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가시광 응답형 광촉매 활용
최근 광촉매 기술의 진보에 의해 실내의 형광등 빛에도 반응하는 가시광 응답형 광촉매가 실용화되기 시작하였다. 이 새로운 고성능 광촉매는 국가의 대형프로젝트에 의해 산학 연계로 개발된 것이다. 가시광화에 의해 태양빛이 들어오지 못하는 건물 내부에도 광촉매가 점점 사용되기 시작하였다. 중래에는 광촉매 유리라고 하면 외장용으로 오염되지 않는 물방울이 맺히지 않는 셀프클리닝 강화유리라는 인식이 일반적이었지만, 최근에는 내장용 유리로서의 가능성도 높아지고 있다. 특히 실내의 약한 빛에서도 뛰어난 항균, 항바이러스 성능을 나타내는 광촉매가 개발되어 이를 활용한 제품화가 시작되었다.
가시광에 반응하는 고감도 광촉매 재료로 산화티탄이나 산화텅스텐을 기반으로 하여 표면에 구리나 철계 산화물 나노클러스터를 조합하여 높은 활성을 내는 재료가 개발되었으며, 그 외에도 다양한 시도가 이루어지고 있다.
특히 가시광 조건에서 뛰어난 항균, 항바이러스 활성을 나타내는 광촉매 재료로 산화티탄과 구리이온 클러스터를 조합한 소재가 개발되었다. 더욱 놀라운 것은 구리이온의 원자가 수(원소의 원자가를 나타내는 수치)를 제어하면 빛이 없는 상태에서도 항균, 항바이러스 활성을 발휘하는 재료가 만들어져 이 분야의 획기적인 성과의 하나라고 주목받고 있다. 실험실 수준에서는 유리면에 부착한 감염력이 강한 바이러스가 빛이 없는 곳에서 1시간에 99.99%(4자리) 감소하고, 가시광을 조사한 경우에는 7자리 이상의 바이러스가 불활성화되는 것을 알았다.
이렇게 뛰어난 효과가 확인되었기 때문에 병원이나 요양시설, 보육시설, 공공시설 등 위생적인 환경이 요구되는 장소에 도입이 진행되리라 기대하고 있다. 제품으로는 일본판유리에서 바이러스클린이라는 세계 최초 항균, 항바이러스 유리를 출시하였다. 또한 이 유형의 새로운 광촉매는 유리뿐만 아니라 문의 고리나 손잡이처럼 불특정 다수의 사람이 접촉하여 감염이 확대될 위험이 높은 곳에 적용되리라 보인다.
내장 인테리어용 유리 외에도 벽면, 창면에 관련된 가시광 응답형 광촉매 제품이 확산되고 있다. 예를 들면 표면에 광촉매 가공을 실시하여 바이러스 감염 위험을 감소시킨 항바아리스 커튼이 발매되었다. 사용된 광촉매 소재는 쇼우와전공의 루미레쉬인데 형광등이나 LED 조명 등 실내조명에서 인플루엔자 바이너스와 네코카리시바이러스(노로바이러스 대체)를 99.9% 이상 불활성화하는 것이 확인되었다.
빛이 커튼 표면에 닿으면 공기 중 산소와 수분이 광촉매 표면에서 화학반응을 일으켜 이 때 발생하는 라디칼이 바이러스를 공격하여 파괴한다. 이 때 광촉매 소재 자체는 변화하지 않기 때문에 효과가 장시간 지속된다. 또한 세탁하여도 산화티탄이 떨어지지 않는 방안을 도입하였다.
가시광 응답형 광촉매 활용 벽지로는 광촉매 처리한 토사와시벽지의 토사라이트가 있다. 원래 와시(일본종이) 벽지는 비닐섬유벽지에는 없는 조습성, 조광성, 흡음성 등 기능면에서 우수한 특성이 있다. 이런 일본종이를 광촉매로 처리하면 공기중의 세균이나 유해물질의 분해, 제거, 담배냄새나 반려동물 냄새 등을 제거하는 기능이 더해져 고부가가치의 벽지가 될 수 있다. 일본의 일본종이제조의 전통기술과 광촉매의 과학기술이 융합된 독특한 제품이므로 앞으로는 일반주택뿌만 아니라 국내외 호텔, 숙박시설 등에 도입이 늘어날 것으로 예상된다.
