KR20220156483A - Uv led와 광촉매 필터를 사용한 공기 정화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 본 발명은 차량 컵홀더에 끼워 사용할 수 있을 만큼 소형이면서도, 탈취는 물론 집진과 살균이 가능하고, 견고하며, 유지보수가 간편한 공기 정화기에 관한 것이다.
본 발명은 상대적으로 직경이 큰 상부하우징(10)의 하부에 상대적으로 직경이 작은 하부하우징(20)이 배치되고, 상부하우징과 하부하우징 내부에는 상부하우징 및 하부하우징에 대해 내측으로 이격 고정되는 내부하우징(30)이 고정되며, 상기 하부하우징의 상단 일측에는 하부하우징 외부의 공기가 하부하우징 내부로 흡입되는 통로는 흡입 그레이트(grate)가 형성되고, 상기 내부하우징의 하단에는 내부하우징 내부로 공기를 유입하는 통로인 공기유입구(302)가 설치되고, 상기 내부하우징의 상단에는 내부하우징으로부터 공기를 토출하는 통로인 토출부(34)가 형성되는 공기 정화기이다.

Description

UV LED와 광촉매 필터를 사용한 공기 정화기{AN AIR CLEANER USING UV LED and PHOTOCATALYTIC FILTER}
본 발명은 공기 정화기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량 컵홀더에 끼워 사용할 수 있을 만큼 소형이면서도 탈취 성능이 뛰어나고, 탈취는 물론 집진과 살균도 가능하며, 필터를 간단하게 교체할 수 있고, 가동과 중단을 반복하더라도 광촉매 필터에서 발생하는 냄새가 공기 정화기 외부로 유출되지 않도록 하는 공기 정화기에 관한 것이다.
산화티타늄(TiO2)은 그것이 코팅되는 기질의 종류와 관계없이 높은 부착력을 유지하며, 산화티타늄에 광여기 반응을 일으킬 수 있는 광원(주로 자외선)이 제공되면 광촉매 활성을 나타낸다.
특히 산화티타늄을 이용한 광촉매 반응은 항균, 탈취 등의 효과를 가지고 있어서 공기 정화용으로 많이 사용되고 있다. 가령, 공기가 산화티타늄이 코팅된 광촉매 필터(TiO2 ceramic form filter)를 통과하도록 하면서, 광촉매 필터에 자외선을 조사하여 광촉매 반응이 일어나도록 함으로써, 공기의 악취를 탈취하는 방식은 현재 널리 사용되어 오고 있는 탈취 방식이다.
산화티타늄은 그 자체로 사용되기보다는 기체(base) 상에 코팅된 형태로 사용되는 것이 일반적이므로, 산화티타늄이 코팅된 광촉매 필터의 형상은 기체의 형상에 의해 결정되는 것이 대부분이다.
산화티타늄에 의한 탈취는 주로 중대형 공조기에서 이용되어 왔고, 소형 또는 가정용 공기 정화기에서는 잘 사용되지 않고 있다.
공기의 유동량이 많으며 유동하는 면적이 큰 대형 공조기의 경우에는 자외선을 강하게 발생시키고 광촉매 필터를 크게 구성하면 별다른 문제없이 탈취 효과를 거둘 수 있었다.
하지만 소형 공기 정화기의 경우에는 광촉매 필터의 크기도 한정되어 있고, 자외선을 발생시키는 장치의 크기도 제한될 수밖에 없으며, 공기 유동량도 적다. 따라서 소형 광촉매 필터와 자외선 발생구조로도 일정 수준 이상의 탈취 효율을 가지는 공기 정화기를 개발하는 것이 시급하다. 특히 가정용 공기 정화기라면 소음을 고려하지 않을 수 없고, 전기 소모량 역시 매우 민감하게 고려하여야 한다. 그러나 종래에는 중대형 공조기에 무게를 두고 기술이 개발되어 왔기 때문에, 이러한 새로운 환경에 적용하기에 적합한 기술이 거의 없다.
다음으로, UV LED와 광촉매 필터를 활용하여 컴팩트한 공기 정화기를 구성함에 있어서, 어떠한 순서로 팬과 각종 필터를 배치해야 할지도 신중하게 고려해야 사항이다. 종래의 중대형 공조기에서는 집진 필터로 먼저 먼지를 걸러 준 후 광촉매 필터로 탈취를 하였는데, 필터는 유동하는 공기의 압력을 떨어뜨리는 가장 큰 구성인바, 이를 그대로 소형 공기 정화기에 적용한다고 해서 광촉매 필터가 중대형 공조기에 사용될 때처럼 그 기능을 발휘할 지는 미지수다.
또한 가정에서는 공기 중에 떠다니는 유해 세균을 잡아 줄 필요성이 있는데, 세균까지 걸러준다고 알려져 있는 헤파필터는 공기 저항이 심한 필터이기 때문에 공기 정화기가 작아질수록 적용하기 어렵고, 이를 설치함으로 인해 공기 저항이 심해지면 오히려 광촉매 필터의 탈취 반응에도 영향을 미칠 수 있으므로, 공기 정화기 내에 공기 유동을 크게 방해하지 않으면서도 세균을 효율적으로 제거할 수 있는 다른 방안은 없을 지 모색할 필요성이 있다.
특히 담배를 피우면 좀처럼 냄새가 빠지지 않는 차량 내부는 탈취 효율이 뛰어난 공기 정화기가 절실히 요구되는 공간인데, 차량 내부는 매우 좁기 때문에, 공간을 거의 차지하지 않으면서도 상당한 수준의 공기 정화 능력을 가지는 공기 정화기가 필요하다. 특히 차량은 흔들림이 많은 공간이므로, 그러한 환경에서도 고정된 위치를 잘 유지할 수 있는 형태가 요구되며, 설치가 간단해야 할 것이다. 특히 차량용 공기정화기는 대부분 완성차 업체에서 옵션으로 내세우는 상황이어서 차량을 바꿀 때 공기정화기를 계속 쓸 수 없다는 문제가 있는바, 차량용 공기정화기에 관한 기술분야에서는 포터플한 공기정화기에 대한 수요가 높을 수밖에 없다.
또한 공기정화기를 차량에서 사용하는 경우, 공기 정화기는 차량을 운행하는 동안에만 사용하게 되므로, 공기정화기를 가동하고 중단하는 사용 패턴이 반복된다. 그런데 광촉매 필터가 적용된 공기 정화기에 이러한 사용 패턴을 실험한 결과, 공기정화기의 가동을 장시간 중단하였다가 다시 가동하게 되면, 광촉매 필터가 적용되지 않은 필터에 비해 가동 초기에 공기정화기의 토출구에서 좋지 않은 냄새가 배출되는 점을 확인할 수 있었다. 소형의 차량용 공기 정화기는 특히 가동과 중단이 반복되고, 또한 차량 운행 시간이 그리 길지 않은 점을 감안하면, 소비자는 매번 차량을 운행할 때마다 공기정화기에서 토출되는 냄새에 불쾌감을 느낄 수밖에 없어 제품 사용 만족도가 떨어질 수 있다.
아울러 너무 기능만 강조한 나머지 유지 보수가 어렵거나 제작이 어렵게 된다면 상품성이 떨어짐은 물론 사용자가 불편을 느낄 것이므로, 구조가 복잡하지 않고 제작이 어렵지 않으며 유지보수가 편리해야 한다.
본 발명은 앞서 설명한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 차량 컵홀더에 끼워서 사용할 수 있을 정도로 컴팩트하고, 차량 실내 공간에 간단하게 고정할 수 있는 공기 정화기를 제공함을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 공기 정화 능력을 최대한 크게 하면서도 소모 전력이 적고 소음이 적은 공기 정화기를 제공함을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 유지 보수가 간편한 공기 정화기를 제공함을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 복잡하지만 짜임새 있게 내부를 구성하여 보다 컴팩트한 공기 정화기를 제공함을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 광촉매 필터를 적용한 공기 정화기에서 가동 초기에 발생하는 냄새의 원인을 규명하고 그러한 현상을 방지할 수 있는 해결책을 제공함을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, UV LED 기판(55)에 설치된 광촉매용 UV LED(57); 및 상기 UV LED 기판으로부터 상기 광촉매용 UV LED가 바라보는 면에 이격 설치되는 광촉매 필터;를 포함하는 공기 정화기를 제공함에 있어서, 다음과 같은 기술적 특징을 가지는 공기 정화기를 제공한다.
상기 광촉매 필터는 기체(基體, base) 상에 TiO2가 코팅된 것인 공기 정화기를 제공한다.
상기 광촉매 필터의 전면(front face)에서 측정한 자외선의 세기(irradiance)가 10~20mW/cm2이고, 바람직하게는 14~15mW/cm2인 공기 정화기를 제공한다.
상기 광촉매용 UV LED에서 조사되는 자외선은 340~380nm의 피크파장을 가지고, 바람직하게는 360~370nm의 피크파장을 가지는 공기 정화기를 제공한다.
상기 광촉매용 UV LED에 인가되는 전원은 전압이 5~15V, 그리고 전류가 200mA~300mA인 공기 정화기를 제공한다.
상기 광촉매 필터는 상기 광촉매용 UV LED를 바라보는 방향으로 공기유동로가 형성되는 셀(83)이 복수개 인접하여 평행하게 형성된 구조이며, 상기 광촉매 필터의 높이(h)는 2~15mm이고, 바람직하게는 상기 광촉매 필터의 높이(h)가 5~10mm 인 공기 정화기를 제공한다.
공기유동 방향에서 바라본 상기 셀의 형상은 정사각형인 공기 정화기를 제공한다.
상기 셀들을 구분하는 격벽인 살의 두께(t)는 0.3~1.2mm이고, 바람직하게는 0.5~0.7 mm 인 공기 정화기를 제공한다.
상기 셀의 내부 이격간격은 1~4mm이고, 바람직하게는 1.8~2.2mm인 공기정화기를 제공한다.
상기 셀의 조밀도는 30~260셀/inch2이고, 바람직하게는 80~120셀/inch2인 공기정화기를 제공한다.
상기 기체는 다공질의 세라믹 재질인 공기 정화기를 제공한다.
상기 광촉매 필터에 TiO2를 코팅하기 위해 소결하는 온도는 섭씨 350~450도이고, 소결시간은 1~2시간인 공기 정화기를 제공한다.
상기 UV LED 기판이 설치된 곳으로부터 상기 광촉매 필터가 설치된 곳으로 공기가 유동하는 공기 정화기를 제공한다.
상기 UV LED 기판과 광촉매 필터 사이의 측면에는 자외선 반사판이 설치된 공기 정화기를 제공한다.
공기유동 방향에서 바라본 상기 광촉매 필터의 전면의 외관 형상은 원형 또는 정사각형인 공기 정화기를 제공한다.
상기 광촉매 필터의 전면의 면적이 42~72cm2이고 상기 광촉매용 UV LED와 상기 광촉매 필터의 전면 사이의 거리가 2~3cm이며, 바람직하게는 상기 광촉매 필터의 전면의 면적이 5.32~5.72cm2이고 상기 광촉매용 UV LED와 상기 광촉매 필터의 전면 사이의 거리가 2~3cm인 공기 정화기를 제공한다.
