확대되는 광촉매 적용 분야 1

확대되고 있는 광촉매 적용 분야에 대해 알아보자.

 

• 해수처리

최근 어업은 어업도구의 개량, 개발 및 냉동보존 기술의 발달로 인하여 어획량이 증가하였고, 어획 지역도 지구 전체로 확대되고 있다. 이로 인한 생물자원의 고갈 문제나 안정 공급에 대한 요청에 의해 수산자원 확보 차원에서 어패류의 수산양식과 방류가 활발하게 진행 중이다.

수산양식은 한정된 지역에서 특정 종의 어패류를 야식하기 때문에 위생관리가 매우 중요하다. 이를 위해 살균처리한 해수를 항시 순환처리하여 사용함으로서 위생을 확보하는 것이 필요하다. 종래의 해수처리 방법으로는 염소제 등에 의한 처리방법, 오존 처리법, 자외선 처리법 등이 있다. 하지만 염소제 처리는 염소제 자체에 독성이 존재한다는 점, 오존 처리는 발생하는 부생성물(브롬산이온)의 강한 독성 때문에 그 이용이 제한적이다. 또한 자외선 처리법은 신속한 처리가 가능하고 부생성물의 문제도 적지만, 자외선에 의해 균의 유전자 일부를 이량체로 만들어 균의 활동을 정지시키는 것으로 가시광이 조사되면 균이 다시 소생하는 광회복 문제가 있다. 이는 가시광에 의해 이량체가 풀리면서 균이 다시 활동하게 된다는 것이다. 따라서 균을 완전하게 살균시킬 수 있는 새로운 해수처리 시스템이 필요하다.

최근 광촉매 적용한 해수처리 장치의 개발이 검토되고 있다. 이 시스템은 광촉매에 의한 산화작용으로 균의 세포벽과 세포 안에 존재하는 효소를 파괴한다. 파괴된 세포는 다시 소생할 수 없어 자외선 처리법과는 다르다. 또한 이 방법은 염소제 처리법과 오존 처리법의 문제점인 약품이나 부생성물의 독성도 걱정할 필요가 없는 안전한 방법이다.

하지만 광촉매 적용한 해수처리법에도 다른 방법과 비교하여 문제점도 존재한다. 광촉매에서는 표면 및 표면 가까운 주변에서만 반응이 진행하기 때문에 반응 효율이 나쁘고, 살균 속도도 늦다. 그러므로 산화제를 같이 사용하여 처리속도를 올리는 방법과 자외선 살균으로 살균수를 대량 제조한 후 그 물의 일부를 광촉매와 산화제를 병용하여 처리하는 방법도 검토되고 있다. 아직 하천수 정도 규모의 다량의 물을 처리하기에는 곤란한 실정이다.

 

• 수처리 분야로 확대

수질오염은 자연계뿐만 아니라 음용수를 사용하는 인간에게도 심각한 문제이다. 그 원인은 세제, 유기용제, 농약 등 다양하다. 그중에서도 심각한 것은 세정액과 용제로 많이 사용되는 유기염소화합물이다. 이는 난분해성 화학물질로 광촉매가 등장하기까지 다른 유용한 처리방법이 없었다.

지금까지의 수처리방법으로는 미생물을 이용한 폐수처리법(활성오니법), 염소 처리, 오존 처리 등이 있지만 어느 방법도 완벽하지 않다. 활성오니법은 잉여슬러지를 발생시키며 염소 처리에서는 발암 성분인 트리할로메탄 등 유기염소화합물이 발생한다. 오존 처리법에서도 발암 성분인 알데하이드 및 브롬산이온이 발생한다. 한편 광촉매 적용한 수처리의 경우는 잉여슬러지가 발생하지 않아 작업이 간단하며, 온도, pH 등 제약이 없으며, 유해한 기체도 발생하지 않아 안전하다. 또한 난분해성 화학물질도 분해 가능하다.

폐수처리의 기초연구에서는 미립자 광촉매 산화티탄과 폐수를 비이커에 넣어 광조사하면서 혼합하여 처리하는 방법이 검토되었다. 하지만 이 방법은 처리 후 산화티탄과 물을 분리하는 작업이 필요하기 때문에 대규모 수처리용으로는 부적합하며 연속처리도 곤란하여 실용적인 방법이라고 할 수 없다.

최근 광촉매 미립자를 담지한 부직포를 필터로 사용하여 광조사하면서 폐수를 통과시켜 연속적으로 처리하는 제품이 출시되었다. 이 제품은 광촉매가 필터에 고정되어 있기 때문에 광촉매의 제거, 분리작업이 필요하지 않아 연속적으로 폐수처리가 가능하다.

이러한 제품은 다양하게 사용할 수 있다. 예를 들면 도금세척 공정에 사용하는 물의 청정도는 제품의 품질에 큰 영향을 미치는데, 수질 유지 및 개선에 사용되고 있다. 수산양식에서는 조류 번식을 방지하기 위해 사용된다. 이외에도 음료, 식품용 물 정화, 초순도화처리, 의료용수 살균, 바이러스, 세균 살균 등에 사용 가능하다. 또한 유기염소화합물에 의해 오염된 지하수 정화를 위한 광촉매플랜트도 판매 중이다.

