2.1. 닐 이완 (Neel relaxation)

초상자성 발열체에서 관찰되는 스핀 이완 메커니즘으로 닐 이완은 자성체 내부의 자기 스핀이 외부 교류 자장을 따라 내부 회전을 통해 배열되면서 열을 방출한다. 닐 이 완 시간(τ_N)은 아래와 같이 정의되며,

K는 발열체의 이방성, V는 발열체의 부피, k_B는 볼츠만 상수, T는 온도이다.

2.2. 브라운 이완 (Brownian relaxation)

브라운 이완 역시 초상자성 발열체에서 관찰되는 스핀 이완 원리로 자성 발열체가 물리적으로 회전함으로써 인 가된 외부 자기장에 따라 배열됨으로써 열을 방출한다. 브 라운 이완 시간(τ_B)은 아래와 같이 정의되며,

η는 용액의 점도이다.

초상자성 발열체의 발열효과는 닐 이완과 브라운 이완 모두에 의해 결정되며 이를 바탕으로 한 발열효과 (power loss)는 아래와 같이 정의된다.

2.3. 히스테리시스 손실

히스테리시스 손실은 강자성 발열체의 발열 원리로 인 가된 자기장이 변화하면 자구의 이동에 의해 스핀이 배열 되는데 이때 자벽 이동을 위하여 사용된 비가역성 에너지 로 인한 손실이 열에너지로 방출된다. 히스테리시스 손실 에 의한 강자성 발열체의 열방출은 발열체의 M-H 곡선의 면적과 비례하여 증가한다.

μ₀는 진공 유전율이다.

3.1. 발열체의 결정종류

자연계에서 산화철은 다양한 형태로 존재한다. 이중 Fe₃O₄나 γ-Fe₂O₃가 자성 발열체로 주로 사용된다. 두 물질의 포화자화값(M_s)은 각각 92Am² kg^-1(Fe₃O₄)과 76Am² kg^-1 (γ-Fe₂O₃)으로, 이방성(K)은 4.7×10⁴ J m^-3(Fe₃O₄)와 1.35× 10⁴ J m^-3(γ-Fe₂O₃)로 보고되어 있다[12]. Fe₃O₄ 나노 입자 의 표면을 산화시킴으로 γ-Fe₂O₃으로 변경하였을 때 γ- Fe₂O₃의 높은 이방성으로 인하여 입자 전체의 이방성이 높아져 입자의 발열효과가 더 높아진다[12]. 또한, Fe₃O₄ 나노 입자 결정 내부에서의 양이온의 이동은 Fe₃O₄ 입자 의 발열효과를 증가시킬 수 있다[13]. Fe₃O₄ 나노 입자에 고온의 열을 가해주면 Fe 양이온은 결정내 사면체 공극에 서 팔면체 공극으로 이동하며 이로 인하여 이방성과 포화 자화가 증가한다. 그 결과 고온에서 가열된 Fe₃O₄ 나노 입 자는 높은 발열효과를 보인다.

산화철 나노 입자의 형태를 작은 구(11 nm, γ-Fe₂O₃/ Fe₃O₄), 큐브(15 nm, γ-Fe₂O₃/Fe₃O₄), 큰 구(19 nm, γ-Fe₂O₃/ Fe₃O₄), 타원형(22 nm, FeO / Fe₃O₄)으로 제어하고 그들의 발열효과를 비교하였을 때 큰 구가 가장 높은 발열 효과 를 보인다[14]. 타원형 산화철이 다른 입자와 비교하여 크 기와 형태 이방성이 높음에도 불구하고 결정 내 상자성인 FeO가 존재하기 때문에 다른 작은 입자보다 열 방출 효과 를 감소시키게 된다.

그 외에도 최근에는 ε-Fe₂O₃ 나노 입자 역시 새로운 발 열 입자 후보로 대두되고 있다[15]. ε-Fe₂O₃의 경우 다른 산화철에 비해 높은 자기 이방성을 가지고 있는 것으로 알려져 있어 γ-Fe₂O₃ 입자는 높은 주파수(400–800 kHz)의 교류 자장 하에서 높은 발열효과를 가지는 반면 ε-Fe₂O₃ 는 낮은 주파수(20–100 kHz)의 교류 자장 하에서 높은 발 열 효과를 가진다.

