특별기획 결정기능화공정기술 김우식경희대학교화학공학과결정기능화공정기술센터장 결정소재는전자, 정보, 에너지, 제약, 정밀화학등여러첨단산업의주요제품및부품의핵심소재로활용되고있다. 이들해당제품및부품의성능및특성은결정소재의물성과기능성에직접의존하며, 이결

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1 특별기획 결정기능화공정기술 김우식경희대학교화학공학과결정기능화공정기술센터장 결정소재는전자, 정보, 에너지, 제약, 정밀화학등여러첨단산업의주요제품및부품의핵심소재로활용되고있다. 이들해당제품및부품의성능및특성은결정소재의물성과기능성에직접의존하며, 이결정소재의물성및기능성은결정의구조, 형상및크기등에의해결정된다. 예로서, 금나노결정의경우결정의형상에따라광학적특성이다양하게변하며, 활성의약물질의경우다형체에따라생리활성의발현여부가결정되며반도체결정의경우도결정크기에따라양자구속효과가달라져밴드갭이변화한다. 따라서결정소재의원하는기능성을발현시키기위해서는결정화의자기조립과분자인식과정을조작하여결정의구조, 형상, 이방성 / 등방성, 크기등의인자를조절할수있는기술이절대적으로필요하다. 더욱이고온, 희박농도, 독성용매등극한의조건에설계제조되는기존기능성결정제조기술을현실적으로실용가능한기술로전환하기위해서는새로운효율적인결정화공정기술의개발이요구된다. 따라서본연구센터에서는결정소재의기능화기술개발을목표로하며이를통해에너지, 제약, 정밀화학, 전자. 정보산업의첨단화및고부가가치화를위한원천요소기술을확보하고자한다. 본특별기획에서는본연구센터의세부연구분야와관련된주요기술에대해소개하고자한다. 테일러 - 쿠에트유동이용결정화기술 석승환, 김도현 *, 김우식 * 한국과학기술원생명화학공학과, 경희대학교화학공학과 dohyun.kim@kaist.ac.kr, wskim@khu.ac.kr 1. 테일러쿠에트유동 쿠에트흐름은아래그림 1-1(a) 과같이벽면의 움직임에의해서발생하는흐름으로, 움직이는벽 면에서정지한벽면까지선형속도분포를보여주 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

2 특별기획 (I) 이러한테일러쿠에트유동에서는무차원수인 테일러수 (Ta) 를흐름특성의기준으로한다. 테일 러수는아래수식 (1-1) 과같이정의된다. (1-1) 그림 1-1. (a) 쿠에트흐름과 (b) 테일러쿠에트흐름. 는흐름이다. 이러한쿠에트흐름을발생시킬수있는장치들중에서두개의동심축실린더로이루어진장치를사용하여 M. M. Couette 는점도를측정하였다. 두개의실린더사이에서실린더의회전에의해발생하는쿠에트흐름의안정성에대하여 G. I. Taylor 가연구하였고, 이러한흐름을테일러쿠에트흐름 (Taylor-Couette flow) 이라부른다. Taylor 는내부실린더의회전속도가증가함에따라특정회전속도이상에서그림 1-1(b) 와같이규칙적인도넛모양의와류 (vortex) 가발생하는것을보였다. (Taylor, (1923)) 이연구를기점으로연구자들이테일러쿠에트흐름에많은관심을가지고이장치에서발생하는특이한유동의특성에대하여연구하여이흐름은이론적으로잘적립된유동이다. 테일러쿠에트유동을발생시키는장치는동일한축을가지는두개의실린더사이에서유체가흐르고, 흐름을발생시키기위해서축을기준으로내부실린더를회전시킨다 ( 그림 1-2(a)). 이회전을구동력으로유체의흐름이발생하고, 회전속도에따라흐름이변한다. 낮은회전속도에서는층류가발생하지만회전속도가증가하면서속도분포가층류에서벗어난다. 이유동은불안정성을보이며내부실린더를감싸는반복되는와류를발생시키고, 회전속도가더증가함에따라다양한구조의흐름이발생한다. (Andereck et al (1985)) 위식에서 W (rad/s) 는내부실린더가회전하는속도, R 1 는내부실린더의반지름, R 2 는외부실린더의내부반지름, 그리고 ν는유체의동적점도 (m 2 /s) 를의미한다. 테일러수는유체의원심력과점성력의비를나타내며테일러쿠에트흐름의흐름형태를판단하기위하여사용된다. 동일한축을가지는두개의실린더사이에있는유체가내부실린더의회전에의해서유동이변하게될때, 내부실린더의낮은회전속도에서는층류흐름이형성되다가내부실린더의회전속도가증가함에따라특정회전속도이상에서축을기준으로반지름방향의흐름이발생한다. 즉안정적으로흐르던층류흐름에서연속되는도넛모양의환류로변한다. 이러한흐름의원인은층류로흐르던유체가내부실린더회전속도가증가함에따라원심력이증가하여점성력을능가하게되기때문이고이에따라도넛모양의흐름이위그림 1-2(b) 와같이발생한다. 이처럼층류쿠에트흐름에서유체가불안정해짐에따라발생하는도넛모양의환류가되는시점의테일러수를임계테일러수 (Ta c 1708) 라고하그림 1-2. 테일러쿠에트흐름발생장치및내부환류의흐름. 290 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

3 특별기획 (I) 고, 테일러수가임계테일러수보다커지게되면주기적인도넛모양의흐름 ( 테일러와류 ) 이발생한다. 흐름의불안정성에의해서발생한와류이지만그흐름은안정적으로내부실린더를감싸흐른다. 주기적인각각의와류내부에서는발생하는흐름에따라유체가잘섞이나와류사이는서로단절되어있는양상을보인다. 점차적으로내부실린더의회전속도가증가하면그에따라다양한구조의흐름이관찰된다. 내부실린더의회전속도에따라내부실린더에서외부실린더까지각방향 (angular direction) 만의흐름이존재하는층류쿠에트흐름 (Ta/Ta c <1, 그림 1-3(a)) 으로부터순차적으로, 내부실린더를감싸는주기적인도넛모양의흐름 ( 층류테일러와류흐름, 1<Ta/ Ta c <3, 그림 1-3(b)), 발생한도넛모양의흐름이소멸하는부분과발생하는부분이반복되는형태의흐름 ( 물결치는와류흐름, 3<Ta/Ta c <13.3, 그림 1-3(c)), 준주기적인물결치는와류흐름 (13.3<Ta/Ta c <18), 약한난류와류흐름 (18<Ta/Ta c <33), 난류테일러와류흐름 (33<Ta/Ta c <160), 그리고난류 (Ta/Ta c >160, 그림 1-3(d)) 까지다양한구조의흐름이발생한다. (Kataoka, et al (1984)) 회전속도에따른특이한구조의흐름과독특한형태의테일러쿠에트흐름발생장치가가져다주는이점은많은연구자들의관심을끌었다. 그림 1-3. 테일러수에따른흐름의변화. 테일러쿠에트흐름의대표적인장점은다음과같다. 1) 테일러쿠에트흐름은아주단순한장치로만들수있다. 2) 기존의교반을통하여무작위난류를발생시키는혼합장치와비교했을때주기적인테일러와류에의한방법은효과적으로물질전달을향상시킬수있고, 장치표면에서의열및물질전달이향상된다. 3) 이렇게향상된물질전달과그리고균일한혼합은상변화와물질합성에적합하며결과물의재현성을높여준다. 발생한각각의환류가마치한개의반응기역할을하여각환류내부의조건 ( 농도, 온도 ) 이거의일정하고, 내부실린더가빠르게회전할때환류내부에발생하는난류로인해서혼합효율이더욱높아진다. 4) 부피대비넓은표면적을가지고있어서발열또는흡열반응에매우적합하다. 5) 임계테일러수보다약간높은테일러수의영역에서, 효과적인 radial 혼합때문에반응기체류시간이좁은분포를가진다. 6) 위의장점들에의해서다양한공정에적용이가능하다. 특히기존의회분식및연속식반응기의경우내부에혼합을위한임펠러등을설치하여혼합하는데, 회분식의경우오랜시간이필요하고연속식의경우에는혼합효율이떨어지는단점이있다. 이러한기존반응기의단점을테일러쿠에트유동을이용하여해결할수있을것이다. 이러한테일러쿠에트흐름의장점은다양한분야에서활용되었다. 대표적으로혼합및입자분산, 고분자중합, 촉매반응, 분리및정제, 바이오시스템, 분리막을이용한분리, 그리고결정화등에적용한사례가있다. 또한, 테일러쿠에트장치에서내부실린더의형태변화를통하여새로운흐름을발생시키는장치들이개발되고있다. 이처럼테일러쿠에트유동이가져다주는이론적, 실용적간단함과반응기내부에서일어나는유 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

4 특별기획 (I) 체의흐름이가져다주는이상적인혼합및물질전달에효과적인반응기의구조는기존의다양한반응기를대체할수있고, 연속식테일러쿠에트유동을고순도상품의생산과대량생산을요구하는공정에적용할수있어테일러쿠에트유동은산업및학술적으로유망한유동기술이라고할수있다. 2. 테일러유동을이용한고효율결정화기술테일러유동은 1920년에처음발견되었지만본유동의공학적활용연구는 1990년대이후에처음시도되었다. Holeschovsky and Cooney (1991) 와 Park and Choi (1994) 는테일러와류유동을 ultrafiltration과 slurry filtration에이용하는연구를수행하였다. 본연구에서기존공정대비테일러유동이 filtration 효율을대폭향상하는것을보고하였다. 테일러유동은고분자, 세라믹등소재합성공정에도적용되었다. Kataoka et al (1995), Xue et al (2001, 2002) 등은본테일러유동을이용하여 emulsion polymerization 합성에적용하였으며이를통해수마이크론의균일한스타일렌과비닐아세테이트고분자입자를효율적으로제조할수있음을보여주었다. 이와같은우수한결과는테일러와류의규칙적유동과전영역에걸쳐균일한유동특성에기인한것으로보인다. 즉, 기존교반형난류유동하에서는반응기내의불균일한유동흐름과불규칙적인유동으로인하여유체전단응력의크기가불균일하고불규칙적이서생성되는 emulsion의크기가불균일하여최종합성되는고분자입자의크기분포가크게나타나는반면테일러유동의경우두원통사이에서균일하게발생되고유동에의한전단응력이균일하여반응기전영역에서균일한 emulsion이형성되었으며그결과균일한크기분포의고분자입자가제조된것이다. 또한강한 toroidal fluid motion으로인하여 emulsion의크기가작게생성되어합성되는고분자입자의크기가기존반응기에비해현저히작게나타났다. 유사하게 Ogihara et al (1995) 과 Ogihara Nomura (2002) 등 은테일러와류를 sol-gel 합성에적용하여균일한나노크기의실리카, 알루미나입자를제조하는기술을보고하였다. 그외테일러유동은 heterogeneous photo-catalysis (Schechowski at el (1995), Sengupta et al (2001), Dutta and Ray (2004)), 효소반응 (Giordano et al (2000), Resende er al (2004)) 등화학및생물학반응을촉진하는데도적용되어큰효율증가가일어남을보여주었다. 이와같은테일러유동이결정화공정에활용되는것은본연구실에서처음으로시행되었다. (Jung et al (1998), Lee et al (1998)) 반응결정화 (reaction crystallization), 용석결정화 (drowning-out crystallization), 냉각결정화 (cooling crystallization) 등다양한결정화에서테일러유동의장점을보여주었으며새로운결정화공정기술로의우수성을입증하였다. (Jung et al (2000, 2010), Kang et al (2003)) 본장에서는테일러유동을이용한새로운결정화공정기술에대한특징에대해소개하고자한다. 본글은 2014년 Journal of Chemical Engineering of Japan (Vol. 27, p1-9) 개체한총설논문을기본골격기술하였음을밝히는바이다. 2.1 테일러와류이용기-액반응탄산칼슘결정화기술탄산칼슘은이산화탄소와수산화칼슘의반응을통한결정화에의해합성된다. 기상의이산화탄소가액상에용해되어수산화칼슘과반응하여탄산칼슘을생성하게된다. 이반응은다른반응과는달리부산물로서물을생성하기때문에부산물의영향을배제한탄산칼슘결정화현상을연구할수있어탄산칼슘연구에자주이용되는반응시스템이다. 기존탄산칼슘결정화연구는교반식결정화기를이용하여연구되었다. 이경우이산화탄소반응물의양과수산화칼슘반응물의양을당량비에따라설정하여도이산화탄소의용해도가매우낮아실제액상에서의이산화탄소농도는당량비에훨씬못미치는낮은농도이다. 그래서실제로액상에서의탄산칼슘 292 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

5 특별기획 (I) 합성반응은수산화칼슘의과농도상태에서일어나며그로인해진행되는결정화현상또한 excess 칼슘이온조건에서진행된다. 이경우 excess 칼슘이온이탄산칼슘결정핵생성및성장에많은영향을준다. 그래서대부분의경우방추형모양의탄산칼슘결정이얻어진다. 이러한문제점을해결하기위해교반을통해이산화탄소의기-액물질전달을촉진하거나 sparger를이용하여이산화탄소버블의비표면적을증가시켜이산화탄소의물질전달을증가시키는전략을이용하거나이산화탄소유량을증가시켜다량의기상반응물을공급하는방법을적용하기도한다. 그러나이러한노력에불구하고액상의이산화탄소농도가수산화칼슘농도의당량비에미치지못해방추형의결정의생성을변화시키지는못하였다. 본테일러유동을이용한기-액반응탄산칼슘결정화의경우사뭇다른결과가나타났다. 테일러유동하에서기-액물질전달이매우촉진되어액상에서의이산화탄소의농도가증가하여당량비에가까운조건을만들어준다. 그로인하여 rhombohedron ( 능면체 ) 의탄산칼슘이생성되었다. 이와같은연구결과는그림 2-1과 2-2에나타나있다. 기-액물질전달계수는내부원통회전속도에따라급속히증가하며이러한기-액물질전달계수는기존교반형난류유동에비해 4-5배높은수치를갖는다. ( 그림 2-1) 테일러유동에의한기-액물질전달계수의향상, 이산화탄소유량의변화등을통해액상에서의이산화탄소농도의변화를가져올수있었으며그로인하여생성되는탄산칼슘결정의모양변화를유도하였다. 낮은테일러유동강도 ( 낮은내부원통회전속도 ) 와낮은이산화탄소유량조건에서는기존교반형난류유동에서와같이방추형의탄산칼슘결정이생성되었으나테일러유동강도가증가할수록탄산칼슘결정의모양이방추형에서능면체모양으로변하였으며크기또한증가하였다. 이러한결정크기의변화는그림 2-2에서 d/d max 로나타났다. 여기서 d max 는탄산칼슘반응이당량비조건에서이루어 그림 2-1. Relation of mass transfer coefficient k L a with wall shear stress t wi based on absorption of CO 2 in pure water [Jung et al., 2000] 그림 2-2. Distribution of normalized mean particle size d/d max by d max =0.87 μm with relative enhancement factor Er. [Jung et al., 2000] excess ion 이존재하지않아최대의탄산칼슘결정이 얻어지는것을나타낸것이다. 당량비가아닌경우 의탄산칼슘결정은 excess 이온이존재하여모양이 방추형으로변화하면서크기는작아진다. 한가지재 미있는결과는테일러유동강도가증가할수록방추 형결정에서큰능면체결정으로변하였지만추가의 유동강도증가에따라결정모양이다시방추형으로 변하였다. 이것은기 - 액물질전달의촉진에의해액 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

