KR20220168627A - 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터 및 이의 제조방법, 이를 이용한 공기청정기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터 및 이의 제조방법, 이를 이용한 공기청정기에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 담체에 담지된 금속 나노입자가 균일하고 작은 사이즈로 이루어져 촉매활성이 우수하고 내구성이 우수한 촉매필터를 이용하여 미세먼지, 유해가스 및 바이러스를 상온에서 효과적으로 제거할 수 있으며 다중이용 시설에 활용 가능한 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터 및 이의 제조방법, 이를 이용한 공기청정기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터 및 이의 제조방법, 이를 이용한 공기청정기에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 담체에 담지된 금속 나노입자가 균일하고 작은 사이즈로 이루어져 촉매활성이 우수하고 내구성이 우수한 촉매필터를 이용하여 미세먼지, 유해가스 및 바이러스를 상온에서 효과적으로 제거할 수 있으며 다중이용 시설에 활용 가능한 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터 및 이의 제조방법, 이를 이용한 공기청정기에 관한 것이다.
산업 기술이 발전하면서 이에 따른 부산물로 수많은 오염물질이 배출되고 대기 환경오염이 심각해지고 있으며, 최근 실내공기질 관리법이 전면 시행됨에 따라 실내 오염원에 대한 관리가 강화되었다.
특히 지하철역, 여객터미널, 대규모점포, 도서관, 노인요양시설, 어린이집, 의료기관 등의 다중이용시설의 실내공기질은 미세먼지, 이산화탄소, 폼알데하이드, 총 부유세균, 일산화탄소에 대해 유지기준이 설정되어 현재 시행중에 있다.
이러한 실내공기질 관리법과 관련하여 건축자재의 사전 적합확인제도 도입을 통해 실내공기 오염원을 최소화하고 라돈, 미세먼지(PM-2.5) 등 건강을 위해 관리 체계가 강화되고 있으며, 이를 위해 실내 공기 정화를 위한 촉매의 다양한 연구개발이 이루어지고 있는 추세다.
최근 나노 입자를 이용하여 오염 물질을 처리하는 기술이 크게 발전하고 있으며 특히 금 나노입자를 촉매나 광촉매로 이용한 기술은 유기물 분해나 미네랄화에서 높은 효율을 보여 큰 주목을 받고 있다.
이러한 금 나노입자는 저온에서 촉매적 반응이 우수하여 상온에서 일산화탄소를 제거할 수 있으며 유기물 합성 및 개질 반응 등에 적용될 수 있어 금 나노입자를 활용하려는 많은 연구가 이루어지고 있다.
아울러 Au/TiO2의 합성 방법으로, 수용액에서 시트릭산을 이용하여 AuCl4를 환원하는 방법과 수용액에서 NaBH4 을 이용해 AuCl4를 환원한 후 톨루엔으로 추출하는 방법과 HAuCl4 수용액에 TiO2를 첨가하여 24시간 교반 후 침전물을 여과하고 건조하는 방법 등이 널리 알려져 있다.
그러나 이러한 종래의 금 나노입자 합성방법들은 금 나노 입자의 형상이나 크기의 조절이 용이하지 못하여 균일한 크기와 모양을 갖는 나노 입자 합성이 어렵고, 유기 용매를 이용함으로써 Na, Cl, NH3 등 오염물질의 배출로 인하여 환경오염, 고비용 등이 문제되는 등 여러 가지 이유로 고품질 나노 입자의 경제적인 대량 생산이 힘든 문제점이 있다.
아울러, 종래의 합성방법은 합성 시에 금의 손실이 대량 발생하여 담체에 고정화되지 못한 금의 회수와 재생이 어렵기 때문에 불필요한 비용이 많이 발생하는 한계가 존재한다.
그리고 종래의 공기 청정기용 필터는 필터에 코팅된 물질이 잘 떨어져 사용 중에 공기 정화 성능이 저하되는 현상이 발생하고 있어, 필터에 코팅된 촉매물질의 내구성을 향상시키기 위한 기술이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 스퍼터링에 의해 금속 전극으로부터 떨어져 나온 금속 나노입자가 균일하고 작은 사이즈로 금속 산화물에 담지되어 상온활성이 우수한 촉매를 이용하여 상온에서 공기 정화 효과를 얻을 수 있는 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터 및 이의 제조방법, 이를 이용한 공기청정기를 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 다른 목적은 필터부재에 분사된 촉매가 진공 압력을 이용하여 필터부재 내에 깊고 견고하게 흡착되도록 제조되어 촉매필터의 내구성을 향상시킬 수 있어 사용 중에 공기 정화에 대한 성능 저하를 방지할 수 있는 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터의 제조방법 및 이에 의해 제조된 촉매필터 및 이를 포함하는 공기청정기를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 위한 본 발명에 따른 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터의 제조방법은, 증류수와 금속산화물을 이용하여 담체 시료를 준비하는 단계, 상기 담체 시료를 증류수에 첨가 후 교반하여 담체가 분산된 용액을 제조하는 단계; 상기 담체가 분산된 용액에 염기성 용액을 첨가하여 pH를 7 내지 10으로 조절하는 단계; pH가 조절된 용액에 수용된 한 쌍의 금속 전극에 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시켜 스퍼터링에 의해 금속 전극으로부터 방출된 금속 나노입자가 금속산화물에 담지되는 단계;금속 나노입자가 담지된 금속산화물이 분산된 용액을 건조하여 촉매를 획득하는 단계; 상기 촉매를 필터부재에 흡착시켜 촉매필터를 제조하는 단계를 포함하여 이루어진다.
그리고 상기 금속산화물은 Ti, Al, Zr, Si, Fe, Mg, Ca, Ba, Mn, Cr, W의 산화물 또는 이들의 둘 이상의 복합 금속산화물 중에서 선택되고, 상기 금속 전극은 Au, Pt, Pd, Ag, Ru, Rh, Re, Nb, Ir, Co, Ni, Cu, Mo 또는 이들의 둘 이상의 합금 중에서 선택되는 전극인 것이 바람직하다.
이때, 상기 금속산화물은 TiO2이고, 상기 금속 전극은 Au 전극인 것이 바람직하다.
그리고 상기 담체가 분산된 용액을 제조하는 단계에서 담체 : 증류수는 1.6㎎ 내지 2.0㎎ : 100 내지 400㏄이고, 금속 나노입자가 금속산화물에 담지되는 단계에서, 상기 pH가 조절된 용액은 냉각기를 이용하여 5 내지 23℃의 온도로 제어되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 담체 시료를 준비하는 단계는, 증류수와 금속산화물을 교반하여 슬러리 용액을 제조하는 단계와, 상기 슬러리 용액에 염기성 용액을 첨가하여 pH를 7 내지 10으로 조절하는 단계와, pH가 조절된 슬러리 용액을 여과하여 침전물을 담체 시료로 수득하는 단계를 포함할 수 있다.