창문 주변과 관련한 가시광 응답형 광촉매 제품으로 블라인드도 일찍이 제품개발이 진행되었다. 블라인드의 날개 표면에 광촉매를 코팅하면 기름때 등 유기계 오염물질을 분해, 제거할 수 있다. 또한 항균, 탈취효과, 곰팡이 발생 억제 효과도 갖게 된다. 기후현에 있는 MOLZA(주)라는 일본종이제조업체가 산화티탄 처리 일본종이를 사용한 블라인드를 시판하고 있는데 좋은 평판을 얻고 있다. 최근에는 가시광 응답형 광촉매를 사용하여 실내의 빛에서도 더러움 방지, 항균, 탈취효과가 있는 블라인드도 제품화되었다.
여기까지 소개한 내장용 유리, 커튼, 벽지, 블라인드 등의 항균, 항바이러스. 탈취, 더러움 방지 작용은 광촉매를 코팅한 재료의 표면에 부착한 세균이나 바이러스, 포름알데히드 등의 유해물질만을 분해, 제거하는 작업으로 실내 공기정화의 관점에서 볼 때 적극적인 방법이라고 이야기할 수 없다. 이와 비교하여 공기청정기 필터에 광촉매를 활용하는 것은 더욱 적극적으로 실내공기를 깨끗하게 하려는 시도이다.
일반 가전제품으로 광촉매식 공기청정기가 다이킨공업을 비롯한 여러 대기업에서 출시되었으며, 최근에는 보다 강력한 정화성능이 요구되는 업무용 공기정화장치의 필터에도 광촉매가 활용되어 대학병원의 해부학교실, 병리검사실, 요양시설, 식품가공공장, 반려동물가게, 사무실의 흡연실 등 다양한 장소에서 공기를 깨끗하게 하는 데 기여하고 있다.
광촉매식 공기청정기의 구조는 먼지와 분진을 제거하는 전처리필터, 유해물질이나 악취, 세균, 바이러스 등을 분해-제거하는 광촉매 필터, 광촉매 반응을 일으키기 위한 광원, 공기를 순화시키는 흡입팬의 4부분으로 구성되어 있다. 공기 정화성능을 높이기 위해 광촉매 필터는 가능한 표면적을 넓게 하여 제거하려는 물질과의 접촉효율을 최대한 높이는 연구가 진행되고 있다. 필터의 재질로는 허니컴구조의 종이 또는 세라믹, 유리섬유, 다공성의 알루미늄판 등이 이용되며 다양한 방법으로 광촉매를 코팅하고 있다.
또한 광촉매 단독으로는 그 표면에 부착된 물질에만 반응할뿐 적극적으로 물질을 잡아주는 능력은 없기 때문에 필터에 흡착제를 조합하여 제거하려는 물질을 적극적으로 흡착하여 광촉매의 분해효율을 높이려는 연구도 진행되고 있다. 여기서 행해지고 있는 흡착제와의 하이브리드화는 하나의 대표적인 예로써 광촉매를 활용한 응용 제품의 개발에 있어서 다른 기술과의 조합으로 필요한 기능을 비약적으로 높인 제품화를 실현하는 것이 큰 특징이다.
광원으로는 블랙라이트 또는 수은램프, 살균램프가 사용되었는데 최근 LED(발광다이오드)를 사용하는 경우도 많아졌다. LED를 사용하게 되면서 공기청정기 자체의 소형화, 소비전력을 절약할 수 있게 되었다. 광촉매방식이 아닌 기존의 공기청정기의 경우, 필터에 트랩된 물질은 분해되지 않고 서서히 필터의 성능을 저하시키며, 세균이나 바이러스 등은 필터에서 증식하여 다시 외부로 방출될 위험성도 있다. 반면 광촉매식 공기청정기는 광촉매 반응에 의한 분해제거 능력으로 필터의 성능이 저하되지 않아 항상 실내공기를 깨끗하게 유지할 수 있다.
주거공간에서 사람과 반려동물이 함께 쾌적하게 생활하려면 살균, 탈취, 오염방지 등이 공간 곳곳에서 요구된다. 저출산 고령화의 영향도 있어 실내에서 고양이와 작은 개를 비롯한 다양한 반려동물을 기르는 가정이 증가하고 잇는 반면, 아파트 같은 건물은 밀폐화되고 있어 생활공간의 살균, 탈취에 대한 요구가 늘고 있는 것은 필연적이라 할 수 있다.
