제공: 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)
나노 기술 분야는 오래 전부터 존재했던 기술 분야다. 예컨대 ‘리소그래피’처럼 벌크 소재에 나노 스케일의 특성을 도입하는 기술부터 시작해, 처음부터 100nm 이하, 경우에 따라서는 단일 원자층 두께의 고기능성 소재를 만드는 기술에 이르기까지, 나노 기술은 오랜 기간 다양한 형태로 발전해왔다.
나노 기술 분야는 오늘날 다양한 영역에서 지대한 영향을 미치고 있다. 이는 생물학, 화학, 물리학, 공학 등 모든 전통적인 과학 분야의 다양한 측면을 포괄하므로 나노 기술과 나노 소재의 응용 범위는 매우 방대하며 계속해서 성장 중이다.
나노 기술은 오래 전부터 존재해 왔지만, 수많은 틈새 분야가 끊임없이 새롭게 등장하고 있다. 이들 중 일부는 다른 분야에 비해 아직 비교적 초기 단계에 있다. 하지만, 그러한 분야들 역시 나노 기술이 다양한 응용 분야와 산업/시장 부문에 어떻게 적용될 수 있는지에 대해 많은 연구가 진행되고 있는데, 그 중 하나가 바로 ‘나노아키텍토닉스(Nanoarchitectonics)’이다.
나노아키텍토닉스란?
나노아키텍토닉스는 원하는 애플리케이션 또는 시스템에 맞게 소재를 제작하고 맞춤화하는 나노 기술의 한 분야이다. 원자 및 분자 조작 방식은 다양한 분야에서 활용되어 왔고 나노아키텍토닉스 내에 포함된 개념은 나노 기술 및 인접 과학 분야에서 수년 전부터 존재해 왔지만, 나노아키텍토닉스 기술 자체에 대한 정의가 확립된 것은 최근의 일이다.
본질적으로, 나노아키텍토닉스는 기존 소재를 변경하고 맞춤화하는 데 사용되는 원자 조작 기법과 나노 소재를 만드는 데 사용되는 합성 방법 두 가지 모두를 포괄하는 방법론적 연결 고리이다. 나노아키텍토닉스는 애플리케이션의 필요에 따라 원자와 분자를 원하는 구성으로 배열하고, 자연적으로는 얻을 수 없는 완전한 인공 소재를 만드는 방법이다. 또한 나노아키텍토닉스에서는 소재의 기능을 완전히 이해하기 위해 다양한 제조 및 원자 조작 방법을 사용하며, 그 결과 과학자들이 최적의 방법으로 소재를 다루는 방법을 보다 명확하게 이해할 수 있도록 돕는다.
나노아키텍토닉스는 습식 화학 합성(무기, 유기 및 초분자 화학)의 다양한 측면을 재료 과학 및 제조 공학과 결합함으로써, 일반적인 합성 경로만으로 생산되는 경우보다 해당 애플리케이션에 더욱 적합한 소재를 만드는 융합 분야이다.
나노아키텍토닉스는 소재 생성과 소재 조작의 결합이기 때문에 현장에서는 다양한 방법이 사용된다. 개발자들은 자기조립(self-assembly)과 같은 다양한 기법을 통해 소재를 만들 수 있지만, 나노아키텍토닉스 분야의 조합은 원자 조작 단에서 이루어진다. 그 밖의 경우는 일반적인 합성 방법을 통해 생산된다.
개발자들은 원자 조작을 위해 합성 중 또는 제조 후 외부 장(자기장이나 전기장 등), 프로브 현미경 기법(스캐닝 터널링 현미경, 원자력 현미경), 소재 내 자기조립 성장(self-assembly growth), 화학적 조작 등 다양한 기법을 사용한다.
이 모든 공정을 거친 후에야 새롭게 변경된 소재를 얻게 되는 게 일반적인데, 이는 흡착 원자를 사용한 도핑이 반도체의 성질에 영향을 미치는 방식과 유사하다. 이러한 다양한 공정을 엔지니어링 제조 전략과 결합하여 생성된 소재 구조는 다른 방법으로 생산한 소재 구조보다 훨씬 더 계층화되는 경향이 있는데, 이러한 제조 방식의 결합을 사용하면 다른 방법보다 더 복잡한 구조를 얻을 수 있다. 고급 소재의 경우, 원자 및 분자 수준에서의 특징에 따라 소재의 기능적 측면과 활동적 측면이 결정되는 경향이 있다. 따라서 전자 장치에서 제조 공정을 더욱 자세히 이해하여 특정 활성 특징을 만들어낼 수 있다면 첨단 기술을 위한 신소재 개발의 문을 열 수 있을 것이다.
지금까지 나노 아키텍처 원리를 활용해 온 대부분의 소재와 시스템은 의료 및 생물학 응용 분야에 사용되어 왔다. 이는 자연계의 많은 시스템이 이미 자기조립에 의해 생성되고 있고, 많은 유기 및 생물학적 소재가 무재 소재에 비해 원자 구조를 조작하기가 훨씬 쉽기 때문이다. 물론 예외가 있기는 하지만, 통상적으로 에너지 저장, 컴퓨팅 또는 센서와 같은 하이테크 애플리케이션에서는 무기 소재(나노 또는 기타)가 사용되는 경우가 더 많다. 예를 들어 실리콘, ITO, 리튬 전극, 압전 재료, GaAs 반도체는 모두 무기 소재로서, 첨단 기술에서 흔히 볼 수 있는 소재이다. 그렇기에 생물학 분야에서도 다양한 연구가 이루어지고 있지만, 보다 발전된 기술 분야에 대한 관심도 커지고 있는 것이다.
