함으로써 기공의 길이를 조절할 수 있으며, 결과적으로 기공의 체적도 함께 조절되는 효과를 가진다.

상기 티올화된 중합체는 친수성 고분자로서 수용액 내에서 이온화 또는 수소결합을 통해 전하를 가질 수 있는 고분자 중에서 선택될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 티올화된 중합체는 Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), Polyacrylamide (PAM), Poly(2-oxazoline) (POx), Polyethylenimine (PEI), Polyacrylic acid (PAA), Polymethacrylate, 기타 Acrylic Polymers, Polyethylene glycol (PEG), Polyethylene oxide (PEO), Polyvinyl alcohol (PVA), Polyvinylpyrrolidone (PVP)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나 이상일 수 있다.

또한, 본 발명에 활용되는 금속 나노 촉매가 포함된 촉매구조체의 제조방법에서 상기 활성제는 구형 마이셀을 형성하는 양친성 분자로서 친수성 사슬과 소수성 사슬의 블록 공중합체인 것이 바람직하다. 상기 활성제는Pluronic F127, Pluronic F108, Pluronic F87, Pluronic F68, Pluronic F38, Brij중 적어도 하나 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 예를 들어 설명하면, 상기 Pluronic F127등은 친수성인 PEO(폴리에틸렌옥사이드) 사슬과 소수성인 PPO(폴리페닐렌옥사이드) 사슬의 블록 공중합체이며, Brij 계열의 계면활성제는 탄화수소(hydrocarbon) 체인을 가지고 있는 구조여서, 본 발명에 활용될 금속 촉매 물질에서 활성제로 이용될 수 있다. 특히, 상기 활성제는 PPO사슬보다 PEO 사슬의 길이가 길어서 물에 대단히 잘 녹고, 수용액 상에서 구형 마이셀을 형성하며, 실리카 전구체와 반응하여 BCC구조의 기공을 갖는 다공성 실리카를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명에 활용되는 금속 나노 촉매가 포함된 촉매구조체의 제조방법은 상기 활성제의 양을 조절함에 따라 촉매구조체에서 메소 및 마이크로 기공의 비율 또는 전체 기공률을 용이하게 조절할 수 있는 효과를 가진다. 이때 기능화된 나노입자와 활성제의 혼합에서 상기 활성제는 10~99%의 중량비로 선택되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 활용되는 금속 나노 촉매가 포함된 촉매구조체의 제조방법에서 상기 실리카 전구체는 테트라메틸실리케이트, 테트라에틸오소실리케이트, 테트라프로필오소실리케이트, 테트라부틸오소실리케이트, 테트라클로로실란, 소듐 실리케이트, 테트라이소프록폭시실란, 메톡시트리에톡시실란, 디메톡시디에톡시실란, 에톡시트리메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메칠디에톡시실란, 디에틸디에톡시실란, 테트라메톡시메틸실란. 테트라메톡시에틸실란 및 테트라에톡시메틸실란 등 일수 있으며, 테트라에틸오소실리케이트인 것이 바람직하다.

본 발명에 활용되는 금속 나노 촉매가 포함된 촉매구조체의 제조방법에서 티올화된 중합체의 분자량과, 활성제의 혼합 비율을 촉매의 기공 조절에 이용할 수 있는데, 티올화된 중합체의 분자량이 커질수록 나노입자 표면에 연결된 마이크로 기공의 길이가 길어지는 효과가 유발되고 활성제의 혼합비율을 증가시킬수록 메조 기공과 메조 기공에 직접 연결된 마이크로 기공의 체적이 늘어나서 전체 구조체의 기공률(porosity)을 증가시키는 효과가 유발된다. 더불어, Pluronic F127 등과 같은 활성제를 사용하여 금속 나노입자 분산체를 형성함으로써 메소 기공의 비율을 현저하게 상승시킬 수 있는 효과를 가진다.