상기 UV LED 기판(55)에는 광촉매용 UV LED의 자외선 조사 방향과 동일한 방향으로 살균용 파장을 가지는 자외선을 조사하는 살균용 UV LED(56)가 설치된 공기 정화기를 제공한다.
상기 광촉매 필터의 후면(rear face) 쪽에는 제2 카본필터(75)가 설치된 공기 정화기를 제공한다.
상기 제2 카본필터는 입상형 활성탄일 수 있다.
상기 제2 카본필터는 상기 입상형 활성탄이 매립된 부직포 형태일 수 있다.
상기 제2 카본필터(75)는 펄프형 활성탄일 수 있다.
상기 광촉매 필터의 후면(rear face) 쪽에는 집진필터(90)가 설치된 공기 정화기를 제공한다.
상기 광촉매 필터 후면 쪽에 설치된 제2 카본필터는 상기 광촉매 필터 후면 쪽에 설치된 집진필터보다 광촉매 필터에 더 가깝게 설치된 공기 정화기를 제공한다.
상기 광촉매 필터 후면 쪽에 설치된 제2 카본필터는 상기 광촉매 필터 후면 쪽에 설치된 집진필터와 일체로 형성되어 필터부재(93)를 형성하는 공기 정화기를 제공한다.
상기 UV LED 기판과 광촉매 필터는 공기가 유동하는 내부하우징(30) 안에 설치되되, 광촉매 필터는 상대적으로 단면적이 큰 내부하우징의 내벽에 접하여 설치되고, UV LED 기판은 상대적으로 단면적이 작은 내부하우징의 내벽에 대해 이격되어 설치되는 공기 정화기를 제공한다.
상대적으로 직경이 큰 상부하우징(10)의 하부에 상대적으로 직경이 작은 하부하우징(20)이 배치되고, 상하방향으로 연통하는 중공의 내부공간을 가지는 상기 내부하우징(30)은 상부하우징 및 하부하우징 내부에 이격 고정되되, 단면적이 큰 내부하우징 부분은 상부하우징에, 단면적이 작은 내부하우징 부분은 하부하우징에 대응하여 고정되며, 상기 하부하우징의 상단 일측에는 하부하우징 외부의 공기가 하부하우징 내부로 흡입되는 통로는 흡입 그레이트(grate)가 형성되는 공기 정화기를 제공한다.
상기 내부하우징의 하단에 형성된 공기유입구(302)는 상기 흡입 그레이트보다 낮은 위치에 위치하고, 상기 흡입 그레이트와 공기유입구 사이의 높이 부분에서 상기 하부하우징과 상기 내부하우징은 서로 이격되어 있는 공기 정화기를 제공한다.
상기 내부하우징 내에서 상기 UV LED 기판이 설치된 곳보다 공기 유동의 상류에 팬(60)이 설치되는 공기 정화기를 제공한다.
내부하우징 외부의 공기를 내부하우징 내부로 강제 유동시키는 팬이 상기 내부하우징의 하단의 팬 수용부(301)에 고정 설치되되, 상기 팬의 흡입부(61)는 서로 대향하여 좌측 및 우측 방향으로 형성되어 있고, 상기 공기유입구(302)도 팬 수용부(301)의 좌우 방향으로 서로 대향 형성되며, 상기 흡입 그레이트는 하부하우징의 전방에 형성된 공기 정화기를 제공한다.
상기 내부하우징은 좌측하우징(31)과 우측하우징(32)으로 이분되는 공기 정화기를 제공한다.
상기 공기유입구(302)에는 제1 카본필터가 설치되는 공기 정화기를 제공한다.
상기 하부하우징(20)은 전방하우징(21)과 후방하우징(22)으로 이분되며, 상기 전방하우징(21)을 분리하면 상기 제1 카본필터의 설치부가 외부로 노출되는 공기 정화기를 제공한다.
상기 공기유입구(302)에는 한 쌍의 평행한 단턱부재(305)가 형성되고, 상기 제1 카본필터(70)의 하우징(71)의 폭이 상기 한 쌍의 단턱부재(305) 사이에 억지끼움되는 폭인 공기 정화기를 제공한다.
상기 내부하우징과 하부하우징의 나사체결부(306)의 라운드 형상이 상기 하우징(71)을 지지하여 상기 제1 카본필터가 단턱부재로부터 빠져나오는 것을 방지하는 공기 정화기를 제공한다.
상기 제1 카본필터의 하우징(71)에는 프리필터면(72)이 형성되고, 하우징 내부에는 활성탄이 수용된 공기 정화기를 제공한다.
상기 하우징(71)에는 탄성 실러(73)가 부착되어 있어서, 하우징과 단턱부재(305) 주변의 틈으로 공기가 유입되는 것을 방지하는 공기 정화기를 제공한다.
상기 팬의 배출부(63)는 후방 상부 방향으로 내부하우징 내부에 공기를 배출하고, 상기 내부하우징의 팬 수용부(301) 상부에는 상기 배출부(63)로부터 점점 공기가 유동하는 단면적이 넓어지는 형상의 유선형 확대 덕트(381)가 설치된 공기 정화기를 제공한다.
상기 팬의 배출부(63) 상부의 내부하우징 내부에는 확경된 덕트에 공기의 확산을 유도하는 유동가이드(37)가 형성된 공기 정화기를 제공한다.
상기 유선형 확대 덕트(381)의 상부에는 UV LED 기판이 이격 설치되되, 상기 UV LED 기판은 상기 유선형 확대 덕트의 유선 방향과 대응하여 기울어져 설치되는 공기 정화기를 제공한다.
상기 광촉매필터(80)와 제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)는 상부하우징의 높이 부분과 대응하는 내부하우징에 설치되되, 내부하우징에 대해 일측 방향으로 인출 가능하게 설치되어 있는 공기 정화기를 제공한다.
상기 광촉매필터(80)는, 촉매부(81); 상기 촉매부(81)의 둘레를 감싸는 탄성 범퍼(82);를 포함하는 공기 정화기를 제공한다.
상기 내부하우징의 광촉매필터 수용부(36)에는 상기 광촉매필터의 양측면의 전방 일부가 노출되도록 측면이 일부 절취된 공기 정화기를 제공한다.
상기 제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)는, 유해 가스를 흡착하고 집진을 하는 필터부재(93); 상기 필터부재를 수용하며 상기 필터부재를 내부하우징에 고정하거나 내부하우징으로부터 인출하는 프레임(91); 및 상기 프레임(91)의 전면에 형성된 손잡이(92);를 포함하는 공기 정화기를 제공한다.
상기 내부하우징 내에서 상기 광촉매 필터가 설치된 곳보다 하류에 공기가 내부하우징으로부터 토출되는 토출부(34)가 형성되는 공기 정화기를 제공한다.
상기 내부하우징의 상부에는 토출부로 공기의 유동을 유도하는 유선형 축소 덕트(382)가 형성된 공기 정화기를 제공한다.
상기 토출부(34)의 상류에는 자외선이 토출부를 통해 직접적으로 외부로 조사되는 것을 방지하는 자외선 출사 방지판(39)이 설치된 공기 정화기를 제공한다.
상기 유선형 축소 덕트 상부에는 제어 PCB(51)를 고정하는 PCB 고정부(33)가 마련되는 공기 정화기를 제공한다.
상기 PCB 고정부(33) 상부에는 상기 내부하우징 상부에 고정된 제어 PCB(51)와 토출부를 덮는 상면하우징(40)이 고정되고, 상기 상부하우징(10)이 내부하우징(30) 상부에 고정된 상태에서 상부하우징의 상단이 상면하우징의 외측 테두리의 하단과 접하는 공기 정화기를 제공한다.
상기 상면하우징(40)에는 토출부(34)와 연통하는 토출 그레이트(43)가 형성된 공기 정화기를 제공한다.
상기 상면하우징(40)에는 상기 제어 PCB(51)의 스위치를 누를 수 있는 버튼(41)이 형성되는 공기 정화기를 제공한다.
상기 제어 PCB(51)에서 팬(60)과 UV LED 기판(55)에 전원을 공급하고 제어하기 위해 연결하는 내부전원케이블은, 상기 제어 PCB(51)에서 연장되어 나와 내부하우징(30)의 외면에 밀착된 후 상기 팬 수용부(301)에 형성된 내부전원케이블관통공(315)를 통해 내부하우징(30)의 내부 공간으로 들어가는 공기 정화기를 제공한다.
상기 내부전원케이블관통공(315)을 통해 내부하우징(30)의 내부 공간으로 연장된 내부전원케이블은 상기 팬(60)에 연결되고, 내부하우징의 내부공간을 따라 더 연장되어 UV LED 기판(55)에 연결되는 공기 정화기를 제공한다.
상기 필터(80,90)는 내부하우징에 대해 전방으로 인출 가능하게 설치되고, 상기 내부전원케이블관통공(315)은 상기 내부하우징의 좌측면 또는 우측면에 밀착되어 연장되는 공기 정화기를 제공한다.
상기 내부전원케이블관통공(315)은 팬 수용부(301)의 전방 상부에 형성된다.
상기 제어 PCB(51)에는 우측면을 향해 노출되어 좌측방향으로 커넥터가 끼워지거나, 좌측면을 향해 노출되어 우측방향으로 커넥터가 끼워지는 입력전원커넥터(512)가 형성되는 공기 정화기를 제공한다.
상기 상부하우징(10)은 원통형의 측면부(11) 그리고 측면부 하단에서 내측으로 연장 형성된 단턱부(12)를 포함하고, 상기 하부하우징(20)은 상기 상부하우징보다 직경이 작은 원통형의 측면부(211,221), 상기 측면부 상부에 형성된 단턱부(213,223)를 포함하여서, 상부하우징(10)은 하부하우징(20)의 하부로부터 하부하우징(20)에 외삽된 상태에서 내부하우징(30)의 상부에 고정되는 공기 정화기를 제공한다.
상기 단턱부(12)에는 통과공(13)이 형성되고, 상기 단턱부(213,223)에는 절취부(215)가 형성되며, 상기 입력전원커넥터(512)에 연결되는 외부전원케이블은 상기 통과공(13)과 절취부(215)가 서로 매치되어 연통하는 공간을 통해 외부로 연장되는 공기 정화기를 제공한다.
상기 상부하우징(10)의 내면에는 원주방향으로 경사면을 가지는 체결돌기부(14)가 형성되고, 상기 내부하우징(30)의 상부 외면에서 상기 체결돌기부(14)의 위치와 대응하는 위치에는, 돌기수용홈(316); 및 클릭감을 주는 돌기를 마주하고 상기 돌기수용홈(316)과 측면에 이웃하여 형성되는 돌기고정홈(317);이 형성된 공기 정화기를 제공한다.
