콜로이드 분산계의 특성과 그 응용
조 영 상
한국기계연구원 부설 재료연구소 기능재료연구본부 나노기능분말 그룹 선임연구원 [email protected]
서론
콜로이드 분산계(colloidal dispersion)는 약 10 마이 크로미터 이하의 크기를 갖는 고체 입자들이 서로 응 집되지 않고 안정한 혼합액을 이루며 액체 속에 퍼져 있는 분산액을 지칭하며, 한자어로는 교질(膠質)이라 부른다. 콜로이드를 구성하는 고체 미립자는 분산상 (dispersed phase)에 해당하며, 고체 미립자가 분산되 어 있는 액체는 분산매(dispersion medium)라 지칭 한다. 콜로이드와 유사한 개념으로, 에어로솔(aerosol) 과 에멀젼(emulsion)을 들 수 있는데, 전자의 경우 미 세한 액적이나 고체 미립자가 기체 중에 분산된 상태 를 지칭하며, 후자의 경우 미세한 액적이 상용성이 없 는(immiscible) 다른 종류의 액적에 균일하게 분산된 물질의 상태를 나타낸다. 콜로이드 분산계는 거시적 으로는 균일한 상으로 인식되지만, 미시적으로는 서로 다른 두 상이 섞여 있는 다상계(multiphase system) 로써, 브라운 운동(Brownian motion)이나 틴들 현상 (Tyndall effect)과 같은 고유한 특성을 나타낸다.
콜로이드 분산계를 구성하는 미립자의 크기 한계에 대해서는 학자에 따라 다양한 견해가 제기되고 있는 데, 10 나노미터에서 1 마이크로미터 크기에 해당하는 미립자의 분산액을 콜로이드라 지칭하고 그 이상의 크기에 대해서는 서스펜션(suspension)이라고 지칭하 는 경우도 있으나, 본 강좌에서는 10 마이크로미터 이 하의 크기에 해당하는 미립자의 분산액을 콜로이드로 정의하는 개념을 채택하고자 한다. 혈액을 구성하는 적혈구도 이러한 크기 한계에 해당하기 때문에 콜로 이드 분산계의 일종으로 간주할 수 있으며, 혈액 등 생체 물질의 콜로이드를 통칭하여 바이오 콜로이드 (bio-colloid, 생체 교질)이라 부르고 있다. [그림 1]은 주된 연구 개발의 대상이 되는 콜로이드 분산계의 크 기 영역을 나타내고 있다.
콜로이드를 구성하는 고체 미립자들이 액체와 균일 하게 섞여 있는 안정한 콜로이드 분산계를 형성하기 위하여 입자 상호 간에 응집되지 않고 중력에 의해 침 강하지 않도록 유지하는 것이 중요하다. 이러한 기술
그림 1. 콜로이드 분산계의 크기 영역.
을 콜로이드의 분산 안정화(dispersion stabilization)라 고 지칭하며, 콜로이드 분산계의 형성에 매우 중요한 분야로써 학계와 산업계에서 광범위하게 연구되고 있 다. 안정한 콜로이드 분산계를 이해하기 쉬운 방법으 로, 보리차를 연상하는 방법이 있다. 물에 보리 알갱이 들이 섞여서 가라 앉아 있는 보리차는 미립자들이 응 집되어 중력에 의해 침강된 불안정한 콜로이드 분산계 와 비교된다. 이때 보리차를 강하게 휘저으면 보리 알 갱이들이 물속에 균일하게 퍼져 있는 상태를 짧은 시 간 동안 관찰할 수 있는데, 이는 안정한 콜로이드 분산 계와 비견된다. 다만, 보리 알갱이들이 육안으로는 관 찰되지 않는 10 마이크로미터 이하의 크기에 해당될 경우에 콜로이드 분산계라고 지칭할 수 있는 것이다.
콜로이드 분산계는 오래 전부터 학계에서 다양하게 연구되어 왔는데, 고전적인 분야로써 콜로이드 분산 계가 외력에 의해 변형되는 특성을 연구하는 유변학 분야(suspension rheology)를 들 수 있으며, 최근에는 콜로이드 분산계를 각종 광학/전자/바이오 소재로 응 용하는 연구가 다양하게 시도되고 있다. 또한, 콜로이 드 분산계를 산업계에서 활용하는 연구가 꾸준히 진 행되어 왔는데, 가장 대표적으로 반도체 평탄화 공정 에 활용되는 CMP(chemical mechanical polishing) 연마재의 연구를 들 수 있다.