아울러, 상기 담지되는 단계에서, 스퍼터링에 의해 상기 금속 전극이 소모됨에 따라 설정된 시간마다 상기 한 쌍의 금속 전극이 서로 가까워지는 방향으로 이동되어 한 쌍의 금속 전극 간의 설정 간격을 유지하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 촉매필터를 제조하는 단계는, 진공 챔버 내에 필터부재를 삽입하는 단계와, 상기 필터부재의 일측에 상기 촉매를 분사하는 단계와, 상기 진공 챔버에 연결된 진공탱크에 의해 상기 필터부재의 타측으로 진공 압력을 발생시켜 상기 촉매를 상기 필터부재에 흡착시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 목적을 위한 본 발명에 따른 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터는 앞서 설명한 제조방법에 따라 제조되는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 공기청정기는 앞서 설명한 제조방법에 의해 제조된 촉매필터를 포함하는 필터부; 오염 공기가 유입되는 흡입구와 정화된 공기가 배출되는 배출구가 형성되고, 공기의 오염도를 측정하는 센서가 설치되며 상기 필터부가 수용되는 내부공간이 형성된 몸체부; 공기의 흐름을 유도하여 상기 배출구를 통해 정화된 공기가 배출되도록 상기 몸체부 내에 구비되는 송풍기;를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서 상기 필터부는, 상대적으로 큰 이물질을 제거하는 프리필터와, 미세먼지를 제거하는 헤파필터와, UV LED가 장착된 광촉매 필터를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 필터부는, CNCl, HCN, Phosgene, Sarin을 포함하는 화학작용제 또는 C6H12, NH3, Cl2, HCl, H2S, CS2, PH3, HCHO, NO2를 포함하는 산업용 독성화학물질을 제거하기 위한 첨착활성탄 기반의 필터를 더 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터 및 이의 제조방법에 의하면, 솔르션 플라즈마 프로세스를 이용하여 최적의 공정조건으로 균일하게 상대적으로 작은 크기의 금속 나노입자를 담체인 금속산화물에 고정화시킬 수 있으므로 반응 표면적을 극대화 시킬 수 있어 촉매의 활성이 우수하고 내구성이 우수한 효과가 있다.
그리고 본 발명에 의하면, 촉매가 필터부재에 분사된 상태에서 진공 압력에 의해 필터부재 내에 깊게 흡착되어 촉매필터의 내구성이 향상되는 이점이 있다.
본 발명에 따른 공기청정기에 의하면, 금속이 담지된 촉매필터를 이용하여 상온활성이 우수하여 상온에서 공기 정화 성능이 우수한 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 군의 화생방전에서 사용되는 화학작용제의 제거용으로도 활용될 수 있어 민간뿐만 아니라 군수용으로도 활용도를 넓힐 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터의 제조방법을 도시한 순서도,
도 2는 본 발명에 따른 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매의 합성 방법을 도시한 개념도,
도 3은 본 발명의 촉매를 필터에 흡착시키는 과정을 도시한 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 공기청정기를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 공기청정기의 내부를 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 필터부를 통한 공기 청정 동작을 도시한 작동도이다.
도 2는 본 발명에 따른 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매의 합성 방법을 도시한 개념도,
도 3은 본 발명의 촉매를 필터에 흡착시키는 과정을 도시한 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 공기청정기를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 공기청정기의 내부를 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 필터부를 통한 공기 청정 동작을 도시한 작동도이다.
[
솔루션
플라즈마
프로세스를 이용한 촉매필터의 제조방법 및 이에 의해 제조된 촉매필터]
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터 및 이의 제조방법를 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터의 제조방법을 도시한 순서도, 도 2는 본 발명에 따른 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매의 합성 방법을 도시한 개념도, 도 3은 본 발명의 촉매가 필터에 흡착되는 과정을 도시한 개념도이다.
도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터 및 이의 제조방법은, 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용하여 작고 균일한 크기의 금속 나노입자가 담체인 금속산화물에 담지되어 고정화되므로 촉매활성이 우수하며, 금속 나노입자의 손실이 거의 없어 경제성이 우수하게 합성된 촉매를 이용한 촉매필터의 제조방법과 이를 통해 제조된 촉매필터을 제시한다.
본 발명에 따른 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터의 제조방법을 단계적으로 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터의 제조방법은, 기본적으로 TiO2 를 포함하는 담체시료를 준비하는 단계(S10), 담체가 분산된 용액을 제조하는 단계(S20), 염기성 용액을 첨가하는 단계(S30), 금속 나노입자가 금속산화물에 담지되는 단계(S40), 촉매를 획득하는 단계(S50), 촉매필터를 제조하는 단계(S60)를 포함하여 이루어질 수 있다.
이러한 본 발명은 솔루션 플라즈마 프로세스(SPP, solution plasma process)를 이용하여 금속이 담지된 금속산화물을 합성한 촉매를 이용하여 필터를 제조하는 것으로, 더욱 구체적으로는 Au/TiO2 촉매를 이용한 필터를 제조하는 것을 특징으로 한다.
여기서 솔루션 플라즈마 프로세스(SPP, solution plasma process)는 용액 중 플라즈마 방전에 의해 발생하는 고에너지 전자, 라디칼 및 이온을 이용하여 용액과의 상호작용에 의해 새로운 물질을 합성하는 방법으로 기존의 기상 플라즈마와 달리 저온 비평형 플라즈마로써 상온에서 고속 용액 반응을 실현할 수 있다는 특징이 있다.
여기서 담체시료를 준비하는 단계(S10)는, 증류수와 금속산화물을 이용하여 담체 시료를 준비하는 것을 특징으로 하는데, 더욱 상세하게는 증류수와 금속산화물을 교반하여 슬러리 용액을 제조하는 단계(S11); 상기 슬러리 용액에 염기성 용액인 NaOH를 첨가하여 pH를 7 내지 10으로 조절하는 단계(S12); 염기성 용액이 첨가된 슬러리 용액을 여과하여 침전물을 담체 시료로 수득하는 단계(S13);를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서 상기 금속산화물은, Ti, Al, Zr, Si, Fe, Mg, Ca, Ba, Mn, Cr, W의 산화물 또는 이들의 둘 이상의 복합 금속산화물 중에서 선택되는 것이 바람직하고 더욱 구체적으로 상기 금속산화물은 TiO2인인 것이 가장 바람직하나, 이에 한정되지 않으며 촉매 담체로 사용 가능한 금속산화물로 이루어질 수도 있다.
더욱 구체적으로 설명하면, 상기 슬러리 용액을 제조하는 단계(S11)는 용기에 증류수와 금속산화물을 넣고 교반기를 이용하여 500~1000rpm으로 20 내지 40분동안 교반하여 금속산화물이 뭉치지 않고 용액 중에 균일하게 분산되도록 한다.
그 다음 단계인 상기 슬러리 용액에 NaOH 수용액을 첨가하여 pH를 7 내지 10으로 조절하는 단계(S12)에서는, NaOH 0.1M 수용액을 서서히 첨가하면서 pH 미터를 이용하여 pH를 7 내지 10으로 조절한 후 1 내지 2시간 동안 500 내지 1500rpm으로 교반하며, 더욱 구체적으로 pH는 9 내지 10으로 맞추는 것이 가장 바람직하다.
이때, 교반속도가 500rpm 미만일 경우 pH가 불균일하고 금속산화물 분말의 부분적으로 뭉치는 현상이 발생할 수 있으므로 500rpm 이상으로 진행하는 것이 바람직하다.
이와 같이 NaOH 0.1M 수용액을 서서히 첨가하며 pH를 조절함을 통해 금속산화물 표면에 OH 그룹의 형성을 풍부하게 할 수 있으며 교반을 통해 용액 내의 pH를 균일하게 하고 파우더의 부분적인 뭉침을 방지할 수 있는 이점이 있다.
