KR20230081298A

KR20230081298A - 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20230081298A
Application number: KR1020210169225A
Authority: KR
Inventors: 이경황; 양지훈
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2023-06-07

Abstract

본 발명은 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 건자재, 가전제품 등 다양한 분야에 사용될 수 있는 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판 및 그 제조방법{BLACKENED STEEL SHEET HAVING ANTIMICROBIAL AND ANTIVIRAL PROPERTIES AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

세균과 바이러스는 인간에게 질병을 유발한다는 점에서 유사하지만, 그 특성은 서로 다르다. 세균은 생물로써 대사에 필요한 영양분을 필요로 하며, 자체 증식이 가능하다. 이에 비해, 바이러스는 스스로 대사를 하거나 증식하는 것이 불가하여, 증식을 하기 위해서는 인간과 같은 숙주가 필요한 반생물이다.

건자재, 가전제품 등은 인간이 밀접하게 사용되는 제품들로써, 이들이 세균이나 바이러스에 오염될 경우, 인간에게 전염될 가능성이 매우 높다. 이에, 관련 제품에 대한 세균과 바이러스에 의해 유발되는 질병을 예방하기 위해 항균과 항바이러스에 대한 연구 및 관련 제품들이 개발되고 있는 실정이다.

철강관련 기업에서는 항균 성능을 갖는 강판을 개발하여 판매하고 있다. 이러한 항균 강판은 주로 항균제를 첨가한 도료를 도장하여 제조된 것으로서, 세균의 증식을 방지하고 사멸시키는 효과를 가지고 있다.

이와 관련된 대표적인 기술로는 특허문헌 1 및 2가 있다. 상기 기술들은 다양한 색상 구현이 가능하다는 장점이 있지만, 금속 고유의 표면 질감을 상실하는 단점이 있을 뿐만 아니라, 바이러스에 대한 저항성은 고려하고 있지 않다는 단점이 있다.

따라서, 항바이러스 성능을 갖는 강판에 대한 개발이 요구되고 있는 실정이다.

한편, 건축물의 내장재, 가전제품, 자동차 등의 분야에서는, 의장성(意匠性) 등의 관점으로부터 흑색의 외관을 갖는 강판의 요구가 높아지고 있다. 강판의 표면을 흑색화하는 방법으로는, 강판의 표면에 흑색 도료를 도포하여 흑색 도막(塗膜)을 형성하는 방법이 있다. 그렇지만, 상기 분야에는, 내식성의 관점에서 Zn도금, Al함유 Zn도금, Al-Mg함유 Zn도금, Si함유 Al도금, Mg-Si함유 Al도금 등의 도금을 실시한 도금 강판이 사용되는 것이 많고, 이러한 도금강판의 표면은 금속 광택이 있는 은백색의 색조를 가지고 있다. 따라서, 흑색 도료의 도포를 통해 의장성 높은 흑색 외관을 얻기 위해서는, 도막을 두껍게 하여 베이스 색을 은폐하지 않으면 안되기 때문에 도장 비용이 과도하게 소요된다.

이에, 흑색 도막을 형성하지 않고, 도금강판의 금속 광택 및 은백색의 색조를 차폐하는 방법으로서 도금층 그 자체를 흑색화하는 방법이 제안되었다. 일 예로는, Al함유 용융Zn도금강판에 고온의 수증기를 24시간 이상 분무하여, 도금층 표층에 얇은 흑색 피막을 형성하는 방법이 있다. 또 다른 예로는, 합금도금강판의 표면 흑색화를 위해 Al-Mg함유 용융Zn도금강판을 사용하고, 이 용융도금강판을 밀폐 용기 속에서 수증기와 접촉시켜 도금층을 흑색화하는 방법이 있다.

그러나, 상기 도금층의 흑색화 방법은 아연을 주요 성분으로 하는 Al 또는 Mg함유 Zn도금강판은 흑색화가 가능하지만, 합금성분이 포함되지 않은 Zn도금강판은 고온의 수증기 분무 또는 밀폐 용기 속에서의 수증기와의 접촉만으로 흑색화가 곤란하다는 단점이 있다.

