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서울공대 이야기

화학분야의 나노기술

2004.11.23 01:32

lee496 조회 수:5973

 

화학분야의 나노기술


서울대학교 공과대학 응용화학부 교수

현 택 환


1. 나노기술란 무엇인가.

나노기술(Nanotechnology)이란 나노미터 수준에서 물체들을 만들고 조작하는 기술을 통칭하는 말이다. 나노미터란 10-9미터, 즉 십억분의 1미터 또는 서너 개의 금속원자를 나열한 정도의 길이다. 우리 몸 속에 있는 단백질의 크기가 대략 1~20 나노미터 정도의 크기이다. 또한 현재의 반도체공정의 마이크론테크놀로지의 마이크로비터의 1000분의 일 크기가 바로 나노미터이다. 나노기술의 핵심은 원자나 분자 수준에서 물질들을 조작하고 만들어서 전혀 새로운 성질과 기능을 가진 소자나 시스템을 구현하는 것이다. 이 나노기술은 지난 10여년간 과학과 공학 전 분야에 걸쳐 가장 활발하게 연구가 진행되고 있는 분야이고, 21세기에는 더욱 활발히 연구가 진행되어 실제 산업과 생활에서 응용 가능한 제품들이 생산될 것으로 예상된다.  몇 가지 상품화된 분야도 있지만 현재의 나노기술은 아직 대부분 연구실 수준에 머물고 있다. 현재 산업화되어 있는 나노기술은 그 크기가 수십 나노미터에 이르지만 궁극적으로 나노기술이 지향하는 바는 수 나노미터, 즉 원자나 분자단위에서 조절하여 나노미터 크기의 디바이스를 제조하는데 있다. 그런데 이와 같은 공상과학만화에서나 가능한 일들이 벌써 세계적으로 저명한 학술지인 Science나 Nature지에 발표되기 시작했다. 곧 나노미터 크기의 기계가 우리 몸 속의 현관 속에 장치되어 심장병이 있는 사람의 피의 순환을 조절하고, 당뇨병이 있는 사람에게 인슐린을 조절하여 공급하는 것이 가능해질 것이다.

이러한 나노기술의 중요성 때문에 미국 등 여러 나라들이 나노과학 및 기술 분야에 엄청난 투자를 하고 있다. 미국의 경우를 살펴보면, 나노 과학에 매우 지대한 관심을 갖고 백악관 과학 기술 정책실 (OSTP)과 국가과학기술위원회(NSTC)는 나노테크 분야에 대한 정책연구를 통하여 대통령 선도프로그램(Presidents Initiative, National Nanotehcnology Initiative, website: www.nano.gov)을 2000년에 시작하였다. 국가과학기술위원회의 자료는 나노기술의 중요성을 아래와 같이 기술하고 있다.  분자수준에서의 물질제어는 기본 성질이 결정되는 수준에서 물성, 현상, 과정을 정확히 재단(tailoring)할 수 있음을 의미하며, 따라서 물질 또는 시스템의 새로운 특성을 결정함으로 해서 나노 테크는 이상적으로는 자동차, 타이어, 컴퓨터회로에의 의약품, 티슈 등에 이르기까지 모든 인간창조물의 생산에 영향을 끼칠 수 있다. 21세기에 있어서 보건, 안보 등에 대한 나노 테크의 영향은 20세기 항생제 개발, 집적회로 개발, 폴리머 개발을 합한 영향보다 더 클 것으로 기대된다  라고 평가하고 있다. 예산 중 과학재단의 2.1억달러, 에너지성의 연구비로 0.9억달러 등 총 5억달러 규모를 이 나노과학기술분야에 투자하기로 되어있다.

연방정부의 나노테크 분야 연구 개발 투자예산안에 대한 의회에서도 적극적으로 지지하고 있다. 상원 과학기술위원회 라운드테이블 토론회에서 Evan Bayh상원의원은  나노테크분야 연구는 미래이 혁신을 위해서 매우 중요하다. 글로벌경제에 있어서 미국의 상대적 우위의 핵심은 혁신이지만, 현신의 원천이 되는 기초과학분야의 연방투자는 계속 감소하는 추세를 나타내 왔다. 수년내에 생산성과 수입을 증가시키기 위해서는 나노테크분야를 포함하여 기초과학분야의 투자를 확대하는 것이 절대적으로 중요하다 라고 말하였다. 또한 J. Lieberman 상원의원은  나노 테크분야는 새로운 유망한 기술분야이지만 연방정부가 기초과학 분야의 투자를 지속할 때만이 기술적 진전이 이루어질 것 이라고 첨언하고 있다.

