NT가 ET를

이종협

서울대학교 응용화학부

Install Nanotechnology to clean the world and upgrade the future

Jongheop Yi

School of Chemical Engineering, Seoul National University

Seoul 151-742, Korea

서론

21세기는 정보화사회라고 일컬어질 만큼 정보의 빠른 전달이 중요시되고 있다. 그러나 기존의 방법에 의해서는 빠른 정보전달을 위한 매체의 고집적화에 한계를 느끼게 되었으며, 이를 위해서는 새로운 소재개발이 필요하게 되었다. 동시에 나노크기의 분자들이 분자단위로 배열될 경우 Bulky한 상태로 있을 때와는 전혀 다른 광학적, 전기적, 물리적 특성을 지닌다는 것이 알려지면서 그 핵심소재로 미세 크기의 나노재료에 대한 연구가 집중적으로 진행되게 되었다.

미국 NSF(National Science Foundation)의 M.C. Roco에 따르면, 미국은 나노테크놀러지 분야에 2000년에는 2억7천만 달러, 2001년에는 4억2천2백만 달러를 사용하였으며, 2002년에도 5억천8백9십만 달러의 예산을 편성해놓았다고 밝혔다 [1]. 국외에서 뿐만아니라 국내에서도 나노기술에 대한 엄청난 투자를 하고 있다. 한국과학기술기획평가원(KISTEP)에 의하면 21세기를 주도할 핵심전략기술로 생명공학기술(BT), 나노기술(NT) 등을 선정하였다고 발표하였고, 전체적인 기술개발의 전략은 연구경쟁체제로 운영을 하되 □선택과 집중□의 원리에 의한 기술 개발 및 육성을 목표로 하고 있음을 밝혔다. 정부의 목표는 2010년의 1조불에 해당할 것으로 예상되는 나노기술 시장을 선점하기 위한 핵심기술 개발에 있다. 정부는 미래기술의 핵심인 나노기술의 연구개발과 인력양성, 시설구축 등을 위해 10년간 모두 1조4천850억원을 투입하고 실무기구로 국가과학기술위원회 산하에 나노기술전문위원회를 신설, 운영키로 했다. 나노기술 개발계획과 관련하여 전략적 필요성이 큰 전자소자와 장비, 바이오 등 5개 분야와 경쟁력 확보가 시급한 촉매용 소재와 오염제거 기술 등 10개 분야를 집중 지원하고 10년동안 1만2천600명의 전문인력을 양성하기로 했다.

환경적인 측면에서의 나노기술은 다양한 오염원에서 배출되는 오염물질들에 대한 제어와 이해(understanding)를 통한 환경문제의 발생과 제거에 응용될 수 있다. 제조공정에서의 불필요한 부생성물의 제거, 유해성 중금속 물질의 제거를 위한 흡착제, 각종 VOC 제거를 위한 흡수제의 개발 등과 연료전지와 같은 에너지 전환형의 기술 개발에 친환경적인 나노기술을 이용할 수 있다 [2, 3].

본 presentation에서는 환경공학기술에 응용될 수 있는 Nanotech에 대하여 소개하고자 한다.

환경과 나노기술

기존의 많은 환경기술들이 부분적이나마 나노기술을 이용하여왔다. 촉매를 이용한 에너지 효율증대나 부생산물의 감축 등은 나노기술이 이용되었던 가장 기본이 되는 일례라 할 수 있다. 균질 혹은 불균질 촉매의 제조에 있어서 촉매의 표면 특성 및 기공특성, 기능기 부착 등과 같은 나노 스케일의 기술이 적용되어 왔으며, 기존 공정의 상업적이며 친화경적 공정으로의 개선효과를 거둔바 있다. 본 연구실에서는 TCEa의 Ni 촉매를 이용한 탈염소화 반응에서 황에 의한 피독현상을 Ni/Cu 메조포러스 실리카를 이용하여 획기적으로 감소시킬 수 있었다 [4].

Fig.1. Mesoporous catalyst used for the dechlorination of TCEa [4].

에너지 기술 측면에서는 산화바나듐 에어로젤이나 제로젤을 이용한 리튬 전지의 개발로 전지의 수명과 용량을 개선하였다.

액상 중금속 이온 제거에서도 나노기술이 이용되고 있다. 흡착에 의한 중금속 이온 제거의 경우, 기존의 활성탄이나 점토를 이용할 경우, 흡착제의 큰 표면적에도 불구하고 기공의 불균일성으로 인하여 기공내부의 병목현상이 쉽게 발생하여 흡착용량이 작았다. 그러나 메조포러스 실리카를 이용한 흡착제의 경우는 기공의 균일성이 개선되었으며, 기공내부의 기능기의 종류에 따라서 선택적인 중금속 흡착과 같은 특성도 갖게 되었다 [5-10].

Fig.2. Schematics of development of mesoporous adsorbents

having selective affinity for specific ions [10].

