WO2011145870A2

WO2011145870A2 - 가스 클러스터 코팅을 이용한 메소포러스 ＴｉＯ2 피막을 형성시킨 이온수 발생장치용 전극, 그 제조방법 및 제조장치

Info

Publication number: WO2011145870A2
Application number: PCT/KR2011/003649
Authority: WO
Inventors: 김상권; 김성완
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2011-11-24
Also published as: KR101189890B1; WO2011145870A3; KR20110126498A; CN102713014A; CN102713014B

Abstract

본 발명은 이온수 발생장치용 전극에 관한 것으로, 종래의 전극은 값비싼 백금을 소재로 채용하고 있어 이온수 발생장치의 생산단가가 높았으며, 백금을 코팅처리한 전극은 수명이 짧아 문제되었다. 본 발명에 따르면 백금을 도금한 티타늄 대신 저렴한 스테인레스 스틸을 모재로 하여 여기에 내식성을 강화하기 위해 질소 주입에 의한 확산층 및 석출물과 동시에 친수성을 부여하기 위해 나노클러스터 형상의 메소포러스 TiO₂ 피막을 형성시킨 전극을 제공한다. 본 발명에 따라 제작된 전극은 이온수 발생장치의 가격을 현저히 낮출 수 있으며, 내식성이 뛰어나면서도 전도성이 양호하고, 가시광선을 조사하여도 광분해에 따른 살균력을 발휘할 수 있는 이온수 발생장치를 제공할 수 있다.

Description

가스 클러스터 코팅을 이용한 메소포러스 ＴｉＯ2 피막을 형성시킨 이온수 발생장치용 전극, 그 제조방법 및 제조장치

본 발명은 TiO₂ 피막을 형성시킨 이온수 발생장치용 전극, 그 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스 클러스터 코팅을 이용하여 스테인레스 스틸의 표면에 메소포러스(mesoporous) TiO₂ 피막을 형성함과 동시에 질소 주입처리를 행하여 우수한 특성을 가진 이온수 발생장치용 전극, 그 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.

최근 환경과 건강에 대한 관심이 높아지면서 생명활동에 필수적인 물에 대한 연구가 진행되고 있다. 특히 음용시 건강을 증진시키는 알칼리수와, 살균력 등의 성질을 이용하는 산성수를 제공할 수 있는 이온수 발생기에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

종래, 이온수 발생용 전극은 모재로서 티타늄(Ti)을 채택하고, 그 표면에 백금(Pt)을 도금하여 제작되어 왔다. 이러한 Ti/Pt 조합의 전극은 1 내지 5μm 두께의 Pt 피막 형성에 따르는 비용이 높아 이온수 발생기의 생산단가가 높아질 수밖에 없는 실정이다. 뿐만 아니라 전극을 300 시간 정도 사용하면 백금 피막이 손상되어 이온수 발생 기능이 저하되는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-0620590호, 제10-0758756호 및 제10-0801686호에는 수중 플라즈마 방전을 이용한 이온수 생성장치가 개시되며, 여기에서 사용되는 전극재는 모두 백금 와이어로 생산단가가 매우 높아 가격 경쟁력이 없다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-0741741호에는 저온 플라즈마 발생을 위한 수중방전 전극이 개시되며, 전극재는 티타늄(Ti)에 백금(Pt)을 코팅한 것으로 고비용과 더불어 앞서 언급한 단수명의 문제를 모두 지니고 있다.

한편, 생산단가를 현저히 낮출 수 있는 전극 재료로 스테인레스스틸을 고려해 볼 수 있다. 그러나, 스테인레스스틸은 내식성 향상을 위해 크롬(Cr)이 첨가되는데, 크롬은 시간이 경과함에 따라 자체 보호막의 두께가 두꺼워질 뿐만 아니라 오염물질의 흡착으로 내식성은 유지되나 전기 전도성이 악화되어 전류량이 커지는 단점이 있다. 또한, 스테인레스스틸은 물과의 친수성이 좋지 않아 이온수 발생 효율이 저조할 수 있다.

또한, 광촉매 셀프클리닝(self-cleaning) 효과를 갖는 TiO₂ 증착에 대한 연구논문에 따르면, 티타늄 전구체를 사용하여 노즐 형태 HCP(hollow cathode plasma)를 적용시킨 RT(room temperature)-MOCVD에 의한 금속재에 TiO₂ 증착 공정을 개시한다. 반응물로 제공되는 티타늄 전구체로는 TTNB(titanium tetra-n-butoxide), TTIP(titanium tetra-isoproxide), 금속-유기 화합물인 Ti(RO)4(titanium alkoxide)를 제시하고 있다.

