제 절 나노소재 제 절 나노소재 제 절 나노소재 1 1 1 1
나노소재의 간단한 이해 나노소재의 간단한 이해나노소재의 간단한 이해 나노소재의 간단한 이해 1.
1.1.
1.
가 나노소재의 형태 가가 나노소재의 형태나노소재의 형태 가.... 나노소재의 형태
나노소재는 일반적으로 최소 크기가 1~100 나노미터( )㎚인 구성인자로 이루어진 소재를 말한다 여기서 소재의 구성인자라 함은 외형적 혹은 구조적으로 소재의 특성을 결정하. 는 최소 형태를 말한다 소재는 그림. 1과 같이 외형에 따라 입자형 막대형 판상형 막, , , 형 벌크형 덩어리형 으로 구분할 수 있고 소재의 구조에 따라서는 비결정형과 결정형으, ( ) 로 구분할 수 있다 이 외에도 소재구조 소재형태 간 다양한 조합에 의하여 결정되는 복. , 합구조형으로 나눌 수 있다 예를 들어 벌크형 소재의 경우 완전히 비결정질인 금속소재. , 실리콘 단결정 잉곳 알루미늄 혹은 철 소재 같은 다결정 소재 들을 예 (metallic glass), ,
로 들 수 있다.
나노소재는 비결정질인 경우 소재 크기 자체 형태 의 크기가( ) 100㎚ 이내인 소재인 소재이 다 결정질인 경우는 좀 더 복잡하여 소재 크기 자체가. 100㎚ 이내인 경우 단결정 포함( ) 는 물론 100㎚보다 큰 경우에도 그 내부구조를 이루는 결정의 평균크기가 100㎚ 이내인 소재를 나노소재라 한다 각 구성요소의 크기가 단순하지 않은 경우 최소 크기가. 100㎚
이내인 소재를 나노소재라 한다.
그림 34 나.
노소재의 분류.
그림 2는 그림 1에서 도식적으로 나타낸 소재들에 대한 이해를 돕기 위하여 대표적인 소 재형태들을 나타낸 것이다.
그림 35.
대표적인 소재의 형태 : (a) 입자형 , (b) 막대형 , (c) 판상형 , (d) 막형 코팅형 ( ), (e) 벌크형 다결정형 ( ), (f) 복합구조형 다공체형 ( ), (g) 복합구조형 입자분산형 ( ).
그림 2에서 (a)는 크기가 같은 단분산의 이산화티타늄( ) (TiO2) 입자, (b)는 탄소나노튜브 는 흑연결정의 판 절삭공구 표면의 다층 코팅막 다 (carbon nanotube, CNT), (c) , (d) , (e) 결정 알루미늄 합금, (f)는 다공성 제올라이트, (g)는 구리(Cu) 입자 검정색 가 분산된 알( ) 루미나(Al2O3) 복합체의 구조를 나타낸다 복합체인. ‘g’는 ‘a’와 ‘e’를 합친 구조로 생각할 수 있다 같은 방법으로. ‘b’와 ‘e’, ‘c’와 ‘e’를 합칠 수도 있다.
나 나노소재의 물성 나 나노소재의 물성나 나노소재의 물성 나 나노소재의 물성....
나노소재 기술에 관심을 기울이는 주된 이유는 화학성분의 변화 없이 기존의 소재를 나 노구조화 나노크기화 하는 것만으로 나노소재가 기존의 소재에서는 찾아볼 수 없었던 물( ) 성이나 혁신적으로 향상된 물성을 나타내기 때문이다.
그림 3은 반도체 특성을 갖는 화합물인 셀레늄화 카드뮴(CdSe) 나노입자의 직경이 달라 짐에 따라 각기 다른 발광특성 형광특성 을 나타내는 것을 보여주는 결과이다( ) (KIST 나노 재료연구센터 우경자 박사). 입자직경 크기변화에 따른 이러한 광학특성 변화는 자연색 구현을 위하여 각기 다른 재료로 대응해온 기존 기술 표( 1)과 비교하면 재료개발에 드는 비용과 노력을 획기적으로 줄일 수 있음을 알 수 있다. (발광에 필요한 에너지도 훨씬 줄 일 수 있어서 그 효과는 더욱 크다.)
그림 36 반도체 나노입자 . (CdSe) 의 크기에 따른 형광특성의 변화 .
