나노기술은 IT, BT 기술과 함께 21세기에 기술혁명을 주도해 나갈 핵심 기술이기에 현재 우리나라를 비롯한 전 세계의 선진국들이 이 분야에 많은 연구 역량을 집중시키고 있고, 그 중에서도 나노소재 산업은 이 경쟁의 중심에 있다고 볼 수 있다. 본 연구에서는 기계공학 측면에서 나노소재 산업에 대하여 살펴보았다. 나노소재는 나노크기의 재료라는 점에서 기존의 마이크론 혹은 서브마이크론 재료에 서 발견할 수 없는 특별한 효과를 나타내거나 전혀 새로운 응용분야를 만들어낼 가능성이 크다. 특히 환경, 바이오, 에너지, 촉매 등 다양한 분야에서 그 응용이 기대된다.
나노기술은 IT, BT 기술과 함께 21세기에 기술혁명을 주도해 나갈 핵심 기술이기에 현재 우리나라를 비롯한 전 세계의 선진국들이 이 분야에 많은 연구 역량을 집중시키고 있고, 그 중에서도 나노소재 산업은 이 경쟁의 중심에 있다고 볼 수 있다. 본 연구에서는 기계공학 측면에서 나노소재 산업에 대하여 살펴보았다. 나노소재는 나노크기의 재료라는 점에서 기존의 마이크론 혹은 서브마이크론 재료에 서 발견할 수 없는 특별한 효과를 나타내거나 전혀 새로운 응용분야를 만들어낼 가능성이 크다. 특히 환경, 바이오, 에너지, 촉매 등 다양한 분야에서 그 응용이 기대된다.
Nanotechnology, along with Information Technology (IT) and Bio-technology (BT), has been regarded as a core area that will drive technological revolution of $21^{st}$ century. South Korea and other countries with advanced scientific and technological research programs are investing heavil...
Nanotechnology, along with Information Technology (IT) and Bio-technology (BT), has been regarded as a core area that will drive technological revolution of $21^{st}$ century. South Korea and other countries with advanced scientific and technological research programs are investing heavily in the field, and among its various aspects, nanomaterial industry is considered to be at the heart of this global competition. In this review, we look at nanomaterials industry from the perspective of mechanical engineering. Nanomaterials exhibit unique characteristics differing from those of micron, or sub-micron sized materials, and hence are potentially able to open up new opportunities. Specifically, environmental and biological sciences, energy, and catalysis are areas that are expected to benefit from these developments.
Nanotechnology, along with Information Technology (IT) and Bio-technology (BT), has been regarded as a core area that will drive technological revolution of $21^{st}$ century. South Korea and other countries with advanced scientific and technological research programs are investing heavily in the field, and among its various aspects, nanomaterial industry is considered to be at the heart of this global competition. In this review, we look at nanomaterials industry from the perspective of mechanical engineering. Nanomaterials exhibit unique characteristics differing from those of micron, or sub-micron sized materials, and hence are potentially able to open up new opportunities. Specifically, environmental and biological sciences, energy, and catalysis are areas that are expected to benefit from these developments.
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문제 정의
따라서 마이크론 또는 서브마이크론 소재가 사용되던 분야에 나노소재를 적용하면 더 큰 효과를 나타내거나 예상하지 못한 특성이 나타나 전혀 새로운 응용분야 창출에 기여할 수 있다. 본 연구에서는 기계공학 측면에서 나노소재 산업에 대한 국내/외 발전 현황 및 향후 비전에 대하여 살펴보았다.
현재 국내에서는 카본 나노섬유를 이용한 나노복합재료 외에는 해외에 비해 나노복합재료에 대한 연구가 활발히 진행되지는 않고 있다. 부산대학교에서는 폴리머-탄소나노필러 나노복합체의 성장 및 합성 기술을 개발하고, 탄소나노구조체 기반 엔지니어링 복합플라스틱의 기계적-전기적 특성 연구 및 새로운 분무 열분해방법을 이용한 나노복합체 대량생산 기술을 개발하는 등 다양한 산업화를 위한 연구를 수행하였다. (13) 한국기계연구원에서는 저전압에서도 효율적인 방전을 일으키는 고전도성 마이크로/나노 탄소섬유를 개발하여 실내 초미세먼지를 효과적으로 제거할 수 있는 공기정화장치의 방전극으로 활용하는 기술을 개발하여 제품을 상용화하는 등 다양한 나노복합재료 연구가 수행중이다.
제안 방법
다공성 실리카겔을 질산은 용액과 혼합한 뒤, 열분해를 통해 2.5∼3.5nm 정도의 은나노입자를 만들었다.
일본에서는 흔히 사용되는 계면활성제 없이 GaN 층 위에 InGaN 양자점을 자기결합 시키는데 성공하였다. 즉, 수평의 수정(水晶) 반응기에 30nm 두께의 GaN 핵 생성층을 성장시키는 동시에 trimethylgallium(TMG)을 수소 기체와 혼합해서 통과시켜서 InGaN 양자점이 GaN 층 위에 자기결합 되도록 유도하였다.
