나노공학 (Nanotechnology)

Nanotechnology (나노공학) 이란 약 1억 분의 1mm (100 나노미터) 이하의 치수를 하나 이상 갖는 구조와 장치를 설계, 생산 및 사용하는 과학을 말한다.   좀 더 쉽게 설명하면, 우리 인간의 머리카락은 약 80,000nm 폭을 가지고 있다.  그런데  나노공학은 1억 분의 1 즉 약 1억 분의 1nm (100 나노미터) 이하의 치수를 사용하여 정보 및 통신분야, 전자, 의학, 식품 및 농업, 섬유, 코팅, 자외선 차단제, 에너지 부분, 의료 제품 및 의약품에 일부는 사용하고 있고 또한 미래에는 더 적극적으로 활용되어질 수 있다.   우리는 흔히 나노공학이라고 하면 그냥  크기가 줄어들고, 기능이 더욱 활성화되는 걸로 알고 있는데 사실은 그것보다 훨씬 더 뛰어난 특성으로 물질을 변이 시킨다.  예를 들면 표면적으로는 사이즈가 적을 수 있지만, 물리적, 화학적, 광학적 또는 기계적 수성을 변화시켜 재료의 내구성, 견고성, 또는 전도성이 더 강해질 수 있는 것으로 물질을 변화시킬 수 있다.    현재 우리 주위 일상생활에 자리 잡고 있는 것들의 예를 들어 보자

 

1. 자외선 차단제 (Sunscreen)

연구실에서 개발하여 초미립자로 분쇄한 산화아연 (zinc oxide)과 이산화티타늄(titanium dioxide) 은 자외선을 매우 잘 흡수하기 때문에 일상적인 자외선 차단 제품에 첨가되는 합성 성분이다. 무기 나노입자는 또한 가시광선을 효과적으로 흡수하고 분산시켜 피부에 바르면 가볍고 투명해 보인다.

 

2. 의류

우리가 옷을 며칠 빨지 못하건 나 또는 여행 중에 비가 와서 옷을 빨지 못해서 악취가 날 수 있는 옷들이 요즈음은 악취가 제거되어질 수 있는 옷들이 나오는데 이것이 나노공학의 응용에서 나오는 것들이다.  옷감을 만들 때 표면에 실리카 나노입자 (silica nanoparticles)를 뿌리거나 함께 적용해서 만들면 물을 방수해 주는 방수성 옷 (water-repellent clothes)을 만들게 된다. 냄새제거 티셔츠와 양말에 적용되는 은 나노입자 (silver nanoparticles는 항균과 악취를 막아주는 기능을 가지고 있어 박테리아를 죽이는 역할을 하기도 하고, 세탁 주기를 줄일 수 있게 해 준다.    

 

3. 가구

국제과학연구 및 혁신기술 저널에 발표된 논문에 따르면, 나노 은 (naon-silver), 구리, 아연은, 목재에 적용하면 자연적으로 살생제 (biocides)를 생성하여 가구를 해충과 곰팡이로부터 보화는 것으로 알려져 있다.  이산화티타늄으로 마감 코팅하면 먼지와 오염 물질로 격퇴할 수 있다.

 

4. 의학   

나노입자를 약물이나 리포좀 (liposomes – 기본적으로 특정 목적을 위해 설계된 물방울로 둘러싸인 약물)이라고 하는 인공 세포에 부착하여 특정 새포와 조직을 찾아서 질병에 걸렸거나 악성 종양 부분을 찾아서 치료하는 방법에 도움을 준다.  또한 약물 치료 시 종양 주변에서 조직이 변하거나 열, 빛 또는  초음파 같은 자극에 의해 활성화될 수 있도록 약물 치료 화합물 방출을 제어하는 기능을 제공한다.

 

5. 식품

나노 철 (Nano-iron) 은 물을 처리하여 유기 오염 물질을 분해하고 오염 제거 중에 미생물 병원균을 죽이는 데 사용될 수 있다.  마요네즈의 부드럽고 촉촉한 질감은 나노 에멀전으로 가능해졌으며, 네슬레 (Nestlé)는  지방 분자에 물을 주입하여 조미료 지방 비율을 낯주어 냉동 제품 이 해동될 때 균일하게 해동될 수 있는 기술을 선 보였으며, 유니레버 (Unilever)는 아이스크림의 지방 비율을 18% 에서 1% 로 줄이는 데 성공했다.   나노 기술을 식품에 응용한 것이 맛, 모양, 질감뿐만 아니라 나노센서, 나노실버와 같은 항균 활성제로 장식된 ‘스마트’ 포장은 유통기한을 연장하고, 식품 안전을 개선하고, 오염되거나 상한 제품을 표시하고, 찢어진 포장을 복구하는데 도움을 주고 있다.

 

6. 방화 (fireproofing)

화재 발생과 물질의 열적 안정성을 유지해서 내화성을 증가시킴으로 고온에서 화염에 대한 저항력을 강화시킬 수 있다.  건물을 지을 때 건물의 구조에 사용되는 벽, 바닥, 천장 등에 내화성 나노소재를 적용하여 화재 발생 시 더 안전하게 만들 수 있다.

 

7. 전자 통신 분야

나노 소재와 나노 기술은 효율적인 전자 기기와 통신 시스템을 더 효과적을 만들 수 있다.  예를 들면 탄소나노튜브나 그래핀을 이용한 트랜지스터는 일반 기반 소자보다 더 자르고 효율적인 성능을 제공한다.  그래핀은 전자가 매우 빠르게 이동할 수 있어 고속 통신이 필요한 시스템이 적합하다.  양자점 소자(quantum dots)는 전자의 움직임을 제어할 수 있어, 매우 고속의 테이터 전송이 가능하다.  자기 저장소자 (MRAM) 아나 유기 나노소재 메모리는 기존의 저장 장치보다 더 빠르고 안정적으로 데이터를 저장하고 읽을 수 있어 나노 기술을 활용하며 매우 높은 용량의 메모리 장치를 만들 수 있다.  나노소재는 고속의 광학 통신 시스템을 구현하는 데에도 중요한 역할을 한다.  나노포토닉스를 사용하여 과학 신호를 효율적을 처리하고, 더 높은 데이터 전송률을 처리할 수 있다.

 

8. 나노디스플레이

나노공학을 이용한 디스플레기 기술은 고해상도 화면을  작은 크기로 구현할 수 있는 가능성을 제공해 준다. 양자점 디스플레이 (QLED - Quantum Dot Light Emitting Diode – 양자점을 사용한 디스플레이 기술) 나 OLED  (Organic Light Emitting Diode – 유기 발광 다이오드 기술은 이용한 자체 발광 ) 기술은 나노소재를 활용하여 색상 정확도와 효율성을 높여주며, 비디오 전송에 필요한 기술적인 도약을 가능하게 해 준다.

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