나노 기술

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1. 개요

나노 기술은 분자 수준에서 물질을 다루는 과학 및 공학 기술로, 1959년 리처드 파인만에 의해 개념이 제시되었고, 1974년 타니구치 노리오에 의해 "나노기술"이라는 용어가 처음 사용되었다. 1980년대 주사 터널링 현미경과 원자힘 현미경의 발명, 풀러렌의 발견 등 획기적인 발전이 있었으며, 2000년대 초에는 상업화가 이루어졌다. 나노 기술은 상부하향식, 하부상향식, 생체 모방적, 기능적 접근 방식을 사용하며, 크기에 따라 색깔이 변하는 등 독특한 물리적, 화학적 특성을 나타낸다. 전자, 통신, 재료, 의료, 생명 공학, 환경 및 에너지, 국방, 항공 우주 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 하지만 나노 입자의 독성, 환경 오염 가능성, 사회적 영향 등 문제점과 윤리적 고려 사항이 존재하며, 이에 대한 규제와 안전성 연구가 필요하다.

2. 역사

나노기술의 개념은 1959년 리처드 파인만이 미국물리학회의 캘리포니아 공과대학교 강연 ''밑바닥에는 충분한 공간이 있다''에서 처음 논의했다.^[96] K. 에릭 드렉슬러는 1986년 그의 저서 ''창조의 엔진: 나노기술의 다가오는 시대''에서 원자 수준 제어로 스스로의 복제본과 임의의 복잡성을 가진 다른 물품을 만들 수 있는 나노 크기의 "조립기"라는 아이디어를 제안하며 나노기술 개념을 발전시켰다.

1980년대에는 주사 터널링 현미경(STM)의 발명과 풀러렌의 발견이 나노기술의 발전을 이끌었다. 게르트 비니히와 하인리히 로러는 IBM 취리히 연구소에서 STM을 개발하여 개별 원자와 결합을 시각화하고 조작할 수 있게 되었고, 1986년 노벨 물리학상을 수상했다.^[10]^[11] 1985년에는 해리 크로토, 리처드 스몰리, 로버트 커가 풀러렌(버키볼)을 발견하여 1996년 노벨 화학상을 수상했다.^[12]^[13]

2000년대 초에는 나노기술에 대한 과학적, 정치적, 상업적 관심이 증가하면서 은 나노입자를 이용한 항균제나 나노입자 기반 자외선 차단제와 같은 상업용 제품들이 등장하기 시작했다. 미국, 유럽 등 세계 각국에서는 국가 나노기술 이니셔티브와 같은 정책으로 나노기술 연구를 지원하기 시작했다.

2. 1. 나노기술 개념의 등장

리처드 파인만은 1959년 미국물리학회의 캘리포니아 공과대학교 강연 ''밑바닥에는 충분한 공간이 있다''에서 원자 직접 조작을 통한 합성 가능성을 설명하며 나노기술의 씨앗이 된 개념들을 처음 논의했다.^[96] 파인만은 규모가 작아짐에 따라 중력은 중요성이 낮아지고, 표면 장력과 반데르발스 힘이 강하게 작용하는 등 다양한 물리 현상을 이용하게 될 것이라고 언급했다. 또한, 규모가 작아지면 병렬성이 증가하여 단시간에 다수의 재료 또는 디바이스를 생성할 수 있다고 보았다.

"나노기술"이라는 용어는 1974년 도쿄이과대학 교수 타니구치 노리오가 처음 사용했다.^[97] 그는 "나노기술은 주로 원자 1개 또는 분자 1개 단위로 재료를 분리, 형성, 변형하는 과정으로 이루어진다"라고 정의했다.

K. 에릭 드렉슬러는 파인만의 개념에서 영감을 받아 1986년 저서 ''창조의 엔진: 나노기술의 다가오는 시대''에서 나노기술 개념을 더욱 발전시켰다. 그는 원자 수준 제어로 스스로의 복제본과 임의의 복잡성을 가진 다른 물품을 만들 수 있는 나노 크기의 "조립기"라는 아이디어를 제안했다. 1986년 드렉슬러는 나노기술 개념과 의미에 대한 대중의 인식과 이해를 높이기 위해 포어사이트 연구소를 공동 설립하여 "나노기술"이라는 용어가 세계적으로 사용되도록 했다.

1980년대에는 주사 터널링 현미경(STM) 발명과 클러스터 연구라는 두 가지 중요한 연구가 진행되었다. 게르트 비니히와 하인리히 로러는 IBM 취리히 연구소에서 STM을 개발하여 개별 원자와 결합을 시각화하고 조작할 수 있게 되었고, 1986년 노벨 물리학상을 수상했다.^[10]^[11] 1985년에는 해리 크로토, 리처드 스몰리, 로버트 커가 풀러렌을 발견하여 1996년 노벨 화학상을 수상했다.^[12]^[13] 몇 년 후 탄소나노튜브가 발견되었다. 1991년 탄소 나노튜브 발견은 NEC의 이지마 스미오에게 주로 기인하며,^[14] 이지마는 2008년 첫 번째 카블리 나노과학상을 수상했다. 또한, 반도체 나노결정 특성 및 합성 연구가 진행되어 금속 및 금속 산화물 나노입자와 양자점 연구로 발전했다. STM 발명 6년 후에는 원자간력 현미경(AFM)이 발명되었다.

2. 2. 나노기술의 발전

리처드 파인만은 1959년 밑바닥에는 충분한 공간이 있다 강연에서 원자 직접 조작을 통한 합성 가능성을 제시하며 나노기술의 개념적 씨앗을 뿌렸다.^[96]

타니구치 노리오는 1974년 "나노기술"이라는 용어를 처음 사용하며, "나노기술은 주로 원자 1개 또는 분자 1개 단위로 재료를 분리, 형성, 변형하는 과정으로 이루어진다"라고 정의했다.^[97] K. 에릭 드렉슬러는 1986년 저서 ''창조의 엔진: 나노기술의 다가오는 시대''에서 나노 크기의 "조립기" 아이디어를 제안하며 나노기술 개념을 발전시켰고, 같은 해 포어사이트 연구소를 공동 설립하여 나노기술 개념과 의미에 대한 대중의 인식을 높였다.

1980년대 나노기술의 성장을 이끈 두 가지 획기적인 발전은 다음과 같다.

1981년 주사 터널링 현미경 발명: 개별 원자와 결합을 시각화하고 조작할 수 있게 되었다. 게르트 비니히와 하인리히 로러는 이 공로로 1986년 노벨 물리학상을 수상했다.^[10]^[11]
1985년 풀러렌 발견: 해리 크로토, 리처드 스몰리, 로버트 커는 풀러렌(버키볼)을 발견하여 1996년 노벨 화학상을 수상했다.^[12]^[13]

버키볼로도 알려진 버크민스터풀러렌 C₆₀은 탄소 구조로 알려진 풀러렌의 대표적인 구성원이다.

이후 탄소 나노튜브 연구가 이어졌고, 1991년 NEC의 이지마 스미오가 탄소 나노튜브를 발견하여 2008년 카블리 나노과학상을 수상했다.^[14]

2000년대 초, 나노기술은 과학, 정치, 상업적 관심이 증가하며 논란과 진보를 겪었다. 나노기술의 정의와 잠재적 영향에 대한 논쟁, 분자 나노기술 응용의 실현 가능성에 대한 문제 제기가 있었다.^[15]^[16] 한편, 은 나노입자를 이용한 항균제, 나노입자 기반 자외선 차단제 등 나노기술 기반 상업용 제품이 등장했다.^[17]^[18]

미국의 국가 나노기술 이니셔티브와 유럽의 연구 및 기술 개발 프레임워크 프로그램 등 각국 정부는 나노기술 연구를 지원하기 시작했다.

