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1.



NANOCRYSTALLINE SILICON




[ACS 04 July 2002]

2.



University At Buffalo Materials Researchers








Develop Device For "Ultrasmall" Data Storage


[Science Daily 27 June 2002]



3.



NanoMem said to exceed flash density








one-hundredfold


[EE Times 25 June 2002]



4.



Nanolayers Hopes to Cover Holes in Organic








Semiconductors


[Nanotech Planet.com 21 June 2002]



5.



Antibody-Based Bio-Nanotube Membranes for








Enantiomeric Drug Separations


[Science 21 June 2002]



6.



Ultrafast and direct imprint of nanostructures in








silicon


[Nature 20 June 2002]



7.



Nano-stamps make smaller, cheaper chips




[NewScientist.com 20 June 2002]

8.



Breaking the Mold




[Scientific American 17 June 2002]

9.



New method yields nanoscale structures from








polymers and blends


[MATERIAL SCIENCE 17 June 2002]

10.

Two Breakthroughs Achieved In Single-Molecule




Transistor Research; Results Promise Advances In




Nanoscale Electronics


[Science Daily 14 June 2002]

11.

Polymer Nanotubes by Wetting of Ordered Porous




Templates


[Science 14 June 2002]

12.

Magnetic Microchip Performs Key Computer




Operation


[UniSci 14 June 2002]



13.



IBM puts new spin on nano-storage




[ZDNet News 11 June 2002]

14.



나노레벨의 전자부품용 미세 금속 미립자




[日經産業新聞 2002/07/01]

15.



나노 컨트롤의 정밀위치 결정장치 (개발 리포트)




[日經産業新聞 2002/06/28]












16.



10 나노미터의 고속 회로 패턴 개발




[日經産業新聞 2002/06/26]

17.



시스템 LSI의 소비 전력을 10분의 1로 억제하는




신기술


[日本工業新聞 2002/06/20]

18.

美 ＩＢＭ이 1 칩 위에 7200만 회로를 설계할 수




있는 ASIC 개발


[日本工業新聞 2002/06/19]

19.

고정밀도의 위치 결정 장치 개발


[일경산업신문 2002/06/14]

20.

선폭 65 나노의 트랜지스터 게이트


[일본공업신문 2002/06/14]

21.

도시바가 세계 최초, 종래 웨이퍼와 동등 성능으로




혼재 ＤＲＡＭ 시험제작


[日本工業新聞 2002/06/13]

22.

미쓰비시 전기와 마쓰시타 전기가 차세대 시스템




LSI기술을 공동개발


[日本工業新聞 2002/06/13]

23.

미 노스웨스턴 대학，DNA 칩을 초소형화


[일경산업신문 2002/06/12]

24.

히타치 제작소가 게이트 長 20 나노 실현한 CMOS




디바이스 기술


[日本工業新聞 2002/06/11]





1.



바이오 디바이스가 21세기 프론티어를 개척한다


[Semiconductor FPD World 2002년 5월호]



2.



미 국립연구원, 나노기술 연구 발전방향 제시




[정보통신정책 제14권 12호 통권304호]

3.



미국의 국가나노기술계획




[과학기술정책]

4.



나노 생물학의 연구개발 동향




[과학기술동향 2002년 4월호]


1.



나노 테크놀로지 연구 최전선-반도체․ FPD에서








바이오까지 최첨단 기술을 소개


[Semiconductor FPD World 2002년 5월호]










ꁰ 응용 및 신제품


1. NANOCRYSTALLINE SILICON



Study elucidates mechanism for amorphous-to-crystalline transition

Silicon with nanoscale crystalline grains outperforms amorphous silicon in a number of industrial applications. Procedures for converting the disordered form to nanocrystalline forms are known, yet the techniques are not applicable to some technologies, and the mechanism governing the transition has remained the subject of debate for some 30 years.

Now, researchers at the University of California, Santa Barbara, have figured out how hydrogen atoms generated in a plasma infiltrate a silicon matrix and stimulate bond rearrangement, leading to crystallization of amorphous silicon films [Nature, 418, 62 (2002)].

Using infrared spectroscopy methods and molecular dynamics simulations, chemical engineering professors Eray S. Aydil and Dimitrios Maroudas and graduate students Saravanapriyan Sriraman and Sumit Agrawal determined that exposing hydrogenated amorphous silicon films to a plasma containing H atoms causes the atoms to be inserted into strained (stretched or compressed) Si-Si bonds as hydrogen diffuses through the films. Further diffusion breaks or perturbs the bonds, ultimately causing structural relaxation, which leads to crystallization on the nanometer scale.

In a commentary in the same issue of Nature, University of Cambridge engineering professor John Robertson notes that the Santa Barbara study may lead to improved nanocrystalline Si solar cells, which currently are prepared using plasma-deposition methods.


Thin-film transistors used in liquid-crystal displays also benefit from nanocrystalline Si, but for that application the material is prepared via laser methods.

Based on the present study, Robertson comments, plasma deposition is a promising and less expensive avenue worth exploring. Methods for controlling grain size and orientation still need to be developed, he says, “but easy manufacture of stable transistors by plasma deposition would have a major impact on the display-technology industry.”
ON THE MOVE Exposing amorphous silicon (left) to H atoms causes structural rearrangements, indicated by arrows, that reduce bond strain (red and blue lines) and lead to nanoscale crystallization (middle). Fully crystalline silicon is shown (right) for comparison.



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2. University At Buffalo Materials Researchers Develop Device For "Ultrasmall" Data Storage




Two University at Buffalo materials researchers have developed an extremely sensitive nanoscale device that could shrink ultra-high-density storage devices to record sizes.

The magnetic sensor, made of nickel and measuring only a few atoms in diameter, could increase data storage capacity by a factor of a 1,000 or more and ultimately could lead to supercomputing devices as small as a wristwatch, according to Harsh Deep Chopra, associate professor of mechanical and aerospace engineering, and Susan Hua, research associate professor of mechanical and aerospace engineering, in the UB School of Engineering and Applied Sciences.

The National Science Foundation (NSF) and U.S. Department of Energy supported their research.

As stored "bits" of data get smaller, their magnetic field gets weaker, making the bits harder to detect and "read." Reliable reading of the data depends on producing a large enough magnetically induced change in the electrical resistance of the sensor. Producing a detectable change at room temperature is another challenge.

In an experiment at UB, Chopra and Hua demonstrated that their tiny sensor produces an unusually large change in resistance in an ultra-small magnetic field at room temperature. The magnitude of the magnetic effect they created surpasses all previous records. The results will be published in the July 1 issue of Physical Review B.

The effect is based on spintronics, a rapidly growing field that employs not only the charge, but also the spin of electrons in making electrical devices.

The current technology used in the heads, or sensors, that read bits from a storage disk is based on an effect called "giant" magnetoresistance (GMR). GMR refers to the change in the sensor resistance when placed in a magnetic field; the effect is typically less than 100 percent. Inside a hard drive, a GMR device senses the local magnetic field of a stored bit of data. Such sensors have enabled commercial hard drives that can store the amount of data contained in a DVD full-length movie in a space the size of a credit card.

The effect created with the new nickel device is called "ballistic" magnetoresistance (BMR) and employs an electrical conductor that is only a few atoms wide and long. The BMR experiment exhibited a record change in sensor resistance of more than 3,000 percent. Chopra predicts the ultimate capacity will be about a terabit per square inch. This could enable the storage of 50 or more DVDs on a hard drive the size of a credit card.

Besides being useful for the multi-billion-dollar data-storage industry, the BMR techniques could improve magnetic measurements and the study of magnetic effects in individual atoms, molecules and nanoscale clusters. It could also greatly enhance resolution and sensitivity of scanning probe imaging techniques that are widely used to characterize magnetic materials.

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3. NanoMem said to exceed flash density one-hundredfold



By Nicolas Mokhoff

NEW YORK - Rolltronics Corp. said Monday (June 24) that it is developing a nanoscale thin-film memory that stores data in molecule-sized "cylinders" that retain data when power is removed. The NanoMem technology has the potential to store 10 to 100 times more data in the same space as current flash memory, and can be produced at a much lower cost, the company said.

Rolltronics, said it will make the NanoMem devices on a continuous roll-to-roll manufacturing production process similar to those used to print newspapers, in which the NanoMem devices are "printed" on a long roll of flexible plastic or metal foil that passes through production chambers, using rollers to define its path.

"Roll-to-roll manufacturing will allow Rolltronics to reduce costs by as much as five times, compared to flash memory, while increasing the data density 10 to 100 times," said Michael Sauvante, chief executive officer of Rolltronics (Menlo Park, Calif.). "It will take several years, but our molecular memory technology will make it possible."

NanoMem technology works on a principle of self-assembly. Data is stored in the molecules that self-assemble into cylindrical stacks in a sheet of plastic that is about 1.0 micron thick. The data is written in a low-voltage optoelectronic process that traps an electrical charge in the molecules of the plastic.

The nanoscale memory arrays are capable of storing data at such density that a PC Card module, for example, could hold up to 64 Gbytes of data, or 100 times more than current PC Cards that use flash memory chips. Also, a larger USB memory module would be capable of storing up to 5 terabytes of data in the same space as a standard 3.5-inch hard-disk drive.

Prototypes of the new memory technology developed and tested at the University of Texas in Austin revealed zero detectable data loss after 7,000 hours without power, and zero data degradation after 1.5 billion read-write cycles.

Storage devices based on NanoMem technology are slated to become available in 2004.

The company develops roll-to-roll manufacturing processes for producing electronic devices such as the NanoMem as well as thin-film batteries. It uses the process for producing flexible display components such as plastic OLEDs and electronic paper.

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4. Nanolayers Hopes to Cover Holes in Organic Semiconductors



By producing an extremely small, efficient layer of molecules, Jerusalem-based Nanolayers thinks it has the answer to the performance limitations that have slowed the commercialization of organic semiconducting materials.

The company's technology is an outgrowth of more than seven years of research activity by Dr. Shlomo Yitzchaik of the Department of Inorganic Chemistry at The Hebrew University of Jerusalem. Nanolayers, which holds an exclusive international license to Yitzchaik's technology, was formed in the summer of 2001 by Yissum, the technology transfer company of The Hebrew University.

So far this spring, Nanolayers has raised $300,000 in first-round financing from Millennium Materials Technologies Fund, an Israeli VC focused on advanced and specialty materials, and Summit Financial Investments Inc., an angel investment group in Britain. The company still has a term sheet open for its first round.

A Nanolayer can basically be used as the conducting material connecting a source and a drain. The first stage of the process sinks molecular hooks upon a chemical substrate, which prepares the material to receive the first layer of molecules. The material is now ready to receive a secondary layer of molecules. The process can be repeated incessantly to produce organic multilayers with high structural regularity and unique electro-optic properties. The films are also chemically, mechanically and thermally robust, which permits their integration into "on-chip" devices.

The promise of organic semiconductors lies in their lower costs and their ability to be applied to flexible surfaces. But organic semiconductors have also faced performance limitations because they offer poor electron mobility. According to Nanolayers CEO Ben-Tzion Spitz, Nanolayers films feature electron mobility more than 30 times faster than any previous effort. As for production costs, Spitz said devices based on Nanolayers technology may be produced for at least half the cost of present deposition stages in silicon microelectronics production.

Initial applications of Nanolayers technology could include flat-panel displays (both TFT-LCDs and OLED screens) and semiconductor ICs.

In a thin film transistor (TFT) LCD (also known as an active matrix display), which has a transistor for each pixel, Nanolayers enable the creation of a flexible organic transistor layer 2 to 20-nm thick that could replace the fragile and inflexible 2-mm thick silicon transistor layer. That's an improvement on the order of 100,000:1.

In an organic light-emitting diode (OLED) application, which uses an organic polymer material as the semiconductor material, Spitz said Nanolayers technology can shrink the organic layers from the existing 300 nm to less than 10 nm. Nanolayers can also solve problems with OLED screen lifetime, color tuning and power consumption.

According to Spitz, Nanolayers' processes are compatible with both silicon technology and stand-alone organic devices, such as the flexible plastic ICs presently under industry development.

This early in the game, Nanolayers has left its options open as to exactly how it will commercialize its technology. The company may license out the technology for specific applications, and it may also enter joint ventures with manufacturers. The future of Nanolayers' commercialization depends on its application. The same goes for the investment a manufacturer would have to make to produce the films. "Some applications are easier or cheaper than others," Spitz said.

The company has not yet given samples of Nanolayers material to manufacturers, but Spitz said Nanolayers has shared technical results of its work and has been encouraged. Samples are expected in the near future.

Nanolayers will use its VC money for market research, allowing it to identify which technologies could benefit from its product, as well as more technical work. While its first-round term sheet remains open and the company is hopeful more cash is headed its way, Spitz said the unrest in Israel shouldn't stop VC money from flowing into the area.

"I think in general the only effect is in smaller, procedural and administrative stuff," he said. Spitz said Middle East tensions have resulted in, for example, lawyers needed to conduct business being called to military service. And, of course, there is the reluctance of people to travel to the region, which Spitz said his company counters by traveling to them.

"Their concerns aren't unwarranted, but it has no effect on the technology," he said.

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5. Antibody-Based Bio-Nanotube Membranes for Enantiomeric Drug Separations




Synthetic bio-nanotube membranes were developed and used to separate two enantiomers of a chiral drug. These membranes are based on alumina films that have cylindrical pores with monodisperse nanoscopic diameters (for example, 20 nanometers). Silica nanotubes were chemically synthesized within the pores of these films, and an antibody that selectively binds one of the enantiomers of the drug was attached to the inner walls of the silica nanotubes. These membranes selectively transport the enantiomer that specifically binds to the antibody, relative to the enantiomer that has lower affinity for the antibody. The solvent dimethyl sulfoxide was used to tune the antibody binding affinity. The enantiomeric selectivity coefficient increases as the inside diameter of the silica nanotubes decreases.

1 Department of Chemistry and Center for Research at the Bio/Nano Interface, University of Florida, Gainesville, FL 32611-7200, USA.

2 VTT Biotechnology, Post Office Box 1500, FIN-02044 VTT, Espoo, Finland.

Drugs that are produced as racemic mixtures normally contain only one enantiomer that is efficacious and there is increasing pressure on the pharmaceutical industry to market enantiomerically pure drugs. One approach for obtaining an enantiomerically pure drug is to effect a chiral separation, typically by means of a chromatographic method.

An alternative enantioseparation strategy entails the use of a synthetic membrane to selectively transport the desired enantiomer from the racemic mixture into a receiver solution on the other side of the membrane. This requires that an enantioselective molecular recognition agent be incorporated into the membrane, and there are a few papers in the current literature on using molecular recognition proteins (such as enzymes) for this purpose.

Antibodies are perhaps the most specific of the molecular recognition proteins, and although they have been used in chromatographic experiments to perform enantio- and other bioseparations, there appear to be no examples of their use in membrane-permeation enantioseparations. This is perhaps because the binding constants for antibodies are often so large that the binding event is essentially irreversible.

This is undesirable because the membrane must ultimately release the target molecule so that it can be collected in the receiver solution. We show here that the binding affinity in synthetic nanotube membranes that contain an enantioselective antibody can be chemically tuned by addition of dimethyl sulfoxide (DMSO) to the racemic and receiver solutions. These membranes effect chiral separations by selectively transporting the enantiomer that binds to the antibody relative to the enantiomer that has lower affinity for the antibody.

The antibodies were selected to bind the drug 4-[3-(4-fluorophenyl)-2-hydroxy-1-[1,2,4]triazol -1-yl-propyl]-benzonitrile, an inhibitor of aromatase enzyme activity. This molecule has two chiral centers and thus four stereoisomers: RR, SS, SR, and RS. The antibody used selectively binds the RS relative to the SR enantiomer, and membranes based on the Fab fragment of this antibody were used to separate this enantiomeric pair. The cloning, production, and purification of this RS-enantiospecific Fab fragment (anti-RS) have been reported previously.

Nanopore alumina films were used as host membranes for immobilization of the anti-RS. Films having pores with diameters of 20 and 35 nm were used for these studies. A sol-gel template synthesis method was used to deposit silica nanotubes (with a wall thickness of <3 nm) within the pores of the alumina films. The inside walls of the silica nanotubes were then reacted with a silane that terminated in an aldehyde functional group. Aldehyde groups react spontaneously with free amino sites on proteins, and this approach was used to attach the anti-RS to the inside walls of the silica nanotubes.

The anti-RS-containing membrane was mounted between the two halves of a U-tube permeation cell. A feed solution that was a racemic mixture of the RS and SR enantiomers (typically 0.1 mM in each enantiomer dissolved in pH = 8.5 phosphate buffer that was 10% in DMSO) was placed on one side of the membrane. The receiver solution on the other side of the membrane was just the phosphate/DMSO buffer. The fluxes of the RS and SR enantiomers across the membrane were determined by periodically assaying for these enantiomers in the receiver solution using a chiral high-performance liquid chromatography method.

The slopes of straight-line plots of moles transported versus time provide the fluxes of the RS and SR enantiomers across the anti-RS-containing nanotube membrane. The ratio of the RS flux to the SR flux is the transport selectivity coefficient. An average value of 2.0 ± 0.2 was obtained for three identical membranes prepared from the alumina with a pore diameter of 35 nm, indicating that these membranes transport the RS enantiomer twice as fast as they transport the SR enantiomer. The same value was obtained after storage of the membrane for 1week in the phosphate/DMSO buffer.

Because it is the RS enantiomer that specifically binds to the immobilized anti-RS, these data suggest that this Fab fragment is facilitating the transport of this enantiomer. If this is correct, theory predicts that the RS flux should initially increase linearly with feed concentration and that the curve of flux versus feed concentration should then flatten at higher concentrations. We investigated the effect of the concentration of the enantiomers in the racemic feed solution on the fluxes and observed this Langmuirian-shaped curve for the RS enantiomer.

The plot for the SR enantiomer is more linear, although some curvature is observed at the highest concentrations, which suggests that this enantiomer interacts weakly with the anti-RS. Facilitated transport theory also predicts that the highest selectivity coefficient should be obtained at the lowest feed concentration, and this result was also observed. A maximum selectivity coefficient of α= 2.6 was obtained for this membrane.

Column chromatography experiments showed that the binding strength between the RS enantiomer and the anti-RS decreased with increasing DMSO content of the buffer. If the facilitated transport mechanism is operative, these data would suggest that the RS flux would be highest at low DMSO contents and that the flux would decrease with increasing DMSO content. Furthermore, the RS flux should ultimately become equal to the SR flux, because at high DMSO content, neither enantiomer interacts appreciably with the anti-RS. These predictions were observed experimentally. The weak interaction of the SR enantiomer with anti-RS was also confirmed by these studies, because the SR flux shows a slight decrease with increasing DMSO content. These studies also illustrate that there is an optimal DMSO content that maximizes the value of the selectivity coefficient.

The selectivity in a facilitated transport process can be increased by shutting down the nonfacilitated (diffusional) transport of the unwanted chemical species; in porous membranes, this can be accomplished by decreasing the pore size in the membrane. We explored this issue by measuring RS versus SR flux in analogous membranes prepared with alumina films having pores 20nm in diameter. The selectivity coefficient increased to α= 4.5 for this smaller pore-diameter membrane. However, as would be expected, the fluxes for both enantiomers were lower in the smaller pore-diameter membrane.

Because, in principle, antibodies can be obtained that selectively bind to any desired molecule or enantiomer, the concepts presented here might provide a general approach for obtaining selectively permeable membranes for a host of enantio- and bioseparations. However, throughput (that is, flux) in a membrane separation process is just as important as selectivity, and methods for enhancing flux across such membranes need to be developed. As per our prior work, this can be accomplished by making an ultrathin film composite and/or by augmenting diffusive flux with pressure-driven or electro-osmotic transport.

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6. Ultrafast and direct imprint of nanostructures in silicon



The fabrication of micrometre- and nanometre-scale devices in silicon typically involves lithography and etching. These processes are costly and tend to be either limited in their resolution or slow in their throughput. Recent work has demonstrated the possibility of patterning substrates on the nanometre scale by 'imprinting' or directed self-assembly, although an etching step is still required to generate the final structures.

Figure 1 Schematic of laser-assisted direct imprint

(LADI) of nanostructures in silicon


We have devised and here demonstrate a rapid technique for patterning nanostructures in silicon that does not require etching. In our technique-which we call 'laser-assisted direct imprint' (LADI)-a single excimer laser pulse melts a thin surface layer of silicon, and a mould is embossed into the resulting liquid layer. A variety of structures with resolution better than 10 nm have been imprinted into silicon using LADI, and the embossing time is less than 250 ns.

The high resolution and speed of LADI, which we attribute to molten silicon's low viscosity (one-third that of water), could open up a variety of applications and be extended to other materials and processing techniques.

In LADI, a single XeCl excimer laser pulse (308 nm wavelength and 20 ns pulse duration) passes through a quartz mould (which does not absorb the laser energy because it has a bandgap larger than the photon energy) and melts a thin surface layer of the silicon substrate within picoseconds. The molten silicon layer (which can be about 300 nm deep and remain molten for hundreds of nanoseconds) is then embossed by the quartz mould (Fig. 1). After the liquid silicon solidifies, the mould is separated from the imprinted silicon for the next imprint.

