KR101266478B1 - 자연친화적 원료를 이용하여 제공되는 최첨단 숯 보드 및 그 제조방법 - Google Patents

자연친화적 원료를 이용하여 제공되는 최첨단 숯 보드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본원은 자연친화적 원료를 이용하여 제공되는 기능성 숯 보드 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 본원에서 제공되는 기능성 숯 보드는 천연 포졸란 광물과 황토와 고령토 및 목분, 소성패각 분말 원료를 사용하여 원적외선 방사효과와 악취물 탈취효과와 항균효과를 높이도록 제공되는 기능성 숯 보드에 관한 것이다.
본원에서 제공되는 기능성 숯 보드는 포졸란 광물과 황토 분말이 특정비율로 혼합되고 상기 혼합물에 고령토와 목분 및 소성패각 분말이 추가되어 건 비빔 된 혼합물을 얻고, 상기 혼합물에 물이 혼합하여 반죽혼합물을 얻으며, 상기 반죽혼합물이 성형틀에 투입되어 압착되므로 보드를 얻을 때 섬유재나 철재의 지지체가 보드의 중앙부에 내장되도록 적용되어 예비성형이 이루어지고, 상기 예비 성형된 숯 보드를 기능성 용액에 함침시키거나 도포시켜 기능성을 부여시키고, 기능성 부여단계를 거친 보드 성형물을 일정범위의 온도 조건을 유지하는 건조로에서 예비건조시킨 후 연속 소성가마(roller hearth kiln)에서 소성온도 830～1200℃에서 소결시키는 소성단계를 거쳐 원적외선 방사효과와 악취물 탈취효과와 항균효과를 갖도록 최첨단 기술로 제공되는 기능성 숯 보드에 관한 것이다.

Description

자연친화적 원료를 이용하여 제공되는 최첨단 숯 보드 및 그 제조방법{The charcoal board and the manufacturing method of using natural materials}
본 발명은 천연원료로 자연친화적 원료를 이용하여 제공되는 기능성 숯 보드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본원에서 제공되는 기능성 숯 보드는 천연 포졸란 광물과 황토와 고령토 및 목분, 소성패각 분말 원료를 사용하여 원적외선 방사효과와 악취물 탈취효과와 항균효과를 높이도록 제공되는 기능성 숯 보드에 관한 것이다.
본원에서 제공되는 기능성 숯 보드는 포졸란 광물과 황토 분말이 특정비율로 혼합되고 상기 혼합물에 고령토와 목분 및 소성패각 분말이 추가되어 건 비빔 된 혼합물을 얻고, 상기 혼합물에 물이 혼합하여 반죽혼합물을 얻으며, 상기 반죽혼합물이 성형틀에 투입되어 압착되므로 보드를 얻을 때 황마나 대마 등의 섬유재나 철재의 지지체가 보드의 중앙부에 내장되도록 적용되어 예비성형이 이루어지고, 상기 예비 성형된 숯 보드를 기능성 용액에 함침시키거나 도포시켜 기능성을 부여시키고, 기능성 부여단계를 거친 보드 성형물을 일정범위의 온도 조건을 유지하는 건조로에서 예비건조시킨 후 연속 소성가마(roller hearth kiln)에서 최고대 소성온도가 830～1200℃ 범위이고 최고대 유지시간 0.5～5분, 총 소성시간 40～60분 조건에서 소결시키는 소성단계를 거쳐 최첨단 기술로 제공되는 기능성 숯 보드에 관한 것이다.
각종 건축물의 벽체나 마감재로 사용되고 있는 건축자재 중에는 인체에 유해한 화학물질의 함유로 인하여 새집 증후군(Sick House Syndrome) 문제를 야기하고 있는바, 새집 증후군이란 건물을 새로 지을 때 사용하는 건축자재나 벽지 등에서 나오는 유해물질로 인해 거주자들이 느끼는 건강상 문제 및 불쾌감을 이르는 용어로서, 새집 증후군을 야기하는 물질로 벤젠, 클로로폼, 스타이렌, 포름알데히드 등과 같은 VOCs(Volatile Organic Compounds)라 불리우는 휘발성 유기화합물이 포함되어 있기 때문이며, 이들 물질에는 발암물질도 포함되어 있다.
최근에는 웰빙(Wellbeing) 문화를 추구하면서 건강문제에 대한 인식이 바뀜에 따라 주택의 마감재도 친환경적 소재로 사용되어 쾌적한 주거공간을 확보하고자 하는 소비자들이 위생적, 친환경적 요구가 높아지고 있는 실정에서 인체에 무해하고 원적외선을 다량 방사하는 황토소재를 이용하고자 하는 기술이 많이 제시되고 있다.
또한 최근 웰빙 추세와 함께 환경에 대한 관심이 높아져 각종 공해문제 및 안전성 문제를 해결하고 경관 및 녹지, 서비스 공간 확보의 차원에서 지상의 모든 주차장을 없애고 지하로 배치한 공동주택들이 늘어나면서 지하 1층에서 지하 2층 ~ 3층 등으로 복층화를 이루며 지하 주차장이 대형화되어 가고 있다.
그러나 지하주차장은 공동주택 단지 내에서 차지하는 면적 비율이 큼에도 다른 공간에 비해 등한 시 되는 경향이 있고, 대부분의 지하주차장은 지상에 비해 상대적으로 열악한 환경에서 결로현상으로 인하여 곰팡이가 발생하는 등 불결하게 관리되고 있는 것이 오늘의 현실이다.
