친환경 광촉매기술 동향 및 시장전망

김 종 호_전남대학교 응용화학공학부 교수

1. 광촉매기술 개요
광합성은 태양광에 의해 이산화탄소와 물이 반응해서 전분과 산소가 만들어지는데 단순히 이산화탄소와 물을 혼합하여 빛을 쪼인다고 이 반응은 일어나지 않는다. 식물의 엽록소가 태양광을 흡수하여야 비로소 전분과 산소가 만들어진다. 엽록소가 흡수한 빛에너지에 의해 반응이 일어나는 것으로 이 경우 엽록소가 광촉매로 작용한다.
광촉매란 자신은 반응 전후에 변화하지 않지만 빛을 흡수하여 반응을 촉진시키는 것으로 정의되는 물질이다. 대표적인 광촉매로 산화티탄(TiO2)이 있으며, 최근 실용화되고 있는 광촉매는 거의 대부분 산화티탄이 기초가 되고 있다. 산화티탄은 특별한 물질이 아니다. 우리 주변에서 사용되는 백색 페인트 및 안료가 대부분 산화티탄으로 만들어진 것이다. 단 안료용으로는 가능한 빛에 반응하지 않도록 처리한 산화티탄이 이용되지만 광촉매용은 반대로 광반응을 가능한 많이 일으키는 산화티탄이 사용된다.
이렇듯 광촉매반응에는 산화티탄과 빛이 필요하며, 산화티탄이 빛을 흡수하였을 때 그 표면에서 일어나는 대표적인 현상으로 다음 두 가지가 있다. 하나는 광촉매분해로 광촉매 표면에 도달한 물질을 분해하는 반응으로 유기물은 이산화탄소와 물로 분해된다. 이 반응은 광촉매 표면에 빛이 닿은 양만큼 일어난다. 보통의 연소반응과는 달리 온도 상승이 없고 실온에서 반응이 일어난다. 또 하나는 초친수성으로 물과 매우 친해지는 현상이다. 일반적으로 많은 재료는 표면에 물을 떨어뜨리면 물방울이 생기는데 산화티탄을 코팅한 재료에 빛을 쪼이면 물은 물방울이 되지 않고 거의 완전히 막이 되어 퍼지게 된다. 그러므로 산화티탄 코팅 재료에 기름때 등이 부착되어도 물을 뿌리는 작업만으로 기름때 밑으로 물이 스며들어가 때를 떠올리기 때문에 간단히 씻어낼 수 있다. 이러한 광촉매의 분해력과 초친수성을 조합한 셀프클리닝 효과를 적용한 건물 외장 재료 타일이나 유리, 광촉매 도료 등이 개발되어 사용되고 있다.

