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플라즈마 기술로 친환경 광촉매 효율 높였다
5배 효율 높은 친환경 광촉매 대량생산 기술 개발
특허뉴스 이성용기자 기사입력  2017/08/28 [11:51]


수질 정화 등 각종 오염 물질 분해에 사용되는 광촉매 제조에 플라즈마 기술을 적용하여 기존보다 5배 이상 효율을 높이고, 이를 대량 생산할 수 있는 기술이 개발되었다.
 
국가핵융합연구소(핵융합연)의 홍용철 박사 연구팀과 한국기초과학지원연구원(KBSI) 나노표면연구팀 이현욱 박사 연구팀은 핵융합(연)의 창업기업인 ㈜엔팩과 공동연구를 통해 수중 플라즈마를 이용한 다공성의 친환경 이산화티탄(TiO2) 광촉매 재료를 제조하는데 성공하였다고 8월 23일 수요일 밝혔다.
 
공동연구팀은 친환경 이산화티탄(TiO2) 제조 과정에 별도의 열처리 없이 액체에서 플라즈마를 직접 발생시키는 수중 플라즈마 기술을 적용하여, 기존보다 제조 공정을 단순화할 뿐 아니라 광촉매 효율을 약 5배가량 향상 시킬 수 있는 기술을 개발하였다.
 
이산화티탄(TiO2)은 빛을 이용해 오염물질을 분해시키는 정화 기능을 가진 광촉매 재료 중 하나로 수질 정화 등 환경 분야에 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 상용화를 위해서는 낮은 효율과 높은 비용 등의 문제 해결을 필요로 하고 있었다.
 
이번에 개발된 수중 플라즈마를 이용한 TiO2 제조 기술은 열처리 과정 없이 주어진 액체 내에서 플라즈마를 직접 발생시키는 방식으로, 기존보다 결정성이 높고 표면적이 넓은 다공성 구조를 갖는 친환경 TiO2 의 대량 생산이 가능한 것이 특징이다.
 
수중 플라즈마 처리를 통해 보다 넓은 표면적을 갖게 된 광촉매는 외부로부터 들어오는 빛의 흡수 범위를 확장시켜, 기존 광촉매에서 사용하기 어려웠던 가시광선에서 광화학 반응을 극대화할 수 있게 되었다.

연구진들은 수중 플라즈마 기술을 적용한 친환경 TiO2를 이용하여 일반 태양광에서 다양한 종류의 수질 오염물의 제거 실험과 물속에 존재하는 미생물 제거 검사 등을 수행하였으며, 그 결과 인간에게 무해한 수준까지 물정화가 가능함을 확인했다.
 
광촉매를 실질적인 수처리 사업 등에 적용하기 위해서는 태양광을 이용하여 물을 생체?인체?환경적으로 무해한 수준으로 정화하는 것이 무엇보다 중요하다.
 
핵융합(연) 홍용철 박사는 “수중 플라즈마의 단일 공정을 이용하여 상온에서 고결정성 및 다공성을 갖는 친환경 TiO2를 대량으로 제조하였다는데 의의가 있다.”라고 밝혔다. KBSI 이현욱 박사는 “수처리 분야에서의 태양광의 효율적인 활용을 위해서는 가시광선이 주어지는 조건에서도 오염물질을 효과적으로 분해할 수 있는 것이 매우 중요하므로, 이번 연구에서 제조된 친환경 TiO2는 수처리 분야의 유망한 물질로 기대된다.”고 밝혔다.
 
이번 성과는 플라즈마 기술 전문 연구기관인 핵융합(연) 플라즈마기술연구센터 홍용철 박사가 보유한 수중 플라즈마 기술과 KBSI의 이현욱 박사의 나노물질 제조 및 표면특성 평가기술을 활용한 공동연구 결과로 지난 15일 Applied catalysis B: Environmental誌(논문명: Nanoporous hydrogenated TiO2 photocatalysts generated by underwater discharge plasma treatment for solar photocatalytic applications, IF=9.446, 분야별 상위 2%이내)를 통해 발표되었다.
      
