친환경 광촉매 세라믹 코팅 소재 개발 및
응용과 산업동향

류정호 재료연구소 기능세라믹연구그룹 선임연구원

산업의 발달에 따른 가속화된 환경오염은 지구 온난화 등의 세계적인 문제뿐만 아니라 개인의 삶의 질에도 막대한 영향을 미치고 있으나 자연 정화로는 한계가 있다. 인위적인 정화방법으로 물리적, 화학적, 생물학적 방법들이 있으나 고비용, 오염물질의 분해 잔류물 등의 문제가 있어 최근에는 오염물질을 유해 잔류물 없이 완전히 분해하는 방법에 세계적으로 연구개발이 집중되고 있다. 특히, 산업화, 자동차의 증가 등에 의한 대기 오염이 날로 심각하여지고 아파트 등 주거 공간과 사무실이 고밀도로 집적되어 있는 빌딩 등의 대중 이용 공간은 고유가에 따른 에너지 절약을 위하여 더욱 밀폐되고 있어서 결과적으로 실내 공기의 질이 심각하게 악화되고 있다. 따라서 오염원에 대한 규제도 아울러 강화되고 있으며, 오염물질을 제거하기 위한 여러 가지 방법들의 중요성이 더욱 커지고 있다. 한편, 최근의 조류독감, 신종 인플루엔자나 공기를 통한 세균 감염의 위험이 높은 병원과 냄새가 상존하는 식당 및 주방, 화장실 등에서도 공기 중의 병원균 제거와 탈취 등을 통한 보다 위생적이고 쾌적한 실내 공간의 확보에 관심이 높아지고 있으며, 이는 삶의 질 향상에 중요한 요소로 작용하고 있다. 우리나라에서도 환경부를 중심으로 환경 오염문제의 규제와 해결을 위하여 최근 (2004, 5) 실내공기질관리법을 제정, 시행함과 동시에, 다양한 환경오염 방지/해결을 위한 연구개발이 정부의 연구개발 사업을 통하여 집중적으로 수행되고 있다.
다양한 환경오염 방지/해결을 위한 방법중에서 이산환티탄 (TiO2)으로 대표되는 광반도체 소재를 이용하는 광촉매 반응은 광에너지를 화학에너지로 변환하여 물의 완전한 분해와 유기오염물질을 제거하는 효과로 최근 관심을 받고 있다. 최초의 광촉매 반응은 1972년 일본의 후지시마 (Fujishima)와 혼다(Honda)가 이산화티탄을 이용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 현상을 발견된 이후, 많은 연구자들에 의해 꾸준히 연구가 확대 되었고, 특히 최근 10여년 사이의 폭발적인 연구가 일본을 중심으로 이루어지고 있다. 이는 최근 지구의 환경오염이 심각히 악화됨과 동시에 에너지 문제 또한 심각해져서, 무한한 에너지원인 태양에너지를 실제적으로 이용하는 환경 정화 소재로서의 장점 때문이다.
광촉매 재료는 유기물 분해기능이외에도, 광유도 친수화기능 등으로 인해 공기정화, 수질정화, 항균, 방오, 자외선 차단 등의 효과가 있기 때문에 사회적인 관심이 점차 높아지고 있는 재료이다. 따라서 최근 다양한 광촉매 재료를 이용한 공기 살균기, 공기청정기 등의 대기정화 응용제품들 (그림1)이나 파일롯크기의 수처리 장치 등 (그림2)이 속속 개발되어 판매되고 있고, 그 시장도 매년 확대 되고 있다.
광촉매는 반도체 물질로서, 빛을 받음으로써 생성된 공유띠 정공과 여기된 전도띠 전자가 계면에서 전자전이를 일으킴으로써 빛에너지를 화학에너지로 변환한다. 반도체 물질에서는 공유띠와 전도띠의 가장 높은 에너지 경계와 가장 낮은 에너지 경계의 차이인 에너지 밴드갭 (Eg)이 존재한다. 반도체에 빛이 조사 될 경우, 그 반도체의 에너지 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 광자 (hn≥Eg)가 흡수되어 공유띠에서 전도띠로 전자여기 (electron exitation)를 일으키고, 이때 공유띠에서는 정공(hole)이, 전도띠에서는 전자가 생성된다. 이를 전자-정공쌍 생성 (electron-hole pair generation) 이라고 한다. 이산화티탄과 같이 에너지 밴드갭이 큰 (아나타제 이산화티탄의 경우3.2eV) 반도체는 자외선 (UV)와 같은 짧은 파장의 빛만을 흡수하고, 태양에너지의 대부분을 흡수하지 못한다. 