나노기술 및 정책 정보

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미국 NSTC(National Science and Technology Council)의 Manufacturing Research and Development IWG(Interagency Working Group)에서는 2008년 3월“Manufacturing the Future”라는 보고서를 발간하였다. 보고서에서는 미국이 급변하는 글로벌 연구개발 환경에서 경쟁력을 갖추기 위해 3가지 제조분야를 중점 연구개발하여야 한다고 지적하고 있다. 3가지 연구분야는 △수소에너지 기술(hydrogen energy development) △나노제조기술(nanomanufacturing), △지능형 및 통합된 제조기술(Intelligent and Integrated Manufacturing)이다. 여기에서는 보고서의 내용중 나노제조기술 부분에 대해 간략하게 소개하고자 한다.

● 미국의 전체 기초연구개발투자에 있어 미연방정부는 61%, 산업계는 16%, 나머지는 주정부나 비영리 연구소가 담당하고 있음. 미국의 기초연구개발에 있어 미연방정부의 역할이 중요함.

● 기초연구개발에의 막대한 투자는 미국의 경쟁력 강화를 위한 투자라고 인식하고 있으며, 이러한 의지는지난 2006년 2월경 미국 경쟁력 전략(AmericanCompetitiveness Initiative, ACI)을 수립하면서 더욱구체화되었음- ACI에 따르면 향후 10년동안 과학기술분야의 기초연구 투자액을 2배이상 늘릴 계획임. 이렇게 증가되는 비용은 500억 달러에 달하며, 기초연구분야 중 과학기술분야에 광범위하게 영향을 미치는 기술과 그성과를 통해 막대한 경제적 효과를 얻을 가능성이 있는 혁신적인 기술분야를 그 대상으로 삼고 있음.

● 제조기술의 연구개발(Manufacturing R&D)은 다른 기술에 미치는 영향력이 클 뿐만 아니라 기업의 생산성 향상에 포커스가 맞춰져 있어 경제적 효과가 큰분야임. 제조기술연구개발의 범위는 신소재, 소자,시스템 등 그 범위가 넓음. 혁신적인공정을 통해 생산성을 향상시키고제품에 새로운 기능을 부가하는 일은 산업계의 경쟁력 강화에 매우 중요함. 따라서 제조분야는 과학적인성과를 적극적이고 능동적으로 수용하여 제조업체들의제품생산체제를 혁신적으로 전환할 수 있도록 하여야함.

● 과학적 성과의 개발 및 기술혁신의 속도가 가속화됨에 따라 전세계적으로 제조분야의 새로운 변화가 예상되고 있음. 특히 정보기술, 나노기술, 바이오기술 등의첨단 기술분야는 경제, 사회는 물론 환경에도 지대한영향을 미치고 있음. 이러한 기술분야의 성과를 바탕으로 새로운 공정, 장비, 예측모델 등 제조와 관련된 환경이 빠르게 변화되고 있으며, 이러한 기반을 통해 새로운 형태의 첨단 제조기술이 가능하게 되었음.

● 현재 미국의 제조분야는 새로운 도전과 기회를 맞고 있음. 미국의 경쟁력 확보를 위해 제조분야가 이러한 환경에 얼마나 효율적으로 어떻게 대처하느냐가 중요함. 미래 경쟁력을 위해 산업계와 대학 그리고 정부는 제조분야의 혁신에 대한 공감대를 형성하고 있음.

● NSTC(National Science and TechnologyCouncil)의 제조연구개발 IWG(InteragencyWorking Group on Manufacturing R&D)에서는 미연방정부가 중점적으로 추진해야 할 제조연구개발 분야를 선정하였음.
1. 수소기술을 위한 제조연구개발(ManufacturingR&D for Hydrogen Technologies)
2. 나노제조(Nanomanufacturing)
3. 지능형 및 통합된 제조(Intelligent andIntegrated Manufacturing)