2000년대 중반, 과학적 관심이 급증하며 나노기술 로드맵이 발표되어 물질의 원자 수준 조작에 대한 기능, 목표, 응용 분야를 논의했다.^[19]^[20]

2. 3. 한국의 나노기술 발전

2001년 빌 클린턴 미국 대통령이 나노기술을 국가 전략 연구 목표로 삼은 것을 계기로, 한국에서도 많은 예산이 배정되어 현재 가장 활발한 과학기술 연구 분야 중 하나가 되었다.

3. 기본 개념

나노기술은 분자 수준에서 기능적인 시스템을 다루는 과학 및 공학이다. 원래 의미에서 나노기술은 완전하고 고성능의 제품을 만들기 위해 아래에서부터 구성 요소를 조립하는 것을 의미한다.

1나노미터(nm)는 10억분의 1미터, 즉 10⁻⁹미터이다. 일반적인 탄소-탄소 결합 길이 또는 분자 내 원자 간의 간격은 0.12~0.15 nm 범위이며, DNA의 지름은 약 2 nm이다. 가장 작은 세포 생명체인 ''마이코플라스마''속의 박테리아는 길이가 약 200 nm이다. 나노기술은 1~100 nm 범위를 다루며, 이는 미국 국립 나노기술 이니셔티브에서 사용하는 정의와 같다. 하한은 원자의 크기에 의해 결정되며, 수소는 가장 작은 원자로 약 0.25 nm의 운동 지름을 가진다. 상한은 더 큰 구조에서는 관찰되지 않는 현상이 나타나기 시작하고 활용될 수 있는 크기이다.^[21] 이러한 현상은 나노기술을 단순히 동등한 거시적 장치의 축소판과 구별하게 하며, 더 큰 규모의 장치는 마이크로기술로 분류된다.^[22]

다른 맥락에서 그 규모를 보자면, 나노미터와 미터의 비교 크기는 딱지와 지구의 크기와 같다.^[23]

나노기술에는 두 가지 주요 접근 방식이 있다. "바텀업" 접근 방식에서는 자기 조립되는 분자 구성 요소로부터 분자 인식 원리에 따라 재료와 장치를 만든다.^[24] "탑다운" 접근 방식에서는 원자 수준의 제어 없이 더 큰 개체로부터 나노 물체를 구성한다.^[25]

나노전자공학, 나노역학, 나노광학 및 나노이온학과 같은 물리학 분야는 나노기술의 과학적 기반을 제공하기 위해 발전해 왔다.

4. 접근 방법

나노 기술은 크게 세 가지 접근 방법으로 연구되고 있다.

; 상부하향식 방법

: 큰 것을 깎아 만들어가는 방법으로, 현미경을 통한 미생물 관찰, 박테리아 발견, 마이크로미터 센서 등이 이에 해당한다. 공구 등의 기술 발전과 함께 발전해왔다.

; 하부상향식 방법

: 분자 간의 상호 작용을 이용하여 분자들이 원하는 형태로 자체 조립되도록 하는 방법이다. 용액 및 증기상 합성법이 많이 사용되는데, 이는 용액 내에서 미세 결정 생성 시 계면 활성 분자와 같은 안정화제를 첨가해 결정 생성을 제어하거나, 순물질을 기화시켜 증착시키거나, 화합물을 미세 결정으로 증착시키는 방법이다.

; 생체 모방적 접근 방법

: 생체공학 및 생체 모방(biomimicry)은 자연계에서 발견되는 생물학적 방법 및 시스템을 연구 및 엔지니어링 시스템과 현대 기술 설계에 적용하는 것을 목표로 한다. 생광물화(Biomineralization)는 유기체에 있는 무기물의 형성을 연구하는 시스템의 한 예이다.^[35]

4. 1. 상부하향식 (Top-down)

큰 것을 깎아 만들어가는 방법으로 공구 등의 기술 발전을 통해 발전해나갔다. 현미경을 통한 미생물의 관찰, 박테리아의 발견, 마이크로미터 센서 등을 예로 들 수 있다. 더 큰 것으로부터 더 작은 장치를 만들어내려는 방식이다.^[100]

마이크로프로세서 제조를 위해 발전한 반도체 공학 기술은 100nm 미만의 구조를 형성할 수 있게 되었으며, 나노기술이라고 부를 수 있는 수준에 도달했다. 거대자기저항 효과를 이용한 하드디스크는 원자층 증착법(ALD)에 의해 만들어지고 있으며, 일종의 나노기술이라고 할 수 있다.^[111] 페터 그륀베르크와 알베르 페르는 거대자기저항을 발견하고 스핀트로닉스 분야에 기여한 공로로 2007년 노벨 물리학상을 수상했다.^[112]
반도체 공학 기술은 NEMS(나노 전기 기계 시스템)라는 장치의 제조에도 응용되고 있다. NEMS보다 약간 큰 규모의 것을 MEMS(미세 전기 기계 시스템)라고 부른다.
원자간력 현미경의 끝을 "펜촉"처럼 사용하여 고체 표면에 분자 재료를 배치하는 기술을 딥펜 리소그래피라고 부른다. 이를 포함한 기술을 나노리소그래피라고 부른다.
집속 이온 빔은 고체 표면을 미세하게 깎을 수 있으며, 그때 적절한 가스를 주입하면 재료를 배치할 수도 있다. 예를 들어, 투과형 전자 현미경과 이 기술을 사용한 100nm 미만의 미세 구조 분석이 일반적으로 이루어지고 있다.

4. 2. 하부상향식 (Bottom-up)

바텀업 방식은 더 작은 것으로부터 복잡한 것을 조립하는 방식이다.

DNA 나노기술은 왓슨-크릭형 염기쌍의 특이성을 이용하여 DNA 및 다른 핵산으로부터 명확한 구조를 구축한다.
"고전적"인 화학 합성 분야에서도 분자를 명확한 형태로 디자인하는 연구가 수행되고 있다(예: 비스펩타이드^[110]).
분자 자기조립은 초분자 화학의 개념, 특히 분자 인식을 응용하여 단일 분자 부품이 스스로 자동적으로 유익한 구조가 되도록 하는 것을 목표로 하고 있다.

현대의 화학 합성 기술은 작은 분자를 거의 어떤 구조로든 배치할 수 있는 수준에 이르렀다. 이 기술을 이용하여 다양한 의약품과 상업용 폴리머 등 유용한 화학 물질을 생산하고 있다. 더 나아가, 단일 분자들을 모아 초분자를 원하는 형태로 형성할 수 있는가 하는 문제가 제기된다.

분자를 자동적으로 소정의 배치로 만들어 원하는 조성을 얻는 바텀업 방식을 분자 자기조립 또는 초분자 화학이라고 한다. 여기서 중요한 것이 분자 인식이라는 개념이다. 분자를 디자인하려면, 비공유분자간 힘을 사용하여 특정 배치나 구성을 취하도록 강제한다. 왓슨-크릭형 염기쌍도 같은 원리로 형성되며, 효소가 특정 기질에만 작용하는 것이나 단백질의 폴딩도 같은 원리이다. 따라서 두 개 이상의 부분이 서로 잘 맞물리도록 디자인함으로써, 전체적으로 더 복잡하고 유용한 것을 만들 수 있다.

