나노기술을 알려주세요.

나노기술(Nanotechnology)

개요

나노기술이란 포괄적인 용어로 과학, 산업체 그리고 매체에 따라 그 해석이 다르다. 여기서는 나노기술을 과학자들이 분자 수준에서 작업할 수 있고, 본질적으로 새로운 분자조직을 갖는 소형 및 대규모 구조를 만들 수 있는 능력으로 정의한다.

나노기술에서 다루는 범위는 주로 0.1 nm∼100 nm 이며, 그 크기가 갖는 기술적인 특성 때문에 재료 및 시스템 분야 즉, 구조 및 구성품이 물리적, 화학적, 생물학적 성질과 현상 및 처리공정에서 혁신적으로 개선된 효과를 나타낼 수 있는 곳에서 기대를 모으고 있다.




기술의 중요성

나노기술은 자연적인 형태로 이미 존재하고 있으며, 우리들의 일상 생활에서 매일 그 혜택을 누리고 있다. 예를 들면, 콤팩트 디스크와 비디오 디스크를 읽는 vertical-cavity surface emitting 레이저의 상용화가 있다. 비록 대부분의 과학자들은 나노기술의 도래를 전세계적인 최초의 분자기계 결합이 시작되는 것으로 정의하고 있으나 다른 사람들은 이미 나노기술이 존재하고 있음을 인정하고 있다. 예를 들면, 탄소 나노튜브 뿐만 아니라 여러 형태의 나노입자들이 antistatic(반정적) compounds나 투명 코팅 같은 특수 제품의 제작을 위하여 상용화 되어있다.

나노기술의 초기 사용자들은 군사, 화학 및 재료관련 회사들이 될 전망이다. 또한 생명공학에 관련된 회사들은 바이오 센서, 진단장치, 신경 및 근육조직의 치료 및 재생을 포함한 응용분야에 나노기술을 사용할 것이다. 이외에도 전자 및 컴퓨터 산업체, 전자기계 구성품 개발 및 센서 제작 업체들은 나노기술을 적절히 활용할 수 있을 것이다. 상용 나노기술 제품을 볼 수 있는 가능성이 높은 지역별 시장으로서는 일본, 북아메리카, 주요 유럽국가 등을 들 수 있다.

나노기술은 아직 초보적인 단계이나 기술이 성숙되면 세계는 기술혁신 시대에 돌입할 전망이다. 단기적으로 볼 때 나노기술은 현존하는 기술개발을 고급화시키는 것 외에도 새롭게 등장하는 폭발적인 기술들이 새로운 시장을 형성할 것으로 전문가들은 보고 있다. 벤처 투자가들도 새로운 사업에 투자하는 기회가 생기지만 그렇다고 모두 성공하는 것은 아니다. 장기적으로 보면, 대중적인 과대 선전의 효과로 나노기술은 결국 강력하고 가속적인 사회 혁명을 유도하여 실제로 모든 기존 산업의 공정들이 무용지물이 되고 노동의 현재 개념도 바뀌게 될 것이다.




실제는 약간 다르지만 의심할 여지없이 나노기술은 시간이 경과함에 따라 우리의 삶에 영향을 미치게 될 전망이다. 소비재는 풍부하고 저렴하며 지능적이고 내구성이 향상될 것이며, 의약과 우주기술 분야의 기술 능력은 한 단계 도약할 것이다. 또한 어떤 나노기술은 매우 강력한 군사기술이 될 가능성이 있지만, 나노기술 개발의 초기 단계에서 엄격한 규정을 적용하게 되면 특정 분야에서 상용화를 저해하거나 속도를 늦추게되고 개발비용과 실용성은 매우 악화될 것이다. 기술의 가능성과 실용적인 측면에 밀접한 관심을 갖는 것이 미래 나노기술의 실제적인 비전을 형성하는데 필수적인 요소가 되고있다.

1. 나노크기 란?

"나노(nano)란 그리스어의 "난장이"란 의미에서 유래한 말로 10억분의 1을 가리키는 미세 단위이다. 1 나노미터 ( 1 nm, m)는 머리카락 굵기의 10만분의 1에 해당한다. 원자 하나의 크기가 대략 0.2 nm 정도이므로 나노크기란 원자 수십∼수백 개 정도의 크기를 말하는 것이다. 이는 생명체로 보면 DNA정도의 크기이다.

2. 나노기술 응용 예

(1) 나노 기능소자
나노기술을 이용하여 정보저장 소자 (MRAM), 연산소자 (SET), 정보입출력 양자점소자 (LD), 정보표시소자 (CNT-FET), 전원 (CNT Battery) 등을 개발하면 초고성능 Super-Computer를 손목시계 만한 크기로 제작하여 항상 휴대하고 다닐 수 있다. 또한 지구상의 모든 정보를 Tera-bit의 속도로, 그리고 실시간으로 수집 및 분석할 수 있게 된다.

3. 나노기술 분야 ?

