1. 서 론
최근에 나노입자를 합성하는 새로운 친환경적인 방법 으로 효소, 미생물, 식물 추출물 또는 식물 부산물과의 반응으로 나노입자를 제조하는 친환경 공정 개발에 대 한 연구가 바이오, 화학 및 재료공학 분야에서 활발히 진행되고 있다. 특히 폐과일껍질을 이용하는 나노입자 합 성방법은 독성 화학물질을 사용하지 않을 뿐만 아니라 폐농산물을 이용한다는 점에서 화학폐기물 사용과 폐농 산물을 동시에 감소시킬 수 있으므로 경제적이고 친환 경적인 방법이다.
산화 니켈 나노입자는 부피에 비하여 높은 표면적, 탁 월한 자외선 흡수 및 항균성 등의 특성을 나타내기 때 문에 촉매, 가스센서, 전지 음극재, 필름, 수소저장, 연 료전지 등 사용분야가 광범위하게 증가하고 있으며,1-9) 최 근에는 전기, 전자, 유전체, 자성, 광학, 이미징, 촉매, 생 물의학 및 생명과학 등으로 확대되고 있다. 최근에는 산 화니켈 나노입자를 합성하는 다양한 방법 중에서 경제 적이며, 화학물질을 이용하지 않는 새로운 합성방법으로 식물 폐기물에 기초한 합성법에 관심이 고조되고 있으 며, 이러한 합성법은 비용이 적게 들고 환경 친화적이 며 안전성이 뛰어나다는 장점을 나타낸다. 특히 화학용 매나 환원제를 이용하지 않는 환경 친화적인 나노기술 을 개발하기 위해, 식물의 추출물과 같은 생체적합성 재 료를 용매나 환원제 또는 안정제로 사용하려는 환경 친 화적인 합성법이 시도되고 있다.
산화 니켈 나노입자에 대한 많은 연구에도 불구하고 생 체 의학에 적용하기 위한 연구는 거의 수행되지 않았다. Llamazares와 그 연구진10)은 생물 의학에 응용하기 위하 여 니켈 유기금속 치환법을 적용하여 얻어지는 혼합물 에서 Ni/Ni 산화물 나노입자을 제조하는 새로운 합성 및 안정화 방법을 제안하였다. Ali와 그 연구진11)은 생물 의 학 응용을 위하여 산화 니켈 나노입자와 다중벽 탄소 나 노 튜브(MWCNTs)로 구성된 복합체을 기반으로 하는 고 효율의 벤즈기 기능성 나노 복합체를 마이크로 유체역학 바이오 센서 플랫폼으로의 사용을 제안하였다. Singh과 그 연구진12)은 콜레스테롤 센서에 응용하기 위하여 나노 구 조의 니켈 산화물을 키토산 필름 제조에 응용하였다. 또 한 Wahab과 그 연구진13)은 다공성 산화니켈의 나노 하 드 템플릿 합성을 이용하여 스트렙타비딘 단백질 고정 화에 대한 적용에 대해 연구하였다. 그 외에도 Yadav와 그 연구진14)은 생선 보관에 및 점검용 바이오 센서에 적 용하기 위해 나노 구조의 산화 니켈 막에 대해 연구한 바 있다.
NiO의 바이오 적용에 대한 다양한 연구에도 불구하고 NiO의 바이오공정에 의한 합성법에 대한 연구는 및 관 심은 아직 활성화되지 않은 상황이다. 본 연구에서는 천 연재료를 이용하여 생체적합성이 좋은 나노분말을 제조 할 수 있는 방안으로 과일 껍질이 두껍고 껍질에 털모 양의 융기된 조직이 발달하여, 내부 과육 대비 폐과일 껍질 비율이 높은 람부탄 과일의 껍질 추출물을 사용하 여 산화니켈 나노입자를 합성하여 분말의 구조 및 특성 을 분석하고 폐과일껍질 추출액을 사용하여 합성한 산 화니켈 나노분말의 세포 독성을 분석하고 직물에 적용 하여 항균작용 및 효과에 대하여 조사하였다.