산화철 결정외에도 인체 내에 존재하는 페리틴이라는 단백질 역시 높은 진동수를 가진 교류 자장에서 약하긴 하지만 발열효과를 가진다[16].

3.2. 발열체의 크기

자성 발열체의 크기가 증가할 경우 스핀 이완 활성화 에 너지(E_A= K_effV; K_eff-이방성, V: 나노 입자의 부피)가 증가 하고 표면 자기 스핀의 감소로 인하여 자기 스핀 이완으 로 인한 발열 효과가 증가한다[17, 18]. 다양한 크기의 산 화철 나노 입자(Fe₃O₄)의 열방출 효과 비교해보면 초상자 성을 가지는 30 nm 미만의 나노 입자의 크기가 증가할 때 열방출 효과의 증가가 관찰된다[19, 20]. 특히, Fig. 2a에서 도 보여 지듯이 8–12 nm의 크기를 가지는 산화철 나노 입 자는 TEM 기준의 크기(C.005: 11.4 ± 3.2, C.01: 10.9 ± 2.9, C.02: 11.0 ± 3.5, C.04: 9.2 ± 3.0, C.06: 9.2 ± 3.0, Cc.01: 9.8 ± 2.5, Cc.06: 8.0 ±2.1)와 발열 효과(SAR)가 비례함을 확인할 수 있다. 하지만, 발열체의 크기가 더 증가하면 발 열체는 초상자성이 아니라 강자성을 가진다. 강자성 산화 철 큐브 나노 입자(Fe₃O₄) 내부의 자기 스핀 배열을 이론 적으로 계산하였을 때 60 nm 이상의 크기를 가질 때에는 단자구가 아닌 다자구를 가진다. 이로 인하여 Fig. 2b에서 보여지듯이 다양한 외부 자기장 조건에서 22 nm 크기의 Fe₃O₄ 큐브 나노 입자보다 162 nm의 큐브 입자가더 감소 된 발열효과(SLP) 를 가지는 것을 보여준다[21].

Fig. 2

Size-dependent heat dissipation capability of (a) iron oxide nanospheres [19] and (b) nanocubes [21]. Both specific absorption rate (SAR) and specific loss power (SLP) represent the heat generation capability of magnetic nanoparticles.

크기 증가에 따른 스핀 이완 활성화 에너지의 증가는 발 열 효율 뿐 아니라, 최적의 발열효과를 보여주는 교류 자 장의 주파수도 변화 시킨다. 20와 33 nm의 크기를 가지는 나노 입자(γ-Fe₂O₃/Fe₃O₄)의 발열효과를 비교하였을 때 20 nm의 입자의 경우 높은 주파수에서 강한 발열 효과를 보 여주나 33 nm의 경우 증가한 스핀 이완 활성화 에너지로 인하여 낮은 주파수에서 강한 발열 효과를 보여준다[17].

3.3 발열체의 형태

나노 입자의 형태는 발열 효과를 제어할 수 있는 하나 의 중요한 요소이다. 발열체로 연구되는 대부분의 산화철 나노 입자는 구 형태를 가지고 있으나 나노 막대 형태의 산화철 역시 효과적인 발열체로 암 세포의 성장 및 이동 을 억제할 수 있다[22]. 나노 막대는 구에 비하여 높은 이 방성을 가지고 있으며 전체적으로 페로자성을 가지며 직 경 대비 길이 비율이 커질수록 나노 막대의 포화자화 값 은 줄어들지만 보자력은 증가한다[23]. 따라서, Fe₃O₄ 나 노 막대의 발열효과는 히스테리시스 손실에 의해 결정되 며 가장 넓은 M-H 곡선 면적을 가지는 나노 막대가 효과 적인 발열효과를 보인다(Fig. 3).

Fig. 3

Magnetic properties and heat dissipation capability of nanorods of different aspect ratios [23].

