광촉매의 사업화 2

by

가전제품, 조명기구, 터널 조명등, 방음벽, 보도, 아스팔트, 토마토 수경재배에 어떻게 광촉매가 사용되는지 알아보자.

 

  • 가전제품에 응용

집안을 살펴보면 정말로 많은 가전제품이 있으며, 가전제품이 없는 생활은 상상할 수도 없게 되었다. 이러한 가전제품에도 광촉매 기술이 사용되고 있다. 요즘의 집은 밀폐성이 아주 좋아져서 바깥 공기와 환기가 잘 되지 않아 방안의 악취나 VOC 등 유해성 유기물, 애완동물의 냄새 등이 문제가 되고 있다. 생활공간이 보다 쾌적하기를 바라는 수요가 높아지면서 공기청정기를 비롯한 가스기나 에어컨 등이 개발, 시판되고 있다. 공기청정기나 에어컨에는 공기를 정화하는 필터가 내장되어 있으며 이들 중에는 광촉매 필터를 사용하는 제품도 있다. 일반 필터는 정기적으로 필터를 교환해야 하지만 광촉매 필터를 사용하면 광촉매가 부착된 오염물질을 분해 제거하기 때문에 필터

광촉매

를 교환할 필요가 없다. 또한 바이러스나 세균을 살균할 수 있기 때문에 살아있는 균은 배출하지 않는 특징이 있다.

수 년 전부터는 냉장고에도 광촉매가 사용되고 있다. 냉장고 야채실에 광촉매를 사용하는 경우, 야채나 과일 등에서 방출되어 자신의 부패를 촉진시키는 에틸렌 가스를 광촉매가 분해시켜 야채나 과일의 신선도를 오랫동안 유지시켜주며 또한 냉장고 안의 냄새도 제거하는 효과가 있다. 광촉매는 냉장고 등의 저온에서도 효과를 발휘하기 때문에 냉동 창고에도 적용되고 있다.

또한, 구두 살균건조기, 신발장, 슬리퍼 수납장 등의 탈취를 위해 광촉매 탈취기를 조합한 제품, 청소기의 배기부에 광촉매 탈취기를 설치한 타입 등 악취 제거에도 광촉매 기술이 활용되고 있다. 이들 가전제품에 광촉매를 사용하는 경우, 광촉매를 담지한 필터와 블랙라이트 등 자외선램프가 반드시 필요하기 때문에 광촉매 효과를 유지하면서 최대한 소형화가 가능한지가 제품 개발에서 매우 중요하다. 또한 청소기와 같이 자외선램프를 사용하지 못하는 경우에는 광촉매 필터를 태양광 등에 쪼여줄 필요가 있다.

이와 같이 가전제품에도 광촉매 기술이 점차 사용되기 시작하였다. 광촉매 효과를 더욱 향상시킨 광촉매 연구개발 및 실용화가 진행된다면 앞으로 더욱 광촉매를 적용한 가전제품이 증가하리라 기대된다.

 

  • 조명기구에 응용

광촉매가 그 효과를 발휘하기 위해서는 자외선이 필요하지만 조명기구에 적용하는 경우에는 그럴 필요가 없다.

일반적인 광원인 형광등은 내부에서 전자와 수은이 충돌하여 자외선이 발생한다. 형광등 내면에 도포된 형광체에 이 자외선이 부딪치면 가시광선으로 변환되어 방출되는데 일부 변환되지 않은 미량의 자외선도 동시에 방출된다. 지금까지는 쓸모가 없었던 이런 자외선을 이용한 광촉매 코팅 조명기구의 개발이 시작되었다.

1995년경부터 점차 시장에 광촉매 제품이 나오기 시작하였으며 최초 등장한 것은 터널 조명이었다. 조명기구의 덮개 유리가 표면에 광촉매를 도포하면 자동차의 배출가스에 의한 카본이나 기름오염이 효율적으로 분해된다. 터널 내에서의 위험한 청소작업이나 유지비용이 경감된다.

