현재 고기능성 TiO2 광촉매의 개발 집중 연구
환경오염 줄이는 획기적 광촉매 기술 개발에 박차!
세계를 선도할 TiO2 광촉매 반응 효율 연구에 박차
최근 화석 에너지를 대체할 새로운 에너지원의 가능성은 물론 유기 화합물에 의한 환경오염을 제거하기 위한 다양한 방법들 가운데 가장 주목받고 있는 것이 광촉매를 활용하는 기술이다. 광촉매 기술이란 태양에너지나 광원 등에서 나오는 빛을 이용, 에너지원을 얻거나 인간에게 유해한 오염물질을 분해시키는 기술이다. 특히 이산화티타늄(TiO2)의 경우 환경정화와 에너지 변환에 대한 효율이 매우 높아 다양한 분야에서 광촉매로 많이 이용되고 있다. 그러나 이산화티타늄 광촉매의 경우 387nm(나노미터, 10억분의 1미터) 이하의 짧은 파장의 광에서만 반응을 한다.
지구표면에 도달되는 태양에너지 중에서 이러한 범위의 광은 약 5% 정도밖에 안되므로 태양광을 충분히 활용하기 위해서는 비교적 긴 파장의 가시광선 범위에서도 반응할 수 있고, 광촉매 반응 효율을 높이기 위한 연구가 필수적이다. 한서대 신소재공학과 오한준 교수가 이끄는 전기화학연구실에서는 TiO2 광촉매의 태양광 활용을 극대화 시키고 그 응용성을 확장하기 위해서, 가시광 영역에서도 반응은 물론 광촉매의 반응성을 획기적으로 개선시킨 전기화학적 방식인 Macro-crc 산화방식을 활용, 고효율의 광촉매를 합성하는 연구를 진행하고 있다. Macro-arc 산화방식으로 고효율 TiO2 광촉매를 제작할 경우, 수용성 전해액이 속에 들어있는 티타늄 전극시편에 고압의 전원을 인가하면, 양극 전극의 티타늄 표면부위에서 산화가 진행됨에 따라 강한 스파크와 플라즈마 방전이 발생되면서 점차 티타늄이 TiO2 광촉매로 변화된다. 오 교수는 “Macro-arc 산화방식으로 TiO2 광촉매를 제조할 경우 촉매 표면부의 형상이나 결정구조를 다양하게 조절할 수 있다”며 “특히 촉매 표면부에 특정한 원소를 도핑한 것과 같은 효과도 얻을 수 있다”고 말했다.
한국연구재단 지원으로 고기능성 TiO2 광촉매의 개발과 연구에 ‘몰두’
앞서 언급했듯 현재 이 연구실은 TiO2 광촉매의 태양광 활용을 극대화 시키고 그 응용성을 확장하기 위한 연구에 몰두하고 있다. 예를 들면, 태양가시광의 범위에서도 광촉매 반응을 일으키기 위해 TiO2 광촉매 표면부에 질소를, 다른 한편으로는 전반적인 촉매 효율을 향상시키기 위해 란타늄계열 원소가 동시에 도핑 된 고효율의 광촉매 연구가 그것이다. 이 프로젝트는 한국연구재단이 시행하는 2011년 지역대학 우수과학자 지원 사업에 선정돼 현재 활발하게 진행 중에 있다.나노소자와 유전체제조는 물론이고 광촉매분야 등의 기반기술과 활용분야를 집중 연구, 국내외 학술지에 약 150여 편의 논문을 게재하며 ‘영국국제인명센터(IBC)’ 및 미국인명사전, ‘Who's Who’ 및 ‘ABI’ 등 세계 3대 인명사전에 모두 등재되며 화제가 되었던 오한준 교수가 이끌고 있는 전기화학 연구팀은 특히 알루미나와 티타니아 피막의 생성거동과 특성평가 뿐 아니라, 다양한 응용환경에서 발생될 수 있는 계면반응에 대한 연구를 진행하고 있다. 이러한 연구결과는 나노소자와 유전체제조, 광촉매 분야와 생체재료 등의 기반기술과 활용분야에 크게 기여할 것으로 주목받고 있다. 이 연구실에서는 알루미나 피막의 특성과 관련된 연구결과를 다양한 국제저널에 발표하고, 수차례 삼영전자(주)와 알미늄 전해 캐퍼시터에 대해 산학협동으로 공동연구를 수행했다.