이러한 바텀업 방식은 동시에 다수의 장치를 생산할 수 있기 때문에 탑다운 방식보다 훨씬 비용이 저렴하지만, 필요한 분자의 크기와 복잡성이 증가하면 어려움도 증가할 것으로 예상된다. 유용한 구조의 대부분은 복잡하고 열역학적으로도 있을 수 없는 원자 배치를 필요로 한다. 그러나 생체 내에서는 분자 인식에 기반한 자기조립이 여러 곳에서 일어나고 있으며, 염기쌍이나 효소와 기질의 상호 작용이 그 예이다. 나노기술의 목표 중 하나는 그러한 자연계의 메커니즘을 응용하여 새로운 유용한 것을 구축하는 것이다.

분자 나노기술은 분자 수준의 크기에서 작동하는 나노시스템(나노머신 집합체)을 대상으로 하는 분야이다. 원자를 재료로 하여 분자를 조립하는 분자 조립기라는 가상의 기계와 밀접하게 관련되어 있다. 이른바 바텀업 방식의 궁극적인 형태이며, 현재 주류인 톱다운 방식과는 완전히 다르다. K. 에릭 드렉슬러가 "나노기술"이라는 용어를 사용했을 때, 그것은 주로 이 "분자 나노기술"을 가리켰다. 분자 수준의 생물학에서 기계 부품과 같은 것이 보이는 것으로부터, 기계로서 기능하는 분자를 만들 수 있을 것이라는 전제가 있다.

드렉슬러 등^[102]은 분자 수준의 기계 부품(톱니바퀴, 베어링, 모터, 구조 재료 등)을 만듦으로써 나노 스케일의 공장을 만드는 것을 제안했다^[103]. Carlo Montemagno^[104]는 미래의 나노시스템은 실리콘 기술과 생물학적 분자 기계의 융합이 될 것이라고 말했다. 리처드 스몰리는 이러한 방향의 실현 가능성에 부정적이었다. 2003년, 미국화학회의 출판물 Chemical & Engineering News에서 스몰리와 드렉슬러의 공개 서한에 의한 논쟁이 있었다^[105](별항 참조).

생체 내에는 분자 수준의 기계 시스템이 있다는 것은 명확하지만, 인공 분자 기계는 아직 연구 초기 단계이다. 인공 분자 기계 연구에서는 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스와 로렌스 버클리 국립 연구소의 Alex Zettl의 연구가 알려져 있다. 그들은 외부에서 인가하는 전압으로 제어할 수 있는 3종류의 분자 디바이스의 시제품 제작에 성공했다^[106]^[107].

4. 3. 생체 모방적 접근 방법

생체공학 및 생체 모방(biomimicry)은 연구 및 엔지니어링 시스템과 현대 기술의 설계에 자연계에서 발견되는 생물학적 방법 및 시스템을 적용하는 것을 목표로 한다. 생광물화(Biomineralization)는 유기체에 있는 무기물의 형성을 연구하는 시스템의 한 예이다.^[35]

4. 4. 기능적 접근

현대의 합성 화학은 거의 모든 구조의 작은 분자를 만들 수 있게 되었다. 이 기술은 의약품이나 상업용 고분자와 같은 다양한 유용한 화학 물질을 생산하는 데 사용된다. 이러한 능력은 더 큰 규모로 확장되어, 여러 분자들이 잘 정의된 방식으로 배열된 초분자 조립체를 조립하는 방법을 모색하게 한다.

이러한 접근 방식은 초분자 화학을 활용하여 하향식 접근 방식을 통해 자동으로 유용한 형태로 배열된다. 분자 인식의 개념이 중요한데, 분자는 비공유 분자간 힘으로 인해 특정 구성이나 배열을 선호하도록 설계될 수 있다. 왓슨-크릭 염기쌍 규칙, 효소의 기질 특이성, 특정 단백질 접힘 등이 그 예시이다. 따라서 구성 요소들이 상호 보완적이고 서로 끌어당기도록 설계하면 더 복잡하고 유용한 구조를 만들 수 있다.

이러한 하향식 접근 방식은 장치를 병렬로 생산할 수 있고 상향식 방법보다 훨씬 저렴하지만, 원하는 조립체의 크기와 복잡성이 증가함에 따라 어려움이 커질 수 있다. 대부분의 유용한 구조는 원자의 복잡하고 열역학적으로 불가능한 배열을 필요로 한다. 그럼에도 불구하고, 생물학에서는 분자 인식을 기반으로 하는 자기 조립의 많은 예가 존재하며, 왓슨-크릭 염기쌍 및 효소-기질 상호 작용이 대표적이다.

분자 나노기술(때로는 분자 제조라고도 함)은 분자 수준에서 작동하는 공학적 나노시스템(나노 크기의 기계)에 관한 것이다. 분자 나노기술은 특히 분자 조립기와 밀접한 관련이 있는데, 이는 기계 합성의 원리를 이용하여 원하는 구조나 장치를 원자 단위로 제조할 수 있는 기계이다. 생산적 나노시스템의 맥락에서 제조는 탄소 나노튜브 및 나노입자와 같은 나노물질을 제조하는 데 사용되는 기존 기술과는 관련이 없다.

K. 에릭 드렉슬러가 "나노기술"이라는 용어를 만들고 대중화했을 때, 그는 분자 기계 시스템을 기반으로 한 제조 기술을 구상했다. 그 전제는 기존 기계 부품의 분자 수준의 생물학적 유사체가 분자 기계의 가능성을 보여주었다는 것이었다. 생물학에는 정교하고, 확률적으로 최적화된 생물학적 기계의 예가 풍부했다.

드렉슬러와 다른 연구자들은^[26] 첨단 나노기술이 궁극적으로 기계 공학 원리, 즉 이러한 부품(기어, 베어링, 모터 및 구조 부재 등)의 기계적 기능을 기반으로 하는 제조 기술을 통해 원자 수준의 프로그래밍 가능한 위치 조립이 가능할 것이라고 제안했다.^[27] 예시 설계의 물리적 및 공학적 성능은 드렉슬러의 저서 ''Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation''에서 분석되었다.^[2]

카를로 몬테마뇨는 미래의 나노시스템은 실리콘 기술과 생물학적 분자 기계의 하이브리드가 될 것이라고 말했다.^[28] 리처드 스몰리는 개별 분자를 기계적으로 조작하는 데 어려움이 있기 때문에 기계 합성이 불가능하다고 주장했다. 이는 2003년 미국화학회(ACS) 출판물 화학 및 공학 뉴스에 서신 교환으로 이어졌다.^[29] 생물학이 분자 기계가 가능함을 명확하게 보여주지만, 비생물학적 분자 기계는 아직 초기 단계에 머물러 있다. 로렌스 버클리 국립 연구소와 버클리 캘리포니아 대학교의 알렉스 제틀과 동료들은^[30] 전압 변화를 통해 움직임을 제어하는 세 가지 이상의 분자 장치를 제작했다. 나노튜브 나노모터, 분자 액추에이터,^[31] 및 나노 전기 기계 완화 발진기 등이다.^[32]

기능적 접근 방식은 필요한 기능을 먼저 설정하고, 이를 어떤 수단으로든 만들어내려고 하는 연구이다.

