KR100574203B1 - 항균 기능을 갖도록 하기 위한 알루미늄 표면에의 금속의 나노입자 표면처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알루미늄의 표면에 나노실버(Ag)/나노이산화티탄(TiO2)의 금속나노입자를 표면처리제와 혼합한 표면처리용액을 표면처리온도하에 피복함으로써 항균 기능을 갖도록 하기 위한 알루미늄 표면에의 금속의 나노입자 표면처리 방법에 관한 것이다.
바람직한 실시예에 따른 표면처리방법에 의하면, 항균처리대상의 알루미늄의 표면을 황산을 묽힌 용액에 담그고서 전류를 통전시켜 표면을 부식시켜 거칠어지도록 경화처리하고 그 부식경화처리된 알루미늄의 표면상에 니켈 아세테이트의 표면처리제를 사용하여 균일하게 표면처리하는 과정에서, 상기 표면처리제에 콜로이드상의 금속 나노입자(Ag, TiO2)를 혼합한 표면처리용액을 표면처리온도하에 상기 알루미늄의 표면에 피복시켜 고착화되도록 함으로써 알루미늄 표면에 양호한 항균력과 그 항균력의 내구성 및 지속성이 장시간에 걸쳐 유지되도록 하게 된다.
Description
도 1은 악성종양세포나 암세포가 금속 나노입자 중 나노실버의 농도변화에 따라 균사(菌死)되기 시작하여 10ppm 농도에서 6시간 만에 파괴되어 괴멸되는 상태를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 알루미늄의 표면을 나노실버(Ag)라든지 나노이산화티탄(TiO2) 등의 콜로이드상 금속 나노입자로 처리하여 항균기능을 갖도록 하기 위한 알루미늄 표면에의 금속의 나노입자 표면처리방법에 관한 것으로. 보다 상세하게는 알루미늄 표면을 거칠게 부식경화처리하고나서 그 부식경화된 표면에 나노 실버/산화티탄(Ag, TiO2)의 금속 나노입자를 표면처리제와 혼합한 표면처리용액을 피복시켜 고착화되도록 함으로써 알루미늄의 표면이 항균 기능을 갖도록 한 알루미늄 표면에의 금속의 나노입자 표면처리 방법에 관한 것이다.
종래에는 알루미늄 표면에 단지 코팅 또는 스프레이에 의한 항균막을 형성하였기 때문에 양호한 내구성을 갖도록 항균처리를 행하기가 어려웠을 뿐만 아니라, 항균 처리를 행한다 하더라도 무기계 항균제나 유기계 항균제 등의 항균제를 코팅제에 혼합하여 사용하거나 안료의 착색시 그 항균제를 착색제에 혼합하여 사용함으로써 표면에 항균력을 갖도록 하여 왔다.
따라서, 종래에 항균제를 알루미늄이나 기타 경금속의 표면에 고착화되도록 하기에는 그 방법이 불완전하여 항균 표면 처리가 널리 사용되지 못하였고, 필요에 따라 코팅제나 착색제에 항균제를 혼합하여 사용하기 때문에 알루미늄이나 다른 경금속의 표면에 항균 처리를 하더라도 일시적으로 밖에는 항균력이 지속되지 못하였다.
즉, 코팅제나 착색제에 항균제를 혼합하여 알루미늄이나 다른 경금속의 표면에 코팅 또는 착색하는 경우에는 항균 처리된 표면에 사람의 손이나 유기물질의 접촉이 빈번해지면 그 항균제가 알루미늄이나 다른 경금속의 표면으로부터 쉽게 일탈되거나 또는 화학적 반응 등에 의해 그 항균 효과를 상실할 수밖에 없어 알루미늄 등의 경금속에 대한 항균 표면 처리는 사실상 널리 사용되거나 활용 되지 못하였다.
즉, 코팅제나 착색제에 항균제를 혼합하여 알루미늄이나 다른 경금속의 표면에 코팅 또는 착색하는 경우에는 항균 처리된 표면에 사람의 손이나 유기물질의 접촉이 빈번해지면 그 항균제가 알루미늄이나 다른 경금속의 표면으로부터 쉽게 일탈되거나 또는 화학적 반응 등에 의해 그 항균 효과를 상실할 수밖에 없어 알루미늄 등의 경금속에 대한 항균 표면 처리는 사실상 널리 사용되거나 활용 되지 못하였다.
더욱이, 일반적으로 인체에 무해한 나노실버(Ag)나 나노이산화티탄(TiO2) 등의 금속 나노입자는 최소의 사용량(10ppm)으로도 강력한 항균력을 발휘할 수 있는 항균제로서, 그 항균제를 알루미늄의 표면에 장기간에 걸쳐 양호한 항균력을 발휘하도록 처리하기 위한 적절한 방법이 제안되지 못한 실정이다.
