산림청 국립산림과학원(원장 이창재)은 목재의 주요 성분 중의 하나인  셀룰로오스를 나노화한 셀룰로오스 나노크리스털(결정성 셀룰로오스 나노입자)과 친환경 광촉매 소재인 이산화티타니아(TiO2)을 이용한 초미세 투명 박막 제조법을 개발했다고 19일 밝혔다.

▲ 셀룰로오스 나노크리스털 사진

국립산림과학원과 세종대 연구팀은 국내 최초로 셀룰로오스 나노크리스털과 몰리브덴(전이금속의 한 종류, 원소기호:Mo)을 포함하는 이산화티타니아 용액을 유리기판 위에 코팅한 후 셀룰로오스 나노크리스털을 고온에서 연소시켜 오염물질을 광분해하는데 효과적인 다공성(多孔性) 박막을 개발했다.

- 광촉매: 빛을 에너지원으로 이용해 촉매반응(산화, 환원 반응)을 거쳐 각종 오염물질을 분해하는 일종의 반도체이다. 광촉매 반응은 자외선이 초과산화물(O2-), OH 라디칼 등의 강한 산화력에 의해 광촉매의 표면에 흡착된 오염물질을 분해하는 총체적인 반응을 말한다.

 - 이산화티타니아(TiO2): 대표적인 광촉매로 자연에 풍부하게 존재하며 가격도 저렴하고, 내구성(耐久性)과 내마모성(耐磨耗性)이 우수하다. 안전한 무독 물질로 폐기할 때 2차 공해에 대한 염려가 없어 광촉매 분야에서 많이 사용된다.

연구팀은 셀룰로오스 나노크리스털의 구조를 이용해 전이금속이 코팅된 이산화티타니아 박막의 물리화학적 특성과 오염물질에 대한 광분해 특성 평가를 무처리 박막 필름과 비교·분석했다. 

몰리브덴이 코팅된 이산화티타니아 박막의 비표면적(빛을 흡수하는 면적)은 무처리 박막 필름에 비해 1.3배, 셀룰로오스 나노크리스털 연소 이산화티타니아 박막 필름에 비해 1.7배 높았다.

몰리브덴이 코팅된 이산화티타니아 박막 필름은 자외선과 가시광선의 전 영역에서 95% 이상의 흡수율을 보였다.

광효율 측정용 표준물질인 트리클로로에틸렌(trichloroethylene)을 이용한 유기물 광분해 평가 결과, 무처리 박막에 비해 최대 4배나 높게 나타났다.

이는 셀룰로오스 나노크리스털의 나노구조와 전이금속에 의해 이산화티타니아 박막의 비표면적이 증가하고 이산화티타니아 자체의 광효율이 상승했기 때문이다.

기존 다공체 유도체로는 실리카, 알루미나 등의 고체 무기재료가 흔히 쓰이는데, 이러한 다공체 유도체는 추후 공정에서 이산화티타니아 재료의 손상 없이 완전한 제거가 어렵다.

따라서 공정 과정에서의 완전한 제거와 다양한 모양과 크기의 기공을 유도할 수 있는 셀룰로오스 나노크리스털이 다공체 유도에 효과적이다.

이번 연구결과는 최근 세라믹 재료 분야의 최상위 해외 전문 학술지인 ‘세라믹스 인터내셔널(Ceramics International) 온라인판에 게재됐다.

목재화학연구과 이성숙 과장은 “이번 연구결과는 기존의 이산화티타니아 소재의 광촉매 성능 및 효율을 목재 성분인 셀룰로오스 나노 유도체와 전이금속을 복합화해 극대화시킨 것”이라며, “향후 폐수처리 및 공기 정화에 반영구적으로 사용할 수 있는 원천 기술을 확보했다는데 의의가 있다.”라고 말했다.