종래의 기술에서도 황토의 특성을 이용하여 공기질 개선효과를 도모하고자 하는 기술이 많이 개시되어 있는바, 금속 철재프레임에 스텐망을 장착하고 스텐망의 양면에 황토를 부착한 제품이 개시되었으나, 스텐망에 부착된 황토입자 간의 밀도나 결합강도가 낮아 미세한 진동이나 충격, 긁힘에도 황토 알갱이가 떨어져 나가서 재시공을 하거나 거친 표면의 마감처리에 많은 비용과 시간을 소요하는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 특허등록 10-0842872호에서는 그라스울 매쉬에 황토와 숯을 부착시킨 구성의 황토 숯 보드를 제공하고자 하는 기술을 개시하였으나, 황토 숯 보드를 형성하는 하층부, 중간부, 표층부 사이에 개재되는 그라스울 매쉬가 황토보드와 결합된 후 산화마그네슘과 염소가 반응하여 발생되는 열에 의해 손상되어 2-3개월 이내에 그라스울 매쉬가 갖는 인장강도가 현저히 훼손되어 내구성을 확보하지 못하는 문제점이 노출되었다.
또한 황토 숯 보드의 건조가 완벽하게 이루어지지 못하여 황토 숯 보드 내부의 염화마그네슘이 미 반응상태로 남게 되는 경우 염화 마그네슘이 황토 숯 보드의 외면으로 배출되는 백화현상이 발생하는 문제점도 발생하였다.
상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 본 발명자의 선출원 기술로 공개특허 제2010년 제77372호 특허기술에서는 황토 숯 보드를 얻기 위한 방법으로 황토를 주원료로 하고 숯 층을 구비하며, 높은 순도의 염화마그네슘과 산화마그네슘을 통해 숯과 황토의 바인딩 효과를 높여 구조적인 강도는 유지한 상태에서 백화현상을 방지해주는 황토 참 보드를 제공하고자 하였으며, 하층부, 숯층부, 중간층부, 표층부가 순차적으로 적층되는 구성으로 황토보드로서, 상기 중간층부는 황토 100 중량부에 숯 분말 35~50중량부 산화마그네슘과 염화마그네슘의 혼합물 40~50중량부, P.E 인장재 10~20중량부와 미세파우더 형태의 팽창진주암 5~10중량부와 소포제 2~5중량부, 강도증강제 2~5 중량부를 포함하여 이루어지는 황토 숯 보드에 기술구성이 제시되었다.
또한 상기 특허에서는 숯층부에서 숯 100중량부에 대하여 산화마그네슘 65~67중량부와 염화마그네슘 33~35중량부로 이루어진 구성을 통하여 제공되는 황토 숯 보드를 제시하였으나, 처음 초기단계에서는 어느 정도의 압축강도 및 휨 강도를 확보하고 나사못을 박을 수 있는 물성을 나타내는 것으로 파악했으나, 제품 생산 후 약 2~3개월 정도의 시간이 지나 완전 건조된 제품은 나사 못이 쉽게 박히지 않을 정도로 너무 높은 강도를 나타내고 나사 못을 박는 경우 크랙이 발생하며 건축내장재로 사용에 문제점을 나타내고 또한 결로현상이 발생하는 사실을 확인하여 다시 완전 건조된 제품에서 원적외선 방사효과와 악취물 탈취효과와 항균효과를 높이고 일정범위의 압축강도 및 휨 강도를 확보하고 결로현상을 해소할 수 있는 새로운 배합 조성과 가공방법을 찾아 연구하기에 이르렀다.
본원은 종래에 제공된 황토보드 제품이나 종래 기술의 제반 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 황토보다 흡착, 흡취 효과가 뛰어나 천연 포졸란 광물과 황토, 고령토 및 목분, 소성패각 분말, 전기석(톨루마린) 등의 천연에서 산출되는 자연친화적 원료가 이용되고 본원에서 제시되는 제공공정이 적용되어 기능성 숯 보드의 밀도가 1.1-1.7g/㎤이고 충격강도가 10KJ/m2이상이며 휨강도가 10 m/㎟ 이상을 확보하는 기능성 숯 보드를 제공하고자 하는 과제를 갖고 시작된 발명이다.
본원은 포졸란 광물과 황토 분말이 특정비율로 혼합되고 상기 혼합물에 고령토와 목분 및 소성패각 분말이 추가되어 건 비빔 된 혼합물을 얻고, 상기 혼합물에 물이 혼합하여 반죽혼합물을 얻으며, 상기 반죽혼합물이 성형틀에 투입/압착시켜 보드를 얻을 때 섬유재나 철재의 지지체가 보드의 중앙부에 내장되도록 적용되어 예비성형이 이루어지고, 상기 예비 성형된 숯 보드를 기능성 용액에 함침시키거나 도포시켜 기능성이 추가된 보드 성형물을 일정범위의 온도 조건을 유지하는 건조로에서 예비건조시킨 후 높은 소성온도에서 소결시키는 소성단계를 거쳐 원적외선 방사효과와 악취물 탈취효과와 항균효과를 갖도록 최첨단 기술로 적용되는 기능성 숯 보드 및 그 제조방법을 찾고자 하는 목적을 갖는다.
본원은 상기 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 천연 포졸란 광물과 황토와 고령토와 목분과 소성패각 분말과 전자석(톨루마린)이 갖는 특성을 이용하고자 하는 기술사상의 발명이다.