이러한 티타늄 전구체를 이용한 TiO₂ 증착은 티타늄에 결합된 다른 라디칼 등을 떼어내는 개질 단계를 필요로 하여 반응공정이 복잡해지는 문제점이 있다. 또한 TiO₂ 증착막에 불순물이 혼합될 수 있으며 전구체를 사용하는 경우 고가품으로 제조단가가 올라가는 문제가 있다.(J. Korean Ind. Eng. Chem., Vol. 17, No. 2, 2006 참조)

또한, 대한민국 등록특허 제10-0482649호에서도 티타늄 전구체로서 티타늄테트라클로라이드를 이용해 CVD 방법으로 TiO₂ 광촉매를 증착하는 방법을 개시하며, 이 방법 역시 위와 동일한 문제를 지닌다.

따라서, 본 발명의 목적은 생산단가를 현저히 낮출 수 있고, 내식성의 유지와 함께 전도성 및 친수성이 모두 우수한 특성을 갖는 이온수 발생장치용 전극을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 이온수 발생장치에 살균력을 용이하게 부여할 수 있는 전극 구성을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 이온수 발생장치용 전극의 제조방법 및 제조장치를 제공하고자 하는 것으로, 그 제조방법에 있어서는 티타늄 전구체를 사용하지 않는 상당히 간편하고 효율적인 공정을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 실시 예에서 모재인 스테인레스 스틸; 및 상기 스테인레스 스틸 표면에 형성된 TiO₂ 피막을 포함하며, 상기 스테인레스 스틸은 그 표면에 질소 석출물이 있고, 상기 TiO₂ 피막은 상기 질소 석출물과 동시에 형성된 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 상기 질소주입 처리에 의한 질소 농도는 2000 내지 4000 ppm 임을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 상기 TiO₂ 피막은 2 내지 50 nm의 공극을 갖는 메소포러스 구조이고, 0 내지 40°의 수(水) 접촉 각도를 갖는 친수성임을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 상기 TiO₂ 피막은 미량의 바나듐을 포함한 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 상기 바나듐은 1 내지 9 중량%인 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 진공챔버에 스테인레스 스틸 모재를 장입하고, 상기 스테인레스 스틸 모재와 간격을 두고 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극을 배치하고, 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극의 주변에 질소와 아르곤 가스를 불어넣고, 상기 스테인레스 스틸 모재 주위로 산소를 불어넣고, 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극에 -200 내지 -600V의 전압을 인가하고, 진공챔버 내의 온도를 250 내지 400℃로 유지하여 상기 스테인레스 스틸 모재의 표면에 질소 투입과 동시에 TiO₂ 피막이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극을 상기 스테인레스 스틸 모재의 좌우에 각각 배치하고, 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 상기 스테인레스 스틸 모재와의 간격은 발생된 플라즈마 입자들의 평균자유행로로 하는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 상기 스테인레스스틸 모재와의 간격은 10 내지 300mm로 조절하는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서 질소는 50 내지 300sccm으로, 산소는 5 내지 30sccm으로, 아르곤은 10 내지 150sccm으로 공급되는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 진공챔버에 스테인레스스틸 모재를 장입하고 나서, 상기 진공챔버를 10^-6 내지 10^-7 torr로 진공화하고, 400 내지 450℃로 2 내지 3시간 가열하여 상기 스테인레스 스틸 모재에 함유된 이물질을 배출시키고 모재 표면을 활성화하는 단계; 및 상기 스테인레스스틸 모재에 30 내지 45%의 듀티 온의 20 내지 50KHz의 -200 내지 -600V의 펄스 전압을 인가하고, 상기 진공챔버에 수소 가스를 투입하고, 온도를 250 내지 400℃로 제어하여 상기 스테인레스스틸 모재를 수소 분위기로 세정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 피막으로 형성되는 TiO₂는 나노사이즈의 아나타제(Anatase) 형태의 메소포러스(mesoporous) 한 구조임을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 가스 투입구를 구비한 진공챔버 내에 스테인레스스틸 모재를 장착할 수 있는 프레임으로 이루어진 전도성 지그; 상기 지그의 좌우 각각에 지그와 간격을 두고 스테인레스 스틸모재와 나란하게 배치되는 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극; 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극을 슬라이딩식으로 이동시킬 수 있는 전도성 이송선로; 및 상기 전도성 지그, 전도성 이송선로 및 진공챔버 중 어느 하나에 전압을 인가하는 전원장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극은 3 내지 5mm 직경의 노즐을 다수 구비하는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 상기 전도성 이송선로는 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 수직으로 배열되고, 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극의 배면 에지가 슬라이딩식으로 접속되는 슬록을 구비하는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 상기 이온수 발생장치용 전극의 제조장치는 피드스루를 더 포함하고, 상기 피드스루는 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 동일한 재질로 형성됨을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조장치를 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 이온수 발생장치용 전극을 값비싼 백금을 사용하지 않고 저렴한 스테인레스 스틸 모재를 사용한다. 그리고 상기 스테인레스 스틸 모재에 질소 주입 및 석출상 형성 처리 및 메소포러스 TiO₂ 피막 형성을 통하여 내식성, 전도성 및 친수성을 모두 향상시킬 수 있어 이온수 발생장치의 생산단가를 현저히 낮추어 가격 경쟁력을 크게 향상시키면서도 전극의 수명을 향상시키는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기와 같은 전극을 효율적으로 양산할 수 있는 방법과 장치가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 메소포러스 TiO₂ 피막이 형성된 전극은 가시광선에 의해서도 광분해성을 나타내어 강력한 살균력을 발휘할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이온수 발생장치용 전극의 제조장치의 개략적인 구성도로써, 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 모재의 배열을 보여주는 개략도이다.

