KR20070027098A - 나노 다공성 광촉매 분리막 및 그 제조방법, 나노 다공성광촉매 분리막을 이용한 수처리 정화 시스템 및 대기 정화시스템 - Google Patents
나노 다공성 광촉매 분리막 및 그 제조방법, 나노 다공성광촉매 분리막을 이용한 수처리 정화 시스템 및 대기 정화시스템 Download PDFInfo
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- B01D2325/0283—Pore size
Abstract
본 발명은, 전해액이 담긴 전기화학 전해조를 마련하고, 서로 이격 배치된 상기 양극과 상기 음극에 전압을 인가하여 나노 크기의 다공을 갖는 나노 다공성 금속산화막을 형성하는 나노 다공성 광촉매 분리막 및 그 제조방법과 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 수처리 정화 시스템 및 대기 정화 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 유체와 실질적으로 접촉하는 면적이 증가되어 광촉매의 효율이 높은 나노 크기의 다공을 갖는 광촉매 분리막을 제작할 수 있고, 나노 다공성 광촉매 분리막을 수처리 또는 대기 정화 시스템에 적용함으로서 처리 비용이 적게 들고 처리 방식이 용이하며 처리 효율이 우수한 수처리 또는 대기 정화 시스템을 구현할 수 있다.
광촉매(photocatalytic), 분리막(membrane), 아노다이징(anodizing), 다공성(porous), 아나타제(anatase), 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining), 수처리(water treatment), 대기 정화(air purification)
Description
도 1은 나노 다공성 금속산화막 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 티타늄(Ti)막 상에 형성된 나노 다공성 티타늄산화막(TiO2)의 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 실리콘 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining) 공정을 적용하여 광촉매 분리막을 제조하는 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
도 6은 알루미늄(Al)막 상에 형성된 나노 다공성 알루미늄산화막(Al2O3)의 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 나노 다공성 티타늄산화막과 나노 다공성 알루미늄산화막을 포함하는 광촉매 분리막을 제조하는 방법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수처리 정화 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기 정화 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 전해조 20: 전해액
30: 양극 40: 음극
50: 전력 공급 수단 60: 실리콘 기판
65: 티타늄산화막 70: 나노 크기의 다공(pore)
75: 식각마스크 80: 마이크로 크기의 홀
100: 반응조 110: 수처리 유입구
120: 수처리 배출구 130: 나노 다공성 광촉매 분리막 필터
140: 자외선 램프 150: 투명 덮개
160: 슬러지 배출구 175, 180: 펌프
185: 밸브 190: 순환수 유입관
200: 대기 정화 시스템 210: 프리 필터
220: 활성탄소섬유 필터 230: 나노 다공성 광촉매 분리막 필터
240: 차동 압력 게이지
본 발명은 광촉매 분리막 및 그 제조방법, 광촉매를 이용한 수처리 정화 시 스템 및 대기 정화 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노 다공성 구조를 갖는 광촉매 분리막 및 그 제조방법, 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 수처리 정화 시스템 및 대기 정화 시스템에 관한 것이다.
산업 폐수나 가정용 오·폐수는 수질 오염의 주요인이 되고 있으며, 산업의 발달에 따른 대기 오염은 자연 환경 및 생태계를 파괴하는 주요인이 되고 있다.
일반적으로 사용되고 있는 폐수 처리 방법에는 생물학적 처리법과 화학적 처리법이 있다.
활성오니법이 생물학적 처리법의 대표적인 예인데, 활성오니법은 유기화합물을 분해시키는데 긴 시간이 필요하고, 처리 시설을 갖추는데 넓은 공간이 요구되며, 난분해성 물질인 방향족 유기물이 함유된 폐수의 경우에는 잘 분해 처리되지 않는다는 단점이 있다.
화학적 처리법에는 철산화법, 펜톤(Fenton) 산화법, 오존 산화법 등이 있다. 철산화법은 제일철과 제이철을 사용하여 산화와 응집을 이용하는 방법으로 폐수를 처리하는데 비용이 적게 들고 처리 방식이 용이하나, 처리 효율이 나쁘다는 단점이 있다. 펜톤 산화법은 비교적 처리 효율이 우수한 것으로 나타나지만, 철수산화물 형태의 슬러지가 다량 발생하고 난분해성 유기물을 함유하는 폐수의 경우에는 거의 처리되지 않는다는 단점이 있다. 오존 산화법은 음용수 처리에 널리 사용되고 있으나, 오존 처리 후 발생되는 가스를 활성탄으로 흡착 처리해야 하고, 처리 비용이 많이 들며, 오존에 의한 2차 오염이 우려되고, 여러 가지 유기물질이 함유된 폐수의 처리에는 적합하지 못하다는 단점이 있다.
이와 같이 산업 발전과 더불어 필수적으로 수반되는 폐수 및 대기 오염을 보다 효율적으로 처리하기 위한 다양한 처리 방법들이 제안되고 있으나, 아직까지는 만족할 만한 수준에는 이르지 못하고 있는 실정이다.
폐수 처리와 관련하여 선행기술자료인 특허출원 제2001-004275호는 오존 처리공정과 활성탄 처리공정을 단일 반응조로 구성하여 오폐수를 정화시키는 오폐수 고도처리장치 및 방법에 관하여 개시하고 있다. 또한, 특허출원 제2001-0025969호는 간헐적 오존주입 역세정 방법을 결합시킨 금속막을 이용한 오폐수 고도처리장치 및 방법에 관하여 개시하고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 유체와 실질적으로 접촉하는 면적이 증가되어 광촉매의 효율이 높은 나노 크기의 다공을 갖는 광촉매 분리막을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 유체와 실질적으로 접촉하는 면적이 증가되어 광촉매의 효율이 높은 나노 크기의 다공을 갖는 광촉매 분리막 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 수처리 비용이 적게 들고, 처리 방식이 용이하며, 처리 효율이 우수한 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 수처리 정화 시스템을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 공기 정화 비용이 적게 들고, 처리 방식이 용이하며, 처리 효율이 우수한 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용 한 대기 정화 시스템을 제공함에 있다.
본 발명은, 전면, 후면, 테두리 에지부 및 상기 전면과 후면 사이의 영역을 갖는 광촉매 분리막에서, 상기 전면과 후면 사이의 영역은 광촉매로서 기능하면서 나노 크기의 다공을 갖는 금속산화막을 포함하며, 상기 나노 크기의 다공은 상기 광촉매 분리막의 전면부터 후면까지 관통되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노 다공성 광촉매 분리막을 제공한다.
상기 광촉매 분리막은 상기 금속산화막 하부에 형성되고 상기 금속산화막이 산화되는데 필요한 성분으로 이루어진 금속막을 더 포함하며, 상기 금속막은 상기 나노 크기의 다공을 통해 관통되도록 형성되어 있을 수 있다.
또한, 상기 광촉매 분리막은, 상기 나노 크기의 다공보다는 크기가 큰 마이크로(micro) 크기의 복수의 홀이 선택적으로 형성되어 있는 실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판 상에 형성된 버퍼층과, 상기 버퍼층 상에 형성되고 상기 금속산화막이 산화되는데 필요한 성분으로 이루어진 금속막을 더 포함하며, 상기 금속산화막은 상기 금속막 상에 형성되어 있고, 상기 금속막 및 상기 버퍼층은 상기 나노 크기의 다공을 통해 관통되도록 형성되어 있을 수 있다.
