나노물질의 유해성으로 인한 환경오염 가능성은 과학계의 오랜 이슈다. 특히 일회용 촉매 사용으로 인해 나노폐기물의 증가가 우려되고 있어 신기술 개발이 절실한 상황이었다.
최근 한국과학기술연구원(KIST) 분자인식연구센터의 우경자 책임연구원은 효능의 손실 없이 몇 번이고 반복적으로 재사용할 수 있는 귀금속 나노촉매를 선보였다. 환경오염을 줄이는 나노소재를 실용화해 막대한 경제적 효과를 창출할 것이라는 평가도 받는다. 
연구를 이끈 우경자 박사를 만나 최신 나노기술의 발전상에 대해 들어보았다.


나노기술로 견고한 3차원 복합소재 만들어



나노촉매를 실용화하는 과정에서 가장 큰 걸림돌로 작용하는 것은 높은 표면에너지다. 고에너지로 인해 나노입자들이 서로 엉겨 붙으면 기능적 특성을 상실하기 때문이다. 사용 중 유실되거나 사용 후 폐기된 촉매로 환경오염이 야기될 수 있다는 점도 문제점으로 지적된다.
“전 세계의 연구자들은 나노촉매 실용화 과정의 문제를 해결하기 위해 친환경적인 나노촉매 물질 개발에 집중하고 있습니다. 화학반응의 종류가 다양한 만큼 촉매의 종류도 많습니다. 하나의 촉매가 여러 반응에 두루 쓰이기도 하죠.
우리 실험실은 수용액상에서 몇 번이고 반복 사용할 수 있는 친환경 촉매를 개발했습니다. 이 원천기술을 토대로 연료전지 등 산업적으로 규모가 큰 촉매 활용 분야로 확장을 준비를 하고 있습니다.”
반복 사용이 가능한 나노소재 개발은 현 시점에서 매우 중요한 과제로 꼽힌다. 특히 나노소재를 마이크론소재에 접목시켜 복합소재로 만드는 것이 핵심적인 기술이다. 자성을 갖는 마이크론소재에 나노소재를 접목하면 회수와 재사용이 용이해지기 때문이다.
“마이크론 크기의 소재는 상대적으로 엉김도 적고 재분산도 쉽습니다. 특히 자성을 갖는 마이크론소재에 나노소재를 접목하면 회수와 재사용이 한결 수월해지죠.
예전에는 흡착이나 배위결합을 이용해 복합소재를 제조했습니다. 이 때문에 거친 반응환경에서 나노촉매가 복합체에서 떨어져 나가는 문제를 해결하지 못했습니다. 우리 연구팀은 핵과 핵을 떠받치는 팔까지 함께 감싸는 견고한 3차원 구조를 만들어 자성이 있는 마이크론 크기의 소재에 적용시킨 복합소재를 개발했습니다.”
연구진은 자성을 가진 공 모양의 마이크론소재의 표면에 많은 수의 팔을 만들고 그 끝에 금으로 된 1~2나노미터 크기의 핵을 매달았다. 이후 핵들을 2~3나노미터의 적정 크기로 뭉쳐서 일정 간격으로 재배치했다.
또한 재배치된 핵 뭉치와 이를 받치고 있는 팔을 함께 감싸도록 은이나 금 또는 팔라듐 성분을 도포했다. 이로써 견고하게 고정된 3차원 구조의 복합소재를 완성할 수 있었다.
“나노입자는 핵이 되는 ‘코어’와 겉에 도포된 ‘쉘’의 두 층으로 나뉘는 구조를 지니고 있습니다. 이 나노입자들을 마이크론 크기의 구 표면에 견고하게 고정합니다. 고정된 나노촉매들의 최종크기는 3~20나노미터까지 제어가 가능하죠. 게다가 코어와 쉘을 이루는 물질이 서로 다른 성분으로 구성되어 있어 촉매의 효능이 더욱 우수합니다.
개발된 금-은(코어-쉘) 복합소재를 수용액상에서 촉매 실험에 적용하고 다섯 번을 회수해 재사용했음에도 나노촉매의 효과가 변함없이 뛰어난 것을 확인할 수 있었습니다. 그보다 많은 회수도 가능할 것으로 예측됩니다. 해당 복합소재는 박테리아와 바이러스 제거에도 효과가 뛰어난 것으로 밝혀져 친환경을 구축하는 데 큰 도움이 될 것입니다.”