본 강좌에서는 앞에서 기술한 콜로이드 분산계의 특 성 및 분산 안정화 기술과 그 응용에 대해 간략히 소개 하며, 콜로이드 연구의 중요성을 강조하고자 한다.
콜로이드 분산계의 특성
콜로이드 입자 분산계는 다른 상태의 물질에 비해 다양한 특성을 보이는데, 분산매에 분산된 콜로이드
입자에 의한 빛의 산란 때문에 발생하는 틴들 현상을 들 수 있다. 또한, 분산매를 구성하는 분자들이 열운동 에 의해 분산질 입자와 충돌하여 발생하는 콜로이드 입자의 불규칙한 운동인 브라운 운동 등이 대표적이 다. 이러한 특성들 보다 더 피부에 와 닿는 사례는 과 량의 염을 첨가할 때 콜로이드 입자들이 침전되어 응 집이 발생하는 염석(salting out) 현상이다. 소주방에 서 사랑받는 두부 김치의 원료인 두부는 콩을 갈아 만 든 콜로이드 수용액에 간수(MgCl2)를 첨가하여 염석 의 원리에 의해 침전시킨 식재료이다. [그림 2]는 간 수 첨가에 의한 두부의 응집 현상과 성형 후 사진을 나타내고 있다.
콜로이드 분산계의 안정화 방법
콜로이드 분산계의 분산 안정화 기술에는 크게 정 전기적 안정화 기술과 입체 안정화 방식을 들 수 있 다. 이러한 분산 안정화 기술은 콜로이드 입자의 합성 과 동시에 이루어지는 경우가 많지만, 나노 입자를 분 말의 형태로 합성한 뒤 적절한 분산 장비의 도움으로 안정한 콜로이드 용액을 제조하고 적합한 용도에 활 용하는 경우도 있다. 이 절에서는 콜로이드 분산계의 안정화 기술에 대하여 간략히 설명하고자 한다.
1) 정전기적 안정화(electric stabilization)
콜로이드 분산액을 구성하는 미립자의 응집을 방지 하는 안정화 기술로 가장 대표적인 사례는 입자 표면 에 전기 이중층(electric double layer)을 형성하여 정 전기적 반발력(electrostatic repulsive force)에 의해 입자간 반발력을 유도하는 정전기적 안정화 방식이다.
이 기술은 콜로이드 분산액에 전해질을 첨가하거나
그림 2. 간수 첨가에 따른 두부의 응고와 성형 후 사진.
입자 표면에 음이나 양의 하전층을 유도할 수 있는 기 능기(functional group)를 부여하는 방법으로 구현될 수 있으나 분산매가 물인 수계 콜로이드 용액에 주로 적용된다는 제한성을 지닌다.
콜로이드 분산계를 구성하는 입자 상호간에는 정전 기적 반발력과 반데르발스 분산력(van der Waals dispersion force)에 의한 인력이 작용하게 되며, 이 두 힘에 의한 포텐셜을 고려하여 입자간의 총 포텐셜 에 너지를 구할 수 있다. [그림 3]은 정전기적 안정화에 의한 콜로이드 입자간의 상호 반발력을 모식적으로 나타내고 있으며, 정전기적 반발력이 작용하는 경우 포텐셜 에너지의 변화를 입자간 거리의 함수로 나타 내고 있다.
2) 입체 안정화(steric stabilization)
콜로이드 분산액을 구성하는 미립자의 응집 현상은 반데르발스 분산력에 의한 비가역적인 과정이 대부분 이다. 이러한 분산력은 입자간의 거리가 어느 이상으 로 가까워진 경우에 강하게 작용하게 되는데, 분산 입 자의 표면에 입체 반발력(steric repulsion)을 부여할 수 있는 고분자 물질 등을 흡착시켜 분산력이 강하게 작용하는 거리로 입자들이 서로 접근하는 것을 방지 하고 응집을 막는 기술을 입체 안정화 방식이라고 지 칭한다. 이러한 입체 안정화 기술은 콜로이드 입자의 표면에 흡착층을 형성할 수 있는 적절한 고분자 물질, 즉 분산제(dispersant)를 선정하는 것이 매우 중요하 며 흡착층과 분산 용매간의 상호 작용 및 친화도 또한
중요하게 고려되어야 할 사항이다. 한편, 분산제 상호간의 결합에 의한 다리 놓기 응집(bridging flocculation) 현상 이 발생할 수도 있으므로, 입체 안정화 기술에 의해 콜로이드 분산계를 안정화시키는 기술은 경험적인 요 소가 다분히 개입되는 어려운 분야에 해당한다. 하지 만, 각종 유기 용매에 고농도의 안정한 콜로이드 용액 을 제조하기 위하여 입체 안정화 기술이 주로 활용되 고 있으며, 적절한 분산제의 선정 및 배합은 업체의 노하우로서 공개되지 않는 경우가 많다. [그림 4]는 입체 안정화 기술에 의한 콜로이드 분산계의 안정화 층 형성에 관하여 모식적으로 나타내고 있다. 한편, polyelecrolyte 등 전하를 띄는 분산제를 콜로이드 입 자에 흡착시켜 정전기적 안정화와 입체 안정화를 동 시에 유도하는 electrosteric 방식도 연구되고 있다. 이 러한 적절한 분산제의 설계 및 합성 역시 정밀화학 및 콜로이드 분야에서 중시되는 연구 주제라 할 수 있다.
