액적증발기반의 자가세정 가습기구{Droplet-evaporation-based self-cleaning humidification device}

본 발명은 자가 세정이 가능한 가습기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물방울 증발과 제어기술을 기반으로 초발수 유도현상이나 초발수 코팅 표면을 통해 자가 세정기능을 구현한 가습기 기술에 관한 분야에 속한다.

습도 조절을 주 기능으로 하는 가습기구는 인간이 쾌적한 생활을 하기 위해 꼭 필요할 뿐 아니라 각종 질병을 예방하고 건강을 유지하기 위해서 필수적으로 요구된다. 우리나라 가정용 가습기 시장 규모가 1000억 원에 육박하고, 수 조원에 달하는 세계 시장 규모로 봤을 때, 가전 제품 중 낮은 인지도에 비해 상대적으로 큰 시장 규모를 가지고 있다. 특히, 기존의 가습기구들이 가지고 있는 안전 문제, 청소 및 관리의 어려움 등 고질적인 문제점과 불편한 점들 때문에 숫이나 자연 증발 기구 같은 대체재 시장이 크게 늘어나고 있는 점은 가습기가 단순한 기호성 소비재가 아닌 생활 필수 소비재라는 것을 알 수 있다. 특히, 경제가 발전할수록 건강과 웰빙에 대한 사람들의 관심이 커지고, 의료 비용의 부담이 늘어나면서 질병을 예방하고 건강한 삶을 영위하기 위해 쾌적한 환경 조성에 대한 개인의 관심과 투자가 늘어나게 된다. 이는 가습기 시장에서 두드러지며, 중국의 경우 가습기 시장의 확대가 눈에 띄게 늘어나고 있는 추세이다.

가습기는 크게 초음파/노즐을 이용하여 직접 분무하는 콜드미스트(cold mist)방식, 가열하여 증기를 분무하는 웜미스트(warm mist) 방식, 그리고 넓은 표면적을 가지는 증발판에 강제 공기 순환을 통해 자연 가습하는 증발식으로 나뉜다.

초음파 가습 등 직접 분무 방식은 가습 모듈에 잔여물이 거의 남지 않아 유지 관리가 상대적으로 수월하고 전력 소모가 적은 장점이 있으나, 물속에 잔류하는 석회질, 중금속, 세균 등이 동시에 공기 중에 유입되어 건강에 치명적일 수 있는 문제점이 있다. 특히, 세균 번식이 일어나면 공기 중으로 바로 분출되기 때문에 살균을 위해 살균제를 넣게 되는데, 2011년 여러명의 노약자 및 영유아의 목숨을 앗아가 우리에게 큰 충격을 주었던 초음파 가습기용 살균제 사건은 직접 가습 방식의 문제점을 단적으로 보여준다. 가습기 살균제의 살균 성분은 크게 폴리헥사메틸렌 구아니딘 (polyhexamethylene guanidine; PHMG), 염화 올리고-(혹은 2-) 에톡시에틸 구아니딘 (Oligo(2-)ethoxy ethoxyethyl guanidine chloride; PGH), 클로로메칠 이소티아졸리논(CMIT)의 세 가지가 있다. 이들 물질은 피부독성이 다른 살균제에 비해 5~10분의 1 정도에 불과해서 샴푸, 물티슈 등 여러가지 제품에 이용되지만 이들 성분이 호흡기로 흡입될 때 발생하는 독성에 대해서는 연구가 되지 않았기 때문에, 피해자가 발생할 때까지 아무런 제재가 이루어지지 않았다. PHMG와 PGH의 경우 임상실험에서 유해성이 확인되어 관련업체가 처벌되었고, 대한민국 내 모든 가습기 살균제의 유통이 중단되었다. 살균제 문제가 아니더라도, 물속의 석회질이 공기 중에 미세 먼지의 형태로 분무되기 때문에 수돗물에 석회질이 많은 유럽, 미국, 중국 등에서는 초음파 가습기의 문제점이 이미 대두되어 있는 상황이다.

