IITA-0728.hwp

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1 나노기반기술

2 머리말 나노기술은정보기술(IT, Information Technology), 바이오기술(BT, Bio Technology) 과 더불어 21세기를주도할핵심분야로서세계주요국이범국가적인차원에서적극적인개발 계획을마련하는등국가핵심전략분야로등장하고있습니다. 나노기술은 50년대말미국의파인만박사가처음으로제시한개념으로분자ㆍ원자단위의 수준에서물질을규명하고제어하는기술을총칭합니다. 즉, 분자ㆍ원자들을적절히결합시 킴으로써기존물질의변형ㆍ개조는물론유용한재료, 소자및시스템을창출하고, 나노크 기에서의새로운특성이나현상을탐구하는기술입니다. 나노크기영역에서의새로운거동은큰크기영역에서관찰된거동으로부터반드시예측되지 는않으며, 거동상의가장중요한변화는길이상의축소정도에따라서가아니라나노크기 에서결정적요인이되는크기제한( 구속), 지배적인표면효과, 양자기구등과같은새롭게 관찰되는현상들에의해서발생됩니다. 만약우리가이러한원리들을찾아내고활용할수만 있다면, 새로운형태의소재및소자에의한혁명적인과학기술시대가개척될것입니다. 이러한시대적변화에능동적으로대처하기위하여한국과학기술정보연구원(KISTI) 은국내 외나노기술분야의연구개발및기술동향에관한보고서를집필하여일선연구자들에게는 물론산ㆍ학ㆍ연ㆍ정에계시는나노관련모든분들에게정보를제공함으로써국가과학ㆍ 기술정보확산과국제경쟁력강화에노력하고자합니다. -2-

3 본보고서에는나노일반및기반분야로서, ' 나노-바이오- 정보기술의융합', ' 나노입자합성과자기조립', ' 나노제조기술', ' 기계산업에서의나노테크놀로지', ' 나노기술개발및관련산업시장' 등 5 편의주제에관하여연구분석하여편찬하였습니다. 본주제들이 ' 나노기반' 분야의내용적범주나포괄성에미흡한부분이있으리라생각합니다. 하지만본보고서를통해나노기반기술에관한정보의효율적인공유로나노기술개발의국가경쟁력제고에다소나마도움이되기를바랍니다. 본보고서의집필에는외부전문가로서조영호교수, 민석홍교수, 박영우교수, 김재열교수및정만태연구위원과 KISTI 나노기술정보분석실의연구원들이함께집필하셨습니다. 노고에감사드리며, 수록된내용은한국과학기술정보연구원의공식의견이아님을밝혀두고자합니다 한국과학기술정보연구원 원장 -3-

4 목 차 Ⅰ. 나노-바이오-정보기술의융합 제 제 1 장서론 (1) 나노-바이오기술의융합 (2) 바이오-정보기술의융합 (3) 나노-정보기술의융합 (4) 나노-바이오-정보기술의융합 2 장나노-바이오-정보융합기술의개요 1. 나노-바이오융합기술가. 나노기술을이용한바이오기술 (1) DNA칩 (2) 단백질칩 (3) Lab chip 나. 바이오원리를이용한나노기술 2. 바이오-정보융합기술가. 정보기술을이용한바이오기술나. 바이오원리를이용한정보기술 -4-

5 3. 나노-정보융합기술가. 나노기술을이용한정보기술나. 정보기술을이용한나노기술 제 2 장나노-바이오-정보융합기술동향분석 1. 나노-바이오기술의융합가. 해외연구개발동향 (1) 밀도와크기 (2) 프로브 (3) 속도 (4) 맞춤성 (5) 정확성 (6) 가격나. 국내연구개발동향다. 국내외기술분석및파급효과 2. 바이오-정보기술의융합가. 해외연구개발동향나. 국내연구개발동향다. 국내외기술분석및파급효과 3. 나노-정보기술의융합가. 해외연구개발동향나. 국내연구개발동향다. 국내외기술분석및파급효과 -5-

6 제 3 장나노-바이오-정보융합기술시장동향분석 1. 나노-바이오융합기술시장 2. 바이오-정보융합기술시장 3. 나노-정보융합기술시장 제 4 장결론 참고문헌 Ⅱ. 나노입자합성과자기조립 제1 장서론 1. 개요 2. 나노구조합성과조립시주요고려사항 3. 나노구조기술발전에있어서필요한기술 제 2 장기술개발동향 1. 나노입자합성방법 가. 기상합성및졸-겔공정 나. 기타기술 다. 다른합성방법 (1) 균일한크기분포를갖도록하는방법 -6-

7 (2) 생산성향상 (3) 나노입자체인(chains) 또는선(wires) 을만드는방법 (4) 나노섬유(nanofiber) 또는나노튜브(nanotube) 를만드는방법라. 자연적인 Template를이용하는방법 2. 자기조립(Self-assembly) 가. 기술개요나. 나노입자자기조립(Nanoparticle Self-Assembly) 기술동향다. 국내외연구동향 (1) 나노입자의형성 (2) 나노입자의자기조립기구에관한연구 (3) 나노입자의대면적자기조립및소자에의적용에관한연구 제 3 장향후전망 1. 향후전망 2. 기회와도전 참고문헌 Ⅲ. 나노제조기술의개발동향 제1 장서론 1. 기술의개요 2. 기술의특성 -7-

8 제 2 장기술개발동향 1. 기존리소그래피기술의향상가. Electron-Beam Lithography 나. Focused Ion Beam Lithography 다. X-Ray Lithography 라. Molecular Beam Epitaxy 2. 소프트리소그래피를이용한방법가. Nanoimprint Lithography 나. MicroContact Print 다. Shadow Masking Technique 라. Polymer Molding 3. 조립(Assembly) 기술가. Robotic Nanoassembly 나. Lithographically Induced Self-Assembly 다. DNA-Directed Assembly 라. Strain-Directed Assembly 마. Molecular Self-Assembly 4. 기타방법들가.Template를이용한나노구조물의제작방법나. Holographic Lithography 5. 국내기술개발현황 -8-

9 제 4 장전망 참고문헌 Ⅳ. 기계산업에서의나노테크놀로지 제1 장서론 1. 기계산업에서의나노기술개요 제 2 장기계산업에서의나노기술응용분야 1. 초정밀절삭가공가. 초정밀절삭가공기술의개념나. 초정밀절삭가공기술의특성다. 초정밀절삭가공기술의국내동향라. 초정밀절삭가공기술의국외동향 (1) 일본 (2) 미국 (3) 유럽마. 초정밀절삭가공기술의국내기술과국외기술비교 2. 초정밀연삭가공기술가. 미세연삭가공기술의개념나. Micro-Grinding의연구분야 -9-

10 다. Micro-Grinding 기술의특성라. 초정밀연삭가공의국내동향마. 초정밀연삭가공의국외동향바. 초정밀연삭가공의국내기술과국외기술비교 3. 미세방전가공기술가. 미세전극가공의특성나. 미세구멍가공의특성다.3차원미세가공의특성라. 미세방전가공기술의국내기술동향마. 미세방전가공기술의국외기술동향 제 3 장기계산업에서의나노기술전망 1. 초정밀미세가공의전망 2. 국내기계산업분야의나노기술정책방향 제 4 장결론 참고문헌 Ⅴ. 나노기술개발및관련산업시장동향 제 1 장서론 -10-

11 1. 나노기술의개요 2. 나노기술의특징 3. 나노기술의영역( 기술접근방법) 제 2 장기술개발동향 1. 미국가. 나노기술추진조직나. 나노기술관련지원사업다. 나노기술관련예산지원현황 2. 일본가. 나노기술추진과정나. 나노기술추진방향다. 일본산업계의나노기술개발 3. 유럽가. 유럽연합나. 기타국가 (1) 독일 (2) 영국 (3) 프랑스 (4) 스위스 4. 한국가. 나노기술연구개발추진방향나. 나노기술추진체계 -11-

12 다. 나노기술연구개발현황라. 전략적연구개발추진내용 5. 비교분석 제 3 장산업시장동향 1. 나노기술의응용 2. 나노기술산업분야별, 기술분야별시장전망가. 세계전체시장전망나. 기술분야별산업분야별시장규모 3. 제품별시장전망가. 개요나. 제품별시장전망 (1) 플러렌 (2) 탄소나노튜브 (3) 태양전지 (4) 연료전지 (5) 리튬이온전지 (6) 기타탄소계재료 (7) 고장력강판 (8) 제올라이트 (9) 나일론계나노복합체 (10) FED(SED) (11) 자기헤드 -12-

13 (12) DNA칩 (13) μ TAS (14) DDS 제4 장전망 1. 국내나노기술문제점 2. 나노기술발전전략 가. 선택과집중전략 나. 나노관련인력현황과양성계획 다. 연구시설구축및연구지원체계구축 참고문헌 -13-

14 Ⅰ. 나노-바이오-정보기술의융합 조영호 / 한국과학기술원소대섭 / 한국과학기술정보연구원 -14-

15 제 1 장서론 본보고서에서는나노-바이오- 정보기술, 이른바 NT-BT-IT간의융합에의해창출된새로운융합기술분야에관하여기술동향과국내의연구개발현황을조사ㆍ분석하고, 관련기술분야에서파생이가능한산업분야의시장동향을예측해보았다. 나노-바이오-정보융합기술분야는그누구도한마디로정의하기힘든분야이고기술발전주기상태동기에있어기술의범위나향후발전추세를예측하는일은거의불가능하다고볼수있다. 더욱이나노기술과바이오기술등단위기술분야만고려하더라도각각의기술영역과성격이급속히확대발전되고있는상태이다. 이에비해정보기술은비교적구체적으로정의되고발전되었다고는볼수있으나날로급변하는나노기술과바이오기술과의융합분야에서는여전히기술의태동기라할수있다. 따라서나노-바이오-정보융합기술분야는아직학문적으로나기술적으로명확한정의와예측이힘든분야라할수있다. 이에본보고서에서는나노-바이오-정보융합기술분야에서의동향및향후발전방향을조사ㆍ분석함에있어서우선융합기술분야를나노- 바이오, 바이오-정보및나노-정보등세가지세부융합기술분야로분류하고각각에관한기술조사분석과상호연계성을제시하고자하였다. 이들각세부융합기술분야별로관련기술의분류와산업화응용분야에관해조사분석하였다. -15-

16 < 그림 1-1> 나노-바이오-정보기술의융합분야 (1) 나노-바이오기술의융합나노-바이오기술의융합분야는바이오기술개발을위한나노기술응용분야와바이오기술을응용한나노기술개발의두가지방향의상호작용을고려하였다. 먼저바이오기술을위한나노기술분야에는대표적으로바이오칩기술을들수있는데, 여기에는 DNA 칩, 단백질칩과초소형바이오실험실로표현되는 Lab-on-a-chip 이포함된다. 이처럼바이오기술을위한나노기술혹은나노기술을이용한바이오기술분야에서는극미세바이오물질들의제어와생물학적시료의전달, 그리고이들의광학적, 생화학적, 또는전기적검출기능의고도화를위하여나노기술을이용하고있다. 한편바이오기술을이용한나노기술분야는단백질등특정생물학적물질이자발적으로집합하여특정한구조를만드는생물학적자기조립 (self-assembly) 현상을이용한새로운나노제조공정의개발과나노구조물의합성과조립에관한연구가진행되고있다. -16-

17 (2) 바이오-정보기술의융합바이오- 정보기술의융합분야는바이오기술을위한정보기술, 바이오기술을이용한정보기술로구분된다. 바이오기술을위한정보기술분야는바이오기술개발을위해정보기술도구를사용하는것으로, 현재많은연구가진행중인생체영상처리기술, 생체신호처리기술, 생체기능모니터링기술, 생체정보생성및저장기술, 생체정보분석및활용기술등과함께최근각광을받고있는바이오인포메틱스를들수있다. 한편바이오기술을이용한정보기술분야에는 DNA 컴퓨팅등과같이생물학적연산및정보처리기능을활용하여 IT 분야에서필요로하는새로운정보연산및처리기능을가진극미세정보기기의개발과관련응용제품개발에관한연구가진행되고있다. (3) 나노-정보기술의융합나노-정보기술의융합분야는정보기술을위한나노기술과정보기술을이용한나노기술로구분된다. 나노기술을이용한정보기술분야에서는나노기술을이용한반도체기술의극미세화와나노저장기등의기술개발이진행되고있으며, 정보기술을이용한나노기술분야에서는양자역학에근거한전산모사및이를응용한나노소재개발및나노구조제작에관한연구가진행되고있다. (4) 나노-바이오-정보기술의융합나노-바이오-정보기술의융합분야는상기나노- 바이오, 바이오-정보그리고나노-정보융합기술간의상호연계를통한상승작용을기대하는분야로서, 막태동되기시작한기술발아단계에있다. -17-

18 따라서관련기술및시장동향을정확히예측하기에어려움이있으나, 현재막진행되고있거나현시점에서예상가능한기술발전동향만을근거로하였고, 시장동향역시융합기술과관련이있거나기술파급이가능한제품시장자료를근거로하였다. 따라서향후 NT-BT-IT 융합기술분야의발전가능성과새로운융합기술의창출가능성과잠재력, 그리고관련새로운제품시장의규모등을추가적으로고려한다면, 실제융합기술의영역이본보고서에기술된기술시장의범위와규모보다훨씬더큰모습으로발전할수있을것으로사료된다. -18-

19 제 2 장나노-바이오-정보융합기술의개요 이른바 NT-BT-IT로불리는나노-바이오-정보융합기술은새로운나노기술과바이오기술과기성숙된정보기술간의융합을통해새로운기술의발현과이들상호간의상승작용을통해 21 세기를이끌어나갈새로운첨단기술분야로주목받고있다. 나노-바이오-정보융합기술분야를구성하고있는세가지단위기술들은각기독자적인기술분야로발전하는것도충분히의미있는일이지만, 보다중요한것은기술간의융합을통해새로운기술분야를창출하고궁극적으로기술상호간의융합으로기술적용의효과와산업적가치를폭발적으로증대시킬수있는가능성과잠재력에주목할필요가있다. 본장에서는나노-바이오- 정보기술의융합분야에대한개요와특성을조사분석함과동시에나노-바이오-정보융합기술의범위와특성을규명하고각세부융합기술분야별기술적배경과현안을기술하였다. 1. 나노-바이오융합기술 나노-바이오기술의융합영역은나노기술을이용하여생명체를구성하는바이오물질을나노미터크기의수준에서조작ㆍ분석하고이를탐구ㆍ제어할수있는나노바이오기술과생명체혹은바이오물질의구조및상호작용을모사하여이를기반으로새로운나노소자개발을추구하는생체모사나노기술을포함한다. -19-

20 먼저나노기술을이용한바이오기술즉나노바이오기술은생명현상과생명체운용의근간이되는물질의구조와상호작용에관한원리를원자와분자수준에서규명하고, 이를기반으로극미세바이오물질을조작하고제어하는기술을발굴하여질병을다스리고인간의건강과행복을증대시키기위한과학기술영역이다. 한편바이오에근거한나노기술분야는생명과학에관한과학기술지식을활용하여새로운기능의소자를개발하고정보산업등바이오산업이외의분야에서필요로하는새로운공학적도구를개발함으로써 21 세기신( 新 ) 산업을주도할수있는핵심기술이다. 따라서나노-바이오기술의융합에서주목하여야할것은첨단나노기술과바이오기술간의상호발전적연계성을발견하는것이다. 즉나노기술에의해제작된극미세도구들은나노영역에서의바이오지식탐구를가능케하고, 이를통해밝혀진새로운바이오지식은이를모사ㆍ응용한나노기술을근거로한새로운산업기술획득에중요한기반을제공한다. 가. 나노기술을이용한바이오기술나노기술을이용한바이오기술은나노기술에의한극미세도구를이용하여바이오물질의이송, 조작, 검출, 인식과바이오정보의분석및재합성을통해생명현상의원리와기저에관한새로운지식탐구와관련바이오기술의개발에목적을두고있다. 이러한나노도구는많은양의바이오관련정보를짧은시간내에정확하게수집및분석하고안정적으로재합성하기위한것으로, 이를사용한바이오물질의조작을통해나노영역에서의바이오연구를가속화할수있다. -20-

21 나노도구를이용한유전체구조와기능을분석하고결함을치료하고자하는유전체학, 유전자정보를이용한단백질합성및분석에관한단백질공학, 줄기세포의배양과장기및조직의복제. 그리고바이오물질대사및조립에관한대사공학등이나노바이오기술과관련된다. 이러한첨단나노기술을이용하여생명현상의근본단위인유전체를다루는극미세도구를만들수있게됨에따라이룰이용한극미세바이오연구와관련기술개발이급속히추진되고있다. < 그림 2-1> 은바이오물길의조작을위해나노기술을이용하어제작된극미세도구의일부를보여준다. 먼저나노탐침을이용하어세포를하나씩조작하여조사할수있으며, 세포를개별포획할수있는극미세집게가개발되어있다. 또한극미세채널내에설치된극미세생체필터를이용하여혈액내의적혈구등특정크기의생체물질을걸러내거나, 특정바이오물질에만접합되는서로다른종류의양자점들을이용하여유전자정보를읽을수있다. 또한나노기술을이용하여바이오, 물질의합성과분리가가능하다. < 그림 2-2> 는나노기술로제작된극미세금입자를이용하여유전자를배열하는것과나노기술로제작된극미세자성체를이용하여항체를결합하는사례를도시하고있다. < 그림 2-3> 에서는나노기술로제작된 DNA 인장기를이용하여 DNA 의기계적성질을분석하는연구를도시하고있으며, 이처럼나노기술을이용한다양한극미세도구들을이용하여바이오정보의분석연구가가능하게되었다. 한편나노기술을이용한바이오정보의분석과조작기술개발의대표적인 예가바이오칩이며, 이는크게 DNA 칩, 단백질칩, Lab 칩으로구분된다. -21-

22 < 그림 2-1> 세포조작용나노탐침, 단세포생체용집게와극미세생체필터 < 그림 2-2> 나노입자를이용한유전체배열및항체결합 < 그림 2-3> 나노프로브를이용한 DNA 인장기및인장실험 -22-

23 (1) DNA칩 현재까지주로이용된유전공학분석방법은한실험자가많은수의유전자를동시에실험 하기에는한계를갖고있고, 유전학적정보가엄청난속도로밝혀지고있는반면이를사용 하고응용하는실험들또한많은시간을필요로한다는것은새로운분석도구에대한요구 를불러일으켰다. 이에 1990년대중반에시도된새로운분석방식이 DNA 칩이다. DNA칩이란유전자검색을위하여다수의 DNA 를고밀도로기판에부착해놓은것이다 < 그 림 2-4>. 기판에부착된검색용유전자의크기에따라 cdna칩과 oligonucleotide칩으로 분류되며, 제작기술에따라 pin microarray, inkjet, photolithography, electric array 방 식이있다. DNA칩은대부분미리선정된유력한후보군중에서필요한유전자를동정해내는데사용된다. DNA 칩의주요한용도가운데하나는유전자발현검색(gene expression profiling) 으로, 이는특정한순간에활성화되어세포가특정한단백질을만드는데사용하는유전자를찾아내는것이다. 유전자발현검색법을사용하면인간의유전자중특정한시간, 특정한부위에서활성화되는유전자를알수있다. 이과정에서 DNA칩을사용하면시간을두고반복된실험을통해활성화되거나비활성화되는특정유전자의전체적인활동상황을파악할수있을뿐만아니라이런 DNA 칩의분석결과를비교하여인체각부분, 또는건강한조직과병든조직사이에서나타나는유전자발현의차이점도관찰할수있다. 연구자들은미리선정된유력한후보군의프로브를인위적으로어레이에부착해야하므로목표로하는유전자가어떤유전자인지어느정도는알고있어야한다. -23-

24 DNA 칩제조회사들은대체로연구목적별로그에맞는다양한칩을판매하고있으며, 고객이선택한프로브를채택한맞춤형어레이를생산하는회사도있다. DNA칩기술의목표는고밀도화, 속도, 정확성, 맞춤형, 가격등에초점을두고있다. < 그림 2-4> 마이크로어레이를이용한 DNA imaging (2) 단백질칩단백질칩은특정단백질과반응할수있는수십에서수백종류이상의서로다른단백질이나리간드등을고체( 금속, 유리, 플라스틱등) 표면에마이크로어레이화시킨후, 이들과특이적으로상호반응하는생체분자의존재또는기능및역할을형광, SPR, 질량분석기등의여러가지분석방법을이용하여대량으로신속하게분석하는장치를의미한다. 바이오칩의관점에서보면단백질칩은시료처리부분뿐만아니라시료전처리부분과신호처리기까지포함하여보다넓은의미로도정의될수있다. -24-

25 단백질칩은단백질만이가지는고도의선택성과칩이라는관점에서의대량검색기능이가 능하기때문에단백질의분리, 확인, 정량및기능해석에이르는일련의단백질분석작업 을칩상에서수행할수있다는잠재성을가지며, 질병의원인규명을유전자수준에서단백 질수준까지확대규명하는 proteomics 연구분야와진단용바이오센서분야에널리활용 될전망이다. (3) Lab chip 지금까지의질명진단은환자의혈액혹은체액을채취하여분석자에게의뢰를하면화학분 석을통하여수시간혹은수일내에통보해주는식이었다. 그러나 DNA칩이나단백질칩 이상용화되면이의응용성은현재의실험실수준의학문적인연구분야에만국한되는것이 아니라일반인들이가정에서간단히자신의신체이상유무를자가진단할수있는정도로 까지넓은범위에이를것으로예상된다. 이러한일반적인용도의수요를충족시키기위해 서는현재의 DNA 및단백질칩의개념이단순히 DNA 또는단백질만을단순 array기판에 고정시킨형태만으로는적용이불가능하다. 유전병진단과같은질병진단용칩의개발을위 해서는결과의정확성과함께사용의간편성이보장되어야한다. 이를위해서는하나의칩 상에서 시료의 분리와 정제 그리고 증폭 등의 모든 전처리와 그 분석까지도 가능한 Lab-on-a-chip 개념의유형으로바뀌어야한다. Lab-on-a-chip 란미세가공기술을이용하여시료희석, 혼합, 반응, 분리, 정량등모든 단계를하나의칩위에서모두수행할수있도록구현한것을말한다. 즉, 일반적으로 ( 생) 화학물질의분석시사용되는분석장치의시료전처리과정에필수적인펌프, 밸브, 반응 기, 추출기, 분리시스템등의기능을분석장치의센서기술과접목하여같은칩상에구현 한것이바로Lab-on-a-chip 이다. -25-

26 최근의개발동향은 Microfiuidics와관련된 MEMS 기술을기존의분석기술에접목시킴으로써수 nanoliter에해당하는적은양의액체시료를단위칩상에서다룰수있도록시료분석에필요한모든구성요소를소형화및집적화기술을사용하여 on-chip화시키려는추세이다. 여러복잡한단계를거치지않고시료주입만으로최종결과를얻어낼수있는칩을개발한다면의료종사자의도움없이도일반인들이손쉽게널리사용할수있게됨을의미한다. 이는칩사용의간편성뿐만아니라, 검사자의실험상오류를최대한제거하여얻어진결과에대해신뢰성을부여함으로써 DNA 칩사용의보편화에중대한역할을할것이다. 현재까지는혼합부분, 증폭부분, 센서부분등과같은하나혹은두가지의공정을하나의칩상에구현한칩들이개발돼있는상태이며, 공정전체를하나의칩에담은소자는아직까지는상품화되고있지않다. 그러나나노기술(nanotechnology 또는 nanofabrication) 의발전으로 Lab-on-a-chip 의개발가능성이점점높아지고있다. 나노테크놀로지는노광전사(photolithography) 와화학적식각(chemical etching) 을기반으로하는 MEMS기술과나노물질증착과나노구조가공(nanomaterial deposition and nanostructure patterning) 등의제조공법과이모든것을하나로묶을수있는시스템적인설계기술과관련소프트웨어가융합된기술이며, 이를이용하여바이오물질및정보의분석과조작에필요한수십마이크로미터에서수십나노미터에이르는크기의도구들을개발할수있다. -26-

27 이러한 Lab chip 관련핵심기술개발은샘플전처리기술, PCR 기술및전기영동기술에 집중되고있다. ( 가) 샘플전처리공정기존의바이오칩은실험실에서미리분리, 정제및증폭된 DNA나단백질을직접사용하여 칩상에구현하는단순한구조가대부분이나일반인까지도사용이가능한 Lab-on-a-chip 이되기위해서는혈액, 체세포등을출발시료로하여 DNA 및단백질을칩상에서추출할 수있어야한다. 이를위해서는유로, 믹서, 펌프및밸브와같은 microfluidic components 가매우중요하다. 또한 microfluldic interconnect는실제외부의반응물질저장고에서칩 으로유체의흐름을연결시켜주는핵심요소이며, 연결부의성능이전체유체의흐름과소 자의완성도를좌우할정도로중요한부분이다. 우수한 interconnect가갖추어야할조건으 로는압력강하가적어야하며, leakage 가없어야하며, 낮은 dead volume 을갖어야하고, 기포가형성되지않아야하며, 제조가용이하고생체친화성이유지되어야한다. Mixer는생물공정에사용되는수개의반응물질이여러채널을통해서유입되는데이반응물질들을골고루혼합시켜주는요소이다. Mixer는단지유로의디자인을통하여혼합효과를얻는수동형 mixer 와전기장, 자기장혹은다층압전박막을이용한압력파생성등외부의물리적힘을사용한능동형 mixer 로나눌수있다. Microchannel 은샘플및반응시약들을이동시키거나, 혼합, 반응, 분리, 희석, 정제하는과정에서의유체흐름의경로가된다. 많은경우에최적의공정흐름을얻기위해서각반응물이나생성물의흐름을개폐하거나단속이필요한경우가있다. 이경우채널중간에펌프나밸브를적용함으로써유체의흐름을조절할수가있다. -27-

28 일반적으로밸브와 buffer 는수동형과능동형으로나눈다. 수동형은유로의기하학적인형상을조절함으로써유체의순방향및역방향흐름을조절하는방식이다. 능동형소자의경우는전장, 전류, 자기장등외부의힘을이용하여유체의흐름을조절하는소자이다. ( 나) Micro PCR PCR(ploymerase chain reaction) 은금세기분자생물학에혁신을가져다준혁명적인발견이다. 주어진소량의 DNA에 DNA 중합효소, primer, nucleotide 의각성분들(A, T, G, C) 과완충액을넣고반복적으로특정온도구간사이를오갈경우이론적으로 2n 배(n은온도사이클횟수) 만큼원하는유전자가증폭된다. 결국 PCR의사용으로인해피한방울혹은머리카락한올을이용하여유전자감식을할수있게되었다. PCR 극소화연구분야에서는기존의 bulk한방법과의차별성에관한기술개발이핵심을이루고, 있다. 극미세칩상에서 PCR을할경우기존의방법에비해서반응액이접촉하는표면이넓으므로 DNA 중합효소, DNA 및 primer 들이표면에흡착되어반응효율이떨어진다. 따라서칩제작시흡착방지를위한표면처리가반드시필요하다. 또한칩상의반응 chamber를균일하게원하는온도만큼가열하고또빨리냉각시킬수있는안정적인히터와온도센서가요구된다. ( 다) 전기영동 (Electrophoresis) 칩안에서의반응후생성물예를들면 PCR 후혼합생성물중에서증폭된 DNA만분리정제하여다음공정을수행할필요가있다. 이경우전기영동법을이용하여 DNA를크기별로분리할수있어원하는유전자를쉽게얻을수있다. -28-

29 보통전기영동칩안에센서가붙어있어생산된대부분의전기영동칩은유리나실리콘에 DNA 혹은단백질의존재를검사한다. photolithography나에칭등의기본적인가공으 로제작한 microchannel에전기장을걸어서 DNA나단백질을크기및전하량별로분리한다. 일반적으로전기영동칩안에분리된 DNA의존재를검사할수있는센서를집적화하는연구와자외선흡광법이나형광검출법을이용한검사기술개발이진행되고있다. 나. 바이오원리를이용한나노기술나노-바이오융합기술의발전동향중또다른하나의줄기는바이오의구조와기능그리고원리를이용한나노기술분야이다. 하나의예로서생체응용자기조립등을들수있다. 단백질호르몬과효소는다른분자와특이적으로결합한다. 효소는결합된기질분자의구조를변형시키고, 호르몬은결합된특정분자의활성을조절한다. 효소와호르몬의작용을기계적으로설명할수도있으나화학적인관점에서의설명이보다일반적이다. 그러나몇몇단백질은마치노끈이나버팀목또는베어링처럼기본적으로물리적인기능을수행한다. 예컨대근육은많은구성단백질들이위와같은물리적기능으로움직이거나모양을바꾼다. 박테리아의경우는밧줄모양의단백질덩어리를프로펠러처럼회전시켜이동한다. 이러한분자기계들은마치산업체에서쓰이는일반기계처럼복잡한물질을조립할수도있다. 여기서복잡한분자기계인바이러스관련연구를소개한다. -29-

30 박테리아바이러스의일종인 T4 파지는용수철이달린주사기에비유할수있는데, 다른박테리아에붙어구멍을낸후바이러스유전물질인 DNA 를주입한다. 주입된바이러스 DNA는박테리아안의합성기구에보다많은바이러스 DNA 와주사기를만들게한다. 일반적인화학결합이구성원간의접촉과화학반응에의해서이루어지듯이단백질분자들은특별한도움없이도화학적상호작용에의해결합되어단백질기계를조립한다. 현재시험관에서바이러스의단백질을섞어활성을갖는 T4 파지를만들어내는연구가수행되고있으며, 이처럼여러개의단백질이자발적으로집합하여특정한구조를만드는자기조립(self-assembly) 현상을이용한나노연구가진행되고있다. T4 파지의경우물속에서단백질분자가접혀진 3 차원구조를갖고, 표면은고유한화학적특성을나타내게된다. 이들단백질분자는물의열진동에의해자유자재로움직이다가서로충돌하게되며, 이때상호화학적특성에의해상보적결합이가능해진다. 이와같은무작위적과정을통한바이러스의자기조직화(self-organization) 가가능하기때문에단백질공학에서는단백질기계인나노기계를만들기위한정교한로봇팔이필요하지않다. 그러나모터와베어링등을조립하여로봇팔을만드는것처럼, 일부생화학분야에서는각각의단백질분자들을모터나베어링처럼조립하여분자하나하나를다룰수있는작은로봇팔과같은분자기계가연구되고있다. 어떤나노기계는설계에따라산과진공상태, 냉동과가열에대한내성을가지며, 프로그램이장착된기계의정밀도범위안에서분자들을다룰수있게된다. 이러한나노기계는복잡한하나의구조가완성될때까지원자들을한번에조금씩분자의표면에부착시켜거의안정적인형태로원자들을결합할수있다. -30-

31 이러한나노기계를조립기계(assembler) 라하며, 조립기계들은이론적으로어떠한원자간의배열도가능케하므로, 자연법칙이허용하는어떠한물질도조립할수있다는주장이제기되고있다. 특히이러한조립기계들은그이상의많은조립기계들을포함하여, 임의로설계된형태를의도대로만들수있는방법에대한연구가진행되고있다. 따라서차세대조립기계는완전히새로운기술혁신을가져올것이며앞으로신기술의세계를열어줄가능성이있으며, 향후의학, 우주과학, 컴퓨터공학, 더나아가무기생산기술의발전까지도모두원자배열의능력에달려있다고보는견해도있다. < 그림 2-5> DNA 를이용한나노입자조립 [Northwestern Univ] -31-

32 2. 바이오-정보융합기술 가. 정보기술을이용한바이오기술정보기술을이용한바이오기술은기존의료용진단에많이이용되었던생체신호의생성과수집그리고영상화를통한생체정보의분석및활용기술과최근들어대량의유전자암호에관한정보를수집, 분석, 저장하고재조합하는바이오인포매틱스등이포함된다. 여기서는최근들어초기연구가진행중인바이오인포매틱스에관해서만집중적으로기술한다. DNA microarray 는매우다양한전산및통계적인문제들을수반하게되며, DNA microarray의생산에서부터시작하여최종적으로이를사용하여생명현상에대한유용한지식을획득하는과정에걸친모든단계에서컴퓨터가필수적인도구로서사용된다. 한장의 DNA microarray 에는수천혹은수만가지의염기열이담기게되고, 이염기열을디자인하고선택하는과정, 그리고특히 cdna microarray의경우는소스가되는클론들을생산및관리하는과정에전산적인도구들이필수적이다. 생산된 DNA microarray를사용하는단계에서는개개의염기열이당연히어떤생물체의유전자의일부이며, 각유전자는그자체로많은알려진정보를담고있다. DNA microarray를이용하여얻어진일차적인데이터는결국연구대상이되는생물체가가진유전자의전체집합의부분집합에어떤수치가붙은목록을얻은것이라할수있다. 따라서 DNA microarray를사용하여실험을한다는것은그생물체가가지는유전자들에대한다양한정보를다른각도에서이용할수있는부가적인정보를얻는것이며, 이과정에서대량의유전정보들을효율적이고통합적으로분석할수있는정보기술이반드시필요하다. -32-

33 이러한이유에서 bioinformatics 분야의발전이요구되고있다. 오늘날소위 genomics, proteomics 등새로운바이오연구분야에서공통적으로필요한것은 high-throughput 형태의실험이다. 우리가정복하고자하는대부분의성인병들은다수의유전자들이복잡하게얽힌상호작용에기인한것이며, 이러한현상을이해하고대응하기위해서는하나의유전자가어떤질병에많이발현이되는지혹은다른또하나의유전자와상호작용을하는지알아보는것만으로는충분치가않다. 따라서반드시다른많은유전자들이어떤양으로발현이되며, 어떤상호작용을하는지가능하면모두알아내는것이실제상황을이해할수있는제대로된접근방법이다. 이에대한돌파구가 DNA microarray에의해가능해졌으며, 다수의시료와다수의실험결과로부터생산되는대량의데이터를관리하고일차적으로처리하고자하는전산인프라의필요성이대두되었다. < 그림 2-6> Bio information 분류의대표적계층적클러스터링 -33-

34 나. 바이오원리를이용한정보기술바이오원리를이용한정보기술로는 DNA 를구성하는네가지정보(A, G, C, T) 의조합을이용한 DNA 컴퓨터개발과기존생명체의구조와원리를바탕으로한새로운형태의광통신, 저장및표시소자개발등을들수있다. < 그림 2-7> DNA 연산의개념도와 6절점 DNA 컴퓨터 DNA 컴퓨터는 1994년남부캘리포니아대학 Leonard Adleman 교수가 DNA를정보저장과처리목적에이용할수있다는착안에근거하여 DNA를테스트튜브에넣어단순한수학문제를해결하는데성공함으로써처음현실화됐다. 이후전세계 10여개의연구소들이생물학(BT) 과정보기술(IT) 을융합시킨이분야에뛰어들었으며, 초당수조번의동시연산이가능한 DNA 의숨은능력을활용할방안을연구하고있다. 나노미터크기정도의물질을이용해그토록많은횟수의연산이가능하다는것은이제더이상작아지기어려울것으로예상되는현재의실리콘칩의소형화한계를극복하는길이될것이다. -34-

35 DNA 분자는모든세포의핵에이중나선형태로존재하며, 세포의유전정보를아데닌 (A;adenine), 티민(T;thymine). 시토신(C;cytosine), 구아닌(G;guanine) 의 4가지염기조합으로저장하고있다. 이 DNA 분자를 1입방센티미터안에집적할경우보통음악 CD 1조장분량의데이터를저장할수있는것으로알려졌다. 이들 4가지염기는정해진상호보완적인방식으로결합되는데이들은복잡하게조합하면서하나의패턴으로유전정보를담고있다. 복잡한염기조합의패턴은인체내에서자연발생하는효소에의해읽혀진다. 와이즈만연구소(Weizmann Institute) 가 DNA를계산기처럼작동하도록만들었던것은지난해위스콘신대학(University of Wisconsin) 연구팀이 DNA 가닥들을유리슬라이드에고정시켜 DNA 칩을만들수있도록하는데성공한것이큰도움이됐다. 과학자들은 DNA를마이크로프로세서로활용하는일이아직도많은기술개발을요구하고있어 DNA가실리콘기반컴퓨터를대체하기보다는이를보완하는데그응용이집중되고있다. 다음은바이오지식을활용하여 IT 분야에서필요로하는새로운극미세공학적도구발굴과새로운제품기술개발에관한연구사례를소개한다. 먼저차세대정보기기분야에서( 그림 2-8) 초고속광통신기기, 고밀도광저장기그리고고화질화상기등을개발하기위해서는광신호를정확하게제어하고손실을줄일수있는고정도극미세소자가필요하다. 현재이에필요한극미세광학부품은 MEMS 기술에의해이미제작이가능한상태이나, 이들극미세광학부품을정교하게움직일수있는고정밀극미세구동기를구현하기위해서는극복해야할여러가지과학기술적문제가남아있다. -35-

