KR100987138B1 - 광촉매 물질이 포함된 나노섬유 벽지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광촉매 물질을 포함하는 나노섬유를 이용한 기능성 벽지에 관한 것으로서, 구체적으로 표면지 위에 나노섬유층이 형성되고, 나노섬유층은 광촉매 물질을 포함한다. 이때 광촉매 물질은 자외선의 도움으로 공기 중에 존재하는 휘발성 유기물질을 분해하여 독성물질을 제거하는 기능을 한다.

본 발명에 따른 기능성 벽지는, 표면지 및 표면지 위에 형성되고, 광촉매 물질을 포함하는 나노섬유로 이루어진 나노섬유층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

기능성 벽지, 나노섬유, 전기방사, 광촉매 물질, TiO2

Description

광촉매 물질이 포함된 나노섬유 벽지{Nano-fiber wallpaper with photocatalyst}

본 발명은 광촉매 물질이 포함된 나노섬유층으로 이루어진 기능성 벽지에 관한 것이다. 구체적으로 표면지 위에 나노섬유층이 형성되어 있고, 상기 나노섬유층을 이루는 나노섬유는 광촉매 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 벽지에 관한 것이다.

일반적으로 벽지는 주거공간의 미관을 위한 디자인적인 일차적 기능과 이에 부가된 항균, 탈취, 공기정화, 전자파 방지와 같은 부가적인 기능을 하는 생활 자재이다. 이러한 부가적인 기능을 수반한 벽지를 일반적으로 기능성 벽지라고 부르고, 다양한 기능성 물질들이 개발되어 있다. 특히 최근에는 건축자재로 휘발성 유기물질(VOCs: Volatile organic compounds)을 포함하는 자재가 많이 사용된다. 이러한 휘발성 유기물질은 주거공간에 지속적으로 방출되어 아토피나 피부병과 같은 질병을 유발하는 것으로 알려져 있으며, 이와 관련된 질병을 새집증후군이라 부른다. 근래에 들어 새집증후군을 방지하기 위한 새로운 기술들이 많이 연구되고 있는데, 원인물질인 휘발성 유기물질의 사용을 억제하는 방법과 더불어 이미 발생한 휘 발성 유기물질의 제거 방법에 관한 연구도 함께 진행되고 있다.

최근에는 이러한 휘발성 유기물질을 제거하는 방법으로서, 광촉매 물질을 이용한 휘발성 유기물질의 분해에 대한 연구가 활발하다. 광촉매는 자외선의 도움을 받아 화학반응을 촉진시키는 물질로서, 이러한 광촉매 반응에 의하여 휘발성 유기물질이 분해될 수 있다. 그 메커니즘을 살펴보면, 밴드갭(band gap) 에너지에 대응하는 빛의 파장보다 더 짧은 파장의 빛이 광촉매에 조사되면 광촉매 표면에 전자와 정공이 발생하고, 이들에 의해 생성되는 수산화 라디칼(0Hㆍ)이 강력한 산화제로 작용하여 광촉매 표면에 흡착된 유기물을 분해시키는 산화반응을 일으키는 메커니즘을 따른다고 알려져 있다. 대표적인 광촉매 물질인 TiO₂를 예로 든 구체적인 메커니즘은 다음과 같다.

TiO₂ + hυ → e^- + h⁺ (전자와 정공의 생성)

e^- + O₂ → O₂ㆍ

2O₂ㆍ+2H₂O → 2OHㆍ+2OH^-+O₂ (전자에 의한 수산화 라디칼 생성)

h⁺+OH^- → 2OHㆍ(홀에 의한 수산화 라디칼 생성)

위의 메커니즘에 의하여 생성된 수산화 라디칼에 의해 유기물질이 분해된다. 유사한 메커니즘을 따르는 다른 광촉매 재료로는 V₂O₃, ZnO, ZrO₂, 페로브스카이트형 복합 금속산화물(SrTiO₃) 등이 있는데, TiO₂의 반응 효율이 뛰어나므로 광촉매 물질로서 가장 널리 쓰이고 있다.

