KR102349217B1 - 광촉매 코팅제, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 건축 자재 - Google Patents
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Abstract
본원은 광활성 물질 및 바인더를 포함하는 광촉매 및 콘크리트 경화제를 포함하는, 광촉매 코팅제에 관한 것이다.
Description
본원은 광촉매 코팅제, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 건축 자재에 관한 것이다.
각종 산업분야에서 사용되는 유기 용제의 배출은 산업발전과 동시에 대기, 수질, 토양, 해양 등에 많은 문제를 야기시키고 있는데, 특히 휘발성 유기물질로 분류되는 유기화합물들이 다양한 형태로 대기 중에 존재하면서 심각한 환경문제를 유발시키고 있다. 이러한 환경문제가 인류 최대의 중점과제로 떠오르면서, 1980 년대 후반에 들어서는 미국과 일본을 비롯한 선진국을 중심으로 반도체 금속 산화물을 광촉매로 이용하여 이들 유기물질을 환경 친화적으로 처리하고자 하는 움직임들이 활발히 일어나고 있다.
이러한 연구들 중에는 이산화티타늄(TiO2)을 이용한 광촉매 분야가 최근 주목을 받고 있으며, 그 성능 또한 기존의 활성탄 흡착, 화학처리, 오존분해, 소각 등의 환경처리 방법과 비교하여 환경 친화적이며 경제성 등이 뛰어난 장점을 지니고 있어 현재 많은 연구가 진행 중이다.
그러나 광촉매를 사용하여 오존, 일산화질소, 아황산가스 등을 분해할 경우, 황산 이온(SO3 -), 또는 질산 이온(NO3 -) 이 상기 광촉매의 표면에 결합됨으로써, 광촉매의 촉매능이 저하되는 단점이 존재한다. 상기 결합된 물질 등은 비가 올 때 물에 의해 제거될 수 있으나, 비는 기상현상이라는 특성상 주기적으로 일정한 양이 오지 않아 상기 광촉매의 촉매능은 일정하지 않게 유지되는 단점이 존재한다.
본원의 배경이 되는 기술인 한국등록특허공보 제10-2028924호는질소산화물과 미세먼지 저감용 아스팔트 표면의 코팅장치 및 그 방법에 관한 것이다. 상기 등록특허는 포장도로의 표면에 수용성 광촉매 조성물을 분사함으로써, 배기가스 중의 질소 산화물을 제거할 뿐, 상기 광촉매의 촉매능을 장시간 일정하게 유지할 수 있는 방법에 대해서는 개시하지 않고 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광촉매 코팅제 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본원은 상기 광촉매 코팅제를 포함하는 질소 산화물 제거용 건축 자재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 광활성 물질 및 바인더를 포함하는 광촉매 및 콘크리트 경화제를 포함하는, 광촉매 코팅제를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 바인더 및 상기 콘크리트 경화제는 Al을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광활성 물질은 TiO2, ZnO, CdS, WO3, ZrO2, Si, Fe2O3, SnO3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광촉매는 300 nm 내지 800 nm 파장의 빛에 반응할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면 상기 광촉매 코팅제 100 중량부를 기준으로, 상기 광촉매는 5 중량부 내지 99 중량부로서 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광촉매 100 중량부를 기준으로, 상기 바인더는 1 중량부 내지 10 중량부로서 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광촉매는 금속이 증착된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속은 Fe, Au, Pt, Ti, Ag, Ni, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Al, Mg, Si, W, Cu, 이들의 산화물, 이들의 질화물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광촉매 100 중량부를 기준으로, 상기 금속은 0.1 중량부 내지 1 중량부로서 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콘크리트 경화제는 투명할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콘크리트 경화제는 Al(OH)3, Al2(SO4)3, Na2SiO3, Na2Al2O4, Na2O, NaOH, Al2O3, SiO2, CaCO3, 메타카올린(metakaolin), HF, 에탄올아민(ethanol amine), H3PO4, H3PO3, 세펜타인, 안티고라이트, 활석, 세피올라이트, 벤토나이트, 물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 2 측면은 광활성 물질 및 바인더를 포함하는 광촉매를 콘크리트 경화제와 혼합하는 단계를 포함하는, 광촉매 코팅제의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광촉매 상에 금속을 증착시키는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속을 증착시키는 단계는 상기 광촉매를 상기 콘크리트 경화제와 혼합하는 단계보다 먼저 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속은 산화되어 증착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 증착은 350℃ 내지 400℃ 의 온도 조건에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 3 측면은 상기 제 1 측면에 따른 광촉매 코팅제를 시멘트 상에 분사함으로써 제조된 질소 산화물 제거용 건축 자재를 제공한다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 광촉매 코팅제는 피독 작용 없이 질소 산화물을 제거할 수 있다.
