KR101064761B1 - 이산화티타늄층이 코팅된 도로 및 터널 조명용 등기구, 및 이의 제조방법 - Google Patents

이산화티타늄층이 코팅된 도로 및 터널 조명용 등기구, 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화티타늄층이 코팅된 도로 및 터널 조명용 등기구 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 등기구는 알칼리성 알루미네이트계의 축광 안료를 포함한 분체도료를 등기구 표면에 도포하여 분체 도막층을 형성함으로써 빛이 없을 시에도 축광 도료가 빛을 축적했다가 방출하도록 하여 광분해 효과를 최대화하여 오염방지 효과가 우수하다. 또한, 본 발명에 따른 등기구는 계면활성제를 사용하지 않고 물로만 세척하여도 이산화티타늄의 초신수성으로 인해 물에 의한 자정작용으로 오염물질이 깨끗이 제거되므로 2차 오염을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 등기구를 도로 및 터널과 같은 폐쇄된 공간에 설치할 경우 공기정화기의 효과가 있으며, 계면활성제를 사용하지 않으므로 비용 절감 효과가 있고, 친환경적이다.

Description

이산화티타늄층이 코팅된 도로 및 터널 조명용 등기구, 및 이의 제조방법 {Lighting apparatus coated titanium dioxide layer for street and tunnel, and process for preparing the same}
본 발명은 이산화티타늄층이 코팅된 도로 및 터널 조명용 등기구, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
광촉매제의 하나인 이산화티타늄(TiO2)은 n형 반도체로서 광선(380~400㎚)을 받으면 여기되어 전자(electron)가 방출되고 그 표면에 정공(electron hole)이 생성되며, 여기전자와 정공은 강산화제인 수산화 라디칼(-OH)과 슈퍼 옥사이드(O2-)를 생성한다. 수산화 라디칼과 슈퍼 옥사이드는 강력한 산화력으로 이산화티타늄 표면에 흡착된 고체·액체·기체 상의 유기 화합물을 산화 분해시켜 물(H2O)과 탄산가스(CO2)로 변화시킨다.
이러한 이산화티타늄의 광촉매 반응 특성을 이용하여 이산화티타늄의 다양한 기능이 알려져 있으며, 구체적으로 1) 공기 중의 황산화물(SOx), 질소산화물 (NOx), 포름알데히드와 같은 유해물질을 제거하는 대기정화기능, 2) 살균 및 부패 를 방지하는 항균기능, 3) 아세트알데히드, 암모니아, 황화수소 등의 악취를 분해하는 탈취기능, 4) 오·폐수 중 유해성 유기 화합물을 분해 제거하는 정수기능, 5) 표면에 부착될 수 있는 차량 매연, 기름찌꺼기 등의 유기물질을 분해 제거하는 방오기능, 및 6) 초신수성 기능 등이 알려져 있다. 이러한 이산화티타늄의 다양한 기능으로 인해 이산화티타늄은 다양한 분야에서 응용되고 있으며, 예를 들어 환경정화, 도로관리, 주택관리, 건설자재, 내벽재, 가전, 자동차, 농업용, 생활용품, 점포설비, 의료용 등에서 응용되고 있다.
한편, 도로 및 터널에서 사용되는 조명용 등기구는 차량 매연 등으로 인하여 등기구에 황산화물, 질소산화물, 미세먼지 등의 오염 물질이 침착되어 조명효율이 떨어지고 쉽게 부식되어 수명이 단축됨으로 유지보수 비용이 많이 드는 단점이 있다. 또한, 등기구 표면에는 유기물이 흡착되어 소수성을 띠게 되며 이러한 유기물을 세척하기 위하여 계면활성제를 사용하여 왔는데, 이러한 계면활성제와 같은 화학 세제를 사용함으로써 2차 환경오염의 원인이 되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 등기구 표면에 다양한 기능을 갖는 이산화티타늄을 코팅하는 방법에 대해 많이 연구되어지고 있다. 그 일예로, 대한민국등록실용신안공보 제 20-0184966호에는 오염물질 예방층을 구성하는 직접 조명 등기구에 대하여 기재되어 있으며, 상세하게는 도장층이 형성된 반사갓 등의 등기구 본체 표면에 실리콘층을 형성하여 약 70℃의 온도로 소성 경화시키고, 실리콘층이 50% 정도 경화된 상태에서 이산화티타늄을 스프레이 또는 디핑의 방법으로 도포하여 100~120℃의 온도에서 소정의 시간 동안 소성 경화시켜 광촉매 코팅층을 형성 하는 기술에 대해 기재되어 있다. 