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[화학공학]바이오 세라믹

1. 서 론모든 생물은 늙어가면서 그 생물체를 이루고 있는 생체조직들이 낡게 되고 약해지기 마련이다. 인간의 경우 치아가 약해져 빠지게 되며 각 관절에는 관절염이 생기고, 뼈는 탄력성을 잃고 깨어지기 쉬워지며 시력이나 청력도 감퇴된다. 순환기관도 막히게 되며 심장도 제 기능을 발휘하지 못한다. 이러한 자연 노쇠현상 이외에도 자동차 사고, 무기에 의하여, 연장의 사용 중 또는 운동중 이들 생체 장기의 손상을 가져올 수도 있다. 이렇게 손상받은 장기의 기능을 일부나마 회복시키기 위하여 인간은 인공 생체 이식 재료를 생각하게 되었고, 현재 40여 가지의 재료를 이용하여 50여 가지의 이식재료가 소개되고 있다.인간이 만드는 어느 생체 재료도 수백만년의 진화에 의해서 이루어진 본래의 생체 장기를 대신할 수는 없다. 그러나 그들과 되도록 비슷한, 그리고 본래 기능의 많은 부분을 담당할 수 있는 생체 재료를 얻고자 하는 것이 인간의 소망이다. 이러한 인공 재료는 복잡한 물리화학적, 생물학적, 의학적 문제들을 전부 만족시켜야 한다.생체 이식 재료로 사용되기 위해서는 제일 먼저 생체 내에서 독성, 발암성 등 유해 작용이 없어야 하며, 생체 조직과 좋은 친화성을 가져야 하고 주변의 조직과 강한 화학 결합을 이루어야 한다. 강도, 경도, 탄성 등 기계적 성질도 뼈와 같거나 그 이상의 성질을 가져야 하며 관절 재료의 경우 내마모성도 좋아야 한다. 그 외에도 가공, 소독 등이 용이하여야 하고 인공 치아로 사용할 경우 색깔도 매우 중요한 성질의 하나가 된다. 생체 재료로 사용되기 위해서는 생체 내에서 독성, 발암성 등 유해 작용이 없어야 하며, 생체 조직과 좋은 친화성을 가져야 하고 주변의 조직과 강한 화학 결합을 이루어야 한다. 한편 강도, 경도, 탄성 등 기계적 성질도 뼈와 같거나 그 이상의 성질을 가져야 하며, 관절 재료의 경우 내마모성도 우수해야 한다.현재까지 주로 사용되어 온 생체 재료는 Stainless Steel, Co-Cr 합금, Ti합금 등 내부식성을 갖는 금속 재료나팅을 하거나, 골조직과 접촉하는 부분에 생체친화성을 향상시키기 위하여 임플란트에 수산화 아파타이트(Hydroxyapatite, HA)를 코팅하여 뼈와 결합을 촉진시키기도 한다. 또 생분해성 고분자에 생체 친화성이 우수한 인산칼슘계 세라믹을 복합화한 유무기하이브리드 골 시멘트도 개발되고 있다. 특히 인산칼슘계 세라믹은 칼슘과 인의 비(Ca/P)를 조절하면 생분해성 세라믹을 제조할 수 있어 조직 공학적으로 골조직이나 연골조직을 제조하는데 있어서 지지체로서 사용가능성이 연구되고 있다.대부분의 무기질 생체재료는 유기질 생체재료인 고분자 생체재료와 물성에 있어서 매우 다르다( 참고). 즉, 고분자, 금속, 그리고 바이오세라믹 재료들의 의학이나 치과에서 응용되는 분야는 간혹 서로 상충되는 곳도 있으나, 각 물질의 특성 때문에 서로 각각 다른 분야에 임상 적용되고 있다. 고분자 생체재료는 고분자 재료의 특성상 주로 연부조직 (soft tissue)이나 기관의 기능이나 형태를 회복시키는데 주로 이용되고, 금속이나 세라믹 생체재료는 경조직(hard tissue), 주로 정형외과나 치과분야에 주로 이용된다.바이오세라믹스는 위에서 언급한 바와 같이 세라믹 재료의 특성을 고려할 때 주로 경조직 대체 재료로서 임상에 사용되고 있다. 또 바이오세라믹스는 화학조성에 따라 금속산화물계, 유리 또는 결정화유리계, 그리고 카본계 재료로 구분할 수 있으며(), 인체 내 생물학적인 활동에 따라 생체불활성, 생체활성, 그리고 생분해성 재료로 구분한다(). 화학조성에 따른 바이오세라믹스의 분류산화물계alumina (Al2O3), zirconia (ZrO2), titania (TiO2) 등HA (Ca10(PO4)8(OH)2), β-TCP (Ca3(PO4)2), CMP (Ca(PO3)2),석고 (CaSO4), 석회석 (CaCO3) 등유 리 및결 정 화유 리 계Bioglassⓡ (Na2O-CaO-SiO2-P2O5 계)Ceravitalⓡ (Na2O-CaO-SiO2-P2O5 계)apatite-wollasto 수 있다. 미세하게 석출된 apatite와 wollastonite 결정이 glass의 crack 진행을 막기 때문에 Bioglassⓡ나 Ceravitalⓡ보다 강도가 큰 결정화유리가 얻어진다. 그러나 glass를 결정화시킬 때, Ceravitalⓡ의 경우와 같이 성형된 벌크유리를 직접 결정화시키면, 결정화가 glass표면에서부터 시작되어 결정화에 따른 체적 수축으로 균열이 발생한다. 따라서 결정화 전에 유리를 분쇄하여 유리 미분말을 만들어서 결정화시킬 필요가 있다. 이 경우에는 결정화가 표면 및 내부에서 동시에 일어나기 때문에 crack이 발생하지 않고 u52824 치밀한 결정화유리가 얻어진다.(5) 일방향 결정화 유리Ceravitalⓡ 및 Ceraboneⓡ 결정화유리는 결정들이 무질서하게 배열되어 있는 유리를 온도 구배가 있는 전기로 중에서 일방향으로 결정화시켜 석출결정을 한 방향으로 배향시킨 유리이다. 