입체 안정화에 의한 콜로이드 나노 입자의 안정화 사례로써, 금 나노 입자를 물이나 에탄올, 톨루엔 등의 유기 용매에 50 무게 % 이상의 고농도로 농축시킨 사례가 일본의 Nippon Paint 사로부터 보고된 바 있 다. 주사슬에 아민기를 포함하고 겻사슬에 폴리아크 릴 레 이 트 (polyacrylate) 혹 은 폴 리 에 스 테 르 (polyester)를 함유하는 빗살 형태의 블록 공중합체 (comb-shaped block copolymer)를 분산제로 활용하 여 농축된 금 나노 입자를 증류수 또는 유기 용매에 분산시킬 수 있다. [그림 5]는 이러한 방식으로 얻어 진 안정한 금 나노 입자 콜로이드 분산계의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 나타내고 있다. 금 입자와
그림 3. 정전기적 반발력에 의한 콜로이드 입자의 안정화
및 포텐셜 에너지의 변화.
그림 4. 입체 안정화의 두 가지 방식: (A) steric 및 (B)
electrosteric.
같은 금속 표면에 친화력이 강한 분산제의 아민 그룹 이 나노 입자 표면에 흡착되며, 폴리아크릴레이트나 폴리에스테르 등 겻사슬의 조성을 물이나 유기 용매 등 분산매에 적합하도록 조절하여 안정한 콜로이드 용액을 제조하는 기술로, 입체 안정화의 대표적인 사 례라 할 수 있다.
3) 미세 분말의 콜로이드 분산 안정화 기술
세라믹, 금속 등의 각종 미립자는 입경 수십 나노미 터 내외의 미세 분말(nanopowder)의 형태로 생산되 는 경우가 많다. 미세 분말의 합성 및 운송, 저장 등에 는 화학공학의 분체 공학적인 지식이 많이 활용되지
만, 용도에 따라 이러한 분말을 안정한 콜로이드 용액 으로 분산하여 활용하는 경우도 빈번하다. 미세 분말 의 콜로이드 분산화를 위하여 적절한 분산 용매와 분 산제를 첨가한 뒤, [그림 6]과 같은 콜로이드 밀 (nano-mill), 다이노밀(dynomill), 페인트 쉐이커 (paint shaker) 등의 각종 분쇄 장비를 활용하게 되는 데, 이 과정에서 서로 응집된 미세 분말이 기계적인 충격에 의해 떨어져 나가게 되며, 동시에 분산매에 용 해된 분산제가 미세 분말 표면에 흡착되면서 안정한 콜로이드 분산액을 제조할 수 있다. 미세 분말에 기계 적인 충격을 가하기 위하여 경도가 높은 지르코니아 볼(ZrO2bead) 등을 분쇄 장비에 투입하여 활용하는 경우가 많다.
그림 5. Nippon Paint 사에서 개발된 금 나노 입자의 TEM 이미지. 입체 안정화를 유도하는 블록 공중합체 계통의 분산제를 활용하였음.
그림 6. 미세 분말의 콜로이드 분산화에 활용되는 분쇄 장비의 사진.
그림 7. ITO 나노 분말의 TEM 이미지와 커플링제를 활용하여 분산한 결과 얻어진 분산 입도 분포 측정 결과.
