KR102082762B1 - 가시광 활성 광촉매를 포함하는 발광 특성을 가지는 인공 식물 - Google Patents

가시광 활성 광촉매를 포함하는 발광 특성을 가지는 인공 식물 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측에 따르는 가시광 활성 광촉매를 포함하는 발광 특성을 가지는 인공 식물은, 조경용 인공 식물에 있어서, 상기 인공 식물은, 인공적으로 형성된 가지, 줄기, 뿌리, 잎, 꽃 및 열매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 개체를 포함하고, 상기 하나 이상의 개체 중 적어도 일부는 발광 특성을 가지는 것이고, 상기 하나 이상의 개체는 400 nm 이상의 가시광선 영역에서 광활성을 갖는 광촉매를 포함하고, 상기 광촉매는, 무기산화물 및 상기 무기산화물 상에 형성된 유기금속화합물 유래 금속 산화물층을 포함하는 것이다.

Description

가시광 활성 광촉매를 포함하는 발광 특성을 가지는 인공 식물{LIGHT EMITTING ARTIFICIAL PLANT COMPRISING VISIBLE LIGHT ACTIVE PHOTOCATALYS}
본 발명은, 촉매 활성 파장 영역이 확대된 광촉매를 포함하는 조경용 인공 식물에 관한 것으로서, 구체적으로는 인공 나무, 인공 꽃, 인공 잎, 인공 가지나 줄기, 인공 뿌리 등 식물로 정의되는 개체를 포함하는 조경용 인공식물에 대한 것이다.
광촉매는 빛 에너지를 흡수함으로써 촉매활성을 갖는 것으로, 촉매활성에 의해서 강력한 산화력으로 유기물질 등과 같은 환경오염물질을 산화 분해하는 것이다. 즉, 광촉매는, 밴드갭 이상(Band gap)의 에너지를 갖는 광(자외선)을 조사하여 가전자대(Valence band)에서 전도대(conduction band)로의 전자의 천이가 일어나고, 가전자대에서 홀이 형성된다. 이 전자와 정공은 분말의 표면으로 확산되고, 산소 및 수분에 접촉하여 산화환원 반응을 일으키거나 재결합하여 열을 발생시키다. 즉, 전도대의 전자는 산소를 환원시켜 슈퍼옥사이음이온을 생성시키고, 가전자대의 정공은 수분을 산화해서 히드록시 라디칼(OH·)을 형성시킨다. 이러한 정공에 의해 생성되는 히드록시 라디칼(OH·)의 강력한 산화력으로 광촉매 표면에 흡착된 기상 또는 액상의 유기물, 즉, 난부해성 유기물의 분해, 살균력, 친수성 등을 나타낼 수 있다. 일반적으로 광촉매로 이산화티타늄(TiO2) 분말이 사용되고, 이산화티타늄(TiO2)은 인체에 무해하고 광촉매활성이 탁월하며, 내광부식성이 우수하고 가격이 저렴한 이점이 있다. 이산화티타늄(TiO2)은 388㎚ 이하의 자외선을 흡수하여 반응함으로써 전자(전도대)와 정공(가전자대)이 생성되는데, 이때 광원으로 사용되는 자외선은 태양광 외에 램프, 백열전등, 수은램프 등의 인공조명, 발광다이오드 등이 사용될 수 있다. 상기 반응에서 생성된 전자와 정공은 10-12 내지 10-9 초 만에 재결합하지만, 재결합하기 전에 오염물질 등이 표면에 흡착하게 되면 상기 전자와 정공에 의해 분해된다. 하지만, 이산화티타늄(TiO2) 분말의 밴드갭에너지(380nm 이상의 파장)를 태양광에서 획득하는데, 그 광의 2 % 정도 이용할 수 있으므로, 태양광의 주요 파장인 가시광영역(400~800nm)에서 원활한 촉매 활성을 갖는데 어려움이 있다. 즉, 가시광선에 감응하기 위해서는 광촉매의 밴드갭을 효과적으로 줄이고 빛 흡수를 통해 발생되는 전자/정공 쌍을 효율적으로 분리시키는 것이 필수적인데 이산화티타늄(TiO2) 분말의 가시광 감응형 광촉매에서 효율은 아직까지 공기 청정 분야에 상용화되기 위한 수준에는 못 미치고 있는 실정이다.
현대사회가 됨에 따라 대기오염이 심각해지면서 공기질 개선에 대한 사람들의 요구는 계속적으로 증가하고 있다. 더불어 최근 전염성이 높은 바이러스 출현에 따른 질병에 대한 위험성이 증가하고, 가습기 살균제의 독성 이슈화 등으로 인해 인체에 무해한 항균, 살균 제품을 필요로 하고 있다. 이러한 측면에서 상술한 광촉매를 이용한 공기정화 기술의 개선 및 다양한 적용처에의 응용은 많은 관심을 받고 있다.
그리고, 이와 같은 대기오염에 지쳐버린 현대인들은 실내외에서 녹지 환경에 대한 갈망을 채우기 위한 나무, 숲 등에 대한 요구가 계속적으로 증가하였다. 그래서 이를 충족시키기 위한 인조나무, 인조숲 등의 제품들은 공기청정에 대한 심리적인 효과를 노리고 실내외에 다양하게 적용되고 있었다. 이러한 제품들은 많은 곳에 이용되어 현대인들에게 심리적인 청정욕구를 충족시키는 한편, 미적인 아름다움까지 제공하고 있었다.
본 발명은 상술한 현대인들의 욕구를 충족시키면서 동시에 문제되고 있는 공기오염 등을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은, 유기금속화합물의 도핑 공정을 도입하여 형성된, 가시광선 영역에서 우수한 광촉매 활성을 갖는, 무기산화물 기반 광촉매를 개발하고, 이를 인공 식물에 적용하고, 한편으로는 태양광을 받아 빛을 발함으로써 자체적으로 광촉매를 활성화 시킴과 동시에 미적인 아름다움을 구비할 수 있는 인공식물에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 새로이 개발한 무기산화물 기반 광촉매를 인조나무 또는 인조식물, 인조 꽃 등으로 불리우는 조경용 인공 식물에 적용한 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 무기산화물 기반 광촉매를 포함하고, 광분해 기능을 가짐으로써 공기 정화 성능이 구비된 인공 식물을 제공하는 것이며, 이는 실제 수요자들이 자연에서 나무에게 기대하는 기능과 일치한다.
