KR102322246B1 - 가시광촉매의 제조방법 및 이에 의해 제조된 가시광촉매 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공기 중 오염 물질을 제거할 수 있는 가시광촉매 물질 제조 방법에 관한 것으로서, 그래핀(graphene), 이산화티타늄(TiO2), 및 바인더 등의 혼합물을 고온 압착하여 다양한 형태의 가시광촉매 물질을 제조하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 가시광촉매 물질 제조 방법 및 이에 의해 제조된 가시광촉매에 관한 것이다.
산업의 발달과 인구의 도시 집중화로 인하여, 도시의 공기는 매연과 유해 가스로 오염되고 있다. 최근 보고에 따르면 이러한 공기중의 오염 물질은 사람에게 나쁜 영향을 줄 뿐만 아니라, 지구온난화에 악 영향을 준다고 보고되고 있다.
또한 현대인들은 하루의 80% 이상을 실내에서 생활하고 있으며, 다양한 원인에 의해 발생된 실내공기 오염물질에 의식적이든 무의식적이든 노출되고 있다.
World Health Organization(WHO) 따르면 실내공기 오염물질이 실외 공기 오염물질 보다 인체의 폐에 전달될 확률이 약 1000배 높으며, 실내외 공기 오염 증가가 다양한 환경성질환들의 원인이 될 수 있다고 보고되고 있다. 따라서 이러한 문제를 방지하기 위해 지속적인 실내외 공기질 관리가 요구되고 있다.
이러한 문제에 대응하기 위해서 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 등의 광촉매 물질을 공기필터, 유리, 보도블럭 등의 표면에 코팅 또는 도포하여 실내 공기오염물질을 제거하는 기술들이 제시되고 있다. 그러나 이와 같은 기술 대부분은 자외선에 반응하는 광촉매 물질을 사용하였기 때문에 가시광선에서는 그 효율이 매우 떨어진다는 단점이 있다. 특히, 실내 다중이용시설, 대중교통 및 가정 내에 사용되는 조명들은 가시광선을 방사하기 때문에 실내환경에 기존 광촉매 기술을 적용했을 때 그 효과는 매우 떨어진다.
또한 실외의 경우, 기존의 광촉매 물질은 야간에 그 반응이 매우 떨어지기 때문에 공기오염물질 제거효율이 매우 떨어진다. 따라서 효과적인 실내외 공기 오염물질 제거를 위해 가시광선에 반응하는 광촉매 물질개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고온 압착 방식을 이용하여 그래핀(graphene), 이산화티타늄(TiO2), 바인더 등의 혼합물을 고온 압착시켜, 공기 중 유해물질인 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds), 질소산화물(nitrogen oxide), 박테리아(bacteria), 곰팡이(mold) 등을 제거하는 다양한 형태의 가시광촉매 물질 제조 방법 및 이에 의해 제조된 가시광촉매를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 바인더, 그래핀(graphene), 및 이산화티타늄(TiO2)을 혼합하여 혼합물을 형성하는 혼합 단계; 상기 혼합물을 주형물에 담는 주형 단계; 및 상기 주형물을 150℃내지 250℃에서 압착하는 고온 압착 단계;를 포함한다.
본 발명은 바인더, 그래핀(graphene), 및 산화아연(ZnO)을 혼합하여 혼합물을 형성하는 혼합 단계; 상기 혼합물을 주형물에 담는 주형 단계; 및 상기 주형물을 150℃내지 250℃에서 압착하는 고온 압착 단계;를 포함한다.
본 발명은 금속 나노 입자, 바인더, 및 이산화티타늄(TiO2)을 혼합하여 혼합물을 형성하는 혼합 단계; 상기 혼합물을 주형물에 담는 주형 단계; 및 상기 주형물을 150℃내지 250℃에서 압착하는 고온 압착 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 바인더는 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리염화비닐(polyvinyl chloride)일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 이산화티타늄은 루타일(rutile), 아나타제(anatase), 브루킷(brookite), 및 P-25 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 그래핀은 산화 그래핀(graphene oxide)일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 금속 나노 입자는 금 나노 입자 또는 은 나노 입자일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 혼합물에 있어서, 상기 바인더는 49.5wt% 내지 75wt%, 상기 그래핀은 0.1wt% 내지 1wt%, 상기 이산화티타늄은 24.9wt% 내지 49.95wt%일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 고온 압착 단계는 10분 내지 60분 동안 압착할 수 있다.