이 경우에 석출결정이 장섬유상으로 되어 한 방향으로 배열되기 때문에 섬유상 결정의 배열 방향에 수직인 방향으로 강한 굴곡 강도를 나타낸다.Abe 등은 CaO-P2O5계의 유리를 일방향으로 결정화하여 β -Ca(PO3)2 섬유상 결정이 한 방향으로 배향된 결정화유리를 제조하였는데, 이는 알루미나 세라믹보다 강한 굴곡 강도를 나타내었다. 그러나 이러한 구조의 결정화유리는 특수한 조성(CaO?P2O5)에서만 얻어질 수 있으며, 이 유리에 대한 생체친화성 연구가 최근 들어 활발히 진행되고 있다. 골 대체재료용 결정화유리 제품의 화학조성 (wt%)KGCCeravitalⓡKGSCeravitalⓡKGy213CeravitalⓡA-W-GCMB-GCS45P7SiO2P2O5CaOCa(PO3)2CaF2MgOMgF2Na2OK2OAl2O3B2O3Ta2O5/TiO246.220.225.52.94.80.*************3.5476.534.216.344.90.54.619-524-249-35-153-53-512-3345722242(6) Apatite-mica 결정화유리CaO - Si 이러한 실리카 축합반응과 hydroxyapatite 형성은 유리표면의 용해 및 양이온 교환능을 둔화 시킨다. 그래서 생체활성유리의 반응성을 종합하여 보면,RT = -K1 t0.5 - K2 t1.0 + K3 tx + K4 ty (3)실리카 축합반응계수(K3)와 hydroxyapatite 결정생성계수(K4)의 시간의 존성은 알려져 있지 않으므로 tx, ty로 표시하였다.(2) 생체유리-뼈 사이의 결합기구표면활성 생체재료를 뼈에 이식하였을 때 이들이 체액과 반응하면서 표면에 apatite 결정이 생성하게 되고 이 apatite가 뼈와 결합하게 된다. 즉, 생체유리가 체액과 반응하면 유리 내에 있던 Na+, Ca2+, Si4+, P5+ 이온 등이 체액 내로 빠져 나온다. 이때 유리구조의 수식체 역할을 하는 Na+, Ca2+등의 용출속도가 유리형성체인 Si4+, P5+의 용출속도보다 높으므로 유리표면은 고농도 실리카 겔 상태로 변하게 된다. 체액내로 용출된 이온 중 Ca2+, P5+이온은 다시 실리카 겔 위에 침적하여 Ca-P 층을 형성한다. 이때 체액 내에 본래 존재하던 Ca, P 이온도 Ca-P층 형성에 도움을 주리라 예측된다. 이렇게 얻어진 Ca-P 층은 시간이 지남에 따라 결정화하여 hydroxyapatite 결정으로 변하고 이 때 뼈의 성분인 collagen이 새로 생긴 hydroxyapatite와 서로 엉키면서 이식재료가 뼈와 결합을 하는 것으로 이해되고 있다. 이렇게 hydroxyapatite가 collagen과 서로 엉키는 과정은 새로운 뼈가 형성되는 과정과 동일하다.Bioglass를 trismethylaminomethane(Tris-) 완충용액에 반응시켰을 때 1개의 비가교산소를 갖는 [SiO4]가 생성되면서 2분 후에 이미 SiO겔 층이 형성되었으며 그위에 무정형의 Ca-P 층이 형성되다가 2시간이상 반응시키면 무정형의 Ca-P층이 결정상 hydroxyapatite로 변한다고 하였다. 용액중에 용출된 이온을 측정한 결과 반응초기(6시간까지)에는 Na CaO-SiO2-B2O3계의 결정화유리의 영향으로 복합시 기존 생체활성 세라믹스의 강도향상? 혼합비의 적절한 조절을 통해 골전도 속도와 같은 생체용해성을 가지는 생체활성 세라믹스의 제조? CaO-SiO2-P2O5-B2O3계 결정화 유리의 제조와 생체친화성 평가 : 동물이식실험(3) 2단계응용방안연구목표 : 생체활성 세라믹스의 제조공정 개발 및 in-vivo test를 통한 생체친화성 평가와 생체내 환경내에서의 역학적 안정성 평가① 1단계의 기초 연구를 토대로 인공골용 생체활성 세라믹스 치밀체, 다공체 제조공정 개발1) 생체활성 세라믹스의 동물 임상실험(in vivo test)- 치밀체 : 척추 추간판 이식술- 다공체 : 척추 골 유합술2) 생체활성 세라믹스의 생체 내 환경에서의 역학적 안정성 평가(치밀체)- 생체조직 내 생분해에 따른 기계적 강도 영향- 인공골 상용화 : 인공척추체, 스페이서(치밀체)골충진제, 골유도물질의 운반체, 약물전달체계(다공체)< 스폰지형 다공체 이식 12주 후 비탈석회화 슬라이드 : 신생골이 풍부함을 알수 있음 >< 치밀체 이식 수술 후 8주째 방사성 사진 >7. 해외기술동향선진국의 종류별 제조기술을 에 나타내었다. 해외 바이오세라믹스 제조 기술종 류제조 기술뼈대체재료사람DBM + glycerol(gel/putty/스펀지타입)소뼈로 만든 분말상HA + TCP + 소collegen (strip 타입)소뼈 HA (비생분해성)합성, 비생분해성 분말산호를 수열합성하여 제조한 다공성 분말생분해성 TCP 분말TCP+석고가 혼합된 paste여러가지 Ca-P가 혼합된 생분해성 paste 혹은 분말석고로 제조된 pellet인공 부분흡수성 혹은 비생분해성 bioglass 분말치과용 도재세라믹치과 도재 조성을 소결후, 분말로 제조8. 기술전망근골격계 조직(예, 뼈, 연골, 치아 등)의 선천적인 기형, 질병과 산업화로 인한 후천성 장애의 극복을 위한 연구개발의 필요성이 점차 절실해지고 있다. 근골격계의 기능 장애는 개인의 삶의 질을 심각하게 저하시킬 뿐만.