또한, 상기 광촉매 분리막은, 상기 금속산화막 하부에 형성되고 상기 금속산화막이 산화되는데 필요한 성분으로 이루어진 금속막과, 상기 금속막 하부에 형성된 알루미늄막과, 상기 알루미늄막 하부에 형성된 나노 크기의 다공을 갖는 알루미늄 산화막을 더 포함하며, 상기 금속막 및 상기 알루미늄막은 상기 나노 크기의 다 공을 통해 관통되도록 형성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명은, 전해액이 담긴 전기화학 전해조를 마련하는 단계와, 양전압이 인가되고 나노 다공성 금속산화막이 형성되는 양극과, 음전압이 인가되어 금속 양이온에 전자를 공급하기 위한 음극을 서로 이격 배치하는 단계와, 상기 양극과 상기 음극에 전압을 공급하기 위한 전력 공급수단을 배치하고 상기 양극과 상기 음극에 전압을 인가하는 단계와, 아노다이징 공정을 이용하여 상기 전해액과 인가되는 상기 전압을 조절하면서 상기 양극에 구비된 금속막에 나노 크기의 다공을 갖는 나노 다공성 금속산화막을 형성하는 단계와, 상기 나노 크기의 다공을 통해 관통되도록 하부에 상기 금속막과 접하면서 상기 나노 크기의 다공을 통해 노출된 상기 금속산화막을 선택적으로 제거하고 잔류하는 상기 금속막을 선택적으로 제거하여 광촉매 분리막을 형성하는 단계를 포함하는 나노 다공성 광촉매 분리막 제조방법을 제공한다.
상기 나노 다공성 금속산화막을 형성하는 단계는, 상기 전해액 속의 물분자(H2O)를 전기분해에 의하여 수소 이온(H+)과 하이드록실기 이온(OH-)으로 전해시키는 단계와, 전해된 상기 수소 이온(H＋)이 상기 음극쪽으로 이동하여 전자와 결합하여 수소 가스(H2)로 방출되고, 상기 하이드록실기 이온(OH-)이 상기 양극쪽으로 이동하여 산소 이온(O2－)과 수소 이온(H＋)으로 분리되는 단계와, 분리되어진 상기 산 소 이온(O2－)이 금속 양이온과 반응하여 금속산화막을 형성하는 단계와, 분리되어진 상기 수소 이온(H＋)이 상기 금속산화막과 반응하여 금속과 산소의 결합을 부분적으로 끊고 수산화물을 형성하며, 상기 금속산화막과 상기 전해액 사이의 표면에서 산화물 에칭을 발생시켜 나노 크기의 다공을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 금속막은 실리콘 기판의 전면 상에 증착된 금속막이고, 상기 나노 다공성 금속산화막을 형성하는 단계 후에, 실리콘 벌크 마이크로머시닝 공정을 이용하여 상기 실리콘 기판의 후면에 상기 나노 크기의 다공보다는 크기가 큰 마이크로(micro) 크기의 홀을 선택적으로 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 금속막은 알루미늄 기판의 전면 상에 증착된 금속막이며, 상기 금속막에 상기 나노 다공성 금속산화막을 형성하면서 상기 알루미늄 기판의 후면에 나노 크기의 다공을 갖는 알루미늄산화막을 형성하고, 상기 금속막을 식각하면서 다공을 통해 관통되도록 상기 알루미늄산화막 하부에 잔류하는 알루미늄 기판을 선택적으로 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
잔류하는 상기 금속막의 전면과 후면이 상기 다공을 통해 관통되도록 잔류하는 상기 금속막에 대하여 습식 식각법, 건식 식각법, 샌드 블래스트(sand blast)법, 블로잉(blowing)법 또는 이온 밀링(ion milling)법을 사용하여 선택적으로 제거할 수 있다.
상기 금속막은 티타늄(Ti)막이고, 상기 금속산화막은 아나타제상으로 이루어진 티타늄산화막(TiO2)이며, 상기 다공의 크기는 100㎚ 보다 작은 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 폐수, 오수 또는 음용수를 정화시키기 위한 수처리 정화 시스템에 있어서, 유입된 원수를 정화시켜 배출시키는 반응조와, 상기 반응조에 원수를 유입시키는 수처리 유입구와, 상기 반응조에 유입된 원수가 처리 정화되어 배출되는 수처리 배출구와, 광촉매 반응을 위한 나노 크기의 다공을 갖는 금속산화막을 함유하고 상기 나노 크기의 다공을 통해 물리적 및 화학적인 유체 정화를 수행하는 복수의 나노 다공성 광촉매 분리막 필터와, 광촉매의 활성을 증가시키기 위하여 상기 광촉매 분리막 필터에 자외선을 조사하기 위한 자외선 램프를 포함하는 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 수처리 정화 시스템을 제공한다.
상기 광촉매 분리막 필터는, 나노 크기의 다공을 갖는 상기 금속산화막와, 상기 금속산화막 하부에 구비되고 상기 다공을 통해 관통되어 있는 금속막을 포함하는 광촉매 분리막을 구비하며, 상기 광촉매 분리막이 적어도 1개가 배열 또는 서로 접합되어 부직포 또는 금속망으로 둘러싸여진 광촉매 분리막 필터일 수 있다. 상기 광촉매 분리막은 상기 금속막 하부에 상기 나노 크기의 다공보다는 큰 마이크로(micro) 크기의 홀을 통해 관통되어 있는 실리콘 기판을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 광촉매 분리막은, 상기 금속막 하부에 구비되고 나노 크기의 다공을 통해 관통되어 있는 알루미늄막 및 상기 알루미늄막 하부에 형성된 나노 크기의 다공을 갖는 알루미늄산화막을 더 포함할 수 있다.
상기 나노 다공성 금속산화막은 나노 크기의 다공을 갖고 아나타제상으로 이루어진 티타늄산화막(TiO2)이고, 상기 다공의 직경은 100㎚ 보다 작은 것이 바람직 하다.
또한, 본 발명은, 공기 중의 먼지 또는 유해 기체를 포집 제거하거나 악취의 흡착을 위한 대기 정화 시스템에 있어서, 공기 중에 함유된 먼지 중에 큰 입자를 1차적으로 포집하는 프리 필터와, 활성탄소섬유의 매우 작은 세공을 통해 악취 물질을 흡착하여 탈취시키기 위한 활성탄소섬유 필터와, 광촉매 반응을 위한 나노 크기의 다공을 갖는 금속산화막을 함유하고, 상기 나노 크기의 다공을 통해 물리적 및 화학적인 공기 정화를 수행하는 나노 다공성 광촉매 분리막 필터를 포함하는 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 대기 정화 시스템을 제공한다.
상기 광촉매 분리막 필터는, 나노 크기의 다공을 갖는 상기 금속산화막와, 상기 금속산화막 하부에 구비되고 상기 다공을 통해 관통되어 있는 금속막을 포함하는 광촉매 분리막을 구비하며, 상기 광촉매 분리막이 적어도 1개가 배열 또는 서로 접합되어 부직포 또는 금속망으로 둘러싸여진 광촉매 분리막 필터일 수 있다. 상기 광촉매 분리막은 상기 금속막 하부에 상기 나노 크기의 다공보다는 큰 마이크로(micro) 크기의 홀을 통해 관통되어 있는 실리콘 기판을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 광촉매 분리막은, 상기 금속막 하부에 구비되고 나노 크기의 다공을 통해 관통되어 있는 알루미늄막 및 상기 알루미늄막 하부에 형성된 나노 크기의 다공을 갖는 알루미늄산화막을 더 포함할 수 있다.