2. 광촉매기술 개발 필요성
실내외의 환경파괴를 촉진하는 다양한 유해 화학물질에 대한 대책, 예를 들면 실내의 포름알데히드 등의 새집증후군 원인물질 제거 및 버스나 트럭에서 나오는 실외의 질소산화물(NOx) 제거 등에 대한 기술 개발이 요구되고 있다. 나아가 병원의 원내감염 문제 등 항균・항바이러스 대책, 혹은 공장의 옛 부지 등의 토양오염 대책 등에 대한 기술 개발도 필요하다. 건전한 경제 산업 활동과 안전한 생활환경의 실현이 급선무가 되고 있음은 모두 느끼고 있으리라 생각한다. 이런 요구를 충족할 수 있는 기술로 광촉매기술의 개발 필요성을 설명할 수 있다.
광촉매를 이용한 환경정화는 자연에너지 이용에 의한 에너지 절약, 유지 보수 비용 절감, 환경 부하 저감으로 자원 절약 등의 장점 때문에 다양한 분야에서 응용되고 있다. 먼저 주택의 외장 건자재 분야에서 광촉매 코팅 외장 타일을 이용한 빌딩이나 단독 주택이 많아졌고, 유리창에 투명하게 산화티탄을 코팅하여 더러워지지 않고 김도 서리지 않는 집이 등장하였다. 의료 관련 분야에서는 광촉매 살균 타일이 병원 수술실 바닥이나 벽에 이용되어 효과를 발휘한 것이 광촉매 응용의 시작이며, 지금은 커튼이나 간호사 의복에 까지 광촉매가 적용되고 있다. 더욱이 암치료에도 기초연구가 진행되어 항암제 사용 후의 부작용을 줄이는 방법으로도 검토되고 있다. 공기 정화 분야에서는 광촉매를 공기청정기에 응용한 것이 시작이며, 바이러스를 제거할 수 있기 때문에 SARS(Severe Acute Respiratory Syndrome, 중증 급성 호흡기 증후군)나 AI(Avian Influenza, 조류인플루엔자)에 대해 가장 효과적인 방법으로 주목받고 있다. 이렇듯 광촉매는 태양에너지를 이용하여 공기정화, 물정화, 항균・살균을 할 수 있어서 환경에 부하를 주지 않으면서 환경정화를 할 수 있는 기술로 유럽, 아시아, 미국 등 해외에서도 크게 주목을 받고 있으며 그 실용화가 검토되고 있다.
최근 유럽에서 매우 흥미로운 분야에 광촉매기술의 개발 필요성이 대두되고 있다. 독일, 프랑스, 영국, 스페인, 이탈리아, 스위스 등 유럽 각국은 실외 공기질에 대한 관심이 매우 높은 상태이며, 각 나라가 법제도를 구비하여 실외 공기질을 개선하기 위한 노력을 기울이고 있다. 유럽 전역의 실외 공기질 향상을 위한 노력으로 1970~2002년까지 유럽의회에서는 5차에 걸쳐 환경 행동 계획을 채택하여 환경정책의 기준을 제시하였다. 2003년 6차 환경 행동 계획에서 NOx 감소를 포함한 공기질 개선 노력에 대한 방안을 채택한 후, 2008년 3월 21일 공기질 개선 관련 2008/50/EC Directive(훈령)가 채택되어, 2010년까지 참여 국가들은 관련 훈령을 이행하기 위한 제반 수단을 구축하기로 하였다. 하지만, 이를 이행하기가 쉽지 않다는 평가와 함께, 2011년 2월 9일 유럽의회에서 단계적으로 NO2를 줄이기 위해 2015년까지 유예하도록 결의하였다.(일부 국가에서는 훈령 제한치로 관리 중에 있음) 이렇듯 유럽에서 실외 공기질에서 가장 중요한 대상은 공기 중의 NOx의 양이며, 디젤자동차 등 도로수송 부분의 NOx 방출량 비율이 46%로 가장 높은 것으로 파악되어 기본적으로는 Euro Standard(자동차 배출가스 규제등급)를 통하여 자동차의 NOx 방출량의 저감을 강력하게 유도하고 있다. 아울러 이미 방출된 NOx를 줄이기 위한 수단으로 광촉매기술이 크게 주목받고 있다.
세계 최대 시멘트회사인 이탈리아 이탈세멘티(Italcemen ti: www.italcementigroup.com)에서는 광촉매 혼합 시멘트 적용 건물 구조물이나 보도블럭 등 제품을 판매하고 있으며, 광촉매 시멘트 관련 특허를 바탕으로 유럽뿐만 아니라 전 세계적으로 광촉매 시멘트 분야에서 독점적 지위를 유지하고 있다. 아래 사진은 이탈세멘티가 최근 이탈리아 밀라노에 광촉매 시멘트를 적용하여 건설 중인 보다폰 빌리지 현장이다. 다른 유럽 국가나 시멘트회사에서는 이탈세멘티의 특허를 회피할 수 있는 새로운 광촉매기술 개발에 노력하고 있다. 이 내용을 자세히 정리한 이유는 우리나라를 포함하여 전 세계적으로 실외 공기질의 NOx 저감 분야에서 광촉매의 수요가 크게 신장하리라 예상되기 때문이다.

