제424회 21세기 장성 아카데미(2005. 1. 7)

생활속에 바짝 다가선 나노기술

강사 사진

임 지 순 교수

- 서울대학교 -

강사 친필사인

주요 학력 및 경력

․ 1951년  生

․ 1974년  서울대 물리학과 졸

․ 1977년  美 캘리포니아대 버클리교대학원 물리학 석사

․ 1980년  美 캘리포니아대 버클리교대학원 물리학 박사

․ 1980년  美 MIT 물리학과 연구원

․ 1982년  美 AT&T 벨연구소 및 벨코어 연구원

․ 1986년  서울대 자연과학대 물리학과 조교수, 부교수

․ 1996년  서울대 자연과학대 물리학과 교수(現)

․ 1998년  대통령자문 정책기획위원회 위원

․ 1998년  제2건국 범국민추진위원회 위원

․ 2001년  대통령자문 정책기획위원회 제6분과(과학생태) 위원

<賞> 「제5회 한국과학상(물리학부문)」,

「올해의 과학자상」, 「제5회 운경상(산업기술부문)」外

생활속에 바짝 다가선 나노기술

1. 나노기술 시대의 도래

2. 우리생활에 나노기술이 미치는 영향

1. 나노(Nano)의 의미

나노(Nano)라는 말은 1/10억 이라는 뜻으로 그리스어 나노스(Nanos)에서 유래되었다. 이 말은 난쟁이라는 뜻으로 굉장히 작다는 의미이다. 1나노미터(nm)라고 하면 1/10억 미터를 가리키며, 원자 4개 정도의 크기이다. 좀 더 구체적으로 설명해 드리면 머리카락 굵기의 1/10만이다. 눈에는 당연히 보이지 않고 보통 현미경으로도 보이지 않는다. 나노기술을 소개할 때 눈에 크게 잘 보여야 하는데 너무 작아서 눈에는 보이지가 않으니 설명하기가 어렵다.

이와 같은 나노기술을 기초로 우리 실생활에 사용되는 제품을 만들 수가 있다. 나노 테크놀리지(Nano Technology)라고 하면 1나노에서 100나노 정도 범위의 아주 미세한 크기를 다루는 것을 의미한다.

2. 나노 테크놀리지(Nano Technology)

나노 테크놀리지(NT)란 말이 사람들에게 많이 알려지게 되고, 대부분의 과학자나 기술자들이 인정하게 된 계기는 전 빌 클린턴 미국 대통령이 2000년에 한 연설에서 비롯되었다.

클린턴 대통령은 2000년 1월에 한 연설에서 “새롭게 부상하는 나노 테크놀리지를 연방정부 차원에서 적극적으로 지원하겠다”고 밝혔다. 이날의 연설은 국가 나노기술의 구상과 계획을 일반 국민들에게 공개하는 의미를 갖고 있다.

이 연설에서 나노기술을 원자와 분자 수준에서 물질을 새로 만들거나 합성, 제어를 통해 우리의 실생활에 편리한 제품을 만드는 기술로 정의하면서 세 가지 예를 들었다.

첫째 솜털 같은 무게로 강철의 10배에 이르는 강한 물질을 만들어낸다. 현재기술이 이러한 단계에 이르렀다. 둘째 국회도서관에 소장하고 있는 그 방대한 자료를 각설탕만한 크기에 담을 수 있다. 1,900만권의 장서와 3,200만권의 논문을 소장하고 있는 미 의회도서관의 모든 자료를 각설탕만한 크기에 담을 수 있다. 이러한 기술 수준에는 아직 도달하지 않았지만 차근차근 발전해가고 있다. 세 번째 암세포가 만들어지기 시작할 때부터 감지하고 진단 및 치료를 새로운 기술로 할 수 있다. 얼마나 놀라운 일이겠는가!

이 연설은 미국이 21세기에 기술종주국으로써의 위치를 고수하겠다는 선언이라고 볼 수 있다. 시작은 클린턴 대통령이 했지만 부시 대통령이 오히려 더 강력하게 추진을 하고 있다. 2004년과 2005년에 10억 달러 정도를 연방정부에서 쓰고 있는데 놀랍게도 일본이 미국보다 경제규모는 작지만 미국수준의 예산을 쓰고 있다. 우리나라도 국민의 정부 때에 늦지 않게 시작하여 참여 정부에 들어서도 계속 투자하고 있다.

