[e테크]나노기술-상향식이냐 하향식이냐..아직은 논란거리

　1.1 나노제작기술

　일부 화학자들은 이미 원자의 형성을 통제하는 방법을 개발, 분자를 만들어냈다. 이는 화학분야에서는 나노물질을 다른 물질과 통합하는 방법을 이해하기 시작했다는 의미다. 이를 통해 결정구조의 기능을 정확하게 예상할 수 있게 됐다. 보다 중요한 점은 화학자들이 새로운 제작방법과 기술이라는 개선된 방법을 통해 복합구조를 생산해낼 수 있게 됐다는 것이다.

　하지만 현재 업계에서 나노기술을 결정짓는 범위가 다소 모호한 가운데 화학자들은 나노세계에서 이룩할 수 있는 제작방법 등에 대해 논쟁을 벌이고 있다.

　나노크기의 구조(물질이나 혹은 분자조직)를 만들기 위해 일부 과학자들은 ‘하향(top-down)’ 방식을 선호한다. 이 방식에는 매칭·에칭·프린팅 기술이 포함된다. 예를 들어 전자부품 분야에서 사용되는 포토리소그래픽과 관련기술(예를 들면 엑스레이·전자빔·포커스 이온빔 프로젝션 등)은 미크론 이하 범위에서는 강력한 지지를 받고 있다.

　과학자들은 이미 100㎚ 이하에서 사용되는 나노프린팅 기술이나 지능형 잉크재료 개발에는 성공했다. 이를 통해 임프린팅(엠보싱)하고 잉킹(프린팅에 접촉시키는 작업)을 한다. 하향방식을 이용해 새로운 제작기술을 개발할 가능성은 점차 높아지고 있다. 예를 들어 나노입자의 제트분사 기술은 회로기판이나 3차원 나노구조를 갖는 레이저 유도 폴리머화를 비롯해 나노기기들이 향후 상용화할 것으로 예상되는 첨단 코팅 작업을 수행할 수 있다.

　하향 방식 일관공정에는 아래와 같은 기술들이 포함된다.

　△잉킹기법(inking technique)=패턴구조를 만들어내는 기법이다. 플렉시블한 실리콘 고무스탬프에 시약과 함께 잉크를 입힌다. 이어 기판 위에 스탬프를 놓고 이후에 제거한다.

　△임프린팅기법(imprinting technique)=기판 위에 폴리머 필름을 놓고 높은 압력 하에서 금형으로 찍어낸다. 그리고 금형을 제거한다.

　△스마트잉크(smart ink)=스마트잉크는 자체 조립과 자체 조직이 가능하다. 또 기판을 프린트할 때 나노크기의 선이나 배열을 만들어낼 수 있다.

　△광 리소그래피(optical lithography)=컴퓨터지원 패턴 설계에 이용된다. 이를 통해 물리적 패턴 레이아웃을 만들어낼 수 있다. 포토감쇄에서 오는 마스크는 프린팅 과정에 직접적인 영향을 미친다.

　△전자빔 프로젝션 리소그래피(electro-beam projection lithography)=이 기법은 자기 및 정전기장이 전자를 휘어지게 하거나 조절하게 한다. 패턴을 발생시키는 빔을 스캔하거나 혹은 마스크를 통해 전자 이미징 작업을 수행한다.

　△엑스레이 근접 리소그래피(X-ray proximity lithography)=광 리소그래피와 원리가 같다. 엑스레이가 싱크로트론 방사나 플라즈마 레이저의 소스가 된다. 엑스레이 마스크는 원자수가 많은 물질 구조에 비해 두껍다.

　△이온 빔 프로젝션 리소그래피(ion-beam projection lithography)=고해상도와 고처리량을 통합한 방법. 마스크와 전체 이미지의 병렬 프린팅 작업에 사용된다. 이온빔은 기판 표면을 이온이 직접 수정하는 저항 및 비저항 과정을 통해 용적을 기록하는 데 유용하다.

△극자외선 리소그래피(extreme ultraviolet lithography)=광 리소그래피와 원리가 유사하다. 다만 다층 유리를 통해 10∼5㎚ 파장에서 광 및 마스크의 반사를 활용한다. 조만간 90㎚ 이하에서 상용화될 전망이다.

　

　다른 과학자들은 분자제조기술을 위해 ‘상향(bottom-up)’ 방식을 선호하기도 한다. 이 기술은 원자크기에서 물질이나 과정 및 기기의 3차원 구조를 조절할 수 있다. 원자와 원자간 또는 분자와 분자간 구조와 성분을 만든다. 상향 방식을 이용한 분자 제조방법은 아래와 같다.

　△분자 자가조립기(molecular self-assembler)=조직화된 분자구조를 다루는 본질적 분자 시스템을 이용한다. 이는 예를 들어 3개의 분자 체인은 선형 분자 케이블을 만들어내기 위해 스스로를 재정렬하는 기능을 갖는다는 의미다.

　△분자 블록 쌓기(molecular building block)=오늘날 기술로는 개개 분자의 처리가 힘들기 때문에 과학자들은 빌딩 블록을 만듦으로써 자체 조립 및 자체 구조화된 분자를 개개의 분자를 처리하는 것보다 쉽게 거대 그룹화할 수 있다. 빌딩 블록은 복잡한 대상을 구축해 분자 크기의 향상을 도모한다.

　△주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscope)=전자를 현미경의 끝에서 샘플까지 진공속으로 통과시키는 기법. 현미경은 매우 정확하지만 그러나 도체와만 교류한다. 이 때 현미경은 마치 원자적 정확성을 갖고 탄소나노튜브를 자르는 매니플레이터(방사성 물질 등 위험물질을 다루는 기계)와 같이 작동한다.

