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KR102279008B1 - 가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호 - Google Patents

가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호 Download PDF

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KR102279008B1
KR102279008B1 KR1020190092600A KR20190092600A KR102279008B1 KR 102279008 B1 KR102279008 B1 KR 102279008B1 KR 1020190092600 A KR1020190092600 A KR 1020190092600A KR 20190092600 A KR20190092600 A KR 20190092600A KR 102279008 B1 KR102279008 B1 KR 102279008B1
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오주명
김영독
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아이앤지산업(주)
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Abstract

본 발명은 창호에 관한 것으로, 본 발명의 일 측에 따르는 가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호는, 창틀에 구비되는 창호에 있어서, 창호 창의 적어도 일 면 상에 구비되는 광촉매를 포함하며, 상기 광촉매는, 무기산화물 및 상기 무기산화물 상에 형성된 유기금속화합물 유래 금속 산화물층을 포함하고, 400 nm 이상의 가시광선 영역에서 광활성을 가지는 것이다.

Description

가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호{WINDOW SYSTEM COMPRISING VISIBLE LIGHT ACTIVE PHOTOCATALYST FOR AIR CLEANING}
본 발명은, 창틀에 설치되는 창호에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 실내 공기를 깨끗이 정화 가능한 창문형 공기정화시스템에 관한 것이다.
근래 들어 실내활동 시간의 증가 및 건물의 밀집화 경향에 따라 실내 환경과 공기 질의 중요성에 대한 인식이 재고되고 있는 실정이다. 아파트나 오피스텔과 같이 고층건물이 밀집한 주거형태에서는 외부의 오염공기가 실내로 유입되는 염려때문에 창호의 개방이 극히 곤란하다. 이에 따라 별도의 환기 수단이 마련되지 않는 한, 실내의 공기도 그 질적 저하를 피할 수 없다.
종래 환기 및 공기정화 수단으로서, 자동차 등의 기계장치로부터 배출되는 배기가스, 미세먼지 등의 각종의 오염 물질을 포함한 공기가 실내로 유입되는 경우 이를 정화할 목적으로 공기청정기가 개발되어 시판되고 있으나, 이러한 공기청정기는 신선한 외부공기의 지속적인 유입을 차단한 채, 창호 등을 통하여 유입된 오염 공기를 정화하여 단순히 실내에서 반복하여 순환시키기 때문에 그 실효성에 의문이 있다.
또한, 이와 같은 공기청정기는 공기 흡입 및 배출을 위한 장치가 구비되어야 하기 때문에 실내에서 설치되는 공간을 차지하고 인테리어를 저해하는 등의 문제가 있었다.
한국 공개특허공보 제10-2004-75686호와 같은 일부 기술에서는 환기 장치가 구비된 창 등을 개시하고 있으나, 이러한 기술들은 기본적으로 창에 설치되는 격벽이나 팬 등의 장치로 인하여 창틀에 구비되는 설비 자체의 부피가 증가하고 실질적으로 공기는 정화할 수 없는 문제가 있었다.
이에, 부피를 차지하지 않으면서도 유입되는 공기 또는 실내에 존재하는 공기를 높은 효율로 정화시킬 수 있는 기술에 대한 수요가 존재하였다.
한편, 광촉매는 빛 에너지를 흡수함으로써 촉매활성을 갖는 것으로, 촉매활성에 의해서 강력한 산화력으로 유기물질 등과 같은 환경오염물질을 산화 분해하는 것이다. 즉, 광촉매는, 밴드갭 이상(Band gap)의 에너지를 갖는 광(자외선)을 조사하여 가전자대(Valence band)에서 전도대(conduction band)로의 전자의 천이가 일어나고, 가전자대에서 홀이 형성된다. 이 전자와 정공은 분말의 표면으로 확산되고, 산소 및 수분에 접촉하여 산화환원 반응을 일으키거나 재결합하여 열을 발생시키다. 즉, 전도대의 전자는 산소를 환원시켜 슈퍼옥사이음이온을 생성시키고, 가전자대의 정공은 수분을 산화해서 히드록시 라디칼(OH·)을 형성시킨다. 이러한 정공에 의해 생성되는 히드록시 라디칼(OH·)의 강력한 산화력으로 광촉매 표면에 흡착된 기상 또는 액상의 유기물, 즉, 난부해성 유기물의 분해, 살균력, 친수성 등을 나타낼 수 있다. 일반적으로 광촉매로 이산화티타늄(TiO2) 분말이 사용되고, 이산화티타늄(TiO2)은 인체에 무해하고 광촉매활성이 탁월하며, 내광부식성이 우수하고 가격이 저렴한 이점이 있다. 이산화티타늄(TiO2)은 388㎚ 이하의 자외선을 흡수하여 반응함으로써 전자(전도대)와 정공(가전자대)이 생성되는데, 이때 광원으로 사용되는 자외선은 태양광 외에 램프, 백열전등, 수은램프 등의 인공조명, 발광다이오드 등이 사용될 수 있다. 상기 반응에서 생성된 전자와 정공은 10-12 내지 10-9 초 만에 재결합하지만, 재결합하기 전에 오염물질 등이 표면에 흡착하게 되면 상기 전자와 정공에 의해 분해된다. 하지만, 이산화티타늄(TiO2) 분말의 밴드갭에너지(380nm 이상의 파장)를 태양광에서 획득하는데, 그 광의 2 % 정도 이용할 수 있으므로, 태양광의 주요 파장인 가시광영역(400~800nm)에서 원활한 촉매 활성을 갖는데 어려움이 있다. 즉, 가시광선에 감응하기 위해서는 광촉매의 밴드갭을 효과적으로 줄이고 빛 흡수를 통해 발생되는 전자/정공 쌍을 효율적으로 분리시키는 것이 필수적인데 이산화티타늄(TiO2) 분말의 가시광 감응형 광촉매에서 효율은 아직까지 공기 청정 분야에 상용화되기 위한 수준에는 못 미치고 있는 실정이었다.
본 발명은 상술한 실내 공기정화에 대한 요구를 해소하고, 별도의 복잡한 장치 없이도 실내의 공기 또는 유입되는 공기를 정화하고 자동으로 유해물질을 제거할 수 있는 신개념 창호에 관한 것이다.
