KR102335533B1 - 광촉매 장치의 제조 방법 및 이에 의하여 제작된 광촉매 장치 - Google Patents
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Abstract
광촉매 장치의 제조 방법은 개기공이 형성된 망상 구조를 갖는 담체를 준비하는 단계; 포졸란 반응 또는 지오폴리 반응에 의하여 강도를 증가시키는 강도 증강제 및 물유리가 혼합된 바인더에 광촉매 물질을 혼합하여 광촉매 바인더를 형성하는 단계; 상기 광촉매 바인더를 상기 담체에 함침시켜 상기 망상 구조의 표면에 상기 광촉매 바인더를 코팅하는 단계; 및 상기 광촉매 바인더가 코팅된 상기 담체를 실온에서 저온 양생하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 광촉매 장치의 제조 방법 및 이에 의하여 제작된 광촉매 장치에 관한 것이다.
일반적으로 광촉매 장치는 빛에너지를 흡수하여 광화학 반응을 개시하고, 촉매로써 광화학 반응을 촉진하는 물질로서 정의되며, 대표적인 광촉매로서는 이산화티탄이 대표적이다.
광촉매는 주로 담체에 부착된 상태에서 광에 노출되어 오염 물질을 정화하는데, 최근 광촉매 물질은 수질 정화, 건축물의 외벽은 물론 공기청정기 분야에도 적용되고 있다.
공기청정기 등에서 광촉매를 적용하기 위해서는 광촉매가 부착되는 담체에 개기공(open cell)이 형성되어 통기성이 우수해야 하며, 개기공이 형성됨에도 불구하고 담체의 강도가 우수해야 하는데, 이는 담체의 강도가 낮을 경우 담체에 부착된 광촉매가 이탈되고 담체로부터 이탈된 광촉매가 인체로 유입되어 신체 손상이 유발될 수 있기 때문이다.
본 발명의 출원인이 출원한 출원번호 제10-2018-0140789호, 물유리를 이용한 광촉매 제조 방법 및 이를 통해 제조된 광촉매 장치,(출원일 : 2018년 11월 15일)에는 물유리를 이용하여 개기공을 형성함으로써 통기성을 갖는 기술이 개발된 바 있다.
그러나 상기 제조 방법 및 장치의 경우 물유리를 이용하여 개기공을 형성함으로써 통기성이 우수하나 물유리의 특성에 의하여 쉽게 부서지고 흡습에 의하여 강도가 크게 저하될 수 있는 문제점을 갖는다.
본 발명은 개기공을 형성하여 통기성이 우수하면서도 강도가 높아 외력에 의하여 부서지거나 파손되지 않음으로써 광촉매의 이탈을 방지하며 공기중에 포함된 습기에도 강도 변화가 없는 내습성이 우수한 광촉매 장치의 제조 방법 및 이에 의하여 제작된 광촉매 장치를 제공한다.
일실시예로서, 광촉매 장치의 제조 방법은 개기공이 형성된 3차원 망상 구조를 갖는 담체를 준비하는 단계; 포졸란 반응 또는 지오폴리 반응에 의하여 강도를 증가시키는 강도 증강제 및 물유리가 혼합된 바인더에 광촉매 물질을 혼합하여 광촉매 바인더를 형성하는 단계; 상기 광촉매 바인더를 상기 담체에 함침시켜 상기 3차원 망상 구조의 표면에 상기 광촉매 바인더를 코팅하는 단계; 및 상기 광촉매 바인더가 코팅된 상기 담체를 실온에서 저온 양생하는 단계를 포함한다.
상기 담체는 폴리우레탄 수지를 포함하며, 상기 물유리는 소듐 실리케이트, 포타슘실리케이트 및 리튬실리케이트 중 어느 하나를 포함하며, 상기 광촉매 물질은 이산화타탄을 포함한다.
