나노기술이 미래를 바꾼다

1. 나노기술이란 무엇인가



나노시대가 온다



1959년 12월 어느 날, 미국 물리학회에서 40대 초반의 대학교수가 '바닥에는 풍부한 공간이 있다'라는 제목의 강연을 하고 있었다. 연사는 1965년 양자역학 연구로 노벨상을 받게 되는 리처드 파인만으로 분자의 세계가 특정한 임무를 수행하는 모든 종류의 매우 작은 구조물을 만들어 세울 수 있는 건물 터가 될 것이라고 예언하였다. 분자 크기의 기계, 즉 분자기계의 개발을 제안한 것이다. 그러나 참석자들은 대부분 이를 농담으로 받아들였다.

2000년 1월 어느 날, 미국의 빌 클린턴 대통령은 5억 달러가 투입되는 국가나노기술계획(NNI)을 발표하면서 "나노기술은 트랜지스터와 인터넷이 정보시대를 연 것과 같은 방식으로 21세기에 혁명을 일으킬 것"이라고 말했다. 그는 나노기술을 "미국 의회도서관에 소장된 모든 정보를 한 개의 각설탕 크기 의 장치에 집어넣을 수 있는 기술"이라고 설명하였다.

극미한 분자세계를 우주의 공간처럼 광대한 영역으로 상상한 파인만의 선견지명은 실로 놀라운 것이었다. 파인만의 아이디어가 훗날 분자기술로 구체화되었기 때문이다. 분자기술은 분자 하나하나를 조종하여 물질의 구조를 제어하는 기술이다. 분자는 나노미터(10억 분의 1미터)로 측정된다. 따라서 나노기술 이론가인 드렉슬러는 분자기술 대신에 나노기술이라는 용어를 만들어 냈다. 이 나노기술은 오랫동안 과학자들의 주목을 끌지 못했으며, 드렉슬러는 몽상가로 따돌림을 받았다. 그러나 2000년부터 나노기술은 국가적 차원의 관심사가 되었다.

나노기술의 연구가 가장 기대되는 부문은 생체전자공학으로 생명공학과 전자공학이 만나는 곳에서 태동한 신생 학문이다. 주요 연구목표의 하나는 생체 컴퓨터인데 이것은 그 개념이 아직 정립되어 있지 않고 연구활동 역시 여러 각도에서 다양하게 모색되고 있다. 그러나 이 생체 컴퓨터에 접근하는 방법은 모두 한 가지 공통점을 갖고 있다. 오늘날 컴퓨터에 사용되는 실리콘 반도체 대신에 단백질과 같은 유기분자를 사용하여 현재의 컴퓨터보다 속도가 빠른 컴퓨터 개발을 겨냥하고 있는 것이다.

생체 컴퓨터는 분자 컴퓨터, 나노 컴퓨터라 불리는데 드렉슬러에 따르면 나노 컴퓨터는 나노기술이 쏟아낼 제품의 한 가지 보기에 불과할 따름이다. 나노기계가 대량으로 보급되면 제조산업에 혁명적인 변화가 올 가능성이 높다. 오늘날 우리가 물건을 만드는 방식은 원자를 대량으로 움직이는 것이다. 그러나 나노기술은 원자 하나하나까지 설계도에 따라 만들 수 있으므로 물질의 구조를 완벽하게 통제할 수 있다. 드렉슬러는 다수의 어셈블러(분자기계)가 함께 작업하여 모든 제품을 생산하는 미래의 제조방식을 '분자 제조'라고 명명했다.

분자 제조기술이 산업에 미칠 영향은 한두 가지가 아니다. 먼저 나노기술로 원자 수준까지 물질의 구조를 제어하기 때문에 우리가 상상할 수 없을 정도로 다양하고 새로운 제품을 만들게 될 것이다. 또한 고장이 극히 적은 양질의 제품생산이 가능할 듯하다. 제품에 고장이 발생하려면 수많은 원자가 제자리를 벗어나야 하지만 나노기술로는 제품의 설계와 생산공정에서 원자 하나하나를 완전무결하게 통제하기 때문에 신뢰성 높은 제품의 출하가 가능한 것이다.