본 발명은 현대 사회의 공기 오염, 광촉매의 부족한 기능들에 대한 보완 등을 모두 해결하기 위한 것으로, 본 발명은, 유기금속화합물의 도핑 공정을 도입하여 형성된, 가시광선 영역에서 우수한 광촉매 활성을 갖는, 무기산화물 기반 광촉매를 개발하고, 이를 창호, 창호가 적용된 창문에 이용한 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 새로이 개발한 가시광에서 활성화되는 광촉매를 이용하여 창호의 일부에 코팅층을 형성하는 것이고, 본 발명의 다른 일 실시예는 창의 면 상에 광촉매를 포함하는공기정화 유닛을 포함하는 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 무기산화물 기반 광촉매를 포함하고, 광분해 기능을 가짐으로써 빛에 노출되기만 해도 주위 공기를 정화시키는 기능이 구비된 창호를 제공하는 것이다. 이러한 기술은 최근 환경오염을 저감시키기 위한 각종 설비의 개발 추세에 부합되는 것이며, 공기정화에 대한 현대인의 욕구, 상용화되기 어려웠던 광촉매의 문제점을 모두 해결한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 별도의 공기청정기를 구비하지 않고 본 발명의 창호를 창틀에 설치하는 것만으로 주위 공기의 유해물질이 제거되는 기술, 나아가 정화된 공기가 유입되도록 하는 기술을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측에 따르는 가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호는, 창틀에 구비되는 창호에 있어서, 창호 창의 적어도 일 면 상에 구비되는 광촉매를 포함하며, 상기 광촉매는, 무기산화물 및 상기 무기산화물 상에 형성된 유기금속화합물 유래 금속 산화물층을 포함하고, 400 nm 이상의 가시광선 영역에서 광활성을 가지는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 창호 창의 적어도 일 면 상에 구비되는 광촉매 코팅층을 더 포함하고, 상기 광촉매는 상기 광촉매 코팅층에 분산 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공기정화용 창호는, 상기 창호 창의 적어도 일 면 상에 구비되는 공기정화 유닛을 더 포함하고, 상기 공기정화 유닛은 다수의 기공을 가지는 필터를 포함하고, 상기 광촉매는 상기 필터에 분산형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 필터는, 다공성 나노 웹을 포함하는 필터부재; 및 상기 다공성 나노 웹 가장자리에 장착되어 상기 필터부재를 지지하는 지지부재;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공기정화용 창호는, 실내로 공기를 유입시키는 송풍 유닛을 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 산화물층은 페로센 유래 철 산화물을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 무기산화물은, Ti, Zn, Al 및 Sn 중 적어도 하나를 포함하는 산화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이고, 상기 금속 산화물층은 상기 무기산화물 대비 0.001 내지 10 중량%인 철 산화물을 포함하는 것이고, 상기 광촉매는, 30 % 이하의 습도의 건식 조건에서 광활성을 갖는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광촉매는, 30 % 이하의 습도의 건식 조건에서 광활성을 갖는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 무기산화물은 철을 포함하는 무기산화물을 포함하지 않는 것이고, 상기 금속 산화물층은, 상기 무기산화물 상에 증착된 페로센이 열처리된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 산화물은, 하기의 화학식 1로 표시되는 화합물 중 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
[화학식 1]
MexOYHZ
(Me는 1족 내지 3족 중 하나 이상의 금속 원소, X, Y 및 Z는, 각각 0 내지 3에서 선택되고, X 및 Y는 0이 아니다.)
일 실시예에 따르면, 상기 광촉매의 비표면적은 5 (m2/g) 이상이고, 평균 기공 크기는 50 nm 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측에 따르면, 상기 창호를 포함하는 공기정화 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광촉매 코팅층을 포함하는 창호를 제공하고 이러한 창호는 개폐 과정에서 건물의 실외부와 실내부를 차단시키고 공기를 순환시키는 본연의 기능 외에, 가시광선 빛에 창이 노출시키는 것만으로 주위 공기의 유해물질이 저감되는 효과를 거둘 수 있다.
보다 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가시광선 영역에서 우수한 광촉매 활성을 갖고, 다양한 습도 및 온도 영역에서 우수한 광분해 효율을 갖는 무기산화물 기반 광촉매를 제조하고, 이러한 광촉매가 적용된 창호를 제공할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 창호는 가시광선 영역, 저습도 환경 조건에서도 활성화되는 광촉매를 포함하고 있어, 다양한 노출 환경에서도 주위 공기를 정화할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 가시광 활성 광촉매를 포함하는 창호는 가시광선 영역을 포함하는 빛을 전달받아 광촉매가 활성화되는 것일 수 있다. 이를 통해서 본 발명에서 제안하는 창호는 현대인들의 공기 오염에 대한 공포를 완화시키고, 별도의 공기 정화장치를 구비할 필요가 없이도 주위 공기를 정화 가능하게 됨으로써 소음 저감을 위한 구조물이 적용될 수 있는 다양한 환경에 범용적으로 적용될 수 있다.
창호라는 것은 원래 빛이 잘 들어오는 영역에 설치되는 것이 일반적이므로, 본 발명에서 제안하는 광촉매가 구비된 창호는, 건물 내외에 구비된 창틀에 설치되는 것 만으로도 공기정화의 기능을 충실하게 달성할 수 있다.
본 발명은, 간단하고 경제적인 방법으로 제조된 무기산화물 기반의 광촉매를 포함한 창호를 제공할 수 있고, 상기 무기산화물 기반 광촉매를 구비한 창호는, 건조한 조건 하에서도 활성화 될 수 있는 광촉매를 포함하고 있고, 가시광선 영역의 빛에 감응하여 휘발성 유기화합물을 높은 효율로 분해시키는 능력과 뛰어난 안정성을 지니고 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에서 제안하는 광촉매는, 실외용 창호를 제조하기 위한 창호뿐 아니라 실내용 창호, 건축물 외벽이나 내벽, 다양한 차폐 설비가 필요한 영역에 구비되는 창 등 창문이 적용되는 다양한 영역에 복합적으로 적용될 가능성을 배제하지 않는다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 적용되는 광촉매의 제조방법의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따라, 본 발명에 적용되는 광촉매의 제조공정에 이용되는 TR-CVD 반응기의 구성을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 실시예에 따라, 본 발명에 적용되는 광촉매의 제조공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 본 발명에 적용되는 광촉매의 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 광촉매의 TEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 광촉매의 광분해 성능의 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 광촉매의 습도에 따른 광분해 성능의 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 8은, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 광촉매의 반복적인 광분해 실험에 따른 광분해 성능의 안정성 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 9는, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 광촉매를 포함하는 창호를 포함하는 창호의 구조를 개략적으로 나타내는 구조도이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호의 개략적인 구조를 나타낸 그림이다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따라 창호에 적용 가능한 공기정화 유닛의 개략적인 구조를 나타낸 그림이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 광촉매를 포함하는 창호에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예는 창호의 코팅층에 광촉매 입자가 포함되어 실제로 설치되고 빛에 노출되는 것 만으로도 주위 공기를 정화하는 기능을 수행할 수 있는 창호에 관한 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예는 창호의 공기정화유닛의 필터에 광촉매 입자가 분산 형성되어 필터를 통과시킨 공기에 의해 주위 공기가 정화되는 기능을 수행할 수 있는 창호에 관한 것일 수 있다.