6 특별기획 (I) 그림 2-3. P-T diagrams for enantimeric and monotropic polymorphs 상의이산화탄소농도가당량비이상으로증가하였으며 excess 탄산이온으로인하여결정모양은다시방추형으로변한것이다. 2.2 테일러와류이용다형체상전이다형체 (polymorph) 란동일한분자, 원자가 3차원적으로다른결합으로결정을구성할때이를다형체라한다. 다형체는구조에따라열역학적으로자유에너지가낮은구조와상대적으로높은구조로구분하며전자를안정상 (stable phase) 후자를준안정상 (metastable phase) 라한다. 그림 2-3에서보는바와같이두다형체간에는온도에따른결정구조에너지의변화에따라가역적다형체 (enantiotrophic poymorph) 와비가역적다형체 (monotropic polymorph) 로구분된다. 가역적다형체란상압에서온도를증가시킴에따라안정상이바뀌는것이다. 즉, 가역적다형체란온도증가에따라전이온도 (Tt) 이하에서는고체상 A가안정상이고고체상 B가준안정상이지만전이온도이상에서는고체상 A가준안정상이고고체상 B가안정상으로바뀌는것이다. 반대로온도를감소하는경우역순으로변하는것이다. 반면비가역적다형체란온도변화에따라안정상과준안정상이바뀌지않고항상일정하게유지되는것을말하는것이다. 과포화용액에서결정이석출될때는 Ostwald s Rule of Stage에따라준안정상이먼저형성되고이후안정상으로상전이 (phase transformation) 된다. 두다형체가상전이되는원인은서로다른평형농도에기인한 그림 2-4. Phase transformation of polymorphs 294 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

7 특별기획 (I) 그림 2-5. Diagrams for Taylor crystallizer and mixing tank crystallizer 다. 즉, 안정상의용해도는낮은반면준안정상의용해도는상대적으로높다. 따라서처음결정화된준안정상의평형농도는안정상에게는과포화농도에해당되어이용액조건에서추가로안정상결정의핵생성이일어난다. 안정상결정이성장함에따라용액의농도가감소하고이것은준안정상의용해를야기한다. 이러한준안정상의용해와안정상의성장이지속됨에따라결국에는준안정상은사라지고안정상만남게되는과정으로상전이가이루어진다. ( 그림 2-4) 이러한상전이는준안정상의용해및안정상의성장은물질전달에의존하며따라서유체유동은상전이에매우중요한인자이자. 따라서물질전달이테일러유동에의해촉진되어상전이과정이매우빠르게진행되는것을관찰하였다. 식품첨가제인 GMP (guanosine monophosphate) 는발효공정에의해합성되며필터링, 흡착, 이온교환공정을통해과량의용존불순물을제거후용석결정화를통해결정으로분리정제된다. 본결정화를위해메탄올이반용매 (anti-solvent) 를사용하였다. GMP가용존해있는수용액에메탄올을 5:5비율로혼합하면물-알코올혼합용액에서의 GMP용해도가급격히감소하여그차이만큼결정으로석출된다. 이때처음석출되는 GPM는무정형의고체로석출되고이후서서히수화물결정으로상전이하게된다. 기존현장에서는본상전이에 7-8시간정도의시간이소요된다. 한편실험의교반식결정화기를이용하는경우약 2시간의상전이시간이필요한것으로측정되었다. ( 그 림 2-5) 그러나본테일러유동을이용한연속식결정화공정에서는평균체류시간 7분이내완전한상전이가이루어지는것으로나타났다. 이와같이난류유동에비해테일러와류에서의빠른 GMP 상전이는테일러와류의 toroidal fluid motion에의한물질전달의촉진에기인한것이다. Table 1에서보는바와같이테일러유동을이용한연속식결정화공정의생산성은결정화기부피당시간당 9,090 Kg/l-hr 로서난류유동을이용한회분식결정화공정에비해 18배이상으로높게나타났다. 난류유동연속식결정화공정의경우생산성이 3,630 Kg/l-hr로비교적높게나타났으나생성된고체는결정화도가 50% 미만의상전이가완전히이루어지지않은상태이다. 이러한상전이에미치는테일러유동특성을수치해석을통해분석하였다. ( 그림 2-6) 용액에존재하는무정형고체 GMP, 수화물결정 GMP 그리고용액에용존해있는 GMP에대해각각물질수지식을세워 GMP의상전이과정을모델링하였다. 동일한방법으로난류유동이상전이에미치는영향을수치해석하였다. 실험적으로시간에따라진행되는상전이과정을측정하였고수치해석으로얻어진예측된결과와비교하여상전이과정의무정형 GMP 용해및수화물결정 GMP 성장을위한물질전달속도계수를예측하였다. 두모델링예측결과에의하면무정형 GMP의용해물질전달계수와수화물결정 GMP 성장물질전달계수는비슷하며유동강도의증가에따라두물질전달계수도증가하였다. 두유 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

8 특별기획 (I) Table 1. Summary of products from crystallization of GMP in Taylor vortex crystallizer, MSMPR crystallizer, and stirred-tank crystallizer 그림 2-6. Comparison of mass transfer coefficients in Taylor vortex and stirred tank crystallizers for estimating turbulent motion effectiveness [Nguyen et al., 2011] 동흐름특성이물질전달계수에미치는영향은매우 다르게나타났다. 테일러유동에서의물질전달계수 는전유동강도에서난류유동에서의물질전달계수 보다 5-10 배높게나타났다. 이것은규칙적테일러 와류가물질전달과정을매우효과적으로촉진시키 는것을보여주는결과이다. 이러한수치해석결과 는기존경험적상관관계식으로부터예측한것과그 경향성에서매우유사하게나타났다. 2.2 테일러와류이용결정화기의운전다양성테일러와류를이용한결정화기에서는다양한결정화공정운전이가능하다. 본결정화기는회분식뿐만아니라연속식공정으로운전이가능하며연속식공정에서는반응물분배주입운전이가능하다. 그림 2-7에서보는바와같이용석결정화공정에서결정화용질용액과반용매를테일러결정화기의축방향으로분배주입하는방법에서따라 4가지의공정운전모드가가능하다. 첫번째운전모드 ( 모드-1) 는가장일반적인운전모드로서용질용액과반용매를동일하게결정화기한쪽끝에서동시에주입하는방법이다. 이경우주입된용액에의해결정화가발생하여축방향으로흘러가면서결정화가진행되어다른끝에서최종결정화결과물이배출되는것이다. 두번째운전모드 ( 모드-2) 는용질용액을결정화기의축방향으로일정한간격으로분배하여주입하고반용매는결정화기한쪽끝에서모두주입하는방법이다. 이방법은축방향으로결정화기진행되면서중간중간용질용액이추가되어결정화과정을진행하는것이다. 세번째운전모드 ( 모드-3) 는반용매를결정화기축방향으로일전한간격으로분배주입하고용질 296 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

9 특별기획 (I) 그림 2-7. Multiple feeding modes of Taylor vortex crystallizer [Nguyen et al., 2012] 용액은결정화기한쪽끝에서모두주입하는방법이다. 이방법은앞서의두번째방법과유사한데여기서는반용매를중간중간추가주입하여결과화과정을진행시키는것이차이점이다. 네번째운전모드 ( 모드-4) 는용질용액과반용매모두는결정화기축방향으로일정한간격으로분배주입하는방법이다. 그림 2-8에는이러한 4가지공정운전모드에따른결정화결과를정리하였다. 먼저모든공정운전모드에서평균체류시간을 7분으로한경우결정화공정결과는모두동일하게 100% 수화물결정을나타내었다. 이것은본결정화기내에체류하는시간이충분히길어용석결정화에의해처음생성된무정형고체가수화물결정으로전이하는데충분한것으로판단되었다. 여기서모든분배주입의경우용질용액및반용매의분배비율을일정하게 0.33:0.33:0.33으로균일분배하였다. 그러나평균체류시간을 3분으로축소하는경우모든운전모드에서나오는결과는서로달랐다. 모드-1에의결정화공정결과는 75% 의수화물결정과 25% 의무정형고체혼합물이었고모드-2와모드-3에서는 95% 정도의높은수화물결정이생성되었으나아 직 5% 의무정형고체가존재하였다. 그러나모드-4의경우 100% 수화물결정이생성됨을알수있었다. 이것은모드-1의공정운전에서평균체류시간 3분이무정형고체가수화물결정의상전이에충분한시간이되지못하기때문이다. 그러나분배주입운전의경우상전이되는결정의양이현저히증가하였다. 이것은분배주입으로인해결정화기내부에국부적으로진행되는상전이과정이다르기때문이다. 분배주입에의해초기에주입되는용질용액과반용매는모드-1에서와같이동시에모두주입되는경우에비해국부적으로긴체류시간을가진다. 따라서더높은상전이율을가지게된다. 이후추가로주입되는용질용액이나반용매는무정형고체를추가로생성뿐만아니라직접수화물결정성장에사용되지도한다. 따라서생성되는추가로생성되는무정형고체의양도감소하고더욱이기존에생성된수화물결정은종자결정과같은역할을하여추가로생성된무정형고체의상전이를촉진하는역할을수행한다그런이유로분배주입모드에서의상전이는일반적인주입모드에비해월등높은상전이율을나타내게된것이다. 여기서모든 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

10 특별기획 (I) 그림 2-8. Influence of multiple feeding modes on phase transformation of guanisine mono-phosphate in drowning-out crystallization [Nguyen et al., 2012] 분배주입운전모드에서분배비율은앞서와동일하게 0.33:0.33:0.33으로동일하게적용하였다. 분배비율을최적화하는경우더짧은평균체류시간에서 100% 상전이를달성할수있는결정화공정운전이가능하였다. 분배주입모드-4의경우두용액의분배비율을 0.5:0.44:0.06으로최적화하는경우 2.5분의짧은평균체류시간에도최종생성물은 100% 수화물결정임을확인하였다. 반면다른분배주입모드에서는 70% 미만의낮은상전이율을보여주었다. 이러한결과는분배주입모드에의한높은상전이율은본테일러유동을이용한결정화공정기술의높은생산성을보여주는좋은예이며아울러여타다른결정화기를이용한공정에서는불가능한본결정화기를이용한공정에서만구현가능한공정운전기술이다. 3. 참고문헌 1. Andereck, C. D., S. S. Liu and H. L. Swinney; J. Fluid Mech., 164, 155 (1985) 2. Dutta, P. K. and A. K. Ray; Chem. Eng. Sci., 59, (2004) 3. Giordano, R. L. C., R. C. Giordano and C. L. Cooney; Process Biochem., 35, (2000) 4. Holeschovski, U. B. and C. L. Cooney; AIChE J., 37, (1991) 5. Jung, W. M., S. H. Kang, K. S. Kim, W.-S. Kim and C. K. Choi; J. Cryst. Growth, 312, (2010) 6. Jung, W. M., S. H. Kang, W.-S. Kim and C. K. Choi; Chem. Eng. Sci., 55, (2000) 7. Jung, W. M., S. G. Lee, W.-S. Kim and C. K. Choi; Korean Chem. Eng. Res, 36, (1998) 8. Kang, S. H., S. G. Lee, W. M. Jung, M. C. Kim, W.-S. Kim, C. K. Choi and R. S. Feigelson; J. Cryst. Growth, 254, (2003) 9. Kataoka, K., Y. Bitou, K. Hashoka, T. Komai and H. Doi, Heat and Mass Transfer in Rotating Machinery, Hemisphere Publishing Corporation, Wahsington, 143 (1984). 10. Kataoka, K., N. Ohmura, M. Kouzu, Y. Simamura and M. Okubo; Chem. Eng. Sci., 50, (1995) 11. Kim, W.-S.; J. Chem. Eng. Japan, 27, 1-9 (2014) 12. Lee, S. G., M. C. Kim, W.-S. Kim and C. K. Choi; Korean Chem. Eng. Res., 36, (1998) 13. Nguyen, A. T., J. M. Kim, S. M. Chang and W.-S. Kim; Ind. Eng. Chem. Res., 50, (2011) 14. Nguyen, A. T., Y. L. Joo and W.-S. Kim; Crystal Growth & Design, 12, (2012) 15. Ogihara T., G. Matsuda, T. Yanagawa, N. Ogata, K. Fujita and M. Nomura; Nippon Seramikkusu Kyokai Gakujutsu Ronbunshi, 101, (1995) 16. Ogihara T. and M. Nomura; Kona, 20, (2002) 17. Park J. Y., C. K. Choi and J. J. Kim; J. Membr. Sci., 97, (1994) 18. Resende, M. M., R. Sousa Jr., P. W. Tardioli, R. L.C. Giordano and R. C. Giordano; AIChE J., 21, (2005) 19. Sczechowski, J. G., C. A. Koval and R. D. Noble; Chem. Eng. Sci., 50, (1995) 20. Sengupta, T. K., M. F. Kabir and A. K. Ray; Ind. Eng. Chem. Res., 40, (2001) 21. Taylor, G. I.; Phil. Trans. Roy. Roc. Lond. A., 223, 289 (1923). 22. Xue, W., H. Takahashi, S. Sato and M. Nomura; J. Appl. Poly. Sci., 80, (2001) 23. Xue, W., K. Yoshikawa, A. Oshima, S. Sato and M. Nomura; J. Appl. Poly. Sci., 86, (2002) 298 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

