KR101946383B1 - 광촉매 기능성 부직포 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

유기 섬유를 포함하고, 상기 유기 섬유의 일부 또는 전부는 그 표면에 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층을 포함하는 광촉매 기능성 부직포 및 이의 제조방법을 제공한다. 상기 광촉매 기능성 부직포는 광원에 의한 광촉매 촉매 활성이 우수하면서도, 이러한 광반응으로 유기 섬유가 손상 또는 분해되지 않는 이점을 가질 수 있다.

Description

광촉매 기능성 부직포 및 이의 제조방법{PHOTO CATALYST FUNCTIONAL NON-WOVEN FABRIC AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
광촉매 기능성 부직포로서, 광촉매의 촉매 작용에 의해 탈취, 향균, 항바이러스 기능을 갖는 부직포 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
의료용 마스크, 필터 등에 사용되는 일반적인 부직포는 세균이나 가스상의 물질들을 붙잡아 거르는 기능을 갖고 있다. 다만, 이러한 일반적인 부직포의 경우 세균 또는 가스상의 물질들을 자체적으로 분해하는 기능을 갖고 있지는 않다. 따라서, 이러한 의료용 마스크, 필터 등에 사용되는 일반적인 부직포는 일회용이거나, 일정 기간 사용한 후에는 교체해주어야 한다. 하지만, 종일 마스크를 사용해야 하는 경우에는 하나의 일회용 마스크를 사용한다는 것이 매우 번거롭고, 교체 없이 사용할 경우 인체에 해로운 영향을 줄 수 있으며, 에어컨 또는 공기 청정기 등에 사용되는 필터는 주기적으로 교체해주지 않으면 세균이나 곰팡이 번식 등에 의해 호흡기 질환을 유발할 수 있다.
이러한 문제점에 기인하여 종래의 다양한 가공 제품들은 광촉매를 활용하여 향균 기능을 나타내도록 제조되고 있다. 예를 들어, 일본 공개특허공보 제2007-051263호에는 이산화티타늄 광촉매를 활용한 복합재료가 개시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0073281호에는 섬유 필터의 섬유 표면에 용사기술에 의해 성막된 이산화티타늄피막을 포함하는 섬유 필터가 개시되어 있다.
다만, 광촉매를 부직포 등의 재료에 접목시킴에 있어서 제조 과정 및 사용 중에 개선해야 할 점들이 있고, 이들을 위한 연구가 더 필요한 실정이다.
본 발명의 일 구현예는 가시광 활성 광촉매 기능을 갖는 부직포로서, 광촉매에 의한 부직포의 열화 및 분해를 방지할 수 있고, 광촉매가 부직포에 고르게 분포되어 장시간 우수한 향균 및 탈취 기능을 구현할 수 있는 광촉매 기능성 부직포를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 광촉매 기능성 부직포를 제조하는 방법으로서 광촉매를 부직포 내에 고르게 분포시킬 수 있고, 부직포와 광촉매의 부착성을 효과적으로 향상시킬 수 있는 광촉매 기능성 부직포의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 유기 섬유를 포함하고, 상기 유기 섬유의 일부 또는 전부는 그 표면에 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층을 포함하는 광촉매 기능성 부직포를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 유기 섬유를 포함하는 원료 부직포에 산소(O2) 플라즈마를 처리하는 단계; 상기 유기 섬유의 일부 또는 전부의 표면에 배리어 코팅액을 코팅하여 배리어 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 배리어 코팅층의 표면에 광촉매 코팅액을 코팅하여 광촉매 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 광촉매 기능성 부직포의 제조방법을 제공한다.
상기 광촉매 기능성 부직포는 광원에 따른 광촉매 활성 작용에 의한 부직포 자체의 열화 또는 분해 등을 방지할 수 있고, 장시간 우수한 향균, 탈취 및 항바이러스 기능을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 광촉매 기능성 부직포는 의료용 마스크, 의료용 테이프 기재, 자동차용 시트, 공기청정기 및 에어컨용 필터 등의 다양한 용도에 활용될 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포의 제조방법은 광촉매가 부직포 내게 고르게 분포되는 것을 가능하게 하며, 이를 통하여 광촉매와 부직포의 부착성을 향상시키는 이점을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 광촉매 기능성 부직포의 유기 섬유의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 광촉매 기능성 부직포의 제조 방법에 있어서 일부 섬유의 변화를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에서, 광촉매 기능성 부직포를 제조하는 과정 중에 촬영한 SEM 사진을 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 아울러, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 또는 "하부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
본 발명의 일 구현예에서, 유기 섬유를 포함하고, 상기 유기 섬유의 일부 또는 전부는 그 표면에 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층을 포함하는 광촉매 기능성 부직포를 제공한다.