2. 실험 방법
폐부산물이 많이 발생하는 과일로는 과육이 크지 않고 껍질이 많이 발생하는 과일을 선정하여야 하므로 국내 생산 과일보다는 국내에 수입되는 과일 중에 과육이 크 지 않으나 껍질이 발달하고 표면에 털 모양의 조직이 발 단된 람부탄 껍질을 소재로 선정하였다. 람부탄 천연과 일 껍질을 작은 조각으로 만들어 흐르는 물에 깨끗하게 세척한 후 전기 오븐을 이용하여 50 °C에서 완전히 건 조시켰다. 건조시킨 람부탄 천연과일 껍질 3 g을 에탄올 100 ml와 증류수 200 ml 혼합물에 10분 동안 끓였다. 끓 인 혼합물을 필터를 통해 여과하여 람부탄 과일 껍질 추 출물을 얻었다. 산화니켈 나노분말을 합성하기 위하여 0.1M 질산 니켈(Ni(NO3)2·6H20) 수용액 50 ml와 람부탄 껍질 추출액 10 ml을 혼합하여 80 °C에서 2시간 교반하 여 수산화 니켈 침전물을 형성시켰다. 수산화 니켈 침 전물 혼합액을 10,000 rpm으로 10분 동안 원심분리하여 수산화 니켈 침전물을 얻었다. 원심분리한 수산화 니켈 침전물을 증류수에 세척한 후 다시 5,000 rpm으로 10분 동안 원심분리하고 40 °C에서 8시간 건조시켰다. 건조된 수산화 니켈 침전물은 열처리로에서 700 °C, 900 °C, 1,100 °C에서 1h 동안 하소하여 산화니켈 나노분말을 얻었다. 합성된 산화니켈 나노분말의 XRD 분석은 PANalytical’s X-ray diffractometer 장비를 이용하였으며, Cu Kα를 사 용하여 40 kV에서 30 mA로 10-80o범위에서 측정하였 다. 산화니켈 나노분말의 열분석(TGA)는 Perkin Elmer 7 장비를 이용하여 질소(50 ml/min.) 분위기에서 분석하 였다. SEM 분석은 JEONL JSM 6390 장비를 이용하였 으며, TEM 분석에는 CM 200(Philips, USA) 장비를 사 용하였다. NiO 나노분말의 항균활성을 분석하고자 paddry- cure 방법을 사용하여 직물에 적용하였으며, 디스크 확산법을 사용하여 그람 양성균(Staphylococcus aureus, ATCC11632) 및 그램 음성(Escherichiacoli, ATCC 10536) 박테리아에서 시험하였다. 또한 처리된 시료의 세척 신 뢰도 시험은 표준 ISO 시험 3 방법(ISO 105-C03: 1989, Geneva)에 따라 수행하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 합성한 산화니켈 나노분말의 형태, 크기 및 구조
700, 900 및 1100 °C에서 하소된 산화니켈 나노분말의 구조, 크기 및 형태들을 FESEM을 사용하여 관찰하고 Fig. 1(a-c)에 나타내었다. 그림에서 보여주듯이 700, 900 및 1100 °C에서 합성된 산화니켈 나노분말은 불균일한 형 태의 입자로 형성되었으며,1,15) 하소온도가 높을수록 크 기가 큰 particle들이 많이 관찰되었다. 900 °C와 1,100 °C 분해 온도에서 합성 된 NiO 나노분말은 700 °C에서 관찰 된 것보다 분말이 덩어리 형태로 응집되어 보더 큰 입자와 불규칙한 모양의 입자들이 혼합되어 관찰되었다. 나노분말의 응집은 NiO의 분해 및 소성 공정 동안 생 성물의 응축에 의해 유도 될 수 있다. 그림에서 보는 바 와 같이 하소 온도에 따라 형태학적 차이도 관찰되었으 며, 700 °C보다는 900 °C 또는 1100 °C로 하소시킨 경우 입자 표면에서의 기공형성이 더욱 뚜렷하게 관찰되었다. 이러한 기공의 형성은 표면에서의 수산화기의 분해와 관 련되어 있는 것으로 판단된다. 즉, mesoporous NiO 구 조에 대한 합리적인 형성 메커니즘은 대기중에서 자발 적인 혼합 형태의 응집체로 형성된 Ni-ellagate 복합체의 직접 분해에 의한 것으로 판단된다. 900 °C 및 1100 °C 에서 하소 된 분말의 수산화기의 분해는 본 연구에서 TGA 분석에 의하여 확인되었다(Fig. 4). 900 °C 및 1100 °C에서 하소 된 경우 관찰되는 NiO 나노분말에서 다공 성 구조(mesostructure)는 다른 연구에서 보고된 mesoporous NiO16)와 유사하게 관찰되었다.
