광촉매 시장과 연구 (1)

• 광촉매 시장 규모와 장래 예측

1990년 미쯔비시종합연구소가 광촉매 시장이 2005년에는 1조엔이 될 것이라는 예측을 내놓았다. 이 때는 광촉매가 세상에 알려지기 시작한 때이었기에 놀라는 사람이 많았다. 그 당시의 이야기는 당사자인 카메이신이찌씨가 ‘이것으로 광촉매의 모든 것을 알 수 있다.’에 자세히 적고 있다.

이 1조엔의 근거인데 광촉매 제품이 관계된다고 생각되는 분야 전체의 시장규모를 사전에 산출해 두고, 아울러 탈취, 항균, 더러움방지, 김서림방지 혹은 수처리 등의 각 분야 마다 관련 시장을 산출하여 서로 겹쳐있는 부분을 고려하여 계산하였다고 한다. 즉 쾌적한 물 공급, 쾌적한 공기환경, 미관, 이미지 향상의 3영역으로 나누어 예측 데이터를 정리하여 2005년에는 1조 6천억엑이 되리라 예상하였고, 이 3영역에서 서로 겹치는 제품을 고려한 광촉매 전체의 시장규모 예측이 1조엔 이었다.

현실의 광촉매 시장은 2006년에 800억엔 정도 된다. 2003년에 미쯔비시종합연구소와 일본경제신문이 나노테크놀로지 관련 기술을 정리한 책에 의하면 광촉매 시장의 예측은 2010년에 3천억엔을 넘을 것으로 예상하였다.

향후 수처리의 응용분야로 확대하는 규모에 따라 달라지겠지만 고효율의 가시광 응답형 광촉매가 실내 제품에 널리 사용되면 아주 큰 산업이 될 가능성도 있다.

 

• 광촉매 시장을 보다 활성화하기 위해서는

광촉매가 이용되는 주된 4개영역, 즉 공기정화, 물정화, 항균, 살균 그리고 셀프클리닝 가운데 지금 가장 활발히 적용되는 분야는 공기정화와 셀프클리닝이다.

광에너지로 태양에너지를 직접 이용하는 셀프클리닝 작용의 외장 건자재에 대한 적용이 가장 큰 시장이 되고 있다. 타일이나 유리에 투명하게 산화티탄을 코팅하는 이용법이다. 이 영역의 이용은 향후 더욱 확대해가리라 기대되는데 앞으로는 공장에서 코팅하는 방법 이외에 보통 페인트처럼 일반 소비자가 간단히 칠할 수 있는 광촉매 도료 개발이 필요하다.

수처리법에 대한 응용에서는 수경재배에서 수용액의 정화와 같이 한정된 양의 물을 광촉매로 처리할 수 있을지의 가능성을 검토하였다. 그러나 대량의 물을 처리하는 경우에 대한 광촉매의 적용은 거의 없었다고 이야기할 수 있다. 물 속에 들어있는 유기물 등을 광촉매 표면에 흡착시켜야 하고 나아가 그 산화티탄 표면에 빛이 쪼여지지 않으면 효과를 발휘하지 못한다. 이것이 광촉매의 수처리에 적용을 본질적으로 어렵게 하고 있는데 무언가 새로운 방법으로 수처리하는 방법이 개발되면 그 시장은 아주 클 것으로 예상된다

또한 예를 들어 광촉매가 실내의 벽지 등에 많이 이용되면 시장은 아주 커질 것이다. 이에 대해서는 가시광에 응답하는 산화티탄에 대한 연구가 진행되어 일부 제품도 나오고 있다. 이 분야에서는 탈취나 살균에 대해 분명한 효과를 낼 수 있느냐 없느냐가 열쇠가 될 것이다.

셀프클리닝에 대한 이용을 생각해 보면 앞으로 이용이 가장 기대되는 것이 유리에의 응용이다. 김서림방지를 포함하여 자동차의 창유리나 건자재로 유리가 더욱 많이 이용되다면 그 시장은 엄청나게 클 것이다. 특히 인구가 밀집하여 고층빌딩이 많은 도시에서의 보급이 향후의 보급 포인트이다. 동남아시아에서는 강한 태양빛과 스코올의 빗물을 이용할 수 있으므로 광촉매의 특성을 아주 유효하게 사용할 수 있다.

 

• NEDO 프로젝트- 광촉매 이용 고기능 주택용 건자재

현재 커다란 사회문제가 되고 있는 지구온난화 대책으로 광촉매 기술을 이용하기 위한 NEDO 프로젝트로 광촉매 이용 고기능 주택용 건자재 프로젝트가 2003년에 시작되었다. 목적은 광촉매의 초친수성 기능을 활용한 주택용 방열 건자재를 이용하여 냉방공조의 부하 저감 시스템을 개발하여 건축물의 에너지 절약을 촉진하는 것이다. 즉 외장 건자재에 산화티탄 광촉매를 코팅하고 물을 뿌려주면 광촉매의 초친수성에 의해 외장 건자재 표면에 얇은 물의 막이 만들어지고 이 물이 기화할 때 발생하는 기화열에 의해 건물이 냉각되어, 실내로 외부열의 유입이 줄어들어 여름철의 냉방공조 부하를 줄이는 것이다.