상기 광촉매 기능성 부직포는 유기 섬유를 포함하는 것이다. 일반적으로 유기 섬유로 구성된 제품에 광촉매를 부여하는 경우 광촉매의 광반응 시에 유기 섬유 자체가 열화 또는 분해되는 문제가 있어 이러한 유기 섬유 대신에 열화 또는 분해의 위험이 적은 무기 섬유를 사용하였다. 다만, 무기 섬유는 유기 섬유에 비하여 가공성이 좋지 못한 단점을 갖고 있고, 다양한 형태로 변형이 용이하지 못하여 활용도가 떨어질 수 있다. 상기 광촉매 기능성 부직포는 유기 섬유를 포함함에도 불구하고 광촉매에 의한 유기 섬유의 열화 또는 분해를 효과적으로 방지하며, 이와 함께 우수한 가공성을 나타내어 높은 활용도를 나타낼 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포는 유기 섬유를 포함하며 복수의 유기 섬유 가닥가닥이 얽혀서 형성된 기재의 형태이다. 이때, 상기 유기 섬유의 일부 또는 전부는 그 표면에 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 유기 섬유의 일부 또는 전부의 의미는 부직포를 구성하는 복수의 유기 섬유 가닥 중 일부 또는 전부의 섬유 가닥을 의미할 수도 있고, 하나의 유기 섬유 가닥에 있어서 표면 상의 일부 또는 전부를 의미할 수도 있다.
예를 들어, 상기 부직포의 유기 섬유 표면의 전면적 대비 약 60% 내지 약 100%에 상기 배리어 코팅층 및 상기 광촉매 코팅층이 형성될 수 있고, 이로써 상기 광촉매 코팅층의 광촉매가 부직포 전체에 고르게 분산되어 우수한 향균 및 탈취 효율을 나타낼 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포는 상기 유기 섬유의 일부 또는 전부가 그 표면에 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층을 가짐으로써 광원에 의한 부직포의 열화 또는 분해를 방지할 수 있으며, 광촉매가 부직포 내에 고르게 분산될 수 있고, 유기 섬유에 높은 밀착성으로 부착되도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 광촉매 기능성 부직포의 유기 섬유의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조할 때, 상기 유기 섬유(10)는 단면이 소정의 직경을 갖는 것으로서 그 표면에 배리어 코팅층(11) 및 광촉매 코팅층(12)이 순차적으로 형성된 것일 수 있다. 상기 배리어 코팅층(11)은 상기 유기 섬유의 표면 상에 코팅되어 상기 광촉매 코팅층의 광촉매가 상기 유기 섬유에 단단하게 부착되도록 할 수 있고, 상기 광촉매의 광반응에 의한 유기 섬유의 열화 또는 분해를 효과적으로 방지할 수 있다.
구체적으로, 상기 배리어 코팅층(11)은 이산화티타늄(TiO2) 졸, 실리카(silica) 졸 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 배리어 코팅액으로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 배리어 코팅층(11)은 이산화티타늄(TiO2) 졸을 포함하는 배리어 코팅액으로부터 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 유기 섬유와 우수한 밀착성을 나타내고, 유기 섬유의 열화 또는 분해를 방지하는 배리어 성능이 뛰어난 장점을 얻을 수 있다.
상기 배리어 코팅액은 졸(sol)의 형태로서, 상기 졸(sol)은 이산화티타늄(TiO2) 입자 또는 실리카(silica) 입자와 같은 분산질이, 알코올 용매와 같은 분산매에 분산되어 있는 유동성을 가진 콜로이드 용액일 수 있다.
이 때, 상기 배리어 코팅액은 상기 이산화티타늄(TiO2) 또는 실리카(silica) 입자와 같은 분산질 입자를 약 1 중량% 내지 약 10 중량% 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 1.5 중량% 내지 약 5 중량% 포함할 수 있으며, 예를 들어, 약 2 중량% 내지 약 3 중량% 포함할 수 있다. 상기 배리어 코팅액이 상기 함량의 분산질 입자를 포함함으로써 상기 광촉매 기능성 부직포의 제조 과정에서 상기 유기 섬유의 표면에 고르게 코팅될 수 있다.
상기 광촉매 코팅층(12)은 바인더 및 가시광 활성 광촉매 입자(A)를 포함하는 광촉매 코팅액으로부터 형성될 수 있다.