The experimental details are follows. First, the moulds, made of fused quartz 1 mm thick, have patterns on the quartz surface ranging from 10 nm to tens of micrometres in size that were fabricated by nanoimprint lithography and reactive ion etching. The moulds were diced into 1.5mm*1.5mm pieces to fit within the excimer laser beam area of 2.5mm*2.5mm, ensuring that all the silicon beneath the mould melts during LADI. The patterns on a LADI mould are of three types: (1) the 300nm period grating of 140nm linewidth and 110nm depth; (2) the 10nm wide and 15nm deep lines, which were created as a result of the trenching effect in reactive ion etching during the mould fabrication; and (3) the rectangles of length and width in tens of micrometres and a depth of 110nm.

Second, the pressure between the mould and silicon wafer was applied by sandwiching them between two large press plates. The silicon wafer was placed on the lower plate with the mould on top of the silicon wafer. The top plate, also made of fused quartz and hence transparent to the laser beam, was placed on top of the mould. Pressure was provided by screws between the two large plates. The exact pressure between the mould and the silicon wafer is unknown, but can be estimated from imprint time, imprint depth, and the mass of the mould, as discussed later. In this set-up the pressure is applied before the silicon is melted.

Third, the measured transmittance of the mould for the laser radiation is 93%, which indicates that the mould indeed does not absorb the laser energy, because the total reflection due to the difference in refractive index at the two mould-air interfaces should be around 7%.

Fourth, the melting of silicon surface can be monitored in situ during the LADI process, by measuring the time-resolved reflectivity of a HeNe laser beam (wavelength = 633 nm) from the silicon surface. When silicon melts, it changes from a semiconductor to a metal, hence its surface reflectivity to visible light increases by about a factor of two. Figure 1f shows that under the laser radiation, the reflectivity of the Si surface increases rapidly in the first 25ns, then saturates for 200ns, and finally returns to the original solid silicon reflectivity in 50ns. The silicon starts to melt immediately in less than picoseconds after the laser hit the surface, so the reflectivity raise time should be the same as the laser pulse duration (20ns), rather than 25ns as measured. The discrepancy might be related to the RC (resistor-capacitor) time constant of the oscilloscope (100MHz), which is 10ns. The reflectivity measurements showed that the silicon surface was kept in liquid phase for about 220ns. On the basis of theoretical calculations and the melting depths experiments by other groups, the melting depth was estimated to be about 280nm.

Figure 2 Scanning electron microscope

(SEM) images


Using the time-resolved reflectivity measurements, we also investigated the effect of laser beam fluence on the silicon melt. We found that a fluence lower than 0.8 J cm-2 does not melt the silicon surface, but for a fluence higher than 2 J cm-2, laser ablation of silicon will occur. We found that a laser pulse of 20 ns duration and 1.6 J cm-2 fluence melts a silicon surface sufficiently without ablation and has been used for all the results shown here.

The nanostructures directly imprinted in Si were characterized using scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) and optical microscopy. We found that the entire mould (1.5 mm*1.5 mm) was imprinted into the silicon wafer. Large-area uniform 300 nm period gratings in silicon by LADI have been achieved (Fig. 2a). The mould after two times of use does not show observable damage (Fig. 2b).

The cross-sectional views of the mould and the imprinted silicon features show that the imprinted Si structures are consistent with the mould (Fig. 3). One interesting feature in Fig. 3b is the ridge formed along the top corners on the imprinted grating lines. These ridges are about 10 nm wide and 15 nm high. The comparison with the mould indicates that these ridges come from the notches formed in the mould, which were caused by the trenching effect during reactive ion etching of the mould. The complete transfer of these 10-nm ridges in a LADI process suggests that the resolution of LADI is better than 10 nm.

Figure 3 SEM image of the cross-section

of samples patterned using LADI


Besides nanoscale features, LADI also demonstrated that isolated mesas and trenches of size of over tens of micrometres can be patterned, such as an isolated square mesa of 8 μm side and 110 nm height (Fig. 4). Successful imprinting of these large patterns indicates that the molten silicon can easily flow over tens of micrometres within nanoseconds.

The three intriguing characteristics of LADI-sub-10-nm resolution, sub-250-ns processing time, and excellent imprint of large isolated patterns-are related to the fact that molten silicon has a viscosity of 0.003 cm2 s-1, which is one-third that of water (0.01 cm2 s-1; ref. 10). This low viscosity enables the molten silicon to flow rapidly into all crevasses, filling them completely and conforming to the mould. Furthermore, silicon, like water, has a liquid phase density (2.52 g cm-3) greater than its solid phase (2.32 g cm-3; ref. 11). The transformation from liquid to solid causes the silicon volume to expand about 3% in each direction. However, during LADI the mould was at a lower temperature than that of molten silicon, so the shrinking of silicon caused by the temperature drop can offset the expansion of silicon from liquid phase to the solid.

Figure 4 Atomic force micrographs (AFM)

of isolated mesas patterned by LADI

LADI can be applied to other materials. We have deposited, by chemical vapour deposition (CVD), a 230 nm polysilicon layer on top of a 200 nm thick silicon dioxide layer grown on a silicon substrate. Nanostructures have been patterned in the polysilicon layer by LADI (for example, Fig. 4b). The results are the same as that of crystalline silicon, except that the polysilicon has a slightly lower melting energy than crystalline silicon. This indicates that LADI may become a good tool to directly pattern nanoscale gates for metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs).

The velocity, acceleration, force, pressure, and Reynolds number involved in LADI of silicon can be estimated to provide further information about the process. In our experiments the imprint depth was 110 nm and the imprint time was around 250 ns. For simplicity, we assume that the mould travelled a distance of 100 nm in 200 ns; however, this distance may be slightly overestimated owing to elastic distortion of the mould under pressure and the upward flow of liquid silicon.

This leads to an average imprint velocity of about 0.5 m s-1 and an average acceleration of 5*106 m s-2-nearly a million times the gravitational acceleration. Because the mould has a weight of about 5.6 mg, the total force needed for the acceleration is about 28 N. For the given mould area (2.25 mm2), the total pressure on the mould needed for the imprint is 1.7*106 Pa or about 17 atm. If we assume the liquid Si flow during LADI is one-dimensional and into a 140 nm opening at a speed of 0.5 m s-1, then the Reynolds number is 0.23, which is quite small, indicating a laminar flow.

Finally, LADI can be extended to large areas, other materials, and other processes. The LADI area could be as large as a whole wafer (4 inch or 8 inch diameter), or a one-inch-square die (that die can be used to cover an entire wafer by step and repeat), provided that a uniform laser beam over a large area is available. Conventional nanoimprint has demonstrated excellent uniformity over a 4-inch wafer in a single step.

LADI also could be used for other materials beyond crystalline silicon and polysilicon, such as Ge, Ⅲ-V compound semiconductors and dielectrics (a different laser wavelength would be needed). LADI could help to crystallize polysilicon further.

LADI might be well suited for three-dimensional patterning (for example, forming a lens on a Si or glass surface), which is challenging to achieve by conventional lithography and etching. LADI could offer a unique method to fill tiny holes in a dielectric (for example, silicon dioxide) with silicon, and a unique means of flattening the surface of a semiconductor deposited on a dielectric. Both are difficult issues in integrated circuit fabrication. Many applications of LADI are yet to be explored.

[Nature 417, 835 - 837 (2002); doi:10.1038/nature00792]

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7. Nano-stamps make smaller, cheaper chips



A new method of imprinting nanoscale features on silicon using a microscopic "stamp" could allow more complex computer chips to be manufactured faster and more cheaply than is currently possible.

Microchips are currently manufactured using photolithography. This light-based process can create features 100 nanometres in size, but scaling down much further is expected to prove very complicated and costly.

The new method, Laser-Assisted Direct Imprint (LADI), has been developed by a team at Princeton University. It is less complicated, much faster and can already create features measuring just 10 nanometres.

A quartz mould with the required imprint is created and placed on top of the silicon. A laser pulse fired through the mould melts the top layer of the silicon, and allows the mould to imprint it with the desired structure.

To create a fully-functioning chip, multiple layers of silicon must be constructed on the top layer of the chip, and metal components must be added.

Markus Levy, a senior analyst with the semiconductor industry publication Microprocessor Report says it would be difficult to incorporate the new method into existing techniques but believes it could simplify manufacturing. "At the simplest level, using this new technique to score the wafer prior to forming the integrated circuits could greatly reduce the cost of separating the chips," Levy told New Scientist.

Chemical etching

Fabian Pease, at Stanford University in California, says the new method still needs refinement. For example, he says, it is unclear how other components could be built on top of the imprinted silicon. But he says if these can be worked out, the new method could give the computer industry a new lease of life says.

"On grounds of cost, speed and resolution, LADI, or some other form of mechanical printing, may displace optical projection as the preferred manufacturing technology for fashioning silicon chips," Pease writes in an article that accompanies the paper in the journal Nature.

Current photolithography involves firing ultra-violet light through a mask bearing a chip's design and a series of lenses onto a photosensitive layer on top of a piece of silicon. The chip's features can then chemically "etched" onto the silicon using this template.

[Journal reference: Nature (vol 417, p835)]

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8. Breaking the Mold



Big-name researchers are moving to commercialize nanomanufacturing

During the early 1990s IBM investigators decided to explore the capabilities of an atomic-scale imaging device called an atomic-force microscope. They looked for defects in the small holes that represent digital bits on the surface of a CD-ROM. The testing process revealed that the nickel mold that was used to make a CD-ROM had a defect, a tiny bump less than a few hundred nanometers in height.

Everyone in the laboratory nicknamed it a zit. C. Grant Willson, a fellow at IBM, marveled at how the mold produced an exact replica of the defect in disk after disk. The metal pimple served as an inspiration of sorts. As he looked at the atomic-force image, Willson mused that this ability to create perfectly formed nanostructures might portend an entirely novel method of making small things.

That insight led him to become one of several pioneers who may turn nanotechnology from hyperbole into technological reality. Willson and other leading researchers at Princeton University, Harvard University and the California Institute of Technology have begun to commercialize molding, stamping, printing and embossing methods reminiscent of children's toys or industrial processes used by automakers. Eventually these endeavors may transform the manufacturing of devices used by the semiconductor, telecommunications and biomedical industries.

For Willson, the path to nanomanufacturing began when he left IBM in 1993 because he disliked the prospect of having to lay off, during a period of corporate upheaval, many of the investigators in a materials research group that he managed. Taking a job at the University of Texas, he ended up collaborating with a mechanical engineering professor, S. V. Sreenivasan, on research directly influenced by his original work on the nanozit.

The researchers developed a manufacturing method that begins by making a bas-relief mold in a quartz plate that contains an indented image of transistors, wires or other components of electronic circuits. The mold is then set down atop a layer of a liquid monomer on the surface of a chip. The liquid fills the recesses of the mold before an ultraviolet light shines through the quartz to harden the liquid into a polymer. The chip is then subjected to further finishing steps. Features in the circuits produced by what is called step-and-flash imprint lithography can be as small as five nanometers, the size of some molecules. "It's like the first printing press, like Gutenberg," Willson notes. "I would never have thought you could mold something that small."

Last year Willson and Sreenivasan convinced veteran entrepreneur Norman E. Schumaker, who had previously founded a successful semiconductor equipment manufacturer, Emcore, to head a start-up, Molecular Imprints, to commercialize the technique. By year's end Molecular Imprints expects to deliver the first step-and-flash machines for testing and research to customers in the semiconductor industry--potentially including Motorola and KLA-Tencor, which have also invested in the start-up.

Semiconductor companies have put money into Molecular Imprints to hedge their bets. The industry would dearly like to dismiss step-and-flash as an interesting academic exercise, opting instead for the status quo. Advanced forms of conventional lithography will make circuits by exposing a photosensitive chemical, termed a resist, to very short wavelengths of ultraviolet light. But the growing cost of this latter approach may still favor step-and-flash.

A world-renowned materials researcher, Willson plays both sides of the fence. Work in his laboratory also targets polymer resists for advanced optical lithography. So he knows intimately the "frightening" challenges that remain: optical resists require a whole new set of untested materials. But it doesn't really matter to Willson which approach prevails. "My job is to produce students," he says. "Both projects are wonderful for producing students."

Stephen Y. Chou has spent his career extending miniaturization to its limits. Before the word "nanotechnology" came into widespread usage, he was building "submicron structures." Beginning in the 1980s he established records for crafting the smallest transistors, for creating transistors that switch on and off using a single electron, for building magnetic storage devices from "nanopillars" and for fashioning optical networking elements smaller than the wavelength of light. "For me, the most important thing was to break the length-scale limit," says Chou, who got his undergraduate degree from the University of Science and Technology in Beijing and a doctorate from the Massachusetts Institute of Technology before going on to an academic career at Stanford University, the University of Minnesota and now Princeton.

In the early 1990s he would present his work at conferences and have to field questions constantly about commercializing the technology. Making a device feature smaller than the wavelength of light using the optical lithography employed in chipmaking is exceedingly difficult--it resembles trying to draw a very thin line with the point of a very blunt crayon. Like Willson, Chou set about exploring methods for fabricating devices that do not depend on optical radiation.

Throughout the decade Chou, with backing from federal agencies, developed a manufacturing process for subwavelength nanostructures, elements smaller than about 200 nanometers. In the past three years Chou has pioneered early commercial uses for nanomanufacturing with a molding technique similar to Willson's to make subwavelength optical devices. Rather than using ultraviolet light to cure a polymer, as Willson does, Chou heats the material until it flows into the mold; it hardens on cooling. That mold can then pattern structures on the surface of a chip.

Chou's company, NanoOpto, aims to integrate optical components on a chip, as if it were a memory chip or microprocessor. Instead of creating transistors and resistors, the firm will produce devices such as filters, waveguides and the cavities for a laser. The manufacturing process, nanoimprint lithography, holds the promise of automating the making of optical components that, until recent years, often required costly hand assembly. Fabricating these components in large batches could bring down the prices of the amplifiers, switches, lasers and the larger systems in which they are incorporated.

Moreover, subwavelength components can improve network performance. "You can bend light in ways that are impossible using classical optical elements," Chou says. NanoOpto, which has built a manufacturing plant in Somerset, N.J., has delivered to major telecommunications customers test samples of discrete devices that polarize, combine or split light beams. Because of the unique properties of the nanostructures--the smallest features that process light boast 20-nanometer dimensions--a combiner can merge light beams that enter the device at widely varying angles. The relaxed tolerance means that the combiner does not have to be carefully aligned with an adjoining optical fiber by hand, thereby enabling cost-saving automated assembly by robots.

Chou's company put together a management team consisting of former executives from Lucent Technologies, Sun Microsystems and Agere Systems. It has also served as an employment agency for Chou's graduate students: five now labor at the company. For the moment, NanoOpto must contend with a serious depression in the market for optical-networking equipment, although it has continued to receive modest venture financing. Another company set up by Chou, Nanonex, will focus on supplying customers with commercial tools for performing nanoimprint lithography.

Nanomanufacturing is a technological platform that can fabricate a vast array of miniaturized components. "The challenge is to make a lot of the right decisions about what products represent the right opportunity," says Barry J. Weinbaum, NanoOpto's president and chief executive. "What companies should we partner with, and which companies are going to make it in the marketplace?" A nano misstep could turn into a large and potentially fatal error.

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9. ALIGNING POLYMER NANOTUBES, EASILY

New method yields nanoscale structures from polymers and blends



MATERIAL SCIENCE Volume 80, Number 24

CENEAR 80 24 p. 5

ISSN 0009-2347

A new chemical procedure can be used to prepare neatly aligned nanotubes from a wide range of polymers, polymer blends, and multicomponent solutions, according to researchers in Germany. The work provides a general technique for preparing functionalized structures for applications in nanotechnology.

By wetting ordered porous templates with droplets of polymer melts or polymer solutions, Martin Steinhart and Joachim H. Wendorff of Philipps University in Marburg, Ralf B. Wehrspohn and Ulrich M. Gosele of Max Planck Institute of Microstructure Physics in Halle, and coworkers coat template surfaces with polymer films that retain the shape of the template's pore array after the template is removed by chemical means [Science, 296, 1997 (2002)].


Using lithographically prepared alumina and oxidized silicon templates, the team prepared nanotubes with walls 20 to 50 nm thick and lengths of up to 100 mm. The group demonstrated the technique's versatility by fabricating nanotubes from polytetrafluoroethylene, polymethylmethacrylate, poly-L-lactide/palladium acetate, and other materials.
PACKED An electron micrograph shows that a simple and fast procedure can be used to prepare nicely ordered polymer nanotubes (polystyrene shown here).

COURTESY OF MARTIN STEINHART

The products are hollow, the researchers explain, because the adhesive forces between the polymer melts or solutions and the template walls are greater than the cohesive forces needed to turn the polymers into solid plugs inside the template channels. Wetting template surfaces with thin films takes place on a faster timescale than completely filling the pores, the group says. The unwanted pore-filling process is shut down because, in the case of polymer melts, the material cools and hardens as it coats the surface. And with polymer solutions, the solvent evaporates as the solution wets the surface.

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10. Two Breakthroughs Achieved In Single-Molecule Transistor Research -Results Promise Advances In Nanoscale Electronics




How small can electronic devices get? Nano-small! Two teams of scientists have fashioned transistors from single molecules, and report their results in the June 13 issue of Nature.

The ability to use individual molecules for electronics is a coveted breakthrough for science at the nanometer scale and for electronics industries because of the potential to shrink the size of components well beyond what is possible using conventional lithography techniques.

Transistors, traditionally made from silicon, regulate the transmission of electrons across barriers. The barrier height, and hence the electron flow, can be controlled by applying a small voltage to an electrode that acts as a gate.

At the Cornell University Center for Materials Research, funded by the National Science Foundation (NSF), Paul McEuen, Dan Ralph, Hector Abruna and colleagues wedged a molecule containing a single cobalt atom between gold electrodes. They were able, using a gate voltage, to control the transfer of electrons across the cobalt atom, demonstrating the ability to regulate electrical flow at the smallest possible scale.

Hongkun Park and coworkers at Harvard University developed a transistor by inserting a different molecule containing two atoms of the metal vanadium between gold electrodes. The scientists were able to start and stop the flow of electrical current by adjusting the voltage near the bridging molecule, and observed magnetic interactions between electrons in the gold and the vanadium atom.

Park's research was supported by individual NSF grants and by the NSF Center for the Science of Nanoscale Systems and their Device Applications at Harvard. The di-vanadium molecule was developed by NSF grantee Jeffrey Long at the University of California at Berkeley.

By demonstrating the ability to control electron flow across one molecule and even a single atom, scientists have become optimistic about the ability to someday build the smallest possible electronic components.

An important aspect of the research is developing the ability to conduct electrical measurements at the nanoscale; for example, to measure the electrical properties of single molecules. Both of the NSF-supported experiments demonstrated this ability.

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11. Polymer Nanotubes by Wetting of Ordered Porous Templates



1 Institute of Physical Chemistry and Center of Materials Science, Philipps-University, Hans-Meerwein-Strasse, D-35032 Marburg, Germany.

2 Max-Planck-Institute of Microstructure Physics, Weinberg 2, D-06120 Halle, Germany.

We have developed a simple technique for the fabrication of polymer nanotubes with a monodisperse size distribution and uniform orientation. When either a polymer melt or solution is placed on a substrate with high surface energy, it will spread to form a thin film, known as a precursor film, similar to the behavior of low molar mass liquids (1, 2).

Similar wetting phenomena occur if porous templates are brought into contact with polymer solutions or melts: A thin surface film will cover the pore walls in the initial stages of wetting.

This is because the cohesive driving forces for complete filling are much weaker than the adhesive forces. Wall wetting and complete filling of the pores thus take place on different time scales.

The latter is prevented by thermal quenching in the case of melts or by solvent evaporation in the case of solutions, thus preserving a nanotube structure.

If the template is of monodisperse size distribution, aligned or ordered, so are the nanotubes, and ordered polymer nanotube arrays can be obtained if the template is removed.

Any melt-processible polymer, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), blends, or multicomponent solutions can be formed into nanotubes with a wall thickness of a few tens of nanometers. Owing to its versatility, this approach should be a promising route toward functionalized polymer nanotubes.

We used ordered porous alumina and oxidized macroporous silicon templates with narrow pore size distribution (3). Extended regular pore arrays were prepared by lithography.

The pores are well-defined, straight, with a smooth inner surface and with diameters DP between 300 and 900 nm.

To process melts, we placed the polymer on a pore array at a temperature well above its glass transition temperature, in the case of amorphous polymers, or its melting point, in the case of partially crystalline polymers. The liquid polymer forms a thin wetting film covering the entire pore surface on a time scale ranging from a few minutes to half an hour.

Polymer solutions were dropped on the templates at ambient conditions (fig. S1A) (4). The resulting nanotubes obtained from either method had wall thicknesses between 20 and 50 nm and lengths of up to 100 μm. Oligomers as well as polymers with molecular masses Mn up to several hundreds of thousands of grams per mol were processed. Figure 1 depicts nanotubes formed from several polymers by melt-wetting.


