지난 6월29일 한국수자원공사와 환경미디어가 주최한‘제3회 On-Line 수도경진대회'에 초청강연자로 참석한 젊은 과학자 한 사람이 눈에 띄었다. 지난 3월 제13회 젊은 과학자상(대통령상)을 수상한 KAIST 김상욱 교수(38.신소재공학)였다. 김교수와 그의 연구팀은 지난 해 6월 기존 '분자조립 기술'의 한계를 극복한 신개념 나노기술을 개발하여 세계 과학계의 주목을 받았다. 김 교수 팀은 '분자조립기술'을 통해 탄소나노튜브를 입체적인 다공성구조로 만들어냈다. 당시 연구결과는 ' 영국 왕립화학회'에서 발간하는 저명학술지 '연성물질 (Soft Matter)'에서 특별 기획한 '신진과학자 특집호 (Emerging Investigator Special Issue)'에 초청돼 작년 6월 21일자 표지논문으로 게재됐다. 특집호는 주로 미국과 유럽의 저명한 과학자들로 구성된 이 학술지의 편집진과 고문단이 엄격한 추천 및 심사 과정을 거쳐 선정한 전 세계적으로 가장 선도적인 연구업적을 내는 젊은 과학자 18명 의 상세한 연구 이력과‘특별 초청논문’을 소개하였다. 우리나라에서는 김상욱 교수의 논문이 유일하게 초청 되었으며, 특히 다른 나라 연구자들의 논문을 제치고 김상욱 교수의 논문이 표지논문으로 선정됨으로써 연구업적의 우수성을 전 세계적으로 공인받게 되었다. 김 교수는 당시 초청 논문에서 기존 분자조립기술의 한계를 극복한 신개념의 나노기술을 소개하였다. 김 교수는 일반적으로 분자의 배열을 조절하기 매우 어려운 것으로 알려진 탄소나노튜브에 분자조립기술을 적용하여 유기용액 상에서 손쉽게 입체적인 다공성구조로 만드는 데 성공하였으며, 이 기술을 통해 만들어진 입체적으로 얽혀 있는 탄소나노튜브의 다공성 구조가 표지논문 그림으로 채택되었다. 탄소나노튜브와 고분자를 휘발성이 강한 유기용매에 함께 녹이고 습도가 매우 높은 공기를 용액 표면에 불어 넣어 매우 쉽게 다공성 탄소나노튜브/고분자 복합체 막
을 만들어 냈으며, 여기에 열처리를 통해 고분자만 태워 냄으로써 그 안에 숨어 있던 탄소나노튜브 가닥들이 마치 동아줄 같이 엉켜 형성한 분자조립 다공성 구조를 드러냈다. 김 교수는 "이번 연구결과는 그동안 주로 생체분자나 고분자 등에 한정돼 있던 분자조립기술을 탄소나노튜브와 같이 높은 전기전도성과 기계적 물성을 갖는 신소재에 적용한 것"이라며 "분자조립공정의 가능성을 다양한 소재로 확장한 사례로 평가받고 있다"고 설명했다.
특히 김 교수의 연구 성과는 현재 반도체 공정으로 도달하기 어려운 30나노미터 이하의 나노패턴을 대량 제작할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 학계뿐만이 아니라 산업계에
서도 주목받고 있다. 김상욱 교수는 고분자나 생체분자, 탄소나노튜브 등 다양한 연성물질들의 분자배열을 원하는 형태로 조절하여 초미세 나노패턴을 만들 수 있는 ‘연성소재 분자조립 나노기술’을 개발하여 Nature지, Science지 등 최고수준의 학술지에 10편 이상의 주목 받는 논문들을 발표해 국내외적으로 많은 관심을 모아왔다. 나노연구의 중심에 선 김상욱 교수는‘제3회 On-Line 수도경진대회'에서 '나노기술과 수처리'라는 주제로 초청강연을 했다. 이날 발표한 김 교수의 강연 내용을 정리했다. 나노는 그리스어 nanos에서 유래한 것으로 난장이를 뜻한다. 나노기술이란 원자나 분자 정도의 작은 크기 단위에서 물질을 합성하고, 조립, 제어하며 혹은 그 성질을 측정, 규명하는 기술을 의미하며, 일반적으로는 크기
가 1 내지 100나노미터 범위인 재료나 대상에 대한 기술을 나노기술로 분류하고 있다. 나노기술의 산업적 응용으로는 기존 기술의 한계를 넘어선 초미세 나노구조 제작과 나노미터 수준의 크기에 의한 새로운 물질의 특성을 이용하며 극도로 넓은 표면적을 이용하는 기술이다. 금(Au) 나노입자는 크기에 따라 다른 발색을 낸다. 표면에 있는 Excited 전자들이Surface Plasmon으로 진동하면서 전기적 특성 크기 모양에 따라 진동 주파수가 달라져 가시광 흡수 및 반사 상호작용 또한 변하게 되는 것. 또 셀레륨화 카드뮴(CdSe) 나노입자의 경우도 크기에 따라 발색들이 다르다. 반도체 나노입자 CdSe는 양자 구속효과(Quantumonfinement effect)에 의하여 입자의 크기가 작아지면 작아질수록 에너지 간격이 커지게 되어 붉은색에서 푸른색까지 다양한 파장의 빛을 낸다. 이러한 성질은 곧 나노 크기 물질의 새로운 성질로 밝혀졌다. 나노기술은 4세기 경부터 이용된 것으로, 런던 대영박물관에 있는 리카거스(Lycurgus)컵이 이를 증명하고 있다. 4세기 로마제국시대에 승리의 축배로 사용했던 이 컵은 밖에서 쪼인 빛에 대해서는 녹색 빛을 반사하지만, 컵 안으로부터 투과되어 나오는 빛은 붉은색으로 컵 유리 속에 금나노입자들이 미세하게 분포되어 있다.
