KR20220014245A - 전기분해 용수 살균장치 및 이에 사용되는 전도체 모듈 - Google Patents

전기분해 용수 살균장치 및 이에 사용되는 전도체 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가정용 변기 등에 적용할 수 있으면서 효율적으로 물을 살균하여 살균수(또는 세정수)를 제공할 수 있는 용수 전기분해 살균장치 및 이에 사용되는 전도체 모듈에 관한 것이다.

Description

전기분해 용수 살균장치 및 이에 사용되는 전도체 모듈{Electrolysis sterilized water device and Conductive module for the same}
본 발명은 가정용 변기 등에 적용할 수 있으면서 효율적으로 물을 살균하여 살균수를 제공할 수 있는 전기분해 용수 살균장치 및 이에 사용되는 전도체 모듈에 관한 것이다.
현대는 인구가 밀집하여 생활하고 있고, 집단 급식과 매식이 잦으며, 교통의 발달로 인구의 이동이 크다. 이에 따라서 세균성 전염병이 자주 발생하고, 광역화되고 있는 추세에 있고, 이러한 여건에서 위생의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않는다. 이와 같은 생활 여건에 따라 현재 여러 종류의 소독수 생성장치가 개발되어 사용 되고 있다.
국내 등록특허 10-0443894호에는 소량의 식염을 첨가한 물에 전해반응을 일으켜 차아염소산나트륨(NaOCl)을 생성시켜 소독수를 생성하는 방법이 개시되고 있고, 국내 등록특허 10-0465858호는 소량의 식염을 첨가한 물에 전해반응을 일으켜 차아염소산(HClO)을 생성시켜 소독수를 생성하는 방법이 개시되어 있다.
이러한, 기존 살균수 발생 장치들은 모두 대형 수조를 보유하고 있거나 수도관을 직접 소독수 발생기에 연결하여 사용하며, 큰 스프레이 장치를 구비하고 있는 대형 장치이다. 이와 같은 대형 소독수 발생장치는 축사, 대형 식당의 주방, 공중화장실 등 넓은 공간에는 효과적으로 사용될 수 있으나, 일반 가정의 부엌 또는 화장실 등 좁은 공간에서는 적용이 실질적으로 불가능하며, 장비의 가격이 아주 고가인 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 제 10-0443894호(공고일 2004.08.09) 대한민국 등록특허공보 제10-0465858호(공고일 2005.04.08)
본 발명은 가정용 변기 등에 적용할 수 있으면서 효율적으로 물을 살균하여 세균 등이 살균된 살균수를 제공할 수 있는 전기분해 용수 살균장치 및 이에 사용되는 전도체 모듈을 제공하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 용수의 전기분해 살균장치는 물을 담는 용기 안에 설치되는 용수 살균장치로서, 양극부; 음극부; 상기 양극과 음극 사이에 구비된 다수 개의 전도체 모듈을 포함하는 전기분해 살균부; 및 상기 양극부 및 음극부에 직류 공급 및 제어하는 직류공급 제어부;를 포함한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 용수의 전기분해 살균장치가 구비된 양변기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 용수의 전기분해 살균장치의 전도체 모듈을 제공하는데 있으며, 상기 전도체 모듈은 탄소나노튜브, 그라파이트 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate)를 포함하는 전도성 플라스틱 수지의 성형품을 포함한다.
본 발명의 용수의 전기분해 살균장치는 종래 용수 살균장치와는 달리 소형화가 가능하며, 전기분해를 통해 변기물탱크(변기수조)나 배관에 저장된 변기물을 인체에 무해하고, 일부 살균능력을 가지는 살균수로 효과적으로 변화,또는 생성시킬 수 있으며, 별도의 변기세정제를 사용하지 않고도 변기 등에 제공되는 물을 살균 및 세정할 수 있다.
또한, 본 발명의 용수의 전기분해 살균장치에 사용되는 전도체 모듈의 제조에 사용되는 전도성 플라스틱 수지는 경량성 좋으면서도, 높은 인장강도, 굴곡강도, 충격강도 등의 기계적 물성이 우수하며, 전기전도도가 높으면서도 내오염성 우수한 바, 물에서 작동하는 용수 살균장치에 사용되는 전도체 모듈 소재로 사용하기 적합하다.
도 1 은 본 발명의 전기분해용 살균장치의 개략적인 모식도이다.
도 2는 본 발명의 전기분해용 살균장치의 양극부, 음극부의 개략적인 모식도이다.
도 3은 본 발명의 전기분해용 살균장치의 전도체 모듈에 대한 개략적인 모식도이다.
도 4는 본 발명의 전기분해용 살균장치의 측면 모식도이다.
도 5a 내지 도 5c는 제조예 1에서 제조한 전기분해용 살균장치를 찍은 사진이다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
물을 전기 분해하여 살균된 물, 즉 살균수(또는 세정수)는 하기와 같은 반응에 의해 만들어진다.
일반적으로, 물을 전기분해 하면, 양극에서의 산화반응과 음극의 환원반응에 의해 다음과 같이 오존, 과산화수소가 생성된다. 그리고, OH라디칼은 과산화수소가 약산으로 물과 반응할 때 부분적으로 HO2 -(hydroperoxide ion)으로 해리되면서 다음과 같이 생성된다.
