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나노재료

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목차

1. 개요

나노재료는 나노 크기의 외부 치수나 내부 구조를 갖는 물질로, 1~100 나노미터 크기 범위를 갖는다. 자연적, 인공적, 부수적으로 생성되며, 나노입자, 나노섬유, 나노판, 나노복합재료, 나노다공성 물질 등 다양한 종류가 있다. 합성 방법은 상향식과 하향식으로 나뉘며, 양자 효과, 광학적 특성, 기계적 특성, 표면 효과 등 독특한 특성을 보인다. 의료, 환경, 산업 등 광범위한 분야에 응용되며, 페인트, 필터, 윤활제, 자외선 차단제, 촉매, 화장품 등에 사용된다. 나노재료 사용에 따른 안전성 및 윤리적 문제에 대한 연구가 진행 중이며, 건강 및 안전 영향과 노출 수준에 대한 지침이 마련되고 있다.

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2. 정의

국제표준화기구(ISO)의 ISO/TS 80004에서는 나노물질을 "대략 1 nm에서 100 nm 사이의 크기를 가진 외부 치수나 내부 구조 또는 표면 구조를 갖는 물질"로 정의한다.[105] 여기에는 나노 물체와 나노구조 물질이 모두 포함된다.[105]

유럽연합 집행위원회는 2011년 10월 18일에 나노물질을 "1 nm ~ 100 nm 크기 범위에서 하나 이상의 외부 치수를 갖는 입자가 50% 이상 (특정 경우 1% ~ 50%) 포함된 천연, 부수적 또는 제조된 물질"로 정의했다.[106]

이산화 티타늄이나 산화 아연과 같이 반도체 특성을 가진 일부 물질은 입자 크기가 작아지면 덩어리 상태와는 다른 기능이 발현되기도 한다. 이러한 소재를 콜로이드 상태로 분산시켜 기능을 이용한다.

2. 1. ISO/TS 80004

ISO/TS 80004에서 '''나노재료'''는 "나노 규모의 외부 치수를 갖거나 나노 규모의 내부 구조 또는 표면 구조를 갖는 물질"로 정의되며, '''나노 규모'''는 "약 1 nm에서 100 nm까지의 길이 범위"로 정의된다.[105][7] 여기에는 개별적인 재료 조각인 '''나노 객체'''와 나노 규모의 내부 또는 표면 구조를 가진 '''나노 구조 재료'''가 모두 포함되며, 나노재료는 이 두 범주 모두에 속할 수 있다.[105][7]

2. 2. 유럽연합 집행위원회

2011년 10월 18일, 유럽연합 집행위원회는 나노물질에 대해 다음과 같이 정의했다.[106]

"결합되지 않은 상태, 응집체 또는 응집체의 입자를 함유하고 수 크기 분포에서 입자의 50% 이상이 하나 이상의 외부 치수가 1 nm ~ 100 nm 크기 범위에 있는 천연, 부수적 또는 제조된 물질이다. 특정한 경우와 환경, 건강, 안전 또는 경쟁력에 대한 우려가 있는 경우 50%의 수 규모 분포 임계값은 1%에서 50% 사이의 임계값으로 대체될 수 있다."

3. 종류

나노물질은 그 기원, 형태, 구성 등에 따라 다양하게 분류할 수 있다.


  • 생성 기원에 따른 분류: 나노재료는 생성 기원에 따라 자연적 나노물질, 인공 나노물질, 부수적 나노물질로 분류할 수 있다.
  • '''자연적 나노물질''': 유공충, 바이러스, 게코 발바닥, 나비 날개, 뼈 등 생물학적 시스템에 존재하거나, 점토, 오팔 등 지각의 결정 성장으로 생성된다.
  • '''인공 나노물질''': 카본 블랙, 이산화 티타늄 나노입자 등 인간이 의도적으로 설계하고 제조한 것이다.
  • '''부수적 나노물질''': 초미세 입자 형태의 대기 오염을 유발하는 차량 엔진 배기가스, 제련 및 용접 흄, 가정용 연료 연소 과정 등에서 의도치 않게 부산물로 생성된다.
  • 형태에 따른 분류:
  • '''나노입자''': 세 개의 모든 외부 치수가 나노 스케일인 입자이다.
  • '''나노섬유''': 외부 치수 두 개가 나노 스케일인 물질로, 나노튜브(속이 빈 형태)와 나노막대(속이 찬 형태)가 있다.
  • '''나노판/나노시트''': 외부 치수 하나가 나노 스케일인 물질이며, 그래핀 등이 해당한다. 두 개의 큰 치수가 현저하게 다르면 나노리본이라고 한다.
  • 구성에 따른 분류:
  • '''탄소 기반 나노물질''': 풀러렌, 탄소 나노튜브, 그래핀 등 탄소가 주성분이다.
  • '''금속 기반 나노물질''': 이산화 티타늄, 산화 아연 등 금속 산화물 나노물질이다.
  • '''나노복합재료''': 나노복합재료, 나노결정 재료, 나노구조 필름, 나노텍스처 표면 등을 포함한다.
  • '''나노다공성 물질''': 실리카, 카본 블랙 등 나노다공성 물질이다.

