기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리 연구단(단장 이영희) 김성웅 연구위원(성균관대 에너지과학과 교수)은 공기 중에서 산화되지 않는 구리 나노입자를 개발했다.

대부분의 금속은 공기 중에 노출되면 산화되면서 녹이 생긴다. 이는 금속 표면에서 금속 원자와 공기 중의 산소 원자가 결합하면서 발생하는 자연적인 현상이다. 금속이 산화되면 금속의 성질을 잃게 되고 심할 경우 사용할 수 없게 되므로 금속 표면 도금법 및 음극방식법¹⁾을 이용해서 금속 산화 방지에 큰 노력을 기울여왔다. 최근 소재, 촉매, 센싱 등 다양한 분야에서 금속 나노입자가 폭넓게 활용되고 있으나 산화 현상을 완벽하게 막는 기술은 아직까지 없었다.

연구진은 구리 나노입자를 어떠한 표면처리 없이 공기 중에서 전혀 산화되지 않는 상태로 합성하는 데 성공하였다. 구리 나노입자는 금속 나노입자 중 활용도가 가장 높지만 쉽게 산화되는 것으로 알려져 있다.

이를 위해 연구진은 수년간 연구해온 신소재 전자화물에 주목했다. 고농도의 전자를 포함하고 있는 전자화물 위에 구리 나노입자를 형성시키면, 다량의 전자가 전자화물에서 구리 나노입자로 전달되어 구리 나노입자의 표면에 과잉의 전자가 축적된다. 나노입자의 표면에 축적된 과잉의 전자만 공기 중의 산소와 반응하여 구리 나노입자는 산화가 일어나지 않는다는 것을 관찰했다. 무엇보다도 구리 나노입자를 수개월 이상 공기 중에 노출시켜도 전혀 산화되지 않고 구리의 금속성을 지속적으로 유지하는 것을 확인하였다. 이러한 현상을 응용하여 산화되지 않는 은 나노입자 합성에 성공하였다.

나아가 공기 중에서 산화되지 않는 구리 나노입자를 대량생산 할 수 있는 용액공정도 개발하였다. 구리 금속 이온이 녹아있는 액체에 전자화물을 넣고 반응시키면 공기 중에서 산화되지 않는 다량의 구리 나노입자를 손쉽게 생산할 수 있다. 이러한 전자화물을 활용한 용액공정은 다른 금속 나노입자 합성에도 적용 가능하며, 표면 개질이 필요 없는 금속 나노입자 생산과 기술 응용에 용이할 것으로 기대된다.

김성웅 연구위원은“구리 나노입자를 이종물질 코팅과 같은 표면처리도 없이 공기 중에 장시간 노출시켜도 산화되지 않는다는 것은 기존 상식을 깨는 현상이다”며 “이번 연구 결과를 통해 구리 나노입자를 포함 금속 나노소재 합성 및 응용연구에 새로운 장이 열릴 것이다. 특히 구리는 항균·항바이러스 기능이 있어 항균필름, 마스크 등에 활용되지만 장시간 노출되면 기능이 저하되는 문제가 있다. 이번에 개발한 구리 나노입자는 기존의 우수한 살균능력을 지속할 수 있어 K-방역에 크게 기여할 것이다”고 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) 誌에 2월 11일 게재됐다. 한편 이 연구는 기초과학연구원, 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 중점연구소사업, 글로벌프론티어사업 등의 도움을 받아 진행됐다.

그림설명

[그림 1] 일반 구리 나노입자의 산화 (위) 대비 표면에 축적된 전자를 가진 구리 나노입자의 비산화 (아래) 비교 모식도

[그림 2] 용액공정을 통해 합성한 구리 나노입자 사진

[그림 3] 공기 중에 노출된 구리 나노입자 표면의 투과전자현미경 이미지

1) 음극방식법: 부식으로 인해 생긴 금속표면에서 전류가 세어나가지 않도록 금속체에 낮은 음극의 전류를 가하는 방식.