일본 테이진(帝人)은 광촉매 활성을 가지는 TiO2 나노 파이버를 개발했다. 섬유의 직경은 약 200nm이다. 테이진은 대전(帶電)시킨 용액을 분출시키는 [일렉트로 스피닝법]을 개량하여 지금까지 어려웠던 나노 파이버화에 성공했다. 광촉매로서 널리 이용되고 있는 TiO2 미립자에 비해 광촉매 활성이 높은 것이 확인됐다. 테이진은 앞으로 고성능 필터 등에서의 용도를 개척해 나갈 예정이다.
일렉트로 스피닝법은 섬유화 하고자 하는 재료의 용액에 높은 전압을 인가하여 대전시키는 방법에 의해 용액을 노즐 끝에서 분출시켜 방사하는 기술이다. 대전에 의해 분자 사이의 반발력이 용액의 표면 장력을 넘었을 때 한 번에 분출되는 원리가 사용됐다. 전극까지 도달할 때까지 섬유는 nm 레벨의 두께로 방사된다.
TiO2 섬유의 경우, 연구자들은 우선 TiO2 전구체(Ti를 포함하는 유기 화합물)를 용액에 녹여, 일렉트로스피닝법에 의해 섬유화 했다. 이것을 소성하는 과정에 의해 TiO2 섬유가 제조된다. 종래의 일렉트로스피닝법에서는 얻어진 섬유를 구조 재료로 사용할 수 없었으나, 테이진은 용매와 방사 공정을 개량하여 구조체로 사용할 수 있는 수준까지 특성을 향상시키는데 성공했다.
제작된 TiO2 섬유는 약 200nm 직경의 초미세 구조로, 광촉매 활성을 가진 아나타제 결정 구조를 취하는 것으로 X선 회절법 등을 통해 확인됐다. 광촉매 활성 실험에서는 색소인 메틸렌 블루에 TiO2 나노 파이버를 침적하여 여기에 자외광을 조사했을 때, 메틸렌 블루를 분해하는 정도가 흡수 파장 변화 측정 방법으로 확인됐다. 비교를 위해 현재 광촉매로 널리 사용되고 있는 TiO2 미립자(40nm)가 사용됐다. 그 결과, TiO2 나노 파이버가 색소 분해 성능 즉, 광촉매 활성이 높은 것으로 나타났다.
테이진은 그 이유에 대해, 아직 가설 단계이기는 하나, TiO2 미립자는 응집되기 쉬운 것에 비해 TiO2 나노 파이버는 응집하지 않아 활성을 높이기 쉬울 것이라고 설명했다. 이 재료는 기초 연구 단계이며 향후 환경 세정 필터 등의 용도로 개척될 예정이다. 활성이 높다는 점과 함께 방사 직후에 부직포 상태의 재료가 얻어진다는 점으로부터 코팅 등이 필요한 TiO2 미립자에 비해 가공 프로세스가 간략화 된다는 장점도 있다.
테이진은 TiO2 나노 파이버와 함께 알루미나(Al2O3)의 나노 파이버화에도 성공한 바 있으며, 이들 나노 파이버 재료의 용도를 개척할 생각이다. 이 연구 성과는 일본 고분자학회 주최 [제14회 폴리머 재료 포럼]에서 발표됐다.
(그림1) TiO2 나노 파이버의 전자 현미경 사진이다.
(그림2) 광촉매 활성 실험. 자외선 조사 조건은 파장 290~390nm이다. 자외선 조사 후에 메틸렌 블루가 분해되어 탈색되는 모습이다.
(그림3) 광촉매 활성의 측정 결과이다.
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