KR20210020347A

KR20210020347A - 살균장치

Info

Publication number: KR20210020347A
Application number: KR1020190099502A
Authority: KR
Inventors: 황철현
Original assignee: 유한책임회사 뉴알앤디시스템즈
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2021-02-24
Also published as: KR102326923B1

Abstract

본 발명은 살균장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열에 의해 100 mV 이상의 출력전압을 발생시킬 수 있는 열전소자; 상기 열전소자의 일면과 접촉하여 열전소자에 열을 공급할 수 있는 생물학적 열원; 및 상기 열전소자의 다른 일면에 열전소자에서 발생된 전류에 의해 살균기능이 활성화되는 살균활성층이 형성된 살균장치로, 동물체의 피부와 같은 생물학적 열원을 이용한 열전소자에 의해 낮은 함량의 은 나노 입자를 이용하여 우수한 항균 및 살균력을 발휘할 수 있는 살균장치에 관한 것이다.

Description

살균장치 {Sterilizing apparatus}

본 발명은 살균장치에 관한 것으로, 구체적으로 동물체의 피부와 같은 생물학적 열원을 이용한 열전소자에 의해 살균활성이 증가하는 살균장치에 관한 것이다.

은(silver)은 예로부터 항균효과를 갖는 것으로 알려져 왔는데, 특히 은 콜로이드(silver colloid)는 수용액에서 클러스터 상태(10nm 내지 150nm 크기)로 분산되어 있는 상태의 물질을 말한다.

이러한 콜리이드 형태의 은 나노입자는 약 650 여종의 유해세균 및 곰팡이류에 대해 강한 항균력이 있음이 밝혀져 있다. 은 콜로이드 입자들은 세균 및 바이러스균의 세포속 침투가 용이하여 효소작용을 정지시키거나, 세포벽 파괴, 균의 신진대사를 저해시킴으로써 각종 세균, 바이러스 및 알레르기성 질환균에 대한 멸균작용을 나타낸다.

또한, 은 콜로이드 입자들은 인체에 적용하였을 경우에 대부분의 유익한 세균은 사멸시키지 않음이 관찰되고 있다.

미국 등지에서는 은 콜로이드 용액이 FDA 제약범위에 등제된 인체 무해한 천연물질로 인정되고 있고, 최근에는 무독성 방부제로서 식품첨가제로 기능이 인정될 만큼 인체나 생체에 무독한 물질로 알려져 있다.

상기와 같이 은 콜로이드 용액은 항균성이 매우 우수하며 인체에 무독하다는 것이 입증됨에 따라 현재 세계 각국에서는 항균에 더욱 효과적인 은 입자의 제조 및 이를 이용한 병원성 세균의 박멸 및 치료제 개발 외에 화장품, 섬유류, 벽지, 세탁기, 의복 등과 같은 각종 제품에 은을 활용하는 연구가 진행되고 있다.

이와 관련하여, 미국공개특허 제2006-0020108호에는 은 전구체가 포함된 글리콜을 테레프탈산과 혼합 중합하여 폴리에스터 마스터 배치(master batch)를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 그러나 상기 특허에는 은 전구체로부터 일부분만 은이 환원되는 문제가 발생하여 은 입자에 의한 항균성이 저하될 수 있다.

또한 한국공개특허 제2017-0040949호에는 은 입자를 500 내지 2000ppm의 농도로 포함하는 은 나노 졸을 포함한 코팅용액을 이용한 텐트용 항균 탈취 조성물을 개시하고 있다. 상기 문헌은 항균성의 발현 및 지속성을 유지하기 위해서 고농도의 은 나노 입자를 사용하고 있으나, 은 나노입자가 서로 뭉쳐 응집할 수 있으며 비특허문헌 1에 나타난 바와 같이 인체 유해성이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

미국공개특허 제2006-0020108호 한국공개특허 제2017-0040949호

김수진 외 15인, 제조은나노 물질에 대한 유해성 연구, 국립환경과학원, NIER No. 2010-49-1224

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 노력한 결과, 인체 무해하도록 낮은 함량의 은 나노 입자를 이용하여 우수한 항균력을 발휘할 수 있는 살균장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 생물학적 열원을 이용한 열전소자에 의해 살균기능이 활성화되어 진균, 박테리아 또는 바이러스를 제거할 수 있는 살균장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 열에 의해 100 mV 이상의 출력전압을 발생시킬 수 있는 열전소자; 상기 열전소자의 일면과 접촉하여 열전소자에 열을 공급할 수 있는 생물학적 열원; 및 상기 열전소자의 다른 일면에 열전소자에서 발생된 전류에 의해 살균기능이 활성화되는 살균활성층이 형성된 살균장치를 제공한다.