본원에서는 기능성을 높인 숯 보드의 원료로 포졸란 광석 분말을 이용하고자 하였는바, 포졸란은 화산회(화산재)의 일종으로서 약 1억년 전 백악기 시대의 화성암으로 내산성, 내부식성, 단열성 및 방음성, 습도 조절 및 탈취 기능이 뛰어난 광물인바, 본원 발명자는 전남 신안군의 포졸란 광산에서 산출된 원석을 분석하는 과정에서 원적외선 방사율이 0.928~0.93 범위이고, 음이온 678~1,000 범위로 검출되며, 원석 중 게르마늄성분이 1.5~2.0 ppm에 이르는 우수한 포졸란 원석이 산출됨을 확인하고 이를 기능성 숯 보드의 원료 소재로 이용하여 타 원료와의 결합력을 증진시키고 단열성 및 방음성, 습도 조절 및 탈취 기능을 높이며 별도로 게르마늄성분을 추가하지 않고서도 건축 내장재에서 게르마늄이 주는 유익한 효과를 누릴 수 있는 숯 보드의 제공 가능성을 찾고자 하였다.
본원 발명자가 전남 신안군의 포졸란 광산에서 산출된 원석을 분쇄하여 200 mesh체를 통과한 원료를 얻고 이를 분석하였는바, 포졸란 원석의 성분분석은 하기의 표 1과 같았다.
구분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO K2O Na2O TiO3 CaO 가열
감량		 계
함량 69.4 12,0 4.63 0.62 3.99 1.04 0.62 1.92 (5.78) 100
상기 원석은 분석과정에서 Ge함유량이 2.0ppm으로 함유되고, 상기 원석에서 원적외선 방사율(5~20㎛)이 0.928로 측정되고, 원적외선 방사에너지가 3.74 W/㎡㎛ × 102 으로 측정되었다.
또한 본원의 숯 보드의 원료로 포졸란과 함께 사용되는 황토는 표면적이 매우 넓은 벌집구조로서 수많은 공간이 있는 복층 구조를 이루고 있으며 이러한 스폰지 같은 구멍 안에는 원적외선이나 수분을 다량 흡수 및 저장하고 있다가 열을 받으면 주변과의 조화를 이루기 위해 필요한 원적외선이나 수분 등을 발산하여 다른 주변환경에 영향을 줘서 분자활동을 자극하는 기능을 갖고, 황토 한 스푼에는 약 2억 마리 정도의 미생물이 살고 있어서 다양한 효소들이 순환작용을 일으키고 있으며, 황토의 효소성분에는 카탈라아제, 디페놀 옥시다아제, 사카라제, 프로테아제 등이 포함되어 있고 이들 효소들은 각각 독소제거, 유독물 분해능력을 갖고 다양한 정화작용의 역할을 하고 있음이 이미 밝혀져 있다.
또한 본원의 숯 보드의 원료로 포졸란과 함께 사용되는 고령토는 도자기의 원료로 사용되는 광물로서 카올린, 백도토(白陶土:china clay)라고도 불리우며, 바위 속에 있는 장석류가 장기간에 걸쳐 탄산 또는 물에 의해 화학적으로 분해되는 풍화과정에 의해 생성되는 것으로 타 원료 물질과 잘 혼합되어 결합력을 높이는 기능을 가지며 특히 높은 온도로 소결되는 공정을 거치면서도 견고한 결합력을 유지해주기 위한 기능을 갖고 사용된다.
또한 본원의 숯 보드의 원료로 포졸란과 함께 사용되는 소성 패각분말은 패각류를 고온에서 소성시킨 후 분말화 하는 경우 높은 항균특성을 나타내는 것을 확인하고 이의 특성을 숯 보드의 원료로 적용하여 항균기능을 높이고자 하였다.
본원의 숯 보드의 원료에서 포졸란, 황토, 고령토, 소성패각분말과 함께 사용되는 목분은 일반적으로 제재소 등에서 나무 가공시 발생하는 톱밥의 형태로 사용되는 것으로, 본원의 숯 보드에서 포졸란, 황토, 고령토, 소성패각분말과 함께 일정 조성비로 배합되어 사용되는 목분(톱밥)은 처음 원료배합과정에서는 톱밥으로 사용되지만 숯 보드의 제조 공종 중 연속 소성 가마(roller hearth kiln)에서 높은 소성온도 830～1200℃범위로 소성 공정을 거칠 때 목분이 고열로 환원되며 숯으로 변하여 일정범위의 미세 공극을 형성하면서 경량화가 이루어져 보드의 중량이 감소하게 되고 숯의 효과로써 원적외선 발생으로 혈액 순환촉진, 전자기에 의한 전자파를 산란, 음이온 발생, 항균작용 및 탈취효과 등을 높이도록 작용하게 된다.
또한 본원의 숯 보드에 기능성을 부여하기 위한 원료로 전자석(톨루마린)을 일정범위로 함유시켜 사용하고자 하였는바, 톨루마린은 표면에 전하를 발생시키는 물질로서 외부로부터 전기장이 가해지지 않아도 처음부터 전기 분극을 갖는 극성결정체로 (+)전극과 (-)전극이 불안정한 상태로 (+)나 (-)전극에 멈추지 않고 계속적으로 전극이 흐르면서 음이온을 발생시키는 특성을 갖는바 이를 포졸란 및 황토와 함께 기능성 성분으로 적용하여 물유리에 녹여 기능성 용액으로 사용하고자 하였다.
