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나노공학
나노공학(nanotech)은 화학, 화학공학, 생물학, 재료공학, 물리학, 의학, IT 등 다양한 분야를 연구 개발하는 기술로 융합적 성격을 가진 공학 분야라 할 수 있다. 나노 기술을 활용한 탄소소재 개발, 항체 진단 키트, 나노입자 섬유 등 새로운 소재 및 제품이 끊임없이 개발되고 있다.
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나노공학은 나노미터에서 수백 나노미터 크기의 물질을 만들고 다루는 기술이다. 즉 나노 물질들을 기초로 해서 실생활에 유용한 나노소재, 나노소자, 나노시스템 등을 만드는 기술이다. 나노 구조화를 통해 나노복합재 등을 만들 수 있는데, 자동차 항공 의학 등 활용범위가 무궁무진하다. 다만 생산비용을 낮추는 게 관건이다. 나노공학과는 기초과학 및 NT, BT, IT 분야의 기본지식을 바탕으로 나노바이오 및 나노융합기술 분야의 폭넓은 전문지식과 창의적 설계능력 및 문제해결능력을 갖춘 인재를 양성하는 데 교육목표를 두고 있다.
나노과학[편집]
나노(Nano)는 10의 -9제곱을 뜻하는 SI 접두어로, 나노 과학은 나노미터 규모를 중심으로 하는 과학 분야를 말한다. 과학분야 중 비교적 신설 학문이라고 할 수 있다. 다루는 분야는 디스플레이, 반도체, 나노바이오 등 다양하다. 나노과학이 주목을 받는 이유는, 이전에는 상상도 하기 힘들었던 작은 크기와 발전 가능성 때문이다. 그 작은 크기로 인해 독특한 성질을 내는 경우도 있어 주목을 받고 있다.
다루는 분야가 다양하여 잠재가능성이 높다고 할 수 있고, 학문의 정체성이 명확하지 않다고도 할 수 있다. 아직까진 나노과학은 하나의 정립된 학문보단 물리, 화학, 재료과학, 기계공학, 의학 등의 다양한 학문을 아우르는 연구 트렌드로 보아야 한다. 특히 화학 쪽에서 나노 단위를 많이 사용하다보니 대학에서도 주로 화학과에서 학과명에 나노를 붙이고 나노 과학, 나노 기술을 가르치는 경우가 늘고있다.
탄소나노튜브도 나노과학의 산출물이다. 전기공학이나 재료공학 쪽으로는 유용한 재료지만, 표적치료나 의약 전달로 써먹으려던 생화학이나 약학계에선 이미 김 새버린지 오래. 왜냐면 너무 튼튼해서. 표적에 도착해서도 분해되지 않아 효과가 드러나지 않았다고.
역사[편집]
리처드 파인만은 1959년 12월 29일, 'There is plenty of room at the bottom'이라는 강연을 통해 개개의 원자를 조작하고 미세한 소자에 전 세계의 정보를 저장하는 시대를 예견하여 최초로 나노 기술을 천명하였다. 그 후 1987년 나노과학의 아버지 에릭 드렉슬러(Eric Drexler)가 처음으로 나노 조작 기술 및 나노 로봇을 직접적으로 언급하며 실제 제조 기술에 나노 기술이 활용되어 다양한 기능 제품들이 등장할 것이라고 주장했다. 그러나 에릭이 당시 이유 없이 허무맹랑한 추측을 했던 것은 아니고, 6년 전인 1981년에 주사 터널링 현미경(STM)이 발명되어 원자의 제어와 인위적인 나노 구조물 조작하는 나노 기술의 역사에 있어서 빼놓을 수 없는 획기적인 전환점이 생겼기 때문에 가능했던 얘기다.
이때까지만 해도 나노 기술은 단순히 앞으로 이런 기술이 등장할 것이라는 예견에 불과했으나, 이미 1960년대부터 기반 물질의 기계적인 연결에 대한 구상이 시도되어왔고, 1980년대초 나노 기술의 기반이라고 할수 있는 기계적으로 맞물린 분자 구조(MIMA)의 합성이 이루어졌고, 1996년 처음으로 미국 정부에서 나노 기술 육성을 논의한 후 1998년 마침내 국가과학기술위원회(NSTC)가 창설됨에 따라 급속도로 나노 기술은 진전하기 시작했다. 미국의 클린턴 정부는 국가나노기술개발계획(NNI)을 발표하여 나노 기술의 구체적인 목표를 제시했으며 한국도 2001년 국가나노기술종합발전계획을 수립하여 다양한 나노 기술 창출, 나노 제품 시장 선점, 나노 기술을 통한 에너지 및 환경 문제 해소를 목표로 하고 있다.