본 발명은 상기 가시광촉매의 제조 방법에 의해서 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매 물질의 제조 방법과 이에 의해 제조된 가시광촉매는 다음과 같은 효과가 있다. 자외선에만 반응하는 이산화티타늄(TiO2) 광촉매 물질에 그래핀(graphene)을 결합하여 가시광선에도 광촉매 반응이 일어날 수 있게 함에 따라, 공기 중의 유해물질인 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds), 질소산화물(nitrogen oxide), 박테리아(bacteria), 곰팡이(mold) 그리고 악취를 제거할 수 있는 가시광촉매 물질 제조가 가능하다.
또한, 다양한 형태의 주형을 제작함에 따라 다양한 형태의 가시광촉매 물질이 제작이 가능하며, 실내외 건축자재, 조형물, 대중 교통시설(자동차, 기차, 비행기), 및 보도블럭 등 다양한 시설에 맞추어 쉽게 제작이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가시광촉매 물질 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 주형물을 나타낸 그림이다.
도 3a는 명조건에서, 본 발명의 가시광촉매와 종래 발명의 A사 제품을 대상으로 실시된 가스백 A 실험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3b는 암조건에서, 본 발명의 가시광촉매와 종래 발명의 A사 제품을 대상으로 실시된 가스백 A 실험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 박테리아 생존성 실험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매 물질 제조 방법에 의해 제조된 가시광촉매 물질의 유기물 분해 시험에 대한 결과를 도시한 사진이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시 예에 따른 가시광촉매 물질들을 도시한 사진이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매 필름들을 도시한 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따라 실내 가구에 적용된 가시광촉매 물질을 도시한 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 주형물을 나타낸 그림이다.
도 3a는 명조건에서, 본 발명의 가시광촉매와 종래 발명의 A사 제품을 대상으로 실시된 가스백 A 실험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3b는 암조건에서, 본 발명의 가시광촉매와 종래 발명의 A사 제품을 대상으로 실시된 가스백 A 실험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 박테리아 생존성 실험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매 물질 제조 방법에 의해 제조된 가시광촉매 물질의 유기물 분해 시험에 대한 결과를 도시한 사진이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시 예에 따른 가시광촉매 물질들을 도시한 사진이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매 필름들을 도시한 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따라 실내 가구에 적용된 가시광촉매 물질을 도시한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 가시광촉매의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 가시광촉매를 상세히 설명하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
상세한 설명, 도면들, 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시 예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시 예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 기술의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.
당업자는 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고, 도면에 기재되는 구성요소들을 다양하게 다른 구성으로 배열, 구성, 결합, 및 도안할 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 고안되며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매 물질은 이산화티타늄(TiO2), 그래핀(graphene), 및 바인더 등의 혼합물을 혼합하여 제조되고, 상기 가시광촉매 물질을 사용하면, 광촉매 반응을 통해 공기 중의 오염 물질을 제거할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 가시광촉매 물질은 공기 중의 오염 물질로는 여러 휘발성유기화합물질(VOCs; Volatile Organic Compounds) 중 하나인 포름알데히드(Formaldehyde)를 제거할 수 있다.
광촉매(photocatalyst)란 빛에너지를 조사하면 에너지를 흡수한 촉매가 광활성을 나타내어 유해물질이나 각종 환경오염물질을 분해시키고, 유기물들을 산화 또는 환원시키는 역할을 한다. 광촉매로 쓰이기 위해서는 우선 안정적이어야 하며, 빛을 흡수하여 다른 물질을 산화시키는 능력이 뛰어나야 한다. 반도체 성질을 가지는 대부분의 광촉매는 금속 산화물계의 ZrO2, SnO2, TiO2, WO3, Fe2O3와 금속 황화물계의 ZnS, CdS, CdSe, WS2, MoS2 등이 있다.