대상 데이터
고분자 나노복합재료는 고분자 매트릭스에 100nm 이하의 충진제로 이루어진 소재이다. 충진제로는 그동안 카본섬유, 실리카, 점토 등이 사용되었으나, 최근에는 CNT나 그래핀을 충진제로 사용하기 위한 연구가 전세계적으로 진행되고 있으며, 이러한 고분자/CNT 나노복합재료는 기존의 소재로는 얻을 수 없었던 다양한 기계적, 열적, 전기적 및 광학적 특성들을 얻을 수 있는 장점을 지니고 있다.
성능/효과
Al(NO3)9H3O, Ni(NO3)6H3O, Mg(NO3)6H2O를 C6H8O7H2O와 ethyleneglycol 등과 혼합해서 열분해시켜서 Al2O3 또는 MgO 기공 내에 2.3∼39.8nm 크기의 니켈 나노입자가 분포된 복합물질을 얻을 수 있었다.
그 중 은나노 입자를 살펴보면, 스파크 방전을 이용해 은나노 입자를 제조한 뒤 발생된 입자를 이용해 3차원 나노 구조체를 만들거나 필터에 은나노 입자를 코팅해 항균필터를 제작하는 것이다. Fig. 1은 은나노 입자를 이용한 3차원 나노구조체 형성 기술로서, 이러한 기술이 태양전지나 SERS(증강 라만 분광법, Surface Enhanced Raman Spectroscopy) 측정에 활용 가능함을 보였다.(5~7)
한편 미국에서는 GaN 나노입자를 합성하였다. 합성된 GaN의 평균 직경은 약 40nm 정도이고, 나노입자의 전자회절사진(SEAD, selected area electron diffraction)을 촬영해 본 결과 GaN에서 전형적으로 나타나는 결정형태인 입방체나 육방 결정 형상의 회절 고리(diffraction ring)가 나타나지 않는다는 점으로부터 이 결정이 비정질이라는 사실을 확인할 수 있었다. 일본에서는 ZnS와 CdS의 전구물질들인 Zn(NO3)2, Cd(NO3)2 및 SC(NH2)2 등이 포함된 수용액을 초음파 스프레이로 고온의 반응기 안으로 분사해서 열분해시킴으로서 ZnS와 CdS 반도체 나노입자를 합성하였다.
후속연구
최근 분무 열분해방법을 이용해 세라믹, 금속입자, 양자점, Pt 촉매 등 다양한 나노금속산화물을 제조하고, 다공성 나노입자 제조 기술이 개발되었다.(10) 이러한 나노입자 연속 제조법은 나노금속산화물 및 다공성 나노입자의 대량 생산을 가능케 하여 고성능 가스센서, 디젤 배기 산화촉매, 연료전지의 고성능 전극 등의 제조에 적용될 것으로 기대된다.
부산대학교에서는 폴리머-탄소나노필러 나노복합체의 성장 및 합성 기술을 개발하고, 탄소나노구조체 기반 엔지니어링 복합플라스틱의 기계적-전기적 특성 연구 및 새로운 분무 열분해방법을 이용한 나노복합체 대량생산 기술을 개발하는 등 다양한 산업화를 위한 연구를 수행하였다. (13) 한국기계연구원에서는 저전압에서도 효율적인 방전을 일으키는 고전도성 마이크로/나노 탄소섬유를 개발하여 실내 초미세먼지를 효과적으로 제거할 수 있는 공기정화장치의 방전극으로 활용하는 기술을 개발하여 제품을 상용화하는 등 다양한 나노복합재료 연구가 수행중이다.(14) LG화학에서는 CNT 고분자 복합재를 개발하고 있으며, 엑싸이엔씨에서는 터치스크린용 투명전극과 CNT-구리-알루미늄 복합재를, 그리고 탑엔지니어링에서는 LED간판용 CNT 투명필름을 개발하고 있다.
2(a)는 나노 복합체 코팅 항균/항바이러스필터를 나타낸 것으로, 항균 코팅제인 은나노 복합체를 만들기 위해 은의 크기를 30nm로 형성시키고 복합구조로 만들어서 살균효과가 즉시 나타나도록 하였다.(8) 현재 은나노 입자 코팅을 이용한 항균 에어필터는 자동차 필터나 공기청정기 필터로 널리 사용되고 있으며, 복합구조를 이용한 필터도 곧 상용화 될 것으로 사료된다.
한화석유화학과 엠파워에서는 CNT를 제조 및 판매하고 있으며, 상보, 엑사이엔씨, 탑나노시스 등의 업체에서는 터치패널의 ITO 필름 대체를 위한 양산체제를 구축하였다. 그러나 아직 원가절감을 위한 Roll-to-Roll 방식이 도입되지 못한 상황이어서 산업화를 위한 추가 개발이 필요하다.
