KR100628667B1 - 항균성 나노금속을 함유한 필터 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노 항균입자가 함유된 공기정화용 플라스틱 필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상자성 은 입자, 다이아몬드 입자 및 이산화티탄 입자로 이루어진 나노 촉매 혼합물이 함유된 플라스틱 필터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 필터의 제조방법은 항균성 나노 촉매 조성물을 제조하는 단계, 상기 촉매 조성물과 플라스틱 수지를 혼합하는 단계, 상기 플라스틱 수지 혼합물을 가공하여 섬유형 또는 발포체 형태의 필터를 제조하는 단계를 포함한다.

특히 본 발명은 촉매 물질을 필터 기재인 플라스틱 수지 가공 시에 직접 혼합하여 가공함으로써 제작 과정이 편리하고, 경제적이며, 환경 친화적이다. 또한 본 발명에 따른 필터의 성능을 평가한 결과 항균, 탈취 및 음이온 발생 측면에서 우수한 특성을 나타내어 에어콘, 팬히터, 진공청소기 등 공기정화기능이 사용되는 각종 가정용 기기에 활용도가 높을 것으로 기대된다.

은, 은 나노입자, 상자성, 나노입자, 광촉매, 다이아몬드, 이산화티탄, 플라스틱, 필터

Description

항균성 나노금속을 함유한 필터 및 이의 제조방법{Filter comprising antimicrobial nano metal components and process for preparing the same}

도 1은 실시예 2에 따른 폴리프로필렌 필터의 제조과정을 나타낸 도면이다.

도 2는 실시예 2에 따른 폴리프로필렌 필터 섬유의 주사현미경 사진이다.

도 3은 본 발명에 따른 촉매 조성물의 항균성 시험 결과이다.

도 4는 본 발명에 따른 필터의 탈취력 평가 결과이다.

도 5는 본 발명에 따른 필터의 음이온 발생력 평가 결과이다.

본 발명은 나노 항균입자가 함유된 공기정화용 플라스틱 필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상자성 은 입자, 다이아몬드 입자 및 이산화티탄 입자로 이루어진 나노 촉매 혼합물이 함유된 플라스틱 필터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

물질들의 자성특성은 강자성체, 약자성체 및 반자성체로 나눌 수 있으며, 약자성체는 반강자성체와 상자성체로 구별된다. 상자성체의 경우 대부분의 원자나 이 온에서는 스핀과 궤도 운동을 포함한 전자의 자기적 효과는 정확히 서로 상쇄되어 원자나 이온은 자기적 성질을 나타내지 않는다. 이는 네온 같은 불활성기체나 구리를 구성하는 구리이온 등에 나타난다. 그러나 어떤 원자나 이온에서는 전자의 자기적 효과가 완전히 상쇄되지 않아서 원자 전체는 자기 쌍극자 모멘트를 갖게 된다. 각각 자기 쌍극자 모멘트를 갖는 n개의 원자를 자기장 내에 놓으면 이들 원자 쌍극자는 자기장 방향으로 나란히 정렬하려 한다. 이러한 경향을 상자성이라 한다. 완전히 모두 한쪽 방향으로 정렬한다면 전체적 쌍극자 모멘트는 nμ가 될 것이다. 그러나 정렬과정은 열운동에 의하여 방해를 받는다. 원자의 막된 잡이 진동으로 원자 간의 충돌이 일어나고 운동에너지가 전달되어 이미 정렬된 상태가 파괴된다. 열운동의 중요성은 두 종류의 에너지를 비교함으로써 알 수 있다. 그 중 한 가지는 온도 T에서 원자가 갖는 평균 병진 운동에너지 (3/2)kT이다. 다른 한 가지는 자기 쌍극자 자기장의 방향에 평행, 반평행인 두 상태에서의 에너지차인 2μB이다. 그런데, 통상의 온도나 자기장에서 전자가 후자보다 상당히 크다. 그러므로 원자의 열운동은 쌍극자가 정렬하는 것을 방해하는 역할을 한다. 외부자기장에서 비록 자기모멘트가 생기지만 최대 가능한 nμ에는 훨씬 못 미친다. 어떤 물질이 자화된 정도를 표시하기 위하여 단위부피당 자기모멘트를 생각할 수 있다. 이것을 자기화 M이라고 한다.

반자성체로 불리는 물질은 고유의 자기쌍극자를 가지고 있지 않고 상자성이 없지만 외부자기장에 의해 자기 모멘트가 유도될 수 있다. 이러한 물질의 시료를 불균일하고 강한 자기장 근처에 놓으면 자기력이 작용한다. 그러나 전기적인 경우 와는 대조적으로 자석의 극쪽으로 끌리지 않고 밀쳐진다. 전기와 자기의 이러한 차이점은 유도된 전기 쌍극자는 외부전기장과 같은 방향이지만 유도된 자기쌍극자는 외부 자기장과 반대방향이기 때문이다. 반자성은 페러데이(Faraday)의 유도법칙이 원자 내의 전자에 적용되는 것이며 고전적으로 볼 때 전자의 운동은 아주 작은 전류 고리이다. 유도된 자기모멘트가 자기장의 방향과 반대인 것은 원자규모에서 본 렌츠(Lenz) 법칙의 결과라 할 수 있다.

