STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(광촉매(TiO2)를 이용한 보드마카 클리너 제작)

2017. 11. 30.

한민고등학교

< 연구 결과요약서 >

과 제 명 광촉매를 이용한 보드마카 클리너 제작

연구목표 광촉매를 이용하여 시판 제품과 비슷한 성능의 친환경 보드마카 클리너 제작.

연구개요 및 내용

□ 이론적 배경 및 선행연구

먼저‘염료가 흡착된 TiO광촉매를 이용한 가시광선 영역에서의 유기물 분해(문정우, 윤창연, 정경원, 강민수, 이종협, 2003)’에서는 광촉매에 수분이 존재할 때 자외선과 가시광 선 하에서 조사하면 유기물을 분해하여 광 활성화 효과가 가능하다는 결론을 도출하였다. 이를 통해 가시광선 하에서 주로 이용되는 보드마카 클리너에도 충분히 광촉매를 적용할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

또한‘이산화티탄 광촉매 반응을 이용한 수중 자연유기물의 분해(이석현, 1999)’ 정확한 실험결과 도출을 위해 흡광 광도계를 사용하였다는 것을 알게 되었으며, 이를 보드마카 클리너의 사용 효과를 파악하는 방법에 실제로 적용할 수 있었다.

□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)

시판 화이트보드 클리너의 성분에는 아세톤과 톨루엔 등의 독성 물질이 다량 함유되어 있어 흡입하는 경우에 위험할 수 있으며, 냄새도 독하기 때문에 거부감이 심하다. 이로부터 문제를 착안하여 환경에 무해한 화이트보드 클리너를 제작하여 문제를 해결하기로 하였다. 이에 따라 관련 자료를 탐색하던 중 환경 정화 및 오염 물질 제거의 기능을 가지고 있으며 주변에서 쉽게 구할 수 있는 광촉매를 사용하는 것이 적합하다고 판단하여, 광촉매를 이용 하여 화이트보드 클리너를 제작하는 방법을 고안하였다.

□ 연구활동 및 과정

광촉매의 용매와 농도에 따라 보드마카 클리너 능력에 차이가 있을 것이라는 가설을 기반으로 보드마카 클리너에 가장 적절한 용매와 농도를 찾기 위한 실험을 진행하였다.

예비 실험에서는 용매의 종류별 육안 세척효과 비교 실험을 실시하였으며, 시판 보드마카 클리너를 대조군으로 설정하였다. 실험 결과 자체 제작 보드마카 클리너가 시판 보드마카 클리너에 비해 지운 결이나 흔적이 관찰되지 않고 깔끔하게 지워지는 경향을 나타냈다.

두 번째로 실시한 광촉매의 몰농도별 세척 효과 비교 실험에서는 용매별 실험에서 가장 뛰어난 효과를 보였던 증류수와 글리세린을 이용하였다.

위 실험을 통해 증류수가 가장 잘 지워지는 용매였으며 글리세린이 두 번째로 잘 지워진 다는 사실을 얻었다. 그러나 그 이유를 완전히 설명하는데 한계가 있었으며 육안으로 확인 하여 얻은 결과이기에 정확한 결과가 아니라는 한계가 있었다. 또한 그러나 이후 광촉매의 농도 실험에서 광촉매의 양이 너무 많아 보드마카 클리너에 다 녹지 못하고 가라앉아 버리는 문제점이 나타났다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 이후 광촉매의 포화점을 찾고, 분광기를 이용한 정량적인 분해효과 확인 실험을 진행하였다.

위 두 실험의 한계를 보완하고자 분광 광도계를 사용한 실험을 계획하였다. 따라서 물감을 이용한 광촉매 모의실험을 본 실험에 앞서 진행하였다. 증류수에 물감을 넣은 용액, 물감과 광촉매를 넣은 용액, 그것을 일정 시간동안 반응시킨 용액의 흡광도를 측정하였다.

연구개요 및 내용

그래서 증류수에 녹지 않았던 생잉크를 어떠한 용매에 녹일 수 있는지에 대하여 조사를 하였고 그 결과 에탄올에 용해됨을 확인하였다. 따라서 에탄올을 용매로 활용한 실험을 계획하였다. 또한 앞선 실험의 문제였던 광촉매의 포화점에 관한 선행조사 결과 광촉매의 농도를 대폭 줄여야 함을 확인할 수 있었다. 이에 본 실험에서 에탄올 1L에 광촉매 0.02g을 넣어 실험을 진행하였다. 앞의 실험을 통해 알게 된 내용을 바탕으로 2차 실험을 재설계 하였다. 2차 실험은 크게 잉크의 농도별, 시간별 반응효과 확인으로 나누었다.

잉크 농도별 실험에서는 에탄올 100mL에 스포이트로 잉크를 한 방울 떨어뜨린 후 희석한 용액을 에탄올과 각각 2:1, 3:1, 4:1, 5:1 비율로 배합하고 광촉매를 0.002g씩 추가한 용액 100mL를 각각 스탠드 아래서 30분 반응시킨 후, 광촉매 반응을 시키기 전후의 용액의 흡광도를 분광 광도기로 측정하였다. 실험 결과 3:1과 4:1의 비율로 희 석한 용액에서의 흡광도 하락 정도가 2:1과 5:1의 비율로 배합한 용액보다 높았다.

앞의 실험을 바탕으로 보드마카 클리너에 적합한 광촉매 농도와 용매를 찾았다. 이 를 바탕으로 에탄올 100ml에 광촉매 0.02g을 넣은 보드마카 클리너를 제작하였고, 다 수의 의견을 수렴하기 위해 각 반에 배치하여 사용하게 하였다. 좀 더 정확한 의견 수렴을 위해 사용 매뉴얼을 작성 및 반별 배포하였다.