한국 등록특허 제10-0214449호 한국 공개특허 제10-2020-0072113호

본 발명의 일측면은 의장성 뿐만 아니라 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태는 소지강판; 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 형성된 아연도금층;을 포함하고, 상기 도금층의 상부에는 아연의 일부가 구리로 치환되어 형성된 치환층이 존재하며, 상기 치환층은 중량%로, 구리: 5~30%, 산소: 25~45%, 잔부 Zn 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 평균 두께는 1.0~10.0㎛인 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판을 제공한다.

본 발명의 다른 실시형태는 소지강판에 아연도금층을 형성시켜 도금강판을 얻는 단계; 및 상기 도금강판의 도금층 상부에, 중량%로, 구리: 5~30%, 산소: 25~45%, 잔부 Zn 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 두께가 1.0~11.0㎛인 치환층이 형성되도록 하는 단계;를 포함하고, 상기 치환층이 형성되도록 하는 단계는, 상기 도금강판을 치환반응 용액에 침적하는 단계; 상기 침적된 도금강판을 수세하는 단계; 상기 수세된 도금강판을 연마하는 단계; 상기 연마된 도금강판을 수세하는 단계; 및 상기 연마된 도금강판을 건조하는 단계;를 포함하며, 상기 치환층이 형성되도록 하는 단계는 2~5회 수행되는 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일측면에 따르면, 의장성 뿐만 아니라 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은 도금강판의 모식도이며, (a)는 종래의 도금강판이고, (b)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 흑색강판이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아연도금층의 단면을 주사전자현미경(SEM:Scanning Electron Microscope)으로 관찰한 사진이며, (a)는 전기아연도금강판, (b)는 용융아연도금강판, (c)는 2.5%Al-3.0%Mg-Zn 합금도금강판의 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 흑색강판을 표면에서 깊이 방향으로 글로우방전분광기(GDS: Glow Discharge Spectroscopy)를 이용하여 측정한 그래프이며, (a)는 전기아연도금강판, (b)는 용융아연도금강판, (c)는 2.5%Al-3.0%Mg-Zn 합금도금강판의 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기아연도금강판의 치환층 형성 공정 횟수에 따른 표면의 성분 변화를 전자탐침미세분석기(EPMA: Electron Probe Micro Analyer)를 통해 분석한 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기아연도금강판의 치환층 형성 공정 횟수에 따른 표면과 색차측정에 의해 얻어진 평균 명도(L*)를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 흑색강판에 대하여 설명한다.

도 1은 도금강판의 모식도이며, (a)는 종래의 도금강판이고, (b)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 흑색강판이다. 종래의 도금강판의 경우에는 소지강판(1) 및 상기 소지강판 상에 형성된 아연도금층(2)을 포함한다. 반면, 본 발명의 흑색강판(100)은 소지강판(10); 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 형성된 아연도금층(20);을 포함하고, 상기 아연도금층의 상부에는 아연의 일부가 구리로 치환되어 형성된 치환층(30)이 존재하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 상기 소지강판의 종류에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 이용되는 모든 종류의 소지강판을 이용할 수 있다. 본 발명에서는 상기 아연도금층의 종류에 대해서도 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 전기아연도금층, 융융아연도금층 및 아연계 합금도금층으로부터 선택된 1종을 이용할 수 있다. 이 때, 상기 아연도금층은 아연을 주성분으로서 45중량% 이상 포함할 수 있으며, Al, Si 및 Mg 등의 합금원소 등을 추가로 포함할 수 있다.

