소재

광촉매 기술의 연구개발과
산학관 연대에 의한 실용화

峠田博史 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology

1. 첫머리에
최근 환경호르몬의 문제와 새집증후군 등으로 상징되듯 갖가지 유해화학물질에 의한 환경오염이 지구 규모로 진행되고 있어, 인류의 생존을 위협하는 심각한 문제가 되고 있다. 새집증후군 등 화학물질 과민증은 이러한 유해화학물질에 의한 피폭으로 발증한다고 알려져 있으며, 현재 일본 내의 환자는 100만 명을 넘는다고 한다. 이렇게 편리하다는 이유로 대량 사용되어 온 화학물질이 확산되어, 물과 대기, 토양 등의 환경을 지구 규모로 오염시켜, 인류를 포함한 생물 전체에 심각한 문제를 일으키고 있다. 이것을 해결하기 위해서는 환경 내의 합성화학물질의 양을 줄일 필요가 있으며, 지구 전체를 오염시키고 있는 환경오염물질의 잔존량을 최대한 삭감하여 위험을 최소화한 안전한 사회의 건설이 요망되고 있다.

지금까지 환경오염물질의 처리는 포집하여 농축한 다음 소각 등의 열분해에 의한 방법이 이루어졌으나, 환경호르몬에 대해 같은 방법을 채용한다면, 오염이 광범위하게 확산되기 때문에 팽대한 양의 물과 대기, 토용을 처리해야 한다. 그것을 위해서는 화석연료 등 대량의 에너지가 필요하며, 그와 함께 다량의 탄산가스가 발생하고, 또한 소각처리에 의해 다이옥신 등의 맹독성 물질을 생성할 우려가 있다.
따라서 종래의 기술로 환경오염물질을 제거한다는 것은 에너지 위기와 지구온난화와 그에 따른 환경오염을 초래하는 일이 되므로, 새로운 유효한 환경정화기술·환경정화재료가 요구되어 왔다.

2. 광촉매 기술
광촉매 기술은 산화티탄 등의 반도체에 광조사함으로써 생성하는 정공과 전자의 산화환원력을 이용하여 환경오염물질을 처리하는 것으로, 환경 속의 유해유기화학물질을 빛에너지로 물이나 탄산가스 등으로 분해·무해화할 수 있어, 물 처리나 공기정화, 항균과 곰팡이 방지, 방오(셀프클리닝) 등, 폭넓은 분야에 이용할 수 있다.
게다가 유독한 약품이나 화석연료 등을 사용하지 않고, 깨끗하며 무진장한 태양광 등 광 에너지를 이용하여 환경오염물질을 안전하며 동시에 효율적으로 처리할 수 있고, 반영구적으로 사용할 수 있는 등, 수많은 이점을 가지고 있기 때문에 21세기의 기대 기술이 되고 있다.
그러나 광촉매로서는 당초 분말로 된 것이 이용되고 있어, 물 처리에 있어 처리 후 물과 촉매의 분리가 곤란하다는 점과 탈취처리의 경우에 분말이 공중으로 비산하는 등 취급이 어렵다는 점, 일괄처리가 불가능하다는 등의 결점이 있어, 좀처럼 실용화가 진척되지 못했다. 따라서 광촉매의 실용화를 진행하기 위해서는 산화티탄 광촉매를 기재로 고정화하는 일이 필요 불가결했다.