20세기가 마이크로로 대별되는 시대였다면 21세기는 나노시대라 할 수 있다. 나노기술을 응용분야별로 분류하면 크게 나노 소재기술, 나노소자, 환경/생명공학, 기반기술로 크게 분류할 수 있다. 각각의 주요 연구분야는 다음과 같다.

(1) 나노소재
- 입자재료 : 나노촉매, 나노박막, 미세분리기술, 나노탄소물질 등
- 벌크재료 : 자성재료, 고탄성재료, 저마찰제, 복합재료 등의 물성 향상

(2) 나노소자
- 나노소재 및 구조를 이용한 나노기능소자
- 초고밀도 메모리 소자, 초고속 통신소자, 초저소비 전력 소자

(3) 환경/생명공학
- 생체재료 : 바이오 세라믹스, 생체 자기물질 등
- 생체 기능소자 : 분자컴퓨터, 분자모터, 생체 전자공학
- 에너지/환경 : 고효율 태양전지, 연료전지

(4) 기반기술
- 나노 소자/소재 측정 및 평가기술
- 나노 구조체 제작을 위한 공정기술

나노기술

나노기술이란 나노미터 수준에서 물체들을 만들고 조작하는 기술을 통칭하는말이다. 나노미터란 10억분의 1m로 머리카랃의 1000분의 1 크기다 나노기술은 원자나 분자 단위의 극미세 물질을 인위적 으로 조작함으로써 새로운 성질과 기능을 가진 물질이나 장치(De-vice)를 만드는 것 그러나 나노기술의 구체적인 형태는 옷감과 같이 손으로 만질수 있는 물지네서 부터 병균을 죽이는 나노 로봇과 같은 상상의 산물에 이르기까지 매우 다양하다.
나노 이론가들이 궁극적으로 꿈꾸는 것은 분자를 조립하여 완전히 새로운 물질이나 장치를 만드는 것이다. 이를 분자공학(Molecular Manu-facturing)이라고 한다. 이를테면 혈관으 카고 움직이는 나노 로봇은 자체 에너지를 갖고 특정 목적을 수행할수 있는 두뇌를 갖고 있어야 하는 데, 분자 단위에서 조작이 되어야 한다.

나노 기술이란, 나노미터 즉 0.000000001 미터 의 단위에 대한
조작을 가하는 기술입니다. 거의 분자를 직접 제어하는 수준입니다.
초미세 기술이라고도 합니다.


나노 소재란, 나노 기술을 이용하여 만들어낸 재료들을 말합니다.
나노 소재들은 분자 구조를 직접적으로 제어하여서 만들어지므로
아주 특정하게 필요로하는 성질을 가지도록 세밀하게 제어할 수 있습니다.

입자 재료는 나노 기술로 만들어진 미세한 입자 형태의 재료들입니다.
흔히 말하는 고분자(상대적으로 많은 수의 원자들로 이루어진 분자)로서
제조하는데는 거의 원자 하나하나에 대한 직접적인 제어가 필요하기도 합니다.

벌크 재료는 나노 기술로 만들어진 소재들을 뭉쳐서 눈에 보이는 수준의
큰 단위의 일반적인 재료로 만든 것들입니다. 특정 분야에서 필요한
특수한 성질을 가지도록 만들어진 것입니다.


나노 소자란, 나노 기술을 통해 만들어진 고분자가 그 자체로서 특정한
하나 이상의 기능을 수행하는 것입니다. 특히 메모리 분야에서 각광받는
기술인데, 나노 소자를 이용하면 분자 하나가 하나의 정보를 저장하는
메모리를 만들 수 있습니다. 눈에 보일까 말까 한 공간에 컴퓨터 한 대
만큼의 메모리를 담을 수 있는 것입니다. 이것이 초고밀도 메모리 소자입니다.
통신소자나 전력소자 등도 메모리 소자와 거의 비슷한 원리로 만들어집니다.
도움되셨길..

요즘 같은 환절기엔 많은 사람들이 피부 관리에 신경을 쓴다. 특히 깨끗하고 탄력 있는 피부는 건강한 아름다움을 나타낼 뿐만 아니라 보는 사람의 기분을 좋게 한다. 또한 피부는 미인의 기준 가운데 으뜸으로 손꼽히기도 한다. 피부 미용을 위한 옛 미인들의 노력이 놀랍도록 눈물겨운 이유다. 그런데 현대인들은 최소의 노력으로 옛 미인 못지않게 아름다운 피부를 가꿀 수 있을 것 같다. 바로 갖가지 좋은 성분을 피부에 ‘쏙쏙’ 심어주는 나노 화장품이 있기 때문이다. 나노기술이 화장품에 응용되는 원리는 무엇일까.

