주목받는 분야
첨단재료 분야
이제껏 산업계는 첨단재료 기술을 증진시키는 데 힘을 쏟아왔다. 왜냐하면 새로운 재료를 개발, 상용화함으로써 얻어지는 이익 가능성을 가장 잘알고 있기 때문이다. 관련 업체들은 다음과 같은 나노기술 재료들을 연구한다.
◇탄소나노튜브=탄소나노튜브는 기존 재료에 많은 이점을 주기 때문에 상용화될 수 있는 분야에 대한 연구가 가속화돼왔다. 기술자들은 탄소나노튜브가 연료전지나 리튬이온 배터리·수소 저장·필드 이미터 디스플레이·화합물·분자 전자 상호교류에서 상용화될 가능성에 주목했다. 그럼에도 불구하고 비용에 따른 효과 및 양산방법 등은 탄소나노튜브를 상용화하는 데 중요한 장해물로 남아 있다.
◇나노구조를 갖는 물질=물질들은 벌크 형태로 있을 때와 나노구조 형태로 있을 때 서로 다르게 행동한다. 나노구조를 갖는 물질에 대한 상용화 관심이 여기서 비롯됐다. 예를 들어 우리는 화합물 안에서 나노입자를 사용함으로써 새롭고 강력한 화합물 구조가 출현하는 것을 이미 봤다.
박막 필름(대개 두께가 1∼5㎚)도 눈에 띄는 개발품이다. 나노구조의 박막 필름은 화학적 활동에서 마모방지에 이르기까지 다양한 성질을 갖고 있다. 그러면서도 고밀도 패킹이 가능하기 때문에 이미 마그네틱 저장 미디어에서 사용되고 있는 것이다.
나노기술의 또 다른 중요 영역은 고체 나노구조 촉매 및 콜로이드다. 금 입자 안에서 촉매는 입자의 직경이 5㎚ 이하일 때 활동한다. 금 나노결정체 입자의 구조는 금 벌크 구조와는 다르기 때문이다.
나노 세계에서 촉매 연구의 중요한 대상은 화학반응 안에서 특성·선택성·수율을 증대시키는 역할을 한다. 나노구조로 된 촉매를 개선하면 제품의 수율을 엄청나게 증대시킬 수 있다는 얘기다.
콜로이드 기술 분야는 비누나 세제·플라스틱·고무·유리 등에서 첨단제품의 생산을 가능하게 한다. 콜로이드 기술의 진보는 의학이나 치료 및 반도체 기술의 혁신을 가져올 수 있다. 콜로이드 화학은 광증폭기·레이저, 광스위치·변조기를 포함한 나노입자의 일관공정을 가능하게 한다.
◇DNA물질=나노생물학자들이 특히 관심을 갖는 분야는 DNA다. 이유는 DNA기술 및 제품들의 향후 사용처가 매우 넓을 것으로 예상되기 때문이다. 비록 첨단 DNA기술이 아직 성숙단계에 이르지는 못했지만 유망한 활용 분야 가운데 하나다. DNA물질은 현재 나노전자기기·유전치료·DNA머신·컴퓨터를 비롯해 생물학 세포와 같은 구조 애플리케이션 분야 연구자들로부터 각광받고 있다.
<나노전자·광전자·자기기술>
앞으로 구현될 기기설계나 새로운 일관공정 방법은 엔지니어들이 기기를 최소화하고 작업을 신속하게 하며 비용을 절감하도록 도와준다. 하지만 첨단 나노전자·광전자·자기기술이 지향하는 정확한 방향을 예측하는 것은 여전히 쉽지 않다. 그럼에도 불구하고 이들 새로운 기술들은 상당히 가능성 있고, 세계 경제나 시장에 막대한 효과를 가져올 수 있음에 분명하다.
◇양자효과 나노전자 스위치=양자효과 나노전자 스위치는 첨단 컴퓨터 개발에 활용된다. 그러나 신뢰성 있는 고체상태의 양자효과 나노전자 스위칭 기기는 첨단 컴퓨터를 개발할 때 어려움에 직면하게 된다. 과학자들은 양자점(혹은 인공원자), 공명 터널링 스위치, 단일 전자 트랜지스터를 포함한 다양한 형태의 기기들을 연구한다. 이들 스위칭 기기들은 모두 전자를 가두기 위한 작은 반도체나 금속의 ‘섬’과 같은 역할을 한다. 이 섬을 구성하는 성분·형태·크기들은 기기에 의해 구별된다.