The tip of a polystyrene (PS) nanotube (Mn ~ 850,000 g/mol) formed in an alumina template was uncovered by etching the alumina substrate with aqueous potassium hydroxide (Fig. 1A) (4). Figure 1B shows the same sample after the complete removal of the template. Figure 1C depicts an array of aligned PTFE nanotubes obtained by wetting an alumina template and Fig. 1D a highly ordered array of polymethyl methacrylate (PMMA; Mn ~ 80,000 g/mol) nanotubes prepared by wetting a macroporous silicon template. After selectively dissolving the template, the remaining nanotube array still exhibits its hexagonal long-range order.

The wetting technique can be easily extended to prepare functionalized nanotubes, for example, palladium/polymer composite nanotubes. We first wetted the porous templates with a solution containing poly-L-lactide (PLLA) and palladium(II)acetate under ambient conditions.

After evaporation of the solvent dichloromethane, a PLLA/palladium(II)acetate film covered the pore walls. The template was subsequently annealed in vacuum at temperatures of up to 300°C to degrade PLLA (5) and to reduce Pd.

In a second wetting step, molten PS was added, so that Pd/PS composite tubes were formed (fig. S1B). Energy-dispersive x-ray microanalysis verified the presence of Pd (fig. S1C), and selected area electron diffraction of single composite tubes revealed that it was metallic with a typical crystallite size of 2 to 3 nm (fig. S1D).

As demonstrated by this example, template-wetting should have an outstanding potential in providing customized nanotubes for a broad range of applications in nanoscience.

[http://www.sciencemag.org/cgi/content/full]

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12. Magnetic Microchip Performs Key Computer Operation



Scientists have successfully carried out a basic computer operation using a magnetic microchip - a major step along the way to establishing a new generation of electronics and computer technology.

The work was done at Durham University in the UK.

Scientists there are working in the rapidly growing field of nanotechnology, harnessing the magnetic properties of electrons, rather than their electrical charge, on which conventional electronics is based.

Magnetic microchips could, in the future, offer a range of benefits over standard chips in terms of size, cost, flexibility, stability and energy efficiency.

Magnetic methods of storing information have already been demonstrated. Now, in the Department of Physics at Durham, Dr. Dan Allwood, Dr. Russell Cowburn and the rest of Dr. Cowburn’s team have taken the next key step of using a magnetic chip to perform one of the most fundamental tasks on which all computing is based:

Called the “NOT” operation, it converts a 0 into a 1, and a 1 into a 0.

Their work is published in today's issue of Science.

Dr. Cowburn said, “This is the first time a logic function has been performed on a magnetic microchip. We have established that it is now possible to do basic arithmetic, and that is one of the key steps we need to take before we can realize the big picture in the development of magnetic electronics

.

"It is important and exciting and there is still some way to go, but the potential is there to create a whole new technology based on magnetism rather than electricity.”

Nanoscale engineering involves working with materials at an extremely microscopic level. A nanometer is one thousand millionth of a meter - about the width of five atoms.

The current research is also an example of the new science of “spintronics.” The magnetic microchip uses the “spin” of an electron, which creates a north and south pole, to produce the 1s and 0s that in conventional electronics are made by switching between high voltage and low voltage.

The advantages of the new technology include:

Magnetic Microchip Performs Key Computer Operation

‧ energy saving: the dissipation of power is many times less than from a traditional electronic microchip;

‧ stability: the new chips are less "volatile," in the sense that when the power is switched off, they don’t lose their memory;

‧ size: a magnetic chip has the potential to be many times smaller than the corresponding electronic chip; it may be possible to make magnetic chips the size of just a few atoms.

The paper is titled: Submicrometer Ferromagnetic NOT Gate and Shift Register. The complete team of authors, all from the University of Durham, is D. A. Allwood, G. Xiong, M. D. Cooke, C. C. Faulkner, D. Atkinson, N. Vernier and R. P. Cowburn.

The University of Durham Physics Department has a leading Grade 5 in the national assessment of research quality, which recognizes world-class work in many branches of physics, from materials science to particle theory and cosmology. It was also the first Durham department to be awarded the maximum 24 points for teaching quality. It is one of the largest science departments at Durham, with about 450 undergraduates and more than 70 postgraduates.

Dr. Cowburn and his nano-magnetics research team will expand into more laboratory space later this year as a result of a new building, the Ogden Centre for Fundamental Physics, due to open in the fall.

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13. IBM puts new spin on nano-storage



By Michael Kanellos


IBM researchers have created a storage device that holds up to a trillion bits of information, or about 25 million textbook pages in a postage stamp-size area, as the push to find new storage technologies rolls on.

The experimental prototype, part of an ongoing nanotechnology-research project code-named Millipede, is a chip containing more than 1,000 heated spikes that can make, or read, tiny indentations in a polymer film, said Peter Vettiger, the Millipede project leader.

Like punch cards in the computers of old, the pattern of the indentations--measuring 10 nanometers each--essentially is the digitized version of the data meant to be stored. The minute size of the indentations, though, means that Millipede chips are 20 times more densely packed with information than current hard drives. With this, cell phones could hold up to 10GB of data.

Just as important, Millipede will likely be relatively inexpensive to manufacture because the chips can be made through existing manufacturing techniques. A heartier 4,000-spike prototype that can be connected to handheld devices will come out a year from now with commercial products potentially arriving in a few years.

"There is not a single step in fabrication that needs to be invented," Vettiger said. "I could imagine that if everything works well, then in the late 2005 timeframe something could be available."

Several companies are trying to come up with replacements for hard disks, the universal storage medium for PCs, and flash memory, which stores data inside cell phones. Hitachi has proposed a similar polymer-punch method, but it does not involve heating the needle. Intel, meanwhile, is working on Ovonics, a type of memory made out of the same material as CD-ROM disks. Start-up Matrix Semiconductor has also developed 3D record-once flash memory.

Hard drives and flash memory still work, but these new techniques promise far greater storage data, allowing consumers to store several movies on a personal video recorder, but in the space the size of a sugar cube.


"This technology is a real alternative to rotating storage and systems that can be affected" by heat, shock or external factors, said Richard Doherty, president of research firm The Envisioneering Group. "In nanotechnology there is no one with more patents than IBM."

Heat is at the heart of Millipede. Each of the spikes on a Millipede chip contains a heating resistor and sharp tip. To make an indentation, the resistor warms up the tip to 400 degrees Celsius as well as the polymer recording media, located less than a micron away. The hot tip is then plunged into the film, which creates a dent.

To read stored data, the tip is heated only to 300 degrees Celsius, Vettiger said. This allows the tip to interpret the pattern embedded in the film without changing the pattern of the indentations. Unlike hard drives, where a needle moves to locate data, in Millipede the tips stay stationary and the film moves.

"The number of tips working in parallel determine the read-write speed," Vettiger said.

Millipede chips can also be re-used by reheating the film and letting it ooze to horizontal.

Despite the extreme temperatures, the experimental prototype is relatively stable, Vettiger stated. The tip remains at 400 degrees Celsius for only a few milliseconds. The small size of the chips also means that little electricity is required to spike temperatures in this manner.

External vibrations, product packaging and heat from other internal components are all issues, but not insurmountable ones, Vettiger said.

Millipede is also part of IBM's efforts to promote nanotechnology, the science of building chips and other devices out of components that measure 100 nanometers or less.

Today's semiconductors generally consist of transistors and components that measure 180 to 130 nanometers in length. The 100-nanometer barrier is more significant than other milestones (like the jump from 180 to 130 nanometers) because the behavior of matter begins to change at that level, according to several researchers.

"The nano scale is very different and unique--the properties of matter change with size or shape," said R. Stanley Williams, a Hewlett-Packard fellow and director of the company's Quantum Science Research Laboratories. "Electrons no longer behave like rocks as they do in current electronic devices. Electrons behave as waves."

Carbon nanotubes, one of the most widely discussed nanotechnology developments--and one that is often used synonymously with nanotechnology--may not hit the market for another 15 to 20 years.

By then, though, companies will release products made of silicon that fit the definition of nanotechnology. Intel and most other leading semiconductor manufacturers, for instance, will release chips next year containing parts that measure 90 nanometers on average.

Millipede chips are an example of silicon nanotechnology. "The fabrication processes we require to build these chips are all derived from semiconductor fabrication techniques," Vettiger said.

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14. 나노레벨의 전자부품용 미세 금속 미립자



닛신제분 그룹의 닛세이 엔지니어링은 나노레벨의 미세화한 금속 등의 미립자의 샘플출하를 개시했다．전자 부품용을 중심으로 ３년내에 본격출하를 목표한다. 미립자의 판매 사업의 매상고를 수십억엔 규모까지 인상할 계획이다.

샘플출하를 개시한 것은 수십 나노 미터의 티탄 산 바륨이나 표면에 글라스나 산화물을 도포한 백 나노미터 사이즈의 니켈이나 銅 등의 미립자이다. 동사는 이미 금속이나 세라믹스를 나노미터 사이즈로 미세화하는 기술을 가지고 있다.

이러한 미립자는 동사가 １９８６년부터 연구를 계속하여 온 10,000℃의 고온을 발생할 수 있는 고주파 플라즈마 발생 장치를 이용하여 제조한다． 분체 원료를 플라즈마 불길에 투입하여 가스화 한 후에 급속하게 냉각하는 것으로 나노미터 사이즈까지 미세화 한다.

종래 기술로는 티탄 산 바륨이나 銅 니켈등은 미세화가 어렵지만 플래즈마 발생 장치를 사용하면 미세 분체로 하기 쉽다. 또 제작한 미립자는 구형으로 분산성，유동성이 좋고 불순물도 혼입하지 않기 때문에 가공하기도 좋다.

동사의 미립자는 금속이 갖는 전기 특성 등을 살리고 건전지에 사용하는 적층 콘덴서 등의 전자 부품의 재료로서의 용도가 기대되고 있다.

퍼스널 컴퓨터나 휴대전화 등의 정보 기술（IT）관련 기기는 소형화，경량화로 나아가고 있고 보다 미세한 재료를 요구받고 있다．휴대전화 등에 사용하는 전자부품은 원료로 다양한 금속이나 세라믹의 미립자를 사용하고 있고 금후도 기술의 응용 범위를 넓힐 생각이다.

동사는 현재 나노 입자를 사이타마현 오오이정에 있는 닛세이 엔지니어링의 분체 가공 센터에서 생산하고 있다. 이미 전자 부품 메이커 등 5사에 샘플출하를 하고 있다.

닛세이 엔지니어링은 닛신 제분 그룹 본사의 전액 출자회사다．식품 공장의 분유체설비의 총합 엔지니어링 등을 중심으로 스타트했지만 최근에는 금속 등의 분체 가공 사업도 손대고 있다. 나노테크 관련 사업을 장래 중심의 하나로 할 방침이다.

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15. 나노 컨트롤의 정밀위치 결정장치 (개발 리포트)



동경대의 기술을 이용한 대학벤처 나노 컨트롤은 올 봄 신 방식의 정밀위치결정장치를 발매했다. 지금까지 모터를 사용한 구동장치（액추에이터）에 전류를 흐르게 하면 팽창하는 성질을 갖는 압전소자를 이용했다. 위치 결정에 관련된 시간을 ３분의 1 정도로 단축할 수 있고 50 나노미터 단위로 조절이 가능하다.

나노컨트롤은 무라타 제작소에서 압전소자 연구를 하던 노부오 사장과 도쿄대학 대학원에서 공동 개발한 기술을 사업화하기 위해 올 봄 설립했다.

원통형의 피스톤 내부에 압전 소자를 수납, 한 순간만 전류를 흐르게 하고 압전 소자의 팽창을 이용하여 피스톤을 움직이다. 대상물을 끼우고 일직선이 되도록 한 쌍의 피스톤을 배치하고 양측에서 누르면서 위치를 결정한다．복수대의 피스톤을 배치하면 전후 좌우 상하 등 모든 방향의 위치 결정이 가능하다.

광파이버와 광부품의 접속으로 芯打 액추에이터를 사용하는 경우 먼저 적당한 위치에서 광파이버와 부품을 접촉시키고 피스톤으로 부품을 누르면서 위치 결정한다．소요시간은 57분으로 종래의 ３분의 １로 단축할 수 있다. 로봇 암 등의 외부 구조가 불필요하고 판매 가격도 내려간다.

대상물이 다른 물체에 접촉하는 상태에서도 위치를 조절할 수 있기 때문에 위치 결정에 필요한 시간을 단축할 수 있다. 종래는 접촉의 원인으로 생기는 마찰력의 영향을 배제할 수 없고 일부러 공중으로 위치결정을 하였다.

압전소자를 이용하는 위치결정 기구의 발상 자체는 드문 것이 아니었다. 동경대에서 기초 특허를 취득한 것은 십 년 이상 전이다. 오랫동안 실용화하지 않았던 것은 압전소자는 팽창에 의하여 대상물을 누른 후 곧바로 또 원래의 크기로 돌아온 탓이다．대상물과 피스톤의 사이에 빈틈이 생기게 된다.

연속하여 대상물을 누르는데는 압전소자가 팽창. 축소의 사이클을 한 번 일으킬 때마다 생기는 빈틈을 묻을 필요가 있고 이를 압전소자의 후부에 공기 실린더를 넣어 해결했다. 공기의 압력으로 압전소자를 뒤에서 눌러 빈틈을 순식간에 묻는다. 위치결정 종료 후는 실린더 안의 공기를 빼면 피스톤 전체가 후방으로 내려가기 때문에 가공이 끝난 위치결정 대상물을 꺼내는 작업등의 방해가 되지 않는다.

공기 실린더는 팽창의 힘을 실린더 안의 공기를 흡수하여 대상물을 누르는 힘이 없어진다는 결점이 있지만 신형의 전원 장치 개발로 해결했다. 수십 암페어의 전류를 한 순간만 흐르게 한다면 압전소자는 급격하게 부풀고 팽창 에너지가 실린더 측과 위치결정 대상물 측의 쌍방으로 전해지는 것이 밝혀졌다．심타 액추에이터에는 마이크로（마이크로는 백만 의 １）초 단위로 전류를 흐르게 할 수 있는 전원을 이용하고 있다.

나노테크놀로지는 신소재나 신 기능을 낳는 유망기술로 보여지고 나노레벨의 제어가 가능한 기기는 금후도 중요성이 높다. 동사는 금후도 압전 소자에 관한 노우하우를 살리고 산업용 기기의 개발을 진행한다.

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16. 10 나노미터의 고속 회로 패턴 개발



“기존 리소그래피 공정보다 훨씬 적은 시간과 비용을 들여 고성능 반도체 칩을 생산한다”

미 프린스톤 대학의 연구그룹은 실리콘 기판 상에 폭 약 십 나노미터로 정밀하고 미세한 회로 패턴을 고속으로 저렴하게 만드는 기술을 개발했다. 반도체 미세 가공과 같은 감광제 수지의 도포나 에칭（식각）공정이 불필요해진다.

금번 개발한 LADI(Laser-Assisted Direct Imprint) 기술은, 회로패턴을 새겨 넣은 투명한 석영(SiO2) 주형(mold)을 실리콘웨이퍼 표면에 대고 누르면서 순간적으로 고출력 레이저를 조사한다.

레이저 빛은 주형을 통과하여 주형의 볼록한 부분에 접한 기판 표면만을 고열로 녹임으로써 회로패턴을 형성하는 방식이다.

성과는 영 과학지 네이처 최신호에 게재했다.

새 기술은 10나노미터(㎚: 10억분의 1m) 폭의 초미세회로를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 회로 구현과정이 400만 분의 1초라는 극히 짧은 시간 안에 이루어지기 때문에, 기존의 리소그래피를 이용한 복잡한 생산공정보다 시간과 비용을 획기적으로 절약하면서도 훨씬 성능 높은 반도체 칩을 생산할 수 있을 전망이다.

스탠포드대의 파비안 피스 교수는 네이처를 통해 “새 기술은 반도체업계가 회로 집적도를 더욱 높이면서 ’무어의 법칙’을 이어갈 수 있게 해줄 획기적인 연구성과”라고 평가했다.

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17. 시스템 LSI의 소비 전력을 10분의 1로 억제하는 신기술



마쯔시다 전기는 19일 시스템 고밀도 집적회로(LSI)를 구성하는 MOS(금속 산화물 반도체) FET (전계효과 트랜지스터)로 실리콘․게르마늄(SiGe)층을 도입한 신구조의 트랜지스터를 개발, 종래의 시스템 ＬＳＩ에 비하여 소비 전력을 약 10분의 1로 저감하는 기술을 개발했다고 발표했다. 시스템 ＬＳＩ를 고기능화해도 저 소비 전력을 위해 발열을 억제 할 수 있다. 애니메이션 등의 고속 처리가 필요한 휴대 정보 기기에의 응용이 가능하여 빠르면 3년 후 실용화 할 예정이다.


개발한 MOSFET는 실리콘 기판에 SiGe층을 합성하여 플러스 이온을 첨가하고 부분적으로 Ｐ형으로 한 Ｎ형의 FET이다．FET의 게이트는 수문과 같은 역할을 하여 게이트에 전압을 걸면 소스로부터 드레인에 전자가 이동하여 전류가 흐른다. 소비 전력은 게이트 전압의 2승에 비례하기 때문에 게이트 전압이 작은 만큼 저 소비 전력이 실현할 수 있다.

실리콘 기판에 SiGe층을 도입하면 Ｐ형의 경우 소스 측과 드레인 측의 에너지 차이가 커지고 게이트 전압이 낮아도 전류가 흐른다. 그러나 Ｎ형으로는 효과가 없었기 때문에 연구 그룹은 Ｎ형을 부분적으로 Ｐ형으로 한 것으로 정확하게 水門 일부를 틈이 낮게되는 것 같이 되였다. 게이트 전압을 낮게 해도 소스와 드레인간에 전류를 흐르게 쉽게 했다.

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18. 美ＩＢＭ이 1 칩 위에 7200만 회로를 설계할 수 있는 ASIC 개발



미IBM은 銅배선과 low-k(저유도체층간절연막)를 채용하여 1 칩 위에 최대 7200만 회로를 설계할 수 있는 ASIC(용도특정집적회로)제품「Ci-08」을 개발했다.

최소 90 나노(1 나노는 10억 분의 1)미터의 회로를 지원하는「Ci-08」은 소비전력을 최대 40％ 저감시키는 동시에 성능을 최대 20% 올리는 것이 가능하다.

「Ci-08」은 최첨단의 저유전체층간절연막을 사용하여 최대로 8 층의 동 배선 레이어를 지원한다．단일 칩 위에 몇 억 개의 트랜지스터를 탑재할 수 있기 때문에 최대 7200만개의 배선이 가능한 게이트를 형성할 수 있다.「Ci-08」을 사용하면 프로세서，메모리，아날로그 기능등 설계 요소가 전부 1 실리콘 위에 통합 된 완전한 시스템·온·칩 설계가 가능해 진다．미 샌프란시스코 시스템이 이 신제품을 처음으로 채용할 예정이다.

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19. 고정밀도의 위치 결정 장치 개발



도쿄 대학 대학원 공학계 연구과의 통구준랑 교수의 연구그룹은 압전소자를 이용한 정밀위치 결정기술의 벤처회사 나노컨트롤을 설립했다.

과학기술진흥사업단（ＪＳＴ）의 기업지원 프로그램을 이용하고 대학의 기술을 사업화했다.

나노미터 레벨의 미세 기술을 살려서 고정밀도의 위치결정장치를 개발·판매한다.

나노 컨트롤의 사장에게는 무라타 제작소 등에 압전 부품 개발을 직접 하는 종편목부씨가 취임했다．종편사장은 1999년부터 ＪＳＴ의 프로그램을 통하여 통구교수와 압전소자를 사용하는 구동 장치를 공동으로 연구하고 있다.

나노 컨트롤은 위치 결정을 하는 대상물에 맞추어 복수의 기기를 개발하여 국내외 반도체 메이커 등에 판매한다．５~７년 후에 ２０억엔 이상의 매상고，경상이익율 ３% 를 달성하고 주식 공개를 목표로 한다.

반도체나 광파이버 등 정밀부품의 가공에는 나노미터 단위의 위치 제어가 필요하다．나노 컨트롤은 전기를 흐르게 하면 순간적으로 팽창하고 순식간에 원래의 크기로 돌아오는 압전소자를 구동 장치에 이용하는 것으로 십 나노미터 단위로 정밀한 위치 결정이 가능한 기기를 개발했다．종래의 위치 결정장치의 정밀도는 １ 마이크로（마이크로는 백만 분의 １）미터 정도였다.

원통 모양의 피스톤 가운데 압전소자를 넣고 피스톤 앞에 대상물을 누르고 위치를 조절한다.

대상물을 둘러싸도록 복수의 피스톤을 배치하고 반도체 제조 장치 등에 만들어 넣어 사용한다.

다른 물체와 접촉한 상태에서 위치 결정가능하기 때문에 정밀부품을 용접할 때 등의 위치 결정에 관련된 시간을 단축할 수 있는 것도 특징이다．종래는 마찰의 영향을 제어로 입지 않았기 때문에 공중으로 수평 방향의 위치를 정한 다음 수직에 용접 대상물까지 내렸다.

