佐伯 義光 東陶機器(株) 1. 들어가며 광촉매 연구는 本多·藤嶋효과의 발표를 그 시초로 하지만, 1994년에 TOTO에서는 광촉매의 유기물 분해작용을 응용한 항균타일을 세계 최초로 제품화하였고, 1995년의 초친수성 현상의 발견을 거쳐, 1998년에 셀프클리닝 효과를 가진 ‘하이드로텍트 타일’을 발표했다. 현재 제품화되어 있는 것의 대부분이 지난 5~6년 동안 시장에 투입되어 온 것이다. 본고에서는 광촉매의 원리와 기능에서부터 응용상품인 타일의 기술개발을 중심으로 한 실용화 기술과 응용제품 개발의 동향을 중심으로 소개하겠다. 2. 광촉매의 원리와 기능 광촉매의 원리와 그 기능에 대해 소개하겠다. 광촉매 활성이 높은 아나타제형 TiO2는 자외선 조사로 ‘분해성’과 ‘친수성’이 동시에 생긴다. TiO2에 자외선(hv)를 조사하면, 가전자대에 있는 전자가 전도대까지 여기되어 전자(e-)·정공(h+)대(對)가 생성한다. TiO2 표면에 확산된 전자·정공은 표면에 흡착한 산소나 물과 반응하여 활성산소의 생성과 화학흡착수(표면수산기)의 증가가 일어난다. 이 활성산소(O2-, OH)는 그 강한 산성력으로 광촉매 표면에 부착된 여러 가지 유기물을 분해한다. 따라서 기재의 표면에 광촉매를 얇게 막 상태로 코팅함으로써 항균, 탈취, 오염분해 등 각종 기능을 기재에 부여할 수 있게 된다. 또 화학흡착수(표면수산기)가 증가하여 친수성이 되고, 나아가서 화학흡착수에 공기 중의 수분이 흡착하여 수소결합으로 물리 흡착층이 생성됨으로써 친수성이 강해진다. ‘초친수성’이란 그림 1에서 볼 수 있듯이 광촉매 박막 표면에 빛(자외선)을 쏘이면 그 표면을 물이 잘 스며들게 해서(물과의 접촉각을 감소시켜서), 최종적으로는 전혀 물이 튀지 않는 초친수성의 표면(물과의 접촉각=0°)의 상태를 얻을 수 있게 된다. 이 초친수성 기술을 이용하면 표면에 ‘김서림 방지’와 ‘강우를 이용한 셀프클리닝’ 등의 기능을 갖출 수 있게 된다. 3. 실용화를 위한 광촉매의 기능설계, 하이브리드화 광촉매 반응은 TiO2의 표면접촉반응이다. 또 빛을 쏘이고 있을 때에만 일어나는 반응이기도 하다. 광촉매 반응의 특징을 보완하는 다른 기능재료와의 조합인 하이브리드화는 광촉매를 용도·사용 환경 하에서 실용적 가치가 있는 것으로 만들어 주는데 대단히 중요한 기술이라고 할 수 있다. 실용화된 TiO2 코팅은 조성이나 구성에 따라 분해성과 친수성의 발현비율이 다르며, 용도에 따라 두 가지 성질이 복합해서 기능발현에 기여하고 있다. 가. 실리카·실리콘계 축수성(蓄水性) 물질의 첨가 자외선 조사로 발생한 초친수성 상태는 불안정하기 때문에 자외선 조사를 중지하면 표면수산기가 감소, 초친수성을 유지할 수 없게 된다. 이때, TiO2에 실리카 등의 축수성 물질을 첨가함으로써 초친수성의 상태를 긴 시간 유지시킬 수 있게 된다. 이것은 실리카가 강한 친수성을 보이는 시라놀기(基)를 가지기 때문에 TiO2의 친수화 작용으로 형성된 흡착수층을 유지하게 되기 때문이라고 생각된다. 또한 광촉매의 유기물 분해 작용으로 표면의 유기물 오염을 분해함으로써 표면의 친수성을 향상시키는 상승효과도 얻을 수 있다. TiO2만의 표면은 자외선 조사를 그멈추고 몇 시간이 지나면 친수성이 열화되지만, 실리카(SiO2)를 조합시킨 계(系)에서는 1개월 이상이나 10° 이하의 접촉각을 유지하는 성능을 얻는다. 나. Cu, Ag 등 천이금속의 첨가 TiO2의 산화분해의 활성화를 향상시키려면 전자·정공대가 분리하여 확산해 나가는 과정에서의 재결합 확률을 저감시키는 것이 중요하다. 광촉매 내 천이금속(Cu, Ag 등)을 담지하는 방법이 이용된다. 금속의 담지로 광 여기로 인해 생긴 전자·정공의 전하분리효율향상, 재결합 확률을 저하시키는 효과가 있다. 