고려대, '1차원 나노 구조체' 메커니즘 연구…'나노 투데이' 게재

기존의 고정관념을 깨뜨려 결정화 메커니즘을 새롭게 제시

[서울=뉴시스] 바나딜 이온에 의한 전자의 흐름 유도에 따른 나노 튜브 합성 이미지, 바나딜아스콜베이트에 의한 일차 입자 형성 및 나노 코일로의 형상 변화(자료=고려대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]김광주 인턴 기자 = 고려대학교(총장 정진택)는 신소재공학부 김영근 교수 연구팀이 "100~200nm 크기의 나노 기공 내에 존재하는 금속 이온들이 외부 전기장 세기에 따라 다른 반응 경로를 가지는 것을 세계 최초로 규명했다"고 29일 밝혔다.

나노(Nano)는 10억 분의 1을 뜻하는 단위로, 1 나노미터는 머리카락 굵기의 약 8만 분의 1 수준이다. '나노' 수준의 금속 소재를 가운데 부분이 뚫려있는 '나노 튜브' 형태나 스프링과 같은 '나노 코일' 형태로 복잡하게 만들 수만 있다면 다양한 분야에 활용할 수 있다.

특히 코일 형태의 꼬인 나노 구조를 의미하는 '1차원 나노 구조체'는 다양한 응용 분야에서 기존의 기술적 한계를 극복할 수 있는 소재로 큰 관심을 받고 있다.

하지만 이를 제조하기 위해 그간 '템플릿 기반 전기 도금법'이라는 방식을 이용했는데, 이 방식은 반드시 그 템플릿의 형상을 따라야만 하는 것이 일반적이었다. 연구의 확장이 어려울뿐더러, 나선형 나노 구조체가 어떠한 원리로 형성되는지에 대해 많은 논란이 있어왔다.

이에 김영근 교수 연구팀은 '전구체 용액에 사용된 첨가제의 역할'을 주목했다. 첨가제 중 하나인 바나딜이온은 산성 용액 내에서 약한 양전하를 띄는 부도체, '산화알루미늄' 표면을 양전하로 충전한다는 것을 발견했다. 부도체 표면은 전극을 통해 공급된 전자들에게 있어서 전극의 표면 뿐 아니라 새롭게 흐를 수 있는 추가적인 통로로 사용될 수 있다는 것이다.

또 환원제로 사용되는 아스코르브산이 적당량 첨가되면, 아스코르브산은 전구체 금속이온보다는 바나딜 이온과 우선적으로 반응한다는 것을 발견했다. 이러한 환원 반응은 산화알루미늄 표면의 전하를 부분적으로 가리는 것으로 드러났다. 이는 나노 소재의 최종 형태를 이루기 전의 기본 구성 요소(일차 입자)들의 성장에 관여한 것으로 밝혀졌다. 전구체 용액 내의 금속 이온의 환원을 적절히 방해했기 때문이다.

반응 과정에서는 '바나딜아스콜베이트'라는 부산물을 형성시키는 것이 발견됐다. 바나딜아스콜베이트는 합성된 일차 입자들을 그 형상에 따라서 나선형 구조로 연결시켜주는 역할을 했다. 이때 외부 전기장의 세기를 조절하면 연결 강도를 조절할 수 있다는 것이 확인됐다.

결과적으로 연구진은 코발트, 철, 니켈, 구리 및 그 합금 등의 금속 이온들을 같은 방법으로 나노 코일의 형태로 합성하는데 성공했다. 같은 원리를 다양한 금속에 적용할 수 있음을 증명한 것이다.

김영근 교수는 "본 연구 결과는 기존의 고정관념을 깨뜨려 결정화 메커니즘을 새롭게 제시하여 나노 구조체의 미세 구조 및 형상을 모두 제어할 수 있다는 것을 밝혀냈다"며 "다양한 학제 간 연구의 새 지평을 열 수 있을 것이라 기대된다"고 말했다.                 

한편, 과학기술정보통신부 중견 연구자 지원 사업으로 수행된 이번 연구의 결과는 나노 과학 기술 분야 세계적인 학술지 '나노 투데이'에 지난 26일 게재됐다.


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