나노란 10-9m를 나타내는 단위의 이름입니다. 1nm=10-9m를 말합니다. 너무 작은 단위를 말하고 있어 그리스어의 난쟁이를 뜻하는 나노스(Nanos)에서 유래된 말입니다. 나노 크기를 상상해보면 원자 3~10개 정도를 길게 늘어놓은 길이 또는 머리카락의 만 분의 1 정도라 볼 수 있습니다. 나노 기술이 발전함에 따라 나노 크기의 원자, 분자들을 제어할 수 있게 되었습니다. 나노 기술의 역사와 나노 사이즈가 가지는 의미와 나노 기술에 대해 이야기해 보겠습니다.
나노(NANO)의 시작
1959년 리처드 파인만이 캘리포니아 공과대학의 한 강연에서 '바닥에는 풍부한 공간이 있다.(There's plenty room at the bottom.)'라는 연설을 하며 브리태니커 백과사전 24권을 핀 머리에 기록할 수 있을 것이라는 이야기를 하였습니다. 1.6mm의 핀 머리에 브리태니커 백과사전 24권의 내용을 25,000배 축소해서 기록하면 가능하다는 이야기였습니다. 그리고 아주 먼 미래의 이야기일 수 있으나 인간이 자유자재로 원자를 배열하고 제어할 수 있다면 원하는 기계를 원자 수준에서 만들 수 있는 가능성에 대해 제시하였습니다. 파인만은 현재의 나노 기술에 대해 1959년에 예견하고 있었던 것입니다. 나노 기술의 잠재성을 인지한 미국은 1999년 클린턴 대통령이 나노기술을 미국의 국가주도적 과학 지원사업으로 선정하고 20년 동안 지원을 하였고 이에 따라 우리나라도 국가적 지원에 힘입어 나노기술 분야에서 많은 결과물을 내고 있는 상황입니다.
나노 사이즈의 의미
일반 크기에서 보는 금은 노란색의 금속입니다. 그런데 금을 나노 사이즈로 잘라놓으면 빨간색으로 변합니다. 색깔만 변하는 것이 아니라 물성도 변합니다. 금뿐 아니라 나노 사이즈로 잘라놓으면 물성이 변하는 것들이 많습니다. 만약 1cm×1cm×1cm 크기의 정육면체 떡이 있다고 생각해 봅시다. 이 떡의 표면적은 6cm2입니다. 그런데 이 떡을 계속해서 자르고 잘라 1nm×1nm×1nm 크기로 잘랐다면 표면적은 천만 배인 6000m2가 됩니다. 이는 1,815평 넓이로 6cm2의 떡 표면적에 비하면 엄청난 크기의 표면적으로 넓어졌다는 의미입니다. 이 표면적에 데이터를 넣으면 대단히 많은 양의 데이터를 넣을 수가 있다는 말이고 이 표면에 일어나는 반응을 생각하면 나노 사이즈로 작아진다는 것의 의미를 가늠해볼 수 있을 것입니다.
나노 기술
예를 들어 IT 분야에서 디스플레이, 배터리, 반도체 소자 등의 물질의 성능을 향상시키고자 할 때 그 소자들의 성능을 향상하기 위해 자유자재로 그 소자들을 조작할 수 있는 기술을 통칭하여 나노 기술이라고 합니다. 나노 기술은 IT분야뿐 아니라 코로나19 백신이나 다양한 의료분야, 연료전지 같은 에너지 분야에서도 중요하게 사용되는 기술입니다. 지난 20년간 많은 투자를 받은 나노기술의 뛰어난 성과물로 제품화된 것 중 하나가 바로 양자점 디스플레이(Quantum dot-enhanced display) 즉 QLED텔레비전입니다. 또한 나노기술은 코로나19 바이러스를 검출하거나 백신을 개발하는 데도 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 우리가 현재 많이 사용하고 있는 코로나19의 신속진단키트에서 사용하는 핵심기술이 앞서 이야기한 금 나노입자입니다. 항원항체 반응에서 코로나19 바이러스(항원)가 있으면 금 나노입자에 붙어 있는 항체와 반응하여 금 나노입자의 색깔인 붉은색이 나오게 됩니다. 그러면 '코로나에 걸렸구나'하는 것을 알 수 있게 됩니다. 그리고 코로나 백신 제조에도 다양한 나노 기술을 사용하고 있습니다. 그리고 현재 사용하고 있는 나노 기술 중 하나는 자동차 배기가스를 걸러내는 장치인 머플러입니다. 자동차 머플러에는 우리 몸에 유해한 배기가스를 제거하는 역할을 하는 촉매변환기가 있습니다. 촉매변환기에는 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO) 같은 배기가스를 걸러주는 역할을 하는 5nm크기 정도의 백금이 있습니다. 아시다시피 백금은 매우 고가의 재료입니다. 그러므로 촉매 활성을 높이기 위해서는 매우 작은 입자인 5nm정도의 크기로 만들어 사용하고 있습니다.
나노 기술의 미래
나노 기술은 미래가 더욱 주목되는 기술입니다. 특히 의료분야에서의 사용이 주목되는데 적당한 양 이상의 활성산소를 제거해 염증반응을 막는데도 나노 입자를 사용할 수 있습니다. 위에서 말한 대로 진단 기술에서도 나노 기술은 매우 유용합니다. 진단 기술의 핵심은 감염이 되는 많은 생물학적 분자가 어떤 물질과 결합했을 때 표면적에 많이 붙어야 하고 붙어 있는 물질이 전기적으로 많이 변하거나 과학적으로 많은 변화가 있어야 합니다. 이런 이유로 나노 기술이 필요합니다. 미래에는 에너지 분야에서의 나노기술도 기대를 하는 분야중의 하나입니다. 미래의 에너지로 수소 에너지를 많이 기대하고 있는데 그 이유는 수소를 연료로 사용해서 산소와 반응하게 되면 물(H2O)만이 만들어집니다. 그러므로 수소 연료가 가장 깨끗한 에너지입니다. 우리나라는 오래전부터 수소 연료를 에너지로 만들기 위한 연료전지를 이용해서 자동차를 구동하는 것을 연구해 연료전지 자동차를 연구하고 있습니다. 또한 이 연료전지는 소형발전소, 드론 등 다양한 분야에서 이용될 수 있습니다. 연료전지의 핵심에서 백금 나노 입자가 사용되며 현재는 철과 백금의 합금에 탄소 표면 처리를 해서 더욱 효율 높은 에너지를 만들어가고 있는 상황입니다. 또한 미래의 커다란 문제 중의 하나인 기후변화에서도 나노 기술이 빛을 발할 것입니다. 기후 변화의 가장 큰 문제는 온실가스입니다. 온실가스를 잘 흡착할 수 있다면 기후 변화에 매우 기여할 수 있을 것입니다. 흡착을 위해서는 표면적이 넓어야 하고 촉매기능이 매우 뛰어나야 하는 데 그 부분이 사이즈가 작은 나노가 할 수 있는 성질입니다. 나노란 단순히 '작은 것'만이 아니로 작음으로써 갖는 물성의 변화를 말합니다. 나노 기술이 미래를 변화시키는데 커다란 일조를 할 것이라 생각합니다.
