KR20220011913A - 광열효과에 의한 살균이 가능한 마찰전기 필터 - Google Patents
광열효과에 의한 살균이 가능한 마찰전기 필터 Download PDFInfo
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Abstract
일 실시예는, 마찰전기를 발생시키는 폴리머 재료를 포함하고, 상기 폴리머 재료와 공기의 마찰로 발생한 마찰전기를 이용하여 미세먼지를 제거하는 하나 이상의 제1 필터; 자외선 램프를 포함하고, 상기 자외선 램프에 의해 발생한 자외선을 조사하여 박테리아 또는 세균을 제거하는 하나 이상의 제2 필터; 및 형광체 물질 및 나노 입자를 포함하고, 상기 형광체 물질이 변환한 광을 나노 입자가 전달받고, 상기 나노 입자에 의해 발생한 열을 전달하여 바이러스를 제거하는 하나 이상의 제3 필터를 포함하는, 마찰전기 필터를 제공할 수 있다.
Description
본 실시예는 가시광 또는 근적외선이 조사된 나노 입자가 발생시키는 열에 의해 살균이 가능한 마찰전기 필터에 관한 것이다.
미세먼지는 입자의 크기에 따라 PM(Particulate Matter) 2.5, PM(Particulate Matter) 10 등으로 구분되며 일반적인 먼지와 달리 입자의 크기가 작아 체내로 쉽게 흡수되는 특징을 가지고 있다. 특히 몸 속 깊이까지 침투된 미세먼지는 기관지 또는 폐에 달라붙어 암을 발생시키는 등 각종 질병을 유발시키는 요인으로 알려져 있고, 최근에는 이러한 미세먼지 문제를 제거하기 위해 다양한 방안이 제시되고 있다.
일반적으로 공기 중에 떠다니는 미세먼지 등의 미립자를 여과 기능을 가지는 필터를 통해 제거하며, 일례로 종이 필터, 부직포 필터는 미세먼지 입자보다 작은 여과망을 사용하여 여과망보다 지름이 큰 미세먼지를 포집하므로, 시간이 지남에 따라 공기의 흐름을 막아 압력 강하에 따른 여과능력이 하락한다는 문제점이 존재한다.
여과식 필터의 압력 강하 문제를 해결하기 위한 방안으로 교체형 여과 필터 등을 사용하여 여과 능력을 향상시키려는 시도가 해당 기술분야에서 지속적으로 제안되었지만, 시간이 지남에 따라 공기의 흐름을 막는다는 여과식 필터의 본질적인 문제는 해결되지 않고 있다.
공기의 유동을 방해하지 않는 코로나 방전이 제안되었지만, 코로나 방전은 고압의 전원을 인가해야 하는 문제점이 있어 가정에서 사용하기 어렵고 오존 등과 같은 유해물질을 발생시켜 환경을 오염시킨다는 점에서 한계점이 명확하다.
종래의 공기청정필터는 미세먼지를 제거하기 위한 목적을 가질 뿐이므로 세균 및 바이러스를 제거하는 효과를 발생시키지 않는다. 종래의 공기청정필터에 주로 사용되는 헤파(HEPA, High Efficiency Particulate Air) 필터는 섬유로 제작되어 세균 번식의 위험성이 높으며, 바이러스의 제거가 쉽지 않다.
또한, 헤파 필터의 등급이 H14인 경우 입자 포집률이 99.975%로 높아지는 등 미세먼지의 제거 성능은 높아지지만, 필터에 걸리는 차압이 높아져 펌프장치에 과부하가 걸리게 되고 전력 소모가 증가한다는 문제점이 발생한다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 일 측면에서, 흡착면의 마찰전기 발전을 통해 대전된 표면을 이용하여, 미세먼지, 박테리아, 바이러스 등의 유해물질을 집진 또는 포집하는 필터를 제공하는 것이다.
본 실시예의 목적은, 다른 측면에서, 가시광선 또는 근적외선을 조사하고 나노 입자에 의해 발생한 열로 세균, 바이러스 등을 제거하는 필터를 제공하는 것이다.
본 실시예의 목적은, 또 다른 측면에서, 자외선을 조사하여 세균, 바이러스 등을 1차적으로 제거하고 나노 입자에 의해 발생한 열로 잔존하는 세균, 바이러스 등을 2차적으로 제거하는 필터를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 마찰전기를 발생시키는 폴리머 재료를 포함하고, 상기 폴리머 재료와 공기의 마찰로 발생한 마찰전기를 이용하여 미세먼지, 세균, 박테리아, 바이러스를 제거하는 하나 이상의 폴리머 필터; 및 가시광선 또는 근적외선이 나노 입자에 전달되고, 상기 나노 입자에 의해 발생한 열을 전달하여 광열 효과에 의해 세균, 박테리아, 바이러스를 제거하는 하나 이상의 살균 필터를 포함하는 마찰전기 필터를 제공할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 다른 실시예는, 마찰전기를 발생시키는 폴리머 재료를 포함하고, 상기 폴리머 재료와 공기의 마찰로 발생한 마찰전기를 이용하여 미세먼지, 세균, 박테리아 또는 바이러스를 제거하는 하나 이상의 제1 필터; 자외선을 조사하여 세균, 박테리아 또는 바이러스를 제거하는 하나 이상의 제2 필터; 및 형광체 물질 및 나노 입자를 포함하고, 상기 형광체 물질이 변환한 광을 나노 입자가 전달받고, 상기 나노 입자에 의해 발생한 열을 전달하여 세균, 박테리아 또는 바이러스를 제거하는 하나 이상의 제3 필터를 포함하는, 마찰전기 필터를 포함할 수 있다.
미세먼지 필터에서 상기 제1 필터는 표면에 하나 이상의 홈을 포함하고, 상기 제3 필터에 하나 이상의 나노 입자가 분산되어 있거나 필터 속에 나노 입자가 포함되어 있는, 마찰전기 필터를 제공할 수 있다.
미세먼지 필터에서 상기 제2 필터의 자외선 램프에 의해 발생한 자외선이 상기 제3 필터의 형광체 물질에 전달되는, 마찰전기 필터를 제공할 수 있다.
미세먼지 필터에서 상기 폴리머 재료는 플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 나일론(Nylon) 및 나피온(Nafion) 중 하나 이상을 포함하고, 상기 나노 입자는, (1) 금속 계열의 금, 은, 구리, 철 중 하나 이상, (2) 금속-절연체 계열의 SiO2-금속, SiN-금속 중 하나 이상, (3) 금속-반도체 계열의 TiO2-금속, ZnO-금속, SnO2-금속 중 하나 이상, (4) 반도체 계열의 Ge-Te 중 하나 이상을 포함하거나 둘 이상의 조합을 포함하는, 마찰전기 필터를 제공할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 또 다른 측면에서, 정전기적으로 대전될 수 있는 폴리머 재료에 의해 형성되고, 표면에는 하나 이상의 홈을 포함하는 다공성 마찰부재; 전기방사에 의해 형성되고, 상기 다공성 마찰부재의 표면에 불규칙적으로 배치되는 나노 파이버; 및 상기 나노 파이버 표면에 도포된 형광 물질을 포함하고, 상기 형광 물질에 의해 변환된 가시광에 반응하여 열을 발생시킬 수 있는 하나 이상의 금속 나노 입자 또는 반도체 나노 입자를 포함하는, 마찰전기 필터를 제공할 수 있다.