11 특별기획 (II) 미체유체유동소자기반결정화기술 배선웅, 허현영, 배진국, 서태석 *, 김준영, 허윤석 한국과학기술원생명화학공학과, 인하대학교생명공학과 1. 규칙적미세유체소자이용결정화기술나노결정입자는에너지하베스팅, 정보전자소재, 에너지소재, 정밀화학, 제약등주요산업의주요제품에사용되며, 그제품을이루는물질의특성은나노입자고유의물성과기능성에좌우된다. (Kang et al, (2010)) 특히나노물질의물성은구조, 형상및크기에의해결정되는데, 예를들어금나노결정의경우형상에따라광학적특성이다양하게변화하며, 반도체결정의경우크기에따라양자구속효과가달라져서밴드갭이조절된다. (Daniel et al, (2004)) 이러한나노입자가사용되는반도체소자, 투명전극, 조영제등의우수한성능을보여주기위해서는합성된나노입자의물리적균일성이매우중요하다. 이러한나노입자의합성은벌크스케일에서주로수행되어왔는데, 이는불균일한포화분포도, 무작위적인결정핵생성및결정성장으로인한불균일한결정형상이얻어지며, 넓은입자크기분포를가져서, 결과적으로우수한제품특성을가진나노입자의상업적인합성법에적용되지못하고있다. (Thanh et al, (2014)) 미세유체소자는수십마이크로미터스케일의공간에서채널이집적된것을지칭하며, 이러한미소공간에서는벌크스케일에비해상대적으로매우빠른물질및열전달현상이일어나고, 부피대비면적의비율이커서화학반응의속도또한빠르며, 미소공간에서의반응이므로상대적으로균일한화학반응결과를나타낸다. 또한미소채널에서유체에작용하는표면장력, 반데르발스힘, 표면거칠기등의 물리적변수들이, 벌크스케일과는매우별개의특성을보이면서큰영향을끼치기때문에, 결과적으로나노미터스케일의입자의거동이벌크스케일의그것과극명하게다르게나타난다. 미세유체소자내에서는반응온도, 시간, 농도등의변수조절이하나의디바이스에서구현되며복잡한플랫폼구성없이간단하게운영되기때문에, High-throughput 도구로써고속으로실험적데이터를획득하는데매우유용하고, 앞서말했듯이미소공간이기때문에그효과가균일하게적용되는장점이있어서많은연구가진행되어왔다. (Lee et al, (2014)) 미세유체소자를이용해나노결정입자를합성하는경우는많이보고되어있는데, 대표적인플랫폼으로연속혹은구획흐름상기반의합성방법이잘알려져있다. 일반적으로 1 보다낮은레이놀즈수 (Reynold s number) 조건에서는유체의거동이층류형태를띄고, 따라서마이크로채널내에외부작용변수를가하지않을때, 채널내반응물들의확산이억제되고이흐름안에서균일한나노입자의합성이이루어진다. 구획흐름상기반의마이크로플랫폼에서는각각의독립된흐름상이흐름상외부의유체에의하여완전히폐쇄되어반응물들의확산이저해되며, 이러한구획흐름상은다시수백만개의미세액적의형성으로이어져균일한반응조건이달성될수있다. 본장에서는나노입자합성분야에적용되고있는최신미세유체소자와이의응용분야에대해개괄적으로소개하고, 향후발전가능성에대해서살 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

12 특별기획 (II) 그림 1-1. 미세액적을형성하는주요세가지미세유체소자의구조및적용사례. (A) Co-flowing 방법을이용한미세액적형성과정에대한모식도및액적형성이미지, (B) Cross-flowing ( 또는 T-junction) 을이용한미세액적형성방법에대한모식도, (C) Flow-focusing 을이용한미세액적형성과정에대한모식도, (D) Flow-focusing 을이용한미세액적내부에또다른미세액적을형성한이미지, (E) T-junction 을이용하여형성된미세액적내부에서서도다른두시료의신속한혼합을구현하고있는미세유체소자, (F) 미세액적을형성하는두가지이상의방법들을하나의칩위에서구현함을통해재료의구조및다양한기능성을동시에부여할수있는미세유체반응소자의모식도. 펴보고자한다. 1.1 미세액적기반의결정화기술미세액적 (micro-droplet) 은자연적으로생성될수도있지만주로미세유체소자 (microfluidic device) 를이용하여생성되는마이크로수준의액적을의미한다. 이러한미세액적의형태, 크기및다양한반응조건들은미세유체소자의설계및집적을통하여제어할수있다. 또한, 기존벌크상에서결정형성및제어의한계점을해결할수있는빠른물질 / 열전달, 부피대비반응면적, 높은반응수율등의장점을지니고있다. 1) 미세액적의형성원리미세액적의기본형성원리는서로섞이지않는 (immiscible) 연속상 (continuous phase) 과분산상 (dispersed phase) 의액체가계속주입되는와중에연속상의액체가형성한전단력 (shearing force) 에의해분산상의액체에압력구배 (pressure gradient) 가발생하여구형의액적이생성되는원리를이용한것이다. 미세유체소자에서액적형성의가장중요한매개변수는모세관상수 (capillary number) 즉 Ca 값이다. Ca는액체또는기체가섞이지않는두유체사이계면을가로질러작용하는점성력대표면장력의상대 적인효과를나타내는값이다. 이는유체에서점성력에대한관성력의비를나타내는 Reynolds 수 Re와표면장력에대한관성력의비를나타내는 Weber 수 We로아래와같이쉽게나타낼수있다. Ca = We/Re (3-1) We와 Re는다시각각의정의에의해서아래와같이표기된다. We = (ρv^2 D)/σ, Re=ρVD/μ (3-2) 여기서 ρ= 밀도, V= 속도, D= 특성길이 or 관내지름, σ= 표면장력, μ= 점성계수이다. (3-2) 를 (3-1) 에대입하면아래와같은식이도출된다. Ca=μV/σ (3-3) 도출된식에서 Ca는표면장력에반비례하고점성계수와속도에비례하는것을알수있다. 높은 Ca 값은표면장력과비교하여점성계수가크다는것을의미하며, Ca 값이증가할수록액적의크기는점차줄어들다가층류로변화하게된다. 이는점성계수가표면장력보다크기때문에 Re가작아져층류가유지되기때문이다. Ca는무차원매개변수로표현되며, 미세액적형성시일반적인범위의 Ca 값은 10-3 에서 10 1 까지로실린지펌프 (syringe pump) 를이용하여유량의제어 300 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

13 특별기획 (II) 그림 1-2. 미세유체소자기반의미세액적결정화반응기를이용한의약품응용사례. (A) 미세유체소자내에단일미세액적을형성하여용매의증발속도제어에따른원료의약물질들의결정화형성, (B) 박테리오로돕신 (bacteriorhodopsin) 과지질 (lipid) 간의혼합속도제어에따른막단백질의결정화연구, (C) 미세액적내부의용매의점성변화를통하여막단백질의결정형성연구. 가가능하다. 미세액적형성에서중요한또다른무차원매개변수는 φ 이다. φ는체적유량의비율로써다음과같이나타낸다 φ=q_d/q_c (3-4) Q_d는분산상의체적유량, Q_c는연속상의체적유량이다. 여기서 φ이 0으로수렴하게된다면분산상의액체들은정지하게된다. 일반적으로액적들은연속상의속도가더빨라지 면계면에서보다더큰전단응력이가해지게되어더작아진다. 반면상대적으로분산상의유량이증가하게되면액적의크기도증가하게되고, 결과적으로이 Ca와 φ에따라서액적의형성여부가결정된다. 2) 미세액적반응기구현을위한미세유체소자설계미세액적의형성은미세유체장치를이용하여손쉽게구현이가능하다. 이러한미세유체소자를이 그림 1-3. 미세유체소자기반의미세액적결정화반응기를제작하고다양한무기금속재료의합성응용사례. (A) T-junction 기반미세액적반응기에서졸 - 겔반응을통해실리카나노입자합성과동시에금나노입자가실리카표면에균일하게증착되는과정, (B) 미세액적반응기내에서반응변수제어를통하여 0-D 부터 1-D 구조의금나노재료합성이미지, (C) 미세유체반응기를활용하여 1-D 구조양자점재료표면에 0-D 양자점증착을통한발광특성제어연구. NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

14 특별기획 (II) 용하여미세액적을형성하는방법에는크게 3가지고구분해볼수있다. 그림 1-1에서보는바와같이 Co-flowing 방법은기본적으로분산상이연속상에둘러쌓인채함께흐르는상황에서두유속의차이, 점도에따라서분산상의유체를액적으로생성하게된다. 일반적으로분산상의점도대비연속상의점도의값이 0.1 부근일때액적의생성이안정적인것으로보고되고있다. 또한위에서언급한바와같이연속상의 Ca값과분산상의 We의관계에따른액적의형성여부및형태를파악할수있다. 두번째방법은 Cross-flowing 또는 T-Junction을이용하여액적을형성하는것이다. 연속상과분산상이 T-Junction 에서만나게되어분산상의유체흐름을연속상이전단력에의해끊어지게되고이는분산상이액적으로생성되며연속상의흐름을따라이동하게된다. (Chan et al (2013)) 세번째방법으로는 Flow-focusing 을이용한미세액적형성법으로서, cross-flowing에서적용되었던전단력을대칭적으로가하여좀더안정적인액적형성과제어가보다손쉽게구현할수있다는점이특징이다. 합 (perfect mixing), 마이크로히터 (micro-heater) 및이종의용매도입을통한용해도제어등이미세액적반응기위에서손쉽게집적이가능하다. 이와같은장점을갖는미세유체소자기반의미세액적반응기를이용하여다양한분야에서결정화응용연구들이시도되고있다. (Reis et al (2015)) 첫째로, 미세액적을이용하여고부가가치의약품의원료물질인단백질및유용유기산의결정화공정사례에대해살펴보도록하겠다. 바이오시료의경우, 반응기내에서국부적인반응변수들의편차로인하여균일한결정성장의한계와활성높은최종산물의낮은수율등이해결되어야할가장큰난제이 3) 미세액적을이용한결정화응용미세유체소자기반의미세액적은시료의결정및합성반응기로서의역할을충분히수행할수있을뿐만아니라, 기존벌크반응기와비교해볼때보다우수한시료의반응및결정화수율을높이는것이가능하다. 이러한요인은미세액적내부에서의빠른물질 / 열전달, 반응변수의제어용이성및부피대비높은반응비표면적등의특징들때문이다. 일반적으로, 결정화공정의주요변수로는농도, 온도, 및용해도등의구배 (gradient) 를통하여고순도의결정화씨드 (seed) 및성장 (growth) 을제어하게된다. 이러한결정화반응변수들의제어가미세유체소자내에서는연속적인미세액적의안정적인생산과동시에정교한반응변수들의제어가가능하다. 구체적으로, 미세혼합기 (micro-mixer) 의구현을통한완전혼 그림 1-4. (A) 연속흐름미세유체소자의채널디자인. (B) 미세유체소자를이용해합성한온도변화에따른 CdSe 나노결정입자의 fluorescence spectra. (C) 연속흐름미세유체소자를이용한 Fe 2 O 2 코어셸나노결정입자합성과정모식도. (D) 연속흐름미세유체소자기반의합성된 Fe 2 O 2 나노결정입자의 TEM 이미지. 302 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

15 특별기획 (II) 그림 1-5. (A) 회전식미세유체소자의모습. (B) 회전형미세유체소자를이용해한개의소자위에서 Cd 와 S 의농도를바꿔가며합성한다양한 CdS 나노물질의 UV-vis spectra (solid lines) 와 fluorescence spectra (dashed lines). (C) 회전형미세유체소자를이용해아스코르브산의농도를변화시키며합성한금나노물질의 UV-vis spectra. (D) 아스코르브산의농도에따라생성된다양한모양의금나노물질 TEM 이미지. 다. 최근, 미세액적반응기의부피대비넓은반응비표면적의장점을활용하여안정적이면서도고활성의단백질및유용유기산을형성하는연구결과가보고되었다. (Kee et al (2008)) 또한, 다중미세액적형성이가능한미세유체소자를제작하여유용유기물질을캡슐화함을통하여시료의활성및효능을높이는응용연구들도보고되고있다. 미세유체소자기반의미세액적반응기를이용한결정화연구에있어서유기물이아닌무기물합성에대한연구결과도다수보고되고있다. 금속중에서는특히금, 은, 코발트, 팔라듐, 구리등의물질들이미세유체소자를통하여다양한크기및구조로제어된금속나노입자로합성될수있었다. 구체적으로, 계면활성제의첨가와초기씨드의주입을통하여무기나노입자의다양한형태제어가가능하다. 또한, 무기산화물입자의합성에주로이용되는 졸-겔반응 ( 일반적으로 Stöber Process를이용하여제조 ) 을미세유체소자내에서구현한연구결과들도보고되고있다. 다른응용사례로서, 미세유체장치에서의양자점즉 QD (quantum dot) 합성에관한연구이다. 이러한연구결과들은기존벌크화학공정들에비해물질 / 열전달, 재현성, 합성조건의신속한최적화과정으로인하여적은시약소비및획기적인반응시간의단축을가능케함을보여준다. 이밖에도, 안정적인층류형성및다양한반응물의도입이가능한미세유체반응시스템의장점을활용하여다중 core-shell 구조의결정을합성하거나 1-D 금속막대구조에나노입자를코팅하여다양한기능을가진결정소재합성응용사례들도보고되고있다. (Sounart et al (2007)) 1.2 연속흐름상기반의나노입자합성기술 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

