KR20050074684A - 석재 또는 목재의 조직 내에 콜로이드상의 금속 나노입자를 침투시킨 항균석재 및 항균목재, 항균금속의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석재나 목재의 조직 내에 있는 수분을 증발시키거나 배출케 한 다음 가열하여 건조시키고, 콜로이드상의 금속나노입자를 석재 및 목재에 함침한다. 이때 이 석재 및 목재가 냉각되는 과정에서 금속나노입자가 빠른 시간안에 침투되어 안정화되게 한 항균석재 및 항균목재의 제조방법에 관한 것이다.

Description

석재 또는 목재의 조직 내에 콜로이드상의 금속 나노입자를 침투시킨 항균석재 및 항균목재의 제조방법{Antibiotic stone and lumber's manufacture method that is infiltrated metal nano particle of colloid state within tissue of stone or lumber}

본 발명은 금속의 나노입자 중 콜로이드상의 나노실버 또는 산화티탄(TiO₂)을 석재 또는 목재에 안정성을 유지하면서 대량으로 침투시켜 지속성 있게 항곰팡이, 항균력 및 탈취력을 유지할 수 있도록 한 금속입자함유 항균석재 또는 항균목재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 석재나 목재의 조직에 색갈을 입히기 위하여 염료 또는 일정 첨가제를 침투시키는 종래의 방법은 밀폐된 공간에 염료나 첨가제를 석재 또는 목재와 혼합한 상태에서 열과 일정 압력을 가하여 일정 시간을 경과시킴으로써 석재 또는 목재 조직 내에 강제적이고도 물리적으로 염료 또는 첨가제를 침투시켜 왔던 바, 이는 밀폐 공간이 일정 압력에 견딜 수 있는 내구성을 요하고 기밀성을 요하는 관계로 밀폐 공간을 철판 또는 특수 소재로 제작하는 비용이 과다하게 소요되는 점이 있었다. 게다가 석재 또는 목재의 규격이 클 경우에는 장치비의 과다 소요와 운반 및 함침 건조 시 작업상 밀폐 덮개를 열고 크레인을 사용해야 하는 등 위험성과 번거로움마저 있었다.

또한, 종래에는 액상의 염료나 첨가제가 섭씨 100도 이상되는 온도를 가져야 하기 때문에 작업상에 에너지 손실은 물론 화상의 위험이 상존하고 있을 뿐 아니라 또한 사용하는 염료나 첨가제가 가열되는 과정에서 물성이 변하거나 증발 및 손실되는 경우도 많아 그 효율성이 떨어지고 경제성이 없었다.

또한, 종래의 방법은 단지 석재 및 목재에 색갈을 입히는 것이 주된 목적이었으며, 대게의 경우 본 발명의 경우처럼 항균 및 살균력 또는 탈취력 기능 등 일정한 기능을 아울러 부여하기 위하여 콜로이드상의 금속나노입자를 침투시키는 방법은 아니었다.

게다가 종래의 방법은 액상의 염료나 첨가제뿐만 아니라 항균력 등의 특수한 기능을 부여하기 위하여 금속의 나노 크기의 항균제를 석재 또는 목재에 침투 시켰다 하더라도 이를 밀폐된 공간에서 석재나 목재와 염료 또는 첨가제를 함께 혼탕하여 가열함으로써 석재나 목재의 조직(결정구조) 내에 강제적으로 염료나 첨가제를 침투시킨 방법이었다.

따라서, 본 발명은 밀폐된 함침 장치나 구조물 등을 별도로 준비 또는 설치함이 없이, 또한 규격이 큰 석재나 목재를 함침시에도 그 제작 경비가 많이 소요되지 않으며, 콜로이드상의 금속나노입자를 일정 압력과 온도로 끓여야 하는 번거로움을 없애고 이에 따르는 물성의 변화나 재료의 손실을 없애며, 특히 제조 공정의 처리 시간이 짧고 대량으로 생산이 가능하면서도 소요 전력이 절감되고 화상 등 작업상 위험성이 없는 석재나 목재의 색갈 입힘과 항균, 항곰팡이 기능을 동시에 도모한 새로운 방법을 창안해 낸 것으로, 본 발명은 상기 효과를 달성하고 아울러 금속입자의 함침으로 우수한 항균력을 유지할 수 있도록 한 데에 목적이 있다.