반자성은 모든 원자가 가지고 있는 성질이다. 그러나 원자가 고유의 자기쌍극자 모멘트를 가지고 있으면 반자성 효과는 이보다 강한 상자성이나 강자성으로 가려진다.

한편 은은 대표적인 반자성 물질로서 외부의·자기장과 반대방향의 자성을 띠는 특성을 보이며, 은은 크기가 나노화되어도 이러한 반자성의 자기적 특성이 변하지 않는 것으로 알려져 있으며, 입자사이의 고응집성으로 인하여 분산성도 불량하여 응용분야 역시 한계가 있어, 단지 은 나노입자는 본래의 은 특성으로부터 기인한 응용분야로서 화장품, 섬유, 도료, 플라스틱 등의 바이오 제품, 항균/살균/방오 재료로 응용되고 있을 뿐이다.

종래의 반자성을 갖는 은의 효능으로는 항생물질이 5 내지 6가지 정도의 병원체들을 죽이는 반면 은은 650여종의 병원균을 죽이는 살균력이 아주 뛰어나고, 천연의 완벽한 항생물질로 어떤 부작용도 없는 장점을 가지고 있으며, 모든 유해 세균을 살균할 뿐만 아니라, 전자파나 수맥파 등 인체에 유해한 파장을 흡수 차단하는 것으로 알려져 있다.

일반적으로 가정 또는 산업 현장 등에서는 각종 공기정화장치가 사용된다. 예를 들어 쓰레기 소각로나 공장의 굴뚝 등에서는 배출가스 중에 포함된 유해물질이나 먼지 등을 제거하기 위하여 공기정화장치를 이용한다. 그리고 가정에서도 청정한 환경을 유지하기 위하여 공기정화기가 사용되며, 에어콘, 팬히터, 진공청소기 등에서도 공기를 정화하는 각종 필터가 장착된다. 종래에는 공기를 정화하기 위하여 일반적으로 폴리프로필렌(PP)수지 섬유 또는 폴리에틸렌(PE)수지 섬유를 이용하는 부직포 형태의 필터를 사용하거나, 전기집진방식의 정전 필터 등을 사용하였다. 그러나 이러한 형식의 필터로는 먼지를 거르는 것은 가능하지만 그 구조상 악취를 제거하거나 세균을 살균하는 것은 곤란하였다. 따라서 탈취를 위하여 활성탄으로 만들어진 별도의 탈취필터를 사용하기도 하였다. 그러나 활성탄을 이용한 탈취필터는 탈취성능 및 내구성이 좋지 않았고, 공기중에 포함된 유해한 미생물을 살균할 수은 없었다는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 광에너지에 의하여 활성화되어 살균 및 탈취기능을 갖는 광촉매물질을 이용한 소위 광촉매기술이 연구 개발되고 있으며, 대표적인 광촉매가 산화티타늄(TiO₂)이다. 산화티타늄과 같은 광촉매는 유기물과의 흡착력이 뛰어나며, 또한 광에너지에 노출되면 여기되어 여러형태의 라디칼(radical)을 형성시켜 주어 강한 산화력에 의하여 미생물을 살균하고, 동시에 라디칼이 악취를 유발하는 냄새물질과 반응하면서 이를 분해하기 때문이다.

상기 이산화티타늄은 388㎚ 이하의 자외선을 흡수하여 반응함으로써 전자(전 도대)와 정공(가전자대)이 생성되는데, 이때 광원으로 사용되는 자외선은 태양에너지 외에 램프, 백열전등, 수은램프 등의 인공조명 등이 사용될 수 있다. 상기 반응에서 생성된 전자와 정공은 매우 강한 산화력과 환원력을 가지고 있므므로 공기중의 수증기(H₂O)나 산소(O₂)등과 반응하여 히드록시(OH) 라디칼, 수소(H) 라디칼, 슈퍼옥사이드엔아이온(O^2- ) 등의 활성산소를 발생시킨다. 그리고 이러한 라디칼들은 다른 성분과 강한 결합력을 가지고 있기 때문에 냄새물질의 결합을 파괴하게 되어 탈취작용이 이루어지게 된다. 즉, 히드록시(OH) 라디칼은 냄새를 유발하는 유기물의 결합을 깨고 직접 결합하게 되어 최종적으로 수증기와 이산화탄소가 남게 되므로 냄새성분이 제거된다. 또한 히드록시(OH) 라디칼은 미생물을 살균시키는 강한 산화력을 갖고 있으므로 살균작용을 하게 된다. 즉 알레르겐이나 미생물은 아미노산이 폴리펩티드결합한 단백질이 주성분이고, 히드록시(OH) 라디칼은 이러한 아미노산의 폴리펩티드결합을 파괴함으로써 단백질을 변성시킨다. 따라서 알레르겐이 분해되고, 미생물이 살균되게 된다. 또한 전자나 정공이 유기물과 직접 결합하여 유기물의 결합을 깨는 반응을 하면서 결국 수증기와 이산화탄소가 남게 되어 탈취작용을 하게 된다. 결국 광촉매를 이용하면 상기와 같은 원리로 살균, 탈취 및 알레르겐 분해작용을 할 수 있게 된다.

