이산화티타늄이란? (1)

• 이산화티타늄에 대해 알아보자.

이산화티타늄은 금속 원소인 티타늄의 자연발생 산화물이다. 그것은 몇 가지 결정형으로 존재하며, 가장 일반적인 것은 루틸, 아나타아제, 부르카이트이다. 이산화티타늄은 뛰어난 특성 때문에 다양한 산업에 폭넓게 응용되고 있는 것으로 유명하다.

광학특성으로 이산화티타늄은 광산란성이 우수하여 백색안료로 널리 사용되고 있다. 굴절률과 불투명도가 높아 도료, 코팅, 플라스틱, 종이, 화장품, 식품 등에 매우 적합하다. 광촉매 활성은 특정 결정형의 이산화티타늄, 특히 아나타아제 및 루틸은 자외선(UV) 빛에 노출되면 광촉매 활성을 나타낸다. 이 특성은 유기오염물질 분해, 표면 살균 등 다양한 화학반응을 촉매할 수 있어 환경 개선 및 자가 세척 용도에 가치가 있다.

• UV 보호: 이산화티타늄은 자외선을 흡수 산란하는 능력이 있어 자외선 차단제 및 기타 스킨케어 제품에 일반적으로 사용되며 유해한 자외선에 대한 효과적인 보호를 제공함.
• 세라믹과 유리: 이산화티타늄은 세라믹과 유리 제조에 있어 백화제로 사용되며 최종 제품에 밝기와 불투명함을 제공함.
• 촉매: 이산화티타늄은 화학물질 생산, 수소 생산, 환경정화 등 다양한 산업과정에서 촉매 역할을 함.
• 전자 기기 및 포토닉 기기: 이산화티타늄은 태양전지, 가스센서, 색소증감형 태양전지(DSSC), 포토닉 디바이스 제조 등 전자공학과 포토닉스 분야의 응용 분야를 찾음
• 의료 및 의료: 이산화티타늄 나노입자는 약물 전달 시스템, 이미징제, 항균 코팅을 포함한 생물의학적 용도를 위해 연구되고 있음
• 식품첨가물: 이산화티타늄은 식품첨가물(E171)로 사용되어 사탕, 소스, 분말식품 등의 식품에 흰색과 밝기를 제공

널리 사용되고 있음에도 불구하고, 이산화티타늄 나노입자의 잠재적인 건강과 환경에 미치는 영향, 특히 그것들의 흡입과 섭취에 관한 우려가 있습니다. 따라서 현재 진행 중인 연구는 이러한 다양성 있는 소재의 이점을 극대화하면서 이러한 위험을 이해하고 완화하는 데 초점이 맞춰져 있다.

이산화티타늄은 루틸, 아나타제, 브루사이트는 이산화티타늄(TiO2)의 3가지 주요 결정 형태로 각기 다른 결정 구조와 성질을 가지고 있다.

• 루틸: 루틸은 이산화티타늄의 가장 안정적이고 일반적으로 볼 수 있는 결정형이다. 티타늄 원자의 팔면체 배위로 이루어진 정사각형 구조로 결정된다. 루틸 TiO2는 높은 굴절률, 뛰어난 자외선 흡수, 안정성으로 알려져 있습니다. 밝기와 불투명성 때문에 도료, 플라스틱, 종이, 화장품, 자외선 차단제 등에 안료로 널리 사용됩니다. 루틸은 광촉매나 다양한 화학 공정의 촉매로도 사용되고 있다.
• 브루사이트 : 브루사이트는 이산화티타늄의 가장 흔하지 않은 결정 형태이며 루틸이나 아나타제와 관련하여 종종 볼 수 있습니다. 그것은 정마름모의 결정 구조를 가지며, 통상적인 조건 하에서 전이 가능합니다. 브루사이트 TiO2는 또한 광촉매 특성을 가지고 있지만 루틸이나 아나타제에 비해 연구되지 않아 일반적으로 사용되지 않는다.
• 아나타제: 아나타제는 이산화티타늄의 또 다른 결정 형태로 그것은 전이 가능하며 고온에서 루틸로 변환된다. 아나타제는 루틸과 다른 결정 구조를 가지며 정사각형 또는 정마름모 모양의 격자 모양으로 결정된다. 아나타제 TiO2는 강력한 광촉매 활성을 보여 셀프클리닝 표면, 색소 증감 태양전지(DSSC) 등의 태양광 발전 용도로 유용하다.