도 2는 본 발명의 이온수 발생장치용 전극의 제조방법에 따라 발생하는 반응을 모식적을 나타내는 모식도이다.

도 3은 본 발명의 이온수 발생장치용 전극을 양산할 경우 전극 모재를 장착하는 지그의 정면도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 전극 표면을 보여주는 TEM 사진이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 실시 예를 구현하기 위한 장치 구성의 개략적인 사항은 도 1을 참조할 수 있다.

도 1을 보면, 스테인레스 스틸모재(100)와 그 좌우에 나란히 배치된 티타늄(Ti)으로 이루어진 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)을 구비한다. 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극은 티타늄(Ti)에 미량(예를 들면 1 내지 9 중량%)의 바나듐(V)이 혼합된 것이고, 이로 인해 가시광선 영역의 빛이 조사될 때에도 TiO₂ 피막의 살균성이 발휘될 수 있게 된다. 상기 타타늄 가스클러스터 노즐 전극(200)은 스테인레스 스틸 모재(100)에 형성할 TiO₂ 피막의 재료인 Ti을 제공한다.

상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)은 도 2에 그 단면 구성이 도시되어 있고, 이에 의하면 기체가 통과할 수 있는 직경 3 내지 5mm의 노즐이 다수 형성되어 있다. 후술하겠지만 가스를 흘려줄 때 상기 노즐을 통하여 모재(100)쪽을 충격하도록 타타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)의 후면으로 가스를 투입한다(도 2 참조).

한 쌍의 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)은 동일한 이송선로(300)에 슬라이딩식으로 이동할 수 있게 접속된다. 이때 전원장치의 전력을 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)에 연결할 때 사용되는 구리(Cu) 재질의 피드스루는 통상 스퍼터링 공정 중 구리에 의한 제품의 오염이 발생하게 된다. 따라서 이를 방지하기 위해 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)과 동일한 재질의 박판(호일)을 이용하여 피드스루의 외경에 맞도록 가공하여 피드스루를 둘러싸도록 한다.

이송선로(300)는 슬롯(350)을 구비하여 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)의 위치를 슬라이딩식으로 이동시키고 조임부재 등으로 고정시켜 그 위치를 조절할 수 있다. 이는 전극을 형성하는 표면처리 공정에서 모재(100)와 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200) 사이의 간격이 궁극적으로 형성된 피막 특성에 중요한 영향을 미치기 때문이다.

상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)은 두 쌍으로 구성되어 어느 한 쌍의 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)에서 피막 형성 공정을 수행한 후에 다음 공정을 위한 준비시간 동안 다른 한 쌍의 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)에서 피막 형성 공정을 수행하는 연속 공정으로 생산성을 향상시킬 수도 있다.

