[e테크]나노기술-인공지능 `분자기계`제작 아직 요원

　과학자들은 원자 크기의 물질을 이해하고 가시화하며 통제하기 위해 노력한다. 생물학이나 비생물학, 나노급 부품과 기계들을 개발하는 데는 많은 비용과 시간이 들어간다. 분자 크기의 부품과 원자적 정확성을 갖는 기계를 통합하는 작업은 지금도 진행되고 있다. 그러나 프로그램이 가능하면서 인공적이며 자기복제 기능을 갖는 분자기계의 개발은 아직 요원하다. 분자기계와 같은 나노기술을 개발하는 데는 다양한 기술들이 필요한 시점이다.

　이를 위해 전문가들은 탄소나노튜브 및 생물질학·나노입자 그리고 기타 나노물질과 같은 재료기술과 나노입자 엔지니어링, 나노프린팅, 리소그래피, 화학, 양자과학, 분자프로그래밍 및 제조 등과 같은 도구 및 조립기술이 선행돼야 한다고 주장하고 있다.

　우선 재료기술 분야를 살펴보자.

　재료기술 연구자들은 컴퓨터화된 이미지나 탐침현미경 같은 첨단 방법을 사용해 원자를 분석하고 물질구조와 특성간 분자관계를 파악한다. 분자수준을 처리해야만이 기존 재료를 능가하는 특성을 조합, 주문화된 첨단 물질을 개발할 수 있기 때문이다.

　첨단 물질로는 탄소나노튜브를 들 수 있다. 탄소나노튜브는 다양한 물질로 만들어진다. 특히 다이아몬드·흑연이 중요한 역할을 한다. 탄소나노 기술은 탄소나노튜브가 눈에 띄는 구조적·전자적 특성을 갖고 있다는 점에서 가장 중요한 나노 재료기술 가운데 하나다.

　일부에서는 탄소나노튜브가 이용화될 수 있는 폭이 넓다는 점에서 기술자들에게 필수불가결한 재료가 될 것으로 전망하기도 한다. 그러나 비용효율성이 떨어지고 대규모로 생산할 수 있는 방법이 미흡한 점이 탄소나노튜브의 상용화를 지금까지 막고 있다.

　현재로선 목표물에 열을 쬐는 레이저 절제, 금속이 주입된 탄소 음극선관을 직접 흐르게 하는 탄소아크, 복합적인 나노섬유에 대해 촉매를 이용한 화학증착과 같은 다양한 기술이 탄소나노튜브의 생산을 가능하게 하는 기술로 떠오르고 있다.

　나노기술이 적용되는 또다른 분야로는 생체적합 물질분야를 들 수 있다. 생체적합 물질이란 자연적인 상태에 존재하는 물질을 합성하거나 변형해 생성된 물질로, 생체조직에 닿은 부위의 보철에 사용하는 물질이나 재료를 지칭한다. 폴리머나 금속·세라믹·생물학적 재료·합성물 등이다.

　이밖에 나노기술자에 특별한 관심을 끄는 물질로는 RNA·DNA·펩타이드·단백질 등이 있는데 이들은 수많은 분자가 모여 자동으로 3차원 구조를 형성한다. 이들 생물학적 분자구조는 비록 탄소나노튜브만큼 견고하지는 못하지만 설계가 자유롭고 자동으로 배열되는 매우 중요한 특성을 띤다. 과학자들은 이미 유생분자들을 사용해 나노모터와 나노핀셋이라는 복잡한 기기를 설계해냈다.

　생물질학을 활용하는 건강 및 인간과학 분야에는 칩 하나에 다양한 기능을 집어넣었다는 이른바 ‘랩 온 어 칩(lab-on-a-chip)’ 진단기기, 정형외과적 보철, 치의학, 비뇨기학, 유전치료, 조직의 성장과 회복, 조직 엔지니어링, 안과학, 의약배달, 심장병학, 혈관질환치료, 화장품 등이 포함된다. 생물질학은 기계분야뿐만 아니라 건강 등 인간과 관련한 과학분야로 지속적으로 확대될 전망이다. 이를 통해 기능화된 유생분자 기관 및 유생분자 수단을 조직화할 것으로 보인다.

