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문제 정의
- 본 연구에서는 이산화티타늄으로부터 밴드갭에너지를 극복하여 전자가 생성되는 과정의 깁스자유에너지변화(△G) 값을 음수(△G<0)가 되게 함으로써 빛의 유무와 관계없이 전자가 이산화티타늄의 표면으로 계속 이행하여 광촉매 작용을 하도록 하는 자기구동형 광촉매 WeltouchTM를 신발 안창 등에 사용되는 PU발포체에 코팅한 다음, 항균성 및 항곰팡이성을 평가하고, Weather-O-meter test 전과 후의 가스분해성능과 PU 발포체의 표면분석을 통해 표면부착성을 확인하여 신발제품 등에의 활용 가능성을 살펴보고자 한다.
제안 방법
- PU발포체에 자기구동형 광촉매 WeltouchTM를 HVLP(high volume low pressure)방식의 스프레이코팅장비(Q3 PRO, FUJI 사)를 이용하여 15g/㎡으로 스프레이코팅한 후, 상온(25±2℃)에서 24시간 건조시켰다.
- 또한 자기구동형 광촉매가 코팅된 PU발포체의 표면구조를 전자현미경(JEOL사, JSM-6200)을 이용하여 Weather-O-meter test 전과 후의 자기구동형 광촉매가 코팅된 PU발포체 표면에 대하여 비교·분석하였다.
- 시험균종은 대장균(Escheruchia coli ATTC 8739) 및 황색포도상구균(Staphylococcus aureus ATCC 6538P)을 이용하였으며, 접종균의 농도는 대장균을 3.4×105 cells/mL로 하고 황색포도상구균을 3.2×105 cells/mL로 하여 빛이 차단된 조건에서 35±1℃, 24시간 배양 후 균수를 측정하였다.
- 시험은 Weather-O-meter test 전과 후의 시험편을 각각 100 ㎜×100 ㎜의 크기로 하여 각각의 테들러 백에 넣고 포름알데히드와 신선한 공기를 주입한 다음 밀봉하여 빛이 없는 무광조건에서 30분간 방치시킨 후, 포름 알데히드 검지관(No. 91L, Gastec사)으로 측정하였다.
- 시험은 무처리 PU발포체와 자기구동형 광촉매가 코팅된 PU발포 체를 대상으로 광량이 1.10±0.03 W/㎡인 Xenon Arc 램프를 사용하여 63±3℃, 습도 85%, 200시간의 조건으로 빛(light, 120분)과 빛 & 물스프레이(water spray, 18분)를 반복적으로 시행한 다음, 시험 전과 후의 무처리 PU발포체와 자기구동형 광촉매가 코팅된 PU발포체를 대상으로 가스분해성능을 비교하여 확인하였다.
- 자기구동형 광촉매가 코팅된 PU발포체에 대하여 항균성, 항곰팡이성 및 내구성을 평가하였으며, 전자현미경으로 내구성을 평가하기 전과 후의 표면변화를 관찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 시료는 국내 S사의 PU발포체(SH)를 선택하였고, PU발포체에 항균, 항곰팡이 특성을 부여하기 위한 자기구동형 광촉매는 넥스켐사(Korea)에서 제조, 판매되고 있는 WeltouchTM를 그대로 사용하였다.
- 시험에 사용된 곰팡이 균주는 Aspergillus niger ATCC 9642, Penicilium pinophilum ATCC 11797, Chaetomium globosum ATCC 6205, Gliocladium virens ATCC 9645, Aureobasidium pullulans ATCC 15233의 혼합균주로 포자수가 1,000,000±200,000spore/ml인 곰팡이 현탁액 30 mL를 접종한 다음, 27±2℃, 상대습도 85%의 빛이 차단된 조건에서 28일간 배양하였고 1주일 간격으로 곰팡이포자수를 측정 Table 1에 따라 평가하였다.
이론/모형
- 03 W/㎡인 Xenon Arc 램프를 사용하여 63±3℃, 습도 85%, 200시간의 조건으로 빛(light, 120분)과 빛 & 물스프레이(water spray, 18분)를 반복적으로 시행한 다음, 시험 전과 후의 무처리 PU발포체와 자기구동형 광촉매가 코팅된 PU발포체를 대상으로 가스분해성능을 비교하여 확인하였다. 가스분해성능은 대상가스를 포름알데히드로 하여 가스텍검지관법으로 하였다. 시험은 Weather-O-meter test 전과 후의 시험편을 각각 100 ㎜×100 ㎜의 크기로 하여 각각의 테들러 백에 넣고 포름알데히드와 신선한 공기를 주입한 다음 밀봉하여 빛이 없는 무광조건에서 30분간 방치시킨 후, 포름 알데히드 검지관(No.
- 자기구동형 광촉매가 코팅되지 않은 PU발포체와 자기구동형 광촉매가 코팅된 PU발포체에 대하여 필름밀착법(JIS-Z-2801-2000)으로 대장균 및 황색포도상구균에 대한 항균성을 확인한 결과를 Table 2에 나타냈다. Table 2에서 보는바와 같이 대장균은 자기구동형 광촉매를 코팅하지 않은 시험편에서 3.