상기 돌기수용홈(316)은 밑으로 트인 형상이고, 상기 돌기고정홈(317)은 밑이 막혀 있는 형상이며, 상기 상부하우징 내면의 체결돌기부(14)가 상기 돌기수용홈(316) 하방으로부터 상기 돌기수용홈(316)에 끼워지고, 측방으로 이동하여 클릭감을 주는 돌기를 타고 넘어 상기 돌기고정홈(317)에 끼워짐으로써, 상기 상부하우징이 상기 내부하우징에 고정되는 공기 정화기를 제공한다.
상기 하부하우징의 상부에 형성된 단턱부(213,223)에는, 상기 상부하우징을 하부하우징에 외삽하여 올리거나 내릴 때 상기 체결돌기부(14)가 통과할 수 있는 함몰부(216)가 형성되어 있으며, 상기 함몰부(216)는 상기 돌기수용홈(316)의 직하방에 형성된 공기 정화기를 제공한다.
상기 외부전원케이블의 단말에는 "ㄱ"자형으로 구부러진 형태의 단자가 형성된 공기 정화기를 제공한다.
본 발명의 공기 정화기는, 광촉매 반응에 의한 정화 효율을 높임과 동시에, 차량과 같이 가동과 중단을 빈번히 하는 사용 환경에서도 광촉매필터에 의해 발생할 수 있는 불쾌한 냄새가 공기 정화기 밖으로 나오지 않도록 하여 사용자 만족도를 높일 수 있다.
또한 본 발명의 공기 정화기는 소형이고 에너지 소모가 적으면서도 공기 정화 능력이 뛰어나다.
또한 본 발명의 공기 정화기는 소형이면서도, 집진, 탈취뿐만 아니라 살균 효과도 뛰어나다.
또한 본 발명의 공기 정화기는, 컵 홀더에 끼워 사용하기에 편리한 형상과 컴팩트한 크기로 구성됨은 물론, 이러한 외부 형상에 대응하여 잘 짜여진 내부 구조를 가지고 있어 견고하다.
또한 본 발명의 공기 정화기는, 분해 구조가 간단하고, 최소한의 분해만으로 필터를 착탈할 수 있는 상태가 되며, 유지보수를 하기 편리한 구조를 가지고 있어, 필터의 유지보수가 편리하다.
또한 본 발명은 자외선이 외부로 조사되어 나오는 것을 방지하여 자외선으로 인해 발생할 수 있는 폐해를 없앴다.
또한 본 발명은 컴팩트하고 복잡한 내부 구조에서 효과적인 배선 위치를 제공하여 제작, 유지보수 및 사용이 매우 편리하다.
또한 본 발명의 하우징 구조에 의하면 외부전원케이블의 교체를 용이하게 하고, 또한 외부전원케이블이 빠지거나 파손되는 것을 방지한다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 공기 정화기의 사시도,
도 2는 도 1의 공기 정화기의 분해 사시도,
도 3 내지 도 5는 각각 도 2에 도시된 분해 구성을 조립해 나가는 상태를 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명의 상부하우징(10)을 위에서 바라본 원근 사시도,
도 7 내지 도 10은 외부하우징(상부하우징, 하부하우징 및 상면하우징)을 모두 분리하고, 제1 카본필터를 분리한 상태의 내부하우징을 여러 방향에서 바라본 사시도,
도 11은 상부하우징과 전면하우징만 분리한 상태에서 본 발명의 공기 정화기를 나타낸 사시도,
도 12는 상면하우징, 상부하우징, 후방하우징 그리고 우측하우징을 생략한 상태에서 본 발명에 따른 공기정화기를 나타낸 사시도,
도 13은 상면하우징, 상부하우징, 하부하우징 그리고 우측하우징을 생략한 상태에서 본 발명에 따른 공기정화기를 측면에서 바라본 도면,
도 14는 광촉매필터와 UV LED 기판의 배치 상태를 나타낸 사시도,
도 15는 광촉매필터의 평면도,
도 16은 광촉매필터의 전면(front face)에 도달하는 자외선의 세기에 따른 아세트알데하이드의 분해율을 나타낸 그래프,
도 17은 자외선 파장에 따른 광촉매필터의 자외선 흡수율을 나타낸 그래프,
도 18은 자외선 파장에 따른 아세트알데하이드의 제거율을 나타낸 그래프,
도 19는 광촉매필터의 높이(h)에 따라 아세트알데하이드의 탈취율이 어떠한 차이를 보이는지를 나타낸 그래프,
도 20은 광촉매필터의 높이(h)에 따라 아세트산의 탈취율이 어떠한 차이를 보이는지를 나타낸 그래프,
도 21은 2g의 TiO2를 1시간동안 소결한 광촉매필터의 소결온도별 탈취성능을 나타낸 그래프,
도 22는 2.5g의 TiO2를 1시간동안 소결한 광촉매필터의 소결온도별 탈취성능을 나타낸 그래프,
도 23은 광촉매필터에 2.5의 TiO2를 400OC의 소결온도로 소결시간을 달리 하여 제작한 광촉매필터의 소결시간별 탈취성능을 나타낸 그래프, 그리고
도 24는 광촉매필터에 로딩된 광촉매물질의 양에 따른 광촉매반응 효율을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
또한 이하 기술할 실시예들 중 어느 한 실시예의 구조나 구성은 통상의 기술자가 필요에 따라 다른 실시예의 구조나 구성에 적용하거나 치환할 수도 있으며, 구성을 삭제하거나, 다른 구성을 부가하는 것 역시 가능함은 자명하다.
이하, 상기한 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
[공기 정화기의 외관]
본 발명에 따른 공기 정화기의 사시도인 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 공기정화기는 상대적으로 직경이 큰 상부하우징(10)과, 상부하우징보다는 직경이 약간 작게 구성된 하부하우징(20), 그리고 상부하우징의 상단에 위치하는 상면하우징(40)을 포함한다.
상면하우징(40)의 중앙부에는 공기정화기를 온-오프하고 공기정화기의 공기유동량(바람세기)을 조절할 수 있는 버튼(41)이 각각 1개씩 2개 구비되고, 또한 공기정화기의 온-오프 상태와 공기유동량(바람세기) 정도를 육안으로 확인할 수 있는 램프 역시 각각 1개씩 2개 구비되어 있다. 공기정화기의 작동은, 가령 공기정화기를 온-오프 하고자 할 때에는 온-오프 버튼을 수초 누르고, 바람 세기를 조절하기 위해서는 바람 세기 조절 버튼을 한번씩 누르는 방식으로 작동되도록 할 수 있다.
상면하우징(40)의 일측에는, 도시된 바와 같이 정화된 공기가 토출되는 토출 그레이트(grate)(43)가 설치되어 있기 때문에, 정화된 공기는 통과되어 나오고, 큰 이물질은 그레이트 형상에 걸려, 외부에서 내부로 들어가는 것이 방지된다.
상부하우징(10)은 하부하우징(20)보다 직경이 크다. 상부하우징의 직경은 차량용 컵홀더의 상단부 직경보다 크게 구성하여, 공기정화기를 차량용 컵홀더에 끼워 고정하는 경우 상부하우징까지 컵홀더 안쪽으로 들어가지는 않도록 하는 것이 바람직하다.
하부하우징(20)은 전방하우징(21)과 후방하우징(22)의 2개의 분할체로 이루어져 있으며, 전방하우징(21)의 상단 부근에는 흡입 그레이트(212)가 형성되어 있다.
따라서 외부의 공기는 상기 흡입 그레이트(212)를 통해 하부하우징(20) 쪽으로 유입되고, 내부 구조에 의해 정화된 후, 상면하우징(40)의 토출 그레이트(43)를 통해 빠져나가게 된다.
[공기정화기의 구성 및 체결 구조]
도 2는 도 1의 공기 정화기를 분해한 상태를 나타낸 사시도이고, 도 3 내지 도 5는 각각 도 2에 도시된 분해 구성을 조립해 나가는 상태를 나타낸 사시도이다. 도 2 내지 도 5에서 상부하우징(10)을 가장 아래쪽에 배치시킨 이유는, 상부하우징이 공기정화기의 하단에서 상부를 향해 체결되는 구조이기 때문이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 상부하우징(10)과 하부하우징(20), 그리고 상면하우징(40)은 공기정화기의 외형을 이루고 있고, 그 내부에는 도 2에 도시된 바와 같이 내부하우징(30)이 설치되어 있다. 내부하우징은 외부하우징인 상부하우징(10), 하부하우징(20) 및 상면하우징(40)과 결합되어 외부하우징을 견고히 고정해 준다.
내부하우징(30)은 도시된 바와 같이 2개의 분할체로 이루어져 있는데, 내부하우징(30)의 2개의 분할체의 방향은 좌측하우징(31)과 우측하우징(32)으로서, 이는 하부하우징(20)이 전방하우징(21) 및 후방하우징(22)으로 분할된 방향과 서로 직각을 이룬다. 이렇게 외부하우징인 하부하우징(20)과 내부하우징(20)의 분할 방향이 서로 다르도록 구성하면, 하우징들이 구조적으로 더 강하게 서로 결속될 수 있다.
내부하우징(30)의 상부에는 PCB 고정부(33)가 마련되어 있는데, 이는 제어 PCB(51)가 내부하우징 상단 일측에 위치하는 토출부(34)를 가리지 않도록 하는 위치이다. 더불어 PCB 고정부(33)의 공간은 PCB 고정부의 하부에 형성된 유선형 축소 덕트(382)로 인해 마련된다. 후술하겠지만, 내부하우징(30) 내부에서 유동하는 공기를 토출부(34)로 유도하기 위해 유선형 축소 덕트(382)가 내부하우징 상단에 형성되는데, 이를 형성함으로 인해 마련된 공간에 PCB 고정부(33)를 마련함으로써, 소형 공기청정기의 내부 공간을 효율적으로 이용할 수 있다.
PCB 고정부(33)가 마련되는 내부하우징 부분의 우측에는 제어 PCB(51)에 외부전원케이블이 연결될 수 있는 경로로서 외부전원케이블관통공(322)이 형성되고, 좌측에는 제어 PCB(51)에서 후술할 팬(60)과 UV LED 기판(55)으로 전원을 공급하기 위한 내부전원케이블의 연결 경로로서 내부전원케이블통과공(312)이 형성되어 있다.
내부하우징(30)으로 인해 형성되는 공기의 유동 덕트 구조 내에는, 도시된 바와 같이 상부에서부터 하부로, 먼저 제2 카본필터(75)가 일체로 형성된 집진필터(90) 하부에 광촉매필터(80)가 인접하며 설치되고, 그 하부에 UV LED 기판(55)이 광촉매필터와 소정 거리 이격되어 고정된다. UV LED 기판 상의 UV LED는 광촉매필터를 향해 배치되어 있다.
제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)와 광촉매필터(80)는 공기의 유동 덕트 구조를 완전히 차폐하여, 덕트를 흐르는 공기가 반드시 광촉매필터(80)와 제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)를 통과하여 지나가도록 한다. 반면 UV LED 기판(55)은 내부하우징(30)의 내벽으로부터 내측으로 돌출 형성된 기판 고정부(303)에 의해 내부하우징(30)의 내벽과 이격된 상태로 설치됨으로써, 그 사이의 공간으로 공기가 유동할 수 있도록 하였다. 후술하겠지만, UV LED 기판(55)의 중앙부에는 살균 효과를 위해 275nm의 피크파장을 가지는 UV LED가 1개 설치되고, 그 주변으로는 광촉매필터의 활성화를 위해 365nm의 피크파장을 가지는 UV LED가 방사상으로 3개 설치된다.
