국내외 기술개발 현황미국의 나노생산기술 연구방향 나노 기술이나 나노 과학은 우리의 상대적인 새로운 능력에 의해 가능한 과학과 기술, 하나의 원자층과 소그룹의 원자들에서의 문제를 특성화함으로써 정의된다. 클린턴 정부시기 NNI(national nanotechnology initiative)의 탄생 이후, 오늘날 전 세계적인 연구 활동은 나노 기술에 초점을 맞추고 있다. 물리학을 새롭고 흥미롭게 나노 기술로 밝힌다는 사실보다, 더 중요한 것은 인간의 삶의 질을 나노 기술을 통해 높일 수 있다는 점이다. 나노 기술의 최후의 목표는 하향식과 상향식 접근에 의한 유용한 생산품을 생산해 내는 것이다. 간단히 말해 하향식의 접근은 고전 물리학과 양자 물리학의 예견에 의해 합성되는 나노스케일 물질로 이해할 수 있을 것이다. 왜냐하면 중요한 자산이 나노스케일 재료로 기대되기 때문이다. 상향식 접근은 나노스케일 물질을 생산하는 것이다.예를 들어 열전기 에너지 전환에서 최근 진보는 나노 기술의 다채로운 연구 활동 중에 하나였다. 사람들은 수퍼래티스(super- lattice), 양자점구조(quantum dot structure), 나노 구조물로 된 물질 그리고 나노 구조적 재료(상향식구조) 같은 나노 구조물을 합성하고, 매크로 크기로 된 열전기 장치를 만들었다. 보통 기술자들이 나노스케일 재료의 장치를 만드는 것에 반해(상향식), 물리학자, 화학자, 재료과학자는 나노스케일 재료를 합성하는 역할을 한다(하향식). 그러므로 과학자와 기술자들 사이의 협력적인 작업이 종종 요구된다. 어떤 사람은 왜 고급의 재산을 나노스케일 재료로 여기는지 묻는다. 다시 말해, 왜 나노인가를 묻는다. 전형적으로 나노 기술에서의 길이에 대한 관심은 그림 1에서 보는 바와 같이 1~100nm의 순서이다. 그림 1에서 여기자(exciton)는 태양 전지에서 중요한 전자 정공쌍(electron-hole pair)으로 정의된다. 디바이 길이(debye length)는 표면이 유동적인 채널로 가해지는 중요한 특성이 있다. 음자는 투명한 고체에 열을 운반하는 것 중에 하나이다. 이 평균자유행정(mean free path of energy) 길이스케일과 에너지 또는 운반을 가하는 파장을 비교할 때 소위 고전적 혹은 양자 크기 효과가 기대된다. 또한 크기가 감소함으로써 표면에서 부피의 비율이 증가한다. 이 중대한 재산의 정의는 나노스케일 재료를 얻는 것이다.기본원리<고전적 크기 효과> 나노 구조물(전자와 음자 그리고 자유행정운반자 등)의 크기는 에너지의 평균자유행정 또는 전하운반(charge carrier)에 영향을 미치는데, 이를 고전적 크기의 효과(classical size effect)라 한다. 재료의 열전도성은 나노와이어(nanowire)의 경계를 통과할 때 흩뿌려진 나노 구조물 때문에 음자평균자유행정이 감소함으로써 조절·조율될 수 있다. 이 나노 구조물로 인한 열전도성의 감소는 열전기 에너지 전환에서의 효율성 증가가 주된 이유다.<양자 크기 효과> 전자나 음자는 양자역학운반자(quantum mechanics carriers)에 따르면 또한 물질파(material waves)다. 나노 구조재료의 크기가 운반자의 파동 특성을 대체할 때 에너지 양자화, 즉 양자 효과 역할을 한다. 그런 양자 효과를 만약 누군가 적당히 이용한다면 장치의 실행을 높일 수 있다. 실제적인 예로 CD플레이어가 있다. CD플레이어 안쪽에 정보를 읽는 양자 레이저가 있다. 양자의 근원은 한 방향에서 전자를 제한하는 2차원 구조물로 정의된다. ‘블루레이저’는 양자 근원 레이저의 예 중에 하나이다.<기타 크기 효과> 특히 나노유체(nanofluidic)와 표면 전하 효과(surface charge effect)는 채널사이즈 감소로서 중요하다. 크기 효과로 알려진 이름이 없어 기타 크기 효과(other size effect)로 불린다. 전해질 용액에서 반대이온(counter ion)은 대전된 표면(charged surface)과 co-ions 근처에 정전기적으로 쫓아 버려진 것을 축적한다. 이 반대이온 보호물 때문에 잠재된 전기는 디바이 길이로 알려진 특성 길이(characteristic length)의 부피가치 이상으로 부패한다. 디바이 길이는 물의 용해를 위해 일반적으로 1~100nm이다. 디바이 길이보다 더 작은 채널 크기로서 표면 전하 효과는 중요하다. 그러므로 채널에서의 이온 운반은 표면 전하의 변화에 의해 컨트롤 될 수 있다. 즉 나노유체 트랜지스터(nanofluidic transistor)이다.<부피에 대한 표면적 비율> 분명히 크기가 나노미터의 순서로 감소함에 따라 볼륨에 대한 표면적의 비율은 거대하게 증가한다. 더욱 큰 부피에 대한 표면적의 비율(large volume ratio to surface)이 요구되는 경우들이 있다. 그 예로 광전지 디바이스(또는 태양전지)가 있다. 유기체적 폴리머, 즉 광전지 디바이스는 최근에 많은 관심을 일으켰다. 왜냐하면 그것이 저가의 광역장치의 가능성을 제공했기 때문이다. 복합의 폴리머와 비유기적 상(inorganic phase)으로 구성된, 대량 이질접합 디바이스(Bulk-heterojunction device)는 순수 폴리머에 기초한 장치보다 훨씬 더 효율적이다. 변경된 풀러렌(fullerences)과 무기적 반도체는 그러한 디바이스 안에 비유비적 상으로 사용되어 왔다. 대량 이질접합 디바이스에서 효율성이 증가하는 이유는 논쟁의 여지가 있다. 양자 제한 효과(양자 크기 효과)도 이유가 될 수 있지만 부피에 대한 표면적 비율의 증가에는 어떤 또 다른 설명이 있을 수 있다. 센서 애플리케이션, 특히 효용성 있는 표면 화학 센서(surface chemistry sensor)를 보면, 부피에 대한 표면적 비율이 크면 클수록 감도(sensitivuty)의 증가, 노이즈 비율의 저 신호, 낮은 샘플 소비 등의 이유로 더 선호된다. 나노스케일 재료는 부피에 대한 표면적 비가 크기 때문에 촉진제로 적당하다. 예를 들면, 벌크 폼(bulk form)의 금은 화학적 작용이 아니자만, 나노스케일에서 금 3nm의 극소량은 화학적으로 높게 작용한다. 그래서 금 나노파티클은 에너지와 관련된 연구의 중요성, CO의 산화 같은 화학반작용을 위해 극소량의 촉매제로 전망되고 있다. 나노튜브를 사용하는 대량수송 연구는 최근 실험적·이론적 연구에서 모두 중요 토픽 중 하나로 다루고 있다. 최근 나노튜브의 외부 표면은 녹인 금속의 작은 방울이 펨토그램 수송을 위해 ‘나노스케일 매스 컨베이어(nanoscale mass conveyors)’로 사용될 수 있다고 증명되었다. 표면고유성(surface properties) 효과는 부피에 대한 표면 비가 이 작은 스케일에서 높게 나타날 수 있기 때문에 습윤(wetting)과 퍼짐(spreading) 같은 대량수송에서 중요하다.그림 2(a)는 수송 과정을 위한 컨베이어와의 유사성을 보여준다. 각각의 컨베이어는 전기 분야와 온도의 기능이 있는 고정된 Jij 비율로 매스를 움직인다. 3개의 대량 저장소는 T1>T2>T3와 함께 온도 기울기 안에 있다. 