광촉매 동향 (2)

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광촉매 기술 동향과 광촉매 규격화 동향에 대해 알아보자.

 

  • 광촉매 기술 동향- 일본광촉매공업회

산화티탄 광촉매는 더러움 방지, 김서림 방지, 항균, 공기정화, 수질정화 등의 다방면의 용도에서 주목을 받고 있어, 대학, 각종 연구기관 및 민간기업에서 활발히 연구개발이 진행되고 있다. 또한 이 기술을 응용한 제품도 생활, 자동화와 운수, 건축 등의 각 분야에 도입되기 시작하여, 장래 대폭 시장 확대가 예측된다. 그러나 한편으로는 광촉매 재료 및 이를 응용한 제품에 관한 품질, 성능의 향상과 표준화가 요구되고 있다.

이와 같은 배경을 기준으로 광촉매 재료 및 제품을 제조, 판매하는 다방면의 민간기업이 참여하여 생활, 건축, 자동차와 운수 등 가 분야의 제품 사용 기업, 관련 정부부처, 기관의 찬동과 참여, 소비자의 의견, 요구 사항을 반영한 시장의 문제를 명확히 할 것을 목적으로, 광기능재료연구회 등의 협력을 얻으면서 모든 문제해결을 위해 활동하며 더 나아가 광촉매 제품의 건전한 시장 형성을 목적으로 광촉매공업회가 설립되었다.

설립 목적으로는 광촉매 기술의 응용과 확대를 촉진하고, 그 인지 활동을 통하여 제품의 보급을 꾀하며 기술의 향상과 고품질의 제품을 공급할 수 있는 건전한 시장을 형성한다는 것이다. 또한 이로 인한 관련 산업의 발전과 국민생활의 향상에 기여하는 것을 목적으로 하고 있다.

활동 내용으로는 광촉매 제품의 표준화 및 규격화 추진, 광촉매 제품의 품질, 성능, 안정성 향상 추진과 이에 따른 표시의 제품 성능 추진, 광촉매 제품의 시장 인지도 향상 추진, 광촉매 기술의 응용 확대 및 보급의 추진, 광촉매에 관한 관련 기관, 모든 단체와의 교류 및 협력, 소비자 단체와의 관련 등을 들 수 있다.

광촉매 산업의 발전에 동반하여 일본뿐만 아니라 유럽, 미국, 아시아 여러 나라에서도 광촉매가 주목받아, 많은 광촉매 제품이 시중에 출시되고 있지만, 그 중에는 유사품도 많이 있어, 광촉매 제품에 대한 소비자의 신뢰를 잃어버릴 수 도 있다는 지적도 있다.

이런 가운데 광촉매 기술의 응용, 확대, 인지활동을 통하여 제품의 보급을 꾀하며, 기술의 향상과 고품질 제품의 공급에 의한 건전한 시장형성을 촉진시켜 관련 산업의 발전과 국민생활의 향상에 기여 하는 것을 목적으로 한 광촉매공업회의 발전에 기대한다.

 

  • 광촉매 기술 동향- 아시아

아시아의 광촉매 기술 동향에 대해 알아보자. 중국에서는 광촉매가 활발히 연구되어 여러 제품이 나와 있다. 북경에서 완성한 국가대극장의 지붕에 응용된 광촉매는 유명하다. 공기청정기를 중심으로 많은 제품이 있다. 대학이나 연구소로는 정화대학, 복주대학, 중국과학원화학연구소, 이화기술연구소 등에서 연구되고 있다.

또한 광주, 남경, 무한, 상하이 등을 중심으로 유한공사가 적극적으로 각종 응용 제품을 시장에 내놓고 있다. 다음 페이지에 나타낸 코팅액, 도료, 발포형 니켈 위에 산화티탄을 코팅한 필터 재료, 광촉매 코팅 조화 등이 카탈로그에 실려 있다. 실내에서 사용하기 위한 가시광 반응형 산화티탄의 연구도 많이 진행되고 있다. 규격화도 진행 중이며, 중국광촉매협회가 만들어져 있다.

