다기능 복합입자, 용매·화학공정 없이 충돌만으로 손쉽게 조립

기존 습식 화학 공정을 통한 고분자 마이크로입자와 무기 나노입자의 결합 방식(왼쪽)과 한국전기연구원(KERI) 연구팀이 개발한 '코어-쉘 구조의 복합입자' 합성 기술 원리. KERI 제공

국내 연구팀이 복잡한 다단계 습식 화학 공정 없이 물리적으로 내구성이 높고 기능이 다양한 복합입자를 합성하는 데 성공했다. 중심 입자에 무기 나노입자를 충돌시켜 부착시키는 방식이다. 배터리 전극, 촉매, 제약·바이오, 반도체 패키징 등 다양한 산업 분야에 활용될 것으로 기대된다.

한국전기연구원(KERI)은 유승건 절연재료연구센터 선임연구원팀이 단순한 기계적 충돌만으로 무기 나노입자를 고분자 마이크로입자 표면에 부착시킬 수 있는 복합입자 합성 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 연구결과는 4월 24일(현지시간) 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 공개됐다.

고분자 마이크로입자에 기능성 무기 나노입자를 결합하는 기술은 주로 용매에서 화학반응을 진행하는 습식 화학 공정을 통해 이뤄진다. 습식 공정은 과정이 복잡하고 용매 사용에 따른 환경오염 문제, 소재 특성에 따라 화학결합을 유도하기 위한 표면 처리 방식의 한계 등 해결 과제가 많다.

연구팀은 입자들을 물리적으로 충돌시키는 방식을 도입했다. 고분자 입자를 중심으로 무기 나노입자를 충돌시켜 표면에 하나하나 부착해 껍데기처럼 감싸는 아이디어다.

나노입자가 고분자 입자 표면에 안정적으로 부착되려면 입자 간 크기 차이, 충돌 속도와 회전 에너지, 표면 거칠기 등 다양한 요소를 복합적으로 고려해야 한다. 연구팀은 수십 종의 무기 나노입자와 크기·물성이 서로 다른 마이크로입자들을 다양하게 조합해 최적의 합성 조건을 찾아냈다.

연구팀은 나노입자의 결합 안정성 등을 정량적으로 분석해 열적·기계적·화학적 내구성을 평가하는 기술도 확보했다. 연구결과는 다양한 환경에서 내구성을 유지하고 자성, 광촉매, 흡착 특성 등을 동시에 가지는 다기능 복합입자를 제조하는 데 유용할 것으로 기대된다. 연구팀은 소재 합성 공정 최적화를 추진하면서 수요 기업체를 발굴해 사업화에 나설 방침이다.

유 선임연구원은 "용매를 사용하지 않는 친환경 건식공정에서 우리가 필요로 하는 소재들을 장난감 블록처럼 쉽게 결합할 수 있어 양산화·상용화 측면에서 유리하다"며 "부착 가능한 소재군의 범위가 매우 넓고 공정이 쉬워 재현성이 높다"고 말했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/adma.202502718

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]