목 차1. 서론1.1 나노와 나노 기술1.2 금속 나노 분말 제조의 연구 배경 및 필요성2. 본론2.1 나노 금속분말의 제조2.1.1 물리적제조법2.1.2 화학적 제조법2.1.3 고상 합성법2.1.4 각종 나노 분말 제조장치2.2 나노금속분말의 응용 분야2.3 나노 금속 분말의 특성 분석2.4 나노 금속 분말의 연구개발 동향2.5 코발트 초미분체 (나노 분말에 관한 구체적 연구)2.5.1 코발트 초미분체의 정의2.5.2 코발트 초미분체의 시장 동향2.5.3. 코발트 초미분체의 가격추이2.5.4 코발트 초미분체의 향후 전망2.6 나노 금속분말입자 제조의 파급 효과2.7 국내 업체 동향 및 제품, 수요, 환경, 시장 동향 분석3. 결론3.1 시장 동향3.2 향후 전망1. 서론1.1 나노와 나노 기술1959년 노벨 물리학상 수상자인 리처드 파인만이 “There is a plenty of room at the bottom" 이라는 주제의 강연에서 나노 과학 기술의 등장을 예견한 후 비약으로 기술이 발전하여 현재 모두 현실화 되고 있다.1982년 IBM 취리히 연구소에서는 STM원자 현미경을 발명하여 원자수주에서 미세구조를 관측하는데 공헌하였으며 1990년에는 미국의 IBM 알마덴 연구소에서 AFM 원자힘 현미경을 이용해서 원자 하나하나를 직접적으로 제어할 수 있음을 보여주었다.나노란 희랍어 나노스 (난장이) 에서 유래 1 nm(나노미터) = 10억분의 1m = 지구 지름을 1m라 할 때 유리 구슬 지름의 크기 = 원자 3~4개의 크기에 해당 하며 일반적으로는 10억분의 1을 의미한다. 밀리는 1000분의 1, 마이크로는 100만분의 1, 즉 밀리의 1000분의 1이고, 나노는 다시 그 1000분의 1로서, 나노미터이다. 나노 결정 입자(또는 나노 입자)라는 건은 2~50nm사이의 입자크기를 가진 결정성을 가진 입자들을 통틀어서 이야기한다.이 나노 입자는 입자크기에 따른 물리적인 성질의 변화를 관찰하는 측면에서 많은 연구가 진행되고 있으며 이는 마치 알파벳과 같이 여러기나 필라멘트 위에 놓고 증발시킴실험실적으로 수나노크기의 분말제조가 가능대량생산에 문제가 있음플라즈마제트플라즈마 열원에 의한 원료의 가열 및 증발저항가열에 의해 제조된 분말보다 약간 큰 입자크기(~30mm)-대량생산이 가능(20~30Kg/batch)-대부분의 금속에 적용 가능유도가열금속을 내화물 도가니에 놓고 유도가열에 의해 증발-입자의 크기를 쉽게 조절 할수 있음-효율면에서 우수함전자빔고진공 전자빔 용기와 증발용기가의 압력차, 원소재는 선재형태로 공급Ta, W, Tin, AIN 등과 같은 고융점 재료의 분말 제조가 가능레이저빔원료 금속에 고주파 레이져(High energy light laser, CO2,laser)를 조사하여 증발-증발용기가 매우 간단함-여러 원광석에 사용될 수 있음2.1.1.(나) 기계적 합성법기계적인 혼합에 의하여 나노 금속 분말을 제조하는 공정은 여러 성분으로 구성된 합금 조성에 대한 나노 입자화가 용이하지만, 공정 중 발생하는 불순물의 혼입 및 응집현상이 문제점으로 작용하고 있다. Koch 등은 MA(mechanical alloying)법에 의해 금속원소 분말을 혼합하여 불활성분위기에서 분쇄할 경우 비정질재료를 제조할 수 있다. MA 중에 막대한 양의 소성변형이 분말입자 내부에 축적되면서 결정이 크게 왜곡되고 상당히 불균일한 변형도 발생하게 된다. 