확대되는 광촉매 적용 분야 2

확대되고 있는 광촉매 적용 분야에 대해 알아보자.

 

• 내후시험

광촉매는 주택의 외벽, 유리창, 텐트 지붕 등 옥외에서의 수요가 60% 이상을 차지한다. 옥외에서 사용하는 경우는 광촉매 효과의 평가와 더불어 내구성에 대한 평가가 중요하다.

광촉매의 내구성이란 무엇이 열화되는 것일까? 광촉매의 시공방법으로는 코팅제를 스프레이 등으로 도포하는 방법과 광촉매 코팅 필름을 유리나 표식 등에 붙이는 방법이 있다. 광촉매를 코팅한 주택의 외벽이나 도로, 또는 광촉매 필름을 붙인 표식 등을 장기간 사용하면 광촉매 자체의 열화는 없지만, 코팅제나 필름에 광촉매를 고정시키기 위해 반드시 사용하는 바인더나 분산제의 변색 등에 의해 열화가 발생한다. 또한 필름의 경우는 필름 자체의 열화에 의한 백화, 변색 등이 일어난다. 실제 옥외 사용의 경우는 태양광만이 아니라 비, 바람, 먼지, 기름입자 등 광촉매 표면을 오염시키는 요인이 많으며 이들이 복잡하게 관계하여 열화를 촉진시켜 광촉매 효과를 저해한다.

광촉매 코팅에 대한 내구성 실험은 실제로 장기간 사용하여 광촉매 효과나 열화 상태를 시간경과에 따라 평가하는 것이 가장 정확하겠지만, 결과를 얻기까지는 너무 많은 시간이 소요된다는 문제점이 잇다. 따라서 장기 내구성을 평가하는 방법으로 촉진내후시험법을 이용한다. 이를 위한 각종 촉진내후시험기가 개발되었는데, 많이 사용되는 장치로 션샤인 웹메터, 크세논 웹메터 및 자외선형과램프 웹메터 등이 있다. 촉진내후시험법으로 크세논 램프법과 자외선형광 램프법이 규정되어 있다.

특히 크세논 램프법은 광원의 파장분포가 태양광과 매우 유사하여 자연노출과의 상관성이 높다고 알려져 있다. 촉진내후시험에 의한 가속도는 재질이나 여러 요인 등 불확정 요인이 존재하기는 하지만 대체적으로 약 500시간을 1년으로 계산한다.

하지만 이 평가는 태양광과 비의 영향을 의도적으로 재현한 형태이며, 실제 옥외에는 오염물질과 유해물질 등 다양한 요인이 있으므로 최종적인 내구성 평가는 옥외에 노출한 평가결과가 가장 주요하다고 할 수 있다.

 

• 인쇄에 응용

산화티탄 광촉매의 장점 중 하나는 빛에 의해 광촉매 반응영역의 조절이 가능하다는 점이다. 초친수, 초발수 표면을 신문지나 팜플렛 등 인쇄에 이용되는 옵셋 인쇄판에 응용하는 것이다.

옵셋 인쇄기술은 본래 인쇄판에 형성된 친수, 발수패턴에 기초한 기술이다. 친수, 발수패턴이 형성되 인쇄판에 대하여 적시는 물을 공급한다. 그러면 발수부는 물을 튕기기 때문에 친수부 부분만이 물에 젖게 된다. 다음에 인쇄용 잉크를 인쇄판에 공급하면 친수부에는 적시는 물이 존재하기 때문에 물과 잉크가 반발하여 판에는 잉크가 부착하지 않고 발수부에만 잉크가 부착하게 된다. 그 결과 인쇄판 위에 잉크 패턴이 형성되고, 이를 블랭켓이라 불리는 고무를 투입하여 종기 등 피인쇄물에 전사하는 것으로서 인쇄물이 완성된다.

이러한 인쇄판으로 사용되는 친수, 발수패턴은 거친 표면의 산화티탄 박막을 기름성분으로 표면처리한 초발수 표면에서 만들 수 있다. 빛에 의해 산화티탄 광촉매반응의 반응영역 제어가 가능하기 때문에 포토마스크 및 자외선 레이저 등을 사용하여 특정위치에 자외선을 조사하면 조사된 부위의 기름성분이 산화분해되어 그 표면은 초친수화된다. 그 결과 친수부와 발수부의 물의 젖음성이 명암이 매우 큰 초발수, 초친수 패턴이 형성된다.

