연구실 탐방

무기재료공정 및 응용연구소 PAIM

혁신적인 아이디어로 2011년 지역혁신 인력양성사업에 채택 된 ‘한서대 무기재료 공정 및 응용연구소’. 그들의 아이디어를 엿보기 위해 김익진 교수와 그 연구원들을 만나보았다.

현재 연구실에서 중점적으로 추진하고 계신 사업 또는 연구가 있다면 소개 부탁드립니다.
현재 8명의 석·박사 연구원으로 구성된 저희 연구팀은 10년 전부터 연구해온 ‘제올라이트’를 박막화해 이를 카본나노튜브의 대량생산 및 고순도를 갖는 정제기술과 일정한 배향성을 갖는 성장기술을 확립하는 연구를 하고 있습니다.
또한 ‘Direct forming 법에 의한 기능성 다공체 세라믹 개발’ 연구과제로 지역혁신 인력양성 사업에 몰두하고 있습니다.

제올라이트를 이용한 카본나노튜브 합성과 성장에 관한 연구내용 소개 부탁드립니다.
host-guest재료인 제올라이트를 self-assembly monolayer방법으로 박막화하여 이를 수직과 수평으로 배열 및 성장 시킬 수 있는 카본나노튜를 연구하는데 template로 사용하고 있습니다.
제올라이트는 4~10Å의 기공 크기를 갖는 이상적인 host물질로 3차원 골격구조를 가지고 있으므로 이들의 미세 결정체들은 전체부피의 약 50%가 빈 공간인 동공(cavity)으로 구성되어 있습니다. 이들 동공들은 3차원으로 연결되어 각종 분자차원의 입구를 가진 channel과 window들을 형성하므로 촉매, 수소저장물질, 양자점(Quantum dots) 등의 마이크로 반응분자체뿐만 아니라 카본나노튜브 합성용 tem- plates로 응용되고 있습니다.
그러나 우수한 기계적, 열적, 전기적 특성을 갖는 카본나노튜브는 ①대량생산 및 ②고순도(촉매와의 분리)를 갖는 정제기술과·후처리기술(표면처리, 도핑)등을 통한 수소저장량 향상은 물론, ③일정한 배향성을 갖는 성장 기술이 확립되어야 차세대 디스플레이인 FED(field emisson display), FETs(field effect transistors), 태양에너지, 이차전지튜브 등에 성공적으로 상용화 될 수 있다. 이에 저희 연구팀은 일정한 결정방향으로 배열된 제올라이트 templates를 이용한 고순도 카본나노튜브 합성 및 일정한 배향성을 갖는 성장 기술에 대한 기초연구가 장기적으로 필요하고 주장하고 있으며, 현재 위 기술을 바탕으로 한국연구재단에서 지원하고 있는 수직형 카본나노튜브의 합성과 성장에 대한 기초과학연구를 수행하고 있습니다.

지역혁신 인력양성 사업을 수행하게 된 계기와 연구내용 소개 부탁드립니다.
생체재료, 필터담체, 기능성 다공체의 대표적인 Sponge형 구조체(기포 분산체)는 고체 속에 다양한 크기의 구형의 기공이 분산되어 있는 것으로 기공크기와 기공율의 제어가 비교적 쉬우며 일반적으로 높은 기공률을 갖고 있습니다.