즉, 나노실버 또는 나노이산화티탄에 의해 PC12셀(Cells; 즉 신경세포에서의 악성종양세포)과 SP2셀(즉, 암세포)을 테스트 한 결과, 이들 악성종양세포 또는 암세포가 5ppm농도에서 급격히 균사되기 시작하여 10ppm농도에서는 거의 모든 세포가 괴멸되는 상태를 도 1로부터 알 수 있다.
즉, 나노실버 또는 나노이산화티탄에 의해 PC12셀(Cells; 즉 신경세포에서의 악성종양세포)과 SP2셀(즉, 암세포)을 테스트 한 결과, 이들 악성종양세포 또는 암세포가 5ppm농도에서 급격히 균사되기 시작하여 10ppm농도에서는 거의 모든 세포가 괴멸되는 상태를 도 1로부터 알 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 콜로이드상태의 나노실버(Ag)나 나노이산화티탄(TiO2)의 금속 나노입자를 항균제로서 표면처리제에 혼합한 표면처리용액을 얻어서 항균표처리대상의 알루미늄의 거칠게 부식경화처리된 표면에 피복시켜 고착화되도록 한 항균 기능을 갖도록 하기 위한 알루미늄 표면에의 금속의 나노입자 표면처리 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면 알루미늄 표면을 황산을 묽힌 용액에 담그고 전류를 통전시켜 거칠어지도록 부식경화처리하고 그 부식경화된 알류미늄의 표면을 니켈 아세테이트의 표면처리제에 의해 균일하게 표면처리하는 알루미늄의 표면처리방법에 있어서, 상기 표면처리제에는 콜로이드상의 금속 나노입자(Ag, TiO2)를 혼합하여 표면처리용액을 얻고, 상기 표면처리용액을 표면처리온도하에 상기 알루미늄의 거칠어진 표면이 메워지도록 피복시켜 고착화되도록 하며; 상기 금속나노입자로는 폴리머 양이 함침용액대비 0.2∼9Wt·％가 결합된 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpirrolidone)의 폴리머가 코팅된 금속나노입자와, 계면활성제의 수용체에서 제조된 금속의 나노실버입자 및, 실리카를 담체로 하는 금속 나노입자 중 어느 하나가 사용되고, 상기 금속 나노입자를 콜로이드상으로 하기 위한 용매로는 4㏁∼12㏁의 전기저항치를 갖는 증류수를 사용하며, 상기 금속 나노입자(Ag, TiO2)의 크기는 1∼10나노미터(nm)인 항균 기능을 갖도록 하기 위한 알루미늄 표면에의 금속의 나노입자 표면처리 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 상기 표면처리온도는 80℃를 유지하고, 상기 표면처리시간은 15분～20분 사이로 설정된다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면 알루미늄 표면을 황산을 묽힌 용액에 담그고 전류를 통전시켜 거칠어지도록 부식경화처리하고 그 부식경화된 알류미늄의 표면을 니켈 아세테이트의 표면처리제에 의해 균일하게 표면처리하는 알루미늄의 표면처리방법에 있어서, 상기 표면처리제에는 콜로이드상의 금속 나노입자(Ag, TiO2)를 혼합하여 표면처리용액을 얻고, 상기 표면처리용액을 표면처리온도하에 상기 알루미늄의 거칠어진 표면이 메워지도록 피복시켜 고착화되도록 하며; 상기 금속나노입자로는 폴리머 양이 함침용액대비 0.2∼9Wt·％가 결합된 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpirrolidone)의 폴리머가 코팅된 금속나노입자와, 계면활성제의 수용체에서 제조된 금속의 나노실버입자 및, 실리카를 담체로 하는 금속 나노입자 중 어느 하나가 사용되고, 상기 금속 나노입자를 콜로이드상으로 하기 위한 용매로는 4㏁∼12㏁의 전기저항치를 갖는 증류수를 사용하며, 상기 금속 나노입자(Ag, TiO2)의 크기는 1∼10나노미터(nm)인 항균 기능을 갖도록 하기 위한 알루미늄 표면에의 금속의 나노입자 표면처리 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 상기 표면처리온도는 80℃를 유지하고, 상기 표면처리시간은 15분～20분 사이로 설정된다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 상기 나노실버/나노이산화티탄(Ag, TiO2)의 금속 나노입자를 표면처리제에 혼합하여 상기 알루미늄의 표면에 항균 피막을 양호하게 형성하기 위해서는 상기 금속 나노입자((Ag, TiO2)를 직접 증류수(Pure Water)를 용매로 하여 콜로이드상태로 하고, 그 콜로이드상 금속 나노입자를 상기 표면처리제에 단시간에 일정량 혼합하여 사용하게 된다.
그 결과, 상기 금속 나노입자가 접촉해서는 안되는 각종 이온(염소이온 Cl-, 황산이온 SO4 2-), 일차아민류(-NH2, -SH) 및 강력한 킬레이팅제(Chelating Agent), 예컨대 EDTA(ethylene diamine tetraacetic acid)와 같은 각종 이온 또는 유기물 등과 그 접촉할 기회나 접촉가능시간을 최소화할 수 있게 된다.