상기 강도 증강제는 상기 물유리에 대하여 상기 포졸란 반응 또는 상기 지오폴리(geopoly) 반응을 일으키는 플라이애쉬 및 슬래그 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 바인더는 상기 바인더의 강도를 추가적으로 향상시키기 위한 경화제인 폴리이소시아네이트, 염산, 황산, 붕산 및 붕소 중 적어도 1개를 포함한다.
상기 바인더는 첨가제인 제올라이트 및 알루미늄을 포함한다.
상기 저온 양생 후 50℃ 내지 250℃의 온도에서 1시간 내지 5시간 동안 상기 광촉매 바인더를 고온 양생하는 단계를 더 포함한다.
상기 담체에 광촉매 바인더를 코팅하는 단계 이전에 상기 담체의 상기 3차원 망상 구조에 요철을 형성하는 단계를 더 포함한다.
일실시예로서, 상기 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조된다.
본 발명에 따른 광촉매 장치의 제조 방법 및 이에 의하여 제작된 광촉매 장치는 개기공을 형성하여 통기성이 우수하면서도 강도가 높아 외력에 의하여 부서지거나 파손되지 않음으로써 광촉매의 이탈을 방지하며 공기중에 포함된 습기에도 강도 변화가 없는 우수한 내습성을 갖는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매 장치의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
이하 설명되는 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
또한 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 구분하여 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 출원에서 적어도 2개의 상이한 실시예들이 각각 기재되어 있을 경우, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 별다른 기재가 없더라도 각 실시예들은 구성요소의 전부 또는 일부를 상호 병합 및 혼용하여 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매 장치의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 광촉매 장치를 제조하기 위해서는 먼저 광촉매 장치에서 광촉매를 고정하기 위한 담체(carrier)를 준비한다. (단계 S10)
본 발명의 일실시예에서 광촉매 장치는 공기청정기 등에 적용되기 때문에 광촉매 장치는 우수한 통기성이 요구된다.
담체가 우수한 통기성을 갖기 위한 조건으로서 담체에는 개기공(open cell) 및 3차원 망상구조가 형성되어야 한다. 담체에 개기공 및 3차원 망상구조가 형성되지 않을 경우 기체가 통과될 수 없어 공기청정기 등에 사용하기 어렵다.
본 발명의 일실시예에서, 담체는, 예를 들어, 폴리우레탄과 같은 합성수지를 발포 등의 방법에 의하여 형성함으로써 개기공이 형성된 3차원 망상 구조를 갖는다.
폴리우레탄과 같은 합성수지로 제작되며 개기공 및 3차원 망상구조를 갖는 담체의 기공도(porosity)는 ppi 단위로 나타낼 수 있으며, ppi가 작을수록 기공의 사이즈는 크다. 본 발명의 일실시예에서, 개기공이 형성된 담체의 기공도는 8ppi 내지 80ppi로 형성될 수 있다.
비록 본 발명의 일실시예에서는 폴리우레탄 소재로 개기공 및 3차원 망상구조가 형성된 담체가 형성되는 것이 설명되고 있지만, 담체는 폴리우레탄 이외에 다양한 합성수지 소재로 제작될 수 있으며, 합성수지 이외에 발포 금속, 소성세라믹 및 보도블록 등의 소재가 사용되어도 무방하다.
3차원 망상 구조 및 개기공을 갖는 담체는 접착력이 없기 때문에 광촉매인 이산화티탄이 담체에 직접 결합되기 어렵다. 이를 극복하기 위해 접착제 등을 이용하여 광촉매인 이산화티탄을 담체에 결합하더라도 담체는 3차원 망상 구조에 의하여 유연성을 갖기 때문에 담체가 지정된 형상을 유지하지 못하고, 담체의 형상 변형에 따라 이산화티탄이 담체로부터 쉽게 분리될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 개기공 및 3차원 망상 구조를 갖고 유연하여 형상 변형이 쉽게 발생될 수 있는 담체의 표면에 광촉매인 이산화티탄을 고정 및 담체의 강도를 증가시켜 담체의 형상 변형을 방지하기 위하여 광촉매 바인더가 형성된다. (단계 S20)
단계 S20에서 형성되는 광촉매 바인더는 3차원 망상 구조를 갖는 담체의 표면에 결합 및 담체의 강도를 크게 증가시켜 외력에 의하여 담체의 형상 변형이 쉽게 발생되는 것을 방지한다.
