광촉매에 사용되는 빛에 대해 자세히 알아보자.
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광촉매와 빛
광촉매 빛은 주로 광촉매 반응을 나타나기 위해 사용되는 빛을 말한다. 광촉매는 빛을 사용해 화학 반응을 촉진하는 물질로 일반적으로 자외선 빛을 사용하는 반응을 나타낸다.
광촉매인 이산화티타늄과 같은 물질은 자외선에 노출되었을때 전자와 정공을 생성하는 다양한 화학 반응을 촉진한다. 이 반응은 공기 중의 유해물질을 분해하거나 물을 분해하여 수소를 생성하는 등의 용도로 이용된다.
광촉매 빛은 주로 UV 빛과 광촉매를 활용하여 공기 중의 유해물질이나 오염 물질을 제거하는 공기 정화, UV 빛과 광촉매를 사용하여 오염된 물을 정화하여 수질 정화, 악취를 유발하는 물질을 분해하여 제거하는 탈취의 용도로 사용된다.
광촉매 반응속도는 입사광량 X 흡수효율 X 여기 전자, 정공의 이용 효율로 나타낸다. 즉 많은 빛이 광촉매에 흡수되어 여기전자와 정공이 재결합하는 일 없이 소비되면 광촉매 반응이 빨리 진행된다. 따라서 광촉매에 빛이 쪼여지지 않으면 당연히 광촉매 반응은 일어나지 않으며 빛의 양이 충분하지 않으면 반응속도도 늦어진다. 또 광촉매 반응을 일어나게 하기 위해서는 광촉매의 밴드갭에 상당하는 파장 이하의 빛을 쪼여줄 필요가 있다. 예를 들면 산화티탄(아나타제형)에서는 밴드갭이 3.2eV 이므로 387nm 이하의 빛을 쪼여줄 필요가 있다. 또한 가전자대 상단 빛 전도대 하단 부근의 전자에너지 준위 밀도는 낮기 때문에 밴드갭 부근의 광흡수 효율은 낮은 경우가 많다.
최근 가시광 응답형 광촉매 개발이 활발히 이루어지고 있다. 태양광에는 산화티탄이 흡수 가능한 자외선(300~400nm)이 태양광 전체의 3~4%밖에 들어있지 않은데 반해 가시광은 대량으로 들어있다. 옥내의 조명에 사용되는 형광등에도 가시광이 전체의 빛에서 차지하는 비율은 높고, 자외선은 미량밖에 들어있지 않다.(옥내의 자외선 강도는 옥외의 약 1000분의 1). 또한 욕실 등의 커버 씌운 전구에서는 자외선이 차단되기 때문에 산화티탄의 광촉매 활성은 발휘되지 않는다. 그러므로 광촉매의 밴드갭을 작게 하여 자외선과 더불어 가시광도 광촉매 반응에 이용할 수 있다면 광촉매 반응 속도를 향상시킬 수 있을 것이며 실내에서도 광촉매를 이용할 수 있게 된다.
대표적인 가시광 응답형 광촉매로는 질소 도핑 산화티탄을 들 수 있다. 이는 산화티탄의 산소의 일부를 질소로 치환함으로써 가전자대를 끌어올려 가시광에 응답성을 부여하고 있다. 이러한 보고이후, 음이온 도핑 산화티탄이 활발하게 연구되고 있다. 최근의 연구동향으로는 도핑에 의해 광촉매의 밴드갭을 좁히거나 색소나 전이금속을 광촉매에 담지시켜 가시광 응답화를 실현시키려는 연구도 이루어지고 있다.
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자외선 종류
광촉매에 사용되는 빛인 자외선은 주로 특정 파장의 빛이 화학 반응을 유도하는 데 필요하다. 자외선은 가시광선보다 파장이 짧고 X선보다 긴 빛으로 일반적으로 10nm~400nm 사이의 파장을 가지고 있다. 광촉매는 밴드갭에 상당하는 파장보다 짧은 광을 흡수하면 광촉매 능력을 발휘하게 된다. 예를 들어 아나타제형 산화티탄에는 387nm 이하의 빛을 조사할 필요가 있으며 그 빛은 자외선에 상당하다.