산화철의 형태는 나노 막대 외에도 나노선, 정팔면체, 큐브, 다중팔 구조 등으로 제어될 수 있다. 한예로, 고온 분해 반응로 합성된 다양한 형태의 나노 입자들의 발열효 과를 비교하였을 때 나노선(Fe₃O₄, 직경: ~15 nm, 길이: 80 nm)이 가장 좋은 발열효과를 보이며 나노 막대(Fe₃O₄, 직 경: ~10 nm, 길이: ~25 nm), 정팔면체(Fe₃O₄, ~10 nm), 큐브 (Fe₃O₄, ~9 nm), 구(Fe₃O₄, ~10 nm), 다중팔(γ-Fe₂O₃/Fe₃O₄, ~12 nm) 구조의 순서로 발열 효과가 낮아진다(Fig. 4a) [24]. 이 나노 입자들의 발열 효과는 입자의 크기보다는 형 태에 따른 직경 대비 길이 비율이 증가할수록 발열효과가 증가하는 것으로 확인되었다(Fig. 4b). 유사하게 사변형, 육각형, 막대, 삼각형 형태의 Fe₃O₄ 나노 입자 중 직경 대 비 길이 비율이 큰 사변형이나 삼각형 형태가 다른 산화 철보다 더 높은 발열효과를 가진다[25].

Fig. 4

(a) Heat dissipation capability and (b) aspect ratios of various-shaped iron oxide nanoparticles [24].

Fe₃O₄ 산화철 나노 고리 역시 효과적인 발열효과를 보 여주며 암치료에 사용될 수 있다[26, 27]. 작은 크기의 나 노 고리는 단자구를 가지나 약 110 nm 크기의 나노고리는 다자구 영역을 가진다[26]. 이로 인하여 단자구 나노 고리 와 달리 다자구 나노 고리는 형태에 기인한 vortex 자기 구조를 가진다. 이로 인하여 일정 크기 이상의 나노 고리 는 낮은 발열효과를 가진다[26, 27]. Fe₃O₄ 산화철 나노 고 리와 비슷하나 길이가 긴 Fe₃O₄ 산화철 나노 튜브는 나노 고리에 비해 나노 튜브가 더 뛰어난 발열효과를 가진다 [28, 29]. 교류 자장에서 입자 내부의 자기 스핀 방향의 변 화를 계산해보면 나노 고리에서 발견되는 vortex 자기 구 조가 나노 튜브에서는 관찰되지 않으며 더 높은 이방성, 포화자화를 가져 나노 튜브가 더 뛰어난 발열 효과를 가 진다. 하지만 산화철 나노 튜브는 산화철 구 나노 입자와 비교하여 여전히 낮은 발열 효과를 보여준다.

3.4. 표면 코팅

산화철 나노 입자의 표면 코팅은 입자의 엉김을 막아주 고 수화 크기를 증가시킴으로써 브라운 이완의 효과를 증 가시키기 때문에 발열효과에 영향을 끼친다. 리간드를 이 용한 Fe₃O₄ 나노 입자의 효과적인 코팅은 나노 입자의 용 액내 안정도를 높여주기 때문에 입자간의 상호작용 감소 시킨다. 이로 인하여 입자의 발열효과가 감소하는 것으로 보고되었다[30, 31]. 이와는 반대로 리간드로 코팅된 Fe₃O₄ 클러스터 입자와 아무것도 코팅되지 않은 산화철 클러스터 입자의 발열 반응을 비교하면 리간드로 코팅된 산화철 클러스터가 코팅되지 않은 산화철 클러스터보다 발열효과가 증가한다[32]. 산화철 클러스터 입자에서 리간 드는 클러스터 내에서 입자간의 거리를 증가시켜 쌍극자- 쌍극자 상호작용을 줄여주기 때문에 높은 발열효과를 보 여주며 표면 코팅된 리간드의 종류에 따라 발열 효과의 차이를 보여준다.

다른 크기의 분자량(40, 70, 170 kDa)을 가지는 덱스트 란을 산화철 나노 입자의 표면에 코팅하였을 때 동일한 크기의 Fe₃O₄코어(~10 nm)를 가지나 덱스트란의 분자량에 따라 산화철 입자의 수용액 내에서 가지는 수화 크기가 달라진다[33]. 이로 인하여 입자의 크기가 증가함에 따라 브라운 이완이 증가하고 이로 인해 다양한 외부 자기장에 서 모두 증가한 발열효과를 보여주었다(Fig.5).

