KR100951897B1 - 다공성 이산화티탄 광촉매막 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 오염물질과의 접촉면적이 확대되도록 미세기공을 형성한 다공성 이산화티탄 광촉매막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막은, 20 내지 45%의 부피비로 다수 미세기공(210)이 형성되며, 상기 미세기공(210)은, 10㎛미만의 내경을 갖는다. 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막의 제조방법은, 이산화티탄에 부피비 20 내지 45%의 인산칼슘을 혼합하는 분말혼합단계(S100)와, 상기 혼합분말을 모재(240) 일측에 상온 진공 분말 분사법(Room Temperature Powder Spray in Vacuum)으로 증착하여 복합코팅막(220)을 형성하는 복합코팅막형성단계(S200)와, 상기 복합코팅막(220)에 포함된 인산칼슘을 제거하여 미세기공(210)을 형성하는 미세기공형성단계(S300)로 이루어진다. 본 발명에 따르면, 오염물질에 대한 광촉매 효율이 향상되는 이점이 있다.
오염물질, 광촉매, 다공성, 이산화티탄, 상온 진공 분말 분사법
Description
도 1 은 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막의 증착 원리를 나타낸 개념도.
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예가 채용된 복합코팅막을 형성하기 위한 코팅막형성장치의 일실시예의 구성을 보인 개략도.
도 3 은 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막의 제조방법을 나타낸 일 실시예의 순서도.
도 4 는 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막을 형성하기 위한 코팅막형성장치의 다른 실시예의 구성을 보인 개략도.
도 5 는 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막의 제조방법을 나타낸 다른 실시예의 순서도.
도 6a 는 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막에 대한 비교예의 외관을 보인 주사전자 현미경 사진.
도 6b 내지 도 6f 는 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막의 제조방법에서 일 단계인 분말혼합단계 중 인산칼슘의 첨가량을 변화시켰을 때 외관을 보인 주사전자 현미경 사진.
도 7 는 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막의 UV-VIS 흡광 특성을 나타낸 그래프.
도 8 은 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막의 메틸렌블루 분해 성능을 나타낸 그래프.
도 9 는 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막에서 인산칼슘의 부피함량이 35%인 경우 연필경도를 측정한 광학현미경 사진.
도 10 은 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막에서 인산칼슘의 부피함량이 40%인 경우 연필경도를 측정한 광학현미경 사진.
도 11 은 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막에서 인산칼슘의 부피함량이 45%인 경우 연필경도를 측정한 광학현미경 사진.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100. 코팅막형성장치 110. 진공챔버
112. 스테이지 120. 진공펌프
130. 혼합용기 140. 가스공급수단
150. 가스공급관 160. 이송관
200. 광촉매막 210. 미세기공
220. 복합코팅막 240. 모재
C. 원료분말 S100. 분말혼합단계
S150. 진공형성단계 S200. 복합코팅막형성단계
S250. 입자회수단계 S300. 미세기공형성단계
본 발명은 오염물질과의 접촉면적이 확대되도록 미세기공을 형성하여 오염물질에 대한 광촉매 효율이 향상되도록 한 다공성 이산화티탄 광촉매막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 오염물질을 처리하기 위한 방법으로 이산화티탄(TiO2)으로 대표되는 광촉매막이 사용되고 있다.
최근 산업이 발달함에 따라 급격하게 증가하는 환경 오염물질의 처리를 위해 광촉매막에 대한 많은 연구개발이 진행되고 있다.
광촉매막을 이용한 오염물질의 처리는 2차오염이 발생되지 않고, 에너지 소비가 적은 장점으로 인해 산업폐수 및 난분해성 유기물의 처리에 적용되고 있으며, 보다 효과적인 처리를 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
그러나, 이산화티탄 광촉매막은 표면에 접촉한 오염물질만 분해 가능하고, 오염물질과의 접촉면적이 좁아서 광촉매 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 대한민국 특허청 등록특허 제 0506333호에는 하이드록시 아파타이트 이산화티탄 광촉매를 코팅한 폴리우레탄 폼 필터의 제조방법이 게시되어 있다.
