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서울공대 이야기

나노물질의 기상 제조

2004.07.29 06:58

lee496 조회 수:4012

 

나노물질의 기상 제조


최만수 

서울대학교 기계항공공학부 교수


  나노물질은 통상적으로 그 물질의 미세구조의 크기가 100㎚ 이내인 물질을 말한다. 연구자에 따라서는 50㎚ 이내로 혹은 1~10㎚의 미세구조 물질로 정의하는 경우도 있으며1) Nanostructured materials, Nanophase materials 혹은 Nanomaterials 등 여러 용어로 불리는 것으로 미루어 볼 때 이제 정립되어 가는 연구 분야인 것으로 이해할 수 있다. 나노미터 크기 수준의 입자 또는 분말, 튜브, 와이어, 나노구조를 가진 박막, 그리고 벌크 물질을 말하며 기존 물질과 비교하면 기존 물질의 경우 그 미세구조 크기 수준이 마이크로미터로 나노미터인 나노물질과 구별된다. 현재 많은 연구가 진행 중인 탄소나노튜브는 튜브의 직경인 나노미터 수준이어서 나노물질로 분류된다.

  나노물질이 현재 전 세계적으로 큰 관심을 받고 있는 이유는 같은 물질로 구성되어 있다 하더라도 미세구조가 나노 스케일인 경우 물성치가 획기적으로 다를 수 있다는 점 때문이다. 예를 들면, 고온에서 견디는 기존 세라믹은 취성이 단점으로 알려져 있으나 같은 성분으로 이루어진 세라믹의 미세구조(혹은 grain)의 크기 수준이 나노미터 정도가 되면 이러한 문제점을 해결할 수 있게 되어 Dagani2)는 상온에서는 연성과 강도가 향상되고 1600℃ 정도의 고온에서는 나노 세라믹을 쉽게 변형시킬 수도 있다고 발표하고 있다. 나노 금속인 경우 녹는점이 낮아지는 것으로 알려져 있으며 일반적으로 나노물질은 전기적, 자기적, 광학적, 기계적 물성에서 기존 물질보다 향상된 결과 또는 특이한 결과를 나타내며 수 나노미터 정도 되는 물질에서는 양자효과가 나타난다. 실리콘 나노입자인 경우 입자의 직경이 1㎚에서 3㎚ 정도까지 변화할 때 방사되는 빛이 파란빛에서 붉은빛으로 바뀌게 되는 것은 제한된 입자의 크기로 인한 양자효과로 설명되며 이를 이용하면 양자점 레이저 등의 제품 응용이 가능한 것이다. 10㎚ 정도의 산화철 나노입자는 초상자성 자기 특성이 나타나서 자기장을 걸어줄 때와 그렇지 않을 때의 자화도를 크게 변화시킬 수 있어서 자기 냉동 장치의 핵심 소재로 활용될 수 있다. 여러 다른 나노물질을 복합하여 제조하는 나노 복합체는 큰 범위 내에서 물성을 원하는 대로 제어할 수 있는 물질로 간주되고 있다. 나노입자의 크기, 체적분률, 조성비 등을 바꾸어 제조함으로써 물성의 제어를 구현할 수 있다. 예를 들면 나노철 입자와 실리카의 나노 복합체인 경우 나노철 입자의 크기와 체적분률을 바꿈으로써 전기전도도를 대폭 바꿀 수 있다.