이들 중에서 많은 관심을 받고 연구되고 있는 광촉매 재료는 TiO2(이산화티타늄)로서 물리화학적으로 안정하고, 은폐력이 높아 백색안료로도 사용된다. TiO2는 3.2eV의 에너지 갭을 가지고 있어 376nm 이하의 자외선 영역에서는 높은 촉매 활성을 나타낸다. 하지만, 태양광에는 지구 표면까지 전달되는 자외선의 양은 5% 정도 밖에 되지 않고 강한 자외선은 인체에 유해하기 때문에 상업적인 활용에는 분명한 한계가 있어, 가시광선 하에서 높은 효율을 보이는 촉매 물질의 개발이 시도되고 있다.
그래핀(graphene)은 탄소 원자들이 2차원 평면상으로 원자 한 층으로 이루어지는 구조인 물질이다. 일반적으로 그래핀은 전기적, 기계적, 및 화학적 특성이 안정적이고 뛰어나다고 알려진 우수한 전도성 물질로서, 실리콘보다 빠르게 전자를 이동시키며 구리보다 큰 전류를 흐르게 할 수 있다고 알려져 있다. 또한, 그래핀은 주어진 두께의 그래핀의 결정 방향성에 따라 전기적 특성이 변화할 수 있으므로 사용자가 선택 방향으로의 전기적 특성을 발현시킬 수 있다. 그러나, 일반 그래핀은 값이 비싸고 만드는데 많은 시간이 걸린다는 단점이 있다. 이에 일반 그래핀을 대신하여 산화 그래핀이 사용되기도 한다.
산화 그래핀(graphene oxide)은 탄소 입자가 산에 의하여 산화된 상태를 의미한다. 이러한 산화 그래핀은 보통 흑연(graphite)을 황산과 같은 강산에 산화시킴으로써 제조할 수 있어 일반 그래핀에 비해 상당히 저렴하게 제조할 수 있다. 다만, 산화 그래핀은 일반 그래핀보다 성능이 다소 떨어지는 것으로 알려져 있다.
포름알데히드(Formaldehyde)는 메탄알 및 폼알데하이드라고 불리며, 분자식이 CH2O인 화학물질이다. 무색의 자극적인 냄새가 나고 환원성이 강한 기체로 탄소나 목재 등 많은 유기물질의 불완전연소에 의해 발생한다. 흡입하거나 섭취하면 독성이 나타날 수 있고 접촉하면 피부나 눈에 심한 화상을 입을 수 있지만, 포름알데히드는 산업용 및 가정용으로 비료, 살충제, 살균제, 곰팡이 제거제, 제초제, 오수 처리, 건축자재, 단열재, 아교, 및 보존제 등 다양한 용도로 사용되고 있다. 실내에서 쉽게 접할 가능성이 높기 때문에, 이를 측정하고 줄이려는 여러 방안이 제시되고 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가시광촉매 물질 제조 방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 가시광촉매 물질 제조 방법은 혼합물 제조 단계(S100), 혼합물을 주형물에 담는 단계(S110), 및 주형물에 담긴 혼합물을 고온 압착하는 단계(S120)를 포함한다.