 

• 공기청정기 장착 인공관엽식물

최근 인공관엽식물이나 조화는 얼른 보아서는 생화인지 인조물인지 구별이 힘들 만큼 잘 만들어져 있다. 물주기 등 손질이 필요없고 예쁜 상태가 오래가기 때문에 병원이나 회사의 응접실, 식당 등에 많이 사용되고 있으며, 일반가정에서도 현관, 화장실, 방의 인테리어 등으로 널리 사용되고 있다. 이러한 인공관엽식물이나 조화에 광촉매를 코팅한 제품은 때가 잘 타지 않을 뿐만 아니라, 광촉매의 산화분해력에 의해 VOC 제거, 탈취 등 공기정화기능을 가지기 때문에 일반에게 보급되고 있다.

그러나 광촉매 인공관엽식물이나 조화를 실내에 놓아두기만 하면 광원은 실내 조명만으로 광촉매 효과가 충분하지 못하여 개선의 여지가 있다. 따라서 KAST에서는 인공관엽식물의 화분 내부에 공기청정기를 장착하여 강제적으로 실내 공기를 순화시켜 정화하는 공기청정기 장착 인공관엽식물의 개발을 현재 인공관엽식물, 조화 제조 및 판매사인 카코우크린플로라와 진행하고 있다.

화분 내부에 공기청정기를 집어넣기 위해서는 소형이면서도 충분한 공기정화기능을 갖는 것이 중요한 포인트이지만, 더욱 더 중요한 조건은 공기청정기를 저가에 제조하는 것이다. 광촉매 공기청정기는 산화티탄 광촉매를 고정하기 위한 지자체로서 주로 세라믹 필터를 사용하고 있으며, 또한 자외선램프도 필요하므로 제조단가가 상승하게 된다. 저가격화를 위해서는 세라믹 필터를 대체할 수 있는 저가의 지지체 검토가 큰 과제라 할 수 있다. 이 문제를 해결할 수 있는 지지체로 재활용 발포유리를 채택하고 여기에 광촉매를 고정시켜 공기정화 성능평가를 검토한 결과, 세라믹 필터와 비교할 수 있는 충분한 공기정화 성능이 있다는 것을 알았다.

이렇게 하여 저렴하면서 화분에 넣을 수 있는 소형 공기청정기가 제작되었고, 윗 부분에 광촉매 적용한 광촉매 코팅 인공관엽식물을 조합한 세트가 완성되었다. 또한 이 공기청정기 장착 인공관엽식물은 윗 부분의 관엽식물의 교체가 가능하기 때문에 이를 교체하면 새로운 인테리어로도 사용 가능하다. 이 공기청정기 장착 인공관엽식물은 탁자 위에 올려놓는 것만으로도 실내의 공기를 정화하고 인테리어 측면에서도 여유로운 생활공간을 만들어준다고 할 수 있다.

 

• 물뿌림 효과

도심의 기온이 교외와 비교하여 높은 열섬현상은 열사병 등 건강피해, 에너지 소비 증대, 이상기후 등을 초래하여 우리 생활에 악영향을 미친다. 그 원인은 도심의 녹지가 감소하여 지표면으로부터 수분 증발량이 감소하였고, 냉방기 등 가전제품이나 교통수단으로부터의 인공적인 열 방출이 증가하였기 때문이다.

지금까지 열섬현상에 대한 대책으로 건물 옥상녹화 및 보수성 도로포장 등 도입이 검토되었다. 이는 녹지 및 도로가 흡수하고 있는 수분이 증발할 때 주변의 열을 빼앗는 증발잠열에 의해 건물이나 도로를 냉각시키고자 하는 생각이다. 다만 이들은 빌딩의 옥상이나 도로와 같은 평면에만 적용 가능한 방식으로, 주택의 지붕이나 벽면과 같이 경사진 부분에는 적용이 불가능하다. 건물이 많은 도시에는 입체적인 경사면이나 수직면이 많기 때문에 이들을 잘 이용한 새로운 냉각시스템을 개발하는 것이 효과적인 대책의 하나가 될 수 있다.

통상 주택의 벽면과 같은 수직면에 단순히 물을 흘려주면 물은 물줄기로 흘러 퍼지지 않지만, 산화티탄을 코팅한 벽면에 물을 뿌리게 되면 산화티탄의 초친수성에 의해 물이 엷은 수막을 형서하여 벽을 덮게 된다. 수막은 증발할 때 증발잠열에 의해 외장재의 온도를 냉각시키기 때문에 건물 내부의 냉방 고조부하를 저감하여 공조로부터 발생하는 발열량도 낮아지므로 도심의 열섬현상 저감도 기대할 수 있다. 실제 주택을 이용한 실험에서 실내온도가 약 2℃ 낮아져 냉방 공조부하를 약 20% 줄일 수 있었다.

광촉매 적용한 물뿌림은 친환경적인 냉방시스템으로 빌딩이나 주택에서의 이용이 기대된다.

