KR100822439B1 - 메조크기 다공성 이산화티탄 박막을 갖는 판넬 및 그 제조방법 - Google Patents

메조크기 다공성 이산화티탄 박막을 갖는 판넬 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오염 방지(self-cleaning), 탈취, 공기정화 및 항균작용을 갖는 기능성 건축 내외장재로 사용될 수 있는, 메조다공성 이산화티탄 박막을 갖는 판넬 및 그것의 제조방법에 관한 것이다.
메조다공성, 이산화티탄 박막, 알루미늄 판넬

Description

메조크기 다공성 이산화티탄 박막을 갖는 판넬 및 그 제조방법{A panel having a mesoporous TiO2 thin film and a preparation method thereof}
도 1은 Staphylococcus aureus ATCC 6538 및 Escherichia coli ATCC 25922에 대한 본 발명에 따른 법랑 판넬의 항균 시험 결과를 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 법랑 판넬의 셀프 크리닝(오염방지) 시험 결과를 나타내는 사진이다.
본 발명은 오염 방지(self-cleaning), 탈취, 공기정화 및 항균작용을 갖는 기능성 건축 내외장재로 사용될 수 있는 메조크기 다공성 이산화티탄 박막을 갖는 판넬 및 그것의 제조방법에 관한 것이다.
알루미늄, 강철, 스텐레스 스틸 및 법랑으로 만들어진 판넬은 건축 내외장재로 흔히 사용되어 오고 있다. 그러나, 판넬이 건축 외장재로 사용될 경우, 자동차 매연이나 부유분진 등에 의해 표면 오염이 심하여 주기적으로 세척작업을 하여야 하나, 고층 건물 등에서는 그 세척이 어려울 뿐만 아니라 소요 비용도 막대하다. 건축 외장재 표면은 고착된 오염물질의 세정작업에 사용되는 연마제에 의하여 손상 되어 오염이 더 심화되어 건축물의 미관을 크게 회손시킬 수 있다. 판넬이 건축 내장재로 사용될 경우, 그 표면이 먼지 등에 의해 오염될 뿐 아니라, 세균, 곰팡이, 진드기 등이 증식되어 인간의 호흡기 질환 및 위생에 유해 요소로 작용하고 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해, 최근 이산화티탄 메조 다공성 박막을 갖는 판넬이 개발되어 왔다. 통상적으로 메조 다공성 박막은 다음과 같은 특징을 갖는다:
1) 동공에 화합물이 흡착되는 경우, 동공에 흡착된 화합물은 모세관 응축현상에 의해 비교적 안정화된다. 따라서 휘발성 또는 비휘발성 유기 오염물질의 흡착체로 사용할 수 있다;
2) 물리적으로나 화학적으로 불안정한 화합물을 동공에 포집하여 운반할 수 있다;
3) 비표면적이 700 ~ 900m2/g 정도로 매우 크기 때문에 효율성이 뛰어난 촉매 또는 촉매의 담체로 사용할 수 있다;
4) 태양광 전지에 굴절율이 큰 다공성 이산화티탄 박막을 코팅하여 동공에서 빛의 산란에 의한 태양전지의 광 효율을 증가시킴으로써 광 효율성 박막으로 사용할 수 있다.
그러나, 상기와 같이 메조 다공성 박막은 그 응용성이 매우 뛰어나지만, 이 박막의 코팅에 사용되는 콜로이드 용액이 강산성 조건하에서 제조되고 있어 다양한 용도로 사용할 수 없는 문제가 있었고, 다양한 종류의 계면활성제의 사용이 가능하 지 않았다.
본 발명자들은 이와 같은 종래의 메조 다공성 이산화티탄 박막을 갖는 판넬 및 그 제조방법의 문제점을 해결하고자 연구를 계속한 결과, 메조 다공성 이산화티탄 박막용 중성 콜로이드 용액, 그 제조방법 및 이를 이용한 메조 다공성 이산화티탄 박막을 완성하여 이를 본 발명자들이 기 출원한 특허출원 제2004-73453호에 상세히 기재한 바 있다.
