국내 연구진이 생명공학, 전자재료, 촉매화학, 원자력 산업 등 다양한 분야에서 첨단 소재로 활용될 수 있는 나노실리카의 새로운 합성법을 개발하는데 성공, 산업 및 의료용 소재로 활용 폭이 넓어지게 됐다.

한국원자력연구원 원자력화학연구센터 김종윤 박사와 한남대 유종성 교수ㆍ윤석본 박사, LG생활건강 박승규 박사 등 산ㆍ학ㆍ연 공동연구팀은 표면에서 중심 쪽으로 수직 방향의 구멍이 규칙적으로 배열돼 있는 새로운 형태의 나노실리카를 합성하는데 성공했다.

코어·셸 형태의 새로운 나노실리카는 내부 중심부분까지 활성물질이 효과적으로 전달될 수 있어 고품위 촉매, 폐기물 처리제, 약물전달체 등 첨단소재로 활용될 수 있다. 이번 연구 성과는 이 분야 권위지인 영국왕립학회 발간 ‘Journal of Material Chemistry’ 최근호의 표지 논문에 선정됐다.

나노실리카는 나노미터 크기의 입자와 구조를 가지도록 합성된 이산화규소 입자로 기존의 구형 나노실리카는 미세한 기공이 입자 표면과 평행하게 나있거나 기공의 방향이 불규칙해 외부 물질이 내부로 쉽게 접근하기 힘든 단점이 있었다. 그러나 공동연구팀은 주형합성법이라는 최신 나노기법을 적용, 실리카 입자가 균일한 크기의 구형 형태를 유지하면서도 표면에 2~50 나노미터(nm) 크기의 기공이 실리카 표면에서 중심으로 수직으로 위치하도록 함으로써 단점을 극복해 냈다.

공동연구팀은 구형 실리카 입자의 표면에 계면활성제와 실리카로 이루어진 껍질(셸)을 형성시킨 뒤 섭씨 500℃의 고온에서 태워 계면활성제가 위치하고 있던 부분에 규칙적인 기공이 생성되도록 했다.

공동연구팀은 또한 대량생산에 유리하도록 고가의 특수물질을 흔히 사용되는 양이온계 계면활성제로 대체하고 13단계에 달하는 복잡한 합성공정도 대폭 개선, 이 분야 권위지의 인정을 받게 됐다.

공동연구팀이 개발한 규칙적 수직기공 구조의 나노실리카는 고품위 타이어와 종이 충진제, 약물 저장 및 전달체 등 의료용 재료와 연마제, 센서 등 전자재료, 유해물질 제거 및 에너지 변환 촉매담체 등 환경소재로 활용할 수 있고 다양한 재질의 나노구조체 합성을 위한 모체로도 이용이 가능한 매력적인 첨단소재이다.

원자력연구원은 이 기술을 핵사찰 분석용 표준입자 제조, 방사선 기술 융합형 공정 기술에 필요한 표준입자 제조, 방사성 폐기물 제거용 담체 제조 등 원자력 분야에 다양하게 활용하기 위한 연구를 수행하고 있다.

이번 연구는 한남대 유종성 교수팀이 지난 2002년에 처음 발표한 구형 탄소나노 소재 산업화 연구의 후속연구로 시작돼 과학기술부 원자력연구개발사업, 신화학공정기술사업, BK21사업과 산업자원부 산업기술개발사업 등의 지원을 받아 수행한 산ㆍ학ㆍ연 공동연구로 5년 여 동안의 노력 끝에 결실을 맺은 것이다.

한편 나노실리카의 시장규모는 산업용 소재의 경우 지난 2005년 세계시장 규모는 약 6,000억원, 국내시장 규모는 600억원에 이르고 있으며 의약품 소재의 경우에는 2005년 세계시장 규모가 54조원 정도이고 국내시장도 2001년 2,000억원에서 2005년 1조원으로 가파르게 증가하고 있는 추세이다.

<용어 설명>
▲나노실리카 : 나노미터 크기의 입자뿐만 아니라 나노미터 수준의 미세구조 제어에 의해 합성된 실리카를 통칭한다. 즉 밀리미터 크기의 입자라도 내부에 나노수준의 기술이 적용된 규칙적 기공을 포함하고 있는 경우 등은 나노실리카로 볼 수 있다.
▲메조 기공 : 입자 내에 존재하는 기공의 크기가 2나노미터 이상, 50나노미터 이하인 기공으로 촉매 및 생명과학 분야에서 나노기술 활용의 대표적 기술로 각광받고 있다. 2나노미터 이하의 ‘마이크로 기공’의 경우는 커다란 물질을 포함하기에는 크기가 너무 작고 기공 입구가 막히기 쉽다는 단점이 있다. 기공의 크기가 50나노미터 이상인 ‘매크로 기공’의 경우에는 상대적으로 표면적이 낮고 효율적 촉매화학 반응을 일으키기 기공의 크기가 너무 큰 경우가 많다.
▲주형합성법 : 자발적으로 특정 나노구조체를 형성하는 계면활성제 등을 이용, 유ㆍ무기 복합체 혹은 다공성 무기입자를 합성하는 방법이다. 1990년 세계 최초로 미국에서 계면활성제를 이용한 주형합성법에 의해 규칙적 메조 기공을 가지고 있는 실리카 나노구조체를 합성했다. 이후 실리카 외의 다양한 재료에 대해 주형합성법을 적용한 신소재가 개발돼 에너지, 환경, 생명과학 등의 분야에 적용되고 있다.