KR102313771B1 - 가공 탄소 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합를 탄화하여 형성된 가공 탄소 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 가공 탄소는 칼슘, 마그네슘, 칼륨, 나트륨, 인, 망간 등 인간에게 필요한 필수 영양소를 포함할 수 있으며, 가공 탄소 본연의 우수한 흡착 성능을 구현할 수 있어서 경구용으로 다양한 활용이 가능한 이점을 가질 수 있다.

Description

가공 탄소 및 이의 제조방법{ENGINEERED CARBON AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
가공 탄소로서, 구체적으로, 인체에 무해하며 다양한 건강 보조 식품으로 활용될 수 있는 식용 가공 탄소 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
신재생에너지란 석탄, 석유, 원자력 및 천연가스 등 화석연료가 아닌 태양에너지, 바이오매스, 풍력, 소수력, 연료전지, 석탄의 액화, 가스화, 해양에너지, 폐기물에너지 및 기타로 구분되고 있고, 이외에도 지열, 수소, 석탄에 의한 물질을 혼합한 유동성 연료를 의미한다. 이 중에서 바이오매스란 원래 생태학의 용어로서 생물량 또는 생체량으로 이해되며, 살아있는 동물, 식물 및 미생물의 유기물량을 의미한다. 따라서, 생태학적 용어에서는 나무의 줄기, 뿌리, 잎 등이 대표적인 바이오매스이고, 폐재 및 가축의 분뇨 등 죽은 유기물은 바이오매스가 아니라고 할 수 있다. 그러나, 산업계에서는 이러한 유기계 폐기물도 바이오매스에 포함시키는 것이 일반적이다. 신재생에너지 중 하나인 바이오에너지 이용기술은 바이오매스(biomass)를 직접 또는 생화학적, 물리적 변환 과정을 통해 액체, 가스, 고체연료나 전기, 열에너지 형태로 이용하는 화학, 생물, 연소공학 등의 기술을 일컫는다. 이러한 신재생에너지 기술을 적용하여 제조된 다양한 재료들은 최근 친환경성에 대한 관심이 높아지고 있는 환경에서 광범위한 용도의 차세대 재료로서 각광받고 있다. 특히, 이러한 신재생에너지 기술이 적용되는 최전선 산업 분야 중 하나는 인체와 밀접한 관련이 있는 분야로서 식용, 의학용 등의 분야이다. 인체에 직접 또는 간접적으로 영향을 줄 수 있는 산업 분야는 다른 분야에 비해 친환경적인 요소를 기반으로 할 필요성이 매우 크기 때문에 이러한 신재생에너지 기술의 적합한 적용 및 활용이 확대되고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2009-0074360호
가공 탄소(engineered carbon)는 우수한 흡착 특성을 가지고 있기 때문에 경구 투여 흡착제, 의료용 흡착제, 물 정화용 흡착제, 담지체, 마스크, 탄소/폴리머 복합체, 흡착 시트 및 기능성 식품 등 다양한 분야에 적용할 수 있다(특허문헌 1 참조). 하지만, 통상적인 가공 탄소 제조시에는, 가공 과정에서 비소나 납 같은 중금속이 포함되어 그 성분이 가공 탄소 내에 잔류할 가능성이 있고, 석유계 원료, 참나무나 소나무 등의 목재, 코코넛 껍질 또는 대나무 등 사용되는 원료의 종류에 따른 불순물도 잔재하고 있기 때문에 식용으로는 부적합한 점이 있었다.
이에, 본 발명의 일 구현예는 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합을 탄화하여 형성된 가공 탄소를 제공한다. 상기 가공 탄소는 식용이 가능하며, 인체에 무해하고, 인체에 이로운 물질은 흡착하지 않고 유해 물질만을 흡착할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 일 구현예에서는 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합을 탄화하여 형성된 가공 탄소를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서는 평균 입경이 0.1㎝ 내지 2.5㎝이고, 복수의 독립 기공을 포함하고, 상기 독립 기공의 평균 크기는 10㎛ 내지 90㎛이며, 상기 독립 기공을 공간적으로 분리하는 격벽의 평균 두께가 1㎚ 이상, 1㎛ 미만인, 가공 탄소를 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예에서는, 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합을 건조하는 단계, 건조된 상기 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합을 열처리하는 단계를 포함하는 가공 탄소의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예에서는, 상기 가공 탄소를 포함하는 가공 식품을 제공한다.
상기 가공 탄소는 적절한 기공 구조를 바탕으로 특정 성분에 대한 흡착 선택성을 갖도록 개질되기 용이한 구조를 가질 수 있고, 개질 후 특정 성분에 대한 우수한 흡착 성능을 구현함과 동시에 전체적인 크기 및 형상에 있어서 다양한 용도로의 활용이 가능한 이점을 가질 수 있다.
상기 가공 탄소는 인체에 무해하고, 칼슘, 마그네슘, 칼륨, 나트륨, 인, 망간 등 인간에게 필요한 필수 영양소를 포함할 수 있고, 가공 탄소 본연의 우수한 흡착 성능을 구현할 수 있어서 경구용으로 다양한 활용이 가능한 이점을 가질 수 있다.
상기 가공 탄소의 제조방법은 상기 구조를 갖는 가공 탄소를 제조하기 위한 효과적인 방법으로서, 효율성 및 수율을 극대화할 수 있고, 공간적 제약 없이 구현이 가능한 이점을 가질 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 상기 가공 탄소의 장축 직경을 측정하는 방법을 게재한 것이다.
도 2는 일 구현예에 따른 상기 가공 탄소의 외형을 촬영한 이미지를 게재한 것이다.
도 3은 일 구현예에 따른 상기 가공 탄소의 표면으로부터 내부로의 구조를 그 단면을 이용해 도식화한 것이다.
도 4는 일 구현예에 따른 상기 가공 탄소의 외형을 촬영한 사진을 게재한 것이다.
도 5는 일 구현예에 따른 가공 탄소가 지질 성분을 흡착한 경우의 표면 SEM 사진을 게재한 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.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 '포함하다' 또는 '가지다' 등의 표현은 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
일 구현예는 커피 생두(green bean), 커피 원두(whole bean) 또는 이의 조합을 탄화하여 형성된 가공 탄소를 제공한다. '가공 탄소'에서 '가공'은 물리적, 화학적, 기계적, 열적 처리 등을 포함하는 것이고, 활성화(activation) 공정을 포함할 수도 있는 것으로 이해되어야 한다.
상기 커피 생두는 커피나무에 열리는 열매인 커피체리(coffee cherry)의 씨앗을 건조한 것일 수 있다. 건조는 자연식 건조(natural dry process) 또는 수세식 건조(wet dry process)일 수 있다.
상기 커피 원두는 상기 커피 생두를 추가적으로 가공한 것일 수 있다. 구체적으로, 추가적인 가공은 150℃ 내지 300℃에서 열처리하는 것일 수 있다.