등록특허 제0633243호는 5~20㎛의 입자크기를 가지는 TiO₂와 같은 천연복합광물을 포함하는 충전제와, 친환경 바인더수용액을 에멀젼 상태의 액상형으로 혼합하여 수용성 PVC가 겔화된 벽지 원지 위에 상기 혼합물을 코팅한 기능성 벽지의 제조방법에 대하여 개시하고 있다. 그러나 상기 등록특허의 제조방법으로 벽지를 제조하면 TiO₂의 입자크기가 수십 ㎛로 비교적 크므로 광분해가 일어나는 표면의 넓이를 충분히 넓게 확보할 수 없다. 또한 상기 제조방법에 따라 벽지를 제조하면 바인더가 TiO₂의 표면을 오염시키고, 오염된 표면에서는 유기물질의 분해가 일어날 수 없으므로, 표면반응이 실질적으로 일어나기 어려운 문제점을 가지고 있다.

본 발명에 적용되는 나노섬유의 제조방법에 관하여는 다양한 방법이 제안되어 있다. 일반적으로 나노섬유는 섬유 직경의 평균 직경이 50 내지 1,000 ㎚가 되는 섬유를 의미하며 이는 본 발명에 따라 제조되거나 또는 제조될 수 있는 나노섬유에 대해서도 동일하다. 나노섬유는 고분자를 포함하는 방사 용액 또는 방사 용융물을 전기방사하여 제조될 수 있다. 현재까지 나노섬유의 생산을 위한 다양한 기술이 개발되었지만 크게 분류하면 하향식 전기방사장치를 이용한 경우와 상향식 전기방사장치를 이용한 경우로 나눌 수 있다. 전기방사란 방사노즐을 통하여 방사용액 을 공급하고 대향하는 방향으로 컬렉터를 설치하고 그 사이의 방사공간에 수십 kV의 고전압을 인가하여, 방사용액이 방사공간에서 신장되어 나노섬유가 만들어지는 제조방법을 말한다. 이러한 제조방법에 의하여 일정 범위의 직경을 가지는 나노섬유를 제조하게 된다.

도 1a에 도시된 바와 같이 하향식 전기방사장치는 방사노즐이 위쪽에 위치하고 컬렉터가 아래쪽에 위치하는 것이 특징이다. 하향식 전기방사장치의 구성을 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다. 하향식 전기방사장치는, 방사용액을 보관하는 방사용액 탱크(미도시)와 방사용액의 일정한 공급을 위한 계량펌퍼(미도시)와 방사용액을 토출하는 다수개의 방사노즐(101)이 배열된 노즐블록(102)과 상기 노즐 아래에 위치하여 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터(103) 및 전압을 발생시키는 전압발생장치(미도시)를 포함한다. 이러한 하향식 전기방사장치를 이용하여 방사노즐(101)을 통한 정략적인 방사용액의 공급이 이루어지고, 방사용액은 고전압이 인가된 컬렉터(103) 방향으로 방사되어 기재(104) 위에 나노섬유(105)가 제조된다. 전기방사 장치는 노즐의 구조, 방사용액의 공급방법, 방사공간의 구성 및 인가된 고전압의 범위 등과 같은 다양한 공정 인자를 조절하여 원하는 나노섬유의 물성을 얻을 수 있다.

