공기 정화 및 공기 살균을 위한 장치 document_id A220623107090

시장에서 이용 가능한 공기 정화 장치는 2가지 주요 형태로 넓게 그룹 형성될 수 있으며, 상기 형태는 ⅰ)트래핑(trapping)과 여과 작용(filtration)을 통하여 원하지 않는 미립자의 제거, 및 ii)성장 불가능한(unviable) 유해한 미생물(가령, 박테리아)을 형성하거나 또는 제거되고 연합된 유해한 결과(effects)에 대한 원하지 않는 미립자의 파괴이다. 장치에 기초된 여과작용은 상기 필터(filter)에 의해 트랩(trapped) 형성되는 특정 크기를 넘는 미립자와 공기 여과 장치(필터(filter))를 통하여 순환하는 공기를 가진다. 상기 필터로 구성되는 재료와 이의 건축 방법에 따라, 다소 미세하거나 또는 보다 큰 직경을 가진 입자는 순환 공기로부터 제거될 수 있다. 몇몇의 여과 장치는 트래핑(trapping) 효율을 증대하기 위하여 상기 입자에 대한 전하를 안내하기 위한 추가적인 장치(가령, 전기 집진기(electrostatic precipitators))를 일체로 형성한다. 일반적으로 바이러스는 상기 필터를 관통하기에 충분히 작으며 또한 미생물은 상기 필터를 관통하기 위하여 충분히 작은 크기의 에어로졸(aerosol)에 의해 형성될 수 있다. 필터는 이를 트랩(trap)하지만 파괴하지는 않는다. 다소 존재하는 공기 정화 시스템은 자외선(UV)을 복합시켜 트랩된(trapped) 미생물을 파괴시킨다. 트랩되지 않은 미생물은 공기 중에 잔존한다. 또한 이온 발생기가 시장에서 공기로 운반되는 미립자의 제거를 위해 제공된다. 이는 음전하(negative electrical charge)를 형성하고 상기 전하가 공기로 운반되는 미립자로 구성될 때 상기 공기로 운반되는 미립자는 인접한 표면에 대해 이탈되고 점착될 것이다. 그러므로 상기 장치 기능은 이를 파괴하지 않지만 분리하고 공기로 운반되는 유해한 미립자를 제거하기만 한다. 또한 시장에서는 공기로 운반되는 미생물의 파괴를 위하여 오존 발생기(O3)가 존재한다. 오존은 지극히 높고 안전하지 않은 수준 가령, 3,000 ppb 이상에서 제외하고 공기로 운반되는 미생물의 효과적인 제거가 아니다. 결과로써, 오존 발생기는 효과적으로 인간의 건강에 대해 유익함을 구현하기 위해 병원체 미생물 또는 공기로 운반되는 미생물을 파괴하지 못한다. 상기 장치가 우연하게 오존의 과도한 수준을 발생시킬 경우 상기 장치는 건강에 해롭다. 실제로, 공기 살균을 위한 과도한 오존의 사용에 관하여 경고를 하는 기사들이 많이 존재한다. 자외선(UV)은 살균을 위한 몇몇의 설비(applications)에 성공적으로 적용되어 왔다. 공기로 운반되는 미생물의 자외선(UV) 살균에 관한 연구는 몇 시간의 잔류 시간(즉, 공기 스트림(stream)이 자외선(UV)으로 방사될 필요가 있는 지속 시간)이 살균의 인지 가능한 수준으로 요구된다. 상기의 효율성의 수준은 실제적인 측면에서 낮다. 또한 전하를 가진 미립자(이온 클러스터(ion clusters))가 살균의 효과가 있다는 기록이 존재한다. 자외선 살균(UV disinfection)과 유사하게, 상기 살균 메카니즘의 효율성은 또한 낮으며 시간(order hours)의 이온 클러스터가 전형적으로 요구된다. 플라즈마는 자유롭게 이동하는 이온, 전자 및 중성 미립자로 구성된 전기적으로 중성이고 이온화 형성된 가스이다. 플라즈마는 공기 정화 및 공기 살균을 위해 포함되며 다양한 상업적인 설비에 오늘날 사용된다. 작동 체제에 의존하여, 플라즈마는 전하를 가진 미립자(전자 및 이온), 여기 종(excited species), 자유 라디칼(free radicals), 오존 및 자외선 광자(UV photons)로 구성될 수 있으며, 이는 화학 합성물의 복합을 가능하게 하며 미생물을 파괴하는 것을 가능하게 한다. 