본원에서는 환경친화적인 숯 보드를 제공하고자 사용되는 원료가 포졸란, 황토, 고령토, 전자석(톨루마린), 패각분말 등의 모든 기능성 성분은 자연에서 산출되는 원료로 제공되며 이들 원료를 특정의 배합비로 혼합하여 숯 보드를 제공하는 경우 인체에 친화성이 큰 원적외선 및 음이온의 발산효과, 유해물 흡착효과, 게르마늄 발생효과를 갖는 숯 보드를 제공할 수 있는지 여부, 숯 보드로서의 강도 등을 확보하는지 확인하고자 하였으며, 상기의 원료 이용으로 부분적인 효과를 확인하여 완성된 발명이다.
따라서 본원의 기술사상이 적용되어 천연 포졸란 광물과 황토를 이용하여 건축물 내장재인 숯 보드를 얻기 위한 일 적용예는, 포졸란 광물과 황토 분말이 3±1 : 2±0.5 비율로 혼합된 광물질 100중량부와 고령토 20~30중량부와 목분 10~20중량부와 소성패각 분말 2~5 중량부가 혼합되어 건 비빔 된 혼합물을 얻고, 상기 혼합물 중량의 15~30중량% 비율로 물을 혼합하여 반죽혼합물을 얻는 단계, 상기 반죽혼합물을 성형틀에 투입하고 압착하여 보드로 성형하되 섬유재나 철재의 지지체가 보드의 중앙부에 내장되도록 숯 보드 예비성형이 이루어지는 단계, 상기 예비 성형된 숯 보드에 기능성을 부여하기 위한 수단으로 기능성 용액에 함침시키되, 기능성 용액은 포졸란 분말과 황토 분말 및 전자석(톨루마린) 분말을 각각 350±50℃범위에서 4~5시간 소성시킨 후 분쇄하여 200 ~ 300메쉬 범위를 통과한 포졸란과 황토 및 전자석이 3±0.5 : 2±0.5 : 0.5±0.1 비율로 배합된 혼합물과 규산나트륨 액상 2호와 물이 각각 1 : 2 : 1 비율로 혼합된 기능성 용액을 만들고 예비 성형된 숯 보드를 침적시키거나 예비 성형된 숯 보드에 기능성 용액을 도포시키는 기능성 부여단계, 상기 기능성 부여단계를 거친 보드 성형물을 상온 또는 50~90℃ 범위의 건조로에서 24시간 이상 예비건조시킨 후 보드 성형물을 산소가 공급되지 않는 상태에서 연속 소성가마(roller hearth kiln)에서 최고대(예열대, 소성대, 냉각대 구간중 소성대에서 가장 높은 온도를 나타내는 곳) 소성온도 830～1200℃, 최고대 유지시간 0.5～5분, 총 소성시간 40～60분 조건에서 소결시키는 소성단계, 를 포함하여 이루어지는 공정을 통하여 발명자가 원하는 물성을 나타내는 기능성 숯 보드를 얻을 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.
본원발명의 기술사상이 구체적으로 구현되는 실시양태는 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용란 기재에서 상세히 설명하기로 한다.
본원에서 제공되는 기능성 숯 보드의 사용원료는 포졸란 광물과 황토, 고령토 및 목분, 소성패각 분말, 전기석(톨루마린) 등의 사용원료가 모두 천연에서 산출되는 자연친화적 원료만을 사용하여 일정범위의 압축강도 및 휨 강도를 확보하면서 나사못을 박을 수 있는 물성을 나타내는 효과를 갖는다.
본원에서 제공되는 기능성 숯 보드는 원적외선 방사효과와 악취 물 탈취효과와 항균효과, 공기정화 효과, 습도 조절성이 양호한 효과를 제공하여 각종 건축물 벽체와 바닥의 마감내장재나 지하주차장 마감재로 유용하게 사용할 수 있고, 또한 본원에서 제공되는 기능성 숯 보드는 종래의 천정재인 석고보드를 대체하는 용도로 적용될 수 있는바, 종래의 석고보드나 그라스 울 보드는 절단가공이나 운반시에 미세입자가 날릴 경우 작업자나 주변사람의 호흡기 질환이나 피부병을 유발시키는 문제점을 갖고 있었는바 본원에서 제공되는 기능성 숯 보드는 작업시나 시공 후 보드의 구성원료가 일부 부서져서 날린다 하더라도 인체에 해롭지 않은 성분으로 제공되고 장기간 사용 후 폐기되는 경우 땅속에 매장되는 경우에도 자연 생태계에유해성을 남기지 않는 효과를 갖는다.
도 1 : 본원의 기술사상이 적용되는 숯 보드의 제조공정도
이하 본원의 기술사상이 구현되는 실시양태를 하기에 기재하고자 하는바, 본원에서 기능성 숯 보드를 얻기 위하여 제시되는 조성물의 상한이나 하한을 나타내는 숫자는 본원의 목적을 달성하기 위한 다양한 시행오차법에 의한 실험결과로 출원인이 원하는 기대치를 달성하는 범위의 실시양태를 제시한 것이고, 본원의 기술사상을 모두 대변하는 것은 아니나 본원에서 제시되는 수치의 상한이나 하한을 벗어나는 경우 최상의 물성이 훼손되고 내구성이 떨어지는 문제점을 나타내므로 제시된 숫자이다.