그 후, 위와 같이 제작한 클리너의 성능을 확인하기 위해 3:1, 4:1 비율 용액을 스 탠드의 빛을 오래 조사했다. 빛에 조사하기 전, 1시간, 2시간, 3시간, 4시간 동안 반응 시킨 용액의 흡광도를 측정하였다. 또한, 시중 클리너, 광촉매를 넣지 않은 에탄올과 비교하기 위해 시중 클리너, 에탄올에 잉크를 넣어 빛에 조사하기 전, 1시간, 2시간, 3시간 동안 반응시킨 용액의 흡광도를 측정하였다.

연구성과

□ 연구 결과

○ 실험 결과 및 연구 결론 제시 1. 예비 실험

용매별 세척 효과를 육안으로 비교한 첫 번째 실험에서는 증류수 용매가 가장 효 과가 좋았으며, 글리세린이 그 뒤를 이었다. 아세트산 역시 효과가 좋았지만 특유의 냄새로 인해 상품화에는 적합하지 않다고 판단하였다. 농도별 세척 효과 비교 실험의 경우 3M 농도 용액의 세척 효과가 가장 뛰어난 것으로 나타났지만, 극적인 차이는 관찰되지 않았다. 이는 광촉매가 과포화 되어있었기 때문인

것으로 추정된다.

2. 본 실험 (위 흡광도 그래프)

가. 잉크 농도별 광촉매 반응 효과 확인

잉크 대신 물감을 사용한 실험에서는 의미 있는 결과를 도 출하지 못했다. 이에 에탄올 용매를 사용하여 다시 진행한 잉 크 농도별 세척 효과 비교 실험에서는 에탄올과 에탄올 100mL에 스포이트로 잉크를 한 방울 떨어뜨린 후 희석한 용 액의 혼합비율이 3:1, 4:1(잉크 용액이 1)일 때 흡광도 감소폭

이 가장 컸다. Fig.01. 시간이 지나면서

흡광도가 감소한 모습, 3:1, 4:!에서 감소폭이 큼.

연구성과

나. 시간별 광촉매 반응 효과 확인

이를 토대로 진행한 시간별 흡광도 변화 비교 실험 에서는 3:1, 4:1 혼합비율의 용액을 사용하였다. 스탠드 아래에서 반응시킨 시간이 길수록 흡광도가 감소하는 경향을 보였다. 이는 제작한 광촉매 클리너가 생잉크를 분해하여 투과율이 높아지고 흡광도가 낮아지는 결과 로 이어졌다고 해석한다.

다. 시중 클리너와 광촉매를 넣지 않은 에탄올과의 비교 광촉매를 넣지 않은 순수 에탄올과 시중 보드마카 클리너에 비해, 실험군(광촉매 클리너)은 전체적으로 흡광도 감소폭이 큰 것으로 나타났다. 시중 클리너는 역시 잉크 분해로 인한 흡광도 감소를 보였으나, 광촉 매 클리너에 비해 감소폭이 작았다. 그리고 순수 에탄 올에서 흡광도 감소는 거의 일어나지 않았다. 이는 용 매인 에탄올이 아닌 광촉매가 염료 분해 및 세척 작용 에 영향을 미치는 주원인이라는 점과 시중 보드마카 클리너보다 자체 제작 클리너가 염료 분해 면에서 더 뛰어나다는 점을 설명한다. 마지막으로 본 실험의 결과 를 적용하여 완제품 형태의 클리너를 제작하였고, 육안 으로 대조군보다 세척효과가 뛰어나다는 사실을 확인 했으며 반별로 배포하여 현재 의견 수렴 중에 있다.

□ 시사점

본 연구는 광촉매를 이용한 보드마카 클리너 제작을 목표로 하는 연구로서, 최근 각광받 고 있는 광촉매의 새로운 활용 방안을 모색하였다는 점에서 의미가 있다. 연구 결과 개발된 광촉매 클리너가 시판 제품과의 가격, 안전성 등의 경쟁에서 충분히 우위를 점할 수 있다는 것에서 본 연구의 시사점을 찾을 수 있다. 조사한 바에 따르면 광촉매 클리너 200mL 용액만 의 가격이 실제 보드마카 클리너의 가격보다 약 9배 넘게 저렴하다. 또한 광촉매 클리너는 기존 보드마카 클리너에 존재하였던 톨루엔, 아세톤과 같은 독성 물질이 존재하지 않으며, 이에 따라 역한 냄새가 현저히 저감되었다는 것에서 본 연구의 시사점을 찾을 수 있다.

□ 향후 계획

효과적인 시장 진출을 위해서는 경제성 이외에도 사용 시의 편의를 고려한 다각적인 추가 연구 및 설문이 요구된다. 시간별 광촉매 반응 실험을 할 때 1시간 간격으로 광촉매 반응 정도를 측정하였지만, 실제 칠판을 지우는 상황에서 클리너를 사용할 때 광촉매 반응 을 일으키는데 주어지는 시간은 길어야 1분 정도에 불과하므로 본 실험 클리너 실용적 효과를 완전히 입증하였다고 보기는 어렵다. 이에 향후 광촉매 반응 직후 짧은 시간 동안의 흡광도 차이를 비교하여 분석해 볼 것이며 더 나아가 광촉매의 반응 시간을 줄일 수 있는 방법을 찾아 볼 것이다. 또 친환경적 및 경제적 클리너의 목적에 부합하는 물질로 광촉매를 포함하여 더 다양한 물질을 개발하거나 활용하는 방향으로 연구의 폭을 넓히고자 한다.

