KR20230107727A - 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법에 관한 것으로 광촉매 제조시스템을 준비하고 불순물이 제거되며 입자 직경이 마이크로미터 크기인 이산화티탄과 구리 입자를 원재료로 준비하는 제 1 과정; 광촉매 원재료를 제조하는 명령신호가 입력되는지 판단하는 제 2 과정; 제 2 과정에서 광촉매 원재료 제조의 명령신호가 입력되는 것으로 판된되면 준비된 마이크로미터 크기의 원재료를 상기 광촉매 제조시스템에 투입하고 비드를 함께 투입하며 평균 섭씨 25도의 실온 환경에서 입자 직경이 나노미터 크기로 분쇄하여 광촉매원재료를 제조하는 제 3 과정; 제 3 과정에서 나노미터 크기로 제조된 광촉매원재료의 분말에 바인더와 흡습제를 혼합하여 광촉매원재료 혼합분말을 제조하는 제 4 과정; 제 4 과정에서 제조된 광촉매원재료 혼합분말에 정제수와 에탄올을 투입하고 혼합하여 광촉매도포원액을 제조하는 제 5 과정을 포함하는 특징에 의하여 엘이디를 이용한 자연광 조명장치가 동작하는 동안 광촉매에 의하여 주변의 유해한 오염물질을 친환경적으로 분해하고 세균과 바이러스를 함께 살균 또는 멸균하며, 엘이디 조명 장치에서 남아도는 청색 대역 파장의 빛을 광촉매가 사용하므로 청색 빛의 외부 발산을 줄이는 장점이 있다.

Description

엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법{Manufacturing method of interior lighting apparatus using LED}
본 발명은 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 주변의 유해한 오염물질을 친환경적으로 분해하고 세균과 바이러스를 살균하여 국민건강을 보호하면서 공중보건 위생을 높이는 광촉매를 엘이디 조명장치에 내장 구비하고 엘이디 조명장치에서 필요하지 아니한 청색 빛을 광촉매의 에너지원으로 활용하여 청색 빛의 발산을 줄이며 광촉매 기능을 활성화 시키고 엘이디 조명장치에 그린색과 붉은색 계통의 발광을 더 부가시켜 태양광 또는 자연광 조건과 유사한 연색지수(CRI)의 조명환경을 조성하므로 사용자의 시력을 보호하면서 친환경적이고 국민건강을 보호하는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법에 관한 것이다.
한편, 본 발명은 엘이디 조명장치에 구비되고 엘이디에서 발광되는 청색계통의 빛을 에너지원으로 사용하여 주변의 유해물질과 오염물질을 분해하고 바이러스를 살균하는 광촉매를 대량 제조 공급하는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법에 관한 것이다.
최근 까지 조명에 사용되는 백열전구는 공급되는 전기 에너지의 약 90 프로(%)를 열로 방출하고 나머지 약 10 % 만을 빛으로 변환시켜 출력하므로 에너지 이용효율이 매우 낮으면서 사용 수명 역시 짧은 문제가 있었고, 대안으로 개발된 형광등은 공급되는 에너지의 약 80 %를 빛으로 변환시켜 출력하였으며 또한, 할로겐 램프 등이 있었다.
한편, 반도체 기술의 발달에 의하여 반도체 종류인 엘이디(LED : light emitting diode)를 2000년대 후반부터 조명수단으로 개발 이용 또는 사용하게 되었고, 엘이디는 형광등 대비 50 %의 전기 에너지 소모가 적으면서 밝기도 수 내지 수십배 개선되고 사용수명도 수십 배 긴 것으로 잘 알려져 있다.
엘이디(LED)를 이용한 조명 장치(기구)는 와트(W)급의 조명용 엘이디 개발에 의하여 충분한 밝기로 발광하게 되었고, 최근에는 가정용 뿐만 아니라 산업용 및 차량 등에서 사용되도록 발전 개발되고 있으며 향후 모든 조명장치에 엘이디를 사용하게 될 것으로 예견되는 추세에 있다.
그러나 각 엘이디가 발광하는 빛의 파장이 협소하여 단색 범위이며 비교적 제한적인 구조적 특성이 있고, 자연광 또는 태양광 또는 백색광은 모든 색상의 빛이 포함되는 넓은 파장의 범위로 이루어진다.
엘이디(LED)를 이용하여 자연광과 유사한 백색광을 구현하는 기술이 많이 개발되고 있으며 일례로, 와트(W)급의 청색 LED에 황색 또는 적·녹색 혼합 형광체를 도포한 패키지를 동작시켜 백색광을 발광시키는 방법이 있으나 적색 파장 대역과 녹색 파장 대역의 스펙트럼 폭이 비교적 좁고 청색(Blue) 파장 대역의 빛이 다른 색상보다 더 밝게 발생하므로 장시간 노출되는 경우 눈에 많은 피로를 주고 수면 장애와 생체 리듬을 저해하며, 색 재현성이 나쁜 등의 문제가 남아 있었다.
이러한 문제를 일부 해소한 종래기술로 대한민국 특허 등록번호 제10-2013809호(2019. 08. 19.)에 의한 것으로 ‘자연광 ＬＥＤ 조명장치 및 그 제어 방법’이 있다.
도 1 은 종래기술의 일 실시 예에 의한 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법의 기능 블록 구성도 이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술을 상세히 설명하면 AD 컨버터(200)는 외부 전원부(100)로부터 공급되는 상용전원을 각각 동작하는 다수(복수)의 조명모듈(501 내지 504)로 이루어지는 LED 조명유닛(500)의 구동전압으로 변환하여 조명모듈 구동부(400)에 인가한다.
각 조명모듈(501 내지 504)은 각각 채널을 형성하고 적색, 녹색, 청색 중 어느 하나 또는 어느 하나 이상의 색상을 발광하는 엘이디로 이루어진다.
조명 제어부(300)는 계절과 시간대별 태양광 데이터와 이를 기초로 설정된 제어 함수들을 이용하여 복수의 LED 조명모듈(501 내지 504)을 각각 제어하기 위한 채널별 또는 조명모듈(501 내지 504)별 각각의 해당 제어신호를 조명모듈 구동부(400)로 출력하고, 통신 단말기(600)는 조명 제어부(300)와 통신하여 발광시간, 타이머, 색온도 등을 각각 조절한다.
종래기술은 각 채널별 조명모듈(501 내지 504)에 각각 공급되는 전압레벨 조절방식에 의하여 밝기 등을 조절하는 장점이 있으나 전압레벨 조절을 위하여 매우 복잡한 수학공식과 PWM(Pulse Width Modulation) 디지털 제어방식을 사용하므로 구성이 심히 복잡해지고 생산 및 유지보수 가격이 많이 비싸지며 수명이 짧아지는 등의 심각한 문제가 있다.
또한, 종래기술은 전압레벨 조절을 위하여 디지털 제어신호를 사용하므로 플리커 현상에 의하여 사용자의 눈이 쉽게 피로해지는 문제가 있다.
한편, 산업화와 공업화의 가속에 의하여 주변 공기 속에 녹스 등의 유해물질이 포함된 미세먼지가 축적되고 곰팡이류와 세균류와 바이러스류가 함께 이동하여 호흡하는 경우 건강에 심각한 영향을 주면서 국민건강을 해치는 문제가 있다.
따라서 엘이디 조명등을 사용하는 동안 각종 유해물질을 제거하면서 바이러스 등을 살균하고 인체를 보호하여 국민건강을 증진시키는 기술을 개발할 필요가 있다.