적색 (red) 녹색 (green) 청색 (blue)
(Y,Gd)BO3:Eu Y2O3:Eu
SrAl2O4:Eu Zn2SiO4:Mn BaAl12O19:Mn
BaMgAl10O17:Eu BaMgAl14O23:Eu
표 32 플라즈마 디스플레이 . (PDP) 용 형광체의 예
나노소재 기술이 산업화되었을 때 나타나는 기술적 산업적 효과는 거대자기저항, (GMR, 의 예를 통하여 확인할 수 있다 잘 알려져 있는 비자성소재
giant magnetoresistance) . (Cu,
와 자성소재인 코발트 철 니켈 철 망간 을 그림 의 왼쪽과 같이 나 Ag) (Co), - (FeNi), - (FeMn) 4
노크기 수준에서 구조를 변경하면 오른쪽과 같이 자장( ) 변화에 따라 각기 다른 저
항변화를 나타내게 된다 이 역시 소재의 화학조성은 그대로 둔 채 구조만을 바꾸어 기. 존의 자기저항(MR) 소재가 갖고 있던 특성보다 현저히 향상된 특성을 얻은 결과이다. 이 년대 후반 이러한 특성을 발견한 이후 년에 컴퓨터 하드디스크 드라이버
IBM 1980 1998
의 읽기헤드로 상업화하였으며 상업화 후 1년 동안 10억 달러의 시장을 창출하였다 기존( 의 MR 읽기헤드는 경쟁력을 완전히 상실하였음). GMR 소재는 읽기헤드 뿐만 아니라 자 기센서 등 다양한 활용성을 갖고 있어서 더욱 큰 시장을 만들어가고 있다.
그림 37 내부구조 변화에 따라 나타나는 자 . 기저항 변화 ( 왼쪽 : 다양한 형태의 나노구조 , 오른쪽 : 각 구조에 대응 하여 나타나는 자기저항 곡선).
나노소재의 산업화 나노소재의 산업화나노소재의 산업화 나노소재의 산업화 2.
2.2.
2.
가 나노소재의 산업적 필요성 가 나노소재의 산업적 필요성가 나노소재의 산업적 필요성 가 나노소재의 산업적 필요성....
나노소재의 산업화는 두 가지 서로 다른 방향에서 접근할 수 있다 하나 방향. ( I; 특성지향 적 접근 는 앞서 살펴본 것처럼 나노소재가 갖고 있는 혁신적으로 개선된 물성이나 새로) 운 물성을 산업화하는 방향이며 다른 하나 방향( II; 수요지향적 접근 는 산업적 필요성 요) ( 구 에 따라 그에 맞는 물성을 갖는 나노소재를 개발하는 방향이다 전자는 주로 신산업을) . 창출하는 경우에 해당하며 후자는 대개 기존산업을 혁신 경쟁력 강화 하는 경우에 해당( ) 한다 그림. 5에 사회적 요구를 출발점으로 이를 해결하는데 필요한 물성 대응하는 소재, 형태 응용예를 나타내었다 그림, . 5의 사회적 요구를 충족시키는 일련의 개발과정은 지금
까지 첨단소재 개발의 필요성을 설명하는 것과 같은 면이 있다 나노소재의 경우는 나노.
가 있어야 한다 이 단계에서의 나노소재는 그 다음 공정을 위한 원료소 building block) .
재이기도 하지만 그 자체가 제품 나노소재를 곧바로 이용하는 경우 일 수 있다 이 단계( ) . 에 속하는 대표적인 예로는 은 나노분말 등의 나노분말 탄소나노튜브 등을 들 수 있다, . 원료로서의 나노소재를 이용하여 최종제품을 제조하기 위해서는 여러 단계를 거치는 공 정에 적합하도록 나노소재의 공정특성을 개선할 필요가 있다 후속공정에 적합하도록 나. 노분말 나노튜브 나노판의 표면 특성을 바꿀 필요 친수성 혹은 소수성 표면개질 등 가, , ( ) 있다 가장 대표적인 중간공정은 나노분말의 분산이며 중간공정의 결과물 나노중간재 은. ( ) 페이스트(paste), 잉크 화장품 등이다 나노중간재는 그 자체로서 상당한 상품성을 갖고, . 있으며 이 과정에서 나노소재의 응용범위가 확대된다 간혹 나노중간재 단계에서 나노소. 재를 단순히 바탕재로 이용하고 기능성을 제공하는 표면 기능화( : functionalization)을 형 성하는 경우도 있다.