  이러한 나노 물질의 제조 및 공정개발, 나노물질을 이용한 소자의 개발 등은 기존 어느 한 학문의 테두리 안에서 실용적인 기술로 발전시키기 어렵다는 것은 이미 주지의 사실이다. 사실 나노물질 제조를 포함하는 나노테크놀러지는 새로운 학문 영역인 것이다. 따라서, 기존 어느 한 학문의 범주 내에서 연구․개발되기보다는 과학과 공학을 뛰어넘는 다학제간 학문의 융합 연구와 개발이 절실히 필요하고 이러한 노력 없이는 나노테크놀러지 분야의 기술적 돌파구를 기대하기 어렵다. 물리, 화학, 생물 등의 과학 분야 뿐 아니라 재료공학, 화학공학, 기계공학, 전기공학 분야의 공학적 지식들이 연구주제에 따라서 적절하게 융합되어 연구가 추진될 때 실용성 있는 나노물질을 제조 또는 그 공정을 개발할 수 있는 것이다. 나노물질의 제조는 큰 물질로부터 작게 분쇄해가며 작은 물질을 만드는 기존의 방법이 아니라, 원하는 물질의 분자부터 만들어 성장시켜 나가는 bottom-up 방식을 채택한다. 따라서 분자의 생성, 이동, 충돌을 다루어야 하며 물리적, 화학적 접근이 중요함은 당연하다. 분자들의 응집체 상태를 거쳐 안정된 상태의 입자가 생성되고 이 입자들이 서로 충돌하여 성장하게 된다. 나노입자라고 부르는 이 입자들 자체로서도 양자점 레이저, 광촉매 재료, 자기냉동 소재 등의 실제 응용 제품이 될 수 있고 그 나노입자들을 다량으로 채집하여 소결하면 나노 박막 또는 나노 벌크 물질을 제조할 수 있게 된다.

  현재 실용적 나노물질 제조에 있어서 대두되고 있는 큰 장애 요인 두 가지를 들면 첫째, 실용적인 측면에서 나노물질 제조의 시작점이 되는 나노입자를 고농도로 제조하는 것이 중요한데 이때 나노입자의 크기, 형상, 결정상, 또한 나노복합입자인 경우의 조성 등의 제어가 어렵다는 점이고 둘째로는 나노입자를 모아 소결하여 나노벌크 물질을 만들 때 발생하는 미세구조(혹은 grain)의 급격한 성장이다. 미세구조의 급격한 성장 역시 시작점이 되는 물질인 나노입자의 크기분포, 형상, 순도 등과 관련되어 있기 때문에 나노입자의 크기, 형상, 결정상 제어를 목표로 하는 나노입자의 성장 제어 기술의 확립이 중요하다.

  나노물질의 제조는 액상방법과 기상방법으로 대별할 수 있으며 각 방법은 장․단점이 있다. 액상방법은 크기 및 형상제어에 강점을 가지나 일반적으로 연속 공정이 아니고 순도측면에서 기상방법(에어로졸 공정)에 비하여 떨어진다. 기상방법은 고순도 나노입자를 연속공정으로 제조할 수 있는 장점을 가지나 고농도로 제조시 집합체 형태(aggregate)로 된 나노입자가 형성되는 등 형상제어에 어려운 점이 있고 입자 크기 분포를 제어하는 것 역시 액상방법에 비하여 떨어진다. 본 글에서는 기상공정에 한정지어 언급하고자 한다.