지금까지의 검토에서 이 초발수, 초친수 표면을 이용하면 높은 해상도의 컬러인쇄가 가능하다는 것을 알았다. 또한 통상적으로는 한번 인쇄에 사용한 인쇄판은 폐기하지만, 광촉매를 사용한 인쇄판은 인쇄 후에 자외선을 전면에 조사하여 모든 발수제를 분해시키면, 추기상태로 돌아오기 때문에 몇 번이고 인쇄에 사용가능한 장점이 잇다.

현재는 연구단계이지만, 장래에 이 초발수성, 초친수성 표면을 이용한 새로운 인쇄판이 상점가의 광고물과 같이 수요에 꼭 필요한 정도만 인쇄할 수 있는 주문형 인쇄로 실용화되길 기대한다.

 

• 전기스피닝법에 의한 광촉매 적용된 나노화이버 제조

전기스피닝법은 기본적으로 용액방사법의 하나로 정전 도장과 유사한 방법이다. 용융한 폴리머 용액을 주사기에 넣고, 그 앞 부분의 금속제 노즐에 +의 고전압을 가하여 노즐로부터 실 형태의 폴리머 제트를 -로 대전된 타겟에 분사하는 방법이다. 이 방법의 특징은 매우 간단하게 나노화이버를 제작할 수 있다는 것이다. 나노화이버는 직경이 나노크기의 섬유로 표면적이 획기적으로 넓어지는 것이 특징이다. 예를 들어 1mm  두께의 시트를 직경 100nm의 나노화이버로 만들면 표면적은 2만배 증가한다.

전기스피닝법은 용융한 폴리머 용액을 원료로 하기 때문에 폴리머 용액에 다양한 기능성 재료를 첨가하면 다양한 기능을 가지는 나노화이버를 만들 수 있다. 또한 나노화이버 표면을 촉매 등으로 수식하면 촉매 활성을 향상시킬 수 있다.

이 전기스피닝법을 이용하여 광촉매 적용된 산화티탄 나노화이버 제작을 시험 중이다. 폴리머 용액 중에 티탄알콕사이드 등을 혼합하여 전기스프닝법으로 나노화이버를 제작하였다. 얻어진 나노화이버를 500℃에서 열처리하여 폴리머 성분을 열분해하거나 또는 티탄알콕사이드의 알코올 성분을 분해제거한 후 산화티탄을 결정화하면 산화티탄 나노화이버가 얻어진다. 얻어진 산화티탄 나노화이버는 산화티탄 미세분말을 시트로 제조한 형태와 비교하여도 광촉매 활성이 높기 때문에 공기정화 및 수처리용 필터로서 사용이 기대된다. 또한 노즐의 크기나 형태를 변화시키거나, 멀티노즐로 한다거나, 노즐을 이중 구조로 하면, 나노화이버의 굵기를 조절하거나 튜브형 등 다양한 형태의 나노화이버나 나노튜브를 만들 수 있다.

광촉매 적용된 나노화이버의 실용화는 지금부터이며 산화티탄 이외의 응용예로 카본 나노튜브, 필터, 촉매지지체, 나노캡슐, 세포배양기재, 인공혈관 등이 기대된다. 전기스프닝법은 아직 해결해야 할 과제는 잇지만 무궁한 가능성을 가지고 있다.

 

• 산화티탄 나노튜브

다양한 분야에서 광촉매의 활성을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다. 그 하나로 산화티탄 미립자를 나노크기의 튜브형태로 하는 독특한 방법이 제안되고 있다. 이는 카본 나노튜브와 비슷한 저차원 나노재료로서 광촉매 연구 중 주목받는 토픽 중 하나이다.

통상적으로 산화티탄의 형태는 입자형태이지만, 이 입자상의 산화티탄을 수산화나트륨으로 용액화학처리하면 산화티탄 나노튜브가 합성된다. 또한 층상구조 티탄산염의 용액화학처리, 금속티탄의 양극산화처리, 주형물질을 이용한 방법으로도 산화티탄 나노튜브를 합성할 수 있다. 나노튜브의 말단은 열려 있으며 용액화학처리로 내경이 5~7nm, 외경이 7~10nm, 길이가 수백 nm 정도의 나노튜브가 얻어진다.