상기 등록특허는 이산화티탄에 흡착성능을 부여하기 위하여 하이드록시 아파 타이트(인산칼슘의 일종)를 복합화하여 폼(form)필터를 제조하는 방법으로 화학적인 방법에 의해 이산화티탄과 하이드록시 아파타이트의 현탁액 및 유기바인더를 혼합하여 모재에 코팅하는 방법이다.
그러나, 이러한 코팅에 의한 폼필터 제조방법에는 바인더가 반드시 요구되며, 제조된 광촉매막의 강도나 모재와의 밀착력이 저하되고, 광촉매 효율에 있어서 제한이 발생하게 되어 바람직하지 못하다.
또한, 이러한 코팅에 의한 인산칼슘함유 복합 광촉매는 인산칼슘이나 바인더가 물에 의해 용출될 수 있어 광촉매의 장기적인 신뢰성에 있어서 문제가 될 수 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 바인더를 사용하지 않고 상온 진공 분말 분사법(Room Temperature Powder Spray in Vacuum)을 이용하여 이산화티탄-인산칼슘을 증착하고, 인산칼슘만 선택적으로 제거하여 미세기공을 형성함으로써 오염물질과의 접촉면적이 확대되도록 한 다공성 이산화티탄 광촉매막 및 이의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막은, 20 내지 45%의 부피비로 다수 미세기공이 형성됨을 특징으로 한다.
상기 미세기공은, 10㎛미만의 내경을 갖는 것을 특징으로 한다.
연필 경도 2H 이상을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막의 제조방법은, 이산화티탄에 부피비 20 내지 45%의 인산칼슘을 혼합하는 분말혼합단계와, 상기 혼합분말을 모재 일측에 상온 진공 분말 분사법 (Room Temperature Powder Spray in Vacuum)으로 증착하여 복합코팅막을 형성하는 복합코팅막형성단계와, 상기 복합코팅막에 포함된 인산칼슘을 제거하여 미세기공을 형성하는 미세기공형성단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 분말혼합단계에서, 상기 인산칼슘은, 수산화인회석(Hydroxy Apatite;HA), 불소 함유 수산화인회석(Fluoridated Hydroxy Apatite;FA), 인산삼칼슘(Tri-calcium phosphate;TCP) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 미세기공형성단계는, 염산수용액 또는 물에 광촉매막을 담궈 인산칼슘을 용출하는 과정임을 특징으로 한다.
이와 같은 구성에 의하면, 오염물질과의 접촉면적이 확대되어 광촉매 효율이 향상되는 이점이 있다.
이하에서는 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막(이하 '광촉매막'이라 칭함)의 증착 원리를 설명한다.
본 발명에 의한 광촉매막은 상온 진공 분말 분사법 및 용출법을 순차적으로 실시하여 모재 일측에 형성되는 것으로, 본 발명에서 상온 진공 분말 분사법(Room Temperature Powder Spray in Vacuum)은 상온에서 이산화티탄-인산칼슘 원료분말을 모재에 분사하여 이산화티탄-인산칼슘 복합코팅막(220)을 형성한 후 상기 인산칼슘만 선택적으로 용출함으로써 이산화티탄으로만 형성된 광촉매막(200)을 형성하게 된다.
그리고, 상기 광촉매막(200)에는 인산칼슘이 용출되어 제거됨으로써 미세기공(210)이 다수 형성된다. 상기 미세기공(210)은 광촉매막(200)과 오염물질의 접촉면적을 확대하기 위한 구성으로, 상기 인산칼슘의 크기 및 부피와 대응된다.
이하 상기 복합코팅막(220)을 제조하기 위한 코팅막형성장치의 구성을 첨부된 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2에는 본 발명의 바람직한 실시예가 채용된 복합코팅막을 형성하기 위한 코팅막형성장치의 구성을 보인 개략도가 도시되어 있다.
도면과 같이 코팅막형성장치(100)는 모재(240)에 상온 진공 분말 분사법 (Room Temperature Powder Spray in Vacuum)으로 원료분말(C)를 분사하여 복합코팅막(220)을 형성하기 위한 장치이다.
여기서 상기 모재(240)는 상온 진공분말 분사법에 의해 복합코팅막(220)이 부착 가능한 모든 재료에 해당될 수 있다.