현재 국내외 적으로 개발되고 있는 세라믹 다공체는 일정한 크기의 입도를 갖는 기공 형성제를 혼합하여 소성 과정에서 이 형성제를 소실시킴으로써 기공을 형성시키는 유입법과(기공의 크기 10μm이하)과 일정한 입도 범위의 골재(Al2O3, SiO2, SiC 등)를 유기질 또는 무기질 접착제로 된 플럭스(flux)로 균일하게 코팅시킨 후 건조, 소성시켜 제작하는 다공체 등으로 나눌 수 있다. 그러나 두 방법에 의해 제작된 다공체는 기공의 크기와 분포도 등을 제어하기가 어렵고 생산 비용이 비교적 비싼 단점이 있다. 또한 DPF와 인공 조직에 사용되는 다공체 세라믹스는 국내 많은 연구자들의 노력에도 불구하고, 제작비용과 인공뼈와 같은 open 기공의 미세구조 제어 기술에 대한 Know How 부재로 기공의 크기, 형태 및 분포도를 제어할 수 있는 국내 기술은 초보 단계입니다.
위의 두 방법의 개선방법을 생각하다가 문득 ‘물과 공기는 왜 섞이지 않을까? 물속에 형성된 기포는 왜 물 밖, 즉 공기 중으로 나오는 것일까?’ 라는 생각을 했습니다. 수용액 상태에 균일하게 분포된 세라믹 분말에 표면 기능제를 혼합 및 코팅하여 물의 친수성(hydrophilic)과 주입된 가스, 즉 공기의 소수성(hy- drophobic)을 이용하여 direct forming방법으로 저렴하게 균일한 기공성을 성형한 후, 건조과정 중에도 입자들이 안정한 형태를 유지함은 물론, 소성과정을 통하여 direct forming 방법으로 기공률 95% 이상의 다공체 세라믹스(SiC, β-Ca3PO4)를 간단하게 제조할 수 있었습니다. 이에 창의적이고, 생산 단가가 저렴하고, 미세기공을 다양하게 조절할 수 있는 혁신적인 아이디어로 2011년 지역혁신 인력양성사업을 수행하게 되었습니다.

지역혁신 인력양성 사업으로 진행 중인 ‘direct forming’으로 인한 효과는 무엇입니까?
일반적으로 세라믹 재료는 전술한 바와 같은 특이한 물성으로 인하여 거의 모든 이동통신, 디스플레이, TV, 컴퓨터, 대체에너지 생산 시스템 등 우리시대 공학적 이슈들의 의 근간소재를 점유하고 있기 때문에 지역사회로부터 중점 육성분야로 선정되어 있으며, 이에 부응하여 본과에서도 활발한 연구와 교육이 이루어지고 있습니다.
특히 세라믹 다공체는 응용범위가 넓은 제품이며, 국내에서도 새로운 나노다공재료에 대한 연구도 진행되고 있고, 배기가스 정화분야는 대표적인 환경 분야로 이의 적용이 활발하게 진행되고 있습니다. 더욱이 시장으로는 철근 구조의 피복제, 단열제, 허니콤 담체, 디젤용 허니콤필터, 멤브레인 필터, 생체재료 등이 확대될 것으로 예상하고 있지만, 국내 기술은 선진국에 비해서 낮은 수준이며, 연구는 여러 분야가 협력을 하여야 개발이 가능한 분야이므로 산·학·연 공동 연구가 필요하다고 사료 됩니다.
현재 지역혁신 인력양성사업에 의해 개발하고자 하는 초경량 무기단열재의 국내 시장규모는 유, 무기단열제(4조원) 중 약 5%(2008년 기준)인 약 2,000억원 규모의 시장을 기대할 수 있습니다.

마지막으로 세라믹코리아 독자들에게 전하고 싶은 내용이 있다면 한 말씀 부탁드립니다.
저희 연구실은 부품소재, 프론티어사업, 산·학공동연구 등 각종 연구사업을 성공적으로 수행하고, 1999년부터 2006년까지 산업자원부에서 지원한 기술혁신센터(TIC) 사업을 통한 인프라 사업으로 반도체공정에 핵심부품인 세라믹로터, 액체렌즈, 차세대 LCD용 마이크로 노즐과 초정밀 캐필러리 등을 개발하여 상용화 시켰습니다. 이에 구조세라믹스와 나노구조 재료에 대한 국내 대학 최고 수준인 무기재료연구소를 구축했다는 평가를 받고 있습니다. 앞으로도 집요한 연구를 통해 꼭 상용화를 이루겠다는 자세로 연구하겠습니다.  유민희기자 mini9757@naver.com

캡션
제올라이트 templates를 이용한 카본나노튜브
direct forming으로 미세구조가 제어된 다공체 세라믹스 제조방법
Direct forming법에 의해 제작된 세라믹 다공체