최근 매스컴을 통해 우리 귀에 익숙해진 ‘나노’라는 용어는 난쟁이를 의미하는 그리스어 ‘나노스’에서 유래했다. 1nm(나노미터·1nm=10억분의 1m)는 머리카락 굵기의 10만분의 1, 원자 4~5개를 붙여놓은 정도의 크기다. 따라서 나노기술(NT)은 원자나 분자 수준에서 물질을 가공하거나 조립해 새로운 물질로 만들어내는 기술을 뜻한다. 나노기술은 전자현미경으로나 관찰이 가능한 물질을 만든다는 개념이지만, 단순한 소형화나 미세화와는 차원이 다르다. 물질을 구성하는 원자들이 입자 내부보다는 표면에 많이 존재하기 때문에 나노 크기의 물질에서는 기존의 물질과 전혀 다른 물리·화학적 성질이 발현된다. 이런 성질을 이용해 기존의 사고방식으로는 상상할 수도 없는 새로운 기능을 가진 물질을 만들어낼 수 있는 것이다.

나노 화장품 속을 파헤쳐보자. 피부를 희게 하는 미백 화장품, 자외선 차단 선크림, 주름살 제거 화장품 등 우리가 사용하고 있는 다양한 기능성 화장품에는 이미 나노 물질이 들어 있다. 나노 화장품의 원리는 10~200nm 크기의 나노 입자에 생리활성물질을 담아 피부조직으로 침투시키는 것이다.

나노기술이 기능성 화장품 분야에 응용되는 까닭은 무엇일까. 특정 성분을 피부 속에 전달하는 역할을 하는 나노 구조체는 피부의 세포보다도 크기가 작다. 가령 자갈밭에 모래를 뿌리면 모래가 자갈 사이로 쉽게 침투하듯이 피부조직이라는 자갈밭에 모래 역할을 하는 나노 구조체가 쉽게 흡수될 수 있다는 말이다. 뿐만 아니라 나노 구조체는 미백이나 주름살 제거 기능을 발휘하는 생리활성물질과도 쉽게 결합한다. 따라서 생리활성물질과 결합한 나노 화장품을 바르면 미백 또는 자외선 차단 등 원하는 효과를 얻을 수 있다.

이러한 나노 화장품 기술이 더욱 발전해 자유롭게 응용할 수 있는 단계에 이르면 피부의 특정 부위에 특정 물질을 완벽하게 전달하는 화장품, 주변환경과 외부요소를 감안해 스스로 판단하고 행동하는 지능형 화장품이 만들어질 수 있을 것이다. 문제는 피부 조직에 얼마나 효과적으로 흡수돼 제 기능을 발현할 수 있느냐 여부다. 따라서 단지 입자의 크기만을 줄이는 것이 아니라, 자극이 가해지거나 성분이 변질될 위험 없이 피부에 빠르게 흡수돼 미용 효과를 극대화시킬 수 있는 기술이 개발돼야 한다. 국내는 물론 세계 유수의 화장품회사들이 예측 가능한 문제점을 모두 해결할 수 있는 나노 화장품을 개발하기 위해 연구에 박차를 가하고 있다.

전문가들은 21세기 과학의 역사를 새롭게 쓸 수 있는 기술로 주저없이 나노과학을 손꼽는다. 나노기술이 활용될 수 있는 분야가 무궁무진하기 때문이다. 기존 패러다임을 완전히 뒤집는 과학자들의 상상력 속에 나노기술의 미래가 달려 있다.



-나노기술로 이용되는것들...

(1) 나노소재
- 입자재료 : 나노촉매, 나노박막, 미세분리기술, 나노탄소물질 등
- 벌크재료 : 자성재료, 고탄성재료, 저마찰제, 복합재료 등의 물성 향상

(2) 나노소자
- 나노소재 및 구조를 이용한 나노기능소자
- 초고밀도 메모리 소자, 초고속 통신소자, 초저소비 전력 소자

(3) 환경/생명공학
- 생체재료 : 바이오 세라믹스, 생체 자기물질 등
- 생체 기능소자 : 분자컴퓨터, 분자모터, 생체 전자공학
- 에너지/환경 : 고효율 태양전지, 연료전지

(4) 기반기술
- 나노 소자/소재 측정 및 평가기술
- 나노 구조체 제작을 위한 공정기술




-인류의 새로운 미래 나노테크놀로지

못핀의 머리 위에 대영백과사전(Encyclo -paedia Britannica) 전권을 다 수록할 수 있는 충분한 공간이 있다는 데에는 의심의 여지가 없다.’ 노벨 물리학상 수상자인 리처드 화인만(Richard Feynman 1918~1988)이 일찍이 1959년 캘리포니아 공과대학에서 열린 미국 물리학회의 강연에서 한 말이다. 그로부터 40여 년이 지난 지금 우리는 그 목표에 접근하고 있다고 하겠다.