구체적으로, 종래의 광촉매는 질소 산화물을 제거하는 과정에서 질산 이온(NO3 -)을 형성하고, 상기 질산 이온은 종래의 광촉매에 흡착된다. 상기 흡착된 질산 이온은 상기 광촉매를 피독시키기 때문에, 상기 광촉매의 활성이 저하될 수 있다. 상기 촉매 피독 현상은 비에 의해 해소될 수 있으나, 장시간 비가 내리지 않을 경우 종래의 광촉매는 질소 산화물을 제거하지 못하는 단점이 존재한다.
그러나, 본원에 따른 광촉매 코팅제는 Al 을 포함하는 콘크리트 경화제 및 Al 을 포함하는 광촉매를 포함하기 때문에, 상기 Al 에 의해 질산 이온이 상기 광촉매가 아닌, 상기 콘크리트 경화제에 결합될 수 있다. 따라서, 본원에 따른 광촉매 코팅제는 종래의 광촉매와 달리 질소 산화물을 제거하는 과정에서 발생하는 촉매 피독 현상이 발생하지 않으며, 이는 본원에 따른 광촉매 코팅제가 날씨에 관계없이 질소 산화물을 제거할 수 있음을 의미한다.
또한, 본원에 따른 광촉매 코팅제는 투명한 콘크리트 경화제를 포함하기 때문에, 상기 콘크리트 경화제에 의해 상기 광촉매의 촉매능이 저하되는 문제가 발생하지 않는다.
또한, 본원에 따른 광촉매 코팅제는 광촉매를 매우 적은 비율로 포함하더라도 질소 산화물을 충분히 제거할 수 있기 때문에, 종래의 질소 산화물 제거용 광촉매에 비해 저렴한 비용으로 제조될 수 있다.
더욱이, 종래의 광촉매는 흡착되거나 산화된 질소 산화물이 빗물에 의해 제거되는 과정에서 산성 폐수를 형성하나, 본원에 따른 광촉매 코팅제는 산성 폐수를 형성하지 않아 환경을 오염시키지 않을 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 금속을 증착시키는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 2 는 본원의 일 실시예에 따른 광촉매 코팅제의 촉매능에 대한 그래프이다.
도 3 은 본원의 일 실시예에 따른 광촉매 코팅제의 촉매능에 대한 그래프이다.
도 4 는 본원의 일 실시예에 따른 광촉매 코팅제의 FT-IR 그래프이다.
도 5 는 본원의 일 실시예에 따른 광촉매 코팅제의 XPS(X-Ray Photoelectron Spectroscopy) 그래프이다.
도 6 은 본원의 일 실시예에 따른 광촉매 코팅제의 XPS(X-Ray Photoelectron Spectroscopy) 그래프이다.
도 2 는 본원의 일 실시예에 따른 광촉매 코팅제의 촉매능에 대한 그래프이다.
도 3 은 본원의 일 실시예에 따른 광촉매 코팅제의 촉매능에 대한 그래프이다.
도 4 는 본원의 일 실시예에 따른 광촉매 코팅제의 FT-IR 그래프이다.
도 5 는 본원의 일 실시예에 따른 광촉매 코팅제의 XPS(X-Ray Photoelectron Spectroscopy) 그래프이다.
도 6 은 본원의 일 실시예에 따른 광촉매 코팅제의 XPS(X-Ray Photoelectron Spectroscopy) 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A 또는 B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
이하에서는 본원의 광촉매 코팅제, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 콘크리트에 대하여, 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 광활성 물질 및 바인더를 포함하는 광촉매 및 콘크리트 경화제를 포함하는, 광촉매 코팅제를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 바인더 및 상기 콘크리트 경화제는 Al을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
후술하겠지만, 본원에 따른 광촉매 코팅제는 질소 산화물을 산화시키기 위한 물질로서, 예를 들어 NO 를 NO2 또는 NO3 - 이온으로, 또는 NO2 를 NO3 - 이온으로 산화시킬 수 있다. 이 때, 상기 산화된 물질은 상기 광촉매 코팅제의 상기 광촉매의 표면에 흡착되어 존재할 수 있다.