　기능화된 유생분자 구조에는 리보좀에서 비롯된 합성 바이오시퀀서와 바이오어셈블러가 포함된다. 유생분자 기구에는 나노모터·나노핀셋·나노바이오센서 등 DNA시퀀스와 펩타이드, 단백질 혹은 다른 형태의 생물질이 포함된다. 주요 개발업체로는 3M·듀퐁·엑슨모빌·교세라산업세라믹·아니카세라페틱스·바이오매트릭스 등이 있다.

　나노입자는 나노물질의 집합체다. 나노입자는 대중화돼 포괄적인 용어로 쓰이거나 과학논문에 등장해 어떤 물질의 조각을 묘사하는 데 사용되기도 한다. 나노입자의 크기는 일반적으로 직경 0.1마이크론 이하다.

　일부 과학자들은 나노입자에서 발생하는 이익을 이용하는 방법을 알고 있다. 나노입자는 작은 동물의 유기물로부터 나온 파생물이나 생유전학적 물질에서 비롯된다. 또는 이와 거의 유사한 형태나 크기의 입자로부터 만들어진다.

　그러나 SRI 보고서는 과학자들이 기술적 과정에서 창조한 나노입자에만 주목한다. 나노입자로 활용되는 중요한 물질로는 세라믹(탄화물, 질화물, 산화물, 붕소화물 세라믹), 핼라이드, 금속, 유리, 기타 조직물질 등을 들 수 있다. 기타 나노기술이 적용되는 또 다른 물질들이 존재한다.

　나노물질은 나노입자와 다르다. 나노물질에는 양자 우물과 양자점, 원자클러스터, 나노클러스터, 나노결정, 나노단계의 물질, 나노구조로 된 물질, 나노합성물 등이 포함된다. 나노물질은 나노기술 활용 및 개발에 중요한 역할을 하게 된다.

　◇양자우물 구조=양자우물은 매우 작은 전위(電位)우물이다. 이 우물은 마치 입자를 집어넣은 반도체 상자와 같다. 서로 다른 반도체 물질을 만들어내기 위해 특별한 층을 마치 캐리어나 여기자(勵起子)와 같은 입자에 빠뜨리는 과정이 필요하다. 캐리어는 음극으로는 전하인 동시에 양극으로는 정공(正孔)이다. 여기자는 빛의 형태를 갖는 에너지를 발생시키는 전자와 정공으로 돼 있는데 에너지는 전자가 정공과 합쳐질 때 발산된다. 양자우물 내에 있는 입자는 양자 울타리에 놓여 있다. 우물이 입자의 동작을 제한하기 때문이다. 양자우물에서 입자들은 가장자리에서만 자유롭게 움직인다. 그러나 우물은 입자들을 앞뒤로만 움직이게 제한한다. 그럼에도 불구하고 양자우물은 많은 유용한 자원을 갖고 있다. 왜냐하면 앞뒤로 제한해 정확하게 움직이도록 할 수 있기 때문이다. 그 결과 양자우물 구조는 반도체레이저와 공명터널기기 등 첨단장비에서 유용하게 쓰인다. 또 양자를 속박해 양자점 등 다른 새로운 반도체 구조를 만들어낼 수 있게 됐다.

　◇양자점=양자점은 매우 작은 금속 또는 선택적으로 가둬두거나 풀어줄 수 있도록 잘 제한된 수의 전자를 보유한 반도체 상자라고 생각하면 된다. 양자점 내의 전자 수는 점의 정전기 환경에 변화를 줘 조절할 수 있다. 양자점은 수 나노미터에서 수 마이크론에 이르는 다양한 크기를 갖고 있다. 이들은 또 0개에서 100개에 달하는 전자를 갖고 있다. 지난 10년동안 기술자들은 연구소 차원에서 진행중인 양자점 연구를 향후 양자 컴퓨터 기술까지 이어질 수 있도록 하는 데 주력해왔다.