왜냐하면 J12는 J23보다 더 크고, 그리고 두 번째 저장소로서 보여 지는 수송방향은 첫 번째 것이 텅 빌 때 까지 매스를 축적할 것이기 때문이다. 그림 2(b)는 실제의 나노튜브 매스 컨베이어의 도식의 묘사를 보여준다. 나노튜브 기판(substrate)으로 기여하는 4개의 인듐 극소량이 자라고, 현재는 기판을 통해 텅스텐정점으로부터 통과되어 줄어든다.나노 기술의 주요연구분야TopDown 접근 하향식 접근은 새로운 재료의 합성, 나노스케일로 줄이는 노력, 특성 있는 나노스케일 재료를 위한 도구의 발전 등을 포함한다.<새로운 재료의 합성> 앞서 설명한 것과 같이 보통 물리학자, 화학자 또는 재료과학자는 새로운 나노스케일의 재료를 합성한다. 나노스케일로 된 재료는 2차원 재료(수퍼래티스, 멀티레이어 등)와 1차원 재료(나노와이어, 나노튜브 등), 그리고 0차원 재료(양자점)로 분류될 수 있다. 수퍼래티스(superlattics)와 멀티레이어(multilayers)는 서로 다른 재료의 교체층으로 구성된 주기적 구조물이다. 일반적으로, 수퍼래티스는 하나의 크리스탈 필름으로 만들어져 있는 반면, 멀티레이어는 다결정질(polycrystalline)이거나 심지어 무조직(amorphous)일 수 도 있다. 두 번째 재료의 표면 위에 어떤 재료의 에피택셜(epitaxial) 성장은 3개의 가능한 성장 모드를 가지고 있다. 물질 A가 젖고 물질 B가 들러붙었을 때 2차원 필름성장 결과를 얻고, 필름 A와 B가 주기적인 방법으로 교체된다면 전통적인 수퍼래티스가 생성될 수 있다. 그러나 만일 물질 A가 젖은 재료 B보다 더 결집을 선호한다면 이것은 3차원 아일랜드(island) 성장이나 Volmer-Weber 모드 성장을 이끈다. 마지막으로, 물질 A가 물질 B를 습하게 하고 두 물질사이에 충분한 래티스 미스매치(lattice mismatch)가 있는지 없는지로 기인할 수 있다. 이 경우에 물질 A는 물질 B 위에서 2차원적 방법으로 우선 성장할 것이다. 그러나 격자 미스매치의 결과로 생겨나는 오점을 덜기 위해 물질 A는 결국 Stranski-krastanow 모드 성장이라 불리는 2D, 3D 성장의 결합을 만들어내면서 실패한다. 이 세 가지 성장모드의 개요는 그림 3에서 설명한다.그러한 2차원 구조물 성장에 흔히 쓰이는 기술은 분자 빔 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE), 금속 유기 화학 증착법(Metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD) 등이 있다. 원자의 가파른 경계면은 MBE 과정에 의해 얻을 수 있다. 그러나 그것은 MBE 과정을 사용하는 필름의 성장을 위해 소비할 때이다. 그러므로 MBE는 연구도구로 더 적당하다. 나노와이어와 나노튜브는 1차원적 재료의 예이다. 많은 독특하고 환상적인 특성은 월등한 기계적 견고성(toughness), 강화된 열전기 장점의 더 높은 발광효과, 그리고 더 낮아진 레이저 경계처럼 이미 제안되었거나 이 재료 클래스를 위해 논증되어 오고 있다. 나노와이어 성장을 위한 몇 가지 성장 메커니즘이 있다. 그것들 사이에 기체-액체-고체(Vapor-Liquid-Solid, VLS) 메커니즘과 형판으로 원조된 성장 메커니즘이 널리 사용되고 있다.나노와이어의 성장 메커니즘의 개요는 그림 4에서 설명한다. VSL 메커니즘과 관련한 간략한 설명은 다음과 같다. 규소 기판위에 금 클러스터는 시레인(SiH4) 환경에서 섭씨 800℃까지 열을 가한 후 용해되고 규소와 함께 합금이 형성된다. 그 용액이 규소와 함께 과포화 될 때, 규소는 나노와이어처럼 촉진·결정된다. 더욱이 규소의 응축과 분해는 나노와이어의 길이를 증가시킨다. VLS 메커니즘에 관한 최신연구는 UC 버클리 화학부 페이동 양(Peidong Yang)과 하버드의 찰스 리버(Charles Lieber)에 의해 이루어지고 있다. 그림 4의 아래 도식은 원조된 나노와이어 성장 메커니즘의 형판을 보여준다. 그것은 다공성의 알루미나 형판이다. 그 안에 나노스케일 채널을 가지고 있으며, 메조포러스 실리카(mesopo rous silica)와 폴리머 형판이 사용될 수 있다. 어떤 것은 재료를 가지고 형판에 나노채널을 채울 수 있고, 어떤 것은 나노와이어를 얻을 수 있다. 압력주사, 전기화학의 침전 등은 평판을 채우기 위한 선택방법이다. 특히 전기화학적 과정은 그림 4에 보인다. 전기화학적 과정에 관한 간략한 설명은 다음과 같다. 후방전극을 위해 다공성 알루미나 평판의 뒤쪽 편에 금속을 둔다. Bi와 Te를 포함한 용액 안에 평판을 넣는다. 그림에서 보는 것처럼 나노채널에서 Bi와 Te를 두기위해 바이어스를 적용한다. Bi2Te3 나노와이어는 나노채널에서 성장될 수 있다. 1991년 그들의 발견 이래로 탄소 나노튜브는 주목할 만한 1차원적 시스템을 공급했기 때문에 집중연구 주제가 되어왔다. 단벽(Single-wall) 탄소 나노튜브는 두께 면에서 하나의 원자, 원주면에서는 10여 개의 원자, 그리고 길이 면에서 많은 마이크론이 될 수 있다. 그것은 지름과 이성질체(chirality) 위에 의존하는 금속제거나 반도전성(semiconducting)이 될 수 있다. 바라던 전기적 특성과 나노스케일 때문에 탄소 나노튜브 트랜지스터를 가지고 논리적 회로기판과 분자 컴퓨팅(molecular computing)을 위한 임의접근 메모리를 만드는 수고가 실행되고 있다. 또한 탄소 나노튜브는 알려진 재료사이에 최고의 열 생산성을 가지고 있다. 이 특성을 이용하기 위해 몇 가지 노력이 있다. 그러나 아직 확실한 결과는 없다. 많은 잠재적 용도는 에너지 저장과 에너지 전환 장치, 센서, 필드 방출 전시, 방사 원천, 수소저장장치, 전도성과 고력의 합성을 포함하는 탄소 나노튜브를 위해 제안되고 있다. 그리고 나노스케일의 반도체장치, 프로브, 그리고 상호연결이 있다. 이 용도 중에 어떤 것은 현재 생산품으로 인식되고 있다. 다른 것들은 일찍이 진보된 장치로 설명되고 있으나 수소저장소는 논쟁으로 인해 전망이 어둡다. 나노튜브타입에 다분산도(polydispersity)인 나노튜브 비용과 처리와 회합방법의 모방은 단벽 나노튜브의 몇 가지 용도에 있어 중요한 경계이다. 탄소 나노튜브는 보통 비록 탄소 나노튜브를 합성하기 위한 많은 방법이 있지만 보통 전기 방전법(Arc-discharge), 레이저 절삭, 그리고 화학증착공법(Chemical Vapor Deposition, CVD)에 의해 합성된다. 오늘날 그것은 그것들이 성장하길 시도 하는 것보다 탄소 나노튜브를 사는 것이 더 낫다. 이번 단계에서, 탄소 나노튜브의 문제점은 합성하는 방법에 놓여 있는 게 아니라 유용한 생산품을 만들기 위해 이것들을 어떻게 회합하느냐에 있다. 탄소 나노튜브는 월등한 특징을 가지고 있다고 널리 수용되고 있으나 그러한 장치 안에서 회합하는 유용한 방법은 알려진 것이 없다. 