3. 1. 생성 기원에 따른 분류

나노재료는 생성 기원에 따라 자연적 나노물질, 인공 나노물질, 부수적 나노물질로 분류할 수 있다.

나노다공성 물질은 기공 크기가 2nm 미만인 미세 기공성 물질과 2nm~50nm인 중간 기공성 물질을 포함한다. 이러한 물질은 분리 막 등 다양한 응용 분야에 활용될 수 있다. 하지만 나노다공성 물질은 물질 자체가 아닌 공극만 나노 크기이기 때문에 나노물질로 간주되지 않는 경우도 있다.[25]

3. 1. 1. 자연적 나노물질

생물학적 시스템은 종종 자연적이고 기능적인 나노물질을 특징으로 한다. 유공충(주로 백악), 바이러스 (단백질, 캡시드), 수련 또는 한련 잎을 덮는 왁스 결정, 거미와 거미 진드기 실,[18] 타란툴라의 푸른 색,[19] 게코 발바닥의 "스파툴라", 일부 나비 날개 비늘, 자연 콜로이드 (우유, 혈액), 각질 재료 (피부, 발톱, 부리, 깃털, 뿔, 머리카락), 종이, 면, 진주층, 산호, 심지어 우리 자신의 뼈 기질은 모두 자연적인 ''유기'' 나노물질이다.

자연 ''무기'' 나노물질은 지각의 다양한 화학적 조건에서 결정 성장을 통해 발생한다. 예를 들어, 점토는 기본 결정 구조의 이방성으로 인해 복잡한 나노 구조를 나타내며, 화산 활동은 나노 규모 구조로 인해 자연적으로 발생하는 광자 결정의 한 예인 오팔을 생성할 수 있다.

"연꽃 효과", 자가 세정 능력이 있는 소수성 효과

3. 1. 2. 인공 나노물질

인공 나노물질은 특정 목적을 위해 인간이 의도적으로 설계하고 제조한 것이다.[4][9]

기존 나노물질은 나노 기술의 발전 이전에 다른 콜로이드 또는 입자 재료를 점진적으로 개선하여 상업적으로 생산된 것이다.[10][11][12] 여기에는 카본 블랙과 이산화 티타늄 나노입자가 포함된다.[13]

풀러렌은 탄소 동소체의 한 종류로, 그래핀 시트를 튜브나 구형으로 말아서 만든다. 여기에는 탄소 나노튜브 (또는 실리콘 나노튜브)가 포함되며, 기계적 강도와 전기적 특성 때문에 많은 관심을 받고 있다.[26]

풀러렌의 일종인 C60의 회전 뷰


처음 발견된 풀러렌 분자는 버크민스터풀러렌 (C60)이며, 1985년 라이스 대학교의 리처드 스몰리, 로버트 컬, 제임스 히스, 션 오브라이언, 해럴드 크로토가 만들었다. 이 이름은 지오데식 돔과 유사한 형태를 가진 버크민스터 풀러에게 경의를 표하기 위해 지어졌다. 풀러렌은 이후 자연과 우주에서도 발견되었다.[27][28]

지난 10년 동안 풀러렌의 화학적, 물리적 특성은 연구 개발 분야에서 활발히 연구되었으며, 앞으로도 그럴 것으로 예상된다. 2003년 4월, 풀러렌은 나노의학에서 내성 세균에 특정 항생제를 결합하거나 흑색종과 같은 특정 유형의 암 세포를 표적으로 삼는 등 잠재적 약용으로 연구되었다. 2005년 10월 《화학 및 생물학》에는 풀러렌을 광활성 항균 제제로 사용하는 방법에 대한 기사가 실렸다. 나노기술 분야에서 내열성과 초전도성은 집중적인 연구를 유도하는 특성이다.

풀러렌을 생산하는 일반적인 방법은 불활성 분위기에서 두 개의 흑연 전극 사이에 큰 전류를 보내는 것이다. 그 결과 전극 사이의 탄소 플라즈마 아크가 그을음 잔류물로 냉각되어, 거기에서 많은 풀러렌을 분리할 수 있다.

