KR100925184B1 - 3차원 광촉매 부품 제조 방법 및 3차원 광촉매 반응 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3차원적인 광촉매 부품의 이용을 가능하게 하는 3차원 광촉매 부품의 제조 방법 및 3차원 광촉매 반응 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 금속 및 합금으로 구성이 되는 선재의 표면을 양극산화하여, 그 표면에 균일한 산화물 나노세공 피막을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 광촉매 부품 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따라 제조된 광촉매 부품은, 광이 모재의 대부분의 표면을 조사되도록 하고 광촉매로서 기능할 보다 높은 비표면적을 제공함으로써 높은 광촉매 효율을 얻을 수 있다.
광촉매, 양극산화
Description
도 1은 종래의 광촉매 부품과 본 발명에 따른 광촉매 부품의 광활성 차이를 모식적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 스프링 형태의 알루미늄과 양극산화 후 다공성 알루미나 피막을 형성 시킨 모재의 사진이다.
도 3은 다공성 알루미나 피막을 형성 후와 전의 SEM 사진이다.
도 4은 스프링 형태의 알루미나 부품에 광촉매 TiO2 나노파우더와 TiO2 나노튜브를 담지하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 5는 TiO2 나노 파우더((a), 스프링 형태의 알루미나 부품에 담지된 광촉매 TiO2 나노튜브((b)), 스프링 형태의 알루미나 부품에 담지된 광촉매 TiO2 나노파우더를 촬영한 SEM 사진이다.
본 발명은 3차원 광촉매 부품의 제조 방법 및 3차원 광촉매 반응 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원적인 광촉매 부품의 이용을 가능하게 하는 광촉매 부품의 제조 방법 및 3차원 광촉매 반응 장치에 관한 것이다.
종래의 광촉매 관련 상품들은 광촉매 나노입자들을 부직포, 금속, 플라스틱, 혹은 상품에 코팅하여 사용하였다. 이 때 담지 되는 광촉매 나노입자들은 대부분 2차원적인 평면 모재상에 코팅된다. 따라서 담지되는 광촉매의 양은 한정적이다. 또한 평판형 혹은 판재의 광촉매 부품은 한 개의 광활성 램프 혹은 자연광에 대하여 균일하게 조사되기 어려우며, 따라서 일반적으로는 모재의 한면만을 광촉매로 코팅한 제품이 사용되고 있는 실정이다.
이에 본 발명에서는 모재의 형상이 일방향의 빛의 조사에 대해서도 3차원적으로 빛이 모재 표면에 골고루 조사 가능한 고효율 광촉매 부품 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 모재 혹은 광촉매의 비표면적이 향상된 고효율 광촉매 부품 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명의 일구현예인 3차원 광촉매 부품의 제조 방법은 양극 산화 후 광촉매 활성을 갖는 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 및 니오븀(Nb) 중에서 선택된 1종의 금속 또는 이를 포함하는 합금으로부터, 빛을 투과 할 수 있는 형태인 스프링 형태, 폼(foam) 형태 또는 망사 형태의 구조체를 형성하는 공정과; 상기 구조체를 이루는 금속 또는 합금의 표면을 양극 산화하여 그 표면에 균일한 산화물 나노세공 피막을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일구현예는 양극 산화 후 얻어진 나노세공 피막에 TiO2 나노입자 또는 TiO2 나노튜브 광촉매를 담지하는 공정을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 모재는 그 성분으로 Ti가 최소한 10 중량%이상 포함된 합금일 수 있다. 한편, 상기 모재는 그 성분으로 W가 최소한 10 중량%이상 포함된 금속 혹은 합금일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명의 다른 일구현예인 3차원 광촉매 부품의 제조 방법은 알루미늄(Al) 또는 이를 포함하는 합금으로부터, 빛을 투과 할 수 있는 형태인 스프링 형태, 폼(foam) 형태 또는 망사 형태의 구조체를 형성하는 공정과; 구조체를 이루는 금속 또는 합금의 표면을 양극 산화하여 그 표면에 균일한 산화물 나노세공 피막을 형성하는 공정과 양극 산화 후 얻어진 나노세공 피막에 TiO2 나노입자 광촉매 또는 TiO2 나노튜브 광촉매를 담지하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일구현예는 양극 산화 후 얻어진 나노세공 피막에 TiO2 나노입자 또는 TiO2 나노튜브 광촉매를 담지하는 공정을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 모재는 그 성분으로 Ti가 최소한 10 중량%이상 포함된 합금일 수 있다. 한편, 상기 모재는 그 성분으로 W가 최소한 10 중량%이상 포함된 금속 혹은 합금일 수 있다.