- 자기구동형 광촉매가 코팅된 PU발포체에 대하여 내구성을 평가하기 위한 장비는, Weather-O-meter(Testing system for weathering performance CI5000, ATLAS)를 이용하였다. 시험은 무처리 PU발포체와 자기구동형 광촉매가 코팅된 PU발포 체를 대상으로 광량이 1.
- 자기구동형 광촉매가 코팅된 PU발포체에 대한 항곰팡이성은, ASTM-G-21-2009의 방법으로 하였으며 시험편은 50 mm×50 mm의 크기로 하였다.
- 항균성은, 자기구동형 광촉매가 처리되지 않은 PU발포체와 자기 구동형 광촉매가 코팅된 PU발포체에 대하여 필름밀착법(JIS-Z-2801-2000)으로 시험하였다. 시험균종은 대장균(Escheruchia coli ATTC 8739) 및 황색포도상구균(Staphylococcus aureus ATCC 6538P)을 이용하였으며, 접종균의 농도는 대장균을 3.
성능/효과
- 1. 자기구동형 광촉매가 코팅된 PU발포체의 대장균 및 황색포도상구균에 대한 항균성은 99.9%이상을 나타냈으며, 항곰팡이성은 아주 우수하였다.
- 2. 자기구동형 광촉매가 코팅된 PU발포체에 대하여 내구성을 평가하기 전과 후의 가스분해율은 약 7%의 미미한 감소를 나타냈으며 전자현미경을 이용하여 관찰한 표면 상태도 그대로 고르게 부착되어 있어 내구성이 우수한 것으로 확인되었다.
- Table 3에 나타낸바와 같이 자기구동형 광촉매를 코팅하지 않은 PU발포체는, 곰팡이포자가 1주일만에 시험편의 접종한 부분에 인지되는 균사 발육부분의 면적이 전 면적의 60%으로나타났으며, 자기구동형 광촉매가 코팅된 PU발포체는, 4주 후에도 시험편의 접종한 부분에 균사의 발육이 인지되지 않았다. 이 결과는 자기구동형 광촉매는 빛이 차단된 조건에서도 자발적으로 광촉매작용을 하여 항곰팡이 특성을 우수하게 발현한다는 것을 의미하며, PU발포체에 자기구동형 광촉매를 코팅만하더라도 항곰팡이 특성을 부여할 수 있다는 것을 나타내는 것이다. 이것은 온도 27±2℃, 상대습도 85%라는 고온다습한 조건에서 실시한 결과로 신발이나 피혁제품 등에 자기구동형 광촉매를 코팅만 하여도 생산 후 판매를 위하여 여름 장마철에 창고 등에 보관된 신발이나 피혁제품 등에서 곰팡이가 발생되어 제품불량의 피해를 보는 사례를 미리 예방할 수 있을 것으로 사료된다.
- 9%이상의 정균 감소를 보였다. 이러한 결과는 자기구동형 광촉매가 빛이 차단된 조건에서도 자발적으로 광촉매작용을 하여 항균성이 우수하게 발현한다는 것을 의미하며, PU발포체에 자기구동형 광촉매를 코팅만하더라도 항균 특성을 부여할 수 있다는 것을 나타내는 것이다. 이것은 또한 신발의 안창, 내피 등에 적용한다면 신발 착용자의 무좀 예방효과 등의 기능성도 부여할 수 있을 것으로 사료된다.
- 또한 Figure 1에 나타낸바와 같이 자기구동형 광촉매가 코팅된 PU발포체에 대하여, 내구성을 평가하기 전과 후의 표면을 전자현미경으로 관찰한 결과에서도, 자기구동형 광촉매가 탈리되지 않고 고르게 부착되어 있는 것을 확인하였다. 이러한 결과로 볼 때 PU발포체에 코팅된 자기구동형 광촉매는 부착력이 탁월하여 PU발포체와 같은 피착체에 견고하게 부착되어 탈락되지 않는다는 것을 나타내며, 가스분해성능이 약 7%의 미미한 감소를 나타낸 것으로 볼 때 자기구동형 광촉매의 효과 지속성이 우수하다는 것을 알 수 있다.
- 황색포도상구균은 3.2×105 cells/mL에서 24시간 후 4.5×105 cells/mL으로 균수가 현저하게 증가하는 것으로 나타났고, 자기구동형 광촉매가 코팅된 PU발포체의 시험편에서는 3.2×105 cells/mL서 24시간 후 <10 cells/mL로 이 또한 99.9%이상의 정균 감소를 보였다.
후속연구
- 3. 이상의 결과로서, 자기구동형 광촉매는 빛이 차단된 조건에서도 자발적으로 광촉매 작용을 할 수 있다는 것을 확인하였으며, 이와 같은 장점으로 신발이나 피혁제품 뿐만 아니라 다양한 제품에의 적용이 가능할 것으로 기대된다.
- 이러한 결과는 자기구동형 광촉매가 빛이 차단된 조건에서도 자발적으로 광촉매작용을 하여 항균성이 우수하게 발현한다는 것을 의미하며, PU발포체에 자기구동형 광촉매를 코팅만하더라도 항균 특성을 부여할 수 있다는 것을 나타내는 것이다. 이것은 또한 신발의 안창, 내피 등에 적용한다면 신발 착용자의 무좀 예방효과 등의 기능성도 부여할 수 있을 것으로 사료된다.
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