본 발명의 상기 창호에 적용되는 광촉매는 종래의 광촉매들과는 다르게, 자외선 영역대의 파장이 조사되지 않고 가시광선 영역대의 빛에 노출되기만 하더라도 충분히 활성화될 수 있다. 따라서, 실외 또는 실내에서 태양광에 노출되는 것 자체만으로도 특별한 구동장치 없이 주위 공간의 공기를 높은 효율로 정화시킬 수 있다.
본 발명자는 이와 같은 효과에 대하여, 유기금속화합물을 열처리함으로써 형성된 금속 산화물층을 포함하는 광촉매를 통해 구현할 수 있음을 확인하고, 이러한 광촉매의 특성을 극대화시킬 수 있는 창호를 개발하고 이에 대하여 제안하는 것이다.
본 발명은 일반적인 창호의 흡음 및 소리 차폐 기능에 더하여 주위 공기를 정화시키는 기능까지 기대할 수 있는 것이다.
본 발명의 일 예에 적용되는 광촉매는, 자외선 영역대에서만 활성화되어 상용화가 어렵던 종래의 광촉매의 문제점을 개선하여, 400 nm 이상의 가시광선 영역대라면 충분히 활성화되는 것이다. 본 발명에 적용되는 광촉매는 태양광을 받을 수 있는 실내외 환경에 설치되기만 하더라도 그 기능을 발휘할 수 있는 것이다. 대부분의 창호는 외부의 자연광이 들어오는 환경에 설치되기 때문에 본 광촉매는 창호에 구비되는 것만으로도 주위 공기를 효과적으로 정화시킬 수 있는 시너지 효과를 기대할 수 있다.
상기 광촉매는 무기산화물과 그 상에 형성된 금속 산화물층을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 무기산화물과 금속 산화물층을 포함하여 광촉매라 지칭한다. 상기 광촉매는 입자 형태일 수 있지만 그렇지 않을 수도 있다. 상기 광촉매는 종래의 광촉매들과는 다르게 400 nm 이상의 가시광선 영역의 파장과 반응하여 활발한 광활성을 가지는 것을 특징으로 한다. 이는 유기금속화합물 유래의 금속산화물층에서 구현되는 효과일 수 있다.
상기 광촉매 입자는, 상기 창호의 빛에 노출되는 외표면 코팅층에 형성되는 것일 수 있다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호의 개략적인 구조를 나타낸 그림이다.
이하에서는 도 10의 공기정화용 창호의 구조를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측에 따르는 가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호(100)는, 창틀에 구비되는 창호에 있어서, 창호 창(110)의 적어도 일 면 상에 구비되는 광촉매를 포함하며, 상기 광촉매는, 무기산화물 및 상기 무기산화물 상에 형성된 유기금속화합물 유래 금속 산화물층을 포함하고, 400 nm 이상의 가시광선 영역에서 광활성을 가지는 것이다.
상기 "일 면 상에"가 의미하는 것은 일 면과 접촉하는 것일 수도 있고, 일정 간격 이상 이격되어 구비되는 것일 수도 있다. 상기 창호 창은 창호의 개구를 형성하는 틀(120)에 형성되어 창 내부와 창 외부를 단절하는 면을 의미한다. 상기 창호 창은 유리를 포함하는 재질로 형성하는 것일 수 있으나, 통상적으로 창을 형성할수 있다고 알려진 소재라면 본 발명에서는 그 소재를 한정하지 아니한다.
상기 광촉매는 유기금속화합물로부터 형성된 금속 산화물을 포함하는 것으로서, 자외선 영역의 빛을 받지 않더라도 가시광선 영역의 빛에 노출되는 것만으로도 광활성을 가짐으로써 주위 공기를 정화시킬 수 있다.
상기 광촉매는 창틀에 설치되는 창호의 창을 형성하는 면의 일 면 또는 양 면 상에 구비되는 것일 수 있다. 상기 광촉매는 입자 형태로 구비될 수 있으며, 다른 일 예로서는 타 조성물과 분산액을 형성하여 경화된 겔 형태로 존재할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 창호 창의 적어도 일 면 상에 구비되는 광촉매 코팅층을 더 포함하고, 상기 광촉매는 상기 광촉매 코팅층에 분산 형성된 것일 수 있다.
일 실시예에서는 상기 창호 창의 적어도 일 면 상에 본 발명에서 개발한 광촉매를 포함하는 코팅층을 형성하여 실내 공기 정화 성능을 구비하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 코팅층은 상기 창 표면 상에서 0.01 mm 내지 5 mm 두께를 형성하는 것일 수 있다. 바람직하게는 상기 코팅층은 상기 기재 상에서 0.1 mm 내지 1 mm 두께를 형성하는 것일 수 있다. 상기 코팅층의 두께가 지나치게 얇으면 광촉매의 충분한 공기정화 효과를 구현하기 어렵고, 지나치게 두꺼우면 비용이 증가하고 공기정화 효과가 포화되는 문제가 생길 수 있다.
상기 광촉매 코팅층이 형성되는 적어도 일 면은 상기 창호의 실내를 향하여 형성되는 면을 포함하는 것일 수 있다. 이와 같이 창의 실내를 향하여 형성되는 면 상에 코팅층을 형성할 경우, 창을 닫아둔 상태에서 실내 공기의 정화를 구현하는 것일 수 있다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따라 창호에 적용 가능한 공기정화 유닛의 개략적인 구조를 나타낸 그림이다.
