KR102463861B1 - 수경재배용 나노복합체 배지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 배지에 수소처리된 광촉매가 코팅된 것을 특징으로 하는 수경재배용 나노복합체 배지 및 제조방법에 관한 것이다.

Description

수경재배용 나노복합체 배지 및 이의 제조방법 {Nano-Composite media for hydroponics, and method for manufacturing same}
본 발명은 수경재배용 나노복합체 배지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가시광선 영역의 빛을 흡수하는 광촉매가 코팅된 수경재배용 나노복합체 배지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
수경재배는 물과 배양액으로 식물을 키우는 방법으로, 지질환경에 영향을 받지 않는 작물법이다. 수경재배 방법을 사용하여 채소나 작물을 대량으로 생산할 수 있으며, 소량의 작물을 집안에서 키울 수 있다.
일반적인 수경재배 방법은 소정의 재배판에 폴리우레탄과 같은 합성재료 또는 야자섬유 혹은 야자열매의 육질만 분리하여 만든 코코피트와 같은 천연 식물성 재료로 만든 배지를 사용하여 종자나 육모를 정식한다. 하지만 기존의 배지 재료 중 폴리우레탄은 산업 폐기물로 분리되기 때문에 환경오염의 문제가 발생하고, 코코피트 등 천연 식물성 배지는 통수성, 통기성으로 인해 합성재료 배지에 비해 작물 성장이 원활하게 이루어지지 않는다는 문제가 있다.
상기의 천연 식물성 배지의 성장을 촉진시키기 위해 여러 종류의 촉매가 연구되고 있으며, 그 중에 광촉매를 통하여 빛 에너지를 식물의 성장촉매로 변환하는 방법이 활발히 연구되고 있다. 그 하나로 이산화티타늄(TiO2)을 광촉매로 사용하는배지에 대한 연구가 수행되고 있으나, 이산화티타늄(TiO2) 만을 광촉매로 사용하면 가시광선을 흡수하지 못하고 자외선만 흡수할 수 있어 에너지 전환 효율이 낮다는 단점이 있다. 한편, 이산화티타늄(TiO2)에 전이금속을 도핑하여 에너지 전환 효율을 상승시킨 배지에 대한 연구가 수행되고 있으나, 전이금속은 금속을 첨가하는 과정에서 유해물질이 발생할 수 있으며, 환경에 악영향을 줄 수 있다는 문제점이 있다.
이에 환경에 영향을 주지 않으면서 이산화티타늄(TiO2)에 에너지 전환 효율을 상승시킬 수 있는 광촉매 및 이를 활용한 배지의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-0840750호 (2008.06.16)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 수소 분위기 내에서의 열처리를 통해 이산화티타늄(TiO2)이 가시광선 영역의 빛 에너지를 흡수시킬 수 있으며, 상기 수소처리된 이산화티타늄(TiO2)을 나노분말로 만들어 다공질 배지에 코팅함으로 에너지 전환 효율을 상승시킨 수경재배용 나노복합체 배지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 다공성 배지에 수소처리된 광촉매가 코팅된 것을 특징으로 하는 수경재배용 나노복합체 배지에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 상기 일 양태에 있어, 상기 광촉매는 이산화티타늄(Ti02)으로 이루어 진 것일 수 있으며, 상기 수소처리된 광촉매는 친수성 표면을 가질 수 있으며, 또는 상기 수소처리는 수소 분위기에서 300℃ 내지 700℃의 온도로 열처리될 수 있으며, 또는 상기 다공성 배지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리스티렌(PS), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate), 왕겨, 훈탄, 왕겨 추출 셀룰로오스 및 코코넛껍질 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 상기 다공성 배지는 상전환공정으로 제조될 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 수소처리된 광촉매의 구조는 나노튜브, 나노로드, 솔-젤 나노입자 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 양태는 다공성 배지를 준비하는 단계; 광촉매 나노분말을 수소처리하는 단계; 및 상기 다공성 배지에 상기 수소처리된 광촉매를 코팅하는 단계를 포함하는 수경재배용 나노복합체 배지의 제조방법에 관한 것이다.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 다공성 배지의 제조 방법은 고분자를 유기용매에 용해시켜 혼합용액을 만드는 단계 및 상기 혼합용액을 비용액에 주입하여 상전이시키는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 광촉매 나노분말의 제조방법은 수소 분위기에서 300℃ 내지 700℃의 온도로 수소처리될 수 있다.