게다가 WS2 나노튜브가 있는 탄소 나노튜브와 질화붕소(boron nitride) 나노튜브는 또한 합성될 수 있다. 탄소 나노튜브와 대조적으로, 다른 나노튜브의 특성은 아주 불충분하게 연구돼 왔다. 그러나 몇몇 아주 흥미로운 특성과 잠재적 용도가 드러났다. 예를 들어, 질화붕소 나노튜브는 초고력을 위해 그것들을 좋은 후보자로 만드는, 높고 단단한 섬유용도로 알려진 절연된 섬유의 가장 높은 영(Young)률을 지니고 있다. WS2 나노튜브는 매우 좋은 스캐닝 프로브 현미경 정점에 사용될 수 있다.<어드밴스드 리소그라피> 패터닝 나노 크기 특징은 회절 한계 때문에 평범한 것이 아니다. 흔한 리소그래피 기계로 사용되는 자외선(ultraviolet) 파장을 고려해보면 약 2~300nm 이다, 최소 특징 사이즈는 기껏해야 약 수백 nm 일 것이다. 정밀과학 현미경법(near-field scanning optical microscopy, NSOM)과 굴절의 효과적인 인덱스가 부정적인 주파수 밴드를 나타내는 구조화된 메타물질(metamaterial)이 회절한계를 두드리는 두 가지 연구방법이 있다. 물론 X선 리소그래피는 확실히 나노스케일의 특징을 제공한다. 왜냐하면 X선은 옹스트롬 해상도(Angstrom resolution)의 순서를 가지고 있기 때문이다. 그림 5는 메타물질을 사용함으로써 발전된 패턴을 보여준다. 나노의 선 너비는 40nm이다. 문자 ‘A’의 평균된 교차섹션은 드러난 89nm의 선 너비를 보여준다. 통제된 실험에 반하여, 회절한계 321nm의 최대 선 너비의 절반에서 회절한계 된 풀(full) 너비가 측정되었다. 그러나 지금 이 기술의 한계는 이것이 단지 근접 영역(near field)에서만 작용한다는 것이다. 이 분야에 더 많은 노력을 필요로 한다. 게다가 비팅 회절한계(beating the diffraction limit) NIL, 높은 재료 처리량(high-throughput), 저비용, 비상용 리소그래피 방법 등 발전되고 있고 요즘 더 많이 연구되고 있다. 종합적으로 최근 나노 미팅 중에 하나의 일치된 의견은 아직 새로운 나노스케일 물질을 특성화하기 위한 3차원적 도구가 없다는 것이다. TEM, SEM, AFM, STM 등의 현재 기술은 우리에게 기껏해야 2차원적 그림을 제공할 뿐이다.BottomUp 접근 나노 기술에서 핵심 도전 중에 하나는 유용한 생산품이나 장치를 만들기 위해 나노 크기 재료를 조직하고 조립하는 방법이다. 유용한 장치를 생산하기 위해 나노과학이나 나노 기술면에서 다양한 노력들이 있다. 그러나 우리는 상향식 접근의 핵심 과정 중에 하나인 자기조립(self-assembly)에 대해 논의할 것이다. 장치나 생산품을 만들기 위한 다른 노력들은 그들이 하향식과 상향식 접근을 가지고 결합시켜야 하기 때문에 또 다른 섹션에서 다룰 것이다.<자기조립> 나노 기술은 고전적인 하향식 리소그래피와 공학기술(리소그래피와 박막 프로세싱과 같은)의 힘이 미치지 않는 곳에 있다. 그러므로 화학적 루트를 사용함으로써 새로운 상향식 자기조립 전략이 수단이 되어야 한다. 자기조립 단분자막(Self-assembled monolayers, SAMs)는 고체의 표면위에 분자 구성요소의 흡착에 의해 형성된 유기체집합이다. 흡착물질은 결정(또는 세미-결정) 구조물 안에서 자생적으로 조직된다. SAM으로 가장 널리 사용되는 것은 알칸티올레이트(alkanethiolates) SAM이다. 티올레이트는 강한 공유 결합(covalent bond) 위에 특히 금 표면에 형성된다. 사람들은 그들이 갖고자 하는 것의 재료를 종합하기 위해 최종의 기능적 그룹 위에 분자나 나노 구조물을 둔다. SAM 층은 결정체를 위해 결정핵생성 장소(nucleation site)로 이용될 수 있다는 것을 보여준다. 사람들은 색다른 특수성, 에칭 저항(etch resist), 전자 운반을 위한 배리어, 생물학 등을 가지고 리소그래피 패턴을 위해 이 SAM을 사용한다. SAM이 자기조립을 위해 널리 사용되는 반면, 최근에 연구원 그룹은 자기조립을 위해 바이러스를 사용한다.에너지 에너지의 미래 요구에 대한 스몰리(smalley)의 논설에서 태양전지가 강조되고, 연료전지는 강도 높게 비평받는다. 특히 수소경제(hydrogen economy)에 관해 많은 페이지를 할애한다. “내가 믿는 것은 그것의 도덕성임을 불구하고, 현실로 굴절되어 남아있는 것 같이, 우리 에너지의 실제적 해결이 필요하다. 수소는 기본적인 에너지 원천이 아니다. 오히려 수소는 에너지를 저장하고 그것을 여기저기 운반하는 방식이다. 불행히도 그것은 이러한 임무를 잘하지 못한다는 것이다.” 연료전지연구자들은 후에 연료전지로 에너지 문제를 해결할 수 있다고 말하는 논문을 발행했다. 또한 Dresselhaus 등은 에너지의 필요성을 토론했다. 그녀는 열전기 에너지 전환에 초점을 맞췄다. 태양전지에 연구방향을 맞춘 이후로 앞선 섹션에서 간략히 토론했다, 여기에서는 열전기의 연구방향을 설명할 것이다.<열전기학> 이름이 가리키는 것처럼, 열전기학은 딱딱한 물질을 수송하는데 열과 전하를 사용하면서 열에서 전기까지 에너지의 전환을 포함한다. 열에너지는 전기 에너지(제베크 효과)로 전환될 수 있고 현재 전기는 한쪽에서 열을 펌프할 수 있고 다른 쪽(펠티에 효과)은 그것을 놓아둘 수 있다. 그림 6은 1년에 대한 300K에 열전기 장점을 보여준다. 단일의 ZT를 가리키는 특징이 일렬로 있다, 그리고 과거에 사람들은 그것을 ZT에 더 개량된 장애로서 간주했다. 단일의 ZT는 카르노 효율(Carnot efficiency)의 약 10%에 일치한다. 반면 압축기에 기반을 둔 냉각기의 효율성은 카르노 효율의 약 30%에 작용한다. 3정도의 ZT에서 열전기 장치는 냉각기, 증기 동력 장치 등과 같은 전통적인 에너지 전환 장치와 경쟁할 것이다. 1950년대 발견된 최고의 열전기 재료는 Bi2Te3와 실내 온도를 위한 Sb와 Se 합금 그리고 발전(power generation)을 위한 SixGe1_x합금이다. 이러한 반도체 합금은 둘 다 2개의 재료보다 더 많이 혼합되어있다. 1950년대 합금이 최고의 열전기 재료로 발견된 주요 원인은 좋은 전기 전도성을 유지하는 동안 열 전도성이 줄어들기 때문이었다. 이 실험에서 나노 구조물이 주로 열전도성의 감소 때문에 ZT가 증가하는 것임을 보여준다. 나노 구조물이 열전도성에서 감소하는 이유는 최근 연구들에 의해 밝혀지고 있다.요약하면, 열전기 군집은 그림 6에서 분명히 나타난 것처럼 나노 기술에 은혜를 입고 있다. 바로 지금 사람들은 나노 구조물에 의해 ZT가 더 증가하기를 시도하고 있다. 동시에 그들은 현재 연구노력에서 상업적으로 이용가능한 생산품을 만들려고 시도하고 있다.<태양전지> 비결정 규소기반(amorphous Si-based) 태양전지는 너무 비싸서 동력유발의 다른 형태와 함께 경쟁할 수 없다. 그러므로 그라첼 전지(Gratzel cell), 폴리머와 유기 태양전지(organic solar cell) 등과 같은 나노구조로 기초된 태양전지로 대체하기 위해 활발한 연구가 진행되고 있다. 