초임계유체를 Antisolvent로 이용한 나노입자 제조

이윤우

한국과학기술연구원, 국가지정 초임계유체공정연구실

Preparation of nano-particles with supercritical fluid as an antisolvent

Youn-Woo Lee

National Research Lab for Supercritical Fluid, KIST

서 론

초임계이산화탄소를 이용한 미세입자 제조방법으로는 RESS(Rapid Expansion of Supercritical Solutions), SAS(Supercritical Anti Solvent), 그리고 PGSS(Particles from Gas Saturated Solutions)법이 있다.  이 중에서도 SAS(Supercritical Anti Solvent)법은 분쇄하거나 재결정하기 어려운 고체상의 대상물질(폭약, 의약제, 단백질, 고분자)을 적절한 용매에 녹인 후 이를 antisolvent인 초임계유체에 분사함으로서 용매의 용해력을 급격히 저하시켜 용액중의 용질을 석출시키는 원리를 이용한 재결정법 공정이다(그림 1). 일반적으로 초임계이산화탄소는 비휘발성, 무독성, 그리고 저렴한 가격 뿐만 아니라 낮은 임계 온도를 가지고 있기 때문에 의약품 등의 미세입자를 제조하는 공정에 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 기존의 liquid solvent emulsion precipitation 법으로 제조하여 얻어진 방법에 비하여 잔존 용매가 거의 없고 평균 입자크기가 매우 작고 입자크기분포가 좁아서 좀 더 많은 응용이 기대되고 있다.

한편 초임계수를 antisolvent로 이용하여 금속산화물의 나노입자를 제조하는 기술이 최근에 소개되고 있다. 이 경우에는 antisolvent에서 반응과 동시에 침전이 일어나는 것이 다르다. 즉 액상의 물에 반응물이 녹아 반응기 내로 도입되고 반응중간 생성물이 초임계수에 녹지 않고 석출되거나 계속 반응하여 최종 금속산화물로 되고 이것이 antisolvent인 초임계수에서 석출되어 결정화가 이루어진다. 초임계수는 낮은 이온해리 상수뿐만 아니라 낮은 유전상수를 가지고 있어 초임계상태에서 유기용매나 기체에 대해 높은 혼합성을 보이는 비극성 용매처럼 거동하는 반면, 낮은 이온해리상수 때문에 무기용매에 대해서는 낮은 용해력을 나타낸다. 초임계유체를 이용하여 결정성장을 하는 경우에는 액체 상에서보다 초임계유체 상에서의 낮은 점도, 높은 확산성 때문에 solid-fluid interface에서 용질이 효율적으로 전달되어 빠른 결정성장속도와 더불어 양질의 micro-structure 또는 single crystal 제조를 가능케 한다 (그림 2). 용질의 높은 확산성은 핵생성속도를 빠르게 하고 이는 입자의 크기를 작게 하는 원동력이 된다. 따라서 초임계 anti-solvent법은 기존의 기계적 분쇄법 (crushing, grinding, ball milling, solid state method 등)과 sol-gel법 등이 가지고 있는 유기용매의 사용에 따른 환경 오염 문제 등의 결점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라 입자크기분포를 제어할 수 있으며 crystallinity, purity, morphology 등이 우수한 미세입자를 제조할 수 있다고 생각된다.  본 논문에서는 여러 종류의 나노입자를 제조하는 데 있어서 환경친화적인 용매인 초임계유체들을 antisolvent로 이용하는 기술과 이의 전망에 대하여 소개하고자한다.

그림  Supercritical Anti Solvent Process

그림 . 결정이 성장하는 동안 고체-초임계유체 계면과 고체-액체 계면에서의 impurity (●)의 확산과 그의 농도분포, C*

실험

그림 3에 나타낸 초임계 SAS법을 이용한 미세입자의 재결정화에 이용한 실험장치는 자체적으로 설계 제작되었으며, 장치 도면 및 실험 과정은 이미 언급한 문헌과 동일하다 [1, 2, 3]. 생분해성 고분자는 m.w. 85,000-160,000의 poly (L-lactic acid) (L-PLA)이며, 단백질은 lysozyme (chicken egg white, 3x crystallized, dialyzed and lyophilized)과 bovine serum albumin (BSA) (fraction V, minimum 98% (electrophoresis))로서 모두 SIGMA에서 구입하였다. 용매로서는 methylene chloride (analytical regent, Mallinckrodt), dimethylsulfoxide (DMSO) (A.C.S reagent, 99.9%, Aldrich), methanol (HPLC solvent, J. T. Baker)와 초순수 증류수 (HPLC reagent, J. T. Baker)를 사용하였다. 이산화탄소는 99.0%의 순도를 사용하였다. 생성된 나노 입자는 line filter에서 포집되어 SEM, TEM, 입도 분석 등 특성 분석을 하게 된다.

그림  Continuous type Supercritical Antisolvent Precipitation System

결과 및 토론

초임계 水를 antisolvent로 이용한 미세입자 제조

초임계 연속 수열합성법을 통해서 고밀도 자성기록매체인 Barium Hexaferrite(BaFe12O19)와 NixZn1-xFe2O3, 향균재료, gas sensors, varistors, transducers에 사용되는 Zinc Oxide(ZnO), CMP(Chemical Mechanical Polishing)재료로 사용되는 Cerium Oxide(CeO2), 전자재료와 광촉매재료인 Titanium Oxide(TiO2), 그리고 리튬이온전지의 양극재료인 Lithium Cobalt oxide(LiCoO2), Lithium Manganese oxide(LiMn2O4) 등과 같은 금속산화물을 제조하였다.