분쇄 장비를 활용하여 얻어지는 콜로이드 분산계의 예로써, 전자파 차폐막의 제조에 활용되는 ITO (indium tin oxide) 나노 콜로이드를 들 수 있다. ITO 나노 분말과 적절한 분산제인 타이타네이트 커플링제 (titanate coupling agent), 분산 용매를 혼합하여 지 르코니아 볼과 함께 페인트 쉐이커를 활용하여 회분 식 분쇄 공정을 적용하면 분산 입도 100 nm 미만의 안정한 콜로이드 분산액을 제조할 수 있다. [그림 7]
은 ITO 나노 분말의 원료 물질 및 그 TEM 이미지와 커플링제를 분산제로 활용한 분산 메커니즘을 도시하 고 있다.
콜로이드 분산계의 응용
콜로이드 산업은 전체 정밀화학 산업 시장의 약 60%를 차지하며 IT·BT·ET 등 관련 기술 및 산업 의 발전에 따라 향후에도 높은 성장률을 보일 것으로 전망되고 있다. 이러한 콜로이드 분산계에 관한 응용 연구는 학계와 산업계에서 다양하게 시도되고 있는데, 고전적인 사례로써 MR 유체(magneto-rheological
fluid)를 들 수 있다. MR 유체란 마이크로미터 크기 의 자성 입자를 실리콘 오일 등의 기름에 분산한 입자 분산액이며, 브레이크(brake)나 충격 흡수기(shock absorber) 등에 빈번하게 활용되어 왔다.
이하 본 절에서는 콜로이드 소재의 몇몇 중요 응용 분야를 예를 들어 설명하고자 한다.
1) 콜로이드 광자 결정(colloidal photonic crystal) 콜로이드 광자 결정은 크기가 균일한 단분산 입자 가 분산된 용액으로부터 콜로이드 결정화(colloidal crystallization)를 유도하여 얻어진 면심입방(face centered cubic) 등 규칙적인 구조체를 지칭한다. [그 림 8]과 같이 단분산 콜로이드 용액을 구성하는 고체 입자의 부피 분율(φ)이 증가하면 콜로이드 결정이 형 성되는데, 이러한 규칙적인 구조체를 구성하는 단분 산 입자의 크기가 가시광선의 파장대에 해당하는 경 우에 입사광으로부터 특정 파장대의 빛을 선택적으로 반사하는 광자 결정(photonic crystal)의 특성을 보이 게 된다.
그림 8. 콜로이드 결정의 구조 및 빛을 반사하는 거시적인 사진(opalescence).
그림 9. 딥코팅 공정에 의한 콜로이드 광자 결정의 형성 및 빛의 반사 특성.
콜로이드 결정화를 위하여 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 등의 방법이 적용되고 있으며, 콜로이드 광자 결정을 구성하는 단분산 콜로이드 입 자로써 실리카(silica), 타이타니아(titania) 등의 무기 물과 폴리스티렌(polystyrene), 폴리메틸메타크릴레 이트(polymethylmethacrylate) 등의 유기 고분자 입 자 및 코어-쉘(core-shell) 구조 입자 등이 주로 연구 되고 있다. 현재 콜로이드 광자 결정의 산업적 응용처 로써, 디스플레이의 반사형 컬러 필터(reflective color filter) 등이 고려되고 있으며 미국의 Opalux 등의 회 사에서는 전압에 의해 콜로이드 광자 결정의 구조색 (structural color)을 능동적으로 조절하는 광밴드갭 조절(photonic band gao tuning) 연구가 활발히 진 행되고 있다. [그림 9]는 콜로이드 광자 결정의 미세 구조와 딥코팅 공정에 의해 형성된 광자 결정의 구조 색을 나타내고 있다.
최근 켐브리지 대학 등의 연구진에서는 콜로이드 광자 결정을 필름이나 섬유 등의 형태로 제조하는 실 용적인 연구도 행해지고 있는데, [그림 10]은 이러한 광자 결정의 실제 사진을 나타내고 있다.
2) 반사 방지 코팅(antireflective coating) 용도로의 활용
반사 방지 코팅은 태양전지 등 집광이 중요하게 활 용되는 용도에 적용되는 코팅 기술로, MgF2등 기판 에 비해 굴절율이 낮은 값을 갖는 소재를 박막 등의 형태로 도포하여 원하는 빛의 파장대에서 반사율을 낮추는 목적으로 활용되고 있다. 최근에는 수백 나노
미터 크기의 콜로이드 입자를 기판에 단일층으로 도 포하여 굴절율이 낮은 다공성 코팅층을 형성하는 방 법으로 반사 방지 효과를 얻는 연구가 진행된 바 있 다. [그림 11]과 같이, 실리카 콜로이드 용액을 유리 기판에 코팅하여 가시광선 영역에서의 반사율을 낮추 고 투과율을 높이는 연구가 진행된 바 있다. 90% 내 외의 투과율을 갖는 일반적인 유리 소재에 비해 콜로 이드 입자를 활용한 저반사 코팅이 행해진 경우 투과 율이 상승함을 알 수 있다. 한편, 코팅막의 기계적 강 도 등을 보완 하는 연구가 추가적으로 요구되는 실정 이며, 아직까지 이러한 연구는 산업계에 비하여 광주 과학기술원, 서울과학기술대학교 등 대학을 위주로 진행되고 있다.
