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일경사이언스_2019/02_나노 연구∙ 나노기술의 최전선
  • 저자 : 日経BP社
  • 발행일 : 20190201
  • 페이지수/크기 : 116page/28cm

요약

Nikkei Science_2019.2 특집 요약 (p97~102)

나노 연구 나노 기술의 최전선
나노 테크놀로지의 동향 및 트렌드

Part 1. 나노 테크놀로지의 동향 (1)
IoT, AI가 개척하는 초스마트 사회(Society 5.0)를 최첨단 나노 테크놀로지가 뒷받침 한다

-- 최첨단 디바이스는 나노 테크놀로지의 집합체가 된다 --
IoT(Internet of Things), 로봇, 인공지능(AI) 등 차세대 기술을 모든 산업 및 사회생활에 도입함으로써 이노베이션을 창출. 개개인의 니즈에 알맞은 형태로 과제를 해결하는 새로운 사회가 ‘Society 5.0’(초스마트 사회)이다. 과학기술기본법의 제5기(2016년도~2020년도)의 기본 이념을 나타내는 키워드 중 하나로서 등장했다.

‘Society 5.0’에서는 가정, 공장∙사무실, 환경∙에너지, 자동차, 건강∙의료, 금융 등 모든 사회 영역에서 새로운 비즈니스가 출현하고 있으나, 그것을 뒷받침하는 기반 기술이 바로 나노 테크놀로지이다. 2017년 4월에 과학기술진흥기구∙연구개발전략센터가 발행한 ‘연구개발의 부감(俯瞰)보고서 나노 테크놀로지∙재료분야(2017년판)’(이하 ‘부감보고서’)에 있어서 중요한 메시지로서 전달된 것은 “앞으로 다가올 IoT, AI시대에 활약하는 디바이스 및 구성 요소는 첨단 나노 테크놀로지의 집합체가 될 것이다”라는 것이었다.

실제, 현재는 AI 칩, IoT 센서, 클라우드, 차세대 자동차 및 운송기기, 로봇, 에너지 변환 디바이스, 진단∙치료∙계측 등의 하드웨어 영역에서 이미 최첨단의 나노 테크놀로지에 의해 경쟁력이 좌우되고 있다. 일본∙미국∙유럽의 선진국이 잇따라 나노테크놀로지를 중시한 과학 기술정책을 내세운 지 15년. 그 동안에 축적된 각각의 요소기술이 융합을 통해 제품 및 시스템화되어 시장에 침투해 가는 시대가 드디어 도래했다고 할 수 있을 것이다.

-- 융합을 반복하면서 기술영역을 확대 --
나노미터는 1미터의 10억분의 1이다. 나노 테크놀로지는 1나노미터에서 약 100나노미터 범위의 세계를 대상으로 하고 있다. 물질의 최소 구성 단위인 원자를 생각하면, 수 개의 원자에서 수백 개 모인 분자가 나노  테크놀로지 영역에 들어간다고 할 수 있다. 그곳에서 일어나는 현상을 원자 및 분자 레벨에서 관찰∙이해∙제어를 통해 그 여러 가지 요소를 조합시키거나 다른 지식 및 기술과 조합시킴으로써 새로운 지식과 기능을 창출하려는 학술적∙기술적 영역이 나노테크놀로지라고 말할 수 있다(부감 보고서에 의한 정의에 따라서).

그리고 정의에 관련된 학술 영역은 모두 나노 테크놀로지로서 융합의 대상이 된다.  ‘타 분야와의 융합’을 반복하면서 거대한 학술 및 기술영역을 지속적으로 확대해 나가는 것이 나노 테크놀로지의 커다란 특징이라고 한다.

-- 차세대 자동차 개발에 없어서는 안 될 셀룰로오스 나노 섬유 --
나노 테크놀로지의 기술 개발은 ‘첨예화’, ’융합화’, ‘시스템화’의 3단계로 나눌 수 있으나, 이것들이 사회의 요구에 대응해 중층적으로 일어나는 것이 나노테크놀로지의 기술 개발의 특징이라고 할 수 있다. 그 중에서도 가장 중요한 기술 기반은 ‘첨예화’로서, 나노 스케일의 극한 성능을 추구 및 실현하는 것이다.

