KR100994760B1

KR100994760B1 - 나노 카본볼을 구비한 항균 필터

Info

Publication number: KR100994760B1
Application number: KR1020030080769A
Authority: KR
Inventors: 송준엽; 김종윤; 박승규; 강윤석; 김형만; 이은주
Original assignee: 주식회사 엘지생활건강
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2010-11-16
Also published as: KR20050046497A

Abstract

본 발명은 세균과 미생물을 제거할 수 있는 항균 필터에 관한 것이다. 본 발명의 항균 필터는 구형의 중공 코어부와 다공성의 카본 쉘부로 이루어지며 카본 쉘부에 항균성 금속 또는 금속염이 첨착된 다수의 나노 카본볼을 구비한다. 본 발명에 따른 항균 필터는 다양한 종류의 세균과 미생물에 대한 제거효능이 매우 뛰어날 뿐만 아니라 그 항균성능이 장기간 동안 유지되므로, 자동차용 항균 필터, 가전제품용 항균 필터, 공조기용 항균 필터, 가스마스크용 항균 필터, 정수기용 항균 필터, 상하수처리용 항균 필터, 공기정화기용 항균 필터, 클린룸용 항균 필터 등으로 유용하게 사용될 수 있다.

Description

나노 카본볼을 구비한 항균 필터{A antibiotic filter having a plurality of nano carbon balls}

명세서 내에 통합되어 있고 명세서의 일부를 구성하는 첨부도면은 발명의 현재의 바람직한 실시예를 예시하며, 다음의 바람직한 실시예의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 할 것이다.

도 1은 본 발명의 항균 필터에 사용되는 항균성 금속이 첨착된 나노 카본볼의 제조공정을 나타낸 개략도이고,

도 2a ~ 2c는 본 발명의 항균 필터에 구비되는 나노 카본볼의 외관, 단면 및 부분 단면에 대한 SEM 사진이다.

본 발명은 세균과 미생물을 제거할 수 있는 항균 필터에 관한 것이다.

일반적으로 자동차, 냉장고와 같은 가전제품, 공조기, 가스마스크, 정수기, 상하수처리장치, 공기정화기, 클린룸 등에는 세균과 미생물을 제거할 수 있는 항균 필터가 장착된다. 예를 들어, 차량용 공기조화 시스템은 차량의 실내 또는 실외 공기를 송풍기를 사용하여 유입 또는 재순환시키는데, 이러한 공기 중에는 세균 등의 미생물이 포함되어 있으므로 이들을 제거하여 청결한 공기를 유지시킬 수 있도록 항균 필터가 차량용 스테레오의 후방에 장착된다. 또한, 실험용 동물을 사육하는 동물 사육실 및 병원 수술실 등과 같은 크린룸에는 동물과 사람 등에서 배출되는 배설물과 세균 등에 의해 실내가 오염되는 것이 방지되도록 항균 필터가 장착된 항균 공조기가 설치된다.

항균 필터는 각종 미생물과 같은 오염물질을 흡착하여 제거할 수 있는 항균소재가 구비된다. 이와 관련된 선행 기술을 살펴보면, 한국공개특허 제1998-034043호에는 실리카겔 분말에 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 아연(Zn), 백금(Pt) 등 항균 성능을 갖는 금속을 수용액 상에서 첨착시키는 방법이 개시되어 있고, 한국공개특허 제1998-066406호에는 폴리우레탄 폼에 활성탄 및 인공효소촉매(Cu-프탈로시아닌)를 도포, 첨착시킨 항균 필터가 개시되어 있다. 또한, 한국공개특허 제1999-0068341호, 한국공개특허 제2003-0052257호에는 활성탄소 및 활성탄소 섬유 표면에 은 혹은 은-요오드를 처리하는 방법이 개시되어 있고, 한국공개특허 제1999-0068472호, 한국공개특허 제2001-0018325호에서는 핏치 혹은 숯에 은을 첨가한 후 용융방사, 산화, 탄화, 스팀 활성화를 시켜 활성탄소섬유를 만드는 방법이 개시되어 있다. 또한, 한국공개특허 제2000-0075343호에서는 페놀 수지와 같은 열경화성 수지 분말과 구리, 은, 카드뮴과 같은 금속의 전구체 분말의 혼합물을 소결, 탄화 및 수증기 활성하여 활성탄을 제조하는 방법이 소개되어 있고, 한국공개특허 제2001-0048235호에서는 필터의 항균성 물질로 산화티탄을 사용한 방법이 개시되어 있다. 이 밖에도 다양한 흡착물질에 항균 성능을 갖게 하는 여러 가지 방법이 소개 되어 있다.