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이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
도 1은 종래의 광촉매 부품과 본 발명에 따른 광촉매 부품의 광활성 차이를 모식적으로 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서는 양극산화가 가능한 Al, Ti, W, Nb 등의 금속, 이들 금속을 포함하는 합금 또는 이들 금속간의 합금으로 된 선재를 3차원적으로 성형한다. 성형은 선재간에 소정의 간극을 부여하며 내부에 빈 공간을 보유하도록 함으로써 조사된 광이 통과할 공간을 제공한다. 또한 길쭉한 선재는 평면상의 모재에 비해 그 비표면적이 크다. 도 1의 (b)는 금속 선재가 스프링 형태로 성형된 경우를 도시하고 있다. 먼저 도 1의 (a)를 보면, 종래의 판형 부품(1)은 1개의 램프 (2)에서 일방향 빛(4)이 나오며 반사경에서 반사된 빛(5)이 반대쪽면의 광촉매가 코팅된 부분을 활성화 시킨다. 그러나 그림에서 보듯이 광촉매 부품 자체의 빛 차단 때문에 뒤편의 광촉매 부품이 반사된 빛(5)에 의하여 활성화되기는 매우 어렵다. 따라서 기존의 광촉매 장치는 일방향 광촉매 활성 부품을 사용하는 것이 대부분이다. 또는 반사경이 있는 위치에 반사경 대신 광촉매 부품들을 위치시켜 비표면적을 넓게 하는 형태를 이용하기도 한다. 이와 대조적으로 본 발명의 광촉매 부품은 도 1b에서 보는바와 같이 스프링 형태로 제조될 수 있으며, 스프링을 형성하는 선재 사이의 간극 및 그 내부의 빈공간을 통하여 빛이 직접 통과한다. 따라서 반사경을 통하여 3차원적으로 광촉매 부품 전체 표면을 보다 균일하게 빛을 조사시키는 것이 가능하여 부품 전표면에 고른 광활성을 줄 수 있다. 또한 반사경 위치 부분에 판형 광촉매들을 추가적으로 설치시킴으로써 단위 부피당 최고의 광촉매 효율을 올릴 수 있다. 이는 기존의 광촉매 부품 및 장치에서는 얻을 수 없었던 효과이다.
본 발명에서 3차원 성형을 걸친 3차원 모재는 추가적으로 양극산화 과정을 통하여 이 부품의 전 표면에 균일하게 나노 세공이 형성된다. 이로써 3차원 모재(또는 광촉매 부품 자체)의 비표면적은 극대화 될 수 있다.