상기 열전소자와 살균활성층 사이에 고분자 커버층이 추가로 형성될 수 있다.

상기 고분자 커버층은 전도성 고분자로 이루어진 것일 수 있다.

상기 전도성 고분자는 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리에테르술폰(PES), 폴리아크릴레이트(PAR), 폴리에테르 이미드(PEI), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(PC), 사이클로 올레핀폴리머(COP), 사이클로 올레핀 공중합체(COC), 셀룰로오스 트리아세테이트(CTA), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(CAP), 노보르넨계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.

상기 사이클로 올레핀폴리머는 헤테로고리 화합물일 수 있다.

상기 헤테로고리 화합물은 폴리피롤일 수 있다.

상기 열전소자는 100 내지 400 mV의 출력전압을 발생시킬 수 있다.

상기 열전소자는 SiGe, PbTe, 탄소나노튜브, 폴리아닐린(PANI) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜)폴리스티렌 술포네이트(PEDOT:PSS)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재로 이루어질 수 있다.

상기 생물학적 열원은 사람, 개, 고양이 및 새로 이루어진 군에서 선택된 동물체의 피부일 수 있다.

상기 살균활성층은 은(Ag), 구리 또는 이들의 혼합 금속의 나노입자를 0.01 내지 0.1 % 포함할 수 있다.

상기 살균활성층은 코팅층 또는 필름층일 수 있다.

상기 살균장치는 박테리아 79 내지 98 % 제거하는 것일 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 살균장치를 이용하여, 열에 의해 100 mV 이상의 출력전압을 발생시키는 단계; 상기 발생된 전류에 의해 살균활성층으로부터 살균물질이 방출되는 단계; 및 상기 방출된 살균물질에 의해 박테리아 79 내지 98 % 살균하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 살균방법을 제공한다.

상기 발생된 전류는 고분자 커버층을 통과한 후, 살균활성층으로부터 방출된 살균물질에 의해 박테리아 79 내지 98 % 살균하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 고분자 커버층은 전도성 고분자로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 살균장치는 동물체의 피부와 같은 생물학적 열원을 이용한 열전소자에 의해 은 나노입자를 포함한 살균층이 활성화되어 진균, 박테리아, 바이러스 등의 제거효율이 우수하다는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 살균장치는 낮은 함량의 은 나노 입자를 사용하여 우수한 항균력을 발휘할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 살균장치는 낮은 함량의 은 나노 입자를 사용하여 인체 또는 동물에 유해성을 최소화할 수 있는 이점이 있다.

따라서, 본 발명에 따른 살균장치는 동물체의 피부와 직접 접촉하여 체온을 감지할 수 있는 휴대전화 케이스, 팔찌, 목걸이, 반지 등의 악세사리, 속옷, 침구류, 병원복, 양말, 유아용품 등의 섬유, 특히, 피부가 건조하며 미생물에 노출 시 감염 위험성을 가지는 아토피 또는 피부염 환자에게 유용하게 사용될 수 있다.

도 1 내지 도 3은 각각 본 발명의 일례에 따른 살균장치를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다.

몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.

또한, "일(a 또는 an)", "하나(one)", "그(the)" 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서(특히, 이하의 청구항의 문맥에서) 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 살균장치에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 열전소자(100), 상기 열전소자(100)의 일면에 생물학적 열원(200) 및 상기 열전소자(100)의 다른 일면에 살균활성층(300)이 형성된 구조의 살균장치이다.

일반적으로 상기 열전소자(100)는 온도 차를 이용하여 에너지를 수확하는 기기로서, 열전소자(100)는 상대적으로 높은 온도를 갖는 고온부와 상대적으로 낮은 온도를 갖는 저온부를 포함한다. 열전소자(100)의 고온부와 저온부 사이에는 N형과 P형의 반도체 물질이 배열되어 상기 고온부와 저온부 사이의 온도 차에 의해 N형 물질 내에서는 전자가, P형 물질 내에서는 홀이 이동하여 전기를 생산하는 제벡(Seebeck) 효과에 따라 에너지를 생산할 수 있다.

