최근 나노 입자가 연구 주제로서 뿐만 아니라 산업적으로도 많은 관심의 대상이 되고 있다. 그러나 나노 입자가 실제로 사용되는 경우는 매우 제한적인데, 그 이유는 나노 입자의 제조법이 가지는 문제점으로 인하여 생산되는 나노 입자의 가격이 매우 높다는 점과 매우 일부의 물질만 나노 입자로 생산되기 때문이다. 따라서 다양한 종류의 세라믹 나노 입자를 저가로 제조할 수 있는 새로운 제조 공정의 개발이 요구된다.
본 연구에서는 이러한 새로운 나노 입자 제조 공정으로 화염분무열분해법을 제안하고자 한다. 본래 화염분무열분해법은 일반적인 분무열분해법의 변형 중에 하나로 분무열분해법의 문제점 중에 하나로 지적되어 온 중공 입자의 제조에 대한 해법으로 개발되었다.
최근에는 화염분무열분해법이 나노 입자의 제조로 그 영역을 확장했다. 하지만 나노 입자를 제조하는 화염분무열분해법은 기존의 화염분무열분해법과는 다른 방법이다. 나노 입자를 제조하는 화염분무열분해법은 기존의 화염분무열분해법이 비가연성 전구체 용액을 사용하여 형성된 액적은 화염 내부로 지나게 하면서 입자를 제조하는 것과는 달리 가연성 전구체 용액의 액적을 직접 연소시키는 방식으로 입자를 제조한다. 이때 나노 입자는 분무열분해 경로가 아닌 기상 반응 경로를 거치면서 나노 입자로 형성된다. 이 경우 기존의 기상 반응법에 비하여 다양한 전구체 물질을 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 기상 반응법의 특성상 다성분계 물질의 제조에는 어려움을 지닌다.
본 연구에서는 비가연성 전구체 용액을 사용하여 형성된 액적을 부가적으로 형성된 화염의 내부를 지나게 하면서 입자를 제조하는 기존의 화염분무열분해법을 이용하여 나노 입자의 제조를 시도하였다. 이때 나노 입자의 제조는 분무열분해 과정을 거치면서 형성된 일차 입자들이 서로 분리되어서 나노 입자를 형성하게 된다. 이와 유사한 경우가 일반적인 분무열분해법과 저압 분무열분해법 그리고 염 보조 분무열분해법에서 나타난다.
비가연성 용액을 사용하는 화염분무열분해법이 다양한 단성분계 및 다성분계 세라믹 나노 입자의 제조에 적용되었다. ZnO, MgO, NiO와 같은 단성분계 입자의 제조의 경우, 전구체 종류와 제조 온도에 대한 제조물 입자의 특성이 일반적인 분무열분해법과 저압 분무열분해법에서 나노 입자를 제조하는 경우와 매우 유사한 특성을 보이게 된다. 또한 $TiO_2$ 나노 입자를 제조하는 경우에는 일반적으로 열적으로 불안정한 것으로 알려진 아나타제 결정을 가진 입자를 고온에서 제조할 수 있었다.
단성분계뿐만 아니라 도핑 물질과 다성분계 물질의 제조에도 화염분무열분해법이 적용되었다. Gd-doped ceria (GDC)는 IT-SOFC에 사용되는 고체 전해질 물질로 신터링 온도를 낮추기 위해서 나노 입자가 요구된다. 화염분무열분해법으로 제조된 GDC 나노 입자는 액상법으로 제조된 GDC 입자를 능가하는 이온 전도성을 보이는데 이는 도핑 물질인 Gd가 상 분리 없이 ceria 결정 구조로 치환되었기 때문이다. 또한 NiFe$_2$O$_4$, MnFe$_2$O$_4$ CoFe$_2$O$_4$와 같은 다성분계 페라이트 나노 입자의 제조에서도 화염분무열분해법은 상분리 없이 균일한 조성을 가진 입자를 형성하였다.
이상에서 볼 수 있듯이, 비가연성 전구체 용액을 사용하는 화염분무열분해법은 기존의 나노 입자를 제조하는 가연성 전구체 용액을 사용하는 화염분무열분해법과는 달리 기상 과정이 아닌 분무열분해 과정을 거쳐서 형성된 일차 입자의 분리에 의해서 나노 입자를 형성한다. 따라서 단성분계 뿐만 아니라 도핑 물질과 다성분계 물질의 나노 입자 제조에도 널리 이용될 수 있다.