한편, 엘이디 조명등을 이용하여 태양광에 거의 유사한 빛을 발광시키고 시력을 보호하면서 제조 생산과 유지보수 및 사용을 간편하게 하는 기술을 개발할 필요가 있다.
대한민국 특허 등록번호 제10-1596361호(2016. 02. 16.) ‘자연광 ＬＥＤ 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치’ 대한민국 특허 등록번호 제10-2013809호(2019. 08. 19.) ‘자연광 ＬＥＤ 조명장치 및 그 제어 방법’ 대한민국 특허 등록번호 제10-1951342호(2019. 02. 18.) ‘백색 자연광색을 발광하고 배광 각도조절이 가능한 식물성장용 ＬＥＤ 조명장치’ 대한민국 특허 등록번호 제10-2301216호(2021. 09. 06.) ‘광촉매 작용의 나노용액 전구체 타블렛 제조 방법 및 그 조성물’
상기와 같은 종래 기술의 문제점과 필요성을 해소하기 위하여 안출한 본 발명은 엘이디 조명등이 동작하는 동안 광촉매에 의하여 주변의 유해한 오염물질을 친환경적으로 분해하고 세균과 바이러스를 함께 살균 또는 멸균하여 공중보건 위생을 높이면서 국민건강을 보호하는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법을 제공하는 것이 그 목적 중에 하나이다.
또한, 본 발명은 청색 대역 파장의 빛을 많이 발광하는 엘이디 조명등에 적색(RED)과 녹색(GREEN)과 황색(YELLOW)과 청록색(CYAN) 대역 파장의 빛을 부가시켜 태양광 또는 자연광에 유사한 빛으로 조명하는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법을 제공하는 것이 그 목적 중에 하나이다.
한편, 본 발명은 광촉매에 의하여 엘이디 조명 장치에서 남아도는 청색 대역 파장의 빛을 에너지로 사용하여 청색 빛의 외부 발산 또는 배출 또는 출력을 줄이고 주변의 오염물질과 유해물질을 분해 제거하며 바이러스를 살균하는 광촉매 제조를 위한 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법을 제공하는 것이 그 목적 중에 하나이다.
그리고 본 발명은 엘이디 조명장치가 동작하면서 플리커 현상을 발생하지 않으므로 사용자의 눈이 피로하지 않도록 보호하고 사용을 위한 제어가 간편한 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법을 제공하는 것이 그 목적 중에 하나이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명의 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법은 광촉매 제조시스템을 준비하고 불순물이 제거되며 입자 직경이 마이크로미터 크기인 이산화티탄과 구리 입자를 원재료로 준비하는 제 1 과정; 광촉매 원재료를 제조하는 명령신호가 입력되는지 판단하는 제 2 과정; 상기 제 2 과정에서 광촉매 원재료 제조의 명령신호가 입력되는 것으로 판된되면 준비된 마이크로미터 크기의 원재료를 상기 광촉매 제조시스템에 투입하고 비드를 함께 투입하며 평균 섭씨 25도의 실온 환경에서 입자 직경이 나노미터 크기로 분쇄하여 광촉매원재료를 제조하는 제 3 과정; 상기 제 3 과정에서 나노미터 크기로 제조된 광촉매원재료의 분말에 바인더와 흡습제를 혼합하여 광촉매원재료 혼합분말을 제조하는 제 4 과정; 상기 제 4 과정에서 제조된 광촉매원재료 혼합분말에 정제수와 에탄올을 투입하고 혼합하여 광촉매도포원액을 제조하는 제 5 과정; 을 포함할 수 있다.
상기 제 5 과정에서 제조된 상기 광촉매도포원액을 광촉매 기판부와 조명이 방출되는 등커버 중에서 선택된 어느 한 곳 또는 양쪽 모두에 분사방식으로 평균 0.1 내지 0.5 마이크로미터 두께로 도포하는 제 6 과정; 을 더 포함할 수 있다.
상기 제 6 과정에서 상기 광촉매도포원액이 도포된 광촉매 기판부를 섭씨 30 내지 40 도의 온도가 유지되고 무풍 환경에서 3 내지 5 시간 동안 건조하여 경화된 광촉매 층을 형성하는 제 7 과정; 이 더 포함될 수 있다 .
상기 제 7 과정의 광촉매 기판부를 자연광엘이디패키지부와 조립하여 동작전원이 인가되면 동작하는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치를 제조하는 제 8 과정; 이 더 포함될 수 있다.
상기 제 1 과정에서 준비하는 마이크로미터 크기의 광촉매는 평균 직경이 400 내지 600 마이크로 미터 범위의 크기로 이루어질 수 있다.
상기 제 3 과정에서 제조하는 광촉매원재료는 평균 직경이 10 내지 30 나노미터 범위의 크기로 이루어질 수 있다.
상기 광촉매도포원액은 혼합될 정제수의 무게를 기준으로 바인더를 0.1 내지 0.23 Wt%; 흡습제를 5 내지 30 Wt%; 나노입자 크기의 이산화티탄 분말 1 내지 5 Wt%; 나노입자 크기의 구리분말을 1 내지 2 Wt%; 로 혼합하여 이루어질 수 있다.
상기광촉매도포원액은 아염소산나트륨과 구연산과 에탄올을 더 혼함하여 이루어질 수 있다.
상기 엘이디를 이용한 자연광 조명장치는 자연광엘이디패키지부와 엘이디운용관리부와 광촉매기판부를 포함하고 상기 엘이디운용관리부는 세균류와 바이러스류와 곰팡이 포자류의 살균 효과가 있는 플라즈마등(plasma lamp)을 더 포함하되 상기 플라즈마등은 12 볼트(V)와 24 볼트와 36 볼트 중에서 선택된 어느 하나의 전압을 정전압으로 출력한다.
상기 자연광엘이디패키지부는 청색 대역 파장의 빛을 발광하는 제 1 엘이디모듈과 적색 및 녹색 대역 파장의 빛을 함께 발광하는 제 2 엘이디모듈이 상하좌우 균일한 간격으로 하나 이상 다수 배치되어 이루어지고, 상기 엘이디운용관리부를 구성하는 정전압전류부는 상기 자연광엘이디패키지부가 동작하는 동작전원을 정전압과 정전류로 생성하되 36 볼트(V) ~ 250 볼트 범위 내에서 선택된 전압을 정전압으로 출력가능하다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명의 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법은 청색 대역 파장의 빛을 발광하는 제 1 엘이디모듈(1010)과 적색 및 녹색 대역 파장의 빛을 함께 발광하는 제 2 엘이디모듈(1020)이 상하좌우 균일한 간격으로 하나 이상 다수 배치되어 이루어지는 자연광엘이디패키지부(1000); 상기 자연광엘이디패키지부(1000)에 접속하고 1 마이크로 초 단위시간 간격으로 동작전원을 공급하고 해당 제어신호를 출력하며 운용상태를 감시하는 엘이디운용관리부(2000); 상기 자연광엘이디패키지부(1000)의 각 엘이디 사이 영역에 설치되고 나노입자 크기로 분쇄된 이산화티탄의 분말이 도포되어 평균 500 내지 800 마이크로 미터 두께로 광촉매층을 형성하는 광촉매기판부(3000); 를 포함할 수 있다.
상기 제 1 엘이디모듈(1010)은 430 내지 470 나노미터의 청색 대역 파장으로 와트급 빛을 발광하는 청색 엘이디 하나가 구비되어 이루어지고, 상기 제 2 엘이디모듈(1020)은 470 내지 550 나노미터의 녹색 대역 파장으로 와트급 빛을 발광하는 녹색 엘이디와 600 내지 700 나노미터의 적색 대역 파장으로 와트급 빛을 발광하는 적색 엘이디가 각각 하나씩 구비되어 이루어질 수 있다.