분쇄시간이 증가함에 따라 shear bond가 점점 커지다가 결국 전체 분말입자는 수 나노미터 크기의 아결정으로 분쇄된다. MA법으로 합성한 나노 입자 분말의 경우 높은 전위밀도를 함유한 결정립계를 갖게 되어 기존의 다른 방법으로 제조한 나노 입자에 비해 물성에서 상당한 차이를 보인다. 즉 MA법에 의한 나노 재료는 결정립계에 존재하는 원자가 전체 원자의 약 50%정도를 차지하기 때문에 물리적, 기계적 성질이 크게 변화한다. 지금까지 보고된 바에 의하면 MA법으로 합성할 수 있는 나노 결정 구조를 갖는 분말은 Fe, Cr, Nb, W 등의 bcc구조를 갖는 금속뿐 아니라 Co, Zr, Hf,TiO2흡착특성가스 분리용 필터, 감지기, 열교환기, 기체저장Ni,Ag기타의료용재료, 필터, 밧데리, 전극Al2O3, Ta, MnO2나노 금속 분말 재료의 응용은 재료구조의 미세화와 이에 따른 표면적의 증가로 인하여 기존의 재료에서는 얻을 수 없는 특이한 전자기적, 기계적 및 촉매 특성을 나타냄으로 인하여 자성부품, 센서, 필터, 촉매 등의 차세대 기능성 소재로써 산업전반에 걸쳐 새로운 수용을 창출할 것으로 기대된다.2.2-1나노 금속 분말의 자기적 특성응용전자적인 성질을 띄는 반도체, 자성금속, 나노입자들은 크기가 작아지면서 일반저ㅡ올 10~100nm 정도에서 자기적인 성질이 최대가 되는 것으로 알려져 있다. 자성재료의 결정립이 작아지면 superpara-manetism이나 거대자기저항을 나타내는 경우도 있다. 간혹 강자성을 띄던 재료가 약자성혹은 상자성을 띄는 경우도 있으며 강장성이 아닌 결정립의 나노 결정립 재료에서 입계는 강자성을 띄는 경우도 있다.나노 분말 자성체의 이방성이 표면 이방성으로 안하여 벌크와 크게 달라지는 경우는 후자의 경우에 해당될 것이다. 이 경우 물체의 크기에 따른 성질 의존성을 정확히 이해하기 위해서는 전자가 나노 분말의 경계에 의해 제한 될 때 어떤 거동을 하는지에 대한 이해가 필요하다. 나노 분말이 특이한 화학적 결합, 전자 및 광학적 특성을 보이는 것도 나노분말 경계면에 대한 이해가 필요하다.나노 분말 자성체가 초 상자성 현상ㅇ르 보이??? 것은 자성재료가 가지는 자기적 에너지가 단순히 부피에 의존하기 때문에 나타나는 현상이다. 즉 자시적 에너지가 열에너지와 비슷한 수준이 되어 자기적 거동이 열 요동에 의해 영향을 받기 때문에 나타나는 현상이다나노 자성 분말이 가질 것으로 예상되는 특이한 성질들은 매우 많으며 그중 몇가지를 예로 들어보면 다음과 같이 정리할 수 있다.-나노 분말에서 전자-정공 싸의 국부적 존재에 의한 향상된 발광현상-매우 큰 투자율을 자기면서도 자기이력손실이 없는 자성체-높은 비유르이 표면원자로 인한 높은 반응 나노미터 크기의 재료과학 연구와 같은 다양한 분야에 초점을 맞추고 있다. 나노 크기 금속 초미분체의 입자크기를 결정하는 입자의 핵생성 및 성장에 대한 체계적인 연구와 제품의 특성향상 및 새로운 용도 개발을 위한 연구가 활발하나 실용화는 초기 단계에 있는 것으로 판단되어진다.유럽의 경우, 거의 모든 산업도시에서 별도의 나노 물질에 관련된 프로그램을 보유하고 있지만 그 규모는 작다. 독일에서는 나노 결정성 물질과 관련된 프로젝트가 수행되며, 스웨덴에서는 나노 구조 재료에 대한 국가적인 컨소시엄이 있고, 핀란드에서는 국가적 프로젝트를 통해 나노 물질에 대한 연구를 수행하고 있다. 