또한, 본 발명의 공기정화필터에 이용되는 금속 나노 촉매가 포함된 촉매구조체는, 저온에서도 높은 활성을 갖는 금속 촉매 기능을 구현한다.

촉매구조체 실시예

이하, 금속 나노 촉매가 포함된 촉매구조체의 구체적인 제조방법을 일실시예로서 설명하면, 먼저 금속 나노입자의 금속은 금, 은, 니켈, 구리, 팔라듐, 백금, 로듐 중에서 금을 선택하였으며, 예시적으로 4nm의 금 나노입자가 포함된 촉매구조체를 형성하기 위해 다음과 같은 절차에 따라 제조할 수 있다.

60ml의 테트랄린, 60ml의 올레인아민, 0.6g의 HAuCl·H2O 로 구성된 용액을 상온에서 10분간 교반하여 준비한다. 6mmol의 TBAB(테트라부틸암모늄브로마이드), 6ml의 테트랄린, 6ml의 올레일 아민을 초음파 분쇄하여 혼합하고 상기 용액에 신속히 투입한다. 그리고 상기 용액을 상온에서 1시간 더 교반하고, 에탄올을 첨가한 뒤 원심분리하여 금 나노입자를 침전시킨다. 금 나노입자 침전물을 헥세인에 의해 재분산시키고, 에탄올을 추가하여 원심분리한다. 이렇게 형성된 4nm 금 나노입자들을 형성된 그대로 100ml 톨루엔에 분산시킨다.

다음으로 톨루엔에 분산된 금 나노입자에 대하여 추가로 100ml테트라하이드로퓨란을 가하여 희석하고, 티올화된 중합체로서 1g의 1kDa의 티올화된 PEG를 첨가한다. 이를 교반한 뒤, 헥세인을 추가하고 원심분리하여 PEG로 기능화된 금 나노입자(4-Au-PEG)를 침전시킨다. 침전으로 모아진 4-Au-PEG를 건조한 뒤 물에 분산한다.

상기에서 제조한 4-Au-PEG의 0.088g을 활성제인 0.396g의 Pluronic F127과 혼합하여 10ml의 1.6M HCl 수용액에 균일하게 분산한 후, 상기 분산액에 1.49g의 테트라에틸오소실리케이트(TEOS)를 가한다. 그리고 상기 혼합물의 분산액을 15분 동안 교반하고, 실온에서 40시간 동안 교반없이 유지하여 붉은색 침전물을 제조한다. 이렇게 형성된 상기 붉은색 침전물이 다공성 실리카에 내포된 PEG-기능화된 금 나노입자 분산체에 해당한다.

앞선 단계에서 제조된 붉은색 침전물을 물로 세척하고 건조한 후, 헬륨 환경의 450℃ 온도에서 소성하여 PEG 및 Pluronic F127 고분자를 제거함으로써, 금 나노입자 촉매가 다공성 실리카에 내포된 촉매구조체를 제조한다.

본 발명의 일실시예에 따른 촉매구조체의 제조방법에서 상기 활성제로 사용된 F127과 금속 나노입자의 혼합은 9 : 2의 중량비로 선택되었다. 또한 ICP-OES 으로 측정된 촉매 내 금의 함량은 5.56 wt이고, 촉매 물질의 단위 질량당 기공 부피는 0.278 cc/g이며 비표면적은 약 916 m²/g인(도 5 참조) 것으로 산출되었으나, 이는 일실시예로서 본 발명의 촉매구조체는 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 촉매구조체에 담지될 금속 촉매 물질에 있어서 금속 함량은 예시적인 것으로서 사용자가 임의로 쉽게 조절이 가능하여 사용 목적에 따라 다른 비율로 전환하여 제조하는 것이 가능하다.