그러나 항균 필터에 사용되는 전술한 종래의 활성탄 및 활성 탄소섬유 등은 존재하는 기공의 크기가 매우 작으므로, 흡착된 오염물질에 의해 기공이 쉽게 막히게 되어, 그 항균 성능의 효율이 떨어지고 수명이 짧아지는 단점이 있다. 이러한 단점을 방지할 수 있는 탄소 구조체로서, 구형의 중공 코어부가 형성된 다공성의 카본 쉘부로 이루어진 나노 카본볼(Adv. Mater. 2002, 14, no. 1, January 4)의 제조방법이 제안되었는데, 이러한 나노 카본볼은 활성탄보다 다양한 종류의 오염물질을 흡착할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 전술한 나노 카본볼을 포함한 종래의 항균소재들은 일정량의 오염물질이 흡착되면 다 이상의 흡착이 불가능할 뿐만 아니라, 미생물 등을 제거하는 항균능력에도 한계가 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다양한 종류의 세균과 미생물에 대한 제거효능이 매우 뛰어날 뿐만 아니라 그 항균성능이 장기간 동안 유지되므로, 자동차용 항균 필터, 가전제품용 항균 필터, 공조기용 항균 필터, 가스마스크용 항균 필터, 정수기용 항균 필터, 상하수처리용 항균 필터, 공기정화기용 항균 필터, 클린룸용 항균 필터 등으로 유용하게 사용될 수 있는 항균 필터를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 구형의 중공 코어부와 다공성의 카본 쉘부로 이루어지며, 상기 카본 쉘부에 항균성 금속 또는 금속염이 첨착 된 다수의 나노 카본볼을 구비하는 항균 필터를 제공한다.

본 발명에 따른 항균 필터에 있어서, 항균성 금속 또는 금속염으로는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 아연(Zn), 백금(Pt) 등의 금속 또는 그 금속염이 1종 이상 사용될 수 있으며, 그 첨착량은 나노 카본볼 총 중량을 기준으로 0.001 내지 20 중량%인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 항균 필터에 있어서, 나노 카본볼에 존재하는 중공 코어부의 직경이 10 내지 1,000nm이고, 다공성의 카본 쉘부의 두께가 10 내지 500nm이고, 다공성의 카본 쉘부에 형성된 기공의 직경은 0.1 내지 20nm인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 항균 필터에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 항균 필터는 항균소재로서 구형의 중공 코어(Core) 부분과 껍질인 다공성의 카본 쉘(Shell) 부분으로 이루어지는 볼(ball) 형상의 탄소 구조체(나노 카본볼)를 다수 포함하는데, 카본 쉘부에는 항균성 금속 또는 그 염이 첨착되어 있다. 쉘부에 형성된 주된 기공의 직경은 0.1 내지 20nm, 더욱 주된 기공의 직경은 2 내지 20nm로서 다양한 오염물질을 흡착할 수 있을 뿐만 아니라, 오염물질에 장기간 노출되어 있거나 장시간 사용하여도 그 기공이 막히지 않으므로 비표면적이 그대로 유지되어 항균효과가 매우 클 뿐만 아니라 수명 또한 길다. 이러한 나노 카본볼은 대한민국 공개특허 제1999-80808호의 첨착 활성탄보다 항균능력이 매우 뛰어나다. 즉, 활성탄은 주로 마이크로포러스 기공을 갖으므로 항균성 금속 또는 그 염이 첨착되거나 오염물질 흡착시 그 기공이 막혀 항균능력이 저하될 수 있으나, 본 발명의 항균소재인 나노 카본볼은 카본 쉘부에 메조포러스 기공을 주로 포함하는 기공 이 형성되므로 이러한 문제점이 발생되지 않는다. 또한, 본 발명의 항균소재인 나노 카본볼은 첨착 활성탄과는 달리 중공의 코어부분에 오염물질이 포집되므로, 미생물과 같은 오염물질과 쉘의 내표면에 첨착된 항균성 금속 또는 그 염 사이에 충분한 접촉시간이 부여되어 항균능력이 효율적으로 발휘된다.