나노구조 폴리머와 유기 태양전지는 앞서 논의되었기 때문에, 그라첼 전지에 초점을 맞추겠다. 그라첼 전지는 발명자인 스위스 과학자 미하엘 그라첼(Michael Gratzel)의 이름을 따라 명명되었다. 실리콘을 대신해 TiO2에 의존한다. 태양빛에 의해 방출된 광범위 파장을 흡수한 색조로 방수가공한 TiO2의 그라첼 전지 입자들은 요오드 이온을 포함하는 전해용액 속의 두 전극 사이에 배열된다. 전지는 색조에 의해 캡처된 에너지가 한 궤도에서 다른 궤도로 점프하여 염료 분자(dye molecules) 안에 전자를 만들 때 전기를 생성한다. 그러면 전자가 TiO2 입자 위로 이동하고 하나의 전극 쪽으로 확산된다. 그동안 요오드 이온이 색조를 재생성하기 위해 다른 전극으로부터 전자들을 움직인다.<수소에너지 (연료전지)> 비록 연료전지가 대안적인 에너지 전환 장치로서 매우 매력적이지만, 수소저장 문제가 먼저 해결되어야 한다. 안전한 압력에서 수소의 거대한 양을 저장하는 것은 수소기반경제(hydrogen -based economy)를 설립하는 핵심 요인이다. 연료전지는 화학에너지에서 바로 전기 에너지로 변환하고, 발전 모듈(power generation module)로서, 그들은 계속해서 조작상 배터리로 간주될 수 있다. 연료전지는 중간상태로서 열을 통하지 않고 유용한 에너지를 생산한다.따라서 크게 인정되는 것은 인식할 수 있는 에너지 효율성을 얻는 것이다. 그러나 수소저장은 그것의 낮은 용적밀도 때문에 주요문제로 고려된다. 그리고 그것은 낮은 압축성에서 비롯된다. 수소를 위한 적당한 중간의 저장소를 공급하기 위해 나노 구조물이 고려되는 중이다. 단벽 탄소 나노튜브에 수소저장이나, 저온 또는 고온에서 미소공성 금속 유기체(metal-organic) 틀에 대한 보고서들이 있다. 그림 7은 가솔린과 비교된 수소의 에너지 밀도를 보여준다.화학 센서 911 테러 이후에 자국 안전에 관한 상당수의 프로젝트들이 있다. 화학 센서에 관한 연구 활동의 급속한 성장은 이런 방식으로 이해될 수 있다. 우선, 화학 센서에 관한 우수한 평론은 참고문헌을 참조하면 된다. 대부분 센서의 동기로서, 화학 센서에 관한 연구방향은 휴대용이나 적어도 비싸지 않고, 비싼 것을 대체하기 위해 작은 화학 센서, 대량 기체크로마토그래피(bulky gas chromatography, GC) 또는 질량 분석(mass spectrometry, GC-MS)로 연결된 GC를 만드는 것이다. 이것은 1982년 Persaud와 도드(Dodd)에 의해 보고된 전자 코(electronic nose)의 처음 모델의 결과로 생겼다. 그들의 생각은 인간의 후각 시스템의 다른 단계를 흉내 내고 냄새의 샘플링과 필터링을 포함하여, 휘발성 혼합물이 반응할 수 있는 생화학적 센서를 사용, 센서 시그널의 증폭과 처리에 반응, 그리고 데이터의 핵심 구성요소를 평가하기 위한 중립적 네트워크를 사용함과 휘발성 냄새의 인식의 결과로서 다른 휘발성의 혼합물을 조사하기 위해 시도했다. 몇몇 전자 코 장치는 3가지 기초적 기본원칙을 포함하여 모두 발전돼 왔다. 즉, 휘발성 가스냄새는 센서 어레이로 없어지고, 센서의 전도성은 센서 시그널의 배치로 인한 결과와 접합층 때문에 변화된다. 그리고 그것은 생산품을 만들기 위해 데이터 분석 소프트웨어에 결부시킨다.IT 산업과 나노 현재 IT산업에 사용되는 가장 작은 물체의 크기는 90nm 정도 이다. 우리가 회절한계를 앞지르는 사람들의 노력을 앞서 배웠다. 무어의 법칙에 따르면 도전적인 것처럼 보인다. 그러므로 Si 기술의 대안은 나노 기술의 급박함으로 토론돼 왔다. 분자 일렉트로닉스(molectronics), 양자 컴퓨팅과 스핀트로닉스(quantum computing & spintronics) 등은 그런 노력들의 예이다.<양자 컴퓨팅과 스핀트로닉스> 정보의 기본단위(양자 비트나 큐비트로 불리는) 양자 컴퓨터는 2진법이 아니라 4진법이다. 이 큐비트의 특성은 고전물리학 법칙과는 근본적으로 다른 양자메카닉스(quantum mechanics)의 법칙에 대한 직접적 결과를 야기한다. 큐비트는 각 상태에 따라 절대적인 계수를 나타내는 확률과 함께, 0 또는 1로 존재할 수 있다. 그런데 왜 양자 컴퓨터로 성가시게 하는가? 비록 고전적인 컴퓨터가 이론적으로 양자 컴퓨터를 흉내 낼 수 있을지라도 비능률적이기 때문이다. 양자 정보 접근분야는 개념이 생겨난 이래로 수많은 장래성 있는 진보가 이루어져왔다. 그러나 우리가 ‘just building one’으로부터 못하게 막는 몇몇 잠재적인 큰 장애물들이 아직도 남아있다. 양자 컴퓨팅의 제안된 실행중 하나는 스핀트로닉스다. 정전기자석 분야의 단전자 주제의 스핀은 양자 컴퓨터에서 기본적인 논리적 단일성, 큐비트로서 사용하기 적당한 자연적인 2 단계 시스템을 제공한다. 현재, 반도체 양자점에 기초한 단전자 기억장치는 이미 증명되고 있다.<분자 일렉트로닉스> 전극 사이에 끼워진 개개의 분자를 통해 전자운반 지배능력은 전자공학 그 이상의 최소화를 이끌 수 있다. 사람들은 자기조립으로 결합된 기술이 현재의 규소 기술을 대체하길 원한다. 그러나 그러한 접합 작업을 더 잘 이해하는 것이 이번 단계에서 중요하다. 요즘 이 분자 일렉트로닉스에 관한 처음의 흥분은 조금씩 사라져 가고 있다. 나노 기술은 발광소자(light-emitting diode, LED), 백색광의 원천, ‘ultimate lamp’로 시장에 입성한 것과 같이 에너지를 절약하는 주거와 상업상의 조명에 큰 영향을 미치고 있는 것 같다. 전기력과 관련하여 방사된 발광력이 담체 자극 안에서 팽창된 것으로 정의되는 발광소자 빛의 수행은 극적으로 증가하고 있고, 이는 30년이 지난 무어(Moore)의 법칙에서도 보인 바 있다. 상대적으로 스몰-갭 반도체(small-gap semiconductors)로 붉은빛의 발산과 관련된 초기 작업에 반해 1990년대 그린과 블루 LED의 급속한 발전은 일반적인 빛의 목적에 알맞은 백색광을 발전 하게 했다.그림 9에서 보는 것처럼, 발광소자의 효용은 이미 할로겐 백열램프의 그것을 능가했다. 양자 효능을 증가시키기 위해 발광소자의 헤테로구조의 양자점 안에 양자우물(quantum wells)의 결합처럼 전망 있는 새로운 발전은 발광소자의 다음 세대의 빛의 효능이 현저히 증가하길 기대한다.대표적 나노 대량생산 기술소개<나노소재 조립 및 패터닝 공정> 나노소재의 조립 및 패터닝 기술은 1~100nm의 임계 차원(Critical dimension)을 가진 기능성 나노소재(탄소 나노튜브, 나노와이어, 나노파티클 등)를 원하는 위치에 대량으로 정밀하게 패터닝 하거나 조립하는 기술을 개발하는 것이다. 100nm 이상의 스케일을 작게 가공하는 TopDown 기술과, 나노스케일 혹은 그 이하 크기의 것을 조립하여 수 ㎛ 정도의 스케일로 만드는 BottomUp 기술은 각자 독립적으로 나노소재를 실생활에 사용할 수 있는 소자나 제품으로 제작하는데 한계가 있다. 