공학/기술| 2005.11.18| 29페이지| 1,500원| 조회(1,141)

신소재, 바이오세라믹, 바이오신소재, 신소재세라믹, 무기신소재

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[환경공학]환경 신기술 평가A좋아요

■ 국내 환경오염 현황 및 전망우리나라는 에너지와 자원이 다소비형 구조로 '80년대이후 에너지소비 증가가 가속화됨에 따라 환경오염물질이 지속적으로 증가하여 아황산가스(SO2)배출량은 OECD 국가 중 1위, 도시폐기물 발생량은 9～14배 수준 등으로 환경용량의 한계에 도달하였으며, 발암?유전독성을 지닌 유해물질에 대한 사회적 우려가 고조되는 등 새로운 환경문제가 대두되고 있는 실정이다.또한 지구온난화 및 오존층 파괴, 사막화로 인한 황사발생 및 산성비 등 국제?국가간 환경문제가 이슈화되고 있으며, 2001년 WTO(세계무역기구) 뉴라운드 출범이후 무역-환경 연계가 가시화되는 등 지구환경보호를 위한 국제적 압력과 국가별 환경규제가 강화되어 지속가능한 발전구현을 위한 각 국의 환경기술개발 투자가 확대되고 세계시장 확보를 위한 경쟁도 심화될 것으로 보인다.환경기술은 정보?통신기술 등과 함께 고부가가치를 창출할 수 있는 21세기 선진국형 산업으로서 경제적 파급효과가 큰 유망핵심 기술로서, 국내 환경질의 개선, 경제회복기반의 마련, WTO 체제하의 국내시장 개방 및 국제환경규제 강화에 대비하기 위해 우수한 환경기술개발은 절대적으로 필요하다.향후 10～15년간 환경시장이 급성장할 것으로 전망되며, 특히 중국 등 아시아시장은 연 15%내외의 높은 성장세가 예상된다. 국내 환경시장 규모는 약 10.5조원으로 GDP의 2% 수준으로 연평균 13.1%씩 성장하여 2005년에는 약 19조원에 이를 것으로 전망된다.정부는 환경기술 개발의 중요성을 인식하고 국내 환경기반기술 확보를 위해 1992년부터 추진한 G-7 환경공학기술개발사업에 이어 새롭게 전개되는 환경기술수요에 전략적으로 대응하기 위한 중장기 기술개발을 목적으로 2001년부터 2010년까지 국고 1조원, 민간부문 4천5백억원을 투입하는『차세대 핵심환경기술개발사업』을 추진하고 있다.■ 대표적인 신 환경오염 처리기술의 종류1. 바이오-팝공법(BIO-PAB PROCESS)을 이용한 오?폐수 처리 기술- 처리계획수질 만족과 간편한 유지관리 및 처리시설의 보급 확산2. 폐자재를 이용한 하수 처리기술 개발- 담체기술의 국산화 및 실용화로 고부가가치화 기대3. 미세한 섬유사를 여재로 이용한 하수방류수의 처리기술- 처리수질이 Ⅰ급수로 물부족 해결 대안으로 각광4. 완전침지형 회전매체를 이용한 고도처리기술- 공정이 간단하고 운영비용을 최소화5. 폐기물의 적용범위를 확대 개선한 소각처리기술- 다이옥신 등의 공해물질을 획기적으로 저감6. 하수슬러지와 유동상담체를 이용한 하수고도처리기술- 폐기물을 재활용하여 질소처리효율 향상■ 바이오-팝공법(BIO-PAB PROCESS)1. BIO-PAB PROCESSBIO-PAB 공법은 부착성장식 생물학적처리공법으로, 부착미생물 반응조(폭기조)내에 공장에서 오폐수처리에 적합한 우수한 미생물만을 담체(메디아)에 사전부착하여 부착미생물 반응조(폭기조)내에 충진시키므로써, 부착된 미생물이 고농도에서부터 저농도까지 대상 오염물질을 제거한 기술이다.본 공법에서는 표면적이 비교적 큰 담체의 표면에 오수에 순응된 미생물을 미리 부착시킴으로써 높은 미생물 농도를 유지할 수 있어 높은 처리효율을 얻을 수 있고, NH3-N의 질산화까지도 높은 효율로 진행시킬 수 있는 처리 공법이다.특히 BiO-PAB 공법은 부착미생물반응조 내에서 분해나 흡착이 이루어지므로 소형시설에서는 침전조도 필요 없으며, 고형물 체류 시간이 길어 슬러지가 적게 발생하며, BOD농도에 적합한 미생물을 선별 부착하였으므로 어떠한 조건하에서도 목표 수질 이하까지 처리할 수 있는 큰 장점이 있다.2. BIO-PAB PROCESS의 원리BiO-PAB 공법의 원리는 전장에서 서술한 미생물의 고정방법중 부착법에 해당되는 호기성 부착성장법과 같으며, 본 공법의 주요 운전 원리는 다음과 같다. 본 공법의 주요 설비인 부착미생물반응조의 구조는 아래의 도면과 같으며, 담체를 충진한 부착미생물반응조의 상부로부터 원수를 유입시켜 부착미생물반응조 하부로 처리수가 유출되는 구조로 되어있으며, 부착미생물반응조의 하부에서 필요에 따라 자동으로 공기를 공급한다. 원수는 부착미생물반응조의 상부에서 유입되어 하부로 흐르면서 용존산소와 접촉하며, 담체에 부착된 미생물의 작용에 의해 원수에 함유된 유기 물질의분해와 암모니아성 질소의 질산화가 이루어진다.