최근에는 상기 광촉매에 흡착물질을 첨가하여 탈취 성능을 향상시키거나, Ag, Cu 등의 항균금속을 첨가하여 광조사가 없는 상태에서도 항균능을 나타낼 수 있도록 하는 등 여러 가지의 개선작업이 진행되고 있다.

상기 광촉매 물질을 이용한 종래의 공기정화용 필터의 제조 방법은 주로 광촉매(이산화티탄)를 함유한 코팅용 졸을 이용하여 이를 알루미늄 등의 금속 필터 및 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 플라스틱 필터류에 스프레이법, 담금법 등으로 코팅하는 방법을 사용하였다.

현재 통상적으로 많이 사용되고 있는 액상을 경유한 광촉매 코팅 방법으로는 티탄 알콕사이드를 출발 물질로 하여 졸을 만든 다음 담체에 코팅하는 방법이지만 상기 방법은 코팅한 후 담체 상에서의 광촉매 입자을 생성시키는 단계, 광촉매 활성이 큰 아나타스(anatase)형 결정화 단계 및 담체와의 접착성을 부여하기 위하여 400 내지 600℃에서 소성시키는 단계로 이루어져 있으므로 제조 공정이 복잡하고 제조 비용이 높다는 단점이 있다. 또한 상기 방법을 사용할 경우, 내열성이 약한 플라스틱류 등의 고분자 물질에 코팅하기에는 많은 제약이 따른다.

본 발명자들은 종래에 은 나노입자에서 갖고 있지 않던 특성인 상자성을 갖는 나노입자를 개발하여 대한민국특허출원 제2004-68246호로 출원하였으며, 상기 출원된 은 나노입자를 이용한 제품 개발에 연구한 결과, 상기 발명에 따른 상자성을 갖는 은 나노입자, 다이아몬드입자 및 이산화티탄 입자의 혼합물을 플라스틱 수지에 혼합하여 필터를 제작, 평가한 결과 강력한 살균, 탈취 및 음이온 발생 효과가 있음을 발견하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래의 은 분말이 반자성을 띠는 것에 대하여 모든 온도 영역에서 외부의 자기장과 동일한 방향 즉 양의 자화율을 갖는 상자성을 가지므로, 표면산화층이 존재하지 않고, 상온에서 안정적이며, 응집성이 없고, 고분산성을 갖는 고순도의 상자성 은 나노입자를 이용하여 항균작용, 살균력, 탈취력 및 방오효과가 현저하게 뛰어난 상자성 은 나노입자와 다이아몬드 입자 및 이산화티탄으로 이루어진 촉매 조성물이 함유된 공기정화용 플라스틱 필터를 제공하는 것이다.

또한 상기의 촉매 조성물은 안정적이며, 응집성이 없고, 분산성이 높은 특성을 가지므로 기존의 광촉매 필터 제조 방법인 광촉매 졸을 이용, 필터 기재에 코팅하는 방법 대신 상기 촉매 조성물을 플라스틱 기재가 되는 플라스틱 재료 물질에 혼합하여 가공하는 편리하고 경제적인 제조 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명은 나노 항균입자가 함유된 공기정화용 플라스틱 필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상자성 은 입자, 다이아몬드 입자 및 이산화티탄 입자로 이루어진 나노 촉매 혼합물이 함유된 플라스틱 필터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 플라스틱 필터에 함유되는 촉매 혼합물은 본 발명자들이 출 원한 특허(대한민국 특허출원 제2005-0030821호)에 기재된 촉매 조성물과 동일한 것을 사용하였으며, 상기 촉매 혼합물은 상자성 은, 이산화티탄 및 다이아몬드가 1 : 1 내지 20 : 1 내지 30의 중량비로 혼합되어 있는 혼합물(composite)이다. 상기 상자성 은 나노입자는 전 온도 범위에서 상자성이 나타나나, 특히 절대온도 20K 이상에서 상자성을 보이고, 상기 상자성 은 나노입자의 크기는 제한되지 않으나, 40㎛ 이하인 것이 함유될 수 있다.

본 발명의 플라스틱 필터에 함유되는 촉매 조성물은 통상의 광촉매 물질인 이산화티탄에 상자성 은 나노입자를 함유하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 광촉매 조성물은 상자성 은 나노입자를 함유함으로써 기존의 반자성을 갖는 은을 첨가한 경우보다 강력한 항균, 살균, 탈취, 방오 효과를 보인다.