일반적으로 자외선은 파장이 10~400nm의 영역을 말하고, 파장에 따라 4개로 분류된다. 파장이 긴 것부터 UV-A (400~315nm), UV-B(315~280nm), UV-C (280~200nm), VUV(200~10nm)로 분류한다. 이것보다 파장이 짧은 것을 UV-D(10nm 이하)와 X-선으로 분류하기도 한
아나타제형 산화티탄을 활성화시키기 위해 UV-A 자외선을 이용하면 되는데 통상 태양광이나 블랙라이트(피크파장 370~350nm)가 이용되지만, 밴드갭이 넓은 다른 광촉매에서는 더욱 파장이 짧은 자외선을 이용하여야 하므로 고압수은등(365nm, 254nm), 저압수은등(254nm, 185nm), 엑시머UV광 등이 이용된다.
다만, 대기 중에서 242nm 이하의 파장이 짧은 자외선을 조사하면 대기 중에 존재하는 산소가 자외선에 의해 화학반응을 일으켜 오존을 생성한다. 오존은 독특한 비린내가 나는 기체로 불소 다음으로 강한 산화력을 가져 인체에 유독하기 때문에 파장이 짧은 자외선을 사용할 경우에는 환기를 주의하여야 한다.
- UV-A (320~400nm): 가장 긴 파장의 자외선으로 피부 노화와 피부함의 원인이 될 수 있다. 광촉매 사용 빈도는 낮다.
- UV-B (280~320nm): 중간 길이 자외선으로 피부에 더 강한 영향을 미친다. 광촉매에는 거의 사용되지 않는다.
- UV-C (100~280nm): 가장 짧은 파장의 자외선으로 강한 살균 효과를 가지고 있다. 광촉매에서 가장 많이 사용된다.
자외선이 광촉매 물질과 상호작용하면 전자와 정공이 생성된다. 이는 후속 화학 반응을 유도하여 유해 물질을 분해하거나 새로운 물질을 생성한다. 자외선의 에너지는 광촉매의 전자와 정공을 활성화시켜 반응이 일어나도록 한다. 이러한 활성화는 자외선의 파장과 광촉매 물질의 특성에 따라 달라질 수 있다.
UV-C는 광촉매에 가장 효과적인 자외선으로 자주 사용되는 파장대이다. UV-C는 자외선 중 가장 강력한 살균 및 화학 반응 유도 능력을 가지고 있어 많은 광촉매에서 사용된다. 각 광촉매 물질이 최적의 반응을 일으키는 자외선의 파장이 다를 수 있기 때문에 특정 자외선 파장을 선택하여 사용하는 것이 중요하다.
UV-A는 UV-C보다 상대적으로 덜 해롭지만 장기적인 피부손상이나 노화와 관련이 있다. UV-C는 강력한 반응 유도 능력을 가지나 즉각적인 위험성이 높아 안전하게 사용해야 한다. 따라서 광촉매 응용에서는 UV-C가 필요하지만 사용 시에는 적절한 안전 조치를 해야 한다. UV-A는 광촉매 반응에는 일반적으로 사용되지 않다. UV-C와 UV-A는 각각의 용도와 특성에 맞게 사용되어야 한다. 어떤 UV가 더 안전하다고 단순히 평가하기보다는 그 용도와 상황에 맞게 선택해야 한다.
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블랙라이트와 광촉매
블랙라이트는 자외선 범위의 특정 파장을 방출하는 조명으로 주로 UV-A 범위의 자외선이다. 블랙라이트는 다양한 용도로 사용된다. 블랙라이트는 320~400nm의 자외선을 방출한다. 이 범위의 자외선은 가시광선보다 파장이 길고 에너지는 상대적으로 낮다.
