KR20030026775A - 광촉매 코팅을 이용한 기능성 건축 내외장재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

건축 내외장재에 무기 언더코팅과 광촉매 물질 및 전이금속 화합물로 이루어지는 광촉매 코팅을 이용하여, 냄새 제거, 오염 방지, 항균 및 곰팡이 생장 억제와 이로 인한 사용 수명 연장 등의 기능성을 부여하는 방법을 제공한다.

Description

광촉매 코팅을 이용한 기능성 건축 내외장재의 제조 방법{METHOD FOR PREPARATION OF FUNCTIONAL BUILDING INTERIOR OR EXTERIOR MATERIALS}

본 발명은 광촉매의 산화-환원 반응을 이용한 기능성 건축 내외장재의 제조 방법으로서 특히, 건축내외장재에 무기 언더코팅을 형성시킨 후에 광촉매 및 전이금속 화합물을 함유하는 코팅 용액으로 광촉매 코팅을 함으로써, 광촉매 산화원리를 이용한 건축내외장재 코팅으로 냄새 제거, 오염 방지, 항균 기능 및 곰팡이 생장 억제 등의 기능성을 부여하는 기술에 관한 것이다.

산업 사회의 발전으로 도시가 발전하고 건축이 증가함에 따라 건축 공법의 다변화가 이루어지고 있다. 최근까지 건축재는 디자인 위주의 외형적인 발전을 이루고 있다. 근간 급속한 사회 발전으로 인한 공장의 증설, 편리성을 위한 자동차 사용의 증가 등 화석 연료의 사용이 급증하고 있으며 이러한 무분별한 화석 연료의 남용으로 오존층 파괴, 대기중 오염물질 증가 등으로 인간의 주변 환경은 크게 오염되고 있는 실정이다. 각종 공해에 시달리고 있는 인간은 이제 생활 환경 오염의 위기에 서있으며 이러한 문제점으로 인간생활과 가장 밀접한 주거 환경 개선에 대한 요구는 필연적 문제이다. 기존의 건축자재들은 건축의 실용성 및 디자인적 관점에서 많은 발전을 이루어왔으나 자재의 환경 기능성의 부여는 아직 미진한 실정으로 근간 기능성 건축자재류의 연구활동이 활발하게 이루어지고 있다. 건축물의 기존 제품의 문제점으로서 첫째, 오염시 재생이 어려우며 둘째, 세균 및 곰팡이류의 발생 등으로 디자인은 비약적으로 발전하였으나 이에 따른 기능성은 매우 부족한 실정이다.

특히, 벽지, 커텐 등은 곰팡이, 이, 진드기 등 세균 증식을 도와 인간의 호흡기 질환 및 개인 위생에 많은 유해 요소로 작용하고 있으며 이들은 세척 및 재생이 어려워 한번 장착시 다시 사용하기가 어려운 실정이다. 따라서 이러한 문제점을 극복하기 위하여 다각도로 많은 시도가 이루어지고 있으나 아직 미진한 부분이 많은 실정이다. 종래기술로서 예를 들면 칼슘퍼스테이트, 은, Al₂O₃, SiO₂, Mn 등을 첨가한 바이오 세라믹을 부착하고있으나 그 기능성 범위가 매우 한정되어 있는 실정이다.

또한, 이산화티탄(TiO₂)을 이용한 광촉매 코팅 기술로서 한국특허출원 제 037009/1999 호가 개시되어 있으나, 상기 특허출원에서와 같이 폴리비닐알콜(PVA)을 코팅한 후 이산화티탄 광촉매를 뿌려줄 경우, 코팅 상태가 일정하지 않아 미관상 좋지 않은 결과를 얻게 되며, 게다가, 이산화티탄 광촉매가 폴리비닐알콜(PVA)를 산화시켜 그 막이 오래 지속되지 못하게 되는 문제점이 나타나게 된다.

