작고 아름다운 나노
03
04 작고 아름다운 나노05 작은 것이 아름답다.
09 나노가 왜 좋을까?
14 얼마나 작아질 수 있을까?
나노입자 전기회로를 바꾸다
나노입자 전기회로를 바꾸다. 30 크기가 변해도 변하지 않는 것 31 나노(10-9m)크기에서는 예상하지 못한 일들이 일어난다. 37
잉크에 전기가 흐른다고? 45
29
융 합 인 재 교 육 ( S T E A M ) 프 로 그 램
작아질 수․얼마나 있을까
작고 아름다운 나노
첨단 과학의 한 분야인 ‘나노’ 과학은 ‘작다’ 라는 말을 대표하는 말로 사용되면서 ‘나노 블록’, ‘나노 사이즈 옷’ 등 주변에서 쉽게 들을 수 있는 말이 되었다. 하지만 과학적인 ‘나노’의 정의와 나노 과학의 의미, 나노 과학이 갖는 가치 등에 대한 진지한 이야기는 쉽게 들을 수 있는 이야기는 아니었다. 이공계 학생들에게 조 차 나노 과학의 극히 일부만 교과서에 소개되고 있을 뿐이고 그 의미나 가치에 대한 이야기는 언급되어 있 지 않다. 미래의 과학은 나노를 이야기하지 않고는 전달할 수 없으며 미국에서는 수십년 이내에 나노 과학자 가 몇십만명 이상 필요하다는 보고서를 발표하였다. 이처럼 나노 과학은 우리 과학의 미래에 주춧돌이며 기 둥이 될 분야이다. 이 프로그램은 단순히 ‘작다’ 라는 대표성을 띤 낱말에서 벗어나 나노 과학이 가지고 있는 진정한 가치를 알고 나노 과학에 대한 관심을 이끌어내기 위한 가장 기본적인 지식을 제공할 수 있으며 나 노 과학이 미래 사회에서 어떤 역할을 할 수 있는지, 미래 사회의 모습을 어떻게 이끌어갈 수 있는지를 엿보 는 시간이 될 수 있을 것이다. 또한 나노 과학의 발전이 왜 필요한지, 나노 과학이 발전할 수 밖에 없는 이 유에 대해 살펴보면서 나노 과학에 대한 관심과 직업적인 호기심을 갖도록 하고자 한다. 이 프로그램을 통해 가장 기본적인 나노의 의미와 첨단 과학 발전 방향 수준에서 나노의 가치를 알아보자.
https://www.flickr.com/photos/intelphotos/2922847886
작은 것이 아름답다.
학습 목표 작은 것을 추구하는 현재의 발전 방향을 컴퓨터를 통해 확인해보고 작아지면 좋겠 다고 생각한 물건을 찾아봄으로서 작은 것을 추구하는 사회의 변화 방향을 느껴본 다.
다음은 2013년 4월에 발표된 한 신문의 기사이다.
“마이크로소프트, 스마트 시계 개발 중”
마이크로소프트(MS)가 손목시계형 컴퓨터(스마트 시계) 개발을 준비하고 있다고 월스트리트저 널(WSJ)이 15일(현지시간) 보도했다. WSJ에 따르면 MS는 올해 초 아시아의 공급업체들에 손 목시계형 기기의 부품을 만들어달라고 요청했고 공급업체의 한 임원은 MS 본사에서 조사·개 발팀을 만나 이런 제안을 받았다고 전했다. MS가 스마트시계를 생산한다면 최근 시장의 주 목을 받는 착용형(wearable) 컴퓨터 시장은 세계 정보기술(IT) 업체의 새로운 격전장이 될 것 으로 예상된다. 뉴욕타임스(NYT) 등 미국 언론은 애플이 손목에 착용할 수 있는 스마트폰 장 치를 개발하고 있다고 보도했으며 구글은 스마트 안경으로 알려진 ‘구글 글라스’에 연동할 수 있는 손목시계 형태의 기기를 준비하는 것으로 알려졌다. 삼성전자도 손목시계형 제품을 개 발 중이다. 이영희 삼성전자 무선사업부 부사장은 지난달 19일 블룸버그와의 인터뷰에서 “오 랫동안 시계형 제품을 준비해왔다”고 밝혔다. 완리 왕 RBS 애널리스트는 “스마트폰의 크기가 커지면서 착용할 수 있는 기기에 대한 수요가 늘어날 것으로 예상한다”면서 “스마트폰이나 다른 전자 기기와 호환할 수 있는 스마트 시계는 소비자들에게 매력적이다”고 말했다. 최근 판매되고 있는 착용형 기기로는 신체 활동을 측정할 수 있는 나이키의 ‘퓨얼 밴드’(Fuel Band)와 스마트폰과 연동할 수 있는 페블테크놀로지의 시계형 제품 등이 있다.
컨슈머타임스, 2013.04.16 지금 우리는 손목 시계형 컴퓨터를 시장에서 구입할 수 있게 되었
다. 이렇게 컴퓨터의 크기가 줄어들 수 있게 된 원인은 무엇일까?
그리고 얼마까지 줄어들 수 있을까? 그리고 미래에는 어떤 물건이 작아져서 우리의 편리한 생활을 이끌 수 있을까?
활동1 작아지고 있을까?
1.
아래의 그림속에 립스틱 옆에 있는 작은 사각형의 물건은 무엇일까? 추측해보고 영상을 본 후 느낌을 이야기해보자.http://freegr.blogspot.kr/2015_03_01_archive.html
2.
다음은 한 노트북의 내부구조이다. 더 작아지기 위해서는 무엇이 가장 먼저 작아져야 할지 보기에서 골라 순서대로 적어보자. 그렇게 생각한 이유를 적어보자.http://ugpapa.tistory.com/160
활동2 작은 것을 대표하는 말은?
1.
두 사진에서 공통적으로 들어가는 말은 무엇이며 그 단어가 뜻하는 의미는 무엇일까?www.flickr.com commons.wikimedia.org
2,
나노란 무엇일까? 동영상을 보고 물음에 답해보자.https://youtu.be/bQzFpP4FSN4
* 손톱의 넓이는 몇 센티미터일까?
* 적혈구 하나의 크기는 얼마일까?
* 세포막의 두께는 얼마일까?
* 설탕 분자 하나의 크기는 얼마일까?
* 이 동영상에서 ‘ten times’는 몇 번 나왔을 까?
3.
내 주변에서 점점 작아지고 있는 물건은 무엇인가?4.
내 주변의 물건 중 무엇이 작아지면 좋겠는가? 그 이유는 무엇인가? 실제로 그것이 작아진다면 어떤 점 이 좋아지는지 생길 수 있는 상황을 짧게 만화로 그려보자.<물건>
<이유>
① ②
③ ④
나노가 왜 좋을까?
학습 목표 물체가 작아지면서 생기는 이로운 이유를 다각적인 방면에서 생각해보고 사회 현 상과 연결 지어 설명할 수 있다.
https://www.flickr.com/photos/intelphotos/2922847886
쌀알만한 전자 칩, 왜 이렇게 작게 만드는 것일까?
[상황1] 반영구 심장박동기
https://youtu.be/BUh1WakS_LI
[상황2] 쌀알크기 심장박동기
https://youtu.be/YVX25tlriXE
[상황3] 3배 성능을 가진 나노 배터리
https://youtu.be/X9U1N52QB-g
[상황4] 손톱크기 칩 안에 백과사전이?
https://youtu.be/OEOxPNPTL18
[상황5] 작아진 스티로폼 박스
국내 한 기업에서 가전제품 포장에서 사용하는 스 티로폼의 부피를 축소하였다. 부피는 작아지면서 같은 성능을 가질 수 있도록 개발하여 연간 49억원 의 경제적 이득을 보았다고 한다.