사진 1. 이탈세멘티가 밀라노에 광촉매 시멘트로 건설 중인 보다폰 빌리지 현장

3. 광촉매제품 개발시 주의 사항
산화티탄 광촉매는 강한 산화력, 초친수성, 무독(안전성), 화학적으로 안정, 비교적 저렴 등의 특징을 지니고 있다. 얼른 보면 만능 물질처럼 보이나, 올바른 지식을 가지고 제품화하지 않으면 전혀 효과가 없는 물질이 되어버린다. 현재 실용화되어 확실한 효과를 발휘하는 광촉매제품은 대부분이 광촉매의 본질에 충실하게 설계된 것이다.
광촉매의 제품화를 위해서는 여러 가지 사항을 고려할 필요가 있는데 그 가운데 가장 중요한 것이 광촉매가 처리할 수 있는 능력에는 한계가 있다는 점이다. 광촉매는 흡수한 빛의 양(광자 수)만큼만 반응을 일으킬 수 있다. 그러므로 광촉매 처리 능력을 초과하는 심한 오염 환경에서는 광촉매 효과가 미비하던지 효과가 있어도 사용자가 그 효과를 크게 느낄 수 없다. 예를 들면 탈취, 공기정화에 광촉매를 이용하는 경우 위에서 언급한 주의 사항을 무시하고 사용하면 효과가 나타나지 않을 뿐만 아니라 어떤 경우는 사용 전보다 악화될 수도 있다. 광촉매가 악취물질을 물이나 이산화탄소로 완전히 산화분해하면 좋겠지만 처리할 악취물질의 양이 너무 많아 산화분해반응이 도중에 멈추게 되면 초산, 개미산 등 자극적인 냄새가 나는 반응중간체가 만들어져서 사용 전보다 악취가 더 심해질 수도 있다.
우리나라에서 2000년대 초반 광촉매가 전국적으로 크게 주목받은 때가 있었다. 신축건물에서 배출되는 유해 화학물질 등 실내 새집증후군 원인 오염물질에 대한 저감 대책으로 광촉매 적용이 실시되었다. 하지만 광촉매를 실내에 코팅한 후 효과가 없다는 분석 결과가 일부 언론에 보도되면서 광촉매 효과에 대한 불신만 키우고 말았다. 이런 사태가 발생한 이유는 광촉매의 처리 능력을 제대로 파악하지 못하였기 때문이다. 광촉매는 적절한 파장과 세기의 빛을 필요로 하는데, 실내에는 대부분 가시광선 범위의 빛만이 존재하여 충분히 효과를 발휘하지 못한 것이다. 또한 광촉매의 능력을 초과할 만큼 많은 양의 오염물질이 발생하는 곳에서는 적용 직후의 광촉매 작용은 약하지만 서서히 효과가 나타난다는 점도 간과한 것이다. 일본에서 진행되는 JIS규격화에 의하면, 실내에서 사용되는 광촉매제품의 경우 ‘이 광촉매 제품은 햇빛이 잘 드는 유리창 근방 50cm 이내에서 사용하는 것이 효과적’이라는 내용을 성능인증서에 표기한다. 참고로 일본에서 개발된 대부분의 광촉매제품은 태양광이 많이 조사되는 실외용이거나 자외선램프 등의 광원을 함께 사용되고 있다.
신종전염병인 SARS가 2002년 11월 중국 광동지역을 중심으로 발병이 시작되어 수 개월 만에 중국, 홍콩, 싱가포르, 타이완, 캐나다 등 전 세계적으로 확산되었을 때, 타이완 수상 관저에 광촉매로 항균 처리하였다는 뉴스가 보도되면서 타이완에서 광촉매에 대한 폭발적인 수요가 있었다. 이 때 일본에서 타이완으로 수입된 광촉매의 양이 같은 기간 일본내에서 사용되는 양의 수 십배에 이르렀다. 하지만 가짜 광촉매제품이 나타나면서 광촉매시장은 순식간에 붕괴되었다. 이러한 가짜 광촉매제품, 효과가 의심스러운 제품, 광촉매 원리에서 벗어나는 제품이 한국, 일본 등에서도 유통되면서 광촉매에 대한 신뢰를 떨어뜨리고 광촉매의 보급 및 확대를 저해하고 있다.
이런 문제에 대응하기 위해 광촉매 사용법과 효과에 대한 정확한 지침이 만들어져야 하겠다. 최근 국제적으로 ISO표준화가 진행되고 있어 머지않아 공급자, 소비자 모두 믿고 광촉매를 사용할 수 있는 날이 오리라 기대된다. 우리나라에서도 (사)한국광촉매협회(www.akp.or.kr)에서 광촉매제품 인증제도를 마련하여 광촉매 성능 기준 마련에 노력하고 있다. 세계적으로 표준화 및 인증제도가 완성되면 효과가 없는 광촉매제품이 배제되어 건전한 광촉매 시장이 형성될 수 있을 것이다.