● 3개의 제조기술분야는 미국의 국가 경제 및 안보에향후 큰 영향을 미칠 것이라는 판단 하에 선정된 것으로 미국 경쟁력 전략에 포함되어 있음. 수소제조분야의 경우 Hydrogen Fuel Initiative에서, 나노제조분야의 경우 National Nanotechnology Initiative에서,지능형 및 통합된 제조분야의 경우 Networking andInformation Technology Research andDevelopment(NITRD)에서 다루고 있음.
- 수소기술 제조분야 : 수소생산과 저장기술 그리고연료전지의 구성요소 및 시스템 등의 신뢰성 있는 생산에 목표를 두고 있음. 최종적인 목표는 소형 승용차의 연료를 수소에너지로 대체하는 것이며, 대체에너지 기술을 확보하고 배기 오염물질 및 온실가스의배출을 줄임으로써 환경 위해요소를 제거할 수 있다는 장점이 있음. 생산단가를 낮추고 대량생산을 가능하게 하는 제조공정의 개발과 수소연료 인프라 및 연료전지 자동차의 개발이 필수적임.
- 나노제조분야 : 나노수준의 소재와 디바이스 및 시스템의 신뢰성있는 대량 생산을 목표로 하고 있음. 나노기술분야는 전세계적으로 미래 경제 성장의 중요한 원동력으로 간주되고 있음. 나노제조분야는 그적용범위가 광범위하여 항공산업에서부터 에너지,보건, 농업분야 등 거의 모든 산업분야에 영향을 미칠 것으로 생각되고 있음. 나노제조에서는 탑다운(Top-down) 공정은 물론 보텀업(Bottom-up), 자기조립에 관계된 분야를 모두 포함함.
- 지능형 및 통합된 제조분야 : 변화된 환경과 새로운 기회에 쉽게 대응할 수 있는 시스템과 고효율의생산장비, 공정 등의 분야. 이 분야의 종합적인 목표는 미국 제조업체의 조직간 능력을 향상시키는데 있음. 결국 기업의 크기와 장소에 구애받지 않는 네트워크화된 기업을 구현하는 것임.

● 3가지 연구분야는 단독으로 작용하는 것이 아니라상호보완적임. 한 분야에서의 성과가 다른 분야의 발전과정에 영향을 줄 수 있는 것임. 예를 들면 수소저장이 가능한 나노소재의 효과적인 생산은 화석연료에 의존적인 수송 시스템에 큰 영향을 줄 수 있음. 유사하게지능형 제조툴은 생산 디자인 및 제조 시스템을 최적화시켜 효과적인 생산을 가능하게 함.

● 나노제조분야의 연구개발은 기존의 STM, AFM과같은 나노툴을 이용하여 새로운 아이디어를 현실화하는 공정의 개발은 물론 나노수준의 조작이 가능한 전혀 새로운 형태의 공정 툴을 개발하는 연구를 병행하여야 함.

● 나노제조분야에 있어서 사회적인 영향에 대해 고려하는 것을 잊어서는 안 됨. 새로운 나노제조기업의 등장이 기존 산업에 어떠한 영향이 미칠 것인지, 환경이나 인체 유해성에 대해서도 점검해야 할 것임. 궁극적으로는 새로운 산업이 과연 사회에 좋은 영향을 끼칠것인지 그리고 예측되는 이익을 어떻게 최적화 시킬것인지에 대해서도 고려해야 함.

● 나노제조에 있어서 IWG는 NNI의 효과적인 추진을지원하고 있음. 연방정부의 제조관련 프로그램중 나노제조분야의 과제를 조율하고 각 기관과의 공동 연구프로그램을 조정하는 역할을 하게 됨. IWG는 제조관련기업에도 나노제조와 연관된 연구를 지원함은 물론 전문적인 자문지원도 함께 함. 이러한 일련의 활동은 기업의 나노제조공정의 생산성 향상에 기여하게 됨.

● 또한 관련 정부부처의 나노제조분야 지원활동을조사하여 NNI 예산 배정에 직·간접 영향을 미치고있음.