H2O2 + H2O ⇔ HO2 -+ H3O-
O3 + HO2 - ⇒ ·OH + O2 - + O2
O3+ O2 - ⇒ O3 - + O2
O3 - + H + ⇔ ·HO3
·HO3⇒ ·OH + O2
물에서 O3 의 산화반응은 크게 O3분자에 의한 직접적인 반응과 O3 의 분해에 의해 생성된 OH라디칼의 간접적인 반응으로 나누어진다.
정리하면, 물이 전기 분해되어 형성된 O와 O2 분자가 결합하여 오존이 형성된다. 다음으로, 산소의 전기 분해에 의해서, 또는 오존의 분해에 의해 생성된 중간 산물인 OH 라디칼의 결합에 의해서 과산화수소가 생성된다. 그리고 수중(예: 수돗물)에 존재하는 Cl- 이온이 Cl2로 결합한 이후에 H2O와 반응하여 HOCl이 생성된다.
상기 OH 라디칼은 순간적으로 생성되었다가 사라지기 때문에 직접적으로 측정은 불가능하지만, 오존이 수중에 존재하는 경우, OH- 또는 과산화수소의 짝염기인 HO2 -와 반응하여 라디칼 체인 사이클을 형성하며 최종적으로는 OH 라디칼을 생성한다.
살균수와 접촉하는 미생물은 생성된 혼합 산화제에 의하여 불활성화되거나 제거된다. 즉, 박테리아는 전기적 흡착(electrosorption)에 의해 제거되고, 기타 미생물은 e-과의 반응에 의한 직접적인 전기 분해반응으로 제거된다.
즉, 물을 전기 분해하는 동안 생긴 산화제(O3, H2O2, HOCl, OH 라디칼)에 의하여 산화 및 살균 작용이 원활하게 이루어진다. 상기 전기 분해가 이루어진 후에는 잔류성이 높은 HOCl과 음이온에 의하여 높은 살균력이 유지되는 살균수가 만들어진다.
본 발명의 용수의 전기분해 살균장치(이하, "살균장치"로 칭한다)는 이러한 원리를 이용한 발명으로서, 본 발명의 살균장치는 변기, 비데 등에 공급되는 용수를 살균(또는 세정)하여 공급되는 용수 내 존재하는 인체에 유해한 세균, 바이러스가 제거된 살균수(또는 세정수)를 제공하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 살균장치는 물을 담는 용기 안에 설치되며, 바람직한 일례를 들면 변기 공급수의 수조, 비데 공급수의 수조 내 설치될 수 있다.
도 1에 개략도로 나타낸 바와 같이, 본 발명의 살균장치(100)는 양극부(50); 음극부(60); 및 상기 양극과 음극 사이에 구비된 다수 개의 전도체 모듈을 포함하는 전기분해 살균부(70);를 포함한다.
또한, 본 발명의 살균장치는 상기 양극부 및 음극부에 직류 공급 및 제어하는 직류공급 제어부(80);를 포함할 수도 있다.
본 발명의 살균장치의 상기 양극부 및 음극부 각각은, 통전 볼트(10) 및 상기 통전 볼트 구비된 통전 너트(20)로 구성된다(도 2의 개략도 참조).
그리고, 도 2b에 개략도로 도시한 바와 같이, 양극부 및 음극부 각각에 구비된 통전 너트 높이는 양극부의 통전너트(21, 23, 25, 27) 및 음극부의 통전너트(22, 24, 26, 28) 각각의 높이가 서로 다르게 구비될 수 있으며, 양극부 및/또는 음극부는 통전 볼트에 1개 이상 통전 너트는 서로 이격되어 구비되며, 직류공급 제어부를 통해 전기 공급시, 전기분해 살균부의 전도체 모듈을 통해서 통전하게 된다.
본 발명의 용수 살균장치 구성 중 전기분해 살균부(70)는 2개 이상의 다수 개의 전도체 모듈(30)로 구성된다.
그리고, 상기 전도체 모듈은 다수개의 홀이 형성된 평판형, 슬릿이 형성된 판형 및 그물형 중 어느 하나의 형태이며, 바람직한 일례를 들면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 다수 개의 홀이 형성된 D자 형의 평판형 모듈일 수 있고, 전도체 모듈의 어느 한 방향의 끝단부에는 전극과 결합되는 결합부(A)가 형성되어 있을 수 있다.
그리고, 상기 결합부(A)는 양극부 또는 음극부의 통전 너트에 결합되며, 결합부가 형성되어 있는 전도체 모듈의 반대편 끝단 부위는 양극부 및 음극부와 직접 접촉되지는 않는다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 도 4에 개략도로 나타낸 바와 같이, 상기 다수 개의 전도체 모듈 중 전도체 모듈 각각은 양극부 또는 음극부 중 어느 하나의 전극에만 직접 결합되며, 상기 결합은 전도체 모듈의 끝단의 결합부(A)가 양극부 또는 음극부의 어느 하나의 통전 너트에만 고정 및 결합된다.