이하에서는 본 발명의 다른 일 측에 따르는 공기정화 유닛이 구비된 창호의 일 예를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공기정화용 창호는, 상기 창호 창의 적어도 일 면 상에 구비되는 공기정화 유닛(200)을 더 포함하고, 상기 공기정화 유닛은 다수의 기공을 가지는 필터(210)를 포함하고, 상기 광촉매는 상기 필터에 분산 형성된 것일 수 있다. 상기 필터는 상기 필터 주위에 형성되는 틀(220)의 중앙에 형성된 개구에 구비되는 것일 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 공기정화용 창호는 창을 열어둔 상태에서도 내부로 유입되는 공기를 정화시킬 수 있도록 구비될 수 있다.
상기 공기정화 유닛은 상기 창호의 틀의 여닫힘 구조와는 별도로 여닫힘이 가능한 구조일 수 있다. 일 예로서, 상기 창호의 창은 유리 소재를 포함하도록 형성되고, 상기 공기정화 유닛은 상기 창호의 창과는 독립적인 유닛을 형성할 수 있다. 상기 공기정화유닛은 일 예로서, 방충망 구조와도 같이 독립적인 틀(220)을 형성하여, 상기 창호의 창 면을 열더라도 상기 공기정화 유닛은 여전히 창을 막고있는 구조로 형성될 수 있다. 상기 공기정화 유닛은 외부 공기를 내부로 유입시키는 구조로 구비될 수 있다.
일 예로서, 상기 공기정화용 창호의 창호 창은 유리 등의 막힌 면을 형성하지 않고 뚫려있는 개구로 형성되는 것일 수 있고, 상기 개구에 상기 공기정화 유닛이 구비되는 것일 수 있다. 이 경우 상기 공기정화용 창호는 공기정화 유닛으로만 창 면이 채워진 창호를 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 필터는, 다공성 나노 웹을 포함하는 필터부재; 및 상기 다공성 나노 웹 가장자리에 장착되어 상기 필터부재를 지지하는 지지부재;를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 필터부재는 공기와의 접촉면적을 확장하기 위한 주름진 형태를 포함하도록 형성되는 것일 수 있다. 상기 필터 부재는 전기방사방법에 의해 형성 가능한 것일 수 있다.
일 예로서, 상기 필터부재는 전기방사가 가능한 고분자 소재와과 유기 용매를 일정 비율로 혼합하여 전기방사를 위한 조성물 용액을 만든 후, 상기 조성물 용액을 전기방사하여 나노 섬유를 만드는 것일 수 있다. 그 다음, 상기 나노 섬유 상에 광촉매를 분산시킨 후 상기 나노 섬유를 축적시켜 미세 기공을 가지는 다공성 나노 웹을 제조할 수 있다.
이 때, 상기 나노 섬유 직경은 0.5 ㎛ 내지 3 ㎛인 것일 수 있다. 상기 나노 웹의 두께는 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 인 것일 수 있다. 상기 나노 섬유의 직경과 나노 웹의 두께는 창호의 공기 투과도와 관련이 높다. 상기 수치 범위보다 작은 섬유 직경 또는 높은 두께로 형성될 경우, 실내로 유입되는 공기의 양이 적어지는 문제가 생길 수 있고, 상기 두께보다 낮은 두께로 형성될 경우 실내로 유입되는 공기의 정화가 충분히 수행되지 못하는 것일 수 있다. 상기 나노 웹의 바람직한 공기 투과도는 5 CFM 내지 40 CFM 수준인 것일 수 있다.
일 예로서, 상기 나노 웹은 허니컴 구조를 포함하는 것일 수 있다.
일 예로서, 상기 필터부재는 부직포 재질, 기공을 가지는 직물 또는 메쉬 재질로 형성되는 것일 수 있다. 일 예로서, 상기 지지부재는 다양한 소재의 고분자를 포함하는 수지 재질, 금속 성분을 포함하는 금속 재질을 포함하도록 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공기정화용 창호는, 실내로 공기를 유입시키는 송풍 유닛(미도시)을 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 송풍 유닛은 상기 창호의 창 일 면에서 외부 공기를 유입하는 펌프 역할, 상기 창호의 창 타 면에서 정화된 공기를 배출하는 펌프 역할을 동시에 수행하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 산화물층은 페로센 유래 철 산화물을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 무기산화물은, Ti, Zn, Al 및 Sn 중 적어도 하나를 포함하는 산화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이고, 상기 금속 산화물층은 상기 무기산화물 대비 0.001 내지 10 중량%인 철 산화물을 포함하는 것이고, 상기 광촉매는, 30 % 이하의 습도의 건식 조건에서 광활성을 갖는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광촉매는, 무기산화물; 및 상기 무기산화물 상에 형성된 금속 산화물층; 을 포함할 수 있다.
상기 무기산화물은, Ti, Zn, Al 및 Sn 중 적어도 하나를 포함하는 산화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물층은 페로센 유래 철 산화물 층을 포함할 수 있다. 이 때, 철의 함량은 상기 무기산화물 대비 0.001 내지 10 중량% 인 것일 수 있고, 바람직하게는 상기 무기산화물 대비 0.001 내지 5 중량%인 것일 수 있다.
상기 무기산화물은, 빛 에너지를 흡수하여 촉매활성을 나타내는 무기반도체화합물이며, 예를 들어, Ti, Zn, Al, Fe, W, Sn, Bi, Ta, Cu, Si, Ru, Sr, Ba 및 Ce으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 산화물이며, 바람직하게는 Ti, Zn, Al 및 Sn일 수 있다. 구체적으로, TiO2, Al2O3, ZnO2, ZnO, SrTiO3, Fe2O3, Ta2O5, WO3, SnO2, Bi2O3, NiO, Cu2O, SiO, SiO2, MoS2, InPb, RuO2, CeO2 등일 수 있다. 또한, 산화물 외에 CdS, GaP, InP, GaAs, InPb 등의 반도체 화합물을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 무기산화물은, 비드, 분말, 로드, 와이어, 니들 및 섬유 형태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하고, 상기 무기산화물의 크기는 1 nm 내지 500 ㎛인 것일 수 있다.
상기 무기산화물은, 비드, 분말, 로드, 와이어, 니들 및 섬유 형태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하고, 상기 무기산화물의 크기는 1 nm 이상; 10 nm 이상; 30 nm 내지 500 ㎛; 30 nm 내지 100 ㎛; 또는 30 nm 내지 1 ㎛일 수 있다. 상기 크기는, 형태에 따라 직경, 두께, 길이 등을 의미할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 무기산화물은 철을 포함하는 무기산화물을 포함하지 않는 것이고, 상기 금속 산화물층은, 상기 무기산화물 상에 증착된 페로센이 열처리된 것일 수 있다.
