1.1 연구 배경

실내오염물질은 주로 재실자의 호흡기, 기관지, 눈 피부 등에 영향을 끼친다.^(1,2) 하루 평균 86%를 실내에서 보내는 사람들은⁽³⁾ 내외부적으로 발생하는 실내오염물질에 지속적으로 노출되고 있다.⁽⁴⁾ WHO(World Health Organization)는 실내오염물질 노출로 인해 매년 전 세계 약 630만 명의 인구가 사망한다고 발표함으로써, 그 심각성을 강조하였다.⁽⁵⁾

대표적인 가스상 실내오염물질인 폼알데하이드는 자극성 냄새가 나는 무색의 기체로 사람의 호흡기, 소화기, 피부를 통한 경로로 침투해 인체에 좋지 않은 영향을 주는 발암성 물질이다.^(6,7) 주로 건축자재, 생활용품, 가구 등에서 발생하며, 새집증후군, 빌딩증후군을 유발하는 대표적인 물질이다.^(8,9) 또한, 폼알데하이드는 지속적으로 장시간 방출하는 특징을 가지고 있어, 지속적인 관리가 필요한 물질이다.⁽¹⁰⁾ 실내 폼알데하이드 농도를 관리하기 위해 국내 각 정부 부처들은 관련 법규를 제안하고 있다.⁽¹¹⁾ 공동주택의 경우 신축 공동주택 대상으로 입주 전 폼알데하이드 농도 기준을 규정하고 있으며, 다중이용시설의 경우 시설별 유지 기준을 제시하고 있다. 하지만, 환경부의 신축 공동주택 오염물질 측정 결과에 따르면 2010~2019년 사이 준공된 공동주택에서 약 13%가 폼알데하이드 기준을 초과하였으며, 실내오염물질 기준 초과 사례 중 폼알데하이드 초과 사례 비중은 55%를 차지하였다.⁽¹²⁾ 또한, 사람이 거주 중인 주택과 다중이용시설에서 폼알데하이드 기준을 초과하는 사례가 지속적으로 발생하고 있어 별도의 저감 방안이 필요한 물질이다.^(13,14)

실내 폼알데하이드 저감의 대표적인 방법으로는 환기가 있다. 하지만, 외부 미세먼지 유입, 냉난방 에너지 부하 증가, 환기 인식 부족 등 문제점으로 인해 환기 외의 저감 방안이 필요한 상황이다.^(15,16) 광촉매는 실내 폼알데하이드를 저감 할 수 있는 또 하나의 방법이다. 광촉매는 빛에너지가 가해지면 전자(e-)와 정공(h+)을 생성한다.⁽¹⁷⁾ 해당 물질은 산소(O₂) 및 물(H2O)과 반응을 통해 음이온(O₂-)과 수산라디칼(OH-)을 생성하며, 이는 폼알데하이드를 물과 이산화탄소(CO₂)로 분해한다.

광촉매의 종류는 대표적인 물질로 TiO₂, ZnO, ZrO₂, CdS, WO₃, SnO₂, V₂O 등이 있으며, 그 중 TiO₂ (이산화티타늄) 광촉매는 화학적, 광화학적 안정성이 높고, 내구성, 효율 등이 뛰어난 특징을 가지고 있다. 또한, 화학반응 후에도 성질이 변하지 않아 반영구적으로 사용할 수 있는 특징을 가지고 있다.⁽¹⁸⁾ 따라서 TiO₂ 광촉매 적용을 통해 실내 폼알데하이드를 효과적으로 제거할 수 있을 것으로 판단된다.

1.2 연구 목적

TiO₂ 광촉매를 이용한 폼알데하이드 제거 관련 많은 연구가 진행되고 있다. 신축 공동주택의 내부 마감재 위 광촉매 도포⁽¹⁹⁾, 고로슬래그와 혼용한 광촉매⁽²⁰⁾ 등 실내 폼알데하이드 제거를 위한 연구와 팔라듐-이산화티타늄(Pb-TiO₂) 복합 광촉매⁽²¹⁾와 같은 폼알데하이드 저감 효율을 높이기 위한 연구가 진행되었다. 하지만 기존의 연구들은 폼알데하이드 제거를 위한 광촉매 적용 조건 및 기준이 명확하지 않으며, 이에 따른 폼알데하이드 농도 제거 효과 또한 객관적인 판단이 어려운 상황이다. 또한 광촉매의 폼알데하이드 제거 효율을 높이는 연구는 별도의 물질을 첨가하여 진행되었다. TiO₂ 광촉매를 이용한 폼알데하이드 제거 실험법 및 기준은 ISO(International Organization for Standardization)에서 22197-4를 통해 제시하고 있다.⁽²²⁾ ISO 기준을 준용한 폼알데하이드 제거 관련 연구 또한 진행되었으며^(23,24), ISO 22197-4 실험법 조건인 시험편의 크기 및 개수 변화에 따른 폼알데하이드 저감 성능을 높이는 연구가 진행되었다.

