해외기술

실험실에서 연구되던 나노 과학의 시장 진입

 편집부(외신)

계속 쏟아져 나오는 제품들과 낙관론-매우 이윤적인-은 과학의 발전과 함께 이루어진다.

메르세데스 벤츠는 자동차에 생기는 스크래치를 방지하기 위하여 지속성 있는 페인트를 찾기 시작하면서 사업을 시작하였다. 자동차 제조업자는 아주 미세한 세라믹 입자를 포함하는 래커를 제거해야만 한다. 왜냐하면 페인트가 조립공장에 있는 페인트 샵 오븐에서 굳어질 경우 세라믹 입자들이 서로 반응하여 래커가 더욱 단단하게 굳어지기 때문이다.
래커의 스프링코트는 스크래치 난 부위의 착색된 베어링 페인트를 보호하는 데 아주 효과적이다. 이러한 스크래치는 특히 기계식 세차를 하는 경우 자주 나타나게 된다. 메르세데스 벤츠의 기술자들은 자동차의 지속적인 세차를 통하여 누적된 래커를 기존의 방법으로 제거하는 것과 비교하여 나노 과학기술을 이용하면 페인트의 광택이 40%의 향상되는 것을 발견하였다.
메르세데스 벤츠는 2003년 말부터 자동차 생산 공정에 이러한 나노 과학기술을 사용하고 있다.
이것은 봄 비 내린 후에 자라나는 꽃과 같이 시장에서 우후죽순처럼 생겨나는 나노 애플리케이션 중 하나의 예일 뿐이다. 또한 몇몇 사람들은 이처럼 아주 미세하게 가공되는 재료가 인간의 건강과 환경에 영향을 줄 수 있다고 한다.
미세한 입자를 조절(Woodrow Wilson 국제 센터에서 최근 진행되고 있는 나노 과학기술에 관하여 학자들이 연구하고 있는 프로젝트)하기 위하여 어떠한 위험한 요소들이 있을지는 두고 보아야 하지만 다양한 분야에서 매우 가치 있고 잠재적인 이익을 기대할 수 있다. 위에서 언급한 것과 같이 이미 몇몇 분야에서는 많은 효과를 보고 있으며 더 많은 이익이 기대되고 있다.

광범위하고 깊게 나타나고 있는 잠재성
나노 과학기술의 효과가 어떤 분야로 어디까지 영향을 미칠지 예상하여 볼 수 있다. 아마도 모든 분야에서 모든 부분에 나노 과학기술의 영향을 받게 될 것이다. 심지어 콘크리트와 같은 아주 흔한 재료도 나노 과학기술의 영향에서 벗어나지 못할 것이다.
실질적으로 건축물에서 오랫동안 사용하여 온 콘크리트로 만들어진 시멘트는 세계에서 가장 널리 사용되는 물질이다. 시멘트는 연간 2조톤 이상 생산되고 있다. 평범하고 오래 사용되고 있는 것들은 일정한 분야에서만 영향을 미친다. 그러나 나노 과학기술은 현재 적용되고 있는 많은 분야와 아직까지는 적용되고 있지 않는 분야까지 널리 이용될 수 있기 때문에 아주 놀라운 것이다.
MIT에 있는 엔지니어들이 시멘트 특성의 향상을 위하여 찾고 있는 것은 콘크리트의 강도와 경도, 낮은 비용이 아니라 시멘트를 생산할 때 생성되는 이산화탄소의 양을 감소시키는 것이다. 
콘크리트는 지구 온난화의 중요한 원인으로 대략 5~10%의 이산화탄소를 배출한다. Franz-Josef Ulim과 Georgios Constantindies는 그들의 목표를 달성하기 위하여 콘크리트와 비슷한 강도의 나노 입자 조직을 지닌 물질을 조사하였다.
도시환경공학 교수인 Ulim은 “만약 모든 것들이 물질 자체의 특성보다는 콘크리트를 구성하는 나노 입자의 조직 구조를 따르면 우리는 아마도 콘크리트의 다른 특성-강도, 지속성, 부피, 낮은 가격 -을 가지고 있는 물질로 대체할 수 있고, 제조하는 동안 대기로 방출되는 이산화탄소의 양을 감소시킬 수 있을 것이다”라고 말했다.
재료공학과 박사과정 연구원인 Georgios Constantindies는 “건축 산업은 경험적 자료에 많이 의존하지만 시멘트의 물리적 특성과 구조는 아직까지 정확히 알려지지 않았다”고 한다. 또 “현재 나노 압입 장비는 널리 쓰이고 있다. -1990년대에는 나노 압입 장비가 전 세계에서 오직 4~5대밖에 없었으나, 현재는 MIT에만 5대의 장비가 있다- 우리는 이 장비를 이용하여 아주 작은 배율에서 재료 역학과 구조 역학을 연구할 수 있다”고 한다.