<실시예 1>
도 2는 2 mm직경의 알루미늄 선재를 스프링형태로 성형한 후 및 옥살산 용액에서 40 V의 직류 전압으로 양극산화를 한 후 촬영한 사진이다. 사진으로부터 양극산화전((a))의 금속 광택이 양극산화 후((b))에는 약간 아이보리색으로 바뀜을 알 수 있다. 도 3은 본 발명의 선재형 모재(또는 광촉매 부품)에 대한 양극산화 전후의 표면 SEM 사진이다. 도 3의 (a)는 양극산화전의 알루미늄 모재의 표면, 도 3의 (b)는 옥살산에서 40V로 양극산화를 한 경우, 도 3의 (c)는 인산에서 130V로 양극산화를 한 후의 알루미늄 모재의 표면 사진이다. 나노세공의 크기는 도 3의 (b)에서는 약 80-100 nm이고 도 3의 (c)에서는 약 200-300 nm임을 알 수 있다. 이로부터, 나노 세공의 크기는 용액과 가해준 전압에 의해 조정이 가능함을 알 수 있다. 본 실시예에서는 3차원적인 형상을 갖는 모재를 균일하게 양극산화 하기 위하여 모재를 가운데 두고 원통형 전극(예컨대 탄소전극)을 3차원적으로 둘러싼 후 양극산화를 하였다.
<실시예 2>
Ti 와이어를 스프링 형태로 성형 한 후 불산(0.5 Wt%)용액 내에서 20V 전압으로 양극산화를 수행하여 다공성 TiO2피막을 얻어냈다. 실험장치는 전술한 알루미늄 산화의 경우와 같았다.
Ti 같이 양극산화를 통하여 얻은 나노세공 TiO2 피막은 광촉매 활성이 있어서 그대로 광촉매 부품으로 사용할 수가 있다.
물론 전술한 Al, Ti뿐만아니라 W, Nb, 및 다양한 합금들에도 양극산화방법이 적용될 수 있음은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 알 수 있을 것이다. 따라서 원리적으로 비슷한 조건에서 이들을 선재로 하여 3차원적으로 성형 시켜 양극산화를 수행할 수 있다. 그러나 기존의 카운터 전극이 평판, 혹은 선형 백금 혹은 탄소전극을 사용해야 하는 반면 본 발명에서는 원통형 전극을 적용함으로써 3차원 선재에 균일한 세공을 얻을 수 있었다.
한편, 광촉매 활성이 없는 나노세공 산화물 피막은 그 나노 세공에 별도의 광촉매 파우더 (TiO2 등) 또은 나노튜브(TiO2 등)을 담지하여 광촉매 부품으로 사용할 수 있다.
<실시예 3>
본 실시예는 양극산화로 형성된 다공성 알루미나에 TiO2를 생성시켜 3차원 광촉매 부품을 제조하는 경우를 예시한다. 모재로는 알루미늄 선재를 성형한 스프링 형태를 사용하였고 옥살산 용액에서 40V로 양극산화하였다. 모재의 표면에는 다공성 알루미나가 형성되었는데, 나노세공의 크기는 약 80-100 nm였다. 모재의 다공성 알루미나 표면에 TiO2를 다음과 같이 2가지 방법으로 화학적으로 생성시켰다.
첫 번째로 스프링 형태의 다공성 알루미나 나노세공에 TiF4와 암모니아 수용액에 담그어 60 oC로 유지시키면 티타니아 막대가 나노세공에 형성된다. 두 번째로 다공성 모재를 티타늄 이소프록사이드(titanium isoproxide) 용액에 담근 다음 에탄올-물 혼합용액에 담그어 가수분해 시켜 TiO2막을 알루미나 나노세공 안쪽벽에 코팅하는 것이 가능하다. 그 후 알루미나 나노세공 피막의 용해 정도에 따라 TiO2는 튜브형태로 광촉매 부품 표면위로 드러날 수 있다. 도 4는 이 과정을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 5의 (a)는 TiO2 나노파우더 (20-30 nm)를, 도 5의 (b)는 TiO2 나노튜브 (10 M NaOH 용액에서 100도시에서 TiO2파우더를 10시간 digestion를 통하여 합성)를, 그리고 도 5의 (c)에 대표적으로 TiO2 나노파우더를 다공성 알루미나 부품에 담지 시킨 광촉매 부품을 나타낸 SEM 사진이다.