그리고 상기 담체 시료로 수득하는 단계(S13)는, pH가 조절된 슬러리 용액을 여과하여 머디한 고체상의 침전물을 수득하여 담체 시료를 준비하는 과정을 완료한다.
다음으로, 상기 담체시료를 준비하는 단계(S10)에서 수득된 상기 담체 시료를 증류수에 첨가한 후 교반하여 담체가 분산된 용액을 제조하는 단계(S20)를 진행한다.
이때, 준비된 상기 담체 시료는 솔루션 플라즈마 장치(10)에 도입된 후 증류수를 첨가하여 교반기(14)를 이용하여 교반되는 것이 바람직하지만, 상기 담체 시료와 증류수를 혼합한 후 상기 솔루션 플라즈마 장치(10)에 도입할 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 솔루션 플라즈마 장치(10)는 내용물이 담기는 용기(11)와, 상기 용기(11)에 수용되어 설정 간격으로 이격되어 배치된 한 쌍의 금속 전극(12)과, 상기 한 쌍의 금속 전극(12)에 연결되어 상기 한 쌍의 금속 전극(12)에 전력을 공급하는 전원 공급부(13)와, 용기(11)에 담긴 내용물을 교반하는 교반기(14)와, 상기 용기(11)를 냉각시키는 냉각기(15)를 구비한다.
여기서 교반기(14)는 마그네틱 바(14a)를 이용하는 마그네틱 교반기인 것이 바람직하며, 상기 냉각기(15)는 상기 용기(11)의 외측을 둘러싸는 형태로 이루어지거나 상기 용기(11)를 수용하는 형태로 이루어질 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.
아울러, 상기 플라즈마 장치(10)는 금속 전극(12)의 외주면의 중앙부를 둘러싸는 형태로 이루어진 세라믹 튜브(16)와 상기 세라믹 튜브(16)의 외주면에 결합되어 금속 전극(12)을 용기(11)에 고정하는 것과 동시에, 금속 전극(12)과 용기(11)의 수밀을 유지하기 위한 마개 기능을 겸한 구성인 실리콘 플러그(17)를 더 구비할 수 있다.
즉, 상기 금속 전극(12)은 양단은 노출된 상태로 이루어지고, 어느 한쪽 끝단이 전원 공급부(13)에 연결되고 다른 한쪽 끝단이 용액 중에 수용되어 전압 인가에 의해 용액 중에 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 금속 전극(12)은 Au, Pt, Pd, Ag, Ru, Rh, Re, Nb, Ir, Co, Ni, Cu, Mo 또는 이들의 둘 이상의 합금 중에서 선택되는 전극인 것이 바람직하고, 이에 한정되지 않으며 전기전도도가 높아 전극으로 사용하여 스퍼터링 가능한 금속군으로 이루어질 수도 있다.
더욱 구체적으로, 여기서 상기 금속산화물은 TiO2 이고, 상기 금속 전극은 Au인 것이 가장 바람직하다.
아울러, 담체가 분산된 용액을 제조하는 단계(S20)에서 금속산화물인 담체 : 증류수가 1.6㎎ : 2.0㎎ : 100 내지 400㏄인 것이 바람직하다.
즉, TiO2 : 증류수는 1.6㎎ : 2.0㎎ : 100 내지 400㏄인 것이 바람직하며, 구체적으로 증류수는 TiO2 1.8㎎에 대해 100 내지 400cc 첨가되는 것이 더욱 바람직하다.
여기서 증류수의 부피는 작고 균일한 사이즈의 Au를 도출할 수 있도록 하는데, 증류수의 부피는 Au 나노입자의 확산거리와 연관이 있으면서 스퍼터링 되는 지점과의 거리와 연관되므로 적정치가 존재하며, 가장 바람직하게는 TiO2 1.8㎎에 대해 증류수 200 내지 400㏄가 혼합되는 것이 바람직하다.
더욱 구체적으로, 상기 증류수의 부피가 TiO2 1.6 내지 2.0㎎에 대해 100㏄ 미만일 경우에는 스퍼터링(sputtering)되어 떨어져 나온 Au 입자들의 확산거리가 짧기 때문에 입자 성장이 활발하게 이루어져 Au 입자가 크게 형성될 수 있다.
이때, 상기 증류수의 부피는 TiO2의 질량에 대해 비례적으로 증가하여 첨가될 수 있으나, 증류수의 부피가 과하게 커지게 된다면 용액 내의 온도편차 발생을 최소화하도록 대형 냉각기가 구비되어야 하므로 TiO2 1.6 내지 2.0㎎ 대비 증류수 100 내지 400㏄를 기준으로 단위실험을 하는 것이 바람직하다.
또한, 증류수가 대량 첨가될 경우에는 스퍼터링되는 지점과 멀리 떨어져 있는 TiO2가 상대적으로 많아져 Au가 균일하게 담체 표면에 담지되지 않을 수 있으므로 Au 전극(12)을 한 쌍 이상으로 병렬배치할 수도 있으나, Au가 균일하게 TiO2에 담지될 수 있으면서 장치 구성을 최소화할 수 있도록 TiO2 1.6 내지 2.0㎎ 대비 증류수 100 내지 400㏄를 기준으로 단위실험을 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 담체가 분산된 용액에 염기성 용액을 첨가하는 단계(S30)를 진행하고, 여기서 담체는 금속산화물이고 염기성 용액은 NaOH인 것이 바람직하며 염기성 용액을 통해 pH를 조절할 수 있다.
이 바람직하며, 상기 담체가 분산된 용액에 염기성 용액인 NaOH를 서서히 첨가하여 pH를 7 내지 10으로 조절하여 염기성으로 만들어 금속산화물 표면에 -OH(hydroxyl) 관능기가 생기도록 유도할 수 있다.
이때, 금속산화물의 표면에 관능기가 잘 생기면 담체 분말이 용액 중에서 잘 분산되어, 균일하게 작은 크기의 금속 나노입자가 금속산화물에 담지될 수 있다.
더욱 구체적으로, TiO2 표면에 -OH(hydroxyl) 관능기가 생김을 통해 일부 액체 내부에서 Au-OH-TiO2와 같은 화학흡착이 이루어질 수 있고, 이러한 화학흡착을 통해 Au 전극(12)으로부터 스퍼터링에 의해 떨어져 나온 Au의 입자성장이 방해되어 더욱 작고 균일한 크기의 Au가 TiO2에 담지될 수 있다.
이때, 상기 담체가 분산된 용액이 pH 7 내지 10의 범위를 벗어나게 된다면, 금속산화물인 담체 시료가 불균일하게 이루어고 금속 나노입자가 크게 형성되거나, 금속산화물 담체 시료에 담지되는 금속 나노입자의 양이 현저하게 줄어들게 된다.
더욱 구체적으로, 상기 담체가 분산된 용액을 pH 7 미만으로 조절한다면, 담체인 TiO2 분말이 용액 중에 불균일하게 분산되고, Au의 입자크기가 더욱 크게 이루어지므로 바람직하지 않다.