따라서 이 두 방식을 조합하여 문제를 해결하고 장점을 극대화하게 되면 나노 소자 및 시스템을 만드는 획기적인 방법이 될 것이다. 이러한 나노소재를 TopDown 기술과 BottomUp 기술을 접목하여 조립하고 패터닝 하는 기술은 최근 몇 년 사이에 나노 기술의 확산과 더불어 급격히 부각되기 시작한 분야로서 현재는 많은 연구 그룹들이 이에 대해 연구를 진행 중이다 (2001, Nature, Yu Huang). 이 기술은 메모리, 디스플레이, 연료전지, 나노 전자 소자, 분자 전자 소자, 바이오 소자 및 장치, 각종 NEMS 센서 등 나노소재를 조립하여 제작할 수 있는 많은 분야에 적용할 수 있는 것으로써 값싸게 대량으로 만들 수 있는 공정이며, 큰 면적에 보다 정밀하게 이를 구현하는 기술의 개발이 중요하다.<나노 사출 성형 공정> 현대 사회에서 경량성, 저비용 및 뛰어난 생산성 등 다양한 측면에서의 장점으로 인해 그 응용 범위를 급속히 넓혀가고 있는 플라스틱 제품의 대표적인 생산 공정인 사출 성형은 일반적으로 열가소성 고분자 수지를 용융시켜 금형에 주입하고 냉각 고화시켜 제품을 생산하는 과정으로 구성된다. 사출 성형은 제품 생산의 사이클 타임이 소형 제품의 경우 수초에서 대형 제품인 경우에도 수분 정도로 생산성이 매우 높고, 관련 공정 장비나 원재료의 비용이 낮아 대량의 제품을 값싸고 빠르게 생산하기에 매우 적합한 공정이라 할 수 있다. 또한 다양한 기계적, 광학적 혹은 화학적 특성을 가지는 열가소성 고분자 재료를 사용할 수 있고, 성형성 또한 매우 우수하여 광학 렌즈, 광학 저장 매체인 CD(Compact Disc), DVD(Digital Versatile Disc), 차세대 광 저장 디스크(블루레이, HD-DVD) 등의 고부가가치의 초정밀 광학 플라스틱 제품, 도광판과 같은 디스플레이 기기용 부품이나 각종 기능성 판상류 제품 등의 대량 생산에서 공정 수요가 급증하고 있다. 이러한 제품들은 얇은 기판에 나노 혹은 마이크로 스케일의 돌기나 그루브와 같은 패턴이 표면에 대량으로 형성되어 있다는 특징이 있으며, 이러한 패턴의 형상이나 크기의 정밀도는 제품의 성능에 절대적인 영향을 미치므로 이러한 표면의 미세 형상 패턴들을 정밀하게 제작하는 것은 제품 개발의 핵심이라 할 수 있는데 현재 300nm 정도의 표면 구조물이 형성된 DVD 등은 이미 사출 성형 공정을 적용하여 성공적인 정보 저장 매체로 자리 매김하고 있다. 현재 세계적인 기술 환경은 IT/NT/BT 기술의 비약적인 발전으로 전자, 광학, 통신, 생명 분야 등 다양한 분야의 각종 초정밀 부품에서 요구되는 최소 구조물의 크기가 수십 nm에 형상 정밀도가 수 nm에 이르고 있다. 특히 저장 매체의 경우 요구되는 저장 용량의 비약적인 증가로 최소 구조물 150nm 급 제품인 블루레이 디스크가 이미 상업화 단계에 있으며 향후 차세대 고밀도 광학 저장매체 개발이 진행 중에 있어 저장 매체에서 요구되는 최소 구조물의 크기는 30~100nm로 더욱 작아질 것으로 예상되어 이에 대응한 저장 매체의 대량 생산이 가능한 나노 사출 성형 기술 개발에 대한 수요는 더욱 증가하고 있다. 또한 측면 광원으로부터 발생된 빛을 굴절 또는 회절 시켜 빛의 방향을 정면의 LCD 패널방향으로 바꾸어주는 역할을 하는, LCD의 핵심 부품 중의 하나인 도광판(Light Guide Penal, LGP)은 몇 가지 생산 공정이 있으나 대부분 사출 성형에 의해 생산되고 있으며 그 비율은 지속적으로 증가하고 있다. 근래에는 LCD의 휘도나 균일도 등의 성능 개선, 원가 절감 및 경량화 등의 목적으로 도광판의 복합화, 다기능화 및 박판화 등에 대한 필요성이 커지고 있으며 이를 만족하기 위해 표면에 다양한 형상과 크기의 패턴이 설계되고 있고 일부에서는 200~300nm 크기의 표면 구조물을 설계하여 이를 구현하기 위한 나노 사출 기술 개발을 진행하고 있다. 이러한 구조물은 도광판 뿐만 아니라 반사 방지 표면이나 자연 세정 표면 등과 매우 유사한 구조이므로 현재 시트(sheet) 형태의 제작이나 화학적 표면 처리에 의존하는 방식에서 탈피하여 나노 사출 기술을 적용, 대상 제품을 제작하는 경우 필요한 기능을 추가 공정이나 부품 없이 직접 구현할 수 있어 생산성이나 원가 절감의 측면에서 획기적인 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 이와 같이 나노 사출 성형 기술은 현재 나노스케일 형상 구조물을 가지는 다양한 종류의 제품을 대량으로 빠르고 값싸게 생산할 수 있는 최적의 성형 공정으로서 기존의 금형 제작, 공정 최적화 및 원소재 기술 등을 기반으로 나노 사출에 필요한 핵심 공정 기술의 개발을 통해 나노 기술이 접목된 혁신 제품의 실용화 및 시장 형성을 크게 앞당길 수 있을 것으로 판단된다.<나노 임프린트 리소그래피> 나노 임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography, NIL) 기술은 경제적이고도 효과적으로 나노 구조물을 제작할 수 있는 기술로, 나노구조물(nanostructute)이 각인된 스탬프(stamp)를 기판(substrate) 위에 스핀코팅(spin-coating) 또는 디스펜싱(dispensing)된 레지스트(resist)의 표면에 눌러 나노 구조물을 전사하는 기술이다. 2003년 반도체 로드맵(International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS)에 NIL 기술이 신규로 추가되었는데 이는 원자외선 리소그래피(Extreme Ultraviolet lithography, EUV), Mask-less 리소그래피(ML2)와 더불어 차세대 리소그래피로서의 가능성을 인정받았음을 의미한다. 1996년 프린스턴 대학의 Chou 교수가 최초로 제안한 NIL 공정을 설명하면 다음과 같다. 나노 크기의 패턴이 부조(요철)형태로 형성된 스탬프로 PMMA(polymethylmeth acrylate) 재질의 레지스트가 코팅되어 있는 기판 표면을 고온조건에서 누른 후 냉각과정을 거쳐 분리하게 된다. 이에 따라 레지스트에는 스탬프의 나노 패턴이 정반대 형태로 전사되고, 이방성 에칭 작업을 거쳐 레지스트 표면에서 눌려진 부분에 남아 있는 레지스트 재료를 완전히 제거하게 된다. 이어, 반응이온에칭(Reactive ion etching) 과정을 거치고 Ti/Au를 임프린트된 PMMA 위에 고르게 증착(deposition)한 후 리프트 오프(Lift-off) 공정을 통해 PMMA와 PMMA상에 있는 Ti/Au를 같이 제거하게 된다. Chou교수는 이 공정을 사용하여 10nm 지름의 원형 금속 점 배열을 구현하는데 성공했다. NIL기술은 초고속 나노급 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors, MOSFETs)와 금속 반도체전계효과 트랜지스터(Metal-Semiconductor Field-Effect Transistors, MESFETs), 고밀도 자기저장장치, 고밀도 CD(compact disc), 나노스케일 금속-반도체-금속 광검출기(Metal-Semiconductor-Metal photodetectors, MSM PDs), 초고속, 단전자 트랜지스터 메모리(Single-electron transistor memory), RF 소자 등에 적용될 것으로 기대되고 있으며, 현재 적용기술 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.