이에 반해, 가열식 가습기의 경우, 고온으로 가열하여 가습하기 때문에 살균 작용을 하고, 물속의 석회질 등 각종 이물질이 공기 중으로 거의 유입되지 않아 위생적으로 큰 장점이 있다. 하지만, 가열식 가습기의 경우, 순수한 물만이 공급되고 나면 물속의 잔여물들이 가열판에 들러붙게 되어 주기적으로 청소해 주어야하는 불편함이 매우 크다. 특히, 미국, 유럽, 중국 등 수돗물 속에 석회질이 많이 포함되어 있는 경우, 단 며칠만 사용하여도 딱딱한 석회질이 가열판에 두껍게 석출되어 나오게 되며, 이를 청소하는 것이 여간 불편한 것이 아니다.

최근에는 수 십장의 디스크를 겹쳐 표면적을 넓히고 공기를 강제 순환시켜 가습하는 에어 워셔 방식의 증발식 가습기가 큰 인기를 끌고 있다. 세균 번식의 우려는 초음파 방식과 동일하게 있으나, 세균이나 석회질 등 이물질이 공기 중으로 유입되지는 않기 때문에 상대적으로 안전하다. 하지만, 이러한 종류의 가습기는 증발판의 표면적을 넓히기 위한 수 십장의 디스크 적층 구조가 청소 및 유지관리에 큰 어려움을 주고, 가습량도 상대적으로 떨어지는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 팬을 이용하여 강한 공기 순환을 일으키는 것이 필요하며 이에 따른 소음이 문제가 될 수 있다. 또한, 증발 디스크 적층 모듈의 청소를 위해 특수 세제 등을 판매하기도 한다. 이런 청소의 어려움 때문에 증발 디스크를 쓰지 않고 소모성 모듈을 사용하는 증발식 가습기도 있다. 이와 같이 현재까지 시장에 나와 있는 기존의 모든 가습기구들은 '안전성'과 '청소 및 유지 관리'라는 두 가지 핵심 요소를 동시에 만족시키지 못하는 실정이다.

외기로 수증기를 증발,공급함과 동시에 이물질이 증발판 표면에 들러붙지 않아서, 별도의 청소가 필요없으며, 각종 유해물질은 최종적인 낙하수에 모두 포집되어 이를 간단히 폐기함으로써, 종래의 가습기의 단점을 일거에 해소하는 기능을 수행함은 물론 물방울 자체를 분무하지 않기 때문에 인체 유해물질 흡입의 염려가 없으며, 물방울이 지속적으로 움직임으로써, 곰팡이 기타 세균이 서식할 우려없는 가습기구를 제시하고자 한다.

상기 과제 해결수단은 다음과 같은 구성을 가진다.

즉 본 발명의 가습기구는 물을 공급받는 증발판 수단;

상기 증발판 위로 물을 공급하는 물공급수단;

상기 증발판 위로 공급된 물을 증발판의 일측에서 타측으로 이동시키는 물이동수단;

상기 증발판 위의 물의 증발을 촉진하는 증발촉진수단;

증발판수단에서 물의 이동이 종료되는 위치에 형성되는 물배출수단;

을 포함한다.

상기 물이동수단은 중력에 의하여 물을 이동시키거나 혹은 팬을 공기를 강제송풍함으로써 증발판 표면위의 물방울을 일측에서 타측으로 이동시킬 수 있다.

상기 증발촉진수단은, 증발판을 가열하는 히터이거나, 증발판 표면 주위의 공기를 강제유동시키는 팬이거나, 증발판 표면위의 물에 복사열을 공급하는 적외선조사장치나 마이크로웨이브 조사장치일 수 있다.

상기 증발판 표면은 초발수 처리된 알루미늄을 사용하거나 또는 증발판을 가열하여 물방울(액적)이 증발판 표면과의 접촉면적이 매우 작도록 하여, 미세한 힘으로도 물방울이 증발판 표면위를 이동할 수 있도록 한다.