본 발명에 따른 수경재배용 나노복합체 배지는 다공성 배지에 수소처리된 광촉매가 코팅되어짐에 따라 가시광선 영역의 빛 에너지를 흡수시킬 수 있으며, 이를 통해 상기 배지의 에너지 전환 효율을 상승시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수경재배용 나노복합체 배지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 공성 배지에 수소처리된 광촉매를 코팅하는 단계의 세부 단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광촉매를 코팅하는 과정을 설명하기 위한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다공질 배지를 제조하는 과정을 설명하기 위한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 TiO2(P25) 샘플을 광촉매로 사용하여 실험한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 TiO2 샘플을 광촉매로 사용하여 실험한 사진이다.
도 7은 광촉매 나노분말이 코팅된 나노복합체 배지의 미세구조를 설명하기 위한 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 제작된 나노복합체 배지를 적용하여 재배한 미나리와 적용하지 않고 재배한 미나리에 대하여 줄기의 평균 성장 길이를 비교하기 위한 그래프이다.
도 9는 실시 예에 따라 제작된 나노복합체 배지를 적용하여 재배한 미나리와 적용하지 않고 재배한 미나리에 대하여 미나리 뿌리의 평균 개수를 비교하기 위한 그래프이다.
도 10은 미나리 줄기 및 뿌리 성장정도를 비교하기 위한 사진이다.
도 11은 실시 예에 따라 제작된 나노복합체 배지를 적용하여 재배한 미나리의 생육환경을 설명하기 위한 그래프이다.
이하 본 발명에 따른 수경재배용 나노복합체 배지 및 이의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 양태는 나노복합체 배지에 관한 것으로, 상세하게 소정 크기의 기공을 가진 유-무기 나노복합체 배지로, 상기 기공에는 수소처리된 광촉매가 코팅된 나노복합체에 관한 것이다. 상기 수소처리된 광촉매에 있어, 상기 광촉매는 이산화티타늄(TiO2)일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 광촉매 나노분말은 이산화티타늄(TiO2)로 제공될 수 있다. 아울러 상기 이산화티타늄(TiO2) 형태는 양극산화 나노튜브(anodization nanotubes), 가수분해 나노튜브(nanotube), 수열합성 나노로드(nanorod) 및 솔-젤 나노파티클(sol-gel nanoparticle) 등 하나 이상의 형태로 제공될 수 있으며, 그 형태에 제한되지 않는다.
상기 이산화티타늄(TiO2)은 티타늄(Ti)과 산소(O2)의 화합물로, 상기 티타늄(Ti)은 자원적으로 매우 풍부하여 경제성과 시장성에 장점이 있다. 또한, 고온에서 구조 안정성이 우수하여 광촉매로 많이 이용되고 있다. 하지만, 상기 이산화티타늄(TiO2) 3.2eV의 넓은 밴드갭으로 인하여 자외선 영역에서만 광촉매 활성을 나타낸다. 다시 말해 상기 이산화티타늄(TiO2)이 가시광선, 더 나아가 레드, 블루, 화이트 3색 가시광선을 발산하는 LED 조명광을 흡수하기 위해서는 도핑 등의 과정을 통해 상기 이산화티타늄(TiO2)의 밴드갭을 낮추는 과정이 반드시 필요하고 할 수 있다.
선행문헌에 따르면, 이산화티타늄(TiO2)의 밴드갭을 낮추기 위해서 전이금속 등 금속을 도핑한 이산화티타늄(TiO2) 복합체 분말액을 만드는 방법이 개시되었으나, 전이금속은 금속을 첨가하는 과정에서 유해물질이 발생할 수 있으며, 환경에 악영향을 줄 수 있다.