상기 광촉매의 표면에 흡착된 물질은 상기 광촉매의 촉매능을 저하시키며, 이러한 현상을 "피독"이라고 칭해진다. 종래의 광촉매가 질소 산화물을 산화시킬 경우, 산화된 물질이 종래의 광촉매에 피독되기 때문에, 비가 와서 흡착된 상기 산화된 물질이 제거되거나, 별도의 처리 공정을 거치지 않는 이상 촉매능이 저하된 상태로 존재하는 문제점이 존재하였다.
본원에 따른 광촉매 코팅제 역시 상기 광촉매, 예를 들어 상기 광활성 물질의 표면에 상기 산화된 물질이 흡착되어 존재할 수 있다. 그러나, 상기 광촉매는 상기 바인더로서 Al 을 포함할 수 있고, 후술하겠지만, 상기 광촉매 코팅제는 Al 및 Ca 을 포함하는 콘크리트 경화제를 포함할 수 있기 때문에, 상기 질소 산화물은 상기 Al 을 매개체로서 상기 콘크리트 경화제의 Ca 성분과 화학적으로 결합될 수 있다. 따라서, 상기 광촉매 코팅제는 강우 또는 별도의 처리 공정 없이도 촉매능이 유지될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콘크리트 경화제는 Al(OH)3, Al2(SO4)3, Na2SiO3, Na2Al2O4, Na2O, NaOH, Al2O3, SiO2, CaCO3, 메타카올린(metakaolin), HF, 에탄올아민(ethanol amine), H3PO4, H3PO3, 세펜타인, 안티고라이트, 활석, 세피올라이트, 벤토나이트, 물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
바람직하게는, 상기 콘크리트 경화제는 Al 을 포함하는 화합물 및 Ca 를 포함하는 화합물을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 상기 콘크리트 경화제의 특정 성분 하나 만이 상기 질소 산화물과 흡착 정도 또는 상기 광촉매로부터 상기 질소 산화물을 받아들이는 정도에 관여하는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 Al 은 상기 광촉매로부터 상기 질소 산화물을 받아들인 후 상기 Ca 와 상기 질소 산화물을 화학적으로 결합시킬 수 있다. 그러나 상기 광촉매로부터 상기 질소 산화물을 받아들이는 정도 및 상기 콘크리트 경화제의 Ca 성분이 상기 질소 산화물과 흡착되는 정도는 상기 성분들의 상호 작용에 의해 더욱 향상될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면 상기 광촉매 코팅제 100 중량부를 기준으로, 상기 광촉매는 5 중량부 내지 99 중량부로서 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광촉매 코팅제 100 중량부를 기준으로, 상기 광촉매는 약 5 중량부 내지 약 99 중량부, 약 10 중량부 내지 약 99 중량부, 약 15 중량부 내지 약 99 중량부, 약 20 중량부 내지 약 99 중량부, 약 25 중량부 내지 약 99 중량부, 약 30 중량부 내지 약 99 중량부, 약 35 중량부 내지 약 99 중량부, 약 40 중량부 내지 약 99 중량부, 약 45 중량부 내지 약 99 중량부, 약 50 중량부 내지 약 99 중량부, 약 55 중량부 내지 약 99 중량부, 약 60 중량부 내지 약 99 중량부, 약 65 중량부 내지 약 99 중량부, 약 70 중량부 내지 약 99 중량부, 약 75 중량부 내지 약 99 중량부, 약 80 중량부 내지 약 99 중량부, 약 85 중량부 내지 약 99 중량부, 약 90 중량부 내지 약 99 중량부, 약 95 중량부 내지 약 99 중량부, 약 5 중량부 내지 약 10 중량부, 약 5 중량부 내지 약 15 중량부, 약 5 중량부 내지 약 20 중량부, 약 5 중량부 내지 약 25 중량부, 약 5 중량부 내지 약 30 중량부, 약 5 중량부 내지 약 35 중량부, 약 5 중량부 내지 약 40 중량부, 약 5 중량부 내지 약 45 중량부, 약 5 중량부 내지 약 50 중량부, 약 5 중량부 내지 약 55 중량부, 약 5 중량부 내지 약 60 중량부, 약 5 중량부 내지 약 65 중량부, 약 5 중량부 내지 약 70 중량부, 약 5 중량부 내지 약 75 중량부, 약 5 중량부 내지 약 80 중량부, 약 5 중량부 내지 