용어설명
1. 수중 플라즈마
플라즈마는 강력한 전기장으로 가열되어 기체상태를 뛰어넘어 전자, 중성입자, 이온 등의 입자들로 나누어진 상태로 전하 분리도가 상당히 높으면서 전체적으로 음과 양의 전하수가 같아서 중성을 띠게 된다.
 
전하를 띠기 때문에 전자기장으로 가두거나 특정 방향으로 가속시킬 수도 있다. 플라즈마는 전자의 온도와 기체의 온도 비율, 압력에 따라 분류할 수 있으며, 그 중에서 상압 플라즈마 처리기술은 진공에서 상용화되었던 플라즈마 처리 공정을 대기압에서도 가능하게 하여 제조 원가를 절감하고 공정처리 속도를 향상시키는 기술로 최근에 응용성 확대를 위한 노력들이 활발히 이루어지고 있다.
 
본 연구에서는 대기압 수중 플라즈마를 이용하여 TiO2 합성 및 표면개질에 응용하였다. 물 속에서 플라즈마 반응으로 물 분자가 분해될 때 발생되는 수산기 및 수소, 산소와 관련된 이온과 라디칼들이 TiO2 표면에 결합한 친환경 TiO2는 광촉매 효율을 높일 수 있다.
 
2. 광촉매와 반응 메커니즘
TiO2와 같이 광촉매로 주로 사용되는 물질에 빛을 쪼이게 되면 표면에 전자(e-)와 정공(+전하를 가진 전자와 같은 거동을 하는 입자)가 생기게 되고 전자는 광촉매 표면에 있는 산소와 반응해서 슈퍼옥사이드 음이온(O2-)을 만든다.
 
또한 정공은 공기 속에 존재하고 있는 수분과 반응하여 하이드록시 라디칼(OH-)을 만들게 된다. 이 때 생성된 하이드록시 라디칼은 강력한 유기물질들을 산화분해 할 수 있는 능력이 매우 뛰어나기 때문에 악취물질, 바이러스, 박테리아 같은 세균 등을 분해하여 생체에 무해한 물과 이산화탄소로 전환시킨다.
 
3. 가시광선과 자외선
가시광선은 사람의 눈에 보이는 전자기파의 영역이다. 인간의 눈은 400에서 700 nm까지의 범위를 감지한다. 태양 복사 에너지가 가시광선, 적외선, 자외선 등이 있는데, 가시광선을 가장 많이 방출하여 태양광의 46%를 차지한다.
 
자외선은 태양광의 스펙트럼을 사진으로 찍었을 때 가시광선의 단파장보다도 바깥쪽에 나타나는 눈에 보이지 않는 빛으로 약 1백∼3천9백70Å에 이르는 파장으로 된 넓은 범위의 전자파를 말한다.
 
자외선은 대부분 대기중의 산소, 오존, 수증기, 분진등에 의해 흡수되거나 산란되기 때문에 극히 적은 부분만이 지상에 도달하고 전체 태양광 스펙트럼에서 자외선은 4%밖에 차지하지 않는다.
 
경제적이고 환경친화적인 응용을 위해서는 태양광에서 많은 부분을 차지하는 가시광선에 반응하는 재료 개발이 필수적인 선택이다.
 
4. TiO2와 수중 플라즈마
TiO2은 환경 분야에서 가장 일반적으로 적용되는 광촉매이지만 3.2 eV의 높은 밴드갭 에너지(band gap energy)로 인해 자외선이 주어지는 조건 하에서만 적용될 수 있다는 단점이 있다.
 
자외선은 많은 에너지를 필요로 하기 때문에, 자외선을 필요로 하는 광촉매 분해는 매우 고비용의 처리방법일 수밖에 없다. 태양광 스펙트럼에서 자외선은 4%밖에 차지하지 않으며, 이는 거의 46%를 차지하고 있는 가시광선과 비교하여 매우 좁은 범위이다.
 
따라서 실제적인 응용을 위해서는 가시광선이 주어지는 조건에서도 오염물질을 효과적으로 분해할 수 있는 TiO2 광촉매를 비교하는 것이 매우 중요하다.
 