나노기술의 다양한 응용분야로는 정보기술/테라스토리지/자기메모리/양자컴퓨터/생명공학/
나노바이오센서/나노생체로봇/환경/에너지/초미세오염제거/정화/동위원소필터/생물/농업/유
전자/약물수송/원격진단/항공 및 우주/마이크로우주선/항공전자/코팅/신소재/고강도 및 고
기능성 고효율성 소재/의료와 건강/나노투약/인공기관/질병감지 등 무궁무진하다. 나노기술은 정수처리 기술로도 응용된다. 오늘날 심각해지는 물부족 현상과 수질오염으로 수처리 기술의 중요성이 확대되고 있다. 나노기술을 이용한 정수처리 기술은 환경친화적인 기술로 각광받고 있다. 기존 정수처리 방식은 응집, 침전, 모래여과, 소독 등 물리화학적 공정이 주로 적용되어 왔다. 화학약품 사용에 따른 환경적 문제점이 발생하거나 응집공정 중 사용되는 화학약품은 침전 및 여과시 충분히 제거 안되며(배관 막힘을 가속화하고 수질 저하 유발) 소독 공정에서 사용되는 염소는 발암 물질을 생성하는 문제점을 안고 있다. 그러나 현대식 멤브레인 정수처리 방식은 처리 수질이 안정적이고, 자동화가 가능하여 유지 관리가 용이하며 생물학적 공정 등과 조합 적용 가능하다. 고도 정수처리 과정 중 나노기술 적용이 가능한 분야는 Nanosensor-수질 사전 검사, Nanoparticle-자성 흡착제/광촉매제,Nanoporous plate-멤브레인, Nanoporous particle-흡착제 등이다. 것이 연구결과다.현재 수처리용 광촉매 반응을 연구하고 있으며 광촉매의 고정화 연구를 하고 있다. 광촉매 나노복합 구조체는 탄소나노튜브에 나노입자가 도포된 복합체다. 탄소나노튜브의 고기능기화는 광촉매 나노입자의 도포(독성유기 재료 분해 기능)하고 고기능기화 탄소나노튜브의 복합구조체화(고기능성 나노멤브레인 적용)시킨다. 나노기공 구조체는 환경, 수처리, 고성능 촉매제 등에 적용되는 나노입자 코팅된 기공구조와 수질 검사기능 미세필라멘트 CNT로 되어 있다. 다공질의 기능성은 나노튜브 복합구조와 센싱 관리 기능을 부여한 첨단 나노멤브레인 소재로 개발할 수 있다. 탄소나노튜브 기공 멤브레인은 수직 정렬된 CNT와 기능화된 polymer를 이용하여 4.3nm 기공을 갖는 두께 5um의 CNT-PS matrix를 제조하고 전기화학적 산화를 통해 CNT를 선택적으로 제거하며 시간에 따라서 CNT-PS membrane을 통하여 흐르는 Ru(NH3) 63+의 flux를 측정함으로써 membrane이 nanofluidic device로 활용될 수 있음을 확인했다고 김교수는 밝혔다. 탄소나노튜브 기공 멤브레인은 MWNT 또는 DWNT를 이용하여SiNx matrix에서 다공성 멤브레인을 제작하며 다양한 가스와 물의 우수한 permeability 측정을 할 수 있다. 미래의 나노기술기반 수처리는 원격감시ㆍ제어 기능이 포함된 나노복합구조 수처리가 될 것이라고 김교수는 전망했다

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