이미 알고 있는 물질이라도 크기를 50nm이하로 만들면 ‘사이즈 효과’로 인해 지금까지 볼 수 없었던 유니크한 물성이 생성된다고 알려져 있다. 이것을 응용하고 있는 것이 나노 재료이며 새로운 용도가 잇따라 고안되고 있다.

예를 들어, 식물 유래의 신소재로서 주목 받고 있는 세룰로오스 나노 섬유(CNF)는 목재 등의 식물 섬유를 가늘게 뽑아냄으로써 추출하는 직경 3~50nm의 섬유 물질이다. ‘가볍다’, ’강하다’, ’단단하다’ 등 다양한 특징을 가지고 있으며 차세대 자동차의 구조체 등으로 응용이 기대되고 있다.

이미 강화 플라스틱 등의 경량∙고강도 복합재료로서의 개발이 진행되고 있으나, 보급의 걸림돌이 되고 있는 것이 ‘융합화’ ‘시스템화’ 단계로의 이행이다. CNF는 친수성(親水性)이므로 소수성(疏水性)의 플라스틱 재료와 복합화되기 위해서는 현 단계에서 비용이 발생되는 문제가 있다. 새로운 재료의 도입 등 이 과제가 해결된다면 탄소섬유 및 아라미드 섬유와 어깨를 나란히 하는 신소재로서의 보급이 추진될 전망이다.

Part 2. 나노테크놀로지 동향 (2)
첨예화, 융합화, 시스템화로 진화. 나노일렉트로닉스가 사회를 바꾼다


-- IoT/AI세대의 나노일렉트로닉스를 향한 코스 --
나노일렉트로닉스(초미세전자공학)는 1nm정도 크기의 구조 안에 발생하는 현상을 이용한 기술이다. 그런 초미세 구조에서는 기존의 반도체와는 전혀 다른 전자의 움직임이 보여지며 이것을 이용한 차세대 소자의 개발이 실행되고 있다. 다시 말해 ‘포스트 무어의 법칙 시대’의 주류가 되는 기술이라고 할 수 있을 것이다.

연구자들이 목표로 하는 것은 소자의 미세화에만 의지하는 것이 아니라, 독창적인 아이디어를 형상화한 혁명적인 디바이스의 창출이다. 그러기 위해 기술의 ‘첨예화’ ‘융합화’ ‘시스템화’의 각각의 단계에 있어서 다양한 연구가 추진되어 왔다고 할 수 있을 것이다.

예를 들어 ‘첨예화’의 단계에서는 10nm이하의 영역에 도전하는 Si디바이스의 미세화 기술이 요구되고 있으나, 거기에서는 리소그래피를 비롯한 반도체 제조에 관련된 모든 요소기술의 혁신이 요구되고 있다. 그 과정에서는 완전히 새로운 기술 개념의 창출도 기대되고 있다.

‘융합화’에서는 미세화에 따라 게이트 절연막의 박막화 등의 요구가 높아지고 있다고 한다. SiO2막 등 기존의 기술로는 소자 성능의 향상을 기대할 수 없기 때문에 유전율 (誘電率)이 높은 재료의 개발, 신규 게이트 전극재료 등의 개발이 필수이다. 이와 같은 신재료 도입을 실현시키는 새로운 융합화 기술의 등장이 LSI의 성능향상에 반드시 필요하다고 할 수 있다.

또한 ‘시스템화’에서는 메모리, 연산, 통신, 센싱, 이미징 등 다양한 기능을 복수의 칩으로 실현, 그것을 3차원으로 집적한 ‘일체화 시스템’의 실현에 기대가 모아지고 있다. ‘일체화 시스템’의 등장으로 AI를 탑재한 생활지원 로봇과 같은 시스템이 실현될 것으로 기대되고 있다.

-- 나노테크놀로지에서의 일본의 위치와 도전해야 할 과제는? --
그 밖에 세계가 주목하는 나노테크놀로지에는 태양전지, 인공광합성, 연료배터리 등의 ‘환경∙헬스케어 응용분야’ 등 다양한 영역이 있으며 각각의 영역에서 글로벌 한 연구개발 경쟁이 가속되고 있다.