실내 폼알데하이드 제거를 위한 광촉매 선행 연구의 경우, 실내 광촉매 적용 방안 및 광촉매 폼알데하이드 제거 효율을 높이기 위한 연구가 진행되었다. 실내에 적용된 광촉매의 효율을 높이기 위해서는 광촉매 적용 면적을 증가시키거나, 별도의 첨가물을 적용해야 하나, 이는 적용 면적의 한계 및 별도 첨가물 광촉매의 상용화 등의 한계점이 있다. 하지만 ISO 조건 중 하나인 TiO₂ 광촉매에 조사되는 자외선(UV-A) 광량의 경우, 전압 조절을 통해 광량을 증가시킬 수 있으며 광량에 따라 광촉매의 폼알데하이드 저감 효율에 영향을 끼칠 것으로 예상되나, UV-A 광량에 따른 폼알데하이드 농도 제거 성능을 연구한 사례는 미비한 상황이다.

따라서, 본 연구에서는 ISO 22197-4를 바탕으로 TiO₂ 광촉매에 조사되는 UV-A 광량 변화에 따른 폼알데하이드 농도 저감 성능을 확인하였다.

2.1 실험 장치 구성

본 연구는 국제표준실험기준 ISO 22197-4(이하 ISO)를 바탕으로 TiO₂ 광촉매 반응기를 제작하여 폼알데하이드 저감 실험을 진행하였다. ISO 기준이 제시하고 있는 반응기 구성 및 실험 계통도는 Table 1과 같으며, 이를 바탕으로 반응기 및 실험 장치를 제작하였다.

제작된 광반응기는 Fig. 1과 같이 기류가 고르게 분포될 수 있도록 광반응기 내부에 철망을 삽입하였으며, 광촉매가 원활하게 조사될 수 있도록 상판 일부가 개봉된 구조로 제작하였다. 개봉된 부위에는 빛이 원활하게 투과되고, 화학적 내구성이 높은 석영(Quartz)유리를 적용하였으며⁽²⁵⁾, 유리의 크기는 ISO의 기준 크기인 가로 50 mm, 세로 100 mm를 적용하였다. 광반응기 내부에 설치되는 광촉매 시험편은 추가적인 화학반응을 방지하기 위해 화학적 안정성을 가지고 있는 Pyrex 유리를 사용하였다.⁽²⁶⁾ 시험편의 면적은 ISO 시험법에 기재된 면적과 동일하게 50 ㎠로 구성하였다.

Table 1 ISO 22197-4 Schematic diagram of test equipment

	1	test gas supply	9	4-way valve
	2	air compressor	10	photoreactor
	3	air-purification system	11	test piece
	4	standard gas (pollutant)	12	air-tight optical window
	5	pressure regulator	13	light source
	6	mass-flow controller	14	analyzer
	7	humidifier	15	vent
	8	gas mixer

Fig. 1 Photoreactor.

Table 2 Test piece

Test Piece
Density	2.23 g/㎤
Max. Use Temperature	500 ℃
Thermal Conductivity	1.14 W/m·K
Co-Efficient of Linear Expansion	3.3 × 10-6/°C

광 반응기를 적용한 실험 계통은 Fig. 2, 측정 장비는 Table 3과 같다. 주입 가스는 ISO 시험 방법에 맞춰 습공기와 폼알데하이드를 혼합하여 주입하였다. 가스가 반응기를 거쳐 측정 장비로 원활하게 주입될 수 있도록 반응기와 측정 장비 사이에 펌프를 설치하였으며, 반응기에 유입되는 가스량과 펌프의 유량이 동일하도록 설정하였다. TiO₂ 광촉매에 조사되는 Lamp는 UV-A BL Lamp를 사용하였으며, 반사판을 적용한 거치대를 제작하여 반응기 시험편에 UV-A 광이 집중되도록 하였다. 실험에 적용되는 Lamp의 광량은 변압기를 이용하여 전압 변동을 통해 광량을 조절하였으며, 광량 측정기를 이용하여 실험 조건 광량을 확인 후 적용하였다.

Fig. 2 Test diagram.

