실리콘 전자소자 대체 주목

나노(nano)는 희랍어로 난쟁이를 뜻하는 나노스(nanos)에서 유래한 말이다. 

▲표면 나노구조

 

10억분의 1(10⁻(9)을 나타내는 단위이다. 수소원자의 크기가 10⁻¹nm정도이므로 나노기술은 원자 혹은 분자의 단위를 다루고 있는 셈이다.
나노기술은 ‘새로운 산업혁명’을 견인할 수 있는 기술로 간주될 정도로 상당한 파급효과를 가지고 있다. 일차적으로 기능성과 효율성이 높은 물질의 개발을 통해 소재산업의 부가가치를 높일 수 있다.
또한, 정보통신 기술의 핵심인 집적도나 속도의 한계를 획기적으로 향상시킬 수 있고, 유전자 차원에서 질병을 진단하고 치료할 수 있는 방법을 개선할 수 있으며, 환경오염의 원인과 결과를 정밀하게 측정·제어할 수 있는 기초로 작용한다.

그러나, 나노기술의 무한한 가능성과 함께 건강에 어떤 영향을 미치는지에 대해서는 뚜렷한 근거가 없다. 막연한 불안감을 갖고 소비를 기피하고 있는 것도 사실이다.
우리나라의 나노기술 수준은 미국에 대비하여 2001년에는 25% 정도에 불과했지만 최근에는 70∼80%에 이르는 것으로 평가되고 있다.
무작정 좋은 것으로만 응용되는지 건강에 해를 끼치는 부작용은 없는지, 나노기술의 현재를 진단해 본다.

나노의 크기로 생각하기
 

입체를 구성하는 길이, 폭, 높이 중, 최소한 하나의 차원에서 100nm(나노미터) 이하의 크기를 갖게 되면, 동일한 큰 물체가 지닌 특성과 전혀 다른 입자, 층, 구조와 시스템이 된다. 이러한 변화는 특히 광학적 성질, 전기 전도도, 자기, 화학 반응성, 용융, 물질의 경도 또는 유동 특성과 관련이 있다.
이것을 이해하기 위해 상상력 실험을 해보자. 한 변이 1cm인 길이의 정육면체가 있다.
그 여섯 면은 각각 1㎠의 면적을 가지고 있다. 입방체의 표면 전체는 6㎠이다. 이제 미세한 톱으로 각 면을 10등분 하면, 한 변의 길이가 1㎜인 정육면체 1000개를 만들 수 있다. 큐브의 표면적은 불과 6평방 밀리미터지만, 천개의 주사위는 이제 60㎠을 소유하고 있다. 따라서 초기 석영블록의 표면적보다 10배 증가하게 됐다. 

▲표면에 독소없는 나노페인트(사진 말렉산더 리트케)

인내를 갖고, 다시 이 주사위를 분할하면 변의길이는 나노미터가 된다. 틸리아르데(Tilliarde: 0이 21개인 크기의 단위 1,000,000,000,000,000,000,000)나노 크리스탈큐브는 더 이상 육안으로 볼 수 없다. 그 표면의 합은 6000만㎠. 즉 6000㎡이다. 1㎤ 석영은 축구장 크기의 3/4에 해당되는 표면적을 갖게 됐다. 석영주사위 분쇄 실험은 표면적 커진 나노세계의 중요한 기능을 보여준다. 나노기술은 이미 다양한 산업제조 및 가공 방법에서 그것의 실용성이 발견됐다. 나노크기의 치수를 갖는 입자, 혈소판, 튜브 층의 표면 구조 또는 다공성 물질은 거의 모든 산업경제 분야에서 중요한 역할을 하고 있다.
예를 들면, 새로운 기능을 가진 나노기술 표면처리로 발수, 촉매, 항균효과, 반사방지 코팅, 절연, 부식방지, 스크래치에 저항성이 강하게 할 수 있다.