또한 본원의 목적을 달성하기 위한 수단으로 제시되는 각종 원료의 순도나 배합비에 따른 제조방법은 배합순서에 따라서도 다소 영향을 미칠 수 있을 것이나 본 발명의 기술사상에 따른 권리범위는 특허청구범위에 기재된 내용을 기준으로 균등론적으로 해석되어 적용되어야 할 것이다.
이하 본 발명의 기술사상이 구체적으로 적용되는 실시양태를 도 1에 제시된 숯 보드의 제조공정도를 참조하여 설명하고자 하며, 하기에 표 2로 제시되는 배합조성물은 수많은 시행 오차를 겪으면서 발명자가 원하는 결과를 얻을 수 있는 최적(best mode)의 실시양태를 나타낸 것으로, 예를 들어 포졸란 분말과 황토 분말이 3±1 : 2±0.5 배합비율을 이룰 때 최적의 물성을 나타내고, 이들 혼합물로 100중량부를 이루고 고령토 20~30중량부와 목분 10~20중량부와 소성패각 분말 2~5 중량부가 혼합되는 건 비빔 조성을 얻어 물과 반죽되어 보드 형상으로 예비성형물을 이루고, 포졸란과 황토 및 전자석이 3±0.5 : 2±0.5 : 0.5±0.1 비율로 배합된 내용물과 규산나트륨(액상 2호)과 물이 각각 1 : 2 : 1 비율로 혼합된 기능성 용액에 침적시킬 때 출원인이 원하는 물성을 나타내는 기능성 숯 보드를 얻을 수 있었기에 제시된 수치임을 이해하여야 할 것이다.
숯 보드의 제조 실시예
본원은 국내산 천연광물인 포졸란과 황토와 고령토와 목분과 소성패각 분말을 이용하여 원적외선 방사효과와 악취물 탈취효과와 항균효과를 높인 기능성 숯 보드를 제공하고자 하는 목적을 갖는 것으로, 발명자는 전남 신안군의 포졸란 광산에서 산출된 원석을 분쇄하여 200 mesh체를 통과한 포졸란 원료분말를 얻고 유사한 방법으로 황토와 고령토 원료를 선별하여 같은 입도로 체질하여 얻고 목분과 소성패각 분말도 200 mesh체를 통과한 원료를 사용하여 하기의 표 2와 같은 조성으로 배합하여 샘플 1 내지 샘플 4의 물성을 실험하고자 하였다.
도 1의 본원 기술사상이 적용되어 숯 보드를 얻는 제조공정도에 따라 본원의 샘플 제작단계를 설명하여 보면, 먼저 원료를 선별하여 대기 중에서 2~3일 풍화과정을 거친 포졸란과 황토를 표 2와 같은 배합조성으로 예비 혼합물을 얻고, 고령토와 목분 및 소성패각 분말도 200 mesh체를 통과한 것으로 표 2와 같은 배합조성물을 얻어서 배합조성물의 약 16~20%의 공정수를 넣고 혼합하여 반죽물을 얻고 반죽물을 예비성형틀에 1/2 두께로 넣고 그 중앙부에 황마섬유를 넣고 다시 반죽물을 투입하는 방법으로 10.0㎜ 두께로 압착하여 보드로 성형하였으나 숯 보드의 두께는 현장여건에 따라서 3.0 ㎜에서부터 15.0 ㎜ 범위로 숯 보드 예비 성형물을 얻었다.
또한 샘플 제작단계에서 사용한 기능성 용액은 포졸란이나 황토나 전자석의 분말에는 이물질이 혼입되어 있는 경우 기능성을 현저히 저감시키게 되므로, 본원의 실시예에서는 포졸란 분말과 황토 분말 및 전자석(톨루마린) 분말을 각각 350±50℃범위에서 4~5시간 소성시킨 후 분쇄하여 300메쉬 범위를 통과한 원료를 사용하여 표 2와 같은 배합조성으로 기능성 용액을 얻어 이용하고자 하였으며, 이 때 포졸란과 황토 및 전자석이 미립도일수록 코팅효과를 높일 수 있으므로 가능한 한 미립도로 제공되는 것이 바람직하다.
구 분 샘플 1 샘플 2 샘플 3 샘플 4


건식원료
 포졸란 6.0 8.0 5.0 9
황토 4.0 2.0 5.0 1
고령토 2.5 2.0 3.0 2.0
목분 1.0 1.5 1.5 2.5
소성패각 0.3 0.3 0.3 0.3
소계 13.8 13.8 14.8 14.8

예비성형		 물 2.3 2.3 2.5 2.5
성형물 두께 10.0㎜ 10.0㎜ 10.0㎜ 10.0㎜

기능성
용액
 포졸란 3.0 2.5 3.5 3.0
황토 2.0 2.5 1.5 2.0
전자석 0.5 0.5 0.5 0.5
규산나트륨 10.0 10.0 10.0 10.0
물 5.5 5.5 5.5 5.5

제조공정		 도포분사공정 0.2㎜ 0.2㎜ 0.2㎜ 0.2㎜
예비/소성건조 60/1100 60/1100 50/1100 50/1100
밀 도(g/㎤) 1.3 1.2 1.1 1.1
충격강도 (KJ/㎡) 11.8 11.5 10.8 9.8
휨강도 (m/㎟) 13 12.5 12.0 11.2
KSF 2263에 따른
꺽임하중시험(㎏/㎤)		 20.8 20.6 20.2 18.6
상기의 표 2의 자료에서 규산나트륨(액상2호)와 공정수인 물을 ℓ단위가 사용된 것이며 나머지 단위는 ㎏을 나타낸 것이다.
