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광촉매 항균, 항바이러스 효과
지금까지 항균제(항생물질)가 듣지 않는 약제내성균이 만연하여 국제 사회의 위협이 되고 있다. WHO(세계보건기구)는 특히 신규 항균제의 연구개발에 우선적으로 취급해야 할 12가지의 약제내성균의 목록을 발표하였다. 우선 순위가 가장 높은 종류(치명적)는 아시네토박터·바우마니(카르바페넴 내성), 녹농균(카르바페넴 내성), 장내세균과 세균(카르바페넴 내성), 우선 순위가 두 번째로 높은 종류(고)는 엔테로콕카스·훼슘균(반코마이신 내성), 황색포도상구균(메치실린 내성, 반코마이신 내성), 헬리코박터파일로리균(클라리스로마이신 내성), 캄필로박터(플루오로퀴놀론 내성), 살모넬라속균(플루오로퀴놀론 내성), 임균(제2세대 세파로스포린 내성, 플루오로퀴놀론 내성), 우선 순위가 세 번째로 높은 종류(중)는 폐렴연쇄상구균(페니실린 비감수성), 인플루엔자균(암피실린 내성), 이질균(플루오로퀴놀론 내성)이다.
또한 신종 인플루엔자와 노로바이러스 등에 의한 감염병의 유행, 에볼라 출혈열이나 에이즈 등의 신흥 감염병의 유입, 바이오 테러의 위협과 감염병을 둘러싼 위험이 우리들 가까이에서 문제가 되어 국제적으로 대책이 요구되고 있다. 이들 감염병에 대해서는 치료도 중요하지만 예방의 중요성이 지적되고 있으며, 에볼라 출혈열 등의 수입 감염증을 국제공항 등의 현장에서 즉각적으로 막는 노력이 계속되고 있다. 그러던 중 광촉매 항균, 항바이러스 효과가 실내 가시광에서도 유효하게 작동하는 신규 광촉매 재료가 개발되어 공항에서 대규모 실증실험도 추진되었기에 소개한다.
감염병을 일으키는 세균과 바이러스의 가장 큰 차이점은 그 크기이다. 세균은 1~10㎛의 크기인데 비해 바이러스는 그 1/50정도의 0.02~0.2㎛ 크기이다. 세균은 단세포의 미생물로 자기증식할 수 있지만 바이러스는 핵산과 그것을 감싸는 막의 간단한 구조로 다른 생물(숙주)에 기생하지 않으면 자기증식할 수 없다. 바이러스가 숙주 세포에 기생(감염)할 때에는 인플루엔자 바이러스의 경우 바이러스 표면에 있는 헤마글루티닌(HA)이라는 단백질이 먼저 숙주세포에 흡착한다.
광촉매 반응의 산화분해 효과에 의해 이 HA 단백질에 변성이 일어나면 인플루엔자 바이러스는 숙주에 흡착할 수 없다. 숙주에 침입하여 자신의 핵산을 증식시키려는 바이러스의 목적(사람에서 보면 감염)도 수행할 수 없게 된다. 따라서 바이러스의 불활성화(감염할 수 없는 상태)라는 관점에서 보면 이 단계에서 바이러스는 광촉매 반응에 의해 불활성화된다. 그러나 광촉매 반응의 특징은 여기에서 한층 더 나아가 바이러스의 막구조를 분해하여 안에 들어 있는 유전정보인 핵산(RNA)에도 손상을 주어 최종적으로 바이러스라는 유기물은 완전 분해된다.
바이러스보다 10배 이상 크기의 세균에 대해서도 광촉매가 갖는 강한 산화분해력에 의해 균이 불활성화될 뿐만 아니라 궁극적으로는 유기물로서 완전 분해된다. 광촉매의 이와 같은 반응기구 때문에 다른 항균, 항바이러스제와는 달리 상대를 가리지 않고(비선택성) 효과를 얻을 수 있으며, 결과적으로 내성균이 생기는 것을 막는 것으로도 연결된다고 생각할 수 있다.
병원이나 요양시설 등의 원내감염의 원인으로 문제가 되는 각종 약제 내성균에 대해 광촉매 반응에 의한 불활성화 효과를 살펴보면, 2시간 후에는 모두 검출한게 근처까지 감소하는 것을 알았다. 이 결과 가시광 응답형 광촉매에 의해 얻어진 것이며, 태양광이 닿지 않는 실내환경에서 광촉매의 활용 가능성을 보여준다. 단 실제 제품화를 위해서는 사용하는 환경이 어떤 상황인지 자세히 조사하여야 하며, 광촉매 항균, 항바이러스 효과에 대해서도 그냥 불활성화시키면 좋을지, 불활성화된 균이 남지 않을 정도까지 분해하여 표면을 깨끗하게 유지하고 싶은지, 목적을 명확히 하여 최적의 솔루션을 얻을 수 있도록 하는 것이 중요하다.
