나노 공학의 소개
작은 나노의 큰 세상
1. 거대한 나노공학
알버트 아인슈타인
:설탕 분자 한 개의 크기가 1 nm라는 사실을 발견
나노 크기는 어느 정도일까?
나노공학 = 전자전기 + 물리
학+화학 + 화공+ 재료 + 생
명공학 + 생물+ …
나노의 정의는 ?
나노 세계는 개별 원자와 분자의 영역 (양자역학 이 지배하는 세계)과 거시 세계사이의 경계
Nanotechnology의 핵심특징
1) 1~100nm의 크기
2) 분자 구조의 물리적 화학적 특징들을 근본적으로 제어 할 수 있음을 증명하는 공정과정을 통해 설계
3) 보다 큰 구조물을 형성하기 위한 결합이 가능
나노 기술의 기념비적인 사건들
35억 년 전 전 세포 수준의 최초 생명체가 등장. 세포들은 유전 물질을 조 작하고 에너지를 공급하는 나노미터 크기의 생체 기계
(biomachines)들을 가지고 있었다.
BC 400년 데모크리토스가 고대 그리스어로 ‘쪼갤 수 없는’의 뜻을 가진
‘원자(Atom)’라는 신조어를 사용
1905년 알베르트 아인슈타인이 설탕 분자 하나의 지름을 약 1nm라고 추정한 논문을 발표함
1931년 막스 놀(Max Knoll)과 에른스트 루스카(Ernst Ruska)가 1nm 이하의 크기까지 이미지화 할 수 있는 전자현미경을 개발
1959년 리처드 파인먼(Richard Feynman)이 미세화 경향에 대한 미 래를 언급한 유명한 ‘엄청난 가능성의 나노세계’ (There’s Plenty of Room at the Bottom)라는 강연
나노 기술의 기념비적인 사건들
1968년 벨 연구소의 알프레드 조(Alfred Y. Cho)와 존 아서(John Arthur) 및 동료들이 물질의 표면에 단일 원자층을 형성할 수 있는 분자 빔 표면증착기술을 개발
1974년 다나구치 노리오가 1um 이하의 오차를 허용하는 기계제작의 중요성을 강조하기 위해 ‘NANOTECHNOLOGY”라는 단어를 제안
1981년 게르트 비니히(Gerd Binnig)와 하인리히 로러(Heinrich
Roher)가 개별 원자들의 이미지를 얻을 수 있는 스캐닝 터널 링 현미경(STM)을 개발
1985년 로버트 컬 2세(Robert F. Curl, Jr.), 헤럴드 크로토(Harold W.
Kroto), 리처드 스몰리(Richard E. Smalley)가 지름이 약 1nm 인 ‘버키볼(buckyball)’로도 알려진 버크민스터풀러린
(buckminsterfullerein)을 발견
나노 기술의 기념비적인 사건들
1986년 에릭 드렉슬러(K. Eric Drexler)가 나노테크놀로지의 대중적 인 관심을 유도했던 미래 서적(창조의 원동력 Engines of Creation)을 출판
1989년 IBM의 도널드 에이글러(Donald M. Eigler)가 개별적인 제논 원자들(xenon atoms)의 이름을 사용해 회사 이름을 새겨넣음
1991년 일본 쓰쿠바(Tsukuba) NEC의 이이지와 스미오가 탄소 나노 튜브를 발견
1993년 노스캐롤라이나대학의 워런 로비닛(Warren Robineet)과 UCLA의 스탠리 윌리엄스(R. Stanley Williams)가 원자들을 보고 만질 수 있도록 설계한 STM에 연결된 가상 현실 시스템 을 고안
나노 기술의 기념비적인 사건들
1998년 네덜란드 델프트공과대학의 체스 데커(Cees Dekker) 그룹에 서 탄소 나노튜브를 이용한 트랜지스터를 개발
1999년 라이스대학의 제임스 투어(James M. Tour)와 예일대학의 마 키 리드(Mark A. Reed)가 단일분자를 이용, 분자 스위치를 형 성할 수 있음을 증명
2000년 클린턴 행정부가 이 분야에 대한 대규모 자금지원과 관심을 불러일으킨 미국나노기술계획(NNI)을 발표함
2000년 에이글러와 다른 연구원들이 양자 신기루를 고안하다. 자기 를 띤 원자를, 원자들로 이루어진 타원형 고리의 한 초점 위에 위치시켜서 마치 다른 초점에도 동일한 원자가 있는 것처럼 허상을 만드는데 성공함으로써 전선을 사용하지 않고 정보를 전달할 수 있는 가능성을 제안함
실리콘의 한계를 넘어서
10~25년내에 기존 실리콘 기 반의 전자공학이 한계에 이름
세포를 이용한 바이오 컴퓨터
반도체 양자점을 이용한 암진
단 시스템, 촉매, 데이터저장,
약물저장, 재료특성향상 , 투
명 크림 등등
Nanotechnology의 허상
에릭 드렉슬러의 저서(창조의 원동력): “전지 전능한 물질제어” “지구온난화 방지” “노화방 지”등등
인류에 대한 위협: 자기복제 로봇, 나노 물질
의 암발병 등등
2. 나노제작 기술
- 기존방식의 포토리소그래피
(1) 크롬층과 유리기판의 맨 위에 놓인 감광 고분자 막 위에 레이저 빔으로 마이크로 칩의 회로 패턴을 기록한다. 고분자에 레이저 빔을 쏘 면 그 부분을 선택적으로 제거할 수 있다.
