카본나노튜브가 세계 최초로 어린이의 폐에서 발견되다

카본나노튜브(CNT)는 탄소물질로 나노미터 크기의 튜브를 만든 것입니다. 사람 머리카락의 5만분의 1의 굵기지만 높은 강도을 가졌습니다. 최근 프랑스 파리에 사는 어린이의 폐에서 발견되었습니다. Nano 물질은 크기가 작기에 생태계를 돌아다닐 가능성이 있습니다. CNT가 산업에 사용되면서 나이가 어린 아이에게서도 발견되었습니다.

카본나노튜브, 세계 최초로 어린이 폐에서 발견

CNT는 컴퓨터, 의류, 헬스케어 분야에서 많이 사용되고 있습니다. 그런데 2008년 연구결과에 따르면 쥐의 체내로 탄소나노튜브를 삽입하자 석면에 의해 일어나는 면역 반응과 유사한 현상이 나타남을 확인하였습니다. 인체에 악영향이 있으리라는 것을 짐작할 수 있습니다.

이번 연구는 파리 사클레 대학교(University of Paris-Saclay)의 Fathi Moussa가 이끄는 연구진이 진행한 것입니다. 항공로에서 흘러나온 유체에 관한 조사를 하였습니다. 항공기가 대기 환경에 미치는 영향을 고해상도 전자현미경과 X선 분광분석으로 알아보고 있었습니다.

조사 과정에서 천식에 걸린 64명의 아이 중에서 한명의 폐에서 카본나노튜브가 발견되었습니다. 또한 64명의 천식환자 아이 5명의 폐에서는 체내에서 불필요한 입자를 제거하는 면역세포인 '대식세포'가 검출되었습니다. 아래 그림의 화살표 부분에 있는 것입니다.

카본나노튜브를 체내에서 검출하는 것이 얼마나 드문 일인지는 현재로서는 불분명합니다. 조사에서는 항공로와 동등한 환경오염 수준의 장소에서도 같은 조사를 하였습니다. 하지만 아이의 폐에서 나왔던 CNT를 발견하지 못했습니다. 그리고 CNT와 질병의 연관관계도 입증하지는 못했습니다.

저자에 의하면 천식을 가진 사람은 대식세포에 의한 불필요 물질의 제거 능력이 약하다고 합니다. 또한 만약 카본나노튜브가 직접적으로 해롭지 않더라도, 넓은 표면적을 가지고 있어서 다른 분자와 붙을 수 있습니다. 몸에 피해를 입히는 오염 물질을 폐와 체내 깊숙이 남기는 역할을 할 가능성이 있다고 합니다.

이번 연구에 대하여 다른 연구자는 신체에 문제가 안될 수 있다는 의견을 밝혔습니다. 런던대학교의 Jonathan Grigg는 CNT가 석면처럼 암을 일으킬 가능성은 거의 없다고 생각하고 있습니다. 석면보다 매우 작기 때문에 흡입하더라도 화석연료를 흡입했을 때처럼 아무 일도 일어나지 않을 것이라고 추측하고 있습니다.

초전도 현상을 이전보다 고온에서 성공, 온도 기록 경신하다

금속이나 화합물을 매우 낮은 온도로 냉각하면 전기저항이 없어지는 현상이 '초전도'입니다. 이러한 특징을 가진 물질을 초전도체라고 합니다. 오래 전부터 중요한 기술로 여겨져왔고 지금도 미래기술로 관심을 받고 있습니다. 전기 송전할 때에 에너지 손실이 생기지 않는 등 다양한 장점이 있기 때문입니다. 그렇지만 아직까지 제대로 실용화되지 못하고 있습니다. 왜냐하면 극저온 상태에서만 이런 현상이 나타나기 때문입니다. 상온에서는 아직 불가능합니다.

초전도 현상을 이전보다 고온에서 성공

그렇기에 오래 전부터 초전도 현상을 조금 더 고온에서 발생시키는 것을 많은 과학자들이 연구해 왔습니다. 전세계에서 고온 초전도 물질의 연구가 진행되고 있습니다. 그런데 독일 연구진이 203K(영하 70도)라는 고온 환경에서 초전도 상태를 발생하는데 성공했습니다. 관련 논문은 네이쳐와 arXiv에 게재되었습니다. 연구진은 arXiv에서 논문을 발표한 이후에 데이터를 모아서 최종적으로 2015년 10월 Nature에 논문을 게재하였습니다.