본 실시예에서는 모재(100)에 피막을 형성하기 앞서, 먼저 모재(100)에 스며있는 이물질을 제거하기 위해 이물질 배출 공정을 수행하였다. 즉, 진공챔버에 스테인레스 스틸모재(100)를 장입하고 나서, 상기 진공챔버를 10^-6내지 10^-7torr로 고 진공화하고, 상기 모재(100)를 400 내지 450℃로 2 내지 3시간 가열하여 상기 스테인레스 스틸모재(100)에 함유된 이물질을 배출시킨다. 이 과정에서 가공 중 사용되는 오일 등과, 이후 불순물이 될 수 있는 물질들이 마치 땀이 배출되는 것과 같이 배출되게 한다. 또한 이러한 공정은 모재 표면을 활성화시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 모재(100) 표면을 세정하기 위한 세정 공정이 수행된다. 이에 의하면 진공챔버에 수소 가스를 투입하고 모재(100)에 30 내지 45%의 듀티 온(Duty On)의 20 내지 50KHz의 -200 내지 -600V의 펄스 전압을 인가하고, 온도를 250 내지 400℃로 제어하여 상기 스테인레스스틸 모재를 플라즈마로 활성화된 수소 분위기로 세정한다. 이로써 모재(100)의 표면에서 나온 이물질 및 잔류 부산물을 제거할 수 있다. 온도를 이물질 배출 단계의 고온으로부터 이와 같이 낮추기 위해서는 챔버와 연계된 냉각장치를 필요로 하며, 본 실시예에서는 냉각수를 흘려 조절하였다. 세정 단계는 10^-3 내지 10^-1torr에서 1 내지 2시간 지속하는 것이 바람직하다. 또한, 세정 단계는 수소와 아르곤 혼합가스를 투입하여 10^-3 내지 10^-2torr에서 스퍼터링(pre-sputtering) 형태로 실시할 수도 있다.

다음으로 본격적인 모재(100) 표면처리를 하여 피막 형성 및 질소 주입처리를 수행한다. 이와 같은 표면처리 공정은 챔버 안으로 질소 주입처리를 위한 질소가스와 TiO2 피막 형성을 위한 아르곤 및 산소 가스를 흘려주고, 가스 클러스터를 형성하여 스퍼터 반응을 일으키는데 적합한 수준의 전압을 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)에 걸어주고 챔버 안의 온도를 소정 수준으로 유지하여 수행된다.

또한, 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)을 둘러싸는 자기장을 형성시켜 발생한 전자 등의 하전입자를 타타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200) 근처에 가두어 놓아 하전입자의 밀도를 향상시킨다. 이때 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)에 흘려주는 전류량을 10 내지 30A 정도로 조절하면 전류방향에 따라 에르스테드(Oersted)의 법칙에 따라 전극의 주변으로 자기장이 형성되어 전자가 내부에서 포집되는 효과가 있어 확연히 에너지가 높아지는 것을 확인할 수 있다.

이때, 모재(100)와 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)과의 간격은 그 사이에서 발생한 플라즈마 입자의 평균자유행로에 맞게 설정하는 것이 바람직하다. 본 실시예의 경우, 10 내지 300mm로 조절하는 것이 피막 형성 및 질소 주입처리에 유리하므로 그와 같이 조절하였다. 상기와 같은 범위를 넘어서는 간격은 피막의 형성 효율이 낮거나 피막이 손상되는 등의 문제를 일으킬 수 있으며 형성된 피막의 물성도 목적하는 바와 달리 우수하지 못하기 때문이다.

진공챔버 자체를 양극으로 하고, 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)을 음극으로 하여, 이는 두 개의 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)을 장착하고 있는 이송선로(300)를 전도성 재료로 구성하고 상기 이송선로(300)에 마이너스 전압을 인가함으로써 두 쌍이 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)이 동시에 음극으로 작용하여 동일한 마이너스 전압을 인가받게 된다. 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)은 이송선로(300)을 통해 -200 내지 -600V의 전압을 인가받는다.

전압을 인가하는 음극 역할을 하게 되는 전도성재로 구성된 이송선로(300)의 배치는 도 1과 같이 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)과 수직으로 배열되고, 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)의 배면 에지가 슬라이딩식으로 접속되도록 하는 것이 가스 클러스터 형성에 있어 다른 배열에 비해 더 유리하다. 즉, 이송선로(300)를 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)의 윗쪽에 배열하는 것보다 더 균일한 분포의 가스 클러스터 코팅공정을 얻을 수 있다.

상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200) 주위로 질소와 아르곤 가스를 불어넣으면 클러스터를 형성한 비활성인 아르곤 가스의 에어지와 공급된 전기 에너지로 인해 질소가 활성화되어 질소 원자(N), 질소 이온 또는 액티브(active) 상태의 질소(N*)가 형성된다. 또한, 상기 티타늄소재의 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200)으로부터 티타늄 원자가 이탈되면서 모재(100) 표면을 충격하게 된다. 모재(100) 주위로는 산소를 불어넣으며, 이로 인해 상기 티타늄 원자와 산소가 결합하는 반응이 일어나 모재(100)에 TiO₂ 피막을 형성하게 된다.