본 발명에서는 상기 열전소자(100)는 제벡(Seebeck) 효과를 이용하여 일면에 형성된 생물학적 열원(200)으로부터 열을 전달받아 100 mV 이상의 출력전압을 발생시키며, 바람직하기로는 100 내지 400 mV의 출력전압을 발생시키는 것이 좋다.

상기 압전소자(100)가 100 mV 미만의 출력전압을 발생시킬 경우, 전압이 낮아 살균효과가 저하될 수 있으며, 400 mV를 초과할 경우, 전압이 증가하여 인체에 해로운 영향을 끼칠 수 있다.

상기 열전소자(100)는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것이면 특별히 한정하지 않으나, Bi₂Te₃, SiGe, PbTe, 탄소나노튜브, 폴리아닐린(PANI) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜)폴리스티렌 술포네이트(PEDOT:PSS)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재로 이루어진 것이 사용될 수 있다. 또한 상기 열전소자(100)가 SiGe 또는 PbTe로 이루어진 경우, 유연성을 갖는 지지체에 열전소자(100)가 삽입된 형태로 제조될 수 있다.

또한 상기 열전소자(100)가 가볍고 기계적 성질이 우수한 탄소나노튜브, 폴리아닐린(PANI) 또는 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜)폴리스티렌 술포네이트(PEDOT:PSS)로 이루어진 경우, 유연성을 갖는 지지체에 열전소자(100)가 삽입되거나 지지체 상에 적층된 형태로 형성될 수 있다.

상기 지지체는 열전소자(100)가 플렉시블한 특성을 유지하도록 하는 소재이면서 열전도성이 우수한 소재가 바람직하며, 일례로 실리콘(k=150W/mK)을 사용할 수 있다.

또한, 열전소자(100)에 구비된 전극은 전기가 흐를 수 있는 금속 재질로 형성될 수 있으며, 일례로 금속재질의 박판으로 형성될 수 있다. 이로써 전극도 유연하게 휘어지는 성질을 가져 곡면 등 복잡한 형상에도 매우 쉽게 대응시켜 부착할 수 있다.

이러한 열전소자(100)의 일면에는 생물학적 열원(200)이 형성되어 열전소자(100)에 열을 공급한다. 이때 상기 생물학적 열원(200)은 사람, 개, 고양이 및 새로 이루어진 군에서 선택된 동물체의 피부일 수 있다.

일반적으로 사람의 체온은 36.5 내지 37.2 ℃이고, 개의 체온은 약 37.9 내지 39.9 ℃이며 고양이의 체온은 약 38 내지 39 ℃, 새의 체온은 약 40 ℃ 안팎으로 상기 생물학적 열원(200)은 36 내지 40 ℃인 것이 바람직하다. 이처럼 사람, 개, 고양이 또는 새의 피부로부터 발생된 열을 상기 열전소자(100)의 고온부(미도시)가 흡수하고 저온부(미도시)가 발열함으로써 약 20℃의 작은 온도 차에도 충분히 전기에너지를 발생시킬 수 있다.

상기 열전소자(100)의 다른 일면에는 열전소자(100)에서 발생된 전기에너지에 의해 살균기능이 활성화되는 살균활성층(300)이 형성된다.

상기 살균활성층(300)은 코팅층 또는 필름층으로 형성될 수 있으며, 은, 구리 또는 이들의 혼합 금속의 나노입자를 포함할 수 있다.

이때 상기 살균활성층(300)은 은(Ag), 구리 또는 이들의 혼합 금속 나노입자를 0.01 내지 0.1 % 포함할 수 있다.

상기 금속 나노입자를 0.01 % 미만 포함할 경우 살균력이 저하될 수 있으며, 0.1 %를 초과하여 포함할 경우 입자끼리 응집하여 두께가 불균일하고 가공성이 저하될 수 있으며, 경제적인 측면에서 비효율적이다.