이들 막스플랑크 연구소와 마인츠 대학교의 공동 연구진은  영하 70도에서 황화수소가 초전도성을 나타내는 것을 발견했습니다. 논문은 arXiv에 게재되자마자 물리학회에 충격을 주었습니다. 다만 고온에서 발생한 초전도 효과에 대해서는 지금까지 다양한 논문이 나왔지만 이후에 연구의 잘못이 있음을 알게된 경우가 많았었습니다. 그래서 이들의 연구에 대해서도 신중한 판단이 필요했었습니다.

초전도 온도 기록 경신하다

교신저자 Eremets와 연구진은 황화수소를 다이아몬드가 안에서 고정하고 있는 공간(diamond anvil cell, DAC)에 넣고 200만 기압의 초고압 환경으로 냉각하였습니다. 그러면 203K(영하 70도)에서 전기저항이 영이 되었습니다. 초전도체의 특징인 전도체 내부의 자속밀도가 제로가 되는 '마이스너 효과'를 확인했습니다.

지금까지 황화수소는 40K(영하 233도)라는 극저온 환경에서 초전도성을 가진다고 알려져 있었습니다. 이번에 그 온도가 대폭 향상된 것입니다. 그리고 구리, 철과 같은 금속물질도 포함하고 있지 않습니다. 이번 연구를 계기로 금속화학물 이외에 메커니즘이 거의 밝혀지지 않은 다른 초전도체에 대한 연구도 활발해지리라 예상됩니다.

3D 리튬이온 마이크로배터리, 초소형 전자 디바이스에 유용

스마트폰과 같은 응용기기들의 발달과 함께 내부에 들어가는 부품들도 작아지고 있습니다. 모든 전자 디바이스들은 점점 소형화되고 있습니다. 또한 여기에 사용되는 배터리도 성능은 유지하면서 크기는 작아지고 있습니다.

3D 리튬이온 마이크로배터리

이번 연구는 초소형 고출력의 3D 리튬이온 마이크로배터리에 대한 내용입니다. 저자인 Paul Braun이 소속된 일리노이 대학교의 연구팀은 마이크로 사이즈이면서 고출력의 특수한 3D 마이크로 배터리를 개발중입니다.

개발을 위해 3D, 2D 포토리소그래피 기술을 조합하였습니다. 배터리 제조를 위해 3D 홀로그래픽 리소그래피와 2D 포토리소그래피 기술을 조합하여 사용하였습니다. 독창적인 구조를 적용하여 전극 구조의 조절이 가능하였습니다. 적용하려는 다양한 장치에 따라 조정하기 쉬운 장점이 있습니다.

배터리 두께는 10μm에 불과합니다. 이렇게 얇지만 LED를 점등시키기에 충분한 0.5mA의 에너지를 만들 수 있습니다. 크기가 작기에 다양한 분야에 활용할 수 있습니다. 실용화가 되면 마이크로 사이즈의 다양한 장치에 탑재할 수 있게 됩니다.

초소형 전자 디바이스에 유용

초소형 배터리이고 외부 전원에 접속할 필요가 없기에 독립된 전력원으로 활용할 수 있습니다. 작은 에너지원을 확보할 수 있다면 이를 활용하는 장치도 다양하게 만들 수 있습니다. 소형 디바이스의 작동 장치, 송신 회로, 무선 센서, 모니터, 인체에 주입하는 의료기기 등에 폭넓게 활용할 수 있습니다.

또한 스위치, 전등, 냉장고 등 스마트가전에 도입하는 것도 가능합니다. 효율적인 무선 접속으로 콘트롤이 가능하게 됩니다. 스마트홈 기술에 중요하다고 볼 수 있습니다. 나아가서 자동차 키와 같이 아주 작은 물건에도 활용할 수 있습니다. 초소형 컴퓨터 같이 여러 기능을 넣는데 도움이 됩니다.