본 발명의 일 실시예는, 유기금속화합물의 도핑 공정을 이용하여 무기산화물 기반의 광촉매를 제조하고, 이렇게 제조된 광촉매를 이용하여 인공 식물에 적용함으로써 실제 나무가 제공하는 우수한 공기정화 성능을 그 이상으로 구현한 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 태양광 패널을 포함하며, 태양광 패널을 통해 생산된 전기 에너지를 이용하여 인공식물의 줄기, 잎 또는 둘 다에 구비된 LED를 발광시킴으로써 광촉매를 자체적으로 활성화하면서 아름다운 미감도 부여하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측에 따르는 가시광 활성 광촉매를 포함하는 발광 특성을 가지는 인공 식물은,
조경용 인공 식물에 있어서, 상기 인공 식물은, 인공적으로 형성된 가지, 줄기, 뿌리, 잎, 꽃 및 열매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 개체를 포함하고, 상기 하나 이상의 개체 중 적어도 일부는 발광 특성을 가지는 것이고, 상기 하나 이상의 개체는 400 nm 이상의 가시광선 영역에서 광활성을 갖는 광촉매를 포함하고, 상기 광촉매는, 무기산화물 입자 및 상기 무기산화물 입자 상에 형성된 유기금속화합물 유래 금속 산화물층을 포함하는 것이고, 상기 금속 산화물층은 상기 무기산화물 대비 0.001 내지 10 중량%인 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 개체는 표면의 적어도 일부에 상기 광촉매를 포함하는 코팅층을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코팅층은 0.1 ㎛ 내지 5 mm 두께인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광촉매는, 상기 하나 이상의 개체의 베이스 소재와 혼합된 것이고, 상기 베이스 소재는 글래스화이버, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 나일론, 실리콘 및 금속 소재로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 조경용 인공 식물은, 일 측에 구비되는 태양광 발전 패널;을 더 포함하고, 상기 하나 이상의 개체는 상기 태양광 발전 패널로부터 생산된 전기 에너지를 전달받아 빛을 발하는 광섬유, LED 또는 둘 다;를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 산화물층은 페로센 유래 철 산화물을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 무기산화물은, Ti, Zn, Al 및 Sn 중 적어도 하나를 포함하는 산화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이고, 상기 금속 산화물층은 상기 무기산화물 대비 0.001 내지 10 중량%인 철 산화물을 포함하는 것이고, 상기 광촉매는, 30 % 이하의 습도의 건식 조건에서 광활성을 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 무기산화물은, 비드, 분말, 로드, 와이어, 니들 및 섬유 형태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하고, 상기 무기산화물의 크기는 1 nm 내지 500 ㎛인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 무기산화물은 철을 포함하는 무기산화물을 포함하지 않는 것이고, 상기 금속 산화물층은, 상기 무기산화물 상에 증착된 페로센이 열처리된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 산화물은, 하기의 화학식 1로 표시되는 화합물 중 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
[화학식 1]
MexOYHZ
(Me는 1족 내지 3족 중 하나 이상의 금속 원소, X, Y 및 Z는, 각각 0 내지 3에서 선택되고, X 및 Y는 0이 아니다.)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광촉매의 비표면적은 5 (m2/g) 이상이고, 평균 기공 크기는 50 nm 이하인 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 가시광선 영역에서 우수한 광촉매 활성을 갖고, 다양한 습도 및 온도 영역에서 우수한 광분해 효율을 갖는 무기산화물 기반 광촉매를 제조하고, 이를 적용한 인공 식물을 제조할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 가시광 활성 광촉매를 포함하는 인공 식물은 가시광선 영역을 포함하는 빛을 전달받아 광촉매가 활성화되는 것일 수 있다. 이를 통해서 본 발명에서 제안하는 인공 식물은 수요자의 공기청정 욕구를 심리적으로 충족시켜 주는 것 외에, 실질적으로도 설치된 주위 환경의 공기를 정화시키는 것일 수 있다.
본 발명은, 간단하고 경제적인 방법으로 무기산화물 기반 광촉매를 포함한 인공식물을 제공할 수 있고, 상기 무기산화물 기반 광촉매를 구비한 인공 식물은, 건조한 조건 하에서도 활성화 될 수 있는 광촉매를 포함하고 있고, 가시광선 영역의 빛에 감응하여 휘발성 유기화합물을 높은 효율로 분해시키는 능력과 뛰어난 안정성을 지니고 있어 조경용으로 실내외 특정 장소에 설치될 경우, 사람들에게 심리적 안정감을 제공함과 동시에 실제 자연 식물 이상의 공기 정화 기능이 구비되는 효과가 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에서 제안하는 광촉매는, 인공 식물뿐 아니라 다양한 실내외 조경 제품 또는 인공 식물이 거치되는 화분 또는 인공 토양 등에도 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 조경용 인공 식물은 일 측에 태양광 패널이 구비되기 때문에 이를 통해 생산된 전기 에너지를 전달받아 인공식물의 줄기, 잎 또는 둘 다에 구비된 LED가 발광할 수 있으며, 이를 통해 자동으로 광촉매가 활성화되어 주위 공기를 정화하는 효과가 구현됨과 동시에 밤에 아름다운 미감을 부여하는 조명 효과도 기대할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 가시광 활성 광촉매를 포함하는 인공 식물의 개략적인 구성을 나타낸 개념도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 적용되는 광촉매의 제조방법의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 실시예에 따라, 본 발명에 적용되는 광촉매의 제조공정에 이용되는 TR-CVD 반응기의 구성을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 실시예에 따라, 본 발명에 적용되는 광촉매의 제조공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 본 발명에 적용되는 광촉매의 이미지를 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 광촉매의 TEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 광촉매의 광분해 성능의 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 8은, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 광촉매의 습도에 따른 광분해 성능의 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 9는, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 광촉매의 반복적인 광분해 실험에 따른 광분해 성능의 안정성 평가 결과를 나타낸 것이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 무기산화물 기반 광촉매에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 가시광 활성 광촉매를 포함하는 인공 식물의 개략적인 구성을 나타낸 개념도이다.