마찰전기 필터에서 상기 형광 물질은 야그(YAG) 형광체이고, 상기 폴리머 재료는 플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 나일론(Nylon) 및 나피온(Nafion) 중 하나 이상을 포함하고,
상기 나노 입자는, (1) 금속 계열의 금, 은, 구리, 철 중 하나 이상, (2) 금속-절연체 계열의 SiO2-금속, SiN-금속 중 하나 이상, (3) 금속-반도체 계열의 TiO2-금속, ZnO-금속, SnO2-금속 중 하나 이상, (4) 반도체 계열의 Ge-Te 중 하나 이상을 포함하거나 둘 이상의 조합을 포함하는, 마찰전기 필터를 제공할 수 있다.
마찰전기 필터에서 자외선을 조사하는 자외선 램프를 더 포함하는, 마찰전기 필터를 제공할 수 있다.
마찰전기 필터에서 마찰전기 필터의 표면의 일부는 광촉매에 의해 코팅되고, 상기 광촉매는 밴드갭(Band gap)을 형성하는, 마찰전기 필터를 제공할 수 있다.
마찰전기 필터에서 상기 마찰전기 필터는 외부 공기를 순환시키는 제1 유동 통로와 연결되어 있고, 상기 마찰전기 필터는 제1 유동 통로와 분리되어 내부 공기를 순환시키는 제2 유동 통로와 연결되어 있는, 마찰전기 필터를 제공할 수 있다.
본 실시예의 목적은, 또 다른 측면에서, 마찰전기 필터에 의한 이중 살균 방법에 있어서, 자외선 램프에 의해 생성된 자외선을 마찰전기 필터에 조사하는 단계; 상기 조사된 자외선이 세균, 박테리아 또는 바이러스를 살균하는 1차 살균단계; 상기 조사된 자외선이 형광 물질에 전달되어 가시광을 방출하는 가시광 방출 단계; 상기 가시광에 반응하여 나노 입자가 열을 방출하는 열 발생단계; 및 상기 나노 입자에서 방출된 열이 세균, 박테리아 또는 바이러스를 살균하는 2차 살균단계를 포함하는, 이중 살균 방법을 제공할 수 있다.
본 실시예의 목적은, 또 다른 측면에서, 마찰전기 필터에 의한 살균 방법에 있어서, 폴리머 필터에 의해 미세먼지, 세균, 박테리아, 바이러스를 제거하는 단계; 가시광선 또는 근적외선을 나노 입자에 조사하는 단계; 상기 가시광선 또는 근적외선에 반응하여 나노 입자가 열을 방출하는 열 발생단계; 및 상기 나노 입자에서 방출된 열이 세균, 박테리아 또는 바이러스를 살균하는 단계를 포함하는, 마찰전기 필터에 의한 살균 방법을 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 전기방사를 활용한 필터의 제작을 통해 차압이 낮은 미세먼지 필터를 제공할 수 있고, 자외선을 통해 세균을 제거함과 동시에 나노 입자에 의해 발생한 열로 바이러스를 제거하는 이중 살균 마찰전기 필터를 제공할 수 있다.
도 1은 복수 개의 필터를 구비한 마찰전기 필터의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2은 음전하를 가지는 미세먼지와 마찰전기 필터의 상호작용을 나타낸 도면이다.
도 3는 마찰전기 필터의 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 코팅된 마찰전기 필터의 표면을 나타낸 도면이다.
도 5은 마찰전기 필터의 제거 대상을 설명하는 도면이다.
도 6는 복수 개의 필터를 구비한 마찰전기 필터의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7은 전기 방사를 통한 나노파이버 제작 과정을 설명하는 도면이다.
도 8은 나노 입자가 분사된 마찰전기 필터의 표면을 비교한 도면이다.
도 9는 실내 공기의 순환 과정을 나타내는 도면이다.
도 10은 마찰전기 필터의 이중 살균 단계를 나타내는 도면이다.
도 11은 나노 입자의 파장별 광 흡수율을 나타낸 도면이다.
도 12는 나노 입자의 표면을 확대한 도면이다.
도 13은 나노 입자의 농도별 표면을 확대한 예시 도면이다.
도 14은 나노 입자의 크기별 표면을 확대한 제1 예시 도면이다.
도 15은 나노 입자의 크기별 표면을 확대한 제2 예시 도면이다.
도 16는 나노 파이버 형성을 위한 방사 기기 실험 과정을 나타낸 도면이다.
도 17은 니들 사이즈에 따른 나노 파이버를 확대한 제1 예시 도면이다.
도 18은 니들 사이즈에 따른 나노 파이버를 확대한 제2 예시 도면이다.
도 19는 나노 입자의 유무에 따른 박테리아 제거 효과를 비교한 도면이다.
도 20은 나노 입자의 유무에 따른 박테리아 표면을 확대한 제1 예시 도면이다.
도 21은 나노 입자의 유무에 따른 박테리아 표면을 확대한 제2 예시 도면이다.
도 2은 음전하를 가지는 미세먼지와 마찰전기 필터의 상호작용을 나타낸 도면이다.
도 3는 마찰전기 필터의 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 코팅된 마찰전기 필터의 표면을 나타낸 도면이다.
도 5은 마찰전기 필터의 제거 대상을 설명하는 도면이다.
도 6는 복수 개의 필터를 구비한 마찰전기 필터의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7은 전기 방사를 통한 나노파이버 제작 과정을 설명하는 도면이다.
도 8은 나노 입자가 분사된 마찰전기 필터의 표면을 비교한 도면이다.
도 9는 실내 공기의 순환 과정을 나타내는 도면이다.
도 10은 마찰전기 필터의 이중 살균 단계를 나타내는 도면이다.
도 11은 나노 입자의 파장별 광 흡수율을 나타낸 도면이다.
도 12는 나노 입자의 표면을 확대한 도면이다.
도 13은 나노 입자의 농도별 표면을 확대한 예시 도면이다.
도 14은 나노 입자의 크기별 표면을 확대한 제1 예시 도면이다.
도 15은 나노 입자의 크기별 표면을 확대한 제2 예시 도면이다.
도 16는 나노 파이버 형성을 위한 방사 기기 실험 과정을 나타낸 도면이다.
도 17은 니들 사이즈에 따른 나노 파이버를 확대한 제1 예시 도면이다.
도 18은 니들 사이즈에 따른 나노 파이버를 확대한 제2 예시 도면이다.
도 19는 나노 입자의 유무에 따른 박테리아 제거 효과를 비교한 도면이다.
도 20은 나노 입자의 유무에 따른 박테리아 표면을 확대한 제1 예시 도면이다.