상기 제 1 엘이디모듈(1010)과 제 2 엘이디모듈(1020)은 가로와 세로의 길이가 같은 크기로 형성되어 이루어질 수 있다.
상기 엘이디운용관리부(2000)는 상기 제 1 및 제 2 엘이디모듈(1010, 1020)을 이용한 자연광 조명 장치의 각 기능부에 접속하고 내장된 프로그램과 데이터에 의하여 해당 제어명령을 각각 출력하며 운용상태를 감시하고 외부로부터 입력되는 제어명령에 의하여 상기 자연광엘이디패키지부(1000)에 동작전원을 공급시키고 야간 시간대에는 정상공급전력 대비 90 %의 동작전원이 공급되도록 제어하고 감시하는 운용제어부(2100); 상기 운용제어부(2100)의 해당 제어신호에 의하여 와이파이와 블루투스와 적외선 방식 무선통신부를 모두 구비하고 동시 활성화 상태로 운용하며 외부와 와이파이와 블루투스와 적외선 채널로 동시 무선접속하여 동일한 내용의 통신신호를 송신과 수신하는 다중통신부(2200); 상기 운용제어부(2100)의 해당 제어신호에 의하여 1 마이크로 초 단위시간 간격의 PWM 방식 디지털 펄스신호를 발생 하는 마이크로발진부(2300); 상기 운용제어부(2100)의 해당 제어신호에 의하여 상기 자연광엘이디패키지부(1000)가 동작하는 동작전원을 정전압과 정전류로 생성하고 상기 마이크로발진부(2300)가 발생한 PWM 방식 디지털 펄스신호에 의하여 상기 자연광엘이디패키지부(1000)에 출력하는 정전압전류부(2400); 상기 운용제어부(2100)의 해당 제어신호에 의하여 시간정보를 생성하고 출력하는 타이머부(2500); 를 포함할 수 있다.
상기 자연광엘이디패키지부(1000)는 상기 제 1 엘이디모듈(1010)과 제 2 엘이디모듈(1020)을 1 대 1 비율의 동일한 숫자로 배치하여 이루어질 수 있다.
상기 제 1 엘이디모듈(1010)과 제 2 엘이디모듈(1020)은 각각 같은 레벨의 전압과 전류를 공급받아 발광 동작하는 구성으로 이루어질 수 있다.
상기 광촉매층은 상기 이산화티탄이 평균 직경 10 내지 30 나노미터 범위의 크기로 분쇄된 분말에 평균 직경 10-20 마이크로미터 크기의 아염소산나트륨과 구연산 분말을 포함하고 인체에 무해한 바인더와 정제수가 혼합된 광촉매도포원액을 도포 건조하여 이루어질 수 있다.
상기 광촉매도포원액은 정제수의 무게를 기준으로 바인더를 0.1 내지 0.23 Wt%; 흡습제를 5 내지 30 Wt%; 나노입자 크기의 이산화티탄 분말을 1 내지 5 Wt%; 나노입자 크기의구리분말을 1 내지 2 Wt%; 아염소산나트륨과 구연산을 각각 1 내지 5 Wt%; 에탄올을 5 내지 40 Wt%; 첨가하여 이루어질 수 있다.
상기 바인더는 인체에 무해한 실리카계 무기바인더, 천연 식물성 전분, 천연 알긴산, PVA 중에서 선택된 어느 하나 또는 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 흡습제는 천연광물질로 이루어지는 벤토나이트, 제올라이트, 염화칼슘, 실리카겔 중에서 선택된 어느 하나 또는 어느 하나 이상이 혼합되어 이루어질 수 있다.
상기 광촉매도포원액은 2000 내지 2500 RPM 으로 회전하는 혼합기에 10 내지 15 분 동안 투입하여 혼합하여 이루어질 수 있다.
상기 도포된 광촉매도포원액의 건조는 섭씨 30 내지 40 도의 온도를 유지하고 무풍의 환경에서 3 내지 5 시간 동안 건조하여 광촉매를 경화 고정시켜 이루어질 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 엘이디 조명등이 동작하는 동안 광촉매에 의하여 주변의 유해한 오염물질을 친환경적으로 분해하고 세균과 바이러스를 함께 살균 또는 멸균하여 공중보건 위생을 높이는 장점이 있다.
한편, 본 발명은 광촉매에 의하여 엘이디 조명 장치에서 남아도는 청색 대역 파장의 빛을 사용하여 청색 빛의 외부 발산을 줄이고 주변의 오염물질과 유해물질을 분해하제 제거하며 바이러스를 살균하여 엘이디 조명장치 사용만으로 국민건강을 보호하는 장점이 있다 .
또한, 본 발명은 엘이디 조명장치가 플리커 현상 없이 지속적으로 발광되어 사용자의 눈이 피로하지 않도록 하므로 사용자의 선호도를 높이는 장점이 있다.
도 1 은 종래기술의 일 실시 예에 의한 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법의 기능 블록 구성도,
도 2 는 일반적인 청색과 녹색과 적색 엘이디의 각 스팩트럼 대역폭 분포 파형도,
도 3 은 일반적인 태양광의 가시광선에 의한 색상별 스펙트럼 대역폭 분포 파형도,
도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 광촉매의 광촉매 반응으로 악취와 유해공기오염 물질이 분해되는 것을 설명하는 도시도,
도 5 는 본 발명을 설명하기 위한 것으로 자동차, 산업시설, 화력발전소 등에서 발생되어 대기에 혼합된 유해물질을 광촉매로 분해하는 개념 설명도,
도 6 은 본 발명을 설명하기 위한 것으로 유해물질이 포함된 미세먼지가 인체에 흡수되어 발생할 수 있는 각종 질병의 설명도,
도 7 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 엘이디를 이용한 자연광 조명장치의 기능 구성도,
도 8 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 엘이디운용관리부의 상세 기능구성도,
도 9 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 엘이디를 이용한 자연광 조명장치의 광촉매 제조방법 설명 순서도,
그리고
도 10 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 나노입자 크기로 제조된 산화티타늄 광촉매 소자의 SEM 사진이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하의 설명에서 산화티타늄과 이산화티타늄(TiO2)은 같은 의미이고 문맥에 적합하게 선택적으로 사용한다.
도 2 는 일반적인 청색과 녹색과 적색 엘이디의 각 스팩트럼 대역폭 분포 파형도 이고, 도 3 은 일반적인 태양광의 가시광선에 의한 색상별 스펙트럼 대역폭 분포 파형도 이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 광촉매의 광촉매 반응으로 악취와 유해공기오염 물질이 분해되는 것을 설명하는 도시도이다.
도 2 를 참조하면 일반적인 청색 엘이디는 약 460 나노미터(nm) 대역의 파장에서 밝기가 피크를 이루고, 녹색 엘이디는 약 520 nm 대역의 파장에서 밝기기 피크를 이루며 적색 엘이디는 약 630 nm 대역의 파장에서 밝기가 피크를 이루고 있음을 보여준다.
각각의 청색 엘이디와 녹색 엘이디와 적색 엘이디를 같은 수량으로 혼합하여 백색광을 발광시키는 삼색 엘이디 조명 방식은 각 색상별 엘이디가 발광하는 스펙트럼의 대역폭이 협소하여 부분적인 일부 영역에서 발광이 매우 부족하여 조도는 높지만 연색지수(CRI)가 낮아 도 3 에 도시된 것과 같이 태양광에 유사한 백색광 또는 자연광의 가시광선 스펙트럼 대역폭 영역을 발광하지 못하므로 전류를 제어하는 주입전류(injection current) 제어 방식을 사용하고 있으나 다수의 발광 엘이디를 사용하는 경우 주입전류 증가에 의하여 발열량이 함께 증가하므로 별도의 방열판을 추가로 함께 사용하였다.