이와 같이 미국 정부는 나노 과학기술에 매우 큰 관심을 갖고 막대한 투자를 하고 있다. 우리 나라 정부에서도 이러한 나노과학기술에 큰 관심을 갖고 많은 투자를 하려 하고 있다. 하지만 한국의 과학 기술에 관한 투자 역시 현재 미국과학계의 동향과는 다르게 혁신의 원천이 되는 기초 과학 분야에 대한 투자는 매우 적은 부분을 차지하고 있으며 계속하여 줄어들고 있다. 나노기술은 위에서 언급하였듯이 분자 수준에서의 제어를 통한 기술인데 반하여, 현재 국내에서 진행되고 있는 많은 나노기술의 접근도 마이크론 크기의 범주에서 벗어나지 못하는 연구가 주를 이어오고 있다. 나노기술은 그 자체가 과학적인 흥미를 충분히 유발 시킬수 있지만 더욱 중요한 것은 향후 10년 안에 IT (정보기술), BT (생명기술), ET (에너지/환경기술)에서 등의 여러 중요기술에서 기술의 한계를 극복할 수 있는 방법으로 제시되고 있다. 아래에서는 각 분야에서 나노기술이 어떤 역할을 할 수 있으며 왜 중요한 가에 대해 이야기 하고자 한다.

 


2. 기반기술분야의 나노기술

 처음 나노과학의 중요성을 강조한 사람은 Einstein이후 가장 뛰어난 물리학자로 인정되는 노벨 물리학상 수상자인 Richard Feynmann박사이다. 그는 1959년 미국물리학회에서  아주 작은 수준에서 물질들을 조절한다면 그 물질이 가진 무한한 성질들을 이용할 수 있을 것이다 라고 제안하였다. 그런데 실제로 물리나 화학분야에서 나노기술에 관한 연구가 본격적으로 진행되기 시작한 것은 1980년대부터라고 할 수 있다.

 분자나 원자단위에서 조절할 수 있는 가능성을 연 것은 Binning박사가 개발한 주사투과현미경(STM)과 원자힘현미경(AFM)의 개발이다. 이 새로운 원자단위에서 조절 가능한 현미경의 탐침을 이용하여 원자들을 마음대로 원하는 위치에 옮기거나 배열할 수 있었다. 이 분야의 획기적인 연구성과는, 1989년 캘리포니아 산호세에 있는 IBM알마덴 연구소의 연구원들이 35개의 크세논 원자들을 이용하여 IBM logo를 만든 것이다. 아래 그림은 최근에 IBM에서 원자힘현미경(AFM)의 탐침을 이용하여 선택적으로 실리콘을 산화시켜 만든 실리콘산화물로 쓰인 20nm 두께의 IBM NANO글씨이다. 이 기술의 실제 응용을 시도하고 있는 분야가 바로 반도체 분야인데, 금속원자들을 주사투과현미경의 탐침으로 조작하여 일렬로 세워 나노미터크기 배선을 만드는 일 등에 이용하고 있다.

 


 나노과학이 과학자들의 관심을 끈 또 다른 이유는 이 나노구조 물질들이 벌크와 단분자나 단원자의 중간크기를 가지고 있기 때문이다. 예를 들면 금속은 벌크에서는 전기전도성이 좋지만 단분자나 단원자들은 부도체인데, 어느 정도의 크기가 되면 벌크의 성질을 잃어버리고 원자의 성질이 나타나는지 등의 문제들이다. 그래서 초기의 물리나 화학에서 나노과학분야의 연구는 주로 금속들의 크기를 나노미터 크기에서 다양하게 만들어서 그 물리적 성질들이 어떻게 변하는지에 관한 연구에 집중되었다.