그리고 상기 담체가 분산된 용액에 대해 pH 10을 초과한다면, 금속산화물에 담지되는 금속 나노입자의 양이 감소하게 된다. 즉, 상기 담체가 분산된 용액의 pH가 10을 초과한다면 TiO2에 담지되는 Au 입자의 양이 감소하기 때문에 바람직하지 않다.
그 후 염기성 용액이 첨가된 담체가 분산된 용액에 수용된 한 쌍의 금속 전극에 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시켜 스퍼터링에 의해 금속 전극으로부터 방출된 금속 나노입자가 금속산화물에 담지되는 단계(S40)를 진행한다.
여기서 상기 금속산화물은 Ti, Al, Zr, Si, Fe, Mg, Ca, Ba, Mn, Cr, W의 산화물 또는 이들의 둘 이상의 복합 금속산화물 중에서 선택되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않으며 촉매 담체로 사용 가능한 금속산화물로 이루어질 수도 있다.
여기서 상기 금속 전극은 Au, Pt, Pd, Ag, Ru, Rh, Re, Nb, Ir, Co, Ni, Cu, Mo 또는 이들의 둘 이상의 합금 중에서 선택되는 전극인 것이 바람직하고, 이에 한정되지 않으며 전기전도도가 높아 전극으로 사용하여 스퍼터링 가능한 금속군으로 이루어질 수도 있다.
더욱 구체적으로, 상기 금속산화물은 TiO2이고, 상기 금속 전극은 Au 전극인 것이 바람직하고, pH가 조절된 용액에 수용된 한 쌍의 Au 전극(12)에 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시켜 스퍼터링에 의해 Au 전극에서 방출된 Au 나노입자가 담체인 상기 TiO2에 담지되어 Au/TiO2가 제조될 수 있다.
여기서 상기 금속 전극(12)은 직경이 0.5 내지 2mm인 금속 와이어인 것이 바람직하며, 더욱 상세하게 1mm인 금속 와이어인 것이 가장 바람직하다.
이때, 담체가 분산된 용액이 담긴 용기(11)와, 일단이 상기 용액 중에 설정된 간격으로 이격되어 배치된 한 쌍의 금속 전극(12)과, 상기 한 쌍의 금속 전극(12)의 타단에 연결되어 상기 한 쌍의 금속 전극(12)에 전력을 공급하는 전원 공급부(13)와, 교반기(14)와, 상기 용기(11)를 외측을 감싸거나 상기 용기(11)를 수용하는 형태로 이루어져 상기 용기(11)를 냉각시키는 냉각기(15)를 구비하는 솔루션 플라즈마 장치(10)를 이용하여 용액 중에 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
이때, 상기 전원 공급부(13)는, 직류 펄스 전압을 발생시키는 High Voltage Pulsed DC Power Supply이고, Repetition Frequency는 20kHz이며, Pulse width는 2㎲인 것이 바람직하다.
그리고 상기 pH가 조절된 용액은 솔루션 플라즈마 장치(10)에 구비된 냉각기(15)를 이용하여 5 내지 23℃의 온도로 제어되는 것이 바람직하며, 더욱 구체적으로 5 내지 10℃로 이루어지는 것이 바람직하다.
아울러, 스퍼터링 시간에 따라 금속 코팅량이 증가하므로 2 내지 5시간인 것이 바람직하다.
상기 금속 나노입자가 금속산화물에 담지되는 단계(S40)에서 용액의 온도는 낮을수록 입자성장이 제한되어 작은 크기의 금속 나노입자가 금속산화물에 담지되는 것이 가능하지만, 5℃보다 낮은 온도로 이루어지기 위해서는 용매를 액체질소로 대체하여 스퍼터링해야 하므로 제조단가 상승의 원인이 되므로 경제성 부분에 있어서 바람직하지 않다.
아울러, 상기 담지하는 단계(S40)에서 금속산화물이 TiO2이고 금속 나노입자가 Au인 경우에 TiO2에 담지되는 Au 나노입자의 크기는 2 내지 20㎚인 것을 특징으로 하며, 상세하게는 TiO2에 담지되는 Au 나노입자의 크기는 2 내지 8㎚로 이루어질 수 있고, 가장 바람직하게는 TiO2에 담지되는 Au 나노입자의 크기는 2 내지 4㎚로 이루어져 우수한 촉매성능을 갖도록 이루어질 수 있다.
아울러, 상기 담지되는 단계(S40)에서, 스퍼터링에 의해 상기 금속 전극(12)이 닳아 소모되어 한 쌍의 금속 전극(12)의 간격이 점차 멀어지며 불균일한 크기 및 형상의 금속 나노입자가 금속산화물에 담지되는 문제점이 발생할 수 있다.
이를 위해, 본 발명에서는 스퍼터링에 의해 상기 금속 전극(12)이 소모됨에 따라 설정된 시간마다 상기 한 쌍의 금속 전극(12)이 서로 가까워지는 방향으로 이동되어 한 쌍의 금속 전극(12) 간의 설정 간격을 유지하는 것을 특징으로 한다.
더욱 구체적으로, 본 발명은 스퍼터링에 의해 금속 전극(12)이 소모되는 반응 속도를 토대로 시간에 따라 한 쌍의 금속 전극(12)을 용기(11)의 중앙 측으로 자동으로 이동시켜주어 한 쌍의 금속 전극(12) 간의 설정 간격 내에서 일정하게 유지하여 균일한 촉매로 생산될 수 있도록 한다.
이때, 상기 한 쌍의 금속 전극(12) 간의 설정 간격은 0.2 내지 0.4mm인 것이 바람직하며, 더욱 구체적으로는 상기 설정 간격이 0.3mm인 것이 가장 바람직하다.
여기서 상기 한 쌍의 금속 전극(12) 간의 설정 간격을 유지하도록 상기 한 쌍의 금속 전극(12)을 중심 측으로 밀어주는 장치는 한정되지 않으며, 전극 간격 유지 장치는 설정 시간마다 용기(11)의 중심 측으로 이동하는 실린더로 이루어질 수도 있고, 설정된 시간마다 또는 설정된 속도로 권취된 롤을 풀며 금속 전극(12)을 용기(11)의 중앙 측으로 이동시킬 수 있는 구성으로 이루어질 수도 있다.
그 다음으로 금속 나노입자가 담지된 금속산화물이 분산된 용액을 여과한 후 건조하여 촉매를 획득하는 단계(S50)를 진행할 수 있다.
이때, 상기 금속 나노입자가 담지된 금속산화물이 분산된 용액은 여과 후 침전물을 44 내지 52시간 동안 진공건조하여 촉매를 획득하는 것이 바람직하다.
더욱 구체적으로, 상기 Au 나노입자가 담지된 TiO2가 분산된 용액은 여과 후 침전물을 44 내지 52시간 동안 진공 건조하여 Au/TiO2 촉매를 획득하는 것이 바람직하다.
다음으로, 촉매필터를 제조하는 단계(S60)는 상기 S50 단계에서 제조된 상기 촉매를 필터부재(110b)에 흡착시켜 촉매필터를 제조하는 단계(S60)이다.