약 85 중량부, 약 5 중량부 내지 약 90 중량부, 약 5 중량부 내지 약 95 중량부, 약 10 중량부 내지 약 95 중량부, 약 15 중량부 내지 약 90 중량부, 약 20 중량부 내지 약 85 중량부, 약 25 중량부 내지 약 80 중량부, 약 30 중량부 내지 약 75 중량부, 약 35 중량부 내지 약 70 중량부, 약 40 중량부 내지 약 65 중량부, 약 45 중량부 내지 약 60 중량부, 또는 약 50 중량부 내지 약 55 중량부로서 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 광촉매 코팅제 100 중량부를 기준으로, 상기 광촉매는 10 중량부 내지 99 중량부로서 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다
종래의 광촉매는 촉매로서 기능하는 과정에서 피독되기 때문에, 상기 피독된 물질, 즉 상기 산화된 물질을 주기적으로 제거할 필요가 존재하였다. 종래의 광촉매는 빗물에 의해 상기 산화된 물질이 제거될 수 있으나, 비가 오는 날씨는 정기적이지 않아 촉매능이 일정하게 유지되지 않는다. 그러나, 본원에 따른 광촉매 코팅제는 상기 광촉매에 피독될 물질이 상기 콘크리트 경화제와 결합되기 때문에, 종래의 광촉매보다 낮은 함량으로도 충분한 광촉매능을 가질 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콘크리트 경화제는 투명할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 콘크리트 경화제는 가시광선 영역에서 약 80% 이상, 약 85% 이상, 약 90% 이상, 또는 약 95% 이상의 투과도를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 광촉매 코팅제는 오염 물질을 제거하기 위한 상기 광촉매 및 상기 광촉매에서 발생하는 피독 현상을 억제하기 위한 상기 콘크리트 경화제를 포함하는 것이다. 따라서, 빛이 상기 광촉매를 조사하기 위해서는 상기 콘크리트 경화제가 투명해야 할 필요가 있다. 또한, 상기 콘크리트 경화제가 어떠한 색(color)을 가질 경우, 상기 콘크리트 경화제의 색에 해당하는 파장의 빛은 상기 광촉매에 조사되지 않기 때문에, 상기 콘크리트 경화제는 무색 투명한 물질일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광촉매 100 중량부를 기준으로, 상기 바인더는 1 중량부 내지 10 중량부로서 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광촉매 100 중량부를 기준으로, 상기 바인더는 약 1 중량부 내지 약 10 중량부, 약 2 중량부 내지 약 10 중량부, 약 3 중량부 내지 약 10 중량부, 약 4 중량부 내지 약 10 중량부, 약 5 중량부 내지 약 10 중량부, 약 6 중량부 내지 약 10 중량부, 약 7 중량부 내지 약 10 중량부, 약 8 중량부 내지 약 10 중량부, 약 9 중량부 내지 약 10 중량부, 약 1 중량부 내지 약 9 중량부, 약 1 중량부 내지 약 8 중량부, 약 1 중량부 내지 약 7 중량부, 약 1 중량부 내지 약 6 중량부, 약 1 중량부 내지 약 5 중량부, 약 1 중량부 내지 약 4 중량부, 약 1 중량부 내지 약 3 중량부, 약 1 중량부 내지 약 2 중량부, 약 2 중량부 내지 약 9 중량부, 약 3 중량부 내지 약 8 중량부, 약 4 중량부 내지 약 7 중량부, 또는 약 5 중량부 내지 약 6 중량부로서 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 바인더는 상기 광활성 물질의 입자를 응집시키기 위한 물질을 의미한다. 상술하였듯 상기 바인더는 Al 을 포함하고, 상기 광촉매 또는 상기 광활성 물질의 표면에 흡착될, 상기 산화된 질소 산화물이 상기 콘크리트 경화제 상에 흡착되도록 유도하는 역할을 수행할 수 있다.
따라서, 상기 바인더가 1 중량부 미만이거나, 상기 콘크리트 경화제의 Al 함량이 지나치게 낮을 경우, 상기 산화된 질소 산화물은 상기 콘크리트 경화제의 표면으로 이동하지 못하고 상기 광활성 물질의 표면에 흡착될 수 있다.
