별도의 열처리 없이 액체에서 플라즈마를 직접 발생시키는 수중 플라즈마 기술 적용
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(소장 김기만, 이하 핵융합연)의 홍용철 박사 연구팀과 한국기초과학지원연구원(원장 이광식, 이하 KBSI) 나노표면연구팀 이현욱 박사 연구팀은 핵융합(연)의 창업기업인 ㈜엔팩과 공동연구를 통해 수중 플라즈마를 이용한 다공성의 친환경 이산화티탄(TiO2) 광촉매 재료를 제조하는데 성공하였다고 23일(수) 밝혔다.
친환경 TiO2의 확대 이미지. (a)a-TiO2(수중 플라즈마 처리시간 0분)이며 불규칙한 모양의 나노입자들이 응집되어 있다. (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 뚜렷하다. 이는 우수한 결정성을 갖는 친환경 TiO2을 단 1-7 분의 짧은 수중 플라즈마 처리시간 내에 얻을 수 있음을 의미한다. (출처=국가핵융합연구소)
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: Environmental지(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. 이번 연구는 산자부 주관 핵심소재원천기술개발사업(KBSI)과 중기청 주관 산학연협력지원사업(㈜엔팩)을 지원을 받아 수행되었다.