산화티탄을 나노튜브화하면 입자상 산화티탄과는 다른 흥미있는 특징들이 나타난다고 보고되고 있다. 그 중 하나로 튜브화하면 광촉매 반응시 전화와 정공의 수명이 입자상 산화티탄의 경우보다 약 5배정도 길어져 광촉매 반응 효율이 향상된다. 또한 환경오염 물질인 할로겐 화합물의 산화분해반응에도 높은 효율을 보이는 것으로 밝혀졌다.

나노튜브라는 특이한 구조를 잘 이용한 가시광 응답형 광촉매 개발도 진행되고 있다. 이 광촉매는 산화티탄 나노튜브에 황을 혼합하여 가시광에서도 광촉매 작용을 발휘하도록 한 것이다. 더불어 나노튜브의 안쪽에 조촉매로 산화철을 도입하여 튜브의 바깥쪽에서 산화반응, 안쪽에서 환원반응이 각각 진행하도록 하였다.

입자상 산화티탄에는 산화반응 사이트 및 환원반응 사이트의 구별이 없기 때문에 광촉매 반응시 손실이 많았지만, 산화티탄 나노튜브에서는 산화, 환원반응 사이트를 분리할 수 있기 때문에 광촉매 반응 효율을 훨씬 향상시킬 수 잇다. 종래의 가시광 응답형 광촉매와 비교해서 가시광 조사 조건에서 광촉매 활성이 3~4배 정도 향상되었다.

 

• 광촉매 리소그래피

예전의 TV나 라디오의 뒷 상자를 열어보면 엄청나게 많은 트랜지스터와 콘덴서가 넓은 공간을 차지하고 있었다. 1958년 텍사스 인스트루먼트사의 키루비가 트랜지스터 등을 기판 위에 집합시킨 집적회로를 제안한 후, 수 mm 사각 크기에 주요한 기능을 모은 집적회로가 탄생하였고 더 나아가 1개의 칩에 10만개 이상의 트랜지스터를 넣은 초LSI가 활약하게 되었다.

이러한 제작에는 포토리소그래피가 매우 중요하다. 리소그래피 공정은 먼저 감광성의 레지스터를 미세가공하고자 하는 박막 위에 도포하고 마스크 명암 패턴을 광에 노출하여 인화한다. 광반응에 의해 레지스터내의 노출부와 미노출부의 현상액에 대한 용해성의 차이가 발생한다. 레지스터막을 제거하면 리소그래피 공정이 종결된다.

광촉매는 지금까지 직접 접촉하는 물질하고만 반응한다고 생각되었지만, 최근 광촉매에서 광기를 사이에 두고 수 마이크로미터에서 수 미리미터 정도 서로 마주보게 떨어뜨린 후 산화티탄막에 자외선을 조사하면 폴리스틸렌 표면이 산화된다. 또한 유리판을 옥타데실트리엑토시실란 등으로 처리하여 표면에 소수성의 유기분자막을 형성하고, 산화티탄막과 마주보게 해서 자외선을 조사하면 유리판의 물 접촉각이 약 100도에서 수 도 정도로 감소한다.

이 비접촉산화반응은 고체표면의 산화처리법으로 이용 가능하다. 화학적 방법과는 달리 건식공정이며, 플라즈마법 등과 비교하여 장치가 간단하다는 특징이 있다. 반응이 다소 느리다는 점이 단점이지만, 한편 반응의 진행을 조절하기 쉽다는 장점이기도 하다.

패터닝 방법에는 예를 들면 포토마스크를 사용하는 방법이 있는데 이 방법으로 10마이크로미터보다 우수한 해상도를 얻을 수 있다는 것을 알았다. 포토레지스터가 불필요하며 접촉하지 않는 상태에서도 패터닝이 가능하기 때문에 기판에 흠집이 생기지 않으며 자외선에만 반응하기 때문에 백색광 조건에서 작업이 가능하다는 점 등이 큰 특징이다.

 

• 참고글

확대되는 광촉매 적용 분야