이하에서는 도 1을 참조하여, 본 발명을 이루는 각 구성들에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측에 따르는 가시광 활성 광촉매를 포함하는 조경용 인공 식물(100)은, 조경용 인공 식물에 있어서, 상기 인공 식물은, 인공적으로 형성된 가지(20), 줄기, 뿌리, 잎(10), 꽃 및 열매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 개체를 포함하고, 상기 하나 이상의 개체 중 적어도 일부는 발광 특성을 가지는 것이고, 상기 하나 이상의 개체는 400 nm 이상의 가시광선 영역에서 광활성을 갖는 광촉매를 포함하고, 상기 광촉매는, 무기산화물 및 상기 무기산화물 상에 형성된 유기금속화합물 유래 금속 산화물층을 포함하는 것이다.
본 발명은 조경용 인공 식물의 적어도 일부에 광촉매가 적용되어 실제로 높은 효율로 공기를 정화하는 기능을 수행할 수 있는 인공식물에 관한 것이다. 게다가 상기 인공식물은 종래의 광촉매와는 다르게, 가시광선 영역대의 빛을 받기만 하더라도 충분히 활성화되어 설치된 공간의 공기를 높은 효율로 정화시킬 수 있다.
본 발명자는 이와 같은 효과를 유기금속화합물을 열처리함으로써 형성된 금속 산화물층을 포함하는 광촉매가 구현할 수 있음을 확인하고, 이러한 광촉매의 특성을 극대화시킬 수 있는 인공 식물을 개발하고 이에 대하여 제안하는 것이다.
본 발명의 일 예에 적용되는 광촉매는 자외선 영역대에서만 활성화되는 종래의 광촉매의 문제점을 개선하여, 400 nm 이상의 가시광선 영역대라면 충분히 활성화되는 것으로서, 태양광을 받을 수 있는 실내외 환경에 설치되기만 하더라도 그 기능을 발휘할 수 있는 것이다.
게다가, 본 발명의 일 예에 따르면, 태양광 발전 패널(50)을 일 측에 구비하여, 태양빛을 받아 전기 에너지를 생산 가능하며, 생산된 전기 에너지는 광섬유나 LED를 포함하는 가지, 줄기, 뿌리, 잎, 꽃 및 열매 중 하나 이상에 전달되어 상기 개체들 중 하나 이상을 발광시킬 수 있다. 이 때, 상기 개체들 중 하나 이상이 발광되면, 그로부터 빛 에너지를 전달받아 광촉매는 자체적으로 활성화가 가능해진다.
상기 하나 이상의 개체의 발광은 내부에 포함된 광섬유 및/또는 LED 에 전달된 전기 에너지로 인한 발광일 수 있다. 상기 하나 이상의 개체에서 구현되는 발광을 통해 본 발명의 인공식물은 야간에 조명 효과를 기대할 수 있다.
상기 하나 이상의 개체는 일 예로서, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 나일론과 같은 수지 군에서 선택된 하나의 성분에 외부로 노출되거나 내부에 삽입 형성되는 광섬유나 LED를 통해서 발광하는 것일 수 있다.
상기 태양광 발전 패널은, 일 예로서 폴 타입으로서 상기 인공식물의 일 측에 구비되는 것일 수 있으며, 다른 일 예로서 상기 인공식물의 가지 및/또는 뿌리에 연결되어 형성되는 것일 수 있다.
도 1을 참고하면, 상기 태양광 발전 패널로부터 태양광을 받아 생산된 전기에너지를 통하여, 가지(20)-나무의 몸통- 또는 상기 가지에 연결 형성되는 잔가지(40)들 중 적어도 일부, 상기 가지 및/또는 잔가지에 연결 형성되는 잎(10)들 중 적어도 일부가 발광하는 것일 수 있다.
도 1은, 적어도 일부의 잎, 적어도 일부의 잔가지, 적어도 일부의 (본)가지 중 하나 이상이 발광하는 형태를 도시한 것이다. 본 발명에서 상기 잎, 잔가지 및 가지 중 하나 이상의 발광 영역은 제조시의 용도에 맞추어 선택적으로 형성되는 것일 수 있다.
상기 광촉매는 무기산화물과 그 상에 형성된 금속 산화물층을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 무기산화물과 금속 산화물층을 포함하여 광촉매라 지칭한다. 상기 광촉매는 입자 형태일 수 있지만 그렇지 않을 수도 있다. 상기 광촉매는 종래의 광촉매들과는 다르게 400 nm 이상의 가시광선 영역의 파장과 반응하여 활발한 광활성을 가지는 것을 특징으로 한다. 이는 유기금속화합물 유래의 금속산화물층에서 구현되는 효과일 수 있다.
일 예로서, 상기 광촉매는 인공 식물에 포함되는 가지, 줄기, 뿌리, 잎, 꽃 및 열매 중 하나 이상에 적용될 수 있다. 상기 광촉매는 빛을 받는 영역이 넓을수록 활성화되기 쉬우므로, 바람직하게는 외부로 노출되는 넓은 표면적을 가지는 잎이나 꽃잎 등에 적용될 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
일 예로서, 상기 인공 식물은 일종의 화분(200)에 담겨 설치되는 것일 수 있고, 상기 화분에는 인공 식물을 지지하는 인공 토양(30)이 구비될 수 있다. 일 예로서, 본 발명의 일 예에 적용되는 광촉매는 상기 인공 토양에도 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 개체는 표면의 적어도 일부에 상기 광촉매를 포함하는 코팅층을 포함하는 것일 수 있다.
상기 광촉매는 도면에서 도시하지는 않았지만 상기 하나 이상의 개체의 표면에 얇은 코팅층을 형성하여 존재하는 것일 수 있다. 상기 코팅층은 도포되어 형성된 것일 수도 있고, 조성물 형태의 광촉매가 분사 또는 침지 과정을 통하여 코팅층을 형성한 것일 수도 있다. 본 발명에서 상기 코팅층이라 함은 상기 하나 이상의 개체의 표면 상에 상기 광촉매 물질이 형성되거나 놓인 것을 총칭하는 개념으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코팅층은 0.1 ㎛ 내지 5 mm 두께인 것일 수 있다.