이  프로젝트는 2003년부터 2005년까지 3년 동안 광촉매 주택 관련 기업 7사와 동경대학, 동경이과대학과의 산학공동연구 체제에서 진행되었다. 실용화를 위한 연구개발을 목표로 하여 그 구체적인 활동성과의 예로, 카나가와현 히라쯔까시에 잇는 닛산차체 히라쯔까공장에서 건물 외부에 부착된 금속망 브라인드를 이용한 실증실험 결과, 물을 뿌려줌으로서 외벽 표면 온도가 약 7℃, 실내 온도가 약 2~3℃ 내려갔다고 보고하였다. 또한 동경대학 구내에 실증 실험주택, 동경이과대학 구내에 오피스빌딩을 가정한 실증실험동을 건설하여 여러 조건에서 실험데이터를 얻어 냉방공조 부하 저감효과의 상세한 시뮬레이션이 이루어졌다. 그 결과 주택에 적용한 경우, 냉방공조 전력을 10~20% 절약할 수 있음을 알았다.

2005년 나고양에서 개최된 사랑, 지구세계박람회에서는 전시장돔 지붕의 휴게소에서 공개 실증실험을 실시하여 휴게소 이용객에게 그 효과를 직접 체험하도록 하였다.

또한 이 프로젝트에서는 방열 건자재의 개발 이외에도 가시광 응답형 광촉매를 이용한 실내 환경정화 건자재 개발도 진행하였으며 가시광 응답형 광촉매의 분해 성능 및 안전성 평가 등도 검토하였다.

이 프로젝트 이후 가시광 응답형 광촉매의 표준화를 위한 검토가 2006년도부터 시작되어 가시광 응답형 광촉매의 성능평가시험 방법의 JIS표준화에 대한 검토로 발전하였다.

 

• NEDO 프로젝트에 의한 광촉매 연구 육성

광촉매 관련 대형 NEDO 프로젝트가 시작되었다. 에너지절약 순환사회 구축형 광촉매산업 육성 프로젝트: 국제 경쟁력이 있는 광촉매 신산업 육성이다.

일본에서 시작한 산화티탄 광촉매기술을 구제 경쟁력이 있는 산업으로 육성하기 위하여 일본 전국에서 연구개발의 1인자들을 결집시킨 집중 연구실을 동경대학 첨단과학기술연구센터에 설치하고, 산업육성과 전략적 실용화를 목표로 연구개발을 추진하는 것이다.

연구 분야는 5항목이며 그 개요를 정리하였다.

1. 광촉매 공통 사이언스 구축: 고체물리를 기초로 하여 재료설계와 동시에 이론계산을 도입하여 최적재료를 설계, 선택한다. 또한 발수 친수 변환을 이용한 나노 기능성 소재를 연구하여 실용화한다.
2. 광촉매 공통 기방 기술 연구개발: 현재 상태에서는 광촉매 재료가 보통 상품과 비교하여 가격이 비싸기 때무에 저가격화를 위하여 광촉매 소재의 효율적 인라인 작성 프로세스를 만든다. 넓은 면적 광촉매 건자재의 고속 제작법과 이들의 내구성 향상을 연구한다.
3. 고감도 광촉매 재료 개발: 자외선이나 태양광에 대한 고감도화를 시도하고, 가시광화를 겨냥한 기초연구를 적극적으로 추진한다. VOC나 NOx 등 공기 정화 및 곰팡이, 세균, 바이러스 등 생물의 처리에 대해서도 연구한다.
4. 산화티탄의 신기능 개척: 초발수성 표면을 만들어 발수 친수 변환이 효율적으로 일어나는 시스템에 대해 연구한다. 더불어 현재 기술로는 해결하기 어려운 테마인 다량읫 처리 시스템을 연구한다. 광촉매에 의한 폐기물 처리와 고부가가치 자원회수에 대해 검토한다. 초음파 조사 등과 병행하는 복합처리 가능성도 조사한다.
5. 광촉매 신산업 분야 개척: VOC 저감시스템, 불화탄소 처리시스템 등 종래의 방법을 능가하는 효율 특성 등을 갖춘 시스템 구축을 목표로 하는 환경 정화 방법을 모색한다. 도심 열섬효과 냉각소재, 토양 정화 시스템 등에 대해서도 검토한다.

