핵심전략소재 자립을 위한 소재산업 생태계 조성 및 기술 개발 동향 (1)

세라믹 나노섬유 필터 소재의 개발 및 응용

이 종 만 _ 한국기계연구원 부설 재료연구소 책임연구원

하 장 훈 _ 한국기계연구원 부설 재료연구소 책임연구원

송 인 혁 _ 한국기계연구원 부설 재료연구소 책임연구원

1. 세라믹 나노섬유 제조기술의 발전

나노기술(nanotechnology)의 기본적인 개념은 “나 노미터(1~100 nm) 크기에서 물질의 제조·조작을 통 해 새롭거나 개선된 성질을 이용하는 기술”이다. 세 계 지식 재산권 기구(WIPO)의 2015년 보고서에 따 르면 나노기술은 “전기, 컴퓨터, 인터넷 등과 비견될 정도의 경제적 파급 효과를 지닌 기술로써 3D 프린 팅, 로봇기술과 더불어 미래 경제 성장을 이끌어갈 3 대 기술”로 평가되고 있다. 이처럼, 나노기술은 기존 벌크 소재가 해결하지 못하는 문제점을 혁신적으로 극복하면서 나노소재(nanomaterials)의 발전을 이 끌어 왔다. 나노기술과 관련된 노벨상 수상 내역을 살펴보면 그 위상을 더욱 확실히 파악할 수 있다. 첫 번째는 1996년 노벨 화학상을 받은 ‘풀러렌’(fuller- ene: 축구공 모양으로 배열된 C60 탄소 소재), 두 번째는 2007년 노벨 물리학상을 받은 ‘거대 자기 저 항’(giant magnetoresistive: 원자층 두께의 박막조 성으로 비약적인 저장밀도 향상), 세 번째는 2010년 노벨 물리학상을 받은 ‘그래핀’(graphene: 2차원 탄 소 구조체) 이다.

이처럼, 다양한 ‘세라믹 나노 구조체’(예: 나노입자, 나노섬유, 나노로드, 나노박막 등)는 해당 벌크 소 재에 비해 나노 스케일에 따른 소재 특성이 뛰어나 오랫동안 여러 분야에 걸쳐 연구되었다(예: 광/전 자, 에너지/센서, 필터, 촉매, 흡착 등). 일반적인 ‘세라 믹 나노 구조체’의 제조방법에는 top-down 및 bot- tom-up 방식이 있다. Top-down 방식은 비교적 단 순하고 비용이 저렴한 장점이 있으나 나노 구조체의 크기 제어가 정밀하지 못하다. 반면에 bottom-up 방 식은 이러한 단점을 잘 극복할 수 있으며 (1) 솔-젤 공정(sol-gel process), (2) 열처리(pyro-technique), (3) 수열 합성(hydrothermal synthesis) 등이 대표 적으로 사용되고 있다.

1990년대 이후, 전기방사(electrospinning) 기법은 학계와 산업계를 중심으로 전 세계에 널리 알려지 면서 나노섬유 개발과 응용에 관한 많은 연구가 진 행되어왔으나 거의 대부분 고분자 소재에 한정되었 다. 전기방사는 간단한 장치 구성으로 균일한 1차원 나노섬유 구조체를 제조할 수 있는 기법으로 연구 용에서 산업용까지 설비 규모를 확장할 수 있다. 특 히 전기방사 기법은 사용하는 소재와 조성의 선택 이 크게 까다롭지 않고 섬유의 직경과 형태를 쉽게 제어할 수 있는 커다란 장점을 보유하고 있다.

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