金泰寬 이학박사 / 솔라텍(주) 환경기술연구소 소장 1. 개요 1972년 일본의 후지시마와 혼다는 이산화티타늄(TiO2) 전극과 빛을 사용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 실험을 보고하였다. 이산화티타늄의 광촉매 능력이 소개된 이후로 지금까지도 활발한 연구가 지속되면서 광촉매를 적용시킨 제품과 신제품 개발이 계속되고 있다. 광촉매는 빛에 의해 생성된 정공-전자쌍은 염소나 오존 등으로도 분해가 어려운 유해물들을 분해시킬 수 있는 강력한 산화력을 갖고 있다. 따라서 오염된 대기나 물 그리고 토양 등을 정화 시키는데 매우 유용할 것으로 기대되고 있다. 처음 광촉매 능력이 소개되었을 당시는 대기 정화나 수질 정화에 적용하려는 연구가 활발하였으나 지금은 소비재에도 적용되어 다양한 제품들이 소개되고 있다. 광촉매는 산업용에서부터, 가정용 그리고 개인용품 등까지 적용되고 있다. 최근에 중국에서 발생하여 전 세계를 당황하게 한 급성호흡기질환(SARS;Severe Acute Respiratory Syndrome)의 확산은 광촉매의 적용범위를 한층 확대시키는데 주요한 요인으로 기대되고 있다. 광촉매의 적용은 크게 5분야로 구분한다(그림 1). 대기정화, 수질정화, 악취처리, 방오 그리고 항균 이외에 자외선 차단, 표면보호, 정전기방지 등이 있다. 대기정화와 악취처리 수질정화 그리고 항균은 광촉매의 산화-환원력을 이용한 기능이고 방오는 광촉매의 친수 효과를 이용한 기능이다. 구체적으로 적용되는 예는 표로 정리하였다(표 1). 최근 광촉매에 대한 관심이 집중되면서 광촉매가 무엇이며 어디에 적용하며 어떻게 사용하는지 그리고 광촉매 효과에 대한 궁금증이 증가하였다. 이 장에서는 광촉매의 최근 연구동향과 시장성 등에 대해 간략히 알아보았다. 2. 광촉매의 적용분야 가. 환경산업에의 적용 환경산업은 1960년 이후 등장한 산업부문이다. 환경산업은 정보통신, 바이오와 함께 21세기 3대 유망산업으로 급부상하고 있다(표 2). 환경산업은 그 정의나 범위 그리고 분류가 아직 명확하게 정립되어 있지 않다. 국가마다 환경산업의 범위가 다르고 산업화 발전에 따라 세부 업종으로 분류되고 있다. 환경산업은 오염상태를 측정하고, 오염물질 배출을 방지하거나 감소시켜 오염상태를 개선하는데 사용되는 모든 재화나 서비스를 말한다. 주로 오염물질의 사후처리와 관련된 산업 즉 대기오염, 수질오염, 토양오염, 폐기물, 소음, 진동 등을 방지하거나 저감하는 시설 및 서비스의 개발, 생산, 판매, 설치 운영 등을 사업으로 하는 산업을 의미하였다. 그러나 오늘날에는 재활용을 포함하여 청정생산도 포함된다. 광촉매는 이러한 대부분의 서비스에 적용될 수 있다. 특히 대기오염, 수질오염 토양오염 등을 개선하는데 중점적으로 연구되어 왔으며 그 결과도 점차로 많아지고 있다. 특히 난분해성 물질의 처리는 기타 방법에 비해 경제적이며, 효과적인 측면에서 매우 경쟁력이 있는 방법 중 하나이다. 배출원이 매년 증가하고 오염원도 다양해지고 특히 환경호르몬, 발암물질의 배출, 황사현상, 신종 세균들의 발생 등 사회가 복잡해지는 만큼 오염도 증가하고 있다. 환경산업 시장성은 세계적으로 매년 5% 정도 증가하는 추세이며 아시아의 경우는 10% 이상 증가가 예상된다. 따라서 환경산업의 잠재성, 시장성은 매우 크다고 할 수 있겠다. 