그 결과, 상기 금속 나노입자가 접촉해서는 안되는 각종 이온(염소이온 Cl-, 황산이온 SO4 2-), 일차아민류(-NH2, -SH) 및 강력한 킬레이팅제(Chelating Agent), 예컨대 EDTA(ethylene diamine tetraacetic acid)와 같은 각종 이온 또는 유기물 등과 그 접촉할 기회나 접촉가능시간을 최소화할 수 있게 된다.
또, 상기 금속 나노입자(Ag, TiO2)가 응집 또는 산화되는 일을 방지하기 위해서는 상기 표면처리제가 혼합된 표면처리용액 속에서 일정한 표면처리온도를 유지한 상태에서 상기 금속 나노입자(Ag, TiO2)가 알루미늄 등의 금속의 표면에 고착화 되도록 해야 하고, 그 경우 적정한 조성비를 갖는 금속 나노입자(Ag, TiO2)로서는 그 크기가 10nm이하를 유지하도록 하고, 증류수(Pure Water)를 베이스로 한 콜로이드 상태로 사용하며, 그 농도는 통상 1,000ppm을 기준으로 한다.
특히, 나노실버(Ag)의 경우 고유의 컬러인 노란색이 여리게 나타나도록 하기 위해서는 고농도(10,000ppm～50,000ppm)의 나노실버를 희석하여 사용하면 바람직하게 된다.
또한, 상기 금속 나노입자로는 실리카(SiO2)를 담체로 한 금속 나노입자(Ag, TiO2), 계면활성제를 수용체로 제조한 나노실버, 또는 폴리비닐피롤리돈(PolyVinylPyrrolidone; N-비닐피롤리돈의 부가중합에 의해 얻어지는 폴리머)으로 결합된 금속의 나노입자(Ag, TiO2) 중 어느 하나가 상정된다.
또한, 상기 금속 나노입자로는 실리카(SiO2)를 담체로 한 금속 나노입자(Ag, TiO2), 계면활성제를 수용체로 제조한 나노실버, 또는 폴리비닐피롤리돈(PolyVinylPyrrolidone; N-비닐피롤리돈의 부가중합에 의해 얻어지는 폴리머)으로 결합된 금속의 나노입자(Ag, TiO2) 중 어느 하나가 상정된다.
상기한 금속 나노입자에 의한 표면처리에 적용되는 표면처리제로는 그 나노실버의 안정성을 유지하면서 짧은 시간 동안에 그 표면처리의 효율을 높이기 위해 '니켈 아세테이트(Nickel Acetate, 분자식 Ni(C2H3O2)2)'가 상정되고, 그 표면처리제에 상기 금속 나노입자가 혼합되어 표면처리용액으로 사용된다.
이하, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명에 따르면, 처리대상의 알루미늄의 표면에 대해서는 거칠어지도록 부식경화처리하여 세정하고나서, 그 부식경화된 알루미늄의 표면에 표면처리제를 적용하여 균일하게 봉공처리하는 과정에서 상기 표면처리제에 나노실버/나노산화티탄(Ag, TiO2)의 금속 나노입자를 혼합한 표면처리용액을 표면처리온도하에 그 알루미늄의 표면에 고착화시킴으로써 알루미늄의 표면에 항균력을 갖도록 하게 된다.
즉, 알루미늄의 표면에 대한 부식경화처리가 실행되면 그 알루미늄의 표면은 거칠게 부식(즉, 요철형상으로 부식)되어 경화되고, 표면처리제에 의해 그 거칠게 부식된 알루미늄의 표면을 메워서 균일하게 하는 과정(즉, 봉공(封孔)처리과정)에서 상기 표면처리제에 금속 나노입자를 혼합한 표면처리용액을 피복함으로써 상기 표면처리제에 혼합된 금속 나노입자가 상기 알루미늄의 거친 표면에 메워져 고착됨으로써 항균효과가 양호해지면서 그 항균효과의 내구성 및 지속성이 장기간에 걸쳐 유지되게 된다.
본 발명에 따르면, 상기 나노실버/나노이산화티탄(Ag, TiO2)의 금속 나노입자는 콜로이드상으로 형성하여 상기 표면처리제에 혼합해서 표면처리용액을 얻고, 그 금속 나노입자가 혼합된 상기 표면처리제에 의해 상기 알루미늄의 표면에 처리함으로써 그 알루미늄의 표면에 상기 금속 나노입자가 고착화 되어 알루미늄의 표면이 항균기능을 갖게 된다.
본 발명에 따르면, 처리대상의 알루미늄의 표면에 대해서는 거칠어지도록 부식경화처리하여 세정하고나서, 그 부식경화된 알루미늄의 표면에 표면처리제를 적용하여 균일하게 봉공처리하는 과정에서 상기 표면처리제에 나노실버/나노산화티탄(Ag, TiO2)의 금속 나노입자를 혼합한 표면처리용액을 표면처리온도하에 그 알루미늄의 표면에 고착화시킴으로써 알루미늄의 표면에 항균력을 갖도록 하게 된다.