도 21은 나노 입자의 유무에 따른 박테리아 표면을 확대한 제2 예시 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, a, b 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 복수 개의 필터를 구비한 마찰전기 필터의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2은 음전하를 가지는 미세먼지와 마찰전기 필터의 상호작용을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2을 참조하면, 마찰전기 필터는 제 1 필터(100), 제2 필터(200), 제3 필터(300)를 포함할 수 있다.
제1 필터(100)는 마찰전기를 발생시키는 폴리머 재료를 포함할 수 있다. 필요에 따라 제1 필터(100)은 마찰전기 필터 또는 폴리머 필터로 불릴 수 있다.
폴리머 재료는 공기와의 마찰로 마찰전기를 발생시키며, 마찰전기에 의해 미세먼지(1), 박테리아(3), 바이러스(5) 등의 유해 물질을 제거할 수 있다. 마찰전기에 의한 필터는 미세먼지, 박테리아, 바이러스 등의 유해 물질을 집진 또는 포집하여 제거할 수 있다.
미세먼지는 입자의 크기에 따라 PM2.5, PM10 등으로 구분되며, 일 실시예에 따라 도면에 표시된 미세먼지(1)의 직경은 필요에 따라 달리 설정될 수 있다. 공기 중에 포함된 미세먼지 또는 유해물질은 그 종류에 구애받지 않고 마찰전기 필터의 흡착 또는 제거의 대상이 된다.
마찰전기 필터는 흡착면의 마찰전기 발전을 통해 대전된 표면을 이용하여, 미세먼지, 박테리아, 바이러스 등의 유해물질을 집진 또는 포집하는 필터를 제공할 수 있다. 박테리아 및 바이러스와 같은 바이오에어로졸의 경우 표면의 전하로 인하여 마찰전기로 대전된 필터에 쉽게 포집될 수 있다.
기존의 여과식 필터는 미세먼지(1)보다 직경이 작은 유동통로를 형성하여 물리적인 방법으로 미세먼지(1)를 제거한다. 예시적으로, 미세먼지(1)는 직경이 10 마이크로 미터일 수 있고, 여과식 필터는 미세먼지(1)의 직경보다 작은 5 마이크로 미터로 직경을 형성하여 필터의 직경보다 큰 미세먼지(1)를 제거할 수 있다.
이러한 여과식 필터는 시간이 지남에 따라 여과 능력이 감소하게 되며, 여과된 미세먼지(1)가 필터의 직경을 감소시키는 효과가 있어 차압이 지속적으로 증가하는 단점이 있다.
일 실시예에 따른 마찰전기 필터는 미세먼지(1)의 직경보다 큰 공기 유동 통로를 형성하여 차압을 감소시키지 않고 미세먼지(1)를 제거할 수 있다. 예시적으로, 미세먼지(1)는 직경이 10 마이크로 미터일 수 있고, 마찰전기 필터는 미세먼지(1)의 직경보다 큰 15 마이크로 미터의 직경을 형성할 수 있다. 이 경우 여과식 필터와 비교할 때 시간이 지남에 따라 여과 능력의 감소량을 줄일 수 있으므로, 차압의 증가량은 미미할 수 있다. 이 경우 압력 손실을 방지하여 에너지 저감 또는 전력 소비를 감소시킬 수 있다.
공기의 유동 통로는 직사각형일 수 있고, 원형일 수 있으며, 그 형태는 제한되지 않는다. 예시적으로, 미세먼지 필터의 제작을 쉽게 하기 위하여 메시(mesh)형 마찰전기 필터를 형성할 수 있다. 메시 형태의 필터는 공기와의 마찰에 의한 대전량을 증가시킬 수 있으므로 효율적인 미세먼지 포집을 가능하게 한다.
일 실시예에 따라, 제1 필터(100)의 섬유(fiber) 또는 파이버(110)는 양이온을 가질 수 있고, 음이온을 가진 미세먼지(1)가 정전기적 인력에 의해 흡착시키거나 당길 수 있다.
다른 실시예에 따라, 제1 필터(100)는 음이온을 가질 수 있고, 양이온을 가지는 미세먼지(1), 박테리아(3), 바이러스(5) 등의 유해 물질을 정전기적 인력에 의해 흡착시키거나 당길 수 있다.
일 실시예에 따른 제1 필터(100)의 표면에는 하나 이상의 홈을 포함할 수 있다. 이 경우 정전기적으로 대전될 수 있는 폴리머 재료에 의해 형성된 다공성 마찰부재의 집진 능력을 향상시킬 수 있다.
제1 필터(100)에서 사용되는 폴리머 재료는 테프론, 실리콘 수지, 나일론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 염화비닐, 폴리스틸렌, 아크릴 수지, ABS 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 에폭시 수지, 폴리에스터, 불포화폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리아세탈, 변성폴리페닐렌옥사이드, 변성폴리페닐렌옥사이드, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리아릴레이트 및 불소계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
일 실시예에 따라 폴리머 재료는 플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 나일론(Nylon) 및 나피온(Nafion) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
폴리머 재료는 마찰전기 발생에 용이한 재료이면 제한되지 않으나, 자외선, 가시광선, 근적외선 조사에 따른 변성이 없는 재료로 적절하게 선택될 수 있다.
폴리머 재료는 형광 물질과 분리된 형태로 각각 형성될 수 있으나, 형광 물질을 포함하여 폴리머 복합체를 형성할 수도 있다.
제2 필터(200)은 자외선 램프를 포함하고, 상기 자외선 램프에 의해 발생한 자외선을 조사하여 박테리아 또는 세균을 제거할 수 있다.
제2 필터(200)은 필요에 따라 제1 필터(100), 제3 필터(300)과 분리된 별개의 필터일 수 있고, 필요에 따라 하나의 구조를 가질 수 있다.
자외선 램프의 종류는 자외선을 발생시킬 수 있는 것이면 그 종류는 제한되지 않는다. 자외선에 의해 산화(Oxidation) 반응이 살균 작용에 활용될 수 있다. 바이오 에어로졸은 세균, 박테리아, 바이러스를 포함할 수 있고, 공기중에 부유하는 바이오 에어로졸은 제2 필터(200) 또는 제3 필터(300)에 의해 제거될 수 있다.
자외선의 파장 범위에 따라 일반적으로 UV-C에 의해 광화학적 반응이 DNA와 RNA에서 발생하게 된다. UV-C에 노출된 DNA, RNA는 비활성화되어 재생산(reproduce)가 더 이상 발생하지 않게 된다. UV-B, UV-A에 노출된 단백질 또는 지질은 산화(oxidation)되어 세포의 죽음을 유발할 수 있다.
가시광 영역 중 청색 계열의 광(blue light)는 박테리아의 성장을 막을 수 있고, 이는 박테리아 세포에 독성을 가지는 산소 생성 반응(generation of reactive oxygen species)을 촉진하여 성장을 막을 수 있다.
제3 필터(300)은 나노 입자에 의해 발생하는 열에 의해 살균작용을 발생시키는 것이면 그 종류는 제한되지 않는다. 제3 필터(300)는 필요에 따라 살균 필터로 불릴 수 있다.
