Si계 나노입자 합성법 및 응용

나노분말 특성

반도체나 금속 등의 나노미터 크기의 미립자는 큰 벌크(bulk) 결정이나 작은 분자

와는 다른 빛, 전기 및 자기 등의 독특한 물성을 나타내어 여러 분야에서 기능성

재료로서 기대 받고 있다. 이러한 반도체나 금속의 나노분말이 독특한 특성을 가지

는 것은 이들이 부피에 비하여 표면적이 매우 크기 때문이다.

결정의 크기가 작아지면 전체 원자에 대한 표면원자의 비율이 높아진다. 일반적으

로 내부의 원자에 비하여 표면원자가 자유에너지에 큰 기여를 하므로 물질의 열역학적 

성질에 큰 변화를 일으킨다. 따라서 벌크 상태의 물질보다 나노 크기의 물질

들은 단위 원자 당 높은 에너지를 가지게 된다. 이와 같은 특성은 나노 크기의 촉

매에 응용되어 촉매의 활성도를 높일 수 있다.

뿐만 아니라 입자를 구성하는 원자 혹은 분자의 수가 적을수록 표면원자의 수는

내부에 있는 원자의 수와 비교하여 상대적으로 증가하게 되어 체적특성은 감소하고

표면특성이 증가하는 표면적 효과(surface area effect)와 모세관 효과 (capillarity

effect) 때문에 나노입자는 독특한 특성을 보여준다(1).

한편, 입자의 합성공정에서 기능성의 구현을 위해서 두 가지 이상의 물질을 사용

하게 되며, 세라믹과 금속, 고분자의 복합물질을 포함하는 소재의 융합과 공정 융합

을 포함하게 된다. 복합 입자란 두 개 이상의 단위 입자나 성분이 결합된 복합체로

구성된 입자를 의미하며 <그림 1>과 같이 크기가 일정하지 않은 기존의 단일상 입

자에서 입자크기가 균일한 나노 입자, matrix 입자 표면에 입자 코팅, 복합상의 입

자, 중공성 입자, 표면 제어된 core-shell 입자 등의 다양한 형태를 보일 수 있다(2).

나노 크기의 입자는 원자나 분자가 수억 개 이상으로 이루어진 벌크 물질과 원자

로 구성된 분자의 중간 상태이다. 즉, 불연속적 에너지 준위를 가지는 원자 및 분자

와 연속적 에너지 밴드를 가지는 벌크의 중간쯤에 위치하게 되어 불연속적인 에너

지 준위와 연속적인 에너지 준위를 동시에 가지게 된다. 따라서 벌크와 원자나 분

자 상태에서 나타나는 성질과는 다른 광학적, 전기적 성질을 나타낸다.

나노분말을 합성하는 공정은 매우 다양하다. 분말 합성 방법으로는 분말을 제조하

는 접근방식에 따라 원자를 조립해나가는 방식(bottom up)과 큰 덩어리의 크기를

줄여나가는 방식(top down)으로 나뉘며, 합성원리에 따라 물리적, 기계적, 화학적 방

법 등으로 구별된다.

기존의 나노소자에 사용된 나노입자는 선진국의 특허에 의한 제조 및 응용분야가 제한되

어 있기 때문에 새로운 형태의 나노입자 개발이 향후 우리나라의 나노소자의 산업적인 발전

에 필수적이라 할 수 있다.

특히 기능성을 부여하는 복합 나노입자는 다기능 복합 입자의 크기 및 표면 특성을 조절

함으로써 다양한 산업적 분야의 적용 가능성이 높고 새로운 특성의 부여를 통한 유-무기 복

합 소재에 응용성을 높일 수 있다는 점에서 그 효용 가치가 클 것으로 기대된다. 기능성을

부여하는 실리카(SiO2), 탄화규소(SiC), 규소(Si) 나노분말 합성법과 응용분야를 소개한

다.