상기 커피체리의 원산지 또는 생산지는 상관없으나, 상기 원산지 또는 생산지에 따라 상기 커피 생두 또는 커피 원두를 구성하는 성분의 함량이 달라질 수 있다.
상기 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합을 탄화하여 형성된 가공 탄소는 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N), 황(S), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 구리(Cu), 철(Fe), 칼륨(K), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 나트륨(Na), 인(P), 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 후술할 소정의 범위로 함유하는 것이 바람직하다.
다른 일 구현예에서, 평균 입경이 0.1㎝ 내지 2.5㎝이고, 복수의 독립 기공을 포함하고, 상기 독립 기공의 평균 크기는 10㎛ 내지 90㎛이며, 상기 독립 기공을 공간적으로 분리하는 격벽의 평균 두께가 1㎚ 이상, 1㎛ 미만인 가공 탄소를 제공한다.
상기 가공 탄소는 입자 형상일 수 있고, 상기 입자의 평균 입경이 약 0.1cm 내지 약 2.5cm일 수 있고, 예를 들어, 약 0.1cm 내지 약 1.5cm일 수 있고, 예를 들어, 약 0.1cm 내지 약 1cm일 수 있다. 상기 입경은 상기 가공 탄소 입자 하나의 투영상에서 측정된 장축 직경으로 정의될 수 있다. 도 1을 참조하면, 상기 장축 직경이란 상기 가공 탄소 입자 하나의 투영상에서 상기 가공 탄소 입자의 외곽선 상에 있는 임의의 점 2개를 직선으로 연결할 때 길이가 가장 긴 직선의 길이(Lmax)를 의미할 수 있다.
상기 가공 탄소의 크기가 전술한 범위를 만족함으로써 상기 가공 탄소의 용도를 다양화할 수 있다. 예를 들어, 상기 가공 탄소가 식용으로 사용될 때 전술한 입경의 입자 형태로 유통됨으로써 우수한 식감을 구현할 수 있고, 후속하여 파우더(powder) 등의 다양한 형태 변형하여 적용하기에 유리할 수 있다.
도 2는 일 구현예에 따른 상기 가공 탄소의 표면을 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)으로 촬영한 사진을 게재한 것이다. 도 2를 참조할 때, 상기 가공 탄소는 복수의 독립 기공을 포함하는 다공성 구조를 가진다. 상기 '독립 기공'은 상기 가공 탄소의 표면 상의 복수의 기공에 있어서 인접한 기공들이 측벽 구조에 의해 공간적으로 분리되어 있는 기공을 의미하며, 이러한 공간적인 분리는 완전하게 분리된 경우뿐만 아니라, 측벽의 일부 영역에서 보이드(void) 등이 생겨 있으나 SEM 사진 등의 투영상 상에서 실질적으로 분리되어 있는 것으로 인식되는 경우를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 3은 일 구현예에 따른 상기 가공 탄소의 표면으로부터 내부로의 구조를 그 단면을 이용해 도식화한 것이다. 도 3을 참조할 때, 상기 복수의 독립 기공(10)은 표면 상에 드러난 평균 기공 크기가 약 10㎛ 내지 약 90㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 20㎛ 내지 약 70㎛일 수 있다. 상기 '평균 기공 크기'는 상기 가공 탄소의 표면에 대해 촬영한 SEM 사진의 약 0.03㎟의 단위 면적 당 존재하는 복수의 기공에 대하여 각각의 장축 직경을 측정하여 계산된 수 평균 값을 의미한다. 이때, 상기 평균 기공 크기를 도출하기 위해 촬영된 가공 탄소의 표면은 임의 선택될 수 있으며, 상기 가공 탄소의 전체 표면 중의 50면적% 이상의 표면에서 상기 범위의 평균 기공 크기가 도출된다면 상기 가공 탄소 전체의 복수의 독립 기공에 대한 평균 기공 크기가 상기 범위인 것으로 이해되어야 한다. 상기 평균 기공 크기가 전술한 범위를 만족함으로써 상기 가공 탄소의 흡착 성능이 향상될 수 있다. 구체적으로, 상기 가공 탄소의 독립 기공은 그 내부 표면을 개질하여 특정 성분에 대한 흡착 선택성을 갖도록 할 수 있고, 전술한 평균 기공 크기를 갖는 경우 이러한 개질을 위한 충분한 표면적을 확보할 수 있다.
도 3을 참조할 때, 복수의 독립 기공(10)은 상기 가공 탄소의 표면(20)으로부터 내부로 연결되는 유로(30)를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 유로(30)는 이의 폭이 상기 가공 탄소의 표면으로부터 내부를 향하는 방향으로 좁아지는 구조일 수 있다. 이로써 상기 가공 탄소에 의해 흡착될 수 있는 흡착 대상 입자들이 유로(30)를 통해 이동하면서 크기에 따라 단계적으로 흡착될 수 있다. 상기 흡착 대상 입자들은 상기 가공 탄소의 표면으로부터 내부를 향하는 방향으로 상대적으로 크기가 큰 입자부터 작은 입자의 순서로 순차 흡착될 수 있다.
일 구현예에서, 하나의 독립 기공(10)에 연결된 유로(30)는 인접한 다른 독립 기공(10)에 연결된 유로(30)와 일부 영역에서 연결된 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 인접한 두 기공은 상기 가공 탄소의 표면 상에서 측벽에 의해 공간적으로 분리된 독립 기공으로 인식되지만, 상기 가공 탄소의 내부에서는 유로에 의해 연결된 구조를 가질 수 있다.
상기 가공 탄소는 상기 유로(30)의 말단 영역에 위치하는 미세 기공(40)을 더 포함할 수 있다. 상기 미세 기공(40)은 상기 흡착 대상 입자들 중에서 크기가 미세한 입자들의 흡착시키는 역할을 할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 미세 기공(40)의 평균 기공 크기는 약 1nm 이상, 약 10㎛ 미만일 수 있고, 예를 들어, 약 1nm 이상, 약 8㎛ 미만일 수 있고, 예를 들어, 약 1nm 내지 약 5㎛일 수 있다.