출처: 디지털타임스
[상황6] 메모리 카드의 변화
10년 동안 변화된 컴퓨터 메모리 카드이다. 크기는 비슷하지만 용량은 128MB에서 128GB로 증가하였 다.
https://kr.pinterest.com/source/buzzfee d.com
[상황7] 머리카락 1/100 크기 극미세 나노레이저 개발
기존의 극미세 레이저보다 10배 이상 작고 전류는 20배 이상 적게 드는 세상에서 가장 작은 나노레이저 를 국내 연구진이 개발했다. 레이저가 작으면 작을수록 집적도는 높아지고 소모전력은 작아지는 장점이 있지만 나노레이저의 동력인 전류의 주입은 어려워 극미세 나노 레이저 개발에 한 과제가 돼 왔다.
KAIST 이용희 교수 팀은 머리카락 두께의 1/100 크기인 극미세 나노레이저를 만드는데 성공했다. 특히 이 나노레이저는 상온에서 5 마이크로암페어의 미세전류로 발진이 가능하다.
활동1 왜 작아져야 할까?
다음 동영상을 보거나 글을 읽고 물음에 답하여보자.
[상황8] 구글의 알약 로봇 개발
구글(Google)이 삼키면 몸속에서 암을 검사하고 추적하는 알약을 개발하고 있다. 작은 나노입자로 구성된 이 알약을 삼키면 입자들이 몸속 적혈구내에 퍼져 암이나 각종 질병을 탐지한다. 새로 개발된 나노 진단 기술은 적혈구의 2000분의 1 크기인 산화철 나노 입자를 사용한다. 캡슐 형태 알약으로 투여된 나노 입 자는 암 세포 등 특정 세포와 결합한다. 나노입자와 결합된 세포는 손목 안쪽 정맥에서 스마트워치 형태 의 웨어러블 기기를 이용해 측정할 수 있다.이렇게 입자들이 몸속을 돌아다니면서 암세포를 발견하게 되 면 세포에 매달린 뒤 이 정보를 웨어러블 기기에 전달해 기기를 통해 의사에게 직접 보고된다. 이와 같 은 암 탐지 나노입자를 무인자동차에 비유하면서 “우리는 원하는 곳에 그것을 주차시킬 수 있고 지금까 지의 진단법이 상공 1㎞ 높이에서 길을 바라보는 것이라면 나노 진단법은 직접 골목에 들어가 관찰하는 것만큼 몸 상태를 자세히 알 수 있다”고 설명했다.
매우 작은 나노 입자는 적혈구 내에 들어가고 피 속의 나노 입자는 암세포와 같은 특별한 세포에 공격을 하고 손목에 찬 팔찌는 결합된 암세포의 정보를 받아들인다. 사진출처: BBC
1.
128MB 에서 128GB 가 되었다면 용량이 몇 배 증가한 것인가?2.
크기가 작아지면서 어떤 점이 좋은지 여러 측면(경제, 환경, 사회적)에서 다양하고 구체적으로 생각해보자.경제적 환경적 사회적
(예시) 스티로폼을 덜 써서 원 가가 절감된다.
(예시) 스티로폼을 덜 쓰게 되 어 원료인 석유를 아낄 수 있 다.
(예시) 심장박동기의 크기가 줄 어들면서 환자들의 고통이 감 소하였다.
활동2 작아지도록 설득하기
다음은 세계 주요 국가의 승용차 크기별 등록대수이다. 경차의 비율이 높아져야 하는 이유를 과학적 근거 또 는 수식을 사용하여 600자 내외의 글로 적어보자.
http://poscolove.co.kr/
얼마나 작아질 수 있을까?
얼마나 작아질 수 있을까?얼마나 작아질 수 있을까?
학습 목표 나노의 크기를 어림짐작해보고 얼마나 작아질 수 있는지 과학적으로 추측해보고 구 체적으로 상상해보면서 나노 과학에 대해 이해하고 관심을 갖는다.
몸속에 들어가기 위해서 작아진 우주선 얼마나 작아져야 가능할가?
활동1 1nm(나노미터)로 잘라보자.
나노 과학은 원자 몇 개 정도 크기의 작은 입자들을 이용하여 새로운 성질의 물질을 합성하고, 제 어하는 분야를 말한다. 보통 사람의 키를 이야기 할 때에는 m(미터), 거리를 나타낼 때에는 km(킬 로미터) 단위를 사용하는 듯이 나노 크기의 입자는 nm(나노미터)라는 단위로 표현한다.
엠파이어 스테이트 빌딩 적혈구 박테리아 나노입자 443m의 엠파이어 스테이트 빌딩만큼 확대한 머리카락 굵기
출처: world science festival
만약 0.1mm 두께의 머리카락을 세계에서 가장 높은 빌딩이었던 엠파이어스테이트 빌딩(443m) 만 큼 확대한다면, 적혈구는 빌딩의 10층, 박테리아(세균)는 3층 정도 크기가 된다는 것을 알 수 있다.
한편 크기가 1nm인 입자를 같은 비율로 확대한다면 그 크기가 겨우 1/4인치(=0.6cm) 정도밖에 되 지 않는다.
물체의 종류 크기 nm 크기로 바꿔보면?
엠파이어스테이트 빌딩 443m
사람 1.5m
머리카락 × ※ 적혈구 ×
박테리아 (세균) ×
1 나노입자
※ 머리카락 두께에 나노 입자가 100,000개 들어간다.
1.
나노 크기의 물질을 다룰 때 어떤 점이 어려울까?2.
물 분자 하나의 크기는 대략 몇 nm 일까?3.
원자의 크기라는 EBS 클립뱅크 동영상을 시청한 후, 1nm의 크기를 우리가 주변에서 쉽게 접하 는 상황이나 물건으로 표현해보자.4.
볼펜길이(15cm)의 종이를 반으로 잘라보자. 그리고 반으로 자른 종이 중 하나를 다시 반으로 잘라보자. 같은 방법으로 종이가 너무 작아서 자를 수 없을 때까지 자른다면 종이를 몇 번이나 자를 수 있을까? 직접 해 보기 전에 종이를 몇 번이나 자를 수 있을지 ( )에 적어보자.시작
1회
2회
나는 종이를 ( )번 자를 수 있을 것 같다.
⇨ 나는 종이를 ( )번 자를 수 있었다.
15cm
5.
2명이 1조가 되어 한명은 종이를 자르고, 나머지 한명은 종이길이를 측정하여 표에 기록해 보 자.자른 회수 종이의 길이 자른 회수 종이의 길이 자른 회수 종이의 길이
시작 15cm 7회 14회
1회 8회 15회
2회 9회 16회
3회 10회 17회
4회 11회 18회
5회 12회 19회
6회 13회 20회
6.
여러분이 가장 마지막에 자른 종이의 길이는 얼마였는가?내가 가장 마지막에 자른 종이 길이는 ( )mm이다.
7.
15cm 길이의 종이를 몇 번 자르면 종이 길이가 1nm(나노미터)가 될까?종이를 ( )번 자르면, 종이 길이가 1nm 가 된다.
활동2 얼마나 작아질 수 있을까?
다음은 컴퓨터와 그 안에 중요한 부품인 메모리에 대한 두 가지 종류의 법칙이다.
인텔의 창립자 고든 무어(Gorden Moor)가 자신의 경험으로 만든 법칙으로 18개월을 주기로 컴퓨 터의 성능은 2배로 향상되고 컴퓨터 가격에는 변함이 없다는 법칙
반도체 메모리의 용량은 1년마다 2배씩 증가한다’
는 법칙으로 우리나라 황창규 지식경제부 R&D전 략기획단장이 이야기한 ‘황의 법칙’
출처: 위키디피아 출처: 삼성전자
1.
