도로면과 도로주변을 깨끗이 하는 광촉매 8

도로면과 도로주변을 깨끗이 하는 광촉매에 대해 알아보자.

 

•  배수성을 높이는 고기능 도로포장

최근 도로 포장기술이 고기능화되고 있다는 것을 알고 있는가? 비오는 날에 고속도로 등을 달리고 있으면, 물보라가 생겨 앞을 쉽게 볼 수 없는 곳이 있는 반면. 어떤 구간에서는 표면에 빗물이 고여 있지 않고, 물보라도 튀지 않기 때문에 시야가 좋은 곳이 있다는 것을 눈치챈 사람도 많을 것이다. 이것이 고기능 도로포장이라는 것으로 도로포장의 표층 부분에 기존보다 공간을 많게 하여 배수성을 높였기 때문이다. 내린 비가 노면에 모이지 않고 그 틈새에 침투하기 때문에 자동차가 만드는 물보라를 크게 줄여 시야가 양호하게 유지된다.

고기능 도로포장의 장점은 그것에만 그치지 않았다. 주행 중인 자동차에서 나는 소음은 자동차가 많은 장소일수록 주변지역의 환경에 악영향을 미치지만. 틈새가 많은 고기능 포장 부분에서는 이러한 소음을 흡수하여 줄일 수 있어 환경대책의 효과도 있다.

•  도로면의 공기를 깨끗이 하는 포토로드공법 이란?

이처럼 뛰어난 기술인 고기능 도로포장을 한층 업그레이드시키는 데 성공한 것이 광촉매를 이용하여 도로면의 공기를 정화하는 포토로드공법이다. 배수성이 높은 틈새가 많은 고기능 도로포장의 표면을 특수 시멘트계 고정화재를 이용하여 광촉매를 코팅함으로써, 자동차의 배출가스에 포함된 질소산화물(NOx) 등의 오염물질을 분해하여 제거할 수 있다.

자동차에서 나온 배출가스가 대기 중으로 널리 확산되기 전에 도로면의 근처에서 제거하려는 발상이 훌륭하다. 꽤 오래 전의 일이 되었지만, 이렇게 개발된 후지타 도로가 닛케이 BP 기술상(2004년)과 제1회 Eco-products 대상(2004년)을 수상하였다.

•  NOx 제거를 위한 특별한 유지 관리가 필요없다.

NOx는 대기오염을 일으키는 물질로서 일산화질소(NO)와 이산화질소로 이루어져 있다. 대기오염의 상시 감시에서는 이 두 물질의 합을 모니터링하고 있다. 자동차에서 배출된 NOx는 노면에 코팅된 광촉매와 태양광의 작용에 의해 산화되어, 광촉매 고정제의 주성분인 칼슘과 결합하여 중성의 질산칼슘으로 일단 도로 표면에 고정된다. 여기에 비가 내리면, 이 질산칼슘은 무해한 질산이온과 칼슘이온으로 씻겨 내려가 도로표면은 원래 상태로 돌아간다.

포토로드공법의 가장 큰 특징은 일단 시공이 완료된 후에는 외장용 광촉매 타일과 마탄가지로 공기를 정화하기 위한 에너지원은 태양광과 빗물이라는 자연의 힘 뿐이며, 전력 등의 동력이나 특별한 유지관리가 필요하지 않다는 점이다. 또 다른 장점은 도로표면에 광촉매를 코팅하여 도로의 내마모성이 향상되는 것을 들 수 있다.

포토로드공법은 일본국내기업이 협력하여 공동개발한 기술로 지금까지 환상 7호선, 메이지선(도교도), 국도 14호와 16호, 지방도로 이치카와우라야스선(치바현), 사이타마 신도심내, 히카와 신사 참배길(사이타마현), 아나가사시 모토하마녹지내(효고현) 등 다수의 실적이 있다. 또한 해외에서는 파리(프랑스), 베르가모(이탈리아), 앤트와프(벨기에) 등의 도시에서 실증실험으로 좋은 성적을 얻고 있다고 한다.

모든 길은 로마로 통한다며 제국 내 구석구석까지 군사도로를 계속 만들어 나간 옛 로마인을 생각하면서, 언젠가 세계의 도로에 포장된 광촉매가 공기를 정화하는 날을 꿈꾸어 본다.

•  터널 내부 정체 해결! 광촉매 코팅 터널 조명기구

죠신에츠자동차도로는 1998년 나가노올림픽 개최에 맞춰 건설되었으며, 그 때 처음으로 광촉매를 코팅한 터널 조명기구가 사용되었다. 평소 고속도로의 터널을 통과하면서 조명기구에 신경 쓰는 사람은 적을 것으로 생각하지만, 터널 부근에서 차선 통제가 행해지면서 정체에 휘말려 곤란했던 경험이 있다면 누구나 조명기구가 생각날 수도 있을 것이다.

