기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리 연구단의 김성웅 연구위원(성균관대 에너지과학과 교수)이 공기 중에서 산화되지 않는 구리 나노입자를 개발했다고 10일 밝혔다.
대부분 금속은 공기 중에 노출되면 산화되면서 녹이 생긴다. 금속 원자와 산소 원자가 결합해 발생하는 자연 현상이다. 산화 현상을 완벽하게 막는 기술은 없었다.
연구진은 구리 나노입자를 표면처리 없이 공기 중에서 산화되지 않는 상태로 합성하는 데 성공했다. 구리 나노입자는 금속 나노입자 중 활용도가 가장 높지만 쉽게 산화한다.
수년간 연구해온 신소재 전자화물에 주목했다. 고농도 전자를 포함하는 전자화물 위에 구리 나노입자를 형성시키면, 다량의 전자가 전자화물에서 구리 나노입자로 전달돼 구리 나노입자 표면에 전자가 축적된다. 이 때 과잉 상태 전자만 공기 중 산소와 반응해 구리 나노입자는 산화가 일어나지 않는다는 것을 관찰했다. 무엇보다도 구리 나노입자를 수개월 이상 공기 중에 노출시켜도 전혀 산화되지 않고 구리의 금속성을 지속적으로 유지하는 것을 확인했다. 이런 현상을 응용해 산화되지 않는 은 나노입자 합성에 성공했다.
나아가 공기 중에서 산화되지 않는 구리 나노입자를 대량생산 할 수 있는 용액공정도 개발했다. 구리 금속 이온이 녹아있는 액체에 전자화물을 넣고 반응시키면 공기 중에서 산화되지 않는 다량의 구리 나노입자를 손쉽게 생산할 수 있다. 이런 전자화물을 활용한 용액공정은 다른 금속 나노입자 합성에도 적용 가능하며, 표면 개질이 필요 없는 금속 나노입자 생산과 기술 응용에 용이할 것으로 기대된다.
김성웅 연구위원은 ”구리는 항균·항바이러스 기능이 있어 항균필름, 마스크 등에 활용되지만 장시간 노출되면 기능이 저하되는 문제가 있다“며 ”개발한 구리 나노입자는 기존 우수한 살균능력을 지속할 수 있어 K-방역에 크게 기여할 것”이라고 의의를 밝혔다.
이번 연구는 기존의 금속 산화 반응의 개념을 다시 쓴 연구로 나노입자가 사용되는 전 분야에서의 활용을 뛰어넘어 새로운 응용 기술 개발을 이끌 것으로 전망된다. 특히 2차전지의 중요한 부품인 동박 및 알루미늄박 생산에 이번 기술을 활용하면 금속성은 유지하되 더 얇은 소재를 만들 수 있어 국가 경쟁력을 한층 더 높일 것으로 기대된다.
이번 연구는 나노 분야 권위지인 네이쳐 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF=39.213)에 11일 게재됐다. 한편 이 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 중점연구소사업, 글로벌프론티어사업 등 도움을 받아 진행됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