그 후 실내 제품으로 광촉매 형광등과 조명기구가 개발되었다. 이는 램프나 덮개, 반사판에 부착한 오염물질을 분해하여 밝기의 정하 억제나 에너지 절약이 목적이었으나, 소비자는 오히려 탈취나 새집증후군의 원인이 되는 VOC 등의 유해 물질 분해에 주목하였다.

환기가 잘 되지 않는 아파트나 빌딩 등의 실내에는 담배나 애완동물, 생활 악취뿐만 아니라 VOC 등의 유해 물질도 존재하는데 이를 분해할 수 있는 도구로 조명을 이용하면 큰 비용 부담없이 청결한 주거 환경이 만들 수 있다.

또한 의료시설에서는 약품 냄새나 배설물 등의 불쾌한 악취 저감, 알레르기성 화학물질의 분해, 병원균이나 바이러스에 의한 병원 내 공기 감염의 예방 등이 기대된다.

이 밖에도 용도가 더욱 넓어져서 옥외에서는 셀프클리닝 효과에 의한 오염물질의 분해, 세정효과를 이용한 현관의 전등, 도로의 가로등, 운동장에서 사용되는 투광기에도 사용되고 있다.

이에 개발된 것이 조명의 대부분을 차지하는 가시광에도 반응하는 가시광 응답형 광촉매를 이용한 제품이다. 현재 가시광 응답형의 문제는 자외선 응답형에 비하여 효과가 낮다는 점이다. 그러나 실내에서 항상 사용하는 조명만으로도 간단한 살균, 탈취효과를 기대할 수 있기 때문에 최근 더욱 효과가 높은 가시광 응답형의 연구가 진행되고 있다.

 

  • 터널 조명등

고속도로 터널 내부 조명등은 배출가스나 분진 등에 의해 조명등 덮개 유리에 오염물질이 부착하여 밝기가 떨어지므로 정기적으로 청소작업이 필요하였다. 터널 내부 도로 반쪽을 통행 금지시킨 후에 청소작업을 하여야 하므로 청소에 드는 비용, 교통규제에 의한 정체, 작업의 안전성 등 문제가 많았다.

광촉매의 산화분해력을 이용한 응용제품으로 터널 조명등이 있다. 조명기구 업체인 도시바 라이텍과 광촉매 코팅제 회사와 공동개발을 통하여 광촉매 코팅 터널 조명등을 개발하였다. 산화티탄 광촉매를 코팅한 터널 조명등의 덮개 유리의 요구 특성으로 장기간 사용과 청소작업 시 브러시 청소에 내구성을 갖는 강한 코팅막이 필요하였다. 코팅한 후에 고온 처리하면 막의 밀착성이 증대하여 내구성은 향상되나 유리표면에서 나트륨이 산화티탄과 반응하여 광촉매 기능을 손상시키는 문제가 발생하였다. 이에 유리 표면에 실리카를 고온에서 고정하여 유리 표면을 보호하고 그 위에 산화티탄을 부착하는 방법으로 나트륨의 확산을 억제하는 방법을 고안하였다.

터널 조명등에 사용되는 램프는 고압 나트륨램프가 주류를 이루고 있다. 산화티탄은 굴절률이 높기 때문에 램프에서의 광투과율의 피크에 맞추어 산화티탄의 막 두께를 제어하여야 하는데 막 두께와 광촉매 효과와의 실험결과로부터 산화티탄의 막 두께를 0.15마이크로미터로 제어하였다. 이러한 기술적 문제를 해결하여 1996년 자동차로의 터널 내부 조명등 덮개 유리에 처음 사용하기 시작하여 지금은 일본 전국의 고속도로 터널 조명에 사용되고 있다. 그러나 실제 터널에서는 자동차 배출가스 중의 그을음이 연속적으로 조명등 표면에 부착되며 또한 오염물질 중에는 모래 분진 등의 무기물도 포함되어 있다. 이런 오염물질의 부착 속도와 광촉매에 의한 분해 속도와의 상대적인 관계 때문에 조명등 덮개 유리 표면의 오염을 완전히 분해 제거하지는 못하지만 청소 횟수를 크게 줄일 수 있었다.