그 중에서도 부엌이나 화장실 등 물 주변을 청결하게 유지하는 것은 쾌적한 생활에 필요하다. 사실 광촉매 응용 개발의 시작은 1990년대에 도쿄대학 후지시마연구실이 있던 공학부 5호관 화장실을 이 기술로 깨끗하게 할 수 있느냐는 것이었다. 그리고 위생도기 제조업체 TOTO와 도쿄대학이 이 문제를 공동으로 해결하려고 시도한 것이 광촉매의 발전으로 연결되었다. 현재는 주택의 화장실뿐만 아니라 공공시설의 화장실 소변기 아래의 타일에도 사용하고 있다.
특히 오염물이 부착하기 쉽고, 화장실 냄새의 원인이 되는 부분이기 때문에 전문용어로 쉽게 더러원지는 타일이라 부른다. 이 타일에 광촉매 기능을 첨가한 것이 학교, 오피스건물, 역 등 교통시설의 화장실에 널리 사용되고 있다. 또한 어린이집, 유치원 등에서 이 타일을 도입하는 경우 표면에 발의 위치를 인쇄하는 등으로 화장실 에티켓 교육에도 도움이 될 수 있다. 화장실의 더러움이나 냄새까지도 방지할 수 있도록 개발된 대형 타일은 확실한 효과 때문에 병원의 수술실, 역 구내의 벽이나 상업시설의 조리실에 많이 설치되고 있다.
주거공간의 살균, 탈취에 관해서는 광촉매식 공기청정기뿐만 아니라 보다 좁은 공간에 치밀하게 대응할 수 있도록 소형으로 휴대 가능한 광촉매 살균탈취장치 루미네오가 유빅스 광촉매 기술을 응용하여 막셀에서 제품화되었다. 이 제품의 특징은 특수 기공 구조의 광촉매 티탄망 필터를 사용하는 점이다. 이 광촉매 티탄망 필터 제조법은 얇은 티타늄판을 반도체 가공에 사용하는 포토레지스트 가공기술을 사용해 벌집 모양 구멍을 양면으로 뚫어 구멍 속에서 공기의 흐름이 난류가 되도록 가공하였다. 다공성 티탄늄판을 전해산화시켜 표면을 산화티탄으로 만들고 그 위에 산화티탄 나노입자를 소결 고정하였다.
광원은 LED를 사용하기 때문에 소형이면서 탈취효과가 우수하다. 신발장, 옷장, 화장실 등 냄새가 걱정인 곳에 두는 것만으로 효과를 발휘한다. 자동차에 탑재하여 자동차 내부의 냄새도 제거할 수 있다. 이 광촉매 티탄망 필터는 냉장고 내부 냄새제거, 특히 김치냄새 제거에 효과가 있어 글로벌 가전기업도 관심을 보이고 있다. 앞의 주택 외벽의 광촉매 타일 부분에서 광촉매 제품은 기능성과 함께 미관, 디자인성이 중요하다고 이야기하였는데, 건물 내부에서 활용되는 광촉매 제품에서도 같은 이야기를 할 수 있겠다.
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광촉매 초친수성 효과 활용
판유리는 일반적으로 타일이나 텐트 등 다른 외장 건축자재에 비해 더러워지지 않는 재료이지만, 일단 오염물이 묻으면 투명성이 떨어져 순식간에 건물의 인상이 나빠진다. 따라서 일반주택이나 빌딩 등 대형건축물에서 건축의 미관 유지에 가장 주요한 것이 유리라고 할 수 있으며, 지금은 일본뿐만 아니라 세계 굴지의 유리회사들도 경쟁적으로 광촉매 코팅 셀프클리닝 유리(광촉매 유리)를 개발하고 있다.
대규모로 광촉매 유리가 설치된 곳이 츄브국제공항(센트레아)이다. 1만 7000㎡의 광촉매 유리를 설치하였고 유리창의 청소 횟수가 크게 줄어 청소에 사용하는 물을 절약할 수 있었다. 도쿄이과대학 카츠시카캠퍼스에서 광촉매 유리의 효과를 실제 체험할 수 있다. 광촉매 체험코너가 설치되어 재학생의 설명을 직접 들으면서 비오는 날에도 물방울이 맺히지 않는 광촉매 유리 효과를 체험할 수 있다.
