요약 나노기술의 기본 아이디어는 원자 또는 분자를 조작하여 다양한 특성과 성능을 가진 제품을 만들어내는 것이다. 나노기술이 가능한 이유는 원자가 갖고 있는 놀라울 정도로 정교한 패턴과 질서, 그로 인해 나타나는 물리적 특성 때문이다. 과학자들은 물질(원자와 분자)을 이용하여 우리가 필요한 소재를 만들고, 이를 원료로 사용하여 다양한 종류의 제품들을 만들어 낼 수 있다. 그러나 과학자들은 새로운 물질과 에너지를 창조할 수는 없다. 단지 이미 존재하고 있는 물질과 에너지의 종류와 상태를 변화시키면서 활용하는 기술만을 개발할 뿐이다. 나노기술은 인간이 창조해낸 기술이 아니라 자연속에서 발견된 모방 기술이다. 자연에 존재하는 모든 것들은 다양한 나노구조의 복합체이며, 신비할 정도로 정교한 특성들을 가지고 있다. 나노기술은 창조주께서 이 세상을 창조하실 때 이미 사용하신 기술이고, 과학자들은 자연을 통해서 나노기술의 존재를 확인하고, 그 기술을 모방하기 시작했다. 그러나 문제는 불완전한 인간의 과학기술은 아무리 발달한다 해도 창조주처럼 정교하고 완벽하게 나노기술을 구현할 수 없다는 점이다. 피조세계에 감춰져있는 나노기술의 비밀들은 창조주의 존재와 그 분의 설계에 의한 완벽한 피조세계의 창조를 강력하게 입증하고 있다.
I. 서론
20세기 말부터 반도체 기술의 발달과 함께 급속하게 발달하기 시작한 과학기술은 21세기에는 더욱 빠른 속도로 발전하고 있다. 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 발생시키는 화석연료중심의 중화학 산업에서 에너지 소모와 환경문제가 적은 환경 친화적인 산업으로 과학기술 패러다임(Paradigm)이 바뀌고 있다. 모든 분야에서 과거에는 상상도 못했던 기술들이 개발되어 우리를 놀라게 하고 있으며, 그러한 과학적 기술의 진보는 계속되고 있다. 21세기에 우리나라를 포함한 선진국들이 추구하는 사회는 크게 3가지로 분류할 수 있는데, 지속발전이 가능한 사회, 무병장수가 가능한 건강한 생명사회, 언제 어디서나 집과 직장을 외부에서 컨트롤 할 수 있는 유비쿼터스(Ubiquitous) 네트워크 사회이다[1] . 선진 국가와 기업은 이런 세상을 열어 가는 데 필요한 기술 개발을 위해 경쟁적으로 많은 투자를 하고 있다. 또한 첨단기술들을 융합 및 통합함으로써 기존 기술들이 가지고 있는 물리적 한계와 문제점들을 극복하고, 소비자의 다양한 욕구를 충족시키고, 편리하고 건강하게 살아가는 데 필요한 기술을 확보하는 것이 곧 국가의 경쟁력이 되고 있다. 즉, 21세기 과학기술 패러다임이 다양한 융합기술(fusion technology) 개발로 바뀌고 있다. 앨빈 토플러(Alvin Toffler)는 ‘부의 미래’에서 다가오는 미래는 제 4 물결, 즉 문화와 문명이라는 커다란 구조 속에서 생활 곳곳에 영향을 미치는 부(富), 표면적으로는 아무런 관계가 없어 보이는 것들이 상호 작용하면서 만들어 내는 미래의 부가 생활 전반에 걸쳐 핵폭풍 같은 영향을 미칠 것이라고 예견하였다[2]. 그의 예견대로 21세기는 벌써부터 첨단 기술간의 융합으로 엄청난 변화와 기술 혁명을 예고하고 있으며 많은 관심을 받고 있다. 현재 전 세계는 융합기술 개발을 위한 소리없는 전쟁을 치루고 있으며, 기술의 진보는 매우 빠른 속도로 진행되고 있다. 이에 맞춰 21세기형 미래인재 양성을 위한 교육 프로그램도 바뀌고 있다. 미국에서는 STEM 교육이 진행되고 있는데, 과학(Science), 기술(Technology), 공학(Engineering)과 수학(Mathematics) 교육을 강화하고 있으며, 한국에서는 한류문화의 계승 발전뿐만 아니라 과학기술 제품에 예술성과 창의성을 접목할 수 있도록 예술(Arts)을 포함하는 STEAM 교육 프로젝트를 추진하고 있다. 