밀도 범함수 이론 (DFT)과 TDDFT 방법과 같은 양자 방법을 사용하여 풀러렌에 대한 많은 계산이 수행되었다. 이를 통해 적외선 (IR), 라만 분광법 (Raman), 자외선 (UV) 스펙트럼을 얻을 수 있으며, 이러한 계산 결과는 실험 결과와 비교할 수 있다.

3. 1. 3. 부수적 나노물질

나노물질은 연소 및 기화 과정이나, 마모 및 부식 등 기계적 또는 산업적 공정의 부산물로 의도치 않게 생성될 수 있다. 우발적인 나노입자의 발생원으로는 차량 엔진 배기가스, 제련, 용접 흄, 가정용 고체 연료 난방 및 취사 과정에서의 연소 과정 등이 있다. 예를 들어, 풀러렌이라 불리는 나노물질 종류는 가스, 바이오매스, 양초를 태울 때 생성된다.[14] 우발적으로 대기 중에 존재하는 나노입자는 종종 초미세 입자로 불리며, 이는 의도적인 작업 과정에서 의도치 않게 생성되어 대기 오염에 기여할 수 있다.[16][17]

3. 2. 형태에 따른 분류

원자 하나의 크기만큼 작은 단면을 가진 가장 작은 결정성 와이어는 원통형 구속 조건에서 설계할 수 있다.[35][36][37] 자연적인 반(半) 1차원 나노구조인 탄소 나노튜브는 합성을 위한 템플릿으로 사용될 수 있다. 구속은 기계적 안정성을 제공하고 선형 원자 사슬이 붕괴되는 것을 방지한다. 1차원 나노와이어의 다른 구조들은 템플릿으로부터 분리된 후에도 기계적으로 안정할 것으로 예측된다.[36][37]

3. 2. 1. 나노입자

나노입자는 세 개의 모든 외부 치수가 나노 스케일에 있고, 가장 긴 축과 가장 짧은 축의 차이가 크지 않은 나노 객체이다.[20]

3. 2. 2. 나노섬유

나노섬유는 외부 치수 두 개가 나노 스케일에 있는 물질이다. 나노튜브는 속이 빈 나노섬유이고, 나노막대는 속이 찬 나노섬유이다. 나노판/나노시트는 외부 치수 하나가 나노 스케일에 있으며,[20] 더 큰 두 치수가 현저하게 다르면 나노리본이라고 한다. 나노섬유와 나노판의 경우, 다른 치수는 나노 스케일일 수도 있고 아닐 수도 있지만, 현저하게 더 커야 한다. 이 모든 경우, 현저한 차이는 일반적으로 최소 3배 이상으로 간주된다.[21]

원자 하나 크기만큼 작은 단면을 가진 가장 작은 결정성 와이어는 원통형 구속 조건에서 설계할 수 있다.[35][36][37] 자연적인 반(半) 1차원 나노구조인 탄소 나노튜브는 합성을 위한 템플릿으로 사용될 수 있다. 구속은 기계적 안정성을 제공하고 선형 원자 사슬이 붕괴되는 것을 방지한다. 1차원 나노와이어의 다른 구조들은 템플릿으로부터 분리된 후에도 기계적으로 안정할 것으로 예측된다.[36][37]

3. 2. 3. 나노판/나노시트

나노입자는 세 개의 모든 외부 치수가 나노 스케일에 있는 반면, 나노판/나노시트는 하나의 외부 치수만 나노 스케일에 있다.[20] 두 개의 더 큰 치수가 현저하게 다르면 나노리본이라고 한다. 나노판의 경우, 다른 치수는 나노 스케일일 수도 있고 아닐 수도 있지만, 현저하게 더 커야 한다. 이 모든 경우, 현저한 차이는 일반적으로 최소 3배 이상으로 간주된다.[21] 그래핀 등이 이에 해당한다.

3. 3. 구성에 따른 분류

나노재료는 구성 성분에 따라 탄소 나노튜브, 그래핀 등의 탄소 기반 나노물질, 이산화 티타늄, 산화 아연 등의 금속 기반 나노물질, 나노복합재료, 나노결정 재료 등의 나노복합재료, 실리카, 카본 블랙 등의 나노다공성 물질 등으로 분류할 수 있다.[25]

3. 3. 1. 탄소 기반 나노물질

풀러렌, 탄소 나노튜브, 그래핀 등은 탄소를 주성분으로 하는 나노물질이다.

3. 3. 2. 금속 기반 나노물질

이산화 티타늄, 산화 아연은 금속 산화물 나노물질이다.

3. 3. 3. 나노복합재료

벌크 재료 중 일부는 나노복합재료, 나노결정 재료, 나노구조 필름, 나노텍스처 표면을 포함하여 나노 규모의 특징을 가지고 있다.[25]

3. 3. 4. 나노다공성 물질

실리카, 카본 블랙, 산화 아연, 그래핀, 탄소 나노튜브, 풀러렌 등은 나노다공성 물질이다.

