초록 ▼

연구의 목적 및 내용
나노과학기술은 기초 과학 차원에서의 관심 뿐 아니라 다양한 산업 분야로의 응용 가능성으로 인해 연구개발이 활발히 진행되어 오고 있다. 여기서, 크기 분포가 5% 미만인 균일한 크기의 나노결정을 제조하는 기술의 개발은 가장 중요한 요소인데, 그 이유는 나노 결정의 물성이 그 크기와 밀접한 연관성ㅇ르 가지기 때문이다. 기초과학 분야적 관점에서 볼 때, 크기 조절이 가능한 나노결정 합성 공정의 개발은, 나노재료의 크기를 조절함으로써 기존에 알려지지 않은 새로운 물리 및 화학적 물성을 얻을 수 있기 때문에 중요하

연구의 목적 및 내용
나노과학기술은 기초 과학 차원에서의 관심 뿐 아니라 다양한 산업 분야로의 응용 가능성으로 인해 연구개발이 활발히 진행되어 오고 있다. 여기서, 크기 분포가 5% 미만인 균일한 크기의 나노결정을 제조하는 기술의 개발은 가장 중요한 요소인데, 그 이유는 나노 결정의 물성이 그 크기와 밀접한 연관성ㅇ르 가지기 때문이다. 기초과학 분야적 관점에서 볼 때, 크기 조절이 가능한 나노결정 합성 공정의 개발은, 나노재료의 크기를 조절함으로써 기존에 알려지지 않은 새로운 물리 및 화학적 물성을 얻을 수 있기 때문에 중요하다.
더 나아가 균일한 나노결정을 대량으로 제조하는 기술의 개발은, 균일한 나노결정을 기반으로 한 고품질 나노소자 및 나노과학기술의 다양한 최첨단 산업 응용 차원에서 중요하다. 따라서 본 창의 연구단은 다양한 굼속, 산화물 및 반도체 나노결정을 균일한 크기로 제조할 수 있는 표준.일반화된 합성법을 개발하고, 이를 기반으로 한 생명.의학 분야 및 에너지 분야로의 응용을 목표로 하였다.
창의 연구 과제의 수행 기간 동안 (2002-2011년), 본 연구단은 균일한 크기의 나노결정의 합성, 배열 및 응용 분야에서 많은 놀라운 연구 업적을 이룩하였으며, 3편의 Nature Materials, 20편의 미국화학회지(J. Am. Chem. Soc.), 15편의 독일화학회지(Angew.Chem.)를 포함 주요 해외 저널에 많은 수의 논문을 발표하였다. 이러한 뛰어난 연구 업적을 바탕으로 본 연구단은 나노결정의 연구 분야에서 세계적인 연구 리더로써 성장하였다. 본 연구단이 수행한 결과 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 균일한 크기를 갖는 산화물, 금속 및 반도체 나노결정 합성 기술 개발:
본 연구단은 다양한 금속, 산화물 및 반도체 나노결정을 균일한 크기로 제조할 수 있는 표준•일반화된 합성법을 개발하였다. 우리는 "승온 공정"이라 불리는, magnetite 산화철을 포함 전이 금속 및 산화물 나노결정을 크기 분리 과정을 거치지 않고 합성하는 일반화된 합성 기술을 개발하였다. 특히 균일한 크기의 산화물 나노결정의 대량생산 공정을 개발하여(Nature Materials 2004년 출판), 한화석유화학에 기술이전 하였다. 우리는 무수화 졸-겔 공정이라 불리는, 균일한 크기의 ZnO, TiO₂, CeO₂, Sm₂O₃ 및 FeOOH 산화물 나노결정을 합성하는 방법을 개발하였다. 우리는 CdSe 나노리본, 망간 이온이 도핑된 CdSe 나노리본, CdSe 나노시트 및 ZnS 나노막대를 포함 다양한 반도체 나노결정을 합성하였다.
(2) 균일한 나노결정의 디자인된 배열 및 이를 기반으로 한 생명•의학 및 에너지 분야 응용: 우리는 균일한 크기의 나노결정을 기반으로 한 다기능 나노재료를 제조하였으며, 이를 의학 및 에너지 기술에 응용하였다. 우리는 페리 자성을 갖는 산화철 나노결정을 합성하여, 이식된 췌도를 단일 세포 수준에서 자기공명영상을 얻을 수 있는 T2 조영제를 개발하였다. 우리는 뇌의 해부학적 구조를 고해상도로 관찰할 수 있는 MnO 나노결정을 기반으로 한 새로운 개념의 T1 조영제를 개발하였다. 또한, 산화탄탈륨 나노결정을 합성하여, 무독성 CT 조영제로 응용하였다. 우리는 균일한 산화철 나노입자가 담지된 메조세고 실리카 구 및 생체친화적인 고분자 나노구조체를 합성하여, 자기공명 및 형광 영상을 통한 진단과 약물 전달 치료가 동시에 가능한 새로운 의학 기술을 개발하였다. 우리는 산화철 및 금 나노입자가 담지된 "캡슐 안의 캡슐" 형태의 나노구조체를 합성, 나노구조체가 이식된 인간 췌장 세포를 통해 면역보호와 다기능 영상을 동시에 수행하는 의학 기술을 개발하였다. 우리는 산화철 나노입자가 담지된 다양한 나노구조체를 개발, 제약 합성에 중요하게 폭넓게 사용되는 탄소-탄소 결합 및 산화 반응 촉매를 자석분리를 통해 재활용 가능한 새로운 원자-경제적인 촉매를 개발하였다. 또한, 산화철 나노입자+탄소 복합체의 합성 및 2차 전지로의 응용을 통해 나노재료의 에너지 산업 분야로의 응용을 모색하였다.
연구결과의 활용계획
본 창의 연구단이 개발한 균일한 나노결정의 대량합성 공정은 나노기술의 다양한 응용분야에 광범위하게 적용될 것이다. 나노결정 기반 응용 기술이 매우 광범위한 산업 분야를 포괄하고 있다는 점을 고려할 때, 나노결정의 대량생산 공정은 엄청난 경제 파급 효과를 갖고 있다. 또한 본 창의 연구단이 개발한 균일한 나노결정의 합성은 나노결정의 새로운 물리적 성질 및 결정구조에 관한 체계적인 연구를 가능하게 했다는 점에서 기초과학 분야의 발전에도 공헌할 것이다. 균일한 나노결정을 기반으로 한 다양한 나노구조체는 MRI, CT 및 광학 영상 진단 분야 및 "동시 진단•치료 기술" 등 다양한 의학 분야에 사용될 것이다. 끝으로 본 연구단이 개발한 나노재료들은 리튬전지, 태양전지 및 열전 소자등 차세대 에너지 산업 분야에도 응용될 것이다.