본 발명의 가습기는 외기로 수증기를 증발,공급함과 동시에 이물질이 증발판 표면에 들러붙지 않아서, 별도의 청소가 필요없으며, 각종 유해물질은 최종적인 낙하수에 모두 포집되어 이를 간단히 폐기함으로써, 종래의 가습기의 단점을 일거에 해소하는 기능을 하는 장점이 있다.

또한 물방울 자체를 분무하지 않기 때문에 종전의 가습기 사망사고와 같은 염려는 전혀 없고, 물방울이 지속적으로 움직이기 때문에 곰팡이 기타 세균이 서식할 염려도 없게 된다.

도 1은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 제1실시예인 스텝타입 가습기의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 제2실시예인 스파이럴타입 가습기 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예인 트랙타입 가습기 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 내지 도 11은 초발수 표면과 관련된 설명을 위한 도면이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

본 발명의 가습기구를 요약하면, 물을 공급받는 증발판 수단; 상기 증발판 위로 물을 공급하는 물공급수단; 상기 증발판 위로 공급된 물을 증발판의 일측에서 타측으로 이동시키는 물이동수단; 상기 증발판 위의 물의 증발을 촉진하는 증발촉진수단; 증발판수단에서 물의 이동이 종료되는 위치에 형성되는 물배출수단; 을 포함한다.

상기 물이동수단은 증발판을 수평면에 대하여 기울어지게 형성하여 물이 중력에 의하여 이동시키도록 하는 중력 수단을 이용하거나 혹은 증발판이 수평하더라도 팬을 물쪽으로 불어서 공기를 강제 송풍함으로써 증발판 표면위의 물방울을 일측에서 타측으로 이동시킬 수 있다.

상기 증발촉진수단은, 증발판을 가열하는 히터이거나, 증발판 표면 주위의 공기를 강제유동시키는 팬이거나, 증발판 표면위의 물에 복사열을 공급하는 적외선조사장치나 마이크로웨이브 조사장치일 수 있다.

상기 증발판 표면은 초발수 처리된 알루미늄을 사용하거나 또는 증발판을 가열하여 물방울(액적)이 증발판 표면과의 접촉면적이 매우 작도록 하여, 미세한 힘으로도 물방울이 증발판 표면위를 이동할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 개략도이고 도 2 내지 도 5는 본 발명의 제1실시예인 스텝타입 가습기의 구조를 설명하기 위한 도면이며 도 6 내지 도 8은 본 발명의 제2실시예인 스파이럴타입 가습기 구조를 설명하기 위한 도면이고 도 9는 본 발명의 제3실시예인 트랙타입 가습기 구조를 설명하기 위한 도면이며 도 10 내지 도 11은 초발수 표면과 관련된 설명을 위한 도면이다.

도 1과 같이 본 발명의 구성은 물을 공급하는 물공급수단으로는 물탱크(10)와 물탱크로부터 물을 공급하는 모터장치(미도시), 공급되는 물의 양을 조절하는 조절장치(미도시), 배관장치(미도시), 밸브(미도시), 노즐(12) 등을 포함할 수 있다.

증발판(30)위로, 물탱크(10)로부터 공급된 물인 공급수(20)액적은, 증발판(30) 표면을 A에서 B방향으로 이동하면서 증발되어 물방울이 점점 작아지게 된다.

이때, 증발판 위를 흘러가는 이동수(21) 액적(물방울)은 증발판 표면과 매우 작은 접촉면적을 유지하기 때문에 매우 약한 힘으로도 이동이 가능하며, 이동 중 충분히 액적의 수분이 증발이 된 후에는, 최종적으로 조그마한 크기의 낙하수(22)가 되는데, 이는 먼지 등 각종오염물질을 머금은 채로 수거통(60)으로 버려지게 되도록 하는 구조를 가진다는 점이다.

이동수(移動水, 21)는 증발판 표면위를 이동하면서 순수한 물성분만 증발되므로 물방울 내부에 포함된 석회질, 중금속, 세균 등 이물질은 증발판 바닥면에 남지 않게 된다.