이처럼 상기 열전소자(100)의 다른 일면에 살균활성층(300)이 형성됨으로써 열전소자로부터 발생된 전기에너지에 의해 은 또는 구리 나노 입자가 활성화되어 은 또는 구리 이온으로 방출되고, 동물체 주변의 진균, 바이러스 또는 박테리아를 제거할 수 있다.

상기 살균활성층(300)은 은 또는 구리 나노입자 및 용매를 함유하는 코팅액을 리버스 코팅, 그라비아 코팅, 스핀 코팅법, 스크린 코팅법, 파운틴코팅법, 디핑법, 바 코팅, 스프레이법을 사용하여 열전소자(100) 상에 도포한 후 건조시켜 제조될 수 있다.

또한 상기 살균활성층(300)은 항균, 항진균, 항박테리아, 항바이러스성 등의 활성뿐만 아니라 얇고 고른 코팅성을 유지하기 위하여, 산화철(Fe₂O₃,Fe₃O₄), 이산화망간(MnO₂), 과망간염, 산화구리(CuO), 질산구리(Cu(NO₃)₂·3H₂O), 붕산나트륨10수화물(Na₂B₄O₇·10H₂O) 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 입자가 추가로 함유될 수 있다.

상기 살균활성층(300)을 필름층으로 형성할 경우, 당 분야에서 일반적으로 사용되는 방법을 통해 고분자 필름을 제조할 수 있으며, 필름 제조시 은 또는 구리 나노입자간의 응집을 최소화하여 균일한 입도의 은 나노입자를 형성할 수 있도록 분산제를 사용할 수 있다.

이때 상기 고분자 필름은 열전소자 상에 접합하여 제조될 수 있으며, 이때 접합 방식은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 점착제 수지를 포함하는 점착제 조성물을 사용할 수 있다. 상기 점착제 수지는 예를 들면 아크릴계 공중합체, 천연 고무, 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 공중합체, 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌부틸렌-스티렌(SEBS) 블록 공중합체, 스티렌-부타디엔 고무, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리이소부티렌, 부틸 고무, 클로로프렌 고무 및 실리콘 고무 등의 통상의 중합체를 사용할 수 있으며, 점착력의 제어가 용이한 아크릴계 공중합체를 사용하는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명의 다른 일 실시예를 나타낸 것이며, 상기 도 2에 도시된 바와 같이 상기 열전소자(100)와 살균활성층(300) 사이에 고분자 커버층(400)이 추가로 형성된 구조이다.

구체적으로 도 2의 살균장치는 상기 열전소자(100)의 다른 일면에 고분자 커버층(400)이 형성된 경우이며, 상기 도 1에서 설명한 바와 동일하게 상기 열전소자(100)로부터 발생된 전기에너지에 의해 살균활성층(300)이 활성화되고 은 또는 구리 이온이 방출되어 살균력을 갖게 된다.

본 발명에 따른 도 1의 살균장치는 열전소자(100)의 다른 일면에 살균활성층(300)이 형성될 경우 열전도도가 함께 발생하여 발전 효율이 다소 저하될 수 있다. 이에 도 2의 살균장치와 같이 상기 열전소자(100)의 다른 일면에 고분자 커버층(400)을 추가로 포함함으로써 상기 열전소자(100)에서 발생된 열전도도를 낮추고 전기전도도를 상승시켜 발전 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

상기 고분자 커버층(400)은 전도성 고분자로 이루어질 수 있으며, 이때 전도성 고분자의 소재는 활성화된 금속 나노 입자의 항균, 항진균, 항박테리아, 항바이러스성을 저해하지 않는 것이면 특별히 한정하지는 않는다. 구체적으로, 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리에테르술폰(PES), 폴리아크릴레이트(PAR), 폴리에테르 이미드(PEI), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(PC), 사이클로 올레핀폴리머(COP), 사이클로 올레핀 공중합체(COC), 셀룰로오스 트리 아세테이트(CTA), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(CAP), 노보르넨계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.

상기 전도성 고분자는 전도율, 가격 경쟁력, 취급 용이성 등을 고려하면 사이클로 올레핀폴리머가 바람직하고, 상기 사이클로 올레핀폴리머는 헤테로고리 화합물이 보다 바람직하며, 상기 헤테로고리 화합물은 폴리피롤인 것이 더욱 바람직하다.

