나노 구조의 측정 및 분석

분석 — 효과적인 나노공정을 위한 필수적인 단계

나노 세계에서 분석이 중심적인 역할을 합니다. 지금까지 가장 많이 사용된 고해상도 분 석 시스템은 매년 10억 유로 시장 규모를 가지고 있는 전자 현미경입니다. 현재 전자 현미 경은 계속해서 발전하고 있으며, 따라서 자연 환경의 연구 물체에 대한 영상화를 가능하 게 해줍니다.

적합한 대상으로는 플라스틱, 오일, 직물, 도자기, 페인트 등이 있습니다.

분석에서 가장 두드러진 성장 영역은 AMF(원자력 현미경) 시스템입니다. 이 시스템은 이 미 세계 시장에서 30억 유로 규모에 달하며 2010년에는 60억 유로 규모로 성장할 수도 있습니다.

AFM 기술 — 나노 세계의 눈

현존하는 거의 모든 나노 기술의 발전은 AFM(원자력현미경) 기술 덕분인데, 이 기술은 표면 가공에 대한 원자급 분석을 가능하게 만들어 주었습니다. AFM 기술은 레코드 플레 이어의 스캔 시스템과 비슷합니다. 현미경의 바늘이 물체의 표면을 한 줄 씩 돌아가며 스 캔합니다.

스캔을 통해 원자 개체의 분포나 자기장, 전기장, 광선, 온도 분포 또는 표면의 전위 분포 와 같은 정보를 얻게 됩니다. X선 현미경 기술은 기초 과학 연구, 산업 연구 또는 생산 및 품질 관리에 적용할 수 있는 기술입니다. X선현미경이 시장에 출시된지 10-12년이 흘렀 는데, 이것은 로러와 비닝에 의해서 최초로 개발되었으며 그들은 이 기술로 1986년에 노 벨상을 받았습니다. 우리가 흔히 눈으로 볼 수 있는 친숙한 상호작용 유형은 기본적으로 X선현미경 스캔 기술을 이용하여 나노급 분야에 사용할 수 있고, 구조 조성에도 쓰일 수 있습니다.

따라서 그것은 만능 나노 공구입니다.

마이크로 영역의 계측학

주사터널링현미경(Scanning tunneling microscope,STM)으로 평면의 표면을 원자급 으로 스캔할 수 있습니다. 이러한 제어 가능한 기술 때문에 단일 원자 사슬을 측량하는 것 이 가능합니다. 만약 단일 원자간의 거리를 알 수 있다면, 정학하게 조절된 재료를 이용하 여 원자급 표준을 정하고 측량하는데 사용할 수 있습니다. 이런 발전은 원자시계의 도입 과 견줄만 합니다. 따라서 앞으로 나노미터는 마이크로미터의 정밀 규격에 중요한 의미를 지니고 있습니다. 인증을 받기 위해, 생성된 구조가 작을수록 온라인 품질 검사 방법이 더 중요해집니다. 따라서 나노미터의 규격은 재료 분석과 재료 측정, 그리고 이것에 기초한 재료 가공의 정밀한 표준이 될 것입니다.

품질 관리 수단으로 세계시장을 간접적으로 열어갈 잠재력이 매우 커 보입니다.

광학현미경과 나노미터 — 전통 물리학의 한계를 넘 어서

근거리 광학 방법은 30nm이상-60nm이하 크기의 질서와 무질서한 구조의 영상화를 가 능하게 합니다. 기존의 광학현 미경의 해상도는 빛의 회절 현상에의해 제한됩니다. 하지 만 이 한계는 광원을 이동시켜서 관측할 물체에 최대한 가까이 가도록 하여 해결할 수 있 습니다. 최근 몇 년 동안 스위스와 미국에서 이 목적을 위한 기본적인 개발이 이루어졌습 니다. 현재 전 세계에서 소수의 회사만이 근거리 광학현미경을 제공하는데 이 제품도 비 교적 좁은 시야의 해상도를 제공할 뿐 입니다. 근거리 광학은 가까운 미래에 현미경 시장 에 큰 영향을 미칠 것입니다. 특히 생물학자와 의사들이 이 기구에 관심을 가질 것입니다. 고도 공간 해상도와 시간별 해상도가 펨토초 기술을 통해 결합되면 개별 유기 분자, 생물 고분자, 초박막 코팅의 특성화에 더 많은 이점을 제공할 것입니다.