상기 나노 다공성 금속산화막은 나노 크기의 다공을 갖고 아나타제상으로 이루어진 티타늄산화막(TiO2)이고, 상기 다공의 직경은 100㎚ 보다 작은 것이 바람직 하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
광촉매는 빛을 흡수하여 촉매 작용을 나타내는 물질로서 반응의 초기 유발을 도와주는 물질이다. 광촉매는 벤젠, 페놀, TCE 등과 같은 난분해성 유기독성물질을 산화시켜 분해시킬 수 있을 뿐만 아니라 방오, 항균, 탈취 등의 작용을 한다.
광촉매의 가전자대(valence band)와 전도대(conduction) 사이의 에너지 갭(energy gap) 이상의 빛에너지를 받을 경우, 가전자대에서 전도대로 전자가 여기된다. 여기된 전자는 원하는 화학반응을 일으키기에 충분한 에너지를 갖고 있으므로 흡착물질로 이용하여 반응물을 환원시킬 수 있고, 가전자대에서 전자가 여기되면서 발생한 정공은 반응물을 산화시킬 수 있게 된다. 이와 같은 과정을 통해 형성된 전자와 정공은 광촉매 반응을 일으키게 된다. 이러한 광촉매 반응은 자외선과 같은 빛에너지가 화학에너지로 전환되어 화학반응을 일으키는 원리를 이용한 것이다.
광촉매 물질로는 티타늄산화막(TiO2)을 사용할 수 있는데, 티타늄산화막(TiO2)은 에너지 갭이 3.2eV이고, 화학적 및 생물학적으로 안정하며 부식도 잘 일어나지 않을 뿐만 아니라, 값도 매우 저렴하다. 티타늄산화막(TiO2)은 아나타제상 (anatase phase)과 루타일상의 두 형태로 존재하며, 아나타제상의 티타늄산화막(TiO2)은 1100Å 이상의 고온으로 처리하면 루타일상으로 바뀌게 된다. 티타늄산화막(TiO2)은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 아노다이징(anodizing) 공정을 이용하여 나노 다공성 형태의 아나타제상을 갖도록 제조할 수 있다.
이하에서, 아노다이징 공정을 이용하여 나노 다공성(nano porous) 형태의 아나타제상으로 이루어진 티타늄산화막(TiO2)을 형성하는 과정을 살펴본다.
도 1은 나노 다공성 금속산화막 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 나노 다공성 금속산화막 제조장치는, 전기화학 전해조(electrochemical bath)(10)와, 양전압이 인가되고 나노 다공성 금속산화막이 형성되는 양극(30)과, 음전압이 인가되어 금속 양이온에 전자를 공급하기 위한 음극(40)과, 상기 전해조(10) 내에 담겨지는 전해액(20)과, 양극(30)과 음극(40)에 전압을 공급하기 위한 전력 공급수단(50)을 포함한다. 양극(30)과 음극(40)은 소정 거리를 두고 서로 이격 배치된다. 양극(30)은 얻고자 하는 나노 다공성 금속산화막의 금속성분과 동일한 성분으로 구성된다. 예컨대, 티타늄산화막(TiO2)을 형성하는 경우 양극(30)으로 티타늄(Ti)막을 사용한다. 상기 티타늄막은 실리콘(Si) 등의 기판 상에 증착된 티타늄막일 수도 있다. 전해액(20)으로는 불산(HF), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 옥살산(oxalic acid) 등의 산성(acids) 용액 또는 이들의 혼합액을 사용할 수 있다.
나노 다공성 티타늄산화막(TiO2)을 형성하기 위하여 티타늄막 또는 실리콘 기판 상에 증착된 티타늄(Ti)막을 준비하고, 이를 양극(30)에 장착한다. 음극(40)으로는 백금(Pt), 탄탈륨(Ta)과 같은 내산성 금속 전극을 사용한다. 양극(30)은 음극(40)과 일정한 간격을 유지하여 전해액(20) 속에 잠길 수 있도록 설치한다. 전기 분해 또는 화학 반응을 용이하게 하기 위하여 자외선 광원(미도시)이 전해조(10) 상부에 위치하도록 하여 전해액(20)에 자외선이 조사되도록 할 수도 있다. 양극(30)과 음극(40)은 전압 또는 전류를 인가하기 위한 전력 공급 수단(power supply)(50)에 연결되어 있다. 양극(30)에 인가되는 전압은 0V 내지 200V 정도이고, 음극(40)에 인가되는 전압은 0V 내지 -200V 정도이다. 양극(30)과 음극(40)의 전압차는 형성되는 다공의 크기, 다공의 깊이, 셀의 크기, 형성되는 금속산화막의 두께 등을 고려하여 적절하게 조절하며, 바람직하게는 적어도 0.5V 이상이 되도록 한다. 전해조(10)에는 아노다이징 공정 중 발열 반응에 의한 급격한 온도 상승을 방지하고, 금속막 전체에 전기 분해 또는 화학 반응의 균일성을 높이기 위해 일정 온도 유지 장치(미도시)가 설치되어 있을 수 있다.
티타늄산화막을 형성하기 위한 전해액(20)으로는 불산(HF), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4) 등의 산성(acids) 용액 또는 이들의 혼합액을 사용할 수 있다. 전해액(20)은 전하를 띤 전자나 이온의 이동을 원활히 해주어 금속 표면에 금속산화막을 형성하게 한다. 특히, 양극 물질의 금속 이온(예컨대, Ti4+)은 전해액(20)과 산화막 계면에서 전해액(20)에 용해되며, 전해액(20)은 산화막과 금속 계면에서 산화막을 형성시킬 수 있도록 O2-, OH- 라디칼을 공급하는 역할을 한다.
아노다이징 공정을 살펴보면, 전해액(20) 속의 물분자(H2O)는 전기분해에 의하여 아래의 반응식 1과 같이 수소 이온(H+)과 하이드록실기 이온(OH-)으로 전해된다.
수소 이온(H＋)은 음극(40)쪽으로 이동하고, 전해액(20)과 음극(40) 표면 사이에서 전자와 결합하여 수소 가스(H2)로 방출된다.
하이드록실기 이온(OH-)은 양극(30)쪽으로 이동하고, 양극(30)(티타늄막) 표면에 형성된 자연산화막에서 산소 이온(O2－)과 수소 이온(H＋)으로 분리되어진다. 이때 분리되어진 산소 이온(O2－)은 자연산화막을 침투하여 자연산화막과 티타늄막 사이에서 티타늄 이온(Ti4＋)과 반응하여 아래의 반응식 2와 같이 티타늄산화막(TiO2)을 형성하게 된다.
또한, 수소 이온(H＋)은 티타늄산화막(TiO2)과 반응하여 티타늄(Ti)과 산소의 결합을 부분적으로 끊고 수산화물을 형성하게 되며, 이것은 전해액(20)에 용해된다. 즉, 티타늄산화막(TiO2)과 전해액(20) 사이의 표면에서 산화물 에칭(etching)이 발생한다. 이렇게 자연산화막과 티타늄(Ti)막 사이의 계면에서는 티타늄산화막(TiO2)이 형성되고, 티타늄산화막(TiO2)과 전해액 사이의 계면에서는 티타늄산화막(TiO2)이 에칭되어 도 2에 도시된 바와 같은 나노 크기의 다공(porous)을 갖는 아나타제상의 티타늄산화막(TiO2)(65)이 형성되게 된다. 이러한 티타늄산화막(TiO2)(65) 표면은 도 2에 도시된 바와 같이 배열된 셀(cell) 구조를 갖고, 셀 중앙에 나노 크기의 기공(pore)(70)이 형성되어 있다. 나노 크기의 다공 형성 과정에 대하여는 정확한 이론이 정립되지는 않았지만, 티타늄산화막(TiO2)에서의 국부적인 과전류가 발생하게 되고 이러한 과전류에 의한 발열 반응으로 전해액에 의한 산화물 에칭(etching)이 국부적으로 가속화되어 나노 크기의 다공이 형성되는 것으로 파악된다.