이를 개선하기 위해 본 발명은 수소 분위기에서 열처리 공정을 통해 상기 이산화티타늄(TiO2)의 밴드갭을 낮추는 방법을 적용하였다. 상기 열처리 공정은 300 내지 700℃의 온도로 열처리되는 것이 바람직하다. 상기 열처리 공정의 일 예시로, TiO2(P25) 광촉매 샘플을 수소의 유량이 10 내지 100sccm인 상태에서 분당 3 ~ 10℃씩 약 1시간 이상 가열하여 약 350 ~ 400℃로 만들고, 이를 2시간여 동안 지속시킨다. 이 후, 분위기가 30℃ 미만으로 될 때 까지 천천히 온도를 내리며 샘플을 어닐링 시키는 과정을 수행하였다. 이하, 상술한 열처리 과정을 수소처리 공정으로 명명하고자 한다. 아울러 이를 통해 광촉매에 친수성 표면을 생성할 수 있으며, 수용성 배양액을 흡착/흡수할 수 있다. 상술한 수소처리 공정의 세부 조건에 대해서는 후술하도록 하겠다.
상기 광촉매 나노분말은 다공성 배지에 코팅되어 있다. 상기 다공성 배지는 하나 이상의 유기물 또는 무기물을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 고분자를 포함할 수 있다. 상기의 고분자는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리스티렌(PS), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate), 왕겨, 훈탄, 왕겨 추출 셀룰로오스 및 코코넛껍질로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 군 중 어느 하나 이상의 물질을 혼합한 혼합체로 제공될 수 있음은 물론이다. 아울러 상기 배지는 일반적으로 1 내지 100㎛ 크기의 기공이 다수 형성될 수 있으며, 바람직하게는 5㎛ 크기 이하가 되는 것이 적절하다.
실시 예에 따르면, 상기 다공성 배지는 상전환공정(phase inversion method)을 통해 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기 다공성배지는 상기 고분자를 유기용매에 용해시켜 혼합용액을 만들고, 상기 혼합용액을 비용액에 주입하여 상전이(phase inversion)되는 과정을 거친다.
상기 유기용매는 해당 분야에서 일반적으로 통용되는 유기 용매를 적용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리아닐린(Polyaniline), 헥산(Hexane), 시클로헥산(Cyclohexane), 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 디메틸설폭사이드(DMSO), 메틸 피롤리돈(Methyl Pyrrolidone) 및 메틸 펜탄디온(Methyl pentanedione) 중 어느 하나의 유기 용매를 적용할 수 있다.
상기 비용액은 물, 알콜류, 케톤류, 방향족탄화수소를 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 비용액으로는 초순수증류수, 이온교환수, 메탄올, 에탄올, 2-프로판올, 메틸에틸케톤, 벤젠, 톨루엔, 크실렌 등의 방향족탄화수소류 중 어느 하나를 선택할 수 있으며, 상술한 비용액들을 임의로 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 다공성 배지에 상기 수소처리된 광촉매를 코팅하는 방법으로는 통상적으로 알려진 코팅방법을 적용할 수 있다. 예를 들어 다공성 배지를 광촉매 용액에 담지하여 코팅하는 방법을 적용할 수 있으며, 진공 여과(vacuum filtration) 장치를 이용하여 물에 분산된 광촉매 분산액에 다공성 배지를 침지시킴으로써 용액 속 광촉매를 배지에 코팅할 수 있다. 또한, 50 내지 80℃의 온도에서 교반방식 또는 전기도금 방식을 적용할 수 있다. 본 발명에서는 배지를 담지하는 방법을 적용하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 내용을 바탕으로 당업자가 얼마든지 변형하여 적용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 양태에 따른 나노복합체 배지는 다공성 배지에 수소처리된 이산화티타늄(TiO2)이 코팅된 배지이며, 상기 코팅된 이산화티타늄(TiO2)이 가시광선, 더 나아가 레드, 블루, 화이트 3색 가시광선을 발산하는 LED 조명광을 흡수하여 광촉매 역할을 수행할 수 있다.