타일은 광촉매를 응용한 제품으로서 가장 먼저 세상에 나온 제품 중 하나이다. 빛이 없는 곳에서도 효과를 발휘할 수 있도록 광촉매를 코팅한 타일 위에 항균금속을 올리는데, 이 경우에는 광촉매의 환원반응에 의해 항균금속이 고정화된다. 이렇게 하면 어두운 곳에서도 항균성을 가지고, 빛이 닿으면 더 높은 항균력을 발현하는 하이브리드 제품이 된다. 욕실 바닥에 광촉매 타일을 시공하면 균으로 인해 생기는 더러움에 대해 뛰어난 더러움 방지 효과가 있다는 것을 알았다. 또한 병원의 수술실에서는 표면에 붙는 세균뿐만 아니라 공중에 부유하는 세균의 수까지 급감하는 것으로 확인되는 등 놀라운 효과에 의해 그 후 광촉매 응용개발의 선두가 되었다.
가시광 응답형 광촉매 타일은 요코하마시립대학 부속병원에서 화장실 보수공사시 적용하여 세균 수와 암모니아 발생량을 비교평가하는 실증시험이 실시되었다. 그 결과, 세균 수, 암모니아 발생량 모두 90% 이상 억제되는 상태가 유지되어 항균 효과와 함께 악취제거 효과도 있는 것을 확인하였다. 이것은 세균이 번식하지 않으면 소변의 분해도 진행하지 않기 때문에 암모니아의 발생량이 적고, 냄새가 억제되는 것으로 생각된다.
외장용 광촉매 유리는 셀프클리닝 기능이 중심이며 실내용 항균 유리의 제품화는 진행되지 않았다. 실험실 수준에서는 뛰어난 항균성, 유기물 분해 활성을 나타내었지만, 실제 사용 환경인 실내에서는 충분한 기능을 발휘하지 못했기 때문이다. 여기서 과제로는 실내조명 정도의 빛의 강도에서도 높은 광촉매 성능을 가지는 재료의 개발이었다. 이러한 재료의 탐색 중, 광촉매 유리에 산화구리를 섬 형상으로 고정하여 유기물 분해 활성 이외에 가시광 응답성, 높은 항바이러스 성능을 가진 유리가 개발되었다.
가시광 투과율, 반사율에 관해서도 일반유리와 거의 동일한 점에서 내장용 건축자재로서 충분한 투명성, 의장성을 가지며, 의료, 요양, 공공시설 등 위생적인 환경이 요구되는 분야에 보급되어 나가길 기대한다.
광촉매 필름은 실내조명 환경에서 매우 높은 광촉매 항균, 항바이러스 성능을 나타내는 구리화합물 복합산화티탄을 무기계 수지와 복합하여 플라스틱 필름에 도포한 것이 알려져 있다. 또한 필름으로 만든 것은 페이트에 비해 현장에서 시공이 훨씬 수월하고 확실한 성능의 발현으로도 이어진다. 이 광촉매 필름을 불특정 다수의 사람들이 접촉하는 장소에 시공하면 접촉감염의 위험 감소로 이어질 것으로 기대되고 있다.
지금까지 접촉감염을 방지하는 대책으로 유치원, 어린이집에서는 손씻기를 권장하였다. 물론 손씻는 것도 중요하지만, 또 하나의 대책으로써 많은 사람이 접촉하는 장소를 지속적으로 깨끗하게(이 경우 세균이나 바이러스를 불활성화, 가능하면 분해제거) 유지하는 것도 유용할 것이다.
광촉매 필름의 경우 일단 시공해두면, 그 후 에너지원은 환경에 존재하는 빛이기 때문에 전원 등의 새로운 에너지가 불필요한 수동적인 계열인 것도 에너지 절약이 중요한 공공시설의 경우 장점이 될 것이다. 신치토세공항, 베트남 노이바이국제공항에서 접촉 감염의 위험 감소를 목적으로 실증실험이 이루어지고 있다. 신치토세공항에서 여행자가 짐을 싣고 공항 내를 이동하는 중 카트의 손잡이 부분에 광촉매 필름을 감고, 그 표면에 부착하는 세균 수의 변화를 조사한 결과 세균 수가 많아지는 여름철의 경우 특히 현저한 저감효과를 볼 수 있었다. 베트남 하노이 외곽에 있는 노이바이국제공항에서는 터미널 건물의 화장실 문과 벽의 일부에 광촉매 필름을 붙여 동일하게 세균 수의 변화를 조사했다. 신치토세공항에 비해 고온 다습한 환경인 베트남에서 더 높은 세균 수의 저감 효과가 나타나 실용화에 좋은 반응을 얻고 있다.