◇레이저=제조·특성화·3차원 나노구조 레이저의 설계 연구는 수년이 지났지만 1차원 나노구조물(초격자) 조립기술과 함께 이미 시장에 선보였다. 이 가운데 하나가 나노미터 범위 안에서 후막 필름과 함께 초격자에 의존하는 반도체 레이저다. 이 레이저는 표면에서 빛을 발산하는 레이저 다이오드의 한 종류다. 광섬유 데이터 통신은 이 레이저가 최초로 상용화된 분야다. 이밖에 상용 가능한 분야로는 광센서·인코더·레이저 파인더·확장 레인지 센싱 분야 등을 들 수 있다.
또 다른 촉망받는 반도체 레이저 기술 가운데 양자점 레이저 기술이 있다. 양자점 레이저는 다른 반도체 레이저에 비해 온도 의존도가 낮다. 온도가 상승해도 기능이 떨어지지 않는 것이다. 양자점 레이저는 자극에 대해 반응이 시작되는 분계점인 ‘역’의 흐름이 높지 않다. 연구자들은 레이저가 제대로 사용될 수 있도록 활동적인 층에서 고품질 양자점을 갖는 레이저를 만들어내는 것이다.
<첨단 컴퓨터>
수㎚의 초소형 부품을 탑재한 첨단 컴퓨터가 조만간 상용화될 전망이다. 연구자들은 전자·화학·생화학·기계·양자 등 5개 분야에서 첨단 컴퓨터 기술을 개발하고 있다.
◇전자컴퓨터=이 분야는 현재 가장 유망하다. 이미 확보된 전자부품 기술만으로도 제품을 선보이는 것이 가능하기 때문이다. 일부에서는 시제품을 내놨다.
◇화학컴퓨터=화학컴퓨터는 화학 결합을 만들고 또 분해함으로써 정보를 처리한다. 또는 화학결합 내 구조를 변화시킨다. 화학컴퓨터는 화학(분자) 구조 안에서 논리상태 혹은 정보를 저장할 수 있어야 한다. 또 분자 안에서 선택적으로 기능해야 한다.
◇생화학 컴퓨터=동물의 다중세포 신경시스템에서 원리를 따온 생화학 컴퓨터가 선보이려면 오랜 시일이 걸릴 듯하다. 과학자들이 동물의 뇌나 신경체계 기능을 아직 파악하지 못하기 때문이다.
연구자들은 이에 대한 대안을 찾아가고 있다. 이에 떠오른 방법이 DNA 기반 컴퓨터다.
DNA 기반 컴퓨터는 자연상태에서는 존재할 수 없다. 하지만 생화학 컴퓨터를 대체할 수 있는 가장 자연스런 개발품이다. 제3의 방법은 컴퓨터에 이용할 목적으로 살아있는 조직을 배양하거나 사용하는 것이다.
◇기계 컴퓨터=기계적인 컴퓨터는 분자 정도 크기를 갖는 로드의 움직임이나 분자 크기의 기어 회전, 샤프트나 베어링의 회전 등을 사용함으로써 계산을 수행한다. 이에 대해서는 명확하게 어떤 물리적 원리도 알려진 바 없기 때문에 이처럼 작은 기계를 개발하는 것은 불가능해 보이기도 한다.
더욱이 단기적으로 볼 때 결점이 존재한다. 무엇보다 나노 기기의 일관공정이 ‘수작업’ 부품에 필요하다는 것이다. 따라서 비교적 과정이 느린 스캐닝 탐사 현미경을 사용하게 된다. 제조는 가능하지만 특별한 위치에서 일부 원자의 움직임이 지루하다. 따라서 또 다른 기술을 이용해야 한다. 또 다른 방법으로는 정확한 컴퓨터 부품을 신뢰성 있게 제조하는 방법인데 이 역시 쉽지 않다.
최근 개발된 주사 터널링 현미경 어레이의 기능 개선이 이 같은 문제를 다소 덜어줬다. 이 과정은 나노 크기의 부품이 뒷받침돼야 한다. 주사 터널링 현미경에서는 입체특이성 화학반응이나 화학 자체 배열이 엔지니어들의 기계적인 컴퓨터 이해에 도움이 됐다.
◇양자컴퓨터=엔지니어들은 양자컴퓨터의 개발은 물론 적용에도 관심을 갖는다. 양자컴퓨터는 통일성 있는 양자 상태의 다중 부품과 나노 크기의 부품에 연결된 양자 파장들 사이에서 ‘자연스런’ 간섭 메커니즘을 기반으로 대량의 병렬컴퓨팅 기능을 수행한다.
양자컴퓨터는 컴퓨터 부품이 양자 상태인 것과 같이 원자의 회전방향 등 각각의 정보를 대표한다. 엔지니어들은 양자컴퓨터의 실제적인 개발이 가능할 것으로 확신하고 있다. 현재 설계 중인 양자컴퓨터는 조립과 초기화 과정에서 전례없는 정확성을 필요로 한다.