36 < 그림 2-8> 생체단위조직과극미세부품의크기비교 현재의나노구동소자에관한기술한계를극복하기위하여, 생체구동의구조와원리를응용하고자하는시도가제시되었다. 생체근육은여러가닥의근육다발로구성되는데운동을발생시키는최소단위는빗살형태의구조로된액틴(actin) 과미오신(myosin) 이다. 미오신주위에는작은돌기들이형성되어있고각돌기는 < 그림 2-9> 와같이수십나노미터의단위운동을발생시킨다. 생물체의움직임은이러한극미세단위의움직임을근육다발의배열각도와직ㆍ병렬로연결하여정교하고도효과적인운동기능을창출하고있다< 그림 2-10>. < 그림 2-9> 생체의단위나노구동 -36-

37 < 그림 2-10> 근육의연결과배열 < 그림 2-11> 근육구조를모사한빗살전극을가진정전구동기 [UCB] 이처럼생물체구동에관한구조와원리의모사를통해약 5.5마이크로미터운동을초당 7200회반복하면서약 12나노미터의구동정도를유지할수있는나노구동기가개발되었다. 이러한나노구동기를이용한극미세거울구동형고밀도광통신교환기와망막시신경에개별적인광정보주사를통해안경모양의망막화상기구현그리고극미세고밀도정보저장기개발등에관한연구가진행되고있다. -37-

38 이처럼바이오-정보융합기술의개발은바이오물질의분석과가공에필요한극미세도구의개발과이들을제어하기위한신경신호와신경회로망그리고획득한바이오정보를해석하기위한바이오정보학과관련된데이터베이스와소프트웨어기술의결합을필요로한다. 3. 나노-정보융합기술 가. 나노기술을이용만정보기술 1960년미국의노벨물리학상수상자인리처드파인만박사는원자나분자크기로부터물질의성질을조절할경우그때까지만들어진것보다크기가 1만분의 1 크기로줄어든기계적구조를만들수있음을제시하였다. 또이러한개념은미래산업을주도할것이라는말도함께했다. 하지만당시에이를관찰할수있는현미경이없어그현실성을믿는사람들은많지않았다. 그로부터 20년이지난후학자들에의해물체를원자배율로관측할수있는주사형검침현미경이개발됐고파인만박사의이론은현실로다가오고있다. 분자의크기는수나노미터수준이며수소원자의크기는약 0.05 나노미터다. 나노산업은이러한분자나원자를조작해새로운소재, 구조, 기구, 기계, 소자등을창출하는새로운산업이다. 많은소재의입자나반도체소자의단위소자가줄어들면완제품의크기를축소할수있다는것외에도물리ㆍ화학적성질변화에따른추가적인효과를거둘수있다는장점이있다. -38-

39 이를테면소재의강도및화학반응성이강해지거나내연성이생기고마모성이변화하는등의장점을얻을수있다. 나노기술이소자나센서에적용되면소자의작동속도가빨라지고전기전도성이좋아지며센서의감도가향상될수있다. 최근에는전자소자제조에있어나노기술이인류문명의한계를극복해주는핵심기술로부상하고있다. 60년대전자소자의집적화가시작된후오늘날에는작은칩내에수억개의단위소자를내장할수있는기술수준에이르렀다. 그러나고집적화, 단위소자소형화등은소자의제작비용상승의문제를야기할수있다. 대부분의과학자들은현재의방법에의한전자소자의제작은당분간계속되겠지만 10년이내에경제적ㆍ과학적한계에직면할것으로전망하고있다. '71년발표된인텔 4004 마이크로프로세서에서회로소자하나의선폭은 10 μm, 이로부터 28 년이지나발표된펜티엄Ⅲ의선폭은 40분의1인 0.25μm으로줄었고회로집적도는무려 400 배이상증가했다. 이과정에서 18~24개월마다반도체집적도가 2배로증가한다는이른바무어의법칙은예외없는법칙처럼인식돼왔다. 하지만회로소자의선폭이 0.04μm에이르면기존의방법으로는집적도의중가가이론적인한계에직면한다. D램을예로들어보면 16G 이상의제품개발은불가능하다는주장이제기되고있다. 이에따라대체소자의개념을탐색하게됐고그주요기술로나노기술이부상하고있다. 예를들면나노미터굵기의탄소나노튜브를개발한후이를이용해전자소자를개발한다면이소자의작동속도는현재보다100~1000배빠르고집적도또한1000~1 만배증가시킬수있는가능성이있다. 마이크로회로의소자들은그크기가마이크로미터의단위이다. 하지만분자는나노미터의단위로측정되며이에따라나노기술을분자기술이라명명하기도한다. -39-

40 이러한새로운기술을이용하여나노회로또는나노기계를개발하고자하는노력이있다. CMOS를기본구조로하는현재의소자의소형화는 2010 년경에기술적, 개념적한계를맞 게되고, 소자제조비용이지수적으로증가하게된다. 이를해결할접근방법으로는현재의 전자소자의기본구조를면화하거나값싼공정을개발하여현재의소자형태를발전적으로 소형화하는것이다. 이소자들의제작은전적으로리소그라피기술의발전과그경제성에 의하여좌우된다. 이러한접근방법과함께실리콘공정기술을사용하는 SET, MRAM 소 자의개발을추진하고있다. 한편자성반도체스핀소자는기존의금속자성체의한계를극복 하고, 또기존반도체와의집적이가능하여전자의전자및스핀을동시에이용할수있는 가능성을타진하고있다. 다음은나노소재의높은강도, 뛰어난연성, 낮은마모성, 낮은부식성/ 침식성, 높은화학 반응성을이용한새로운소재를정보분야에응용하는것이다. 나노소재는물리적, 화학적, 기계적으로우수한성능을가지고있어여러가지응용이고려되고있다. 나노소재분야중 나노물질을이용한형광물질의개발은또한밝고, 효율이좋은평판디스플레이에의응용을 연구하고있다. 입자의크기가작아지면물질은흡수하는빛의파장대가변화한다. 나노결 정체형태의아연셀레늄, 아연화물, 카드뮴황화물, 납텔러륨은이러한대상물질로떠오르 고있으며, 이성질을이용하여여러색깔을낼수있고, 이를 LCD, HDTV 분야에응용하 고자하는연구가진행되고있다. 또한미래형기억매체의실현을위하여자기정보저장용 나노자기재료의개발과분자정보저장에관한연구개발도시도되고있다. -40-

41 < 그림 2-12> 나노저장기 < 그림 2-13> 분자정보저장의개념도 나. 정보기술을이용만나노기술정보기술에기반을둔전산모사는나노소재개발과응용에활력을불어넣고있으며, 나노패터닝, 에칭, 분말, 소결공정등주로나노공정및구조모사연구에주력하고있다. 나노수준에서의가공에는리소그라피로대표되는탑다운(top-down) 방식과원자, 분자수준에서물질의제어를시도하는바텀업(bottom-up) 방식이있으며, 후자에있어서는 STM의이용에의해원자, 분자를하나씩쌓아올려구조체를만드는기술도있지만양산성등을고려할때어느조건하에서나노수준의구조가자발적으로형성되는자기조직화의활용을들수있다. -41-

42 탄소나노튜브나전기전도성고분자, 세포나단백질의형성도이범주에있다. 나노수준으로재료의구조를제어하거나, 미세가공을행하기위해서는나노측정기술이필요하다. 또한, 전자, 재료기술이나노수준에돌입하면제품의제조과정에서결함의평가때문에도나노수준의측정/ 분석기술및표준화가요구된다. 고감도, 고정밀도, 고속측정/ 분석기술의확립을위해서반도체생산현장이나화학, 생화학분석, 환경모니터링을목적으로하는전자현미경의고성능화, 주사현미경의다기능, 집적화, 근접장광측량, 나노미터 X 선계측등의연구개발과측정표준이요구된다. 나노수준의측성이나실험이어렵기때문에연구개발의효율화의관점에서실험하기진에컴퓨터로시뮬레이션을행하고. 유용한결과를얻고, 연구나개발의대상을좁혀나가는나노시뮬레이션이요구되고있다. 나노시뮬레이션은원자, 분자를대상으로한시뮬레이션과거시적영역을대상으로한고전적시뮬레이션을조합시킨복합시뮬레이션의두가지방법이시도되고있다. 적용분야는반도체개발을위한디바이스설계, 제조장치시뮬레이션, 표면상세해석, 재료설계등을들수있다. 이처럼정보기술은나노기술개발에요구되는시간의단축과비용절감효과를꾀할수있어, 정보기술과나노기술과의융합화가이루어지고있다. -42-

43 < 그림 2-14> 유기물나노튜브와탄소나노튜브 < 그림 2-15> DNA와리보솜구조의전산모사 -43-

44 제 3 장나노-바이오-정보융합기술동향분석 본장에서는나노-바이오-정보기술의융합분야에대한국내의연구개발동향과관련기술을조사분석하고, 나노- 바이오, 바이오- 정보, 나노-정보기술의융합을기반으로한산업분야및제품군을도출하고유관기술의향후전망및파급효과를유추하였다. 1. 나노-바이오기술의융합 가. 해외변구개발동향나노- 바이오융합분야의대표적인해의연구개발사례로마이크로어레이, 바이오필터, 바이 오감식기, 바이오분석기등에관한동향을분석한다. 먼저마이크로어레이를만드는방법에는기본적으로두가지부류로나눌수있다. 애피매 트릭스가 독점하고 있는 첫 번째 방법은 실리콘 칩 업계에서 사용하는 노광전사 (photolithography) 공정을이용하는것이다. 이방법은평면도 4장으로마천루를지어가면 서도시를건설하는것에비유할수있다. 애피매트릭스는이평면도를유리기판에부착하 여어레이를만드는데, 먼저염기평면도 A를모두펼쳐서어레이의일부면에붙이고나 머지비어있는부분에염기평면도 G, C, T 를차례로붙인다. -44-

45 2 층을지을차례가되면목적하는염기서열에맞추어층층이같은방법으로쌓아올린다. 애피매트릭스의칩은프로브를 20에서 25 층높이로쌓아올린, 즉 20에서 25개의뉴클레오 티드프로브를올린제품이다. 어레이를만드는두번째방법은표본에서직접뽑아낸 cdna 프로브를기판에붙이는것 이다. 기업들은이런방식으로어레이를생산하기위해여러가지방법을사용한다. 예를 들어신테니는핀을이용하여어레이에극미량의 cdna 를부착한다. 프로토진은특수한유 리표면을사용하여어레이에서프로브가놓인위치와그주변의유리표면사이에표면장 력의차이가생기도록만든다. 이렇게하면프로브는극미한액체방울안에서서로분리된 상태가되고그방울안에서프로브와표본간의화학작용이일어난다. 로제타인파마틱스에 서는프로브를배치하기위해잉크젯방식을사용하기도한다. 대표적마이크로어레이제조회사들은 < 표 3-1> 에정리하였으며, 이들회사간의기술및 제품경쟁의핵심쟁점은다음과같다. (1) 밀도와크기 모든마이크로어레이에고밀도프로브가필요한것은아니지만많은유전자발현을분석하 는마이크로어레이에서는고밀도프로브가필요하다. 마이크로어레이제조업체들은바이오 칩하나로더많은유전자를분석할수있도록어레이의밀도를높이려고꾸준히애쓰고있 다. 애피매트릭스는 1평방센티미터안에프로브 25만개를고정할수있는기술을 1999년 당시보유하였으며, 샌디에고의신생기업인일루미나는핀의머리만한크기에 25만개를고 정하는기술을개발하였다. -45-

46 (2) 프로브인간유전자의모든변종을다담을수있는칩은없다. 따라서칩제조업체가경쟁력을잃지않으려면최상의적용가능성을보고최상의프로브를선택해야한다. 현재프로브의수는이용계약에따라어느정도달라진다. 예를들어인사이트제약의 DNA 서열데이터베이스이용자들은신테니어레이를사용해인사이트의염기서열을자유롭게이용할수있다. 애피매트릭스는휴먼게놈사이언스가독점소유한염기서열을사용할수있는계약을맺었다. (3) 속도 DNA 의혼성화는화학약품및열처리과정을거치는데몇시간이걸리는작업이다. 일부회사에서는이과정에걸리는시간을단축하고실험결과의자료처리량을늘리기위해노력하고있다. 예컨대나노젠은혼성화과정을촉진하기위해 DNA 분자에자연전하를가하는방법을사용한다. 나노젠의주장에따르면프로브의개별위치에일정전하를흘려보내분자에인력이나척력을발생시키면혼성화과정을불과몇초만에완성할수있다. 혼성화과정이신속하게끝나고실험에필요한기술단계가축소될수록그시험은특수화된연구환경을벗어난곳에서도유용성을띠게될가능성이더커진다. -46-

47 (4) 맞춤성어레이는언제나특정한적용목적에맞추어제작되기때문에각기업에서는연구자들에게맞춤형칩을제공하기위해경쟁하게될것이다. 나노젠은연구자들이제조에몇달씩걸릴수도있는주문형어레이를구입하는대신실험실에서자신의실험목적에맞는칩을스스로제작하는시스템을구축하고있다. PE 바이오시스템은번개칩(Zip chip) 이라는제품을개발하고있는데이는연구자들이그때그때연구에필요한어레이를신속하게만들어낼수있는제품이다. < 표 3-1> 마이크로어레이전문기업 기업명 어레이제품기술 Affymetrix Inc. 진단, SNP 동정( 同定 ) 및타이핑, 질병관리, 발현검색을위한진칩(Genechip) 및시스템 AlphaGene Inc. Micromax를점적한 cdna 어레이 Bechman Coulter Inc. 비광식각형 DNA 어레이 질량분석(mass-spectrometry) 기술인표면강화레이저 CipherGen Inc. 탈착및이온화 (surface-enhanced Laser desorption/ionization, SELDI) 기술에기반한단백질연 구용 ProteinChip 어레이 유전자발현분석및검색등을위한 Atlas 어레이, 맞춤 Clontech Laboraties Inc. 형어레이시판을앞두고있으며, Becton Dickinson이 인수할예정 Gene Logic Inc. GeneChip을사용한상업용유전자발현데이터베이스구축을위해Affymetrix와계약체결 GeneTrace Systems Inc. MALDI-TOF DNA 분석어레이 Genometrix Inc. 표면에전기충전한막(film) 을입힌저밀도및중밀도올리고핵산염(oligonucleotide) 및 cdna 마이크로어레이 출처 : 바이오테크, 바이오비지니스 -47-

48 기업명 어레이제품기술 Genomic Solution Inc. 맞춤형 DNA 및 RNA 어레이와서비스를비롯, 다양한기기와유전체학및단백체학관련서비스 Genosys Biotechnologies Panoramo 대장균혼성화(hybridization) 어레이및맞 Inc. 춤형어레이 Genome Sciences Inc. HGS의특허유전자를 Affymetrix가자사의 GeneChip 어레이에사용할계획 Hyseq Inc. 유전자서열분석,SNP동정및타이핑을위한 HyChip 어레이및시스템,PEBiosystems와공동연구중 SNP 타이핑, 유전자검색, 질병관리, 진단, 면역측정 Illumina Inc. (immunoassay), 약물 선별(screening) 을 위한 구슬 (bead) 및기판(substrate) 형마이크로어레이 Incyte Pharmaceuticals 자회사 Synteni 를 통한 점적 혼성화(spotted Inc. bybridization) 어레이, 고객주문맞춤형실험 Luminex Corp. DNA 혼성화어레이를포함한다양한생물학적검정 (bioassay) 을위한LabMAP 구슬및액체형어레이 1997년 4월 GeneChip 및자체기술을활용하여기능 Millunnium Pharmaceuticals 유전체학데이터베이스를구축하기위한 4천만달러 Inc. 규모의 5개년계획에착수 Molecular Dynamics Inc./ Amersham Pharmacia 점적 DNA 어레이 Biotech Argonne National Laboratory 및 Packard Motorola Inc. Instrument Co. 와제휴, DNA 서열분석, 유전자지도 작성, 기타검정을위한바이오칩 Nanoge Inc. 기능유전체학, 진단학, 약물발굴, 법의학, 기타적용분야를위한전자어레이 AlphaGene Inc. 와공동으로 Micromax 발현분석을 NEN Life Sciences Inc. 위한점적 cdna 어레이, 유리어레이하나에 2,400개 의인간전장(full-length) 유전자를포함 HyChip 어레이(Hyseq 참조) 및코넬대학에서사용허 Perkin-Eimer Corp. 가를 받은 범용(universal)" 혼성환 어레이 기술 MALDI-TOP 어레이분석 Protogene Laboratories Inc. 혼성화를위해유리기판에극미액체방울을사용한 DNA FlexChip 어레이 Rapigene Inc. 고효율 SNP 유전자형타이핑법 출처 : 바이오테크, 바이오비지니스 -48-

49 기업명 어레이제품기술 Research Genetics Inc. GeneChip 어레이를사용한유전자발현검색 Rosetta Inpharmatics Inc. SNP 확정, 발현분석을위한잉크젯방식어레이 Sequencom Inc. 산업용(industrial)" SNP 확정을위한 Spectro-Chip 및 MALDI-TOF 분석시스템 신속한혼성화및정확한어레이작업을위한 Ligand Tm Bioscience Corp. 의 정상화(normalization)" 기술, Affymetrix와협력 체제구축 유전자 증폭 검출을 위한 Genosensor System 및 Vysis Inc. AmpliOnc-1 어레이혼성화장비, Amoco Corp. 이지 분의과반수를소유 출처 : 바이오테크, 바이오비지니스 (5) 정확성정확성은뉴클리오티드크기만큼작은변종의검출이필요한유전자형확정과정에서는특히중요하다. 정확성을증가시키기위해흔히채택하는방법은반복사용이가능한프로브를만들어실험을몇번씩되풀이함으로써결과를재확인하는것이다. 예를들어세퀴놈은어레이를사용하기는하지만혼성화가아닌질량분광기를사용하여염기서열을검출한다. (6) 가격가격에대해고려할때는단순히칩과부속기기의가격만을따질일이아니라그이외에도정확성을기하기위한반복시험비용이나속도로인한자료처리지연에따르는비용을감안해야하며, 소요되는시료의분량역시가격에영향을미친다. 가격결정에는칩의크기도중요한데칩이작으면필요한시약이나복제 DNA의양도적어져비용이줄어들기때문이다. -49-

50 < 표3-2> 단백질칩관련해외업체 업체명 사업분야 연구성과및연구현황 Ciphergen 단백질칩 system SELDI-TOF-MS technology ProteinChip Zyomyx Proteomics biochip Proteuin biochip prototype (10,000spots/ cm2), Multi-Cell-chip Cambridge Antibody-based Antibody-based drug discovery and Antibody therapeutic produsts development Technology Phylos Integrated drug PROfusionTM technology를이용한 100조의 dicovery program 단백질 library구축 somalogic Proteomics services DNA capture protein Aptamer array technology Oxford High througput proteomics & Drug Proteomics services GlycoScience discovery platform Biosite OmniclonalTM Ab technology POC diagnostics Diagnostics Microfluidic protein chip Large Scale Biology BIAcore LumiCyte Zeptosens Luminex Jerini AG Prolinx Protein markers, Protein Biochips SPR array chip & system Biochip-based proteomics Nanotechnology-based microarrays & readout system Suspension arrays. Instruments Protein microarray Surface chemistry. optical biosensor Human protein index ProGExTM technology for disease-specific markers SPR array chip (SPRAC) 1080 spots 분석 SELDI process. SeldiographyTM Planar waveguide 방식의검출기술, ZeptoTM technology LabMAP (laboratory multiple analyte profiling) Polystyrene microsphere 기술 High-density protein, peptide and small molocule arrays Protein microarray용 PBA-SHA complox chemistry 구축 -50-

51 업체명 사업분야 연구성과및연구현황 GPC-Biotech Drug discovery and development Proteomics technologies Genometrix High-througput VistaArray 96-microarray platform 구축(45 protein arrays 일소요 ) HTS SPR instruments & biosystems microarray Grating-coupled SPR을이용한Microarray Combimatrix Semiconductor-based 1000 test sites를갖는 peptide, small high-throughput tools molecule 합성이가능한 vurtual flasks Molecular Clinical diagnostic and Rolling circle amplification technology Staging genomics tools (RCATTM) Molecular fluorescent reagents and Quantitive Proteomics studies of Probes techniques cancerous cells/tissues Gyros AB Proteomics Microfluidics-based protein array on CD format Affibody AB Proteomics and Selection technology from combinatorial biotherapy protein libraries, protein stabilization Quantum Laboratory-on-bead 기술 Semiconductor crystals Dot nanocrystals 활용분석기술 Glaucus Proteomics B.V. Proteomics Antibody arrays 출처 :2001신기술동향조사보고서 -바이오칩 한편나노기술을기초로한생물학적물체를분리할수있는필터가 California대학연구팀에의해개발되었다. 이기술은서로다른단백질이나 DNA의복합체를분류할수있는유전체연구를위한극미세장치에응용되고있다. 이러한생체필터는 10nm이하의미세한구멍이무수히많이새겨진폴리카보네이트로구성되어있다. 구멍은금으로된얇은박막과인접하여있고그리고티올(thiol) 이라불리는친유성물질로된또다른막과도인접되어있다. 티올은자연적으로박막(membrane) 안으로한분자만이잠길수있도록모든티올분자가같은방향을가리키면서스스로정렬한다. 이들티올은한쪽끝에황원자를갖고있고, 또다른끝에는산성부위를갖는탄소원자의사슬이다. -51-

52 황원자는티올이금박막에달라붙도록만든다. 그러면산성을띄는다른끝은지나쳐흐르는어떤것과도상호작용할수있게된다. 마지막의pore는직경이9 nm이하이다. 또한 Northwestern University의 Chad A. Mirkin 연구팀은바이오테러및전쟁등과연관된탄저(anthrax), 야토병(tularemia), 우두, 에이즈바이러스같은감염성질환을감식하는새롭고강력한방법을개발했다. 나노기술학연구소의연구팀이각분자가부착된금나노입자(gold nanoparticles) 로만들어진수천개의 DNA 탐식자를만드는방법을고안했는데, 마치인간의지문같은이들분자들은다양한생물학적물질의존재여부에대한독특한신호로작용한다. 예를들어이새로운방법으로에이즈의핵산지문과우두의핵산지문을쉽게구별할수있으며, A 형간염바이러스, 우두, 에이즈바이러스를포함하는 6가지생화학적물질에대한유전표식에대한테스트에응용된다. Mirkin그룹은전통적인형광탐식자(fluorescence probes) 와더비싼중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction (PCR)) 에대한잠재적인대치제로써나노입자의사용을연구해왔다. 현재사용되는감식방법으로는유전적스크리닝과질환진단결과를얻는데수일에서수주까지걸린다. 새감식방법은각질환에대한탐식자(probes) 디자인을포함하고있다. 각탐식자는직경이 13 nm정도의매우작은금입자로구성된다. 입자에부착된것은 A 형간염바이러스, 우두같은관심의표적에결합하여인지하도록고안된 sdna와빛이조사되었을매특이한신호를공급하는분자등 2 가지가핵심이다. 질환표적이테스트하는표본에존재하면, 디자이너탐식자는칩(chip) 상의적절한지점에결합하고칩은세척되어일상적인사진인화용액으로처리된다. -52-

53 매치가일어난곳의금나노입자를코팅하고레이저가칩을따라스캔하여탐식자로부터의 신호가은에기록되며특이적유전적지문(fingerprint) 은각질환표적에따라설계될수 있다. 지난몇년간 SPM 응용기술의비약적인발전에따라생물체내의미소구조와그안에서 일어나는화학적인현상을분자수준에서높은해상도로관찰할수있게되었다. 예를들 면, 스위스 Paul Scherrer Institute의 Ros 박사연구팀에서는 AFM으로세포표면에서작 용하는아주미세한항원, 항체의결합력을(~50pN) 긱접측정하여생물체의근본적인현상 이해를가능케하였다. < 그림 3-1> 항원- 항체의결합력측정기 [Paul Sherrer Institute] 스위스 IBM Zurich 연구소와 Basel 대학에서는 MEMS 기술로제작된머리카락 1/50 두께의탐침으로 DNA와단백질분자를분별할수있는생화학적기계를 Science(Fritz et al., 2000) 지에발표함으로써휴대용질병진단센서의가능성과나아가나노미터스케일의기 계와생체가결합한나노- 로보틱스의시대를열었다. -53-

54 < 그림3-2> 생체분자측정용실리콘외팔보 [IBM] < 그림 3-3> 액틴필라멘트와단백질모터 1998년 Noji Hiroyuki 는세포내에자연적으로생기는분자모터(molecular moter) 가있다는것을보여주므로 Amerlisham Pharmacia Biotech and Science Prize 상을받았다. 그는세포에있는미토콘드리아안에서 ATP를생산하는 F1-ATPase 에액틴필라멘트(actin filament) 를붙여회전하는것을광학현미경으로관찰하였고. 이로부터회전하며일을할수있는분자수준의나노모터개발에대한가능성을보여주었다. -54-

55 분자모터는인체에내장되어있는약물전달시스템(drug delivery system) 에서유체펌프로서쓰일수있으며, 또한앞으로는모터가필요한 MEMS 디바이스와결합되어생체분자를해석하는미세진단칩에응용이가능할것으로보인다. < 그림 3-4> Biomolecular motor [Cornell Univ.] Cornell 대의 Nanobiotechnology Center에서는 nano-microfabrication공정기술과나노유체역학(nano-fluidics) 기술을응용하여 DNA 등여러바이오유체(biofluid) 를분자단위에서분리시키는기술을연구하고있다. 이기술이광전자나새로운검출기와결합된다면분석및진단기기에필요한전처리과정을소형화시키고고속화하는데응용될수있다. -55-

56 < 그림 3-5> DNA 분자분리용초미세기둥 [Cornell University] < 그림3-6> 극미세관을이용한분자합성 < 그림 3-7> 극미세관을이용한국부적세포치료 -56-

57 나. 국내연구개발동향올해과학기술부의나노기술연구개발예산이지난해의 2 배규모인데, 가장눈에띄는부분 은나노기술과생명과학의투자확대이다. 나노기술예산은전년도의 2 배, 생명과학예산은 전년대비 30% 의증가를보였다. 이는 BT와 NT를국가연구개발전략의큰축으로삼겠 다는전략이다. 한편산업자원부는나노기술의산업화를위해앞으로 5년동안 5백70억원을투입키로했 다. 산업자원부는이를위해포항공대에각종최첨단전자부품제조기술을개발하는나노소 자개발센터를, 한국과학기술연구원(KIST) 에는전자부품소자를만들기위한나노소재기술개 발센터를, 전자부품연구원에는나노제품의설계와시제품을제작하는나노공정지원센터를 지원하고, 여기에 15 억원을투입해이들연구소와전국의대학, 정부출연연구소, 기업연구 소등을연결하는네트워크를구축하고, 연구기기의공동사용과연구자료의공유와공동연 구등프로젝트를추진중이다. 나노-바이오융합기술분야는현재바이오기술개발사업과나노기술개발사업내에서국부적 으로추진되고있다. 국내연구기관의나노-바이오융합기술분야의연구는 KAIST, 서울 대, 포항공대등의대학과삼성종합기술원및벤처기업등에의해추진되고있으며주로 DNA 분리및추출기와단백질칩그리고 Lab-on-a-chip 개발이주류를이루고있다. -57-

58 < 그림 3-8> DNA 추출기 [KAIST] < 표3-3> 단백질칩관련국내업체 업체명사업분야연구성과및연구현황단백질칩, 진단시악, 자동진단시감염성질환동시진단단백질칩 ( 주다이아칩 ) 스템진단시약및자동화장비개발유방암, 대장암. 피부암세포만프로테오믹스제품판매및포을인식할수있는새로운단백 ( 주파이크 ) 스트지놈관련정보질 (Philyra Pisum Agglutinin) 발굴 ( 주제네티카 ) 질병진단기술개발, 진단용항체제작 ( 주디스진 ) 단백질칩을이용한질병진단 ( 주) 바이오씨에스 Microarray/functional genimics. 기능성물질탐색 단백질의활성보존율을기존방범보다 4배이상높은단백질칩개발화학적수식을이용한단백질칩제조방법연구단백질및유전자기능검색용케미컬칩개발 -58-

59 업체명 사분야 연구성과및연구현황 단백질 고정을 위한 슬라이드 ( 주) 프로테오젠 단백질칩마이크로어레이어 코팅물질판매, 단백질칩분석 장비개발중 에이즈매독, 간염등 40여종의 ( 주에스디 ) 단백질칩및진단키트 질병진단키트및 14종류의질병 동시진단용단백질칩개발 ( 주) 코스타월드 단백질 probe 발굴및당뇨갑상선진단용 Probe발굴단백질칩슬라이드글래스표면처리 ( 주엠아이텍 ) 진단마커및치료용표적단백질병진단용표적단백질탐색, 조질탐색직재생촉진단백질탐색 ( 주휴마시스 ) Multi-immunosensor Rapis test strip( 임신, 배란. B 형간염,C 형간염) ( 주) 유진사이언스 단백질칩제작및식품용 probe 개발 식품산업용단백질칩개발중 ( 주바디텍 ) 진단시약, 항체제조서비스 전립선암진단 kit 단백질칩베이스개발 ( 주)LG CI 신약개발및진단시약 LG 전자( 주) LG기술원 ( 주) 아이바이오팝 ( 주) 푸드바이오텍 ( 주삼성전자 ) 종합기술원 ( 주) 다지탈바이오테크놀러지 ( 주) 바이오인프라 출처 Bioelectronics 분야 약물검색을위한 HTS 서비스 식품알레르기검사서비스 (60 항목) 단백질검출용 Lab-on-a-chip 의료용진단/ 분석기기및관련 solution 개발 Protein targer 발굴, 항체 kit 개발 : 2001 신기술동향조사보고서 진단시약상품화및단백질칩을이용한신의약품개발중바이오칩용센서및검출기술개발중펩티드, 단백질계생리활성물질의흡수, 대사. 세포독성에대한검색시스템구축식품알레르기진단용단백질칩개발 MEMS 기술을이용한단백질검출및시료전처리시스템개발중 Microfluidics 를이용한소형, 휴대형체외진단기기개발중암 target 발굴중, 단백질정체및분석등의기반확보 -59-

60 < 그림 3-9> 집적화된 Lab-On-a-Chip 의개념도 [ 삼성종합기술원] 다. 국내외기술분석및파급효과 나노- 바이오융합기술은제약산업, 연구및의료용분석기기관련분야로의산업화와파급 효과를예측할수있다. 제약산업은고부가가치, 지식기반산업으로서고령화사회의유망산업으로서, 국민소득 의증가에따라 ' 삶의질' 향상을위해필수적이다. 그러나바이오테크산업의활성화이전 에는한가지의약물을개발하는데소요되는시간이 10년정도나되었고이에따른비용과 성공확률 1/5000 을생각할때, 고위험 - 고소득(high risk-high return) 산업이었다. 현 재는조합화학(combinatorial chemistry, combichem) 이라는신약개발도구가이용되고 있으며, 표적에적합한화합물을찾아내는과정이얼마나대량으로신속히처리되느냐하는 것이관건이다. 여기에나노기술의접목이이루어져 Lab chip의기능이활발해짐에따라 제약산업에서의고위험부분을고정도처리도구의이용으로상쇄시킬수있다. 주목받고 있는신약부분으로는심혈관계약물, 항암제, 중추신경계약물, 호흡기계약물, 대사계약 물, 면역계약물및백신에관한것과특정벡터를사용하여치료목적의유전자를생체에 주입하여에이즈, 암등의난치질환을치료하는기술을이용한유전자치료제의개발을들 수있다. -60-

61 또다른분야는연구및의료용분석기기산업분야이다. 앞서언급된제약산업이바이오데크의결과물이라면나노기술이접목된분석기기는바이오테크산업의도구다. 분석기기는제약산업을위한도구의차원을넘어서의료용진단기기등으로단일품목이갖는의미도크며, 질병예방, 진단ㆍ치료의혁신을가져오게된다. Bio chip분야에서 DNA chip 진단시약분야는인간유전체사업을주도했던미국을비롯한선진국에서방대한정보를바탕으로기술적으로독점하고있으며 Motorola, HP, Hitachi사등기존의거대전자업체들이반도체기술을바탕으로 DNA chip 검출, 분석기술개발에뛰어들면서경쟁이치열해지고있다, Bio chip 진단시약시장규모는현재 20억원규모에서 2010년에는 2,400억원규모로급속한성장을이룰것으로예상하고있다. 따라서차세대진단시약인 Bio chip 진단시약을개발함으로써국내수입대체및수출효과를기대할수있으며, 관련분야의동반적기술력향상을기대할수있다. 분석기기가포함된의료예측시스템은개인의유전정보를토대로 DNA chip등진단기기의정보분석을통해질병예측과진료시스템을위한소프트웨어에연결을한다. < 표 3-4> 유전자치료기술개발동향 개발사 국가 질환 치료유전자 벡터 전달방법 Univ. of florida 미국 신경계아세포종 HSV-tk 레트로바이러스 In vivo Univ. of Ilwa 미국 난소암 p53 아데노바이러스 In vivo Univ. of Squamous cell 미국 Louisville carcinoma p53 아데노바이러스 In vivo HLA B7/β Vical INC. 미국 흑색종 2- 리포좀 In vivo Microglobulin Royal Marsden Hospital 영국 난소암 p53 아데노바이러스 In vivo -61-

62 < 그림 3-10> 극미세공학및바이오시스템기술투자 ( 미국) 2. 바이오-정보기술의융합 가. 해외연구개발동향생물정보학(Bioinformatics) 이란컴퓨터를활용하여생물학적정보를수집ㆍ관리ㆍ저장ㆍ평가ㆍ분석하는기술로서, 인간유전체사업의수행과밀접한관련이있다. 미국에서 1988년에분자생물정보에관한국가적지원으로설립된 NCBI(National Center for Biotechnology Information) 는공용데이터베이스를생성하고. 컴퓨터를이용한생물학연구를수행하며, 유전체데이터를분석하기위한소프트웨어도구를개발하여인간의건강과질명에관련된생물- 의학정보를유포하는역할을하고있다. 미국ㆍ영국ㆍ프랑스ㆍ일본ㆍ중국등여러국가의공공자금에의한연구컨소시엄으로운영되는인간유전체사업(HGP) 과는달리미국의민간연구업체중대표적으로꼽을수있는것은셀레라지노믹스(Celera Genomics) 사다. 셀레라사는상업적이윤추구를목적으로하고있으며, 생거염기서열분석법을채택하고있는인간유전체사업과는달리초기염기분리작업이상대적으로쉬운샷건방식을채택하고있다. -62-

63 이와유사한과정을통해유럽에는 EMBL(European Molecular Biology Laboratory) 가 1974년설립이래16 개국의지원을받으며생물정보학연구의중심이되고있으며, 그중에도영국에위치한 EBI(European Bioinformatics Institute) 는핵산ㆍ단백질서열ㆍ거대분자의구조에관한데이터베이스를관리하는연구ㆍ서비스ㆍ산업화활동기관이다. DNA 분자는당장 DNA 컴퓨터제품으로만들어지진않겠지만우선제약산업에서응용될수있을것으로보인다. 이스라엘의와이즈만연구소는 DNA 나노기기가인간세포내에삽입될경우질병을유발할수있는세포변화를감시하고세포가이상변화를보이면약을종합적으로세포에전달해암과같은세포의이상변화를치료할수있을것으로전망하고있다. 살아있는세포에는유전정보를기호화해서저장한 DNA와 RNA분자들을컴퓨터처럼조정하는신비한해독분자가있음을강조하며, 현재로서는정보해독분자를효과적으로수정하거나새로운분자기기를만드는방법을전혀모르기때문에신체내여러시스템이정보를가진분자와결합해컴퓨터처럼작동하도록조정하는체내기기를찾아야한다. 한편 DNA 컴퓨터는이른바 ' 스마트박테리아(smart baterium)' 내에서진단기기로도활용될수있다. 예를들어특정화학물질이존재하면활성화되는작은논리회로가스마트박테리아의게놈( 염색체 1 조) 에포함되도록스마트박테리아의게놈을재조정할수있다면그논리회로는스마트박테리아내에서특정화학물질에대해진단기기역할을할것이다. -63-

