[과학 핫이슈]나노기술

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@게티이미지뱅크
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삼성전자가 세계 최초로 `10나노급 D램 시대`를 열었다. 삼성전자는 2월부터 10나노급 8GB DDR4 D램을 양산했다고 최근 밝혔다. 2014년 세계 최초로 20나노 4GB DDR3 D램을 양산한 데 이어 10나노급 8GB DDR4 D램을 양산해 반도체 기술의 한계를 돌파했다.

국내 나노기술은 메모리 반도체, 디스플레이 등 전자산업에서 산업화를 시작했다. 나노는 10억분의 1을 나타내는 단위다. 난쟁이를 뜻하는 고대 그리스어 나노스(nanos)에서 유래됐다. 1나노미터(nm)는 10억분의 1m로 머리카락 굵기의 약 8만분의 1 크기다. 수소원자 10개를 나란히 늘어놓은 정도다.

나노기술은 1959년 미국 물리학자 리차드 파인만이 가능성을 제시했다. 나노기술은 물질을 nm 크기 범주에서 조작·분석하고 제어하면서 새롭거나 개선된 특성을 나타내는 소재 시스템을 만들어 내는 과학기술이다. 초미세 극한기술이라고 보면 된다.

◇나노기술의 혁신성

나노는 동일소재로 크기에 따라 다양한 색상을 구현할 수 있다. 나노입자 크기별로 다른 빛깔을 나타낼 수 있어 기존에 색상을 내는 원소인 희토류 원소 없이도 다양한 색상을 나타낼 수 있다.

나노크기 구조는 세상에 없던 특성을 갖는 물질을 제조해낸다. 강한 자석 물질 사이에 나노두께의 얇은 비(非)자성 금속을 넣은 구조로 작은 자기장 변화를 민감하게 측정할 수 있는 특성을 만든다. 기존 하드디스크 헤드(MR)를 나노기술 적용 헤드(GMR)로 대체하면 하드디스크 용량은 10MB/㎠에서 10GB/㎠로 획기적으로 증가한다.

나노크기 입자는 표면적이 매우 커서 반응속도가 빠르다. 고속 충·방전 전지, 고감도 센서 등을 구현할 수 있다. 이차전지 전극 표면을 나노크기 수준에서 올록볼록하게 만들면 표면적을 증가시켜 같은 부피에서 에너지 밀도가 증가한다. 충·방전 속도도 향상된다.

나노기술이 좀 더 발달되면 전기자동차에 적용될 수 있다. 전기자동차가 대중화되기 위해서는 충전 기능과 경제성이 높아져야 하는데, 나노기술로 한 번 충전에 500㎞ 주행, 빠른 충·방전 속도, 경제성(15만원/㎾h), 작은 크기(700Wh/㎏)가 가능하게 될 것으로 보인다.

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나노기술을 이용하면 저가의 고효율 촉매 설계와 제조도 가능해진다. 계산나노과학으로 디자인해 제조한 나노클러스터 촉매는 300도 이하의 온도에서 높은 활성을 나타낸다. 기존에는 제철소 배기가스 정화를 위해 배기가스를 재가열해 온도를 높여야 했다. 새로운 촉매 사용으로 추가 에너지 소모가 필요 없어졌다. 신촉매 사용 시 대형선박의 엔진효율을 적게 떨어뜨리면서 효율적인 배기가스 저감장치 설치가 가능해진다. 올해부터 건조 선박에 적용하는 국제해사기구 배기가스규제에 국내 조선업 경쟁력 제고에 기여할 것으로 기대된다.

◇전자산업 중심으로 확산된 나노기술

국내 나노기술은 2002년부터 전자산업을 중심으로 확산됐다. 메모리 반도체, 디스플레이 등 전자제품 산업이 초정밀 나노제조기술을 혁신동력으로 발전하면서 후방산업에 나노융합을 확산하고 있다. 초정밀 나노기술의 기반이 되는 공정분야와 전자부품 패키징을 위한 필름소재, 분산체 등 나노소재 분야로 나노기술 융합 확산되고 있다. 매출액 상위 30대 나노융합제품 중 장비는 8개, 소재는 11개다.