용접 대상물에 접촉할 때의 충격으로 빗나갔던 수평 방향의 위치를 2차례 조정하는 수고가 있지만 신 방식으로는 최초에 접촉시켰던 상태에서 위치 결정가능하기 때문에 시간은 ３분의 1 정도로 단축할 수 있다고 한다.

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20. 선폭 65 나노의 트랜지스터 게이트



반도체 첨단 테크노로지(Selete)는 단파장의 불소가스(F2)레이저로 선폭 65 나노(1 나노는 10억분의 1)미터의 미세한 트랜지스터 게이트의 가공을 세계에서 처음으로 성공했다．양산 공정에 도입할 수 있는 F2 레이저로 트랜지스터의 게이트 구조 가공에 성공한 것으로 선폭 70 나노미터의 차세대 반도체의 실용화에 일보 가까워진다.

Selete는 레지스트 메이커와 공동으로 새로운 2 층 레지스트 프로세스용의 실리콘 함유 레지스트를 개발하고 영 레이저 가공기 메이커 에키시텍과 공동 개발한 고해상도의 마이크로 반도체 제조장치를 도입하여 65 나노미터의 트랜지스터의 게이트 구조의 가공에 성공했다.

하지전사 프로세스에는 신개발의 실리콘 함유 레지스트와 유기막의 2층 구조를 채용하여 트랜지스터의 게이트도 폴리 실리콘과 탕스텐시리사이드의 이층 구조로 가공후의 공정인 드라이 에칭 공정은 산소 플래즈마를 사용한 종래 기술로 대응할 수 있다.

Selete는 도시바，NEC，후지쓰등 반도체 메이커 11사가 출자하고，출자사도 포함한 13사로부터 연구를 수탁하고 있다．이번의 개발은 2005년도까지 선폭 100 나노미터로 부터 70 나노미터의 반도체 프로세스 기술을 개발한「아스카 프로젝트」의 일환으로 개발했다． 노광 파장이 157 나노미터와 단파장인 F2 레이저는 선폭 70 나노미터 세대 반도체가 미세 가공기술로서 유력한 후보로 되어 있다.

이번의 기술 개발에서 70 나노미터의 미세화 기술의 실용화가 크게 전진하여 Selete로는 50 나노미터 레벨에도 대응하는 기술의 유력 후보의 전망도 있다.

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21. 도시바가 세계 최초，종래 웨이퍼와 동등 성능으로 혼재 ＤＲＡＭ 시험제작



도시바는 12일 ，SOI(실리콘·온·인슈레이터)웨이퍼 위에, 종래의 웨이퍼(벌크)위에 제작한 것과 동등의 성능을 갖는 DRAM 셀을 만들어 로직 회로와 혼재하는 기술을 세계에서 처음으로 개발했다고 발표했다．broad 밴드(광대역)시대의 고성능 SoC(시스템·온·칩)에 불가결한 혼재 DRAM을 실현하는 것이 가능해진다고 한다.

동사는 SOI 웨이퍼 위의 SOI 층과 산화막층을 부분적으로 제거하여 거기에 안정적으로 실리콘을 성장시키는 선택 에피택셜 성장(SEG)을 한 것으로 SOI와 종래 웨이퍼의 혼성물 구조를 실현했다．이번은 이 웨이퍼 위에 180 나노(1 나노는 10억분의 1)미터 세대의 1 메가(1 메가는 100만)비트 혼재 DRAM을 試作하여 세계에서 처음으로 종래 웨이퍼와 동등의 성능을 달성했다．2005년 이후의 65 나노미터 세대로의 실용화를 목표로 한다.

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22. 미쓰비시 전기와 마쓰시타 전기가 차세대 시스템 LSI기술을 공동개발



미쓰비시 전기와 마쓰시타 전기산업은 12일 1 비트당 SRAM 셀의 사이즈가 0.998 평방 마이크로(1 마이크로는 100만분의 1)미터로 머리카락 두께의 100분의 1의 1 평방 마이크로 미터를 세계에서 처음 차세대 시스템 LSI기술을 공동 개발했다 발표했다.

종래의 약 2 배의 고밀도화를 실현하고 1억 수천만 개 이상의 트랜지스터를 갖는 대규모 시스템의 1 칩화가 가능해진다.

양사가 개발한 것은 내년 이후에 주류가 된다고 하는 테크노로지드 (트랜지스터의 게이트 장을 기준으로 한 설계 룰)가 90 나노미터 세대의 시스템 LSI의 프로세스 기술이다．활성영역이나 게이트의 회로패턴을 미세 노광에 적합한 직선적인 패턴을 채용 한 것으로 시스템 LSI의 기억부로 된 SRAM의 1 비트당 셀 사이즈를 현재의 1.25 평방 마이크로 미터로부터 0.998 평방 마이크로 미터로 미세화 했다.

또, 게이트 전극 등의 저항을 내리기 때문에 코발트와 실리콘을 형성하지만 이번은 단층이 아니라 이층 구조로서 저저항，저접합 리크 전류화를 도모했다.

또한 배선 층간에 독자적인 절연막(탄소 도프 실리콘 산화 막)을 채용하여 유전율을 3.7 에서 2.8로 내리서 고속동작을 실현하고 있다.

이러한 기술 개발에 의하여 대규모 SRAM을 내장한 1억수천만 이상의 트랜지스터를 종래 약 2분의 1인 100 평방 밀리미터 이하로 하나의 칩에 탑재 가능하다고 한다. 1－2년후를 목표로 이 프로세스 기술을 응용한 시스템 LSI를 출하한다.

미쯔비시와 마쓰시타는 98년 말에 차세대 시스템 LSI의 공동 개발에 합의, 작년 6월에는 130 나노미터 세대의 시스템 LSI의 개발을 발표하고 이번이 제 2탄의 공동개발이다.

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23. 미 노스웨스턴 대학，DNA 칩을 초소형화



미국 노스웨스탄 대학의 연구팀은 미세한 바늘로 원자나 분자를 관찰하는 원자간력 현미경（AFM）을 사용하여 극히 작은 DNA（데오키시리보핵산）칩을 작성하는 기술을 개발했다.

칩의 크기를 십만분의 １로 소형화하여 １개의 칩으로 대량의 유전자를 진단할 수 있다.

분자를 쌓아올려 구조를 조립하는 연구에도 응용할 수 있다고 한다.

AFM의 작은 바늘의 끝으로 DNA를 한 개씩 실리콘 기판 위에 실어 간다． 종래는 １개의 DNA에 직경 20 마이크로（마이크로는 백만분의 １）미터에서 40 마이크로 미터의 면적이 필요했었지만 신기술은 분자 1개의 크기에 해당되는 직경 50 나노（나노는 십억분의１）미터로 되어 고집적화가 가능하게 됐다.

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24. 히타치 제작소가 게이트 長 20 나노 실현한 ＣＭＯＳ 디바이스 기술



히타치 제작소는 모바일 기기용의 차세대 LSI에 사용한 게이트 장(게이트 전극의 폭)20 나노(1 나노는 10억분의 1)미터의 CMOS(상보형 금속산화물 반도체)디바이스 기술을 개발했다. 미세화와 동시에 게이트 전극하의 절연막에 새로운 재료기술을 적용하여 세계 최고의 디바이스 동작속도와 함께 게이트 누출(리크)전류를 종래의 10분의 1 이하로 대폭적으로 억제하여 저소비 전력화도 실현했다. 신기술은 2003년으로부터 2004년 걸쳐 휴대전화에 탑재하는 전용 프로세서에 적용한다.

개발한 기술은 게이트 장을 가늘게 하는「트리밍」가공법을 적용했다. 미세화에 의한 게이트 양측의 소스, 드레인의 양 전극의 단락을 막고 디바이스를 고속화하기 위해 산화 규소막의 「오프셋·스페이서」를 삽입했다. 리크 전류를 줄이기 위해 절연막용으로 독자 기술인 산소를 포함한 질화 규소막을 개발했다.

질화막은 리크 전류를 줄일 수 있는 반면 실리콘 기판과의 계면이 열화되고 디바이스 동작 속도 유지에 필요한 전류가 저하되는 결점이 있다. 열화를 막기 위해 계면 가까이에서 질소 원자를 산소로 치환하는 성막법을 확립했다.

試作한 것은 게이트 장 20 나노미터로 280 femto (1 femto는 1000조 분의 1)초로 최고의 스위칭 속도를 실현했다.

또한 이 성과는 11일부터 미국 하와이의 호놀루루에서 개최되는 VLSI 회로 심포지움에 발표한다.

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ꁰ 정책/업계동향


1. 바이오 디바이스가 21세기 프론티어를 개척한다

― 제60회 VLSI FORUM 지상보고 ―




프레스저널 VLSI Report 조사부 및 본지 편집부가 주최한 「제60회 VLSI FORUM 21세기 프론티어를 개척할 바이오 디바이스」가 2002년 3월 11일, 도쿄 品川의 고쿠요홀에서 개최되었다. 의장은 도쿄농공대학 명예교수 및 와세다대학 객원연구원인 垂井康夫씨, 어드바이저는 東北대학 교수인 江刺正꜀씨가 맡았다. 반도체나 MEMS 제조기술을 활용해 바이오․ 의료 분야에서 실용하려는 바이오 디바이스가 소개되고, 그 시장․ 기술 잠재가능성에 대해 활발한 논의가 이루어졌다.

먼저 의장인 垂井씨는 「69년에 리소그래피로 전자장치를 회로마다 만들어 얻게 되는 고효율화와 고성능화는 실리콘에만 머무르지 않고 다른 물질에도 응용되어 나갈 것이라는 논문을 집필했는데 실로 리소그래피 기술은 각 방면에 응용되어 MEMS나 바이오칩으로 전개되고 있다」고 말했다.

어드바이저인 江刺씨는 「반도체․ MEMS 기술과 바이오 기술을 어떻게 융합할 것인가」를 테마로 강연했다. 그가 30년 전에 개발한 ISFET(Ion Sensitive FET)를 비롯해 DNA 칩, 고감도 센서, 마이크로리액터, 세포조작이나 신경인터페이스에 MEMS를 응용하는 것 등에 대해 그의 연구를 포함한 연구개발경향을 소개했다. 또 바이오 디바이스의 과제로 대량으로 사용하기 위해서는 재료로 폴리머를 이용할 것, 생체에 해를 입히지 않는 것이나 미량으로 검사를 실현하는 것, 적절한 애플리케이션의 개척이 중요하다고 주장했다. 기술 면에서는 극소 유로가 막히는 등 많은 과제가 있지만 우선은 가장 어려운 부분부터 해결해 나갈 필요가 있다고 말했다.

도쿄대학 교수인 堀池靖浩씨는 극미량의 혈액을 분석하여 재택으로 저렴한 건강 진단을 받을 수 있는 헬스케어칩과 그 제조기술에 대해 강연했다. 저렴하고 1회용이 가능하도록 기판 재료에는 PET(폴리에틸렌텔레프탈레이트)를 이용했다. 이 PET 기판을 금형에 몰드하여 칩을 제조한다. 이 칩을 이용, 혈액 안의 Na+, K+ 농도를 측정하는데 Na+, K+에 대해 경사는 48, 55㎷/decades로, 네른스토의 식에서 계산되는 25℃에서 59㎷/decades라는 이론값에 충분히 가까운 값을 얻을 수 있다는 것이 보고되었다.

앞으로는 이 기술을 더욱 가다듬어 신뢰성 향상이나 생활습관병(당뇨병이나 통풍 등) 검사에 대응해 나갈 계획이다.

東北대학 교수인 小柳光正씨는 3차원 LSI 집적화 기술을 이용한 인공망막칩 등을 소개했다. 3차원 LSI 집적화 기술이란 웨이퍼를 관통하는 매입 배선을 이용해 칩을 세로 방향으로 접속하고 2차원 LSI에서는 곤란한 병렬처리를 수월하게 만드는 기술이다. 그 특성을 살리는 데 적합한 애플리케이션으로 뇌나 망막의 신호처리구조를 실현하고 체내 내장도 가능한 생체 기능 디바이스가 있다. 그 일례로 망막 세포인 시세포, 수평세포, 쌍극세포, 신경절세포의 기능을 가진 인공망막칩을 제작하고 있다. 망막의 기능이나 구조와 비슷하게 해 3차원 LSI를 실현하여 완전 병렬 처리 시스템을 구축할 수 있다. 앞으로는 망막과 같은 구조를 가진 인공망막칩을 인체(눈) 안에 매입하고자 한다.

나고야대학 교수인 生田幸士씨는 마이크로 광 조형법을 이용해 개발한 화학 IC를 소개했다. 마이크로 광 조형법이란 빛을 흡수하면 경화하는 투명 폴리머에 레이저 광을 조사하고 폴리머를 단단하게 해 3차원 구조체를 형성하는 것.

이 기술을 이용, 그는 화학 IC를 개발하고 있다. 화학 IC란 화학 프로세스를 마이크로 칩 위에서 실현한 것. 화학 IC 패밀리를 구성하는 칩으로는 외부와 화학유체의 입출력용 커넥터군을 가진 「커넥터 칩」, 시약을 공급하는 「펌프 칩」, 액체가 흐르는 방향을 바꾸는 「밸브 칩」, 여러 반응기를 가진 「리액터 칩」, 여러 농축기를 가진 「농축기 칩」 등 다양하다. 마이크로 화학반응계를 구사하여 생체계의 다양한 합성, 분석뿐만 아니라 매입형 인공장기나 다품종 소량 생산의 제약도 실현할 가능성이 있다.

도쿄대학 교수인 北森武彦씨는 집적화 마이크로 화학 칩에 대해 강연했다. 집적화 마이크로 화학 칩은 파이렉스 유리를 이용, 분자 수송, 혼합, 반응, 분리, 분석이라는 화학 프로세스를 LSI와 같이 집적화한 것이다. 일반 규모의 화학 플랜트 등에서는 실현할 수 없는 고효율 화학반응을 실현할 수 있다.

이 기술을 이용하여 이무노 앗세이를 폴리스틸렌 비즈를 채운 칩 안에서 실시하여 기존 방법으로 하루 정도 걸리던 분석이 불과 30분 정도에 완료된다. 현재 이 이무노 앗세이 칩을 한 걸음 더 발전시켜 다검체 동시분석이나 다항목 동시분석을 실현할 멀티채널 칩을 개발하고 있다고 한다. 이미 4채널 칩 개발에 성공하여 양호한 분석 결과를 얻고 있다고 한다.

올림푸스광학공업 篠原悅夫씨의 강연에서는 이 회사가 개발한 프리 플로 전기 영동 모듈, PCR용 마이크로리액터, DNA 캐필러리가 소개되었다. 프리 플로 전기 영동 모듈은 시료 전처리에서 DNA 등을 분리 및 분취(分取)하는 마이크로모듈이다. 전기 영동부 중앙에 시료를 흐르게 하면 흐름에 수직으로 전압이 인가되고 시료가 전기 영동으로 분리된다. 이렇게 하여 안에 들어 있는 성분이 분리되고 특정 성분을 추출할 수 있다.

마이크로리액터는 PCR 반응으로 DNA를 증폭하는 디바이스로, 기존 방법으로는 많은 시간이 걸리던 PCR(폴리메라제 체인 리액션) 반응을 고속화할 수 있다. DNA 캐필러리 어레이는 플라스틱을 기판에 이용한 DNA 칩으로, 금형을 이용해 캐필러리 홈을 칩에 형성하고 홈 안에 DNA 프로브를 매입한다. 캐필러리마다 최적의 조건에서 반응을 일으킬 수 있게 된다.

橫河 애널리티컬시스템즈 近藤直人씨의 강연에서는 Agilent Technologies의 DNA 마이크로 어레이와 「LabChip」이 소개되었다. 이 회사의 DNA 마이크로 어레이는 스포팅법이 아니라 잉크젯 방식을 이용해 작성한다. 스포팅법에서는 깨끗한 포트의 형성, 재현성 좋은 스폿 형성이 힘들다는 과제가 있었지만 잉크젯법을 이용하면 고품질이고 재현성이 좋은 스폿을 형성할 수 있는 데다가 In-Situ로 올리고 DNA를 합성하는 올리고 어레이도 작성할 수 있는 등 유동성도 높다. LabChip은 펌프, 밸브, 주입, 분리, 분주(分注), 반응 등의 기능을 칩 위에 집적한 것. 현재는 주로 생체고분자(DNA, RNA, 단백질)의 해석에 이용된다. 이제까지 이용되어 온 아가로즈젤 전기 영동법에 비해 분석을 대폭 효율화할 수 있다.

堀場제작소의 松田耕一郞씨는 이 회사와 豊橋기술과학대학의 石田誠 교수가 공동 개발한 평면 혈액 분석 센서에 대해 강연했다. 아파처 임피던스법을 적용한 MEMS 센서를 개발하고 라텍스와 혈구를 계측한 결과가 제시되었다. 라텍스 농도와 카운터 수에 대해서는 거의 양호한 직선성을 얻을 수 있고 또 수량뿐만 아니라 입자 지름도 올바르게 계측할 수 있다. 또 적혈구와 백혈구의 식별도 가능하다.

또 바이오 디바이스 전체에 공통되는 과제로 신뢰성 높은 마이크로 크기의 펌프, 밸브, 커넥터가 아직 세상에 나돌고 있지 않은 점을 들어, 손바닥 크기의 센서 디바이스가 실현되기 위해서는 이러한 부재의 신뢰성 향상이 반드시 필요하다고 주장했다.

미쓰비시종합연구소의 富田稔씨는 바이오 디바이스의 시장성에 대해 강연했다. DNA 칩에 대해서는 연구용, 게놈 창약용(創藥用)은 시장이 그다지 크지는 않고 오히려 맞춤형 의료를 실현할 진단용이 시장 확대의 열쇠가 될 것이라고 보고 있다. 또 바이오 센서의 실례를 통해 판단하면 몇 백억 엔의 시장 규모는 단중기적으로 가능하다고 보았다. 그 밖에 래보러터리 칩에 대해서는 현재는 시장은 미지수인 부분이 많지만 생체내 이용 등 애플리케이션이 개척되면 커다란 시장을 형성할 것이라고 말했다.

패널 디스커션에서는 반도체․ MEMS 기술과 바이오 기술은 어떻게 융합되어야 하는가에 대해 각 강사가 견해를 피력했다. 「반도체 기술을 활용해 바이오칩을 대량 제조할 수 있게 되면 칩이 저렴해져 시장도 확대되겠지만 반도체와 같이 그것만으로는 이길 수 없는 측면도 있지 않을까? 부가가치가 높은 것을 창조해 나가는 사업 모델도 필요하지 않을까?」(小柳씨) 「특징 있는 것을 서로 연결한 인터페이스 부분의 기술, 연구가 확립되지 않은 점이 과제다」(松田씨).

한편 江刺씨는 ① 의료 비용을 어떻게 낮출 것인가, ② 유전자 진단 seeds를 어떻게 활용할 것인가, ③ 사회적 리스크(탄소균, 바이오테러, BSE 등)에 대해 어떻게 활용해 나갈 것인지가 바이오 디바이스를 개발할 때 중요한 포인트라고 주장했다.

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2. 미 국립연구원,나노기술 연구 발전방향 제시



정보사회연구실 주임연구원 김사혁

2002년 6월 10일 미국의 NRC(Nati onal Research Council)는 나노(Nano)관련 개발 전략인 NNI(National Nanotechnology Initiative)가 나노 분야의 기초기술과 연구기반 제공을 위한 좋은 출발점이 되었지만, 향후에 더 많은 발전을 이룩하기 위해서는 초점을 더욱더 명확히 해야 한다는 의견을 제시했다. NRC는 기존에 진행되고 있는 NNI 계획 추진 현황과 발전 방향을 검토하는 보고서를 통해 국가 차원에서 나노기술을 추진하는데 있어서 중요한 몇 가지 의견사항을 제시했다.

NRC의 Samuel Stupp 의장은 NNI 계획의 운영을 검토한 결과 원자와 분자의 상호작용을 다루는 나노 분야를 이해하는데 한가지 분야의 연구에 한정된 결과가 나와서는 안 될것임을 주장했다. 그는 특히 공학, 물리학, 생물학과 더불어 의학 분야에 있어서도 나노 과학과 기술의 잠재성이 실현될 것이며, 이와 같은 분야에서 전통적 한계를 넘어서 과학자와 기술자가 서로 협력하는 학제간 연구 증진이 매우 중요하다고 강조했다.

NSF(National Science Foundation)에 따르면 2001년 나노기술과 관련하여 약 2,000개의프로그램이 재정지원을 받았으며, 미 연방정부의 2003년 회계 연도에는 NNI 계획에 따른 연구자금으로 6억 달러 이상이 지원될 것으로 판단하고 있다. 이는 미국 연방정부의 연구개발 지출 중 1%에 불과하지만, 전 세계 나노테크 관련 정부투자의 약 30%를 차지하는 수치이다.

NRC의 평가에 따르면 NSF는 나노와 관련하여 투자를 요하는 광범위한 기술 분야를 발굴하고 이를 지원함으로써 NNI의 성공적 수행에 많은 기여를 하고 있다는 평가를 받았다.

NRC는 향후에 나노분야의 더 나은 발전을 위해 몇 가지 권고안을 제시하였다.

