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광촉매를 적용한 재료 1 – 초미립자 분말
광촉매 반응은 반응물이 광촉매 표면에 접촉하여야만 반응이 일어난다. 따라서 광촉매는 표면적이 넓을수록 촉매로서 성능이 좋다. 입자가 작아 표면적이 큰 초미립자인 고활성 산화티탄 광촉매를 최초로 개발한 회사는 독일의 데구사이나, 지금은 일본내 많은 회사에서도 초미립자 산화티탄을 제조하여 판매하고 있다. 초미립자 산화티탄이란 입자 크기가 1㎛ 이하로서 현재는 수 nm의 제품도 시판되고 있다. 초미립자 산화티탄은 사염화티탄을 산소 분위기에서 높은 온도로 가열하거나, 티탄의 염이나 유기티탄을 물과 반응시켜 제조한 수산화티탄이나 옥시산화티탄을 소성하여 만든다.
초미립자 산화티탄은 광촉매의 가장 기본적인 소재로 여러 방법으로 가공하여 사용되며, 백색안료로 쓰이는 입자가 큰 산화티탄에 비해 10배 이상 비싸다. 지금까지 시판된 초미립자 고활성 산화티탄 광촉매는 대부분 아나타제 구조의 제품이었으나, 최근에는 브루카이트 구조 뿐 아니라 루타일 구조 제품도 시판되고 있다.
일반적으로 산화티탄 광촉매는 입자가 작을수록 바람에 날리기 쉽고, 물에 넣으면 덩어리져서 잘 분산되지 않는다. 그러므로 수처리에 사용할 때는 물에서 산화티탄을 분리하여 회수하기 곤란하였다. 이런 문제점을 해결하기 위해 지금은 물에 분산시킨 산화티탄 졸, 입자 상태로 만든 것, 기판이나 허니컴 등에 고정한 광촉매 제품이 시판되고 있다.
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광촉매를 적용한 재료 2 – 분말의 결점을 개선한 졸, 분산액
산화티탄 분말을 물에 넣으면 산화티탄 입자끼리 덩어리져 잘 분산되지 않는다. 산화티탄을 산성 물에 넣으면 산화티탄 표면은 플러스 하전을 띠며, 알칼리성 물에서는 마이너스로 대전된다. 고체 표면의 전위가 0이 되는 물의 pH를 등전점이라 하며, 아나타제에서는 6.1, 루타일에서는 5.6이다.
물의 pH가 중성이면 산화티탄 입자의 표면에는 플러스 하전과 마이너스 하전을 띄므로 서로 끌어당겨 덩어리져서 잘 분산되지 않는다. 이와 달리 용액을 산성이나 알칼리성으로 조절하면 산화티탄 표면이 플러스나 마이너스로 대전되어 전기적으로 서로 반발하는데 이러한 현상을 이용하여 산화티탄을 잘 분산시킨 산화티탄 졸이 최근에 판매되고 있다.
계면활성제 등을 첨가하여 분산시킨 중서 산화티탄 졸도 판매되고 있다. 이들 산화티탄 분산액에 포함되어 있는 산화티탄 입자는 적든 많든 서로 덩어리져 있다. 덩어리진 입자 크기가 빛의 파장보다 작으면 빛을 산란시키지 않아서 빛을 모두 통과시킨다. 산화티탄 분말을 물어 넣어 만들지 않고 사염화티탄 등 티탄화합물을 물에 넣어 제조한 졸도 판매되고 있다. 이는 물 속에 수산화티탄이 분산되어 있으며, 건조한 후 소성하면 산화티탄이 만들어진다. 이들 졸이나 분산액을 그대로 코팅액으로 사용하거나, 도료나 시멘트에 섞어 사용하기도 한다. 다른 재료에 코팅한 다음, 소성하여 박막 형태의 산화티탄 광촉매를 제조하는 데도 이용된다.