또한, 전도체 모듈의 중심에는 비전도성 볼트너트 와셔와 결합할 수 있는 구멍이 형성된 결합부(B)를 구비할 수 있다(도 5 참조).
그리고, 전기분해 살균부는 양극부에 결합된 전도체 모듈 및 음극부에 결합된 전도체 모둘이 다수 개가 서로 교차 적층되어 형성될 수 있으며, 본 발명의 용수 살균장치가 적용되는 수조의 크기 및 살균수가 제공되는 용도 등에 따라 전도체 모듈 개수를 조절할 수 있다.
이러한 본 발명의 살균장치는 종래 용수 살균장치와는 달리 소형화가 가능하기 때문에, 가정용 변기수조, 비데수조 등에 적용될 수 있다.
본 발명에서 사용하는 전도체 모듈은 물 속에서 지속적으로 사용되는 바, 높은 전도성과 함께 높은 기계적 물성이 요구되며, 본 발명에서 상기 전도체 모듈은 특정 전도성 플라스틱 수지로 제조한다.
[전도체 모듈]
본 발명의 전도체 모듈은 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그라파이트 분말 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT)를 포함하는 전도성 플라스틱 수지를 성형하여 제조한다.
상기 전도성 플라스틱 수지 조성 중 상기 탄소섬유는 당업계에서 사용하는 일반적인 탄소섬유를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 흑연 망상면이 섬유축 방향에 대하여 20° ~ 30°기울기를 가지며, 겉보기 밀도가 0.01 ~ 0.15 g/cm3인 것을, 더욱 바람직하게는 흑연 망상면이 섬유축 방향에 대하여 22° ~ 27°기울기를 가지며, 겉보기 밀도가 0.03 ~ 0.10 g/cm3인 헤링본형 탄소나노섬유를 사용할 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유는 벌크밀도 0.50 ~ 0.55 g/cm3, 수분함량 0.22 ~ 0.30%이며, 바람직하게는 벌크밀도 0.50 ~ 0.53 g/cm3, 수분함량 0.24 ~ 0.28%일 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유는 앞서 설명한 헤링본형 탄소나노섬유를 사이즈제(sizing agent)로 가공 처리한 탄소섬유일 수 있으며, 상기 사이즈제를 5.00 ~ 6.00 중량%로, 바람직하게는 5.00 ~ 5.60 중량%로 포함할 수 있다. 그리고 상기 사이즈제는 폴리우레탄계 사이즈제를 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 수지 내 상기 탄소섬유의 함량은 수지 전체 중량 중 40 ~ 45 중량%, 바람직하게는 41 ~ 44 중량%를 포함할 수 있으며, 이때, 탄소섬유 함량이 40 중량% 미만이면 물성이 저하할 수 있고, 45 중량%를 초과하면, 재료 배합시 압출 특성과 이후 공정인 성형시 미성형 문제, 사출 성형 제품의 기계적 특성 저하의 문제가 발생할 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
다음으로, 탄소나노튜브의 화학적 구조측면에서는 탄소원자가 주위의 탄소 원자 3개와 sp2 결합을 하여 육각형 벌집 무늬로 결합되어 튜브 형태를 이룬다. 탄소나노튜브는 흑연면(graphite sheet)의 결합수에 따라 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 얇은벽 탄소나노튜브(Thin wall CNT) 그리고 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)로 분류될 수 있다. 단일벽 탄소나노튜브의 경우 전기적, 기계적 특성이 우수하여 각종 전기, 전자재료에 활용도가 높으나 제조가 어렵고 가격이 매우 비싼 것이 단점이고, 다중벽 탄소나노튜브의 경우는 전기적, 기계적 그리고 열적인 특성이 단일벽 탄소나노튜브에 비해 떨어지지만 대량생산이 가능하여 가격적인 장점을 가지고 있어 공업적으로 적용 가능성이 매우 높은 편이다.
그리고, 본 발명에서 탄소나노튜브는 탄소섬유와의 연결성 즉, 퍼컬레이션(percolation)을 증가시켜 전기전도성을 증대시켜 주는 역할을 하는 것으로서, 본 발명의 수지 조성 중 상기 탄소나노튜브(CNT)는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 얇은벽 탄소나노튜브(Thin wall CNT) 및 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 전기분해전극 부품의 가격적인 측면을 고려하여 MWCNT를 사용하는 것이 좋다.
그리고, 본 발명의 수지 내 CNT 함량은 수지 전체 중량 중 0.5 ~ 5.0 중량%를, 바람직하게는 1.0 ~ 4.5 중량%를, 더욱 바람직하게는 1.5 ~ 4.0 중량%를 포함할 수 있다. 이때, CNT 함량이 0.5 중량% 미만이면 PBT 수지의 기지 내에서 충분한 전기 전도를 위한 통로(path) 연결이 어려워 전도성이 저하하는 문제가 있을 수 있고, 5.0 중량%를 초과하여 사용하면 전도성은 우수하나, 압출/사출 특성저하, 기계적 특성(인장강도, 신율 등)의 저하 및 궁극적인 가격 상승요인이 발생 할 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
다음으로, 상기 그라파이트는 합성적으로 생산되거나 또는 자연적으로 생산된 것을 사용할 수 있으며, 또는 1 ㎛ 보다 작은 두께를 갖는 팽창 그라파이트 또는 팽창 가능한 그라파이트일 수 있다. 세 가지 유형의 상업적으로 입수 가능한 자연적으로 생성된 그라파이트가 있으며, 플레이크 그라파이트(flake graphite), 무정형 그라파이트(amorphous graphite) 및 크리스탈 베인 그라파이트(crystal vein graphite)가 있다.