혼합물 제조 단계(S100)는 이산화티타늄(TiO2), 바인더, 및 그래핀(graphene)을 소정 비율로 혼합하는 단계이다. 예를 들어, 이산화티타늄(TiO2)은 혼합물 전체 중량의 24.9wt% 내지 49.95wt%로, 바인더는 혼합물 전체 중량의 49.5wt% 내지 75wt%로, 그래핀은 혼합물 전체 중량의 0.1wt% 내지 1wt%로 혼합될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 이산화티타늄(TiO2)은 혼합물 전체 중량의 40.0wt% 내지 49.95wt%로, 바인더는 혼합물 전체 중량의 49.5wt% 내지 60wt%로, 상기 그래핀은 혼합물 전체 중량의 0.1wt% 내지 1wt%로 혼합될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 혼합물은 혼합 비율에 따라 가시광촉매의 물성이 달라질 수 있다. 예를 들어, 혼합물 중 바인더 물질의 비율에 비례하여 혼합물 물질의 강성이 증가할 수 있다. 예를 들어, 그래핀(graphene) 및 이산화티타늄(TiO2) 비율에 비례하여 혼합물 물질의 광촉매 효과가 증가할 수 있다.
더 자세하게는, 혼합물의 비율에 있어서, 이산화티타늄 약 10%(±0.5%), 바인더 약 90%(±0.5%), 및 그래핀 0.1%의 비율로 제조된 혼합물은 기계적 강도가 상당히 증가한 특징을 보일 수 있고, 광촉매의 기능이 현저히 감소될 수 있다. 반대로, 이산화티타늄 약 90%(±1%), 바인더 약 10%(±1%), 및 그래핀 약 1%의 비율로 제조된 혼합물은 광촉매의 기능이 극대화될 수 있고, 기계적 강도가 현저히 감소될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 이산화티타늄(TiO2)은 루타일(rutile), 아나타제(anatase), 브루킷(brookite), 및 P-25 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 이산화티타늄을 대신하여 산화아연(ZnO)이 사용될 수 있다.
루타일(rutile)은 금홍석 또는 루틸이라 불리며, 이산화티타늄이 주성분이고 정방정계에 속하는 결정형을 갖는 광물이다. 천연 금홍석은 항상 10%까지의 철을 함유하며, 상당한 양의 나이오븀(Niobium)이나 탄탈럼(Tantalum)을 함유하는 경우도 있다. 인공 금홍석인 티타니아(Titania)는 순수하게 타이타늄과 산소로 합성되어 철을 함유하지 않아 무색투명하고, 다이아몬드와 비슷한 광채를 띤다. 무거운 금속 원소로 이루어져 상대적으로 무겁고 단단하여 굳기 6 내지 6.5, 비중 4.2 내지 4.3이다. 금홍석은 현재까지 알려진 광물 결정들 중에 가시 파장에서 가장 높은 굴절률을 가지며 특히 큰 복굴절 및 높은 분산을 나타낸다. 또한, 산에 침식되지 않는 특성으로 인해, 약 4.5㎛ 이하의 긴 가시 광선 및 적외선 파장을 위한 특정 광학 요소, 특히 편광 광학 제품의 제조에 유용하게 사용되고 있다.
아나타제(anatase)는 예추석이라 불리며, 분자식이 TiO2인 정방정계의 광물로, 부성분으로 소량의 알루미늄 및 철 등을 함유하고 있다. 일반적으로 라이오 검파기 등으로 사용된다.
브루킷(brookite)은 판티탄석이라 불리며, 화학성분이 TiO2인 사방정계의 광물로, 금홍성 및 예추석과 동질이상이다.
P-25는 일반적으로 시판되는 TiO2 분말을 지칭하며, Degussa에서 주로 제작하여 Degussa P25라 불리며 상업적으로 판매되는 것으로 알려져 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 바인더는 폴리에틸렌(polyethylene) 및 폴리염화비닐(polyvinyl chloride) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 그래핀은 산화 그래핀(graphene oxide)일 수 있다. 또한, 그래핀 대신 금속 나노 입자를 사용할 수 있다. 예를 들어, 그래핀 대신 금 나노 입자 또는 은 나노 입자를 사용할 수 있다.
금속 나노 입자는 빛을 흡수하고, 금속 유도 광촉매(MIP; Metal-Induced Photocatalysis)라는 메커니즘에 따라 가시광선에 반응하는 광촉매로 분류될 수 있다. 그 중에서도 특히, 금 나노 입자, 은 나노 입자, 및 구리 나노 입자는 유망한 광촉매 후보로 알려져 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 혼합물 제조 단계(S100) 이후 블렌더를 이용하여 30분 내지 60분 또는 60분 이상 더 혼합하여, 상기 혼합물을 균일하게 해줄 수 있다.
