[연재] 나노 기술, 일상 생활을 파고들다

재료공학, 생명공학·의학, IT·통신 분야에서 눈부시게 성장한 나노기술은 인간에게 이로움을 선사하는 것을 목적으로 한다. 그 예로는 우주정거장으로 데려다주는 엘리베이터, 나노지지체로 만든 인공심장, 구부러지는 디스플레이 등이 있다. 하지만 나노기술은 인간뿐 아니라 자연을 위하는 기술 개발에도 큰 기여를 하고 있다.
친환경적 방법으로 동력을 얻는 데도 나노 기술이 큰 힘이 된다. 대표적인 예가 태양광발전이다. 태양광발전은 반도체인 태양전지가 태양에너지를 받아들여 발생하는 광전자효과(photoelectronic effect)를 이용한 것이다. 광전자효과란 반도체에 일정 이상의 에너지를 갖는 빛을 쏘았을 때 전기가 발생하는 현상을 일컫는다.

태양광 발전은 청정에너지로 각광받고 있지만 태양전지 반도체에 쓰이는 광감응제(光感應劑)인 합성유기염료가 그램(g)당 수십만원대로 가격이 너무 비싸고, 공정 과정도 까다로워 대중화에는 어려움이 있었다. 한국화학연구원 화학소재연구단의 석상일 박사 연구팀은 스위스 로잔공대 그래첼 교수팀과의 공동연구에서 이같은 단점을 개선하는 동시에 새로운 기능을 추가한 태양전지 제조 기술을 개발했다. 그램당 수십원 대로 값이 훨씬 저렴하고 공정 과정이 비교적 쉬운 무기물질을 나노입자화해 새로운 반도체를 만든 것이다. 이 무기반도체를 기존의 염료 대신 광감응제로 사용하면 비교적 낮은 가격으로 태양전지를 생산할 수 있다.

무기물질을 나노입자화하는 것은 이 기술의 핵심요소다. 입자의 크기가 작아져 나노 수준까지 내려가면 기존의 물리적 방법에 의해 재료를 가공할 때에는 나타나지 않던 새로운 특성이 극대화된다. 석상일 박사 연구팀의 김희중 연구원은 “이러한 나노의 성질을 활용해 원하는 빛의 파장만을 흡수할 수 있는 나노입자를 만들 수 있다”고 밝혔다. 이를 이용하면 ‘적외선만을 흡수해 전기로 만드는 나노입자’를 만들 수 있다. 태양에너지의 거의 절반은 적외선 영역의 파장을 통해 전달되므로 이처럼 적외선 영역의 태양에너지를 얻게 된다면 기존의 가시광선만을 흡수해 전기를 생산하던 태양전지의 효율은 크게 증가하게 된다. 나노기술로 에너지 전환 효율을 높인 저렴한 태양전지를 기대할 수 있게 된 것이다.

친환경적으로 생산된 전기를 친환경적으로 사용할 수 있는 ‘신개념 조명’ 또한 나노기술의 덕으로 빛을 발할 날을 기다리고 있다. 에디슨의 백열전구는 역사에 길이 남을 획기적인 발명품임에는 분명하지만 발명 100여년만에 낮은 전기 효율성과 짧은 수명 때문에 세계 곳곳에서 퇴출되고 있는 중이다. 형광등은 아직 퇴출 위기에 직면하지는 않았지만 독성이 강한 수은이 들어있고 인체에 유해한 자외선이 방출되는 등 여러 문제가 지적되고 있다.

LED(Light Emitting Diode) 전구는 백열전구와 형광등이 가진 이러한 단점들을 모두 극복할 수 있는  ‘차세대 대체 조명’이다. 이 기술을 통해 전력의 95%를 가시광선 외의 전자기파로 방출해 빛보다는 열을 내는 데 전력을 더 많이 쓰는 백열전구의 단점을 극복할 수 있다. LED 전구는 여러 길이의 파장을 포함한 전자기파 중에서 눈으로 감지해 빛으로 인식할 수 있는 파장인 가시광선만을 방출하기 때문이다. LED 전구는 같은 세기의 빛을 낼 때 백열전구의 1/30, 형광등의 1/3 정도로 전기를 절약할 수 있고, 40,000시간 동안이나 지속이 가능하다고 한다. 이는 항상 켜놓았을 때 4년하고도 반년이 더해진 시간이니 괄목할만한 수명 연장이다. 윤의준 교수는 “노하우가 축적돼 가격이 낮아진다면 모든 조명을 대체할 수 있는 획기적 기술”이라고 역설했다. 그는 또 “조명으로 인한 전기 낭비는 전 세계 전기사용 총량의 20%정도를 차지하는데, 이를 줄일 수 있어 에너지 절감에 큰 효과가 있고, 형광등처럼 독성 물질을 가지고 있지 않아 폐기할 때에도 안전할 것”이라고 덧붙였다.

윤 교수가 연구하는 LED의 주재료 화합물반도체는 두 종류 이상의 원소로 이루어진 반도체다. 이 기술의 구현에는 사파이어 기판 위에 질소와 갈륨의 원소를 포함한 가스를 불어넣어 2나노미터(nm) 혹은 3나노미터 두께의 나노구조물인 원소층을 겹겹이 쌓는 것이 포함된다. 원소를 정교하게 쌓아 매끈한 표면을 만들기가 어렵기 때문에 원소를 포함한 가스를 불어넣어 해당 원소가 기판 위에 붙게 하는 방법을 사용한다. 윤 교수는 “이 때 아주 고르고 정밀하게 나노 수준의 원소층을 쌓는 것이 LED의 성능을 좌우한다”며 나노기술의 중요성을 역설했다. 이 원료 가스를 1000℃에서 가열하면 발광반도체인 질화갈륨이 생성되고 여기에 전기를 통해주면 빛을 내게 된다.

 공해물질을 뿜으며 달리는 석유 자동차를 대체할 유력한 후보를 더욱 막강하게 하는 나노 기술도 있다. 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 만든 전기를 동력으로 쓰는 수소연료전지차의 연료전지 개발에도 나노연구가 큰 몫을 맡는다. 포스텍 첨단재료과학부 박문정 교수팀은 전극과 전극 사이에서 두 전극을 이어주는 고분자 물질 분리막에 나노구조체들을 설치하여 전도를 돕게 하는 기술을 개발했다. 박 교수팀의 김성연 박사과정생은 “물질 사이에서 수소이온를 빠르게 전달할 수 있게 해주는 나노구조체 덕분에 기존 분리막에 비해 수소전도성을 높일 수 있게 된 것”이라고 설명했다. 수소전도성이 높아짐으로써 산소와 결합할 때의 효율이 높아지고, 이를 통해 생산된 전기는 모터를 돌리는 자동차의 동력이 된다. 기존 분리막의 전도성을 3배 정도 높이고 생산비용을 1/10로 줄인 이 기술은 매연이 아닌 수증기를 뿜으며 힘차게 달리는 자동차를 기대하게 만든다.
완벽하지 못한 기술 때문에 주춤했던 제품들이 나노기술의 도움을 받아 일상으로 걸어 들어오고 있다. 이 작지만 강한 ‘나노슈퍼맨’이 지구를 구할 날을 기대해보자.

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