상기 바인더는 상기 가시광 활성 광촉매 입자(A)가 상기 유기 섬유의 표면에 잘 부착되도록 하는 것으로, 예를 들어, 이산화티타늄(TiO2) 졸, 실리카(silica) 졸 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 바인더는 이산화티타늄(TiO2) 졸을 포함할 수 있고, 이 경우 상기 가시광 활성 광촉매 입자(A)와의 상용성이 우수하고, 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 촉매 기능을 손상시키지 않으면서 상기 유기 섬유의 표면에 단단하게 부착되도록 할 수 있다.
예를 들어, 상기 배리어 코팅액이 이산화티타늄(TiO2) 졸을 포함하고, 상기 광촉매 코팅액의 바인더가 이산화티타늄(TiO2) 졸을 포함하는 경우 서로 밀착성이 더욱 향상되며, 상기 가시광 활성 광촉매 입자를 상기 유기 섬유의 표면 상에 단단하게 위치시킬 수 있다.
상기 바인더는 상기 배리어 코팅액에 관하여 전술한 바와 같이, 알코올 용매와 같은 분산매에 일정 함량의 분산질 입자가 분산된 유동성을 갖는 콜로이드 용액일 수 있다.
이 때, 상기 바인더는 바인더 전체 중량 중의 상기 분산질 입자를 약 1 중량% 내지 약 10 중량% 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 1 중량% 내지 약 3 중량% 포함할 수 있으며, 예를 들어, 약 1 중량% 내지 약 2 중량% 포함할 수 있다. 상기 바인더가 상기 함량의 분산질 입자를 포함함으로써 상기 광촉매 기능성 부직포의 제조 과정에서 상기 광촉매 코팅액을 코팅할 때 상기 유기 섬유의 표면에 고르게 코팅될 수 있고, 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 분산성을 높일 수 있다.
상기 광촉매 코팅액은 상기 가시광 활성 광촉매 입자를 약 1 중량% 내지 약 10 중량% 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 3 중량% 내지 약 7 중량% 포함할 수 있다. 상기 광촉매 코팅액은 가시광 활성 광촉매 입자를 상기 범위의 함량으로 포함함으로써 상기 광촉매 기능성 부직포의 제조과정에서 상기 가시광 활성 광촉매 입자를 고르게 분산시킬 수 있다.
상기 가시광 활성 광촉매 입자는 가시광 영역의 빛을 흡수하여 얻은 에너지로부터 생성된 전자와 정공이 퍼옥사이드 음이온 또는 하이드록시 라디칼 등을 생성하고, 이들이 유해 물질을 분해 및 제거하여 공기 청정, 탈취 또는 향균 작용을 수행하는 입자이다.
상기 가시광 활성 광촉매 입자는 금속 산화물 및 금속 입자를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 가시광 활성 광촉매 입자는 상기 금속 산화물의 표면에 상기 금속 입자가 광-증착(photo-deposition)된 형태일 수 있다.
상기 금속 산화물은 산화티탄, 산화텅스텐, 산화아연, 산화니오븀 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 산화물은 산화텅스텐을 포함할 수 있고, 이 경우 가시광에서 반응하여 광촉매 특성을 나타내는 정도가 우수하고, 가격이 저렴한 장점을 얻을 수 있다.
상기 금속 입자는 가시광선에 대한 광활성을 갖는 금속으로서, 예를 들어 전이 금속 또는 귀금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 금속 입자는 텅스텐, 크롬, 바나듐, 몰리브데넘, 구리, 철, 코발트, 망간, 니켈, 백금, 금, 은, 세륨, 카드늄, 아연, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 입자는 백금을 포함할 수 있고, 이 경우 가장 높은 광촉매 성능을 나타낸다는 장점을 얻을 수 있다.
상기 금속 산화물 및 금속 입자 각각은 구형의 입자로서, '구형의 입자'란 수학적으로 완전한 구의 형상을 갖는 입자를 의미하는 것은 아니고, 투영상이 원 또는 타원과 동일 또는 유사한 형상을 나타내는 입자를 의미한다. 상기 금속 산화물 및 상기 금속 입자가 각각 구형의 입자이며, 그 결과 상기 가시광 활성 광촉매 입자는 구형의 금속 산화물 입자 표면에 구형의 금속 입자가 증착된 형상을 갖게 된다.
이때, 상기 금속 입자의 입경(particle diameter)은 수 나노미터(㎚)로서, 예를 들어 약 3㎚ 내지 약 5㎚일 수 있다. 상기 금속 입자의 입경은 상기 금속 산화물의 입경에 비해 매우 작으며, 상기 금속 입자가 상기 범위의 입경을 가짐으로써 상기 금속 산화물의 표면에 적절한 함량으로 광-증착되어 우수한 광촉매 활성을 나타낼 수 있다.