혼합물을 주형물에 담는 단계(S110)는 혼합물의 형태를 결정하는 단계이다. 예를 들어, 직사각형 주형물을 사용하여 혼합물의 형태를 직사각형으로 형성할 수 있다. 혼합물의 형태는 주형물을 어떻게 제작하느냐에 따라 달라질 수 있으므로, 상기 혼합물의 형태는 그 용도에 따라 다양한 형태로 제작될 수 있다. 따라서, 혼합물의 형태 및 주형물의 형태를 제한하지 않는다. 또한, 혼합물의 형태 및 주형물의 형태에 입체 구조를 추가할 수 있고, 이를 통해 표면적을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 주형물에 혼합물을 담기 전에 몰드 릴리즈 물질을 뿌려줄 수 있다. 상기 몰드 릴리즈 물질을 사용함으로써, 이후 진행되는 고온 압착 단계(S120)에서 가시광촉매 물질(혼합물)이 주형에 달라붙는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 몰드 릴리즈 물질은 일반적인 금형 이형제를 사용할 수 있다. 본발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 몰드 릴리즈 물질은 건식 금형 이형제 또는 테플론 코팅이된 주형물을 사용할 수 있다.
테플론(Teflon)은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene)을 이르는 용어로, 테트라플루오로에틸렌 단량체를 중합하여 얻는 고분자 재료이다. 탄소 사슬이 불소 원자들로 둘러싸여 있는 테플론은 거의 모든 화학물질에 반응하지 않을 정도로 안정성이 뛰어나며, 매우 낮은 온도에서도 유동성을 잃지 않는다. 즉, 뛰어난 내화학성, 내열성, 내마모성, 및 내오염성 등을 갖는 소재이다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 주형물은 열전도율이 좋은 금속일 수 있다. 상기 금속은 순금속 및 합금을 구분하지 않고 주형물로 사용할 수 있다면 이를 제한하지 않는다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 주형물을 나타낸 그림이다.
도 2를 참조하면, 주형물은 주형 상, 주형 하, 및 주형 측 등의 3개 부분으로 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 있어서는 직사각형 모양에 대각선 무늬를 갖는 것으로 도시하였지만, 앞서 언급한 바와 같이, 제작자의 의사에 따라 다양한 주형을 제작할 수 있으므로, 주형물의 형상을 제한하지 않는다.
고온 압착 단계(S120)는 혼합물이 든 주형물을 고온에서 압착할 수 있다. 예를 들어, 혼합물이 든 주형물을 고온 압착 장비에 놓고 5분 내지 25분 동안 압력을 가하여 압착할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 혼합물이 든 주형물을 고온 압착 장비에 넣고, 150℃내지 250℃ 온도에서 15분 동안 2t 이상의 압력을 가하여 압착할 수 있다. 또한, 이후 주형을 제거한 후 가시광촉매 물질을 상온에서 식혀줄 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 온도 조건(150℃내지 250℃)은 바인더 물질이 녹기 위해 요구되는 조건이다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 압력 조건(2t 이상)은 주형물 내 혼합물의 형태 및 밀도를 적당한 수준으로 강화시키는데 요구되는 조건이다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 압착 시간은 혼합물이 서로 결합하기 위해 요구되는 시간이다. 상기 압착 시간이 짧아지면 혼합물의 결합이 제대로 이루어지지 않고, 상기 압착 시간이 길어지면 혼합물 내에 있는 바인더 물질이 이산화될 수 있다. 다만, 상기 압착 시간은 혼합물의 양 또는 부피에 따라 다소 조정이 가능하다. 예를 들어, 혼합물의 양 또는 부피가 증가한 경우, 압착 시간이 증가할 수 있다. 반대로, 혼합물의 양 또는 부피가 감소한 경우, 압착 시간이 감소할 수 있다.