그림 3에 광촉매 반응의 원리를 도식화 하여 나타내었다. 빛에너지에 의해 여기된 전자와 정공은 매우 강한 환원력, 산화력을 갖고 있고, 광촉매의 표면 주변의 산소나 수분 등과 결합하여 OH 라디칼이나 슈퍼 옥사이드 음이온 (O2-)등의 활성산소를 형성하게 되는데, 이들 OH 라디칼, 또는 슈퍼 옥사이드 음이온 등은 소독이나 살균에 널리 사용되고 있는 염소나 치아염소산, 과산화수소, 오존 등 보다 훨씬 강한 산화력을 가지고 있다. 따라서 유기 오염물질의 분해, 탈취, 항균 등에 있어서 광촉매는 탁월한 환경정화 기능을 나타내게 된다. 광촉매상에서의 오염물질 분해 반응은 대부분의 경우 표면에서 생성된 OH라디칼의 강력한 산화력에 기인하나, 전체적인 메커니즘은 OH라디칼뿐만 아니라 공유대 정공, 전도대 전자, 산소 분자 등이 관련되는 일련의 산화환원 표면반응이 복잡하게 연계되어 일어나므로, 광촉매 분해 반응 매커니즘은 대상 물질에 따라 매우 다양한 양상을 보이며 일반화시키기 매우 어렵다. 광촉매의 산화작용은 매우 강력하여 다른 오염물질 제거방법과 달리 세균을 포함한 오염물질을 유해한 잔류물 없이 완전히 제거하며 별도의 에너지가 필요 없이 빛을 이용함으로 다른 어떤 환경 정화 방법에 비하여 환경친화적 공정이다. 하지만, 광촉매에 의한 오염물질 제거속도는 다른 환경정화 방법에 비하여 느린 편으로 고농도의 오염물질 제거에는 적합하지 않으나, 저농도의 오염물질 제거에는 탁월한 성능을 나타내는 것으로 알려져 있다. 하지만, 공기나 물의 오염물질들은 대부분 ppb 수준의 저농도이고 이를 제거함으로써 삶의 질을 현저하게 향상시킬 수 있으므로 환경산업적인 효과가 매우 크다고 할 수 있다.
이러한 원리를 이용하는 광촉매 기술은 에너지, 환경 측면에서 대표적인 미래기술 중의 하나로 볼 수 있다. 또한 기술의 상용화 및 시장창출에 있어서도 사회적 요구에 의한 창출이 아니라 기술적인 발전에 따라 수요의 창출이 많이 이루어지고 있다.  적용분야는 대부분 환경에 관련되어 있으며, 우리일상생활에 밀접한 영역도 많다. 지구의 대기 및 수질 오염에 대해 특별한 에너지를 가하지 않고 빛만으로 오염물질을 분해시킬 수 있기 때문에, 유해 유기물의 광분해와 대기 오염물질의 광산화, 환원, 각종 병원균의 내성 증가로 위협받고 있는 위생문제에서도 광촉매의 살균 및 항균 작용이 문제를 간단히 해결해 줄 수 있어서 여러 분야에서 응용될 수 있다. 또한 물을 광분해시켜 수소와 산소를 생산함으로써 차세대 에너지와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있다는 점에서 많은 주목을 받고 있으며, 기타 다양한 분야에서 획기적인 수요 증대를 가져올 것으로 예상된다. 광촉매가 일상 제품으로 응용되기 시작한 것은 90년대 일본의 TOTO사에서 도기 제품에 광촉매를 도포하는 실용화 단계에 들어서면서부터 이다. 환경 분야에서 제거가 힘들었던 VOCs, NOx, SOx,미세먼지 등에 광촉매의 제거 효율이 높아 공기청정기에 광촉매의 이용이 증가하고 있다. 수질분야에서는 광촉매가 물속의 유기물, 계면활성제등을 분해할 수 있어 하수도 및 정수기등에 광촉매를 많이 사용한다. 우리나라에도 실내외 건축물에 광촉매 코팅사업이 한창이다. 실내의 경우 새집에서 나타나는 VOCs및 실내공기 오염을 광촉매 코팅으로 제거할 수 있다. 실외는 광촉매의 친수성 및 자정작용을 이용하여 항상 깨끗한 건물을 유지할 수 있다. 또한 광촉매를 이용한 블라인드, 커튼, 새시 등 건축물 및 실내용으로 응용제품이 개발되고 있다. 2000년대 이후로 가전제품에 광촉매의 적용이 늘어나고 있으며, 특히 에어컨, 공기 정화기, 냉장고, 전자렌지 등의 냄새, 세균과 관련한 가전제품으로의 광촉매의 적용은 거의 필수적인 수준에 까지 이르렀다. 에어컨의 경우 기존의 필터에 광촉매의 적용으로 공기정화기능에 성능향상이 있고 냉장고의 경우 음식물 보존기간을 늘릴 수 있다. 