나노기술

나노기술(나노테크놀로지)은 적어도 한 차원의 크기가 1~100나노미터(nm)인 물질을 다루는 기술이다. 흔히 나노스케일이라 불리는 이 규모에서는 표면적과 양자역학적 효과가 물질의 성질을 설명하는 데 중요해진다. 이러한 나노기술의 정의에는 이 특수한 성질을 다루는 모든 종류의 연구와 기술이 포함된다. '나노기술들(nanotechnologies)' 또는 '나노스케일 기술(nanoscale technologies)'이라는 표현이 규모라는 공통점을 가진 연구와 응용을 가리키는 데 흔히 쓰인다. 이전에 통용되던 나노기술의 개념은 거시 규모의 제품을 제조하기 위해 원자와 분자를 정밀하게 조작한다는 특정한 기술적 목표를 가리켰는데, 현재 이는 분자 나노기술이라 불린다.

'나노기술'의 유의어로 나노과학(즉 나노물리학, 나노화학, 나노생물학, 나노정보학)이 있다. 다만 '나노과학'이라는 용어는 이 분야의 순수 과학적 측면을 강조하는 반면, 나노기술과 그 방법 및 공정(예: 나노리소그래피, 나노바이오센싱)은 응용 나노과학(예: 나노공학, 나노의학)의 구체적인 산출물이다.

규모로 정의되는 나노기술에는 표면과학, 유기화학, 분자생물학, 반도체 물리학, 에너지 저장, 공학, 미세제조, 분자공학과 같은 과학 분야가 포함된다. 관련 연구와 응용은 기존 소자 물리학의 확장에서부터 분자 자기조립까지, 나노스케일 차원의 새로운 소재 개발에서부터 원자 규모에서의 물질의 직접 제어에 이르기까지 폭넓다.

나노기술은 나노의학, 나노전자공학, 농업 분야, 생체재료 에너지 생산, 소비재 등 다양한 응용 분야에서 새로운 소재와 장치를 만들어낼 수 있다. 그러나 나노기술은 나노소재의 독성과 환경 영향에 대한 우려, 세계 경제에 미칠 잠재적 영향, 그리고 여러 종말론적 시나리오 등 여러 문제를 제기한다. 이러한 우려는 나노기술에 대한 특별한 규제가 정당한지를 두고 시민단체와 정부 사이에서 논쟁을 불러일으켰다.

출처: Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

기원

나노기술의 씨앗이 된 개념들은 1959년 물리학자 리처드 파인먼이 강연 '바닥에는 풍부한 공간이 있다(There's Plenty of Room at the Bottom)'에서 처음 논의했다. 이 강연에서 그는 원자를 직접 조작하여 합성하는 가능성을 설명했다.

'나노-기술(nano-technology)'이라는 용어는 1974년 다니구치 노리오가 처음 사용했으나 널리 알려지지는 않았다. 파인먼의 개념에서 영감을 받은 K. 에릭 드렉슬러는 1986년 저서 《창조의 엔진: 다가오는 나노기술의 시대(Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology)》에서 '나노기술'이라는 용어를 사용했는데, 이 책은 대중적으로 성공을 거두며 나노기술을 대중의 영역으로 밀어 넣는 데 기여했다. 그는 이 책에서 원자 수준의 제어로 자기 자신의 복제본과 임의의 복잡성을 가진 다른 물품들을 만들어낼 수 있는 나노스케일 '조립기(assembler)'라는 아이디어를 제안했다. 또한 1986년 드렉슬러는 나노기술 개념과 그 함의에 대한 대중의 인식과 이해를 높이기 위해 포어사이트 연구소(The Foresight Institute)를 공동 설립했다.

1980년대에 하나의 분야로서 나노기술이 등장한 것은, 개념적 틀을 발전시키고 대중화한 드렉슬러의 이론적·대중적 작업과, 이 분야의 전망에 추가적인 관심을 끌어들인 실험적 진보가 수렴한 결과였다. 1980년대에 두 가지 돌파구가 나노기술의 성장을 촉발하는 데 기여했다. 첫째, 1981년 주사터널링현미경(STM)의 발명으로 개별 원자와 결합을 시각화할 수 있게 되었고, 1989년에는 개별 원자를 성공적으로 조작하는 데 사용되었다. 이 현미경의 개발자인 IBM 취리히 연구소의 게르트 비니히와 하인리히 로러는 1986년 노벨 물리학상을 받았다. 같은 해 비니히, 퀘이트, 게르버는 이와 유사한 원자력현미경(AFM)도 발명했다.