나노물질의 다양한 응용성을 찾아
나노기술(nanotechnology, NT)이란 나노미터 크기의 구조를 만들고 그 성질을 연구하며, 이들을 마음대로 다룰 수 있는 능력을 말한다. 우리말로는 아마 초미세 기술이라고 하면 적합할지 모르겠다. 그렇다면 나노구조는 초미세 구조, 나노입자는 초미세 입자라고 할 수 있겠다. 1나노미터(nm)는 10억 분의 1미터로서 10Å 과 같다. 나노의 세계는 대략1nm에서 1 마이크로미터(=1000nm) 사이의 크기를 가지는 세계를 뜻하지만 그 경계가 명확한 것은 아니다. 원소 중에서 가장 큰 원자인 프란시움의 반지름이 약 0.27nm 라는 것을 생각하면 나노의 세계는 원자보다는 조금 크다고 볼 수 있다.

그런데 왜 특정한 스케일의 세계가 그토록 관심거리가 되는 것일까? 나노미터 스케일의 물질들, 즉 나노물질은 물질의 새로운 상태로 생각할 수 있다. 왜냐하면 그 특성이 화학적 조성뿐만 아니라 입자의 크기와 모양에 따라 달라지기 때문이다. 이는 매우 흥미 있는 사실이며 이로 인해 응용 가능성이 엄청나게 다양해진 것이다. 나노물질들은 전자산업의 소형화를 가속시킬 것으로 보이며, DNA 서열 측정, 광정보 저장, 초고속 정보 통신 계통 및 태양에너지 전환 등에 응용될 수 있어서 관심을 끌고 있다. 또한, 고분자 복합재, 코팅, 촉매, 화장품, 의약/진단 및 건강 등 많은 분야에서 나노물질의 새로운 응용성이 발견된 바 있다.

나노기술(nanotechnology, NT)이란 나노미터 크기의 구조를 만들고 그 성질을 연구하며, 이들을 마음대로 다룰 수 있는 능력을 말한다. 우리말로는 아마 초미세 기술이라고 하면 적합할지 모르겠다. 그렇다면 나노구조는 초미세 구조, 나노입자는 초미세 입자라고 할 수 있겠다. 1나노미터(nm)는 10억 분의 1미터로서 10Å 과 같다. 나노의 세계는 대략1nm에서 1 마이크로미터(=1000nm) 사이의 크기를 가지는 세계를 뜻하지만 그 경계가 명확한 것은 아니다. 원소 중에서 가장 큰 원자인 프란시움의 반지름이 약 0.27nm 라는 것을 생각하면 나노의 세계는 원자보다는 조금 크다고 볼 수 있다.

그런데 왜 특정한 스케일의 세계가 그토록 관심거리가 되는 것일까? 나노미터 스케일의 물질들, 즉 나노물질은 물질의 새로운 상태로 생각할 수 있다. 왜냐하면 그 특성이 화학적 조성뿐만 아니라 입자의 크기와 모양에 따라 달라지기 때문이다. 이는 매우 흥미 있는 사실이며 이로 인해 응용 가능성이 엄청나게 다양해진 것이다. 나노물질들은 전자산업의 소형화를 가속시킬 것으로 보이며, DNA 서열 측정, 광정보 저장, 초고속 정보 통신 계통 및 태양에너지 전환 등에 응용될 수 있어서 관심을 끌고 있다. 또한, 고분자 복합재, 코팅, 촉매, 화장품, 의약/진단 및 건강 등 많은 분야에서 나노물질의 새로운 응용성이 발견된 바 있다.

과학자들은 미래에는 스스로 복제가 가능한 나노 로봇을 만들어 생체 내 투입해 암세포를 제거할 수 있게 될 것이라는 꿈도 가지고 있다.

NT의 발전을 가져온 기자재, 비니히와 로러의 STM

과학의 발달은 새로운 도구의 개발과 함께 병행되어 왔다. 현미경의 발명이 세포의 발견으로 이어졌으며, 망원경의 등장이 우주의 신비를 벗기는데 기여했다. NT의 발전도 작은 원자의 세계를 볼 수 있는 능력이 발전하면서 가속화됐다. 그것을 가능하도록 해준 기자재 중 가장 핵심적인 역할을 해온 것이 STM (scanning tunneling microscope)과 AFM(atomic force microscope)이라는 기계이다. 이들 기자재를 이용하면 물질 표면에 있는 원자들의 모양을 볼 수 있다. 그 첫 발자국은 1980년대 IBM 취리히 연구소 (http://www.zurich.ibm.com/)의 게르트 비니히(Gerd K.Binnig)와 하인리히 로러(Heinrich Rohrer)가 STM을 발명하면서 시작되었다.

분자 크기의 소자(device)의 세계로 들어가기 위해서는 이와 같이 작은 스케일의 경치를 조망하는 것이 필요했고, 비니히와 로러의 STM은 새로운 길을 열어주었다. 더욱 더 매력적인 것은 이들 기자재를 이용해 원자를 한 개씩 마음대로 집어서 다른 위치에 옮겨 놓을 수 있다는 것이다. 1990년 IBM 알마덴 연구소 (http://www.almaden.ibm.com/)의 아이글러(Donald Eigler)와 슈바이저(Erhard K. Schweizer)가 AFM을 이용해 원자나 분자를 하나씩 옮길 수 있음을 보여주었던 것이다. 따라서 나노기술을 이용하면 원자 수준의 정밀도를 가지고 물질을 다룰 수 있으며, 분자 크기의 기계를 제작하고 제어하는 것이 가능한 것이다.