또한 가전제품의 외부에 광촉매를 코팅하면 깨끗하고 청결한 제품을 만들 수 있다. 광촉매를 농업용 비닐하우스에 적용하면 비닐하우스 천정에 물방울을 방지하여 농작물의 용도에 맞추어 비닐하우스 내부 및 외부에 적용이 가능하다. 또한 공기로 전염되는 농작물 전염병에도 광촉매의 항균력을 이용하여 막을 수 있다. 광촉매를 토양 살균제나 살충제등으로 응용하면 토양의 균이나 해충을 제거 할 수 있다. 방음막, 터널, 가드레일, 반사경, 표지판, 도로조명등, 신호 등등 도로주변에는 많은 먼지와 자동차 매연으로 인한 오염으로 정기적인 청소나 파손 등이 우려된다. 그러나 광촉매를 적용한 제품의 경우 자정작용과 초 친수성으로 인해 깨끗한 외관을 유지시켜 줄 수 있고 자동차로 인한 환경오염을 줄일 수 있다. 표 1과 그림 4에 우리의 일상생활과 관련하여 사용될 수 있는 광촉매의 주요 적용가능 예를 요약하였다.
전 세계적으로 광촉매 시장은 제품의 라이프사이클 상 도입·발전기에 속하는 기술이다. 국내시장의 경우는 성형체를 제외한 분말과 분산체의 시장이 형성되어 있고 2002년 기준으로 광촉매 원료시장은 10톤 정도로 일본 등의 광촉매 기술 선진국과 대비하여 미미한 수준으로 볼 수 있다. 최근의 광촉매 기술동향을 살펴보면, 과거의 광촉매 나노입자 합성에 집중되었던 연구개발의 동향이 점차 광촉매 고정화 기술, 이온도핑에 의한 가시광 반응 광촉매, 이산화티탄 이외의 다른 반도성 광촉매 등과 같은 실용화를 위한 연구 개발로 주제가 바뀌어 가고 있다. 
광촉매와 광촉매를 이용한 제품의 시장규모를 살펴보면, 2009년 국내 광촉매 제품 시장 규모는 약 660억 원 정도로 추정되며,  이 가운데 약 80% 가량은 수입제품인 것으로 알려져 있다. 향후 가시광 반응형 광촉매의 개발, 획기적인 광촉매 고정화 기술과 실내 공기 질에 대한 정책적 규제 등이 이어진다면 2012년에는 약 1800억 원 규모까지 성장할 수 있을 것으로 전망된다.
전 세계 광촉매 시장의 75% 가량을 차지하고 있는 일본은 적외선이나 자외선이 아닌 가시광선에 반응하는 광촉매 제품을 내놓으면서 시장을 더욱 확대해 나가고 있다. 분야별 일본 광촉매 시장의 점유율을 보면, 건물벽체, 유리창 등의 자기정화가 약 22%, 공기정화기 등 악취제거용이 약 46%, 수처리 및 하수정화 등이 약 32%를 차지하는 것으로 알려져 있다.
초기 국내 광촉매 재료의 연구 및 시장은 분말형태의 원료의 연구개발 및 원재료 시장 위주였으나, 최근에는 앞서 설명한 여러 형태의 응용제품이 연구 개발되어 상품화가 진행되고 있다. 현재 건자재 및 도로설비 등의 분야에 사용되는 제품과 필터류·형광등과 같은 광촉매 적용 제품은 일정 규모의 시장이 형성되어 있으며, 향후 냉장고·공기청정기 등 일반 가전제품에도 적용되어 광촉매 시장 규모는 기하급수적으로 늘어날 것으로 전망된다.
이상과 같이 1970년대 초 일본에서 시작된 광촉매 관련 연구 개발은 90년대와 2000년대를 거쳐 오면서 다양한 상업화 과정을 시도하고 있다. 오늘날, 나날이 심각해지는 환경오염문제와 에너지 문제로 인하여 다양한 부분에서 그 활용 가치가 높아지고 있다. 특히 최근의 조류독감, 신종 인플루엔자와 같은 새로운 바이러스에 대한 문제가 발생하고 있는 상황에서 광촉매의 빛 에너지를 사용한 유해 유기물 분해 능력은 환경개선과 동시에 친환경 소재로서 주목을 받고 있다. 광촉매 응용 기술은 일상생활에서 사용하는 각종 공기정화기, 살균기 등의 제품부터 산업계와 도시의 환경개선을 위한 수처리장치 등의 적용시장이 점차로 증가하고 있다. 최근 가시광 반응 광촉매, 광촉매 고정화기술 등의 연구개발과 제품 개발을 이 학계와 기업을 통하여 활발히 진행되고 있으며, 이는 국가 경쟁력을 높이게 됨과 동시에 쾌적한 환경을 만드는데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