본 발명의 촉매 조성물에 포함되는 상자성 은 나노입자는 모든 온도에서 상자성을 가지며, 이는 모든 온도영역에서 외부의 자기장과 동일한 방향 즉, 양의 자화율을 가진다는 것을 의미한다. 특히 이러한 은 나노입자의 상자성은 절대온도 20K 이상에서 더욱더 명확하게 그 특성을 확인할 수 있다. 본 발명에 따른 상자성 은 나노입자는 극히 작은 보자력을 보이고, 또한 표면 산화층이 존재하지 않고, 상온에서 안정하며, 응집성이 없고, 고분산성을 가짐으로써 종래의 나노입자와는 다른 특이한 성질을 나타낸다. 즉, 기존의 반자성을 띠는 은 나노입자는 나노화를 통하여 체적 특성이 감소함에도 불구하고 나노입자의 표면이 산화층으로 싸여 있어 표면에서의 특이 특성이 충분히 나타나지 못하는 문제점이 있었던 것이다.

본 발명에 따른 촉매 조성물에서 사용되는 상자성 은 나노입자는 분말의 크 기에 따라 자화율 곡선의 기울기가 달리 나타나는데 그 크기가 작을수록 상자성 특징이 현저하게 나타나고, 분말 내부가 채워지지 않은 중공구조의 은 입자 또한 상자성 특성을 나타나며, 상기 은 입자들은 온도에 따라 자화율 곡선이 다르게 나타나나 상온 이하의 모든 온도 범위에서 상자성 특성이 나타나며, 또한 본 발명에 따른 은 나노입자의 보자력이 상온 이하의 범위에서 5 가우스 이하의 특성을 보이며, 특히 상온에서는 2 가우스 이하의 극히 작은 보자력을 갖는다.

본 발명에 따른 촉매 조성물에서 사용되는 상자성 은 나노입자는 분말의 크기는 특별히 한정되지 않고 상자성을 갖는 정도의 크기이면 적합하나 본 발명에 따른 치약 조성물에서 사용되는 상자성을 갖는 은 나노입자의 상자성의 특성은 분말의 크기가 40 ㎛ 이하의 범위에서 명확히 나타나므로 은 나노입자 40 ㎛ 이하의 크기이면 바람직하고, 은 나노입자의 크기에 따라 자화율 곡선의 기울기가 달리 나타나므로 상기 범위의 크기를 가지면 상자성의 특징이 현저하게 나타나며, 특히 100nm 이하의 크기가 더욱 바람직하다. 상기 은 나노입자의 크기가 작을수록 상자성 특성이 명확하여 본 발명에 따른 효과를 더욱더 크게 나타낼 수 있지만 작은 입자의 경우 생산비용의 증가될 뿐 만 아니라 상기의 크기 정도에서도 상자성의 특성으로 인한 발명의 효과가 충분히 발현되므로 상기 크기 이하의 것을 사용할 필요가 없다.

본 발명의 촉매 조성물에 함유되는 상자성 은 나노입자의 양은 상기 은의 상자성 특성에 따라 일부 달라질 수 있지만 크기가 40 ㎛ 이하이고 5 가우스 이하의 보자력을 갖는 것을 기준으로 하여 상자성 은 나노입자와 이산화티탄과의 중량비가 1:1 내지 1:20이 되도록 한다. 상자성 은 함량이 너무 적으면 원하는 첨가 효과가 떨어지고, 너무 많으면 상기 상자성 은 나노입자의 첨가 효과는 더 이상 증대되지는 않으므로 경제적인 면에서 불리할 수 있다.

본 발명의 촉매 조성물에 사용되는 상자성 은 나노입자의 상세한 특성 및 제조방법은 본 발명자들이 출원한‘상자성을 갖는 금 또는 은 분말’에 관한 출원발명인 대한민국특허출원 제2004-68246호에 상세히 기재되어 있으며, 상자성 은(Ag)의 제조 방법을 간략히 기재하면 a)13.56MHz, 5 내지 50kW의 RF 전원 증폭기를 사용하여 진공 반응관 내에서 유도결합 플라즈마 토치를 이용하여 절대온도 4000내지 200000K의 플라즈마를 발생시키는 단계; b)발생된 플라즈마와 반자성 특성을 갖는 은 분말을 반응시켜 은 플라즈마 가스를 생성하는 단계; c)생성된 은 플라즈마 가스를 플라즈마 반응로 하단에 구비된 나노 분말 포집 장치 내에서 진공 하에 상온 이하로 급냉하여 상자성을 갖는 은 분말을 제조하는 단계로 이루어진다.

본 발명의 촉매 조성물에 사용되는 이산화티탄은 분말 형태를 사용하며 입자 크기는 1㎛ 이하의 크기이면 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10nm 내지 50nm 크기의 나노입자를 사용하는 것이 좋다.