 

• 초친수성, 초발수성 표면의 가능성

산화티탄 광촉매의 초친수성과 정반대의 젖음성을 나타내는 표면을 초발수성 표면이라 한다. 우리 주변에 존재하는 대표적인 형태로 연근의 잎을 들 수 있다. 연잎 표면에 물방울을 떨어뜨리면 물방울은 잎의 표면에서 둥글게 굴러다닌다.

이 비밀은 연잎이 분비하는 기름성분과 특수한 표면형태 때문이다. 기름성분이 표면에 분비되면 표면은 물을 튕기는 발수성을 갖는다. 그러나 이것만으로는 물방울이 둥글게 굴러다니는 현상을 만들지 못한다. 실은 연잎 표면은 후랙탈구조라 불리는 요청이 몇층이나 쌓여있는 거친 표면으로 형성되어 있다. 이런 표면에 기름성분이 분비되면 물방울을 떨어뜨리는 순간 물방울과 표면의 경계에 있는 요철의 공간에 공기가 삽입되어 물방울이 둥굴게 구르는 형상이 발생한다.

이러한 초발수 표면을 보방하여 인공적인 초발수 표면을 만드는 기술 개발이 진행되고 있다. 예를 들어 비옷, 우산, 자동차 본체, 유리 등 응용제품도 실용화되어 있다. 표면을 초발수성으로 개질하면 물에 젖지 않을 뿐만 아니나 더러움도 타지 않게 된다. 기름성분에 의한 표면처리로 산화티탄 광촉매 박막도 초발수 표면으로 변화시킬 수 있다. 핵심은 산화티탄 광촉맥 박막 표면을 거칠게 하는 것으로 기름성분으로는 옥타데실트리매톡시실란 등 유기계 화학약품을 사용한다. 이 표면의 흥미로운 점은 자외선 조사에 의해 초발수 표면이 초친수 표면으로 간단히 바뀐다는 것이다.

본래 표면의 발수성은 기름성분에서 유래된 것이며, 이 기름성분은 자외선이 조사되는 산화티탄 광촉매에 의해 산화 분해된다.  그 결과 표면은 물과 친하게 되고, 조사를 계속하면 산화티탄 광촉매 표면은 초친수화된다. 이 초친수화된 표면을 다시 기름성분으로 처리하면 다시 초발수성으로 돌아가게 된다. 그러므로 기름성분에 의한 표면처리와 자외선 조사에 의해 초발수 표면과 초친수 표면 같은 전혀 다른 성질의 표면을 가역적으로 변화시킬 수 있는 것이다.

 

• 나노시트 광촉매

유리 등에 산화티탄 광촉매를 코팅하여 더러워지지 않고 김서림을 방지하는 응용이 확대되고 있다. 고층 빌딩의 유리나 공항의 넓은 유리 등에 이용된다.

유리표면에 산화티탄을 투명하고, 평평하며, 밀착력을 강화게 코팅하기 위해서는 10~20nm 입자의 산화티탄 분말의 현탁 용액을 딥코팅한 후 약 450℃에서 소성하는 것이 일반적이지만, 이 소성 과정에서 통상의 소다라임유리의 경우, 유리 내부의 나트륨이온이 산화티탄층으로 확산되어 티탄산나트륨이 형성된다. 이는 광촉매 특성이 없기 때문에 유리에 나트륨이온의 확산을 막기 위한 베리어층으로서 실리카 등의 언더코팅이 필요하다. 다만 이러한 광촉매 유리에도 결함은 있다. 미세한 기름때가 끼기 쉽고, 철도차량용의 창문유리에 적용하기에는 밀착강도가 불충분하다.

그래서 세차 블러쉬에도 견딜 수 있는 강도를 가지는 산화티탄 나노시트 광촉매가 제안되었다. 이 나노시트는 물질재료기구의 연구 성과로서 최근 이를 신간선의 창유리에 적용 가능하지 실험 중에 있다.

산화티탄 나노시트는 두께 약 0.7 nm  정도, 길이는 수 m 이며, 광촉매 유리와 밀착력이 강하면서 표면이 평평하기 때문에 그 자체로도 잘 오염되지 않으며, 물론 빛이 조사되면 기름때에 대한 분해력이 있어 초친수성 효과를 나타낸다.

하지만 산화티탄 나노시트도 나트륨이온의 확산방지를 위해 실리카로 언더코팅이 필요하기 때문에 2번의 소성이 필요하여 가격면에서 비싸다는 문제가 있다.

니오비아 나노시트 광촉매계는 소다라임유리에 대한 셀프클리닝 광촉매로서는 획기적인 제품이다. 이는 소다라임유리에 광촉매 코팅을 1회 소성으로 가능하게 한 것이다. 기본은 니오브산나트륨도 광촉매로 작용하여, 특히 초친수성을 타나내어 셀프클리닝 효과를 발휘하는 것이다.

일반 유리를 항상 깨끗하게 유지하는 기술로서 향후 크게 주목 받으리라 기대된다.

 

• 참고글

확대되는 광촉매 적용 분야