[논문]TiO2 나노입자를 함유한 PLA 필름의 탈취성과 항균성

구광회; 장진호

doi:10.5764/tcf.2008.20.6.001

TiO2 나노입자를 함유한 PLA 필름의 탈취성과 항균성
The Deodorization and Antibacterial Activities of PLA Films Embedded with TiO2 Nanoparticles 원문보기

韓國染色加工學會誌 = Textile coloration and finishing, v.20 no.6, 2008년, pp.1 - 7

구광회 (금오공과대학교 나노바이오텍스타일공학과) , 장진호 (금오공과대학교 나노바이오텍스타일공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of $TiO_2$ contents and UV irradiation treatment on the surface properties of PLA films embedded with $TiO_2$ nanoparticle were investigated. Whereas UV irradiation decreased reflectance of the treated PLA films proportionally with increasing UV energy, the reflectance of PLA/$TiO_2$ films increased with increasing UV energy. The UV irradiation treatment caused PLA/$TiO_2$ blend films more polar as indicated in the generation of new carbonyl group and decrease in zeta potentials, which was more pronounced with the introduction of $TiO_2$. Upon UV irradiation, $TiO_2$ particles appeared on the film surface as observed in SEM images. The PLA/$TiO_2$ blend films showed photocatalytic properties such as photobleaching of methylene blue, deodorization of ammonia and antimicrobial activity in comparison with pure PLA films.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

10cm×10cm 크기의 시료를 유기오염 물질인 암모니아 가스의 제거 실험을 하였다.
주사전자현미경(JSM 6380, JEOL)을 사용하여 자외선 처리 및 광촉매에 대한 PLA/TiO₂ 필름의 표면구조 변화도 확인하였다. PLA/TiO₂ 필름 표면의 제타전위는 전기영동 광산란분광광도계(ELS 8000, Otsuka)와 NELS 평판 셀을 이용하여 0.01M NaCl 수용액에 접촉시켜 측정하였으며 UV 에너지와 TiO₂ 함량에 따른 변화를 알아보았다.
PLA/TiO₂필름 표면의 화학구조 및 TiO₂를 확인하기 위하여 PLA 필름과 자외선 조사처리된 PLA/TiO₂필름의 ATR 스펙트럼을 Fig. 1에 나타내었다. PLA 필름(a)의 경우 1745, 1180, 1076cm^-1에서 C=O, C-O-C, O-C-C의 신축진동 피크가 확인되어 PLA임을 알 수 있다.
광촉매인 TiO₂ 함량을 달리하여 PLA에 혼입하고 필름으로 제조하여 자외선 조사 처리하여 표면 특성, 광분해성, 소취성 및 항균성을 조사하였다. PLA 필름 자체는 자외선 조사에 의해 단파장 영역의 반사율이 감소하지만 TiO₂가 함유되어 있는 경우 자외선 조사 에너지가 증가함에 따라 반사율이 증가하였다.