Fig.02. 시간이 지나면서 흡광도 감소

Fig.03. 클리너에서 흡광도가 소폭 감소

Fig.04. 에탄올에서 흡광도 감소가 나 타나지 않음

주요어

(Key words) ^광촉매, 보드마카, UV-VIS, 친환경, 이산화티타늄

< 연구 결과보고서 >

1. 개요

□ 연구배경

○ 과학기술의 발달은 때로 우주선 개발이나 군사 기술 등 우리의 삶과 다소 먼 곳에만 영향을 준다고 생각하기 쉽다. 그러나 실제로 과학기술들은 우리의 일상생활을 더욱 편리하 게 해주거나 풍성하게 해주는 데 기여한다. 이에 본 학생들은 학교 생활에서의 불편함을 개선하는 데 기여할 수 있는 연구를 하고자 하였다. 이에, 다수의 학생 및 교직원으로부터 교내에 개선할 점에 대한 조사를 진행하였으며, 이를 통하여 매일 사용하는 칠판이 그냥 지우는 것으로는 깨끗해지기 어려워 클리너를 사용해야만 깔끔해진다는 의견을 듣게 되었다. 본 학생들은 이러한 의견을 토대로 유해물질을 산화 분해하는 기능을 가진 광촉매를 이용하 여 보드마카 클리너를 제작하는 방안에 대하여 생각하게 되었다. 무엇보다 시판 보드마카 클리너는 유해 물질이 다소 함유되어 있었기에 광촉매를 이용한 보드마카 클리너 제작에 성공한다면 환경적 측면에서도 유용한 파급효과를 불러일으킬 수 있을 것이라고 생각하여 본 연구를 진행하였다.

□ 연구범위

○ 본 연구는 광화학 분야로, 광촉매(tio2)를 사용하였다.

○ 일상생활 속 문제 해결을 계기로 본 실험을 진행하게 되었다. 첫 실험으로 용매의 종류별 및 광촉매의 몰농도별 실험을 진행한 후, 앞선 실험의 문제점을 파악하여 분광기를 사용한 정량적인 분해효과 확인 실험을 진행하였다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 본 연구에서 주가 되는 물질인 TiO(이산화티타늄)은 가장 널리 쓰이고 쉽게 구할 수 있는 광촉매 물질임은 자명하다. 그러나 본 조는 이산화티타늄의 광촉매에 관련된 특성이 아닌 살균 및 세척 작용에 초점을 맞추어 과제연구를 진행하고자 하였다. 이후 선행 연구 조사 과정에서 광촉매에 대한 연구뿐만 아니라 광촉매의 오염 물질 정화, 세척 작용에 대하여 선행 연구 조사를 진행하였다.

먼저 ‘염료가 흡착된 TiO 광촉매를 이용한 가시광선 영역에서의 유기물 분해(문정우, 윤창 연, 정경원, 강민수, 이종협, 2003)’에서 광촉매에 수분이 존재할 때 자외선을 조사하면 산화 환원반응을 유도해 유기물을 분해한다는 사실을 알아내었다. 또한 이 실험에서 가시광선 하에서도 이러한 효과, 즉 광활성화 효과가 나타나는 지 알아보았으며, 가시광선에서도 가능

하다는 결론을 내었다. 논문의 실험에서 페놀을 광촉매로 분해하는 실험을 하였는데, 페놀의 분해속도가 최적의 pH를 벗어나면 느려진다는 점 등을 통해 광촉매가 유기물을 분해하는 최적의 조건이 있음을 알 수 있었다. 또한 이를 통해 가시광선 하에서 광활성화가 되는 광촉매의 특성을 파악하여, 이를 본 조에서 진행할 연구인 보드마카 클리너에도 충분히 적용할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

‘이산화티탄 광촉매 반응을 이용한 수중 자연유기물의 분해(이석현, 1999)’를 통하여 광촉매 반응을 통해 환경오염물질 정화 연구가 충분히 진행되고 있다는 점을 인지하였다. 이 실험에 서는 자연유기물의 한 종류인 TOC를 사용하였고, 석영관을 이용한 광촉매 반응장치를 만들 었다. 또한 정확한 실험결과 도출을 위해 흡광광도계를 사용하였다는 것을 알았다. 본 조에서 진행하는 실험은 결과를 분석함에 있어 다소 부정확할 요인이 존재함을 고려, 원래 계획한 흡광 광도계 이외에도 더 정확하고 정밀한 실험장치가 존재한다면 그것을 사용하는데 있어 충분히 고려해볼만한 필요가 있음을 깨달았다.

광촉매가 오염 물질 정화에 어떠한 방식으로 쓰이는지에 대하여 연구한 문헌이 있는지 조사하던 중 ‘실내오염물질 제거용 광촉매의 제조조건에 따른 반응활성 연구(남기복, 박인출, 홍성창, 2016)’을 알아보았다. 문헌의 연구에서 벤젠, VOCs, NOx등에 대한 오염물질 정화에 대하여 연구하였다. 또한 본 연구에서 오염물질 정화용 광촉매 용액 제조 방법에 대해서도 제시하고 있어 본 연구의 클리너 용액 제작에도 큰 도움이 될 것으로 예상했다.

광촉매가 어떠한 용매에서 안정적으로 존재하는지 확인하기 위하여 조사를 하던 과정에서

‘산화아연 입자의 광촉매 효과와 물 용매에서의 안정성(남상훈, 부진호, 2013)’이라는 논문을 접하였다. 비록 본 선행 논문에서 진행된 실험에서는 산화아연이라는 다른 물질을 사용하여 본 학생들이 진행하고자 했던 실험에서 사용하는 물질과는 상이하였지만, 실험 과정 중인 하나인 물 용매에선 안정적으로 존재하는지를 파악할 수 있었다.

‘실험계획법 중 Box-Behnken(박스-벤켄)법을 이용한 반응성 염료의 광촉매 산화조건 특성 해석 및 최적화(조일형, 이내현, 장순웅, 안상우, 윤영한, 조경덕, 2006)’을 통해 논문에서 다룬 광촉매 관련 실험과 박스-벤켄법이라는 실험 방법에 대해서 조사하였다. 실험은 광촉매 를 매체로 한 어떠한 물질을 이용하여 광분해 시킬 때, 염료의 초기농도의 변화, 광촉매의 투입 양의 변화, 광량의 변화 등의 영향을 살펴보기 위하여 박스-벤켄 법이라는 분석 방법을 사용하는 실험이었다. 진행하는 실험과는 약간 동떨어져 있고 이해하기 매우 난해한 내용이 었으나 체계적인 실험 계획 방법의 필요성에 대하여 생각하는 계기가 되었다.

