나노기술 및 정책 정보

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본 보고서는 (독) 과학기술진흥기구(JST) 연구개발전략센터(CRDS)가 개최한 과학기술미래전략워크숍 ‘분자기술’의 결과를 정리한 내용으로, ‘분자기술’을 크게 분자를 설계하고 합성하는 기반기술의 ‘설계 및 창출’, 분자 속의 전자상태를 제어하는 ‘전자상태제어’, 분자의 형상과 구조를 제어하는 ‘형상 및 구조 제어’, 분자 집단의 구조와 기능을 제어하는 ‘집합체 및 복합체’, 분자의 화학반응을 제어하는 ‘변환 및 과정’, 분자와 이온의 움직임을 제어하는 ‘물질수송’의 여섯 영역으로 나누고 있다.

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1. 설계 및 창출의 분자기술

○ 설계∙창조의 분자기술이란 천연이 아닌 인공으로 신규의 기능성 물질을 창조하는 기술로, ‘목적으로 하는 기능을 가진 물질을 생각대로(희망대로)’ 설계하여 합성하는 원리를 제공하는 기술이다.

○ 계산 방법에는 고도화된 양자화학 계산방법과 밀접결합 근사방법이 있다.

1) 고도화된 양자화학 계산방법: 최근 메조스코픽 영역의 시뮬레이션이 가능해지면서 혁신적인 기능성 분자 개척, 실험 결과 예측, 분자 구조 예측, 유기반응촉매 설계, 미래형 신약 개발 등이 과제가 되고 있다.

2) 분자 궤도 계산을 기반으로 한 ‘밀접결합(tight binding) 근사’ 방법: 응집계(고체) 물성의 다양한 전자 구조를 이해하고 재검증하는 데에 유효하다. 에너지의 과학적 변환과 저장을 위한 기초원리 해명, 분자변환법, 기능성 분자 설계, 생체 나노분자의 작용기전 해명에도 확대 적용되고 있다.

2 전자상태제어의 분자기술

○ 과학으로 뒷받침된 ‘분자기술’을 도입하여 전자공학분야에서 신기원을 이뤄내려면 제막기술에서는 상온과 상압하에 액상으로부터의 분자 에피택시(epitaxy) 과학과 기술을 확립해야 하고, 유기 EL을 중심으로 한 유기 반도체에서는 들뜬 상태의 전자상태제어로 새로운 원리의 발광재료를 개발하고 박막응집상태와 고차 구조를 제어하여 효율화와 신뢰성을 확보하는 것이 과제가 된다.

3 집합체 및 복합체의 분자기술

○ 최근 펄스 레이저를 이용한 초단시간 측정기술과 계면 등의 특수환경 계측기술이 진보함에 따라 전이 상태(transition state)나 들뜬 상태(excited state)를 상세하게 해석할 수 있게 되었다. 이러한 지식을 활용하면 준 안정구조를 포함한 분자 집합체를 설계할 수 있다.

○ 생체 내에서 일어나는 시간적 변화를 분자에 발생시킴으로써 기능성 단위의 공간적 배치를 역동적으로 변화시켜 기능을 발현하는 분자 집합체와 복합체를 구축하는 것이 목표다.

○ 이는 신약 개발을 위한 화합물 라이브러리 확충과 저가의 간편한 약물 평가 시스템 창출에 응용할 수 있다.

4. 형상 및 구조 제어의 분자기술

○ 형상 및 구조 제어의 분자기술이란 분자합성, 분자변환, 분자 상호작용, 분자인식, 분자배열, 분자집합, 자기조직화 등으로 만들어진 분자 수준의 나노(nano) 구조에서, 실용 재료를 구축하기 위한 1차원, 2차원, 3차원의 매크로(macro) 구조를 자유자재로 만드는 기술이다.

○ 적용할 수 있는 구체적인 예로 (1) 복합 차원을 제어하여 신규의 구조 재료를 창출, (2) 상반된 기능을 양립시킬 수 있는 첨단 기능 재료 창출, (3) 저탄소와 저환경 부하를 목표로 하여 예를 들어, 물을 자유롭게 성형하고 가공하여 얻은 탄소자원 저감의 ‘물 플라스틱’ 창출 등이 있다.

5. 변환 및 프로세스의 분자기술

○ 변환 및 프로세스의 분자기술이란 저환경 부하와 고효율 물질의 변환을 위한 새로운 촉매 개발 등을 통해 한정된 지구 자원을 철저하게 활용할 수 있는 획기적인 물질의 변환 및 프로세스를 구축하는 기술이다.

○ 적용할 수 있는 구체적인 예로 (1) 폐기물을 발생하지 않는 그린 화학 프로세스, (2) 에너지 절약, 저환경 부하, 위험 절감을 가능케 하는 새로운 촉매와 화학 프로세스, (3) 신종 및 재발 전염병에 신속하게 대응할 수 있는 초고효율 약물 합성 등의 혁신적인 물질 변환 및 프로세스 실현 등이 있다.

6. 물질수송의 분자기술

○ 물질수송의 분자기술이란 생체 내 분자수송(이동)이나 이온 이동, 막 물질을 통한 분자이동 등, 분자물질을 수송하는 기술이다.

○ 대표적 사례로 (1) 약물전달시스템(drug delivery system, DDS), (2) 막분리기술이 있다.

-목차-

총괄 요약(Executive summary)

1. ‘분자기술’을 구성하는 여섯 영역

2. 종합토론

3. 정리

부록 1.

부록 2.