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[사진1. (왼쪽부터) 건설환경공학과 김형일 교수, 이민형 박사]

 

건설환경공학과 김형일 교수팀이 실내 LED 조명의 다양한 파장 에너지를 활용해 휘발성유기화합물(VOCs)을 이산화탄소까지 완전 산화할 수 있는 플라즈모닉-광열-광촉매 하이브리드 촉매를 개발했다.

 

아세트알데히드와 톨루엔을 비롯한 휘발성유기화합물은 건축자재, 가구, 생활용품 등에서 배출되는 대표적인 실내 공기오염물질이다. 광촉매는 빛에너지를 이용해 이러한 오염물질을 이산화탄소 등으로 산화·분해하는 방식으로, 실내 공기정화 기술에 활용돼 왔다.

 

그러나 대표적인 광촉매인 이산화티타늄은 주로 자외선 영역에서 높은 활성을 나타내 실내 LED 조명과 같은 가시광 에너지를 효과적으로 활용하기 어려웠다. 기존 연구 역시 단일 오염물질과 강한 실험실 광원을 중심으로 성능을 평가해 실제 실내 환경에서 여러 종류의 오염물질을 동시에 장시간 처리할 수 있는지에 대한 검증이 부족했다.

 

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 LED 조명의 파장에 따라 광촉매 반응과 플라즈모닉 효과, 광열 반응을 각각 활용하는 ‘파장 맞춤형 광촉매 시스템’을 구현했다. 각 소재가 LED의 서로 다른 파장에 반응하도록 역할을 나눠 설계한 것이 특징이다.

[그림2. 실내 LED 조명의 다양한 파장 에너지를 광촉매·플라즈모닉·광열 반응에 활용해 실내 공기오염물질을 이산화탄소까지 산화·분해하는 하이브리드 촉매의 작동 원리]

 

연구팀은 구리가 도입된 이산화티타늄 광촉매(이하 CuT), 금 나노입자를 실리카 내부에 가둔 요크-쉘 구조(이하 AuSi), 환원된 그래핀 산화물(이하 GS)을 하나의 하이브리드 구조로 결합했다. CuT는 LED 빛을 이용해 오염물질을 산화하고, AuSi는 금 나노입자와 빛의 상호작용을 통해 촉매 주변의 전기장을 강화한다. GS는 긴 파장의 빛을 열에너지로 전환해 촉매 표면에서 일어나는 반응을 촉진한다.

 

연구 결과, 하이브리드 촉매는 아세트알데히드와 톨루엔이 혼합된 총 2 ppmv 농도의 유해가스를 지속적으로 공급하는 연속 흐름 실험에서 168시간 동안 80% 이상의 완전 산화 성능을 유지했다. 이를 통해 장시간 연속 운전에서도 일정 수준 이상의 성능이 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.

[그림2. 하이브리드 촉매를 코팅한 아크릴판을 적용해 실내 공기정화 성능을 검증한 스케일업 챔버]

 

실제 적용 가능성을 확인하기 위한 실험도 진행했다. 연구팀은 촉매를 아크릴판에 코팅한 뒤 64 L 규모의 공기정화 챔버에서 성능을 평가했다. 습도 조건을 달리해 비교한 결과, 다양한 습도 환경에서도 상용 광촉매보다 높은 유해가스 제거 성능을 유지하는 것으로 나타났다.

 

연구팀은 파장에 따른 광촉매·광열 반응과 분광학적 분석을 통해 세 소재가 각각 다른 역할을 하며 작동하는 원리도 규명했다. 실시간 반응 분석에서는 아세트알데히드와 톨루엔이 여러 단계의 반응을 거쳐 최종적으로 이산화탄소까지 산화되는 과정을 확인했다.

 

김형일 교수는 “이번 연구를 통해 실내 LED 조명의 다양한 파장을 광촉매 반응뿐 아니라 플라즈모닉 전기장과 열에너지로 활용할 수 있음을 확인했다”며 “파장에 따라 소재의 역할을 설계하는 방식이 향후 실내 공기정화 기술 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

 

이번 연구는 우리 대학교 이민형 박사가 제1저자로 주도했으며, 부산대 김재혁 교수팀 등의 연구진이 공동으로 참여했다. 한국연구재단, 한국에너지기술평가원 및 Yonsei Lee Youn Jae Fellowship의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 재료과학 국제학술지 ‘Advanced Materials(IF 29.1)’에 게재됐다.