나노분말소재(TIO2)

나노분말소재

등록일자 2003-08-13

나노분말소재의 개요

나노기술이라 함은 나노미터(nm) 즉 10억분의 1m(10-9m)) 수준에서 물질 혹은 소자(시스템)를 다루는 기술을 총칭하는 것이라할 수 있는데 재료적인 관점에서 보면 수 개 내지 수 백개의 원자 혹은 분자 크기를 갖는 소재를 다루는 기술에 해당한다. 우리가 알고 있는 대로 물질의 성질을 결정하는 최소단위는 분자(경우에 따라서는 원자)이므로 나노소재기술은 현재의 과학상식으로는 마지막 소재기술이라 할 수 있다. 이러한 나노소재기술은 1~100nm크기 영역에 있는 구조체(나노구조체)를 합성하고, 합성된 나노구조체의 특성을 이해(측정,분석)하며, 나노구조체의 활용기술을 개발하는 일련의 기술을 말한다. 나노기술은 단순히 대상물의 크기 영역 때문에 부각된 기술은 아니며 1~200nm영역에 있는 대상물들은 그 이상의 크기를 갖는 물질들에서는 찾아볼 수 없었던 독특한 물성을 나타내는 경우가 많기 때문에 최근 21세기 중요기술 분야 중의 하나로 부각되고 있다. 나노소재는 나노기술의 바탕을 이루는 기반기술인 동시에 나노 구조체가 나타내는 특이한 현상들의 관점에서는 나노기술의 핵심이 된다고 할 수 있다.

나노분말소재기술의 중요성과 주요분야

나노분말이 중요한 이유는 여러가지 활용분야에서 micron 혹은 submicron분말이 갖지 못하는 특성을 갖기 때문이다. 나노분말의 이러한 특징은 분말의 크기가 작아짐에 따른 비표면적 증가효과(surface-area effect) 및 모세관 효과(capillarity effect)때문에 나타나는 것이 대부분이다. 나노분말이 많은 관심을 끌고 있는 또 다른 이유는 분말 그 자체의 이용 외에 다른 형태로 가공되어 사용될 수 있는 많은 가능성이 있기 때문이다. 예를 들면 여러가지 기능성 소결부품으로 제조(벌크형태)가 가능하고 광학코팅이나 열차폐 코팅으로 사용이 가능하며(박막 혹은 후막) 다른 소재의 기지에 분산시켜 복합재료의 형태로 사용이 가능하다.

나노분말기술의 주요분야로서는 분말합성기술, 분말평가기술, 분말응용기술로 나눌 수 있고 또한 그러한 기술분야별로 핵심기술 및 핵심기술의 구현에 필요한 기반기술로 나누어 살펴 볼 수 있다.
○ 분말합성기술
핵심기술 : 공정설계 및 장비제작, 공정제어(형상 및 물성 제어), 분말회수, 분말표면 개질 등
기반기술 : 화학공정기술, 화학반응제어, 유체역학, 분체공학 등
○ 분말평가기술
핵심기술 : 형상분석, 성분 및 표면분석, 상 및 결함분석 등
기반기술 : 데이터프로세싱, 표면화학 및 국소영역 미소분석, 구조분석 등
○ 분말응용기술
핵심기술 : 분산, 코팅, 성형, 소결 등
기반기술 : 콜로이드화학, 고분자공학, 표면화학, 정밀가공(금형), 유체역학, 탈지, 수축제어, 미세조직 제어 등

나노분말소재의 용도

나노분말소재는 그 종류가 다양하여 그 응용범위도 대단히 넓은 편이다. 이를 여러 응용사례들 중에서 분말의 이용하는 형태에 따라 종류를 구분하면 분말 자체로 활용하는 것, 다른 물질에 분산시킨 상태로 사용하는 것, 다른 물질(부품)의 표면에 코팅하여 사용하는 것, 성형 후 치밀화시켜 사용하는 것(소결체) 등으로 나눌 수 있다.