제3 필터(300)의 표면에는 하나 이상의 나노 입자가 분산되거나 필터 또는 나노파이버 속에 나노입자가 포함되어 있을 수 있다. 예시적으로, 나노 파이버 내부 공간상에 나노 입자가 내부에 배치될 수 있다. 제3 필터(300)은 필요에 따라 표면, 내부, 주변부 등의 구조 또는 배치를 변경할 수 있다.
나노 입자는 표면 플라스몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 특성을 가지는 것이면 제한되지 않는다.
표면 플라스몬 공명(SPR)은 전달되는 광에 의해 금속 표면의 전하 분포에 상호작용이 일어나고, 금속 표면에 형성되는 근접장을 발생시키는 현상을 말한다. 전달되는 광의 특성, 금속 표면의 특성에 따라 발생되는 근접장을 조절할 수 있다.
일 실시예에 따라, 나노 입자에 가시광선 또는 근적외선이 전달되는 경우 나노 입자는 표면 플라스몬 공명(SPR)에 의해 열을 발생시킬 수 있다. 이 경우 발생하는 열에 의해 세균, 바이러스를 제거할 수 있다. 박테리아가 일정 온도 이상으로 일정 시간 이상 노축될 경우 파괴되거나 탈(burning) 수 있다. 이러한 현상을 광열효과(photo-thermal effect)로 불릴 수 있다.
나노 입자에 의한 광열효과는 자외선의 조사 없이 가시광선 또는 근적외선이 직접적으로 나노 입자에 조사되거나 자외선의 조사 후 형광체에 의한 가시광선 또는 근적외선 발생(emission)에 의해 나노 입자에 가시광이 전달될 수 있다.
자외선, 가시광선, 근적외선은 외부의 자연광일 수 있고, 필요에 따라 설치된 광원에 의해 조사될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예시적으로, 자연광에 포함된 가시광이 필터에 전달되어 광열 효과를 발생시킬 수 있다. 또 다른 예시적으로, 자연광에 포함된 자외선이 필터에 전달되어 형광체 물질에 의해 가시광으로 변환될 수 있다.
일 실시예에 따라, 자외선의 조사 없이 가시광선 또는 근적외선이 직접적으로 나노 입자에 조사되는 경우 나노 입자는 광열효과에 의해 열을 발생시킬 수 있다. 이 경우 자외선의 조사 없이 가시광선 또는 근적외선만으로 광열효과를 발생시킬 수 있다.
다른 실시예에 따라, 자외선이 형광체에 조사되는 경우 형광체가 자외선을 가시광선 또는 근적외선으로 변환하고, 발생한 가시광선이 나노 입자에 조사되어 광열효과에 의해 열을 발생시킬 수 있다. 이 경우 자외선만을 사용하여 세균, 박테리아, 바이러스를 제거하는 경우 보다 세균, 박테리아, 바이러스의 제거효율을 향상시킬 수 있다. 자외선을 가시광선 또는 근적외선으로 변환하여 나노입자에 열을 발생시키는 과정을 추가하면 1차적으로 자외선에 의한 살균을 할 수 있고, 변환된 가시광에 의해 2차적으로 광열 효과에 의한 살균을 할 수 있다.
일 실시예에 따라, 마찰전기 필터는 형광 물질을 포함할 수 있다. 형광 물질은 전달된 광 또는 빛을 전달받아 광 또는 빛을 변환시킬 수 있는 물질로 선택될 수 있다. 예시적으로, 형광 물질은 야그(YAG) 또는 야그 형광체일 수 있다. 야그 형광체는 YAG:
, YAG:Nd 등일 수 있다.
일 실시예에 따라, 나노 입자는 금속 나노 입자 또는 반도체 나노 입자일 수 있다. 일 실시예에 따른 나노 입자는, (1) 금속 계열의 금, 은, 구리, 철 중 하나 이상, (2) 금속-절연체 계열의 SiO2-금속, SiN-금속 중 하나 이상, (3) 금속-반도체 계열의 TiO2-금속, ZnO-금속, SnO2-금속 중 하나 이상, (4) 반도체 계열의 Ge-Te일 수 있고, 위 조합의 나노 입자 중 하나 이상을 포함하거나 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 예시적으로, 금속 나노 입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 철(Fe) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 나노 입자는 금속 그 자체에 의한 광열 효과를 발생시킬 수 있고, 금속의 절연체에 의한 광열 효과를 발생시킬 수 있다.
다른 실시예에 따른 금속-반도체 계열에 의한 광열 효과를 발생시킬 수 있고, 반도체 그 자체에 의한 광열 효과를 발생시킬 수 있다.
예시적으로, 
에 레이저를 조사한 경우 인산완충생리식염수(PBS)에 레이저를 조사한 경우보다 높은 온도를 확인할 수 있다. 이 경우 조사되는 레이서 광의 파장에 따라 온도 변화가 달라질 수 있다.
예시적으로, 금(Au) 나노 입자에 대해 파장을 달리하여 조사한 경우 535nm 내외에서 높은 흡수율을 가질 수 있다.
일 실시예에 따라, 나노입자는 물과 적정 비율로 혼합하여 분사(spray) 및 코팅(coating)할 수 있다. 다른 실시예에 따라 나노 입자는 물, 에탄올의 혼합 용액을 적정 비율로 혼합하여 분사 및 코팅할 수 있고, 혼합 용액의 종류는 광열효과의 증가시키기 위해서 적절히 선택할 수 있는 물질이면 제한되지 않는다.
예시적으로, 물과 에탄올의 혼합 비율을 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:5 등일 수 있으나, 필요에 따라 혼합 비율은 필요에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 이 경우 532nm 녹색 레이저를 조사한 경우 광열 효과(photothermal effect)을 확인하기 위해 시간의 변화에 따른 온도의 변화를 측정할 수 있고, 물과 에탄올의 혼합 비율이 1:1인 경우에 높은 온도 변화를 나타낼 수 있다. 시간의 변화에 따른 온도의 변화를 계산하고, 목표 온도 또는 최적의 온도를 설정하기 위하여 혼합 비율을 적절하게 설정할 수 있다.
예시적으로, 532nm 녹색 LED를 조사한 경우 광 파워(optical power)를 변경하여 온도 변화를 측정할 수 있다. 이 경우 광원을 켠 후 10초 후의 온도를 측정하여, 광 파워(optical power)에 따른 온도 변화를 측정할 수 있다. 광 파워(optical power) 또는 측정 시간은 온도의 변화를 측정하기 쉽게 적절하게 선택될 수 있다. 다른 예시적으로, 광원을 켠 후 20초 후, 30초 후, 1분 후 등일 수 있다.
예시적으로, 50nm 이하의 금(Au) 나노 입자를 사용할 수 있다. 필요에 따라 나노 입자의 크기는 적절하게 선택될 수 있다.