분자 제조기술의 충격은 아무래도 스마트 물질의 출현에서 극대화될 것 같다. 주위 환경을 감지하여 스스로 적절하게 대응하는 지능을 가진 물질을 스마트 물질이라 한다. 스마트 페인트, 스마트 가구, 스마트 옷감 등 분자 제조기술로 만들 수 있는 스마트 물질은 부지기수이다. 스마트 옷감의 경우 얇은 섬유 안에 빛, 습기 등을 감지하는 센서와 그 자료를 처리하는 컴퓨터, 컴퓨터의 결정에 따라 작동하는 모터 등 나노기계가 들어 있기 때문에 날씨나 습도 등 외부 환경의 변화에 따라 옷감 스스로 모양과 질감 등을 바꿀 수 있다는 것이다.

또 나노기술의 활용이 기대되는 분야는 나노의학이다. 인체의 질병은 대개 나노미터 수준에서 발생한다. 바이러스는 가공할만한 나노기계라 할 수 있다. 이러한 자연의 나노기계를 인공의 나노기계로 물리치는 방법말고는 더 효과적인 전략이 없다는 생각이 나노의학의 출발점이다. 바이러스와 싸우는 나노기계는 잠수함처럼 행동하는 로봇이다. 이 로봇의 내부에는 병원균을 찾아서 파괴하도록 프로그램 되어 있는 나노컴퓨터가 들어 있으며, 모든 목표물의 모양을 식별하는 센서가 부착되어 있다.

혈류를 통해 항해하는 나노로봇은 센서로부터 정보를 받으면 나노 컴퓨터에 저장된 병원균의 자료와 비교한 다음 병원균으로 판단되는 즉시 이를 격멸한다. 인체의 면역체계와 진배없는 장치이다. 또한 세포 수복기계라 불리는 나노로봇은 세포 안으로 들어가서 마치 자동차 정비공처럼 손상된 세포를 수리한다. 이론적으로는 나노의학이 치료할 수 없는 질병이 거의 없어 보인다.

나노기술은 이와 같이 우리가 물질을 다루는 방법을 바꾸는 데 그치지 않고 사회의 모든 부문에서 혁명적 변화를 초래할 것으로 전망된다. 낙관론자들은 나노기술을 인류가 직면한 건강이나 환경 등 제반 문제를 치유해 줄 만병통치약으로 여기고 있지만 부정적인 측면에서 사악한 목적을 가진 집단에 의해 이 나노기술이 전쟁이나 테러에 쓰인다면 그 파괴력은 과연 어떠할까? 게다가 어셈블러의 자기복제기능으로 인해 인간의 힘으로 통제불가능한 재앙이 발생할 개연성이 없지 않다.

아무튼 21세기 들어 미국과 일본 등 기술선진국은 물론이고 우리 나라 역시 정부 주도로 나노기술에 막대한 투자를 서두르고 있다. 나노기술은 미지의 세계로 첫걸음을 내딛기 시작했다. 그러므로 나노기술에 도전하는 과학기술자들이 노력할 때 낯선 풍경이 눈에 들어오듯이 전혀 예상치 못한 나노세계가 펼쳐질 것이다. 그리고 머지 않은 장래에 과학기술자들의 보따리 속에는 나노기술의 모든 수수께끼를 풀어 줄 열쇠가 들어 있을 것임에 틀림없다.

2. 나노기술의 알파와 오메가



거대한 나노기술



나노기술이란 나노미터 수준에서 물체들을 만들고 조작하는 기술을 통칭하는 말이다. 나노기술의 핵심은 원자나 분자의 수준에서 물질들을 조작하고 만들어서 전혀 새로운 성질과 기능을 가진 소자나 시스템을 구현하는 것이다. 나노기술은 그 자체로도 과학적인 흥미를 충분히 유발시킬 수 있을 뿐 아니라 앞으로 10년 안에 IT(정보기술), BT(생명기술), ET(에너지, 환경기술) 등의 여러 중요 기술에서 기술의 한계를 극복할 수 있는 방법으로 제시되고 있다는 점이 특히 중요하다.