담체로는 폐플라스틱을 재이용하여 성형한 제품을 사용하며, 그림 1과 같이 각 층마다 서로 교차하도록 충진을 하여 오폐수 중의 SS성분의 제거 효율을 높이도록 하였다.부착미생물반응조에서는 원수와 폭기 공기가 서로 반대 방향으로 흐르며, 공기 기포가 담체와 접촉을 하면서 상승하므로 산소 전달율이 높아지게 되며 이에 따른 미생물의 높은 산소 흡수 효율에 의해 미생물에 의한 유기물 분해 효율도 높이 유지할 수 있게 된다. 또 원수 중의 부유물질 및 유기물질의 분해 등에 의해 증식한 미생물들은 충진된 담체에 흡착되며 이들 담체 표면에 부착한 미생물의 작용에 의해 부유 물질의 흡착 효과도 강화된다.처리 시간의 경과에 따라 원수 중 부유물질이나 유기물질에서 전환된 분해가 안되는 흡착오니에 의해 담체층이 막히고 쌓일 수 있으므로 일정한 시간이 경과한 후에는 공기로 충격을 가하여 담체에 포집된 무기성 부유 물질 등을 세척하여 폭기조 밖으로 배출한다.3. BIO-PAB PROCESS의 특징BiO-PAB 공법은 공장에서 오폐수에 순응된 미생물을 부착한 담체를 고정상으로 이용하고 있으며, 공기와 원수의 흐름이 서로 교차 흐르는 방식으로 되어 있으며, 다음과 같은 특징들을 가지고 있다.① 오염물질의 특성에 따라 분해능력이 우수한 미생물을 사전에 부착한 담체(MEDIA)의 사용으로설치 즉시 처리효율을 만족시킬 수 있다.② 담체에 부착된 미생물의 량이 많기 때문에 수중의 BOD, SS를 완전히 분해하므로 원하는 처리수질을 용이하게 얻는다.③ BOD농도가 낮은 저농도의 오폐수를 처리하는 경우에 탈리현상이 발생하지 않고 이에 적합한부착미생물을 이용하므로 매우 깨끗한 처리수를 얻을 수 있어 고도처리는 물론 재이용을 위한중수처리에 아주 적합하다.④ 설비의 고장 등으로 TRUBLE 발생시 미생물부착담체의 보충 또는 교환으로 신속히 해결할 수있다.⑤ 침전조가 없으므로 슬러지 팽화 등 운전상의 문제점이 없고, 슬러지의 반송없이 폭기조 내의미생물 양이 고정되어 있어 운전이 용이하고 설비구조가 간단하여 유지관리가 쉽다.⑥ 부착미생물반응조 내에 높은 미생물 농도를 유지하므로 반응조의 크기가 적게되고 처리량에따라 최종침전조도 별도로 설치할 필요가 없기 때문에 설치 면적이 적게 소요된다.담체 (MEDIA)4. 공정 설명BiO-PAB 공법의 공정은 다음과 같으며, 골프장, 상수원 보호지역과 수변지역, 마을하수도등 방류수가 엄격히 규제되는 곳의 오폐수처리인 일반처리공정과 질소 인 제거가 필요하고 처리수의 재이용이 필요한 건물의 중수를 생산하는 고도처리공정이 있다. 본 공법은 타공법들에 비해 경제성과 처리수질이 양호할 뿐아니라 공정이 아주 간편한 특징을 갖추고 있다.① BiO-PAB 공법의 공정(1) 일반처리 공정(2) 고도처리(중수처리) 공정② 유량조정/탈질조공장, 빌딩, 식당 등과 같은 오폐수 발생원에서 배출하는 양과 농도는 일반적으로 시간에 따라서 변하므로, 생물학적 공법을 이용하는 오폐수처리 설비의 성능에 영향을 주게 된다.이러한 영향을 최소화시키고 생물학적 처리 공법의 처리 효율을 일정하게 유지하기 위하여 유량조정조를 설치하여 일정량의 균질화된 오폐수를 다음의 처리장치로 주입한다. 이때, 유량조정조에서는 유입된 오폐수의 수질과 유량을 균질화하는 역할을 할뿐만 아니라 오폐수 중의 유기 물질을 일부 제거하여 후처리 공정의 부하를 감소시키도록 한다. 특히, 미생물 부착 탈질메디아를 설치하고, 무산소 상태에서 운전함으로써 질소를 제거할 수 있도록 하였다.유량조정조에는 이러한 무산소 상태를 유지하면서 수질을 균질화시키기 위하여 내부순환 되도록 하며, 유량조정조나 후단으로 오폐수 중의 큰 입자들이나 다른 고형 물질을 사전에 제거하기 위하여 스크린을 설치한다.③ 부착미생물 반응조오폐수 중 대부분의 유기 물질을 이곳에서 분해하며, 암모니아성 질소의 질산화도 이 반응조에서 진행된다.미생물을 부착한 담체는 이 반응조에 충진을 하며, 오폐수가 담체의 특성에 의해 유기물질과 부유물질까지도 담체에 흡착이나 분해가 잘 되며 처리효율을 높이기 위하여 반응조를 2단으로 설치하고, 하부에서는 간헐적으로 폭기하여 미생물이 유기물질을 분해하는 데 필요한 산소를 공급한다.부유물질 중 미생물에 의해서 분해가 안되는 무기성분들은 담체에 흡착되거나 쌓이게 되며, 이들은 공기를 이용한 역세를 통하여 유출제거한다. 역세는 메디아 상태를 보아 일정한 기간마다 실시하며, 역세시 유출된 물질들은 슬러지조에서 침전저장된다.④ 생물흡착조