필자 등은 20년도 더 이전인 1983년부터 광촉매 연구를 해 오고 있는데, 광촉매의 이러한 결점을 개선하기 위해서, 기재에 고정화한 산화티탄 고정화 광촉매를 개발해 왔다. 티탄인 알콕시드에서 티타니아졸을 만들고, 딥코팅법으로 유리 기판 위에 코팅한 후, 건조, 소성하고 이것을 반복함으로써 투명하고 내구성이 우수한 고성능의 산화티탄박막 광촉매를 개발했다. 이 산화티탄박막광촉매는 유리 등의 투명한 기판 위에 고정화되었을 경우, 기판을 투과해 오는 빛을 이용할 수 있어, 물 처리 등을 연속적이며 동시에 관리할 필요 없이 실시할 수 있다. 게다가 항균작용과 초친수성도 갖고 있다.
또 산화티탄광촉매는 전술한 것처럼 강력한 산화분해력·항균력을 나타내지만, 빛이 존재하고, 동시에 대상물질이 표면에 와야만 이러한 기능이 발현된다는 제약이 있었다.
따라서 광촉매의 성능을 올리기 위해 광촉매와 흡착제의 복합화와 광촉매의 다공질화에 의한 반응표면적의 증대화를 실시했다.
이것은 대상물질을 흡착에 의해 끌어들이고, 그것을 광촉매로 분해하려는 것이다. 투명하며 다공질인 실리카 기판에 산화티탄을 코팅하여 조제한 광촉매 실리카겔은 실리카겔 내부의 세공이 무너지지 않도록 세공 내표면에도 산화티탄막이 코트되어 있어 450m2/g이나 되는 비표면적을 갖고 있다. 그리고 환경오염물질을 흡착하여 효율적으로 분해 처리할 수 있다. 게다가 흡착된 유해화학물질을 탄산가스 등으로 산화분해해도 그 자체는 재생되므로 광촉매 실리카겔은 자기재생형 흡착제라고도 할 수 있다.
또한 산화티탄 광촉매를 섬유나 플라스틱에 넣으면 광촉매 작용으로 그것들이 분해되기 때문에 지금까지 섬유나 플라스틱에 대한 복합화가 불가능했다. 그래서 산화티탄광촉매 입자 표면에 광촉매로서 불활성한 세라믹스를 부분적으로 붙인 머스크메론형과 별사탕형 등의 산화티탄 하이브리드 광촉매 입자를 개발했다.
이것을 섬유나 플라스틱에 섞어 넣어도 산화티탄 자체는 섬유나 플라스틱과 접촉하지 않아 분해가 억제된다. 이러한 재료개발로 섬유와 종이, 플라스틱 등에 대한 실용화가 크게 진전되었다.

3. 산학관 연대와 (주)포티科硏의 설립
광촉매를 이용하면 물 처리나 대기정화, 탈취, 배기가스 처리, 항균 방곰팡이, 선도유지, 오염의 분해, 셀프클리닝, 김서림 방지 등 갖가지 용도가 가능하므로 광촉매의 실용화·제품화를 하기 위해서는 여러 분야의 기술을 활용할 필요가 있다. 또 광촉매에 관해서는 기초와 응용·제품화가 극히 밀접하게 연결되어 있어 새로운 발견이 곧 제품화로 이어지고, 새로운 재료의 개발에 의해 다시 응용분야가 확산되어 간다. 그러므로 여러 학문분야의 연구자와 다양한 기술 분야의 기술자의 연대가 불가결하다.
따라서 필자 등은 이러한 광촉매의 재료개발·연구개발을 기업과 대학, 공설 연구기관과 연대해서 해왔다. 그 결과, 지금까지 100개 이상의 특허를 출원하였고, 기업에 의한 특허의 실시 등에 의해 광촉매 코팅액과 광촉매 실리카겔, 광촉매 필터, 광촉매 시트, 광촉매 벽지, 광촉매 필름, 광촉매 환경정화 조화, 광촉매 기능성 글라스 웨어, 공기청정기, 다이옥신 분해 장치, 부유균 제거장치, 물 처리장치 등 여러 가지 제품이 개발되었다.
이것을 더욱 신속하게 실시하고, 개발한 신기술을 즉시 제품화하기 위해 벤처기업을 설립했다. 독립행정법인 산업기술총합연구소(産總硏)는 2001년에 通商産業省 공업기술원 산하의 15개의 연구소를 통합하여 설립한 약 5000명의 연구원(외부 연구원 포함)을 보유한 일본 최대 규모의 연구소로, (1)산업기술경쟁력 강화를 위한 첨단적 연구, (2)에너지와 환경 등, 정책 요구를 위한 장기적 연구, (3)표준 등 과학기초연구를 실시하고 있으며, 새로운 산업창제·신규분 창출을 미션의 큰 기둥으로 내세우고 있다. 그것을 위해서 연구 직원에 의한 벤처기업(起業)을 추진하고 있다.
이러한 경위 하에, 공기·물·토양 등의 지구환경을 연구와 창조로 지켜, 사회의 지속적인 발전에 공헌하는 것을 목적으로 하여 (주)포티科硏이 설립되었다.
이 산관(産官)연대에 의한 벤처기업은 여러 업종의 탑 클래스 인재들의 지혜와 기술을 결집하여 아직 실현되지 못한 소비자가 간절히 원하고 있는 새로운 고부가가치의 제품, 환경병 등을 앓아 괴로워하고 있는 사람들이 기뻐할만한 광촉매를 응용한 제품, 지구온난화 방지에 도움이 될만한 에너지 절약 제품, 재활용 제품의 개발을 추진하고 있다.
그리고 사용자가 요망하고 있는 상품을 사용자와 함께 연구하여 하루라도 빨리 개발·제공하여 깨끗한 환경을 창조함과 동시에, 일본산업 재생의 일익을 담당하는 것을 목표로 하고 있다.