방향성을 살리는 형태로 제조되는 CNT는 아직 관련 생산, 처리기술의 미숙 및 대량 생산시설의 미비로 크게 상용화가 진행되고 있지는 않는 실정이다. 다만 미국과 일본 등의 대학과 연구기관에서 CNT의 뛰어난 물성을 살리는 고성능 합성섬유와 복합재료등의 연구가 활발히 이루어지고 있기 때문에 향후에 상용화가 기대된다. 전자재료와 에너지재료로써도 활발한 연구에 힘입어 트랜지스터, 투명전극, 태양전지, 2차전지등의 분야에 응용되고 있다.
2(b)](9)와 스파크 방전으로 제조한 나노입자를 코팅/소결하여 태양전지 전극을 제조한 연구 등을 들 수 있다. 아직은 연구단계이기 때문에 대면적화, 안정성 확보 등 산업적으로 이용되기까지는 많은 후속연구가 필요하고 사료된다.
현재 다공성 나노입자를 제조하기 위하여 가장 널리 쓰이는 방법은 분무 열분해 방법으로, 금속염과 NaCl 혼합 용액을 분무한 뒤 열처리를 통해 NaCl이 포함된 금속산화물을 제조하고, 이 금속산화물을 물에 섞어 NaCl을 녹임으로써 다공성 나노입자를 제조한다. 이 방법은 NaCl이 물에 녹을 때, 원래 NaCl이 있던 자리에 기공이 생겨 다공성 나노입자가 형성되는 원리를 이용한 것으로 연속적이고 대량생산이 가능하기에, 향후 산업적으로 널리 활용될 것으로 사료된다.
이외에도 나노분말의 분산체는 화장품, 마이크로유체(micro-fluid) 등으로 직접 쓰이거나 페인트, 페이스트 등 코팅을 위한 재료로 폭넓게 쓰이므로 매우 유망한 분야라고 할 수 있다. 표시장치를 위한 형광물질의 코팅, 전자파 차폐코팅, 반사/무반사코팅, 자외선 차단코팅(자외선 차단 화장품 포함), 긁힘 방지 코팅, 결로방지 코팅 등 나노분말의 코팅기술은 향상된 특성을 강점으로 기존 방법에 의한 코팅 내지는 미크론 혹은 서브미크론 분말을 이용한 분말코팅을 상당부분 대체하게 될 것이며 나노분말의 새로운 물성을 이용한 새로운 응용분야를 창출해 낼 것이다. 나노분말을 이용해서 벌크형태의 소결체를 경제적으로 제조하기 위해서는 아직까지 해결해야 할 문제가 너무 많다.
CNT 복합재료의 경우 전 세계적으로 연구와 특허출원이 활발하게 이루어지고 있고 대량생산 설비가 갖추어짐에 따라 생산량과 가격이 점차 떨어지는 추세로써 미래에 광대한 산업 전반에 응용될 수 있을 전망이다. 현재 상용화가 진행되어있는 합성섬유, 복합소재, 도료 등의 성능도 개선될 여지가 충분하며 더 길고 순도가 높은 CNT를 자유자재로 원하는 형상으로 만들어 내는 기술이 발전함에 따라 새로이 정밀기계, 나노기계, 인공 근육, 소수성/친수성 표면 등에 활용될 수 있을 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
나노소재가 중요한 이유는 무엇인가?
일반적으로 입자의 크기는 외접하는 구의 직경으로 나타낼 수 있다. 나노소재가 중요한 이유는 여러 가지 활용분야에서 마이크론(micron) 또는 서브마아크론(submicron) 재료가 갖지 못하는 특성을 갖기 때문이다. 나노소재의 이러한 특징은 입경이 작아짐에 따른 표면적 증가 효과(surface-area effect) 및 모세관 효과(capillarity effect) 때문에 나타나는 것이 대부분이다.
나노소재가 마이크론 또는 서브마이크론이 갖지 못하는 효과는 무엇인가?
나노소재의 이러한 특징은 입경이 작아짐에 따른 표면적 증가 효과(surface-area effect) 및 모세관 효과(capillarity effect) 때문에 나타나는 것이 대부분이다. 표면적 증가 효과는 표면현상과 연관성이 큰 화학반응 및 촉매반응, 이종 성분의 흡·탈착 거동에 큰 영향을 미친다. 반면에 모세관 효과(표면장력의 영향으로 분말 내부에 미치는 압력 효과)는 소재의 근본적인 물성을 변화시킴으로써 이전에는 볼 수 없었던 새로운 현상들이 나타나게 한다. 따라서 마이크론 또는 서브마이크론 소재가 사용되던 분야에 나노소재를 적용하면 더 큰 효과를 나타내거나 예상하지 못한 특성이 나타나 전혀 새로운 응용분야 창출에 기여할 수 있다.
나노소재란 무엇인가?
나노소재란 나노미터(nm), 즉 10억분의 1m 수준의 물질 혹은 소재를 다루는 분야를 일컫는 말로, 물리, 화학, 생물, 재료, 기계, 전자 등 여러 학제간의 과학기술이 서로 융합해서 이루어지는 기술이다. 물질의 성질을 결정하는 최소 단위는 분자임으로 나노소재기술은 현재 과학적으로 봤을 때, 마지막 소재기술이라 할 수 있다.
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