미국에서 나노기술 분야를 담당하는 로커 박사가 나노기술분야에 대한 투자금액을 조사하여 발표한 자료에 의하면, 우리나라도 따로 분류해서 표시를 했다. 일본과 미국은 동등한 투자를 하고 있고, 그에는 훨씬 못 미치지만 아시아의 작은 나라인 우리나라도 나름대로의 투자를 하고 있으며 미국에서도 우리나라에 신경을 쓰고 있다는 것을 당시에 따로 언급을 했다. 그래서 상당히 흐뭇했던 기억이 난다.

3. 나노기술 분야

나노기술의 분야를 보면 첫 번째 소재 자체가 있고, 두 번째는 그 소재를 이용해서 컴퓨터, 메모리 등 다른 것을 만드는 소재가 있고, 세 번째는 나노바이오, 나노기술과 바이오기술을 융합하는 나노바이오가 있다. 그리고 그 밖의 작은 분야들이 있다.

좀 더 구체적으로 들어가서 분야를 말씀드리면 아주 작은 단위로써 현미경으로도 잘 보이지 않는 그러한 소재가 있고, 그것을 여러 가지 장치를 이용해서 제품이나 물건을 만드는 분야, 그리고 생명공학에 사용하는 분야 등 크게 세가지로 분류할 수 있다.

가. 나노바이오(Nano-Bio)

나노바이오(Nano-Bio)부터 먼저 소개를 하겠다. 돌이켜보면 20세기 말에 두 가지 큰 바이오 사건이 있었다. 하나는 복제 양 돌리의 탄생이었고 또 하나는 인간 게놈 프로젝트가 완성된 것이다. 그래서 인간의 유전자 서열이 알려지게 되었다.

우리나라는 황우석 교수께서 복제 소 영롱이를 만들고 그 뒤에 배아복제로 전 세계적으로 유명해졌다. 황우석 교수는 아직까지도 각종  실험소 출산 시 본인의 손으로 태어나는 것을 받고 균에 오염되지 않게 무균 상태에서 빠르게 작업을 하고 있다. 또한 실험실 연구원들을 보면 핵을 빼내고 하는 것을 본인들의 손으로 한다. 황우석 교수의 실험실은 전 세계가 부러워하는 기술을 가지고 있다. 이 분야는 아직도 손끝의 감각이 필요한 기술이다. 그에 반해 게놈 프로젝트 분야는 손으로 할 수 있는 것은 아니다. 이 분야에는 나노기술이 관계가 되기 시작한다. 인간의 유전자 DNA는 폭이 2나노미터 정도 된다. 그래서 이 자체는 보통 현미경으로 보이지 않고 고도의 전자 현미경으로만 볼 수 있다. 유전자에 대한 분석을 통해 배열에 대한 연구가 이루어진다. 유전을 나타내는 여러 가지를 염기라고 한다.

예를 들어 어떤 병에 잘 걸리는 사람이 있으면 무엇이 문제인지 알아내 그것을 고쳐야 한다. 새로운 약을 개발할 때 약의 성분을 분자 수준에서 분석하여 어떤 분자가 작용을 해서 병을 고치는지 원인을 규명하고자 할 때 나노기술이 필요한 것이다. 과거에는 분석기술을 가지지 못하고 있었기 때문에 수많은 시도와 시행착오를 거치면서 원인을 찾았다. 지금은 많이 발전했지만 아직도 우리가 다 알지 못하기 때문에 여러 가지를 시도해보고 있는 것이다.

나노기술이 발전하면서 이제는 DNA수준에서 바이러스 자체를 전자현미경으로 보거나 실험을 통해서 구조를 알아내 진단을 하고 치료를 하는 쪽으로 한걸음씩 가고 있는 것이다. 물론 아직도 멀었고 도달하지 못했다.

첨단 바이오 테크놀리지의 위력은 EPO(적혈구생성촉진제)에 있다. 아마 들어보지 못했을 것이다. 시중에 파는 그런 약이 아니고 특별한 병에 쓰는 아주 특수한 용도의 약품이다.