본 발명에서 상기 그라파이트는 압출/사출시의 윤활성 증대, 퍼컬레이션(percolation) 향상, 다소간의 열전도성 향상 등에 기여하는 역할을 하는 것으로서, 플레이크 그라파이트를 사용할 수 있고, 상기 플레이크 그라파이트는 직경 10 ~ 800 ㎛ 및 두께 1 ~ 150 ㎛ 이고, 80 ~ 99.9% 탄소 범위의 순도를 갖는 것을 사용할 수 있다.
그리고, 본 발명의 수지 내 그라파이트 함량은 0.5 ~ 10.0 중량%, 바람직하게는 2.0 ~ 8.0 중량%, 더욱 바람직하게는 3.5 ~ 8.0 중량%를 사용할 수 있다. 이때, 그라파이트 함량이 0.5 중량% 미만이면 전도성 통로(path)를 연결하는 역할이 미미한 문제가 있을 수 있고, 10.0 중량%를 초과하면 전기 및 열전도성은 우수하나, 전체 수지 조성이 낮아서 압출 및 사출 성형에 어려움을 주는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 전도성 플라스틱 수지 성분 중 폴리부틸렌 테레프탈레이트는 부테인다이올로 본질적으로 이루어진 다이올 및 테레프탈산으로 본질적으로 이루어진 이산의 축합 생성물인 것으로 이해한다. 상기 PBT 수지는 부테인다이올과 테레프탈산의 직접 에스테르화에 의해, 또는 테레프탈산 다이메틸 에스테르에 의한 부테인다이올의 에스테르 교환에 의해 수득되며, 그 결과 부테인다이올과 테레프탈산의 에스테르화된 잔기를 포함한다. PBT는 임의로는 부테인다이올과 테레프탈산의 에스테르화된 잔기 이외에 다른 다이올과 다이카복실산의 에스테르화된 잔기와 같은 다른 성분뿐만 아니라 소량의 다작용성 알코올 또는 카복실산을 포함하는 공중합체일 수 있다.
상기 전도성 플라스틱 수지에서 상기 PBT는 전형적으로 PBT 중량을 기준으로 부테인다이올과 테레프탈산의 에스테르화된 잔기 70중량% 이상을 함유한다.
그리고, 상기 PBT에 포함될 수 있는 적합한 다이올은 예컨대 에틸렌 글리콜, 다이에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 2,3-펜테인다이올, 네오펜틸글리콜, 헥사메틸렌 글리콜 및 시클로헥세인다이메탄올이다.
또한, 적합한 다이카복실산은 예컨대 오르토프탈산, 이소프탈산, 나프탈렌 다이카복실산, 아디프산, 세바스산 및 숙신산이다.
그리고, 상기 다작용성 카복실산은 예컨대, 삼작용성 카복실산(예컨대, 트리메스산 및 트리멜리트산) 및 사작용성 카복실산(예컨대, 필로멜리트산)이다.
또한, 상기 다작용성 알코올은 예컨대, 트리올(예컨대, 글리세롤, 트리메틸올 에테인 및 트리메틸올 프로페인) 및 테트롤(예컨대, 펜타에리트리톨)이다.
그리고, 상기 PBT는 고유점도(IV)가 0.76 ~ 0.83 ㎗/g인 PBT를 사용하는 것이 다이캐스팅 성형 용이서 측면에서 좋다. 그리고, PBT의 수지 내 함량은 탄소섬유, CNT, 그라파이트 및 이 외의 첨가제 성분을 제외한 나머지 잔량이다.
상기 전도성 플라스틱 수지는 탄소섬유, CNT, 그라파이트 및 PBT 외에 수득하고자 하는 전도성 플라스틱 수지의 물성을 떨어뜨리지 않는 범위 내에서 분산제, 유동화제, 점도조절제, 가소제, 강도증진제, 충격보강제, 산화방지제, 자외선차단제, 광 안정제, 안료, 난연제 및 억연제 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 첨가제를 더 포함할 수 있다.
첨가제 중 상기 분산제는 탄소섬유, CNT 및/또는 그라파이트가 PBT 내에 잘 분산되도록 하는 역할을 하는 것으로서, 특히, 탄소나노튜브는 3차원적으로 입자들이 물리, 화학적 응집이 매우 강하기 때문에 분산제를 사용하여 다이캐스팅 성형성을 증가시킬 수 있다.