또한, 고온 압착 단계(S120)에서 산화 그래핀(graphene oxide)은 고온의 열에 노출되어 산소 분자를 잃게 됨에 따라 그래핀(graphene)으로 환원될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매 제조 방법을 사용하면 가시광촉매 물질을 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 다양한 형태의 주형을 제작할 수 있으므로, 다양한 형태의 가시광촉매 물질이 제작이 가능하므로, 실내외 건축자재, 조형물, 대중 교통시설(자동차, 기차, 및 비행기), 및 보도블럭 등 다양한 시설에 최적의 형태로 용이하게 제작될 수 있다.
[실시 예 1]
본 발명의 실시 예에 따른 가시광촉매 물질의 광촉매 특성을 확인하기 위하여 다음과 같은 가스백 A 실험을 수행하였다. 가스백 A 실험은 시험가스를 광촉매 제품이 들어있는 가스백에 주입하고 자외선을 조사하여 광촉매에 의한 시험가스의 분해 정도를 확인하는 실험이다. 상기 가스백 A 실험의 시험가스는 포름알데히드(폼알데하이드)를 사용하였고, 섭씨 24 ± 2도 및 35 ± 2%의 습도 조건에서 수행되었으며, 명조건 및 암조건으로 실험 조건을 구분하여 수행되었다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매 물질을 대상으로 수행된 상기 실험 결과는 하기 표 1과 같다.
[표 1]
상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매는 명조건에서 포름알데히드 농도를 감소시키고, 암조건에서 포름알데히드 농도를 감소시키지 못하는 것으로 확인되었다. 또한, 상기 가시광촉매는 초기 포름알데히드 농도 100ppm에서 30분 경과 후 100ppm, 1시간 경과 후 80ppm, 2시간 내지 6시간 경과 후 70ppm, 8시간 경과 후 60ppm, 및 10시간 경과 후 50ppm으로 감소시켰다.
비교 대상인 종래 발명에 해당하는 A사 제품을 대상으로 수행된 상기 실험 결과는 하기 표 2와 같다.
[표 2]
상기 표 2을 참조하면, 종래 발명에 해당하는 A사 제품은 명조건에서 포름알데히드 농도를 감소시키고, 암조건에서 포름알데히드 농도를 감소시키지 못하는 것으로 확인되었다. 또한, 상기 A사 제품은 초기 포름알데히드 농도 100ppm에서 30분 경과 후 100ppm, 1시간 경과 후 80ppm, 및 2시간 내지 10시간 경과 후 70ppm으로 감소시켰다.
도 3a는 명조건에서, 본 발명의 가시광촉매와 종래 발명의 A사 제품을 대상으로 실시된 가스백 A 실험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3a를 참조하면, 명조건에서 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매는 6시간 이후부터 A사 제품에 비해 포름알데히드 농도가 더 적음을 확인할 수 있다. 즉, 명조건에서 본 발명의 가시광촉매의 성능이 A사 제품의 성능보다 뛰어남을 확인하였다.
도 3b는 암조건에서, 본 발명의 가시광촉매와 종래 발명의 A사 제품을 대상으로 실시된 가스백 A 실험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3b를 참조하면, 암조건에서 본 발명의 가시광촉매와 종래 발명의 A사 제품은 포름알데히드 농도가 변함없는 것을 확인할 수 있다. 즉, 암조건에서는 본 발명의 가시광촉매와 종래 발명의 A사 제품이 포름알데히드를 감소시키지 않음을 확인하였다.
상기 표 1과 상기 표 2의 내용을 종합한 내용은 하기 표 3과 같다.
[표 3]
상기 표 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매와 A사 제품은 암조건에서 포름알데히드 농도를 감소시키지 못하지만, 명조건에서 포름알데히드 농도를 감소시켰다. 다만, 포름알데히드 농도 감소 효과에 있어서 차이가 있음을 확인하였다. 더 자세하게는, 분석 시간 8시간 및 10시간 이후 A사 제품에서 포름알데히드 농도는 70ppm에 머물러있는 반면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매에서 포름알데히드 농도는 60ppm 및 50ppm으로 감소하였다.