나노 공정 연구의 중요성기술적 측면<나노프로브 공정 및 나노소재 조립기술> 100㎚ 보다 작은 크기를 갖는 미소 구조물을 만들 수 있는 실용적인 방법의 개발은 현재 미소 구조물 응용 분야가 직면하고 있는 가장 큰 과제이다. 그러나 기존의 TopDown 기술인 광 리소그래피 기술이나 BottomUp 기술인 자기조립 기술은 각자 독자적인 방법으로 50nm 이하의 피처 크기(Feature size)를 원하는 기능을 갖도록 패터닝하거나 제작하는 일은 매우 어려운 일이다. 특히 탄소 나노튜브와 같은 나노와이어들은 소재의 훌륭함에도 불구하고 만들어진 소재 자체를 TopDown 방식으로 패터닝하거나 조립하는 일은 거의 불가능하다. 모든 연구자가 직경이 1nm인 탄소 나노튜브를 규소 웨이퍼(Wafer) 상의 미세 선에 대체할 수 있으면 기존의 리소그래피 기술로서는 도달할 수 없다고 판단되는 테라비트(Tera Bit) 급의 메모리를 구현할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 특히 탄소 나노튜브가 가지고 있는 물리적, 전기적, 기계적 성질은 기존 리소그래피 기술로 가공하여 만들 수 있는 어떤 소재에 비해서도 뛰어난 성능을 가지고 있으므로 이를 이용한 나노 디바이스를 제작하는 것은 꿈의 기술로 여겨진다. 반도체 메이커인 인피니언(Infineon)이나 삼성전자, NEC 등에서는 탄소 나노튜브를 이용한 메모리 연구를 계속하고 있으며, 최근 난테로(Nantero Inc., 미국)에서는 탄소 나노튜브를 사용한 비휘발성 메모리(Non-volatile memory)의 초기 원형(Prototype)을 완성하여 발표하기도 했다(2004년). 또한 디스플레이 분야에서 삼성전자, Ise Electronics(일본), LG전자 등은 나노소재를 이용한 FED 등에 대한 연구를 하고 있다. 이러한 메모리, 디스플레이 분야에서 나노소재를 대량으로 정밀하게 조립하는 기술은 현재 상업화를 가로막는 중대한 기술적인 걸림돌이 되고 있다. 따라서 이를 해결할 수 있는 나노소재의 조립 및 패터닝 공정 기술의 개발은 국가의 산업경쟁력을 바꿀 수 있을 만큼의 지대한 영향을 끼칠 수 있는 분야라고 할 수 있다.<나노 사출성형 공정> 열가소성 수지를 용융시켜 금형에 주입하고 냉각 고화시켜 제품을 생산하는 공정으로 구성되는 사출 성형 공정은 생산성, 비용 그리고 제품의 다양한 특성에 있어 만족이 가능하다는 장점이 있지만, 몇 가지의 해결해야 하는 기술적 어려움이 있다. 우선 사용하는 재료의 분자량이 일반적으로 매우 크고 분자들이 체인과 같이 연결된 구조를 지니며, 용융물의 점도가 매우 클 뿐만 아니라 온도나 변형률 등에도 크게 영향을 받는다. 이러한 소재의 특성은 성형 공정 중 고분자 용융물이 금형의 캐비티를 충전하는데 매우 부정적인 요소로 작용하여 공정의 압력이나 온도 등을 크게 증가시키게 되고 때로는 제품 생산을 불가능하게 하는 주요한 원인이 된다. 또한 재료가 제품의 생산 과정에서 크게는 300℃ 이상의 온도 변화를 겪게 되어 상변화 및 수축 팽창 등이 반복돼 제품의 치수 정밀도나 변형, 광학적 특성 등에서 많은 문제점을 일으킬 수 있어 이를 해결할 수 있는 정밀한 사출 기술의 개발이 나노 사출 성형 기술을 적용한 제품 개발의 핵심 기술이 된다. 또한 사출 공정은 뜨거운 고분자 용융물(200~400℃)을 차가운 금형(40~100℃)에 빠르게 주입하는 공정이므로 뜨거운 고분자가 차가운 금형에 접촉하는 순간부터 매우 빠르게 고화가 진행되어 유동성이 급격히 저하되고 소재의 불균일한 고화 및 수축의 진행으로 미성형이나 변형 혹은 과다한 잔류응력에 의한 기계적 광학적 특성 저하 등 다양한 문제를 유발하게 된다. 특히 사출 성형의 충전 과정에서부터 진행되는 표면으로부터의 고화는 특히 제품의 두께가 얇은 경우 제품 성형 자체를 매우 어렵게 하며, 표면의 나노/마이크로스케일 구조물의 전사를 매우 어렵게 하여 근래에 그 수요가 급증하고 있고 매우 얇은 기판위에 나노/마이크로 크기의 구조물이 대량으로 형성 되어 있는 형태의 광 저장 장치나 디스플레이 부품과 같은 IT/BT/NT 관련 제품을 사출 성형 공정을 적용하여 생산하는데 가장 큰 장애 요인이 되고 있다. 또한 사출 성형 기술을 이용하여 나노스케일의 패턴을 성형하기 위해서는 이러한 패턴이 요구되는 마스터나 스탬퍼의 제작 기술 개발이 필수적으로 현재 300~500nm 급의 패턴 형성에는 UV나 레이저 기술이 응용될 수 있으나, 100nm 이하의 패턴을 형성, 마스터나 스탬퍼를 제작하기 위해서는 전자빔 리소그래피 등 신기술 적용이 필요하며 초정밀 전주 금형 제작 등의 기반 기술 개발이 필수적이라 할 수 있다. 이러한 나노 사출 공정 및 관련 기반 기술의 개발을 통해서 현재 시작제품 수준에서 머물고 있는 많은 고기능 신제품의 실용화를 앞당길 수 있고 기타 관련 제품의 수준을 비약적으로 개선할 수 있을 것으로 판단된다. 일례로 현재의 광 저장 장치의 저장용량은 CD의 경우 0.7GB, DVD의 경우 4.7GB로 날로 대용량화되는 추세에 한발 뒤떨어져 있는 것이 사실이다. 3세대 정보저장기기인 블루레이 디스크(25GB 급) 플레이어가 소니, NEC, 삼성, LG 등에 의하여 공동으로 개발돼 시판되었으며, 일본 소니에서 컴퓨터에서 사용할 수 있는 블루레이 디스크 급의 광 저장 장치를 ‘Professional Disc’ 라는 이름으로 발표했다. 이는 현재 25GB를 저장 할 수 있는 매체다. 또한 향후 2005년 50GB, 2007년 100GB의 저장용량을 갖는 광 저장 장치의 개발 계획을 발표했다. 삼성전자, LG, 필립스, NEC 등도 100GB 급 4세대 정보저장기기의 개발에도 박차를 가하고 있으며, 현재 블루레이 디스크 양산기술을 확보하기 위한 노력이 계속되고 있다. 이러한 3, 4세대 정보 저장 매체들은 앞서 언급한 바와 같이 기존의 DVD에 비해 패턴 구조물의 크기가 100nm 급 이하로 매우 작아 마스터의 나노스케일 제작기술, 정밀 복제기술 및 정밀 몰드 설계기술 등이 요구된다. 기존의 DVD 제조공정에 비하여 사출온도가 고온이고 온도관리, 냉각기술 부족 등으로 휨(Warpage), 수축(Shrinkage), 미성형 등과 같은 불량이 발행하기 쉬워 스탬퍼의 개발은 물론 금형/성형 온도특성의 정밀한 해석과 이에 따른 공정 간의 온도제어가 차세대 고용량 광 저장 장치의 실용화를 위한 핵심 기반 기술로서 절대적으로 필요한 상황이다. LCD의 백라이트 유닛의 광 손실을 살펴보면 램프로 발산된 빛의 대부분이 램프 커버의 반사와 동시에 흡수되며, 그중 도광판으로 들어온 빛 중 7%는 손실된다. 