한국원자력연구원, 전자빔 이용 나노입자 제조 장치 개발

방사선의 일종인 전자빔을 이용해서 현재 상용화된 화학적 나노입자 제조 공정보다 효율이 높고 친환경적으로 나노입자를 대량 생산할 수 있는 장치가 세계 최초로 개발됐다. 

미래창조과학부(장관 최문기)는 한국원자력연구원(원장 정연호) 이병철 박사 팀이 미래창조과학부 원자력연구개발사업의 일환으로 수행한 ‘방사선을 이용한 나노잉크 제조 공정/장치 개발’ 과제를 통해 전자빔을 이용해서 나노입자를 연속적으로 대량 생산할 수 있는 제조 장치를 파일럿 규모로 제작하는데 성공했다고 28일 밝혔다. 

이 박사팀은 전자빔 조사장치*(연속흐름식 반응기, 방사선 차폐기, 진공 배기장치), 제어시스템, 고전압 전원장치, 시료연속 순환장치 등으로 구성된 나노입자 제조 공정 일괄 시스템을 구축했다. 방사선을 이용한 나노입자 합성은 국내외에서 원리 실증 차원에서 연구를 진행해 왔으나, 제조 공정을 최적화하고 제조 생산 시스템을 제작한 것을 이번이 처음이다. 

* 전자빔 조사장치 : 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속해서 높은 에너지를 갖게 만드는 장치로, 발생된 전자를 다른 물질에 조사하면 물성을 획기적으로 바꿀 수 있다. 방사성 동위원소를 이용한 방사선 조사 장치와는 달리 전원을 차단하면 에너지가 발생되지 않고, 조사 에너지를 조절하는 것이 용이해 다양한 형태의 소재 개발에 이용된다. 

전자빔 이용 나노입자 제조 기술은 화학적인 산화-환원반응을 통해 나노입자를 생산하는 기존의 방법과 달리, 빛의 속도에 가깝게 가속된 전자를 나노입자의 원료가 포함된 용액에 조사해서 용액 속 물 분자를 둘러싸고 있는 전자를 활성화시키고, 반응성이 큰 이 전자가 환원 작용을 일으켜 시료를 짧은 시간 안에 나노입자로 변환하는 기술이다. 

이 공정은 기존의 화학적 나노입자 제조 공정과 달리 유독한 부산물을 만드는 환원제를 사용하지 않아 친환경적일 뿐 아니라 상온에서 제조가 가능해 에너지 효율이 높고, 소형 조사 장치만으로 설비가 가능해 투자비와 설비공간을 줄일 수 있어 경제적이다. 특히 이 박사팀이 개발한 제조 공정 장치는 연속 흐름식의 짧은 공정을 도입해 대량 생산이 용이하다. 

이 박사 팀은 개발된 기술을 토대로 인쇄 전자*용 나노잉크의 비용을 크게 줄일 수 있는 구리/은 코어셸 나노입자 제조 공정도 최적화하는데 성공했다. 구리/은 코어셸 제조 기술은 값 싼 구리 나노입자를 은으로 얇고 균일하게 둘러싸서 오랜 시간이 지나도 산화가 되지 않게 하는 것으로, 인쇄 전자용 나노잉크의 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 기술이다. 이 박사 팀은 이와 관련, 14건의 국내외 특허를 출원하고 10편의 논문을 국제학술지에 게재했다. 

* 인쇄 전자 : 전도성을 가진 전자잉크를 이용해 전자부품을 인쇄해 만들 수 있는 신기술로, 기존의 복잡하고 재료가 많이 드는 반도체 공정을 간단한 인쇄 공정으로 대체 가능하다. 태양전지, 무선인식전자태그(RFID), 터치스크린 등 다양한 분야에 공정 절감을 가져올 혁신기술이다. 

이 박사 팀은 한국원자력연구원 창업보육센터에 입주한 ㈜알티엑스(www.irtx.co.kr) 와 2011년 맺은 기술 이전 계약을 기반으로, 다양한 종류의 나노입자 제조기술을 개발하고 대량생산에 적합하도록 장치와 공정을 개량해 연료전지, 태양전지, 자동차 산소센서, 이차전지 등에 사용되는 나노입자 사업화를 공동으로 진행하고 있다. 

이병철 한국원자력연구원 방사선기기연구부 책임연구원은 “나노입자 제조 공정의 소프트웨어와 하드웨어를 동시에 보유하고 있는 것은 우리가 유일해 세계적인 경쟁력을 확보하게 됐다”며, “은, 구리, 백금 뿐 아니라 다양한 종류의 나노입자, 산화물, 합금, 코어셸 제조 공정 최적화를 추진해 나갈 계획”이라고 말했다.