이러한 그래프와 법칙들로 미루어보아 1nm 메모리가 가능할까? 가능하다면 언제쯤 가능할지 추측 해보자.각해보고 그렇게 생각한 이유를 적어보자.
작게 더 작게, 반도체 한계를 깨다.
미세 공정은 반도체 업계의 영원한 숙제다. 회로 선폭을 축소해 셀 집적도를 놓이고 반도체 웨이퍼 한 장에서 얻을 수 있는 칩 숫자를 늘리는 미세공정은 반도체 생산 기술력을 판단하 는 척도다. 메모리 반도체 업계에서 D램은 20nm 공정, 낸드 플래시는 10nm 공정 수준으로 발전하였다. 문제는 이 미세 공정 기술이 차츰 한계에 이르고 있다는 것이다. 회로 선폭이 줄 어들면서 셀간격이 좁다지다 보니 셀 사이에 간섭 현상이 심해져 데이터 안정성이 낮아지는 한계가 노출되었다. 예를 들어 1번방 데이터를 불렀는데 셀 간격이 너무 좁다보니 오류가 생 겨 2번방에서 응답하는 사례가 발생하는 것이다. 또한 미세 공정이 점점 진행될수록 셀 내부 전하 저장공간 역시 더욱 가늘고 높게 만들어야 하는 등 구조적 불안정성이 발생하는 문제도 생겨났다. 그래서 최근에는 반도체 미세 공정의 한계를 극복하기 위해 반도체 구조 자체를 삼차원으로 변화시키는 기술을 개발하였다. ‘줄이고(미세공정) 쌓는(3차원 기술) 각종 신기술 을 앞세워 메모리 반도체의 한계에 도전하고 있다. 쉽게 설명해 이 기술은 그동안 1층집만 짓던 장소에 고층 아파트를 짓는 것과 비슷하다. 3D 기술이 있다면 얼마나 높은 층수로 아파 트를 짓느냐가 관건으로 쌓아 올리는 만큼 칩 단위 용량을 더욱 높일 수 있다.
출처: 한국일경제, 2015년 5월 22일
3.
아래 두 그림을 보면 스마트폰은 여러 가지 물건이 합쳐지면서 크기가 작아지고 다양한 기능이 포함되었 음을 확인할 수 있다.http://ritholtz.com/2013/05/1993-vs-2013/ www.marcustrotta.com
이렇듯 우리 주변의 물건들은 크기는 작아지면서 기능은 향상되고 있다. 우리가 생활하는 다양한 공간에서 사용되는 여러 전자기기의 기능이 합쳐지면서 크기가 작아지면 좋은 것들은 무엇이 있을까? 아래 장소에서 한 군데를 골라 어떤 기기들이 작은 형태로 합쳐져야 좋을지 생각해보고 그 이유를 함께 적어보자.
정한 장소 합친 기기들 합친 이유
새로운 기계 이름
새로운 기기 디자인
나노 입자 사이즈에 따른 색의 변화
읽 을 거 리 1
나노 과학이란 무엇일까?
나노스케일 과학과 공학(nanoscale science & engineering, NSE)은 새로 생기는 학문영역이다. , 나 노스케일(nanoscale)은 일반적으로 적어도 한 개의 차원 치수가 1~100 나노미터인 물질을 포함하 는 것으로 정의된다. 나노기술은 원자, 분자 및 초분자 정도의 작은 크기 단위에서 물질을 합성하 고, 조립, 제어하며 혹은 그 성질을 측정, 규명하는 기술을 말한다. 나노는 난쟁이를 뜻하는 그리 스어 나노스에서 유래하였다. 1나노초(㎱)는 10억 분의 1초를 뜻한다. 1나노미터(㎚)는 10억 분의 1m로서 사람 머리카락 굵기의 10만 분의 1, 대략 원자 3~4개의 크기에 해당한다.
나노과학과 나노기술에 관한 신생 분야는 나노스케일(예: 10-9 – 10-7 미터 또는 1 – 100 나노미 터) 물질의 고유한 성질을 이용하여 새로운 제품과 기술을 창조하여 모든 사회에 광범위한 영향을 끼칠 것이 예상되고 있다. 전자, 제약, 미용, 섬유를 포함한 많은 산업에서 나노기술을 도입하여 제품을 향상시키고 있다. 시장
에 나와있는 이런 제품의 예 로는 투명한 아연산화물 기반 의 썬스크린, 긁힘에 강한 자 동차 페인트, 때 묻지 않는 의 류 등을 들 수 있다. 나노의학 품의 가치에 대해서는 논쟁이 거의 없지만, 암 환자, 과학자, 자연보호주의자들은 어떤 나 노스케일 물질들은 환경과 개
인의 건강에 심각한 부장용이 있을 수 있다고 경고하고 있다. 나노스케일의 object는 매우 작아서 생물학적 장벽을 넘어갈 수 있다. 그래서 썬스크린에 사용되는 아연산화물과 치아보철물로 사용되 어 온 금과 같이 익숙한 물질들이 나노스케일로 있을 때는 덩어리진 형태일 때와는 다르게 생명 체에 영향을 미칠 수 있다. 달리 말하자면, NSE로 인한 혜택에도 불구하고 적절한 보건과 환경에 대한 우려가 존재한다. 이는 한 때 기적의 광물로 불렸던 석면이 폐에 흡입이 되면 폐암 및 각종 질병을 유발하는 것으로 알려지면서 최근에 크게 문제가 되는 것과 비슷할 수 있다. 또한 나노입 자도 호흡이나 피부를 통해 체내로 유입이 가능하다. 그리고 입자가 매우 작기 때문에 세포막을 자유자재로 투과할 수 있다. 따라서 폐나 심장 등 여러 기관에 영향을 미칠 수 있고 심지어 뇌까 지 침투가 가능하며 태아에게까지 전달될 수 있다. 더 나아가 DNA까지 파괴될 수 있는 위험성이 제기되고 있다. 또한 나노 입자의 환경오염 가능성미국 환경보호처(EPA)는 삼성전자의 은 나노 세 탁기에 대해 안전성을 입증할 증거를 제시하라고 요구하고 있다. 이것은 은 나노 입자의 살균성이 제초제나 살충제처럼 인체에 어떤 영향을 미치는지 증명되지 않았기 때문이다. 따라서 공중보건과 수자원에 해를 끼칠 수 있으며 인체를 비롯해 자연환경 속에 존재하는 모든 생명체에 영향을 미 칠 수 있는 가능성이 존재한다. 정밀하게 정제된 입자들인 만큼 안정적으로 오랫동안 자연계에 존
전자, 통신
10배 이상의 대역폭과 높은 전달속도를 갖는 통신 시스템
현재보다 용량은 크고 크기는 작은 대용량 정보저장장치(초고집적 반도체 소자) 대용량 정보를 수집 처리하는 집적화된 나노 센서 시스템
정보저장, 메모리반도체, 포켓사이즈 슈퍼 로봇
더 빠르고 더 작고 더 얇고 더 가벼운 스마트 인터페이스 전계 방출 디스플레이(FED)에의 응용
재료
기계가공하지 않고 정확한 모양을 갖는 나노 구조 금속 및 세라믹 원자단위에서 설계된 고강도의 소재, 고성능의 촉매
뛰어난 색감을 갖는 나노 입자를 이용한 인쇄 나노 크기를 측정할 수 있는 새로운 표준
절삭공구나 전기적, 화학적, 구조적 응용을 위한 나노코팅
나노입자인 이산화티타늄으로 코팅한 화장실 : 더러움이나 박테리아에 저항성
의료
진단학과 치료학의 혁명을 가능케 하는 빠르고 효과적인 염기서열 분석 원격진료 및 생체이식소자를 이용한 효과적이고 저렴한 보건치료
나노 구조물을 통한 새로운 약물전달 시스템(표적 지향성 약물 운반 시스템) : 암 세포만을 표적으로 하는 치료방법이다.