4. 합성 방법

나노물질 합성 방법은 크게 "상향식(Bottom-up)" 방법과 "하향식(Top-down)" 방법으로 나뉜다. 상향식 방법은 원자나 분자 단위에서 시작하여 점차 큰 나노 구조를 만들어가는 방식이다. 반면, 하향식 방법은 큰 덩어리 물질을 기계적인 힘이나 레이저 등을 이용하여 깎아내어 나노 크기의 물질을 만드는 방식이다.

상향식 방법과 하향식 방법에 대한 더 자세한 내용은 각각의 하위 섹션을 참고할 수 있다.

4. 1. 상향식 방법

상향식 방법은 원자 또는 분자 수준에서 시작하여 나노 구조를 조립하는 방식이다. 이 방법은 크게 무질서한 프로세스와 제어된 프로세스로 나뉜다.[49][50][51]

4. 1. 1. 무질서한 프로세스

원자 또는 분자를 무질서한 상태로 만들고, 이 상태를 불안정하게 만들기 위해 갑자기 조건을 변경하여 나노입자를 형성한다. 여러 매개변수를 조작하여, 제품은 주로 보장된 운동성의 결과로 형성된다. 무질서한 상태로부터의 붕괴는 제어하기 어렵거나 불가능할 수 있으며, 따라서 앙상블 통계가 종종 결과적인 크기 분포와 평균 크기를 지배한다. 나노입자 형성은 제품의 최종 상태를 조작하여 제어된다. 무질서한 프로세스의 예로는 레이저 절제,[49] 폭발 와이어, 아크, 화염 열분해, 연소,[50] 및 침전 합성이 있다.

4. 1. 2. 제어된 프로세스

제어된 프로세스는 구성 원자 또는 분자를 나노입자 형성 위치로 제어된 방식으로 전달하여 나노입자가 규정된 크기로 성장할 수 있도록 한다. 일반적으로 구성 원자 또는 분자의 상태는 나노입자 형성에 필요한 상태에서 멀리 떨어져 있지 않다. 따라서 나노입자 형성은 반응물의 상태를 제어함으로써 제어된다.[51] 제어된 프로세스의 예로는 자기 제한 성장 용액, 원자층 증착, 펄스형 펨토초 레이저 기술, 식물 및 미생물 접근법,[51] 분자선 에피택시가 있다.

4. 2. 하향식 방법

탑다운 방식은 덩어리 재료를 나노 입자로 분해하기 위해 기계적 힘이나 레이저와 같은 일종의 '힘'을 사용한다. 덩어리 재료를 나노 물질로 분해하는 데 널리 사용되는 방법은 '볼 밀링'이다.[9] 이 외에도, 짧은 펄스 레이저(예: 펨토초 레이저)를 사용하여 표적(고체)을 제거하는 레이저 제거법으로도 나노 입자를 만들 수 있다.

5. 특성

나노물질은 덩어리 물질과는 다른 독특한 특성을 보인다. 나노역학 연구에서는 광학 및 전자적 특성 외에도 많은 나노물질의 새로운 기계적 특성을 다룬다. 제올라이트나 석면과 같이 작은 입자 크기를 가진 나노구조 물질은 다양한 산업 화학 반응에서 촉매로 사용된다.[52] 20세기 초, 지그몬디(Zsigmondy)는 10 nm 이하 크기의 금 콜로이드 및 기타 나노물질을 초현미경을 사용하여 자세히 연구했다.[53]

계면 및 콜로이드 과학에서는 20세기 동안 개발된 전통적인 기술을 나노물질 특성 분석에 사용한다. 입자 크기 분포 특성화를 위해 광 산란, 초음파 감쇠 분광법과 같은 초음파를 적용하는 방법이 있다.[54] 표면 전하 또는 제타 전위 특성화를 위해서는 마이크로 전기영동, 전기영동 광 산란, 전기 음향 (콜로이드 진동 전류 방법 포함) 등의 기술을 사용한다.[54]

이산화 티타늄이나 산화 아연과 같이 반도체 특성을 가진 소재는 콜로이드 상태로 분산시켜 그 기능을 이용하기도 한다.