16 특별기획 (II) 미세채널에원료를지속적으로흘려주며반응을 시키는방법을연속반응방법 (Continuous reaction method) 이라고한다. 이러한연속반응방법을이용 해미세유체소자상에서여러가지나노입자를합 성하는연구들이진행되었다. 연속흐름미세유체 소자는반응물이반응할시간을갖도록하기위해, 유속과채널크기를고려한긴채널을가지고있으 며, 합성조건이복잡할경우채널을여러개로나눠 서제작한다. 소자내에넣어준원료들은미세채널 을지나가면서연속적으로반응에참여하며, 미세유 체소자를이용하면벌크스케일로는불가능했던작 은사이즈분포의나노결정입자를크기나형상면 에서균일하게생성할수있다. 또한연속흐름미세 유체소자는미세유체역학의특징인층류 (laminar Table 2. TEM 과 SAXS 의입도분포측정비교 Size distribution Nanoparticle sample By TEM (nm) By SAXS (nm) 5 nm-aunp-meee 5.3 ± ± nm-aunp-meee 3.4 ± ± nm-aunp-meee 2.6 ± ± 0.5 Au 0.8 ± 그림 1-6. (A) 연속흐름방식의나노파티클합성칩구조, (B) X 선작은각산란실시간분석데이터. 그림 1-7. 하나의칩에서 SAXS 와 UV-vis spectrum 을동시에측정할수있는미세유체시스템개요도. flow) 를특성으로가지고있고, 이를이용해코어셸 구조의나노결정입자를합성한연구도진행되었 다. (Chan et al (2003)) 회전식고속고효율미세유체기반나노입자합성기술 미세유체소자를이용하면, 하나의소자안에서 여러변수조절이가능하기때문에이는고속고효 율스크리닝의도구로사용될수있다. 보통미세유 체소자를이용한고속고효율스크리닝연구는미 세액적형성을통한연구가대부분이지만, 본연구 진은최근회전식미세유체장비를이용한나노결 정입자합성의고속스크리닝연구결과를발표하 였다. (Park et al (2015)) 회전식고속고효율스크리 닝미세유체소자는, 원형디스크의회전속도를조 절해줌으로써반응용액을순차적으로미소반응기 내로주입해줄수있다는점을특징으로한다. 따라 서한개의소자위에위치한각각의미소반응기에 서로다른용액을주입할수있으며, 이를이용해나 노결정입자의합성에대한고속고효율스크리닝 이가능하다. 아래와같이회전식미세유체소자를 이용해 Cd 이온과 S 이온의농도비율에따른 CdS 나 노물질합성과아스코르브산 (Ascorbic acid) 의농도 에따른금나노물질합성에대한고속대량스크리 닝연구가진행되었다. 304 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

17 특별기획 (II) 정합성을진행시키고, 소자내에서 X선작은각산란 (Small-Angle X-ray Scattering (SAXS)) 을이용하여결정화과정을실시간으로 (millisecond 단위 ) 측정및분석을진행할수있다. 또, 하나의장치에서 SAXS와 UV-vis spectrum을동시에측정한연구또한진행되었다. (McKenzie et al (2010)) 이처럼미세유체소자기반기술은소자의설계에따라다양한나노결정의동력학적특성을정밀하게측정할수있고, 이러한미세유체소자기반의나노결정합성과정의분석은결정화이론연구에많이응용될수있으리라판단된다. 그림 1-8. 마이크로 / 나노입자의분류를위한 (A) Size-exclusion, (B) magnetic, (C) optofluidic 장치가결합된미세유체시스템. 1.4 미세유체기반나노결정합성의동력학적 분석 결정의크기와모양을자유롭게조절하기위해선 결정의핵생성과핵성장에관한매커니즘의이해 가필요하다. 이러한결정매커니즘연구의대표적 인예로는플래티늄나노결정의성장을 In situ 투과 전자현미경 (In situ transmission electron microscopy) 으로관찰한것이다. (Zheng et al (2009)) 하지만고 가의장비로인해이러한연구는진행되기어려우 므로, 이러한단점을극복하기위해최근미세유 체기술기반의나노결정합성의동력학적분석 이이루어지고있다. 미세유체소자내에서나노결 1.5 나노입자의크기에따른분류최근균일한크기와모양의결정을얻기위한방법으로합성된결정을미세유체소자에서크기와모양별로분류하려는연구들이진행되고있다. 나노입자분류의원리로는 Size-exclusion, 자기력, Hydrodynamic optical force 등이있다. (Stavis et al (2010)) Size-exclusion은채널의두께에차이를주어나노입자가크기에따라분리되는원리이며, 자기력을이용한분류는자기성을가진나노입자가자기장에의해크기별로분류되는원리이다. 또, Hydrodynamic optical force는레이저빔을사용하여나노입자에인력또는척력을줘나노입자를움직여분류하는방법이다. 미세유체소자에서나노결정을분류하는것은연속적으로빠르게수행될수있으며, 한칩에서나노결정합성반응과분리를동시에진행하는것이가능하다. 하지만아직미세유체소자에서나노스케일의입자의정밀한분류는쉽지않으므로, 이를해결하기위해나노플루이딕과같은더작은차원의소자가필요할것으로여겨진다. 맺음말규칙적유동특성은고효율의결정화기술개발에핵심적으로기여할수있음을보여주었다. 규칙적테일러유동을이용한결정화기의경우회분식, 연 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

18 특별기획 (III) 속식결정화공정모두에적용가능하며냉각결정화, 연석결정화, 반응결정화, 용융결정화등모든결정화방법에작용가능하다. 또한본결정화기는결정입도제어, 결정순도제어, 결정다형체설계및제어, 광학이성질체분리등다양한목적에활용될수있으며탄산칼슘등무기소재, 금, 은, 구리등기능성금속소재뿐만아니라 sulfamerazine, 아미노산, GMP 등정밀화학, 제약 API 등기능성유기소재결정의제조에도활용될수있다. 본테일러유동이용결정화기는 10ml규모의마이크로결정화기뿐만아니라수천리터의매크로결정화기로스케일이가능한장점도가지고있다. 미세유체소자는작은스케일에서의반응이라는특징에따른빠른물질및열전달이이루어지고, 층류흐름에따른유체의정밀한조작이가능하여생물, 화학, 물리, 공학등의다양한분야에스크리닝혹은미소반응기형태로적용되어왔다. 본연구진은미세유체기반의나노결정합성및동적분석등의연구를수행하고있으며, 추후본기술을통해다양한금속나노입자의결정화를분석하고, 독특하고고기능성의나노 / 마이크로입자를합성하는연구를진행하고있다. 향후, 미세유체소자의특성을극대화하여차세대나노결정합성플랫폼을구축함으로써, 맞춤형나노결정제작도가능하리라기대하고있다. 참고문헌 1. Chan, E. M.; Mathies, R. A.; Alivisatos, A. P.; Nano Letters 3, (2003) 2. Chan, H. F.; Zhang, Y.; Ho, Y.-P.; Chiu, Y.-L.; Jung, Y.; Leong, K. W.; Scientific reports, 3 (2013) 3. Daniel, M.-C.; Astruc, D.; Chemical reviews 104, (2004) 4. Kang, M. G.; Xu, T.; Park, H. J.; Luo, X.; Guo, L. J.; Advanced Materials 22, (2010) 5. Kee, N.; Woo, X.; Goh, L.; Rusli, E.; He, G.; Bhamidi, V.; Tan, R.; Kenis, P.; Zukoski, C.; Braatz, R.; American Pharmaceutical Review 11, (2008) 6. Lee, S. S.; Kim, B.; Kim, S. K.; Won, J. C.; Kim, Y. H.; Kim, S. H.; Advanced Materials (2014) 7. McKenzie, L. C.; Haben, P. M.; Kevan, S. D.; Hutchison, J. E.; The Journal of Physical Chemistry-C 114, (2010) 8. Park, B. H.; Kim, D.; Jung, J. H.; Oh, S. J.; Choi, G.; Lee, D. C.; Seo, T. S.; Sensors and Actuators B: Chemical 209, (2015) 9. Reis, N. M.; Puma, G. L. A.; Chemical Communications 51, (2015) 10. Sounart, T.; Safier, P.; Voigt, J.; Hoyt, J.; Tallant, D.; Matzke, C.; Michalske, T.; Lab on a Chip 7, (2007) 11. Stavis, S. M.; Geist, J.; Gaitan, M.; Lab on a Chip 10, (2010) 12. Thanh, N. T. K.; Maclean, N.; Mahiddine, S.; Chemical Reviews 114, (2014). 13. Zheng, H.; Smith, R. K.; Jun, Y.-w.; Kisielowski, C.; Dahmen, U.; Alivisatos, A. P.; Science 324, (2009) 결정화분자시뮬레이션기술 곽상규, 강정원 * 울산과학기술대학교, 고려대학교 * skkwak@unist.ac.kr, *jwkang@korea.ac.kr 서론 결정화현상연구에있어결정형성모델과결정 성질에대한계측은산업공정화에있어가장중요 한요소들이라할수있다. 이두가지요소의정확성 306 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

19 특별기획 (III) 을위해서는원자레벨에서부터일어나는결정성장과흡착현상을규명해야하는데실제실험검증의경제적, 방법론적한계성을동시에해소할수있는새로운연구패러다임의창출과적용이필요하다. 최근컴퓨터를사용하여자연현상을이론적으로검증및규명하는계산과학의접근은컴퓨터기술의가파른성장의도움으로그유용성을다양한과학분야에서인정받고있다. 계산과학방법들은학문적특성및연구성격에따라매우다양하게존재하나주로시공 (time and space) 스케일로구분하게된다. 예를들어아원자레벨인양자역학기반의제일원리계산, 원자레벨인고전역학기반의분자동역학, 그리고거대원자 (super-atom) 레벨인조립질전산모사방법들이일반적으로입자개념을다루는계산과학영역의방법들이다. 다차원전산모사는앞서서술한방법들의전산시공경계를넘는방법론적조합을의미하며, 본결정기능화공정기술연구센터에서는이러한다차원분자전산모사기법의활용을통하여고기능성물질의결정화현상연구에있어효율적인연구패러다임을제시한다. 다음에서결정화현상연구와연계된각계산과학방법들을간략히설명하고이를이용하여결정연구에적용한몇가지예를소개하고자한다. 본론가. 계산과학방법 1) 밀도범함수이론일반적으로전자의파동함수는공간좌표와스핀에의존하는벡터함수로서 N개의전자로이루어진시스템에서의파동함수는스핀을제외하고서도 3N 개의공간변수를갖는다.[1] 하지만, 슈뢰딩거방정식을이용하여 3N개의해를구하는과정은낮은효율성과계크기의한계성때문에밀도범함수이론 (Density Functional Theory, DFT) 이고안되었다. 밀도범함수계산의해법중가장잘알려진 Kohn-Sham 방정식 [2] 은상호작용하는전자에대한슈뢰딩거방정식을상호작용이없는전자기체의시스템으로재구성하였다. 이방정식의해를구하기위해서단일전자의파동함수를구하고계의총에너지를최소화하여전자밀도를구한다. 이과정에서총변수의개수가 3개의변수 ( 전자밀도의 x, y, z축 ) 로줄어들기때문에계산시간을획기적으로줄일수있다. 특히밀도범함수계산의중추역할을하는교환-상관 (exchange-correlation) 에너지의미분으로정의되는퍼텐셜은주로 LDA(Local Density Approximation) 나 GGA(Generalized Gradient Approximation) 등다양한근사법을사용하여계산한다.[3] DFT 계산은시스템의정밀한전자구조계측, 흡착에너지계산및화학반응경로탐색에있어서매우유용한계산법이다. 또한, 분자역학 (Molecular Mechanics) 혹은분자동역학 (Molecular Dynamics) 계산에이용되는힘장 (forcefield) 계수들의선험적계측을위한주요방법으로활용될수도있다. 연구하고자하는물질의성질에따라시스템의규모가다를수있기때문에크게비주기적경계 (non-periodic boundary condition) 시스템과주기적경계시스템의두분류로나뉘어 DFT 프로그램들을사용한다. 2) 밀접결합근사계산 Density-Functional Tight Binding(DFTB) 계산방법은제일원리계산의일종으로밀접결합근사 (tight binding approximation) 법을사용한다.[4] 밀도범함수이론보다정확도가낮지만, 기존밀도범함수계산에비해더큰계와긴시간척도에서시스템의구조예측과전자구조분석등에적합하다. DFTB의기본이되는자기부합적전하밀도초함수밀접결합근사 (Self-consistent charge density functional tight binding, SCC-DFTB)[5] 의유도는 DFT 계산의총에너지에대한이차확대에서시작되는데, 총에너지식에서원자궤도함수선형결합 (Linear Combination of Atomic Orbitals, LCAO), 이차확대, 단극근사, 이 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

20 특별기획 (III) 체근사를통해 SCC-DFTB의총에너지식을유도할수있다. 이러한근사식을이용하면시간과계의규모면에서 DFT 보다효율적계산을구현하며, 총에너지계산외에도 Mulliken charge, Density of states(dos) 그리고 Mayer bond-order 등의계산들을수행할수있다. 3) 분자동역학전산모사분자동역학 (Molecular Dynamics, MD) 은시스템을구성하는입자에작용하는힘을계산하고고전역학의뉴튼운동방정식을반복적으로풀어입자의위치를시간에따른함수로계산하는방법이다. 원자혹은분자단위의거동관찰이가능하며, 구조및에너지계산과열역학적성질, 동역학적성질을계측할수있다. 분자동역학계산을위해서는먼저시스템의퍼텐셜에너지를위치에따른함수로나타내야하는데이함수를힘장 (forcefield) 이라한다. 힘장의요소인퍼텐셜에너지는원자가상호작용에너지 (valence interaction energy) 와비결합상호작용에너지 (non-bonded interaction energy) 로구성된다. 원자가상호작용에너지에는결합에너지 (bond energy), 굽힘각에너지 (angle energy), 비틀림각에너지 (torsion angle energy) 와이들에너지들의조합들이있고, 비결합상호작용에너지로는반데르발스 (E vdw ) 와정전기력 (E el ) 이있다.[6] 분자동역학은원자및분자단위에서입자의동역학운동에관한정보를가장자세히해석하는방법이며, 실험에서조절하기힘든원자적, 분자적변인을통제할수있기도하다. 4) 대정준몬테카를로전산모사대정준몬테카를로전산모사 (Grand Canonical Monte Carlo, GCMC) 는입자의위치를확률에근거하여랜덤하게배치시키는추계적인기법을기반으로한다. 이방법은화학적퍼텐셜, 부피, 온도가일정한시스템을일컫는대정준앙상블을전산모사에더한방법으로, 선택된물질의상전이연구나객 체분자의포집을확인할때이용될수있다. 시스템내에서의객체분자배치교환 (i.e. 삽입, 제거, 이동, 회전, 비틀림 ) 은매단계마다몬테카를로기법을바탕으로수행되는데, 이때몬테카를로기법은두가지로, Metropolis와 Configurational bias, 나뉜다. Metropolis는편향없이시행배치를만들어내는기본적인방법이고 Configurational bias는전반적으로몬테카를로기법과동일하나, Metropolis 기법으로계산할수없는경우 ( 예, 높은밀도의물질 ) 편향을넣어분자간에너지를낮추는시행배치방법이다. 5) Patchy particle에의한조립질전산모사조립질전산모사 (Coarse-grained simulation, CG simulation) 는여러개의원자혹은분자를하나의단위체 (super-atom 혹은입자 ) 로묶어대단위화한구슬 (bead) 을이용한기법이다. 이기법은원자및분자자체의정보를조립질화하여계산에필요한자유도를줄임으로써중규모계계산의효율성을높이는방법이다. 조립질전산모사는시공수준을수백 ns 와 nm 수준까지올려미시레벨계산의시간적, 공간적한계를극복할수있게만들어준다. 조립질전산모사에서는전원자 (all-atom) 분자동역학정보를바탕으로단위체의분자적특성을가진입자의퍼텐셜을만들고그퍼텐셜을이용해입자간힘을계산하여동역학을수행한다. 조립질전산모사에는대표적으로 coarse-grained molecular dynamics(cgmd), Dissipative Particle Dynamcis(DPD), Self-consistent field theory(scft) 등이있고파생적으로 Patchy particle을이용한방법은 2004년 Glotzer[7] 가도입한개념으로분자동역학에서분자의자가조립 (selfassembly) 을연구하기위해고안된모델의한종류이다. 물질의합성에필요한특정상호작용을 patchy particle에적용하고입자에 patchy particle을선택적으로붙여자가조립현상을연구하였다. 이는자가결합하는방향, 결합길이등에대한높은자유도로인해규칙성을가진결정물질계산에유리하다. 308 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