따라서, 본 발명은 건축내외장재에 광촉매 물질과 전이금속 화합물을 함유하는 광촉매 코팅을 형성시키며 이 기능성 코팅막과 기판 사이에서 상호 보호 작용을 하는 무기 언더코팅(undercoating)을 형성시킴으로써, 기존의 광촉매 코팅보다 우수한 성능을 발휘함과 동시에 기판을 보호하며 안정적인 코팅막을 형성시켜 그의 사용 수명을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는 데 그의 목적이 있다.

도 1은 광촉매의 원리를 나타낸 것이다.

도 2는 금속 입자를 포함한 광촉매 산화-환원 반응 효율 증대 모식도를 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 기능성 광촉매 코팅의 구조를 나타낸 것이다.

도 4는 대장균(Eschericshia coil ATCC 25922)대한 항균성 테스트 결과를 나타낸 것이다.

도 5는 폐렴간균(Klebsiella pneumoniae ATCC 4352)에 대한 항균성 테스트 결과를 나타낸 것이다.

도 6은 녹농균(Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853)에 대한 항균성 테스트 결과를 나타낸 것이다.

도 7은 황색포도상구균(Staphylococcus aureus ATCC 6538)에 대한 항균성 테스트 결과를 나타낸 것이다.

도 8은 진균류 생장 억제 테스트 결과를 나타낸 것이다.

본 발명은 건축 내외장재에 무기 바인더로 이루어진 언더코팅을 형성시킨 후에, 광촉매 5 내지 60 중량% 및 광촉매를 기준으로 하여 전이금속 화합물 0.001 내지 50 중량부를 함유하는 광촉매 코팅 용액으로 코팅하는 것으로 이루어지는 기능성 건축 내외장재의 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 도 3에 나타낸 바와 같이, 코팅 대상 물질인 기재, 즉, 건축 내외장재의 재질에 따라 적당한 막 두께로 이를 보호할 수 있도록 무기 바인더로 이루어진 언더코팅을 실시하고 그 위에 광촉매로 코팅을 실시한다.

본 발명의 무기 바인더로 이루어진 언더코팅은 폴리비닐알콜과 같은 유기 바인더로 이루어진 언더코팅에서 발생할 수 있는, 광촉매 반응시의 코팅막 박리나 변형 현상이 나타나지 않아 코팅막이 오래 유지되고 기존 유기 바인더로 이루어진 언더코팅에 비하여 장시간 사용하여도 안정적인 코팅막을 형성하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 언더코팅은 실리카, 알루미나, 지르코니아, 세리아, 이트리아, 보로니아, 마그네시아, 칼시아, 티탄산바륨, 규산칼슘과 같은 무기 산화물 입자 등의 무기 바인더를 물이나 에틸알콜 등의 분산 매질과 함께 사용하여 형성시킬 수도 있으며, 실록산이나 가수분해성 실란 유도체 또는 유기계 실리카졸과 같은 실리콘 전구체 등으로 무기 바인더로 전환이 가능한 유기 화합물들을 사용하여 형성시킬 수도 있다. 특히, 실리카(SiO₂)계 화합물을 바인더로 사용하는 것이 바람직하다.

이같이 무기 바인더와 함께 사용된 분산 매질 및 실리콘 전구체나 유기계 실리카졸 등의 유기 치환기 부분은, 본 발명의 언더코팅이 무기 바인더로 이루어질수 있도록 하기 위하여 제거되어야만 한다. 이때, 코팅 대상 물질이 되는 기재 등의 재질 및 분산매질 등의 끓는점 등을 고려하여 적절한 온도내에서 열처리를 수행할 수 있다. 이러한 온도는 이 분야의 당업자에 잘 알려진 바이며, 본 발명의 건축 내외장재 특성상 약 80 내지 500 ℃ 정도에서 수행할 수 있다. 이러한 열처리 과정을 거치면, 예컨대, 유기계 실리카졸을 사용하여 언더코팅을 수행한 경우에도 유기기들이 모두 제거되어 무기 바인더인 실리카(SiO₂) 성분만이 존재하게 되어, 최종적으로 무기 바인더로 이루어진 언더코팅을 형성시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 언더코팅은 실리카 계열의 실란(Silane)류의 바인더를 섞어 사용하여 형성시킬 수도 있으며, 가수분해 반응을 통해 그 성능을 향상시키는 방법을 사용할 수도 있다. 이때, 가수분해 반응은 질산, 염산, 황산 등의 산을 소량 첨가하여 약 80 ℃ 정도에서 일정 시간 교반시켜 원하는 물성의 바인더를 제조할 수 있다. 가수분해 정도에 따라서 코팅막의 두께가 결정된다.