상기 치환층은 중량%로, 구리: 5~30%, 산소: 25~45%, 잔부 Zn 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 구리의 함량이 5% 미만이거나 산소의 함량이 25% 미만인 경우에는 도금강판의 색상이 균일하지 않고, 명도값이 높아 흑색도가 낮은 단점이 있고, 구리의 함량이 30%를 초과하거나 산소의 함량이 45%를 초과하는 경우에는 색상이 구리 색상으로 변하거나 과도한 산화층으로 색상이 불균일해지는 단점이 있다. 상기 산소 함량의 하한은 10%인 것이 보다 바람직하고, 15%인 것이 보다 더 바람직하다. 상기 산소 함량의 상한은 25%인 것이 보다 바람직하고, 20%인 것이 보다 더 바람직하다.

또한, 상기 치환층의 평균 두께는 1.0~11.0㎛인 것이 바람직하다. 상기 치환층의 평균 두께가 1.0㎛ 미만인 경우에는 치환층이 충분히 생성되지 않아 색상이 불균한 단점이 있고, 11.0㎛를 초과하는 경우에는 치환층의 부착성이 떨어지는 단점이 있다. 상기 치환층 평균 두께의 하한은 2.0㎛인 것이 보다 바람직하고, 3.0㎛인 것이 보다 더 바람직하다. 상기 치환층 평균 두께의 상한은 10.0㎛인 것이 보다 바람직하고, 8.0㎛인 것이 보다 더 바람직하다.

전술한 바와 같이 제공되는 본 발명의 흑색강판은 평균 명도 L*값이 30~40의 범위를 갖는다. 또한, 본 발명은 항균 및 항바이러스 특성을 갖는다. 일반적으로 강판, 예를 들어 스테인리스 강판의 표면이 바이러스로 오염되는 경우에 약 48~72시간이 경과되어야만 감염성을 유지한 바이러스의 수가 검출한계 아래로 줄어든다. 그러나, 구리(Cu) 및 은(Ag)과 같은 전이금속 표면에 바이러스가 노출되면 4~8시간 내에 외피 단백질 및 스파이크 단백질 등 바이러스를 구성하는 단백질이 손상을 입거나 바이러스 외피 내부로 구리 등의 이온이 침투하여 활성산소를 발생시켜, DNA 또는 RNA를 손상시킴으로써 감염력을 무력화하거나 사멸시킨다. 이러한 효과를 항바이러스 효과라 하고, 미량동 효과라 부르기도 한다. 본 발명의 흑색강판은 5중량%, 보다 바람직하게는, 10중량% 이상의 구리를 포함함으로써 충분한 미량동 효과를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 흑색강판의 제조방법에 대하여 설명한다.

우선, 소지강판에 아연도금층을 형성시켜 도금강판을 얻는다. 본 발명에서는 상기 아연도금층의 형성 방법이나 종류에 대해서는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 이용되는 모든 것을 적용할 수 있다.

본 발명에서는 상기 도금강판을 산세 및 수세하는 전처리 단계를 포함할 수 있다. 상기 전처리를 통해, 후공정인 치환층 형성 단계시 치환반응 용액 내에서 전체적으로 균일한 반응과 빠른 반응속도를 유도할 수 있다. 상기 전처리 방법에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 도금강판을 약 1/3로 희석한 염산(HCl)에 5초 이내의 짧은 시간 동안 침적한 후 취출하고 이어서 수세하는 방법을 이용할 수 있다.

이후, 상기 도금강판의 아연도금층 상부에, 중량%로, 구리: 5~30%, 산소: 25~45%, 잔부 Zn 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 두께가 1.0~11.0㎛인 치환층이 형성되도록 한다. 이 때, 상기 치환층이 형성되도록 하는 단계는, 상기 도금강판을 치환반응 용액에 침적하는 단계; 상기 침적된 도금강판을 수세하는 단계; 상기 수세된 도금강판을 연마하는 단계; 상기 연마된 도금강판을 수세하는 단계; 및 상기 연마된 도금강판을 건조하는 단계;를 포함하며, 상기 치환층이 형성되도록 하는 단계는 2~5회 수행되는 것이 바람직하다. 상기 치환층 형성 단계 횟수가 2회 미만인 경우에는 치환층이 충분하게 생성되지 않아 색상 등이 균일하지 않고, 5회를 초과하는 경우에는 치환층이 박리되거나 구리 함량 증가에 따라 흑색이 얻어지지 않을 수 있다. 상기 치환층이 형성되도록 하는 단계는 3~5회 수행되는 것이 보다 바람직하다.