일 예로서, 상기 금속유기화합물 유래 금속 산화물층은, 페로센 도핑 공정에 의해서 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 무기산화물 상에 형성된 페로센층을 열처리하여 페로센을 열분해하고, 이러한 열분해 공정에 의해 페로센에서 전환된 철 산화물을 포함할 수 있다. 상기 유기금속화합물의 도핑 공정은, 하기의 제조방법에서 보다 구체적으로 설명한다.
상기 유기금속산화물 유래 금속 산화물층은, 일 예로서 페로센, 페로센 유도체 중 적어도 하나에 의해 유래된 철 산화물일 수 있다. 상기 페로센 유도체는, 페로센 알데히드, 페로센 케톤, 페로센 카르복시산, 페로센 알콜, 페놀 또는 에테르 화합물, 질소-함유 페로센 화합물, 황-함유 페로센 화합물, 인-함유 페로센 화합물, 규소-함유 페로센 화합물, 1,1'-디코퍼 페로센(1,1'-di-copper ferrocene), 페로센 보로닉산(ferrocene boric acid), 페로세닐 큐프러스 아세틸라이트(ferrocenyl cuprous acetylide) 및 비스페로세닐 티타노센(bisferrocenyl titanocene)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예로서, 상기 유기금속화합물 유래 금속 산화물층에서 금속의 함량이 상기 무기산화물 대비 0.001 내지 10 중량%; 0.01 내지 10 중량%; 0.01 내지 3 중량%; 0.01 내지 1.5 중량%; 또는 0.01 내지 1 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에 포함되면, 가시광 영역에서 광촉매 활성을 증가시켜 광분해 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 금속의 함량이 증가하면 가시광 영역의 흡수가 증가할 수 있으나, 이러한 금속 함량 증가에 의한 광촉매 활성의 저하가 발생할 수 있으므로, 상기 범위 내의 금속의 함량을 포함하는 것이 바람직하고 더 바람직하게는 상기 금속은 철이고, 상기 철의 함량은, 0.01 내지 5 중량%일 수 있다.
일 예로서, 상기 유기금속화합물 유래 금속 산화물층은, 0.01 nm 이상; 0.1 nm 이상; 10 nm 이상; 또는 1 nm 내지 100 nm의 두께를 갖는 것일 수 있다. 상기 두께 범위 내에 포함되면, 코팅층의 두께 증가에 따른 광촉매의 다공도 저하를 방지하고, 표면에 수분, OH- 이온, 분해 대상 등의 흡착량을 증가시켜 광분해 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 유기금속화합물 유래 금속 산화물층은, 0.01 nm 이상; 0.1 nm 이상; 10 nm 이상; 또는 1 nm 내지 100 nm의 크기를 갖는 페로센 유래 철산화물을 포함할 수 있다. 상기 크기는 형태에 따라 길이, 직경, 두께 등을 의미할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 무기산화물은 철을 포함하는 무기산화물을 포함하지 않는 것이고, 상기 철 산화물층은, 상기 무기산화물 상에 증착된 페로센이 열처리된 것일 수 있다.
상기 금속 산화물은, 하기의 화학식 1로 표시되는 화합물 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
MexOYHZ
여기서, Me는 1족 내지 3족에 해당하는 금속 원소 중 하나 이상이고, X, Y 및 Z는, 각각 0 내지 3에서 선택되고, X 및 Y는 0이 아니다.
일 예로서, 상기 Z 또한 0이 아닐 수 있다.
일 예로서, 가시광선 영역의 빛을 흡수하고 안정적이며 값이 싼 반도체성 물질인 산화철 (FexOyHz)을 나노 크기의 입자 형태로 TiO2 표면에 도입하여 가시광선에 감응하는 광촉매를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광촉매는, 광을 흡수하여 광반응을 나타내는 파장 영역이 자외선에서 가시광선 영역까지 확대될 수 있다. 상기 광촉매는 특히 400 nm 이상의 가시광선 영역에서 종래의 광촉매들 대비 훨씬 우수한 광촉매 활성을 나타낼 수 있다. 또한, 표면에서 분해 대상의 흡착 및 분해시킬 수 있는 광촉매 반응성이 향상되어 다양한 습도 영역에서 광촉매 활성을 가지며, 30 % 이하의 습도의 건식 조건에서도 우수한 광촉매 활성을 나타낼 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 광촉매 입자는, 5 (m2/g) 이상; 5 (m2/g) 내지 1000 (m2/g); 또는 5 (m2/g) 내지 100 (m2/g)의 비표면적을 갖고, 평균 기공 크기는 50 nm 이하일 수 있다. 상기 무기산화물 표면에 유기금속화합물 유래 금속 산화물을 도입함으로써, 광촉매의 표면에 분해 대상의 흡착량이 증가하고, 광분해 반응성을 증가시켜 광촉매의 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광촉매는, 다양한 유해물질의 분해에 적용되고, 즉, 환경 오염물질, 악취 물질, 유기화합물, 산성가스 등의 처리에 이용될 수 있다. 예를 들어, 기체, 액체 및 고체 물질 중 적어도 하나를 흡착 및/또는 광분해하는데 이용되고, 할로겐램프, 제논램프, 태양광, 발광다이오드 등 다양한 광선을 포함하는 빛 에너지에 의해서 광활성을 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 기체로는 산성, 염기성 가스, 아세트알데히드, 케톤류 등의 VOC(휘발성 유기 화합, Volatile Organic Compounds), 방향족 탄화수소와 지방족 탄화수소(Paraffin계와 Olefin계)의 탄화수소류, 오존 가스, 유기 및 무기계 유리 가스 등일 수 있고, 보다 구체적으로, 이산화탄소, 일산화탄소, NOx, SOx, HCl, HF, NH3, 메틸아민, 포름알데히드, 황화수소, 아민, 메틸메르갑탄, 수소, 산소, 질소, 메탄, 파라핀, 올레핀 등일 수 있다. 상기 액체로는 포름알데하이드(Formaldehyde), 아세트알데하이드(Acetaldehyde), 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), MEK(Methyl Ethyl Ketone), 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene), 살균제, 가솔린, 디젤, 오일, 알코올, 페놀, 염료 등이며, 상기 고체로는 전이금속, Pt, Pd 등의 귀금속, Hg, Cr 등의 이온 및/또는 입자, 100 nm 이하의 나노입자 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르는 가시광 활성 광촉매를 포함하는 창문은, 본 발명의 일 실시예에 해당하는 창호를 하나 이상 포함하고, 상기 창호는 30 % 이하의 습도의 건식 조건 및 400 nm 이상의 가시광선 영역에서 광활성을 갖는 광촉매를 포함하는 것이다.