본 발명의 언더코팅은 대상 물질 재질과 성능 등의 요구 조건에 따라 그 두께가 달라지나, 일반적으로 코팅후 막두께가 0.1∼10 ㎛ 정도인 것이 바람직하다. 만일 두께가 이보다 두꺼워질 경우에 바인더에 의해 광촉매 성능이 떨어지게 되며, 너무 두께가 얇은 경우에는 기재 보호 및 광촉매 코팅의 박리 몇 변형 방지를 위한 언더코팅의 성능을 충분히 발휘할 수 없게 된다.

한편, 본 발명에서 광촉매 재료로는 광에 의한 산화-환원 반응을 발현하는 모든 종류의 광촉매 물질을 사용할 수 있다. 즉, 균일계 광촉매 및 불균일계 광촉매를 포함하고, 층상 페로브스카이트(Perovskite) 형태의 광촉매를 첨가하거나 제올라이트와 광촉매를 함께 코팅하거나, 이들 광촉매를 포함한 형태로 합성하여 그 성능을 증진시켜 사용할 수도 있다. 예컨대, 균일계 광촉매로는 Ru(bipy)₃ ²⁺, 금속 포르피린과 같은 염료 또는 금속 착화합물 등을 들 수 있으며, 불균일계 광촉매로는 Si, Ge와 같은 결합성 반도체나 Cds나 TiO₂등과 같은 금속 산화물의 이온 결합성 반도체 물질을 들 수 있다. 바람직하게는, 이산화티탄계의 광촉매를 사용할 수 있다.

광촉매는 코팅 대상 물질의 재질 및 성능 등에 따라 그 함량이 달라지나, 바람직하게는 5 내지 60 중량% 범위로 사용할 수 있다. 이같은 광촉매 성분의 함량은 성능면에서 최소한의 범위 이상을 포함하는 것이여야 하며, 경제적인 측면에서나 광촉매 코팅의 균열이나 변형 등을 방지하기 위한 측면에서 최대 범위의 양을 초과하지 않는 것이 바람직하다.

광촉매의 산화-환원 반응은 광에 의해 조사된 광자(Photon)가 광촉매 입자에 에너지를 전달하여 입자내에서 전자(e^-)와 정공(H⁺)으로 분리되고, 형성된 전자와 정공은 광촉매 입자의 표면으로 이동하여 환원 반응과 산화 반응을 진행한다(도 1). 이렇게 발생한 전자와 정공은 모두 산화-환원 반응에 참여하지 못하고 대부분 광촉매 입자 표면으로 이동하여 재결합하여 사라지고 일부의 전자와 정공이 반응에 참여한다. 이들의 재결합을 억제하기 위하여, 본 발명에서는 전이 금속 입자를 표면에 도핑이나 주입시켜 성능을 증대시킬 수 있다. 이러한 방법을 사용할 경우 광촉매 입자내에서 발생한 전자를 효과적으로 담지(trap)시켜 전자와 정공의 재결합을 억제하여 광촉매의 산화-환원 반응을 효과적으로 증대시킨다(도 2). 또한, 제올라이트를 적용할 경우에도, 기체와 광촉매간의 접촉 시간을 길게 도와주는 기능으로 그 효율이 더욱 증대될 수 있다.

본 발명에서는 Ni, Fe, Cr, V, Ag, Pt, Ru, Pd 등과 같은 주기율표상의 전이금속(transition metals, 3A족-2B족)들의 적용이 가능하며 이들을 도핑(doping)이나 주입(implantation)시킬 경우 기존 광촉매가 UV에서 반응하는 반면 UV 영역은 물론 가시광 영역의 에너지를 흡수하여 좀더 효과적인 산화-환원 반응을 진행한다. 특히, Ag, Pt, Ru, Pd의 노블(Noble) 금속을 이용할 수도 있다.