도 3은 본 발명의 다른 일 실시예를 나타낸 것으로, 상기 도 3에 도시된 바와 같이 상기 열전소자(100)와 살균활성층(300) 사이에 고분자 커버층(400)으로서 헤테로고리 화합물인 폴리피롤로 이루어진 폴리피롤층(500)이 형성된 구조이다.

상기 도 2의 고분자 커버층(400) 또는 도 3의 폴리피롤층(500)은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 방법을 통해 필름으로 형성되어 열전소자(100)에 접합될 수 있으며, 그 접합 방식에 대해서는 도 1에서 설명한 바와 같다.

이렇게 열전소자(100)의 일면에 접합된 도 2의 고분자 커버층(400) 또는 도 3의 폴리피롤층(500)은 다른 일면에 살균활성층(300)이 형성된다. 상기 도 2의 고분자 커버층(400) 또는 도 3의 폴리피롤층(500)에 의해 열전도도가 낮아지고 전기전도도는 증가하여 살균활성층(300)의 살균력이 향상된다. 또한 은 나노입자의 함량을 최소화하여 인체에 무해하면서도 항균력이 우수하다.

또한 도 3의 열전소자(100) 및 그 일면에 접합된 폴리피롤층(500)은 도 1에 도시된 살균장치와 같이 살균활성을 가질 수 있다.

이와 같이 본 발명의 도 1 내지 도 3에 따른 살균장치는 동물체의 피부와 같은 생물학적 열원 및 상기 열원으로부터 전류를 발생시키는 열전소자에 의해 살균층이 활성화되어 진균, 박테리아, 바이러스 등의 제거효율이 우수하다. 구체적으로 본 발명의 살균장치는 박테리아를 79 내지 98 % 제거할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 살균장치를 이용하여, 하기와 같은 단계를 갖는 살균방법에 또 다른 기술구성상의 특징이 있다.

본 발명에 따른 살균방법은 구체적으로 열에 의해 100 mV 이상의 출력전압을 발생시키는 단계; 상기 발생된 전류에 의해 살균활성층으로부터 살균물질이 방출되는 단계; 및 상기 방출된 살균물질에 의해 박테리아 또는 바이러스를 79 내지 98 % 살균하는 단계를 포함한다.

이때, 상기 살균물질은 은 이온 또는 구리 이온으로 구성되고, 이들은 전류에 의해 활성화되어 살균활성층으로부터 방출된다.

또한, 상기 발생된 전류는 고분자 커버층을 통과한 후, 살균활성층으로부터 방출된 살균물질에 의해 박테리아를 79 내지 98 % 살균하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 고분자 커버층은 전도성 고분자인 경우가 바람직하며, 특히 상기 전도성 고분자가 폴리피롤인 경우에는 양전하를 띄기 때문에 박테리아와의 부착성이 뛰어나 주변에 존재하는 박테리아를 살균할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

은(Ag)을 포함한 살균활성층

<제조예 1. 코팅액 제조>

은 함유량이 99.9% 순도 이상의 순수한 은(Ag) 5 g을 나노 사이즈(Nano Size, 5~10nm)로 분쇄하여 미립자를 형성하고, 상기 제조된 은 미립자를 암모니아수 1L에 용융한 후 산 처리하여 용해시킴으로써 은 콜로이드 용액을 제조하였다. 이때 상기 은 콜로이드 용액은 은 나노입자가 0.05 % 함유되도록 제조하였다.

<제조예 2. 필름 제조>

은 나노입자가 함유된 필름을 제조하기 위하여 아크릴 수지(애경화학 주식회사, PO-500) 상에 상기 제조예 1의 코팅액을 딥 코팅법을 통해 300Å의 두께로 코팅하여 필름을 제조하였다.