상기 가시광 활성 광촉매 입자의 입경(particle diameter)은 약 20㎚ 내지 약 100㎚ 일 수 있고, 구체적으로 약 30nm 내지 약 60nm일 수 있다. 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 입경은 SEM 또는 TEM 사진을 측정함으로써 도출될 수 있다. 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 입경이 상기 범위를 만족함으로써 상기 유기 섬유의 표면에 대한 높은 부착성을 확보할 수 있고, 상기 유기 섬유 표면에 적절한 분산도를 가지면서 분산되어 우수한 광촉매 활성을 나타낼 수 있다.
상기 금속 입자의 입경이 상기 금속 산화물의 입경에 비하여 배우 작은 점을 고려할 때, 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 크기, 즉 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 입경은 주로 상기 금속 산화물의 입경에 의해 결정되는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 상기 가시광 활성 광촉매 입자가 상기 범위의 입경을 갖는 경우, 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 금속 산화물은 상기 범위에서 수 나노미터(㎚), 예를 들어 약 3㎚ 내지 약 5㎚의 오차 범위 내의 입경을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 금속 산화물의 표면에 광-증착된 금속 입자의 양이 충분할 수 있고, 우수한 촉매 활성 효율을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 가시광 활성 광촉매 입자가 상기 범위의 입경을 가짐으로써 유기 섬유가 얽혀있는 부직포 내에서 상기 유기 섬유의 사이사이에 고르게 분포될 수 있다.
상기 가시광 활성 광촉매 입자는 상기 금속 산화물 100 중량부에 대하여, 상기 금속 입자를 약 0.1 내지 약 5 중량부 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 0.1 내지 약 2 중량부 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 0.1 내지 약 0.5 중량부 포함할 수 있다. 상기 가시광 활성 광촉매 입자가 금속 입자를 상기 범위의 함량으로 포함함으로써, 금속 산화물 표면에 안정적으로 광-증착된 금속 입자를 함유할 수 있고, 상기 부직포 내에서 유기 섬유와 단단하게 결합할 수 있다. 또한, 가격 대비 우수한 성능을 구현할 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포는 유기 섬유를 포함하며, 유기 섬유라면 그 종류가 특별히 제한되지 아니하나, 예를 들어, 폴리프로필렌(PP) 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유, 폴리에스터 섬유, 폴리에틸렌 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 유기 섬유는 폴리프로필렌(PP) 섬유 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유를 포함할 수 있고, 이 경우 상기 배리어 코팅층과 부착성이 뛰어나며, 가공성 및 범용성 측면에서 유리할 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포는 유기 섬유를 포함하면서도, 상기 유기 섬유의 일부 또는 전부가 그 표면에 상기 배리어 코팅층 및 상기 광촉매 코팅층을 함유하므로 향균 및 탈취 성능을 확보함과 동시에, 광반응에 의한 유기 섬유의 손상을 효과적으로 방지하는 이점을 얻을 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포 내에서 상기 유기 섬유는 연속 섬유의 형태일 수 있다. '연속 섬유'란 소정의 길이로 절단된 형상을 갖는 섬유와 대비되는 개념으로 제품 내에서 연속적인 길이를 갖는 섬유를 의미한다. 상기 광촉매 기능성 부직포는 연속 섬유 형태의 유기 섬유를 포함함으로써 쉽게 헤지거나 끊어지지 않는 질긴 특성을 확보할 수 있고, 다양한 용도에 활용되어 우수한 장기 내구성을 구현할 수 있다.
상기 유기 섬유는 단면의 직경이 약 0.5㎛ 내지 약 15㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 0.5㎛ 내지 약 5㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 0.5㎛ 내지 약 2.5㎛일 수 있다. 즉, 상기 유기 섬유의 굵기가 상기 범위를 만족할 수 있다.