나노기술의 여러 분야들 중에서 가장 빨리 산업화된 분야가 바로 나노소재 분야이며 그 가운데 자동차의 부품들에 가장 광범위하게 응용되고 있다. 자동차 부품들은 연료의 절감을 위해서는 점점 경량화되면서도 안정성을 위해서 기계적 강도가 우수해야 한다. 일본의 도요타 자동차에서는 기존의 자동차 연료탱크보다 충격에는 10배 이상 강하면서 무게는 1/3 이하인 새로운 소재로 만든 연료 탱크를 개발하였는데 이 연료탱크가 바로 나노 복합소재를 이용한 것이다.

복합소재란 두 가지 전혀 다른 종류의 소재를 혼합하되 두 소재의 장점을 살려 향상된 성질을 가진 새로운 재료를 개발하는 기술이다. 도요타 연구소에서는 나노미터의 층간 거리를 가진 층상구조의 클레이(clay)와 같은 무기물의 층간에 고분자를 주입하여 세라믹의 강점과 고분자의 성형성을 접합하여 기존의 금속재료보다 성능이 훨씬 더 향상된 연료탱크를 개발하였다. 이 기술의 근간은 바로 나노미터 층간에 효과적으로 고분자를 도입하는 나노기술이다.

1999년 1월 1일에 발간된 「사이언스」지에는 미국의 코넬대학과 워싱턴대학, 일본의 도쿄공대 등의 연구진들이 6개의 단백질로 만들어진 나노미터 크기의 모터가 우리 몸에 있는 에너지원인 ATP에 의해 구동되어 수십 나노미터 크기의 플라스틱 공을 움직이게 하는 것에 대한 관찰 사례가 발표되었다. 이것은 소위 나노의학의 시작을 알리는 아주 중요한 연구성과이다. 나노의학이 발전하면 의학계에서 혁명적인 변화를 가져와 암, 에이즈와 같은 난치병을 해결할 수 있을 것이다.

여러 산업 분야에서 이미 광범위하게 나노기술이 적용되고 있지만 잘 인식되지 못하고 있는 분야가 바로 화학공학 분야이다. 화학공업에서 빼놓을 수 없이 중요한 것은 바로 촉매이다. 석유화학공정에서 사용되는 대표적인 촉매는 백금, 파라듐, 로듐 등의 소위 백금족 금속들인데 이들은 우수하지만 너무 비싸 실리카나 알루미나 같은 담체에 고루 분산된 형태로 사용하게 된다. 이렇게 분산된 금속의 실제 입자 크기가 바로 10나노미터 이하로 아주 작은 나노입자들이다.

현재 촉매공학에서는 기존의 촉매에 비해 효율이 우수하고, 선택도가 좋으며, 수명이 긴 촉매 재료들의 개발이 가장 중요한 문제인데 여기에서 나노기술이 아주 중요하다. 촉매가 나노미터 수준의 크기가 되면서 단위 부피 또는 단위 질량당 표면에 있는 원자의 수가 매우 많아지기 때문에 활성이 아주 뛰어난 촉매들을 개발할 수 있다.

이처럼 나노미터 크기가 되면 그만큼 부피당 표면적이 기하급수적으로 커지는데 이것은 표면에서 화학반응이 일어나는 모든 소재에서 매우 중요하다. 따라서 앞에서 말한 촉매뿐 아니라 배터리, 연료 전지 등에서도 나노기술이 중요하다. 연료 전지의 경우도 촉매와 마찬가지로 백금족 금속들을 전극으로 이용하는데 이 금속들이 탄소 표면에 나노미터 크기로 고루 잘 분산되어 있어야 성능이 우수한 연료전지가 개발될 수 있는 것이다.

에너지 발생 및 저장에서도 나노기술이 아주 중요한데 차세대 청정연료로 각광을 받고 있는 수소의 경우도 그러하다. 수소를 만들어내기 위해서 광촉매반응에 의해 물을 분해하거나 광전지 화학반응을 이용하는데 여기에서 핵심이 되는 기술이 바로 나노미터 크기의 반도체 입자를 잘 만드는 것이다. 또한 수소 저장에서도 탄소 나노튜브나 탄소 나노섬유가 가장 가능성이 높은 중요한 소재로 떠오르고 있다.