21 특별기획 (III) 6) 다형체예측계산결정의구조는물질의수명, 증기압, 용해도, 밀도, 형태등의성질을알아내는데있어서큰영향을미친다. 일반적으로물질은하나의결정구조만을가지고있지않고온도와압력에따라여러가지의결정구조로존재하는동질이상현상을보인다. 따라서원하는특성을갖는결정구조를합성하는데앞서결정구조를예측하고그에따른특성의선험적분석을필요로한다. 다형체예측 (Polymorph prediction) 은오직분자구조정보만을이용하여그분자로이루어진순수단결정구조를예측하는방법이다. 4단계 ( 표본추출, 클러스터링, Mote Carlo Simulated Annealing, 클러스터링 ) 의과정을거쳐임의의분자로부터알려지지않은분자결정구조를예측할수있는데, 모든공간군과격자상수를고려하여가장안정한형태의, 존재가능성이있는결정구조표본들을추출한다. 표본추출과정에서발생되는중복된결정구조들은제거되고, 남은표본들은 Mote Carlo기법을바탕으로가열및냉각계산과정을거쳐각공간군의전역최소에너지결정구조군으로 나오게된다. 이과정으로발생된중복표본들은다시한번클러스터링작업을통하여제거되고결국가장가능성있는구조들만이추출된다. 추출된결정구조들의격자에너지비교를통해가장가능성있는결정구조를제시할수있다. 이때제일원리계산을통한에너지계산을통해더신뢰도있는결정구조를예측할수있다. 나. 결정화연구 1) Guest-Host 시스템 G 2 NDS를 GS-Host ( 즉, guanidinium(g) 이온과 sulfonate(s) 간의수소결합으로형성된분자결정구조 ) 물질로그리고 o, m, p-xylene과 Ethyl Benzene을 Guest물질들로사용하여결정선택성과결정유도시간을계측하였다. Guest 물질에따른선택성은각계의생성에너지분석을통하여탐색할수있고, 계의크기와종류를바탕으로 DFT, DFTB, 분자동역학계산을적용하였다. 또다른방법인대정준몬테카를로방법을이용해서등압과등온수착계산을이 그림 1. GS-Host(G 2 NDS) 와 Guest 물질들을나타낸그림. Guest 물질들이 Host 계에들어가다른선택성을띠며결정구조를형성. 회색은탄소원자, 빨간색은산소원자, 파란색은질소원자, 노란색은황원자, 흰색은수소원자를나타냄. NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

22 특별기획 (III) 그림 2. 용액상태에서의결정화 (solvent-mediated phase transformation). ( 가 ) Acetonitrile (ACN) 용매에용해된 Sulfamerazine (SMZ), ( 나 ) DFT 와 DFTB 으로관찰한핵형성, ( 다 ) phaseⅠ 구조의분자모델, ( 라 ) phaseⅠ 구조의조립질모델, ( 마 ) phaseⅡ 구조의분자모델, ( 바 ) phaseⅡ 구조의조립질모델. 회색은탄소원자, 빨간색은산소원자, 파란색은질소원자, 노란색은황원자, 흰색은수소원자를나타내고, 연두색비드는 SO 2 분자, 분홍색비드는 NH(C 4 N 2 H 2 )CH 3 분자, 초록색비드는 C 6 H 4 NH 분자를나타냄. 용한흡착양계측을통해 guest 물질의선택성을간접적으로알아내어, 생성에너지결과와비교를통해보다정확한결정선택성을추정하였다. 결정유도시간은표면에너지계산을통해계측할수있는데, DFT, DFTB, 분자동역학을이용하여 size effect를고려한표면에너지를구함으로써결정구조형성의유도시간을유추하였다. 2) Sulfamerazine(SMZ) 결정화연구 SMZ는고체복용형태의생약물질로, 두가지이상의결정구조를가진다. 본연구에서관찰한결정구조는준안정한 (meta-stable) phaseⅠ 구조와안정한 phaseⅡ 구조이고, 이를위해 DFT, DFTB, 분자동역학, 조립질전산모사를적용하여분자간상호작용에서부터상변이레벨까지연구하였다. 우선결정핵구조및결정성장에너지의수치는가장중요한정보이므로 DFT 와 DFTB 계산을통해바닥상태에너지계산을진행하여결정구조성장방향을계측하였다. 다음으로, 분자동역학전산모사를통하여안정한상태의결정의핵형성과정과 phaseⅠ 결정이 phaseⅡ 결정으로의상변이현상을탐색하였다. 마지막으로조립질전산모사방법을이용하여용액상태의 SMZ에서결정화및재결정화과정까지의재현을구체화하였다. 3) Polyhydroxybenzophenon(PHBP) 결정화연구 PHBP는플라스틱이나화장품산업에서주로쓰이는물질로결정구조와결정성장을조절하는것이제품생산에있어중요한요소이고특히자외선으로부터고분자의저하를막아주는역할을하는 d-hbp 와 t-hbp의결정구조에대해전산모사를통한연구를진행하였다. 본연구에서는 DFT, 다형체예측계산, 분자동역학전산모사를사용하여, PHBP의안정한모델링을구현하였고, 다형체를표본추출하여결정구조를계측하였다. 유기용매의결정성장구조는용매에따라다른데그영향을보기위해서분자동역학전산모사를사용하였고, 결정과용매사이의표면결합에너지를구하여결정성장단면을추정하였다. 310 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

23 특별기획 (III) 그림 3. ( 가 ) d-hbp(2, 4-dihydroxybenzophenone) 와 ( 나 ) t-hbp(2, 2, 4, 4 -tetrahydroxy-benzophenone) 의결정구조. 회색은탄소원자, 검정색은산소원자, 흰색은수소원자를나타냄. 맺음말본글에서는입자개념기반의다차원모델링및전산모사기법들을간략히소개하였고결정화연구에있어각방법들의선험적이용의유용성을세가지예를들어설명하였다. 단지소수의시스템들에대한계산과학연구로결정화연구에대한전산적접근의중요성을일반화할수는없으나, 한가지방법만으로구현이어려운시스템들에대한연구는앞서설명한방법들을조합한전산적접근과계측이필수적이다. 결정화현상연구에있어결정성장방향및크기, 결정구조, 결정성질들은가장중요한정보들이며이것들은원자레벨단위에서부터그근거를찾아야하므로, 계산과학의연구성격과그맥락을같이한다고할수있다. 결국이런선험적결과는일차적으로연구내용의심화를가져오고, 이차적으로연구의경제성을높일수있다. 본결정기능화공정기술연구센터에서는이주요한가시적이 점들을인식하고다차원분자모델링및전산모사 기법의활용을현수준의한계점까지확대하고이와 동시에새로운전산기법의발전도모색하여결정화 연구에있어신연구패러다임을창출하고자한다. 참고문헌 1. D. S. Sholl and J. A. Steckel, Density Functional Theory: a practical introduction, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey (2009). 2. W. Kohn and L. Sham, Self-consistent Equations including exchange and correlation effects, Phys. Rev., 140, A1133 (1965). 3. R. Parr and W. Yang, Density-Functional Theory of Atoms and Molecules Oxford University Press (1994). 4. M. Elstner, D. Porezag, G. Jungnickel, J. Elsner, M. Haugk, Th. Frauenheim, S. Suhai and G. Seifert, Selfconsistent-charge density-functional tight-binding method for simulations of complex materials properties, Phys. Rev. B., 58, 7260 (1998). 5. T. Frauenheim, G. Seifert, M. Elstner, T. Niehaus, C. Köhler, M. Amkreutz, M. Sternberg, Z. Hajnal, A. D. Carlo and S. Suha., Atomistic simulations of complex NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

24 특별기획 (IV) materials: groundstate and excited-state properties, J. Phys. Cond. Matter, 14, 3015 (2002). 6. M.P. Allen, Introduction to molecular dynamics simulation, in: Computational Soft Matter From Synthetic Polymers to Proteins, NIC Series, vol. 23, John von Neumann Institute for Computing, (2004). 7. Z.L Zhang and S.C. Glotzer, Self-assembly of patchy particles, Nano Lett., 4, (2004). 기능성결정설계및분석기술 조승빈, 지상원, 정승환, 안수영, 김준석, 이종휘, 이승헌 *, 권오필 * 중앙대학교화학신소재공학과, * 아주대학교분자과학기술학과 jong@cau.ac.kr, *opilkwon@ajou.ac.kr 결정화공정의입력을고려한다면결정설계가입력에해당하고, 그결과로얻어진결정의분석결과가출력에해당한다고할수있다. 결정화공정에투입되는결정화용액에분자, 원자간상호인력을고려하여사전에결정화진행과정을설계할수있는데, 최근에다양한결정화조립인자들을사용하여기존의결정의특성을뛰어넘는다양한결정을얻는것이가능해지고있다. 이렇게설계된결정화를통해얻어진결정의분석은사전에설계된결정화가원활하게이루어졌는지판단하는방법으로다양한분석법들이보다편리하고빠른분석이가능하도록지속적으로개발되어왔다. 결정설계기술파이공액계유기소재 (π-conjugated organic materials) 는비편재화된전자구조에기인하여다양한광전자적응용가능성을가지고있다. 파이공액계유기결정의설계를위해서는파이-파이상호작용, 수소결합조절, 분자형태조절, 쿨롱상호작용조절및이를바탕으로하는공결정방법이있다. 공액계유기결정의예시를들어설계방법을설명하려한다. 파이-파이상호작용의조절파이-파이상호작용 (π-π interaction) 은파이오비 탈을포함하는분자들간에형성되는 2차결합을의미한다. 대부분선형이중 / 삼중결합또는방향족고리구조를포함하는공액계화합물사이에서작용하는상호작용이며, 일종의정전기적상호작용이다. 공액계유기분자간파이-파이상호작용의종류에는 aromatic-aromatic 상호작용 (π-π stacking, face-to-face), anion-π 상호작용, cation-π 상호작용, C-H-π (edge-to-face) 상호작용, π donor-acceptor 상호작용등다양한상호작용이존재한다. 이러한파이-파이상호작용은공액계유기결정의가장기본적인분자간상호작용으로서형광센서, 디스플레이, 트랜지스터, 태양전지등다양한응용분야에널리사용되는기능성공액계유기결정에항상존재하는상호작용이라할수있다. 기능성공액계유기결정형성시파이-파이상호작용에의한 aggregation type은크게 J-type과 H-type 두가지가있으며, 이두가지타입의상호작용을이용한결정설계는지난 1930년대 Jelly와 Scheibe에의해발견된이후로현재까지기능성공액계유기결정을사용하는응용분야에서많은연구가진행되고있다. 공액계분자가 J-aggregate를이루게되면용액상태 (monomer phase) 에서의흡수특성이보다장파장으로이동하는 red shift 현상을보이며, H-aggregate를형성하면반대로단파장으로이동하 312 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

25 특별기획 (IV) 그림 1. 결정내에서파이 - 파이상호작용을이루는공액계유기결정의예 [1] 는 blue shift 현상을보인다. 이러한 aggregation 타입 에따른물성의변화는각응용분야에서요구되는 결정특성에맞춰원하는물리적특성을유도할수 있다는장점이있다. Aggregate 의예를 [ 그림 1] 에나 타내었다. [1] 앞의예와같이기능성공액계유기결 정의설계에서분자간파이 - 파이상호작용을조절 하는기술은분야에요구되는물질특성을유도할 수있는매우유용한방법이다. 수소결합의조절 수소결합 (hydrogen bond) 은다양한비공유 2 차상 호작용중에서매우강한결합중하나이며, N, O, F 와같이전기음성도가강한원자와분자내최소한 개이상의 H 원자사이생기는인력을말한다 (A-H B). 이러한수소결합은다양한응용분야에사용 되는기능성유기결정을형성할때고려하는주된상 호작용중하나로써 H 원자가포함되어부분적인양전하를띠는수소결합주게와부분적인음전하를띠는수소결합받게사이의정전기적인력 ( 쌍극자-쌍극자힘, 최대 40 kj/mol) 을통해형성된다. 수소결합은결성형성시분자간자가조립 (self-assembly) 을유도하여분자배열을결정할뿐만아니라, 여러개의분자들이동시에다양한인력을형성하는경우가많아결정의물리, 화학적특성이크게변화될수있다. 현재, 이러한수소결합을기반으로한결정성장을통해형성되는기능성유기결정은의약, 단백질공학, 태양전지, 유기전계효과트랜지스터 (OFET), 비선형광학등다양한응용분야에사용되고있다. 각분야에필요로하는기능성유기결정의특성을조절하기위해서는분자간수소결합을유도할수있는상호작용그룹의설계및도입이필수이며, 이를통해다양한학문적, 산업적응용분야에서요구하는기능성유기결정의특성을얻을수있다. 공액계유기결정에서강한수소결합의도입을통하여결정구조를조절하는예를 [ 그림 2] 에나타내었다. 높은비선형광학특성을보이는비이온성공액계물질중최근개발된 configurationally locked polyene (CLP) 분자에강한전자주게이면서강한수 그림 2. 공액계결정의분자간 head-to-tail 수소결합 [2] NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