64 Organization Bell Labs Duke University/ Caltech New York University University of Southern California University of Wisconsin 정보출처 : 과학기술부 < 표 3-5> DNA 컴퓨팅관련연구활동 Focus Fabricating DNA motors for assembling electronic components Working on massively parallel addition using DNA titles Assembling complex nanostructures out of DNA Automating a self-contained lab system for DNA computing : proved in theory. that DNA can crack DES data encryption standard Adapting DNA-chip technology to do DNA computation on a solid surface 나. 국내연구개발동향 우리나라는 1996 년생명공학연구소내에게놈연구사업단이출범하였으나, 적은예산과인 력부족등으로선진국과같이활발한수행결과를보이진않고있다. 특히나생물정보학분 야의전문인력이부족한상황이며현재인력양성에도노력을하고있다. 과학기술부는 1999년 21세기프론티어연구개발사업의일환으로인간유전체기능연구사업단을지원하고 있으며, 이사업에서는한국인의질명, 특히위암, 간암등의질병에초점을맞추고있다. 또한 21 세기프론티어연구개발사업에는지능형마이크로개발사업이수행중인데, 연구내 용은초소형진단용자율내시경및고용량마이크로 PDA(Personal Digital Assistance) 개 발에있다. 살아있는근육이움직이는것은두분자의디지털결합때문이다. 우리가눈을깜박이는 것도미오신필라멘트가눈깜짝할새액틴필라멘트사이로미끄러져들어갔다나오는동안 분자들이 14 nm씩움직이는근육의수축이완현상으로설명된다. -64-

65 과학기술부창의연구단인 KAIST 디지털나노구동연구단에서는쌀알보다작은 1.2 nm 1.3nm의크기인나노구동기를실리콘미세가공기술로제작했다. 실리콘실에실리콘기판을매달아 0~16볼트의정전기를흘려보내인간염색체 4가닥크기의 5.46μm의운동범위안에서 DNA 6가닥에해당하는 12.4nm수준의정확도를가진움직임을초당 7200회연속적으로발생시킨다. 이나노구동기는극소형이면서도광자의손실을막고고도로정밀한제어가필요한고속광통신기, 고밀도광저장기, 고화질디스플레이등차세대정보산업에응용될핵심부품으로평가되고있다. 또단백질이나 DNA 등바이오물질의정밀한조작과분석이나나노물질의제어와조합등에도쓰일전망이다. < 그림 3-11> 디지털실리콘근육 [KAIST] -65-

66 < 그림 3-12> 디지털회전형거울 [KAIST] 다. 국내외기술분석및파급효과바이오- 정보융합기술은생체모니터링기술과생체응용정보소자기술을들수있으며, 생체모니터링기술은기존의의료영상기기와더불어향후엔세포또는분자더나아가유전자단위에서의진단을목적으로하는장비산업에영향을줄것이다. 주요선진국에서는국가주도의장기계획으로세포단위이하의진단영상기법개발에몰두하고있으며, 관련정밀의료기기의세계시장규모는 2010년 34 조원에이를것으로예측된다. 바이오정보를이용한기술에있어서도이제막태동기에들어서고는있지만 2010년에는 241억달러의시장형성이전망된다. 또한생체응용정보소자기술은향후정보기술시장에일대변혁을예고하고있으며전산업분야로의지대한기술파급효과를미칠것으로보인다. -66-

67 3. 나노-정보기술의융합 가. 해외연구개발동향차세대반도체기술개발에관해서는 F 램, M 램, P 램, N램과 SET 램등을들수있다. F램 (Ferroelectric RAM) 은 D램과동일한구조와동작원리로 Si을대체하여강유전체를사용한 비휘발성메모리를구현하고자하는것으로 Flash 메모리를대체할대표적인차세대메모 리로주목받고있으며, PC, 모바일기기, 디지털가전기기등의메모리에응용될예정이다. Flash 메모리 (~10 6 회반복기록) 보다더긴동작수명 ( >10 13 회) 이며, DRAM과동일한 동작원리를사용하기때문에원칙적으로인접 cell 간의간섭등초고집적화에따른문제 가없다. < 그림 3-13> F RAM -67-

68 박막의자화방향에따른자기저항효과를이용한비휘발성차세대메모리 M 램 (Magnetic RAM) 은반도체내부의자기메모리셀의자화방향에따라 '0' 또는 '1' 의데이터비트가기록되는메모리방식이다. Flash메모리의 1000 배빠른쓰기특성으로데이터접속(access) 시간이 D램보다 10배빠른 5 ns 이며. 사용전력은 D램의 1/100수준인 2 ma이다. 자계를이용하여하나의 cell을동작시키기때문에집적도가증가될수록인접 cell 간의간섭이심해지는문제를해결해야하며, TMR junction에서사용되는 tunneling 산화막의두께를웨이퍼전면에서 0.1 nm이하의균일성을갖도록조절해야만하는문제점을갖고있다. IBM은 2004년 256 Mbit 상용화제품출시예정이며, IBM, Infineon 등은최근 MRAM의제품화의문제점들때문에오히려이분야에서의투자를줄이고있는상태이다. < 그림 3-14> M RAM 물질의상(Phase) 변환에따른전기저항차이를이용하여정보를저장하는비휘발성메모리 P 램(Phase-change Memory) 은가역적구조상전이현상을데이터저장메모리로활용하는것으로박막찰코젠나이드합금재료 (Ge 2 Sb 2 Te 5 ) 가결정질상태일때저항과활성화에너지가낮고, 장거리원자질서와자유전자밀도가높음을이용한것이다. -68-

69 처리속도는 5ns 에달하며, 내구성 10 조(10 13 ) 이상이고, 작동온도가 77K~453K (-196 ~ 180 ) 로상당히넓다. 아직연구개발단계에있어상용화시기는요원하지만, 차세대메모리로향후전망이좋을것으로알려져있어, Intel과 STMicroelectronics에서개발을주도하고있다ㆍ < 그림 3-15> P RAM 단전자메모리로알려진 SET 램 (Single Electron Transistor RAM) 은반도체, 초전도체, 나노튜브등을사용하여트랜지스터내에서단일전자의이동을이용한것으로기존실리콘트랜지스터를분자스위치로대체한개념이다. 여기에나노기술개발의필요성이매우크게부각되며, 이론상으로는반도체크기가무한대로축소가능하다. 세계최소 " 나노단분자트랜지스터" 개발은하버드대와코넬대의재미한국과학자에의해금으로된 2개전극사이에단분자( 바나듐2 원자혹은코발트원자) 배치한, 전극간격 2 nm의소자였다. 10여년전부터많은연구개발이진행되었으나, 현재확실한실현방법에관한연구가진행중인상태이며, 나노크기의전자소자의개발에크게기여하고있다. -69-

70 < 그림 3-16> SET RAM 미국의나노기술은우수과학자들이제시한새로운과학기술을중심으로다각도의연구가 진행되면서상당부분산업화수준까지발전했다. 최근 2 년간미국에서관심을끌고있는기술로는양자컴퓨터(quantum computing), 양자연 결 기술(quantum cellular automata), 나노전기기계소자(nano electro mechanical system), 결함이 인정되는 연결소자(defect tolerant connection logic). 분산된 지능 (distributed Intelligence) 등이제시되고있으며이기술들이 10년내산업화되는경우미 국은그지적재산권을홀로가지게된다. 영역별로는기초연구, 나노구조화소재, 분자전자공학, 스핀전자공학, 바이오센서, 양자계산, 나노바이오, 측정및표준, 나노스케일이론, 나노로봇등이주요연구과제로진행되고있 다. 미국을바싹추격하고있는일본은나노과학을자국의경쟁력이강한전자소자와전자소재 산업의지속적인발전을위한핵심수단으로유지하고있다. -70-

71 응용연구능력은앞서지만기초연구저력이부족하다는점을해결하기위해일본은 2, 3년주기의새로운프로그램을통해꾸준히지원해현재 5, 6명의세계적수준의젊은과학자를배출하고있다. 타가야나기의원자레벨 1 차원금선, 아오노의원자레벨에서의연결, 이지마의나노튜브등에대한연구는세계적인수준에도달해있다. < 그림 3-17> 주사터널링현미경으로만든 IBM 로고 < 그림 3-18> 분자확산연구 [Harvard Univ.] -71-

72 < 그림 3-19> 생체내생화학적모델링과시뮬레이션 [Cal Tech.] 나. 국내연구개발동향세계기술평가센터(WTEC) 가분류한종합평가기준에따르면우리나라나노기술수준은우리나라나노기술수준은미국을 100점으로환산했을때 25 점에불과하다. 일본 92 점, 유럽 90 점과는현격한차이를보인다. 이를분야별로보면나노구조체합성, 소자, 소재에서각각 10점을받아 32~37점을기록한미국에비해 3분의 1 수준에도미치지못한다. 우리정부는국가과학기술위원회산하에나노기술전문위원회를설치하기로하는등향후 10년간 1조2000 억원을투자, 30개핵심기술에대한연구를진행해나노기술 5대선진국대열에오른다는계획이다. 열악한환경속에서도 1995년이후국책과제를중심으로대학중심의연구가본격화하면서최근에는지름 0.4 나노미터, 선간거리 1.7나노미터인세계최고수준의초고집적나노선배열등이국내에서개발되는등나노기술선도국가로도약할수있는가능성을보여주고있다. -72-

73 < 그림 3-20> 주사터널링현미경으로만든연세대로고 삼성전자에서는 1990년부터 F램개발에착수하여 2000년 4 Mb 개발, 현재 32 Mb 개발중이며 2004 년상용화할예정이고, M 랩 (Magnetic RAM) 분야에있어서도캐패시터의자성박막을대체하여 2004년 Mb급 M 램을개발중에있다. P 램 (Phase-change Memory) 분야에서는국내연구는초기상태로국내산학연컨소시엄하에서연구개발이유도되고있다. N 램(Nanotube Memory) 의나노메모리분야에서는 2010년이후약 1조달러규모의세계반도체시장을예상하며삼성종합기술원에서세계최초 CNT 반도체소자고집적도(0.2 Tera 급) 개발에들어갔다. 또한과학기술부지원을받으며 21세기프론티어연구사업의일환으로테라급나노소자개발사업이진행중인데, 연구목표는인식및추론가능 Computing system 구현을위한핵심기술로서테라급 IC TEG(Test Element Group) 개 발, 테라급나노일렉트로닉스, Spintronics, 분자전자소자및나노요소기술개발이다. -73-

74 < 그림 3-21> N RAM 나노기술국가공동연구시설, 즉나노종합팹(fab) 센터구축사업의유치기관으로한국과학기 술원(KAIST) 이최종선정되었는데, 이는 KAIST 가전국각지로부터의접근이용이하고, 대 덕연구단지내기존인프라가우수한점, 팹활용의효율성제고및양질의연구지원서비스 제공이가능한점등이나노종합팹센터심사단으로부터높게평가된것으로알려졌다. 나노 종합팹센터는 2002년부터 2010년까지층 3천1백79억원이투입되어산ㆍ학ㆍ연연구주체 가공동활용하는종합연구시설로구축될예정이다. 나노종합팹센터는 1단계사업기간인 2005 년까지팹시설구축등을완료, 본격서비스에들어가며 2010년이후는독립적으로 운영하게된다. 다. 국내외기술분석및파급효과정부의나노기술육성에대한애정은그어느것보다각별하다. 이에따라정부는나노기술을통해얻을수있는과학적ㆍ경제적열매를위해서는천문학적인자금과체계적인연구가필요하다고보고나노기술개발촉진법을제정하였다. -74-

75 미국ㆍ일본등선진국조차입법검토단계에있는분야를한발앞서법제화할정도로나노기술에대한관심이지대하다. 정부의지원정책은우선선택과집중을통해 ' 나노선진국' 으로서의입지를견고히구축한다는데초점이맞춰져있다. 여기에는전략산업의기반및미래신산업창출의토양을제공할나노소재, 경제적부가가치가큰신기술융합분야인전자소자, 단기산업화의가능성이큰기술및독자적원천기술, 기반분야인분자논리소자등의분야가선정돼세부개발기술을대상으로연구개발에매진한다는방침이세워져있다. 이를위해정부는나노종합펩센터구축, 차세대자기공명장치설치, 나노기술산업화지원센터에대한지원금확대, 산ㆍ학ㆍ연장비공동활용, 정보기술-나노기술융합특화센터설립등에대해투자를명행하고있다. 실제로정부의 2002년도나노기술분야투자금액은작년보다 93.1% 증가하고발전계획상의정부부문투자계획보다도 1000억원가량늘어난 2031 억원에달할정도로파격적이다. 이같은지원정책의일환으로출범한것이나노팹센터다. 이센터에는현재기업ㆍ대학ㆍ연구소등이공동입주해연구개발주체간의연계및정보공유용네트워크를구축하고기술개발에박차를가하고있다. 정부계획의의도대로나노기술의연구개발이진행될경우정보전자기기의대용량화, 다기능화, 초소형화, 초고속화등이보다빠르게진행될전망이다. 또나노와바이오와의결합을통해인간의생명연장과삶의질을향상시킬수있고길이ㆍ질량ㆍ화학조성ㆍ전기ㆍ자성등기타물성을원자크기의수준에서측정할수있게돼기존표준화ㆍ측정ㆍ도량화개념과체계에획기적인발전이이루어질것으로예상된다. -75-

76 제 4 장나노-바이오-정보융합기술시장동향분석 1. 나노-바이오융합기술시장 나스닥에등록된바이오주식의일시적급등현상으로, 바이오칩사업은 5 년이지난후, 이 익의재창출을실현할수있었다. 실제가치이상의평가로빚어진 IT 주식(dot-com stock) 의급락장세는인터넷방식의기술적구조를갖춘기업으로의주식이동을자극시켰고, 전 자통신사업에대한성공모델이부족함에도불구하고인터넷의불가피한성장률은이러한 인터넷방식기업들이잠재적인투자가치를가지고있음을시사해주었다. 바이오칩에대한새로운등장은유망주로서의가격상승, 증자등을통해실속있는 IPO 성 과를보여주었다. < 표4-1> 바이오칩소모품과기기류에대한전세계예상시장규모 -76-

77 2000년에매출액 1억불을갓넘은 Affymetrix사주식가치는 85 억불정도에달했었는데, 이는 한때 Becton-Dickinson사의 시장가치가 10 억 불로 떨어졌을 때 이다. Caliper와 Nanogen의가치는 2000년한해동안 10억불을넘게유지하였고 Sequenom, Aclara, Illumina는 5 억불에도달하였다. 바이오칩사업에대한매출은 2000년에 3억3천만달러로 2006년에는 24억3천만달러까지 증가할것으로추정된다. 초기 2002년까지는 50% 이상의빠른성장률을보이며다음두해 동안에는 30~40% 정도, 2005년과 2006년에는 20~30% 정도로성장률은둔화될것으로 보인다. 이는바이오칩시장의한부분인 microfluidics에대한분석에서도유사하여매우 낮은수준에서빠른성장률을보이고, 2002년 1억5 천달러의수익을보이며, 2003년에는 57%, 2006년에이르러서는 37% 정도로연간성장률이둔화하며, 이시기까지예상수익 이총 6억8 천만달러에이를것으로전망된다. 낮은성장률이지만콘시장을형성하는 microarray 분야에서는 2000년약 3억3천만달러 에서출발하여, 2001년 4억8천2백만달러로 51% 성장, 2002년에는 39% 에서 2006년에는 20% 로연간성장률이둔화하며, 이때예상시장규모는 10억7천5백만달러에이를것으로 추정된다. < 표4-2> Microfluidic-based 바이오칩소모품과기기류에대한전세계예상시장규모 -77-

78 < 표 4-3> Microarray-based 바이오칩소모품과기기류에대한전세계예상시장규모 < 표 4-4> 생산방식에따른바이오칩소모품과기계의 2000년과 2006년간의예상시장규모와증가율( 단위 : million) < 표 4-5> 적용분야에따른바이오칩소모품과기계의 2000년과 2006년간의예상시장규 모와증가율 -78-

79 바이오칩의기대와희망은신약발굴및진단시장에서의그들의유용한잠재가치와연관된다. 이들가치에대한근간은바로인간유전체사업으로부터발전되어왔는데, 이는 DNA 염기서열및새로운유전자를찾아냄으로써유전학의새로운장을열어주었을뿐만아니라, 서로다르게발현되는유전자의기능을밝혀내는 functional genomics의한분야를출현시켰다. 인간게놈프로젝트의첫번째목표인염기서열분석이서서히그결과를드러냄에따라각개인간의유전적다양성을분석하는연구및약품에대한질병의상호반응작용을연구하는쪽으로그흐름이전환되기시작하였다. 또한유전자발현및 genotyping 등의연구들은새로운혹은더나은 drug target을규명하고찾아내는데주요한역할을하는연구로써발생빈도가높은질병등에대한신약개발에새로운장을열어나가고있다. 세포유전자치료와관련된세계시장은아직기술의보편적인상용화단계는아니지만, 세계적인수요가막대할것으로예상되며매우급속한속도로기술개발이이루어지는분야이다. 세포치료와관련되어 2000년 1 억달러미만의시장이형성된초기단계이나, 2010년에는약 150 억달러규모의세계시장이형성될것으로예측된다. 현재선천성면역결핍증등의치료를위한유전자치료법시장이형성되고있으며약 1.5 억달러정도로추정되며( 대략미국 34%, 유럽 28%, 일본 15% 를차지), 2010년약 4,000억달러의세계시장을형성할것으로전망된다. < 표 4-6> 세포치료및유전자치료시장의변화추이 -79-

80 < 표 4-7> 바이오칩의세계시장규모 2. 바이오-정보융합기술시장 정보기술을이용한의료기기시장에서최근주목받고있는진단기기분야는초음파진단장치, X선진단장치와 MRI 가있다. 그중초음파진단장치는 2000년이후급격한성장을이루어 2020년 30 조원에이를것으로예상된다. 현재의료서비스는각종예측불가능한사고의발생에따라휴대가간편하고무선으로쌍방향통신이가능한의료기기를필요로하며, 병원이아닌집이나일상생활속에서점검받기를원하고있다. 또한정밀의료기기의경제성향상과소형화등의경향에맞추어가정용의료기기및인공장기ㆍ조직에관한시장규모도지속적성장세를이어갈것으로보여져, 2005년이후의급격한성장은 2020년 305조원에달하는큰시장을이룰것으로예상된다. 여기에우리나라의세계일류의정보통신기술과세계적으로초기단계에있는 Bio-MEMS 기술에집중한다면생체계측관련시장에서우위를차지할수있을것으로기대된다. -80-

81 < 표 4-8> 정밀의료기기의세계시장규모 < 표 4-9> 의료기기관련산업의전세계시장규모 바이오정보를이용한기술분야별시장규모는 2005년엔약 120 억달러로추정되며, 연간 15% 의성장률( 생물산업평균성장률) 적용시 2010년에는 241억달러의시장이형성될것으로전망된다. < 표 4-10> 바이오정보를이용한기술분야별시장규모 -81-

82 3. 나노-정보융합기술시장 국내반도체시장은 1999년 75억달러에서 2000년에는전년대비 42.9% 성장한 110억달 러규모로크게성장하였다. 그러나 2001 년국내반도체시장은전세계적인불황, 전자장비 생산의하락, DRAM 가격의하락에따라급격한침체기를맞이하고있다. 따라서 2001년 국내반도체시장규모는 80 억달러규모로크게후퇴한것으로분석되고있다. 이러한국내반도체시장은 2002 년부터다시회복기에접어들것으로보이며, Gartner Dataques 에따르면, 국내반도체시장은 2005년까지지속적인상승세를보일것으로예상 되어 2000년부터 2005년까지연평균복합성장률이 7.9% 성장한 157억달러규모가될 것으로전망된다. 또한, 반도체시장은앞으로 5년동안무선통신과디지털기기제품들이 주도할것으로전망되고있다. 올해사상최악의침체를겪고있는전세계반도체산업이내년부터서서히회복세로전환 되고 2003년부터는 20% 이상의고성장을기록할것으로전망됐다. 미국반도체산업협회(SIA) 는시장예측보고서를통해내년세계반도체매출이올해보다 6% 증가한 1500억달러를기록한뒤 2003년과 2004년에각각 21% 씩성장해 2004년에는 2180 억달러에이를것으로전망했다. SIA 의이같은전망은데이터퀘스트, IDC, 세계반도체무역통계(WSTS) 등주요시장조사업 체및관련협회의시장예상치보다높은수준이다. SIA는올매출은작년대비 31% 하락한 1410억달러로크게줄겠지만컴퓨터ㆍ무선통신 장비ㆍ휴대형정보기기분야의수요증가로올해 4ㆍ4분기부터는경기회복이시작돼 2004 년까지성장세를유지할것으로내다보고있다. -82-

83 SIA는특히 D램의경우올매출이작년대비 60% 떨어진 120억달러에달해반도체품목중가장높은하락율을보이지만, 내년에 16%, 2003년과 2004년에각각 44%, 54% 씩성장하는등전체반도체성장률보다두배이상높은고성장세를보일것으로예상했다. < 표 4-11> 국내반도체시장현황및전망 -83-

84 < 표 4-12> 지역별반도체시장전망 < 표 4-13> 주요품목별반도체시장전망 -84-

85 지역별로는미주지역이올해매출이 43% 나줄어들면서감소폭이가장클것으로전망됐 으나향후 3년간각각 4%, 21%, 21% 의증가세가이어질것으로전망됐으며올해 26% 의 매출감소가예상된일본도내년 4% 증가에이어오는 2003년과 2004년에는각각 20% 의 증가가예상됐다. 또아시아ㆍ태평양지역도올해 23% 의매출감소가예상됐으나내년에는무려 45% 의증가 를기록한뒤오는 2003년과 2004년에도세계평균치를상회하는 23% 와 21% 의성장이예 상됐다. 유럽은올해매출이 29% 나감소한뒤내년에도증가율이 1% 에그칠것으로전망 됐으나오는 2003년과 2004년에는각각 20% 의증가율을기록할것으로예상됐다. 내년시장규모는아/ 태지역이총매출규모 450억달러로전체의 3분의 1가량을차지하면서 최대시장의자리를유지할것으로조사됐으며미주(380 억달러), 일본(360 억달러), 유럽(310 억달러) 등이각각그뒤를이었다. < 표 4-14> Storage spending in Billions of US dollars -85-

86 제 5 장결론 나노-바이오-정보융합기술분야는기술발전주기상태동기에있는아직학문적으로나기술적으로명확한정의와예측이힘든분야이다. 그럼에도불구하고이러한기술분야의발전이미래사회와산업전반에미칠영향은매우지대할것으로예상되며, 이기술분야의발전방향과이로부터파생이가능한산업분야에대한예측은매우중요하고의미를갖는작업이다. 특히현재의나노시장은소재분야에제한되는경향이있으며, 나노기술의산업화와더불어나노- 바이오, 나노- 정보등타기술과의연계개발이필수적이다. 본보고서에서는나노-바이오-정보기술간의융합에의해창출된새로운융합기술분야에관하여기술동향과국내외연구개발현황을조사ㆍ분석하고, 관련기술분야에서파생이가능한산업분야의시장동향을예측해보았다. 이를위해우선융합기술분야를나노- 바이오, 바이오-정보및나노-정보등세가지세부융합기술분야로분류하고각각에관한기술조사분석과상호연계성을제시하고자하였다. 이들각세부융합기술분야별로관련기술의분류와산업화응용분야에관해조사분석하였다. 나노-바이오기술의융합분야는 DNA 칩, 단백질칩. Lab-on-a-chip등과같이극미세바이오물질들의제어와생물학적시료의전달, 그리고이들의광학적, 생화학적, 또는전기적검출기능의고도화를위하여나노기술을이용하는바이오기술개발을위한나노기술응용분야와생물학적물질의생물학적자기조립(self-assembly) 현상을이용하여새로운나노제조공정을개발하고나노구조물의합성과조립에응용하는바이오기술을응용한나노기술개발분야로구분된다. -86-

87 바이오- 정보기술의융합분야는생체영상처리기술, 생체신호처리기술, 생체기능모니터링기술, 생체정보생성및저장기술, 생체정보분석및활용기술등과함께최근각광을받고있는바이오인포메틱스등과같은바이오기술개발을위한정보기술과 DNA 컴퓨팅등과같이생물학적지식을활용하여 IT 분야에서필요로하는새로운정보연산및처리기능을가진극미세정보기기의개발등바이오기술을이용한정보기술로구분된다. 나노-정보기술의융합분야는극미세반도체기술과나노저장기개발등에나노기술을이용한정보기술을위한나노기술과양자역학에근거한전산모사및이를응용하여나노소재를개발하고나노구조를제작하는정보기술을이용한나노기술로구분된다. 나노-바이오-정보기술의융합분야는상기나노- 바이오, 바이오-정보그리고나노-정보융합기술간의상호연계를통한상승작용을기대하는분야로서, 향후 NT-BT-IT 융합기술분야의발전가능성과새로운융합기술의창출가능성과잠재력, 그리고관련새로운제품시장의규모등을고려한다면, 나노-바이오-정보각개별시장보다융합시장의확대가예상되며경쟁력강화및새로운시장의창출에도크게기어할것으로예상된다. -87-

88 참고문헌 1. 재정경제부외, " 국가기술지도 1단계 - 핵심기술도출", 특허청, "2001 신기술동향보고서 - 바이오칩", 과학기술부," 나노기술기획사업 - 국가나노기술개발계획",2001 4, 김영사. "Nano Technology - 나노기술이미래를바꾼다" 세종문화사. " 바이오테크, 바이오비즈니스", OEM loadmaps, 생물학정보센터, bric.postech.ac.kr, 세기프론티어연구개발사업

89 Ⅱ. 나노입자합성과자기조립 민석홍 / 강릉대학교강상규 / 한국과학기술정보연구원 -89-

90 제 1 장서론 1. 개요 나노입자, 나노구조재료및나노소자분야에관한 WTEC(World Technology Evaluation Center) 연구의공통된주제는나노스케일에서재료의합성(synthesis) 과조립(assembly) 을통하여새로운또는개선된성질을갖는재료를만들어내는것이다. 이러한재료들의 적용범위는매우넓으며, 합성과조립의방법또한넓은범위를갖는다. 그러나합성의방 법과궁극적인응용의범위가넓다하더라도, 이러한나노재료에는공통된문제점과독특한 특징들이있다. 먼저, 나노미터범위에서재료의구조와조직을정의하고결과적으로재료의마크로한성 질을결정하는임계크기범위를생각해야한다. 나노구조를갖는재료에관한연구는재료 의 building block 이나나노구조를조절할수있어서마크로한성질을향상( 경도ㆍ연성의 증가, 촉매성질의향상, 선택적흡착, 전자기적ㆍ광학적거동의효율성증가) 시킬수있다는 믿음으로부터시작된다. 합성과조립의방법들은액체, 고체, 또는기체상으로전구체(precursor) 를만들고, 화학적 또는물리적증착법을사용하며, 나노구조의 building block들로부터최종재료로만들기위 하여화학적반응성이나물리적압축을이용한다. 기술의다양성을 < 그림 1-1> 에도식적으 로나타내었다. -90-

91 "Bottom-up" 방식은나노구조를갖는 building block을먼저만들고그것들로부터최종재료를조립하는것이다. 이러한 bottom-up 접근방법의한예가에어로졸기술[1] 에의해분말을만들어압축(compaction) 시킴으로써최종재료를만드는것이다. 이방법은구조용복합재료를만드는데있어서광범위하게사용되고있다. < 그림 1-1> 나노구조합성과조립기술의접근방식 "Top-down" 방식은적당한재료를가지고그재료에기능성을새겨넣는(sculpt) 것이다. 이기술은반도체기술에서기판(Si) 에소자를구성하는기술과마찬가지로, 나노크기의구조를만들수있는공간분해능을가지는패턴형성방법( 예를들어, 전자빔리소그래피 (e-beam lithography) ) 이나패턴변환공정( 반응성이온에칭(reactive ion etching)) 을이용한다. 이러한나노구조형성의방법들은개별적인연구영역을가지고있어매우광범위하다. 또다른 top-down 접근방식은 bulk 재료를기계적마찰에의해나노구조 building block으로만드는 "bal1-milling" 법이다[2]. -91-

92 이렇게만들어진나노 building block은새로운 bulk 재료로조립될수있다. 실제로, 현재의많은재료합성법들은나노재료의화학적합성과같이합성과조립을하나의공정으로단일화되고있다[3,4]. 나노구조구성요소의크기를조절하는정도와최종재료에서구성요소들의분포및결합의성질은최종적인응용분야에따라매우다양하게변화한다. 이러한예로서, 재료에서선택적광흡수( 예를들어, UV-blocking dispersions) 가일어나도록하는경우에는나노구조 building blocks 의크기분포가넓어도되지만, 양자점레이저 (quantum dot laser) 나단전자트랜지스터(single electron transistor) 에서는나노구조구성요소크기의분포가매우좁아야한다. 또한, 합성법중의하나인압축법(compaction method) 은기계적성질( 예를들어, 연성) 이중요한나노복합재료에있어서는우수한접합성을제공해줄것이지만, 전자재료에있어서는이러한계면이좋지않은영향을준다. 보고서의이 chapter에서는나노구조의재료를제조하는데사용되는다양한합성과조립기술을자세하게서술하지는않겠다. 세부사항은이후의 chapter들과 1997년 5월 8~9일에열린 WTEC workshop proceedings[5] 에있는내용에서찾을수있을것이다. 나노과학과기술분야에있어서새로운방향과중요성의특징을알고싶다면, 합성과조립방법들사이의차이점보다공통점을확인하는것이더유용할것이다. 2. 나노구조합성과조립시주요고려사항 나노재료의합성방법은다양하지만, 어진다. 매우중요하게조절해야할점은두가지범주로나뉘 -92-

93 1 에어로졸입자, 분말, 반도체양자점등나노구조구성요소의크기와조성조절 2 형성된재료에서나노구성요소의계면(interface) 과분포조절이러한두가지측면이복잡하게얽혀있음에도불구하고, 합성과조립과정동안에나노구조 building blocks 의핵생성과성장과정을어떻게분리해서조절할것인가( 예를들면, 응집 (coagulation 또는 agglomeration) 을최소화하면서) 를이해하는것이중요하다. 이문제는다음의중요성과관련되어있다. 1 형성된나노구조의화학적, 열적, 시간적안정성 2 임계크기및계면성질을조절하면서동시에나노재료를저비용으로대량생산할수있는합성과조립방법의능력( 경제적경쟁력은모든나노기술에있어서매우중요한점이다.) 나노기술분야의모든연구는이러한점들을다루고있다. 3. 나노구조기술발전에있어서필요한기술 나노구조합성과조립의모든분야에있어서지속적인기술적발전이진행되고있는데, 그이유는일반적으로사용되는분석기기들이더높은공간, 에너지, 그리고시간분해능을가지게되어나노구조체형성과정을좀더명확하게구분하고분석할수있기때문이다. -93-

94 초기에투과전자현미경과 X- 선회절기등을이용한분석기술들로부터시효경화(age hardening) 된알루미늄합금의기계적성질개선이그들의나노구조와관련되어있다는것을알았던것과마찬가지로, 현재의재료분석기술발전이재료의마크로한성질을결정하는나노구조의역할에대한새로운통찰력을제공하고있다. 나노구조의특성분석, 나노구조와마크로한재료성질간의관계에대한이해, 그리고나노구조의크기와위치를조절할수있는능력의향상사이의반복적인상호작용 < 그림 1-2> 는기술의발전속도를가속화하고이러한새로운나노기술분야의중요한요소를결정하는데도움을준다. < 그림 1-2> 나노구조합성과조립기술에있어서분석 (characterization), 이해(understanding), 그리고조절(control) 간의상호작용적사이클 예를들어, 정밀한초점(1-2 μm) 을가진 synchrotron X-ray source는높은공간분해능을가지고있어서재료의불균일성(inhomogeneity) 을분석할수있기때문에콜로이드, 고분 자, 합금, 그리고기타재료의구조에대한자세한정보를제공한다[6]. -94-

95 또다른중요한기술은주사터널링현미경(scanning tunneling microscopy) 과원자힘현미경 (atomic force microscopy) 등을사용하는주사탐침기술(scanning probe technology) 이 다. 이기술은마이크로가공기술을통하여더나은성능을가진주사탐침을개발하도록 하는추진력을제공하고있다. 다양한재료와구조를가진탐침개발은 "a laboratory on tip" 을생각할수있을정도로광 범위한특성분석능력을가지는주사탐침기술을이끌어내고있다 [7]. 또한, 탐침기술의개발은합성과조립공정자체에도영향을주는데, 주사탐침기술은나노 크기의패터닝과재료공정의기초로사용되며[8,9,10], 나노재료의기계적, 열적성질에 대한정보를제공하고있다 [11,12,13]. 더욱- 정교해진 in-situ 측정방법들은나노구조 building block 의합성, 특히진공하에서 만들어지는 building block 합성과정이어떻게이루어지고또한그과정을어떻게제어할 것인가에대한해답을제시하고있다. MBE (Molecular Beam Epitaxy) 는 2 차원, 최근에는 3차원나노재료를형성하는데있어서단원자층이하의조절이가능한물리기상증착 (Physlcal Vapor Deposition) 기술이다[14]. 이기술에서증착과정을이해하고조절할수있는것은 RHEED(Reflection High Energy Electron Diffraction) 을이용하여 in-situ로재료의성장과정을민감하게관찰할수있기때문이다. RHEED 는표면의원자결합상태와같은표면의특성을알려주며, RHEED 강도의진동은재료의성장속도에대한정보를제공한다 [15]. -95-

96 나노기술발전에있어서이러한기술들의발전도필요하지만, 개발초기단계인나노과학ㆍ기술분야에있어서는앞서언급한문제점들을해결할수있는전략이나기술의발전이더욱중요할것이다. 즉, 나노구조의조절성을유지하면서대량생산이가능하며, 나노구조의크기와위치를제어할수있는좀더신뢰성있는수단이새로운합성및조립방법을찾을수있도록해줄것이다. 이러한면에서, 자연적으로일어나는생물학적물질의합성과조립현상이새로운합성및조립방법을찾는데있어서우리에게어떤중요한통찰력을제시할수있을것이다. -96-

97 제 2 장기술개발동향 1. 나노입자합성방법 가. 기상합성및졸겔공정 - 나노입자합성법은크게두개의영역, 즉기상합성과졸- 겔공정으로분류될수있다. 이 러한기상합성법과졸- 겔법에의해일정한결정구조, 표면특성, 그리고높은크기균일성 을갖는지름 1~10 nm크기의나노입자들이만들어진다. 일반적으로이방법들에의해만들 어진나노입자의크기분산은약 20% 정도되지만, 나노입자를이용한양자효과를이용할수 있을정도가되려면분산을 5% 보다작게해야한다. 기상합성법에의한나노입자제조는초기에대기압이하의불활성분위기에서증발과응축 ( 핵생성과성장) 에의해서이루어졌다[16,17,18]. 그이후생산성이높아진다양한에어로 졸(aerosol) 공정기술들이 보고 되었는데[19,20], 연소 화염(combustion flame)[21,22,23,24], 플라즈마[25], 레이저 용발(laser ablation)[26], 화학기상응축 (chemical vapor condensation)[27], 분무 열분해(spray pyrolysis)[28]. electrospray[29] 그리고 plasma spray[30] 등에의한나노입자합성법들이포함된다. 졸- 겔 공정은 젤화(gelation), 침전(precipitation), 그리고 수열처리(hydro-thermal treatment) 에의해나노입자를제조하는습식화학적합성법이다[31]. -97-

98 반도체, 금속, 그리고금속산화물나노입자의크기분포는 dopant 를넣거나[32] 열처리 [33] 에의해조절될수있다. 반도체나노입자의크기나안정성은역미셀(inverted micelles)[34], 블록코폴리머(block copolymer) 에기본을둔 polymer matrix architecture[35] 또는 polymer blends[36], 다공질유리(porous glasses)[37], 그리고 ex-situ particle-capping 기술들을사용함으로써좀더우수하게조절할수있다. 나. 기타기술 또다른나노입자합성기술들에는초음파화학공정 (sonochemical processing), cavitation 공정, 마이크로에멀젼공정(microemulsion processing), 그리고고에너지 ball mil1이있 다. 초음파화학공정에서는 acoustic cavation과정에의해일시적으로매우큰열구배와압 력을가진국부적 hot zone 이발생한다[38]. 이러한온도와압력의갑작스러운변화는화학적전구체(precursor)( 예를들어, 유기금속 용액(organometallic solution)) 의분해를도와서나노입자가만들어지도록한다. 이기술은 산업적응용을위해나노입자의대량생산에사용될수있다. Hydrodynamic cavitation 공정에서는졸- 겔용액내에서의기체버블(bubble) 발생과방 출에의해나노입자가형성된다[39]. 졸- 겔용액을임계치이상으로건조된챔버(chamber) 로빠르게주입하여높은온도의열과 cavitation disturbance 에노출시킴으로써혼합한다. 이과정에의해생기는 hydrodynamic 버블에의해나노입자들이핵생성, 성장, 그리고냉 각의과정을거치면서형성된다. -98-

