전자통신동향분석제 23 권제 6 호 2008 년 12 월 나노라디오개발동향 Development Trends on Nano Radio 박진아 (J.A. Park) 박승근 (S.G. Park) 스펙트럼공학연구팀연구원스펙트럼공학연구팀책임연구원 목차 Ⅰ. 나노기술개요 Ⅱ.

Size: px

Start display at page:

Download "전자통신동향분석제 23 권제 6 호 2008 년 12 월 나노라디오개발동향 Development Trends on Nano Radio 박진아 (J.A. Park) 박승근 (S.G. Park) 스펙트럼공학연구팀연구원스펙트럼공학연구팀책임연구원 목차 Ⅰ. 나노기술개요 Ⅱ."

혜리 승
4 years ago
Views:

1 나노라디오개발동향 Development Trends on Nano Radio 박진아 (J.A. Park) 박승근 (S.G. Park) 스펙트럼공학연구팀연구원스펙트럼공학연구팀책임연구원 목차 Ⅰ. 나노기술개요 Ⅱ. 탄소나노튜브 Ⅲ. CNT 를이용한나노라디오개발사례 Ⅳ. CNT를이용한나노라디오킬러애플리케이션과그밖의이슈 Ⅴ. 시사점 1 MIT의 테크놀로지리뷰 는 2008년 10대유망기술중하나로나노라디오를소개하였다. 이와관련하여, 본논문에서는나노기술을지원하기위한각국의정책과, 현재까지개발된나노라디오가탄소나노튜브 (cabon nano tube) 를이용한점을고려하여 CNT 의발견및특성을간단히소개하였다. 또한, 잇따른나노라디오의개발사례와동작원리를설명하고, 나노라디오의킬러애플리케이션과 CNT를둘러싼그밖의이슈를함께살펴보았다. 124

2 박진아외 / 나노라디오개발동향 I. 나노기술개요 나노 (nano) 라는용어는작다는뜻을가진고대그리스의난쟁이라는의미의 nanos 에서유래되었다. 나노는 10억분의 1 m를나타내며, 1 나노미터 (nm) 는전자현미경으로나볼수있는수준으로, 원자 3 4 개가배열된정도의극히미세한크기를의미한다. ( 그림 1) 은나노크기에대한이해를돕기위한비교도이다. ( 그림 1) 에서보는것처럼나노기술은물질을나노미터크기의범위에서조작하고분석하여이를제어함으로써, 새롭게혹은개선된물리, 화학, 생물학적소재 (material) 나소자 (device) 또는시스템을창출하는과학기술이다. 흔히보는물질이라도나노미터크기를갖는나노물질이되면물리적ㆍ화학적으로독특한성질과현상을나타낸다. 예를들어금과은을나노크기 (20 nm) 에서관찰하면우리가아는것과다르게금은붉은색을, 은은노란색을띠게된다. 이와같이극미세물질일때, 달라지는여러가지특성을이용하여우리삶에이용할수있는생활용 10-2 m 10-3 m 10 mm=1 cm 1 mm=1,000,000 nm 개미, 2 mm 먼지진드기, 200 µm 10-4 m 10-5 m 10-6 m 10-7 m 10-8 m 10-9 m 0.1 mm=100 µm 0.01 mm=10 µm 1 µm=1,000 nm 0.1 µm=100 nm 0.01 µm=10 nm µm=1 nm 머리카락, 10~50 µm 적혈구, 2~5 µm 나노황소, 10 µm DNA, 2 nm ( 그림 1) 나노크기비교도 품에서부터통신소자에이르기까지나노기술은발전하고있다. 처음나노기술에대한연구는반도체미세기술을극복하는대안으로시작되었으나, 현재전자와정보통신은물론기계ㆍ화학ㆍ바이오ㆍ에너지등거의모든산업에응용할수있어인류문명을획기적으로바꿀기술로떠올랐다. 나노기술은발전양상이다양하므로, 정해진분류법이있는것은아니지만크게세가지핵심분야로분류할수있다. 1) 나노소재로극미세한크기의물질과재료를합성하는기술 2) 나노소자로나노크기의재료들을조합하거나배열하여일정한기능을발휘하는장치를제작하는기술 3) 나노-바이오 ( 나노기술을생명공학에응용 ), 나노-IT( 나노기술을 IT 기술과접목 ) 등의이론정립, 컴퓨터, 환경생태및융합과관련된모든다양한기술및기타앞서살펴본것과같이나노기술은전통제조산업뿐만아니라전통제조와접목되어전통제조기술혁신을유도하고, 또한 ( 그림 2) 와같이 IT, BT 등의첨단기술과융합하여국가미래핵심전략산업을고도화시킬수있는기반기술로서, 나노기술은 21세기국가과학기술경쟁력확보와경제, 사회의지속적인발전을위한핵심기술로인식되고있다. 이와같은특징을바탕으로나노기술은 2008년 2월화장품, 은나노치약, 음식물보관함, 냄새없는양말, 테니스라켓등총 600여종의상품을출시하기도하였다. 나노기술의시장은 2001년 460억달러에서 2010년에는 1조달러로연평균약 30% 이상성장할것으로미국 NBA( 나노조합 ) 는발표하였고, 일본히타치총연에서는분야별로나노전자, 통신분야약 6천7 백억달러, 나노소재분야 4천1 백억달러그리고계측및공정분야 5백억달러등으로시장을예측했다. 또한, 미국 NSF( 과학재단 ) 에서는향후 10 년간약 200만명의나노기술전문인력이필요할것이라고전망했다. 125