나노소자는 대기업을 중심으로 디스플레이용 나노소자 부품, 메모리 소자 등에서 나노기술 적용이 활발하다. 반도체 소자는 기업 총 매출에서 나노융합제품이 차지하는 비중이 2013년 기준 97.2%다. 나노융합제품 생산 기업 중에는 나노소재 기업이 가장 많다. 하지만 규모의 경제를 도모하기에 매출규모가 미흡한 경우가 다수다. 나노소재 생산기업 234개(46.3%) 중 193개가 중소기업이다. 이들 기업의 나노소재 평균 매출액은 2013년 기준 53억원에 그쳤다.

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전자부품 패키징 등을 위한 필름소재, 분산체와 이차전지, 화장품, 진단제, 나노복합섬유 등으로 나노융합은 확산 중이다. 2013년 기준 국내 나노융합제품 총 매출 중 LCD용 소자 부품은 70조원으로 50%, 메모리 소자는 42조원으로 30%를 차지한다.

2010~2013년 나노융합산업 매출은 연평균 16.4%, 고용은 7.1% 증가해 2013년 매출액 138조7000억원, 종사자 수 15만1000명, 기업 수 541개 도달했다. 제조업 전체 매출액의 9.3%, 종사자 수의 5.3%를 차지했다. 나노전자의 매출은 전자부품 산업 매출의 68.3%다.

국내 나노기술 수준은 나노소자, 나노소재, 나노에너지 환경, 나노공정 측정 분야 발전에 따라 세계 최고수준 대비 2014년 81%다.

◇선진국, 미래 해결책으로 나노기술 내세워

선진국은 세계적인 제조업 혁신 움직임과 맞물려 나노기술을 선도적으로 확보하려는 노력을 하고 있다. 고령화 사회, 환경 에너지, 초연결사회 등 미래사회 핵심이슈 대응 해결책으로 태양에너지, 수처리, 차세대 나노소자 등 연구를 추진하는 중이다.

미국은 나노기술 상용화 계획(NSI)을 세우고 나노 전자, 태양에너지 수집 변환 기술, 건강 안전 환경 센서 등에 집중 투자한다. 유럽연합(EU)은 차세대 제조업, 에너지 효율향상, 저탄소에너지 운송 관련 연구개발과 상용화 추진을 위해 24억유로를 투자한다.

일본은 주력산업인 자동차, 전자 등과 융합한 신산업 창출과 산업 경쟁력 강화를 위해 2014년 1005억엔으로 나노 소재분야 투자를 확대했다.

중국은 제조대국에서 제조강국으로 전환을 위한 `중국제조 2025`를 수립했다. 베이징, 상하이, 광저우 등에 나노산업 거점을 구축하고 있다.

나노는 나노크기의 안전성과 실험 제어가 쉽지 않다는 점이 성장 걸림돌이다. 이 때문에 각국은 화학물질 규제체계 내에서 나노물질 관리를 추진하고 나노물질 안전성 평가 시험 측정 확보를 위한 국제공동연구 추진하고 있다.

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◇바이오·에너지 등 미래 신산업에 활용

미래 신산업으로 나노소자, 나노바이오, 나노에너지 환경을 꼽을 수 있다. 환경 변화로 나노기술 활용의 필요성은 커지고 있다. 막대한 정보량 처리, 에너지 기후문제 해결, 건강한 장수를 실현하는 중요기술로 나노기술 활용의 요구가 커지는 상황이다.

제4차 산업혁명으로 지능형 정보처리 기반기술 수요가 늘고 사람, 프로세스, 사물, 공간 등이 네트워크로 연결된다. 이 때 어디서나 정보를 효율적으로 처리·저장할 수 있는 고성능 소자가 필요하다. 대용량 데이터를 효율적으로 저장하는 고집적 메모리소자, 낮은 전력의 고성능 정보처리 소자, 뇌신경모방 소자를 활용할 수 있다.

건강과 안전 사회 실현을 위해서도 나노바이오 기술이 개발되고 있다. 신체 삽입형 측정과 맞춤형 표적 치료, 유해가스나 미세먼지 등을 감지하는 휴대용 위험인자 센서, 고흡수율 체내 전달체 등으로 발전 중이다.

나노에너지 환경 기술은 대규모 에너지 발전 저장에서 개인용 에너지 변환 저장 방식으로 변화하고 있다. 전기자동차 확산에 필수적인 고에너지 밀도, 급속 충·방전 가능 이차전지 전극 소재와 시스템, 지구적 물 부족 해결을 위한 고내구성 수처리 분리막 다공성 나노촉매, 수소 대량제조와 이산화탄소 에탄올 전환을 위한 고효율 나노촉매 등이 대표적이다.

송혜영기자 hybrid@etnews.com