99 입자의크기는챔버내의압력과용액잔류시간을면화시킴으로써조절할수있다. 마이크로에멀젼공정은금속[40], 반도체[41,42], 실리카[43], 바륨황화염[44], 자성재료, 그리고초전도체[45] 등의나노입자합성에이용될수있다. 이방법에서는표면활성제 ( 예를들어, 중간정도의체인길이를가진알코올) 를첨가하여계면장력(interfacial tension, 10-3 mn/m) 이매우작도록조절함으로써큰기계적교반없이마이크로에멀젼을순간적으로만들수있다. 이기술은상대적으로간단하며저비용의설비를사용하므로대량으로나노입자를만드는데사용될수있다 [46]. 마지막으로, 나노입자합성에있어서유일한 top-down 방식인고에너지 ball mill법은자성재료나노입자[47], 촉매나노입자[48], 그리고구조용나노입자[49] 의생산에사용되고있다. 이미산업적으로사용되고있는이기술은 ball milling 과정에서의오염으로인해나노입자의순도가높지않다는단점을가지고있다. 그러나텡스텐탄화물로된부속품을사용하고불활성분위기그리고/ 또는고진공공정을사용함으로써많은산업적응용에서불순물농도를받아들일수있는수준으로낮추었다. 일반적인단점으로는입자의낮은표면적, 큰범위의크기분포, 그리고분말의부분적인비정질상태등이있다. 다. 다른합성방법 (1) 균일한크기분포를갖도록하는방법나노입자의합성에있어서가장해결하기어려운문제점중의하나는나노입자의크기분산이작아서원심분리에의한침전(centrifugal precipitation) 이나 mobility classification과같은크기선택과정이필요하지않도록단일크기의나노입자를조절하여만드는방법이다. -99-

100 위에서언급한모든합성기술중에서, 기상합성법은크기의균일성면에서가장좋은방법 중에하나이다. 이방법에서는핵생성과성장과정을조절하고, 나노입자의효과적인수집과 후처리뿐만아니라확산등에의해입자의응집을방지함으로써크기의균일성을이룰수 있다. 응집과조성의변화에대한나노입자분말의안정성은액상의현탁액(suspension) 에 서나노입자를수집함으로써얻을수있다. 반도체입자에있어서극성용매를첨가함으로 써현탁액을안정화할수있으며[3], 금속나노입자에대해서는계면활성제에의해서현탁 액을안정시킬수있다. 또다른방법으로, 기상반응이나콜로이드용액에서의산화에의 해서나노입자를불활성실리카로 encapsulation하는방법도금속나노입자에대하여효과 적이라고보고되었다 [50]. 그러나나노입자크기분류과정이필요없는단일크기의나노입자제조에대한새로운방 법을개발할필요성이있다. 이러한예로, 일본에서개발된기술로서, dendrimer가있는상 태에서자외선방사(UV radiation) 로금속염을환원시켜지름이약 1 nm인단일크기의 Au 나노입자를제조한기술을들수있다 [51]. Poly(amidoamine) dendrimer는구상의 3 차원구조를가지는데, 이것은 Au 나노입자의형 성에 있어서 효과적인 보호 작용을 한다. 비록단일 크기의 나노입자 형성에 대한 dendrimer 의정확한역할에대해서는아직까지알지못하지만, 크기분포가균일한것이 dendrimer 의분해과정을동반하는복잡한반응때문이라고생각되며, 궁극적으로이반응 이용액내의이온을 Au 나노입자로변환시킨다고여겨진다

101 (2) 생산성향상나노입자의합성에있어서생산성은매우중요하다. 앞서언급했듯이, 이미상업적으로사 용되는고에너지 ball milling 운자성, 구조, 그리고촉매재료의나노입자제조의수단이 되고있다. 하지만, 이방법으로는크기분포가큰비정질분말이만들어지므로, 분말을나노 재료로 consolidation 하기전에부분적인결정화가필요하다. 일반적으로실험실에서기상합성법에의하여만들어지는나노입자의생산속도는낮지만( 보 통 <100 mg/hr). 스웨덴 Uppsala 대학의 A ngströn 연구실에서는좀더높은생산속도 (~20 g/hr) 를얻을수있었다고보고하였다. 현재상업적으로는이보다훨씬빠른생산속도 (~1 kg/hr) 로나노입자를만든다. 졸-겔공정에있어서는나노입자의경제적대량생산을위 하여 batch 공정으로부터얻어진지식을기본으로하여연속공정기술개발이아직진행되 고있다. 졸- 겔기술과관련된또다른문제점들은전구체의가격과용매의재활용에있다. 그러나 전체적으로졸- 겔공정은상업적대량생산면에있어서매력적인기술이다. (3) 나노입자체인(chains) 또는선(wires) 을만드는방법 광전자소자(optoelectronic devices) 와계산소자(computational devices) 를포함한최근의 패러다임변화는분자또는양자선(molecular or quantum wire) 의조립이다. 고분자는나 노다공성분자여과기(nanoporous molecular sieve), 광스위칭(optical switch), 데이터 처리(data processing), 그리고여타의비선형광부품(nonlinear optic components) 에대 한나노building block 으로사용되고있다

102 나노입자의체인응집체(chain aggregates) 는수백에서수천의분자로이루어진 prima교 particle 을 가진 고분자 형태의 단위로 생각할 수 있다. 그러므로 이 나노입자 체인은 "heavy" 양자선으로간주할수있다. 실제적으로, 나노입자체인은자성재료[52], 강화탄 성체(reinforced elastomers)[53], 그리고콘크리트의첨가제[54] 로서광범위하게연구되 고있다. 이응집체는각각의 primary particle 과는다른화학적, 기계적성질을보인다[55]. 입자 크기와성분에따라응집체를유지하는결합력이마이크로크기의입자에대한약한반데르 발스힘에서부터나노크기의입자에대한강한화학적결합, 그리고나노크기의자성입 자에대한매우강한자기적쌍극자결합까지다양하게변화한다. 기계적, 광학적, 그리고전자기적성질은 primary particle 의크기와크기균일성, 결정구조 및형상, 응집체길이, 계면성질, 그리고재료의순도를조절함으로써변화시킬수있다. 체인응집체는위에서언급한모든합성기술-작은표면적과높은이방성형상의특징을가 지는나노입자가만들어지기때문에체인응집체형성에부적합한고에너지 ball milling 기술을제외하고- 로부터만들어진나노입자를응집(agglomeration) 시켜만든다. 나노입자의자기적그리고전기적성질에따라응집체의 fractal 크기를조절하기위하여 외부에서자장이나전기장을인가할수있다. 체인응집체를광학적용도에사용하기위해 서는작은 fractal 크기( 즉, 적은수의가지(branch) 를가져서상대적으로곧은모양의응집 체) 가요구된다

103 (4) 나노섬유(nanofiber) 또는나노튜브(nanotube) 를만드는방법 최근의나노 fiber나 tube 제조기술의발전은나노재료에있어서또다른형태의 building block 을제시한다. 나노 fiber( 또는 tube) 를만드는효과적인방법은 membrane-template 기술에근본을두고있다 [56]. A1 금속의전기화학적에칭이나 fission-fragment track에의해만들어지는나노채널멤브 레인은나노 fiber나 tube 제조를위하여전도성고분자[57], 금속[58], 반도체[59], 그리 고기타재료의화학적또는전기화학적증착에대한 template 로사용된다. 멤브레인의나노채널들은크기가매우균일하므로 membrane-template 기술에의해만들 어지는나노 fiber( 또는 tube) 의지름과 aspect ratio 는정밀하게조절될수있다. 이러한 점은광학적데이터의해석과나노 fiber( 또는 tube) 를 2차원나노재료로만드는과정을매 우수월하게한다 [60]. 또한, 단결정의반도체나노 fiber 는유기금속기상에피성장(metallorganic vapor phase epitaxy) 과레이저 ablation 기술에의해촉매반응으로성장시킬수있다[61.62]. 이러한 1 차원 구조( 시름이 약 3-15 nm) 의 합성은 일본 Hitachi 중앙연구소에서 개발한 light emission용 p-n 접합등과같은광전자소자응용에사용될가능성이매우높은기술이다. 탄소나노튜브의출현은나노 fiber( 또는 tube) 를만드는또다른방법을제시하고있다. 이 러한 나노튜브는 탄화물이나 산화물 나노튜브 제조를 위한 template로 사용되고 있다 [63,64]. 이와더불어, 높은 3 차광학비선형성(third-order optical non-linearity) 등의특이한성질 을가지고있다고알려진 [65] BN, BC 3 그리고 BC 2 N 등의나노튜브합성도보고되고있 다 [66,67]

104 탄소나노튜브 template 기술에의해만들어진금속나노튜브는적외선흡수재료의설계에사용된다. 현재탄소나노튜브는촉매반응에의해대량으로생산가능하며. 나노구조용복합재료와콘크리트의강화용으로도사용되고있다 [68]. 라. 자변적인 Template를이용하는방법생유전체(biogenic system) 에서는나노크기의물질을형성하는데있어서자연적인 templates( 또는 scaffolds) 를이용한다. 이러한 template는최종물질의크기를결정하게한다. template는나노재료의선택적핵생성과성장이가능하도록기판에식각공정을이용하여인위적으로만들수있으나, 자연적인 template 재료를그대로사용하기도한다. 일례로서, zeolite는콘표면적을가지고있으면서촉매로사용할수있어서오랫동안사용되어져왔다. 최근에는이러한 zeolite의자연적인구조에관한연구와기공크기를변화시키는연구가진행되고있다 [69,49,71]. Zeolite 의기공에여러가지물질들을채워넣으면, 다양한자기적또는비선형광학적재료를만들어낼수있다. 가장최근에는탄소계 fullerenes와탄소나노튜브가나노구조연구에있어서광범위하게이용되고있다. 이러한구조들은쉽게만들수있고사용할수있기때문에, 전자소자, 기억소자, 그리고나노재료개발에거의곧바로적용할수있다. 또한, 이러한재료들은나노구조합성방법에있어서나노전구체역할이가능하며( 예를들어, 클러스터또는에어로졸증착에대한시작재료(starting materials) 로서의역할), 다양 한크기의 template 제작방법을제공할수있다

105 이러한 template 는다른재료에의해전기적으로도핑(dipping) 되거나채워질수있는데, 예를들어탄소나노튜브를이용하여제한된반응으로 GaN 의나노막대(nanorods) 를합성하는연구가있다 [71]. 2. 자기조립(Self-assembly) 가. 기술개요 " 자기조립(self-assembly)" 은나노재료와나노가공에관한문헌자료에서많이기술되고있는용어로서, 다양한함축적의미를가지고있다. Kuhn과 Ulman 은 " 자기조립이란초분자적인단계적조직(supermolecular hierarchical organization) 이서로연관성있는구성요소들(interlocking components) 로부터만들어지는과정" 이라고하였다. 여기서, 단계적조직은분자간상호작용들( 예를들어, 소수성또는친수성을갖는구성요소간의상호작용, 반데르발스결합, 쿨롱결합, 또는수소결합) 에의해형성된다. 그러므로분자간결합력그리고/ 또는화학적특성의단계(hierarchy) 에의해최종나노재료의크기가결정된다 [72,73]. 자기조립된재료의예로서, McGehee 등[74] 은실리카전구체와계면활성제를섞어서비정질실리카의경계에지름이수백 A 인기공(pore) 이반복적으로배열되어있는다양한구조를만들어내었다. 이렇게만들어진구조들을 < 그림 2-3> 에나타내었다. 무기물나노구조의자연적인형성에있어서, 유기물분자의첨가는무기물요소들의구조에커다란영향을미칠수있다

106 이러한방법은 Au 클러스터(cluster) 로네트워크(network) 을형성한경우[50] 에서보듯이, 나노구조의인공적인형성에적용될수있다. < 그림 2-3> 실리카/ 계면활성제나노구조복합체의투과전자현미경사진[74] (a) 층상형상(lamella morphology) (b) [001] 정대축을따라서 la3d 대칭성을갖고있는입방구조의상 (c) [001] 정대축을따라서육방구조를갖는상(hexahonal phase) 이방법에서는먼저기상합성법으로만들어진 Au 클러스터( 지름이 3.7 nm) 들을 dodecanethiol 과같은계면활성제로둘러쌓아콜로이드용액을만든다. 여기서계면활성제 는 Au 클러스트의응집을막는역할을한다

107 여기에소량의 dithiol을첨가하면 3차원의클러스터네트워크가만들어지고이것을다른고체기판위에배열시킬수있게된다. < 그림 2-4> 는스핀코팅법으로 MoS 2 기판위에배열시킨 Au 클러스터의투과전자현미경사진이다. < 그림 2-4> Dodecanethiol로둘러싸여있는 37 nm 금(Au) 나노입자의배열형상을보여주 는투과전자현미경사진 [50]. 자기조립을하는방법에는재료의핵생성과성장과정을제어하기어려운물리기상증착공정도포함된다. 에피텍시성장에서격자불일치로부터일어나는변형특성과이변형에의해재료성장이 2 차원성장(layer 성장) 에서 3 차원성장(island 성장) 으로전환되는것을이용하여지름이 200~300 A, 밀도가 1011cm -2, 그리고크기분산이 ±7% 인반도체양자점의배열을형성할수있다 [14]. 이러한과정들은 RHEED 분석을이용하여 in-situ 로관찰할수있으며, 자기조립된반도 체양자점의예를< 그림2-5> 에서볼수있다

108 < 그림 2-5> GaAs 기판위에성장시킨 lnas 양자점배열(Mirin et al. 1996). 이정도의크기균일성을가지는수백만개의양자점을형성한다는것은일반적인고분해능의식각공정과패턴변환공정으로는불가능한일이다. 게다가, 재료에결함을일으킬수있는이온공정(ion-assisted process) 없이이러한표면과계면을제어하여형성할수있다는것은광학적그리고전자기적으로유용한양자구조를쉽게만들수있다는것을의미한다. 이미많은연구자들이자기조립된양자점들을레이저구조에이용하고있다 [75]. < 그림 2-6> 은이러한화학적방법으로만들어진양자점의광흡수특성을보여준다. < 그림 2-6> 화학적으로합성된 CdSe 나노입자의크기에따른광투과성(AliviSatos 1996)

109 화학적방법들은나노구조 buliding block의크기와위치를제어하는데있어서가장효과적인수단이될것이다. 화학적전구체로부터화합물반도체양자점을만드는연구들을살펴보면, 앞서언급한변형유기(strain-induced) 자기조립양자점의경우보다훨씬더작은크기분포를갖는(±5%) 양자점을형성할수있다는것을알수있다[4,3]. 나. 나노입자자기조립(Nanoparticle Self-Assembly) 기술동향물질에대한과학적관심과, 고집적반도체기술의발전이맞물리면서인간이조작가능한물질의최소단위는원자의수준에까지이르고있다[76]. 물질의차원이낮아지면물질의전자상대밀도역시변화하면서차원에따른물질의특성이다르게나타나게되며이와같은현상을소위양자효과라한다. 물질의차원이낮아진다는것은물질의실제적크기가전자의드브로이파장보다작아질때를의미하며, 특히 0차원은물질의 3 차원적크기가모두전자의드브로이파장보다작다. 전자의드브로이파장은물질마다다르지만반도체의경우대략 10 나노미터정도이며 [77], 세방향의길이가이보다작은 0 차원의물질을양자점이라한다. 양자점에서나타나는전기적특성의변화로는 coulomb blockade effect 를들수있다. 이는양자점내의전하의양자화현상에기인하는것으로양자점에전자를터널링하게될경우주입된전자는양자점의전하량을증가시키고더이상의전자의터널링을막음으로써전자의터널링을단계적으로조절할수있다 [78]. 또한자성을떤물질이수nm크기이면특정온도이하에서 ferromagnetic 성질이사라지는 superparamagnetic 의성질로변화함이알려져있으며[79], CdSe같은반도체양자점은크기에따라발광파장이달라지는특성을보인다고알려져있다 [80]

110 그러나현재의기술수준에서이러한양자효과를이용한소자( 양자소자) 의제조는물리적현상의이해를위해 AFM, STM, E-beam direct writing lithography 등을이용한수개의양자점형성단계에머무르고있으며양자소자의산업적이용을위한재현성있는대량생산의시도에대한연구가진행단계에있다 [81]. 양가소자의산업적이용을위해서는수나노미터크기의양자점을원하는밀도로원하는위치에재현성있게배열하는기술이개발되어야하며또한이러한생산과정이경제성을가지기위해서충분한수율을확보할수있어야한다. 예를들어기존의 DRAM기술이나자기저장매체기술의연장선상에시테라비트급의정보저장수단의제조를위해서는 / cm2밀도의축선물질과트랜지스터나자기분역이필요하며, 각각의자기분역이나메모리소자를재현성있게제조하기위해서는 2차원적으로규칙적인양자점의배열을ㆍ만들어낼수있어야한다. 이밀도는 5 나노미터크기의양자점을 5 나노미터간격으로규칙적인배열을형성할경우와같다. 고밀도의규칙적양자점형성을위한시도는접근방식에따라 top-down 기술과 bottom-up 기술으로분류할수있다. 먼저, top-down기술이란 bulk 상태의물질을다양한방법을이용하여나노미터크기로분해하는방식의기술이다. 대표적으로기존의반도체공정에서의식각공정이해당된다. 식각공정에서나노미터크기의패턴을형성하기위해서는최소한수나노미터정도의파장을가진광원이필요하며이를 위해대면적에패턴을가지는 e-beam 을투사시킬수있는기술을개발중에있다[82]

111 그외에미세한패턴을미리형성시킨판을직접기판에입혀진고분자재료에찍음으로써수율을높이고자하는 imprint 기술[83] 이있다. Bottom-up 기술은원자, 분자의취급과조작기술에의해원자, 분자를수십에서수백단위로구축함으로써나노구조를 build-up 하는방식의기술이다. AFM 등을사용한원자ㆍ분자조작방법, 상변태( 기체-고체또는액체- 고체) 초기단계에서일어나는핵생성의제어를이용하는방법, 그리고물질의자기조립과정을제어함으로써원자나분자간의자연적인결합을이용하여규칙적인구조를얻고자하는방법등이있다. 이러한 bottom-up 방식중에서상변태초기단계에일어나는핵생성단계를제어함으로써양자점을형성하는방법은고밀도의구조물을대면적에빠르게형성시킬수있는유력한방법이나반응의무작위성이나엔트로피효과등의이유로아직형성된양자점의크기나밀도, 위치를제어하지못하는수준에있다[84]. 양자점 2차원적규칙적배열형태를형성하는공정중의하나로써최근에주목을받고있는것이화학적합성방법을이용해제조된나노입자를콜로이드화한후에이를기판상에분산시킴으로써자발적배열을얻고자하는시도이다 [85]. 화학적으로합성된수나노미터크기의나노입자는 1-15 nm크기의범위에서는 5% 이내로크기편차를줄일수있다[85]. 물질의양자효과는물질의크기에따라나타나는정도가다르므로[86], 양자소자의재현성있는제조를위해서는양자점의크기편차를줄이는것이필요하다는점에서화학적으로제조된나노입자는다른양자점제조법에비해장점을가진다

112 식각공정에의한양자점제조또한크기편차를줄이는데유리하지만단시간에많은양자점을제조하는데한계가있으므로나노입자의화학적제조법은이러한면에서도장점을가진다. 균일한콜로이드나노입자를제조하는방법은크게수용액안에서계면활성제의 inverse micelle을 micro-reactor로사용하는방법과유기용매와계면활성제의혼합용액에서합성하고자하는물질의핵생성및성장을이용하는 La Mer & Dinegar 방법이있다. 이중에서 La Mer & Dinegar 방법[80] 은나노입자의핵생성을먼저일으키고핵성장을조절함으로써균일한크기의나노입자를형성하는방법이다. < 그림 2-7> A. B. 나노입자의핵생성과성장과정을보여주는법개략도합성장비의개략도 La Mer & Dinegar 방

113 < 그림 2-7> 에나타난것과같이유기용매와계면활성제를혼합한후, 형성하고자하는재료를포함하는전구체(precursor) 를빠르게주입하면, 과포화된원자로부터핵생성이일어나고, Ostwald ripening 에의해나노입자로성장하게된다. 이때, 혼합용액안의계면활성제가나노입자를둘러싸서입자의성장을막아균일한크기를갖는나노입자가형성된다. 나노입자의양자역학적특성은입자의크기에크게좌우되므로입자특성의재현성을유지하기위해서는제조된나노입자의크기와조성등이균일해야한다. 이러한단일크기의나노입자를얻기위해서는핵의성장속도는비슷하므로핵생성이후성장이시작되는시간의편차를감소시키는기술이필요하다. 이는화학적방법으로제조된콜로이드나노입자뿐만아니라기상에서고상으로의핵생성을이용한양자점의형성에있어서도중요한점이다. 그러나화학적방법에서는이미제조된나노입자들을크기에따라걸러낼수있다는점에서더장점을가진다. 즉, 무극성유기용매속에잘분산된나노입자콜로이드는첨가되는극성용매의양에따라크기가큰나노입자부터침전되는특성을갖는다. 이를이용하여크기편차가작은나노입자를제조할수있다. 이와같이제조된단일한크기의나노입자를양자점으로사용하기위해서는기판상에원하는위치에분포시킬수있는기술이필요하며, 수율를위해서는짧은시간에대면적으로규칙적인배열을만들어낼수있는기술이필요하다. 나노입자의자기조립현상은이러한요구를만족시켜줄수있다. 유기용매내에잘분산되어있는콜로이드나노입자는기판상에서용매가증발한후에자발적으로규칙적육방밀집결합의형태를갖출수있음이다양한나노입자에대해서보고되고있다 [85]

114 이와같은현상을나노입자의자기조립현상(< 그림 2-8>) 이라하며, 따라서나노입자의자기조립에의해형성된나노입자초격자를양자점으로사용할수있게된다. < 그림 2-8> SiO 2 위에배열된 r-fe 2O 3 나노입자 다. 국내외연구동향 나노입자의자기조립에대한현재까지의국내외연구동향을살펴보면, 연구분야는크게자 기조립의기구(mechanism), 대면적자기조립공정, 그리고자기조립의응용등의세부분으 로분류할수있다. < 표 2-1> 은나노입자자기조립에대하여 1990년부터 2002년 8 월까지국외저널(SCI) 에발 표된논문들중에서일부를연도, 분야별로분류한것이다. 첫번째, 자기조립의기구에관한연구를살펴보면, 열역학적측면에서의해석으로는용매 의증발과정에서용매내의나노입자들의거동을 wetting film 으로설명하거나[86], 자기조 립이용매의증발과정에서발생하는콜로이드용액의스피노달분해[87] 로인해일어난다 는 해석이 있으며, 속도론적 측면에서는 나노입자의 자기조립이 용매 표면의 capillary force 에의해용매표면에서정렬되어자기조립현상이일어난다[88] 는해석등이있다

115 그러나, 이러한해석들은열역학측면과속도론적측면을동시에설명하지못하고있을뿐아니라, 열역학적측면에서는가장중요한나노입자와기판사이, 그리고나노입자간상호작용에대한이해가부족하고, 운동학적측면에서는자기조립현상을관찰한나노입자의크기가 100nm이상이어서 10nm이하의나노입자자기조립현상에적용하는데무리가있다는한계를가지고있다. 따라서, 자기조립현상의열역학적측면과속도론적측면을모두고려하여, 화학적조건과같은공정조건에따른자기조립양상의변화를명확히설명해줄수있는연구가필요하다. 두번째는대면적의자기조립공정에관한연구로서, spin coating 법[89], Probe를이용한정렬법, Langmuir-Blodgett 법[90], 기판흡착법[91] 등이보고되고있으며, 현재까지세계최고의 data가 1 μm 1 μm면적에서자기조립을이룬결과이다[92]. 그러나이결과도자기조립시킨전체면적(4 mm 3 mm) 중에일부분에서만얻어진결과이며, 자기조립현상에대한이해가부족한관계로대면적의자기조립공정에관한연구가얼마나초기단계에있는가를보여준다. 세번째는자기조립의응용에관한연구이다. 현재미국의 IBM 연구소[93] 와영국의 Cambridge 대학[94] 등에서는화학적합성법에의한나노입자의단전자소자에의응용에관한연구가진행되고있으며, 미국의 MIT 대학[95] 및 UC-Berkeley 대학[96] 등에서는나노입자의광학적소자에의응용에관한연구가진행되고있으나아직가능성여부를확인하는단계라고할수있다

116 < 표 2-1> 국외저널(SCI) 에발표된나노입자자기조립분야별논문편수 이러한나노입자자기조립에관한연구내용들을요약하면다음과같다. (1) 나노입자의형성 ( 가) 국외동향

117 1 미국 IBM 연구소 Murray 그룹, MIT Bawendi 그룹 Organometallic reagent([me 2 Cd], [(TMS) 2 S], [(TMS) 2 Se]) 를 고온에서 (>300 ) TOP(Tri-n-octylphosphine)/TOPO(Tri-n-octylphosphine oxide) 용액에주입하여핵생 성을유도하고, 온도를낮춰주어( 약 250 ) 입자를성장시키다가 TOPO/TOP가입자의표면 에공유결합을이룸으로써성장을조절하고, 최종적으로 size selective precipitation으로 파우더형태로얻어진것을유기용매에녹여서 1.2~11.5 nm ( σ < 5%) 크기의 Ⅱ-Ⅴ족 CdE (E=S, Se, Te) 반도체나노입자를형성하였다. 2 미국 U.C. Berkeley, Alivisatos 그룹 InCl 3 와 As[Si(CH 3 ) 3 ] 3 를 precursor로하여 240~265 에서 TOP 용액에서핵생성및성장 을일으키고, size selective precipitation으로 2.5~6 nm ( σ = ±10~15%) 크기의 Ⅲ-Ⅴ 족 반도체 InAs 나노입자를형성하였다. ( 나) 국내동향 1 서울대, Prof. Hyeon 그룹 Fe(CO) 5 를 100 의 octyl ether와 oleic acid의수용액에서열분해하여과포화된 Fe의핵 생성을유도하고성장하는입자를 oleic acid가 capping 함으로써더이상의성장을막아 균일한크기의입자를형성한뒤, 상온에서 (CH 3) 3 NO로 oxidation 하여 4~16nm 크기의 r -Fe 2 O 3 나노입자를제조하였다. 2 연세대, Prof. Cheon 그룹 Co2(CO) 8 와 toluene의용액을약 100 의 NaAOT를 capping agent로사용하여 toluene 용액에주입하여 6시간동안 re리ux 하여 Co 2 (CO) 8 를열분해하고 Co의핵생성및성장을진행하여 8 nm( σ = 0.7) 크기의 AOT-stabllized Co 나노입자를형성하였으며, AgAc+PVP(polyvinyl pyrrolidone) + ethanol 용액에서 5시간동안 reflux하여알콜환 원반응으로20 nm( σ =3.0) 크기의 Ag 나노입자를형성하였다

118 (2) 나노입자의자기조립기구에판한연구 ( 가) 국외동향 1 Ireland Dublin 대학, Fitzmaurice 그룹 4.5nm의 dodecandethiol-encapsulated Au 나노입자를 carbon substrate에정렬하는연구를통해서 film 의두께는용매의극성과관계있다는것을보고하였으며, 나노입자와기판의표면에너지와 van der Waals 힘에의해서육방밀집구조를갖게됨을밝혔다. 이와같이, 나노 crystal film은 wetting film 과같은기구로설명할수있음을보고하였다. 2 미국 Columbia 대학, Brus 그룹 4nm의 CdSe 나노입자를 HOPG 에정렬하는실험을수행하여, 표면점유도에따라서나노입자가응집되는형태를관찰하였다. 이를통해서, 용매가증발될매공기중에서나노입자사이의 van der Waals힘이증가하고이에따라 spinodal phase separation이일어남으로써핵생성이이루어짐을설명하였다. 3 일본 Tokyo 대학, Nagayama 그룹 Polystyrene latex 콜로이드나노입자를이용하여 2-D로정렬하는실험을통하여육방밀집구조의분역을형성하였는데, 이를통해서나노입자의정렬과정을핵생성과성장의두단계로나누어설명하였다

119 핵생성은나노입자사이에용액의표면에평행한 capillary force 가작용하여이루어지며, 성장은용매가증발함에따라 laminar now 의생성으로설명하였다. ( 나) 국내동향국내의경우전무함. (3) 나노입자의대면적자기조립및소자에의적용에관한연구 ( 가) 국외동향 1 미국 MIT, Bawendi 그룹 CdSe, ZnS 나노입자를 5 nm이하의크기로합성하여나노입자의광학적특성및전기적특성을연구하고있다. 나노입자에전자가 charging되는현상과나노입자의크기에따라서발광파장을제어할수있음을확인하였다. 이와더불어, 나노입자와 polymer의 composite 를형성하여모든파장의빛을발광할수있는기술을개발하였다. 2 영국 Cambridge 대학, Ahmed 그룹 Citrate Au 나노입자를 10 nm크기로형성하여 SiO2 기판위에분포시키는연구를수행하였다. 본연구에서, 나노입자의흡착을위하여 3-(2-Amino-ethlyamino) propyltrimethoxysilane (APTS) 라는흡착 agent를 SiO 2 기판위에처리한이후에흡착공정을통해나노입자를기판위에분포하였다. 위의결과를통하여, APTS 처리를한기판에흡착이일어남을확인하고, 이를바탕으로하여특정영역에만패터닝공정을이용하여 APTS 처리를하고이부분에만나노입자를선택적으로흡착할수있다는결과를보고하였다

120 이와더불어, 나노입자를이용한단전자소자를제작하여전하이동특성을관찰하였는데, 나노입자를 source와 drain 사이에흡착하여단전자소자의 Coulomb blockade effect를 확인하였다. 3 일본 Hiroshima 대학, Takahashi 그룹 17 nm 크기의 alkanethiol-encapsulated Au 나노입자를 water 내에분산하여소수성의나 노입자를이용한 Langmuir-Blodgett 방법으로기판위에정렬하는연구를수행하였다. 본 방법을이용하여약 10μm의영역에 70 % 의나노입자의표면농도로정렬하였으며, 나노입 자는자기조립의 domin 형태로형성되었다. ( 나) 국내동향 1 한국표준과학연구소 Dr. Koo 그룹 Co, Ag 나노입자를제작하여 sph coating 방법을이용하여 Si, SiO 2 기판위에균일하게분 포하는연구를수행하였다. 연구결과에의하면, toluene에분포되어있는 8 nm 크기의 Co 나노입자와 ethanol에분포되어있는 20 nm크기의 Ag 나노입자를 spin coating 방법으로 ~10 11 / cm2의표면농도로균일하고재현성있게기판에분포할수있음을보고하였다. 2 서울대 Prof. Kim 그룹, 강릉대 Prof. Min 그룹 r-fe 2O 3 나노입자를 dip coating 방법을통하여, 나노입자의흡착거동을연구하였으며, 이를개선한공정으로서다중흡착공정을제안하여이를이론적으로모델링하였으며, 실험적 으로 Si, SiO 2 기판위에약 76% 의 coverage 를갖는나노입자자기조립체를형성하였다

121 제 3 장향후전망 1. 향후전망 최근몇년간화학적합성법을통한콜로이드나노입자의배열에대한연구가증대되어왔으나아직까지도수십마이크로미터이상의대면적에규칙적인배열을선보인예는없었으며용액내에서기판으로나노입자가전달되는특성에대한일반적인설명도부족하다. 이는초기의콜로이드나노입자에대한연구가나노입자의형태나특성등나노입자의제조와관련된분야에집중되어있어서, 나노입자를배열시키기위해스포이트를이용해 TEM 관찰을위한그리드위에수방울씩떨어뜨리고용매를증발시키는방법들이사용되었기때문이다. 또한계면활성제는물질의소수성이나친수성을갖는기판표면의성질을반대로바꾸거나나노입자간의인력으로작용하는반데르발스인력에대한매질의효과를변경시킬수있음에도불구하고나노입자의배열에대한계면활성제의영향을고려하려는시도가이루어지지않고있다. 나노입자를이용한연구분야는앞서설명한바와같이, 크게 1 나노입자의합성에관한연구, 2 나노입자의자기조립기구에관한연구, 3 나노입자의대면적자기조립및소자에의적용에관한연구등으로규정할수있다

122 이러한연구분야는하나의특정학문분야에만국한되어서는이루어지기어려울것으로생 각되는분야라할수있다. 현재까지의연구동향을검토해보면, 나노입자의합성에관한분 야가주로화학분야에서중점적으로연구되어왔다. 반면에, 나노입자의자기조립에관한이론이나, 나노입자를대면적기판위에자기조립을 구현하는공정에관한연구와이를이용한소자에관한연구는상대적으로미흡한실정이 다. 이는물리학, 재료공학, 전자공학등의다양한학문및기술이복합적으로적용되어야 구현이가능함에도불구하고, 현재까지는이러한공동연구가전세계적으로미흡하다고할 수있다. 최근들어, 미국의 MIT, U.C.Berkley, IBM 등에서학제간공동연구에관하여추진하고 있으며, 영국의 Cambridge 대학에서도 Cavendish연구소소속의연구원들을중심으로학제 간연구를추진하고있다. 이를바탕으로단순히나노입자의합성단계에서벗어나나노입 자의자기조립및이를이용한응용소자개발에관한연구가진행되고있으나, 아직초기단 계라고생각된다. 따라서국내에서도다양한학제간연구를통하여선진국과대등하거나 앞선기술을확보할수있는가능성이높은분야라고평가된다. 2. 기회와도전 WTEC 의연구조사는얼마나폭넓게나노재료에대한연구가진행되고있는지를보여준다. 나노재료에대한연구의대부분이오랜기간에걸친노력의성과로서상업화가가능할정도로잘개발되어있는기술을가지고있다고할것이다

123 그러면, 나노재료에대한현재의관심을어떻게설명할것인가? 그해답의일부가나노재료를연구하는연구자들을서로연결시켜줄수있는공통된문제점과기술이무엇인가를생각하는것이다. 나노크기에서재료를분석할수있는좀더정밀한특성분석기술의유용성은나노재료분야에서의연구를가속화시키고있으며동시에, 나노구조의크기와위치를제어해야한다는공통된문제점을인식하는것은기존의학문분야의경계를넘어해결책을공유하게한다. 그러므로, 이연구의가장흥미있는결과는기술과아이디어가서로교차되어풍성해지고있음을보여준다는것이다. 예를들어, 에어로졸법으로만들어진나노입자를나노크기의전자소자제작에사용하기위하여 STM tip 을이용하여원하는위치에갖다놓는다[97]. < 그림 3-1> AFM을이용하여두개의 Au/Ti 전극사이에 50nm Au 입자를위치시키는과정

124 < 그림 3-1> 은이러한예를보여준다. 규칙화된 diblock copolymer의조립은 3차원나노구조를형성하는데, 이구조는고분해능의패턴변환공정에의해전자기적( 반도체) 기판으로옮겨질수있다 [98]. 교육을통한아이디어의효율적인사용이필요하다는것은미래에나노재료에대한개념과응용분야를발전시키기위하여젊은과학자들을적절하게훈련시킬수있는교육적기반을마련해야한다는것을의미한다. 이러한교육적기반은생체분자재료, 고분자, 금속, 세라믹, 그리고반도체등의다양한재료들의성질을잘아는연구자와교육자를필요로할것이다. 또한, 중요한응용분야에대한전망을아는것이필요하며, 현재물리, 화학, 전기공학, 생물학등의학문분야로분리되어있는합성, 조립기술그리고특성분석기술을폭넓게접근할수있도록해야한다. 나노분야의미래와교육적기반을위해각각의원자거동으로부터재료의마크로한성질까지포함하는계산도구( 시뮬레이션도구) 의개발이중요하다. 이경우에 systems approach"[99] 가요구되는데, 이시스템의시도에는 Schrodinger와 Poisson식의해로부터시작해서원자간결합력을계산하고재료의마크로한성질과거동에대한컴퓨터시뮬레이션까지하는서로다른계산모델을포함할것이다 [100]. 이렇게나노입자합성과조립에대한다양한방법들을찾아가고분석기술들이발달하게되면나노크기의합성과조립이라는새로운분야의발전은빠르게이룰수있을것이다