3. 신소재 분야의 나노기술

 나노기술의 여러 분야들 중에서 가장 빨리 산업화된 분야가 바로 나노소재분야이며 가장 광범위하게 응용되고 있는 분야가 자동차의 부품들이다. 자동차 부품들은 연료절감을 위해 점점 경량화되면서도 안정성을 위해 기계적 강도가 우수하여야 한다. 일본의 도요타 자동차에서는 기존의 자동차 연료탱크보다 충격에 10배 이상이 강하며 무게는 1/3 이하로 훨씬 가벼운 새로운 소재로 만든 연료탱크를 개발하였다. 그런데 이 연료탱크가 바로 나노복합소재를 이용한 것이다. 복합소재란 두 가지 전혀 다른 종류의 소재를 혼합하여 두 가지 소재의 장점을 살려 향상된 성질을 가진 재료를 개발하는 기술이다. 도요타 연구소에서는 나노미터의 층간거리를 가진 층상구조의 clay와 같은 무기물이 층간에 고분자를 주입하여 세라믹의 강한 점과 고분자의 성형성을 접합하여 기존의 금속재료보다 성능이 훨씬 더 향상된 연료탱크를 개발하였다. 이 기술의 근간은 바로 이 나노미터 층간에 효과적으로 고분자를 도입하는 나노기술이다. 비슷한 방법으로 충격흡수가 훨씬 뛰어난 자동차 범퍼도 개발하여 현재 생산되는 자동차에 장착하였다. 작년 말 GM 자동차도 Thermoplastic Olefins(TPO)와 자연산 층상구조를 가진 점토와의 나노복합재를 개발한 것을 발표하였다. 이 복합재는 기존의 마이크로미터 크기의 복합재에 비해 훨씬 가볍고 단단하며 낮은 온도에서 충격에도 잘 견디는 등 여러 우수한 특징들을 가지고 있다.

 세라믹이나 금속분말을 수십 나노미터 크기로 만들고, 소결(sintering)하여 우리가 원하는 모양의 물체로 만들면 기존의 방법으로 만든 것들에 비해 그 기계적 강도가 5배 이상 향상되고, 그 소결온도(sintering temperature)가 500도 이상 저하되는 것으로 알려져 있다. 이런 나노미터 크기의 물질들은 나노구조물(Nanostructured materials), 나노상 물질(Nanophase materials), 나노결정 물질(Nanocrystalline materials) 등의 말로 표현되며 현재 화학공학이나 재료공학 분야에서 아주 활발한 연구가 진행되고 있다. 차세대 DRAM-반도체에서 핵심요소인 구리박막을 평탄화하는 CMP(Chemical Mechanical Polishing)공정에 필수적인 슬러리(slurry)는 바로 수 십 나노미터 크기의 알루미나, 세리아, 실리카와 같은 세라믹 나노입자가 산화환원 반응을 수행하는 화합물과 함께 용액 속에 분산되어 있는 것이다. 현재 국내에서 사용되는 CMP-slurry는 미국의 Cabot 등에서 전량 수입하고 있는 실정인데, 이 분야의 연구개발이 아주 중요하다고 하겠다.

 자성을 띠는 자철(magnetite)을 수십 나노미터 크기를 만들고 계면 활성제 등으로 안정화하여 콜로이드 상태로 만들면, 액체자석(magnetic fluids, ferrofluids)이 형성되는 되는데 이것들은 액체베어링, 초진공-실링 등의 공업적 응용과 암을 진단하는데 이용되는 자기진단시약 등 의학적으로 응용되고 있다 (아래 그림 참조). 그런데 이 액체자석을 만드는 과정이 아주 힘들기에 이것들의 가격이 그램 당 100달러를 상회할 정도로 고부가가치 상품이다.

 


4. 반도체 및 전자산업분야의 나노기술

 반도체 산업분야는 점점 더 좁은 영역에 더 많은 소자를 집적하는 방향으로 진행되고 있다. 현재 사용되고 있는 반도체 집적회로의 크기가 마이크로미터(백만분의 1미터) 수준에서 제어하는데 반하여 21세기에는 이것은 천분의 1인 나노미터 수준에서 소자들을 제어하는 나노기술이 본격화될 것이다. 이렇게 전자소자들을 나노미터 크기로 만들면 단전자 충전현상, 에너지 준위의 양자화 등의 여러  양자현상(Quantum phenomena) 들이 나타난다.

 


 반도체의 소량화가 지속되면 현재의 컴퓨터의 기본단위소자인 metal-oxide field effect transistor(MOSFET)는 2015년경에 그 한계점에 도달할 것으로 예상된다. 이 한계점을 해결할 수 있는 한 방법이 바로 나노기술을 이용한 단전자-트랜지스터(single-electron transistor)이다 (아래 그림 참조). 일반적인 field effect transistor는 소트(source)전극과 드레인(drain)전극 사이에 전도채널이 형성되어 있고, 제 3의 전극인 게이트전극에서 전압을 조절하여 전기를 통하거나 끊어주어on/off되면서 작동하는 것이다. 이에 비해 단전자-트랜지스터에서는 소스와 드레인 전극사이에 나노미터 크기의 반도체 입자를 배치하면 소위 단전자 충전현상(single electron charging effect)에 의해 한 개의 전자가 들어가고 나옴에 따라 on/off되어 작동하게 된다. 이 단전자 트랜지스터의 작동온도는 나노반도체 입자 크기가 작을수록 실온에서 작동하는데, 1998년 초까지도 아주 낮은 액체 헬륨 온도(수 캘빈, 섭씨 약 270도 부근)에서만 작동되었다. 그런데 작년 6월 프린스턴대학 전자공학과의Steve Chou 교수진은 나노미터 크기의 실리콘 양자점(quantum dot)을 산화실리콘 위에 만들어 실온에서 작동하는 단전자-트랜지스터를 개발하였다. 그러나 이 단전자-트랜지스터가 상용화되기 위해서는 여러 가지 해결해야 할 여러 문제들을 가지고 있다.

