광촉매를 활용한 공기정화 연구개발 및 기술현황, 국내외 특허 동향에 대해 알아보자.
1. 공기정화 연구개발 및 기술현황 국내현황
실외에서 적용 가능한 정화 소재, 장치 개발 등의 공기정화 기술은 현재 관심도가 높아지면서 다양한 연구 개발이 이루어지고 있으나, 실내 공기정화 기술에 비해서는 부족한 실정이다. 국내 미세먼지 규제가 강화되면서 미세먼지 저감을 위한 다양한 설비 개발이 이루어지고 있으며 습식 전기집진기, 정전응집기 등 대부분 산업 설비의 배기 후처리 장치 개발에만 집중되어 있으나 대기오염 문제가 심각해지면서 도심지의 미세먼지 저감 기술로는 확장될 것으로 예상된다.
최근 미세먼지 대표적인 처리 기법으로는 정전기력을 이용한 전기적 집진, 필터 방식의 여과 집진, 원심력 집진, 습식 집진 등이 있으며 미세먼지 입자를 제거하기 위한 장치이다. 초미세먼지 원인물질인 NOx, SOx, NH3, VOCs 등을 제거하기 위한 방법으로 촉매반응을 활용하는 방법이 있다. 그러나 광촉매 활용 필터는 세라믹 또는 섬유 계열의 필터에 광촉매를 코팅하거나 이산화티타늄 분말을 가공한 필터로 탈취와 같은 VOCs 저감 효과에 한정된다.
국내 미세먼지 문제를 해결하기 위해 미세먼지 집진 후 정화된 공기를 배출하는 과정에서 초미세먼지 원인 물질인 NOx를 제거하기 위한 광촉매 활용 콘크리트 필터 관련 시도는 없었다. 상용되는 광촉매 분말을 직접 시멘트에 바인더로 혼합하여 사용할 경우 나노 크기의 영향으로 시멘트 메트릭스내에서 재응집을 하여 분산력이 떨어져 사용량에 따라서는 강도 및 작업성이 크게 저하하는 경향을 나타냈다. 최근에는 광촉매를 건설 재료에 효과적으로 활용하기 위하여 적절한 고체 지지체 상에 직접 물리적으로 코팅하는 sputtering법 등이 일본 등 선진국에서 시도되고 있다. 이에 광촉매 성능 발현을 극대화하고 무기바인더인 시멘트에 적용하기 쉽도록 sol-gel법을 이용하여 지지체에 이산화티타늄 코팅하는 방법을 통해 광촉매의 시멘트내 분산 기술을 개발할 필요가 있다.
다공성 콘크리트는 구조용 재료로만 생각해오던 시멘트 콘크리트를 도시 미관과 경관을 조화시키기 위해 식생 콘크리트, 투수 블록, 방음벽 소재 등 환경 친화적인 콘크리트 제조에 적용하였을 뿐 미세먼지를 감소시키기 위한 필터 개념의 건설 소재 적용을 위한 시도는 국내외적으로 전혀 없다. 식생 콘크리트의 경우 배수를 위한 연속 공극을 형성하기 위해 골재입자의 크기를 한정시킨 굵은 골재를 시멘트 모르타르나 페이스트로 결합시킨 다공성 콘크리트 또는 포러스 콘크리트를 통해 제조하였다. 대개 포러스의 공극률은 5~35%를 형성하며 투수 콘트리트, 흡음 콘크리트, 식생 콘크리트가 대표적이다.
미세먼지 처리기법 원리
- 전기적 집진: 정전기력을 이용하여 먼지 및 미스트 등의 입자들을 코로나 방전에 의해 하전시킨 후 집진 전극 표면으로 이동시켜 포집하는 원리 이용, 작은 입자 제거에 효과적이다.
- 여과 집진: 기상이나 액상 중의 작은 고형물을 제거하기 위한 여과체로 미세먼지 제어를 위해 사용하는 섬유 필터는 연소가스로부터 입자상 오염물질을 분리하는 데 매우 효과적, 타 집진 방식에 저렴하다.
- 원심력 집진: 먼지를 함유한 공기를 원통 내에서 회전시켜 그 원심력으로 먼지를 외측으로 분리시켜 집진하는 원리 이용, 미립자를 포집하기 위해서는 소형 사이클론을 필요한 수만큼 병렬로 설치, 운전 시 압력 손실이 높아 에너지 소비가 많고 마모성 분진에 취약하다.
- 촉매반응: 촉매는 반응속도 변화 및 반응 개시 등의 역할을 수행하며 배기가스의 질산화물 및 황산화물 처리시 산화 환원 반응에 주로 활용, 빛을 흡수해서 촉매 반응을 일으켜 각종 세균과 오염물질을 분해시키는 반도체 물질로 광촉매가 활용된다.