즉, 알루미늄의 표면에 대한 부식경화처리가 실행되면 그 알루미늄의 표면은 거칠게 부식(즉, 요철형상으로 부식)되어 경화되고, 표면처리제에 의해 그 거칠게 부식된 알루미늄의 표면을 메워서 균일하게 하는 과정(즉, 봉공(封孔)처리과정)에서 상기 표면처리제에 금속 나노입자를 혼합한 표면처리용액을 피복함으로써 상기 표면처리제에 혼합된 금속 나노입자가 상기 알루미늄의 거친 표면에 메워져 고착됨으로써 항균효과가 양호해지면서 그 항균효과의 내구성 및 지속성이 장기간에 걸쳐 유지되게 된다.
본 발명에 따르면, 상기 나노실버/나노이산화티탄(Ag, TiO2)의 금속 나노입자는 콜로이드상으로 형성하여 상기 표면처리제에 혼합해서 표면처리용액을 얻고, 그 금속 나노입자가 혼합된 상기 표면처리제에 의해 상기 알루미늄의 표면에 처리함으로써 그 알루미늄의 표면에 상기 금속 나노입자가 고착화 되어 알루미늄의 표면이 항균기능을 갖게 된다.
여기서, 상기 금속 나노입자 중에서 계면활성제가 코팅된 나노실버의 경우 또는 실리카를 담체로 사용한 나노입자를 사용하는 경우에는 물성의 변화나 응집현상 또는 침전물의 발생 등에 의해 도료와의 혼합이 용이하지 못할 가능성이 높기 때문에, 그 경우에는 폴리머로 안정화를 취하고 있는 금속 나노입자를 사용할 경우(기준 1,000ppm)보다 금속의 나노입자의 농도가 높게 하여 사용하는 바, 그 중에서도 항균 효력이 잘 나타나는 5,000ppm 이상의 것을 사용하여 콜로이드상태로 만드는 과정에서 그 첨가 비율을 낮게 조정하며 그 사용 농도를 20％이상 증가 시켜 필요한 농도로 조정하게 된다..
아울러, 금속의 나노입자가 알루미늄 등의 표면에 고착화되는 과정에서 그 나노입자가 서로 응집 또는 결합되어 고착화가 되기에 상대적으로 표면적이 적어져 표면의 에너지 값이 줄어들게 되므로, 사용농도를 통상의 일반적인 항균제로 사용할 때와 비교하여 2배 이상으로 사용한다.
상기 콜로이드상의 극미세 금속 나노입자는 나노실버(Ag)입자 또는 나노이산화티탄(TiO2)의 입자이고, 그 금속의 나노입자로는 폴리머 양이 함침용액대비 0.2∼9Wtㆍ％가 결합된 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpirrolidone)의 폴리머가 코팅된 금속나노입자 또는 계면활성제의 수용체에서 제조된 금속의 나노실버입자 또는 실리카를 담체로 하는 금속 나노입자 등이 사용된다.
또, 상기 금속 나노입자를 콜로이드상태로 만들기 위한 용매로는 증류수(Pure Water)가 사용되는 바, 그 증류수는 4㏁∼12㏁의 전기저항치를 갖는 것을 사용한다. 이는 4㏁ 이하의 전기 저항치를 갖는 물을 사용하는 경우에는 연속적인 표면처리공정 중에 상존하는 이온이 나노화된 입자 특히, 나노실버의 표면에 붙게 되어 콜로이드 상태를 유지할 수 없게 됨에 따라 나노실버 입자가 서로 응집(aggregation)되어 산화될 가능성이 높기 때문이다.
또, 본 발명에서 사용하는 금속 나노입자(Ag, TiO2)는 그 입자 크기가 1∼10나노미터(nm)로 상정된다.
또, 상기 금속 나노입자를 콜로이드상태로 만들기 위한 용매로는 증류수(Pure Water)가 사용되는 바, 그 증류수는 4㏁∼12㏁의 전기저항치를 갖는 것을 사용한다. 이는 4㏁ 이하의 전기 저항치를 갖는 물을 사용하는 경우에는 연속적인 표면처리공정 중에 상존하는 이온이 나노화된 입자 특히, 나노실버의 표면에 붙게 되어 콜로이드 상태를 유지할 수 없게 됨에 따라 나노실버 입자가 서로 응집(aggregation)되어 산화될 가능성이 높기 때문이다.
또, 본 발명에서 사용하는 금속 나노입자(Ag, TiO2)는 그 입자 크기가 1∼10나노미터(nm)로 상정된다.
즉, 적절한 조성비율을 갖는 금속 나노입자를 니켈 아세테이트 등의 표면처리제와 혼합한 표면처리용액으로 표면처리를 할 때 최소한의 혼합 농도로 혼합하여 최대의 항균력을 내구성있게 지속적으로 유지할 수 있도록 하기 위해서는 상기한 적절한 조성비를 갖는 금속의 나노입자는 그 입자크기가 1∼10nm의 크기를 유지해야 바람직하게 된다.