촉매구조체의 성능 실험

다음으로, 본 발명에 활용되는 촉매구조체로 산화 성능 실험을 수행한 결과를 설명하기로 한다. 상기 촉매구조체의 성능 실험을 위하여 발명자는 금속 나노 촉매로서 금(Au)을 선택하였으나 이는 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 앞에서 설명한 다른 금속 나노 촉매를 이용하는 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

일산화탄소 제거에 관한 상기 촉매구조체의 성능 실험을 수행한 결과에 의하면, 상기 촉매구조체의 일실시예에 따른 금 나노입자 촉매를 포함하는 촉매구조체는 일산화탄소 촉매 산화 반응에서 상온부터 고온 범위까지 일산화탄소 변환율을 일관되게 우수한 수준으로 제공한다. 상온에서의 실험 조건으로 1%의 일산화탄소와 20%의 산소를 포함한 기체를 100ml의 촉매구조체에 분당 100cc(STP)의 유속으로 흘려주었으며, 사용된 측정센서로는 실험 후 일산화탄소의 잔량이 검출되지 않아 사실상 일산화탄소가 거의 모두 이산화탄소를 변환되는 것을 확인할 수 있었다. (도6(a) 참조)

또한, 최초 측정 이전에는 기체의 혼합비와 유속을 상기와 같이 유지한 채로 촉매구조체를 350 ℃까지 가열하여 촉매를 활성화한 후 실온에서 냉각시켜 사용한 것이며, 해당 촉매구조체를 가열하면서 일산화탄소 산화 반응을 관찰하여 정리하면, 도면6(b) 와 같은 변환율 분포를 얻을 수 있고, 이를 통하여 본 발명의 일실시예에 따른 촉매구조체가 실질적으로 100%의 변환율을 유지하는 것을 확인할 수 있다.

메탄 제거에 관한 상기 촉매구조체의 성능 실험을 수행한 결과에 의하면, 상기 촉매구조체의 일실시예에 따르면 금 나노입자 촉매를 포함하는 촉매구조체는 메탄 산화 반응 실험에서 비교적 저온에서부터 메탄 산화 변환이 일어나며 370℃부터는 메탄을 사실상 모두 산화 변환시키는 우수한 변환 성능을 제공함을 확인할 수 있다. 성능 실험조건으로서, 6000 ppm의 메탄과 19.4%의 산소, 80%의 헬륨이 혼합된 기체를 분당 100cc(STP)로 100mg의 촉매구조체에 흘려주는 경우에, 공간 속도는 시간당 촉매구조체 체적의 약 50,000배 이상이고, 도 7에 나타낸 바와 같이 약 180 ℃의 온도에서부터 일부 메탄이 산화되어 이산화탄소가 검출되기 시작하여 약 370℃에서 100%의 메탄이 완전히 산화되는 것이 확인된다.

수소 제거에 관한 상기 촉매구조체의 성능 실험을 수행한 결과에 의하면, 상기 촉매구조체의 일실시예에 따르면 금 나노입자 촉매를 포함하는 촉매구조체는 수소 산화 변환 성능을 상온에서부터 우수한 수준으로 제공함을 확인할 수 있다. 실험 조건으로, 촉매구조체 100mg에 분당 60cc의 공기와 분당 1.7cc의 수소를 혼합하여 통과시켰으며, 기체 크로마토그래피 방법을 이용해 통과된 기체를 분석한 결과는 도 8과 같이 정리될 수 있다. 도8에서 수소는 본 발명의 촉매구조체를 통과시키지 않은 경우에 그대로 존재하나, 본 발명의 촉매구조체를 통과시킨 경우에는 25℃, 66℃, 106℃ 등의 온도에서 각각 완전히 산화되어 제거된 것을 확인할 수 있다.