유전자 특허가 87년에 났고 분쟁이 있었다. 미국의 암젠사가 1991년 특허 분쟁에서 승리를 했다. 이 회사는 네, 다섯 가지 종류밖에 약을 만들지 않는다. 그리고 보통 시중에 파는 약이 아니고 특수한 용도의 약품만 제조한 회사임에도 1년 전의 주식시가총액이 80조 정도 된다. 삼성전자가 우리나라에서 가장 큰 회사임에도 불구하고 주식시가총액이 암젠사 보다 약간 작은 것을 보면 그 규모를 짐작할 수 있을 것이다. 우리나라 최대회사가 별로 이름도 알려지지 않은 이 회사에 비해서 주식의 가치로 볼 때는 더 작다. 새로운 약 몇 가지를 개발해서 특허를 가지고 있고 연구진을 갖추고 있어서 앞으로도 발전 가능성이 크기 때문에 높은 평가를 받는다. 이처럼 바이오 테크놀리지는 굉장히 큰 가능성을 가지고 있다. 하지만 우리나라의 제약 분야는 많이 뒤떨어져있다. 그래서 우리도 이런 가능성을 가지고 있는 분야를 많이 발전시켜야 한다.

나노-바이오 분야는 지금 당장 획기적인 성과를 내고 금방 쫓아가기가 어렵다. 앞에서 언급한 세 가지 분야 중에서 이 나노-바이오 분야를 제일 먼저 말을 했지만 이 분야는 어려운 분야이다. 그래도 아주 먼 미래를 생각할 때 제약과 의학 분야에 대하여 지속적인 관심과 투자, 연구를 실시해야 한다.

나. 바이오 모터

또 하나 관련된 분야는 바이오모터라는 분야이다.

이 모형은 코넬 대학에서 4년 전에 만들었다. 크기가 100나노미터 정도 된다. 모양이 익숙하지 않지만 바이오모터는 회전을 할 수 있게 만들었다. 이것은 현미경으로 간신히 볼 수 있는 크기이다. 붉고 둥근 것은 실제로 생물의 세포를 체취해서 만든 부분이다. 여섯 개의 부분이 번갈아가면서 수축을 하며 움직인다. 결국 1바퀴를 돌고 계속 회전할 수 있는 구조를 가지고 있다.

맨 위의 프로펠라는 크기가 100나노 정도니까 우리 눈으로는 당연히 보이지 않는다. 눈에 잘 안 보이는 먼지라고 생각하면 된다. 그 안에 이런 미세한 구조가 되어 있어서 도는 것이다. 그 크기가 두꺼운 혈관 안에 있는 미세한 모세혈관보다 더 작기 때문에 모세혈관 속에 이것을 투입하여 감지를 할 수 있는 것이다. 현재 회전은 시킬 수 있지만 인체에 넣는 수준까지는 이루어지지 않았다.

실제 생물체에 이것을 쓰려면 아직도 거쳐야할 여러 가지 과정들이 많다. 목적은 피가 액체로 되어 있으니까 모세혈관 속에 이것을 넣으면 그 안에서 돌아다니다가 병균이나 암세포를 만나면 감지를 하고 치료도 할 수 있는 것이다.

현재 암치료의 방법을 예로 들면 여러 가지가 있지만 대표적인 것 중 하나로 방사선치료가 있다. 방사선을 암부분에 쬐인다고 하지만 암세포에만 쬐일 수는 없다. 주위의 정상세포도 쬐여진다. 그래서 한계가 있다. 물론 강한 방사선을 쬐서 암세포를 죽일 수 있다. 문제는 주위의 정상세포까지 파괴시키는 것이다. 다른 방법은 수술하는 것으로 암 부분을 잘라내는 것이다. 그런데 몸 전체에 퍼져 있으면 몸을 다 잘라낼 수는 없는 것이다. 또 하나는 화학요법으로 독한 약을 먹어서 암세포를 죽이는 것이다. 이런 약들도 독성이 있어서 너무 강하면 암세포만 죽는 것이 아니라 정상세포도 죽는다. 이런 것은 다 한계가 있는 것이다. 그런데 바이오모터는 암세포보다 크기가 더 작기 때문에 암세포에 딱 붙어서 그것 한 개를 잘라 내거나, 약주머니를 가지고 있어서 약을 풀면 주위 정상세포에는 영향을 주지 않고 암세포만 죽이는 것이다. 이런 식의 새로운 치료 방법을 찾아서 발전을 해 나가고 있다. 그래서 그 첫 단계로 아주 작은 모터의 개발이 필요하다. 나노-바이오에서 제일 어렵지만 굉장히 많은 과학자들이 관심을 갖고 있는 분야이다.