도 1b에는 상향식 전기방사장치가 도시되어 있다. 상향식 전기방사장치는 하향식 전기방사장치에서 문제가 될 수 있는, 방사용액이 물방울 형태로 낙하하는 드롭넷(droplet) 현상 등을 해결하기 위하여 개발된 기술이다. 상향식 전기방사장치의 구조적인 특징은 하향식 전기방사장치를 수직방향으로 반대로 배치한 구조와 대 체로 일치한다. 상향식 전기방사장치의 구조와 작동 원리에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에서는 상기에서 설명한 전기방사장치로 제조된 나노섬유층을 포함하고, 나노섬유를 이루는 섬유는 광촉매 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 벽지를 제안한다. 본 발명의 기능성 벽지는 광촉매 물질의 표면적이 넓고 클리닝 처리를 통하여 오염되지 않은 표면이 실내공기에 노출되므로, 광촉매에 의한 유기물질 분해 효율이 종래의 기능성 벽지에 비하여 월등이 높은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적은 광촉매 물질을 포함하는 섬유로 이루어진 나노섬유층을 가지는 기능성 벽지에 관한 것으로서, 광촉매 반응이 일어날 수 있는 표면이 넓고, 오염되지 않은 광촉매 물질의 표면을 확보할 수 있으므로 광촉매 반응의 효율이 월등히 높은 기능성 벽지를 제공하는 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 기능성 벽지는 표면지; 및 표면지 위에 형성되고, 광촉매 물질을 포함하는 나노섬유로 이루어진 나노섬유층을 포함한다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 기능성 벽지에 포함되는 광촉매 물질은 TiO₂인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 기능성 벽지에 포함되는 광촉매 물질은 입자 형태인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 기능성 벽지에 포함되는 광촉매 물질은 섬유의 형태인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 기능성 벽지는 표면지와 나노섬유층 사이에 제1 접착층이 추가된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 기능성 벽지는 나노섬유층 위에 보호 층이 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 기능성 벽지에 포함되는 입자 형태의 광촉매 물질은 나노섬유의 외부로 노출된 표면이 클리닝 처리된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 기능성 벽지에 포함되는 섬유 형태의 광촉매 물질은 나노섬유의 외부로 노출된 표면이 클리닝 처리된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 기능성 벽지는 나노섬유층과 보호층 사이에 제2 접착층이 추가된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 기능성 벽지에 포함되는 제2 접착층은 나노섬유층 위에 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 기능성 벽지는 광촉매 물질이 나노섬유에 입자 형태로 포함되거나, 광촉매 물질 자체가 섬유의 형태로 가공되므로 광촉매 반응이 일어날 수 있는 표면적이 넓다. 그리고 광촉매 물질의 표면이 접착제 등에 의하여 오염되어 있지 않다. 따라서 광촉매 반응에 의한 휘발성 유기물질의 분해 효율이 우수하다는 효과를 가진다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면을 참조하고 실시 예를 이용하여 상세하게 설명된다. 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위한 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

본 명세서에서 표면지란 광촉매 물질이 코팅될 수 있는 벽지의 기재를 의미한다. 표면지는 건물의 벽에 직접 접착되거나 초배지 위에 접착될 수도 있고, 경우에 따라서는 초배지와 결합한 형태의 다층 구조일 수도 있다. 표면지의 재질은 종이, 섬유, 고분자 수지와 같이 다양한 재질이 될 수 있고, 문언적 의미로서의 종이에 한정되지 않는다.

그리고 나노섬유란 통상적 의미로서 나노미터 단위의 직경을 가지는 섬유를 의미하며, 일반적으로 섬유의 직경이 50 내지 1000㎚인 섬유를 의미한다. 나노섬유의 재질은 전기방사에 의하여 제조가 가능한 모든 재질을 의미하고, 그 예로서 열가소성 또는 열경화성 수지인 폴리에스테르 수지, 아크릴 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지, 나일론 수지, 폴리(글리콜라이드/L-락티드)공중합체, 폴리(L-락티드) 수지, 폴리비닐알콜 수지, 폴리비닐클로라이드 수지 중 어느 하나이거나 이들의 복합 재질일 수 있고, 상기 나노섬유는 TiO_2, V₂O₃, ZnO, ZrO₂, 페로브스카이트형 복합 금속산화물(SrTiO₃) 등의 광촉매 물질을 포함한다.