앞선 설명에서 상기 금 나노입자 촉매를 포함하는 촉매구조체 실험에 의하여 일산화탄소, 메탄, 수소 등에 대한 산화 성능을 설명하였는데, 금을 포함하는 경우 외에도 다른 금속 나노입자 촉매를 포함하는 촉매구조체도 다양한 기체의 산화 반응에 유용하게 이용될 수 있음을 통상의 기술자는 자명하게 파악할 수 있다. 예를 들어, 해당 기술분야의 저명한 학자에 의한 기술평론 문헌자료(Avelino Corma et al., Chem. Soc. Rev, 2008, 37, 2096-2126)를 참고하여 살펴보면, 팔라듐, 산화루테늄과 같은 백금족 금속 또는 금 등의 나노입자 촉매는 일산화탄소나 수소, 메탄 등 기체를 산화 변환시키는 용도로 이용될 수 있음이 널리 알려져 있다. 따라서 이러한 금속 나노 입자 촉매 물질이 촉매구조체에 내포될 경우 상기 촉매 물질을 특별히 저해하는 별도의 구조 또는 구성이 포함되지 않는 한 해당 분야의 기술자들은 상기와 같은 기체 산화반응 효과를 마찬가지로 기대할 수 있다.

실시예

이하 공기정화필터의 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세하게 설명하되, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐, 본 발명의 청구범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

<촉매구조체 제조>

본 명세서의 금 나노입자 제조법을 이용하여 형성된 4nm 금 나노입자들을 100ml 톨루엔에 분산시킨다. 분산된 금 나노입자에 추가로 100ml의 테트라하이드로 퓨란을 가하여 희석하고, 1g의 1kDa 티올화된 PEG를 첨가한다. 이를 교반한 뒤, 헥세인을 추가하고 원심분리해 PEG로 기능화된 금 나노입자를 침전시킨다. 침전된 금 나노입자를 건조한 후 물에 분산한다.

상기 금 나노입자의 0.088g을 활성제인 0.396g의 Pluronic F127과 혼합하여 10ml의 1.6M HCl 수용액에 균일하게 분산한 후, 상기 분산액에 1.49g의 테트라에틸오소실리케이트(TEOS)를 가한다. 그리고 상기 혼합분산액을 15분동안 교반후, 실온에서 40시간동안 교반없이 유지하여 붉은 침전물을 제조한다. 이 침전물을 물로 세척 건조 후, 헬룸 환경의 450℃ 온도에서 소성하여 다공성 실리카에 금 나노입자가 내포된 촉매구조체를 제조하였다.

<공기정화필터 제조>

상기 실시예에 따라 제조한 촉매구조체 분말 샘플을 50mg 준비한다. 그리고 유입된 공기로부터 이물질을 제거하는 제1 필터부의 앞면에 상기 촉매구조체 분말 샘플을 붓으로 고르게 도포하여 제2 필터부를 형성하였다. 이 때 사용된 제1 필터부는 11.8 cm Ⅹ 5.7 cm, 기공 크기 0.3μm의 극세필터를 이용하였다.

이와 같이 준비된 공기정화필터를 공기청정기에 장착하여 공기정화 성능 등을 측정하였으며, 시중에 판매되는 LG전자의 공기청정기(모델명: AP139MWA)를 이용하되 본 공기정화필터 외에 다른 필터수단은 구비되지 않은 상태로 측정하였다.

비교예

비교를 위하여 앞선 실시예에서 제1 필터부에 이용된 극세필터의 재질을 이용하되 본 발명의 촉매구조체를 도포하지 않음으로써 제2 필터부가 구비되지 않은 공기정화필터를 준비하여 같은 실험 조건에서 성능 측정하였다.

실험측정 및 검토

본 발명의 산화성능 실험을 평가하기 위하여, 대상물질로 일산화탄소(CO)를 선택하였다. 저온에서의 CO 산화반응은 일반적으로 다양한 촉매의 활성 및 이의 제조방법과 영향을 시험하기 위하여 이 분야의 통상의 기술자들에 의해 선호되는 반응이다(Chem. Soc. Rev, 2008, 37, 2096-2126의 2115쪽 참조).