구리를 포함한 살균활성층

<제조예 3. 코팅액 제조>

질산구리(Cu(NO₃)₂·H₂O(동양제철화학사) 38.01g을 측량하여 1L 비커에 옮긴 후, 증류수를 넣고 서서히 교반하여 질산구리를 완전히 용해하였다. 용해된 질산구리를 완전 환원을 위하여 다른 용기에 질산구리 1몰에 환원제로서 1몰 이상의 히드리진하이드레이트(N₂H₂H₂O)를 측량하고, 질산구리가 용해된 용액을 1,000 rpm의 속도로 교반하면서 환원제를 적가하여 구리분말이 포함된 수용액을 얻었다. 과잉으로 적가된 히드라진하이드레이트와 부산물을 제거하기 위하여 여과 및 수세를 5차례 실시한 후 완전 건조하여 평균 0.1nm 크기의 구리분말을 10 g 수득하였다. 상기 수득된 구리분말 0.025 g에 증류수 50 ml을 공급하고, 폴리비닐알콜 0.5 g을 첨가한 다음 용해시켜 구리를 포함한 용액을 제조하였다.

이때 상기 구리 나노 용액은 구리 나노입자가 0.05 % 함유되도록 제조하였다.

<제조예 4. 필름 제조>

상기 제조예 2와 동일하게 실시하되, 상기 제조예 3의 코팅액을 사용하여 구리 나노입자가 함유된 필름을 제조하였다.

살균장치의 제조

<실시예 1>

상기 제조예 1에서 제조한 은(Ag) 나노입자를 0.05 % 함유한 코팅액을 Bi₂Te₃ 열전모듈(Huimao; TEC1-012707T125)의 일면에 Mayer bar No. 20을 이용하여 균일하게 코팅함으로써 살균활성층을 형성하였다. 상기 살균활성층이 형성된 열전소자는 100℃에서 10분 동안 건조시키고, 열전소자의 다른 일면을 강아지의 등(39℃)에 부착하였다. 상기 제조된 살균장치를 이용하여 출력전압 및 항균활성을 측정하였다.

<실시예 2>

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 열전소자와 살균활성층 사이에 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET) 고분자로 이루어진 고분자 커버층을 추가로 형성하여 살균장치를 제조하였다. 이때 상기 고분자 커버층은 열전소자의 일면에 10 ㎛의 두께로 도포한 후 80℃의 건조로에 투입하여 살균장치를 제조하였다.

<실시예 3>

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 열전소자와 살균활성층 사이에 폴리피롤로 이루어진 고분자 커버층을 추가로 형성하여 살균장치를 제조하였다. 이때 상기 폴리피롤층은 열전소자의 일면에 10 ㎛의 두께로 도포한 후 80℃의 건조로에 투입하여 살균장치를 제조하였다.

<실시예 4>

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 제조예 3에서 제조한 구리 나노입자를 0.05 % 함유한 용액을 사용하여 살균장치를 제조하였다.

<실시예 5>

상기 실시예 2와 동일하게 실시하되, 상기 제조예 3에서 제조한 구리 나노입자를 0.05 % 함유한 용액을 사용하여 살균장치를 제조하였다.

<실시예 6>

상기 실시예 3과 동일하게 실시하되, 상기 제조예 3에서 제조한 구리 나노입자를 0.05 % 함유한 용액을 사용하여 살균장치를 제조하였다.

<실시예 7>

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제조예 1 대신 제조예 2(은 나노입자를 0.05 % 함유한 필름)를 사용하여 살균장치를 제조하였다. 상기 제조예 2에서 제조된 필름은 아크릴계 공중합체로 이루어진 접착제(AKITACK상품, 에이케이켐텍(주))를 사용하여 열전소자에 접합하였다.

<실시예 8>

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제조예 3 대신 제조예 4(구리 나노입자를 0.05 % 함유한 필름)를 사용하여 살균장치를 제조하였다. 상기 제조예 4에서 제조된 필름은 아크릴계 공중합체로 이루어진 접착제(AKITACK상품, 에이케이켐텍(주))를 사용하여 열전소자에 접합하였다.

<실시예 9>

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 열전소자의 다른 일면에 28 ℃의 열원을 부착하여 살균장치를 제조하였다.

<비교예 1>

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 열전소자가 구비되지 않고 제조예 2(은 나노입자를 0.05 % 함유한 필름)를 사용하여 살균장치를 제조하였다.

<비교예 2>

상기 실시예 2와 동일하게 실시하되, 열전소자가 구비되지 않고 살균장치를 제조하였다.

<비교예 3>

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 은(Ag) 나노입자를 0.008 % 함유한 코팅액을 사용하여 살균장치를 제조하였다.

