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광촉매는 확산되고 있나?
우리 주변에서 광촉매는 확산되면서 광촉매를 이용한 제품이 많아지면서 광촉매가 일반인에게도 점점 알려지고 있다. 산화티탄이라는 물질에 빛을 쪼이면 일어나는 현상이 광촉매 반응이며, 광촉매에는 강한 산화분해력과 초친수성이라는 두 가지 특별한 성질이 있다.
산화분해력- 물을 분해하여 산소를 발생시키거나 어떤 유기물이든 이산화탄소까지 분해시킴, 초친수성- 물과 친숙하게 되어 물이 표면에 막으로 균일하게 존재, 물을 튕겨내는 발수성과 정반대
광촉매는 아래와 같은 중요한 작용을 하기 때문에 응용범위가 매우 넓어 주변의 여러 분야에서 사용되기 시작하고 있다.
광촉매의 주요 특징 – 스스로 자신을 깨끗하게 하는 광촉매, 주위 환경을 깨긋하게 하는 광촉매: 항균, 항바이러스, 더러움 방지, 김서림 방지, 탈취, 대기정화, 수질정화
광촉매 기술은 지난 10년간 비약적으로 실용화가 진행되었다. 그러나 광촉매 반응은 식물의 광합성과 비슷한 본질적, 기본적인 반응이므로 적용분야는 6대 기능에 그치지 않고 어떤 의미로는 무한한 가능성을 내포하고 있다.
이런 상황에서 어떻게 하면 시대의 요청에 부응할 수 있을지, 또는 한발 앞서서 지속가능한 미래사회에 공헌하는 성과를 만들 수 있을지가 지금부터의 광촉매 연구의 중요한 과제가 될 것이다. 이를 위하여 다양한 시도가 시작되고 있는 시점이므로 먼저 최신 광촉매의 응용분야를 살펴보도록 하자.
이러한 응용 연구를 지원하기 위해서는 기초과학으로 광촉매 반응을 탐구하는 광촉매 과학을 구축해 나가는 것이 중요하다. 도쿄이과대학은 2013년 일본경제산업성의 지원으로 노다캠퍼스에 광촉매국제연구센터를 개설하였다.
광촉매는 일본이 세계를 선도하고 있으므로 본 센터가 국내외의 지식을 집결시키는 세계적인 광촉매의 연구거점이 되리라 기대하고 있다. 그리고 기초과학과 응용 연구의 가교 역할을 하는 성공적인 모델로 전세계에 정보를 발신하여 다른 분야의 연구자들과도 활발한 교류가 이루어지길 희망하고 있으며 광촉매는 확산되고 있었다.
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광촉매는 확산되어 의료에 응용
항균타일은 빠른 시기에 실용화된 광촉매 제품이지만 병원 전용으로 특화된 대형 세라믹패널이 개발되어 수술실 벽 등에 적용이 확대되고 있다. 이러한 대형 광촉매 타일을 수술실 벽에 적용한 사례는 연간 수백 곳에 달한다. 항균, 항바이러스 효과의 지속과 더불어 긁힘이나 더러움에 강하고 각종 소독약을 사용하여도 퇴색 열화에 강화다. 패널의 대영화로 벽면의 이음새를 줄일 수 있게 되어 병원관계자로부터 세균 부착 부분이 크게 줄었다고 호평을 받고 있다. 앞으로는 수술실뿐만 아니라 중환자실을 비롯하여 감염방지가 요구되는 병원의 여러 영역에 사용되리라 기대된다.
의학영역에서는 초친수성을 활용한 마찰계수가 작은 카테테르, 주사기, 내시경카메라의 김서림 방지렌즈 등에 응용 연구도 진행되고 있다. 또한 살균효과를 응용한 카테테르에 적용도 기대되고 있다. 김서림 방지 기능은 유리나 렌즈의 김서림 정도를 정량적, 객관적으로 평가할 수 있는 장치가 개발되어 응용 연구를 추진할 수 있는 환경이 마련되었다. 김서림 방지 성능평가장치는 투과성재료나 거울의 김서림 모습을 영상으로 하여, 명암이나 윤곽, 압축 중 하나의 방법으로 해석하여 김서림 정도를 수치화한다.
재료 표면의 온도나 습도를 조절하면서 초발수에서 초친수까지 정량적으로 평가하고 실시간으로 김서림 상태를 파악할 수 있는 뛰어난 장치이다.