CO 산화는 준 밀폐된 청정시험용 공간 약 75,000 cm³내에서 수행하였으며, 본 발명의 실시예에 따른 촉매구조체가 도포된 공기정화필터를 공기청정기에 장착하고, 청정시험용 공간 일측에 일산화탄소 발생원과 일산화탄소 측정기를 설치했다. 그리고 일산화탄소 발생원으로부터 일산화탄소 농도가 1000ppm 되었을 때 실시예와 비교예에 따른 각각의 공기청정기를 작동하여 공간 내부의 가스 농도를 일정 시간 단위로 측정하였다. 실험 측정은 일상에서 쉽게 접할 수 있는 환경을 만들기 위해 대기압에서 실시되었으며, 상온에서 900초(15분) 간 작동하였다. 일산화탄소 발생원은 불완전 연소되는 숯을 사용하였고, 일산화탄소 측정기는 시중에 판매되는 공지의 장치를 이용하였다.

도 9(a)는 실시예의 공기정화필터로 구성된 공기청정기(흰색)의 실험 이미지를 나타낸 것이고, 도 9(b)는 비교예의 공기정화필터로 구성된 공기청정기(검은색)의 실험 이미지를 나타낸 것이다. 각각의 실험예는 일산화탄소 발생원으로부터 발생된 일산화탄소가 공기청정기의 순환유동 과정에서 외부로 흩어지지 않도록 청정 시험용 공간의 상단을 덮개로 막은 밀폐 공간 조건에서 이루어졌다.

도 10은 비교예와 실시예에 따라 구성된 공기정화필터를 이용한 각각의 공기청정기에 대한 일산화탄소 제거 성능 테스트 결과를 나타낸 것이다. 붉은 색의 표시선이 본 발명의 실시예에 따른 공기정화필터를 이용한 공기청정기의 성능이고, 검은 색의 표시선이 비교예에 따른 공기정화필터를 이용한 공기청정기의 성능을 나타낸다. 실시예의 공기정화필터가 사용된 청정시험용 공간 내의 일산화탄소 농도가 100초 이내 급격히 하락하고, 대략 900초(15분) 후에는 90ppm까지 낮아진 것을 확인할 수 있다. 즉 본 발명의 공기정화필터를 이용한 공기청정기는 일산화탄소를 90% 이상 이산화탄소로 변환시켰음을 확인할 수 있었다.

	CO 농도 (ppm)
시간	비교예	실시예
0min	1000ppm	1000ppm
15min	1000ppm	90ppm

상기의 표1은 본 발명의 필터를 이용한 공기청정기의 일산화탄소 제거 성능을 나타낸 것이다. 종래의 일반 공기정화필터를 이용한 비교예는 일산화탄소를 전혀 제거하지 못하는 반면, 본 발명을 이용한 실시예는 1000ppm의 농도였던 일산화탄소를 90ppm까지 높은 효율로 제거하는 것을 확인할 수 있다.

한편, 촉매구조체만 사용하여 일산화탄소를 100% 산화시킨 성능을 보인 것과 달리 공기정화필터의 실험측정에서 일산화탄소 변환율이 90%에 머무른 것은 실험이 진행될수록 밀폐된 청정시험용 공간에 한정되어 존재하던 일산화탄소 분자가 줄어들고 촉매를 통과하여 산화될 확률도 지속적으로 감소하므로 일산화탄소 제거 속도 또한 줄어드는 것으로 추측된다. 그럼에도 불구하고 표 1에 나타난 바와 같이 본 발명의 공기정화필터는 일산화탄소를 제거하는 우수한 효과가 있음을 확인할 수 있다.