Fig. 1
FESEM image of NiO product from the mixture of 0.1M Ni(NO3)2·6H2O and 10 mL extract: (a) 700 °C, (b) 900 °C, and (c) 1,100 °C.
700, 900 및 1100 °C에서 하소된 산화니켈 나노분말의 SEM-EDX 분석 data을 Fig. 2(a-c)에 나타내었다. 그림 에서 보는 바와 같이 강하게 나타나는 피크는 니켈(Ni) 및 산소(O) 피크이며, 또 다른 피크가 low angle에서 관 찰되는데 이는 탄소에 의한 것으로 판단되며 이러한 결 과는 Jayaseelan의 연구결과와 매우 유사하다.17) 이 탄소 피크는 산화니켈 나노분말의 표면에 부착된 람부탄 추 출물에서 발생되는 것으로 보인다. 즉 탄소피크는 산화 니켈 나노분말 표면에 부착된 엘라그산과 연관된 부산 물로 판단되며, 이전 연구에서도 엘라그산과 연관된 부 산물의 존재가 확인되었다.18)
Fig. 2
EDX from calcinated NiO particles: (a) 700 °C, (b) 900 °C, (c) 1,100 °C calcinated product from the mixture of 0.1M Ni(NO3)2· 6H2O and 10 mL extract.
열대과일 폐부산물인 람부탄 천연과일 껍질을 이용하 여 환경 친화적으로 합성한 후 700, 900 및 1100 °C에 서 하소한 나노분말의 XRD 스펙트럼을 Fig. 3에 나타 내었다. Fig. 3에서 보여주는 바와 같이 좁고 강한 피크 가 나타나며, 2θ = 37.2, 43.2, 62.9, 75.4 및 79.3에서 나타나는 피크 위치는 각각 산화니켈 나노분말의 (001), (200), (111), (021) 및 (002) 결정면으로 얻어진 회절 피 크는 격자 상수 a = 5.11010, b = 2.95560, c = 2.95의 값 을 갖는 산화니켈의 단사 결정 구조임을 알 수 있으며, JCPDS(03-065-6920) 데이터에서 나타내는 단사구조 산 화니켈 결정면과 일치한다. 700 °C에서 일부 NiO와 일 치하지 않은 피크가 관찰되었으나, 900 및 1100 °C에서 하소하는 경우 관찰되지 않는 것으로 보아 700 °C에서 는 완전 산화되지 않은 중간 Ni계 화합물인 수산화니켈 (Ni(OH)2)의 존재와 관련된 것으로 판단된다. 900 및 1100 °C에서는 단사구조 산화아연 피크 이외 다른 피크 는 관찰되지 않는 것으로 보아 합성된 산화니켈 나노분 말은 다른 금속 불순물 및 화합물의 함량이 적은 결정 질 NiO임을 알 수 있다. 합성된 산화니켈 나노분말의 평 균 결정 크기는 Debye Scherer 공식 D = kλ/(βcosθ)을 사용하여 계산하였으며, 여기서 λ은 파장이고, k는 상수 로 0.898, θ는 회절 각이고 β는 파고의 반가폭(the full width at half maximum)이다. (200)면에서 계산된 산화 니켈 나노분말의 평균 결정의 크기는 62 nm이었다.
Fig. 3
XRD pattern: (a) 700 °C, (b) 900 °C, (C) 1,100 °C calcinated product from the mixture of 0.1M Ni(NO3)2·6H2O and 10 mL extract.