한국에서도 광촉매 제품이 활발히 출시되고 있다. 2002년 8월에는 광촉매연구회가 설립되었으며 2003년 7월에는 한국광촉매협회도 만들어졌다.

제품으로는 타일, 유리, 공기청정기용 필터, 도로표지판 등에 응용되고 있으며 실내용 벽지에 응용도 시도되고 있다.

규격화에 대해서는 한국 고유의 규격화 확립도 진행되고 있으며 특허의 신청도 활발하여 장래 더욱 확대될 것으로 기대된다.

타이완에서의 광촉매 연구 특징은 2002년부터 일본의 경제산업 성산업기술종합연구소와 공동연구를 들 수 있다. 공기청정기를 이용한 실내공기의 청정화가 시도되고 있다.

규격화도 적극적으로 검토되고 있다. 기업단체 등으로는 타이완 광촉매공업회가 만들어졌다. 제품화는 일본과 거의 동등한 수준으로 진행 중이다.

말레이시아, 인도, 인도네시아 및 베트남에서도 관심을 가지고 있으며 일본의 움직임에 주목하고 있다.

싱가포르에서도 싱가포르 제조기술연구소 등의 재료 관계 연구기관이 광촉매에 관심을 가지고 셀프클리닝 작용을 중심으로 연구가 진행되고 있다.

 

  • 광촉매 기술 동향- 유럽

유럽의 광촉매 기술 동향에 대해 알아보자. 유럽에서의 광촉매 보급의 계기는 독일의 건자재업체 DSCB사가 일본 TOTO사로부터 기술 도입하여 독일 국내와 체코의 타일공장에서 초친수성 특성의 산화티탄을 코팅하여 판매하면서부터이다.

타일의 본가인 유럽에서 이런 유행의 계기를 만든 것이 체코의 페텔카 박사이다. 그는 후지시마가 출판한 광촉매의 해설서 TiO2 Photocatalysis를 체코어로 번역하였다.  이 책에 체코의 광촉매 현황도 사진과 함께 추가하여 정리하였다.동향

셀프클리닝 유리에 대한 관심은 유럽에서 특별히 높아, 세계적인 유리 제조업체인 영구의 필킨톤이나 프랑스의 산고반도 제품을 생산하고 있다. 후지시마가 2003년 핀란드의 유리가공구제회의에 초청되어 광촉매의 현황을 특별강연하였을 때, 이들 기업에서 많이 참가하였다. 특히 필킨톤은 일본의 기업에 합병되었지만 지금은 필킨톤의 기술과 일본의 기술을 융합시켜 새로운 전개를 시도하고 있다.

더욱이 EU내 5개국의 3개 기업, 7개 연구기관, 그리고 1개 컨설팅회사가 참가하여 광촉매 셀프클리닝 유리 프로젝트를 적극적으로 추진하고 있다. 광촉매에 관계하는 기초연구는 독일, 프랑스 그리고 이탈리아에서 적극적으로 진행되고 있으며, 특히 독일의 프란홉화 그룹과 하노버대학이 중심이 되고 있다.

대기 중의 질소산화물을 제거할 목적으로 광촉매의 도로에 응용하는 것은 이탈리아 및 프랑스에서 활발하다. 또한 광촉매 재료를 사용한 셀프클리닝은 이탈리아의 디비즈 인 미세리콜디아 교회에 적용한 것이 유명하다.

프랑스 리용의 할만 교수를 중심으로 광촉매를 이용한 수처리에 응용연구도 활발하다. AQUACAT이라 명명한 광촉매 유럽 프로젝트는 프랑스 이외에 스페인과 포르투칼의 연구자도 참가하고 있으며, 더욱이 이 광촉매 수처리장치는 모로코, 튀니지아, 이집트, 멕시코, 아르헨티나에도 수출되고 있다고 한다.