따라서, 전술한 바와 같이 밀폐된 공간에서 일정 압력을 부여하여 이 석재나 목재의 조직에 염료 또는 첨가제를 강제적으로 침투시켜 온 종래의 방법과 달리 본 발명은 석재나 목재의 조직 내에 있는 수분을 먼저 증발시키거나 또는 밖으로 밀어내어 석재 또는 목재의 조직을 건조한 상태로 유지를 한 후, 그 다음 공정에서 본 발명상의 함침용액인 콜로이드상의 금속나노입자로 석재 및 목재를 함침하고 함침 후 가열된 석재 및 목재가 냉각되는 과정에서 콜로이드상의 금속의 나노입자가 석재 또는 목재 안에 빠른 시간 안에 침투되어 안정화를 취할 수 있도록 하며, 건조 후 금속나노입자의 물성 변화를 최소화하여 우수한 항균력을 유지할 수 있도록 한 데에 초점을 두었다.

이를 위하여 본 발명은 그림 1과 같이 목재 또는 석재를 가열하기 위하여 온열판 바닥의 온도가 60~120℃ 정도의 온도가 도달될 수 있도록 목재 또는 석재의 가열용기를 가열하여 약 5분 내지 30분(목재 또는 석재의 두께에 따라 차이가 있음) 경과 후 가열된 목재 또는 석재를 그림 2의 함침용액 주입용기에 넣고 전술한 은(Ag)금속의 나노입자 또는 산화티탄(TiO₂)의 나노입자를 수용한 함침용액을 용기에 담고 목재 또는 석재 위가 잠길 때까지 주입하여 함침 시킨다. 여기에서 함침용액의 용매로는 통상의 각종 용제 중 목재, 석재의 재질, 나노입자의 물성에 따라 물, 에탄올, 에틸렌글리콜 등의 용액을 선택 사용한다. 석재의 경우에도 석재가 상온에 도달하여 냉각될 때까지 도 2와 같이 준비된 일실시예로서의 함침용기에 각각 함침 후, 이를 상온에서 건조하는 건조공정을 거침으로써 석재 및 목재의 조직(결정 구조 사이) 내에 실버(Ag) 또는 티탄 등의 금속 또는 그 화합물로 된 나노입자를 효율적으로 침투시키도록 하는 방법을 택한 것이다.

즉, 본 발명은 기본적으로 청구항 1에 관한 것이다.

여기에서 상기 본 발명상의 나노입자는 극미세 실버(Ag)입자 또는 산화티탄(TiO₂)입자로 되고, 100나노미터(nm) 이하, 특히 그 중에서도 20나노미터(nm) 이하의 나노입자를 사용한다. 또한, 나노실버의 경우 통상 나노화된 폴리머, 예컨데 폴리머 폴리비닐피롤리돈(PVP:polyvinylpyrrolidone)이 결합된 나노실버를 함침용액 전체에 대해 0.2~9wtㆍ% 정도의 비율로 사용할 수 있다. 이는 나노화된 폴리머가 석재나 목재의 조직으로 침투되어 금속의 나노실버입자가 안정화를 취할 때 결합도를 높이며 그 조직의 치밀도를 높이기 위한 것이다.

금속의 나노입자 중 계면활성제가 코팅된 금속나노실버입자나 실리카를 담체로 사용한 나노입자를 사용하게 될 경우 물성의 변화나 응집현상 또는 침투가 용이하지 못할 가능성이 높기에 이 경우 가열판의 온도를 폴리머로 안정화를 취하고 있는 금속의 나노실버입자를 사용할 경우보다 20% 이상 높은 온도로 가열하여 그 효율성을 높이도록 한다.

본 발명상의 목재 또는 석재 가열용기를 도 1에, 가열 터널을 도 2에 그리고 함침구조물(1)을 도 3에 일실시예로서 도시하였다. 도 1에서 점선부분은 필요에 따라 벽부(2)를 형성할 수 있음을 보여준다.

도 1에서와 같이 밑면에 다수의 홈(4)을 형성한 바닥면(5)으로 구성하고, 이 홈(4)은 길이방향으로 상호 평행하게 형성한 것은, 홈(4)과 홈(4) 사이의 바닥재(3) 속에는 전열선(6)을 설치하여 목재 또는 석재를 용이하게 가열할 수 있도록 한 것이다.

(실시예)

도 1과 같이 가열판을 제작하여 80℃에서 석재나 목재를 가열 건조하였다. 가열판의 제작은 그 소재나 방법을 국한하지 않고 열선을 사용하여도 가능하며 보일러나 기타 에너지를 사용하여도 무방하다. 다만 바닥면 밑면을 요철이 되게 형성하여 요홈(4)에 석재나 목재를 홈에 집어 넣으므로써 가열 후 목재나 석재를 들어올리거나 운반용 로프 등 치구를 사용하기 편하게 하였다.