공학/기술| 2005.10.17| 6페이지| 1,000원| 조회(435)

환경오염, 수질오염, 환경신기술, 처리기술, BIO-PAB

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[화학공학]고분자 나노복합체 평가A+최고예요

서 론본 리포트에서는 나노기술의 개념으로부터 고분자 나노복합체, 치ay-고분자 나노복합체, clay 분산 유/무기 나노복합체 및 세라믹 나노복합체에 대한 개념과 개발동향 및 앞으로의 전망에 대하여 알아볼 것이다. 특히 기존의 무기물 충전 복합체의 단점을 개선하고, 성능과 제조원가 면에서 매우 유리한 방법인 clay 분산 유/무기 나노복합체의 제조기술에 대하여 관심있게 알아보고자 한다.본 론■ 나노기술● 나노기술이란 무엇인가나노란 희랍어의 나노스(난장이)에서 유래한 10억분의 1(10-9)미터를 나타내는 단위로 1nm는 한국인 평균 머리카락 두께의 5만분의 1 크기 정도를 나타낸다. 나노기술은 분자, 원자 단위의 수준(1nm～100nm)에서 물질을 규명하고 제어하는 기술을 총칭한다. 즉, 분자, 원자들을적절히 결합시킴으로써 기존물질의 변형?개조는 물론 유용한 재료, 소자 및 시스템을 창출하고, 나노크기에서의 새로운 특성이나 현상을 탐구하는 기술을 의미한다.나노기술은 세계 주요국이 정보기술(IT : Information Technology), 바이오기술(BT : Bio Technology)과 더불어 21세기를 주도할 핵심분야로 선정하고 범국가적인 차원에서 적극적인 개발계획을 마련하는 등 국가핵심전략분야로 등장하고 있다.많은 학자들은 나노기술을 차세대 신기술이 아니라 산업의 흐름을 바꾸는 ‘새로운 발견’으로 나노미터 수준에선 물질 내부의 전자가 갖는 에너지가 달라지고 같은 물질이라도 촉매 활성, 자기 특성 등에서 전혀 예기치 못한 성질이 나타날 수 있는데 이런 나노입자를 제어할 수 있게 되면 엄청난 기술혁신으로 이어질 것으로 전망하고 있다.물질크기단위와 나노기술영역의 구분● 나노기술의 기술체계와 응용분야나노기술은 크게 나노제조 기반기술, 나노구조체(디바이스)기술, 나노재료기술 등으로 구분할 수 있다. 나노제조기반기술에는 제조법?장치, 조작?가공법, 나노역학소프트 등이 있으며 이들 기술은 물리학, 화학, 물질과학, 분자생물학, 전자공학, 계산과학, 계측, 제어기술 등가 많은 실정이다.고분자 나노복합체의 장점의 예를 몇가지 들어보면 다음과 같다.Unfilled5%Nanoclay30%Mineral30%GlassTensile Strength, psi7,25011,8008,00023,000Flexural Modulus, psi120,000500,000650,0001,100,000Notched Izod, ft-lb/in.1.21.21.61.8HDT@264, F150230248380Specific Gravity1.131.141.361.35보강제에 따른 나일론 수지의 특성 변화위 표는 나일론 수지에 5%의 층상실리케이트인 점토를 포함한 나노복합체와 30%의 무기물 또는 유리섬유를 포함한 복합나이론의 특성을 비교한 것으로 5%의 나노 첨가제를 사용할 경우 기본 나일론에 비해 인장강도는 1.5배, 굴곡강도는 4배 이상 증가하고 있으며 열변형 온도도 크게 증가하고 있음을 알 수 있다. 또한 비중과 충격강도가 기본수지에 비해 큰 차이가 없다는 점이다. 즉, 나일론을 나노복합체화 하면 30%의 보강제를 사용한 경우와 비슷한 강도나 열변형온도를 가지면서도 경량화가 가능한 장점이 있음을 알 수 있다.성 질단 위PET/Clay나노복합체PETClaywt%30굴곡강도kgf/cm21,200730굴곡탄성율kgf/cm234,06923,000열변형온도oC10471CO2 손실(18.6kg/cm2)%18.1022.73PET/Clay 나노복합체의 물성 변화폴리에서터 수지(PET)에서도 비슷한 결과가 관찰되는데 위 표에서 나타낸 바와 같이 점토를 3% 사용하여 나노복합재료를 제조할 경우 굴곡특성 및 열변형온도가 크게 증가하고 있으며 이산화탄소의 손실량, 즉 투과속도가 감소함을 알 수 있다.고분자 나노복합재료에서 가스나 수증기의 투과 속도가 감소하는 현상, 즉 차단성의 향상은 식품포장재 등의 분야에서 매우 중요하게 취급되는 특성으로 층상 실리케이트의 큰 축비(aspect ratio)로 인하여 투과물질의 통과 거리가 길어지기 때문인 것으로 추정되고 있는데, 차단성이 증용하여 기존의 특성을 살리고 고기능 또는 고성능의 물성을 부여하는 방향을 모색하는 것만이 국내기술의 살길이라고 할 수 있다. 즉, 기존 고분자의 나노화는 환경적인 측면에서 거의 문제점이 발생되지 않으며, 새로운 monomer나 고분자의 출현으로 인해 경제적인 면에서도 기존의 제품을 상당부분 대체할 것으로 예상된다. 다음 표에서는 기능성 나노복합체 개발의 예를 도표화 하였다.