도 2를 다시 참조할 때, 상기 복수의 독립 기공은 인접한 기공들이 격벽 구조에 의해 분리된 구조를 갖는다. 상기 격벽의 평균 두께는 약 1㎚ 이상, 약 1㎛ 미만일 수 있고, 예를 들어, 약 1nm 이상, 약 900nm 이하일 수 있고, 예를 들어, 약 1nm 이상, 약 800nm 이하일 수 있다. 상기 격벽은 상기 복수의 독립 기공을 공간적으로 분리함과 동시에 전체 기공 구조의 지지성을 확보하는 역할을 하는 것으로서, 상기 범위의 두께를 가짐으로써 기공 내부 표면 개질이나 특정 성분의 흡착 과정에서 형태의 무너짐 없이 다공성 구조를 잘 유지할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 가공 탄소의 기공률은 약 10부피% 내지 약 90부피%일 수 있고, 예를 들어, 약 20부피% 내지 약 90부피%일 수 있고, 예를 들어, 약 30부피% 내지 약 90부피%일 수 있다. 상기 가공 탄소의 기공률은 상기 가공 탄소 전체 부피 중의 상기 복수의 독립 기공이 차지하는 부피의 백분율을 나타내는 것으로서 상기 가공 탄소의 흡착 또는 흡수 역량의 지표가 될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 가공 탄소의 부피에 대한 질량의 비율로 정의되는 밀도는 약 0.1g/mL 내지 약 0.8g/mL일 수 있고, 예를 들어, 약 0.3g/mL 내지 약 0.8g/mL일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 가공 탄소의 복수의 독립 기공은 그 표면에 결합된 관능기를 포함할 수 있다. 상기 가공 탄소의 표면과 상기 관능기 사이의 결합은 반데르발스(Van der Waals) 결합, 공유결합, 이온결합, 수소결합, 정전기적 인력에 의한 결합 또는 물리적 결합일 수 있다. 상기 관능기는 상기 가공 탄소를 이용하여 흡착시키고자 하는 흡착 대상 물질과 결합하는 관능기로서, 예를 들어, 하이드록시기(hydroxy group), 카르복실기(carboxyl group), 알데히드기(aldehyde group), 카르보닐기(carbonyl group), 아미노기(amino group), 니트로기(nitro group) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 상기 관능기와 상기 흡착 대상 물질 간의 결합은 반데르발스(Van der Waals) 결합, 공유결합, 이온결합, 수소결합, 정전기적 인력에 의한 결합 또는 물리적 결합일 수 있다.
상기 흡착 대상 물질은 상기 관능기에 결합할 수 있는 물질이면 제한되지 않으나, 예를 들어, 일산화탄소(carbon monoxide, CO), 암모니아(ammonia), 아세톤(acetone, CH3COCH3), 우레탄(urethane), 페놀(phenol), 아세닉(arsenic), 포름알데히드(formaldehyde, HCHO), 아세트알데히드(acetaldehyde, CH3CHO) 나프틸아민(naphtylamine), 부탄(butane), 메탄올(methanol), 피렌(pyrene), 나프타린(naphthalene), 디메틸니트로사민(dimethylnitrosamine), 수은(mercury), 카드뮴(cadmium), 크롬(chromium), 납(lead), 타르(tar), 니코틴(micotine), 벤조피렌(nenzopyrene), 톨루이딘(toluidine), 하이드로겐시아나이드(hydrogen cyanide), 디벤즈아크리딘(dibenzacridine), 비닐클로라이드(vinyl chloride), 디클로로디페닐트리클로로에탄(DDT, dichloro diphenyl trichloroethane), 휘발성 황화물(VSC, volatile sulfur compound), 하이드로겐설파이드(hydrogen sulfide), 메틸머캅탄(methyl mercaptan), 디메틸설파이드(dimethylsulfide), 부틸레이트(butylate), 프로피오네이트(propionate), 발러레이트(valerate), 인돌(indole), 젖산(lactic acid), 지질(lipid), 인지질(phospholipid), 당지질(glycolipid), 지방산(fatty acid), 스테로이드(steroid), 테르페노이드(terpenoid), 지방단백질(lipoprotein) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
도 5는 일례로 상기 가공 탄소가 지질(lipid) 성분을 흡착한 경우의 표면 SEM 사진을 게재한 것이다.
일 구현예에서, 상기 가공 탄소의 질소 흡착 비표면적은 약 0.1 m2/g 내지 약 2,000 m2/g일 수 있고, 예를 들어, 약 1.0 m2/g 내지 약 1500 m2/g일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 가공 탄소의 이산화탄소 흡착 비표면적은 약 0.1 m2/g 내지 약 2000 m2/g일 수 있고, 예를 들어, 약 1.0 m2/g 내지 약 1500 m2/g 일 수 있다.
상기 가공 탄소의 질소 흡착 비표면적은 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 비표면적 측정장치를 사용하여 -195.85℃에서의 질소등온흡착곡선을 측정하여 비표면적은 BET 식으로 계산할 수 있다
상기 가공 탄소의 이산화탄소 흡착 비표면적은 Dubinin-Radushkevich 또는 Dubinin-Astakhov 비표면적 측정장치를 사용하여 0℃에서의 이산화탄소 등온흡착곡선을 측정하여 비표면적은 Dubinin-Radushkevich 또는 Dubinin-Astakhov 식으로 계산할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 가공 탄소의 하기 식 1로 정의되는 지질 흡착량(%)은 약 5% 내지 약 400%일 수 있고, 예를 들어, 약 10% 내지 약 100%일 수 있다.
[식 1]
지질 흡착량(%) = (M2 - M1)/M1 X 100
상기 식 1에서, 상기 M1은 상기 가공 탄소의 무게(g)이고, 상기 M2는 상기 가공 탄소를 올리브 오일에 30분 동안 침지한 후의 무게(g)이다.
일 구현예에서, 상기 가공 탄소의 하기 식 2로 정의되는 포름알데히드 흡착량(%)은 약 10% 내지 약 300%일 수 있고, 예를 들어, 약 10% 내지 약 50%일 수 있다.
[식 2]
포름알데히드 흡착량(%) = (V2 - V1)/V1 X 100
상기 식 1에서, 상기 V1은 상기 가공 탄소의 무게(g)이고, 상기 V2는 상기 가공 탄소를 포름알데히드에 30분 동안 노출한 후의 무게(g)이다.
일 구현예에서, 상기 가공 탄소는 탄소, 수소, 산소, 질소, 황 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 상기 가공 탄소를 이루는 원소 성분은 상기 가공 탄소의 원재료와 상기 가공 탄소의 흡착 대상 결합 관능기 등에 의해서 결정될 수 있다. 일 구현예에서, 상기 가공 탄소는 탄소, 수소, 산소 및 질소를 포함할 수 있다. 상기 가공 탄소는 탄소를 약 10중량% 내지 약 90중량% 포함할 수 있고, 수소를 약 0.1중량% 내지 약 10중량% 포함할 수 있고, 산소를 약 1.0중량% 내지 약 30중량% 포함할 수 있고, 질소를 약 0.1중량% 내지 약 10중량% 포함할 수 있으며, 탄소, 수소, 산소 및 질소의 총 함량은 100중량%를 넘기지 않는다.
