李修姃 이학박사 / 요업기술원 차세대사업단 점토는 일상생활에서 흔히 사용될 뿐만 아니라 지구과학, 토양학 및 공학 분야에서도 사용되는 학술용어이나 이 세 분야에서 점토의 정의는 조금씩 차이가 있다. 본래 점토의 학술적인 정의는 ‘물을 적당량 함유할 때 가소성을 갖는, 주로 세립의 광물로 된 자연산 물질로서 건조 또는 소성 시 단단하게 굳어지는 물질’이다. 이 같은 점토는 층상규산염광물과 그 밖의 다른 물질로 구성되어 있다고 보면 이해하기 쉬우며, 분야마다 입자의 크기 기준이 다소 다르지만 점토라는 용어의 기준은 기본적으로 입자의 크기임을 알 수 있다. 이러한 점토는 1990년대에 들어서면서 나노복합체의 첨가제로 사용되면서 새로이 관심을 모으고 있다. 점토 나노복합체는, 외국에서는 상업화가 시작되어 새로운 소재로 인정받게 된 고분자-점토 나노복합체가 대부분으로, 국내에서도 나노기술의 열풍이 불기 시작하던 2000년도에 특정고분자 수지에 점토를 혼합하는 고분자-점토 나노복합체가 개발되기 시작, 대표적인 유기-무기 나노복합재료로 떠오르면서 이에 관한 연구 및 기술개발이 급증하고 있다. 투과전자현미경의 분석 원리 광학현미경은 빛(광원)을 렌즈로 통과시켜 확대영상을 만드는 제1세대 현미경이다. 투과전자현미경은 광학현미경의 분해능(100~200nm)의 한계를 극복하고자 고안된 제2세대 현미경으로, 고속으로 가속된 전자를 광원으로 사용하고, 유리렌즈 대신 전자기렌즈를 사용한다는 점이 다르다. 광원의 파장이 가시광선에 비하여 10-4이하로 작기 때문에, 시료의 미세조직을 백만 배 이상의 배율로 확대하여 관찰할 수 있다. 또한 가속된 전자가 시료의 원자와 상호반응하여 발생시키는 X-선을 탐지하여 100nm3 이하의 부피에 대한 화학성분 분석이 보편화되어, 하나의 시료에 대해 구조분석과 화학성분 분석이 동시에 이루어진다는 점은 다른 어떤 장비로도 할 수 없는 투과전자현미경만의 고유한 장점이다. 투과전자현미경 관찰을 위한 시료의 준비 투과전자현미경 관찰을 위해서는 시료의 사전 준비과정이 필요한데, 관찰목적과 시료의 특성, 시료 가공자의 숙련도에 따라 시료준비 과정과 소요시간이 달라지게 된다. 투과전자현미경에서 관찰하는 시료는 전자선이 투과될 만큼 얇아야 하기 때문에, 고분자-점토 나노복합체는 초박편절단기(Ultramicrotome)를 사용하여 50nm 내외 두께의 절편으로 제작하여야 한다. 시료에 따라서는 액체질소를 이용하여 얼린 다음 자르는 극저온 초박편철단기(Cryo Ultramicro tome)를 사용하기도 한다. 잘라진 시료는 금속 재질로 된 원형의 격자망 위에 떠 올려 건조시킨다. 시료 자체로는 원래의 형태를 유지할 수 없을 만큼 부드럽거나 박막, 혹은 분말 고분자 시료인 경우 포매(embedding) 과정을 거쳐야 절편으로 자를 수 있다. 투과전자현미경에서 얻은 영상은 콘트라스트의 차이로 구분되는데, 일반적으로 고분자 영상의 콘트라스트는 낮기 때문에 이를 높이기 위하여 시료의 염색을 하기도 한다. 투과전자현미경 관찰을 위한 시료는 지름 3mm의 원반의 형태로 가공하는 것이 가장 일반적인데, 이 원반형의 시료를 시료대에 장착하여 투과전자현미경 경통 안으로 밀어넣어 관찰하게 된다. 이렇게 작은 부분만을 가공하더라도 시료의 극히 일부분만을 관찰하는 셈이므로, 투과전자현미경을 사용하는 경우에는 분석하고자 하는 부분이 시료의 대표성을 충분히 지니고 있어야 한다는 것을 유념해야 한다. 점토 나노복합체를 분석하기 위한 투과전자현미경 분석 조건 고분자-점토 나노복합체는 100kV~200kV의 저압전자현미경에서 관찰하는데, 고압의 전자현미경일수록 영상의 콘트라스트가 낮고, 시료가 갈라지거나 구조변형, 부분적 용융 등이 생길 수 있다. 투과전자현미경에서 가속된 전자선이 얇은 시편에 조사되면, 고에너지의 전자가 시료의 원자와 충돌, 산란하면서 시료를 통과하기 때문에, 특히 고분자같은 재료에 손상을 유발하기 때문이다. 따라서 고분자-점토 나노복합체 시료를 투과전자현미경으로 관찰할 때에는 조사되는 전자선의 양을 최대한 낮추어야 한다. 전자선 손상이 우려되는 시료들은 액체질소나 액체헬륨을 사용하여 시료를 극저온으로 냉각시켜 관찰할 수 있는 냉각시료대를 사용하는 것이 유리하다. 그러나 냉각시료대는 시료의 온도를 주변보다 떨어뜨림으로서 시료가 한 방향으로 흐르는 움직임을 유발할 수 있으므로, 분석을 시작하기 전에 전체 시스템을 안정화시키는 충분한 시간이 필요하다. 투과전자현미경 분석을 통해 얻어지는 정보들 고분자-점토 나노복합체는 나노크기의 유기점토를 고분자 수지 내에 첨가제로 분산시켜 제조하는데, 점토의 분산정도, 점토의 박리정도, 배향성 등을 제어하게 된다. 투과전자현미경은 이러한 사항들을 점검하는 데에 가장 적당한 장비이다. 왜냐하면 점토 혹은 점토광물은 판상의 결정형을 갖는 10~103nm 크기이기 때문이다. 투과전자현미경을 사용하여 얻은 고분자-점토 나노복합체의 영상과 제한시야 전자회절도형 자료로부터 고분자 기질의 형태, 층상 점토의 크기 및 배향성, 점토 분산의 균질성 여부, 점토의 박리와 유기물 삽입 정도 및 상태 등을 알아볼 수 있으며, 에너지분산형 X-선분광기나 전자에너지 손실분광기가 장착된 투과전자현미경의 경우 시료 두께전체 혹은 표면에 해당하는 화학성분을 분석할 수 있다. 제3세대 현미경 - 주사탐침현미경 주사탐침현미경은 물질의 표면특성을 원자단위까지 측정하는 ‘제3세대 현미경’으로 AFM, STM, MFM 등의 측정모드를 총칭하는 용어이다. 이것은 끝이 극단적으로 뾰족한 탐침을 시료 표면에 주사시켜 탐침과 시료의 원자 사이에 작용하는 여러 물리적 힘을 이용하여 표면의 형상, 굴곡도, 경도, 탄성, 점토, 전하분포 등을 측정하는 장비이다. 투과전자현미경이 고분자-점토 나노복합체의 평면적인 정보를 제공하는데 반해, 주사탐침현미경은 3차원적인 영상정보를 준다는 점에서 투과전자현미경과 서로 보완되는 유용한 분석장비라 하겠다.