암 조직의 나노 스케일의 구멍을 통해 운반체를 이용하여 항암제를 운반하는 방 법
내구성 및 생체 친화력 있는 인공기관
인체의 질병을 진단, 예방할 수 있는 나노센싱 시스템
항원,항체가 결합하는 반응을 이용하는 방법 : 운반체로서 나노물질인 풀러렌 이 용
암세포와 바이러스 등을 분쇄하거나 손상된 세포를 복구할 수 있는 나노로봇 나노로 만든 주사기의 주사바늘 : 통점과 통점사이로 주사하여 무통임
생명공학
하이브리드 시스템의 합성피부, 유전자 분석/조작
분자공학으로 제작된 생화학적으로 분해 가능한 화학물질 동식물의 유전자 개선
나노 배열을 기반으로 한 분석기술을 이용한 DNA 분석
환경, 에너지
새로운 배터리, 청정연료의 광합성, 양자태양전지, 염료 감응 태양 전지 나노미터 크기의 다공질 촉매제
극미세 오염물질을 제거할 수 있는 다공질 물질 자동차산업에서 금속을 대체할 나노 입자 강화 폴리머
무기물질, 폴리머의 나노 입자를 이용한 내마모성, 친환경성 타이어
나노 센서를 이용한 배기가스 검사 및 공장 폐수 수질 검사, 식품 품질 검사 산소를 이용한 오염 물질 분해에 이용하는 전기 분해 촉매
탄소 나노튜브를 활용한 수질 환경 정화 시스템
항공우주
저전력, 항방사능을 갖는 고성능 컴퓨터 마이크로 우주선을 위한 나노기기
나노 구조 센서, 나노 전자공학을 이용한 항공 전자공학
읽 을 거 리 2
나노크기 짐작하기
무어의 법칙
무어의 법칙 (영어: Moore's law)은 반도체 집적회로의 성능이 18개월마다 2배로 증가한다는 법칙 이다. 경험적인 관찰에 바탕을 두고 있다. 인텔의 공동 설립자인 고든 무어가 1965년에 내 놓은 것이다.
“ 부품 제조 비용이 최소가 되는 복잡함은 해마다 대략 2배의 비율로 증가해 왔다. 단기적으로는 이 증가율이 올라가지 않아도, 현상을 유지하는 것은 확실하다. 적어도 앞으로 10년 동안 거의 일 정한 비율을 유지할 수 없다고 믿을 이유는 없으나 보다 장기적으로는 증가율은 조금 불확실하다.
이 말은 1975년까지는 최소 비용으로 얻을 수 있는 집적회로의 부품 수는 65,000개에 이를 것이 다. 나는 그 만큼의 대규모 회로를 1 개의 회로판 위에 구축할 수 있을 거라고 믿는다.”
— 1965년 4월 19일, 일렉트로닉스 (잡지)에 실린 논문 "Cramming more components onto integrated circuits"
무어의 법칙의 세 가지 조건은 다음과 같다.
1. 반도체 메모리칩의 성능 즉, 메모리의 용량이나 CPU의 속도가 18개월에서 24개월마다 2배씩 향상된다는 '기술 개발 속도에 관한 법칙'이다.
2. 컴퓨팅 성능은 18개월마다 2배씩 향상된다.
3. 컴퓨팅 가격은 18개월마다 반으로 떨어진다.
http://in.renesas.com/products/common_info/relia bility/en/concept/totalquality/index.jsp
볼 거 리
‘작아져서 좋은 것’에 관련된 영화 모음
마블의 만화영화가 영화로 탄생한 2015년 작품. 하나뿐 인 딸에게 멋진 아빠이고 싶지만, 현실은 생계형 도둑 인 스콧 랭(폴 러드). 어느 날 그에게 몸을 자유자재로 늘리거나 줄일 수 있는 핌 입자를 개발한 과학자 행크 핌(마이클 더글라스)이 찾아와 수트와 헬멧을 건네며
‘앤트맨’이 되어 줄 것을 요청한다. 어리둥절 하지만 일 단 한번 해보기로 결심한 스콧 랭은 행크 핌의 딸인 호프(에반젤린 릴리)의 도움을 받아 점차 히어로의 면 모를 갖추어가고, 그의 스승이자 멘토인 행크 핌 박사 를 도와 핌 입자를 악용하려는 세력을 막아야 한다. 작 은 고추가 맵다는 진실을 보여주는 영화
1987년 작품이지만 내용이 흥미롭고 ‘나노 의학’ 에 관 련된 이야기를 재미있게 풀어낸 작품. 공군 조종사 다 크 펜델톤(데니스 퀘이드 분) 중위는 눈에 보이지 않을 정도로 작아진 잠수정을 타고 사고로 잭이라는 사람의 몸속에 들어가게 된다. 최신 기술을 사고파는 첩보원으 로부터 정보를 지켜야하는 다크와 잭, 그리고 그의 여 자친구 리디아가 펼치는 모험 이야기, 인체 내부의 특 수효과가 재미있다.
1989년 작품으로 오래되었지만 작아진 사람들이 느끼 는 세상에 대한 색다른 시각을 보여줄 수 있는 영화.
극소로 줄어버린 아이들의 소동을 담은 이야기이다. 작 아져버린 사람에 비하여 엄청나게 큰 주위의 물건들을 특수효과로 처리하여 재미를 안겨준다. 살린스키 교수 는 오랜 실험 끝에 전자 자기 축소기를 발명하지만 다 락방에서 놀던 에이미와 세 친구들은 실수로 아버지의 발명품에 의해 6mm로 줄어든다. 몸이 너무 작아진 이 들은 청소하는 사이에 쓰레기와 함께 버려진다. 네 명 의 꼬마들은 집으로 오려고 하지만 뒷마당은 이제 무 시무시한 정글이 되어버렸다. 아이들이 다시 커지기까
반도체 공학 기술자란?
10년후 상위20개 직업 중 하나로 꼽히는 반도체 공학 기술자는 냉장고, 텔레비전, 세탁기 등의 가 전제품과 의료기기, 컴퓨터, 휴대폰 등 전자제품에 사용되는 반도체의 기술적 성능을 개선하거나 새로운 기능과 성능을 가춘(갖춘) 반도체를 개발한다.
반도체에 대한 전반적인 기술적 지식을 활용하여 반도체의 제조,조립을 위한 공정별 최적조건(온 도, ,압력, 시간, 사용량, 처리방법 등)을 설정하기도 하며 반도체 제조에 필요한 설비와 장비를 시 운전하여 조작, 운영방법을 규정하고 작업자에게 지시하고, 불량제품의 원인을 분석하고 그 대책 을 수립한다.
또한 기술적 성능을 개선하고 부품, 제품 및 시스템에 사용되는 전자적 특성에 대한 변형과 응용 에 대해 계획하고 개발하고 새로운 장비나 설비에 대하여 실험가동하여 적정조건유지를 검토하고 제반공정조건을 규정하고 작업원들에게 장비조작방법 및 제반조건에 관한 교육을 한다.
