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[과학이야기] 21세기 과학기술혁명을 주도하는 '나노기술'이장로 이학박사(고려대)
  • 포커스데일리
  • 승인 2019.08.25 19:25
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(서울=포커스데일리) 요즈음 우리나라에 대한 일본의 수출 우대국 배제와 수출규제에 의한 경제도발로 국가산업이 흔들리고 있다.

반만년 역사를 통해 수많은 외침을 물리치고 오늘날 세계 10대 경제대국으로 성장한 것은 우리 국민의 위기극복에 대한 위대한 저력과 강인한 기질때문이라고 생각한다.

1997년 말 국가부도위기에 처한 IMF 경제위기를 놀랄 정도로 빠른기간에 극복하고, 그때의 구조개혁으로 10년 후 불어닥친 미국발 금융위기를 지혜롭게 대처할 수 있었듯이 이번 일본의 경제 도발도 산업 구조를 튼튼하게 만드는 전화위복의 계기가 될 수 있도록 해야 할 것이다.  지금은 온 국민이 위기극복을 위하여 머리를 싸매고 각고의 노력을 기울일 때이다.

그렇게 하기 위해서, 업체는 수입 다변화와 더불어 소재와 장비의 국산화를 통해 소재와 장비의 탈 일본화에 힘을 기울여야 하겠다. 그리고 정부는 소재와 부품 국산화 규제를 경쟁국수준으로 혁파(革罷)해야 할 것이다. 예를 들면 그동안 환경과 안전을 위해  고순도 불화수소 규제가 강화되어  국산화에 큰 걸림돌이 되었던  전철 을 밟아서는 안될 것이다. 

또한 생산 전문 중소기업을 육성 지원해 우리의 나노기술관련 중소기업이 세계로 진출하게하는 여건 조성과 함께, 대기업은 중소기업과 상생화 노력을 통해 상호협동함으로써 국산화 노력에 박차를 가해야 하겠다.

이미 일본은  반도체 핵심소재품목 3가지를 수출규제해 한국을 당황스럽게 한 바 있다.  이 품목은 첫째, 화학 산업에서 다양한 화합물을 만드는 원료 물질로 널리 쓰이는, 특히 반도체 공정에서 식각(蝕刻), 세정 작업 등에 다양하게 사용되며 고집적도 반도체 공정의 불량률을 최소화하기 위해서 필요한 99.999% 이상의 에칭 가스  즉 초고순도 반도체용 불화수소(HF; Hydrogen Fluoride), 둘째 TV·스마트폰의 유기 EL(electro-luminescent) 디스플레이인 OLED(Organic Light-Emitting Diode)부품으로 사용되는 플루오린 폴리이미드, 그리고 셋째, 반도체의 표면에 각종 회로, 부품, 배선 패턴 등을 미세하게 만들어 넣는  포토리소그래피(Photolithography) 반도체 제조공정에 필요한 극자외선(EUV)포토레지스트(PR) 등이다.

이 와중에 그래도 일본이 수출규제품목으로 지정한 에칭가스 수출승인에 이어 두번째로 극자외선용 포토레지스트의 수출이 허가되면서 삼성전자는 7nm(나노미터)이하 초미세반도체 나노기술공정에 필요한 재료 약 9개월분을 확보한 것은 그나마 다행이 아닐 수 없다.

이번 수출규제된 반도체 소재 및 부품과 그것을 사용하는 반도체 제조공정은 나노과학(Nano-Technology)기술과 밀접하게 연관돼 있다.

따라서 소재, 부품 및 장비의 조속한 국산화 달성을 위해, 정부의 과학기술발전을 위한 집중적인 육성 및 지원이 절실히 필요하며, 아울러 과학기술자들이 우대받는 분위기 조성도 함께 이루어져야 할 것이다.

그러면 21세기 과학기술 혁명을 주도하는 것으로 알려진 나노기술(Nano-Technology)에 대해 알아 보기로 한다.

모래 알갱이 크기 만한 초소형 컴퓨터가 인간의 생활 주위 어느 곳에서나 네트워크로 연결돼 인간의 삶을 편리하게 만들어주는 유비쿼터스(Ubiquitous; '언제나 어디서든 있는'을 의미하는 라틴어) 컴퓨팅 환경이 구축될 새로운 지식정보혁명시대에 들어섰다. 이와 같은 일은 (자연의 최소 단위라 할 수 있는) 나노기술(Nano Technology: NT -원자 또는 분자 수준에서 제조기술)의 발전으로 가능해지고 있다.