(2) 고분자가 제거되면서 노출된 크
롬 부분도 제거하고, 남은 고분자
부분을 분리해낸다. 이렇게 만들어
진 결과물이 사진을 만들 때 인화용
원판에 해당하는 마스크이다.
2. 나노제작 기술
- 기존방식의 포토리소그래피
(3) 자외선을 마스크에 직사
하면 빛은 크롬 내의 틈을 통
과한다. 렌즈는 실리콘 웨이
퍼 위의 포토레지스트에 빛의
초점을 모아 패턴을 축소시킨
다.
2. 나노제작 기술
- 기존 포토리소그래피 방식의 한계
1) 기존 공정에 사용하는 자외선의 파장 250nm : 250 nm의 반 보다 작은 간격은 회절로 인하여 일반적으로 실패
2) 100nm이하의 구조물을 제작 가능하게 특별히 고안된 포토리 소그래피 장비는 수천만, 수억 달러에 해당하는 고가장비임.
(4) 포토리지스터의 노출 된 부분이 제거되면서, 실 리콘 칩 위에 축소된 패턴 이 복사된다.
- 기존방식의 포토리소그래피
미래의 나노칩(1/6)
1) 전자빔 리소그래피
- 고분자 박막 위에 전자빔을 이용해 회로 패턴을 기록 - 전자빔 장비는 매우 비싸고 대량 생산에 부적절
2) X선이나 극자외선 이용한 리소그래피
- 회절로 인해 발생되는 비정확성을 최소화 - 적절한 마스크와 렌즈가 없음
3) 소프트 리소그래피
- 다양한 구조물을 만들 수 있고 저렴함
4) 딥펜 리소그래피
- AFM의 팁으로 금박막 위에 티올 분자의 박막을 입힘
- 상대적으로 느리지만, 여러 가지 다른 형태의 분자를 잉크로 사용해서 nm 크기 기록
미래의 나노칩(2/6)
소프트 리소그래피
- 탄성스탬프(elastic stamp)를 이용한 인쇄작업과 몰
딩을 비롯한 기타 기계식 공정과정으로 나노크기의
패턴을 제작할 수 있다. 이와 같은 기술로 광통신이
나 생화학 연구에 활용될 만한 기기들을 제작하는
것이 가능하다.
미래의 나노칩(3/6)
(1) 포토리소그래피나 전자빔 리소그래피로 제작된 낮은 양각 의 마스터 위에 폴리다이메틸실록세인(PDMS)의 액화 전구체 를 붓는다.
(2) 액체를 실제 패턴과 일치하는 탄성고체로 경화시킨다.
(3) 완성된 PDMS 스탬프를 벗겨낸다.
- 탄성 스탬프 제작
미래의 나노칩(4/6)
- 미세 접촉 인쇄법
(1) PDMS 스탬프에 유기 분자로 이루어진 티올이라 는 잉크 용액을 바른 후, 실리콘 건판의 금으로 된 박막 필름에 대고 누른다.
(2) 티올은 금 표면 위에 스
탬프 패턴을 그대로 재생한
자기조립 단층막을 형성한
다. 이 때 패턴 내 형체들은
50nm 정도의 미세한 크기
이다.
미래의 나노칩(5/6)
- 모세관 미세 몰딩법
(1) PDMS 스탬프를 단단 한 표면 위에 올려놓은 다 음, 액체 고분자를 표면과 스탬프 사이의 홈을 따라 흘러넣는다.
(2) 고분자가 원하는 패턴 대로 굳는다.
이 때 패턴 내 형체들은
10nm 이하이다.
미래의 나노칩(6/6)
- 딥펜 리소그래피
AFM의 삼각뿔 모양 팁 (tip)에 티올 분자로 만 든 얇은 필름을 씌운다.
아주 미소한 물 한 방
울을 탐침 팁과 금 표
면 사이에 모은다. 티
올 분자는 팁에서 금
표면으로 전이되면서
자기조립 단층막을 형
성한다.
Bottom-up 방식의 대표적인 나노물질
탄소나노튜브, 반도체 나노선, 나노입자(또는 양자점)
나노입자 : 몇 백 개의 원자만으로 이루어진 결정체
루이스 부루스(Louis Brus, 현재 Columbia Univ. 교 수)가 선두자적인 연구.
폴 앨리비사토스(A. Paul Alivisatos, 버클리대학 교수)
와 마운지 바웬디(Moungi Bawendi, MIT교수)가 발전
시킴.