도 1은 단순히 석재나 목재를 건조시키는 가열용기이며 반드시 덮개를 필요로 하지 않으나 목재나 또는 석재 중 높이 있는 가공물(예: 납골함)은 열전도의 효율을 높이기 위하여 덮개를 사용할 수 있다. 열전도가 까다로운 제품의 경우 상부의 덮개에도 발열장치를 하여 상부와 하부에서 동시에 가열할 수 있다. 석재나 목재의 규격이 크거나 대량의 생산 방법을 택하고자할 때는 덮개의 사용이 용이치 못하므로 이 경우는 도 2와 같이 발열장치를 부착한 반구형의 가열 터널을 마련하여 터널 내에서 석재나 목재를 가열할 수 있다.

도 3은 바닥부(9)와 벽부(8)를 구비한 나노실버 함침용 용기(7)로서 도 1의 가열용기와 반대로 볼록부(10)가 좁은 면적으로 위로 돌출되게 하였다. 이는 그림 1의 홈의 기능이 로프 등을 넣어 목재나 석재를 들어올리기에 용이하게 하기 위함도 있으나 석재나 목재의 바닥면이 함침용구의 바닥면(9)이 아닌 볼록부(10) 또는 볼록부 위로 놓여지도록 약간의 틈을 두게 함으로써 콜로이드상의 나노실버가 석재 또는 목재 바닥으로 부터도 용이하게 침투될 수 있도록 함이다. 다만, 그 최하층의 바닥면의 경사가 회수 구멍(11)측으로 경사도를 주어 사용 후의 콜로이드 나노실버를 회수시 자연 낙하에 의하여 회수 구멍(11)으로 흘러 내릴 수 있도록 함이다. 함침용구는 벽부(8)를 반드시 구조로 갖고 있어야 하며, 함침시 콜로이드상의 나노실버는 석재나 목재의 높이보다 약 3~5mm정도 높이를 유지하면 된다. 또한 금속의 나노입자가 바닥면에서도 원활히 흘러갈 수 있도록 함으로써 석재 및 목재의 바닥부위까지 금속의 나노입자가 골고루 침투될 수 있도록 하였다.

요철의 바닥면 중 아래면이 한편으로 경사를 지게하고 경사 끝부분의 모서리부에 구멍(11)을 형성하여 마개로 그 구멍을 개폐할 수 있도록 하여 함침 후 사용한 콜로이드상의 금속나노실버입자를 회수할 때 회수를 용이하도록 한다. 즉, 콜로이드상의 금속나노입자의 회수용 탱크(12)를 상기 구멍(11) 밑에 위치하게 하여 마개를 열면 콜로이드상의 금속입자가 경사된 면을 따라 흘러 천공된 구멍(11)으로 배출되어 회수용 탱크(12)에 회수되게 한 것이다.

석재의 경우 콜로이드상의 금속나노입자에 함침하는 시간은 석재의 두께를 불문하고 석재가 냉각되는 시점까지로 한다. 이는 석재가 냉각되어지는 과정에서 금속의 나노입자가 석재의 조직 내로 침투되는 것이기에 냉각이 끝난 후 계속 함침할 경우 효율이 떨어지게 된다. 목재의 경우 목재의 종류에 따라 흡수율이 다르나 대략 3시간 정도 함침하면 목재의 표면에서부터 약 2mm에서 3mm 정도의 깊이로 금속의 나노입자를 침투시킬 수 있음을 확인하였다.

석재나 목재에 금속의 나노실버를 침투시킨 후에는 도 3에서와 같이 콜로이드상의 금속의 나노입자를 회수하고 세척 공정을 거친다. 세척시 세척용매는 물이나 에탄올 모두 가능하나 가급적 에탄올로 세척을 하여 금속의 나노입자가 석재나 목재의 표면에서 쉽게 분리 되도록 한다. 또한 에탄올로 세척후 회수하는 세척물은 다시 재활용이 용이하다.

건축용 석재의 경우 위 실시예에 의하되, 특히 바닥용으로 사용된 석재의 경우는 바닥 공사가 마감된 후 건물의 바닥에 설치된 난방용 온열판을 가열하여 도 1의 가열판 역할을 하도록 하고 바닥의 석재가 뜨거울 정도 (약 섭씨 40도 이상)로 가열 후 콜로이드상의 금속의 나노입자를 석재의 상부 바닥면에 함침효과를 볼 수 있도록 적셔놓는다. 이 경우 금속의 나노입자의 사용량을 경제적으로 적게 사용하고 작업성을 높이며, 이물질의 혼입을 최소로 하기 위하여 얇은 천이나 부직포를 바닥의 석재 윗면에 덮어두고 난방용 온열판의 가열을 멈춘 상태에서 약 5시간 정도 경과하면 금속의 나노입자가 침투되어 항균력을 얻을 수 있다.

