나노과학
1. 개요
가장 작은 나노의 세계를 이해하면, 가장 큰 우주에 대해 이해할 수 있습니다. 둘은 결국 같은 것이기 때문입니다.
- 미치오 카쿠 뉴욕대 석좌교수
Nano Science무한히 작은 것들은 무한히 큰 역할을 한다.
- 루이 파스퇴르
나노#s-1(Nano)는 10의 -9제곱을 뜻하는 SI 접두어로, 나노 과학은 나노미터 규모를 중심으로 하는 과학 분야를 말한다. 과학분야 중 비교적 신설인 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.[1]
2. 나노과학기술
2.1. 역사
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, 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.
2.2. 개발 난이도
나노 소자 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.
2.3. 나노 기술의 특징
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.
2.4. 나노 측정
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. SPM도 나노 측정에서 빠질 수 없는 현미경이다.
2.5. 나노 제어
상기한 나노 측정 기술을 기반으로 리소그래피 기술을 이용한다. 광학 리소그래피는 광학 마스크와 빛[2]을 이용하여 찍어내는 테크닉으로, 초고도 분해능 STM을 극저온[3]에서 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 리소그래피'''가 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!
2.6. 나노 머신
3. 국내 대학 설치 현황
국내에 학사과정으로 이를 전공하는 학과를 가진 곳이 몇 곳 있다. 공통적으로 학과/전공 이름 앞에 '나노'가 들어간다.
- 경기대학교: 나노공학과
- 경상대학교: 나노신소재공학부
- 가천대학교: 바이오나노학과, 나노시스템전공
- 건국대학교: 유기나노시스템공학과
- 국민대학교 : 나노전자물리학과, 응용화학부 나노소재전공
- 경북대학교 과학기술대학: 나노소재공학부
- 공주대학교 공과대학: 신소재공학부 나노재료공학전공, 전기전자제어공학부 나노정보공학전공
- 부산대학교: 나노과학기술대학
- 연세대학교 언더우드국제대학 : 융합과학공학부 나노과학공학과[4]
- 원광대학교: 바이오나노화학부
- 울산과학기술원(UNIST): 나노생명화학공학부[5], 나노재료공학부
- 이화여자대학교 : 화학생명분자과학부 화학.나노과학전공
- 인천대학교: 생명공학부 나노바이오전공
- 세종대학교: 나노신소재공학과
- 전북대학교: 고분자나노공학과, 기계설계공학부 나노바이오기계시스템공학전공
- 전주대학교: 탄소나노신소재공학과
- 중앙대학교: 창의ICT 공과대학 융합공학부 나노소재공학전공
- 서경대학교: 나노융합공학과
- 성균관대학교: 나노공학과
- 한국교통대학교: 화공신소재고분자공학부 나노고분자공학전공
- 한국산업기술대학교: 나노반도체공학과
- 한양대학교 공과대학: 유기나노공학과
- 한양대학교 ERICA캠퍼스: 생명나노공학과
- 순천향대학교: 나노화학공학과
4. 관련 문서
[1] 대신 다른 재료를 통한 연구가 진행중이며, 이 또한 나노과학에 기반을 두고 있다. [2] 나노 기술 초기 발전 단계에는 간섭과 굴절 때문에 정밀하지 못했다. [3] 주로 액체 헬륨을 이용한다. [4] UIC 소속이기 때문에 100% 영어 강의로 진행되며(사실 편법으로 한국어 강의를 일부 들을 수 있다.), 송도에서 4년 동안 있어야 한다(지만 전공필수만 무조건 송도에서 들어야 하고 나머지 수업은 신촌에서 들어도 되는 것이기 때문에 2학년 이후에는 신촌과 송도를 왔다갔다 하거나, 송도 과목을 1~2년만에 몰아서 듣고 송도를 아예 떠나는 경우도 많다.)[5] 학부 개편으로 생명과학부와 에너지및화학공학부, 자연과학부로 흩어졌으며 구 학부는 기존 학부생 졸업 시까지만 운영. 어차피 분류만 나뉜 것에 가까워 커리큘럼에 큰 변화는 없다.