이산화티탄 분말의 제조방법으로 (1)황산법, (2)염소법 및 (3)금속알콕사이드법 등이 알려져 있으며, 본 발명에서는 어떤 방법으로 제조된 것이어도 상기 입자 크기를 만족하는 경우 채용 가능하나, 통상의 제조 방법 중에서 티탄금속(Ti)을 함유한 유기물질인 알콕사이드(예를들면 티타늄-데트라-에톡사이드 등)을 가수분해 시킨 다음, 세정, 분리, 결정화 등의 공정을 거쳐 이산화티탄 분말을 제조하는 금속알콕사이드법으로 제조된 이산화티탄분말을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 촉매 조성물은 상자성 은 나노입자와 이산화티탄 이외에 다이아몬드 입자를 더 함유한다. 다이아몬드 입자의 함량은 상자성 은에 대하여 1:1 내지 1:30의 중량비로 첨가된다.

상자성 은 나노 입자가 이산화티탄과 결합하여 우수한 광촉매 특성을 나타내기 위해서 상자성 은 나노 입자의 특성 즉, 표면에 산화층이 없어 기존의 반자성 은에 비해 고활성을 가지는 특성을 제대로 발현시키는 것이 필요하다. 즉, 상자성 은 나노입자와 이산화티탄 만으로 제조할 경우 상자성 은 나노 입자의 표면에 이산화티탄이 코팅되어 상자성 은의 활성이 저하된다. 따라서 상자성 은 분말을 다이아몬드 분말과 혼합한 후 순차적으로 이산화티탄 분말과 혼합시킴으로써 다이아몬드 입자가 상자성 은과 이산화티탄의 바인더 역할을 하도록 함으로써 상자성 은의 고활성을 유지시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 촉매 조성물에 사용되는 다이아몬드 입자의 크기는 1 ㎛ 이하의 크기이면 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10nm 내지 50nm 크기의 나노입자를 사용하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 다이아몬드 입자의 제조방법은 상기의 크기를 갖는 다이아몬드 입자를 제조할 수 있으면 통상의 방법들이 다 가능하나, 본 발명에서는 폭발법에 의하여 제조된 것을 사용하였다.

폭약의 폭발을 이용한 충격 압축법에 의한 다이아몬드 입자의 제조 방법 중에서 고성능 폭약과 그라파이트의 혼합물을 폭발시켜 그라파이트를 다이아몬드로 변환하는 방법이 주로 사용된다. 전형적인 일례로서 일본 특허 공개 (평)3-271109에 공지된 바와 같이 폭약 화합물 (TNT(트리니트로톨루엔), HMX(시클로테트라메틸렌테트라니트라민), RDX(시클로트리메틸렌트리니트라민), PETN(펜타에리트리톨테트라니트레이트), 아민류의 질산염 또는 과염소산염, 니트로글리세린, 피크르산, 테트릴 등)에 가연성 물질 (산소와 반응할 수 있는 파라핀, 경유, 중유, 방향족 화합물, 식물유, 전분, 목분, 목탄 등의 탄소 전구체)을 첨가하고, 이 혼합물을 50 cm 이상의 수심이 되는 곳에 수평으로 달아 양단 개방 또는 한쪽단이 개방된 관 중에서 전기 뇌관으로의 통전에 의해 목적하는 횟수로 폭발시켜 다이아몬드를 수중에 생성시키고, 상등액을 제거하여 물밑에 침전된 다이아몬드를 포함하는 침전물을 회수하고, 이어서 왕수 또는 질산으로 금속류를 용해 제거하고 나서 염소산과 질산의 혼합액으로 그라파이트가 없어질 때까지 처리하고, 마지막으로 불화수소산과 질산의 혼합액으로 처리하고 물로 세정한 후, 건조함으로써 순도가 높은 다이아몬드를 얻는 방법으로 제조 가능하다.

본 발명에 따른 촉매 조성물은 상술된 바와 같이 제조된 상자성 은 입자, 이산화티탄 입자, 다이아몬드 입자를 함유하고 있으며, 그 제조 방법은

(a) 상자성 은에 다이아몬드를 1:1 내지 1:30중량비로 첨가한 후 고속 교반하여 상자성 은 및 다이아몬드 혼합물을 제조하는 단계;

(b) a)에서 제조된 혼합물에 이산화티탄을 상자성 은에 대해 1 내지 20중량비로 첨가한 후 고속 교반하여 하여 상자성 은, 다이아몬드 및 이산화티탄의 혼합물을 제조하는 단계;

로 이루어진다.

상자성 은 입자와 다이아몬드 입자를 1:1 내지 1:30 중량비로 용기에 넣은 후 5000 내지 20000rpm으로 고속 교반하여 다이아몬드에 상자성은이 분산된 고상의 혼합물을 제조한다. 상기의 상자성 은 나노 입자의 크기는 40㎛ 이하이며, 바람직하게는 10nm 내지 50nm 인 것이 좋으며, 상기 다이아몬드 입자는 1㎛이하의 것을 사용하나, 바람직하게는 10nm 내지 30nm 인 것이 좋다. 상자성 은과 다이아몬드가 혼합된 고상의 혼합물을 형성시킨 후 이 혼합물에 이산화티탄 입자를 상자성 은에 대해 1:1 내지 1:20 중량비로 투입하여 5000 내지 20000rpm으로 고속 교반한다. 이때 사용하는 이산화티탄 입자는 1㎛이하의 것이나, 바람직하게는 10nm 내지 50nm 인 것이 좋다.