상기 모재(240)에 복합코팅막(220)을 형성하기 위해 상기 코팅막형성장치(100)는, 모재(240)을 지지한 상태로 이동하는 스테이지(112)가 구비된 진공챔버(110)와, 상기 진공챔버(110)와 연통 결합되어 진공챔버(110) 내부에 진공을 형성하는 진공펌프(120)와, 상기 원료분말(C)이 수용되는 혼합용기(130)와, 캐리어가스가 저장 및 분사되는 가스공급수단(140)과, 상기 가스공급수단(140)과 혼합용기(130) 내부를 연통시켜 상기 캐리어가스가 혼합용기(130) 내부로 유입되도록 안내하는 가스공급관(150)과, 상기 캐리어가스와 혼합된 원료분말(C)을 진공챔 버(110) 내부로 안내하는 이송관(160)과, 상기 이송관(160) 일단에 구비되어 이송관(160)을 경유한 원료분말(C)이 모재(240)에 분사되도록 하는 노즐(170)을 포함하여 구성된다.
상기 스테이지(112)는 하면에 모재(240)가 고정되도록 하며, 3축 방향으로 이동 가능하도록 구성되며, 대략 0.1~10 mm/sec의 속도로 이동된다. 따라서, 상기 모재(240) 하측에서 원료분말(C)이 분사되면 상기 모재(240)의 하면에는 원료분말(C)이 증착되어 광촉매막(200)이 형성 가능하게 된다.
또한, 상기 스테이지(112)는 진공챔버(110) 내부 일측에 고정하고 노즐(170)을 이동시켜 광촉매막(220)을 형성할 수도 있음은 자명하다.
상기 진공챔버(110)는 폐공간을 형성하고 상기 진공펌프(120)와 내부가 연통되어 상기 진공펌프(120)가 작동시 진공상태가 되며, 상기 진공챔버(110)의 진공도는 1torr이하가 되도록 한다.
상기 스테이지(112)에서 하측으로 이격된 곳에는 노즐(170)이 구비된다. 상기 노즐(170)은 진공챔버(110) 내부에서 일정 위치에 놓은 상태로 고정되어 원료분말(C)의 분사 방향을 안내하는 역할을 수행한다.
따라서, 상기 노즐(170)을 통해 원료분말(C)이 상방향으로 분사되고 상기 모재(240)가 스테이지(112)의 움직임에 의해 이동하게 되면, 상기 모재(240) 하면에는 스테이지(112)의 움직임 방향에 따라 다양한 패턴의 복합코팅막(220)이 형성 가능하게 된다.
상기 노즐(170)은 모재(240)로부터 대략 1~40㎜의 거리만큼 이격된 하측에 상단부가 위치하게 되며, 본 발명의 실시예에서는 대략 10mm 가량 이격되도록 하였다.
그리고, 상기 노즐(170)의 폭은 0.1~2.0mm가 되도록 하고, 상기 노즐(170)의 길이는 5~300mm가 되도록 한다. 상기 노즐(170)의 단면형상과 폭 및 길이는 원료분말(C)의 성분 및 복합코팅막(220)의 증착 두께에 따라 다양하게 변경 적용이 가능하다.
상기 노즐(170)은 이송관(160)과 연통 결합된다. 상기 이송관(160)은 혼합용기(130) 내부의 원료분말(C)이 캐리어가스와 함께 상기 노즐(170)로 안내되도록 하는 것으로, 상기 이송관(160)의 양단부는 상기 혼합용기(130)와 노즐(170)에 각각 연결된다.
보다 상세하게는 상기 이송관(160)의 우측 상단부는 노즐(170)과 연결되고, 좌측 하단부는 상기 혼합용기(130)의 내부에서 상부에 위치하도록 고정되어 원료분말(C)과 접촉하지 않도록 한다.
상기 혼합용기(130)는 가스공급관(150)을 통해 캐리어가스를 공급받아, 내부에 담겨진 원료분말(C)을 분산시킴과 동시에 상기 이송관(160)으로 원료분말(C) 및 캐리어가스를 안내하는 역할을 수행한다.