광촉매의 처리기술 개발은 거대한 환경시장에 적극적으로 대처한다면 경제적인 효과는 매우 클 것이다. 구체적으로 광촉매를 응용한 환경시장을 다음과 같이 구분하였다(표 3). 나. 소비재에의 적용 광촉매는 개발당시부터 산업용 환경산업이라는 막대한 규모의 시장에 폭넓게 적용될 것이 예상되었다. 또한 90년대 들어서 광촉매를 가전이나 일반 제품에도 적용한 여러 종류의 제품들이 상용화되었고 개발 중이다. 가장 대표적인 것이 공기정화기에 광촉매가 적용된 사례라고 할 수 있다. 국내의 대형 가전업체인 LG, 삼성 그리고 중소형업체에 급속히 광촉매가 적용된 제품들이 출시되고 있다. 적용방식은 기존에 입자를 제거하기 위한 필터구성에 VOC(vo latile organic compound, 휘발성 유기화합물), 악취 성분 그리고 세균 등을 화학적 처리로서 제거하는 기능을 갖는 광촉매 장치를 채택하였다. 이러한 개념의 제품은 일본의 내셔널, 다이킨, 도시바 등에서 95년부터 광촉매를 적용한 가정용 공기정화기 제품이 국내에 소개되면서 적용하기 시작하여 지금은 공기청정기 제조사들이 새로운 개발품으로 상품화하였다. 또한 에어컨에 부착된 제품도 선보이고 있으며 향후 1~2년 안에 광촉매가 적용된 제품들이 줄을 이을 것으로 전망된다(그림 2). 또한 SARS 여파, 황사현상의 증가 및 자동차 증가에 따른 대기오염원의 증가 등의 요인으로 건물 공조 시스템, 가정용 공기정화기, 크린룸의 공기정화, 업소용 공기 정화기, 차량용 공기정화. 그리고 실내 공기질(2004년 5월 1일)이 입법화가 됨으로서 예상한 것보다 시장성은 더욱 증가할 것으로 기대된다. 광촉매 적용방식은 필터류에 광촉매를 코팅한 것으로 자외선램프와 조합하여 사용한다. 광촉매가 적용된 방식의 공기정화기용 필터류(그림 3)는 다음과 같다. 종이로 제작된 허니컴 , 세라믹의 허니컴, 금속 메쉬망, 메탈 폼, 알루미늄 판 등 광촉매가 코팅될 수 있는 소재는 다양하다. 그러나 우레탄 같은 유기 고분자로 된 소재의 경우는 광촉매와 자외선에 의한 열화현상으로 다른 VOC 성분들이 발생하는 경우도 있다. 또한 활성탄이나 활성탄 섬유 등에 코팅하여 사용하기도 한다. 공기정화기 이외의 제품으로는 정수기에 적용한 사례가 있으며 주로 물을 저수조 형태로 담아 사용하는 경우인데 저수조에서 발생될 수 있는 세균이나 외부의 공기 유입으로 인한 물의 오염 방지 목적이다. 또한 필터 방식으로 제작한 것도 있다. 기존의 자외선 살균장치에 광촉매가 적용된 소재를 혼용한 형태이다. 정수기의 경우는 공기정화기 사용보다 적지만 산소발생기가 부착된 정수기의 경우는 광촉매도 같이 적용되는데 산소의 농도가 증가하면 세균의 번식도 증가할 수 있어 이러한 부분을 예방하는 차원에서 적용한다. 장식용으로 사용하는 조화에 광촉매를 코팅하여 실내의 공기정화와 동시에 장식기능을 주는 제품도 있다. 또한 블라인드에도 광촉매를 적용하여 조화와 같은 개념의 제품도 출시되었다. 식기건조기, 주방의 싱크대 내부, 칫솔보관함, 식기건조기, 소형 냉장고, 액정 장식용 액자, 어항, 신발장, 그리고 조명 등에 각종 생활용품에 굉촉매를 적용한 것들이다. 이들의 주된 목적은 광촉매에 의한 VOC 제거 및 방오 기능으로 청소가 용이하거나 오염이 적은 제품의 개념으로 응용되고 있으며, 광촉매를 적용하는 기술도 비교적 용이하기 때문에 더욱 다양한 제품들이 기대되다. 다. 