그 중에서 지금까지 일본의 강점으로 생각해 온 것은 분자 제어 기술, 전자 재료, 파워 반도체, 축전지 재료, 첨단 구조 재료 등 이른바 ‘물질 창제 및 재료 설계’의 영역이다. 그곳에서 사용되는 계측 평가∙분석∙품질 관리의 면에서도 세계를 리드하고 있다고 한다.

그런 반면, ‘부감 보고서’에서 일본의 약점으로 지적된 것은 계산∙데이터 과학, 소프트∙표준화∙규제 전략, 의료 응용, 수평 연대 및 신학 연대 등이다. 또한 일본의 장점을 확대해 단점을 극복하기 위한 도전 과제로서 생각할 수 있는 것도 ‘타 분야 융합’(깊이 있는 연구 개발과 수평∙수직 연대의 양립)이다. 그리고 ‘부감 보고서’에서는 지금 세계 각국의 연구 개발의 장으로서 새로운 전개가 보이기 시작했으며 산업계로부터의 요청도 강한 구체적인 연구 테마로서 아래와 같이 제시하고 있다.   

(1) 분리 기술 (분리 공학 이노베이션)
: 온난화 가스 분리, 수소 사회, 정화, 의약물질 분리 등
(2) 생체/인공 물질간의 상호작용 제어 바이오 재료∙디바이스
: 생체∙인공물 경계면 제어, 조직∙세포 분석 및 제어 등
(3) 나노 동력학 제어의 슈퍼 복합재료 개발
: 물질과 힘의 관계에서 신 재료를
(4) IoT/AI 칩 혁신
: 센싱, 컴퓨팅, 네트워크, 신 아키텍처 디바이스 등
(5) 나노-IT-메카 통합 Manufacturing
: Bio-Inspired 제조 프로세스, Smart Robotics 등
(6) 양자계열의 통합 설계∙제어 기술
: 전자, 광자, 스핀, 포논(Phonon) 통합, 토폴로지컬(Topological) 양자 등
(7) 오퍼런트 계측
: 실제 환경∙초 해상∙시공간 분해 등
(8) 데이터 구동 신재료 설계
: Materials Information 등

모두 근미래를 내다 본 기술로 보이겠지만, 지금까지의 나노테크놀로지의 행보를 생각해보면 이것들을 응용한 시스템의 등장은 그리 멀지 않았다. 이것들은 IoT나 AI 등의 첨단 시스템을 뒷받침해, 저출산 고령화 문제, 에너지 환경문제 등 앞으로의 일본 과제를 해결하기 위한 중요한 역할을 지속적으로 해 나갈 것이다.

Part 3. 기술 트렌드
일렉트로닉스와의 융합으로 고감도∙고정밀도로 생체 분자를 검출
Yuji Miyahara(宮原 裕二) / 도쿄의과치과대학 생체재료공학연구소 소장

미야하라 씨는 일관하여 일렉트로닉스의 기술과 바이오 테크놀로지를 융합시키는 연구를 추진하고 있으며 의료에서의 응용을 지향한 바이오 센서의 개발을 목표로 하고 있다.

-- 미소(微小)계측 시스템부터 DNA 해석까지 --
연구의 원점이 되고 있는 것은 트랜지스터를 이용한 바이오 센서의 연구에 신속하게 대응한 것이다. 트랜지스터 표면에 다양한 종류의 재료를 도포해 선택성 및 특이성을 부여, 생체 분자를 검출해 측정을 시행하는 것으로서, 최근에는 DNA를 조합한 트랜지스터를 개발해 실용화하고 있다. 미야하라 씨는 히타치(日立)제작소에 근무하던 1990년, 스위스 출신의 박사 연구원과 함께 미소 통합 화학 분석 시스템(마이크로TAS: Micro total Analysis System)을 세계 최초로 개발했다. 마이크로TAS는 반도체 미세가공 기술을 응용해 초소형의 액체 크로마토그래프를 구축하는 것으로, 그런 미세가공 기술에 의해 미소 계측 및 미소화학 반응의 시스템 개념은 현재 널리 보급되고 있다.