또한, 강력한 물의 표면장력에 의하여 바닥면 자체에 있는 이물질이 이동수(21) 물방울에 포집되는 기능도 발휘되므로, 증발판 자체에 대한 자가세정(self-cleaning humidification) 가습기로서의 기능도 발휘한다. 즉 물방울 내부에 유해한 물질들을 가두어 두다가 낙하수(22)로 되어 이를 수거함으로써 매우 위생적인 가습기 역할을 수행하는 것이다.

요약하면, 물방울을 굴러다니게 하면서 외기로 수증기를 증발,공급함과 동시에 이물질이 증발판 표면에 들러붙지 않아서, 별도의 청소가 필요없으며, 각종 유해물질은 최종적인 낙하수(22)에 모두 포집되어 이를 간단히 폐기함으로써, 종래의 가습기의 단점을 일거에 해소하는 기능을 하는 장점이 있다. 물방울 자체를 분무하지 않기 때문에 종전의 가습기 사망사고와 같은 염려는 전혀 없고, 물방울이 지속적으로 움직이기 때문에 곰팡이 기타 세균이 서식할 염려도 없게 된다.

증발판 표면과 물방울은 지속적으로 좁은 접촉면적을 가져야 하며, 본 발명에서는 이를 위하여, 증발판 표면을 초 발수 표면으로 형성되어야 한다. 초발수 표면으로 가공된 증발판 표면은 도 10의 그림에서 보이고 있듯이 물방울이 바닥표면과 접촉면적이 매우 작으며, 소량의 힘으로도 이동할 수 있는 현상을 보인다.

도 10 (b) 그림은 연꽃 위에 물방울이 맺혀 있는 것으로서, 구에 가까운 형태를 보이고 있으며, 도 10(a) 그림은 라이덴프로스트 현상을 보인 그림이다.

도 10(a)의 경우, 물방울을 섭씨200도 이상으로 가열된 표면에 놓았을 때, 물방울과 바닥면 사이에 가열증기 막(vapor layer)가 생겨, 이때의 물방울(floating drop)은 표면위를 매우 작은 외력으로도 이동되는 상태가 된다.

본 발명의 증발판(30,250,310,410)의 바닥 표면과 물은 도 10의 (a) 혹은 (b) 상태를 유지함이 필요하다.

도 10 (a)와 같이 유지하려면, 증발판에 히터(미도시)를 형성하여 물을 가열함으로써, 도 10(a) 상태로 만들 필요가 있다.

그와 달리, 증발판 표면 자체를 최근 연구가 활발히 진행되고 있는, 초발수 표면처리를 적용하여 도 10(b) 물방울과 표면의 접촉면적을 매우 줄일 수도 있다.

초발수 표면처리 기술은 연꽃잎이 가지는 마이크로 구조와 나노 구조의 혼합 형태를 다양한 방법으로 모방하여 형성시키는 방법들이 발전되어 왔다.

마이크로 구조와 나노구조가 혼재된 표면이 초발수 현상을 일으키는 이유는 물의 강력한 표면장력 때문에 이러한 미세 구조 속으로 물이 젖어 들어가지 못하기 때문이며, 이로 인해 매우 얇은 공기층을 경계로 고체 표면과 물이 안정적으로 분리된 상태를 유지하게 된다. 이로 인해 일어나는 현상은 물에 젖지 않는 초발수 현상으로 물이 물방울 형태로 방울지게 되며, 초발수 표면 위를 마찰이 거의 없는 상태로 굴러다니게 된다. 이러한 상태는 웬젤스테이지(wenzel stage)와 카시스테이트 (cassie state)로 설명되며 초발수 기초 이론으로 자리 잡게 되었다.

증발판 표면을 초발수 표면으로 형성하는 방법은 다음과 같은 방법을 적용할 수 있다. 즉 알루미늄 표면에 대하여, 초발수 표면을 만드는 첫 번째 예는 다음과 같다. 본 발명에서는 당업 분야에서 알려진 초발수 표면처리 방법 중 어느하나를 이용하는 것으로서, 특정한 한 방법에 국한되어 적용됨은 아니다.