상기 가공 탄소를 이루는 원소 성분 중 질소 대 수소의 중량비는 약 1 : 3 내지 약 3 : 1일 수 있고, 예를 들어, 약 1 : 2 내지 2 : 1일 수 있다. 질소 및 수소의 중량비가 상기 범위를 만족함으로써 소정의 흡착 대상에 대한 상기 가공 탄소의 결합 성능이 목적 수준으로 확보될 수 있다. 상기 가공 탄소를 이루는 원소 중 탄소 대 산소의 중량비는 약 1 : 3 내지 약 20 : 1일 수 있고, 예를 들어, 약 1 : 1 내지 약 20 : 1일 수 있고, 예를 들어, 약 1 : 1 내지 15 : 1일 수 있다. 탄소 및 산소의 비가 상기 범위를 만족함으로써 소정의 흡착 대상에 대한 상기 가공 탄소의 결합 성능이 목적 수준으로 확보될 수 있다.
예를 들어, 상기 가공 탄소는 탄소 함량이 약 50중량% 내지 약 95중량%, 예를 들어, 약 60중량% 내지 약 95중량%, 예를 들어, 약 65중량% 내지 약 95중량%일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 가공 탄소는 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 구리(Cu), 철(Fe), 칼륨(K), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 나트륨(Na), 인(P), 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다.
상기 가공 탄소가 알루미늄을 포함하는 경우 상기 가공 탄소 1kg을 기준으로 알루미늄을 약 1mg 내지 약 1000mg 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 1mg 내지 약 100mg 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 500mg 내지 약 1000mg 포함할 수 있다.
상기 가공 탄소가 칼슘을 포함하는 경우 상기 가공 탄소 1kg을 기준으로 칼슘을 약 10mg 내지 10000mg 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 10mg 내지 약 400mg 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 400mg 내지 약 10000mg 포함할 수 있다.
상기 가공 탄소가 카드뮴, 코발트 또는 크롬을 포함하는 경우 상기 가공 탄소 1kg을 기준으로 카드뮴, 코발트 또는 크롬 각각을 0(zero) 내지 약 20mg 포함할 수 있다.
상기 가공 탄소가 구리를 포함하는 경우 상기 가공 탄소 1kg을 기준으로 구리를 약 1mg 내지 약 200mg 포함할 수 있다.
상기 가공 탄소가 철을 포함하는 경우 상기 가공 탄소 1kg을 기준으로 철을 약 10mg 내지 약 900mg 포함할 수 있다.
상기 가공 탄소가 칼륨을 포함하는 경우 상기 가공 탄소 1kg을 기준으로 칼륨을 약 10mg 내지 약 100000mg 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 10mg 내지 1000mg 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 1000mg 내지 약 100000mg 포함할 수 있다.
상기 가공 탄소가 마그네슘을 포함하는 경우 상기 가공 탄소 1kg을 기준으로 마그네슘을 약 100mg 내지 약 10000mg 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 100mg 내지 약 1000mg 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 1000mg 내지 약 10000mg 포함할 수 있다.
상기 가공 탄소가 망간을 포함하는 경우 상기 가공 탄소 1kg을 기준으로 망간을 약 1mg 내지 약 300mg 포함할 수 있다.
상기 가공 탄소가 나트륨을 포함하는 경우 상기 가공 탄소 1kg을 기준으로 나트륨을 약 10mg 내지 약 5000mg 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 10mg 내지 약 1000mg 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 1000mg 내지 약 5000mg 포함할 수 있다.
상기 가공 탄소가 인을 포함하는 경우 상기 가공 탄소 1kg을 기준으로 인을 약 10mg 내지 약 10000mg 포함할 수 있다.
상기 가공 탄소가 실리콘을 포함하는 경우 상기 가공 탄소 1kg을 기준으로 실리콘을 약 10mg 내지 약 3000mg 포함할 수 있다.
상기 가공 탄소가 티타늄을 포함하는 경우 상기 가공 탄소 1kg을 기준으로 티타늄을 0(zero) 내지 약 500mg 포함할 수 있다.
상기 가공 탄소가 아연을 포함하는 경우 상기 가공 탄소 1kg을 기준으로 아연을 0(zero) 내지 약 300mg 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 가공 탄소가 칼슘 및 마그네슘을 포함할 수 있다. 이 경우 상기 가공 탄소에 포함된 칼슘 대 마그네슘의 중량비는 약 1 : 1 내지 약 1 : 5일 수 있고, 예를 들어, 약 1 : 1.1 내지 약 1 : 3.5일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 가공 탄소가 칼슘 및 마그네슘을 포함하고, 상기 가공 탄소 1kg을 기준으로 칼슘 및 마그네슘 각각을 0(zero) 초과, 약 1000mg 이하로 포함하며, 상기 가공 탄소에 포함된 칼슘 대 마그네슘의 중량비가 약 1 : 1 내지 약 1 : 5일 수 있고, 예를 들어, 약 1 : 1.1 내지 약 1 : 3.5일 수 있다.
칼슘은 골다공증 예방, 혈액 산성화 방지 및 신경전달 역할을 하는 필수 영양소이다. 칼슘은 신체를 구성하는 미네랄 중 가장 많은 양을 차지하지만, 부족해지기도 쉽다. 칼슘이 부족하면 손, 발, 얼굴 근육이 과도하게 수축하거나 경련을 일으킬 수도 있다. 마그네슘은 300가지가 넘는 효소반응에 필요하며, 심장의 펌프기능을 조절하고 관상동맥을 확장시켜주어 협심증, 심장마비를 예방해준다. 마그네슘은 세포로 칼슘이온이 들어가는 것을 조절하여 혈관이 수축하는 것을 방지하고 심장근육세포가 강하게 수축하는 것을 약화시켜 혈압을 낮춰주는 역할을 한다. 일반적인 식생활에서 칼슘을 섭취하는 경로는 많으나 마그네슘을 섭취하는 경로가 많지 않은데, 이는 곡물의 정제과정이나 가공식품의 가공과정에서 마그네슘이 대부분 제거되기 때문이다. 사람이 스트레스를 받으면 마그네슘이 소모되는데 스트레스가 많은 현대인은 충분한 마그네슘 섭취가 필요하다. 또한, 상기 칼슘과 마그네슘은 각각 서로의 체내 흡수율에 영향을 주며 적정 비율을 유지하는 것이 중요하다.
상기 가공 탄소는 가공 탄소 1kg을 기준으로 약 3500mg 내지 약 5000mg의 풍부한 칼슘을 포함할 수 있고, 약 5000mg 내지 약 10000mg의 풍부한 마그네슘을 포함할 수 있다. 상기 가공 탄소 내에 마그네슘 함량이 높다는 것은 상기 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합의 건조 및 탄화 공정이 비파괴적인 것을 의미한다.
통상적인 탄화 공정은 로터리 킬른(rotary kiln)을 이용하며, 로터리 킬른에 의한 탄화 공정은, 수평 원통 구조의 챔버 내에서 임펠러의 회전을 통해 커피 생두, 커피 원두 등의 원료가 이송되고, 이송 과정 중 외부의 열풍을 가하여 상기 챔버 내부에서 이송 중인 원료를 탄화시키는 공정이다. 로터리 킬른을 이용한 탄화 공정은 물리적 마찰 에너지와 동시에 열에너지가 제공되므로 원료에 큰 데미지(damage)를 줄 수도 있다.