이처럼 기본과목이 강화되면서 차별화된 교육이 필요한 이유는 미래 세계는 융합기술 개발을 위해서는 기초가 강한, 융합적인 사고방식을 가진 창의적인 인재들이 필요하기 때문이다. 융합기술을 발전시키는 데 필요한 핵심기술로 주목받고 있는 것이 있는데, 바로 나노기술(nanotechnology, NT)이다. 나노기술은 현대 과학기술이 당면하고 있는 물리적인 한계와 문제점들을 해결하는 데 결정적으로 이용될 수 있는 혁명적인 기술로 분류되고 있다[3-6]. 지속발전이 가능한 사회를 만들기 위해서는 에너지와 환경문제가 필수적으로 해결되어야 하는데, 에너지기술(ET)과 나노기술(NT)을 융합하여 신재생에너지를 개발하고, 이산화탄소 저감 및 물의 정제와 같은 환경문제를 해결하는 연구들이 추진되고 있다. 또한 유비쿼터스 네트워크 사회를 위해서는 정보기술(IT)과 나노기술(NT)과 바이오기술(BT)이 융합되어야 하며, 건강한 생명사회를 만들기 위해서는 BT+IT+NT 융합기술 개발이 필요하다. 나노기술은 다양한 융합기술을 개발하는 데 꼭 필요한 기본기술이 되고 있음을 알 수 있다. 이런 이유로 인해 향후 10-20년 후의 실용화를 목표로 우리나라를 비롯한 선진 국가들이 미래 성장 동력 산업 발전에 필요한 나노기술과 융합기술을 개발하기 위해 막대한 연구비를 투자하고 있다. 나노기술은 무엇이며, 21세기에 인간이 만들어 낸 새로운 창조 기술일까? 본 논문에서는 그동안 필자가 발표한 내용들을 위주로 정리하고자 한다.
II. 본론
1. 나노기술이란 무엇인가? 나노는 ‘난장이’라는 뜻을 갖는 희랍어 'nanos'에서 유래되었으며, 크기는 10억분의 1로 육안으로는 식별할 수 없는 매우 작은 단위를 나타내는데 사용된다. 1 나노미터는 머리카락 굵기의 10만분의 1 정도이고, 원자 3~4개의 크기이다. 나노기술의 기본 아이디어는 원자 또는 분자들이 물리적으로 조작되거나 화학적으로 결합되도록 하여 원하는 물질이나 구조를 만들어내는 것이다[3,4]. 충분한 수의 원자와 분자들을 반복해서 하나씩 정확한 자리에 차례로 배열할 수 있으면, 음식, 옷, 집 등은 물론이고 자동차나 우주선처럼 큰 물체들도 만들 수 있다는 것이다. 공상과학에나 나옴직한 황당한 이야기 같지만, 이게 바로 나노기술이다. 나노기술의 가능성은 1959년에 미국의 물리학자 리차드 화인만(Richard Feynman)이 처음으로 제시하였고, 원자 또는 분자들을 조립하는 분자조립기(molecular assembler)에 대한 개념정립과 기본설계는 1970년대 후반에 에릭 드렉슬러(Eric Drexler)에 의하여 이뤄졌다[5]. 나노기술을 기본으로 하는 융합기술을 개발하여 에너지와 환경문제를 해결할 수 있는 녹색기술과 질병을 조기에 진단하고 치료할 수 있는 바이오기술을 개발하고, 언제 어디서나 전자기기와 장비들을 컨트롤 할 수 있는 유비쿼터스 기술을 개발하고, 실용화하는 것을 목표로 우리나라를 포함한 선진국들이 치열한 연구 경쟁을 하고 있다. 나노기술의 구현방법에는 top-down(물리적) 방식과 bottom-up(화학적) 방식이 있다[6,7]. 전자는 큰 돌을 깨뜨리거나 깎아서 작은 돌창과 돌도끼를 만드는 것과 같이 크기가 큰 재료를 정밀 가공하여서 원하는 나노크기의 구조를 만드는 방법이다. 반면에 후자는 어린 아이가 레고블록을 차례차례 쌓아서 자동차를 만드는 것과 같이 원자와 분자들이 화학적으로 결합하도록 하여 원하는 물질을 만드는 방법이다. 현재 나노기술을 구현하는 일반적인 방법은 두 방법을 혼합(hybrid)시킨 방법이 주로 사용되고 있지만, 온전한 나노기술을 구현하기 위해서는 bottom-up 방식이 개발되어야 한다.
