노벨 물리학상 수상자인 Richard Feynman 교수는 1959년 일찍이 "There's plenty of room at the bottom"이라는 강의에서 물질의 크기를 극도로 작게 조절하고 배열할 수 있다면 물질에 잠재된 엄청난 특성을 과학기술에 사용할 수 있을 것이라고 나노 기술의 발전을 예측하였지만, 그 당시에는 이 분야가 공상과학에 불과하다고 받아들여졌다. 우주의 모든 물질을 구성하고 있는 것은 원소이고, 이 원소의 가장 작은 알갱이가 원자이다. 고체 내부에 있는 원자들의 크기는 대략 0.2 ㎚로, 가장 작은 수소 원자의 크기는 0.05㎚이다. 나노는 고대 그리스에서 난쟁이를 뜻하는 나노스(nanos)에서 유래한 말로서, 이러한 크기는 얼마 전까지 직접 관찰할 수가 없었으나, 1981년 3월 스위스의 노벨 물리학상 수상자인 Rohrer와 Binnig이 주사형 전자 터널 통과 현미경(STM; Scanning Tunneling Microscope)이 개발하고 난 이후 분자나 고체의 구조의 직접 관찰이 가능하게 되었다. 이러한 관찰 결과는 이론적으로 예측된 구조나 성질과 판이하게 다른 경우도 있어서 고체 물리, 분자 물리나 화학, 양자 역학의 분야 중 ㎛보다 작은 영역에서는 지금까지와는 다른 새로운 이론이 필요하게 되었고, 그래서 원자 크기를 다루는 새로운 분야, 즉 나노과학이 등장하게 되었으며, 이러한 초미세 크기의 단위구조로 이루어진 재료를 나노재료라고 한다. 기존의 ㎛ 크기의 물질과 비교해 새롭고, 다양한 기능의 재료성질을 갖는 나노재료는 고도화된 현대 산업기술이 요구하는 극도의 미세한 부품 및 다기능성에 부응한다는 점에서 세계적으로 많은 관심이 집중되고 있으며, 의학 및 치의학 분야에서도 활용 분야를 새롭게 개척하고 있다. 나노세라믹의 특성과 응용 나노 재료는 불연속적 전자 에너지 밀도를 가진 원자나 분자와 연속적 에너지 밴드를 가진 bulk 결정의 중간상태이다. 따라서 나노 재료의 광학적, 전기적 성질은 bulk 결정이나 원자, 분자와는 다른 성질을 나타내게 되며, "stronger, stiffer, lighter, smaller, faster, more sensitive"한 복합기능을 발현할 수 있다. 1) 반도체 재료 현재 나노 기술이 가장 활발히 응용되고 있는 분야는 STM과 AFM lithography를 이용한 반도체 제조이다. Lithography란 STM과 AFM에 사용되는 미세 탐침을 이용하여 표면에 미세선을 긋는 것을 말하며, STM에 사용되는 미세 탐침을 이용하면 그어진 선의 선 폭이 대략 2 ㎚로 이를 이용하면 반도체 기술에 대혁명을 가져올 것으로 예상된다. 미세회로 선폭기술은 모든 반도체에 내장되는 트랜지스터의 간격을 얼마만큼 줄일 수 있느냐를 결정하므로, 선폭의 간격이 좁아질수록 동일한 크기의 다이에 더 많은 트랜지스터를 내장해 반도체 집적도를 높일 수 있기 때문이다. 또한 트랜지스터의 간격이 좁아질수록 전자이동이 빨라져 동작속도를 늘리면서도 열 방출량과 전력소모량을 줄일 수 있어 미세회로선폭기술은 반도체 성능향상을 위한 핵심 기술 중 하나로 평가되고 있다. 2) 전기ㆍ전자 재료 일반적으로는 재료의 화학적, 물리적 성질은 크기와는 무관하지만, 크기가 나노미터로 되면 물성의 변수로서 작용하게 된다. 따라서 나노 재료는 크기에 따라 물성에 큰 변화를 가져온다. 예를 들면, 반도체로 사용되는 나노 세라믹인 CdS는 크기 조절에 의해 2.5～4 eV의 band gap 조절이 가능하며, 이러한 성질은 나노 세라믹 반도체의 다양한 응용 가능성을 제시한다. 나노 재료의 광학적, 전기적 성질은 결정 크기의 함수인 전자 에너지 준위 밀도의 체계적인 변화를 통해서 나타나며, 이를 양자 크기 효과(quantum size effect)라 한다. 이와 같은 나노 재료의 특성을 효과적으로 이용하면 완벽한 색상의 구현, 발광 센서로의 응용, 단일 전자 트랜지스터(SET)의 응용 등 기존의 과학 기술로는 도달하기 어려운 응용 가능성도 기대된다. 