일 실시예에 따라 제3 필터(300)에 자외선이 조사될 수 있고, 자외선은 형광 물질로 전달될 수 있다. 이 경우 형광 물질은 자외선(UV)에 반응하고, 가시광(Visible light)으로 변환하여 방출(emission)시키는 역할을 수행할 수 있다. 방출된 가시광은 나노 입자로 전달될 수 있고, 나노 입자는 가시광과 반응하여 표면 플라스몬 공명(SPR)에 의해 열을 발생시킬 수 있다. 다른 실시예에 따라, 제3 필터(300)에 가시광선 또는 근적외선이 조사될 수 있고, 나노 입자가 가시광선 또는 근적외선과 직접 반응하여 표면 플라스몬 공명(SPR) 또는 이와 유사한 효과를 발생시키는 다양한 기전에 의해 열을 발생시킬 수 있다.
예시적으로, 나노 입자는 금속 나노 입자로서 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu)일 수 있다.
금속 나노 입자는 시드(seed)로부터 크기를 키우는 과정을 통해 적절한 크기를 설정할 수 있다. 예시적으로 금(Au) 나노 입자의 시드(seed)는 10nm에서 최종 사이즈를 100nm로 키울 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 실시예에 따라, 자외선이 세균에 직접 조사되어, 세포벽을 파괴하는 등 1차적으로 살균 효과를 발생시킬 수 있다. 또한, 자외선이 형광 물질에 전달되어 가시광으로 변환되고, 변환된 가시광에 의해 반응한 나노 입자들이 2차적으로 세균 및 바이러스를 제거하는 이중 살균 효과를 발생시킬 수 있다.
세균 또는 바이러스 제거 성능은 공기 중 부유균 감소 확인 실험을 통해 확인할 수 있고, 시료 중의 균 감소율을 측정하여 계산할 수 있다.
일 실시예에 따라, 제2 필터의 자외선 램프에 의해 발생한 자외선이 상기 제3 필터의 형광체 물질에 전달될 수 있다. 이 경우 자외선(UV)는 형광물질에 의해 파장의 변화(Wavelength Shift)가 발생하게 되고 가시광 또는 근적외선을 발생시킬 수 있다. 다른 실시예에 따라, 자외선(UV)는 삼중결합에 의한 밴드 갭(band gap)을 조정하여 가시광 또는 근적외선을 발생시킬 수 있다. 이는 반도체 밴드갭 공정에 의한 것으로 자외선에 의한 오존 발생 증가를 억제하고 가시광에 의한 오존 발생 억제를 유도할 수 있다.
기존의 광촉매 방식은 자외선을 조사할 경우 정화 물질이 생성되지만, 자외선이 산소와 반응하여 오존을 발생시키는 문제점이 존재한다.
일 실시예에 따라, 마찰전기 필터의 표면의 일부는 광촉매에 의해 코팅되고, 광촉매는 밴드갭(Band gap)을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따라, 
, 
, GO 등에 의해 삼중 결합을 통한 밴드갭 (band gap) 제어를 할 수 있다. 밴드갭 특성에 의해 물질 속에서 전자가 존제하는 에너지 레벨에 의한 자유전자의 이동을 조절할 수 있다. 이 경우 섬유 또는 파이버의 표면에 작용기를 생성하여 광촉매 코팅을 시도할 수 있고, 섬유 구조 변화로 소수성을 증대시킬 수 있다.
일 실시예에 따라, 바이어 에어로졸이 필터를 통과하는 과정에서 박테리아, 세균, 바이러스 등의 유해물질이 공기 중에서 제거될 수 있다. 나노 입자에 의한 열이 박테리아 또는 바이러스에 전달되는 경우 박테리아는 사멸(killing)될 수 있고, 바이러스는 비활성화를 통한 기능의 상실 및 분해에 이를 수 있다.일 실시예에 따른, 마찰전기 필터는 필요에 따라 제1 필터(100), 제2 필터(200), 제3 필터(300)으로 분리된 복수 개의 필터로 형성될 수 있고, 필요에 따라 하나의 필터로 형성될 수 있다.
예시적으로, 하나의 필터로 형성된 마찰전기 필터는, 마찰전기를 발생시키는 폴리머 재료를 포함하고, 상기 폴리머 재료와 공기의 마찰로 발생한 마찰전기를 이용하여 미세먼지를 제거할 수 있고, 및/또는 자외선을 조사하여 박테리아 또는 세균을 제거할 수 있고, 및/또는 형광체 물질을 포함하고, 상기 형광체 물질에 의해 발생한 열을 전달하여 바이러스를 제거할 수 있다.
일 실시예에 따라, 하나의 필터로 형성된 마찰전기 필터는, 정전기적으로 대전될 수 있는 폴리머 재료에 의해 형성되고, 표면에는 하나 이상의 홈을 포함하는 다공성 마찰부재; 전기방사에 의해 형성되고, 상기 다공성 마찰부재의 표면에 불규칙적으로 배치되는 나노 파이버; 및 상기 나노 파이버 표면에 도포된 형광 물질을 포함할 수 있다. 금속 나노 입자 또는 반도체 나노 입자는 형광 물질에 의해 변환된 가시광에 반응하여 열을 발생시킬 수 있다.
도 3는 마찰전기 필터의 원리를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 필터(100)는 다공성 마찰부재(112) 및 접착부(114)를 포함할 수 있다.
제1 필터(100)는 공기가 유동하는 방향에 평행하게 배치될 수 있고, 미세먼지(1)가 포함된 공기가 유동하는 경우, 필터(100)의 표면 및 표면에 형성된 홈(111)에서는 공기의 유동에 의해 발생하는 마찰전기를 이용하여 미세먼지(1)를 흡착할 수 있다. 공기의 유동 방향과 평행하게 배치되어 공기의 흐름을 방해하지 않는다는 특징이 있다.
다공성 마찰부재(112)는 정전기전 인력을 증대시키기 위해 마찰 면적을 넓히기 위한 홈(111)을 포함할 수 있다. 다공성 마찰부재(112)의 어느 위치에서나 미세먼지(1)가 흡착될 수 있다.
예시적으로, 다공성 마찰부재(112)의 홈(111)에서 미세먼지(1)가 흡착될 수 있다. 다공성 마찰부재(112)와 미세먼지(1)가 마찰되어 양전하 또는 음전하로 대전되어 미세먼지를 흡착 또는 제거할 수 있다.
또한 다공성 마찰부재(112)은 접착부(114)에 부착될 수 있다. 공기의 유동이 있는 곳에 배치될 수 있도록 접착부(114)를 활용할 수 있다. 예시적으로, 창문, 환기구, 필터, 방충망, 굴뚝 등에 배치될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
도 4는 코팅된 마찰전기 필터의 표면을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 제1 필터(100)의 파이버(110)은 프레임(116), 다공성 마찰부재(112), 분산 물질(115)로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따라 프레임(116)은 파이버(110)의 형태를 유지시키는 역할을 하며, 필요에 따라 원형 또는 다각형의 표면을 가진 형태로 선택될 수 있다.
일 실시예에 따라 다공성 마찰부재(112)는 집진능력을 향상시킬 수 있는 것이면 전술한 마찰전기 필터를 사용할 수 있다.