다. 나노 전자제품

조금 더 쉬운 분야가 있다. 나노기술 하면 제일 많이 듣는 것이 두 가지인데 하나는 은나노의 이용이다. 우리나라가 잘 하고 있는 분야로서 세탁기, 에어컨 등에 접목시킨 나노기술이 많이 발전하고 있다. 은입자를 굉장히 작게 만들면 크기도 고르고 은의 항균, 살균 작용도 이용할 수 있다. 크기가 큰 은 덩어리는 표면에서만 살균작용이 일어나기 때문에 한계가 있지만 작은 입자는 가루가 되면서 그 표면이 많이 생기고 굉장히 강한 살균력이 생긴다. 입자를 작게 만들면 화학작용이  강하게 일어난다는 것을 이용한 것이다.

라. 나노 화장품

나노 화장품에 관한 이야기도 흔하지 않지만 한번쯤은 들어보았을 것이다. 우리나라 태평양화학에서 첨단 화장품을 만들고 있다. 미백, 노화방지, 주름살 제거, 혹은 자외선 차단 등의 기능을 하는 화장품에 나노기술이 쓰이고 있다. 화장품을 보면 성분들이 알맹이로 되어 있다. 그래서 피부에 스며들어 작용을 하게 되어 있는데, 나노기술이 발전하면서 성분들의 크기가 더 균일하고, 미세해지면서 흡수력이 더 좋고 효능이 더 높아지는 것이다.

나노기술로서 가장 많은 특허를 받은 회사가 로레알이다. 로레알은 프랑스의 화장품 회사인데, 우리나라에 나노기술 등록을 많이 했다. 그래서 나노기술이 화장품 쪽에 쓰이고 있다. 우리나라 화장품회사인 태평양화학 같은 곳에서도 연구를 하고 있다. 화장품 입자가 작고 고르기 때문에 피부에 잘 스며들고 자극도 강하지 않다. 실제 화장품 성분은 비타민인데 이런 성분이 보호막에 둘러싸여 있다. 이렇게 만들어야 한다. 그냥 입자만 작게 만들면 화장품을 따는 순간 산화되어 효능이 거의 없어진다. 그래서 다른 물질로 둘러싸여 있다가 우리가 바르면 스며들면서 작용을 할 수 있게 만들어야 한다. 중요한 것은 이 둘러싸는 것을 만드는 방법이다.

구체적인 예로 자외선 차단 화장품을 말해보겠다. 여름에 해수욕장에 갈 때 아침에 자외선 차단 화장품을 바르고 간다. 한번 바르면 효과가 하루 동안 지속되기를 바라지만 실제로 아무리 좋은 화장품도 시간이 지날수록 점점 효능이 약해진다. 즉 몇 시간 밖에 효능발휘가 안 되는 것이다. 그렇다면 그 성분들 중에 10%는 바르자마자 효과가 나타나고, 또 10%는 1시간 후에 효과가 나타나고, 또 10%는 두 시간 후에, 이런 식으로 만들 수 있다고 하면 마지막 10%는 9시간이나 10시간이 지나서 실제 작용을 하게 되는 것이다. 이렇게 만들 수 있다면 한 번 바르고 효과가 지속되도록 할 수 있는 것이다. 또한 피부에도 좋은 효과가 있다. 보통 화장품을 바르면 곧바로 작용을 하여 너무 강한 자극을 주게 되는 것이다. 그런데 고도의 컨트롤 기술을 발휘하여 10시간동안 균일한 자극을 줄 수 있게 된다면 지속적인 효과를 누릴 수 있을 뿐만 아니라 피부에 강한 자극도 피할 수 있다.