분자 전자공학은 유익한 전자적 특성을 지닌 분자를 개발하는 것을 목표로 한다. 그러한 분자는 나노 전자공학 소자의 단분자 부품으로 응용된다.^[113] 예를 들어, 로탁산이 있다.
화학 합성 기법을 이용하여 나노카와 같은 합성 분자 모터를 만드는 연구가 진행되고 있다.^[114]

5. 주요 특성

나노 기술은 계의 크기가 작아짐에 따라 여러 현상이 두드러지는 특징을 보인다. 여기에는 통계 역학적 효과뿐만 아니라 양자 역학적 효과도 포함된다. 예를 들어 "양자 크기 효과"는 입자 크기가 감소하면서 고체의 전기적 특성이 변하는 현상이다. 이러한 효과는 거시적 또는 미시적 차원에서는 나타나지 않지만, 나노미터 크기에서는 양자 효과가 중요해진다.

또한 물리적(기계적, 전기적, 광학적 등) 특성이 거시적 시스템과 달라진다. 표면적 대 부피 비율이 증가하면 재료의 기계적, 열적, 촉매적 특성이 변하고, 확산과 반응도 달라질 수 있다. 빠른 이온 수송을 가진 시스템은 나노이오닉스라고 불린다. 나노시스템의 기계적 특성은 연구 대상이다.

물질을 나노 스케일까지 작게 하면 거시적 규모와는 다른 특성을 나타내 새로운 응용이 가능해진다. 예를 들어 불투명했던 구리(Cu)는 투명해지고, 불연성이었던 알루미늄(Al)은 가연성을 가지며, 불용성이었던 금(Au)은 가용성을 띠게 된다. 금은 일반적인 크기에서는 화학적으로 불활성이지만, 나노 스케일에서는 강력한 화학 촉매로 기능한다. 이처럼 나노기술은 나노 스케일에서 물질이 나타내는 양자 현상이나 표면 현상을 이용하기 위해 발전했다.^[101]

5. 1. 광학적 특성

나노 영역에서는 크기에 따라 색깔이 변한다. 예를 들어 금(Au)은 일반적으로는 황금색을 띠지만 10-200 nm 사이의 크기에서는 구형일 경우 적색 계열의 색을 띠며, 모양과 구조에 따라 청색이나 녹색 등 다양한 색을 띠게 된다.^[101]

5. 2. 화학적 특성

모든 물질은 큰 덩어리에서 작은 덩어리로 쪼개짐에 따라 물질 전체의 표면적이 급격히 커지게 되며, 이로 인해 나노물질은 독특한 특성을 갖게 된다. 예를 들어 이산화 타이타늄(TiO2)은 TiO2 입자 크기가 20nm 이하일 때 형광등이나 백열등에서 발생되는 약한 자외선을 받으면 살균력, 자가 세척력, 김서림 방지 효과를 갖기 때문에 다양하게 사용된다.^[110]

5. 3. 물리적 특성

다결정질 재료의 각 입자는 기본적인 배열은 같으나 방향이 다르고, 입자와 입자 사이에 존재하는 단위 면적당 입계가 많을수록 강한 물리적 성질을 띠는 경향이 있다. 그러나 나노물질 입자의 경우 일반적인 경향과는 달리 특정 결정립 크기 영역에서 강도가 급격히 증가하는 현상을 보인 결과들이 있어, 작을수록 강하다는 일반 상식이 통하지는 않는 것으로 보인다. 다만, 다른 복합체와 섞었을 경우 물리적 강도가 증가하는 것으로 볼 때 나노입자가 물리적 성질이 우수하다고 보고 있다.^[101]

5. 4. 전자적 특성

전자적인 성질을 띠는 반도체, 자성 금속, 나노 입자들은 크기가 작아지면서 일반적으로 10~100nm 정도에서 자기적인 성질이 최대가 되는 것으로 알려져 있다. 자기적인 성질이 극대화됨과 동시에 크기가 매우 작고 균일한 크기의 구 형태 자성 금속 나노 입자를 합성하여 이들의 규칙적인 배열을 통해 이 입자 하나하나를 각각 한 개의 비트로 사용할 수 있다고도 알려져 있는데, 이런 자성 입자는 크기가 수 nm로 주로 코발트나 코발트와 백금의 합금 형태로 이루어진다.^[101]

몇몇 물리 현상은 대상이 작아질수록 그 영향이 현저해진다. 예를 들어 통계역학적 효과나 양자역학적 효과로, “양자 크기 효과”에서는 미립자의 크기를 극소로 함으로써 그 전자 특성이 변화하고, 전자의 가둠에 의한 에너지 준위의 불연속화가 나타난다. 이 효과는 거시적 규모에서 미시적 규모로 치수가 작아짐에 따라 점진적으로 작용하는 것은 아니다. 하지만 일반적으로 100나노미터 미만의 거리(소위 양자 영역)에 도달하면 양자 효과가 지배적이 된다. 또한 많은 물리적(기계적·전기적·광학적 등) 특성이 거시적 계와 비교하여 변화한다. 예를 들어 표면적이 부피에 대해 증가하기 때문에 재료의 기계적·열적·촉매적 특성이 변화한다. 나노 스케일에서의 확산과 반응, 고속 이온 수송이 가능한 나노 구조 재료나 나노 장치 등을 연구하는 분야를 일반적으로 나노이오닉스라고 부른다.^[101]

6. 응용 분야

물질을 나노미터 수준으로 제어하면 여러 가지 장점이 있다. 예를 들어, 현재 컴퓨터 등에 사용되는 전자회로의 트랜지스터는 대략 수십 nm 정도의 크기이지만, 이를 1/10로 줄이면 컴퓨터를 훨씬 소형화하고 필요한 전력과 발열을 억제할 수 있다. 기억장치 등에서도 소형화·고기능화가 기대된다. 또한, 물질을 수 나노미터 크기로 하면 양자 효과라는 특수한 현상이 나타난다. 예를 들어, 최근 전자 디바이스에서 사용되는 전자의 가둠에 의한 에너지 준위의 불연속화나 터널 효과가 나타나는 거리는 나노미터 영역이다.

나노기술의 주요 용도로, 약 10nm의 미세한 나노와이어로 만들어진 MOSFET을 사용하는 나노전자공학이 있다. 이 그림은 그러한 나노와이어의 시뮬레이션을 보여준다.

신흥 나노기술 프로젝트(Project on Emerging Nanotechnologies)는 2008년 8월 21일 기준으로 800종 이상의 나노기술 제품이 상품화되었다고 추정하며, 3~4주마다 새로운 제품이 출시되고 있다고 밝혔다.^[115] 해당 프로젝트는 일반적으로 판매되는 모든 제품 목록을 온라인으로 공개하고 있다.^[116] 대부분은 “1세대” 수동적 나노 소재를 사용하는 데 그치고 있으며, 이산화티탄, 탄소 동소체, 은 미립자, 산화아연, 산화세륨 등이 포함된다.^[117]

미국 국립과학재단(アメリカ国立科学財団)은 나노기술 연구에 활발하게 자금을 지원하고 있으며, 연구자 David Berube의 이 분야 조사에도 자금을 지원했다. Berube는 “나노 버블”이라고 부를 만한 상황이 형성될 위험이 있거나(혹은 이미 형성되어 있고) “나노기술”이라는 용어가 너무 쉽게 사용되고 있다고 경고하고 있다.^[119]

전자 재료 이외에도, 약물 전달 시스템을 대표로 하는 의료 분야로의 전개도 활발하게 시도되고 있다.