상기 출원의 메조 다공성 이산화티탄 박막용 콜로이드 용액은 중성이어서, 그 응용성이 뛰어나고 광범위한 분야에 적용할 수 있는 장점이 있으며, 또한, 그 제조시에 다양한 계면활성제가 사용될 수 있어서, 다양한 크기와 구조를 갖는 메조 다공성 박막을 생성할 수 있고 다양한 분야에 적용하여 응용할 수 있다.
본 발명의 목적은 메조 크기 동공을 갖는 다공성 이산화티탄 박막용 중성 콜로이드 용액이 코팅되어 오염방지, 탈취 및 항균 작용을 갖는 알루미늄 또는 법랑 판넬을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 투명한 다공성 이산화티탄 박막을 갖고, 오염방지, 탈취, 공기정화 및 항균 작용을 갖는 알루미늄 또는 법랑 판넬의 제조방법으로, 상기 판넬에 메조 크기 동공을 갖는 다공성 이산화티탄 박막용 중성 콜로이드 용액을 도포하여 코팅층을 형성하고, 상온에서 건조하여 형성된 코팅층을 경화시키는 것으로 이루어지는 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 양태에 따라서, 메조 크기 동공을 갖는 다공성 이산화티탄 박막용 중성 콜로이드 용액이 코팅되어 오염방지, 탈취, 공기정화 및 항균 작용을 갖는 알루미늄 또는 법랑 판넬이 제공된다.
본 발명에서 사용되는 메조크기의 동공을 갖는 다공성 이산화티탄 박막용 콜로이드 용액은 중성이고, 2~10nm 크기의 이산화티탄 나노 미립자가 10%의 고농도로 매우 안정하게 분산되어 있고, 계면활성제 3 ~ 30 중량%, 안정화제 0.1 ~ 10중량%, 및 나머지로는 용매인 물 또는 알코올을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올과 같은 C1~C4의 저급 알코올이다.
본 발명에서 안정화제로는 알콜기, 수산기(hydroxy)와 이웃하는 위치에 케톤이나 수산기, 알콜기를 갖는 화합물들과 아민 또는 아미드기를 갖는 화합물들이며, 예를 들면, 글리콜산 또는 글리콜산염, 그리고 폴리에틸렌-, 폴리프로필렌-, 폴리부틸렌-글리콜 고분자 또는 올리고머, 그리고 단량체들을 사용할 수 있다.
계면활성제로는 양이온, 음이온, 비이온성, 양쪽성 계면활성제 중에서 선택되는 하나 이상을 조합해서 사용할 수도 있다. 양이온성과 음이온성 계면활성제를 조합하여 사용하는 경우에는 한 종류를 소량으로 첨가하는 것이 효과적이다.
본 발명에서 메조 동공의 주형으로 사용되는 계면활성제는 어느 것도 사용할 수 있으나, 특히 극성부분이 음이온인 계면활성제로서 인산염, 황산염, 유기산염 등 물이나 알코올에 용해성인 음이온 계면활성제가 사용될 수 있다. 양이온성 계면 활성제로는 대체로 알킬 아민계 계면활성제가 사용되며, 그 예로 세틸트리알킬암모늄할라이드가 사용된다. 이때 알킬기의 탄소수가 클수록 메조 동공의 크기도 증가하게 된다. 비이온성 계면활성제로는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리부틸렌옥사이드, 또는 이들 고분자의 코폴리머, 혹은 다이블록 폴리머, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜, 아미드 또는 아민 기와 유기산이 포함된 유기화합물과 같은, 물이나 알코올에 용해되는 계면활성제가 사용될 수 있다. 특히 비이온성 계면활성제는 분자량이 크고 이산화티탄 나노 콜로이드의 분산성에도 효과적이므로 동공의 크기나 모양을 임의적으로 조절하기가 용이한 장점이 있다.