포티科硏은 상기 이념을 공유하는 북으로는 北海道로부터 남으로는 九州에 이르기까지 40개사가 넘는, 높은 기술을 가진 중소기업의 사장들과 기술자들이 名古屋市에서 정기적으로 개최하던 광촉매 교류회를 모체로 하여 2004년 1월 9일에 다수의 기술력으로 우수한 협력기업을 포옹하는 슈퍼벤처로 설립되었고, 필자(産總硏, 峠田)가 이사장으로 취임하였고, AIST(産總硏)벤처로 인정을 받았다.
그리고 그림 1에 나타나 있는 것처럼 포티科硏의 여러 가지 기술을 가진 기술자 집단이 총력을 다해, 매력적인 신규의 고부가가치 제품을 타당한 가격에 신속 대량으로 공급함과 동시에, 세계에 제품을 보급하여 인류에 공헌할 것을 목표로 하고 있고 그것을 위해서 아래와 같은 사업을 진행하고 있다.
(1)광촉매를 응용한 쾌적환경의 창조
(2)광촉매의 연장으로서의 광열 이용 촉매의 개발
(3)축열재와 응용제품의 개발에 의한 에너지 절약, 쾌적한 환경의 창조
(4)무기 도료의 개발과 그에 의한 플라스틱의 개질
(5)아스베스트 대책 관련 사업, 산업폐기물·일반폐기물의 재활용
(6)새로운 기술개발의 테크니컬 어드바이스와 공동 개발
(7)차세대 신소재의 개발과 그 응용에 의한 신상품화 및 판매 등
최근 중국이나 한국, 동남아시아 제국의 추격이 심하여, 저가의 대량생산품은 인건비가 싼 국외에서 생산되고 있으므로 일본에서는 고부가가치 제품의 창조에 매달려 소비자의 요구를 충족시킨 제품을 신속하게 공급할 필요가 있다. 히트 상품이 탄생되어도 생산이 때를 맞추지 못한다면 붐이 사라진 후에 재고가 산처럼 쌓이게 된다.
포티科硏은 슈퍼벤처로, 뒤에 여러 업종의 기업이 연계되어 있기 때문에 히트 상품이 탄생되면 협력하여 히트 상품을 대량으로 생산하고 신속하게 공급할 수 있다. 이러한 매력 있는 고부가가치 제품을 신속 대량으로 공급하는 것이 앞으로의 일본기업이 취해야 할 길이며 지역경제의 활성화로 이어지리라 믿는다.