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광촉매를 적용한 재료 3 – 박막 광촉매
분말 상태의 광촉매는 취급하기 불편하고 회수가 어려워서 실용화를 위해 산화티탄 광촉매를 기재에 고정화하는 기술이 개발되었다. 지금까지 여러 고정화 방법이 고안되었다. 산화티탄 분말을 슬러리로 만들어 기재에 바르면 건조 후 산화티탄이 금방 떨어진다. 산화티탄의 분말을 유기 바인더에 섞어 바르면 잘 고정되나, 광촉매 작용에 의해 바인더의 유기물이 분해 되어 산화티탄 분말이 차츰 떨어지므로 내구성이 약하다. 또 시멘트처럼 무기 바인더나 유약에 산화티탄 가루를 섞으면 산화티탄 가루가 바인더 속에 묻혀 빛이 닿지 않거나 반응물이 산화티탄에 접촉하지 못해 광촉매 성능이 낮을 수밖에 없다.
이런 이유로 산화티탄만으로 만들어진 박막 상태의 광촉매가 개발되었다. 이 경우 표면이 모두 산화티탄 광촉매로 되어 있으므로 접촉하는 화학물질은 쉽게 분해된다. 수처리에 이용하면 깨끗해진 물을 박막 형태 광촉매와 쉽게 분리할 수 있어 연속적으로 사용할 수 있다. 산화티탄 박막이 투명하면 빛이 투과하므로 유리처럼 투명한 기재에 광촉매 박막을 만들어 유리를 투과한 빛도 반응에 이용할 수 있다. 박막 형태의 산화티탄 광촉매는 보통 기판에 코팅액을 바른 후 가열하여 만든다. 코팅액으로는 졸이나 티탄의 알콕사이드 등 유기 티탄 용액, 과산화티탄산 용액 등을 사용한다. 졸을 이용하여 산화티탄 박막 광촉매를 만들려면 400도 이상의 고온에서 소성해야 한다. 고온에서 가열하면 산화티탄 입자가 서로 덩어리져 산화티탄 박막이 만들어진다. 그러나 600도 이상에서 가열하면 광촉매 활성이 낮은 결정 구조인 루타일 박막으로 변환된다.
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광촉매를 적용한 재료 4 – 코팅액
대표적인 유기티탄으로 티탄과 알코올을 반응시켜 만든 티탄 알콕사이드가 있다. 이를 이용하여 산화티탄 박막 광촉매를 제조할 때는 기판에 유기티탄을 코팅하고 이어서 공기 중의 수증기와 반응시킨 후 소성한다. 공기 중의 수증기와 유기티탄이 너무 급격히 반응하면 표면에 산화티탄의 하얀 가루가 생겨 깨끗한 막을 만들 수 없다. 깨끗한 막을 만들려면 정밀하게 습도를 조절하여 산화티탄 생성속도를 제어해야 한다.
최근에는 보통 조건에서도 티탄 알콕사이드를 손쉽게 사용할 수 있도록 안정제로 산이나 아민류 등을 첨가하거나, 티탄 알콕사이드를 미리 물과 반응시켜 만든 산화티탄 졸이 시판되고 있다. 수산화티탄이 서로 연결되어 있어 기판에 깨끗하게 코팅할 수 있고 소성하면 아름다운 산화티탄 박막 광촉매를 만들 수 있다.
과산화티탄산 용액은 티탄 알콕사이드를 물과 반응시켜 만든 무정형 산화티탄을 과산화수소에 녹인 노랑색 용액이다. 이 용액에 압력을 가하면서 온도를 높여 부분적으로 산화티탄을 결정화시키녀 초미립자 산화티탄이 분산된 용액을 만들 수 있다. 이들 용액으로 기판을 코팅하고 건조한 후 400~600도에서 소성하는 조작을 반복하면 아나타제 구조의 산화티탄만으로 이루어진 광촉매가 만들어진다. 코탱액을 기판 표면에 얇고 균일하게 코팅한 다음, 건조한 후 소성하여 투명한 박막 광촉매를 만든다.
최근에는 가열하지 않고 상온에서 사용할 수 있는 상온 경화형 코팅액도 개발되었다. 과산화티탄산 용액에 압력을 가하고 온도를 높여 부분적으로 산화티탄을 결정화시켜 초미립자 산화티탄을 분산시킨 용액도 시간이 약간 오래 걸리기는 하지만 상온에서도 경화된다.