본 발명에서 티탄화합물은 유기티타늄 종류인 Ti(OR)4 ( R = 알킬기) 형태의 모든 유기금속 화합물이 사용될 수 있으며, 또한 Ti(X)4 ( X= 할로겐 원소), 황산티타늄, 황산산화티타늄 등과 같은 무기계 티타늄 화합물이 사용될 수 있다. 이때 티타늄테트라이소프로폭사이드 대신에 Ti(OR)4 형태의 모든 테트라 알콕시 티타늄 유기 화합물을 모두 사용할 수 있으며, 첨가량은 TiO2로 환산하여 약 10%가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 제조한 메조 다공성 이산화티탄 박막용 콜로이드 용액은 중성 수용액 상이므로 원하는 성형물 표면에 분사법, 침지법, 붓을 이용해서 칠하는 도포방법 등 다양한 방법을 이용하여 코팅될 수 있다. 성형물 표면에 메조 다공성 이산화티탄 박막용 콜로이드 용액을 코팅한 후, 350 ~ 550℃ 온도 영역에서 3시간 이상, 공기 중에서 열처리하여 메조 다공성 이산화티탄 박막을 형성한다. 성형물을 이 온도범위에서 열처리할 수 없는 경우에는 자외선을 조사하여 광촉매 분해에 의해 메조 다공성 이산화티탄 박막을 형성시킬 수 있다.
본 발명의 메조 동공을 갖는 다공성 이산화티탄 박막용 콜로이드 용액에서 메조크기의 동공의 형성과정은 다음과 같다:
계면활성제를 용매에 임계 미셀 농도로 첨가하면 초기에는 구형의 미셀을 형성하고, 그리고 점진적으로 농도가 증가하면 막대형의 미셀을 형성하게 되는데 이 막대형 미셀이 육각조밀구조를 형성하게 된다. 이 막대형 미셀의 극성부분과 가수분해된 금속산화물(이산화티탄)이 상호작용하여 막대형 미셀의 외부에서 동공의 벽을 형성하게 된다. 그러므로 막대형의 미셀의 크기와 구조형태가 메조동공의 크기와 구조형태가 되는 것이다. 임계미셀 농도는 계면활성제의 종류에 따라 다르므로 계면활성제의 첨가량과 용액의 제조 방법은 실시예를 참고로 한다.
본 발명의 방법에 따라 제조된 메조 다공성 이산화티탄 박막은 동공의 크기나 구조가 매우 균일하고, 동공의 벽이 매우 안정한 메조 동공의 이산화티탄 박막이다. 본 발명의 다공성 이산화티탄 박막은 비표면적이 700 ~ 900m2/g 이상이고, 육각조밀구조의 실린더 구조나 입방구조와 같은 다양한 동공 구조를 갖는 다공성의 박막 특성을 나타낸다. 또한 1 ~ 20nm 크기의 메조 동공의 주형으로 양이온, 음이온, 비이온성, 양쪽성 계면활성제 등 모든 계면활성제를 사용할 수 있는 특징이 있다.
본 발명에서 사용되는 메조 크기 동공을 갖는 다공성 이산화티탄 박막용 중 성 콜로이드 용액의 제조방법은 본 발명자들이 기 출원한 특허출원 제2004-73453 호의 명세서에 상세히 기재되어 있다.
요약하면, 본 발명에서 사용되는 메조크기의 동공을 갖는 다공성 이산화티탄 박막용 중성 콜로이드 용액의 제조방법은 다음과 같다:
1) 물에 안정화제를 첨가한 후 교반하며 녹인다;
2) 상기 용액에 티탄화합물을 첨가한 후 교반하면서 가수분해한다;
3) 별도의 물에 계면활성제를 녹인다;
4) 상기 계면활성제 용액과 티탄화합물의 콜로이드 용액을 강력히 교반하면서 혼합하여 메조크기의 동공을 갖는 다공성 이산화티탄 박막용 콜로이드 용액을 제조한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면 중성의 메조크기의 동공을 갖는 다공성 이산화티탄 박막용 콜로이드 용액은 다음 방법으로 제조될 수 있다.