Table 3 Measurement equipment

Gas Measuring Equipment		Ultraviolet Measuring Instrument
Measuring Gas	HCHO	UV Sensor Range	290~390 mn
Sensor	EC
Measurement Range	0 ~ 10 ppm	Sensor Structure	Exclusive UV Photo Sensor
Flow Rate	1.5 L/min

2.2 실험 조건 및 방법

ISO기준 및 본 연구의 실험 조건은 Table 4와 같다. 반응기 내부 온습도 조건은 ISO에서 제시하고 있는 기준 온도 25℃, 습도 50%를 적용하였으며, 폼알데하이드 주입 농도는 ISO 기준과 동일하게 농도 1 ppm으로 하였다. 측정기의 흡입 유량인 1.5 L/min을 제외한 가스는 외부로 배출될 수 있도록 by-pass를 설치하였으며, 반응기 내 농도가 연속적으로 1 ppm이 유지되도록 하였다. 광량은 ISO 실험 조건인 10 W/㎡를 기본 광량 조건으로 적용하였다. TiO₂ 광촉매는 조사되는 광량이 높을수록 더욱 활발한 광화학 반응이 일어나며⁽²⁷⁾, 이에 따라 오염물질 제거 효율 또한 증가할 것으로 사료 된다. 따라서, 표준 조건의 150%인 15 W/㎡와 200%인 20 W/㎡ 광량 조건을 추가로 적용하였으며, 이에 따른 폼알데하이드 농도 저감량을 비교하였다.

실험 방법은 먼저 폼알데하이드 가스를 주입 후, 반응기 내 농도가 약 1.0 ppm을 30분 동안 일정하게 유지되는 것을 확인하였으며, 농도 안정화 후, UV-A Lamp를 가동하였다. 총 3시간 동안 농도 감소 추세를 확인하였으며, Lamp 종료 후 반응기 내 폼알데하이드 가스가 정상적으로 주입되고 있었는지 확인하기 위해 농도가 다시 초기농도로 상승하는지 확인하였다. 이와 같은 순서로 광량 조건별로 Lamp 가동 전과 후의 폼알데하이드 농도를 비교하였으며, 각각 실험을 3회 진행 후 결과 데이터를 평균하여 확인하였다.

3.1 UV 광량 조건 별 폼알데하이드 농도 저감 성능

UV-A 광량 조건별 TiO₂ 광촉매의 폼알데하이드 농도 저감 성능 실험 결과는 Table 5 및 Fig. 3과 같다.

첫째, TiO₂ 광촉매에 ISO 표준 조건 광량인 10 W/㎡의 UV-A 광선을 조사할 경우, 반응 전 폼알데하이드 시작 농도는 1.02 ppm였으며, 광반응 종료 후 0.86 ppm으로 나타났다. 시작 농도에서 0.16 ppm이 저감되었으며, 농도 저감률은 15.22%이 확인되었다.

둘째, 광량 15 W/㎡를 적용하였을 때, 폼알데하이드 농도는 0.99 ppm에서 0.23 ppm가 저감된 0.76 ppm이 나타났다. 농도 저감률로 환산하였을 때 24.43%이 나타났으며, 표준 광량 대비 저감률이 약 9.21% 증가하였다.

셋째, 광량 20 W/㎡를 적용하였을 때, 폼알데하이드 농도는 1.00 ppm에서 0.42 ppm이 저감된 0.58 ppm이 나타났다. 농도 저감률은 42.37%로, 표준 광량 대비 농도 저감률이 약 27% 증가하였다.

이를 통해 TiO₂에 조사되는 UV-A Lamp의 광량에 따라 폼알데하이드 저감 성능이 비례적으로 증가하는 것을 확인하였다. 이는 광량 증가에 따른 광화학 반응이 더욱 활성화되어 산화반응을 촉진하기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 3 HCHO concentration test result according to UV-A irradiance.

3.2 폼알데하이드 제거량 산출

실험 방법 및 조건 및 광량 증가에 따른 TiO₂ 광촉매의 폼알데하이드 저감 성능 실험을 진행하였으며, 이를 바탕으로 폼알데하이드 제거량을 확인하였다. 제거량 산출식은 ISO 22197-4을 참고하였으며, 식(1), (2)와 같다.

광량별 폼알데하이드 제거량은 Table 6과 같이 10 W/㎡에서 0.0084 μ㏖/㎠‧h, 15 W/㎡에서 0.0134 μ㏖/㎠‧h, 20 W/㎡에서 0.0233 μ㏖/㎠‧h가 나타났으며, 이를 바탕으로 작성된 추세방정식 그래프는 Fig. 4와 같다. 결과적으로, 광촉매에 조사되는 광량이 높아질수록 더 많은 폼알데하이드가 제거되는 것을 확인하였다.

Fig. 4 HCHO removal quantity trend equation graph according to UV-A irradiance.