블랙라이트는 특수한 형광 물질이 코팅된 램프나 UV-A LED를 사용하여 자외선을 방출한다. 이 조명은 보통 청색이나 보라색 빛을 발산한다. UV-A 자외선은 UV-B, UV-C에 비해 낮은 에너지를 가지고 있다. 이는 블랙라이트가 피부나 눈에 미치는 영향이 상대적으로 적다.
블랙라이트는 형광물질을 발광하여 어두운 환경에서도 빛나는 효과를 준다. 블랙라이트는 종종 미술 작품이나 장식, 의상, 파티, 클럽에서 사용된다. 블랙라이트는 범죄 현장에서 형광물질을 탐지하는 데 사용된다. 블랙라이트는 표면의 결함이나 이물질을 감지하는 데 사용될 수 있다. UV-A 자외선은 형광 물질이나 오염물질을 식별하는 데 도움을 준다.
단점으로는 UV-A는 UV-C에 비해 에너지가 낮아서 광촉매 반응을 유도하는데는 효율성이 떨어질 수 있다. 과도한 UV-A 노출도 피부 노화나 특정 건강 문제를 일으킬 수 있어 적절한 사용이 필요하다.
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가시광 응답형 광촉매
가시광 응답형 광촉매는 가시광선 범위의 빛을 사용하여 화학반응을 촉진할 수 있는 광촉매다. 광촉매는 주로 자외선 범위의 빛을 사용하지만 가시광 응답형 광촉매는 가시광선에서도 활성화될 수 있는 물질이다. 실내 조명 등의 다양한 환경에서 활용된다.
가시광선은 약 400~700nm 범위의 파장을 가지며 UV 범위보다 길어 상대적으로 낮은 에너지를 가진다. 가시광 응답형 광촉매는 이 범위의 빛을 사용하여 반응한다.
이산화티타늄은 UV-C에서 높은 효율성을 나타내지만 최근 연구에서 가시광선에서도 반응할 수 있는 변형된 이산화티타늄이 개발되었다. 가시광선은 자외선보다 더 널리 사용되기 때문에 실내 조명, 자연광 등 다양한 조명 환경에서 사용할 수 있다. 가시광선은 UV에 비해 인체에 대한 안전성이 높으며 자외선에 비해 피부와 눈에 대한 위험이 적다.
가시광 응답형 광촉매는 실내 공기와 물정화시스템에서 활용될 수 있다. 일반 조명에서도 효과적으로 반응할 수 있다. 실내에서 악취 제거 및 살균 효과를 발휘할 수 있다. 광촉매 기술을 활용하여 오염 물질을 제거하거나 환경 개선에 기여할 수 있다.
가시광 응답형 광촉매의 효율성은 UV-C를 사용하는 광촉매에 비해 낮을 수 있다. 더 효율적이고 경제적인 가시광 응답형 광촉매를 개발을 진행하고 있다. 가시광 응답형 광촉매는 종종 비싼 재료를 사용하거나 복잡한 제조 공정이 요구된다. 비용 절감과 상용화를 위한 연구가 진행되고 있다.
가시광 응답형 광촉매는 가시광선 범위의 빛을 활용하여 다양한 화학 반응을 유도할 수 있는 기술로 실내 환경에서도 효과적으로 사용될 수 있다. 이 기술은 공기, 물 정화, 탈취 등 여러 응용 분야에서 사용되고 있으며 효율성 향상과 비용 절감을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
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산화티탄의 구조별 빛(자외선) 반응성
산화티탄은 루틸형은 정방정계 구조로 가장 안정된 형태이다. 루틸형은 비교적 낮은 밴드 갭을 가진다. UV-A와 UV-B 영역의 자외선에 효과적으로 반응한다. 이구조는 안정성이 높고 물질의 전자와 정공이 비교적 긴 수명을 가지기 때문에 광촉매 반응이 일정하게 유지된다. 공기 정화, 수질 정화에서 높은 효율성을 발휘하며 가시광 응답형 광촉매의 변형도 연구되고 있다.
