나노기술이 세상을 어떻게 바꿀 수 있는가?
편집부(외신)

자연의 상향식(bottom-up) 성장 과정을 성공적으로 흉내내는 것이 가장 중요한 방향이다.

차세대 산업혁명은 나노기술이 될 것이다. 나노기술은 1959년 California Institute of Technology에서 진행된 P.Feynman의 ‘There’s plenty of Room at the Bottom’이란 제목의 유명한 강의에서 처음으로 소개되었다.
지난 25년 동안 물리학, 화학, 생물학에 큰 발전이 있어 왔다. 이러한 발전은 분자나 원자 정도의 매우 작은 크기, 즉 나노크기의 물질을 만들고 조절한다는 Feynman의 생각이 옮음을 증명했다.
나노기술은 수 나노미터에서 마이크로미터 이하의 크기를 갖는 물리적, 화학적, 생물학적 시스템의 물질 생산과 응용에 대한 기술이다. 나노기술은 또한 나노구조물들을 큰 시스템으로 집적하는 것에 대한 기술이기도 하다. 나노기술은 개별 원자의 연구에 대한 기술이기도 하다.
Drexler는 일찍이 나노기술을 ‘제품과 부산물을 고도의 정확성을 가진 시스템과 분자 기계공학을 포함한 분자 제조 과정에서 분자단위의 조절에 기반한 물질 컨트롤’이라고 정의한 바 있다.
이러한 정의는 분자 나노기술의 상향성(bottom-up) 접근법에 관련된 정의라고 할 수 있다. 여기서, 유기물과 무기물 구조는 원자 하나하나 또는 분자 하나하나에 의해 형성이 된다. 그러나 현재 기술은 여전히 하향성(top-down) 접근법에 의존하고 있다. 이 방법에서는, 벌크 재료가 기계적 가공과 식각 기술을 이용하여 나노크기의 입자로 작아지는 것이다.(그림 1)
Whatmore와 Corbett에 따르면, 나노기술의 주제는 나노 기술 외에 다른 방법으로는 얻어낼 수 없는 특정한 기능의 수행 또는 특징을 얻기 위해 나노미터 크기로 만들어진 거의 대부분의 물질 또는 소자를 포함하고 있다.
나노기술과 관련된 과학은 새로운 것이다. 그러나 나노크기의 장치와 물체는 생명체의 존재만큼이나 오래 존재해 왔다. 동물의 뼈나 연체동물의 껍데기와 같은 생체 물질의 뛰어난 기계적 성능은 칼슘 화합물의 나노결정 때문이다.
전복 껍데기의 나노화합물질은 탄수화물 단백질로 이루어진 접착제에 의해 결합되어 있는 나노크기의 칼슘 카보네이트(carbonate) 입자로 구성되어 있다. 나노구조의 형태는 껍데기가 고강도와 높은 취성을 갖게 하는데 칼슘 카보네이트의 나노블럭이 크렉의 발생을 막고 에너지를 분산시키기 때문이다.
상향식 성장과정에 대한, 보다 정확한 이해와 모방이 나노기술이 나아가야 할 가장 뚜렷한 길이다. 고대 사람은 나노크기의 물질을 유리에 사용하였다. 후대의 나노 물질을 이용한 예로는 사진을 들 수 있는데, 즉 빛에 민감한 은나노입자를 사용한 것이다.

나노튜브
현재 개발된 합성 탄소 중에 가장 성공한 것에는 플러렌(fullerence, C60)과 탄소 나노튜브가 있다. 탄소 나노튜브는 육각 링으로 구성된 흑연 판이 실린더 형태로 말려있고 끝에 플러렌의 반구가 붙어 있는 것으로 묘사되곤 한다.
단일벽 나노튜브(SWNT)의 대표적인 직경은 약 1.4nm인데 이는 에너지적인 필요성에 의한 것이다. 그뿐만 아니라 0.4~2.5nm의 직경을 갖는 단일벽 나노튜브도 합성되고 있다. 단일벽 나노튜브의 길이는 제한되어 있지 않아 수 마이크로에서 밀리미터 길이까지 만들 수 있다.
SWNT는 큰 가로세로 비를 가진 단일 분자로 구분될 수 있다. SWNT의 합성은 촉매를 사용하고 정확한 조건 조절을 통해 이루어진다. 생산 경로의 차이로 인해 다중벽 나노튜브(MWNT)가 만들어진다. MWNT는 다양한 지름을 가진 SWNT가 내부 모여 단일 개체를 이루고 있는 형태라고 설명할 수 있다. 대표적인 예가 동심원 형태의 MWNT이다.
나노튜브는 나노전자 소자(트랜지스터), 전자 현미경의 탐색 탐침, 생/화학 센서, 촉매 지지자, 가스 저장/분리 정치, 약 전달 시스템, 자동 치유 기술, 화합물, 강도 향상에 사용될 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브는 강철보다 20배나 더 큰, 약 45Gpa의 매우 큰 인장 강도를 가지고 있다.
나노튜브는 현재 사용되고 있는 섬유의 강도를 높이는 강화물질로 사용되기에 이상적이다. 나노튜브는 긴 길이를 지지해야 하거나 높은 높이를 갖는 구조물의 케이블에 사용될 수 있다.
그러한 케이블은 최근 제안된 우주 엘리베이터에 사용될 수 있을 것이다.