더욱 구체적으로, 상기 촉매필터를 제조하는 단계(S60)는, 진공 챔버(C) 내에 필터부재(110b)를 삽입하는 단계(S61)와, 상기 필터부재(110b)의 일측에 상기 촉매를 분사하는 단계(S62)와, 상기 진공 챔버(C)에 연결된 진공탱크(T)에 의해 상기 필터부재(110b)의 타측으로 진공 압력을 발생시켜 상기 촉매(110a)를 상기 필터부재(110b)에 흡착시키는 단계(S63)를 포함하여 이루어질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 진공 챔버(C)는 내부에 공간이 형성되되 진공 상태로 이루어질 수 있고 상기 진공 챔버(C) 내의 공간에는 필터부재(110b)가 삽입 및 인출이 가능하도록 구성된다.
그리고 상기 진공 챔버(C) 내부의 일측 공간에는 상기 촉매(110a)가 분사되도록 노즐(N)이 장착되고, 상기 진공 챔버(C)의 타측에는 진공탱크(T)가 연결되어 상기 진공 챔버(C) 내의 공간을 진공 상태로 제어할 수 있다.
즉, 상기 진공챔버(C) 내의 공간에 필터부재(110b)를 삽입한 후 상기 노즐(N)을 이용하여 상기 필터부재(110b)의 일면에 촉매(110a)를 분사시키고, 상기 진공 탱크(T)에 의해 촉매(100a)가 분사되는 방향과 동일한 방향으로 진공 압력이 발생하게 되어 상기 필터부재(110b)의 일측에 분사되는 촉매(110a)가 상기 필터부재(110b)의 타측으로 발생하는 공기압에 의하여 상기 필터부재(110b)에 더욱 깊숙하게 압착되어 내구성이 우수한 촉매필터(110)를 제조할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같은 제조방법에 따라 제조된 금속산화물에 금속 나노입자가 담지된 촉매(110a)가 흡착된 촉매필터(110)는, 솔루션 플라즈마 처리를 이용하여 합성되므로 유기용매 사용으로 인한 Na, Cl, NH3 등의 오염물질 배출이 없으므로 친환경적이고 폐기물 처리비용이 절감되고 금속 나노입자의 손실을 최소화할 수 있으며, 더불어 최적의 공정조건을 통해 균일하면서 비교적 작은 나노사이즈의 금속 입자를 금속산화물에 담지함으로써 촉매 활성과 내구성이 우수한 효과가 있다.
[실시예 1]
100ml 이상의 비이커 용기에 증류수 75ml와 TiO2 1.8㎎을 넣어 슬러리 용액을 제조하였다.
상온에서 pH 맞추기 전 (NaOH 주입하기 전) 0.5h동안 magnetic stirrer를 이용하여 500rpm으로 교반한 후 NaOH 0.1M 수용액을 도입하여 pH 10으로 맞춘 이후 1.5h동안 500rpm으로 교반하였다.
이후 교반을 중단하고 여과하여 침전물을 담체 시료로 수득하였고, 담체 시료를 솔루션 플라즈마 반응기에 도입하였다.
고체상태의 담체 시료를 솔루션 플라즈마 반응기에 도입하였다.
앞서 제조된 담체 시료를 넣은 솔루션 플라즈마 장치에 DI water 100㏄를 채운 후 500rpm으로 교반하며 NaOH 0.1M 용액을 이용하여 pH 7로 조절하고 전원 공급부를 작동시켰다.
이때, 전원 공급부는 직류 펄스 전압을 발생시키는 High Voltage Pulsed DC Power Supply이고 Repetition Frequency는 20kHz, Pulse width는 2μs이고 Sputtering 시간은 5시간으로 진행하였으며, Magnetic stirring 교반속도는 500rpm이며, 냉각장치의 온도는 23℃로 설정하였다.
전원 공급부의 작동에 의해 용액 중에 플라즈마를 발생시키고, 스퍼터링을 5시간동안 진행하여 Au 전극으로부터 떨어져 나온 Au 나노입자가 TiO2에 담지되었다.
다음으로 플라즈마 처리가 종료되고 Au 나노입자가 담지된 TiO2가 분산된 용액을 여과한 후 진공건조하여 Au/TiO2 촉매를 제조하였다.
[실시예 2]
담체 시료가 첨가된 솔루션 플라즈마 장치에 DI water 100c를 채운 후 교반하며 NaOH 0.1M 용액을 이용하여 pH를 10으로 조절한 점과, 냉각장치의 온도를 5℃로 설정한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 촉매를 제조하였다.
[실시예 3]
담체 시료가 첨가된 솔루션 플라즈마 장치에 DI water 200㏄를 채운 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 과정으로 촉매를 제조하였다.
[실시예 4]
담체 시료가 첨가된 솔루션 플라즈마 장치에 DI water 200㏄를 채운 후 교반하며 NaOH 0.1M 용액을 이용하여 pH를 10으로 조절한 점과, 냉각장치의 온도를 5℃로 설정한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 촉매를 제조하였다.
[실시예 5]
담체 시료가 첨가된 솔루션 플라즈마 장치에 DI water 400㏄를 채우는 점과, 냉각장치의 온도를 5℃로 설정한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 촉매를 제조하였다.
[실시예 6]
담체 시료가 첨가된 솔루션 플라즈마 장치에 DI water 400㏄를 채운 후 교반하며 NaOH 0.1M 용액을 이용하여 pH를 10으로 조절한 점과, 냉각장치의 온도를 5℃로 설정한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 촉매를 제조하였다.
[시험예 1] 공정 조건 차이에 따른 TiO
2
에 담지된 금(Au)의 양과 크기
시험예 1에서는 Au/TiO2의 합성 조건 차이에 따른 TiO2에 담지된 Au의 양과 크기를 확인하기 위하여 실시예1 내지 6에 대한 담지량 및 Au입자의 크기를 측정하였으며, 합성 조건과 결과는 아래의 표에 나타내었다.
| 구분 | DI water 양(㏄) | pH | Cooling 온도(℃) | 담지량(wt%) | 금(Au)크기(㎚) |
| 실시예 1 | 100 | 7 | R.T | 0.6 | 15~20 |
| 실시예 2 | 100 | 10 | 5 | 0.9 | 5~8 |
| 실시예 3 | 200 | 7 | R.T | 0.7 | 12~18 |
| 실시예 4 | 200 | 10 | 5 | 0.9 | 2~4 |
| 실시예 5 | 400 | 7 | 5 | 0.6 | 8~12 |
| 실시예 6 | 400 | 10 | 5 | 0.9 | 5~8 |
상기 표와 같이, Au/TiO2의 합성 시 용매의 부피, pH, 온도 등 주위 환경에 따라 핵 성장 또는 입자성장에 영향을 주어 TiO2에 담지되는 Au의 담지량과 입자크기가 달라지는 것을 확인할 수 있었다.
먼저, DI water양에만 차이가 있는 실시예 2, 4, 6을 확인해보면, DI water 양이 200㏄인 실시예 4의 금 크기가 가장 작은 것을 확인할 수 있었다.
구체적으로, DI water 양이 많을수록 Au 입자들의 확산거리가 길어져 Au 입자 성장이 방해되어 균일하게 작은 크기의 Au 입자가 담지될 수 있는 것이나, Di water 양이 너무 많으면 스퍼터링 지점으로부터 멀리 떨어져 있는 담체가 존재하므로 Au 입자가 담체인 TiO2 표면에 균일하게 담지되지 않을 수 있으므로 적정치가 존재하는 것을 알 수 있다.