- 습식 집진: 물에 의해 분진을 세정, 분리하는 방식으로 관련 장치로는 세정탑, 분무조, 스크레이퍼 등이 있으며 친수성 분진 및 퓸 외에 미스트나 가용성 가스, 증기 등을 제거, 세정액의 처리 및 세정액에 의한 장치 부식이 우려된다.
미세먼지 저감 기술 개발 동향
- 극미세 마이크로 탄소섬유를 이용한 습식 공기정화 기술: 필터 없이 물과 정전기만으로 초미세먼지를 제거할 수 있는 기술로 마이크로 탄소섬유 방전극을 이용해 미세먼지를 하전시킨 뒤, 고강도의 전기장이 형성된 집진 패널로 포집, 하전된 미세먼지 입자는 물이 흘러내리도록 설계하여 제거
- 기능성 나노섬유 기반 초미세먼지 필터: 미세먼지 헤파 필터는 미세먼지 포집 효율이 좋아 가장 널리 사용된다. 하지만 압력 손실이 많아 전력 소모량이 크고 소음과 진동이 발생. 반응성 이온 에칭 공정 기술을 전기 방사된 고분자 나노섬유 소재에 적용하여, 섬유의 두께를 현저히 줄었으며 주입된 산소 가스를 통해 화학적 표면 처리를 하여 집진 효율 극대화
- 고성능 저비용 조합형 집진 시스템: 이중벽 구조의 저압송 사이클론과 새로운 방식의 필터 재생 시스템을 결합하여 초미세먼지를 90% 이상 제거할 수 잇는 기술, 1차 집진부 저압송 사이클론에서 유입된 먼지가 70% 이상 제거된 후 나머지 먼지가 2차 집진부인 백필터 집진기로 유입되어 여과 필터의 부하량을 감소시키는 원리를 이용
- 버스정류장 공간 분리형 미세먼지 저감 기술: 버스정류장에 사물인터넷을 기반으로 한 미세먼지 집진 모듈을 적용하여 정류장 내부의 미세먼지 농도를 외부 농도 대비 50% 이상 저감하는 것을 목표로 연구 수행
- 저비용 고성능 광촉매를 활용한 미세먼지 저감 건설 기술: 대기 중 미세먼지 전구물질을 제거할 수 있는 광촉매 기반의 도로 및 다중이용 시설물용 건설 자재 및 적용 기술 개발 중
- 무필터 초미세먼지 정화 장치: 응축 성장형 무필터 초미세먼지 정화 장치는 물을 이용한 초미세먼지의 고속 응축 성장을 통해 조대화된 입자를 제거하는 원리를 이용. 단열 팽창에 의한 냉각 효과를 얻기 위해 사용된 멀티 노즐이 팬 부하의 상승을 가져와 활용 범위가 제한적이다.
2. 공기정화 연구개발 및 기술현황 국외현황
미국과 일본을 중심으로 산업용 필터, 공기청정 필터, 자동차용 필터 등 소재 기술이 개발되고 있으나 주로 공기청정기, 차량용, 산업용으로 대기 환경에서의 미세먼지 저감 기술은 현재 개발 중에 있다.
대기오염 저감 장치 분야에서 최근 유럽, 중국에서는 직접 대기 중의 공기를 흡입하여 정화하는 스모그 프리 타워 프로젝트가 추진되고 있다. 네덜란드의 스모그 프리타워(공기정화탑) 아이디어는 2015년에 발표되었고 2016년 9월 중국 베이징에 설치된 타워의 높이는 약 7m로 공기정화기로 매 시간 3,000㎥ 정화하면서 유해독성 입자를 75% 이상 저감이 가능하다고 발표했다. 중국과학원 지구환경연구소가 중국 서부 산시성 수도 시안시에 스모그 제거탑을 건설하였고 시험 가동을 실사하였다. 스모그 제거탑의 높이는 약 100m로 주변의 오염된 공기가 타워 주변의 유리 온실 안으로 빨려 들어가 온실 주변의 태양광 패널로 오염된 공기를 가열하여 뜨거운 공기가 탑을 통해 상승하면서 필터를 통과해 정화되는 구조이다. 타워의 주변 12곳의 공기질 측정소에서 효과를 살핀 결과 10㎢ 지역에 매일 1,000만㎥의 깨끗한 공기가 생산되었으며, 특히 대기오염이 심각한 날 초미세먼지 평균 농도가 15% 감소하였다.
