이장목 한국건자재시험연구원 웰빙소재센터 센터장
강병철 책임연구원, 염태용 선임연구원, 최정진 선임연구원, 빈성일 선임연구원 / 한국건자재시험연구원 웰빙소재센터

웰빙(Well-being)은 말 그대로 건강한(well, 안락한·만족한) 인생(being)을 살자는 의미다. 단순히 잘 먹는 것을 넘어 ‘잘 먹고 잘 사는 법’이 사회적 화두로 떠오르면서 관련 웰빙산업이 호황을 누리고 있다. 이러한 웰빙산업은 저공해의 유기농 농산물을 비롯해 웰빙 의류, 전자제품, 레포츠, 웰빙 주택 등 거의 모든 산업분야에 걸쳐 망라되고 있다.
웰빙산업 분야에서 웰빙 기능성을 추구하기 위한 향상된 물리적 특성과 기능적 특성을 요구하는 새로운 재료에 대한 필요성이 점점 증가하고 있으며, 특히 건강과 안전에 관계된 천연재료 및 기존 유해물질을 대체할 맞춤형(tailored) 세라믹스에 대한 중요성은 더욱 강조되고 있다. 이와 같은 웰빙·기능성 특성에 부합되는 맞춤형 재료의 개발은 현재의 웰빙 재료 부문에서 최우선적인 목표이며, 미래사회에서 요구하는 고부가가치의 융합기술을 통한 바이오, 건강, 환경 등의 웰빙 산업 분야와의 접목을 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
그래서 본 원고에서는 웰빙산업에 적용되는 기능성 세라믹스를 흡방습, 항균, 원적외선 등의 선택적 기능성을 가지는 웰빙 재료별로 나누어서 살펴보고 이러한 기능성 세라믹스의 첨단 산업에의 응용 가능성 및 실현화를 고찰하고자 한다.

1. 흡·방습 세라믹스
쾌적한 웰빙 주거 환경에 있어 습도는 결로, 이에 따른 세균, 곰팡이 등에 기인하는 바이오 에어로졸과 연결되어 있는 대단히 민감한 문제로서, 이를 해결하기 위한 일환으로 다공성의 규조토, 화산재 등의 재료를 활용하여 건축자재 등이 개발되어 왔다. 하지만 천연 재료의 압출 성형은 부피 및 흡·방습 기능성에 제한이 있어, 부피를 최대한 극소화에서 초박막형의 고성능 흡·방습 제품을 개발하고, 여기에 분해나 흡착력 등을 극대화하기 위한 나노 입자 및 고분자 물질과의 하이브리드화 등에 관한 연구들이 지속적으로 진행되고 있다. 또한 다공성을 극대화하기 위한 세라믹스 poricity 및 porus size 제어 기술 등도 경량화 및 고성능화를 위해 관심을 가지고 연구해야 할 분야이다.
그 개발의 일환으로 다공성의 점토성 판상 재질의 세라믹스 표면에 은 나노 표면 처리나, 입자 사이즈별 성형 기술 등을 도입하여 일본 등지에서 수입되는 자율적 흡·방습 제품과의 성능 차이를 최소화한 세라믹 제품들이 속속 국내에서도 출시되고 있다. 하지만 나노 표면 처리 기술 등의 원천 기술의 제약이 있어 이를 대체하기 위한 연구와 활용기술이 동시에 지속적으로 진행되어야 하겠다.

2. 광촉매
지구상에 무한한 에너지원인 태양 빛 만으로 활성화되어 유해가스 분해, 자정, 항균 등의 효과를 내는 광촉매에 대한 연구는 화석에너지 고갈 및 이로 인한 재생 에너지 연구와 중첩되면서 다양한 연구가 진행되고 있다. 웰빙을 위한 주택 및 의류 등에 많이 적용되고 있는데, 활성화에 필요한 에너지원을 가시광 영역까지 확대하고, 경제성이 담보 될 수 있는 고효율화 연구에 집중되고 있다. 즉 기존의 광촉매는 자외선 조건에서만 활성을 가져서 실내나 교통수단 내부에서는 사용하는데 한계를 가져 V, Cr, Mn, Fe 와 Ni 등의 전이 금속을 도핑, N3-, C4-, S4-, 할라이드 이온 등의 음이온 도핑 또는 질소 도핑을 통하여 내부의 전하 생성 메커니즘을 개선하여 가시광 영역으로 활성화 범위를 확장하거나 효율을 높이는 연구를 진행하고 있지만, 아직은 가시광 영역에서는 효율이 한정적이다.
이와 같이 가시광 영역에서의 고효율 발현 광촉매 개발은 실내 생활에서의 웰빙 추구에만 해당되는 것이 아니라, 현재 광촉매를 이용하는 모든 시스템에 필요한 혁신기술이라 할 수 있다.
아파트가 고층화 되어가면서 높은 층의 경우, 즉 창문이 없는 경우에는 외부와의 환기가 어려운 상황이 될 것이다. 또한, 태양광 재생에너지 개발시에 태양면에 노출되는 면을 항상 깨끗이 유지시켜, 태양광 효율을 지속적으로 유지 할 수 있다고 보고되고 있다. 결국, 고효율 광촉매 개발은 실내 공기질 제어에 관련된 기술 뿐 아니라 에너지 분야에 관련되어서도 미래에 더욱 수요가 클 것으로 예상된다.