본 연구에서 클리너의 성능을 비교할 때 흡광도의 개념을 이용하였다. 흡광도란 용액의 빛을 흡수하는 정도를 나타내는 양이다. 같은 두께의 순용매 및 용액의 투과광 강도를 각각

I0, I라 할 때 으로 정의된다. 넓은 뜻으로는 I0를 입사광의 강도, I를 기체ㆍ액체ㆍ고 체 물질을 투과한 빛의 강도로 잡는 수도 있다. 흡광도는 용액 중 시료가 흡수하는 빛의 정도를 나타내는 수치로서 시료의 농도측정에 이용된다.

□ 연구주제의 선정

○ 수업시간에 사용하는 보드마카는 일반적인 보드마카 지우개로 쉽게 지워지지 않고 오히려 잔해물로 뒤덮이게 된다. 이를 해결하기 위해 제작된 시판 화이트보드 클리너의 성분에는 아세톤과 톨루엔 등의 환경 호르몬이 다량 함유되어 있어 흡입하는 경우에 다소 위험한 상황이 연출되며, 냄새도 심하여 거부감이 심하다. 이로부터 문제를 착안하여 환경에 무해한 화이트보드 클리너를 제작하는 것으로서 문제를 해결하기로 하였다. 이에 따라 관련 자료를 탐색하던 중 환경 정화 및 오염 물질 제거의 기능을 가지고 있는 광촉매를 사용하는 것이 적합하다는 판단을 하게 되었다. 따라서 광촉매를 이용하여 화이트보드 클리너를 제작 하는 방법을 고안하게 되었다.

광촉매는 빛을 받아들여 화학반응을 촉진시키는 물질을 말하고 이러한 반응을 광화학반응 이라고 한다. 반도체·색소·엽록소도 그 중 하나이다. 대표적인 예로는 산화타이타늄 TiO2이 있다. 반도체의 산화타이타늄 TiO2에 의한 효과는 1967년 두 명의 일본인 과학자에 의해 증명되었고, 환경문제 해결에도 도움이 되는 기초기술로 실용화되기 시작하였다. 산화타이타 늄이 유해물질을 산화 분해하는 기능을 이용하여 환경정화(환경오염을 제거하고 항균, 탈취 하는 등의 효과)하는 데 이용되거나, 초친수성 기능(표면이 젖어도 물방울을 만들지 않고 엷은 막을 만들어 내는 성질)을 응용하여 셀프크리닝 효과가 있는 유리와 타일, 청소기, 공기청정기, 냉장고, 도로포장, 커튼, 벽지, 인공관엽식물 등 다양한 제품에 적용되고 있다.

산화타이타늄은 자외선에 반응하지만 가시광선의 영역에도 반응하는 기술이 개발되고 있 다.¹⁾

주제 선정 과정 중 주변에서 쉽게 구할 수 있는 산화 타이타늄(TiO)이 광촉매의 용도뿐 아니라 공기 정화와 질소 산화물 분해 등의 용도로 쓰일 수 있다는 것을 알았고, 이 이외에 광촉매를 어떠한 용도로 사용할 수 있는지, 그 활용방안에 대한 궁금증이 발생하였다. 이후 진행된 관련 선행연구 조사 과정에서 ‘염료가 흡착된 TiO₂ 광촉매를 이용한 가시광선 영역 에서의 유기물 분해(문정우, 윤창연, 정경원, 강민수, 이종협 (대한환경공학회 학술발표논문 집))’, ‘개선된 고정화 광촉매 제조 및 이를 이용한 아조 염료 분해(대한환경공학회)’ 등의 논문을 읽고 광촉매의 염료분해 반응이 화이트보드 클리너에 이용될 수 있을 것이라고 예측 하였다. 더불어‘광촉매(TiO) 졸을 이용한 자기정화 성능을 지닌 친환경 유리 개발에 관한 연구(이준철, 이동범, 김화중(2004)’를 통하여 광촉매의 정화 능력이 다른 분야에서 과연

1) 자료 출처 : http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1234202&cid=40942&categoryId=32411

어떠한 모습으로 쓰이는지를 알아보았다. 연구에서 기존의 유리의 비나 습기에 의해 물방울 이 표면에 발생하여 흐려지고 이 것이 증발한 후 더러움이 남는다는 특성에서 착안하여 유리 표면의 물질을 친수성으로 한다는 아이디어를 생각해냈다. 이를 통해 광촉매 코딩졸을 이용하여 친수성 유리를 만들어냈다. 광촉매 코딩과 더불어 이산화규소 언더코팅용액 등을 사용하였다. 마지막으로 광촉매 코팅 유리의 초친수성을 확인하기 위하여 수증기 응축현상을 실험하였다. 이를 통해 실험의 결과 확인을 위하여 이러한 눈으로 보이는 검증방안이 필요함 을 알아내었다. 이 선행연구를 통해 광촉매가 다양한 물질을 정화할 수 있다는 것을 알게 되었다.

이러한 일련의 과정을 거쳐 본 학생들은 광촉매를 이용한 보드마카 클리너 제작이라는 주제를 선정하게 되었으며, 이를 토대로 연구를 진행하였다.