특히, 나노실버(Ag)의 경우, 나노실버 고유의 컬러인 노란색(from pale yellow to dark brown)이 도료의 색에 영향을 주지 않을 정도로 가장 여리게 나타나도록 하기 위해서는 10,000ppm∼50,000ppm 등의 고농도의 나노실버를 원재료로 사용하고 그 입자의 크기는 1∼10나노미터(nm)로 적용하는 것이 바람직하게 된다.
상기한 바와 같이, 금속 나노입자를 표면처리제와 혼합하여 알루미늄의 표면에 항균피막을 형성하기 위해서는 증류수 등의 용매를 사용하여 콜로이드상으로 만들게 된다.
본 발명에 따르면, 상기한 바에 따라 증류수(Pure Water)를 베이스로 하여 콜로이드 상태로 된 금속 나노입자가 표면처리제에 혼합된 표면처리용액을 적용하여 알루미늄의 표면에 대한 항균처리를 실행하게 되는 바, 그 농도는 1,000ppm을 기준(필요에 따라 5,000ppm, 10,000ppm, 50,000ppm의 농도로도 사용 가능)으로 하게 된다.
또, 상기 금속 나노입자로는 실리카(SiO2)를 담체로 한 금속 나노입자(Ag, TiO2), 폴리비닐피롤리돈(PolyVinylPyrrolidone; N-비닐피롤리돈의 부가 중합에 의해 얻어지는 폴리머)을 결합체로 한 금속 나노입자(Ag, TiO2), 또는 계면활성제의 수용체에서 제조된 금속나노입자(Ag, TiO2)중 어느 하나가 사용된다.
또, 상기 금속 나노입자로는 실리카(SiO2)를 담체로 한 금속 나노입자(Ag, TiO2), 폴리비닐피롤리돈(PolyVinylPyrrolidone; N-비닐피롤리돈의 부가 중합에 의해 얻어지는 폴리머)을 결합체로 한 금속 나노입자(Ag, TiO2), 또는 계면활성제의 수용체에서 제조된 금속나노입자(Ag, TiO2)중 어느 하나가 사용된다.
여기서, 폴리비닐피롤리돈(PVP)를 결합체로 한 금속 나노실버입자를 기준으로 하면, 일반 세균에 대한 항균효과를 위한 금속 나노실버입자의 농도 하한치는 다음과 같다.
슈도모나스 이루지노사(Pseudomonas aeruginosa) 10ppm,
포도상구균 오리어스(Staphylococus aureus) 10ppm,
바실루스 서브틸리스(Bacillus subtilis) 10ppm,
에쉐리키아 콜리(Escherichia coli) 10ppm,
이 콜리(E. coli) O157 10ppm,
엔테로코커스 피칼리스(Enterococcus faecalis) 10ppm,
바코마이신-내 패시움(Vacomycin-resistant E.faecium) 10ppm,
칸디다 알비칸스(Candida albicans) K-CA-501 5ppm,
피. 불가리스(P. vulgaris) K-PV 101 5ppm,
살모넬라 엔테리카 세로바 티피(Salmonella enterica serovar Typhi) 10ppm
상기한 금속 나노실버입자의 농도가 미생물최소발육억제농도(MICs)로 임상 실험되었지만, 실제 알루미늄의 표면에 고착화되는 과정에서 금속 나노입자가 서로 응집 또는 결합됨에 따라 그 표면적이 줄어들고 상대적으로 표면의 에너지 값이 적어지는 점을 고려하여, 그 사용농도를 높여서 상기한 일반적인 세균에 대해서는 10ppm～150ppm(바람직하게는 30ppm에서 50ppm)의 농도, 곰팡이류는 30ppm～300ppm(바람직하게는 100ppm에서 200ppm)의 농도가 최적의 사용농도(MICs)임을 실험으로 알게 되었다.
특히, 나노실버의 경우 그 고유의 컬러인 노란색(from pale yellow to dark brown)이 도료의 색에 영향을 주지 않을 정도로 가장 여리게 나타나도록 하기 위해서는 10,000ppm～50,000ppm 농도의 나노실버를 원재료로 사용하면서, 입자크기는 1∼10나노미터(nm)로 사용하면 바람직한 바, 예컨대 10,000ppm의 나노실버의 사용을 기준으로 하면 표면처리용수의 사용량에 대하여 0.3％∼0.5％에 해당하는 양인 30ppm～50ppm에 상당하는 항균 피막 농도를 갖는 표면항균처리가 가능하게 된다.
또한, 금속 나노입자는 실리카를 담체로 하는 금속 나노입자(Ag, TiO2), 계면활성제를 수용체로 제조한 금속 나노실버입자, 또는 폴리비닐피롤리돈(PVP)이 결합된 금속 나노입자(Ag, TiO2)를 용매로서 증류수(Pure Water)를 베이스로 한 콜로이드의 형태로 사용하게 되는 바, 이는 표면처리제 및 표면처리용수와의 혼합을 용이하게 하기 위함이다.