상기 광촉매를 포함하는 코팅층이 0.1 ㎛ 미만의 경우 그 두께가 너무 얇아 실질적으로 광촉매의 양이 충분하지 못하여 공기 정화 성능이 떨어지거나, 열처리 과정에서 고른 광촉매층이 형성되기 어려운 문제가 생길 수 있다. 상기 광촉매를 포함하는 코팅층이 5 mm 초과의 경우 꽃잎이나 잎의 형성 과정에서 얇은 두께를 형성할 수 없어 관상용 효과가 떨어지고, 공기 정화 효과가 포화되어 그 이상의 두께를 형성하는 의미가 떨어지고 비용이 과다하게 형성되는 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광촉매는, 상기 하나 이상의 개체의 베이스 소재와 혼합된 것이고, 상기 베이스 소재는 글래스화이버, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 나일론(Nylon), 실리콘 및 금속 소재로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에서 상기 광촉매는, 상기 인공 식물의 어떠한 부분에라도 형성될 수 있다. 상기 인공 식물의 가지에 형성될 경우, 상기 인공 식물의 잎이나 꽃에 형성될 경우 등 모든 경우를 감안할 수 있다. 이 때, 상기 인공 식물의 광촉매가 형성되는 개체는, 베이스 소재를 포함하여 형성된 것일 수 있다. 본 발명에서 상기 베이스 소재는 특별히 한정하지 않으나, 일반적인 고분자 소재 또는 글래스화이버 소재, 또는 골격을 형성하는 금속 소재 또는 실리콘 소재 등을 포함할 수 있다. 상기 고분자 소재는 일 예로서, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 나일론 등의 대표적인 고분자 소재를 포함하여 형성될 수 있다.
일 예로서, 상기 인공식물의 베이스 소재는, 방향성을 가미하기 위한 방향 소재를 포함할 수 있다. 상기 방향 소재는 친환경 물질로서 인체에 유해하지 않으며 상기 광촉매에 의해 정화되지 않는 발향 물질을 방출하는 소재일 수 있다.
일 예로서, 상기 광촉매는 제조되는 과정에서 상기 인공 식물의 베이스 소재와 혼합되어 복합 소재를 형성한 후, 그 복합 소재를 이용하여 상기 인공 식물의 광촉매가 형성되는 개체를 제조할 수 있다. 상기 광촉매가 형성되는 개체는 상기 인공 식물의 일부이면 족하며, 전부일 수도 있다. 상기 광촉매가 형성되는 개체는 상술한 복합 소재를 형성한 후, 그 복합 소재를 성형 또는 프린팅을 통해 제조한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 조경용 인공 식물은, 일 측에 구비되는 태양광 발전 패널;을 더 포함하고, 상기 하나 이상의 개체는 상기 태양광 발전 패널로부터 생산된 전기 에너지를 전달받아 빛을 발하는 광섬유, LED 또는 둘 다;를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 산화물층은 페로센 유래 철 산화물을 포함하는 것일 수 있다. 상기 유기금속화합물은 일 예로서 페로센일 수 있고, 상기 금속 산화물층은 페로센으로부터 유래된 철 산화물을 포함하는 것일 수 있다. 상기 유기금속화합물은 철을 중심금속으로 포함하는 유기금속화합물일 수 있다. 상기 유기금속화합물은 공기정화기능을 가지는 금속 산화물층이 형성될 수 있는 중심금속을 포함하는 것이라면, 그 소재를 특별히 한정하지는 아니한다.
상기 광촉매는, 코팅층을 형성할 수 있는 입자 형태의 구조일 수도 있다. 상기 광촉매는, 상기 인공 식물의 빛에 노출되는 외표면에 형성되는 것일 수 있다.
일 예로서, 상기 광촉매의 활성화를 위하여 상기 인공 식물은 자연광에 노출될 뿐 아니라 추가적인 조명 부품 등과 연계되어 보조적인 광원으로부터 빛 에너지를 전달받을 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 무기산화물은, Ti, Zn, Al 및 Sn 중 적어도 하나를 포함하는 산화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이고, 상기 금속 산화물층은 상기 무기산화물 대비 0.001 내지 10 중량%인 철 산화물을 포함하는 것이고, 상기 광촉매는, 30 % 이하의 습도의 건식 조건에서 광활성을 갖는 것일 수 있다.
상기 광촉매는, 무기산화물; 및 상기 무기산화물 상에 형성된 금속 산화물층; 을 포함하고, 상기 무기산화물은, Ti, Zn, Al 및 Sn 중 적어도 하나를 포함하는 산화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물층은 페로센 유래 철 산화물 층을 포함할 수 있다. 이 때, 철의 함량은 상기 무기산화물 대비 0.001 내지 10 중량% 인 것일 수 있고, 바람직하게는 상기 무기산화물 대비 0.001 내지 5 중량%인 것일 수 있다.
상기 무기산화물은, 빛 에너지를 흡수하여 촉매활성을 나타내는 무기반도체화합물이며, 예를 들어, Ti, Zn, Al, Fe, W, Sn, Bi, Ta, Cu, Si, Ru, Sr, Ba 및 Ce으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 산화물이며, 바람직하게는 Ti, Zn, Al 및 Sn일 수 있다. 구체적으로, TiO2, Al2O3, ZnO2, ZnO, SrTiO3, Fe2O3, Ta2O5, WO3, SnO2, Bi2O3, NiO, Cu2O, SiO, SiO2, MoS2, InPb, RuO2, CeO2 등일 수 있다. 또한, 산화물 외에 CdS, GaP, InP, GaAs, InPb 등의 반도체 화합물을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 무기산화물은, 비드, 분말, 로드, 와이어, 니들 및 섬유 형태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하고, 상기 무기산화물의 크기는 1 nm 내지 500 ㎛인 것일 수 있다.
상기 무기산화물은, 비드, 분말, 로드, 와이어, 니들 및 섬유 형태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하고, 상기 무기산화물의 크기는 1 nm 이상; 10 nm 이상; 30 nm 내지 500 ㎛; 30 nm 내지 100 ㎛; 또는 30 nm 내지 1 ㎛일 수 있다. 상기 크기는, 형태에 따라 직경, 두께, 길이 등을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 무기산화물은 철을 포함하는 무기산화물을 포함하지 않는 것이고, 상기 금속 산화물층은, 상기 무기산화물 상에 증착된 페로센이 열처리된 것일 수 있다.