구조/효과관계와 독성 분석

일반적으로 의약품/약물/생물학에서 나노 기술과 관련된 내용은 분석적인 것에 집중된 것 을 관찰할 수 있습니다. 접착 표면과 알레르기를 가진 사람에게 미치는 영향에 대한 분석 (접촉면 구조/작용 방법, 예: 피부 연고), 약물 합성과 화학 합성의 분석, 각종 유효 물질의 프로세스 분석에 초점을 맞추고 있습니다(예: 화장품). 전문가들은 독성 분석 역시 중요 하다고 여기는데(예: 나노 입자의 독성), 왜냐하면 사전 분석을 통해 일어날 여러 문제들 을 미리 예측할 수 있기 때문입니다.

녹방지

매년 산업국가에서 마찰, 마모, 부식으로 생기는 국민 경제적 손실은 국민총생산의 약 4% 에 달하며 독일(GSP:1996: 1조 8000억 EUR)에서만 700억 유로의 손실이 발생합니 다. 점상부식과 균열부식은 철근콘크리트 공사, 자극적인 환경에 노출된 기계, 반응성 제 품의 배관 및 자동차 부품의 장기적인 안정성에 큰 영향을 끼칩니다. 만약 공정의 실수로 자재 손상이나 훼손이 발생하면 원자급 분석을 통해 손상의 원인을 규명하고 예방 방법을 제시할 수 있습니다.

자재는 노출된 환경과 대기 상태에 따라 일어나는 현상도 다릅니다. 원자력현미경 스캔과 전자현미경 검사는 국부 부식의 원인 분석을 위한 나노급 연구 가능성을 제공합니다:

의학/약제학/생물학

  • 접착 과정 분석
  • 분석
  • 화장품 연구
  • 의약품 개발
  • 뼈, 피부, 머리카락, 치아 분석
  • 유효 성분 검사
  • 로컬 활성제 연구
  • 저비용 바이오
  • 생물학적 절단 분석
  • 독성 분석

 

화학/재료관리

  • 부식분석
  • 개별분자분석
  • 촉매 작용 연구
  • 미립자 분석, 군집추출
  • 컴퓨터 시뮬레이션

 

전자공학/정보기술

  • 구조분석
  • 성분분포(도팬트, 성분과 궤도비교도 측정)
  • 측량학
  • Wafer inspection
  • 마그네틱 메모리 분석
  • 레이어 성장 제어
  • 신호/잡음비 최적화

 

자동차 제조/엔지니어링

  • 마찰분석
  • Throatiness
  • 레이어 경도 및 탄성 측정
  • 대형 현미경 미세 조립
  • 재료의 나노시뮬레이션

 

기타 업종

  • 다용도 공정 및 품질 관리 (레이어, 입자, 구조, 기능)
  • 제품 개발을 위한 전제로 분석
  • 나노미터 분야에서 새로운 사고방식 개발을 위한 분석

 

나노미터의 소재(나노입자)가 새로운 시장 기회를 개척하다

나노입자(nanoparticles)라고 불리는 몇 백개의 원자와 분자로 이루어진 강력한 물질 단 위는 더 큰 고체 상태로 존재할 때의 특성과 확연히 달라진 특성을 보여줍니다. 이 입자는 화학분야에서 적용되는데, 예를 들면 완전히 새로운 기능적 특성을 가진 색소(안료), 화장 품 또는 UV차단제(약 20nm 크기의 티타늄산화물 및 유기 필터 포함)를 제조할 수 있습 니다.

전반적으로 이 분야를 위해 원자재를 대량으로 생산하는 것이 중요한 상업적 의미를 지닙 니다. 졸-겔 방식이 바로 혁신적인 기술이면서 nanopool의 핵심 경쟁 기술이기도 합니다.

만능 나노입자의 더 넓은 응용

나노 분말을 사용하면 배터리와 연로전지, 촉매와 전해 원자로 또는 가스 탱크와 같은 거 시적인 모듈이 더 큰 내부 표면적을 가지게 됩니다. 계산 결과 연로 전지와 적절한 탱크가 장착된 전기 자동차의 주행거리는 최대 8000km에 이를 수 있습니다. 나노 입자의 또 다 른 장점은 소결작용을 이용해서 저온에서 초소성 변형 세라믹(여러가지 순환제에서 사용 되는 막류, 오수 정화, 맥주 투석)을 생산할 수 있다는 점입니다. 나노 입자는 분말 경로를 통해 완전히 새로운 유리 제조 방법을 구현했습니다. 이렇게 하면 전통적인 방법으로는 생산할 수 없는 고도로 복잡한 부품을 생산할 수 있습니다. 원재료의 미세 구조 조정을 통 해 자동차 제조업에서는 더 강력한 엔진과 프레임 모듈을 생산할 수 있고 무게는 더 가벼 워 질 것입니다.