개발 난이도[편집]
나노 혹은 나노 크기의 물체는 구성하는 분자의 개수가 수 십에서 수 백 개 밖에 되지 않기 때문에 통계역학적으로 의미가 없을 정도이다. 심지어 이 정도로 크기가 작은 물체는 질량이 너무 작아 중력이 무시할 수 있는 수준에 이르게 되고 판데르발스 힘에 영향을 너무 많이 받게 된다. 이때 문제가 생기는데, 판데르발스 힘 때문에 별로 많지도 않은 나노 입자들이 자꾸 뭉치게 되어 개별적인 조작이 어렵고 표면적이 너무 넓어져 주변의 물 분자들을 흡착하기 때문에 순수한 상태를 계속 잃게 된다. 리처드 스몰리도 풀러렌 개발 당시 이 점을 지적하며 어려움을 호소하였다.
여담으로 단순히 기계를 작게만드는걸 반복하면 되지않을까 생각하는 사람이 있는데, 나노까지 가지 않더라도 1mm³ 크기의 물체만 해도 아무리 신의 기술을 적용한다 한들 일반적인 부품중 상당수가 사용이 불가능해진다., 작아질수록 마찰계수가 급격히 늘어나기 때문.
나노 기술의 특징[편집]
나노 도체 혹은 반도체 입자의 자유전자는 운동할 수 있는 공간이 제한되어 자유성을 손실하고 특정한 에너지 값만 갖게 되는 에너지 양자화 현상이 발생한다. 이때 자유성을 잃고 에너지 벽에 갇힌 전자들은 각각의 크기에 비례하여 ΔE를 갖고 있으며 동일한 에너지 광자(h·v)와 상호작용한다. 즉, 특정 준위의 에너지만 가질 수 있으며 다른 준위의 상태로 전이할 때는 에너지 흡수나 방출이 일어나 양자점에 의한 형광이 생긴다. 또한 양자점과 터널링 현상을 이용하여 저전력 고집적 공정이 가능하다.
나노 측정[편집]
일반적인 이론의 현미경으로 나노 측정을 시도하는 것은 불가능하다. 현미경을 통해 인간의 눈으로 들어오는 빛(=가시광선)의 파장은 수 백 나노미터에 달하기 때문에 cm 눈금만 있는 자로 mm 길이의 물체를 측정하려 하는 것과 비슷한 이치이다. 즉, 나노 측정을 위해서는 나노 수준의 파장을 지닌 광원으로 측정하여야 한다. 이때 주로 사용되는 것이 가속된 전자의 파장인데 대략 0.01nm 정도라 충분히 나노 측정이 가능하게 된다. 전자현미경은 주사 전자 현미경(SEM)과 투과 전자 현미경(TEM)이 있으며 SEM은 시료의 모양을 따지지 않고 편리하게 사용이 가능하다는 장점이 있고 TEM은 측정할 수 있는 영역은 좁으나 개개의 단일 원자를 자세히 관찰할 수 있다는 장점이 있다. 주사 탐침 현미경(SPM)도 나노 측정에서 빠질 수 없는 현미경이다. SPM의 종류 중 하나인 주사 터널링 현미경(STM)을 이용해 단일 분자의 전자전도성 및 열전도성을 측정하는 연구가 전 세계에서 점차 진행되고 있으며, 이는 장차 분자 반도체 연구의 주춧돌 역할을 할 연구라고 볼 수 있다.
나노 제어[편집]
상기한 나노 측정 기술을 기반으로 리소그래피 기술을 이용한다. 광학 리소그래피는 광학 마스크와 빛을 이용하여 찍어내는 테크닉으로, 초고도 분해능 STM을 극저온에서 동작시켜 원자의 특성을 세밀하게 파악할 수 있으며 이 단일 원자를 제어하는 것도 가능하다. 그러나 원자를 한 개 씩 이동시켜서 생산을 하는 것이 상당히 비효율적이기 때문에 상용화에 실패하였다. 하지만 딥펜 리소그래피가 세상에 등장하게 된 후 나노 제어 기술은 다시 전환점을 맞게 된다. AFM의 탐침에 알케인 싸이올로 구성된 용액을 묻혀 펜이라는 그 이름처럼 글 쓰듯이 새기는 방식으로 대부분의 나노 제어 공정은 이 테크닉을 이용하여 획기적인 발전을 이루는 데 성공한다. 2000년대 중반을 넘어서면서 이 딥펜 리소그래피 기술은 컴퓨터 시뮬레이션의 성장과 함께 더욱 발전하였으며 2014년에는 3D 나노 프린팅까지 성공했다!
나노머신[편집]
SI 접두어 중 나노(10⁻⁹)를 따서 나노미터 단위, 즉 1 마이크로미터(100만 분의 1m. 즉 천 분의 1mm) 보다도 작은 초소형 기계를 지칭하는 개념. 나노봇(Nanobot), 나나이트(Nanite)라고 부르기도 한다.