Fig. 5

Heat dissipation capability of iron oxide nanoparticles which are coated with dextran of different molecular weight [33].

3.5. 발열체의 군집 형성(입자간의 상호 작용)

산화철 발열체의 배열에 따라 입자간의 상호작용(쌍극 자-쌍극자 상호작용)이 달라지기 때문에 발열체의 군집 형 성 형태에 따라 발열효과 역시 제어될 수 있다. Fe₃O₄ 큐 브 형태의 나노 입자의 배열 역시 등방형으로 배열되었을 때 입자간의 간격을 6, 12, 30, 50 nm로 변경하고 나노 큐 브의 변과 평행한 <100> 방향으로 외부 자기장을 인가하 였을 때와 이방형인 체인 형태로 배열되었을 때 체인의 길이 방향과동일하거나 수직인 방향, 혹은 대각선 방향으 로 자기장을 인가하였을 때 나노 큐브 군집의 자기 이력 곡선을 계산함으로써 히스테리시스 손실에 의한 열발생을 예상할 수 있다(Fig. 6) [21]. 이 결과를 바탕으로 경우 체 인형태의 나노 큐브 군집이 등방형 군집과 비교하여 그 보자력과 자기 감응도가 획기적으로 증가함을 확인할 수 있다. 실제로, Fe₃O₄나노 입자를 외부에 위치한 영구 자석 을 이용하여 일렬로 배열하였을 때 영구 자석이 없이 무 작위로 존재하는 것과 비교하여 발열 효과가 증가한다 [34]. 입자들이 일렬로 배열되면 전체 군집의 이방성이 증 가하여 발열효과가 향상되며 이러한 현상은 나노 입자의 용액내 농도가 커질 때 더 명확하게 관찰된다. 또한 다른 크기의 Fe₃O₄나노 입자(15, 20, 50, 80 nm)를 영구 자석을 이용하여 배열하였을 때 입자의 크기에 따라 형성되는 군 집의 두께가 달라진다[35]. 큰 입자 일수록 더 두꺼운 입 자 배열을 나타내고 작은 입자일 수록 더 얇게 배열된다. 배열된 산화철 나노 입자의 두께가 얇을수록 더 높은 이 방성을 보이고 이로 인하여 높은 발열효과를 보인다.

Fig. 6

Calculated static hysteresis of (a) nanocube clusters and (b) nanocube chains [21].

Fe₃O₄ 나노 입자를 합성할 때 폴리머(polyacrylic acid)를 추가하면 산화철 입자가 뭉쳐진 나노 플라워 구조를 형성 하는데 나노 플라워의 경우 등방형 군집임에도 불구하고 단일 나노 입자에 비해 높은 발열 효과를 가지는 것을 보 여준다[36]. Fe₃O₄ 나노 플라워는 전자 주사 현미경으로 관찰하였을 때 내부의 결정 배열이 단일 입자처럼 연결되 어 있는 것을 확인할 수 있다(Fig. 7). 이로 인하여 나노 플라워 입자는 단자구처럼 행동하기 때문에 입자의 크기 가 증가한것과 같은 효과를 가져 그 발열효과가 향상된다. 다른 연구에서도 유사한 크기를 가지는 Fe₂O₃ 나노 플라 워와 Fe₃O₄ 마이크로좀의 발열효과를 확인하였을 때 둘다 높은 발열효과를 보여준다[37]. 하지만, 일부 나노 클러스 터의 경우 그 결정 형성에 따라 입자간의 상호작용이 달라 져 클러스터 형태의 나노 입자의 발열 효과가 단독의 나노 입자와 비교하여 감소하기도 한다[11, 38].

Fig. 7

High-resolution transmittance electron microscopic images and schematics of nanoflowers [25].

