KR20220078128A - 광촉매를 포함하는 전기집진판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정전기를 이용하는 공기정화장치의 티타늄 집진극에 다공성 나노 스케일의 TiO₂ 나노 튜브를 형성하여 광촉매 반응을 동시에 활용할 수 있는 전기집진판에 관한 것으로, 산화피막이 형성된 티타늄 기판; 및 에칭마스크에 의한 노출 패턴 영역에 형성된 나노 티타늄산화물 광촉매;를 포함한다.

Description

광촉매를 포함하는 전기집진판 및 그 제조방법 {Electric precipitator plates containing photocatalyst and its manufacturing method}

본 발명은 공기정화장치의 전기집진부 집진판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정전기를 이용하는 공기정화장치의 티타늄 집진극에 다공성 나노 스케일의 TiO₂ 나노 튜브를 형성하여 광촉매 반응을 동시에 활용할 수 있는 전기집진판에 관한 것이다.

미세먼지는 도시화와 함께 대두되어 호흡기 질환을 비롯한 각종 질병의 원인으로 분석되며 시간이 지날수록 더욱 심각한 문제를 야기하고 있다. 최근의 바이러스 확산 사태와 더불어 사람들의 삶의 질이 향상되며 건강에 대한 관심이 증가하고 있으며, 공기청정 및 공기정화에 대한 관심이 높아지면서 이와 관련된 규제 대책들도 강화되고 있다.

그 중 공기질 개선을 위한 각종 노력의 일환으로 배출가스 관련 정책과 전기자동차 산업 등이 등장하고 있으나 기존 인프라와 산업구조를 한 번에 바꾸는 것은 힘들고, 특히 지하철과 같이 많은 사회인들이 필수로 이용하는 곳에서 발생하는 미세먼지도 이미 상당한 수준이다. 이에 미세먼지 발생량 감축에 대한 노력과 더불어 발생한 미세먼지를 없애거나 포집할 수 있는 기술이 꾸준히 개발되고 있다.

이에 따라 미세먼지 문제를 개선하기 위한 공기청정 기술들이 많이 등장하고 있다. 공기청정 기술의 종류로는 Pre-Carbon Filter나 Hepa Filter를 이용한 기계식과 코로나 방전 기반의 전기집진을 이용한 전기식, 이 둘을 병용하는 복합식 등이 있다.

필터를 사용하는 기계식 공기청정기는 약한 정전기를 이용하여 입자상 물질의 크기에 따른 여과 효과를 가지지만, 필터를 자주 교체해야 해 유지ㆍ보수가 어렵고 휘발성 유기물을 분해하기 힘들다. 도 1에서 나타내고 있는 기존 전기식 공기청정기의 경우, 고전압의 전기를 인가해 코로나 방전을 일으켜 미세먼지를 이온화 후 포집하므로 전압의 변화에 따라 효율이 저하되는 문제가 있다. 또한, 상기 전기식 공기청정기는 입자상 물질의 포집은 용이하지만 황산화물, 질소 산화물 및 VOCs(휘발성 유기화합물) 등 가스상 물질을 제어하는 데 불리하며, 장기간 사용 시 집진극에 부착되는 미세먼지가 축적됨에 따라 방전효율이 저하되는 문제가 있다.

이러한 집진판 오염 문제와 가스상 물질을 제어하기 위한 노력으로 기액 접촉을 활용한 습식 전기집진기 및 정전분무식 전기집진기가 등장하고 있지만 실질적인 효과가 미비하고 많은 양의 물을 사용하여 2차적인 환경 문제를 야기한다는 가장 큰 단점이 있다.

본 발명은 물과 같은 기액접촉 방식을 사용하지 않으면서도 광촉매를 이용하여 가스상 오염물질을 용이하게 포집할 수 있고, 동시에 반응 표면적을 늘릴 수 있는 고효율의 집진판 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전기집진판 제작 방법은, 티타늄을 포함하는 기판의 일면 또는 양면에 에칭마스크를 접합하여 접합판을 마련하는 단계; 상기 접합판을 양극으로 전압을 인가하여 상기 접합판의 노출면에 비정질의 산화티타늄 층을 성장시키는 양극산화 단계; 및 상기 비정질의 산화티타늄 층을 아나타제 형으로 상변이시키기 위해 상기 기판을 열처리하는 단계;를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기집진판은 상기 에칭마스크의 노출면에 부분적으로 이산화티타늄 나노튜브가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매를 포함하는 전기집진판은, 산화피막이 형성된 티타늄 기판; 및 에칭마스크에 의한 노출 패턴 영역에 형성된 나노 티타늄산화물 광촉매;를 포함하며, 상기 나노 티타늄산화물은 아나타제 형의 이산화티타늄 나노튜브이다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 노출 패턴 영역은, 다수의 행과 열을 이루는 격자 배열을 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상술한 전기집진판을 포함하는 공기 정화 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공기 정화 장치는 상기 전기집진판에 자외선을 조사하여 상기 광촉매를 광활성화시키는 광원부를 포함할 수 있다.