나노입자를 이용한 발광 소재의 응용

QD(quantum dot)란 나노미터 크기의 반도체 또는 도체 입자이다. 발광(luminescent) QD는 콜로이드 화학의 기술로 쉽게 만들 수 있으며, 입자 크기를 조절함으로써 발광 파장, 즉 발광 색을 쉽게 조절할 수 있기 때문에 여러 가지 응용 가능성이 있다. 금을 막대 모양의 나노입자로 만들면 거기에서 나오는 형광의 세기가 1천만 배 이상 증가하며, 발광 색이 막대의 길이에 따라 변하고, 길이가 길수록 발광 세기가 증가한다. CdSe 반도체 QD를 이용하면 새로운 타입의 레이저도 만들 수 있다. 무기 반도체뿐만 아니라 유기 반도체, 유기 전도성 고분자나 발광 고분자를 제올라이트와 같은 무기물의 나노 세공 속에 침투시키면 발광 효율이 수백 배 증가한다. 이러한 나노입자들을 이용한 발광 소자가 만들어진다면 기존의 TV 화면보다 효율이 좋고 전력 소모도 적은 화면을 만들 수 있게 된다.

나노입자를 광전지에 이용하면 기존의 광전지보다 높은 효율로 태양 광을 전기로 전환시키는 것이 가능할 것으로 기대되며, 이는 중요한 청정 에너지원이 될 것이다.

탄소 나노튜브를 이용한 분자 전자공학의 발전

NT의 중요한 연구 분야 중 하나가 나노튜브에 관한 것이다. 흑연 결정은 여러 층의 탄소 평면으로 이루어져 있고, 각각의 탄소 평면에서는 탄소 원자가 육각형의 그물 모양으로 연결되어 있다. 탄소 나노튜브는 마치 흑연의 탄소 평면이 원통모양으로 말려서 생긴 것이라고 생각할 수 있는데, 그 직경이 나노미터 크기이고 속이 비어있기 때문에 그러한 이름이 붙었다. 나노튜브는 만들기에 따라 전기의 도체 또는 반도체가 될 수 있어서, 나노튜브를 이용해 엄청나게 작은 전자 회로를 만들 수 있다. 이러한 연구 결과는 사실상 분자 회로를 이용해 컴퓨터나 첨단 기술 제품을 제조할 수 있음을 보여준 것으로서 큰 의미를 가진다. 탄소 나노튜브를 이용한 분자 전자공학(molecular electronics)은 과학자들로 하여금 더 작고, 더 빠르고, 더 우수한 컴퓨터를 구상하게 한다. 더욱 놀라운 것은 NT가 BT 및 IT와 결합해 DNA 집합체(assembly)를 이용한 컴퓨터 논리 회로를 만들었다는 보고이다.

미국 정부의 기획진은 이미 2000년도에 나노기술(NT)이 IT, BT와 함께 과거 15년 동안 나타난 3개의 R&D 거대 추세 중 하나임을 파악하고, 이 분야에서 주도적 역할을 하기 위해 막대한 예산을 요청했던 것만 보아도 그 중요성을 알 수 있다. NT는 인류의 생활에서 우리가 오늘의 기술로는 예측하지 못한 것을 가능하게 해주고, 또 하나의 산업 혁명에 박차를 가하게 될 것으로 예측된다. NT는 학제적(interdisciplinary) 성격이 커서 물리, 화학, 생물 및 공학 분야에 이르기까지 다양한 분야의 사람들이 함께 지혜를 모아 발전시켜야 하는 분야이다. 그 중에서 화학이 담당해야 할 일로는 나노물질을 제조하고 그 특성을 측정 분석하는 것으로서, 가장 중요한 비중을 차지한다. 특히 콜로이드 화학, 고분자 화학, 물리화학, 고체 및 무기 화학적 기법은 나노기술 분야에서 매우 중요한 역할을 할 것이다.





-나노 시스템즈 바이올로지



나노 캡슐을 이용한 요구르트와 은 나노 가전. 이런 것들이 일반인들이 쉽게 접할 수 있는 나노기술의 응용분야다. 나노 기술의 초창기 산업화 모델로 꼽히는 이들 못지 않게 나노와 바이오 기술의 만남은 중장기 산업화 흐름에서 높은 부가가치를 창출할 산업으로 기대를 모으고 있다.



현대인들은 자신이 어떤 질병에 걸릴 가능성이 있는지 어떤 질병을 갖고 있는 지 손쉽게 판단하고 예방할 수 있는 새로운 기기에 대한 관심을 높여가고 있다. 이런 사회적 변화에 따라 나노와 바이오 기술의 융합 산업인 시스템즈 바이올로지가 이런 욕구를 충족시켜줄 수단으로 주목받고 있다.