2. 나노기술과 창조주
21세기 첨단과학의 화두는 자연을 모방하는 기술을 개발하는 것이라 해도 과언이 아니다. 나노기술도 마찬가지이다. 자연에 존재하는 것들은 모두 생명이 있건 없건, 분해해보면 원자로 되어 있다. 원자들이 결합하여 분자가 되고, 분자들이 서로 결합하여 더 크고 복잡한 조직으로 되는데, 이게 바로 나노기술이다. 예를 들면, 겨울에 처마 끝에 자라는 고드름은 수소원자 2개와 산소원자 1개가 결합하여 물 분자(H2O)가 되고, 물 분자들이 영하 이하의 온도에서 고체가 되고 수직으로 자라서 고드름이 된다. 굴속의 종유석은 물이 있을 경우 땅속의 칼슘(Ca), 탄소(C)와 산소(O)가 적당한 조건에서 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)으로 결정화되면서 수직으로 성장한다. 나노기술의 또 다른 예는 씨앗이다. 씨앗을 분해하면 원자들(C, H, O, N)로 된다. 분해하면 생명이 없는 물질, 즉 원자들인데 때가 되면 온도를 감지하여 싹을 틔우고, 꽃을 피우며, 열매를 맺는다. 씨앗 속에 있는 유전정보(DNA)에 의해 원자들이 결합하여 잎이 되고, 꽃이 되고, 열매가 되는 것이다. 지구상에 존재하는 모든 생명체들은 씨앗처럼 유전정보에 의하여 눈에 보이지 않는 작은 원자들이 결합하여 더 큰 조직으로 일정한 패턴으로 조립되고 성장한다. 자연에서 일어나는 모든 현상들은 일정한 패턴을 갖고 있으면서 질서와 조화를 이루고 있으며, 그 가운데 적용되는 기본원리들(basic principles)이 있다. 만약, 자연현상들이 아무런 패턴 없이 무질서하게 제멋대로 일어난다면 이 세상은 존재할 수가 없으며, 과학자들은 기본원리들을 수학으로 표현할 수 없고, 따라서 과학적인 연구도 할 수 없을 것이다. 눈에 보이지 않는 아주 작은 원자 속에도 놀라울 정도로 정교한 패턴과 질서가 있기 때문에 화학적으로 물리적으로 이용할 수가 있다. 과학자들은 물질을 구성하고 있는 원자와 분자들을 이용하여 인류가 필요한 소재를 만들고, 이를 원료로 사용하여 다양한 종류의 제품들을 만들어 내고 있다. 그렇게 할 수 있는 이유는 원자마다 갖고 있는 일정한 구조와 물리적, 화학적인 성질 때문이다. 이런 원자들이 갖고 있는 일정한 패턴과 특성 때문에 과학자들은 다양한 형태의 나노구조를 만들 수 있다. 나노소재는 크기가 큰 재료와 달리 부피 대비 표면적이 커서 반응성과 열전달 특성이 우수하고, 전기적․광학적 특성과 양자효과 등이 우수해서 반도체, 광전자 소자, 디스플레이, 화학센서, 바이오센서, 로봇, 자동차, 조선, 우주항공, 로봇, 디스플레이, 에너지 소자 등 다양한 제품을 만드는 데 사용할 수 있다6. 