바이오인포매틱스 바이오전자 생체정보인터페이스 생체정보보호 바이오컴퓨터 유전공학 바이오장기 분자생물학 신약 IT-BT-NT 융합 컴퓨터 (M/W, S/W) 반도체 유무선통신 정보보호 나노센스 나노일렉트로닉스 나노포토닉스 양자컴퓨터 나노신소재 나노구조체 나노공정 정보시장 인공조직 약물전달 친생체물질 ( 그림 2) 첨단기술과나노기술의융합 [1]

3 바이오인포매틱스 바이오전자 생체정보인터페이스 생체정보보호 바이오컴퓨터 유전공학 바이오장기 분자생물학 신약 IT-BT-NT 융합 컴퓨터 (M/W, S/W) 반도체 유무선통신 정보보호 나노센스 나노일렉트로닉스 나노포토닉스 양자컴퓨터 나노신소재 나노구조체 나노공정 정보시장 인공조직 약물전달 친생체물질 ( 그림 2) 첨단기술과나노기술의융합 [1] 나노기술이미래를짊어지고갈핵심기술로부상함에따라세계각주요선진국에서는나노기술에많은연구비를투자하고, 인력및기술개발을지원하고있다. 세계각국에서는나노기술을핵심적으로지원하기위한주요제도를정비하고정책을입안하였다. 미국은 2000년 1월, 제1기 NNI 전략을발표하고, 나노기술을국가경제및안보를위한최우선전략과제의하나로공식인정하였다. 이후 2003년 12월, 나노기술개발법 통과, 2004년 12월, 제2 기 NNI 전략을수립하여 NNI 추진 5년만에예산 2 배이상증액하였다. 현재, 2015년경실용화를목표로 10개전략과제 ( 선폭 10 nm 이하트랜지스터, 암의조기발견ㆍ진단ㆍ완치, 첨단소재와나노제조, 화학물질제조용신촉매등 ) 를선정하여추진하고있다. 또한, 나노기술인프라확충을위하여나노전문센터 (2003년 10개 2004년 17개 ) 및나노 Fab. 1) 네트워크 (1993년 5개 2004년 13개대학 ) 를확 1) 나노기술의연구개발을추진하는데필요한분석ㆍ가공ㆍ공정또는특성평가등과관련된장비ㆍ시설의일체 충하고, 2006~2008년완공예정으로국립연구소를중심으로 5개대형나노팹을건립중이다. 일본은 1991년국가프로젝트인 Atom 프로젝트, 2001년 6월 n-plan-21 을추진하여정부부처간연계를강화 ( 과학기술연계시책 ) 하고타분야와의융합연구프로젝트지원을본격화하였다. 2001년이후연구비투자는매년증가하였으며, 융합분야연구개발을 2005년도최우선연구분야로선정하고, 정보통신용나노소자, 에너지 / 환경재료, 나노바이오, 공정 / 측정, 기능창출재료등 5개분야로나누어기술개발을추진하고있다. 유럽연합집행위원회 (EC) 는 2004년 9월나노기술전략을수립하고, 2005년 4월제7차프레임워크프로그램 (2007~2013년) 의 나노소재산업화 부문에 48억 3,200 만유로를책정하였다. 또한, 2010 년까지나노기술연구개발의투자규모를 3배이상확대할예정이다. 국내에서도국가차원의나노기술정책을지속적, 체계적으로추진하기위한정부차원의중장기정책이수립되었다. 2001년 7월제1기 (2001~2005년), 2005월 2월제2기 (2006~2015년) 나노기술종합발전계획및연도별시행계획을수립하여추진중이다. 126