한편, 조명기구의 광학적 특성을 분석하는 지표로서 연색지수(CRI : Color Rendering Index)와 상관색온도(CCT : Correlated Color Temperature)가 있는데 상관색온도(CCT)는 같은 색온도를 가지는 자연광(black body radiation과 유사)과 인공적으로 제작한 조명을 동일한 사물에 조사하는 경우, 해당 사물의 색상이 달라지는 정도를 나타낸다.
연색지수(CRI)는 태양광의 경우를 100 으로 정하고 있으며 엘이디를 이용한 조명등의 경우 동일한 구동 조건에서 연색지수를 높이면 밝기(광속, 휘도)가 저하되는 것으로 알려져 있다.
상관색온도(CCT)는 조명기구를 포함하는 발광물체가 백색광을 방출하는 경우 이와 매우 비슷한 전자기파를 복사(radiation)하는 흑체(black body)의 온도를 말한다.
한편, 상관색온도(CCT)는 인간의 감성과 뇌파에 미치는 영향이 크다는 연구결과도 있다.
그러므로 주변환경에서 조사되는 빛의 상관색온도와 광 출력 세기를 조절하여 다양한 인간의 활동에 적합한 조명을 구현할 수 있으며, 더 나아가 정신과적 치료의 응용과 특정 파장의 빛이 강한 조명을 이용한 피부 치료에도 응용될 수 있다.
한편, 단색을 가지는 엘이디를 이용하여 연색지수(CRI)가 매우 높은 백색광을 구현하기 위해서는 복수(3개 이상)의 색을 방출하는 엘이디의 중심파장과 각 LED의 광 출력 또는 밝기(휘도) 또는 루미넌스(luminance)를 조절하여 엘이디 조명등의 방출 스펙트럼을 조절하므로 가시광 파장 대역과 유사하게 조절하여야 한다.
그러나 연색지수(CRI) 값과 각 엘이디에서 방출하는 광 출력 세기 값의 상관관계는 비선형적 관계를 가지기 때문에 실험적으로 각 LED에 주입되는 전류의 제어를 통하여 원하는 연색지수를 얻는 것은 거의 불가능에 가깝다.
본 발명은 주입 전류제어 방식을 사용하지 아니하고 자연광(CRI 100)에 가까운 연색지수(CRI) 값 95 이상을 확보하는 것이 추구하는 기술사상 중에 하나이다.
일반적으로 자외선의 파장은 10 내지 350 나노미터(nm) 대역이고, 보라색(violet)은 350 내지 430 나노미터 대역이며, 청색(blue)은 430 내지 470 나노미터 대역이고, 청록색 또는 녹색은 470 내지 550 나노미터 대역이며, 황색은 550 내지 630 나노미터 대역이고, 적색은 630 내지 750 나노미터 대역으로 분류할 수 있으나 연구기관 등에 따라 대역의 범위를 다르게 정의할 수 있음은 매우 당연하다.
본 발명은 빨강. 주황. 노랑. 초록. 파랑. 남색. 보라 등 7 가지 다양한 색상의 스펙트럼 대역을 방사시키기 위하여 470 내지 530 nm의 사이언(Syan) 파장 또는 녹색(Green) 파장 대역의 빛과 580 내지 680 nm의 빨강색(Red) 파장 대역의 빛을 방출하도록 각 색상별 엘이디의 숫자가 조절된 패키지로 인체 특성에 맞춘 자연광에 더욱 가까운 연색성(CRI) 95 이상의 조명 장치를 제공하는 것이 추구하는 기술적 사상 중에 하나이다.
한편, 엘이디(LED)의 광원을 이용한 스마트 팜 식물농장에서 LED 광원이 엽록소(chlorophyl)를 통해 식물 세포의 에너지로 변환되는 것에서 확인되듯이 종래 LED 조명장치에서 부족한 파장의 LED 광원을 추가로 더 부가하여 인체 세포 사이의 광 - 생화학 반응에 도움을 주는 엘이디 조명 장치를 제공하여 사람들이 보다 편안하게 생활 할 수 있도록 유도한다.
한편, 적색(RED) 파장 대역의 빛은 인체의 피부탄력개선에 효과가 있고 녹색(GREEN) 파장 대역의 빛은 피부신진대사에 효능이 있으며 황색(YELLOW) 파장 대역의 빛은 피부의 주근깨 개선 등에 효과가 있고 청록색(CYAN) 파장 대역의 빛은 피부 진정 지성피부완화 및 뾰루지개선 등에 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
도 3 에는 태양광 또는 자연광에 의한 가시광선의 색상별 스펙트럼 대역폭과 세기 분포가 파형도로 잘 도시되어 있다.
도 4 를 참조하면 광촉매의 광촉매 반응을 설명하는 것으로 광촉매가 광(빛, visible light) 특히 자외선을 에너지로 제공받으면 가장 먼저 전자(e-)가 가전자대(VB)에서 전도대(CB)로 여기되는 동시에 정공(h+)이 생성된다.
이때, 광촉매로 제공되는 광(빛)은 자외선 또는 가시광선일 수 있다. 즉, 전자를 여기(excite)시키고 정공을 생성하는 광(빛)은 자외선부터 가시광선 파장대까지 넓은 범위의 파장 범위를 갖는다.
여기된 전자는 쇼트키 장벽(Schottky barrier)의 영향으로, 수소화된 이산화티타늄에 침착된 구리(Cu)로 이동한다. 구리로 이동된 전자는 외부의 산소(O2)와 반응하여 과산소이온 라디칼(·O2-)을 생성한다. 이때, 전도대에서 생성된 정공(h+)은 수증기(H2O) 및/또는 수산화이온(OH-)과 반응하여 수산화 라디칼(·OH)을 생성한다.
과산소이온 라디칼(·O2-)과 수산화 라디칼(·OH)이 악취 및 유해 공기오염물질을 분해시켜, 무해한 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)로 변환함으로써, 궁극적으로는 공기 중의 오염물질을 제거하게 된다. 상기 악취 및 유해 공기오염물질을 분해시키는 반응은, 이들의 산화반응을 통해서 수행될 수 있다.
광촉매(photocatalyst)란 광화학(photochemistry)과 촉매(catalyst)가 결합된 의미로 빛에너지에 의하여 활성을 나타내는 촉매를 말한다. 일반적으로 촉매란 촉매 자신은 변화하지 않으면서 화학반응의 속도를 빠르게 또는 느리게 조절하는 역할을 하는 것으로서, 화학반응 과정에서는 열이나 기타 에너지원들이 사용되는데, 광촉매의 경우에는 화학반응에 사용되는 에너지로 빛을 사용한다. 햇빛이나 또는 인공 광에 의한 빛에너지를 촉매에 조사하면 빛에너지를 흡수한 촉매가 활성을 나타내어 유기물들을 산화 또는 환원시키는 역할을 한다.
광촉매가 산화환원에 의한 광촉매로 작용하기 위하여 빛 에너지를 흡수하는 것이 반드시 필요하며, 일 례에 의한 광촉매인 산화티타늄 또는 이산화티타늄(TiO2)이 흡수할 수 있는 태양광(빛)의 파장은 약 380 nm 이하의 자외선이다. 이러한 산화티타늄의 광촉매 반응은 태양광 또는 자외선 또는 빛이 조사될 때에만, 자외선의 광량만큼 반응이 일어난다.