이러한 다른 결정형 이산화티타늄은 그 구조와 거동에 따라 다양한 성질과 용도를 제공합니다. 연구자들은 재료과학, 촉매, 환경과학, 재생에너지 등의 분야에서 특정 응용 분야에서 각 형태의 고유한 특성을 활용하는 방법을 계속 탐구하고 있다.

 

• 이산화티타늄의 효과로 광촉매 셀프 클리닝에 대해 알아보자.

광촉매 셀프 클리닝이란 통상 이산화티타늄(TiO2)과 같은 광촉매로 코팅된 표면이 빛, 통상 자외선(UV) 빛에 노출되면 유기오염물질을 분해하고 청결을 유지할 수 있는 과정을 말한다. 이 현상은 특정 재료의 광촉매 특성에 의해 발생하며, 유기 화합물의 분해와 오염 분해를 촉진한다.

프로세스는 일반적으로 다음과 같이 작동한다.

• 광촉매 코팅은 다음과 같다. 세척 대상의 표면은 광촉매 물질의 얇은 층, 대부분은 이산화티타늄 나노 입자로 덮여 있다. 이러한 나노 입자는 표면에 부착되어 빛에 노출될 때까지 비활성으로 남아 있다.
• UV 빛의 조사는 다음과 같다. 코팅된 표면이 일반적으로 태양광 또는 인공 광원에서 자외선에 노출되면 광촉매 반응이 시작된다. UV 광에너지는 광촉매 중의 전자를 들뜨게 하여 전자-정공 쌍을 생성한다.
• 활성산소종(ROS) 생성은 광촉매 물질에 생성된 여기전자(e-)와 정공(h+)은 주위 환경에 존재하는 물이나 산소 분자와 반응하여 하이드록실라디칼(•OH)과 슈퍼옥사이드라디칼(•O2-) 등의 활성산소종(ROS)을 생성한다.
• 유기 오염 물질 분해이다. 생성된 ROS는 반응성이 높아 표면에 존재하는 유기오염물질, 세균, 기타 유기오염물질을 산화분해할 수 있다. 이 과정을 통해 오염, 그리스, 유기 화합물이 이산화탄소나 물 등의 무해한 부산물로 분해된다.

셀프 클리닝 작용은 다음과 같다. 유기 오염 물질이 분해되어 표면에서 제거되기 때문에 표면은 깨끗해지고 더 오랫동안 깨끗한 상태를 유지한다. 빗물이나 간단한 헹굼은 자기 세척된 표면을 남기고 분해된 입자를 더 씻어내는 데 도움이 된다. 광촉매의 자기세정은 건축재료(예를 들어 자기세정 유리, 타일), 의료(병원에서의 자기 소독 표면), 자동차(예를 들어 자동차 외장용 자기세정 코팅), 섬유(예를 들어 자기세정포) 등 다양한 산업에서 많은 응용이 있다. 이 기술은 청결을 유지하고 수동 세척 및 화학 세제의 필요성을 줄이기 위한 친환경적이고 지속 가능한 접근 방식을 제공한다.

 

• ROS란?

ROS는 활성산소종을 의미한다. 이것들은 매우 반응성이 높은 분자와 산소 원자를 포함한 라디칼이다. 그것들은 정상적인 세포 대사의 자연 부산물로 형성되는데, 그것들의 생성은 환경오염물질, 방사선, 특정 화학물질 등의 외부 요인에 의해 야기되기도 한다. ROS의 일반적인 예는 다음과 같다.

• 하이드록실 라디칼(•OH)은 하이드록실 라디칼은 UV 빛의 존재 하에서 과산화수소(H2O2)와 금속 이온의 반응에 의해 형성되는 가장 반응성이 높은 ROS 중 하나이다. DNA, 단백질, 지질 등 폭넓은 생체분자와 반응하여 손상을 줄 수 있다.
• 슈퍼옥사이드 라디칼(•O2-)는 슈퍼옥사이드 라디칼은 생물학적 시스템에서 산소의 불완전한 환원 동안 생성된다. 그것은 하이드록실 라디칼보다 반응성이 낮지만 그래도 세포나 조직에 산화적 손상을 일으킬 수 있다.
• 싱글렛 산소(^1O2): 싱글렛 산소는 광합성과 특정 화학반응 사이에 생성되는 반응성이 매우 높은 산소의 형태이다. 그것은 세포막이나 생체 분자에 산화적 손상을 일으킬 수 있다.
• 과산화수소(H2O2): 과산화수소는 프리라디칼 그 자체는 아니지만 철(Fe^2+)과 같은 전이금속 이온의 존재 하에서 펜톤 반응을 통해 고반응성 하이드록실라디칼을 일으킬 수 있다.