생체공학 또는 생체모방 기술에서는 자연계에 존재하는 생물학적 방법과 시스템을 모방하여, 그것들을 공학 시스템이나 기술 설계에 활용하는 것을 연구하고 있다. 예를 들어 생체 내 광물 형성 시스템을 연구하고 있다.
바이오나노기술은 생체물질을 나노기술에 응용하는 것을 연구하고 있다.

6. 1. 전자, 통신

나노 기술의 주요 응용 분야 중 하나는 나노 전자공학 분야로, 약 10nm 길이의 나노선으로 만들어진 MOSFET이 있다. 이는 나노선의 시뮬레이션이다.

낮은 전력소모, 적은 생산 비용으로 백만 배 이상의 성능을 갖는 나노 구조의 마이크로프로세서 소자가 개발되고 있다.
10배 이상의 대역폭과 높은 전달속도를 갖는 통신 시스템이 연구되고 있다.
현재보다 용량은 크고 크기는 작은 대용량 정보저장장치(초고집적 반도체 소자)가 개발 중이다.
대용량 정보를 수집 처리하는 집적화된 나노 센서 시스템이 연구되고 있다.
정보저장, 메모리 반도체, 포켓사이즈 슈퍼로봇 개발이 진행 중이다.
더 빠르고 더 작고 더 얇고 더 가벼운 스마트 인터페이스가 개발되고 있다.
전계 방출 디스플레이(FED)에 응용될 수 있다.
전기 자동차 산업에서 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)는 에너지 밀도, 충전 속도, 수명 및 비용을 포함한 주요 리튬이온 배터리 과제를 해결한다. SWCNT는 충전/방전 과정에서 전극 입자를 연결하여 배터리의 조기 열화를 방지한다. 활성 물질 입자를 감싸는 탁월한 능력은 전기 전도도와 물리적 특성을 향상시켜 다중벽 탄소나노튜브와 카본 블랙과 차별화된다.^[58]^[59]^[60]
비디오 게임 콘솔과 개인용 컴퓨터는 나노 기술 덕분에 더 저렴하고 빠르며 더 많은 메모리를 포함할 수 있게 될 것이다.^[62] 또한, 칩 상 광학 양자 정보 처리 및 피코초 정보 전송과 같이 빛을 이용한 칩 상 컴퓨팅 구조를 구축하는 데에도 사용될 수 있다.^[63]
물질을 나노미터 수준으로 제어하면 여러 장점이 있다. 예를 들어, 현재 컴퓨터 등에 사용되는 전자회로의 트랜지스터는 대략 수십 nm 정도의 크기이지만, 이를 1/10로 줄이면 컴퓨터를 훨씬 소형화하고 필요한 전력과 발열을 억제할 수 있다. 기억장치 등에서도 소형화·고기능화가 기대된다.
물질을 수 나노미터 크기로 하면 양자 효과라는 특수한 현상이 나타난다. 예를 들어, 최근 전자 디바이스에서 사용되는 전자의 가둠에 의한 에너지 준위의 불연속화나 터널 효과가 나타나는 거리는 나노미터 영역이다.
분자 전자공학은 유익한 전자적 특성을 지닌 분자를 개발하는 것을 목표로 하며, 이러한 분자는 나노 전자공학 소자의 단분자 부품으로 응용된다.^[113] 예시로 로탁산이 있다.

6. 2. 재료

기계가공 없이 정확한 모양을 갖는 나노 구조 금속 및 세라믹
원자 단위에서 설계된 고강도 소재, 고성능 촉매
뛰어난 색감을 갖는 나노 입자를 이용한 인쇄
나노 크기를 측정할 수 있는 새로운 표준
절삭공구나 전기적, 화학적, 구조적 나노코팅
나노입자인 이산화 티타늄으로 코팅한 화장실: 더러움이나 박테리아에 저항성을 갖게 된다.
나노입자로 이루어진 화장품: 피부에 쉽게 흡수되어 성분을 몸 속에 쉽게 운반한다.
반응성 나노물질을 기반으로 하는 치료 제품 (예: 고도로 변형 가능하고 응력에 민감한 트랜스퍼솜 소포)은 일부 국가에서 인체 사용이 승인되었다.^[56]
테니스공의 수명 연장, 골프공의 비거리 증가, 볼링공의 내구성 향상
바지와 양말은 나노 기술을 이용하여 수명을 연장하고 여름철 온도를 낮추도록 제작
붕대에는 은 나노 입자가 함유되어 상처 치유 속도를 높인다.^[61]
재료를 나노 스케일까지 작게 하면, 거시적 규모와는 다른 특성을 나타내게 되어 새로운 응용이 가능해진다. 예를 들어, 불투명했던 것이 투명해지거나(구리(Cu)), 불연성이었던 것이 가연성이 되거나(알루미늄(Al)), 불용성이었던 것이 가용성이 된다(금(Au)).^[101]
신흥 나노기술 프로젝트(Project on Emerging Nanotechnologies)는 2008년 8월 21일 기준으로 800종 이상의 나노기술 제품이 상품화되었다고 추정하며, 3~4주마다 새로운 제품이 출시되고 있다고 밝혔다.^[115]
대부분은 “1세대” 수동적 나노 소재를 사용하는 데 그치고 있으며, 자외선 차단제, 화장품, 일부 식품에 사용되는 이산화티탄, 접착 시트에 사용되는 탄소 동소체, 식품 포장재, 의류, 살균제, 가전제품에 사용되는 은 미립자, 자외선 차단제, 화장품, 표면 코팅, 페인트, 옥외 가구 도장 등에 사용되는 산화아연, 연료 촉매로 사용되는 산화세륨 등이 포함된다.^[117]

6. 3. 의료

빠르고 효과적인 염기서열 분석을 통해 진단학과 치료학의 혁명이 가능해진다.
원격진료 및 생체이식소자를 이용해 효과적이고 저렴한 보건치료가 가능하다.
나노 구조물을 통한 새로운 약물전달 시스템(표적 지향성 약물 운반 시스템)은 암세포만을 표적으로 하는 치료 방법이다.
암 조직의 나노 스케일 구멍을 통해 100 나노미터 이하의 운반체를 이용하여 항암제를 운반할 수 있다.
내구성과 생체 친화력을 갖춘 인공기관 개발이 가능하다.
인체의 질병을 진단, 예방할 수 있는 나노센싱 시스템이 개발되고 있다.
항원, 항체가 결합하는 반응을 이용하며, 운반체로서 나노물질인 풀러렌을 이용한다.
암세포와 바이러스 등을 분쇄하거나 손상된 세포를 복구할 수 있는 나노로봇이 연구되고 있다.
나노로 만든 주사기의 주사바늘은 통점과 통점 사이로 주사하여 통증이 없다.
나노로봇 공학은 나노 스케일에서 작동하는 자급자족 기계를 연구하며, 의학에 적용하려는 기대가 있다.^[48]^[49]
반응성 나노물질을 기반으로 하는 치료 제품(예: 고도로 변형 가능하고 응력에 민감한 트랜스퍼솜 소포)은 일부 국가에서 인체 사용이 승인되었다.^[56]
나노 기술은 기존 의료 응용 분야를 의사 사무실이나 가정과 같은 장소에서 더 저렴하고 사용하기 쉽게 만들 수 있는 잠재력을 가지고 있다.^[64]
나노 캡슐화는 활성 물질을 운반체 안에 넣는 것을 포함하며, 의료 분야에서 약물 전달에 중요한 역할을 한다. 이는 더 효율적인 약물 투여를 용이하게 하고 부작용을 줄이며 치료 효과를 높인다.^[66]^[67]
나노 기술은 조직 공학에서 역할을 할 수 있다. 스캐폴드를 설계할 때 연구자들은 세포 미세 환경의 나노 스케일 특징을 모방하여 적절한 계통으로 분화를 유도하려고 시도한다.^[68]
연구자들은 논리 기능을 수행할 수 있는 DNA 오리가미 기반 나노봇을 사용하여 바퀴벌레의 약물 전달을 목표로 하는 연구를 진행했다.^[70]
약물 전달 시스템을 대표로 하는 의료 분야로의 응용 또한 활발하게 시도되고 있다.
바이오나노기술은 생체물질을 나노기술에 응용하는 것을 연구한다.