한편 이러한 반응이 일어남과 동시에 모재(100)인 스테인레스스틸 표면으로 상기에서 형성된 질소 원자가 투입되어 질소가 쉽게 내부의 크롬 및 철 등의 원자와 반응하여 미세하게 석출되거나 고농도의 질소확산층을 얻을 수 있으며, 이로 인해 내식성이 크게 향상될 수 있다. 질소 주입처리에 의한 모재(100) 표면은 2000 내지 4000ppm 정도의 농도로 질소를 함유하게 된다.

도 2는 본 실시예에 따라 표면처리 공정이 진행될 때 반응이 일어나는 모습을 모식적으로 나타낸다. 즉, 앞서 설명한 자기장에 의한 전자 등의 하전입자의 밀도가 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극(200) 근처에서 높아져 발생된 원자상태의 질소가 이동하는 현상 및 TiO2 피막 형성과정들을 나타낸다.

또한, 질소 투입처리에 의해 내식성이 향상되면서도 전기저항은 일반적인 스테인레스스틸이 100mΩcm^-2인데 비해 표면처리 이후 15mΩcm^-2로 낮아져 전도성이 상당히 향상됨을 알 수 있다. 이는 스테인레스스틸의 경우 대기중이나 수중에서 매우 빠른 속도로 산화물층을 형성하여 전기전도성이 나빠지는데, 질소를 투입하면 18wt%정도의 크롬원자가 산화물로 반응할 수 없어 질소원자와 반응하기 때문이고, 이렇게 투입된 질소층은 전기적으로 노블(noble)하게 된다.

상기 공정에서 또 하나의 중요한 변수는 가스 공급속도이다. 본 실시예에서 질소는 50 내지 300sccm, 아르곤은 10 내지 150sccm으로 공급하여 질소 및 티타늄 가스 클러스터를 만들고, 일정거리로 떨어진 스테인레스스틸의 근처에 별도로 설치된 노즐을 통해 산소를 5 내지 30sccm를 공급하면 활성화되어 이동하는 티타늄이 선택적으로 반응하여 가스 클러스터 형태의 코팅층을 형성하게 된다.

상기와 같은 모재(100)에 대한 표면처리 공정은 챔버 안의 온도를 200 내지 400℃로 유지하는 것이 바람직하며, 앞서 설명한 세정 공정에서와 같이 냉각수를 흘려주어 온도를 제어하였다. 또한, 상기 공정 중 진공챔버 내의 진공도는 10^-3 내지 10^-1torr로 유지한다.

모재(100) 표면에 형성된 TiO₂ 피막은 2 내지 50nm의 공극을 갖는 메소포러스 구조이고, 기존의 스테인레스스틸 70 내지 90°의 수(水) 접촉 각도를 갖는데 비해, 0 내지 40°의 수(水) 접촉 각도를 갖는 친수성으로, 이온수 발생장치의 전극으로 사용되면, 물에 대한 친수헝으로 이온수의 발생속도 및 양을 증가시킬 수 있다.

또한, 이른바 아나타제(Anatase)라고도 불리우는 테트라고날(Tetragonal) TiO₂는 본래 자외선(UV)을 조사해야 광분해에 의한 살균력을 발휘하는데 비해, 본 실시예에 따라 제작된 질소 주입처리와 동시에 형성된 바나듐을 미량 함유한 TiO₂ 피막은 가시광선을 조사하여도 어느 정도의 광분해에 의한 살균력을 가지는 이온수 발생장치의 전극으로 충분히 만족할 만한 기능을 갖게 된다.

본 발명에 따른 이온수 발생장치용 전극을 양산하기 위해서는 도 3과 같은 프레임형의 지그(150)를 이용해 여러 장의 모재(100)를 이에 장착시켜 한꺼번에 표면처리 공정을 수행할 수 있다. 이는 더욱 생산단가를 낮추어 가격 경쟁력이 있는 이온수 발생장치를 제공할 수 있게 한다.