[실시 예 2]
본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매의 살균력을 파악하기 위해, 박테리아 생존성 실험(LRV; Log Reduction Value)을 진행하였다. 상기 실험은 3.4 × 108 CFU/mL농도의 표피포도구균(Staphylococcus epidermidis; S. epidermidis)을 대상으로, 가시광 세기 6.9 mW/cm2 조건 하에서 0시간 내지 24시간 동안 수행되었고, 명조건(가시광) 및 암조건을 구분하여 박테리아의 감소율을 측정하였다.
[표 4]
상기 표 4를 참조하면, 암조건에서 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매의 표피포도구균(S. epidermidis)에 대한 살균력은 6시간 후 및 12시간 후에서 검출되지 않았고, 24시간 후 0.25 log 로 확인되었다. 또한, 명조건에서 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매의 표피포도구균(S. epidermidis)에 대한 살균력은 6시간 후 1.79 log, 12시간 후 3.38 log, 및 24시간 후 5.08 log로 확인되었다.
일반적으로 박테리아 생존성 실험에 있어서, 1로그(log)는 백분율 90%, 2로그는 백분율 99%, 3로그는 백분율 99.9%, 4로그는 99.99%, 및 5로그는 99.999%에 해당하므로, 암조건에서 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매의 표피포도구균 (S. epidermidis)에 대한 살균력은 24시간 후 25%임을 확인하였고, 명조건에서 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매의 살균력은 6시간 후 약 98%, 12시간 후 약 99.94%, 및 24시간 후 약 99.9991%임을 확인하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 박테리아 생존성 실험의 결과를 나타낸 그래프이다.
상기 도 4를 참조하면, 상기 박테리아 생존성 실험에서 확인된 결과의 차이를 시각화 자료로 확인할 수 있다. 본 발명의 가시광촉매는 명조건(가시광)에서 6시간만에 98%의 살균력을 보였고, 암조건에서 24시간이 지나서야 25%의 살균력을 보였다. 따라서, 빛이 가해지는 조건에서 살균력이 현저히 증가함을 확인할 수 있다.
[실시 예 3]
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매 물질 제조 방법에 의해 제조된 가시광촉매 물질의 유기물 분해 시험에 대한 결과를 도시한 사진이다.
본 발명의 일 실시 예에서 수행된 가시광촉매 물질의 유기물 분해 시험 방법은 메틸렌 블루(methylene blue)라는 유기물 염색용액 한 방울을 가시광촉매 물질의 표면에 떨어뜨린 후 백열등에 노출시켜 유기물 염색 용액 색의 변화를 관찰하는 것이다. 이때, 유기물 염색 용액이 증발하는 것을 방지하기 위해 습도를 일정하게 유지한다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 백열등 조사 12시간 후, 가시광촉매 물질의 유기물 분해 시험의 결과로 파란색을 띠는 염색 용액의 색깔이 투명하게 변한 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매 물질이 실내 조명(백열등)에서도 광반응할 수 있음을 의미하므로, 본 발명의 가시광촉매 물질은 자연광이 닿지 않는 공간에서도 사용할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시 예에 따른 가시광촉매 물질들을 도시한 사진이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매 물질들은 주형물의 형태에 따라 제조될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매 필름들을 도시한 사진이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매 물질은 대상 표면에 얇게 코팅될 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 평평한 주형물을 이용하여 대상 표면에 고온 압착을 가함으로써 형성될 수 있고, 상기 대상 표면은 나무, 유리, 및 금속 등 다양한 재질의 표면을 포함한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따라 실내 가구에 적용된 가시광촉매 물질을 도시한 사진이다.
