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표면부터 내부 구조까지···'나노가 보인다'

[KBSI분석과학시리즈 16]전주센터, 나노구조분석 필요한 핵심 장비 보유
나노구조 특성평가, 자체 기술 개발 등 연구활동 활발


나노 기술은 1000만 분의 1 미터 크기의 작은 소재를 설계하고 조작하는 기술을 말한다. 나노 기술은 활용되는 범위가 넓어 가볍고 강도가 높은 소재의 개발이나 피부의 침투 효과를 높인 기능성 화장품 개발, 나아가 음식에 풍미를 더하는 첨가제 제조 기술에까지 적용되고 있다.

또 종이의 느낌이나 역할을 그대로 전달할 수 있는 전자 종이나 배터리, 초강력 섬유 반도체 개발 등에 활용되는 탄소나노튜브도 나노 기술의 대표적인 예라 할 수 있다. 나노 기술이 발전하면서 우리는 50년 전 미국의 물리학자 리차드 파인만이 예고한 나노의 시대를 살아가고 있다.

이처럼 기술이 발전해 가고 소자들의 크기가 작아질수록 표면의 작은 구멍하나에도 큰 성능 차이를 보이는 나노소자의 구조와 특성을 정확하게 파악하는 것이 점차 중요한 부분으로 인식되고 있다.

한국기초과학지원연구원(원장 박준택) 전주센터는 나노 사이즈로 구성된 소자의 화학적 결합이나 구조적 특성을 분광학적인 장비와 전자현미경을 이용해 분석하는 기술을 연구·개발하고 있다. 전주센터에서 나노구조 특성평가를 할 때 사용되는 대표적 장비로는 EF-FE-TEM(에너지여과 전계 방출 투과 전자 현미경)과 XPS/UPS(차세대 광전자 분광분석기)가 있다.

EF-FE-TEM은 일반적인 전자현미경과 마찬가지로 빛 대신 전자를 투과해서 영상을 얻지만 에너지에 따른 필터링을 통해 노이즈를 제거한 이미지를 얻는 것이 특징이다. 이 때 투과되는 전자의 양과 필터링 할 에너지의 크기를 조절하면 내부의 모습까지도 관찰이 가능하다.

하지만 이미지로 도출되는 결과물의 특성상 길이, 크기, 불순물의 양은 확인할 수 있지만 결합 구조나 실제 특성 등은 알 수 없다. 이를 보완하기 위해 사용되는 장비가 XPS/UPS다. XPS/UPS는 X-Ray 광선을 분석이 필요한 소자에 투과하면 특정한 에너지를 가지고 있는 영역에서만 반응을 보이게 된다.

이 때 에너지 파장에 해당하는 결과물을 스펙트럼으로 얻을 수 있고, 이를 분석하면 관찰 대상의 화학적인 결합이나 정량적인 특성 관찰이 가능해진다. XPS/UPS와 EF-FE-TEM 두 장비를 혼용해서 사용할 경우 각 기기가 가진 특성에 따라 이미지와 스펙트럼 결과물을 얻게 되고, 이를 종합해 분석하면 나노 소자에 대한 분석이 거의 완벽하게 이뤄진다.

때문에 대부분의 나노구조 분석에는 두 장비를 함께 사용하는 것이 일반적이다. 이 외에 UHR FE-SEM(초고분해능 전계방출 주사전자현미경), Nanofinder 등의 장비들도 각각의 특성을 살려 나노구조 분석은 물론 연구 활동에 적극 활용되고 있다.

이처럼 전주센터는 나노구조 분석에 필요한 모든 장비를 갖추고 있어 한 자리서 나노구조 분석과 특성평가를 진행할 수 있다. 최근에는 한 자리서 나노구조 분석이 가능한 장점을 활용해 자체연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

가장 대표적인 연구 성과로는 지난 3월 'Advanced Functional Matarials' 인터넷판의 표지 논문으로 수록된 '재활용 가능한 중금속 제거제 기술'을 들 수 있다. 최원산 박사팀이 개발한 중금속 제거제 기술은 나노코어 형태의 탄소나노튜브를 자성체 캡슐로 감싸 비소와 납, 크롬 등의 중금속을 흡착·제거할 수 있는 기술이다.

특히 초음파와 열처리 과정을 통해 자성 캡슐속의 탄소나노튜브의 나노코어가 가역적으로 코어의 구조를 제어할 수 있고 간단한 방법으로 재활용이 가능한 기술이라는 점에서 많은 주목을 받고 있다. 실제로 논문이 발표된 후에는 국내 대기업으로부터 공동연구를 제안 받기도 했다.

최원산 박사는 "이번 기술 개발에 있어서 가장 중요한 것은 나노 표면에 있는 흡착 구멍을 살펴보고 구조적 특성을 파악하는 것 이었다"며 "전주센터에는 나노구조 분석에 필요한 모든 장비가 갖춰져 있어 기술 개발에 큰 도움이 됐다"고 말했다.

전주센터 이하진 부장은 "전주센터에서는 단순히 나노구조를 분석하는 것에 그치지 않고 직접 기술을 개발하는데 역량을 집중시키고 있다"며 "직접 연구를 통해 분석 평가 기술도 늘리고 대한민국 과학 발전에 도움이 될 수 있도록 하겠다"고 말했다.
 
▲국내에 기초연 전주센터에만 있는 EF-FE-TEM.  ⓒ2010 HelloDD.com
▲XPS/UPS는 X-Ray를 물체에 투과시켜 결과물을 스펙트럼으로 얻는다.   ⓒ2010 HelloDD.com
▲UHR FE-SEM은 EF-FE-TEM과 마찬가지로 과찰 대상의 표면 상태를 확인할 수 있다.   ⓒ2010 HelloDD.com
 
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