기타 나노 물질
나노물질은 형태에 따라 세 가지로 나뉠 수 있다: 양자 우물(한 차원만 나노크기), 양자 와이어(두 차원이 나노크기), 양자 점(세 차원이 나노크기). 나노기술에서 원칙적으로 말하는 구조는 양자 점이나 나노입자이다. 이는 원자가 1-1000nm 지름을 갖는 수십-수백의 원자 클러스터를 말하는 것이다.
나노입자가 상향식 접근법에 의해 만들어지면, 제조 조건에 따라 입자의 크기나 형태를 조절할 수 있게된다. 이들 입자는 나노결정이라고 생각할 수 있다. 입자 내의 원자는 완벽하게 정렬해 있다. 즉 결정이다.
물질의 크기가 마이크로 크기에서 나노 크기로 줄어들면 전기 전도도, 광흡수, 화학적 반응성, 기계적 특성이 급격하게 변하게 된다. 크기가 줄어듦으로써, 보다 많은 원자가 입자의 표면에 위치하게 되기 때문이다.
나노파우더는 상당히 넓은 표면적을 가지고 있다.(그림 2) 표면적은 표면 에너지와 표면 형태에 큰 변화를 유발시킨다. 이러한 요소는 나노물질의 기본 물성과 화학적 반응성을 바꾸게 된다. 물성의 변화는 보다 촉매 특성, 파장 검출 조절 능력을 띄게 되고, 보다 뛰어난 색소, 자기 세척과 회복이 가능한 페인트가 가능하게 한다.
나노크기 입자는 플라스틱과 고무의 기계적 성능을 향상시키는데 사용되어 왔다. 나노입자는 절단 공구를 보다 단단하게 만들고 세라믹 물질의 연성을 향상시켰다. 예를 들면, 세라믹 나노입자를 혼합함으로써 티타니아(titania)와 알루미나 나노 세라믹에서 연성이 보고되었다. 금속과 실리콘, 게르마늄의 산화물로 만든 새로운 나노물질은 파괴되기 전에 100-1000%가 늘어나는 수퍼플라스틱 거동을 보였다.
나노기술에 대한 지속적인 연구는 물질과 제조, 나노전자공학, 의학, 건강 보조, 에너지, 생체 기술, 정보 기술, 국가 보안 연구에 돌파구가 되어줄 것이다. 또한 지속적인 연구는 건설과 구조재료 분야에도 큰 발전을 가져올 것이다.

나노기술과 변화
나노기술은 변해왔으며 앞으로도 우리의 비전, 기대 그리고 물질 세상을 조절하는 능력을 계속해서 바꾸어줄 것이다. 이러한 개발은 건설과 구조재료에 큰 변화를 가져오게 될 것이다. 원자 단위의 구조와 마이크로크기나 나노크기의 물질의 강도와 경도를 측정할 수 있는 기술이 최근에 이루어졌다.
보다 구체적인 성과로는 비정질 C-SH젤의 높은 수준으로 정돈된 나노 결정, 자기 세척이 가능하고 퇴색 저항성이 있고 때가 잘 묻지 않는 페인트와 마감재료, 세기 세척 타일, 창문 유리 페인트와 광촉매 기술에 근거한 모르타르 그리고 탄소강 부식 보호와 창유리의 단열 향상에 사용되는 나노미터 두께의 박막 코팅이 있다.
새로운 나노공학 폴리머는 엄청난 에너지 흡수력을 가지고 있기 때문에 콘크리트와 고강도 섬유에 고효율의 가소성을 부여해준다. 실리카와 같은 나노입자는 폴리머와 콘크리트에 첨가되어 작업능력과 강도가 향상된 고성능, 자기 컴팩팅 콘크리트를 만들 수 있게 해주었다. 세계에서 가장 많이 사용되고 있는 포틀랜드 시멘트는 확실히 뛰어난 제품이지만 그와 동시에 아직까지도 더 개발할 여지가 충분히 있는 제품이다.
극도로 복잡한 시멘트 기반 물질의 나노수준의 정확하고 자세한 이해를 통해 보다 강하고 신뢰성이 있으며, 원하는 스트레스-스트레인 거동을 보이고 전기 전도도 뿐만 아니라 온도, 습도 스트레스를 감지할 수 있는 새로운 특성을 보이도록 처리할 수 있는 능력이 있는 콘크리트를 개발하여 콘크리트의 새로운 시대를 열지도 모른다.
동시에, 이 새로운 콘크리트는 비용-에너지 효율 측면에서도 현대 사회의 요구사항을 만족해 줄 것이다. 나노크기의 시멘트 화합물 또는 다른 나노크기 입자로 구성된 나노바인더 또는 나노 공학 시멘트 기반 물질이 차세대 제품 개발의 돌파구가 될 것이다.
나노기술은 아직 걸음마 단계이기 때문에 산업에 사용되기 위한 기초 연구가 한창이다. 그렇기 때문에 제품에의 완전한 적용은, 특히 건설 부문에서 아직 제한적이다. 그러나 기존 재료와 공정을 완전히 뒤바꿔 놓을 나노기술의 거대한 잠재력은 어느 누구도 부정할 수 없다.                       (Ceramic Bulletin)