125 이자료는 WTEC(World Technology Evaluation Center) 의 "R&D Status and Trends in Nanoparticles, Nanostructured Materials, and Nanodevices" 에관한보고서( ) 내용중일부를발췌하여번역한내용임. 참고문헌 1. Wu, M.K., R.S. Windeler, C.K. Steiner, T. Bors, and S.K. Frliedlander Controlled synthesis of nanosized particles by aerosol processes. Aerosol Sci, Technol. 19: Koch. C.C Materials synthesis by mechanical alloying. Annual Review of Mater. Sci. 19: Murray, C.B., D,J. Norris, and M.G. Bawendi J. Am. Chem. Soc. 115: Katari, J.E.B., V.L. Colvin, and A.P. Alivisatos J. Phys. Chem. 98: Siegel, R.W.. E. Hu. and M.C. Roco. eds R&D status and trends in nanoparticles, nanostructured materials, and nanodevices in the United States. Baltimore: Loyola College. International Technology Research Institute. NTIS #PB Hellemans, A X-rays find new ways to shine. Science 277: Berger. R., C. Gerber. H.P. Lang, and J.K. Gimzewski Micromechanics: a toolbox for femtoscale science: Towards a laboratory on a tip. Microectronic Engineering.35: (International Conference on micro and Nanofabrication, Glasgow, U.K., Sept. 1996). Elsevier

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133 Ⅲ. 나노제조기술의개발동향 박영우 / 충남대학교소대섭 / 한국과학기술정보연구원

134 제 1 장서론 1. 기술의개요 나노제조(Nanomanufacturing) 는통상 100nm이하의나노구조물을 1 차원, 2차원및 3차원으로제작하는모든과정을의미한다. 따라서나노제조기술은거시적인제조기술과유사하게재료, 제작공정및특성화기술, 기계의사용과장비, 이론적모델링과제어, 개개구조물의설계와디바이스와시스템으로의통합등다양한분야를필요로한다. 이러한나노제조기술은상향식(Top-down) 및하향식(Bottom-up) 기술모두를포함한다. 소프트리소그래피( 마이크로콘택트프린트, 나노임프린트등), 자기조립, 로봇조립, 템플리트성장등이대표적인상향식공정들이다. 리소그래피( 전자빔, 이온빔, X-ray, UV 등), 박막적층및성장, polymer molding, 기계적방법( 절삭가공, 연삭, 래핑, 폴리싱) 및전기화학적방법등이대표적인하향식공정들이다. 지난 40여년간의반도체집적공정의발전에있어서광학리소그래피기술은꾸준히발전하여왔으며, 소자의선폭이 0.1μm이하의공정에서도소자제조의핵심기술은리소그래피기술을이용한회로의패터닝기술에달려있다고해도과언이아니다. 그러나현재사용되고있는광학리소그래피는사용하는파장의길이에따른분해능의한계로인하여, 나노크기의소자를제작하기위해서는새로운리소그래피기술이필요하다는것이일반적으로인정이되고있다

135 방법론적으로는기존리소그래피기술의향상이가장가까운장래에가능할것이다. 전자 빔, 이온빔, x-ray 등을이용한리소그래피가이범주에속한다. 새로운리소그래피기술로 는소프트리소그래피를들수있다. 또한, 자기조립, 로봇조립등과같은상향식기술의개 발도필요하다. 2. 기술의특성 나노제조의출발점은기초적인요소(building block) 인나노재료이며, 지난 10여년동안가장괄목할만한발전이있은분야이다. 대표적인것으로는탄소나노튜브를들수있으며, 원자힘현미경용팁, 단전자트랜지스터등에적용되고있다. 나노재료가확보되면, 나노제조기술을통해조립되거나변환을통해나노구조물로만들어져야한다. 이러한나노제조기술은전기한바와같이다양한분야의융합이필요하며, 특히화학과물리로대변되는나노과학과응용과학인나노공학의융합이절대적으로필요하다. 그리고나노과학에서나노공학으로나아가기위해서는나노구조물의대량생산이필수적이다. 현재까지의나노제조기술은시작품을만드는수준에있다고이야기할수있다. 따라서나노제조에있어서의예측성, 생산가능성및생산성을위해기본적으로필요한것들에는이론및실험적방법들의결합을통하여접근하는것이바람직하다. 특히, 반복적인품질을갖춘예측가능한제작을위해서는각각의나노공학과병행하여각각의나노과학의개발을통해공정중에일어나는현상에대한기초적인이해, 모델링및제어가필요하다

136 게다가, 생산가능한나노구조물이나노제작의짝으로서제조가능성, 특성, 통합및생산시스템측면을위한설계의진보에따라서개발되어야한다. 또한, 나노구조물의생산성을확보하는것이사업화에가장중요한일이다. 이러한것들은결과적으로일상의사회적, 경제적, 윤리적, 법률적및교육적면에지대한영향을미칠것이다. 그러므로나노제작기술의연구는관련된교육, 지식과자원의보급등과명백하게연관되어있다. 나노제작기술은다양한분야를필요로하는관계로본보고서에서는제작공정에초점을맞춘나노제조에대한기술개발동향에대해기술하고자한다

137 제 2 장기술개발동향 나노제조기술은크게하향식(Top-down) 및상향식(Bottom-up) 기술로분류할수있다. 하향식기술은큰것을작게만드는축소의원리를이용한기술을의미하며, 상향식기술은 개개원자수준의정확한제어를통하여양자역학적으로합성해가는기술을의미한다. 본고 에서는 하향식 기술로 기존 리소그래피 기술의 향상을, 상향식 기술로는 자기 조립 (self-assembly), 소프트리소그래피기술(soft lithography techniques), 기타방법들을각 각다루고자한다. 1. 기존리소그래피기술의향상 가. Electron-Beam Lithography Electron-Beam Lithography(EBL) 기술은조사시스템의소스로서전자빔을사용하므로파장에제한을받지않기때문에가장간단한방법으로미세패턴을형성시킬수있지만, writing speed의제한으로생산성이높지않은단점으로인해 Mask 제작에주로이용되고있다. 이러한단점의극복을위해프로젝션테크닉을사용하는 Electron Projection Lithography (EPL) 기술의개발이이루어지고있다

138 현재까지진행이되고있는 EPL, 기술로는 1980년대후반부터미국의유수한연구기관인 Bell Laboratories에서연구되었던기술을상용화시키기위한 SCALPEL(SCattering with Angular Limitation Projection Electron-beam Lithography) 프로젝트가있으며, 이프로젝트에는미국의 Applied Materials, 네델란드의 ASML 등이참여하여상용화연구가활발하게진행중이다. 또한 1990년대초반에는미국의 IBM에서도일본의 Nikon과함께 EPL, 기술을개발하기위한 PREVAIL (Projection Reduction Exposure with Variable Axis Immersion Lenses) 연구를시작하였다. 아울러, 1990년대후반에는일본의동경정밀은 2000년 11월에 LEEPL (Low-Energy Electron-beam Proximity Lithography) 이라는저에너지의 EPL, 기술에대한연구를시작하였다. 여기에는 NTT와 ASET가같이참여하여이장비의상용화에대한연구를돕고있다. SCAPEL은 4배의이미지축소기술을이용하므로마스크제작이용이하다는것이장점이다. 또한 step-and-scan 노출기술을이용함으로써 writing speed 를증가시킬수있다. 그러나강력한전자가웨이퍼를가열시켜패턴의팽창과변형을야기할수있고, 산란전자들에의한이미지의흐림이생길수있다. < 그림 2-1> SiO 2 의 EBL과 RIE로얻어진임프린트몰드의 SEM 사진 (a) 최소피치 120nm (b) 최소피치 40 nm

139 나. Focused Ion Beam Lithography Focused Ion Beam Lithography(FIBL) 은 EBL 과유사하지만, magnetic lense 대신에 electrostatic lense 를사용한다는점이다르다. FIBL은 kev 범위에서작동한다. 이온은기판과반응할수있으므로 patterned doping과같은다양한종류의표면개질이가능하다. FIBL은이온빔에의해만들어지는이차전자의에너지가낮고확산범위가작아 EBL 보다해상도가높다. 그러나 EBL과마찬가지로속도가느리고진공상태에서사용해야한다. 속도적인면의극복을위해 EPL기술과마찬가지로 IBL, 기술의개발이진행중이다. 이것역시 4 배의이미지축소기술을적용한다. < 그림 2-2> FIBL로얻어진 GaAs상의 AlF 3 다층샘플 다. X-Ray Lithography X-Ray Lithography(XRL) 은포항가속기와같은방사선가속기에서생성되는 0.5-4nm 파장 의 x-ray 를이용하는기술이다. XRL에는광학이전혀이용되지않기매문에 1:1 패턴전 사만이가능하다

140 광학이이용되지않은것은장점일것같지만, 실질적으로는 XRL 의주요단점이다. 왜냐하 면패턴의축소가없기때문에마스크의제작이복잡하게되며, 이것은전자빔을이용한마 스크제작의느린속도로인해문제점이되고있다. XRL의해상도는 Fresnel diffraction과 레지스터내광전자의확산에달려있다. 긴 x-ray 파장을사용하면광전자의확산범위는 줄일수있지만, diffraction limited linewidth 는증가한다. 실험적으로는 5μm의간격에서 50 nm의구조물을얻을수있고, 간격을줄이면 30nm 이하의구조물도만들수있는것으로 보고되어있다. 전자빔이나이온빔과달리전하된입자가아닌 x-ray 를사용하므로진공이필요없다. 또 한, 전자빔이나이온빔과달리대량노출이가능하여처리속도가빠르다는것이다. 수 A 대 의 deep x-ray 를이용하면훨씬두꺼운레지스터의미세가공도가능하다. 이것은독일에서 20여년전에개발한 LIGA(LIthographie, Galvanoformung, Abformung) 공정이다. 현재높 이가수백μm- 수cm에이르는구조물을만들수있는것으로알려져있다. < 그림 2-3> XRL로얻어진 PMMA 프로파일 (a) 선폭 20nm (b) 선폭 60 nm

141 < 그림 2-4> LIGA 공정의순서도 라. Molecular Beam Epitaxy Molecular Beam Epitaxy(MBE) 는나노크기의헤테로구조물을아주깨끗하고제어된상태에서성장시킬수있는기술이다. < 그림2-5> 에나타난바와같이 MBE는초고진공상태에서가열된상태의 seed crystal 상에다양한소스( 고체혹은가스소스) 를동시에증착시킨다. 장점은 의상대적으로낮은온도에서정밀한조성을가진아주박막인 monolayer 의증착이가능하다는것이다. 단점으로는성장속도가느리고장비가복잡하다는것이다. < 그림 2-5> MBE 공정도

142 2. 소프트리소그래피를이용한방법 가. Nanoimprint Lithography < 그림 2-6(a)> 에나타난바와같이 Nanoimprint Lithography(NIL) 는몰드를이용하여레지스트를물리적으로변형시키는임프린트단계와 RIE를이용한패턴전이단계로나누어진행된다. 1),2) 임프린트는통상 의온도범위에서 50 bar의압력을가하여수행된다.< 그림2-6(b)> 는 NIL을이용하여 PMMA상에 40nm의간격으로직경 10 nm, 깊이 60nm로만든구멍들의 SEM 사진이다. 몰드의재료로는 PMMA 가가장많이쓰이고있으며, S1805, hybrane polymer 등이보다낮은온도에서사용할목적으로연구가이루어지고 3) 있다. 현재까지 6 nm크기의구조물을만들수있는것으로보고되어있다. 또한, 고종횡비를가지는구조물은 trilayer 기술을이용하여만들수있다. 이러한 NIL은나노구조물의상업화의최대걸림돌인원가문제를해결할수있을것이며, 누구나나노구조물에쉽게접근할수있도록해줄것이다. < 그림 2-6> NIL (a) NIL 공정의순서도 공정의순서도및결과물 (b) 결과물

143 나. MicroContact Print < 그림 2-7> 에나타난바와같이 MicroContact Print(μ CP) 는기판위에잉크로인한분자자가조립이일어나도록 elastomeric stamp 를사용하는것이다. 4) Stamp는전자빔으로패턴된 master를이용하여 polydimethylsiloxane(pdms) 으로주조하거나경화시켜서얻을수있다. 잉크가묻은 stamp와기판의접촉에의해 self-assembled momolayer(sam) 가기판위에형성되며이것은습식에칭시마스크로사용된다. < 그림 2-7> μ CP 공정의순서도및결과물 (a) μ CP 공정의순서도 (b) 결과물 다. Shadow Masking Technique < 그림 2-9(a)> 에나타난바와같이 shadow Mask를기판위에놓고폴리머를적층한후 shadow mask 를제거하면형상이만들어진다

144 < 그림2-9(b)> 이러한공정을거쳐만들어진 Fe nanodot 를보여준다. Shadow Mask는알루미나같은경한재료또는 photoplastic 같은연한재료로만든다.IBM 취리히연구소에서 는 NICE(Nanoscale Integrated Circuits from Endohedral fullerenes) 라는프로젝트에서 나노크기의집적회로(IC) 제작에 shadow masking technique과 scanning probe method를 결합하여 이용하고 있다. Scanning probe인 캔틸레버 팁을 이용하여 shadow mask의 pin-hole 에국지적으로탄소를적층한다. 현재까지 40nm의간격으로 70nm의선폭을구현하 였다. 이프로젝트는 2000년 8월에시작하여 2003년 7월에끝나며 EU 에서지원하고있다. 총 지원규모는 약 200 만 유로이며, 아일랜드의 National Microelectronics Research Center를주축으로스위스의 IBM 취리히연구소, 스웨덴의 University of Gothenborg 등 이참여하고있다. < 그림 2-8> Shadow Masking Technique (a) 공정순서도 (b) Shadow Mask와 Fe nanodot

145 라. Polymer Molding Polymer Molding은 diffraction grating, compact disk 등과같은마이크론크기의구조물을대량으로생산하는데오랫동안사용되어왔지만, 나노구조물의대량생산에도적용가능할것으로생각된다. Atomic Beam Lithography 혹은 Atom Optics라고불리는방법을이용하여 master 를만들고이를복제하는형식이다. < 그림 2-9(a)> 에서보는바와같이크롬원자가아래로향하게되는데, 원자들이실리콘표면에닿기직전에 laser standing wave 에의해원자들이한쪽으로비켜나게된다. 이러한원자들이선을만들어좁은선들의배열이형성되게된다. < 그림 2-9(b)> 의위그림은이러한방법으로만들어진크롬선배열이고, 아래그림은이것을폴리우레탄으로복제한것이다. < 그림 2-9> Atom Optics와 Polymer Molding (a) atom optics의원리 (b) 크롬선배열(master) 및복제품

146 3. 조립(Assembly) 기술 가. Robotic Nanoassembly 원자힘현미경(Atomic Force Microscope, AFM) 의팁을로봇으로사용하여나노입자들을어떤표면위에정확하고반복적으로위치시킬수있다. 이것은마치구식축음기가음반의흠을읽어가는방법과같은방식으로팁을끌고다니면서물질의표면을탐지하고읽어낸다. 이러한 AFM 은형상의영상화, 원자및분자의조작, 나노리소그래피등에적용가능하지만, 한개의팁을가진표준형 AFM을이용한나노조립은라인당약 50Hz인칸티레버와시스템의다이나믹스로인해생산성이낮아서주로시작품제작에사용된다. 대량생산에의적용을위해서는초( 超 ) 병렬팁어레이를가진 AFM 의개발이필요하고, 현재여러곳에서개발중이다. 5),6),7) < 그림 2-10(a)> 는개별적으로구동되고제어되는칸티레버프로브의어레이를나타내며, < 그림 2-10(b)> 는 5개의프로브가각각 20μm의간격을가지는상세사진이며, < 그림 2-10(c)> 는단결정실리콘으로만들어진프로브의 SEM 사진이며, < 그림 2-10(d)> 는캔릴레버프로브의전기접촉구조를나타낸다. 나. Lithographically Induced Self-Assembly Lithographically Induced Self-Assembly(LISA) 는 < 그림 2-11(a)> 에나타난바와같이 폴리머필름(homopolymer) 이평기판위에회전코팅되고, 마스크가폴리머필름위에간 격을두고놓인다. 그리고시스템은폴리머의유리천이온도이상으로가열된다. 결과적으 로중력과표면장력에대한돌기에의해만들어진필라는두판의간격을메운다 (Chou and Zhuang 1997, 1999)

147 < 그림 2-10> 칸티레버프로브의어레이 (a) 1cm의길이에 50개의칸티레버 (b) 200μm 간격을가지는프로브의 프로브를가지는전체어레이사진 상세사진 (C) 단결정실리콘으로만들어진 SEM 사진 (d) 칸티레버프로브의전기접촉구조 LISA의원리는아직까지분명하게밝혀지지는않았지만상분리와표면화학일시변이에의한자기조립과는근본적으로다르다. 과학적인측면에서볼때, LISA를이해하기위해서는다양한학문의결합이필요하다. 기술적인측면에서볼때, LISA는오랫동안찾았던두가지의목표에대한해법을제시한다

148 첫째는자기조립된구조물의방향과위치를정밀하게제어할수있고, 둘째는마스크패턴보다작은자기조립된구조물을만들수있다. 게다가 LISA는이론적으로는다른폴리머는물론반도체, 금속, 생체재료와같은단상재료에도적용이가능하다. LISA에의해만들어진규칙적인배열은메모리디바이스, photonic material, 새로운생체재료등에다양하게사용되어질수있다. 마지막으로 LISA는광리소그래피를사용하지않고폴리머전자및광전자디바이스를직접패턴할수있는유일한방법이다. < 그림2-11> LISA의공정도및이미지 (a) 공정순서도 (b) PMMA pillar array의 AFM 이미지 다. DNA-Directed Assembly DNA 칩혹은마이크로어레이는유리, 실리콘, 플라스틱등과같은고체지지물위에 DNA 의순서를미세한형태로정렬시키는디바이스이다. DNA 칩과마이크로어레이에관련된기업은 Affymetrix, Nanogen, PE Applied Biosystems, HySeq, Incyte, Molecular Dynamics, Genometrix 등많이존재한다

149 현재는진단용으로많이쓰이지만, 장기적으로는나노제조에적용가능하다. < 그림 2-12> 에나타난바와같이, Nanogen에서개발중인차세대전기적능동 DNA microarray는각자리에서제어된전기장을발생시키므로전하된분자들(dna, RNA, 단백질, 효소), 나노구조물, 세포등을디바이스표면상의어느자리로도옮길수있다. DNA hybridization 반응이일어날때, 이러한디바이스는칩표면상의특정자리에서 DNA 분자의자가조립이일어나도록하기위해서실제적으로전기장을이용하고있다. 이러한능동디바이스는 DNA 분자들이보다복잡한 3차원구조물로조립되도록 semiconductor host 혹은 motherboard 역할을수행한다.DNA 분자들은프로그램가능하고자기조립성질을가지고있다. < 그림 2-12> DNA-Directed Assembly

150 라. Strain-Directed Assembly Strain-directed assembly 는하향식물리적공정 ( 리소그래피로정의된표면구조) 과상향식화학적조립공정 ( 변형과화학조성적으로제어된침전) 을통합한다. 수직위치는 10nm GaAs 층으로한정되는반면, 20nm의입자들의수평위치는 200nm의표면 stressor에의해제어된다(< 그림 2-13>) (Kiehl et al. 1996). < 그림 2-13> Strain Directed Assembly 마. Molecular Self-Assembly < 그림 2-14> 는단일원자의전기적특성을측정한실험을나타낸다(Reed et al. 1997). 단일분자가전자디바이스의가장짧고궁극적인한계인두개의금속성접촉물사이의간격을연결해주는것을나타낸다. 분자가황원자의 end group( 무딘금구( 金球 )) 를가지도록 설계하여, 자동적으로금선( 金線 ) 접촉물상에조립된다

151 원자의위아래의떠는실제전류가흐르는전자구름을나타낸다. < 그림 2-14> Molecular Self-Assembly 4. 기타방법들 가.Template를이용한나노구조물의제작방법나노튜브를제조하는방법은다수알려져있으나, 개별적인튜브를쉽게다룰수있는안정된튜브를제조한경우는없다. 안정된튜브를제조한경우가아닌예로는 vesicle제조시 vesicle 에가교가능한고분자를투입하고이로부터튜브를제조한후, 가교하여매우작은지름을가진 strip 을제조한예가있고, 마치 dendrimer를연상시키는형태의구조물 이나 Y 결선을제조한예가있다(< 그림 2-15>)

152 < 그림2-15> Vesicle을이용한다양한형태의구및튜브 최근 vesicle, emulsion, lipid tubules 등에들어있는구및튜브를개별적으로실리카, 알 루미나, 타이타니아, 산화철, 실리카하이브리드등으로코팅할수있음이밝혀졌다. 이방 법의가장중요한점은이러한코팅이중성, 상온의증류수에서수행될수있을뿐만아니 라,vesicle head group 의전하의종류에관계없이성공적이어서, 매우다양한물질의코팅 에응용될수있다는점이다. 이러한기술을적극적으로활용하면, < 그림 2-16> 과같은나 노구조물을얻을수있다

153 < 그림 2-16> 나노구나나노튜브를이용한나노구조물 나. Holographic Lithography Holographic Lithography(HL) 는표준 photomask 대신에 hologram photomask를사용한 다.< 그림 2-17(a)> 는 hologram photomask 를 만드는 과정이고 < 그림 2-17(b)> 는 hologram photomask 를이용하여기판위의레지스터에패턴을전사하는과정이다. < 그림 2-18> 은이러한HL 을이용하여만든구조물을나타낸다. < 그림 2-17> Holographic Lithography (a) hologram photomask 만드는과정 (b) HL의과정

154 < 그림 2-18> HL을이용한나노구조물 5. 국내기술개발현황 1959 년파인만이 There are plenty of room at the bottom" 에서나노에대한개념을제 시한이후로나노기술의연구가시작되었다고할수있지만, 실질적인나노기술의연구는 불과 20 년정도이다. 따라서국내의경우이제걸음마를시작한단계라고이야기할수있 다. 국내의나노기술발전정책동향을요약하면다음과같다 프론티어사업으로 ' 테라급나노소자개발사업단' 발족 ' 나노기술정보교류회' 구성및 ' 나노기술포럼' 운영 범국가적 ' 나노기술종합발전계획' 의수립ㆍ확정 ' 나노기술산업화전략' 수립및 ' 나노기술산업화위원회' 구성 지역별 ' 나노기술산업화지원센터' 설립

155 국가과학기술위원회산하에 ' 나노기술전문위원회' 설치 ' 나노산업기술연구조합' 발족 ' 나노종합팹' KAIST에설치키로결정 프론티어사업으로 ' 나노메카트로닉스기술개발사업단' 발족 ' 나노핵심기반기술사업' 공고 ' 나노기술개발촉진법안' 국회통과 우리나라는나노제조기술에대한연구가국가적인계획으로계획되거나기업에서추진된실 적은거의없다. 올해 8월에공고된나노메카트로닉스기술개발사업단의나노메카트로닉 스기술개발사업이처음인것으로생각되며, 10월에공고된나노핵심기반기술사업도이범 주에속한다고볼수있다. 기업측면에서보면, 삼성전자가 Bell Laboratories의 SCALPEL 프로젝트에참가한것이거의유일한활동이라고할수있다. 이것또한, 기술적참여가아 닌경제적인참여로서, 그들의연구비의일부분을담당하고, 나중에발생하는장비사용에 대한기득권을주장할수있는단계에지나지않는다. 그러나나노제조기술과관련된기초 적인연구는각대학교와연구소를중심으로산발적으로이루어지고있는것으로파악된다. 과거의반도체산업육성에서경험한바와같이, 나노제조기술분야도국가적인차원의연구 개발계획이뒷받침될경우선진국과비교하면연구초기단계에있는국내수준이빠르게발전 할수있을것으로생각된다

156 제 3 장전망 나노제조기술은지금보다훨씬다양한나노재료를이용하여나노구조물을제조하게될것이다. 나노재료는지난 10 여년간많은연구가이루어졌고, 많은발전이있은분야이며, 앞으로도가장선도적인역할을할분야로생각된다. 혁신적인공정기술에대한절박한필요가존재하고있다. 다수의에너지영역에걸친하이브리드방법, 초음파와같은 3 차원영상및이를이용한제조기술, DNA-Directed Assembly 등이여기에속할수있다. 초음파를이용한태아의 3차원진단은이미적용되고있으며, 초음파를이용한형상가공도이미구현되어산업체에서사용중이다. 거시적관점에서적용중인이러한기술을융합하여나노제조에적용하는것이필요하다. DNA-Directed Assembly도 microarray와이에적용하는칩을이용한진단용으로쓰이고있으며, 이미많은회사들이이분야에서활동중이다. 관심은이기술을나노제작에적용하는것으로이미개념적으로는가능할것으로판단되고있다. 상향식방법과하향식방법간의간격을메울수있는기술의개발이필요할것이다. 즉, 중간스케일에서작동하는완전한기능을갖춘나노구조물을만들기위해서는하향식물리적조립의개념과상향식생화학적조립의개념이통합되는것이필요불가결하다. Strain-Directed Assembly, 3 차원조립등이이범주에속하고, 앞으로더많은방법들의개발이필요할것이다

157 끝으로, 나노제조기술의궁극적인목표는산업화수준의생산성과품질을갖춘제품의대량생산이므로이러한목표를달성하기위한기술의개발도병행되어야할것으로생각된다. 소프트리소그래피가현재로서는가장가능성이있는기술이라볼수있다. 특히. 나노임프린트및폴리머몰딩은좀더연구가되어야하겠지만가능성이높은것으로평가받고있다

158 참고문헌 1. KOSEN, "Electron-Beam Projection Technique을이용한 Nano-Pattering 기술동향 ", 해외첨단기술동향조사최종보고서, Y. Chen and A. Pepin, Nanofabrication: Conventional and Nonconventional Methods", Electrophoresis, , M.J. Madou, Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, S.Y. Chou, P.R. Krauss, and P.J. Renstrom, "Imprint Lithography with 25-nanometer Resolution", Science, , S.Y. Chou, U.S. Patent No. 5,772, S.Y. Chou, P.R. Krauss, W Zhang. L. Guo. and L. Zhang, "Sub-10 nm Imprint Lithography and Applications", J. Vac. Sci. Technol. B15(6), / S.A Miller, K.L. Tuner, and N.C. MacDonald, "Microelectromechanical Scanning Probe Instruments for Array Architectures", Rev. Sci. Instrum., 68, , S.C. Minne, G.Yaralioglu. S. R. Manalis. J.D. Adams, J. Zesch, A. Atalar, and C.F. Quate, "Automated Parallel High-Speed Atomic Force Microscopy", Applied Physics Letter, 72,

159 14. M. Despont, J. Brugger, U. Dreschsler, U. Durig, W. Haberle, M. Lutwyche, H. Rothuizen. R. Stutz, R. Widmer, H. Rohrer, G. Binnig, and P. Vettiger, "IEEE International Micro Electro Mechanical Systems Digest 1999", 564,

160 Ⅳ. 기계산업에서의나노테크놀로지 김재열 / 조선대학교이일형 / 한국과학기술정보연구원

161 제 1 장서론 1. 기계산업에서의나노기술개요 나노(nano) 라는단어는 ' 난쟁이' 를뜻하는 ' 나노스(Nanos)' 에서유래되어지금은아주미세한물리학적계량단위로쓰이고있다. 나노는 10억분의 1 이라는단위로서, 나노세컨드(ns) 는 10억분의 1 초, 나노미터( nm) 는 10억분의 1m 를가리킨다. 예를들어 1nm는머리카락굵기의 10만분의 1 에해당된다. 눈으로는볼수없는세계, 전자현미경을통해야접근가능했던극미의세계가나노의세계다. 나노기술이란한마디로이러한나노미터크기의물질( 나노물질) 들이갖는독특한성질과현상을찾아내, 나노물질을정렬시키고조합하여매우유용한성질의소재나시스템을생산하는과학과기술을통칭한다. 이러한나노물질을다루는나노기술만큼다양한분야에적용되는기술은흔치않다. 기술의용도도각각다를뿐아니라과학ㆍ산업ㆍ미디어등의분야에서서로다르게받아들여진다. 처음나노기술은반도체미세기술을극복하는대안으로연구가시작되었으며, 전자와정보통신은물론기계ㆍ화학ㆍ바이오ㆍ에너지등거의모든산업에응용할수있어인류문명을획기적으로바꿀기술로떠올랐다. 이러한나노기술이기계산업에서적용될수있는분야는 < 그림 1-1> 에서보는바와같이미세가공분야인초정밀절삭가공기술과초정밀연삭가공기술, 미세방전가공기술등을예를들수가있다

162 기계시스템에서나노기술을구현하기위해서는여러가지복합적인기술을요한다. 예를들자면초정밀메커니즘설계기술, 나노계측기술, 초정밀위치결정기술, 청정환경기술등이선행되어연구가진행되어야한다. < 그림 1-1> 초정밀가공의응용분야 또한기계산업에서의나노기술은선진국의기술보호가가장심한분야로국내에기술보급이제대로이루어지지않아관련핵심부품의자체개발의한계를보이며, 외국업체에개발을의뢰하거나외국업체에서개발된부품을응용하는단계를벗어나지못하고있다. 물론초정밀가공시스템을개발하기위한요소기술, 시스템개발기술등의연구에성공한사례도있지만이미나노미터( nm) 수준의가공정밀도를완성한기술에뒤떨어지지않기위해서는보다활발한연구가뒷받침되어야할것이다

163 이와같은미세가공을수행하기위해서는기존의공구보다더욱미소하고고정도로제작된공구, 재현성과신뢰성있는동작성과고정도의위치및이송, 절입량설정제어가가능한전용시스템, In-process 모니터링기법등의적용이요구되는한편, 다양한 D/B의확보와축적된가공상의노하우등이필요하다. 아울러물리적인측면에서는가공가능한범위의크기규모, 가공공정이마이크로구조에미치는영향, 마이크로구조가가공공정에미치는영향및가공면의화학적인영향등에대하여부가적으로연구를수행할필요가있다. < 그림 1-2> 미세가공기술의적용예

164 생산기술적인측면에서는미소한공구를사용한제거가공에있어서요구되는상대적인강 성문제, 변형에따른정도부족현상등을보상하기위한동작제어문제, 미소한공구와 공작물의회전정도문제, 가공상의신뢰성과재현성향상을위한공정및조건의정립, 제 어문제와각가공공정의적용가능범위설정문제등을해결하기위한연구들을수행할 필요가있다. 상업화를위한측면에서는경제성을고려한생산량설정, 생산비용, 설계시간을포함한생 산작업시간, 제품화를위한제반기술의적용, 경제적인조립등을다양하게고려할필요 가있다. < 그림 1-3> 미소구조물및부품의제조와관련된생산기술개념

165 또한, 미소구조물및부품을개발하기위해서는적용가공기법, 공구와가공물의핸들링및취부, 장탈착등치구설정기법, 공구교환, 미소공구용홀더, 공구소재, 적응제어등의툴링및가공면품위향상기법, 측정과 In-situ 모니터링기법등에대하여전반적이고체계적인요소기술들이해결되어야할필요가있다. < 그림 1-3> 에는미소구조물및부품의제조와관련된생산기술개념을도식적으로나타내었다

166 제 2 장기계산업에서의나노기술응용분야 1. 초정밀절삭가공 가. 초정밀절삭가공기술의개념초정밀절삭가공기술은 0.1 mm이하의미세드릴링기술, 미세앤드밀가공기술및단결정 Diamond Bite와초정밀가공기를이용한서브미크론단위의초정밀경면절삭가공이주류를형성하였다. 이러한기술들은최근수십미크론의미세드릴, 직경 0.2mm급의앤드밀및미세가공용으로제작된수십나노미터단위의다이아몬드공구등에의해초미세초정밀가공기술로변천하고있다. 또한최근에는고생산성을위한초정밀고속가공기술의필요성과함께환경친화형절삭가공기술의필요성이이슈가됨에따라이러한분야에대응한초정밀가공기술의개발도주요한테마가되고있다. 나. 초정밀절삭가공기술의특성급변하는기술환경의변화와더불어절삭가공의기본이되는가공조건및가공현상의규명에도많은기술적발전이있었으며, 특히실용화가능한초정밀부품가공분야에서는커다란기술적변화가일어나고있다

167 가장대표적인예의첫번째는기존의초정밀경면가공기술을이용한비구면, 비축대칭반사경, 마이크로렌즈, 회절격자등초정밀고성능광학부품의개발분야이고, 두번째는밀리머신, 마이크로머신등초소형미세형상부품의수요에대응하기위한각종 Micro parts 의초정밀미세가공기술의발전이다. 이중최근의기계적미세가공기술분야는 Micro parts 가공에있어서고에너지가공이나전기, 화학적가공을위주로하는 MEMS 기술, 반도체가공기술등에대응하기위하여nm수준의극한정밀도의추구및가공방법의획기적개선을위한노력에심혈을기울이고있다. 초정밀을수치적으로나타내기위해시대의변화에따른표면가공정도의발전추세를보면현재의한계는 μm~0.01 μm정도임을알수있다. 단, 절대치수에대한정밀도를나타내는형상가공정도의경우에는이보다한단계위인 0.05 μm~0.1μm가그한계라고생각할수있다. 또한 1μm 0.1μm 0.01μm로정밀도가한단계씩향상되는데에는약 25~30 년정도가소요됨을알수있으며이러한추세로보아 2010~2020년대에는가공정도가가공재의격자간격정도까지접근할것으로보여 2000년대의초정밀가공은분자의배열까지를고려한새로운방식의가공이추구되어야할것으로보인다. 다. 초정밀절삭가공기술의국내동향최근선진국들을중심으로 Milli structure나 Micro machine의개발을위한연구가활발히진행되고있으며, 그중미세가공기술( 마이크로가공기술) 은핵심주요요소기술로서차지하는중요성이매우크다

168 현재수행중인마이크로가공기술은리소그라피와엣칭등의반도체제조기술을응용한 것과절삭, 연삭, 방전가공등의일반기계가공기술을응용한것으로크게분류될수있 다. 전자는두꺼운소재나혹은소재의재질에따라제한될수있으며, 후자는연삭이나방전가 공의경우에있어서는생산성은양호하나우수한가공면품위를얻기가곤란하다. 따라서 생산성이우수하고가공자유도가높은절삭가공의적용이바람직한경우가있다. 그러나 종래의초정밀절삭가공기술로는소재의고품위가공면을달성할수있지만선반을이용 한실제적인초미세부품화로의적용예는그다지많지않다. 따라서초정밀가공기상에서 단결정다이아몬드바이트를이용한밀리가공을수행하여 3차원형상의초정밀마이크로 부품을생산하기위한관련연구가진행중에있다. 국내의경우에는한국기계연구원에서직경 μm의마이크로드릴을제조할수있는공 정및평가기술에관한연구를수행하는한편, 스태핑모터를적용한전용가공시스템을 활용하여박판에대한고세장비의천공실험을수행하고있다. < 그림 2-1> 은한국기계연구 원과참여기업이공동개발한마이크로드릴링시스템과드릴링공정및성능평가시스템이 며, < 그림 2-2> 는본시스템을적용하여직경 100μm 및 50μm의마이크로구멍을가공한 모습이다. 또한, 한국기계연구원에서는초정밀경면절삭가공기술개발의일환으로 < 그림 2-3> 과같은 초정밀경면가공기를개발하였으며, 각종재료및제품형상의경면가공기술개발에대한 연구를수행하였다. 이와 더불어 최근 한국기계연구원에서는 초소형 부품 즉, Milli-Structure또는 Micro machine 용의미세부품을초정밀절삭가공을통하여실현하기위한준비를진행하고있다

169 < 그림 2-1> 마이크로드릴링및성능평가시스템구성도 < 그림 2-2> 직경 100 μm, 직경 50μm드릴링예

170 < 그림 2-3> KIMM의초정밀경면가공기 삼성전자는국내최고의초정밀경면가공설비를기반으로다양한초정밀광학부품을생산하고있으며, 최근에는자유곡면과같은비구면을갖는고난이도가공공정의레이저프린트용 F-θ 렌즈의개발에성공하고있다. 기초과학기술연구소에서도 '98년도에도입된초정밀경면가공기를기반으로각종초정밀부품및금형가공기술을개발하고있다. 그러나이와같은국내의기술개발은대부분외국의장비와기술에의존하기때문에아직독자적인마이크로가공기술을확보하지못한수준이라고보여진다. 따라서국내에서도 21 세기를주도할 Micro Machine용부품들을생산할수있는초초정밀도개념의미세절삭가공기술개발에더욱노력해야할것으로보인다