상기의 기능성 용액 코팅단계는 보드 성형물의 표면에 나와 있는 목분이 소성공정을 거칠 때 탄화되어 흑색을 나타내는 경우 외장용으로 미감 상 좋지 못한 외관 문제를 해결해줄 뿐 아니라 200 ~ 300메쉬 범위의 미세한 포졸란 및 황토 및 전자석 분말이 각각 특유의 특성을 발휘하여 원적외선 방사효과와 악취물 탈취효과와 항균효과 및 음이온 방출 효과를 높인 기능성 숯 보드로 기능하도록 하기 위함이다.
상기의 제조공정 중 건조조건은 예비건조공정과 소성건조공정을 구분하여 설명할 수 있는바, 예비 성형된 숯 보드가 기능성 용액에 침적되거나 코팅된 후 뜨거운 열이나 햇빛에 건조되는 경우 크랙이 발생하므로 상온의 그늘진 곳에서 건조시키는 것이 바람직하나 상온(25~30℃ 범위)에서 건조시키는 경우 2~3일의 시간이 소요되므로 본원에서는 60±5℃ 범위에서 24시간 건조시키는 공정으로 예비 건조를 실시한 후 소성공정에 투입하였다.
소성로의 열원은 산소가 공급되는 정도에 따라서 환원염, 중성염, 산화염으로 구분할 수 있는데, 본 발명에 적용되는 열원은 소성로 내부에 산소의 공급을 차단한 상태의 환원염에서 소성가공하는 것으로 소성 초기에는 소성로 내의 온도가 서서히 상승함에 따라 환원염에 의하여 경화 및 탄화가 진행되는데, 이때 목분은 산화됨이 없이 분해됨으로써 연한 흑색 탄화물로 되는 것으로 판단되며, 본원에서는 산소가 공급되지 않는 상태에서 연속 소성가마(roller hearth kiln)에서 최고대(예열대, 소성대, 냉각대 구간중 소성대에서 가장 높은 온도를 나타내는 곳)의 소성온도 830～1200℃, 최고대 유지시간 0.5～5분, 총 소성시간 40～60분 조건에서 소결시키는 수단의 소성공정을 수행하였다.
상기의 제조공정을 거쳐 얻어진 샘플 1 내지 샘플 3 제품에서는 본원 발명자가 원하는 물성을 나타내고 있으나, 샘플 4의 제품에서는 본원 발명자가 원하는 물성으로 밀도가 1.1-1.7g/㎤조건은 충족하나 충격강도가 10KJ/m2에 이르지 못하며 휨강도도 타 샘풀에 비하여 떨어지며 꺽임하중 시험결과도 20에 이르지 못하는 결과로부터 포졸란 광물과 황토 분말이 3±1 : 2±0.5 비율을 벗어나고 광물질 혼합물 100중량부와 고령토 20~30중량부와 목분 10~20중량부와 소성패각 분말 2~5 중량부범위로 사용될 때 가장 좋은 물성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다.
상기의 제조 실시예 샘플 1내지 샘플 4로 만들어진 제품 중에서 샘플 1로 만들어진 숯 보드에 대하여 FT-IR Spectrometer를 이용한 Black Body 대비하여 원적외선 방사실험을 측정한 결과는 표 3과 같았다.
시험항목 단위 구분 결과 시험방법
원적외선방사율
측정온도 : 40℃
측정파장: 5~20㎛
1
0.903


KICM-FIR-
1805:2006
원적외선방사에너지. W/㎡ 1 3.64 ×102
원적외선방사율
측정온도 : 45℃
측정파장: 5~20㎛
2
0.902
원적외선방사에너지. W/㎡ 2 3.90 ×102
상기의 샘플 1로 만들어진 숯 보드에 대하여 암모니아(NH3) 탈취실험을 실시하였으며, 그 결과는 표 4와 같았다.
시험항목 암모니아(NH3) 탈취실험
경과시간(분) blank농도(ppm) blank농도(ppm) 탈취율(%)
0 200 200 -
30 195 108 44.6
60 192 74 61.5
90 188 57 69.7
120 185 46 75.1
시험방법 KICM-FIR-1085 : 2010
상기의 샘플 1로 만들어진 숯 보드에 대하여 메틸 머컵탄(CH3SH) 탈취실험을 실시하였으며, 그 결과는 표 5와 같았다.
시험항목 메틸머컵탄(CH3SH) 탈취실험
경과시간(분) blank농도(ppm) blank농도(ppm) 탈취율(%)
0 60 60 -
30 57 38 33.3
60 55 26 52.7
90 53 18 66.0
120 51 15 70.61
시험방법 KICM-FIR-1085 : 2010
상기의 샘플 1로 만들어진 숯 보드에 대하여 흡습, 방습량 실험을 실시하였으며, 그 결과는 표 6과 같았다.
구 분 단위(g/㎡) 측정 조건
흡습량 187 25℃, RH 90%
방습량 169 25℃, RH 90%
또한 상기의 제조 실시예로 얻은 샘플 1 내지 샘플 3 제품에 대하여 항균시험과 항 곰팡이 실험을 하기와 같이 실시하였다.
가. 항균 초기 성능평가
1). 시험 절차.