일 실시예에 따라, 분산 물질(115)는 필요에 따라 금속 나노 입자 또는 반도체 나노 입자일 수 있다. 다른 실시예에 따라, 분산 물질(115)는 집진 능력을 향상시키기 위한 폴리머 등일 수 있다. 또 다른 실시예에 따라, 분산 물질(116)은 살균 능력을 향상시키기 위한 금속 이온 등의 향균 물질일 수 있다.
분산 물질(115)의 분산 형태는 일정한 두께로 도포될 수 있고, 필요에 따라 불규칙한 형태로 분산되어 있을 수 있다.
분산 물질(115)의 분산 면적은 필요에 따라 다공성 마찰부재(112)의 일부 영역일 수 있다.
분산 물질(115)가 향균 입자인 경우, 전처리 향균 입자 고착법에 의해 고착될 수 있고, 또는 후가공에 의한 향균 입자 표면 고착법에 의해 고착될 수 있다.
박테리아, 바이러스 포집 물질로 CNT, 
, ZnO, CdS, 
등이 사용될 수 있다.
일 실시예에 따라, 마찰전기 필터의 표면의 일부는 광촉매에 의해 코팅되고, 광촉매는 밴드갭(Band gap)을 형성할 수 있다.
예시적으로, 분산 물질(115)의 도포 방법으로 증발(evaporation), 스퍼터링(sputtering), 스프레잉(spraying) 등의 방법이 사용될 수 있다.
일 실시예에 따라, 
/Au가 헤파필터 또는 집진필터의 표면에 얇은 필름을 형성할 수 있다.
도 5은 마찰전기 필터의 제거 대상을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 필터(100)의 제거 대상은 미세먼지(1), 또는 세균(3), 또는 바이러스(5)일 수 있고, 유해 물질이면 마찰전기 필터의 제거 대상으로 제한되지 않는다.
제1 필터(100) 또는 마찰전기 필터는 미세먼지(1) 제거를 위한 필터(A)일 수 있다.
제1 필터(100) 또는 마찰전기 필터는 세균(3) 제거를 위한 필터(B)일 수 있다. 예시적으로, 세균(3) 제거를 위해 자외선(10)을 조사할 수 있다. 자외선(10)이 직접 세균(3)에 전달되어 세포벽 또는 DNA가 직접 파괴될 수 있다.
제1 필터(100) 또는 마찰전기 필터는 바이러스(5) 제거를 위한 필터(C)일 수 있다. 예시적으로, 바이러스(3) 제거를 위해 가시광(20)을 조사할 수 있고, 가시광(20)을 전달받은 나노 입자는 열을 발생시켜 바이러스를 제거할 수 있다.
도 6는 복수 개의 필터를 구비한 마찰전기 필터의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 자외선(10)을 조사하는 제2 필터(400), 마찰전기로 미세먼지를 제거하는 제1 필터(500), 형광체 물질 및 나노 입자를 포함하는 제3 필터(600), 마찰전기로 미세먼지를 제거하는 제1 필터(500)의 순서로 마찰전기 필터를 형성할 수 있다.
일 실시예에 따라, 하나 이상의 제1 필터(500), 하나 이상의 제2 필터(400), 하나 이상의 제3 필터(600)의 순서는 필요에 따라 변경될 수 있다. 예시적으로, 제1 필터(500)을 가장 먼저 배치하여 미세먼지의 우선적 제거를 시도할 수 있다.
일 실시예에 따라, 제1 필터(500), 제2 필터(400), 제3 필터(600)은 별개의 필터로 형성될 수 있고, 필요에 따라 하나의 필터로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 미세먼지 필터는 의료시설의 쾌적한 실내 공기질 유지를 위해 사용될 수 있다. 실내 공기 중에 포함된 세균, 바이러스, 이산화탄소, 미세먼지, HCHO, 휘발성 유기 화합물(VOC) 등의 유해 물질을 제거할 수 있다. 이 경우 많은 종류의 유해물질을 동시에 제거하고, 설치 및 관리가 용이해질 수 있다. 또한, 알려지지 않은 신종 바이러스의 직접 제거에 활용될 수 있다.
일 실시예에 따른 미세먼지 필터는 일반적으로 활용되는 미세먼지 필터와 함께 사용될 수 있다. 나노 섬유를 활용한 미세먼지 필터, 광촉매에 의한 탄소층(GO, Graphene oxide) 필터, 안티 바이오 필터 중 하나 이상과 결합하여 사용될 수 있다.
일 실시예에 따른, 마찰전기 필터는 공기중의 미세먼지를 포집함과 동시에 바이오 에어로졸을 제거할 수 있다. 다른 실시예는, 광촉매 반응(photocatalytic reaction)을 추가로 포함하여 필터의 효능을 증대시킬 수 있다.
일반적인 광촉매 반응은 자외선을 조사하여 오존을 발생시키나, 가시광선 또는 근적외선 조사로 오존 발생을 방지할 수 있다. 예시적으로, 오존 대신에 
을 발생시켜, 오존 발생에 의한 문제점을 해결할 수 있다.
일 실시예에 따른 마찰전기 필터는 나노섬유층 필터 제작에 활용될 수 있고, 기능성 마스크 제작에 응용될 수 있다. 예시적으로, 의료용 마스크, 청소용 마스크에 사용될 수 있다.
도 7은 전기 방사를 통한 나노파이버 제작 과정을 설명하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 방사기기(50)은 니들(51)을 포함할 수 있다.
방사기기(50)은 폴리머(polymer) 재료를 니들(51)을 통해 방사시켜 마찰전기 필터(700)을 형성할 수 있다. 마찰전기 필터(700)는 방사기기(50)에 의해 형성된 나노 파이버(710)를 포함할 수 있다.
니들(51)의 말단부에서는 테일러 콘(Taylor Cone) 형상으로 폴리머가 방사될 수 있다.
일 실시예에 따른 전기 방사에 의한 나노 파이버는 마찰전기 필터의 표면에 부착되거나, 또는 부착되지 않고 독자적으로 필터 여재로 활용될 수도 있다.
전기 방사의 조건에 따라 나노 파이버의 형태, 물성, 배치를 달리할 수 있다. 예시적으로, 전압, 니들(needle)의 사이즈, 팁(tip)과 콜렉터(collector) 사이의 거리, 폴리머 용액의 양(amount) 또는 유속(flow rate), 농도 등에 따라 적절하게 방사 조건이 설정될 수 있다.
예시적으로, 니들(needle) 사이즈가 20G 인 경우 1 내지 10 마이크로미터의 두께의 파이버가 형성되며, 비드(bead) 및 컬(curl)이 발생할 수 있다.
다른 예시로, 니들(needle) 사이즈가 22G 인 경우 0.5 내지 5 마이크로 미터의 두께의 파이버가 형성되며, 비드(bead) 및 컬(curl)이 거의 발생하지 않을 수 있다.
도 8은 나노 입자가 분사된 마찰전기 필터의 표면을 비교한 도면이다.
도 8을 참조하면, 마찰전기 필터(700)의 일부에 나노 입자가 분사될 수 있다. 일 실시예에 따라, 나노 입자(720)는 금속 나노 입자 또는 반도체 나노 입자일 수 있다.