Fig. 4에 700, 900 및 1100 °C에서 하소된 산화니켈 나노분말의 TGA(thermogravimetric analysis) 분석을 통 한 온도에 따른 중량 변화를 나타내었다. 900 °C 및 1100 °C에서 합성된 산화니켈 나노분말은 200 °C에서 약 1000 °C까지의 온도증가에 따른 중량 손실이 0.5~1 % 이 하로 관찰되었으며(Fig. 4), 이는 탈수 가능한 수산화니 켈의 량이 적기 때문이다. 700 °C의 하소된 산화니켈 나 노분말은 350-1000 °C의 온도 범위에서 온도가 증가함에 따라 중량이 4,5% 이상 감소하고 있다. 이러한 결과로 볼 때 900 °C와 1100 °C에서 합성된 산화니켈 나노분말이 700 °C에서 합성된 산화니켈 나노분말 보다 수산화기가 제거된 산화니켈이므로 높은 열적 안정성을 보여준다.
높은 분해 온도(1100 °C)에서 제조된 NiO 나노분말의 표면적 및 기공 크기 분포는 BET(Brunauere Emmette Teller) 및 BJH(Barrette Joynere Halenda) 측정법을 사 용하여 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 5(a-d)에 나타내었 다. Fig. 5(a-c)는 1100 °C에서 하소된 NiO 나노분말의 질소 흡착/탈착, BET 및 공극 크기 분포를 각각 도시 하여 나타내었다. 1100 °C에서 하소된 NiO 나노분말의 BET 표면적은 120.3 m2/g이고, 전체 기공 부피(p/p0= 0.990)는 0.3649 cm3/g으로 측정되었다. 기공 크기 분포 곡선은 BJH(Barrette Joynere Halenda) 알고리즘을 사용 하여 계산된 평균 기공직경은 12 nm 이었다. IUPAC 분 류19)에 따르면 NiO 나노분말은 H1 히스테리시스 루프 를 갖는 IV 형 등온선을 나타낸다. 히스테리시스 루프 에서 P/P0 값과 흡착된 부피 모두 훨씬 더 높았고, 이 러한 결과는 제조된 NiO 나노분말의 기공 및 체적이 더 크다는 것을 나타낸다. BJH 방법을 이용하여 계산된 기 공 직경 분포에 따르면 더 높은 분해 온도는 NiO 나노 분말의 기공을 증가시키며, 일반적으로 하소온도가 증가 함에 따라 기공은 증가하게 된다. 또한 Fig. 6(a)에서 보 여주는 바와 같이 p/p0(0.5)에서 나타내는 히스테리시스 루프는 1100 °C에서 mesopores 구조의 존재를 나타낸다.
본 연구에서는 표면기공이 잘 발달한 1100 °C에서 합 성된 산화니켈 나노분말의 항박테리아 연구를 수행하고 자 하였으며, 이들 분말의 나노구조 이미지 관찰을 위 해 TEM 으로 관찰하고 Fig. 6에 나타내었다. 1,100 °C 분해온도에서 합성된 NiO 나노분말은 덩어리 형태로 응 집되어 있는 형태로 관찰되었다(Fig. 6a). 나노분말의 응 집은 NiO의 분해 및 소성 공정 동안 나노분말의 높은 표면에너지를 감소시키기 위해 생성물의 응축 및 인력 에 의해 유도 될 수 있다. Fig. 6(b)의 고분해능 TEM 분석을 통하여 1100 °C의 직접 분해 온도에서 NiO 나 노분말은 3.5 nm 크기의 구형의 나노결정으로 이루어져 있음을 나타낸다. Fig. 6(b)의 고분해능 TEM 사진의 명 확한 격자 fringe와 전자 회절 패턴(Fig. 6(c))의 명확한 회절점(diffraction spots)은 NiO 나노입자가 결정질의 나 노구조를 갖고 있음을 보여준다.