권고안은 다음의 세 가지로 크게 요약될 수 있다.

1. 1～5년에 걸친 단기, 6～10년에 걸친 중기, 1 0년 이상의 장기 목표들이 포함될 수 있는 활발하고, 적극적인 전략 계획을 개발하는 것이 중요하다. 이러한 계획은 장래성 있는 아이디어의 응용을 촉진할 수 있는 수단이나 목표에 맞는 구체적인 중간단계의 이정표들이 포함되어야 할 것이다.

2. 여러 정부기관들이 공동연구프로그램을 확대함으로써 더 많은 학제간 연구작업을 촉진하는 것이 중요하다. NIH(National Institutes of Heal th), 에너지부(The Depart-ment of Energy), NSF간에 공동연구를 위한 지원금 계획이 대표적인 사례이다.

3. 주정부 차원의 프로그램과 지역별 센터 조직의 협력을 통해서 국내외 기업들과 적극적인 파트너 쉽을 맺어 연구성과의 상용화를 촉진하는 것이 중요하다. NRC의 NNI 계획 추진평가서와 관련하여 여러 전문가들이 의견을 제시하였다. 특히 벤처캐피탈 측에서의 요구사항이 주목을 끌고 있다. 벤처캐피탈 관계자는 기존의 프로그램과 더불어 더 많은 산업 부분의 참여가 필요하다고 주장하였다. 주정부 차원에서는 연구개발에 대한 재정 지원을 담당하지만, 연구결과의 상업화에 대해서는 각 산업의 특성을 고려해 정부의 일괄적인 관리를 해제할 필요가 있다는 것이 주요 내용이다. 또한 정부는 가능하다면 나노테크와 관련한 연구실을 기업과 미래의 벤처기업에게 개방하는 것을 고려해야 한다고 주장했다. 그리고 개발된 활용 가능한 기술에 대한 평가와 사전결과물에 대해서는 상업화의 촉진과 벤처캐피탈이 투자에 참여할 수 있는 많은 프로그램들이 제시되어야 할 것으로 언급했다.

국내에서도 최근 나노 분야에 대한 관심이 크게 증대되고 있다. 정부 각 부처에서 나노기술과 관련된 연구개발 계획을 제시하고 있고, 각종 로드맵을 제시하는 등 장기적인 연구개발투자에 대한 정책안들에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 연구시설 측면에서도 나노팸 센터 선정 등 기본 연구 기반을 만들기 위해 노력하고 있다.

이러한 과정에서 타 선진국에 비해 나노분야 연구에서 어느 정도 뒤쳐져 있는 것이 국내의 현실이니 만큼 기존에 진행되고 있는 제외 국의 프로그램과 연구 사례를 주의 깊게 고려하고 문제점을 분석하여 이를 국내 현실에 적합하게 벤치마킹하는 작업이 중요할 것으로 판단된다.

참고자료 :

[1] 한국과학기술정보연구원,“Nano Electro Mechanical System과 Nano/Micro Hybrid

System ”,2001.12.

[2] Scott R.burnell,“US needs ‘crisp ’nanotech plan,”UPI, 2002. 6. 10.

[처음으로]






3. 미국의 국가나노기술계획



송성수 (산업혁신연구부 부연구위원, <과학기술정책> 편집위원장, 과학기술학 박사)

1. 머리말

나노(nano)는 희랍어로 난쟁이를 뜻하는 나노스(nanos )에서 유래한 말로서 10억분의 1(10-9)을 나타내는 단위이다.

나노기술은 물질의 특성을 나노스케일에서 규명하고 제어하는 기술로서 원자 혹은 분자를 적절히 결합시켜 새로운 미세구조를 만듦으로써 기존 물질을 변형 혹은 개조하거나 새로운 물질을 창출하는 것을 목표로 삼는다.

사실상 미세구조를 만드는 일은 이전부터 시도되어 왔지만 나노기술은 기존의 기술과 접근방식에서 뚜렷한 차별성을 가지고 있다. 기존의 기술이 미세화를 위해 큰 덩어리를 조각조각 내는 방식으로 접근해 왔다면 나노기술은 원자 혹은 분자들을 결합하여 미세구조를 만드는 방식을 채택하고 있는 것이다.

나노기술은 새로운 산업혁명을 견인할 수 있는 기술로 간주될 정도로 상당한 파급효과를 가지고 있다. 일차적으로 나노기술은 기능성과 효율성이 높은 물질의 개발을 통해 소재산업의 부가가치를 제고할 수 있는 기반으로 작용한다. 또한 나노기술은 정보통신 관련제품의 기존의 집적도나 속도의 한계를 타파할 수 있고, 유전자 차원에서 질병을 진단하고 치료할 수 있는 방법을 개선할 수 있으며, 환경오염의 원인과 결과를 정밀하게 측정․제어할 수 있는 기초로 작용한다. 사실상 나노기술은 설계되고 만들어지는 모든 차원의 물질들이 방식을 바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

이러한 나노기술의 가치를 일찍부터 간파한 서구의 여러 선진국들은 1990년대 중반부터 나노기술의 개발에 상당한 노력을 기울여 왔으며 2000년을 기점으로 나노기술에 대한 연구개발 지원액은 가파른 상승곡선을 그리기 시작했다. 특히 미국은 1998년부터 지속적인 준비를 거쳐 2000년 2월에 국가나노기술계획(National Nanot echnology Initiative, NNI)을 발표함으로써 나노기술의 개발에 대한 강한 의지를 표방한 바 있다. NNI가 출범함으로써 나노기술 개발에 있어서 부처간 조정 및 협력이 가능하게 되었고 이에 대한 예산도 급속히 지속적으로 증가하고 있다.

이 글에서는 NNI 홈페이지에 실려 있는 문건들을 중심으로 NNI의 내용과 특징을 살펴보고자 한다. 이하의 논의에서는 NNI의 출범경위 및 관리구조, 주요 연구영역과 목표, 기구별 지원 현황 등이 분석될 것이다.

2. NNI의 출범과정과 관리구조

미국에서 나노기술에 대한 연구는 1990년대 들어 점차 활발해지기 시작했고, 이에 따라 국립과학재단(NSF ), 국방부(DOD), 에너지부(DOE), 연방항공우주국(NASA), 국립보건원(NIH) 등 여러 부처들에서 독자적으로 사업을 추진했다. 그러나 나노기술이 지닌 잠재력과 중요성이 점차 부각되면서 이러한 연구개발 노력들을 총괄해 나노기술의 연구개발을 좀더 일관되게 추진해야 한다는 의견이 대두하게 되었다.

이에 따라 1998년 9월, 국가과학기술위원회(National Science & Technology Council, NSTC)의 기술위원회(Committee of Technology, CT) 산하에 나노과학․공학․기술에 관한 부처간 작업반(Interagency Working Group on Nanoscience, Engineering and Technology, IWGN)이라는 이름의 임시기구가 만들어져 나노기술 연구개발의 현황을 조사하고 계획을 수립하는 책임을 맡게 되었다.

IWGN은 1999년에 수 차례의 워크숍을 주최하고 의회청문회에 출석했으며 자체적인 조사결과를 정리한 세 개의 문서를 발간하였다. 그리고 같은 해 8월에 NNI의 출범을 제안하는 문서초안을 작성하였다. 그 초안은 10～11월에 대통령 과학기술자문위원회(President‘s Committee of Advisors on Science and Technology, PCAST) 산하에 구성된 나노기술 패널(Nanotechnology Panel )의 심사를 거쳤는데, PCAST는 이 패널의 견해에 근거해 NNI의 출범을 적극 지지하고 나섰다. PCAST는 1999년 12월 클린턴 대통령에게 보낸 편지에서 NNI가 행정부의 최고 우선사업이며 다음 세기에 미국이 경제와 안보에서 우위를 지켜나가기 위한 뛰어서 부처간 협력 틀이라고 설명하면서 이제 행동할 때가 되었다고 선언하였다.

2000년 1월 과학기술정책국(Office of Science and Technology Policy, OSTP)과 백악관의 최종승인이 떨어졌고, 대통령 연두교시를 통하여 나노기술이 정보기술 및 생명공학기술과 함께 차세대 경쟁력 확보를 위한 핵심기술로 채택되었다. 이어 같은 해 2월에는 NNI가 연방정부의 회계연도 2001년(2000. 10. 1서 2001. 9. 30) 예산안에 포함됨으로써 정식으로 출범하게 되었다.

IWGN은 2001년 정부예산안에 첨부된 국가나노기술계획: 다음 번 산업혁명으로 가는 길(National Nanotechnology Initiative: Leading to the Next Industrial Revolut ion) 이라는 제목의 보고서에서 NNI 추진계획을 개략적으로 밝히고 있다.

이 보고서를 마지막으로 IWGN은 그 역할을 끝내고 해체되었으며, 이를 대신해 나노규모과학․공학․기술소위원회(Subcommittee on Nanoscale Science, Engineering and Technology, NSET )가 NSTC 산하에 만들어졌다. 2000년 8월에 발족한 NSET 소위원회는 NNI의 계획, 예산배정, 집행, 평가 등의 제반 업무를 총괄하고 참여부처간 조정 및 협력을 촉진하는 영구적 기구이다. NSET 소위원회는 NNI에 참여하고 있는 기구의 대표들과 백악관 관리로 구성되는데, 현재 상무부(DOC), 국방부, 에너지부, 교통부(DOT ), 환경보호청(EPA), 연방항공우주국, 국립보건원, 국립과학재단 등의 부처들과 국가경제위원회(NEC), 관리예산국(OMB), 과학기술정책국 등의 백악관 기구들이 포함되어 있다. NNI에 참여한 각 부처들은 자체적인 임무를 수행함과 동시에 NNI 전체의 목표도 충족시키는 방향으로 연구개발 투자를 하고 있으며 자원배분이나 평가의 방식과 관련해서는 자체적으로 상당한 재량권을 보유하고 있다.

NSET 소위원회 산하에는 국가나노기술조정사무국(National Nanotechnology Coordination Office, NNCO)라는 이름의 실행기구가 만들어져 기술적․행정적 실무를 맡고 있다.

NNCO는 부처간 회의를 준비해 NSET 소위원회를 보좌하면서 정부기구․대학․산업체․전문학회․외국단체에 대한 연락을 담당하며 필요한 문서를 배포하고 웹사이트를 운영하는 역할도 한다. NNCO의 예산은 NNI에 참여한 각 부처들이 내놓은 분담금으로 충당하고 있다. 한편, 매년 비(非)정부인사로 구성된 외부 자문위원회가 조직되어 당초의 목표에 비추어 NNI가 어느 정도의 성과를 거두었는지 심사하도록 되어 있는데, 심사보고서에서 제기된 문제점들을 NSET 소위원회가 검토한 후 NNI 전략에 대한 수정을 가할 수 있다.

NNI의 출범에 이르는 과정을 시간 순으로 정리하면 아래 <표 1>과 같다.



3. NNI의 연구개발 범위 및 목표

NNI의 연구개발 전략은 크게 다섯 가지 종류의 활동을 중심으로 조직되어 있다.

거기에는 ① 기초연구 지원, ② 원대한 도전(Grand Challenge) 프로그램, ③ 우수센터 및 네트웍 구축, ④ 연구인프라 구축, ⑤ ELSI (Ethical, Legal and Social Implications ) 및 교육훈련이 포함된다.

1) 기초연구 지원

나노과학․공학의 장기적인 기초연구에 대한 지원으로, 근본에 대한 이해를 충실히 함으로써 나노규모에서 물질을 통제하고 조작하는 데 필수적인 현상, 과정, 도구들을 발견하는 것을 목표로 한다. 기초연구를 수행하는 개별 연구자나 소집단에게 매년 약 20서50만 달러 가량의 연구비를 지속적으로 제공하는 한편으로, 대학-산업체-국립연구소의 협력관계를 증진하고 부처간 협력을 촉진하기 위한 지원을 한다.

2) 원대한 도전 프로그램

장기적인 연구개발을 요하는 핵심기술에 대한 지원을 뜻한다. 즉, 언젠가 성취되기만 하면 미국에 다방면에 걸친 엄청난 경제적 이익을 가져다주고 시민들의 삶의 질을 극적으로 향상시킬 수 있는 기술의 개발을 목표로 하는 것이다. 학제적으로 구성된 연구 및 교육 팀이 주된 지원대상이며, 다음과 같은 구체적인 과제들을 포함한다.

◇ 더 강하고 가볍고 단단하고 안전한 자기복구 나노구조 물질

◇ 나노전자공학, 광전자공학, 자기학

◇ 보건, 진단 및 치료의 발전

◇ 환경개선을 위한 나노규모 공정

◇ 효과적인 에너지 전환 및 저장

◇ 초경량 우주 탐사선

◇ 전염성 질환에 대한 바이오- 나노센서 장치와 생물학전 감지장치

◇ 경제적이고 안전한 교통

◇ 국가 방위

3) 우수센터 및 네트워크 구축

연구 네트워킹과 대학의 이용자 시설의 공유를 촉진하기 위해 10개의 새로운 센터를 선정해 5년 간에 걸쳐 매년 300만 달러를 지원한다. 나노기술 연구센터들은 현재 슈퍼컴퓨터 센터에서 하는 것과 비슷한 구실을 하게 되며, 앞으로 특수장비를 개발하고 이용하며 협력관계를 증진시키는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.

4) 연구인프라 구축

측정기술, 기기제작, 모델링 및 시뮬레이션, 이용자 시설 등에 대한 지원을 포함하며, 아울러 대학과 산업체간 지식 및 기술이전을 장려하고 대학-산업체-국립연구소 사이의 협력과 국제 협력을 증진시킨다. 새로운 발견과 혁신이 미국 산업체들에서 신속하게 상업화될 수 있도록 유연하고 역량을 강화시켜 주는 인프라를 구축하는 것이 목표이다.

5) ELSI 및 교육훈련

대학을 중심으로 학생 훈련 및 연수 프로그램과 나노기술에 관한 커리큘럼 개발을 지원해, 나노기술의 빠른 진보에 필요한 다학문적 시각을 가진 새로운 세대의 숙련연구자 집단을 양성한다. 또한 나노기술이 사회문서에 끼칠 영향, 즉 윤리적, 법적, 사회적 영향에 대한 연구를 지원함으로써 나노기술에 대한 잠재적 우려들과 이에 대처하는 방법을 파악하는 것을 돕는다.

<표 2>는 회계연도 2001년 예산안에서 이러한 다섯 가지 활동이 각각 어느 정도의 비중으로 추진되고 있는지를 보여주고 있다. 나노기술 연구개발 자체가 아직 초기 단계인 만서 기초연구에 가장 많은 예산이 지원되고 있으며, 그 다음으로 많은 예산이 원대한 도전 프로그램에 지원되고 있다.



한편 미국의 MMI는 2000년 7월에 작성된 실행계획에서 향후 5년 간의 타임라인을 미리 작성해 공표한 바 있다.<표 3참조> 2001～2002년까지는 연구사업이 시작되면서 연구조직을 구축하는 것을 강조하고 있고 2003～2004년에는 표준적 준거물질과 접근법이 개발될 예정이며 2005년에는 충분한 물적․인적 자원을 확보하여 사업화 단계에 진입한다는 것이다.



4. NNI의 기관별 예산 지원 현황

회계연도 2001년에 모두 7개 부처/ 기구가 참여해 발족한 NNI는 이후 참여기구가 늘어나 2002년부터는 10개 부처/ 기구의 참여 하에 진행되고 있다. 예산도 증가해 2002년에는 전년도의 의회 승인액 4억 2,200만 달러에서 43% 증액된 6억 400만 달러가 지원되었으며, 행정부가 2002년 2월에 발표한 2003년 예산안에는 다시 17% 증액된 7억 1,000만 달러에 대한 승인을 의회에 요청하고 있다.

<표 4>는 회계연도 2001년에서 2003년까지의 기관별 지원 추이를 보여주고 있다.



<표 4> NNI 기관별 지원액, 2001～2003년 (단위: 백만 달러)



이하에서는 2003년 예산안을 중심으로 각 기구들의 예산 배분 현황과 중점 연구분야를 좀더 자세히 살펴본다.

1) 국방부

국방부의 2003년 예산안은 2억 100만 달러로 2002년보다 2,100만 달러 증가했다.

2002년 이래로 국방부의 나노기술 연구개발 지원은 기초연구보다는 응용연구와 시험개발 쪽에 좀더 큰 비중을 두고 있으며, 기초연구로부터 얻어진 새로운 지식을 국방과 연관된 혁신적 기술로 전환시키는 쪽에 초점을 두고 있다. 국방부의 연구개발 예산은 원대한 도전 프로그램에 많이 제공되고 있는데, 특히 더 강하고 가볍고 단단하고 안전한 자기복구 나노구조 물질, 나노전자공학 및 광전자공학, 전염성 질환에 대한 바이오-나노센서 장치와 생물학전 감지장치의 3개 과제에 초점을 맞추어 지원하고 있다.

국방부에서 NNI의 지원에 관여하고 있는 부서는 국방첨단연구지원기관(DARPA), 육군, 공군, 해군까지 모두 넷이며, 이 외에 4개 부서가 공동으로 나노기술에 관한 국방 대학 연구 계획(Defense Univer sity Resear ch Initiatives on NanoTechnology, DURINT )을 관할해 대학에서의 학제적 팀 연구를 지원한다.

2) 에너지부

에너지부의 2003년 예산안은 전년도보다 4,820만 달러 많은 1억 3,930만 달러로 크게 증가했다. 나노 규모에서의 물질의 성질을 이해하기 위한 기초연구에 대한 예산이 나노규모에서 물질의 합성과 처리, 응집물질 물리학, 촉매의 3가지 영역에서 증가될 예정이다. 또한 2003년 예산안에서는 여러 개의 센터들에 총 3,500만 달러를 투자할 계획이며, 이 중에는 새로 생겨날 나노규모과학연구센터 (Nanoscale Science Research Center, NSRC)들의 건설과 설계를 위한 예산도 포함되어 있다.

3) 법무부

법무부의 2003년 예산안은 140만 달러로 전년도와 같다. 법무부 산하 국립사법연구소는 나노기술과 관련된 두 개의 프로젝트를 진행하고 있는데 DNA 연구(100만달러)와 생물학 및 화학무기 방호 프로그램(40만 달러)이 그것이다. DNA 연구는 법정에서의 DNA 증거 이용에 적용할 수 있는 장치에 대한 연구개발이 주된 내용이다.

4) 교통부 산하 연방 항공국

교통부의 2003년 예산안은 대략 200만 달러로 전년도와 비슷한 수준이다. 교통부는 나노 감지장치를 이용해 항공기에 탑재된 폭발물이나 화학/ 생물학 무기의 탐지를 향상시킴으로써 항공 운송의 안전성을 확보하는 한 가지 임무에 집중적인 지원을 하고 있다. 이런 경향은 9.11 테러 이후 더욱 강해진 것으로 보인다. 연구개발책임은 교통부 연방항공국의 항공안전부서에서 맡고 있으며, NASA나 국방부 산하의 여러 기구들과의 협력 하에 연구를 진행하고 있다.

5) 환경보호청

2003년 나노기술 예산은 전년도와 유사한 500만 달러 정도가 될 것으로 보인다.

환경보호청은 2002년 초에 두 번째 STAR(Science To Achieve Results) 연구비 신청을 받기 시작했는데, 여기에는 녹색제조 및 처리(산업공정에서 유해배출물질의 제거 내지 최소화), 환경 개선/ 처치(환경오염물질을 효과적으로 처리하는 기법), 탐지장치 (오염물질이나 세균에 대한 탐지기술), 나노기술의 환경적 영향(나노기술에 사회 전체 차원에서 환경에 가져올 수 있는 혜택과 잠재적 해악)과 같은 네 가지 연구영역이 포함되어 있다. 환경보호청은 산하 연구소에서 자체 연구도 하고 국립환경연구센터(NCER)의 관리 하에 외부 연구비를 지원하기도 하며 농무부를 비롯한 다른 부처들과 협력할 계획을 갖고 있다.

6) 연방항공우주국

2003년 예산안은 약 5,100만 달러이다. 기초 나노과학 및 나노기술 연구에 투자되는 2,200만 달러 외에 2,900만 달러를 추가로 투입해 나노기술의 과학 및 응용 영역의 연구를 진행할 계획이다. 기초연구로는 국립암연구소(NCI)와의 공동연구인 생물-분자 시스템 연구에 지원하고 있고 응용연구에는 생명공학 및 구조생물학 분야가 있다. 항공기술국(Office of Aer ospace Technology )은 물질과 구조, 나노전자공학과 컴퓨팅, 탐지장치와 우주선 부품 등의 3개 영역의 나노기술 개발을 관장한다. 항공우주국은 기초연구의 성과는 타 부처에서 끌어다 쓰고 예산은 자체 필요에 맞는 연구에 집중하는 전략을 쓰고 있다. 대학과의 협력을 증진하는 한편으로 우주개발의 성과를 이어받아 국제 협력도 추진 중이다.