양자컴퓨터들은 다중부품 양자 상태에서 위상 통일성을 파괴하는, 극단적으로 작은 물리적 왜곡이나 광자의 휨에 대해서도 매우 민감하다. 따라서 엔지니어들은 모든 외부효과로부터 주의깊게 다뤄야 하며 절대온도 0도에 가까운 상태에서 운용해야 한다. 그렇게 하더라도 실수가 발생할 가능성은 물론 있다.
<환경 분야>
나노기술은 일반적인 환경에서 나노 크기의 분자상태에 대한 이해를 증진시키는 데 중요하다. 일반인은 나노기술이 예상과 달리 환경적 문제(예를 들어 쓰레기나 일회용 제품의 투척 등)의 발생을 막고 환경을 정화하는 데 놀란다. 희망하지 않는 부산물을 최소화하는 청정기술의 발전은 나노기술을 기반으로 할 때 충분히 가능하다.
<생물학적 나노머신>
사람들은 영화에서 아주 작아진 의사가 초소형 잠수함을 타고 혈관 속을 누비며 바이러스를 찾고 암세포·지방세포를 제거하거나 세포를 재생시키는 장면을 봤다. 이런 장면이 생물학적 나노머신에 의해 예상보다 빠르게 현실화되고 있다. 특히 DNA 로봇이 중요한 역할을 한다. DNA기술의 주요한 응용분야는 과정을 분석하는 데 있다. DNA 로봇 역시 분자 제조가 중요한 역할을 수행하는 나노머신을 기반으로 만들어지고 있다.
<에너지 및 저장 시스템>
나노기술은 새로운 에너지 개발에 중요한 역할을 한다. 예를 들어 나노입자가 작게 압축된 층을 개발해 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 나노입자가 압축되면 광전류 세포가 줄어들고 이때 광전류 세포는 효율성을 늘리기 위해 빛을 전기로 바꿔주기 때문이다.
또 전하재료가 되는 나노입자 박막필름은 축전지나 연료전지의 작동을 최적화해준다. 촉매작용에서 나노구조로 된 촉매를 고밀도로 압축하면 고에너지를 띤 연료가 된다.
이밖에 탄소나노튜브의 설계를 이용해 수소 분자를 저장하는 기술이 개발되고 있는데 이 기술은 연료전지를 이용한 차량에 사용될 전망이다.
<나노기술 상용화의 필수 요건>
기술의 융합은 나노기술에 필수적인 특별한 지식이나 기술을 낳기도 한다. 중장기적으로 볼 때 기술 및 정보의 공유가 반드시 필요할 것으로 지적되고 있다. 이를 위해서는 시간과 비용이 많이 든다. 그러나 산업협력이나 산업간 통합은 나노기술에서 축적된 정보나 지식을 손실없이 이전하기 위해 반드시 필요하다.
나노산업은 대용량 제품을 비롯해 산업용 나노기술이나 산업용 발전 인프라를 개발하는 데 필요한 설비들을 만들어내는 주춧돌이 돼야 한다. 예컨대 광리소그래피 스테퍼의 개발은 X선이나 적외선 리소그래피 기술이 없으면 불가능하다. 반대도 물론 마찬가지다.
첨단 퇴적기술(예를 들어 나노입자 가속 프로펠러·나노프린팅·랭뮈어 블로제트 기술 등)은 광전류시스템·광검전기·필드에미션 디스플레이어 등의 사용과 같은 다양한 코팅 응용분야에서 저비용 나노입자층의 형성을 가능하게 한다. 나노미터 크기에서 측정이나 특성시험용 분석장비는 제품이나 품질 확인시험에 적용할 필요가 있다.
궁극적으로 국제단체가 나노크기의 조사를 수행할 수 있는 새로운 표준을 마련해야 한다.
이와 함께 장기적으로 볼 때 나노기술의 표준은 상용 고기능·고품질을 담보할 수 있는 구조 및 제품조사를 참조해야 한다.
현단계에서 나노기술을 상용화하기 위해서는 정부의 물적 지원도 필요하다. 나노기술의 경우 장기적인 관점에서 수행돼야 하고 기본연구에만도 적잖은 비용이 들기 때문이다. 일본 미국과 독일·스위스·프랑스·이탈리아·오스트리아·영국 등 일부 유럽 국가들은 국가 연구기관이나 방위 프로그램을 통해 나노기술을 연구하고 이를 다시 국가 발전의 주동력으로 삼고 있다. 하지만 일부에서는 기술지향성이 다른 연구 프로젝트에 노력을 투입, 제대로 된 연구를 수행하지 못하고 있는 것도 사실이다.