Special 생활 및 전통세라믹스 기술 개발 동향(1)

도자타일 표면유약의 소수화 처리를 통한 항균 지속성 평가

김진호_한국세라믹기술원 도자융합소재기술센터 책임연구원

1. 서론

도자타일은 흙을 주원료로 하여 1000oC 이상의 열처리 과정을 거쳐서 제작되며, 우수한 기계적 강도 및 내화학성, 그리고 표면 유약을 통한 심미성을 갖추어 대표적인 건축용 내외장재로 사용되고 있다. 항균(antibacterial), 방오(antistain), 단열(heat-insulation) 등 다양한 기능을 갖춘 도자타일에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 특히 근래에 발생한 코로나 19 펜데믹으로 박테리아나 바이러스에 대응할 수 있는 건축용 도자타일에 관한 시장의 수요가 증가할 것으로 예상된다. 개인주택 및 공공건축물의 주요 자재인 도자타일에서 항균 특성의 발현은 박테리아 증식을 억제하여 감염 전파를 막을 수 있는 주요 수단이 될 수 있으며, 최근 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다[1-6].

그림 1. 건축용 도자타일

  도자타일은 유리질의 표면유약 코팅층을 가지며, 이러한 표면유약에 도자타일의 심미성과 다양한 기능이 구현되어 제품의 가치를 향상시킬 수 있다. 도자타일에서 항균 기능을 구현하는 방법은 유약 위에 항균 코팅층을 형성하는 것과 유약 조성에 직접 항균물질을 포함하여 열처리하는 것이다. 기존 항균 도자기는 유약 표면에 살균 특성을 갖는 고분자 용액이나 나노 아연산화물 졸을 표면 유약에 코팅처리하는 방법이 사용되었으나 공정의 추가, 코팅층 내구성 한계 및 높은 원료 가격 등의 문제로 사용이 제한적이었다. 특히 살균제를 통한 박테리아 사멸은 박테리아 저항성을 증가시키는 문제를 유발한다. 다른 항균 방법으로 제시되고 있는 광촉매 사용은 자외선 조사(irradiation)를 필요로 하기 때문에 적용될 수 있는 환경의 제약이 있으며, 1000oC 이상의 열처리 과정에서 비가역적인 상전이가 발생하여 항균 특성이 저하되는 문제점이 있다. Fagan 등은 TiO2에 N, F, P를 도핑하여 1000oC 이상 고온에서 아나타제(anatase)상을 안정화시킴으로서 광촉매 특성을 향상시켰다는 보고를 하였다[7]. 또한 Ag, ZnO 등을 glass forming material과 혼합하여 유약을 제조할 경우 표면에서 발생하는 이온 용출 현상으로 항균을 특성을 보이는 것을 알려져 있다[8]. 최근에 새롭게 제안되는 방법은 금속이나 세라믹 기재의 표면의 표면에 초발수성을 유도하여 항균 특성을 발현하는 것이다[2-4, 9-14]. 이러한 방법은 박테리아의 표면 막을 직접 파괴하여 사멸하는 것이 아니라, 초발수성 표면에서 박테리아의 부착을 억제하여 바이오필름 형성을 차단함으로써 항균 특성을 발현하는 메커니즘이다.

그림 2. 초소수성(super-hydrophobic) inorganic substrate에서의 항균 특성[11]

  산화구리를 포함하는 구리유약(copper glaze)은 전통적인 도자기 유약이며, 열처리 조건에 따라 도자기 표면유약의 유리상 내에 형성되는 결정상 및 이에 따른 다양한 색상 변화가 나타나는 것으로 알려져 있다[15-17]. 구리 및 구리 합금은 미국환경보호국(U.S. Environmental Protection Agency)에 등록된 항균 소재이며 근래에도 항균 메커니즘을 규명하기 위한 연구가 진행 중이다.

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