본 발명은 물과 같은 기액접촉 방식을 사용하지 않으면서도 광촉매를 이용하여 가스상 오염물질을 용이하게 포집할 수 있고, 동시에 반응 표면적을 늘릴 수 있는 고효율의 집진판 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 나노 티타늄산화물이 부분 형성된 전기집진판에 따르면, 입자상 오염물질의 제어성능이 우수한 전기집진부를 가스상 오염물질을 분해하는 광촉매 반응과 더불어 사용하여 부가적인 공기 정화 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 전기집진판은 양극산화 에칭을 통하여 형성된 이산화티타늄 나노튜브를 포함하여, 기존 티타늄 기판 표면의 산화티타늄층과 비교하여 표면적이 넓어 더 많은 오염물질과 상호작용할 수 있다.

도 1은 전기 집진식 공기청정기의 미세먼지 포집 과정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 티타늄을 포함하는 기판의 양면에 에칭마스크를 접합하는 것을 보여주는 개략도이다.
도 3은 접합판에 전압을 인가하여 양극산화시키는 것을 보여주는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기집진판을 보여주는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기집진판의 절단측면도이다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기집진판(10)을 제작하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

이산화티타늄(TiO₂)은 화학적으로 안정하고 활성이 크며 기계적인 성질이 양호하다. 특히 100nm 미만의 크기를 가진 나노 이산화티타늄은 비표면적이 넓어져 반응성이 증가하기에 광전기 화학적 성질이 뛰어나 수질오염, 대기 오염 대처 수단으로 환경정화용 광촉매로서 사용될 수 있다.

종래 공기 정화 장치는 코로나 방전 또는 음이온 방출을 통해 입자상 물질을 제거하는 집진판 정화부와, 광촉매 및 광화학반응을 위한 광원부를 포함하는 광촉매 정화부를 연통되도록 구성함으로써 입자상 물질뿐만 아니라 가스상 물질까지 동시에 정화하고자 하였다. 그러나, 집진판 정화부와 광촉매 정화부를 모두 구비하여야 하므로 부피의 제약 및 구조의 복잡함이 존재할 수 있다. 이에, 본 발명자는 티타늄을 포함하는 집진판 상에 가스상 물질 등을 동시에 정화할 수 있는 광촉매를 포함하는 전기집진판을 제공하고자 한다.

도 2는 티타늄을 포함하는 기판의 양면에 에칭마스크를 접합하는 것을 보여주는 개략도이다. 도 3은 접합판에 전압을 인가하여 양극산화시키는 것을 보여주는 개략도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 전기집진판(10)은, 티타늄 기판(11), 음극 기판, 전해질 수용액, 에칭마스크(12)를 이용하여 양극산화를 통해 제작할 수 있다.

그리고, 전기집진판(10)을 제작하기 위한 첫 단계로서, 티타늄을 포함하는 기판(11)의 일면 또는 양면에 에칭마스크(12)를 접합하여 접합판(10)을 마련하는 단계가 수행될 수 있다.

여기서 에칭마스크(12)는 다수의 행과 열을 이루는 격자형 패턴으로 부분적 노출된 것이 사용될 수 있으나, 부분적 노출 형상은 다른 패턴으로 이루어질 수도 있다. 이로써 에칭마스크(12)의 노출된 영역과 대응되는 티타늄 기판의 일부분인 노출 패턴 영역(110)이 산화되며, 후술할 비정질의 티타늄산화물이 성장하게 된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기집진판(10)을 보여주는 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기집진판(10)의 절단측면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 접합판(10)을 양극으로 사용하고 전압을 인가하여 접합판(10)을 양극산화시켜 노출 패턴 영역(110)에 비정질의 티타늄산화물을 성장시키는 단계가 수행될 수 있다.

접합판(10)을 양극산화시키기 위해 사용되는 전해질 수용액은 일 예로 HF, NaF, KF 및 NH₄F 중 어느 하나 이상을 포함하도록 제조된 것이 사용될 수 있다. 양극산화 시 상기 접합판(10)을 양극을 사용하고 음극으로는 백금(Pt), 금(Au) 및 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 어느 하나를 택일하여 사용할 수 있다. 양극 산화에 사용되는 전압은 선택되는 전해질의 종류와 반응 정도에 따라 20V 내지 60V 범위 내의 전압이 인가될 수 있다. 반응을 진행함에 따라 반응열에 의해서 전해조의 온도가 상승하게 되며, 이런 반응열의 상승으로 인한 Ti 박막 위의 이산화티타늄 층이 벗겨지는 것을 방지하기 위하여 냉각수가 흐를 수 있도록 냉각장치가 필요할 수 있다.