예를 들어, 상기 유기 섬유는 일 구현예에서 단면의 직경이 약 0.5㎛ 내지 약 2㎛일 수 있다. 또한, 상기 유기 섬유는 다른 일 구현예에서, 단면의 직경이 약 1㎛ 내지 약 3㎛인 제1 유기 섬유와 단면의 직경이 약 9㎛ 내지 약 11㎛인 제2 유기 섬유가 혼합된 형태일 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포가 상기 범위의 단면 직경을 갖는 유기 섬유를 포함함으로써 전술한 범위의 입자 크기를 갖는 가시광 활성 광촉매 입자의 분산성 및 부착성을 향상시킬 수 있고, 최종 제품에 적용되어 우수한 내구성을 구현할 수 있다. 또한, 상기 유기 섬유의 굵기가 상기 범위를 만족함으로써, 후술하는 바에 따라 상기 광촉매 기능성 부직포를 제조하는 과정에서, 상기 유기 섬유의 표면에 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층을 균일하게 형성할 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포는 가시광선의 영역에서 촉매 활성을 나타내며, 이로써 별도의 광원 없이도 실내에 설치되어 우수한 촉매 활성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 광촉매 기능성 부직포는 약 400㎚ 내지 약 800㎚의 가시광선 영역의 빛에 의해 촉매 활성을 나타낼 수 있고, 우수한 향균 및 탈취 성능을 나타낼 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포는 예를 들어, 의료용 마스크, 의료용 밴드의 기재, 수처리 필터 또는 에어 필터의 용도로 사용될 수 있고, 장시간 교체되지 않아도 우수한 향균 및 항바이러스 기능을 수행할 수 있으며, 향상된 장기 내구성을 구현할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 유기 섬유를 포함하는 원료 부직포에 산소(O2) 플라즈마를 처리하는 단계; 상기 유기 섬유의 일부 또는 전부의 표면에 배리어 코팅액을 코팅하여 배리어 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 배리어 코팅층의 표면에 광촉매 코팅액을 코팅하여 광촉매 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 광촉매 기능성 부직포의 제조방법을 제공한다.
상기 광촉매 기능성 부직포의 제조방법을 통하여 상기 유기 섬유의 일부 또는 전부의 표면에 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층을 포함하는 광촉매 기능성 부직포를 제조할 수 있고, 광촉매 작용에 의한 열화 및 분해를 효과적으로 방지하면서 우수한 향균 및 탈취 효과를 구현하는 부직포를 제조할 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포의 제조방법은 유기 섬유를 포함하는 원료 부직포에 산소(O2) 플라즈마를 처리하는 단계를 포함한다.
상기 원료 부직포는 유기 섬유를 이용하여 미리 제조된 부직포로서, 상기 유기 섬유에 관한 사항은 전술한 바와 같다. 예를 들어, 상기 원료 부직포는 유기 섬유로서 폴리프로필렌(PP) 섬유 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 광촉매 기능성 부직포의 제조 방법에 있어서 일부 섬유의 변화를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조할 때, 상기 원료 부직포의 유기 섬유는 산소(O2) 플라즈마 처리를 통해 표면이 개질되며, 구체적으로, 상기 산소(O2) 플라즈마 처리를 통해 상기 유기 섬유의 표면에 친수성 작용기를 형성할 수 있다.
상기 친수성 작용기는 예를 들어, 히드록시기, 퍼옥사이드기, 카르복실기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
상기 원료 부직포에 산소(O2) 플라즈마를 처리하여, 상기 유기 섬유의 표면에 친수성 작용기를 부여함으로써 후속하여 배리어 코팅층을 형성할 때, 상기 배리어 코팅액과 상기 유기 섬유의 부착성을 향상시킬 수 있다.
상기 산소(O2) 플라즈마가 처리된 원료 부직포는 물에 대한 접촉각이 약 20°이하일 수 있고, 예를 들어, 약 10°내지 약 5°일 수 있다. 상기 산소(O2) 플라즈마가 처리된 원료 부직포가 상기 범위의 접촉각을 가짐으로써 상기 배리어 코팅액과 상기 원료 부직포의 유기 섬유 사이의 부착성이 향상될 수 있고, 상기 배리어 코팅액이 균일하게 코팅될 수 있다.
상기 산소(O2) 플라즈마 처리는 산소(O2) 가스의 공급 속도가 약 30 mL/min 내지 약 60 mL/min일 수 있고, 예를 들어, 약 40 mL/min 내지 약 55 mL/min일 수 있다. 상기 산소 플라즈마 처리의 산소 가스 공급 속도가 상기 범위를 만족하는 경우에 유기 섬유의 표면에 적절한 양의 친수성 작용기가 부여될 수 있고, 후속하여 제조되는 배리어 코팅층이 유기 섬유의 표면에 우수한 부착성 및 코팅성을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 산소(O2) 플라즈마 처리는 약 100W 내지 약 200W의 전력 하에 약 200초 내지 약 400초 동안 수행될 수 있다. 상기 산소(O2) 플라즈마 처리의 전력 및 시간이 상기 범위를 만족함으로써 유기 섬유의 손상 없이 요구되는 수준의 친수성 작용기를 부여할 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포의 제조방법은 상기 유기 섬유의 일부 또는 전부의 표면에 배리어 코팅액을 코팅하여 배리어 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 배리어 코팅액에 관한 사항은 전술한 바와 같다.
