나노기술

나노기술

 

 

나노 기술은 원자, 분자 및 초분자 정도의 작은 크기 단위에서 물질을 합성하고, 조립, 제어하며 혹은 그 성질을 측정, 규명하는 기술이다. nano(나노)는 난쟁이를 뜻하는 그리스어 Nanos(나노스)에서 유래한다. 1나노미터(㎚)는 10억 분의 1m로, 사람 머리카락 굵기의 10만 분의 1, 대략 원자 3~4개의 크기에 해당한다.

 

나노 기술이라는 개념의 시작은 미국의 물리학자 파인만(R. P. Feynman, 1918-1988)이 1959년 12월 미국물리학회 학술대회에서 발표한 Theres Plenty of Room at the Bottom이라는 제목의 강연으로 거슬러 올라간다. 이 강연에서 파인만은 물질 내의 개별 원자들을 직접 제어하여 필요한 목적에 사용할 수 있는 가능성을 처음으로 언급하였고, 이러한 원자 수준의 직접적 제어라는 개념이 나노 기술이라는 개념의 시작이라고 할 수 있다.

 

하지만 파인만이 이 강연을 한 당시에는 그 내용이 나노 과학이라는 새로운 개념의 시작이 된다는 사실을 거의 아무도 인지하지 못했고 별다른 영향을 주지 못했다. 이 후 나노 구조 물질을 실제로 발견하거나 합성하게 되고, 나노 크기로 인해 예상하지 못했던 새롭고 특이한 물성들이 드러남을 발견하게 되는 등 나노 과학이라는 새로운 학문 분야가 태동하면서 파인만의 1959년 강연이 나노 과학의 개념을 선구적으로 제시한 것으로 인정을 받게 되었다

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나노 기술은 원자 혹은 분자의 단위를 다루는 것이다. 이전부터 시도되어 지금까지 연구되어온 나노 기술은 큰 덩어리를 잘게 잘라내는 방식으로 작게 깎아내어 나노 크기로 만드는 방식이다. 그런데 물질의 크기를 계속 작게 깎아나가다 보면 이전과는 전혀 다른 특성을 보이는데, 노란색 금을 계속 잘라 수십 나노미터 크기까지 자르면 빨간색으로 보인다.

 

물질의 크기를 아주 작게 하면 표면적이 커지면서 화학반응이 활발하게 일어나므로 이를 이용하는 분야는 매우 광범위하다. 살균력이 뛰어난 은나노 세탁기, 주름살을 없애준다는 나노 화장품, 나노 분말을 이용해 흡수 속도를 높여 약효를 증강하려는 시도도 모두 그런 원리를 이용한 것이다.

 

나노 기술은 의학, 전자공학, 생체재료학, 에너지 생산 및 소비자 제품처럼 광대한 적용 범위를 가진 새로운 물질과 기계를 만들 수 있는 한편으로, 나노 물질의 유독성과 나노 물질이 끼치는 환경적 영향, 나노 물질이 글로벌 경제에 미치는 잠재적인 효과뿐만 아니라 다양한 문제를 야기할 수도 있다.

 

㉠ 나노 기술 현재와 미래

나노 기술은 앞으로 정보 통신·생명 공학·의료·환경·에너지 분야뿐만 아니라 더욱 넓은 범위에서 산업 발전에 기여할 것으로 보인다. 나노 기술을 이용하면 초소형 가전제품 생산이 가능해지며, DNA 구조를 이용한 동식물의 복제나 강철 섬유 같은 새로운 물질의 제조도 가능해진다.

 

생명 공학과 관련해서는 눈에 보이지 않을 만큼 작은 나노 로봇을 백혈병 환자 몸에 투입하여 백혈구를 없애는 것처럼 각종 질병과 싸우는 역할을 맡길 수 있으며, 아주 작은 암세포도 검출할 수 있는 초고감도 생체 센서도 만들 수 있다. 최근 개발된 나노 로봇은 초미니 송곳을 장착하여 혈관 사이를 다니면서 지방분을 제거한다고 하며, 암세포에 항암제를 전달하는 나노 로봇도 개발하고 있다고 한다.

