균일한 나노입자의 대량생산기술 개발
이 연구결과는 세계 최고 수준의 네이처 머티리얼(Nature Materials)지 12월호에 게재될 예정이며, 11월 28일자 인터넷 판에 게재되었다. 이 균일한 나노입자 제조기술은 나노전자소자2), 테라비트급2) 저장매체, MRI 조영제 등에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
현 교수는 지난 5년간 순수하게 국내에서 수행한 나노재료 관련 연구논문 결과들을 유수 국제학술지에 70편 이상을 발표하였고, 그 논문들이 1,000번 이상 인용되었으며, 내년 1월 출간되는 나노기술전문잡지인 스몰(Small)지의 편집위원으로 선임되었다.
이 연구는 서울대 재료공학부 황농문 교수, 성균관대 물리학과 박제근 교수, 포항공대 물리학과 박재훈 교수와 공동연구로 진행되었다.
1. 연구배경
나노입자는 나노 전자소자, 테라비트급 하드 드라이브, 태양전지, 바이오 센서, MRI 조영제, 차세대 디스플레이의 형광체 등의 다양한 분야의 나노기술이 실제로 상용화되기 위해 필요한 기본 재료이다. 그런데 이 나노입자의 전기적, 자기적, 광학적, 기계적 성질들은 그 입자 크기에 의해서 결정된다. 따라서 나노입자를 여러 나노기술에 응용하기 위해서는 나노 입자를 똑같은 크기로 균일하게 제조하는 것이 무엇보다 중요하다. 예를 들면 자성체 나노입자를 차세대 하드 드라이브인 테라비트급 자기 저장매체로 응용하기 위해서는 균일한 10 나노미터 정도의 자성체 나노입자를 잘 정돈되게 배열하여야 한다. 반도체 나노입자를 이용하여 디스플레이나 레이저에 응용하는 경우, 나오는 빛깔의 선명도가 입자의 균일도에 의해 결정된다.
2. 연구현황
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 1 그램 이하의 양으로 주로 제조되었다.
현 교수연구진은 지난 2001년 말에 미국화학회지에 크기 분리과정 없이 균일한 자성체 산화철 나노입자3)를 제조하는 연구결과를 발표하였다. 그런데 이 연구결과도 균일한 나노입자를 크기 분리과정없이 최초로 제조할 수 있는 결과로는 큰 의의가 있지만, 유독한 화합물을 출발 물질로 사용하기 때문에 대량 생산에는 큰 어려움이 있었다.
3. 연구성과 및 향후계획
이번에 발표하는 연구결과는 가장 값싼 금속염화물 등의 금속염4)을 출발 물질로 이용하여, 균일한 나노입자를 손쉽게 대량으로 제조할 수 있는 장점이 있다. 예를 들면 실험실 수준에서 500 ㎖의 반응용기를 이용하여 한번에 40g의 균일한 자성체 산화철 나노입자를 제조하였다.
합성방법을 더 자세히 살펴보면, 값싼 금속염과 계면활성제5)를 반응하여 얻은 금속-계면활성제 착화합물6)을 낮은 온도에서 서서히 가열한 후, 300℃ 부근의 고온에서 열분해하여 크기 분리과정을 거치지 않고 바로 원하는 입자 크기의 균일한 나노입자를 제조할 수 있었다. 사용하는 계면활성제의 종류나 금속염의 농도 등을 조절하면 입자의 크기도 다양하게 조절할 수 있다. 또한 다양한 종류의 금속염을 사용하면, 다양한 종류의 물질의 균일한 나노입자들을 제조할 수 있었다.
현재까지 이 합성방법으로 합성에 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) 등이 있다.
앞으로는 이 합성방법을 이용하여 다양한 여러 물질들을 균일한 나노입자 형태로 제조하는 연구를 확장하여 수행할 계획이다. 또한 입자모양이 구형인 구형 나노입자 뿐만 아니라, 막대모양의 나노로드, 실모양의 나노와이어 등도 비슷한 방법으로 대량으로 생산할 수 있는 방법을 개발하고자 한다.
참고) 용어 설명
1) 나노전자소자 : 나노미터는 10억 분의 1미터 (10-9)을 의미한다. 1 nm는 원자가 불과 서너 개 늘어선 길이. 즉 머리카락 10만 분의 1 굵기에 해당하는, 수십에서 수 나노미터의 선폭기술로 칩을 만드는 것이다. 90년대까지 반도체는 마이크로 즉 100만 분의 1 m 수준의 선폭을 가졌다.
2) 테라비트급 : 현재의 기가(G=10억)비트보다 1000배 빠른 속도와 용량
3) 자성체 : 자성을 지닌 물질. 즉 자기장 안에서 자화하는 물질
산화철 : 철과 산소의 화합물로 산화철(Ⅱ) 산화철(Ⅲ) 사산화삼철 등이 있다. 특히 본 연구에서 개발한 산화철은 사산화삼철 (화학식 Fe3O4)으로서, 흑색의 무거운 분말로, 천연으로는 자철석으로써 산출된다. 철선을 공기 중에서 연소시키거나, 뜨거운 철에 수증기를 접촉시키면 생긴다. 검은색 강자성물질로 산화철(Ⅱ)과 산화철(Ⅲ)의 혼합산화물로 역스피넬형 구조를 취하며 철이 산화물 중에서 가장 안정하다. 전극, 흑색 안료, 인쇄잉크 등의 재료로 사용된다.
산화철(Ⅲ)(산화제이철, 화학식 Fe2O3) 삼산화이철 또는 삼이산화철이라고도 한다. 천연으로는 적철석으로서 널리 산출되며, 적색토양의 빛깔의 요인이다. 철을 공기 속에서 가열하면 생기고 강자성을 보인다. 종류에 따라 적색 안료 또는 유리, 귀금속, 다이아몬드의 연마제 순도가 높은 것은 반도체로 사용되고, 또 마그넷 자기테이프의 원료로도 쓰인다.
나노 입자 : 입자의 크기가 3차원 적으로 1~100 nm인 입자
4) 금속 염: 금속의 양이온과 비금속 음이온이 결합하여 이룬 이온화합물
5) 계면활성제 : 묽은 용액 속에서 계면에 흡착하여 그 표면장력을 감소시키는 물질로써 보통 1분자 속에 소수기와 친수기가 함께 들어 있는 양쪽 친매성을 가진다. 물에 녹아서 기름 성분을 감싸주어 때를 빼는 비누가 바로 계면활성제의 대표적인 예
6) 금속-계면활성제 : 친수기와 소수기를 가진 계면활성제가 이온성향을 띤 금속 표면을 감싸주어 안정한 형태로 되어 있는 상태의 화합물
착화합물 : 중심의 원자, 혹은 이온(보통은 금속이온)의 주변에 특정수의 원자, 분자, 이온(이것을 배위자라고 함)이 둘러싸여 있는 화합물
웹사이트: http://www.snu.ac.kr
연락처
서울대학교 응용화학부 현택환 교수 02-880-7150