Abstract ▼

Purpose& contents
The development of nanocrystals has been intensively pursued not only for their fundamental scientific interest, but also for many technological applications. The synthesis of uniform-sized (or monodisperse (size variation ≤ 5%)) nanocrystals is of key importance, because the pr

Purpose& contents
The development of nanocrystals has been intensively pursued not only for their fundamental scientific interest, but also for many technological applications. The synthesis of uniform-sized (or monodisperse (size variation ≤ 5%)) nanocrystals is of key importance, because the properties of these nanocrystals depend strongly on their dimension. In the fundamental scientific viewpoint, the synthesis of uniform-sized nanocrystals with controllable sizes is very important to characterize the size-dependent physical properties of nanocrystals. The production of large-quantity of uniform-sized nanocrystals will become critical for the realization of high-quality nanoscale devices and many high-end nanotechnological applications. In the regards, we aimed to develop generalized synthetic methods of uniform-sized nanocrystals of various metals, metal oxides, semiconductors for their biomedical and energy applications.
Result
Through the current National Creative Research Initiative program (2002-2011), we accomplished many exciting results on synthesis, assembly, and applications of uniform-sized nanocrystals, and published many excellent papers in prestigious international journals including 3 Nature Materials, 20 J. Am. Chem. Soc. and 15 Angew. Chem. Our center became world-leading laboratory in the nanocrystal research.
(1) Synthesis of uniform-sized nanocrystals of metal oxides, metals and semiconductors:We developed generalized synthetic methods to synthesize uniform nanocrystals of metals, metal oxides, and semiconductors. We developed a new generalized synthetic procedure, called as “heat-up process,” to produce uniform-sized nanocrystals of many transition metals and oxides including magnetite without a size selection process. In particular, we developed a generalized method to synthesize uniform oxide nanocrystals in large quantity (Nature Materials 2004), and transferred the technology to Hanwha Chemicals. We also developed non-hydrolytic sol-gel processes to synthesize uniform oxide nanocrystals including various oxides of TiO₂, CeO₂, Sm₂O₃ and FeOOH. We synthesized various semiconductor nanocrystals including CdSe nanoribbons, Mn-doped CdSe nanoribbons, CdSe nanosheets, ZnS nanorods.
(2) Designed Assembly of uniform nanocrystals for biomedical and energy-applications:We fabricated multifunctional nanostructured materials based on uniform-sized nanoparticles and applied them to medicine and energy devices. We used uniform ferrimagnetic iron oxide nanocrystals for T2 MRI contrast agent for tracking transplanted pancreatic islet cells and single-cell MR imaging. We developed a new T1 MRI contrast agent using MnO nanoparticles, exhibiting detailed anatomic structures of mouse brain. Tantalum oxide nanoparticles were applied as CT contrast agent for angiography. We fabricated monodisperse magnetite nanoparticles immobilized with uniform pore-sized mesoporous silica spheres and biocompatible polymers for simultaneous MRI, fluorescence imaging, and drug delivery. We synthesized hollow magnetite nanocapsules and used them for both MRI contrast agent and magnetic guided drug delivery vehicle. We reported the fabrication of novel alginate capsule-in-capsules (CICs) containing iron oxide and gold nanoparticles and human pancreatic islets for simultaneous immunoprotection and multimodal imaging. We synthesized various nanostructured materials incorporated with magnetite nanocrystals for magnetically separable catalysts for C-C coupling reactions and oxidation. Iron oxide nanocrystals-carbon nanocomposites were synthesized for lithium-ion battery electrodes.
Expected Contribution
The large-scale-synthetic procedures for uniform-sized nanocrystals developed by the current CRI center will be extensively used in various disciplines of nanotechnology. The economic impact of the large-scale nanocrystal synthetic routes is tremendous considering the broad scope of applications of various nanocrystals. Our synthesis of uniform-sized nanocrystals will also benefit fundamental nano-science research because systematic studies of the physical and structural characteristics of nanocrystals will become possible. Various nanostructured materials based on uniform-sized nanocrystals will be extensively used in various medical areas including contrast agents of MRI, CT, and optical imaging, theranostics (simultaneous diagnosis and therapy). These nanomaterials will be also used for energy devices including lithium batteries, solar cells, and thermoelectrics.

목차 Contents

• 리더연구자지원사업(창의적연구) 최종보고서(제출용) ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 : 한글 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 11
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 13
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 34
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 50
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 54
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 57
• 8. 참고문헌 ... 58
• 9. 연구성과 ... 60
• 10. 연구기자재 현황 및 활용 ... 118
• 11. 기타사항 ... 119