바이오 산업에서 각광받는 나노기술



1953년 DNA 구조가 처음 발견되고 1970∼1980년대에 유전자 조작기술과 증식기술이 개발되었으며, 1990년에 인간 게놈 프로젝트가 시작되어 2000년에는 약 30억 개의 염기와 3∼4만 개의 기능 유전자로 구성된 인간 게놈 지도가 작성되었다. 그러나 인간의 유전자 중 40% 정도에 관해서는 아직도 정확한 기능을 알지 못하고 있는 상태로 약 100만 개의 단백질의 발현에 관한 연구가 여전히 진행되고 있다.

그런데 첨단 극미세 공학을 이용하여 생명현상의 근본 단위인 유전체를 다루는 극미세 도구를 만들 수 있게 된 이후 이를 이용한 나노바이오 연구와 관련 기술개발이 급속히 추진되고 있다. 이처럼 극미세 도구를 사용한 바이오 물질의 조작을 통해 나노 바이오 연구를 가속화할 수 있다. 유전체 구조와 기능을 분석하고 결함을 치료하고자 하는 유전체학, 유전자 정보를 이용한 단백질 합성 및 분석에 관한 단백질 공학, 줄기 세포의 배양과 장기 및 조직의 복제, 그리고 뇌 세포 및 신경 세포치료에 관한 세포의학, 또 바이오 물질대사와 조립에 관한 대사공학 등이 나노바이오 연구와 관련된다.

극미세 첨단공학기술을 근간으로 한 나노바이오 기술은 적용 분야와 범위가 급속히 확장되고 있을 뿐만 아니라 개발속도가 날로 빨라지고 있는 추세이다. 현재 약 500여 개의 바이오 표적에 대하여 약 3만 개의 의약품이 개발되었다. 향후 나노바이오 기술의 발전에 힘입어 표적의 개수가 약 3∼10만 개로 증대될 전망이다.

세계 바이오 시장의 규모는 약 1조 달러로 추정되며, 제약 시장의 규모만 해도 약 1500∼1600억 달러에 달한다. 이처럼 나노바이오 분야는 첨단공학과 바이오 기술이 융합된 신규 융합기술 분야로 미래 새로운 시장의 창출과 고부가가치 제품개발의 기회가 높은 분야이다. 현재 미국 내 상위 10여 개의 제약 회사들의 차지하는 순이익이 280억 달러에 달할 정도로 부가가치가 높다. 이러한 나노바이오 기술의 발전과 미래 고부가가치 시장에서의 경쟁력을 확보하기 위해서는 나노바이오 기술의 특징에 부합되는 기술, 인력과 시설을 확보하는 것이 가장 핵심적이다.

나노바이오 분야는 과학과 공학 간의 학제적 분야로서 생물학은 물론 수학, 물리학, 화학, 의학 등 기초과학과 기계공학, 전자공학, 컴퓨터 공학 등 공학기술 간의 새로운 결합이 필수적으로 요구된다. 나노바이오 기술의 학제성과 기술융합적 성격은 기존 학문 분야 간의 경계 소멸과 초분야적 재결집 그리고 폭넓은 분야의 기초지식과 전문성을 겸비한 창의적인 인재 양성을 필요로 한다.

국내 나노바이오 전문인력 양성에 관한 장애 요인으로 국내 대학의 학제적인 교육 체계와 운영 시스템의 미성숙을 들 수 있다. 나노바이오 전문인력 양성을 위해서는 나노 영역에서의 물질 및 현상에 관한 과학적 기초지식과 이를 토대로 하는 학제적인 공학기술 교육이 필요하다. 따라서 학과 및 학문 분야 위주의 교육 시스템과 운영체계에서 탈피하여 효과적이고 집중적인 학제적 교육을 실행하고 관련 전문인력 양성체제를 구축해야 하는 현실적인 과제가 남아 있다.