스위스에서는 나노기술과 나노 물질 분야에 3개 부분의 연구프로그램이 있다.2.4.2 해외에서의 제품화 동향미국의 경우 NNI(National Nanotechnology Initiative)는 나노 기술의 연구 성과를 사회에 효과적으로 이전하기 위한 노력을 추구하였다. 나노 입자 세라믹스와 나노 금속분말과 이것을 응용한 제품 등은 제품화 영역에 있어서 중요한 역할을 담당하고 있다. 상업적으로 나노 입자는 차량용 타이어의 카본 블랙스, 선탠 크립과 헬스케어 제품, 고분자 매트릭스의 내마모성 나노 복합체등의 형태로 폭넓게 이용되고 있으며 대학의 연구실에서 파생된 벤처 기업에 의해서 높은 가격으로 판매되고 있다. 나노 금속 입자는 현재 TV,컴퓨터, 핸드폰, 사진필름, 화장품, 촉매, 향균제, 의약품, 의료기기, 생활용품, 반도체, 세라믹, 페인트 제조업체 등 광범위하게 사용되고 있다.2.4.3 새로운 연구동향나노 금속 입자(직경 100nm이하)를 합성하는 방법으로 크게 에어로졸법과 증발/응축법 같이 기상에서 나노 입자를 제조하는 기술과 금속이온 용액에 환원제가 함유된 용액을 혼합하여 금속 나노 입자를 제조하는 공침법 등이 널리 개발되었다. 그러나 기상법의 경우 대량생산이 불가능하고 입자제조 비용이 너무 비싸 아직 널리 산업적으로 이용되고 있지 않다. 또한 공침법의 경우 제조공정이 간단하고 경제체 코발트 시장 중 배터리시장이 18.4%로 가장 높은 비중을 차지하고 있고, 그 다음으로 초합금이 18.0%, 카바이드 및 다이아몬드 공구를 포함하는 경질재 분야는 14.4%, 유리, 에나멜, 플라스틱, 세라믹 등의 안료분야는 11.6%, 촉매 9.5% 등의 순이다.현재 코발트 시장 규모는 작지만, 비철금속산업에서 중요한 부분임에 틀림없으며, 많은 다른 산업분야에 걸쳐 필수적인 역할을 계속하고 있다.CDI 자료에 의하면 1990년대 코발트 수요량이28,000톤이던 것이 2002년 현재 40,000톤으로 매년 평균 3.2%의 성장을 보여 왔다. 코발트에 대한수요는 시대흐름에 따라 발전하고 변화해 오고 있으며, 과거 초합금은 가장 큰 시장이었고 전지는 띠끌에 비교할 정도로 매우 적은 규모이었다. 현재에도 초합금은 여전히 주요 수요처이지만, 화학산업분야에 대한 수요는 전체 수요처의 48%를 차지할 정도로 코발트 수요시장에 가장 지배적인 산업분야가 되었다. 화학 산업분야 중 특히 전지 및 촉매 분야는 지난 10년간 코발트 시장 성장을 주도해온 일등공신이다.코발트를 사용하는 전지 중에서 코발트는 리튬이온 및 리튬폴리머 전지의 핵심부품인 LiCoO2형태의 양극활 물질에 사용된다. 이들 전지의 코발트 함량은 일반적으로 15~20% 수준이다. 이 뿐 만아니라 니켈수소 및 니카드 전지에도 코발트는 첨가제로서 사용되고 있다. 이러한 전지 소재에서의 코발트 수요는 코발트를 기본으로 하는 리튬이온 및 리튬폴리머 전지의 성능, 가격 및 신뢰성이 잘 확립될 가까운 미래에도 계속적으로 증가할것으로 전망된다.[그림 2]는 이차전지 시장의 가파른 성장을 잘 나타내고 있다. 이러한 이차전지의 급격한 성장은 휴대전자기기 소비의 급격한 증가로 인한 것이다. 휴대전화는 리튬이온 및 리튬폴리머 전지 시장의60%를 차지하는 선두시장으로 2003년의 휴대전화 수요량은 2002년에 비해 10% 성장한 4억5천만 개에 달한다.최근 쿄토 의정서 발효로 인하여 세계 각국은 대표적인 온실가스인 CO2 배출감소것이다.