이 기술의 전개로서 도로등, 가로등의 조명기구 덮개에도 이용되고 있다.

  • 방음벽

대기오렴은 자동차 배출가스 중의 질소산화물이나 황산화물이 주요 원인으로 특히 자동차의 통행이 많은 도심권에서는 매우 심각하다. 대기오염물질을 정화하는 방법이 쉽지 않기 때문에 광촉매에 대한 기대가 크다. 광촉매는 질소산화물이나 황산화물을 제거할 수는 있지만 광촉매 반응은 표면에서만 일어나기 때문에 광촉매 표면에 접촉하는 오염물질만을 산화 제거할 수 있다. 문제는 대기중에 존재하는 막대한 오염물질을 어떻게 제거하느냐이다.

광촉메에 의한 대기오염 정화방법으로 간선도로에 설치된 방음벽에 광촉매를 코팅하는 방법이 있다. 방음벽에 광촉매를 코팅하여 질소산화물을 분해하는 것이다. 방음벽에는 알루미늄이나 콘크리트 재료의 표면에 요철을 주거나 다공질화하여 소리를 흡수하는 형태와 폴리카보네이트수지의 투명재료를 이용하여 경치도 보고 방음도 하는 형태가 있다. 광촉매의 기대 효과로서 알루미늄이나 콘크리트 재료의 방음벽은 방음과 더불어 질소산화물 분해가 목적이자 폴리카보네이트 재료의 방음벽은 질소산화물 분해보다는 차라리 경관유지를 위한 셀프클리닝 효과가 주된 목적이다.

질소산화물 중 유해물질로는 일산화질소 및 이산화질소가 있다. 특히 이산화질소는 호흡기 질환 등 건강 피해를 유발하는 것으로 알려져 있으며, 그 환경기준은 1일 평균 0.06ppm 이하이다. 산화티탄 광촉매는 이들 물질을 산화시켜 이산화질소는 질산이온, 일산화질소는 이산화질소를 경유하여 질산이온으로 변환하여 무해화한다. 광촉매에 의해 생성된 질산이온은 비에 의해 씻겨나가기 때문에 광촉매 성능을 오랫동안 유지할 수 있다.

광촉매 기술에 의한 질소산화물 제거 대기정화 대책은 일본뿐만 아니라 최근에는 프랑스나 이탈리아 등 나라에서도 주목하여 이에 대한 실증실험을 실시하고 있다.

 

  • 보도, 아스팔트

대기오염 가운데에서도 자동차 배출가스에 포함되어 있는 질소산화물은 산화티탄 광촉매로 제거할 수 있다. 여기서는 질소산화물을 도로에서 제거하는 광촉매 이용법에 대한 설명하고자 한다. 질소산화물에는 일산화질소, 이산화질소가 포함되어 있으며 문제가 되는 대기오염물질이다. 대기오염의 감시 시스템에서는 두 물질의 합계를 모니터한다.

질소산화물은 석유 등 연료가 연소할 때 그 안에 포함된 질소 성분이 대기 중의 산소와 결합하여 생성된다. 또한 연료가 타면서 온도가 높아질 때 공기 중의 질소와 산화의 반응으로도 생선된다. 자동차의 엔진에서도 반드시 질소산화물이 발생하는데 연소 온도가 고온일수록 많이 발생한다.