4. 최신 광촉매기술 개발동향
광촉매기술 개발동향은 광촉매 관련 연구가 가장 활발한 일본의 경우를 예로 들어 설명하고자 한다. 1995년 빛을 조사하면 물과 아주 친해진다는 광유기 초친수성이 발견된 이래, 광촉매 관련 특허의 출원 건수는 급속히 증가하여 2000년에는 그야말로 연간 1,000건 이상의 광촉매 관련 특허가 출원되었다. 그 후, 약간 감소하였지만 다시 최근 수 년간 증가 경향으로 바뀌었다. 이에 대한 배경을 살펴보면 다음과 같다. 종래에는 광촉매가 태양광을 이용한 용도에 대해서는 효과가 있었지만, 실내와 같이 자외선이 약한 곳에서는 효과를 충분히 발휘할 수 없다는 중대한 문제점을 안고 있었다. 그러던 것이 2007년부터 일본 정부의 NEDO(경제산업성・신에너지산업기술종합개발기구)프로젝트에서 가시광 응답형 광촉매, 즉 실내의 약한 빛에서도 효과를 발휘하는 광촉매에 대한 연구개발을 지원하면서 제품화를 향한 기술개발이 활발하게 이루어지고 있기 때문이다.
이와 같이 광촉매기술은 발견, 제품화, 시장확대, 유사품제거라는 제1단계에서 세계적인 확대, JIS 및 ISO 제정, 효과기준 설정, 가시광 응답형 광촉매기술 확립의 제2단계로 발전하고 있다.
여기서는 최근 활발히 진행되고 있는 가시광 응답형 광촉매 개발에 대해 정리하고자 한다. 태양광에는 산화티탄이 흡수 가능한 자외선(300~400nm)이 태양광 전체의 3~4%밖에 들어있지 않은데 반해 가시광은 대량으로 들어있다. 실내의 조명에 사용되는 형광등에도 가시광이 전체의 빛에서 차지하는 비율은 높고, 자외선은 미량밖에 들어있지 않다(실내의 자외선 강도는 실외의 약 1,000분의 1 정도). 또한 욕실 등의 커버 씌운 전구에서는 자외선이 차단되기 때문에 산화티탄의 광촉매 활성은 발휘되지 않는다. 그러므로 광촉매의 밴드갭을 작게 하여 자외선과 더불어 가시광도 광촉매 반응에 이용할 수 있다면 광촉매반응 속도를 대폭 향상시킬 수 있을 것이며 실내에서도 광촉매를 이용할 수 있게 된다.
이미 1970년대부터 광촉매 기능을 가지면서 가시광을 흡수할 수 있는 반도체에 대한 연구가 진행되었는데, 대표적인 방법들을 정리하면, 1)산화티탄 표면에 가시광을 흡수하는 색소 흡착(색소증감), 2)비교적 밴드갭이 작은 반도체 중 광촉매 반응에 이용할 수 있는 물질 탐색(밴드갭이 낮은 반도체), 3)산화티탄에 각종 금속이온 첨가를 시도하였다. 그러다가 2001년, 일본도요타중앙연구소의 그룹이 질소 도핑 산화티탄에 의한 광촉매반응을 발표하였다. 이는 산화티탄의 산소의 일부를 질소로 치환함으로써 가전자대를 끌어올려 가시광에 응답성을 부여한 것이다. 이러한 보고 이후, 음이온 도핑 산화티탄이 활발하게 연구되고 있다. 하지만 가시광 영역 전반에 걸쳐 응답이 충분한 효과를 보인다면 평가할 수는 있겠지만 질소나 황 등의 도핑으로 가시광에 대한 감도가 약간 증가하는 반면 본래의 자외선에 대한 감도가 대폭 감소하는 경우도 많아 아직 완벽하다고 보기는 어렵다. 이런 문제점이 있다고 하더라도 산화티탄 광촉매의 가시광 감응은 대단히 중요한 테마로 향후 활발한 연구가 기대된다.