본 발명은 금속 소재를 성형 소재로 사용하기 때문에 다양한 방법에 의해 모재를 성형할 수 있다. 즉, 모재는 그 외형의 형태가 망사형태로 형성된 소재나 또는 망사 형태로 형성된 소재를 적층하거나 롤 형태로 감은 것이 사용될 수 있으며, 그 외형이 폼 (Form) 형태로 형성된 모재도 사용 가능하다. 여기서 망사형태는 일반적인 그물망 형태뿐만 아니라 소재를 관통한 다양한 형태의 홀(hole)들이 형성된 모양일 수 있으며, 폼(Form) 형태는 소재에 세밀한 구멍들이 형성되어 있으며 이와 같은 구멍들을 통해 빛이 소재를 통과할 수 있는 형태를 말한다. 또 본 발명에서 이들 금속 모재의 성형은 기계적인 가공에 의한 성형뿐만 아니라 몰드에 용융된 금속을 붓거나 도금, 증착을 통하여 형성시키는 것을 포함한다. 즉, 몰딩법 혹은 도금법을 통해서도 다양한 그물망 혹은 폼을 생성시킬 수 있기 때문이다. 예를 들어서 몰딩법에 의한 알루미늄 폼을 양극산화 시키면 별문제 없이 표면에 나노세공이 형성됨을 알 수 있었다.
본 발명에서 최종 성형한 형태의 모재는 모재의 외관이 형성하는 부피 중 빈 공간의 부피가 최소한 50% 이상, 바람직하게는 80% 이상을 차지하는 것이 바람직하다. 이와 같이 50% 이상의 공극은 이와 같은 많은 공극에 의해 외부에서 입사된 광은 모재의 내부까지 골고루 조사할 수 있으며, 모재 표면의 광촉매를 골고루 활성 화할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 것과 같이, 본 발명은 간단한 프로세스를 통하여 광촉매 활성이 뛰어난 부품들을 광촉매 시장에 제공할 수가 있다. 이는 기존의 2차원적인 광촉매 부품의 개념을 뛰어넘어 3차원적인 광촉매 부품으로 확대시켰고 기존에 2차원적인 양극산화법을 3차원적으로 확대 시켰으며 이를 통하여 광촉매 부품의 비표면적을 비약적으로 늘릴 수 있었다. 또한 광촉매 장치 설계에서도 훨씬 유리하게 되었다. 본 연구에서 개발된 원리 및 생성물은 기타 다른 촉매의 담지에도 크게 활용이 될 수 있으리라 기대한다.
Claims (8)
- 양극 산화 후 광촉매 활성을 갖는 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 및 니오븀(Nb) 중에서 선택된 1종의 금속 또는 이를 포함하는 합금으로부터, 빛을 투과 할 수 있는 형태인 스프링 형태, 폼(foam) 형태 또는 망사 형태의 구조체를 형성하는 공정과;구조체를 이루는 금속 또는 합금의 표면을 양극 산화하여 그 표면에 균일한 산화물 나노세공 피막을 형성하는 공정을 포함하는 3차원 광촉매 부품의 제조 방법.
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- 제 1항에 있어서, 양극 산화 후 얻어진 나노세공 피막에 TiO2 나노입자 광촉매 또는 TiO2 나노튜브 광촉매를 담지하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 광촉매 부품의 제조 방법.
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- 알루미늄(Al) 또는 이를 포함하는 합금으로부터, 빛을 투과 할 수 있는 형태인 스프링 형태, 폼(foam) 형태 또는 망사 형태의 구조체를 형성하는 공정과;구조체를 이루는 금속 또는 합금의 표면을 양극 산화하여 그 표면에 균일한 산화물 나노세공 피막을 형성하는 공정과양극산화 후 얻어진 나노세공 피막에 TiO2 나노입자 광촉매 또는 TiO2 나노튜브 광촉매를 담지하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 광촉매 부품의 제조 방법.
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