이를 위해, 상기 혼합용기(130)의 내부 좌측에는 가스공급관(150)이 위치하게 되며, 상기 가스공급관(150)의 하단부는 혼합용기(130)에 담겨진 원료분말(C)과 접촉한 상태로 결합된다.
여기서 상기 원료분말(C)은 전술한 바와 같이 이산화티탄과 인산칼슘이 혼합 된 혼합분말로서 상기 인산칼슘은 혼합분말 전체 중량에 대하여 20 내지 45%의 부피비를 갖는다.
그리고, 보다 상세하게 상기 인산칼슘은, 수산화인회석(Hydroxy Apatite;HA), 불소 함유 수산화인회석(Fluoridated Hydroxy Apatite;FA), 인산삼칼슘(Tri-calcium phosphate;TCP) 중 하나 이상을 포함하여 구성된다.
상기 가스공급수단(140)에서 가스공급관(150)을 통해 혼합용기(130) 내부로 유입된 캐리어가스는 이산화티탄과 인산칼슘이 혼합된 원료분말(C)을 분산시키게 되며, 분산된 원료분말(C)은 유일한 배출구인 이송관(160)을 통해 노즐(170)로 안내된다.
상기 가스공급수단(140) 내부에는 캐리어가스가 공급되어 저장된다. 상기 캐리어가스는 공기, 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar) 등이 사용될 수 있으며, 모재(240)에 광촉매막(200)을 형성하는 데 캐리어가스의 종류가 변화함에 따라 미치는 영향은 크지 않으므로, 제조 원가를 고려하여 저가의 가스를 가용함이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 실시예에서 상기 가스공급수단(140)으로부터 혼합용기(130) 내부로 유입 가능한 캐리어가스의 유입유량은 1 L/min 이상의 범위 내에서 조절 가능하나, 유입유량은 노즐(170)의 크기에 따라 변경 가능하다.
이하에서는 상기 광촉매막(200)을 제조하는 방법을 첨부된 도 3을 참조하여 설명하며, 먼저 상기와 같이 구성되는 코팅막형성장치(100)를 이용하여 모재(240) 에 복합코팅막(220)을 형성하는 방법을 살펴본다..
도 3에는 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막의 제조방법을 나타낸 순서도가 도시되어 있다.
도면과 같이, 본 발명에 의한 광촉매막(200)의 제조방법은, 크게 이산화티탄에 부피비 20 내지 45%의 인산칼슘을 혼합하는 분말혼합단계(S100)와, 상기 혼합분말을 모재 일측에 상온 진공 분말 분사법 (Room Temperature Powder Spray in Vacuum)으로 증착하여 복합코팅막(220)을 형성하는 복합코팅막형성단계(S200)와, 상기 복합코팅막(220)에 포함된 인산칼슘을 제거하여 미세기공(210)을 형성하는 미세기공형성단계(S300)로 이루어진다.
상기 분말혼합단계(S100)는 코팅막형성장치(100)를 통해 모재(240)에 분사되어질 원료분말(C)을 준비하는 과정으로, 상기 원료분말(C)에 20 내지 45%의 부피비로 인산칼슘이 포함된 범위 내에서 습식 볼밀링, 건식 볼밀링 이외에 다양한 분말 혼합 방법에 의해 이루어질 수 있다.
상기 분말혼합단계(S100)에서 인산칼슘은 미세기공형성단계(S300)에서 제거되어 미세기공(210)을 형성하게 되는 구성으로, 혼합분말 전체 부피에 대비하여 20% 미만의 부피로 첨가되면 미세기공(210)의 개수가 감소하여 오염물질과의 접촉면적을 확대하는데 어려움이 발생되며, 45% 부피를 초과하여 첨가되면 미세기공(210)의 개수가 증가하여 광촉매막의 강도가 저하될 수 있다.
따라서, 상기 원료분말(C)에 인산칼슘의 부피분율은 20 내지 45%가 바람직하다.
상기와 같이 분말혼합단계(S100)가 완료되면, 상기 원료분말(C)은 혼합용기(130)에 장입되고, 모재(240)는 스테이지(112)에 고정된 상태에서, 상기 혼합용기(130) 내부에 캐리어가스를 공급하여 원료분말(C)과 캐리어가스를 혼합하게 된다.