171 라. 초정밀절삭가공기술의국외동향 (1) 일본 일본은마이크로절삭가공기술분야에서세계에서가장활발하다고볼수있다. 일본의기 계기술연구소에서는마이크로공장의실현을위한기초연구를수행함으로써 < 그림 2-4> 와같은세계에서가장작은미소선반을제작한바있다. Laminated Piezo 엑츄에이터방 식에의한 XY 구동유닛트와마이크로모터에의한주축디바이스등을중심으로제작되었 으며, mm의크기와 100g 의중량을지닌다. 주축디바이스의구동용량은 1.5W 이며일반선반에비하여크기는 1/50, 중량은 1/10000, 소요동력은 1/1000 정도라는특 징을지닌다. < 그림 2-4> 미소선반

172 이상의마이크로선반을이용하여직경 2mm의황동봉을절삭가공하여 1.5 μm(rmax) 의가공면거칠기와 2.5μm의진원도를획득함으로써일반선반과동등이상의성능을발휘할수있다는것을확인하였다. 최소직경 60μm까지의공작물에대한가공이가능하며아세테르레진봉과같은소재도가공이가능하다. 마이크로머시닝은일반적으로실리콘옥사이드와같이취성재에대한리소그래피가공으로국한되어알려져있는것이사실이다. 그러나최근쉽게제작할수있는금속재에대해서도마이크로머시닝과마이크로미케니즘의도입이요구되고있다. < 그림 2-5> 에는고속에어스핀들을탑재하여새로개발된선반형의초정밀소형밀링머신으로금속재에대하여부조형의조각방식으로마이크로가공한예를나타내고있다. 그림의좌측은 CAD에의해작성된인상이며우측은이를이용하여금속재에대하여가공면거칠기 77 nm(rmax) 를지니는직경 3mm크기의고품위의소형인상가공을한예를나타내고있다. < 그림2-5> (a) CAD에의한인상 초정밀소형밀링머신에의한마이크로가공예 (b) 마이크로가공예 (c) 마이크로가공예

173 동경대에서는각종정보기기와관련한분야의기술이고도화되면서이러한기기를구성하 는부품이나장치가점차고밀도화, 초소형화됨에따라마이크로미케니즘의가공, 제작및 응용에관한연구를진행중에있으며, < 그림 2-6> 과같은최대속도 100,000rpm의초고 속스핀들을탑재한마이크로선반을시제작하여직경 10μm 정도의마이크로구조를가공하 는실험을수행중에있다. < 그림 2-6> 초고속스핀들을탑재한마이크로선반 또한, 3 차원형상의마이크로구조물을가공하기위하여 < 그림 2-7> 과같이초음파모터를이용한마이크로머시닝머신을시제작하여 SEM의진공챔버에서관찰계에악영향을주지않도록하는한편, 차원의입체형상을관찰할수있는특수한모델의 SEM을개발하여적용관련연구를수행하고있다

174 < 그림 2-7> 초음파모터를이용한마이크로머시닝머신 일본의히타치사에서는직경 200 μm급의마이크로드릴을개발하여상품화하고있으며, 세 이코사에서는자체적으로직경 80μm급의마이크로드릴을가공제작하여시계용초소형무 브먼트의가공에활용하고있다. 일본나고야기술연구소와미국콜로라도대학교는전해가공을이용하여 FIM(field ion microscopy) 용미세선단(sharp tip) 가공을수행하여선단반경 5nm의미세선단을가공 하였다. 그이외에다이아몬드선삭을비롯하여일반가공법의극미세화, 정밀화를통하여 기계적미세가공에대한연구가진행중에있으며, 특히 3차원구조를지닌미세금형제 작기술에많은관심이모이고있는추세이다. 일본 FANUC 사에서는 < 그림 2-8> 과같이 ROBOnano Ui라는초정밀마이크로머신을개 발하여선삭에서 3 차원형상가공까지복합가공이가능하게하였다

175 < 그림 2-9> 는이머신의구성도를나타낸것이다. 이기계로지금까지 lithography로제작하기어려웠던자유곡면형상의회절격자나비구면렌즈의금형을가공하는것이가능하다. 공기정압으로 200mm의이송거리와 1nm의분해능을갖는 Non-friction servo system, 2nm오차이내의이송서보모터트랙등의특성을가지고있다. < 그림 2-8>ROBOnanoUi 초정밀마이크로머신 < 그림 2-9>ROBOnanoUi머신구성도

176 < 그림 2-10> 에는이기계를사용하여직경 1 mm, 높이 30μm의가면마스크를경면가공한예를나타내었다. 재질은황동이며공구회전수는 50,000rpm, 가공속도는 5 mm/min으로약 2 시간가공으로 58nm Rmax 의표면조도를얻었다. 공구를회전시켜엔드밀과같은효과를내는일종의 Fly-cut 방식이다. < 그림 2-10> 직경 1mm가면마스크 (2) 미국미국의경우주로빔가공및엣칭가공등에의한마이크로머시닝기술을주력하여개발하고있다. 따라서마이크로기계가공분야의연구는상대적으로활발히이뤄지지않다고볼수있으며대표적인관련연구의수행내용은다음과같다. 미국 Purdue 대학교에서는미세방전가공중정확한방전상태진단과전극이송제어에관한연구가진행중이며, 로체스터대학에서는 Moore Tool사와공동으로 Nanotech 150AG 라는절연삭공용초정밀가공기를개발하여직경 10mm급의비구면마이크로렌즈에대하여진원도 1 nm, 가공면결함층 1~2 nm급의정밀가공을수행하고있다

177 또 National Jet사에서는마이크로드릴링머신및드릴을개발하여 25μm의구멍을 2.5μm의 정밀도로가공하는데성공하고있다. 1966년미국 Union Carbide사에의해다이아몬드공구를이용한경면절삭가공기가발표된 이래 LLL, CUPE 등의연구기관및 Moore, Pneumo Precision, Philips, 束芝機械 등의업 체가중심이된초정밀선반의개발경쟁은최근반도체, 전자. 광산업에있어서의괄목할만 한성장과더불어그열기가한층더해가고있다. < 그림 2-11> 은 Union Carbide사가 du Pont 사와의계약에의해개발된최초의다이아몬 드선반 du Pont 1 호기(Hemis-phere Turning Machine) 의구조로서주축에다공질소결 graphite제공기베어링을이용하여직경 4" 의반구면을표면조도 0.025μm CLA 이내로가 공할수있는성능을갖추고있다. < 그림 2-11> du Pont 1 호기(Hemisphere Turning Machine) 의구조

178 1966년에는 ø 150mm이하의구를칫수공차 0.51μm이내로가공할수있는 du Pont 2호기 (Hemishell Turning Machine) 가제작되었으며 1972년에제작된 du Pont 3 호기(R-θ Lathe) 는 2 개의공기베어링주축을사용, ø 50~400mm의내ㆍ외구면및방물면의가공이가능하도록제작되었다. 한편 1977년부터는미국공군병기연구소와공동으로직경 800mm의비구면광학부품을 0.1 μm정도로가공할수있는 POMA(point One Micrometer Accuracy) 프로젝트를수행하였으며, 그목표정도를정리하면 < 표 2-1> 과같다. < 표 2-1> POMA계획에서의목표정도 1 Rank Pneumo Precision사초정밀선반전문제작업체인 Pneumo사에서는 1970년대말부터직경 300mm까지의비구면가공용 2축제어 CNC선반인 MSG-325, polygon mirror가공기 MGS-500, 14 까지의자기디스크가공용정면선반인 MGS-700 등을상품화하고있으며 1988년에는초정밀선반에연삭기능을첨가한비구면가공기 ASG-2500 을발표하여전자, 광산업중심인초정밀선반의세계시장을대부분점유하고있다

179 또한최근에는 1990 년대초정밀시장을겨냥, 새로이개발한 NANOFORM 600을발표했는 데베드에는 granite 재료, 주축에는공기정압베어링을사용하였고, 안내면에는유정압방식 을 사용하여 위치결정정도 0.25 μm//300 mm, 분해능 1.25nm의 성능을 보이고 있으며 ø mm까지의공작물을가공가능하도록되어있다. 직경 75mm의 OFHC동에대한비구 면가공실험결과형상정도 0.1 μm이내, 표면조도 0.01nm Rmax이내의가공정도를보이고있 다. 2 Cranfield Unit for Precision Engineering(CUPE) CUPE에서는대형 X 선천체망원경에사용될비구면반사경( 최대경 1,400 mm, 최대길이 600 mm의원추경) 을가공하기위한초정밀선반을발표하였다. 이기계는 British Science and Engineering Research Council과의계약에의해 X선망원경에사용될내측회전방물면과외측회전쌍곡면을가공하기위한것으로베드재료로는인조 granite를사용하였으며 X 방향이동정도는 0.5 arc sec/1,100 mm, rotary table은공기베어링을사용하여회전정도 0.1 μm, 반경방향강성 876N/ μm을보이고있다. 원추형부품의가공실험결과는 300mm의길이에대해진직도 0.2 μm, 진원도 0.4 μm이내의가공정도를나타내었다. (3) 유럽유럽국가공동체의경우미국과동아시아권경제권과의미래기술경쟁력강화를위하여마이크로시스템관련기술의확보를목표로연구를수행중에있다

180 이는지구환경친화성을주창하는유럽선진국들의에너지및자원절감의역할과폐기물발생억제측면등을위해서라도부품이나구조물의미소화를통한미래형새로운제품의생산이라는명분에도충분히합당되는것이다. 기존의생산기법으로는마이크로급크기의형상을제어하여고정도로가공한다는것이거의불가능하며, 따라서새로운가공기법이나핸들링기술이요구되는한편, 적용가능한소재도매우국한될수밖에없다. MicroMac이라는연구과제를통하여주로마이크로방전가공관련기술등을중심으로개발하며강재나신소재등으로마이크로부품이나구조물을가공, 제작하여적용하려는추세이다. 예를들어터빈용마이크로흘등의항공기산업관련분야, 마이크로모터등의의료기기산업관련분야, 시계등의정밀산업관련분야와연료분사기등의엔진관련분야및컴퓨터관련기기산업분야등이그적용대상군이라고할수있다. 독일 KUGLER 사에서는 < 그림 2-12> 와같은 Micro Turning M/C ( 모델명 : D75/150) 을개발하여시판하고있다. < 그림 2-12> Micro Turning M/C ( 모델명 : D75/150)

181 에어베어링을채택하여평면, 구면및원추형상과비구면형상을모두가공할수있으며로터리테이블을위한 C 축( 에어베어링채택) 을추가할수있다. X축이동거리가 150mm로써직경 50mm의공작물까지가공할수있고 5 nm(ra) 급의가공면거칠기를생성할수있으며, 대표적인예로콘택트렌즈, 마이크로사출성형용금형등을가공할수있다. 독일의 Fraunhofer 연구소에서는미세절삭과밀링가공을적용하여마이크로구조요소부품을가공제작하였으며, 초미세선반을이용하여 < 그림 2-13> 과같은마이크로샤프트를가공하였다. 그림에서큰직경은 50 μm, 작은직경은 8μm이며가공면거칠기는약 10nm (Ra) 로매우양호하다. < 그림 2-13> 마이크로샤프트가공 독일의 DATRON Electronics 사에서는초정밀고품위가공을수행하기위하여 < 그림 2-14> 와같은최대스핀들회전속도 70,000rpm의 3축 CNC 마이크로머시닝센터를개발하여마이크로드릴링및밀링과관련한연구를수행하고있다

182 스위스의 ISR연구소에서는복잡한소형구조물내에서쉽게적용할수있는마이크로 Stick&Slip 엑츄에이터를개발하여관련응용연구를수행하고있다. < 그림 2-14> 3축 CNC 마이크로머시닝센터 마. 초정밀절삭가공기술의국내기술과국외기술비교 Milli Structure나 Micro machine의개발은선진국들을중심으로핵심주요요소기술로서차지하는중요성이매우커지고있다. 초정밀절삭가공기술의현재국내의기술들과국외기술을비교해볼때선진국에비해국내의기술들은상당히낙후된실정이다. 국내의한국기계연구원이나삼성전자, 기초과학기술연구소등에서각종초정밀부품및금형가공기술들을개발하고있으나국내의기술개발은대부분외국의장비와기술에의존하고있다

183 세계에서일본은마이크로절삭가공기술분야에서가장활발하게연구를수행하고있고, 그밖에미국의 Rank Pneumo Precision사나 Cranfield Unit for Precision Engineering(CUPE) 사등에서도초정밀선반을개발하고, 유럽국가들에서도미래기술경쟁력강화를위해마이크로시스템관련기술의확보를목표로연구를수행중에있다. 이처럼절삭가공기술이 21세기를주도할 Micro Machine용부품들을생산할수있는중요한기술로서자리잡고있는현재에우리기술이미약한만큼미세절삭가공기술개발에더욱노력해야한다. 2. 초정밀연삭가공기술 가. 미세연삭가공기술의개념초정밀가공이라는기술용어가사용되기시작한것은 1960 년대전반이다. 초정밀가공은가 공에서최첨단기술에위치하기때문에처음에는최고의데이터로적용되었다. 그리고마침 내는생산활동에응용되어재현성을높이고동시에보편화의길을걷기에이르렀으며현재 는첨단산업을떠받치는중요한생산의하나가되었다. 특히본기획사업의내용인각종제품및부품의 Milli-Structure는수 mm의크기와수 μm 의정밀도를갖는기계요소또는그것들의조립체를지칭하며, MEMS 기술에의한 Sub- mm크기의 Micro-structure 에대응되는개념이다

184 현재국내외적으로기계적방법에의한초정밀, 초소형가공기술과반도체제조공정을이용한 Micro-machining 연구가활발히진행되고있으며산업체응용측면에서 Milli-structure에대한중요성이매우커지고있기에이분야에대한집중적인연구투자가이루어지기시작하고있다. < 그림 2-15> 는고기능성 Milli-Structure 가공을위해구비되어야할 Micro-Grinding 가공시스템의구성요소와그가공특성에대한전체적인개념도를나타낸다. < 그림 2-15> 마이크로그라인딩의개념도 나. Micro-Grinding의연구분야 일반적으로 Micro-Grinding 가공을통하여얻고자하는것은미세흠가공과경면가공이 다

185 정밀기기산업등에사용되고있는정밀소형부품및소형금형의가공에서는가공정도와가공능률이동시에달성되는것에대한요구가많지만, 기존의연마방법은가공정도와가공능률에한계가있다. 또한최근에는연삭가공으로연마가공에필적하는가공면품질을얻고자한다. 작업환경의개선뿐만아니라유리지립에서고정지립으로의전환을추구함으로써생산성을향상시키고연마공정의관리를쉽게하는데목적이있다. 이를위해금속결합제의미세지립숫돌을안정적으로사용할수있게하는새로운가공원리가개발되어보다고품위의고능률가공이가능한초정밀경면연삭기술로발전이기대되고있다. 즉, 전해인프로세스드레싱(Electrolytic In-Process Dressing: ELID) 이개발되어고강도메탈본드숫돌을이용하여가공중드레싱이가능함에따라매우고운입자의숫돌을이용한여러경취재료의경면연삭( 표면거칠기가수nm이하) 이가능하다. 또한금속결합제의결합강도가매우높기때문에특히경한재료의가공에큰장점을가지고있어초경합금, 세라믹재료등의경취성재료를고품위가공하는데적용을할수있다. 또한숫돌의결합강도가매우높아서숫돌의형상유지가다른숫돌에비해상대적으로매우양호하다. 따라서아주얇은두께를가진휠로장시간가공을행하여도형상정밀도가우수해서, 특히미세흠가공시매우양호한가공정도를얻을수있다. 예로서, 일본에서는 ELID를이용한 Micro-Grinding 기술로 1mm의간격안에 1,200 개( 개당 흠간격: 약0.83 μm) 의미세흠을가공한경우를볼수있다

186 이러한가공기술을여러가지의기능성소재의가공에적용을시켜서미세현미경이나카메라등의광학렌즈( 직경 : 수백μm) 나소재가페라이트인 VTR 헤드등난삭재료의고정밀, 경면가공에적용을할수있다. Micro-Grinding 의주요연구분야는아래와같다. ㆍ Desk-top형마이크로연삭기개발ㆍ극소형연삭숫돌개발ㆍ형상유지를위한연삭숫돌의발란싱, 트루잉, 드레싱기술개발ㆍ미세가공물의고정기구개발ㆍ형상오차보상기술의개발ㆍ가공중계측및평가기술개발ㆍ제품적응형생산기술의개발ㆍ치핑, 형상변화, 크랙, 가공변질층, 잔류응력해석평가기술 다. Micro-Grinding 기술의특성일반적으로연삭이절삭가공에비해가공능률및운동의자유도는멀어지나고품위( 고정도, 경면가공) 의가공을달성할수있으며연마가공에비해서품위는떨어지나고능률로가공을할수있는장점이있다는것은많이알고있다. 다인( 多刃 ) 공구의휠을사용하는연삭의초정밀화는절삭을대신하는가공기술로서상당한비약이있어왔고앞으로도있을것으로전망되고있다. 연삭기의발전과더불어초정밀제어가가능해지고초미립의연삭입자 (Diamind, CBN) 의개발로경취성재료에대해서도크랙을유발하지않고휠의작용흔적이남지않는등가공물표면에손상을주지않는고도의경면가공을기대할수있다

187 이에메탈본드숫돌의개발과함께 ELID라는전해인프로세스드레싱기법이개발되면서각종경취성재료의한층더나은고품위가공이가능하게되었다. 이와같은연삭에있어서의진보적인발전은연삭저항및가공능률, 가공형상에제약이있으며숫돌의형상및공작물의크기에대한검토가요구되어지고있음에도불구하고각종주요기능성부품의가공에적용되어왔고앞으로도그활용에대한무한한가능성이기대되고있다. 일반적으로마이크로머신의생산기술은당초반도체제조기술을원용한것이다. 반도체를만들때먼저실리콘제의기판을높은열로태워표면에유리막을만든다. 그위에감광제를바르고회로를그린원화를축소하여인화한뒤다른실리콘부분은노광등의방법에의해제거한다. 마이크로머신을만들때도처음에는기판위에여러층의막을입히고기어나클립의모양을인화한뒤그부분만남겨두고나머지는제거한다. 기판에서떨어져나가는부분과남게되는부분을잘조합하면마이크로머신이완성된다. 이른바 MEMS라는이신기술은전자회로와작동하는기계를한개의작은실리콘패키지속에서조합한것이다. 초보적인 MEMS 시스템은미국, 일본, 독일을비롯한여러나라에서널리사용되고있고그중의하나가수백만대의승용차에설치된머리카락굵기의센서- 엑추에이터이다. 이러한초정밀가공기법을이용하여마이크로부품들을제작할수있지만, 기존의 Silicon Process에서많이쓰이는전기화학적인방법들은그가공특성이 2차원적이라는한계점과가공재료의제한등으로인하여 Micro 부품과같은 3차원적인형상가공과다양한재료에의적용에있어서는많은제약이있어서적용이어렵거나아예적용이불가능한경우도있다

188 또한가공공정중에발생하는언더컷과재료의방향성때문에발생하는재료의선택적제거등의문제점들때문에이러한미소부품을가공하기위해 Micro-Grinding 기법을많이적용하고있으며, 최근 Micro 부품및금형을가공하기위해각종 Micro-Grinding 기술과장비의개발이요구되고있다. < 그림 2-16> 은초정밀가공에서중요한표면의크랙이나균열등과밀접한관련이있는가공의메커니즘에관한내용이다. 고정도, 고품위의면을얻기위해서는취성이아닌연성모드에서의가공이중요하다. 이는특히취성재료의가공시절입깊이에상당히민감하며, 다음의그림들은그에대한도식적인설명들이다. 이에대한내용들에서볼수있듯이절입깊이가깊을수록연성모드로의가공에유리하다. < 그림 2-16> 그라인딩메커니즘의이미지 라. 초정밀연삭가공의국내동향국내의고속절삭분야에서는공작기계제조업체및절삭공구업체를중심으로기술개발을서두르기시작했으며, 학계에서는 KAIST, 연세대, 서울대, 부산대등에의해현재공구개발, 절삭메커니즘및고속절삭가공기등을중심으로연구ㆍ개발하고있다

189 그리고우리나라는 1996년초에초소형정밀기계분야의기술개발을국가가지원하는선도기술개발사업(G7 프로젝트) 으로지정하고산, 학, 연, 관공동사업으로추진하기시작하는한편정부로부터 4억4 천만원의지원을받은( 주) 메디슨이초소형내시경을개발하고있다. 연삭기술에대해서는한화기계에서그라인딩센터를개발하고, 연삭숫돌제조업체에서는경면가공용연삭숫돌의제조에관심을가지고있으나상품화에는미치지못하고있으며, 학연계에서는한국생산기술연구원, 한국기계연구원및부산대등에의해경면연삭, 드레싱기술및가공표면해석에관해연구를하고있지만아직선진국의수준에는미치지못하고있는실정이다. Micro-Grinding 가공에서또다른측면인미세가공의기술의분야에서도일본의경우 1μm이내의크기를가지는미세흠을가공할수있는것에반해아직국내의현실은미치지못하고있는실정이다. 이러한가공기술과공구및공작기계발전의미흡으로인하여설비뿐만아니라여러가지의정밀부품들이외국, 특히일본으로부터대부분을수입해쓰고있는실정이다. 실제로국내의 D전자사의경우에는기능성부품연삭공정에사용되는장비를일본의히타치사로부터전적으로수입해쓰고있으며일부라인에문제가생겼을때그문제를해결하는데에상당한어려움을겪고있다. 또한공작기계의자동화에서이송정밀도에가장중요한영향을미치는 Ball Screw의경우를본다면현재전세계적으로 Ball Screw의총생산량을집계한다는것은불가능하나, 전체공작기계매출액의 5% 를 Ball Screw의매출액으로추정 한다면'92 년도기준으로, 약1조 4 천억원정도된다고볼수있다

190 그러나 Ball Screw 가공작기계뿐만아니라, 자동차의파워스티어링, 로봇이송축, 측정기기의이송부등공작기계외에사용되는경우와 A/S로소요되는 Ball Screw까지합한다면전세계적으로 Ball Screw 의매출액은그이상이된다고볼수있다. 이러한규모로인하여Ball Screw 시장을겨냥하여많은국가에서제작을하고있으며국내에서는대성정밀공업( 주) 에서자체적으로생산을하고있으며, 제작상의어려움들로인하여다른업체에서는아직제대로생산을하지못하고있는실정이다. 하지만이마저도국내공급의단 2% 정도만공급하고있으며나머지는외국( 일본, 대만등지) 에서수입하여쓰고있는실정이다. 이는국산의 Ball Screw가 Co 급을생산하고있는일본에는품질면에서밀리고, 대만제품에는가격면에서밀리기때문이다. Ball Screw의주된불량은구동시의소음문제와이송정밀도의차이및구동면과 Ball 의접점문제등이있는데이는소재문제, 열처리문제등도중요하지만무엇보다도정밀한가공기술의부재에서오는결과라고볼수있다. 예를들면에어컨의효율향상을위해중요부품인내면나선동관 (Inner-Grooved Copper Tube) 을사용하고있으며내면나선동관제조과정에서가장중요한인발공구(Plug) 는전량수입에의존하고있기때문에국산화를위해부산대에서미세형상가공기술을개발하고있으며치핑, 형상보정, 마이크로크랙에대하여지속적인연구를진행하고있다. 이러한예들에서볼수있듯이장비나가공기술에대해서하루빨리국산화가이루어져야만가격경쟁력을확보할수있게되고나아가서국가경쟁력을확보할수있을것이다

191 마. 초정밀연삭가공의국외동향 Micro-Grinding 과관련하여국외에서연구되고있는초정밀연삭/ 연마가공에대한진행내용및연구동향은다음과같다. 1 연성모드(Ductile Mode) 에의한경면연삭ㆍ절삭개념으로부터유도ㆍ연성모드연삭의개념도입ㆍ고강성연삭기의필요성ㆍ경면연삭법개발 2 전해인프로세스드레싱에의한경면연삭ㆍ주철본드숫돌개발ㆍ전해연삭 3 초미립숫돌에의한경면연삭ㆍ미립숫돌(CBN/Diamond) 에의한경면연삭ㆍ전기동영상을이용한초미립숫돌의개발과경면연삭ㆍ초미립숫돌의개발과실리콘웨이퍼의경면연삭 4 초정밀연마가공기술ㆍ Chemo-Mechanical Polishing ㆍ Mechano-Chemical Polishing ㆍ Float Polishing ㆍ Magnetic Field Assisted Finishing

192 ㆍ Electrolytic Abrasive Mirror Finishing ㆍ Elastic Emission Machining < 표 2-2> 에서현재개발및연구가진행되고있는초정밀연삭가공기술현황을간단한결과와함께소개하였다. < 표 2-2> 초정밀연삭가공기술의현황 Process Workpiece Ra( nm) Fine Grinding ㆍ ELID with micro grain cast iron bonded wheels Si3N4 Single crystal Si BK Rmax ( nm) Reference Ohmori(1990) Bandyopadhyay (1996) Ohmori(1995) ㆍELID with chemomechanical grinding Single crystal Si 4 H.D.Jeong(1996) ㆍUltraprecision grinder w/glass-ceramic spindle Optical glasses Mn-Zn ferrite < Namba(1993) Namba(1992) ㆍGrinding w/metal bonded wheel SiC 4 Suzuki(1995) + diamond abrasives ㆍCast iron fiber bonded diamond wheels SiC 2-5 Zhong(1992,1994) Al2O3-TiC 30 Matsuo(1997) ㆍFine grain diamond Mn-Zn ferrite 20 wheels(1-2 μm) Si3N4 4-9 Ichida(1993) ㆍ3-6μm diamond wheels Si 11 Puttick(1994) ㆍGrinding Si < 8 w/electrophoretically Sapphire 22 abrasive pellets Ikeno(1990) ㆍ Double-sided lapping w/ resin bond stone High purity Al alloy 20 Tomita(1996)

193 Process Workpiece Ra( nm) Rmax ( nm) Reference ㆍCoated abrasive tape Al alloy w/ texturing undercoat Yanagi(1992) ㆍGrinding w/directionally aligned SiC wheel Hardened steel 4 Yamaguchi(1995) ㆍSuperfinishing w/cbn Hardened steel < 30 Onchi(1995) ㆍSuperfinishing w/fused Puthanangady(1995 Hardened steel 60 alumina ) Fied Assisted ㆍMagnetic fluid grinding w/sic abrasives 100 Umehara(1994) w/diamond abrasives ㆍ Magnetic float polishing w/al2o3 abrasives w/cr2o3 abrasives w/ceo2 abrasives w/sic abrasives ㆍMagnetic abrasive finishing w/diamond abrasives ㆍMagnetic abrasive finishing ㆍDicing using electrophoretic deposition + diamond blade ㆍPolishing using electrophoretic deposition + diamond blade Lapping/Polishing ㆍLapping w/sintered cast iron plate with CBN abrasives ㆍLapping w/tin lap with diamond abrasives Si3N4 ball Alumina pastes Si3N4 balls Si3N4 balls Acrylic resin Komanduri(1996b) Jiang(1997b) Tani(1984) Si3N4 rollers 40 Shinmura(1990) Stainless steel rods Brass tubes Fox(1994) Umehara(1995) Lithium Niobate 20 Ikeno(1992,1994) BK7 40 Suzuki(1994) Tungsten carbide 100 Hagiuda(1981) Poly Mn-Zn ferrite 0.9 Touge(1996)

194 ㆍ Lapping w/tin lap + various fine particles ㆍ Lapping wheel w/low bonding strength Process Workpiece Ra( nm) ㆍSynthetic fabric-faced lap w/diamond paste ㆍTeflon lap w/al2o3 abrasives w/sio2 ㆍLap w/mylar film + foamed SiC substrate ㆍLapping w/fluorocarbon foam polisher w/sio2 powder ㆍPolishing w/flexible tool w/elstic layer ㆍ Mechanochemical polishing ㆍ Chemomechanical Polishing ㆍ Mechanical polishing w/0.33 μm diamond abrasives ㆍ Polishing w/cloth polisher + fine particles Single crystal sapphire Single crystal Mn-Zn Poly Mn-Zn Single crystal Si BK7, image glass, AIN < 10 Rmax ( nm) < 1 < 1 5 Reference Namba(1978) 20 Tani(1986) Kawata(1993) Electroless Ni < 1 Parks(1997) BK7 Single crystal Si < 0.1 Leistner(1993) Black filter glass 1 Parks(1997) Fused silica 0.3 Kasai(1990) Fused silica CVD-SiC CaF2 (100) Si-oxide surface (100) Si/oxide interface Poly Si SiC CdS Ni-Zn ferrite Pure Cu AISI 304 stainless steel Ando(1995) Sakata(1993) Yasseen(1997) Yamoaka(1994) Vitali(1996) Xie(1996) 2 Namba(1980b) Micro-Machining 을이용하여가공한대표적인예로서, < 그림 2-17> 은미세흠및마이크로부품에대한미세가공에대한예들이고, < 그림 2-18> 은 ELID(Electrolytic In-process Dressing) 에의한난삭재의경면가공에대한예들이다

195 < 그림 2-17> 미세흠및마이크로부품에대한미세가공 < 그림 2-18> Mirror Surface Grinding Samples with ELID

196 바. 초정밀연삭가공의국내기술과국외기술비교현재우리나라는연삭기술에대해서한화기계, 한국생산기술연구원, 한국기계연구원등에 서연구를하고있지만선진국의수준에는상당히뒤쳐져있다. 가공기술과공구및공작기 계발전의미흡으로인해여러가지의정밀부품들을선진국으로부터수입해서쓰고있다. 미국, 일본, 독일등의선진국들은이미 80년대부터이러한기술분야에대한연구들을국 가적인차원에서대힝연구과제로수행해오고있어미케노케미컬연마가공, 플로우트폴리 싱가공, EEM 폴리싱가공, 자기연마가공, 자기영동연마가공등다양한초정밀기술들 이개발되고있다. 이러한신가공기술들은일본의기계기술연구소및동경대, 영국의맨체스터대학등에서 개발한전해연마, 연삭가공기술에국한되어있는실정에우리나라의기술은상당히뒤쳐 져있는실정으로이러한기술들에대해많은노력과연구인력양성등에투자해야할것 이다. 3. 미세방전가공기술 가. 미세전극가공의특성 0.1mm이하직경의미세구멍을가공하기위해서는작은직경의미세전극을제작하여야하는데. 전원의극성을구멍가공과반대로설정하고미세전극가공용전극을따로사용함으로써미세전극을가공할수있다. 종래의미세전극가공법으로는 < 그림 2-19> 와같이블록전극을이용한방법을들수있다

197 이방법은블록전극을가공면의수직방향으로이송시키면서미세구멍용전극을가공하는형태를취한다. 그러나고정도를요구하는경우에는다음의문제점이있다. 1 블록전극이소모되면서가공된미세전극의직경이목표치보다커지게된다. 이러한블록전극의소모량은가공물치수와가공시간등에따라달라지므로그보정이용이하지않다. 2 가공면의형상은블록전극의면이전사되어형성되므로블록전극면의형상정밀도가높아야한다. 3 평면전극의설치정밀도가가공된미세전극의진직도에직접적인영향을미친다. < 그림 2-19> 블록전극이용방법 이러한문제점을극복하기위하여제안된가공방법이와이어방전연삭 (WEDG, wire electro discharge grinding) 이다. < 그림 2-20> 은와이어방전연삭의가공원리를보이고있다

198 와이어전극이고정된와이어가이드를따라일정한속도로주행하고, 이와이어전극이미세전극을방전가공한다. 미세전극을회전하면서축방향으로이송함으로써고정도의진직도를얻을수있게된다. 이방법은다음과같은특징을가지게된다. 1 미세전극의이송거리에따라매우긴미세전극의가공이가능하다. 2 블록전극법에비해가공력이작기때문에매우가는미세전극의가공이가능하다. 3 와이어전극의선단부에서가공이이루어지므로와이어가이드의위치를제어하면계단, 테이퍼등의각종형상을가공할수있다. 4 피가공물의회전각을제어하면다각형단면및복잡한 3 차원형상을가공할수있다. < 그림 2-20> 와이어방전연삭의가공원리 가공된미세전극은미세구멍의방전가공용전극으로다시사용하여직경 100μm이하의미세구멍가공에사용될수있으며, 혹은직접핀게이지등의미소축가공으로응용될수있다

199 미소축은주로와이어방전연삭으로가공하고있다. < 그림 2-21> 에보인미소축은와이어방전연삭으로 50μm에서 4μm까지미소축직경을변화시키면서계단형상으로가공한예이다. 가공가능한미소축의최소직경은 4 μm정도이다. 또한, 미세축의회전각을제어하면다양한 3 차원형상을가공할수있다. 예를들면, 우선원하는직경으로축가공을한후에축의이송거리에따라축의회전각을제어하면서가공하면엔드밀, 드릴등의미세공구를제작할수있다. < 그림2-21> 미소축가공예 나. 미세구멍가공의특성와이어방전연삭가공(WEDG) 으로제작한미세전극을이용하여원, 사각, 삼각형모양의 단면형상을가진미세구멍을쉽게가공할수있다. 원형구멍은직경 5 μm정도까지, 다른 형태의구멍은한변길이 10 μm까지의가공이현재실용범위이다. 재료는금속, 합금, 전 도성세라믹이이용되고있다. 깊이는극미세구멍에서는지름의 2 배정도, 직경 50μm 이상 인경우는약 5 배정도까지비교적쉽게가공이가능하다

200 전도율 1 μscm / 이상의순수한물을가공액으로사용한경우재료에따라서는직경의 10배부터 20 배까지도가공이가능하다. 다.3차원미세가공의특성방전가공은기존의금형가공에최대로적용할수있다. 앞서말한미세전극으로 X-Y-Z 방향으로방전가공을함으로서 3 차원금형가공이가능하다. 방전가공으로 3차원형상을가 공하기위하여여러가지방법이제안되어왔다. 이를전극형상에따라분류하면총형전극 법, 와이어프레임법, 단순형상전극법등이있다. 형조방전가공은통상가공되는형상과동 일한전극을이용하여전극의형상을피가공물에찍어낸듯이가공하는것이다. 그러나, 형조방전가공의경우전극소모가있기때문에황가공에서마무리가공까지여러개 의총형전극을준비하여전극의마모가심해지면이를교체해주어야한다. 이러한문제점 을해결하기위해전극은단순형상전극을사용하면서이를컴퓨터로제어하여 3차원가공 을실현하는방법이제안되었다. 총형전극을사용하는경우가가공스피드는빠르지만, 단순형상전극은총형전극과비교하 여이점이많다. 단순형상전극을사용하는경우총형전극을제작하는데드는비용및시 간이절약될수있으며가공시에생기는찌꺼기를가공층에서배출하기용이하다. 그러므 로집중방전의가능성도훨씬줄어든다. 전극의소모과정을총형전극의경우와비교하여 살펴보면, 총형전극을사용하여미세방전가공을할경우전극의마모에따라나타나는형 상의차이가크다. 따라서미세 3차원형상을가공할때는단순형상의전극을사용하는것이효과적이라고할 수있다

201 그러나단순전극을사용한 3차원형상가공인경우에보다정밀하게형상을가공하기위해서는전극선단부의형상을유지하는것과적절한보정을행하는것이필요하다. 정밀한가공을행하기위한방법으로, 전극선단부의형상을유지하기위해서는균일전극소모법을사용한다. 또, 적절한보정을위해절입깊이와전극소모길이, 가공깊이의기본한계에서부터미세방전가공에서의보정식을얻어서이용한다. 균일전극소모법은미세방전가공에서는전극소모가크다는점을이용하여균일한전극끝난후에전극저부형상을저면을소모하고한층의가공이회복하는수법이다. 따라서공작물과전극의형상, 가공파라미터( 전극소모율과절입깊이등) 의선택, 가공경로설계에주의하지않으면안된다. 이러한것들을적절히고려하여가공하면전극선단부의형상을유지하는것이가능하다. 미세 3차원형상을가공할때형상을한꺼번에가공하지않고가공형상을여러개의층으로나누어한층씩가공한다. 왜냐하면절입깊이가너무크면전극이충분하게소모되지않아서소모로인하여전극이지나치게변형되므로이를회복할수없게된다. < 그림 2-22> 균일전극소모법

202 가공이시작되면전극이소모되면서약간씩짧아지므로일층가공이끝나면가공된평면은경로의개시점부터종점까지기울어져있다. 왕복스캐닝가공은전극으로가공개시점에서공작물을일정량만큼절입하고어떤경로를따라가공하여종점에도착한후에같은절입량으로같은경로를따라역방향으로되돌아가는가공을하는것이다. 이런방식으로 1회왕복스캐닝가공이완성된다. 주경로가횡방향이므로종방향으로변환하여다시가공한다. 결국 < 그림 2-23> 에보이는모양에서처럼 A-B의조합과 C-D의조합을번갈아가며되풀이하여원하는깊이까지가공을행한것이다. < 그림 2-23> 균일전극소모법가공경로 라. 미세방전가공기술의국내기술동향현재까지산업계및연구실등에서수행되고있는미세가공의대표적인형상가공기술수 준은 < 표 2-3> 과같다