상기 분산제는 에폭시(Epoxy), 카르복실기(Carboxyl), 아민기(Amine) 관능기를 중 적어도 하나 이상의 관능기와 실란기가 결합된 구조의 화합물을, 바람직하게는 에폭시(Epoxy) 및/또는 카르복실기 관능기와 실린기가 결합된 구조의 화합물을 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 폴리실록산-폴리(알킬렌 글리콜) 그라프트 공중합체를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서 R1, R2 및 R3 각각은 독립적으로 수소원자, 탄소수 1 ~ 5의 직쇄형 알킬기 또는 탄소수 3 ~ 5의 분쇄형 알킬기이고, 바람직하게는 탄소수 1 ~ 3의 직쇄형 알킬기 또는 탄소수 3 ~ 4의 분쇄형 알킬기이고, 더욱 바람직하게는 탄소수 1 ~ 3의 직쇄형 알킬기이다. 그리고, 상기 R4는 -C3H6O(C2H4O)x(C3H6O)yH이다. 또한, 화학식 1의 n은 0 ~ 10의 정수이고, m은 1 ~ 5의 정수이며, x는 1 ~ 10의 정수이고, y는 1 ~ 10의 정수이며, x+y는 2 ~ 20이다.
상기 분산제 중 실란기가 결합된 구조의 화합물은 폴리부틸렌테레프탈레이트의 말단 관능기와 에폭시기, 카르복실기, 아민기 중 적어도 어느 하나 이상의 관능기가 반응함과 동시에 실란기가 탄소섬유, CNT 및/또는 그라파이트와 반응하여 폴리부틸렌 테레프탈레이트 수지와 계면결합력을 향상시켜 전기적 특성 구현과 기계적 특성 향상을 동시에 이루어 줄 수 있다. 특히, 상기 분산제로서 폴리실록산-폴리(에틸렌/프로필렌 글리콜) 그라프트 공중합체는 탄소나노튜브를 효과적으로 분산시킬 수 있으며, 수평균분자량 5,000 ~ 25,000 및 그라프트율 60 ~ 80%일 수 있고, 바람직하게는 7,000 ~ 20,000 및 그라프트율이 65 ~ 75%일 수 있다.
또한, 상기 분산제는 실란기가 결합된 구조의 화합물과 함께 비이온성 분산제를 혼합하여 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 실란기가 결합된 구조의 화합물 및 비이온성 분산제를 1 : 0.2 ~ 0.5 중량비로, 바람직하게는 1 : 0.2 ~ 0.35 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다.
이때, 상기 비이온성 분산제로는 글리세롤 모노스테아레이트(glycerol monostearate), 소르비탄 모노올레이트(sorbitan monooleate), Tween 80, PVA (Polyvinyl alcohol), PMA (Polymethyl acrylate), MC (Methyl cellulose), CMC (Carboxyl methyl cellulose), 폴리사카라이드(Polysaccharide (Dextrin), PEI (Polyethylenimine), PVP (Polyvinylpyrrolidone) 및 PEO (Polyethyleneoxide), Poly(ethylene oxide)-Poly(butylene oxide) 삼원공중합체 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 분산제의 사용량은 수지 전체 중량 중 0.05 ~ 0.50 중량%, 바람직하게는 0.05 ~ 0.20 중량%, 더욱 바람직하게는 0.05 ~ 0.15 중량%인 것이 좋으며, 이때, 분산제 사용량이 0.05 중량% 미만으로 첨가될 경우 필러 표면에 형성되는 계면결합력 향상을 위한 관능기의 수가 부족하여 고함량의 필러를 균일하게 분산시키기 어려워져서 일부 필러 간의 응집이 발생하게 되어, 전기적 및/또는 기계적 특성의 저하를 야기시키고, 0.50 중량%를 초과하여 사용하면 반응하는 관능기 이외에 잔존하는 분산제가 수지 혼합물 내에 불순물로 작용하여 기계적 특성을 저하시키는 문제가 발생할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 유동화제 및 점도조절제는 특별히 한정하지 않으며, 본 발명의 전도성 플라스틱 수지의 물성을 해하지 않는 범위 내에서 당업계에서 사용하는 일반적인 것을 사용할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 가소제는 디옥틸-4,5-에폭시-헥사히드로프탈레이트, 트리스-(옥톡시카르보닐에틸) 이소시아누레이트 및 트리스테아린 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 충격보강제는 코아(core; 고무 재질)-쉘(shell; 플라스틱 재질) 구조를 갖는 메타아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(MBS), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 아크릴로니트릴-에틸렌-프로필렌-디엔삼원 공중합체-스티렌(AES), 아크릴로니트릴-부틸아크릴레이트-스티렌(ASA), 모든 아크릴계 고무와 에틸렌-프로필렌-디엔 단량체의 삼원공중합체(EPDM), 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS), 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS), 스티렌-부타디엔(SB), 스티렌-이소프렌 고무, 에틸렌-비닐아세테이트(EVA), 에틸렌-에틸 아크릴레이트(EEA), 에틸렌-비닐알콜(EVOH) 공중합체, PET계 탄성체 및/또는 나일론(Nylon)계 탄성체 등을 사용할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 산화방지제는, 트리스(노닐 페닐) 포스파이트, 트리스(2,4-디-t-부틸페닐)포스파이트, 비스(2,4-디-t-부틸페닐)펜타에리트리톨 디포스파이트, 디스테아릴 펜타에리트리톨 디포스파이트, 테트라키스[메틸렌(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시히드로신나메이트)] 