3. 공기정화에 활용된 광촉매 국내외 특허 동향 분석
국가별 특허출원 동향에서 일본 특허의 경우, 1990년대 중반에 다른나라에 비하여 가장 먼저 광촉매 관련 특허출원이 급격히 증가하는 경향을 띄기 시작하였다. 이후 2000년대 중반까지 10여 년간 광촉매 제조 및 활용 기술에 대한 다양한 연구 개발이 활발하게 진행되어 왔던 것으로 보이나 2000년대 중반 이후에는 특허출원이 감소세에 들어선 것으로 파악되었다. 일본이 광촉매 활용기술 분야의 기술 개발을 주도하여 왔기에 일본의 특허출원이 전체 대비 상당한 점유율을 차지하고 있어 전체 연도별 특허동향은 이러한 일본의 연도별 특허동향과 거의 유사한 추세를 보인다. 이러한 최근의 특허출원 감소 추세는 광촉매가 적용되는 애플리케이션에 대한 연구 개발이 10년 이상에 걸쳐 다양하게 진행되어 왔기에 성숙기에 접어들어선 것으로 분석된다.
전체 출원 중 1989년~2003년은 기술 개발이 급격하게 성장한 성장 단계를 나타내며, 1999년~2008년도 출원 건수와 출원인 수가 계속 증가하는 성장기이나, 그 성장 속도가 점차 느려지면서 성숙기에 접어들기 시작하였고, 2004년~2013년은 성숙기 이후 연구 개발이 다소 정체되기 시작한 쇠퇴기에 들어선 것으로 파악된다.
주요 국가별로 기술성장 단계를 나타낸 경우 일본의 기술 위치는 1989년~2003년까지 출원 건수와 출원인의 수가 모두 매우 빠른 속도로 증가하는 급격한 성장기의 단계에 있었지만, 2004년~2008년부터 성숙기 및 쇠퇴기에 들어선 것으로 보이며, 최근 2009년~2013년에서도 회복기에 진입한 모습이 보여주지 못하고 있는 것으로 파악된다.
미국과 유럽의 기술 위치는 1989년~2008년까지의 성장기를 지나 2009년~2013년에서는 성숙기 내지 쇠퇴기에 접어든 것으로 파악된다. 한국의 기술 위치는 1994년~2008년까지의 급격한 성장기를 지나 2009년~2013년에서는 성숙기 내지 쇠퇴기에 접어든 것으로 파악된다.
일본과 유럽의 주요 출원인들은 광촉매를 활용한 애플리케이션 제품에 대한 특허출원을 도로시설물 적용 분야 및 생활환경 시설물 적용 분야 전반에 걸쳐 이미 다수 진행하여 온 것으로 파악되고 국내에서도 이 추세를 따라가고 있다. 대기환경 문제가 대두되면서 도심지를 중심으로 한 토목, 건축 시설물과 관련한 광촉매 애플리케이션 시장 영역이 확대할 것으로 판단되며 광촉매를 활용한 도로시설물 및 생활환경 시설물 제품 분야가 회복기 및 재성장기로 발돋움할 수 있다고 판단된다.
차량 이동이 많은 도심지 터널 공간 및 외부 대기의 미세먼지 저감을 통한 공기질 개선을 위해 오염 원인물질 NOx, SOx를 분해하는 광촉매 건설재료의 적용 기술 개발이 시급하다.
대기산업에서는 실외 대기오염, 미세먼지, 악취 등을 관리하기 위해 배연탈황시설, 집진시설, 방지시설 등을 개발, 활용하고 있다. 국내 대기산업체는 9%의 중견, 대기업이 78%의 매출 점유를 하고 있는 실정인데 중소기업의 비중이 91%에 달하며, 업체당 평균 매출액에 30억 원에 불과하여 전반적으로 영세한 수준이다. 국내 대기시장 규모는 지속적으로 성장하고 있다.
광촉매 시장 구조는 이산화티타늄 분체 등의 1차 원료 시장, 코팅제 등의 2차 원료 시장 그리고 1,2차 원료를 이용한 제품 시장으로 구성되며, 광촉매 원료를 이용한 광촉매의 응용 범위가 매우 광범위하다. 광촉매 원료는 내외장재, 도로자재, 정화기기용 산업에서 응용 사용되어 관련 시장규모가 증가할 것으로 예상된다. 광촉매 소재 시장은 응용제품 시장보다 상대적으로 규모가 작으나 실내외 코팅 시장에 적용되는 광촉매 코팅용액의 경우 광촉매 소재 시장보다 시장규모가 확대될 것으로 예측된다. 광촉매 적용 가능 산업분야는 크게 원료 분야, 대기환경, 건축자재, 수질정화, 일반소비재, 기타 등이다.
대기환경산업은 규제를 통해 시장이 성장하는 산업으로 경제성장을 요구하는 개발도상국의 관련 시설 건설과 깨끗한 공기 속에서 살기 원하는 세계적인 규제 움직임 속에서 지속 성장할 것이다. 최근 중국은 질소산화물을 총량 제어 지표에 공식적으로 포함시켜 15년까지 질소산화물 배출량을 10년보다 10% 감소하겠다는 계획을 발표하였다.