본 발명의 일실시예에서 광촉매 바인더는 바인더에 광촉매를 혼합하여 형성된다.
광촉매 바인더를 이루는 바인더는 물유리 및 강도 증강제를 포함한다.
바인더에 포함되는 물유리는 소듐실리케이트, 포타슘실리케이트 및 리튬실리케이트가 사용될 수 있으며, 본 발명의 일실시예에서는 소듐실리케이트가 사용된다.
본 발명의 일실시예에서 물유리로 소듐실리케이트를 사용하는 이유는 소듐실리케이트에 포함된 실리콘(Si) 및 물이 후술 될 경화제인 플라이애쉬 또는 슬래그와 반응하여 포졸란 반응 또는 지오폴리머 반응을 일으키기 때문이다.
구체적으로, 물유리에 포함된 소듐옥사이드(Na2O)가 플라이애쉬에 포함된 알루미노 실리케이트 등과 지오폴리(geopoly) 반응을 일으켜 광촉매 바인더의 강도를 크게 증가시킬 수 있기 때문이다. 예를 들어, 플라이애쉬에 실리콘(Si)이 44%, 알루미늄이 18%, 칼슘이 12% 및 철이 11% 포함되었을 때, Al-O, Si-O 결합에 의한 축중합(지오폴리머) 반응이 일어나 경화가 발생된다. 특히 물유리 내 Na2O의 알칼리기로 인한 실리콘(Si) 및 알루미늄(Al) 성분의 겔화 반응이 함께 일어나며, 소량의 CaO 존재로 인한 수화반응도 함께 작용한다.
한편, 물유리에 포함된 소듐옥사이드(Na2O)가 슬래그(slag)에 포함된 CaO 성분(Ca 59.8%, Si 22%, Al 10%)과 반응할 경우, C3A, C3S와 H2O가 반응해 수화반응(C-S-H) 반응을 일으켜 경화가 진행된다. 다만 Ca(OH)2 생성이 지속되지 않아 포졸란반응(지속적인 경화)은 일어나기 힘들다. 다만 적정량의 실리콘(Si) 또는 알루미늄(Al)으로 인해 축중합(지오폴리머) 반응도 함께 일어나게 되며, 특히 물유리 내 Na2O의 알칼리기로 인핸 실리콘 성분의 겔화 반응도 함께 일어나게 된다.
시중에 판매되는 소듐실리케이트는 물의 농도에 따라서 다양한 점도를 갖는데 물이 많이 포함된 소듐실리케이트 제품의 경우 건조시간이 크게 증가되어 생산성 저하가 초래되며, 물이 상대적으로 적게 포함된 소듐실리케이트 제품의 경우 점도가 높아 강도 증강제, 첨가제 등을 균일하게 혼합하기 어려울 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 물유리인 소듐실리케이트의 농도에 따라서 유동성을 확보하기 위해 소듐실리케이트에는 증류수(DW) 등을 추가적으로 혼합할 수 있다.
한편, 소듐실리케이트에 혼합되는 증류수의 경우, 플라이애쉬 및 슬래그와 반응하여 광촉매 바인더의 강도를 보다 향상시킬 수 있다.
바인더에 포함되는 강도 증강제는 개기공 및 3차원 망상구조를 가짐으로써 외력에 의하여 쉽게 형상이 변경되는 담체의 강도를 증가시켜 개기공 및 3차원 망상구조를 유지하면서도 외력에 의하여 쉽게 형상이 변경되지 않도록 한다.