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광촉매를 적용한 재료 5 – 산화티탄 하이브리드 광촉매 입자
산화티탄 광촉매를 섬유나 플라스틱에 넣어 만들면 섬유나 플라스틱이 광촉매 작용으로 분해되어 버려 지금까지는 광촉매를 섬유나 플라스틱에 적용할 수 없었다. 광촉매를 적용한 섬유나 공촉매를 첨가한 플라스틱을 만들려면 산화티탄 광촉매의 입자 표면에 광촉매 활성이 없는 세라믹을 부분적으로 붙인 산화티탄 하이브리드 광촉매 입자가 개발되었다.
산화티탄 하이브리드 광촉매는 몇 종류가 있다 마스크메론형 입자는 산화티탄 표면을 광촉매 활성이 없는 실리카 등 세라믹으로 마스크메론의 마스크와 같은 모양으로 덮어씌운 것이다. 섬유나 플라스틱에 첨가하여도 광촉매 작용이 없는 실리카 때문에 산화티탄이 섬유나 플라스틱과 직접 접촉하지 못하므로 섬유나 플라스틱이 분해 되지 않는다. 반면 악취 물질이나 균은 산화티탄 표면에 접촉하여 분해 되거나 살균된다.
별사탕형 이바는 산화티타느이 표면에 광촉매 활성이 없는 아파타아트 등 세라믹을 별사탕 모양으로 덮어씌워 만든다. 섬유나 플라스틱에 첨가하여도 광촉매 작용이 없는 표면의 아파타이트가 산화티탄에 의한 섬유나 플라스틱의 분해를 방지한다. 더구나 아파타이트는 뼈나 치아를 구성하는 물질로 생체 친화성이 뛰어나 균이나 곰팡이를 많이 흡착할 수 있으므로 산화티탄 광촉매가 균이나 곰팡이를 효과적으로 죽일 수 있다.
실리카겔 등 다공성 물질의 세공내에 산화티탄 광촉매를 집어넣은 제품도 있다. 산화티탄 광촉매가 표면에 드러나 있지 않기 때문에 섬유나 플라스틱의 분해를 막을 수 있다. 산화티탄 하이브리드 광촉매는 기재인 유기물과 직접 접촉하지 않으므로 광촉매를 적용한 섬유나 종이, 플라스틱 등을 만들 수 있어 여러 제품이 개발되었다.
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광촉매를 적용한 재료 6 – 다공성 광촉매
광촉매를 이용하여 제거하려는 유해 물질이 광촉매 표면에 접촉하여도 그 때 빛이 쪼여지지 않으면 광촉매 반응이 일어나지 않는다. 이런 광촉매의 결점을 개선하기 위해서 다공성 물질로 광촉매 소재를 제조한다. 악취 등 유해 물질은 빛이 없으면 광촉매 세공에 흡착한다. 그 후 빛이 쪼여지면 광촉매 표면에서 흡착된 유해 물질이 분해 된다. 이처럼 유해 물질이 광촉매 표면에 농축되면 광촉매의 분해 효율이 더욱 높아진다.
다공성 흡착제로 활성탕이 많이 사용되나, 활성탄은 빛을 투과하지 않으므로 활성탄 뒷부분에서는 광촉매 반응이 일어나지 않는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 투명하면서 다공성인 실리카겔에 산화티탄 박막을 코팅한 광촉매가 개발되었다.
산화티탄 박막 자체에 일정 크기 세공이 발달되어 있는 산화티탄 다공성 박막 광촉매도 개발되었다. 유기물을 광촉매 재료에 섞어 제조하였으며 세공 크기를 다양하게 조절할 수 있다. 제거하려는 유히물질의 분자 크기에 맞는 세공의 광촉매를 제조하면, 이 광촉매는 이 유해 물질만 선택적으로 흡착하여 효율적으로 분해 된다.
다공성 광촉매에 빛을 쪼이면 세공에 흡착된 유해 물질이 탄산가스와 물로 분해되어 제거되므로 세공이 다시 재생된다. 이처럼 다공성 광촉매는 빛에 의해 흡착 성능을 다시 회복하는 자기재생형 흡착제이다.
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참고글