이와 같이 형성한 나노 다공성 티타늄산화막(TiO2)은 수질 정화용 필터 또는 대기 정화용 필터로 응용할 수 있다. 티타늄산화막(TiO2)을 나노 크기의 다공을 갖는 구조로 형성함으로서 유체 또는 공기와 실질적으로 접촉하는 광촉매 표면의 면적을 극대화할 수가 있다. 티타늄(Ti)막을 이용한 아노다이징은 나노 크기의 다공 을 갖는 티타늄산화막으로 형성할 뿐 아니라, 광촉매 역할을 할 수 있는 아나타제상(anatase phase)으로 산화막을 형성할 수 있어 이를 이용한 수처리 또는 대기 정화에의 응용성은 매우 크다.
티타늄산화막(TiO2)의 두께(dox=tp＋tb)는 전력 공급 수단(power supply)(50)에서 공급되는 전압(Ua)과 산화막의 전계강도(Ea)에 의해 아래의 수학식 1에 따라 결정된다.
여기서, Ka는 아노다이징 상수로 산화막의 종류와 질에 의해 결정된다.
나노 다공성 티타늄산화막(TiO2)을 형성하는 경우, 다공의 크기(d), 다공의 깊이(tp), 셀의 크기(D), 산화막의 두께(tp＋tb)는 전해액의 농도, 인가되는 전압의 세기, 공정 시간, 전해조의 온도 등을 적절하게 제어함으로서 조절이 가능하다. 예컨대, 전해조(10)의 온도는 0∼50℃ 정도 범위로 설정하여 나노 다공성 티타늄산화막(TiO2)을 제조할 수 있다.
앞에서 제시된 공정 조건들을 이용하여 다공의 크기는 100㎚ 이하이고, 다공의 크기 편차가 30％ 이하로 균일하며, 산화막의 두께는 100㎚ 이상인 나노 다공성 티타늄산화막(TiO2)을 형성할 수 있다.
이하에서, 상술한 아노다이징 공정 후에 이루어지는 광촉매 분리막의 제작 공정에 대하여 설명한다.
티타늄막에 상술한 아노다이징 공정을 이용하여 나노 다공성 티타늄산화막을 형성하게 되면 티타늄산화막 하부에 산화막으로 형성되지 않은 티타늄막이 남아있을 수 있다. 상기 나노 크기의 다공을 통해 관통되도록 하부에 티타늄막과 접하면서 나노 크기의 다공을 통해 노출된 티타늄산화막을 선택적으로 제거하고, 티타늄산화막과 티타늄막에 대하여 식각 선택비를 갖는 에칭액을 이용하여 다공을 통해 선택적으로 티타늄막만을 식각하여 전면으로부터 후면까지 뚫린 광촉매 분리막을 제작할 수 있다. 상기 에칭액으로는 불산(HF), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 과산화수소(H2O2) 또는 이들의 혼합액을 사용할 수 있다. 하부에서 티타늄막과 접하면서 다공을 통해 노출된 티타늄산화막은 반응성 가스를 이용한 이방성 건식 식각(dry etching)법을 이용하여 제거할 수 있다.
또한, 다공을 통해 노출된 잔류하는 티타늄막은 반응성 가스를 이용한 건식 식각(dry etching)법, 미세 입자를 주입하여 제거하는 샌드 블래스트(sand blast)법, 높은 압력의 바람을 이용하는 블로잉(blowing)법, 이온을 이용하는 이온 밀링(ion milling)법 등을 사용하여 뚫을 수도 있다.
티타늄산화막이 유체의 흐름에 대해 지탱하기 위한 지지층이 필요할 수 있으며, 티타늄막은 이러한 지지층으로 사용될 수 있다.
또한, 티타늄산화막이 광촉매 분리막으로 사용될 수 있을 정도로 충분히 두껍게 형성되어 있는 경우에는, 티타늄막에 상술한 아노다이징 공정을 이용하여 나 노 다공성 티타늄산화막을 형성하고, 나노 다공성 티타늄 산화막 이외의 티타늄막을 절단하거나 식각하여 선택적으로 제거함으로서 광촉매 분리막으로 사용할 수도 있다.
지지층으로서 실리콘(Si) 기판 상에 증착된 티타늄막을 사용한 경우에는 멤스(MEMS; Micro Electro-Mechanical System) 제작에 사용되는 실리콘(Si) 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining) 공정을 적용하여 광촉매 분리막을 제작할 수도 있다.
도 3 내지 도 5는 실리콘 벌크 마이크로머시닝 공정을 적용하여 광촉매 분리막을 제조하는 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 실리콘 기판(60) 상에 티타늄막(미도시)을 증착하고, 상기 티타늄막 상에 상술한 아노다이징 공정을 이용하여 나노 크기의 다공(70)을 갖는 티타늄산화막(65)을 형성한다.
앞에서 설명하지는 않았지만, 티타늄막을 증착하기 전에 실리콘 기판 상에 버퍼층(미도시)을 더 형성할 수도 있다. 상기 버퍼층은 티타늄막의 균일성을 확보하고 실리콘과 티타늄막과의 물성적 특성 차이를 완화하기 위하여 형성한다. 상기 버퍼층으로는 탄탈륨(Ta), 백금(Pt)과 같은 물질을 사용할 수 있으며, 50Å∼200Å 정도의 두께로 얇고 균일하게 형성하는 것이 바람직하며, 다공에 노출된 잔류 금속막 제거시 함께 제거된다.
도 4를 참조하면, 실리콘 기판(60)의 후면(티타늄막이 증착된 면과 반대되는 면) 상에 마이크로(micro) 크기의 홀을 정의하는 식각마스크, 예컨대 포토레지스트 패턴(75)을 형성한다.
도 5를 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(75)을 식각 마스크로 하여 실리콘 기판(60)을 에칭액을 사용하여 습식 식각하여 마이크로(micro) 크기의 복수의 홀(80)을 형성한다. 상기 홀(80)은 실리콘 기판(60)의 후면에서 전면까지 파여있는 모든 형태의 다공, 트렌치(trench) 등을 포함하는 개념이다. 상기 에칭액으로는 수산화칼륨(KOH) 용액, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAH) 등을 사용할 수 있다.
또는, 반응이온식각(Reactive Ion Etching; RIE) 방법으로 건식 식각하여 마이크로(micro) 크기의 홀(80)을 형성할 수도 있다. 상기 반응이온식각에 사용되는 식각 가스로는 SF6 가스 또는 C4F8 가스 등을 사용할 수 있다.
실리콘 기판(60)에 마이크로 크기의 홀(80)을 형성한 후, 포토레지스트 패턴(75)을 제거한다.
하부에서 티타늄막과 접하면서 다공을 통해 노출된 티타늄산화막은 반응성 가스를 이용한 이방성 건식 식각(dry etching)법을 이용하여 제거할 수 있다. 실리콘 기판(60) 상에서 티타늄산화막(65) 하부에 잔류하는 상기 티타늄막(버퍼층이 형성되어 있는 경우 버퍼층도 포함)은 앞서 설명한 습식 식각법, 건식 식각법, 샌드 블래스트(sand blast)법, 블로잉(blowing)법, 이온 밀링(ion milling)법 등을 사용하여 다공(70)을 통해 뚫을 수 있다.