도 9는 실내 공기의 순환 과정을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 마찰전기 필터(900)는 외부 공기를 순환시키는 제1 유동 통로(810)와 연결되어 있을 수 있고, 또한 마찰전기 필터(900)는 제1 유동 통로와 분리되어 내부 공기를 순환시키는 제2 유동 통로(820)와 연결되어 있을 수 있다.
일 실시예에 따른 미세먼지 필터는 공기질 개선 과정에서 비용을 절감할 수 있다. 유해물질 제거 후 재순환하는 공기조화 설비를 통해, 외부 공기 환기량을 최소화 하여 냉난방 부하를 줄일 수 있다.
일 실시예에 따른 미세먼지 필터에 의한 재순환 공기 조화 설비는 외부 공기로 환기하는 공기조화-환기 설비보다 설비 운영 공정 비용이 낮을 수 있다. 이 경우 실내 공기질 관리 설비가 차지하는 공간이 작고 장치비가 저렴해질 수 있다.
일 실시예에 따라, 제1 유동 통로(810)에 따라 실외의 공기를 마찰전기 필터(900)에 통과시켜 신선한 공기를 공급할 수 있고, 제2 유동 통로(820)에 따라 실내의 공기를 마찰전기 필터(900)에 통과시켜 실내로 공기를 배출할 수도 있다.
도 10은 마찰전기 필터의 이중 살균 단계를 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 마찰전기 필터에 의한 이중 살균 방법(1000)은 자외선 조사 단계(S1010), 1차 살균 단계(S1020), 가시광 방출 단계(S1030), 열 발생 단계(S1040), 2차 살균 단계(S1050)을 포함할 수 있다.
자외선 조사 단계(S1010)는 자외선 램프에 의해 생성된 자외선을 마찰전기 필터에 조사하는 단계이다.
1차 살균 단계(S1020)는 조사된 자외선이 세균, 박테리아 또는 바이러스를 살균하는 단계이다.
가시광 방출 단계(S1030)는 조사된 자외선이 형광 물질에 전달되어 가시광을 방출하는 단계이다.
열 발생 단계(S1040)는 가시광에 반응하여 나노 입자가 열을 방출하는 열 발생단계; 및
2차 살균 단계(S1050)는 나노 입자에서 방출된 열이 세균, 박테리아 또는 바이러스를 살균하는 단계이다.
도 11은 나노 입자의 파장별 광 흡수율을 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 나노 입자의 파장별 광 흡수율 변화를 확인할 수 있다. 금속 나노 입자의 경우 535nm에서 최대 흡수를 나타낼 수 있다.
도 12는 나노 입자의 표면을 확대한 도면이다.
도 12를 참조하면, 금(Au) 나노 입자 및 산화 구리(CuO)의 표면을 확인할 수 있다.
도 13은 나노 입자의 농도별 표면을 확대한 예시 도면이다.
도 13을 참조하면, 일반적인 헤파 필터 및 금속 나노 입자를 분사한 헤파 필터의 농도별 표면을 확인할 수 있다.
금속 나노 입자는 순수한 물에 희석될 수 있고, 물과 에탄올이 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:5 등의 다양한 비율로 혼합된 용액에 의해 분사될 수 있다. 농도별 표면 형태의 차이가 광열효과의 차이를 발생시킬 수 있다. 광열 효과를 발생시킬 수 있는 농도로 용액의 농도를 적절하게 희석할 수 있으며, 용액의 종류도 제한되지 않느낟.
도 14은 나노 입자의 크기별 표면을 확대한 제1 예시 도면이다.
도 15은 나노 입자의 크기별 표면을 확대한 제2 예시 도면이다.
도 14 및 도 15을 참조하면, 나노 입자의 크기를 필요에 따라 조절할 수 있다.
일 실시예에 따라, 시드(seed)의 나노 입자의 크기는 10nm일 수 있고, 최종 사이즈는 100nm일 수 있다. 나노 입자의 사이즈는 광열 효과를 발생시키기 위한 것이면 크기는 제한되지 않고, 시드(seed)의 사이즈 및 최종 사이즈는 적절하게 선택될 수 있다.
도 16는 나노 파이버 형성을 위한 방사기기 실험 과정을 나타낸 도면이다.
도 16를 참조하면, 나노 파이버를 형성하기 위한 방사기기를 확인할 수 있다. 콜렉터(collector) 및 니들(needle)의 팁(tip)을 확인할 수 있다.
예시적으로, 폴리머는 플루오르화 폴리비닐덴플로우라이드(PVDF)를 사용할 수 있으며, 용제(solvent)로 디메틸포름아마이드(DMF) 및 아세톤의 혼합물을 사용할 수 있다.
일 실시예에 따라, 0.949g/ml DMF 및 0.78g/ml 아세톤을 사용하여 0.848g/ml 용제(solvent)를 형성할 수 있다. 이 경우 19.08 질량% 농도를 가진 용액을 약 70℃에서 2시간 저어서(stirring) 용액을 형성할 수 있다.
도 17은 니들 사이즈에 따른 나노 파이버를 확대한 제1 예시 도면이다.
도 18은 니들 사이즈에 따른 나노 파이버를 확대한 제2 예시 도면이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 니들 사이즈에 따른 나노 파이버 표면을 확인할 수 있다.
예시적으로, 니들(needle) 사이즈가 20G 인 경우 1 내지 10 마이크로미터의 두께의 파이버가 형성되며, 비드(bead) 및 컬(curl)이 발생할 수 있다.
다른 예시로, 니들(needle) 사이즈가 22G 인 경우 0.5 내지 5 마이크로 미터의 두께의 파이버가 형성되며, 비드(bead) 및 컬(curl)이 거의 발생하지 않을 수 있다.
일 실시예에 따른 니들 사이즈 변경에 따른 파이버의 형태를 비교한 것으로, 광열효과 또는 필터의 성능을 향상시키기 위하여 니들의 사이즈는 적절히 선택될 수 있고, 이에 제한되지 않는다.
도 19는 나노 입자의 유무에 따른 박테리아 제거 효과를 비교한 도면이다.
도 19를 참조하면, 금(Au) 나노 입자의 분사 유무에 따른 박테리아 제거 효과를 확인할 수 있다. 예시적으로, 금속 나노 입자가 존재하는 샘플에서 더 많은 박테리아가 사멸됨을 확인할 수 있다.
도 20은 나노 입자의 유무에 따른 박테리아 표면을 확대한 제1 예시 도면이다.
도 21은 나노 입자의 유무에 따른 박테리아 표면을 확대한 제2 예시 도면이다.
도 20 및 도 21를 참조하면, 나노 입자의 유무에 따른 박테리아 표면 변화를 확인할 수 있다.
예시적으로, 금속 나노 입자가 존재하는 샘플에서 박테리아의 표면이 팽창 또는 파괴됨을 확인할 수 있다.
