[논문]벤젠제거에 대한 광촉매 효율의 여기광원 의존성

최용석; 김성진; 한영헌; 유순재; 이은아; 김학수; 김송강

doi:10.4313/jkem.2005.18.6.510

벤젠제거에 대한 광촉매 효율의 여기광원 의존성
Excitation Light Source Dependence of Photo-catalytic Efficiency for Benzene Removal 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.18 no.6, 2005년, pp.510 - 514

최용석 ((주)이츠웰 부설연구소) , 김성진 ((주)이츠웰 부설연구소) , 한영헌 ((주)이츠웰 부설연구소) , 유순재 (선문대학교 전자정보통신공학부) , 이은아 (선문대학교 화학공학과) , 김학수 (선문대학교 화학공학과) , 김송강 (중부대학교 정보통신학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We have investigated the excitation-light source dependence of photo-catalytic efficiency for the benzene removal. The photo-catalytic module for the benzene removal is fabricated by a combination of GaN-based ultraviolet light-emitting diode (UV GaN-LED) and $TiO_2$ thin film coated on an aluminum plate. The benzene reduction rates of 365 nm and 375 nm modules at 60 mA junction current are approximately $8.95\;\%/Hr$ and $9.2\;\%/Hr$, respectively, which indicates that 365 nm GaN-LED is more effective than 375 nm GaN-LED. The benzene reduction efficiency is also noticeably dependent on the excitation wavelength and excitation-light power, as well as it is increased with the shorter wavelength and higher excitation power. This result exhibits that UV GaN-LED is useful to remove the volatile organic compounds (VOCs) existing in the environment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

벤젠제거 효율을 개선시키기 위하여 광촉매 효율의 여기광원 파장 및 광출력 의존성을 조사하였다. 광촉매 효율은 여기광원의 파장에 크게 의존하였으며, 여기광원이 단파장일수록 광촉매 효율은 개선되었다.
본 논문은 화학물질 중 일반 대기 중에 다량으로 포함되어 있는 인체에 유해한 벤젠(CtiHQ, 톨루 엔, 자일렌과 포름알데히드 (CHCHO), 일산화탄소 (CO) 등의 휘발성 유기화합물 중에서 대표적인 화합물인 벤젠을 반응가스로 선정하여 TiO₂의 광촉매 여기광원 파장과 여기광원 출력이 벤젠제거 효율에 미치는 영향을 조사하였다.

제안 방법

그림 6. 100개의 UV GaN-LED를 사용한 광족매 모듈의 반응시간과 광촉매 여기광원에 따른 반응기 내의 벤젠 제거율 및 벤젠제거 효율 의존성.
광촉매 여기 광원인 자외선 발광 다이오드 모듈은 bar coater 장비를 이용하여 TiOx 박막을 약 4 um 두께로 코팅한 알루미늄판으로부터 100 mm 간격으로 양면에 고정시켜 반응기에 장착한 후, 100 ppm의 벤젠 표준 가스를 주입하여 단위 시간 간격으로 GC를 이용하여 반응기 내의 벤젠 제거율을 측정하였다. 반응기 내의 단위 시간당 벤젠 제거율은 GaN-LED의 발광 파장과 GaN-LED에 주입되는 구동 전류에 따라 측정하였다.
광촉매 여기광원의 파장과 벤젠제거 효율과의 상관관계를 보다 정량화된 결과를 유추하기 위하여 단위시간, 단위 광출력 당 벤젠제거 효율을 환산해 보았다. 그림 6에서 보는 바와 같이, 벤젠제거 효율은 반응시간이 경과함에 따라 감소하는 것을 알 수 있으며, 이와 같은 결과는 앞에서 논의한 바와 같이 GaN-LED의 열화 및 에폭시 경화현상 때문이다.
그림 1은 광촉매 반응기의 모식도를 나타낸 것이다. 그림 1에서와 같이, 15L의 밀폐된 반응기 내 부에 MFC (Mass Flow Controller)를 통해 100 ppm의 벤젠을 주입하여 자외선 GaN-LED의 구동 전류 및 구동 시간 경과에 따른 벤젠 제거율을 auto sampling valve가 장착된 HP 6890 GC (Gas Chromatography) 장비를 통하여 단위 시간 간격으로로 측정하여 모니터링하였다.
광촉매 여기 광원인 자외선 발광 다이오드 모듈은 bar coater 장비를 이용하여 TiOx 박막을 약 4 um 두께로 코팅한 알루미늄판으로부터 100 mm 간격으로 양면에 고정시켜 반응기에 장착한 후, 100 ppm의 벤젠 표준 가스를 주입하여 단위 시간 간격으로 GC를 이용하여 반응기 내의 벤젠 제거율을 측정하였다. 반응기 내의 단위 시간당 벤젠 제거율은 GaN-LED의 발광 파장과 GaN-LED에 주입되는 구동 전류에 따라 측정하였다.