4 박진아외 / 나노라디오개발동향 < 표 1> MIT 선정올해의 10 대유망기술 Brain-Machine Interfaces Wireless Sensor Networks Universal Translation Airborne Networks Nanomedicine Peer-to-Peer Video Modeling Surprise Flexible Transistors Injectable Tissue Engineering Synthetic Biology Quantum Wires Nano-bio Mechanics Mobile Augmented Reality Probabilistic Chips Data Mining Nano Solar Cells Nanowires Silicon Photonics Epigenerics Neuron Control Nano Radio Digital Rights Management Mechatronics Baycsian Machine Learning Metabolomics Comparative Interactiomics Single-Cell Analysis Wireless Power Digital Rights Management Mechatronics Bayesian Machine Learning Magneticresonance Force Microcopy Diffusion Tensor Imaging Nanohealing Atomic Magnetometers Biometrics Grid Computing T-Rays Universal Memory Cognitive Radio Metamaterials Offline Web Applications Microphotonics Nanoimprint Lithography RNA Interference Bacterial Factories Pervasive Wireless Optical Antennas Graphene Transistors Untangling Code Sofeware Assirance Power Grid Control Enviromatics Universal Authentication Compressive Sensing Connectomics Robot Design Glycomics Microfluidic Optical Fibers Cell-phone Ciruses Nuclear Reprograming Personalized Medical Monitors Reality Mining Microfluidics Quantum Cryptography Personal Genomics Biomechatronics Stretchable Silicon Quantum-Dot Solar Power Cellulolytic Enzymes * 2002 년유망기술은발표되지않음 이러한가운데, 지금세계에서가장유망한신기술은무엇일까? 미국매사추세츠공과대학 (MIT) 이발행하는 테크놀로지리뷰 (Technology Review) 는향후 5년이후의경제및사회적파급효과가클것으로예상되는 10대유망기술 (emerging technologies) 을소개해왔다. 참고로 < 표 1> 은 2001년부터테크놀로지리뷰가선정한유망기술을정리한것으로대부분 BT, IT 및 NT 기술이차지하는것으로나타났다. 2008년올해발표된 2008년 10대유망기술의하나로 나노라디오 기술이소개되면서전자ㆍ전기업계의많은관심이쏠리고있다. 나노라디오 의단어그대로의의미는나노크기로수신이가능한라디오를만드는기술이지만, MIT에서선정한 < 표 1> 의나노라디오는 탄소나노튜브 ( 이하 CNT로표기 ) 라는물질을이용해수신이가능하도록설계된장치로한정한다. 즉, CNT의전자기파에따른진동 특성을이용해만든나노크기라디오로, 저전력휴대전화기생산뿐만아니라, 인체내의극소형기기간의통신을가능케함으로써미래의학분야에도적용이가능하다는것이다. 실제로세계주요나라의매체에서는나노미터크기의나노라디오를개발한미국대학들의사례를일제히보도하며미래통신및미래의학에많은가능성이있다고밝혔다. II장에서는현재, 나노라디오개발을가능하게한 CNT의발견및유형, 관련특허, 시장등다양한특징에대해살펴본다. III장에서는나노라디오개발사례및동작원리를소개하고, IV장에서나노라디오킬러애플리케이션과 CNT를둘러싼그밖의이슈를살펴본다. Ⅱ. 탄소나노튜브 20 세기의핵심물질이실리콘이었다면, 21 세기 127

의핵심물질은탄소가될것으로예측하고있다. 그중에서도나노크기의탄소소재가주목을받고있다.

또한, ( 그림 4) 에나타난리지마박사는 1991년일본전기회사 (NEC) 부설연구소에근무하던당시긴대롱모양의 CNT를처음발견하고 Nature 지에발표하였다. 이후나노기술이급격히활성화되었다.

앞서설명한플러렌 (C 60 ) 이나 CNT는탄소의동소체 (allotrope) 2) 중의하나로, 탄소에고온을가하여일종의연소과정을겪으면합성방법에따라 ( 그림 5) 와같이 8가지동소체가나타나게된다.

통상의탄소섬유는 1% 의변형만이루어져도끊어지지만, CNT는 15% 의변형에도끊어지지않는것으로나타났다. 또한알루미늄보다가볍고, 열전도율이자연에서가장뛰어난다이아몬드와비슷하다.

< 표 2> 는 CNT의다양한구조에따른특징을나타낸다. 이러한여러가지특징으로인해, CNT는 21세기실리콘의뒤를이을차세대재료로주목받고있는것이다. ( 그림 6) 은 CNT의응용기술로상용화된서비스를나타낸다.