3.6. 나노 복합체 형성

다른 성분과 복합체를 형성함으로써 산화철 입자의 발 열효과를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 에피탁시 성장을 통하여 ε-Fe₃N@Fe₃O₄ 코어쉘 구조를 획득할 수 있는데 질소상과 산소상간의 교환 자화로 인하여 그 발열효과가 증가한다[7]. 또한, Fe@Fe₃O₄ 입자의 경우 안정적인 산화 철 껍질로 인하여 중심의 철의 산화를 억제함과 동시에 강자성체인 Fe와 준강자성체인 Fe₃O₄간의 교환자화로 인 하여 발열효과가 증가한다.[39] 이때 Fe@Fe₃O₄ 형성시 크 기, 중심과 껍질의 비율, 코어와 쉘 사이에 존재하는 반강 자성 삽입층의 두께 등을 조절함으로써 중심과 껍질간의 교환자화가 제어할 수 있으며 이로 인하여 발열효과를 제 어할 수 있다(Fig. 8) [40],

Fig. 8

Hysteresis loops for an isolated particle depending on the size, core-shell ratio, thickness of the interlayer spacer, and average size of crystallites composing the shell [40].

그래핀 산화물과 복합체를 이루는 경우 그래핀의 높은 비열과 전하 전이로 인하여 Fe₃O₄의 발열효과가 역시 증 가한다[41, 42]. 또한 그래핀과의 복합체 형성은 입자의 독 성을 줄일 수 있으며 세포내의 낮은 pH에서도 높은 발열 효과를 보인다.

또한, 고분자(예: Polycaprolactone/polyacrylonitrile)와 복 합체를 형성함으로써 Fe₃O₄ 나노 입자로 구성된 자성 실 을 형성할 수 있다[42, 43]. 이를 통하여 자성 발열체를 일 렬로 배열할 수 있으며 산화철과 고분자의 함량을 조절함 으로써 입자간의 상호작용을 제어함으로써 발열효과를 증 가시킬 수 있다.

4.1. 온열 치료

암 조직의 경우 정상 조직과 비교하여 혈관이 제대로 형 성되어 있지 않기 때문에 조직 내의 온도가 상승할 경우 그 열을 효과적으로 방출할 수 없기 때문에 45°C에서 사 멸이 일어나는 정상조직 보다 더 낮은 온도(42–43°C)에서 세포 사멸이 일어난다[5]. 이를 이용하여 암을 치료하는 기술을 자기 온열 치료라고 한다. 이와 동시에 산화철에 의한 온도 상승은 암세포 주변의 면역 환경 변화를 유도 할 수 있다는 것이 최근 보고되었다[44]. 암세포 주변의 면역세포는 암의 성장을 억제하지 못하도록 정상 조직의 면역세포와는 다른 성질을 가지는데 암조직의 온도를 높 여 주었을 때 면역세포 구성의 변화가 유도될 수 있다.

4.2. 선택적 약물 전달

산화철 입자가 다양한 다공성 구조체와 복합체를 형성 하였을 때 효과적인 약물 전달체로 사용될 수 있다. 약물 을 담체한 산화철-다공성 구조체 복합체에 외부 자장을 가 하면 주변의 온도가 상승하게 되고 이로 인하여 다공성 구조체안에 존재하는 약물이 효과적으로 방출될 수 있다. 예를 들어, Fe₃O₄ 나노 입자와 메조포러스 실리카 복합체 는 낮은 pH(세포내)와 42°C의 온도에서 약물의 방출이 중 성의 pH와 37°C의 상태와 비교하여 4배 정도 증가함을 보 여주었다[46]. 유사하게 항암제와 Fe₃O₄입자를 포함하는 리포좀[47], 마이셀[48], MOF를 이용하여 합성한 다공성 Fe₃O₄@C[49] 등이 외부 자기장하에서 효과적으로 약물을 방출할 수 있음이 보고되고 있다(Fig. 9). 또한, 속이 빈형 태의 구 껍질 산화철 나노 입자도 내부에 약물을 담체할 수 있기 때문에 외부 자장에 의해 약물 방출이 제어할 수 있는 선택적 약물 전달체로 응용이 가능하다[50].

Fig. 9

Schematic illustration of the formation of thermosensitive magnetoliposome (TML) and its magnetic and temperature sensitivity [48].