KR102498534B1 - 항균 유리 조성물 및 항균 유리의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 항균 유리 조성물 및 항균 유리의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 SiO2 30 - 45 중량%; B2O3 30 - 50 중량%; Na2O 5 - 20 중량%; K2O 2 - 15 중량%; 및 Li2O 0 - 4 중량%로 구성되어 항균 효과와 함께 세정·세척 효과도 발현할 수 있다.

Description

항균 유리 조성물 및 항균 유리의 제조방법{ANTIBACTERIAL GLASS COMPOSITE AND MANUFACTURING METHOD OF ANTIBACTERIAL GLASS}
본 발명은 은, 구리, 아연 산화물을 함유하지 않는 수용성 항균 유리 조성물 및 항균 유리의 제조방법에 관한 것이다.
물은 예로부터 우리의 일상생활에서 필수 불가결한 것으로, 인구의 증가와 산업의 집중에 의해 수요량이 급속히 증가하고 있다. 그러나 물은 그 자체 내에서 이끼나 세균이 번식하기도 하고, 또 상수도원인 호수는 공장이나 가정으로부터 배출되는 폐수 및 생활하수에 의해 그 오염문제가 날로 심각해져 가고 있다.
현재까지 오염된 물은 주로 활성탄과 여러 살균제를 사용하여 살균, 정화하여 사용하고 있으며 대표적인 살균제로는 이산화탄소, 염소 가스, 차아염소산 나트륨 등의 염소계 화합물 또는 오존 등이다. 이들 중 주로 사용되고 있는 염소 가스는 가격이 저렴하여 경제적이기는 하나 발암물질인 트리할로메탄(THM)의 발생과 악취가, 오존은 사용원가가 높은 것이 문제점이라 할 수 있다.
따라서, 이상과 같은 문제점을 해결하면서 살균, 향균, 살존 등의 효능을 지닌 재료의 개발이 요구되고 있으며, 이러한 요구에 맞는 새로운 재료로서 수용성 유리가 고안되었다.
유리는 일반적으로 화학적 내구성이 뛰어난 공업재료로서 조성의 다양화와 표면처리 등을 통해 유리의 내구성을 향상시키고자 하는 연구가 많이 행해져 왔다.그러나 조성의 변화 등을 통하여 화학적 내구성이 좋지 않은 유리, 즉 수용성 유리의 제조가 가능하다.
한편 은(Ag+) 또는 구리 (Cu+, Cu2+)등의 이온들은 살균성(향균성)이나 살조(殺藻)성을 가지고 있다는 것이 오래전부터 알려져 왔으며, 담수성 조류에 대한 은의 살균, 방조작용에 대해 일본 등 선진국에서 많은 연구가 진행되고 있으며, 이들 중금속 중에서 인체에 대한 독성이 거의 없는 은이온이나 구리이온을 염소나 기타 독성이 있는 살미생물제 대용으로 사용할 수 있을 것으로 기대되고 있었다.
따라서, 위의 사실들에 근거하여, 살균효과를 가지면서도 인체에 무해한 은이온이나 구리 이온을 수용성 유리의 제조시에 성분원소로서 사용하여 유리 내에 함입시켜 수중에서 유리의 용해와 함께 이들 이온이 수중으로 빠져나와 살균효과를 나타내는 살균용 수용성 유리를 제조하여 기존의 살미생물 재료들의 약점들을 보완하는 대체재료로서 사용될 수 있을 것이라고 기대되었다.
또한 물에 용해되었을 때 살균 효과를 낼 수 있는 Ag+, Cu+, Cu2+ 등의 이온이유리 망목구조 안에서 안전하게 이온 상태로 함유될 수 있을 뿐만 아니라, 유리 망목 구조의 붕괴와 함께 물속으로 용해된 이들 금속 이온들이 장시간 환원되지 않고 물 속에 존재할 수 있기 때문에 이들 이온을 함유한 질산은(AgNO3), 황산구리(CuSO4), 염화구리(CuCI2) 등의 수용액이 쉽게 환원되는 점을 보완할 수 있고, 유리 조성을 변화시킴에 따라 유리의 용해 속도를 조절할 수 있기 때문에 사용조건에 알맞도록 은이온이나 구리 이온의 양을 공급할 수도 있다는 장점을 또한 가진다.