반도체와 전기공학 등 반도체설계 및 제작과 관련된 학문에 대한 지식과 흥미를 가지고 있어야 하며, 수학, 물리, 화학 등 기초적 과학 분야에 대한 재능이 요구된다. 각종 컴퓨터 응용 프로그램 과 반도체 설계 장비 등을 능숙하게 활용할 수 있는 능력이 요구되며, 계속해서 발전하는 새로운 기술을 습득하려는 노력과 자기계발
자세가 필요하고 새로운 것에 호기 심이 많고, 전자제품이나 컴퓨터와 같은 전자기기를 다루기 좋아하는 사람에게 적합하다. 기본적으로 수 학과 물리학과 같은 이공계 과목을 좋아하고, 복잡한 수식을 잘 이해하 고 계산할 수 있는 사람에게 좋고 새로운 기술의 개발을 위한 창의력 과 문제해결을 위한 분석적 사고능 력, 판단력이 요구되며 전기전자와 관련된 이공계 관련 지식이 필요하 다. 마지막으로 다른 분야의 기술자 와 팀을 이루어 하는 일이 많으므로
리더십, 협동심, 원만한 인간관계가 요구된다.
관련 학과로는 반도체학과 , 신소재공학과 , 전기공학과 , 전기전자공학과 , 전자공학과 등에 진학 하여 공부할 수 있다.
참조: 커리어넷
융 합 인 재 교 육 ( S T E A M ) 프 로 그 램
․나노(10-9m)크 예상하지 못한기에서는 일어난다일들이
․잉크에전기가 흐른다고
나노입자 전기회로를 바꾸다.
해리포터 영화를 보면 신문 속 그림이 영상처럼 재생이 되는 것을 볼 수 있다. 우리주변에 있는 전자기기 속 의 전기회로는 딱딱한 보드에 납땜 된 소자들로 이루어져 있는데, 전기회로도 신문처럼 프린터로 인쇄하여 옷, 유리창, 종이와 같이 구부러지거나 투명한 곳에 만들 수는 없을까? 같은 원소로 이루어진 물질이라도 크 기가 나노크기로 작아지면 눈으로 볼 수 있는 크기일 때와 다른 성질을 나타낸다고 한다. 흑연과 그래핀은 동일한 원소로 이루어져 있지만, 그 성질은 매우 다르다. 나노입자의 특징에 대해 공부하고, 나노입자를 이용 한 전도성 잉크를 사용하여 종이 위에 전류가 흐르는 전기회로를 만들어보자. 나아가, 전도성 잉크를 이용하 여 창의적인 전기회로를 구상해보자.
영화 ‘해리포터와 마법사의 돌’에 나오는 사진이 움직이는 신문
가정용 프린터로 전자회로를 만드는 'AgIC Print'키트
유투브에 업로드 된 전도성 잉크펜으로 그린 전기회로
학습 목표 여러 가지 금속의 성질이 크기에 따라 어떻게 변화하는지 실험을 통해 확인할 수 있다.
거시세계에서는 크기에 따라 달라지지 않는 물질의 성질이 있음을 이해할 수 있다.
해리포터 영화를 보면 신문 속 그림이 영상처럼 재생이 되는 것을 볼 수 있다. 우리주변에 있는 전자기기 속 의 전기회로는 딱딱한 보드에 납땜 된 소자들로 이루어져 있는데, 전기회로도 프린터가 글자나 그림을 인쇄 하듯이 프린터로 인쇄하여 옷, 유리창, 종이와 같이 구부러지거나 투명한 곳에 만들 수는 없을까?
활동1 금속판의 크기에 따른 색깔, 질량, 부피, 밀도 측정하기
세 종류의 금속판(철판, 구리판, 알루미늄판)을 이용하여 두 가지 실험을 해보자.
[실험1]
① 동일한 크기의 세 종류의 금속판을 준비하고 금속판의 가로, 세로, 두께를 자와 버니어캘리퍼 스로 측정해보자.
철판 구리판 알루미늄판
가로(cm) 세로(cm) 두께(cm)
② 각 금속의 부피를 계산해보자. 몇 cm인가?
철판 구리판 알루미늄판
부피(cm)
③ 각 금속의 색깔을 관찰하여 기록해보자.
철판 구리판 알루미늄판
색깔
④ 각 금속의 질량을 측정해보자. 몇 g인가?
철판 구리판 알루미늄판
질량(g)
⑤ 각 금속의 밀도를 계산해보자. 몇 g/cm인가?
※ 밀도는 단위 부피당 질량을 나타내는 물리량이다. 즉, 밀도 부피
질량로 구한다.
철판 구리판 알루미늄판
질량(g) 부피(cm) 밀도(g/cm)
이번에는 세 종류의 금속판을 모두 가로 세로 방향으로 절반으로 잘라보자.
① 금속판의 가로, 세로, 두께를 자와 버니어캘리퍼스로 측정해보자.
철판 구리판 알루미늄판
가로(cm) 세로(cm) 두께(cm)
② 각 금속의 부피를 계산해보자. 몇 cm인가?
철판 구리판 알루미늄판
부피(cm)
③ 각 금속의 색깔을 관찰하여 기록해보자.
철판 구리판 알루미늄판
색깔
④ 각 금속의 질량을 측정해보자. 몇 g인가?
철판 구리판 알루미늄판
질량(g)
⑤ 각 금속의 밀도를 계산해보자. 몇 g/cm인가?
※ 밀도는 단위 부피당 질량을 나타내는 물리량이다. 즉, 밀도 부피
질량로 구한다.
철판 구리판 알루미늄판
질량(g) 부피(cm) 밀도(g/cm)
1.
크기를 절반으로 줄이기 전과 후에 각 금속의 색깔, 질량, 부피, 밀도가 어떻게 달라졌는지 기 록해보자.색깔 질량 부피 밀도
은판
구리판
알루미늄판
2.
금속의 부피, 색깔, 질량, 밀도가 금속의 크기와 어떤 관련이 있는지 설명해보자.활동2 크기에 따라 변하는 성질과 변하지 않는 성질
다음은 물질의 성질에 관한 글이다.
에탄올의 양에 따른 가열곡선 [출처 : 눈높이대백과]
(가) 물질이 갖는 성질은 여러 가지 기준으로 나누어볼 수 있다. 그 중 한 가지 기준은 그 성 질의 크기가 물질의 양에 따라 변하는가, 그렇지 않는가이다. 물질의 양이 달라지면 그에 비 례하여 크기가 달라지는 성질을 크기 성질, 물질의 양이 달라져도 크기가 변하지 않는 성질 을 세기 성질이라고 한다. 예를 들어 질량은 ( A )이다. 왜냐하면 물질의 양이 두 배가 되면 질량이 두 배가 되기 때문이다. 부피는 ( B )이다. 일정한 온도에서 질량이 두 배 가 되면 부피도 두 배가 된다. 밀도는 질량이 달라지더라도 변하지 않는다. 같은 온도에서 금 1g의 밀도와 금 2g의 밀도는 같다. 따라서 밀도는 ( C )이다. 물질의 특성이 되기 위해 서는 성질이 물질의 양에 따라 변하지 않아야 한다. 물질의 특성이 될 수 있는 성질은 ( D )
(나) 고체가 액체로 되거나 액체가 고체로 되는 동안에는 온 도가 변하지 않는데, 이때의 온도를 각각 녹는점, 어는점이라 고 한다. 같은 물질인 경우 녹는점과 어는점은 같다. 예를 들 어 얼음은 0℃에서 녹고, 물은 0℃에서 언다. 끓는점은 액체 가 끓어 기체로 변하는 동안 일정하게 유지되는 온도이다.
