레고처럼 자유롭게 나노물질 제조한다

- KIST, 주형틀이 필요없는 자유롭게 조립 가능한 다차원 나노물질 제조기술

   개발

- 불순물 제거하는 세정공정 없어 환경오염 가능성 '제로' 

국내연구진이 기존에 비해 쉽고 경제적이며 친환경적인 나노물질 제조공정을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 청정에너지연구센터 김상우 박사와 특성분석센터 안재평 박사는 8일, 공동연구를 통해 레고 블럭을 조립하듯이 나노입자를 자유롭게 활용하여 다차원 반도체 나노물질(나노입자, 나노시트, 나노선)을 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 세계적 권위의 과학전문지 네이처(Nature)의 자매지인 ‘Scientific Reports’ 최신호(4월)에 5일 게재되었다.

나노입자, 나노선, 나노시트와 같은 다차원 반도체 나노물질은 촉매, 반도체, 나노소자, 센서, 태양전지 등 산업계 전반에 폭넓게 활용되고 있다. 하지만 기존 공정에는 다차원 나노물질을 합성하는 과정에서 주형(템플레이트)이나 금속 성장촉진제와 같은 불순물이 사용되기 때문에 이를 제거하는 공정이 추가로 요구되어 복잡하고 비경제적이었다. 이러한 문제점으로 인해 학계에서는 불순물을 사용하지 않고 다차원 나노물질을 만들 수 있는 방법에 대한 연구의 필요성이 제기되어왔다.

이에 KIST 공동연구팀은 주형이나 성장촉진제를 사용하지 않고 초임계유체기술을 이용하여 가돌륨(Gd)과 세륨(Ce)을 초임계 이산화탄소-에탄올 혼합유체 안에서 반응시켜 나노결정의 핵입자를 마치 레고 블럭과 같이 하나 하나 합쳐 고차원의 형태로 제조하거나 다시 저차원의 형태로 분해시킬 수 있는 기술을 개발했다.

향후 이 기술을 이용하면 다양한 물질계에서 나노와이어, 나노시트 등의 다차원 나노물질을 레고 블럭과 같이 마음대로 조립하여 만들 수 있을 것으로 기대된다. 특히 이 기술은 기존의 나노물질 제조 기술로는 구현하기 어려웠던 불순물 없는 다차원 나노물질을 쉽게 제조할 수 있는 장점이 있다. 따라서 환경오염을 유발하는 고순도화 세정공정 없이 고순도 반도체 나노물질을 보다 손쉽게 제조할 수 있게 되었다.

또한, 다차원 나노물질의 미세분석을 통해 생성과 성장에 관한 메커니즘을 체계적으로 밝힘으로써 초임계유체 공정을 이용한 나노물질 제어의 가능성을 제시, 본 연구의 학술적 가치를 높이는데 기여하였다.

안재평 박사는 “이번에 게재된 논문에 다차원 나노물질을 제조하는 온도-압력 지도와 실험방법을 공개했다” 며 “더 많은 연구자들이 이 기술을 활용해 우리나라 미래소재산업의 발전에 기여할 수 있기를 기대한다” 고 말했다.

이번 연구는 KIST 및 미래창조과학부의 연구비 지원으로 수행되었다.

○ 연구진

 

○그림설명

 

<그림 1> 본 연구를 통하여 개발된 초임계 유체 내에서 형성되는 Gd-CeO2 나노물질을 보여주며 그 형태는 P-T 맵과 같이 온도와 압력이 변화됨에 따라 3구역으로 구분된다. 각 구역에 따라서 나노입자, 나노리본, 나노선 등 다양한 크기와 형태를 갖는 나노물질이 제조된다.

 

 

<그림 2> 나노물질은 온도와 압력에 따라서 나노입자, 나노 응집체, 나노선 형태로 변화될 수 있다. 이것을 지배하는 에너지는 초임계유체의 표면에너지와 초임계 CO2의 물질에 대한 투과력의 균형관계이다.본 연구에서는 이들 물질이 공정변수에 의해 매우 정밀하게 제어되었으며 나노물질의 형태는 공정에 따라서 가역적으로 변화된다.