대상 데이터

그림 4. 100개의 375 nm GaN-LED를 사용한 광촉매 모듈 사진.
그림 4는 375 nm GaN-LED로 제작된 벤젠 제거실험용 광촉매 모듈 사진이다. 광촉매 모듈은 ]00개의 375 nm GaN-LED와, ]00개의 365 nm GaN-LED를 PCB (Printed Circuit Board) 기판에 집적화시켜 제작하였다.

성능/효과

100개의 375 nm GaN-LED와 365 nm GaN- LED를 이용한 광촉매 모듈은 60 mA 구동 전류에서 각각 시간당 최대 9.20 %와 8.95 %의 벤젠제거율을 보였다. 이러한 결과는 365 nm GaN-LED와 375 nm GaN-LED에 대하여 각각 .
그러나 벤젠 제거효율은 반응시간에 따라 감소함을 알 수 있다. 375 nm GaN-LED의 광촉매 모듈에 60 mA 구동 전류를 인가하였을 때 시간당 최대 9.20 %의 벤젠 제거율을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 시간에 따라 벤젠 제거효율이 낮아지는 것은 고 전류인가에 의한 발광 다이오드의 열화 및 UV 광원에 의한 에폭시 경화에 기인하는 것으로 사료되며, 발광 다이오드의 열화 문제는 발광 다이오드의 열 배기 어셈블리를 결합하여 해결할 수 있을 것으로 생각된다.
벤젠제거 효율을 개선시키기 위하여 광촉매 효율의 여기광원 파장 및 광출력 의존성을 조사하였다. 광촉매 효율은 여기광원의 파장에 크게 의존하였으며, 여기광원이 단파장일수록 광촉매 효율은 개선되었다.
한편, 365 nm GaN-LED의 광족매 모듈에 60 mA 구동 전류를 인가하였을 때 시간당 최대 8.95 %의 벤젠 제거율을 얻을 수 있음을 보여준다. 이와 같은 결과는 375 nm GaN-LED 광촉매 모듈은 365 nm GaN-LED 광촉매 모듈보다 효과적으로 벤젠을 제거하고 있음을 의미한다.

후속연구

할지라도 쉽게 해결할 수 없으며, UV 광원에 반응하지 않는 Si 에폭시 채용 또는, 에폭시를 사용하지 않는 TO 패키징을 함으로서 해결 할 수 있다. 그러나 발광 다이오드와 공기의 중간 굴절률을 갖는 에폭시를 사용하지 않은 것은 발광 다이오드의 고출력화를 저해하기 때문에 이에 대한 지속인 연구가 진행되어야 할 것이다.

참고문헌 (7)

신혜수, 김윤선, 허귀석, '실내외 공기중 휘발성 유기 화학물질(VOCs)의 농도조사에 관한 연구', 한국대기보전학회지, 9권, 4호, p. 310, 1993
B. Y. Lee, S. H. Park, S. C. Lee, M. S. Kang, C. H. Park, and S. J. Choung, 'Optical properties of Pt- $TiO_2$ catalyst and photocatalystic activities for benzene decomposition', Korean J. Chem. Eng., Vol. 20, No.5, p. 812, 2003
T. Mukai, D. Morita, and S. Nakamura, 'High-power UV InGaN/ AIGaN double-heterostructure LEDs', J. Cryst. Growth, Vol. 189/190, p. 778, 1998
K. Tadatomo, H. Okagawa, Y. Ohuchi, T. Tsunekawa, Y. Imada, M. Kato, and T. Taguchi, 'High output power InGaN ultraviolet light-emitting diodes fabricated on patterned substrates using metalorganic vapor phase epitaxy', Jpn. J. Appl, Phys., Vol. 40, No. 6B, p. L583, 2001
김창연, 김성진, 최용석, 한영헌, 유순재, 김송강, '405 nm GaN-LED의 고 휘도화에 의한 백색발광다이오드의 특성 향상', 새물리, 50권, 3호, p. 180, 2005
M. Yamada, T. Mitani, Y. Narukawa, S. Shioji, I. Niki, S. Sonobe, K. Deguchi, M. Sano, and T. Mukai, 'InGaN-based near ultraviolet and blue-light-emitting diode with high external quantum efficiency using a patterned sapphire substrate', Jpn, J. Appl. Phys., Vol. 41, No. 12B, p. L1431, 2002
정재훈, 문정오, 문병기, 순세모, 정수태, '광화학 반응에 의한 $TiO_2$ 나노입자 형성 빚 광학 특성', 전기전자재료학회논문지, 16권, 2호, p. 125, 2003

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