6. 4. 생명공학

하이브리드 시스템의 합성피부, 유전자 분석 및 조작에 응용될 수 있다.^[48]^[49]
분자공학으로 제작된 생화학적으로 분해 가능한 화학물질을 만들 수 있다.
동식물의 유전자 개선에 활용될 수 있다.
동물에게 유전자와 약물을 제공할 수 있다.
나노 배열을 기반으로 한 분석 기술을 이용해 DNA 분석을 할 수 있다.
나노로봇 공학은 나노 스케일에서 작동하는 자급자족 기계를 연구하며, 의학에 적용하려는 기대가 있다.^[48]^[49] 혁신적인 재료와 특허받은 방법론에 대한 진전이 이루어지고 있다.^[50]^[51]
나노 캡슐화는 활성 물질을 운반체 안에 넣어 생체 이용률 향상, 방출 제어, 표적 전달, 캡슐화된 물질 보호 등의 장점을 제공한다. 의료 분야에서 나노 캡슐화는 약물 전달에 중요한 역할을 하며, 더 효율적인 약물 투여, 부작용 감소, 치료 효과 증진에 기여한다. 특히 수용성이 낮은 약물의 생체 이용률을 높이고, 제어되고 지속적인 약물 방출을 가능하게 하며, 표적 치료법 개발을 돕는다.^[66]^[67]
조직 공학에서 스캐폴드를 설계할 때 연구자들은 세포 미세 환경의 나노 스케일 특징을 모방하여 적절한 계통으로 분화를 유도한다.^[68] 예를 들어 골 성장을 지원하는 스캐폴드를 만들 때 파골세포 흡수 피트를 모방할 수 있다.^[69]
연구자들은 논리 기능을 수행할 수 있는 DNA 오리가미 기반 나노봇을 사용해 바퀴벌레의 약물 전달을 목표로 했다.^[70]
바이오나노기술은 생체물질을 나노기술에 응용하는 것을 연구하고 있다.

6. 5. 환경, 에너지

새로운 배터리, 청정 연료의 광합성, 양자 태양 전지, 염료 감응 태양 전지 개발에 나노 기술이 활용되고 있다.^[115] 나노미터 크기의 다공질 촉매제는 화학 반응 효율을 높이는 데 사용되며, 극미세 오염물질을 제거할 수 있는 다공질 물질도 개발되고 있다.^[115] 자동차 산업에서는 금속을 대체할 나노 입자 강화 폴리머가 연구되고 있으며, 무기물질 및 폴리머 나노 입자를 이용한 내마모성, 친환경성 타이어도 개발 중이다.^[115]

나노 센서를 이용하면 쓰레기 소각로의 배기가스 및 공장 폐수 수질 검사, 식품 품질 검사 등을 더욱 정밀하게 수행할 수 있다.^[115] 산소를 이용한 오염 물질 분해에 사용되는 전기 분해 촉매에도 나노 기술이 적용되고 있다.^[115] 또한, 탄소 나노튜브를 활용한 수질 환경 정화 시스템도 개발되고 있다.^[115]

전기 자동차 산업에서 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)는 에너지 밀도, 충전 속도, 수명 및 비용을 포함한 주요 리튬이온 배터리 과제를 해결한다.^[58]^[59]^[60] SWCNT는 충전/방전 과정에서 전극 입자를 연결하여 배터리의 조기 열화를 방지한다.^[58]^[59]^[60] 활성 물질 입자를 감싸는 탁월한 능력은 전기 전도도와 물리적 특성을 향상시켜 다중벽 탄소나노튜브와 카본 블랙과 차별화된다.^[58]^[59]^[60]

6. 6. 국방

나노 기술은 국방 분야에서 무기 체계의 소형화, 고속화, 장거리 이동 능력 향상에 기여하고 있다. 무인 잠수함, 무인 전투기, 원격 센서 시스템과 같은 무인 원격 무기 개발에 활용되며, 스텔스(Stealth) 무기 개발에도 적용된다.

6. 7. 항공 우주

저전력, 항방사능을 갖는 고성능 컴퓨터^[17]
마이크로 우주선을 위한 나노기기^[17]
나노 구조 센서, 나노 전자공학을 이용한 항공 전자공학^[17]
내열, 내마모성을 갖는 나노 코팅^[17]

7. 나노 계측 기술

나노 계측 기술은 나노미터 수준의 물성, 구조, 성분을 측정하고 분석하는 기술로, 나노 기술의 기반이 되는 핵심 기술이다. 최근에는 주사탐침현미경(SPM) 기술을 중심으로, X선 기술, 전자/이온빔 기술, 적외선, 자외선, 가시광선 기술 등으로 구분할 수 있다.

원자현미경(AFM)의 일반적인 설정. 미세 제작된 캔틸레버의 날카로운 팁이 축음기와 유사하지만 훨씬 작은 규모로 시료 표면의 특징에 의해 휘어집니다. 레이저 빔이 캔틸레버의 뒷면에서 광검출기 세트에 반사되어 휨을 측정하고 표면의 이미지로 조립할 수 있습니다.

원자힘현미경(AFM)과 주사터널링현미경(STM)은 나노 스케일 관찰에 사용되는 대표적인 주사탐침 현미경이다. 이 외에도 다양한 주사탐침현미경이 개발되었으며, 소리나 빛의 파장에 제한을 받지 않아 훨씬 높은 분해능을 가진다. 주사탐침의 팁은 나노구조물을 조작하는 데에도 사용될 수 있다.

나노리소그래피는 상향식 가공 기술로, 포토리소그래피, X선 리소그래피, 딥펜 나노리소그래피, 전자빔 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피 등의 기법이 있다. 이러한 리소그래피 기술은 큰 재료에 나노 스케일의 패턴을 새기는 방식으로 나노 구조를 만든다.

나노 기술에는 반도체 제작에 사용되는 기술들도 포함된다. 예를 들어, 원자외선 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 집속이온빔 가공, 나노임프린트 리소그래피, 원자층 증착, 분자선 에피택시법(MBE), 디블록 공중합체를 이용한 분자 자기조립법 등이 있다.

주사탐침현미경은 나노 재료의 평가와 합성 모두에서 중요한 도구로 사용된다. 원자간력현미경과 주사터널링현미경은 재료의 표면을 관찰하고 원자를 이동시키는 데 사용될 수 있다. 이러한 현미경의 팁을 특수하게 설계하면 표면에 구조를 새기거나 자기조립을 돕는 데 사용할 수 있다.

8. 문제점 및 윤리적 고려 사항

나노기술의 발전은 여러 분야에서 혁신적인 가능성을 제시하지만, 동시에 여러 문제점과 윤리적인 고려 사항들을 수반한다.

