[과학칼럼] `난장이`가 쌓아올린 커다란 세상

김해진 한국기초과학지원연구원 물성과학연구부장


요즈음 우리들 생활 속에 언제부터인가 '나노(10억분의 1m)'라는 말을 아무 거리낌 없이 사용하는 것을 볼 수 있다. 나노는 단순히 크기를 나타내는 단위이지만 지금은 첨단 과학을 나타내는 언어로 일반인들 사이에서도 쉽게 받아들여지는 용어가 됐다.

나노(Nano)의 어원은 원래 그리스어의 난쟁이를 표현하는 나노스(Nanos)에서 유래한 말로'10억분의 1'을 의미한다. 물리적인 세계에서 보면 나노세계는 곧 원자세계이다. 따라서 나노기술이란 이러한 원자 하나하나를 빠르게 제어할 수 있는 기술로서 궁극적으로는 원자 하나하나를 쌓아 올려 새로운 세계를 다시 만들고자 하는 것이다.

1959년 미국 캘리포니아 공과대학, 리처드 파인만이 '바닥에는 풍부한 공간이 있다'는 제목의 강연에서 브리태니커 백과사전 24권 전체를 핀 머리에 기록하는 방법, 사람 몸속의 뼈 안에 들어갈 만큼 작은 컴퓨터를 만들고 싶다는 소망, 혈관 속에 집어넣을 수 있는 로봇 의사를 만드는 미래를 예견했다.

파인만의 이 같은 생각은 하향식 나노기술 연구방법론의 초석이 됐다. 이 방식은 기존 거시물질에서 출발해 점점 크기를 축소해 가며 나노구조물을 만드는 것으로 D램을 비롯한 반도체 소자 미세가공, 나노분말 제조, 다결정재료 결정립의 미세화 등에 활용되고 있다.

1986년, 에릭 드렉슬러는 나노기술에 관한 최초의 저술로 평가되는 '창조의 엔진(Engines of Creation)' 이라는 나노관련 책을 펴냈다. 이 책의 부제는 '다가오는 나노기술의 세기'로 나노기술은 그가 만든 용어이다. 드렉슬러는 재래의 기술은 원자와 분자를 덩어리로 취급한다는 뜻에서 거시기술이라 칭하고 원자와 분자를 개별적으로 다루는 미래의 기술은 분자기술이라 부르자고 제안했다.

분자기술은 분자나 원자 하나하나를 조작해 전혀 새로운 성질과 기능을 가진 물질을 만드는 기술이다. 이러한 방법은 상향식 기술의 모태가 되었다. 이 기술은 나노미터 크기의 기본구성 물질을 만든 다음에 마치 레고 블록을 조립하듯이 이것들을 하나하나 쌓아올려 큰 구조물을 만드는 방법이다.

나노기술은 오랫동안 과학기술자들의 주목을 끌지 못하였으나 원자나 분자를 눈으로 불 수 있을 뿐만 아니라 조작도 가능한 도구가 발명됨에 따라 비로소 나노기술의 시대가 열리기 시작했다. 이 같은 혁명적인 도약의 발판을 마련한 도구는 주사 터널링 현미경(STM)이다. STM은 반도체나 전도체 물질 표면의 구조를 나노미터 수준에서 관찰하거나 변형시키는 탐침 장치이다. 1990년 미국 IBM사의 연구진들은 STM으로 35개의 크세논 원자를 정확하게 배열하여 회사 이름의 글자를 만들었다. 이것은 인류가 자연의 만물을 구성하는 가장 기본적 요소인 원자의 세계를 조작할 수 있는 능력을 갖게 되었다는 것을 의미하며 새로운 세계를 창조할 수 있다는 가능성을 열어 보인 사건이다.

가장 기대되는 나노기술의 또다른 응용은 생명공학기술이다. 생명체의 기본 단위인 세포 속에서 일어나는 활동의 대부분이 나노미터 수준에서 조절되기 때문이다. 나노바이오기술은 질환의 조기 발견, 약물 전달, 질병 치료 등에서 획기적인 변화를 초래한다.

하나의 예로서 나노약물전달 시스템의 스마트 약이라 불리는 나노캡슐은 나노입자로 이루어진 캡슐에 약물을 담은 뒤 여기에 특성 질병인자를 인식하는 항체를 달아 체내에 주입하면 이 나노 캡슐은 혈액을 타고 다니다가 오직 질병인자에 약물을 방출, 치료한다.

나노바이오기술의 궁극적인 목표는 나노 크기의 나노로봇 의사의 개발이다. 이 로봇은 세포 안으로 들어가서 마치 자동차 정비공처럼 손상된 세포를 수리한다.

나노기술의 낙관론적 평가는 인류가 당면한 질병이나 환경 등 제반 문제를 치유해 줄 해결책으로 여기고 있지만 비관적인 시각에서는 분자 조립자의 자기복제 기능으로 말미암아 인간의 힘으로 통제 불가능한 재앙이 발생할 수 있다고 경고한다.

어쨌거나 이제 나노기술은 디지털혁명, 유전자혁명에 이은 새로운 물질혁명을 초래하여 21세기 세계를 주도해 나갈 기술로 어쩌면 인류사와 과학사를 새롭게 기술해야 할 신산업혁명이자 모든 산업과 신기술의 혁신기반으로 다학제적 연구와 기술융합 발전이 필수적인 학문이라 하겠다.