사회가 공동체의 유대를 이루지 못하고 개개인으로 조각나는 현상을 ‘나노사회’라 부르고, 기업의 모든 활동 하나하나를 세세하게 분석하여 큰 차원에서 결합ㆍ응용하는 효율적인 경영 방법을 ‘나노경영’이라고 합니다. 여기서 ‘나노’라는 단어가 품은 뜻은 각각 ‘파편화’와 ‘세분화’죠. 보통 좋은 것을 보고 듣고 체험할 때 ‘나노 단위’로 그 행위를 하고 싶다는 표현을 사용하기도 하는데요. 어느 정도로 작기에 비유적인 표현으로 나노라는 단어를 사용하는 것일까요?
최근 새로운 성장 동력으로 나노기술이 활발하게 개발되고 있습니다. 다양한 분야에서 활용되며 인류가 더욱 오래, 안전하게, 편리하게 살 수 있는 방법을 제시하죠. 그렇기에 나노기술은 4차 산업을 전개하는 데 있어 필수적인 기술이라고 하는데요. 나노기술의 정밀한 세계에 대해 집중 분석해봅니다.
나노, 얼마나 작은 단위일까?
나노라는 단어의 유래는 ‘난쟁이’를 뜻하는 그리스어 ‘nanos’입니다. 우리가 흔히 자를 통해 잴 수 있는 가장 작은 크기 단위는 밀리미터인데요. 밀리미터에서부터 크기 단위를 나열해보면 밀리미터 (mm)>마이크로미터(μm)>나노미터(nm) 순입니다. 각각의 크기를 가늠할 수 있도록 말씀드리자면, 쌀알 한 톨의 두께는 1.5밀리미터고요. 일반적인 세균의 가장 작은 크기가 1 마이크로미터입니다. 그리고 DNA 한 가닥의 지름이 3나노미터예요.
DNA 한 가닥보다 더 작은, 1나노미터는 과연 얼마나 작을까요? 나노는 10억분의 1을 나타내는 접두사로, 1나노미터의 물체를 10억 개 줄지어 놓아야 1미터를 만들 수 있다는 의미입니다. 사람의 머리카락으로 나노미터의 크기를 가늠해보자면, 1나노미터는 머리카락 굵기의 약 10만 분의 1이고요. 지구의 크기가 1미터라면 축구공의 크기는 1나노미터인 셈이라고도 하죠. 나노 단위가 얼마나 작은지 짐작이 가시나요?
나노미터가 펼치는 마법, 나노기술
그렇다면, 물질을 나노 단위로 쪼개는 이유는 무엇일까요? 물질이 나노 크기로 쪼개지면 완전히 새로운 성질이 되기 때문입니다. 단적인 예로, 연필심의 원료인 흑연을 다이아몬드로 만들 수 있어요. 새까만 흑연이 어떻게 빛나는 다이아몬드가 될 수 있는지 의아하시죠? 흑연과 다이아몬드가 동소체이기에 가능합니다. 여기서 동소체란, 같은 원소의 원자를 가진 두 물질이 각각 다른 원자 배열을 갖고 있는 것을 의미해요. 흑연과 다이아몬드는 탄소(C) 한 가지로만 이루어져 있으며 원자의 배열만 다른데요. 흑연을 나노미터 단위로 나누어 탄소 원자의 배열 구조를 바꾼다면 다이아몬드를 만들 수도 있는 것입니다. 이렇게 원자나 분자의 결합구조를 바꿔 새로운 물질을 만들어내는 것이 바로 나노기술이에요.
보통 나노기술을 구현하기 위해 만드는 나노소재는 수 나노미터에서 100 나노미터 사이의, 아주 작은 크기인데요. 원자 3~4개가 배열된 크기의 작디작은 나노입자들을 새롭게 제어ㆍ조합하거나, 새로운 구조의 물질을 합성하여 신기술을 개발하는 것입니다.