새로운 장비와 새로운 견해
위에서 언급한 장비는 나노 연구가 활성화되는 데 중요한 역할을 한다. 모든 것은 항상 나노 크기로 존재하지만 우리는 이것을 인지하지 못하고 있다.
CJEC(Congressional Joint Economic Committee)에서 연구한 ‘나노 과학기술: 당신이 생각하는 것보다 미래는 가까이 있다’에 따르면, “연구자들이 편리하게 사용할 수 있고 물질을 원자 단위로 제어할 수 있는 새로운 장비의 개발로 나노 과학기술은 더욱 발전할 것”이라고 한다. 보고서는 나노 과학기술에 크게 기여할 수 있는 발전된 장비로서 주사터널현미경, 자기공명현미경, 전자현미경을 언급하였다. 나노 범위에서 관찰·조작·측정하기 위한 더 좋은 장비가 개발되면 나노 과학을 더욱 잘 이해할 수 있게 되고, 나노 과학을 연구하기 위한 더 좋은 능력을 갖게 될 것이다.   
최근에 연구되고 있는 나노 과학기술에 대한 프로젝트도 함께 진행되었다.
Karen Dchmidt는 프로젝트의 간행물인 나노 프런티어에 “이렇게 현실과는 다르게 보이지 않는 범위를 측정할 수 있는 장비가 없었다면 나노 과학기술은 존재하지 않았을 것이다”라고 기재하였다. 이 나노 프런티어는 프로젝트 팀, 미국국립과학재단(NSF), 국제 건강협회로 구성되어 있으며, 나노 과학기술의 미래를 전망하고 프로젝트의 결과를 싣고 있다. 나노 장비들의 사용은 그리 오래되지 않았다. 1960년대 미국 국립표준국(현재 미국표준기술연구소(NIST))의 연구자들은 극히 작은 범위에서 재료의 표면을 주사하고 시각화시킬 수 있는 Topografiner라는 장비를 개발하였으며, 이 장비의 등장으로 인하여 1980년대 나노 장비들과 주사터널현미경(STM)이 개발되고 이것을 널리 이용하기 위한 중요한 기반이 마련되었다.
과학자들은 이 주사터널현미경(STM)의 사용으로 물질의 주사 위치를 더욱 정교하게 조절할 수 있게 되었고, 처음으로 물질의 1나노미터 크기를 관찰할 수 있게 되었다.