본 발명의 실시예에서 분말혼합단계(S100)는, 인산칼슘으로 인산삼칼슘(TCP)이 적용되었다.
그리고 상기 가스공급수단(140)으로부터 혼합용기(130) 내부로 유입되는 캐리어가스의 유량은 1 L/min 이상의 범위 내에서 조절하여 실시되므로, 상기 혼합용기(130) 내부의 원료분말(C)은 캐리어가스의 유입에 의해 비산(飛散)된다.
한편, 상기 분말혼합단계(S100)와 복합코팅막형성단계(S200) 사이에는 진공형성단계(S150)가 실시된다. 상기 진공형성단계(S150)는 진공펌프(120)를 작동시켜 상기 진공챔버(110) 내부를 1torr 이하의 진공도로 설정하는 과정이다.
본 발명의 실시예에서는 상기 진공형성단계(S150)에서 혼합용기(130)와, 이송관(160) 및 진공챔버(110) 내부의 진공도를 약 1 Torr 로 설정하였다.
따라서, 상기 혼합용기(130)를 경유하면서 원료분말(C)과 섞여 진공챔버(110) 내부로 유입된 캐리어가스는 상기 진공펌프(120)로 흡입 가능하게 된다.
상기 복합코팅막형성단계(S200) 이후에는 상기 모재(240)에 증착되지 않고 진공챔버(110) 내부로 비산된 원료분말(C)을 회수하는 입자회수단계(S250)가 실시된다.
상기 입자회수단계(S250)에서 회수단 원료분말(C)은 다시 모아져 재활용 가 능하게 되며, 도 2에 도시되진 않았지만 상기 진공펌프(120)와 진공챔버(110) 사이에 별도의 필터링수단을 구비하여 상기 원료분말(C)만 선택적으로 걸러지도록 구성할 수도 있을 것이다.
상기 모재(240) 외면에는 증착된 이산화티탄-인산칼슘 원료분말(C)의 두께가 증가하게 되면서 복합코팅막(220)을 형성하는 복합코팅막형성단계(S200)가 실시된다.
상기 복합코팅막형성단계(S200)는 모재(240)의 외면에 0.5 내지 20㎛ 두께의 복합코팅막(220)을 형성하게 된다.
상기 복합코팅막(220)의 두께는 복합코팅막형성단계(S200)의 실시시간에 따라 조절이 가능하며, 복합코팅막(220)의 두께가 0.5㎛미만인 경우 충분한 표면 거칠기 및 광촉매층을 가지지 못하여 광촉매 활성을 충분히 발휘하지 못하게 되고, 20㎛를 초과하게 되면 복합코팅막(220)이 모재(240)로부터 박리될 수 있으므로, 상기 복합코팅막(220)의 두께는 0.5 내지 20㎛가 바람직하다. 그리고, 상기 복합코팅막(220)의 밀도는 95% 이상이 바람직하다.
한편, 상기 복합코팅막형성단계(S200) 중에 상기 모재(240)는 0.1~10mm/sec의 속도로 이동하게 되고, 이때 상기 이동하는 모재(240)의 왕복 횟수는 형성되는 복합코팅막(220)의 두께에 따라서 1~20회 가량 실시 가능하다.
한편, 상기 광촉매막형성장치(100)는 도 4와 같이 혼합용기의 구성을 변경하여 실시 가능하며, 이때 광촉매막의 제조방법은 도 5와 같다.
즉, 도 4에는 본 발명에 의한 광촉매막을 형성하기 위한 광촉매막형성장치의 다른 실시예의 구성을 보인 개략도가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명에 의한 광촉매막의 제조방법을 나타낸 다른 실시예의 순서도가 도시되어 있다.
도 4와 같이, 다른 실시예의 광촉매막형성장치(100)에서는 일 실시예의 혼합용기(130)가 보관용기(180)로 변경 적용되어 있다.
즉, 상기 보관용기(180)는 별개로 구성된 제1보관용기(182)와 제2보관용기(184)를 포함하여 구성되며, 상기 제1보관용기(182) 내부에는 이산화티탄과 인산칼슘 중 어느 하나가 보관되고, 제2보관용기(184) 내부에는 나머지 하나가 보관된다.