그러나 과학자들은 원자를 나아가 , 물질과 에너지를 새롭게 창조할 수는 없다. 단지 이미 존재하고 있는 물질과 에너지를 조작(사용)하여 원하는 형태의 물질로 변화시키면서 사용하고 있을 뿐이다. 나노기술도 이미 존재하고 있는 원자나 분자에 에너지를 가하여 조작하는 기술, 즉 자연을 모방하는 기술에 지나지 않는다. 그렇다면 나노기술과 창조는 어떤 관계를 갖고 있을까? 창세기는 하나님이 말씀으로 우주만물을 창조하셨음을 기록하고 있다. 창조의 결과로 6일 동안 지구에는 온갖 종류의 물질과 생명체들이 만들어졌다. 현대과학의 연구결과 지구상에 존재하는 모든 것들은 생명이 있건 없건 막론하고 흙과 동일한 성분(원소)들로 이뤄져 있음을 알 수 있다. 그러나 같은 성분으로 구성되어 있지만, 종류와 모양과 구조와 특성은 각각 다르다. 이는 모든 피조물이 각각 목적 지향적으로 독립적으로 창조되었음을 뜻한다. 즉, 창조주의 설계도에 따라 같은 소재로 다양하게 다양한 목적을 위하여 창조되었음을 의미한다. 특히 지구상에 존재하는 모든 생명체들은 창조주의 설계도인 유전정보(DNA)에 의해 원자들이 유기분자로 결합되고 각 조직으로 성장하기 때문에 종류, 구조와 모양, 특성 등이 결정된다. 어떤 물질이 가지고 있는 구조, 모양, 특성은 그 물질을 이루고 있는 원자들이 어떻게 결합하는 가에 따라 결정된다. 원자들을 결합(조작)하여 원하는 물질(소재) 또는 제품을 만드는 것이 나노기술이기 때문에 원자와 분자로 구성되어 있는 모든 피조물들은 나노기술의 산물이다. 따라서 나노기술은 피조물에 숨겨진 창조주의 지혜와 능력임을 나타낸다(롬1:20). 과학기술이 아무리 발달한다 해도, 인간은 세포 하나를 만들 수 없다. 그 이유는 세포속에 들어 있는 유전정보를 과학기술을 이용하여 만드는 것은 불가능하기 때문이다. 현재의 과학기술은 생명체의 유전정보를 겨우 해석할 정도이며, 아직도 모르는 생명의 비밀들이 너무도 많다. 그런데, 생명체 종류마다 독특하게 갖고 있는 유전정보들은 아무리 오랜 시간이 주어진다고 해도 저절로 만들어 지지 않는다. 따라서 진화론적으로 생명의 기원을 논하는 것 자체가 비과학적인 접근 방법이다. 나노기술은 인간이 새롭게 창조해낸 기술이 아니다. 창조주께서 이 세상을 창조하실 때 이미 사용하신 기술이고, 과학자들은 21세기에 들어서야 자연을 통해서 나노기술의 존재를 확인하고, 그 기술을 모방하기 시작했다. 문제는 불완전한 인간의 과학기술은 아무리 발달해도 창조주처럼 정교하게 나노기술을 구현할 수 없다는 점이다. 따라서 예측컨대, 나노기술은 21세기 과학기술 혁명의 바탕이 되겠지만, 나노기술의 발달로 긍정적인 면과 부정적인 면이 혼재되면서 인류가 당면하고 있는 문제들이 해결되기 보다는 오히려 더 복잡하고 다양하게 될 것이다.