목 차1. 광촉매란?2. 광촉매의 원리3. 광촉매의 기능4. 광촉매의 효과5. 광촉매의 실생활의 활용1) 수소 제조의 이용(1) 수소 제조용 - 물이나 저급 탄화수소로 부터 수소 제조(2) 물 분해에 의한 수소 제조 메커니즘2) 대기 정화3) 수질 정화4) 더러움방지-셀프크리닝(self-cleaning) 기구5) 향균제품6) 의학용7) 기타6. 광촉매의 문제점 해결 및 향후과제1) 몇가지 문제점 및 해결책(1) 효율을 향상시키기 위해(2) 선택성을 향상시키는 방법(3) 효과를 지속시키는 방법2) 향후과제(1) 수처리에의 응용(2) 상세한 반응 기구의 연구(3) 안전성 확립(4) 환경호르몬(5) 분해 효율(6) 물 분해에 의한 클린 에너지 생산7. 광촉매의 시장성1)세계 시장 동향2) 국내 시장 동향1. 광촉매란?촉매란 어떤 화학 반응에서 자신은 변화하지 않고 반응속도를 변화시키거나 반응을 개선시키는 등의 역할을 수행하는 것으로 쉽게 설명하면 중매인, 혹은 중계인의 역할을 하는 것이라고 생각하면 된다. 광촉매란 빛(Photo)+촉매(Catalyst)의 합성어로 빛을 흡수하는 광화학반응을 통하여 화학 반응이 필요한 활성화 에너지를 낮추고 반응속도를 향상시켜 산화 환원반응을 촉진시키는 물질이다.광촉매로사용할 수 있는 물질로는 TiO2(anatase), TiO2(rutile), ZnO, CdS, SnO2, V2O2, WO3등과 페롭스카이트형 복합금속산화물(SrTiO3)등이 있다. 그러나 실제 광촉매 반응에 사용할 수 있는 반도체 물질은 우선, 광학적으로 활성이 있을 뿐만 아니라 광부식이 없어야 한다. 또한 생물학적으로나 화학적으로 비활성이어야 하며, 가시광선이나 자외선 영역의 빛을 이용할 수 있어야 할 뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 저렴해야 하는 등 조건이 까다롭다.그래서 주로 티탄(TiO2)이 사용되는데, 티탄이 위에 말한 광촉매 원료로서의 적합성이 가장 우수하기 때문이다. 티탄은 지각 중에 아홉 번째로 많은 원소로, 흔히 화장품에 사용하는 백색안료나 백색페인트는을 촉매로, 빛을 에너지원으로 공기중의 각종 오염물질을 분해 및 정화하는 물질을 말한다광촉매의 원료가 되는 CdS, CdSe, ZnO, TiO₂등은 모두 반도체의 특성을 가지고 있는데, 반도체는 밴드 갭(band gap)이상의 에너지를 외부에서 받으면 전자(e-), 전공(h+)쌍을 발산하는 특성을 가지고 있다. 광촉매에 밴드 갭(band gap)이상의 에너지를 갖는 빛을 조사하면 내부에 전자(e-), 전공(h+)쌍이 생성되고 이것이 광촉매 표면에 흡착된 유기물질과 반응해 산화, 환원반응을 일으켜 흡착된 물질을 분해하게 된다.< 광촉매의 산화분해 반응경로 >산화환원작용은 광촉매에서 생성된 전자(e-), 전공(h+)쌍이 공기중의 O2, H2O와 반응을 일으켜 TiO₂표면에 슈퍼옥사이드 음이온(O2-)와 수산라디칼(OH-)로 된 2종의 활성산소를 생성한다.수산라디칼의 산화력은 다른 산화제의 산화력을 비교했을 때 매우 월등하며 높은 산화, 환원 전위를 가지고 있기 때문에 NOx, 휘발성유기화합물(VOCs) 및 각종 악취물질을 효과적으로 분해하며, 축산폐수, 오수, 공장 폐수의 BOD, 색도 및 난분해성 오염물질, 환경호르몬 등을 완벽히 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 병원성대장균, 황색포도구균, O-157등 각종 병원균과 박테리아를 99% 이상 살균하는 등 모든 대상물질을 산화시키는 능력을 갖고 있다.3. 