자동차의 배출가스에서는 NOx뿐만 아니라 오일과 카본 등도 포함되어 있기 때문에, 터널의 조명기구는 그을음으로 검게 얼룩지기 쉬워 밝기가 감소하는 문제가 있다. 어두운 터널에서는 사고의 위험이 증가되기 때문에 정기적인 청소로 그을음을 제거한다. 즉 안전을 위해 터널 내 조명기구를 정기적으로 청소해야 할 필요가 있으며 이를 위한 차선 통제 등으로 정체를 촉발시키며, 청소원의 작업은 항상 위험에 처하게 되는 문제를 일으킨다.

이러한 상황을 완화하기 위한 방안의 하나로 터널 내 조명기구의 커버 유리를 광촉매의 셀프클리닝 기능을 갖게 하는 것이 일본도로공단에서 제안되어 실증실험을 거쳐 나가노올림픽 때 실현한 것이다. 1996년에 우리 연구진은 이 성과를 계기로 일본 사단법인조명학회로부터 일본조명상을 받았다.

응용연구를 시작한 초기에는 오염물질을 산화분해하여 저감시키는 것만의 기술이라든지, 세상에 있어도 그만, 없어도 그만인 기술 아닌가? 라는 소리도 들려왔지만, 그것이 고속도로의 정체극복이나 작업원의 안전성 향상에 조금이라도 도움이 된다는 것은 연구그룹의 연구 동기를 더욱 높이는 데에도 연결되었다. 스스로 빛을 내는 광원인 조명기구와 반응에는 반드시 빛이 필요한 광촉매와의 궁합이 잘 맞아 떨어진 것이 고속도로 터널 내부라는 어려운 상황에서 증명된 것으로, 그 후 조명기구의 오염방지효과 기술은 도로 등이나 가로등과 같이 도로 주변의 옥외 조명기구에 적용되어 갔다.

이 사례에 의해 당시 도시바라이텍에서 연구가 진행되어 새로운 광촉매 코팅 형광등이 개발되었다. 형광관의 표면에 광촉매 박막을 코팅하는 것으로 현재도 시판되고 있다.

•  방음벽, 도로 표지판 등 간판은 보물의 산?

터널 내부 조명기구는 스스로 광원이 되어 광촉매 반응의 효과를 이끌어내지만, 그 외의 도로 주변의 각종 자재에서는 태양광과 강우라는 자연에너지를 활용하여 광촉매 반응 효과를 얻을 수 있다. 예를 하나 들면, 고속도로에 설치된 폴리카보네이트 투명 방음벽이 있다. 투명하다면 자동차를 타고 가는 사람도, 주변 주민들도 시야를 확보할 수 있어 답답함을 줄이는데 도움이 된다. 그러나 자동차 배출가스 등으로 더렵혀져 투명하지 않아 오히려 경관을 손상시키는 곳도 적지 않다고 들었다.

이런 곳에 광촉매를 코팅하여 셀프클리닝 효과를 갖게 하면 시야 확보에 도움이 된다. 마찬가지로 잘 더렵혀지지 않는 도로 표지판, 시선 유도판이나 도로반사경 뿐만 아니라 길가의 간판 등에 응용도 추진되고 있다. 향후 더 나아가 도로반사경 등의 응용이 추진되길 기대하고 있다. 도로반사경은 비나 눈, 안개 등의 날씨에는 흐려지기 쉬워 시야 확보가 어려운 면이 있다. 도로의 안전성 향상의 관점에서도 중요한 응용 분야이다.

•  교량랩핑으로 고가도로 아래를 밝고 즐거운 장소로

로마 제국 내에서 구석구석까지 계속 만들어 나간 군사도로에서는 다리가 중요한 요소였으며, 오늘날에도 도로에서 교량의 중요성에는 변함이 없다. 또한 현대는 도로 위에 고가도로를 놓아 여러 층의 도로를 통과시키는 곳도 많다.

이러한 고가도로에는 안전을 위한 보수 점검, 미관 유지를 빼놓을 수 없는데 실제로는 오염이나 노화에 의해 어두컴컴하거나, 외지거나 위험한 장로 변해버려 주변 도시 전체의 경관에도 어두운 인상을 주는 장소를 더러 볼 수 있다. 도쿄를 둘러보면 수도고속도로를 비롯해 가급적이면 도쿄올림픽 전에 좀 더 밝은 경관의 고가도로로 만들 수 없ㅇ르까 하는 생각이 든다. 이런 과제 해결책의 한 방법으로 광촉매 코팅막 재료를 사용한 교량랩핑(막식교량외장공법)이라는 독특한 기법이 타이요공업에서 제안되어 실용화가 시작되고 있다.

