요즘 웬만한 첨단 기술이라고 하면 너도나도 나노, 나노 하고 외친다. 나노가 아주 미세한 분야의 테크놀로지라는 것은 대충 알겠는데 그게 왜 그리 중요하고, 산업에 어떤 영향을 주는지에 대해서는 솔직히 잘 알지 못했다. 특히 기술 분야에 대해선 아예 담을 쌓고 사는 문과 출신인 필자로서는 숫제 관심 분야가 아니었다.

7일 저녁 서울대 미주센터에서는 ‘나노-10억분의 1미터의 세계’란 주제로 교양 강좌가 열렸다. 일반인들을 상대로한 교양강좌이기에 나도 알아 들을까 해서 호기심에서 찾았다. 서울대 사범대 화학교육과 정대홍 교수(UC 샌타바버라 교환교수)가 강의를 맡았다. 문과 출신의 눈과 귀로 이해한 이날 강의를 내 눈높이에서 간략하게 정리해 보고자 한다.(이공계 출신 독자들은 그냥 귀엽게 봐주고 넘어가기 바란다.)

우선 나노라는 단위는 얼마나 작은가 하는 문제다. 나노 미터(nm)는 1미터를 10억분의 1로 줄인 크기다. 10억분의 1이라. 상상이 잘 되지 않을 것이다. 지구 직경(12만8천km)을 대충 10만분의 1로 줄이면 관악 캠퍼스 크기(1.5km)가 된다. 이것을 다시 1만분의 1로 줄이면 핸드볼 크기(20센치)가 된다. 쉽게 말해 10억분의 1로 줄인다는 것은 ‘지구를 핸드볼 크기로 줄인다’는 것을 의미한다. 그러니까 1미터를 10억분의 1로 줄인 1나노미터의 크기를 대략이나마 짐작할 수 있을 것이다.

그렇다면 왜 현대 기술은 나노의 세계에 눈을 돌리는 것일까.
가장 중요한 부분은 작은 공간에 많은 것을 담을 수 있다는 데 있다. 1946년 첫세대 컴퓨터가 나왔을 때의 모습은 위 사진에서 보는 바와 같다. 넓은 공간에 엄청나게 차지하고 있는 진공관 트랜지스터 방식의 컴퓨터다. 이 당시의 컴퓨터는 바로 옆에 있는 현재의 전자계산기 기능에도 미치지 못했다. 이런 변화가 어떻게 가능했을까. 바로 ‘작은 공간에 많이 담는’ 나노 기술이 있었기에 가능했다. 작은 공간에 많은 정보를 담으면, 다시 말해 빌딩 하나를 차지하는 컴퓨터를 손 안에 들어가는 전자계산기로 만들면 어떤 이득이 있을까는 별도의 설명이 필요 없을 것이다.

위의 왼쪽 사진을 보면 한 변이 1미터인 정육면체가 있고, 그것을 나노로 쪼갰을 때를 비교한 그림이 있다. 어차피 부피는 아무리 쪼개더라도 똑같다. 그런데 표면적에서는 엄청난 차이가 난다. 한 변이 1미터인 정육면체 한 개엔 표면적이 1평방미터짜리가 6개 있으니 표면적은 6X1=6평방미터가 된다.
그런데 이것을 나노미터 단위로 쪼개보자. 그러면 1미터가 10억 나노미터로 쪼개질 것이고, 한 면이 1나노미터인 정육면체가 10억X10억X10개가 생길 것이다. 이렇게 계산하면 나노로 쪼갰을 때의 총 표면적은 6X109(6곱하기 10의 9승) 평방미터가 되는 것이다.
그러니까 똑같은 부피지만 나노로 쪼개면 표면적은 10억배나 넓어진다는 의미다.

표면적이 커지면 어떤 결과가 발생할까. 왼쪽 그림의 그래프는 염산과 마그네슘을 반응시켰을 때의 포화시간(반응이 끝나는 시간)을 비교한 것이다. 위의 그래프는 고체 마그네슘, 아래 그래프는 가루 마그네슘을 넣었을 경우인데, 포화 시간이 10배 정도 차이가 나는 것을 알 수 있다.

우리가 흔히 덩어리를 물에 넣었을 때보다는 가루를 넣었을 때 더 잘 녹는다는 것을 아는데, 같은 원리로 생각할 수 있다. 그렇다면 물질이 잘게 쪼개졌을 때 왜 반응이 빨리 일어날까.
위의 오른쪽 사진에서 보듯, 물질의 표면은 외부의 에너지 자극에 불안한 성질이 있는 반면, 안쪽은 안정적인 성격이 있다.(공기와 접하는 음식이 빨리 상하는 것을 생각하면 된다)

그런데 물질을 쪼개면 조금 전에도 설명했듯이 그런 불안정한 표면(불안정하다는 것은 쉽게 외부의 에너지에 반응을 하려하고, 산화, 환원 등의 화학작용으로 변성하려는 성질을 말한다)이 많아지면서 화학반응, 촉매반응 등을 훨씬 빨리 이뤄지는 것이다. 이것은 산업적으로 볼 때 시간과 비용을 획기적으로 단축시킬 수 있다는 말이 된다.

이러한 나노 공법을 이용해 각종 센서나 바이오 산업, 컴퓨터, 의료 등 온갖 산업 분야에서 점점 획기적인 기술이 선보이고 있는 것이다. 또한 나노 기술을 이용하면 새로운 물질도 형성할 수 있다. 예를 들어 Dendrimer라는 나노 물질을 이용해 약물 특성을 향상시켜 생체에 침투가 잘되고, 복용량과 빈도를 떨어뜨리고, 세포 표면에 손상을 주지 않으며, 물에 잘녹고 독성이 없는 효능을 구현하고 있는 것이다.

흥미있는 부분은 금에 관한 얘기였다. 금은 어떤 물질보다도 변성이 약하기 때문에 최고의 보석으로 꼽힌다. 금은 우리가 흔히 술이나 음식에 타먹는 금가루 정도로 가늘게 쪼개도 성질이 거의 변하지 않는다. 녹도 거의 슬지 않는다. 그러한 금도 5나노미터 이하로 쪼개면 엄청난 활성을 보이는 (미친) 성질로 변하기 때문에 촉매로서 활용을 한다.

나노 기술에 대한 우려가 없는 것도 아니다. 미세하게 쪼개면서 성질이 다른 물질이 발생해 뜻하지 않는 부작용을 낼 수 있기 때문이다. 이 때문에 나노 기술을 이용한 약품 등에는 엄중한 안전 테스트가 뒤따른다. 또한 물질이 잘게 쪼개줄수록 인간이 흡수할 때, 폐포까지-폐세포까지-뇌신경조직까지 등으로 흡수되는 깊이가 다르게 나타나기 때문에 그에 따른 치명적인 부작용도 고려해야 할 부분이다.

더 이상의 지식은 개별적으로 공부를 하는 편이 낫겠다. 필자는 들어도 잘 모르는 분야다.
필자와 비슷한 수준의 이과맹들에게 약간의 도움이 되길 바란다.
정리=이원영