 

이처럼 초소형 로봇이 인체 안에서 수술을 하거나, 원자나 분자를 조립해서 새로운 기능을 가진 물질을 만드는 나노 과학 기술은 이미 1950년대에 파인만이 예견한 것이다. 나노 기술은 여러 학문이 연계되어 개발해야 한다는 특성이 있다. 물리학·화학·생물학·공학에 이르기까지 다양한 분야의 사람들이 함께 연구 해야만 한다. 따라서 정보를 공유하고 협동하는 태도가 무엇보다 필요하다.

 

나노기술은 20~30년 후 우리의 생활을 어떻게 변화시킬까? 나노기술의 발달에 의해 우리가 앞으로 경험하게 될 미래의 모습을 생각해보자. 그전에 먼저 나노기술에 의해 이미 변화되어 있는 현재의 모습을 스마트폰의 변화를 통해 살펴보자. 스마트폰으로 우리는 휴대폰뿐만 아니라 카메라, TV, MP3 플레이어, GPS, 인터넷까지 이용할 수 있다. 이러한 모든 것이 가능해진 것은 반도체 기술과 무선통신 기술에 나노기술이 더해졌기 때문이다.

 

나노기술은 앞으로 스마트폰의 크기와 무게를 줄여 아예 시계처럼 손목에 차고 다니게 될 것이다. 연산 속도나 무선통신 속도는 수천 배 빨라질 것이며, 배터리 또한 소형 연료전지나 태양전지로 작동하여 장시간 사용할 수 있게 될 것이다. 또한 데이터의 입력이나 명령은 복잡한 키보드 대신 음성을 통해 이루어질 것이다. 이렇게 강력해진 스마트폰은 여행을 가서도 무선통신을 통해 집이나 직장에서 일어나는 많은 일들을 해줄 것이다. 집안의 TV, 냉장고, 에어컨과 난방기, 커튼, 조명, 전기밥솥에 이르기까지 모든 가전제품들은 블루투스 방식의 단거리 무선통신을 통하여 작동될 것이다.

 

자동차를 중심으로 한 운송 시스템도 나노기술에 의해 커다란 변화가 일어날 것으로 예상된다. 우선 지금의 휘발유나 경유로 움직이는 차는 사라지고, 전기 자동차 또는 수소 자동차, 하이브리드 자동차가 사용될 것이다. 그리고 자동차 차체를 포함한 많은 부분에서 항공기에 사용되는 것과 같은 가볍고 강한 고분자 복합재료가 사용될 것이며, 강화 성분으로 탄소나노튜브가 이용될 것이다.

 

자동차 유리나 페인트는 자동세척기능을 가져 물을 뿌리거나 비만 오면 깨끗하게 세척이 되며, 흠집이 나도 자동으로 원상복구가 될 것이다. 자동차는 현재 사용되는 잠김현상 방지 브레이크(ABS)와 차체자세제어(VDC) 장치뿐만 아니라 레이저와 적외선 센서를 이용하여 차량 사이의 거리를 자동으로 제어해 줌으로써 충돌을 예방하며, 밤에도 전방 물체를 확인해주는 시스템을 비롯하여 각종 안전 시스템이 기본으로 장착될 것이다. 또한 자동차의 많은 기능이 음성으로 제어되고, 차량의 상태를 비롯한 모든 운행 정보가 자동으로 중앙통제 시스템에 전달되어 차가 최적의 상태로 작동되게 해 줄 것이다. 다시 말해 자동차 내에도 유비쿼터스 환경이 만들어질 것이다. 한편 장거리 여행에는 시속 500킬로미터로 달리는 초고속 자기부상열차가 이용될 것이다

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나노기술은 우리가 사용하는 에너지를 태양에너지로부터 얻게 해주기 때문에 자동차나 발전소로부터 오염 물질이 아예 발생하지 않는 사회를 만들어 줄 것이다. 또한 나노기술은 우리가 오랫동안 건강하게 살 수 있도록 해줄 것이다. 암세포만 공격하여 치료하는 약물 전달 시스템이나 나노로봇이 출현할 것이며, 손상된 치아나 무릎, 엉덩이 관절을 대체하는 재료가 나노기술로 더욱 향상되어 단기간에 치료할 수 있을 것이다.