참고로, 한국가스안전공사 자료를 참고하면, 1000ppm의 일산화탄소 농도는 2시간 이상 지속될 경우 실신에 이르고, 45분 이상 노출될 시 두통 · 매스꺼움 · 구토가 발생할 수 있는 오염도이고, 400ppm은 1~2시간 노출시 앞 두통을 느끼거나 2.5 내지 3.5시간 노출시 후두통을 느끼는 오염도이고, 100ppm은 2~3시간 이상 노출시 가벼운 두통이 일어나는 수준의 오염도이다. 이러한 기준에 의하면, 본 발명의 기술을 적용한 상기 실시예의 필터체는 1000ppm 농도였던 일산화탄소를 3분 이내 400ppm까지 감소시키고 15분이 지난 시점에서는 90ppm까지 감소시킴으로써, 일산화탄소의 오염도를 신속하게 경감하여 인체 위험도를 현저하게 개선한 효과를 확인할 수 있다.

한편, 일산화탄소는 무색무취의 기체로서 산소가 부족한 상태로 연료가 연소할 때 불완전연소로 발생하며, 연소가스나 자동차의 배기가스 중에 많이 포함돼 있다. 일산화탄소는 인체에서 작용시 그 자체로 독성이 있는 것은 아니나, 폐로 들어가면 혈액 중의 헤모글로빈과 결합하면서 발생한다. 일산화탄소는 헤모글로빈과의 친화력이 산소보다 200배나 강력하기 때문에 체내로의 산소공급능력을 방해하고, 많이 흡입하게 될 경우 의식을 잃거나 사망에 이르게 된다. 특히나 펜션이나 캠핑장 등 밀폐된 공간에서 일산화탄소에 중독되는 사고가 급증하면서 일산화탄소 예방에 대한 의식이 높아지고 있으나 시중에 판매되는 일부 저가 제품은 경보 성능이 떨어지는 문제점이 확인되고 있다. 따라서 일산화탄소 농도를 낮추는 기능은 매우 중요한 효과이고 본 발명의 실시예에 따른 공기정화필터 사용시 일산화탄소 농도를 효과적으로 낮출 수 있음을 확인할 수 있다.

지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 유해가스 등의 유해물질 제거용 공기정화필터와 이를 이용한 공기청정기에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다. 그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. 즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

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.

100 : 공기 정화 필터
10 : 제1 필터부 11 : 공극
20 : 제2 필터부 25 : 섬유부재 또는 멤브레인부재
P : 촉매구조체(catalyst structure)