최근 나노 크기의 TiO2 입자를 이용하여 태양전지를 표면처리하여 단위부피당의 표면적을 늘림으로써 염료의 흡착율을 최대화하고, 대량의 태양 빛을 흡수하여 전기에너지의 생성 효율을 극대화시킨 차세대 태양전지도 개발되었다. 이러한 전지는 휴대폰, 노트북 등에 간단히 장착하여 태양 빛으로 충전이 가능하고, 또한 투명하게 제조할 수 있어서 빌딩이나 자동차의 유리 등에 부착하여 저비용으로 손쉽게 에너지를 얻을 수 있게 된다. 나노 크기의 ITO 및 ATO 박막은 TV 브라운관의 전자파 차단물질이나 touch panel screen 및 LCD 액정 구동 전극, 복사열 차단용 건축유리 등에 활용되고 있다. 3) 탄소 나노튜브(Carbon nano tube) 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체의 하나인 Fullerene(탄소 원자 60개가 모인 것; C60)을 처음으로 발견한 이후, 1991년 이 새로운 물질을 연구하던 일본전기회사(NEC) 부설연구소의 Iijima 박사가 전기방전법을 사용하여 흑연 음극상에 형성시킨 탄소덩어리를 투과전자현미경(TEM)으로 분석하는 과정에서 가늘고 긴 대롱 모양의 탄소나노튜브를 발견하여 Nature에 처음으로 발표한 것이 탄소나노튜브의 시작이다. 탄소나노튜브는 길이가 수십 ㎚에서부터 수 ㎚이고, 외경은 2.5～30 ㎚로, 흑연면이 나노 크기의 직경으로 둥글게 말린 상태이며, 흑연면이 말리는 각도 및 구조에 따라 금속 또는 반도체의 특성을 보인다. 미세 크기의 탄소나노튜브를 초미세 시스템의 초미세 연결선, 초미세 파이프, 초미세 액체주입 장치, 탄소나노튜브의 가스 흡착성을 이용하는 가스센서와 탄소와 생체 조직과의 친화성을 이용한 의료용 장치의 부품으로서의 응용도 기대된다. 탄소나노튜브를 이용한 차세대 평판 디스플레이 중의 하나인 FED(field emission display) 연구가 매우 활발히 진행되고 있으며, 2차전지 및 연료 전지에 응용할 경우에도 많은 기대효과를 얻을 수 있을 것으로 예상되고 있다. 4) 환경 재료 세라믹 분말의 입자크기가 ㎚ 수준으로 작아지면 큰 크기의 입자에서는 관찰되지 않던 특성들이 나타나는 경우가 많은데, TiO2 분말의 광촉매 효과(photocatalytic effect)가 대표적인 예이다. 크기가 10～20 ㎚인 TiO2에 자외선을 쪼이면 광분해(2H2O → 2H2 + O2) 반응을 나타내며, 이러한 광촉매 특성은 수소 제조, 공해가스 및 유기물 분해 등 환경친화적 목적으로 다양하게 활용된다. 5) 센서 재료 나노 크기의 자성체는 자속 손실을 종래의 20% 이하로 감소시켜 주변의 전자회로에 영향을 주지 않기 때문에 자동차용의 다양한 센서에 응용할 수 있다. 5) 복합 재료 나노세라믹은 기존 세라믹재료의 최대 문제점인 취성(brittleness)을 해결할 수 있는 가능성을 보여주고 있다. 실제로 나노 크기의 SiC가 분산된 Al2O3 및 Si3N4 나노복합재료는 상온에서의 강도 및 인성이 2배 정도 증가된 값을 나타내며, 1200℃까지의 고온에서도 기계적 특성을 유지할 수 있다고 보고되었다. 이러한 특성을 이용하여 초강력, 초내마모성 절삭 재료를 생산하거나, 고효율 가스 터빈 재료와 같은 극한 조건에서 사용하는 재료로 응용하는 연구 결과가 속속 발표되고 있다. 세라믹은 높은 경도를 이용하여 각종 소재의 연마재로 사용되어 왔으며, 연마면의 거칠기는 연마재 입자의 크기 및 형상에 의존한다. 최근 광학부품 연마 등 나노 세라믹 연마재를 사용하는 초정밀 연마에 대한 수요가 증가하고 있으며, 반도체 칩의 다층구조화에 따른 표면거칠기 조절을 위한 CMP 공정의 도입으로 초정밀 연마의 수요가 급증하고 있다. CMP 슬러리에 들어가는 연마제 입자의 직경은 대략 30～2000 ㎚로, 용도에 따라 다양한 크기가 사용된다. CMP 슬러리에 사용되는 연마제로는 SiO2, CeO2, MnO2, Fe2O3, Cr2O3 등 다양한 분말이 단독 혹은 복합으로 사용된다. 