건자재 및 실내 광촉매 코팅 광촉매를 건자재 특히 외장용으로 사용되는 기자재에 적용하여 건물의 외관을 깨끗이 유지함과 동시에 공기 중의 VOC를 제거할 목적으로 적용한다. 특히 대형 유리판에 적용한 제품들이 시판되고 있으며 영국, 프랑스, 독일 그리고 미국에서 상용화가 시작되었다. 광촉매가 코팅된 유리는 햇빛의 자외선 차단 효과, 먼지로 인한 오염방지 그리고 친수화 특성과 산화특성으로 인한 자정작용(self cleaning)을 목적으로 한다. 대형건물에 유리를 사용하는 추세로 이들의 시장성은 매우 크다. 일반 세라믹 패널, 금속판 등에 적용 가능하며 목적은 유리판과 같다. 오래된 건물은 주기적으로 청소를 하지 않으면 지저분하나 광촉매를 적용한 건물은 간단한 청소나 빗물만으로도 청소가 가능하다. 국내의 경우는 부분적인 코팅 예는 있으나 건물 전체에 코팅한 사례는 조사된 바 없으며 일본의 경우는 많은 건물들이 광촉매를 적용하여 5년이 경과하였음에도 깨끗한 외관을 유지함을 직접 확인 할 수 있었다. 2002년 TiO2-7 국제학회에서 후지시마 교수가 동경대 건물에 코팅한 사례와 결과들을 발표한바 있다. 최근 신규 아파트 입주자를 상대로 한 광촉매 실내 코팅사업의 시장이 확대되고 있다. 신규 아파트에 사용되는 건자재 등에서 발생하는 각종 유기물들의 농도가 높아 노약자나 주부들에게 피부나 호흡기에 해를 끼치는 사례가 빈번하다. 이러한 실내 오염된 공기를 제거할 목적으로 입주 전 광촉매를 적용하는 가맹점 사업이 주목을 받고 있다. 신규 아파트의 오염된 사례는 대중매체를 통하여도 많은 사례가 있으며 직접 시험한 결과 톨루엔, 자일렌 혼합물, 아세트알데히드, 포름알데히드 등 30여개의 물질들을 확인하였다. 보통 3~5ppm의 휘발성 유기화합물들이 검출되었다. 광촉매를 코팅한 후 약 5~7일 경과 후에는 약 70%이상이 처리가 되었으며 1ppm이하의 휘발성유기화합물이 검출되었다. 특히 톨루엔은 95%이상이 제거됨을 확인할 수 있었으며 알데히드류에 의한 따가움, 매운 냄새는 감지할 수 없었다. 실내 공기 질에 대한 법안 통과로 광촉매의 실내 코팅사업은 매우 전망이 밝을 것으로 본다. 그 시장 규모는 100억원(100만원/30평형) 규모이며 사무실 분야까지 포함시키면 300억원 규모로 추정된다. 현재 국내는 약 4~5개사가 광촉매 가맹사업을 진행하고 있으며 업체에 대한 내용을 요약하였다(표 4, 그림 4). 라. 에너지 부분 지구의 에너지 문제는 무엇보다도 심각하다. 많은 연구가 집중적으로 진행되고 각국에서는 에너지 소모가 적은 제품들이 개발되고 있다. 지구상에서 사용할 수 있는 가장 무한한 에너지원은 태양광이다. 태양광을 이용한 각종 기구들이 개발되는데 이때 사용되는 것은 빛 에너지를 전기에너지로 전환하는 소재들이다. 개발된 소재 가운데 광촉매도 한 분야에 속한다. 미국의 밀레니움 photovoltaics가 2020년까지의 3대 과제중 한 개의 과제가 광촉매를 이용한 것이다(ref:The National Photovoltaics Program Plan). 그만큼 활용가치가 높고 차세대에 매우 중요한 소재이다. 광촉매가 빛을 받으면 발생하는 전자를 외부의 전기선으로 통하게하여 축적하고 이 축적된 전자(또는 발생된 전자)를 전기로 사용하는 것이다. 아직은 소형 장치로 개발되고 있는 수준이지만 향후 실생활에 적용될 것이다. 