 

  • 광촉매 기술 동향- 미국

미국의 광촉매 기술 동향에 대해 알아보자. 미국의 광촉매 연구는 크게 3개로 나눌 수 있다. 텍사스대학 오스틴교의 아담 헤라 교수가 대단히 적극적으로 연구하였는데, 특히 수처리에의 응용을 시도하였다. 그는 유리구슬에 산화티탄을 코팅하여 이것을 유조선 사고로 유출된 바다 수면 위의 기름 제거법으로 제안하여 주목받았다. 또한 공기청정기에의 응용도 시도하여 벤처기업을 만들기도 하였다.

위스콘신대학의 마크 앤더슨 교수는 수처리 시스템에 응용을 계속하였지만 결국 성공하지는 못하였다.

캘리포니아 공과대학의 호프만 교수는 공기정화법, 특히 테러 대책으로서 가스마스크에 광촉매 필터 응용을 제안하여 군과 공동연구를 수행하고 있다.

기업으로는 유리 관련 대기업 PPG 가 일본 TOTO 기술을 이용하여 셀프클리닝 유리를 출시하고 있다. 또한 Cardinal 유리제조기업도 적극적으로 광촉매 유리를 판매하고 있으며, Andersen사는 유리창이나 발코니의 유리에 응용하고 있다. 또한 다음 페이지에 나타낸 것과 같이 태양공업의 광촉매 텐트 재료를 사용하여 10만명 수용이 가능한 텍사스 달라스의 아메리칸풋볼 스타디움을 만들고 있다. 지금부터 더욱 많은 관심을 가질 것 같다.

노벨 평화상을 받은 고어 전부통령의 영향으로 CO2나 NOx의 저감이 화제가 되고 있으며, BEHR사는 산화티탄 광촉매에 의한 NOx 저감에 적극적이다.

캐나다에서도 광촉매에 관심을 가지는 사람들이 많다. 콘코르드대학의 셀포네 교수는 IUPAC를 중심으로 산화티탄의 양자 효율 계측의 방법을 제안하고 있으며, 후세인 엘 아카비씨는 매년 산화티탄 광촉매의 국제회의를 주선하고 있다. 2008년 9월 산화티탄 광촉매의 국제회의는 미국 샌디에고에서 개최되었다.

 

  • 광촉매 관련 일본학회발표

카나가와과학기술아카데미에는 광촉매과학관과 광촉매 오픈 실험실이 있다. 회원은 산화티탄 코팅에서 평가까지 실험실을 이용하여 실시할 수 있으며, 2개월마다 광촉매기술정보지를 받을 수 있다. 이 정보지는 광촉매에 관한 오리지날 논문의 일본어 요약, 총설, 특허정보, 학회발표의 초록, 광촉매 제품의 카탈로그 등을 정리한 각 호 약 500페이지 정도 분량이다. 이미 8년간에 53호까지 발행되어 회원에게 큰 호평을 받고 있다.

다음 페이지에 나타낸 것처럼 이 정보지에 정리된 일본 학회의 초록에서 여러 학회에서 광촉매 내용이 발표되고 있음을 알 수 있다. 일본화학회, 전기화학회, 광화학토론회, 촉매학회에서 구두발표가 많은 것은 당연하다고 생각되지만 이처럼 여러 학회에서 광촉매연구의 성과가 발표되고 있다는 점은 매우 흥미로운 일이다.

2년마다 열리는 태양에너지의 화학적 변환 국제학회의 주요 테마의 하나가 광촉매이며, 2006년 7월에는 스웨덴의 우프사라, 2008년 7월에는 오스트레일리아의 시드니에서 개최되었다. 산화티탄 광촉매국제회의란 이름으로 Hussain Al-Ekabi 박사를 중심으로 매년 회의가 열리고 있는 것 외에도 광촉매는 그 외에 국제회의에서도 주요테마가 되고 있다. 2006년 4월에 교토에서 열린 IUPAC의 국제광화학회에서도 광촉매가 주요 테마의 하나였으며, 2007년 10월 미국의 시애틀에서 개최된 미국진공학회에서도 심포지엄이 열렸다.

