국내 연구진이 은 나노입자를 사용한 고가의 항균 디스플레이, 항균 필름 등을 대체할 것으로 기대되는 아연 나노입자를 활용한 저가의 고성능 항균유리패널을 개발했다. 항균 특성과 패널의 투명도, 내구성 등이 탁월하여 스마트폰 터치 패널 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

충남대학교 재료공학과 윤순길 교수 주도로 최형진 박사과정 연구원(제1저자) 등이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실(BRL)사업 등의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포트지(Scientific Reports) 온라인판 9월 3일자에 게재되었다. 

손, 얼굴 등과 수시로 접촉하는 스마트폰 터치 패널은 사용과정에서 각종 세균에 오염될 수 있다. 세균 오염 자체를 차단하기는 어렵기 때문에 오염된 세균을 제거하기 위해, 투명 디스플레이 패널에 항균특성을 갖는 은, 구리, 아연 등의 나노입자를 코팅하려는 다양한 시도가 이뤄지고 있다. 

강한 항균 특성의 장점 때문에 은 나노입자를 활용한 항균 필름이 상용되고는 있으나, 은 나노입자는 투명한 유리와 접착력이 약해 스마트폰 등에서 발생하는 반복적인 터치에 취약하다는 단점이 있다고 알려져 있다. 

연구팀은 은 나노입자보다 가격이 저렴하면서도, 항균특성을 보이는 아연 나노입자를 활용하여 터치에 강하고 내구성도 향상된 항균 유리패널을 개발했다.

연구팀은 아연 나노입자가 증착된 유리패널에 대한 대장균과 황색포도상구균에 대한 항균특성을 평가한 결과, 은 나노입자와 유사한 99.99% 이상의 항균 활성치^*를 나타냈으며, 투명유리 수준의 빛 투과성을 보이는 등 유리패널의 항균 재료로서 아연 나노입자의 활용가능성을 확인하였다.

이와 함께 아연 나노입자와 유리의 접착력을 강화하여 터치 등 옆으로 미는 힘에 대한 저항력을 강화하기 위해 아연 나노입자와 유리 사이에 티타늄 나노입자를 넣었다.

그 결과, 2,000번 이상의 옆으로 밀기 테스트에도 90% 이상의 투명도를 유지하는 등 터치에 강해졌으며, 3개월 이상 공기 중에 노출되어 아연이 산화되더라도 투명도나 항균특성에는 영향이 없었다.

따라서, 경제적이면서도 여러 성능이 향상된 항균 터치패널로서의 응용 가능성이 크다고 볼 수 있다.

충남대 윤순길 교수는 “발상의 전환을 통해 기존 기술의 한계를 넘어선 것으로서, 빠르면 2～3년 내에 상용화될 수 있을 것”이라면서, “동 연구성과는 다양한 나노-바이오 융ㆍ복합 분야에서도 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

  최근 스마트폰 패널이 박테리아에 의해 심하게 오염되어 있다는 연구결과가 보고되면서 이를 해결하기 위한 항균특성을 가지는 필름에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 특히 우수한 항균특성을 갖는 넓은 비표면적의 나노 입자 형태의 은 나노를 사용한 필름이 상용화되어 있다.

  하지만 이러한 은 나노 입자를 사용한 필름은 유리기판에 코팅시 투명도가 급격히 감소하며, 기판과의 접착력이 충분치 않아 터치 및 옆으로 밀기에 취약하다. 

  이러한 나노입자를 증착하는 기존의 용액공정으로는 입자들의 응집이 매우 심하여 치밀하고 균일한 나노 입자를 얻기가 어렵다. 따라서 나노 입자를 치밀하고 균일하게 증착하면서, 유리와 거의 같은 투명도를 유지하면서 장기간 터치 및 옆으로 밀기에도 항균 특성을 유지하는 연구가 필요하다.

  본 연구에서는 기존 공정에 비해 간단한 PVD 방식을 사용하여 아연 나노 입자를 유리위에 증착하고, 우수한 항균 특성을 가지면서 유리와 유사한 투명도를 유지하면서 장기안정성을 가지는 항균 필름의 제조에 성공하였다.

  DC 스퍼터링을 사용하여 유리 기판 위에 25 nm 미만의 아연 나노입자를 증착하여 유리와 유사한 91.6%의 가시광 투과특성을 확인하였다. 

  유리 기판 위에 증착된 아연 나노입자는 FITI 시험연구원에서 필름 밀착법을 통하여 대장균과 황색포도상구균에 대한 항균 특성을 평가하였다. 그 결과 은 나노입자와 유사한 99.99% 이상의 항균 활성치를 보임으로써 매우 우수한 항균특성을 가지는 것으로 확인되었다.