그림 39 기술 중심으로 본 나노소재 기술의 산업화 과정 . .
마지막 단계인 나노소재 응용 제품화 단계에서는 나노중간재 간혹 원료상태의 나노소재( 를 직접 사용하기도 함 를 제품 설계에 맞도록 적용하여 제품화되게 한다 최종 제품화) . 단계에서는 고온공정 가압공정 등 비교적 가혹한 공정들이 도입되기 때문에 부분적으로, 나노소재의 물성을 잃어버릴 수 있지만 궁극적인 목적은 나노소재의 물성이 최종제품에 반영되도록 하는 것이다.
대부분의 나노소재가 그림 6의 과정을 거쳐 상품화된다 은 나노분말과 탄소나노튜브의. 산업화 과정이 그림 6을 이해하는데 도움을 줄 것이다 다양한 방법 액상법 기상법 으로. ( , ) 생산된 은 나노분말은 항균 코팅 전기전도를 위한 배선 등의 목적에 맞게 액상매질 중, 에 균일하게 분산된다 슬러리 혹은 페이스트가 제조됨( ). 분산된 은 나노분말은 플라스틱 가공을 위하여 투입되거나 섬유표면에 코팅되며 전기배선을 위하여 잉크젯으로 분사된 다 코팅의 강도를 증가시키거나 치밀도를 높여 전기저항을 줄이기 위하여 열을 가하기.
도 한다 탄소나노튜브 역시 대전방지용 코팅 발열체 구조기능 복합체 제조에 쓰이지만. , , 곧바로 기지물질에 투입되지 못하고 표면특성을 바꾸는 과정이 필요하다.
그림 6의 산업화 과정이 시장에 반영되는 양상은 다음의 그림 7~9로 설명할 수 있다. 사 는 기초 나노소재군별 시장을 그림
Lux Research (2007) 7과와 같이 예측하였다 세라믹. 나노분말 금속 나노분말 나노기공체 순으로 시장을 형성할 것으로 예측하였으며 덴드리, , 머 양자점 플러렌 나노선 소재 등은, , , 2010년에도 큰 시장을 형성하지 않을 것으로 보고 있다.
그림 40 기초 나노소재군별 현재. (2005) 및 미래(2010) 시장 규모 (Lux Research, 2007).
그림 8은 같은 보고서에 들어있는 내용으로 기초 나노소재를 이용하여 만든 나노중간재 일부는 최종 제품 시장규모를 나타낸다 대략적인 비교를 하면 기초 나노소재가 나노중
( ) .
간재가 되면 약 6배의 시장크기를 형성하게 됨을 알 수 있다.
그림 8. 나노중간재 일부는 나노소재 응용제품 의 현재( ) (2005) 및 미래(2010) 시장 규모 (Lux Research, 2007).
그림 는9 Lux Research (2007) 보고서에 나타난 기초 나노소재(Nanomaterials), 나노중간 재(Nanointermediates), 나노소재 응용(Nano-enabled products)의 시장추이를 예측한 그 래프이다. 2014년 약 2조 9천억 달러에 이를 나노소재 관련 시장에서 기초 나노소재 자 체 시장의 크기는 매우 작지만 나노중간재 시장은 기초 나노소재 시장의 6~10배 크기를 갖게 될 것으로 예측하였으며 나노소재 응용제품 시장은 나노중간재 시장의 약 3.5 (배 기 초 나노소재 시장의 20~35배 크기 가 될 것으로 예측하였다) .
그림 9. 기초 나노소재 나노중간재 나노소재 응용제품 시장의 변화 예측, , (Lux Research, 2007).
거시적인 관점에서의 나노소재의 산업화는 나노기술의 발전추이와 맥을 같이 한다 나노. 소재 물성을 이용하는 수준에 따라 나노소재의 향상 또는 혁신적으로 개선된 물성을 활
용하는 경우(nano-enabled)와 새로운 물성을 직접 활용하는 지배적 응용의 경우 로 나눌 수 있다 그림 은 나노소재가 미치는 영향의 정도 이용하는
(nano-dominated) . 10 (
수준 와 기술의 성숙도를 기준으로 구분한 나노소재 산업의 발달단계를 나타낸 그림이다) .