혈관을 헤엄쳐서 약물을 운반하는 3D프린팅 물고기 로봇

UC샌디에고 연구팀은 짧은 시간 내에 대량으로 3D프린팅으로 제조할 수 있는 매우 작은 물고기 로봇을 개발했습니다. 마이크로칩을 내장하여 독성을 탐지하고 해독 기능도 가능합니다. 앞으로 3D프린터로 만들어진 물고기 모양의 미세 로봇이 인간의 혈액 속을 헤엄치면서 약을 운반하고 독을 제거하는 시대가 올 것입니다. 관련한 여러 분야의 연구들이 활발한 상태입니다.

혈관을 헤엄쳐서 약물 운반 - 3D프린팅 물고기 로봇

최근 '마이크로 피시'을 캘리포니아 대학교 샌디에고의 연구팀이 개발하였습니다. 학술지 'Advanced Materials'에 발표된 논문에 따르면 마이크로 피시의 길이는 120μm, 두께는 30μm 입니다. 비교하면 인간 머리카락보다 작다고 할 수 있습니다.

보고에 따르면 수초에 수백개의 속도로 대량 제조가 가능하다고 합니다. 3D프린팅으로 만들 수 있습니다. 마이크로 피시의 꼬리에는 백금 나노입자가 포함되어 있습니다. 과산화수소와 접촉하면 꼬리가 움직이면서 전진하게 됩니다. 머리에는 산화철 나노입자가 있어서 자기장으로 이동 경로를 조작할 수 있습니다.

몸체에는 독소를 중화하는 폴리디아세틸렌(PDA)의 나노입자가 들어 있습니다. 오염된 액체에 넣으면 입자가 독소를 중화하면서 반응하고, 몸체는 빨간 색으로 형광 발광하게 됩니다. 독소의 탐지와 해독이 모두 가능한 겁니다.

아직 신체를 대상으로 실험을 한 것은 아닙니다. 미래에는 인간 혈관 속을 이동하면서 목적한 부위로 약품을 운반하는 것을 개발 목표로 하고 있습니다. 재료, 기계, 화학, 의학의 복합적 성격의 연구입니다. 향후 추가적 연구가 기대됩니다.

거의 무한한 수명의 배터리를 만드는 방법

리튬이온 전지에서 사용되는 액체 전해질을 대신하는 고체 전해질이 개발되었습니다. MIT와 삼성에서 발표한 결과입니다. 내부의 전해질이 액체에서 고체로 바뀌었다는 말의 의미는 배터리의 수명이 거의 무한하게 증가되었다는 것입니다. 여러가지 안정성이 향상되어 사용자도 안전하게 사용할 수 있습니다.

일반적으로 전해질에는 탄산 에틸렌(이텔렌 카보네이드), 탄산 디에틸 등의 유기 용매가 쓰입니다. 여기에 리튬 이온을 녹인 전기 분해액이 사용되고 있습니다. 따라서 유기 용매가 손상을 입으면 불이나는 사고가 발생합니다.

따라서 그동안 발화 위험이 없는 고체 전해질을 개발하려는 노력이 있었습니다. 그렇지만 고체 전해질은 리튬이온 전도 특성이 유기 용매에 비해 좋지 않았습니다. 따라서 충전 방전 속도가 느리다는 문제점이 있었습니다.

거의 무한한 수명의 배터리를 만드는 방법

이번에 MIT와 삼성 연구진은 고체 전해질의 안좋은 전도 특성을 개선하였습니다. 리튬, 게르마늄, 인, 유황 화합물인 초이온성(superionic) 리튬이온 전도체로 해결하였습니다. 맨 위의 그림은 초이온성 전도체의 결정구조입니다. 리튬 원자들이 초록색, 유황 원자가 노란 색, PS4 사면체가 진한 회색, GeS4 사면체가 흐린 회색입니다.

고체 전해질을 사용하면 첫째로 발화 위험성이 없어집니다. 또한 기존 전지의 라이프 사이클은 500~1200회 정도입니다. 고체 전해질의 사이클은 수십 만회로 증가하므로 사실상 무한한 수명을 가졌다고 보면 됩니다.