후술할 일 구현예의 제조 방법으로 제조되는 상기 가공 탄소는, 칼슘 또는 마그네슘의 함량이 손실되지 않고 풍부하여, 예를 들면, 건강 보조제로 사용될 수 있고, 칼슘과 마그네슘의 적정 비율은 약 1 : 1 내지 약 1 : 2의 범위일 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 가공 탄소가 칼슘 및 마그네슘을 포함하고, 상기 가공 탄소 내 마그네슘의 함량이 칼슘의 함량보다 많을 수 있다. 일반적으로 체내에는 칼슘 및 마그네슘이 공존한다. 칼슘은 체내에 가장 풍부한 미네랄이며 다양한 섭취 경로가 있는 반면에, 마그네슘은 섭취 경로가 부족하고, 마그네슘 부족 상태에서 칼슘이 과도하게 축적되면 신장 결석 등의 문제가 발생할 수 있다. 그 결과, 일 구현예에 따른 상기 가공 탄소와 같이 칼슘 대비 마그네슘의 함량이 많이 포함된 건강 보조제의 경우 인체 내 칼슘과 마그네슘의 이상적인 체내 비율 확보 및 영양분 전체의 균형 확보에 유리한 이점을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 가공 탄소 1kg을 기준으로 칼슘 및 마그네슘 각각을 약 1000mg 초과, 약 10000mg 이하로 포함하며, 상기 가공 탄소에 포함된 칼슘 대 마그네슘의 중량비가 약 1 : 1.1 내지 약 1 : 5일 수 있고, 예를 들어, 약 1.1 : 1 내지 약 1 : 3.5일 수 있고, 예를 들어, 약 1 : 1.1 내지 약 1 : 3일 수 있고, 예를 들어, 1 : 1 내지 1 : 2일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 가공 탄소가 나트륨 및 칼륨을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 가공 탄소에 포함된 나트륨 대 칼륨의 중량비는 약 1 : 0.01 내지 약 1 : 3000일 수 있고, 예를 들어, 약 1 : 0.01 내지 약 1 : 1500일 수 있고, 예를 들어, 약 1 : 300 내지 약 1 : 1500일 수 있고, 예를 들어, 약 1 : 0.01 내지 1 : 10일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 가공 탄소가 나트륨 및 칼륨을 포함하고, 상기 가공 탄소에 포함된 나트륨의 함량이 칼륨의 함량보다 많을 수 있다. 예를 들어, 상기 가공 탄소에 포함된 나트륨 대 칼륨의 중량비가 약 1 : 0.01 이상, 약 1 : 1 미만일 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 가공 탄소가 나트륨 및 칼륨을 포함하고, 상기 가공 탄소에 포함된 칼륨의 함량이 나트륨의 함량보다 같거나 많을 수 있다. 예를 들어, 상기 가공 탄소에 포함된 나트륨 대 칼륨의 중량비가 약 1 : 1 내지 1 : 10일 수 있고, 예를 들어, 약 1 : 1 초과, 약 1 : 3000 이하일 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 가공 탄소가 나트륨 및 칼륨을 포함하고, 상기 가공 탄소에 포함된 칼륨의 함량이 나트륨의 함량보다 많을 수 있다. 예를 들어, 상기 가공 탄소에 포함된 나트륨 대 칼륨의 중량비가 약 1 : 300 내지 1 : 10000일 수 있고, 예를 들어, 약 1 : 500 초과, 약 1 : 5000 이하일 수 있다.
칼륨은 혈압을 정상적으로 유지하고 몸 속의 노폐물을 처리하고, 에너지 대사에 관여하고 뇌기능을 활성화하는 것으로 알려진 영양소이다. 칼륨 섭취량을 늘리면 혈압을 개선하고 심혈관계 질환에 걸릴 위험을 낮출 수 있다. 칼륨은 체내의 나트륨과 적절히 균형을 유지하는 것이 중요하지만, 현대인의 과다한 가공 식품 섭취로 인한 나트륨 섭취 증가로 이에 상응하는 칼륨 섭취는 부족한 실정이다. 나트륨 섭취를 줄이는 것 대신 풍부한 칼륨의 섭취는 혈압의 강하를 포함한 더 많은 부분에서 영양학적으로 효과를 볼 수 있다.
일 구현예에서, 상기 가공 탄소가 망간 및 인을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 가공 탄소에 포함된 망간 대 인의 중량비는 약 1 : 1 내지 약 1 : 500일 수 있고, 예를 들어, 약 1 : 50 내지 약 1 : 300일 수 있고, 예를 들어, 1 : 20 내지 1 : 220일 수 있고, 예를 들어, 약 1 : 1 내지 약 1 : 30일 수 있다.
상기 알루미늄, 칼슘, 크롬, 구리, 철, 칼륨, 마그네슘, 망간, 나트륨, 인, 실리콘, 티타늄, 및 아연 등 성분의 각각 함량과 상호 함량비를 조절함으로써 소정의 목적에 적합한 성능을 선택적으로 구현할 수 있으며, 이와 동시에 암, 심뇌혈관질환, 당뇨병 등 만성질환 관리에 필수적인 영양소 결핍을 예방하고, 섭취량의 균형을 조절할 수 있다.
일 구현예에 따른 가공 탄소는 식용이 가능하다. 기존에 사용되는 활성 탄소는 일반적으로 야자각, 톱밥, 참나무나 소나무 등의 목재, 코코넛 껍질 또는 대나무 그리고 석탄 또는 석유로부터 얻어지는 코크스, 피치, 레진 등을 원료로 하여 제조되고 원료의 종류에 따른 불순물도 잔재하고 있어 식용으로는 부적합한 점이 있었다. 또한 신체의 구성요소와 기능을 조절하는 상기 영양소들은 사람의 신체에서 직접 만들 수 없고, 토양으로부터 흡수된 식품을 통해 사람으로 흡수되므로 적절한 원료의 선택은 필수적이다.
도 3을 참조할 때, 일 구현예에서 상기 가공 탄소는 표면(20)으로부터 내부로 연결되는 유로(30)를 포함한 복수의 독립 기공을 포함하는 다공성 구조를 가지는 것과 동시에 상기 알루미늄, 칼슘, 크롬, 구리, 철, 칼륨, 마그네슘, 망간, 나트륨, 인, 및 아연 등 무기질 영양소 성분이 가공 탄소 외부 표면뿐만 아니라 내부 기공 표면까지 분포되어 있다.