5 의핵심물질은탄소가될것으로예측하고있다. 그중에서도나노크기의탄소소재가주목을받고있다. 본격적인나노기술의구현은 ( 그림 3) 에나타나있는 1985년 Kroto와 Smalley가풀러렌 (Fullerene: 탄소원자 60개가모인것, C 60 ) 을처음으로발견한것에기인한다. 또한, ( 그림 4) 에나타난리지마박사는 1991년일본전기회사 (NEC) 부설연구소에근무하던당시긴대롱모양의 CNT를처음발견하고 Nature 지에발표하였다. 이후나노기술이급격히활성화되었다. CNT는탄소원자가벌집처럼 6각형으로연결돼다발을이룬모양으로지름이나노미터단위이다. 앞서설명한플러렌 (C 60 ) 이나 CNT는탄소의동소체 (allotrope) 2) 중의하나로, 탄소에고온을가하여일종의연소과정을겪으면합성방법에따라 ( 그림 5) 와같이 8가지동소체가나타나게된다. CNT는나노크기의극미세물질이고, 구리에비해 1,000배나되는우수한전기전도도를가지며, 밀 도에비해강도가좋고그강도가강철의 100배에달한다. 통상의탄소섬유는 1% 의변형만이루어져도끊어지지만, CNT는 15% 의변형에도끊어지지않는것으로나타났다. 또한알루미늄보다가볍고, 열전도율이자연에서가장뛰어난다이아몬드와비슷하다. CNT는결합유형에따라다양한성질을갖는것이특징인데, 예를들어 ( 그림 5) 의 (a) 다이아몬드와 (b) 그라파이트 ( 흑연 ) 는거의절연체에가깝고, (h) CNT는결정구조에따라다양한성질을나타낸다. < 표 2> 는 CNT의다양한구조에따른특징을나타낸다. 이러한여러가지특징으로인해, CNT는 21세기실리콘의뒤를이을차세대재료로주목받고있는것이다. ( 그림 6) 은 CNT의응용기술로상용화된서비스를나타낸다. CNT의서비스중에서산업적으로가장앞서나가는분야가 ( 그림 6) 상단맨좌측의 FED 분야로, 우리나라의 FED 기술은세계적으로도우위에있다. (a) Diamond (b) Graphite (c) Lonsdaleite ( 그림 3) Kroto( 좌 ) 와 Smalley( 우, 노벨상수상 ) (d) C 60 (Buckminsterfullerene or buckyball) (e) C 540 (f) C 70 ( 그림 4) Sumio Iijima 박사 ( 좌 ) 와 CNT( 우 ) 2) [ 명사 ]< 화학 > 같은원소로되어있으나원자의배열또는결합방법이다른물질. 산소와오존, 흰인과붉은인, 다이아몬드와흑연따위가있다. (g) Amorphous carbon (h) CNT(single-walled carbon nanotube or buckytube) ( 그림 5) 탄소의 8가지동소체 [2] 128