▲ MIT 엔지니어가 디자인한 마그네틱 셀 센서

환경 보호 및 지속 가능성 

 

증가하는 세계 인구를 고려할 때, 환경 분야에 미치는 나노기술의 영향력은 무엇보다도 중요하고 상당한 기여를 할 수 있다.

환경보호를 위한 나노기술의 목표로는 폐기물 부산물을 더 적게 만드는 효율적인 제조 공정을 통해 오염 물질을 감소시키고, 고효율 필터로 오염물질을 억제하기도 한다.
나노센서로 특정 유해물질에 근접하는 것을 입증하는 것도 가능하다. 먼지가 많은 작업장에는 미립자 필터를 이용 노동자의 건강을 보호 할 수도 있다.
토양, 물, 공기 등에서 더 짧은 주기, 더 낮은 비용으로 오염된 물질을 제거 한다.

▲ 유기염료와 나노입자로

몇 가지 예를 소개하면, 유해독소가 없는 페인트는 도장 공정에서 공작물 표면에는 화학적 또는 물리적 방법에 의해 형성하는 유기재료의 얇은 층이 입혀진다. 그러나, 전처리 단계에서 표면에는 먼지와 기름이 철저하게 제거 된 후에야 가능하다.나노기술은 전처리 단계에서 페인트의 밀착성을 향상시키고, 반응성 물질로 인해 화학적 변형 (부식)이 발생하는 것을 방지하는 표면 보호역할을 한다.

자동차 산업에서는 차체의 무게를 줄이기 위해 현재는 알루미늄(미래에는 마그네슘)이 많은 부품으로 사용되고 있다. 이러한 경량화 소재는 첨가제 없는 도장만으로는 대기산소와 빠르게 반응해 알루미늄 산화물이 된다.
이 금속은 처치 없이 래커의 층이 제대로 부착된 알루미늄 산화물을 형성하도록 산소와 빠르게 반응한다.
지금까지는 표면을 부식성 크롬산으로 처리했다. 이것은 이미 존재하고 있는 산화알루미늄을 없애는 동시에 알루미늄 크롬 옥시드(Aluminiumchromoxid) 접합층을 형성한다.

단점은 이 공정에서, 크롬(VI) 함유 폐기물이 발생한다는 것이다. 그들은 독성 및 발암성으로 간주되어 반드시 폐기해야한다. 한 독일 회사가 이 문제에 대한 대안으로 환경 친화적인 크로메이트 나노기술을 개발했다. ‘나노페인트는’ 직경 40-50나노미터 크기의 실리콘 나노입자 유기화합물(실란)과 결합물질이 포함되어 있다. 이들 입자는 졸겔(Sol- Gel)법에 의해 제조된다.

산업용 도장 공정에는 특별히 적용 할 수 없으나 도료자체는 종래의 보조재 없이 금속 및 플라스틱에 적용가능 하기 때문에 전처리 단계의 수를 10단계에서 2단계로 감소시켰다. 이것은 물과, 에너지 낭비를 크게 줄이는 효과를 낳은 것이다, 나노 광택처리로 기존에 대기로 날아가는 유기물의 65%를 줄일 수 있다. 필터에 나노기술을 적용한 예가 있다.

산업용 공기필터는, 가느다란 구멍이 있는 종이의 두꺼운 층으로 구성된다. 미세먼지 입자들은 막힐 때까지 그 구멍으로 점점 더 깊이 침투한다. 뒷면에서 강력한 압축공기를 불어 넣어도 모든 입자들이 나오지는 않는다. 종이에 있는 나노 섬유 머리띠는 미세입자의 큰 표면적으로 필터의 성능과 수명을 향상시킨다.

건강과 상관관계가 있는가?

나노입자는 미래를 바꿀 새로운 패러다임으로 정보, 에너지, 환경, 생명공학 등 각종 분야에서 활발히 응용되고 있으나, 미시적 특성에 의한 유해성 논란이 있었다. 국민들의 상당수는 나노라는 단어에 반감을 갖고 있기도 하다.
나노입자의 인체 유해성과 환경오염 문제를 최소화하는 것이 매우 시급한 과제이다. 나노기술의 유해성과 안전성이 이슈화되고 있는 만큼 관련 분야의 대응책 마련이 우선되어야 하며 나노기술 리스크 유형과 각각의 유형에 맞는 전략 수립이 필요하다.

