이산화타이타늄의 초친수성 원리 규명으로 광촉매 코팅제 필름 개발 기여 전망

이산화타이타늄의 초친수성 원리 규명

경제적이고 친환경적인 태양광 스마트 코팅제나 필름 개발 응용기대

이산화타이타늄의 흡광에 의해 성장하는 흡착물층의 측정 및 동역학적 성질

국내 연구진이 빛을 받을 때 이산화타이타늄이 초친수성을 띠게 되는 원리를 규명해냈다. 표면에 물방울이 맺히지 않는 초친수성 물질은 눈, 비에도 시야를 가리지 않아야 하는 항공기나 자동차의 유리 등에 널리 쓰인다. 향후 항균, 탈취, 셀프크리닝, 김서림방지 기능을 갖는 보다 경제적이고 친환경적인 광촉매 코팅제나 필름 개발에 기여할 것으로 기대된다. 

서울대 물리천문학부 제원호 교수 연구팀이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심) 등의 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 미국립과학원회보(PNAS) 4월 7일자 온라인판에 게재됐다. 

이산화타이타늄의 흡광시 나타나는 초친수성은 방오, 방담(anti-fogging) 필름 등에 응용되나 정확한 원인은 논란이 있어, 효율적인 태양광 스마트 코팅제 개발 등에 응용하는데 어려움이 있었다. 

연구팀은 자체적으로 만든 원자힘현미경을 이용해 가시광선과 근적외선 흡수시 나타나는 이산화타이타늄 표면의 흡착물층을 발견, 실시간으로 그 성장을 정밀하게 측정한 결과, 초친수성이 흡광시 생성되는 흡착물층과 물 분자와의 강한 인력 때문임을 규명한 것이다. 

초친수성 원리에 대한 실마리가 밝혀짐에 따라 도핑 등 특수처리 없이 이산화타이타늄의 고유한 성질을 이용한 태양광 스마트 코팅이나 방담필름 개발 연구 등으로 이어질 것으로 기대된다. 

기존 연구는 흡광시 표면의 직접적인 구조적 변화를 측정하는데 한계가 있었으나 연구팀은 정밀한 원자힘현미경을 이용해 이산화타이타늄 표면의 흡착물층을 직접 세밀하게 분석해 냈다. 

흡착물층의 생성원리도 밝혔다. 이산화타이타늄 표면의 산소결함에 포획된 전자들이 공기 중 물분자와 상호작용함으로써 얇은 막처럼 물이 흡착되는 것이다. 이 물층은 빛의 세기에 따라 약 20㎚ 이상 두껍게 성장하는 것으로 나타났다. 

나아가 표면 전자에 의한 습윤효과보다 표면에 광흡착된 물 층에 의한 습윤효과가 지배적이라는 것을 확인했다. 

제 교수는 “이번 연구를 통해 이산화타이타늄의 초친수성 원리가 분명히 규명됨에 따라 유사한 산소결함을 갖는 금속산화물들의 광친수성의 이해 및 새로운 친환경 광촉매 개발에 기여할 것”이라고 밝혔다.