도 6a 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매 물질은 그 용도에 따라 다양한 형태로 제조할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매는 자외선에만 반응하는 이산화티타늄(TiO2) 광촉매 물질에 그래핀(graphene)을 결합하여 가시광선에도 광촉매 반응이 일어날 수 있다. 이에 따라, 공기 중의 유해물질인 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds), 질소산화물(nitrogen oxide), 박테리아(bacteria), 곰팡이(mold), 및 악취를 제거할 수 있다. 또한, 다양한 형태의 주형을 제작이 가능하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광촉매는 실내외 건축자재, 조형물, 대중 교통시설(자동차, 기차, 및 비행기), 및 보도블럭 등 다양한 시설에 최적화된 형태로 제작될 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니며 특허 청구의 범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
Claims (10)
- 바인더, 그래핀(graphene), 및 이산화티타늄(TiO2)을 포함하며, 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds), 질소산화물(nitrogen oxide), 박테리아(bacteria), 및 곰팡이(mold) 중 적어도 하나를 제거하는 가시광촉매의 제조 방법으로서,
상기 바인더, 상기 그래핀(graphene), 및 상기 이산화티타늄(TiO2)을 혼합하여 혼합물을 형성하는 혼합 단계;
상기 혼합물을 주형물에 담는 주형 단계; 및
상기 바인더가 녹아 상기 주형물 내에서 상기 혼합물의 형태 및 밀도가 강화되도록, 상기 주형물을 150℃ 내지 250℃에서 압착하는 고온 압착 단계;를 포함하는 가시광촉매의 제조 방법. - 바인더, 그래핀(graphene), 및 산화아연(ZnO)을 포함하며, 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds), 질소산화물(nitrogen oxide), 박테리아(bacteria), 및 곰팡이(mold) 중 적어도 하나를 제거하는 가시광촉매의 제조 방법으로서,
상기 바인더, 상기 그래핀(graphene), 및 상기 산화아연(ZnO)을 혼합하여 혼합물을 형성하는 혼합 단계;
상기 혼합물을 주형물에 담는 주형 단계; 및
상기 바인더가 녹아 상기 주형물 내에서 상기 혼합물의 형태 및 밀도가 강화되도록, 상기 주형물을 150℃ 내지 250℃에서 압착하는 고온 압착 단계;를 포함하는 가시광촉매의 제조 방법. - 금속 나노 입자, 바인더, 및 이산화티타늄(TiO2)을 포함하며, 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds), 질소산화물(nitrogen oxide), 박테리아(bacteria), 및 곰팡이(mold) 중 적어도 하나를 제거하는 가시광촉매의 제조 방법으로서,
상기 금속 나노 입자, 상기 바인더, 및 상기 이산화티타늄(TiO2)을 혼합하여 혼합물을 형성하는 혼합 단계;
상기 혼합물을 주형물에 담는 주형 단계; 및
상기 바인더가 녹아 상기 주형물 내에서 상기 혼합물의 형태 및 밀도가 강화되도록, 상기 주형물을 150℃ 내지 250℃에서 압착하는 고온 압착 단계;를 포함하는 가시광촉매의 제조 방법. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바인더는 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리염화비닐(polyvinyl chloride)인 가시광촉매의 제조 방법. - 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
상기 이산화티타늄은 루타일(rutile), 아나타제(anatase), 브루킷(brookite), 및 P-25 중 적어도 하나를 포함하는 가시광촉매의 제조 방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 그래핀은 산화 그래핀(graphene oxide)인 가시광촉매의 제조 방법. - 제3 항에 있어서,
상기 금속 나노 입자는 금 나노 입자 또는 은 나노 입자인 가시광촉매의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 혼합물에 있어서, 상기 바인더는 49.5 wt% 내지 75 wt%, 상기 그래핀은 0.1 wt% 내지 1 wt%, 상기 이산화티타늄은 24.9 wt% 내지 49.95 wt%인 가시광촉매의 제조 방법. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고온 압착 단계는 10분 내지 60분 동안 압착하는 가시광촉매의 제조 방법. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항의 가시광촉매의 제조 방법에 의해서 제조된 가시광촉매.
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