한편, 실리콘 기판 상에 증착된 티타늄막을 사용한 경우에, 상술한 아노다이 징 공정을 이용하여 나노 다공성 티타늄산화막을 형성하고, 티타늄산화막과 잔류 티타늄막에 대하여 식각 선택비를 갖는 에칭액, 티타늄산화막과 실리콘 기판에 대하여 식각 선택비를 갖는 에칭액을 이용하여 다공을 통해 티타늄막 및 실리콘 기판만을 선택적으로 식각하여 전면으로부터 후면까지 뚫린 광촉매 분리막을 제작할 수도 있다. 이 방법은 실리콘 기판의 두께가 작아서 얇은 경우에 적용할 수 있다.
이와 같이 제작된 광촉매 분리막은 전면, 후면, 테두리 에지부 및 상기 전면과 상기 후면 사이의 영역을 갖고, 상기 전면과 후면 사이의 영역에 적어도 광촉매로서 기능하는 나노 다공성 티타늄산화막이 포함되어 있다.
상술한 바와 같이 제작한 광촉매 분리막은 크기에 맞게 적어도 1개 이상 배열 또는 서로 접합시켜 부직포 또는 금속망으로 둘러싸서 수처리용 정화 필터 또는 대기 정화용 필터로 만들 수 있다.
나노(nano) 크기의 다공을 갖는 광촉매 티타늄산화막(TiO2)은 수처리용 정화 필터로 사용되어, 가정용 정수기, 오폐수 정화기, 소규모 폐수처리 장치 등에 다양한 용도로 활용이 가능하다. 또한, 대기 정화용 필터로도 사용될 수 있으며, 차량용 또는 가정용 공기 정화기나 대형 건물의 실내 공조 시스템에도 활용될 수 있다.
상술한 아노다이징 공정을 이용하여 나노 다공성(nano-porous) 알루미늄산화막(Al2O3)도 형성할 수 있다. 이하에서, 아노다이징 공정을 이용하여 나노 다공성 알루미늄산화막(Al2O3)을 형성하는 과정을 살펴본다. 나노 다공성 알루미늄산화막(Al2O3)은 도 1에 도시된 금속산화막 제조장치를 이용하여 형성할 수 있다.
알루미늄(Al)막을 준비하고, 이를 양극(30)에 장착한다. 음극(40)으로는 백금과 같은 내산성 금속 전극을 사용한다. 양극(30)은 음극(40)과 일정한 간격을 유지하여 전해액(20) 속에 잠길 수 있도록 설치한다. 양극(30)에 인가되는 전압은 0V 내지 200V 정도이고, 음극(40)에 인가되는 전압은 0V 내지 -200V 정도이다. 양극(30)과 음극(40)의 전압차는 형성되는 다공의 크기, 다공의 깊이, 셀의 크기, 형성되는 금속산화막의 두께 등을 고려하여 적절하게 조절하며, 바람직하게는 적어도 0.5V 이상이 되도록 한다.
알루미늄산화막을 형성하기 위한 전해액(20)으로는 인산(H3PO4), 옥살산(oxalic acid) 등의 산성(acids) 용액, 또는 이들의 혼합액을 사용할 수 있다.
아노다이징 공정을 살펴보면, 전해액(20) 속의 물분자(H2O)는 전기분해에 의하여 아래의 반응식 3과 같이 수소 이온(H+)과 하이드록실기 이온(OH-)으로 전해된다.
수소 이온(H＋)은 음극(40)쪽으로 이동하고, 전해액(20)과 음극(40) 표면 사이에서 전자와 결합하여 수소 가스(H2)로 방출된다.
하이드록실기 이온(OH-)은 양극(30)쪽으로 이동하고, 양극(30)(알루미늄막) 표면에 형성된 자연산화막에서 산소 이온(O2－)과 수소 이온(H＋)으로 분리되어진다. 이때 분리되어진 산소 이온(O2－)은 자연산화막을 침투하여 자연산화막과 알루미늄막 사이에서 알루미늄 이온(Al3＋)과 반응하여 아래의 반응식 4와 같이 알루미늄 산화막을 형성하게 된다.
또한, 수소 이온(H＋)은 알루미늄 산화막(Al2O3)과 반응하여 알루미늄과 산소의 결합을 부분적으로 끊고 수산화물을 형성하게 되며, 이것은 전해액(20)에 용해된다. 즉, 알루미늄 산화막과 전해액(20) 사이의 표면에서 산화물 에칭(etching)이 발생한다. 이렇게 자연산화막과 알루미늄막 사이의 계면에서는 알루미늄 산화막이 형성되고, 알루미늄 산화막과 전해액 사이의 계면에서는 알루미늄 산화막이 에칭되어 나노 다공성(nano porous) 알루미늄 산화막이 형성되게 된다. 이러한 알루미늄 산화막 표면은 도 6에 도시된 바와 같이 육각 형태의 셀(cell) 구조를 갖고, 셀 중앙에 기공(pore)이 형성되어 있다.
나노 다공성 알루미늄산화막(Al2O3)을 형성하는 경우, 다공의 크기(d), 다공의 깊이(tp), 셀의 크기(D), 산화막의 두께(tp＋tb)는 전해액의 농도, 인가되는 전압의 세기, 공정 시간, 전해조의 온도 등을 적절하게 제어함으로서 조절이 가능하 다. 예컨대, 전해조(10)의 온도는 0∼50Å 정도 범위에서 나노 다공성 알루미늄산화막(Al2O3)을 제조할 수 있다.
앞에서 제시된 공정 조건들을 이용하여 다공의 크기는 100㎚ 이하이고, 다공의 크기 편차가 30％ 이하로 균일하며, 산화막의 두께는 100㎚ 이상인 나노 다공성 알루미늄산화막(Al2O3)을 형성할 수 있다.
아노다이징 공정을 적용하여 알루미늄막에 나노 다공성 알루미늄산화막을 형성한 경우에도, 앞서 설명한 광촉매 분리막 제작 공정을 적용할 수 있음은 물론이며, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예로서, 나노 다공성 티타늄산화막과 나노 다공성 알루미늄산화막을 포함하는 광촉매 분리막을 제작하는 방법을 설명한다.
도 7을 참조하면, 먼저 알루미늄 기판의 전면 상에 티타늄막을 증착한다(또는 티타늄 기판 상에 알루미늄막을 증착할 수도 있음). 또한, 티타늄막과 알루미늄 기판 사이에 버퍼층을 형성할 수도 있다. 상술한 아노다이징 공정을 이용하여 티타늄막에 나노 크기의 다공을 갖는 티타늄산화막을 형성하고, 알루미늄 기판의 후면에 나노 크기의 다공을 갖는 알루미늄산화막을 형성한다.
광촉매 분리막을 제작하기 위하여, 앞서 설명한 바와 같이 티타늄산화막 하부에 잔류하는 티타늄막과 알루미늄산화막 하부에 잔류하는 알루미늄 기판(버퍼층이 형성되어 있는 경우 버퍼층도 포함)에 대하여 습식 식각법, 건식 식각법, 샌드 블래스트(sand blast)법, 블로잉(blowing)법, 이온 밀링(ion milling)법 등을 사용 하여 다공을 통해 식각한다. 이렇게 하여 다공을 통해 전면과 후면이 뚫린 광촉매 분리막을 만들 수 있다.
상술한 아노다이징을 이용한 나노 다공성 금속산화막을 형성하는 방법은 티타늄산화막(TiO2) 및 알루미나(Al2O3)에만 적용되는 것이 아니라, 탄탈륨(Ta), 니오브(Nb), 바나듐(V), 하프늄(Hf), 텅스텐(W) 등과 같은 밸브 금속(valve metal)을 사용하여 나노 다공성 금속산화막을 형성하는 경우에도 그 적용이 가능하다.