3) LED(light emitting diode) 등에의 활용
양자점(quantum dot)이란 UV 등의 에너지를 받 아 특정 파장대의 빛을 발광하는 반도체성 나노 입자 로써, 콜로이드 입자 분산계 중 대표적인 발색 입자로 분류되는 물질이다. 특히, 양자점 나노 입자의 종류 및 크기에 따라 발광하는 빛의 파장대는 [그림 12]와 같
그림 10. 필름, 실, 직물 형태로 제조된 콜로이드 광자
결정의 사진.
그림 12. 양자점 나노 콜로이드 입자의 발광 특성 및 구조의 모식도.
그림 11. 실리카 콜로이드 입자를 활용한 저반사 코팅막의
미세구조(SEM 이미지) 및 투과 특성 향상 결과.
이 자외선 영역에서부터 적외선까지 변화하게 되는데, 이 중 가시광선 영역의 빛을 발광하는 양자점 나노 입 자를 LED 등 조명 및 디스플레이의 backlight 등에 활용하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
최근에는 백색광을 발하는 LED의 시인성을 향상 시키기 위하여 청색 LED와 황색 형광체 및 양자점을 혼합하여 packaging하는 연구가 학계 및 산업계에서 활발히 진행되고 있으며, 기존의 청색 LED와 황색 LED 만을 활용하여 구현된 백색 LED에 비해 우수 한 CRI(color rendering index) 값을 갖는 고효율 LED를 제작할 수 있다. 이러한 양자점 LED를 제작 하기 위해서는 발광 특성이 우수한 균일한 크기의 양 자점 나노 입자를 대량으로 합성하는 공정이 선행되 어야 하며, LED에 조합했을 때 발광 강도 등이 장시 간 유지되는 수명 문제 등이 해결되어야 할 과제이다.
양자점 LED에 관한 연구는 LG 전자, Perkin-Elmer 등의 회사에서 많은 연구를 수행하고 있으며, [그림
13]은 양자점 LED의 구조 및 발광 특성을 나타내고 있다.
최근 대만에서는 실리카 콜로이드 입자를 기존의 LED 표면에 도포한 뒤, 도포층의 미세구조를 활용하 여 광추출 효율을 향상시키는 연구가 진행되고 있다.
[그림 14]는 이러한 방식으로 개조된 LED의 구조와 광추출 효율 향상 결과를 나타내고 있다.
4) 도전성 코팅막 소재로의 활용
콜로이드 입자의 대표적인 응용 사례로서 도전성 코팅막을 제조하는 연구를 들 수 있다. 콜로이드 입자 분산계를 구성하는 고체 미립자가 ZnO, ATO (antimony-doped tin oxide), ITO(indium tin oxide), Ag, Au, Ag-Au 등의 재질로 도전성을 띄는 경우, 이러한 콜로이드 입자를 기판에 코팅하여 도전성 박 막을 제조하고 전극이나 대전방지 코팅(antistatic coating), 전자파 차폐 코팅(EMI shielding coating)
그림 13. 양자점 LED의 모식도 및 발광 특성.
그림 14. 실리카 콜로이드 입자의 표면층을 활용하여 광추출 효율이 향상된 LED의 구조 및 특성 향상 그래프.
등의 용도로 활용하는 연구가 진행되고 있다. 특히 투 명성과 도전성이 동시에 요구되는 용도에는 ITO 등 TCO(transparent conductive oxide) 물질이 대표적 으로 활용되고 있으며, 최근에는 인듐 등 희소 금속의 고갈과 가격 상승으로 인하여 ITO 대체 재료에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, 기존의 ITO 증착 공정을 콜로이드 분산계를 활용한 스핀 코팅 등 습식 공정(wet process)으로 대체하면서 전도성을 상승시 키는 연구가 진행되고 있다. 한편, Ag-Au 등의 금속 성 나노 입자를 기판에 망사형으로 코팅하여 가시광 선의 투과도와 전도도를 기존 기술에 비해 획기적으
로 높이는 기술이 시도된 바 있으며, 관련 업체로는 Sumitomo 등을 들 수 있다. [그림 15]는 ITO 도전막 의 단면 구조와 Ag-Au 등을 활용한 망사형 코팅막 의 표면 구조를 나타내고 있다.