표 1은 금속 담지한 광촉매 항균타일의 항균실험결과를 나타낸 것이다. 이밖에 각종 유해가스(NOx, SOx 등)의 제거성능향상을 목적으로 흡착재·다공재와의 복합화도 검토되고 있다. 4. 광촉매의 반응제품 개발 가. 외장재, 도로자재에 대한 응용 외장용 건재나 도로자재는 오염의 부하가 큰 옥외에서 사용되는데, 일반 상품과 비교하여 효과가 눈으로 확연하게 볼 수 있는 것도 있어 그 용도는 확대되고 있다. 건축용 외장재로서 타일, 도료, 텐트재(材), 창유리 등과 도로자재로서는 고속도로의 투명차음벽, 터널의 조명 등이 있다. 광촉매의 메리트는 미관유지, 세정원가 등의 LCC (라이프 사이클 코스트)저감, NOx 정화 등을 기대할 수 있다. 그림 2는 실제로 시공된 최장타일의 방오성의 비교를 표시했다. 광촉매 타일은 1998년 10월 발매 이래, 대단한 반향으로 현재까지 5000건 이상의 채용실적을 자랑하고 있다. 광촉매 타일은 NOx를 제거하는 성능을 갖고 있는데 지구환경에 어떤 영향을 주는지를 LCA(Life Cycle Assessment, JIS Q 14040)로 평가했다. LCA는 원재료 조달에서 설계·제조, 사용, 재활용 그리고 최종적인 폐기처분에 걸쳐서 제품에 사용되는 자원과 에너지, 제품이 배출하는 환경부하를 정량적으로 추정·평가하고, 또한 제품의 잠재적인 환경영향을 평가하는 방법이다. 외장타일의 시공면적을 5000m2, 수명을 40년으로 하여 LCA평가를 실시, 종래 타일과의 비교를 실시한 결과를 그림 3에 나타내었다. 제조, 수송, 처분의 각 스테이지에서는 종래 타일과 거의 같지만 사용 스테이지에서 NOx, SOx를 제거하기 때문에 전체적인 환경부하가 마이너스가 되었다. 즉 환경에 부하를 주지 않고 사용량이 증가할 수록 지구환경에 ‘친화적’인 제품이라고 할 수 있다. 나. 내장재에 대한 응용 내장재로서는 타일, 건재, 도료, 벽지, 블라인드 등에 대한 응용이 이루어지고 있다. 종래의 유기물 분해성(항균성)에 초친수성에 의한 이세정성(易洗淨性)이 추가되어 부엌 등의 기름때나 욕실의 물때, 비누찌꺼기로 인한 때가 잘 붙지 않고, 또 물로 간단히 닦아낼 수 있는 성능을 가지고 있다. 용도는 공중화장실이나 공중목욕탕, 주방, 수술실에서 일반가정의 부엌, 화장실, 욕실 세면대 등 폭넓게 사용되고 있다. 그밖에 자동차 사이드밀러용 방담성(防曇性) 거울, 거울 필름, 로드사이드 간판, ALC건재에 대한 방오기능을 부가한 제품 등이 개발되고 있다. 5. 맺음말 광촉매 기술 및 그 제품은 지구환경보전, 경관유지, 건물의 장수명화 등의 사회적 요구에 공헌할 것으로 기대된다. 광촉매의 용도전개에서는 NOx나 다이옥신, VOC, 환경호르몬 등의 유해물질을 분해 정화하는 환경정화재로서도 실용화를 위한 검토가 다방면에서 활발하게 이루어지고 있다. 광촉매 재료 면에서는 가시광이나 미약 자외선광에 응답하는 재료개발이 활발하며, 그 실용화로 용도가 확대되리라 기대된다. 생산기술 면에서는 기재를 광촉매로부터 보호하면서 동시에 내구성이 있는 수 십㎚ 레벨의 투명박막형성기술이나 프로세스 개발 등을 들 수 있다. 한편, 광촉매의 기능이나 성능의 통일된 평가방법을 조기에 확립할 필요가 있다. 광촉매는 해외에서도 주목을 모으고 있어 이 기술의 주도권을 잡고, 조기 단계에서 국제표준에까지 이끌어갈 필요가 있다고 생각된다. 광촉매 기술은 태양 등의 빛에너지를 이용하고 있어 지구환경에 친화적인 ‘자연’의 기술이므로 앞으로의 발전이 크게 기대되고 있다. (Ceramics Japan) 표 1. 항균성능(정치생균실험) 광촉매 타일 은계 항균 타일 250룩스 빛 조사 어두울 때 250룩스 빛 조사 MRSA 약 60분 약 3시간 *약 24시간 대장균 약 60분 약 3시간 약 18시간 녹농균 약 60분 약 3시간 약 18시간