나노 다공성 산화물을 이용한 응용성은 그 산화물을 특성에 따라 크게 확대될 수 있으며, 다양한 금속의 아노다이징을 통해 얻어진 나노 다공성 금속산화막은 전기 전자분야, 환경 분야, 의료 분야와 같은 많은 분야에 응용될 수 있다.
이하에서, 상술한 나노 다공성 금속산화막을 광촉매로 이용하여 수처리용 정화 필터 또는 대기 정화용 필터로 사용되는 실시예들을 설명하기로 한다.
도 8은 나노 광촉매 분리막을 이용한 수처리 정화 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 수처리 정화 시스템은 유입된 폐수, 오수 또는 음용수 등의 원수를 정화시켜 배출시키는 반응조(100)와, 상기 반응조(100) 상단에 설치되어 폐수, 오수 또는 음용수 등의 원수가 유입되는 수처리 유입구(110)와, 상기 반응조(100) 일측에 설치되고 유입된 원수가 처리 정화되어 배출되는 수처리 배출구(120), 광촉매를 위한 나노 다공성 금속산화막(예컨대, 나노 다공성 티타늄산화막(TiO2))을 이용하여 제작된 복수의 광촉매 분리막 필터(130)와, 광촉매의 활성을 증 가시키기 위하여 상기 광촉매 분리막 필터에 자외선을 조사하기 위한 자외선 램프(140)를 포함한다. 나노 다공성 티타늄산화막(TiO2)을 이용하여 제작된 광촉매 분리막 필터(130)는 자외선 램프(140)들 사이에 구비됨으로서 광촉매를 보다 활성화시킬 수 있다. 또한, 수처리 정화 시스템은 상부가 태양광이 투과될 수 있도록 투명 덮개(150)를 구비하고, 잉여 슬러지를 배출하기 위한 슬러지 배출구(160)를 하단에 구비하고 있다.
광촉매 반응을 위한 반응조(100)는 나노 다공성 티타늄산화막을 광촉매 분리막 필터 내에 침지시키고 외부에 설치한 펌프(175, 180)와 파이프나 튜브 등으로 연결하여 외부 펌프의 작동에 의해 여과수가 얻어지는 형태로 되어 있다. 외부 펌프(175, 180)의 작동에 의해 나노 다공성 티타늄산화막의 내부가 부압(-)이 되고, 이때 압력차에 의해 외부로부터 나노 다공성 티타늄산화막의 내부로 원수(feed)가 유입되게 되고 동시에 나노 다공성 티타늄산화막의 표면에서 광촉매 반응이 발생하여 유기물이 제거되게 된다.
반응조(100) 내에 부유성 경량 파인 세라믹스(미도시)를 더 구비할 수 있다. 상기 부유성 경량 파인 세라믹스는 물에 뜨는 세라믹 재질의 물질로 이루어진다.
광촉매 분리막은 전술한 방법과 같이 제작한다. 나노 다공성 광촉매 분리막 필터(130)는 상술한 아노다이징 공정에 제작된 나노 다공성 금속산화막, 예컨대 나노 다공성 티타늄산화막(TiO2) 또는 나노 다공성 알루미늄산화막(Al2O3)을 포함하는 광촉매 분리막을 함유한다. 상기 광촉매 분리막은 나노 크기의 다공을 갖는 상기 금속산화막(예컨대, TiO2)과, 상기 금속산화막 하부에 구비되고 상기 다공을 통해 관통되어 있는 금속막(예컨대, Ti)을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 광촉매 분리막은 상기 금속막 하부에 상기 나노 크기의 다공보다는 큰 마이크로(micro) 크기의 홀을 통해 관통되어 있는 실리콘 기판이 더 구비되어 있을 수 있다. 또한, 상기 광촉매 분리막은, 상기 금속막 하부에 구비되고 나노 크기의 다공을 통해 관통되어 있는 알루미늄막 및 상기 알루미늄막 하부에 형성된 나노 크기의 다공을 갖는 알루미늄산화막을 더 포함할 수 있다.
광촉매 분리막 필터(130)는 이와 같이 제작된 광촉매 분리막을 크기에 맞게 적어도 1개 이상 배열 또는 서로 접합시켜 부직포 또는 금속망으로 둘러싸서 제작할 수 있다.
광촉매로 기능하는 나노 다공성 티타늄산화막(TiO2)은 물의 광분해를 통하여 얻어지는 하이드록실기 이온(OH-)을 난분해성의 유기 물질을 제거하기 위한 수산화 라디칼로 변화시킨다. 자외선 램프(140)에 의해 물에 포함된 세균이 살균되고, 자연광 및/또는 자외선이 나노 다공성 티타늄산화막(광촉매)에 조사되면 강한 산화력을 지닌 수산화라디칼이 생성되며, 상기 수산화라디칼에 의해 유기화합물이 산화분해되게 된다.
반응조(100)의 하부는 경사지게 구비(즉, 경사진 슬로프(slope)를 갖도록 구비)함으로서 슬러지가 하부로 모여 슬러지 배출관(160)을 통해 배출이 용이하도록 하는 것이 바람직하다. 슬러지는 물보다 비중이 크기 때문에 반응조(100) 하부에 퇴적되므로 슬러지 배출구(160)를 통해 이를 적절하게 배출할 필요가 있다.
오염된 유체는 펌프(175)와 수처리 유입구(110)를 통해 반응조(100)에 유입되며, 유입된 유체는 부유성 경량 파인 세라믹스에 의해 유지 성분이 처리될 수 있다. 유지 성분이 1차 처리된 유체는 광촉매 분리막 필터(130)에 분사되고, 투명 덮개(150)를 투과한 태양광 및 자외선 램프(140)에 의해 광촉매와 오염된 유체를 반응시켜 오염된 유체를 정화한다. 정화되고 남은 슬러지는 슬러지 배출구(160)와 밸브(185)를 통해 배출되고, 정화된 유체는 수처리 배출구(120)와 펌프(180)를 통해 외부로 배출된다.
수처리 유입구(110)를 통해 배출된 유체는 반응조(100) 내에서 정화되고, 순환수 유입관(190)을 통해 다시 수처리 유입구(110)로 유입되고 다시 수처리 유입구(110)를 통해 반응조(100)에 유입시켜 정화시키는 과정을 반복할 수 있다. 유입된 유체가 충분히 정화된 수준에 도달할 때까지 위와 같은 방법으로 반복하고, 최종 처리수를 수처리 배출구(120)로 배출시켜 원하는 수준의 정화된 유체를 얻을 수 있다.
한편, 과산화수소(H2O2)를 반응조에 투입함으로서 산화 반응을 이용하여 유체의 산화분해를 더욱 촉진할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수처리 정화 시스템은 오수, 폐수, 음용수 등의 수처리를 위한 단위공정이 하나의 반응조(100) 안에 집적되어 있어 처리에 소요되는 부지 면적을 줄일 수 있다. 상부에 태양광이 투과될 수 있도록 투명 덮개 (150)가 설치되도록 설계되어 있어 광촉매의 효율을 높일 수 있고, 또한 부유성 경량 파인 세라믹스에 의한 유지 성분의 처리가 가능하다. 또한, 반응조(100) 내에 침적된 나노 다공성 티타늄산화막(TiO2)을 광촉매로 사용하여 목적하는 처리 수질의 확보가 가능하고, 자외선 램프를 이용한 자외선 살균 기능뿐만 아니라 미량 유해 유기물, 휘발성 유기 화합물 및 유기성 오염 물질의 동시 제거가 가능하다.
