나노 물질의 차원계(dimensions)의 분류와 정리

1. 나노 물질의 차원계(dimensions)

1) 1차원 나노 물질 (One-dimensional Nanomaterials)

 1차원 나노 물질(One-dimensional Nanomaterials)은 한 방향으로만 나노 크기를 가지며, 나머지 두 방향은 나노 크기를 초과하는 물질로 한 축을 제외한 나머지 축이 모두 100nm 이하의 크기를 가진 물질입니다. 대부분 선형 구조로 길이가 나노 범위를 초과하지만 직경이 1~100nm을 말합니다. 대표적인 물질로 나노 선(Nanowires)의 형태를 가지는 실리콘 나노선(Si Nanowires), 은 나노선(Ag Nanowires)이 있고, 막대기 형태를 가진 나노로드(Nanorods)로 구분되는 물질도 존재합니다. 그중 나노튜브(Nanotubes) 형태를 가지는 탄소 나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 가장 잘 알려진 1D 계열의 나노 물질입니다. 
 탄소 나노 튜브(Carbon nano tube, CNT)는 탄소 원자들이 육각 고리를 형성하여 긴 원통형 구조를 이루는 분자의 구조를 가집니다. 한 겹으로 이루어진 단일 벽(Single wall)과 두 겹 이상으로 이루어진 다중 벽(Multi-wall)로 나누어집니다. 이는 합성과 제작에 따라 형성되는 구조가 달라지고 이에 따라 전기 전도성이 매우 달라지게 됩니다. 또한 인장력이 강철보다 50배 이상 높은 물질로 유기 물질의 특성상 유연성이 뛰어나고, 매우 가벼운 물질입니다. 앞서 언급한 튜브의 지름과 다중 층 구조에 따라 전기적 성질과 물리적 성질이 변하게 됩니다. 이러한 탄소 나노 튜브(Carbon nano tube, CNT)의 보편적인 전기 전도도는 구리 금속보다 높은 수준으로 현재 많은 전자 제품 및 부품 산업과 에너지 산업에서 다양하게 이용하고 있습니다. 

2) 2차원 나노 물질 (Two-dimensional Nanomaterials)

 2차원 나노 물질 (Two-dimensional Nanomaterials)은 x,y 방향에서 나노 크기를 가지며, z 축 방향(두께)은 나노 크기를 초과하는 물질로 한 축만이 100nm이하를 가지며 나머지 축이 모두 100 nm 이상의 크기를 가진 평면 형태의 물질을 말합니다. 이 구조의 특징은 얇은 박막 형태 또는 시트 형태의 물질로 넓은 표면적과 독특한 전기적/광학적 특성을 가집니다. 2D 계열의 나노 물질의 대표적인 예는 그래핀(Graphene)입니다. 
 그래핀(Graphene)탄소 원자 한 층으로 이루어진 2차원 물질을 말합니다. 이 물질은 탄소 동소체 중 하나로 2차원 평면 형태의 수 겹의 층으로 존재합니다. 그래핀(Graphene)은 구리에 비해 100배의 전도도, 실리콘의 100배 이상의 전자 이동성을 가집니다. 이렇게 높은 그래핀(Graphene)의 전도성은 오비탈의 혼성화 이후 남아 있는 p-오비탈의 비편재화에 따른 공액화(Conjugation, p-오비탈이 3개 이상 연속적으로 겹친 상태)에 의한 파이 전자의 이동에 의한 결과입니다. 또한 강철에 비해 200배 이상의 강도, 다이아몬드에 비해 2배 이상의 열 전도성을 나타냅니다. 또한 빛을 대부분 투과하여 투명하며 신축성이 확보됩니다. 구조적 특징으로 인한 얇은 두께와 넓은 표면적을 가지며,  물리화학적 안정성 매우 높아 꿈의 신소재라고 불리고 있습니다. 

3) 3차원 나노 물질 (Three-dimensional Nanomaterials)

 3차원 나노 물질(Three-dimensional Nanomaterials)은 모든 방향에서 나노 구조를 가지거나 나노 크기 특징을 가진 집합체로 모든 축이 100nm 이상이지만 나노 크기의 세부 구조를 갖는 물질을 말합니다. 이 3D계열 나노 물질은 다공성 구조 또는 나노 구조물의 집합체로 구성되는 것이 특징입니다. 
 대표적인 3D계열의 나노 물질은 금속-유기 골격체(MOFs)라고 하는 나노 크기의 다공성 재료입니다. 금속-유기 골격체(MOFs)는 금속 이온 또는 금속 클러스터와 유기 리간드가 결합하여 형성된 다공성 3차원 구조체입니다. 이 물질의 구성 요소는 금속 이온/클러스터로 중심 노드 역할을 하며 리간드와 결합하여 구조를 형성합니다. 유기 리간드는 금속과 공유 결합을 형성하며 다공성 구조를 만들어지게 합니다. 금속-유기 골격체(MOFs)는 다공성 구조로 내부에 나노미터 크기의 기공(pores)을 가지며, 기공 크기와 형태는 합성 시 조정 가능합니다. 물질의 비표면적은 최대 7,000 m²/g 이상 도달 가능이 가능하여 기체 및 에너지 저장 등 저장, 변환에 매우 유리한 구조를 가집니다.

2. 나노 물질 차원계에 따른 특성 차이

1. 0차원 나노 물질 (Zero-dimensional Nanomaterials) : 나노 물질 중 크기가 가장 작아 양자 효과가 강하게 나타나는 것이 특징으로 대표적인 물질로 퀀텀 닷(Quantum Dots)이 있습니다.
2. 1차원 나노 물질 (One-dimensional Nanomaterials) : 나노 물질 중 선형 구조를 가지며 길이 방향으로 전하나 열의 이동이 우수합니다. 대표적인 물질로 탄소 나노 튜브(Carbon nano tube, CNT)가 있습니다.
3. 2차원 나노 물질 (Two-dimensional Nanomaterials) : 얇은 박막 형태 또는 시트 형태의 물질로 넓은 표면적을 제공하며, 표면에서의 화학반응이 활발합니다. 대표적인 예는 그래핀(Graphene)입니다.
4. 3차원 나노 물질 (Three-dimensional Nanomaterials) : 나노 구조물의 집합체로 고체와 비슷한 특성을 보이며, 구조적 복잡성을 이용한 다기능성을 포함합니다. 대표적인 구조는 금속-유기 골격체(MOFs)가 있습니다.