3. 나노기술의 전망과 문제점
나노기술 개발을 위한 연구가 시작된 지 얼마 안 되었지만, 벌써부터 나노기술은 첨단산업 분야에서 중요한 역할을 하고 있다. 대표적인 예가 반도체 나노기술이다. 기존의 반도체 공정기술이 갖고 있는 물리적 한계점을 뛰어 넘어 메모리칩의 집적도를 일 년마다 두 배씩(WShang의 법칙) 또는 18개월마다 두 배씩(Moor의 법칙) 증가시키는데 나노기술은 일등 공신이 되고 있다. 즉, 반도체기술과 나노기술(IT-NT)이 융합되어 물리적인 한계와 문제점들을 극복하면서 기술은 빠른 속도로 IT 발전을 거듭하고 있다. 이러한 나노기술을 기반으로 하는 융합기술 개발을 위한 연구가 모든 분야에서 강력하게 추진되고 있다. 21세기 첨단기술은 나노융합기술이라 해도 과언이 아니다. 나노융합기술 개발의 궁극적인 목표는 인간의 능력과 지혜로 인류가 당면하고 있는 모든 문제들을 해결함으로써 21세기에도 지속적으로 과학기술을 발전시키고, 나아가 가난과 궁핍으로부터 인류를 해방시키고 건강하게 인생을 즐기면서 무병장수 하는 것이다. 나노기술을 이용하면 질병과 노화를 방지할 수 있기 때문에 인간은 건강하게 늙지 않고 영원히 살 수 있다는 장밋빛 꿈을 꾸게 된다. 왜냐하면 질병이나 세포의 노화는 기본적으로 분자수준의 현상, 즉 유전정보의 이상에 의한 생체 분자들의 잘못된 결합(즉, 고장)에서 비롯되기 때문이다. 나노기술이 개발되면 에너지효율이 뛰어난 우주선을 만들 수 있고, 우주에서의 식량문제도 해결되기 때문에 우주개발은 급속도로 진행될 것이다. 그리고 나노기술을 이용하여 새로운 기능을 갖는 첨단 전자․정보 제품들이 쏟아져 나오고 감성공학이 크게 발달할 것이다. 나노기술이 완성되면 더 이상 인간은 질병과 죽음을 걱정할 필요가 없고, 단지 인생을 어떻게 즐긴 것인가를 고민하면 된다. 나노기술이 연구되기 시작하여 이미 약 20년이 지났는데, 현재 많은 분야에서 응용되고 있다. 향후에는 나노기술이 더욱 많은 분야에서 실용화되면서 지난 천년에는 상상도 못했던 일들이 일어 날 것이고, 그렇게 되면 더 이상 인간들은 하나님을 찾지 않게 될 것이다. 그러면 나노기술은 장미빛 희망만 주는 것일까? 물질이 작을수록 더 위험한 물질이 된다는 것은 일반적인 사실이다. 굵은 흙먼지보다 엔진에서 나오는 미세한 먼지와 황사가 더 위협적인 것처럼 크기가 작아질수록 부피대비 표면적이 상대적으로 넓어지면서 생체 조직에 대한 반응성이 증가해 독성물질이 될 수도 있다. 자연계의 모든 피조물들은 나노기술로 만들어져 있지만, 자연계에는 놀랍게도 나노크기의 물질은 존재하지 않는다. 그 이유는 나노크기의 물질은 생체반응 활성이 크기 때문에 생명체의 세포나 조직에 침투되면 쉽게 반응하여 생명체를 파괴할 수 있고, 복잡한 환경문제를 유발할 수 있기 때문이다. 나노크기를 갖는 물질들이 인체에 미치는 독성에 관한 많은 연구들이 최근 들어 추진되고 있다8. 동물실험에서 탄소나노튜브의 독성은 이미 확인된 바 있다[9,10] . NASA 존슨우주센터와 텍사스대 연구팀은 0.1∼0.5 mg의 탄소나노튜브를 용액 형태로 쥐의 폐 조직에 주입하고 90일 동안 관찰한 결과, 나노튜브는 시간이 흐를수록 폐 속에서 서로 뭉쳤고, 결국 폐 조직을 손상시켰다는 결과가 보고되었다. 나노입자 크기가 70 nm 정도이면 폐포에 침투되고, 50 nm 이하이면 세포에 침투되며, 30 nm 이하이면 중추신경계에 침투되는 것으로 밝혀졌다10 . 이와 같이 나노소재는 결코 안전하지 않다. 현재 많은 과학자들이 나노소재의 독성과 유해성에 대한 연구를 하고 있다. 그 외에도 나노기술은 다음과 같은 문제점들을 초래할 것으로 예측되기도 한다. 첫째, 원자 또는 분자들이 잘못 조립될 경우 예상치도 않았던 새로운 치명적인 독성물질과 퇴치할 수 없는 바이러스가 만들어져서 자연계와 생태계가 심각하게 파괴될 수 있다. 