상기 제조 방법은 용매를 사용하지 않기 때문에 환경친화적이고, 편리하며 경제적이다. 다이아몬드와 상자성 은을 먼저 혼합하는 것은 상술한 바와 같이 상자성 은의 활성을 감소시키지 않으면서 이산화티탄과 혼합된 고활성의 광촉매를 제조하기 위한 것으로써 다이아몬드 입자가 상자성 은과 이산화티탄의 바인더 역할을 하며, 상자성 은의 활성 부위에 이산화티탄이 결합하여 활성을 떨어뜨리는 것을 방지한다.

상기 촉매 혼합물은 1㎛이하의 미세 입자로 이루어져 있으며 그 특성상 분산성 및 흡착성이 좋기 때문에 접착제와 같은 다른 물질을 더 첨가할 필요가 없이 플라스틱 재료의 용융 과정에 혼합하여 본 발명의 공기 정화용 플라스틱 필터를 제작할 수 있다.

본 발명의 플라스틱 필터의 제조 과정에서 사용되는 플라스틱 재료는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리스티렌 등이 있다. 플라스틱 재료를 플라스틱 수지를 융점 부근의 온도로 가열하여 용융 방사하여 제조되는 필라멘트 사를 제직하는 제직형태 또는 섬유를 제직하지 않고 섬유의 웨브(web;격자모양으로 얽힌 것)를 만들고 이를 결합시키는 부직포 형태의 섬유형 필터로 제조하거나, 발포제를 추가하여 다공성의 발포체 필터로 제조한다.

상기 제직형태의 섬유형 필터의 제작 과정은 하기와 같다.

플라스틱 수지 칩에 상기 촉매 혼합물을 플라스틱 수지에 대해 0.5 내지 15 중량%로 넣고 이를 용융온도로 가열하여 촉매 물질과 함께 폴리프로필렌 칩을 용융시킨 다음 용융된 방사원액을 방사구를 통해 압출하여 섬유 형태를 만든다. 이후의 공정은 통상의 합성 섬유를 이용한 직물 제조 공정고 동일하다. 이를 간단히 설명하면, 방사된 실을 냉각 및 고화시킨 후 연신 공정을 통해 이후 섬유를 분자쇄 방향으로 배향시키고 섬유를 가늘고 길게 만든다. 이후 권축, 열처리, 유제 처리 등을 하여 섬유를 안정화시키고 성능을 좋게 한다. 다음은 연사 공정으로 상기에서 제조된 필라멘트사를 꼬는 공정으로 제직성 향상 및 내마모성 향상을 목적으로 진행하는 공정이다. 연사 공정으로 제조된 필라멘트사를 정경 공정을 통해 제직 과정 을 준비하는데, 이는 정경기에 경사용 원사를 직물 설계 조건에 따라 경사 올수, 길이, 밀도, 폭 등을 정하여 일정한 장력으로 빔 또는 드럼에 감는 작업이다. 다음은 제직 공정으로 경사와 위사를 서로 교차시켜 직물을 제조하는 과정이다. 제직된 필터 메디아(Media)를 용도에 따라 가공하여 다양한 형태의 필터를 제작하게 된다.

섬유를 제직하지 않는 부직포형태의 필터는 상기의 용융방사 공정은 동일하게 진행하되 이후 공정을 진행하는 대신 섬유의 웨브(web;격자모양으로 얽힌 것)를 만드는 공정과 결합제를 이용한 결합 공정으로 이루어진다. 웨브에는 섬유를 배향시키는 것과 무작위로 배열시키는 것(랜덤웨브)의 2가지 방법이 있다. 섬유를 배향시키는 것은 보통의 직물을 만드는 방법과 같으며, 잘 정돈하여 섬유를 평행으로 늘어놓는다. 평행으로 늘어놓은 웨브는 가로방향에서 약하기 때문에 이것을 보완하기 위해 교차배열 웨브가 만들어진다. 교차배열 웨브는 하나의 웨브를 가능한 한 직각에 가깝게 다른 웨브 위에 놓은 것인데 평행배열웨브에 비해 제조 속도가 매우 느리다. 랜덤웨브는 랜도피더와 랜도웨버(미국 컬레이터사의상품명)라는 공급장치와 웨브를 만드는 장치를 조합시킨 특수한 기계로 만들어진다. 섬유를 날려 스크린 위에 포착시키고 이렇게 하여 모아진 랜덤웨브를 눌러 정리한다. 웨브형태로 된 섬유는 서로 결합된 상태로 된다. 결합제로서는 접착제인 폴리아세트산비닐, 고무라텍스, 요소-포름알데히드, 폴리염화비닐분산액, 수용성카르복시메틸셀룰로오스 등이 있다.