또한, 상기 제조방법은 상기 배리어 코팅층의 표면에 광촉매 코팅액을 코팅하여 광촉매 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 광촉매 코팅액에 관한 사항은 전술한 바와 같다.
도 2를 참조할 때, 상기 배리어 코팅층을 형성하는 단계는 상기 산소(O2) 플라즈마를 처리하는 단계에 후속하여 수행될 수 있고, 상기 산소(O2) 플라즈마 처리로 인해 개질된 유기 섬유의 표면 상에 상기 배리어 코팅층이 형성될 수 있다.
또한, 도 2를 참조할 때, 상기 광촉매 코팅층을 형성하는 단계는 상기 배리어 코팅층을 형성하는 단계에 후속하여 수행될 수 있고, 상기 배리어 코팅층의 표면 상에 광촉매 코팅층이 형성될 수 있다.
종래의 광촉매 코팅은 주로 유리 기판이나 필름, 또는 수지 시트 등을 포함하는 기재의 상부에 수행되었고, 스핀(spin) 코팅 방법이나, 바(bar) 코팅 방법을 이용하여 상기 기재 상부에 일종의 층을 형성하는 방법으로 수행되었다. 그러나, 섬유들이 얽혀서 형성된 부직포 기재의 경우에는 표면 굴곡이 심하고, 기공을 갖고 있어서 스핀(spin) 코팅 방법이나, 바(bar) 코팅 방법을 이용하여 그 상부에 광촉매 코팅을 고르게 수행하는 것이 어려운 면이 있다.
또한, 부직포를 의료용 마스크 또는 필터 등의 용도로 사용하는 경우를 고려할 때, 광촉매가 부직포 기재 내부의 섬유 사이사이에 삽입되는 형태로 코팅되는 것이 유리하나, 스핀(spin) 코팅 방법이나, 바(bar) 코팅 방법을 이용하는 경우에는 이와 같이 광촉매를 부직포 기재 내부에 고르게 분포시키기 어려운 한계가 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포의 제조방법에서, 상기 배리어 코팅층은 상기 배리어 코팅액을 스프레이(spray) 코팅 방법으로 분사함으로써 상기 유기 섬유의 일부 또는 전부의 표면에 코팅될 수 있다. 상기 배리어 코팅액을 스프레이 코팅 방법으로 분사함으로써 상기 원료 부직포의 내부까지 배리어 코팅액이 침투할 수 있고, 상기 유기 섬유의 가닥들이 각각 표면에 배리어 코팅층을 가질 수 있다.
상기 배리어 코팅액은 졸(sol)의 형태로서, 상기 졸(sol)은 이산화티타늄(TiO2) 입자 또는 실리카(silica) 입자와 같은 분산질이, 알코올 용매와 같은 분산매에 분산되어 있는 유동성을 가진 콜로이드 용액일 수 있다.
이 때, 상기 배리어 코팅액은 상기 분산질 입자를 약 1 중량% 내지 약 10 중량% 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 1.5 중량% 내지 약 5 중량% 포함할 수 있으며, 예를 들어, 약 2 중량% 내지 약 3 중량% 포함할 수 있다. 상기 배리어 코팅액은 상기 함량의 분산질 입자를 포함함으로써, 이를 스프레이 코팅 방법으로 코팅할 때 고르게 분사될 수 있고, 상기 유기 섬유의 표면에 밀착 코팅될 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포의 제조방법에서, 상기 광촉매 코팅층은 상기 광촉매 코팅액을 스프레이(spray) 코팅 방법으로 분사함으로써 상기 배리어 코팅층의 표면에 형성될 수 있다.
상기 광촉매 코팅액은 바인더 및 가시광 활성 광촉매 입자를 포함하며, 상기 바인더는 전술한 바와 같이 알코올 용매와 같은 분산매에 일정 함량의 분산질 입자가 분산된 유동성 있는 콜로이드 용액일 수 있다.
상기 바인더가 바인더 전체 중량 중의 상기 분산질 입자를 약 1 중량% 내지 약 10 중량% 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 1 중량% 내지 약 3 중량% 포함할 수 있으며, 예를 들어, 약 1 중량% 내지 약 2 중량% 포함할 수 있다.
또한, 상기 광촉매 코팅액은 상기 가시광 활성 광촉매 입자를 약 1 중량% 내지 약 10 중량% 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 3 중량% 내지 약 7 중량% 포함할 수 있다.