일 예로서, 상기 금속유기화합물 유래 금속 산화물층은, 페로센 도핑 공정에 의해서 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 무기산화물 상에 형성된 페로센층을 열처리하여 페로센을 열분해하고, 이러한 열분해 공정에 의해 페로센에서 전환된 철 산화물을 포함할 수 있다. 상기 유기금속화합물의 도핑 공정은, 하기의 제조방법에서 보다 구체적으로 설명한다.
상기 유기금속산화물 유래 금속 산화물층은, 일 예로서 페로센, 페로센 유도체 중 적어도 하나에 의해 유래된 철 산화물일 수 있다. 상기 페로센 유도체는, 페로센 알데히드, 페로센 케톤, 페로센 카르복시산, 페로센 알콜, 페놀 또는 에테르 화합물, 질소-함유 페로센 화합물, 황-함유 페로센 화합물, 인-함유 페로센 화합물, 규소-함유 페로센 화합물, 1,1'-디코퍼 페로센(1,1'-di-copper ferrocene), 페로센 보로닉산(ferrocene boric acid), 페로세닐 큐프러스 아세틸라이트(ferrocenyl cuprous acetylide) 및 비스페로세닐 티타노센(bisferrocenyl titanocene)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예로서, 상기 유기금속화합물 유래 금속 산화물층에서 금속의 함량이 상기 무기산화물 대비 0.001 내지 10 중량%; 0.01 내지 10 중량%; 0.01 내지 3 중량%; 0.01 내지 1.5 중량%; 또는 0.01 내지 1 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에 포함되면, 가시광 영역에서 광촉매 활성을 증가시켜 광분해 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 금속의 함량이 증가하면 가시광 영역의 흡수가 증가할 수 있으나, 이러한 금속 함량 증가에 의한 광촉매 활성의 저하가 발생할 수 있으므로, 상기 범위 내의 금속의 함량을 포함하는 것이 바람직하고 더 바람직하게는 상기 금속은 철이고, 상기 철의 함량은, 0.01 내지 5 중량%일 수 있다.
일 예로서, 상기 유기금속화합물 유래 금속 산화물층은, 0.01 nm 이상; 0.1 nm 이상; 10 nm 이상; 또는 1 nm 내지 100 nm의 두께를 갖는 것일 수 있다. 상기 두께 범위 내에 포함되면, 코팅층의 두께 증가에 따른 광촉매의 다공도 저하를 방지하고, 표면에 수분, OH- 이온, 분해 대상 등의 흡착량을 증가시켜 광분해 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 유기금속화합물 유래 금속 산화물층은, 0.01 nm 이상; 0.1 nm 이상; 10 nm 이상; 또는 1 nm 내지 100 nm의 크기를 갖는 페로센 유래 철산화물을 포함할 수 있다. 상기 크기는 형태에 따라 길이, 직경, 두께 등을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 무기산화물은 철을 포함하는 무기산화물을 포함하지 않는 것이고, 상기 철 산화물층은, 상기 무기산화물 상에 증착된 페로센이 열처리된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유기금속화합물 유래 금속 산화물은, 하기의 화학식 1로 표시되는 화합물 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
MexOYHZ
여기서, Me는 1족 내지 3족에 해당하는 금속 원소 중 하나 이상이고, X, Y 및 Z는, 각각 0 내지 3에서 선택되고, X 및 Y는 0이 아니다.
일 예로서, 상기 Z 또한 0이 아닐 수 있다.
일 예로서, 가시광선 영역의 빛을 흡수하고 안정적이며 값이 싼 반도체성 물질인 산화철 (FexOyHz)을 나노 크기의 입자 형태로 TiO2 표면에 도입하여 가시광선에 감응하는 광촉매를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광촉매는, 광을 흡수하여 광반응을 나타내는 파장 영역이 자외선에서 가시광선 영역까지 확대될 수 있다. 상기 광촉매는 특히 400 nm 이상의 가시광선 영역에서 종래의 광촉매들 대비 훨씬 우수한 광촉매 활성을 나타낼 수 있다. 또한, 표면에서 분해 대상의 흡착 및 분해시킬 수 있는 광촉매 반응성이 향상되어 다양한 습도 영역에서 광촉매 활성을 가지며, 30 % 이하의 습도의 건식 조건에서도 우수한 광촉매 활성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광촉매는, 5 (m2/g) 이상; 5 (m2/g) 내지 1000 (m2/g); 또는 5 (m2/g) 내지 100 (m2/g)의 비표면적을 갖고, 평균 기공 크기는 50 nm 이하일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 무기산화물 표면에 유기금속화합물 유래 금속 산화물을 도입함으로써, 광촉매의 표면에 분해 대상의 흡착량이 증가하고, 광분해 반응성을 증가시켜 광촉매의 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광촉매는, 다양한 유해물질의 분해에 적용되고, 즉, 환경 오염물질, 악취 물질, 유기화합물, 산성가스 등의 처리에 이용될 수 있다. 예를 들어, 기체, 액체 및 고체 물질 중 적어도 하나를 흡착 및/또는 광분해하는데 이용되고, 할로겐램프, 제논램프, 태양광, 발광다이오드 등 다양한 광선을 포함하는 빛 에너지에 의해서 광활성을 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 기체로는 산성, 염기성 가스, 아세트알데히드, 케톤류 등의 VOC(휘발성 유기 화합, Volatile Organic Compounds), 방향족 탄화수소와 지방족 탄화수소(Paraffin계와 Olefin계)의 탄화수소류, 오존 가스, 유기 및 무기계 유리 가스 등일 수 있고, 보다 구체적으로, 이산화탄소, 일산화탄소, NOx, SOx, HCl, HF, NH3, 메틸아민, 포름알데히드, 황화수소, 아민, 메틸메르갑탄, 수소, 산소, 질소, 메탄, 파라핀, 올레핀 등일 수 있다. 상기 액체로는 포름알데하이드(Formaldehyde), 아세트알데하이드(Acetaldehyde), 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), MEK(Methyl Ethyl Ketone), 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene), 살균제, 가솔린, 디젤, 오일, 알코올, 페놀, 염료 등이며, 상기 고체로는 전이금속, Pt, Pd 등의 귀금속, Hg, Cr 등의 이온 및/또는 입자, 100 nm 이하의 나노입자 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 광촉매는, 상기 광촉매 조성물로 구비되어, 광촉매 조성물 중 0.01 내지 99 중량%로 포함될 수 있다. 상기 광촉매 조성물은 일 실시예에서 코팅층으로 형성되어 광촉매의 일 부분을 형성할 수 있다.