다음으로 pH 조건에 차이가 있는 실시예 1과 2, 실시예 3과 4, 실시예 4와 5를 비교해보면, pH가 높을수록 담지량이 증가하고 담지되는 Au의 크기가 더욱 작아지는 것을 확인할 수 있었다.
더불어, 동일한 DI water 기준에서 pH가 증가할수록 담지된 Au 입자 크기에 대한 편차가 작은 것으로 보아 더욱 균일한 크기의 Au가 담지될 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 결과는, pH를 조절하여 TiO2 표면에 -OH(hydroxyl) 관능기가 생기도록 유도함으로써, 담체분말이 물속에서 잘 분산될 수 있어 금(Au) 나노입자와의 합성이 균일하게 이루어져 전체적으로 균일하게 작은 입자크기의 Au가 TiO2의 표면에 담지될 수 있는 것이며, 이때 일부 용액 내부에서 Au-OH-TiO2와 같은 화학흡착이 이루어짐을 통해 Au의 입자성장이 방해를 받아 더욱 작고 균일한 크기의 Au가 TiO2에 잠될 수 있는 것이다.
그러나 pH가 10 이상일 경우에는 TiO2에 달라붙는 Au 입자의 양이 현저하게 줄어들기 때문에 바람직하지 않고, 작고 균일한 Au 입자가 TiO2에 최적의 질량으로 담지되기 위해서 가장 중요한 변수는 용매인 Di water 양과 pH인 것을 확인할 수 있었다.
[시험예 2] 공정 조건 차이에 따른 Au/TiO2 촉매성능 평가
시험예 2에서는 실시예 1 내지 6에 대해 Au/TiO2 합성방법에 따른 촉매평가 반응실험을 진행하였다.
촉매성능을 평가하기 위하여, 촉매량은 100㎎, 반응가스 유량은 1%CO/He 10ml/min, O2 20ml/min, He 70ml/min, 공간속도는 60,000h-1의 조건으로 촉매평가 반응 실험을 진행하였다.
여기서 T50% a는 승온실험 시 CO 전환율 50%에 해당하는 온도로서 낮을수록 활성이 우수한 것을 의미한다.
그리고 H50% b는 온도를 상온으로 유지하면서 CO 전환율이 50%로 낮아질 때까지 소요되는 시간으로서 시간이 오래 걸릴수록 내구성이 우수한 것을 의미한다.
더욱 구체적으로, CO 산화반응에서 활성 저하는 생성물인 CO2가 촉매표면에서 탈착되지 못하고 잔류함으로써 반응물인 CO와 O2의 흡착을 방해함으로써 발생하는 현상이며, 대기중의 공기를 반응물로 사용할 경우에 일정량의 습도에 의해 H2O가 촉매 표면에서 CO2 탈착을 유도하므로 내구성이 증대된다.
아래의 표 2에서는 실시예 1 내지 6에 대한 담지량, Au의 크기, T50% a , H50% b를 나타내었다.
| 구분 | 담지량(wt%) | Au 크기(㎚) | T50% a(℃) | H50% b(h) |
| 실시예 1 | 0.6 | 15~20 | 0 | 10 |
| 실시예 2 | 0.9 | 5~8 | -12 | 20 |
| 실시예 3 | 0.7 | 12~18 | -5 | 8 |
| 실시예 4 | 0.9 | 2~4 | -15 | 55 |
| 실시예 5 | 0.6 | 8~12 | -13 | 15 |
| 실시예 6 | 0.9 | 5~8 | -11 | 22 |
상기 표 2과 같이, 승온실험 시 CO 전환율 50%에 해당하는 온도는 실시예 4가 -15℃로 가장 낮아 활성이 가장 우수하며, 더불어 온도를 상온으로 유지하면서 CO 전환율이 50%로 낮아질 때까지 소요되는 시간도 55시간으로 가장 소요되어 내구성이 특히 우수한 것을 확인할 수 있다.
더욱 구체적으로, 실시예 1 내지 6중에서 실시예 4의 촉매성능이 가장 우수한 것인데, 이러한 결과는 실시예 4는 최적의 pH 및 용매의 양을 통하여 Au의 입자 크기가 가장 작은 사이즈로 균일하게 이루어지는 것이며, Au의 입자크기는 작아질수록 전체 원자수에 대한 표면 원자수의 비율이 증가하여 우수한 촉매성능을 나타낼 수 있는 것이다.
더불어, 실시예 4는 최적의 pH 및 용매의 양을 통해 TiO2에 담지된 Au의 질량이 상대적으로 많기 때문에 우수한 촉매성능을 가질 수 있는 것이다.
[
솔루션 플라즈마
프로세스에 의해 제조된 촉매필터를 이용한 공기청정기]
도 4는 본 발명에 따른 공기청정기를 도시한 사시도, 도 5는 본 발명에 따른 공기청정기의 공기 청정 동작을 도시한 작동도이다.
도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 공기청정기는 앞서 설명한 솔루션 플라즈마 프로세스에 의해 제조되어 상온활성 및 내구성이 우수한 촉매필터(110)를 이용하고 터미널, 지하철역, 기차역 로비 등 다중 시설의 이용자들을 위한 서비스 기능이 있는 공기청정기를 제시한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 공기정청기는 기본적으로 필터부(100), 몸체부(200), 송풍기(300), 제어부, 전원부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 필터부(100)는 프리필터(120), 헤파필터(130), 촉매필터(110), 광촉매 필터를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
더욱 구체적으로 도 6에 도시된 바와 같이 상기 필터부(100)는 상기 흡입구(210)를 통해 유입된 공기가 상기 프리필터(120), 헤파필터(130), 촉매필터(110), 광촉매필터(150)를 순차적으로 통과하도록 배치되어 구성되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 필터부(100)는 상기 프리필터(120), 헤파필터(130), 촉매필터(110), 광촉매필터(150)는 외측에서 내측으로 순차적으로 적층되어 상기 몸체부(200) 내에 수용될 수 있다.
여기서 상기 프리필터(120)는 상대적으로 큰 미세먼지, 머리카락 및 털 등 상대적으로 큰 이물질을 제거하는 필터이다.
상기 헤파필터(130)는 PM2.5 이하의 미세먼지를 포함하는 미세먼지를 제거하는 필터로, 공기 중의 입경이 0.3μm인 입자를 차단할 수 있고 바이러스가 헤파필터(130)를 통과하지 못하기 때문에 헤파필터(130)를 통해 바이러스 제거의 효과를 얻을 수 있다.
상기 촉매필터(110)는 앞서 설명한 솔루션 플라즈마 프로세스에 의해 제조된 촉매필터(110)이고, CO, CO2, 포름알데히드, 음식물 냄새, 탄화수소(Hydrocarbon)을 상온의 저온에서 제거할 수 있는 촉매(110a)를 필터부재(110b)에 압착하여 제조하고 열용량이 작고 열전달이 용이하며 바이러스 제거 기능을 갖는 필터인 것이 바람직하다.
여기서 촉매필터(110)는 금속 나노입자가 담지된 금속 산화물을 포함하는 촉매(110a)가 흡착되어 구성된 필터이고, 더욱 상세하게는 상기 촉매필터(110)는 솔루션 플라즈마 프로세스에 의해 제조된 촉매(110a)가 진공 압력에 의해 필터부재(110b)에 흡착된 필터인 것이 바람직하다.