본원에 따른 질소 산화물은 NOx 의 화학식을 가질 수 있는 물질의 총칭이다. 예를 들어, 상기 질소 산화물에는 NO, NO2, NO3 -, N2O, N2O3, N2O4, N2O5, 등이 존재할 수 있다. 상기 질소 산화물은 자동차, 항공기, 선박, 보일러, 소각로, 발전기 등에서 연료가 연소될 때 등, 공기중의 N2 와 O2 가 고온에서 반응함으로써 생성될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광활성 물질은 TiO2, ZnO, CdS, WO3, ZrO2, Si, Fe2O3, SnO3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 광활성 물질은 TiO2 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
TiO2 는 대표적인 광활성 물질로서, 자외선을 받으면 라디칼을 형성하고, 상기 라디칼의 강한 산화력을 통해 미생물의 살균, 악취의 분해, 대기 중의 오염 물질의 산화 등 다양한 용도로서 사용될 수 있다. 후술하겠지만, 상기 TiO2 는 입자의 표면에 다른 물질이 도포됨으로써 가시광선의 영역의 빛을 받아도 라디칼을 형성할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광촉매는 금속이 증착된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 상기 증착 공정은 PVD, CVD, 또는 이들의 혼합 공정일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속은 Fe, Au, Pt, Ti, Ag, Ni, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Al, Mg, Si, W, Cu, 이들의 산화물, 이들의 질화물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광활성 물질은 300 nm 내지 500 nm 파장의 빛에 반응할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광활성 물질은 약 300 nm 내지 약 500 nm, 약 350 nm 내지 약 500 nm, 약 400 nm 내지 약 500 nm, 약 450 nm 내지 약 500 nm, 약 300 nm 내지 약 350 nm, 약 300 nm 내지 약 400 nm, 약 300 nm 내지 약 450 nm, 약 350 nm 내지 약 450 nm, 또는 약 400 nm 파장의 빛에 반응할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 광촉매는 빛에 의해 촉매능을 갖는 물질을 의미한다. 상기 광촉매는 오염 물질인 질소 산화물, 황산화물, 암모니아, 휘발성 유기 화합물(VOC) 등을 제거할 수 있다. 그러나 상기 괄활성 물질은 특정 파장의 빛에만 반응하여 촉매능을 갖기 때문에, 금속을 추가 포함함으로써 넓은 파장의 빛과 반응하여 촉매능을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 광활성 물질이 TiO2 일 경우, TiO2 는 약 400 nm 이하의 파장을 갖는 자외선에 의해서만 광촉매의 활성이 발생한다. 그러나 태양빛의 자외선은 오존층에 차단되기 때문에, 지표면에서 TiO2 를 포함하는 광촉매를 활성화시키기 위해서는 상기 TiO2 에 다른 물질을 도핑 또는 첨가할 수 있다.
상기 광활성 물질이 가시광선에도 촉매능을 발휘할 수 있도록 금속을 도핑 또는 첨가할 수 있다. 후술하겠지만, 상기 금속은 상기 광활성 물질의 입자의 표면 상에 증착된 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광촉매는 300 nm 내지 800 nm 파장의 빛에 반응할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광촉매는 약 300 nm 내지 약 800 nm, 약 400 nm 내지 약 800 nm, 약 500 nm 내지 약 800 nm, 약 600 nm 내지 약 800 nm, 약 700 nm 내지 약 800 nm, 약 300 nm 내지 약 400 nm, 약 300 nm 내지 약 500 nm, 약 300 nm 내지 약 600 nm, 약 300 nm 내지 약 700 nm, 약 400 nm 내지 약 700 nm, 또는 약 500 nm 내지 약 600 nm 의 파장의 빛에 반응할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광촉매 100 중량부를 기준으로, 상기 금속은 0.1 중량부 내지 1 중량부로서 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광촉매 100 중량부를 기준으로, 상기 금속은 약 0.1 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.2 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.3 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.4 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.5 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.6 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.7 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.8 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.9 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.2 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.3 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.4 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.5 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.6 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.7 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.8 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.9 중량부, 약 0.2 중량부 내지 약 0.9 중량부, 약 0.3 중량부 내지 약 0.8 중량부, 약 0.4 중량부 내지 약 0.7 중량부, 또는 약 0.5 중량부 내지 약 0.6 중량부로서 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
후술하겠지만, 상기 광촉매 코팅제는 상기 금속 또는 금속 산화물이 상기 광활성 물질의 입자의 표면에 코팅된 구조를 가질 수 있다.