3.2. 산화니켈 나노분말 합성기구
람부탄 과일 껍질 추출물로부터 합성한 산화니켈 나노 분말 형성기구를 Fig. 7에 나타내었다. 벤젠 수산기(dihydroxy benzene), 하이드로실기(hydroxyl group), 폴리페 놀 혼합물처럼 엘라그산, 갈릭산, 타닉산, 폴리페놀, 페 놀 추출물들은 금속 나노입자을 제조하기 위하여 일상 적으로 이용되어 왔다.20-22) 람부탄 과일 추출물을 사용하 는 metal-ellagate 복합체의 형성기구의 장점은 생태학적 접근 외에 금속 이온을 보다 쉽게 유도 할 수 있는 불 용성 복합체 형성이 용이하다는 것이다.23) 예를 들어, Przewloka와 그 연구진은 엘라그산의 화학 작용을 연구 했고, 또한 Mg2+, Ca2+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Co2+ 및 Cu2+ 와 같은 다양한 금속 이온을 제거하기 위한 금속 침전 제로서 엘라그산과 수용성 ellagate를 연구하였다.23)
Green process에 의한 NiO 합성방법은 Fig. 7에 도식 적으로 나타내었다. 람부탄 천연 과일 껍질로부터 얻어 진 람부탄 추출물에는 폴리페놀, 알카로이드, 플라보노이 드, 비타민 등의 유효성분을 함유하고 있으며, 폴리페놀 과 니켈이온이 결합하여 Ni-ellagate complex가 얻어진다. 람부탄 추출물부터 얻어진 Ni-ellagate complex와 질산니 켈을 혼합하면 혼합물에서 수산기가 Ni-ellagate complex 의 니켈과 반응하여 폴리페놀의 페놀수산기와 산소 에 스테르가 p-track 결합을 한다. 이 결합을 통하여 수산 기가 결합된 수산화 니켈 복합체가 형성된다. 수산화 니 켈 복합체를 700, 900, 1,100 °C에서 하소하여 복합체를 분리하여 NiO 나노결정을 얻는다. 람부탄 껍질에는 금 속염이 가수분해하는데 필수적인 요소인 폴리페놀 함량 이 높기 때문에 NiO 나노분말을 질산니켈로 환원처리하 는 과정에서 천연 환원제로 사용하기 적합하다. 또한 방 향족 수산기는 pH 5-7에서 Ni-ellagate complex와 니켈 이온이 결합하며 pH 값은 금속이온과 물분자가 결합된 aqua ion값에 연관되어 변화한다.24) 수산기와 결합한 Niellagate complex 는 700, 900, 1,100 °C에서 가수분해하 여 NiO 나노결정을 얻는다. 이러한 과정을 Fig. 7에 화 학식으로 표현하였다. 처음에 Ni(NO3)26H2O와 rambutan 껍질 추출액의 ellagate와 반응하여 Ni-ellagate complex 가 형성되고 Ni-ellegate complex의 하소공정으로 NO2 등은 분해되고 NiO 나노입자가 형성된다. 이러한 과정 에서 ellagate가 Ni과 반응하여 NiO 나노입자 형성에 결 정적인 역할을 하며 전이 금속 산화물의 대규모 생산 및 생체 적합성 응용 분야에 잠재적으로 사용될 수 있는 효 율적인 방법을 제공한다.
3.3. 산화니켈 나노분말의 항균 활성
1,100 °C에서 하소하여 복합체를 분리하여 응집된 NiO 나노결정을 mechanical milling 법으로 갈아서 나노입자 로 분리한 후 면화직물에 코팅하여 면화직물의 항박테 리아 특성을 분석하였다. 면화 직물에 NiO 나노결정 처 리한 샘플과 미처리한 샘플의 SEM 이미지를 Fig. 8에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 낮은 배율에서 NiO 나노결정 처리되지 않은(Fig. 8a-b) 샘플과 NiO 나노결 정 처리된 면화 직물(Fig. 8c-d) 사이에 큰 차이를 보이 지 않았으며, 면직물의 크기는 10-15 μm 범위였다(Fig. 8d). 50-100 nm 범위의 나노 결정 크기가 직물 위에 코 팅되어 있어서 낮은 배율 SEM 이미지에서는 원단에 분 산된 NiO 나노 결정이 관찰되지 않았으나, EDX 이미 지에서는 NiO 나노 결정 처리되지 않은 샘플과 NiO 나 노 결정 처리된 면화 샘플 사이에 명확한 차이를 보였 다(Fig. 8e-f). NiO 나노결정 처리가 되지 않은 면화 직 물(Fig. 8e)에서는 니켈 존재에 대한 증거는 없었지만, NiO 나노 결정 처리한 면화 직물에서는 니켈의 존재가 명확히 나타났다(Fig. 8f).