그리고, 상기 제1보관용기(182)와 제2보관용기(184)는 가스공급관(150)에 의해 가스공급수단(140)과 연통된다.
보다 상세하게는 상기 가스공급관(150)은 두 갈래로 분지되고, 분지된 각각의 관은 상기 제1보관용기(182)와 제2보관용기(184)에 각각 연결된다.
따라서, 상기 가스공급수단(140)에서 토출되는 캐리어가스는 제1보관용기(182)와 제2보관용기(184) 각각에 공급이 가능하게 된다.
상기 제1보관용기(182)와 제2보관용기(184)에는 내부의 캐리어가스가 진공챔버(110)로 이동되도록 안내하는 이송관(160)이 구비되며, 상기 이송관(160)의 단부는 합지된다.
그리고, 상기 제1보관용기(182)와 제2보관용기(184)에 공급되는 캐리어가스는 유량 조절이 가능하도록 구성된다. 이를 위해 상기 이송관(160)에는 밸브(190)가 구비된다.
즉, 상기 밸브(190)는 제1보관용기(182)로 공급되는 캐리어가스의 유량을 조절하기 위한 제1밸브(192)와 상기 제2보관용기(184)로 공급되는 캐리어가스의 유량을 조절하기 위한 제2밸브(194)를 포함하여 구성된다.
따라서, 상기 제1밸브(192)와 제2밸브(194)의 개도를 조절하게 되면, 상기 제1보관용기(182)와 제2보관용기(184)로 공급되는 캐리어가스의 유량을 제어할 수 있게 된다.
한편, 상기한 다른 실시예의 광촉매막형성장치(100)를 이용하여 광촉매막을 제조하는 방법에서는 도 5와 같이 진공형성단계(S150)가 분말혼합단계(S100) 이전에 실시된다.
그리고, 상기 분말혼합단계(S100)에는 제1밸브(192)와 제2밸브(194)의 개도를 조절하여 제1보관용기(182)와 제2보관용기(184)에 유입되는 캐리어가스의 유입량을 조절함으로써, 이산화티탄-인산칼슘 혼합분말의 조성비를 조절하는 과정이 포함된다.
따라서, 상기 제1밸브(192)와 제2밸브(194)의 개도 조절에 따라 상기 제1보관용기(182)와 제2보관용기(184) 각각으로 유입되는 캐리어가스의 유량비를 1:99 내지 99:1로 조절 가능하며, 광촉매막(240)에 포함되는 이산화티탄과 인산칼슘의 조성비는 다양하게 실시 가능하게 된다.
그리고, 상기 제1밸브(192)와 제2밸브(194)의 개도에 따라 상기 제1보관용기(182)와 제2보관용기(184)로 유입된 캐리어가스는 이산화티탄과 인산칼슘을 각각 분산시킨 후 상기 제1보관용기(182)와 제2보관용기(184) 외부에서 혼합되도록 한 다.
즉, 상기 제1보관용기(182) 및 제2보관용기(184)와 진공챔버(110) 사이에 연통 결합된 이송관 내부에서 상기 이산화티탄과 인산칼슘은 혼합된다.
상기 복합코팅막형성단계(S200) 이후에는 미세기공형성단계(S300)가 실시된다. 상기 미세기공형성단계(S300)는 산성용액 또는 물에 복합코팅막(220)을 담궈 인산칼슘만 선택적으로 용출하는 과정으로, 본 발명의 실시예에서는 산성용액으로 염산수용액을 사용하여 인산칼슘의 용출속도를 높였다.
즉, 상기 미세기공형성단계(S300)에서 염산수용액이 적용되는 경우, 36%염산과 물이 1:100으로 희석되어 사용되며, 상기 복합코팅막(220)은 염산수용액 내부에 24시간 이상 담궈짐으로써 인산칼슘만 용출된다.
그리고, 염산수용액 대신 물이 사용되는 경우 상기 인산칼슘의 용출 속도는 염산수용액보다는 느리지만 인산칼슘의 용출은 가능하다.
따라서, 상기 인산칼슘만 선택적으로 용출된 부분에는 미세기공(210)이 다수 형성되며, 결국 광촉매막(200)의 제조가 완료된다.