본 발명의 다른 일 측에 따르면, 상기 창호를 포함하는 공기정화 시스템을 제공하는 것을 포함한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 광촉매의 제조방법의 흐름도를 나타낸 것이다. 일 예에 따르면 도 1에 나타나 있는 방식으로 광촉매를 제조한 후, 위에서 설명한 창호를 제조하는 과정에서 광촉매를 혼합, 분산시키는 방식으로 본 발명의 일 실시예에 따르는 광촉매를 포함하는 코팅층이 형성된 창호를 제조할 수 있다.
이하에서는 도 1을 참조하여, 본 발명의 특징적인 기술인 상기 가시광 활성을 나타내는 광촉매의 제조방법에 관한 내용을 설명한다.
상기 광촉매의 제조방법은, 무기산화물을 준비하는 단계; 상기 무기산화물 상에 금속 산화물층을 형성하는 단계; 및 상기 금속 산화물층을 형성하는 단계 이후에 열처리하여 유기금속산화물 유래 금속 산화물층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 무기산화물을 준비하는 단계는, 무기산화물 분산액을 준비하거나 또는 무기산화물을 기판 상에 도포하는 단계이며, 상기 분산액은 수성 용매, 유성 용매 또는 이 둘의 혼합물을 적용하고, 상기 기판은, 실리콘 기판, 웨이퍼, 유리 기판, 반도체 기판, 금속 기판 등일 수 있다. 상기 무기산화물은 스핀 코팅, 롤 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 플로 코팅, 닥터 블레이드법 등으로 도포될 수 있다.
상기 유기금속산화물층을 형성하는 단계는, 습식 코팅법, 스퍼터링법 또는 증착법을 이용하여 유기금속산화물 막을 형성할 수 있다. 일 예로서, 상기 유기금속산화물 막은 페로센 막일 수 있다. 바람직하게는 ALD(atomic layer deposition), CVD(temperature-regulated chemical vapor deposition) 등의 증착법을 이용하고, 더 바람직하게는 TR-CVD(온도 조절식 화학 증착법, temperature-regulated chemical vapor deposition)를 이용하여 페로센층을 형성할 수 있다. 일 예로서, TR-CVD의 적용 시 페로센 양의 조절을 통하여 무기산화물 상에 증착되는 철 산화물의 양을 용이하게 조절할 수 있고, 광촉매의 제조공정을 단순화시키고 효율적으로 광촉매를 제공할 수 있다.
상기 유기금속산화물층을 형성하는 단계는, 상온 내지 120 ℃에서 실시되고, 바람직하게는 40 ℃ 내지 100 ℃; 더 바람직하게는 60 ℃ 내지 100 ℃에서 실시될 수 있다. 즉, TR-CVD의 적용 시 유기금속산화물층의 기화 공정에 의한 증착을 유도하기 위해서 60 ℃ 내지 100 ℃에서 실시될 수 있다.
상기 유기금속산화물층을 형성하는 단계는, 대기 조건 하에서 공기 또는 산소 분위기에서 실시되고, 비활성 기체를 더 포함할 수 있다.
상기 유기금속산화물층을 형성하는 단계의 상기 유기금속산화물층은, 상기 무기산화물 대비 0.01 중량% 내지 20 중량%의 페로센을 포함하는 것으로서, 상기 페로센층을 형성할 수 있다.
상기 유기금속산화물 유래 금속 산화물층을 형성하는 단계는, 일 예로서, 상기 유기금속산화물층의 열처리를 통하여 금속 산화물로 부분적 또는 완전하게 산화시키고, 탄소 잔여물 등과 같은 불순물을 제거할 수 있다.
상기 유기금속산화물 유래 금속 산화물층을 형성하는 단계는, 50 ℃ 내지 900 ℃; 또는 100 ℃ 내지 800 ℃; 온도에서 2 단계 이상으로 열처리할 수 있다.
예를 들어, 상기 유기금속산화물 유래 금속 산화물층을 형성하는 단계는, 100 ℃ 내지 300 ℃ 온도에서 제1 열처리하는 단계 및 300 ℃ 내지 900 ℃ 온도에서 제2 열처리하는 단계를 포함하고, 각 단계는 서로 상이한 온도에서 열처리할 수 있다. 상기 각 단계는 각각 1분 내지 20 시간 동안 실시되고, 공기, 20 % 이상; 40 % 이상의 산소를 포함하는 공기 또는 비활성 기체 분위기에서 실시될 수 있다.
즉, 상기 제1 열처리하는 단계는, 유기금속산화물과 산소의 반응에 의해서 금속 산화물로 전환하는 금속 산화물 증착을 위한 어닐링 공정일 수 있다. 상기 제2 열처리하는 단계는, 제1 열처리 단계 이후의 후열 처리단계이며, 탄화물 등과 같은 불순을 제거하여 광촉매의 활성 및 성능을 향상시키는 어닐링 공정일 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
광촉매의 제조 및 특성 평가
우선적으로 본 발명의 특징적인 성분인 광촉매를 페로센을 이용하여 제조하였다.
단, 하기 실시예는 본 발명의 광촉매의 제조 과정 및 그로부터 구현되는 효과를 증명하기 위하여 도입한 것으로서, 유기금속산화물로서 페로센을 선택하여 예를 든 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 2의 TR-CVD(온도 조절식 화학 증착법) 반응기를 이용하고, 도 3에 나타낸 온도 조절식 화학 증착법을 활용하여 TiO2에 나노 크기의 산화철 입자가 증착된 광촉매(Fe-TiO2)를 제조하였다. 보다 구체적으로, 가열 밴드로 둘러 쌓인 스테인리스강으로 만든 반응기의 내부 바닥에 철의 전구체인 Ferrocene 0.02 g을 Quartz로 만든 용기에 담아 위치시킨다. 반응기 내부 중앙에 3g의 TiO2 (TiO2, P-25, Evonik, 입자 크기: 25 nm)를 스테인리스강 철망으로 만든 용기에 담은 뒤 위치시킨 후 반응기를 폴리이미드 테이프를 이용하여 밀봉한다. 반응기의 온도를 60 ℃에서 2 시간 동안 TR-CVD 기화 공정으로 페로센의 증착공정을 진행하고, 다음으로, 온도를 200 ℃로 올려 12 시간 동안 유지하여 철산화물로 전환하였다.