이와 관련된 선행문헌으로는 일본 공개특허 제1995-025636호(공개일: 1995.01.27)에는 항균성을 갖는 플레이크상 유리를 개시하고 있으나, 고가인 은이 포함된 산화물이 첨가되어야 하고, 은 이온의 용출 속도 및 은 이온의 용출이 완료되지 않도록 인편상 유리의 두께가 제어되어야 하는 문제가 있다.
또한, 일본 등록특허 제4410255호(공개일: 2007.05.17)에는 유리 제품의 표면을 부식 방지제를 사용하여 처리하기 위한 방법을 개시하고 있으나, 고가인 Al3+ 이온과 Zn2+ 이온이 첨가되고, 이미 만들어진 유리 제품에만 적용되는 한계가 있다.
또한, 일본 공개특허 제2008-503429호(공개일: )에는 표면 코팅의 방법에 적합한 유리막 및 그 방법에 의해 얻어진 피복 제품을 개시하고 있으나, 광 살균 효과를 나타내기 위해 고가의 티타늄이 포함되고, 규산염계 유리가 아니어서 화학적 내구성이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 은, 구리, 아연, 티타늄과 같은 고가의 금속이 포함되지 않으면서도 항균 기능을 발휘할 수 있는 신규한 조성의 항균 글라스 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 은, 구리, 아연, 티타늄과 같은 고가의 금속이 포함되지 않으면서도 항균 기능을 발휘할 수 있는 신규한 조성의 항균 글라스 조성물의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 Ag2O, CuO, ZnO, TiO2와 같은 고가의 금속 산화물을 포함하지 않으면서 항균 유리 조성물에 포함된 알칼리 금속 이온의 용출이 용이하여 항균 효과뿐만 아니라 세척 및 세정 효과를 발휘할 수 있는 항균 유리 조성물을 제공한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 SiO2 30 - 45 중량%; B2O3 30 - 50 중량%; Na2O 5 - 20 중량%; K2O 2 - 15 중량%; 및 Li2O 0 - 4 중량%로 구성된 항균 유리 조성물을 기술적 특징으로 한다.
또한, 종래 실리케이트계 유리 조성물보다 B2O3의 함량을 높여 Na2O, K2O 및 Li2O의 알칼리 산화물에 포함된 알칼리 금속 이온의 용출을 용이하게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 SiO2 30 - 45 중량%, B2O3 30 - 50 중량%, Na2O 5 - 20 중량%, K2O 2 - 15 중량% 및 Li2O 0 - 4 중량%를 혼합하여 항균 유리 조성물을 제조하는 단계; 상기 항균 유리 조성물을 멜팅하는 단계; 및 상기 멜팅된 항균 유리 조성물을 냉각하는 단계;를 포함하는 항균 유리의 제조방법을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 물의 수소 이온과 항균 유리 조성물의 알칼리 금속 성분의 치환에 의해 알칼리 금속 이온이 용출되어 물의 pH를 상승시키므로 항균 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 항균 효과뿐만 아니라 의류 세척, 식기 세정의 효과를 발휘할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 금, 구리, 아연 및 티타늄과 같은 고가의 금속을 포함하지 않고도 항균 효과를 발휘할 수 있어 제조비용을 크게 감소시킬 수 있다.
더 나아가, 본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 수지 사출물의 첨가제, 금속/플라스틱 상부 코팅 형태 등의 다양한 분야에 적용할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 항균 유리의 적용 형태를 나타낸 사진이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 이하, 본 발명에 따른 항균 글라스 조성물 및 이의 제조방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
<항균 유리 조성물>
본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 SiO2 30 - 45 중량%; B2O3 30 - 50 중량%; Na2O 5 - 20 중량%; K2O 2 - 15 중량%; 및 Li2O 0 - 4 중량%로 구성된다.
본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 신규의 실리케이트계 유리 조성물로서 내구성이 우수함과 동시에 항균성이 우수하다. 이하에서는 본 발명에 따른 항균 유리 조성물에 대해 상세히 설명한다.
SiO2
SiO2는 유리 구조를 형성하는 핵심적인 성분으로 유리 구조의 골격 역할을 하는 성분이다. 본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 SiO2를 30 - 45 중량%로 포함한다. 상기 SiO2가 45 중량%를 초과하면 유리 용융시 점도가 높아짐에 따라 퀀칭 과정에서 작업성이 저하되는 문제가 있고, 30 중량% 미만으로 포함되면 유리의 구조가 약화되어 내구성이 저하되는 문제가 있다.