광촉매 재료(원료)에는 산화티타늄, 산화텅스텐, 산화아연, 산화니오븀 등이 있는 것으로 알려져 있으며 이하에서 설명과 이해를 쉽게하기 위하여 산화티타늄을 위주로 설명하기로 한다.
산화티타늄 또는 이산화티타늄은 3.2 일렉트론 볼트(eV)의 전위가 인가되면 여기(Excitation) 되어 광촉매 기능을 하고, 태양에 포함된 자외선을 조사받는 경우에 여기되어 산화와 환원에 의한 광촉매 기능을 발생한다.
즉, 이산화티타늄의 산화환원 전위차(ORP, Oxidation-Reduction Potential)는 3.2 eV 이다.
이산화티타늄은 백색초코렛 재료, 백색 안료, 고주파용 콘덴서 소재, 저반사 코팅 등의 광학 재료, 쎈서 및 보호재료 등으로 매우 광범위하게 이용되고 있으며 특히, 무한한 응용 가능성을 지닌 새로운 환경 개선형 광촉매 소재로써 그 응용범위가 매우 활발하게 연구되어지고 있다.
티타늄(Ti) 광물은 지구상에서 9번째로 흔한 광물이며 지맥의 0.6%, 지표의 약 1% 정도를 차지한다.
반도체 재료인 이산화티타늄의 광합성에 관한 연구는 1972년 후지시마 교수에 의하여 발표된 혼다-후지시마 효과에 그 시초를 두고 있다.
반도체 성질의 광촉매 물질에 고유의 띠에너지－반도체 물질 내에는 전자가 채워지지 않은 전도띠(Conduction Band, E cb)와 전자가 채워져 있는 공유띠(Valaence Band, E vb)라는 원자궤도들의 선형결합으로 이루어진 분자궤도가 존재한다. 이에 따라, 이 두 띠의 사이에는 전자가 점유할 수 없는 금지된 공간이 존재한다. 이를 띠에너지(Eg)라 하며, 그 크기는 E cb -E vb 에 해당한다. 빛에너지를 받고 전자(e-)가 여기(Excitation)된 후 생성된 전자(e-)와 정공(h+) 쌍이 유익하게 쓰이는 광화학 시스템은 기존 반응기 설계의 제약을 해소할 수 있는 빛의 전달을 가능하게 한다.
광화학 반응의 과정을 거쳐 빛에너지를 화학에너지 또는 전기에너지로 전환시키는 것은 생성된 전자/정공이 광촉매에 흡착되거나 확산층(Diffusion Layer) 내에 있는 물질을 환원/산화시키거나, 구성된 전극회로에 의하여 전류를 생성시킴으로 가능하다. 이를 활용하면 주변의 유기물질을 분해하는 환경정화는 물론, 물분해 수소제조, 태양전지 등에 활용할 수 있는 장점이 있다.
광촉매가 산화와 환원에 의한 광촉매로 동작하기 위하여는 전자(e-)가 여기(Excitation)되기 위한 에너지로 광을 이용한다.
즉, 이산화티타늄의 경우 광촉매로 동작하기 위하여는 빛 에너지의 조사에 의하여 3.2 eV의 전위가 인가되어야 산화와 환원에 의한 광촉매로 동작한다.
도 5 는 본 발명을 설명하기 위한 것으로 자동차, 산업시설, 화력발전소 등에서 발생되어 대기에 혼합된 유해물질을 광촉매로 분해하는 개념 설명도 이다.
첨부된 도면을 참조하여 설명하면 화석연료인 휘발유 또는 석유를 사용하는 자동차의 배기가스 또는 매연에 포함된 상태로 발생되는 1차 미세먼지 그리고 석탄 등의 화석연료를 사용하는 화력 발전소의 굴뚝으로 배출되는 연기에 포함된 상태로 발생되는 1 차 미세먼지에는 질소화합물(NOx, 녹스)와 황산화물(SOx, 삭스)이 포함되고 이러한 1 차 미세먼지는 대기에 혼합되면서 대기 중의 수증기 등과 만나면서 2 차 미세먼지를 발생하고 이러한 2 차 미세먼지는 대기의 흐름을 따라 사람이 생활하는 주거공간까지 흘러들어 호흡하거나 피부와 접촉에 의하여 인체 건강을 치명적으로 위협하는 유해물질로 작용한다.
이러한 1 차 미세먼지 또는 2 차미세먼지는 산화티타늄에 의한 광촉매 작용에 의하여 분해되므로 주변의 대기환경을 친환경적으로 정화하도록 하는 것이 본 발명이 추구하는 기술사상 중에 하나이다.
도 6 은 본 발명을 설명하기 위한 것으로 미세먼지가 인체에 흡수되어 발생할 수 있는 각종 질병의 설명도 이다.
첨부된 도면을 참조하면 미세먼지는 지름(직경)이 10 마이크로미터 이하 크기의 분진을 지칭한다. 지름 5 내지 10 마이크로미터 크기의 미세먼지가 눈 또는 코에 침투하면 알레르기성 결막염, 각막염 또는 알레르기성 비염 등을 발생시키고, 2 내지 5 마이크로미터 크기의 미세먼지가 기관지에 침투하면 기관지염, 폐기종, 천식 등을 일으키며, 지름 1 내지 2 마이크로미터 크기의 미세먼지는 허파에 침부하며 0.1 내지 1 마이크로미터 크기의 미세먼지는 허파꽈리에 침부하여 폐포 또는 허파꽈리 세포의 손상을 유발한다.
한편, 미세먼지는 녹스가 포함되는 유해물질 및 바이러스 등과 쉽게 혼합되어 이동하면서 인체에 침부하게 된다.
도 7 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법의 기능 구성도 이고, 도 8 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 엘이디운용관리부의 상세 기능구성도 이다.
이하, 첨부된 모든 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 엘이디를 이용한 자연광 조명장치(900)는 자연광엘이디패키지부(1000)와 엘이디운용관리부(2000)와 광촉매기판부(3000)를 포함하는 구성이다.
자연광엘이디패키지부(1000)는 청색 대역 파장의 빛을 발광하는 제 1 엘이디모듈(1010)과 적색 및 녹색 대역 파장의 빛을 함께 발광하는 제 2 엘이디모듈(1020)이 상하좌우 균일한 간격으로 하나 이상 다수 배치되어 이루어진다.
제 1 엘이디모듈(1010)은 430 내지 470 나노미터의 청색 대역 파장으로 와트(W)급 빛을 발광하는 청색 엘이디 하나가 구비되어 이루어지고, 제 2 엘이디모듈(1020)은 470 내지 550 나노미터의 녹색 대역 파장으로 와트급 빛을 발광하는 녹색 엘이디와 600 내지 700 나노미터의 적색 대역 파장으로 와트급 빛을 발광하는 적색 엘이디가 각각 하나씩 구비되어 하나의 엘이디 형태를 구성한다.
제 2 엘이디모듈(1020)은 적색 엘이디 소자에 적색 형광물질이 도포되는 두께를 조절하므로 적색 대역 파장의 범위와 밝기를 조절하고 또한, 녹색 엘이디 소자에는 녹색 형광물질이 도포되는 두께를 조절하므로 녹색 대역 파장의 범위와 밝기를 조절한다. 각 색상의 파장 대멱 범위를 조절하는 해당 형광물질 도포 두께는 반복된 실험과 측정에 의하여 필요로 하는 최적의 결과 값을 얻을 수 있으며, 이러한 방법은 잘 알려져 있다.