시험방법은 KCL-FIR-1003:2011로 수행하였으며, 시험균주는 대장균(Escherichia coli ATCC 8739), 녹농균(Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442) 및 황색포도상구균(Staphylococcus aureus ATCC 6538P)을 대상으로 실시하였다. 시험절차는 숯 보드 시편(5 ㎝ × 5 ㎝)을 70 % 알코올로 닦아내어 청정화시킨 후 빈 Petridish 위에 정치시키고 정치시킨 시편 위에 시험 균주가 배양된 균액을 1 ~ 4 × 105 CFU/㎖ 의 농도로 접종하고 균액 접종 후 필름(4 ㎝ × 4 ㎝)으로 덮고 그 후 균액이 접종된 시편을 37 : 1 배양기에서 24 시간 동안 정치시킨 후, 균액이 접종된 시편 위의 균액을 buffer로 washing하여 배지위에 도말하고, 이를 37 : 1 에서 24 시간 정치 배양하여 균수를 측정하였다.
2). 시험 결과.
항균시험 결과 세균 감소율은 24 시간 후의 균수가 감소하여 대장균, 녹농균 및 황색포도상구균에 대해서 모두 99.9 %를 나타내는 결과로 표 7을 얻었다.
세균 감소율(%)은 대조구에서 24시간 후의 균수를 시험편에서 24시간 후의 균수를 감한 것을 대조구 24시간 후의 균수로 제하여 100을 승한 것이다
[표 7] 항균 시험 결과 (초기)

구 분 		시험 결과
초기농도
( CFU / ㎖ ) 		2시간 후 농도
( CFU / ㎖ ) 		세균감소율
(%)
대장균 BLANK 3.2 ×105 4.6 ×105 -
숯 보드 3.2 ×105 < 10 9 9 . 9
녹농균 BLANK 3.4 ×105 4.9 ×105 -
숯 보드 3.4 ×105 < 10 9 9 . 9
황색포도
상구균		 BLANK 2.8 ×105 3.7 ×105 -
숯 보드 2.8 ×105 < 10 9 9 . 9
나. 항 곰팡이 초기 성능평가.
초기 항 곰팡이 성능시험은 상기의 제조방법으로 얻은 숯 보드 샘플 3개와 비교 성능 평가를 위한 타사제품(황토보드 2종, 일반 석고보드 1종, 방균 석고보드 1종)에 대하여 실시하였다.
1). 시험 시료의 종류.
시험 시료 종류는 표 8와 같이 총 7종으로 본원 제품 3종, 비교 평가를 위한 타사 제품 4종에 대하여 항곰팡이 시험을 실시하였다.
[표 8] 시험 시료 LIST
구 분 품 목 시험 방법
본원의 제조 실시예
숯 보드 제품		 샘플 1 숯 보드

ASTM G 21 : 2009
샘플 2 숯 보드
샘플 3 숯 보드

일반 비교 제품		 일반 1(황토보드)
일반 2(황토 보드)
일반 3(석고보드)
일반 4(방균보드)
2). 시험 절차.
시험방법은 표 9의 시험균주를 이용하여 ASTM G 21 : 2009로 시험하였고, 각각의 시험 균주의 혼합 포자액을 제조하여 시험에 사용하였으며, 시편을 4 × 4 로 제작하고. 각각의 제작된 시편을 자외선을 이용하여 청정화시킨 후 PDA (Potato dextrose agar) 배지 위에 놓고 제조된 혼합포자액 0.5 ㎖를 PDA (Potato dextrose agar) 배지와 시편에 각각 접종한 후 (30 : 1) , 상대습도 90 % 이상에의 조건에서 4주 동안 배양한 후 곰팡이 발생 정도를 관찰하였다.
[표 9] 시험 균주 (ASTM G 21)
곰팡이 종류 균주의 보존 번호 균주의 보존 기관명
Aspergillus niger ATCC 9642
American Type culture Collection
Penicillium pinophilum ATCC 11797
Chaetomium globosum ATCC 6205
Trichoderma virens ATCC 9645
Aureobasidium pullulans ATCC 15233
[표 10] 결과 판독 (ASTM G 21)
0 시험편의 접종한 부분에 균사의 발육이 인지되지 않음.
1 시험편의 접종한 부분에 인지되는 균사 발육부분의 면적이 전 면적의 10% 미만.
2 시험편의 접종한 부분에 인지되는 균사 발육부분의 면적이 전 면적의 10 ~ 30%.
3 시험편의 접종한 부분에 인지되는 균사 발육부분의 면적이 전 면적의 30 ~ 60%.
4 시험편의 접종한 부분에 인지되는 균사 발육부분의 면적이 전 면적의 60% 이상.
3). 시험 결과.
1 주부터 4 주까지 곰팡이 발생 정도를 관찰한 결과 본원의 실시예로 만들어진 제품 3종은 0등급으로 곰팡이가 발생되지 않았고, 일반 비교 제품 4종은 4 등급으로 곰팡이가 시편 면적의 60% 이상 발생하는 결과를 확인할 수 있었다.