B2O3
B2O3는 SiO2와 함께 글라스 조성물의 유리화가 가능하도록 유리 형성제로서의 역할을 하는 성분이다. B2O3는 녹는점이 낮기 때문에 용융물의 공융점(eutectic point)을 낮출 뿐만 아니라, 글라스 조성물의 유리화가 쉽게 될 수 있게 도와주는 역할을 하는 성분이다. 본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 B2O3를 30 - 50 중량%로 포함한다. 상기 B2O3가 50 중량%를 초과하면 타 성분의 함량을 방해함에 따라 오히려 항균성이 저하되는 문제가 있고, 상기 B2O3가 30 중량% 미만으로 포함되면 유리의 구조가 약화되어 내구성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 항균 유리 조성물에서 상기 SiO2 및 B2O3의 중량비가 1:1인 것이 바람직하다. 전술한 범위로 SiO2 및 B2O3의 함량을 제어하면 항균 유리 조성물에서 유리의 항균성 및 내구성을 최적화할 수 있고, 유리 점도가 높아지지 않아 퀀칭 과장에서 작업성을 향상시킬 수 있다.
Na2O, K2O 및 Li2O
Na2O, K2O 및 Li2O는 유리 조성 내에서 비가교결합을 하는 망목수식제 역할을 하는 산화물이다. 상기 성분들 가운데 단독으로는 유리화가 불가능하지만, SiO2 및 B2O3 등과 같은 망목형성제와 일정한 비율로 혼합하면 유리화가 가능해진다.
본 발명에서는 Na2O, K2O 및 Li2O가 물과 반응시 pH를 높이는 성분으로서 역할을 하며, 본 발명에 따른 항균 유리 조성물에서 Na2O는 5 - 20 중량%로 포함되고, K2O는 2 - 15 중량%로 포함한다. 상기 Na2O가 20 중량%를 초과하면 유리 조성물의 열 물성이 저하될 수 있고, 5 중량% 미만으로 포함되면 물과 반응하더라도 염기성이 저하되어 항균성이 저하될 수 있다. K2O의 함량 범위 또한, Na2O의 한정 이유와 동일한 이유로 2 - 15 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 항균 유리 조성물에서 Li2O는 포함되지 않을 수도 있고, 4 중량%를 초과하면 항균 유리 조성물의 유리화가 이루어지지 않아 유리를 제조할 수 없다.
상기 Na2O, K2O 및 Li2O는 15 - 30 중량%로 포함되는 것이 바람직하고, 상기 Na2O, K2O 및 Li2O의 함량이 30 중량%를 초과하면 유리화가 어려워지는 문제가 있고, 상기 Na2O, K2O 및 Li2O의 함량이 15 중량% 미만이면 물과 반응시 pH가 높아지지 않아 항균성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 Na2O 및 K2O의 중량비는 2:1인 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이 상기 Na2O 및 K2O의 중량비를 제어함으로써 유리 조성물에서 항균성을 극대화할 수 있다.
본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 종래 Ag/Cu/Zn 이온에 의한 항균 기능성을 발현하는 것과 달리, 유리 조성의 기본이 되는 SiO2-B2O3에 Na2O, K2O 및 Li2O의 제어된 함량 혼합을 통해 유리 조성물에서 Na, K, Li 이온의 용출 속도를 조절할 수 있다. 또한, 종래 Ag/Cu/Zn/Ti를 포함하는 유리 조성물은 항균 기능을 발휘하는 금속 산화물의 용출을 높이기 위해 pH가 미량 상승되나, 본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 물의 수소 이온과 항균 유리 조성물의 알칼리 성분의 치환에 의해 용출되어 물의 pH를 상승시키므로 항균 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 항균 효과뿐만 아니라 의류 세척, 식기 세정의 보조적 효과를 발휘할 수 있고, 아울러 금, 구리, 아연 및 티타늄과 같은 고가의 금속, 구체적으로 Ag2O, CuO, ZnO 및 TiO2와 같은 금속 산화물을 포함하지 않고도 항균 효과를 발휘할 수 있어 제조비용을 크게 감소시킬 수 있다.