건물 외부에 접한 한쪽에 광촉매 유리와 일반 유리가 나란히 시공되어 있으며, 유리 윗부분에 인공적으로 비를 내리게 하는 샤워기가 붙어 있다. 도쿄이과대학 재학생이 설명하면서 버튼을 누르면 샤워기가 작동하고 일반 유리는 수많은 물방울로 덮여 우리가 비오는 날 창문을 실내에서 바라보는 상태가 재현된다.
한편 광촉매 유리는 광촉매의 초친수성 효과에 의해 물방울이 맺히지 않고 균일하게 젖은 상태가 되어 좋은 시야를 확보할 수 있다. 또한 샤워기를 작동할 때마다 표면의 더러움도 씻겨 흘러내려가므로 마른 상태에서 비교하여도 광촉매 유리가 더 투명하고 깨끗한 상태가 유지되는 것을 알 수 있다. 기회가 있으면 방문하여 광촉매 효과를 체험해주길 바란다.
현재는 유리 전용 광촉매 코팅제나 필름이 개발되어 기존의 유리창에 광촉매 기능을 첨가할 수 있다. 아사히유리가 판매하고 있는 유리 전용 코팅제는 TOTO의 하이드로텍트기술을 사용한 것이다. 또한 유리 제조 과정에서 미리 표면에 광촉매를 코팅, 소성하여 처음부터 광촉매 유리로 이용하는 방법도 있다. 이 제품은 신축 고층빌딩 등에서 타일 등 외장 건축자재와 함께 도입되는 경우가 많아지리라 예상된다. 건물 전체를 광촉매로 코팅하면 청소비용도 저렴해지고 빌딩관리 비용 대비 효과의 관점에서도 충분히 가치가 있는 것으로 알려져 있다. 또한 일본판유리에서는 학교용으로 특화하여 광촉매 셀프클리닝 강화유리를 제품화하였다.
학교시설에서는 안전이 제일이므로 강화유리 등 안전성이 높은 유리가 널리 보급되어 있다. 앞으로 학교는 환경교육이나 재난예방 거점으로 중요하기 때문에 국가는 학교 제로에너지화를 목표로 에너지 절약을 한층 더 추진할 계획이다. 또한 파리 루브르미술관의 피라미드형 입구 유리에도 사용되었다. 현재는 유리 전용 광촉매 코팅제나 필름이 개발되어 기존의 유리창에 광촉매 기능을 첨가할 수 있다. 아사히유리가 판매하고 있는 유리 전용 코팅제는 TOTO의 하이드로텍트기술을 사용한 것이다.
또한 유리 제조 과정에서 미리 표면에 광촉매를 코팅, 소성하여 처음부터 광촉매 유리로 이용하는 방법도 있다. 이 제품은 신축 고층빌딩 등에서 타일 등 외장 건축자재와 함께 도입되는 경우가 많아지리라 예산된다. 건물 전체를 광촉매로 코팅하면 청소비용도 저렴해지고 빌딩관리 비용 대비 효과의 관점에서도 충분히 가치가 있는 것으로 알려져 있다. 또한 일본판유리에서는 학교용으로 특화하여 광촉매 셀프클리닝 강화유리를 제품화하였다. 학교시설에서는 안전이 제일이므로 강화유리 등 안전성이 높은 유리가 널리 보급되어 있다.
앞으로 학교는 환경교육이나 재난예방 거점으로 중요하기 때문에 국가는 학교 제로에너지화를 목표로 에너지 절약을 한층 더 추진할 계획이다. 학교시설의 제로에너지화의 실현을 위하여 중점적으로 고려해야 할 사항은 조명, 냉난방, 환기와 관련된 에너지 소비량의 저감이며, 여기에 유리창도 관련이 있다. 기존 강화유리의 성능뿐만 아니라 광촉매 셀프클리닝 기능은 에너지 절약에 공헌할 수 있으므로 광촉매 강화유리가 교실에 도입되길 기대하고 있다. 어린이들이 유리창에 어떤 기술이 사용되는지를 공부하면서 환경에 대한 의식도 높아질 수 있으리라 생각된다.
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