본 발명의 항균 필터에 있어서, 항균소재인 나노 카본볼을 제조하는 방법의 일예를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 구형의 실리카 코어(1)를 준비한다. 실리카 코어(1)는, 예를 들어 테트라에톡시실란, 테트라메틸오르토실리케이트, 테트라에틸오르토실리케이트와 같은 실리카 전구체로부터 공지의 스토버 공정(Stober, W.; Fink, A.; Bohn, E. J. Colloid Inter. Sci. 1968, 26, 62)에 따라 합성할 수 있다. 바람직한 실리카 코어의 입경은 10 내지 1,000nm이다.

이어서, 구형의 실리카 코어(1)와 실리카 전구체 및 계면활성제, 예를 들어 하기 화학식 1로 표시되는 알킬트리메톡시실란, 하기 화학식 2로 표시되는 알킬트리에톡시실란, 하기 화학식 3으로 표시되는 할로겐화알킬트리메틸암모늄, 하기 화학식 4로 표시되는 알킬폴리옥시에틸렌 및 하기 화학식 5로 표시되는 글리세롤에톡실레이트 등과 같은 계면활성제를 용매하에서 반응시켜 실리카 코어(1) 표면에 실리카와 계면활성제 성분으로 이루어진 쉘부(2)를 성장시킨다.

R₁R₂R₃R₄Si(OCH₃)₃

상기 화학식 1에서, R₁, R₂ 및 R₃는 서로 독립적으로 메틸 또는 에틸기이고, R₄는 탄소수 12 내지 22인 알킬기이다.

R₁R₂R₃R₄Si(OC₂H₅)₃

상기 화학식 2에서, R₁, R₂ 및 R₃는 서로 독립적으로 메틸 또는 에틸기이고, R₄는 탄소수 12 내지 22인 알킬기이다.

R₁R₂R₃R₄NX

상기 화학식 3에서, R₁, R₂ 및 R₃는 서로 독립적으로 메틸 또는 에틸기이고, R₄는 탄소수 4 내지 22인 알킬기이고, X는 할로겐이다.

R(OCH₂CH₂)nOH

상기 화학식 4에서, R은 탄소수 4 내지 22인 알킬기이고, n은 3 내지 20의 정수이다.

CH₂(CH₂O)n₁HCH(CH₂O)n₂HCH₂(CH ₂O)n₃H

상기 화학식 5에서, n₁, n₂ 및 n₃는 서로 독립적으로 4 내지 20의 정수이다.

그런 다음, 쉘부가 형성된 결과물을 선택적으로 필터링한 후 예를 들어 500 내지 600??로 소성하여 계면활성제 성분을 제거하면, 계면활성제 성분이 제거된 자리에 메조포러스 기공을 포함하는 소정 직경들의 기공들이 형성된 실리카 쉘부(3)가 형성된 입자(10)를 얻는다. 기공의 크기와 쉘부의 두께는 계면활성제의 종류, 실리카 전구체의 종류 및 몰비를 변화시킴으로서 조절이 가능한데, 쉘부의 두께는 10 내지 500nm인 것이 바람직하다.

이어서, 실리카 쉘부가 형성된 입자(10)의 메조세공에 고분자 모노머, 예를 들어 아크릴로 니트릴, 페놀-포름알데히드, 디비닐벤젠과 같은 모노머(11)를 주입하고, 모노머의 특성에 따라 적절한 방법으로 중합반응시킨다. 이들 중합반응은 해당분야에 공지된 것이나, 일반적으로 60℃ 이상의 온도에서 5 내지 6시간 이상 중합 반응시켜 고분자 중합체가 함유된 실리카 구조체를 제조한다.

그런 다음, 고분자 중합체가 함유된 실리카 구조체를 예를 들어 1,000℃ 정도로 질소분위기 하에서 처리하면, 탄화된 고분자 중합체(13)가 함유된 실리카 구조체가 형성된다. 이어서, 탄화시킨 실리카 구조체를 불산이나 가성소다 수용액에 넣어 실리카 구조체를 녹여내면, 구형의 중공(속이 비어 있는) 코어(Core)부(15)를 갖으며 껍질인 다공성의 카본 쉘(Shell)이 형성된 볼 형상의 나노 카본볼(20)이 얻어진다.