5. 1. 양자 효과

구조가 전자의 드브로이 파장이나 고에너지 광자의 광학 파장과 같이 길이 척도와 비슷한 크기로 형성될 때, 물질에서 새로운 현상이 발생할 수 있다. 이러한 경우 양자 역학적 효과가 물질 특성을 지배할 수 있다. 한 예로 양자 구속이 있는데, 이는 입자 크기가 크게 감소함에 따라 고체의 전자적 특성이 변화하는 현상이다. 형광과 같은 나노입자의 광학적 특성 또한 입자 직경에 따라 달라진다. 이러한 효과는 매크로에서 마이크로미터 차원으로 이동할 때는 나타나지 않지만, 나노미터 규모에 도달하면 두드러지게 나타난다.[52]

5. 2. 광학적 특성

나노입자의 광학적 특성은 입자 직경에 따라 달라진다. 이러한 효과는 매크로에서 마이크로미터 차원으로 이동할 때는 나타나지 않지만, 나노미터 규모에 도달하면 두드러지게 나타난다.[52] 예를 들어 양자 구속 현상은 입자 크기가 크게 감소함에 따라 고체의 전자적 특성이 변화하는 현상이다.

5. 3. 기계적 특성

나노물질은 벌크 물질에 비해 강도, 경도, 탄성 등이 크게 달라질 수 있다는 연구가 진행 중이다. 나노 입자는 부피, 표면 및 양자 효과로 인해 상당한 기계적 특성을 갖는다. 일반적인 벌크 재료에 나노 입자를 첨가하면 입자 경계가 개선되어 재료의 기계적 특성이 향상될 수 있다.[52]

예를 들어, 탄소 나노튜브와 같은 나노 입자로 고분자를 강화하여 금속을 대체할 수 있는 가벼운 복합 재료를 만들 수 있다. 이러한 복합 재료는 무게를 줄이면서도 안정성과 기능을 향상시킬 수 있다.[52]

입계 미세 조정은 입계 또는 결정립 내 파괴에 필요한 응력을 증가시켜 강화 효과를 제공한다. 나노 실리카를 시멘트에 첨가하면 인장 강도, 압축 강도, 휨 강도가 향상되는 것을 예로 들 수 있다.

'''사용된 기술:'''

1943년 Steinitz는 미세 입자의 경도를 테스트하기 위해 미세 압입 기술을 사용했으며, 현재는 약 5미크론 수준에서 입자의 탄성 특성을 측정하기 위해 나노 압입을 사용하고 있다.[55] 이러한 프로토콜은 원자력 현미경(AFM) 기술을 통해 나노 입자의 기계적 특성을 계산하는 데 자주 사용된다. 탄성 계수를 측정하기 위해 압입 데이터는 AFM 힘-변위 곡선을 힘-압입 곡선으로 변환하여 얻는다. 훅의 법칙을 사용하여 캔틸레버 변형 및 팁의 깊이를 결정하며, 압력 방정식은 다음과 같이 작성할 수 있다.[56]

P=k (ẟc - ẟc0) [57]

  • ẟc: 캔틸레버 변형
  • ẟc0: 변위 오프셋


AFM을 사용하면 여러 유형의 표면에 대한 고해상도 이미지를 얻을 수 있으며 캔틸레버 팁을 사용하여 기계적 특성에 대한 정보를 얻을 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션도 이론을 테스트하고 실험 연구를 보완하기 위해 점진적으로 사용되고 있다. 가장 많이 사용되는 컴퓨터 방법은 분자 동역학 시뮬레이션[58]으로, 시스템의 원자 또는 분자에 대한 뉴턴의 운동 방정식을 사용한다. 직접 탐침 방법과 같은 다른 기술은 나노재료의 접착 특성을 결정하는 데 사용된다. 기술과 시뮬레이션 모두 투과 전자 현미경(TEM) 및 AFM 기술과 결합되어 결과를 제공한다.

'''일반적인 나노재료 클래스의 기계적 특성:'''

  • '''결정질 금속 나노재료''': 전위는 벌크 결정질 재료와 유사하게 나노재료 내에서 탄성 특성에 주요하게 기여하는 요인 중 하나이다. 나노재료에는 전위가 없다는 전통적인 견해에도 불구하고, 실험 연구에 따르면 금 나노 입자의 경도는 벌크 재료보다 훨씬 높으며, 재료에서 여러 강화 메커니즘을 활성화하는 적층 결함 및 전위가 형성되기 때문이다. 이러한 실험을 통해, 나노 압입 기술을 통해[60] 재료 강도, 즉 압축 응력이 입자 크기가 감소함에 따라 압축 하에서 증가한다는 것을 보여주는 더 많은 연구가 진행되었는데, 이는 전위가 핵 생성되기 때문이다. 이러한 전위는 TEM 기술을 사용하여 나노 압입과 결합하여 관찰되었다. 실리콘 나노 입자 강도와 경도는 벌크 재료 값보다 4배 더 높다.[57] 가해지는 압력에 대한 저항성은 입자 내부의 선 결함뿐만 아니라 나노재료의 기계적 특성을 강화하는 전위 때문일 수 있다. 또한 나노 입자를 첨가하면 입자 고정으로 인해 입자 성장을 억제하여 매트릭스가 강화된다. 이는 입자를 미세하게 만들고 따라서 기계적 특성을 향상시킨다.[55] 그러나 모든 나노재료 첨가가 특성 증가로 이어지는 것은 아니며, 예를 들어 나노-Cu가 있다. 그러나 이는 매트릭스보다 재료의 고유한 특성이 약하기 때문이다.