나노물질의 산업 규모 제조 및 사용은 인간의 건강과 환경에 미칠 영향에 대한 우려를 낳고 있다. 나노독성학 연구는 이러한 우려를 뒷받침하며, 책임있는 나노기술 센터(Center for Responsible Nanotechnology)와 같은 단체는 나노기술에 대한 특별한 규제가 필요하다고 주장한다.^[124] 그러나 과도한 규제는 인류에 도움이 되는 과학 기술의 발전을 방해할 수 있다는 반론도 존재한다.

미국 국립 직업 안전 보건 연구소와 같은 공중 보건 연구 기관들은 나노입자 노출로 인한 잠재적인 건강 영향을 연구하고 있다.^[72]^[73] 미국과 영국의 나노기술 사회 센터에서 실시한 위험 인식에 대한 공개 토론에서, 참가자들은 건강 관련 응용 분야보다 에너지 응용 분야에 대한 나노기술에 대해 더 긍정적인 반응을 보였다. 건강 관련 응용 분야는 비용 및 가용성과 같은 도덕적, 윤리적 딜레마를 야기할 수 있기 때문이다.^[76]

전문가들은 나노기술의 상업화를 위해서는 적절한 감독, 위험 연구 전략 및 공공 참여가 필수적이라고 강조한다.^[77] 2006년 기준으로 캘리포니아주 버클리는 나노기술을 규제하는 유일한 미국 도시였다.^[78]

나노기술의 엄격한 규제 요구는 인체 건강 및 안전 위험과 관련된 논쟁과 함께 제기되었다.^[90] 일부 규제 기관은 기존 규정에 나노기술을 추가하는 방식으로 일부 나노기술 제품 및 공정을 다루고 있지만, 명확한 허점이 남아 있다.^[91] 이러한 단점을 해결하기 위한 단계별 로드맵이 제안되기도 했다.^[92]

영국 왕립학회 보고서는 폐기, 파괴 및 재활용 과정에서 나노입자 또는 나노튜브가 방출될 위험을 확인하고, 생산자 책임 확대 체제에 따라 제품 제조업체가 이러한 물질을 관리하여 인체 및 환경 노출을 최소화하는 절차를 공개해야 한다고 권고했다.^[15]

나노기술의 잠재적 용도에 대해서는 매우 다양한 주장이 제기되고 있으며, 그것들이 현실이 되었을 때 사회에 미치는 영향에 대한 심각한 우려가 표명되고 있다. 또한 그러한 위험을 완화하기 위해 어떻게 하는 것이 적절한지에 대한 논의가 이루어지고 있다.

책임있는 나노기술 센터(Center for Responsible Nanotechnology)는 추적 불가능한 대량살상무기, 정부의 네트워크화된 카메라에 의한 감시, 군비 경쟁을 불안정하게 만들 정도로 빠른 무기 개발 등 나노기술이 야기할 수 있는 여러 위험을 제시한다. 또한 자기 복제 나노머신이 폭주할 경우 증식이 멈추지 않고 기하급수적으로 개체 수를 늘려, 수 시간 만에 지구 전체가 나노머신 덩어리인 “그레이 구”로 변해 버릴 것이라는 우려도 제기된다.

8. 1. 나노 입자의 독성

한때 기적의 광물로 불렸던 석면이 폐에 흡입되면 폐암 및 각종 질병을 유발하는 것으로 알려져 큰 문제가 되고 있는 것처럼, 훨씬 더 작은 나노 입자가 인간에게 무해하다고 확신할 수 없다.

나노 입자는 호흡이나 피부를 통해 체내로 유입될 수 있으며, 세포막을 자유자재로 투과할 수 있다. 따라서 폐나 심장 등 여러 기관에 영향을 미칠 수 있고, 심지어 뇌까지 침투가 가능하며, 태아에게까지 전달될 수 있다. 더 나아가 DNA까지 파괴될 수 있는 위험성이 제기되고 있다.^[80]^[81]^[82]

미국 환경 보호국(EPA)은 삼성전자의 은 나노 세탁기에 대해 안전성을 입증할 증거를 제시하라고 요구하며, '은 나노 입자로 살균이 가능하다면 제초제나 살충제와 같은 효과를 내는 것이 아니냐?'는 의문을 제기했다. 하지만 삼성은 이미 안전성을 입증한 바 있다. EPA가 제기한 의문처럼 나노 입자는 공중 보건과 수자원에 해를 끼칠 수 있으며, 인체를 비롯해 자연환경 속에 존재하는 모든 생명체에 영향을 미칠 수 있는 가능성이 존재한다. 정밀하게 정제된 입자들인 만큼 안정적으로 오랫동안 자연계에 존재할 수 있으며 생물 농축도 가능하다.

미국 국립 직업 안전 보건 연구소와 같은 공중 보건 연구 기관은 나노 입자 노출로 인한 잠재적인 건강 영향을 연구하고 있다.^[72]^[73]

나노 입자 제품은 의도치 않은 결과를 초래할 수 있다. 연구자들은 발 냄새를 줄이기 위해 양말에 사용되는 정균성 은 나노 입자가 세탁 과정에서 방출된다는 것을 발견했다.^[74] 이러한 입자는 폐수로 유입되어 자연 생태계, 농장 및 폐기물 처리 과정의 중요한 구성 요소인 박테리아를 파괴할 수 있다.^[75]

UCLA 공중보건대학원의 2년 연구에 따르면, 나노 이산화티탄을 섭취한 실험용 쥐에게서 "인간의 주요 사망 원인인 암, 심장병, 신경 질환 및 노화와 관련된" 수준의 DNA 및 염색체 손상이 나타났다.^[83]

''네이처 나노테크놀로지'' 연구에 따르면, 일부 형태의 탄소 나노튜브는 충분한 양을 흡입하면 석면만큼 해로울 수 있다고 제안되었다. 직업의학연구소(Institute of Occupational Medicine)의 앤서니 시튼(Anthony Seaton)은 탄소 나노튜브에 관한 논문에 기여하면서 "우리는 그 중 일부가 중피종을 유발할 가능성이 있음을 알고 있습니다. 따라서 이러한 종류의 물질은 매우 주의 깊게 취급해야 합니다."라고 말했다.^[84]

8. 2. 환경 오염 가능성

한때 기적의 광물로 불렸던 석면이 폐암 등 각종 질병을 유발하는 것으로 알려지면서 큰 문제가 된 것처럼, 훨씬 작은 나노 입자가 인체에 무해하다고 확신할 수 없다. 나노 입자는 호흡이나 피부를 통해 체내로 유입될 수 있으며, 세포막을 자유자재로 투과할 수 있다. 따라서 폐, 심장 등 여러 기관에 영향을 미칠 수 있고, 심지어 뇌와 태아에게까지 전달될 수 있으며, DNA 손상 가능성까지 제기되고 있다.^[72]^[73]

미국 환경 보호국(EPA)은 삼성전자의 은 나노 세탁기에 대해 안전성을 입증할 증거를 제시하라고 요구하며, '은 나노 입자가 살균 효과를 낸다면 제초제나 살충제와 같은 효과를 내는 것이 아닌가?'라는 의문을 제기했다. 삼성전자는 이미 안전성을 입증했다고 주장했지만, EPA의 의문처럼 나노 입자는 공중 보건과 수자원에 해를 끼칠 수 있으며, 인체뿐만 아니라 자연 환경 속 모든 생명체에 영향을 미칠 가능성이 있다. 정밀하게 정제된 나노 입자는 안정적으로 오랫동안 자연계에 존재하며 생물 농축될 수도 있다.