둘째, 인간보다 지능이 뛰어난 나노로봇들이 인간과 치열한 전쟁을 벌일 수도 있다. 나노기술을 융합한 반도체기술의 발달로 인간의 뇌세포 수(약 3백 억개)를 능가하는 컴퓨터 칩의 트랜지스터를 개발한다면, 인간의 로봇의 지배를 받을 수도 있을 것이다. 셋째, 생체안정성이 우수한 생체 칩을 개발하여 손이나 이마 등 몸속에 삽입하면, 생활하는데 필요한 모든 정보를 생체칩에 저장되어 있기 때문에 신용카드, 카드 키 등을 갖고 다닐 필요가 없다. 그렇게 되면 미래 세계는 컴퓨터가 인간을 지배하는 세상이 될지도 모른다. 넷째, 인간의 노동력이 더 이상 필요 없기 때문에 대량 실업문제가 예상된다. 또한 기근, 질병, 죽음과 같은 근본적인 문제가 해결되면 인간들은 필연적으로 영육간에 타락의 길을 걷게 될 것이다. 즉, 21세기에는 노아시대 때보다 더 악한 죄악이 세상에 관영할 것이고, 믿음이 있는 자를 찾기란 쉽지 않을 것이다.
III. 결론
놀랍게도 이 세상에, 이 우주에 존재하는 형태를 갖고 있는 모든 것들은, 생명이 있건 없건 원자로 구성되어 있으며, 일정한 구조와 패턴, 그리고 질서를 가지고 있다. 즉, 자연에 존재하는 피조물들은 모두 나노기술의 산물이라 해도 과언이 아니다. 나노기술은 인간이 새롭게 창조해낸 기술이 아니다. 창조주께서 이 세상을 창조하실 때 이미 사용한 기술이고, 과학자들은 21세기에 들어서야 자연을 통해서 나노기술의 존재를 확인하고, 그 기술을 모방하기 시작했다. 피조세계에 감춰져 있는 나노기술의 비밀들은 창조주의 존재와 그 분의 설계에 의한 피조세계의 창조를 강력하게 입증하고 있다. 그러나 불완전한 인간은 나노기술을 발전시킨다 하더라도 완벽하게 컨트롤할 수 없기 때문에 인류가 당면하고 있는 모든 문제들을 해결할 수 없으며, 우주의 종말을 향해 달려가고 있는 붕괴과정(열역학 제2법칙)을 막을 수는 없을 것이다.
참고문헌
(1) 한윤봉, '21세기 화학공학 교육 재건과 특성화를 위한 ChEER-UP 프로그램”, 공학교육, 제19권, 제4호, 34-37 (2011).
(2) 부의 미래, 엘빈 토플러 저, 김중웅 역, 청림출판 (2006.08.18.)
(3) Nanotechnology - A Chemcial Approach to Nanomaterials, Geoffrey A. Ozen and Andre C. Arsenault, RSC Publishing, 2005.
(4) Metal Oxide Nanostructures and Their Applications (5-Volume Set), Ahmad Umar and Yoon-Bong Hahn, American Scientific Publishers, March 2010.
(5) http://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_assembler
(6) Yoon-Bong Hahn, Lecture Notes - Nanochemical Process Engineering, 2011.
(7) Q Ahsanulhaq, Jin-Hwan Kim and Yoon-Bong Hahn, 'Controlled selective growth of ZnO nanorod arrays and their field emission properties', Nanotechnology 18 485307 (2007).
(8) Greg Goss - Toxicity Testing with Nanomaterials (2011. 6. 16). www.youtube.com/watch?v=Ex7JCXfBoFk
(9) 2003 ACS Int. Symp., New Orleans, March 23∼27, 2003.
(10) 동아일보 2003-4-28 (http://www.donga.com/fbin/output?f=k_s&n=200304270101). | 