그러나 이산화티타늄과 도장층의 손상 방지를 위해 실리콘층이 형성되고, 스프레이 또는 디핑방법으로 이산화티타늄을 도포하기 때문에 이산화티타늄 코팅층의 두께가 두꺼워지고 제조공정이 복잡해지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 대한민국등록실용신안공보 제 20-0246758호에는 이산화티타늄층을 코팅한 형광등기구에 대하여 기재되어 있으며, 상세하게는 이산화티타늄층을 디핑후 350~600℃에서 열처리하고 진공증착하는 기술에 대해 기재되어 있다. 그러나 상기 방법은 이산화티타늄을 형광등기구 표면에 직접 코팅하기 위하여 비교적 고온의 소성 과정을 거쳐야 하기 때문에, 등기구 표면에 고온에 의한 열변형을 일으켜 외관이 크게 손상될 우려가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 대한민국등록특허공보 제 10-0553130호에는 광촉매 코팅층을 갖는 형광등용 고조도 반사갓 및 그 제조방법에 대하여 기재되어 있으며, 상기 광촉매 코팅층은 상온에서 경도 6h 내지 7h로 경화되는 투명도 98% 이상의 수용성 접착제로 마련되는 투명접착제와 분말재로 마련되며, 상기 투명접착제에 의해 상온에서 상기 등기구 본체의 표면에 박막으로 코팅되는 0.1 내지 0.2㎛의 입자크기를 갖는 아나타스형의 이산화티타늄으로 형성된다. 또한, 대한민국등록실용신안공보 제 20-0339155호에는 광촉매물질의 막이 형성된 등기구에 대하여 기재되어 있으며, 상세하게는 등기구 몸체 표면에 이산화티타늄, 바인더, 약산성 알콜, 물의 혼합액을 분사하여 광촉매층을 형성하는 기술에 대해 기재되어 있다.
그러나, 상기 특허문헌에 기재된 등기구 뿐만 아니라 기존의 등기구들은 대부분이 알루미늄 다이케스팅이나 판재를 사용한 성형 제품에 직접 이산화티타늄의 분체나 용액을 도포함으로써 상기 지적한 문제점을 해결하지 못하고 있다.
따라서, 도로 및 터널 내에서 등기구의 조명효율이 떨어지지 않으며, 계면활성제와 같은 화학 세제를 사용하지 않고도 오염물질을 깨끗이 제거할 수 있는 등기구의 개발이 요구되고 있다.
본 발명자들은 도로 및 터널 내에서 등기구의 조명효율이 떨어지지 않으며, 계면활성제와 같은 화학 세제를 사용하지 않고도 오염물질을 깨끗이 제거할 수 있는 등기구에 대해 연구하던 중, 등기구 표면에 알칼리성 알루미네이트계의 축광안료를 포함한 분체도료를 도포한 후, 그 위에 이산화티타늄층을 형성시킨 등기구를 제조하였으며, 상기 등기구를 도로 및 터널에 설치한 후 관찰한 결과 유기물 분해 및 대기오염 분해 기능이 우수하여 오염방지 효과가 우수하고, 계면활성제를 사용하지 않고 물로만 세척하여도 오염물질이 깨끗이 제거됨을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 이산화티타늄층이 코팅된 도로 및 터널 조명용 등기구, 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 등기구 표면에 알칼리성 알루미네이트계의 축광 안료를 포함한 분체도료를 도포하여 형성된 분체 도막층, 및 그 위에 형성된 이산화티타늄층으로 이루어지는 도로 및 터널 조명용 등기구를 제공한다.
또한, 본 발명은
1) 특수에폭시수지도료(에폭시수지+폴리아민)와 알칼리성 알루미네이트계의 축광 안료를 혼합한 분체도료를 등기구 표면에 도포하고 가열하여 분체 도막층을 형성하는 단계, 및
2) 상기 분체 도막층 위에 이산화티타늄층을 형성하는 단계를 포함하는, 도로 및 터널 조명용 등기구의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 도로 및 터널 조명용 등기구는, 등기구 표면에 알칼리성 알루미네이트계의 축광 안료를 포함한 분체도료를 도포하여 형성된 분체 도막층, 및 그 위에 형성된 이산화티타늄층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 분체 도막층의 두께는 90~110㎛, 바람직하게는 100㎛를 가지며, 이산화티타늄층의 두께는 70~90㎛, 바람직하게는 80㎛를 갖는다.
상기 이산화티타늄층은 루타일 타입 또는 아나타제 타입의 이산화티타늄층일 수 있다.