 

  • 광촉매 규격화 동향

광촉매 규격화 동향에 대해 알아보자. 광촉매 기능에는 공기정화, 물정화, 항균, 살균, 셀프클리닝이 있지만, 제품화에 있어서 광촉매 효과의 평가방법은 각 기업이 독자적 방법으로 평가하였다. 그래서 카탈로그 등에 광촉매 효과를 제시하고 있음에도 불구하고 실제 사용조건에서는 광촉매 효과가 확실하지 않은 것도 있었다. 또한 광촉매의 기본특성인 산화분해력과 초친수성의 기본원리를 벗어나는 것도 볼 수 있어 광촉매 시장의 건전한 발전을 저해할 우려도 있다.

이런 이유로 2002년 일본경제산업성의 제안으로 광촉매표준화위원회가 설치되어 자외선 응답형 광촉매재료의 성능평가방법의 JIS표준화가 검토되었다. 셀프클리닝 성능, 공기정화 성능, 수질정화 성능, 항균 및 항곰팡이 성능의 4개 분과회 체제에서 광촉매 제품의 성능평가를 동일 기준, 동일 조건에서 평가할 수 있도록 기획안이 만들어져 2004년 1월에는 최초의 JIS(공기정화 시험방법: 질소산화물제거성능) 제정, 2006년 항균성시험방법, 2007년에는 셀프클리닝 성능평가방법 (제1부 물 접촉각 측정 및 제2부 습식분해성능), 수질정화성능 시험방법 및 자외선 여기형 광촉매 시험용 광원의 JIS가 제정되었고, 2008년 3월에는 공기정화성능 시험방법 중 아세트알데히드와 톨루엔의 제거성능 및 항곰팡이 성능시험방법이 제정되었다. 앞으로 남아있는 악취물질 및 VOC의 제거성능 시험방법에 대해 검토할 예정이다.

이런 JIS 제정으로 지금까지 각 기업의 다른 평가방법이 통일되어 소비자에게도 알기 쉽게 될 것이고, 또한 성능의 비교가 가능하게 되었다. 이 JIS화에 동반하여 JNLA(독립행정법인 제품평가기술기반기구)의 시험사업자 등록제에 의한 성능평가 시험기관의 정비가 진행되고 있다. 제정된 JIS는 광촉매의 성능평가방법에 관한 표준화이지만, 소비자에게 있어서는 그 성능평가 결과가 광촉매로서의 효과가 충분한지 여부를 판단할 수 있는 기준이 될 것이다. 이 광촉매 성능의 규격화에 대하여 광촉매공업회내에 표준화위원회를 만들어 검토를 시작하였다. 이들 일련의 규격화가 정비되면 광촉매의 더욱 건전한 발전을 기대할 수 있다.

광촉매 규격화 동향에 대해 자세히 알아보자. 광촉매는 일본에서 시작한 기술로 주로 일본 국내에서 상품이 개발되어 폭넓은 분야의 광촉매 제품이 출시되고 있다. 또한 광촉매 성능을 평가하기 위한 시험방법의 JIS표준화가 진행되어, 공기정화, 수질정화, 셀프클리닝, 항균, 살균 및 광원에 대한 성능평가방법 JIS가 거의 제정되었다.