3. 항균 재료
미생물은 인간에게 뿐만 아니라 각종 공업재료, 화장품, 의약품 등의 변질, 악화, 부식 등의 피해를 발생시킨다. 이러한 미생물의 유해한 면을 제어하는 것이 항균이며, 그 재료가 항균 재료이다. 이러한 항균 재료의 역할은 쾌적한 환경의 유지, 공업 제품 등의 악화 방지, 목질 자원 등의 보호에 중요한 역할을 하고 있다. 즉, 기본적인 의식주 환경을 시작으로 전반적인 산업분야까지 지극히 광범위한 미생물 제어 분야에 중요한 위치를 차지하고 있는 것이다.
이러한 항균 재료는 살균제, 방부제 및 항곰팡이제 등으로 나뉘며, 안전성과 그 효력의 발현이 중요한 선택 지침으로 반영되어지고 있으며, 특히 환경 문제에의 대응은 그 사용량보다는 질적인 성능 개선 방향으로 재료의 선택이 전환되어 가고 있는 실정이다.
최근의 항균 재료 경향으로는 세라믹, 층상 결정의 중간에 항균제 담지, 다공질 물질의 응용, 제올라이트, 규산염류, 합성광물, 생물기원의 무기물 등에 항균제의 배합이 응용되고 있으며 대상 미생물도 세균이나 진균 외에도 바이러스 등 광범위하게 적용되고 있다. 항균 재료의 종류를 살펴보면, 제올라이트, 인산지르코늄, 유리계 및 이산화티탄계의 금속계 무기 항균제와 제4급 암모늄염, 구아니딘 계열 등의 유기 항균제가 대표적이다. 사용되어지는 분야를 보면, 각종 건자재, 피혁, 목재, 섬유, 도료, 접착재, 금속 가공유, 고무, 플라스틱, 필름, 의료기구, 기구의 소독, 종이 펄프, 축산 수산, 의약품 등으로 산업 분야 전반에 걸쳐서 항균 재료가 사용되어 지고 있다.
항균 재료의 향후 적용 방향은 안정성과 효과를 중심으로 환경문제에 대응하고, 양적인 면에서부터 질적인 면으로의 전환이 진행되어 급변하는 산업과 소비자의 Needs에 대응하는 것이다.

4. 원적외선 방사 재료
생활 수준의 향상과 환경, 건강산업의 발달과 함께 재료특성의 향상에 대한 요구가 꾸준히 제기되고 있으며 이에 따라 기존재료보다 우수한 성능과 기능성 특성 등을 갖는 신소재 개발에 많은 연구가 집중되고 있다.
원적외선은 4~20㎛의 장파장을 가지는 광파의 일종으로서 가열원에서 발생되는 열이 적외선 파장역의 진동수를 가진 전자파로서 전달되어 물체를 구성하는 원자간의 결합력과 무게에 의존하는 고유의 진동수와 같으면 물체의 분자 진동에 공명되어 높은 열에너지를 보유하는 성질을 가지고 있어 가열분야에 널리 이용되고 있다.
따라서 흡수체내의 에너지 천이에 따른 열적 비열 효과로서 미세한 온도변화, 물성 상태변화(맛, 향기), 세포, 생체생리기능의 변화 현상을 이용하여 난방기구, 조리용구, 의료기기, 미용 기구 외에도 웰빙생활 의식주 전반에 걸쳐 원적외선의 이용이 우리생활의 중심에 자리잡고 있다.
적외선에 적용되는 재료의 측면에서도 천연광물과 금속, 비금속류를 기반으로 산화물, 탄화물 종류들이 저온영역, 고온영역의 적외선 재료의 주축을 형성하고 있으며 최근에는 세라믹 분야에서도 단일재료와 비교하여 각기 재료 특성의 향상을 위한 접근방법으로 개질을 통해 물리적 및 화학적으로 뚜렷이 구분되는 2개 또는 그 이상의 상들을 구분하는 계면을 가지게 하여 종국엔 각각의 상들과는 다른 특성을 나타내어 각기 장점을 모두 갖고 있는 우수한 특성의 새로운 재료개발이 가능하게 되었다. 개발에 있어서는 입자합성 및 균일한 분산이 가장 중요한 공정으로 기능성을 부여하기 위한 다양한 복합재료 계의 제조공정 확립과 응용분야 (구조재 응용 및 기능성 재료로의 응용)의 창출이 중요하여 복합재료 및 나노복합 재료 개발에 연구와 투자가 지속적으로 이루어지고 있다.

이상의 웰빙산업 분야에 적용되는 맞춤형 기능성 세라믹스는 아직 대부분의 기술이 연구단계에 있으나, 지속적인 연구개발로 전 분야에 걸쳐 성능의 파격적인 향상을 가져 올 수 있고, 의료, 건강, 주택 등의 필수산업 전반에서 고부가가치를 창출할 수 있기 때문에 정부에서도 차세대 성장 동력의 일원으로 설정하고 전폭적인 지원을 아끼지 않을 것으로 기대된다.

이장목
영남대학교 화학공학과(공학석사) 졸업
한국화학시험연구원 
영남 이공대학 (겸임교수)
현 한국건자재시험연구원 수석연구원
현 한국건자재시험연구원 웰빙소재센터 센터장

강병철 _ 충북대학교 공학박사·현 (재)한국건자재시험연구원 웰빙소재센터 선임연구원
염태용 _ 충북대학교 공학석사·현 (재)한국건자재시험연구원 웰빙소재센터 선임연구원
최정진 _ 한양대학교 공학박사·현 (재)한국건자재시험연구원 웰빙소재센터 선임연구원
빈성일 _ 건국대학교 공학석사·현 (재)한국건자재시험연구원 웰빙소재센터 선임연구원

<본 사이트는 일부 자료가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>