(1) 분말 자체로 활용하는 것

나노분말형태(powder type)로 사용하는 경우의 대표적인 에는 초정밀 연마 및 마모손상을 줄이고자 하는 용도로 사용하는 경우를 들 수 있다.
기존의 미크론 크기 연마제를 사용했을 경우와 비교하면 더욱 정밀한 연마효과를 낼 수 있고 특히 광학부품을 나노연마제(abrasive)로 연마(polishing)함으로써 표면산란을 현저히 줄일 수 있어서 광부품 표면의 가공에 쓰인다. 나노분말연마제의 가장 대표적인 적용 예는 SiO2, CeO2, MnO2, FeO3 등 매우 다양한 분말들을 단독 혹은 복합으로 다양한 목적을 위해 사용하는 최근 반도체 제조공정의 가장 핵심공정으로 자리잡은 CMP(화학기계적 평탄화 : Chemical Mechanical Planarization) 공정이다.
한편 자동차엔진오일에 금속나노분말을 첨가하면 실린더 내벽의 마모 손사이 현저히 줄어든다는 것이 알려져 있으며 첨가제 제품이 판매되고 있다. 엔진오일에 첨가되는 분말은 주로 구리(Cu) 혹은 구리-니켈(Cu-Ni)의 나노분말이다. 금속나노분말 이외에도 고체 윤활제로 많이 사용되어온 분말로는 흑연(C), 질화붕소(BN), 이황화몰리브데늄(MoS2)이 있으며 최근에는 이황화텅스텐(WS2)나노분말이 윤활제로 사용되고 있다.

(2) 촉매로 사용하는 경우

나노분말은 분말의 크기가 나노화되면 분말의 상대적 표면적이 늘어나므로 반응에 기여하는 면적이 증가하고 분말의 크기가 작아지면 큰 크기의 분말에서는 볼 수 없엇던 물성을 나타내는 경우가 많다. 이러한 성질을 이용하는 예로서는 금속의 경우 분말의 크기가 나노화되면 촉매능을 나타내는 경우가 많다. 나노크기의 니켈(Ni), 구리(Cu), 니켈-구리합급(Ni-Cu)분말은 에탄올 합성 등 많은 종류의 유기화합물을 합성하는 촉매로 사용되고 있다. 산화티타늄(TiO2) 나노분말은 유독가스인 이황화수소가스를 분해하는데 대단히 효과적임이 보고된 바 있고 나노분말의 이러한 촉매작용은 많은 환경문제를 해결하는 소재로 다양한 분야에서 활용되고 있다.

(3) 자기적 특성의 활용

또한 나노분말 중 자성재료의 경우 분말의 크기가 작아지면 자구(磁區:domain)의 크기보다 작아지게 되어(단자구:單磁區분말이 하나의 자석처럼 거동하게 되며 자기 기록용 소재 등으로 사용된다. 또한 대단히 작은 자성체의 나노분말에서는 자기에너지보다 열에너지의 크기가 더욱 커지는 초상자성 특성(superpara-magnetism)을 나타내게 되는 데 이를 이용한 것이 자성유체(magnetic fluid)로서 회전부의 밀폐재료로 많이 사용된다.

(4) 다른 물질(부품)의 표면에 코팅하여 사용하는 경우

나노구조를 갖는 재료는 나노구조 내에 있는 입계가 열전달을 방해하는 역할을 하기 때문에 미크론 혹은 서브미크론 구조를 갖는 재료보다 열전도율이 낮으며 또한 나노분말은 충진된 상태로 단열기능을 가질 수도 있다. 한편 나노분말을 분말 형태에 가깝게 코팅하면 내부에 많은 양의 계면이 존재하는 코팅이 얻어진다. 나노구조를 갖는 코팅층은 열전도율이 낮기 때문에 열차단 기능의 목적에 사용이 검토되고 있다.