　△원자 현미경(atomic-force microscope)=분자간 반데르발스 힘을 이용한다. 현미경은 나노도체의 표면처리를 가능하게 하고 매니플레이터처럼 작동한다.

　△첨단 에피택셜 기법(advanced epitaxial techniques)=분자빔 에피택시, 원자층 에피택시, 금속조직 화학증착기법(MOCVD) 등을 포함하는 기법으로 반도체 업체들이 기판위에 매우 얇은(원자) 퇴적층을 놓는다. 이 기법을 통제할 수 있게 됨에 따라 복잡한 전자 및 광전자 기기를 개발하는 유용한 수단이 됐다.

　△랭뮤어 블로제트 기법(Langmuir-Blodgett technique)=물 표면에서 활동적인 물질의 단일 층을 형성한다. 이후 고체 회로기판 위에서 떠있는 단일 층을 가라앉힌다. 동일한 회로기판 위에서 다층을 만들어내는 과정(단일 층을 다른 단일 층 위에 부가하는 과정)을 반복한다.

　△프로그래머블 분자기계(programmable molecular machine)=분자수준에서 구조물을 만들어가는 인공적인 조립기계를 지칭한다. 조립기계들은 통제된 환경에서 운용할 수 있도록 미리 프로그램한다. 그 결과 제품은 분자핀셋·분자가위같은 나노 툴을 포함하게 된다. 또 분자기계들은 고품질 제품을 생산할 수 있게 된다. 분자기계의 자체 복제는 분자제조 기술의 궁극적인 목표가 된다.

　△분자 툴링(molecular tooling)=과학자들은 컴퓨터 제어를 통해 나노기어나 나노와이어, 나노파이프를 개발했다. 또 탄소나노튜브에서는 프로브를, 벤젠-1,4 디티올에서는 분자브레이크 연결기나 다이오드를, 생물학적 과정에서는 분자모터와 핀셋을 개발해냈다.

　

　1.2 나노입자 제작기술

　이밖에 나노입자를 만드는 방법도 중요시된다. 이 방법은 이미 개발됐는데 건식법, 습식법, 혼합법 등 크게 세가지로 나눌 수 있다.

　우선 건식법은 나노입자를 만들어내는 가장 성공적인 방법으로 비교적 높은 압력하에서 관성이나 반응을 보이는 가스안에서 물질을 증발시킨다. 과학자들은 이 방법을 통해 대부분의 금속이나 다른 화합물들을 나노화할 수 있다고 밝힌다. 또 이 방법과 정전기의 다른 운동성 기술을 통합해 입자를 성공적으로 추출해냈다.

　또 다른 건식법으로는 기존에 사용하던 ‘볼 밀링’법을 들 수 있다. 이 기법을 이용할 경우 미세한 분말을 만들 수 있다. 볼 밀링법은 보다 다양한 사이즈의 나노입자를 만들어낼 수 있지만 제품수율이 낮은 단점이 있다. 또 다양한 사이즈의 입자로 인한 표면훼손을 피할 수 없다.

　습식법은 전자화학, 콜로이드 화학 또는 교질입자 기술과 관련있는 방법을 포함한다. 이 방법은 반도체 나노입자, 특히 Ⅱ-Ⅵ(2-4) 반도체 입자군을 만드는 가장 단순한 방법이다.

　전자화학법은 전자장을 이용해 나노입자를 성장시키고(예를 들면 금 나노 로드처럼) 나노미터 크기의 코팅도 가능하게 해준다. 이 방법의 가장 큰 단점은 수율이 낮다는 것이다.

　콜로이드 화학법은 2개의 전물질간 나노입자를 만들 수 있다. 일반적으로 원하지 않는 반응 제품의 제거 및 중립화를 필요로 한다. 많은 금속 콜로이드들이 이 방법을 통해 제조된다. 그러나 이 기법은 강한 공유결합에 이끌리기 쉬운 물질에는 적합하지 않다. 이런 이유로 실리콘, 게르마늄, Ⅲ-Ⅴ(3-5) 물질은 이 기법에 의해 모두 다르게 만들어진다.

　교질입자법은 계면활성된 ‘껍질’을 에멀전 형태로 된 전물질에 뒤집어 씌운다. 이 과정에서 반응을 보이는 수많은 양이온들과 에멀전간 경계를 결정할 수 있다. 음이온의 도입이나 후속 반응은 잘 정제된 규모의 콜로이드 나노입자를 형성시킨다. 교질입자들은 결과적으로 콜로이드 입자에 의해 둘러싸인다.

　혼합법은 몇가지가 있다. 영국 옥스퍼드대학 연구자들은 에어로솔 입자 안에서 반응량을 제한하는 방법을 개발했다. 이 방법은 정전기적으로 음이온이 풍부하게 들어있는 가스안에서 적당한 양이온이 들어있는 솔루션을 스프레이함으로써 분산 에어로솔을 만든다. 이 점은 과학자들이 금속단일 입자뿐 아니라 Ⅲ-Ⅴ(3-5) 반도체 화합물을 만들 수 있다는 것이다. 그러나 적당한 크기의 입자를 만들어내기 힘든 단점도 있다.

　나노입자를 만들어내는 또 다른 방법은 열화된 에어로솔을 사용하는 방법이다. 고온 에어로솔 방법도 3∼8㎚의 실리콘 나노크리스털을 만드는 데 유용하다. 듀퐁에서는 대형 케이지 제올라이트 안에서 반도체 나노입자의 성장을 연구하고 있다.