5) 인쇄 전자(printed electronics) 소재로의 응용 금, 은 등 전도성 콜로이드 나노 입자를 활용하여 미세 전극 배선 등을 제조하는 인쇄전자 기술은 콜로 이드와 관련된 소재 기술과 미세 인쇄 기술 등의 장비 기술이 결합된 분야로, 최근 각광을 받고 있다. 특히 기존의 스크린 프린팅(screen printing), 그라비어 인
그림 15. 콜로이드 분산계로부터 제조된 ITO 도전막의 구조와 Ag-Au 나노 콜로이드의 연쇄상 구조.
그림 16. 직접 인쇄 공정의 개략도 및 관련 장비 사진과 금/은 나노입자를 활용한 미세 전극 구조의 전자 현미경
이미지.
쇄(gravure printing) 기법 등을 대체할 수 있는 기술 로 잉크젯(ink-jet) 및 직접 인쇄 기술(direct ink writing technology) 등이 개발되고 있는데, 각 기술별 로 전도성 콜로이드 잉크의 농도 및 분산 용매의 배합 등이 상이한 특성을 보이고 있다. 최근에는 전도성 나 노 입자의 콜로이드 분산액을 고농도로 농축하여 페 이스트(paste) 형태로 제조한 뒤, 미세 팁(micro-tip) 을 활용하여 농축된 잉크를 토출하면서 3축 로보케스 터(3-axis robocaster) 등 정밀 이송기기 등을 활용하 여 원하는 구조물로 인쇄하는 직접 인쇄 기술이 주목 을 받고 있다. 이러한 기술은 미국 일리노이 주립대학 재료공학과의 Jennifer Lewis 교수 등이 대표적으로 진행 중이며, 최근에는 기업과의 연계를 통해 장비의 대형화 및 태양전지, LED의 전극 배선 등 소자 제작 에 활용하는 연구가 이루어지고 있다. [그림 16]은 직 접 인쇄 기법에 활용되는 로보케스터 장비 및 금, 은 등 도전성 나노 콜로이드 분산액의 페이스트를 활용 하여 제작된 3차원 전극 배선 구조를 나타내고 있다.
6) 장식용 코팅재(decorative coating)
금속 나노 입자의 콜로이드 용액은 나노 입자의 종 류와 그 크기에 따라 특정 가시광선 영역의 빛을 흡수 하는 성질이 강해지는데, 대표적으로 금 나노 입자의 분산액은 포도주와 같은 아름다운 색을 발하는 경우 가 많다. 금 나노 입자를 농축하여 응집되지 않는 안 정한 콜로이드 용액으로 제조한 뒤, 원하는 물질에 도 포하여 독특한 광택을 유지하는 기술이 개발된 바 있 으며, [그림 17]의 자동차 등에 코팅한 사례를 들 수 있다. 또한, 금 고유의 광택을 유지하면서 인쇄물 등에 활용하는 사례도 들 수 있다. 관련 기업으로는 일본의 Nippon Paint 사 등이 대표적이며, 고농도의 귀금속 나노 입자를 합성하고 안정한 콜로이드 용액을 유지 하는 기술이 핵심이라 할 수 있다.
7) 에너지 소재로의 활용 - 다공질 전극 소재로의 응용 크기가 균일한 단분산 콜로이드 입자 분산계를 활
용하여 콜로이드 결정을 제작한 뒤, 이러한 구조를 주 형(template)으로 활용하여 음의 역전체(negative replica)를 제작하는 공정을 콜로이드 주형법(colloidal templating method)이라 지칭한다. 단분산 폴리스티 렌 입자 분산계를 활용하여 콜로이드 결정을 제작한 뒤, 도금 공정과 콜로이드 주형법을 적용하여 Ni-Sn 합금 계열의 다공성 전극을 제조하고 이를 리튬 이온 전지의 음극 재료로 응용한 연구가 일본에서 진행되 고 있다. 이러한 다공성 전극 구조로부터 넓은 표면적 을 제공받는 장점을 활용하여 리튬 이온 전지의 효율 을 향상시키는 연구 개발은 자동차 밧데리 등 대용량
그림 17. 금 나노 콜로이드가 도포된 자동차와 그림 및
인쇄물의 사진.