이를 위해서는 이산화티타늄(TiO2)이 가시광선 영역에서도 활성을 나타낼 수 있도록 수소처리 공정을 통해 밴드갭을 낮추는 것이 매우 중요하다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 예에 따른 나노복합체 배지의 제조방법은 a) 다공성 배지를 준비하는 단계; b) 광촉매 나노분말을 수소처리하는 단계; 및 c) 다공성 배지에 수소처리된 광촉매를 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 다공성 배지는 유-무기로 이루어진 다공성 배지 일 면에 수소처리된 이산화티타늄(TiO2)이 나노분말로 코팅되어 가시광선을 흡수하여 작물의 성장을 촉진시킬 수 있는 나노복합체 배지이다.
먼저, a) 다공성 배지를 준비하는 단계를 수행할 수 있으며, 이 때, 각 구성 성분의 조성 및 함량은 상기 나노복합체 배지에서 설명한 바와 동일함에 따라 중복 설명은 생략한다.
각 구성 성분이 준비되면, 도 2에 개시된 바와 같이ⅰ) 고분자를 유기용매에 용해시켜 혼합용액을 만드는 단계; 및 ⅱ) 혼합용액을 비용액에 주입하여 상전이시키는 단계;를 수행하여 다공성 배지를 준비할 수 있다.
ⅰ) 고분자를 유기용매에 용해시켜 혼합용액을 만드는 단계에 있어, 상기 고분자를 상기 유기용매에 용해시킨 고분자 용액의 농도는 1 내지 20 중량% 일 수 있으며, 바람직하게는 3 내지 10 중량%일 수 있다. 상술한 농도 범위 미만의 용질이 용해될 경우 다공질 배지가 형성에 어려움이 발생할 가능성이 있으며, 농도 범위를 초과하여 용해될 경우 혼합용액의 점성이 너무 커지고 기공의 벽이 두꺼워져 기공도가 작아지는 결과를 초래할 수 있기 때문이다. 아울러 상기 고분자 및 상기 유기용매의 혼합은 30 내지 180℃에서 수행하는 것을 권장하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 실시 예에 따르면, 상기 혼합용액을 200 내지 600RPM의 속도로 1시간 이내로 교반할 수 있으며, 바람직하게는 300 내지 500RPM의 속도로 10 내지 30분 동안 교반할 수 있다.
ⅱ) 혼합용액을 비용액에 주입하여 상전이시키는 단계에서, 상기 혼합용액의 양이 많아지면, 상기 상전이 과정에서 분산성이 저하될 수 있으므로, 실험조건 및 환경에 따라 적절한 비율로 혼합하는 것이 중요하다. 이 때, 적절한 혼합비율은 당업자의 판단에 따라 달라질 수 있으나, 바람직하게는 30중량%가 넘지 않는 선에서 혼합하는것이 적절하다.
실시 예에 따르면, 상기 비용액은 100℃미만으로 유지하는 것이 바람직하며, 구체적으로 10 내지 60℃의 온도 범위를 가질 수 있다.
전술한 바와 같이 다공성 배지가 준비되면, b) 광촉매 나노분말을 수소처리하는 단계를 수행할 수 있으며, 이를 통해 광촉매의 이산화티타늄(TiO2)이 가시광선 영역에서도 활성을 나타낼 수 있다.
다음으로, c) 다공성 배지에 수소처리된 광촉매를 코팅하는 단계를 수행할 수 있다. 상술한대로 상기 코팅 방법은 특정 방법에 한정되는 것이 아닌 당업계에서 통상적으로 사용하는 코팅방법을 사용할 수 있으나, 본 발명에서는 다공성 배지를 광촉매 용액에 담지하여 코팅하는 방법을 적용하였다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 수소처리된 광촉매의 균일한 코팅을 위해 소정량의 용매에 상기 수소처리된 이산화티타늄(TiO2)을 혼합하여 분산액을 사용할 수 있다. 이 때, 상기 용매는 물을 포함할 수 있으며, 에틸 알코올, 메틸 알코올 및 아세톤 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 분산액을 사용하는 경우, 상기 수소처리된 이산화티타늄(TiO2)의 농도는 1 내지 10중량% 일 수 있으며, 3 내지 5중량% 인 것이 바람직하다.