이러한 입자의 활용 잠재력은 혁신적인 색깔이나 재활용 가능한 자동차 부품 제작으로 시 작됩니다. 촉매제와 광학 업종 외에 자동차 업계의 소재 설계와 구조 등에서 자동차 베어 링과 자체 부식 방지제 개발에 기여하며, 마모 방지보호층과 구조 작업을 통해 자동차 베 어링과 슬라이딩 부품의 수명 증가 및 윤활 방지, 그리고 점화 장치와 전기 집진기를 위한 필드 에미터 제작에도 도움을 줍니다. 또한 나노입자는 세라믹 엔진 부품, 입자 강화 플라 스틱 그리고 진동 감쇠 용도로 장래성을 가지고 있습니다. (예: 자기 나노유체)

추산에 의하면 2010년 나노입자 적용 제품 시장이 이미 30억 유로에 달할 것으로 보입니 다.

새로운 제조원리가 된 자가 조직

기본 부품의 자기조직화는 새로운 제조업 시대를 열 수 있습니다. 과학자들 예측하기를 21세기 생산 공정은 원자재, 부품 심지어 기계의 전체 부분의 정밀한 자가 조립이 될 것이 라고 합니다. 이것은 무질서한 상태의 원자, 분자, 분자 구조 심지어 더 큰 부품을 잘 정렬 된 단위로 자기 조직화하는 원리입니다. 사람은 그저 이 과정을 시작하거나 중단할 뿐이 며 생산 절차는 미리 구축한 절차에 따라 순차적으로 진행됩니다. 이 자기 조직 과정의 기 본적인 설명에 근거하여 J,M, Lehn은 1987년에 노벨 화학상을 수상했습니다. 자기조직 화는 대자연의 기본 법칙입니다. 이것의 레토르트 안의 작용 법칙은 오늘날 자연 서브유 닛으로 구성된 생물의 코드화 구조와 유사하게 작용합니다.

이것은 새로운 재료를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 사람의 실수와 그에 따른 비용도 절감 할 수 있게 해줍니다. 그럼에도 불구하고 다양화 된 생산 품목 덕분에 새로운 일자리를 창 출할 수 있습니다.

미래 화학을 위한 맞춤 분자

미래 화학의 분자 화학 공업의 장래성은 기능성 초분자 시스템, 분자 표면 및 분자군의 기 초적인 문제에 대한 탐색에 있 습니다. 여기서 자기조직은 새로운 구축 원리가 될 것입니 다. 맞춤 제작으로 모양과 크기 및 기능을 조절하는 시스템 구조는 의약품의 응용, 분산 색상의 제조, 촉매의 최적화 또는 접착제와 페인트 스프레이 그리고 윤활제 생산에 중요 한 경제적 의미가 있습니다. 의료 분야에서도 의사와 약사들은 새로운 치료법을 모색하고 있으며 나노의 활용성에 힘입어 선택적으로 즉각적인 약물의 약리 작용 잠재력을 발휘할 것입니다.

의학 / 약학 / 생물학

  • 유효성분 연구
  • 약품포지셔닝
  • Key-lock-material system
  • Nano-emulsions

 

정밀 기계 / 광학 / 분석

  • 저마찰 베어링
  • 윤활제
  • Rotary union

 

화학 / 자재 관리

  • 나노 입자 생산 (콜로이드, 색소 ,분말, 결정자, 에멀젼, 클러스터, 풀러린,…)
  • 합성/그라데이션 재료
  • 초분자유닛
  • 부식 방지제
  • 비석 반응기
  • 소프트자석/자성유체/자성입자
  • 분자화학
  • 세라믹프로세스 엔지니어링
  • 하이브리드 효과 색소

 

전자 / 정보 기술

  • 태양광 전지
  • 배터리 / 연료전지 / 컨덴서
  • 페이스트
  • 저항기
  • 유도 성분
  • 양자 성분
  • 비선형 광학 집합체
  • 데이터 메모리용 안료
  • 조립 및 연결 기술

 

자동차 제조 / 엔지니어링

  • 세라믹 엔진 부품
  • 경량 구조 재료
  • 기능 코팅 (부착 방지, 열 분산 코팅, 서리 방지 코팅,…)
  • 색상 효과 라카와 호일
  • 에너지 저장고
  • 감쇠기
  • 백라이트
  • 초경합금

 

기타 업종

  • 표면이 확장된 촉매
  • 콤팩트 나노소재 시스템 ( 막, 강화 플라스틱, 광흡수체, 에어로겔, 라이트 이미터)