1) 물에 안정화제 및 계면활성제를 첨가한 후 교반하며 녹인다;
2) 상기 용액에 티탄화합물을 첨가한 후 교반하면서 가수분해한다;
3) 상기 용액을 가열하면서 반응을 지속시켜 메조 다공성 이산화티탄 박막용 콜로이드 용액을 제조한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 알코올과 같은 유기 용매에서 중성이고 안정하며 균일한 조성의 메조 동공을 갖는 다공성 이산화티탄 박막용 중성 콜로이드 용액을 제조한다:
1) 알코올에 안정화제를 첨가하여 녹인다.
2) 상기 용액에 티탄화합물을 첨가하고, 증류수를 첨가한다.
3) 상기 용액을 1시간 이상 교반하면서 충분히 가수분해시킨다.
4) 이 용액을 50 ~ 70℃로 가열하면서 3시간 이상 반응을 지속하여 투명하고 맑은 이산화티탄 콜로이드 용액을 제조한다.
5) 이 용액과 별도로 알코올에 계면활성제를 첨가하여 녹인다.
6) 상기 계면활성제 용액과 이산화티탄 나노 콜로이드 용액을 강력히 교반하면서 혼합하여 메조크기의 동공을 갖는 다공성 이산화티탄 박막용 중성 콜로이드 용액을 제조한다.
본 발명의 또 하나의 양태에 따라서, 투명한 다공성 이산화티탄 코팅층을 갖고, 오염방지, 탈취, 공기정화 및 항균 작용을 갖는 알루미늄 또는 법랑 판넬의 제조방법으로,
상기 판넬에 중성의 투명한 메조 다공성 이산화티탄 코팅액을 도포하여 코팅층을 형성하고, 상온에서 건조하여 형성된 코팅층을 경화시키는 것으로 이루어지는 방법이 제공된다.
본 발명에서 사용되는 알루미늄 판넬은 경량성, 견고성, 평활성이 뛰어난 소재로서 사용된다. 또한, 법랑 판넬은 금속 표면에 유리질 유약을 피복시킨 것으로 금속의 강인성과 유리가 가진 내식성과 청결성을 겸비함으로써 건축 외장재에 사용되고 있으며, 금속으로는 강판, 주철, 철합금, 구리, 알루미늄 및 귀금속등이 사용되는데 강판법랑이 가장 흔하게 사용된다.
본 발명의 제조방법에 의해 제조된 알루미늄 또는 법랑 판넬은 초친수성인 메조 다공성 이산화티탄 박막층을 갖게 되어, 셀프-크리닝 효과가 있어서 물만으로도 세척이 용이하다. 또한, 박막층에서 이산화티탄은 메조크기를 갖는 미립자의 형태로 있어서, 박막층이 투명할 뿐 아니라, 광촉매의 표면적이 넓게 되어 빠른 시간에 효율적으로 오염방지, 탈취, 공기정화 및 항균작용을 수행할 수 있다.
메조 다공성 이산화티탄 코팅액의 제조방법에 관한 더 상세한 사항, 예를 들면 각 단계에서의 조건, 제조예 및 제조된 코팅액의 특성 등은 특허출원 제2004-73453 호의 명세서를 참조하여 당업자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 본 명세서에서는 수계 및 알코올계 이산화티탄 박막용 중성 콜로이드 용액의 제조예 하나씩 만을 하기 실시예에서 예시하기로 한다.