광촉매는 세균이나 바이러스를 사멸시킬 뿐만 아니라 그 잔재까지 분해하는 힘도 가지고 있어 암세포에 대해서도 같은 효과를 발휘하는 것이 확인되고 있다. 우리가 수행한 전형적 발암세포(히라세포)에 대한 광촉매의 세포사멸효과를 보여주는 사례이다. 지금까지 이상으로 광촉매를 활용한 암의 광화학요법을 개발하고 싶다는 생각이 있다.
또한 앞으로는 예방이 바로 최대의 치료의 시대가 될 것으로 알려져 있다. 예를 들면 유아를 중심으로 여름철 유행하는 질병의 하나로 수족구병이 있다. 엔테로바이러스 등이 원인 감염증으로 입 안이나 손, 발에 나타나는 발진이 주요 증상이지만 드물게 뇌막염 등 합병증을 일으키기도 하다.
수족구병은 재채기에 침방울이나 대변을 통해 전염되기 때문에 어린이집 등에서 집단감염을 일으키기 쉬운 질병이다. 예방으로는 손씻기가 기본이지만 유아 주변에 있는 장난감이나 그림책, 타올 등을 광촉매로 코팅하면 예방효과가 있으리라 기대하고 있다. 구체적으로 하나의 전염병을 대상으로 효과적인 광촉매 예방법을 확립한다면 결국에는 다른 전염병에도 응용 가능한 연구 결과가 얻어지리라 생각하고 있다.
식중독의 원인이 되는 세균 중에는 가열이나 소독으로는 사멸되지 않는 강한 내성을 갖는 것이 있다. 이것은 세균이 기아상태가 되면 균의 가장 바깥쪽에 아포라는 두꺼운 단백질의 껍질을 만들기 때문이라고 알려져 있다. 광촉매를 이용한 광촉매 모기포집기의 시작품 개발도 진행하고 있다. 광촉매작용으로 발생한 이산화탄소로 모기를 유인한 후 모인 모기를 팬의 흡입력으로 잡는 간단한 구조이다.
향후 일본 국내에서의 활용뿐만 아니라 모기가 매개역할을 하는 말라리라 등의 전염병으로 어려움을 겪고 있는 아프리카나 동남아시아 국가게 설치되길 기대하고 있다. 최근 일본에서도 뎅기열에 감염된 모기가 걱정이다. 뎅기열이나 말라리아 등 모기 전염을 매개하는 것은 흡열모기(암컷)이다. 흡열모기를 유인하는 방법으로 탄산가스, 냄새(젖산 등 유인물질), 따뜻한 온도, 색상 등이 알려져 있다.
산화티탄과 자외선을 이용한 모기포집기로는 산화티탄에 부착한 오염물질 등을 광촉매 효과(산화분해력)에 의해 탄산가스로 분해하여 자외선과 시너지효과로 모기를 모아 흡입하는 방식의 모기포집기가 이미 시판되고 있다.
도쿄이과대학 연구그룹에서는 유기가스의 높은 분해효율을 갖는 산화티탄 광촉매 시트를 적용하여 위의 4가지 유인요인을 효과적으로 활용한 모기포집기를 개발하였다. 새롭게 개발한 산화티탄 광촉매 시트를 모기포집기에 적용하므로써 유기가스의 분해효율 즉 탄산가스의 발생효율을 높여 시판 제품에 비해 모기 포집효율을 높이는데 성공하였다.
치과영역에 있었서도 광촉매는 확산되고 적용이 오랫동안 시도되어 왔다. 하나는 미백으로 치아를 하얗게 하기 위한 노력이다. 또한 임플란트(인공치근)나 틀니세정제 또는 틀니 그 자체에 응용하는 것도 검토되고 있다.
치과 영역에서 아파타이트는 인공 뼈와 임플란트 등으로 친숙한 재료이며 세균이나 단백질을 흡착하는 성질이 있다고 알려져 있다. 그래서 아파타이트, 산화티탄, 불소를 복합화하여 틀니 사용 시 흡착된 세균이나 단백질을 취침시간에 광촉매로 분해하는 틀니 개발로 이루어지고 있다. 구강관리는 폐렴 등의 감염 예방에 도움이 된다. 여기에 광촉매를 활용하여 구강케어의 효과를 더욱 높이는 것은 예방이 바로 최대의 치료 시대의 요구에 부합하는 노력이 아닐까 싶다. 이렇듯 우리 주위에 광촉매는 확산되고 있다.
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농업, 바이오 분야에의 광촉매는 확산, 응용
광촉매는 확산되면서 이를 이용하여 차세대농업에 활용하려는 노력도 시작되었다. 도쿄이과대학의 광촉매국제연구센터 건물 내에 식물공장의 모델을 만들고, 다양한 광촉매 기술을 적용하여 약초 등 부가가치가 높은 식물의 재배를 시도하고 있다. 도쿄이과대학은 약학 및 바이오계 학부가 충실하기 때문에 학부간 연계 연구를 통하여 도쿄이과대학만의 좋은 성과를 달성하고 싶은 생각이 있다.