나노 과학기술의 현재 위치
만약 우리가 어떻게 현재 위치에 있는지 알지 못한다면 우리는 우리가 어느 상태에 있는지 완벽히 이해하기 힘들 것이다. 이제 우리는 나노 과학기술을 둘러보고 나노 과학기술이 현재 어디에 있고 어느 상태인지 알아야 한다.
나노 과학기술은 일정한 장소에서 연구되는 것이 아니라 전 세계 수많은 연구 시설에서 진행되고 있다. 또한 나노 과학기술은 많은 분야에서 대립하고 있다.
Joint Economic Committee 연구실은 특히 나노 과학기술을 6개의 분야로 세분화시켰다. 하지만 이 세분화는 많은 충돌을 피해갈 수는 없을 것이다. 왜냐하면 재료 과학 또는 재료 공학, 세라믹을 목록에 포함시키지 않았기 때문이다. 6개의 분야로 세분화 된 나노 과학기술은 아래와 같다. 알파벳 순서로 배열 :
.생물학
.화학
.컴퓨터 과학
.전기 공학
.기계 공학
.물리학
물리학과 화학은 목록에 포함되었다. 왜냐하면 원자와 분자는 각각 물리, 화학의 힘과 프로세스에 의하여 제어되기 때문이다. 생물학은 나노 과학기술이 의학적, 유전적 애플리케이션을 지향한다는 점에서 목록에 포함되었다. 또한 생물학은 나노 범위에서 생물이 어떻게 행동하는지 이해하는 데 많은 도움을 준다. 컴퓨터의 발달과 함께 이루어진 컴퓨터의 소형화는 컴퓨터 과학이 목록에 포함되는 결정적 역할을 하였다.
현재 사용되고 있거나 앞으로 개발될 나노 장비는 모두 중요한 의미를 가질 것이다. 또한 나노 장비는 기계 공학적으로 디자인되고 가공될 것이다. 왜냐하면 모든 장비들을 동작시키기 위해서는 전력이 필요하기 때문이다. 이러한 이유로 전기 공학은 나노 과학기술에 포함되었을 뿐만 아니라 전기 공학에 의한 에너지의 효율적 사용을 통하여 에너지를 필요로 하는 다른 곳으로 에너지를 공급해 줄 수 있을 것이다.

세라믹의 위치
세라믹과 재료 공학을 포함시키지 않은 것은 아주 치명적인 실수이다. 사실 지금까지 크기가 가장 작은 단위의 연구는 전문적이고 기술이 발전된 세라믹을 통하여 이루어졌다.  나노 범위에서의 작용을 보기 위하여 앞서 말한 콘크리트를 면밀히 조사할 필요가 있다. MIT에서 연구한 결과를 보면 Franz-Josef Ulim과 Georgios Constantindies는 나노 크기의 규모에서 자연스럽게 고밀도로 꽉 찬 구조로 구성되어 있고 형태가 둥근 시멘트 입자를 발견하였다.
수많은 구형으로 구성된 피라미드와 같은 형태의 이 구조는 재료의 강도를 높이는 역할을 한다. 이 구조는 두 명의 연구자가 이산화탄소의 배출을 줄이기 위하여 발견한 구조이다.      세라믹에 대한 나노 과학기술의 중요성과 나노 과학기술에 대한 세라믹의 중요성은 Society’s 31st 국제회의와 세라믹의 발전에 관한 박람회, 1월에 Daytona Beach에서 개최된 심포지엄에서 잘 설명되었으며, 재료, 합성, 공정, 구조에 관한 섹션뿐만 아니라 산업의 발달과 나노 물질의 적용을 다룬 섹션도 있었다. (이 심포지엄에서 발표된 약 20편의 논문은 ‘나노 구조의 물질과 나노 과학기술’, John Wiley와 Sons, ACerS이 공동으로 연구하여 9월에 발행될 Ceramic Engineering & Science Proceedings, Vol. 28, Issue 6, 2007에서도 유효할 것이다.)
BASF, Bayer, Buhler, Rice 대학은 이 섹션의 대표되는 그룹들이다.
Bayer의 프레젠테이션은 BMS(Bayer Material Science) 그룹이 현재 수행하고 있는 나노 과학기술 연구뿐만 아니라 성공적으로 상품화된 제품에도 초점을 맞추었다. 4월 초에 파리에서 열린 JEC Composites Show에서 BMS의 고성능 Carbon Nanotubes Baytubes가 서프보드와 스키에 사용될 것이라고 발표하였다.
BASF의 프레젠테이션은 ‘BASF에서의 나노 과학기술: 무한한 가능성의 미래를 위한 혁명’이란 표제를 붙였다. 수 백 나노미터보다도 작은 적어도 하나의 공간에서 구성 요소의 생성과 존재를 포함하여 물질과 작용하는 어떤 것이든지 BASF에게는 새로운 것이 아니다.
또한 프레젠테이션은 회사가 환경과 에너지 보존에 어떻게 초점을 맞추었는지 상세히 설명하였다. “표본의 범위는 저장과 전환, 다른 형태로의 에너지 보존을 위한 새로운 물질, 우수한 절연을 위한 메소물질과 나노 기공물질, 휴대용 연료 전지를 위한 더욱 효율적인 수소 저장 장치에서부터 Ultradur High Speed와 같은 가공된 플라스틱까지 포함한다.
Buhler는 프레젠테이션에서 직접적으로 세라믹을 인용하였다. Buhler는 ‘현재 사용되는 제품에서 세라믹 나노 입자의 산업적 전환: 기술 혁신 가능성 전개’라는 표제로 코팅, 플라스틱, 전자제품, 소비용품, 이 외의 다른 제품들의 첨가제로서 세라믹 나노 입자들을 효과적으로 분산시키기 위한 방법을 심도 있게 연구하였다. 하지만 나노 입자가 지닌 잠재적 능력을 완전하게 실현시키기 위해서는 좀 더 발전된 공정 기술이 필요하다.
Rice는 ‘나노 물질과 과학기술의 산업적 적용에 관한 논쟁’이라는 프레젠테이션에서 시장에 나노 물질의 진입 시 문제될 수 있는 장벽이 무엇이며 어디에 나노 물질이 가장 적합하게 적용되는지에 대한 조사를 하였다. 현재 진행 중인 또 다른 논쟁은 여러 기관에서 주장하는 내용이 겹치는 경우와 일정 범위에서 나노 물질이 고유의 특수성으로부터 상업적인 제품으로 이동해 가는 경우 지적 소유권의 보호에 관한 것이다.