통상의 기술자라면 치환반응 용액의 종류나 반응시간 등을 적절히 제어함으로써 본 발명이 제안하는 조성과 두께를 갖는 치환층을 용이하게 형성할 수 있다. 다만, 예를 들면, 상기 치환반응 용액은 증류수에 30~100g/L의 황산구리(CuSO₄)가 첨가된 것을 이용할 수 있다. 상기 황산구리의 함량이 30g/L 미만인 경우에는 반응속도가 늦어져 공정에 소요되는 시간이 과도하게 증가할 수 있고, 100g/L를 초과하는 경우에는 반응속도가 과도하게 빨라져 구리 함량의 제어가 어려워질 수 있다. 상기 황산구리 함량의 하한은 50g/L인 것이 보다 바람직하고, 상한은 80g/L인 것이 보다 바람직하다. 한편, 상기 치환반응 용액은 10~30g/L의 과염소산칼륨(KClO₄)을 추가로 포함할 수 있으며, 이 때, 상기 과염소산칼륨은 상기 황산구리 함량의 1/3 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 과염소산칼륨은 견고한 치환층 형성을 위한 것이다. 상기 과염소산칼륨의 함량이 10g/L 미만인 경우에는 상기 효과를 충분히 얻기 어려울 수 있으며, 30g/L을 초과하는 경우에는 용액의 젤화(gelation)로 인해 용액의 점도가 상승하여 원활한 공정이 곤란하다는 단점이 있을 수 있다. 상기 과염소산칼륨 함량의 하한은 15g/L인 것이 보다 바람직하고, 상기 과염소산칼륨 함량의 상한은 25g/L인 것이 보다 바람직하다. 상기 치환반응 용액은 그 온도가 25~35℃일 수 있다. 상기 온도가 25℃ 미만인 경우에는 반응속도가 늦어 침적시간이 과도하게 길어질 수 있고, 35℃를 초과하는 경우에는 과도하게 빠른 반응으로 인해 치환층이 견고하게 생성되지 않을 수 있다. 침적 시간은 도금강판의 종류와 치환반응 용액의 종류나 조성에 따라 과도한 반복실험없이 적절히 설정할 수 있다.

본 발명에서는 이후의 공정 즉, 수세-연마-수세-건조 공정에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 방법을 이용할 수 있다. 다만, 상기 연마 공정의 예시로서, 버프(buff)를 이용하여 도금강판의 표면을 문지르거나 도금강판을 버프를 감은 롤에 통과시키는 방법 등을 이용할 수 있으며, 이를 통해, 도금강판의 표면에 고착되지 않은 반응층을 제거할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지 않는다.

(실시예)

전기아연도금강판, 용융아연도금강판 및 2.5%Al-3.0%Mg-Zn 합금도금강판 각각을, 1/3로 희석한 염산에 10초간 산세하고 수세한 뒤, 증류수에 50g/L의 황산구리와 20g/L의 과염소산칼륨을 첨가한 27℃의 치환반응 용액에 침적한 뒤, 수세-버프 연마-수세-건조 공정을 1~5번 수행하여 흑색강판을 제조하였다.

도 2는 아연도금층의 단면을 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)으로 관찰한 사진이며, (a)는 전기아연도금강판, (b)는 용융아연도금강판, (c)는 2.5%Al-3.0%Mg-Zn 합금도금강판의 사진이다. 도 2를 통해 알 수 있듯이, 각각의 강판 도금층에 적정 두께의 치환층이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.

도 3은 흑색강판을 표면에서 깊이 방향으로 글로우방전분광기(GDS: Glow Discharge Spectroscopy)를 이용하여 측정한 그래프이며, (a)는 전기아연도금강판, (b)는 용융아연도금강판, (c)는 2.5%Al-3.0%Mg-Zn 합금도금강판의 그래프이다.