일정한 압력에서 순수한 물질의 끓는점은 물질의 종류에 따 라 각각 일정한 값을 가진다. 녹는점과 어는점, 끓는점은 물 질의 양에 관계없이 물질에 따라 다르다. 아래 그래프와 같 이 에탄올의 양을 달리하면서 가열 곡선을 그려보면 끓는점
에 도달하는 시간은 다르지만, 끓는점은 액체의 양에 관계없이 일정하다.
(다) 물질의 저항은 그것이 만들어진 물질과 면적에 의존한다. 길이가 같은 물질에서 저항은 면적에 반비례한다. 예를 들어 두꺼운 구리 전선은 같은 종류의 얇은 구리전선 보다 저항값 이 더 작다. 또한 같은 면적의 물질에서 저항은 길이에 비례한다. 예를 들어 긴 구리전선은 같은 종류의 짧은 구리 전선보다 더 큰 저항을 가진다. 그러므로 어떤 물질의 길이가 , 단면 적이 이고, 비저항이 일 때 금속의 저항은
이다. 비저항()은 물질의 종류에 따
라 결정되는 값이며, 비저항()의 역수가 전기전도도()이다. 전기전도도는 그 물질에 전류가 얼마나 잘 흐르는지를 나타내는 물리량이다. 따라서 저항
라고 할 수 있다.
즉, 두 물질의 길이와 단면적이 같다면, 그 물질의 전기전도도 가 클수록, 비저항 가 작을 수록 그 물질의 저항 값이 작다. 비저항과 전기전도도는 도선이 만들어진 물질로만 결정되고 선의 기하학적 구조로는 결정되지 않는다.
1.
제시문 (가)를 읽고 빈칸 A ~ D에 들어갈 말을 적어보자.A B C D
2.
제시문 (나)를 읽고 녹는점과 어는점, 끓는점은 크기 성질인지 세기 성질인지 판단해 보자.녹는점 어는점 끓는점
3.
제시문 (다)를 읽고 저항()과 비저항(), 전기전도도()는 크기 성질인지 세기 성질인지 판단해 보자.저항() 비저항() 전기전도도()
4.
이외에도 물질의 성질 중 크기에 따라 달라지지 않는 것이 있을까? 있다면 어떤 성질이 있는지 적어보자.학습 목표 입자 크기에 따라 금의 성질이 달라짐을 이해하고 나노 크기에서는 물질의 성질이 거시적 인 세계와 다른 양상을 띰을 이해할 수 있다.
그래핀과 흑연은 같은 원자로 이루어졌음에도 전기전도성이 다르다는 것을 알 수 있다.
2010년 노벨 물리학상을 수상하면서 그래핀은 꿈의 나노 물질로 주목 받고 있다. 휘거나 접히 는 디스플레이, 건물일체식 태양광 발전, 두루마리 스마트폰, 유연한 태양전지, 반도체 등 그 응용분야가 급속하게 증가하고 있다.
그래핀은 흑연에서 탄소 원자 1개의 두께로 얇게 한 겹 떼어낸 막이라고 할 수 있다. 그래핀을 겹겹이 여러 층으로 쌓으면 연필심에 쓰이는 흑연이 된다.
그림1. 연필심과 연필심에 쓰이는 흑연 그림2. 투명전극과 그래핀의 구조 흑연과 그래핀은 모두 탄소(C)라는 같은 원자로 이루어져있다고 한다. 하지만 그 특성은 매우 다르다. 흑연은 색깔이 불투명한 검은색이고 경도가 1보다 작은 매우 무른 물질이다. 또한 다 이아몬드에 비해 열전도도가 낮다. 반면, 그래핀은 빛을 98% 통과시킬 정도로 거의 투명하다.
구리보다 10배 이상 전기가 잘 통하고 실리콘보다 전자 이동속도가 100배 빠르다. 또한 다이아 몬드보다 열전도성이 2배 이상 높고, 강도는 강철보다 200배 이상 강하다. 두께가 매우 얇지만 부러지지 않고 180도 휠 수 있어 구부러지거나 투명한 전자기기를 가능하게 하고 있다.
흑연에서 떼어낸 그래핀이 흑연과 다른 성질을 갖게 되는 이유는 무엇일까?
활동1 크기에 따라 달라지는 금의 성질
다음은 금의 입자 크기를 미터(m) 단위에 해당하는 ∼nm부터 1nm까지 줄여가면서 고체에서 액체 로 상태 변화하는 온도인 녹는점을 측정한 것을 나타낸 것이다.
그림 (가)는 나노 단위의 크기(수십~수백 nm)일 때 금 나노입자의 색깔을, 그림 (나)는 육안으로 볼 수 있는 미터(m) 단위의 크기일 대 금의 색깔을 나타낸 것이다.
녹 는 점 (℃)
1 10 100 1000 104 105 106 107 108 (nm) 금 입자의 크기(단위 nm) 미터 단위의
크기 나노 단위의 크기
그림 (나)
그림 (가)
다음은 일반적인 금에 대한 설명이다.
육안으로 볼 수 있는 거시적인 크기일 때 금이 성질은 다음과 같다.
금은 고대로부터 사람들이 가장 귀하게 여기고, 좋아하는 원소이다.
금(金, gold)은 원자번호 79번의 원소로, 원소기호는 Au이다. 1 m, 1 cm. 1 mm 크기의 거시적인 크기에서 금 조각은 그림(가)와 같이 광 채가 있는 금색을 띄고, 전성, 전기전도성을 포함한 금속성을 나타낸 다.
§ 금은 화학 반응성이 가장 작은 고체 원소 중의 하나이다. 공기나 물에 의해 부식되지 않고 원래의 상태를 유지한다.
§ 금은 무르며 전성(두들겨 펴지기 쉬운 성질)과 연성(잡아 늘이기 쉬운 성질)이 매우 크기 때문에 얇은 박이나 실로 쉽게 가공할 수 있다.
§ 금 원자는 모두 79개의 전자를 갖고 있으며, 금은 모든 금속 중에서 가장 전기음성도가 크다. 전자친화도도 구리족 원소 중에서 가장 큰 값을 갖는다.
§ 금은 노란색과 붉은색을 잘 반사한다. 이 때문에 금은 밝은 노란색을 띠며, 엷은 반투명 금박을 투과한 빛은 녹청색을 띤다. 또한 적외선도 잘 반사한다.
§ 금의 밀도는 19.30gcm으로, 대표적인 무거운 금속인 납(밀도 11.36gcm)보다도 월등히 더 크다.
§ 구리나 은과 마찬가지로 전기전도도와 열전도도가 아주 크다.
§ 금의 녹는점은 크기와 상관없이 1064℃이다.
[자료2]
다음은 나노( m)크기가 얼마나 작은지를 살펴보기 위해 다른 물체들과 비교한 그림이다.
나노미터 단위로 표현할 때 테니스공은 nm, 모래알은 1nm, 연필심은 nm, 적혈구는
nm, 박테리아는 1000nm, 바이러스는 nm , 항체는 10nm, DNA는 nm, 물분자는
nm 크기이다. 테니스공이나 모래알, 연필심은 육안으로도 관찰할 수 있지만 크기가 작아 질수록 광학현미경, 전자현미경과 같은 장비를 이용해야만 관찰할 수 있다.
[출처 : http://finelfc.tistory.com/173]
[자료3]
다음은 나노크기의 금 입자가 갖는 성질에 대한 설명이다.
직경이 100nm 이하인 금 입자가 물에 분산되어 있는 것이 콜로이드성 금인데, 최근에는 이를 금 나노입자라 부른다. 나노스케일 물질의 성질은 익숙한 거시적 스케일과 종종 달라서 예측 하기 어렵다. 예를 들면, 금 나노입자는 몇 가지 재미있는 광학적 성질을 나타낸다.