생물학과 제약분야는 지난 2000년 인간게놈프로젝트(Human Genome Project)가 성공적으로 끝남과 동시에 포스트 게놈 시대에 접어들면서 중대한 전환점을 맞이했다. 유전체 염기서열을 모두 해독한 연구자들은 생명체의 기본 단위라고 불리고 있는 세포의 내부로 눈을 돌리기 시작했다.


이 들은 실시간으로 세포 내부의 생명 활동을 관찰하고 분석함으로써 원하는 정보를 얻으려는 시스템즈 바이올로지 연구에 불을 당기기 시작했다.



◇시스템즈 바이올로지란=

시스템즈 바이올로지는 주위 환경으로부터의 자극이나 신호에 반응해 유전자나 단백질의 발현을 유도하는 분자단위의 신호나 현상학적으로 관찰되는 디지털 정보를 통합하는 분야다. 이를 통해 생물학적인 개체가 어떻게 하나의 시스템으로서 기능을 하는지에 대한 가설을 세우고 검증하는 것을 그 목표로 하고 있다.



기존의 연구가 세포의 군집을 그 실험 대상으로 했다면 시스템즈 바이올로지는 개개의 세포와 조직을 실험 대상으로 해 주위 환경이나 자극에 반응해 어떠한 기능을 하는 지를 밝히는 것이다. 이런 연구는 질병의 가능성을 예측하고 신약 개발에 적극적으로 사용할 수 있는 데이터 베이스를 구축하게 한다. 시스템즈 바이올로지 분야의 핵심에 바로 나노기술과 바이오기술의 접목이 위치해 있다.



유전자나 세포 등은 유관을 식별할 수 없는 나노 단위의 물질들이다. 자연상태에서 나노 스케일로 구성된 것들을 조작하고 이를 통해 정보를 얻어내는 것이 시스템즈 바이올로지인 것이다. 이 연구의 기본은 결국 개개의 세포 내부에서 어떠한 일이 일어나는 지를 관찰하는 것이다.

세포의 막을 조심스럽게 제거하고 그 내용물을 꺼내 분석하고자 한다면 우리가 원하는 정보는 세포 내 기관이 쏟아져 나옴과 동시에 사라지게 된다. 그렇다면 세포에는 큰 영향을 주지 않으면서 우리가 원하는 정보를 얻는 것이 과연 가능한 시대가 올 것인가. 많은 연구자들은 나노기술로부터 그 해답을 얻으려 하고 있다.



◇어디까지 왔나=

이미 연구자들은 나노 와이어나 카본 나노 튜브 어레이 위에 세포로부터 분비되는 특정 DNA 서열이나 단백질을 검출하는 연구 결과에 성공하는 등 산업화의 가능성을 예고했다. 연구자들은 반도체 공정 기술을 이용해 움직이는 다이빙 대처럼 생긴 캔틸레버를 만들었다. 이를 이용해 두 분자간의 결합의 강도까지도 측정할 수 있는 기술 수준에 와 있다.



특정 분자에 반응하는 항체와 결합된 수십 나노미터(nm) 직경의 옵티칼 파이버를 이용해 세포를 죽이지 않고 그 내부를 관찰하기도 한다. 반도체 소자의 나노 크기 결정체인 양자점(Quantum Dots) 역시 기존의 유기 형광 물질의 한계를 극복할 수 있는 광학적 특성으로 많은 주목을 받고 있다. 이렇게 나노 테크놀러지는 이미 많은 바이오 연구자들에게 새로운 세계를 열어주는 기술로서 자리매김 하고 있는 것이다.



◇시스템즈 바이올로지의 꽃 랩온어칩과 멤스=

시스템즈 바이올로지의 산업화에 있어 핵심 기술은 역시 마이크로 플루이딕스(Microfluidics)를 이용한 랩온어칩(Lab-on-a-Chip)이다. 랩온어칩이라 불리는 바이오 칩은 질병의 진단과 예측을 가능하게 하는 것은 물론 신약 개발의 도구로 활용돼 시간과 비용을 단축하게 한다. 소량의 유체를 다룰 때 일어나는 현상을 연구하는 미세 유체 역학 분야를 일컫는 마이크로 플루이딕스는 미세 시료를 이송할 수 있는 미세 채널, 흐름을 조절하는 미세 펌프나 미세 밸브 등의 개발을 근간으로 한다.



반도체 제작 기술을 기반으로 한 멤스(MEMS·Micro-Electro-Mechanical System) 공정 기술은 유체부의 각 요소들을 미세 시스템으로서 구현하는 것을 가능하게 했다. 바이오 멤스는 생체 분자를 미세 조작하거나 생체 시스템의 자기 조립 기능을 활용해 원하는 장치를 개발하는 기술이다. 분자 수준의 조작이라는 점에서 나노머신(Nano Machine)과도 유사한 특성을 지닌다.