실시 예에 따르면, 광촉매가 분산된 광촉매 용액을 제조하기 위해 초음파 발생기를 사용할 수 있다. 아울러 초음파 조건을 변경하여 광촉매 입자의 입도를 결정할 수 있다. 바람직하게는 20분 내외로 초음파 처리하여 10 내지 20㎚ 크기의 광촉매 입자를 얻을 수 있으며, 10분 내외로 초음파 처리하여 20 내지 30㎚ 크기의 광촉매 입자, 5분 내외로 초음파 처리하여 30㎚ 이상의 광촉매 입자를 얻을 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 수경재배용 유-무기 나노복합체 배지 및 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
1) TiO 2 (P25) 광촉매의 수소처리 적용
도 5를 참조하면, TiO2(P25) 광촉매 샘플의 열처리 조건에 따라 제조예 1, 제조예 2, 제조예 3 및 비교제조예 1을 다음과 같이 정의할 수 있다.
[제조예 1]
TiO2(P25) 광촉매 샘플에 대하여 수소의 유량이 50sccm인 상태에서 분당 5℃씩 약 1시간 12분 가열하여 360℃가 되도록 하고, 이를 2시간 동안 지속시킨다. 이 후, 오븐 내 온도를 분당 5℃씩 1시간 12분 동안 내려 25℃로 만드는 과정을 수행하였다.
[제조예 2]
상기 제조예 1과 동일한 광촉매 및 수소 유량 조건에서 분당 5℃씩 약 2시간 20분 가열하여 700℃가 되도록 하고, 이를 2시간 동안 지속시킨다. 이 후, 25℃ 온도로 낮춘 후, 다시 분당 5℃씩 약 1시간 12분 가열하여 360℃가 되도록 하고, 이를 2시간 동안 지속시킨다. 이 후, 오븐 내 온도가 25℃가 될 때까지, 분당 5℃씩 1시간 12분 동안 내리는 과정을 수행하였다.
[제조예 3]
상기 제조예 1 및 2와 동일한 광촉매 및 수소 유량 조건에서 분당 5℃씩 약 2시간 20분 가열하여 700℃가 되도록 하고, 이를 2시간 동안 지속시킨다. 이 후, 오븐 내 온도가 25℃가 될 때까지, 분당 5℃씩 2시간 20분 동안 내리는 과정을 수행하였다.
[비교제조예 1]
상기 제조예 1 내지 3과 동일한 광촉매를 사용하되, 상기 광촉매에 대한 열처리를 수행하지 않았다.
2) TiO 2 나노튜브 형태의 광촉매의 수소처리 적용
도 6을 참조하면, TiO2(P25) 광촉매 샘플의 열처리 조건에 따라 제조예 4, 제조예 5, 및 비교제조예 2를 다음과 같이 정의할 수 있다.
[제조예 4]
TiO2 광촉매 샘플에 대하여 수소의 유량이 50sccm인 상태에서 분당 5℃씩 약 1시간 12분 가열하여 360℃가 되도록 하고, 이를 2시간 동안 지속시킨다. 이 후, 오븐 내 온도를 분당 25℃씩 15분 동안 내려 25℃로 만드는 과정을 수행하였다.
[제조예 5]
상기 제조예 4와 동일한 광촉매 및 수소 유량 조건에서 수소의 유량이 50sccm인 상태에서 분당 5℃씩 약 2시간 20분 가열하여 700℃가 되도록 하고, 이를 2시간 동안 지속시킨다. 이 후, 오븐 내 온도가 25℃가 될 때까지, 분당 25℃씩 30분 동안 동안 내리는 과정을 수행하였다.
[비교제조예 2]
상기 제조예 4 및 5와 동일한 광촉매를 사용하되, 상기 광촉매에 대한 열처리를 수행하지 않았다.