실시예
제조예 1: 수계 이산화티탄 콜로이드 용액의 제조
증류수 650mL에 글리콜산 20g과 트리에탄올아민 7.0g을 첨가하여 용해하고, 생성된 용액에 티타늄테트라이소프로폴사이드 160g을 첨가하여 50 ~ 70℃로 가열하였다. 이 용액과 별도로 증류수 300 mL에 비이온성 계면활성제인 폴리에틸렌-폴리프로필렌 옥사이드 다이블록 150g을 첨가하였다. 이 계면활성제 용액과 이산화티탄 나노 콜로이드 용액을 강력히 교반하면서 혼합하여 메조 다공성 이산화티탄 박막용 콜로이드 용액을 제조하였다.
제조예 2: 알콜계 코팅액 제조
폴리에틸렌-폴리프로필렌 옥사이드 다이블록 폴리머를 사용하는 대신에 비이온성 계면활성제인 트리톤-엑스-100 150g을 첨가하는 것을 제외하고 실시예 1의 방법으로 메조 다공성 이산화티탄 박막용 콜로이드 용액을 제조하였다.
제조예 3: 메조 다공성 이산화티탄 박막이 코팅된 알루미늄 판넬 제조
제조예 1에서 제조된 메조 다공성 이산화티탄 콜로이드 용액을 1.3mm 크기의 다홀의 와류형 노즐이 장착된 스프레이로, 4Kg/cm2의 콤프레서 압력하에, 알루미늄 판넬 (KAM PPIN PAINT WORKS LTD.)으로부터 0.5 ~ 1m 거리를 두고 1 ~ 2회 분사하여 그 표면에 메조다공성 이산화티탄 박막층을 형성한 후, 상온에서 2시간 이상 건조시켰다.
제조예 4: 메조 다공성 이산화티탄 코팅된 법랑 판넬 제조
제조예 1에서 제조된 메조 다공성 이산화티탄 콜로이드 용액을 1.3mm 크기의 다홀의 와류형 노즐이 장착된 스프레이로, 4Kg/cm2의 콤프레서 압력하에, 법랑 판넬로부터 0.5 ~ 1m 거리를 두고 1 ~ 2회 분사하여 그 표면에 메조다공성 이산화티탄 박막층을 형성한 후, 상온에서 2시간 이상 건조시켰다.
실시예 1: 항균 시험
제조예 4에서 제조된 메조 다공성 이산화티탄 박막층을 가진 법랑 판넬의 항 균작용을 KATRI (Korea Apparel Testing & Research Institute)에 의뢰하여 AATCC TM147에 따라서 시험케 한 후 그 시험 결과 사진을 취하여 도 1에 나타내었다. 이 시험에 사용된 균은 Staphylococcus aureus (ATCC 6538) 및 Escherichia coli (ATCC 25922)였다. 또한 항균 결과를 표 1에 나타내었다.
도 1의 사진들에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에 따른 법랑 판넬은 우수한 항균작용을 가졌다.
시료 시험 박테리아 1* 시험 박테리아 2**
억제영역의 평균 넓이 시편에서의 박테리아 성장 억제영역의 평균 넓이 시편에서의 박테리아 성장
#1 0.0mm 성장 없음 0.0mm 성장 없음
*시험박테리아 1: Staphylococcus aureus ATCC 6538
**시험박테리아 2: Escherichia coli ATCC 25922
실시예 2: 탈취(deodorization) 시험
제조예 3에서 제조된 메조 다공성 이산화티탄 박막층을 가진 알루미늄 판넬의 탈취 작용을 가스 검지관법으로 암모니아(NH3) 가스에 대해 행하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
시험 기간 탈취율(%)
30분 후 60분 후 90분 후 120분 후 99.6 99.6 99.8 99.8
상기 표 2에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 알루미늄 판넬은 우수한 탈취 작용을 가졌다.
실시예 3: 셀프 크리닝 시험
법랑 판넬의 표면 1/2 (도 2에서 우측)이 제조예 4에 따라 메조 다공성 이산화티탄 박막층을 가진 법랑 판넬을 14일 방치한 후 물을 분사하여 셀프 크리닝 효과를 시험하였다.