마. 나노 의약품

우리가 보통 약을 먹을 때 필요한 양보다 많이 먹는다. 예를 들어  수술을 하면 항생제를 먹게 되는데 이렇게 먹은 약은 그 성분이 온 몸에 퍼지기 때문에 필요한 부분에서 효과를 발생시키기 위해서는 필요한 양보다 몇 배를 더 많이 먹는 것이다. 약이라는 이물질을 먹는 것이기 때문에 기본적으로 우리 몸에 좋지 않다. 어쩔 수 없이 먹으면서  필요한 양보다 훨씬 많이 먹는 것이다. 또한 항생제의 영향을 24시간 지속시키려면 많이 먹어야 한다. 복용 후 항생제가 처음 작용하기 시작하면 우리몸에서 필요로 하는 것보다 훨씬 강한 작용을 한다. 예를 들어 하루에 2번 먹는다고 하면 효과를 12시간 지속시키기 위해서 필요한 것보다 훨씬 더 많이 먹고, 12시간 지나면 또 먹고 하는 것을 반복하게 되는 것이다. 이런 약들도 적은 양을 한번 먹고 균일한 효력을 오랫동안 낼 수 있다면 몸에 참 좋을 것이다.

당뇨병은 인슐린 주사를 자주 맞아야 하는데 이런 경우에도 한번의 주사로 균일한 효력이 오랫동안 지속될 수 있도록 많은 사람들이 연구를 하고 있다. 질병을 치료하는 방법은 여러 가지가 있겠지만 이러한 기술들이 발전하여 실용화되면 우리 생활에 큰 도움이 될 것이다. 이러한 분야에 나노기술이 필요할 수밖에 없는 이유는 화장품 경우에도 알맹이 크기가 5나노, 10나노이다. 이 크기를 인위적으로 조작을 하려면 고도의 기술이 필요한 것이다.

또 하나 나노-바이오의 큰 분야가 D.D.S(Drug Delivery System)이다. 약을 필요한 부분에 보내고 오래 지속하려면 나노기술이 필요하다. 약성분 자체가 하나의 분자이다. 그렇게 작은 크기를 조절해야 한다. 원하는 부분에 보내는 여러 가지 방법이 있지만 그 중에 하나가 나노-바이오모터를 이용하는 것이다. 그 모형에 감지장치를 달아서 필요한 부분에 보내고 필요한 부분에서만 작용을 하도록 하는 것이 D.D.S의 새로운 패러다임이고 현재 왕성한 연구가 진행되고 있다. 순수한 바이오 테크놀리지에서는 유전자 치료가 있지만 생물체는 우리가 조절하기에는 너무나 어렵다. 바이러스에 대해 우리가 다 알지 못하기 때문에 성공여부도 불확실하고 너무나 많은 위험을 감수해야 한다. 그러나 나노 테크놀리지의 특징은 우리가 만든 것이라는 점이다. 자동차는 고장나면 우리가 고칠 수 있다. 사람이 만든 것이기 때문이다. 나노 테크놀리지는 사람이 만든 것이다. 그래서 오작동이 발생해도 우리가 분석을 하고 고칠 수 있지만, 이에 반해 바이러스나 분자 레벨의 생명체를 직접 사용하는 순수한 바이오 테크놀리지는 생물체가 너무나 복잡하고 우리가 모르는 것이 너무나 많아서 어려운 점이 많다.

나노 테크놀리지를 다시 정리하면 나노-바이오 모터를 만들어서 감염이나 암세포 부위 등 필요한 곳에 직접 찾아가는 장치를 만들거나, 화장품과 약 성분을 인위적으로 조작을 해서 균일한 효력으로 오랜 시간을 지속할 수 있게 만든다거나 하는 것이 나노-바이오의 예로 볼 수 있다.

4. 나노소자

가. 진공관

나노소자 쪽을 살펴보면 먼저 진공관이라는 것이 있다. 최근 컴퓨터나 반도체 소자의 한 단위에 해당한다. 2차 세계대전 당시에 보면 진공관 수십만 개를 배열해서, 암호해독이나 미사일의 궤도계산에 사용하였다. 진공관 하나의 크기가 엄지손가락 하나만 하다. 10만개 이상을 만들면 많은 열이 발생하여 사용하는데 한계가 있었다. 그러다가 1947년에 반도체 트랜지스터가 처음으로 만들어졌다. 벨연구소에서 처음 만들어서 나중에 노벨상을 받았는데 지금은 박물관에 소장되어 있다.