특히, 나노화된 폴리머, 예컨대 폴리머 폴리비닐피롤리돈(PVP:polyvinylpyrrolidone)이 결합된 나노실버를 용매 전체에 대해 0.2∼9Wtㆍ％ 정도의 비율로 사용하는 경우, 이는 나노화된 폴리머와 금속 나노입자(Ag, TiO2)가 니켈 아세테이트(Nickel Acetate) 등의 표면처리제와 혼합된 표면처리용액 상태로 알루미늄의 표면에 결합되어 안정화를 취할 때 그 결합도를 높여 주면서 항균 피막의 내구성을 높여 줄 수 있게 된다.
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(실시예 1)
휴대폰 단말기의 알루미늄 케이스나 엠피쓰리플레이어(MP3 Player) 외장 케이스 또는 노트북 외장 케이스 및, 각 종의 부품이라든지 가전 제품의 알루미늄이나 경금속의 표면을 처리하는 경우, 알루미늄의 판재를 원하는 모형으로 프레스 성형하고 그 표면에 대해서는 표면조직을 경화시키기 위한 작업으로서 그 프레스성형된 알루미늄 판재를 황산용액에 담그고서 전류를 통전시켜 그 표면을 부식시킴으로써 그 표면조직의 경도를 높여주게 된다.
상기의 프레스성형된 알루미늄판재의 경도가 높아진 표면은 부식되는 과정에서 그 표면이 거칠어진 상태인 바, 그 거칠어진 표면에 대해서는 니켈 아세테이트(Nickel Acetate)의 표면처리제를 사용하여 그 표면의 조직을 고르게 처리하게 된다.
상기의 프레스성형된 알루미늄판재의 경도가 높아진 표면은 부식되는 과정에서 그 표면이 거칠어진 상태인 바, 그 거칠어진 표면에 대해서는 니켈 아세테이트(Nickel Acetate)의 표면처리제를 사용하여 그 표면의 조직을 고르게 처리하게 된다.
여기서, 금속 나노입자(Ag, TiO2)를 사용하여 알루미늄의 표면에 고착화되도록 하기 위해 다음과 같은 표면처리가 실행된다.
우선, 표면 조직을 경화시키기 위해 황산을 묽힌 용액에 프레스 성형된 알루미늄 휴대폰케이스를 담그고서 전류를 통전시키게 된다. 단, 금속 나노입자가 황산에 반응하게 되면 응집 또는 산화되기 때문에 그 경우에는 절대 사용하지 않아야 된다.
표면 경화 처리가 완료되고 나면, 표면부식공정에 적용된 황산의 잔류성분이 남겨지지 않도록 알루미늄 표면에 대한 철저한 세척공정을 실시하게 된다.
표면 경화 처리가 완료되고 나면, 표면부식공정에 적용된 황산의 잔류성분이 남겨지지 않도록 알루미늄 표면에 대한 철저한 세척공정을 실시하게 된다.
세척이 끝난 후, 상기 알루미늄의 표면을 고르게 하는 표면처리공정이 실행되는 바, 그 공정에서 금속 나노입자를 표면처리제와 혼합한 표면처리용액을 얻어서 그 표면에 항균피막이 형성되도록 하게 된다.
여기서, 상기 표면처리제로서는 니켈 아세테이트를 사용하고, 그 사용량은 물 1리터 당 7g을 혼합하며, 그 경우 금속 나노입자로는 증류수(Pure Water)를 용매로 한 나노실버를 사용하고, 상기 증류수의 전기 저항 값은 4㏁의 저항치를 갖는 것으로 하였다.
여기서, 상기 표면처리제로서는 니켈 아세테이트를 사용하고, 그 사용량은 물 1리터 당 7g을 혼합하며, 그 경우 금속 나노입자로는 증류수(Pure Water)를 용매로 한 나노실버를 사용하고, 상기 증류수의 전기 저항 값은 4㏁의 저항치를 갖는 것으로 하였다.
또, 상기 증류수를 용매로 한 금속의 나노실버의 사용농도는 10ppm부터 150ppm 까지가 무난하지만, 사용되는 용도 및 표면 접촉의 빈도수 등을 고려하여 그 농도를 결정하는 바, 알루미늄 휴대폰케이스의 경우 50ppm 정도면 충분한 항균력을 확보할 수 있기 때문에 50ppm농도로 사용하였고, 그 사용되는 나노실버의 입자 크기는 1∼10나노미터(nm)의 크기로 정하였다.
특히, 본 실시예에서는 나노실버 고유의 컬러인 노란색(from pale yellow to dark brown)이 도료의 색에 영향을 주지 않을 정도로 가장 여리게 나타나도록 하기 위해 10,000ppm농도의 나노실버를 원재료로 하여 상기한 농도(50ppm)로 만들고, 그 입자의 평균크기는 7나노미터(nm)가 되도록 하였다.