본 발명에 따른 도로 및 터널 조명용 등기구는 하기와 같은 방법으로 제조된다. 먼저, 비철금속(알루미늄)에 부착성이 우수한 특수에폭시수지도료(에폭시수지+폴리아민)와 알칼리성 알루미네이트계의 축광 안료를 중량비로 7~9 : 1~3, 바람직하게는 8:2로 혼합하여 분체 도료(하이브리드화)를 제조한다. 상기 분체 도료를 정전 스프레이 방식으로 등기구 표면에 분사하여 90~110㎛, 바람직하게는 100㎛의 두께로 도포한 다음, 180~220℃, 바람직하게는 200℃에서 약 1~3시간, 바람직하게는 약 2시간 동안 가열하여 등기구에 분체 도막층을 형성시킨다.
상기 알칼리성 알루미네이트계 축광안료는 태양광과 형광체 등의 빛을 흡수 및 축적하여 어두운 곳에서 이것을 서서히 방출/발광하는 성질을 가진 안료로서, 흡수-축적-발광 과정이 횟수에 제한 없이 가능하다. 따라서, 상기 형성된 분체 도막층은 빛이 없을 시에도 축광 도료가 빛을 축적했다가 방출하도록 하여 광분해 효과를 최대화 할 수 있다.
그 다음 상기 분체 도막층 위에 이산화티타늄층을 형성시킨다. 상기 이산화티타늄층은 루타일 타입 또는 아나타제 타입의 이산화티타늄층일 수 있다. 루타일 타입의 이산화티타늄층을 형성할 경우 열경화법을 사용하고, 아나타제 타입의 이산화티타늄층을 형성할 경우 자연건조법을 사용하는 것이 바람직하다.
루타일 타입의 이산화티타늄과 아나타제 타입의 이산화티타늄의 물성치 비교는 하기 표 1에 나타난 바와 같다(한국과학정보원 자료 참고).
물성 루타일 이산화티타늄 아나타제 이산화티타늄
결정형 정방정계 정방정계
비중 4.2 3.9
굴절율 2.71 2.52
경도 6~7 5.5~6
유전율 114 31
융점 1,858℃ 고온에서 루타일로 전이
루타일 타입의 이산화티타늄을 사용하여 이산화티타늄층을 형성할 경우, 먼저 루타일 타입의 이산화티타늄 분말 50~70 중량%와 아크릴/멜라민 도료 30~50 중량%를 용융 혼합하여 분말 입자의 크기가 3~5㎛인 루타일 분체 도료를 제조한다. 도료 총 중량에 대해 루타일 분체 도료 20~40 중량%, 아크릴 수지-OH 20~40 중량% 및 멜라민 수지-NHCH2OH 30~50 중량%를 혼합하여 도료를 제조한다. 상기 도료를 등기구의 분체 도막층 위에 분체전착 도장 기법으로 도포한 후, 130~170℃, 바람직하게는 150℃에서 20~40분, 바람직하게는 30분 동안 가열경화시켜 이산화티타늄층을 형성한다.
또한 아나타제 타입의 이산화티타늄을 사용하는 경우, 티타늄(Ⅳ) 이소프로폭사이드[Ti(OiPr)4] 50~70 중량%와 이소프로판올 30~50 중량%를 혼합한 후, 물을 가하여 70~90℃, 바람직하게는 80℃에서 콜로이드 용액을 제조한다. 이 용액을 5℃로 냉각시켜 아나타제 타입의 이산화티타늄 용액을 제조한다. 도료 총 중량에 대해 아나타제 타입의 이산화티타늄 용액 30~50 중량%, 아크릴 수지-OH 20~40 중량% 및 무황변형 폴리우레탄 수지-N=C=O 20~40 중량%를 혼합하여 도료를 제조한다. 상기 도료를 등기구의 분체 도막층 위에 플로우 코팅 기법으로 도포한 후, 상온에서 1~3시간 동안 건조시켜 이산화티타늄층을 형성한다.
상기 형성된 이산화티타늄층의 두께는 70~90㎛, 바람직하게는 80㎛를 갖는다.