기 능고 분 자분 산 상비 고가스차단성PA6, 방향족 PAMMT수증기, 산소,탄산가스 등아크릴MMT폴리이미드MMTPETMMT, LCP난 연 성PA6MMT,불소화 벡토라이토Cone Calorimeter에의한 방열 속도,연소열, 발연성,CO발생량 측정MA-graft(PP)PS내마찰, 마모성PA66합성 마이카동마찰계수, 마모성,한계 PV 치등UV 경화 아크릴수지실리카마모성, 표면경도 등기타투명성PA6MMTUV 경화 아크릴수지실리카안료착색성카본 블랙TiO2, Au, Ag생분해성폴리카프로락톤Clay이온 교환막PVCPS계 이온교환수지치수 안정성(저흡수성)PA6MMT전도성PANI, PBZT,수용성 고분자 등각종(MoS2, NbSe2,Ag섬유 등)양호한 전도성과기타기능 동시 부여 가능기능성 고분자 나노복합체 개발의 예다음은 고분자 나노복합체 중에서 실제적 응용과 제품화가 활발히 이루어지고 있는 clay-고분자 나노복합체의 종류와 기술동향에 대하여 알아볼 것이다.■ Clay-고분자 나노복합체● Clay-고분자 나노복합체고분자 나노복합체는 유기Metrix제인 고분자와 나노크기(Nanosize)의 무기충진제로 이루어진 복합재료를 의미하며 무기충진제는 삼차원적인 구조 중 어느 한 방향이 Nanosize가 되어도 상관이 없다. 분자단위로 화학반응을 하는 고분자와 달리 충진제인 무기물을 Nanosize로 만들기는 굉장히 힘들고 만들더라도 많은 비용이 소요된다. 그러므로 Nanosize의 충진제는 자연물질에서 찾게 되었고 이중 가장 경제적이고 Nanosize 구조적인 특성을 잘 지닌 물질이 바로 Clay로 현재의 고분 천연 MMT에 고분자의 삽입을 용이하게 하기 위해 ammonium 이온을 가진 유기화제, 즉 methyl tallow bis-2-hydroxyethyl ammonium이나 dimethyl benzyl hydrogenated-tallow ammonium같은 유기화제를 사용하여 친유성 MMT로 바꾼다. 그런 다음 용액법, 중합법, 혹은 컴파운디업에 의해 삽입형 또는 박리형 나노복합체가 제조되는 것이다.MMT의 결정구조● Clay-고분자 나노복합체의 제조방법Clay의 층간 구조 사이에 고분자를 삽입하는 방법은 크게 3가지가 있는데, 용액법(solution), 중합법(polymerization) 및 컴파운딩법(compounding)이 있다. 중합법에 비해 고분자 용액에 유기화 clay(modified organophilic clay)를 침지시켜 용매에 의해 고분자 수지에 clay가 분산되도록 하는 용액법이나, 용융상태에서 고분자를 clay의 실리케이트 층 사이에 삽입시켜 기계적인 혼합이 일어나도록 하여 복합재료화하는 컴파운딩 방법이 많이 사용된다. 이러한 기술들은 기존의 무기 충전제나 강화제의 분산법과는 달리, 나노미터 크기로 분산을 가능하도록 하기 때문에, 이렇게 제조된 복합체를 나노복합체라 부르는 것이다.1. 용액법(solution)용액법이란 고분자를 용제에 녹여 용액을 만들고 이를 유기화 층상물질과 혼합하는 것으로 용액상태에서 고분자량의 큰 고분자를 층사이로 삽입시키기가 어렵고 최종제품을 얻기 위해서는 고형분을 용제와 분리시켜야 하는 단점이 있다. 이 방법은 학술적인 관점에서 많이 시도되고 있으나 상업적인 면에서는 그다지 좋은 방법이 아니다.2. 중합법(polymerization)중합법은 유기화된 층상실리케이트와 고분자의 원료인 단량체를 혼합하여 단량체의 일부를 층 사이로 침투시키고 이를 중합시켜 얻는 방법으로 고분자 나노체 제조에서 가장 널리 사용되는 방법이다. 이 방법은 저분자량인 단량체를 층간 삽입시키므로 비교적 쉽게 박리가 일어나 나노스케일로 층상 실리온 유화제인 alkylammonium 또는 alkylphosnium 등으로 개질할 필요가 있다. 개질된 Clay는 친유성이며 표면 에너지가 낮아져 일반적인 유기화합물 또는 고분자와 상용성이 증가하게 되며 이들 유기물이 층간으로 삽입이 가능하게 된다. 이때 Clay와 유기화제의 전하밀도에 따라서 실리케이트 층간사이에 배열되는 유화제의 배열상태가 달라질 수 있다. 일반적으로 유화제의 길이가 길어질수록 Clay의 전하밀도가 높을수록 층간 내부에 채워지는 유화제의 부피가 증가하기 때문에 층간 거리가 멀어지게 된다.■ Clay 분산 유/무기 나노복합체Clay 분산 유/무기 나노복합체 제조 기술은 열가소성 플라스틱, 일래스토머, 선진복합재료와 코팅 분야에 중요한 상업적 응용이 기대되는 기술로서, 특히 다음의 5가지의 성능 면에서 상당한 향상을 기대할 수 있다. 즉 고분자수지의 내충격성, 인성 및 투명성의 손상이 없이 강도와 강성도, 기체와 액체 투과 억제능, 방염성, 내마모성, 고온안정성을 높일 수가 있다.주요 상업적 응용분야기술을 지원하기 위해서는 기초 연구로서 분자모델링 기법을 이용한 clay/양이온/고분자의 상호작용에 관한 연구, clay층 사이로의 고분자의 삽입과정 및 clay층의 박리현상에 관한 연구, clay 나노입자의 분산상태에 따른 유변학적 해석, clay 분산 나노복합체의 기계적 물성 연구 들이 선행되어야 할 것이고, 이는 clay 분산 유/무기 나노복합체 제조 기술의 핵심기술이기도 하다.● 유/무기 고분자의 응용분야1. 열가소성수지 분야현재 범용고분자 시장에서 유리섬유를 충전제/강화제로 사용한 제품들이 대부분인데, 대표적인 경우로 유리섬유강화 폴리프로필렌 수지는 자동차의 내외장재로, 유리섬유강화 스티렌 수지는 가전제품의 하우징으로 많이 사용되는데 이때 사용되는 유리섬유의 양은 30~40wt% 정도로서 이와 같은 기계적 물성을 구현하기 위해서는 clay 광물은 단지 10wt% 이하로서도 가능하다특히 낮은 탄성율을 가지는 폴리올레핀의 경우는 성능/원가 면에.