도 2a와 도 2b는 본 발명의 기능성 벽지를 구성하는 나노섬유의 구조와, 그 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2a에 도시된 바와 같이 고분자 수지(201)로 이루어진 나노섬유에 광촉매 물질(202)이 입자 형태로 포함되어 있다. 광촉매 물질(202)이 포함된 나노섬유가 전기방사로 제조된 후 별도의 처리공정 없이 기능성 벽지에 사용되는 경우에는, 외 부로 노출된 광촉매 물질의 표면이 고분자 수지로 오염이 되어 있을 가능성이 크다. 이러한 경우 오염된 광촉매 물질의 표면에서는 광촉매 반응이 일어나기 어려우므로 별도의 처리공정을 통하여 표면에 존재하는 고분자 수지를 제거할 필요성이 있다. 본 명세서에서는 이러한 고분자 수지의 제거과정을 클리닝 처리라고 부르기로 한다. 상기 클리닝 처리는 2가지 방법으로 이루어질 수 있다. 첫 번째로 고분자 수지를 고온에서 공기 중의 산소와 반응시켜 제거하는 방법인 부분 소성방법이 그 중 하나이다. 고분자 수지는 주로 탄소와 수소로 이루어진 탄화수소 물질이므로 고온에서 산소와 반응하면 이산화탄소와 물이 생성되고, 생성물인 이산화탄소와 물이 증발되어 고분자 수지가 제거되는 것이다. 상기 부분 소성방법은 제거할 고분자 수지의 양과 섬유형태를 유지시키기 위해 남아 있어야 하는 고분자 수지의 양을 고려하여 적절한 열처리온도와 열처리시간을 선택할 수 있다. 두 번째 방법은 산소 플라즈마를 이용한 처리방법이다. 산소 플라즈마에는 활성이 높은 다량의 산소 라디칼이 존재하므로, 이러한 산소 라디칼이 고분자 수지와 반응하여 이산화탄소나 물이 생성된 후 증발되어 고분자 수지가 제거된다. 상기 산소 플라즈마 처리방법은 진공 체임버(chamber)를 이용하여 이루어지거나, 상압 플라즈마 장치를 이용하여 이루어질 수 있다. 산소 플라즈마 처리의 경우에도 부분 소성과 마찬가지로 제거되어야 할 고분자 수지의 양을 고려하여 플라즈마 조건이나 처리시간을 적절히 선택하여야 한다. 상기 클리닝 처리는 벽지의 다양한 제조방법에 따라, 전기방사로 나노섬유를 제조한 직후에 이루어질 수도 있고, 표면지에 나노섬유층을 형성한 최종단계에서 이루어질 수도 있다. 클리닝 처리를 통하여 광촉매 물질의 표면에서 고분 자 수지가 제거되면 광촉매 반응의 효율이 증가된다.

광촉매 반응은 고상의 촉매물질 표면에 기상의 유기물질과 산소가 흡착한 후 반응의 활성화에너지가 낮아져서 분해반응이 일어나는 메커니즘을 따르므로 광촉매 물질의 표면적이 증가될수록 반응의 효율이 높아진다.

도 2b는 도 2a의 구조를 가지는 나노섬유를 제조하는 방법을 설명한 블록도이다. 첫 번째 단계는, 다양한 종류의 고분자 수지와, 이를 용해시킬 수 있고 전기방사 특성을 만족시키는 용매를 선택하여 고분자 용액을 제조하는 단계이다. 두 번째 단계는 상기 고분자 용액에 TiO_2, V₂O₃, ZnO, ZrO₂ 및 페로브스카이트형 복합 금속산화물(SrTiO₃) 등의 광촉매 물질을 분산시키는 단계이다. 블록도에 도시하지는 않았지만 상기 광촉매 물질을 효과적으로 분산시키기 위하여 교반과정이 추가될 수 있다. 세 번째 단계는 준비된 방사용액을 일정한 전기방사조건에서 전기방사하여 나노섬유를 제조하는 단계이다. 마지막 단계는 나노섬유에 포함된 광촉매 물질의 표면에서 남아 있는 고분자 수지를 제거하기 위한 클리닝 처리 단계이다. 다만 마지막 단계의 과정은 나노섬유 제조단계에 연속하여 진행될 수도 있으나, 경우에 따라 표면지 위에 나노섬유층을 형성하는 다양한 제조방법에 따라 여러 단계의 공정이 추가된 후에 별도로 이루어질 수도 있다.

도 3a와 도 3b는 본 발명의 기능성 벽지를 구성하는 또 다른 나노섬유의 구조와, 그 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3a에 도시된 바와 같이 광촉매 물질은 나노섬유(301) 형태로 가공된다. 도면에서는 광촉매 물질과 고분자 수지를 구분하여 도시하지는 않았지만, 상기 광촉매 물질로 이루어진 나노섬유는 광촉매 물질만으로 이루어질 수도 있고, 고분자 수지가 함께 포함된 혼합물일 수도 있다. 고분자 수지가 함께 포함된 경우에도 나노섬유의 표면에서는 고분자 수지가 제거되어 순수한 광촉매 물질의 표면이 외부로 노출되는 것이 광촉매 반응의 효율 면에서 바람직하다.