상기의 사용 농도(50ppm)를 얻기 위해 10,000ppm의 나노실버 원재료를 기준으로 하면, 콜로이드 상태의 금속 나노실버 원액을 표면처리에 사용되는 표면처리 용수의 사용량에 대해 그 나노실버 원재료를 0.5％로 혼합하여 50ppm에 해당하도록 만들었다.
특히, 본 실시예에서는 나노실버 고유의 컬러인 노란색(from pale yellow to dark brown)이 도료의 색에 영향을 주지 않을 정도로 가장 여리게 나타나도록 하기 위해 10,000ppm농도의 나노실버를 원재료로 하여 상기한 농도(50ppm)로 만들고, 그 입자의 평균크기는 7나노미터(nm)가 되도록 하였다.
상기의 사용 농도(50ppm)를 얻기 위해 10,000ppm의 나노실버 원재료를 기준으로 하면, 콜로이드 상태의 금속 나노실버 원액을 표면처리에 사용되는 표면처리 용수의 사용량에 대해 그 나노실버 원재료를 0.5％로 혼합하여 50ppm에 해당하도록 만들었다.
상기한 표면처리용수도 3차 증류수 정도의 순수물(4㏁ 이상의 전기 저항치를 갖는 물)을 사용하였다.
또, 바람직하게 표면처리용수의 저장탱크로는 금속재질의 것을 사용하지 않고 플라스틱재의 것을 사용하여 금속 나노실버의 안정성에 지장을 주지 않도록 하였다.
도, 금속 나노실버가 혼합된 용액으로 상기 알루미늄의 표면을 처리하는 경우 그 표면처리온도는 80℃의 온도로 설정하고 그 온도하의 표면처리시간은 20분으로 하였다.
상기한 표면처리공정에 따르면, 표면이 부식처리된 알루미늄 휴대폰 케이스는 수개를 정렬하여 적정한 구조물에 걸어서 금속 나노실버가 혼합된 표면처리용액에 담금으로써 실행하게 된다.
상기한 1차의 표면처리를 완료하고나서 다시 세척하면 금속 나노실버가 알루미늄 표면에 고착화되어 항균력을 유지하는 알루미늄 휴대폰 케이스를 제조할 수 있게 된다.
상기한 1차의 표면처리 공정이 완료되고나서 보다 높은 항균력을 확보하기 위해 2차로 그 표면처리용수를 재사용하여 반복적으로 연속 표면처리공정을 실시하는 경우, 상기 1차의 표면처리공정에서 사용된 표면처리용수에는 금속 나노실버 입자의 상당량이 이미 상기의 1차 표면처리공정에서 소모된 상태이기 때문에, 2차의 표면처리공정부터는 추가로 보충해주면 바람직하게 되는 바, 그 보충량은 표면처리대상의 알루미늄 케이스의 표면적을 계산하여 보충해주면 되고, 그 보충회수는 15회를 넘지 않도록 하면서 그 사용기간은 7일을 초과하지 않도록 함이 필요하다.
만일, 15회 이상 보충 또는 7일 이상을 초과하는 경우에는 금속 나노입자가 상호 응집 반응하여 그 크기가 커지게 될 수 있고, 그에 따라 표면처리시 알루미늄 표면에 고착화가 견고히 되지 못할 가능성이 높아지게 되고, 그 점을 고려하여 보충회수 및 그 사용기간을 제한하는 일은 항균 효과를 균일하게 유지하도록 하기 위해 필요하게 된다.
만일, 15회 이상 보충 또는 7일 이상을 초과하는 경우에는 금속 나노입자가 상호 응집 반응하여 그 크기가 커지게 될 수 있고, 그에 따라 표면처리시 알루미늄 표면에 고착화가 견고히 되지 못할 가능성이 높아지게 되고, 그 점을 고려하여 보충회수 및 그 사용기간을 제한하는 일은 항균 효과를 균일하게 유지하도록 하기 위해 필요하게 된다.