상기 가공 탄소는 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합을 사용하여 전술한 적정 함량 및 비율의 필수 영양소를 포함하고 있고, 상기 복수의 독립 기공을 통한 우수한 흡착 성능을 구현할 수 있어, 예를 들면, 경구용 건강보조제로 활용될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 가공 탄소는 이 중의 납, 수은, 카드뮴 및 비소의 총량이 약 1,000ppm 미만일 수 있고, 예를 들어, 약 500ppm 미만일 수 있고, 예를 들어, 약 300ppm 미만일 수 있고, 예를 들어, 약 0(zero) 내지 약 300ppm일 수 있고, 예를 들어, 약 0 내지 10ppm 이하일 수 있다. 상기 가공 탄소는 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합을 이용하여 형성된 것으로서, 종래의 다른 천연 재료 혹은 합성 재료로부터 제조된 가공 탄소에 비하여 납, 수은, 카드뮴 및 비소의 금속 성분의 함량을 최소화할 수 있다. 상기 납, 수은, 카드뮴 및 비소 등의 금속 성분의 각각의 함량과 상호 함량비를 조절함으로써 소정의 흡착 대상 물질에 대한 흡착 성능을 향상시키거나, 다른 흡착 대상 물질 대비 특정 흡착 대상 물질에 대한 선택성을 높일 수 있다. 이와 같은 금속 성분의 함량은 원자흡광분석장치(Atomic Absorption Spectrometer, AAS) 또는 유도결합플라즈마 발광분광기(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer, ICPAES) 등의 장비를 이용하여 측정할 수 있다.
도 4는 일 구현예에 따른 상기 가공 탄소의 외형을 촬영한 사진을 게재한 것이다. 도 4를 참조할 때, 상기 가공 탄소는 커피 생두 형상 또는 커피 원두 형상의 외형을 가질 수 있다. 일 구현예에서, 상기 가공 탄소는 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합으로부터 유래한 가공품일 수 있다. 상기 가공 탄소는 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합이 가공된 탄소 재료이면서, 원료의 형상을 유지한 채로 가공된 탄소 재료일 수 있다. 이러한 형상은 적합한 원료 및 가공 조건이 종합적으로 영향을 주어 구현될 수 있다. 종래의 천연 재료를 활용한 탄소 재료의 제조는 보통 목재 등을 원료로 활용하므로 최종 제조 후의 형상이 목재의 질감을 나타내는 표면을 갖거나 분말 또는 가루 형태인 경우가 일반적이었다. 또한, 커피 생두 또는 커피 원두 등을 원료로 활용하더라도 분말 또는 가루 형태로 제조되어 펠릿(pellet) 등의 원하는 형상으로 재가공하는 것이 일반적이었다. 이와 달리, 일 구현예에 따른 상기 가공 탄소는 적합한 원료 및 가공 조건 등이 종합적으로 설계되어 커피 생두 또는 커피 원두의 원료 형상을 유지하면서 탄화된 가공품으로서 식용 등의 새로운 용도 적용에 있어서 이점을 가질 수 있다.
다른 구현예에서, 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합을 건조하는 단계; 및 건조된 상기 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합을 열처리하는 단계를 포함하는 가공 탄소 제조방법을 제공한다.
상기 가공 탄소의 제조방법을 통하여 평균 입경이 0.1㎝ 내지 2.5㎝이고, 복수의 독립 기공을 포함하고, 상기 독립 기공의 평균 크기는 10㎛ 내지 90㎛이며, 상기 독립 기공을 공간적으로 분리하는 격벽의 평균 두께가 1㎚ 이상, 1㎛ 미만인 전술한 바에 따른 가공 탄소를 제조할 수 있다.
상기 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합을 건조하는 단계는, 약 100℃ 내지 약 400℃, 예를 들어, 약 100℃ 내지 약 300℃, 예를 들어, 약 100℃ 내지 약 200℃에서 수행될 수 있다.
다른 구현예에서 상기 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합을 건조하는 단계는, 약 80℃ 내지 약 400℃, 예를 들어, 약 100℃ 내지 약 300℃, 예를 들어, 약 100℃ 내지 약 200℃에서 수행될 수 있다.
상기 건조는 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합 1kg을 기준으로 약 30분 내지 약 100분, 예를 들어, 약 30분 내지 약 90분 범위 내에서 수행될 수 있다.
상기 건조를 통하여 상기 커피 생두 또는 커피 원두의 수분이 약 5중량% 미만으로 감소될 수 있고, 예를 들어, 약 3중량% 미만, 예를 들어, 약 2중량% 미만으로 감소될 수 있다.
일 구현예에서 상기 건조 단계는 상기 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합의 수분 함량을 0.1중량% 초과 10중량% 미만으로 건조시키는 것이 바람직하다. 상기 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합의 수분 함량을 0.1중량% 미만으로 건조할 경우, 건조 과정에 과다한 에너지가 투입되어 제조비용 상승을 유발하게 되고, 상기 커피 생두 또는 커피 원두 내 수분의 함량이 지나치게 적어 가공성이 떨어져 가공 탄소가 유통 과정 중에 가해지는 약간의 충격에도 쉽게 분쇄되는 문제가 있다. 반대로 상기 커피 생두 또는 커피 원두의 수분 함량을 10중량% 보다 초과하여 건조할 경우, 상기 커피 생두 또는 커피 원두 내 수분의 함량이 지나치게 많아서 탄화 과정에서 엉킴 또는 응집(agglomeration or aggregation)이 발생하여 가공 탄소의 흡착 특성이 저하될 수 있다.
일 구현예에서 상기 열처리 단계는 단일 열처리 단계일 수도 있고, 다단 열처리 단계일 수도 있다. 상기 열처리의 온도 조건은 약 400℃ 내지 약 1000℃일 수 있고, 예를 들어, 약 400℃ 내지 약 800℃일 수 있다. 상기 열처리 단계가 다단 열처리 단계인 경우, 상기 온도 범위에서 서로 상이한 온도 분위기로 다단 열처리될 수 있다. 상기 열처리 온도 범위의 설계에 따라 최종적으로 제조된 가공 탄소의 형상 및 기공 구조 등이 달라질 수 있다.
상기 열처리 단계는, 건조된 상기 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합을 질소(N2), 아르곤(Ar), 산소(O2), 수소(H2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 가스 분위기 하에서 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 열처리는 질소(N2) 분위기, 산소(O2) 분위기 또는 질소(N2) 분위기 및 산소(O2) 분위기를 순차 적용한 분위기 하에서 수행될 수 있다. 일 구현예에서, 질소(N2) 분위기 및 산소(O2) 분위기를 순차 적용하는 경우, 질소(N2) 분위기가 선행될 수도 있고, 산소(O2) 분위기가 선행될 수도 있다. 상기 '분위기 하'의 의미는 해당 기체가 50중량% 초과로 포함된 분위기를 의미하는 것으로서, 일례로 질소(N2) 기체가 50중량% 초과로 포함되고, 질소(N2) 이외의 다른 종류의 기체가 50중량% 미만으로 포함된 경우 질소(N2) 분위기 하에서 열처리되는 것으로 이해될 수 있다. 다른 일례로, 산소(O2) 기체가 50중량% 초과로 포함되고, 산소(O2) 이외의 다른 종류의 기체가 50중량% 미만으로 포함된 경우 산소(O2) 분위기 하에서 열처리되는 것으로 이해될 수 있다.