본 발명의 실시예에서는 도 4b 내지 도 4f와 같이 원료분말에 대하여 인산칼슘의 부피비를 각각 25%, 30%, 35%, 40%, 45%로 혼합하였다.
즉, 도 6a에는 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막에 대한 비교예의 외관을 보인 주사전자 현미경 사진이 도시되어 있고, 도 6b 내지 도 6f에는 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막의 제조방법에서 일 단계인 분말혼합단계 중 인산칼슘의 첨가량을 변화시켰을 때 외관을 보인 주사전자 현미경 사진이 도시되어 있다.
이들 도면과 같이 상온 진공 분말 분사공정에 따라 형성된 각각 복합코팅막(220)에서 인산칼슘이 용출되어 제조된 광촉매막(200)은 인산칼슘의 첨가량 변화에 따라 미세기공의 양이 증가함을 확인할 수 있다.
다만, 인산칼슘이 첨가되지 않은 도 6a 사진을 살펴보면, 미세기공이 형성되지 않고 거친 표면을 갖는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 광촉매막(200)은 모재(240) 외면에 균열이나 박리되지 않은 상태로 강하게 밀착되어 증착된 것을 알 수 있다.
그리고, 상기와 같이 제조된 광촉매막(200)은 도 7과 같이 400㎚이하의 자외선 영역에서 흡수가 발생하였다.
즉, 도 7은 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막의 UV-VIS 흡광 특성을 나타낸 그래프로서, UV-VIS spectrophotometer을 이용하여 확산반사법에 의한 광촉매막의 빛 흡수 영역을 분석하였다.
분석 결과, 실시예에 따라 제조된 광촉매막(200)에서는 단일상의 이산화티탄 코팅막(비교예)와 같이 400㎚ 이하의 자외선 영역에서 흡수가 일어난 것을 알 수 있다.
한편, 상기 광촉매막의 메틸렌블루 분해 성능을 도 6을 참조하여 살펴보면, 도 6은 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막의 메틸렌블루 분해 성능을 나타낸 그래프로서, 인산칼슘의 첨가량이 증가함에 따라 메틸렌블루의 분해 속도가 증가하는 것을 알 수 있다.
그리고, 순수한 이산화티탄 광촉매막에 대비하여 인산칼슘이 첨가된 본 발명의 실시예에서는 짧은 시간(1시간)에 보다 많은 메틸렌블류 분해 거동을 보이며, 이는 생성된 미세기공에 의한 분해물질 흡착능력이 향상된 것을 보여준다.
상기 도 6의 측정조건은 자외선(UV 365㎚) 조사 시간에 따른 메틸렌블루 수용액의 UV-VIS 흡광특성을 측정하였으며, 메틸렌블루의 흡수파장(664㎚)를 기준으로 초기치 강도 대비 각 시간별 비율을 계산 후 도시하였다.
한편, 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막의 경도를 측정하기 위해 ASTM D3363에 따라 연필 경도시험을 실시하였으며, 첨부된 도 9 내지 도 11은 그 결과 사진이다.
즉, 도 9에는 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막에서 인산칼슘의 부피함량이 35%인 경우 연필경도를 측정한 광학현미경 사진이 도시되어 있고, 도 10에는 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막에서 인산칼슘의 부피함량이 40%인 경우 연필경도를 측정한 광학현미경 사진이 도시되어 있으며, 도 11에는 본 발명에 의한 다공성 이산화티탄 광촉매막에서 인산칼슘의 부피함량이 45%인 경우 연필경도를 측정한 광학현미경 사진이 도시되어 있다.
이들 도면과 같이, 상기 광촉매막에 인산칼슘의 부피 함량이 35%, 40%, 45%인 경우 2H 연필에 의해 손상되지 않은 것을 알 수 있으므로 연필경도는 2H 이상인 것을 알 수 있다.
반면 인산칼슘의 부피 함량이 50%인 경우에는 연필경도가 급격히 낮아져 측정이 불가하였다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
예를 들어 본 발명의 실시예에서는, 미세기공을 형성하기 위한 재료로서 인산칼슘이 적용되었으나, 상온 진공 분말 분사법(Room Temperature Powder Spray in Vacuum)을 이용하여 증착이 가능하고, 용출에 의해 선택적으로 제거될 수 있는 범위 내에서 다양하게 변경 적용 가능함은 물론이다.