이같이 전이 금속 화합물을 포함하는 광촉매 코팅을 하는 경우, 지속적인 산화-환원 반응으로 실내 환경 개선에 매우 효과적이다. 광촉매 반응에서 발생하는 강력한 산화 환원 반응으로 인하여 실내 공기중의 각종 오염 물질의 제거는 물론, 세균 증식 억제, 실내 환경 개선 등으로 위생 환경 개선이 이루어질 수 있다.

본 발명에서 전이 금속 화합물의 첨가량은 제품의 용도 및 재질, 광촉매의 특성, 금속 화합물 입자의 종류 등에 따라서 선택적으로 사용되어야 하며, 일반적으로는 광촉매를 기준으로 하여 0.001∼50 중량부를 사용한다. 만약 0.001 중량부 미만으로 사용하는 경우, 전이 금속 화합물이 광촉매의 산화-환원 반응을 활성화시키는 효과를 얻을 수 없으며, 50 중량부를 초과하여 사용하는 경우 고가의 시약을 과량으로 사용하는 것에 비해 성능 효과상의 개선 정도의 차이가 저조한 편이며,이같은 전이 금속 화합물에 의해 광촉매 코팅상의 크랙이나 변형이 유발되어 전체 코팅을 훼손시킬 수 있다.

본 발명에서 이같은 광촉매 코팅의 막두께는 코팅 대상 물질의 재질이나 성능 등을 고려하여 조절될 수 있으나, 일반적으로 코팅후 막두께가 0.1∼10 ㎛가 되도록 수행할 수 있다. 광촉매의 산화-환원 반응의 성능 효과를 얻기 위해서는 코팅후 막두께는 최소한 0.1 ㎛ 이상으로 코팅을 수행하여야 하며, 10 ㎛를 초과하는 경우에는 광촉매 코팅의 균열이나 변형을 초래할 수도 있다.

본 발명의 언더코팅 및 광촉매 코팅은 딥코팅, 스프레이 코팅, 그라비아 코팅, 콤마 코팅, 롤 코팅, 바 코팅 등의 다양한 코팅 방법에 의해, 코팅하고자 하는 대상 물질의 제조 공정 및 요구 조건에 따라서 선택적으로 실시한다.

본 발명의 광촉매 코팅시에, 언더코팅과의 친화력을 증진시킬 수 있도록 광촉매 코팅 용액에 바인더를 추가로 포함시킬 수 있다. 이 바인더는 언더코팅시에 사용된 것과 동일한 범주내의 화합물을 사용 가능하며, 언더코팅시 사용된 바인더와 동일하거나 상이하게 사용할 수 있다. 특히, 바람직하게는 실리카계 화합물을 바인더로 사용할 수 있다.

본 발명은 통상의 건축 내외장재에 기능성 광촉매 물질을 코팅함으로써 항균, 방취, 내오염성을 기대할 수 있으며, 본 발명으로 개발된 기능성 광촉매는 어떠한 형태의 성형품이나 적용이 가능하며 종이 , 범용수지류, 금속류, 무기물류 등 그 재질에 대한 제약을 받지 않는다. 특히, 이러한 본 발명의 건축 내외장제의 기능은 기판과 광촉매 기능의 코팅층의 사이를 차단하여 줄 수 있는 무기 바인더로이루어진 언더코팅(undercoating)을 사용함으로써, 각종 섬유제품, 범용수지류(예를 들면, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리스타일렌(PS), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)) 등과 같은 플라스틱류, 유리, 시멘트 및 벽지 등 거의 모든 건축 내외장재에 적용할 수 있는 장점이 있다.