  • '''비금속 나노 입자 및 나노재료:''' 고분자 나노재료의 경우 기계적 특성의 크기 의존적 거동이 아직 명확하지 않지만, Lahouij의 한 연구에서 폴리스티렌 나노 입자의 압축 계수가 벌크 재료보다 작은 것으로 나타났다. 이는 기능 그룹이 수화되기 때문일 수 있다.[61] 또한, 비금속 나노재료는 첨가되는 매트릭스 내에서 응집체를 형성하여 심지어 낮은 기계적 하중 하에서도 파괴를 유발하여 기계적 특성을 감소시킬 수 있으며, 예를 들어 CNT를 첨가하는 경우이다. 응집체는 미끄럼면뿐만 아니라 균열이 쉽게 전파될 수 있는 면으로 작용할 것이다. 그러나 대부분의 유기 나노재료는 유연하며 경도 등과 같은 기계적 특성이 지배적이지 않다.[61]

  • '''나노와이어 및 나노튜브''': 납 및 은과 같은 일부 나노와이어의 탄성 계수는 직경이 증가함에 따라 감소한다. 이는 표면 응력, 산화층 및 표면 거칠기와 관련이 있다.[62] 그러나 ZnO 나노와이어의 탄성 거동은 표면 효과의 영향을 받지 않지만 파괴 특성은 영향을 받는다. 따라서 일반적으로 재료 거동 및 결합에 따라 달라진다.[63]


나노재료의 기계적 특성이 연구의 뜨거운 주제로 남아 있는 이유는 개별 나노 입자의 기계적 특성을 측정하는 것은 여러 제어 요인이 관련된 복잡한 방법이기 때문이다. 그럼에도 불구하고 원자력 현미경은 나노재료의 기계적 특성을 측정하는 데 널리 사용되어 왔다.

'''나노 입자의 접착 및 마찰'''

재료의 응용에 대해 이야기할 때 접착 및 마찰은 응용 결과 결정에 중요한 역할을 한다. 따라서 이러한 특성도 재료의 크기에 의해 어떻게 영향을 받는지 확인하는 것이 중요하다. 다시 말해, AFM은 이러한 특성을 측정하고 콜로이드 탐침 기술 및 기타 화학적 특성과 함께 모든 고체 표면에 대한 나노 입자의 접착 강도를 결정하는 데 가장 많이 사용되는 기술이다.[64] 또한, 나노재료에 이러한 접착 특성을 제공하는 데 작용하는 힘은 정전기적 힘, VdW, 모세관력, 용매화력, 구조력 등이다. 나노재료를 벌크 재료에 첨가하면 다양한 결합 메커니즘을 통해 강도를 증가시켜 접착 능력이 실질적으로 향상된다는 것이 밝혀졌다.[65] 나노재료의 치수는 0에 접근하며, 이는 전체 원자에 대한 입자 표면의 비율이 증가한다는 것을 의미한다.

표면 효과와 함께 나노 입자의 움직임도 전단 능력과 같은 기계적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 입자의 움직임은 TEM에서 관찰할 수 있다. 예를 들어, MoS2 [66] 나노 입자의 동적 접촉 움직임이 현장에서 직접 관찰되어 풀러렌이 롤링 또는 슬라이딩을 통해 전단될 수 있다는 결론을 내렸다. 그러나 이러한 특성을 관찰하는 것은 여러 기여 요인으로 인해 다시 매우 복잡한 과정이다.

기계적 특성과 관련된 특정 응용 분야는 다음과 같다:[67]

  • 윤활
  • 나노 제조
  • 코팅

5. 4. 표면 효과

나노재료는 부피 대비 표면적 비율이 매우 커서 확산, 소결, 촉매 반응 등에 큰 영향을 미친다.[52] 예를 들어, 제올라이트나 석면과 같이 작은 입자 크기를 가진 나노구조 물질은 다양한 산업 화학 반응에서 촉매로 사용된다.[52] 이러한 촉매를 더 발전시키면, 더 효율적이고 환경 친화적인 화학 공정을 만들 수 있다.

