나노기술의 화학공업 분야 응용

나노 입자는 광촉매로서 많은 장점을 가지고 있습니다. 첫째, 입자 크기가 작고 비표면적이 커서 광촉매 효율이 높습니다. 또한, 나노 입자에서 생성된 전자와 정공은 표면에 도달하기 전에 대부분 재결합되지 않기 때문에, 표면에 도달하는 전자와 정공의 수가 많아져 화학 반응성이 높아집니다. 둘째, 나노 입자는 매질 내에 분산될 때 대체로 투명성을 가지므로, 광학적 수단을 이용하여 계면 간 전하 이동, 양성자 이동, 반도체 에너지 준위 구조 및 표면 상태 밀도의 영향을 관찰하기가 용이합니다. 현재 산업계에서는 나노 이산화티탄과 삼산화철을 복합한 광촉매가 폐수 처리(SO₃²⁻ 또는 Cr2O72-시스템 포함)에 활용되어 매우 우수한 효과를 거두고 있습니다.

침전용출법으로 제조된 입자 크기 약 30~60nm의 백색 구형 아연티타늄산염 파우더는 비표면적이 크고 화학 반응성이 높아, 이를 탈황 흡착제로 사용할 경우 고상 소결법으로 제조한 티타늄산염 파우더보다 훨씬 뛰어난 효과를 발휘합니다.

나노 정전기 차폐 소재는 나노기술의 또 다른 중요한 응용 분야입니다. 과거에는 정전기 차폐재로 수지에 카본블랙을 섞어 분사하는 방식이 주로 사용되었지만, 그 성능이 그다지 뛰어나지 않았습니다. 일본의 파나소닉 주식회사는 정전기 차폐 소재의 성능을 개선하기 위해 정전기 차폐 성능이 우수한 나노 코팅을 개발했습니다. 코팅은 Fe2O3, TiO2, ZnO 등과 같은 반도체 특성을 지닌 나노산화물 입자로 만들어지며, 높은 전도성으로 인해 정전기 차폐 역할을 할 수 있습니다. 또한, 산화물 나노입자는 다양한 색상을 가지고 있으므로, 적층을 통해 정전기 차폐 코팅의 색상을 제어할 수 있습니다. 이 나노 정전기 차폐 코팅은 정전기 차폐 특성이 우수할 뿐만 아니라, 단일 색상만을 사용하는 카본블랙 정전기 차폐 코팅의 단조로움을 극복했습니다.

또한, 일정 비율로 나노 TiO2 파우더를 화장품에 첨가하면 자외선을 효과적으로 차단할 수 있습니다. 일반적으로 나노 이산화티탄이 0.5-1% 포함되면 자외선 차단 효과를 충분히 얻을 수 있으며, 현재 일본 등에서는 이와 같은 나노 TiO2 화장품이 이미 출시되어 있습니다. 자외선은 육류 식품을 자동 산화시켜 변색시키는 동시에, 비타민과 방향족 화합물을 파괴하여 식품의 영양 가치를 저하시키므로, 0.1-0.5%의 나노 이산화티탄을 첨가한 투명 플라스틱 포장재로 포장하면 자외선으로부터 식품을 보호하고 신선도를 유지할 수 있습니다. 금속 나노 입자를 합성섬유나 종이에 첨가하면 정전기 효과를 크게 줄일 수 있으며, 나노 입자로 구성된 해면체 구조의 소결체는 기체 동위원소, 희귀 혼합 기체, 유기 화합물 등의 분리 및 농축에 활용될 수 있습니다. 이 외에도 나노 입자는 배터리 전극, 화학 성분 센서, 고효율 열교환기용 격막 소재 등으로 사용되며, 도전성 코팅재, 인쇄용 잉크, 고체 윤활제 등에도 다양하게 응용됩니다.

화학 공침법으로 ZnCO3가 Ti(OH)4 입자를 피복하도록 제조한 후, 일정 온도에서 예열 처리하여 대부분의 ZnO 피복 분말을 용출시키고, 체계 내 소량 존재하는 ZnTiO3(이는 TiO2(R) 결정 구조와 유사함)를 활용하여 TiO2의 아나타제형에서 루틸형으로의 전이를 촉진시킴으로써, 입자 크기 약 20~60nm의 루틸형 이산화티탄 분말을 제조할 수 있습니다. 자외선 분광광도계로 광학 특성을 측정한 결과, 이 분말은 240~400nm 범위의 자외선에 대해 매우 강한 흡수력을 나타내며, 흡수율은 92% 이상으로, 일반적인 TiO2 분말보다 훨씬 뛰어난 자외선 차단 성능을 보였습니다. 또한 나노 분말의 양자 크기 효과 및 체적 효과로 인해, 나노 입자의 스펙트럼 특성에서 ‘블루 시프트’ 또는 ‘레드 시프트’ 현상이 나타납니다. 예를 들어, 초미세 알루미네이트계 장잔광 발광 소재를 제조할 때, 연성 화학법으로 합성된 초미세 발광 분말의 발광 스펙트럼 주파장 위치는 고상 기계혼합 소결법으로 제조된 발광 분말보다 12nm 정도 청색 이동되었습니다. 잔광 감쇠 곡선 분석 결과, 연성 화학법으로 합성된 발광 분말은 고상법으로 제조된 분말보다 잔광 감쇠 속도가 훨씬 빠른 것으로 나타났으며, 이는 분말 입자가 크게 작아졌기 때문입니다.

연구자들은 나노탄소튜브의 독특한 다공성 구조와 높은 비표면적(그램당 수백 제곱미터에 달함), 우수한 기계적 강도를 활용하여 나노 반응기를 제작할 수 있다는 사실을 밝혀냈습니다. 이 나노 반응기는 화학 반응을 매우 제한된 영역 내에서 진행되도록 유도할 수 있습니다. 나노 반응기 내부에서는 반응물이 분자 수준에서 일정한 방향성과 정렬을 가지게 되며, 동시에 반응물 분자와 반응 중간체의 움직임이 제약을 받습니다. 이러한 방향성, 배열, 제약 작용은 반응의 방향성과 속도에 영향을 미치며 이를 결정짓는 중요한 요소가 됩니다. 과학자들은 나노 크기의 분자체를 반응기로 활용하여, 알켄의 광감응 산화 반응에서 기질 분자를 반응기의 미세한 기공 내에 넣고, 감광제를 용액 상에 두어 단일 산소 상태의 산화 생성물만을 얻는 데 성공했습니다. 또한 금속 알코올 화합물과 카복실산의 반응을 통해 일정한 기공 크기를 지닌 거대 고리 화합물을 합성할 수 있으며, 블록 공중합체나 접목형 공중합체를 이용해 미세상 분리를 유도하면 다양한 “나노 구조” 를 형성할 수 있어, 이를 새로운 형태의 나노 반응기로 활용할 수 있습니다.