 지난 수년간 균일한 크기의 CdSe와 같은 반도체 나노입자들을 형성하고 소위  quantum- size effect  에 의한 전기적, 광학적 성질들을 연구하였다. 반도체 입자가 수 나노미터 크기가 되면 그 입자의 크기가 작을수록 반도체의 가장 중요한 성질인 밴드갭(band gap)이 커지는 현상을 보이게 된다. 이 성질을 이용하여 CdSe와 같은 반도체를 다양한 나노미터 크기로 형성하여 반도체-레이저 등에 응용하면, 단순히 입자의 크기만을 조절하여 다양한 파장의 빛을 낼 수 있을 것이다. 이 나노미터 반도체는 위에서 언급한 단전자-트랜지스터에도 아주 중요하데 응용된다.

 


또한 새로운 화학공정기술을 이용하여 기존의 마이크론기술의 한계를 극복한 새로운 여러 나노패터닝공정들이 개발되고 있다. 아래 그림에서는 프린스턴대학교의 초우(Chou)교수의 연구실에서 개발한 나노인프린팅 기술과 자기조립을 이용한 리소그래피기술의 예들을 보여 주고 있다. 이런 화학적인 방법을 이용한 여러 나노패턴 기술이 여러 반도체나 디스플레이 분야에서 더욱 중요해 질 것으로 생각된다.

 


   


5. 꿈의 기술 : 나노기술의 의학적 응용

 1999년 1월 1일자 발간된 Science지에는 미국 Cornell대학, U.of Washington, 일본의 동경공대 등의 연구진들은 여섯 개의 단백질로 만들어진 나노미터 크기의 모터가 우리 몸에 있는 에너지 원인 ATP(adenosine triphosphate)에 의해 구동되어 수십 나노미터의 크기의 플라스틱 공을 움직이는 것을 관찰한 것이 발표되었다 (아래 그림 참조). 이것은 소위 말하는 나노의학(Nano-medicine)의 시작을 알리는 아주 중요한 연구성과이다. 아직 이 나노의학기술이 실제 병원에서 응용되기까지는 많은 시간이 소요될 것이지만 이것이 성취되면 의학계에 혁명적인 변화를 가져와 암, AIDS 등과 같은 난치병들을 해결할 수 있을  것이다.

 


 병이나 건강이 나쁜 것은 실제로 분자단위나 세포단위에서의 문제에 의해 발생하는 것이다. 그런데 현대의 외과 수술기술은 이 세포단위보다 휠씬 큰 단위에서 이루어지고 있다. 세포단위에서 보면 어색할 정도로 큰 단위에서 치료가 시도되고 있는 것이다. 그래서 현대의 수술은 세포가 자기 자신의 힘으로 고치고 회복할 수 있는 능력을 가진 곳에서만 적용이 가능하다. 그런데 나노기술을 이용하여 인간의 세포보다 더 작은 분자단위의 나노컴퓨터, 나노기계, 나노센서 등을 만들 수 있게 된다. 이 분자단위의 나노기계(nano-machine)들은 혈관에 끼어있는 노폐물을 제거하여 심장병을 고치고, 암세포만 선택적으로 인식하여 죽이고, 작동 못하는 세포 내의 기관들을 대신하게 될 것이다. 현대의 인공심장이 가능하듯이 나노기술이 성숙되면 인공-미트콘드리아(artificial mitochondria)가 가능해 질것이다. 또한 나노미터 크기의 센서를 이용하여 현재의 진단기술이 상상할 수 없을 정도의 작은 세포 이하 크기에서 각 생리기관들이 어떻게 작용하는지를 확인할 수 있을 것이다