강도 증강제는 플라이애쉬(fly ash) 및 슬래그(slag) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
강도 증강제인 플라이애쉬는 물유리에 포함된 이산화규소(SiO2) 및 산화칼슘(CaO)을 기반으로 물과 수화 반응하여 칼슘 실리케이트 하이드레이트를 생성하여 포졸란 반응을 활성화하여 담체를 코팅하는 촉매 바인더의 강도를 크게 향상시키는 역할을 한다. 한편, 플라이애쉬는 구형 입자 형상을 가지고 있으며, 혼화제로서도 역할한다.
강도 증강제인 슬래그는 이산화규소(SiO2) 및 산화칼슘(CaO)을 포함하고 있으며, 조직이 결정화되지 않은 유리질로서 화학 반응을 쉽게 일으키기 쉬우며, 물과 접촉되어 경화되는 수경성은 없으나 물유리인 소듐실리케이트에 포함된 소듐옥사이드(Na2O)에 의하여 경화되는 특성을 가지며, 슬래그는 물유리에 의하여 개기공 및 3차원 망상구조를 갖는 담체의 강도를 크게 증가시키는 역할을 한다.
한편, 광촉매 바인더의 바인더에는 강도 증강제와 함께 광촉매 바인더의 강도를 증가시키는 경화제가 더 포함될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 경화제로서는 폴리이소시아네이트, 염산, 황산, 붕산 및 붕소 등이 사용될 수 있다. 특히 경화제로 사용되는 산성 물질은 물유리와 축합 반응하여 물유리를 겔화 시킴으로써 경화에 의하여 광촉매 바인더의 강도를 증가시킬 수 있다.
이외에도 광촉매 바인더의 바인더에는 강도 증강제 및 경화제 이외에 물유리 내 실리콘 및 알루미늄의 함량을 높이기 위해 제올라이트 및 알루미늄 등을 부가적으로 첨가할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 바인더에는 광촉매가 혼합되어 광촉매 바인더가 제조된다. (단계 S20)
광촉매 바인더에 포함되는 광촉매는, 예를 들어, 이산화티탄(TiO2)을 포함할 수 있으나, 광촉매는 이산화티탄 이외에 다양한 광촉매를 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 이산화티탄은 물유리 대비 5wt% 내지 30wt%가 포함될 수 있다.
광촉매 바인더를 이루는 구성 요소들을 균일하게 혼합하여 광촉매 바인더가 형성되면, 광촉매 바인더를 개기공 및 3차원 망상구조를 갖는 담체에 제공하여 담체의 3차원 망상구조에 광촉매 바인더를 균일한 두께로 코팅한다. (단계 S30)
한편, 본 발명의 일실시예에서, 개기공 및 3차원 망상 구조를 갖는 담체에 광촉매 바인더를 균일한 두께로 코팅하기 이전에 담체를 이루는 3차원 망상 구조의 표면에 강제로 요철 등을 형성하는 단계가 추가될 수 있다.
3차원 망상 구조를 갖는 담체의 표면에 강제로 요철을 형성할 경우, 담체의 표면적이 크게 증가 되어 광촉매 바인더 및 담체의 부착력을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 개기공 및 3차원 망상 구조를 갖는 담체의 표면에 요철을 형성하는 방법으로는 샌드와 같이 표면이 거친 소재를 담체의 내부에 제공한 후 담체에 압력을 가해 담체에 요철을 형성하거나 담체의 일부에 마스크 물질을 도포하여 마스크를 형성한 후 담체를 화학적으로 처리하여 담체에 요철을 형성하는 방법이 사용될 수 있다. 이외에도 개기공 및 3차원 망상 구조를 갖는 담체의 표면에 다양한 방법으로 요철을 형성하여 담체 및 광촉매 바인더의 접착력을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 광촉매 바인더를 담체에 균일한 두께로 코팅한 후에는 광촉매 바인더가 코팅된 담체를 실온에서 저온 양생하는 단계가 수행된다. (단계 S40)
광촉매 바인더가 코팅된 담체를 실온에서 저온 양생하는 단계는 광촉매 바인더를 1차 경화하는 단계로서 광촉매 바인더에 포함된 물유리에 함유된 물을 제거하여 광촉매 바인더의 강도를 향상시킨다.