이때, 상기 촉매필터(110)에 흡착된 촉매는 Au/TiO2 촉매인 것이 바람직하고, 상기 Au/TiO2 촉매에서 Au는 2 내지 8nm이고 Au의 담지량은 0.8~1.0%인 것이 바람직하다.
더욱 구체적으로 Au/TiO2 촉매에서 Au는 2 내지 4nm이고 Au의 담지량은 0.9%인 것이 바람직하다.
그리고 상기 촉매필터(110)는 Au가 작고 균일하게 담체인 TiO2에 담지되어 상온 활성도가 우수하고, 진공 압력을 이용하여 촉매(110a)를 필터부재(110b)의 깊은 위치까지 견고하게 흡착시킴을 통해 내구성이 우수한 특징이 있다.
상기 광촉매필터(150)는 항균 및 항바이러스를 위한 필터로서 광촉매가 코팅된 필터이고 UV LED(151)가 장착된다.
그리고 상기 필터부(100)는, 다중 이용시설에 규제되는 유해가스 제거를 위한 흡착제 성분을 포함하는 필터로서 구체적으로는 활성탄, 제올라이트 중에서 하나 이상을 포함하는 흡착필터(140)를 더 포함하여 이루어질 수도 있다.
또한 상기 필터부(100)는, 화생방전에서 사용되는 화학작용제인 CNCl, HCN, Phosgene, Sarin 등과, 산업용 독성화학물질인 C6H12, NH3, Cl2, HCl, H2S, CS2, PH3, HCHO, NO2 등을 제거하기 위한 첨착활성탄 기반의 필터(160)를 더 포함하여 군수 및 민수 독성물질 제거용으로 활용될 수도 있다. 상기 필터(160)의 일예로는, 한소 주식회사의 모델명 HS-ASZM를 들 수 있다.
그리고 상기 몸체부(200)는, 상기 필터부(100)가 수용되도록 내부공간이 형성되고, 오염 공기가 유입되는 흡입구(210)와 오염된 공기가 상기 필터부(100)를 통과하여 정화된 공기가 배출되는 배출구(220)가 다수 형성되고, 상기 몸체부(200)에는 공기의 오염도를 측정하는 적어도 하나의 센서(400)가 설치된다.
상기 배출구(220)는 상기 몸체부(200)의 상부 측면에 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 센서(400)는, 상기 몸체부(200) 중에서 상기 흡입구(210) 및 배출구(220) 또는 이와 인접한 위치에 설치되어 공기질을 측정하는 것이 바람직하다.
여기서 상기 센서(400)는 다수의 센서(400)로 구성될 수 있고 미세먼지를 측정하는 PM센서, 유해가스를 측정하는 HC센서, CO센서인 것이 바람직하다.
아울러, 상기 몸체부(200)에는 센서(400)로 차압센서, 습도센서, 온도센서가 더 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 센서(400)는 상기 몸체부(200)에서 다수의 위치에 장착되어 주변 공간의 공기질을 측정할 수 있도록 구성될 수도 있다.
그리고 상기 공기청정기는, 필터부(100)의 교체주기 예측이 가능하도록 구성될 수 있는데, 이를 위한 일례로서 상기 흡입구(210) 측에 설치된 센서(400)와 상기 배출구(220) 측에 배치된 센서(400)에서 각각 측정된 공기질 데이터값의 차이를 산출하여 필터부(100)의 교체주기 예측이 가능하도록 구성될 수도 있으나 이에 한정되지는 않는다.
그리고 상기 송풍기(300)는, 전원부에 의해 공급되는 전력에 의해 회전하면서 공기의 흐름을 유도하여 상기 필터부(100)를 통과한 공기가 상기 배출구(220)를 통해 배출되도록 상기 몸체부(200) 내에 구비될 수 있고, 상기 필터부(100)와 상기 배출구(220) 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
더욱 구체적으로, 상기 배출구(220)가 상기 몸체부(200)의 상부에 형성된 경우에는 상기 송풍기(300)가 상기 필터부(100)의 상측에 배치될 수 있고, 상기 배출구(220)가 상기 몸체부(200)의 후면에 형성된 경우에는 상기 필터부(100)의 후면에 배치될 수 있다.
그리고 상기 제어부는, 상기 센서(400)의 신호를 수신하여 상기 송풍기(300)가 동작하도록 작동하며, 상기 센서(400)에서 측정된 PM, 유해가스 등 공기질의 상태에 따라 상기 송풍기(300)의 세기를 조절하여 자동으로 풍량을 제어할 수 있다.
즉, 상기 송풍기(300)는 상기 제어부에 의해 작동하고, 송풍용량은 다중이용시설의 공간과 장치 처리 능력에 따라 설계 가능하다.
상기 전원부는 공기청정기의 작동을 위한 송풍기(300), 제어부, 후술되는 디스플레이(230) 등에 외부전력을 공급할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 공기청정기는, 서버와 원격 가동이 가능하도록 블루투스, 와이파이 등 무선 통신이 가능한 통신부와, 공기질 측정 데이터를 저장하는 저장부와, 빅데이터, AI를 이용하여 공기질 예측관리가 가능한 학습부를 더 포함할 수 있다.
상기 통신부는 무선 와이파이 기능을 부여하여 사용자가 다중 이용시설의 일정 주변에서 편리하게 사용할 수 있도록 하며, 여기서 무선 와이파이는 일정 공익 및 사익 홍보물 관람후 접속 가능하도록 구성될 수도 있다.
본 발명에 따른 공기청정기는, 상기 통신부를 통해 서버를 이용하여 복수의 기관에 대한 데이터 확인이 가능하고 건물과 시설물의 입구에 공기질 관리모니터 및 전광판에 공기질 측정데이터의 안내가 가능하고, 상기 저장부 및 학습부를 통해 공기질 기준치와 현재 및 과거의 공기질 데이터 관리와 모니터링 가능함은 물론이다.
그리고 상기 몸체부(200)에는 디스플레이(230)가 설치되어 상기 통신부와의 통신 상태, 상기 센서(400)에 의해 측정된 공기 상태를 색상 변화에 의해 확인 가능하도록 구성될 수도 있고, 센서(400)에 의해 측정된 각 유해가스 측정값이 표시될 수도 있다.
즉, 상기 디스플레이(230)에는 센서(400)를 이용하여 측정된 공기질 데이터값을 출력할 수 있고 더욱 구체적으로 초기 공기질 측정값과 공기정화 후 측정된 정화된 공기질 측정값을 모두 수치로 표시할 수 있다.
더욱 구체적으로 상기 디스플레이(230)에는 CO, CO2, HCHO, TVOC 등에 대한 측정값이 표시되는 것이 바람직하고, 더불어 온도, 습도, Current Flow 등의 정보가 더 표시될 수도 있다.
아울러, 상기 몸체부(200)의 외측면에는 광고 기능을 위해 광고가 출력되는 광고부와, 사용자의 사용편의를 위해 휴대폰을 충전할 수 있는 상기 전원부를 통해 공급받은 전력을 이용한 충전부가 더 구비될 수도 있다.