그리고 액체가 아니기에 영하의 온도에서도 문제가 없습니다. 고체 전해질을 쓰면 추위와 상관없이 본래의 성능을 발휘할 수 있습니다. 덧붙여 출력밀도도 20~30% 개선되었다고 합니다. 향후 실용화가 되면 스마트폰, 노트북에서부터 전기자동차까지 모든 디지털 디바이스의 성능은 대폭적으로 향상될 것입니다.

미래 컴퓨터 칩 - 실리콘 대신 검은 인(흑린)으로 반도체 제조

우리나라 연구팀이 검은 인(흑린, Black phosphorus)으로 트랜지스터를 만드는데 성공했습니다. 현재 사용되는 실리콘 칩보다 작으면서 효율적인 칩 제조가 가능할 것입니다.

성균관 대학교 연구팀은 최근 과학지 'Nature Communication'에 검은 인으로 만든 트랜지스터를 최초로 발표했습니다. 그래핀과 마찬가지로 이차원 구조의 재료입니다. 현재보다 더 작고 효율적인 부품 개발이 가능하여 전자공학 발전에 도움이 될 것으로 기대됩니다.

실리콘 대신 검은 인으로 반도체 제조

흑린 특성의 비밀은 이차원 구조에 있습니다. 기존의 실리콘은 전자기기 트랜지스터 제조에 사용되고 있습니다. 재료가 절연체와 반도체 중간의 특별한 성질을 가지기에 반도체에 사용될 수 있습니다. 반도체는 두 가지 유형이 존재합니다. n형과 p형으로 정의되며 다른 전기적 성질을 가집니다. 실리콘 재료는 n 혹은 p형의 성질을 갖기위해 도핑되어야 합니다. 결정구조 안에 물리적 성질을 변화시키는 불순물을 넣을 필요가 있습니다.

검은 인 칩은 n형이나 p형의 성질, 혹은 양쪽 성질을 모두 가질 수 있습니다. 흑린 층의 두께와 칩을 회로에 접촉시키기 위해서 사용되는 금속을 변화시키면 이러한 특성 조절이 가능하게 됩니다.

흑린을 반도체 재료로 미래 컴퓨터 칩 개발

다시 말해서 실리콘과 달리 흑린은 본질적으로 불순물 없이 특성 조절을 할 수 있기에 높은 성능을 가지는 전자 칩을 만드는 것이 가능합니다. 실리콘 칩과 비교하면 매우 작은 사이즈로 높은 효율성을 얻을 수 있습니다. 따라서 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.

스마트폰 성능은 계속 향상되고 있기에 더 높은 집적도의 반도체를 요구하고 있습니다. 실리콘 칩을 더 개선하기 위해 수많은 노력을 하고 있는데, 새로운 재료를 사용할 수 있다면 이러한 한계를 극복하는데 도움이 될 것입니다. 검은 인은 그러한 미래 컴퓨터 칩을 만드는데 필요한 유력한 재료 후보의 하나입니다.

나노스케일 표면 이미지를 찍는 새로운 방법

표면 위의 원자 배열을 측정하기 위해, 원자 해상도로 사진을 찍을 수 있는 새로운 기술이 개발되었습니다. 6월 17일에 저널 Nature Communications에 게재된 논문입니다. 나노 스케일로 이차전자 이미지를 얻는 방법입니다.

많은 중요한 프로세스는 표면에서 발생합니다. 다양한 분야의 촉매 작용과 부식과 같은 화학적 과정은 모두 표면에서 발생합니다. 모든 재료는 표면을 통하여 주위 환경과 상호작용합니다. 벌크 재료의 구조와 화학적 특성과는 다른 현상이 나타납니다.

이제는 부식과 촉매 작용을 연구하기 위해 이미징 기술을 적용할 수 있게 되었습니다. 부식을 막기 위해 엄청난 비용을 쓰고 있지만 아직까지 발생 메커니즘의 모든 것을 이해하지 못하고 있습니다. 더욱 심층적인 사실들을 연구하면 더 오래 사용할 수 있는 재료를 만들 수 있을 것입니다.