나노 결정 처리 및 미처리한 면화 직물의 항균 활성 을 Fig. 9(a-b)에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 평균 억제 구역은 대장균(E. coli)에서 25 mm로 관찰되 었으며, S. aureus에서 35 mm로 나타나 S. aureus에서 더 높은 항균 특성을 나타낸다. NiO 나노결정의 항균 활 성은 주로 OH−, H2O2 및 O2와 같은 고 반응성 종의 생성에 기인한다. 자외선(UV)과 가시 광선은 결함이 있 는 NiO 나노결정을 활성화시킬 수 있기 때문에 전자- 홀 쌍(e-h+)이 생성 될 수 있다. 홀(hole)은 H2O 분자 (NiO의 돌출부)를 OH−와 H+ 로 분리한다. 물의 전기 분 해는 산화 환원 반응으로 H+ 및 OH 이온, H 및 OH 라디칼, H2, O2, HO2 및 O3를 생성한다. 용존 산소 분 자는 수퍼 옥사이드 라디칼 음이온(O2−)으로 변형되고, 수 소 이온과 반응하여 H2O2 분자를 생성한다. 생성된 H2O2 는 세포막을 투과하여 박테리아를 죽일 수 있다. 히드 록실 라디칼과 슈퍼 옥사이드는 음전하를 띠기 때문에 세포막에 침투할 수 없고 박테리아의 외부 표면과 직접 접촉해야 하나 H2O2는 세포 내로 침투할 수 있다. 세 척 신뢰도를 측정하기 위하여 NiO 나노결정 처리한 면 화직물을 표준 ISO 시험 3 방법(ISO 105-C03 : 1989, Geneva)에 따라 수행하고 그 결과를 Table 1에 나타내 었다. Table 1에서 보는 바와 같이 NiO 나노 결정 처리 된 직물에서 항균 특성은 10회 세척 까지는 유지되나 그 이상에서는 박테리아 감소율이 낮아지며, 20회 세척에서 는 활성도가 발견되지 않는다.
Table 1
washing durability test of NiO nanocrystals treated cotton fabrics.
| No. of washing cycles | Fabrics treated with NiO nanocrystals % bacterial reduction | |
|---|---|---|
| S. aureus | E. coli | |
| 1 | 80.11 | 77.10 |
| 2 | 78.21 | 73.50 |
| 5 | 75.02 | 70.15 |
| 10 | 62.50 | 58.50 |
| 15 | 30.20 | 24.50 |
| 20 | 12.85 | 10 |
| 25 | 0 | 0 |
위의 연구 결과를 토대로 과일 폐기물 재사용 등 친 환경 접근 방법을 통하여 NiO 나노입자 합성에 성공하 였으며, 이러한 합성 방번은 다른 금속 산화물에도 적 용 할 수 있다. 본 연구에서는 또한 친환경적 방법으로 합성한 나노 산화물 입자의 직물의 향균성 향상기술로 의 적용 가능성을 확인하였다.
4. 결 론
람부탄 폐과일 껍질 추출물을 이용하여 산화니켈 나노 분말을 최초로 합성하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 폐과일껍질을 질산니켈(Ni(No3)2 6H20)과의 반응시 켜 친환경적인 산화니켈 나노분말 제조방법 가능성을 확 인하였다. 천연재료를 이용하여 생체적합성이 좋은 나노 분말을 제조할 수 있는 방안으로 환경 친화적인 합성방 법으로 람부탄 과일 껍질 추출물을 사용하여 산화니켈 나노입자를 합성하였다.
2) 폐과일껍질인 람부탄껍질 추출물과 질산니켈을 혼 합하면 혼합물에서 수산기가 Ni-ellagate complex의 니켈 과 반응하여 폴리페놀의 페놀수산기와 산소 에스테르와 p-track 결합을 하며, 이 결합을 통하여 수산기가 결합 된 수산화 니켈 복합체가 형성된다.
3) 합성한 산화니켈 나노분말은 구형 형상을 갖고 불 균일하며 mesoporse 구조를 나타낸다. 이러한 표면 기공 은 하소 시의 수산화기의 분해와 관련된다.
4) NiO 나노결정은 항균 특성을 나타내며, 이는 OH−, H2O2 및 O2와 같은 고 반응성 종의 생성에 기인한다. NiO 나노 결정 처리 된 직물에서 항균 특성은 10회 세 척 까지는 유지되나 그 이상에서는 박테리아 감소율이 낮아지며, 20회 세척에서는 활성도가 발견되지 않는다.