 

손상된 뼈를 대체하지 않고 나노입자가 포함된 약물을 투입함으로써 복원을 가능하게 할 수도 있을 것이다. 또한 생체분자를 이용하여 분자 수준에서 물질을 검출하는 나노바이오센서는 우리몸 상태를 항상 정밀하게 모니터링하는 데 사용될 것이다.

 

결론적으로 나노기술(NT)은 정보기술(IT)과 융합하여 꿈과 같은 유비쿼터스 환경을 만들어 주고, 현재 우리가 직면하고 있는 에너지와 자원 부족을 해결하여 깨끗한 환경을 만들어 줄 것이다. 또한 바이오기술(BT)과 융합하여 건강하고 오래 살 수 있는 사회를 만들 것이다.

 

㉡ 나노기술의 활용사례

㉮ 나노기술 활용해 암세포 사멸

암세포가 방사선을 쪼여도 죽지 않는 이유로 오토파지라는 작용이 제시된 바 있다. 즉 암세포가 세포 내 남아있는 단백질 등을 분해해 스스로 영양분을 공급함으로써 방사선에도 죽지 않고 견디게 된다. 치료 시 암세포에 가해지는 스트레스에 대한 방어기전으로 암세포의 오토파지가 활성화되고 결국 치료 효과를 떨어뜨리게 되는 것이다.

 

이러한 암세포의 오토파지를 히드록시클로로퀸이 억제한다는 것이 밝혀져 여러 임상시험이 진행 중이다. 그런데 암환자에게 투여한 히드록시클로로퀸 중 오직 소량만이 암세포에 전달되어 기대보다 치료개선 효과가 미미했다.

이러한 문제를 해결하기 위해 암세포로 들어가는 약물량을 늘리기 위해 히드록시클로로퀸의 투여량을 높이면 혈소판 감소증을 포함한 여러 부작용이 나타났다.

국립암센터 최용두 박사와 정희선 박사 연구팀은 나노기술을 이용해 암세포까지 약물을 효과적으로 전달하면서도 부작용은 최소화하는 방안을 고안했다.

 

연구팀은 히드록시클로로퀸을 다공성 나노볼에 탑재해 투여하면 약 200배나 많은 양의 히드록시클로로퀸이 암세포에 전달된다는 사실을 세포실험을 통해 확인했다.

또, 단독으로 방사선치료를 받을 때보다 히드록시클로로퀸 나노볼을 투여하고 방사선치료를 받을 경우, 치료 효과가 2배 더 높게 나타난다는 사실을 동물 실험을 통해 밝혔다. 이 경우 정상조직에 대한 부작용도 나타나지 않았다.

 

오토파지는 방사선치료와 항암치료에 대한 저항성을 나타내는 주요 기전이므로 이번 연구는 암세포의 오토파지를 차단함으로써 기존 방사선치료 및 항암치료의 민감도와 효과를 높이는 가능성을 열었다는 점에서 중요한 의의를 가진다.

 

㉯ 나노기술 활용한 신소재 전략 개발

정부는 내후년부터 나노기술을 이용한 미래차, 디스플레이, 에너지, 바이오 등에 쓰이는 첨단 신소재 전략 개발에 나선다전략개발에 5년간 1781억 5000만원의 사업비가 투입될 예정이다.

나노기술은 특정 물질을 나노미터로 (10억분의 1m) 크기에서 정밀 제어하는 기술로 크기가 한없이 작아지면 물질의 성질이 달라지는 특징을 활용해 기존 소재가 갖는 한계를 극복 시킬 수 있다.

 

사업 추진은 맞춤형 나노용합 부품을 개발하고, 이을 완제품 분야에 적용해 산업전반으로 확신시키는 것이다. 디스플레이 같은 경우에는 청색 유기 발광다이오드(OLED) 소자와 새로운 청색 OLED 광원에 최적화된 퀸텀닷 소재를 개발한다. 디스플레이용 퀸텀닷 OLED 나노소자 개발은 TV 해상도를 높이고 화질을 보다 선명하게 하기 위함이다.