-- 차세대 시퀀서로서 실용화 --
전혀 다른 세계에서 사용되고 있던 트랜지스터와 DNA를 조합시키는 것에도 성공했다. DNA는 인산기(Phosphate)를 가지고 있기 때문에 음성 전하를 띤다. 거기에서 집적 회로의 전극 표면에 DNA의 1개 사슬을 붙이고 있으며 이것과 상보적(相補的)인 복합체(2개 사슬)를 형성시키면 실리콘 표면의 음성 전하가 증가한다. 조사하고 싶은 DNA에 4개의 염기를 순차적으로 효소(DNA폴리메라제)와 함께 추가하면, 상보적인 경우에만 신장(伸長) 반응이 일어나 수소이온이 방출된다. 표면의 전하 밀도의 변화는 전극을 사이에 두고 전압을 걸어 전기 신호를 변환시킴으로써 측정이 가능하기 때문에 유전자의 1염기 차이나 염기배열 등을 해석할 수 있다. 전류에 의해 용액의 이온 농도도 측정할 수 있으므로 pH센서에 사용하는 것도 가능하다.

이 원리에 의해 트랜지스터에 의한 유전자 해석을 시행하는 차세대 시퀀서는 2011년에 제품화되었다. 반도체 칩 속에 100만개가 넘는 트랜지스터를 집적해 각각의 DNA 사슬의 신장 반응이 일어날 때 방출되는 수소 이온을 검출한다. 한 번의 실험으로 정확한 개수를 파악할 수 있기 때문에 정밀도가 향상된다.

차세대 시퀀서의 주류인 형광 검출법은 DNA 조각이 1염기씩 재합성 될 때의 형광 강도를 검출하고 있다. 트랜지스터 방식은 레이저 및 광학 계열이 불필요함에 따라 장치를 소형화 할 수 있으며 짧은 DNA 조각도 쉽게 해석할 수 있다. 특정 부위의 DNA를 신속하고 정확하게 해석해야 하는 의료용에 적합하다고 한다.

-- 체액에 의한 암 진단에도 기대 --
더욱 기대를 모으고 있는 것은 최근 개발이 추진되고 있는 액체생검(Liquid Biopsy)으로의 응용이다. 혈액 및 소변, 타액 등의 체액에 의해 암 등의 질병을 진단하는 방법이다.

예를 들어, 혈액 중의 세포외소포체(엑소좀)을 조사해 보면 많은 암의 유무를 판별할 수 있다는 사실이 밝혀지고 있다. 엑소좀이란 직경 약 100nm의 미소한 캡슐 상태의 입자로서 내부에 마이크로RNA가 포함되어 있다. 미야하라 씨와 조교수인 다바타(田畑) 씨는 트랜지스터를 응용해 마이크로RNA의 고감도∙고정밀도의 검출을 추진하고 있다. 기기의 집적화 및 소형화가 용이하며 하이스루풋(High Throughput)한 계측이 가능해진다.

또한 의료 응용으로서 인플루엔자의 검출에 있어서도 기대를 받고 있다. 계절성 인플루엔자 및 강독성 신종 인플루엔자의 세계적 대유행(판데믹) 방지를 위해서는 신속하고 간편한 인플루엔자 바이러스 검출법이 요구되고 있다. 미야하라 씨 팀은 인간인플루엔자와 선택적으로 결합하는 당사슬을 삽입한 전도성 플라스틱(고분자)의 개발에 성공. 기존 방법에 비해 100배의 감도가 향상되었으며 바이러스 타입도 식별이 가능하다고 한다.

또한 치과에 있어서 산화이리듐을 재료로 하는 마이크로 pH 센서를 제작해 세계최초로 치아의 pH를 맵핑 함으로써 충치를 정량적으로 측정하는 검사 기술의 개발에도 성공했다. 측정한 pH의 차이를 통해 긁어 내야 하는 치아와 보존해야 하는 치아를 치과 의사의 경험과는 상관없이 그 자리에서 판단할 수 있다고 한다.

미야하라 씨는 “의사나 치과의사와 공동 연구가 용이한 대학의 장점을 활용함으로써 실제 현장에서 사용할 수 있는 기술을 개발해 실용화로 이어가고 싶다. 일렉트로닉스와 계측과의 융합이 강점이며 모바일 기기와의 조합도 용이하다”라고 말한다.

 -- 끝 --

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