‘나노테크(나노기술)’는 어느 특정된 과학 분야에 국한된 기술이 아니다. ‘나노기술’을 크게 보면 나노 크기의 물질로 이루어진 미세한 크기의 재료나 기계를 만드는 기술과 나노 크기 영역에서 나타나는 새로운 물리 현상을 응용하여 장비의 성능을 크게 향상시키는 기술, 그리고 눈으로는 볼 수 없는 미세한 영역의 자연 현상을 측정하고 예측하는 기술로 나뉜다. 이러한 나노기술은 다양하고 복합적인 기능을 갖는 나노 크기의 새로운 물질이나 장비를 만들어 궁극적으로 인류의 삶을 더 풍요롭게 할 수 있는 종합과학이다. 그렇기 때문에 물리, 화학에서부터 전자, 생명공학, 에너지, 의학, 환경에 이르기까지 나노기술의 응용은 무한하며, 물리·재료·전자 등 기존의 재료분야들을 횡적으로 연결함으로써 새로운 기술영역을 구축하고, 기존의 인적 자원과 학문 분야 사이의 시너지 효과를 유도하여 크기와 소비 에너지 등을 최소화하면서도 최고의 성능을 구현할 수 있어 고도의 경제성을 실현할 수 있는 특징을 지니고 있다.

기존 전자소자의 한계를 뛰어넘다

연세대 NEMD 연구실에서 진행하고 있는 연구 분야는 크게 세 가지이다. 첫 번째는 향후 기존의 통신소자를 대체할 것으로 기대되는 NEMS(Nano Electromechanical System)기반의 Nano-resonator(나노공진기)의 상용화 연구다. 나노공진기 분야는 무선 통신 분야에서 기기의 소형화가 요구되는 동작전력을 최소화시킬 수 있는 기술로 매우 높은 기계적 반응도를 유지하는 동시에 극도로 높은 주파수 동작이 가능하기 때문에 센서, 필터, 발진기, 위상변환기(phase shifter)로 큰 주목을 받고 있다.
전 교수는 “이전의 세계 각국의 연구에서는 주로 고진공, 저온 조건에서 공진기의 특성을 측정하여 상용화에 어려움을 가지고 있었으나 우리 연구실에서는 나노공진기 제작 기술과 상용화를 위한 상온, 상압에서의 구동기술을 가지고 있다”며 “이러한 노하우를 바탕으로 우수한 기계적, 전기적 특성을 가지고 있는 그래핀 복합 나노 공진기에 대한 연구를 추진하고 있다”고 밝혔다.

마지막 연구 분야는 나노 디바이스의 바이오센서 적용 연구로, 이를 통해 기존 센서의 성능을 극대화시키고 소형화를 가능하게 할 것으로 기대되고 있다. 바이오센서는 임상 및 식품 진단 등에서 고속감지와 최소의 크기, 그리고 최소의 피분석물의 양 덕분에 많은 관심을 받아왔다. 이러한 바이오센서는 생물이 갖추고 있는 유기화합물과 같은 물질의 농도를 측정하는 도구로 이용되어 다양한 분야에 응용되며 특히, 측정기, 발효공업, 식품공업 그리고 환경보존 등에 상당한 부분을 차지할 것으로 전망된다. 이에 따라 세계 각국은 이러한 바이오센서 연구에 주목하여 원천기술 확보에 주력하고 있으며 NEMD 연구실 또한 세계적인 기술력 진보를 선도하고자 최선의 노력을 다하고 있다.

전 교수는 “바이오센서의 소형화를 위해 마이크로 및 나노 사이즈의 소재를 이용하며, 이를 통해 바이오센서 소자 자체의 전기 전도도 및 전자의 자유 이동도를 향상시켜 전기신호의 저항에 의한 손실을 극도로 줄이고 작은 전기적 특성의 변화를 실시간으로 감지해 낼 수 있는 극민감 바이오센서를 적합한 촉매제와의 결함과 함께 효율 향상을 개발하고 있다”며 “이러한 미세전자제어기술을 통해 반도체 공정기술을 기반으로 하는 나노테크놀로지라는 초소형, 초고밀도 집적회로의 기술을 접목하여 보다 효과적인 센서의 구조를 구현하고자 한다”고 전했다.

그래핀 전송선 적용의 실용화에 앞장서다

전자소자의 시스템이 점차로 소형화됨에 따라 메탈 전송선의 경우 손실은 증가되고, 고효율 에너지 전송은 불가능해지고 있다. 이에 대한 대안으로 기존의 메탈 전송선을 대체하는 물질로 탄소나노튜브를 적용하기 위해 특성 연구가 활발히 진행되고 있기는 하지만 탄소나노튜브 이후로 발견된 2차원 탄소 구조체인 그래핀에 대해서는 에너지 전송을 위한 전송선으로서의 적용을 위한 연구는 미미한 단계였다. 그 중에서도 그래핀의 고주파에서의 흐름은 아직 미개척 분야로서 무선통신과 컴퓨터 CPU가 4GHz 영역에 진입함에 따라 많은 전자 소자가 고주파 신호전송을 지향하고 있는 상황에서 그래핀의 고주파 영역에서의 신호 전송 연구는 필수불가결하다. 이처럼 그래핀 전송선의 고주파 특성 연구의 필요성이 대두되고 있는 상황에서 NEMD 연구실의 우수한 연구결과는 그래핀 소재를 통한 고효율 에너지 전송선의 개발 및 상용화 가능성을 한층 높였다는 평가를 받고 있어 앞으로의 NEMD 연구실의 연구동향이 기대되고 있다.