나노소재공학과

양자점

Quantum Dots

반도체 입자를 전자의 드브로이 파장과 비슷한 나노미터 크기로 작게 만들면, 전자가 3차원 모든 방향에서 갇혀 에너지 준위가 띄엄띄엄한 값만 가질 수 있게 되는 양자구속효과가 나타남. 입자가 작을수록 에너지 준위 간격이 벌어져 밴드갭이 커지므로, 크기만 조절해 원하는 발광 색을 자유자재로 얻을 수 있음.

ex) QLED TV가 양자점 크기별로 다른 색을 내도록 설계해 색재현율을 높이는 것.

나노입자 합성

Nanoparticle Synthesis

금속 이온을 화학적으로 환원시켜 원자 단위에서부터 결정핵이 생성되고 성장하는 과정을 온도·농도·반응시간으로 정밀 제어해 원하는 크기·모양의 나노입자를 만드는 화학적 환원법이나, 금속 알콕사이드가 가수분해·축합되며 겔 상태로 굳는 졸-겔법 등이 대표적인 합성 기법.

ex) 항균 소재에 쓰이는 은나노입자를 원하는 크기로 균일하게 합성하는 것.

표면적 대 부피비 효과

Surface-to-Volume Ratio Effect

입자의 표면적 대 부피 비율이 반지름 에 반비례하므로, 입자가 작아질수록 이 비율이 급격히 커짐. 표면에 있는 원자는 결합이 불완전해 화학적으로 훨씬 반응성이 높으므로, 나노입자는 같은 질량의 벌크(덩어리) 재료보다 촉매 활성이나 반응성이 크게 높아짐.

ex) 나노 촉매가 같은 질량의 일반 촉매보다 훨씬 적은 양으로도 반응을 빠르게 촉진하는 이유.

탄소나노튜브 및 그래핀

Carbon Nanotubes & Graphene

탄소 원자가 육각형 벌집 격자로 강한 공유결합(sp2)을 이루는 나노 소재로, 이 결합을 원통형으로 말면 탄소나노튜브, 한 층만 평면으로 펼치면 그래핀이 됨. 전자가 결합을 따라 거의 저항 없이 이동할 수 있어 구리보다 전기전도성이 뛰어나고, 강한 공유결합 덕분에 강철보다 훨씬 높은 인장강도를 가짐.

ex) 차세대 반도체 채널 소재나 초경량 방탄 필름에 그래핀·탄소나노튜브를 적용하려는 연구.

플라즈모닉스

Plasmonics

금·은 같은 금속 나노입자 표면의 자유전자 집단이 특정 파장의 빛을 받으면 마치 하나의 진동체처럼 그 빛의 진동수에 맞춰 집단적으로 진동(표면 플라즈몬 공명)하며, 그 결과 나노입자 주변에 원래 빛보다 훨씬 강하게 압축된 전자기장을 만들어내는 현상을 다루는 분야. 이 극도로 강해진 국소 전자기장을 이용하면 빛의 파장보다 훨씬 작은 나노미터 영역에서도 빛 에너지를 검출·조작할 수 있음.

ex) 아주 미량의 분자도 검출할 수 있는 초고감도 바이오센서나 태양전지 효율을 높이는 나노 광학 소재 연구.

나노소재 독성학

Nanotoxicology

나노입자는 표면적이 극도로 넓고 세포막을 통과할 만큼 작아, 같은 화학 성분의 벌크 재료와는 전혀 다른 생물학적 반응(염증 유발, 세포막 투과 후 축적 등)을 일으킬 수 있음. 나노소재를 화장품·식품·의료기기에 실용화하기 전 이 독성을 별도로 평가해야 하는데, 나노입자의 크기·형상·표면 화학이 독성에 미치는 영향이 아직 완전히 규명되지 않은 활발한 연구 분야.

ex) 자외선 차단제에 쓰이는 나노 산화아연이 피부를 실제로 투과하는지, 인체에 안전한지 검증하는 연구.

자기조립 나노구조

Self-Assembled Nanostructures

분자나 나노입자를 외부에서 하나하나 정밀 배치하는 대신, 분자 자체의 화학적 상호작용(소수성-친수성 반발, 정전기적 인력 등)을 이용해 스스로 규칙적인 패턴이나 구조를 형성하도록 유도하는 나노 제작 기법. 하향식(top-down) 리소그래피로는 만들기 어려운 초미세 주기적 나노 패턴을 훨씬 저렴하고 대면적으로 만들 수 있는 상향식(bottom-up) 접근법.

ex) 블록공중합체 분자가 스스로 규칙적인 나노 패턴을 형성해 차세대 반도체 미세 패터닝에 활용되는 연구.