[논문]산화철 나노입자의 브라운 운동에 대한 자기장 의존성 연구

정은경; 윤석수; 김동영

doi:10.4283/jkms.2016.26.1.013

산화철 나노입자의 브라운 운동에 대한 자기장 의존성 연구
Magnetic Field Dependence of Brownian Motion in Iron-oxide Nanoparticles 원문보기

韓國磁氣學會誌 = Journal of the Korean Magnetics Society, v.26 no.1, 2016년, pp.13 - 18

정은경 (안동대학교 물리학과) , 윤석수 (안동대학교 물리학과) , 김동영 (안동대학교 물리학과)

초록
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유기 용매에 고르게 분산되어 있는 26 nm 크기의 산화철 나노입자를 사용하여 주파수에 따른 교류 자화율을 측정하였다. 자기장이 없는 조건에서 측정한 나노입자의 자화율은 Debye 완화 모델로 계산한 결과와 일치하였으며, 완화 주파수(relaxation frequency)는 370 Hz였다. 나노입자의 완화 주파수는 용매의 점성에 의한 브라운 운동(Brownian motion)의 완화 시간과 일치하였다. 브라운 운동에 의한 나노입자의 완화 주파수는 자기장의 세기에 따라 선형적으로 증가하는 특성을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The ac magnetic susceptibility was measured in iron-oxide nanoparticles with average size of 26 nm, which were uniformly dispersed in organic solvent. The ac magnetic susceptibility measured under zero magnetic fields was well fitted with Debye relaxation model and the relaxation frequency was 370 Hz. The relaxation frequency of the nanoparticles coincided with relaxation time of the Brownian motion, which is due to the viscosity of the liquid medium in which magnetic nanoparticles dwell. The Brown relaxation frequencies were linearly increased with magnetic field.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Debye 완화 모델로 분석이 가능한 브라운 완화 특성에 대한 자기장 의존성을 분석하였다. Fig.
본 연구에서는 유기 용매에 든 산화철 나노입자의 주파수에 따른 교류 자화율을 측정하였으며, 자기장의 세기에 따른 브라운 운동의 완화 주파수 특성을 분석하였다.

제안 방법

TEM 시편은 반응 원액을 에탄올에 희석시켜 잔류 유기 용매를 제거한 후 원심분리기를 이용하여 산화철 나노입자를 추출한 후, 초음파 세척기를 이용하여 핵산 용액에 균일하게 분산시킨 후 Cu-grid 위에 분산 시켜 제작하였다. TEM 사진은 고분해능 JEM-2010 장비를 사용하여 촬영하였으며, 교류 자화율은 10 Hz~100 kHz의 주파수 범위에서 Lock-in 증폭기를 사용하여 측정하였다.
1 ml를 사용하였다. TEM 시편은 반응 원액을 에탄올에 희석시켜 잔류 유기 용매를 제거한 후 원심분리기를 이용하여 산화철 나노입자를 추출한 후, 초음파 세척기를 이용하여 핵산 용액에 균일하게 분산시킨 후 Cu-grid 위에 분산 시켜 제작하였다. TEM 사진은 고분해능 JEM-2010 장비를 사용하여 촬영하였으며, 교류 자화율은 10 Hz~100 kHz의 주파수 범위에서 Lock-in 증폭기를 사용하여 측정하였다.
본 연구에서는 고온 열분해 방법으로 산화철 나노입자를 제조하였으며, 산화철 제조 과정에서 산화철 나노입자가 유기용매에 고르게 분포한 상태의 반응 용액을 추출하였다. 추출한 반응 용액 속에 든 산화철 나노입자의 평균 크기는 23 nm임을 TEM 사진으로부터 확인하였다.
Ar 가스는 균일한 나노입자를 제조하기 위하여 사용하였으며 30 ml/min의 흐름율로 주입하였다. 온도 조절기를 이용하여 3.0℃/min의 온도 증가율로 324℃의 온도까지 증가시켜 1 시간 동안 유지하도록 설정하였다. 반응 원액 속에서 나노입자가 형성되었음을 확인하고약 3분을 기다린 후 주사기를 이용하여 약 0.
추출한 반응 용액 속에 든 산화철 나노입자의 평균 크기는 23 nm임을 TEM 사진으로부터 확인하였다. 유기 용매에 든 산화철 나노입자의 교류 자화율은 Lock in 증폭기를 사용하여 10 Hz~100 kHz의 주파수 범위에서 측정하였다.
주파수에 따른 교류 자화율 분석에 사용한 산화철 나노입자는 Trioctylamine(TOA) 용매에 젤 형태의 Fe-Oleate complex(Fe(OL)₃) 전구체(precursor)를 고르게 섞은 반응 원액을 사용하여 고온 열분해 방법으로 제조하였다. 산화철 나노입자 제조시 15 g의 TOA와 1.

이론/모형

자기장의 세기에 따른 교류 투자율 측정 결과를 Debye 완화 식을 사용하여 초기 자화율과 브라운 운동에 의한 완화 주파수를 도출하였다. 초기 자화율은 자기장의 세기에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 산화철 나노입자의 유효 이방성 자기장은 130 Oe를 얻었다.
주파수에 따른 자화율을 측정하기 위하여 고온 열분해법으로 제조한 산화철 나노입자의 모양, 크기 및 결정 구조는 TEM 사진과 전자 회절 무늬(Electron Diffraction Pattern)를 이용하여 분석하였다. Fig.