도 9는 나노 광촉매 분리막을 이용한 대기 정화 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기 정화 시스템(200)은 프리 필터(pre filter)(210)와, 활성탄소섬유(activated carbon fiber; 이하 'ACF'라 함) 필터(220)와, 나노 다공성 광촉매 분리막 필터(230)와, 차동 압력 게이지(differential pressure gauge)(240)를 포함한다.
프리 필터(210)는 공기 중에 함유되어 있는 먼지 중에 큰 입자를 우선적으로 포집하는 역할을 한다. 프리 필터(210)는 폴리에스테르 기지(polyester base)의 섬유부직포층으로 이루어질 수 있다.
ACF 필터(220)는 활성탄소섬유의 작은 세공을 통해 악취 물질을 흡착하여 탈취시키는 기능을 한다. ACF 필터(220)는 활성탄소섬유가 부직포로 둘러싸여 있는 구조로 이루어질 수 있다. 또한, ACF 필터(220)는 활성탄 입자 또는 활성탄소섬유와 열가소성 또는 열경화성 섬유를 페이스트 상의 바인더에 함침시킨 후 건조시켜 서로 접합되도록 한 필터이거나, 활성탄 입자를 발포성 우레탄 용액과 섞어서 발포 시킨 우레탄 스폰지와 같은 필터일 수 있다.
나노 다공성 광촉매 분리막 필터(230)는 상술한 아노다이징 공정에 제작된 나노 다공성 금속산화막, 예컨대 나노 다공성 티타늄산화막(TiO2) 또는 나노 다공성 알루미늄산화막(Al2O3)을 포함하는 광촉매 분리막을 함유한다. 광촉매 분리막은 전술한 방법과 같이 제작한다. 상기 광촉매 분리막은 나노 크기의 다공을 갖는 상기 금속산화막(예컨대, TiO2)과, 상기 금속산화막 하부에 구비되고 상기 다공을 통해 관통되어 있는 금속막(예컨대, Ti)을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 광촉매 분리막은 상기 금속막 하부에 상기 나노 크기의 다공보다는 큰 마이크로(micro) 크기의 홀을 통해 관통되어 있는 실리콘 기판이 더 구비되어 있을 수 있다. 또한, 상기 광촉매 분리막은, 상기 금속막 하부에 구비되고 나노 크기의 다공을 통해 관통되어 있는 알루미늄막 및 상기 알루미늄막 하부에 형성된 나노 크기의 다공을 갖는 알루미늄산화막을 더 포함할 수 있다.
나노 다공성 광촉매 분리막 필터는 상술한 바와 같이 제작된 광촉매 분리막을 크기에 맞게 적어도 1개 이상 배열 또는 서로 접합시켜 부직포 또는 금속망으로 둘러싸서 만들 수 있다.
차동 압력 게이지(240)는 대기 정화 시스템 내부의 압력을 측정하는 제어하는 기능을 한다.
오염된 공기는 나노 다공성 광촉매 분리막 필터(230)에 의해 정화되기 전에 분리막 보호를 위해 프리 필터(210)로 1차 정화하고, 다음에 다공의 크기가 수 ㎛ 정도의 ACF 필터(220)를 사용하여 2차 정화를 한다. 이렇게 물리적인 정화작용이 완료되면, 아노다이징 공정에 의해 제작된 나노 다공성 광촉매 분리막 필터(230)을 이용하여 나노 크기의 다공을 통해 물리적 및 화학적인 정화를 수행한다. 광촉매 반응을 이용함으로써 미세 세균을 효과적으로 제거할 수 있다.
본 발명에 의하면, 나노 다공성 티타늄산화막에 의해 유체 또는 공기와의 접촉면이 극대화되어 물 또는 공기 중의 바이러스, 병원성 세균, 기생충 등의 살균 효율이 증가한다. 또한, 고가의 약품 비용을 들이지 않고도 광촉매 및 자외선 램프에 의해 다이옥신, 벤젠, 페놀, TCE, THMs 등과 같은 독성 및 난분해성 유기화합물을 산화 분해할 수 있어 수질 관리 및 보수 유지가 용이하다. 또한, 광촉매 분리막 필터를 이용하여 공기 중의 미세 먼지를 효과적으로 제거할 수 있고, 항균 및 탈취 기능이 우수한 공기 정화용 시스템을 구현할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
Claims (25)
- 전면, 후면, 테두리 에지부 및 상기 전면과 후면 사이의 영역을 갖는 광촉매 분리막에서, 상기 전면과 후면 사이의 영역은 광촉매로서 기능하면서 나노 크기의 다공을 갖는 금속산화막을 포함하며, 상기 나노 크기의 다공은 상기 광촉매 분리막의 전면부터 후면까지 관통되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노 다공성 광촉매 분리막.
- 제1항에 있어서, 상기 광촉매 분리막은 상기 금속산화막 하부에 형성되고 상기 금속산화막이 산화되는데 필요한 성분으로 이루어진 금속막을 더 포함하며, 상기 금속막은 상기 나노 크기의 다공을 통해 관통되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노 다공성 광촉매 분리막.
- 제1항에 있어서, 상기 광촉매 분리막은,상기 나노 크기의 다공보다는 크기가 큰 마이크로(micro) 크기의 복수의 홀이 선택적으로 형성되어 있는 실리콘 기판;상기 실리콘 기판 상에 형성된 버퍼층; 및상기 버퍼층 상에 형성되고 상기 금속산화막이 산화되는데 필요한 성분으로 이루어진 금속막을 더 포함하며,상기 금속산화막은 상기 금속막 상에 형성되어 있고, 상기 금속막 및 상기 버퍼층은 상기 나노 크기의 다공을 통해 관통되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노 다공성 광촉매 분리막.
- 제1항에 있어서, 상기 광촉매 분리막은,상기 금속산화막 하부에 형성되고 상기 금속산화막이 산화되는데 필요한 성분으로 이루어진 금속막;상기 금속막 하부에 형성된 알루미늄막; 및상기 알루미늄막 하부에 형성된 나노 크기의 다공을 갖는 알루미늄 산화막을 더 포함하며,상기 금속막 및 상기 알루미늄막은 상기 나노 크기의 다공을 통해 관통되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노 다공성 광촉매 분리막.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 금속산화막은 아나타제상으로 이루어진 티타늄산화막(TiO2)이며, 상기 다공의 크기는 100㎚ 보다 작은 것을 특징으로 하는 나노 다공성 광촉매 분리막.