산화티탄 광촉매판에 씨앗을 뿌리고 자외선을 조사하는 간단한 작업이지만, 광촉매반응에 의해 발행하는 활성산소가 씨앗을 자극하여 발아율이 향상되는 것으로 생각하고 있으며 현재 정확한 매커니즘을 해석 중이다.
약초 등 일부 작물의 낮은 발아율이 문제가 되고 있기에 광촉매로 발아율을 향상시킬 수 있다면, 농작물 재배의 효율호와 비용절감으로 이어지니라 기대된다.
바이오분야의 토픽으로는 광촉매로 쉽게 희소당을 만들어지는 것을 발견하였다. 희소당이란 자연계에는 드물게 존재하는 단당과 그 유도체를 일컫는데, 충치예방 효과가 있는 것으로 알려진 자일리톨 같은 다양한 생리활성기능을 가지는 것으로 알려져 있다. 또한 항암작용이나 항염증작용을 가지는 것도 발견되고 있다. 희소당 생산법으로는 효소나 화학약품을 이용하는 방법이 있지만, 대부분 고비용이거나 복잡한 공정으로 생산된다.
포도당이나 젖당처럼 저렴한 당을 광촉매와 반으시켜 릭소스나 에리스로스 같은 고가의 희소당이나 지금까지 시판되지 않은 새로운 당의 합성에 성공하였다. 계속 희소당의 생물활성을 자세히 조사하고 있으며, 항암제 등 약품으로 응용 연구를 진행 중이다.
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쾌적한 생활의 버팀목 광촉매
21세기 들어 가시광에 반응하는 고감도 광촉매의 개발이 활발히 진행되고 있다. 양자역학적 계산에서 산화티탄 결정 중의 산소 일부를 산소와 유사하게 작용하는 다른 원소의 음이온으로 대체하면 가시광을 흡수할 수 있다는 것을 알았다.
질소나 황, 탄소 등의 원소가 후보물질로 검토되어 이들을 첨가함으로서 가시광에 반응하는 광촉매 재료가 탄생하게 되었다. 산화티탄 이외에도 탄탈화합물인 탄탈옥시나이트라이드계 또는 산화텅스텐, 산화티탄과 산화텅스텐의 복합화 등 다양한 가능성이 시도되고 있다. 산화텅스텐이 광촉매 활성을 갖는다는 것은 이전부터 알려져 있었지만, 충분한 감도르 얻지 못하여 실용화까지 이르지 못하였다.
그러나 최근 도시바 등에서 결정구조를 조정하여 전하의 분리효율을 높이기나 입자크기를 작게 하여 대상 물질과의 접촉 면적을 늘리는 등의 연구가 진행되면서, 고감도화 나아가 가시광화가 달성되면서 빠르게 실용화가 이루어지고 있다.
산화텅스텐을 섬유 제조 시 혼합하거나 코팅하는 방법으로 다양한 재료에 도입하고 있다. 도입 사례는 호텔이나 병원, 요양시설, 어린이집, 중고차업계로 확산되고 있다. 중고차나 렌트카업계에서 이전 사용자의 냄새를 제거하는데 큰 수료가 있으며 가시광 광촉매에 의한 탈취효과를 활용하는 것이다.
광촉매의 응용연구에 있어서도 산학협력의 성과가 나오기 시작하여 제품의 실용화 사례가 늘고 있다. 예를 들면 후지쯔에서는 티탄아파타이트라는 고성능 광촉매 재료의 개발과 제품화가 진행되고 있다. 이 물질은 인간의 뼈나 치아에 포함된 칼슘하이드록시아파타이트에 산화티탄을 혼합하여 제조한다.
칼슘하이드록시아파타이트가 원래 가지고 있는 흡착하기 쉬운 성질에 광촉매의 세균이나 바이러스, 유기물을 분해하는 성질을 접목하여 흡착, 산화분해력이 뛰어난 광촉매 재료가 된 것이다. 또한 항균볼펜, 카펫 등도 제품화되어 있으며, 공기청정기의 필터에도 사용되고 있다. 기업간의 라이센스 계약도 증가하고 있어 휴대폰이나 태블릿 단말기, PC의 키보드 등을 포함하여 앞으로 더욱 많은 제품이 개발될 것으로 보인다. 이처럼 다양한 제품으로 광촉매는 확산되고 있다.
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