[실시예]

실시예 1

광촉매 코팅을 이용한 기능성 벽지의 제조

기능성 벽지 제조를 위하여 국내 시판중인 LG화학 모젤그라시아 벽지(종이 및 PVC 코팅) 위에 기능성 광촉매 코팅을 위하여 먼저 제품과 광촉매를 보호하기 위하여 언더코팅을 실시하였다. 언더코팅재로서 유/무기계 실리카졸을 사용하였다. 무기계 실리카졸로는 일산화학제의 SNOTEX-O를 사용하였고, 유기계 실란으로는 테트라에틸 오르쏘실리케이트(Aldrich)와 메틸트리에톡시실란(Aldrich)를 사용하였다. 이때 스프레이 코팅을 실시하였으며 100 ℃로 5 분간 열처리를 실시하여 유기계 실리카졸에 포함된 유기 성분을 제거하며, 코팅을 안정화시켰다. 코팅후 막두께는 약 0.2 ㎛가 되었다.

언더코팅 후, 그 위에 광촉매 코팅을 실시하였다. 광촉매 물질로는 이산화티탄계 광촉매 제품인 Degussa 사의 P-25를 광촉매 함량이 60 중량% 이하가 되도록 조절하여 사용하였다. 전이 금속 화합물로서는 플래티늄(Pt)을 첨가하였는데, 코팅 용액에 하이드로겐 헥사클로로플래티네이트(IV)하이드레이트(Aldrich)를 첨가한 후 환원시켜 사용하였다. 전이 금속 화합물은 상기 광촉매를 기준으로 하여 50 중량부이하가 되도록 첨가하였다. 광촉매를 기준으로 상기 광촉매 및 전이 금속 화합물은 상기 언더코팅과 원활한 부착을 위하여 코팅 용액에 분산시켜 사용하였으며, 이때 바인더 물질로는 언더코팅시에서 사용한 바와 같은 유/무기계 실리카졸을 사용하였다. 광촉매 코팅은 마찬가지로 스프레이 코팅법으로 실시하고 100 ℃에서 20 분간 열처리하였다. 코팅후의 막두께는 약 0.4 ㎛가 되었다.

실시예 2

광촉매 코팅을 이용한 기능성 벽지의 냄새 제거 성능 평가

상기 실시예 1에서 제조된 광촉매 코팅 벽지의 냄새 제거 효과를 확인하기 위하여 UV 램프 조사 및 옥외 폭로 실험을 수행하였다. 20 W의 UV 램프 사용 결과, 100 ppm 농도의 아세톤을 3 시간 만에 모두 제거를 하였으며, 폭로 실험 결과, 같은 농도의 아세톤을 8 시간 만에 제거함을 확인할 수 있었다.

따라서, 기존의 냄새 제거형 기능 코팅에 비하여 우수한 성능을 확인할 수 있었으며 기존의 재료에 비하여 제조 공정이 간단하며 안정적인 성능을 보임을 알수 있었다.

실시예 3

항균성 테스트

상기 실시예 1에서 제조된 광촉매 코팅 벽지의 항균성 효과를 확인하기 위하여, FITI 한국소비과학연구센터에 본 발명의 광촉매 코팅에 대한 항균성 테스트를 의뢰하였다. 이 테스트는 쉐이크 플라스크(shake flask)법에 따라 수행되었으며, 시험시료와 대조시료를 공시균으로 접종후 일정시간 경과후 시험시료와 대조시료에존재하는 미생물의 수가 측정되면 시험시료와 대조시료간의 감소율을 계산하여 살균정도를 정량적으로 나타내는 방식으로 실시하였다. 이 테스트에 사용된 공시균주는 대장균(Eschericshia coil ATCC 25922), 폐렴간균(Klebsiella pneumoniae ATCC 4352), 녹농균(Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853), 황색포도상구균(Staphylococcus aureus ATCC 6538)이었으며, 각각의 시험 결과를 도 4 내지 7에 나타었다. 해당 도 4 내지 7로부터도 명확히 비교할 수 있는 바와 같이 본 발명의 광촉매 코팅은 대조군인 블랭크 테스트에 비해 월등히 우수한 항균 특성을 나타냈으며, 본 발명의 광촉매 코팅이 시험균에 대하여 99.99% 정도의 항균 성능을 갖는 것으로 측정되었다.