성능/효과

산화철 재료 중에서 면심 입방 구조를 갖는 재료는 다른 구조의 산화철 재료보다 자화량이 매우 크다. 따라서 본 연구에서 제조한 산화철 나노입자는 자화량이 큰 재료로 교류 자화율 측정에 유리한 재료임을 전자회절 무늬의 분석 결과로부터 알 수 있다.
따라서, 본 연구에서 사용한 나노입자의 유효 완화 시간 τeff는 브라운 운동에 기인함을 예상할 수 있다.
유기 용매에 든 나노입자를 사용하여 자기장이 없는 조건에서 측정한 자화율은 Debye 완화 조건을 만족하였으며, 이 때 완화 주파수는 370 Hz였다. 유기 용매에 든 나노입자에 대한 완화 주파수는 용매의 점성에 의한 브라운 운동의 완화 조건과 일치하였다.
한편, 브라운 운동의 완화 주파수는 자기장의 세기에 따라 선형적으로 증가하는 특성을 보였다. 이러한 결과로부터 초상자성 나노입자의 브라운 완화 주파수는 나노입자의 유효 이방성 자기장과 인가 자기장에 의존함을 본 연구를 통하여 알 수 있었다. Hyperthermia 기법에서 초상자성 나노입자의 브라운 완화 손실을 활용할 때, 최대 손실을 위한 한 브라운 완화 주파수는 자기장을 사용하여 조절할 수 있다.
5(a)에서 보인 것과 같이 자기장의 세기에 따른 초기 자화율은 유효 이방성 자기장과 인가 자기장의 합인 H_eff + H에 반비례하는 특성을 보였으므로 자기장의 세기에 따른 브라운 운동의 완화 주파수 f_B(H)는 H_eff + H에 비례하는 특성을 보였음을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 초상자성 나노입자의 브라운 운동의 완화 주파수는 나노입자의 유효 이방성 자기장과 인가 자기장에 의존함을 본 연구를 통하여 알 수 있었다. Hyperthermia 기법에서 초상자성 나노입자의 브라운 완화 손실을 활용할 때, 최대 손실을 위한 브라운 완화 주파수는 자기장을 사용하여 조절할 수 있다.
자기장의 세기에 따른 교류 투자율 측정 결과를 Debye 완화 식을 사용하여 초기 자화율과 브라운 운동에 의한 완화 주파수를 도출하였다. 초기 자화율은 자기장의 세기에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 산화철 나노입자의 유효 이방성 자기장은 130 Oe를 얻었다. 한편, 브라운 운동의 완화 주파수는 자기장의 세기에 따라 선형적으로 증가하는 특성을 보였다.
본 연구에서는 고온 열분해 방법으로 산화철 나노입자를 제조하였으며, 산화철 제조 과정에서 산화철 나노입자가 유기용매에 고르게 분포한 상태의 반응 용액을 추출하였다. 추출한 반응 용액 속에 든 산화철 나노입자의 평균 크기는 23 nm임을 TEM 사진으로부터 확인하였다. 유기 용매에 든 산화철 나노입자의 교류 자화율은 Lock in 증폭기를 사용하여 10 Hz~100 kHz의 주파수 범위에서 측정하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Hyperthermia 기법에서 활용되는 물리 법칙은 무엇인가?	이때 초상자성 나노입자의 보자력은 0의 값을 보인다[5, 6]. 따라서 초상자성 나노입자는 자기 이력 손실은 무시되므로, Hyperthermia 기법에서는 나노입자의 브라운 운동(Brownian motion)에 의한 완화 손실과 닐 운동(Neel motion)에 의한 완화 손실을 활용하고 있다[7, 8]. 초상자성 나노입자의 브라운 완화 손실과 닐 완화 손실을 극대화하고 온도 상승을 최적화하기 위하여, 주파수에 따른 교류자화율(magnetic susceptibility)의 완화 주파수 특성 분석에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다[9-13].
	일반 생명체 조직과 비교해, 종양은 어떤 특성을 지녔는가?	특히, Hyperthermia 기법은 크기가 균일한 초상자성 나노입자를 사용하여 종양(tumor)을 선택적으로 제거하는 방법으로 종양과 보통 조직의 온도 특성을 활용한다. 생명체를 구성하는 보통 조직은 약 46℃의 온도까지 상승해도 파괴되지 않고 정상 상태를 유지한다. 그러나 종양은 42℃의 온도에서 약 30분 동안 노출시키면 파괴되는 특성이 있다[2]. 보통 조직보다 낮은 온도에서 파괴되는 종양 조직의 독특한 온도 특성을 활용하여, 종양 부근에 나노입자를 주입하고 교류 자기장을 인가하여 종양 부근의 온도를 42~46℃로 유지시켜 종양만 선택적으로 제거하는 것이 가능하게 된다.
	초상자성 나노입자는 고자기장에서 어떤 특성을 보이는가?	Hyperthermia 기법에서 사용하는 초상자성 나노입자는 상온에서 열적 진동에 의하여 자화 방향이 무작위 방향으로 배열되어 낮은 자기장에서는 상자성과 같은 특성 보인다. 그러나 고자기장에서는 자성 나노입자의 포화 자화량에 근접하는 자화곡선을 나타낸다. 이때 초상자성 나노입자의 보자력은 0의 값을 보인다[5, 6].

참고문헌 (15)

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https://en.wikipedia.org/wiki/Dielectric#Debye_relaxation.
G. F. Dionne, IEEE Trans. Magn. 39, 3121 (2003).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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