다시 말해, 상술한 제조예 1 내지 5 및 비교제조예 1 내지 2의 수소처리 공정 조건은 아래 표 1과 같다.
Figure 112020001178014-pat00001
[실시예]
폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 22g과 폴리아닐린 400mL를 혼합하고, 이를 200℃에서 400RPM으로 15분 교반하여 혼합용액을 만들었다. 이 후, 상기 혼합용액을 20℃ 초순수증류수에 떨어뜨리고 50℃ 오븐에 24시간 열처리하여 다공질 배지를 제조하였다.
다음으로, 상술한 제조예 1 내지 5 및 비교제조예 1 내지 2의 과정을 거쳐 수소처리를 수행하였고, 상기 수소처리된 광촉매 3g을 증류수 250mL와 섞어 4MHz의 초음파를 주입하여 광촉매 분산액을 만들었다. 이 후, 앞서 제조한 다공질 배지를 상기 광촉매 분산액에 1시간동안 담지하고 50℃ 오븐에 24시간 열처리하여 나노복합체 배지를 제조하였다.
[분석 및 성능 평가]
1) SEM 분석:
주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)을 이용하여 제조예 1 내지 5 및 비교제조예 1, 2에 개시된 조건에 의해 수소처리 된 광촉매를 코팅한 나노복합체 배지의 형상을 확인하였다. 그 결과, 도 7 (c) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 제조예 1 내지 5의 열처리 과정을 거쳐 수소처리 공정을 수행한 광촉매는 다공성 배지에 나노분말이 코팅되었음을 확인할 수 있다.
2) 성장속도 촉진 분석:
수소처리 유무에 따른 성장속도 차이를 비교하기 위해, 동일한 종과 크기의 미나리를 실험군 A 및 실험군 B로 나누어 실험을 진행하였다. 실험군 A에는 수경재배용 배지로 통상적으로 사용되는 코코피트(cocopeat)재질의 배지와 제조예 1의 과정으로 열처리된 나노복합체 배지를 혼합하여 사용하였고, 실험군 B에는 상기 코코피트(cocopeat) 재질의 배지와 수소 열처리를 하지 않은 비교제조예 1의 과정으로 제조된 나노복합체 배지를 혼합하여 사용하였다. 상기한 실험군 A 및 실험군 B를 35일간 수경재배 실험을 진행하였다. 아울러 5일 간격으로 줄기의 평균 길이 및 뿌리의 평균 길이를 측정하여 비교하였다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 실험군 A의 미나리가 실험군 B의 미나리보다 줄기가 더 자라나고, 뿌리가 많이 생성되었다는 것을 확인할 수 있다. 상기의 결과는 수소처리가 작물의 성장속도 촉진에 기여하였음을 보여준다. 다시 말해, 상기 수소처리 과정을 통하여 나노복합체 배지가 외부의 LED 조명광을 흡수할 수 있으며, 상기 흡수한 조명광을 에너지원으로 변화하여 작물에 제공할 수 있다. 이를 통해, 상기 작물은 상기 제공된 에너지원을 흡수하여 성장이 촉진된다는 것을 의미할 수 있다.
3) 생육조건 분석:
작물의 성장환경에 영향을 주는 배양액 pH의 변화와 배양액의 전기전도도(Electrical Conductivity; EC)의 변화를 분석하였다. 도 11을 참조하면, 상기 나노복합체 배지를 적용하여 재배한 미나리는 성장하는 동안 5.8 ~ 6.5pH인 일정한 수준의 pH를 유지되었으며,배양액의 EC또한 1400 ~ 1650 μS/cm의 일정 수준을 유지하였다. 이는, 상기 나노복합체 배지를 통해 작물이 자라나는 동안 작물이 질소, 무기물을 흡수하는 환경과 배양액의 이온농도가 소정의 범위 내에서 안정적으로 유지된다는 것을 의미할 수 있다. 이를 통해 상기 나노복합체 배지는 작물의 안정적으로 자랄 수 있는 재배 환경을 제공할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 제조예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 제조예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 다공성 배지에 수소처리된 광촉매가 코팅되며,
    상기 광촉매는 이산화티타늄(Ti02)이며,
    상기 수소처리는 수소의 유량이 10 내지 100sccm인 상태에서 상기 광촉매를 분당 3 내지 10℃씩 가열하여 300℃ 내지 700℃의 온도로 열처리되고,
    상기 수소처리를 통해 상기 이산화티타늄(TiO2)의 밴드갭을 낮추어, 상기 광촉매의 이산화티타늄(TiO2)이 가시광선 영역에서도 활성을 나타내는 것을 특징으로 하는 수경재배용 나노복합체 배지.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수소처리된 광촉매는 친수성 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 수경재배용 나노복합체 배지.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 배지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리스티렌(PS), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate), 왕겨, 훈탄, 왕겨 추출 셀룰로오스 및 코코넛껍질 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수경재배용 나노복합체 배지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 다공성 배지는 상전환공정으로 제조된 것을 특징으로 하는 수경재배용 나노복합체 배지.