광촉매의 기능4. 광촉매의 효과산화티탄 광촉매가 파장 380나노미터(nm)이하의 자외선을 흡수하게 되면 광촉매 분해 작용이 일어나게 된다. 이는 물질을 분해해버리는 작용으로 유기물질은 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 분해 된다. 이것은 광합성 반응의 역으로 연소반응에 해당되고, 30,000℃ 이상에서의 연소반응과 상응하는 연소반응을 일으키게 된다. 하지만 이 연소반응은 보통의 연소반응과는 전혀 다른데 광촉매 반응에서는 온도가 상승하지 않고, 실온의 상태에서만 반응이 진행되어지며, 빛이 닿을 때 빛의 양만큼만 반응이 발생 된다.예를 들어, 자외선램프가 들어있는 공기광촉매의 실생활의 활용1) 수소 제조의 이용수소의 원료인 물이 많고, 연소하더라도 연기를 뿜지 않는 등 수소는 미래의 무공해 에너지원으로서 중시되며, 인류 궁극의 연료로 지목되고 있다. 1973년 말의 석유 위기 이래 각국에서 활발히 전개되고 있는 탈석유기술 개발에는 수소에너지 개발도 포함되어 있다. 현재 세계의 수소 소비량은 수백 억 m3 에 달하지만 대부분 석유탈황, 암모니아 제조 등 화학공업부문의 원료적인 것으로 쓰이며, 그 제조기술이 물을 원료로 해서 값싸게 대량생산할 단계에 아직 이르지 못하고 있으므로 열원으로서의 이용도는 아주 낮은 편이다. 따라서 각국은 그 제조기술 개발에 노력하고 있는데, 현재 연구되고 있는 주된 제법으로서는 우선 원자력발전의 전력으로 물을 전기분해하는 방법이 있지만 효율이 나쁘고 핵연료를 쓴다는 난점이 있다.또 여러 종의 물질을 결합시키고 원자로의 열을 이용해서 여러 단계의 화학반응을 일으켜 최종적으로 물을 수소와 산소로 분리시키는 열화학사이클법이 연구되고 있지만 설비 투자가 많은 것이 흠이다. 그래서 물 속의 광촉매를 넣어서 태양빛을 쬐어 물을 직접 분해하여 수소를 얻는 방법을 연구하고 있다. 광촉매를 이용해서 수소를 얻는 방법은 태양에너지를 이용하기 때문에 많은 에너지가 필요없고, 물을 분해하여 수소를 얻으므로 공해가 없어 많이 연구가 되고 있다.(1) Nano-Tech. 수소 제조용 - 물이나 저급 탄화수소로 부터 수소 제조(2) 물 분해에 의한 수소 제조 메커니즘2) 대기정화옥외의 대기에 인위적 ·자연적으로 방출된 오염물질이 존재함으로써 대기의 성분상태가 변화하고, 그 질이 악화하여 인간과 동식물의 생활 활동에 나쁜 영향을 줄 때 대기가 오염되었다고 한다. 대기오염의 한 오염원인 아황산가스 및 질소 산화물을 제거하는데 광촉매가 이용된다.그림과 같이 광촉매는 자외선이 닿는 것만으로, 광촉매의 전자가 자유롭게 되어, 대기 중의 산소나 수분과 결합하여, 표면에 OH 라디칼등의 활성산소가 생긴다. 이것이 대기 오염물질을 산화시켜elf-cleaning) 기구1990년대 후반에 광촉매를 코팅한 재료표면에 초 친수성(super hydrophilicity)이 발견되었다. 그러면서 일본을 중심으로 각종 기능성 재료로써의 개발이 활발하게 진행되었다. 초 친수성은 물방울이 표면에 닿으면 친수 소재의 영향으로 물방울 퍼짐 현상이 생기면서 중력에 의해 아래로 흘러 내리는 성질을 말한다. 이 효과를 이용하여 벽이나 천정의 표면에 광촉매 박막을 만들어 두면, 박막의 표면에 부착되어 오는 기름 성분의 오염물질을 광촉매가 분해하므로, 더렵혀지지 않는 표면을 만들 수 있다. 