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□ 연구 활동 및 과정

○ 용매별·몰별 광촉매 성능 실험

광촉매의 용매와 농도에 따라 보드마카 클리너에 능력에 차이가 있을 것이라는 가설을 기반으로 하여 보드마카 클리너에 가장 적절한 용매와 농도를 찾기 위한 실험을 진행하였다. 용매를 선택하는 기준으로는 보드마카 클리너를 제작하는 이유인 인체의 무해성을 가장 먼저 고려하였으며 이후 극성 용매, 무극성 용매, 산성, 염기성 용매 등 다양한 조건들을 고려하여 보았다. 이를 토대로 판단하였을 때, 극성분자인 광촉매는 무극성 보다는 극성에 잘 녹아 보드마카 클리너로서의 효과를 더 잘 발휘 할 수 있을 것이라는 가설을 바탕으로 인체에 무해하고 극성인 증류수, 과산화수소, 글리세린, 아세트산, 에탄올을 선택하였다.

용매별 실험은 각각 다른 용매에 같은 양의 광촉매를 넣어 보드마카 클리너의 성능을 비교하 여 가장 효과가 좋은 용매를 찾는 실험이었다.

농도별 실험은 같은 용매에 각각 다른 광촉매의 양을 넣은 보드마카 클리너의 성능을 비교하 여 가장 효과가 좋은 광촉매의 농도를 찾는 실험이었다.

먼저 가장 효과적인 보드마카 클리너를 만들기 위한 첫 번째 과정으로 광촉매 희석용 용매를 각각 다르게 한 보드마카 클리너를 비교하는 실험을 진행하였다.

구체적인 용매별 실험 방법은 아래와 같다. 먼저 위 각각의 용매에 광촉매 2몰을 넣은 보드마카 클리너를 Fig 1, 2, 3, 4, 5, 6와 같이 만든다.

Fig 1. 증류수 클리너 Fig 2. 글리세린 클리너

Fig 3. 아세트산 클리너 Fig 4. 에탄올 클리너

Fig 5. 과산화수소 클리너

Fig 6. 용매 희석

그리고 낙서를 한 화이트보드(Fig 7)를 약 30분이라는 동일한 시간동안 두고 시간이 지난 후 최대한 동일한 힘을 가해 지운다.

Fig 7. 각 클리너로 지우기 전 칠판 상태

지웠을 때 남은 흔적을 제작한 보드마카 클리너를 뿌린 뒤 지운다. Fig 8, 9, 10, 11과 같이 시중의 보드마카 클리너로 지운 것과 비교 관찰하는 방법으로 실험을 진행하였는데 전체적으 로 자체제작 클리너를 사용하여 지운 것이 지운 흔적이나 결이 관찰되지 않고 깔끔하게 지워졌다. 게다가 이미 시중에 판매되고 있는 보드마카 클리너는 그 효과를 가장 잘 발휘할 수 있는 용기에 담겨 있어 분해 능력을 효율적으로 발 휘 할 수 있는 작은 물방울로 분출이 된다. 그러나 제작한 보드마카는 일반적인 분무기에 담겨져 있어 분출되는 물방울의 모습이 상대적으로 분해 능력이 떨어진다. 이를 고려하면 광촉매 보드마카 클리너는 시중에 판매되 고 있는 보드마카 클리너보다 효과가 확실히 좋다고 볼 수 있었다. 자세하게 살펴보면 자체제 작 클리너 중에서도 육안으로 관찰하였을 때 증류수가 가장 잘 지워지는 듯 보였다. 두 번째로는 글리세린, 에탄올과 과산화수소수는 증류수보다 상대적으로 성능이 좋지 않았으며 그 둘은 효과의 차이가 미미하였다. 육안 관찰이기 때문에 실험원 외의 다수에게 관찰 결과를 검증 받아 객관성을 확보하기 위해 반마다 자체 제작한 보드마카 클리너를 배치하여 관찰 결과에 대한 설문조사를 진행하여 실험원들의 관찰 결과와 유사한 결과를 얻을 수 있었다.

Fig 8. 증류수 클리너(왼쪽)와

시판 클리너(오른쪽) 비교

Fig 9. 아세트산 클리너(왼쪽)와

시판 클리너(오른쪽) 비교

Fig 10. 에탄올 클리너(왼쪽)와

시판 클리너(오른쪽) 비교Fig 11. 과산화수소수 클리너(왼쪽)와 시판 클리너(오른쪽) 비교

이 실험으로 잘 지워진다는 결과를 얻은 용매 2개(증류수, 글리세린)를 이용하여 좋은 보드마 카 클리너를 만들기 위한 농도별 실험을 진행하였다. 농도는 1몰, 2몰, 3몰, 4몰로 만들었으며 이 실험도 용매별 실험과 동일한 방식으로 화이트보드를 이용하여 진행되었다. 그 결과 1몰과 2몰의 용액의 경우 세척효과가 상대적으로 떨어지는 경향을 보였으며 3몰의 세척효과 가 가장 뛰어났다. 광촉매의 양이 많을수록 더 잘 지워지는 경향을 보였으나 4몰의 경우 잘 지워지기는 하였으나 광촉매의 양이 너무 많아 사용 시 뻑뻑한 느낌이 들었으며 세척효과 가 3몰보다 오히려 떨어지는 것처럼 보였다. 하지만 대체적으로 농도별 실험에서는 용매별 실험과 비교하였을 때 그 차이가 없다고 볼 수 있을 정도로 미미하였다.

Fig 12. 증류수 몰별 클리너

(1M, 2M, 3M, 4M) Fig 13 글리세린 몰별 클리너 (1M, 2M, 3M, 4M)

이 실험의 결과로 다음과 같은 1차적인 결론을 얻어 이를 토대로 다음 실험을 계획할 수 있었다.

광촉매의 용매별 실험 결과, 증류수가 가장 잘 지워지고 글리세린이 두 번째로 잘 지워진다는 사실을 얻었다. 그러나 글리세린이 잘 지워지는 이유로는 글리세린의 점성이 화이트보드에 뿌려진 보드마카 클리너가 바로 흘러내리지 않도록 하는 것에 있다고 예상하였으나 확실하게 검증된 사실이 아니고 증류수가 가장 잘 지워지는 이유를 설명할 수 없다는 한계가 있었다.