또한, 본원의 제 2 측면은 광활성 물질 및 바인더를 포함하는 광촉매를 콘크리트 경화제와 혼합하는 단계를 포함하는, 광촉매 코팅제의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면에 따른 광촉매 코팅제의 제조 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광촉매 상에 금속을 증착시키는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 증착은 350℃ 내지 400℃ 의 온도 조건에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 금속을 증착시키는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 1 을 참조하면, 상기 금속을 증착시키는 단계는, 상기 금속의 전구체 및 상기 광촉매를 혼합시키고 외부의 영향을 받지 않도록 밀봉하는 단계, 상기 금속 전구체 및 상기 광촉매를 제 1 열처리하는 단계, 및 상기 제 1 열처리가 종료된 후, 상기 금속 전구체 및 상기 광촉매를 대기 중에서 제 2 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 금속 전구체 및 상기 광촉매를 원통형 장치 내에서 혼합하는 경우, 상기 증착은 상기 금속 전구체를 상기 광촉매, 즉 상기 광활성 물질의 입자 표면에 코팅하는 단계 및 상기 코팅된 금속을 산화시키는 단계를 포함하는 공정을 의미할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 열처리하는 단계는 760 torr 내지 1,000 torr 의 압력 및 150℃ 내지 250℃ 의 온도 조건에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 열처리하는 단계는 진공 상태에서 수행되는 것이 아니고, 비커를 밀봉한 상태에서 수행하는 것이기 때문에, 상기 비커 내부의 압력은 1 atm, 즉 760 torr 보다 높아질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 제 1 열처리하는 단계의 압력 조건은 약 760 torr 내지 약 1,000 torr, 약 800 torr 내지 약 1,000 torr, 약 850 torr 내지 약 1,000 torr, 약 900 torr 내지 약 1,000 torr, 약 950 torr 내지 약 1,000 torr, 약 760 torr 내지 약 950 torr, 약 760 torr 내지 약 900 torr, 약 760 torr 내지 약 850 torr, 약 760 torr 내지 약 800 torr, 약 800 torr 내지 약 950 torr, 또는 약 850 torr 내지 약 900 torr 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 제 1 열처리하는 단계의 온도 조건은 약 150℃ 내지 약 250℃, 약 175℃ 내지 약 250℃, 약 200℃ 내지 약 250℃, 약 225℃ 내지 약 250℃, 약 150℃ 내지 약 225℃, 약 150℃ 내지 약 200℃, 약 150℃ 내지 약 175℃, 약 175℃ 내지 약 225℃, 또는 약 200℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 2 열처리하는 단계는 350℃ 내지 400℃ 의 온도 조건에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 2 열처리하는 단계는 약 350℃ 내지 약 400℃, 약 360℃ 내지 약 400℃, 약 370℃ 내지 약 400℃, 약 380℃ 내지 약 400℃, 약 390℃ 내지 약 400℃, 약 350℃ 내지 약 390℃, 약 350℃ 내지 약 380℃, 약 350℃ 내지 약 370℃, 약 350℃ 내지 약 360℃, 약 360℃ 내지 약 390℃, 또는 약 370℃ 내지 약 380℃ 에서 수행될 수 있다. 이와 관련하여, 상기 제 2 열처리하는 단계는 상기 비커의 밀봉을 해제한 후 수행하기 때문에, 압력 조건은 0.9 atm 내지 1.1 atm 일 수 있다.
상기 제 2 열처리하는 단계가 400℃ 초과의 온도 또는 350℃ 미만의 온도에서 수행될 경우, 상기 광촉매 또는 상기 광활성 물질의 활성이 저하될 수 있다.
상기 제 1 열처리하는 단계는 상기 광활성 물질의 입자 표면에 상기 금속 전구체의 금속을 코팅하기 위한 것이고, 상기 제 2 열처리하는 단계는 상기 금속을 산화시키기 위한 것이다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 전구체는 Fe, Au, Pt, Ti, Ag, Ni, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Al, Mg, Si, W, Cu, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 금속 전구체는 상기 금속의 이온을 포함하고, 증기압이 높은 물질, 예를 들어 페로센(ferrocene), 코발토센(cobaltocene) 등의 유기 금속 화합물(organometallic compound)을 포함할 수 있다.
도 1 을 참조하면, 상기 제 1 열처리하는 단계는 상기 금속 전구체 및 상기 광촉매가 밀봉된 원통형 장치 내에서 수행된 것이다. 따라서, 상기 제 1 열처리에 의해 상기 금속 전구체가 기화될 경우, 상기 원통형 장치 내부의 압력은 증가할 것이다.