미래차 분야에선 꿈의 신소재라고 불리는 그래핀, 탄소나노튜브 등 나노 탄소소재를 활용한다

 

전기차의 경우에는 겨울철에 히터로 열을 내는데 효율이 낮은 문제점을 개선하고, 자율주행 차의 경우에는 광대역(5G) 주파수로 인한 전자파를 차단해 차내 전자부품의 기능 저하를 막기 위함이다. 미래 산업에 선제적 대응하기 위해 2021년부터 2025년까지 9개 전략과제를 할 예정이다.

 

㉰ 영구자석을 대체할 나노 자석

한양대 재료화학공학과 연구팀은 영구자석을 대체할 나노 자석 기술을 개발했다. 이 기술을 사용할 경우우리나라가 수입에 의존하는 희토류 사용량을 줄일 수 있다. 연구진은 희토류계에 비교적 강한 자성을 띠는 나노섬유에 자성이 옅은 나노 두께의 철-코발트 코팅을 입히는 방법을 사용했다. 이를 통해 기존 희토류계 영구자석 대비 자기 에너지 밀도를 146% 수준까지 끌어올렸다. 아울러 도금층의 두께를 조절할 수 있어 가격이 비싼 희토류 사용량도 줄일 수 있게 됐다. 기술을 개발한 연구팀은 기존 자성 소재의 문제와 성능의 한계를 극복하면서 미래 자성 소재 개발을 위한 기초 연구에 이바지 할 것이다.

나노 기술은 4차 산업혁명 시대를 대비하기 위한 기술로 평가받고 있으며 세계 각국에서도 지속적인 투자가 이뤄지고 있다.

 

㉱ 유리산업에 적용되는 나노 기술

국내 기업에서 지난해 유리에 나노 기술을 접목한 나노 융합 신제품을 출시했다.이는 기초 소재인 유리에 나노 기술을 접목한 면상발열체 제품이다. 이 제품은 전기장판처럼 전기선을 넣는 열선 방식에서 탈피해 나노미터 크기의 탄소 나노튜브를 유리 표면에 코팅해 열을 내는 방식이다.

 

새로운 발열 방식으로 주목받고 있는 해당 제품은 화재나 단선 과열 등의 문제점을 해결하는데 유용하게 쓰일 수 있다. 제품을 개발한 관계자는 해당 제품은 전기 효율을 30% 이상 높여주며 전자파도 90% 이상 차단 할 수 있도록 도와준다고 한다. 제품을 개발한 연구진은 면상발열체 제품의 상용화는 물론 지난해 미국 기업과 업무 협약을 체결, 미국 시장 진출을 위한 교두보 까지 마련했다.

 

㉲ 탄소나노튜브

6각형 고리로 연결된 탄소가 긴 대롱 모양을 이루는 1나노미터 크기의미세한 분자로 0.5 ~ 10mm의 원통형 탄소 결정체 이다. 높은 인장력과 전기 전도성의 특성 때문에 첨단 소재로 주목 받고 있다. 강도는 철강보다 100배 뛰어나고 열전도율이 다이아몬드와 같다고 한다. 탄소 나노튜브는 평판 디스플레이, 초강력섬유, 생체 센서 등 다양한 분야에서 사용 되고 있다.

 

㉳ 휘어지는 디스플레이

접거나 구부려도 같은 화질을 구현하는 이른바 종이 같은 디스플레이로 플랙시블 디스플레이라고도 한다. 그래핀 을 이용하여 만들 수 있으며 노트북, 모니터, 텔레비전 등에 이용되고 있다.

 

 

 

느낀점

 

 

 

 

 

참고자료

daum.net

naver.com

google.co.kr

국회도서관 학술자료

부곡고 정봉원 선생님 PPT 자료

[네이버 지식백과] 나노 기술의 현재와 미래

천재교육 고등학교 1학년 기술,가정 교과서