5. 세계 광촉매시장 현황
세계적으로 광촉매시장은 우리가 눈으로 쉽게 효과를 확인할 수 있는 셀프클리닝 효과를 적용한 건물 외장 타일이나 유리 등을 중심으로 형성되어 있는 실정이다. 아래에 몇 국가에서 진행되는 광촉매기술 및 제품 개발에 대해 정리하고자 한다.
먼저 일본에서 진행한 지구온난화대책으로 광촉매 기술을 이용한 흥미로운 내용부터 소개하고자 한다. NEDO프로젝트 일환으로 ‘광촉매 이용 고기능 주택용 건자재 프로젝트’가 2003년에 시작되었다. 목적은 광촉매의 초친수성 기능을 활용한 주택용 방열 건자재를 이용하여 냉방공조의 부하 저감시스템을 개발하여 건축물의 에너지 절약을 촉진하는 것이다. 즉 외장 건자재에 산화티탄 광촉매를 코팅하고 물을 뿌려주면 광촉매의 초친수성에 의해 외장 건자재 표면에 얇은 물의 막이 만들어지고 이 물이 기화할 때 발생하는 기화열(증발잠열)에 의해 건물이 냉각되어, 실내로 외부 열의 유입이 줄어들어 여름철의 냉방공조 부하를 줄이는 것이다. 이 프로젝트는 2003년부터 2005년까지 3년 동안 광촉매 주택 관련 기업 7사와 동경대학・동경이과대학과의 산학공동연구 체제에서 진행되었다. 실용화를 위한 연구개발을 목표로 하여 그 구체적인 활동성과의 예로, 카나가와현 히라쯔까시에 있는 (주)닛산차체 히라쯔까공장에서 건물 외부에 부착된 금속망 브라인드를 이용한 실증실험 결과, 물을 뿌려줌으로서 외벽 표면온도가 약 7℃, 실내온도가 약 2~3℃ 내려갔다고 보고하였다. 또한 동경대학 구내에 실증 실험주택, 동경이과대학 구내에 오피스빌딩을 가정한 실증 실험동을 건설하여 여러 조건에서 실험데이터를 얻어 냉방공조 부하 저감효과의 상세한 시뮬레이션이 이루어졌다. 그 결과 주택에 적용할 경우, 냉방공조 전력을 10~20% 절약할 수 있음을 알았다. 2005년 나고야에서 개최된 아이찌사랑・지구세계박람회에서는 전시장 돔 지붕의 휴게소에서 공개 실증실험을 실시하여 그 효과를 직접 체험하도록 하였다.
중국에서는 북경에 완성된 국가대극장의 지붕에 광촉매를 적용한 것이 유명하며, 공기청정기를 중심으로 코팅액, 도료, 발포형 니켈 위에 산화티탄을 코팅한 필터 재료, 광촉매 코팅 조화 등 많은 제품이 있다. 실내에서 사용 가능한 가시광 응답형 산화티탄의 연구도 대학이나 연구소 중심으로 진행되고 있다. 중국광촉매협회가 만들어져 규격화도 진행 중이다. 타이완에서는 공기청정기를 이용한 실내공기의 청정화가 시도되고 있으며, 광촉매의 규격화도 적극적으로 검토하고 있다. 싱가포르에서는 싱가포르재료기술연구소 등의 재료 관계 연구기관이 광촉매에 관심을 가지고 셀프클리닝 작용을 중심으로 연구가 진행되고 있다. 말레이시아, 인도, 인도네시아 및 베트남에서도 관심을 가지고 있으며, 다른 나라의 움직임을 주시하고 있다.
유럽에서의 광촉매 보급의 계기는 독일의 건자재업체 DSCB사가 일본 TOTO사로부터 기술을 도입하여, 독일 국내와 체코의 타일공장에서 초친수성 특성의 산화티탄을 코팅하여 판매하면서부터 이다. 셀프클리닝 유리에 대한 관심은 유럽에서 특별히 높아, 세계적인 유리 제조업체인 영국의 필킹톤(Pilkington)이나 프랑스의 쌩고뱅(Saint-Gobain)도 제품을 생산하고 있다. 여기에 EU내 5개국의 3개 기업, 7개 연구기관, 그리고 1개 컨설팅회사가 참가하여 광촉매 셀프클리닝 유리 프로젝트를 적극적으로 추진하고 있다. 대기 중의 NOx를 제거할 목적으로 광촉매의 도로에 응용하는 것은 이탈리아 및 프랑스에서 활발하다. 또한 광촉매 재료를 사용한 셀프클리닝 효과는 이탈리아의 디비즈 인 미세리콜디아 교회에 적용한 것이 유명하다. 광촉매를 물정화에 응용한 연구도 활발하여 AQUACAT라 명명한 광촉매 유럽 프로젝트는 프랑스 이외에 스페인과 포르투갈의 연구자도 참가하고 있다. 여기서 개발한 광촉매 수처리장치는 모로코, 튜니지아, 이집트, 멕시코, 아르헨티나에도 수출되고 있다.
미국에서의 광촉매 적용 연구도 매우 활발하다. 물정화 분야에서는 안이 비어있는 유리구슬에 산화티탄을 코팅하여, 이를 유조선 사고로 유출된 바다 수면 위의 기름 제거법으로 제안하여 주목받았다. 유리 관련 대기업 PPG와 Cardinal 유리제조기업이 셀프클리닝 유리를 출시하고 있으며, Andersen사는 유리창이나 발코니의 유리에 응용하고 있다. 또한 광촉매 텐트 재료를 사용하여 10만명 수용이 가능한 텍사스 달라스의 아메리칸풋볼스타디움을 만들었다. 최근 노벨 평화상을 받은 고어 전부통령의 영향으로 CO2나 NOx의 저감이 화제가 되면서, BEHR사는 산화티탄 광촉매에 의한 NOx 저감 기술 개발에 적극적이다.