<비교예 4>

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 은(Ag) 나노입자를 1 % 함유한 코팅액을 사용하여 살균장치를 제조하였다.

<실험예>

상기 실시예 및 비교예에 따른 살균장치를 이용하여 출력전압 및 항균성능을 평가하였다.

1. 출력전압 측정

열전소자의 고온부에는 40mm × 40mm 크기의 필름히터(5A/40W)를 설치하여 고온부의 온도를 37℃로 조절하였다. 또한, 열전소자의 열전발전 성능 측정을 위해 전기부하기(KIKUSUI PLZ334W)를 사용하였으며, 발전전류를 순차적으로 증가시키며 정상상태의 발전전압을 데이터 수집장치(Yokogawa DA100)을 사용하여 기록하였다.

또한, 열전모듈 양단에 인접하여 설치한 알루미늄 블록(Heat spreader)에 홈을 가공하고 열전대(T-type)를 삽입하여 열전모듈 고온부와 저온부의 온도를 측정하였다. 발전전류를 증가시킴에 따라 열전모듈 고온부와 저온부의 온도 변화를 ±0.1℃로 제어하면서 출력전압을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

구분	출력전압(mV)
실시예1	195
실시예2	268
실시예3	365
실시예4	179
실시예5	248
실시예6	350
실시예7	269
실시예8	252
실시예9	25
비교예1	0.15
비교예2	0.2
비교예3	185
비교예4	190

2. 항균성능 평가

항균성 평가를 위한 미생물 실험은 적당한 배지를 준비하여 실험 목적에 적합한 미생물만을 순수 배양하였다. 그리고 시약, 초자류 등은 모두 121℃에서 15분간 고압멸균, 또는 필터(pore size 0.2~0.45㎛)를 이용하여 여과멸균하여 사용하였다.

항균성 평가를 위한 지표 미생물로는 대장균(Escherichia Coli: ATCC 15597)에 대해 항균성을 시험하였다. 상기 균주는 37℃에서 150 ~ 200 rpm의 속도로 인큐베이터(shaking incubator)에서 배양한 다음, 고체배지(trypticase soy agar, 29 ml)가 포함된 페트리 디쉬(petri dish, 150mm)에 0.3 ml 도말시키고, 37℃에서 12 ~ 18시간(overnight) 배양하였다.

상기 균주가 접종된 페트리 디쉬에 본 발명에 따른 필터인 10×10×1 mm 크기의 시편을 넣고, 25℃에서 50분 동안 배양시킨 후 하기 수학식 1에 따라 콜로니(colony)를 세고, 수학식 2에 따라 항균성(%)을 평가하였다. 그 결과는 표 2로 나타내었다.

[수학식 1]

N : 밀리리터 당 집락형성단위(CFU/ml)

CFU : 페트리 디쉬 안의 총 집락수

α: 박테리아 주입량(ml)

d_i : 희석 배수

[수학식 2]

(%)IE : 비활성화 효율

N_treated : 열전소자를 구비한 샘플의 밀리리터 당 집락형성단위

N_control : 대조군(열전소자를 구비하고 있지 않은 샘플)

구분	50분 후 균수 (CFU/ml)	대조군	대조군 대비 균 감소율(%)
실시예1	2.52	비교예1	79
실시예2	1.80	비교예1	85
실시예3	0.24	비교예1	98
실시예4	4.51	비교예2	78
실시예5	2.87	비교예2	86
실시예6	1.23	비교예2	94
실시예7	2.16	비교예1	82
실시예8	4.1	비교예2	80
실시예9	10.21	비교예1	15
비교예1	12.01	비교예1	0
비교예2	20.5	비교예2	0
비교예3	9.0	비교예1	25
비교예4	3.0	비교예1	75

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 2에서는 비교예 1 내지 2와 비교하여 사람, 동물의 체온과 비슷한 열원을 이용한 열전소자에 의해 박테리아 제거율이 각각 79 %, 85 %로 나타난 것을 알 수 있으며, 특히 실시예 3의 폴리피롤로 이루어진 고분자 커버층을 포함한 살균장치는 은 나노 입자의 함량이 적어도 박테리아를 98 % 제거한 것을 알 수 있다.

