이 규 형_ 강원대학교 나노응용공학과 교수

1. 서 론

나노소재를 중심으로 한 나노과학 및 나노기술은 나노구조를 특징으로 하는 소재의 설계로부터 합성, 분석 및 응용과 관련한 기술을 포괄한다. 일반적으로 소재를 규정하는 특성크기 중 하나라도 nm 수준(100nm 이하)이면 나노소재로 규정하며, 아주 작게는 원자-분자로부터 무한하게 큰 벌크(bulk)형 소재까지 다양한 형태로 제조할 수 있다. 또한, 나노소재는 그 차원에 따라 0차원의 구조특성을 나타내는 분말(또는 클러스터(cluster))과 양자점(quantum dot), 1차원 구조특성의 나노선(nanowire), 나노튜브(nanotube) 및 나노라드(nanorod), 2차원 구조특성의 박막(thin film)과 나노시트(nanosheet), 나노플레이트(nanoplate), 그리고 3차원 구조특성의 나노복합체를 포함한다. 나노소재의 물리·화학적 성질은 경우에 따라 마이크로(100nm 이상) 특성 크기의 동일 조성 벌크소재와 비교하여 전혀 다른 특성을 나타낸다. 이러한 특성의 차이는 공간적인 구조와 형상, 상변화, 에너지, 전자구조, 화학반응 특성 등과 관련이 있으며, 나노소재에서 물리적 특성이 변화하는 원인은 (1) 큰 표면 원자 분율, (2) 큰 표면 에너지, (3) 공간적인 구속(spatial confinement) 효과, (4) 불완전 요소의 감소 등으로 알려져 있다. 이에 따라 나노소재는 (1) 녹는점의 감소, (2) 기계적 특성의 증대, (3) 광학적 특성의 변화, (4) 전기적 특성의 변화, (5) 자기적 특성의 변화, (6) 자가 치유, (7) 화학적 안정성 증대 등의 비정상적인 특성을 나타낸다. 현재 나노소재는 나노분말, 나노박막, 나노복합체 등의 형태로 제조되어 전기전자, 바이오, 환경·에너지 산업 등에 폭넓게 활용되고 있으며, 세계 시장규모는 2014년 206억 달러에서 연평균성장률 20.7%의 고속 성장을 나타내어 2019년에는 527억 달러에 이를 것으로 추산 된다[1].
나노소재와 더불어 최근에는 나노소재를 이종의 소재와 복합화 한 나노복합소재에 대한 연구·개발이 진행되고 있다. 나노복합소재는 조성, 형상 또는 특성 크기가 다른 2종 이상 소재의 복합화에 의해 기존 소재의 물성을 향상하거나 소재 간 계면 형성으로 예상하지 못한 특성을 구현하기 위한 목적으로 그림 1의 개념도에 나타낸 나노입자-분체 복합 분말, 나노입자-나노선 복합 분말, 나노입자-나노플레이트 복합 분말, core-shell 나노 입자, core-shell 나노선, 초격자(superlattice) 나노선, 나노입자-박막 복합 박막, 초격자 박막, 나노인클루전 복합체(nanoinclusion composite) 및 나노상과 나노상이 혼합된 복합상 나노복합체(hetero-nanograined composite) 등 다양한 형태의 소재를 포함한다. 본고에서는 기존 나노소재의 물성 한계를 극복할 수 있는 새로운 개념의 나노복합소재 기술에 대해 그 차원에 따라 나노복합 분말, 나노복합 박막 및 나노복합 벌크로 구분하고, 나노복합 구조에 따른 소재의 전기전도 및 열전도 특성 변화를 중심으로 기술하고자 한다.

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