나노 물질의 산업 규모 제조 및 사용이 인간 건강과 환경에 미칠 영향에 대한 우려가 제기되면서, 일부 단체는 나노 기술 규제를 주장하고 있다. 그러나 규제는 과학 연구와 혁신을 저해할 수 있다는 반론도 있다. 미국 국립 직업 안전 보건 연구소와 같은 공중 보건 연구 기관은 나노 입자 노출로 인한 잠재적 건강 영향을 연구하고 있다.

나노 입자 제품은 의도치 않은 결과를 초래할 수 있다. 예를 들어, 발 냄새를 줄이기 위해 양말에 사용되는 정균성 은 나노 입자가 세탁 과정에서 방출되어 폐수로 유입될 수 있다.^[74] 이 입자들은 자연 생태계, 농장 및 폐기물 처리 과정에 중요한 박테리아를 파괴할 수 있다.^[75]

UCLA 공중보건대학원의 연구에 따르면, 나노 이산화티탄을 섭취한 실험용 쥐에게서 DNA 및 염색체 손상이 나타났는데, 이는 "인간의 주요 사망 원인인 암, 심장병, 신경 질환 및 노화와 관련된" 수준이었다.^[83]

''네이처 나노테크놀로지'' 연구는 일부 형태의 탄소 나노튜브가 충분한 양을 흡입하면 석면만큼 해로울 수 있다고 제안했다. 직업의학연구소(Institute of Occupational Medicine)의 앤서니 시튼(Anthony Seaton)은 "이러한 종류의 물질은 매우 주의 깊게 취급해야 한다"고 말했다.^[84]

8. 3. 사회적 영향

나노기술의 산업 규모 제조 및 사용은 인간의 건강과 환경에 영향을 미칠 수 있다는 우려가 제기되고 있다. 이러한 이유로 일부 단체는 나노기술 규제를 주장하지만, 규제가 과학 연구와 혁신을 저해할 수 있다는 반론도 있다.^[72]^[73] 미국 국립 직업 안전 보건 연구소와 같은 기관은 나노입자 노출의 잠재적 건강 영향을 연구하고 있다.^[72]^[73]

나노입자 제품은 의도치 않은 결과를 초래할 수 있는데, 일례로 양말에 사용되는 정균성 은 나노입자가 세탁 과정에서 방출되어 폐수로 유입될 수 있다.^[74] 이는 자연 생태계, 농장 및 폐기물 처리 과정에 중요한 박테리아를 파괴할 수 있다.^[75]

미국과 영국의 나노기술 사회 센터에서 실시한 위험 인식 공개 토론에서 참가자들은 건강 관련 응용 분야보다 에너지 응용 분야에 대해 더 긍정적이었으며, 건강 관련 응용 분야는 비용과 가용성과 같은 도덕적, 윤리적 딜레마를 야기했다.^[76]

전문가들은 나노기술의 상업화가 적절한 감독, 위험 연구 전략, 공공 참여에 달려 있다고 강조한다. 2006년 기준으로 캘리포니아주 버클리는 나노기술을 규제하는 유일한 미국 도시였다.^[78]

책임있는 나노기술 센터(Center for Responsible Nanotechnology)는 추적 불가능한 대량살상무기, 정부 감시, 군비 경쟁 불안정 등 나노기술로 인한 위험을 제기한다. 자기 복제 나노머신이 폭주하여 지구 전체가 "그레이 구"로 변할 수 있다는 우려도 있다.

나노기술의 대량 생산과 나노물질 사용이 인간 건강과 환경에 미치는 영향에 대한 우려가 나노독성학 연구에서 제기되고 있다.^[124] 과도한 규제가 과학 기술 발전을 저해할 것이라는 반론도 있다.

우드로 윌슨 센터의 신흥 나노기술 프로젝트(Project on Emerging Nanotechnologies) 책임자인 데이비드 레제스키는 나노기술 상용화를 위해 적절한 감독, 위험 연구 전략, 공공 계약이 필요하다고 강조한다.^[125] 버클리는 현재 나노기술을 규제하는 유일한 미국 도시이며,^[126] 캠브리지에서도 2008년에 유사한 규제가 검토되었으나 부결되었다.^[127]^[128]

9. 한국의 나노기술 정책 및 규제 동향

나노기술의 엄격한 규제 요구는 인체 건강 및 안전 위험과 관련된 논쟁과 함께 제기되었다.^[90] 일부 규제 기관은 기존 규정에 나노기술을 "추가"하는 방식으로 일부 나노기술 제품 및 공정을 다루고 있지만, 명확한 허점이 남아 있다.^[91] 데이비스는 이러한 단점을 해결하기 위한 단계를 설명하는 로드맵을 제안했다.^[92]

우드로 윌슨 센터 신흥 나노기술 프로젝트의 수석 과학 고문인 앤드류 메이나드는 인체 건강 및 안전 연구에 대한 자금 지원이 부족하여 인체 건강 및 안전 위험에 대한 이해가 부족하다고 보고했다.^[93] 일부 학자들은 시장 승인 속도를 늦추고, 라벨링을 강화하며, 추가적인 안전 데이터를 확보하기 위해 예방 원칙을 더욱 엄격하게 적용할 것을 촉구했다.^[94]

영국 왕립학회 보고서는 폐기, 파괴 및 재활용 과정에서 나노입자 또는 나노튜브가 방출될 위험을 확인하고, "생산자 책임 확대 체제(예: 제품 수명 종료 규정)에 해당하는 제품 제조업체는 이러한 물질을 관리하여 인체 및 환경 노출을 최소화하는 절차를 공개해야 한다"고 권고했다.^[15] 나노기술의 건강 영향에 대한 논의에서, 나노기술을 더 강력하게 규제해야 한다는 주장도 제기되고 있다.^[139] 더 나아가, 나노기술을 규제할 책임이 누구에게 있는가에 대한 논의도 중요하다. 일반적으로 독극물은 여러 관점에서 법적으로 규제되고 있지만, 그러한 법률로 나노기술을 규제할 수 있는지 여부에는 명확한 차이가 존재한다.^[140] "나노기술 감독: 차기 행정부를 위한 의제"^[141] 에서 전 EPA 부청장 J. Clarence (Terry) Davies는 차기 대통령 임기 중 명확한 규제를 위한 로드맵을 제안하고, 나노기술 감독에 대한 현재의 결점을 극복하기 위한 단기 및 장기적 조치를 설명하고 있다.

우드로 윌슨 센터의 Project on Emerging Nanotechnologies에서 수석 과학 고문을 역임한 Andrew Maynard는 건강 및 안전 관련 연구에 대한 예산이 부족하기 때문에 현재로서는 나노기술의 건강 영향과 안전성에 대한 이해가 제한적이라고 지적했다.^[142] 결과적으로 일부 연구자들은 나노기술의 발전이 저해되더라도 예방 원칙을 엄격하게 적용해야 한다고 주장하고 있다.^[143]

영국 왕립학회의 보고서에서는^[144] 제품의 폐기, 파손, 재활용 과정에서 나노입자 및 나노튜브가 확산될 위험성이 있다고 지적하며, "생산자의 책임 하에 건강 및 환경에 대한 영향을 최소화하는 제품 전반에 걸친 조치를 취해야 한다"고 권고하고 있다.

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