6. 응용 분야

일부 물질은 입자 크기가 작아지면 덩어리 상태와는 다른 기능이 발현되는 특성이 있다. 반도체 특성을 가진 이산화 티타늄이나 산화 아연과 같은 소재를 콜로이드 상태로 분산시켜 이러한 기능을 이용한다.

나노물질은 화장품, 촉매, 양자점, 조영제, 약물 전달, 전자 장치 접합 배선재 등 다방면에 걸쳐 사용된다.[97] 또한 고무, 수지, 종이, 잉크, 도료, 실런트 등 다양한 재료에 필러로 혼련되어 다양한 물성을 나타낸다.

6. 1. 의료

나노자임은 효소와 유사한 특성을 가진 나노재료이다.[40] 나노자임은 생체 감지, 생체 영상, 종양 진단,[41] 항생물 오염 등 광범위한 분야에 사용되는 새로운 유형의 인공 효소이다.

6. 2. 환경

나노재료는 페인트, 필터, 단열재 및 윤활제 첨가제 등 다양한 제조 공정, 제품 및 의료 분야에 사용된다. 의료 분야에서는 나노자임이 효소와 유사한 특성을 가진 나노재료이다.[40] 나노자임은 생체 감지, 생체 영상, 종양 진단,[41] 항생물 오염 등 광범위한 분야에 사용되는 새로운 유형의 인공 효소이다. 나노 구조를 사용하여 고품질 필터를 생산할 수 있으며, 이러한 필터는 Seldon Technologies에서 제작한 정수 필터에서 볼 수 있듯이 바이러스만큼 작은 입자를 제거할 수 있다. 기존의 MBR의 차세대 기술인 나노재료 막 생물 반응기(NMs-MBR)는 최근 폐수의 고급 처리를 위해 제안되었다.[42] 공기 정화 분야에서는 2012년 사우디 아라비아 병원에서 MERS의 확산을 막기 위해 나노 기술이 사용되었다.[43]

6. 3. 산업

나노재료는 페인트, 필터, 단열재, 윤활제 첨가제 등 다양한 제조 공정, 제품 및 의료 분야에 사용된다. 의료 분야에서 나노자임은 효소와 유사한 특성을 가진 나노재료로,[40] 생체 감지, 생체 영상, 종양 진단,[41] 항생물 오염 등 광범위한 분야에 사용되는 새로운 유형의 인공 효소이다. 나노 구조를 사용하여 고품질 필터를 생산할 수 있으며, 이러한 필터는 바이러스만큼 작은 입자를 제거할 수 있다. 나노재료 막 생물 반응기(NMs-MBR)는 기존의 MBR의 차세대 기술로, 폐수의 고급 처리를 위해 제안되었다.[42] 공기 정화 분야에서는 2012년 사우디 아라비아 병원에서 MERS의 확산을 막기 위해 나노 기술이 사용되었다.[43] 나노재료는 현대적이고 인체에 무해한 단열 기술에 사용되고 있으며, 과거에는 석면 기반 단열재에서 발견되었다. 윤활제 첨가제로서 나노재료는 움직이는 부품의 마찰을 줄이는 능력이 있다. 자기 조립 이방성 나노입자를 사용하여 마모되고 부식된 부품을 수리할 수도 있다.[43]

이산화 티타늄과 같은 광물 나노입자는 자외선 차단제의 UV 보호 기능을 향상시키는 데 사용되었다. 인, 탄소 및 질소 도핑된 이산화 티타늄 나노입자는 자가 세정 특성을 위해 수성 페인트의 첨가제로 사용된다.[45] 스포츠 산업에서는 성능 향상을 위해 탄소 나노튜브로 더 가벼운 배트가 생산되었다. 또 다른 응용 분야는 군사 분야로, 이동식 안료 나노입자를 사용하여 보다 효과적인 위장을 만들었다. 나노재료는 산성비와 스모그의 전구체인 질소 산화물(NOx)의 배출을 제어하는 이점이 있는 삼원 촉매 응용 분야에도 사용할 수 있다.[46] 코어-쉘 구조에서 나노재료는 팔라듐 및 로듐과 같은 귀금속을 보호하기 위해 촉매 지지체 역할을 하는 쉘을 형성한다.[47] 주요 기능은 지지체를 사용하여 촉매 활성 성분을 운반하여 고도로 분산시키고, 귀금속 사용을 줄이고, 촉매 활성을 향상시키고, 잠재적으로 안정성을 향상시킬 수 있다는 것이다.[48]

반도체 특성을 가진 이산화 티타늄이나 산화 아연과 같은 소재를 콜로이드 상태로 분산시켜 기능을 이용한다. 화장품, 촉매, 양자점, 조영제, 약물 전달, 전자 장치 접합 배선재 등 다방면에 걸쳐 사용된다.[97] 또한 고무, 수지, 종이, 잉크, 도료, 실런트 등 다양한 재료에 필러로 혼련되어 다양한 물성을 나타낸다.