접촉감염 대책이 필요한 장소로는 전철 손잡이와 병원 문손잡이 등 일일이 다 열거할 수 없다. 따라서 단계적으로 확실한 성과를 쌓아 실용화에 이어지기를 바라고 있다. 또한 이러한 광촉매 항균, 항바이러스 효과이다.
광촉매 항균, 항바이러스 성능이 뛰어난 가시광 응답형 광촉매 소재(분말, 슬러리)로서 쇼와덴코에서 루미레쉬 상표로 제품화되고 있다. 비교적 간편하게 사용할 수 있는 2차 가공제로 도료, 필름, 코팅제, 섬유 가공제 등도 개발되고 있다. 최종 제품으로는 막재료, 벽지, 섬유제품, 수지 제품 등으로 확산되고 있다.
광촉매 항균, 항바이러스 성능은 눈으로 보면서 효과를 실감할 수 있는 것은 아니다. 그 때문에 확실한 성능을 가지고 있는 제품을 보증하는 인증제도가 중요하다. 그렇지 않으면 거의 효과가 없음에도 불구하고 광촉매라고 말하는 가짜 제품들이 횡행하여 성실하게 개발하고 있는 기업의 제품에 대한 신뢰까지 손상되어 버리기 때문이다.
광촉매 제품에 관해서는 일본의 JIS법에 따라 효과가 확인된 제품에 인증마크를 부여하는 제도를 만들었다. 또한 국제표준인 ISO 에도 인증제도 도입을 제안하고 있다. 이들 인증제도의 보급이 기술에 대한 신뢰, 소비자의 안심으로 이어질 것으로 확신하고 있다.
병원의 수술실 벽이나 천장에 광촉매 타일을 시공해두면 뛰어나 광촉매 항균, 항바이러스성에 의해 수술실을 청결하게 유지하고 냄새의 발생도 억제된다. 수술실은 급성의료(급성질환, 중증환자의 치료를 24시간 체제로 실시하는 의료)의 핵심이며, 그곳에서 일하는 의사와 간호사를 비롯한 의료 종사자에게 편안하고 기능적인 치료환경을 갖추어 주는 것은 우리 환자에게도 생명이 달린 중요한 사항이다. 실제 광촉매 타일을 사용한 새로운 수술실 패키지가 제품화되어 있다.
광촉매 타일의 경우는 어디까지나 표면에 달라붙는 세균이나 바이러스에 효과를 발휘하는 수동적 형태이지만, 보다 더 적극적으로 폐쇄공간의 공기를 순환시켜 공중에 부유하는 세균이나 바이러스를 효율적으로 제거하는 방법도 있다. 이 경우 광촉매식 공기청정기의 기능에서 부유 세균 제거에 초점을 맞추어 고기능화를 요구하는 개발이 이루어지고 있다. 부유 세균 제거의 고기능화에 필수 요소로는 광촉매 필터에 효율적으로 세균이나 바이러스를 접촉시키는 것, 필터 전체에 구석구석 빛이 닿는 구조로 만드는 것이다.
이러한 필터의 대표적인 예로서 3차원 그물 구조를 가진 세라믹 폼과 광촉매 티탄망 필터가 개발되고 있다. 이것은 3차원의 불규칙적인 그물 구조를 가지고 있어 표면적이 넓기 때문에 세균이나 바이러스와의 접촉효율이 좋고, 구멍이 많이 뚫린 구조이므로 공기를 잘 통과시킨다. 그 외에도 표면에 광촉매로는 분해되지 않는 무기화합물이 부착하더라도 필터를 세척하는 것으로 기능을 회복시킬 수 있는 것이나, 고온에서의 광촉매 가공이 가능하여 안정적인 성능을 발휘하는 등의 특징이 있다.
이렇게 개발된 공중 부유 세균 제거장치의 성능은 통상 클린룸에 사용되는 HEPA 필터의 살균성능에 거의 필적하는 것으로 확인되고 있다. 또한 필터 위에 남는 세균이나 바이러스도 거의 없다. HEPA 필터 등 기존의 고성능필터는 필터로 공기를 여과만 하기 때문에 필터 표면에는 세균이나 바이러스가 남아 있어 어떤 특정 조건에서 그들이 증식하여 다시 공기 중으로 배출될 우려가 있다.
광촉매 필터의 경우 필터의 표면에 붙은 세균이나 바이러스는 빛에 노출되러 불활성화되므로 공기 중에 다시 방출되어 2차 감염을 일으킬 염려는 없다. 이것이 광촉매식 공기청정기의 제일 중요한 장점이다. 이미 병원이나 식품공장, 연구기관 등에 많이 도입되고 있기 때문에 향후 타일 등의 수동계와 조합하여 더욱 고성능이 요구되는 무균실과 같은 폐쇄공간이 통째로 광촉매화해 가는 것이 아닐까? 그 연장선에는 국제우주정거장이나 왕복수송기 내부에 응용도 생각할 수 있으며, 이미 실용화를 향한 검토가 시작되고 있다.
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