이어서 TiO2를 꺼내 건조 공기 가스 분위기에서 750 ℃에서 2 시간 동안 추가적인 열처리를 하여 최종적으로 철 산화물-TiO2 하이브리드 나노구조의 광촉매(또는, Fe-TiO2로 표시)를 제조하였다. 해당 조건에서 TiO2에 증착된 철의 함량은 약 0.09 wt%이다.
실시예 2
철 전구체 Ferrocene를 0.05g을 적용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 철 산화물-TiO2 하이브리드 나노구조의 광촉매를 제조하였다. 해당 조건에서 TiO2에 증착된 철의 함량은 약 0.13 wt%이다.
실시예 3
철 전구체 Ferrocene를 0.1g을 적용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 철 산화물-TiO2 하이브리드 나노구조의 광촉매를 제조하였다. 해당 조건에서 TiO2에 증착된 철의 함량은 약 0.65 wt%이다.
실시예 4
철 전구체 Ferrocene를 0.3g을 적용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 철 산화물-TiO2 하이브리드 나노구조의 광촉매를 제조하였다. 해당 조건에서 TiO2에 증착된 철의 함량은 약 1.81 wt%이다.
도 4는, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 본 발명에 적용되는 광촉매의 이미지를 나타낸 것이다.
상기 제조된 광촉매(Fe-TiO2)를 일반 철 산화물로 코팅된 TiO2 광촉매와 투명도 및 색을 비교하여 도 4에 나타내었다. 도 4를 살펴보면, 본 발명에 의한 페로센 유래 철 산화물로 코팅된 광촉매(Fe-TiO2)는, 철 산화물(Fe2O3)로 코팅된 광촉매(Fe2O3-TiO2)보다 투명하고 연한 노란색을 갖는 것을 확인할 수 있다.
상기 제조된 광촉매(Fe-TiO2)의 TEM 이미지(투과 전자현미경으로 측정된 이미지)를 측정하여 도 5에 나타내었다. 도 5에서 철의 함량이 감소할수록 Fe-TiO2 표면에 증착된 산화철 입자의 크기가 작아지는 것을 보여준다.
상기 제조된 광촉매(Fe-TiO2)의 질소 흡착 분석을 통한 비표면적(BET) 및 BJH 평균 기공 크기를 측정하여 표 1에 나타내었다.
0.13 wt% Fe-TiO2 0.65 wt% Fe-TiO2 1.81 wt% Fe-TiO2
BET Surface area(m2/g) 11.6259 10.3426 8.3939
BJHAdsorption average pore size(nm) 13.2 12.5 13.9
표 1을 살펴보면, Fe-TiO2의 철의 함량이 변화하여도 비표면적과 평균 기공 크기는 크게 변하지 않는 것을 확인할 수 있고, Fe-TiO2의 메조 기공이 형성된 것을 확인할 수 있다.
평가예 1
위면이 쿼츠 유리로 이루어진 부피 5.3 L 반응기(batch reactor) 내에 실시예 1의 광촉매(Fe-TiO2)를 넣고, 아세트알데히드 초기 농도 66 ppm, 건조 공기(상대습도: ~33%, 총 압력은 760 torr) 및 상온에서 백색 창호로 가시광 영역을 조사하여 아세트알데히드의 광분해 특성을 분석하였다. 반응기 내의 아세트알데히드는 기체크로마토그래피를 이용하여 주시적으로 측정하였다. 그 결과는 도 6에 나타내었다.
도 6은, 33 %의 습도 조건에서 가시광선 (백색광) 조사 시간에 따른 (a) 아세트알데하이드 몰수 변화, 및 (b) 아세트알데하이드의 광분해 반응의 결과 발생한 이산화탄소 몰수 변화를 나타낸 그래프이며, 도 6을 살펴보면, 실시예에서 제조된 광촉매(Fe-TiO2)는 가시광선(백색광) 조사에 의한 광촉매 활성에 의해서 아세트알데히드의 광분해가 이루어지는 것을 확인할 수 있고, 페로센 증착양이 0.09 wt %에서 가시광에서 분해 효율이 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 또한, 철의 함량이 적어질수록 Fe-TiO2의 아세트알데하이드 광분해 속도가 빨라지는 것을 확인할 수 있다.
평가예 2
페로센 증착양이 0.13 wt %인 광촉매(Fe-TiO2)를 습도가 없는 건식 조건 및 상대습도: ~33%의 습도 조건에서 각각 평가예 1과 동일한 방법으로 아세트알데히드의 광분해 특성을 분석하였다. 반응기 내의 아세트알데히드 및 이산화탄소를 기체크로마토그래피를 이용하여 주기적으로 측정하였다. 그 결과는 도 8 및 도 9에 나타내었다.
도 7은, 건조 조건과 33% 습도 조건에서의 아세트알데하이드 광분해 실험을 했을 때, 가시광선 조사 시간에 따른 (a) 아세트알데하이드 몰 수 변화와 (b) 아세트알데하이드의 광분해 반응의 결과 발생한 이산화탄소 몰수 변화를 나타낸 그래프이며, 도 7을 살펴보면, 점선으로 표시된 같은 아세트 알데하이드 농도 구간에서 두 그래프의 기울기는 비슷하게 나타났는데, 습도의 유무와 상관없이 가시광 조사에서 아세트 알데하이드 광분해 활성은 비슷하게 유지됨을 보여준다.
또한, 이산화탄소 발생이 광조사 시간에 따라 증가되는 것을 확인할 수 있고, 이는 아세트 알데히드의 완전산화에 의한 이산화탄소 발생된 것이다.
도 8은, 33% 습도 조건에서 반복적으로 아세트 알데하이드 광분해 실험에 활용하였을 때, 가시광선 조사 시간에 따른 (a) 아세트알데하이드 몰 수 변화와 (b) 아세트알데하이드의 광분해 반응의 결과 발생한 이산화탄소 몰수 변화를 나타낸 그래프이며, 도 8에서 반복적인 광분해 실험에도 높은 광촉매 활성이 유지됨을 확인할 수 있다.