[표 11] 항 곰팡이 초기 성능 시험결과

시 험 항 목 		항 곰 팡 이 시 험
배 양 시 험 의 기 간
1주 후 2주 후 3주 후 4주 후
숯 보드 (샘플 1) 0 0 0 0
숯 보드 (샘플 2) 0 0 0 0
숯 보드 (샘플 3) 0 0 0 0
일반 1(A사 황토보드) 4 4 4 4
일반 2(B사 황토보드) 4 4 4 4
일반 3(C사 석고보드) 4 4 4 4
일반 4(D사 방균보드) 4 4 4 4
따라서 본원의 기술사상이 적용되어 제공되는 숯 보드 제품은 일정범위의 충격강도 및 휨 강도를 확보하면서 나사못을 박을 수 있는 물성을 나타냄을 확인할 수 있었으며, 또한 원적외선 방사효과와 악취 물 탈취효과와 항균효과, 공기정화 효과, 습도 조절성이 양호한 효과를 제공하여 각종 건축물에서 벽체와 바닥의 마감내장재로 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
도 1은 본원의 기술사상이 적용되어 기능성 숯 보드를 얻기 위한 제조공정도를 나타낸 것으로 별도의 설명이 필요 없다 할 것이다.

Claims (3)

  1. 천연 포졸란 광물과 황토를 이용하여 건축물 내장재인 숯 보드를 얻는 제조방법에 있어서,
    포졸란 광물과 황토 분말이 3±1 : 2±0.5 중량비율로 혼합된 광물질 100중량부와 고령토 20~30중량부와 목분 10~20중량부와 소성패각 분말 2~5 중량부가 혼합되어 건 비빔 된 혼합물을 얻고, 상기 혼합물 중량의 15~30중량% 비율로 물을 혼합하여 반죽혼합물을 얻는 단계;
    상기 반죽혼합물을 성형틀에 투입하고 압착하여 보드로 성형하되 섬유재나 철재의 지지체가 보드의 중앙부에 내장되도록 숯 보드 예비성형이 이루어지는 단계;
    상기 예비 성형된 숯 보드에 기능성을 부여하기 위한 수단으로 기능성 용액에 함침시키되, 기능성 용액은 포졸란 분말과 황토 분말 및 전자석(톨루마린) 분말이 3±0.5 : 2±0.5 : 0.5±0.1 중량비율로 배합된 혼합물과 규산나트륨 액상 2호와 물이 각각 1kg : 2ℓ : 1ℓ 비율로 혼합된 기능성 용액을 만들고 예비 성형된 숯 보드를 기능성 용액에 침적시키거나 예비 성형된 숯 보드에 기능성 용액을 도포시키는 기능성 부여단계;
    상기 기능성 부여단계를 거친 보드 성형물을 상온 또는 50~90℃ 범위의 건조로에서 24시간 이상 예비건조시킨 후 보드 성형물을 산소가 공급되지 않는 상태에서 연속 소성가마(roller hearth kiln)에서 최고대(예열대, 소성대, 냉각대 구간중 소성대에서 가장 높은 온도를 나타내는 곳) 소성온도 830～1200℃, 최고대 유지시간 0.5～5분, 총 소성시간 40～60분 조건에서 소결시키는 소성단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 기능성 숯 보드의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기의 기능성 용액을 만들 때 포졸란과 황토와 전자석 각각의 원료를 350±50℃범위에서 4~5시간 소성시킨 후 분쇄하여 200 ~ 300메쉬 범위를 통과한 원료가 사용되는 것을 특징으로 하는 기능성 숯 보드의 제조방법.
  3. 천연 포졸란 광물과 황토와 고령토 및 소성패각분말을 함유하여 건축물 내장재로 제공되는 기능성 숯 보드에 있어서,
    포졸란 광물과 황토 분말이 3±1 : 2±0.5 중량비율로 혼합된 광물질 100중량부와 고령토 20~30중량부와 목분 10~20중량부와 소성패각 분말 2~5 중량부가 혼합되어 건 비빔 된 혼합물을 얻고, 상기 혼합물 중량의 15~30중량% 비율로 물을 혼합하여 반죽혼합물을 얻으며,
    상기 반죽혼합물을 성형틀에 투입하고 압착하여 보드로 성형하되 섬유재나 철재의 지지체가 보드의 중앙부에 내장되도록 숯 보드 예비성형을 이루고,
    상기 예비 성형된 숯 보드에 기능성을 부여하기 위한 수단으로 기능성 용액에 함침시키되, 기능성 용액은 포졸란분말과 황토분말 및 전자석(톨루마린)분말을 각각 350±50℃범위에서 4~5시간 소성시킨 후 분쇄하여 200 ~ 300메쉬 범위를 통과한 포졸란과 황토 및 전자석이 3±0.5 : 2±0.5 : 0.5±0.1 중량비율로 배합된 혼합물과 규산나트륨 액상 2호와 물이 각각 1kg : 2ℓ : 1ℓ 비율로 혼합시켜 기능성 용액을 만들고 예비 성형된 숯 보드를 기능성 용액에 침적시키거나 예비 성형된 숯 보드에 기능성 용액을 도포시키고,
    상기 기능성이 부여된 보드 성형물을 상온 또는 50~90℃ 범위의 건조로에서 24시간 이상 예비건조시킨 후, 보드 성형물을 산소가 공급되지 않는 상태에서 연속 소성가마(roller hearth kiln)에서 최고대(예열대, 소성대, 냉각대 구간중 소성대에서 가장 높은 온도를 나타내는 곳) 소성온도 830～1200℃, 최고대 유지시간 0.5～5분, 총 소성시간 40～60분 조건에서 소결시키는 소성공정을 통하여 건축물 내장재용으로 원적외선 방사효과와 악취물 탈취효과와 항균효과를 갖도록 제공되는 기능성 숯 보드.
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