<부처별 나노제조분야의 활동)

IWG Agency	Infrastructural Applications	Product/Process-Specific Applications
보건부 (Department of Health and Human Services)	• 환경 및 인체 안전성 • 나노입자의 물리적 특성 및 생체내 영향 분석 • 생물리학적 특성과 상호작용을 예측할 수 있는 정보 툴	•나노수준의 진단 및 치료 디바이스
상무부 (Department of Commerce)	• 나노기술기반 제품의 측정 및 표준에 대한 지원	-
국방부 (Department of Defense Official)	-	• 국방용 나노 디바이스, 시스템, 소재
에너지부 (Department of Energy)	• 나노소재에 대한 기초연구	• 나노제조를 위한 기술기반 확립
노동부 (Department of Labor)	• 작업인력의 교육 훈련	-
교통부 (Department of Transportation)	-	• 도로, 교량 등 교통인프라를 향상시킬 수 있는 나노소재
교육부 (Department of Education)	• 진로 인식(career awareness), 중등 후 과정의 표준화 • 제조기술분야의 경력개발 과정제공	-
환경청 (Environmental Protection Agency)	• 생태 및 인체 안정성 평가 • 전주기평가(life cycle assessment)	• 환경 감시센서 및 환경 복원용 나노디바이스 • 독성물질을 대체할 수 있는 나노소재
NASA	-	• 우주탐사용 나노센서 • 경량, 고성능, 다기능 구조체
NSF	• 나노제조 분야의 신뢰성 확보, 효율증대, 비용 절감을 위한 연구 • 작업인력의 교육 훈련	-
농무부(Department of Agriculture)	• 생물학 기반의 나노디바이스, 소재 제조 • 농업분야와 관련된 나노바이오 교육	• 음식의 유해성 물질 탐지 나노센서 • 식품안전을 위한 기능성 나노입자

● 나노제조 연구개발의 목표는 과학기술분야의 혁신적인 성과들을 제조분야에 적용하여 새로운 공정의 개발과 양질의 나노제품의 생산을 보장하는 시스템의 개발임.

● 이러한 나노제조분야는 나노기술제품의 타입에 따라 4가지 단계로 볼 수 있음. 각각의 제품 단계는 서로오버랩이 되어 있으며, 다음 단계의 기반을 제공하고있음. 단계가 올라갈수록 제품은 기능이 많아지고 점점복잡해지게 됨.
- 1단계(2000~) : 수동적인 나노구조(나노구조의 코팅소재, 나노입자, 나노입자의 분산, 나노복합재, 벌크 나노구조소재, 금속나노분말, 폴리머, 세라믹, 바이오 빌딩블럭 등)
- 2단계(2005~) : 능동적인 나노구조(트랜지스터,약물전달, 생물학적 및 화학적 센서, 액추에이터 등)
- 3단계(2010~) : 3차원 나노시스템과 복합적인 합성·조립기술로 제작된 나노시스템(바이오 어셈블리, 나노수준의 네트워킹, 멀티스케일 구조물)- 4단계(2015~) : 물질의 디자인, 이종분자 나노시스템(각각의 분자는 나노시스템에서 독특한 구조를가지며 서로 다른 기능을 가짐), 분자소자

● 나노제조에서 주목하는 것은 3차원 구조물에 적용가능한 공정임. 하지만 대량생산 및 예측 가능한 생산의 측면에서는 기술적인 문제가 현재 존재하고 있음.
각 단계별 나노제품의 경우 기존의 제조업계에서 사용하고 있는 공정을 개선하여 구현 가능한 기술도 있지만대부분의 경우는 각 단계별로 혁신적인 공정의 개발이필요할 것임.

● 나노제조분야의 기술영역은 탑다운 기술과 보톰업기술을 모두 포함함. 탑다운 기술은 스케일을 점점 축소시키는 것으로 기존의 기술을 개선하는 것으로 구현이 가능함. 현재의 반도체 산업에서 회선의 폭을 점점축소시키는 것이 대표적인 예임. 보텀업 기술은 개별원자를 조작하여 복잡한 구조를 만드는 기술과 공정임.

● NNI에서는 나노제조분야에 있어서 핵심적인 니즈를 도출하기 위해 수차례의 워크숍을 통해 △인프라의개발과 파트너쉽, △통합된 제품 및 공정 디자인 툴과시스템, △사회·환경·인체 영향 등의 3개 영역을 도출하였음.

♣ 서주환 연구원 (nano@kisti.re.kr)