최근에는 나노분말을 이용한 기능성 화장품의 출시가 이루어지고 있다. 나노 크기의 SiO2 분말이 함유된 액상 화장품은 빛의 산란효과가 우수한 오팔효과를 구현하여 심미성을 향상시킨 고부가가치의 기능성 제품으로 각광받고 있으며, TiO2 나노 분말을 이용하면 자외선을 흡수하는 특성을 이용하여 자외선 차단용 화장품으로 활용되고 있다. 의료용 나노세라믹 나노 기술은 비교적 역사가 짧은 기술로서 최근까지는 주로 비생물적인 물질을 나노 크기에서 원자 및 분자들을 제어하여 새로운 소재와 소자 또는 시스템을 창출하는 기술로 발전하여 왔으나, 근래에 이르러서는 나노 기술과 생물학이 접목되어 생체에서 일어나는 여러 가지 물리적, 화학적, 기계적인 현상을 분자ㆍ원자 수준에서 이해하고 응용하여 바이오 센서 및 새로운 특성을 띄는 biomolecular system을 제작하여 의료와 건강진단에 크게 이바지하는 기술로 발전하고 있다. 이와 같이 나노 기술과 바이오 기술의 결합은 생물체의 나노 크기의 현상에 대한 직접적인 이해 뿐 만 아니라, 나아가서는 암 같은 질병을 치료할 수 있는 인공적인 바이러스, 적혈구, 세포 등의 개발이 가능할 것이며, 약물 전달 시스템, 질병 진단용 칩, 나노 의약분야, 수술용 마이크로 로봇 등 파급효과가 상당히 큰 분야로 발전할 것으로 기대된다. 1) 나노 로봇의 개발 스위스 IBM Zurich 연구소와 Basel 대학에서는 MEMS 기술로 제작된 머리카락 1/50 두께의 '실리콘 손가락' 으로 DNA와 단백질 분자를 분별할 수 있는 생화학적 기계를 2000년도에 Science지에 발표함으로써 휴대용 질병 진단 센서의 가능성과 나아가 나노 크기의 기계와 생체가 결합한 나노 로봇의 시대를 열었다. <인체 어디든 약 전달이 가능한 '나노헬기> 사람의 몸 속에서 의학적 임무를 수행할 수 있는 머리카락 1천 분의 1 굵기의 초소형 헬리콥터가 제작돼 시운전에 성공했다. '사이언스'는 미국 코넬대 몬테매그노 교수팀이 인체 내부 어디로든 돌아다닐 수 있으며, 세균을 때려잡거나 약을 전달할 수 있는 바이러스 크기의 나노헬리콥터를 개발했다고 보도했다. "나노간호사"란 별명이 붙은 이 헬리콥터는 중심을 잡아주는 지름 80 nm의 원통형 니켈축, 생체분자로 이루어진 바이오 모터, 그리고 모터에 연결된 니켈프로펠러로 구성돼 있다. 바이오 모터는 우리 몸 속에서 에너지를 생산하는 중요한 효소인 아데노신3인산효소(ATP아제)로 이루어져 있으며 세포의 에너지원인 아데노신3인산(ATP)을 연료로 사용해 회전한다. 실험실에서 바이오 모터는 세포 내의 연료만을 사용해 1초에 8번 프로펠러를 돌리면서 2시간 30분 동안 헤엄쳐 다녔다. 신기한 사실은 ?나노간호사?를 구성하는 3개의 부품을 섞어 넣어두면 외부에서 조작하지 않아도 저절로 나노헬리콥터 형태로 조립된다는 점이다. 이 결과는 살아있는 세포에서 작동할 수 있는 초소형 기계가 머지않아 만들어질 수 있다는 가능성을 시사한다. 몬테매그노 교수는 ?이 나노장치는 생명의 생체기능을 활용해서 조립되고, 유지되며, 보수되는 새로운 기술의 시작을 보여주고 있다?고 말했다. 하지만 나노헬리콥터는 400개의 바이오 모터 중 5개만이 작동될 정도로 아직 연구 초기 단계다. 실제로 살아있는 세포 안에서 원하는 임무를 수행하기까지는 몇 년 더 연구가 진행돼야 할 것으로 보인다. 2) 유전자 검출용 나노 세라믹 일본 구주대학의 前田瑞夫 교수팀은 극미세 유리관(capillary)에 하나의 사슬로 된 DNA를 포함한 고분자 재료를 충전하여 유전자를 검출하는 새로운 방법을 개발했다. 이 capillary에 시료인 DNA 사슬 하나를 주입하고 전압을 가하면 목적하는 유전자만이 고분자 재료로 반응, 관내를 느리게 이동하기 때문에 분리, 검출할 수 있다. 