농도별 실험에서는 광촉매가 가장 많은 4몰보다는 3몰에서 오히려 가장 잘 지워진다는 결과를 얻을 수 있었다. 그러나 각 농도에 따른 실험 결과 차이가 미미하였고 광촉매의 양이 너무 많아 이후 보드마카 클리너에 광촉매가 다 녹지 못하고 가라앉는다는 문제점을 발견하였다. 무엇보다 큰 문제점은 위 실험은 육안으로 확인하여 얻은 결과이기 때문에 정확한 실험 결과가 아니라는 한계가 있다는 것이었다. 이러한 문제점으로 인해 이후 광촉매 의 포화점을 찾기 위해 선행 연구를 다시 검토하여 분석하였고, 분광기를 이용하여 정확한 분해 능력을 확인할 수 있는 실험을 진행하는 활동을 계획하였다.

○ 물감을 이용한 모의 실험

용매별 실험, 광촉매의 몰농도별 실험 등의 육안으로 확인한 실험에는 한계가 있었다.

이를 보완하고자 분광 광도계를 사용하여 흡광도 차이를 비교함으로써 광촉매 클리너 가 염료와 어떠한 반응을 하는지 분석하고자 하였다. 따라서 분광광도계를 사용하여 정량적 측정을 하게 되었다. 그러나 광촉매와 생잉크를 이용하여 실험하기에는 과학적 지식의 한계가 있음을 인지, 따라서 물감을 이용한 광촉매 모의실험을 본 실험에 앞서 진행하였다.

용액 4개를 만들었으며, 그 용액에는 ‘용액a, 용액b, 용액c, 용액d’가 있다. 먼저, 용액a 는 물(100ml)에 물감(10ml)를 희석하여 만들었고, 용액b는 용액a에 증류수를 용매로 한 광촉매 용액을 1:1로 혼합하여 만들었다. 또한, 용액c는 용액b를 빛(백색광)에 30분 동 안 노출시켜 만들었으며, 용액d는 용액b를 빛에 5시간동안 노출시켜 만들었다. 이러한 4개의 용액을 각각 큐벳에 담았고, 스펙트럼의 파장 범위는 190~900(nm)로 하여 분광 광도계로 각 용액의 흡광도 스펙트럼을 측정하였다.

Fig 14. 분광 광도계 사용한 흡광도 비교 결과

위 실험에서는 Fig 14에서 보는 바와 같이 용액a의 흡광도가 가장 낮았으며 용액b, 용 액c, 용액d의 흡광도 차이는 크게 나타나지 않았다.

실험 결과에 대한 고찰은 다음과 같다. 용액a는 광촉매를 용해하지 않아 이외의 용액 보다 맑았으며 이 때문에 흡광도가 낮게 나타났음을 알 수 있었다. 또한, 용액b, 용액c, 용액d의 시간에 따른 흡광도 차이가 나타나지 않았던 원인은 광촉매에 있다고 판단하 였다.

○ 실험 재설계

기존의 물감을 통해 분광 광도계의 예비실험을 마쳤다. 그러나 물감이 광촉매에 분해 되는 것을 확인하는 것만으로는 현장에서 쓰이는 광촉매 클리너의 효과를 입증하기에 는 부족했다. 따라서 본 학교의 수업 현장에서 쓰이는 생잉크를 통해 분광 광도계 측 정 실험을 진행했다. 그러나 생잉크가 클리너 제작 실험을 통해 효과가 제일 좋다고 입증된 증류수에 녹지 않고 하나로 뭉침을 Fig 15와 같이 확인하였다.

Fig 15. 증류수 용매 사용 시 생잉크 뭉침 결과

그래서 생잉크를 어떠한 용매에 녹일 수 있는지에 대해 조사하였고, 생잉크가 에탄올

에 용해됨을 확인하였다. 따라서 기존의 증류수, 아세트산 등을 포함한 용매별 비교 실 험을 분광 광도계에서 사용하지 않고, Fig 16과 같이 에탄올을 용매로 활용하기로 하였 다.

Fig 16. 에탄올 용매 생잉크 용액

또한 분광 광도계를 활용한 실험에서 광촉매가 포화점을 넘었기 때문에 뿌연 색이 측 정 결과에 큰 오차를 나타내었다. STEAM R&E 중간발표에서 광촉매가 포화점을 넘어 뿌옇기 때문에 분광 광도계에서 흡광도가 매우 높게 나타났고, 이는 의미 없는 값이 되어 정확한 측정을 위해서는 광촉매의 농도를 매우 줄여야 함을 확인했다. 그래서 본 실험에서 광촉매의 농도를 에탄올 1L에 0.02g(20mg)으로 하였다. 이를 통해 선행연구 에서 광촉매의 농도를 매우 적게 한 것을 참고하였고, 그 후, 분광 광도계를 통해 측정 한 값에서 그 전의 매우 높게 나오는 측정값이 나오지 않고, 측정값이 균일하게 나왔 다.

Fig 17. 에탄올 1L에 광촉매 0.02g(20mg) 시 분광 광도계 측정 결과

위의 실험 조건 변경 내용을 바탕으로 2차 실험을 재설계하였다. 2차 실험은 크게 잉 크 농도별 광촉매 반응 효과 확인과 시간별 광촉매 반응 효과 확인으로 나누어진다.

○ 잉크 농도별 광촉매 반응 효과 확인

Fig 18과 같이 에탄올 100mL에 스포이트로 잉크를 한 방울 떨어뜨린 후 희석한 용 액을 에탄올과 각각 2:1, 3:1, 4:1, 5:1 비율로 배합하고 광촉매를 0.002g씩 추가한 용액 100mL를 각각 스탠드 아래서 30분 반응시킨 후(Fig 19), 광촉매 반응을 시키기 전후의 용액의 흡광도를 분광 광도기로 측정하였다.