일 구현예에서, 건조된 상기 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합은 혼합 분위기 하에서 열처리될 수 있다. 상기 혼합 분위기는 불활성 분위기 및 산소(O2) 분위기거나 불활성 분위기 및 수소(H2) 분위기일 수 있고 상기 불활성 분위기는 질소(N2) 및/또는 아르곤(Ar) 분위기를 의미한다. 상기 혼합 분위기는 약 0.1% 내지 약 10% 수소를 포함하는 질소 또는 아르곤 분위기를 의미한다. 상기 질소 또는 아르곤 내의 수소 함량은 mol%, 중량% 또는 부피% 중 어느 하나를 의미한다.
상기 열처리 분위기의 설계에 따라 최종적으로 제조된 가공 탄소의 형상 및 기공구조, 표면에 결합된 관능기의 종류 및 함량, 가공 탄소를 구성하는 원소의 종류 및 함량 등이 달라질 수 있다.
상기 열처리는 마이크로웨이브(microwave) 조사 방법에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 열처리는 마이크로웨이브가 조사되는 챔버(chamber) 내에서 수행될 수 있고, 상기 챔버 내부 온도를 전술한 열처리 온도 범위로 설정할 수 있다. 마이크로웨이브를 이용하여 열처리함으로써, 기존의 로터리 킬른(rotary kiln) 등의 다른 장비를 이용한 열처리 기술에 비해 효율을 향상시켜 품질을 높일 수 있으며, 챔버 내부의 온도를 실시간으로 정확하게 확인할 수 있어 불필요하게 과가열하는 경우를 최소화할 수 있다. 또한, 기존의 로터리 킬른을 이용한 기술은 로터리 킬른의 수평식 구조로 인해 공간의 제약을 많이 받는 반면, 일 구현예에 따른 열처리 방법은 상대적으로 공간을 훨씬 적게 차지하므로 공간 활용성이 높은 이점이 있다.
상기 가공 탄소의 제조방법은 상기 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합의 표면을 개질하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 표면 개질 단계는 상기 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합의 표면에 흡착 대상 물질의 결합을 위한 관능기를 도입하는 단계로서, 상기 열처리 단계와 동시에 수행될 수도 있고, 별도 단계로 수행될 수도 있다.
일 구현예에서, 상기 표면 개질 단계는 산성 물질 또는 염기성 물질을 상기 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합과 혼합한 후, 공기, 수증기, 불활성가스, 이산화탄소 또는 이들의 조합으로 구성된 가스상 촉매를 주입하는 조건 하에서 수행될 수 있다.
한편, 가공 탄소를 제조하기 위한 일반적인 탄화 공정은 무산소 상태 또는 저산소 분위기(산소 농도 2 내지 4%)에서 외부가열원에 의한 간접가열로 유기물질이 열분해되어, 탄소를 최종 생성물에 고정시키기 위해 진행되는 탄화 공정이 많이 이용되고 있다. 통상적인 탄화 공정은 로터리 킬른(rotary kiln)을 이용하며, 로터리 킬른에 의한 탄화 공정은, 수평 원통 구조의 챔버 내에서 임펠러의 회전을 통해 원료가 이송되고, 이송 과정 중 외부의 열풍을 가하여 상기 챔버 내부에서 이송 중인 원료를 탄화시키는 공정이다.
하지만, 기존의 로터리 킬른을 이용한 탄화 기술은 챔버 내에서 임펠러(impeller)를 통해 원료를 이송시키는 과정 중 상기 챔버 내부의 하단부에 원료 분말 중 일부가 축적되어, 외부에서 챔버 내부로 공급되는 열 중 일부를 흡수 및 차단하게 되는 현상이 발생하게 되며, 결과적으로 원료의 탄화율을 저하시키는 원인이 될 수 있다. 또한, 기존의 로터리 킬른을 이용한 탄화기술은 수평 원통 구조의 챔버의 입구 및 출구에서만 온도를 체크할 수 있을 뿐 챔버 내부의 온도를 정확하게 확인할 수 없어, 불필요하게 과가열하는 경우가 빈번하게 발생하고, 이에 따라 작업자의 숙련 정도에 따라 탄화물의 수율이 일정하지 않는 문제가 있다.
나아가, 기존의 로터리 킬른을 이용한 열풍식 탄화 기술은 예를 들어 900℃이상의 고온 탄화 공정이 반복될 경우, 탄화 장치의 내부 부품이 손상되거나 내부 부품 간 접합부에 크랙이 발생하여 탄화 과정 중 발생하는 유해가스가 의도치 않게 외부로 새어나와 작업자의 안전을 해칠 수 있는 문제가 있다.
일 구현예에 따른 상기 가공 탄소의 제조방법은 특수 설계된 탄화 장치를 적용할 수 있다. 탄화 장치는 원통형일 수 있고, 육면체의 박스형일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 탄화 장치는 내부의 온도를 제어할 수 있는 제어부, 온도 조건 및 열처리 시간을 설정할 수 있는 설정부, 내부의 온도를 확인할 수 있는 표시부를 더 포함할 수 있다. 상기 탄화 장치는 기체를 주입할 수 있는 기체주입부와 내부에서 발생하는 가스를 배출할 수 있는 배출부를 더 포함할 수 있다. 상기 기체 주입부는, 상기 열처리 과정에서의 질소(N2) 분위기, 산소(O2) 분위기 또는 혼합 분위기의 선택에 따라 개수를 조절할 수 있다. 이 경우, 로터리 킬른을 사용하는 경우에 비하여 탄화과정에서의 원료의 데미지(damage)를 최소화할 수 있는 이점이 있다.
상기 열처리 분위기는 특수 설계된 탄화 장치의 탄화실에서 수행될 수 있다. 탄화 장치는 원통형일 수 있고, 육면체의 박스형일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 탄화 장치는 내부의 온도를 제어할 수 있는 제어부, 온도 조건 및 열처리 시간을 설정할 수 있는 설정부, 내부의 온도를 확인할 수 있는 표시부를 더 포함할 수 있다. 상기 탄화 장치는 기체를 주입할 수 있는 기체주입부와 내부에서 발생하는 가스를 배출할 수 있는 배출부를 더 포함할 수 있다. 상기 기체 주입부는, 상기 열처리 과정에서의 질소(N2) 분위기, 산소(O2) 분위기 또는 혼합 분위기의 선택에 따라 개수를 조절할 수 있다.