알루미늄에 대하여, 양극 산화 공정법으로 알루미늄을 전해질 용액에 넣고 전위차를 주어 전류를 흐르게 하면, 알루미늄의 표면이 마이크로구조와 나노구조가 혼재한 미세 구조 형태로 바뀌게 된다. 여기에 HDFS라는 발수 코팅 처리해 주면 극도로 물에 젖지 않는 초발수 표면이 만들어진다. 본 발명은, 초발수 표면으로 만드는 기존의 방법을 응용하여 가습기에 적용하기 위한 것이다.

도 11은 양극산화 처리법에 의하여 알루미늄 표면을 초발수 처리하는 방법의 예를 도시하고 있다.

초발수 표면을 만드는 두번째 예로는, 전기를 사용하지 않는 에칭 방법으로 산성 용액으로 알루미늄 표면을 처리하여 마이크로 구조를 얻은 뒤, 알칼리 처리를 하여 나노 구조를 추가로 생성시키는 최신 방법이다. 전기를 사용하지 않기 때문에 처리 속도와 가격에서 큰 혁신을 가져다 준다.

도 12에서는 알려진 에칭법에 의한 알루미늄 표면의 초발수 처리과정을 도시하고 있다.

이외에도 마이크로/나노 구조를 가지는 표면을 이용하여 떠내는 탬플릿 방식도 있으며, 마이크노 나노 파티클을 분무하여 표면에 입히는 코팅 방법들도 다양하게 상용화되고 있다. 향후 보다 안정적이고 저렴한 초발수 표면 처리 방법들이 제시될 것으로 예상된다.

본 발명은 상기 초발수 표면처리 방법이 적용된 증발판을 구비한 가습기 구조물에 관한 기술을 제시하고자 하는 것이다.

제1실시예

도 2 내지 도 5는 제1실시예와 관련된 도면이다. 스텝타입 가습기(200)는 증발판(250)이 수평면과 소정의 각도로 다단계의 플레이트들로 형성되어 있으며, 최상층의 증발판 일측 위에는 물을 공급하는 노즐(12)이 설치되어 있다. 그리고, 낙하수를 받아내기 위한 수거통(60)이 하우징 내 하부위치에 형성된다. 물탱크 등은 편의상 생략하였다.

증발판 위를 이동하는 물방울의 증발을 촉진하는 수단은, 증발판을 가열하는 히터이거나, 증발판 표면 주위의 공기를 강제유동시키는 팬이거나, 증발판 표면위의 물에 복사열을 공급하는 적외선조사장치 혹은 마이크로웨이브 조사장치이거나 혹은 이들중 적어도 둘 이상의 조합일 수 있다.

노즐로부터 공급된 물은 기울어진 증발판을 따라 지그재그 형태로 내려오게 되며, 물이 증발판 위를 지나면서 증발이 된 수증기는 팬(40)에 송풍되어 도 4의 화살표 방향으로 이동하게 된다. 즉 도 4의 화살표 방향은 수증기의 이동방향을 나타내며, 하우징 상부측의 수증기배출구(261)를 통하여 빠져나감으로써 가습기의 역할을 하게된다.

도 1과 본 실시예를 비교해 볼때, 본 발명의 증발판(250)은 도 3과 같이 다단계로 형성된다는 점이 상이하다.

증발편의 경사진 표면을 따라서 도 3의 화살표 방향으로 물이 중력에 의하여 내려오다가 최종적으로 D1 방향으로 낙하수가 되어 수거통(60)에 포집되는데, 도 1의 경우보다 본 실시예에서는 증발판의 길이 즉 물방울의 증발판 표면 체류시간이 매우 길어지므로, 물방울에 함유된 수분성분의 증발이 충분히 이루어진 후 물배출구(280)를 통해 수거된다는 특징이 있다.

상기 설명된 바와 같이, 증발판 표면은 초발수 처리된 표면으로 형성되는 것이 바람직하지만, 기타 증발판에 히터(미도시)를 설치하여 섭씨 200도 정도로 가열함으로써, 물방울과 증발판 표면 사이에 수증기 막(도 10 참조, vapor layer)이 형성되도록 하여, 물방울이 매우 잘 굴러다닐 수 있도록 형성할 수 있다.