메탄, 파라-크레졸 또는 디시클로펜타디엔의 부틸화 반응 생성물, 알킬화 히드로퀴논, 히드록시화 티오디페닐 에테르, 알킬리덴-비스페놀, 베타-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시페닐)-프로피온산의 1가 또는 다가 알코올과의 에스테르, 베타-(5-tert-부틸-4-히드록시-3-메틸페닐)-프로피온산의 1가 또는 다가 알코올과의 에스테르, 디스테아릴 티오프로피오네이트, 디라우릴 티오프로피오네이트, 디트리데실 티오디프로피오네이트, 옥타데실-3-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시페닐)프로피오네이트, 펜타에리트리틸-테트라키스[3-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시페닐)프로피오네이트 및 베타-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시페닐)-프로피온산의 아미드 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 포함할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 자외선 차단제는 히드록시벤조페논, 히드록시벤조트리아졸, 히드록시벤조트리아진, 시아노아크릴레이트, 옥사닐리드, 벤조옥사진온, 2-(2H-벤조트리아졸-2-일)-4-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)페놀(CYASORBTM 5411), 2-히드록시-4-n-옥틸옥시벤조페논(CYASORBTM 531); 2-[4,6-비스(2,4-디메틸페닐)-1,3,5-트리아진-2-일]-5-(옥틸옥시)페놀(CYASORBTM 1164), 2,2'-(1,4-페닐렌)비스(4H-3,1-벤즈옥사진-4-온)(CYASORBTM UV-3638), 1,3-비스[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]-2,2-비스[[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]메틸]프로판(UVINULTM 3030), 2,2'-(1,4-페닐렌) 비스(4H-3,1-벤즈옥사진-4-온) 및 1,3-비스[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]-2,2-비스[[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]메틸]프로판 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 광 안정제는 2-(2-히드록시-5-메틸페닐)벤조트리아졸, 2-(2-히드록시-5-tert-옥틸페닐)-벤조트리아졸 및 2-히드록시-4-n-옥톡시 벤조페논 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 안료는 제조하고자 하는 다이캐스팅 성형품에 따라 이산화티탄, 카본블랙 등 당업계에서 사용하는 일반적인 안료를 사용할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 난연제는 트리페닐포스파이트, 트리스-(2,6-디메틸페닐)포스파이트, 트리스-(혼합된 모노- 및 디-노닐페닐)포스파이트, 포스포네이트(예컨대 디메틸벤젠포스포네이트), 포스페이트(예컨대 트리메틸 포스페이트) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전도성 플라스틱 수지는 ASTM D 638법에 의해 인장강도 및 연신율 측정시, 인장강도 110 Mpa 이상 및 연신율 1.8% 이상일 수 있으며, 바람직하게는 인장강도 110 ~ 130 Mpa 및 연신율 2.0 ~ 2.8%일 수 있다.
또한, 본 발명의 전도성 플라스틱 수지는 ASTM D 790에 의해 굴곡강도 측정시, 1,000 kgf/cm2 이상, 바람직하게는 1,000 ~ 1,400 kgf/cm2일 수 있다.
또한, 본 발명의 전도성 플라스틱 수지는 ASTM D 256에 의해 충격강도 측정시, 50 J/m 이상, 바람직하게는 55 ~ 75 J/m일 수 있다.
앞서 설명한 전도성 플라스틱 수지는 경량성이 우수하고, 전기전도도가 높으며, 기계적 물성이 우수하며 성형성 또한 우수한 바, 용수의 전기분해 살균장치용 전도체 모듈로 적용하기 적합하다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
[실시예]
실시예 1 : 전도성 플라스틱 수지의 제조
흑연 망상면이 섬유축 방향에 대하여 22° ~ 25°기울기를 가지며, 겉보기 밀도 0.05 ~ 0.10 g/cm3인 헤링본형 탄소나노섬유 43 중량%, 단일벽 탄소나노섬유 3.0 중량%, 플레이크 그라파이트(직경 30 ~ 200㎛, 두께 10 ~ 50㎛, 탄소 순도 92.0 ~ 95.0%) 6.5 중량% 및 잔량의 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)를 혼합하여 전도성 플라스틱 수지를 제조하였다. 이때, 상기 PBT는 고유점도(IV)가 0.78 ~ 0.80 ㎗/g이다.
실시예 2 ~ 실시예 3 및 비교예 1 ~ 5
상기 실시예 1과 동일한 성분을 사용하여 전도성 플라스틱 수지를 제조하되, 하기 표 1과 같이 탄소섬유, CNT, 그라파이트의 함량을 달리하여 전도성 플라스틱 수지를 각각 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 1과 동일한 성분을 사용하여 전도성 플라스틱 수지를 제조하되, 전도성 플라스틱 수지 전체 중량 중 분산제 0.15 중량%를 더 혼합하여 제조하였다. 이때, 상기 분산제는 하기 화학식 1-1로 표시되는 폴리실록산-폴리(알킬렌 글리콜) 그라프트 공중합체 및 비이온성 분산제인 소르비탄 모노올레이트를 1 : 0.3 중량비로 포함한다.