4차 산업혁명을 전개하는 데 있어서도 나노기술은 중요한 역할을 합니다. 4차 산업혁명은 얼마나 많은 데이터를 저장ㆍ전달ㆍ관리하느냐가 핵심입니다. 빅데이터를 학습시키는 것도 수많은 데이터가 있어야 가능한 이야기이며, 해킹 또한 정보가 담긴 데이터를 편취하는 것이 주된 목적이기 때문이죠. 나노기술은 데이터를 처리하는 CPU의 크기를 혁신적으로 줄여줍니다. 참고로 1200개의 CPU를 가진 알파고는 큰 방 하나를 차지할 정도로 아주 크지만, 향후 반도체 칩 회로의 폭이 나노미터 단위인 초정밀 회로가 상용화된다면 수많은 CPU를 얇고 작게 만들어 탑재할 수 있게 되겠죠. 그렇기에 나노기술이 더욱 발전할 미래에는 고성능의 AI를 스마트폰처럼 자유자재로 휴대하고 다닐 수도 있을 것으로 예상됩니다. 방대한 양의 데이터를 효과적으로 처리하는 양자컴퓨터의 시대를 앞당기는 데에도 나노기술의 발전 정도가 중요하게 작용한답니다.
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나노기술, 어떤 분야에 활용될까?
나노기술을 통해 만든 신소재 중 대표적인 것은 그래핀(graphen)과 탄소 나노튜브(Carbon nanotube, CNT)입니다. 두 소재 모두 상용화 단계에 접어들며 많은 분야의 기술 레벨을 혁신적으로 높이고 있어요. 가벼우면서도 강한 데다 전기적 특성도 우수해, 특히 반도체 분야에서 많이 활용되고 있죠. 각각의 소재들이 어떻게 생겼는지, 어디에 쓰이고 있는지 알아볼까요?
그래핀은 그림에서 보시는 것처럼 탄소 원자들이 벌집 모양으로 배치되어 하나의 층을 형성한 얇은 막이에요. 그래핀 또한 흑연, 다이아몬드와 같이 탄소 하나로만 이루어져 있는 동소체인데요. 나노기술로 만든 소재인 만큼 얇고 가벼우면서도 내구성이 좋고, 독특한 물리적ㆍ화학적 성질 덕분에 활용 범위도 넓습니다. 비행기, 자동차, 건축자재 등 주로 무게가 많이 나갔던 큰 물체를 만드는 데 그래핀이 사용되고 있는데요. 이외에 가벼우면서 안전한 전투복ㆍ방탄복을 제작하거나 투명 디스플레이, 에너지 저장 장치, 자동차, 조명 등의 재료로도 사용되고 있죠.
그래핀을 빨대 모양으로 동그랗게 말면 탄소 나노튜브의 형태가 되는데요. 말 때의 각도나 지름에 따라 금속이 될 수도, 반도체가 될 수도 있어요. 유연성이 높아서 휘어져도 원상복구가 쉽습니다. 어느 분야에 응용을 하느냐에 따라 탄소의 벽이 하나인 단일벽 나노튜브(Single-wall nanotube), 2개 이상인 다중벽 나노튜브(Multi-wall nanotube), 단일형 나노튜브가 여러 개 붙은 다발형 나노튜브(Rope nanotube)의 형태로 구현하여 사용합니다. 지금까지 발견된 물질 중 절단되도록 끌어당겼을 때 견뎌내는 하중과 탄성률이 가장 높아서 가장 단단하고 강한 물질로 평가되고 있기도 하죠.
터치스크린 패널에도 사용되고 있는 탄소 나노튜브는 생체 근육을 대신할 인공 근육을 만드는 데 활용할 수도 있어요. 심지어 인공 근육은 실험을 통해 생체 근육보다 더욱 힘이 세다는 것을 입증해 보이기도 했습니다. 나아가 LED 조명, 전자파 간접 차폐용 복합소재, 스포츠 용품(골프 클럽헤드, 알루미늄 부품), 항공기 내외장재 등에도 탄소 나노튜브가 사용될 전망이라고 해요.