203 그리고 < 표 2-4> 과같이미세가공기술에효과적으로적용할수있는여러가지의가공방법이제안되고있으나현재이러한기술의한계가분명하지않아가공방법에대한기본적인연구가진행되고있는실정이다. < 표 2-5> 에는대표적인미소가공방식들의특징을비교하여나타내었다. < 표2-5> 대표적인미소가공기술의특징비교 < 표 2-4> 초정밀가공기술의적용분야 1. ultrasonic μ - machining 2. abrasive μ - machining 3. laser μ - machining 4. μ - electrical discharge machining 5. μ - electrical chemical machining 6. μ - milling 7. μ - drilling 8. μ - turning 9. μ - grinding 10. fluid jet μ - machining 11. focused ion beam machining

204 Technology/ Feature Geometry Focused lon Beam /2D&3D Micro Milling or micro turning /2D&3D Excimer laser /2D&3D Ferro-second laser /2D&3D Micro-EDM (sinker or Wire) /2D&3D LIGA/2D < 표2-5> 대표적인미소가공기술의특징비교 Minimum featuresize/ Feature tolerance 200 nanometes / 20 nanometers 25 microns / 2microns 6microns/ submicron 1microns/ submicron 25 microns / 3microns submicron / 0.02 μm~0.5μm Feature positional tolerance 100 nanometer s 3 microns submicron submicron 3microns ~0.3 μm nom across 3 Material removal rate 5cubic microns/sec 10,400 cubic microns/sec 40,000 cubic microns/sec 13,000 cubic microns/sec 25 million cubic microns/sec N/A Materials Any PMMA, Aluminum, Brass, mild steel Polymers, ceramics and metals to a lesser degree Any Conductive materials Electroformable : copper, nickel, Permalloy (see note) Note : LIGA can also be used to fabricate parts in polymers, pressed powders, and rare-earth magnets with little degradation in machining perfomance specifications 마. 미세방전가공기술의국외기술동향 초정밀가공기술의세계적인현황및 Milli structure와밀접한관계를지닌마이크로시스 템관련응용분야와시장규모에대한조사데이터를다음의 < 표 2-6> 에각각참고로나 타내었다

205 공정 Fine Grinding ELID with micro grain cast iron bonded wheels ELID with Chemomechanical grinder Ultra precision grinder w/glass-ceramic spindle Grinding w/metal bonded wheel+diamond abrasives Cast iron fiber bonded diamond wheels Fine grain diamond wheel(1-2 μm) < 표 2-6> 초정밀가공기술의세계현황 Si 3 N 4 대상재 단결정실리콘 BK7 Ra ( nm) Rmax ( nm) 비고 Ohmori(1990) Bandyopadhyay (1996) Ohmori(1995) 단결정실리콘 4 H.D.Jeong(1996) 광학글라스 M n - Z n Ferrite < Namba(1993) Namba(1992) SiC 4 Suzuki(1995) SiC 2.5 Zhong(1992) Al 2 O 3 M n - Z n Ferrite Si 3 N Matsuo(1997) ichida(1993) 3-6μm diamond wheels 실리콘 11 Puttick(1994) Grinding w/electrophoretically 실리콘 <8 Ikeno(1990) deposited abrasive pellets 사파이어 22 Double-sided lapping w/resin 고순도 Al 합금 20 Tomita(1996) bond stone Coated abrasive tapes Al 합금 Yanagi(1992) texturing Grinding w/directionally Yamoguchi 경화처리강 4 aligned SiC wheel (1995) Superfinishing w/cbn 경화처리강 < 30 Onchi(1995) Superfinishing w/fused Puthangady(1995 경화처리강 60 alumina )

206 제 3 장기계산업에서의나노기술전망 1. 초정밀미세가공의전망 최근고생산성을위한초정밀고속가공기술의필요성과함께가공조건및가공현상의규명 에도많은기술적발전이있었다. 특히실용화가능한초정밀부품가공분야에서는커다란 기술적변화가일어나고있다. 초정밀경면가공기술을이용한비구면, 비축대칭반사경. 마 이크로렌즈, 등초정밀고성능광학부품의개발과밀리머신마이크로머신등초소형미세 형상부품의수요에대응한초정밀미세가공기술의발전이이루어지고있다. 이들은급변 하는기술환경의변화와더불어사회적, 산업적, 경제적파급효과가크고미래 21세기사 회의기계산업에커다란핵심기술로자리잡고있다. 그밖에나노기술은나노기술연구기반구축을위하여과학기술부와산업자원부가중심이 되어나노입자제어기술, 초미세표면과학연구, 극미세구조기술개발, 분자과학연구, 테라급 나노소자개발, 소재( 분석) 환경공정생체과학소자/ 시스템, 고기능나노복합제개발등에 중점을두고있으며, 정부가지원하는나노기술관련연구과제들은기초기술개발로부터응 용단계에걸쳐있는반면, 응용단계에가까운개발연구이후의과제들에는산업체들이부 분적으로참여하고있다. 나노기술은전자소자를중심으로국내에서도빠른속도로산업화 되고있는추세이다

207 2. 국내기계산업분야의나노기술정책방향 이와같이나노기술이 21세기핵심기술로중요시되는기술임에대해현재국내의정책방향은다음과같이추진되어야한다. ㆍ국내외중장기적인유망분야를겨냥한나노기술개발의지원ㆍ나노기술에의한신규분야와함께기존산업과연계할수있는분야의기술분야를선정ㆍ지원ㆍ연구개발대상기술관련을중심으로인력및시설장비구축

208 제 4 장결론 세계적으로나노산업은태동기에있으며, 아직까지기술개발이시작된단계이고, 일부분야에서만기존산업과연계하여산업화를이루고있는실정이다. 국내의기술력을바탕으로선진국과의상대기술력을평가해보면우리의기술력은선진국에비해약 25% 정도의수준이고, 논문및특허등록수에서는선진국에대하여절대적열세에있다. 1972~3년경구미의초정밀관계자들은 1980년대에있어서의초정밀다이아몬드절삭기술의활성화를확신했었고뿐만아니라초정밀측정기술, 제어기술, 연삭기술등의기계산업에서의나노데크놀러지화의활성화에대한중요성을느끼고있었다. 뒤늦게깨달은일본이그대열의후미에자리잡고있고, 그들은다시 1990년대초정밀기술의만개를예언하고있고우리도늦었지만그필요성을깨닫기시작하고있다. 이에따라우리도나노기술의전략적필요성, 실현가능성등을고려하여단기적으로기존연구인력을나노연구분야로전환하기위한교육지원과, 중장기적으로대학을중심으로한양성교육, 나노기술에의한신규분야와함께기존산업과연계할수있는분야의기술분야를선정ㆍ지원하고, 또한한정된재원으로여러연구주체가공동활용가능한장비활용시설을구축하여야할실정이다

209 급격한기술발전이이루어진모든가공기술에서와같이 21세기를주도할핵심기술로서자리잡고그중요성이커지고있는나노테크놀로지의정밀화, 고속화, 지능화가강조되고있는시점에서앞으로의나노테크놀로지의기술이어떤방향으로나아가야할지그리고해결해야할지를살펴보아야한다

210 참고문헌 1. 이응숙, 강재훈, 신영재. " 초정밀연삭가공기술의현황과전망" 기계와재료 11권 4 호. 2. 박천홍. 이득우, 이후상, " 초정밀절삭가공기의연구동향" 기계와재료 2권 3 호. 3. 한재호, 평면 X-Y 스테이지의초정밀위치결정을위한최적설계및제어시스템개발" 조선대학교, 박사학위논문. 4. 곽이구. A Study on the Simulation and Control Performance Estimation of Ultra Precision Position Apparatus" 조선대학교, 석사학위논문. 5. Taniguchi, N., 1983, Current Status in and Future trends of Ultraprecision machining and Ultrafine materials Processing. Annals of CIRP, 32/2. pp Nogawa, H , Ceramics Processing-State of the Art of R&D in Japan. ASM Int.,Metalspark,OH. 7. Komandri. R., et al,1997, Technological Advances in Fine Abasive Processes, Annals of CIRP 46/2, pp Tomoda, Y., Eda, H , A Study of Ultra Precision Grinding Process on a Magnetic Disk Substrate - Develpment of New Bonding Materials for Fixed Abrasives of Grinding Stone. Wear,195, pp Yanagi,K.,, et al, 1992, Surface Tophography Assessment of High-Precision Coated Abrasive Tape and Estimation of its Machining Performance, Annals of CIRP, 41/1, pp Yamaguchui, K., Horaguchi. I., 1995, Development of Directionally Alligned SiC Whisker Whee1, precision Engineering, 17. pp

211 11. 이응숙, 이재경, Suto, T., 1988, A Simulation System for the Eatablishment of Grinding Operation Standards, JSPE, 54/12, pp Syoji, K., Evolution in Grinding : Aiming for the Maximum Limits in Efficiency and Precision, JSPE. 65/1. pp H. Ohmori. 1993, Electrolytic In-Process Dressing (ELID)Grinding Technique for Ultraprecision Mirror Surface Machining, JSPE 59/09. pp Benjamin C. Kuo, "Automatic Control Systems" Prentice Hall. Englewood Cliffs, N. J 07632, 1994, pp Kaiji Sato, "Performance Evaluation Lead screw Positioning System with Five Kinds of Control Methode(2nd Report)", JSPE Vol.63. No.12, 1997, pp H. Nakazawa, "Principles of Precision Engineering", Gordon and Breach Science Publishers, 1994, pp.75-82, pp S. T. Smith and D. G. Chetwynd, "Foundation of Ultra Precision Mechanism Design", Gordon and Breach Science Publishers, 1992, pp D. Keith Bowen, "Development in Nanotechnology", Gordon and Breach Science Publishers, 1992, pp , 19. S. Sakuta, K. Ogawa, K. UEDA "Experimental Studies on Ultra-precision Positioning" JSPE, Vol.27. No.3, 1993, pp T. Oiwa, K. Kanko, T. Kaneko, A. Kyusojin "High-Rigidity Multi-Degrees-of-Freedom Fine Motion Mechanism using Piezoelectric Actuators", JSPE, Vol.60, No.9, 1994, pp K. Nagaya. M. Ishikawa, "A Noncontact Permanent Magnet Levitation Table with Electromagnetic Control and its Vibration Isolation Method using Direct Disturbance Cancellation Combining Optimal Regulators". IEEE Transactions of Magnetics, Vol. 31, No. 1, 1995, pp

212 22. Franchi, Claudio G, "General Formulation in Rigid Multibody Dynamics", Int. J. for Numerical Methods in Eng., Vol. 38. No. 12. June 1995, pp T. Nakanishi, X. Yin, and A. A., Shabana, "Dynarmics of Multibody Tracked Vrehicles Using Experimentally Identified Modal Parameters". ASME Journal of Dynamic Systems Measurements and Control, Vol.118,Iss , pp 김재열. 김영석, 곽이구, 마상동. 한재호, " 초정밀서보기구의제어성능평가( Ⅱ), 정밀공학회춘계발표논문집, pp 김재열, PZT Actuator를이용한 6 자유도미동기구의궤적특성에관한연구" 대한기계학회학술강연회, 1992, pp 김재열. 오환교, 6 자유도미동기구의제어특성에관한연구", 조선대학교생산기술연구소, Vol.14, No.2, 1992, pp

213 Ⅴ. 나노기술개발및관련산업시장동향 소대섭이호신 / / 한국과학기술정보연구원한국과학기술정보연구원정만태 / 산업연구원

214 제 1 장서론 1. 나노기술의개요 나노기술은세계주요국이정보기술(IT, Information Technology), 바이오기술(BT, Bio Technology) 과더불어 21세기를주도할핵심분야로선정하고범국가적인차원에서적극적인개발계획을마련하는등국가핵심전략분야로등장하고있다. 나노란희랍어의나노스( 난장이) 에서유래한 10억분의 1(10-9 ) 미터를나타내는단위로 1nm는한국인평균머리카락두께의 5만분의 1 크기정도를나타낸다. 나노기술은 50년대미국의파인만(Richard Feynman) 박사가처음으로제시한개념으로분자ㆍ원자단위의수준 (l nm~100 nm) 에서물질을규명하고제어하는기술을총칭한다. 즉, 분자ㆍ원자들을적절히결합시킴으로써기존물질의변형ㆍ개조는물론유용한재료, 소자및시스템을창출하고, 나노크기에서의새로운특성이나현상을탐구하는기술을의미한다. 나노크기영역에서의새로운거동은큰크기영역에서관찰된거동으로부터반드시예측되지는않는다. 거동상의가장중요한변화는길이상의축소정도에따라서가아니라근본적혹은나노크기에서결정적요인이되는크기제한( 구속), 지배적인표면효과, 양자기구등과같은새롭게관찰되는현상들에의해서발생된다. 대상물의크기를조절할수있게만된다면, 우리가현재알고있거나가능할것이라고생각하는것이상으로소재특성이나소자기능을향상시키는것이가능해진다

215 구조체의크기를감소시킴에따라독특한특성을가진탄소나노튜브, 양자선및양자점, 박막, DNA 에바탕을둔구조체, 레이저발생기등과같은독립체(entity) 가된다. 만약우리가내재하고있는원리들을찾아내고활용할수만있다면, 그러한새로운형태의소재및소자에의한혁명적인과학기술시대가개척될것이다. 나노기술은원자핵주변의전자한ㆍ두개를움직여작동하는소자, 단몇개의암세포도검출할수있는초고감도센서, 우리몸속을탐사하는초미세로봇, 철강보다 5분의 1이나가볍지만 10 배이상강한신소재등초미세계의새로운과학기술분야이다. 많은학자들은나노기술을차세대신기술이아니라산업의흐름을바꾸는새로운발견으로나노미터수준에선물질내부의전자가갖는에너지가달라지고같은물질이라도촉매활성, 자기특성등에서전혀예기치못한성징이나타날수있는데이런나노입자를제어할수있게되면엄청난기술혁신으로이어질것으로전망하고있다. 나노기술분야의연구는본래 80년대부터일본이민간차원에서주도적으로실행해왔으나정부주도의연구개발에관심을갖게된직접적인계기는 2000년 1월클린턴행정부가나노기술을전략적인연구분야로설정하고집중적으로투자할것으로천명한데서비롯되고있다고할수있다. 미국이정부주도의연구를천명함으로써일본정부가커다란위협을느껴적극적인개발체제를구축하기시작하면서미국ㆍ일본ㆍ유럽등국가간치열한경쟁에돌입하게되었다. 미국의 " 국가나노기술개발제안서: 차기산업혁명의선도" 는소재및제조공정, 나노전자공학, 의학및보건, 환경및에너지, 화학및의약산업, 바이오테크놀로지및농업, 전산및정보기술, 국방과같은분야의잠재적인돌파구로이어질장기적나노크기연구개발을지원하기위한것이다

216 국민의보건, 복지, 생명에미칠나노기술의파급효과는적어도 20세기에개발된미세전자공학, 의료용영상기술, 컴퓨터의도움을받는공학, 인조고분자의영향을모두합친것만큼심대할것으로예측되고있다. 나노기술인프라구조에대한연방정부의지원은미국으로하여금세계시장에서경쟁할수있게하고이전략적인기술의장점을활용하는데필수적이다. 지난 5년동안에거의모든산업화된나라들에서나노기술에대한집중연구프로그램이시작되었다. 최근미국은합성, 화학물질, 생물학분야에서는앞서있지만, 나노소자, 나노기기제작, 초정밀공학, 세라믹, 기타구조용소재의개발에서는뒤떨어져있다. 일본은나노소자및제조된나노구조체분야에강점을갖고있다. 유럽은분산, 코팅, 새로운기기제작에강점이있다. 일본, 독일, 영국, 스웨덴, 스위스, EU 는모두나노기술의특수분야에우수센터를설치하고있다. 2. 나노기술의특징 첫째, 기존기술과의접근방법의차별성이다. 미세화를위해기존기술은큰덩어리를조각조각내는방식으로접근한다면나노기술은원자, 분자들을결합하여미세구조를만드는방식이다. 둘째, 나노기술은학문간경계가없어학제간(Interdisciplinary) 연구가필요한기반기술이다. 나노기술의연구개발은물리, 화학, 재료공학, 전자공학, 생물학등다양한분야의융합, 계산과학, 측정과학등과의융합등이요구되는특성으로인하여좁은전문분야에국한되지않는연구문화의조성이불가결하다

217 이러한학제적인환경에서만우수한인재를육성할수있고독창적ㆍ선구적인연구성과를창출할수있다. 셋째, 경제성과환경친화성이강하고자연에가장근접한기술로차세대산업이나사회에큰영향을줄수있는기반기술이다. 나노수준(Nano level) 으로원자ㆍ분자를제어하고, 그물질의특성을살리는나노재료ㆍ프로세스(Process) 에의해, 고기능재료나고강도의구조재료등의새로운재료의개발이가능해지고, 정보통신뿐만아니라, 의료, 화학, 환경ㆍ에너지, 기계등폭넓은분야에응용할수있다. 예를들면, 물질을나노사이즈(Nano size), 특히 10 nm이하의크기로인하여에너지의고효율, 고강도재료, 고수명의전지, 저공해차등을달성할수있다. 넷째, 나노기술은국가전략차원에서의산ㆍ학ㆍ연일체의시스템적대응이불가결하고그성과의시의적절한실용화가중요한기반기술이다. 나노기술은시의적절한실용화를위한특허및지적재산권확보가중요하며산업계, 국립연구소, 대학등과의심리스(Seamless) 한연구및실용화시스템(System) 의구축이필요하다. 한편, 나노기술의특성은나노기술의 10 대동향에서잘나타나고있다. 첫째, 나노기술로강화된인간은보통사람보다육체적, 지능적, 감각적으로뛰어난능력을갖게될것이다. 둘째, 나노기술은싸고유용한에너지자원을제공할것이다. 셋째, 나노공장은저렴하고유연하며빠른공정으로주문형제품을생산할것이다. 넷째, 나노기술은첨단기술자원과비용이적게드는하이테크제품을생산하는 ' 파워틀' 을제공해세계경제를혁신시킬것이다. 다섯째, 나노기술은인간의진화를변화시키고, 윤리문제를제기하며, 사회규범에도전하는새로운방향으로나아갈것이다

218 여섯째, 나노기술산업은궁극적으로컴퓨터, 네트워크, 생명공학을결합해지금까지는상상도하지못했던제품을만들어낼것이다. 일곱째, 보이지않으면서강력한지능형나노장치는모든산업분야에서불가능의영역에대해다시정의하게만들것이다. 여덟째, 나노기술제품을만드는사람은원자를조합하여제품을만드는방식으로값싸고좋은주문형제품을생산할것이다. 아홉째, 바늘머리보다작은수술용나노로봇이인체에들어가수술을하게될것이다. 열번째, 나노생물학은사람의수명을연장하고질병을예방하며건강을증진시킬것이다. 3. 나노기술의영역( 기술접근방법) 나노기술의영역은기술접근방식에의하여구별할수있다. 기술접근방식은크게톱다운방식(Top down) 과바텀업방식(Bottom-up), 하이브리드(Hybrid) 방식으로구별할수있다. 톱다운(Top down) 방식이란기존기술의극한화, 고정도화, 고기능화에의한초미세가공적접근을의미한다. 현재반도체회로제조기술은 100나노크기의미세구조를구축하는기술이한계이나동접근법은 100 나노의한계를극복할수있는기술로인식되고있다. 톱다운 (Top down) 기술의예로서는리소크라피, 전자빔가공, FIB 가공등이있다. 바텀업(Bottom-up) 방식이란원자ㆍ분자의취급과조작기술에의해원자ㆍ분자를수십에서수백단위로구축함으로써나노구조를빌드업(Build-up) 하는접근방식으로우리가주목해야할신규기술분야이다

219 바텀업(Bottom-up) 기술의예로서는원자ㆍ분자조작기술, 기상반응증착법, Self-assembly 법, 초분자화학등이있다. 동접근법은 10나노이하의물질을자기적으로제작하여새로운재료ㆍ소자를개발하는기술이다. 톱다운방식과바텀업방식은 1~100나노크기의가공제조기술로서어떤종류의재료ㆍ디바이스에서는상호독립적으로, 어떤경우에는상호보완적으로접근할필요가있다. 하이브리드(Hybrid) 방식이란상기두가기접근법을혼합사용하는접근법을말하며대표적인하이브리드기술의예로서는초미립자제조기술등이있다. < 그림 1-1> 나노기술의접근방법

220 제 2 장기술개발동향 1. 미국 가. 나노기술추진조직선진국들은 1990년대중반부터나노기술의개발에상당한노력을기울여왔으며 2000년을기점으로나노기술에대한연구개발지원액이급격하게상승하기시작했다. 미국은 1998년부터지속적인준비를거쳐 2000년 2 월에국가나노기술전략(National Nanotechnology Initlative, NNI) 을발표함으로써나노기술의개발에대한강한의지를표방한바있다. NNI 가출범함으로써나노기술개발에있어서부처간조정및협력이가능하게되었고이에대한예산도급속히지속적으로증가하고있다. 미국에서나노기술에대한연구는 1990 년대들어점차활발해지기시작했고, 이에따라국립과학재단(NSF), 국방부(DOD), 에너지부(DOE), 연방항공우주국(NASA), 국립보건원(NIH) 등여러부처들에서독자적으로사업을추진했다. 나노기술이지닌잠재력과중요성이점차부각되면서각참여기관들의사업을총괄해나노기술의연구개발을좀더일관되게추진해야할필요성이제기되었다. 이에따라 1998년 9월국가과학기술위원회(NSTC) 의기술위원회(Committee of Technology, CT) 산하에나노과학ㆍ공학ㆍ기술에관한부처간작업그룹 (Interagency Working Group in Nanoscience, Engineering and Technology, IWGN) 이조직되었다

221 < 표 2-1> 주요참여기관별주요연구 참여기관 NSF DOD DOE NAS A DOC NTH 기초연구 나노구조화소재 분자전자공학 스핀전자공학 Lab-on-a-chip 바이오센서, 바이오정보 생명공학 양자계산 측정및표준 나노스케일이론, 모델링, 모사 환경감시 나노로봇 무인작업 나노조립사용자시설 < 출저> 과학기술부, 나노기술종합발전계획 IWGN은 1999년 8월에 NNI의출범을제안하는문서초안을작성하여대통령과학기술자문위원회(PCAST) 산하에구성된나노기술패널(Nanote-chnology Panel) 의심사를거쳤는데,PCAST는이패널의견해에근거해 NNI 의출범을적극지지하고나섰다. 2000년 1 월과학기술정책국(OSTP) 과백악관의최종승인이떨어졌고대통령연두고시를통해나노기술이차세대핵심기술로채택되었다. IWGN을대신해 NSTC산하의 NSET는 NNI 의계획, 예산배정. 집행, 평가등의제반업무를총괄하고참여부처간조정및협력을촉진하는기구이다

222 NSET 소위원회는현재상무부(DOC), 국방부, 에너지부(DOE), 교통부(DOT), 환경보호청 (EPA), 연방항공우주국, 국립보건원, 국립과학재단(NSF) 등의부처들과국가경제위원회 (NEC), 관리예산국(0MB), 과학기술정책국등의백악관기구들이포함되어있다. NSET 소위원회산하에는국가나노기술조정사무국(National Nanotechnology Coordination Office, NNCO) 라는이름의실행기구가만들어져기술적ㆍ행정적실무를맡고있다. NNCO는부처간회의를준비해 NSET 소위원회를보좌하면서정부ㆍ기구ㆍ대학ㆍ산업체ㆍ전문학회ㆍ외국단체에대한연락을담당하며필요한문서를배포하고웹사이트를운영하는역할도한다. NNCO의예산은 NNI 에참여하는각부처로부터지급되고있다. < 그림 2-1> 미국정부부처의나노기술관련조직체계

223 나. 나노기술관련지원사업 미국나노기술추진지원사업은국가나노기술전략(NNI) 에서나타난것을중심으로보면기 초연구, 원대한도전, 우수센터및네트워크, 연구인프라구축, 법적, 사회적연관관계및 인력훈련이포함된다. 첫째, 기초연구지원으로소재및제조공정, 나노전자공학, 의학및보건, 환경및에너지, 화 학및의약산업, 바이오테크놀로지및농업, 전산및정보기술, 국가안보와같은분야에 잠재적인돌파구를가져올나노미터크기를갖는구축단위(building block) 에대한기초적 인이해및합성을바탕으로한다. 이러한투자는기초적이며혁신적인연구를하고있는 개별연구자및소그룹을계속해서지원할것이며, 대학-산업계-연방연구소와부처간협 력을강화하게될것이다. 둘째, 원대한도전으로다음과같은장기적목표를달성하기위하여학제간연구와교육팀 에예산을지원한다. 1 설계된나노소재( 더욱강하고, 더욱가볍고, 더욱단단하며, 자기보수성을가지며, 더욱 안전한소재) 산업용, 수송기기용, 건축용으로쓰일강철에비하여열배이상강한구조용 탄소및세라믹소재: 자동차용및주방( 가전) 기기용으로높은온도(100 ) 에서녹고현재 의소재보다세배이상강한고분자소재. 2 나노전자, 광전, 자성소자: 컴퓨터의속도및효율을 100만배이상향상시킬수있는 극소형트랜지스터및메모리칩을만들기위한나노미터구조체, 대규모저장전자공학의 범위를단위면적당기억저장량을 1000배이상증가시켜자료를핀머리부분에올릴수 있는수테라비트급기억능력으로확장, 인적자원의이동을최소화( 업무용여행및출퇴근 감소) 하도록 100 배정도의주파수대역증가에의한정보통신패러다임의변화

224 3 보건 : 원격및생체내진단과치료장치에의한효율적이고저렴한보건: 고속유전자배열및세포내주입센서를이용한진단및치료, 생체내의목표암세포나기관에대한유전자또는약물전달, 나노공학에의한 MRI 照映齊를이용한암의조기진단; 질병의조기진단을가능하게하는바이오센서, 인공기관의생체거부반응 50% 감축; 생체조직의부차적손상을최소화할소형의료장치의사용. 4 나노크기공정및환경 : 300 나노미터크기이하의미세수질오염물질과 50 나노미터크기이하의대기오염물질의제거, 환경관련이자들의광역연속측정; 현재의역삼투압법보다적어도 10분의 1 에너지를사용하는수질정화및해수담수화. 5 에너지 : 에너지변환및저장효율의획기적향상: 태양전지효율의배가. 6 미소우주비행체 : 저출력미소우주비행체에의한태양계밖우주에서의연속체류. 7 인간에위협적인인자들을탑지및약화시키는생체나노소자 : 생화학전, 에이즈, 결핵등에대비한실시간고효율신속생화학탐지및완화; 극미세화된전기/ 기계/ 화학장치에의한인간능력의확대, 건강보호, 세포및조직의손상치유; 이러한기초장치에대한연구는보건에관한원대한도전과제로조정될것임. 8 경제적이고안전한수송 : 새로운소재, 전자공학, 에너지, 환경개념의도입. 9 국가안보: 나노전자공학, 다기능소재, 생체나노소자를다루는원대한도전과제에특별한주의를기울이면서방어력우위를유지

225 셋째, 우수센터및네트워크구축으로연구네트워크구조대학의이용자시설의공유를촉진하기위해 10개의새로운센터를선정해 5년간걸쳐매년 300 만달러를지원한다. 나노기술연구센터들은현재슈퍼컴퓨터센터에서하는것과비슷한구실을하게되며, 앞으로특수장비를개발하고이용하며협력관계를증진시키는데중요한역할을할것으로기대되고있다. 넷째, 연구인프라구축이다. 측정기기, 기기제작, 모델링및시뮬레이션, 이용자장비에대한지원을포함하며, 아울러대학과기업간의지식및기술이전을추진한다. 또한산학연연계, 국제협력을강화시킨다. 새로운발과혁신이미국산업체들에서신속하게상업화될수있도록유연하고역량을강화시켜주는인프라를구축하는것이목표이다. 다섯째, 윤리적, 법적, 사회적연관및인력훈련에있어서는학생위한장학금/ 연수비용및나노기술교과과정개발에대한지원; 새로운교육장비를이용한종합적교육패러다임의변화, 진행되고있는사회적, 윤리적, 법적, 경제적, 인력간의연계를포함한나노기술의사회적연계에대한집중연구등이있다. 이연구는우리가잠재적인문제들을구별해내는데도움을줄것이며갖추어야할필요가있는법안들을미래에어떻게효과적으로중재하게될것인가를가르쳐줄것이다. 이러한나노관련지원사업별예산을보면기초연구분야와원대한도전등의부문이많은것으로나타났다

226 < 표 2-2> NNI 활동분야별예산내역 다. 나노기술판면예산지원현황미국의나노기술관련정부예산의지원내역을보면 2003년의회승인요청액이전년대비 17% 증가한것으로나타나약 7 억달러를약관상회하는것으로나타났다. 2001년에모두 7개부처/ 기구가참여해발족한 NNI는참여기구가늘어나 2002 년부터는법무부, 환경보호청이참여하여 10 개부처/ 기구의참여하에진행되고있다. 이에따라정부예산도증가해 2002 년에는전년도의의회승인액 4억 2,200만달러에서 43% 증액된 6억 400만달러가지원되었으며, 행정부가 2002년 2월에발표한 2003년예산안에서는다시 17% 증액된 7억 1,000 만달러에대한승인을의회에요청하고있다

227 < 표 2-3> NNI 기관별지원액, 2001~2003년 2003년예산요구액을중심으로각기구들의예산배분현황을보면다음과같다1). 첫째, 국방부의 2003년예산안은 2억 100만달러로전년대비 2,100 만달러증가했다. 나노기술의주요관심분야는정보획득처리, 저장및표시; 소재성능및경제성; 화학전및생물학전방어등이다. 2002년이래로국방부의나노기술연구개발지원은기초연구보다는응용연구와시험개발쪽에좀더큰비중을두고있으며, 기초연구로부터얻어진새로운지식을국방과연관된혁신적기술로전환시키는쪽에초점을두고있다. 국방부의연구개발예산은 " 원대한도전" 프로그램에많이제공되고있는데, 특히더강하고가볍고단단하고안전한자기복구나노구조물질, 나노전자공학및광전자공학, 전염성질환에대한바이오- 나노센서장치와생물학전감지장치의 3 개과제에초점을맞추어지원하고있다. 1) STEPI, 과학기술정책 /6 에서재인용

228 국방부에서 NNI 의지원에있는부서는국방첨단연구지원기관(DARPA), 육군, 공군, 해군까지모두넷이며, 이외에 4개부서가공동으로나노기술에관한국방대학연구계획 (Defense University Research Initiatives on NanoTechnology, DURINT) 을관할해대학에서의학제적팀연구를지원한다. 둘째, 에너지부의 2003년예산안은 1억 3.930만달러로전년대비 4,820 만달러증가했다. 나노규모에서의물질의성질을이해하기위한기초연구에대한예산이나노규모에서물질의합성과처리, 응집물질물리학, 촉매의 3 가지영역에서증가될예정이다. 또한 2003년예산안에서는여러개의센터들에총 3,500 만달러를투자할계획이며, 이중에는새로생겨날나노규모과학연구센터(Nanoscale Science Research Center, NSRC) 들의건설과설계를위한예산도포함되어있다. 셋째, 법무부의 2003년예산안은 140 만달러로전년도와같다. 법무부산하국립사법연구소는나노기술과관련된두개의프로젝트를진행하고있는데 DNA 연구(100 만달러) 와생물학및화학무기방호프로그램(40 만달러) 이그것이다. DNA 연구는법정에서의 DNA 증거이용에적용할수있는장치에대한연구개발이주된내용이다. 넷째, 교통부산하연방항공국의 2003년예산안은대략 200만달러로전년도와비슷한수준이다. 교통부는나노감지장치를이용해항공기에탑재된폭발물이나화학/ 생물학무기의장비를향상시킴으로써항공운송의안전성을확보하는한가지임무에집중적인지원을하 고있다. 이런경향은 9.11 테러이후더욱강해진것으로보인다

229 연구개발책임은교통부연방항공국의항공안전부서에서맡고있으며, NASA나국방부산하의여러기구들과의협력하에연구를진행하고있다. 다섯째, 환경보호청의 2003년나노기술예산은전년도와유사한 500만달러정도가될것으로보인다. 환경보호청은 2002년초에두번째 STAR (Science To Achieve Results) 연구비신청을받기시작했는데, 여기에는녹색제조및처리( 산업공정에서유해배출물질의제거내지최소화), 환경개선/ 처치( 환경오염물질을효과적으로처리하는기법), 탐지장치( 오염물질이나세균에대한탐지기술), 나노기술의환경적영향( 나노기술에사회전체차원에서환경에가져올수있는혜택과잠재적해악) 과같은네가지연구영역이포함되어있다. 환경보호청은산하연구소에서자체연구도하고국립환경연구센터(NCER) 의관리하에외부연구비를지원하기도하며농무부를비롯한다른부처들과협력할계획할갖고있다. 여섯째, 연방항공우주국의 2003년예산안은약 5,100 만달러이다. 기초나노과학및나노기술연구에투자되는 2,200만달러외에 2,900만달러를추가로투입해나노기술의과학및응용영역의연구를진행할계획이다. 기초연구로는국립암연구소(NCI) 와의공동연구인생물ㆍ분자시스템연구에지원하고있고응용연구에는생명공학및구조생물학분야가있다. 항공기술국(Office of Aerospace Technology) 은물질과구조, 나노전자공학과컴퓨팅, 탐지장치와우주선부품등의 3 개영역의나노기술개발을관장한다. 항공우주국은기초연구의성과는타부처에서끌어다쓰고예산은자체필요에맞는연구에집중하는전략을쓰고있다. 대학과의협력을증진하는한편으로우주개발의성과를이어받아국제협력도추진중이다

230 일곱째, 국립보건원의 2003년예산안은 4,320만달러로전년도에비해약간증가한수준이다. 국립보건원은기존의프로그램틀속에서나노과학및공학에대한연구비신청을받는방식을취하고있으며, 전체적인프로그램조율은바이오공학컨소시움(BECON) 에서담당한다 년에는단일분자의검출및조작, 생물분자탐지장치의개발을위한기초기술 (NCI/NASA 공동연구) 등기존에진행해온연구들을계속할예정이며, "Mentored Qualitative Research Career Development Award" 와같은프로그램을통해다학문적나 노기술연구를수행할과학자와엔지니어들의훈련을지원할계획이다. 여덟째, 상무부산하국립표준기술원의 2003년예산안은 4,380만달러로전년도보다약간 증가했다. 예산중절반은경쟁과정을거쳐국립표준기술원산하연구소들에배분되며, 다 음과같은영역에초점을맞춘연구에쓰인다 : 측정및표준을위한나노자기학연구( 향후 반도체, 통신, 보건의료산업에서나노기술이응용될때필요), 나노규모에서의시각화와특 성화에쓰이는표준과도구를만들어낼나노특성화연구( 다양한분야의산업체의요구), 향 후 10 년내에반도체전자공학을대체할정보기술하드웨어에필요한기초측정기술연구, 그리고예산의나머지절반은대학, 기업, 연구소등의부협력기관들과의공동연구에쓰일 예정이다. 아홉째, 국립과학재단의 2003년도예산안은 2억 2,100만달러로전년대비 11% 증가한금 액이며절대액은 10 개참여부처중가장많다. NNI 관련연구개발의조정은나노규모과학 및공학(NSE) 그룹에서담당하는데, NSE 그룹에는국립과학재단의각분과에서두명씩 대표를파견해구성하며이그룹의대표가 NSET 에참여한다. 지원은개별연구자에게주 어지는것외에학제적연구및교육팀, 국가과학ㆍ공학센터, 시험연구및교육프로젝트, 교육및훈련등의다양한측면들에초점이맞추어져있다