여기서 주목하여야 할 것은, 제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)와 광촉매필터(80)가 교체 가능하도록 전방으로 인출되는 구조라는 점이다. 이들 필터가 인출되는 방향(전방)과 앞서 설명한 외부전원케이블(우측)과 내부전원케이블(좌측)의 배치 방향이 서로 겹치지 않도록 한 배치구조로 인해, 필터를 교체하고자 할 때 케이블을 분리할 필요가 없다.
내부하우징(30)의 하단부에는 팬(60)을 수용하여 고정하는 팬 수용부(301)가 마련되어 있고, 팬 수용부(301)의 좌우측 면에는 각각 팬에 의해 빨아들여지는 공기가 유입되는 공기유입구(302)가 형성되어 있다.
본 발명의 공기정화기에 사용되는 팬(60)은 좁은 공간에서도 공기의 유동을 효율적으로 발생시킬 수 있는 구조를 가진다. 도시된 바와 같이 팬(60)의 중앙부에는, 양측 방향으로 트여진 흡입부(61)가 형성되어 있고, 흡입부(61)를 통해 유입되는 공기는 날개의 유동에 의해 후방 상부에 형성된 배출부(63)로 강하게 배출된다.
내부하우징(30) 내에서 배출부(63)의 상부에는, 단면적이 좁은 배출부에서 배출되는 공기의 유동을 넓게 분산시키기 위한 형상으로 이루어진 유동가이드(37)가 설치되어 있다. 이와 더불어 내부하우징의 하부에는, 상기 배출부에서 배출되는 공기의 유동을 넓게 분산시키기 위한 또 다른 구성으로서 유선형 확대 덕트(381)가 형성되어 있다. 상술한 유동가이드(37)와 유선형 확대 덕트(381)에 의해, 좁은 출구에서 고속으로 배출되는 공기의 운동에너지 손실을 최소화하면서 공기의 흐름을 자연스럽게 유도할 수 있다.
내부하우징(30)의 하단에 형성된 공기유입구(302) 주변은 평판 형상으로 이루어지고, 그 상단과 하단에는 전후로 뻗는 길이방향으로 각각 단턱부재(305)가 형성되어 있다. 이 단턱부재(305)는 공기유입구(302)를 덮는 제1 카본필터(70)와의 체결구조이다.
내부하우징(30)의 하단에 형성된 공기유입구(302)는 도시된 바와 같이 제1 카본필터(70)로 덮게 된다. 제1 카본필터(70)는 제1 카본필터의 형태를 유지하기 위한 하우징(71)과, 하우징(71) 양측면{공기유입구(302)와 마주하는 면 및 그 반대면}의 트여진 부분에 설치되는 프리필터면(72)을 포함한다.
프리필터면(72)은 먼지를 걸러주는 프리필터의 기능과 함께, 하우징의 내부 공간에 수용되어 있는 활성탄(미도시)이 하우징 외부로 흘러나오지 않도록 방지하는 기능을 가진다.
제1 카본필터(70) 내부의 활성탄은 공기 중에 있는 냄새 입자를 흡착하여 탈취를 한다. 활성탄은 사용할수록 흡착력이 떨어지고, 또한 재생이 어렵다. 따라서 본 발명에서는 제1 카본필터(70)의 교체를 염두하고 착탈 구조를 구성하였다.
앞서 설명한 것처럼, 공기유입구(302) 주변은 평판 형상이고, 그 상하단에는 각각 단턱부재(305)가 형성되어 있다. 또한 상기 제1 카본필터(70)의 너비(카본필터가 정사각형일 때 그 정사각형의 한 변의 길이)는 두 단턱부재의 간격과 같거나 그보다 아주 약간 크다. 따라서 별도의 체결구조 없이 두 단턱부재 사이에 제1 카본필터의 상하단을 억지끼움으로써 제1 카본필터를 내부하우징 하단 좌우측에 각각 설치할 수 있다.
제1 카본필터의 하우징(71) 둘레에는 도시된 바와 같이 탄성 실러(73)가 설치되어 있어서 제1 카본필터의 하우징(71)과 공기유입구(302) 주변의 평판 사이의 틈으로 공기가 유입되는 것을 막아준다.
또한 제1 카본필터의 하우징 형상은 도시된 바와 같이 내부하우징과 접촉하는 쪽의 면이 가장 넓으면서 그 반대 쪽으로 갈수록 점점 좁아지는 사다리꼴 단면 형상이다. 이러한 구조로 인해 형성되는 제1 카본필터 테두리 부분의 경사면 형상은, 도 4에 도시된 바와 같이 내부하우징(30)과 후방하우징(22)을 체결하기 위한 나사체결부(306) 부분의 라운드 형상과 서로 맞물리게 된다. 따라서, 이와 같은 구조에 의해, 제1 카본필터가 나사체결부에 의해 맞물리면서 내부하우징의 결합면을 향하는 방향으로 지지된다.
하우징들의 체결구조를 살펴보면, 먼저 내부하우징(30)의 어느 일측에 팬(60)과 UV LED 기판(55)이 고정된 상태에서, 내부하우징(30)의 두 분체를 나사 등으로 체결한다. 본 발명의 실시예에서는 제어 PCB(51)와 팬(60) 및 UV LED 기판(55)을 연결하는 내부전원케이블이 내부전원케이블통과공(312)을 통과하면서 좌측 하우징(31)에 배치될 것이므로, 내부전원케이블 통과공(312)이 형성된 좌측하우징(31)에 팬(60)과 UV LED 기판(55)을 고정한 후, 우측하우징(32)을 덮어 두 내부하우징 분체를 체결하는 것이 바람직하다.
다음으로 도 4에 도시된 바와 같이 제어 PCB(51)를 내부하우징 상단에 마련된 기판 고정부(303)에 나사 등으로 고정하고, 제2 카본필터 복합형 집진필터 수용부(35)와 광촉매필터 수용부(36)에 각각 제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)와 광촉매필터(80)를 끼워 넣는다.
그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 후방하우징(22)을 내부하우징 하부에 나사로 고정한 후{도 4에 도시된 후방하우징 내부의 나사체결홈과 내부하우징의 나사체결부(306) 참조}, 후방하우징 전방에 전방하우징(21)을 체결하여 하부하우징(20)을 내부하우징(30)에 고정하고, 내부하우징(30) 상단에 상면하우징(40)을 고정한다.
그리고 마지막으로 도 5의 상태에서 하부로부터 상부하우징(10)을 끼워 올려, 도 1과 같이 상부하우징을 체결하면 조립이 끝난다.
[공기정화기의 하우징 구조와 필터 교체 구조의 관계]
본 발명에서는 다른 하우징을 체결할 때와 달리, 전방하우징(21)을 체결할 때, 그리고 상부하우징(10)을 체결할 때에는 나사 체결 없이 다른 구조에 의해 전방하우징과 상부하우징을 순서대로 견고하게 결합할 수 있다. 본 발명에 의하면 상부하우징(10)이 별도의 공구 없이 도 5와 같은 상태로 분리될 수 있고, 상부하우징 분리 후에는 전방하우징(21) 역시 별도의 공구 없이 분리 가능하다.
이하 이러한 전방하우징과 상부하우징의 체결구조를 살펴본다.
도 6은 본 발명의 상부하우징(10)을 위에서 바라본 원근 사시도이다.
상부하우징(10)은 원통형의 측면부(11) 그리고 측면부 하단에서 내측으로 연장 형성된 단턱부(12)로 이루어진다. 단턱부(12)에 의해 형성되는 내경은 하부하우징(20)의 직경과 동일하거나 그보다 아주 약간 커서, 하부하우징(20)을 내부하우징(30)에 결합한 상태에서 상부하우징(30)이 하부하우징(20) 하단부로부터 하부하우징에 외삽되어 내부하우징(30)의 상부까지 올라갈 수 있다.
하부하우징(20)은 상부하우징보다 직경이 작은 원통형의 측면부(211,221), 측면부 상부에 형성된 단턱부(213,223), 그리고 단턱부의 단부에서 상방으로 연장된 단턱측면부(214,224)를 포함한다. 하부하우징(20)의 단턱부(213,223)는, 상부하우징(10)이 하부하우징(20)에 외삽되어 상부에 끼워질 때 상부하우징(10)의 단턱부(12)와 서로 맞닿아 상부하우징의 상방 이동을 규제하고, 이렇게 상부하우징이 규제되는 높이에서 상부하우징의 상단이 상면하우징(40)과 맞닿게 된다.
상부하우징의 내면에는 도 6에 도시된 바와 같이 체결돌기부(14)와 정렬돌출부(15)가 형성되어 있다. 그리고 전방하우징(22)의 전방단턱부(213) 및 전방단턱측면부(214)에는 상기 체결돌기부(14)와 대응하는 위치에 함몰부(216)가 형성되어 있고, 후방하우징(22)의 후방단턱부(223)에는 상기 정렬돌출부(15)와 대응하는 위치에 정렬홈(226)이 형성되어 있다.
따라서 상부하우징(10)을 하부하우징(20)에 외삽하여 끼워 올릴 때, 상술한 체결돌기부(14)와 정렬돌출부(15)가 각각 함몰부(216)와 정렬홈(226)에 정렬되어야만 상부하우징(10)이 체결위치까지 완전히 올라갈 수 있다.
한편 내부하우징(30)의 측면에는 도 8에 도시된 바와 같이 돌기수용홈(316)과 돌기고정홈(317)이 서로 인접하여 형성되어 있는데, 돌기수용홈(316)와 돌기고정홈(317)은 모두 체결돌기부(14)와 대응하는 형상이다. 다만 돌기수용홈(316)은 밑으로 트인 형상이고, 돌기고정홈(317)은 밑이 막혀 있는 형상이며, 돌기수용홈과 돌기고정홈 사이에는 클릭감을 주는 돌기가 형성되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이 체결돌기부(14)와 정렬돌출부(15)가 각각 함몰부(216)와 정렬홈(226)에 정렬되어 상부하우징(10)을 체결위치까지 완전히 올리게 되면, 상부하우징(10)의 내면에 형성된 체결돌기부(14)는 돌기수용홈(316)에 수용되고, 이 상태에서 상부하우징(10)을 회전시켜 체결돌기부(14)의 경사면(도 6 참조)이 돌기수용홈과 돌기고정홈 사이의 클릭감을 주는 돌기를 타고 넘게 하면, 체결돌기부(14)가 돌기고정홈(317)에 고정되어 상부하우징(10)이 완전히 고정된다.
즉 이 상태에서 상부하우징(10)의 상방으로의 유동은 상면하우징(40)과 단턱부(213,223)에 의해 규제되고, 상부하우징의 회전은 돌기고정홈(317)의 좌우측에 형성된 돌기와 벽에 의해 규제되며, 아울러 상부하우징의 하방으로의 유동은 체결돌기부(14)가 막혀 있는 돌기고정홈(317)의 밑부분에 의해 규제된다.