  이렇게 만들어진 아연 나노 입자의 기계적 안정성 평가를 위하여 터치 및 옆으로 밀기 테스트를 확인한 결과 유리 기판 위에서의 아연 나노입자는 테스트를 진행할수록 나노입자가 응집되면서 투명도가 지속적으로 감소하는 것이 확인되었다.

  이를 방지하기 위해 아연 나노입자와 유리기판 사이에 티타늄 나노입자를 증착하여 아연 나노입자와 유리 기판 사이의 흡착력을 증대시켜 2,000번 이상의 옆으로 밀기 테스트 후에도 90% 이상의 투명도가 유지되는 것을 확인하였다. 이렇게 증착된 Zn/Ti/Glass 시편을 3개월 이상 대기 중에 노출한 후에도 항균특성이 변화 없이 유지되는 것을 확인하였다.

  본 연구는 스마트 폰의 패널 위에 항균특성을 부여하고자 하는 것으로 항균특성도 은 나노가 많이 연구되었으나 이들은 인체에 유해하다는 연구결과와 값이 비싼 단점이 있어 이를 인체에 무해하며 값싼 아연으로 항균특성을 부여하고자 하는 것으로 스마트폰에의 응용은 물론 여타 항균 분야에도 기여할 것으로 기대된다. 

 o 네이처출판그룹(Nature Publishing Group)이 발행하는 과학 분야 국제학술지 

 o 아르곤 가스를 이온으로 만들어 증착하고자 하는 물질의 표적에 충돌시켜 떨어져 나오는 것을 기판 위에 증착하여 나노 입자나 박막을 만드는 공정

 o 특히 가해주는 파워가 음과 양으로 변하지 않고 일정하게 가해지는 것을 의미한다.

 o 한 차원이 100 nm, 약 천만분의 1미터(100nm=100.0×10-9m) 이하인 입자

 o 분자나 원자를 조작하여 새로운 소재, 구조, 기계, 기구, 소자를 제작하고 그 구조를 연구하는 나노기술의 영역에 속하는 입자

 o 시편 혹은 조건에 따른 일정시간 동안 배양된 균주의 수를 비교하여 균수의 변화에 의한 항균 정도를 평가한 값으로, 항균활성치가 2.0 이상이면 99% 이상의 균주가 사멸되기 때문에 항균 효과가 있는 것으로 본다. 

 o 사람을 포함한 포유류의 장관에 기생하는 세균으로 설사증 및 출혈성 대장염과 용혈성 요독증 증후군 등을 일으킬 수 있다. 

 o 생육함에 따라 세포집괴(덩어리)를 형성하는 그람양성의 통성혐기성 세균. 건강한 사람이나 가축의 피부와 비강 표면에 일반적으로 존재하고 있다. 내열성인 외독소를 생산하여 식중독을 일으킬 수 있다. 

  (왼쪽) 증착시간에 따른 유리기판 위에 증착된 아연 나노입자의 투명도로 시간이 길어질수록 투명도는 감소하는 것으로 나타났다. 

 (오른쪽) 각각 40초와 80초에서의 아연 나노입자의 주사전자현미경 이미지로 단순한 DC 스퍼터링 공정을 통한 금속 나노입자의 성장을 확인하였다.

  아연 나노입자와의 접착력 증가를 위해 각각 (a)유리기판, (b)티타늄(Ti) 나노입자, (c)산화규소(SiO2) 박막 위에 아연 나노입자를 증착하였을 때 나노입자가 잘 성장함을 보여준다. 또한 여러 기판 위에 증착된 아연 나노입자들이 유리와 유사한 투명도(d)를 가진 것을 확인하였다.

  (a) 유리기판 위에 증착된 아연 나노입자는 옆으로 밀기가 진행될수록 입자가 응집되면서 투명도가 지속적으로 감소하고,   (b) SiO2 박막 위에 증착된 경우 투명도는 유지되지만 기본 투명도가 낮은 편이며 손상이 확인되었다.   (c) 그러나 Ti 나노입자 위에 증착한 경우 2,000번 이상의 옆으로 밀기에도 투명도가 유사하게 유지되고 나노입자의 구조도 손상되지 않았다.

  유리기판 위에 Ti, Zn, Zn/Ti 나노 입자를 각각 증착하고 항균특성을 확인한 결과 나노입자가 없는 상태(첫 번째 열 : a-1, a-5)와 비교할 때 특히 아연(Zn) 나노 입자가 존재하는 시편(세 번째 열 및 네 번째 열 a-3, a-7, a-4, a-8)에서 대부분의 균이 사라져 아연입자의 우수한 항균특성을 보여준다. 반면 유리기판 위에 증착된 티타늄 나노입자(두 번째 열 : a-2, a-6)는 항균특성이 없음을 보여준다.