나노스케일 표면

이를 위해서는 원자들이 표면에 어떻게 배열되어 있는지 아는 것이 중요합니다. 표면 정보를 얻기 위해 많은 훌륭한 방법들이 존재하지만, 대부분의 사용 가능한 도구들은 표면이 거칠 때에 효과가 높습니다.

주사 전자현미경은 많은 재료의 이미지를 얻는데 폭넓게 사용되고 있으며 표면 거칠기는 중요하지 않습니다. 아주 최근까지 이런 장치로는 표면 원자의 분명한 이미지를 얻을 수 없었습니다. 2011년에 브룩헤이븐 국립연구소의 연구에 의해 매우 선명한 이미지를 얻을 수 있었습니다. 그러나 이 연구도 이미징에 대한 이론이 없고 여러가지 불확실한 면이 많아서, 어느 정도까지 확실한 이미지를 얻을 수 있는지 알 수 없었습니다.

원자 해상도로 이차전자 이미지를 찍는 새로운 방법

이번의 새로운 연구는 이러한 문제들을 해결할 수 있습니다. 표면을 이해할 수 있는 확실한 방법을 제공합니다. 연구에는 strontium titanate 샘플을 사용하였습니다. 이차전자 이미지가 어떻게 생성되는지 세부적인 사항을 정확히 알기 위해 많은 유형의 이미징을 얻었습니다.

연구에는 기존에 잘 연구된 재료를 사용하여 분석이 정확한지 조사하였습니다. 새로운 기술은 너무나 강력해서 잘 알려졌다고 생각했던 물질의 많은 지식을 새로 검토하게 만들 것입니다. 이것은 모든 재료의 표면이 나노재료 코팅처럼 행동하기에 이미 예상해왔던 가능성입니다. 나노재료 코팅은 화학적 특성과 반응을 매우 크게 변화시킬 수 있습니다. 개발된 기술의 중요한 점은 표면 원자와 벌크 원자들을 동시에 이미징 할 수 있다는 것입니다.

강한 치아의 균열 저항력은 압축 응력을 받는 나노구조 때문

신체를 대신하는 물질의 개발도 많은 발전이 있어 왔습니다. 이번 연구는 그중에 인간 이빨의 미세구조를 연구한 논문입니다. 표면 에나멜질 밑의 상아질(dentin)의 나노구조에 대한 내용입니다. 이 물질은 손상에 대해 강력한 저항성을 가지고 있는데, 압축 응력을 받고 있는 상태이기 때문입니다.

인간의 치아는 엄청난 힘을 계속 반복적으로 견디고 있으며, 균열에 대해 저항력이 매우 높습니다. 필요한 신뢰성 확보 기간이 수십년이라 할 수 있습니다. 독일 연구팀은 상아질의 복잡한 구조를 분석하는데 성공하였습니다. 독일 HZB(Helmholtz-Zentrum Berlin)의 싱크로트론 장치 BESSY II, 프랑스 ESRF(European Synchrotron Radiation Facility)를 활용하였습니다.

강한 치아의 균열저항력은 압축응력 받는 나노구조 때문

연구결과에 의하면 미네랄 입자들은 압축된 상태입니다. 내부응력은 균열 전파를 억제하였고, 바이오구조의 저항성을 향상시켰습니다. 재료의 강도를 높이기 위해 내부응력을 활용하는 경우가 있습니다. 인간의 치아도 동일하였습니다.

이빨의 대부분은 상아질로 구성되어 있는데, 미네랄 나노입자로 구성되어 뼈와 유사한 물질입니다. 하지만 뼈와 달리 자연 재생이 되지 않습니다. 상아질의 미네랄 나노입자는 서로 단단히 연결되어 있는 콜라겐 단백질 섬유 사이에 들어가 있습니다. 이러한 섬유들은 층상으로 배열되어 있어서, 치아를 질기게 만들고 손상에 대해 저항할 수 있게 합니다. 그러나 균열 전파가 어떻게 중단될 수 있는지 충분히 분석되지 못했었습니다.