ROS는 생물학적 시스템에서 이중 역할을 한다. 한편, 그것들은 세포의 증식, 분화, 면역 반응 등의 세포 프로세스에 관여하는 중요한 신호 분자로서 기능한다. 한편, ROS의 과잉생산은 산화 스트레스로 이어져 세포성분을 손상시키고 암, 신경변성질환, 심혈관질환 등 다양한 질환에 관여한다. 이산화티타늄과 같은 광촉매에 의해 발생하는 ROS는 광촉매 자가 세척의 맥락에서 유기 오염물질 분해 및 오염물질을 산화하여 무해한 부산물로 분해함으로써 표면 세척에 중요한 역할을 한다. 자외선은 가시광보다 짧지만 X선보다 긴 파장을 가지는 전자 방사의 일종으로 파장은 약 10 나노미터에서 400 나노미터이다. 자외선은 인간의 눈에는 보이지 않지만 생물이나 물질에 다양한 영향을 준다.

 

• 이산화티탄늄의 광원인 UV에 대해서

이산화티타늄의 광원으로 사용되는 UV 빛은 일반적으로 파장에 따라 세 가지 주요 범주로 분류된다.

• UVA(자외선 A): UVA 방사선은 320~400나노미터 범위로 자외선 중 가장 파장이 길다. UVA는 짧은 파장의 UVB나 UVC 방사선보다 에너지는 적지만 피부 깊숙이 침투해 피부 노화와 주름을 유발한다. 그것은 특정 피부 상태의 광 요법 등의 몇 가지 의학적 치료에도 사용된다.
• UVB(자외선 B): UVB 방사선의 파장은 280나노미터에서 320나노미터이다. UVA 방사선보다 에너지가 높고, 선탠, 피부 손상, 피부암 위험 증가의 원인이 된다. 하지만 UVB는 피부 비타민D 생성에도 역할을 한다.
• UVC(자외선 C): UVC 방사선은 100나노미터에서 280나노미터 범위의 UV광 중 가장 짧은 파장을 가지고 있다. 그것은 가장 에너지 넘치고 해로운 유형의 자외선이지만, 지구의 대기는 표면에 도달하기 전에 거의 모든 UVC 복사를 흡수한다. UVC는 세균, 바이러스, 기타 미생물을 죽이는 능력이 있기 때문에 물 처리, 공기 정화, 의료 현장에서 일반적으로 살균 목적으로 사용된다.

UV 라이트에는 다음과 같은 다양한 용도와 효과가 있다.

• 태양광: 태양은 자외선의 주요 천연원이다. 자외선은 선탠, 선탠, 피부 비타민D 생성의 원인이 된다.
• 포토테라피: 자외선은 건선, 습진, 황달 등의 증상을 치료하는 데 사용된다.
• 소독: UV 라이트는 수처리장, HVAC 시스템, 살균등 등의 용도로 물, 공기, 표면을 소독하는 데 사용된다.
• 열화: UV 라이트는 플라스틱, 패브릭, 아트워크 등의 재료의 열화, 퇴색, 황변을 시간이 지남에 따라 일으킬 수 있다.
• 광촉매: 자외선은 이산화티타늄과 같은 광촉매 물질을 활성화시킬 수 있으며, 이는 유기 오염 물질을 분해하고 표면에 자기 세정성을 제공할 수 있다. 자외선은 많은 유익한 용도를 가지고 있지만 과도한 노출은 또한 햇볕에 그을림, 조기 피부 노화, 눈 손상, 피부암 위험 증가 등 인간의 건강에 위험을 초래할 수 있다. 유해한 자외선 노출을 최소화하기 위해 자외선 차단제와 방호복 착용 등 예방 조치를 취하는 것이 중요하다.

 

• 참고글

광촉매란 무엇인가