나노 과학기술의 방향은?
나노 과학기술이 언제, 어느 곳으로 나아갈지 정확히 예측하는 것은 2057년 1월 1일 콜로라도 파익스 피크의 날씨를 정확히 알아맞히는 것과 같다. 그러나 나노 과학기술이 나아가야 할 방향의 제시를 통하여 어느 정도는 예측을 할 수 있다. Congress’ Joint Economic Committee는 방향의 설정을 위하여  M.C. Roco와 협력하였다. M.C. Roco는  NSF(미국국립과학재단)의 나노 과학기술 수석 고문이자 나노 과학, 공학, 과학기술분야에서 미국국립과학·과학기술의회(National Science & Technology Council)의 소위원회 학장이며, 국립 나노 과학기술 주도(National Nanotechnology Initiative (NNI))의 핵심 기획자이다. 즉 M.C. Roco와의 협력은 나노 과학기술의 방향 설정을 위한 아주 현명한 선택이다.
M.C. Roco는 나노 과학기술의 발전을 4세대로 구분한다. 그는 논문에서 나노 과학기술의 발전 성장 속도가 ‘거의 무한대’에 가까워지는 급격한 성장 단계에 도달해 있을 시점에서 뒤따라올 다른 단계를 내다보고 있다. 2020년 후를 예측한 한 보고서는 ‘나노 기술이 계속해서 발전할 것으로 예상되지만, 이 단계에서는 과학적인 발전이 극적인 발전을 이루어 전례 없는 수준으로 발전이 가속되어 공상과학 소설에서 볼 수 있는 제품을 생산 가능한 시기가 올 것임을 예측할 수 있다’고 내다보았다.
예측하는 모든 것이 가능하지만, 예측 가능한 일이 발생할 확률이 좀 더 높은 2000~2020년에 초점을 맞추는 것이 좋다. 지금부터 서술되는 설명은 Roco의 평가를 기본으로 하고 있으며. Joint Economic Committee의 보고서를 축약한 것이다.