이러한 손실을 최소화하여, 광 전달 효율을 극대화시키는 것이 매우 중요한데, 이를 위한 대표적인 방법 중의 하나로 도광판 표면의 패턴 최적화 및 이를 정확히 구현하기 위한 사출 성형 기술의 개발이 필요하다. 이때 사출 성형을 적용하는 경우 패턴의 크기가 비교적 크고 면적이 작은 경우 큰 어려움이 없으나 패턴의 크기가 작아지고 면적이 넓어지는 반면 두께는 얇아짐에 따라 전체 면적에서 패턴을 설계된 그대로 정밀하게 구현하는 것이 매우 어려워지게 된다. 따라서 휘도와 균일도 향상을 목표로 전 면적에서 설계된 패턴의 형상 및 치수를 정확하게 구현 할 수 있는 최적의 공정 즉 나노 사출 성형의 기술 수준 및 관련 기반기술을 향상시켜야 한다. 사출 공정자체의 양산 안정성이 LGP 외관 치수가 커짐에 따라 떨어지므로 소형 6인치 이하에서 주로 사출하는 형태를 사용하고 12인치 이상에서는 인쇄방식을 사용했다. 점차 사출공정기술이 발전함에 따라 소형에서뿐만이 아니라 중 대형에서도 패턴을 도광판면에 사출 가공하는 형태가 사용되고 있다. 하지만 패턴의 사이즈가 작아지고 간격이 작아질 경우 그리고 도광판의 크기가 커질 경우에는 사출 공정 조건의 설정이 어려워진다.<나노 임프린트 공정기술> 나노스케일에서의 제조 기술은 기존 장치 및 소자들의 소형화를 가능하게 한다. 반도체 산업 협회(Semiconductor Industry Association, SIA)에서 선정된 로드맵에서 알 수 있듯이 마이크로전자공학에서의 ‘더 작은’ 이라는 말은 항상 더 좋은 것을 의미한다. 즉 칩 하나에 보다 많은 구성물을 올려놓을 수 있고, 소자의 동작속도가 더욱 빨라지고, 생산비가 낮아지고, 전력소비가 줄어들며, 성능이 더욱 향상됨을 의미한다. 현재 SIA 로드맵은 2010년까지 DRAM 형상의 크기가 250nm에서 70nm 이하로 꾸준히 작아질 것이라고 예측한다. 이와 같은 소형화는 소자뿐만 아니라 다른 기술에도 적용된다. 예를 들어 부품들의 크기가 100nm의 크기를 갖는 자기 저장 장치나 피트(pit, CD에서 정보가 저장되어 탐침으로 읽혀지는 구멍)의 크기가 50nm 보다 작은 CD를 개발하려는 노력이 활발히 진행되고 있으며, 나노스케일의 센서나 NEMS 기기를 개발하려는 연구도 활발하다.또한 나노스케일에서 제조 기술은 매크로스케일(macroscale)이나 마이크로스케일의 크기를 갖는 구조물에서는 실현되지 않는 원리에 입각한 기술개발도 가능하게 한다. 양자점 레이저나, 양자 병렬 레이저, 단전자 트랜지스터, 나노스케일 자석들의 배열 등의 혁신적인 기기들이 실험실에서 등장되고 있다. 거의 모든 나노 구조물의 응용에서, 제조과정은 나노 구조물의 실현을 위한 최초의, 그리고 가장 중요한 문제의 하나가 되고 있다. 5~10년 후 차세대 리소그래피로 가능성이 높다고 인정되고 있는 원자외선 리소그래피를 포함한 광 검출기는 비용이 많이 들어 화학이나 생물학, 재료분야의 다양한 시도에 상당한 부담을 주는 공정이며, 평평하지 않은 표면의 패터닝에는 쉽게 사용될 수 없어 입체적인 구조물을 만드는데도 비효율적이었다. 또한, 광 검출기와 같은 물질에만 적용이 가능하므로 다양한 화학적 기능을 가진 물질에는 적용할 수 없을 뿐만 아니라 반도체 물질에만 잘 집적되고 유리, 플라스틱, 세라믹, 탄소 등에는 적용이 어렵다. 여러 종류의 물질에 대해 100nm 보다 작은 크기를 갖는 미소 구조물을 만들 수 있는 실용적인 방법의 개발은 현재 미소 구조물 응용 분야에서 직면하고 있는 가장 큰 과제인 것이다.앞서 언급한 바와 같이 2003년 반도체 로드맵(ITRS)에는 NIL기술이 신규로 추가되었는데 이는 원자외선 리소그래피(EUV), mask-less 리소그래피(ML2)와 더불어 차세대 리소그래피로서의 가능성을 인정받았으며 2004년에는 HP에서 세계에서 가장 작은 여러 번 저장할 수 있는 비휘발성 메모리를 제작하는데 성공했다고 발표했다. 이러한 세계적인 기술 동향을 살펴볼 때 NIL 기술 개발의 필요성은 매우 절실하다 하겠다.□ 사회 경제적 측면<나노소재 조립 및 패터닝 공정> 나노소재 조립 기술은 나노소재로서 이미 충분한 기능을 가지고 있는 물질들을 조립함으로써 기존의 TopDown 방식으로 제작이 불가능한 디바이스나 나노 관련 제품을 만드는 것이 가능하므로 나노 분야의 새로운 시장과 제품의 개발에 초석이 될 것이다. 특히 반도체, 전자 재료, 디스플레이, 메모리 등에서 활용이 가능한 탄소 나노튜브, 나노와이어, 초분자(Supramolecule), 블록공중합체(Block copolymer)와 같은 나노소재를 원하는 패턴으로 또는 낱개로 대량 조립하는 일은 기존의 광 리소그래피나 대체 가능한 리소그래피(NIL 등) 기술과 경쟁할 수 있는 새로운 분야로 떠오르고 있다.이 기술은 아직까지 상용화 제품을 만들어내기 까지 넓은 면적에서 보다 정밀하게 조립하는 기술을 개발하는 것이 관건이 될 것이며, 이러한 기술 개발의 선점은 향후 여러 나노 관련된 산업분야에 큰 파급효과를 독점하는 결과를 가져올 것이다. 또한 새로운 분야는 새로운 인력의 창출을 요구함으로써 고부가가치의 인력 제고에 기여할 것이고, 개발된 기술은 국민의 삶의 질을 향상시키는 데 기여할 수 있으며, 에너지나 환경 분야에서도 값싸고 친 환경적인 나노기술을 개발함으로써 제조비용을 절감하고, 오염을 최소화하여 보다 나은 환경을 만드는데 기여할 것이다.<나노 사출성형 공정> 나노 사출성형 공정의 개발은 미래형 대용량 정보 저장이나 고기능 정보 표시 장치의 대량 생산을 통한 실용화를 가능하게 함으로써 사회, 문화적 측면에서의 변혁과 함께 막대한 규모의 산업을 창출할 것이다. 이러한 대표적인 산업으로서는 2005년 디지털 위성방송의 상용화 이후 그 수요가 크게 증가할 것으로 예상되는 고용량 광 저장 장치나, 고화질의 디스플레이 개발을 위한 도광판이나 기능성 표면 제품 등이 있다. 광 저장 장치의 경우 현재 소니, 필립스, 도시바 등과 같은 세계적인 대기업들이 선두권을 형성하며 산업을 주도해 나가고 있다. 나노 사출 성형기술의 발전은 현재 외국의 대기업들이 주도하고 있는 광 저장 장치 산업의 주도권을 확보하여 막대한 경제적 효과를 기대할 수 있다. 또한 디스플레이 분야에서 현재 및 향후 상당 기간 그 수요가 가장 클 것으로 예상되는 TFTLCD의 성능 향상 및 원가 감소를 위해서 핵심 부품인 도광판이나 필름 등에서 나노스케일 패턴의 응용이 요구되고 있으며, 본 과제를 통해서 개발되는 나노스케일 패턴의 성형 기술을 적용하여 이러한 새로운 부품의 실용화 및 대량 생산이 가능할 것으로 판단되고, 결과적으로 현재 세계 시장에서 비교 우위를 가지는 국내의 디스플레이 산업의 경쟁력을 더욱 강화하여 막대한 관련 경제 효과를 기대할 수 있다.