  7. 제 1항, 제 3항, 제 5항 및 제 6항 중 선택되는 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 수소처리된 광촉매의 구조는 나노튜브, 나노로드, 솔-젤 나노입자 중 어느 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 수경재배용 나노복합체 배지.
  8. 다공성 배지를 준비하는 단계;
    광촉매 나노분말을 수소처리하는 단계; 및
    상기 다공성 배지에 상기 수소처리된 광촉매를 코팅하는 단계를 포함하며,
    상기 광촉매는 이산화티타늄(Ti02)이며,
    상기 수소처리하는 단계는 수소의 유량이 10 내지 100sccm인 상태에서 상기 광촉매를 분당 3 내지 10℃씩 가열하여 300℃ 내지 700℃의 온도로 수행되며,
    상기 수소처리를 통해 상기 이산화티타늄(TiO2)의 밴드갭을 낮추어, 상기 광촉매의 이산화티타늄(TiO2)이 가시광선 영역에서도 활성을 나타내는 것을 특징으로 하는 수경재배용 나노복합체 배지의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 다공성 배지의 제조 방법은 고분자를 유기용매에 용해시켜 혼합용액을 만드는 단계 및 상기 혼합용액을 비용액에 주입하여 상전이시키는 단계를 포함하는 수경재배용 나노복합체 배지의 제조방법.
  10. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112544429A (zh) * 2020-12-29 2021-03-26 宋延峰 水稻育秧无土栽培钵体盘

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001212457A (ja) * 1998-08-21 2001-08-07 Kankyo Device Kenkyusho:Kk 可視光型光触媒及びその製造方法
JP2007098293A (ja) * 2005-10-05 2007-04-19 Nippon Shokubai Co Ltd 可視光応答型光触媒、可視光応答型光触媒組成物およびその製造方法
JP2011120998A (ja) * 2009-12-10 2011-06-23 Tohoku Univ 可視光応答性ルチル型二酸化チタン光触媒
JP2017177092A (ja) * 2016-03-29 2017-10-05 幹生 杉本 光触媒及び光触媒の製造方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100508692B1 (ko) * 2003-12-22 2005-08-17 한국화학연구원 다공성 세라믹 중공사 무기막 지지체 제조방법
KR100840750B1 (ko) 2007-10-29 2008-06-23 이수진 식물생장 촉진 광촉매용 이산화티탄 복합 분말액
KR20180135776A (ko) * 2017-06-13 2018-12-21 주식회사 코넥실 식물재배용 배지

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001212457A (ja) * 1998-08-21 2001-08-07 Kankyo Device Kenkyusho:Kk 可視光型光触媒及びその製造方法
JP2007098293A (ja) * 2005-10-05 2007-04-19 Nippon Shokubai Co Ltd 可視光応答型光触媒、可視光応答型光触媒組成物およびその製造方法
JP2011120998A (ja) * 2009-12-10 2011-06-23 Tohoku Univ 可視光応答性ルチル型二酸化チタン光触媒
JP2017177092A (ja) * 2016-03-29 2017-10-05 幹生 杉本 光触媒及び光触媒の製造方法

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