§ 금 나노입자의 콜로이드용액은 입자 크기에 따라 다른 색을 나타낸다. 표와 같이 10~30nm 크기의 금 나노입자 용액은 빨간색을 나타내기 시작하고 2~5nm 크기는 노란색, 100 nm로 증가하면 보라색이 된다.
지름(nm) 콜로이드 용액의 색깔
~2 노랑
~3-5 주황, 주황빨강
15 빨강
100 보라
표. 금 나노입자의 크기와 색깔
§ 그림(나)는 금 나노입자의 크기가 (a)에서 (e)로 갈수록 커짐에 따라 색깔이 변화하는 것을 나타낸 그림이다. 금 나노입자를 기둥모양으로 만들었을 때에도 크기가 (f)에서 (k)로 커짐 에 따라 색깔이 달라지게 된다. 빨간색 스케일 막대는 100nm를 나타낸다.
§ 금의 크기가 100nm이하로 작아지면 녹는점은 극적으로 감소한다. 10nm크기에서 실리카로 둘러싼 금 나노입자의 녹는점은 100℃이다. 크기가 2nm에 가까워지면 녹는점 감소는 훨씬 커지고 벌크 금에서 관찰되는 녹는점의 거의 절반 정도가 된다.
§ 나노스케일에서는 다른 성질도 변한다. 예를 들면, 10nm이하 크기에서 금은 더 이상 전기 전도도를 띄지 않는다. 마크로 크기에서 금은 다른 전이금속보다 반응성이 적지만, 6 nm 보다 작은 크기의 나노 금 입자는 몇몇 화학 반응의 속도를 향상시키는 촉매로써 작용한 다.
크기가 클 때
→
크기가 나노크기로 작아질 때
크기가 클 때
→
크기가 나노크기로 작아질 때
이상 찾아보자. 그리고 크기가 클 때와 나노입자 크기로 작아졌을 때의 어떻게 다른지 설명해 보자.
▷ 성질1 :
크기가 클 때
→
크기가 나노크기로 작아질 때
▷ 성질2 :
▷ 성질3 :
▷ 그 외의 성질 :
2.
거시적인 크기에서는 물질의 크기가 달라져도 변하지 않았던 물질 고유의 성질들이, 나노 크기 에서는 크기에 의존하여 달라지기도 한다. 금의 예를 참고하여 나노 크기의 세계와 거시적인 크기의 세계에서 물질의 특성이 어떻게 다른지 비교하여 설명해 보자.활동2 그래핀과 흑연의 전기전도도 비교하기
그래핀과 흑연은 동일한 원소인 탄소로 이루어져 있다. 하지만 색깔, 강도, 열전도도, 전기전도도 등 많은 물리적인 성질들이 매우 다르다. 흑연으로 이루어진 연필심의 전기전도도를 측정하여 그 래핀의 전기전도도와 비교해보자.
전기전도도는 그 물질에 전류가 얼마나 잘 흐르는지를 나타내는 물리량이다.
어떤 금속의 길이가 , 단면적이 이고, 비저항이 일 때 금속의 저항은
이다. 비
저항()의 역수가 전기전도도()이기 때문에
라고 할 수 있다. 즉, 전기전도
도 가 클수록 같은 길이, 같은 단면적일 때 그 물질의 저항 값이 작다. 전기전도도의 단위 는 m
또는 Vm
A 또는 Sm이다. 여기서 S는 simense의 약자로 S V
A이다.
1.
연필심의 양 끝에 건전지 2개를 연결하여 회로를 만들고, 전압계와 전류계를 이용하여 연필심 에 걸리는 전압과 전류를 측정해보자. 이때, 전압계는 연필심에 병렬 연결, 전류계는 직렬 연결 한다.- 옴의 법칙()을 이용하여 연필심의 저항 값을 계산해보자. 몇 인가?
전압(V) 전류(A) 저항() 연필심
2.
연필심의 단면적, 길이를 측정하고, 1에서 측정한 저항값을 이용하여 전기전도도를 계산해보자.저항() 단면적(m) 길이(m) 전기전도도(m)
연필심
3.
다음은 그래핀과 탄소나노튜브의 특징을 비교한 것이다. 그래핀의 비저항 값으로부터 전기전도 도를 계산해보자.출처 : 신소재 경제 (http://www.amenews.kr/atc/messprint.asp?P_Index=10374)
비저항(m) 전기전도도(m)
그래핀
4.
흑연과 그래핀의 전기전도도를 비교하여 설명해보자.학습 목표 나노입자를 이용한 전도성 잉크로 전류가 흐르는 전기회로를 만들 수 있다.
전도성 잉크를 이용하여 창의적인 전기회로를 설계할 수 있다.
영화 ‘해리포터’에 등장하는 신문을 기억하시나요?
신문 속에 사진이 마치 영상처럼 움직이며 생생한 소식을 전해줍니다. 종이 위에 전기가 흐르는 회 로를 만들 수 있다면 ‘해리포터’의 움직이는 신문 도 가능하지 않을까요? 최근 전기가 통하는 잉크 일명 ‘전도성 잉크’가 개발되었습니다. 도선이나 기판 없이도 종이에 전기가 흐르는 회로를 그릴 수 있는 것이죠. 전도성 잉크를 이용하여 전류가
흐르는 전기회로를 만들어봅시다. [출처: 영화 ‘해리포터와 불사조 기사단’]
활동1 나노입자를 이용한 전도성 잉크로 전기회로 만들기
1.
전도성 잉크를 이용하여 종이 위에 전류가 흘러 LED가 켜지는 회로를 만들어보자.① 금 나노입자를 100배 농축한 샘플(왼쪽 사 진)과 소수성 처리가 된 종이컵 안쪽을 자른 종이를 준비한다. 금 나노입자 샘플을 일반 거름종이와 종이컵을 자른 종이에 각각 한 방 울씩 떨어뜨려보면, 일반 거름종이에서는 금 나노입자가 스며들어 퍼지지만, 종이컵 안쪽 종이(소수성 종이)에서는 금 나노입자가 뭉쳐 방울을 이루는 것을 확인할 수 있다.
② 마이크로피펫의 손잡이 부분에 있는 다이얼 을 회전시켜 부피를 3L로 조절한다. 1L에 해당하는 눈금은 “030”이다.
③ 마이크로피펫에 피펫 팁을 끼운다. ④ 컨트롤 버튼을 누른 상태로 금 나노입자가 담긴 샘플에 팁을 2~3mm 수직으로 담갔다 버 튼을 놓아 흡입시킨다.
⑤ 마이크로피펫을 종이에 수직으로 놓고 컨 트롤 버튼을 눌러 금 나노입자를 종이 위에 떨어뜨린다.
⑥ 금 나노입자를 어느 정도 간격을 두고 한방 울씩 종이 위에 떨어뜨린다.
⑦ 드라이기를 뜨거운 바람으로 30초~1분 간 작동시켜 종이를 말린다.
⑧ 건전지와 LED를 전선으로 연결하고 전선의 양 끝을 전도성 잉크가 묻은 종이의 양 끝에 연결하여 LED에 불이 들어오는지 확인한다.
⑨ 금 나노입자 사이 사이에, 같은 방식으로
다시 금 나노입자 방울을 떨어뜨린다. ⑩ 다시 한번 드라이기를 뜨거운 바람으로 30 초~1분 간 작동시켜 종이를 말린다.