일 예로서, 상기 광촉매 조성물은, 잔량으로 수성 용매, 유성 용매 또는 둘 다를 포함할 수 있고, 적용 분야에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 물, 탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올과 같은 C1-C4의 저급 알코올 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 광촉매 조성물은, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는다면, 성능 향상과 적용 분야에 따라 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 계면활성제, 실록산계 바인더, 항균제, 살균제 등을 더 포함할 수 있으나, 본 명세서에는 구체적으로 언급하지 않는다.
상기 광촉매 조성물은, 기재 상에 코팅되거나 다양한 형태로 성형될 수 있다. 예를 들어, 상기 기재는, 셀룰로오스 종이; 합성 목재, 목재; 섬유; 직물; 및 금속, 폴리머 수지 또는 유리, 유리의 분말, 시트, 필름 또는 비즈; 로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명은 상술한 광촉매 를 포함함으로써 광촉매 기능을 갖는 인공 식물 제품 또는 장치에 관한 것이다. 상기 인공 식물 제품 또는 장치는, 발광의 기본적인 기능 외에, 광촉매 기능과 함께 공기정화 기능도 나타낼 수 있다. 예를 들어, 휘발성 물질, 악취물질, 오염 물질 등의 광활성에 의한 광분해 기능 및/또는 공기정화 기능을 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광촉매는, 기재 상에 상기 광촉매가 코팅 의해 결착되거나 또는 상기 광촉매를 포함하는 성형체인 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 광촉매는 광촉매 또는 광촉매 조성물이 코팅된 기재, 함침된 기재, 성형된 기재, 광촉매 또는 광촉매 조성물을 포함하는 고체, 액체 또는 이 둘을 포함하는 제형 등일 수 있다.
예를 들어, 상기 제형은, 분말, 고형, 현탁액(suspension), 에멀젼, 크림, 연고, 젤, 액상의 제형 등이며, 예를 들어, 잉크, 페인트, 염색제 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 무기산화물 기반 광촉매의 제조방법의 흐름도를 나타낸 것이다.
이하에서는 도 2를 참조하여, 상기 광촉매의 제조방법에 관한 내용을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광촉매의 제조방법은, 무기산화물을 준비하는 단계; 상기 무기산화물 상에 금속 산화물층을 형성하는 단계; 및 상기 금속 산화물층을 형성하는 단계 이후에 열처리하여 유기금속산화물 유래 금속 산화물층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 무기산화물을 준비하는 단계는, 무기산화물 분산액을 준비하거나 또는 무기산화물을 기판 상에 도포하는 단계이며, 상기 분산액은 수성 용매, 유성 용매 또는 이 둘의 혼합물을 적용하고, 상기 기판은, 실리콘 기판, 웨이퍼, 유리 기판, 반도체 기판, 금속 기판 등일 수 있다. 상기 무기산화물은 스핀 코팅, 롤 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 플로 코팅, 닥터 블레이드법 등으로 도포될 수 있다.
상기 유기금속산화물층을 형성하는 단계는, 습식 코팅법, 스퍼터링법 또는 증착법을 이용하여 유기금속산화물 막을 형성할 수 있다. 일 예로서, 상기 유기금속산화물 막은 페로센 막일 수 있다. 바람직하게는 ALD(atomic layer deposition), CVD(temperature-regulated chemical vapor deposition) 등의 증착법을 이용하고, 더 바람직하게는 TR-CVD(온도 조절식 화학 증착법, temperature-regulated chemical vapor deposition)를 이용하여 페로센층을 형성할 수 있다. 일 예로서, TR-CVD의 적용 시 페로센 양의 조절을 통하여 무기산화물 상에 증착되는 철 산화물의 양을 용이하게 조절할 수 있고, 광촉매의 제조공정을 단순화시키고 효율적으로 광촉매를 제공할 수 있다.
상기 유기금속산화물층을 형성하는 단계는, 상온 내지 120 ℃에서 실시되고, 바람직하게는 40 ℃ 내지 100 ℃; 더 바람직하게는 60 ℃ 내지 100 ℃에서 실시될 수 있다. 즉, TR-CVD의 적용 시 유기금속산화물층의 기화 공정에 의한 증착을 유도하기 위해서 60 ℃ 내지 100 ℃에서 실시될 수 있다.
상기 유기금속산화물층을 형성하는 단계는, 대기 조건 하에서 공기 또는 산소 분위기에서 실시되고, 비활성 기체를 더 포함할 수 있다.
상기 유기금속산화물층을 형성하는 단계의 상기 유기금속산화물층은, 상기 무기산화물 대비 0.01 중량% 내지 20 중량%의 페로센을 포함하는 것으로서, 상기 페로센층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 유기금속산화물 유래 금속 산화물층을 형성하는 단계는, 일 예로서, 상기 유기금속산화물층의 열처리를 통하여 금속 산화물로 부분적 또는 완전하게 산화시키고, 탄소 잔여물 등과 같은 불순물을 제거할 수 있다.
상기 유기금속산화물 유래 금속 산화물층을 형성하는 단계는, 50 ℃ 내지 900 ℃; 또는 100 ℃ 내지 800 ℃; 온도에서 2 단계 이상으로 열처리할 수 있다.
예를 들어, 상기 유기금속산화물 유래 금속 산화물층을 형성하는 단계는, 100 ℃ 내지 300 ℃ 온도에서 제1 열처리하는 단계 및 300 ℃ 내지 900 ℃ 온도에서 제2 열처리하는 단계를 포함하고, 각 단계는 서로 상이한 온도에서 열처리할 수 있다. 상기 각 단계는 각각 1분 내지 20 시간 동안 실시되고, 공기, 20 % 이상; 40 % 이상의 산소를 포함하는 공기 또는 비활성 기체 분위기에서 실시될 수 있다.