Fig 18. 잉크를 에탄올에 희석시키는 모습

Fig 19. 잉크를 에탄올에 희석하여 광촉매를 추 가한 용액을 스탠드 아래서 광촉매 반응시키는 모습

○ 시간별 광촉매 반응 효과 확인

잉크 농도별 광촉매 반응 효과 확인 결과 3:1, 4:1 비율의 배합 용액에서 가장 반응이

활발하다고 판단하였다.(아래 결과 그래프 참고) 따라서 시간별 광촉매 반응 효과를 확 인하기 위한 실험에서는 3:1, 4:1 비율의 배합 용액의 흡광도를 각각 찍어 비교하였다.

배합 비율은 잉크 농도별 광촉매 반응 효과 실험과 동일하고, 반응 시작 전, 반응 시간 1시간 후, 2시간 후, 3시간 후, 4시간 후의 흡광도를 측정하였다.

○ 시중 클리너와 광촉매를 넣지 않은 에탄올과의 비교

광촉매 클리너와 시중 클리너의 성능을 비교하기 위해 본 연구 학생들의 학교인 한 민고등학교에서 쓰이는 화이트보드 클리너와 잉크 혼합 용액 그리고 우리가 제작한 광 촉매 클리너와 잉크 혼합 용액의 흡광도를 비교하였다.

또한 과연 잉크를 분해하고 지우는 것이 광촉매의 역할인지, 아니면 에탄올에 지워지 는 것인지에 대해서 의문이 들어서 광촉매를 넣지 않은 에탄올과 잉크 혼합 용액의 흡 광도를 확인해보았고 광촉매 클리너와 비교하였다. 실험을 진행할 때에 기존의 광촉매 클리너 실험과 똑같은 환경에서 진행하기 위해, 빛과 반응하는 광촉매가 없음에도 스 탠드의 빛을 조사하면서 실험을 진행하였다. 또한 잉크와 용매의 농도는 위에서와 같 이 4:1 비율 희석하여 진행하였다. 반응은 3시간 진행하였다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○ 잉크 농도별 광촉매 반응 실험에서는 광촉매 반응 전 흡광도 그래프인 Fig 20과 광촉매 반응 후 흡광도 그래프인 Fig 21을 비교했을 때, 모든 농도에서 흡광도가 하락한 것을 알 수 있었다. 3:1과 4:1 비율로 희석한 용액에서 흡광도 하락 정도가 0.010 정도로 컸고, 2:1과 5:1 비율 배합 용액에서는 흡광도 하락 정도가 약 0.005로 좀 더 작았다. 따라서 3:1과 4:1 배합 용액에서 염료가 분해되기 가장 적합한 환경이 조성되었다고 판단할 수 있었고, 이를 이용하여 다음 실험인 시간별 광촉매 반응 실험을 진행하였다.

Fig 20. 광촉매 반응 전 용액의 흡광도 그래프 (위에서부터 2:1, 3:1, 4:1, 5:1 배합 용액)

Fig 21. 30분 광촉매 반응 후 흡광도 그래프 (위에서부터 2:1, 3:1, 4:1, 5:1 배합 비율 용액)

시간별 광촉매 반응 결과 반응은 Fig 22, 23에서와 같이 시간이 흐를수록 흡광도가 떨 어지는 경향을 보였다. 다시 말해, 3:1, 4:1 배합 용액 모두 반응을 진행한 후 1시간, 2 시간 후에서는 처음과 비교하여 상대적으로 적은 하락폭을 보였으나 3시간 후부터는 큰 하락폭을 나타냈다. 이를 통해 광촉매 반응은 계속 일어나고 있으나, 처음 3시간까 지는 그 효과에 거의 차이가 없다고 볼 수 있으므로 광촉매 클리너를 사용하는 짧은 시간 안에는 본 실험에서 기대한 반응이 충분히 일어난다고 이야기할 수 있다.

Fig 22. 3:1 배합 용액의 흡광도 측정 그래프. (위에 서부터 순서대로 반응 시작 전, 1시간 후, 2시간 후, 3 시간 후, 4시간 후)

Fig 23. 4:1 배합 용액의 흡광도 측정 그래프 (위에서부터 순서대로 반응 시작 전, 1시간 후, 2시 간 후, 3시간 후, 4시간 후)

Fig 24. 3:1 배합 용액 및 4:1 배합 용액 흡광도 측정 종합적 결과

시중 화이트보드 클리너와 잉크 혼합 용액의 흡광도는 Fig 25와 같이 광촉매 클리너 보다 낮았다. 본 학생들은 이를 광촉매 클리너의 광촉매가 흡광도를 높이는 효과가 있 었기 때문으로 해석하였다. 이러한 이유로부터 클리너의 잉크 분해 효과를 시간에 따 른 흡광도 감소폭으로 그래프로 비교하였다. 광촉매 클리너의 흡광도 감소폭이 시중 클리너의 흡광도 감소폭보다 컸고, 이를 통해 시중 클리너보다 광촉매 클리너의 잉크 분해 효과가 더 탁월함을 알 수 있었다.

Fig 25. 광촉매 클리너와 잉크 혼합 용액 및 시중 화 이트보드 클리너와 잉크 혼합 용액 흡광도 측정 결과 (위에서부터 순서대로 광촉매 클리너 반응 시작 전, 1 시간 후, 2시간 후, 3시간 후, 시중 화이트보드 클리너 반응 시작 전, 1시간 후, 2시간 후, 3시간 후)

Fig 26은 광촉매를 넣지 않은 에탄올과 잉크 혼합 용액(이하 에탄올 용액)과 광촉매 클리너와 잉크 혼합 용액의 비교 그래프이다. 에탄올 용액의 흡광도도 광촉매 클리너 보다 낮았으며, 위에서와 같이 광촉매 때문으로 해석하였다. 그래프에서 알 수 있듯이 에탄올에서 반응의 흡광도 차가 거의 나지 않고 오히려 매우 조금 상승하는 효과를 볼 수 있었다. 반면 광촉매 클리너의 그래프는 앞서 말했듯이 흡광도가 감소하였다. 이를 통해 광촉매 클리너에 용해된 광촉매를 통해 잉크가 분해되는 것이 확실하다고 판단하 였다. 육안으로 보았을 때는 큰 차이가 없었지만 결국 잉크를 분해하는 데 주 영향을 끼치는 것은 광촉매이며, 용매인 에탄올이 아니라는 것으로 결론을 내릴 수 있었다.