일상 속에서도 나노기술을 적용한 제품들을 어렵지 않게 찾아볼 수 있습니다. 매일 착용하는 마스크 또한 나노 입자로 촘촘히 제작된 제품들이 출시되어 미세먼지와 코로나 균을 차단해주는 것은 물론, 나노 입자 성분으로 구성된 자외선 차단제가 출시되고 있기도 하죠. 이외에도 은나노가 가전제품 분야에서 주로 많이 쓰이는데요. 은을 나노 크기로 만들면 적은 양으로도 항균효과를 낼 수 있기 때문입니다. 에어컨, 세탁기, 정수기, 공기청정기 등 항균이 필요한 가전제품들에 은나노가 사용되고 있죠. 나아가 이차전지, 디스플레이(OLED, QLED), 자동차 배기가스 정화장치, 그린에너지 등을 만드는 데도 나노기술이 적용됩니다.
아직은 상상 속에서나 가능한 이야기처럼 들리지만, 인간의 몸에 세포만 한 크기의 나노봇을 넣어 수명 연장의 꿈을 이뤄줄 수도 있을 거라고 해요. 몸 속을 돌아다니며 암세포만 골라 치료 약물을 전달하거나 막힌 혈관을 뚫어주고, 이상이 생긴 세포를 고쳐주는 등의 활동을 전개하는 것이죠. 이처럼 나노기술은 죽음에 대한 인간의 불안을 해소해주고, 보다 편리한 삶을 살 수 있는 방향으로도 발전되고 있답니다.
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LG이노텍이 보유한 나노기술은?
LG이노텍은 사용 전력의 100%를 재생에너지로 전환하자는 ‘RE100’ 이슈가 있기 전부터 재생에너지의 효율적인 사용 방안을 꾸준히 고민해왔습니다. LG이노텍의 나노 다결정 열전 소재는 버려지는 폐열을 회수하여 전력을 재생산하는데요. 고온에서 저온으로 이동하는 전자의 성질을 활용한 이 소재는 선박을 움직이는 열전 시스템으로서의 역할을 톡톡히 하고 있습니다. 여기서 다결정이란 구조가 규칙적인 단결정이 여러 개 모여 있는 형태를 말하는데요. 단결정과는 다르게 결정의 구조가 불규칙한 데다 가격이 비싸고 희소하며 강도 또한 낮다는 단점이 있죠. LG이노텍은 다결정의 한계를 해소하기 위한 수단으로 나노기술을 선택했습니다. ‘나노 다결정 소재’는 머리카락 한 올을 1,000개로 나눈 크기의 얇고 미세한 결정이 촘촘하고 단단히 얽혀 있어, 성능이 뛰어나고 강도가 높은 것이 특징입니다.
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나노 다결정 열전 소재의 성공적인 도입 이후로, LG이노텍은 나노기술을 통해 재생에너지를 잘 운용할 수 있는 방안을 항상 고민하고 있습니다. 앞으로도 획기적인 솔루션을 찾는다면, LG이노텍은 상용화 단계에 접어들 수 있을 때까지 연구개발을 거듭할 거예요.
저명한 미래학자 레이 커즈와일은 말했습니다. 2030년대에 접어들면, 뇌 속에 나노봇을 넣어 컴퓨터에 연결하는 시대가 온다고 말이죠. 즉, 이는 인간의 두뇌와 연결된 클라우드상의 AI를 동시에 활용할 수 있는 하이브리드 인간의 출현을 의미합니다. 그렇게 된다면 뇌에 저장된 생각이나 기억을 이메일이나 사진과 같은 콘텐츠의 형태로 다른 사람 뇌에 전달할 수 있다는 것인데요. 기계가 뇌를 제어하는 삶, 과연 이번 세대에서 체험해볼 수 있을까요? 나노기술이 얼마나 인간의 생활상을 파격적으로 개선할 것인지, 나노 단위로 집중해보시기 바랍니다.