<나노 임프린트 공정기술> NIL 기술은 나노스케일의 소자를 저가로 대량생산하는 것을 가능케 하여, 반도체 분야에서 이룩한 국내의 기술력을 더욱 발전시킴으로써, 초고집적화가 가속되고 있는 정보처리, 저장과 관련된 신기능의 소자 개발을 가능케 하여 세계적인 기술 우위를 지속적으로 확보하는 데 기여한다. NIL 기술은 현재 학계의 연구 분야를 넘어 산업체에서 활용 가능한 산업기술로 발전되고 있기 때문에 본 기술의 제반 문제점을 극복하여 산업체 적용이 가능한 기술로 개발하는 것은 세계적으로 경쟁이 치열한 나노 기술의 산업화 분야를 선점하는데 있어 매우 중요하다.유기 EL 디스플레이의 상업화에서 볼 수 있듯이, 유기 전자 및 광소자는 기존 무기물질이 가질 수 없는 다양한 신기능, 신 공정 적용을 통한 가격 우위를 통해 산업적으로 중요한 위치를 점해 가고 있다. 유기 박막의 NIL 기술은 유기물을 이용한 광통신 부품, 메모리 및 디스플레이를 위한 플라스틱 일렉트로닉스(plastic electronics), 바이오센서(biosensor) 및 바이오칩(biochip) 등의 개발을 위한 핵심기술이 될 것이며, 이러한 소자들이 창출하는 부가가치는 막대할 것이다.나노 공정 연구의 비전<나노소재 조립 및 패터닝 공정> NEMS 응용소자(각종 센서, 액추에이터, 바이오 툴 등), 메모리(광 디스크, DRAM 등), 디스플레이(FED, 램프, 백라이트 유닛 등) 분야에서 나노소재를 이용한 대면적 조립 및 패터닝 기술은 세계적으로 기술적인 우위를 차지할 수 있는 분야이다. 특히 국내의 산업 기반이 우수한 메모리, 디스플레이 분야와 연계한 기술 개발에 해당되므로 국내의 경쟁력 있는 기업과의 협력관계를 기반으로 한 국가 산업 경쟁력을 획기적으로 제고 할 수 있다. NEMS 응용소자 기술은 조기에 벤처기업을 스핀오프(Spinoff) 할 수 있는 기술로서 본 기술의 연구 개발 과정 중에 다양한 분야로 발굴이 가능할 것으로 기대된다. 세계적으로 시작시점에 있는 개발 기술로서 여타 국가에 비해 이 기술을 선점하면, 국가의 기술적 선진국으로서의 위상을 제고하고 향후 국제 연구 무대에서 기술을 주도해 나갈 수 있는 기술적 기반을 구축할 수 있을 것이다. 이 기술은 다른 광소자 및 나노 소자들을 집적화시킨 나노소자를 제작하는 데에도 매우 중요한 기술이며, 바이오 관련 센서나 툴의 개발에도 미치는 영향이 매우 클 것으로 판단된다. 나노소재와 관련된 응용 분야는 아래와 같이 많으며, 특히 조립 및 패터닝 기술 개발은 이러한 응용 분야에서 제품의 상용화를 가속화시키는 중요한 역할을 담당하게 된다.<나노 사출성형 공정> 현재 가장 경쟁력 있는 대량 생산 기술이며 초소형, 초정밀 제품의 생산이 가능하고, 재현성이 뛰어나다는 장점을 갖고 있는 사출 성형을 나노스케일 패턴 제품에 적용함으로써 미래 기술 지향 제품의 실용화 및 대량 생산이 가능하다. 대용량이 광 저장 장치에 대한 필요성이 증가함에 따라 데이터 기록을 위한 피트의 크기와 트랙 피치(Track Pitch)가 감소하게 되는데, 차세대 저장 매체의 하나인 블루레이 디스크의 경우 트랙 피치 320nm, 최소 피트가 150nm 급이고, 이후 4세대 저장 매체의 경우 100nm 이하가 될 것으로 예상된다. 나노스케일 사출 성형 기술은 이러한 미세 형상물이 있는 제품을 저가로 대량 생산하기에 매우 적합한 기술이다. 2005년 이후 디지털 방송 상용화 등을 계기로 다루어지는 정보의 양이 급격히 증가하면서 고부가 가치의 고용량 정보 저장 매체 시장이 크게 형성될 것으로 예상되며, 따라서 나노 사출성형 기술은 새로운 시장에서의 경쟁력 강화 및 이를 통한 국가 산업 경쟁력 강화의 초석이 될 수 있다. 나노 사출 기술의 적용을 통한 표면에 나노스케일 패턴을 가지는 나노 LGP, 반사 방지 표면, 자연 정화 표면 등의 개발은 고휘도, 고기능화 등의 제품 기능 향상 및 비용 감소 등의 요구를 끊임없이 받는 디스플레이 산업에서 생산 원가 감소 및 제품 성능 향상을 동시에 만족할 수 있는 솔루션을 제공할 수 있다. 나노스케일 구조물을 필요로 하는 자연 모사 및 바이오 응용 분야에서의 개념 혹은 설계 단계 제품의 실현 및 양산화를 위한 제조 방법을 제공하여 미래형 바이오 기술을 실제 국가 경제의 한 축을 담당하는 산업으로 발전시키는 토대의 역할을 수행한다.<나노 임프린트 공정> NEMS 응용소자, 나노 메모리 디바이스, 유기디스플레이 소자 제작을 위한 50nm 이하의 NIL 공정기술을 개발함과 동시에 세계적 경쟁력을 갖춘 NIL 연구 인프라를 구축하고 나노스케일 선폭의 성형기술을 개발함으로써 NEMS 응용분야의 중요 부품개발에 필요한 공정 기술을 제공한다. 도파관, 스플리터(splitter), 커플러, 스위치, Mux/DeMux 등을 하나의 유닛에 포함하는 나노 광 집적 모듈 제작을 통한 초고속/대용량의 광통신 구현이 가능하며, 나노 메모리 디바이스 생산용 NIL 공정기술을 확보함으로써 5~10년 후까지 메모리 분야의 세계 경쟁력 우위를 지속하는데 일조한다. 나노스케일 선폭의 성형기술의 개발로 유기 트랜지스터, 플렉시블 디스플레이(flexible display) 소자 등 나노기술의 국제 경쟁력 제고가 가능하며, 나노단위의 신제품 및 기능성 부품의 양산기술 개발을 통하여 세계 나노 부품시장에 고품질 제품을 공급함으로써 해외기술 종속에서 탈피하여 21세기 국가경쟁력을 확보한다. 나노 임프린프 기술의 제반 문제점을 극복하고, 산업체 적용이 가능한 기술로 개발하는 것은 세계적으로 경쟁이 치열한 나노 기술의 산업화 분야에서 세계를 선도하는데 크게 기여할 것이다. 유기 EL 디스플레이의 상업화에서 볼 수 있듯이, 유기 전자 및 광소자는 기존 무기물질이 가질 수 없는 다양한 신기능, 신 공정 적용을 통한 가격 우위를 통해 산업적으로 중요한 위치를 점해 가고 있다. 유기 박막의 나노 패터닝 기술은 유기물을 이용한 광통신 부품, 메모리 및 디스플레이를 위한 플라스틱 일렉트로닉스, 바이오센서 및 바이오칩 등의 개발을 위한 핵심기술이 될 것이며, 이러한 소자들이 창출하는 부가가치는 막대할 것이다. 다기능 프린팅공정 기술이 기존의 전통산업과의 연계개발 될 경우, 기술융합에 따른 상승작용에 의해 대규모 신규 산업군의 형태로 확대 발전될 가능성이 매우 크다.선택성 신 의약 개발, 인체적합 약물전달체계 기술개발에 응용되어, 생명공학을 통한 의료기술 향상 및 의약산업의 활성화로 유전자 차원에서 생명현상의 이해와 질병의 진단 및 치료효과를 획기적으로 개선한다. 나노구조 전자장치개발, 무인전투차량개발, 초소형 정찰기개발, 환경적응형 방탄복 개발 등에 활용되어 국가안보에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 가공할 무기 개발능력 보유로 방위산업분야에서 독보적인 위치를 확보한다. 전자 소자 분야에서는 고집적 나노 트랜지스터, 양자우물 소자, 양자점 소자, 테라비트 스케일 IC 등의 개발에 활용하며, 광 수동 부품 분야에서는 나노 사이즈 광섬유 제작, 광도파로 제작, 분배기, 격자(grating), 고밀도파장분할다중(dense wavelength division multiplexing, DWDM) 등의 제작에 활용한다.
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