제 1 엘이디모듈(1010)과 제 2 엘이디모듈(1020)은 각각의 가로와 세로 길이가 같은 크기로 이루어지어 형성된다.
자연광엘이디패키지부(1000)는 제 1 엘이디모듈(1010)과 제 2 엘이디모듈(1020)을 1 대 1 비율의 동일한 숫자로 배치하여 이루어진다.
제 1 엘이디모듈(1010)과 제 2 엘이디모듈(1020)은 각각 같은 레벨의 전압과 전류를 공급받아 발광 동작한다.
엘이디운용관리부(2000)는 자연광엘이디패키지부(1000)에 접속하고 1 마이크로 초 단위시간 간격으로 동작전원을 공급하고 해당 제어신호를 출력하며 운용상태를 감시한다.
엘이디운용관리부(2000)는 운용제어부(2100)와 다중통신부(2200)와 마이크로발진부(2300)와 정전압전류부(2400)와 타이머부(2500)를 포함하며, 세균류와 바이러스류와 곰팡이 포자류의 살균 효과가 있는 플라즈마등(plasma lamp)을 더 포함하되, 상기 플라즈마등은 12 볼트(V)와 24 볼트와 36 볼트 중에서 선택된 어느 하나의 전압을 정전압으로 출력할 수 있다.
운용제어부(2100)는 제 1 및 제 2 엘이디모듈(1010, 1020)을 이용한 자연광 조명 장치의 각 기능부에 접속하고 내장된 프로그램과 데이터에 의하여 해당 제어명령을 각각 출력하며 운용상태를 감시하고 외부로부터 입력되는 제어명령에 의하여 자연광엘이디패키지부(1000)에 동작전원을 공급시키고 야간 시간대에는 정상공급전력 대비 90 %의 동작전원이 공급되도록 제어하고 감시한다.
다중통신부(2200)는 운용제어부(2100)의 해당 제어신호에 의하여 와이파이와 블루투스와 적외선 방식 무선통신부를 모두 구비하고 동시 활성화 상태로 운용하며 외부와 와이파이와 블루투스와 적외선 채널로 동시 무선접속하여 동일한 내용의 통신신호를 송신과 수신한다.
마이크로발진부(2300)는 운용제어부(2100)의 해당 제어신호에 의하여 1 마이크로 초 단위시간 간격의 PWM 방식 디지털 펄스신호를 발생한다.
정전압전류부(2400)는 운용제어부(2100)의 해당 제어신호에 의하여 자연광엘이디패키지부(1000)가 동작하는 동작전원을 정전압과 정전류로 생성하고 마이크로발진부(2300)가 발생한 PWM 방식 디지털 펄스신호에 의하여 상기 자연광엘이디패키지부(1000)에 출력하며, 이때, 정전압전류부(2400)는 36 볼트(V) ~ 250 볼트 범위 내에서 선택된 전압을 정전압으로 출력가능하다.
타이머부(2500)는 운용제어부(2100)의 해당 제어신호에 의하여 시간정보를 생성하고 출력한다.
운용제어부(2100)는 타이머부(2500)로부터 인가되는 시간정보를 분석하여 태양빛이 비치는 주간 시간대 인지 또는 태양빛이 없는 야간 시간대 인지를 판단한다.
운용제어부(2100)는 온 상태로 동작하도록 명령신호가 입력되는 것으로 판단되면 주간 시간대 인지 또는 야간 시간대 인지 또는 겹치는 중간시간대 인지를 분석한다. 이러한 시간대 분석은 사전에 설정된 시간 값에 의하여 정해지며 설정된 시간 값은 필요에 의하여 변경될 수 있으며 다중통신부(2200)를 통하여 원격으로 해당 데이터 신호가 수신 및 할당된 영역에 저장 관리된다.
운용제어부(2100)는 온 상태로 동작하도록 명령신호가 입력되는 상태이면서 주간 시간대에는 설정된 정력공급전력 대비 10 % 높은 전력이 공급되는 주간시간대 모드로 동작하도록 제어와 감시하며, 중간시간대에는 설정된 정상공급전력의 100 %가 공급되는 중간시간대모드로 동작하도록 제어와 감시하며, 야간 시간대에는 정상공급전력 대비 10 % 낮은 전력이 공급되는 야간시간대 모드로 동작하도록 제어와 감시한다. 이와 같이 공급되는 전력의 용량은 필요에 의하여 가감할 수 있다.
한편, 주간 시간대 이면서 비, 눈, 구름 등에 의하여 주변이 어두운 경우는 다중통신부(2200)를 통하여 수신된 해당 제어명령에 의하여 야간 시간대 모드로 동작되도록 제어하고 감시할 수 있다.
광촉매기판부(3000)는 자연광엘이디패키지부(1000)의 각 엘이디 사이 영역에 설치되고 나노입자 크기로 분쇄된 이산화티탄의 분말이 도포되어 평균 500 내지 800 마이크로 미터 두께로 광촉매층을 형성한다.
광촉매층을 구성하는 광촉매는 제 1 엘이디모듈(1010)에서 발광되는 자외선에 의하여 동작에너지를 공급받고 광촉매 작용을 하므로 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법(900)가 동작하는 동안 조명을 하는 동시에 주변 물체와 공기의 오염을 제거하고 살균하며 유해물질을 제거한다.
광촉매층은 이산화티탄이 평균 직경 10 내지 30 나노미터 범위의 크기로 분쇄된 분말에 평균 직경 10-20 마이크로미터 크기의 아염소산나트륨과 구연산 분말을 포함하고 인체에 무해한 바인더와 정제수가 혼합된 광촉매도포원액을 도포 건조하여 이루어지는 구성이다.
광촉매도포원액은 정제수의 무게를 기준으로 바인더를 0.1 내지 0.23 Wt%와 흡습제를 5 내지 30 Wt%와 나노입자 크기의 이산화티탄 분말을 1 내지 5 Wt%와 나노입자 크기의 구리분말을 1 내지 2 Wt%와 아염소산나트륨과 구연산을 각각 1 내지 5 Wt%와 에탄올을 5 내지 40 Wt%로 첨가하고, 2000 내지 2500 RPM 으로 회전하는 혼합기에 10 내지 15 분 동안 투입 혼합하여 구성된다.
바인더는 인체에 무해한 실리카계 무기바인더, 천연 식물성 전분, 천연 알긴산, PVA 중에서 선택된 어느 하나 또는 선택된 어느 하나 이상으로 이루어진다. 전분으로는 옥수수전분(사이클로덱스트린) 또는 알긴산나트륨, PVA(polyvinyl alcohol)가 사용될 수 있다. 알긴산나트륨은 수용액에 염화칼슘, 염화바륨, 황산알루미늄, 황산아연, 황산구리, 질산은, 염화철(III), 아세트산납 등 2가 이상의 금속이온을 가하면 금속염으로 응고된다.
흡습제는 천연광물질로 이루어지는 벤토나이트, 제올라이트, 염화칼슘, 실리카겔 중에서 선택된 어느 하나 또는 어느 하나 이상이 혼합되어 이루어진다.
흡습제는 천연광물질의 벤토나이트를 사용하는 것이 비교적 매우 바람직하다. 구연산은 무수구연산이 사용된다.
에탄올을 인체에 무해한 것으로 알려져 있고, 정제수 또는 분무액이 빠르게 건조되도록 하여 광촉매가 지속적으로 작용하도록 한다.