한편 해외에도 광촉매는 서서히 침투하고 있으며 그 시장은 지속적으로 확대되고 있다. 광촉매 기능의 하나인 셀프클리닝 효과는 눈으로 확인 가능하지만, 탈취효과, VOC 제거 및 항균효과 등은 그 효과가 눈으로 보아서는 확인이 곤란하기 때문에 광촉매 효과가 의심스러운 제품이나 가짜 제품이 나돌고 있다. 실제로 아시아 일부지역에서는 이러한 유사품이 나돌고 있기 때문에 광촉매에 대한 신뢰성을 크게 잃어 광촉매의 건전한 발전을 저해하고 있는 실정이다. 이와 같은 광촉매 효과가 의심스러운 제품을 배제하고 광촉매의 건전한 발전을 꾀하기 위하여서도 신속한 국제표준을 제정할 필요가 있다.

광촉매의 국제규격화는 광촉매가 산회타탄을 원료로 하고 있기 때문에 일본이 간사국으로 파인세라미그이 구제표준화를 취급하고 있는 ISO/TC206에서 검토하는 것으로 결정되어 이에 WG33, WG37를 설치하여 일본 주도의 형태로 진행되고 있다. ISO 포준화 체제는 의결권을 갖는 나라로 간사국인 일본과 아시아 5개국, 유럽 7개국, 북미 2개국 및 그 외 2개국, 총 16개국으로 구성되어 있다. 특히 유럽에서 광촉매의 표준화에 대한 관심이 높아지고 있어 유럽의 P 회원이 증가하고 있으며, 또한 아시아에서 의심스러운 제품에 대한 염려가 커지고 있기 때문에 유럽 및 아시아 나라들과 협조, 협력체제를 구축하면서 국제표준화를 진행하고 있다.

NOx의 분해시험방법에 대하여 2007년 ISO가 제정되었고 현재는 공기정화, 수질정화, 셀프클리닝, 항균 등 8건의 원안이 제안되어 심의 중이다. ISO가 제정될 때까지 최소한 3년은 걸릴 것으로 예상되며 지금부터 수 년 안에 ISO 제정이 완성될 예정이다.

향후 추가로 가시광 응답형 광촉매에 대해서도 ISO 화가 진행될 예정이며 이로 인한 의심스러운 제품의 배제와 광촉매의 세계적인 확대, 발전이 기대된다.

광촉매의 안전성에 관해서 가장 토론의 대상이 되는 것은 광촉매 자체의 안전성과 광촉매에 빛을 조사하여 생성되는 활성산소의 안전성이다.

현재 일반적으로 사용되는 광촉매는 산화티탄이지만 산화티탄은 식물첨가물로 인정받아 화이트 초콜렛과 치약 등에 사용되는 독성이 없는 물질이다. 그러나 산화티탄을 광촉매 제품으로 사용할 때는 바인더나 분산제인 화학물질도 같이 사용한다. 광촉매 제품 중에는 항균 타올, 항균 의류 및 광촉매 커튼 등 생활용품으로 직접 피부에 접촉하는 제품도 있으므로 바인더 등 첨가물이 혼합된 상태의 안전성을 확인할 필요가 있으며 현재는 광촉매 제품을 생산 판매하는 기업의 자체 조사에 맡겨져 있다.

다음에 광촉매 반응에 의해 생성되는 활성산소의 안전성이다. 활성산소라는 말을 듣는 순간 해롭다고 생각하는 사람도 있을 것이다. 활성산소는 적정량이며 병원균 등에 살균효과가 있어 유용하지만, 과잉의 활성산소가 체내에 들어오면 세포가 산화하여 조직이 파괴되어 노화나 암 등을 유발, 촉진시킨다고 알려져 있다. 광촉매 반응에서 생기는 활성산소는 광촉매 표면에서 생겨 그 표면의 아주 가까운 곳에 존재하며, 또한 대단히 불안정한 물질이기 때문에 그 수명은 극히 짧다. 따라서 광촉매 반응에서 생성된 활성산소가 인체의 체내에 들어갈 일은 없으며, 인체에 미치는 영향은 없다고 할 수 없다.