  나노물질 제조에서 근원적이고 핵심적인 기술은 나노물질의 시작점이 되는 물질인 나노입자의 크기, 형상, 결정상, 조성 등을 제어하는 기술이며 이 기술은 입자의 생성과 성장을 근원적으로 제어하는 기술이다. 기상 중에서 물리적 방법이나 화학적 방법으로 나노입자를 생성시킬 수 있는데 물리적 방법은 제조하려는 나노입자의 물질 성분을 가지는 기존 물질을 증발시켜 기체화하고 급속냉각을 통하여 과포화도를 높여 응축시켜 나노입자를 생성시키는 것이다. 물리적 방법의 대표적인 공정은 가스 응축법과 레이저 증발법을 들 수 있는데 두 가지 방법의 기본개념은 위에 언급한 바와 같이 기체의 과포화와 응축을 사용한다는 점에서 동일하며 단지 물질의 증발 방법이 전기(가스 응축법)인지 레이저(레이저 증발법)인지 다른 것뿐이다. 화학적 방법은 여러 화학기체들의 화학반응을 통하여 나노입자 물질의 분자를 만들며 이 분자들의 충돌과정을 거쳐 나노입자를 발생시키게 된다. 화학적 방법에는 반응 기체의 화학 반응을 유발시키는 열원에 따라 열화학 증착(열원은 전기), 화염에어로졸 공정(화염-그림1 참조), 플라즈마 공정(플라즈마) 등으로 구별할 수 있다. 나노입자의 생성은 물리적 방법이나 화학적 방법 모두에 있어서 온도분포, 농도분포가 결정적인 역할을 한다. 생성된 나노입자들은 주로 브라운 운동에 의하여 서로 충돌하며 성장하게 된다. 입자간의 충돌률 역시 온도와 입자의 농도에 따른 함수이므로 반응기 내에서의 열 및 물질전달이 나노입자의 생성과 성장을 결정한다. 주위 기체의 온도에 따라서, 충돌하면서 성장한 입자가 구형을 유지할 수도 있고 비구형의 형태를 가질 수도 있다. 입자의 온도가 높은 경우 입자들이 충돌하면서 빠른 속도로 융합(혹은 소결) 되므로 구형으로 성장하고 온도가 낮은 경우 융합이 잘 일어나지 않아 포도송이 모양의 집합체 나노입자가 형성된다(그림1 참조). 다시 말하자면 입자간의 충돌속도와 융합속도의 상대적 크기에 따라 입자의 형상이 결정된다는 것이다. 즉 입자의 충돌속도가 융합속도보다 크면 비구형의 집합체 입자가 형성되고 융합속도가 더 크면 구형의 입자가 형성된다. 여기에서 다시 입자 온도 제어가 중요함을 확인할 수 있다. 입자의 성장은 이동과 함께 이루어지며 부착지점까지 걸리는 체류시간에 따라 입자의 크기가 결정된다. 주위 기체의 속도장이 결국 입자의 체류시간을 결정하게 되므로 유체 유동의 정확한 해석과 측정은 매우 중요하다. 나노입자가 부착지점에 부착되는 메카니즘은 많은 경우 열영동으로 설명할 수 있으며 이는 매우 작은 입자가 온도구배가 존재하는 기체 중에 있을 때 기체분자들의 충돌로 인한 운동량 차이로 입자는 온도가 높은 구간에서 낮은 구간 방향으로 움직이는 현상을 말한다. 따라서 입자들의 효과적인 부착과 부착의 균일도를 제어하기 위해서는 기판 근처에서 온도분포를 제어하는 것이 필수적이다. 또한 생성된 나노입자들 중 원하는 크기의 입자만을 골라낼 수 있다. 나노입자를 하전시키고 나노입자의 크기에 따라 하전량이 달라지고 하전된 에어로졸 유동에 조절된 전기장을 걸어줌으로써 원하는 입자만을 골라낼 수 있다. 또한 이러한 단분산 입자들을 원하는 지점에 원하는 배열로 부착시키는 나노패터닝 기술 개발이 중요하다. 나노소자 제조에 있어서 이러한 나노패터닝 기술이 중요한데 이 기술은 나노입자에 미치는 힘들, 즉 전기력, 열영동력 등을 유체유동 내에서 적절히 가하여 입자의 궤적을 제어함으로써 가능하다.

  위에서 언급한 바와 같이 열 및 물질전달, 유체유동, 입자에 미치는 힘 등이 나노입자의 생성, 성장, 이동 및 부착을 결정하므로 열유동 제어, 외력 제어 등이 나노입자 제어기술 개발 확립에 중요한 역할을 한다. 나노입자의 물성 측정, 새로운 물리적, 화학적 현상 파악 등을 위해 물리, 화학적 접근과 더불어 재료공학, 기계공학, 화학공학 등의 다학제간 융합 연구가 나노물질 제어기술의 확립에 기술적 돌파구를 열어 줄 것이다.

 


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