본 발명에서는 상온 진공 분말 분사법(Room Temperature Powder Spray in Vacuum)을 이용하여 이산화티탄과 인산칼슘을 포함하는 원료분말을 모재 표면에 증착하여 복합코팅막을 형성하고, 이후 인산칼슘을 선택적으로 제거하여 미세기공을 형성하였다.
따라서, 간소한 공정을 통해 다공성 이산화티탄 광촉매막의 제조가 가능하므로 생산성이 향상되고 제조 원가가 현저히 절감되는 이점이 있다.
또한, 다수 미세기공은 오염물질과의 접촉면적을 확대하게 되므로 광촉매 효율이 현저히 향상되는 이점이 있다.
Claims (9)
- 이산화티탄에 부피비 20 내지 45%의 인산칼슘을 혼합하는 분말혼합단계와, 상기 혼합된 분말을 모재 일측에 상온 진공 분말 분사법 (Room Temperature Powder Spray in Vacuum)으로 증착하여 복합코팅막을 형성하는 복합코팅막형성단계와, 상기 복합코팅막에 포함된 인산칼슘을 제거하여 미세기공을 형성하는 미세기공형성단계를 순차적으로 실시하여 형성됨을 특징으로 하는 다공성 이산화티탄 광촉매막.
- 제 1 항에 있어서, 20 내지 45%의 부피비로 다수 미세기공이 형성되며, 상기 미세기공은, 10㎛미만의 내경을 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 이산화티탄 광촉매막.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 연필 경도 2H 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 이산화티탄 광촉매막.
- 이산화티탄에 부피비 20 내지 45%의 인산칼슘을 혼합하는 분말혼합단계와,상기 혼합된 분말을 모재 일측에 상온 진공 분말 분사법 (Room Temperature Powder Spray in Vacuum)으로 증착하여 복합코팅막을 형성하는 복합코팅막형성단계와,상기 복합코팅막에 포함된 인산칼슘을 제거하여 미세기공을 형성하는 미세기공형성단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 이산화티탄 광촉매막의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 분말혼합단계는,이산화티탄과 인산칼슘이 혼합된 혼합분말이 수용된 혼합용기 내부에 캐리어가스를 공급하여 상기 혼합분말을 분산하는 과정이 포함됨을 특징으로 하는 다공성 이산화티탄 광촉매막 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 분말혼합단계는,이산화티탄과 인산칼슘 중 어느 하나가 선택적으로 수용된 제1보관용기 및 제2보관용기에 캐리어가스를 공급하고, 상기 캐리어가스에 의해 비산된 이산화티탄과 인산칼슘을 제1보관용기 및 제2보관용기 외부에서 혼합하는 과정임을 특징으로 하는 다공성 이산화티탄 광촉매막 제조 방법.
- 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 분말혼합단계에서,상기 인산칼슘은, 수산화인회석(Hydroxy Apatite;HA), 불소 함유 수산화인회석(Fluoridated Hydroxy Apatite;FA), 인산삼칼슘(Tri-calcium phosphate;TCP) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 이산화티탄 광촉매막의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 미세기공형성단계는,염산수용액 또는 물에 광촉매막을 담궈 인산칼슘을 용출하는 과정임을 특징으로 하는 다공성 이산화티탄 광촉매막의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 분말혼합단계에서,상기 제1보관용기와 제2보관용기 내부에 캐리어가스의 유량은 각각 제어 가능한 것을 특징으로 하는 다공성 이산화티탄 광촉매막의 제조 방법.
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| KR20070031151A (ko) * | 2005-09-14 | 2007-03-19 | (주)선한엠엔티 | 메조크기 다공성 이산화티탄 박막을 갖는 유리중공구체 및그 제조방법 |
-
2008
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| KR20070031151A (ko) * | 2005-09-14 | 2007-03-19 | (주)선한엠엔티 | 메조크기 다공성 이산화티탄 박막을 갖는 유리중공구체 및그 제조방법 |
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