　◇원자 클러스터=원자클러스터 혹은 나노클러스터는 개개의 원자나 물질 덩어리와 달리 움직이지 못한다는 점에서 특이하다. 원자클러스터는 적은 수(3개)에서 수천개의 원자로부터 물질을 형성하는 원자의 그룹이다. 원자클러스터는 결정구조나 비정형물질에 의해 만들어진 파장 형태 또는 일정 정도의 크기를 갖는 벌크 형태를 형성하지 못할 때 원자를 잃어버리기도 한다.

　원자클러스터는 또 독특한 성질과 기능을 갖는다. 예를 들어 원자구조는 크기 대비 높은 표면적률을 갖지만 종종 불안정하다. 이런 점이 원자클러스터를 촉매로 유용하도록 한다.

　반면 실리콘 클러스터는 때때로 벌크 형태일 때보다 안정적이어서 향후 실리콘 기반 컴퓨터의 새로운 토대가 될 것으로 예상된다. 벌크 형태에서 자유롭게 움직이는 전자는 클러스터를 규정해 광컴퓨팅이나 새로운 레이저 물질을 창조해 특별한 양자효과를 만들어내기도 한다.

　미국 조지아기술연구소는 콜로이드 방법을 이용해 플래티늄 나노클러스터를 개발했고 산디아국립연구소는 새장구조와 같은 표면활성분자의 자가조립방법을 개발해냈다. 한편 표면활성분자는 다른 방법으로는 할 수 없는, 원자클러스터의 크기와 수량을 다양화해 원자클러스터의 형성을 통제할 수 있도록 해준다.

　◇나노결정=나노결정은 비록 입자들의 평균 크기가 매우 다를지라도 실제 결정과는 다른 형태로 나타난다. 캘리포니아대학에서는 유리와 실리콘웨이퍼 기판내에서 나노결정의 형태를 만들어내는 데 성공했다.

　◇나노단계 물질=독일 자를란트대학에서는 지난 86년 직경 2∼50㎚의 원자클러스터를 만들었다. 그리고 나서 미세한 분말을 모아 그레인 크기가 4∼30㎚에 불과한 벌크를 소형화하는 데 성공했다. 과학자들은 이 새로운 방법이 비정형방법이나 결정체 혹은 심지어 유사(類似) 결정체가 아니라고 설명했다. 그러나 이른바 나노단계라는 또 다른 단계에 대해서는 결론을 내리지 못했다. 지난 89년 미국 아곤국립연구소가 상용화를 위해 나노페이즈테크놀로지스를 분리 독립시켰다. 이는 ‘타이타니아’라는 고탄력 세라믹과 팔라듐을 만들어내기 위해서였다.

　◇나노합성물 및 나노구조로 된 물질=두개의 물질을 합성하기 위해서 과학자들은 각물질의 특성을 개선했다. 이 보고서에서 나노합성물은 다소 부정확하게 쓰인다. 그러나 나노합성물은 원자 물질 사이에서 하나의 물질내 원자가 둘러싸고 있는 원자클러스터의 모든 것을 묘사한다.

　코넬대학은 5∼15㎚의 세라믹층 사이에 폴리머 분자층을 삽입할 경우 폴리머의 열안정성이 증대된다는 것을 알아냈다. 세라믹의 충격저항도 늘어났고 전자의 특성도 변화했다.

　듀퐁연구소는 X레이 이미지에서 셀렌을 대체하기 위한 물질로 ‘삼요드화 비스무스’와 나일론의 나노합성물을 만들어냈다. UC버클리대학은 액체 결정상태에서 2개의 복합폴리머 자체조립성을 이용, 폴리머 분자 와이어의 나노합성물을 만들어냈다. 이를 이용해 순수한 성분보다 나은 광발광을 제공할 수 있었다. 액체결정 폴리머의 자가배열성은 잘 알려져 있다. 이미 첨단 섬유 등 첨단 나노구조 물질을 개발하는 데 기반이 됐기 때문이다.