정제수의 무게를 기준으로 하여 에탄올을 5 내지 40 Wt% 중에서 선택된 어느 하나의 값으로 혼합하므로 나노입자 광촉매 용액이 분무된 경우 빠른 반응속도로 산화 환원이 이루어지고 광촉매 작용이 진행되지 아니 한 나노입자 광촉매 물질은 에탄올에 의해 정제수의 증발점이 낮아지므로 나노광촉매 혼합물 용액이 보다 빠르게 건조 또는 증발하고, 흡습제에 의하여 습기를 서서히 흡수하면서 광촉매 작용을 지속적으로 반응하게 되어 광촉매 효과가 장기적이며 지속적으로 나타나는 지속효과의 장점이 있다.
즉, 정제수에 에탄올의 혼합 용량이 40 Wt%와 같이 크면 즉시효과가 크게 발생하고, 정제수에 혼합되는 에탄올의 용량이 5 Wt%와 같이 작으면 지속효과가 크게 발생한다.
바인더에 의하여 즉시효과와 지속효과를 더욱 활성화 시킬 수 있다. 바인더로 광촉매에 의한 분해력이 빠른 전분, 알긴산, PVA 등을 사용하는 경우 즉시효과를 높이고, 광촉매에 의한 분해력이 낮은 실리카계 무기바인더를 사용하는 경우 지속효과를 높이게 된다. 바인더는 인체에 무해하며 천연의 식물성 재료로부터 추출되고 정제된 것으로 설명한다.
바인더에 의하여 즉시효과 또는 지속효과와 같이 반응시간을 조절한다.
도포된 광촉매도포원액의 건조는 섭씨 30 내지 40 도의 온도를 유지하고 무풍의 환경에서 3 내지 5 시간 동안 건조하여 광촉매를 경화 고정시켜 이루어진다.
광촉매층은 박테리아, 곰팡이, 바이러스 등 단세포 유기체에 강한 산화 작용을 하므로 해당 세포막을 파괴시키는 살균력가지며, 염소나 오존에 비하여 1.5 배 이상 강한 살균력이 있다. 광촉매가 도포된 표면은 유기물을 분해와 제거하므로 더러운 먼지를 자연스럽게 없애는 방오 기능에 의하여 주변을 청소하면서 살균소독하는 동시에 자연광엘이디패키지부(1000)에서 발광된 빛을 반사시키므로 광량을 해당 전면으로 집중시켜 밝기를 더욱 높여지는 장점이 있다.
상기와 같은 발명은 엘이디 조명등의 구성과 제어방식이 비교적 단순하고 제조 생산과 유지보수 비용이 저렴하여 선호도를 높이면서 적색(RED)과 녹색(GREEN)과 황색(YELLOW) 과 청록색(CYAN) 대역 파장을 보강하여 태양광에 유사한 연색성(CRI) 95 이상의 조명 빛으로 발광시키는 장점이 있다.
또한, 조명장치의 동작전원을 1 마이크로 초 단위시간 간격으로 공급하므로 플리커 현상 없이 지속적으로 발광되어 사용자의 눈이 피로하지 않도록 하고 사용자의 선호도를 높이면서 국민건강을 보호하고 지키는 동시에 엘이디 조명장치가 동작하는 동안 주변의 유해한 오염물질을 친환경적으로 분해하고 세균과 바이러스를 함께 살균하여 공중보건 위생을 안전하게 보호하고 유지하는 장점이 있다.
도 9 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 엘이디를 이용한 자연광 조명장치의 광촉매 제조방법 설명 순서도 이다.
첨부된 모든 도면을 참조하여 상세히 설명하면 광촉매 제조시스템을 준비하고 불순물이 제거된 상태이며 입자의 평균 직경이 400 내지 600 마이크로미터 범위 중에서 선택된 어느 하나의 값으로 이루어지는 이산화티탄과 구리의 원재료를 각각 준비한다(S110).
광촉매 제조시스템은 원통 통을 매우 빠른 속도로 회전시키는 구성이며 회전하는 통 내부에 투입된 각종 재료들이 서로 부딪치면서 분쇄시키는 구성이다.
이산화티탄과 구리를 광촉매 원재료라 호칭하기로 한다.
이산화티탄과 구리의 원재료는 각각 평균 약 500 마이크로 미터 크기로 준비시키는 것이 제조시간, 제조경비 및 운용효율 등에서 비교적 매우 바람직하다.
광촉매를 제조하는 해당 명령신호가 광촉매제조시스템에 입력되는 것으로 판단되면(S120), 준비된 마이크로 미터 크기의 이산화티탄과 구리 중 선택된 어느 하나 또는 선택된 어느 하나 이상을 광촉매 제조 시스템의 회전통 내부에 투입시키고, 쇠 구슬 형상의 비드를 함께 투입한다. 회전원통을 10 내지 50 중력가속도로 회전시켜 광촉매 원재료가 각각 나노 크기의 입자로 분쇄되도록 제어하고 감시한다(S130).
여기서 나노는 나노미터(nm)를 의미하며, 나노입자의 직경 크기는 평균 10 내지 30 나노미터 범위의 크기에 포함되는 것으로 설명하고, 이산화티탄과 구리를 분리하여 각각 분쇄 및 관리하는 것이 매우 바람직하다.
각각 나노 크기로 분쇄된 이산화티탄 및 구리 입자(분말)는 비드와 분리하여 각각 관리한다.
나노입자 크기로 분쇄되어 제조된 이산화티탄 및 구리 분말은 친환경인 실리카 계열 무기바인더와 혼합시키고(S140), 흡습제와 아염소산나트륨 및 구연산을 더 혼합시켜 광촉매 혼합분말 원재료로 제조한다(S150).
이하의 설명에서 구연산은 레몬에서 추출하여 건조시킨 무수구연산이고 친환경적이며 인체에 무해하다.
흡습제는 천연광물질이며 광물질은 내부에 비어있는 동공이 천연적으로 다수 형성되어 있고, 흡습제는 혼합과정에서 내부 동공에 나노 입자 크기의 광촉매를 투입시키므로 아래 그림과 같이 광촉매를 내포시켜 고정시키게 된다.
아염소산나트륨과 구연산(시트로산, C6H8o7)은 혼합되어 화학적 반응을 일으키는 경우 약 3 eV 에 해당하는 전위를 발생하고 이러한 전위는 이산화티탄 또는 산화티탄의 동작에너지로 공급되된다. 따라서 이산화티탄은 자외선 또는 자연광이 없는 환경에서도 광촉매 작용을 일으킨다. 따라서 엘이디를 이용한 자연광 조명장치(900)는 조명용으로 동작하지 아니하는 경우에도 광촉매 작용을 하게 된다.
도 10 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 나노입자 크기로 제조된 산화티타늄 광촉매 소자의 SEM 사진이다.
첨부된 도 10을 참조하여 상세히 설명하면 나노입자 크기로 제조된 산화티타늄 광촉매 소자의 SEM(scanning electron microscopy) 사진이고, 산화티타늄 광촉매 나노입자(4000)의 크기가 평균 10 내지 30 나노미터 범위 인 것으로 확인된다.
바인더는 인체에 무해하며 식용할 수 있고 친환경적인 실리카계 무기바인더 또는 식물성 전분이 포함된다. 전분으로는 옥수수전분(사이클로덱스트린) 또는 알긴산나트륨, PVA(polyvinyl alcohol)가 사용될 수 있다. 흡습제는 천연광물질인 벤토나이트, 제올라이트, 염화칼슘, 실리카겔 중에서 어느 하나 일 수 있으나 천연광물질의 벤토나이트를 사용하는 것이 비교적 매우 바람직하다. 구연산은 무수구연산이 사용된다.