⑪ 이제 금 나노입자의 양 끝을 전기회로에
연결하여 LED에 불이 들어오는지 확인한다. ⑫ 금 나노입자를 이용하여 회로를 구성하였을 회로에 전류가 흘러 LED에 빛이 들어오는 것 을 볼 수 있다. 금 나노입자는 전류가 흐르는 잉크 즉 전도성 잉크의 역할을 할 수 있다.
2.
금 나노입자가 종이에서 스며들어 퍼지지 않고, 종이 위에 뭉쳐 회로를 이룰 수 있게 하기 위 해서 어떤 방법을 사용하였는가?3.
금 나노입자를 종이 위에 선으로 그리지 않고 한 방울씩 떨어뜨려 말린 이유는 무엇일까?활동2 나노입자를 이용한 전도성 잉크 실험 설계하기
유투브 동영상에는 전도성 잉크를 활용하여 만든 다양한 전기 회로들이 소개되고 있다.
※ 참고 동영상: https://www.youtube.com/watch?v=FH1qXjdtnUY
영상을 보고 전도성 잉크로 만들 수 있는 나만의 창의적인 전기 회로를 구상해보자.
전도성 잉크를 특징을 이용하여 어떤 회로를 만들면 사람들에게 유용하게 쓰일 수 있을까?
1.
나만의 회로를 어떻게 구성하면 좋을까? 전지, 전선, 전구 등의 기호를 이용하여 구상한 전기회 로를 그려보자.웨어러블 전자시스템(나노치료 패치) (출처: 기초과학연구원)
행 복 거 리
나노 의학이란?
나노의학(nanomedicine)은 나노기술을 이용하여 질병을 진단, 치료하거나 손상된 조직을 복구하는 등 나노 크기의 분자수준으로 개발된 입자나 이를 기반으로 하는 기술을 의학에 접목한 기술을 의미한다. 특히 나노 단위로 만들어진 치료기기를 직접 피부에 부착하여 생체 상태에 따라 진단과 치료가 이루어지는 웨어러블 기기는 나노기술의 가장 큰 성과이다. 이 밖에도 나노의학은 나노바 이오센서, 나노영상, 나노약물전달체, 나노조직공학, 나노기기 등 다양한 분야에 활용될 수 있다 나노의학의 세계적 시장 규모는 2005년 106억 달러에서 2015년 1,800억 달러로의 급성장이 예상되 며, 이러한 상황 아래 나노바이오 기술을 기반으로 하는 다기능성 나노입자를 이용한 진단 및 약 물전달시스템이 전 세계적으로 활발하게 개발되고 있다
나노의학 기술을 실현함에 있어서 연구개발의 순서는, 나노 과학자에 의하여 나노미터 수준 의 물질이 가지는 여러 가지 화학적, 물리적, 생물학적 특성에 관한 연구가 선행되어야 하 고, 그 다음으로는 보다 효과적인 특성을 가지 는 나노물질을 개발해야하며, 마지막으로 임상 에 유용한 기술로 개발하기 위해서는 생화학 적, 생리학적, 의학적인 연구가 복합적이고 다 각적으로 진행되어야 한다.
이러한 나노기술이 의학적으로 응용되는 예로 는 진단 및 치료용 등으로 약물이나 유전자 등을 전달하는 기술이 대표적이며, 병원체를 탐지하거나 나노물질의 물적 특징을 이용한 재생공학 및 조영제 등으로의 활용도 가능하다. 최근 기초과학연구원은 나노 물질을 사용하여 운 동장애 질환을 진단하고 치료까지 가능한 웨어러블 전자시스템을 개발했다고 밝혔다. 몸에 부착가 능한 이 패치는 파킨스병과 같은 운동 장애 질환의 발병 여부를 모니터링할 수 있고 그 결과를 메모리에 저장하여 진단과 약물 투약까지 한번에 가능하게 한다. 이 패치의 경우 딱딱한 기판이 아니라 나노 박막과 나노입자를 이용하여 휘거나 닐일 수 있는 전자소자로 제작되어 있어 피부와 비슷하게 25% 정도까지 늘어날 수 있어 매우 각광받고 있다. 이뿐 아니라 나노바이오 기술의 발 전과 더불어 다기능성 나노입자를 이용한 특정 세포로의 약물을 전달할 수 있으며 나노입자의 크 기에 따라 필요한 시간동안 약물이 생체 내에 머물 수 있게 함으로써 치료효과를 극대화하는 것 이 가능하게 되었다.
또한 나노 기술로 잃어버린 신체 일부분을 나노 기술로 복원하기도 한다. 세포와 나노입자를 배양
나노 기술을 접목한 3D 프린팅 귀(출처: CNN) 할 수 있는 신호를 제공하는 물질을
입자 하나에 수십, 수백개 부착할 수 있어서 미량의 물질도 쉽게 찾아낼 수 있다. 또한 기존의 진단이나 탐지기술 에 비해 정밀성과 감수성을 높일 수 있으므로 진단에 필요한 시료의 양도 크게 줄어들 수 있는 장점이 있다. 이 러한 나노기술의 발전으로 기존의 진 단 장비의 민감성과 효율성을 향상 시 킬 뿐만 아니라 적은 양의 시료에서도 특이적으로 진단을 검출해 낼 수 있는 기술이 개발되고 있다. 또한 다기능성
나노입자를 활용하면, 하나의 물질을 통해 다양한 검사들이 한 번에 수행될 수 있으므로, 검사과 정이 신속하고 간소하게 변화되고, 비용대비 효율성이 커지는 효과를 기대할 수 있다. 현재는 간 암검사, 위암검사 등을 모두 따라 해야 하지만 이 기술이 실용화되면 한 번에 여러 암을 검진할 수 있게 되어 훨씬 빠르고 정확하게 수행될 수 있다.
나노의학기술을 활용함으로써, 신약개발에서는 약물의 효능 강화 및 부작용 감소를 기대해 볼 수 있고, 나노분자영상은 병원체 분포나 약효분석 등에 시간적, 경제적 경감효과를 가져올 수 있을 것이며, 진단 기술개발에서는 보다 정밀하고 신속한 질병진단법의 개발이 가능할 것이며, 더불어 질병의 근본적인 원인과 병리를 이해하는 학문적인 면에서도 정밀성, 실제성, 신속성 등에 많은 이점을 제공할 수 있으므로, 나노의학기술의 개발은 학문적, 사회 보건적인 측면에서 지속적으로 새로운 기여를 할 수 있을 것이라 예상된다. 이러한 예상을 근거로 나노의학의 발전은 미래의학과 의료산업 및 인류의 보건증진에 효율성 높은 양질의 기술향상을 가져다 줄 것으로 기대된다. 나노 의학에 대한 기대를 현실화하기 위해서는 생명과학, 의약학, 화학, 물리학 등의 다각적이고 융합적 인 시각에서 새로운 기술과 개념을 이해하고 연구하는 것이 필요하다.
참조: 한화 케미컬, [나노기술 이야기, 놀라운 나노의학 세계]
나노의학의 현황과 미래, 김영화, 홍기종(질병관리본부 감염병센터 병원체방어연구과)
주관연구책임자 정대홍 서울대학교 참 여 연 구 원 최원호 순천대학교
연 구 원 손미현 무학중학교
프로그램 개발진
연 구 원 전경아 영림중학교
연 구 원 성혜숙 연북중학교
연 구 원 김동건 선린중학교
연 구 원 박명순 태릉고등학교
연 구 원 지재화 청담고등학교
연 구 원 김태은 세종과학고등학교 보 조 연 구 원 이성균 서울대학교
편 집 조은화
주관연구기관명 서울대학교
주 소 서울 관악구 관악로 1
서울대학교 사범대학 13동 204호 물리화학연구실
대 표 전 화 02-880-9258