이어서, 상기 제 1 열처리를 종료한 후 원통형 장치의 밀봉을 해제하고, 상기 원통형 장치 내부의 상기 광촉매를 상기 제 2 열처리함으로써, 상기 광활성 물질의 입자 표면에 증착된 금속이 산화될 수 있다. 상기 산회된 금속에 의해, 상기 광활성 물질에 가시광선을 조사하면 촉매능이 나타날 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속은 산화되어 증착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속은 상기 제 1 열처리하는 단계에서 산화된 상태로 상기 광활성 물질의 입자 표면에 코팅되거나, 또는 상기 제 1 열처리하는 단계에서 상기 광활성 물질의 입자 표면에 산화되지 않은 상태로 코팅된 후 상기 제 2 열처리하는 단계에 의해 산화될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
바람직하게는, 상기 금속은 상기 광활성 물질의 입자 표면에 증착되는 과정에서 산화될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속을 증착시키는 단계는 상기 광촉매를 상기 콘크리트 경화제와 혼합하는 단계보다 먼저 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광촉매 코팅제는 기판 상에서 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 상기 기판은 Fe, Ni, Cu, Co, Si, S, C, Al, N, SiO2, ITO, FTO, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 기판은 스테인리스 스틸을 포함할 수 있다.
상술하였듯, 상기 금속은 상기 광활성 물질 또는 상기 광촉매가 가시광선에 의해 촉매능을 가질 수 있도록 돕는 물질이기 때문에, 상기 금속이 상기 콘크리트 경화제에 증착될 경우 상기 광활성 물질 또는 상기 광촉매는 가시광선에 의해 촉매능이 발현되지 않을 수 있다.
또한, 본원의 제 3 측면은 상기 제 1 측면에 따른 광촉매 코팅제를 시멘트 상에 분사함으로써 제조된 질소 산화물 제거용 건축 자재를 제공한다.
본원의 제 3 측면에 따른 질소 산화물 제거용 건축 자재에 대하여, 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면에 기재된 내용은 본원의 제 3 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
상기 광촉매에 의해 산화된 상기 질소 산화물은 상기 광촉매 코팅제가 포함하는 상기 콘크리트 경화제 상에 흡착될 수 있다. 이와 관련하여, 상기 콘크리트 경화제 상에 흡착된 상기 질소 산화물은 이온 상태(NO3 ―-- -)로서 존재하고, 상기 광촉매의 촉매능에 영향을 끼치지 않기 때문에, 상기 광촉매 코팅제의 촉매능은 일정하게 유지될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예 1]
비커 내부에 3 wt% 의 Al 을 포함하는 루타일(rutile) 이산화티타늄 입자 30 g 및 페로신(ferrocene) 0.1 g 을 혼합하였다. 이어서, 상기 비커를 Al 호일로 밀봉하고, 60℃ 에서 1 시간 동안 열처리하였다. 이어서, 상기 Al 호일을 제거한 후, 375℃ 에서 2 시간동안 열처리함으로써, 상기 이산화티타늄 입자의 표면 상에 철 산화물을 화학적으로 증착하여 광촉매 Fe/TiO2 를 제조하였다.
이어서, 상기 광촉매 Fe/TiO2 0.4g 을 2 ml 의 IPA(isopropyl alcohol) 용액에 용해시키고, 스테인리스스틸 기판 상에 도포하였다 (Fe/TiO2 (100)).
[실시예 2]
상기 실시예 1 에 의해 제조된 상기 광촉매 Fe/TiO2 0.4 g 을 Al 이 포함된 콘크리트 경화제 3.6 g 과 혼합한 용액을 시멘트 블록에 분사한 후, 하루동안 건조하였다 (Fe/TiO2(10)@SHA).
[실험예 1]
도 2 및 도 3 은 상기 실시예에 따른 광촉매 코팅제의 촉매능에 대한 그래프이다.
도 2 및 도 3 을 참조하면, 상기 Fe/TiO2(10)@SHA 는 상기 Fe/TiO2(100)에 비해 광촉매인 Fe/TiO2 를 더 적게 포함하고 있으나, 일산화질소 제거 효율은 상기 Fe/TiO2(10)@SHA 가 더 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 상기 콘크리트 경화제의 Al 성분 및 상기 광촉매의 Al 성분이 두 물질 사이의 가교 역할을 함으로써, 상기 일산화질소가 산화되어 형성된 질산 이온이 상기 광촉매의 표면이 아닌, 상기 콘크리트 경화제로 이동하여 결합되었기 때문으로 확인된다.