마지막으로 실시되는 건조 공정은 자연상태로 건조가 가능하나 우천시나 대량 생산을 위하여는 최초의 석재나 목재를 가열하는 도 1의 가열판 위에서 건조를 하거나 도 2의 가열 터널에서 건조를 하면 건조의 효율성을 높일 수 있다. 건축용 바닥석재의 경우 바닥용 난방 온열판을 가열하여 건조의 효과를 볼 수 있도록 한다.다만 건조는 낮은 온도에서 서서히 진행하는 것이 색갈의 발현을 좋게 할 수 있다.

한편, 항균제 중 극미세 금속나노실버입자에 관해 설명한다.

본 발명상의 함침용액의 구성성분은 콜로이드상의 금속의 나노입자이면 원하는 침투력과 항균력을 얻을 수 있다. 특히 , 침투의 효율을 높이기 위하여 용액 1,000ppm 농도를 기준할 때 은(Ag)나노입자 0.05~9wtㆍ%, 에탄올 90.9~99.9%를 기본으로 하고, 여기에 필요에 따라 폴리비닐피롤리돈 등의 폴리머를 결합시킨 것으로 구성한다.

본 발명은 예컨데, 항균제 중 금속나노 입자인 나노실버의 경우 그 크기가 100나노미터 이하, 특히 그 중에서도 20나노미터(nm) 이하까지 사용하되 100ppm에서 10,000ppm 농도를 유지하고 있는 나노실버를 콜로이드 형태로 사용한다. 나노산화티탄(TiO₂)도 나노실버와 코팅으로 결합된 상태의 것을 사용하거나 혼합물 또는 나노실버와 독립된 형태의 나노산화티탄(TiO₂)을 사용하여도 무방하다.

100ppm에서 10,000ppm 정도의 나노입자를 사용하는 이유는 100ppm 미만의 경우 10ppm 이상에서는 일반 균에 항균력을 유지하나 곰팡이에 대한 항균력이 저하되며 이에 100ppm 이상을 사용하며 10,000ppm을 초과하면 금속의 나노입자의 소모량이 많아지게 되어 경제성이 없어지게 된다. 즉, 가장 중요한 것은 석재나 목재의 항균력과 색갈을 고려하여 농도를 조정하는 것을 고려한다면 본 발명을 실시함에는 항균력을 유지하기 위하여서는 통상 100~10,000ppm이 선호된다.

콜로이드상의 용매로는 물이나 에탄올 또는 에틸렌글리콜(E.G) 등을 모두 가능한 용매로 사용할 수 있어 기존의 방법보다 호환성이 좋다.

본 발명으로 콜로이드상의 금속의 나노입자를 석재 또는 목재의 조직에 침투시켜 돌침대, 생선회접시, 납골함, 사무용이나 가정용식탁, 건축자재에 사용토록 하여 항균 및 세균성 냄새를 제거할 수 있게 되었다.

도 1은 본 발명상의 일실시예로서의 항균석재 또는 항균목재 가열용 용기의 사시도.

도 2는 가열 터널로 석재 또는 목재의 규격이 크거나 대량으로 생산하기 위하기에 적합한 가열 터널 사시도

도 3은 도 1의 항균석재 또는 항균목재를 함침 시키기 위한 함침용액용 용기로서 금속의 콜로이드상의 금속의 나노입자를 회수할 경우의 일례도 아울러 도시한 함침용기의 설명도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>

1. 함침구조물 2, 8. 벽부 3. 바닥재

4. 홈 5. 바닥면 6. 전열선

7. 용기 9. 바닥부 10. 볼록부

11. 구멍 12. 탱크 20. 발열장치

21. 가열터널

Claims (2)

1. 석재 또는 목재를 가열용기에 가열시켜 그 조직 내에 있는 수분을 먼저 증발시키거나 배출시켜 건조한 상태로 유지하고, 다음 이 건조된 석재 및 목재에 입자크기가 20나노미터(nm) 이하의 콜로이드상의 극미세 실버(Ag) 또는 티탄산화물(TiO₂)의 나노입자가 100~10,000ppm 농도로 함침용액으로 주입된 함침용기에 석재 및 목재를 담가 함침 시키며, 이 금속나노입자는 콜로이드상에서 가열된 석재 또는 목재가 냉각되는 과정에 상기 극미세 금속나노입자가 석재 또는 목재에 침투되도록 한 것을 특징으로 하는 항균석재 및 항균목재의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 금속의 콜로이드상의 극미세 나노입자는 나노실버(Ag)입자 또는 산화티탄(TiO₂)입자로 되고, 그 금속의 나노입자는 폴리머 양이 함침용액대비 0.2~9wtㆍ%가 결합된 폴리비닐피롤리돈의 폴리머가 코팅된 금속나노입자 또는 계면활성제의 수용체에서 제조된 금속의 나노실버입자 또는 실리카를 담체로 하고 있는 금속의 나노입자 등을 사용하는 것을 특징으로 하는 항균석재 및 항균목재의 제조방법.