전기아연도금강판은 도금층 총 두께가 약 4.5㎛이며, 치환층은 약 1.2㎛의 두께를 갖고 있다. 치환층은 아연의 성분이 감소한 반면, 구리와 산소는 증가하였으며, 구리와 산소 성분은 각각 약 20중량%와 약 30중량%를 나타내었다.

용융아연도금강판은 도금층 총 두께까 20㎛ 이상이고, 치환층은 약 11㎛의 두께를 갖고 있다. 상기 치환층의 구리와 산소 성분은 각각 약 10중량%와 30~40중량%를 나타내었다.

아연-알루미늄-마그네슘 합금도금강판은 도금층 총 두께가 20㎛이상이고, 치환층은 약 1.8㎛의 두께를 갖고 있다. 상기 치환층의 구리와 산소 성분은 각각 약 20중량%와 30~40중량%를 나타내었다.

도 4는 전기아연도금강판의 치환층 형성 공정 횟수에 따른 표면의 성분 변화를 전자탐침미세분석기(EPMA: Electron Probe Micro Analyer)를 통해 분석한 결과이다. 도 4를 통해 알 수 있듯이, 치환반응 전(반응횟수 0) 소재의 표면은 아연 성분으로 구성되었으나, 치환반응 횟수 증가에 따라 아연은 감소하고 구리 성분이 점차 증가하는 것을 알 수 있다.

도 5는 전기아연도금강판의 치환층 형성 공정 횟수에 따른 표면과 색차측정에 의해 얻어진 평균 명도(L*)를 나타낸 것이다. 치환반응전(반응횟수 0)의 명도는 78.5로 매우 밝은 값을 나타내고 있는 반면, 반응횟수의 증가에 따라 명도가 감소하여 진한 흑색으로 변화하는 것을 확인할 수 있다.

1: 소지강판
2: 아연도금층
10: 소지강판
20: 도금층
30: 치환층
100: 흑색강판

Claims

소지강판; 및
상기 소지강판의 적어도 일면에 형성된 아연도금층;을 포함하고,
상기 도금층의 상부에는 아연의 일부가 구리로 치환되어 형성된 치환층이 존재하며,
상기 치환층은 중량%로, 구리: 5~30%, 산소: 25~45%, 잔부 Zn 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 평균 두께는 1.0~10.0㎛인 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판.
청구항 1에 있어서,
상기 아연도금층은 전기아연도금층, 융융아연도금층 및 아연계 합금도금층으로부터 선택된 1종인 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판.
청구항 1에 있어서,
상기 아연도금층은 아연을 45중량% 이상 포함하는 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판.
소지강판에 아연도금층을 형성시켜 도금강판을 얻는 단계; 및
상기 도금강판의 아연도금층 상부에, 중량%로, 구리: 5~30%, 산소: 25~45%, 잔부 Zn 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 두께가 1.0~11.0㎛인 치환층이 형성되도록 하는 단계;를 포함하고,
상기 치환층이 형성되도록 하는 단계는,
상기 도금강판을 치환반응 용액에 침적하는 단계;
상기 침적된 도금강판을 수세하는 단계;
상기 수세된 도금강판을 연마하는 단계;
상기 연마된 도금강판을 수세하는 단계; 및
상기 연마된 도금강판을 건조하는 단계;를 포함하며,
상기 치환층이 형성되도록 하는 단계는 2~5회 수행되는 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 치환층이 형성되도록 하는 단계 전, 상기 도금강판을 산세 및 수세하는 전처리 단계를 추가로 포함하는 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 치환반응 용액은 증류수에 30~100g/L의 황산구리(CuSO₄)가 첨가된 것인 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 치환반응 용액은 10~30g/L의 과염소산칼륨(KClO₄)을 추가로 포함하는 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 과염소산칼륨은 상기 황산구리 함량의 1/3 이하로 첨가되는 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 치환반응 용액은 온도가 25~35℃인 항균 및 항바이러스 특성을 갖는 흑색강판의 제조방법.