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대기 정화 기능성 건축 소재 원천 기술 개발

  • POSTED DATE : 2021-07-02
  • WRITER : 화학과
  • HIT : 70
  • Research Areas : Physical Chemistry
  • Researcher : 김영독, Shahid Saqlain, 김숭연, Zhao Shufang

미세먼지를 비롯한 대기오염 문제의 개선에 대한 사회적인 관심이 높아짐에 따라서, 건설기술 분야에서는 대기 정화 기능이 부가된 토목, 건축 자재 개발에 관한 관심이 높아지는 추세다. 특히, 빛을 받아 대기 중의 오염물질을 흡착 및 분해하여 제거할 수 있는 소재인 광촉매를 시멘트에 첨가하여 대기 정화용 건축 소재를 구현하려는 연구가 최근 다각도로 진행되고 있는데, 특히 소재의 대기 정화 기능성 향상과 더불어 소재의 경제성을 확보하는 것이 많은 관련 연구자들과 산업계의 관심사이다.



최근 경제성이 우수한 소재를 이용한 광활성 대기 정화 기능 건축 소재를 제조할 수 있는 원천 기술을 확보되었다. 활성탄은 비표면적이 매우 크고, 흡착력이 우수하며 가격도 다른 소재와 비교하여 상대적으로 저렴하므로, 실내외에서 다양한 대기 오염물질을 제거하는 용도로 많이 사용되고 있다. 이러한 활성탄에 빛을 쪼여주면 대기 오염물질을 제거하는 기능성이 빛이 없을 때보다 3~4배 이상 향상되는 현상을 최근 성균관대학교 화학과 김영독 교수 연구실에서 관찰하였다. 연구를 주도적으로 진행한 사클레인 샤히드 박사에 따르면, 활성탄은 기존의 광촉매에서 많이 사용되는 자외선보다 태양광과 실내조명에서 비율이 훨씬 높은 가시광선에 의해서 대기오염물질을 제거하는 능력이 향상되는 효과가 관찰되는데, 특히 기존의 광촉매로 제거하기 어려운 대표적인 휘발성 유기화합물인 톨루엔에 대해 높은 제거 효율을 보인다는 것이다. 게다가, 기존의 활성탄 흡착제는 대기 중 습도가 증가할 경우, 대기오염물질의 제거 효능이 상실하게 되는 경우가 많은데, 활성탄을 가시광선에 쪼일 경우, 높은 습도 조건에서도 우수한 대기오염물질 제거 효능을 보인다는 것이다. 더 나아가 시멘트 및 물과 활성탄을 배합하여 굳힌 후에도, 활성탄 고유의 휘발성 유기화합물 제거 능력이 유지된다는 것을 밝혀내어, 이 연구 성과는 향후 대기 정화용 건축 소재 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 활성탄의 표면 위에서 흡착 및 분해된 휘발성 유기화합물의 잔류물은 물에 의해 씻겨 내려가, 활성탄의 표면이 원래 상태대로 복구되어, 활성탄이 휘발성 유기화합물 제거에 반영구적으로 이용 가능하다는 것도 이번 연구로부터 밝혀졌다. 휘발성 유기화합물은 실내에서 새집증후군을 일으키는 물질이며, 실외에서는 산업단지 등에서 배출되어 암을 유발하거나, 2차 미세먼지를 형성하는 물질로 보고되고 있어, 이를 효율적으로 제거할 수 있는 건축 소재의 개발 및 활용은 대기오염 개선에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.



김영독 교수 연구팀에서는 활성탄과 더불어 이산화타이타늄이라는 광촉매 소재와 시멘트를 결합한 대기 정화용 건축 소재도 개발하였다. 현재 광촉매로 많이 사용되는 이산화티타늄 나노입자는 자외선에서 우수한 대기오염물질 제거 효능을 보이나, 가시광선에서는 효율이 미미한 것으로 알려져 있다. 페인트 등에 백색 안료 소재로 사용되는 이산화타이타늄 분말은 입자 크기가 수백 나노미터로써 광촉매로 사용되는 이산화타이타늄보다 입자 크기가 훨씬 크며, 표면이 알루미나와 지르코니아 등에 의해 덮여 있는데, 이 소재는 광촉매용 이산화탄소 나노입자와 비교하여 열 배 이상 가격이 저렴하나, 광촉매 활성은 거의 없는 것으로 알려져 있다. 이러한 저가 안료용 이산화타이타늄 분말을 화학적으로 변형시켜 콘크리트 표면강화제와 배합하여 시멘트 블록 위에 도포할 경우 가시광선 조사하에서 기존의 광촉매보다 우수한 대기 정화 효율을 얻을 수 있다는 연구 결과를 얻었다. 이 연구에서는 산성비, 2차 미세먼지의 주범인 질소산화물에 대한 제거 효율을 연구하였다. 이 연구를 주도한 김숭연 박사과정에 의하면, 이산화타이타늄 분말을 화학적으로 변형시키는 과정에는 용매가 필요 없고, 사용되는 화학물질의 가격도 매우 저렴하여, 기존의 자외선 광촉매를 사용할 때보다 경제성이 훨씬 더 우수할 것이라고 한다.

이러한 대기 정화 기능성 건축 소재 개발에 관한 원천연구 성과를 활용한 후속 연구를 통해 실외의 2차 미세먼지, 산성비, 실내의 새집증후군 등의 문제 해결에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. 활성탄의 연구 결과는 Journal of Hazardous Materials (환경 과학 분야 상위 3.5%, imapct factor 10.588)에, 이산화타이타늄과 관련된 결과는 Construction and Building Materials ( 토목공학 분야 JCR 상의 4.8%, impact factor 6.141)에 최근 논문 게재되었다.