이와 관련하여, 상기 Al 의 함량을 더 적게 설정할 경우, 예를 들어 상기 이산화티타늄 입자 내의 Al 함량이 1 wt% 미만 또는 상기 콘크리트 경화제의 Al 함량이 적은 경우, 상기 일산화질소 제거 활성은 낮게 측정될 수 있다.
[실험예 2]
도 4 는 상기 실시예에 따른 광촉매 코팅제의 FT-IR 그래프이다.
도 4 를 참조하면, 상기 Fe/TiO2(10)@SHA 는 일산화질소를 제거한 후 NO3 - 에 해당하는 피크(1410 cm-1)가 발생한 것을 확인할 수 있다.
[실험예 3]
도 5 및 도 6 은 상기 실시예에 따른 광촉매 코팅제의 XPS(X-Ray Photoelectron Spectroscopy) 그래프이다. 이와 관련하여, Ti 는 상기 광촉매 코팅제가 Ti 를 포함함을 의미하고, N 은 상기 광촉매 코팅제의 표면에 질산 이온의 존재 여부를 확인하기 위한 것이다.
도 5 및 도 6 을 참조하면, 상기 광촉매 코팅제가 일산화질소를 제거하여도, 생성된 질산 이온은 상기 광촉매의 내부로 들어가여 관찰되며, 이에 따라 Ti 이온은 어떠한 화학적 변화도 나타나지 않음을 확인할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 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.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (16)
- 광활성 물질 및 바인더를 포함하는 광촉매 및
콘크리트 경화제를 포함하고,
상기 바인더 및 상기 콘크리트 경화제는 Al을 포함하는,
광촉매 코팅제에 있어서,
상기 광촉매에 피독될 물질은 상기 콘크리트 경화제와 결합하고,
상기 광활성 물질은 TiO2, ZnO, CdS, WO3, ZrO2, Si, Fe2O3, SnO3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것이고,
상기 광활성 물질은 Fe, Au, Pt, Ti, Ag, Ni, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Al, Mg, Si, W, Cu, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속이 증착된 것인,
광촉매 코팅제.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 광촉매는 300 nm 내지 800 nm 파장의 빛에 반응하는 것인, 광촉매 코팅제.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광촉매 코팅제 100 중량부를 기준으로, 상기 광촉매는 5 중량부 내지 99 중량부로서 포함되는 것인, 광촉매 코팅제.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광촉매 100 중량부를 기준으로, 상기 바인더는 1 중량부 내지 10 중량부로서 포함되는 것인, 광촉매 코팅제.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 광촉매 100 중량부를 기준으로, 상기 금속은 0.1 중량부 내지 1 중량부로서 포함되는 것인, 광촉매 코팅제.
- 제 1 항에 있어서,
상기 콘크리트 경화제는 투명한 것인, 광촉매 코팅제.
- 제 1 항에 있어서,
상기 콘크리트 경화제는 Al(OH)3, Al2(SO4)3, Na2SiO3, Na2Al2O4, Na2O, NaOH, Al2O3, SiO2, CaCO3, 메타카올린(metakaolin), HF, 에탄올아민(ethanol amine), H3PO4, H3PO3, 세펜타인, 안티고라이트, 활석, 세피올라이트, 벤토나이트, 물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것인, 광촉매 코팅제.
- 제 1 항, 제 4 항 내지 제 6 항, 및 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 광촉매 코팅제의 제조 방법에 있어서,
광활성 물질 및 바인더를 포함하는 광촉매를 콘크리트 경화제와 혼합하는 단계;
를 포함하는,
광촉매 코팅제의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 광촉매 상에 금속을 증착시키는 단계를 추가 포함하는, 광촉매 코팅제의 제조 방법,
- 제 13 항에 있어서,
상기 금속은 산화되어 증착되는 것인, 광촉매 코팅제의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 증착은 350℃ 내지 400℃ 의 온도 조건에서 수행되는 것인, 광촉매 코팅제의 제조 방법.
- 제 1 항, 제 4 항 내지 제 6 항, 및 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 광촉매 코팅제를 시멘트 상에 분사함으로써 제조된, 질소 산화물 제거용 건축 자재.
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