순천대 김상섭 교수 레이저증착법(PLD) 이용한 나노분말 제조기술 개발 레이저의 에너지·압력·시간·온도 등 조절… 나노분말 크기·형상 비교적 쉽게 제어 기존 PLD 박막제조 방법과 동일… 박막제조시 미세입자 생성 조장하는 증착조건 차이 순천대학교 재료금속공학과 김상섭 교수는 최근 레이저 증착법(pulsed laser deposition, PLD)을 이용한 나노분말 제조 기술을 개발했다. 김 교수는 “입자 크기가 100nm 이하의 나노분말은 기존의 벌크(덩어리) 물질과는 다른 새로운 특성들을 보유하고 있다. 이에 따라 나노분말에 대한 새로운 물리화학적 현상의 이해라는 측면과 함께 응용성 측면에서도 관심이 증대되고 있는 상태”라고 말했다. 일반적으로, 나노입자의 성질은 입자 크기 조절에 따라 두 가지 효과가 나타난다. 우선 표면 원자의 증가에 의한 영향과 또 다른 하나는 전자 에너지 준위 밀도의 변화에 의한 영향이다. 입자의 크기가 작아지면 전체 원자에 대한 표면원자의 비가 크게 증가한다. 이는 물질의 물리화학적 성질에 큰 변화를 일으킨다. 에너지준위의 변화는 물질의 전기·전자적 특성을 변화시킬 수 있다. 나노분말의 제조는 크게 ‘기상법’과 ‘졸-겔(sol-gel)법’으로 나눌 수 있다. 현재 이 방법들을 이용해 1~10 nm 크기를 지니며, 일관성 있는 결정구조와 표면구조를 지닌 나노분말이 성공적으로 제조되고 있다. 입자 크기의 분포는 20% 정도로 나노분말의 특성을 극대화하기 위해서는 5% 이내로 그 분포를 제어해야만 한다. 기상법은 졸-겔법에 비해 우수한 품질의 나노분말제조가 가능하다고 알려져 있다. 특히, 여러 기상법 중에서도 레이저의 높은 에너지를 이용해 제조하는 PLD법은 레이저의 에너지와 압력, 시간, 온도 등을 조절함으로써 나노분말의 크기 및 형상을 비교적 쉽게 제어할 수 있다. 타깃의 조성이 나노입자의 조성과 잘 일치돼 복잡한 조성의 산화물 나노분말을 제조하기에 적합한 장점들을 가지고 있어서 주목을 받고 있다. PLD법을 이용한 나노분말제조는 기존의 PLD 박막제조 방법과 동일하다. 다만 박막제조에서 항상 문제로 여겨지는 미세 입자의 생성을 더욱 조장하는 증착 조건을 설정한다는 차이가 있을 뿐이다. PLD 공정에서 나노 입자들은 타깃의 프룸(plume) 주위에서 형성된다. 레이저가 타깃에 조사되면 레이저의 에너지에 의해 표면 원자가 들떠서 매우 빠른 속도로 방출되게 된다. 방출되면서 즉시 기체 원자와 충돌하게 되어 프룸이 형성된다. 그러나 용기 내의 기체 압력에 의해 프룸의 확대가 억제되며, 기상과 프룸 사이에 쇼크 웨이브(shock wave) 층이 발달하게 된다. 이 층의 안쪽 부분에서 균일 핵 생성후 나노입자가 형성된다. 또한 핵 생성 속도는 타깃 물질의 증기압과 관련이 있다. PLD법을 이용한 나노분말제조는 분말의 포집 방법에 따라 크게 두 가지로 대별된다. 첫째는 레이저를 타깃에 조사시켜 진공 증착 과정 중에 발생되는 입자들을 기판에 응축시켜 제조하는 방법으로 박막제조와 동일한 방법이다. PLD 공정중 타깃과 오프 엑시스(off-axis) 위치에 나노분말을 포집할 수 있도록 기판을 설치한다. 타깃을 회전시키면서 레이저를 조사한다. 이 때 용기 내의 가스는 아르곤(Ar)이나 산소(O2) 등을 사용하여 압력을 조절하는데 보통 수 Pa - 수 kPa 정도이며, 타깃의 물성 또한 나노분말의 특성에 큰 영향을 끼친다. 고밀도로 제작된 타깃일수록 크기분포를 좁게 하는데 유리하다고 알려져 있다. 둘째는 용기 안의 나노분말을 포함하고 있는 기체를 외부로 빼내어 응축시켜 제조하는 방법이 있다. 金志英 기자