(a) BaO□Fe2O3	(b) ZnO	(c) CeO2	(d) TiO2
(e) LiCoO2	(f) LiMn2O4	(g) CuO	(h) Co3O4
(i) NixZn1-xFe2O3	(j) □-P(lactic acid)	(k) lysozyme	(l) bovine serum albumin
그림 4. 초임계유체를 이용하여 제조한 나노입자의 SEM사진

Fig. 4-a는 380℃, 300bar에서 제조된 바륨헥사페라이트 미세입자에 대한 SEM사진이다. Ba(NO3)2와 Fe(NO3)3을 용매인 물에 녹이고 mineralizer로서 KOH 수용액을 사용하였으며 이들을 antisolvent인 초임계수에 분사시켰다. 온도, 압력, 체류시간, Fe/Ba 몰비, 알칼리 몰비를 최적화하여 single phase, homogeneous, single crystal을 가진 150-500nm크기의 바륨헥사페라이트 육각판상구조의 입자를 선택적으로 제조하였으며, solid state법에 의해 제조된 입자와 비교할 만한 자기적 특성(coercivity, saturated magnetization)을 가지고 있음을 확인하였다. Fig. 4-b, c, d는 400℃, 300bar에서 제조된 ZnO, CeO2, TiO2 미세입자에 대한 SEM사진들이다. 각각의 Zn(NO3)2·6H2O 수용액, Ce(NO3)3·6H2O 수용액, TiCl4 수용액을 원료로 사용하였으며 20초의 짧은 체류시간에도 불구하고 매우 작은 입자크기를 가진 균일한 단일상, 단일결정질의 미세입자가 생성되었다. 특히 CeO2는 약 40-60nm 크기의 octahedral모양의 crystal face가 잘 발달된 결정성이 매우 우수하고 순수한 나노입자가 생성되었다. Fig. 4(e)는 400℃, 300bar에서 제조된 LiCoO2 미세입자에 대한 SEM사진이다. Co(NO3)2와 LiOH을 원료를 사용하였으며 H2O2를 Co+2를 Co+3으로 산화시키는 산화제로 사용하였다. 최적조건에서 제조된 LiCoO2 입자의 크기는 50-100nm로서 LiCO3 CoCO3, Co3O4 등이 포함되지 않았으며 solid state법에서 제조된 것보다 높은 결정성을 지닌 입자를 제조하였다. 특히 본 연구의 다. LiMn2O4(그림 4-f)를 제조하는 경우에는 원료로서 Mn(NO3)3를 사용하였으며 octahedral모양의 crystal face가 잘 발달되고 결정입자의 크기가 100-200nm이었다. 이 밖에 CuO(그림 4-g), Co3O4(그림 4-i) 등 입자를 제조하였으며, 특히 NixZn1-xFe2O3와 같은 triple-oxide를 그 조성을 변화시켜가면서 single phase로 제조하는 데에도 성공하였다.

초임계이산화탄소를 antisolvent로 이용한 미세입자 제조

Fig. 1(j)는 35℃, 77.5bar에서 재결정화된 평균입경이 약 0.1□크기를 가진 구형 L-PLA 미세입자의 SEM사진이다. lysozyme 단백질에서는 원시료의 판형의 입자 크기가 50-100□ 정도의 원시료를 1□이내의 응집 현상이 없는 매우 미세한 입자로 제조하였다. 재결경화된 BSA 미세입자들은 0.06-0.1□ 크기의 매우 작은 입자크기와 좁은 입자크기분포를 가지고 생성되었다.

결 론

초임계유체를 이용하여 여러 가지 금속산화물과 고분자, 단백질 등의 나노 입자를 제조하였으며 온도, 압력, 초기농도 등을 조절함으로서 생성된 입자크기 및 그의 분포를 쉽게 제어할 수 있음을 확인하였다. 특히 초임계수를 이용한 수열합성으로 금속산화물의 미세입자를 제조할 경우 조성을 제어하면서 최초로 triple-oxide의 나노크기의 미세입자를 제조하여 이 분야의 많은 가능성을 열어놓았다. 초임계이산화탄소를 이용한 SAS법에서는 잔존용매가 거의 존재하지 않는 미세입자를 제조하여 의약품의 미세화공정, DDS분야에 많은 응용이 기대된다.

감 사

본 연구는 과기부의 초임계유체에 대한 국가지정연구실사업과 산자부에서 지원한 '99 청정생산기술사업의 연구비로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

참고 문헌

[1] 송규호, 임종성, 이윤용, 이창하, 이윤우, 화학공학의 이론과 응용, 6(2), 3245-3248 (2000)

[2] 구성모, 송규호, 이창하, 임종성, 김재덕, 이윤우, 화학공학의 이론과 응용,  6(2), 3245-3248 (2000)

[3] 송규호, 임종성, 김재덕, 이윤용, 이윤우, 화학공학의 이론과 응용, 6(2), 4749-4752 (2000)