더 나아가, 본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 수지 사출물의 첨가제, 금속/플라스틱 상부 코팅 형태 등의 다양한 분야에 적용할 수 있는 이점이 있다.
<항균 유리의 제조방법>
다음으로, 본 발명에 따른 항균 유리의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 항균 유리의 제조방법은 SiO2 30 - 45 중량%, B2O3 30 - 50 중량%, Na2O 5 - 20 중량%, K2O 2 - 15 중량% 및 Li2O 0 - 4 중량%를 혼합하여 항균 유리 조성물을 제조하는 단계; 상기 항균 유리 조성물을 멜팅하는 단계; 및 상기 멜팅된 항균 유리 조성물을 냉각하는 단계;를 포함한다.
상기 함량의 산화물을 충분히 혼합하여 제조된 항균 유리 조성물을 제조한 후, 상기 항균 유리 조성물을 멜팅한다. 바람직하게는, 상기 항균 유리 조성물은 1000 ~ 1500℃의 온도범위에서 멜팅될 수 있다. 또한, 상기 항균 유리 조성물은 10 ~ 60분 동안 멜팅될 수 있다.
이후, 상기 멜팅된 항균 유리 조성물은 칠러 등이 사용되어, 퀀칭 롤러에 의해 급냉시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 항균 유리가 제조될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 항균 유리의 적용 형태를 나타낸 사진으로, 하기에서 설명되는 바와 같이 본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 항균성 수지의 제조에 첨가되거나 항균성 코팅층의 제조에 사용될 수 있다.
<항균성 수지의 제조>
본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 수지 성형체 원료 또는 도료 등에 배합함으로써 수지 성형체가 항균성을 띄게 할 수 있다.
<항균성 코팅층의 제조>
본 발명에 따른 항균 유리 조성물은 대상 물체의 일 표면에 코팅될 수 있다. 상기 대상 물체는 금속 플레이트, 강화 유리 플레이트, 조리기기의 일부, 또는 전부일 수 있다. 코팅방법은 스프레이 방식을 사용할 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다.
상기 항균 유리 조성물은 700~750℃의 온도범위에서 300~450초 동안 소성될 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명의 구체적인 태양을 살펴보기로 한다.
<실시예>
하기 표 1에 기재된 조성비를 갖는 항균 유리를 제조하였다. 각 성분의 원재료들을 V-혼합기(V-mixer)에서 3시간 동안 충분히 혼합하였다. 여기서, Na2O, K2O, 및 Li2O의 원재료는 각각 Na2CO3, K2CO3, 및 Li2CO3를 사용하였으며, 나머지 성분은 표 1에 기재된 성분과 동일한 것을 사용하였다. 혼합된 항균 유리 조성물을 1300 ℃에서 30분 동안 충분히 용융시키고, 퀀칭 롤러(quenching roller)에서 급냉시킨 후 유리 컬릿을 수득하였다.
상기 과정으로 수득한 유리 컬릿을 분쇄기(ball mill)로 초기 입도를 제어한 후 젯밀을 이용하여 약 5시간 동안 분쇄 후 325 메쉬 시브(ASTM C285-88)에 통과시켜 입경을 45㎛이하로 제어하여, 최종적으로 항균 유리를 제조하였다.
조성(중량%) 실시예 1 실시예 2 실시예 3
SiO2 36.5 41.7 45
B2O3 36.5 42.9 46.5
Na2O 16 9 5
K2O 8 4.5 2.5
Li2O 3 1.9 1
총합 100 100 100
<항균 유리 시편 제조>
상기 실시예에 따른 항균 글라스 조성물을 200mm×200mm 및 두께 1mm 이하의 저탄소강 시트에 코로나 방전 건(Corona discharge gun)을 이용하여 스프레이 하였다. 코로나 방전 건의 전압은 40~100kV의 범위에서 제어하였다. 상기 저탄소강 시트에 스프레이 된 항균 글라스 조성물의 양은 300g/m2 이다. 이후, 상기 항균 글라스 조성물을 700~750℃의 온도범위에서 300~450초간 소성하여, 최종적으로 코팅층이 형성된 시편을 완성하였다.
<실험예>
상기 실시예를 통해 제조된 시편에 대해 하기와 같이 항균 특성을 평가하였다.