여러 문헌에서 광촉매의 흡수 파장을 자외선에서 가시광선 대역으로 확장시키고자 하는 다양한 기술들이 제안되었으며, 본 연구에서는 수중 플라즈마가 사용되었으며, 수중 플라즈마와 TiO2 사이에서 형성되는 결합이 전자-정공 쌍(electron-hole pair)의 광분해를 돕거나 오염물질들을 분해한다.
 
5. 수처리와 항균 실험
TiO2의 뛰어난 정수 처리특성과 오염물질 제거능력을 평가하기 위해서 3가지 Reactive Black 5 (RB5), Rhodamine B(Rho B), Phenol (Ph)의 염료분해 실험을 실시하였다.
 
3가지 염료들은 색깔을 띄는 화학적 염료로 광촉매의 활성을 이용한 오염물질의 처리 능력을 평가하기 위해서 사용되는 염료이다.
 
친환경 TiO2를 이용하여 염료들이 가시광선 영역에서 분해되는 정도를 확인하기 위해서 자외선과 태양광에 조사하여 광촉매 실험을 진행하였다.
 
또한 친환경 TiO2의 항균 활성은 태양광 조사 하에서 2가지 박테리아 대장균 (E. coli)와 포도상구균 (S. aureus)의 감소에 기초한 박테리아의 생존력으로 평가되었으며, 친환경 TiO2는 대장균과 포도상구균의 생장을 효과적으로 억제하고 태양광 조사 시간이 증가함에 따라 항균 성능이 향상됨을 확인하였다.
 
 
 
▲     © 특허뉴스
 
그림설명 : 친환경 TiO2의 확대 이미지. (a) a-TiO2 (수중 플라즈마 처리시간: 0분)이며 불규칙한 모양의 나노입자들이 응집되어 있음, (b-e) TiO2-1.5, TiO2-3, TiO2-5, TiO2-7 (수중 플라즈마 처리 시간: 1.5분, 3분, 5분, 7분)으로 수중 플라즈마 처리시간에 관계없이 격자무늬가 뚜렷함. 이는 우수한 결정성을 갖는 친환경 TiO2을 단 1-7 분의 짧은 수중 플라즈마 처리시간 내에 얻을 수 있음을 의미함. 
      
   

▲     © 특허뉴스

그림설명 : 친환경 TiO2의 광촉매 기능을 평가하기 위한 다양한 염료 RB5, Rho B, Ph (이들은 오염물질에 해당함)의 분해 실험. 자외선 및 가시광선을 120분 동안 조사하여 진행함. ln(C0/C)는 염료의 농도 변화를 나타내는 지표로 그 숫자가 클수록 염료 분해량이 높아짐을 의미함. 그래프에서 다른 TiO2 시료와 비교하여 친환경 TiO2 (TiO2 3, 5, 7: 수중 플라즈마 처리 시간이 3분, 5분, 7분)를 이용한 광촉매 실험에서 RB5을 포함한 모든 염료가 가장 많이 제거됨. 
   


▲     © 특허뉴스

그림설명 :  친환경 TiO2의 항균 활성 실험을 진행함. 2가지 종류의 박테리아인 (a) 대장균 (E. coli), (b) 포도상구균 (S. aureus) 각각에 대하여 태양광 조사 하에 친환경 TiO2에 의해 박테리아의 생장이 억제되는지 테스트함. 태양광 조사 180분 후, 친환경 TiO2 (TiO2 3, 5, 7: 수중 플라즈마 처리 시간이 3분, 5분, 7분)에 의해 대장균 (12-18 %)과 포도상구균 (10-19 %)은 낮은 생존력을 보였으며, 태양광 조사시간이 증가함에 따라 항균 성능이 향상되었음이 확인됨.




▲     © 특허뉴스
 
그림설명 : 비정질 TiO2와 물의 혼합물에서 플라즈마 발생을 통한 친환경 TiO2 제조.
 

기사입력: 2017/08/28 [11:51]  최종편집: ⓒ e-patentnews.com
 
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