도 2에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 메조 다공성 이산화티탄 박막층을 가진 법랑 판넬은 셀프 크리닝 효과로 인해 오염물이 씻겨 내려가 깨끗해졌다(우측). 이에 비하여 법랑 판넬의 좌측 (메조 다공성 이산화티탄 박막층이 없는 부분)은 오염물이 분사된 물방울에 맺힌 상태 그대로 남아 있다.
본 발명에 따른 메조 다공성 이산화티탄 코팅된 알루미늄 또는 법랑 판넬은 투명하고 광촉매 활성이 우수하여, 셀프-크리닝, 탈취, 공기정화, 항균작용 및 오염방지 작용을 수행할 수 있는 다기능성 건축 내외장재로 사용될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 이산화티탄 코팅된 알루미늄 또는 법랑 판넬의 제조방법은 사용되는 코팅액이 중성이여서 작업환경이 우수하고 또한 상온에서 경화되므로 열처리 없이 단지 건조시키는 것만으로 작업이 이루어지므로 그 과정이 매우 간략하게 된다.

Claims (8)

  1. 오염방지, 탈취, 공기정화 및 항균 작용을 갖는 판넬로,
    중성이고 2 ~ 10nm 크기의 이산화티탄 나노 미립자가 10%의 고농도로 매우 안정하게 분산되어 있고, 임계미셀 농도 이상의 계면활성제, 안정화제 0.1 ~ 10 중량% 및 나머지로는 용매인 물 또는 알코올을 포함하는 콜로이드 용액으로 코팅되어 이루어진 박막층을 가지고,
    상기 안정화제는 글리콜산이나 글리콜산염 및 폴리에틸렌-, 프로필렌-, 부틸렌-글리콜 고분자 또는 올리고머 또는 단량체들 중에서 선택되고, 상기 박막층은 동공의 크기나 구조가 매우 균일하고 동공의 벽이 매우 안정하고 비표면적이 700~900m2/g 범위인 판넬.
  2. 제 1항에 있어서, 메조 동공의 주형인 상기 계면활성제가 양이온성, 음이온성, 비이온성 또는 양쪽성의 계면활성제 중에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 판넬.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 계면활성제가 인산염, 황산염, 유기산염 등의 음이온성 계면활성제, 세틸트리알킬암모늄 할라이드 염등의 양이온성 계면활성제, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리부틸렌옥사이드, 또는 이들 고분자의 코폴리머, 혹은 다이블록 폴리머, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜, 아마이드 또는 아민기와 유기산이 포함된 유기화합물 등의 비이온성 계면활성제 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 판넬.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 판넬은 알루미늄 또는 법랑 판넬인 것을 특징으로 하는 판넬.
  7. 메조 다공성 이산화티탄 박막층을 갖고, 오염방지, 탈취, 공기정화 및 항균 작용을 갖는 판넬의 제조방법으로,
    판넬에 메조 다공성 이산화티탄 박막용 콜로이드 용액을 도포하여 코팅층을 형성하고, 공기 중, 350 ~ 550℃의 온도에서 3 시간 이상 열처리 또는 자외선 조사하여 형성된 박막층을 경화시키는 것으로 이루어지고,
    상기 다공성 이산화티탄 코팅액은 중성이고 2 ~ 10nm 크기의 이산화티탄 나노 미립자가 10%의 고농도로 매우 안정하게 분산되어 있고, 임계미셀 농도 이상의 계면활성제, 안정화제 0.1 ~ 10중량% 및 나머지로는 용매인 물 또는 알코올을 포함하고, 상기 안정화제는 글리콜산이나 글리콜산염 및 폴리에틸렌-, 프로필렌-, 부틸렌-글리콜 고분자 또는 올리고머 또는 단량체들 중에서 선택되는 것인 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 도포는 스프레이법으로 행하고, 코팅층의 두께는 1.0㎛ 이하로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
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