건물 외벽에 칠하는 페인트, 고층빌딩의 벽 유리, 터널내의 조명용 보호 유리등은 자정작용을 이용한 가장 큰 응용시장이다.4) 항균제품광촉매 표면에서 발생하는 자유전자와 정공은 전술한 바와 같이 산화, 환원력이 매우 높아 박테리아, 세균 등을 즉시 분해할 수 있다. 타일에 광촉매를 코팅(항균타일)하여 오염되기 쉬운 화장실 바닥, 벽면에 이용하는 방법과 병원 수술실 등에 이용할 수 있다. 또한 일상 용품을 벽지와 차양에 코팅하여 가정이나 사무실의 실내 공기를 살균할 수 있으며, 인조 관엽수 등에 코팅 하여 미관과 건강을 동시에 추구하는 상품에 적용 할 수 있다.5) 초 친수성 제품광촉매의 다른 특징으로 초 친수성(Super hydrophilic)이 있으며 이를 이용한 응용 상품이 자 동차와 욕실, 건물 외벽 등에 널리 사용되고 있다. 일반 자동차 유리에 빗물 등이 떨어진 경 우 물의 표면 장력으로 물방울이 유리 표면에 달라붙어 진동이나 와이퍼, 공기로 제거하지 않으면 안되나 초 친수성인 광촉매를 코팅한 경우, 표면에 앏게 퍼져 빗물이 유리에 붙지 않고 바로 흘러 시야를 확보할 수 있다. 또한 욕실 등에 더운 공기가 발생한 경우 상대적으로 온도가 낮은 유리 등의 표면에 수분이 달라 붙어 거울의 기능을 상실한다. 여기에 광촉매를 코팅할 경우 수분의 표면 장력을 제거하여 거울 표면에 수분이 얇게 퍼져 거울의 기능을 할 수 있다. 이러한 초 친수성민원과 작업개선요구 등이 제기되는 등 악취 제거가 법적인 규제를 떠나 주거환경의 주요 인자로 부각되었다.6. 광촉매의 문제점 해결 및 향후과제실용재료로서의 이산화티탄 광촉매에는 더욱 반응이 빠르고, 더욱 약한 광으로도, 더욱 효율이 좋고, 더욱 여러 가지의 물질의 처리를 , 더욱 여러 가지 재료에 더욱 장기간 사용할 수 있도록 몇 가지 요구된다.1) 몇가지 문제점 및 해결책(1) 효율을 향상시키기 위해① 표면의 문제촉매 반응에 있어서 반응을 빠르게 진행시키는 것은, 반응의 장소로서 비표면적을 증가시키는 것이다. 비표면적 증가는 이산화티탄 분말의 미세화에 의해서 실행될 수 있다. 미세한 입자는 비표면적 이외에도 광흡수에 의해 생성하는 전자와 전공이 반반응의 장소인 표면에 빨리 도달하여 반응에 이용됨과 더불어 도중에 재결합하는 확률이 저하된다. 수 나노 메타 이하는 가전자대와 전도대가 있던 밴드구조가 없어져 에너지 준위차가 넓어지게 된다.(양자사이즈 효과)② 결정의 문제결정을 구성하는 부분은 반복?규칙적인데 완전하지 않게 뒤섞인 부분이 있다. 이것을 격자 결함이라고 하며 이 부분에서 전자. 정공대의 재결합이 일어나기 쉽다. 따라서 결정성을 높이고 격자결함을 감소시키는 것이 효율 개선과 직결된다.③ 광의 문제광이 없어도 기능하는 재료의 조합이 필요하다. 예로써 항균타일-항균제(은) 사용, 대기정화재료로는 흡착제를 혼합하여 넣으면 야간에도 제거하는 능력이 생긴다. 환경 오염 물질 처리에는 충분히 자외선의 흡수만으로도 충분했지만, 태양전지와 같은 경우 자외선만 가지고선 불충분하다.(효율 5%에 그치기 때문). 따라서 이산화 티탄에 가시부의 광을 흡수시키기 위해서는 이산화 티탄을 물리적?화학적으로 변화 시킬 것이 필요하다. 크롬이나 바나듐원자를 이산화티탄 입자표면으로부터 조금 깊은 곳에 고용 전자? 정공대의 재결합이 증가하지 않고 가시광을 이용하는 방법이나 가시역의 흡수대를 가지고 있는 물질을 이산화티탄 표면에 부착하는 방법이 있다.(2) 선택성을 향상시키는 방법① 이산.