그런 다음, 나노 카본볼(20)을 항균성 금속 또는 그 염 수용액에 함침시켜 상온에서 1일 이상 숙성시킨 후, 여과 과정을 거쳐 60 ~ 300℃에서 건조시키면(열적으로 활성화가 필요한 경우에는 고온 처리과정을 더 거침), 항균성 금속 또는 그 염(17)이 첨착된 나노 카본볼이 얻어진다. 쉘부에 첨착될 수 있는 금속계 항균성 금속 또는 그 염으로는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 아연(Zn), 백금(Pt) 등의 금속과 그 염이 1종 이상 사용될 수 있다. 항균성 금속 또는 그 염의 첨착량은 항균성 금속 또는 그 염 수용액의 농도나 함침시간을 변화시킴으로서 조절이 가능한데, 나노 카본볼 총 중량을 기준으로 0.001 내지 20중량%인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 항균 필터의 항균소재인 나노 카본볼은 나노 카본볼에 전술한 항균성 금속 또는 그 염 중에서 어느 한 종류의 항균성 금속만이 첨착된 것이거나, 2종류 이상의 항균성 금속 또는 그 염이 첨착된 것일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 항균성 금속 또는 그 염이 첨착된 나노 카본볼을 함유하는 항균 필터의 용도에 따라 항균성 금속 또는 그 염을 다양한 조성으로 조합, 구성될 수 있다.

전술한 방법으로 제조된 항균성 금속 또는 그 염이 첨착된 나노 카본볼들은 항균 필터의 용도, 즉 냉장고와 같은 가전제품, 공조기, 가스마스크, 정수기, 상하수처리장치, 공기정화기, 클린룸 등에 따라 공지된 방법으로 항균 필터에 구비된다. 예를 들어, 폴리에틸렌 메쉬형 필터나 폴리우레탄 폼형 필터에 바인더 등을 이용하여 도포 및 고정될 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되어 지는 것이다.

실시예 1

실리카 전구체로서 테트라에톡시실란(tetraethoxysilane)을 사용하여 공지의 스토버 공정에 따라 구형의 실리카 코어를 합성하였다. 여기에 테트라에톡시실란을 계면활성제인 옥타데실트리메톡시실란(C₁₈-TMS: octadecyltri - methoxysilane)과 함께 투입하여 반응시킨 후, 필터링하여 실리카 입자들을 얻은 다음, 이를 550℃에서 5시간동안 열처리하여, 계면활성제가 제거된 자리에 일정한 크기의 메조 세공이 형성된 실리카 입자를 얻었다. 다음으로 디비닐벤젠을 라디칼 개시제인 아조비스이소부티로니트릴 (azobisisobutyronitrile: AIBN)과 잘 혼합한 후 상기 실리카 입자의 메조 세공에 주입하고, 80℃의 온도에서 약 12 시간 동안 중합 반응시켜 고분자 중합체가 함유된 실리카 구조체를 제조하였다. 계속하여 고분자 중합체가 함유된 실리카 구조체를 1,000℃의 질소분위기 하에서 탄화시켜 나노 카본볼을 형성시켰다. 이어서, 나노 카본볼을 불산에 넣어 카본나노볼의 무기 구조체를 녹여내어 냄으로써 중공(속이 비어 있는)의 코어(Core) 부분과 껍질인 다공성의 쉘(Shell)이 형성된 볼 형상의 탄소 구조체인 나노 카본볼을 제조하였다. 도 2a ~ 2c는 각각 이와 같이 제조된 나노 카본볼의 외관, 단면 및 쉘부분의 단면(A)을 확대 촬영한 SEM 사진이다.

이어서, 제조된 나노 카본볼 100g을 질산은(AgNO₃) 0.1% 수용액 100ml에 침지시켜 상온에서 2일 동안 숙성시킨 후, 여과 과정을 거쳐 70 ~ 110℃에서 건조시 켰다.

실시예 2

질산은(AgNO₃) 0.1% 수용액 대신 질산은(AgNO₃) 1% 수용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.

비교예 1

나노 카본볼 대신 활성탄(Activated Carbon, 덕산화학사 제품)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 항균성 금속염을 첨착시켜 항균소재를 제조하였다.

