생명과학 분야는 나노의 세상에서 일어나는 생명현상에 주목하고 있다. 인류에게 중요한 대부분의 생명현상과 질병 원인은 생체분자에서 일어나고 있으며, 나노기술은 생명과학의 비밀을 서서히 풀어 가고 있다. 물질 내부를 들여다보듯 세포 내부를 현미경으로 세밀하게 관찰하며 나노기술로 정밀하게 제어하는 기술이 개발되고 있다. 생명과학에서 나노기술의 중요성은 계속 증가하고 있다.

나노(nano)는 ‘10억분의 1’을 뜻하는 말로, 그리스어 ‘난쟁이(nanos)’에서 유래했다. 물질을 구성하는 기본단위인 원자를 4∼5개 한 줄로 세우면 1m보다 10억분의 1 작은 ‘1nm’가 된다. 나노의 세상은 몇 개의 원자가 비집고 들어가는 무척이나 작고도 좁은 세상이다. 그래서 나노의 공간에선 원자와 원자 사이가 매우 긴밀하게 영향을 주고받는다.

나노의 세상엔 큰 세상에서 볼 수 없는 일이 벌어진다. 특히 물질이 나노의 크기에 다다르면 큰 물질에서 발견할 수 없는 새로운 물성이 나타난다. 나노의 세상이 매력적인 이유는 크기에 따라 물질의 특성이 변하기 때문이다. 나노의 세상은 인류에게 어떤 호기심과 가능성을 열어줄 것인가. 오늘날 나노와 관련된 분야는 급속히 증가하고 있다.

나노과학은 눈으로 볼 수 없는 나노의 작은 세계로 인류의 지혜를 확장하고 있고, 나노기술은 물질 크기를 제어해 새로운 소재 개발의 가능성을 열어가고 있다. 나노의 세상이 우리가 상상하는 것보다 더 매력적인 이유는 여전히 미지의 영역이기 때문이다. 미국 물리학자 리처드 파인먼도 나노의 세계를 ‘아주 풍부한 공간’ 또는 ‘무한한 가능성이 있는 공간’이라 했다.

현대 과학기술은 다양한 방법으로 나노구조를 만든다. 원자를 하나의 레고 블록으로 본다면 레고 블록의 종류와 쌓는 방법은 매우 다양하다. 레고 블록을 정교하게 제어해 하나씩 쌓거나 큰 물질을 조금씩 깎아서 나노구조를 만들기도 한다. 어떻게 하면 좀 더 정교하고 값싸게 나노구조를 만들 것인지가 오늘날 나노기술의 핵심이다. 크기만 작아져도 새로운 물질을 만들 수 있다니, 나노기술은 인류가 그토록 꿈꿔 왔던 진정한 ‘연금술’이라 할 수 있다. 나노의 세계는 눈으로 볼 수 있는 ‘큰 세계’와는 사뭇 다른 물질 구조와 특성을 가진다.

나노의 세계는 너무 작아 직접 눈으로 볼 수 없는데, 미세한 사물을 확대해 눈으로 볼 수 있도록 만든 장치가 ‘현미경’이다. 원자의 구조와 빛의 본질에 대한 인류의 갈망은 현미경의 발전을 촉진했다. 원자를 현미경으로 보려면 전자나 엑스선 같은 특별한 빛의 도움을 받아야 한다. 빛은 저마다 고유 파장을 가지며, 파장에 따라 물질에 대한 반응이 다르다. 적절한 빛을 광원으로 선택하고 최신 광학 설계와 정밀 제어 기술을 활용한 고성능 현미경으로 나노의 세상을 볼 수 있다.

나노기술은 소재, 전자, 에너지, 생명의료, 우주항공, 인공지능(AI) 등 거의 모든 분야에서 핵심적인 역할을 담당하고 있다. 하지만 그중에서도 가장 직접적으로 연관된 분야는 반도체와 생명과학 분야를 들 수 있다. 과학기술정보통신부는 산업통산자원부 등과 함께 시스템 반도체 비전과 전략을 수립해 신개념 반도체 원천기술 개발과 인력 양성을 위해 앞으로 10년간 2400억원을 투자할 예정이다. 삼성전자는 2030년까지 시스템 반도체 사업에 133조원을 투자하고 전문인력을 채용할 계획이다. 과감한 투자의 근간에는 극자외선을 이용한 ‘5나노 공정’ 등 원천 나노기술 개발의 뒷받침이 있다.

세계적인 과학저널 ‘사이언스’는 올해 과학기술의 주요 추세 중에서, 극저온 전자현미경 기술과 분자 추적 레이블 기술이 융합해 세포 안의 분자구조를 3차원으로 볼 수 있는 새로운 현미경 나노기술이 개발될 것으로 전망하고 있다. 특정 분자를 염색해 3차원으로 이미지를 얻으면 분자와 세포가 생체반응에 따라 어떻게 반응하고 움직이는지를 분자 수준에서 이해할 수 있다. 나노기술이 열어갈 새로운 세상이 다가온다. 나노기술은 거의 모든 과학기술의 핵심쟁점에 스며들어 있으며 인류의 삶을 변화시키고 있다. 나노기술은 인류가 꿈꿔온 이 시대의 진정한 연금술이다.

원병묵 성균관대 교수 신소재공학