즉, 상기 제1 열처리하는 단계는, 유기금속산화물과 산소의 반응에 의해서 금속 산화물로 전환하는 금속 산화물 증착을 위한 어닐링 공정일 수 있다. 상기 제2 열처리하는 단계는, 제1 열처리 단계 이후의 후열 처리단계이며, 탄화물 등과 같은 불순을 제거하여 광촉매의 활성 및 성능을 향상시키는 어닐링 공정일 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 유기금속산화물로서 페로센을 선택하여 예를 든 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 3의 TR-CVD(온도 조절식 화학 증착법) 반응기를 이용하고, 도 4에 나타낸 온도 조절식 화학 증착법을 활용하여 TiO2에 나노 크기의 산화철 입자가 증착된 광촉매(Fe-TiO2)를 제조하였다. 보다 구체적으로, 가열 밴드로 둘러 쌓인 스테인리스강으로 만든 반응기의 내부 바닥에 철의 전구체인 Ferrocene 0.02 g을 Quartz로 만든 용기에 담아 위치시킨다. 반응기 내부 중앙에 3g의 TiO2 (TiO2, P-25, Evonik, 입자 크기: 25 nm)를 스테인리스강 철망으로 만든 용기에 담은 뒤 위치시킨 후 반응기를 폴리이미드 테이프를 이용하여 밀봉한다. 반응기의 온도를 60 ℃에서 2 시간 동안 TR-CVD 기화 공정으로 페로센의 증착공정을 진행하고, 다음으로, 온도를 200 ℃로 올려 12 시간 동안 유지하여 철산화물로 전환하였다.
이어서 TiO2를 꺼내 건조 공기 가스 분위기에서 750 ℃에서 2 시간 동안 추가적인 열처리를 하여 최종적으로 철 산화물-TiO2 하이브리드 나노구조의 광촉매(또는, Fe-TiO2로 표시)를 제조하였다. 해당 조건에서 TiO2에 증착된 철의 함량은 약 0.09 wt%이다.
실시예 2
철 전구체 Ferrocene를 0.05g을 적용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 철 산화물-TiO2 하이브리드 나노구조의 광촉매를 제조하였다. 해당 조건에서 TiO2에 증착된 철의 함량은 약 0.13 wt%이다.
실시예 3
철 전구체 Ferrocene를 0.1g을 적용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 철 산화물-TiO2 하이브리드 나노구조의 광촉매를 제조하였다. 해당 조건에서 TiO2에 증착된 철의 함량은 약 0.65 wt%이다.
실시예 4
철 전구체 Ferrocene를 0.3g을 적용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 철 산화물-TiO2 하이브리드 나노구조의 광촉매를 제조하였다. 해당 조건에서 TiO2에 증착된 철의 함량은 약 1.81 wt%이다.
상기 제조된 광촉매(Fe-TiO2)를 일반 철 산화물로 코팅된 TiO2 광촉매와 투명도 및 색을 비교하여 도 5에 나타내었다. 도 5를 살펴보면, 본 발명에 의한 페로센 유래 철 산화물로 코팅된 광촉매(Fe-TiO2)는, 철 산화물(Fe2O3)로 코팅된 광촉매(Fe2O3-TiO2)보다 투명하고 연한 노란색을 갖는 것을 확인할 수 있다.
상기 제조된 광촉매(Fe-TiO2)의 TEM 이미지(투과 전자현미경으로 측정된 이미지)를 측정하여 도 6에 나타내었다. 도 6에서 철의 함량이 감소할수록 Fe-TiO2 표면에 증착된 산화철 입자의 크기가 작아지는 것을 보여준다.
상기 제조된 광촉매(Fe-TiO2)의 질소 흡착 분석을 통한 비표면적(BET) 및 BJH 평균 기공 크기를 측정하여 표 1에 나타내었다.
0.13 wt% Fe-TiO2 0.65 wt% Fe-TiO2 1.81 wt% Fe-TiO2
BET Surface area(m2/g) 11.6259 10.3426 8.3939
BJHAdsorption average pore size(nm) 13.2 12.5 13.9
표 1을 살펴보면, Fe-TiO2의 철의 함량이 변화하여도 비표면적과 평균 기공 크기는 크게 변하지 않는 것을 확인할 수 있고, Fe-TiO2의 메조 기공이 형성된 것을 확인할 수 있다.
평가예 1
위면이 쿼츠 유리로 이루어진 부피 5.3 L 반응기(batch reactor) 내에 실시예 1의 광촉매(Fe-TiO2)를 넣고, 아세트알데히드 초기 농도 66 ppm, 건조 공기(상대습도: ~33%, 총 압력은 760 torr) 및 상온에서 백색 인공 식물로 가시광 영역을 조사하여 아세트알데히드의 광분해 특성을 분석하였다. 반응기 내의 아세트알데히드는 기체크로마토그래피를 이용하여 주시적으로 측정하였다. 그 결과는 도 7에 나타내었다.
도 7은, 33 %의 습도 조건에서 가시광선 (백색광) 조사 시간에 따른 (a) 아세트알데하이드 몰수 변화, 및 (b) 아세트알데하이드의 광분해 반응의 결과 발생한 이산화탄소 몰수 변화를 나타낸 그래프이며, 도 7을 살펴보면, 실시예에서 제조된 광촉매(Fe-TiO2)는 가시광선(백색광) 조사에 의한 광촉매 활성에 의해서 아세트알데히드의 광분해가 이루어지는 것을 확인할 수 있고, 페로센 증착양이 0.09 wt %에서 가시광에서 분해 효율이 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 또한, 철의 함량이 적어질수록 Fe-TiO2의 아세트알데하이드 광분해 속도가 빨라지는 것을 확인할 수 있다.
평가예 2
페로센 증착양이 0.13 wt %인 광촉매(Fe-TiO2)를 습도가 없는 건식 조건 및 상대습도: ~33%의 습도 조건에서 각각 평가예 1과 동일한 방법으로 아세트알데히드의 광분해 특성을 분석하였다. 반응기 내의 아세트알데히드 및 이산화탄소를 기체크로마토그래피를 이용하여 주기적으로 측정하였다. 그 결과는 도 8 및 도 9에 나타내었다.
도 8은, 건조 조건과 33% 습도 조건에서의 아세트알데하이드 광분해 실험을 했을 때, 가시광선 조사 시간에 따른 (a) 아세트알데하이드 몰 수 변화와 (b) 아세트알데하이드의 광분해 반응의 결과 발생한 이산화탄소 몰수 변화를 나타낸 그래프이며, 도 7을 살펴보면, 점선으로 표시된 같은 아세트 알데하이드 농도 구간에서 두 그래프의 기울기는 비슷하게 나타났는데, 습도의 유무와 상관없이 가시광 조사에서 아세트 알데하이드 광분해 활성은 비슷하게 유지됨을 보여준다.