도 3b는 도 3a에 도시된 바와 같은 구조를 가지는 나노섬유의 제조방법을 나타내는 블록도이다. 나노섬유 형태로 가공되는 광촉매 물질을 제조하기 위하여는 광촉매 물질이 방사용액 속에 졸-겔 상태로 분산되어야 한다. TiO₂와 같은 금속산화물은 일반적으로 고분자 수지와 용매로 이루어진 고분자 용액에서 졸-겔로 분산되지 않는다. 따라서 졸-겔 상으로 분산시키기 위하여 티타늄을 알콕사이드(alkoxide) 화합물로 먼저 제조하여야 한다. 알콕사이드(alkoxide) 화합물의 예로서 티타늄 에톡사이드(titanium ethoxide)나 티타늄 테트라이소프로폭사이드(titanium tetraisopropoxide)를 들 수 있다. 나소섬유 제조를 위한 첫 번째 단계는 적절한 고분자 수지와 용매를 선택하여 고분자 용액을 제조하는 단계이다. 두 번째 단계는 고분자 용액에 티타늄 에톡사이드(titanium ethoxide)등으로 이루어진 졸-겔을 혼합하여 방사용액을 제조하는 단계이다. 세 번째 단계는 상기 방사용액을 사용하여 적절한 전기방사 조건에서 전기방사를 하여 나노섬유를 제조하는 단계이다. 세 번째 단계의 제조과정이 끝나면 TiO₂와 고분자 수지가 혼합된 복합재료의 나노섬유가 만들어진다. 마지막 단계는 상기 복합재료의 나노섬유를 클리닝 처리하는 단계이다. 클리닝 처리 단계를 거친 나노섬유는 고분자 수지로 오염되지 않은 TiO₂ 표면이 외부로 노출되는 특징을 가진다. 클리닝 처리 후의 나노섬유는 클리닝 처리 조건에 따라 나노섬유의 전체 재질이 TiO₂만으로 이루어지거나, 고분자 수지의 일부가 남아 있고 광촉매 물질의 표면에서만 고분자 수지가 제거될 수도 있다. 두 가지 경우 모두 외부로 노출된 TiO₂ 표면은 고분자 수지에 오염되지 않았으므로 광촉매 반응의 효율은 월등이 높다. 또한 클리닝 처리를 통하여 고분자 수지가 부분적으로 제거된 경우에는, 나노섬유가 고분자 수지와 광촉매 물질의 복합소재로 이루어지게 된다. 따라서 고분자 수지가 바인더 역할을 하여, 나노섬유가 쉽게 부서지거나 깨지는 것을 방지하고, 부서지거나 깨진 TiO₂가 실내를 오염시키는 부작용을 줄일 수 있다.

TiO₂를 섬유 형태로 가공한 경우에, 섬유의 직경이 작아지면 표면적은 급격히 증가한다. 섬유의 질량(또는 부피) 대비 표면적의 비는 섬유의 직경에 반비례하게 되므로, 통상적으로 미크론 단위의 직경을 가지는 극세사 섬유에 비하여 나노미터 단위의 직경을 가지는 나노섬유는 1000배 정도로 표면적이 늘어나게 된다. 이러한 나노섬유를 벽지에 적용하면 광촉매 물질의 기능성이 이에 비례하여 증가하게 되는 것이다.

도 4a 내지 도 4c는 광촉매 물질이 포함된 나노섬유를 적용한 기능성 벽지에 관한 다양한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 4a는 표면지(401) 위에 나노섬유층(402)이 형성된 벽지이다. 이 때 나노섬유층(402)을 이루는 나노섬유는 입자형태의 광촉매 물질을 포함한 구조일 수도 있고, 섬유 형태로 가공된 광촉매 물질을 포함한 구조일 수도 있다. 표면지(401)와 나노섬유층(402)은 별도의 접착제 사용없이 전기방사공정에서 발생한 표면지(401)와 나노섬유층(402)간의 결합력에 의하여 결합된다. 전기방사에 의하여 표면지(401)에 나노섬유층(402)이 형성되면 방사용액의 용매가 증발하며 표면지와 나노섬유 사이에 일정한 결합력이 발생한다. 이러한 결합력을 이용하여 벽지를 제조하는 것도 가능하지만, 결합력의 증가를 위하여 열압착 공정이 추가될 수도 있다. 이러한 열압착 공정은 나노섬유의 조직을 치밀하게 하여 벽지의 두께를 얇게 만들고, 벽지의 표면을 매끄럽게 만드는 역할도 한다. 다만 열압착 공정이 상기와 같은 역할을 하기 위하여는, 열압착 공정이 나노섬유가 부분적으로 용융되거나 유리전이가 일어날 수 있는 온도의 범위에서 이루어져야 한다.

