가지구조 금나노입자 대량생산 기술 개발 (08.27)

국내 연구진, '눈결정' 성장원리에 착안…나노신소재 실용화 기대
물·기름 에멀젼 활용 별도 화학공정 없이 상온서 단기간 대량 합성

 

 

 

 

▲ 강태욱 서강대 교수팀 등 국내 연구진이 개발한 2차원 가지구조 금 나노입자의 액체와 액체 계면에서 합성 모식도. <이미지=강태욱 서강대 교수팀>

 

 

국내연구진이 올리브 오일을 이용해 기름과 물의 경계면에서 눈결정 모양의 금나노입자를 대량으로 합성하는 기술을 개발했다.

한국연구재단은 강태욱 서강대 화공생명공학과 교수와 신용희 박사과정 연구원(공동 제1저자), 김동철 기계공학과 교수팀이 공동연구를 통해 용액 상에서 금나노입자 대량생산 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

지금까지 2차원 금속나노입자는 고체 기판에서 증착을 통해 제작됐다. 그러나 식각공정은 입자의 수가 제한적이고 고체 기판이 필요해 대량생산에 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 용액 상 2차원 금속나노입자 생산 연구가 활발하게 진행 중이지만, 반응온도 등 합성조건을 정밀하게 조절해야 하고 복잡한 공정이 필요해 실험실 수준에 그쳤다.

연구팀은 눈결정이 물 분자가 확산될 때 가지구조로 성장하는 원리에 착안했다. 물과 기름이 섞이지 않고 계면에 에멀젼을 형성하는 점을 이용했다. 기름은 주변에서 흔히 구할 수 있는 올리브오일이 사용됐다.

연구팀은 실험을 통해 금이온과 환원제가 계면에서만 선택적으로 반응이 일어남을 확인했다. 금이온과 환원제가 포함된 수용액 위에 계면을 형성하고 살핀 결과, 약 4분이 경과했을 때 계면 주변에 화학반응이 발생한 반면 금이온과 환원제는 수용액 상에서는 아무런 변화가 없었다.

계면에서 합성된 금나노입자를 주사전자현미경과 원자힘현미경을 이용해 분석한 결과, 2~8nm 정도의 틈이 존재하는 수많은 가지를 갖는 수지상 구조가 확인됐다.

한편 계면에서 반응시간이 증가함에 따라 금나노입자의 가지구조가 사라지고 주변에 잔가지들만 존재하는 성게구조가 만들어지는 것도 확인했다.

연구팀이 개발한 방법은 친환경적이란 점에서도 주목된다. 환경독성을 유발할 수 있는 별도의 화학물질 없이 상온에서 짧은 시간 안에 가지구조의 2차원 금나노입자를 대량으로 합성할 수 있을 뿐만아니라 합성에 사용된 기름도 밀도차를 이용해 쉽게 회수해 다시 사용할 수 있다.

 

▲ 국내 연구진이 개발한 2차원 가지구조 금나노입자의 전자기장 강화효과 및 분자 검출 적용표. <이미지=강태욱 서강대 교수팀>

 

 

무수히 많은 가지가 뻗어 나오는 2차원 평면구조의 금속나노입자는 높은 표면적 때문에 촉매나 질병진단센서를 위한 소자나 질병치료를 위한 소재로 각광받고 있다. 특히 평면구조 금속나노입자의 경우, 강한 전자기장 강화효과와 더불어 인체에 무해한 근적외선 영역의 빛을 이용할 수 있어 바이오의학 분야에도 폭넓게 응용될 수 있다.

강태욱 교수는 "우수한 특성에도 불구하고 그동안 실험실 수준 연구에 머물던 기존 금속나노소재 합성의 한계점을 극복한 연구결과"라며 "향후 3년 내 실용화 될 수 있을 것으로 기대하며, 금속 나노소재의 실용화에 도움을 줄 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 국가간협력기반조성사업(미공군협력사업)의 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 국제학술지 '사이언티픽 리포트지(Scientific Reports)' 온라인판에 8월 26일 게재됐다.

 

논문제목 : Two-dimensional hyper-branched gold nanoparticles synthesized on a two-dimensional oil/water interface