현재까지 끊임없는 인간의 편리성 추구를 위해 항공·우주·자동차·전자 산업 등 다양한 분야에서 기능성 세라믹 기반 신소재를 활용하려는 연구 개발이 지속적으로 이루어졌으며 실제 각 산업에서 고강도 소재, 방열소재, 전자파 차폐소재, 센서 소재로써 기능성 세라믹 재료가 적용되어왔다. 구체적인 예를 들면, 장식용 도자기와 극한 환경용 항공기 터빈, 건물 외장재, 연마재 등 전통적인 세라믹 소재 적용 분야를 포함하여 건강 및 미관용 인공치아, 차량용 가스필터, 정수용 수 처리 필터, 디스플레이용 투명 커버, 에너지 소자용 전극, 분리 막 등의 첨 단 산업에도 광범위하게 기능성 세라믹 소재들이 활용되고 있다. (그림1) 인간 삶 전반에 큰 영향을 주고 있는 기능성 세라믹 소재들의 성능을 향상시키기 위한 연구 개발은 오랫동안 진행되어 왔으며, 특히 1990년대 이후 나노기술의 비약적 발전과 함께 마이크론(10⁻⁶) 수준의 미세영역에서 나노(10⁻⁹) 수준의 초미세영역으로 기능성 세라믹 재료기술을 확장하여 기존 응용소재들의 성능을 뛰어넘으려는 시도가 계속되고 있다. 단순히 크기만 나노미터(nm)로 감소시키는 것이 아니라, 와이어, 로드, 판상 등 다양한 이방성 형태의 기능성 나노 세라믹 재료들을 제작하여 소자 성능을 극대화하려는 연구가 중점적으로 진행되고 있다. 앞서 언급한 이방성 세라믹 나노 재료들은 넓은 비표면적, 이방성 재료들 간의 상대적으로 용이한 상호 연결성 등의 장점들 때문에 고효율 센서, 에너지 전극 및 필터, 초고강도 복합소재 등으로 활용된다. 등방성(구형 분말) 나노 소재보다 이방성 나노 세라믹 소재가 기존 소재보다 우수한 성능을 구현한 건 사실이지만, 복합소재 나 에너지소자 등의 응용소자에 적용시키기 위해서는 결국에는 후공정을 통해 정형화(monolithic)된 형태의 구조로 제작해야 하는데 나노 소재의 높은 부피 대비 표면적 때문에 상호 간 응집되는 현상이 강하게 발생하여 쉽게 제작하기 힘들다는 문제를 가지고 있다. 예를 들면, 에너지 전극을 기능성 나노 소재로 만들면 전체적으로 개방형 기공 구조를 가지는 것이 아니라, 많은 폐쇄형 기공 또한 포함하게 됨으로 원활한 물질 전달(mass transport)이 어려워 성능 향상에 제약이 존재하게 된다. 또한, 복합소재 내에 형성되는 필러 재료가 기지상 내부에 균일하게 분산되지 않거나 상호 연결되어 있지 않으면 이론적 성능 향상 수치에 크게 못 미치는 기계적, 열적, 전기적 물성을 나타내게 된다.

위의 문제를 해결하기 위해 주목받고 있는 접근 방식으로서 2010년대부터 3차원 방향으로 정렬되어 있고 상호 연결성이 우수한 기능성 세라믹 나노재료를 에너지 전극, 구조 소재, 센서 등 다양한 응용분야에 접목하려는 연구 들이 진행되기 시작했다. 대표적인 3차원 나노 구조화 기술은 Direct ink writing, Colloidal self-assembly, Multi-beam interference lithography (MBIL), Proximity-field nanoPatterning(PnP) 기술이 있으며, 각 기술에 대한 비교는 표 1에 정리되어 있다. 이 기술들에 대해 간략히 설명하자면 Direct ink writing은 고분자나 무기 입자가 함유된 젤을 노즐을 통해 압출 시켜주고 이를 그림 그리듯이 3차원 구조를 제작하는 기술로써 원하는 형상을 자유롭게 패터닝 할 수 있으나 제작 가능한 분해능이 마이크로미터 수준으로 높고, 생산속도가 느리다는 문제를 가지고 있다.¹⁾(그림 2a) Colloidal self-assembly는 구형의 유·무기 나노입자를 층층이 쌓아 올려 정렬된 3차원 나노 구조를 제작하는 방법으로 구성이 용이하지만 입자 적층 시 발생하는 자연적 결함률이 높고, 재현성이 낮은 단점이 있다.²⁾(그림 2b) MBIL는 결 맞는 여러 개의 빔을 동시에 조사하여 발생하는 보강간섭, 상쇄간섭을 통해 빛의 3차원 분포를 형성하고 이를 감광성 고분자에 전사시켜 3차원 나노 구조를 제작 방법으로 낮은 결함률을 나타내는 기술이다.³⁾(그림2c) PnP 기술은 MBIL의 광학계를 위상 마스크(phase mask)라는 구성요소에 집약하여 진동 등의 환경적인 요소에서 안정적으로 3차원 나노 구조를 제작하는 방법이다.^4),5) 간단히 공정에 대해 소개하자면, 여러 개의 빔이 아닌 하나의 빔을 위상 마스크에 조사하고, 투과된 빛은 주기적인 나 노기둥 구조를 가진 투명 위상 마스크에 의한 회절 및 간섭현상을 통해 3차원의 주기적인 빔 분포를 마스크 아래에서 형성하게 되고 이를 감광성 물질로 전사하여 3차원 나노 구조를 제작하게 된다.(그림 3) 위 기술들은 다양한 3차원 나노 구조를 제작할 수 있지만, 제작 가능한 소재의 범위가 고분자에 한정되어 있기 때문에 3차원 나노 구조의 기능성 세라믹 소재를 구현하기 위해서는 주조공정과 유사한 템플레이팅(templating) 기술 또한 필요하다. 템플레이팅 기술은 위의 방법들로 제작된 3차원 나노 구조의 고분자 주형 내부에 원하는 기능성 소재를 함침 시 키고 템플릿을 선택적으로 제거함으로써 역상의 3차원 나노 구조의 기능성 소재를 제작하는 것이다. 특히, 기능성 세라믹 소재를 3차원 나노 구조의 주형에 함침 시키기 위한 대표적인 기술들로는 세라믹 나노분말을 용매에 섞어 기공에 침투시키는 용액공정과 기상 전구체(precursor)를 이용하여 원자 한 층씩 표면에 증착 시키는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)이 있다.⁶⁾(그림4 b, c) 대표적 기능성 세라믹 소재와 함침 방법에 대해서는 표 2에 정리하였다. 함침 공정 후 고분자 주형의 선택적 제거 방법으로는 고온 열처리(>400℃)나 플라즈마를 이용한 에칭 방법을 이용한다.