특히 임플란트와 생체재료 분야에서는, 생체적합성이 우수할 뿐 아니라 티타늄 모체 금속과의 접착성이 우수한 산화티타늄 피막을 제조하는 과정이 가장 중요한 핵심기술로 알려져 왔다. 그러나 이 연구팀에서는 전기화학적인 방법으로 티타늄 금속과 밀착성이 우수한 산화티타늄 피막을 형성시키는 과정에서, 산화티타늄 표면부위에 생체활성의 특성을 나타내는 칼슘(Ca), 인(P) 등의 화학종들을 침투시킨 기능성 TiO2 피막층을 제조했다. 오 교수는 “이와 같이 생체활성 원소들이 임플란트 피막층에 함유되어 있을 경우 생체내에 이식된 임플란트의 표면부에서 뼈세포의 성장이 촉진되는 것이 관찰됐다”고 밝혔다. 이 결과는 SCI학술지인 Surface＆ coatings technology에 게재돼 많은 생체재료 분야의 연구자들이 지속적으로 인용하고 있다. 오 교수는 현재 다양한 형태를 나타내는 고기능성 TiO2 광촉매의 개발과 연구를 진행하고 있다. 이와 관련, 촉매 표면부는 셀 구조이면서 전체적으로 섬유상의 형태를 나타내는 섬유상 TiO2 광촉매를 개발했을 뿐 아니라, 다양한 기능성 광촉매에 대해 연구를 수행하고 있다. 특히 비표면적이 극대화된 나노튜브 형상의 TiO2 광촉매를 통해 수용액 중에 존재하는 유기염료와 유해화학물질인 디클로로 아세트산(DCA)의 제거 효과에 대한 결과는 이 분야의 최정상 국제저널인 Applied Catalysis B에 게재되기도 했다.
열악한 지방대 여건에도 불구, 국내외 학술지에 150여편 논문 ‘성과’
성균관대 금속공학과를 졸업한 오 교수는 독일 에어랑엔(Erlangen-Nurnberg)대학교에서 전기화학으로 박사학위를 취득한 뒤 1년간 에어랑엔 대학의 물리화학연구소에서 연구원으로 근무했다. 1995년 3월 한서대학교 신소재공학과 교수로 부임했으며, 이후 전기화학 연구실을 운영해 오고 있다. 대부분의 지방 사립대 연구진의 경우 장비와 인력이 충분치 못한 열약한 조건에 놓여있다.오한준 교수는 이러한 문제점을 국민대 신소재공학부 지충수 교수팀과 KIMM 재료연구소 정용수 박사팀 등 다른 연구기관의 연구진과의 공동연구로 극복했다. 연구 인프라가 비교적 열악한 환경에서 오 교수 연구팀은 특허 4건을 비롯해 다수의 산학연 공동연구, SCI를 포함한 국내외 논문 100여 편을 게재했으며, 학술대회에서 150여 편을 발표하는 등 활발하게 연구 활동을 진행하고 있다. 오 교수는 향후 계획에 대해 “장비와 연구 인력의 확충을 통해 진행하고 있는 생체재료와 광촉매 분야의 연구에서 좀 더 좋은 결과를 얻기를 기대하고 있다”며 “이러한 결과가 인간과 환경에 조금이라도 기여하기를 희망하면서 연구팀과 학생들에게 내일을 향해 더욱 노력하자고 늘 강조하고 있다”고 말했다.