나. 반도체

반도체는 전기가 아주 미세하게 흐르기 때문에 아주 작은 전기를 사용하여 신호를 보내거나 또는 기억을 하도록 하는 장치가 되어있다. 획기적인 발전이었다. 이전의 진공관은 굉장히 많은 열을 써서 많은 전기를 흘려주어야 했는데, 트랜지스터는 아주 미세한 전기의 연결과 차단으로도 조절을 할 수 있었다. 그것이 반도체의 특징이다. 완전한 도체도 아니고, 완전히 전기가 흐르지 않는 절연체도 아닌 것이 반도체의 특징이다.

이것이 한 단계 더 발전해서 이제는 작은 넓이에 수없이 많은 것을 모을 수 있을 만큼 크기가 작아졌다. 2003년에는 선폭이 70나노미터로 드디어 100나노미터 밑으로 내려갔다. 우리나라가 가장 앞서가는 메모리반도체에 삼성전자가 제일 먼저 진입을 한 것이다. 2004년 9월 21일 중앙일보 1면 톱기사에는 60나노, 8기가의 새 플래시메모리에 관한 기사가 크게 났다. 이것을 몇 개 모아서 메모리카드를 만들면 MP3 음악파일 4,000곡, 신문 백만 장 이상을 조그마한 공간에 담을 수 있는 것이다. 8기가, 80억 개의 메모리가 조그마한 공간에 있는 것이다. 더 작게, 더 미세하게 만드는 기술이 계속 발전하고 있는 것이다. 이 분야에서는 우리나라가 전 세계에서 가장 앞서고 있다. 그리고 반도체의 또 한 분야, 엠즈라고 불리는 이것은 실제 기계 장치를 만드는 것이다.

1990년대에 톱니바퀴 모양을 만들 수 있었는데 머리카락 하나의 크기에 이런 모양을 새긴 것이라고 보면 된다. 이런 것을 새겨 넣는 것이 1990년대에 가능했다. 지금 21세기의 첨단기술은 앞서 말씀드렸던 바이오 모터 같은 것이다. 그 크기는 위 사진의 1/100, 1/1000 크기이다. 예전에는 원자 하나하나를 못 본다고 했지만 이제는 볼 수 있다.

왼쪽 그림은 구리로 된 밑판에다가 철 원자를 하나씩 배열해서 원자라는 한자를 썼다. 과연 원자를 어떻게 조작할 수 있을까. 손으로는 할 수 없고 텅스텐으로 뾰족한 물체를 만든다. 인간이 만드는 뾰족한 정도에는 한계가 있기 때문에 진짜 뾰족하게 만들기 위해서는 산에다 넣고 전기를 통하여 원자들을 녹여 흘러내리게 한다.

고드름을 보면 물이 녹으면서 흘러내리다가 다시 얼면서 고드름 끝이 뾰족하게 된다. 이 뾰족한 물체도 원래 뾰족하게 만든다고 만드는데 전자현미경으로 보면 뭉뚝하다. 전기를 통해서 원자가 녹고 다시 굳으면서 인간이 만들 수 있는 한계까지 가장 날카롭게 만드는 것이다. 그것을 가지고 따로 원자를 밀고 운반을 해서 글자를 쓴 것이다.

또 하나의 방법은 끝이 거의 원자 하나 정도로 날카로운데 다른 원자들에 전기를 통하면 어떤 원자들이 붙는다. 필요한 위치에 가서 전기를 끄면 붙은 원자들이 똑 떨어진다. 그래서 어려운 얘기 같지만 결국 우리가 이제는 원자 단위도 조작이 가능하다는 것이다.

마지막으로 소재 분야에 대해서 말씀드리겠다. 개인용 PC를 가지고 있을 것이다. 하드디스크 헤드를 보면 나노기술로 만든 얇은 원자 층들이 있다. 그것으로 메모리를 읽는 것이다. 실제로 나노기술은 보이지 않게 여러분들이 다 가지고 있다. 그 안에 나노기술을 이용한 물질이 들어있다.

하드디스크 헤드의 경우 미국의 IBM이 특허를 내고 독점하다시피 전 세계에 공급을 하고 있다. 옛날에는 나노기술을 쓰지 않고 다른 물질로 만들었는데 지금은 나노기술을 이용한 것이 워낙 성능이 좋아서 거의 대부분이 나노기술 물질로 바뀌었다. 보이지 않게 안에 쓰이기 때문에 잘 모르긴 하지만 사실은, 나노기술이 PC에도 쓰이고 있고 빠른 시간에 성공을 했다.