4. 포티科硏의 제품개발의 구체적인 사례
지금까지 맹장지 문이나 병풍, 가리개 등 종이제품은 잘 찢어진다, 쉽게 오염된다, 물에 약하다, 잘 탄다 등의 문제해결이 업계의 염원이었다. 또 플라스틱 제품도 쉽게 오염이 된다, 잘 탄다 등의 문제점을 안고 있어 취소계(臭素系)의 난연제를 첨가하고 있으나, 소각 시에 취소화 다이옥신이 발생한다는 것이 큰 문제가 되고 있다. 그러므로 그 대체로서 유기 인계 난연제가 사용되기 시작했는데, 화학물질 과민증의 원인물질로 유해성이 지적되고 있다.
포티科硏에서는 종이나 플라스틱 등 유기소재로 된 기재에 내수성과 내열성, 방염성, 방오성 등의 부여할 수 있는 투명 세라믹스 코팅액을 개발했다.
이 투명 세라믹스 코팅액을 골판지 등의 종이로 만든 제품(맹장지와 병풍, 가리개) 등에 스미게 해서 코팅함으로써 맹장지 업계의 염원이었던 ‘잘 찢어지지 않고 더러워지지 않으며 물에 강하고 난연성인 맹장지를’이라는 꿈을 실현했다(그림 2(a)). 종이에 투명 세라믹스 코팅액을 침투시켜서 세라믹스화함으로써 내열성이 부여되고, 경도도 목재처럼 되어서 대폭 향상된다. 그리고 내수성과 방오성이 부여되고, 또한 방염성도 갖고 있으며 디자인성도 우수하다.
따라서 비에 강하고 오염이 부착되어도 금세 지울 수 있으며, 그림 2(b)에 나타나 있는 것처럼 불꽃을 가까이 대어도 그림 2(c)에서 볼 수 있는 것처럼 그을음이 생길 뿐 착화가 어려워 타지 않게 되며, 연소에 의한 유해가스가 발생하지 않는다. 따라서 옥외에서의 사용이나 오인세대의 사용에 적합하며 게다가 이 경우는 낡은 종이를 이용함으로써 낡은 종이의 재활용에도 공헌할 수 있다.
또 광촉매를 더 이용하여 방오성과 탈취성, 실내환경정화성이 우수한 기능을 한층 발휘할 수 있어, 집합주택, 복합 빌딩, 병원 등의 방취방화대책에 최적이다. 이 투명 세라믹스 광촉매 코팅은 상당히 치밀한 막으로, 산소나 물도 통과하지 않기 때문에 이것을 건재 등에 코팅하면 건재에서 VOC(휘발성 유기화합물)가 방출되는 것을 방지한다. 통상, 광촉매를 금속에 코팅한 경우, 광촉매 작용에 의해 금속이 녹슬어 버리기 때문에 지금까지 금속에 대한 광촉매 코팅은 불가능했다. 그러나 투명 세라믹스 광촉매 코팅은 막이 상당히 치밀하므로, 방창효과도 얻을 수 있다.
아울러, 표면경도가 연필 경도로 9H이상이나 되므로 내마모성도 부여할 수 있어 종이제품뿐 아니라 금속제품, 플라스틱 제품, 목죽제품, 섬유제품 등 여러 가지 용도에 적용이 가능해졌다.
또한 이 투명 세라믹 코팅액을 이용한 아스베스트의 고정화와 무해화를 추진하고 있다. 이것을 아스베스트에 넣으면 간단히 고정화할 수 있고, 이어서 침상결정형을 가루·입상으로 바꿈으로써 쉽게 무해화할 수 있어, 콘크리트 제품이나 복합재료 등에 재활용할 수 있다. 이 아스베스트 대책 사업은 지금부터 더욱 크게 확장되리라 생각한다.

포티科硏은 이렇게 투명 세라믹 코팅액을 개발하고 그것을 이용한 응용을 추진하고 있다. 또 반복 사용할 수 있는 보온기구 등의 축열제품이나 그것이 사용할 축열재를 개발하고 있다. 또한 벽 등에 발라서 태양광 등의 빛이 닿는 것만으로도 오염이 분해되어 깨끗해지는 세정제와 빛이 닿으면 재생되어 반복 탈취 등에 사용할 수 있는 블루 활성탄, 화학물질 과민증 대책용 벽지와 공기청정기 등 광촉매 제품, 용도에 맞게 세세하게 대응하는 광촉매 코팅제, 조류인플루엔자 항균 마스크, 항균 항곰팡이 도료 등도 개발하고 있으며, 시공 등도 하고 있다. 그리고 그 기술력을 결집하기 위해 사업마다 프로젝트팀을 짜서 여러 기업과 연대하여 신제품의 개발을 추진하고 있다.

5. 맺음말
광촉매는 아이부터 노인까지 누구나 간단하며 안전하게 사용할 수 있으며, 빛이 있으면 어디서나 사용할 수 있다. 그리고 선진국, 개발도상국을 불문하고 세계 어디서나 이용할 수 있는데, 특히 에너지 사정이 나쁘고 태양광이 풍부한 개발도상국에 최적의 기술이다.
따라서 일본뿐 아니라 세계 각국에서의 보급이 전망된다. 포티科硏은 지금까지 일본 내외의 심포지엄과 전시회에 참가하여 광촉매 기술과 환경제품을 소개해 왔다. 특히 중국이나 대만, 한국, 동남아시아 등에서는 SARS대책과 조류인플루엔자 대책으로 큰 관심을 모으고 있어, 환경보호국 등의 당국으로부터도 환경대책에 대한 협력을 요청받고 있다.
또한 각국의 기업으로부터 제품의 판매와 기술공여를 요청받고 있어, 앞으로는 각국의 기업과 연대를 추진하여 개발제품의 보급과 그에 따른 지구환경의 개선과 일본경제발전에 공헌할 것을 목표로 하고 있다.                    (Ceramics Japan)                                   

그림 1. (주)포티科硏과 그 멤버의 기술분야
그림 2. (a)내수내열방염방오성 건재, (b)불꽃을 댄 상태, (c)약 1분 후의 상태