상업적으로 이용 가능한 플라즈마 공기 정화기의 존재가 독립된 장치 내에 포함된 플라즈마에 의해 발생된 자외선 광자(UV photons) 또는 오존의 사용에 의하거나 또는 이온 발생기가 작동하는 바에 따라 유사한 방식으로 공기로 운반되는 미립자의 충전에 의하여 간접적으로 작동한다. 플라즈마는 가스 방전의 형태의 전기 방전에 의해 형성될 수 있으며 이에 의해 고전압은 애노드(anode)와 캐소드(cathode)인 전극 세트로 인가된다. 상기 인가된 전압이 충분히 높고 상기 브레이크다운 전압(breakdown voltage)보다 크게 될 때, 아크(arcs)는 상기 전극에 걸쳐서 개선되기 시작한다. 아크 형성 또는 전기 브레이크다운(electrical breakdown)을 위한 임계값(threshold)은 널리 알려진 파센의 법칙(Paschen law)을 따르며, 이는 상기 전극과 상기 가스 압력 사이의 갭 크기(gap size)로 브레이크다운 전압(breakdown voltage)과 관련이 있다. 전자가 충돌, 여자(excitation) 전압 및 그 외 다른 에너지 손실 과정으로 인하여 에너지 손실을 보상하기에 충분한 에너지를 얻기 위하여 상기 인가된 전압, 또는 보다 간결하게 국부적인 전기장이 충분히 클 경우 브레이크다운(breakdown)이 발생된다. 상기 브레이크다운 과정은 외부적으로 인가된 전기장의 영향 하에 애노드(anode)를 향하여 가속되는 잔존 전자 또는 다소의 자유 전자의 존재로 시작된다. 상기 전자가 상기 애노드를 향하여 가속됨에 따라, 상기 스트리밍 전자(streaming electrons)는 광-이온화(photo-ionization) 작용으로 간접적으로 또는 충돌에 의해 직접 이온화를 야기하는 가스 원자와 충돌한다. 전자 구름(electron cloud)은 전자 구름의 앞에 이온화 또는 브레이크다운 프론트(breakdown front)와 함께 상기 애노드(anode)를 향하여 전파되어 증강되기 시작하며, 후방에 이온 트레일(ion trail)을 남기고, 상기 인가된 전기장과 마주보는 전기 쌍극자(electric dipole)를 가진 플라즈마 채널의 결과가 형성된다. 제한되지 않는 경우 상기 스트리머(streamer)의 형성은 전하 밀도에 있어 급격한 증가, 애벌랜치(avalanche)의 빠른 성장 및 아크(arc)로의 상기 스트리머의 변형으로 유발된다. 주요 아크의 전개(development)를 방지하기 위하여 메카니즘을 멈추거나 제한하는 적합한 전류에 의해, 준정상 상태(quasi-steady state)는 전극 사이 상기 갭(gap)을 충진하는 마이크로-아크(micro-arcs) 또는 필라멘트(filaments)(10-4m 수준의 치수 형상)로 확립될 수 있다. 전통적으로 이는 유전체 장벽(dielectric barrier)의 배치 또는 한 전극 또는 양 전극을 덮는 절연체에 의해 구현된다. 한 전극 또는 양 전극에 일체로 형성된 유전체 층 또는 절연체 층을 가지는 방전은 유전체 장벽 방전(dielectric-barrier discharge)으로써 알려진다. 유전체 층 또는 절연체 층의 비전도 특성은 상기 표면상의 전하 축적을 허용하며, 상기 전하 축적은 인가된 전기장에 대해 마주보는 전기장을 형성한다. 추가적으로, 상기 공간 전하는 전기장에 반발하는 전자에 대해 추가하여 유전체 층 또는 절연체 층과 나란히 증가된다. 상기 마주보는 전기장은 인가된 전기장을 상쇄(cancels)시키며 주요 아크(arc)로의 필라멘트(filament)가 전개(developing)되는 것을 방지하고 방전 필라멘트가 소멸되도록 야기한다. 따라서, 상기 유전체 상의 낮은 전하 이동도는 필라멘트의 자가 포착(self-arresting)을 유도하며 또한 이들의 횡방향의 전개를 제한하고, 이에 의해 다중 필라멘트는 서로에 대해 매우 근접하게 형성된다. 