균일한 나노입자 대량 생산기술 개발

[산업일보]
과학기술부와 한국과학재단의 지원으로 ‘창의적 연구진흥사업’을 수행하고 있는 서울대학교 화학공학부 현택환 교수는 여러 나노기술의 상용화에 필수적 기본 재료인 균일한 나노입자를 대량으로 값싸게 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 발표했다.
이 연구는 서울대 재료공학부 황농문 교수, 성균관대 물리학과 박제근 교수, 포항공대 물리학과 박재훈 교수와 공동 연구로 진행됐다.

균일한 나노입자 필요성 절실

나노입자는 나노 전자소자, 테라비트급 하드 드라이브, 태양전지, 바이오센서, MRI 조영제, 차세대 디스플레이의 형광체 등의 다양한 분야의 나노기술이 실제로 상용화되기 위해 필요한 기본 재료이다. 이 나노 입자의 전기적, 자기적, 광학적, 기계적 성질들은 그 입자 크기에 의해서 결정된다. 따라서 나노입자를 여러 나노기술에 응용하기 위해서는 나노 입자를 균일하게 제조하는 것이 무엇보다 중요하다.
예를 들면 자성체 나노입자를 차세대 하드 드라이브인 테라비트급 자기 저장 매체로 응용하기 위해서는 균일한 10나노미터 정도의 자성체 나노입자를 잘 정돈되게 배열해야 한다. 반도체 나노입자를 이용해 디스플레이나 레이저에 응용하는 경우, 나오는 빛깔의 선명도가 입자의 균일도에 의해 결정된다.

대량 생산 어려움 극복…3년만에 난제 해결

기존의 균일한 나노입자를 제조하는 방법은, 우선 여러 입자 크기가 섞여있는 혼합물을 만든 후, 어려운 크기 분리과정을 거쳐 원하는 입자 크기를 가진 균일한 나노입자를 최종적으로 얻게 된다. 나노미터 수준에서의 크기 분리과정이 매우 힘들고, 또한 대부분의 나노입자 합성은 값비싸고 유독한 화합물들을 사용하기 때문에 지금까지의 대부분의 균일한 나노입자는 1그램 이하의 양으로 주로 제조됐다.
현 교수 연구진은 지난 2001년말에 미국 화학회지에 크기 분리과정 없이 균일한 자성체 산화철 나노입자를 제조하는 연구결과를 발표했었다. 현 교수는 “그때 발표는 균일한 나노입자를 크기 분리과정 없이 최초로 제조할 수 있는 결과로는 큰 의의가 있었다”며 “하지만 유독한 화합물을 출발 물질로 사용하기 때문에 대량 생산에는 큰 어려움이 있었다”고 말하며 이번 개발로 그때의 난제를 해결한 셈이라고 덧붙였다.

공정 단순화돼…40g의 균일한 나노입자 제조

이번에 발표한 연구결과는 가장 값싼 금속염화물 등의 금속염을 출발 물질로 이용해, 균일한 나노입자를 손쉽게 대량으로 제조할 수 있는 장점이 있다. 예를 들면 실험실 수준에서 500㎖의 반응용기를 이용해 한번에 40g의 균일한 자성체 산화철 나노입자를 제조했다.
합성방법을 더 자세히 살펴보면, 값싼 금속염과 계면활성제를 반응해 얻은 금속-계면활성제 착화합물을 낮은 온도에서 서서히 가열 후, 300℃ 부근의 고온에서 열분해해 크기 분리과정을 거치지 않고 바로 원하는 입자 크기의 균일한 나노입자를 제조할 수 있다. 사용하는 계면활성제의 종류나 금속염의 농도 등을 조절하면 입자의 크기도 다양하게 조절할 수 있다.

<40g의 나노 입자가 용기에 담겨져 있다. 우측상단에는 균일한 12nm 크기의 자성체 산화철 나노 입자의 전자현미경 사진이다>

현재까지 이 합성방법으로 성공한 나노입자들은 자성체인 철, 마그네타이트(자철광), 망간페라이트, 니켈페라이트, 코발트페라이트와 반도체 CMP(화학적 기계적 연마) 공정의 연마제로 사용되고 있는 세리아, 자외선 반도체레이저로 활발한 연구가 진행되고 있는 산화아연(ZnO) 등이다.
현 교수는 “이 합성방법을 이용해 보다 다양한 물질들을 균일한 나노입자 형태로 제조하는 연구를 확장해 수행할 계획”이며 “입자모양이 구형인 구형 나노입자 뿐만 아니라, 막대모양의 나노로드, 실모양의 나노와이어 등도 비슷한 방법으로 대량으로 생산할 수 있는 방법을 개발하고자 한다”고 밝혔다.

이 연구결과는 세계 최고 수준의 네이처 머티리얼(Nature Materials)지 11월 28일자 인터넷 판에 게재됐다.
문의 : 02-880-7150

미디어다아라 김원정 기자(news@daara.co.kr)