본 발명에 따른 등기구는 알칼리성 알루미네이트계의 축광 안료를 포함한 분체도료를 등기구 표면에 도포하여 분체 도막층을 형성함으로써 빛이 없을 시에도 축광 도료가 빛을 축적했다가 방출하도록 하여 광분해 효과를 최대화하여 오염방지 효과가 우수하다. 또한, 본 발명에 따른 등기구는 계면활성제를 사용하지 않고 물로만 세척하여도 이산화티타늄의 초신수성으로 인해 물에 의한 자정작용으로 오염물질이 깨끗이 제거되므로 2차 오염을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 등기구를 도로 및 터널과 같은 폐쇄된 공간에 설치할 경우 공기정화기의 효과가 있으며, 계면활성제를 사용하지 않으므로 비용 절감 효과가 있고, 친환경적이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : 분체 도막층과 이산화티타늄층으로 이루어진 등기구의 제조
1. 분체 도막층 형성
비철금속(알루미늄)에 부착성이 우수한 특수에폭시수지도료(에폭시수지+폴리아민)(유인원텍 제품)와 알칼리성 알루미네이트(alkaline aluminate) 계의 축광 안료(뉴라온 제품)를 8:2의 중량비로 혼합하여 분체 도료(하이브리드화)를 제조하였다. 상기 분체 도료를 정전 스프레이 방식으로 등기구 표면에 분사하여 100㎛의 두께로 도포한 다음, 200℃에서 약 2시간 동안 가열하여 등기구에 분체 도막층을 형성시켰다.
2. 이산화티타늄층 형성
2-1. 루타일(rutile) 타입의 이산화티타늄층 형성
루타일 타입의 이산화티타늄 분말 60 중량%와 아크릴/멜라민 도료(삼화페인트 제품) 40 중량%를 용융 혼합하여 분말 입자의 크기가 3~5㎛인 루타일 분체 도료를 제조하였다. 상기 루타일 분체 도료 40g, 아크릴 수지-OH(중한켐 제품) 30g 및 멜라민 수지-NHCH2OH(중한켐 제품) 30g을 혼합하여 도료를 제조하였다. 상기 도료를 등기구의 분체 도막층 위에 분체전착 도장 기법으로 도포한 후, 150℃에서 30분 동안 가열경화시켜 이산화티타늄층을 형성하였다. 이때 이산화티타늄층의 두께는 80㎛ 이었다.
2-2. 아나타제(anatase) 타입의 이산화티타늄층 형성
티타늄(Ⅳ) 이소프로폭사이드[Ti(OiPr)4] 60 중량%와 이소프로판올 40 중량%를 혼합한 후, 물을 가하여 80℃에서 콜로이드 용액을 제조하였다. 이 용액을 5℃로 냉각시켜 아나타제 타입의 이산화티타늄 용액을 제조하였다. 상기 아나타제 타입의 이산화티타늄 용액 40g, 아크릴 수지-OH(코스모화학 제품) 30g 및 무황변형 폴리우레탄 수지-N=C=O(중한켐 제품) 30g을 혼합하여 도료를 제조하였다. 상기 도료를 등기구의 분체 도막층 위에 플로우 코팅 기법으로 도포한 후, 상온에서 2시간 동안 건조시켜 이산화티타늄층을 형성하였다. 이때 이산화티타늄층의 두께는 80㎛ 이었다.
비교예 1 : 분체 도막층이 없이 이산화티타늄층만으로 이루어진 등기구의 제조
상기 실시예 1에서 분체 도막층을 형성하지 않은 것을 제외하고는, 등기구 표면에 이산화티타늄층을 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 이산화티타늄층이 형성된 등기구를 제조하였다.
실험예 1 : 이산화티타늄층이 코팅된 등기구의 오염 방지 효과 및 오염 물질 제거 실험
본 발명에 따른 이산화티타늄층이 코팅된 등기구의 오염 방지 효과 및 등기구의 세척 시 계면활성제를 사용하지 않고도 오염물질이 깨끗이 제거되는지를 확인하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행하였다.
2007년 10월 5일부터 2008년 8월 21일까지 약 10개월 동안 대구광역시 북구 침산교 터널 내에 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 등기구를 장착한 후, 오염 정도를 관찰하였다. 또한, 등기구를 물로 세척하여 오염물질이 깨끗이 제거되었는지를 관찰하였다.
본 발명에 따른 등기구를 터널 내에 약 10개월간 장착한 후 등기구의 오염정도를 도 2에 나타내었으며, 본 발명에 따른 등기구를 터널 내에 약 10개월간 장착한 후 등기구를 물로 세척하여 오염물질이 깨끗이 제거되었는지 관찰한 결과는 도3에 나타내었다.
도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 등기구는 오염방지 효과가 우수한 반면, 비교예 1에서 제조한 등기구는 심하게 오염되었음을 확인하였다. 이는 알칼리성 알루미네이트계의 축광 안료를 포함한 분체도료를 등기구 표면에 도포하여 분체 도막층을 형성함으로써 빛이 없을 시에도 축광 도료가 빛을 축적했다가 방출하도록 하여 광분해 효과를 최대화시키며, 이로 인해 오염방지 효과가 우수하여짐을 알 수 있다.