이렇게 상부하우징(10)이 고정되면, 전방하우징(21) 역시 상부하우징(10)과 후방하우징(22)에 의해 구속되며, 특히 상부하우징(10)이 하부하우징(20)을 감싸는 형태로 고정되어 있기 때문에, 전방하우징(21)에 별도의 나사체결을 하지 않더라도 전방하우징(21) 역시 견고히 고정될 수 있게 된다. 다만 상부하우징(10)이 하부하우징(20)의 상부만을 감싸고 있으므로, 전방하우징(21)의 바닥면이 후방하우징의 바닥면(229)과 스냅 방식 등으로 체결되는 정도의 구조만 가지면, 전방하우징(21)은 견고하게 고정 상태를 유지할 수 있다.
한편 상부하우징(10)에는 통과공(13)이 형성되어 있는데, 이는 전방하우징(21)의 절취부(215)와 대응하는 위치에 형성된다. 통과공(13)의 크기는 외부전원케이블이 통과할 수 있는 정도가 되며, 절취부(215)는 외부전원케이블이 통과할 수 있으면서 상부하우징의 체결돌기부(14)가 돌기수용홈과 돌기고정홈 사이를 회전하는 각도만큼 더 절취되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 절취부(215)는, 하부하우징(20)이 내부하우징(30)에 체결된 상태에서 우측하우징(32) 쪽에 위치하게 된다. 이는 외부전원케이블의 이동경로를 확보하기 위한 것으로, 외부전원케이블은 우측하우징(32)의 외부전원케이블 관통공(322)를 통해 제어 PCB(51)의 입력전원커넥터(512)에 연결된 후, 우측하우징(32)과 상부하우징(10) 사이의 공간을 통해 통과공(13) 및 절취부(215)를 통과하여 외부로 연장될 수 있다.
입력전원커넥터(512)는 외부전원케이블의 단자(미도시)가 끼워질 수 있는 소켓류로 이루어질 수 있다. 단자와 소켓 구조를 적용한 이유는 외부전원케이블의 교체를 용이하게 하기 위해서이다. 가령 차량에 본 발명의 공기정화기를 사용할 때에는 시거잭의 12V 직류전원을 사용하지만 가정이나 사무실에서 사용할 때에는 220V의 교류전원을 사용해야 하므로, 외부전원케이블을 교체할 개연성이 충분하고, 따라서, 단자와 소켓 구조로 외부전원케이블을 제어 PCB(51)에 연결하는 것이 바람직하다.
여기서 주목할 점은 단자가 끼워지는 방향과 외부전원케이블의 인출방향이 서로 수직을 이룬다는 것이다. 즉 외부전원케이블의 단자가 끼워지는 방향은 직경방향이고, 외부전원케이블이 인출되는 방향은 아래방향이기 때문에, 가령 외부전원케이블의 단자가 "ㄱ"자 형태라면 상부하우징(10)의 내면이 이 단자를 단자의 접속 방향으로 지지하는 형태가 되어, 외부전원케이블이 바깥 쪽에서 당겨지더라도 외부전원케이블이 빠지는 것을 방지할 수 있다.
상부하우징과 전방하우징의 체결구조를 위와 같이 구성한 이유는, 공기정화기의 제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)를 교체할 때, 별다른 공구 없이 상부하우징만을 분리해내는 것만으로 제2 카본필터 복합형 집진필터의 교체가 가능하도록 하기 위해서이다. 즉 위 체결 방식의 역순으로, 상부하우징을 반대로 회전시켜 체결돌기부(14)가 돌기고정홈(317)에서 클릭감을 주는 돌기를 타고 빠져나와 돌기수용홈(316)으로 돌아오도록 한 상태에서, 상부하우징을 밑으로 빼면 도 5와 같은 상태가 되는데, 이 상태에서는 도시된 바와 같이 제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)의 삽입부가 노출되어 있다. 따라서 단순히 상부하우징을 분리하기만 하면, 제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)를 쉽게 교체할 수 있다.
제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)의 손잡이(92)를 잡아당기면, 도 10에 도시된 바와 같이 제2 카본필터 복합형 집진필터를 빼낼 수 있고, 제2 카본필터 복합형 집진필터를 뺀 상태에서 프레임(91) 내의 필터부재(93)만 교체하면 된다.
아울러 상술한 바와 같이 상부하우징을 분리한 후에는, 별다른 공구 없이 전방하우징(21)을 후방하우징에서 떼어낼 수 있기 때문에, 도 11에 도시된 바와 같이, 전방하우징을 떼어냄으로 인해 노출되는 내부하우징(30) 부분을 통해 광촉매필터(80)와 제1 카본필터(70)를 교환하는 것 역시 가능하다.
도 7 내지 도 10은 외부하우징(상부하우징, 하부하우징 및 상면하우징)을 모두 분리하고, 제1 카본필터를 분리한 상태의 내부하우징을 여러 방향에서 바라본 사시도, 도 11은 상부하우징과 전면하우징만 분리한 상태에서 본 발명의 공기 정화기를 나타낸 사시도이다.
본 발명의 공기정화기의 내부하우징을 살펴보면, 내부하우징은 그 전방으로 제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)와 광촉매필터(80), 그리고 제1 카본필터(70)를 모두 삽입하거나 인출할 수 있는 구조를 가지고 있다. 따라서 상부하우징(10)을 분리한 후에는 내부하우징의 전면으로 노출된 제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)의 손잡이(92)를 잡아당겨 제2 카본필터 복합형 집진필터를 교체할 수 있고, 전방하우징(21)을 분리한 후에는 내부하우징의 전면으로 노출된 광촉매필터를 빼낼 수 있다.
광촉매필터의 촉매부(81)는 도 14 내지 도 15에 도시된 바와 같이 격자모양의 세라믹 기체(基體, base)에 TiO2를 소결시켜 제작되므로 경도(hardness)와 취성(brittleness)이 모두 크다. 따라서 촉매부(81) 둘레로 탄성 범퍼(82)를 도시된 바와 같이 감싸서, 촉매부를 충격에서 보호하고 촉매부와 내부하우징(30)이 잘 밀착되도록 한다.
TiO2 코팅 광촉매필터에는 시간이 지남에 따라 그 표면에 이물질이 부착되어 광촉매 효율이 떨어지는 문제점이 있지만, 가격이 높다는 점에서 교체하기 부담스러운 필터이기 때문에, 필터의 재생과 관련한 기술 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 따라서 광촉매필터는 교환이나 재생을 위한 탈착 구조가 필요하다. 하지만, 앞서 설명하였듯이, 광촉매필터는 촉매부(81) 주변을 탄성 범퍼(82)로 감싼 형태로 이루어져 있기 때문에, 제2 카본필터 복합형 집진필터처럼 내부하우징(30)에 착탈하기 위한 손잡이를 형성하기 번거로운 면이 있다. 이에 본 발명에서는 도 7 내지 도 11에 도시된 바와 같이 내부하우징(30)의 전면부만 개방한 형태가 아니라 전면부에 연통하여 그 측면을 일부 절취함으로써 내부하우징(30)에 끼워진 광촉매필터(80)의 전면은 물론 측면 일부가 함께 노출되도록 하였다. 이러한 내부하우징 형태로 인해 손으로 광촉매필터의 양측면을 파지할 수 있기 때문에, 광촉매필터를 인출하기가 용이하다.
[공기정화기의 전기적 연결 구조]
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 공기정화기의 좌측하우징(31)의 표면에는, 도시된 바와 같이 내부전원케이블통과공(312)에 연이어 내부전원케이블통과홈(313) 그리고 내부전원케이블안내홈(314)이 형성되어 있다. 그리고 내부하우징의 팬 수용부(301) 전방 상부에는 내부전원케이블관통공(315)이 형성되어 있다.
따라서 제어PCB(51)에서 팬(60)과 UV LED 기판(55)에 전원을 공급하기 위해 연결되는 내부전원케이블은, PCB 고정부(33)에 고정된 제어PCB(51)로부터 차례대로 내부하우징의 외면을 따라 내부전원케이블통과공(312), 내부전원케이블통과홈(313), 내부전원케이블안내홈(314)을 거쳐 내부전원케이블관통공(315)을 관통함으로써 내부하우징의 내부공간에 들어가게 되며, 내부공간에 들어간 내부전원케이블은 내부하우징 하단에 설치된 팬(60)에 연결되고, 더 연장되어 UV LED 기판(55)에 연결된다. 본 발명의 공기정화기는, 외부 공간과 내부 공간의 관문인 팬 수용부(301)에 형성된 내부전원케이블관통공(315)을 통해 내부전원케이블이 관통하여 내부하우징의 내부공간에 들어가도록 함으로써, 내부하우징의 기밀(氣密)을 유지하여 팬에 의한 공기 유동 가속 효율을 더욱 높게 하였다(내부하우징의 다른 부분을 뚫어 그 부분으로 내부전원케이블을 내부하우징 내부로 집어넣는다면, 뚫린 부분과 내부전원케이블의 틈새를 통해 내부에 유동하던 공기가 일부 유출될 것이다).
얼핏 보면 제어 PCB(51)와 인접한 내부하우징(30)의 토출부(34)를 통해 내부전원케이블이 내부하우징 내부로 쉽게 들어갈 수 있어 보이지만, 내부하우징의 공기 유동 경로가 제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)와 광촉매필터(80)에 의해 차단되어 있기 때문에, 이러한 경로는 불가능하다(굳이 이러한 경로로 케이블을 배치한다면 케이블 주변으로 내부 공기가 바이패스하여 필터에 의한 공기 정화 효율이 떨어질 수밖에 없다). 또한 앞서 설명한 바와 같이 내부하우징의 전방으로는 필터들을 교체해야 한다. 따라서 본 발명에서는 내부하우징의 일측면을 통해 내부전원케이블이 위와 같은 경로로 연결되도록 하였다.
도 10에 도시된 바와 같이 내부전원케이블통과공(312)과 외부전원케이블관통공(322)은 필터의 인출방향을 피해 양 측면에 형성되어 있기 때문에, 도 9에 점선으로 도시된 바와 같이, 내부전원케이블과 외부전원케이블이 각각 내부하우징의 좌측면과 우측면의 경로로 연결되도록 한 구조는, 매우 작고 또한 그 전면으로 필터의 착탈구조를 구비하여야 하는 본 발명의 공기정화기의 내부공간 활용 효율을 크게 높여주어, 본 발명의 공기정화기를 더욱 컴팩트하게 구성할 수 있도록 하여준다.
[공기정화기의 유동경로]
도 12는 상면하우징, 상부하우징, 후방하우징 그리고 우측하우징을 생략한 상태에서 본 발명에 따른 공기정화기를 나타낸 사시도이고, 도 13은 상면하우징, 상부하우징, 하부하우징 그리고 우측하우징을 생략한 상태에서 본 발명에 따른 공기정화기를 측면에서 바라본 도면이다.