필름을 제조하고 자외선 조사 전후 표면의 반사율, ATR, 표면전위 측정 등을 통해 광촉매 함량 및 자외선 조사에너지에 따른 효과를 분석하였다. 그리고 메틸렌 블루와 암모니아 가스 등의 유기물 분해특성을 알아보았고 황색포도상구균과 대장균에 대한 항균성도 조사하였다.
대조편은 Stomacher bag으로 하고 5cm×5cm 크기의 시료에 24시간동안 균을 배양시킨 후 각 대조편과 시험편의 균수를 측정하여 정균감소율을 구하였다.
메틸렌 블루(methylene blue, MB) 수용액에 대해 자외선을 조사함에 따른 색소 탈색을 통해 광촉매의 기능성을 평가하였다. 0.
반사율 분광광도계(Gretag Macbeth, Coloreye 3100)를 사용하여 필름의 반사율 변화를 살펴보았고, ATR 분석은 FT-IR 분광분석기(Tensor 27, Bruker)를 사용하여 필름의 처리면을 ZnSe crystal의 한쪽 면에 접촉하고 일정 압력을 가한 후 측정하였고 처리 시료의 흡광도에서 미처리 시료의 흡광도를 차감하여 처리된 시료의 차감 스펙트럼을 얻었다. 주사전자현미경(JSM 6380, JEOL)을 사용하여 자외선 처리 및 광촉매에 대한 PLA/TiO₂ 필름의 표면구조 변화도 확인하였다.
본 연구는 PLA 고분자 재료의 기능성 도입을 위해 우수한 광촉매 활성도를 가지는 anatase 형의 TiO₂를 PLA에 혼입한 후 PLA/TiO₂ 필름을 제조하고 자외선 조사 전후 표면의 반사율, ATR, 표면전위 측정 등을 통해 광촉매 함량 및 자외선 조사에너지에 따른 효과를 분석하였다. 그리고 메틸렌 블루와 암모니아 가스 등의 유기물 분해특성을 알아보았고 황색포도상구균과 대장균에 대한 항균성도 조사하였다.
10cm×10cm 크기의 시료를 유기오염 물질인 암모니아 가스의 제거 실험을 하였다. 암모니아의 탈취율은 가스검지관법에 의거하여 1L의 시험용기에 초기농도 40ppm의 암모니아 가스를 채운 후 일반 형광등과 자외선 램프 하에서의 암모니아 가스농도 변화를 측정하였고 시료가 들어있지 않은 용기의 암모니아 가스농도(C_b)와 시료를 넣은 용기의 암모니아 가스농도(C_s)를 비교하여 아래의 식에 의해 탈취율(decoloration efficiency, DE)을 계산하였다.
1mL를 떨어뜨리고 그 위에 3cm×3cm 크기의 투명 PE필름을 씌운 후, 그 위에 외경 9cm의 폴리스티렌 페트리디쉬로 덮는다. 이렇게 만들어진 시료에 자외선 조시시간을 달리하여 조사에너지를 조절하고 portable reflectance spectrophotometer (Minolta CR-11)를 사용하여 D₆₅ 광원에서 L^*, a^*, b^*, △E(CIELAB)를 측정하여 색상 변화로서 메틸렌 블루의 광분해도를 측정하였다.
의 최대 출력을 갖는 자외선 조사기(UVO-cleaner, Jelight)를 사용하였고 UV램프는 수은 증기가 충전된 표면처리용(H형)을 사용하였다. 자외선 조사에너지는 UV조사 시간을 달리하여 조절하였다.
자외선 조사처리는 24mW/cm²의 최대 출력을 갖는 자외선 조사기(UVO-cleaner, Jelight)를 사용하였고 UV램프는 수은 증기가 충전된 표면처리용(H형)을 사용하였다. 자외선 조사에너지는 UV조사 시간을 달리하여 조절하였다.
반사율 분광광도계(Gretag Macbeth, Coloreye 3100)를 사용하여 필름의 반사율 변화를 살펴보았고, ATR 분석은 FT-IR 분광분석기(Tensor 27, Bruker)를 사용하여 필름의 처리면을 ZnSe crystal의 한쪽 면에 접촉하고 일정 압력을 가한 후 측정하였고 처리 시료의 흡광도에서 미처리 시료의 흡광도를 차감하여 처리된 시료의 차감 스펙트럼을 얻었다. 주사전자현미경(JSM 6380, JEOL)을 사용하여 자외선 처리 및 광촉매에 대한 PLA/TiO₂ 필름의 표면구조 변화도 확인하였다. PLA/TiO₂ 필름 표면의 제타전위는 전기영동 광산란분광광도계(ELS 8000, Otsuka)와 NELS 평판 셀을 이용하여 0.