더욱이, 다중 이온화 프론트(multiple ionization fronts)들의 융합이 발생될 때, 상기 필라멘트 방전은 공간적으로 보다 균일한 특성을 가진 확산 글로우 방전(diffuse glow discharg)으로 변형된다. 또한 전류 소멸(Current quenching)은 아크(arc)로의 이동을 방지하기 위해 인가된 전압을 주의 깊게 제어함으로써 구현될 수 있다. 이는 보다 작거나 또는 보다 날카로운 전극 주위의 공간 전하 영역을 형성하기 위해 니들 모양의 전극(needle-like electrodes)을 사용함으로써 형성될 수 있다. 상기 전극들 사이에 존재하는 베드(bed) 내 비전도 패킹 재료(non-conducting packing)를 포함함으로써 구현될 수 있다. 대기와 근접한 압력 범위로 유전체 장벽 방전의 작동으로, 전자 에너지는 전형적으로 1 내지 10 eV 의 범위에 있으며 이온 에너지는 주위 가스 온도(ambient gas temperature)에 근접하다. 전자와 이온 특성 사이의 에너지 불일치(energy disparity) 때문에, 상기 방전은 비열적 플라즈마(non-thermal plasma)로써 분류된다. 전형적으로, 상기 전하 입자의 밀도는 중심 주위 가스(neutral ambient gas)보다 더 작고 상기 플라즈마의 작용은 충돌 효과에 의해 지배된다. 상기 전자 에너지는 원자와 분자를 여자하기 위해(for exciting) 사용될 수 있으며, 이에 의해 화학 반응 및/또는 방사선 방출을 야기한다. 강력한 전자는 상기 다소의 분자 화학 띠(chemical bonds)의 브레이크다운을 야기하며, 분자 체인(molecular chain)의 브레이크다운, 이온화 및 여자 작용 및 0, OH 또는 H02 와 같은 라디칼(radicals)과 자유 전자의 발생의 결과가 되는 배경 분자와 충돌한다. 상기 라디칼은 위험한 유기 분자를 공격하고(attack) 공기 중의 오염 물질을 혼합하는데 유용하다. 02의 해리현상(disassociation)은 오존을 형성하기 위하여 02에 혼합하기 위해 필요한 0 를 제공한다. 낮은 에너지 전자는 중성 원자 또는 분자를 부의 이온을 형성하기 위해 부착할 수 있으며, 이는 미생물의 파괴와 오염 물질을 혼합하는 반응을 강화시킬 수 있다. 충돌을 통하여, 전자는 박테리아와 바이러스를 포함한 유기 화합물을 직접 파괴할 수 있다. 특히 자외선 스펙트럼의 영역에서 재조합(recombination)과 완화(relaxation)를 통하여 방출은 분자 띠(molecular bonds)의 파괴에 의해 광 물리학(photo-physical)과 광 화학(photo-chemical) 과정을 개시할 수 있으며, 따라서 미생물을 파괴하여 살균 효과의 결과가 된다. 유해한 오염 물질은 화학적 오염 물질, 휘발성 유기 화합물, 박테리아, 균류(fungi) 및 바이러스로 폭넓게 그룹 형성가능하며, 각각의 그룹은 구성 분자의 양과 복잡성 또는 라디칼에 의해 특징된다. 플라즈마 특성은 상기 유해한 오염 물질의 성장을 방지하고 및/또는 파괴하기 위하여 최적화되어야 한다. 한 주요한 필요 사항은 상기 유해한 오염 물질이 실제 설비에 대한 충분히 높은 흐름 비율을 지원하는 동안 상기 리액터 장치 내에서 적당한 잔류 시간을 갖도록 보장하는 것이다. 플라즈마가 상기 유해한 입자를 감소시키기 위해 사용될 때, 또한 플라즈마의 상기 발생은 유해할 수 있는 부산물 가스(by-product gas)를 형성할 수 있다. 부산물 가스의 전형적인 실례는 오존과 이산화질소(NO2)이다. 그러므로 원하지 않는 부산물 가스의 발생을 최소로 형성시키는 반면 효과적인 오염 물질의 파괴를 구현하기 위하여 잔류 시간과 효과적인 플라즈마 전력 침전에 적당한 실내 공기 정화와 살균을 위한 플라즈마를 발생시키는 장치를 제공하는 것이 바람직하다.