도 4를 보면, 본 발명에 따라 제작된 전극의 표면에 형성된 메소포러스 구조의 TiO₂ 피막의 TEM 사진이 나와 있다. 나노 클러스터링된 결정구조를 보이고 있으며, TiO₂는 친수성으로서 전극과 물의 접촉특성이 우수한 특성을 보임과 동시에 부가적으로 살균성을 가지게 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 이온수 발생장치용 전극은 그 응용분야가 널리 확대될 수 있으며, 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극은 노즐형태 외에 타공판과 스크린으로도 유사한 특성을 보일 수 있다. 이에 의해 형성된 피막을 가지는 전극은 공기청정기용 전극으로도 활용될 수 있다.

본 발명의 권리범위는 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.

Claims

모재인 스테인레스 스틸; 및

상기 스테인레스 스틸 표면에 형성된 TiO₂ 피막

을 포함하며,

상기 스테인레스 스틸은 그 표면에 질소 석출물이 있고, 상기 TiO₂ 피막은 상기 질소 석출물과 동시에 형성된 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극.
제1항에 있어서,

상기 질소주입 처리에 의한 질소 농도는 2000 내지 4000ppm 인 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극.
제2항에 있어서,

상기 TiO₂ 피막은 2 내지 50nm의 공극을 갖는 메소포러스 구조이고, 0 내지 40°의 수(水) 접촉각도를 갖는 친수성인 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극.
제3항에 있어서,

상기 TiO₂ 피막은 바나듐을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극.
제4항에 있어서,

상기 바나듐은 1 내지 9 중량%인 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극.
진공챔버에 스테인레스 스틸 모재를 장입하고,

상기 스테인레스 스틸 모재와 간격을 두고 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극을 배치하고,

상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극의 주변에 질소와 아르곤 가스를 불어넣고, 상기 스테인레스 스틸 모재 주위로 산소를 불어넣고,

상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극에 -200 내지 -600V의 전압을 인가하고,

진공챔버 내의 온도를 250 내지 400℃로 유지하여, 상기 스테인레스 스틸 모재의 표면에 질소 투입과 동시에 TiO₂ 피막이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극을 상기 스테인레스 스틸 모재의 좌우에 각각 배치하고,

상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 상기 스테인레스 스틸 모재와의 간격은 발생된 플라즈마 입자들의 평균자유행로로 하는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 상기 스테인레스 스틸 모재와의 간격은 10 내지 300mm로 조절하는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조방법.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

질소는 50 내지 300sccm, 산소는 5 내지 30sccm 및, 아르곤은 10 내지 150sccm으로 공급되는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조방법.
제9항에 있어서,

진공챔버에 스테인레스스틸 모재를 장입하고 나서,

상기 진공챔버를 10^-6 내지 10^-7torr로 진공화하고, 400 내지 450℃로 2 내지 3시간 가열하여 상기 스테인레스스틸 모재에 함유된 이물질을 배출시키고 모재 표면을 활성화하는 단계; 및

상기 스테인레스스틸 모재에 30 내지 45%의 듀티 온의 20 내지 50KHz의 -200 내지 -600V의 펄스 전압을 인가하고, 상기 진공챔버에 수소 가스를 투입하고, 온도를 250 내지 400℃로 제어하여 상기 스테인레스스틸 모재를 수소 분위기로 세정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징을 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조방법.
제6항에 있어서,

피막으로 형성되는 TiO₂는 나노사이즈의 아나타제(Anatase) 형태의 메소포러스(mesoporous) 한 구조인 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조방법.
가스 투입구를 구비한 진공챔버 내에 스테인레스 스틸 모재를 장착할 수 있는 프레임으로 이루어진 전도성 지그;

상기 지그의 좌우 각각에 지그와 간격을 두고 스테인레스 스틸 모재와 나란하게 배치되는 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극;

상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극을 슬라이딩식으로 이동시킬 수 있는 전도성 이송선로: 및

상기 전도성 지그, 전도성 이송선로 및 진공챔버 중 어느 하나에 전압을 인가하는 전원장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조장치.
제12항에 있어서,

상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극은 3 내지 5nm 직경의 노즐을 다수 구비하는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조장치.
제12항 또는 제13항에 있어서,

상기 전도성 이송선로는 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 수직으로 배열되고, 상기 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극의 배면 에지가 슬라이딩식으로 접속되는 슬롯을 구비하는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조장치.
제14항에 있어서,

상기 이온수 발생장치용 전극의 제조장치는 피드스루를 더 포함하고,

상기 피르스루는 티타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 동일한 재질로 된 호일로 감싸지거나 타타늄 가스 클러스터 노즐 전극과 동일한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 이온수 발생장치용 전극의 제조장치.