6. 국내 광촉매업계 현황
국내에도 많은 광촉매업체가 있으며 대부분은 광촉매 코팅액을 취급하고 있는 실정이다. 그 동안 국내에서 실내 공기질 개선용으로 광촉매의 수요가 가장 많았기 때문일 것이다. 국내의 광촉매업체 현황은 (사)한국광촉매협회(www.akp.or.kr)의 홈페이지에서도 찾아볼 수 있다. 최근 몇 년 사이에 대기업 포함 여러 기업에서도 광촉매에 관심을 보이면서 벽지, 마감재, 보도블럭 등 실내용 및 실외용 건축자재, 더 나아가 공기나 물의 정화장치 등 적용 제품 개발에 노력하고 있는 것으로 알려져 있다. 하지만 국내에서는 산화티탄 광촉매 적용 제품에 광촉매라는 단어를 직접 사용하는 것을 회피하는 경향이 있다. 아직 우리나라 소비자가 광촉매 효과를 바르게 인식하고 있지 않기 때문이지만 한편으로는 제대로 사용하지 못한 공급회사의 책임도 크다고 할 수 있다. 지금 광촉매시장의 세계적인 추세로 보면 정확한 광촉매의 효과에 대한 인식과 적용 방법이 확립된다면 국내에서의 광촉매 사용 분야 확대는 물론 우리 환경 정화에 큰 힘이 될 것으로 확신한다.
아래에 자료 제공에 동의하여 준 광촉매 제조업체들의 몇 가지 광촉매 제품을 간단히 소개하고자 한다. 자세한 내용은 각 회사의 홈페이지를 참고하기 바란다.