또한 광촉매 반응에 의해 중간생성물이 발생하는 경우가 있다. 예를 들어 새집증후군의 원인인 포름알데히드가 광촉매 반응에 의해 산화되면 개미산이라는 중간생성물로 되고 산화반응이 더 진행되어 탄산가스와 물로 분해된다. 또한 담배 냄새 성분인 아세트알데히드는 중간생성물로 초산을 만든다. 이 중간생성물은 양적으로 대단히 적고 또한 독성도 거의 없기 때문에 인체에 미치는 영향은 문제가 되지 않는다. 더욱이 광촉매는 수십 나노미터라는 미립자를 원료로 하고 있기 때문에 흡입할 경우 진폐증 등의 우려가 있지만, 통상 광촉매 제품은 바인더 등으로 고정화되어 있기 때문에 광촉매 미립자를 흡입할 가능성은 거의 없다.

이와 같이 광촉매 제품의 안전성에 대해서는 실험 쥐 등의 동물실험을 통해서도 확인되었으며, 인체에 미치는 영향은 걱정하지 않아도 된다.

광촉매 시장의 60%는 셀프클리닝 효과를 목적으로 하는 외장재이며, 태양광을 이용하는 옥외 용도가 대부분이다. 또한 광촉매는 유기물의 산화분해력이 우수하기 때문에 실내의 냄새제거가 항균, 살균에 대한 수요가 높아지고 있으며, 실내에서 사용하는 광촉매 제품도 시장에 나오고 있다.

그러나 산화티탄 광촉매는 자외선에만 반응하기 때문에 자외선이 미약한 실내에서는 광촉매 효과가 충분히 발휘되지 않는다. 실내의 형광등이나 백열등의 빛을 거의 가시광선이기 때문에 가시광선에 고감도로 응답할 수 있는 가시광 응답형 광촉매의 연구개발이 NEDO를 중심으로 적극적으로 진행되고 있다. 한편 산화티탄 광촉매를 대상으로 하는 성능평가시험방법의 JIS표준화가 진행되고 있으며, 2008년도까지 모든 평가방법의 JIS표준이 제정될 예정이다. 그 다음 단계로 가시광 응답형 광촉매에 대해서도 JIS표준화가 2006년부터 시작되었다.

이 표준화의 검토는 자외선 응답형 광촉매의 경우와 동일하게 일본파인세라믹협회가 사무국이 되어 연구기관 및 기업으로 구성된 가시광 응답형 광촉매의 성능평가시험방법의 표준화위원회를 설치하여 진행하고 있다. 현재 검토 중인 시험항목은 실내용도에서 가장 문제가 되는 공기정화이며 대상 오염물지로 VOC(포름알데히드, 톨루엔), 악취(알세트알데히드, 메틸메르캅탄) 및 NOx에 대해 시험조건 등의 표준화를 검토하여 2009년까지 JIS안을 책정할 예정으로 진행하고 있다. 그 후 가시광 응답형 광촉매에 의한 셀프클리닝 및 항균시험에 대해 검토할 예정이다.

가시광 응답형 광촉매의 성능평가를 수행하는데 중요한 조건으로 가시광 범위의 정의와 시험에 사용할 광원을 설정할 필요가 있다. 가시광의 범위에 대한 일반적인 규정은 없지만, 국제조명위원에서 380nm~780nm로 정의하고 있으므로, 향후 ISO화도 고려하여 이 범위에서 평가하기로 하였다. 또한 평가용 광원으로는 저렴하면서 성능이 안정하고 쉽게 구할 수 있는 백색형광램프를 이용하기로 하였다.

가시광 응답형 광촉매의 평가시험방법의 JIS제정이 진행되어 더욱이 이 평가시험방법을 기준으로 한 제품규격, 기준의 책정이 기대된다.

 

  • 참고

광촉매를 활용한 공기정화 연구개발 및 기술현황, 국내외 특허 동향 분석 (3)