(5) 광학적 활용의 경우

산화티타늄(TiO2)분말은 보통 루틸상(rutile phase)을 갖지만 나노분말이 되면 아나타제상(anatase phase)을 갖게 된다. 아나타제상인 TiO2 나노분말은 특정의 파장을 갖는 빛에 반응하여 산화-환원 반응을 일으키는 광촉매 특성을 갖는다. TiO2는 밴드갭(band gap)이 3.2 전자볼트(eV)인 반도체 산화물로서 380nm이하의 자외선 영역에서 가전자대(valence band)의 전자는 정공(hole)을 남기고 전도대(conduction band)로 여기된다.정공과 전자는 각각 TiO2 분말 표면으로 이동하여 주위의 물질을 이온화(산화 및 환원)시킨다. TiO2의 이러한 광촉매 특성은 유해 유기물의 광화학적 분해, 멸균(항균), 물의 분해(수소 생성), 자기정화(self cleaning), 탈취 등 다양한 환경소재로 활용된다.

(6) 분산, 소결 등의 형태로 활용하는 경우

현재 나노분말의 가장 일반적인 이용형태는 분산형태(dispersion type)이다. 고무나 플라스틱 중에 탄소(C), SiO2, TiO2 등의 나노분말을 분산시켜 강도나 투명도, 색깔을 변화시킨다. 진공을 위한 밀봉에 쓰이는 자성유체(magnetic fluid)는 얇은 SiO2분말로 코팅된 Fe2O3 나노분말의 분산체이다. 다음으로 많이 활용되는 분야는 화장품 분야인데 화장품으로 가장 많이 활용되는 소재는 자외선 차단에 쓰이는 TiO2(anatase phase) 분말이다.


시장동향

나노분말소재의 산업응용분야

가. 전자/광전자/자기응용
화학.기계 연마, 전도성 코팅, 자성유체 시일, 자기기록매체, 다층세라믹 커패시티, 광섬유, 형광체, 양자 광소자, 태양전지 등

나. 바이오메디컬/의약/화장품 응용
항균제바이오탐지 및 레이블링 생체자기분리, 의약품 전달, MRI 조영제, 정형외과, 태양광차단제 등

다. 에너지/촉매/구조체 응용
세라믹 박막, 연료전지, 광촉매, 분사제, 내마모 코팅, 구조세라믹, 용사코팅 등

나노분말소재의 세계시장현황을 살펴보면 2000년부터 나노분말재료의 세계시장은 492.5백만달러이었던 것으로 추산되고 있으며, 연평균 12.8%로 성장하여 2005년에는 900백만 달러에 이를 것으로 예측되고 있다. 응용분야별로는 전자/자기/광전자응용분야가 2005년까지 예상 시장 점유율 74.2%(2000년 67.6%)로 계속 가장 큰 수요를 발생할 것으로 전망하고 있다. 그 다음이 생의학/약학/화장품 응용 16.1%(2000년 19.7%), 에너지/촉매/구조체 응용 9.8%(2000년 12.7%)의 순이다.

나노기술 시장전망

미국의 `Nano Business Alliance의 전망(2001.12)`에 의하면 나노기술을 활용한 산업이 형성되고 나노제품이 생산되는 시점을 향후 10년 내지 20년 후가 될 것으로 전망하고 있다. 또한 나노기술은 반도체를 제외하고 NT-BT융합, 통신, 디스플레이, 데이터 저장장치, 에너지, 환경, 재료, 전자소자 등의 분야에서 2001년 460억달러, 2005년 2,250억달러, 2008년 7,000억달러, 2010년 1조달러, 2020년 20조달러 등 연평균 30% 이상 증대될 것으로 전망하고 있다. 일본 히타치 및 미국 NSF도 NT시장규모를 2010년경 1조 달러로 전망하고 있다. 현재 나노소재산업은 그동안의 연구개발의 결과가 본격 출현되고 있으며, 세계적으로 100여개 이상의 기업이 나노구조재료의 개발과 생산에 관계하고 있다 .이들 나노분말 제조회사들은 기술적 유연성의 증대와 함께 분말제조 중심에서 응용개발로 상업적 전략을 바꾸고 있는 추세이다.

<출처 : 한국기술거래소 2003산업기술시장정보 - 기계/소재 : 나노분말소재>