Fig 26. 광촉매 클리너와 잉크 혼합 용액 및 에탄올과 잉크 혼합 용액 흡광도 측정 결과

(위에서부터 순서대로 광촉매 클리너 반응 시작 전, 1 시간 후, 2시간 후, 3시간 후, 에탄올 반응 시작 전, 1 시간 후, 2시간 후, 3시간 후)

Fig 27. 에탄올과 잉크 혼합 용액 및 시중 화이트보드 클리너와 잉크 혼합 용액 흡광도 측정 결과

(위에서부터 순서대로 에탄올 반응 시작 전, 1시간 후, 2시간 후, 3시간 후, 시중 화이트보드 클리너 반응 시 작 전, 1시간 후, 2시간 후, 3시간 후)

○ 클리너 제작 후 실생활 적용

광촉매 클리너의 효과를 입증한 후 실생활에 적용되었을 때도 같은 결과를 보이는지 확인해보았다.

에탄올 100mL에 광촉매 0.002g을 넣어 클리너를 만들어 본교 5개의 반에 광촉매 매뉴 얼과 함께 배포하였다. 이후 학생들의 만족도를 조사하였다.

우리가 직접 지워 본 결과, Fig 28, 29와 같이 육안으로 확실히 확인할 수 있었다

Fig 28. 광촉매 클리너를 이용하는 모습

총 96명의 사용자(학생)를 대상으로 광촉매 보드마카 클리너에 대한 만족도 설문조사를 실시하였다. 시중 보드마카 클리너와 비교하였을 때 효과와 냄새 측면에서 대체적으로 만족 한다는 결과가 나왔으며, 사용할 의향이 과반수 이상이였다. 또한, 설문조사를 통해 얻은 피드백으로는, 에탄올의 냄새 등이 있었으며 이는 추후에 광촉매 보드마카 클리너에 향을 추가하여 해결하고자 하였다.

□ 시사점

○ 본 연구는 광촉매를 이용한 보드마카 클리너 제작을 목표로 하는 연구로서, 최근 각광받 고 있는 광촉매의 새로운 활용 방안을 모색하였다는 점에서 의미가 있다. 연구 결과 개발된 광촉매 클리너가 시판 제품과의 가격, 안전성 등의 경쟁에서 충분히 우위를 점할 수 있다는 것에서 본 연구의 시사점을 찾을 수 있다. 조사한 바에 따르면 광촉매 클리너 200mL 용액만의 가격이 실제 보드마카 클리너의 가격보다 약 9배 넘게 저렴하다. 또한 광촉매 클리너는 기존 보드마카 클리너에 존재하였던 톨루엔, 아세톤과 같은 독성 물질이 존재하지 않으며, 이에 따라 역한 냄새가 현저히 저감되었다는 것에서 본 연구의 시사점을 찾을 수 있다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 광촉매를 활용하여 상기 실험을 진행하여 시장 판매 시 가격을 예상해 보았다.

기존 보드마카 클리너가 100mL에 2000원 정도의 가격에 형성되어 있는 데 반해 광촉 매는 25kg에 165000원, 실험에 사용한 소독용 에탄올(80%)은 1L에 1500원 정도의 가격 에 형성되어 있다. 1L를 만드는 데 필요한 각 용량을 계산하면 광촉매는 0.1g 미만, 80% 에탄올은 약 400mL 필요하므로, 순수 용액만으로 자체제작 보드마카 클리너가 기 존 클리너의시중가보다 훨씬 저렴한 가격으로 제작가능하다. 이는 시장에 진출했을 때 가격 경쟁력이 있다고 판단할 수 있으므로 본 연구의 결과를 활용하는 것은 경제적 실 효성이 있다고 볼 수 있다.

본 보드마카 클리너의 효과적인 시장 진출을 위해서는 경제성 이외에도 사용 시의 편의를 고려, 다양한 측면에서 추가 연구 및 설문조사를 진행할 필요가 있다. 가령 중간 발표 시 피드백이 있었던 반응 시간의 경우, 단시간(30초) 단위로 세척 효과를 비교하여 차이가 미미하

다면 반응 시간을 길게 하지 않아도 간편하게 사용할 수 있다는 결론을 도출할 수 있을 것이다. 이러한 점들을 반영하여 실제로 보드마카 클리너를 제작한 후 실제 사용자의 의견을 수렴, 보완점을 개선해 나간다면 최적의 보드마카 클리너를 만들 수 있을 것으로 예상된다.

시간별 광촉매 반응 실험을 할 때 1시간 간격으로 광촉매 반응 정도를 측정하였지만, 실제 칠판을 지우는 상황에서 클리너를 사용할 때 광촉매 반응을 일으키는데 주어지는 시간은 길어야 1분 정도에 불과하므로 본 실험 클리너 실용적 효과를 완전히 입증하였 다고 보기는 어렵다. 이에 향후 광촉매 반응 직후 1분, 2분, 3분, 4분, 5분 동안의 흡광 도 차이를 비교하여 분석해 볼 예정이다.

또 친환경적 및 경제적 클리너의 목적에 부합하는 물질로 광촉매를 포함하여 더 다 양한 물질을 개발하거나 활용하는 방향으로 연구의 폭을 넓히고자 한다.

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