일 구현예에 따른 상기 가공 탄소는 적절한 기공 구조를 바탕으로 특정 성분에 대한 흡착 선택성을 갖도록 개질되기 용이한 구조를 가지며, 개질 후 특정 성분에 대한 우수한 흡착 성능을 구현함과 동시에 전체적인 크기 및 형상에 있어서 다양한 용도로의 활용이 가능한 이점을 갖는다. 또한, 상기 가공 탄소의 제조방법은 상기 구조를 갖는 가공 탄소를 제조하기 위한 효과적인 방법으로서, 효율성 및 수율을 극대화할 수 있고, 공간적 제약 없이 구현이 가능한 이점을 가질 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 및 비교예>
실시예 1
아라비카종과 로브스타종이 각각 50중량%로 혼합된 커피 생두 1kg을 100℃에서 3시간 동안 건조하여 생두 내에 존재하는 수분을 충분히 제거하였다.
수분측정기(OHAUS社 MB45)를 이용하여 건조 후 원료의 수분을 측정했을 때 수분 함량은 3중량%였다. 다음으로, 상기 건조된 원료를 탄화 장치의 탄화실에 투입한 후, 질소(N2) 분위기 하, 650℃에서 1시간 동안 열처리하여 가공 탄소를 제조하였다. 이 때 얻어진 가공 탄소의 수율은 4%였다.
상기 제조된 가공 탄소를 ICP-MS(Inductively Coupled Plasma Mass, Agilent社 7900) 장비를 이용하여 상기 가공 탄소의 무기 성분 함량을 분석하여 표 1에 정리했다.
실시예 2
아라비카종과 로브스타종이 각각 50중량%로 혼합된 커피 원두 1kg을 원료로 하여 실시예 1과 동일하게 진행하여 가공 탄소를 제조하였고, 무기 성분 함량을 분석하여 표 1에 정리했다.
실시예 3
결점두(defect beans)가 약 1중량% 포함된 커피 생두 1kg을 원료로 하여 실시예 1과 동일하게 진행하여 가공 탄소를 제조하였고, 무기 성분 함량을 분석하여 표 1에 정리했다.
실시예 4
커피 생두와 원두가 약 1 : 1의 비율로 혼합된 원료 1kg을 원료로 하여 실 시예 1과 동일하게 진행하여 가공 탄소를 제조하였고, 무기 성분 함량을 분석하여 표 1에 정리했다.
비교예 1
경목(hardwood) 1kg을 원료로 하여 실시예 1과 동일하게 진행하여 가공 탄소를 제조하였고, 무기 성분 함량을 분석하여 표 1에 정리했다.
비교예 2
코코넛(coconut) 껍질 1kg을 원료로 하여 실시예 1과 동일하게 진행하여 가공 탄소를 제조하였고, 무기 성분 함량을 분석하여 표 1에 정리했다.
(단위: mg/kg)
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
성분 종류 Al 21 43 10 10 1080 1020
Ca 3743 4408 4490 4460 810 420
Cr ND 1 1 1 26 24
Cu 45 50 50 48 4 8
Fe 153 148 116 158 1560 310
K 72941 84519 93480 92669 1010 200
Mg 5600 6271 8946 8138 254 163
Mn 48 56 143 153 103 15
Na 68 89 27 20 390 67
P 6943 8229 7951 6859 27547 197
Pb ND ND ND ND 4 11
Si 60 108 90 70 670 3539
Ti ND 3 1 2 73 84
Zn 20 36 20 20 37 990
성분 비율 Ca: Mg 1 : 1.50 1: 1.42 1 : 1.99 1 : 1.82 1 : 0.31 1 : 0.39
Na : K 1 : 1072.7 1 : 949.7 1 : 3462.2 1 : 4633.5 1 : 2.6 1 : 3.0
Mn : P 1 : 144.6 1 : 146.9 1 : 55.6 1 : 44.8 1 : 267.4 1 : 13.1
ND = Not detected
상기 표 1을 참조할 때, 상기 실시예의 가공 탄소는 상기 비교예의 가공 탄소에 비해 칼슘, 마그네슘, 칼륨이 풍부하여 영양소 확보에 유리한 이점이 있다. 또한 상기 실시예의 가공 탄소는 납을 포함하고 있지 않으므로, 인체에 무해하여, 예를 들어, 가공 식품, 예를 들어, 건강 보조제로 사용될 수 있다.
상기 가공 탄소는 적절한 기공 구조를 바탕으로 특정 성분에 대한 흡착 선택성을 갖도록 개질되기 용이한 구조를 가지며, 개질 후 특정 성분에 대한 우수한 흡착 성능을 구현함과 동시에 전체적인 크기 및 형상에 있어서 다양한 용도로의 활용이 가능한 이점을 갖는다.
상기 가공 탄소는 인체에 무해하고, 칼슘, 마그네슘, 칼륨, 나트륨, 인, 망간 등 인간에게 필요한 필수 영양소를 포함하고 있고, 가공 탄소 본연의 우수한 흡착 성능을 구현할 수 있어서 경구용으로 다양한 활용이 가능한 이점을 갖는다.
상기 가공 탄소의 제조방법은 상기 구조를 갖는 가공 탄소를 제조하기 위한 효과적인 방법으로서, 효율성 및 수율을 극대화할 수 있고, 공간적 제약 없이 구현이 가능한 이점을 가질 수 있다.
10: 독립 기공
20: 가공 탄소의 표면
30: 유로
40: 미세 기공

Claims (9)

  1. 커피 생두, 커피 원두 또는 이의 조합을 탄화하여 형성되는 가공 탄소로서,
    상기 가공 탄소는,
    평균 입경이 0.1㎝ 내지 2.5㎝이고,
    복수의 독립 기공을 포함하고,
    상기 독립 기공의 평균 크기는 10㎛ 내지 90㎛이며,
    상기 독립 기공을 공간적으로 분리하는 격벽의 평균 두께가 1㎚ 이상, 1㎛ 미만이며,
    상기 가공 탄소의 표면으로부터 내부로 연결되는 유로를 포함하고, 상기 유로의 말단 영역에 위치하는 미세 기공을 포함하며,
    상기 미세 기공의 평균 기공 크기는 1nm 내지 약 5㎛이고,
    상기 가공 탄소 전체 부피 중의 상기 복수의 독립 기공이 차지하는 부피의 백분율인 가공 탄소의 기공률이 30부피% 내지 90부피%인, 가공 탄소.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가공 탄소는 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 구리(Cu), 철(Fe), 칼륨(K), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 나트륨(Na), 인(P), 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는, 가공 탄소.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가공 탄소는 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)을 포함하고,
    상기 마그네슘의 함량이 상기 칼슘의 함량보다 많은, 가공 탄소.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가공 탄소 1kg을 기준으로, 납의 함량이 1mg 이하인, 가공 탄소.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항의 가공 탄소를 포함하는, 가공 식품.
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