6. 4. 기타

나노재료는 화장품, 촉매, 양자점, 조영제, 약물 전달, 전자 장치 접합 배선재 등 다방면에 걸쳐 사용되며,[97] 고무, 수지, 종이, 잉크, 도료, 실런트 등 다양한 재료에 필러로 혼련되어 다양한 물성을 나타낸다.

이산화 티타늄과 같은 광물 나노입자는 자외선 차단제의 UV 보호 기능을 향상시키는 데 사용된다. 인, 탄소 및 질소가 도핑된 이산화 티타늄 나노입자는 자가 세정 특성을 위해 수성 페인트의 첨가제로 사용된다.[45] 스포츠 산업에서는 탄소 나노튜브를 이용하여 성능을 향상시킨 더 가벼운 배트가 생산된다. 군사 분야에서는 이동식 안료 나노입자를 사용하여 보다 효과적인 위장을 만든다.

나노재료는 산성비와 스모그의 전구체인 질소 산화물(NOx) 배출 제어에 이점이 있는 삼원 촉매 응용 분야에도 사용할 수 있다.[46] 코어-쉘 구조에서 나노재료는 팔라듐 및 로듐과 같은 귀금속을 보호하기 위해 촉매 지지체 역할을 하는 쉘을 형성한다.[47] 주요 기능은 지지체를 사용하여 촉매 활성 성분을 고도로 분산시키고, 귀금속 사용을 줄이며, 촉매 활성을 향상시키고, 잠재적으로 안정성을 향상시키는 것이다.[48]

7. 안전성 및 윤리

세계보건기구(WHO)는 2017년에 제조 나노물질의 잠재적 위험으로부터 근로자를 보호하기 위한 지침을 발표했다.[77] 이 지침은 예방적 접근 방식과 통제 계층 구조를 주요 원칙으로 삼고 있다. 예방적 접근 방식은 건강 영향에 대한 불확실성이 있더라도 노출을 줄여야 한다는 것이며, 통제 계층 구조는 문제의 근본적인 원인을 제거하는 조치를 우선해야 한다는 것을 의미한다.[78][79]

WHO 지침은 나노물질의 안전한 취급을 위해 다음과 같은 권고 사항을 제시하고 있다.

'''A. 제조 나노물질(MNM)의 건강 위험 평가'''


  • 화학 물질의 분류 및 라벨링에 대한 전 세계 조화 시스템(GHS)에 따라 모든 제조 나노물질(MNM)에 위험 등급을 할당하고, 안전 데이터 시트를 업데이트해야 한다.
  • 호흡 가능한 섬유 및 과립상 생체 지속성 입자 그룹의 경우, 사용 가능한 분류를 잠정적으로 사용한다.


'''B. 제조 나노물질(MNM) 노출 평가'''

  • 작업장의 근로자 노출을 평가할 때는 제안된 특정 직업 노출 한계(OEL) 값에 사용되는 방법과 유사한 방법을 사용한다.
  • 작업장에 대한 MNM에 대한 특정 규제 OEL 값이 없는 경우, 제안된 OEL 값을 초과하는지 평가한다.
  • 특정 OEL을 사용할 수 없는 경우, 단계별 접근 방식을 통해 노출 가능성을 평가한다.
  • 피부 노출 평가의 경우, 특정 방법을 권장할 충분한 증거가 없다.


'''C. 제조 나노물질(MNM) 노출 통제'''

  • 흡입 노출 방지에 초점을 맞추고, 가능한 한 노출을 줄이는 것을 목표로 한다.
  • 작업장에서 지속적으로 측정된 다양한 MNM에 대한 노출을 감소시킨다.
  • 통제 계층 구조 원칙에 따라 통제 조치를 취하며, 개인 보호 장비(PPE)는 최후의 수단으로 사용한다.
  • 직업 위생 조치를 통해 피부 노출을 예방한다.
  • 작업장 안전 전문가의 평가 및 측정이 불가능한 경우, 나노물질에 대한 통제 밴딩을 사용한다.


WHO는 건강 감시 프로그램, 근로자 교육 및 참여에 대해서는 증거 부족으로 특정 형태를 권장하지 않았다. WHO는 2022년에 이 지침을 업데이트할 예정이었으나, 덩어리 상태에서는 문제가 없다고 여겨지는 물질도 나노 입자에서는 안전성 문제가 아직 미해결된 부분이 있다.

8. 대한민국 현황 및 전망

덩어리 상태에서 문제가 없다고 여겨지는 물질도 나노 입자에서는 아직 미해결된 부분이 있다.

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