본 발명에 따른 필터의 제조방법은 통상적으로 발포체를 제조하는 공정 중 플라스틱 원료 용액에 발포제와 함께 상기 촉매 물질을 혼합하여 가공함으로써 촉 매물질이 함유된 발포체를 형성하는 방법을 포함하며, 상기 발포체는 스폰지 형태, 시트 형태 또는 볼 형태 등 용도에 따라 다양한 형태로 제조 가능하다.

이하 실시예에 의하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하나 이는 본 발명의 구성 및 효과를 이해시키기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니다.

[실시예 1]

항균성 촉매 조성물의 제조

10nm 내지 50nm의 입자크기 분포를 가지는 상자성 은 분말 0.5g과 10nm 내지 30nm 입자크기 분포를 가지는 다이아몬드 분말 10g을 교반기에 넣고 10000rpm으로 1시간 동안 교반한 후 20nm 내지 30nm의 입자크기 분포를 가지는 이산화티탄 분말 5g을 첨가하여 다시 10000rpm으로 2시간 동안 고속 교반하여 광촉매 조성물을 제조하였다.

상기 상자성 은 분말은 본 발명자들이 종래에 은 나노입자에서 갖고 있지 않던 특성인 상자성을 갖는 나노입자를 개발하여 출원한 특허(대한민국특허출원 제2004-68246호)에 나와 있는 제조방법을 사용하여 얻어진 것이며, 상기 제조 방법은 본 발명자들이 출원한 특허(대한민국 특허출원 제2005-0030821호)에 기재된 방법과 동일하다.

[실시예 2]

본 발명에 따른 에어컨용 폴리프로필렌 필터의 제조

폴리프로필렌 섬유형 제직 필터의 제조 과정을 도1에 나타내었다.

폴리프로필렌 수지(대한 유화 #5014)에 대해 실시예 1에서 제조된 촉매 조성물을 1중량%를 넣어 120℃ 정도로 가열하여 수분을 제거한 뒤 230℃정도로 승온하여 혼합물질을 용융시킨다. 이때 교반기를 통해 촉매 물질이 수지용액에 고루 분산되도록 한다. 혼합 용융액을 방사기를 통해 방사한 후, 도1에 표시된 하이테크 필라에서 연신, 연사 공정을 진행하고, 정경기에서 제직 공정을 준비한 후 도니어 제직기에서 제직 공정을 진행한다. 다음은 필터 제작 과정으로 테이프 융착, 프레임 조립, 망 재단, 완성품 조립, 열처리 및 검사 과정을 통해 에어컨용 폴리프로필렌 필터를 제조하였으며, 제조된 필터의 섬유 부위를 주사현미경(TOPCON SM-350)으로 촬영한 사진을 도 2에 나타내었다.

[시험예 1]

본 발명에 따른 촉매 조성물의 항균력 평가

실시예 1에서 제조된 촉매 조성물의 항균작용을 알아보기 위해 항균 활성 시험을 실시하였다.

Escherichia coli(대장균)(ATCC 25922)와 Staphylococcus aureus(황색포도상구균)(ATCC 6538P)을 검정 균주로 사용하였으며, 항균성 검정은 1 백금이를 5mL의 배지에 접종하여 16시간 배양한 후 제조예에서 제조한 광촉매 조성물 0.03%가 함유 된 신선한 배지 0.1mL에 검정균의 배양액 0.1mL를 각각 섞은 후 LB plate에 도말하여 37℃에서 16시간 동안 배양한 후, 표준평판배양법에 의하여 생균수를 계수하여 살균력을 측정하였다. 본 발명의 광촉매 조성물을 첨가하지 않은 검정균의 배양액을 대조군으로 하여 아래 식에 의하여 항균 효과를 확인하였으며, 그 결과는 표 1 및 도 3에 나타내었다.

[표 1]

표 1 및 도 3에 나타난 바와 같이 본 발명의 촉매 조성물로 처리한 시험군에서는 대조군과 비교하였을 때 99.9% 이상으로 검정균이 제거되는 것을 확인하였다.

[시험예 2]

본 발명에 따른 필터의 탈취력 평가

실시예 2에서 제조된 폴리프로필렌 필터의 암모니아에 대한 탈취 실험을 통해 본 발명에 따른 필터의 탈취력을 평가하였다.

1) 시험 장비 : 암모니아 계수 측정 장비

2) 방법 : 실시예 2에서 제조된 에어컨용 필터를 밀폐된 탱크 안에 방치하고, 이 상태에서 NH₄OH 용액을 첨가하여 탱크안의 암모니아(NH₃)의 농도를 가스 검지관을 사용하여 측정하였다. 탱크안에 방치된 시료에 암모니아 용액이 흡착, 분해하는 과정에서 탱크안의 암모니아 농도를 측정시간 1시간, 4시간, 7시간으로 측정하였으며, 측정한 결과를 표 2 및 도 4에 나타내었다.