카드뮴셀렌(CdSe) 나노입자(또는 양자점) 형성 원리
- 양자점 조립
• 양자점이란?
양자점이라고 명명된 결정체들은 몇 백 개의 원자로 이루 어져 있으며, 그 크기에 따라 다른 파장으로 빛을 발한다.
이들은 세포활동에 대한 생물학적 표시기로 활용될 수 있다.
(1) 카드뮴 이온(보라색)과 셀레늄 이온(초록색), 유기분자(붉은색 구 (球) 부분과 파란색꼬리)가 서로 화 학반응을 일으킨다.
(1)
카드뮴셀렌(CdSe) 나노입자(또는 양자점) 형성 원리
- 양자점 조립
(2)
(3)
(2) 유기분자 가드뮴 셀렌 결정체가 성장함에 따라 결정체 표면에 흡착되 어 계면활성제로 작용한다.
(3) 결정체가 최적의 크기에 다다랐 을 때, 유기분자가 안정된 적층
(stable packing)을 형성하면서 표면
데 도포된다.
양자점의 성질 및 응용
양자점의 성질
1) 양자점의 크기에 따라서 발광 파장 조절 가능
2) 모든 양자점이 크기가 같을 때, 단파장 빛을 얻을 수 있음
3) 양자점의 형광성이 유기분자와 다르게 자외선에 노출되어도 사라지지 않 음.
응용의 대표적인 예
1) 암세포 표시기(marker)
2) 고집적 memory device: 나노 입자를 2차원 또는 3차원으로 배열이 가능 해서 현재 메모리디바이스의 100배 이상의 저장능력을 갖는 memory device 제작 가능.
3. 놀랄 만큼 소형화된 나노회로
현재 마이크로프로세서: 4000만개 이상의 트랜지스터 집적
2015년: 50억개 이상의 트랜지스터 집적 예상
마이크로 전자공학 영역과 나노 전자공학 영역의 세가지 구성 요소 1) 신호 증폭과 전류 on/off하는 트랜지스터:나노소자
2)트랜지스터를 연결할 (수백 나노미터 또는 수십 마이크로 미터 폭)의 도선 : 1 nm 미터 폭의 다른 배선 방법
3)트랜지스터를 연결한 회로(아키텍처, 구조) :다양한 아키텍쳐 테스트 수준
나노전자공학: 몰(mole) 수(6x10
23개)로 조립구조를 만들고
보다 큰 구조물로 통합하기위한 화학합성방법 사용.
반도체 나노선 배열 소자
찰스 리버(charles
M. Lieber, 하버드
대 화학과 교수) 선
두적인 연구 그룹
반도체 나노선 메모리/스위치 소자
n타입 나노선과 p타입 나노선을 교차한 메모리 구조
DNA 컴퓨팅(1/2)
(1)
(2)
(3)
(1) DNA 가닥들이 실리콘 칩 위에 붙 여진다. 이렇게 붙여진 DNA 가닥들은 방정식의 변수들의 모든 가능한 값으 로 인코딩되어 의미가 부여된다.
(2) 방정식의 초기 항을 인코딩하는 보조 DNA 가닥의 복사본을 칩 위에 적용한다. 이러한 복사본은 이 항에 대한 올바른 해(解)를 나타내는 모든 DNA 가닥과 결합된다. 모든 잘못된 해는 단일 DNA 가닥으로 남게 된다.
(3) 효소가 모든 단일 DNA 가닥을 제 거한다.
DNA 컴퓨팅(2/2)
DNA 메모리 저장
: 4개의 기본 염기(아데닌, 티민, 구아니, 시토신)의 배열로 엄청난 양의 정보 수용
(4)
(5)
(4) 다른 과정을 거쳐서 붙어 있는 모든 보조 DNA 가닥들을 용해시킨 다. 이 단계는 방정식의 모든 항에 대해 반복된다.
(5) 이 전체 과정에서 살아 남은 DNA 가닥은 전체 방정식에 대한 해를 의미 한다.
4.의학에서 각광받는 나노테크
4.의학에서 각광받는 나노테크
한 가지 색의 양자점으로 가득 찬 라텍스 구슬은 양자점과 거의 같은 파장에서 빛을 발한다. 또한 다른 점들을 선택하여 하나의 구슬 안에 넣기도 하는데, 생물학적 검사를 위하여 뚜렷이 구별되는 라벨을 아주 다양하게 만들어내는 것이 목적이다.
4.의학에서 각광받는 나노테크
박테리아의 나노자성결정체
5. 나노기계
원자단위로 사물을 조립하는 나노봇(nanobot)
제작이 어려운 두가지 이유
1) 굵은 손가락 문제(fat fingers problem)
2) 끈끈한 손가락 문제(sticky fingers problem)
5. 나노기계
나노모터
나노잠수함
표준제품 전기 모터는 박테리아에서 편모를 돌리는 생체 회전 모터(오른쪽 위)와 놀라운(그러나 사실을 피상적인) 유사성을 가진다.
