분자 동역학 시뮬레이션을 이용한 이산화타이타늄의 초친수성 연구(미래창조과학부). © News1

제원호 서울대 교수 연구팀, 자체 제작 원자힘현미경 활용

친환경 태양광 스마트 코팅, 방담필름 개발 등에 응용 기대

(서울=뉴스1) 김현아 기자 = 국내 연구진이 빛을 받을 때 이산화타이타늄이 초친수성(표면이 젖어도 물방울을 만들지 않고 엷은 막을 만들어내는 성질)을 띠게 되는 원리를 규명했다. 앞으로 향균, 탈취, 셀프크리닝, 김서림방지 등의 기능을 갖는 광촉매 코팅제나 필름 개발에 기여할 것으로 기대된다.

제원호 서울대 물리천문학부 교수팀은 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 연구를 수행했다. 연구 결과는 미국립과학원회보(PNAS) 4월7일자 온라인판에 게재됐다.

이산화타이타늄은 빛을 받아 화학반응을 돕는 대표적인 금속 산화물 광촉매다. 유해물질을 분해하거나 향균, 탈취, 셀프크리닝 등에 이용된다.

이산화타이타늄은 빛을 받으면 초친수성을 나타내는 특이한 성질로 오염방지, 김서림방지 필름 등에 응용돼 왔다. 하지만 이산화타이타늄의 초친수성에 대한 정확한 원인은 20년 가까이 밝혀지지 않아 태양광 스마트 코팅제 개발 등에 응용하는 데는 어려움이 있었다.

연구팀은 자체적으로 만든 원자힘현미경을 이용해 그 원인을 규명했다. 미세탐침과 시료 표면 사이에 생기는 원자간 상호작용력을 측정하는 원자힘현미경으로 가시광선과 근적외선 흡수 시 이산화타이타늄 표면에 나타나는 흡착물층을 발견한 것이다.

연구팀은 실시간으로 흡착물층의 성장을 정밀 측정한 결과 초친수성이 빛을 흡수할 때 생성되는 흡착물층과 물 분자와의 강한 인력 때문임을 밝혀냈다.

이번에 밝혀진 초친수성의 원리는 도핑 등 특수처리 없이 이산화타이타늄의 고유한 성질을 이용한 태양광 스마트 코팅, 방담필름 등의 개발로 이어질 것으로 보인다.

연구팀은 흡착물층의 생성원리도 규명했다. 이산화타이타늄 표면의 산소결함(물질 구조 내 산소의 빈자리로 이산화타이타늄에서 가시광선 및 적외선 흡광의 원인)에 포획된 전자들이 공기 중 물분자와 상호작용해 얇은 막처럼 물이 흡착되는 것이다.

이 물층은 빛의 세기에 따라 약 20나노미터 이상 두껍게 성장하는 것으로 나타났다.

제 교수는 "이번 연구를 통해 이산화타이타늄의 초친수성 원리가 분명히 규명됨에 따라 유사한 산소결함을 갖는 금속산화물들의 광친수성을 이해하고 새로운 친환경 광촉매를 개발하는 데 기여할 것"이라고 밝혔다.

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