[표 2]

[시험예 3]

본 발명에 따른 필터의 음이온 발생 평가

실시예 2에서 제조된 폴리프로필렌 필터에 대한 음이온 발생 능력을 평가하였다.

1) 시험 장비 : 공기 이온 측정기(ITC-201A)

2) 방법 : 에어콘 필터의 음이온을 측정하기 위해 실시예2에서 제조된 필터의 음이온을 대기중에서 공기 이온 측정기(ITC-201A)를 사용하여 측정하였다. 시료를 측정하기에 앞서, 대기중의 측정 보정값을 얻기 위해 대기중의 음이온 수치를 측정하였다. 측정된 수치가 "0"이 계기상에 나온 것을 확인하고 시료의 음이온을 측정하였 다. 보정된 값에서 공기 이온 측정기의 기기 흡입구 앞에 시료를 설치하고 공기 이온 측정기를 사용하여 측정을 실시하였다. 모든 실험은 5회 이상 반복하여 진행하였고, 측정시간은 0.25초 이내이며, 측정한 결과는 표 3 및 도 5에 나타내었다.

[표 3]

본 발명은 상자성 은 입자, 다이아몬드 입자 및 이산화티탄 입자로 이루어진 나노 촉매 혼합물이 함유된 플라스틱 필터 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 제조 방법은 상기 촉매 혼합물을 필터 기재인 플라스틱 수지 가공 시에 직접 혼합하여 가공함으로써 제작 과정이 편리하고, 경제적이며, 환경 친화적이다. 또한 본 발명에 따른 필터는 항균, 탈취 및 음이온 발생 측면에서 우수한 특성을 나타내어 에어콘, 팬히터, 진공청소기 등 공기정화기능이 사용되는 각종 가정용 기기에 활용도가 높을 것으로 기대된다.

Claims (12)

1. 상자성의 은(Ag), 다이아몬드 및 이산화티탄(TiO2) 혼합물을 함유한 공기 정화용 플라스틱 필터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 상자성 은, 이산화티탄 및 다이아몬드의 혼합물이 전체 플라스틱 필터 조성물에 대하여 0.1 내지 15 중량%로 함유되는 것을 특징으로 하는 공기정화용 플라스틱 필터.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 혼합물은 상자성 은, 이산화티탄 및 다이아몬드가 1 : 1 내지 20 : 1 내지 30 중량비로 혼합된 것임을 특징으로 하는 공기정화용 플라스틱 필터.
4. 제 1항 내지 제 3항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,

   상기 상자성 은(Ag)은 입자 직경이 100nm 이하의 나노입자인 공기정화용 플라스틱 필터.
5. 제 1항 내지 제 3항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,

   상기 상자성 은(Ag)은 절대온도 20K 이상에서 상자성을 갖는 공기정화용 플라스틱 필터.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 상자성 은(Ag)은 5 Gauss 이하의 보자력을 갖는 공기정화용 플라스틱 필터.
7. 제 3항에 있어서,

   다이아몬드는 입자 직경이 1㎛ 이하의 나노입자인 공기정화용 플라스틱 필터.
8. 제 3항에 있어서,

   이산화티탄은 입자 직경이 1㎛ 이하의 나노입자인 공기정화용 플라스틱 필터.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 필터는 섬유로 가공된 제직 그물망 또는 부직포, 발포체로 가공된 다공성 시트, 스폰지 또는 볼 형상으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공기정화용 플라스틱 필터.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 필터는 에어콘, 공기정화기, 냉장고, 팬히터 또는 진공청소기에 사용되는 것을 특징으로 하는 공기정화용 플라스틱 필터.
11. 제 9항에 있어서,

    상기 플라스틱은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄 및 폴리스티렌으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공기정화용 플라스틱 필터.
12. (a) 상자성 은에 다이아몬드를 1:1 내지 1:30 중량비로 첨가한 후 고속 교반하여 상자성 은 및 다이아몬드 혼합물을 제조한 후 이산화티탄을 상자성 은에 대해 1 내지 20중량비로 첨가한 후 고속 교반하여 하여 상자성 은, 다이아몬드 및 이산화티탄의 혼합물을 제조하는 단계;

    (b) 상기 a)단계 혼합물을 폴리프로필렌, 폴리에티렌 및 폴리우레탄에서 선택된 플라스틱 수지에 대해 0.5 내지 15중량%로 첨가하여 혼합, 용융 방사하는 단계;

    (c) 상기 b)단계의 혼합물을 연신 및 연사하는 단계;

    (d) 상기 c)단계에서 제조된 필라멘트사를 이용하여 정경 및 제직하는 단계;

    (e) d)단계에서 제조된 필터 메디아(media)로부터 완성품을 조립하는 단계;

    를 특징으로 하는 공기정화용 플라스틱 필터의 제조방법.

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