박진아외 / 나노라디오개발동향 이밖에도노트북컴퓨터의전원을며칠동안교체없이사용할수있도록하는휴대용연료전지,

아직까지대량생산이활성화되어있지않기때문에현재까지는가격이비싼편이지만, 원천재료의가격이저렴한탄소를이용한다는것이큰장점이되고,

디스플레이등전자부품소재로사용되는 emitter와 FED 분야가 1999년이후활발한증가를이 < 표 2> CNT 의다양한구조

열전도성이가장우수 전기전도성, 기계적특성이뛰어남 전기와열적특성은떨어지나기계적특성이우수하고, 제조가용이해응용범위가넓음 루며,

미국과우리나라도일본과비슷한추이를나타내지만정도의차이가있으며, 미국은 1992년, 우리나라는

6 박진아외 / 나노라디오개발동향 이밖에도노트북컴퓨터의전원을며칠동안교체없이사용할수있도록하는휴대용연료전지, 군용비행기등의전자파차단코딩, 가벼움과강한강도가필수적인운동기구등이있다. 아직까지대량생산이활성화되어있지않기때문에현재까지는가격이비싼편이지만, 원천재료의가격이저렴한탄소를이용한다는것이큰장점이되고, 장기적으로적절한가격의안정화를이루면더욱더활성화될것으로기대된다. 디스플레이등전자부품소재로사용되는 emitter와 FED 분야가 1999년이후활발한증가를이 < 표 2> CNT 의다양한구조 유형사진특징 단일벽 (Singlewall) 이중벽 (Doublewall) 다중벽 (Multiwall) 전기전도성, 열전도성이가장우수 전기전도성, 기계적특성이뛰어남 전기와열적특성은떨어지나기계적특성이우수하고, 제조가용이해응용범위가넓음 루며, 연료전지와이온분리전극분야도많은연구가진행되는것으로파악된다. 이와관련하여일본에서는 1991년부터 CNT에관한특허가출원되기시작했으며, 정부와민간이합동으로기술경쟁력확보를위한방안으로나노기술연구개발이활발해져현재특허출원이급상승하고있다. 미국과우리나라도일본과비슷한추이를나타내지만정도의차이가있으며, 미국은 1992년, 우리나라는 1997년부터관련특허가출원된것으로파악된다. 참고로, 세계기술평가센터 (WTEC, 미국로욜대소재 ) 에서수행한나노기술분야에대한국가간경쟁력을분석한결과에서나노기술뿐만아니라전문인력등에서도미국이가장월등하고우리나라가많이부족한것으로드러났다. CNT의구조가쉽게조절되고물리적특성이다양하기때문에꿈의신소재로불리며, 다양한분야에서의활용이예상되는만큼국내에서도체계적인지원및기술개발을통해나노기술의진화를도모해야할것이다. III장에서는다양하게개발되고있는나노기술중에서 CNT를이용하여개발된나노라디오에대해소개한다. Ⅲ. CNT 를이용한나노라디오개발사례 다발 (Rope) 단일벽나노튜브가여러개붙어서다발을이룬튜브형태의다발형나노튜브 앞서언급한대로, CNT는구조에따라반도체및도체로의조절이가능하기때문에초소형의학기기및미래전자ㆍ전기통신기기와같은 IT 분야에서 ( 그림 6) CNT 의상용화서비스 129

도관심의대상이되고있다. 휴대폰에서 RFID, 센서에이르기까지휴대하기에편안하도록장치의소형화및컨버전스기술이진화하고있으며, 나노기술은분명이러한무선통신분야의진화추세에도많은영향을미칠것이다. 어떤무선장치도나노크기에서오는장점을가질수있기때문이다. 튜너 (tuner) 와같은작은전자구성요소는전력소비를줄여배터리수명을연장할수있다.

특히, 2007년말부터 CNT를이용하여잇따라개발되고있는나노크기의검파기와트랜지스터라디오, 그리고나노라디오의개발은또하나의나노기술에획을긋는연구가되었다. 라디오는 ( 그림 7) 과같이방송국으로부터음악, 드라마, 뉴스, 강연따위방송프로그램의음성을전파로내보내어수신장치를갖춘많은사람들에게듣게하는것이다.

방송국의안테나에서발사된전파를수신한후고주파 ( 반송파 ) 에실려있는저주파 ( 음성신호 ) 를분리하여스피커를통해원래의음을재생하여주는수신기로서 ( 그림 8) 과같이동조회로, 고주파증폭회로, 검파회로, 저주파증폭회로등으로구성된다.

7 도관심의대상이되고있다. 휴대폰에서 RFID, 센서에이르기까지휴대하기에편안하도록장치의소형화및컨버전스기술이진화하고있으며, 나노기술은분명이러한무선통신분야의진화추세에도많은영향을미칠것이다. 어떤무선장치도나노크기에서오는장점을가질수있기때문이다. 튜너 (tuner) 와같은작은전자구성요소는전력소비를줄여배터리수명을연장할수있다. 그예로, CNT를이용한 pnp 접합형트랜지스터, 다중벽 CNT를이용한나노크기커패시터 (capacitor), 극초단파증폭기 (amplifier), 메모리칩 (memory chip) 등소형화된소자들이개발되고있다. 특히, 2007년말부터 CNT를이용하여잇따라개발되고있는나노크기의검파기와트랜지스터라디오, 그리고나노라디오의개발은또하나의나노기술에획을긋는연구가되었다. 라디오는 ( 그림 7) 과같이방송국으로부터음악, 드라마, 뉴스, 강연따위방송프로그램의음성을전파로내보내어수신장치를갖춘많은사람들에게듣게하는것이다. 좁은뜻으로는방송국에서보낸 전파를수신하여음성으로바꾸는기계를가리키는경우가많다. 라디오는간단히말해서소리를전기신호로바꾸어서그것을전파에실어보내어다시소리로재생하는것이라할수있는데, 이러한기능을수행하기위해서는최소한전파를수신하는안테나와이를소리로전환하는수신장치를구비해야한다. 방송국의안테나에서발사된전파를수신한후고주파 ( 반송파 ) 에실려있는저주파 ( 음성신호 ) 를분리하여스피커를통해원래의음을재생하여주는수신기로서 ( 그림 8) 과같이동조회로, 고주파증폭회로, 검파회로, 저주파증폭회로등으로구성된다. 즉, 라디오는공중을통하여전달되어온전파를안테나가포착하여동조, 고주파증폭, 검파, 저주파증폭등의과정을통하여원래의음을재생하게된다. 여기서동조회로는전파중에서듣기를원하는방송의전파를골라내는역할을하고, 고주파증폭회로는세기가약한고주파신호를세기가강한고주파로증폭한다. 검파회로는증폭된고주파신호를음성신호와반송파로분리하고, 저주파증폭회로가 송신기 수신기 전파 방송국 송신안테나 수신안테나 스피커 ( 그림 7) 라디오동작원리 전파 안테나 ( 공중선 ) 국부발진 동조회로 ( 입력회로 ) 고주파증폭 주파수변환 중간주파증폭 검파 저주파증폭 스피커 동조코일 고주파증폭으로 동조회로 < 동조회로 > 공진주파수 ( 그림 8) 라디오수신부의구성및동작원리 [3] 130