더 많은 하이테크 디바이스에 대한 기대
나노아키텍토닉스는 생물학 및 의료 애플리케이션에서 많이 사용되어 왔다. 그에 비해 하이테크 애플리케이션에서는 상대적으로 많이 알려지지는 않았지만, 나노아키텍토닉스 원리가 전자 기기에 적용된 몇 가지 사례들이 있다.
나노아키텍토닉스 기법을 활용하는 데 있어 많은 관심이 집중되는 분야 중 하나로, 특히 슈퍼커패시터 기술과 같이 보다 효율적인 에너지 저장 장치 제작 분야를 들 수 있다. 슈퍼커패시터는 높은 활성 표면적에서 전하를 저장하는 방식을 활용하는데, 나노아키텍토닉스 분석 및 조작 방법은 기공의 크기와 크기 분포를 제어하여 다공성 탄소 소재를 전략적으로 구현하는 데 유용하다. 이는 슈퍼커패시터의 전력 성능을 개선하여 더 많은 전하를 저장 및 방출하는 데 도움이 되며, 이러한 최적화 접근 방식은 질감 특성(거칠기, 매끄러움 등) 측면에서 보다 효율적인 표면을 생성하여 첨단 슈퍼커패시터의 전자적 성질을 미세 조정하는 데에도 유용하다.
나노아키텍토닉스의 또 다른 활용 사례로 보다 기능적인 나노와이어 개발을 들 수 있다. 나노와이어 기술은 아직 상용화 초기 단계에 있지만, 미래에는 다양한 소형 플렉시블 디바이스에 활용될 것으로 기대된다. 표준적인 제조 경로에 나노아키텍토닉스를 사용하면, 과학자와 엔지니어들은 1차원 소재의 전기 전도도를 측정하여 나노와이어 개발에 적합한 소재인지 여부를 확인할 수 있다. 이 방식은 디바이스에 이상적인 기본 소재를 찾고 애플리케이션에 맞게 그 성질을 바꿈으로써 미래에 보다 효율적인 나노와이어를 개발할 수 있게 해준다. 따라서 나노아키텍토닉스는 오늘날 실현 가능한 수준보다 더욱 폭넓은 규모로 나노스케일 회로를 실현하는 중요한 방법이 될 수 있다.
마지막으로, 몇 가지 유익한 특성을 보이는 반도체들이 많이 있기는 하지만, 특정 디바이스에는 밴드갭이 더 적합할 수도 있다. 또한, 그래핀과 같이, 특정 응용 분야에서 높은 잠재력을 가지고 있지만 밴드갭이 없어 부적합한 완전 전도성 소재들도 존재한다. 오늘날에는 도핑(doping)이 일반적으로 활용되고 있는데, 이제는 밴드갭 엔지니어링 기법을 통해 나노아키텍토닉스 원리를 사용하여 다양한 반도체 소재를 만들 수 있다.
나노아키텍토닉스 기법을 통해 소재의 밴드갭을 구현함으로써(통상적으로 소재에 주기적인 나노 구조를 생성함), 개발자들은 소재의 전자적 성질을 훨씬 더 강력히 제어할 수 있다. 이러한 방식은 반도체 소재에 직접적인 영향을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 반도체 소재 계층과 나노 소재 계층 사이에 보다 효율적인 이종 접합을 실현할 수 있게 해준다. 후자의 경우에는 소형 전자 기기를 위한 보다 작은 인터페이스 구현에 관심이 쏠리고 있기 때문에, 나노 소재를 활용한 보다 효과적인 최적화 능력이 미래 기술에 있어 더욱 발전된 소자를 만들 수 있는 길이 될 수 있다.
맺음말
나노아키텍토닉스는 소재의 제조 방식과 원자 조작 방식을 결합하여 소재에 기능적 특징과 활성 나노스케일 특성을 구현하는 기술 공정으로서, 제조 방식만으로 구현할 때보다 소재의 성질과 특성을 특정 애플리케이션에 훨씬 더 적합하도록 만들 수 있다. 나노아키텍토닉스는 애플리케이션의 필요에 따라 원자와 분자를 원하는 구성으로 배열하고 자연에서는 얻을 수 없는 소재, 즉 완전한 인공 소재를 만드는 방식이다. 원자를 분석, 생성, 조작하여 애플리케이션에 적합한, 전혀 새로운 소재를 만드는 능력은 미래에 광범위한 기술 영역에서 훨씬 더 효율적이고 보다 소형의 전자 시스템을 실현하는 데 도움이 될 수 있다. 이 같은 툴들은 이미 다양한 하이테크 분야에서 사용되고 있지만, 다양한 면모를 갖춘 이 접근 방식은 나노 구조 소재가 하이테크 디바이스에서 보다 많이 활용될 수 있게 하는 실마리가 될 수 있을 것이다.
▶ 저자 소개
리암 크리츨리는 화학 및 나노 기술 전문 작가이자 저널리스트, 커뮤니케이션 전문가다. 분자 수준의 화학 물질을 다양한 응용 분야에 어떻게 적용할 수 있는지에 대해 연구한다. 과학자와 비과학자 모두에게 복잡한 과학적 주제를 자신만의 독특한 방식으로 쉽게 설명하는 것으로 유명하다. 유럽 NIA(Nanotechnology Industries Association)의 수석 과학 커뮤니케이션 책임자로 지난 몇 년 동안 전 세계의 많은 기업, 협회 및 미디어 웹사이트에 글을 기고했다. 미국 NGA, 글로벌 단체인 NWN의 자문이사, 영국 과학자선단체인 GlamSci의 이사회 멤버로도 활동 중이다.