수동적 나노 구조 (2000~2005)
이 첫 번째 기간에서는 나노 튜브(nanotubes)와 나노 레이어(nanolayers)를 포함하는 나노 물질의 수동적 특성이 제품에 이용될 것이다. 예를 들어 이산화티탄은 종종 햇빛 차단제로 사용된다. 왜냐하면 이산화티탄이 햇빛을 흡수한 후, 기존의 햇빛 차단제와 반응하여 흰색 크림 현상이 제거된 자외선 빛을 반사하기 때문이다.
탄소 나노 튜브(Carbon nanotubes)는 철보다 훨씬 강하지만 무게는 매우 가볍다. 이러한 이유로 가볍고 단단한 테니스라켓을 만들기 위하여 탄소 나노 튜브를 이용한다. 세 번째 예시로, 나노 레이어 물질로 코팅된 뜨개실을 이용하면 매우 질긴 옷을 만들 수 있다.
이러한 모든 제품들은 나노 물질의 고유한 특성을 이용한 것이며 모두 나노 크기 규모에서 만들어졌다. 그러나 나노 물질이 일단 제품화 되면 나노 물질은 더 이상 특성의 변화 없이 그대로 유지된다.

활성 나노 구조 (2005~2010)
활성 나노 구조는 사용하는 동안 예상 가능한 방법으로 주변의 환경에 따라 기존의 상태를 변화시킨다. 나노 입자는 암세포를 찾아서 나노 입자에 붙은 약과 반응을 일으키게 한다. 구성 물질에 깊숙하게 박혀 있는 나노 전기기계 장치는 물질이 약한 상태에 있고 파열을 막기 위하여 에폭시 수지가 방출될 때 찾아낼 수 있다. 또한 나노 레이어 물질은 장비가 작동할 때 방사되는 전기 전하에 의하여 빛에 반응할 수 있다. 이러한 상태의 제품들은 나노 구조를 갖는 물질이 물질 고유의 특성을 어떻게 결정하며 나노 구조 고유의 디자인을 물질에 어떻게 부합시킬 수 있는지 완벽히 이해하고 있어야 한다. 또한 더욱 진보된 제품과 보완이 필요하다.
 
나노 시스템의 체계 (2010~2015)
이 기간에는 나노 기기의 모든 연구 집단이 궁극적 목표를 달성하기 위하여 함께 협력한다. 이때 중요한 것은 프로세스에서 정보 교환이 가능한 네트워크를 통하여 일을 같이 하기 위한 주요 구성 요소를 모으는 것이다. 단백질과 바이러스는 작은 기구를 형성할 수 있다. 나노 구조는 뼈나 다른 조직이 자랄 수 있는 부위에 자발적으로 형성될 수 있다. 사방에 퍼져있는 현명한 먼지는 인간의 존재를 인지하여 그들의 위치를 추적할 수 있다. 미세한 나노 전기기계 장치는 암 세포를 찾아내어 암세포의 재생 능력을 없앨 수 있다. 이 기간에서는 로봇 공학과 생물 공학, 새로운 세대 정보 기술의 현저한 발전이 제품으로 실현될 것이다. 