1. 본 발명에 따른 항균 유리의 침출시 이온 용출 분석
본 발명에 따른 항균 유리의 표면에서 물로 인해 침출되는 용출 이온의 종류및 양을 분석하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
Si(ppm) K(ppm) Na(ppm) B(ppm) Li(ppm)
상온, 16시간 0.774 1.969 5.961 4.462 0.614
50 ℃ 16시간 1.318 3.510 10.470 8.961 1.277
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 항균 유리에서 Si, K, Na, B 및 Li 이온이 용출되는 것을 확인하였으며, 온도가 높을수록 용출되는 Si, K, Na, B 및 Li 이온이 증가하는 것을 알 수 있다.
2. 본 발명에 따른 항균 유리의 항균 특성 평가
본 발명에 따른 항균 유리의 코팅층에 대하여 항균력을 확인하기 위해 항균규격시험법인 JIS Z 2801, 필름부착법으로 황색포도상구균 및 대장균에 대한 항균활성치를 확인하고, 그 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타내었다. 일반적으로 항균활성치가 2.0 이상이며, 항균력을 99%로 환산한다.
균주 실시예 1
황색포도상구균 초기균수 1.7 104 1.7 104
24시간 후 2.6 104 <0.63
항균활성치 - 4.6
대장균 초기균수 1.7 104 1.7 104
24시간 후 1.1 104 <0.63
항균활성치 - 6.2
폐렴간균 초기균수 1.7 104 1.7 104
24시간 후 3.8 104 <0.63
항균활성치 - 5.8
녹농균 초기균수 1.7 104 1.7 104
24시간 후 2.4 104 <0.63
항균활성치 - 5.6
실시예 1 실시예 2 실시예 3
항균 활성치
(JIS Z 2801)		 황색포도상구균 4.6 4.6 2.7
대장균 6.2 6.2 1.9
폐렴간균 5.8 5.8 2.1
녹농균 5.6 5.6 1.8
pH 변화(증류수 20ml에 항균 유리 0.1g, 5분 노출) 10.8 10.3 8.7
상기 표 3 및 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 항균 유리 조성물로 제조된 코팅층은 황색포도상구균, 대장균, 폐렴간균 및 녹농균에 대해 항균활성이 높은 것을 알 수 있고, 항균력이 99% 이상이어서 황색포도상구균, 대장균, 폐렴간균 및 녹농균이 대부분 제거된 것을 알 수 있다.
또한, pH가 10 이상으로 나타나는 실시예 1 및 2의 경우에는 세탁 및 세정 보조제 역할도 할 수 있는 것으로 판단된다.
이상과 같이 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (8)

  1. SiO2 30 - 45 중량%;
    B2O3 36.5 - 46.5 중량%;
    Na2O 5 - 16 중량%;
    K2O 2.5 - 8 중량%; 및
    Li2O 1 - 3중량%; 를 포함하며,
    상기 B2O3가 36.5 - 46.5 중량%로 첨가되어, 상기 Na2O, K2O 및 Li2O의 알칼리 산화물에 포함된 알칼리 금속 이온을 용출시키는 것을 특징으로 하는 항균 유리 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 Na2O, K2O 및 Li2O의 함량은 합산으로 15 ~ 30 중량%인 것을 특징으로 하는 항균 유리 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 Na2O 및 K2O의 중량비는 2:1인 것을 특징으로 하는 항균 유리 조성물.
  5. SiO2 30 - 45 중량%, B2O3 36.5 - 46.5 중량%, Na2O 5 - 16 중량%, K2O 2.5 - 8 중량% 및 Li2O 1 - 3 중량%를 포함하도록 혼합하여 항균 유리 조성물을 제조하는 단계;
    상기 항균 유리 조성물을 멜팅하는 단계; 및
    상기 멜팅된 항균 유리 조성물을 냉각하는 단계;를 포함하고,
    상기 B2O3가 36.5 - 46.5 중량%로 첨가되어, 상기 Na2O, K2O 및 Li2O의 알칼리 산화물에 포함된 알칼리 금속 이온을 용출시키는 것을 특징으로 하는 항균 유리의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 Na2O, K2O 및 Li2O의 함량은 합산으로 15 ~ 30 중량%인 것을 특징으로 하는 항균 유리의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 Na2O 및 K2O의 중량비는 2:1인 것을 특징으로 하는 항균 유리의 제조방법.
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