공학/기술| 2005.10.17| 19페이지| 1,000원| 조회(1,828)

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[환경기술]실내 대기오염 방지와 최신 공기청정기술 평가C아쉬워요

실내대기오염의 실태와 현황1. 새집증후군실내공기질(Indoor Air Quality, IAQ)에 대한 문제의 발생배경을 보면 1970년대 이후 각종 산업분야에서 에너지 절감 및 효율을 높이기 위한 노력의 일환으로 건물의 열효율을 위한 밀폐화 및 고기밀화에 따른 실내공간의 변화에 따라 이들 건물의 실내공기질이 악화되면서 발생되었다. 또한, 산업 기술의 발달에 따라 다양한 합성물질이 새로운 건축자재 및 실내공간에 사용되었고 다양한 화학물질의 방산에 의한 실내공기 오염으로 거주자들에게 나타나는 다양한 건강 이상 증상에 대해서 보고되고 있다. 1970년대 초 새집증후군(Sick Building Syndrome SBS, Sick House Syndrome SHS)이라 하는 새로운 증상이 보고되었으나 최근에 본격적으로 관심을 갖게 되었다.현대인이 실내에서 생활하는 시간이 하루 중 90% 이상을 차지하고 있으며, 이에 따라 실내공기질은 현대인의 건강에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 실내공기오염 문제와 해결방안에 대한 논의는 최근 나날이 늘어가고 있다. 이에 따라 국내에서도 본격적인 실내공기질 관리방안으로 2004년 5월부터 “다중이용시설 등의 실내공기질 관리법” 시행을 앞두고 있다. 이에 따라 실내공기 오염물질의 오염도를 줄이는 친환경자재의 개발과 오염물질 저감법에 대한 관심이 더욱더 증가하고 있는 실정이다.특히 실내공기의 주 오염물질은 실내 인테리어 자재에 사용되는 고분자 물질(접착제, 도료 등)에 포함되어 있는 휘발성유기화합물(volatile organic compounds, VOCs)의 방출로 인해 일어난다. 실내공기 오염도를 줄이기 위한 방법으로는 재료적인 측면에서 친환경자재 및 고분자 재료(도료 및 접착제)를 사용하는 방법과 유해물질이 대기 중으로 방산되는 것을 막기 위하여 재료의 표면을 2차 가공하는 방법, 그리고 기존의 실내 환경에서 유해물질을 제거하는 방법으로 구분할 수 있다. 최근 실내환경오염 저감법으로 TiO2 나노입자를 이용한 광촉매가 부각되고 있다.에서 가장 높은 결과를 나타냄.? CO2 평균농도는 실내환경기준 1,000ppm 보다 낮게 측정되었으나 비교적 유동 인구가 많고 환기시설이 미비한 지하상가, 터미널, 의료기관 등이 다른 다중이용시설보다 높게 측정됨.? PM10 측정한 결과 비교적 사람의 이동이 많은 실내주차장, 지하상가, 여객자동차 터미널 대합실의 미세먼지 농도가 실내 공기질 기준치 150㎍/㎥보다 높게 조사됨.? HCHO의 측정결과 측정한 미술관 모두 실내 공기질 기준치인 0.1ppm을 초과하였고 박물관, 찜질방 그리고 지하상가 일부도 기준치를 초과한 것으로 조사됨.? 측정대상시설의 TVOCs는 모두 실내환경기준 권고치인 500㎍/㎥을 초과하지 않았으나, 고속버스터미널, 미술관, 지하상가, 백화점 등이 다른 다중이용시설보다 상대적으로 높게 측정됨.? 총휘발성유기화합물을 6개의 개별물질별로 나누어 정리한 결과 실내공기중에Toluene>Xylene>Benzene>Ethylbenzene>Stylene>1,4-dicholobenzene 순으로 조사됨.? 보육시설, 복지회관 등이 환경부의 실내 공기질 기준인 800CFU/㎥을 초과하였는데 이는 대부분 많은 사람이 이용하는 시설이므로 사람의 호흡 등에 의해 발생된 결과로 향후 추가적인 관리 조사가 필요한 것으로 판단됨.6. VOCs 물질들과 주요 발생원VOCs 물질주요 발생원벤젠PB, MDF, 합판, 세척 및 청소용품, 페인트 제거제, 접착제디클로로벤젠방향제, 좀약펜타클로로벤젠목재보존제, 곰팡이 제거제, 제충제부틸아세테이트락커톨루엔, 자일렌페인트, 바닥용 왁스, 니스, 염료착제, 등유용 난방기구, 벽지스틸렌담배 연기, 코팅제, 발포형 단열재, MDF오염물질 제거기술1. 입자/가스상 유해물질 개별적 제어의 기술동향이전에 공기청정을 위하여 사용한 방법은 대부분 입자상과 가스상 유해물질을 개별적으로 제어하는 방식이었고 그 기술들을 요약하면 다음과 같다.먼저 입자상 물질을 제거하기 위해 많이 사용되었던 방법은 섬유필터방식과 전기집진방식의 두 가지 방식이 있다.황산가스나 황화수소와 같은 친수성 가스는 공조기에서 열교환용으로 이용되는 에어와셔(air washer)의 물방울과의 직접 접촉에 의하여 물에 흡수시킨 후 제거한다. 산화촉매방식은 백금, 팔라듐 등의 촉매를 사용해서 상온보다 약간 높은 온도에서 가스를 제거하는 방식이다. 즉 촉매에 어떠한 물리, 화학적 자극을 가하여 촉매에서 유해가스를 분해시킬 수 있는 물질이 발생되고 이를 통해 제거하는 것이다. 이 방식은 촉매의 촉매독 문제로 인한 처리의 안전성과 고가의 설치비용이 문제가 있다. 전기방전방식은 입자상 물질을 제거하는 기술인 코로나 방전 등을 이용하여 공기 중에 존재하는 산소를 분해, 결합하고 이때 생성되는 오존과 같은 반응활성종(radical)을 이용하여 NOx, SOx, VOC 등의 유해가스를 산화시키는 방법이다. 이 방법은 앞서 설명한 바와 같이 오존 및 NOx를 발생시키는 단점이 있어 이 장치의 후반부에 오존 등을 제거할 수 있는 후처리 설비가 필요하게 된다.