SF에나 등장하는 허구라고 생각하기 쉽지만 인간을 비롯한 생물의 체내에는 단백질로 구성된 나노머신인 효소가 가득하며, 미생물이나 정자의 섬모는 나노모터의 일종이다. 즉 나노머신은 엄연히 실존한다. 다만 아직 인간이 과학기술을 이용해 창조해낸 인조 나노머신이 없을 뿐이다.
나노공학자[편집]
나노공학자는 나노기술(NT)을 활용하여 탄소 나노 튜브와 같은 각종 소재, 각종 진단 키트와 같은 생명 기술 관련 제품, 나노 기술을 활용하는 생산 장비 및 측정 장비 등을 개발하거나 개선 또는 시험하는 일을 하는 사람이다.
나노(Nano)는 10억분의 1을 뜻하는 접두사로, 난쟁이를 의미하는 그리스어 나노스(nanos)에서 유래되었다. 1 나노미터(nm)는 10억 분의 1 미터(m)로, 1 나노미터의 크기는 원자 3~4개 정도의 크기로 아주 작은 크기이다. 이러한 아주 작은 크기의 원자나 분자 단위를 다루는 나노기술 분야는 다른 분야보다 생산 시설 규모가 작고 소비되는 에너지가 적지만, 높은 성능의 제품을 구현할 수 있으며 고도의 경제성을 실현할 수 있다. 나노기술은 이처럼 미래 활용 가치가 높아 관련된 많은 연구가 진행 중이다.
나노기술을 연구하고 실현시키는 나노 공학자의 주된 직무는 기존에 사용하는 각종 제품에 나노기술을 적용하여 효용성을 높이는 것이다. 나노 소재 기술 및 인간 유전체 기능 연구, 생체 기능 조절 물질 개발, DNA 구조를 이용한 동식물의 복제 등 각종 분야에 나노 기술의 방법을 검토하여 적용하고 시험을 통해 개선한다. 나노 공학자는 또한 나노기술을 이용하는 나노 칩, D램, 낸드플래시, 대규모 집적회로(LSI) 등과 같은 나노 소자를 연구 개발하고, 아주 작은 크기인 나노를 정확하게 측정할 수 있는 장비와 나노 제품 제조 장치 및 설비를 연구 개발하는 일을 수행한다. 이외에도 나노 공학자는 필름, 잉크, 화장품, 강철 섬유, 디스플레이 핵심 소재, 바이오 진단 검사 키트, 나노 기술이 적용된 스프레이나 필터 또는 항균제와 같은 각종 나노기술 응용 제품을 개발한다.
화학, 생명 기술(BT), 물리학, 의학, 정보통신기술(ICT) 등 다양한 분야와 융합할 수 있는 나노기술은 기존의 학문 분야와 시너지 효과를 발휘하고 새로운 기술 영역을 만들어 내고 있다. 이러한 경향에 따라 나노 공학자도 다양한 분야로 전문화 및 세분화되는 추세이다.
국내 대학 설치 현황[편집]
국내에 학사과정으로 이를 전공하는 학과를 가진 곳이 몇 곳 있다. 공통적으로 학과/전공 이름 앞에 '나노'가 들어간다. 다만, 앞에 유기가 붙은 학교들, 특히 한양대 같은 학교들은 고분자공학과가 메인이고 나노기술이 접목된 형태에 가까우니 주의하자
- 가천대학교 바이오나노대학 바이오나노학과
- 경기대학교 나노공학과
- 경북대학교 과학기술대학 나노소재공학부
- 경상국립대학교 공과대학 나노신소재공학부
- 공주대학교 공과대학 신소재공학부 나노재료공학전공
- 국민대학교 나노전자물리학과, 응용화학부 나노소재전공
- 부경대학교 나노융합공학과
- 부산대학교 나노메카트로닉스공학과, 광메카트로닉스공학과, 나노에너지공학과
- 서경대학교 나노융합공학과
- 성균관대학교 나노공학과
- 세종대학교 나노신소재공학과
- 순천향대학교 나노화학공학과
- 연세대학교 언더우드국제대학 융합과학공학부 나노과학공학과[6]
- 원광대학교 바이오나노화학부
- 울산과학기술원(UNIST) 나노생명화학공학부[7], 나노재료공학부
- 이화여자대학교 엘텍공과대학 화학생명분자과학부 화학.나노과학전공
- 인제대학교 BNIT융합대학 나노융합공학부 나노반도체전공 / 나노신소재전공 / 나노바이오전공
- 인천대학교 생명공학부 나노바이오전공
- 전북대학교 고분자나노공학과, 기계설계공학부 나노바이오기계시스템공학전공
- 전주대학교 탄소나노신소재공학과
- 중앙대학교 창의ICT공과대학 융합공학부 나노소재공학전공
- 한국공학대학교 나노반도체공학과
- 한국교통대학교 공과대학 화공신소재고분자공학부 나노고분자공학전공
- 한림대학교 나노융합스쿨
- 한양대학교 공과대학 유기나노공학과
- 한양대학교 ERICA캠퍼스 생명나노공학과, 나노광전학과
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