박진아외 / 나노라디오개발동향 Philco vacuum tube radio(1931) Regency TR-1 transistor radio (1954) Smartdust wireless sensor (2002) Nanotube radio(2007) 10 cm 5 cm 1 mm ( 그림 9) 라디오의소형화연구사례

먼저 1931년에는진공튜브를이용한 10 cm 크기의라디오를개발하였고, 1954년트랜지스터를이용한 5 cm 크기의라디오, 2002년 1 mm 크기의센서개발까지급격한기술개발을이루며기기의소형화를실현시키고있다. 2007년, 나노라디오를개발한미국 UC 버클리대학의알렉스제틀 (Alex Zettle) 교수도 5년전, 분자크기의라디오를개발하기위한연구를시도하였다.

며칠후단일벽 CNT를이용하여나노라디오를개발하고, 데릭 (Derek) 과도미노스 (Dominos) 의 Layla 와비치보이스 (Beach Boys) 의 Good Vibrations 곡을들려주었다.

8 박진아외 / 나노라디오개발동향 Philco vacuum tube radio(1931) Regency TR-1 transistor radio (1954) Smartdust wireless sensor (2002) Nanotube radio(2007) 10 cm 5 cm 1 mm ( 그림 9) 라디오의소형화연구사례 검파회로에서분리한음성신호는스피커를통해듣기에는세기가약하므로다시한번강하게증폭하여스피커로보내게된다. ( 그림 9) 에서볼수있듯이과거거대진공관에서이어져이러한라디오의소형화연구가이루어지기까지다양한연구및성과가있었다. 먼저 1931년에는진공튜브를이용한 10 cm 크기의라디오를개발하였고, 1954년트랜지스터를이용한 5 cm 크기의라디오, 2002년 1 mm 크기의센서개발까지급격한기술개발을이루며기기의소형화를실현시키고있다. 2007년, 나노라디오를개발한미국 UC 버클리대학의알렉스제틀 (Alex Zettle) 교수도 5년전, 분자크기의라디오를개발하기위한연구를시도하였다. 제틀교수팀은라디오수신기의소자, 즉안테나와튜너등을개별적으로소형화하고통합하도록연구하였으나, 구성소자들을개별적으로통합하는것은아주어려운일이었다. 그러나그순간이제틀교수와학생들에게는또다른깨달음의시간이었다. 즉, 하나의나노튜브를이용하여모든라디오기능을구현할수있다는것을깨달은것이다. 며칠후단일벽 CNT를이용하여나노라디오를개발하고, 데릭 (Derek) 과도미노스 (Dominos) 의 Layla 와비치보이스 (Beach Boys) 의 Good Vibrations 곡을들려주었다. 제틀교수의연구이전에미국어바인캘리포니아대학크리스르터글랜 (Chris Rutherglen) 박사와피터버크 (Peter Burke) 교수를포함한연구진은세계최초로 CNT를이용하여 AM 라디오파를소 ( 그림 10) 미국어바인캘리포니아대학의라디오시스템 ω c Antenna Tuner Amplifier Demodulator Speaker All-in-one nanotube radio ( 그림 11) 나노라디오의블록다이어그램 [4] 리로바꿀수있는복조기를개발한사례가있다. 그러나이연구진이개발한나노라디오는 ( 그림 10) 에서볼수있듯이검파기부분만 CNT를이용하여나노크기로제작되었으며, 검파기를제외한다른부분은나노단위가아니었다. 이와달리제틀교수진이개발한나노라디오는검파기뿐만아니라튜너, 안테나, 증폭기의기능이모두구현된진정한나노라디오를개발하였다. ( 그림 11) 은라디오의일반적인블록다이어그램을나타낸다. 일반적인라디오의주요구성요소는안테나, 튜너, 증폭기, 복조기기능이다. 131

즉, 누군가라디오국 (station) 을선택하면, 안테나에수신된여러주파수의신호중에튜너는하나의주파수로맞추고 ( 튜닝 ),

( 그림 12) 는 (a) 나노라디오의동작원리와 (b), (c) 는나노라디오의비동작과동작시에 CNT 의진동상태를나타낸다.