231 2003년의예산안을활동별로살펴보면기초연구및교육에 1억 4,093 만달러, " 원대한도 전 에 1,070 만달러, 우수센터및네트워크구축에 3,864 만달러, 연구인프라에 2,170만 달러, ELSI 및교육훈련에 928 만달러등으로기초연구의비중이압도적으로높다. 기초연 구중에서는나노규모에서의새로운구조및현상(5,350 만달러), 소자및시스템구조설계 (2,780 만달러), 나노규모에서의생물시스템(2,070 만달러) 등에높은우선순위를부여하고 있다. 열번째, 농무부의 2003년도예산안은 250 만달러로, 별도책정된것이다. 농무부의나노 기술연구는주립대학(Land Grant Universities) 과의협력연구를한축으로, 자체연구소에 서의독자연구를다른한축으로해진행된다. 연구의초점은다양한기초연구와신물질 개발등에맞추어져있다. 2. 일본 가. 나노기술추진과정일본은 21세기의핵심기술인 IT, BT, NT 분야중에서미국을앞설수있는유망분야로 NT 를지목하였다. 미정부가주도한 NNI와일련의산ㆍ학ㆍ연활동은일본의위기의식을고조시켰고, 이에따라 2000년 12월총리주재과학기술회의에서 4대집중연구분야의하나로나노기술을선정하였다

232 또한 2000년 6월문부과학성은나노융합물질개발과나노단위제조기술기반구축을 2001년중점사업으로지정하였으며 2000년 7월에는경단련에서 NT 연구개발진흥방안 을발표하였다. 일본은 NT 를 ' 분자, 원자, 전자에주목하여나노크기에서구조를제어함으로써새로운소 재, 소자, 시스템을 창출하는 기술' 로 정의하였으며 원자ㆍ분자를 한 개씩 조작하는 'bottom-up 형', 미세화기술을극한화한 'Top-down 형', 자기조직화에의한 ' 나노조직제 어' 등의 3 가지로구분하고, NT 의주요분야로는나노재료, 나노소자, 나노가공, 나노 바이오의 4 가지를제시하였다. 일본은정부와대기업이 NT 분야연구개발을주도하고, 주로경제산업성( 구통산성과우 정성), 문부과학성( 구문부성과과학기술청), 농림수산성등에서 NT 를지원하고있다. NT 개발에대한일본정부의지원은일본기초연구수준을전반적으로높이기위해 1995 년에발효된과학기술기본법 130 조에근거하고있다. 1 차년도(5 년) 프로그램인 ' 초미세입 자(Ultra-fine Particles)' 는 1981년 ERATO (Exploratory Research for Advanced Technologies : 첨단기술의창의적연구) 프로그램으로시작되어 1985 년종료되었고, 1992 년부터통산성( 현경제산업성) 이 10년간 2억 2,000 만달러의예산으로 ' 아톰테크놀 로지프로젝트' 를주도하여원자ㆍ분자수준에서물질을제어하는연구를수행하고있다. 2001년 4월부터는정부가 5년간 1,000 억엔을지원하며산업체가주도하는 ' 아스카프로젝 트를착수하였으며 ', 목표는100nm기술장벽을5 년내에극복하는것이다. 2000년일본정부가 NT에지원한예산규모는약 3억 3,000만달러였으며 2001년책정 예산은약4 억달러이다( 경제산업성, 문부과학성)

233 < 그림 2-2> 일본의나노기술관련관ㆍ산ㆍ학전략특징 대기업들은일반적으로매출액의 10% 를연구개발투자에배정하고있는데, 이중약 10% 를장기연구에투입하는것이관례이다

234 히타치중앙연구소는장기연구의 25% 를나노기술에투입하였고( 히타치매출액은 700억달러규모), NEC기초연구소는장기연구의 50% 를 NT 분야에투입(NEC 매출액은 400억달러규모) 하였다. 기타 NTT 의아쯔기연구소, 후지쯔의양자전자소자연구소, 소니, 후지필름등도매출의일정부분을 NT 에투자하고있다. < 표2-4> 일본정부기관별NT 관련지원분야(2000 년기준) ( 단위: 백만달러) 지원기관 나노전자공학 나노소재 바이오-나노기술 양자연산 2000년예산 경제산업성 145 교육과학기술성 174 농림수산성 3 우정사업청 1 기타 5 합계 328 < 출처> 산업자원부, 나노기술(Nano-Tech) 산업화전략, < 표 2-5> 일본연도별나노기술지원규모추이

235 < 표 2-6> 2001년도일본산업계가착수한 NT 과제 주요연구개발과제 NEC 기초연구소 NT, 초전도체, 나노-바이오기술양자연산및바이오정보화 히타치중앙연구소 단전자트랜지스터 (SET) 니콘연구개발본부 나노리소그라피 탄소나노기술연구센터 나노리소그라피 히타치첨단연구소 분자전자공학 후지쯔연구소 단전자트랜지스터 NTT 기초연구소 단전자트랜지스터, 양자정보기술 이세( 伊勢 ) 전자 CNT-FED 미국과마찬가지로일본기업들도컨소시엄을구성하여 NT 의연구개발을수행하고있는데, 일본반도체공업연구소(SIRI, 1994 년설립, 부분적으로정부지원받음), 반도체첨단기술주식회사(SELETE, 1996 년설립, 1997년예산 6,000 만달러), 반도체기술학술연구센터 (STARC, 산학협력촉진) 등이대표적인사례이다. 나. 나노기술추진방향 일본은세계적으로강점을가진부품산업의지속적인장악을위한장기국가프로젝트를추 진하고있다. 실용적인프로젝트에는차세대반도체( 기술: 100nm 이하의프로젝트및차세대반도체프로 젝트를 축으로 실시), 테라비트급 저장기술( 트랙폭 100 nm부터 수시nm 단위로 줄여나가, 2010년기록밀도 1Tb, 전송속도 10Gb 달성을목표), 바이오나노센서( 바이오테크놀러지와 나노레벨재료가공기술의융합에의해, 전략적인디바이스, 시스템을실현, 바이오산업경쟁 력강화) 등이있다

236 < 표2-7> 일본나노기술프로젝트추진세부분야 구분 기술 세 부 분 야 - 나노정밀계측/ 진단기술( 신광원, 오염국소분석) 차세대 - 신재료형성ㆍ평가기술( 막형성, 평가를위한신기술개발) 반도체기술 - 신프로세스, 신 구조디바이스기술( 초평활화, 고기능소자구 조 ) 실용적인 - 신재료( 헤드용, 기록매체용신소재) 프로젝트테라비트급 - 신구조디바이스(CPP 형자기헤드, pattern 매체) 저장기술 - 헤드를나노레벨로위치시킬수있는 actuator 바이오나노센서 - Intelligent Biosensor - Lab on a Chip - 나노입자, 나노결정제조, 나노입자의표면수식 Process - 계면특성해명, 나노입자의분산, 집합, 배양기술 Material - 나노레벨의평활화, 상분리, 복층화, 복합화, 구조화 도전형 - Throughput 나노계측기술, Nanomachine 기술 프로젝트 - 근접정광, 용량센서에의한초정밀계측기술, 나노재료설계계측가공 - Bottom-up( 자기조직화) 기술과 Top-down( 미세화) 기술융 Simulation 합 - 차세대반도체용의 TCAD 등실용적나노시뮬레이터 - 양자컴퓨터연구형 - 나노바이오프로젝트 - 메조스코픽 < 출처> LG 전자기술원, 나노테그날러지보고서 도전형프로젝트에있어서는공정(Process), 재료(Material) 에는가공성있는고강도의구조재료, 저온/ 저압/ 혐오환경대응의촉매, 저전력소비형발광체, 신반도체재료등혁신적수요창출과재료의새로운기술체계의구축목표로개별연구와함께각재료의공통적인연구가실시되고있다. 계측, 가공, 시뮬레이션에서는나노시스템을받치는기반기술로반도체등의생산형장에서활용가능한 High Throughput기술과이것을보완하는초정밀기술의종합적개발이진행되고있다

237 연구형프로젝트에는미개척분야의탐색, 원리규명을목표로양자컴퓨터, 나노바이오, 메조스코픽현상등새로운물성, 기능창조등이포함된다. 다. 일본산업계의나노기술개발일본산업계의나노기술개발의움직임이매우활발한것으로나타나고있다. 섬유, 바이오 ㆍ화학, 환경, 산업기계, 정보통신등산업전분야에폭넓게연구개발의열기가달아오르고 있다. 나노기술의개발은단순히정부만의구호가아니라정부를중심으로산ㆍ학ㆍ연공동 의노력이집중되고있다. 개별기업의나노기술열기도매우높아대기업뿐아니라중소기 업까지적극적으로도전하고있다. 일본의나노기술개발과관련한주요기업을살펴보면다음과같다. < 표 2-8> 일본의나노기술개발관련주요기업현황 기업명 주 요 내 용 富士痛 국내외대학과공동으로나노기술연구단일전자트랜지스터 NEC 가스형상의탄소와금속원자고체화기술 日立製作所 나노기술적용하드디스크, 단일전자트랜지스터, 분자전자공학 三陸電耭 액정디스플레이 덴소 실리콘기판상폭1 미크론깊이의溝각인에성공 니콘 탄소나노튜브개발, 나노리소그라피 오림퍼스 SNP를 DNA 컴퓨터를이용한해석 세이코 100나노이하의초미세입자구조제작기술 富士일렉트로닉스 1미리구형에집적회로를봉지하는기술을보유한미국볼세미콘덕터사에출자 초상전공 탄소나노튜브대량합성에성공샘플출하시작 테루모 체내삽입용마이크로레이저로혈전등을잘라내는기술

238 기업명 주 요 내 용 大阪가스 탄소중간체에전자선을조사하여탄소나노튜브를만드는방법을개발 東海카본 플러렌양산을위한기술개발 노리타케 자회사에서탄소나노튜브를이용한형광표시관을 2001년상품화 군제産業 탄소나노파이버( 다층탄소나노튜브) 의제조판매 三陵商社 플로렌. 나노튜브의양산기술확립과실용화 宝酒浩 게놈,DNA칩의개발 島津製作所 마이크로리액터칩의개발 클라스터데크놀러지 초미세가공기술개발 三洋電機 반도체레이저 東洋紡 인공투석기용 17나노급중공사막개발 神戶製鋼所 나노결정화아연, 알루미늄합금 NTT 단일전자트랜지스터, 양자정보기술 이세( 伊勢 ) 전자 CNT-FED < 출처> 日本工一ス證券, 日刊工業新聞에서발췌정리 3. 유럽 가. 유럽연합 EU 는국가별프로그램. 유럽협력네트워크, 대기업등다양한방법으로나노기술을지원하 고있다.2000년전체유럽정부가나노기술에투자한규모는 1억 8천 4 백만불이었으며, EU 단독으로는 2천 9 백만 불 규모이다. 유럽 위원회는 제6차 Framework Program(2000~2006) 동안총 13 억유로(1조4 천억원) 를집중투입하여기반구축및 R&D 프로젝트수행을계획하고있다. NID(Nanotechnology Information Device) 는 2000년부터 3년간 2천만불예산으로시작하 여다음과같은연구를진행하고있다

239 - 나노입자전자소자의생체분자에의한조립 - 원자ㆍ분자합성에의한나노머신 - 정보처리용전하감별소자의나노임프린트제작 - 분자/ 전자복합망막구조의디자인과제작 -DNA전자소자 - 전자빔나노리소그라피용마이크로건어레이 - 자성터널접합비휘발성메모리 - 나노분자전자소자의제조와모델링 - 나노 CAD - 나노분자전자소자의자기조립 - 나노튜브자기조립 - 플러렌나노집적회로 - 고감도, 고공간분해능질량검출용집적회로를갖는나노공진기 - 리소그라피에의한분자나노구조개발 - 나노바이오테크놀로지와의약 QIPC(Quantum Information Processing & Communications) 에서는다음과같은연구를수행하고있다. - 양자정보연구를위한원자칩 - 플러렌을이용한양자정보처리소자의제작 - 단광자발충고체소스 - 반도체기반양자정보소자

240 - 초전도Qubits( 조셉슨접합양자계산) 나. 기탁국가 (1) 독일 BMBF( 독일연방교육연구부, Bundesministerium fur Bildung und Forschung) 가나노기술지원의중심기관이다. BMBF는 1998년부터 5 개의나노기술센터를설립하였는데, 5개분야의주요프로젝트에지원을집중하고있다. 즉, 초박막, 수평방향나노구조, 초정밀표면처리기술, 나노구조분석, 나노물질과분자구조등이다. (2) 영국 1998년 LINK 나노기술프로그램착수( 네트워크프로그램, 200 만불/ 년) 하여나노재료과학프로젝트지원(1994~1999, 700 만불), 국립물리연구소중심으로국가나노기술과제(National Initiative on Nanotechnology) 포럼을설립하였다. (3) 프랑스 CNRS(Centre National de la Recherche Scientifique) 는나노입자및나노구조화소재에관한연구프로그램에착수하였는데, 60개물리및화학연구소와연구원 500명이참여하였다. CNRS는전체예산의2%( 연간약 4,000 만불) 를지원하고있는데집중연구분야에는분자전자공학, 밴드갭이큰반도체및나노자성체, 촉매, 나노필터, 처방문제, 농화학, 나노 콘크리트등이있다. 기업주관인 French Club Nanotechnologie 를운영하고있다

241 (4) 스위스기술지향적프로그램인 TOP NANO21 을운용하고있다. 나노기술관련분야를결집하고인 식을통합하여과학지평을확장하고, 나노미터기반의새로운기술을개발, 적용하여국가 경제력을강화한다. 그리고나노미터교과과목을통합하고새로운기업설립의준비를장려 한다. 또한프로젝트형태로는탐색연구, 기초기술연구, 제품개발협동연구및개별연구, 지 식기술이전연구등이있다. 4. 한국 가. 나노기술연구개발추진방향우리나라는 2001년 7월국가과학기술자문위원회가심의ㆍ의결한나노기술종합발전계획에따라향후 10년간 1조 4,850 억원( 정부 9,835 억원, 민간 5,015 억원) 을투자해, 미래기술이핵심인나노기술의연구개발과, 인력양성, 시설구축등을 3대목표로 5년이내에나노기술개발을위한주요인프라구축을완료하고, 2010년에는선진 5대국과대등한기술경쟁력확보를계획하고있다 년도과학기술부기술분야별연구개발예산현황을보면, 나노 기술분야가전년(425 억원) 대비 164% 증가한 1,122 억원으로( 미국의 1/6 규모임) 나타났다

242 < 표 2-9> 국가별나노기술개발정부예산 < 출처> 1 M.C.Roco. J. of Nanoparticle Research, Kluwer Academic Publ., Vol. 3. No. 5-6, pp 년도연구개발예산( 안) 현황분석 KISTEP 일본 2001년도초기예산에서추가예산으로 1억 4 천만달러를책정함. 기타에는오스트레일리아, 캐나다, 중국, FSU, 한국, 싱가포르, 타이완 2 등국가포함. 상기계획에따라 2001년부터 2010년까지단계별로국내나노기술연구역량향상을위한전략적정책을추진하고있으며, 전략적필요성과실현가능성을고려한 4대핵심기술개발 ( 경쟁력강화), 10 대주요기술개발( 경쟁력확보), 20 대기반기술개발( 기반기술강화), 기술저변확충등연구개발분야를선정하였다. 또한매단계마다신축성있는조정과자원의중복방지, 효율적운영을위한통합적조정관리에주력하고있다. 지원대상분야( 기술) 은기술환경의변화를반영하여매단계마다신축성있게조절하고있다. 자원의중복방지ㆍ효율적운영을위해전체적인통합적조정ㆍ관리하고있다. 나노관련전분야에대한지원이아닌최소한의여건또는전략적필요성이인정된분야의연구개발이다

243 < 표 2-10> 국내연구역량을고려한단계별추진방안 1 단계(2001~2004) 2 단계(2005~2007) 3 단계(2008~2010) - 기존의기반형성을위한 - 타분야파급효과가큰 - 기술개발결과의산업적지원사업의지속추진기술분야연구추가착수활용착수 - 시급하고핵심적기술분 - 핵심기술의연구결과에 - 비교연구분야의확대야연구출범대한산업적활용모색발굴ㆍ추진 - 저변확보차원의연구준비 - 민간공동참여유도 - 상업화전단계인응용기및시설ㆍ인력양성술개발 - 정부지원중심의연구추진 < 출처> 나노기술종합발전계획 과학기술부, < 표 2-11> 부처별연구개발지원현황 과학기술부 - 프론티어테라급나노기술개발사업( 핵심기술, 년간 100 억원) - 우수연구집단( 창의, NRL, ERC/SRC 등) 지원사업( 핵심기술/ 저변확충, 년간 198 억원) - 국책극미세구조기술개발사업( 기반기술, 년간 14 억원) 산업자원부 - 차세대신기술개발사업( 중요기술, 년간 23 억원) - 산업기반기술개발사업( 저변확충, 년간 2 억원) 정보통신부 - 선도기반기술개발사업( 핵심기술, 년간 7 억원) 산업체연구( 제품연구) - 삼성전자, 현대전자, LG 전자등대기업이반도체관련나노기술을개발중이며, SK 케 미컬은나노복합체및나노분말등소재연구추진중 -( 주) 나노폴, 석경화학, 나노기술등다수의벤처회사가설립되어나노제품의상품화노 력추진중

244 < 표 2-12> 국내나노기술연구개발추진기간및예산 국내나노기술연구개발단계별예산을보면 1 단계('01 04') 에는정부 2,330 억원, 민간 505 억원을투입할예정이며, 2 단계('05 '07) 에는정부 2,670 억원, 민간 1,580 억원, 3단계('08 '10) 에는정부 2,670 억원, 민간 2,370 억원을투입할예정이다. 핵심기술에 5,750억원을, 중요기술에 2,825 억원, 기반기술에 2,650 억원을투입할계획이다. 한편, 우리나라의분야별기수수준목표를보면나노소자의경우 2005 년에중~ 상단계에서 2010 년경에는최상단계로나타났으며, 의료/ 바이오의경우에는 2005년에하단계에서 2010 년경에중~ 상단계로목표설정이되어있는것으로나타났다

245 나. 나노기술추진체계 < 그림 2-3> 우리나라나노기술의추진체계 다. 나노기술연구개발현황기반연구에있어서는중점국가연구개발사업을통하여 ' 극미세구조기술개발사업' 등 3개나 노기술관련과제를정부차원의지원사업으로착수하고있다

246 또한 21 세기프론테어연구개발사업으로 ' 테라급나노소자개발사업' 을수행중에있으며반도체부문의기술적한계의극복과정부출연연구소들이기관고유사업으로상당수의나노기술관련연구를수행중에있다. < 표 2-13> 국내기업들의나노기술연구개발내용 구분 연구개발내용 - 나노구조의 ITO(In, Sn) 소결체, SET-memory, 자성체의스핀배열을 이용한 MRAM개발 - Discrete Charge-Storage Site(SCSS) 를이용한 Flash memory 소재 삼성전자 에대한전기적특성및신뢰성연구 - 데라비트급탄소나노튜브메모리개발 - 나노구조형성시나타나는양자현상을이용하여초고집적, 초저소비전 력, 고속단전자메모리개발 -NanoData 저장시스템(NDSS) 개발 - 테라비트급정보저장장치개발 LG전자 - 테라비트급탄소나노튜브메모리개발 -Hybrid나노입자개발 - 탄소나노튜브를이용한디스플레이기술개발 하이닉스 -MRAM용MR 소자소재및단위공정개발 / - 단전자소자를이용한회로기술연구( 포항공대와연구협력) - Gas Barrier 특성향상을위한 PET Nanocomposite 개발 SK케미컬 -CMP용나노재료개발 -담배필터및화장품용 Paste 개발 포스코 - 나노기술을이용한수질개선용나노신소재개발 - 에너지절약신소재개발 포스콘 - 나노네트워크소자개발 - 나노센서개발 일진나노텍 - 탄소나노튜브의개발및생산 - 탄소나노튜브의저온합성, 정제및응용등에대한연구 나노텍 - 실리카졸, 실리콘레진파우더등의나노사이즈초미립자개발 나노신소재 - 화학적방법으로제조한 ITO(Sn doped In2O3), ATO(Sb doped SnO2). TiO2 등의기능성금속및금속산화물나노미립자개발 < 출처> 나노기술(Nano-Tech) 산업화전략. 산업자원부,

247 응용연구( 실용화연구) 로서는산업자원부차세대신기술사업으로' 고기능나노복합재개발사업' 과반도체나노제작기술( 산업자원부산업기반기술), 나노구조반도체제작( 정보통신부선도기반기술개발사업) 과제등을수행중에있다. 산업화연구에있어서연구기반이갖추어진일부기업만이기초나노기술연구개발을진행하고있다. 삼성전자, LG 전자등대기업이반도체관련나노기술을개발중이며, SK케미컬은나노복합체및나노분말소재연구를추진중이고 ( 주) 나노폴, ( 주) 석경에이ㆍ티, ( 주) 나노데크, 일진나노텍( 주) 등다수의벤처회사가설립되어나노제품의상품화노력을추진중에있다. 라. 전략적변구개발추진내용 첫째, 경쟁력강화가필요한핵심기술개발은기술성격상기술자체의개발효과가크고산 업적파급ㆍ활용효과가높은기술, 유사분야의인력전환ㆍ활용등현시점에서인력확보가 가능한기술등이다. 추진방법으로는각부처의핵심( 대형) 연구사업을통해집중화연구추진등이다. 예를들면 프론티어연구개발사업( 범부처사업), 차세대신기술사업( 산자부), 선도기반기술개발사업( 정통 부) 등이다. 대상기술에는나노전자소자(CMOS, MRAM, SET 등), 나노핵심소재( 고강도, 고순도, 소결 소재, 광학소재등), 나노공정( 나노패터닝, 자기조립공명, 화학공정, 플라즈마공정, 공정모 사등), 나노공정장비( 리소그래피장비, 에칭장비, 플라즈마공정장비, 광학공정장비, 전자 현미경, 주사형검침현미경등), 나노바이오/ 보건의료등이다

248 둘째, 경쟁력확보가필요한주요기술개발의대상기술에는재료분야( 화학촉매용나노소재, 국방용고온ㆍ고강도소재(2 개)), 나노소자( 나노감지소자, 분자소자, 나노포토닉스(3 개)), 바 이오/ 의약( 유전자치료, 생체ㆍ의약소재(2 개)), 환경분야( 오염제거기술(1 개)), 나노공정( 양자 선/ 양자점, 나노측정(2 개)) 등이다. 기술성격은타분야에파급효과가기대되는기술, 2010년시점에서일정수준의기술력확보 가필요한기술, 현시점에서국내인력의전화ㆍ활용이부분적으로가능한기술이다. 추진방법으로는집중화연구형태로추진하되, 소규모수준으로착수하고, 국내인력이충분 히확보되고기술적우위여부가확인되는 2단계이후대상기술을선별하여일정규모수준 으로확대ㆍ추진할예정이다. 셋째, 기술기반강화가필요한기반기술대상기술에는나노재료분야에고밀도기록용소재, 복합충상소재, 코팅용소재, 기공소재, 나노섬유소재, 고주파전자소재(6 개), 나노소자분야에 는나노튜브소자, 스핀소자, 생물소자, 가변파장광소자, 양자컴퓨터소자(5 개), 바이오( 의 약) 분야에는유기ㆍ무기하이브리드기술, 생물분자의나노자기조립, 생물학적센서와액튜 에이터(3 개), 환경( 에너지) 분야에는태양전지(1 개), 나노열소재, 나노분리학, 공정ㆍ측정( 논 리) 분야에나노metrology, 공정모사, 나노소자논리/ 모사, 원자/ 분자레벨물질조작, 원자층 박막(5 개) 등이다. 기술성격은나노기술개발저변확보를위해필요한기술이고현시점에서충분한인력확보가 어려워소규모기준으로개발착수가불가피한기술등이다

249 추진방법으로는소규모국책기술로설정, 대학ㆍ출연연구기관의연구지원하는방법, 국가지정연구실, 창의연구진흥사업, ERC/SRC( 과기부), 공업기반기술개발사업, 중기거점사업( 산자부등기존사업의보강ㆍ확충등의방법, 출연연구기관의특성에맞는대상기술을선별, 기관고유사업으로특화하여추진할수있도록지원하는등의방법으로추진할것이다. 넷째, 기술저변확충을위한연구개발에있어서필요성을보면미지기술에대한도전기회부여, 비교우위가기대되는미래기술의선도적발굴, 다양한인력에연구기회를줌으로써연구저변확충및관련인력양성등이다. 5. 비교분석 나노소재와나노전자공학분야는거의모든나라가전략적으로추진중인데, 세계적으로관심이집중되고있는나노- 바이오분야는미국과한국이현재개발을지원중이며, EU는 2001 년에지원을시작하였고, 나머지국가들은아직초기개발단계이다. < 표 2-14> 세계주요국의 NT 개발현황비교분석 국가 집중개발 부처간조정 나노전자공학 나노소재 나노-바이오 미국 EU 2001 일본 초기단계 초기단계 한국 초기단계 초기단계 중국 분자전자공학 대만 초기단계 초기단계

250 전세계적으로나노기술투자는증대되고있는데정부예산투자만을고려할때 1997년 4억 3,200만달러에서 2002년약 20억달러로 462% 증가하였다. 또한 1998년전세계벤처기 금투자는 1억달러이하였으나 2001년에는 10억달러이상으로대폭증가한것으로나타 났다. < 표 2-15> 세계나노기술투자전략비교 전세계적나노기술은증대 - 전세계나노기술투자증가( 정부투자만고려) : 4억 32 백만불(1997 년) 약 20억불 (2002 년) 462% 증가 - 전세계벤처기금투자 1 억불이하(1989 년) 10 억불이상(2001 년) 국가차원의장기개발전략수립완료 - 미국 : 국가개발전략(NNI) 수립 - 일본 : 국가차원의전략수립( ) - EU : 2003~2006년간 FP6( 총투자액 13억 Euro) - 중국 : 2001~2005년간 Nano Hot 이라는 5 개년국가계획수립( 총투자액 $240M) - 대만 : 2001~2007년간 5 개년국가계획수립( 총투자액 $700M) 한국 : 나노기술종합발전계획수립 - 과학기술부주도로범부처적개발전략추진 각국의정부정책특징을보면미국은전반적인나노기술의발전을추구하고있으며일본은특정분야의경쟁력을강화하는방향으로, EU의경우나노전자공학보다는환경ㆍ에너지, 생명공학에큰비중을두고있는것으로나타났다

251 각국의산업화과정특징을보면미국은학계, 산업계, 정부의연계성을강화하여상업화를촉진하고, 일본은경제산업성이핵심지원주체가되어빠른상업화를추구하고있으며 EU 은나노기술의연구를현재의기술에곧바로접목시킴으로써기존산업의경쟁력강화를추진하고있다. < 표 2-17> 미국의나노기술투자전략요약 국가정부정책산업정책상업화분야중점분야거대자기저항나노소재나노기술개발에관한정부-산업계연계미국나노구조화나노전자소자통합조정 (NNI) 강화 ( 다부처참여) 촉매나노분말환경ㆍ에너지 일본 EU 한국 중국 종합나노기술개발프로그램 N-Plan 21 수립 EU 및국가별프로그램운용 국가나노기술종합발전계획수립정부지원중심 ( 과학기술부) 정부지원위주 ( 경제산업성중심) 제품지향적기술지향적과제지원 원통나노분말 - 나노전자소자나노소재 에너지ㆍ환경정보기술생명과학 정부지원위주 - 나노전자소자 - 나노분말 나노소재나노전자소자 대만인력개발중심 - - 나조전자소자 호주 싱가폴 공업과학지원부중심의지원 국가과학기술위원회중심 - 바이오센서 분자공학바이오 -MEMS 나노소재 - - 나노소재 미국, 일본, 우리나라의나노기술투자전략을비교해보면다음과같다

252 < 표 2-17> 미국의나노기술투자전략요약 나노기술을국가선도기술로선정(2000년 1 월) - 모든나노분야에서기술을장악한다는전략 2002년정부예산 6억 4 백만달러( 전년대비 43% 증가) 2001 년나노기술총투자액 : 20 억달러( 정부+ 민간) 2002~2003년벤처투자약12억달러 - 30 개(1997 년) 약1,000 개(2002 년) 주정부의활발한투자 - 캘리포니아 UCLA대 4년간 3 억달러투자( ) - 뉴욕주정부 IBM과공동으로 4 억달러투자(2002) 국립과학재단(NSF) : NNUN 5 개대학, 6 개대학나노센터설립(2001.9), 2개신규나노센터설립 ( ) 연구센터증가 10 개(1999 년) 30 여개(2001) 2003 년예산계획: 7억 1,000 만달러(17% 증액) 나노촉진법상원소위원회만장일치통과 (2002.9) < 출처> 국회공청회자료, < 표 2-18> 일본의나노기술투자전략요약 나노기술개발을추진하는기본목표 국가경쟁력확보/ 고용창출/ 신산업창출 강점인소자와재료분야중점( 강한분야를더강하게) 90 년대부터연구시작, 집중투자진행중 년정부예산5억 9,000 만달러투자(60% 증가) 년정부예산약 8억 8,500 만달러투자예정( 약 50% 증가) -2005년까지 20억달러로정부예산증액예정 - 경제산업성/ 문부과학성등개별프로그램에서범부처적대응 - Asuka Project : 2001 년산업체주도의차세대반도체개발(5년간 84 억엔투자) - Mirai Project : 2001 년국가주도의차세대반도체개발(1단계 3년 238 억엔투자) 약 50개기업에서나노연구수행중 - 미쓰이 : 1 억달러벤처캐피탈조성( ) - 미쯔비시 : 8,000 만달러의나노기술관련벤처자금지원( ) 2001년말부터 NT육성을위한의원모임 < 출처> 국회공청회자료,

253 < 표 2-19> 한국의나노기술개발및투자전략요약 국책연, 대학, 일부기업중심으로태동단계 미국, 일본과같은국가적인인프라취약 - 활용가능나노기술전문인력부족 ( 한국 : 1000 명, 일본의 1/10 수준) - 나노기술인력약성교수요원및교육과정미흡 - 나노기술필수장비절대부족 2001년 7월나노기술종합발전계획수립 21 세기프론티어사업의테라급나노소자사업단(2000 년발족), 나노소재및나노메카트로닉스(2002 년발족) 과같은전문조직보유( 연 100 억원예산투입) 나노기술관련연구비확대 2010년까지총1조4,850억원투입예정 2002년예산약 2,031 억원( 전년대비 93% 증액) 2006년까지매년R&D 예산30~40% 수준증액 < 출처> 국회공청회자료, 국가별나노기술수준비교를보면미국의경우의료/ 제약, 재료, 제조등의분야에서우위가있고독일의경우화학제품분야, 일본은전자소자분야에비교우위가있는것으로나타났다. < 표 2-20> 국가별나노기술수준비교

254 제 3 장산업시장동향 1. 나노기술의응용 나노기술은아직초기단계에있고, 나노구조나나노조작의상당부문이규명되지않았기때문에기술적성숙에는일정한시간이소요될것으로전망된다. 나노기술의산업화를추진하기위해서는상당한시간과대규모인적, 물적자원의투자가지속적으로이루어져야할것으로예상된다. 나노기술은차세대기술즉신재료, 신디바이스, 신프로세스, 극한계측등에혁신적인변화를초래하여광범위한기술혁신을가져오게한다. 일반적으로나노기술은전자( 정보저장ㆍ메모리반도체, 포켓사이즈슈퍼컴퓨터) 로부터재료 ( 분자단위에서설계된고강도의소재, 고성능의촉매), 의약( 선택성신의약, 인체적합약물전달체계확립), 생체ㆍ농업기술( 하이브리드시스템의합성피부, 유전자분석ㆍ조작), 국가안보( 나노구조전자장치, 무인전투차량, 초소형정찰기) 에이르기까지매우다양하게응용될수있다. 이와같이나노기술은물질의분자, 원자레벨에서다루는기술이기때문에그대상이되는분야에한계가없고현상태의근본적재료개발에서일렉트로닉스의가공기술, 환경에너지에서바이오기술까지광범위한응용분야를가진다. 나노기술은크게나노제조기반기술, 나노구조체( 디바이스) 기술, 나노재료기술등으로구분할수있다

255 나노제조기반기술에는제조법ㆍ장치, 조작ㆍ가공법, 나노역학소프트등이있으며이들기술 은물리학, < 표 3-1> 나노기술의응용가능분야 분야응용분야ㆍ낮은전력소모, 저생산비용을갖고백만배이상의성능을갖는나노구조의마이크로프로세서소자전자/ 통신ㆍ10배이상의대역폭과높은전달속도를갖는통신시스탬ㆍ현재보다수천배크고크기는작은대용량정보저장장치ㆍ대용량정보를수집처리하는집적화된나노센서시스템ㆍ진단학과치료학의혁명을가능케하는빠르고효과적인염기서열분석ㆍ원격진료및생체이식소자를이용한효과적이고저렴한보건치료의료ㆍ나노구조물을통한새로운약물전달시스템ㆍ내구성및생체친화력이있는인공기관ㆍ인체의질병을진단. 예방할수잇는나노센싱시스템ㆍ나노미터크기의다공질촉매체ㆍ극미세오염물질제거할수있는다공질물질환경/ 에너지ㆍ자동차산업에서금속을대체할나노입자강화폴리머ㆍ무기물질, 폴리머의나노입자를이용한내마노성, 친환경성타이어ㆍ분자공학으로제작된생화학적으로분해가능한화학물질생명공학ㆍ동식물의유전자개선동물에의유전자와약물공급ㆍ나노배열에기반한분석기술을이용한 DNA 분석 재료/ 제조 항공우주 국방 ㆍ기계가공하지않고정확한모양을갖는나노구조금속및세라믹ㆍ뛰어난색감을갖는나노입자를이용한인쇄ㆍ나노크기를측정할수있는새로운표준ㆍ절삭공구나전기적, 화학적, 구조적ㆍ응용을위한나노코팅ㆍ저전력, 항방사능을갖는고성능컴퓨터ㆍ마이크로우주선을위한나노기기ㆍ나노구조센서, 나노전자공학을이용한항공전자공학ㆍ내열, 내마모성을갖는나노코팅ㆍ무기체계의변화( 소형, 고속, 장거리이동) ㆍ무인원격무기( 무인잠수함. 무인전투기, 원격센서시스템) ㆍ은폐(Stealth) 무기 < 출처> 산업자원부, 나노기술산업화전략의수립

256 화학, 물질과학, 분자생물학, 전자공학, 계산과학, 계측, 제어기술등의횡단적인융합에의 한연구개발이필수적이다. 나노구조체기술에는무기나노구조디바이스, 탄소ㆍ유기나노구 조체, 고분자ㆍ무기나노구조재료, 다공ㆍ대표면적나노구조체, 바이오관련나노구조체기술 등이있다. 무기나노구조디바이스에는양자디바이스, 단일전자소자, 차세대기역소자, 자기 기록미디어등이있고탄소ㆍ유기나노구조체에는탄소나노튜브, 다이아몬드박막, 유기EL 등이있다. 고분자ㆍ무기나노구조재료에는나노구조제어고분자폴리머, 세라믹, 슈퍼메탈합금등이있 으며다공ㆍ고표면적나노구조체에는활성탄소섬유분리막, 제오라이트분리막, 유해물질분 해 세라믹, 광촉매 미립자등이 있다. 바이오관련 나노구조체에는 DDS(Drug Delivery System), 생체모방소자, 고감도센서소재등이있다. 나노재료기술에는전자디바이스재료, 발광ㆍ표시전자재료, 정보통신기재재료, 고기능신규재료, 안전환경정화재료, 진단ㆍ의료재료 등이있다. 2. 나노기술산업분야별, 기술분야별시장전망 가. 세계전체시장전망나노기술은아직초기단계에있고나노기술의산업화를추진하기위해서는상당한시간과대규모투자가지속적으로이루어져야할것으로예상된다. 따라서현단계에서는나노기술시장의규모를정확하게알수없으나국내의관련기관에서발표한자료를이용하여살펴보고자한다

257 세계전체나노시장은 2001년 460억달러로추정되며 2010년경에는 4약 1조달러에달할 것으로예상하여 2001~2010년기간동안연평균 40.8% 씩증가할것으로예상되고 2020 년경에는 20조달러규모에달할것으로 2010~2020년기간동안에는연평균 34.9% 씩증 가할것으로예상된다. 한편일본의나노기술전체시장규모는히타치종합연구소에의하면 2005년에 2005~2010 년기간동안연평균62.6% 의매우높은신장세를보일것으로예상된다. 분야별로보면 2005 년에정보/ 전자 37.5%, 계측/ 가공/ 모사 25.0%, 공정/ 재료 20.8% 등으 로이들세분야가전체의 83.3% 로대부분을차지할것으로예상된다 경에는정보/ 전자분야의비중이 50.9% 까지증가할것으로예상되며, 공정/ 재료분야는 33.0% 증가할것으로전망된다. < 표3-2> 세계나노시장규모 < 표 3-3> 일본의나노기술시장규모전망( 히타치종합연구소)