대상 데이터

는 입자크기가 15nm 이하의 anatase이고 Aldrich 사에서 구입하였다. 광분해성 측정을 위해 메틸렌 블루(methylene blue, C.I. Basic Blue 9)를 사용하였다.
본 연구에서 사용한 PLA는 D형 함량이 1% 이하의 것으로 Natureworks 사에서 구입하였고 TiO₂는 입자크기가 15nm 이하의 anatase이고 Aldrich 사에서 구입하였다. 광분해성 측정을 위해 메틸렌 블루(methylene blue, C.
제조된 PLA와 TiO2 혼합물을 가열 프레스를 이용하여 200°C, 10MPa 압력으로 약 200㎛ 두께의 필름을 제조하였다.

이론/모형

PLA/TiO₂ 필름의 항균성 평가는 한국의류시험연구원(KATRI)에 의뢰하였고 균종은 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)과 대장균(Escherichia coli)이며 정량시험법(JIS Z 2801)으로 평가하였다. 대조편은 Stomacher bag으로 하고 5cm×5cm 크기의 시료에 24시간동안 균을 배양시킨 후 각 대조편과 시험편의 균수를 측정하여 정균감소율을 구하였다.

성능/효과

3%로 다소 증가하였다. 0.5% TiO₂가 함유된 PLA 필름의 경우 미함유 필름의 것보다 더 강한 탈취성능을 보였으며 자외선 조사 표면처리된 PLA/TiO₂ 필름의 경우에는 100%의 탈취성능을 보였다(Table 2). 이는 자외선 조사에 의한 광촉매의 노출로 인해 암모니아 가스의 분해가 더 용이하였기 때문이다.
PLA 필름(a)의 경우 1745, 1180, 1076cm^-1에서 C=O, C-O-C, O-C-C의 신축진동 피크가 확인되어 PLA임을 알 수 있다. PLA 필름의 흡광도를 차감한 ATR 스펙트럼(c)에서 TiO₂ 함유된 필름에서 640cm^-1에서 Ti-O의 신축 진동 피크가 확인되어 TiO₂가 PLA에 존재함을 확인하였다. 자외선을 조사한 경우 1726cm^-1에서 새로운 카르보닐기의 신축진동이 증가하는 것을 통해 자외선에 의해 PLA의 에스테르 결합이 파괴되고 광산화되는 것을 확인할 수 있다.
9%까지 증가하여 항균성이 부여되었다. 따라서 PLA에 적은 양의 광촉매와 UV 전조사에 의해 황색포도상구균과 대장균의 성장을 방해하여 우수한 항균성을 나타냄을 알 수 있다.
또한 자외선 조사 표면처리 및 TiO₂의 함유로 인해 포도상구균에 대한 항균성은 99.9%로 매우 높았다. 대장균의 경우 미처리 PLA 필름은 포도상구균에 비해 상대적으로 정균감소율이 20.
이는 자외선 조사에 의한 광촉매의 노출로 인해 암모니아 가스의 분해가 더 용이하였기 때문이다. 또한 적은 양(0.5%)의 광촉매로도 충분한 탈취성능을 보였다. Fig.
메틸렌 블루와 암모니아 가스의 광촉매에 의한 분해성을 평가한 결과 적은 양의 TiO₂ 함량에서도 자외선에 의해 표면에 노출된 TiO₂로 인해 유기물질의 분해성이 증가하였다. 또한 황색포도상구균과 대장균에 대한 항균성 평가에서도 광촉매 혼입에 의해 항균성이 크게 향상되었다. 따라서 환경 친화성 재료인 PLA와 광촉매를 이용해 유기물질 분해를 통한 오염방지, 소취성, 항균성 등 기능성이 도입되어 다양한 분야에 사용되리라 예상된다.
또한 자외선 조사에 의한 PLA의 광분해로 극성 성분이 도입되어 제타전위가 감소하는 것을 알 수 있다. 메틸렌 블루와 암모니아 가스의 광촉매에 의한 분해성을 평가한 결과 적은 양의 TiO₂ 함량에서도 자외선에 의해 표면에 노출된 TiO₂로 인해 유기물질의 분해성이 증가하였다. 또한 황색포도상구균과 대장균에 대한 항균성 평가에서도 광촉매 혼입에 의해 항균성이 크게 향상되었다.
Table 1은 자외선 조사에너지에 따른 PLA 필름의 암모니아 탈취특성을 평가한 것이다. 미처리 필름의 경우 형광등과 자외선 광원하에서 각각 37.5%, 47.5%의 암모니아 가스의 탈취특성을 보였다. 자외선 조사로 표면처리된 필름의 경우 그 특성은 동일 광원하에서 각각 47.
4에 제시되었다. 순수 PLA 필름의 경우와 달리 자외선 조사에너지가 증가함에 따라 반사율이 증가하였는데 자외선 조사에 의해 광촉매가 활성화되면서 PLA를 광분해되어 표면에 TiO₂입자가 노출되므로 조사에너지가 증가할수록 반사율이 증가한 것으로 사료된다. Fig.
2는 TiO₂ 함량 및 자외선 조사 에너지에 따른 제타전위의 변화이다. 자외선 조사에너지와 TiO₂ 함량이 증가함에 따라 PLA 표면의 제타전위가 -13.6 mV에서 -55.7mV로 현저히 감소하였다. 이는 PLA의 광산화에 의해 표면에 도입된 극성기 때문으로 TiO₂ 함량이 증가하여도 감소폭이 증가하지 않음을 통해 광촉매에 의한 PLA 고분자 자체의 광분해보다는 자외선 조사에 의한 효과가 더 큰 것을 알 수 있다.
8은 자외선 조사 처리된 PLA/TiO₂ 필름의 TiO₂함량 및 전조사에 의한 메틸렌 블루의 색차 변화를 나타낸 것이다. 전조사 에너지에 따른 색차 변화는 미미하였고 TiO₂ 함량이 증가할수록 색차가 더 컸다. 이는 적은 조사에너지로도 필름 표면에 유기물질의 광분해 시키기에 충분한 광촉매가 노출되고 노출된 정도에 따른 변화보다는 TiO₂ 함량과 후조사에 의한 효과가 더 중요하기 때문이다.
7은 자외선 조사 처리된 PLA/TiO₂ 필름의 TiO₂ 함량 및 후조사에 의한 메틸렌 블루의 색상 변화이다. 후조사 에너지가 10.6J/cm²까지 색차가 크게 증가하였고 TiO₂함량이 증가함에 따라 색차가 더 컸다. 이는 자외선 조사된 필름 표면에 노출된 TiO₂의 광촉매 효과에 의해 메틸렌 블루 분해를 촉진하였기 때문이다.