(실시예 2)
항균력을 필름밀착법으로 조사하기 위하여, 알루미늄케이스(Case)를 시료로 하여 균주MRSA(Methicillin Resistance S.aureaus)를 사용하고, 표준피복필름으로서 Stomacher400(상표명)을 사용하여 접종균 농도와 균수를 조사한 바, 접종균 농도(CFU/ml)는 1.5×105, 증가율 50배, 대조시료의 초기균수 1.5×105, 24시간 배양후 대조시료의 균수(평균치) 6.2×106, 24시간 배양후 시험시료의 균수 10이하(시험시료 표면적 25Cm2)로 검출되었으므로 본 발명상의 항균기능을 가진 알루미늄 등 경금속에서의 균의 검출수는 거의 99.9％ 이상 (
) 소멸된 것으로 나타났다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 항균 기능을 갖도록 하기 위한 알루미늄 표면에의 금속의 나노입자 표면처리 방법에 의하면, 알루미늄 등의 경금속 표면을 황산을 묽힌 용액으로 부식경화처리하고 그 경화된 표면을 니켈 아세테이트 등의 표면처리제에 의해 균일하게 표면처리하는 과정에서 그 표면처리제에 항균기능을 갖는 콜로이드상의 금속 나노입자(Ag, TiO2)를 혼합한 표면처리용액을 표면처리온도하에 그 표면에 피복하여 고착화되도록 함으로써 알루미늄 등의 경금속 표면에 우수한 항균력 및 항균 효과의 내구성 및 지속성이 장기간 유지되도록 할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면 상기한 표면항균처리과정에서는 작업 공정상 금속나노입자(Ag, TiO2)와 반응하지 않고 상호 보완적인 물성의 니켈 아세테이트 등의 표면처리제와 혼합하여 사용하기 때문에, 금속 나노입자(Ag, TiO2)가 염소이온(Cl-), 황산이온(SO4 2-), 일차아민류(-NH2), 티올(-SH) 또는 강력한 킬레이팅제(Chelating Agent), 예컨대 EDTA 등 각종의 이온 및 유기물 또는 화학 물질에 장시간 노출되는 일이 방지됨으로써, 나노입자가 상기한 각종의 이온 및 유기물 또는 화학물질과 결합하거나 반응하여 응집 또는 산화됨되어 항균력의 기능이 저하되거나 소실될 가능성을 최소화 할 수 있게 된다.
상기한 본 발명에 따른 표면처리방법을 적용하면, 알루미늄 등의 경금속의 표면에 항균처리가 가능하게 되어 예컨대 휴대폰 단말기의 알루미늄 케이스나 엠피쓰리플레이어(MP3 Player) 외장 케이스 또는 노트북 외장 케이스 및 각종의 부품이라든지 가전 제품의 알루미늄이나 경금속의 표면에 양호한 항균력을 제공함과 더불어 그 항균효과의 내구성 및 지속성이 장기간 유지될 수 있게 된다.
더욱이, 본 발명에 따르면 상기한 표면항균처리과정에서는 작업 공정상 금속나노입자(Ag, TiO2)와 반응하지 않고 상호 보완적인 물성의 니켈 아세테이트 등의 표면처리제와 혼합하여 사용하기 때문에, 금속 나노입자(Ag, TiO2)가 염소이온(Cl-), 황산이온(SO4 2-), 일차아민류(-NH2), 티올(-SH) 또는 강력한 킬레이팅제(Chelating Agent), 예컨대 EDTA 등 각종의 이온 및 유기물 또는 화학 물질에 장시간 노출되는 일이 방지됨으로써, 나노입자가 상기한 각종의 이온 및 유기물 또는 화학물질과 결합하거나 반응하여 응집 또는 산화됨되어 항균력의 기능이 저하되거나 소실될 가능성을 최소화 할 수 있게 된다.
상기한 본 발명에 따른 표면처리방법을 적용하면, 알루미늄 등의 경금속의 표면에 항균처리가 가능하게 되어 예컨대 휴대폰 단말기의 알루미늄 케이스나 엠피쓰리플레이어(MP3 Player) 외장 케이스 또는 노트북 외장 케이스 및 각종의 부품이라든지 가전 제품의 알루미늄이나 경금속의 표면에 양호한 항균력을 제공함과 더불어 그 항균효과의 내구성 및 지속성이 장기간 유지될 수 있게 된다.
Claims (2)
- 알루미늄 표면을 황산을 묽힌 용액에 담그고 전류를 통전시켜 거칠어지도록 부식경화처리하고 그 부식경화된 알류미늄의 표면을 니켈 아세테이트의 표면처리제에 의해 균일하게 표면처리하는 알루미늄의 표면처리방법에 있어서,상기 표면처리제에 콜로이드상의 금속 나노입자(Ag, TiO2)를 혼합하여 표면처리용액을 얻고,상기 표면처리용액을 표면처리온도하에 상기 알루미늄의 거칠어진 표면이 메워지도록 피복시켜 고착화되도록 하며;상기 금속나노입자로는 폴리머 양이 함침용액대비 0.2∼9Wt·％가 결합된 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpirrolidone)의 폴리머가 코팅된 금속나노입자와, 계면활성제의 수용체에서 제조된 금속의 나노실버입자 및, 실리카를 담체로 하는 금속 나노입자 중 어느 하나가 사용되고,상기 금속 나노입자를 콜로이드상으로 하기 위한 용매로는 4㏁∼12㏁의 전기저항치를 갖는 증류수를 사용하며,상기 금속 나노입자(Ag, TiO2)의 크기는 1∼10나노미터(nm)인 것을 특징으로 하는 항균 기능을 갖도록 하기 위한 알루미늄 표면에의 금속의 나노입자 표면처리 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 표면처리온도는 80℃를 유지하고,상기 표면처리시간은 15분～20분 사이로 설정되는 것을 특징으로 하는 항균기능을 갖도록 하기 위한 알루미늄 표면에의 금속의 나노입자 표면처리 방법.
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