광촉매를 이용한 solar cell(그림 5)의 연구는 스위스의 Gratzel 연구팀(www.solideas.com)에서 개발된 것을 소개하면 단순히 유리창에 광촉매를 코팅하고 간단한 장치를 더하여 빛을 받은 유리창에서 전기선만 전기제품에 연결하여 소형 선풍기를 가동시키거나 등을 켜는 장치가 실험용 교재로 상품화 되었으며 국내에서도 한국전자통신연구원에서 개발된 제품(시제품 보유, 사업화준비)도 있다. 국내의 연구는 선진국에 비해서는 기초 단계라 할 수 있다. 3. 특허동향 국내에 광촉매와 관련된 특허 동향을 조사하였다. 특허의 내용을 분석하면 국내에서 연구 개발 방향과 시장성 범위 그리고 사업체들의 관심도 등을 파악할 수 있을 것이다. 조사기간은 1990부터 2002년으로 검색어는 광촉매로 하여 조사하였다(그림 6). 외국의 경우는 최근 300건에 대한 자료가 조사되였다. 90~95년도 광촉매라는 것이 국내에서 관심을 끌지 못한 상태이어서 출원건수도 평균 6건(90~95)에 불과하였으나 96년부터 출원건수가 증가하기 시작하였다. 이것은 국내의 벤처 창업과 동시에 NT, IT, ET기술에 대한 국가 활성화 정책과 맞물려 나노기술과 환경기술이 접목되는 것이 광촉매라는 것이 소개되고 일본의 광촉매 적용사례 등이 보도되면서 국내에서도 주목을 끌기 시작하였다. 이러한 경향 때문에 99년부터 매년 100건 이상이 출원되기 시작하였다. 이중에는 외국(일본, 미국 유럽 등)에서 국내에 출원한 것도 포함되었다. 국내 출원건수 중 국내 비율이 80.6% 일본 19.2% 미국 1.4% 그리고 유럽이 2.3%이고 기업체에서 출원한 건수는 전체 56.2%, 개인 24.1%를 차지하였다. 외국(해외 특허)의 경우는 1,073건이 출원되었으며 최근에 출원된 300건을 분석한 결과 일본이 75.3% 미국 11% 유럽 12.7% 기타국 1%의 비율이었다. 일본에서는 광촉매에 대한 적용사례가 제일 많고 또한 상용화 된 제품도 제일 많은 것과 일치되는 결과라고 할 수 있겠다. 출원내용별로 분류하면 대기분야가 18.2%, 수질분야 14.7%, 원료분야 23.5%, 건축재 7%, 차량 1.1%, 소비재 18.2%, 농수산 분야 2% 그리고 기타 15.3%의 비율이다. 광촉매 원료분야가 23.5%로 가장 높은 비율이다. 이산화티타늄을 제조하는 방법으로는 졸-겔방법, 황산법 그리고 염소법 3가지로 구분된다. 광촉매 성능을 아나타제 형이 루틸형보다 우수한 것으로 보고 되고 있다. 산업용에 적용되어 환경정화, 도료, 자동차 배기가스 처리 등은 파우더 형태를 사용하며, 유리, 타일, 그리고 벽지 등에는 투명성을 요구하기 때문에 광촉매 졸을 사용한다. 적용되는 소재나 목적에 따라 졸 또는 파우더 그리고 부착성을 요구하는 재료에는 코팅 후 열처리를 통하여 응용한다. 광촉매 관련 이론이 일본에서 정립되어서인지 일본이 가장 많은 연구와 제품이 개발되었으며 그 추세가 전 세계의 연구방향을 주도한다고 해도 무방하다고 본다. 국내도 일본의 연구와 제품개발 방향과 유사하게 진행되고 있다. 현재 국내는 광촉매 관련 회사는 150여개 사로 추정되며 이중 광촉매 관련 가맹 사업자를 제외하면 약 30여개 사 정도이다. 또한 광촉매를 회사내 주력 상품으로 하는 회사를 추려보면 10여개 사 정도로 주로 광촉매 제조와 동시에 관련 응용제품을 개발하고 있다. 일본 제품들을 수입 판매하는 회사들도 증가하고 있는 추세이다. 4. 시장 규모 위에서 적용분야를 언급하면서 시장의 규모를 표시하였다. 