[화학식 1-1]
Figure pat00002
상기 화학식 1에서 R1, R2 및 R3 은 메틸기이고, R4는 -C3H6O(C2H4O)x(C3H6O)yH이며, x는 2이고, y는 1이며, n은 3이고, m은 1이다.
실시예 5
상기 실시예 4와 동일한 성분을 사용하여 전도성 플라스틱 수지를 제조하되, 하기 표 1과 같이 성분의 함량을 달리하여 수지를 제조하였다.
구분
(중량%)		 탄소섬유 CNT 그라파이트 분산제 PBT
실시예 1 43.0 3.0 6.5 - 나머지잔량
실시예 2 40.0 3.0 6.5 - 나머지잔량
실시예 3 43.0 4.5 8.5 - 나머지잔량
실시예 4 43.0 3.0 6.5 0.15 나머지잔량
실시예 5 44..2 3.7 5.5 0.20 나머지잔량
비교예 1 37.0 3.0 6.5 - 나머지잔량
비교예 2 47.0 3.0 6.5 - 나머지잔량
비교예 3 43.0 0.1 6.5 - 나머지잔량
비교예 4 43.0 6.0 6.5 - 나머지잔량
비교예 5 43.0 3.0 0.1 - 나머지잔량
비교예 6 43.0 3.0 11.5 - 나머지잔량
실험예 1 : 물성 측정
상기 실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 6에서 제조한 전도성 플라스틱 수지의 물성을 하기와 같은 방법으로 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
1) 비저항은 4 point probe법으로 측정하였다.
2) 인장강도 및 연신율은 ASTM D 638법에 의거하여 측정하였다.
3) 굴곡강도는 ASTM D 790에 의거하여 측정하였다.
4) 충격강도는 ASTM D 256에 의거하여 측정하였다.
구분 비저항
(Ω·cm)		 인장강도
(MPa)		 신율
(%)		 굴곡강도
(kgf/cm2)		 충격강도
(J/m)
실시예 1 0.18 122 2.5 1250 70
실시예 2 0.22 114 2.0 1009 65
실시예 3 0.13 117 2.0 1200 55
실시예 4 0.16 123 2.5 1270 71
실시예 5 0.15 125 2.7 1295 73
비교예 1 0.27 110 1.9 988 62
비교예 2 0.17 103 2.2 1305 74
비교예 3 0.78 123 2.4 1220 67
비교예 4 0.11 108 1.7 1150 52
비교예 5 0.32 102 1.7 1260 49
비교예 6 0.15 124 2.6 1180 72
상기 표 2의 물성 측정 결과를 살펴보면, 실시예 1 ~5의 전도성 플라스틱 수지의 경우, 전반적으로 우수한 전기적 특성 및 기계적 물성을 가짐을 확인할 수 있었으며, 분산제를 사용하지 않은 실시예 1 ~3 보다 분산제를 사용한 실시예 4 ~5가 상대적으로 더 향상된 전기적 특성 및 기계적 물성을 가진 결과를 보임을 확인할 수 있었다.
탄소섬유를 40 중량% 미만인 37 중량%로 사용한 비교예 1의 경우, 실시예 1 및 실시예 2(40 중량%)와 비교할 때, 비저항이 높아지는 문제가 있었다.
탄소섬유를 45 중량% 초과한 47 중량%로 사용한 비교예 2의 경우, 실시예 1과 비교할 때, 높은 굴곡강도를 가지고, 낮은 비저항을 가질 수 있지만, 인장강도가 급격하게 감소하는 문제가 있었다.
그리고, CNT 함량이 0.5 중량% 미만인 0.1 중량%로 사용한 비교예 3의 경우, 실시예 1과 비교할 때, 비저항 값이 매우 높은 문제가 있었으며, 이는 전기적 특성 저하를 의미한다.
또한, CNT 함량이 5 중량% 초과한 6.0 중량%로 사용한 비교예 4의 경우, 실시예 1 및 실시예 3과 비교할 때, 비저항 값은 크게 낮지만, 기계적 물성이 다소 낮으며, 특히 인장강도가 크게 낮은 문제가 있었다.
또한, 그라파이트를 0.5 중량% 미만인 0.1 중량%만을 사용한 비교예 5의 경우, 실시예 1과 비교할 때, 비저항 수치가 높고, 낮은 인장강도, 신율 및 충격강도를 가지는 문제가 있었다.
또한, 그라파이트를 10 중량% 초과한 11.5 중량%를 사용한 비교예 6의 경우, 실시예 1 및 실시예 3과 비교할 대, 전기적 특성이 우수하고, 전반적으로 우수한 기계적 물성을 가지나, 압출 및 사출 성형시 불량품 발생률이 너무 높은 문제가 있었다.
제조예 1 : 전도체 모듈 및 살균장치의 제조
상기 실시예 1의 전도성 플라스틱 수지를 이용하여 도 3의 개략도와 같은 다수개의 홀이 형성된 D형 평판형 전도체 모듈을 다수개 제조하였다. 이때, 전도체 모듈의 한쪽 끝단부에는 결합부가 형성되어 있다.