실시예 4

진균류 생장 억제 테스트

상기 실시예 1에서 제조된 광촉매 코팅 벽지의 진균류 생장 억제 효과를 확인하기 위하여, 또한 FITI 한국소비과학연구센터에 본 발명의 광촉매 코팅에 대한 진균류 억제 테스트를 의뢰하였다. 이 테스트는 시험시료와 대조편을 혼합포자 현탁애긍로 접종시킨 후 일정기간 배양하고, 배양된 곰팡이의 생육상태를 관찰하는 방미도 시험(ASTM G-21)로 수행하였다. 이 테스트에서, 시편위에 존재하는 곰팡이의 생육 상태를 통해 방미성이 있는 시험편과 대조편간의 생육 상태가 비교되는데 이는 가공 제품에 대한 방미도의 정도를 정성적으로 나타낸 것이다. 이 테스트에 사용된 공시균주는 흑색 아스페르길루스(Aspergillus niger ATCC 9642), 케토뮴 글로보섬(Chaetomium globosum ATCC 6205), 페니실륨 피노필륨(Penicilliumpinophilum ATCC 11797), 글리크라듐 바이렌스(Gliocladium virens ATCC 9645), 오레오바시듐 풀루란스(Aureobasidium pullulans ATCC 15233)이였으며, 이중 흑색 아스페르길루스에 대한 시험 결과를 도 8에 나타었다. 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 광촉매 코팅은 대조군인 블랭크 테스트에 비해 월등히 우수한 진균류 억제, 즉, 곰팡이 생장 방지 효과를 나타내었다.

이상에서와 같이 본 발명은 UV 및 자연 광원 하에서 강력한 산화-환원 작용을 발현하여 냄새의 원인이 되는 유기물을 효과적으로 분해하여 냄새제거 효과는 물론 세균 억제 및 자체 오염 방지 기능을 발현하는 성능을 지니고 있다. 또한 본 발명은 어떠한 재료에도 적용이 가능하여 건축물 내외장재는 물론 사회 전반에 적용하여 강력한 산화력을 이용한 오염 방지로 인한 건축물 내외부의 미관개선, 냄새 제거를 통한 환경 개선, 세균 억제력으로 인한 위생 환경 조성 등의 효과를 얻을 수 있다. 이 발명은 기존의 모든 건출물 내외장재에 적용이 가능하며 제조법의 제한요소가 극히 적으며 제조가 간단하고, 또한 지속적인 성능 발현으로 안정적이니 성능을 기대할 수 있다. 마지막으로 자연친화적인 재료의 사용으로 오염이 없으며 인류의 마지막 에너지인 태양광을 이용하는 환경친화적인 기술이다.

Claims (9)

1. 건축 내외장재에 무기 바인더로 이루어진 언더코팅을 형성시킨 후에, 광촉매 5 내지 60 중량% 및 광촉매를 기준으로 하여 전이금속 화합물 0.001 내지 50 중량부를 함유하는 광촉매 코팅 용액으로 코팅하는 것으로 이루어지는 기능성 건축 내외장재의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 언더코팅 또는 광촉매 코팅후에 추가로 80 내지 500 ℃의 범위에서 열처리를 수행하는 방법.
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 언더코팅 또는 광촉매 코팅을 형성시킬 때 실리카졸계 바인더를 사용하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 언더코팅을 코팅후 막두께가 약 0.1 내지 10 ㎛가 되도록 수행하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 광촉매 코팅을 코팅후 막두께가 약 0.1 내지 10 ㎛가 되도록 수행하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 광촉매가 균일계 촉매, 불균일계 촉매, 그의 금속이나 이온 첨가된 형태, 상기 촉매와 합성한 제올라이트 형태 및 그의 층상 페로브스카이트 형태로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 방법.
7. 제 1 항 또는 6 항에 있어서, 상기 광촉매가 Ru(bipy)₃ ²⁺, 금속 포르피린, Si, Ge, CdS, 이산화티탄 및 이를 함유하는 반도체 물질로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 전이금속 촉매가 팔라듐, 은, 플래티늄, 금 및 루테늄으로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 건축 내외장재가 섬유 제품, 수지 제품, 유리 제품, 시멘트 제품 및 벽지로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 방법.