반면에 비교예 3에서와 같이 사람, 동물의 체온과 비슷한 열원을 이용한 열전소자가 구비된 살균장치를 사용하여도 은 함량이 낮은 살균장치에서는 항균활성이 거의 측정되지 않은 것으로 나타났다.

또한, 비교예 4에서는 은 나노입자의 함량이 높아졌으나, 항균활성은 실시예보다 낮은 것으로 볼 때 입자간 응집현상으로 인해 항균활성이 저하된 것으로 판단된다.

또한 실시예 4 내지 6을 통해 구리 나노입자를 함유한 살균활성층을 사용하여도 은 나노입자를 사용한 것과 유사한 항균활성을 나타낸 것을 알 수 있다.

또한 실시예 7 및 8을 통해 열전소자에 살균활성층이 필름 형태로 접합되어 형성된 살균장치에서도 항균활성이 있는 것을 알 수 있다.

실시예 9에서는 실온과 비슷한 열원에 열전소자를 부착하였을 때의 항균활성을 평가하였으나, 적은 온도 차로 인해 출력전압이 낮아 항균활성이 낮게 나타났다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 열전소자
200: 생물학적 열원
300: 살균활성층
400: 고분자 커버층
500: 폴리피롤층

Claims

열에 의해 100 mV 이상의 출력전압을 발생시킬 수 있는 열전소자;
상기 열전소자의 일면과 접촉하여 열전소자에 열을 공급할 수 있는 생물학적 열원; 및
상기 열전소자의 다른 일면에 열전소자에서 발생된 전류에 의해 살균기능이 활성화되는 살균활성층이 형성된 것을 특징으로 하는 살균장치.
청구항 1에 있어서, 상기 열전소자와 살균활성층 사이에 고분자 커버층이 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 살균장치.
청구항 2에 있어서, 상기 고분자 커버층은 전도성 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 살균장치.
청구항 3에 있어서, 상기 전도성 고분자는 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리에테르술폰(PES), 폴리아크릴레이트(PAR), 폴리에테르 이미드(PEI), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(PC), 사이클로 올레핀폴리머(COP), 사이클로 올레핀 공중합체(COC), 셀룰로오스 트리아세테이트(CTA), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(CAP), 노보르넨계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 살균장치.
청구항 4에 있어서, 상기 사이클로 올레핀폴리머는 헤테로고리 화합물인 것을 특징으로 하는 살균장치.
청구항 5에 있어서, 상기 헤테로고리 화합물은 폴리피롤인 것을 특징으로 하는 살균장치.
청구항 1에 있어서, 상기 열전소자는 100 내지 400 mV의 출력전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 살균장치.
청구항 1에 있어서, 상기 열전소자는 SiGe, PbTe, 탄소나노튜브, 폴리아닐린(PANI) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜)폴리스티렌 술포네이트(PEDOT:PSS)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 살균장치.
청구항 1에 있어서, 상기 생물학적 열원은 사람, 개, 고양이 및 새로 이루어진 군에서 선택된 동물체의 피부인 것을 특징으로 하는 살균장치.
청구항 1에 있어서, 상기 살균활성층은 은(Ag), 구리 또는 이들의 혼합 금속의 나노입자를 0.01 내지 0.1 % 포함하는 것을 특징으로 하는 살균장치.
청구항 1에 있어서, 상기 살균활성층은 코팅층 또는 필름층인 것을 특징으로 하는 살균장치.
청구항 1에 있어서, 상기 살균장치는 박테리아를 79 내지 98 % 제거하는 것을 특징으로 하는 살균장치.
청구항 1 내지 12 중에서 선택된 어느 하나의 살균장치를 이용하여,
열에 의해 100 mV 이상의 출력전압을 발생시키는 단계;
상기 발생된 전류에 의해 살균활성층으로부터 살균물질이 방출되는 단계; 및
상기 방출된 살균물질에 의해 박테리아를 79 내지 98 % 살균하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 살균방법.
청구항 13에 있어서, 상기 발생된 전류는 고분자 커버층을 통과한 후, 살균활성층으로부터 방출된 살균물질에 의해 박테리아를 79 내지 98 % 살균하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 살균방법.
청구항 14에 있어서, 상기 고분자 커버층은 전도성 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 살균방법.