바이오 멤스 기술을 활용할 경우 전자 소자에 비해 에너지 소모 및 열 발생이 적고 인체에 삽입하는 경우 거부반응을 줄일 수 있고 손상되었을 경우 자기 복구가 가능하다는 장점을 지닌다. 따라서 바이오 멤스가 실용화될 경우 심장 박동 조절기 등 체내 이식형 의료기기 분야에 적용이 확대될 전망이다.



◇전망=

인간의 유전자와 단백질 작용에 대한 방대한 데이터 베이스의 구축과 예방 의학 및 치료에 있어서의 적극적인 활용이 가능하다면 이는 실로 인류에게 있어서 삶의 새로운 패러다임의 전환을 가져올 것이다. 이미 나노 테크놀러지는 시스템즈 바이올로지라는 이름으로 과학의 각 영역의 장벽들을 허물며 여러 분야가 한데 어우러져 서로의 발전을 꾀하는 학제적(學際的) 연구를 이끌고 있다.



미국의 시스템즈 바이올로지 연구소(Institute for Systems Biology, Seattle)의 레로이 후드(Leroy Hood) 박사가 주장하듯 마이크로 플루이딕스와 나노 테크놀러지의 조합이 생물학 연구자들이 하는 모든 과정을 전환시키고 더 나아가 우리의 삶을 근본적으로 뒤바꿔 놓으리라는 것은 충분히 기대해 볼만한 일이다.


간단히 말해서 의학에서는...

몸에 나노 로봇같은것을 투입해서 몸 속의 암,병균을 없애는것도 가능하다는군요...

그리고 손가락에 전화기를 끼워서 사용하는것도 가능하고...(이건 연구 완료했다는군요)

컴퓨터의 성능도 향상되면서 크기는 작아진다는...

거기에다가 무기 에도 많이 쓰일 것이구요...

한마디로 기적의 기술 입니다...

나노 기어와 나노 머신 에 대한 정보는 없네요 -_-; 대략 위의 것에 찾아보세요...

나노기술이란 무엇인가?

앞으로 4회에 걸쳐 나노기술의 구체적인 의미와 다른 종목에서의 활용 방법 및 연결 발전 방향, 그리고 그에 따른 우리 생활의 변화 모습을 하나하나 살펴보도록 하겠습니다. 오늘은 그 첫 시간으로 나노와 나노기술의 전반적인 의미에 대해 함께 생각해 보려고 합니다.

초기에 소수의 과학자들에게만 언급되었던 ‘나노‘의 개념은 이제는 세탁기나 냉장고 등 가전제품에서부터 치약이나 비누 등 생활용품까지 우리 주변에서 볼 수 있는 여러 제품에 이용될 만큼 상용화되어 있습니다. ‘나노’라는 단어를 처음 접하게 된 사람들은 보통 그 의미를 정확하게 과학적으로 인식하지는 못하더라도 아주 작은 입자를 뜻한다는 추상적인 의미로나마 실생활에서 받아들이고 있는 경우가 많습니다. 좀 더 구체적으로 한번 들어가 볼까?

나노(nano)라는 단어는 ‘난쟁이’를 뜻하는 ‘나노스(Nanos)’에서 유래되어 지금은 아주 미세한 물리학적 계량 단위로 쓰이고 있습니다. 나노는 10억분의 1이라는 단위로서, 나노세컨드(ns)는 10억 분의 1초, 나노미터(nm)는 10억 분의 1m를 가리킵니다. 예를 들어 1nm는 머리카락 굵기의 10만분의 1에 해당됩니다. 눈으로는 볼 수 없는 세계, 전자현미경을 통해야 접근 가능했던 극미의 세계가 나노의 세계입니다.

전자현미경을 통해 본 나노의 세계

나노기술이란 한마디로 이러한 나노미터 크기의 물질(나 물질)들이 갖는 독특한 성질과 현상을 찾아내, 나노물질을 정렬시키고 조합하여 매우 유용한 성질의 소재나 시스템을 생산하는 과학과 기술을 통칭하고 있습니다.

나노물질은 적어도 한 변의 길이가 nm 크기에 이르는 물질을 말합니다. 즉, 세 변이 모두 100nm 이하의 물질은 물론이고, 한 변만이라도 100nm 이하의 크기를 갖는다면 그것은 나노물질이 됩니다.

그런데 보통 흔히 보는 물질이라도 nm 크기를 갖는 나노물질이 되면 물리적ㆍ화학적으로 독특한 성질과 현상을 나타냅니다. 예를 들어 일반적인 ‘금’은 보통 우리가 생각하는 것처럼 누런색을 띱니다. 그런데 크기가 20nm 이하가 되면 금은 빨간색을 띱니다. 또 ‘은’도 나노크기가 되면 노란색을 띠게 됩니다. 이처럼 나노물질은 그 크기가 조금만 변해도 색깔이 변합니다. 색깔과 같은 물리적 성질뿐만 아니라 화학적 성질도 크게 달라지게 됩니다. 예를 들면 매우 안정하여 화학 반응에 잘 참여하지 않는 금은 나노크기가 되면 매우 강한 촉매 반응성을 보입니다.