종합적으로, 본 발명은, 산화철이 증착된 TiO2 (이하 Fe-TiO2)는 대표적인 휘발성 유기 화합물 중 하나인 아세트알데하이드의 광분해 실험에 활용되었고 산화철의 함량에 따른 Fe-TiO2의 아세트알데하이드 광분해 활성을 비교하였다. 그 결과 철의 함량이 약 0.09 wt% 정도로 낮을때 Fe-TiO2의 아세트알데하이드의 광분해 활성이 가장 높았고, 20 시간 안에 초기 아세트알데하이드 농도(~95 mol ppm)의 약 70%가 감소하였다. 또한 일반적으로 광촉매의 활성은 습도에 많은 영향을 받게 되지만 본 발명에서 제조한 Fe-TiO2는 건조 조건과 습도 조건에서 비슷한 촉매 활성을 보여 광촉매 활성이 습도에 민감하지 않음을 확인하였다. 다양한 철의 함량을 가지는 Fe-TiO2의 질소 흡착 실험을 진행한 결과, 철의 함량이 광촉매의 총 비표면적에 크게 영향을 주지 않은 것을 확인하였다. 또한, Fe-TiO2의 광촉매 활성은 철의 함량에 크게 영향을 받은 것으로 보았을 때 광촉매의 활성은 표면 구조보다는 증착된 산화철 나노입자와 TiO2가 이루는 계면의 전자구조가 더 중요하다는 것을 알 수 있다. 또한 투과전자현미경을 통해 철 함량이 낮아질수록 표면에 존재하는 산화철 입자의 크기가 작아지는 것을 확인하였고 1~3 나노미터 수준의 산화철 입자가 증착되었을 때 광촉매 활성이 증가될 수 있다. 분석 결과들을 통해 미루어보았을 때 아주 작은 크기의 산화철 나노입자가 약 0.09 wt%의 함량을 가질 때 Fe-TiO2는 가시광선 영역의 빛을 흡수하여 전자/정공 쌍을 가장 효율적으로 분리해내어 산소/물과 반응해 라디칼을 생성시켜 아세트알데하이드를 빠르게 분해시킬 수 있다. 한 편, 타켓 유기물이 완전히 산화되지 않고 부분적으로 산화가 되어 광촉매 표면에 남아 활성 자리를 막으면 광촉매의 활성이 감소하게 되는데 이는 광촉매의 가장 큰 문제점 중의 하나로 지적받고 있다. 그러나 본 발명에서 제조한 Fe-TiO2는 반복된 아세트알데하이드 광분해 실험에도 촉매 활성이 동일하게 유지가 되었고 따라서 촉매 활성 저하의 문제점 역시 없는 것을 확인하였다.
광촉매가 코팅된 창호의 제조
상술한 방법으로 제조한 광촉매를 조성물 형태로 준비하여 일반적으로 통용되는 창호의 창문 면의 실내를 향하는 면 상에 코팅층을 1 mm 두께로 형성하고(도포), 건조하였다.
상기 창호를 창틀에 설치하고 창문을 닫아둔 채로 실내 공기 정화 효과를 측정한 결과, 코팅층으로 형성된 상태에서도 상기 광촉매는 동일하게 활성화되어 기대하는 공기정화 효율을 구현하는 것을 확인하였다.
광촉매를 포함하는 필터가 포함된 공기정화 유닛의 제조 및 그를 포함하는 창호의 제조
에어레이드 부직포를 이용하여 다공성 나노 웹을 포함하는 필터부재를 형성하였다. 상기 필터부재 표면에는 광촉매를 분산시켰고, 주름진 형태로 형성하여 도 12와 같은 형태로 공기정화 유닛을 형성하였다. 상기 필터부재의 공기투과도는 필터부재의 주름진 형태를 적절한 선으로 제어하여 30 CFM으로 형성하였다.
상기 창문의 면은 개구 상태로서, 공기정화 유닛의 필터부재 만으로 외부와 내부가 구분지어진 창호를 창틀에 설치하고 외부의 공기가 내부로 유입되도록 해 둔 채, 실내 공기 정화 효과를 측정하였다. 별도의 공기정화 유닛을 포함하도록 창호를 설계한 경우에도 상기 광촉매는 동일하게 활성화되어 실내에 들어오는 공기에 대해서 기대하는 공기정화 효율을 구현하는 것을 확인하였다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (10)

  1. 창틀에 구비되는 창호에 있어서,
    창호 창의 적어도 일 면 상에 구비되는 광촉매를 포함하며,
    상기 광촉매는, 무기산화물 및 상기 무기산화물 상에 형성된 유기금속화합물 유래 금속 산화물층을 포함하고, 400 nm 이상의 가시광선 영역에서 광활성을 가지는 것이고,
    상기 금속 산화물층은 페로센 유래 철 산화물을 포함하는 것이고,
    상기 무기산화물은, Ti, Zn, Al 및 Sn 중 적어도 하나를 포함하는 산화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이고,
    상기 금속 산화물층은 상기 무기산화물 대비 0.001 내지 10 중량%인 철 산화물을 포함하는 것이고,
    상기 광촉매는, 30 % 이하의 습도의 건식 조건에서 광활성을 갖는 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 창호 창의 적어도 일 면 상에 구비되는 광촉매 코팅층을 더 포함하고,
    상기 광촉매는 상기 광촉매 코팅층에 분산 형성된 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공기정화용 창호는,
    상기 창호 창의 적어도 일 면 상에 구비되는 공기정화 유닛을 더 포함하고,
    상기 공기정화 유닛은 다수의 기공을 가지는 필터를 포함하고, 상기 광촉매는 상기 필터에 분산형성된 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 필터는,
    다공성 나노 웹을 포함하는 필터부재; 및
    상기 다공성 나노 웹 가장자리에 장착되어 상기 필터부재를 지지하는 지지부재;를 포함하는 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공기정화용 창호는,
    실내로 공기를 유입시키는 송풍 유닛을 더 포함하는 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 무기산화물은 철을 포함하는 무기산화물을 포함하지 않는 것이고,
    상기 금속 산화물층은, 상기 무기산화물 상에 증착된 페로센이 열처리된 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유기금속화합물 유래 금속 산화물층은, 하기의 화학식 1로 표시되는 화합물 중 1종 이상의 성분을 포함하도록 구성되는 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호.

    [화학식 1]
    MexOYHZ
    (Me는 1족 내지 3족 중 하나 이상의 금속 원소, X, Y 및 Z는, 각각 0 내지 3에서 선택되고, X 및 Y는 0이 아니다.)
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광촉매의 비표면적은 5 (m2/g) 이상이고, 평균 기공 크기는 50 nm 이하인 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 공기정화용 창호.
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