1) 마크막스코리아(주) www.makmax.co.kr
2002년 한일 월드컵을 계기로 한국에서도 막구조에 대한 인식변화와 관심이 높아지면서 많은 건축물에 막재료가 적용되기 시작하였다. 영구 구조물에 많이 사용되는 유리섬유에 PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene)를 코팅한 PTFE 계열 막재, 폴리에스테르섬유에 PVC(Poly Vinyl Chloride) 등을 코팅한 PVC 계열 막재, 그리고 최근 국내에도 점차적으로 건축물에 적용되고 있는 투명한 성능을 지닌 ETFE(Ethylene Tetra Fluoro Ethylene) 막재 등이 대표적인 막재료라 할 수 있다. 다양한 막재가 많은 건축물에 사용되면서 현장에서 나오는 가장 큰 불만은 초기의 깨끗한 막 표면이 시간 경과에 따라 더러워지는 것이다. 이런 문제점을 개선할 수 있는 방법으로 마크막스에서는 막재에 광촉매 산화티탄을 적용하여 더러워지지 않는 막재를 개발하였다.
광촉매 적용 막재는 유기물 분해와 초친수성의 두 가지 작용으로 강력한 셀프클리닝 효과를 특징으로 한다. 기존의 막재에서 흔히 나타나는 수직 벽면의 오염 문제를 해결한 광촉매 코팅 막재 제품으로 PTFE + TiO2와 PVC + TiO2가 있으며, 막재의 셀프클리닝 효과는 막구조 자체의 수명이 있는 동안 나타나는 것을 확인하였다. 또한 PTFE + TiO2 막재는 친환경소재로서 자동차 배출가스 등에 함유된 NOx를 제거하는 성능을 가지고 있다. 실질적으로 ISO 22197-1(JIS R1701-1) 기준으로 측정한 결과, 1,000m2의 광촉매 코팅 PTFE 막재로 1시간당 제거할 수 있는 NOx의 양은 0.66 g/1000m2・h이었다.
현재 광촉매 적용 막재는 자체의 특성인 경량성, 밝기, 다양한 디자인성과 더불어 셀프클리닝이란 환경친화적인 기능이 추가되어 국내는 물론 세계 많은 지역에서 사용이 증가하고 있다. 이는 광촉매 적용 막재가 광촉매의 효과를 육안으로 쉽게 알 수 있다는 장점이 있기 때문이라 생각된다. 사진 2는 마크막스에서 건설한 방화근린공원의 광촉매 적용 막재의 모습으로 설치 당시의 깨끗함을 유지하고 있다.

사진 2. 마크막스에서 건설한 방화근린공원의 광촉매 적용 막재

2) (주)켐웰텍 www.chemwelltech.com
2005년 4월 창업하여 차세대 친환경부품소재인 나노금속 화합물을 연구, 개발, 응용하는 부품소재 전문벤처기업이다. 특히 전자담지효과(Electron Storage Effect)에 의해 빛이 없는 조건에서도 4시간 이상 산화작용을 구현할 수 있는 WO3-TiO2 축광형 광촉매(특허 제10-0578044호 등록)를 세계 최초로 상용화하였다. 아래 사진은 개발한 광촉매 코팅액을 이용하여 복합판넬 외벽을 시공한 사례와 응용 제품 포충기이다. 이 WO3-TiO2 축광형 광촉매는 한국광촉매협회의 광촉매제품 인증 획득과 2007년에는 일본의 광촉매 성능평가기관인 카나가와현 과학기술아카데미(KAST)에서 상용제품의 광촉매 성능평가 결과, 세계 최고 수준이라고 인정받은 바 있다. 최근에는 실내 형광등과 같은 가시광 조건에서도 광촉매 활성이 우수한 새로운 복합금속산화물 형태의 질소 도핑 광촉매(Fe/Cr/Zn/WO3-TiO2)를 개발하여 특허(제10-2011-0082054호)를 출원하였다.

사진 3. 복합판넬 외벽 광촉매 시공 사례 및 응용제품 포충기

3) (주)88콘크리트 www.88con.com
서울시정개발보고서에 따르면 서울 대기 중 NO2 농도는 2000~2009년 동안 지속적으로 대기환경 기준치인 0.03 ppm을 초과하였다.(도로주변: 0.049~0.057ppm, 주거지역: 0.034~0.038ppm) 이는 그 동안 서울시가 추진한 NOx 저감정책의 개선 효과는 없었다는 것을 의미한다. 이 점은 앞에서도 언급한 유럽의 각 나라와 비슷한 실정이다. 88콘크리트에서는 광촉매 적용 콘크리트 보도블록(특허 제10-1022893호 등록)을 개발하여 도심의 NOx 저감에 노력하고 있다.
개발한 광촉매 적용 콘크리트 보도블록은 골재와 시멘트 입자 사이에 광촉매 입자가 잘 혼입되도록 공극을 줄여 블록의 물성과 기능성을 동시에 만족시켰으며, 광촉매와 태양광의 접촉을 극대화하기 위하여 보도블럭 표면 가까이에 대부분의 광촉매를 고정하였다. 또한 촉진열화시험(마모조건, 오염물침착조건, 내환경성시험조건) 후에도 우수한 NOx 제거 효과 등 대기정화성능 및 더러움방지기능을 보유하면서 휨강도나 흡수율이 시험 전과 비교하여 동등 이상으로 우수하다는 성능인증서와 한국건설생활환경시험연구원에서 인증한 건마크를 확보하고 있다. 사진 4는 88콘크리트에서 제조한 NOx 저감 효과가 우수한 보도블럭 구조이다.