 위에서 여러 공학분야에 응용되는 나노기술을 열거해 보았는데 아직 이 기술이 우리 실생활에 도움을 주는 단계로 상업화되기 까지는 상당한 시간이 소요될 것이다. 여러 선진국에서 미래의 가장 중요한 기술로 이 나노기술과 관련된 연구개발에 집중적으로 지원하고 있는 것에 비추어 우리 나라에서도 나노기술에 관한 여러 분야의 과학기술자들의 활발한 연구가 기대된다


6. 나노기술의 화학공학 및 에너지 분야기술 응용

여러 산업 중에서 이미 광범위하게 나노기술이 적용되고 있지만 인식되지 못하고 있는 분야가 바로 여러 화학공학분야이다. 화학공업에서 빼놓을 수 없이 중요한 것이 바로 촉매들인데, 석유화학공정에서 사용되는 대표적인 촉매가 바로 백금, 파라듐, 로듐 등의 소위 백금족 금속들(Platimun group metals)인데 이들은 여러 촉매반응에 아주 우수한 성질을 나타내지만 너무 값이 비싸기 때문에 그대로 사용할 수 없고, 실리카나 알루미나 같은 담체에 고루 잘 분산된 형태로 사용하게 된다. 이렇게 분산된 금속의 실제 입자크기가 바로 10 나노미터 아래로 아주 작은 나노입자들이다. 현재 촉매공학에서 가장 중요한 것이 기존의 촉매에 비해 효율이 우수하고, 선택도가 좋으며, 수명이 긴 촉매재료들을 개발하려고 하는데 여기에 나노기술이 아주 중요하다고 하겠다. 나노미터 크기가 되면서 단위 부피 또는 질량 당 표면에 있는 원자의 수가 아주 많기에 활성이 아주 뛰어나고, 발크와 전혀 다른 성질을 가진 선택도를 가진 촉매들을 개발할 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이 나노미터 크기가 되면 그만큼 부피 당 표면적이 기하급수적으로 크지기 때문에 표면에서 화학반응이 일어나는 모든 소재에서는 아주 중요한데 위에서 언급한 촉매 뿐만 아니라 배터리, 연료전지 증에서도 아주 중요하다고 하겠다. 연료전지의 경우도 위의 촉매와 마찬가지로 백금족 금속들을 전극으로 이용하는데 이 금속들이 탄소 표면에 고루 나노미터 크기로 잘 분산되어 있어야 성능이 우수한 연료전지가 개발될 수 있다.

 

              연료전지                       리튬이차전지


전지나 연료전지, 촉매물질로 아주 중요한 재료가 나노세공을 가진 나노포러스물질(nanoporous materials)이다. 이 나노포러스 물질은 나노미터 크기의 균일한 세공들을 가지고 있기 때문에 그 표면적이 그램당 1000 평방미터 근처로 아주 크기 때문에 촉매입자들을 아주 많이 담지할 수 있어서 그만큼 활성이 뛰어난 여러 촉매/전지/연료전지 재료를 개발할 수 있게 된다. 아래에서는 대표적인 나노세공 물질인 메조포러스 실리카물질 (SBA-15 실리카)의 전자현미경 사진으로서 그 세공의 크기가 8 나노미터로 아주 균일하다.

 


에너지 발생 및 저장에서도 나노기술이 아주 중요한데, 이미 연료전지의 전극재료로 나노입자들이 중요하다고 언급한 바 있다. 차세대 청정연료로 각광을 받고 있는 수소의 경우 그 발생과 저장에 모두 나노기술이 중요하다고 하겠다. 즉 수소발생의 가장 중요한 방법의 하나로 광촉매반응에 의해 물을 분해하거나 광전지화학반응을 이용하는데 여기서 핵심기술이 바로 나노미터 크기의 반도체입자(예로 TiO2)를 잘 만드는 것이다. 또한 수소저장에서도 가장 가능성이 높은 방법으로 탄소나노튜브나 탄소나노섬유가 중요한 소재로 떠오르고 있다.


 7. 결언

위에서 살펴본 바와 같이 나노기술은 아직 상업화가 된 기술은 몇 가지 되지 않지만, 그 가능성은 무한하다고 하겠다. 특히 아직은 초보적인 기술만을 확보하고 있고, 그 가능성과 함께 투자위험도고 있기에 정부차원에서 체계적인 지원이 절실히 요구된다고 하겠다. 이 나노기술은 10년이 지난 2010년 경에는 정보기술, 생명공학, 에너지/환경기술에서 아주 중요한 역할을 감당해 낼 것으로 확신한다. 마치 현재 우리가 이해하고 알고 있는 나노기술은 빙산의 일각일 것이다. 아무쪼록 정부와 대기업들의 적극적인 기술투자가 기대되는 바이다.


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