상기 광촉매 코팅액이 상기 바인더 및 가시광 활성 광촉매 입자를 포함함으로써 상기 광촉매 코팅액의 스프레이 코팅 과정에서 분산성 및 코팅성이 향상될 수 있고, 그 결과 상기 광촉매 코팅액의 스프레이 코팅으로 상기 배리어 코팅층에 대하여 밀착성이 높은 광촉매 코팅층이 형성될 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포의 제조방법에서, 상기 배리어 코팅액 및 상기 광촉매 코팅액은 각각 분산매를 포함하며, 상기 분산매로는 알코올 용매가 사용될 수 있다. 이때, 상기 알코올 용매는 상기 배리어 코팅층 및 상기 광촉매 코팅층에 잔류할 경우 광촉매 성능을 저하시키는 문제를 일으킬 수 있다.
이에, 상기 광촉매 기능성 부직포의 제조방법은 상기 배리어 코팅층을 형성하는 단계가 상기 배리어 코팅액을 코팅한 후 약 80℃ 내지 약 100℃에서 열처리하는 단계일 수 있다. 또한, 상기 광촉매 코팅층을 형성하는 단계가 상기 광촉매 코팅액을 코팅한 후 약 80℃ 내지 약 100℃에서 열처리하는 단계일 수 있다.
상기 열처리는 상기 범위의 온도에서 건조 과정을 수행하는 것으로서, 상기 범위의 온도에서 열처리를 수행함으로써 유기 섬유 또는 가시광 활성 광촉매 입자를 손상시키지 않으면서 분산매를 제거할 수 있고, 각각의 코팅층이 단단하게 계면에 부착되도록 할 수 있다. 그 결과, 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 촉매 효율을 향상시킬 수 있고, 상기 광촉매 기능성 부직포의 물리적 강도 및 질긴 특성도 확보할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
< 실시예 및 비교예 >
실시예 1
폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유를 포함하는 원료 부직포를 준비하였다. 상기 원료 부직포의 섬유는 단면 직경이 2㎛ 내지 4㎛인 PET 섬유 및 단면 직경이 12㎛ 내지 13㎛인 PET 섬유가 혼합된 형태이고, 상기 원료 부직포의 두께는 128㎛였다. 상기 원료 부직포에 대하여 150W의 전력으로, 360초 동안 산소(O2) 플라즈마를 처리하였다. 상기 산소(O2) 플라즈마의 산소 가스 공급 속도는 50 mL/min이었다. 이어서, 배리어 코팅액으로서 이소프로필 알코올(IPA) 97.5 중량% 및 이산화티타늄(TiO2) 입자 2.5 중량%를 포함하는 이산화티타늄(TiO2) 졸을 제조하였고, 상기 배리어 코팅액을 스프레이 코팅 방법에 의해 상기 원료 부직포에 분사하여 상기 PET 섬유의 표면에 배리어 코팅층을 형성하였다. 상기 배리어 코팅액을 분사한 후 80℃에서 30분 동안 열처리하였다. 이어서, 산화텅스텐 입자 표면에 백금 나노입자가 광-증착된 가시광 활성 광촉매 입자(Pt/WO3) 5 중량% 및 이산화티타늄(TiO2) 졸 바인더를 포함하는 광촉매 코팅액을 제조하였고, 상기 바인더는 이소프로필 알코올(IPA) 98.75 중량% 및 이산화티타늄(TiO2) 입자 1.25 중량%를 포함하는 것을 사용하였다. 상기 광촉매 코팅액을 스프레이 코팅 방법에 의해 상기 원료 부직포에 분사하여 상기 배리어 코팅층의 표면에 광촉매 코팅층을 형성하였다. 상기 광촉매 코팅액을 분사한 후 80℃에서 30분 동안 열처리하였다. 이로써 광촉매 기능성 부직포를 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유를 포함하는 원료 부직포 대신에, 섬유의 단면 직경이 1㎛ 내지 3㎛인 PET 섬유와 단면의 직경이 10㎛인 PET 섬유가 혼합되어 있고, 두께는 60㎛인 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 원료 부직포를 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 광촉매 기능성 부직포를 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유를 포함하는 원료 부직포 대신, 섬유의 단면 직경이 0.5㎛ 내지 2㎛인 PP 섬유를 포함하고, 두께는 180㎛인 폴리프로필렌(PP) 원료 부직포를 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 광촉매 기능성 부직포를 제조하였다.
비교예 1-3
상기 실시예 1-3의 원료 부직포 각각을 비교예 1-3으로 하였다.