사진 4. 88콘크리트에서 제조한 보도블럭

4) (주)빛과환경 www.pnekr.com
2000년 4월에 설립되어 독자적 기술로 살균 및 각종 VOC물질 제거능력이 우수하며 여러 재질에 적용 가능한 광촉매 원료와 살균능력이 탁월한 광촉매 적용 공기정화용 및 물정화용 필터를 생산, 공급하고 있다. 아울러 수처리 응집공정 슬러지에서 산화티탄을 대량 생산할 수 있는 자원회수형 슬러지 재활용기술(국내특허 제10-0715093호 및 미국특허 등록)을 개발하여 아주 저렴하게 시판 광촉매와 성능이 동등한 광촉매 제조에 성공하였으며, 이 기술로 환경신기술인증 및 녹색기술인증을 획득하였다. 아래 그림은 자원회수형 슬러지 재활용기술의 개요도이다.
산화티탄 광촉매를 섬유나 플라스틱 등에 적용하면 탈취와 살균효과를 얻을 수 있지만, 광촉매 작용으로 섬유나 플라스틱이 쉽게 분해되는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 아파타이트나 실리카를 산화티탄 광촉매 표면에 부분 피복하는 방법을 사용하는데, 피복체들에 의하여 광촉매 성능이 저하되는 경우가 많다. 최근 빛과환경은 산화티탄 주위에 다공질의 피복체를 생성시킨 다공성 산화티탄을 세계 최초로 개발(특허 제10-2012-0012796호 출원)하였다. 이 제품은 섬유나 플라스틱에 사용하여도 광촉매 분해가 일어나지 않으며, 피복체로 인한 광촉매 성능 저하도 없을 뿐만 아니라 가시광 조건에서 질소 도핑 광촉매 보다 활성이 우수하다. 다공성 산화티탄을 둘러싸고 있는 다공질 피복체 부분은 90% 이상이 공기로 이루어져 매우 가벼우며 단열능력도 우수하여, 지금까지 광촉매를 적용할 수 없었던 재료나 단열성능이 필요한 여러 분야에 적용이 기대된다.

그림 1. 자원회수형 슬러지 재활용기술 개요

7. 광촉매시장 전망

이하 생략-------자세한 내용은 세라믹코리아 2012년 3월호를 참조 바랍니다.

참고자료
1. 알기쉬운 광촉매 이야기, 김종호 외 7인 번역, 전남대학교 출판부(ISBN 89-7598-472-9), 2004년 11월 발행
2. 광촉매기술 사업화 최전선, 김종호 외 8인 번역, 전남대학교 출판부(ISBN 978-89-7598-732-8), 2009년 3월 20일 발행
3. The European Parliament and of the Council & European Commission
4. The European Environment State and Outlook 2010
5. www.italcementigroup.com
6. www.makmax.co.kr
7. www.chemwelltech.com
8. www.88con.com
9. www.pnekr.com

김 종 호
- 1890년  전남대학교 화학공학과 공학사
- 1982년  전남대학교 화학공학과 공학석사
- 1985년  일본동경공업대학 화학과 이학석사
- 1989년  일본동경공업대학 화학과 이학박사
- 1989년 4월~1990년 2월  일본석유 중앙기술연구소 객원연구원
- 1990년 3월~1991년 9월  일본동경공업대학 이학부 준객원연구원
- 1991년10월~1992년 7월  일본동경공업대학 공학부 조교수
- 1992년 8월~1993년 8월  일본통산성물질공학공업기술연구소 특별연구원
- 1993년 9월~1996년 2월  일본돗토리국립대학 공학부 전임강사, 조교수
- 2006년 3월~2007년 2월  호주 University of Technology, Sydney 객원교수
- 1996년 3월~현재  전남대학교 공과대학 응용화학공학부 부교수, 교수
- 2000년 5~현재  (주)빛과환경 대표이사