본 발명에 따른 공기정화기의 유동 경로를 살펴보면, 팬에 의해 발생하는 음압에 의해 전방하우징의 흡입 그레이트(212)를 통해 흡입된 공기는 하부하우징과 내부하우징 사이의 공간을 거쳐 내부하우징(30) 하단 양측면의 제1 카본필터(70) 및 공기유입구(302)를 통해 팬(60)의 흡입부(61)로 흡입되고, 이어서 팬에 의해 배출부(63)에서 상향 배출되는 공기는 유동가이드(37)와 유선형 확대 덕트(381)에 의해 확경된 덕트 구조에 골고루 분산되어 상부로 이동한다.
유동가이드(37)는 상방으로 올라갈수록 유선형으로 전방을 향해 기울어지고, UV LED 기판(55) 역시 기판 상의 UV LED의 조사 방향이 광촉매필터에서 크게 벗어나지 않는 한도 내에서 전방으로 갈수록 약간 상향지게 기울어진 상태로 설치된다. 또한 도 13과 도 2에서 확인할 수 있듯이, 기판의 둘레는 모두 내부하우징에 의해 형성되는 공기 유동 덕트에 대해 이격 배치되어 공기의 흐름을 자연스럽게 유도함으로써, 공기의 유동 에너지 손실을 줄였다.
도 12와 도 13을 참조하면, 유선형 확대 덕트(381)는 공기 유동에서 상부로 올라갈수록 점점 전방을 향해 확경되는 구조이다. 이는 역으로 말하자면, 흡입 그레이트(212)를 통해 외부로부터 하부하우징(20) 내부로 유입된 공기 역시 내부하우징(30) 하단의 공기유입구(302)로 하향 이동하면서 유선형 확대 덕트(381)에 의해 확대된 유동경로를 가지게 된다는 것이다. 즉 유선형 확대 덕트(381)는 내부하우징 내의 공기유동경로의 단면적을 확대시킬 뿐만 아니라, 하부하우징(20)과 내부하우징(30) 사이의 공간에서도 공기유동경로의 단면적을 확대시키는 기능도 하게 된다. 본 발명의 이와 같은 공기 유동 구조와 덕트 구조는 공기유동 손실을 최소화하면서도 공기 정화기를 컴팩트하게 구성할 수 있게 하여 준다.
다음으로, 팬에 의해 상승하는 공기는 상술한 구성에 의해 유동이 안내되어 광촉매필터(80)에 형성된 다수의 관통공을 통과하고, 이어서 설치된 제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)를 통과하게 된다.
여기서 주목해야 할 부분은, UV LED 기판(55)은 상대적으로 소경의 하부하우징(20) 높이에 대응하는 내부하우징 하부에 배치되어 있고, 광촉매필터(80)와 제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)는 상부하우징(10)의 높이에 대응하는 내부하우징 상부에 배치되어 있다는 것이다. 즉 내부하우징 역시 하부하우징과 상부하우징 사이의 단턱부 높이에서 확경이 이루어지는데, 상대적으로 작게 구성할 수 있으면서도 광촉매필터와는 어느 정도 이격되어 배치되어야 하는 UV LED 기판(55)을 내부하우징의 소경부에 배치하고, 공기와 접촉하는 면적을 최대한 확보하기 위해 조금 더 크게 제작되어야 하는 광촉매필터를 내부하우징의 확경부에 배치하며, 공기 압력 강하가 많이 일어날 수밖에 없는 제2 카본필터(75) 복합형 집진필터 역시 공기가 통과하는 필터의 단면적을 더욱 크게 하기 위해 내부하우징의 확경부에 배치한 본 발명의 구조는, 제품을 컴팩트하게 구성하면서도 공기 정화 효율을 크게 높일 수 있는 구조임을 알 수 있다.
필터들(80,90)을 통과한 공기는 다시 유선형 축소 덕트(382)를 통해 좁아진 토출부(34)로 안내되어 외부로 배출된다.
유선형 축소 덕트(382)는 공기유동의 단면적을 줄이면서도 공기의 유동 손실을 줄일 수 있도록 유선형으로 형성되어 있으며, 이러한 형상에 의해 마련되는 유선형 축소 덕트의 상부 공간은 PCB 고정부(33)로 활용할 수 있다. PCB 고정부(33)에는 제어 PCB가 고정되어, 공기 정화기의 상면에서 제품의 작동 상태를 확인하며 조작을 할 수 있게 된다. 컵홀더에 고정하여 사용할 것을 염두 한 본 발명의 공기 정화기의 사용버튼은 상면에 있는 것과 공기의 토출방향 역시 공기정화기의 상면에서 상부를 향하고 있는 것은 본 발명의 사용 상태에 가장 잘 부합한다고 할 수 있다. 또한 유선형 축소 덕트 구조를 두어 공기의 유동 손실을 줄이며 공기의 흐름을 좁은 토출구로 유도하면서도 제어 PCB(51)가 형성될 수 있는 공간을 확보하여, 제품을 더욱 컴팩트하게 구성할 수 있다.
한편 토출구(34)의 하부에는 UV LED 기판에서 조사하는 자외선이 토출구를 통해 외부로 직접적으로 조사되는 것을 방지하기 위해 자외선 출사 방지판(39)이 형성되어 있어, 사용자가 자외선의 유해성에 대해 의구심을 가지는 것을 미연에 방지할 수 있다.
본 발명의 공기정화기에서 공기가 흡입되는 위치와 방향은 하부하우징(20)의 상단(상부하우징과 하부하우징의 단턱부 밑 부분)에서 전면을 향하고 있고, 공기가 배출되는 위치와 방향은 상면하우징(40)의 상면에서 상부를 향하고 있다. 이렇게 흡입구와 배출구가 서로 멀리 다른 방향을 향해 배치된 구조는, 정화되어 배출된 공기가 흡입구로 다시 재유입되는 것을 방지한다.
또한 광촉매필터에 의해 분해되는 아세트알데하이드(acetaldehyde)와 아세트산(acetic acid)가 공기보다 무거워 가라앉는 점을 감안하면, 공기흡입구가 하부하우징에 위치하는 것이 공기정화 효율을 더 높이는 것이다.
아울러 본 발명은 컵홀더에 고정하여 사용할 것을 염두한 것이므로, 하부하우징의 상단에 흡입 그레이트(212)를 형성하여 정화할 공기를 흡입하도록 하였고, 하부하우징(20)과 내부하우징(30) 사이의 협소한 공간에서 공기의 유동 손실을 최소화하기 위해 유선형 확대 덕트(381)를 형성하고 그 하부에 내부하우징 내부로 들어가는 통로인 공기유입구(302)를 유선형 확대 덕트의 확대 방향과 수직 방향으로 양측에 두었으며, 내부하우징 내부에서도 다시 유선형 확대 덕트를 통해 공기 유동 단면적을 확보하였다는 점에서, 공기정화기의 크기와 사용 상태에 가장 최적의 공기 유동 경로를 실현하였다고 할 수 있다.
[공기정화기의 필터 배치]
본 발명의 공기정화기의 공기 이동 경로에 따른 필터의 배치 순서에 따르면, 먼저 공기가 프리필터 및 활성탄으로 이루어진 제1 카본필터(70)를 통과함으로써 공기 중에 있는 큰 입자의 먼지가 프리필터에 의해 걸러지고 암모니아(NH4)와 아세트산(CH3COOH)과 같은 유해물질이 활성탄에 흡착 제거되며, 광촉매필터(80)의 광촉매반응을 통해 아세트알데하이드(CH3CHO)가 분해되고, 다시 활성탄이 매립되어 있는 부직포나 섬유필터 등으로 이루어진 제2 카본필터(75) 복합형 집진필터(90)를 통해 냄새를 일으키는 유해가스가 흡착되고 미세먼지가 걸러진 후 배출된다.
프리필터는 큰 먼지를 미리 걸러주어 후방에 있는 광촉매필터의 표면에 먼지 등의 이물질이 부착되어 광촉매필터의 효율일 떨어지는 것을 방지하여 준다. 또한 광촉매 반응의 경쟁에서 암모니아와 아세트산보다 늦게 반응하는 아세트알데하이드의 분해효율을 높이기 위해, 본 발명에서는 아세트알데하이드보다 경쟁반응에서 우월한 암모니아와 아세트산을 활성탄이 먼저 흡착하게 한 후(아세트알데하이드는 활성탄에 잘 흡착되지 아니함), 광촉매 경쟁반응에서 아세트알데하이드보다 우월한 다른 가스의 농도를 희박하게 한 상태에서 광촉매 반응을 일으킴으로써 아세트알데하이드가 조기에 광촉매 반응을 통해 분해될 수 있도록 한다.
본 발명에 의하면, 광촉매필터의 전방과 후방에 모두 카본필터(activate carbon filter)를 설치한 것이 주된 특징 중 하나이다. 광촉매필터의 전방에 카본필터를 배치시킨 이유는 앞서 설명한 바와 같다. 한편 광촉매필터의 후방에 카본필터를 배치시킨 이유는, 앞서 간략히 언급한바 있듯이, 광촉매 필터의 가동 초기에 발생하는 냄새 때문이다.
광촉매필터와 광원이 설치된 공기정화기를 수 시간 가동시키지 않은 상태에서 가동을 시작하게 되면, 공기정화기에서 불어나오는 공기에서 불쾌한 냄새가 나게 된다. 이렇게 냄새가 발생하는 원인을 확인하기 위해 여러 가지 실험을 한 결과, 광촉매 필터가 구비된 공기정화기에서 가동 초기에 불어나오는 불쾌한 냄새는, 필터의 기체(base)에서 나타나는 냄새도 아니고, 기체(base)의 종류에 따라 냄새 발생 유무가 결정되는 것도 아니며, 광촉매 코팅을 할 때 사용하는 첨가제(분산제)의 유무나 종류가 이러한 냄새 발생의 원인이 되는 것도 아님을 확인하였다.
또한 기체(base)에 로딩(loading)한 광촉매물질(TiO2)의 양이 적을수록 냄새의 발생양도 적어지는 것을 확인하였다.
아울러 광촉매필터에 자외선 광원이 조사되지 아니하는 시간이 길어지면 길어질수록, 다시 공기정화기를 가동하는 경우 냄새가 더 심하게 나는 것을 확인하였다. 또한 공기정화기를 다시 가동하여 초기에 냄새가 나더라도, 가동 시간이 경과하면 냄새가 다시 사라지는 것을 확인하였다.
이러한 사실로부터 유추할 수 있는, 광촉매필터에서 냄새가 나는 원인은, 광촉매를 활성화시키는 에너지를 제공하는 광원이 꺼진 상태에서 장시간 광촉매필터를 방치하는 경우, 광촉매필터에 코팅된 광촉매물질에 냄새의 원인이 되는 기체(gas)들이 흡착되어 쌓여가고, 이러한 상태에서 공기정화기의 전원을 켜는 경우, 팬에 의해 유동하는 공기에, 광촉매물질에 흡착되어 있는 냄새 원인 기체(gas)가 분리되면서 함께 유동하여, 공기정화기 가동 초기에 냄새가 난다는 것이다.