7) 국립보건원

국립보건원의 2003년 예산안은 4,320만 달러로 전년도에 비해 약간 증가한 수준이다. 국립보건원은 기존의 프로그램 틀 속에서 나노과학 및 공학에 대한 연구비 신청을 받는 방식을 취하고 있으며, 전체적인 프로그램 조율은 바이오 공학컨소시움(BECON)에서 담당한다. 2003년에는 단일분자의 검출 및 조작, 생물분자 탐지장치의 개발을 위한 기초기술(NCI/ NASA 공동연구) 등 기존에 진행해 온 연구들을 계속할 예정이며, Ment ored Qualit ative Research Car eer Development Award 와 같은 프로그램을 통해 다학문적 나노기술 연구를 수행할 과학자와 엔지니어들의 훈련을 지원할 계획이다.

8) 상무부 산하 국립표준기술원

2003년 예산안은 4,380만 달러로 전년도보다 약간 증가했다. 예산 중 절반은 경쟁과정을 거쳐 국립표준기술원 산하 연구소들에 배분되며, 다음과 같은 영역에 초점을 맞춘 연구에 쓰인다: 측정 및 표준을 위한 나노자기학 연구(향후 반도체, 통신, 보건의료 산업에서 나노기술이 응용될 때 필요), 나노규모에서의 시각화와 특성화에 쓰이는 표준과 도구를 만들어낼 나노특성화 연구(다양한 분야의 산업체의 요구), 향후 10년 내에 반도체 전자공학을 대체할 차세대 정보기술 하드웨어에 필요한 기초 측정기술 연구. 그리고 예산의 나머지 절반은 대학, 기업, 연구소 등 외부 협력기관들과의 공동연구에 쓰일 예정이다.

9) 국립과학재단

국립과학재단의 2003년도 예산안은 2억 2,100만 달러로 전년대비 11% 증가한 금액이며 절대액은 10개 참여 부처 중 가장 많다. NNI 관련 연구개발의 조정은 나노규모과학 및 공학(NSE) 그룹에서 담당하는데, NSE 그룹에는 국립과학재단의 각 분과에서 두 명씩 대표를 파견해 구성하며 이 그룹의 대표가 NSET에 참여한다. 지원은 개별 연구자에게 주어지는 것 외에 학제적 연구 및 교육 팀, 국가과학․공학센터, 시험연구 및 교육 프로젝트, 교육 및 훈련 등의 다양한 측면들에 초점이 맞추어져 있다.

2003년의 예산안을 활동별로 살펴보면 기초연구 및 교육에 1억 4,093만 달러, 원대한 도전 에 1,070만 달러, 우수센터 및 네트웍 구축에 3,864만 달러, 연구인프라에 2,170만 달러, ELSI 및 교육훈련에 928만 달러 등으로 기초연구의 비중이 압도적으로 높다. 기초연구 중에서는 나노규모에서의 새로운 구조 및 현상(5,350만 달러), 소자 및 시스템 구조설계(2,780만 달러), 나노규모에서의 생물시스템(2,070만 달러) 등에 높은 우선순위를 부여하고 있다.

10) 농무부

농무부의 2003년도 예산안은 250만 달러로, 별도 책정된 것이다. 농무부의 나노기술 연구는 주립대학(Land Grant Univer sities)과의 협력연구를 한 축으로, 자체 연구소에서의 독자 연구를 다른 한 축으로 해 진행된다. 연구의 초점은 다양한 기초연구과 신물질 개발 등에 맞추어져 있다.

위에서도 간혹 언급되었지만, 이와 같은 각 부처들의 연구개발 활동은 고립적으로 이루어지는 것이 아니라 NSET의 조정에 따라 다양한 상호협력관계 속에서 진행된다. 이를 통해 가장 유망한 연구방향을 파악하고 상보적 연구분야에 대한 지원을 강화하며 균형잡힌 인프라를 구축하는 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대되고 있다.

<표 5>는 회계연도 2002년의 경우에 각 부처간 협력활동이 어떻게 이루어졌는지를 보여주고 있다.



5. 시사점

이상에서 살펴 본 미국의 NNI가 우리에게 주는 시사점은 다음과 같다.

첫째, 미국은 NNI를 통하여 나노기술을 정보기술 및 생명공학기술과 함께 차세대 경쟁력 확보를 위한 핵심기술로 채택하여 강력한 지원을 추진하고 있다. 우리나라도 국가적 차원에서 나노기술의 발전을 위한 법적․제도적 장치가 필요한 것은 물론이다. 이러한 점에서 최근에 나노기술 육성의 법적 근거를 마련하기 위하여 나노기술개발촉진법 을 준비하고 있는 것은 환영할 만한 일이다.

둘째, 나노기술은 다른 신기술에 비해 상업화 단계에 진입하는 데 상대적으로 많은 시간을 요구한다. 미국의 NNI도 나노기술이 아직 상업화되지 못했으므로 기업들이 관심을 가질 수 있는 단계까지 정부가 원천기술의 개발을 지원한다는 정책기조를 바탕으로 추진되었다. 따라서 나노기술의 개발은 성급한 상업화 논리보다는 기존 산업의 체질과 신산업의 기반을 강화하는 차원에서 추진될 필요가 있다.

셋째, NNI는 기초연구, 원대한 도전, 우수센터 및 네트웍 구축, 연구인프라, ELSI 및 인력 등을 포괄한 나노기술의 육성을 위한 종합적인 계획이다. 즉 좁은 의미의 연구개발은 물론 이를 위한 조직 및 인프라 구축이 강조되고 있으며 나노기술의 사회문화적 측면까지 고려하고 있는 것이다. 우리나라의 나노기술개발 관련 정책도 보다 종합적인 시각에서 수립․추진될 필요가 있다.

넷째, 나노기술은 다른 기술과의 연관성이 많은 분야이다. 신기술과 관련해서도 나노기술은 정보기술, 생명공학기술, 환경․에너지 기술 등과 다양한 접점을 형성하고 있다. 이것은 필연적으로 관련 부처간 협력을 요구하며 NNI의 경우에도 다양한 기구들의 상호협력 관계 속에서 진행되고 있다. 나노기술에 대한 정책이 특정한 부서의 틀을 넘는 국가적 차원에서 추진되어야 하는 이유가 여기에 있다.

<참고문헌>

1) 손병호(2001), <주요 기술분야별 국내외 연구개발투자현황 분석연구>, 한국과학기술평가원.

2) 이인식 엮음(2002), <나노기술이 미래를 바꾼다>, 김영사.

3) IWGN(Int eragency Working Group on Nanoscience, Engineering and Technology )(2000), National Nanot echnology Initiative: Leading to the Next Industrial Revolution.

4) NSET (Subcommitt ee on Nanoscale Science, Engineering and T echnology )(2000), National Nanot echnology Initiative: The Initiative and It sImplement ation Plan.

5) NSF (National Science Foundat ion )(2001), Societ al Implications of Nanoscience and Nanotechnology.

6) Roco, M.C.(2000), NNI: From Vision to the Implement ation .

7) Roco, M.C.(2001), National Nanotechnology Investment in the FY 2002 Budget Request by the President , AAAS Report, Vol . 26.

8) Roco, M.C.(2002), National Nanot echnology Investment in the FY 2003 Budget Request by the President , Presented on February 13, 2002 at the AAAS/ASME Briefing, Washingt on, D.C.

[처음으로]










4. 나노 생물학의 연구개발 동향



재료․제조기술 유니트 나가 다카시, 다다쿠니 유키

서론

2000년 1월 클린턴 대통령으로부터 National Nano technology Initiatives가 발표된 이래, 많은 나라에서 국가적인 나노기술 연구 추진 시책이 발표되고 있다. Nano기술에 요구되는 것 중의 하나는 머지않아 그 미세화의 한계가 예견되는 반도체 디바이스를 능가하는 것을 만드는 것이다. 분자 일렉트로닉스 소자 등 몇 개의 후보가 있지만 Quantum Computer, DNA 컴퓨터 등 지금까지는 다른 원리를 이용하는 가능성에 대한 논의가 되어 왔다. 한편, 나노기술의 성과인 미세 가공기술이나 1분자 계측기술이 근년 의약품개발이나 유전자 기능해석, 생체 내 정보 전달의 연구 등 생명과학 영역에도 이용되기 시작하였다. 본고는 생명과학과 나노기술의 경계영역으로서 최근 주목받고 있는 나노 생물학의 동향에 대해 소개한다.

나노 생물학이란 무엇인가

일본 내각부 종합과학기술회의 분야별 추진 전략에서는 나노․재료분야의 5개 중점영역의 하나로서 「의료용 극소시스템․재료, 생물의 메카니즘을 활용하여 제어하는 나노 생물학」을 제시하고 있다. 이 나노 생물학의 중점목표는 「생체분자의 구조, 동작원리를 활용한 고효율, 초집적도시스템 구축을 위한 기초원리의 해명」에 두고 있다.

미국은 코넬대학 등 6개의 교육․연구기관에서 나노 바이오 테크놀로지센터(NBTC)를 설립하였다. 이곳에서는 Nano Bio Technology라는 말을 쓰고 있으며 그 의미를 「생체시스템을 나노 마이크로 디바이스의 작성기술과 룰을 이용해 연구하는 것과 보다 고도의 나노 마이크로 디바이스를 작성하는 방법을 생물로부터 배운다」라는 것으로 정의하고 있다. 또 나노 바이오 기술보다 한정적인 영역을 나타내는 말도 있다.

현재 나노 기술에 관한 기술예측조사가 APEC기술예측센터에서 진행중이며 나노바이오시스템(Nano Bio System)이라고 하는 영역의 동향조사가 포함되어 있다. 동 센터의 보고서에 의하면 나노바이오시스템은 「나노 테크놀로지의 발전에 생물을 이용하는 것」으로 정의하며 그 중에서도 2개의 레벨이 있다고 기술하고 있다. 그 중 하나는 생체물질 그 자체를 디바이스나 기능재료로 이용하는 것으로 예를 들면 높은 특이성과 촉매능력을 가지는 효소를 나노 구조화하는 것으로 나노연료전지나 bio electronics 소자를 만들어 내는 것 등이다.

또 하나는 생물을 이해하여 응용하기 위해서는 생물이 이용하고 있는 원리를 찾아내는 것으로 예를 들면, 이온 채널의 화학검출 기능을 해명해 그 구조․특성을 모방하는 것으로써 고도의 기능성 나노센서를 만드는 것 등이다. 이 영역은 새롭기 때문에 정의는 아직 충분히 정하여지지 않았지만 나노 생물학이나 나노 바이오 테크놀로지는 나노기술과 생명과학에 걸치는 영역으로서 도표 1에서 보는 바와 같이 다음 3개의 영역으로서 생각할 수가 있다.

(1) 미세가공기술 등의 나노 테크놀로지를 생명과학에 이용․응용

(2) 생체물질 등을 나노 디바이스에 이용

(3) 생체의 기능, 원리를 나노 테크놀로지의 발전에 이용





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(1) 초미세 가공기술 등을 생명과학분야에 응용

예 : 각종 바이오칩, 생체중의원자․분자계측

레벨의 생물기능 해석 등

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(2) 단백질 등 생체물질을 나노 디바이스로 이용

예 : 나노 생물연료전지 등의 재료





(3) 생체의 원리, 기능을 나노 기술의 발전에 이용

예 : 자기조직화를 하는 나노 와이어, 촉매,

분자 나노 디바이스 작성







도표 1 : 나노 테크놀로지와 라이프 사이언스 공존 영역 (과학기술동향연구센터 작성)

나노 테크놀로지에의 생명과학 성과의 운용

도표 1의 (2), (3)에 관한 분야로서 이 영역은 나노바이오시스템 연구라고 부른다. APEC 기술예측센터의 보고서에서 다루어진 연구항목과 그 구체적인 예를 도표 2와 같이 정리하였다.

도표 2 : APEC Nanotechnology Position Paper에서 제시된 나노바이오시스템 연구


연 구 항 목 구체적인 예
기존분야에의 생물원리 응용 효소 Transitor, 세포컴퓨터, DNA컴퓨터
바이오/화학센서 생리계측센서, 바이오센서
바이오 일렉트로닉스 효소․항체․항원․DNA 등을 이용한 일렉트로닉스 소자․회로부품, 나노 생물 연료 전지
광 바이오시스템 바이오컴퓨터소자, 광바이오일렉트로닉스소자
생체 나노 머신 NEMS/MEMS 부품, 화학칩 부품, DDS
자기 조직화를 이용하는 생체분자 나노 구조의 구축 분자, 촉매
생물기능을 응용하는 인공 장기․근육 엑츄에이터, 재생의료용 조직



도표 2에는 생체중의 세포나 효소 등의 생체중의 물질을 직접 이용하는 경우와 생체중의 물질을 이용하지 않고 생물기능을 모방하여 새로운 디바이스를 만드는 경우가 있는 것에 유의할 필요가 있다.

가. 생체중의 물질을 이용한 예 : 나노 생물연료전지

백금 촉매 대신에 생체내의 촉매(효소)를 이용하여 미소한 연료전지를 만드는 것이 시도되고 있다. 생체 중에는 산화 환원 반응을 순조롭게 진행시키기 위해 많은 효소가 존재하며 수소와 산소를 이용하는 연료전지의 경우 수소의 산화반응과 산소의 환원 반응에 각각 다른 생체효소를 이용하지만 큰 에너지를 생성하는 데는 기술적 어려움이 있다. 따라서 효소의 활성 중심, 기질이나 보조인자를 최적으로 배치한 나노 스케일의 정밀한 구조를 작성해야 한다. 현재 이러한 최적의 배치구조를 찾는 것이 과제이다.

나. 자체 조직화를 이용한 예 : 은나노 와이어의 형성

생물이 가지는 기능 중 나노 테크놀로지의 응용에 기대되는 것은 자체 조직화를 이용한 나노 디바이스의 작성 기능이다. 원자간격형미경(AFM) 등을 이용하고 개개의 원자․분자를 쌓아 나노 구조물을 만드는 접근은 임의의 구축물을 만드는 경우는 쉬운 반면 큰 구조물이나 대량 생산에 연결하는 데는 큰 기술적 장벽이 있다. 그러나 자체 조직화를 이용하면 대량 생산으로 연결하는 것이 비교적 용이하다. 자체 조직화에 의한 디바이스의 작성은 자체 조직화를 이용하는 생물 중에 존재하는 물질을 이용하는 경우가 많다. 다음 예는 생체중의 에너지 변화에 관여하고 있는 하이드로 퀴논이라는 생체 관련 물질을 이용한 예이다. 한국포항공대의 B.H.Hong 교수 등은 하이드로 퀴논을 포함한 템플릿을 이용해 직경 약 0.4㎚, 길이 수 미크론의 은 나노 와이어를 제작하였다. 은 나노 와이어는 초미세 전자회로의 형성에 이용할 수 있을 가능성이 있어 나노 일렉트로닉스 재료로서 흥미를 갖게 한다. 우선 하이드로 퀴논을 포함한 화합물(정식 명칭은 “카릭스〔4〕 하이드로 퀴논”)을 자체 조직화시켜 나노 레벨의 지름을 가진 통공 템플릿을 제작한다. 이 화합물은 하이드로 퀴논 4분자로부터 형성되어 카릭스(그리스의 성배와 같이 생긴 마시는 입구가 넓게 퍼진 컵 모양)의 형태를 한 이 템플릿에 질산은의 수용액을 흡수시켜 30초간 자외선 조사를 하여 은 이온을 환원하는 것으로써 나노 와이어를 만든다. 템플릿의 단면은 통공으로 규칙이 바르며 정방격자를 형성하고 있어 은 나노 와이어는 이 통공 내로 성장한다. 금, 백금, 팔라듐, 수은 이온 등에 대해 같은 나노 와이어를 형성할 수 있다고 한다.

다. 생물기능을 모방한 예 : 인공 이온 채널을 이용한 화학센서

이온 채널은 다양한 자극을 세포내의 전기적․화학적 신호로 번환하는 분자이다. 생체막을 관통하는 나노 스케일의 통 모양의 구조를 하고 있고 중심부에는 이온이 이동하는 길이 되는 구멍이 있다. 그 구멍에는 이온 선택기능(필터)이 있어 특정의 이온 이외에는 투과시키지 않는다. 여기에는 센서가 있는 문이 있어 외부의 자극에 응해 개폐를 제어한다. 이러한 이온 채널의 기능을 이용해 고도의 이온센서나 전기․화학 신호의 증폭기를 만드는 연구를 하고 있다. 그러나 이온 채널의 원리는 아직 충분히 해명되어 있지 않다. 이온 채널 기능을 이해하기 위해 보다 단순한 구조로 합성이 용이한 인공 이온 채널의 합성이 시도되고 있다. 생체중의 이온 채널과 같이 팹티드를 이용한 인공 채널의 연구는 많지만 탭티드를 이용하지 않는 것보다 단순한 구조(친수성과 반친수성 등 2종의 지방족 화합물로부터 형성) 분자의 인공 채널을 합성해 이온 채널의 본질적인 원리를 이해해 응용하려는 연구도 있다. (나고야대학 대학원 의학연구과의 연구)

생명과학에의 나노 테크놀로지 응용

이는 도표 1의 (1)의 영역에 해당되는 분야이다.

가. 1분자 계측기술에 의한 근육분자운동의 해명

근육 등의 운동을 담당하는 분자와 같은 생물기계의 기능을 분자 레벨로 해명하기 위해서는 크기가 수십 나노미터의 단백질분자의 개개의 거동을 계측․제어하는 것이 필요하다. 이 때문에 AFM이나 광 핀셋 등의 나노 테크놀로지를 구사한 구도의 계측 및 분자 조작기술의 개발․응용이 진행되고 있다. 이 「1분자 계측기술」을 이용해 분자기계의 일종인 분자모터가 활발히 연구되고 있다. 이러한 연구로부터 분자기계의 독특한 구조가 서서히 밝혀지고 있다. 분자모터의 예로서 미오신이라고 하는 단백질운동의 구조를 보면 미오신은 엑틴으로 불리는 다른 단백질이 체인으로 연결된 엑틴 filament 위를 움직인다. 이 운동에는 생체중의 에너지원인 ATP(아데노신 3인산)와 결합․처리할 때 생기는 화학에너지를 사용하고 있다. 최근 1분자 계측에 의해 미오신 분자의 운동 모습과 ATP와의 화학에너지의 교환이 밝혀졌다. ATP로부터 에너지를 받기 전에는 미오신은 엑틴 filament 위를 브라운 운동으로 확률적으로 이동한다. 이 경우 미오신은 전후에 동일한 확률로 랜덤으로 움직이므로 운동의 방향은 정해져 있지 않다. 그러나 1분자 계측기술을 이용한 연구에 의해 ATP의 화학에너지를 이용해 브라운 운동을 하는 미오신의 운동으로부터 한 방향의 운동을 효율적으로 사용하는 것이 밝혀졌다. 이것은 지금까지의 정설을 뒤집는 발견으로 이 연구로부터 인공기계와는 다른 분자기계의 독특한 메카니즘이 밝혀졌다. 인공근육이나 로봇기계에 이용되는 엑츄에이터에 응용이 기대된다.

나. 나노․마이크로 칩 기술의 생명과학 분야에의 응용

여기에서는 가장 실용화가 가까운 나노 마이크로 칩 테크놀로지에 대해 살펴본다. DNA 염기 배열 해석 이후의 연구에서는 고집적화, 고속화에 의한 대량 처리, 해석․반응 시간의 단축이 요구된다. 특히, 사람의 유전자(3～4만개)로부터 발현되는 단백질은 약 10만종 또는 100만종이라고 추측되면서 향후 이러한 막대한 수의 단백질을 해석할 뿐만 아니라 단백질을 분리․정제할 필요도 있어 다음과 같은 나노 마이크로 칩 기술을 이용한 고효율 기능평가법(High Through Screening)이 검토되고 있다.

1) 마이크로 Chamber Array

단백질에 작용하는 약을 찾아내기 위한 나노․마이크로 칩 기술의 이용 예를 소개한다. 약을 개발하는 경우 실제로 합성한 많은 화합물(후보약)의 유효성을 신속하게 찾아내어야 한다. 따라서 반도체의 미세가공기술을 응용해 개개의 반응기의 크기를 마이크로미터～나노미터 레벨로 미소화한 어레이(마이크로 Chamber Array)를 만들어 개개의 반응기에 다른 화합물을 진열하여 동시 병행 처리(시약의 주입이나 시료의 채취)하여 유효한 화합물을 좁혀 나가는 것이 가능하다. 한 장의 칩 위에 수천에서 수 만개의 반응기를 고집적화하는 것으로써 분석시간의 단축, 시약의 절약, 고감도화가 기대된다.