도 4b는 표면지(401) 위에 제1 접착층(403)이 형성되고, 제1 접착층(403) 위에 나노섬유층(402)이 형성되어 있는 기능성 벽지이다. 도 4a에 도시된 구조와 비교한 특징은 표면지(401)와 나노섬유층(402) 사이에 제1 접착층(403)이 추가된 것이다. 제1 접착층(403)은 전기방사 공정만으로는 표면지와 나노섬유층 사이에 벽지로서 기능하기에 충분한 결합력이 확보되지 않는 경우에 사용된다. 접착제와 나노섬유의 결합구조는, 접착제 내부에 나노섬유의 일부가 침투하여 결합력을 유지하면서도 일정 비율의 나노섬유는 외부로 노출되는 것이 보장되어야 한다. 전기방사에 의한 나노섬유의 제조공정의 안정성, 즉 나노섬유층 두께의 균일도 확보와 같은 인 자를 고려하면 통상적으로 나노섬유의 두께는 수 내지 수백 미크론인 것이 일반적이고 바람직하게는 1 내지 100㎛이다. 따라서 제1 접착층의 두께는 이보다 얇은 것이 바람직하다. 다만 제1 접착층의 두께만큼 나노섬유의 모든 부분이 제1 접착층에 파묻히는 것은 아니므로, 접착제의 점도나 종류를 조절하여 제1 접착층의 두께를 두껍게 하면서도 앞에서 설명한 적절한 결합구조를 유지하는 것도 가능하다.

도 4c는 표면지(401) 위에 나노섬유층(402)이 형성되고, 나노섬유층(402) 위에 보호층(404)이 형성된 기능성 벽지이다. 광촉매 물질을 포함하는 나노섬유층(402)은 벽지로서 기능할 때, 외부의 문지름과 같은 충격을 받을 수 있다. 이러한 충격에 의하여 일부 나노섬유가 벽지로부터 떨어질 수 있는데, 이는 나노섬유가 TiO₂와 같이 깨지기 쉬운 물성을 가진 산화금속물로만 이루어진 경우에 더욱 그러하다. 다만 나노섬유가 고분자 수지와 광촉매 물질의 복합재료로 이루어진 경우에는 고분자 수지가 바인더 역할을 하여 깨진 금속산화물이 실내를 오염시킬 가능성은 매우 낮을 것이다. 나노섬유층(402) 위에 형성된 보호층(404)은 외부의 충격으로 나노섬유가 벽지로부터 떨어져 실내를 오염시키는 것을 방지하는 역할을 한다. 상기 보호층(404)은 광분해 반응을 확보하기 위하여 유기물질과 산소를 통과시킬 수 있는 기공을 가진 구조이어야 하고, 빛이 투과될 수 있을 정도로 충분히 얇은 두께를 가져야 한다. 상기 조건을 만족하도록 보호층(404)은 종이이거나 실크재질일 수 있다. 어떠한 경우라도 그 섬유들 사이의 기공은 나노섬유의 직경보다 클 수 있지만, 나노섬유의 길이 방향을 고려하면 나노섬유가 보호층(404)을 통과하여 실내를 오염시킬 가능성은 매우 낮다. 상기 보호층(404)이 나노섬유층(402)과 결합하는 방법은 다양하게 고려될 수 있는데, 도면에 도시되지는 않았지만 별도의 제2 접착층이 사용될 수도 있고, 별도의 제2 접착층 사용없이 열압착에 의하여 보호층을 결합시키는 것도 가능하다. 별도의 제2 접착층을 사용하는 경우에는 제2 접착층은 나노섬유층의 전면에 형성되어서는 안되고, 나노섬유층과 보호층의 부착력은 유지하되 휘발성 유기물질 등이 통과할 수 있을 정도로 부분적으로 형성되어야 한다. 따라서 메쉬(mesh) 형태이거나 연속된 도트(dot) 패턴으로 형성될 수 있다.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 기능성 벽지를 제조하기 위한 다양한 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5a는 표면지(505) 위에 나노섬유층(506)이 형성된 기능성 벽지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 전기방사장치는 방사노즐(501)과 컬렉터(502) 그리고 그 사이의 방사공간(503)으로 이루어지며, 전기방사에 의하여 나노섬유가 코팅될 표면지(505)가 이동할 수 있도록 컬렉터(502)의 면을 따라 형성된 로울러(504)를 포함한다. 방사용액 저장소(미도시)에는 미리 준비된 방사용액이 저장되어 있고, 방사용액에는 입자 형태의 광촉매 물질이 분산되어 있거나, 졸-겔 형태의 광촉매 물질이 혼합되어 있다. 상기 방사용액은 방사노즐(501)로 공급된다. 표면지(505)는 로울러(504)를 따라 컬렉터(502)의 면과 평행하게 이동하고, 방사노즐(501)과 컬렉터(502) 사이의 방사공간에서 전기방사가 이루어진다. 전기방사에 의하여 나노섬유(506)가 표면지(505)에 코팅되기 시작하며 코팅되는 나노섬유의 두께는 로울러(504)의 이송속도를 포함한 다양한 공정인자의 선택에 의하여 조절이 가능하다. 상기 공정인자는 이송속도, 방사용액의 공급속도, 방사공간에 형성되는 전기장의 세기와 같은 다양한 인자가 될 수 있다.

