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공학 문제해결/재료*제작

【화학공학】나노 소재 (Nano Materials)

[각주:1]


기술의 5분류(NT, BT, IT, ET, CT) 중 화학공학과 가장 밀접한 관련이 있는 NT에 대해 알아보도록 하겠습니다.




먼저 나노란, 난쟁이를 뜻하는 nanos에서 유래된 단어로, E-9를 의미하며 1 나노미터 = 1 E-9 미터를 의미합니다.


1 옹스트롱은 수소 분자의 핵간 거리를 의미하며, 10 옹스트롱 = 1 나노미터 입니다.



나노 기술(Nano Technology)은 원자 수준에서의 기술을 의미하며 크게


  1. 나노 측정기술
  2. 나노 조작기술
로 나눌 수 있습니다. 중요한 것은 나노 기술은 0.1 nm ~ 100 nm 를 의미합니다. 0.5 μm나노 기술이 아닙니다.



왜냐하면, 100 nm 이하부터 원자 수준의 양자의 특징이 나타나기 때문입니다.



덩어리 상태에서 반응성이 거의 없는 금조차도 nano size로 가면 반응성이 생깁니다. 이는 양자의 특징이 나타나기 때문이고, 육안으로 관찰되는 크기의 물질들에서는 찾을 수 없는 성질이 발생하기 때문입니다. 그 특징이 나타나는 크기가 바로 100 nm 이하입니다.


나노 사이즈의 관찰은 SEM, TEM, STM으로 합니다. 처음은 STM(Scanning Tunneling Microscopy, 분해능 0.1 nm)으로 관찰에 성공하고, 재료에 따라 SEM, TEM으로 나노 사이즈를 간접적으로 측정할 수 있습니다.


원자는 너무 작기 때문에 가시광선의 파장보다도 작습니다. 따라서 직접적으로 볼 수 없고, 기어비를 아무리 높인다고 하더라도 정밀한 이동이 불가능합니다.


따라서 위의 현미경에는 PZT(piezo) 란 물질을 사용합니다.


PZT는 단순히 부피의 변화가 전압을 일으키거나 그 반대의 행위를 하는 물질로서 미세한 움직임을 주기 위하여 전기적인 변화를 가해 부피의 변화를 유도해서 조절하는 방법입니다.


나노 소재는 다음과 같습니다.


  • 나노 기공 소재 : 활성탄, 제올라이트, 에어로젤
  • 나노 입자 소재 : 나노 촉매, 은나노 입자, 나노 화장품
  • 나노 와이어 : CNT(Carbon nano tube), 반도체 나노 회로


활성탄 : 여러가지 석탄, 코크스, 톱밥, 야자껍질 등을 원료로 제조한 물질입니다.

내부에 미세 기공이 많이 존재하고, 표면적이 300-2000 m^2/g 으로 매우 넓습니다. 



[각주:2]



미세 기공은 직경에 따라 나눌 수 있습니다.

  • macropores : d > 50nm 
  • mesopores : 2nm < d < 50nm 
  • micropores : d < 2nm


활성탄은 미세 기공의 크기가 1~3 nm 이며, 악취의 제거나 VOC(Volatile Organic Compound) 제거에 사용됩니다.ㅣ



제올라이트 (Zeolite) : 결정질 알루미늄 규산염광물이며 미세 기공이 정말 많은 물질 중 하나입니다.




[각주:3]

[각주:4]

골격 구조에 따라 pore size가 모두 다르며, b는 0.38, c 는 0.74 nm입니다.




에어로젤 (Aerogel) 솔-젤법을 이용해 제작한 초다공성 나노소재입니다.



[각주:5]



단열 효과가 매우 뛰어납니다. 솔-젤법이란 Solution을 Gel 형태로 만든 뒤 모세관 압력을 받지 않고 넘기기 위해 초임계 상태에서 Solvent의 추출(Extraction)을 통해 만들어집니다. 




나노 촉매(Nano Catalyst)는 나노 기공 담체 + 나노 금속 입자로 이루어져 있습니다.


은나노는 항균 작용을 하며 은 나노 입자를 다양한 분야에 사용해서 살균 효과를 목적으로 한 경우가 많습니다.



나노 화장품은 요새 잘 사용되지 않고 있는데, 미세한 나노 입자가 피푸 기공을 막아서 염증이 생길 가능성이 존재하기 때문입니다.




CNT(Carbon nano tube)란 탄소 동소체(Allotrope) 중 하나입니다. 


가장 처음 발견한 것이 풀러렌(Fullerene, C60) 이며, 전기방전법을 통해 CNT를 발견해서 Nature 지에 1991년 처음 발표되었습니다.




CNT는 다양한 형태가 존재합니다.




전기방전법 이외에도 CVD(Chemical Vapor Deposition), Laser Deposition, Plasma Enhanced CVD 등으로 CNT를 제작할 수 있습니다.



CNT의 특징과 사용은 다음과 같습니다.


•전기전도도가 구리와 비슷

•열전도율은 자연계에서 가장 높은 다이아몬드와 비슷

•강도는 강의 100배

•반도체

•평면디스플레이

•이차전지

•연료전지

•수소저장

•초강력 섬유

•생체센서

•텔레비전 브라운관 등에 응용됨.



나노 기술을 이용한 공정은 대표적으로 반도체가 있습니다.

  1. https://kor.pngtree.com/freepng/nano-molecular-technology-icon_2878662.html [본문으로]
  2. https://kr.123rf.com/photo_36862269_%EB%AC%BC-%ED%95%84%ED%84%B0%EC%97%90-%EB%8C%80%ED%95%9C-%EC%84%B8%EB%B6%84%ED%99%94-%EB%90%9C-%ED%99%9C%EC%84%B1%ED%83%84.html [본문으로]
  3. http://hompi.sogang.ac.kr/zeolite/kres4.htm [본문으로]
  4. http://magazine.hellot.net/magz/article/articleDetail.do?flag=all&showType=showType1&articleId=ARTI_000000000038404&articleAllListSortType=sort_1&page=1&selectYearMonth=200606&subCtgId= [본문으로]
  5. http://www.ecofuturenetwork.co.kr/news/articleView.html?idxno=9866 [본문으로]