연구팀은 바이오구조를 세밀하게 조사하였습니다. BESSY를 이용하여 실시간 마이크로빔 응력 실험을 수행하였고, ESRF의 나노영상 설비를 활용하여 미네랄 나노입자의 국소적인 배열을 분석하였습니다.

작은 콜라겐 섬유가 축소되면 부착된 미네랄 입자들이 더욱 압축되었습니다. 압축된 상태는 균열 발생을 억제하며, 균열이 치아 내부로 진행되는 것을 억제하였습니다. 이를 통해 속의 민감한 치수(pulp)가 손상되는 것을 억제하였습니다. 압축응력은 균열이 치아 내부로 급속히 진행되는 것을 방지하였습니다.

이번 연구결과로 인공치아가 제대로 기능하려면 매우 고난이도의 미세구조를 재현해야 함을 알 수 있었습니다. 단순히 물질의 강도를 높이는 방법으로는 한계가 있으며 천연 이빨의 응력상태와 나노구조를 재현하는 것이 필요합니다.

향상된 산소 이동 특성을 가지는 고체산화물연료전지 나노구조 박막

고체산화물연료전지(Solid oxide fuel cells, SOFCs)는 화학에너지를 전기로 직접 변환시키는 연료전지의 한 종류입니다.다. 전력생산 효율을 높일 수 있으며, 친환경적인 기술이기에 미래 에너지원으로서 매우 유망합니다.

SOFC의 핵심 부분은 이온 전도성을 가지고 있는 산화물 전극입니다. 산화물 전극은 산소 이온을 산소 공공(vacancy)을 통하여 선택적으로 전달하는 역할을 합니다. 따라서 효율을 높이기 위해서는 산소 표면 반응속도(kinetics)를 높이는 것이 매우 중요합니다. 가스와 전극 사이 경계면에서 산소의 흡수를 결정하기 때문입니다. 학술지 Nanotechnology에서 발표된 이번 연구에서는 이러한 반응에 미세구조가 어떤 영향을 미치는지 보고하였습니다.

현재 고체산화물연료전지에서는 이트리아가 첨가된 지르코니아 전극(yttria-stabilized zirconia electrolyte)이 보편적으로 사용되고 있습니다. 이를 대체하는 물질로 Gd2O3가 도핑된 세리아(GDC)가 부각되고 있습니다. 600~800도의 온도 범위에서 높은 이온전도성을 가지기에 고체산화물연료전지를 상대적으로 낮은 온도에서 효율적으로 동작시킬 수 있습니다.

향상된 산소 이동 특성에 미치는 미세구조의 효과

효율성이 높은 고체산화물 연료전지를 개발하기 위해서는 GDC 표면이 달리지면 산소의 표면 이온교환에 어떠한 영향을 미치는지 이해해야 합니다. 이번에 일본 츠쿠바의 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(AIST) 연구진은 메커니즘을 밝혀내는데 성공했습니다. 연구진은 펄스 레이저 증착법으로 성장시킨 에피택셜(epitaxial) GDC 박막을 이용하여, 산소 표면 반응에 미치는 미세구조의 강력한 효과를 밝혀내는 데 성공했습니다.

고체산화물연료전지 나노구조 박막의 높은 산소 공공 밀도

특히 매우 잘 정렬된 나노구조 위에 성장된 GDC 박막이 산소 결합을 향상시킨다는 사실을 확인했습니다. 그리고 동일하게 준비한 GDC 필름을 고온에서 어닐링하여 미세구조를 변화시킨 경우와 비교하였습니다. 나노구조 GDC 박막은 나노 기둥이 전체적으로 골고루 분포되어 있다.

이러한 결과는 결정립계의 높은 밀도와 높은 표면적을 의미합니다. 또한 동시에 높은 밀도의 산소 공공을 가지게 합니다. 이러한 항목들은 모두 산소 이동을 향상시키는데 필요한 중요 인자입니다. 이번 연구결과는 전극물질로 산소 유입을 추가로 향상시키기 위해서는 나노구조체 표면을 통한 반응을 향상시켜야 한다는 것을 말해줍니다.