최근 미국과 스페인 재료 과학자들은 수 센티미터 길이를 갖지만 폭은 단지 35 nm 수준인 무정형 세라믹 나노섬유(amorphous nanofibres)를 제조할 수 있는 “레이저 방사(laser spinning)” 기술을 개발하였으며, 이를 통해 정의된 조성을 갖는 무한 연속적인 섬유가 제조될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

나노와이어, 나노벨트, 나노막대, 나노튜브(nanowires, nanobelts, nanorods and nanotubes)와 같은 준일차원 구조는 일정한 전기 및 기계적 성질을 갖는다. 이러한 나노물질들은 전자소자, 촉매, 센서, 복합 재료, 및 생의약 분야에서 혁신적인 아이디어를 도출한 주역들이다. 현재 이들의 구조는 증기상 혹은 용액 기반(vapour phase or solution-based growth)으로 제조되며, 기술적 발전에 힘입어 나노 스케일에서 연속적인 형태로 제조될 수 있게 되었다. 하지만, 전구체 물질을 용융시킨 후 잡아 늘리는 방식에 기초한 몇몇 기술로는 단지 수 마이크로미터의 크기를 갖는 섬유만을 제조할 수 있었다.

주형에 의존하지 않고 자기 조립으로 정렬된 고분자 전구체(polymeric precursors)로부터 열분해를 통해 나노세라믹 물질이 직접 제조될 수 있는 새로운 방법이 보고되었었다. 이때 세라믹 나노구조의 형상은 용매에 의해, 조성은 열분해되는 대기 조건에 의해 조절될 수 있었다(GTB2007011012). 또한 미세 가공을 거치지 않고 주형에 마이크로미터 이하의 구조를 복제할 수 있는 나노물질이 개발됨으로써, 가공비용 감소와 더불어 내성이 크고 고온 강도가 향상된 세라믹 물질이 보고되었다(GTB2005091074).

스페인 비고 대학교(University of Vigo) 주안 포우(Juan Pou) 및 루트거 대학(Rutgers University) 연구진은 원하는 섬유 조성을 갖는 전구체 물질을 제외하곤 어떠한 촉매, 주형 혹은 시약을 사용치 않는 간단한 물리적 공정을 통해 매우 기다란 무정형 나노섬유를 제조할 수 있었다. 이러한 방법은 나노크기의 섬유를 제조할 수 있을 뿐 아니라 고온에서 용해되는 물질로부터 직접 나노섬유를 제조할 수도 있다. 이러한 특성은 전기방사(electrospinning)와 같은 유사 기술로는 불가능한 것이다.

한편 초가소성(Superplasticity)은 기계 가공이 어려운 고경도의 세라믹 물질에 매혹적인 제조법이지만, 낮은 변형률과 장시간의 처리로 인한 단점을 극복해야만 했으며, 이를 위해 저온에서 부분적으로 밀도를 높임으로써 공극이 많은 나노세라믹 혼합물을 형성시킬 수도 있었다(GTB2005121771). 또한 실리콘 카바이드 나노 세라믹의 경우 높은 정렬 특성을 갖는 결정이 무정형 매질로 둘러싸여 있으며, 이때 결정 경계의 부피는 금속 나노물질보다 크다는 것이 보고되었었다(GTB2005101950).

이번에 개발된 레이저 방사법은 실리카 혹은 알루미나(silica or alumina)와 같은 전구체 세라믹 물질을 자르기 위해 높은 출력의 레이저를 이용하며, 세라믹의 매우 작은 영역만을 유체 상태로 만든 후, 초음속의 노즐(supersonic nozzle)을 통해 고속의 기체를 분사시켜 나노세라믹 섬유를 제조하게 된다. 즉, 본 기술은 무정형의 마이크로 혹은 나노섬유를 제조하기 위해 용융된 재료를 늘린 후, 고속 기체로 냉각시키는 간단한 늘림 공정이라 할 수 있다.

본 기술의 물리적 특성은 정의된 조성을 갖는 매우 긴 무정형 나노섬유를 생산할 수 있기 때문에 매우 흥미롭다고 논문의 주저자인 펠릭스 퀸테로(Felix Quintero)는 말했다. 이렇게 제조된 나노섬유는 나노복합체, 나노주형, 조직 공학, 센서, 새로운 형태의 직물에 응용될 수 있다고 그는 말을 이었다.

현재 연구진은 공정 조절성의 향상과 새로운 조성을 갖는 섬유를 제조하는데 연구의 초점을 맞추고 있다. 본론에 대한 연구진의 결과는 Appl. Phys. Lett.에 보고되었다.

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레이저로 방사된 섬유의 특징을 나타내는 현미경 이미지. (a) 마이크로섬유와 나노섬유가 혼재된 섬유 망상조직의 주사 전자 현미경 이미지. (b) 50 nm 직경의 단일 나노섬유에 대한 투과 전자 현미경 이미지. 무정형 구조를 나타내는 삽입 그림의 회절 패턴.
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