2006년 11월 독일에서는 최초로 나노기술에 대한 소비자 컨퍼런스가 개최되었다, 그것은 소비자들이 이해할 수 있는 라벨을 요구하고 식품, 화장품, 섬유에 사용되는 ‘나노기술’ 제품에 대한 위험, 제품에 사용되기 전 잠재적 위험 등을 토론하기 위한 것이었다.

▲ 재료가 되는 에어로젤

안드레아스헨젤 교수(Prof. Dr. Dr. Andreas Hensel / BfR Budesinstitute fuer Risikobewertung 연방위험평가연구소) 소장은 “우리는 독일에서 처음으로 공공기관이 관·민이 합동으로 나노기술에 대한 소비자의 회의를 테스트 하고 있다”고 말했다.


또 “이러한 이벤트는 새로운 기술평가에 대해 소비자를 포함하는 과학적 논쟁이 적합하다는 것을 알 수 있다.
소비자는 매우 차별화된 고려대상이며 불확실한 최신 과학연구 및 상태에 관하여 잠재적인 나노기술의 위험이 대상이다. 비판적인 그들은 주로 식품에 나노물질의 사용을 고려하라”고 했다.

▲ 산업용 공기필터

화장품 및 섬유 분야에서 나노기술의 사용은 이미 예측한 것처럼 ‘명확하게 잠재적인 위험이 있다’는 소비자들의 관점이 우세하다. 그러나, 실제로 나노기술을 이용한 선크림의 경우 더 많은 UV보호를 제공해 피부암을 일으키는 것을 나노 입자로 상쇄시킬 수 있고, 작업장과 스포츠와 일상의류에서 적용되는 나노기술은 소비자 관점에서 더 나은 품질을 기대할 수 있다.

그럼에도 불구하고 유전자조작으로 생산한 농산물이 인간에게 어떤 영향을 미치는지 증명되지 않은 것처럼 나노기술로 만들어진 식품에 대해서도 유해성에 대해서 아직 명확하게 검증되지 않았다. 그래서 유럽에서는 소비자 건강보호의 맥락에서 제품포장에 나노기술로 제조했다는 것을 표기 하도록 되어있다. 2006년 이후 나노기술을 이해하기 위한 다양한 시도와 응용분야가 발표되었다.
차세대 핵심기술로 나노기술의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 세계 4대 나노기술 강국인 우리나라의 기술이 뒤처지지 않고 선진국에 대해 경쟁력을 펴기 위해서는 법적인 뒷받침과 대규모 연구지원이 절실하다. 

▲ 투명유연 나노소자 제작기술 (사진제공 성균 나노 과학 기술원 황 의헌 교수)

황의헌 성균관대학교 나노과학기술원 교수는 “나노기술은 실리콘 기반 전자 소자기술 개발이 한계에 다다르고 있다는 점에서 그 중요성이 매우 크게 부각되고 있다. 나노융복합 소재를 기반으로 하는 나노기술은 단원자층 수준까지 두께를 조절하거나 줄일 수 있기 때문에 실리콘기반 기술이 갖고 있는 문제를 단번에 해결하여 실리콘 전자소자를 대체할 수 있는 엄청난 응용 잠재력을 갖고 있다. 아래 그림에서 보는 것처럼, 나노소재/소자 기술 개발은 현재 한계에 부딪힌 실리콘 기반 반도체 기술에 돌파구를 열어 포스트-실리콘 시대를 가져올 수 있는 원동력이 될 것으로 보인다. 특히 나노기술은 저전력 정보처리 소자, 고유연성 웨어러블 소자등 미래 초연결사회에서 요구되는 기술의 해결책을 제공할 것으로 예상된다”고 나노기술의 전망을 진단했다.

 

 

 

 

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