현재 예상되는 국내의 광촉매 시장 형성규모를 표 5에 표시하였다. 향후 5년(2005~2010년 예상 시장규모) 이내에 광촉매 시장은 일반화가 예상되며 대부분의 제품에 적용될 것으로 본다. 주목할 만한 것은 주택경기활성화로 인한 주택 보급률(년 50만호 건설, 년 22%증가 추세)증가, 실내 공기질 법안(2004년 5월 시행) 통과로 광촉매 코팅사업의 전망은 매우 밝을 것이며 그 규모는 1000억원 대로 추정된다. 사무실 코팅 부분까지 포함한다면 1500억원대 규모로 성장할 것이다. 광촉매의 코팅 프랜차이즈 사업은 1~2년 내 유망 사업으로 활성화가 기대된다. 또한 대형 건물 증축 추세로 보아 건자재의 시장성도 급부상이 예상된다. 광촉매가 적용된 외장재의 급부상이 두드러질 것이며, 국내에서도 대형 유리판에 광촉매가 적용된 대형 유리판 생산이 가능하며 그 시장 잠재력은 더욱 증가할 것이다(영국, 프랑스 미국 독일 생산 20~30% 기존 유리판보다 고가임). 생활용품 시장은 아직 광촉매가 적용된 제품의 상용화는 많지 않으나, 대기환경 오염의 증가와 최근 급성호흡기증후군(SARS)의 세계적인 확산은 공기정화기, 에어컨 소비량을 급증하게 하였으며 중소형 대형 가전사들은 광촉매가 적용된 제품들을 출시하고 있으며 2004년도에는 광촉매가 적용된 제품들이 일반화 될 것이다. 또한 다양한 종류의 생활 가전 용품과 주방용품 등이 급속히 증가할 것이고, 차량용 공기 정화기도 보급이 시작되면 연간 200만대 이상의 생산대수(2001년 350만대 기준 승용차 60%)에 25%(50만대) 정도만 적용하여도 약 100억원(20,000원/대 기준) 규모가 예상된다. 이상을 종합하면 국내 광촉매 시장 규모는 2005년도에 약 2조원의 규모 이상으로 성장할 것이다. 일본도 약 2조엔(국내 시장의 10배)으로 예측하였으며 산업기술정보원도 2005년도 광촉매 관련 시장(제품 포함) 추세를 20조원으로 예측하고 있다. 5. 결언 국내 산업 육성 6T(ET(Environmental Techno logy;환경 기술), NT(Nano Technology:나노 기술), IT(Information Technology:정보 기술), BT(Bio Technology:생명 공학 기술), ST(Space Techno logy:우주 항공 기술), CT(Culture Technology:문화 콘텐츠 기술))사업에 정부는 2006년 까지 총 13조원 지원하는 계획을 수립하고 있다. 세계화와 발맞추어 국가간의 경쟁은 무한시대로 돌입하였다. 또한 삶의 질에 대한 욕구도 증가하여 환경이 지배하는 시대가 되었다. 나노기술과 더불어 환경기술, 바이오기술, 정보 통신 기술은 인간의 삶의 없어서는 안될 만큼 사람과 친숙해졌다. 소형화 추세와 저에너지 소모형 제품 그리고 환경친화적인 제품의 요구는 날로 증가하고 있다. 광촉매의 등장은 이 3가지를 만족할 만한 것이고 또 그렇게 될 것이다. 왜냐하면 빛에너지를 이용하고 수-수십 나노 크기의 입자를 사용하여 공기나 물속에 있는 유해물을 처리하기 때문이다. 바이오 기술을 접목하여 의료산업에도 적용하려는 연구도 진행 중이다. 1880년도에 발견된 이산화티타늄은 오랜 기간 동안 우리의 주변에서 흔히 사용되는 재료였고 지금은 광촉매의 효과가 알려지면서 더욱 그 가치를 발휘하고 있다. 90년대부터 광촉매가 적용된 제품들이 소개되기 시작하면서 2000대에는 그 적용범위가 급속히 증가하여 지금은 더 이상 새로운 개념의 소재가 아닌 보통의 제품이 되는 중이다. 