용어의 정의

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화염 에어로졸 공정 무응집 나노 입자를 제조하기 위하여서는 이송가스내의 낮은 전구체 농도 유지, 가열부에서의 가스 흐름의 급격한 팽창, 용기내의 낮은 압력유지가 일반적으로 요구된다. 그러나 생산성을 높이기 위하여 높은 농도의 전구체 주입이 필요하나 고농도에서의 입자의 집합체화(agglomeration)를 피하기 어려워 새로운 방법을 개발하는 것이 중요하다. 많은 제조방법들 중에서 경제성이 높고 초고순도의 나노입자를 제조할 수 있으며 연속공정이 가능한 화학적 방법 중의 하나인 화염에어로졸 제조법(flame aerosol synthesis)은 다음과 같다. 그림에서 보는 바와 같이 버너로부터 형성된 고온의 화염으로 주입된 전구체가 열분해 또는 산화 및 가수분해 반응에 의해 증기상의 생성물로 변환되고 이때 생성물 증기의 높은 과포화도(supersaturation)로 인하여 입자의 임계핵이 형성된다. 이를 ‘모노머(monomer)’라 칭하고 이들간의 상호 충돌과 융합과정 또는 표면성장과정을 거쳐 포도송이 모양의 집합체(aggregate)로 성장하며 고온의 화염에 의하여 융합이 계속되어 최종적으로 비구형 또는 구형의 입자가 된다. 이때 입자의 크기와 형상 (구형 또는 비구형)은 입자의 충돌과 융합간의 상호 경쟁에 의하여 결정된다.
무응집 입자를 제조하기 위하여 전구체의 농도가 낮아야 한다. 그러나, 입자의 집합체화를 피하면서도 고농도의 입자를 제조하는 새로운 방안이 개발된다면 나노입자 제조기술 분야에서 획기적인 발전이라 할 수 있다. 이를 위하여 최근 몇 가지 새로운 방법이 개발 및 제안되어 왔고 대표적으로 예를 들면 다음과 같다. 첫 번째, 스위스 ETH의 Pratsinis 교수 그룹은 화염 중에서 생성된 입자는 대전되어 있고 이들 입자의 흐름 좌우에 전기장을 부가한다면 같이 대전된 입자간의 척력(repulsion force)을 이용하여 입자의 충돌률을 감소시킬 수 있다고 제안하였고 실제로 집합체 입자의 크기와 구성하는 기본입자(primary particle)의 크기를 동시에 감소시킬 수 있음을 밝혔다. 그러나 양쪽 전극으로 입자가 이동하고 부착됨으로써 발생하는 수 농도(particle number concentration)의 감소와 입자의 이동으로 인한 화염의 교란에 의해 발생하는 난류성분으로부터 생성되는 집합체화는 피할 수 없는 한계를 가졌다. 또한, 1995년도에 Dufaux와 Axelbaum은 화염중 생성된 입자 주위에 NaCl을 코팅하여 입자의 집합체화를 막고 무응집의 입자를 제조할 수 있었으나 세척공정중의 2차 오염의 가능성 때문에 고순도의 입자 제조는 어려우며 2차적인 응집 등의 단점을 가지고 있다. 그 외 많은 연구자들에 의하여 미크론 사이즈 입자 자체의 증발 후 응축과정을 통한 집합체화 방지방법, 전구체의 선택적인 레이저 빔 흡수를 이용한 입자제조방법 등이 제안되었지만 저농도의 조건에서만 가능하거나 역시 집합체화를 피할 수 없는 한계를 가져서 제한적인 성공만을 거둔 실정이다.
그러므로 고농도 조건에서도 무응집의 나노미터 크기의 입자를 제조할 수 있는 새로운 방법이 실용적 나노입자제조기술을 위하여 요구된다.