최근 들어, 입자상 물질을 제거하는 기술로 정전분무방식이 개발되어 사용되고 있고 이 방식은 기존의 전기집진방식보다 에너지 소모가 작고 저 압력강하를 나타내며 HEPA 필터나 정전필터에 비해 포집효율이 우수한 것으로 연구결과가 발표되었다. 그리고 촉매기술 분야에서는 나노촉매기술이 기존의 산화촉매반응이 적용되는 분야를 대체하는 기술로 대두되고 있다. 이 분야의 기술로는 나노광촉매 기술과 활성금속 및 금속산화물을 담체에 나노크기로 담지시킴으로써 산화온도를 상온 또는 상온근처에서 가능하도록 하는 나노담지촉매 기술이 있다. 그러나 아직까지 나노촉매에 대한 개념은 광촉매분야에서 정립되어 있지 못하고 금속산화물이나 나노구조체의 경우에도 아직 연구가 초기단계에 있지만 이러한 나노촉매기술이 실용화되거나 실용화단계에 진입한 결과들이 나오고 있어 그 이용영역이 크게 확대될 것으로 기대된다. 그리고 실내에서의 공기청정이 중요한 문제로 부각되면서 실내에서 존재하는 입자 및 가스상 물질들을 동시에 제거하는 방식들이 많이 개발어 특수한 방전시스템을 형성시켜 플라즈마를 발생시키고, 이때 발생되는 플라즈마의 온도는 낮지만(상온~1,000K), 전자에너지를 1~10eV로 높게 유지시킴으로써 입자상 및 가스상 물질의 동시 저감이 가능하다. 보통 상압에서 한 쌍의 전극에서 한쪽 또는 양쪽 전극의 표면을 유리 등의 절연체로 감싸고 전극간의 간격은 수mm 이내로 구성된다. 이때 교류 전압을 가하고 전극 사이에서 직접방전이 일어나지 않도록 하면 유전체에 전하축적(charge build-up)현상이 발생하고 교류전원에 의해 인가되는 전압효율이 극대화되어 균일한 스트리머(streamer) 혹은 글로우(glow) 방전상태를 얻게 된다. 이때 방전시 높은 에너지를 가진 고농도 전자의 충돌현상으로 반응활성종이 생성되는데, 이것을 입자와 유해가스의 제거에 이용하게 된다. 또한 AC 교류전기장을 이용함으로써 DBD 장치 내에서 하전되어 나온 입자를 응집을 통해 크기를 성장시킴으로써 기존의 전기집진방식보다 입자제거효율을 극대화시킬 수 있다.위의 그림은 DBD 하전장치를 이용했을 때 주파수 변화에 따른 입자 및 가스 제거효율의 예를 보여주고 있다. (a)에서 보는 바와 같이 입자상 물질에 대해서는 주파수의 영향이 없이도 95% 이상의 높은 집진효율을 가지는 것을 확인할 수 있고 이는 DBD 하전방식을 사용하지 않은 기존의 AC방전 방식에 비해 높은 효율을 나타내고 있다. (b)는 VOC의 제거효율을 예로 보여주고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 일정한 주파수를 초과하면 VOC의 제거효율은 90% 이상이 됨을 알 수 있다. 이는 기타의 유해 가스에 대해서도 적용이 되며 일반적으로 가스에 대한 제거효율은 주파수와 방전전력에 달라진다. 그러나 이 기술이 무엇보다도 안정성과 신뢰성을 가질 수 있으려면, 장치의 작동에 최적의 운전상태를 결정하는 것이 중요하다. 입자상 물질에 있어서는 하전성능의 개선에 반하여 장치에 인가되는 교류전기장에 의해서 입자가 전극에 부착되는 현상이 나타나고 이로 인해 Arc 방전이 발생되어 장치 음이온 발생부 등으로 구성되어 진다.집진필터부는 전기집진방식, 또는 정전기를 대전시킨 정전필터가 사용되고 반도체 공장의 클린룸 등에서 사용되는 HEPA나 ULPA필터 등을 사용하기도 한다. 탈취필터는 공기 중의 냄새를 제거하기 위한 목적으로 활성탄과 활성 알루미나를 많이 사용한다. 활성탄에는 특수가공을 하여 탈취효율의 향상과 장수명화를 꾀하기도 한다. 활성 알루미나는 활성탄과 비슷한 다공성 물질로 칼륨과 망간산염을 포화시켜 사용한다. 여기서 칼륨은 냄새분자를 산화시키는 강한 산화제의 역할을 하므로 이들은 실내에서 제어해야할 포름알데히드를 산화하여 이산화탄소와 물로 변환시키는데 매우 효과적이다. 최근에는 광촉매에 자외선을 쬐게 하는 것에 의해 산화반응을 촉진시켜 악취를 산화, 분해하는 UV/광촉매장치와 플라즈마 방전에 의해 냄새를 제거하는 장치를 사용하는 것도 있다. 또한 필터표면에 항균가공을 하여 곰팡이나 세균이 번식할 수 없도록 항균처리된 재료를 사용한 항균필터도 있다. 그리고 그 효용이 확실하게 입증되지는 않았지만, 인체 세포 내로 음이온을 공급해줌으로써 신진대사를 원활하게 해준다는 보고를 통해 음이온 발생기가 사용되기도 한다. 그러나 음이온을 발생시키기 위해서 음코로나 방전(Negative Corona Discharge)기술을 주로 사용하는데, 실제의 경우 많은 양의 음이온이 발생되는 동시에 오존도 많이 배출되어 인체에 심각한 문제를 일으킬 수도 있는 것으로 알려져 있다.이 방식은 장치가 구성되는 방식에 따라 달라지지만 현재 일반적으로 사용되고 있는 공기청정기에서는 입자상 물질에 대해 90%이상, 가스상 물질은 80%이상의 제거효율을 나타내고, 곰팡이 등의 균류에 대한 살균성능은 99% 이상인 것으로 보고 되고 있다. 이와 같이 집진성능 및 살균성능이 우수한 이유는 하이브리드 방식에 사용된 각종 필터들이 입자 및 가스 등을 중복하여 제거하기 때문이다. 따라서 추후에는 이 방식에 대한 성능 최적화 연구가 필요할 것으로 판단된다.5. 광촉매(1) 광촉매의 다.

공학/기술| 2005.10.16| 22페이지| 2,000원| 조회(953)

새집증후군, 실내공기, 실내오염, 청정기술, 공기청정

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