여기서 상기 충전부는 휴대폰에 유선으로 연결될 수 있는 충전 단자를 구비할 수도 있고 무선 충전 방식으로 구성될 수도 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 공기청정기는 상온에서 촉매활성이 우수한 촉매필터를 이용하여 상온 공기 정화 성능이 매우 우수하면서 촉매의 내구성이 우수하여 필터 수명이 향상되며, 무선통신, 원격, 모니터링 등의 기능을 통해 제어가 용이한 효과가 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10 : 솔루션 플라즈마 장치
11 : 용기
12 : 금속 전극 13 : 전원 공급부
14 : 교반기 14a : 마그네틱 바
15 : 냉각기 16 : 세라믹 튜브
17 : 실리콘 플러그 100 : 필터부
110 : 촉매필터 110a : 촉매
110b : 필터부재 120 : 프리필터
130 : 헤파필터 140 : 흡착필터
150 : 광촉매필터 151 : UV LED
200 : 몸체부 210 : 흡입구
220 : 배출구 230 : 디스플레이
300 : 송풍기 400 : 센서
C : 진공 챔버 T : 진공탱크
N : 노즐
12 : 금속 전극 13 : 전원 공급부
14 : 교반기 14a : 마그네틱 바
15 : 냉각기 16 : 세라믹 튜브
17 : 실리콘 플러그 100 : 필터부
110 : 촉매필터 110a : 촉매
110b : 필터부재 120 : 프리필터
130 : 헤파필터 140 : 흡착필터
150 : 광촉매필터 151 : UV LED
200 : 몸체부 210 : 흡입구
220 : 배출구 230 : 디스플레이
300 : 송풍기 400 : 센서
C : 진공 챔버 T : 진공탱크
N : 노즐
Claims (11)
- 증류수와 금속산화물을 이용하여 담체 시료를 준비하는 단계(S10);
상기 담체 시료를 증류수에 첨가 후 교반하여 담체가 분산된 용액을 제조하는 단계(S20);
상기 담체가 분산된 용액에 염기성 용액을 첨가하여 pH를 7 내지 10으로 조절하는 단계(S30);
pH가 조절된 용액에 수용된 한 쌍의 금속 전극(12)에 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시켜 스퍼터링에 의해 금속 전극(12)으로부터 방출된 금속 나노입자가 금속산화물에 담지되는 단계(S40);
금속 나노입자가 담지된 금속산화물이 분산된 용액을 건조하여 촉매를 획득하는 단계(S50);
상기 촉매를 필터부재에 흡착시켜 촉매필터를 제조하는 단계(S60);를 포함하는 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 금속산화물은 Ti, Al, Zr, Si, Fe, Mg, Ca, Ba, Mn, Cr, W의 산화물 또는 이들의 둘 이상의 복합 금속산화물 중에서 선택되고,
상기 금속 전극은 Au, Pt, Pd, Ag, Ru, Rh, Re, Nb, Ir, Co, Ni, Cu, Mo 또는 이들의 둘 이상의 합금 중에서 선택되는 전극인 것을 특징으로 하는 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터의 제조 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 금속산화물은 TiO2이고, 상기 금속 전극은 Au 전극인 것을 특징으로 하는 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 담체가 분산된 용액을 제조하는 단계(S20)에서, 담체 시료 : 증류수는 1.6㎎ 내지 2.0㎎ : 100 내지 400㏄이고,
상기 금속 나노입자가 금속산화물에 담지되는 단계(S40)에서, 상기 pH가 조절된 용액은 냉각기(15)를 이용하여 5 내지 23℃의 온도로 제어되는 것을 특징으로 하는 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 담체 시료를 준비하는 단계(S10)는,
증류수와 금속산화물을 교반하여 슬러리 용액을 제조하는 단계(S11)와, 상기 슬러리 용액에 염기성 용액을 첨가하여 pH를 7 내지 10으로 조절하는 단계(S12)와, pH가 조절된 슬러리 용액을 여과하여 침전물을 담체 시료로 수득하는 단계(S3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자가 금속산화물에 담지되는 단계(S40)에서,
스퍼터링에 의해 상기 금속 전극(12)이 소모됨에 따라 설정된 시간마다 상기 한 쌍의 금속 전극(12)이 서로 가까워지는 방향으로 이동되어 한 쌍의 금속 전극(12) 간의 설정 간격을 유지하는 것을 특징으로 하는 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 촉매필터를 제조하는 단계(S60)는,
진공 챔버(C) 내에 필터부재를 삽입하는 단계(S61)와, 상기 필터부재의 일측에 상기 촉매를 분사하는 단계(S62)와, 상기 진공 챔버(C)에 연결된 진공탱크(T)에 의해 상기 필터부재의 타측으로 진공 압력을 발생시켜 상기 촉매를 상기 필터부재에 흡착시키는 단계(S63)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터의 제조 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따라 제조된 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터.
- 제8항에 따른 촉매필터(110)를 포함하는 필터부(100);
오염 공기가 유입되는 흡입구(210)와 정화된 공기가 배출되는 배출구(220)가 형성되고, 공기의 오염도를 측정하는 센서(400)가 설치되며 상기 필터부(100)가 수용되는 내부공간이 형성된 몸체부(200);
공기의 흐름을 유도하여 상기 필터부(100)를 통과한 공기가 상기 배출구(220)를 통해 배출되도록 상기 몸체부(200) 내에 구비되는 송풍기(300);를 포함하는 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터를 이용한 공기청정기.
- 제9항에 있어서,
상기 필터부(100)는,
상대적으로 큰 이물질을 제거하는 프리필터(120)와, 미세먼지를 제거하는 헤파필터(130)와, UV LED(151)가 장착된 광촉매 필터(150)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터를 이용한 공기청정기.
- 제9항에 있어서,
상기 필터부(100)는,
CNCl, HCN, Phosgene, Sarin을 포함하는 화학작용제 또는 C6H12, NH3, Cl2, HCl, H2S, CS2, PH3, HCHO, NO2를 포함하는 산업용 독성화학물질을 제거하기 위한 첨착활성탄 기반의 필터(160)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터를 이용한 공기청정기.
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| KR1020210078165A KR102657582B1 (ko) | 2021-06-16 | 2021-06-16 | 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터 및 이의 제조방법, 이를 이용한 공기청정기 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR20220168627A true KR20220168627A (ko) | 2022-12-26 |
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| KR1020210078165A KR102657582B1 (ko) | 2021-06-16 | 2021-06-16 | 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용한 촉매필터 및 이의 제조방법, 이를 이용한 공기청정기 |
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| JP2013184137A (ja) * | 2012-03-09 | 2013-09-19 | Dainippon Printing Co Ltd | 空気浄化フィルター及びその製造方法 |
| KR101336476B1 (ko) | 2011-12-29 | 2013-12-04 | 영남대학교 산학협력단 | 금나노입자의 합성방법 |
| JP2014097476A (ja) * | 2012-11-15 | 2014-05-29 | Nagoya Univ | 貴金属担持光触媒粒子の製造方法 |
| KR20180064204A (ko) * | 2016-12-05 | 2018-06-14 | 주식회사 하이젠 | 광촉매 필터의 제조방법, 이를 이용한 광촉매 필터 구조체 및 이의 제조방법 |
| KR20210046212A (ko) * | 2019-10-18 | 2021-04-28 | 삼성전자주식회사 | 공기 청정기 및 이의 제어 방법 |
-
2021
- 2021-06-16 KR KR1020210078165A patent/KR102657582B1/ko active IP Right Grant
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