처음 나노기술은 반도체 미세 기술을 극복하는 대안으로 연구가 시작되었습니다. 전자와 정보 통신은 물론 기계ㆍ화학ㆍ바이오ㆍ에너지 등 거의 모든 산업에 응용할 수 있어 인류 문명을 획기적으로 바꿀 기술로 떠올랐습니다.

머리카락과 나노섬유의 굵기 비교

나노기술이 다루는 범위는 원자나 분자 수준 정도로 제한됩니다. 즉 0.1∼100nm에 해당하는 물질을 다루는 기술이 나노기술에 해당되는 것입니다.

이러한 나노기술을 이용하면 눈에 보이지 않는 원자 하나하나를 기계적으로 결합시켜 완전히 새로운 물질을 만들어 낼 수 있습니다. 이를 조합해 실크처럼 부드러운 것에서부터 고무처럼 질긴 것에 이르기까지 다양한 성질을 가진 첨단 신소재를 만들어 낼 수 있습니다. 또 나노기술로 만든 단백질 칩은 인체의 건강 여부를 간단하면서도 정확히 진단할 수 있습니다.

머리카락 1000분의 1 굵기의 ‘나노 실‘

또한 나노기술은 현재의 정보 기술과 바이오 기술을 극대화하기 위한 기초 수단입니다. nm 크기의 회로선 폭을 이용해 기억 소자를 만들 경우 지금의 기가바이트(GB)보다 1000배 빠른 속도와 용량의 테라바이트급으로 집적화할 수 있습니다. 즉 슈퍼컴퓨터를 데스크톱 크기로 작게 만들 수 있는 것입니다.

현재 컴퓨터의 하드 디스크나 플로피 디스크 등의 기억 매체를 고밀도화하는 데는 한계가 있습니다. 현재 상업적으로 이용되고 있는 집적 회로의 최고 밀도는 제곱인치당 1GB며 실험실에서는 10GB까지 개발된 상태입니다. 100GB 이상은 ‘초상자성 한계’로 인해 더 이상 기억 밀도를 높이기는 불가능한 것으로 생각되고 있습니다. 그러나 원자 한 개를 기억 매체로 사용할 경우 최고 1000GB까지 기억 밀도를 높일 수 있습니다. 나노기술을 이용하면 이러한 일이 가능해지는 것입니다.

플래시메모리가 휴대전화, 디지털카메라, 디지털 캠코더, 초소형 저장장치인 USB드라이브 등의 휴대용 제품의 주(主) 저장장치로 쓰인다는 점을 감안하면, 이들 제품을 통해 향후 엄청난 부가 기능이 가능해지게 되었습니다. DVD 영화는 10편 이상을, MP3 음악은 4000곡을 한 장의 메모리 카드에 담을 수 있게 되었습니다. 전문가들은 “플래시메모리가 이처럼 대용량이 가능해지면 앞으로 출장을 갈 때 메모리 카드 한 장이면 사무실의 모든 것을 옮겨갈 수 있는 ‘모바일 오피스’시대도 가능해질 것”이라고 예측하고 있습니다.

반도체의 집적도와 성능은 18개월마다 2배씩 향상된다고 합니다. 이것은 ‘무어의 법칙’이라 일컫는 것인데요. 이를 적용하면 앞으로 5년 뒤 반도체칩은 10배 많은 정보를 담고 프로세서의 성능도 10배 향상될 것입니다. 전문가들은 “이런 발전 속도로 볼 때 5년 뒤에는 핸드폰이 전자수첩, 캠코더로 쓰이고 PC가 통째로 핸드폰 안에 들어가게 될 것”이라고 내다보고 있습니다.

 이때쯤 되면 선폭이 현재 90nm에서 5∼10nm수준까지 떨어지는 것이 가능하게 될 것으로 예상됩니다. ‘단전자소자’ 회로를 개발한 충북대 최중범 교수는 “현재 PC의 128메가 DRAM에서는 하나의 트랜지스터에서 전자가 1만개 움직이지만 단전자소자에서는 단 한 개의 전자가 이동해 정보를 처리하므로 전기소모량이 1만분의 1로 줄어든다”고 말하고 있습니다. 1년 동안 배터리를 충전하지 않아도 되므로 모바일 컴퓨터에 혁명이 일어나게 되는 것입니다.

나노기술 제품 - 손목시계 컴퓨터

반도체 산업 분야는 점점 더 좁은 영역에 더 많은 소자를 집적하는 방향으로 진행되고 있습니다. 현재는 반도체 집적 회로가 마이크로미터(백만분의 1미터)의 수준에서 제어되지만 21세기에는 그것의 천분의 1인 나노미터 수준에서 소자들을 제어하는 나노 기술이 본격화 될 것입니다.