도 5b는 표면지(505) 위에 접착층(507)이 형성되고, 상기 접착층(507) 위에 나노섬유층(506)이 형성된 기능성 벽지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도시된 바와 같이 표면지(505)가 컬렉터(502)의 면을 따라 이동할 때, 방사공간(503)에 들어가기 전에 먼저 접착층(507)이 형성되는 단계를 거치게 된다. 접착층(507)은 도시된 바와 같이 접착액의 분사장치(508)에 의하여 형성될 수 있으나, 접착층(507)이 표면지(505) 표면에 고르게 형성되는 것이 가능하다면 그 외의 다른 형성방법이 사용되는 것도 가능하다. 접착제로는 다양한 종류가 사용될 수 있다. 물에 녹인 녹말풀, 가솔린에 녹인 고무풀, 시너에 녹인 플라스틱계 접착제가 사용될 수 있고, 저분자의 액상이 후에 중합반응으로 고분자가 되는 아크릴 접착제가 사용될 수도 있다. 도 5b에는 접착층(507)의 형성과 방사공간(503)으로의 표면지(505)의 이동이 연속적인 공정으로 이루어지도록 도시되었지만, 접착층의 형성은 전기방사장치가 위치한 공간과 별도의 공간에서 미리 이루어질 수도 있다.

도 5c는 표면지(505)에 나노섬유층(506)이 형성된 후 열압착공정을 거치는 기능성 벽지의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 전기방사에 의하여 표면지(505)에 나노섬유(506)가 코팅된 후, 나노섬유(506)가 코팅된 표면지(505)는 압착로울러(509)를 통과한다. 일정 정도로 가열된 압착로울러(509)는 표면지(505)와 나노섬유층(506) 사이에 추가적인 결합력을 부가하는 역할과, 나노섬유층(506)을 압착하여 각각의 나노섬유들 사이의 간격을 줄여 섬유층 조직을 조밀하게 만드는 역할을 수행한다. 압착로울러(509)가 표면지(505)와 나노섬유층(506) 사이에 추가적인 결합력을 부가하기 위한 적절한 가열온도는 나노섬유벽지의 층 구성에 따라 달라질 것이다. 표면지(505)와 나노섬유층(506)만으로 이루어진 경우에는 나노섬유층(506)을 이루는 나노섬유가 일정 정도 용융될 수 있을 정도의 가열 온도가 요구될 것이고, 이 때 선택되어야 할 가열 온도는 나노섬유의 용융점에 따라 달라진다. 만약 표면지(505)와 나노섬유층(506) 사이에 접착층(미도시)이 형성되어 있고, 상기 접착층(미도시)의 용융점이 나노섬유의 용융점보다 낮은 경우라면 접착층이 일부 용융될 수 있을 정도의 가열 온도에서 압착로울러(509)의 가열 온도가 선택될 수 있다. 접착제를 사용하지 않고도 표면지(505)와 나노섬유층(506) 사이에 벽지로서 기능하기에 충분한 결합력이 확보된 경우라면, 압착로울러(509)는 나노섬유층(506) 조직을 조밀하게 만드는 역할만을 수행할 수 있다. 이 경우 압착로울러(509)의 가열 온도는 나노섬유의 용융점이 아닌 이보다 낮은 유리전이온도(glass transition temperature) 이상의 온도로 선택될 수 있다.