다음으로, 1개의 통전 볼트에 1개의 통전 너트가 구비된 양극에 상기 전도체 모듈의 결합부를 결합시켰다. 이와는 별도로 1개의 통전 볼트에 1개의 통전 너트가 구비된 음극에 상기 전도체 모듈의 결합부를 결합시켰다.
상기 양극 및 음극의 전도체 모듈이 차례대로 적층되고, 양극 및 음극이 이격되도록 설치한 후, 양극 및 음극에 통전 너트를 추가 결합하고, 추가 결합된 양극 및 음극 통전 너트 각각에 전도체 모듈 각각을 결합하여 도 5a 내지 도 5c에 사진으로 나타낸 바와 같이 총 3개의 전도체 모듈이 적층되도록 하여 전기분해 살균부를 형성시켰다.
다음으로, 상기 양극 및 음극에 직류를 공급 및 제어하는 직류공급 제어 장치와 연결하여 용수 전기분해 살균장치를 제조하였다.
실험예 2 : 살균 효과 측정
공시균(供試菌)으로서 아포 형성균 Bacillus　subtilis　JCM　1465를 사용하였다. 이 공시균을 Brain　Heart Infusion (BHI) 한천 배지(Becton　Dickinson사제)에서 37℃에서 1주일간 배양한 샬레로부터 집균하고, 65℃에서 30분 가열 후 4℃에서 보존한 것을 사용하였다. 이 보존균액을 표준균탁도액(에이켄화학제)을 이용하여 (1.0~3.0)×108 CFU/ml로 조정한 것을 공시균액으로 하였다.
수돗물을 전기분해하여 얻어진 살균수 1ml에 공시균액 10㎕를 접종 혼합한 후, BHI 액체 배지(Becton Dickinson사제) 1ml에 첨가 후 37℃에서 24시간 배양하고, 눈으로 균의 증식의 유무를 판정하였다. 측정 결과, 균의 증식되지 않았다.
10 : 통전 볼트 20 : 통전 너트
21, 23, 25, 27: 양극부의 통전너트
22, 24, 26, 28 : 음극부의 통전너트
30 : 전도체 모듈 50 : 양극부
60 : 음극부 70 : 전기분해 살균부
80 : 직류공급 제어부 100 : 살균장치

Claims (6)

  1. 물을 담는 용기 안에 설치되는 용수 살균장치로서,
    양극부;
    음극부;
    상기 양극과 음극 사이에 구비된 다수 개의 전도체 모듈을 포함하는 전기분해 살균부; 및
    상기 양극부 및 음극부에 직류 공급 및 제어하는 직류공급 제어부;를 포함하며,
    상기 양극부 및 음극부 각각은, 통전 볼트 및 상기 통전 볼트에 구비된 1개 이상의 통전 너트로 구성된 것을 특징으로 하는 용수의 전기분해 살균장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전도체 모듈은 다수개의 홀이 형성된 평판형, 슬릿이 형성된 판형 및 그물형 중 어느 하나의 형태이며,
    전도체 모듈 어느 한 방향의 끝단부에는 전극과 결합되는 결합부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 용수의 전기분해 살균장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다수 개의 전도체 모듈 중 전도체 모듈 각각은 양극부 또는 음극부 중 어느 하나의 전극에만 직접 결합되며,
    상기 결합은 전도체 모듈의 끝단의 결합부가 통전 너트에 고정 및 결합되는 것이며,
    상기 다수 개의 전도체 모듈은 양극부에 결합된 전도체 모듈 및 음극부에 결합된 전도체 모둘이 서로 교차 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 용수의 전기분해 살균장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전도체 모듈은 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그라파이트 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate)를 포함하는 전도성 플라스틱 수지의 성형품인 것을 특징으로 하는 용수의 전기분해 살균장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전도성 플라스틱 수지는 탄소섬유 40 ~ 45 중량%, 탄소나노튜브 0.5 ~ 5 중량%, 그라파이트 0.5 ~ 10 중량% 및 잔량의 폴리부틸렌테레프탈레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 용수의 전기분해 살균장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전도성 플라스틱 수지는 분산제 0.1 ~ 0.5 중량%를 더 포함하며,
    상기 분산제는 하기 화학식 1로 표시되는 폴리실록산-폴리(알킬렌 글리콜) 그라프트 공중합체 및 비이온성 분산제를 1 : 0.2 ~ 0.5 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 용수의 전기분해 살균장치.
    [화학식 1]
    Figure pat00003

    상기 화학식 1에서 R1, R2 및 R3 각각은 독립적으로 수소원자, 탄소수 1 ~ 5의 직쇄형 알킬기 또는 탄소수 3 ~ 5의 분쇄형 알킬기이고, R4는 -C3H6O(C2H4O)x(C3H6O)yH이며, n은 0 ~ 10의 정수이고, m은 1 ~ 5의 정수이며, x은 1 ~ 10의 정수이고, y는 1 ~ 10의 정수이며, x+y는 2 ~ 20이다.
KR1020200094085A 2020-07-28 2020-07-28 전기분해 용수 살균장치 및 이에 사용되는 전도체 모듈 KR102469168B1 (ko)

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