- 전해액이 담긴 전기화학 전해조를 마련하는 단계;양전압이 인가되고 나노 다공성 금속산화막이 형성되는 양극과, 음전압이 인가되어 금속 양이온에 전자를 공급하기 위한 음극을 서로 이격 배치하는 단계;상기 양극과 상기 음극에 전압을 공급하기 위한 전력 공급수단을 배치하고 상기 양극과 상기 음극에 전압을 인가하는 단계;아노다이징 공정을 이용하여 상기 전해액과 인가되는 상기 전압을 조절하면서 상기 양극에 구비된 금속막에 나노 크기의 다공을 갖는 나노 다공성 금속산화막을 형성하는 단계; 및상기 나노 크기의 다공을 통해 관통되도록 하부에 상기 금속막과 접하면서 상기 나노 크기의 다공을 통해 노출된 상기 금속산화막을 선택적으로 제거하고 잔류하는 상기 금속막을 선택적으로 제거하여 광촉매 분리막을 형성하는 단계를 포함하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 나노 다공성 금속산화막을 형성하는 단계는,상기 전해액 속의 물분자(H2O)를 전기분해에 의하여 수소 이온(H+)과 하이드록실기 이온(OH-)으로 전해시키는 단계;전해된 상기 수소 이온(H＋)이 상기 음극쪽으로 이동하여 전자와 결합하여 수소 가스(H2)로 방출되고, 상기 하이드록실기 이온(OH-)이 상기 양극쪽으로 이동하여 산소 이온(O2－)과 수소 이온(H＋)으로 분리되는 단계;분리되어진 상기 산소 이온(O2－)이 금속 양이온과 반응하여 금속산화막을 형 성하는 단계; 및분리되어진 상기 수소 이온(H＋)이 상기 금속산화막과 반응하여 금속과 산소의 결합을 부분적으로 끊고 수산화물을 형성하며, 상기 금속산화막과 상기 전해액 사이의 표면에서 산화물 에칭을 발생시켜 나노 크기의 다공을 형성하는 단계를 포함하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 금속막은 실리콘 기판의 전면 상에 증착된 금속막이고, 상기 나노 다공성 금속산화막을 형성하는 단계 후에,실리콘 벌크 마이크로머시닝 공정을 이용하여 상기 실리콘 기판의 후면에 상기 나노 크기의 다공보다는 크기가 큰 마이크로(micro) 크기의 홀을 선택적으로 형성하는 단계를 더 포함하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 금속막은 알루미늄 기판의 전면 상에 증착된 금속막이며, 상기 금속막에 상기 나노 다공성 금속산화막을 형성하면서 상기 알루미늄 기판의 후면에 나노 크기의 다공을 갖는 알루미늄산화막을 형성하고, 상기 금속막을 식각하면서 다공을 통해 관통되도록 상기 알루미늄산화막 하부에 잔류하는 알루미늄 기판을 선택적으로 식각하는 단계를 더 포함하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막 제조방법.
- 제6항에 있어서, 잔류하는 상기 금속막의 전면과 후면이 상기 다공을 통해 관통되도록 잔류하는 상기 금속막에 대하여 습식 식각법, 건식 식각법, 샌드 블래스트(sand blast)법, 블로잉(blowing)법 또는 이온 밀링(ion milling)법을 사용하여 선택적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막 제조방법.
- 제6항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 금속막은 티타늄(Ti)막이고, 상기 금속산화막은 아나타제상으로 이루어진 티타늄산화막(TiO2)이며, 상기 다공의 크기는 100㎚ 보다 작은 것을 특징으로 하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 전해액은 산성용액인 불산(HF), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 옥살산(oxalic acid) 용액 또는 이들의 혼합액으로 이루어진 것을 특징으로 하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막 제조방법.
- 폐수, 오수 또는 음용수를 정화시키기 위한 수처리 정화 시스템에 있어서,유입된 원수를 정화시켜 배출시키는 반응조;상기 반응조에 원수를 유입시키는 수처리 유입구;상기 반응조에 유입된 원수가 처리 정화되어 배출되는 수처리 배출구;광촉매 반응을 위한 나노 크기의 다공을 갖는 금속산화막을 함유하고, 상기 나노 크기의 다공을 통해 물리적 및 화학적인 유체 정화를 수행하는 복수의 나노 다공성 광촉매 분리막 필터; 및광촉매의 활성을 증가시키기 위하여 상기 광촉매 분리막 필터에 자외선을 조사하기 위한 자외선 램프를 포함하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 수처리 정화 시스템.
- 제13항에 있어서, 상기 광촉매 분리막 필터는,나노 크기의 다공을 갖는 상기 금속산화막; 및상기 금속산화막 하부에 구비되고 상기 다공을 통해 관통되어 있는 금속막을 포함하는 광촉매 분리막을 구비하며,상기 광촉매 분리막이 적어도 1개가 배열 또는 서로 접합되어 부직포 또는 금속망으로 둘러싸여진 광촉매 분리막 필터인 것을 특징으로 하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 수처리 정화 시스템.
- 제14항에 있어서, 상기 광촉매 분리막은 상기 금속막 하부에 상기 나노 크기의 다공보다는 큰 마이크로(micro) 크기의 홀을 통해 관통되어 있는 실리콘 기판을 더 포함하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 수처리 정화 시스템.
- 제14항에 있어서, 상기 광촉매 분리막은,상기 금속막 하부에 구비되고 나노 크기의 다공을 통해 관통되어 있는 알루미늄막; 및상기 알루미늄막 하부에 형성된 나노 크기의 다공을 갖는 알루미늄산화막을 더 포함하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 수처리 정화 시스템.
- 제13항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 나노 다공성 금속산화막은 나노 크기의 다공을 갖고 아나타제상으로 이루어진 티타늄산화막(TiO2)이고, 상기 다공의 직경은 100㎚ 보다 작은 것을 특징으로 하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 수처리 정화 시스템.
- 제13항에 있어서, 상기 반응조는,상부에 태양광이 투과될 수 있도록 투명 덮개; 및하부에 슬러지를 배출하기 위한 경사진 슬로프를 갖는 슬러지 배출구를 더 구비하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 수처리 정화 시스템.
- 공기 중의 먼지 또는 유해 기체를 포집 제거하거나 악취의 흡착을 위한 대기 정화 시스템에 있어서,공기 중에 함유된 먼지 중에 큰 입자를 1차적으로 포집하는 프리 필터;활성탄소섬유의 매우 작은 세공을 통해 악취 물질을 흡착하여 탈취시키기 위 한 활성탄소섬유 필터; 및광촉매 반응을 위한 나노 크기의 다공을 갖는 금속산화막을 함유하고, 상기 나노 크기의 다공을 통해 물리적 및 화학적인 공기 정화를 수행하는 나노 다공성 광촉매 분리막 필터를 포함하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 대기 정화 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 광촉매 분리막 필터는,나노 크기의 다공을 갖는 상기 금속산화막; 및상기 금속산화막 하부에 구비되고 상기 다공을 통해 관통되어 있는 금속막을 포함하는 광촉매 분리막을 구비하며,상기 광촉매 분리막이 적어도 1개가 배열 또는 서로 접합되어 부직포 또는 금속망으로 둘러싸여진 광촉매 분리막 필터인 것을 특징으로 하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 대기 정화 시스템.
- 제20항에 있어서, 상기 광촉매 분리막은 상기 금속막 하부에 상기 나노 크기의 다공보다는 큰 마이크로(micro) 크기의 홀을 통해 관통되어 있는 실리콘 기판을 더 포함하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 대기 정화 시스템.
- 제20항에 있어서, 상기 광촉매 분리막은,상기 금속막 하부에 구비되고 나노 크기의 다공을 통해 관통되어 있는 알루 미늄막; 및상기 알루미늄막 하부에 형성된 나노 크기의 다공을 갖는 알루미늄산화막을 더 포함하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 대기 정화 시스템.
- 제19항 내지 제22항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 나노 다공성 금속산화막은 나노 크기의 다공을 갖고 아나타제상으로 이루어진 티타늄산화막(TiO2)이고, 상기 다공의 직경은 100㎚ 보다 작은 것을 특징으로 하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 대기 정화 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 프리 필터는 폴리에스테르 기지의 섬유부직포층으로 이루어진 필터인 것을 특징으로 하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 대기 정화 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 활성탄소섬유 필터는,활성탄소섬유가 부직포로 둘러싸여 있는 필터, 활성탄 입자 또는 활성탄소섬유와 열가소성 또는 열경화성 섬유가 페이스트 상의 바인더에 함침되고 건조시켜 서로 접합된 필터, 또는 활성탄 입자를 발포성 우레탄 용액과 섞어 발포시킨 필터인 것을 특징으로 하는 청구항 1의 나노 다공성 광촉매 분리막을 이용한 대기 정화 시스템.
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