도 5d는 전기방사에 의하여 제조된 나노섬유를 부직포의 형태로 권취하고, 이를 표면지와 결합하여 기능성 벽지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 기재(510)에 코팅된 나노섬유층(506)은 나노섬유층(506)만 따로 분리되어 권취장치(511)에 의해 권취된다. 상기 분리는 어느 정도의 결합력을 가지고 기재(510)위에 형성된 나노섬유층(506)을 권취장치(511)에 의해 분리하는 과정이다. 도면으로 제시되지는 않았지만, 권취된 나노섬유를 별도의 공정을 통해 표면지에 부착함으로서 나노섬유층이 형성된 기능성 벽지를 제조할 수 있다. 상기 별도의 공정은 접착제를 사용하거나, 라미네이팅(laminating) 방법을 사용하여 이루어질 수 있다.

위에서 본 발명은 실시 예를 사용하여 상세하게 설명이 되었다. 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예로부터 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 다양한 변형 또는 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 이러한 변형 또는 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

도 1a는 하향식 전기방사 장치를 도시한 것이다.

도 1b는 상향식 전기방사 장치를 도시한 것이다.

도 2a는 본 발명의 기능성 벽지를 구성하는, 광촉매 물질이 입자 형태로 포함된 나노섬유의 구조를 도시한 것이다.

도 2b는 광촉매 물질이 입자 형태로 포함된 나노섬유로 이루어진 기능성 벽지의 제조방법을 도시한 블록도이다.

도 3a는 본 발명의 기능성 벽지를 구성하는, 광촉매 물질이 섬유 형태로 제조된 나노섬유의 구조를 도시한 것이다.

도 3b는 광촉매 물질이 입자 형태로 포함된 나노섬유로 이루어진 기능성 벽지의 제조방법을 도시한 블록도이다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 기능성 벽지의 단면을 도시한 것이다.

도 5a 및 도 5d는 본 발명에 따른 기능성 벽지의 제조방법을 도시한 것이다.

Claims (10)

1. 표면지, 및

   표면지 위에 형성되고, 광촉매 물질을 포함하는 나노섬유로 이루어진 나노섬유층을 포함하며,

   상기 표면지와 나노섬유층 사이에 제1 접착층이 추가된 것을 특징으로 하는 기능성 벽지.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 광촉매 물질은 TiO₂인 것을 특징으로 하는 기능성 벽지.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 광촉매 물질은 입자 형태인 것을 특징으로 하는 기능성 벽지.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 광촉매 물질은 섬유의 형태인 것을 특징으로 하는 기능성 벽지.
5. 삭제
6. 표면지, 및

   표면지 위에 형성되고 광촉매 물질을 포함하는 나노섬유로 이루어진 나노섬유층을 포함하며,

   상기 나노섬유층 위에 보호층이 형성된 것을 특징으로 하는 기능성 벽지.
7. 청구항 3에 있어서, 상기 입자 형태의 광촉매 물질은 나노섬유의 외부로 노출된 표면이 클리닝 처리된 것을 특징으로 하는 기능성 벽지.
8. 청구항 4에 있어서, 상기 섬유 형태의 광촉매 물질은 나노섬유의 외부로 노출된 표면이 클리닝 처리된 것을 특징으로 하는 기능성 벽지.
9. 청구항 6에 있어서, 상기 나노섬유층과 보호층 사이에 제2 접착층이 추가된 것을 특징으로 하는 기능성 벽지.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 제2 접착층은 나노섬유층 위에 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 기능성 벽지.

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