<평가>
실험예 1: 유해 가스 분해 성능의 측정
상기 실시예 1 내지 3 및 상기 비교예 1 내지 3의 부직포에 대하여, 스몰 챔버 테스트 방법(ISO 18560-1:2014)에 의하여 유해 가스 분해 성능을 측정하였다. 구체적으로, 챔버에 부직포를 위치시키고 아세트알데히드 유해 가스를 0.1ppm의 농도로 주입한 후, 광원으로서 1000lux의 백색 LED를 사용하였다. 그 결과는 하기 표 1에 기재된 바와 같다.
아세트알데히드 제거율(%)
실시예 1 87
실시예 2 93
실시예 3 83
비교예 1 1
비교예 2 1
비교예 3 1
실험예 2: 가시광 활성 광촉매 입자의 분산성 측정
상기 실시예 1-3의 광촉매 기능성 부직포 제조 과정에서 (a) 배리어 코팅층이 형성된 후의 SEM 사진 및 (b) 광촉매 코팅층이 형성된 후의 SEM 사진을 촬영하였다. 그 결과는 하기 도 3에 나타내었다.
10: 유기 섬유
11: 배리어 코팅층
12: 광촉매 코팅층
A: 가시광 활성 광촉매 입자

Claims (17)

  1. 유기 섬유를 포함하고,
    상기 유기 섬유의 일부 또는 전부의 표면에 형성된 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층을 포함하고,
    상기 유기 섬유는 표면에 형성된 친수성 작용기를 포함하고,
    상기 배리어 코팅층은 이산화티타늄(TiO2) 졸을 포함하는 배리어 코팅액으로부터 형성되고,
    상기 광촉매 코팅층은 바인더 및 가시광 활성 광촉매 입자를 포함하는 광촉매 코팅액으로부터 형성되고,
    상기 바인더는 이산화티타늄(TiO2) 졸을 포함하는
    광촉매 기능성 부직포.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가시광 활성 광촉매 입자는 입경(particle diameter)이 20㎚ 내지 100㎚인
    광촉매 기능성 부직포.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가시광 활성 광촉매 입자는 금속 산화물 및 금속 입자를 포함하는
    광촉매 기능성 부직포.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 산화티탄, 산화텅스텐, 산화아연, 산화니오븀 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    광촉매 기능성 부직포.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 금속 입자는 텅스텐, 크롬, 바나듐, 몰리브데넘, 구리, 철, 코발트, 망간, 니켈, 백금, 금, 은, 세륨, 카드늄, 아연, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    광촉매 기능성 부직포.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 가시광 활성 광촉매 입자는 금속 산화물 100 중량부에 대하여, 금속 입자 0.1 내지 5 중량부를 포함하는
    광촉매 기능성 부직포.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유기 섬유는 폴리프로필렌(PP) 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유, 폴리에스터 섬유, 폴리에틸렌 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    광촉매 기능성 부직포.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유기 섬유는 단면의 직경이 0.5㎛ 내지 15㎛인
    광촉매 기능성 부직포.
  12. 유기 섬유를 포함하는 원료 부직포에 산소(O2) 플라즈마를 처리하는 단계;
    상기 유기 섬유의 일부 또는 전부의 표면에 배리어 코팅액을 코팅하여 배리어 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 배리어 코팅층의 표면에 광촉매 코팅액을 코팅하여 광촉매 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 배리어 코팅액은 이산화티타늄(TiO2) 졸을 포함하고,
    상기 광촉매 코팅액은 바인더 및 가시광 활성 광촉매 입자를 포함하고,
    상기 바인더는 이산화티타늄(TiO2) 졸을 포함하는
    광촉매 기능성 부직포의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배리어 코팅층은 상기 배리어 코팅액을 스프레이(spray) 코팅 방법으로 분사함으로써 형성되는
    광촉매 기능성 부직포의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 광촉매 코팅층은 상기 광촉매 코팅액을 스프레이(spray) 코팅 방법으로 분사함으로써 형성되는
    광촉매 기능성 부직포의 제조방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 산소(O2) 플라즈마를 처리하는 단계에서 산소(O2) 가스의 공급 속도는 30 mL/min 내지 60 mL/min인
    광촉매 기능성 부직포의 제조방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 배리어 코팅층을 형성하는 단계는,
    상기 배리어 코팅액을 코팅한 후 80℃ 내지 100℃에서 열처리하는 단계인
    광촉매 기능성 부직포의 제조방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 광촉매 코팅층을 형성하는 단계는,
    상기 광촉매 코팅액을 코팅한 후 80℃ 내지 100℃에서 열처리하는 단계인
    광촉매 기능성 부직포의 제조방법.
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