세균에 대한 살균력 테스트

상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1에 따라 제조한 항균소재의 세균에 대한 살균력 실험은 다음과 같은 방법으로 수행하였다.

10ml의 비 에치 아이(BHI) 액체 배지에 전 배양시킨 슈도모나스 아에루기노사(Pseudomonas aeruginosa)를 200ml의 PBS buffer에 10⁶cell/ml의 농도가 되도록 접종하고, 무게 비율로 20% 농도의 실시예 1 내지 2 및 비교예에서 제조된 항균성 소재를 각각 가하여 호기성 배양기에서 24시간 배양한 후 슈도모나스 아에루기노사의 수를 측정하여 살균력을 구하였다. 그 결과는 아래 표 1에 나타냈다.

대장균인 Escherichia coli(대장균)와 Staphylococcus aureus(화농균)에 대해서도 동일한 실험을 수행하였으며, 그 결과를 아래 표 1에 나타냈다.

진균에 대한 살균력 테스트

상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1에 따라 제조한 항균소재의 진균에 대한 살균력 실험은 다음과 같은 방법으로 수행하였다.

10ml의 피디에이(PDA) 액체 배지에 전 배양시킨 아스퍼질러스 나이거(Aspersillus niger)를 200ml 의 PBS buffer에 10⁵cell/ml 농도가 되도록 접종하고, 무게 비율로 20%의 실시예 1 내지 2 및 비교예에서 제조된 항균성 소재를 각각 가하여 호기성 배양기에서 24시간 배양한 다음, 아스퍼질러스 나이거(Aspersillus niger)의 수를 측정하여 살균력을 구하였다. 그 결과를 표 2에 나타냈다.

또한, 페니실리움 푸니클로섬(Penicillium funiclosum)에 대해서도 동일한 실험을 수행하였으며, 그 결과를 표 2에 나타냈다.

상기 표 1 및 표 2의 결과로부터, 본 발명의 항균 필터에 구비되는 실시예 1~2의 항균성 금속 첨착 카본 나노볼이 종래의 항균성 금속 첨착 활성탄보다 세균과 진균에 대한 항균효과가 매우 뛰어남을 알 수 있다.

따라서, 이러한 항균성 금속 첨착 카본 나노볼을 구비하는 항균 필터는 뛰어난 항균효과를 부여할 수 있게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 항균 필터는 다양한 종류의 세균과 미생물에 대한 제거효능이 매우 뛰어날 뿐만 아니라 그 항균성능이 장기간 동안 유지되므로, 자동차용 항균 필터, 가전제품용 항균 필터, 공조기용 항균 필터, 가스마스크용 항균 필터, 정수기용 항균 필터, 상하수처리용 항균 필터, 공기정화기용 항균 필터, 클린룸용 항균 필터 등으로 유용하게 사용될 수 있다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다

Claims

구형의 중공 코어부와 다공성의 카본 쉘부로 이루어지며, 상기 카본 쉘부에 항균성 금속 또는 금속염이 첨착된 다수의 나노 카본볼을 구비한 것을 특징으로 하는 항균 필터.
제1항에 있어서, 상기 항균성 금속 또는 금속염은 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 아연(Zn) 및 백금(Pt)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 금속염을 포함하는 것을 특징으로 하는 항균 필터.
제1항에 있어서, 상기 항균성 금속 또는 금속염의 첨착량은 나노 카본볼 총 중량을 기준으로 0.001 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는 항균 필터.
제1항에 있어서, 상기 구형의 중공 코어부의 직경은 10 내지 1,000nm이고, 다공성의 카본 쉘부의 두께는 10 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 항균 필터.
제1항에 있어서, 상기 다공성의 카본 쉘부에 형성된 기공의 직경은 0.1 내지 20nm인 것을 특징으로 하는 항균 필터.
제5항에 있어서, 상기 다공성의 카본 쉘부에 형성된 기공의 직경은 2 내지 20nm인 것을 특징으로 하는 항균 필터.
제1항에 있어서, 상기 항균 필터는 자동차용 항균 필터, 가전제품용 항균 필터, 공조기용 항균 필터, 가스마스크용 항균 필터, 정수기용 항균 필터, 상하수처리용 항균 필터, 공기정화기용 항균 필터 및 클린룸용 항균 필터로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 제형으로 제조된 것을 특징으로 하는 항균 필터.