나노(Nano)는 10억분의 1을 뜻하는 접두사로 그 어원은 난쟁이를 뜻하는 희랍어 '나노스'에서 유래된다. 1 나노 미터(nm)는 1 미터의 10억분의 1의 크기이다. 사람이 맨눈으로 볼 수 있는 최소 물체가 1만 nm 정도이고 박테리아 세포가 수백 nm이고 사람의 머리카락 두께가 5만 nm이니 즉 나노는 수소 원자 열 개가 한줄로 늘어서야 겨우 1 nm가 될 정도로 작은 값이다. 이러한 극미의 나노세계에서는 뉴턴의 물리법칙은 성립하지 않고 양자역학의 지배를 받는다.

미국 국립 나노기술지원단(NNI)은 '나노'를 4차 산업혁명을 주도할 기술로  볼 정도로 나노기술은 21세기를 이끌어 갈 핵심과학기술이다. 나노기술은 정보통신, 생명과학, 환경분야 산업의 발전을 위한 가장 중요한 기반 기술로 인식되고 있으며, 선진국들의 치열한 경쟁이 벌어지고 있다. 나노기술은 원자나 분자들을 적절히 결합시켜 기존물질의 특성 개선은 물론이고, 신물질, 신소재 창출에 더욱 적합한 기술이다.

우리가 사용하고 있는 컴퓨터에는 이미 나노기술이 사용되고 있다. IBM사는 컴퓨터의 정보저장장치인 하드디스크 드라이브 헤드에 거대자기저항(Giant magnetoresistance)/스핀밸브(Spin valve)를 이용한 나노 재료를 적용, 전 세계 하드디스크 드라이브 헤드 시장을 선점하다시피 하고 있는 실정이다.

필자도 이 분야에 수백편의 국제 및 국내 논문발표, 학술활동, 그리고 국내외 특허등록을 통해 나노연구에 참여하고 있다.

IBM의 Rohrer 박사 등이 발명한 주사형 터널형 현미경은 탐침에 전기를 가해 원자들을 끌어 모아 극미한 원자들의 선이나 글씨를 쓰는 기술로 아주 작은 전기회로를 반도체에 새겨 집적도 높은 기억소자나 연산장치를 만드는데 이용할 수 있다. 핵심동작부분이 수십nm 이내로 개발 중인 단전자 트랜지스터는 전자 하나로도 on-off를 조절하는 스위치로 사용 가능하고 또 연산작용이 가능하여 전력소모가 거의 없으며 마이크로기술에 의존하는 기존의 프로세서 보다 수백 배의 집적이 가능하다.

또 이 단전자소자와 더불어 화학분자를 사용한 분자전자소자도 개발되고 있는데 이들 소자에서 전자의 이동은 도선 내를 물 흐르듯 이동하는 것이 아니라 길이 막힌 절연층의 장벽을 허물지 않고 뚫고 지나가는 즉 터널링을 통해 이동하게 되는데, 이는 양자역학법칙이 성립하는 세계에서의 현상이다.

이와 관련한 나노기술이 획기적으로 발전하고 있어 초지능-초소형 손목컴퓨터 제작도 가능해지고 있다. 이 컴퓨터는 그 처리속도가 무척 빨라야 하며 복잡한 전자회로, CPU, 메모리 등 컴퓨터 부품들이 동전만한 크기 안에 모두 집적, 태양전지를 전원으로 하기 때문에 무거운 충전기가 필요 없게 된다. 이 손목컴퓨터는 모든 일들을 무선통신으로 직접 처리 할 수 있어 집 밖에서도 로봇에게 집안일을 하도록 명령을 내릴 수도 있고 해외 여행시 실시간 동시통역기능을 통해 외국인과 자유롭게 대화가 가능하게도 해 주고 있다.