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둘째, 1985년 해리 크로토, 리처드 스몰리, 로버트 컬이 풀러렌(버키볼)을 발견했고, 이들은 함께 1996년 노벨 화학상을 받았다. C60은 처음에는 나노기술로 설명되지 않았으나, 나노스케일 전자공학과 장치에 대한 잠재적 응용 가능성을 시사한 관련 탄소 나노튜브(때로는 그래핀 튜브 또는 버키 튜브라 불림)에 관한 후속 연구와 관련해 이 용어가 사용되었다. 탄소 나노튜브의 발견은 1991년 NEC의 이지마 스미오의 공로로 인정되며, 이지마는 그 공로로 2008년 제1회 카블리 나노과학상을 받았다.

출처: Wikimedia Commons, Public domain

2000년대 초, 이 분야는 과학적·정치적·상업적 관심을 더 많이 받게 되었고, 이는 논쟁과 진보 양쪽을 모두 불러왔다. 영국 왕립학회의 나노기술 보고서가 보여주듯 나노기술의 정의와 잠재적 함의를 둘러싼 논쟁이 일어났다. 분자 나노기술 옹호자들이 구상한 응용의 실현 가능성에 대한 문제 제기가 있었고, 이는 2001년과 2003년 드렉슬러와 스몰리 사이의 공개 논쟁으로 정점에 달했다.

한편 나노스케일 기술의 발전에 기반한 상업 제품들이 등장하기 시작했다. 이 제품들은 나노소재의 대량(bulk) 응용에 국한되었으며 물질의 원자 단위 제어를 포함하지는 않았다. 몇 가지 예로는 은 나노입자를 항균제로 사용하는 실버나노(Silver Nano) 플랫폼, 나노입자 기반 자외선 차단제, 실리카 나노입자를 이용한 탄소섬유 강화, 얼룩 방지 직물을 위한 탄소 나노튜브 등이 있다.

각국 정부는 나노기술 연구를 촉진하고 자금을 지원하기 시작했다. 예를 들어 미국의 국가나노기술계획(National Nanotechnology Initiative)은 나노기술에 대한 크기 기반 정의를 공식화하고 연구 자금을 마련했으며, 유럽에서는 연구·기술개발을 위한 유럽 프레임워크 프로그램을 통해 이루어졌다.

2000년대 중반에 이르러 과학적 관심이 본격적으로 번성하기 시작했다. 나노기술 로드맵은 물질의 원자 수준 정밀 조작을 중심에 두고 기존 및 예상되는 역량, 목표, 응용을 논의했다.

기본 개념

나노기술은 분자 규모에서 기능적 시스템을 다루는 과학이자 공학이다. 본래의 의미에서 나노기술은 아래에서 위로(bottom-up) 완전하고 고성능인 제품을 만들어내는, 앞으로 가능해질 능력을 가리킨다.

1나노미터(nm)는 10억분의 1, 즉 10⁻⁹미터이다. 비교하자면, 전형적인 탄소-탄소 결합 길이, 즉 분자 내 이 원자들 사이의 간격은 0.12~0.15nm 범위이고, DNA의 지름은 약 2nm이다. 한편 가장 작은 세포 생명체인 마이코플라스마속 박테리아의 길이는 약 200nm이다. 관례상 나노기술은 미국 국가나노기술계획에서 사용하는 정의에 따라 1~100nm의 규모 범위로 간주된다. 하한은 원자의 크기로 정해지는데(수소가 가장 작은 원자를 가지며, 운동학적 지름이 약 0.25nm이다), 상한은 다소 임의적이지만 더 큰 구조에서는 관찰되지 않는 현상이 나타나기 시작하여 활용할 수 있게 되는 크기 부근이다. 이러한 현상은 나노기술을, 동등한 거시적 장치를 단순히 소형화한 장치와 구별 짓는다. 그러한 소형화 장치는 더 큰 규모에 속하며 마이크로기술의 범주에 들어간다.

이 규모를 다른 맥락에 빗대자면, 나노미터와 미터의 상대적 크기 비율은 구슬과 지구의 크기 비율과 같다.

출처: Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

나노기술에서는 두 가지 주요 접근법이 사용된다. '아래에서 위로(bottom-up)' 접근법에서는 분자 인식 원리에 따라 화학적으로 스스로 조립되는 분자 구성요소로부터 소재와 장치를 만든다. '위에서 아래로(top-down)' 접근법에서는 원자 수준의 제어 없이 더 큰 개체로부터 나노 물체를 만든다.

나노전자공학, 나노역학, 나노광학, 나노이온공학과 같은 물리학 분야가 나노기술의 과학적 기반을 제공하기 위해 발전해 왔다.

큰 것에서 작은 것으로: 소재의 관점

시스템의 크기가 작아지면서 여러 현상이 두드러진다. 여기에는 통계역학적 효과뿐만 아니라 양자역학적 효과도 포함되는데, 예를 들어 전자적 성질이 변화하는 '양자 크기 효과(quantum size effect)'가 있다.

출처: Wikimedia Commons, CC BY 2.5