저온 양생하는 단계에서 담체에 코팅된 광촉매 바인더는 약 1시간 내지 약 24시간 저온에서 양생될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서는 저온 양생하는 단계 이후 약 50℃ 내지 약 250℃의 온도에서 1시간 내지 5시간 동안 담체에 코팅된 광촉매 바인더를 2차로 고온 양생하는 단계를 더 포함할 수 있다. (단계 S50)
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 고온 양생되어 광촉매 바인더가 담체에 코팅된 광촉매 장치를 도시한 사진이다. 도 3은 도 2에 도시된 광촉매 장치를 200배 확대 도시한 사진이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 도 1의 제조 방법에 의하여 제조된 광촉매 장치(100)의 광촉매 바인더(30)는 3차원 망상구조를 갖는 담체(20)의 표면을 균일한 두께로 코팅하며, 광촉매 바인더(30)는 담체(20)의 표면에 매우 강하게 결합된다.
이와 같이 담체(20)의 표면에 결합된 광촉매 바인더(30)에 의하여 광촉매 장치(100)의 강도는 크게 향상되어 광촉매 장치(100)는 외부에서 인가된 외력에 의하여 형상이 쉽게 변형되지 않으며 이로 인해 광촉매 장치(100)에 부착된 광촉매의 이탈 역시 방지할 수 있다.
이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 광촉매 장치의 제조 방법 및 이에 의하여 제작된 광촉매 장치는 개기공을 형성하여 통기성이 우수하면서도 강도가 높아 외력에 의하여 부서지거나 파손되지 않음으로써 광촉매의 이탈을 방지하며 공기중에 포함된 습기에도 강도 변화가 없는 우수한 내습성을 갖는 효과를 갖는다.
한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
20...담체 30...광촉매 바인더
100...광촉매 장치
100...광촉매 장치
Claims (8)
- 개기공이 형성된 3차원 망상 구조를 갖는 담체를 준비하는 단계;
포졸란 반응 또는 지오폴리 반응에 의하여 강도를 증가시키는 강도 증강제 및 물유리가 혼합된 바인더에 광촉매 물질을 혼합하여 광촉매 바인더를 형성하는 단계;
상기 광촉매 바인더를 상기 담체에 함침시켜 상기 3차원 망상 구조의 표면에 상기 광촉매 바인더를 코팅하는 단계; 및
상기 광촉매 바인더가 코팅된 상기 담체를 실온에서 저온 양생하는 단계를 포함하며,
상기 담체의 표면적을 증가시켜 상기 광촉매 바인더 및 상기 담체의 부착력을 향상시키기 위해 상기 담체에 광촉매 바인더를 코팅하는 단계 이전에 상기 담체의 상기 3차원 망상 구조에 요철을 형성하는 단계를 포함하는 광촉매 장치의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 담체는 폴리우레탄 수지를 포함하며,
상기 물유리는 소듐 실리케이트, 포타슘실리케이트 및 리튬실리케이트 중 어느 하나를 포함하며,
상기 광촉매 물질은 이산화타탄을 포함하는 광촉매 장치의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 강도 증강제는 상기 물유리에 대하여 상기 포졸란 반응 또는 상기 지오폴리(geopoly) 반응을 일으키는 플라이애쉬 및 슬래그 중 적어도 하나를 포함하는 광촉매 장치의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 바인더는 상기 바인더의 강도를 추가적으로 향상시키기 위한 경화제인 폴리이소시아네이트, 염산, 황산, 붕산 및 붕소 중 적어도 1개를 포함하는 광촉매 장치의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 바인더는 첨가제인 제올라이트 및 알루미늄을 포함하는 광촉매 장치의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 저온 양생 후 50℃ 내지 250℃의 온도에서 1시간 내지 5시간 동안 상기 광촉매 바인더를 고온 양생하는 단계를 더 포함하는 광촉매 장치의 제조 방법. - 삭제
- 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조된 광촉매 장치.
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