26 특별기획 (IV) 그림 3. DHNPH 결정의분자간 head-to-tail 수소결합. [1] 소결합주게인 phenolic OH 그룹을도입함으로써강한전자받게그룹이면서강한수소결합받게인 CN 그룹과 head-to-tail의수소결합을형성하였다. [2] 다른예로 [ 그림 1] 에나타낸비이온성공액계화합물인하이드라존유도체인 DHNPH 결정의경우에도강한수소결합을형성할수있는 phenolic OH 그룹을도입함으로써기존지그재그형태의수소결합을벗어나더욱선형적인 head-to-tail의수소결합을형성함을볼수있다 ([ 그림 3]). [1] 따라서, 기능성유기화합물의수소결합그룹설계를통하여분자배열및결정형성을유도하는주된수소결합을조절하는방법은다양한응용에쓰이는기능성유기결정의결정특성및화학적, 물리적특성을조절할수있는매우유용한방법이라말할수있다. 분자형태의조절기능성결정의설계를위하여조절할수있는요소는다양한 2차상호작용의조절뿐만아니라분자자체의형태를바꿈으로써결정특성을변화시키는방법도존재한다. 상호작용조절과같은경우는도입한치환기의종류에따른분자배열변화를유도하지만분자의형태조절은치환기의모양과크기에따른공간차지 (space filling) 특성을변화시키며, 그에따른기능성결정의결정구조특성의변화및물리적, 화학적특성을조절하는데매우유용한방법으로쓰일수있다. [3] 쿨롱상호작용의조절이온성공액계유기결정에서는양이온과음이온사이의다양한상호작용을조절하여결정특성을조절하는연구가많이진행되고있다. 쿨롱상호작용은특정거리에놓여진양전하와음전하를띠는양이온과음이온사이에작용하는전기적인상호작용을뜻하며, 프랑스의물리학자인 Charles-Augustin de Coulomb에의해실험적으로밝혀졌다. 이러한상호작용으로인하여양이온-음이온사이강한 2차결합을형성하게되고, 이로인하여결정내에서분자들의규칙적인배열이이루어진다. [ 그림 4] 에최근개발된이온성공액계유기결정의결정구조를예시하였다. [3] 쿨롱상호작용과강한수소결합의동시도입상기에언급한다양한상호작용들은모두기능성유기결정설계구현에있어중요하게고려해야할사항들이다. 각각의상호작용들은분자들이모여결정을형성할때우선순위없이동시다발적으로형성되며, 모든상호작용이결정의특성을결정짓는중요한요소임은분명하다. 특히이온성유기결정의경우에는쿨롱상호작용과더불어다양한수소결합이결정을형성하는데있어주된분자간상호작용이다. 따라서결정내분자배열및결정특성을설계시점에서중요하게고려해야하는부분이기도하다. [ 그림 5] 에쿨롱상호작용과강한수소결합이동시에도입된예를도시하였다.[4] 그림 5에나타난바와같이양이온과음이온이강한쿨롱상호작용을 314 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

27 특별기획 (IV) 그림 4. 이온성공액계유기결정의결정구조 [3] 형성하고있으며, 이와더불어양이온의 OH 그룹과음이온의 sulfonate 그룹사이에강한수소결합 ( O-H O-S-) 이형성됨을보여준다. 이때다양한음이온의도입은양이온-음이온또는양이온-양이온, 음이온-음이온사이다양한수소결합을동시에형성하여그에따른결정구조및물성변화가실험적으로나타났다. 공결정형성기능성결정설계방법중공결정방법은두개또는그이상의화합물분자들이일정한화학양론적비율로결정내부에서다양한상호작용을통해결정구조를형성하는방법이다. 단일분자의상호작용을통해형성된결정의물성을손쉽게조절할수있다는장점을가지며, 결정화에사용되는분자의몰비 그림 5. 이온성공액계유기결정에강한수소결합을도입한예 [4] NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

28 특별기획 (IV) 율에따른결정구조의변화및물성이달라지는결과를나타낸다. 결정화공정후분석결정화하는물질의최종응용분야에따라집중적으로추적하는물성이상이할수있으나, 다양한응용분야를포괄하는주요물성들이있고, 이들의분석을위한다양한방법들이개발되고있다. 본리뷰에서는현재널리사용되는대표적인분석법을살펴보고그원리들을간략하게설명하고자한다. 입도분석 (Particle size analysis) 고체의물성으로는결정구조 (crystal structure), 용해도 (solubility), 밀도 (density), 입자크기 (particle size), 순도 (purity) 등이있다. 이중결정화공정직후가장널리활용되는분석이입도분석이다. 결정입자의크기와모양을조절하는것은 flowability, bioavailability, processibility, stability 등과같은물질의성질을쉽게변화시킬수있는방법으로, 제약산업쪽이나바이오산업쪽에서매우중요한변수이다. 변화시킨결정의크기를확인하기위해서는입도분석방법이필요하며, 분석에대한오차를줄이기위해서는입자의형태가크게고려된다. 예를들어모든입자들의형태가구형이라면, 고려해야할요소는 diameter 뿐이지만, 실제로입자들은 [ 그림 6] 과같이형태에따라 acicular, flaky, spherical 등여러모양으로나타낼수있다. 이는입자의형태에따라분석을위해필요한요소가달라진다는것을의미하고, 불규칙적인형태일경우그만큼많은정보를필요로하기때문에, 정확한 data를얻기힘들다. 여기서불규칙한입자들의크기를정의하기위해서는 ESD (Equivalent Spherical Diameter) 가필요하고, 어떤기준을가지는가에따라서로다른식을사용한다. 입도분석을통하여입자의크기를 data로산출하기위해서는주로평균입도가사용되는데, 이는용액내에존재하는결정입자들의크기와모양이서로 동일하다면상관이없겠지만, 실질적으로는다양한크기의결정입자들이서로혼합되어있는상태이기때문에평균입도를구하여결과를내는것이일반적이다. 입도분석을위한방법들은입자의크기에따라측정하는기기와방법이서로다르다. 여러가지방법중가장널리사용되는편리한방법인 light scattering은 [ 그림 7] 에서보는바와같이빛의산란현상을이용하여고분자혹은콜로이드입자의크기, 모양, 분자량등을분석하는방법으로, 용매에입자를묽게희석시킨후빛에노출을시켜주게되면각각의입자의크기에따라빛이산란되게되고, 그산란되는정도를측정하여입자의크기를알아낼수있다. 입자의크기에따라산란되는패턴은 Rayleigh scattering, Mie scattering, Fraunhofer diffraction으로나눌수있다. Rayleigh Scattering은빛의파장보다매우작은입자에의하여산란되는현상으로, 빛이기체나투명한액체및고체를통과할때발생하게된다. 그예로는태양광에의해하늘이파랗게나타나는것을들수있다. Mie scattering은빛의파장과입자의크기가비슷할경우나타나는현상으로, 빛의파장보다는입자의밀도, 크기에의존한다. 그예로는수증기, 먼지, 매연등과의충돌이있다. 마지막으로 Fraunhofer diffraction은빛의파장보다입자의크기가클때발생하는경우이다. 그림 6. Shapes of particles 316 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

29 특별기획 (IV) DLS의장점으로는밀도나굴절률같은입자의성질에대한정보가필요하지않고, 입자의크기를측정할수있는범위자체가넓다. 하지만분석원리자체가복잡하고, 분산도가넓은물질은정확한 Data를얻기가힘들다는단점이있다. 그림 7. Light scattering 의원리 Light scattering 의원리의한종류로서 DLS (Dynamic light scattering) 는나노미터에서수마이크론의입자를시간에따라평균크기를분석하는방법으로유체내의입자에의한빛의산란강도를측정한다. 실제로입자는유체내에서동적인상태이고, 입자의움직임에의해 intensity가시간에따라변화된다. 이와같이액체나기체내에서입자들의크기에따른움직임을 Brownian motion이라하며, 입자크기에따른움직임에의해확산되는속도차이를알수있다. Brownian motion에의한입자들의확산속도는 translational diffusion coefficient에의해서나타낼수있으며, 입자크기를구하기위해서는 Stoke-Einstein equation을사용한다 [ 식 1]. 이식을이용하게되면 hydrodynamic diameter를구할수있고, 이값은입자가가지고있는직경을구의직경으로표현하게되는값이다. kt D(H)= pηL 여기서, D(H) = translational diffusion coefficient, L = hydrodynamic diameter, k = Boltzmann s constant, T = absolute temperature, η = viscosity를나타낸다. DLS을통한분석은 central values에따라 mean, median, mode로나눌수있고, 입도분포를나타내는방법으로는 number distribution, volume distribution 등으로상황에따라맞는방법을사용할수있다. (1) X선회절분석법 (X-ray Diffraction, XRD) X선회절분석법은결정화연구에서아주중요한분석방법중하나이다. X선회절분석법은분석하고자하는물질에짧은파장인 X선을쏘아서일정한간격으로배열된구조로인해회절된 X선을탐지하는분석법이다. [ 그림 8] 은결정에 X선이입사되는경우 X선의회절을보여주는그림이다, 이경우로표현되는 Bragg s law 라는법칙이적용된다. 이법칙을이용하면, θ값을알수있다면물질내격자면의간격 d를계산해낼수있다. 결정화를진행하면물질은일정한배열을이루면서결정으로성장하기때문에만들어낸결정이어떤구조를가지고있는지 XRD 분석을통해서유추할수있다. 하지만수많은 X선을가하기때문에간섭이일어나는특정회절 X선을알아내기란쉽지않다. 이를분석해내기위해반드시필요한것이푸리에변환 (Fourier transform) 이다. 푸리에변환을통해일정한주기를가지는함수를찾아낼수있다. 이해를돕기위한예로 Image J 프로그램으로 2D Fast Fourier Transform(FFT) 을진행해보았다 [ 그림 9]. 그림 8. 결정에서 X선의회절 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

30 특별기획 (IV) 일정한패턴을가지는그림을그리고, Image J 프로그램을이용하여푸리에변환을하면 [ 그림 9] 의오른쪽위그림을얻을수있다. 이그림에 2개의직선을임의로그린다음역푸리에변환을해본결과처음사진과거의같은사진이나온것으로보아약간의손상이있더라도전체적으로나타내는주기에큰변화가없으면같은의미를가진다는것을알수있다. 원하는주기나함수외의다른함수가있어도영향을주지않기때문에, 푸리에변환은복잡한신호속에서도일정한주기를가지는함수를찾아낼수있다. 이푸리에변환을통해, X선회절분석법에서는 X선을입사해주고수많은회절 X선을탐지한다음그속에서물질의고유한원자배열로나타나는일정한회절 X선을찾아낼수있다. [ 그림 10] 는 atorvastatin이라는약물의 XRD결과이다. 이자료를보면일정한값에서 peak를갖는것을알수있다. 일정하게성장한결정일수록 peak의끝은가늘어진다. 반면에 amorphous한물질을 X선회절분석을진행한다면일정한배열을가지지않기때문에, peak은넓게형성된다. Peak의의미를통해서, X선회절분석법을이용하면 1차적으로결정구그림 9. Image J 프로그램에서 FFT를이용한사진의변환및복원 그림 10. Atorvastatin의 XRD결과 ( 미발표자료 ) 조인지 amorphous한구조인지를확인할수있고, 2 차적으로 θ값을분석하여결정이어떠한배열을가지고있는지확인할수있다. 열분석열분석이란 온도를프로그램하에서일정하게변화시키면서물질의물리적특성변화를시간또는온도의함수로서측정하는분석방법 이라정의할수있다. 열분석의종류는대표적으로 DSC(Differential Scanning Calorimetry) 와 TGA(Thermogravimetric Analysis) 이렇게두가지가있다. TGA는물질의온도를프로그램에따라변화시키며그시료의질량변화를온도의함수로나타낸다. 반면 DSC의원리는시료와기준물질의온도를변화시켜그시료와기준물질에대한에너지입력차이를온도의함수로서나타낸다. DSC 그래프에서얻을수있는물리량은결정화온도 (T c ), 유리전이온도 (T g ), 용융온도 (T m ) 및열변화량 ( H) 등이다. 따라서 DSC는열량값을얻기에정량분석이가능하다는강점을가지고있다. 열분석을하기위한샘플이완전무정형 (amorphous form) 인경우어떠한 first-order transition peak도생성되지않으나, 결정형 (crystalline form) 인경우특정온도에서 peak가나타난다. 예를들면대부분의약물은 XRD 결과와마찬가지로고유의온도 peak를가지고있다. 기준물질로는구입한후어떠한과정 318 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