산화티탄 브로나이트는 정방정계 구조로 루틸형과 안타시타형보다 덜 알려진 형태이다. 브로나이트형 이산화티타늄은 자외선에 대한 반응성이 루틸형과 안타시타형보다 낮을 수 있다. 아직은 연구 진행이 덜 된 상태이다. 특정 응용에서는 유용할 수 있다.
산화티탄 안타시타형은 사방정계 구조로 루틸형보다 밴드 갭이 더 크며 전자와 정공의 생성 효율이 높다. 안타시타형 이산화티탄늄은 자외선에 대한 반응성이 높아서 광촉매 활성도가 뛰어나며 UV-B와 UV-C 영역에서 매우 효과적이다. 안타시타가 자외선 흡수와 전자-정공 생성에서 더 높은 효율을 보인다. 공기 정화, 수질 정화에서 높은 효율성을 보이며 가시광 응답형 광촉매로의 변형도 연구되고 있다.
산화티탄의 구조에 따라 밴드 갭이 다르며 자외선 흡수와 광촉매 반응에 영향을 미친다. 안타시타형은 상대적으로 큰 밴드 갭을 가지고 있어 자외선에 더 민감하게 반응한다. 안타시타형은 높은 전하 분리 효율을 가지며 이는 더 효율적인 광촉매 반응을 의미한다. 루틸형은 안정성은 높지만 반응성은 안타시타형에 비해 낮을 수 있다. 루틸형은 내구성이 높아 장기적으로 안정성을 유지하는데 유리하다. 안타시타형은 더 높은 광촉매 효율을 제공하지만 안정성이나 내구성 측면에서 주의가 필요하다.
산화티탄의 구조는 자외선에 대한 반응성에 큰 영향을 미친다. 일반적으로 안타시타형이 가장 높은 광촉매 활성을 보이며 루틸형은 높은 안정성과 내구성을 제공한다. 브로나이트형은 연구가 덜 된 상태이지만 특정 응용에서 유용할 수 있다. 각각 구조는 고유한 장점과 단점을 가지며 특정 응용에 맞춰 적절한 형태를 선택하는 것이 중요하다.
주요 티타늄 광석의 중 루타일은 높은 티타늄 함량과 안정성을 가진 광석으로 이산화티타늄 생산에서 가장 중요한 원료이다. 루타일은 일반적으로 이산화티타늄의 원료로 가장 널리 사용된다. 호주는 세계 최대의 루타일 생산국 중 하나로 주요 광산으로 Jacinth-Ambrosia 광산이 있다. 남아프리카공화국, 브라질에서도 광석이 채굴된다.
안타시타는 상대적으로 높은 반응성을 가지고 루타일에 비해 낮은 안정성을 가진다. 특정 응용에서 루타일과 함께 사용된다. 중국은 세계 최대의 안타시타 생산국이고 인도에서도 채굴되고 있다.
티타늄 광석은 주로 표면 광산에서 채굴된다. mining 또는 open-cut 방법으로 사용된다. 광석 채굴 지역은 지질학적으로 티타늄 함량이 높은 광석이 발견되는 지역이다. 채굴된 광석은 분쇄되어 미세하게 가공된다. 가공된 광석은 황산 공정이나 염소 공정을 통해 이산화티타늄을 생산합니다.
이산화티타늄 원재료는 주로 루타일과 안타시타라는 티타늄 광석에서 얻어지며 이러한 광석은 세계 여러 나라에서 채굴된다. 주요 생산국은 호주, 남아프리카공화국, 브라질, 중국, 인도 등이 있으며 각 지역의 지질학적 특성에 따라 티타늄 함량이 높은 광석이 채굴된다.
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