- 나노과학기술 분야 세계적 학술지 “Nano Today”에 연구결과 발표
고려대학교(총장 정진택) 신소재공학부 김영근 교수 연구팀은 100~200nm 크기의 나노 기공 내에 존재하는 금속 이온들이 외부 전기장 세기에 따라 다른 반응 경로는 가지는 것을 세계 최초로 규명했다.
※ 나노 : 10억분의1을 뜻하는 단위로, 1 나노미터(nm)는 머리카락 굵기의 약 8만분의1 수준이다.
연구진은 산성 분위기에 있는 금속 이온들에게 환원극으로의 전기장이 인가(유도) 될지라도 전극 표면에서 바로 반응하는 것이 아니라, 부도체 표면을 따라 흐르는 전류 흐름에 맞춰서 환원이 될 수 있음을 발견했다. 이러한 환원 반응을 잘 제어할 수만 있다면, 가장 단순한 실린더형 나노와이어에서 가운데 부분이 뚫려있는 나노튜브형태, 심지어는 스프링과 같은 나노코일 형태 등 나노소재의 복잡성을 증가시키는 방향으로의 합성이 가능하다는 것을 이론, 실험적으로 확인하는데 성공했다. 이번 성과는 나노과학기술 분야에서의 세계적인 학술지인 ‘나노투데이’ (Nano Today, IF : 20.722)에 11월 26일 온라인 게재됐다.
※ 논문명 : Engineering the shape of one-dimensional metallic nanostructures via nanopore electrochemistry
※ 저자 : 전유상 박사(제1저자, 고려대 공학연구원), 김영근 교수(교신저자/고려대 공과대학 신소재공학부)
코일형태의 꼬인 구조는 그 특별한 형상에 기반하여 기존과는 다른 전기적, 자기적, 기계적 특성이 발현이 될 수 있어 이미 다양한 응용분야에서의 기술적 한계를 돌파할 수 있을 만한 소재로 큰 관심을 받고 있다. 실제로 김영근 교수팀은 코발트-철 합금 소재 기반의 자성 나노코일을 제어하여 물리적 특성을 분석한 후 줄기세포나 대식세포와 같은 재생성세포의 면역조절 분야에 적용한 연구결과를 발표한 바 있다.
한편, 이러한 1차원 나노구조체를 제조하는 방법 중에는 양극산화알루미늄(anodized aluminum oxide, AAO) 템플릿 내부에 전기도금법을 활용하는 것이 경제적, 환경적, 실험 편의성 관점에서 큰 장점을 가지고 있어, 최근 많은 연구자들에게 활용이 되고 있었다. 그러나 전통적인 템플릿 기반 전기도금법의 경우 반드시 그 템플릿의 형상을 따라야만 하는 것이 일반적이며 연구 확장의 큰 한계로 인식되어왔고, 따라서 나선형 나노구조체가 어떠한 메커니즘으로 형성되는지에 대해서는 많은 논란이 있어왔다.
첫 번째로 연구진이 주목한 부분은 전구체 용액에 사용된 첨가제의 역할이었다. 첨가제 중 하나인 바나딜이온(VO2+)은 산성 용액 내에서 약한 양전하를 띄고 있는 부도체인 산화알루미늄 표면을 매우 강하게 양전하로 충전(charging) 시킬 수 있었다. 따라서 부도체 표면은 전극을 통해 공급된 전자들에게 있어서 전극의 표면 뿐 아니라 새롭게 흐를 수 있는 추가적인 통로로 사용될 수 있었다.
두 번째로 환원제로 사용되는 아스코르브산(Ascorbic acid)이 적당량 첨가되게 되면, 아스코르브산은 전구체 금속이온보다는 바나딜 이온과 우선적으로 반응했다. 이러한 환원반응은 산화알루미늄 표면의 전하를 부분적으로 가리는(screening) 것으로 드러났다. 이 결과는 전구체 용액 내의 금속이온의 환원을 적절히 방해함으로써 일차입자(primary particle)들의 성장에 관여했다.
※ 일차입자 : 나노소재의 최종 형태를 이루기 전의 기본 구성 요소(building block). 본 연구결과에서는 구형의 입자형태로 존재하고 있어 일차입자라는 표현으로 사용되었다.
또한 반응과정에서 바나딜아스콜베이트(Vanadyl ascorbate)라는 부산물을 형성시키는 것이 발견됐다. 바나딜아스콜베이트는 합성된 일차입자들을 그 형상에 따라서 나선형 구조로 연결시켜주는 역할을 했다. 이 때 외부 전기장의 세기를 조절하여 연결 강도 조절이 가능하다는 것이 확인됐다. 결과적으로 연구진은 코발트, 철, 니켈, 구리 및 그 합금 등의 금속이온들을 같은 방법으로 나노코일의 형태로 합성하는데 성공하여 다양한 금속에 동일하게 적용될 수 있음을 증명했다.
연구책임자 김영근 고려대 교수는 “전기도금법은 수용액 기반의 전구체 용액을 사용하여 매우 경제적, 친환경적이면서도 합성 편의성이 높다는 큰 장점을 가지고도 실험 방법적 한계로 인해 단순한 나노구조체 제조에 머물러 있던 기술이었다. 하지만 본 연구 결과는 기존의 고정관념을 깨뜨려 결정화 메커니즘을 새롭게 제시하여 나노구조체의 미세구조 및 형상을 모두 제어할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 최근 나노코일과 같은 복잡한 나노구조의 수요가 다양한 분야에서 요구되고 있는 상황 속에서, 단순 합성 조건 조절만으로 매우 손쉽게 대량 생산이 가능해진 만큼 동 분야 뿐 아니라 다양한 학제 간 연구의 새 지평을 열 수 있을 것이라 기대된다.”며 연구의 의의를 설명했다.
이번 연구 성과는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원사업의 지원으로 수행됐다.