다음으로, 비정질의 티타늄산화물을 아나타제 결정형으로 변화시키기 위해 접합판(10)을 열처리하는 단계가 수행될 수 있다. 예를 들어, 에칭된 노출 패턴 영역(110)에 생성된 비정질 티타늄산화물의 아나타제 결정 성장을 위해 80 내지 200℃ 범위에서 20시간 이상 열처리하거나, 카보라이트(CARBOLITE)를 이용하여 400 내지 500℃ 범위까지 열처리한 후 2시간 동안 이를 유지하여 나노튜브로 성장시킬 수 있다. 이로써, 전기집진판(10)은 티타늄 기판(11) 상에 에칭마스크(12)의 패턴에 따라 노출 패턴 영역(110)에 부분적으로 이산화티타늄 나노튜브가 형성된 것일 수 있다. 전기집진판(10)의 에칭마스크(12)가 접합되었던 영역에는 열처리로 인해 TiO₂ 산화피막이 형성될 수 있다.

전기집진판(10)의 노출 패턴 영역(110)에는 직경 수십 nm 및 길이 수백 nm 내지 수십㎛의 나노튜브가 형성될 수 있고, 열처리를 통해 아나타제 결정형으로 선택적으로 성장시킨 이산화티타늄 나노튜브는 광촉매 활성이 우수할 수 있다.

이상으로 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 전기집진판(10)은 물과 같은 기액접촉 방식을 사용하지 않으면서도 광촉매를 이용하여 가스상 오염물질을 용이하게 포집할 수 있고, 동시에 반응 표면적을 늘릴 수 있는 고효율의 전기집진판(10) 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전기집진판(10)은 기존 티타늄 기판(11) 표면의 산화티타늄층과 비교하여 표면적이 넓어 더 많은 오염물질과 상호작용할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기집진판(10)을 포함하는 전기집진부 및 공기 정화 장치를 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 공기 정화 장치는 상술한 전기집진판(10)에 자외선을 조사하여 상기 이산화티타늄 나노튜브 광촉매를 활성화시키는 광원부(미도시)를 포함할 수 있다.

광원부는 전기집진판(10)에 인접하게 배치되어 자외선을 조사하는 것일 수 있다. 전기집진판(10)에 자외선이 조사되면서 광촉매 반응이 활성화되고 가스상 오염물질을 분해하여 공기 정화 기능이 향상될 수 있다.

본 발명에 따른 공기 정화 장치는 나노 산화티타늄층이 부분 형성된 전기집진판과 광원부를 포함하는 전기집진부를 포함하며, 입자상 오염물질의 제어성능이 우수한 전기집진부를 가스상 오염물질을 분해하는 광촉매 반응과 더불어 사용하여 향상된 공기 정화 효과를 얻을 수 있다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

10: 전기집진판
11: 티타늄 기판
12: 에칭마스크
110: 노출 패턴 영역

Claims (6)

1. 티타늄을 포함하는 기판의 일면 또는 양면에 에칭마스크를 접합하여 접합판을 마련하는 단계;
   상기 접합판을 양극으로 전압을 인가하여 상기 접합판의 노출면에 비정질의 산화티타늄 층을 성장시키는 양극산화 단계; 및
   상기 비정질의 산화티타늄 층을 아나타제 형으로 상변이시키기 위해 상기 기판을 열처리하는 단계;를 포함하는, 전기집진판 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전기집진판은 상기 에칭마스크의 노출면에 부분적으로 이산화티타늄 나노 튜브가 형성된 것인, 전기집진판 제조 방법.
3. 산화피막이 형성된 티타늄 기판; 및
   에칭마스크에 의한 노출 패턴 영역에 형성된 나노 티타늄산화물 광촉매;를 포함하며,
   상기 나노 티타늄산화물은 아나타제 형의 이산화티타늄 나노튜브인 것을 특징으로 하는 광촉매를 포함하는 전기집진판.
4. 제3항에 있어서,
   상기 노출 패턴 영역은, 다수의 행과 열을 이루는 격자 배열을 갖는 광촉매를 포함하는 전기집진판.
5. 제3항 또는 제4항에 따른 전기집진판을 포함하는 공기 정화 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 전기집진판에 자외선을 조사하여 상기 광촉매를 광활성화시키는 광원부를 포함하는 공기 정화 장치.

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