광촉매 막재료에 대해서는 제2장 건축분야의 응용에서 소개하였으며, 일본에서 세계 각국으로 보급하고 있다. 이것은 하얗고 자유로운 형상이 가능하기 때문에 디자인 특성이 요구되는 미술관이나 상업시설, 공공시설에서도 많이 채용되고 있다. 고가도로에 대해서도 지금까지 철 등의 금속이 노출된 회색빛의 어두운 이미지로부터 탈피하여 흰 막재료의 곡면으로 구성되는 밝고 쾌적한 경관으로 바꿀 수 있다.

도시경관은 그곳에 사는 주민과 그것을 찾는 여행객들에게 큰 심리적 영향을 미친다. 그러므로 하나의 다리나 고가도로 아래를 어떻게 처리하려는 개별적인 대응 이전에 도시 전체 인프라 디자인의 문제로 인식하고, 대국적인 관점에서 정비해 나가는 것이 중요하지 않을까 생각한다.

•  교량랩핑의 3가지 장점

교량랩핑의 장점을 정리해 보면, 환경개선 효과로 다음 3가지를 들 수 있다.

1.  광촉매의 셀프클리닝 효과로 쉽게 더러워지지 않으면서 흰색을 유지하는 막재료는 빛의 반사율이 높고, 다리 아래의 공간 전체를 밝은 분위기도 바꿀 수 있다.
2.  교량을 막재료로 씌우는 것으로 자동차의 주행 소음을 줄이는 효과가 있으며, 더욱이 막재료에 의한 곡면은 바람을 원활하게 흐르게 하여 바람으로 인한 소리도 감소시킨다.
3.  배출가스에 포함된 질소산화물 등을 제거하고 주위의 공기를 정화하는 효과가 있다.

또한 내구성이나 안전성에 기여할 수 있는 장점으로 1) 교량을 막으로 덮기 때문에 금속부분이 녹는 것을 방지, 2) 막으로 자외선을 차단하기 때문에 교량 본체 도장의 열화를 늦추어 재도장 등 유지보수 비용 절감, 3) 막재료의 내부는 구석구석까지 밝기 때문에 점검 작업 등을 원활하게 할 수 있는 등의 장점이 있다. 이 공법은 이미 일본 국토교통성 및 수도고속도로에서 인정을 받고 있다. 또한 지금 주목받고 있는 막재료와 조명의 조합이다. 세계 각지에서 건설된 막구조건축물에는 빛을 부드럽게 투과하는 막의 특성을 살려 야간에 라이트를 켜기도 하고 영상을 투영하기도 하여 고유의 존재감을 자아내는 아이디어를 짜내고 있다.

교량랩핑에서도 향후 야간 조명효과를 포함하여 도시경관을 밝게 변화시켜 나가지 않을까?

•  토요타자동차의 고급차에 표준 정착된 사이드미러

도로나 도로 주변에 다양하게 응용되고 있는 광촉매가 자동차 본체에도 응용이 진행되고 있다. 하나는 사이드미러에 응용이다. 비오는 날 등 사이드미러가 흐려져 잘 보이지 않는 것은 안전성면에서나 쾌적한 운전의 관점에서 어떻게든 해결해야 할 과제였다.

광촉매의 초친수성 효과에 의해 물방울이 맺히지 않고 젖은 상태로 퍼지기 때문에 거울이 흐려지지 않아 양호한 시야를 확보할 수 있다. 또한 어두운 곳에서도 비교적 친수성이 뛰어난 실리카를 첨가하여 빛이 없는 경우에도 김서림 방지 효과를 유지할 수 있도록 설계되고 있다. 현재는 도요타자동차의 고급차 등에 표준으로 장착되고 있고, 다른 제조회사의 승용차에도 보급되기 시작하고 있다.

건축분야에서 널리 응용되고 있는 셀프클리닝 효과가 자동차의 본체 코팅 분야에도 얼룩방지 코팅법으로 사용되기 시작하고 있다. 그러나 자가용에 응용은 해결하여야 할 과제가 많기 때문에, 차체에 광촉매 코팅은 버스나 트럭부터 시작하는 것이 좋을 것 같다.

차내의 공기를 정화하는 관점에서는 제2장에서 소개한 휴대 가능한 크기의 광촉매식 공기청정기에 차량용 어댑터를 붙인 것 등이 만들어져 있다.

항공편의 응용에서 과일이나 화훼 등의 생물을 공수하기 위해 광촉매 코팅 항공컨테이너가 개발되고 잇다는 점을 소개했지만, 마찬가지로 트럭에 의한 육상운송 시 신선도 유지에도 응용되고 있다.

 

• 참고글

광촉매란 무엇인가

광촉매 효과 극대화 방법