2) 프로틴 칩

2001년 2월 인간게놈의 드레프르 시퀸스가 발표되어 인간 유전자의 번역산물(단백질)은 3～4만개로 밝혀졌다. 그 중 60%는 기능이 밝혀졌으나 40%는 기능이 밝혀지지 않았다. 이러한 미지의 단백질에 대해 입체구조, 발현량, 단백질 상호작용 등의 해석이 진행되고 있다. 단백질 상호 작용의 해석에는 표면 프라즈몬 공명측정장치(생체물질의 상호 작용을 리얼타임으로 분석하는 장치)나 질량분석장치와 함께 프로틴 칩이 사용되고 있다. 칩 위에는 분석물질(항체, 효소, 호르몬 등)을 고정하여 단백질에 시료용액을 첨가해 분석물질과 상호 작용을 하는 단백질을 질량분석장치로 분석한다. 현재는 1장의 칩 위에 20～30개의 시료를 10분 정도로 분석할 수 있다. 장래에는 수 천개의 시료를 단시간에 분석할 수 있는 칩의 개발이 기대된다. 유전자 기능 해석에는 칩 기술이 이에 이용되고 있어 단백질을 필두로 대사물, 세포-세포 상호 작용 등의 해석에도 나노․마이크로 칩 기술의 응용은 중요하다고 생각된다. 더구나 현재 실험실에서 다양한 해석기기를 사용해 단계적인 조작이 실현되고 있는 분석기기를 보다 컴팩트하게 하여 칩화․자동화하는 기술(온칩기술)의 연구가 진행되고 있다. u-TAS(Total Analysis System)은 이러한 시스템의 일례이다. 나노 마이크로 칩 기술은 반도체 미세가공 기술이 응용되고 있다. 지금까지 개발된 실리콘 테크놀로지는 각종 바이오 칩을 조합한 u-TAS의 개발에 응용되어 그 일부는 이미 상용화되었다. 당분간 이러한 칩의 미세화는 반도체의 경우와 같이 발전할 것으로 예측된다. 향후 큰 성장이 전망되는 생명과학의 시장을 겨냥하여 각종 바이오 칩의 연구개발에 많은 기업이 참여하고 있다.

나노 생물학에 관한 논의

나노 생물학의 연구는 일반기계가 가질 수 없는 생물의 기능․원리를 도입하는 것으로 나노 테크놀로지에 질적인 변화를 가져 올 것으로 기대된다. 예를 들면 나노 테크놀로지는 반도체 소자의 연구개발과 같이 거대한 투자가 필요하다고 일견 생각되지만 나노 생물학 연구가 질적으로 변화하는 경우 소규모로 염가의 기술이 될 가능성도 점쳐 진다. 그러나 현 시점에서는 장기적인 기술적․경제적 임텍트의 예측은 힘들다. 특히, 생명과학의 성과를 나노 테크놀로지에 이용하는 연구 중 바이오/연구센서를 제외한 대부분은 기초연구 수준 단계이다. 관심의 대상은 어떻게 나노 생물학 연구를 조직화 하느냐에 달려있다. 나노 테크놀로지의 연구개발이나 교육에 대해서는 복수분야간 새로운 영역을 형성하는 것으로 분야 횡단적인 대처가 필요하다. 나노 테크놀로지와 생명과학의 경계영역에 있어 일반기계와는 다른 생체 중 분자기계의 독특한 기능이 밝혀지고 있다. 그 기능을 나노 테크놀로지에 이용하는 것을 목표로 수많은 연구가 진행되고 있지만 아직 기초단계이며 기존 나노 테크놀로지의 응용분야중의 하나인 나노․마이크로 칩 기술의 응용 분야는 실용화를 목표로 하는 Road Map도 작성되고 있다. 나노 생물학은 기존 나노 테크놀로지를 이용한 생물 기능의 연구를 거치면서 생물기능을 이용한 응용 연구로 변화해 가는 과정이 대두될 것이며 생물의 독특한 기능을 적극적으로 이용하는 것으로써 보다 높은 수준의 나노 테크놀로지를 육성해 가는 것이 요구된다.

결론

「21세기의 과학은 생물학인가?」라고 하는 질문에 데르후트공과대학의 생물분자물리학과의 C. Dekker 교

수는 Yes이기도 하고 No이기도 하다고 대답한다. 20세기는 학문의 심화와 동시에 전문분야의 세분화가 진행되었다. 그 과정에서 각각의 분야는 독자적인 문화체제를 길러왔다. 21세기는 생물시스템의 기능 해명이라는 목표 하에 모든 분야가 융합되고 있다. 현재의 생물학으로 불리는 분야만으로는 생물시스템의 기능 해명은 곤란하고 물리학들의 타 분야와 협동이 불가결하다.

즉, 21세기는 단지 「생물학의 세기」가 아니라는 데에서 대답은 No가 될 것이며 연구의 대상이 생물의 구조해명이 된다고 하는 의미에서는 Yes이다. 나노 테크놀로지에 의해 생체중의 분자의 거동을 미시적으로 계측․제어하는 것이 가능하게 되었다. 생체 중에는 물리 연구자는 생체분자의 구조나 운동을, 화학 연구자는 생화학 반응을, 생물학 연구자는 생체 고유의 현상을, 같은 무대에서 보는 것을 나노 테크놀로지는 가능하게 한다. 나노 테크놀로지라고 하는 분야 융합적인 새로운 프레임에서 “생체기능” 해명의 새로운 진전이 기대된다. 생체기능의 해명에는 예를 들면 소프트 물질에 대한 이해도 필요하다. 소프트 물질이란 액정, 고분자, 겔, 콜로이드 등으로 물질과학의 분야에서 연구되고 있는 물질․재료이다. 그러나 소프트 물질의 물리적 이해는 아직도 깊지 않고 해결해야 할 과제가 산적해 있다.

또한 나노 테크놀로지에의 응용에서도 중요하다고 생각되는 「자체조직화」라는 개념에 대한 과학적인 의견일치도 필요하다. 1999년에 개최된 「화학에 있어서의 카오스와 질서에 관한 국제심포지움」에서는 분자 디자인으로부터 화학 카오스까지의 폭 넓은 연구자들이 「자체조직화」를 검토했지만 충분한 의견일치를 갖는 정의는 없었다.

이와 같이 생체기능을 이해하려면 소프트 물질의 이해나 자체 조직화의 이해나 개념의 재구축을 이루어 복수의 분야․영역을 가로막는 난관을 극복해야 한다. Dekker 교수의 두 개의 의미적인 대답은 이러한 배경을 함축하고 있다. 최신의 연구성과가 논의되고 있는 국제적인 회의나 Schooling 등의 연구 최전선에서는 분야 융합적인 시도를 시작할 수 있다. 최근 분자 과학연구소가 주최한 아시아동계스쿨 「생물․물리․화학의 최전선」에서는 주로 아시아의 나라에서 생물․물리․화학을 연구하는 대학원생 등 젊은이의 연구자가 모여 나노 생물학을 포함하여 최신의 생명과학을 논의하는 시간을 가졌다. 이러한 논의에서도 나노 생물학은 아직도 많은 모색을 필요로 하는 새로운 영역이지만 그 큰 가능성의 실현을 향하여 타 분야 융합적 또는 경계 횡단적인 연구영역으로서 육성․비약시켜 나갈 필요가 있다.

[처음으로]








ꁰ 참고자료


1. 나노 테크놀로지 연구 최전선-반도체․ FPD에서 바이오까지 최첨단 기술을 소개



나노 대 재료․ 프로세스․ 검사기술을 구사한 「나노 테크놀로지」에 뜨거운 시선이 쏟아지고 있다. 소형화, 고밀도화, 성능 향상뿐만 아니라 지금까지 없는 신기능 디바이스를 창출할 가능성을 내포하고 있기 때문이다. 그 열쇠가 되는 나노 재료는 카본 나노튜브, 플라렌 등의 탄소계 재료나 생체를 구성하는 분자(DNA나 단백질) 등 다양한 것이 후보에 올라 있다. 또 나노 구조를 형성하는 프로세스 기술도 반도체 미세화 프로세스의 연장이라고 할 수 있는 톱다운형 프로세스뿐만 아니라 재료의 자기조직화를 통한 보톰업형 기술도 주목받고 있다.

그리고 나노 테크놀로지 범주에 들어가는 기술은 매우 다양하다. 반도체 분야에서는 극박 게이트 산화막이나 단일 전자 트랜지스터/메모리 등, FPD 분야에서는 카본 나노튜브를 이용한 FED 등을 들 수 있다. 그러나 나노 테크놀로지의 수비범위는 그에 머무르지 않는다. 바이오나 메커트로닉스, 스토리지, 광 통신, 환경, 에너지 등, 다양한 분야에서 전개될 것으로 생각되며 일일이 다 열거할 수도 없다. 나노 테크놀로지를 통해 신기능 디바이스가 실현되면 새로운 산업이나 시장이 탄생하고 우리 생활에도 다양한 혜택이 돌아올 것으로 기대된다.

이 글에서는 각 분야에서 연구개발 열기가 달아오르고 있는 나노 테크놀로지를 소개해 나간다.

나노 테크놀로지란 무엇인가?

그림1 나노테크롤로지 안의 핵심기술

나노 테크놀로지란 그 이름 그대로 나노(㎚) 대 재료․ 프로세스․ 검사기술이라고 생각할 수 있다. 확고한 정

의는 없지만 일반적으로 원자나 분자 대 재료 가공으로 1차원(원자 레벨 등의 초박막, 트랜지스터 등의 전극 세선 등)/2차원(어레이 등의 평면 구조)/3차원(입체 구조) 구조체를 형성하는 기술, 그리고 그 구조체를 형성하기 위해 이용하는 재료기술, 그리고 그 구조체나 재료를 검사․ 계측하는 기술로 정의할 수 있을 것이다.

그렇다고는 해도 이것은 특정 영역의 기술을 가리키는 개념은 아니다. 나노 크기라면 모든 분야의 프로세스 기술이나 재료 기술이 그 안에 포함된다. 단 이야기할 수 있는 것은 어느 영역이든 나노 테크놀로지를 이용하여 커다란 이점을 얻을 수 있다는 점이다.

그러면 그 이점이란 무엇인가? 우선 생각할 수 있는 것이 나노 크기로 미세화함에 따른 소형화다. 지금까지도 반도체 등의 전자 디바이스는 이 미세화를 반복해 소형화를 도모하고, 애플리케이션의 고기능화에 많은 공헌을 해 왔는데, 이것이 나노 대 영역에 달하면 더욱 소형화를 실현할 수 있다.

그러나 이점은 그것만이 아니다. 더 커다란 효과가 있다. 재료가 나노 크기가 되면 재료가 가진 물성이 크게 바뀌는 경우도 있다. 물성의 변화로 새로운 기능이 발현하고 나아가서는 새로운 이점을 가져다주는 것이다. 물론 모든 재료에 대해 나노 대 세계에서 어떻게 물성이 변화하는지 해명된 것은 아니지만, 그 물성의 변화를 이용하면 지금까지 없었던 새로운 기능을 가진 디바이스를 실현할 가능성이 높아진다. 그것이야말로 나노 테크놀로지가 사람을 끌어 당기는 커다란 이유다.

그러면 실제로 각 분야의 나노 테크놀로지란 무엇인가, 또 나노 테크놀로지를 통해 어떤 이점이 생기는지 살펴 나가기로 하자.

반도체: 단일 전자 디바이스로 목표로 하는 로파워화

반도체에서 나노 테크놀로지로는 우선 게이트 길이의 미세화, 극박 게이트 절연막을 들 수 있다. 이미 알고 있는 바와 같이 트랜지스터의 게이트 길이는 가속도가 붙어 미세화가 진행되고 있다. 2001년은 20㎚, 15㎚라는 게이트 길이가 연구 단계에서 보고되었다. 또 게이트 산화막 두께는 2005년까지 2～1.5㎚까지 얇아질 것으로 예측된다. 이렇게 되면 리크 전류를 어떻게 억제할 것인가가 커다란 과제가 된다.

그 해결책으로 연구되고 있는 것이 high-k 막이다. high-k 막으로 대체해 물리막 두께를 두껍게 하면서 전기적 막 두께를 얇게 할 필요가 있다. 그러나 HfO2, ZrO2, 희토류 산화물 등, 유력 후보는 등장했지만 아직 결정타는 되지 못하고 있다. 아직 어느 후보도 SiO2를 능가할 정도는 못 되어 실리콘 계면에서의 안정성이나 내열성, 리크 전류 등이 과제로 지적되고 있다. 그러므로 high-k도 원자 대에서 막 질을 제어할 필요가 있다고 여겨지고 있다. 즉 나노 테크놀로지의 활용이 필요해지는 것이다.

또 더욱 미세화가 진행되면 트랜지스터 구조도 현재의 플레이너(planar)형으로는 한계가 올 것이라고 한다. 포스트 플레이너형 게이트로는 세로형 트랜지스터, 핀형 트랜지스터 등, 다양한 구조가 제안되고 있는데 어쨌든 이것도 나노 대 구조 제작 기술이 필요하다.

단 이것들은 지금까지의 반도체 제조기술 기법, 즉 리소그래피나 에칭 등의 반복으로 미세구조를 형성하는 톱다운형 기법을 답습해 만들어지는 것이다. 이에 대해 전혀 반대인, 재료의 자기조직화를 이용한 보톰업적인 접근도 있다.


그 전형이라고 할 수 있는 것이 단일 전자 디바이스다. 이것은 싱글 나노 크기의 실리콘 미립자를 이용, 쿨롱 브로케이드 효과를 이용해 전자 한개 한개의 움직임을 제어하는 것. 전자를 한개 단위로 제어하므로 궁극적인 저소비전력 디바이스를 제작할 수 있다.

단일 전자 트랜지스터의 경우, 실리콘 미립자는 아일랜드라고 한다. 아일랜드에 전자가 있으면 다음 전자는 쿨롱 반발력으로 손쉽게 소스에서 아일랜드로 터널을 뚫을 수 없다. 이것을 쿨롱 브로케이드 효과라고 한다. 이 효과로 전자의 진입이 억제된다. 게이트 전압을 조정하면 전자 한개 한개의 움직임을 제어할 수 있는 것이다.

단 아일랜드의 대전 에너지가 열 에너지보다 커지지 않으면 쿨롱 블록이 작용하지 않고 전자가 움직이지 않는다. 그러므로 동작온도를 극저온으로 하지 않으면 움직이지 않는다는 것이 지금까지의 단일 전자 트랜지스터의 과제였다.

도시바 연구개발센터에서는 실온에서 동작하는 소자를 형성하기 위해 약품처리로 극미세 구조를 재현성 좋게 작성하는 기술을 개발했다(그림2). 구체적으로는 막 두께 2.5㎚의 실리콘 층을 형성하고 그 표면에 웨트 약품 처리로 전자를 가둘 수 있는 나노스케일의 기복을 형성한다. 이것은 실리콘의 일종의 자기조직화 반응으로 기복이 형성되는 것. 이 미세한 기복이 아일랜드가 된다. 이렇게 하여 실온에서도 동작하는 단일 전자 트랜지스터를 개발했다.

FPD: 주목은 CNT를 이용한 FED

FPD에서는 요소부품에 나노 재료를 이용한 것이 제안되었다. 그 중에서도 주목주는 뭐니뭐니 해도 카본나노튜브(CNT)다.

CNT는 기존 전자방출 재료에 비해 전류밀도, 구동전압, 견고성, 수명 등의 특성이 뛰어나 전계 방출 에미터 재료로 유망시된다. 강전계를 실현하기 위해서는 끝부분을 날카롭게 만든 금속 바늘이 이용되는데 그 바늘에 전압을 가하면 끝부분에 전계가 집중하여 강전계를 얻을 수 있다. 그런 점에서 CNT는 끝부분이 날카로운 데다가 전기전도성이 양호하고 화학적으로 안정되어 있어 기계적 강도가 뛰어나다는 특징이 있으므로 전계 방출 에미터에 적합하다고 생각된다.

미에화학의 齊藤彌八 교수 등은 CNT를 전자원에 이용한 FED를 개발하고 있다. 디스플레이 소자로는 옥외 대형 표시용 화소로 실용되고 있는 고전압형 형광 표시관을 토대로 필라멘트 모양 열 음극 대신 CNT 냉음극을 배치한 것이 처음으로 시험제작되었는데(CNT 음극의 형성은 스크린 인쇄법을 이용한다), 음극전류밀도로 0.1～1A/㎠를 얻을 수 있고, 수명 시험에서도 1만 5000시간 이상의 안정 동작이 확인되어 CNT를 전계 방출 재료로 실용할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

또 이세전자공업은 멀티월형 CNT(MWNT)를 이용해 스크린 크기 66㎜×66㎜, 화소 크기 3.0(RGB)㎜×2.54㎜의 FED 패널을 98년에 시험제작했다. 그 구조는 그림3(a)와 같다. 그리고 이세전자공업은 14.5인치 삼극형 컬러 FED 패널의 시험제작에 성공, 대형화 가능성을 제시했다.


또 삼성SDI는 싱글월 CNT(SWNT)를 이용해 대각 9인치, 화소 크기 0.54㎜×0.32㎜의 이극형 컬러 FED 패널을 99년에 시험제작했다. 그 때의 휘도는 200cd/㎡였지만 2000년에는 모노로 15인치 삼극형 패널을 시험제작하고 600cd/㎡의 휘도를 실현했다. 그리고 2001년에는 근접 게이트 구조(그림3(b))로 제작한 컬러 CNT-FED를 발표했다. 양극 전압 1.5㎸, 게이트 전압 100V에서 500cd/㎡의 휘도를 얻을 수 있고 8비트 그레이스케일로 풀컬러 동영상을 표시할 수 있었다.

또 NEC도 2001년에 근접 게이트형 컬러 FED의 연구성과를 발표했다. SWNT를 이용, 음극과 게이트 전극 사이를 20㎛ 절연막으로 가로막았다. 게이트 전압 80V에서 양극 전류밀도 0.5㎃/㎠를 얻을 수 있었고 100V 이하의 저전압 구동에도 성공했다.

한편 마쓰시타전공은 나노 결정 실리콘을 하나씩 절연막으로 코팅하여, 체인과 같이 연결하면 고체 속이라도 진공중과 마찬가지로 전자가 고속으로 움직일 수 있게 된다는 원리를 응용해 FED(BSD)를 개발하고 있다.

유기 EL의 세계에서도 나노 테크놀로지가 열쇠를 쥐고 있다. 고휘도, 고색순도 발광재료의 실현은 나노 대 분자제어 및 설계에 달려 있는 것이다.



HDD: 수직자기기록에 주목

반도체의 게이트 길이와 마찬가지로 하드 디스크의 기록밀도도 가속도가 붙어 진화하고 있고 이미 50～60G비트/in2 수준까지 도달했다. 그러나 앞으로 기록밀도를 더욱 높여 나가기 위해서는 원자 레벨의 재료 제어 등, 기술적 약진이 더욱 필요하다. 나노 스케일이 되면 초상자성 현상이 발생하여 기록 데이터가 사라져 버리는 경우가 있으므로 이것을 극복하기 위한 연구가 활발해지고 있다.

그 중 하나가 수직자기기록방식이다(그림4). 종전의 면내 기록방식이 안고 있는 과제인 열요동(기록한 데이터가 시간이 지나면서 소실되는 현상)을 해결할 유효한 수단으로 여겨지고 있다.

단자극형 기록 헤드와 매체 안의 연자성 배접층과의 강력한 자기적 결합을 이용해 실현된다. 데이터는 막 면에 대해 수직방향으로 자화하기 쉬운 특성을 가진 기록층에 기록되고 재생에는 면내 기록과 같은 GMR 헤드를 사용할 수 있다. 기록층의 막 두께를 극박으로 하지 않아도 고밀도화가 실현되고 열 요동을 대폭 완화시킬 수 있다.

광디바이스: 양자 도트 레이저 연구가 활발

반도체 레이저 등의 광디바이스에서도 나노 테크놀로지가 위력을 발휘한다. 반도체 레이저에서는 소형화․ 집적화를 위해 수직방향으로 발광하는 면 발광 레이저가 개발되고 있다.

또 양자 도트를 이용한 반도체 레이저도 연구가 진행되고 있다. 양자 우물의 폭을 좁혀 나가면 양자세선, 나아가서는 양자 상자(양자 도트)가 된다. 양자 도트에서 전자는 완전히 자유도를 잃어 전자와 정공(홀)이 공간적으로 같은 장소를 차지하므로 재결합하기 쉬워져 발광효율이 커진다. 양자 도트를 이용한 반도체 레이저는 기존 양자 우물 레이저와 비교해 고속성, 저소비전력성, 온도안정성, 발진주파수 안정성 등 모든 면에서 뛰어난 특성을 가지고 있다.

이 양자 도트를 이용하여 브로드밴드 통신 인프라에 대응한 고성능 반도체 레이저나 대용량 광디스크용 레이저도 실현할 수 있다.

또 마이크로머신 기술을 활용한 광스위치나 포토닉 결정 연구도 진행되고 있다. 광스위치는 기간계 통신망의 대용량화에 대응하기 위해 빛을 빛 그대로 라우팅하는 광 라우터를 실현할 목적으로 필요시되고 있다.

에너지: 탄소계 재료로 수소 흡장

깨끗한 에너지 시스템을 실현하기 위한 솔루션으로 수소를 매체로 한 시스템이 연구되고 있다. 이것을 실현하기 위해서는 수소를 고효율이면서 안전하게 저장하는 기술이 필요하다. 그 유효 수단으로 나노 테크놀로지를 이용한 수소 흡장 재료의 연구가 주목받고 있다.

