나노 물질(Nano materials)의 정의와 차원계(dimensions)의 분류

1. 나노(Nano)의 정의

 나노(Nano)의 어원은 ‘난쟁이’를 뜻하는 그리스어 나노스(Nanos)에서 유래했습니다. 나노는 10억 분의 1(1/1000000000)의 수치를 나타내는 모든 단위를 뜻하며 특히 길이와 무게가 매우 작고 가벼움을 나타내는 의미로 사용됩니다. 길이로 보면 1nm(나노미터) = 1 ⅹ10-9m(미터)로 환산할 수 있고 이는 머리카락의 두께(대략 100um)의 1000배 이상 작음을 나타냅니다. 무게 또한 1ng(나노그램) = 1 ⅹ10-9g(그램)으로 환산이 가능하며 매우 가벼운 수준의 무게임을 확인할 수 있습니다. 

2. 나노 물질(Nano materials)의 정의

 나노 물질(Nano materials)은 입체 구조 중 나노 크기 물질이거나 나노 영역을 포함하고 있는 물질과 그로 인해 발생하는 새로운 현상 및 특성을 가진 물질을 의미합니다. 특히 관찰 대상의 입체 구조 중 한 구성 부분 이상 100nm이하의 크기가 존재하는 물질이나 물질의 형태학적 또는 계층학적 구조 중 나노 영역의 크기를 가지고 있는 물질 모두를 나노 물질로 정의합니다. 

3. 나노 물질의 차원계(dimensions)

 나노 물질의 차원계(dimensions)는 0차원, 1차원, 2차원, 3차원으로 구분되며 물질의 형태 중 x, y, z 평면 상에 일정한 수준의 나노미터 크기를 가지는 방향의 수에 따라 각기 다른 특징을 가지는 물질로 나타납니다. 

1) 0차원 나노 물질 (Zero-dimensional Nanomaterials)

 0차원 나노 물질은 x, y, z축의 모든 방향에서 나노 크기를 가지는 물질로 모든 방향의 크기가 1~100nm이하의 범위로 구성되며, 입체적인 확장이 없는 것이 특징입니다. 따라서 대부분 원, 정육면체, 직육면체 등의 단순한 입자 형태를 가지게 되고 나노 입자(Nanoparticles)라고 부르기도 합니다. 대표적인 0D계열의 나노 물질은 금 나노입자(Au Nanoparticles), 은 나노입자(Ag Nanoparticles), 퀀텀닷(Quantum Dots, 양자점), C60 풀러렌(Fullerene) 등이 있습니다. 

 그 중 퀀텀 닷(Quantum Dots)은 양자 크기 효과(Quantum Size Effect) 또는 양자 구속 효과(quantum confinement effect)에 의한 독특한 성질을 가집니다. 크기가 약 2~10nm의 반도체 결정으로, 코어-쉘-표면 리간드의 구조를 가집니다. 퀀텀 닷은 양자 구속 효과(quantum confinement effect)에 의해 모든 방향에서 구속이 발생하고 전자와 정공의 운동이 3차원에서 제한됩니다. 또한 크기를 조절하면 방출되는 빛의 색을 정밀하게 제어 가능하여 현재 디스플레이 및 에너지 분야에서 많은 연구가 되고 있습니다. 

*양자 구속 효과(quantum confinement effect) : 양자 구속 효과는 물질의 크기가 극도로 작아져서 전자와 정공(양공)의 운동이 공간적으로 제한될 때 나타나는 양자역학적 현상입니다. 주로 나노미터 크기(1~100nm)의 반도체 구조, 특히 퀀텀닷(Quantum Dots), 나노 튜브(Nano tube) 등에서 관찰됩니다. 양자 구속 효과의 원리는 다음과 같습니다. 전자와 정공은 반도체에서 자유롭게 움직일 수 있는 에너지 상태를 가집니다. 그러나 입자의 크기가 전자의 보어 반경(Bohr Radius) 이하로 작아지면, 전자와 정공의 움직임이 구속(confinement)됩니다. 이 구속은 에너지 준위가 불연속적(quantized) 상태로 변화하도록 만듭니다. 결과적으로, 물질의 크기가 작아질수록 가전도대와 전도대 사이의 에너지 준위(밴드 갭, Band gap) 간 간격이 증가하게 됩니다. 이로 인해 입자 크기에 따라 방출되는 빛의 파장이 달라지고 에너지도 변화하게 됩니다. 즉, 양자 구속 효과에서 에너지 준위는 물질의 크기에 반비례하고 크기가 작아질수록 에너지 준위 간 간격이 커지게 됩니다. 

 0D계열의 나노 물질의 또 다른 예로 C60(풀러렌, Fullerene)이 있습니다. C60 풀러렌(Fullerene)은 최초의 나노 물질로 1985년 해럴드 크로토(Harold Kroto), 리처드 스몰리(Richard Smalley), 로버트 컬(Robert Curl)에 의해 발견 되었습니다. C60 풀러렌(Fullerene)은 60개의 탄소 원자가 결합해 형성된 구형 분자로, 축구공 모양과 비슷한 구조를 가지고 있습니다. 탄소의 동소체 중 하나로, 그래핀, 탄소나노튜브, 다이아몬드와 함께 탄소의 독특한 형태 중 하나로 꼽힙니다.