다. 탄소나노튜브

내가 새로운 물질을 연구하는 분야가 탄소나노튜브이다. 탄소나노튜브는 정말 나노 크기인데 옥수수같이 생긴 것이다. 특수한 전자현미경으로 찍은 사진이다. 옥수수 알맹이같이 생긴 것이 탄소원자 하나하나이다. 속은 비어있다. 그래서 튜브이다. 나는 원래 반도체물리학 전공이라서 반도체를 공부했다. 서울대학교 재직 교수에게 주어지는 안식년 제를 맞아 외국에 나가서 새로운 것을 접하는 기회를 가졌다.

그래서 1996년 가을 미국에 가서 새로운 것을 찾던 중 탄소나노튜브에 대해서 공부를 하게 되었지만 그 당시에는 탄소나노튜브가 알려지지 않았다.

탄소나노튜브는 지름이 1나노미터 정도 된다. 따라서 전자현미경으로 봐야 볼 수 있는 크기의 새로운 구조이다. 공부를 하면서 쓰일 용도가 많겠다고 생각해서 그 쪽을 공부하고 미국 교수와 같이 논문도  쓰고, 1년 후에 한국에 돌아와서 탄소나노튜브에 대한 논문을 쓰면서 알려지게 되었다. 그 때가 IMF 직후이다. 외환위기가 97년 가을이었는데, 이 논문이 처음 나온 것이 1998년 1월이다.

트랜지스터는 두 가지 종류가 있는 데, 둘 중에 한 종류는 외국에서 다른 사람이 했고 나는 다른 쪽을 했다. 한국에서 특허를 받고, 일본, 독일에서도 받았는데 미국이 특허를 잘 내주지 않아서 뒤늦은 2002년에 미국의 특허를 받았다.

97년에 안식년을 끝내고 돌아왔을 때 우리나라도 IMF위기로 나라가 어려워지고 해서 사회에 공헌 해야겠다는 생각이 들어 기업에 관련된 일을 하게 되었다.

왼쪽은 극소형 트랜지스터의 여러 가지 형태인데, 이것은 또 다른 형태로 십자모양의 탄소나노튜브이다. 나노튜브 줄이 십자로 포개졌을 때 트랜지스터 성질이 나타나 그 성질을 이용할 수 있다.

이 사람은 나와 공동연구를 한 미국쪽 파트너 제틀 교수이다. 이런 모형을 가지고 미국 뉴욕타임즈에 실린 사진인데 탄소나노튜브 모형을 들고 서 있다.

2003년 여름에 큰 학회를 우리나라에서 개최 했는데 이 사람도 오고 전 세계에서 많은 사람들이 왔다.

소재 중에 은나노 세탁기와 화장품 등은 사실 나노 테크놀리지 중에 아주 쉬운 분야에 속한다. 그냥 입자를 아주 작게 만들어서 쓰면 되는데, 그에 비해 이것은 앞으로 장래성이 좀 더 있는 섬유이다. 2003년 처음으로 나노튜브를 실로 뽑아내는 것이 가능해졌다. 방적회사에서 인조섬유를 뽑으면 실이 계속 나오는데 그것을 탄소나노튜브 신소재를 가지고 성공을 했다. 옷감은 실제로 다른 섬유와 섞어서 짰다.

버크만이라는 사람이 학술회에서 소개하여 큰 반향을 일으켰다. 이 사람의 제자가 우리나라에도 있는데 이미 2004년 초에 귀국을 해서  연구가 이루어지고 있다. 앞으로 장래성이 매우 밝고 섬유로써 굉장히 강하다. 인조섬유 중에 가장 강한 것이 듀퐁 회사에서 만든 ‘네블라’라는 섬유인데 나일론보다 강하다.

그런데 자연섬유 중에 그것보다 강한 것이 있다. 바로 거미줄이다. 모든 거미줄이 똑같지 않지만 ‘네필리아’라는 거미의 거미줄이 인조섬유보다 5배정도 강하다. 그런데 새로 만든 탄소나노튜브는 이것보다 5배 강하다. 그래서 이제는 인조섬유가 더 강하게 되었다. 그래서 이것으로 기능성 옷감을 만들 수 있고 방탄재료로도 쓸 수 있다.