실험 결과, 광촉매필터의 후방에 활성탄(activated carbon)을 두는 경우, 활성탄이 위와 같이 광촉매물질에 흡착되어 있다가 분리되어 나온 기체를 흡착하여, 공기정화기 가동 초기에 나는 냄새를 제거할 수 있음을 확인하였다. 즉 가동 초기에 광촉매필터에 흡착되어 있다가 분리되는 냄새 원인 가스는 활성탄에 의해 잘 흡착되는 기체임을 확인할 수 있었다.
그리하여 본 발명은, 공기를 정화하는 경로에, 단순히 하나의 카본필터를 배치하는 것이 아니라, 광촉매 필터의 전방과 후방에 모두 카본필터를 배치하였다. 따라서 같은 카본필터라 하더라도 광촉매 필터의 전방에 있는 카본 필터와 후방에 있는 카본 필터의 역할은 다르다.
즉, 광촉매 필터 전방의 카본필터는 광촉매필터에서 경쟁반응에 뒤쳐지는 가스의 분해를 촉진하기 위해 광촉매필터에서 경쟁반응에 우세한 가스를 미리 흡착하고자 하는 구성이고, 광촉매 필터 후방의 카본필터는 광원을 조사하지 않고 광촉매필터를 장기간 방치한 경우 광촉매필터에 흡착되어 있던 필터가 공기 정화기 밖으로 빠져나가지 못하게 흡착하는 기능을 하는 구성이다.
따라서 광촉매 필터의 전방과 후방에 각각 배치되는 카본 필터와 동일한 양의 카본필터를 광촉매 필터의 전방에만 두거나 후방에만 두는 것보다, 광촉매 필터의 전방과 후방에 카본 필터를 나누어 배치하는 것이, 광촉매 필터의 광촉매 정화 효율을 더욱 높이고 광촉매 필터의 초기 가동시 발생하는 냄새를 예방하는 방안이 된다.
한편 앞서 설명한 바와 같이, 기체(base)에 로딩한 광촉매물질의 양이 적을수록 공기 정화기 가동 초기 냄새의 발생양은 적어진다. 반면 기체에 로딩한 광촉매물질의 양이 많을수록 광촉매반응 효율은 증가하지만, 광촉매물질의 양이 어느 정도 많아진 후에는 광촉매반응 효율이 더 이상 증가하지 않는다.
이는 광촉매반응의 원리와 광촉매물질에 기체가 흡착되는 원리가 다르기 때문이다. 즉 광촉매반응은 주로 자외선이 조사되는 면적의 표면에서만 일어나기 때문에, 광촉매물질의 양이 어느 정도 이상이 되면, 자외선이 조사되는 면적이 더 이상 증가하지 않아 광촉매반응 효율이 더 오르지 않는다. 반면 자외선이 조사되지 않는 동안 광촉매물질에 흡착되는 가스는, 광촉매물질의 표면에만 흡착되는 것이 아니고 어느 정도 깊이까지 흡착이 일어날 수 있으므로, 광촉매물질의 로딩 양이 커질수록 공기정화기 가동 초기 냄새의 발생양도 늘어나는 것이다.
따라서 공기 정화기 가동 초기의 냄새 발생양을 최대한 줄이면서도, 광촉매필터의 광촉매반응 효율을 높이기 위해서는, 광촉매물질의 양이 증가하더라도 더 이상 광촉매반응 효율이 좋아지지 않는 시점의 양만큼 광촉매물질을 로딩해야 할 것이다. 가령, 광촉매필터에 로딩된 광촉매물질의 양에 따른 광촉매반응 효율을 나타낸 도 24의 그래프에서 확인할 수 있듯이, 1.5g의 광촉매물질을 로딩하는 것이, 광촉매 반응 효율을 가장 높게 한 상태에서, 공기 정화기 가동 초기의 냄새 발생양이 최소화하는 방안이다.
한편 카본필터는 활성탄을 포함하는데, 공기의 유동에 따라 활성탄의 미세 입자가 공기의 유동을 타고 공기정화기 외부로 배출될 가능성을 배제할 수 없으므로, 이를 방지하는 구성이 필요하다. 특히 제1 카본필터(70) 또는 제2 카본필터(75) 중 적어도 어느 하나의 카본필터가 입상형 활성탄을 포함하는 경우에는, 활성탄이 외부로 배출되는 것을 방지할 구성이 더욱 요구된다.
이를 위해 본 발명에서는, 제2 카본필터(75)가 입상형 활성탄이 매립된 부직포 형태로 이루어지도록 할 수 있다. 또는 제2 카본필터를 펄프형 활성탄으로 구성할 수 있다. 부직포나 펄프는 활성탄 입자가 외부로 배출되는 것을 방지하기에 충분하므로, 본 발명에서는 이러한 필터구조를 적어도 제2 카본필터의 후방에 둘 수 있고, 더 컴팩트한 구성을 위해서 제2 카본필터 자체가 부직포나 펄프 형태가 되도록 할 수 있다.
또한 공기 정화기에 집진필터를 설치하고자 한다면, 집진필터가 제2 카본필터와 일체로 형성된 형태로 하거나, 집진필터가 제2 카본필터의 후방에 배치되도록 할 수 있다. 물론 제2 카본필터 복합형 집진필터를 사용하는 것이 더 컴팩트한 공기 정화기 구성이 가능하다.
본 발명에 의하면 집진필터가 제2 카본필터와 일체로 되거나 그 후방에 위치함으로써 카본필터의 활성탄 입자의 외부 배출을 방지하고, 아울러 압력 강하가 가장 많이 일어나는 집진필터를 광촉매필터의 후방에 두는 결과가 되어, 광촉매필터와 접촉하는 공기유동의 압력을 높게 하여 광촉매필터와 공기의 접촉 효율을 더 높인다는 점에 주목할 필요가 있다.
또한 본 발명에서 광촉매필터의 전방에 광촉매용 UV LED(57)를 배치하여 광촉매필터의 전방에서 자외선이 비추도록 한 것은, 광촉매필터를 통과해서 공기의 압력 강하가 발생하기 전에 광촉매필터의 전면 표면에서부터 광촉매 반응이 일어나도록 함으로써 광촉매필터의 유해가스 분해효율을 더 높인 점에 의미가 있다. 게다가 이러한 배치는 광촉매필터의 후방에 제2 카본필터 복합형 집진필터를 바로 밀착하여 배치시킬 수 있도록 하여주므로, 공기 정화기를 더욱 컴팩트하게 구성할 수 있다. 이와 더불어 본 발명의 UV LED(55) 기판에는 살균용 UV LED(56)가 함께 설치되어 있고, 살균용 자외선이 광촉매필터의 후방에 바로 접하여 설치되는 제2 카본필터 복합형 집진필터를 비추도록 하여 필터부재(93)에 걸러진 미생물이나 바이러스를 살균할 수 있으므로 단순히 유동하는 공기 중에 자외선을 비추는 것보다 살균 효율이 월등하다. 게다가 광촉매용 UV LED와 살균용 UV LED를 하나의 기판에 설치하여 구성까지 단순하게 하였다.
아울러 광촉매필터와 UV LED 기판 사이의 내부하우징 내면에 자외선 반사판(미도시)을 설치하게 되면, 내부하우징의 내면으로 조사되는 자외선이 다시 광촉매필터를 향해 조사되도록 할 수 있게 되어, 탈취 및 살균 효율을 더욱 높일 수 있다.
[광촉매필터와 UV LED의 관계]
도 14는 광촉매필터와 UV LED 기판의 배치 상태를 나타낸 사시도이고, 도 15는 광촉매필터의 평면도이다.
도 14를 참조하면 UV LED 기판(55) 상의 중앙부분에는 살균용 UV LED(56)가 설치되어 있고, 그 둘레로 3개의 광촉매용 UV LED(57)가 설치되어 있다. 특히 광촉매용 UV LED(57)는 광촉매필터(80)를 향하여 자외선을 조사하게 된다.
광촉매필터(80)는 도 15에 도시된 바와 같이 바둑판 무늬의 격자를 가지는 세라믹 다공체에 TiO2(Titanium Dioxide)를 입혀 소결시킨 촉매부(81)와, 상기 촉매부의 측면을 감싸는 탄성 범퍼(82)로 이루어진다.
촉매부의 전면(front face)와 광촉매용 UV LED(57) 사이의 거리는 UV LED 기판과 광촉매필터 간 거리에 따른 공기의 유동특성 변화 및 광촉매에 도달하는 자외선의 면적과 세기에 의해 달라질 것을 예상하고 실험한 결과, 정사각형의 광촉매필터의 한 변의 길이(l)가 5.5cm일 때, 광원(57)과 광촉매필터(81)의 전면 사이의 거리가 2.5cm 이격되었을 때 탈취 효율이 가장 뛰어났으며, 그 거리가 2cm 이하로 줄어들거나 3cm 이상으로 늘어난 경우 탈취 효율이 급격히 떨어짐을 확인할 수 있었다.
둘 사이의 거리가 2cm 이하로 너무 가까우면 광촉매필터의 면적 중 자외선이 조사되는 광촉매필터의 면적이 줄어드는 반면 광촉매필터의 단위면적 당 자외선의 세기가 강해져도 광촉매 활성화 효율이 더 이상 증가되지 않는 상태(saturation, 도 16과 관련하여 후술할 자외선의 세기 관련 실험 참조)가 되고, 아울러 UV LED 기판(55)이 광촉매필터와 너무 가까울 경우 자외선이 주로 조사되는 광촉매필터의 중간 영역으로는 공기 유동이 잘 되지 않아 활성화가 가장 잘 이루어지는 영역에 막상 접촉하는 공기의 양이 더 적어지기 때문이다.
또한 둘 사이의 거리가 3cm 이상으로 너무 멀면 광촉매필터의 단위면적 당 자외선의 세기가 줄어 광촉매 활성화 정도가 떨어지고, 또 먼 거리 사이에서 유동하는 공기의 흐름이 안정화되어 층류(laminar flow)처럼 거동하여 광촉매필터의 표면과 접하는 공기의 양 자체가 줄어드는 것이 원인이 된다.
한편 필터의 한변의 길이(l)가 4cm 이상 7cm 이하인 경우 탈취효율이 좋다. 필터의 한 변의 길이가 4cm이하로 짧아지면 자외선이 조사되는 영역에 필터가 모두 존재하지 아니하여 자외선이 낭비되는 결과가 되고, 필터의 한 변의 길이가 7cm 이상인 경우에는 그 반대로 자외선이 조사되지 않는 필터 영역이 존재하여 필터 소재의 낭비가 된다.
다음으로, UV LED(57)에 공급되는 전원의 경우, 전압이 5V 이하이거나 전류가 200mA 이하인 경우 발광량이 현저히 줄어 UV LED를 추가해야 하는 문제가 발생하며, 전압이 15V 이상이거나 전류가 300mA 이상인 경우 공급 전원을 높이더라도 발광량은 거의 늘지 않음을 확인하였다.