그림 18. 콜로이드 주형법을 적용하여 제조된 Ni-Sn 재
질의 이차 전지 음극 재료(전극의 미세구조와
충방전 곡선).
전지의 수요가 확대되고 있는 현 시점에서, 콜로이드 분산계를 에너지 소재에 활용하는 매우 의미심장한 사례라 할 수 있다. [그림 18]은 Ni-Sn으로 구성된 다공질 전극 재료의 주사 전자 현미경 이미지와 이를 활용하여 구현된 이차 전지의 충방전 커브를 나타내 고 있다. 한편, 콜로이드 입자 분산계를 원소재로 활용 한 다공성 구조는 최근 태양 전지 등 다른 에너지 소 재 분야에도 그 연구 범위가 확대되고 있다.
8) CMP 공정(chemical mechanical polishing process) 반도체의 다층 배선 구조가 복잡화되면서 평탄화 (planarization) 공정에 대한 수요가 지속되어 왔다.
이러한 반도체 평탄화 공정에는 화학적, 기계적 평탄 화 방식이 활용되는데, [그림 19]와 같이 슬러리와 패 드를 활용하여 기판을 연마하는 방식이 적용되고 있 다. 이러한 CMP 공정에 활용되는 슬러리에는 실리카 (silica)나 세리아(ceria) 입자의 콜로이드 용액이 많 이 사용되어 왔으며, 연마 입자의 표면에는 아민류나 polyacrylic acid 등을 흡착시켜 연마 효율을 높일 수 있다. CMP 공정에 활용되는 콜로이드 입자의 합성과 연마액 제조 및 그 최적 조성 등의 개발 분야는 콜로 이드 화학이 반도체 등 첨단 산업에 적용되는 대표적 인 사례라고 할 수 있다. 한편, 국내 반도체 산업에 요 구되는 CMP 연마제의 상당량이 일본 등 경쟁국으로 부터 수입되어 활용되고 있으므로, 부품 소재에 대한 무역 역조를 심화시키는 현상이 발생하고 있다. 따라 서 국내 콜로이드 및 정밀화학 산업에 대한 장기적인 안목의 투자와 연구 개발이 요구된다고 할 수 있으며,
최근에는 제일모직, 동진세미켐, 나노신소재 등의 국 내 소재 업체에서도 CMP 슬러리를 개발 중이다.
9) 생물학적 응용 - 진단 및 약물 전달
콜로이드 소재를 생물학/의학의 용도로 활용하는 연구는 오랜 기간 동안 시도되어 왔다. 기실 생명체를 구성하는 체액 또한 바이오 콜로이드로 분류할 수 있 으며, 인간은 일상생활 속에서 우유와 같은 단백질 콜 로이드를 섭취하며 생활하고 있으므로, 어쩌면 콜로 이드 분산계가 화학공학도에게는 생소한 시스템이 아 닐 수도 있다.
양자점 등의 발색성 콜로이드 입자는 종양 등 병리 학적 진단을 목적으로 활용될 수 있다. 발광 특성이 우수한 반도체성 나노 입자의 표면에 종양 세포와 결 합할 수 있는 항체를 코팅한 뒤, 종양 등의 병변을 갖 는 쥐 등에 주입하여 양자점의 발광 현상이 특정 부위 에 국한됨을 관찰하여 병변의 부위를 판독할 수 있다.
이러한 기술은 현재까지는 쥐 등의 실험동물을 대상 으로 적용되고 있으나, 임상 시험을 통과할 경우 의학 계에서 실용화될 가능성도 있을 것이다. 이러한 실용 화를 위해서는 현재 맹독성 카드뮴계가 다수를 차지 하고 있는 반도체성 나노 입자의 성분을 무독성 내지 저독성으로 대체하는 연구가 요구된다. [그림 20]은 실험용 쥐에 서로 다른 발광 파장을 갖는 양자점 콜로 이드 입자를 피하 주입하여 얻은 발광 사진이다.
한편, 콜로이드 입자들이 자기 조립(self-assembly) 된 구조인 콜로이드좀(colloidosome) 등은 약물 전달 등의 활용 목적으로 광범위하게 연구되고 있으며, [그 림 21]은 이러한 콜로이드좀의 미세구조를 나타내고
그림 19. CMP 슬러리용 패드의 개략도와 세리아 슬러리의
상용품(Kemet 사). 그림 20. 양자점이 피하 주입된 쥐의 사진.