나노복합소재 생성 메커니즘 개발



우 박사 연구진의 성과는 새로운 구조의 나노복합소재와 생성 메커니즘을 개발해서 원천기술을 확보하는 동시에 산업화 가능성까지 열었다는 데 의의가 있다.
 

이어 “다양한 분야에서 대규모의 파급효과를 발생시킬 것”이라 예상하며 “대표적으로 금-은 나노입자가 고정된 복합소재의 개발과 촉매효과에 관한 결과를 중점적으로 다룰 수 있을 것으로 보인다”고 설명했다.
아울러 “금-은 나노입자가 고정된 복합소재는 박테리아와 바이러스 제거에도 뛰어난 효과를 보인다”며 “녹색환경을 조성하는 데도 큰 도움을 줄 것으로 기대된다”고 덧붙였다.
이 기술은 ‘금-팔라듐’, ‘금-백금’ 등 다른 종류의 귀금속 복합소재에도 확장이 가능할 것으로 보인다. 특히 ‘금-팔라듐’이나 ‘금-백금’ 촉매의 경우에는 연료전지 등의 분야에 산업적 응용성이 높아 파급효과가 매우 클 것이라는 평가를 받는다.
나노소재 분야에서 장밋빛 청사진을 제시하는 우 박사 연구진의 이번 기술 개발은 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 ‘나노·소재 기술개발사업’ 및 ‘KIST 기관고유사업’의 일환으로 진행됐다.
“바이러스를 포집하고 제거하는 나노복합소재를 개발하는 것이 연구의 목표였습니다. 나노입자가 박테리아나 바이러스를 제거하는 데 뛰어난 효과를 발휘한다는 사실은 잘 알려져 있었지만, 은 나노입자를 그대로 사용하면 환경오염이 우려되는 상황이었죠.
사용중 유실되어도 환경오염의 문제가 없도록 자성을 갖는 마이크론소재 표면에 은 나노입자를 견고하게 고정하는 방법을 찾다가 아이디어를 떠올렸습니다. 결국 현실에서도 구현해내 우수한 소재임을 입증할 수 있었죠.”
나노복합소재에 대한 연구가 진행될수록 애초의 목표뿐만 아니라 나노촉매로서의 경제적 가치도 뛰어나다는 것을 알아냈다. 연구진은 촉매 반응을 적용한 논문을 발표해 학술지 ‘네이처(Nature)’의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 게재할 수 있었다.
“결국에는 좋은 결과를 얻었지만 연구 과정에서 어려움도 많았습니다. 특히 코어-쉘 구조의 나노입자가 생성되며 마이크론소재 위에 고정되는 메커니즘은 과학적 상식과 직관을 이용해 판단했는데 이를 엄밀하게 밝혀내는 것이 쉽지 않았죠. 다행히 투과전자현미경 전문가인 KIST 안재평 박사의 도움으로 고난이도의 분석을 명쾌하게 해낼 수 있었습니다.”
우 박사는 박테리아와 바이러스 제거에 관련한 연구를 후속 진행해 조만간 발표할 예정이다. 우선은 현재까지 얻은 연구결과를 잘 키워 실용화 연구로 발전시킨다는 계획이다.
“앞으로의 계획이자 희망은 이 기술이 사람을 위해 유익하게 쓰이는 제품으로 결실을 맺는 것입니다. 목표를 실현하기 위해 연구에 더욱 매진하겠습니다.“