3. 한국 나노기술의 미래



한국의 나노기술



현재 우리 나라의 나노기술 수준은 초기 단계로 연구인력, 연구개발비, 연구기반시설 등에서 선진국의 1/10 수준이다. 세계기술평가센터(WTEC)보고서에 의하면 우리 나라의 기술력은 미국, 일본 등 선진국의 25%로 평가되고 있다.

하지만 우리 정부는 나노기술이 신산업 창출의 성장 엔진이 될 것이라는 확신을 가지고 나노기술 개발의 세계적 추세에 발빠르게 대응하고 있다. 2001년 7월, 대통령 주재 국가 과학기술발전위원회에서 나노기술 발전의 청사진을 담은 나노기술 종합발전계획을 수립·확정하였다. 이 계획은 앞으로 10년 간 1조 5천억 원을 나노기술 분야에 투입하여 세계 5위 수준의 기술 경쟁력을 확보하려는 비전을 담고 있다. 또한 1만 3천여 명의 나노 전문인력을 양성하고 나노기술의 산업화에 필수적인 나노 제조장비 기반시설을 구축할 계획도 있다.

우리 정부는 창의연구사업, 프론티어 연구사업, 국가지정연구실사업, 우수연구센터사업 등의 대형 연구사업을 통해 나노기술과 관련된 50여 개의 연구집단에 연구비를 집중적으로 투입하고 있다. 최근 이들 연구그룹에서 세계적 수준의 기초 연구업적들이 나오고 있어 나노기술 개발에 희망을 주고 있다. 특히 우리 나라는 나노소재와 나노소자 분야가 강점 분야로 이들 분야에서 좋은 연구결과가 속속 나오고 있다.

예를 들면 나노소재 분야에서 포항공대 김광수 교수팀은 세계에서 가장 얇은 직경 0.4나노미터의 금속선을 제조하는 데 성공하였다. 원자 2개에 해당하는 굵기로 선을 만든 것이다. 카이스트 유룡 교수팀은 자기 조립방법에 의해 규칙적 배열의 나노 포러스 물질 제조에 성공하여 세계 최고의 학술지인 「네이처」의 표지에 실리는 개가를 올렸으며, 서울대 최만수 교수팀에서는 수십 나노미터 직경의 일정한 나노입자 제조에 성공하였다. 또한 카이스트 신성철 교수팀은 원자층 두께의 정밀도로 니켈 자성 박막을 인위적으로 조작하여 새로운 자기적 특성을 얻을 수 있음을 발견하였다. 나노소자 분야에서도 여러 가지 세계적 수준의 업적이 나오고 있다. 직경 5나노미터 실리콘 양자점을 이용하여 상온에서 작동되는 단전자 트랜지스터, 50나노미터급 반도체 트랜지스터, 양자점을 이용한 적외선 감지 소자가 개발되었다.

한편 국내 민간기업에서도 신상품 혹은 기존 제품의 부가가치 창출을 위해 나노기술 연구에 박차를 가하고 있다. 국내의 대표적 전자업체인 삼성전자, LG전자, 하이닉스에서 기존의 반도체 소자의 소형화를 위해 나노CMOS, 단전자 트랜지스터, 단전자 메모리를 연구하고 있다. 나아가 현재 반도체 메모리의 나노영역에서 예상되는 문제점을 극복할 수 있는 자기 메모리(MRAM)와 유전체 메모리(FRAM)의 개발을 서두르고 있다. 또한 주사탐침기술을 이용하여 정보 저장 비트의 크기가 10나노미터 정도인 테라급 정보저장 기술을 개발하고 있다. 그리고 최근 각광받는 신소재인 탄소 나노튜브를 응용한 디스플레이, 트랜지스터, 고집적 메모리 개발을 진행하고 있다. 화학 관련 업체인 SK케미칼, LG화학 등에서는 고기능성 유기물 분해 나노분말과 고강도 나노 복합체를 개발하고 있으며, 나노테크, 나노폴 등 나노 관련 벤처회사들 또한 속속 설립되어 나노기술의 상품화를 추진하고 있다.