[특별기획] 화학적 방법을 이용한 나노입자의 합성(Chemical Synthesis of Nanoparticles)

138 … NICE, 제23권 제2호, 2005

(Chemical Synthesis of Nanoparticles)

현 택 환

서울대학교 화학생물공학부, [email protected]

1959년 노벨 물리학상 수상자인 리처드 파인 만(1918~1988)이 “There is a plenty of room at the bottom”이라는 주제의 강연에서 나노과 학기술의 등장을 예견한 이후 비약으로 기술이 발전하여 현재 이러한 일들이 모두 현실화되고 있다. 1982년, IBM 취리히 연구소에서는 STM (scaning tunneling microscope) 원자 현미경 을 발명하여 원자수준에서 미세구조를 관측하 는데 공헌하였으며 1990년에는 미국의 IBM 알 마덴 연구소에서 AFM(atomic force microscope) 원자힘 현미경을 이용해서 원자 하나하나를 직 접적으로 제어할 수 있음을 보여주었다. 이와 같이 매우 작은 영역에서 이루어진 기술의 발전 은 특히 고밀도 집적회로의 설계와 제작에서 이 루어졌는데 1949년 쇼클리에 의해 접합형 트랜 지스터가 개발된 이래 최근에는 삼성에서 60nm 의 선폭을 갖는 메모리를 개발하기까지 했다.

나노결정입자(또는 간단히 나노입자)는 2~50nm 사이의 입자크기를 가진 결정성을 가 진 입자들을 통틀어서 이야기한다. 이 나노입자 는 입자크기에 따른 물리적인 성질의 변화를 관 찰하는 측면에서 많은 연구가 진행되고 있다.

또한 나노입자는 마치 알파벳과 같이 여러 나노 기술을 구현하기 위한 기반핵심물질이다. 예를

들면 반도체 나노입자는 LED, 태양전지, 바이 오이미징 등에 이용되고 있고, 자성체 나노입자 는 MRI 조영제 등에 이용되고 있다. 그 외에도 타이타니아(TiO2)나노입자는 태양전지, 오염물 질 제거용 광촉매 등에 광범위하게 이용된다.

또한 균일한 자성체 나노입자는 지금보다 10배 이상 저장용량을 가진 테라비트급 자기저장매 체에 응용될 수 있음을 최근에 IBM 연구진들 이 보여 주었다. 또한 나노기술이 광범위하게 관심을 받기 전에 석유화학공업 등에서 이용하 는 대부분의 촉매들, 특히 백금족 금속들을 이 용한 촉매들은 그 물질들이 나노입자 형태로 실 리카나 탄소 등의 표면적이 큰 담체에 잘 분산 되어 있는 형태로 되어 있다.

나노입자를 제조하는 공정은 크게, 탑-다운 (Top-down)기술인 물리적인 방법들과 바텀- 업(Bottom-up)방식인 화학적 합성방법으로 대 별할 수 있다. 탑-다운 방식은 거시적인 구조를 미리 형성한 후 조각하듯이 미세구조를 만들어 나가는 방식이고, 대표적인 방법은 볼밀링(ball milling), 기체응축법(gas condensation method) 등이 있다. 최근 각광 받고 있는 바텀-업 방식 은 원자나 분자들의 출발물질을 화학반응을 통 하여 나노미터 크기의 입자로 성장시켜 나가는

특·별·기·획(Ⅰ)

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 23, No. 2, 2005 … 139

균일한 자성체 나노 입자는 기존의 벌크 재료에 비해 새로운 물리적, 화학적, 전자기적 특성을 보 인다. 이러한 특성은 과학기술 분야에서 새로운 관심을 불러일으키고 있으며 다양한 응용가능성 이 모색되고 있다. 나노 입자는 기존의 벌크 재료 에 비해 체적대비 표면적이 매우 크고 표면의 결 함 비율이 높기 때문에 재료의 표면 성질이 특히 중요하다. 즉, 분자와 벌크 재료의 중간 크기를 갖 는 나노 입자의 특성에 의해 나타나는 양자 크기 효과 때문에 학문적 기술적 관심이 증대하고 있다.

나노 장비, 비선형 광학재료, 촉매, 정보저장 재료 등은 그 응용 예라 할 수 있다. 특히, 정보화와 멀 티미디어 시대에 들어와서, 기존의 상업화된 장치 에 비해 더 높은 밀도와 더 빠른 속도, 더 낮은 전 력 소비, 더 작은 크기, 더 적은 무게의 자기 저장 장치의 증가되는 수요가 나타나고 있다. 현재, 자 기 나노 입자를 이용한 자기 저장장치의 개발에 대한 연구가 활발하게 나타나고 있으며, 이에 따 라 균일하고 다양한 크기의 나노 입자의 필요성이 증가하고 있다. 그러나 자성체 나노 입자는 II-IV 족 화합물반도체 나노 입자나 금, 백금, 은 등 귀 박종남·현택환

서울대학교 화학생물공학부, [email protected], [email protected]

방법이다. 바텀-업 방식 중 가장 대표적인 접근 법은 화학적인 기법을 이용한 나노결정의 합성 인데 이 경우, 실제의 공정에 적용이 가능하고 화학적인 처리를 통해 특성을 변화시킬 수 있는 등 많은 장점을 갖게 된다. 본 특집에서는 이러 한 화학적인 방법을 이용한 나노결정을 합성과 특성의 규명, 그리고 실제적인 응용과 관련하여 최근의 기술적인 진보에 대해 소개하고자 한다.

나노입자의 물리적인 성질(전기적, 자기적, 광학적)들이 나노입자의 크기와 모양에 영향을 받기 때문에 나노입자를 합성하는 연구에서는 아래와 같은 중요한 이슈들이 있다.

입자의 균일도：입자의 크기의 표준편차가 5%

이내에 있는 나노입자를 단분산(monodisperse) 나노입자라고 한다.

입자의 크기 조절 가능성：원하는 물리적 성 질을 가진 나노입자를 얻기 위해 입자 크기 조절이 필요하다.

입자의 결정성：물리적인 성질이 결정화도와 결정구조에 영향을 받는다.

입자의 모양조절：구형의 입자뿐만 아니라, 막대(nanorods), 선(nanowires) 등의 다양한 형태로 제조하면 모양에 따른 다양한 성질을 가진 나노입자를 얻을 수 있다.

아래에서는 다양한 종류의 자성체, 반도체, 금 속 나노입자들의 합성과, 새로운 조합전기화학 과 블록공중합체를 이용한 나노입자의 제조에 대해 기술하고자 한다.