분자 나노 시스템 (2015~2020)
이 기간에는 우리가 ‘그동안 알지 못했던 자연과 인간이 만든 모든 물질의 기본 원칙을 이해하고 모든 것을 조절할 수 있는’ 정보 처리 기능을 갖도록 설계된 분자 또는 원자 장치가 존재할 것이다. 비록 이 기간과 마지막 기간(앞에서 설명하였던 제품들과는 구별되는) 사이에서는 각각 다른 성분의 특정한 나노 특성을 이용하기 위하여 물질이 분자, 심지어 원자 규모에서 정교하게 만들어질 것이다. 빛, 인간과 기계의 유기적 결합, 분자단위로 설계를 위한 원자 조작의 상호 작용에 의하여 연구가 진행될 것이다. 이것을 통하여 Roco는 다기능 분자물질, 합성과 가공된 나노 구조의 제어, 세포 이하의 간섭, 복잡한 시스템 기능의 제어를 위한 생체 모방 등을 예견한다. 처음 어떤 현상을 발견하여 그것을 제품으로 적용시키는 데 10~12년이 걸린다.
즉 이러한 기술을 위한 최초 과학적 토대는 이미 실험실에서 시작되고 있는 것이다. 이 기간에서는 개별적 전력 발전장치, 정보의 처리와 전달, 기계 작동을 포함한 다양한 능력을 하나의 제품으로 통합시킬 것이며, 이것을 위하여 물질의 기본 원칙을 재해석 할 수 있는 능력과 특정 목적을 달성하기 위한 시간 분배 능력을 키워야 할 것이다.
나노 제품들은 보통 일상에서 발견할 수 있는 분야에 적용되어 위험한 물질들을 변형시키며, 다량이 산소를 특정 토양에 혼합시키는 역할도 한다. 나노 기기들은 사람의 몸을 돌아다니며 손상된 세포의 DNA를 회복시켜주고 생명 유지를 위하여 필요한 건강 상태를 관찰한 후 피부 세포에서 분석할 수 있는 형태로 정보를 전달한다. 컴퓨터는 기술자의 뇌파를 분석하여 작동할 것이다.

희망적인 미래
나노 과학기술을 통하여 공상 과학과 같은 곳에서나 볼 수 있는 제품들을 생산할 수 있을지는 아무도 모른다. 하지만 확실한 것은 나노 과학기술은 대학, 연구자, 투자자, 기업가들에게 1990년대 말 닷 컴(인터넷 회사) 열광 이후로는 겪어보지 못했던 희망을 줄 것이다. 또한 대학에 다수의 연구소들이 생겨나고 있고 국가 전 지역에서 나노 과학기술에 관한 세미나와 토론회가 끊임없이 열리고 있다. 그 중 하나가 미국 피츠버그에서 9월 11일부터 13일까지 열리는 ‘2007 나노 물질의 상업화’(Commercialization of NanoMaterials 2007)이다. 이것은 미국세라믹협회(The American Ceramic Society)와 공동으로 주최된다. 또한 이것을 문서화시켜 유럽에서 열릴 예정인 적어도 5개 이상의 나노 과학기술에 관한 세미나와 공동 연수회에 이메일로 발송될 것이다.
보스턴의 위성도시인 로웰에서 매사추세츠 대학이 1월에 실시했던 설문에서 나노 과학기술의 전문가들은 “현재 진행 중인 연구가 무한한 가능성을 가지고 있다”는 의견을 내놓았다. 이 조사는 미국에 있는 407명의 나노 과학기술 경영 지도자의 의견을 수렴한 것이며, 이 중 약 60%는 그들의 상품을 성공적으로 상업화시킬 자본과 산업 기반을 갖추고 있다고 한다.
그들은 또한 환경과 인간의 건강에 관한 나노 과학기술의 효과와 지적재산권 문제 등에 대해서는 예측할 수 없는 일이 생길 수 있다는 의견도 내놓았다. 그러나 그들은 예측할 수 없는 안 좋은 일보다는 아주 작은 패키지로 출시될 좋은 제품을 기대하고 있다.                                         (Ceramic Bullletin)

아마도 지구 어디서든 쉽게 얻을 수 있는 물질인 콘크리트는 콘크리트를 형성하는 시멘트의 나노 구조를 통하여 강도와 지속성이 좋아졌으며 도로와 건설 공사 등 많은 곳에 사용된다.

나노 과학기술의 발전을 활성화시키기 위하여 2005년에 Rice 대학의 학생들은 세계에서 가장 큰 single-wall 나노 튜브를 만들었으며 이 single-wall 나노 튜브의 크기는 세계기록으로 인정되어 기네스북에 등록되었다.