그림 1. 광촉매 필터가 적용되어 국내 판매중인 다양한 공기살균기, 청정기

그림 2. 광촉매 재료가 적용된 각종 수처리 장치 (a)튜브형, (b)평판형, (c)스페인 D. Bocklmann 에 의해 개발된 TFFBR형 수처리 장치, (d)Volkswagen사 Wolfburg 공장에 설치된 DSSR형 수처리 장치, (e)Hannover대학의 Hufschmidt 에 의해 개발되어 섬유공장에 설치된 TFFBR형 수처리 장치.

그림 3. 광촉매 반응의 원리

표 1. 광촉매의 활용 분야

 구분  주요 적용처 광촉매 효과
 가정 천정, 벽지, 주방, 욕실, 거실, 베란다 공기정화, 탈취, 항균
 사무실/공장 벽면, 흡연실, 집기류, 식품공장 공기정화, 유해물질 제거
 식품 / 창고 식당, 레스토랑, 대형급식소, 냉장고 식중독예방, 탈취, 항균
 아동 /복지시설 유치원, 카펫, 침구류, 커튼, 유니폼 질병감염예방, 탈취, 항균
 건물외벽 / 유리창 외벽, 유리, 간판, 텐트, 도로표지판 외벽의 방오, 곰팡이 방지
 자동차 승용차, 화물차, 택시, 버스, 냉장차 차내 탈취, 방오, 담배냄새
 병원/동물병원 입원실, 수술실, 침구류, 바닥, 벽면 병원내 감염예방, 탈취, 항균
 유흥업소/숙박시설 노래방, 주점, 여관, 호텔, 침구류, 카펫 담배, 향수냄새, 항균, 탈취

그림 4. 광촉매의 활용 분야
그림 5. 광촉매 국내 시장 전망
그림 6. 분야별 일본 광촉매 시장 점유율

류정호
영남대학교 무기재료공학과 학사
영남대학교 무기재료공학과 석사
서울대학교 재료공학부 박사
미국 펜실베니아 주립대 방문연구원, 포스트닥터
(주)삼성전기 OS 사업부 책임연구원
현재 재료연구소 기능세라믹연구그룹 선임연구원

<본 사이트는 일부내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2010년 9월호를 참조바랍니다.>