참고로, 도 3은 도 4의 하우징(202) 부분을 생략하여 도시하였고, 도 2는 도 3의 구성 중에서 수거통(60)과 팬(40)을 생략 도시한 촬영사진이다.

도 5는 도 3에서의 다단계 증발판 중의 일부를 촬영한 것인데, 각 증발판의 기울어진 말단부에는 그 다음 증발판으로 낙하(D2, D3 방향)하기 위한 구조를 갖추게 된다. 그리고 증발판 표면의 물이 외부로 흘러내리지 않도록 증발판 표면은 둥근 홈의 형태로 형성되어 있음이 바람직하다.(도 5)

증발판의 경사도, 폭, 다층 설치된 증발판 개수는 특정 수치에 한정되지 않으며, 증발판 위의 물을 강제 이송하는 팬을 더 포함할 수도 있다. 기타, 물 자체의 증발 촉진을 유도하는 적외선조사장치 혹은 마이크로웨이브 조사장치 등을 증발판 주위에 설치할 수도 있음은 물론이다.

본 실시예의 가습기는 벽걸이용으로도 제작되기 쉬우며, 양산에도 유리하다는 장점이 있다.

제2실시예

본 실시예는 도 6 내지 도 8의 증발판(310)과 같은 형태로 형성되어 있다.

도 8은 측면에서 본 그림이고, 도 7은 실제 물방울들이 증발판 위를 흘러가는 것을 도시하고 있다.

본 실시예는 스파이럴타입으로 명명될 수 있는데, 상부로부터 하부에 이르기까지 스파이럴 형상의 곡면을 따라서 물방울이 내려오게 되는 구조이다. 이 구조는 협소한 공간을 이용하면서도 증발판 위를 이동하는 물방울의 경로를 길게 할 수 있는 장점 및 독특하고 미려한 외관을 갖는다.

물공급관(320)과 노즐(12)을 통해서 공급된 물인 이동수(21)는 증발판(310) 위를 R 방향으로 회전하면서 내려오게 되며 수분 증발에 의하여, 점점 그 크기가 작아지다가 최종적으로 도 8의 중심부 위치 물배출구(380)를 통해서 낙하하게 된다.

증발판(310) 표면은, 제1실시예와 동일하게 초발수 코팅 처리 혹은 열을 공급하는 히터를 형성할 수도 있다.

증발판의 경사도 및 직경은 특정 수치에 한정되지 않으며, 증발판 위의 물을 강제 이송하는 팬을 더 포함할 수도 있다. 기타, 물 자체의 증발 촉진을 유도하는 적외선조사장치 혹은 마이크로웨이브 조사장치 등을 증발판 주위에 설치할 수도 있음은 물론이다.

제3 실시예

도 9에서는 제3실시예에 따른 증발판 기타 구성을 도시하고 있다. 기본적으로 상기 제2실시예의 구성와 유사하며, 증발판의 직경이 좁아지는 것이 아닌 트랙타입으로 형성되어, 마치 단거리 육상경기 트랙을 여러층 겹친 구조로 형성되어 있다.

본 타입은 증발판 중앙 빈공간에 물탱크를 설치할 수 있는 장점이 있으며, 스파이럴타입보다 동일폭 조건에서, 이동수의 이동경로가 길게 되므로, 물방울의 수분 증발이 충분히 이루어진다는 점이 장점이다.

본 발명의 가습기구에서 공급되는 물은 물방울 형태 혹은 유수(流水) 형태 모두 적용이 가능하다.

D1,D4, D5:물배출방향
10:물탱크 12:노즐
20:공급수 21:이동수 22:낙하수
30:증발판
40:팬
60:수거통
200:스텝타입 가습기 202:하우징
210:물공급관
250:증발판
260:공기유동구
261:수증기배출구
280:물배출구
300:스파이럴 타입 가습기
310:증발판
380:물배출구 400:트랙타입 가습기