있다. 그 밖에 지질(lipid)을 나노 입자의 기질 (matrix)로 활용하고, 기질 내부에 약물을 담지 (encapsulation)시켜 약물 전달체로 활용하는 사례가 상용화되기도 하였으며, [그림 22]는 이러한 약물전 달체(sloid lipid nanoparticle)의 구조와 상용품 (Nanobase)를 나타내고 있다.
10) 페인트
그 밖에 콜로이드 입자 분산계는 각종 화장품, 광촉 매, 접착제, 라텍스 페인트 등 다양한 소재의 원료로 활용되고 있다. 콜로이드 입자를 이러한 용도로 활용 하는 연구 개발은 자칫 고전적인 분야로 치부될 수도 있으나, 실생활에 밀접한 연관성을 지니며 그 수요가
꾸준히 창출되고 유지되는 기간산업의 특성을 갖는다 는 점에서 그 중요도가 높다고 할 수 있다. 이러한 분 야는 기존에 다양한 연구 성과가 축적되어 왔으나, 연 구자의 창의성이 발휘되어 새로운 물성을 발현하는 콜로이드 소재를 개발할 여지는 항상 열려 있다고 하 겠다. 대표적인 사례로, 라텍스 페인트를 구성하는 구 형 콜로이드 입자의 형상을 비구형상으로 대체하여 기존과 동일한 양의 재료를 활용하여 페인트의 점도 를 높일 수 있는 연구 개발이 Rohm & Haas 사에서 진행된 바 있다. [그림 23]은 이단계(two-step)의 유 화중합 방식에 의해 합성된 비구형상 입자 (multimodal or lobed sphere)의 전자 현미경 이미지 와, 일반적인 구형 라텍스 입자가 활용되었을 때와 비 교된 비구형상 입자가 함유된 페인트의 점도를 비교 하여 나타낸 그래프이다.
11) 폐기물 재활용
한편, 콜로이드 분산계의 환경 폐기물로의 응용 예로써, 철강 산업체의 소각로에서 발생한 바닥재에 실리카 콜로이드 용액과 시멘트를 혼합하여 벽돌과 같은 건축자재를 제작한 뒤, 강도가 향상된 재활용 벽돌을 만드는 예를 들 수 있다. 실리카 콜로이드 입 자가 함유된 벽돌 자재의 경우 기공이 실리카 미립 자로 채워져서 치밀한 복합 재료(composite material) 가 형성되며, 강도 높은 벽돌을 제조할 수 있으며, [그림 24]는 표면에 20 nm의 실리카 입자가 흡착
그림 21. 콜로이드좀(colloidosome)의 주사 전자 현미경
이미지. 그림 23. 라텍스 페인트에 연구된 비구형상 콜로이드
입자의 전자 현미경 이미지와 부피 분율에 따른 상대 점도 값의 변화.
그림 22. 약물전달체로 활용되는 나노 입자의 구조와
상용품의 사진(Nanobase).
된 소재의 미세 조직을 나타낸 전자 현미경 이미지 이다.
맺음말
정보 전자, 나노, 환경 산업의 기초소재로 광범위하 게 활용되는 콜로이드 소재의 개발 및 제품화와 관련 하여 학계 및 산업계에서 다양한 연구와 개발이 지속 되고 있다. 콜로이드 입자 분산계란 나노미터 크기로 부터 10 마이크로미터 이하의 미세 입자가 분말, 용액, 페이스트 등의 형태로 존재하는 것을 이르는데, 이는 여러 제품의 성능을 구현 하는 핵심소재로서 산업계
에서의 적용분야가 광범위하다. 관련 기술은 염·안 료, 도료, 잉크, 접착제, 계면활성제 등 전통 산업분야 뿐 아니라, 정보산업, 바이오, 환경산업 등 최근 연구 분야가 급격히 확대되고 있다. 특히 콜로이드 나노 소 재는 정보산업의 도전성 페이스트, 전자파 차폐 페이 스트 외에, 바이오산업에서는 기능성 화장품, 약물전 달체, 환경산업의 수성 도료 및 접착제, 광촉매, 친환 경 세정제 등에서 고기능성 소재로 연구되고 있으며 향후 그 전망이 매우 밝다고 할 수 있다.
저자약력 조 영 상
![[하이라이트] 미세유체를 이용한 기능성 콜로이드 입자 제조 및 이의 응용](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)