 

• 가시광 응답형 광촉매 연구

가시광 응답형 광촉매 연구는 과거 20년 이상 진행되었는데 최근 이 분야에 한층 더 활발한 연구가 이루어져 일부 응용 제품까지 출시되고 있다.

혼다, 후지시마 효과가 발표된 1970년대부터 이미 광촉매 기능을 가지면서 가시광을 흡수할 수 있는 반도체에 대한 연구가 이루어져왔다.

1. 산화티탄 표면에 가시광을 흡수하는 색소를 흡착시켜 이에 의해 증감한다. (색소증감)
2. 비표적 밴드갭이 작은 반도체 중 광촉매 반응에 이용할 수 있는 물질을 탐색한다. (밴드갭이 낮은 반도체)
3. 산화티탄에 각종 금속이온 첨가를 시도한다.

이러한 일들이 주로 시도되었으나, 이들 연구 가운데 안정한 광촉매 반응에 이용할 수 있는 것은 없었다.

그러다가 2001년 도요타 중앙연구소의 그룹이 질소 도핑 산화티탄에 의한 광촉매반응을 발표하였다.

질소 도핑 산화티탄은 사염화티탄 용액이나 티탄산이소프로필 용액을 암모니아 존재하에서 가수분해할 때 500~600℃ 조건에서 소성하여 얻을 수 있다. 얻어진 질소 도핑 산화티탄은 황색이며 XPS 측정 등으로부터 산소 사이트 일부가 질소로 치환된 산소 결함 사이트를 갖는 산화티탄임이 확인되었다. 질소 외에 황이나 탄소를 도핑한 산화티탄도 가시광 응답을 보인다는 최근 보고도 있다. 하지만 전반적으로 가시광 영역에서의 응답이 충분한 효과를 보인다면 평가할 수는 있겠지만 질소나 황 등의 도핑으로 가시광에 대한 감도가 약간 증가하는 반면 본래의 자외선에 대한 감도가 대폭 감소하는 경우가 많은 것 같다.

가시광에 응답할 수 있는 도핑 물질은 자외선 영역에서의 밴드-밴드간 여기에 의한 광촉매 특성에 대하여 도판트로서 재결합 중심을 제공하는 결과가 되는 일이 많아고 되어 있다. 또한 가시광 영역에 감응한다는 것은 착색한다는 것과 같은 의미로 응용할 수 있는 영역이 제한되기도 한다. 아무리 이런 문제점이 있다고 하더라도 산화티탄 광촉매의 가시광화는 대단히 중요한 테마로 향후 활발한 연구가 기대된다.

 

• 광촉매 연구로 깨끗하고 쾌적한 생활이 가능

최근 우리 생활환경을 위협하는 공기, 물 혹은 식품에 이르는 여러 문제점을 해결하기 위한 시급한 기술 개발이 요구되고 있다.

실내외의 환경파괴를 촉진하는 다양한 유해 화학물질에 대한 대책, 예를 들면 실내의 포름알데히드 등의 새집증후군 원인물질 제거 및 옥외의 버스나 트럭에서 나오는 질소산화물 제거 등도 요구되고 있다. 더욱이 병원의 원내감염 문제 등 항균, 항바이러스 대책, 혹은 공자의 옛 부지 등의 토양오염 대책 등도 강하게 요구되고 있다. 건전한 경제 산업활동과 안심, 안전한 생활환경의 실현이 급선무가 되고 있음은 모두 느끼고 있으리라 생각된다.

광촉매의 최대 장점으로는 다음을 들 수 있다.

1. 자연에너지 이용에 의한 에너지 절약
2. 유지 보수 비용 절감으로 에너지 절약
3. 환경 부하 저감으로 자원 절약과 에너지 절약

아래에 대표적인 응용 예를 정리하겠다.

– 주택 건자재를 중심으로 한 시장

주택에의 응용이 활발하다. 특히 외장 건자재로 이용이 가장 눈에 띈다. 광촉매 코팅 외장 타일을 이용한 빌딩이나 단독 주택이 많아졌고, 유리창에 투명하게 산화티탄을 코팅하여 더러워지지 않고 김도 서리지 않는 집이 늘고 있다.

– 안심, 안전한 환경을 제공하는 의료 관련 시장

광촉매 살균 타일이 병원 수술실 바닥이나 벽에 이용되고 효과를 발휘한 것이 광촉매 응용의 시작이었는데 지금은 커튼이나 간호사 의복, 또는 공기청정기에까지 광촉매가 활약하고 있다. 더욱이 암치료에도 기초연구가 진행되어 항암제 사용 후 부작용을 줄이는 방법으로도 검토되고 있다.

-공기 정화

광촉매를 이용한 공기 정화는 공기청정기에 응용한 것이 시작이었다. 바이러스를 제거할 수 있기 때문에 사스나 조류 인플루엔자에 대해 가장 효과적인 방법으로 주목받고 있다.

 

• 참고글

광촉매란 무엇인가