Claims

미세먼지 및 유해물질을 동시에 제거하는 공기 정화 필터에 있어서,
미세먼지를 필터링하는 공극을 포함하는 제1 필터부; 및
상기 제1 필터부의 적어도 어느 일측에 형성되어, 촉매 연소 반응을 이용하여 공기 중 유해물질을 제거하는 촉매구조체를 구비한 제2 필터부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는, 복합기능을 갖는 공기 정화 필터.
제1 항에 있어서,
상기 촉매구조체는,
메소 및 마이크로 기공을 갖는 실리카 매트릭스 구조체; 및
상기 메소 및 마이크로 기공을 갖는 실리카 매트릭스 구조체에 포집된 금속 나노입자;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복합기능을 갖는 공기 정화 필터.
제2 항에 있어서,
상기 금속 나노입자는,
금 및 은, 니켈, 구리, 팔라듐, 백금, 로듐으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 복합기능을 갖는 공기 정화 필터.
제2 항에 있어서,
상기 촉매구조체는, 촉매 연소 반응을 이용하여 유해가스 또는 인화성 가스를 제거하는 제1 촉매구조체와, 미생물을 사멸시키거나 악취물질을 제거하는 제2 촉매구조체;를 포함하며,
상기 제1 촉매구조체에 포함되는 금속 나노입자는, 금 및 은, 니켈, 구리, 팔라듐, 백금, 로듐으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상이고,
상기 제2 촉매구조체에 포함되는 금속 나노입자는, 은 및 니켈, 구리로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상이며,
상기 제1 촉매구조체와 제2 촉매구조체는 메소 및 마이크로 기공의 비율 또는 전체 기공률을 서로 다르게 조절하여 형성한 것을 특징으로 하는, 복합기능을 갖는 공기 정화 필터.
미세먼지 및 유해물질을 동시에 제거하는 공기 정화 필터의 제작 방법에 있어서,
미세먼지를 필터링하는 공극을 포함하는 제1 필터부를 준비하는 단계; 및
촉매 연소 반응을 이용하여 공기 중 유해물질을 제거하는 촉매구조체를 구비한 제2 필터부를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복합기능을 갖는 공기 정화 필터의 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 촉매구조체는,
안정제를 씌워 안정화시킨 금속 나노입자를 티올화된 중합체로 기능화하는 단계; 및,
기능화된 금속 나노입자와 활성제를 혼합하여 분산한 용액상에서 실리카 전구체와 혼합하여 다공성 실리카에 포집된 금속 나노입자 분산체를 합성하는 단계;를 포함하여 형성되며,
상기 금속 나노입자 분산체를 소성함으로써 다공성 형태를 가진 상기 촉매구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는, 복합기능을 갖는 공기 정화 필터의 제조 방법.
제6 항에 있어서,
상기 금속 나노입자는,
금 및 은, 니켈, 구리, 팔라듐, 백금, 로듐으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 복합기능을 갖는 공기 정화 필터의 제조 방법.
제6 항에 있어서,
상기 티올화된 중합체는,
분자량이 200 내지 20k Da의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 복합기능을 갖는 공기 정화 필터의 제조 방법.
제8 항에 있어서,
상기 티올화된 중합체는,
분자량이 300 내지 10k Da의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 복합기능을 갖는 공기 정화 필터의 제조 방법.
제6 항에 있어서,
상기 티올화된 중합체의 분자량을 조절함으로써 기공의 길이를 조절하는 것을 특징으로 하는, 복합기능을 갖는 공기 정화 필터의 제조 방법.
제6 항에 있어서,
상기 활성제는, 구형 마이셀을 형성하는 양친성 분자로서 친수성 사슬과 소수성 사슬의 블록 공중합체인 것을 특징으로 하는, 복합기능을 갖는 공기 정화 필터의 제조 방법.
제6 항에 있어서,
상기 기능화된 금속 나노입자와 활성제를 혼합할 때 상기 활성제의 양을 조절함으로써 메소 및 마이크로 기공의 비율 또는 전체 기공률을 조절하는 것을 특징으로 하는, 복합기능을 갖는 공기 정화 필터의 제조 방법.
제6 항에 있어서,
상기 실리카 전구체는 테트라메틸실리케이트, 테트라에틸오소실리케이트, 테트라프로필오소실리케이트, 테트라부틸오소실리케이트, 테트라클로로실란, 소듐 실리케이트, 테트라이소프록폭시실란, 메톡시트리에톡시실란, 디메톡시디에톡시실란, 에톡시트리메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메칠디에톡시실란, 디에틸디에톡시실란, 테트라메톡시메틸실란, 테트라메톡시에틸실란, 테트라에톡시메틸실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 복합기능을 갖는 공기 정화 필터의 제조 방법.
미세먼지 및 유해물질을 동시에 제거하는 공기 정화 장치에 있어서,
공기 정화 필터; 및
상기 공기 정화 필터로 공기의 유동을 제공하는 송풍부;를 포함하고,
상기 공기 정화 필터는,
미세먼지를 필터링하는 공극을 포함하는 제1 필터부; 및
상기 제1 필터부의 적어도 어느 일측에 형성되어, 촉매 연소 반응을 이용하여 공기 중 유해물질을 제거하는 촉매 물질을 구비한 제2 필터부;를 포함하여 구성되며,
상기 공기 정화 필터는 제1 항 내지 제4 항 중 어느 하나의 공기 정화 필터이거나 제5 항 내지 제13 항 중 어느 하나의 공기 정화 필터 제조 방법에 의하여 제작된 공기 정화 필터인 것을 특징으로 하는, 복합기능을 갖는 공기 정화 필터를 구비한 공기 정화 장치.