광촉매에 대한 관심도 최근 몇 년사이에 큰폭으로 증대되어 왔으며, 광촉매를 통한 VOC 제거의 기술이 많이 연구되고 있다. UV 조사를 통한 휘발성유해화학물질의 제거를 위한 연구에서 현재는 가시광선영역에서 활성을 보이는 광촉매의 개발에 관한 연구가 주로 진행되고 있다. 또한 물분해를 통한 연료전지의 에너지원으로 사용하는 에너지 활용 측면의 광촉매 이용 등에 관한 연구도 이루어지고 있다.

메조포러스 실리카의 환경기술 적용사례

기존 제올라이트 물질의 기공 크기가 1.5 nm 이하에서 한정되었던데 비하여 최근에는 2∼100 nm 정도를 보이는 메조포어 영역의 거대 분자체들이 개발되어 분자의 흡착·분리 및 촉매에 응용되고 있다. 또한 새로운 나노화학 물질이 담체나 나노크기의 화학반응기로도 각광을 받고 있다. 메조포러스 형태의 분자체는 1990년 일본 와세다 대학의 Kuroda 팀에 의하여 일본내 학회지에 개재하면서 공개되었으며, 메조포러스 분자체의 활성화는 미국 Mobil사의 MCM-41의 개발과 공개를 통화여 이루어 졌으며, 계면활성제를 구조유도체로 이용하는 미셀 주형 기작을 제시하였다. 현재까지 MCM-41을 비롯한, HMS, SBA, MSU, KIT-1, FSM 등 다양한 입체적 구조를 가지는 메조포러스 분자체 형태의 실리카 담체가 제조되었다 [11]. Fig.4는 본 실험실에서 제조된 메조포러스 분자체의 한 예이다.

Fig.3. TEM pictures of SBA-15 [4, 10].

메조포러스 실리카의 초기의 응용분야는 바로 액상에서의 선택적인 중금속 이온의 제거와 같은 환경분야였다. 기공내부에 아민, 티올, 아도젠, Lix 등의 기능성 리간드를 다양한 방법(grafting, imprinting, coating, co-condenation)에 의하여 부착한 다음 특정 중금속 이온에 대하여 선택적으로 흡착/회수 할 수 있는 흡착제의 개발에 응용하였다 [5, 12-14]. 유사한 방법으로 실리카 표면을 HOPO (hydroxypridonates)로 유도한 물질의 경우 고준위 방사능 폐기물을 저준위로 전환할 수 있는 물질을 제조하기도 하였다 [11]. Stein 그룹에서는 MCM-41의 표면을 비닐 계통의 물질로 변형시켜 염료와 같은 액상 유기물을 제거하였다 [15]. 이는 제조한 물질의 소수성 표면특성을 이용한 것으로 빠른 유기물의 제거 속도를 보였다. 이상과 같이 나노기술을 이용하여 메조포러스 실리카의 표면 및 기공 특성을 쉽게 조절하여 친화경적인 물질을 제조할 수 있다.

박막의 환경기술 적용사례

환경오염물질을 제거하는 재료 및 공정 개발 뿐만 아니라, 환경으로 배출되는 NO2, NH3, H2S, CO 등의 유해 기체와 중금속을 실시간으로 감지, 분석할 수 있는 재료에 대한 연구도 진행되고 있다. 분자단위의 인식을 위해서는 기존의 스핀코팅이나 CVD 방법과는 달리 분자단위로 막을 입힐 수 있는 방법이 요구된다. 현재 이 분야에서 가장 많이 사용되고 있는 방법으로는 랑뮤어블라젯방법(LB)과 자기조립법(SAM)이 있다. 이 두 방법에 의해 생성된 단분자막은 크기에 있어서 기존 방법에 의한 수 마이크론 단위에서 수 나노 단위로 현저히 축소되었을 뿐만 아니라 기능성이 우수한 분자물질만을 선택적으로 배열하여 센서의 민감도(selectivity)와 선택성과 전자 기기 혹은 반도체의 전기 전도성을 높이는 비약적인 발전을 가져왔다.

Fig.4. Procedures preparing layers where quantum dots are dispersed uniformly and AFM image [16].

21C 나노기술을 응용한 환경기술 전망

다공성 분자체막은 기공크기에 맞는 분자들만을 선택적으로 투과할 수 있기 때문에 기체의 분리/흡착에 응용할 수 있으며, 기존의 제올라이트 분자체 박막의 화학센서로의 응용이 꾸준히 시도되고 있다. 화학센서는 일종의 분자인식 기술로서 실내 공기오염도 측정, 환경오염 측정, 자동배기가스 제어 등과 같은 환경분야에 응용할 수 있다. 이러한 분자체막 형태의 센서는 동시에 많은 부분을 측정할 수 있으며 저렴하며 소형이어야 하는 요구조건을 지니고 있다. 이러한 요구조건으로는 메조포러스 물질의 선택성과 우수한 기공성을 이용하여 응용할 수 있을 것으로 기대된다 [17-20].

참고문헌

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