후속연구

6) 동일한 조사에너지로 처리되었을 때 함량이 증가할수록 표면에 더 많은 TiO₂입자가 노출되는 것을 알 수 있다. 따라서 자외선에 의해 고분자를 분해시켜 표면에 더 많은 광촉매가 노출되는 것을 알 수 있고 이를 통해 필름 표면에 노출된 광촉매가 유기물질의 분해를 촉진하리라 기대된다. 또한 광촉매가 함유된 소재일지라도 표면에서 유기물 흡착 및 분해반응이 일어나야 하므로 광촉매의 기능성을 향상시키기 위해 자외선 조사 처리가 필요하다.
또한 황색포도상구균과 대장균에 대한 항균성 평가에서도 광촉매 혼입에 의해 항균성이 크게 향상되었다. 따라서 환경 친화성 재료인 PLA와 광촉매를 이용해 유기물질 분해를 통한 오염방지, 소취성, 항균성 등 기능성이 도입되어 다양한 분야에 사용되리라 예상된다.
따라서 자외선에 의해 고분자를 분해시켜 표면에 더 많은 광촉매가 노출되는 것을 알 수 있고 이를 통해 필름 표면에 노출된 광촉매가 유기물질의 분해를 촉진하리라 기대된다. 또한 광촉매가 함유된 소재일지라도 표면에서 유기물 흡착 및 분해반응이 일어나야 하므로 광촉매의 기능성을 향상시키기 위해 자외선 조사 처리가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TiO2은 어느 파장 영역에서 광촉매 활성을 나타내는가?	광촉매 효과는 1970년대 초 일본의 Fugishima와 Honda에 의해서 광촉매반응이 발견되었고 빛을 조사하면 산화 및 환원 반응에 의하여 물이 산소와 수소로 분리되었다. TiO2는 300~400nm의 자외선 영역에서 광촉매 활성을 나타나는데 밴드 갭(3.2eV) 이상의 에너지를 받으면 전자가 여기되고 내부에 전자와 정공이 표면에서 흡착된 물질과 반응하여 산화와 환원 반응이 진행된다.
	PLA의 문제점은 무엇인가?	Poly(lactic acid)(PLA)는 최근 생분해되지 않은 합성 고분자에 의해 야기되는 폐기물 처리를 최소화하고 생체의료 등 다양한 분야에 적용하기 위해 생분해성 고분자에 대한 요구가 증가하면서 친환경성 재료이고 인체 적합성도 우수한 생체용 재료로서 각광을 받고 있으며 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다7,8). PLA는 가수분해성을 갖는 우수한 생분해성 고분자이지만 낮은 열적 성질과 취성 등의 문제점을 가지고 있다. PLA 관련 연구로는 결정화 온도의 변화에 따른 분자구조 분석9), 섬유 생산용 방사공정10), 취성을 극복하기 위해 천연섬유나 합성섬유와의 복합11,12), 다양한 의료용 재료로서 사용하기 위하여 재생 고분자와 공중합 연구13) 등이 있다.
	Poly(lactic acid)(PLA) 관련 연구에는 무엇이 있는가?	PLA는 가수분해성을 갖는 우수한 생분해성 고분자이지만 낮은 열적 성질과 취성 등의 문제점을 가지고 있다. PLA 관련 연구로는 결정화 온도의 변화에 따른 분자구조 분석9), 섬유 생산용 방사공정10), 취성을 극복하기 위해 천연섬유나 합성섬유와의 복합11,12), 다양한 의료용 재료로서 사용하기 위하여 재생 고분자와 공중합 연구13) 등이 있다. PLA의 장점은 100% 재생 가능한 원료로부터 생산되고 병, 필름, 용기, 섬유 등으로 사용되며 의료용으로는 봉합사, 플레이트, 뼈 고정나사 등으로 사용될 수 있는데 PLA 공중합체를 이용한 봉합사14), 약물전달체15), 인공관절16) 등에 관해서도 연구되었다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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