또한, 이산화탄소 발생이 광조사 시간에 따라 증가되는 것을 확인할 수 있고, 이는 아세트 알데히드의 완전산화에 의한 이산화탄소 발생된 것이다.
도 9는, 33% 습도 조건에서 반복적으로 아세트 알데하이드 광분해 실험에 활용하였을 때, 가시광선 조사 시간에 따른 (a) 아세트알데하이드 몰 수 변화와 (b) 아세트알데하이드의 광분해 반응의 결과 발생한 이산화탄소 몰수 변화를 나타낸 그래프이며, 도 8에서 반복적인 광분해 실험에도 높은 광촉매 활성이 유지됨을 확인할 수 있다.
종합적으로, 본 발명은, 산화철이 증착된 TiO2 (이하 Fe-TiO2)는 대표적인 휘발성 유기 화합물 중 하나인 아세트알데하이드의 광분해 실험에 활용되었고 산화철의 함량에 따른 Fe-TiO2의 아세트알데하이드 광분해 활성을 비교하였다. 그 결과 철의 함량이 약 0.09 wt% 정도로 낮을때 Fe-TiO2의 아세트알데하이드의 광분해 활성이 가장 높았고, 20 시간 안에 초기 아세트알데하이드 농도(~95 mol ppm)의 약 70%가 감소하였다. 또한 일반적으로 광촉매의 활성은 습도에 많은 영향을 받게 되지만 본 발명에서 제조한 Fe-TiO2는 건조 조건과 습도 조건에서 비슷한 촉매 활성을 보여 광촉매 활성이 습도에 민감하지 않음을 확인하였다. 다양한 철의 함량을 가지는 Fe-TiO2의 질소 흡착 실험을 진행한 결과, 철의 함량이 광촉매의 총 비표면적에 크게 영향을 주지 않은 것을 확인하였다. 또한, Fe-TiO2의 광촉매 활성은 철의 함량에 크게 영향을 받은 것으로 보았을 때 광촉매의 활성은 표면 구조보다는 증착된 산화철 나노입자와 TiO2가 이루는 계면의 전자구조가 더 중요하다는 것을 알 수 있다. 또한 투과전자현미경을 통해 철 함량이 낮아질수록 표면에 존재하는 산화철 입자의 크기가 작아지는 것을 확인하였고 1~3 나노미터 수준의 산화철 입자가 증착되었을 때 광촉매 활성이 증가될 수 있다. 분석 결과들을 통해 미루어보았을 때 아주 작은 크기의 산화철 나노입자가 약 0.09 wt%의 함량을 가질 때 Fe-TiO2는 가시광선 영역의 빛을 흡수하여 전자/정공 쌍을 가장 효율적으로 분리해내어 산소/물과 반응해 라디칼을 생성시켜 아세트알데하이드를 빠르게 분해시킬 수 있다. 한편, 타켓 유기물이 완전히 산화되지 않고 부분적으로 산화가 되어 광촉매 표면에 남아 활성 자리를 막으면 광촉매의 활성이 감소하게 되는데 이는 광촉매의 가장 큰 문제점 중의 하나로 지적받고 있다. 그러나 본 발명에서 제조한 Fe-TiO2는 반복된 아세트알데하이드 광분해 실험에도 촉매 활성이 동일하게 유지가 되었고 따라서 촉매 활성 저하의 문제점 역시 없는 것을 확인하였다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (10)

  1. 조경용 인공 식물에 있어서,
    상기 인공 식물은, 인공적으로 형성된 가지, 줄기, 뿌리, 잎, 꽃 및 열매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 개체를 포함하고,
    상기 하나 이상의 개체 중 적어도 일부는 발광 특성을 가지는 것이고,
    상기 하나 이상의 개체는 400 nm 이상의 가시광선 영역에서 광활성을 갖는 광촉매를 포함하고,
    상기 광촉매는, 무기산화물 입자 및 상기 무기산화물 입자 상에 형성된 유기금속화합물 유래 금속 산화물층을 포함하는 것이고,
    상기 금속 산화물층은 상기 무기산화물 대비 0.001 내지 10 중량%인 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 발광 특성을 가지는 인공 식물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 개체는 표면의 적어도 일부에 상기 광촉매를 포함하는 코팅층을 포함하는 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 발광 특성을 가지는 인공 식물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코팅층은 0.1 ㎛ 내지 5 mm 두께인 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 발광 특성을 가지는 인공 식물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광촉매는, 상기 하나 이상의 개체의 베이스 소재와 혼합된 것이고,
    상기 베이스 소재는 글래스화이버, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 나일론, 실리콘 및 금속 소재로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 발광 특성을 가지는 인공 식물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 조경용 인공 식물은,
    일 측에 구비되는 태양광 발전 패널;을 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 개체는 상기 태양광 발전 패널로부터 생산된 전기 에너지를 전달받아 빛을 발하는 광섬유, LED 또는 둘 다;를 더 포함하는 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 발광 특성을 가지는 인공 식물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물층은 페로센 유래 철 산화물을 포함하는 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 발광 특성을 가지는 인공 식물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 무기산화물은, Ti, Zn, Al 및 Sn 중 적어도 하나를 포함하는 산화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이고,
    상기 광촉매는, 30 % 이하의 습도의 건식 조건에서 광활성을 갖는 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 발광 특성을 가지는 인공 식물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 무기산화물은, 비드, 분말, 로드, 와이어, 니들 및 섬유 형태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하고,
    상기 무기산화물의 크기는 1 nm 내지 500 ㎛인 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 발광 특성을 가지는 인공 식물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 무기산화물은 철을 포함하는 무기산화물을 포함하지 않는 것이고,
    상기 금속 산화물층은, 상기 무기산화물 상에 증착된 페로센이 열처리된 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 발광 특성을 가지는 인공 식물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물은, 하기의 화학식 1로 표시되는 화합물 중 1종 이상을 포함하는 것인,
    가시광 활성 광촉매를 포함하는 발광 특성을 가지는 인공 식물.

    [화학식 1]
    MexOYHZ
    (Me는 1족 내지 3족 중 하나 이상의 금속 원소, X, Y 및 Z는, 각각 0 내지 3에서 선택되고, X 및 Y는 0이 아니다.)
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