1: 미세먼지
3: 세균
5: 바이러스
10: 자외선
20: 가시광선
50: 방사기기
51: 니들
52: 테일러 콘(Taylor Cone)
100: 제1 필터
110: 파이버(Fiber)
111: 홈
112: 다공성 마찰부재
114: 접착부
115: 분산 물질
116: 프레임
200: 제2 필터
300: 제3 필터
400: 제2 필터
500: 제1 필터
600: 제3 필터
700: 마찰전기 필터
710: 나노 파이버
720: 나노 입자
800: 필터 시스템
810: 제1 유동 통로
820: 제2 유동 통로
900: 마찰전기 필터
1000: 이중 살균 방법
S1010: 자외선 조사 단계
S1020: 1차 살균 단계
S1030: 가시광 방출 단계
S1040: 열 발생 단계
S1050: 2차 살균 단계
3: 세균
5: 바이러스
10: 자외선
20: 가시광선
50: 방사기기
51: 니들
52: 테일러 콘(Taylor Cone)
100: 제1 필터
110: 파이버(Fiber)
111: 홈
112: 다공성 마찰부재
114: 접착부
115: 분산 물질
116: 프레임
200: 제2 필터
300: 제3 필터
400: 제2 필터
500: 제1 필터
600: 제3 필터
700: 마찰전기 필터
710: 나노 파이버
720: 나노 입자
800: 필터 시스템
810: 제1 유동 통로
820: 제2 유동 통로
900: 마찰전기 필터
1000: 이중 살균 방법
S1010: 자외선 조사 단계
S1020: 1차 살균 단계
S1030: 가시광 방출 단계
S1040: 열 발생 단계
S1050: 2차 살균 단계
Claims (12)
- 마찰전기를 발생시키는 폴리머 재료를 포함하고, 상기 폴리머 재료와 공기의 마찰로 발생한 마찰전기를 이용하여 미세먼지, 세균, 박테리아, 바이러스를 제거하는 하나 이상의 폴리머 필터; 및
가시광선 또는 근적외선이 나노 입자에 전달되고, 상기 나노 입자에 의해 발생한 열을 전달하여 광열 효과에 의해 세균, 박테리아, 바이러스를 제거하는 하나 이상의 살균 필터를 포함하는, 마찰전기 필터. - 마찰전기를 발생시키는 폴리머 재료를 포함하고, 상기 폴리머 재료와 공기의 마찰로 발생한 마찰전기를 이용하여 미세먼지, 세균, 박테리아, 바이러스를 제거하는 하나 이상의 제1 필터;
자외선을 조사하여 박테리아 또는 세균을 제거하는 하나 이상의 제2 필터; 및
형광체 물질 및 나노 입자를 포함하고, 상기 형광체 물질이 변환한 광을 나노 입자가 전달받고, 상기 나노 입자에 의해 발생한 열을 전달하여 세균, 박테리아, 바이러스를 제거하는 하나 이상의 제3 필터를 포함하는, 마찰전기 필터. - 제1항에 있어서,
상기 폴리머 필터는 표면에 하나 이상의 홈을 포함하고,
상기 살균 필터에 하나 이상의 나노 입자가 분산되어 있는, 마찰전기 필터. - 제2항에 있어서,
상기 제2 필터는 자외선 램프를 더 포함하고,
상기 제2 필터의 자외선 램프에 의해 발생한 자외선이 상기 제3 필터의 형광체 물질에 전달되는, 마찰전기 필터. - 제1항에 있어서,
상기 폴리머 재료는 플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 나일론(Nylon) 및 나피온(Nafion) 중 하나 이상을 포함하고,
상기 나노 입자는, (1) 금속 계열의 금, 은, 구리, 철 중 하나 이상, (2) 금속-절연체 계열의 SiO2-금속, SiN-금속 중 하나 이상, (3) 금속-반도체 계열의 TiO2-금속, ZnO-금속, SnO2-금속 중 하나 이상, (4) 반도체 계열의 Ge-Te 중 하나 이상을 포함하거나 둘 이상의 조합을 포함하는, 마찰전기 필터. - 정전기적으로 대전될 수 있는 폴리머 재료에 의해 형성되고, 표면에는 하나 이상의 홈을 포함하는 다공성 마찰부재;
전기방사에 의해 형성되고, 상기 다공성 마찰부재의 표면에 불규칙적으로 배치되는 나노 파이버; 및
상기 나노 파이버 표면에 도포된 형광 물질을 포함하고,
상기 형광 물질에 의해 변환된 가시광에 반응하여 열을 발생시킬 수 있는 하나 이상의 금속 나노 입자 또는 반도체 나노 입자를 포함하는, 마찰전기 필터. - 제6항에 있어서,
상기 형광 물질은 야그(YAG) 형광체이고,
상기 폴리머 재료는 플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 나일론(Nylon) 및 나피온(Nafion) 중 하나 이상을 포함하고,
상기 나노 입자는, (1) 금속 계열의 금, 은, 구리, 철 중 하나 이상, (2) 금속-절연체 계열의 SiO2-금속, SiN-금속 중 하나 이상, (3) 금속-반도체 계열의 TiO2-금속, ZnO-금속, SnO2-금속 중 하나 이상, (4) 반도체 계열의 Ge-Te 중 하나 이상을 포함하거나 둘 이상의 조합을 포함하는, 마찰전기 필터. - 제6항에 있어서,
마찰전기 필터에 자외선을 조사하는 자외선 램프를 더 포함하는, 마찰전기 필터. - 제1항 또는 제6항에 있어서,
마찰전기 필터의 표면의 일부는 광촉매에 의해 코팅되고,
상기 광촉매는 밴드갭(Band gap)을 형성하는, 마찰전기 필터. - 제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 마찰전기 필터는 외부 공기를 순환시키는 제1 유동 통로와 연결되어 있고,
상기 마찰전기 필터는 제1 유동 통로와 분리되어 내부 공기를 순환시키는 제2 유동 통로와 연결되어 있는, 마찰전기 필터. - 마찰전기 필터에 의한 이중 살균 방법에 있어서,
자외선 램프에 의해 생성된 자외선을 마찰전기 필터에 조사하는 단계;
상기 조사된 자외선이 세균, 박테리아 또는 바이러스를 살균하는 1차 살균단계;
상기 조사된 자외선이 형광 물질에 전달되어 가시광을 방출하는 가시광 방출 단계;
상기 가시광에 반응하여 나노 입자가 열을 방출하는 열 발생단계; 및
상기 나노 입자에서 방출된 열이 세균, 박테리아 또는 바이러스를 살균하는 2차 살균단계를 포함하는, 이중 살균 방법. - 마찰전기 필터에 의한 살균 방법에 있어서,
폴리머 필터에 의해 미세먼지, 세균, 박테리아, 바이러스를 제거하는 단계;
가시광선 또는 근적외선을 나노 입자에 조사하는 단계;
상기 가시광선 또는 근적외선에 반응하여 나노 입자가 열을 방출하는 열 발생단계; 및
상기 나노 입자에서 방출된 열이 세균, 박테리아 또는 바이러스를 살균하는 단계를 포함하는, 마찰전기 필터에 의한 살균 방법.
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