이번 총설에서는 3차원 나노 구조화 기술을 이용한 기능성 세라믹 소재를 제작하고 이를 실제 광촉매, 구조 소재, 에너지 생산 소재에 적용한 최신 연구 개발 동향에 대해 정리하고자 한다.

본 총설에서는 다양한 기능성 세라믹 소재들의 3차원 나노 구조화 기술과 이를 통해 구현된 고성능 기능성 세라믹 소재들을 실제 응용분야에 적용한 사례들을 정리하였다. 3차원 나노 구조 소재는 넓은 표면적뿐만 아니라, 정렬된 다공성 구조에 의한 효율적 물질, 이온, 전자 전달 능력, 상호 연결성 구조에 의한 높은 응력, 전기 및 열전달 능력 등 다양한 장점들을 가지고 있다. 3차원 나노 구조의 기능성 세라믹 재료의 우수성을 증명한 여러 연구결과들 중 본 총설에서는 광촉매, 구조 소재, 에너지 생산 및 저장 소재 등 대표적 응용분야에 대해 현재까지 개발된 기술들을 정리하였다. 본론의 응용분야에서 3차원 나노 구조화 기술을 통해 제작된 기능성 세라믹 소재들의 특징을 간략히 다시 한번 설명하자면, 첫 번째, 3차원 광촉매 소재는 넓은 표면적과 정형화된 형태 특성으로 말미암아 나노 입자와 광촉매 성능이 유사하고, 재사용이 용이하며, 가시광 조사 하에서도 적용 가능하다는 것을 보여줬다. 두 번째, 3차원 나노 구조로 제작된 구조재료는 나노 수준에서 정렬된 구조적 특징 덕분에 낮은 밀도의 강도에서 기존 소재보다 크게 향상된 물성을 나타냈을 뿐만 아니라 전면적에서 정렬 및 연결되어 있는 구조적 요인에 의해 기존 소재의 강도 향상 효과를 뛰어넘는 이상적인 복합소재를 구현할 수 있다는 연구결과를 보고했다. 마지막으로 주기적 기공 분포, 높은 비표면적 덕분에 태양전지, 배터리, 열전소자를 포함한 고성능의 에너지 생산 소자와 에너지 저장 소자 또한 구현할 수 있다는 것을 증명하는 연구 결과들을 소개했다. 본 총설에서 소개한 기능성 세라믹 소재의 3차원 나노 구조화 기술은 높은 단가, 낮은 수치 안정성 등의 현실적 문제들 때문에 실제 산업계에는 적용되지 못하고 학계 위주로 연구개발이 진행되고 있지만 정렬된 3차원 나노 구조화 기술은 우수한 재료 물성을 발현 시킬수 있는 미래 기술로써 기능성 세라믹 기반 응용분야의 획기적인 성능 향상을 위한 하나의 대안이 될 수 있다. 특히, 대규모의 투자가 가능한 우주항공 등 고부가가치 산업에서 우선적으로 적용하여 실제 산업에서의 가능성을 확인한 후, 인간의 삶과 가까운 실생활에 보급하여 정착 시키는 것이 가장 현실적인 방법이라 판단된다.