Special 세라믹스 국제표준화 최신 동향(2)

광촉매 재료 성능 평가방법 표준화 동향

최기인_한국세라믹기술원 분석기술센터 책임연구원
이태규_(주)나노팩 대표이사

수송기관, 화력발전소, 소각시설 등에서 배출되는 질소산화물, 황산화물, 휘발성 유기물질(VOCs) 등에 의해 야기되는 대기오염 뿐만 아니라, 코로나19, 신종플루, 집단 식중독과 같은 세균 및 바이러스의 위협, 아파트, 오피스텔 등 주거 공간에서의 새집증후군 현상 등 최근 심각해지는 환경오염문제를 해결하기 위한 대안 기술로 광촉매 기술이 새롭게 조명받고 있다. 촉매(Catalyst)란 기본적으로 자신은 반응에 직접 참여하여 소모되지 않은 채 반응속도에만 영향을 주는 (일반적으로 반응속도를 빠르게 하거나 느리게 하는) 물질이며, 이 중에서도 광촉매(Photocatalyst)란 빛을 조사하였을 때 촉매로서의 역할과 기능이 발현되는 물질을 말한다.
  광촉매 반응은 일반적으로 빛을 받아 생성된 공유띠 정공과 여기된 전도띠 전자가 계면에서 전자전이를 일으킴으로써 빛에너지를 화학에너지로 변환하는 메커니즘으로 설명할 수 있다. 이산화 타이타늄(TiO2)과 같은 광촉매 물질에 빛을 쪼이게 되면, 표면에 전자(e-)와 정공(h+)이 생기게 되고 전자는 광촉매 표면에 있는 산소와 반응해서 슈퍼옥사이드 음이온(O2-)을 만들게 되며, 생성된 정공은 공기 속에 존재하고 있는 수분과 반응하여 하이드록실 라디칼(hydroxyl radical, 중성 OH)이 생성된다. 광촉매에 의한 오염물질 분해 반응은 대부분 표면에서 생성된 하이드록실 라디칼의 강력한 산화력에 기인하지만, 전체적인 메커니즘은 하이드록실 라디칼뿐만 아니라 공유대 정공, 전도대 전자, 슈퍼 옥사이드 음이온 등이 관련되는 일련의 산화환원 표면반응이 복합적으로 작용하며, 이 과정에서 공기 혹은 물에 존재하는 유기물질, 악취물질, 바이러스, 박테리아 같은 세균 등 다양한 오염물질은 물과 이산화탄소로 분해된다.

그림 1. 광촉매의 오염물질 제거 메커니즘

  이러한 광촉매의 기능과 장점을 가장 잘 활용하고 있는 산업분야 중 하나는 바로 건설·건축 산업으로, 실제 일본광촉매협회에서는 2019년 기준 일본 광촉매 산업의 매출 620억엔 중 80% 이상이 광촉매 건축물 외장재료 산업과 관련된 것으로 보고하고 있다. 건설·건축 재료에 광촉매가 적용될 경우, 별도의 인공 광 에너지 투입 없이 태양광에 의해 원하는 광촉매 반응을 얻을 수 있다는 점, 반응이 일어나더라도 물질 자체는 변하지 않는 촉매의 특성상 적용된 광촉매 재료가 물리적으로 훼손되지 않으면 반영구적 사용 할 수 있다는 점, 광촉매의 다양한 기능이 동시에 일어나 복합적인 효과를 얻을 수 있다는 점 등 광촉매 적용을 통해 기대할 수 있는 효과가 크기 때문에 그 활용도가 매우 높다고 할 수 있다. 예를 들어, 건축물 외벽에 광촉매 코팅을 하고, 태양광을 받으면 질소산화물, 황산화물, 휘발성 유기오염물질, 악취물질 등의 다양한 대기오염물질의 복합 제거, 초친수성에 의한 발수효과, 방오(self-cleaning) 효과 등을 동시에 얻을 수 있다. 특히, 최근에는 광촉매에 의해서 제거되는 주요물질인 질소산화물, 황산화물, 유기물질 등이 미세먼지 전구물질인 것으로 알려지면서 건설·건축 재료에 광촉매 기술을 적용하여 대기 중 미세먼지를 저감하는 다양한 연구들도 활발하게 이루어지고 있다. 국토교통부에서는 2018년부터 ‘저비용 고성능 광촉매를 활용한 미세먼지 저감 건설기술 개발’ 연구단 사업을 통해 광촉매 물질을 실외 및 실내 건설·건축 재료에 적용하여 미세먼지 전구물질을 저감하는 연구를 진행하고 있다. 또한, 다수의 지자체에서는 광촉매 재료를 터널, 아파트 외벽, 방음벽, 도로, 공공시설 등에 적용하여 미세먼지 전구물질을 줄이는 시범사업을 진행하거나 검토하고 있다.

그림 2. 미세먼지 (PM 2.5) 2차 생성과정
(출처: ‘바로 알면 보인다. 미세먼지, 도대체 뭘까?’, 환경부, 2016. 04)

  이에 이번 세라믹스 표준화 동향(2)에서는 광촉매 재료의 오염물질 제거 성능평가를 중심으로 한 광촉매 국제·국내 표준화 동향을 살펴보는 한편, 광촉매 건설·건축 재료 적용현장에서의 광촉매 성능평가 방법 표준화를 위한 다양한 활동을 정리해보고자 한다.

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