검출시간은 10분 정도로 짧고 원가가 저렴한 것이 특징이며, 차세대 유전자 진단법으로 활용 할 수 있을 것으로 기대된다. 이 방법은 DNA가 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시트닌(C) 이라는 4종류의 염기의 수소결합에 의해 2개의 사슬을 형성하여 성립된 특성을 이용하였다. A와 T, G와 C는 서로 결합하는 관계에 있다. 즉 capillary 내에「CGCGTA」라는 배열이라면 이어지려고 하여 캐필러리내를 영동하는 속도가 늦어진다. 동시에 주입한 DNA의 염기가「GC『A』CAT」와 하나라도 틀리면 이어지려는 작용이 약해져 캐릴러리 안을 빠르게 영동한다. 따라서 이러한 영동 속도의 차이로 목적하는 유전자를 검출하는 구조이다. 前田 교수팀은 실제로 이렇게 capillary를 제작하여 암의 원인 유전자를 정상적인 유전자로부터 분리, 특정하는데 성공했으며, 이 방법은 종래의「DNA칩」에 비해 명확하게 유전자의 변이를 검출할 수 있고 분석도 상당히 간단하다는 점에서 고효율적인 유전자 진단 루트로 제품화가 기다려지는 실정이다. 3) 나노 핀셋 최근 미국 UC Berkely 대학에서는 탄소 나노 튜브를 활용해 수십 나노미터 크기의 물체를 집어 올리고 움직일 수 있는 나노 핀셋을 개발하여 Science에 발표하였다. 이는 미세한 유리 막대를 금(Ag) 전극으로 둘러싼 뒤, 이 전극에 지름 50 ㎚, 길이 4 ㎛인 탄소 나노 튜브 2 가닥을 붙여 핀셋으로 만든 것으로, 이 핀셋은 탄소 나노튜브의 전기적 성질을 이용하여 금 전극에 전기를 흘려주면 여기 붙어있는 핀셋 집게에 해당하는 탄소 나노튜브가 서로 붙었다가 떨어지는 움직임이 생겨 분자크기의 물체를 집을 수 있게 설계된 것이다. 이 핀셋으로 500 ㎚ 이하의 플라스틱 분자를 집어서 움직이는 것을 실험을 통해 입증하였으며, 나노 핀셋이 앞으로 생물 세포를 조작하거나 나노 기계를 만들고 미세 수술을 하는데 이용될 수 있을 것으로도 기대된다. 치과용 나노세라믹 세라믹은 치과에서 수복용 도재와 콤포짓 레진, 콤포머 및 인상재의 필러, 시멘트 등으로 사용되고 있으며, 이중 필러로서 나노 세라믹이 사용되고 있으며, 수복용 도재로서도 나노 세라믹이 갖는 특성을 발현하기 기대되고 있다. 1) 나노세라믹 필러 1990년대 중반 나노 세라믹의 선두 주자의 한 명인 미국 RPI 대학의 재료공학과 Siegel 교수는 나노 세라믹을 제조하여, 고분자와의 복합화를 통하여 나노 세라믹이 기존에 비해 기계적 물성을 크게 향상시킬 수 있음을 보고하였다. TiO2 나노 입자를 에폭시에 충전하여 나노 콤포짓을 제조하여 시험한 결과 순수한 에폭시와 비교하여 강성, 파괴 강도, 내마모성이 결과를 얻었다. Al2O3 나노 입자를 PMMA에 5 wt% 충전하여 인장 시험을 실시한 결과, 보통은 극히 무른 PMMA의 파괴 강도가 400%나 증가하는 것을 확인하였으며, 또한 항복 현상과 연성 현상을 확인하였다. 이러한 보고에 근거하여, 현재는 fumed silica라고 불리는 40～50 ㎚의 비정질 실리카가 콤포짓 레진과 실리콘 인상재의 필러로 사용됨으로써 파괴 강도 및 찢김 강도 등의 기계적 물성을 증진시킴은 물론, 표면 거칠기를 현저히 저하시켜 미세부 재현성을 크게 향상시키는 역할을 하고 있다. 2) 수복용 도재 자연치는 빛의 굴절율 차이에 따라 선택적인 파장의 빛이 산란되는 오팔 현상을 나타내므로, 절치 끝에 사용되는 도재는 오팔 현상을 재현하면 우수한 심미성을 얻을 수 있다. 따라서 기본적인 조성은 일반 도재와 동일하나, 여기에 굴절율이 높은 산화물을 소량 첨가한 오팔 도재가 개발되어 시판되고 있다.
현재 나노 크기의 SiO2 분말이 오팔 효과를 구현하는 것이 발견되어 심미성 화장품에 이용되고 있으며, 이러한 나노 SiO2 분말을 이용하면 오팔 현상을 더욱 유사하게 구현하여 심미성을 크게 향상시킨 도재로서 사용될 수 있을 것으로 기대된다. | 