광촉매를 조화에 코팅한 제품부터 암을 치료하는 곳에서도 적용이 예상되는 등 많은 제품들이 개발을 서두르고 있다. 제품의 기능성과 환경친화적인 개념이 도입되는 곳에는 광촉매 응용이 안 되는 곳이 거의 없다고 할 정도이다. 그러나 일부 광촉매의 이해가 올바르지 못하여 잘못 쓰이는 부분도 있다. 올바른 광촉매의 이해가 더욱 필요할 때라 사료된다. 단순히 제품의 기능성(제품 개념)을 올리기 위한 방법으로서의 광촉매의 적용이 아니기를 기대한다. 잘못하면 유행흐름을 편승하는 제품 같은 개념을 줄 수 있기 때문이다. 광촉매를 연구하는 대학과 기업 연구소에서 더욱 올바른 이해를 위한 광촉매의 연구 및 제품 그리고 서비스가 이루어져야 될 것이다. 정부에서 그간 적극적으로 지원하고 있는 과제 역시 지속적인 연구 지원이 필요한 시기이다. 환경부, 건교부, 과기부 등 광촉매와 관련된 연구사업지원이 지난 4년 동안 집중되었다.(최근 3년간 약 23건) 현재 일본을 비롯하여 유럽 미국 등에서는 더 많은 관심을 갖고 광촉매 관련 연구를 진행하고 있고 특히 일본은 정부차원에서 적극적이다. 우리의 우수한 연구 결과들이 대외 경쟁력을 갖추기 위해서는 끊임없는 연구만이 살길이다. 광촉매가 아직은 기대만큼 활성화나 일반화는 다소 미흡하지만 1~2년 내에 그 결과는 몇 배로 나타날 것으로 확신한다. 광촉매의 시장성은 수년 내에 수십조에 해당되는 제품으로 발전할 것이다 그분야로는 환경부분에의 적용이다. 그동안 다양한 처리공법들이 시행되었고 이 개발된 공법과 광촉매 기술이 더하면 더욱 효과가 우수한 환경 기술이 될 것이다. 건자재 분야에도 다양한 소재의 개발은 광촉매 시장을 더욱 활성화로 유도할 것이고 자동차 산업 세계 5위의 생산국으로서의 위치를 더욱 확고히 할 방법이 될 것이다. 그 제품으로는 대형 유리판, 건물 외장재, 건물 실내외 도장, 광촉매 페인트, 차량용 공기정화기, 배기 가스처리장치, 광촉매 도장, 그리고 자동차 전후 측면의 유리에의 코팅 등이다. 생활용품은 가전, 주방, 전등, 장식용품 등에의 적용이며 대표적인 제품은 공기정화기, 선풍기 에어컨, 정수기, 커튼, 블라인드, TV, 냉장고, 주방, 싱크대, 식기 건조기, 컵, 신발장, 어항(수족관) 그리고 각종 등기구 등 이다. 그 외 실내 코팅사업은 국내 주택경기에 견주어 보면 매우 전망이 밝을 것이다. 이러한 국내의 광촉매 시장 육성뿐만 아니라 동남아(중국, 홍콩, 싱가폴, 필리핀, 태국 등)를 중심으로 한 해외 시장에도 적극적인 마케팅을 통하여 해외 경쟁력을 키울 수 있는 좋은 기회가 될 것이다. 이미 국내 광촉매 회사가 중국에 진출하고 있으며 일본과 중국 내 업체와 치열한 경쟁이 예상된다. 광촉매에 대한 이론이 비록 일본에서 정립되어 일본 주도하에 제품개발과 응용 다양성이 이루어지고 있지만 국내의 벤처기업들 역시 우수한 연구 인력과 역량을 갖추고 있다. 제품을 개발하는 중대형 회사들은 국내에서 개발된 제품들을 적극적으로 사용함으로서 벤처회사들의 자생력과 경쟁력을 키울 수 있는 방법이 될 수 있으며 더욱 발전하고 나아가 이렇게 개발된 제품은 해외에서도 우수한 상품이 될 것으로 확신한다. 광촉매 시장의 무한한 잠재성은 미래의 국가 경쟁력에 도움이 되는 한 부분으로 자리매김할 것이다.