웨어러블 컴퓨터라는 것이 있다. 옷 같은 곳에 컴퓨터 장치가 되어있어 길을 다니면서도 항상 컴퓨터를 이용할 수 있는 것이다. 탄소나노튜브는 옷감의 일부로 쓰면서도 동시에 컴퓨터가 옷감의 한 부분이 되는 방식으로도 이용할 수 있게 되는 것이다.

일반적인 섬유물질로는 컴퓨터를 만드는 성분으로 사용되지 않지만  탄소나노튜브는 그 자체가 반도체이기 때문에 컴퓨터의 구성성분이 될 수 있다. 그래서 나노기술이 발달하고 잘 활용하면 이러한 일이 가능해지는 것이다.

또 한가지 탄소나노튜브의 응용으로써 현재 시장에 나와 있지 않지만 FED라고 부르는 차세대 TV분야에 적용할 수 있다. 기존의 TV원리를 이용한 것인데 조금 다르다. 기존 TV는 전자총이 부딪쳐서 발광하는 원리이다. 즉 TV화면 뒤쪽에서 전자가 튀어나와 서로 부딪치면서 표면에 있는 색깔이 발광을 하는 원리이다. 그런데 기존 TV는 전자총이 뒤에 있기 때문에 두께가 두껍다. 요즘에 새로운 슬림형이 나와서 두께가 36cm까지 줄었다. 그러나 아주 얇게는 못 만든다. 두께가 얇은 LCD나 PDP TV는 방식이 다르다. 그런데 기존원리를 그대로 이용하면서 얇게 만드는 TV가 FED라는 것인데 이것은 전자총을 아주 작게 만들되 한 개가 아니라 TV 뒷면에 도배를 해 놓는 것이다. 수천만, 수억개의 작은 전자총을 만드는 것이다. 이러한 전자총을 만들 때 사용되는 소재로 탄소나노튜브가 적당하다.

전자총은 금속성이 있고 뾰족해야 하는데 금속성 나노튜브는 뾰족한 것으로 따질 때 이 세상에 있는 어떤 물질보다 뾰족하다. 굵기가 나노 단위이기 때문이다. 그래서 나노튜브를 전자총으로 쓰면 굉장히 쉽게 전자가 나온다. 내가 97년에 한국에 돌아온 다음 삼성과 이런 얘기를 한적이 있는데 삼성전자에서도 이미 이런 프로젝트를 진행하고 있었다.

98년에 일본은 TV가 아니고 전지를 만들었는데 삼성에서는 이러한 원리를 이용해서 2003년 5월에 38인치 TV를 만드는데 성공을 했다. 나노테크놀리지를 사용한 차세대 TV이다. 평판 디스플레이를 일본에서는 SED라고 부른다. 캐논-도시바 합작으로 2004년 9월 14일 일본에서 발표한 바에 따르면 2005년 가을에 이 TV를 시장에 내놓겠다고 했다. 그래서 경쟁이 더욱 치열해지고 있다.

앞으로의 상황을 예측할 수는 없지만 시장에는 일본 제품이 먼저 나올 것 같다. 삼성전자 쪽에서 일정을 좀 더 앞당기긴 했지만 삼성에서는 이렇게 빨리 진행할 계획이 없었던 것 같다. 일본의 캐논-도시바 합작회사에서 올 가을 출시한다고 했고 일본은 PDP를 접고, SED로 바로 넘어가겠다고 발표를 했다. SED의 가장 큰 특징은 소비전력이 굉장히 작다는 것이다. 가열을 하지 않고 전자를 쏘는 형태이기 때문에 지금 얇은 TV의 가장 대표적인 LCD, PDP와 비교해서 일본 전체를 기준으로 볼 때 원자력 발전소 몇 개가 절약되는 정도의 에너지 절감 효과가 있다.

5. 결 론

결론적으로 나노 테크놀리지는 21세기 반도체 기술을 이어갈 핵심기술이며 그 자체보다는 다른 분야를 도와주는 도구로서의 성격이 강하다. 독자적인 분야도 있지만 컴퓨터, 메모리 등 IT분야에 많은 도움을 주고 있으며 BT분야의 도구로도 많이 쓰인다. 이처럼 우리생활과 관련되는 모든 분야에 사용될 수 있는 폭넓은 분야로서 미래의 국가경쟁력을 결정하는 핵심기술이 될 것이다.