광촉매의 의한 질소산화물이 제거되는 원리를 간단히 정리하면 광촉매 표면에 빛이 쪼여지면 그 표면에서 공기 중의 질소산화물이 산화되어 이산화질소가 되고 최종적으로 질산은으로 바뀌게 되는 것이다. 생성물인 질산이 표면에 축적되면 광촉매 반응을 방해하여 질소산화물 제거 효율이 떨어지는 것이 문제이지만, 옥외에 이 시스템을 적용하면 비에 의해 자연스럽게 질산이 씻겨내리는 것을 활용할 수 있다. 즉 태양광과 비라는 자연 에너지만을 이용하여 대기환경을 정화하는 것이 가능하다.

산화티탄 광촉매를 시멘트계 고화제로 고정시켜 자동차 배출가스에 포함된 질소산화물을 제거하는 기술이 개발되었다. 여기 기업이 공동 개발한 포토로드공법이라는 일본 최초 기술이다. 최근에는 앞에서도 적은 바와 같이 프랑스 등에서도 이용되고 있다.

자동차에서 배출된 질소산화물은 도로표면에 코팅된 광촉매 작용으로 산화되어 광촉매 고정제의 주성분인 칼슘과 화학반응하여 중성의 질산칼슘 형태로 도로표면에 고정된다. 그리고 비가 오면 질산칼슘은 무해한 질산이온과 칼슘이온으로 씻겨 나가고 도로 표면은 원래 상태로 돌아온다. 광촉매를 코팅한 질소산화물 정화용 도로포장 블록도 미쯔비시머테리얼 등 여러 회사에서 제품화되어 전국 각지에서 채택되고 있다.

 

  • 토마토 수경재배

광촉매의 농업분야에 응용으로 토마토의 수경재배를 시도하였다. 토마토는 지면에서 재배하면 1년에 말라죽지만 온실에서 수결재배하면 수 년 동안 재배가 가능하다. 종래에는 배양액을 흘러보내는 방식으로 물을 버려왔지만, 최근에는 환경을 생각하여 물을 버리지 않는 순환방식을 채택하고 있다. 또한 수경재배로는 토마토를 1년에 2번 수확할 수 있다.

하지만 연작을 하면 차츰 수확량이 감소하게 된다. 순환방식이기 때문에 배양액 내에 박테리아가 발생하는 등 수질이 나빠지고, 또한 토마토 자체에서 배양액으로 방출하는 배설물 중에 생육 저해물질이 포함되어 있는데 이들이 토마토 자체에도 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 그런데 배양액을 옥외의 광촉매 처리조로 순환시켜 태양광을 쪼여주면 배양액 중에 발생한 박테리아를 사멸시키고 또한 생육 저해물질을 산화 분해시키는 것이 가능하다. 광촉매의 산화분해력은 박테리아나 생육 저해물질 등 유기물은 분해하지만 식물의 영양소인 질소, 인, 칼륨은 무기물이기 때문에 분해아지 않는다. 이렇게 하여 배양액 중의 유해물질 만을 제거하고, 정화한 처리수를 순환에 의해 깨끗한 배양액으로 다시 사용할 수 있다.

광촉매 처리조는 산화티탄 광촉매를 담지한 다공질 세라믹 판을 바닥에 얇게 깐 얕은 수조의 구조이며 전체 시스템은 배양액의 폐수를 일시적으로 저류탱크에 저장하여 광촉매 처리조에 순환 처리한 후 배양액 공급 탱크로 보내는 시스템이다.

이 시스템은 광촉매라고 하는 효과가 지속되는 재료와 태양광을 사용하므로 운전비가 들지 않는 장점이 있다. 이 처리에 의해 토마토의 수확량이 광촉매 처리하지 않은 토마토와 비교하여 20~40% 정도 증가하였다. 현재 이 플랜트 시험 결과를 토대로 실용화가 검토되고 있다. 또한 꽃이나 과일의 수경재배에서 물 속의 잡균을 살균하거나 식물을 병원균으로부터 보호하는 것이 가능하여 살균제나 농약의 사용량을 크게 감소시킬 수 있다.

 

  • 참고글

https://story-7.com/광촉매의-사업화-1/