31 특별기획 (IV) 도거치지않은순수한약물을사용하고, 분석샘플은약물결정화실험을거친, 즉핵생성및성장과정을변화시켜결정화도를조절한샘플을사용한다. 두샘플의 peak 차이를해석함으로써결정화실험후의결과물을정의할수있다. Peak의변화로결정형태가변형된것이라판단할수있으며 peak의세기 (intensity) 를바탕으로, 즉면적비를통해결정형대비결정형부분의비율을예측할수있다. 하지만현재진행중인결정화과정은균일한생성물을얻기어렵다는단점이있다. 각부분마다생성속도와성장속도가다르다. 열분석에서는샘플중일부분에라도결정형이존재할경우 peak가나타나기때문에약물결정화에서는정확한데이터를산출하기어렵다. 따라서결정화의메커니즘을해석하기에는핵심데이터라기보다는부가데이터로많이사용된다. 모폴로지 (Morphology) 결정은어떤면방향으로성장하느냐에따라다양한 morphology를가지게되는데, 이러한 morphology 또한입자흐름등의결정의 property들을파악하는데에도움을준다. [ 그림 11] 과같이한쪽면방향으로만성장하여바늘형태가될수도, 모든면방향으로고르게성장하여판상형태가될수도있는데, 이러한 morphology의차이는결정의밀도, 유동성, 응집력, 압축성, 용해도등에영향을준다. Flowability 태블릿, 캡슐등의제조과정에서혼합, 이동, 압착과같은여러 powder를다루는단계가요구된다. 이러한측면에서 powder의 flowability를측정하는것이매우중요하다. Flowability는결정의크기, 모양, 입자간 interaction 등의함수로표현되며여러가지방법들로측정할수있다. 먼저 shear cell method 가있는데, 이는 powder 층위의회전하는 ring이 powder를깎는 (shear) 데에필요한힘을측정하는방 그림 11. Primary crystal들의다양한 morphology 그림 12. Powder flow 측정법법이며이를통해 powder의 yield stress, cohesion, friction 등을구할수있다. 다음으로는 loose and tapped densities 방법이있는데, 이방법은 powder 의 bulk volume과 tapped volume을측정하여 Carr's index(1-(ρi/ρf)) 와 Hausner ratio(ρf/ρi), 이두가지값을구하는방법이다. 또한 Flodex라불리는바닥면의중앙에구멍이뚫린 disk에 powder를흘려보내는간단한방법도존재하며, 이를통해 powder의 size, shape, bulk density 등의 flowability를측정할수있다 [ 그림 12]. 마지막으로최근에잘알려진흐름에영향을주는입자간상호인력을 Atomic Force Microscope 를통해서직접측정할수도있다. 결정의표면구조분석 (AFM) Atomic Force Microscope(AFM) 은결정의표면구조를분석할수있는대표적인분석기기이다. AFM은탐침의캔틸레버 (cantilever) 끝에달린팁 (tip) 의원자와시료의원자사이에상호작용하는반데르발스힘 (Van der waals force) 을이용하여표면의구조를분석하는기기이다. 반데르발스힘과같은아주미세한힘에도쉽게휘어지는캔틸레버와그끝에극소수의원자로이루어진팁이있고또한캔틸레버윗면에서반사되는레이저의각도변화를감지하기위한탐 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

32 특별기획 (IV) 그림 13. AFM diagram 지기 (detector) 가 AFM을구성하는주요장치이다. [ 그림 13] 에나타난것과같이 AFM의캔틸레버가수평또는수직으로움직이면서캔틸레버끝의원자와시료표면의원자사이에작용하는반데르발스힘에의해원자사이의거리가비교적멀경우에는두원자간에인력이작용하고, 반대로원자사이의거리가가까울수록척력이작용한다. 이때그힘에의해캔틸레버가위아래로휘어지게되고캔틸레버윗면에반사되는레이저의각도변화를탐지기가감지하여그신호를컴퓨터로보내서분석하게되면결과적으로표면에대한특성들 ( 표면에너지, 표면의접착력, 표면의모양, 표면의두께등 ) 을얻을수있게된다. 약물결정화에서약물입자의결정의구조 ( 표면적, 두께, 모양 ) 는약물방출및전달을조절할수있는아주중요한요소로작용할수있다. 예를들어표면적이넓으면넓을수록, 입자의크기가작으면작을수록약물방출이더용이해지고그반대일경우에는약물방출이어려우므로우리가원하는양으로약물방출을조절하기위해서는약물결정의표면적이나크기를조절해야한다. AFM을통해약물결정의크기나표면적, 모양등을손쉽게분석하여약물결정의구조를제어해나간다면결국우리가원하는특성을가진약물결정을얻어내는데 AFM이큰역할을할수있을것이다. 결론 결정화공정의고기능화를위하여서는결정의설 계단계부터최종결정특성까지조절할수있도록 결정설계기술과결정분석기술을동시에고려하 여야한다. 차세대전자정보용, 포토닉스응용을위 한파이공액계유기소재의결정설계기술은점차 그중요성이증대되고있다. 파이공액계결정의주 된설계기술은파이 - 파이상호작용, 수소결합, 쿨 롱상호작용등의이차결합의조절기법과분자형태 의조절기법이주로사용되고있으며, 이러한여러 조절기법이동시에사용되는예는점차늘어나고있 다. 이러한설계를통해얻어진결정은정확한분석 방법을선택하여확인하고피드백을통해최적의설 계조건을찾아야한다. 아울러효과적인분석을통 해제조공정의유지발전이필요하다. 이러한설계 와분석에대한지속적인연구개발은매우중요한 화학산업의한연구분야라하겠다. 참고문헌 1. O. P. Kwon, M. Jazbinsek, J. I. Seo, E. Y. Choi, H. Yun, F. D. J. Brunner, P. Günter, Y. S. Lee, J. Chem. Phys., 130, (2009). 2. O. P. Kwon, S. J. Kwon, M. Jazbinsek, F. D. J. Brunner, J. I. Seo, Ch. Hunziker, A. Schneider, H. Yun, Y. S. Lee, P. Günter, Adv. Funct. Mater., 18, 3242 (2008). 3. P. J. Kim, J. H. Jeong, M. Jazbinsek, S. J. Kwon, H. Yun, J. T. Kim, Y. S. Lee, I. H. Baek, F. Rotermund, P. Günter, O-Pil Kwon*, Cryst. Eng. Comm., 13, 444 (2011). 4. J. H. Jeong, B. J. Kang, J. S. Kim, M. Jazbinsek, S. H. Lee, S. C. Lee, I. H. Baek, H. Yun, J. Kim, Y. S. Lee, J. H. Lee, J. H. Kim, F. Rotermund, O. P. Kwon, Sci. Rep., 3, 3200, doi: /srep03200 (2013) 5. Particle sciences, Technical Brief 2009, Vol. 2, Particle Size Distribution and its Measurement 6. 조금실, 신진섭, 김중현, Polymer Science and Technology, 15, (2004). 7. Bernard Lorber, Frederic Fischer, Marc Bailly, Herve Roy, and Daniel Kern, Biochemistry and Molecular Biology Education, 40, (2012). 320 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

33 특별기획 (V) 다차원기능성나노결정의설계및응용기술 임상혁 *, 유태경 *, 김상욱 * 경희대학교, 화학공학과, 결정기능화공정기술센터 (ERC) * 아주대학교, 응용화학생명공학과, 결정기능화공정기술센터 (ERC) *imromy@khu.ac.kr, *tkyu@khu.ac.kr, *sangouk.kim@kaist.ac.kr 서론나노기술의사전적정의는 10억분의 1m 크기의범주안에서조작및분석하고이를제어함으로써기존의벌크소재에서나타나지않던새로운화학적, 물리적, 광학적, 생물학적특성또는기존벌크소재의한계를뛰어넘을수있는물성을나타내는소재, 소자또는시스템을만들어내는기술이다. 소재측면에서볼수있는나노기술의대표적인것이다차원나노결정이다. 일반적으로나노결정은수백 nm 이하의크기를가지는결정입자를말하며벌크와는다른물리화학적인성질을가지는것으로알려져있으며, 높은표면적용적비 (surface volume ratio) 를가지고있어표면의특성에따라서나노결정소재의물성이영향을많이받는다. 최근들어나노결정의합성및제어기술이발달함에따라, 합성된나노결정을이용하여다양한산업분야로응용하는연구가활발하게진행되고있다. 하지만나노결정의경우크기, 형태, 모양, 및구조에따라서물리화학적인물성이변화되므로균일한크기, 형태, 모양및구조를갖는나노결정을제조하는설계및공정기술의개발이매우중요하다. 나노결정의합성은다양한물리, 화학적인접근법을통하여가능하며, 물리적인합성방법은화학증착법 (chamical vapora deposion), 레이저분해법, 밀링법 (milling method), 스프레이법, 등이있고, 화학적인합성방법은콜로이드법 (colloidal method) 을통하여합성되며, 대표적으로고온열분해법 (thermal decomposition), 고온주입법 (hot injection), 폴리올합성법 (Polyol process), 수열합성법 (hydrothermal method) 등이있다. 이러한합성방법중에서균일한크기, 형태, 모양및구조를가지는나노결정을얻기위해서는용액공정의일종인콜로이드법을통하여제조하는것이바람직하다. 통상적으로용액공정인콜로이드법을통하여나노결정을합성할경우, 용액상에녹아있는나노결정의전구체들이화학반응을통하여나노결정을만들수있는핵생성과정과결정성장과정을통하여나노결정을생성하게된다. 이러한나노결정의핵생성및결정성장과정은그림 1의 LaMer 이론을이용하여설명이가능하다.[1] 콜로이드법에서나노결정의전구체가반응을통하여나노결정의단위셀 (unit cell) 을형성할수있는빌딩블록으로전환되고반응용액상에서균질한상태로존재하다가임계농도 (super saturation: S=S c ) 이상이되면, 용액상에서석출이되어결정핵을만들게된다. 초기에생성된결정핵들은서로뭉쳐서가역적인반응이가능한 aggregate를형성하고어느이상의크기가되면비가역적인성장반응을통하여결정이성장하게된다. 즉, 그림1 에서반응시간에따라서, 임계농도가 S=S c 이상인 stage II 영역에서결정핵생성반응이일어나게되고 S < S c 인 stage III 영역에서는더이상의결정핵생성반응은일어나지않고결정성장반응이일어나서특정한모양, 크기, 형태및구조를가지는나노결정의성장이이루어지게된다. 따라서, 균일한크기, 모양, NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

34 특별기획 (V) 그림 1. LaMer 이론 : 포화용액의시간에따른거동 [1] 형태및구조를가지는나노결정을형성하기위해서는선택적인핵생성반응과선택적인결정성장반응의제어가반드시필요하다. 본고에서는다차원나노결정의대표적인예로써금속나노결정, 반도체나노결정인양자점, 및금속산화물나노결정에관해서소개하고자한다. 본론 1. 금속나노결정일반적인단일금속나노결정은단일원자 (mono atom) 이성장하여생성되는결정형태로구형의입자가자기조립을통하여생성되는것과유사한형태로결정의생성및성장이일어난다. 따라서, 단일금속나노결정은열역학적으로안정한단일상인면심입방체 (FCC: face centered cubic) 구조를가져이종원자 / 원소로 (hetero atom) 구성된나노결정또는유기결정에서나타나는다형체 (polymorph) 가나타나지않는가장단순한형태의결정이다. 따라서, 콜로이드법인용액공정을이용하여금속나노결정을합성할경우, 기본적인면심입방체의구조로생성된원자들이조립되게되고이를통하여결정핵이생성되게된다. 이때생성되는결정핵은원자들의내부배열에따라서그림 2와같이단결정 (single crystal), 단일쌍정 (single twinned crystal), 다중쌍정 (multiply twinned crystal) 결정으로나뉠수있다. 다중쌍정결정 그림 2. 원자배열에따른대표적인금속나노결정핵의투과전자현미경사진. (a) 단결정 (single crystal), (b) 단일쌍정 (single twinned),[2] (c) 다중쌍정 (multiply twinned: decahedron),[3] (d) 다중쌍정 (multiply twinned) 나노결정 [4]. 은 10 개의면으로구성된십면체 (decahedron) 와불 규칙적으로면의개수를가지는다중쌍정입자로나 뉠수있다. 콜로이드법을통하여금속전구체의환원에의 해생성된금속나노결정핵은비가역적인성장반응 을통하여그림 3 과같이단결정결정핵은면심입방 체의구조로만들어질수있는단결정금속나노결 정으로성장하고, 단일쌍정결정핵은이중피라미드 (bypyramid) 형태로성장하며, 다중쌍정의일종인십 면체는 (decahedron) 은이방적인성장에의해나노막 대또는나노선으로성장하게된다. 또한불규칙적 인면의개수를가지는다중쌍정결정핵은불규칙적 인형태나구형에가까운금속나노결정으로성장하 게된다. 따라서, 합성하고자하는금속나노결정의 최종모양, 크기, 형태및구조가결정되면균일한금 속나노결정을선택적으로합성하기위해서는, 선택 적인핵생성공정을통하여금속나노결정핵을생 성하고열역학적동역학적인결정성장면의제어를 통하여등방성또는이방성의결정성장을제어해야 322 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

35 특별기획 (V) 그림 3. 콜로이드법인폴리올용액공정을통하여생성되는금속나노결정의결정핵의종류와성장반응을통해서생성되는금속나노결정의형태.[5] 된다. 열역학적인관점에서볼때, 은금속결정의경우표면에너지가 {111} < {100} < {110} 의순으로높으므로, 표면에너지를낮추기위해통상적인합성조건에서는 {111} 면을가지는다중쌍정형의결정핵이주로만들어진다. 따라서다중쌍정형의결정은 {111} 면으로구성되어있고, 다중의결정경계면 (twin boundary) 을가진다. 십면체 (decahedron) 다중쌍정결정핵의경우 10개의 {111} 면을보이며 10개의 {110} 결정경계면과 5개의 {100} 모서리를가진다. 따라서, 결정성장과정에서열역학적으로불안정한 {110} 결정경계면방향으로의성장이우세하게일어나므로 {100} 면에선택적으로 capping 될수있는첨가제 / 안정화제를도입하게되며, 이방성이매우큰나노선으로성장시킬수있다. 콜로이드법에서정반응을통하여금속나노결정을형성할경우, 열역학적으로안정한다중쌍정결정핵이주로생성되므로, 단결정결정핵을선택적으로생성하기위해서는역반응을유도하는것이바람직하다. 일례로금속나노결정을녹일수있는에칭반응을도입할경우, 열역학적으로불안정한 {110} 면이가장먼저에칭이되므로, 역반응에서는다중쌍정금속나노결정이가장먼저사 라지는특징을가진다. 따라서, 결정핵생성단계에서단결정금속나노결정핵이선택적으로살아남게되고, 성장반응을통하여단결정의금속나노결정이선택적으로생성되게된다. 통상적인콜로이드법합성조건에서단일쌍정결정핵은잘나타나지않으나, 에칭반응이조금약할경우, 단결정결정핵생성조건과다중쌍정결정핵생성조건의중간정도되는조건에서생성이가능한것으로알려져있다. 따라서은금속나노결정의경우, {100} 면으로구성된큐브 (cube) 금속결정이생성되는조건에서단일쌍정결정핵이종종생성되며이중피라미드 (bypyramid) 결정이섞여서생성되는것을볼수있다. 대표적으로단결정금속나노결정은가장단순한결정구조로낮은밀러지수결정면 (low index facet) 인 {111}, {100}, {110} 면으로구성된정팔면체 (octahedron), 정육면체 (cube), 사방이십면체 (rhombic dodecahedron) 의결정이있고이들의각꼭지점이깍인형태의깍인 (truncated) 정팔면체, 정육면체, 사방이십면체가존재한다. 이들은모두 octahedron symmetry (O h ) 를갖는동일한면심입방체로구성되어있으므로, 그림 4와같이선택적인결정성장과정을통 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