전파가나노라디오에전달하면전파의주파수에따라 CNT 가좌우로떨면서진동을하게되고, 진동에따라 CNT와전극사이에걸려있는전기장이달라지는과정을통해신호를복원해낸다.

한편, 2008년 1월, 미국일리노이대학의존로저스 (John Rogers) 와연구진은 CNT로완전하게작동되는첫번째트랜지스터라디오를만들었다.

(a) E rad sin(ω ct) (c) e - A (b) ( 그림 12) (a) 나노라디오의개략도 (b) 전자현미경으로본 CNT 의동작 / 비동작시측정사진 (c) [4] Energy

9 즉, 누군가라디오국 (station) 을선택하면, 안테나에수신된여러주파수의신호중에튜너는하나의주파수로맞추고 ( 튜닝 ), 트랜지스터로구성된증폭기가신호를증폭하면복조기가음악또는다른오디오신호를분리해내는과정으로동작된다. 그러나제틀연구진이개발한나노라디오는 ( 그림 11) 의사각형점선부분이하나의단일벽 CNT로구현되었다. ( 그림 12) 는 (a) 나노라디오의동작원리와 (b), (c) 는나노라디오의비동작과동작시에 CNT 의진동상태를나타낸다. 두개 (+, -) 의전극봉 ( 판 ) 사이에위치한 CNT는라디오의주요구성요소인안테나, 튜너, 증폭기, 복 조기의기능을통합한역할을수행한다. 전파가나노라디오에전달하면전파의주파수에따라 CNT 가좌우로떨면서진동을하게되고, 진동에따라 CNT와전극사이에걸려있는전기장이달라지는과정을통해신호를복원해낸다. ( 그림 13) 은송신신호를수신하여상기설명한동작원리로복원한오디오파형을나타낸것이다. 한편, 2008년 1월, 미국일리노이대학의존로저스 (John Rogers) 와연구진은 CNT로완전하게작동되는첫번째트랜지스터라디오를만들었다. 이연구진은 ( 그림 14) 와같이박판 (sheet) 형태로단일벽 CNT 어레이를평행하게정렬하여만들었다. (a) E rad sin(ω ct) (c) e - A (b) ( 그림 12) (a) 나노라디오의개략도 (b) 전자현미경으로본 CNT 의동작 / 비동작시측정사진 (c) [4] Energy spectral density (a.u.) Transmitted signal Received signal Time (s) 2 Time (s) Frequency (Hz) Frequency (Hz) Amplitude (a.u.) Amplitude (a.u.) ( 그림 13) 송신 ( 좌 ) 및수신 ( 우 ) 된오디오파형 gate dielectric source drain quartz arrays of SWNTs 1 cm 1 cm ( 그림 14) 미국일리노이대학의트랜지스터라디오구조도와사진 132

박진아외 / 나노라디오개발동향 이방법은기존의일반적인전자장치공정기술을사용할수있고, 반복적인제조가가능하여재현성이있다는것이가장큰장점이될수있다. Ⅳ.

CNT는특별한특성으로인하여향후나노라디오의응용분야를비롯하여나노전자소자 (nanoelec-

이연구가잘진행된다면, 초소형바이오센서가체내로삽입돼인체의각종정보를취합하여나노라디오를통해전자기파로바뀌어진정보는외부로전달하는것이가능하게될것이다.

CNT의다양한기술및시장규모에도불구하고 2003년 3월, 미국화학회에서는 CNT가인체에유해하다는결과를발표하였다.

또한, 최근 나노레터스 (NANO LETTERS) 학술지에보고된연구에따르면, 실험용쥐를이용하여 CNT의독성여부를조사하였고, ( 그림 16) 과같이