한편 노스웨스턴 대학 래트너 교수가 제시한 나노기술의 생활필수용 신소재 사용의 예는 다음과 같은 것들이 있다. 자동차 유리에 피부암을 유발하는 자외선을 차단하는 물질을 입혀 스위치만 누르면 투명에서 진파랑색으로 변화되어 선팅대신 사용가능하고 유리창이나 자동차 몸체에 매우 단단한 층을 입혀서 흠집이 생기지 않게 할 수도 있다. 때가 타지 않고 항균성 나노입자가 박힌 욕실 타일 제작이 가능하여 곰팡이 오염을 억제해 욕실 위생을 향상시킬 수도 있다. 요즘 쓰고 있는 평판형 액정디스플레이(LCD)보다 훨씬 재현 속도가 빠르고 부드럽고 또렷한 동영상을 보여줄 수 있는 향상된 발광다이오드(LED), 유가발광다이오드(OLED)디스플레이의 개발도 이미 상용화되고 있다. 첨단분자규모 나노복합물로는 때가 타지 않고, 천연섬유처럼 편안하면서도 합성섬유처럼 질기고 항균성분이 들어있는 의복제작이 가능하다.

또한 강철보다 10배 이상 강하지만 가벼운 탄소나노튜브는 연료전지, 항공기, 방탄복제조용 복합소재로 쓰이며 중금속과 다이옥신 같은 환경오염물질 제거능력이 뛰어난 다공성 나노물질 제조가 가능하다. 또 나노크기의 무기점토와 고분자 나노복합체로 평생 사용가능한 타이어 개발, 피부의 세포간격보다 작아 흡수력이 강한 나노구조체로 주름살 제거 화장품, 자외선 차단 선크림, 미백화장품을 제작할 수 있다.

또한 국내의 연구개발을 통하여 나노분말, 카본나노튜브(CNT), 그래핀 등 나노소재가 전자기파 차폐(遮蔽) 성능이 우수하다는 것이 알려져 있고, 나노소재의 대량생산기술이 발전함에 따라 이를 산업화하기위한 글로벌경쟁이 본격화하고있다.

의료분야에서는 백혈구보다 작게 만든 자성체 나노로봇을 제작 사용하여 혈관 속에서 백혈구와 함께 병균과 싸우게 하며, 상처부위에 필요한 약물을 공급하게도 하고, 외부자기장의 조종을 받아 암세포 부위로 이동해 로봇팔로 암세포 파괴가 가능하며, 나노입자를 사용해 보다 정확한 임신진단 기구 제작이 가능해지며 앞으로 탄저병에서 에이즈까지 모든 질병을 나노기술을 통해 자가진단이 가능하고 더 나아가 치명적인 질병을 치료 내지 완치하는 것도 가능해지고 있다. 

이상의 나노기술에서 본 바와 같이 나노기술의 응용분야는 무궁무진하다. 나노기술의 응용분야가 전자, 재료, 기계, 의약, 농업, 환경 및 에너지, 국가안보 등 그 영향이 미치지 않는 곳이 없을 정도로 경제적, 기술적 파급효과가 막대하다.

우리나라에서도 2001년 이후 국가나노기술 종합발전계획안이 마련되고 과학기술정보통신부주관 21세기 프론티어 사업인 '테라(Tera; 1  Nano의 1000분의 1 을 뜻하는 접두사)급 나노소자 개발사업단'의 테라급 나노소자개발을 시발로 많은 성과를 내었다. 여기에는 많은 대학 교수를 비롯한 과학자가 참여했으며, 한국과학기술원에서 나노종합팹센터 구축사업이 완료돼 국내 나노과학기술 발전에 중심적인 역할을 하고 있다.

그 외에도 기초과학연구원(IBS)을 비롯한 여러 국책 연구소와 여러 대학의 연구원 및 대학교수들이 포함된 많은 과학자들이 활발하게 연구를 진행하고 있다.

그러므로 나노과학기술에 대한 혁신적이고 창의력 있는 과학자들의 끊임없는 노력만이 나노기술을 보다 성공적으로 이끌 수 있을 것이다.

결론적으로, 국민전체가 총력을 경주해 이번의 일본 수출규제 사태로 인한 위기를 도리어 전화위복의 계기로 삼아야 하겠다.  따라서 과학기술, 특히 나노과학기술의 육성에 의한 재료, 부품 및 장비의 조속한 국산화, 수입의 다변화, 각종 규제의 혁파, 대기업과 중소기업의 상생화에 의한 국산화 달성 등을 통한 우리 반도체 산업의 구조 개선으로, 우리나라가 한층 더 비약할 수 있는 토대를 마련해야 할 것이다.

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#나노기술#과학기술혁명#과학이야기#이장로박사

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