한편 본 발명의 발명자는 촉매부(81)에 형성된 격자의 형상, 각 셀(83)의 이격간격(g), 격자의 살 두께(t), 촉매부의 한 변의 길이(l), 촉매부의 셀의 개수(n), 촉매부의 높이(h), 공기의 유동 방향(정방향, 역방향), 촉매부의 소결온도와 소결시간, 광촉매용 UV LED(57)의 피크파장, 촉매부의 전면(front face)에 조사되는 자외선의 세기(irradiance)에 따라 광촉매필터의 탈취 성능이 달라짐을 확인하였다.
도 16은 광촉매필터의 전면(front face)에 도달하는 자외선의 세기에 따른 아세트알데하이드의 분해율을 나타낸 그래프이다.
먼저 촉매부의 전면에 조사되는 자외선의 세기(irradiance)에 따라 광촉매의 탈취성능이 어떻게 변화하는지를 반복 측정해 보았다. 측정 결과 광촉매 표면의 단위면적 당 자외선의 세기가 14.67(mW/cm2)일 때까지는 자외선의 세기가 증가할수록 광촉매의 탈취효율이 증가함을 확인하였으나, 그 이상 증가할 때에는 더 이상 탈취효율이 오르지 않는 것을 확인할 수 있었다. 특히 이러한 경향은 상술한 셀(83)의 이격간격(g), 격자의 살 두께(t), 촉매부의 한 변의 길이(l), 촉매부의 셀의 개수(n), 촉매부의 높이(h), 촉매부의 소결온도와 소결시간에 관계없이 일관적이었다.
또한 반복 실험 결과, 광촉매 표면의 단위면적 당 자외선의 세기 10(mW/cm2)보다 낮은 경우 광량이 부족해서였는지 광촉매 반응에 의한 탈취효율이 급격히 감소되고, 광촉매 표면의 단위면적 당 자외선의 세기 20(mW/cm2)보다 높은 경우 자외선의 세기를 높이기 위해 소모되는 전기에너지만 늘 뿐 광촉매 활성화에 의한 탈취 효율은 거의 증가하지 않았다.
도 17은 자외선 파장에 따른 광촉매필터의 자외선 흡수율을 나타낸 그래프이고, 도 18은 자외선 파장에 따른 아세트알데하이드의 제거율을 나타낸 그래프이다.
자외선 파장에 따른 광촉매필터의 자외선 흡수율은 도 17에 도시된 바와 같이 270nm 부근의 파장을 가장 잘 흡수하고, 400nm로 갈수록 흡수율이 선형적으로 떨어짐을 알 수 있다. 그러나 실제 UV LED를 사용할 때 광촉매 효율이 가장 뛰어나게 활성화되는 피크파장의 UV LED는 365nm임을 확인할 수 있었다. 이는 UV LED의 발광효율 때문인데, 피크파장이 작은 UV LED일수록 소자의 발광량이 급격히 떨어지기 때문에 낮은 피크파장을 가지는 UV LED를 사용하여 광촉매필터 표면에서 필요한 적정 자외선 세기를 맞추기 위해서는 많은 수의 UV LED를 사용해야 하나, 공기의 유동을 위해 기판의 크기를 키우는 데에도 한계가 있고, 비용 자체가 급격히 증가하게 된다. 이를 염두하여 실험한 결과 340nm 이하의 피크파장을 가지는 UV LED를 사용하게 되면 광촉매필터에 의한 탈취효율이 급격히 떨어짐을 확인할 수 있었다.
또한 380nm 이상의 피크파장을 가지는 UV LED를 사용할 때에는 광촉매의 자외선 흡수율 자체가 많이 떨어져 기존의 블랙라이트(Black Light)와 차이가 없어지는바, UV LED를 사용하는 큰 의미가 없게 된다.
실험 결과 피크파장이 360nm 이상이고 370nm 이하인 UV LED를 사용해야 광촉매필터에 의한 탈취 성능을 가장 높일 수 있음을 확인할 수 있었다.
도 19는 광촉매필터의 높이(h)에 따라 아세트알데하이드의 탈취율이 어떠한 차이를 보이는지를 나타낸 그래프이고, 도 20은 광촉매필터의 높이(h)에 따라 아세트산의 탈취율이 어떠한 차이를 보이는지를 나타낸 그래프이다.
실험 결과로 확인한 사실은, 도 15와 같은 형상의 광촉매필터의 경우, 광촉매필터의 살의 두께(t)로 인해 늘어나는 전면의 광촉매 표면의 면적은 거의 광촉매필터의 탈취효율에 영향을 미치지 않고, 광촉매필터의 높이(깊이)가 내부 공기 유동로의 내벽의 면적에 영향을 미쳐 공기와의 접촉면적에 직접적인 영향을 미친다는 것이다.
따라서 필터의 높이가 5~10mm인 경우 광촉매필터의 탈취효율이 가장 좋음을 확인할 수 있었다. 아울러 높이가 2mm 이하로 얇아지면, 광촉매필터 자체의 강도가 약해져 사용하기 어려우며, 높이가 15mm 이상인 경우에는 공기 저항만 심해지고 자외선이 도달하지 못하거나 그 세기가 매우 약해져서 탈취효율은 높아지지 않으면서 비용만 커지는 원인이 된다.
또한 셀(83)의 내부 이격 간격(g)이 2mm일 때, 공기 저항이 증가하지 아니하면서도, 필터의 형상 자체가 자외선이 필터 내부로 조사되는 자외선을 가로막아 음영이 발생하는 정도가 크기 않아, 자외선이 조사되는 셀 내부 면적이 가장 적절함을 확인할 수 있었다. 내부 이격 간격이 1mm 이하로 좁아지는 경우에는 공기저항이 높아지고 내벽에 도달하는 자외선의 양이 줄어들어 탈취효율이 떨어지고, 내부 이격 간격이 4mm 이상인 경우에는 셀 조밀도가 너무 낮아 내벽의 면적 자체가 크게 떨어지므로 탈취효율이 떨어짐을 확인할 수 있었다.
이를 셀의 밀도 관점에서 살펴보면, 셀의 조밀도가 30 cell/inch2보다 더 낮은 경우에는 내부이격간격이 4mm 이상 커져 내벽의 면적 자체가 크게 떨어지므로 탈취효율이 떨어지고, 셀의 조밀도가 260 cell/inch2 이상인 경우에는 내부 이격 간격이 1mm 이하로 좁아져 공기저항이 높아지고 내벽에 도달하는 자외선의 양이 줄어들어 탈취효율이 떨어진다고 볼 수 있으며, 셀의 조밀도가 100 cell/inch2 전후인 경우 공기 저항이 증가하지 아니하면서도 필터의 형상 자체가 자외선이 필터 내부로 조사되는 자외선을 가로막아 음영이 발생하는 정도가 크기 않아 탈취효율이 가장 뛰어나다.
다음으로, 살의 두께(t)에 대해 실험한 결과, 두께가 0.3mm이하인 경우에는 TiO2층이 너무 얇아져 광촉매효율이 떨어지고 강도에도 문제가 있으며, 두께가 1.2mm 이상인 경우에는 재료비만 증가할 뿐 광촉매효율은 더 이상 증가하지 않았다. 살의 두께는 0.6mm일 경우 광촉매효율이 가장 높았다.
도 21은 2g의 TiO2를 1시간동안 소결한 광촉매필터의 소결온도별 탈취성능을 나타낸 그래프, 도 22는 2.5g의 TiO2를 1시간동안 소결한 광촉매필터의 소결온도별 탈취성능을 나타낸 그래프, 그리고 도 23은 광촉매필터에 2.5의 TiO2를 400OC의 소결온도로 소결시간을 달리 하여 제작한 광촉매필터의 소결시간별 탈취성능을 나타낸 그래프이다.
도 21 내지 도 23을 참조하면, 소결온도가 350~450OC인 경우 탈취성능이 좋고, 소결시간은 1~2시간인 경우 광촉매필터의 탈취성능에 크게 문제가 없음을 확인할 수 있다. 따라서 온도의 편차를 감안하여 소결온도를 400OC로 하고, 소결시간이 1시간보다 짧은 경우 소결이 미완인 경우가 있을 수 있고 소결시간이 너무 길면 오히려 광촉매필터의 탈취성능이 떨어진다는 점에서, 소결시간은 1~2시간으로 한다.
본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다.
10: 상부하우징
11: 측면부
12: 단턱부
13: 통과공
14: 체결돌기부
15: 정렬돌출부
20: 하부하우징
21: 전방하우징
211: 전방측면부
212: 흡입 그레이트
213: 전방단턱부
214: 전방단턱측면부
215: 절취부
216: 함몰부
22: 후방하우징
221: 후방측면부
223: 후방단턱부
224: 후방단턱측면부
226: 정렬홈
229: 바닥면
30: 내부하우징
301: 팬 수용부
302: 공기유입구
303: 기판 고정부
305: 단턱부재
306: 나사체결부
31: 좌측하우징
312: 내부전원케이블통과공
313: 내부전원케이블통과홈
314: 내부전원케이블안내홈
315: 내부전원케이블관통공
316: 돌기수용홈
317: 돌기고정홈
32: 우측하우징
322: 외부전원케이블관통공
33: PCB 고정부
34: 토출부
35: 제2 카본필터 복합형 집진필터 수용부
36: 광촉매필터 수용부
37: 유동가이드
381: 유선형 확대 덕트
382: 유선형 축소 덕트
39: 자외선 출사 방지판
40: 상면하우징
41: 버튼
42: 작동표시등
43: 토출 그레이트
51: 제어 PCB
512: 입력전원커넥터
55: UV LED 기판
56: 살균용 UV LED
57: 광촉매용 UV LED
58: 커넥터
60: 팬
61: 흡입부
63: 배출부
70: 제1 카본필터
71: 하우징
72: 프리필터면
73: 탄성 실러
75: 제2 카본필터
80: 광촉매필터(TiO2)
81: 촉매부
82: 탄성 범퍼
83: 셀
90: 집진필터
91: 프레임
92: 손잡이
93: 필터부재
d: 광원과의 거리
g: 이격간격
l: 한변의 길이
n: 셀의 갯수
h: 높이
t: 살두께
90: 집진필터
91: 프레임
92: 손잡이
93: 필터부재

Claims (1)

  1. 상부 하우징 및 하부 하우징을 포함하는 하우징;
    상기 하부 하우징에 형성되어 상기 하우징 내부로 공기를 유입하는 공기 유입부;
    상기 상부 하우징에 형성되어 상기 하우징 내부로 유입된 공기를 토출하는 토출부;
    상기 하우징내에 배치되어 상기 배출부에서 배출되는 공기의 유동을 넓게 분산시키는 유동가이드;
    상기 하부 하우징에 배치되어 상기 유입된 공기 내의 유해 물질을 제거하는 필터;
    상기 유입된 공기가 상기 하부 하우징으로부터 상기 상부 하우징으로 이동하는 공기 유동 덕트;
    상기 공기 유동 덕트를 향해 자외선 광을 조사하는 광원; 및
    상기 광원으로 전원을 공급하기 위해 연결되는 내부전원케이블;을 포함하는 공기 정화기.
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