10 박진아외 / 나노라디오개발동향 이방법은기존의일반적인전자장치공정기술을사용할수있고, 반복적인제조가가능하여재현성이있다는것이가장큰장점이될수있다. Ⅳ. CNT 를이용한나노라디오킬러애플리케이션과그밖의이슈 노출시킨결과, 종양이완벽하게파괴되었다는것을확인하였다. ( 그림 17) 은 RF를발생하는데사용된장치의사진이다. CNT는특별한특성으로인하여향후나노라디오의응용분야를비롯하여나노전자소자 (nanoelec- 미국어바인캘리포니아주립대학의제틀교수연구진은개발된나노라디오를바이오센서에부착하여인체에삽입하는의료응용분야에대한연구계획을갖고있다. 나노라디오가전파를받기도하지만, 거꾸로발신이가능하기때문이다. 이연구가잘진행된다면, 초소형바이오센서가체내로삽입돼인체의각종정보를취합하여나노라디오를통해전자기파로바뀌어진정보는외부로전달하는것이가능하게될것이다. 덕분에 ( 그림 15) 와같이외부에서신체장기나혈관의이상을세포단위로진단하게될수있게될것이다. CNT의다양한기술및시장규모에도불구하고 2003년 3월, 미국화학회에서는 CNT가인체에유해하다는결과를발표하였다. 또한캠브리지대학의포터 (Porter) 와그녀의동료들은 2007년 11월, Nature Nanotechnology에세포를이용하여직접적으로 CNT가세포를공격하여파괴시킬수있음을발표하였다. 또한, 최근 나노레터스 (NANO LETTERS) 학술지에보고된연구에따르면, 실험용쥐를이용하여 CNT의독성여부를조사하였고, ( 그림 16) 과같이 CNT가쥐의폐질환을야기한다는것을직접적으로보여주는결과를발표하기도했다. 한편, 상기에기술한내용과상반되는결과도발표되었는데, 텍사스대학앤더슨암센터 (Rice University and University of Texas MD Anderson Cancer Center) 와라이스대학은 CNT와무선파를결합하여암세포를치료하였다. 연구진은 4마리토끼의간암세포속으로단일벽 CNT의용액을직접주입했다. 그후이토끼를 2분동안 MHz에 ( 그림 15) 미래의료 IT 기기 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) ( 그림 16) CNT 에의한쥐의폐질환진행 ( 알파벳순으로상태악화 )[5] ( 그림 17) 암치료시 RF 를발생하는데사용된장치의사진 (j) 133

11 tronics) 에있어서매우중요한물질로사용될것이확실시되고있으며, 이미국내외의여러연구기관들이그연구결과들을속속내놓고있다. V. 시사점 CNT는구조에따라반도체및도체로의조절이가능하기때문에전자ㆍ전기통신기기와미래통신과같은 IT 분야에서도관심의대상이되고있다. 최근국외대학을중심으로나노라디오를비롯하여 CNT를이용한커패시터, 트랜지스터등다양한소자들이개발되고있으나국내연구는미진한실정이다. 나노라디오와관련하여나노라디오의킬러애플리케이션을미래의료통신기기에두고있는만큼 IEEE WBAN 작업반에서진행하는인체와근거리무선통신기기간의연구동향을파악할필요도있다. WBAN에서는구체적으로몸속 (inbody), 몸위 (on-body), 몸주위 (off-body) 에있는기기들사이의통신및통신망으로나누어연구가진행중이다. 게임, 웨어러블컴퓨터등다양한대상이있지만, 주로의료분야응용을생각할수있겠다. 나노라디오와관련하여인체와통신기기간의전파모델및체내기기와외부기기간의인터페이스, 이기종간의표준화문제등다양하게연구될필요성이있다. 특히, 나노라디오와관련하여 CNT가인체내삽입되는경우에대한부작용이거론되고있는바, 추가적인분석을통하여 CNT의인체내영향을분석할필요가있다. 미래의언젠가나노라디오를비롯한새로운의 료및기타서비스가출현하면, 국민이유용하게사용하도록법과제도아래도입하기위해전파법규와관련된제도의선진화및개선방향에관한연구가함께진행되어야할것이다. AM BT CNT FED IT NNI RFID WBAN 약어정리 Amplitude Modulation Bio Technology Cabon Nano Tube Field Emission Display Information Technology National Nanotechnology Initiative Radio Frequency Identification Wireless Body Area Network 참고문헌 [1] 정태형, IT-BT-NT 산업간융합표준화전략, TTA Journal, No.106, [2] [3] id=110209&eid=t0hu9ch3oezwa8litf0hhhrciz41d ICr&qb=tvO18L/AwMcgv/i4rg==&pid=fMbMldoi5T 8sssXQMBNsss &sid=SOGMXF2H4UgAAH MDDIs [4] K. Jensen, J. Weldon, H. Garcia, and A. Zettl, Nanotube Radio, NANO LETTERS, Oct [5] KISTI, 탄소나노튜브가쥐의폐질환을야기, 글로벌동향, GTB ,

<C0A5C1F85F6D697420B1E2BCFA20BAD0BCAE2E687770>

<C0A5C1F85F6D697420B1E2BCFA20BAD0BCAE2E687770> ( 일반동향, 심층분석 ) 역대 M 선정 10 대유망기술 (2001~2007) ( 07. 4. 6/ 공개 ) 미국 M 가 01 년부터발표한유망기술의기술분야별구성및 07 년유망기술관련국내외동향을분석 정리 역대 M 선정 10 대유망기술 기술분야별구성 분야의기술이가장다수를차지하며,, 및기술 (+, + 등 ) 들로구성 2001 2003 2004 2005 2006 2007