또한 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 등기구는 계면활성제를 사용하지 않고 물로만 세척하여도 깨끗해진 반면, 비교예 1에서 제조한 등기구는 물로만 세척할 경우 깨끗하여지지 않고 오염 상태가 그대로 유지됨을 확인하였다. 이는 이산화티타늄의 초신수성으로 인해 물에 의한 자정작용으로 오염물질이 깨끗이 제거되어 계면활성제의 사용으로 인한 2차 오염을 방지할 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 등기구는 알칼리성 알루미네이트계의 축광 안료를 포함한 분체도료를 등기구 표면에 도포하여 분체 도막층을 형성함으로써 빛이 없을 시에도 축광 도료가 빛을 축적했다가 방출하도록 하여 광분해 효과를 최대화하여 오염방지 효과가 우수하다. 또한, 본 발명에 따른 등기구는 계면활성제를 사용하지 않고 물로만 세척하여도 이산화티타늄의 초신수성으로 인해 물에 의한 자정작용으로 오염물질이 깨끗이 제거되므로 2차 오염을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 등기구를 도로 및 터널과 같은 폐쇄된 공간에 설치할 경우 공기정화기의 효과가 있으며, 계면활성제를 사용하지 않으므로 비용 절감 효과가 있고, 친환경적이다.
도 1은 본 발명에 따른 도로 및 터널 조명용 등기구의 단면을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 등기구를 터널 내에 약 10개월간 장착한 후 등기구의 오염정도를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 등기구를 터널 내에 약 10개월간 장착한 후 등기구를 물로 세척하여 오염물질이 깨끗이 제거되었는지 관찰한 도이다.

Claims (13)

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  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 1) 특수에폭시수지도료(에폭시수지+폴리아민)와 알칼리성 알루미네이트계의 축광 안료를 7~9 : 1~3의 중량비로 혼합한 분체도료를 등기구 표면에 도포하고 180~220℃에서 1~3시간 동안 가열하여 분체 도막층을 형성하는 단계, 및
    2) 상기 분체 도막층 위에 이산화티타늄층을 형성하는 단계를 포함하는, 도로 및 터널 조명용 등기구의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제 5항에 있어서, 상기 1)단계에서 분체 도막층은 90~110㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 도로 및 터널 조명용 등기구의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제 5항에 있어서, 상기 2)단계에서 이산화티타늄층은 루타일 타입의 이산화티타늄층 또는 아나타제 타입의 이산화티타늄층인 것을 특징으로 하는, 도로 및 터널 조명용 등기구의 제조방법.
  10. 제 5항에 있어서, 상기 2)단계에서 이산화티타늄층이 루타일 타입의 이산화티타늄층인 경우, 루타일 타입의 이산화티타늄 분말 50~70 중량%와 아크릴/멜라민 도료 30~50 중량%를 용융 혼합하여 분말 입자의 크기가 3~5㎛인 루타일 분체 도료를 제조한 후, 도료 총 중량에 대해 루타일 분체 도료 20~40 중량%, 아크릴 수지-OH 20~40 중량% 및 멜라민 수지-NHCH2OH 30~50 중량%를 혼합하여 도료를 제조하고 상기 도료를 등기구의 분체 도막층 위에 도포한 후, 130~170℃에서 20~40분 동안 가열경화시켜 이산화티타늄층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 도로 및 터널 조명용 등기구의 제조방법.
  11. 제 5항에 있어서, 상기 2)단계에서 이산화티타늄층이 아나타제 타입의 이산화티타늄층인 경우, 티타늄(Ⅳ) 이소프로폭사이드[Ti(OiPr)4] 50~70 중량%와 이소프로판올 30~50 중량%를 혼합한 후, 물을 가하여 70~90℃에서 콜로이드 용액을 제조하고, 이 용액을 5℃로 냉각시켜 아나타제 타입의 이산화티타늄 용액을 제조한 후, 도료 총 중량에 대해 아나타제 타입의 이산화티타늄 용액 30~50 중량%, 아크릴 수지-OH 20~40 중량% 및 무황변형 폴리우레탄 수지-N=C=O 20~40 중량%를 혼합하여 도료를 제조하고 상기 도료를 등기구의 분체 도막층 위에 도포한 후, 상온에서 1~3시간 동안 건조시켜 이산화티타늄층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 도로 및 터널 조명용 등기구의 제조방법.
  12. 제 5항에 있어서, 상기 2)단계에서 이산화티타늄층의 두께는 70~90㎛인 것을 특징으로 하는, 도로 및 터널 조명용 등기구의 제조방법.
  13. 제 5항, 제 7항 및 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 도로 및 터널 조명용 등기구.
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