36 특별기획 (V) 밀러지수가유리한촉매및수소저장과같은분야, 국부표면라만증강 (LSPR: localized surface plasmon resonance) 용센서및바이오이미징, 메모리소자, 웨이브가이드등많은분야로의응용이가능하다. 그림 4. 동일한 octahedron symmetry 를가지는단결정금속나노결정의구조. 초록색은 {110} 면, 빨간색은 {100} 면, 파란색은 {111} 면을나타내고각꼭지점의깍인형태의반응을통해서사방이십면체에서정팔면체까지가역적으로변환이가능함.[6] 해서서로변환이가능하다. 단결정금속나노결정의경우 h, k, l 밀러지수중 한개가 2 이상인값을가지는 {hkl} 면으로구성된높 은밀러지수결정면 (high index facet) 으로된사육면체 (tetrahexahedron), 육팔면체 (hexoctahedron), 이십사 면체 (trisoctahedron) 등이있다. 또한다중쌍정입자 도선택적인결정핵생성과성장제어를통해서합성 이가능하므로특정한모양의금속나노결정은선택 적인결정핵생성조건과선택적인결정성장조건을 정밀제어를통해서가능하다. 이러한금속나노결정은그림 5 와같이통상적 인벌크결정의응용분야외에, 높은표면적및높은 2. 반도체나노결정 : 양자점양자점은주로콜로이드방식으로합성되는대표적인반도체나노입자로크기가약 10nm 이하로물질의보어반지름 (bohr radius) 보다작아양자제한효과 (quantum confinement effect) 를가진다. 양자제한효과로인해양자점은크기에따라밴드갭이달라져흡수및방출하는빛의파장이달라진다. 위와같이특정한파장의빛을흡수하고방출하는특성을이용하여의학분야, 생명공학분야, 전자재료분야, 재생에너지분야에양자점을적용하려고노력해왔다. 양자점은 1982년초컬럼비아대루이스브루스 (Louis Brus) 교수팀이처음으로콜로이드상태의양자점을발견했으며, 1993년 MIT의모운지바웬디 (Moungi Bawendi) 교수팀이유기금속화합물을이용하여균일한콜로이드 CdM(M=S, Se, Te) 를합성한이후집중적으로연구되었다. 균일한양자점을합성하기위해서는그림 1의 그림 5. 금속나노결정의응용분야예시 324 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

37 특별기획 (V) 그림 6 고온주입법, 핵형성과성장을빠르게분리 [7] LaMer 이론모델에서양자점의핵생성 (stage II) 과결정성장 (stage III) 과정을분리시켜야한다. 그리고나노결정은크기에따라성장속도가달라핵생성과결정성장이분리되지않으면오스트발트숙성 (Ostwald ripening) 이일어나크기가불균일하게되는특징을가진다. 콜로이드양자점은핵생성과결정성장을분리시키기위해고온주입법 (hot injection) 과승온법 (heating-up process) 을이용한다. 그림6의고온주입법은높은온도에서전구체를주입하여순간적으로핵을형성시키고온도를낮춰핵생성을제한하고핵의성장을유도하여양자점을균일하게합성한다. 그림 7의고온분열법의일종인승온법은핵형성을균일하게하기위해온도를천천히끌어올려전구체가동시에분해되어핵형성을하게되고균일하게생성된핵이동시에성장하게되어균일한양자점이합성된다양자점의응용은양자점의가장큰특징인흡광그림 7 고온주입법및승온법 [8]. 그림 8 무독성양자점의 PL방법을통한 WLED [9] 과발광특성을이용한분야로나눌수있다. 현재가장활발한연구가이루어지고있는분야는발광특성을이용한분야로디스플레이에서조명에이르기까지다양한응용이가능하다. 양자점의가장큰특징인높은양자효율과좁은반치폭그리고다양한발광파장조절등은그응용가능성을더욱높여준다. 발광특성을이용한분야는양자점을발광시키는메커니즘에따라크게 PL (photoluminescence) 과 EL (electroluminescence) 두가지로나눌수있다. 그림 8은 PL의응용분야를나타낸거시며그림 9는 EL 의응용분야를나타낸것이다. EL의경우현재널리연구되고있는 OLED와유사한구조를가지며유사한공정으로제조가가능하다. 그렇기때문에차세대디스플레이로서가장주목을받고있는분야이다. 하지만기존에사용되는공통층과 band alignment를맞추기힘들다는점과대면적증착에는한계가있기때문에아직은해결해야할부분이많이남아있다. 그리고 PL을이용한방법은 blue LED를여기광원으로사용하고여기에녹색오렌지색, 붉은색등의필요한색깔의양자점을추가로사용한다. 이때사용되는양자점의발광파장과상대비율등을조절하여원하고자하는최종발광파장을조절할수있다. 이방법은사용되는양자점을다양한형태로가공하는것이가능한데주 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

38 특별기획 (V) 로사용되는방법은세가지이다. 첫번째 blue chip 위에고분자와섞은후바로로딩하는방법이다. 하지만이러한방법은양자점의효율감소및뭉침현상발생등의단점이있다. 두번째로얇은모세관을이용한방법인데원하는양자점을블렌딩한후얇은모세관에주입한후봉하는과정을거친다. 그리고이모세관을 LED chip 전면에배치하여원하는색을얻을수있다. 이러한방법은주로 LCD 디스플레이에백색광원으로사용된다. 마지막으로필름을이용한방법이있는데이는양자점을고분자와섞은후경화하여필름을만든다. 이러한방법은현재시제품이나와있으며조명뿐만아니라 LCD의새로운백색광원으로각광받고있다. 이는앞에서설명한두방법에비해면광원이라는부분과대면적화가용이하다는점에서응용가능성이더욱크다고볼수있다. 현재이러한기술을이용한 LCD제품이판매되고있다는점에서그응용가치를한번더생각해볼수있다. 또다른응용분야는그림 10과같이양자점의흡광특성을이용한다. 양자점은 UV에서부터 IR에이르는넓은범위의영역을커버할수있는물질로몰흡광계수역시높은편이다. 이러한특성을이용하여태양광발전에사용할수있는데이때주로사용되는물질은 PbS, PbSe CdSe CdS 및이들의조합으로이루어진다. 이들을이용한다양한형태의전지를구성할수있으며그전지의특성에맞게 core 단일형태로사용하거나 core/shell 구조혹은 alloy 등그림 9 양자점의 EL방법을통한디스플레이 [10] 그림 10 양자점을이용한태양광전지의구성복합구조의양자점을사용할수있다. 그리고최근에는전통적인 II-VI 구조에서탈피하여 CIS CIGZ등의 ternary, quaternary 구조의양자점도많이보고되고있다. 발광응용분야에비해아직부족한점이많지만양자점을이용한태양광발전방법은최근연구되는태양광발전분야중에서가장가파른효율증가추세를보이며 MEG (multi exciton generation) 효과에의한효율증가를더기대해볼수있다. 3. 금속산화물나노결정금속산화물나노결정은산소와금속의화합물로이루어진나노크기의결정을말한다. 주로철 (Fe), 망간 (Mn), 코발트 (Co), 아연 (Zn), 티타늄 (Ti) 등의전이금속및세륨 (Ce), 가돌리늄 (Gd) 등의희토류산화물로이루어져있는금속산화물나노결정은태양전지, 이차전지, 연료전지등의에너지분야, 광촉매, 연료첨가제등의촉매분야및 MRI이미징등의바이오분야등여러부문에중요한재료로사용이가능하다. TiO 2, SnO 2 등의반도체금속산화물나노결정은염료감응형태양전지 (dye-sensitized solar cells, DSCs) 의작동전극 (working electrode) 에주로사용된다. 무게대비표면적이큰나노결정을사용할경우전극 326 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

39 특별기획 (V) 그림 11 (a) 산화물나노결정을이용한염료감응태양전지의개요도.[12] (b) TiO 2 나노결정을이용한염료감응태양전지 [12], (c) SnO 2 나노결정을이용한염료감응태양전지.[13] 그림 12 (a) 리튬이온이차전지의개요도.[14] (b) 산화철나노결정 - 탄소구조체의리튬이온이차전지전극특성.[15] (c) 속이빈산화철나노결정의형성모식도및리튬이온이차전지의안정성평가결과.[16] 물질에염료를많이흡착시킬수있어서 DSC의작동효율을끌어올릴수있다. 다만결정의크기가너무작을경우 TiO 2 의밴드갭 (band gap) 이커져서흡광효율이떨어지거나입자들끼리의전기적접촉이잘이루어지지않게되어변환효율이저하되는현상이나타날수있다.[12] 최근에는결정들간의전기접촉을좋게하기위하여금이나은등의금속나노결정를소량첨가하는방법및 SnO 2 등의다른산화물혹은 TiO 2 /ZnO core/shell 나노구조체등을사용해서변환 효율을끌어올리는방법등이연구되고있다.[13] ( 그림 11) Fe 2 O 3, MnO 2, CoO등의전이금속산화물나노결정은리튬이온이차전지의차세대전극물질로각광을받고있다. 리튬이온이차전지의전극물질을나노결정으로제작할경우높은표면적으로인한리튬이온의상대적인이동속도상승으로높은가역용량과출력, 그리고빠른반응속도를확보할수있다. 다양한연구그룹에서전이금속산화물나노결정을이용하여 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,

40 특별기획 (V) 이차전지의성능향상을보고하고있으며, 이들나노결정은양극물질뿐아니라그래핀 (graphene) 등의탄소구조체와혼합하여음극물질로도사용이가능하다.[14,15] 전이금속산화물나노결정을전극물질로사용할경우고용량의빠른반응속도때문에충방전중구조가무너지게되어안정성확보가어려준점이문제로지적되고있었는데, 최근에는속이빈 hollow 구조의산화물나노결정을이용하여빠른충방전에의한급속한부피변화에도견딜수있는전극소재를개발하였다는연구도보고되고있어안정성문제의해결이가능할것으로보인다.[16] ( 그림 12) CeO 2, Gd 2 O 3 등의희토류산화물나노결정은고체산화물연료전지 (solid oxide fuel cell, SOFC) 의전해질로사용이가능하다. 산화물나노결정의높은비표면적은 SOFC 제작을위한열처리시치밀화를촉진시키며소결온도를낮출뿐만아니라, SOFC의작동온도를낮추어경제적인운전이가능하게할수있다. 현재 gadolinium doped ceria 나노결정을이용하여 500도정도의낮은온도에서 SOFC를구동하였다는연구결과가보고되고있다.[17] 다만유기물안정제를사용하여제작된나노결정의경우소결시공극및탄소잔류체의발생이해결해야할중요한과제로남아있다. ( 그림 13) 광촉매란빛에너지에의해활성화되는촉매를말하며, 상온에서도반응활성을지니고있는점에서일반적인촉매와구분되며간단하고소규모반응장치에서도사용이가능한특징을갖고있어수용액상에서유기물제거, 폐수처리등에주로사용된다. 높은비표면적을가지고가격이저렴한 TiO 2 나노결정이많이사용되고있는데 TiO 2 나노결정은밴드갭 (band gap) 에너지가커서전체태양빛의약 5% 정도만이광촉매반응에이용되어효율이떨어진다는단점이있다. 이를극복하기위해 ZnO, ZrO 2 등의밴드갭에너지가작은나노결정을이용하거나 N등의원소가도핑된 TiO 2 나노결정을광촉매로사용하는등의시도가이루어지고있다.[18,19] 세륨산화물은 그림 13 (a) Gd doped ceira 나노결정을이용한 SOFC 전해질의 SEM 사진. (b) 나노결정을전해질로이용한 SOFC 의결과.[17] 격자구조에서산소원자를마련하여연소반응을촉 진시키는능력이있어표면적이큰산화세륨나노 결정은연료에추가시불소성탄화수소및그을음의 분해에도움을주어배기되는오염물질의양을줄이 사용되는연료를절약할수있다. 산화세륨나노결 정외에산화코발트나노결정역시질소산화물의 배출을줄일수있는연료첨가제로사용이가능하 나, 이들나노첨가제가환경에미치는영향이아직 밝혀지지않아상업화에는조금시간이걸릴것으로 여겨지고있다.[20] ( 그림 14) 대표적인단층촬영영상장비인자기공명영상 (magnetic resonance imaging, MRI) 은비침습적으로 3 차원영상을얻을수있으며, 대조도 (contrast) 와공간 해상도 (spatial resolution) 가뛰어나질병의진단을위 해널리사용되고있다. MRI 조영제를사용하면강 한자기장없이도보다선명한영상을얻을수있는 데, T2 조영제로는 γ-fe 2 O 3, Fe 3 O 4 등의자성나노결 328 NICE, 제 33 권제 3 호, 2015

41 특별기획 (V) 그림 14 (a) TiO 2 나노결정의광촉매기작, TEM 사진및광촉매효율.[19] (b) 도핑된 TiO 2 나노결정의광촉매기작및효율.[20] 정이, T1 조영제로서 MnO 등의전이금속산화물나노 결정이주로사용되고있다. 이중자성을가진산화 철나노결정은이미임상단계로서기존의착화합물계 MRI조영제에비해독성이적고체내순환시간이길어우수한조영제로평가받고있다.[21] MnO등의 T1조영제의경우뇌막안까지도해부한사진의선명도를가지는 MRI영상을얻는등 T2조영제보다선명하고정확한이미지를얻을수있어미래기술의하나로각광받고있다.[22] 최근에는이들나노결정에염료를부착하여 MRI와광학영상이동시에가능한다중영상조영제및나노결정에타겟세포에접촉가능한항체와치료용약물을같이연결한복합치료체계의개발역시시도되고있다.[23,24] ( 그림 15) 그림 15 (a) MnO 나노결정의 TEM 사진및증폭된 MRI 이미지.[22] (b) 다중영상및약물전달이가능한나노구조체의개여도, TEM 사진및이미징결과.[24] 결론모양, 크기, 형태및구조가제어된다차원나노결정은선택적인결정핵생성과선택적인결정성장과정의정밀제어를통해서합성이가능하며, 이러한다차원나노결정은기존의벌크물질에서나타나지않는독특한물리, 화학, 광학, 촉매특성을가져에너지, 전자정보산업및바이오산업의핵심소재로사용이가능하다. 2000년대초반에서부터 10여년간이 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 3,