알긴산나트륨은 수용액에 염화칼슘, 염화바륨, 황산알루미늄, 황산아연, 황산구리, 질산은, 염화철(III), 아세트산납 등 2가 이상의 금속이온을 가하면 금속염으로 응고된다.
제조된 광촉매 혼합분말 원재료에 정제수와 에탄올을 혼합하여 광촉매도포원액을 제조한다(S160).
광촉매도포원액에 혼합되는 각 재료의 비율은 정제수의 무게를 기준으로 바인더를 0.1 내지 0.23 Wt%와 흡습제를 5 내지 30 Wt%와 나노입자 크기의 이산화티탄 분말을 1 내지 5 Wt%와 나노입자 크기의구리분말을 1 내지 2 Wt%와 아염소산나트륨과 구연산을 각각 1 내지 5 Wt%와 에탄올을 5 내지 40 Wt%로 첨가하고, 2000 내지 2500 RPM 으로 회전하는 혼합기에 10 내지 15 분 동안 투입하여 혼합시킨다.
이때, 아염소산나트륨과 구연산은 3 : 1 몰비로 혼합되면서 상기 몰비로 혼합된 상태에서 정제수를 기준으로 0.1 내지 0.25 Wt%가 되도록 광촉매 분말에 혼합할 수 있다.
제조된 광촉매도포원액을 엘이디 조명장치의 광촉매기판부(3000)와 조명이 방출되는 등커버 중에서 선택된 어느 한 곳 또는 양쪽 모두에 분사방식으로 평균 0.1 내지 0.5 마이크로미터 두께로 도포한다(S170). 등커버는 일반적으로 투명 또는 반투명의 플라스틱류 또는 유리류로 이루어지며, 그물의 망 형태로 이루어질 수 있고 잘 알수 있는 구성이 모두 포함되는 것으로 설명한다.
광촉매도포원액이 도포된 광촉매기판부(3000)를 섭씨 30 내지 40 도의 온도가 유지되고 무풍 환경에서 3 내지 5 시간 동안 건조하여 경화된 광촉매 층을 형성한다(S180).
광촉매기판부(3000)는 자연광엘이디패키지부(1000)와 외형 사이즈가 동일하지만 제 1 엘이디모듈(1010)과 제 2 엘이디모듈(1020)이 각각 배치된 위치에 관통된 홀을 형성하므로 광촉매기판부(3000)와 자연광엘이디패키지부(1000)를 중첩시켜 조립하는 경우 제 1 엘이디모듈(1010)과 제 2 엘이디모듈(1020)이 배치되지 아니하는 여백 부분에 광촉매기판부(3000)의 광촉매층이 노출되는 구성이다.
상기와 같이 광촉매층이 형성된 광촉매기판부(3000)를 자연광엘이디패키지부(1000)와 조립하고 동작전원이 인가되면 조명장치로 사용되도록 엘이디를 이용한 자연광 조명장치(900)를 제조한다(S190).
엘이디를 이용한 자연광 조명장치(900)는 자연광엘이디패키지부(1000)에 구비된 각 엘이디에 동작전원을 인가하면 청색 파장 대역의 빛에 의하여 광촉매층이 광촉매 작용을 하므로 주변에 부착되거나 주변 공기에 포함된 녹스 등의 유해물질을 분해하고 곰팡이와 바이러스 등을 살균하므로 사용자의 건강을 보호하면서 주변을 정화시키는 장점이 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
900 : 엘이디를 이용한 자연광 조명장치
1000 : 자연광엘이디패키지부 1010 : 제 1 엘이디모듈
1020 : 제 2 엘이디모듈 2000 : 엘이디운용관리부
2100 : 운용제어부 2200 : 다중통신부
2300 : 마이크로발진부 2400 : 정전압전류부
2500 : 타이머부 3000 : 광촉매기판부
4000 : 이산화티탄

Claims (10)

  1. 광촉매 제조시스템을 준비하고 불순물이 제거되며 입자 직경이 마이크로미터 크기인 이산화티탄과 구리 입자를 원재료로 준비하는 제 1 과정;
    광촉매 원재료를 제조하는 명령신호가 입력되는지 판단하는 제 2 과정;
    상기 제 2 과정에서 광촉매 원재료 제조의 명령신호가 입력되는 것으로 판된되면 준비된 마이크로미터 크기의 원재료를 상기 광촉매 제조시스템에 투입하고 비드를 함께 투입하며 평균 섭씨 25도의 실온 환경에서 입자 직경이 나노미터 크기로 분쇄하여 광촉매원재료를 제조하는 제 3 과정;
    상기 제 3 과정에서 나노미터 크기로 제조된 광촉매원재료의 분말에 바인더와 흡습제를 혼합하여 광촉매원재료 혼합분말을 제조하는 제 4 과정;
    상기 제 4 과정에서 제조된 광촉매원재료 혼합분말에 정제수와 에탄올을 투입하고 혼합하여 광촉매도포원액을 제조하는 제 5 과정; 을 포함하는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 5 과정에서 제조된 상기 광촉매도포원액을 광촉매 기판부와 조명이 방출되는 등커버 중에서 선택된 어느 한 곳 또는 양쪽 모두에 분사방식으로 평균 0.1 내지 0.5 마이크로미터 두께로 도포하는 제 6 과정; 을 더 포함하는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 6 과정에서 상기 광촉매도포원액이 도포된 광촉매 기판부를 섭씨 30 내지 40 도의 온도가 유지되고 무풍 환경에서 3 내지 5 시간 동안 건조하여 경화된 광촉매 층을 형성하는 제 7 과정; 이 더 포함되는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 7 과정의 광촉매 기판부를 자연광엘이디패키지부와 조립하여 동작전원이 인가되면 동작하는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치를 제조하는 제 8 과정; 이 더 포함되는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 과정에서 준비하는 마이크로미터 크기의 광촉매는 평균 직경이 400 내지 600 마이크로 미터 범위의 크기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 과정에서 제조하는 광촉매원재료는 평균 직경이 10 내지 30 나노미터 범위의 크기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광촉매도포원액은
    혼합될 정제수의 무게를 기준으로
    바인더를 0.1 내지 0.23 Wt%;
    흡습제를 5 내지 30 Wt%;
    나노입자 크기의 이산화티탄 분말 1 내지 5 Wt%;
    나노입자 크기의 구리분말을 1 내지 2 Wt%; 로 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광촉매도포원액은
    아염소산나트륨과 구연산과 에탄올을 더 혼함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 엘이디를 이용한 자연광 조명장치는
    자연광엘이디패키지부와 엘이디운용관리부와 광촉매기판부를 포함하고
    상기 엘이디운용관리부는
    세균류와 바이러스류와 곰팡이 포자류의 살균 효과가 있는 플라즈마등(plasma lamp)을 더 포함하되
    상기 플라즈마등은
    12 볼트(V)와 24 볼트와 36 볼트 중에서 선택된 어느 하나의 전압을 정전압으로 출력하는 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 자연광엘이디패키지부는
    청색 대역 파장의 빛을 발광하는 제 1 엘이디모듈과 적색 및 녹색 대역 파장의 빛을 함께 발광하는 제 2 엘이디모듈이 상하좌우 균일한 간격으로 하나 이상 다수 배치되어 이루어지고,
    상기 엘이디운용관리부를 구성하는 정전압전류부는
    상기 자연광엘이디패키지부가 동작하는 동작전원을 정전압과 정전류로 생성하되 36 볼트(V) ~ 250 볼트 범위 내에서 선택된 전압을 정전압으로 출력가능한 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 자연광 조명장치 제조방법.
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