구체적으로는 카본나노튜브가 카본나노파이버, 그래파이트 등을 이용한 기술을 들 수 있다. 층상 구조의 그래파이트를 수소 분위기에서 기계적 미링 처리하면 7mass%가 넘는 수소가 그래파이트에 저장된다는 것도 보고되었다.

바이오: 반도체 메이커가 DNA 칩에 참여

나노 테크놀로지는 의료․ 바이오 분야에도 혁명을 일으킨다. 나노 테크놀로지와 바이오 테크놀로지의 융합으로 궁극적으로는 개인의 유전자 차이나, 그 차이에 기인하는 개인의 체질 차이에 따른 질병치료나 투약도 실현된다. 이것을 「맞춤형 의료」라고 하는데 나노 테크놀로지와 바이오 기술을 융합시켜 그 실현이 크게 가까워지고 있는 것이다.

이미 바이오 분야에서는 반도체 제조기술을 활용한 바이오칩 디바이스가 많이 발표되었고 그 중에는 실용화된 것도 있다.

그 대표적인 것이 DNA 칩(DNA 마이크로어레이)이다. 이것은 검체 DNA와 칩에 붙인 프로브 DNA를 결합시켜 DNA의 발현상태를 조사한다는 것. 두 DNA 중, 상보적인 염기배열을 가진 것이 결합한다. 이것을 하이브리다이제이션이라고 한다.

단 원리는 같아도 그 칩의 모양은 다양하다. 현재 실용화된 것의 대부분은 슬라이드 글래스에 스포팅법으로 프로브 DNA를 붙인 것이 주류인데, 그 중에는 DNA 프로브에 부착하여 잉크젯법을 이용하는 것이나 반도체 리소그래피 기술로 염기를 형성해 나가는 방법도 있다. 또 기판도 유리뿐만 아니라 실리콘 기판이나 플라스틱을 이용한 것이 있다.

실리콘 기판을 이용한 칩은 Nanogen, 도시바, Infineon이 발표했다. 모두 실리콘 기판에 반도체 기술로 메탈 전극을 형성하고 그 위에 프로브 DNA를 붙이는 방식.

Nanogen의 DNA 칩 「NanoChip」은 실리콘 기판을 이용, 반도체 제조기술을 이용해 제작되는 DNA 칩. 전극 위에 DNA 프로브를 형성하여 테스트 사이트를 독립시켜 전기적으로 제어할 수 있다. 그렇게 하여 하이브리다이제이션 시간을 대폭 줄일 수 있고 또 하이브리다이제이션이 끝난 후 테스트 사이트를 전기적으로 제어하거나 사이트의 온도를 높여 제어하여 불안정한 결합을 포함한 하이브리다이제이션을 제거하고 100%에 가까운 정도로 해석할 수 있다.

제조방법은 우선 실리콘 기판 위에 Pt 전극을 형성하고 그 위에 DNA 프로브를 형성한다. DNA 프로브의 접착부위는 직경 약 80㎛이고 간격은 200㎛. 그리고 그 위에 친수성 반투막(한천과 같은 소재의 막)을 도포한다. 이 반투막에는 DNA를 보유하는 성질을 가진 애비딘이 포함된다.

이 Nanogen의 칩은 일본에서는 히타치 하이테크놀로지즈가 판매를 담당하고 있다.

도시바의 DNA 칩은 전압을 가해 발생하는 전류를 검출하는 전류 검출 방식을 채용했다(그림5). 칩은 실리콘 기판 위에 반도체 제조기술을 이용해 전극, 배선 등을 형성해 작성된다. 전극의 재료는 Au로, 프로브가 되는 DNA가 이 Au 전극 위에 고정된다. 그리고 DNA 두 고리에만 결합하는 삽입제 분자를 첨가한다. 이것은 두 고리화에만 잘 맞는 구조로, 프로브의 DNA과 상보적인 배열을 가진 검체의 타깃 DNA가 결합한 두 고리에만 결합된다. 칩에 전압을 가하면 그 삽입제가 산화되는데 그 때 발생하는 전자를 검출한다는 원리다.

이 회사에서는 우선 C형 간염 환자에 대한 인터페론의 효과를 예측하는 진단 칩을 최초의 타깃으로 하여 사업화를 지향하고 있다.

Infineon Technologies는 전자회로를 집적한 바이오칩을 시험제작했다. 약 1/4의 1㎠의 단일 Si 칩 위에 해석시험용 전자회로 및 생체화학시험용 웰(미세구멍)을 구성하고 있다. 칩 위에는 직경 100㎛의 미세구멍이 128개 균일하게 배치되어 있고, 128종류의 시험을 효율적으로 실시할 수 있다. 칩 위에 형성된 전자회로는 광학 해석법을 대신하는 것으로, 검사시료의 특성에 의존한 전류를 측정하기 위해 사용된다.

제조는 표준 CMOS 기술에 Au의 센서 전극을 형성하는 프로세스를 조합한다. 방법으로는 검사시료에 특수 효소를 첨가한다. 이 효소는 다른 물질을 전기적으로 활성 성분으로 분열시키는 작용을 하며, 이 화학적인 과정에서 센서의 Au 전극에 1㎀～100㎁의 전류가 발생하여 이것을 고감도 회로로 측정한다는 것. 기본적으로 전류의 시간적 변화에서 검체의 성분이나 농도를 알아낼 수 있다고 한다.

-TAS나 드럭 딜리버리 시스템에도 주목해야

주목해야 할 바이오칩은 이것만이 아니다. 단백질을 분석하는 프로틴칩이나 미량의 혈액을 채취하여 매일매일의 건강상태를 체크할 수 있는 헬스케어칩, 케미컬 프로세스를 마이크로칩에 집적한 칩 등이 있다.

케미컬 프로세스를 마이크로칩에 집적한 칩은 유리나 플라스틱, 실리콘 등의 기판에 액체시료를 흐르게 하는 마이크로 크기의 유로가 형성되어 있다. 나아가서는 마이크로 크기의 펌프, 밸브 등이 형성되고 수송, 반응, 분리, 분석이라는 케미컬 프로세스가 마이크로칩에 집적되어 있다.

이러한 칩은 마이크로 화학 시스템, -TAS, Lab-on-a-Chip, 화학 IC 등 다양한 호칭이 있고, 또 칩의 구조나 특징, 기능도 천차만별이다. 그러나 마이크로 크기의 유로, 밸브나 펌프 등을 칩에 집적하여 화학반응을 마이크로칩 위에서 실시한다는 점에서는 공통된다.

이들 칩은 반도체의 리소그래피나 에칭 기술을 응용해 제조된다. 실리콘 기판의 칩은 그대로 반도체 프로세스를 응용하지만 플라스틱 재료의 칩은 그 재료를 굳히기 위한 금형 형성에 반도체 프로세스가 이용된다.

케미컬 프로세스를 1칩에 집적하는 것의 이점은 크고, 화학반응의 고효율화, 고속화를 실현할 수 있다는 것이다. 그렇게 하여 앞으로는 일상적인 건강상태 체크나, 나아가서는 개인차에 따른 치료약의 제작도 가능해진다. 다시 말하면 개인의 체질차에 입각하여 실시하는 투약이나 치료, 즉 「맞춤형 의료」를 실현할 유력한 도구가 될 가능성을 내포하고 있다.

실제로 이들 칩은 나노가 아니라 마이크로 크기의 것이 많은데 앞으로는 체내에도 들어갈 수 있는 마이크로머신적인 것으로 응용 전개를 도모하게 되면 정말 나노 테크놀로지가 필요하게 된다.

체내에 들어갈 수 있는 디바이스 시스템의 유력 후보로 연구되고 있는 것이 나노 드럭 딜리버리 시스템이다. 이것은 체내에 들어가 특정 병리 부분에 투약하는 것이다. 예를 들어 항암제를 암에 걸린 부위에 직접 투여할 수 있다. 같은 기법으로 그 부위에 유전자를 보낼 수도 있다고 한다. 이것을 실현하기 위해 나노 테크놀로지, 나노 재료가 열쇠를 쥐고 있다는 것은 말할 것도 없다.

산업기술종합연구소 나노 테크놀로지 연구부문에서는 능동적인 드럭 딜리버리 시스템의 개발을 목표로 하고 있다. 필요한 약제를 환부에 투여하는 시스템으로, 인공세포 표면에 당쇄(糖鎖)가 있고, 이것이 세포간 인식의 열쇠가 된다. 이것을 이용, 세포를 인식한 능동적인 나노 드럭 딜리버리 시스템의 개발을 목표로 하고 있다.

이 밖에도 바이오 기술과 나노 테크놀로지, 마이크로머신 기술을 융합해 의료분야에서 응용하기 위한 많은 기술이 등장하고 있다. 예를 들면 캡슐형 내시경, 마이크로 카테테르 등이 제안되고 있다.

캡슐형 내시경은 그 이름 그대로 내시경을 캡슐 정도의 크기로 소형화한 것, 끝부분에는 카메라를 내장하고 촬영한 영상을 리얼타임으로 송신한다. 이렇게 하여 이제까지 내시경 검사가 불가능했던 소장 등의 검사도 실현된다.

마이크로 카테테르는 이전부터 의료현장에서 이용되고 있는 카테테르에 마이크로머신 기술을 도입한 것. 뇌의 혈관 등, 가느다란 혈관에 넣을 수 있고, 혈관을 손상시키지 않도록 연구한 것으로, 여러 개의 마이크로 압각 센서와 능동적으로 카테테르를 구부리는 기구를 내장한 「능동 만곡 카테테르」가 개발되고 있다. 끝부분에 모든 방향으로 마음대로 구부러지기 위한 기구가 있다.

또 마이크로 압각 센서는 혈관 내벽 등에 닿았을 때 접촉 압력을 느끼는 센서. 실리콘 반도체 변형 센서를 이용하여 끝부분 부재 주위에 설치된다. 센서의 출력은 튜브 외벽에 레이저 가공과 도금 기술로 구리선을 나선 모양으로 만든 전기배선을 통해 근원까지 보내진다. 혈관 내벽에 닿았을 때 생기는 1g 정도의 압력을 감지하여 접촉한 측의 반대 방향으로 자동적으로 튜브 첨단부를 구부려 조직에 미치는 손해를 미연에 방지한다. 이 두 기술을 조합하여 뇌의 혈관과 같이 가느다랗고 상처를 잘 입는 혈관에 삽입할 수 있게 된다.

카테테르의 중심부에는 진단이나 치료에 필요한 장치를 도입하기 위해 구멍이 뚫려 있다. 여기에 관찰용 내시경이나 진단용 프로브를 넣을 수 있다.

그리고 마이크로 레이저를 마이크로 카테테르의 머리부분에 탑재하여 레이저를 조사해 침착물을 제거하는 카테테르도 개발되고 있다. 이렇게 하여 동맥 안에 침착된 驅칼슘 등을 제거할 수 있게 된다.

이 밖에 간장이나 신장 등, 체내 조직 재생에 마이크로머신 기술이나 반도체 미세가공 기술을 응용하는 연구도 진행되고 있다.

프로세스 기술: 보톰업에 주목

이상 나노 테크놀로지를 활용해 제작되는 다양한 디바이스를 열거해 왔다. 그러면 나노 레벨의 재료를 조종해 나노 디바이스를 형성하는 프로세스 기술은 어떠한 것이 될 것인가?

나노 레벨의 구조체를 형성하는 기술은 톱다운형 프로세스와 보톰업형 프로세스로 크게 나눌 수 있다. 톱다운형이란 커다란 것을 깎아 나가 미세구조를 형성하는 기술이다. 그 깎아 나가는 기술이란 말할 것도 없이 에칭으로, 에칭 전에는 리소그래피가 필요하다. 즉 리소그래피와 에칭의 반복으로 미세 디바이스를 형성하는 기술로, 반도체 제조기술 그 자체다. 반도체 프로세스 기술을 더욱 응용․ 진화시켜, 나노 레벨의 구조체를 형성하고자 하는 것이다.

이 톱다운형의 별명은 「파인맨의 나노 테크놀로지」라고 한다. 1959년 미국의 리처드 파인맨씨가 커다란 것을 가공해 미세한 구조를 형성하여 나노 대 구조체를 형성할 수 있는 가능성이 있다는 것을 예측한 것이다.

이 톱다운형이 현재의 반도체 프로세스 그 자체라고 해도 좋다면 결국 그 장래성은 반도체 리소그래피 기술의 진척이 커다란 열쇠를 쥐고 있다. 주지하고 있는 바와 같이 현재는 100㎚에 가까운 미세화가 양산 차원에서 모습을 드러냈다. 리소그래피에 관해서는 연구 차원에서 70㎚, 50㎚도 보고되었다. 그러나 50㎚ 이후는 아직 분명하게 모습을 드러내지 않은 실정이다.

그 미세화의 한계를 뛰어넘을 가능성을 내포하고 있는 것이 다음에 소개할 보톰업이다. 이것은 재료의 자기조직화를 통한 나노 테크놀로지, 알기 쉽게 이야기하면 재료가 스스로 쌓아 올려, 조립해 나가는 나노 테크놀로지다. 화학반응으로 자동적으로 나노 스케일의 구조가 형성된다는 것이다.

좋은 예가 생체분자다. DNA, 단백질 등은 자기조직화로 나노 스케일의 구조체를 형성하고 있다. 생체 안에서 형성되는 미세한 구조물은 모두 이 자기조직화로 만들어진다. 그 메커니즘을 해명하는 연구도 활발해지고 있다. 즉 생물계에서 배우고 생물이 영위하는 나노 구조 형성을 해명하고자 하는 것이다. 그 보톰업 나노 테크놀로지는 「드렉슬러의 나노 테크놀로지」라고도 불린다. 1986년 미국 에릭 드렉슬러씨가 그 저작 「Engines of Creation」에서 소개했다.

현재 자기조직화가 가능한 재료로 다양한 것이 연구되고 있다. 특히 대표적인 것이 유기물이다. 유기분자는 분자량이 작은 것에서 큰 것을 선택할 수 있고 또 상호작용의 강약도 선택할 수 있다. 게다가 특정 화학반응을 이용해 구조를 형성할 수 있다. 실제로 유기 폴리머 등을 이용해 기록매체용 2차원 구조를 형성하는 연구도 이루어지고 있다.

또 DNA, 단백질 등의 생체분자를 이용한 자기조직화도 연구되고 있다. 생물계, 자연계에서는 생체분자의 자기조직화로 나노 스케일의 구조체가 저렴하게 다량 제작되고 있다. 그러한 생물계 시스템을 나노 테크놀로지 실현에 이용하지 않을 방법은 없다. 나노 구조를 실현할 때는 Top Down형 프로세스의 연장선상에서 생각할 뿐만 아니라 이미 나노 구조를 실현한 생물에서 배워, 생체분자를 이용한 나노 구조 형성 프로세스를 연구하고자 하는 것이 그 목적이다.

오사카대학의 川合知二 교수의 연구실에서는 DNA의 특성(그 자체가 정보를 가지고, 자기조직화 능력이 있다)을 이용해 DNA를 재료에 이용한 디바이스를 연구하고 있다. DNA는 염기의 간격이 0.4㎚로 나노 크기인 데다가 자신이 정보 및 어드레스를 가지고 있다. 그리고 자기 복제를 한다. 주형이 1개 있으면 착착 자기 복제를 하는 것이다. 적당한 조건에서는 1㎠ 이상에 걸쳐 독특한 자기조직화 네트워크 패턴을 고체 표면 위에 형성한다. 이러한 성질을 살려, DNA를 실리콘 등의 기판 위에서 네트워크화하여 소자 재료로 활용하고자 하는 것이 이 연구실의 연구다.

이 연구실에서는 실제로 DNA를 기판 위에서 네트워크화시키는 실증실험을 하고 있다. 마이커(운모) 기판과 실리콘 기판을 이용, 실제로 DNA 네트워크를 형성할 수 있는지 여부를 실험하고 있다. 마이커 기판 위에서는 1×10-8M 이상의 농도로 특징적인 2차원 자기조직 네트워크가 형성되었다. 실리콘 기판 위에서는 RCA 세정을 실시, 원자 스텝의 표면을 드러낸 실리콘 (111)면 위에 네트워크를 형성한 것이 확인되었다.

또 마쓰시타전기산업의 山下一郞씨 등은 단백질을 이용해 나노 디바이스를 실현하는 「바이오 나노 프로세스」를 제안하고 있다. 이것은 단백질의 자기집합능력을 이용해 나노 구조를 실현하고자 하는 것(그림6). 단백질에 금속을 내포(內包)시키고 자기집합능력을 이용해 기판 위에 배열시킨다. 단백질은 무기재료를 내포하는 능력이 있는데(이것을 바이오 미네랄리제이션이라고 한다), 이 성질을 이용해 무기재료를 내포한 단백질에 나노 구조를 제작하고, 그 후 단백질만 제거한다는 것이 바이오 나노 프로세스다.

그들은 Fe 보존용 단백질로 자연계에 널리 존재하는 펠리틴의 2차원 배열을 실리콘 기판 위에 제작하고 그 후 펠리틴을 열처리로 제거하여 Fe의 배열만 남기는 프로세스를 개발하고 있다. 펠리틴 중심에는 직경 6㎚의 空洞(코어)이 있고 이 안에 약 4000개의 Fe를 산화철 결정 형태로 내포할 수 있다. 이 상태의 펠리틴을 실리콘 기판 위에 2차원적으로 배열한다. 그 후는 500℃의 열처리로 펠리틴만 제거하고 산화철만의 2차원 배열을 남긴다. 펠리틴을 제거한 후 남은 코어는 FeO로, 도전성도 확인되었다.

이 방법을 통해 6㎚라는 매우 작은 산화철의 코어가 나노대로 배열된 2차원 구조를 제작할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

이렇게 나노 레벨의 미세화 프로세스에서는 자기조직화를 통한 보톰업 기법이 위력을 발휘할 가능성이 높다. 그렇다고 해서 보톰업 기법만으로는 나노 디바이스를 실현할 수 없다. 톱다운 기법과 보톰업 기법을 잘 조합해 서로 보완하는 프로세스를 구축하는 것이 중요할 것이다.

나노 테크놀로지의 최대 우승후보는 바이오

앞에서 말했듯이 나노 테크놀로지가 가져올 이점은 측량할 수 없다. 나노 테크놀로지를 이용하면 지금까지 실현할 수 없었던 새로운 기능을 가진 디바이스가 등장할 가능성도 높아진다.

나노 테크놀로지가 위력을 발휘하는 영역은 많지만 그 중에서 나노 테크놀로지의 혜택을 가장 많이 받을 것으로 기대되는 분야, 다시 말하면 나노 테크놀로지의 마킷으로 최대 우승후보 중 하나가 앞에서 말한 바이오 분야일 것이다.

DNA 칩이나 -TAS, Lab-on-a-Chip 등의 마이크로칩, 마이크로 카테테르와 같은 마이크로머신, 드럭 딜리버리 시스템, 나아가 재생의료에 대한 응용 등, 나노와 바이오의 융합으로 탄생할 기술은 백화요란이다. 이것들은 결코 꿈의 세계의 이야기가 아니고 그 중에는 이미 실현된 것도 있다.

나노 테크놀로지의 응용분야로 바이오가 주목받는 것은 그 앞날에 거대한 시장이 잠자고 있기 때문이다. 나노 테크놀로지와 바이오 기술을 융합한 칩이나 마이크로머신을 이용해 질병치료나 예방을 할 수 있는 시스템이 확립된다면 어쩌면 수요처가 많아질 것이다. 물론 바이오 디바이스가 널리 실용화되기까지는 아직 시간이 걸릴 것이다. 체내에 넣는 것도 나올 것이므로 신뢰성 향상이나 인체에 영향을 미치지 않는 기술의 확립이 중요해질 것은 말할 것도 없다. 또 시장을 넓혀 나가기 위해서는 저가격화도 필요하다. 그를 위해서는 양산화 기술을 조기에 확립해 나가야 할 것이다.

나노 테크놀로지가 붐으로 끝나지 않도록 하기 위해

나노 테크놀로지 붐이라고 할 수 있는 작금의 상황에서 일본 하이테크 산업의 구세주가 되는 것은 나노 테크놀로지밖에 없다는 의견도 뿌리가 깊다. 그러나 주의해야 할 점은 정말 나노 테크놀로지를 구세주로 만들기 위해서는 나노 테크놀로지를 단순한 "붐"으로 끝내지 않아야 한다. 실제로 그 대부분은 실현되기까지 5년, 혹은 10년이라는 세월이 필요하다. 그렇다고 해서 「나노 테크놀로지 따위 시대의 속 빈 강정이다」라며 차가운 시선으로 보는 것은 어찌 된 일인가?

한 나노 테크놀로지 재료의 연구자가 한탄했었다. 나노 영역이 아니라 더 현실에 가까운 영역을 연구하고 있는 연구자가 「나노 테크놀로지가 그렇게 간단히 완성될 리가 없다」며 차가운 시선을 보내고 있다는 것이다. 확실히 CNT의 실용화든, 바이오 디바이스든, 보톰 프로세스든 실현을 향한 길은 결코 평탄하지 않다.

그러나 나노 테크놀로지의 앞날에는 미개척 시장이 있고, 우리 일상생활에도 지금까지 없는 혜택을 줄 가능성이 크다. 나노 테크놀로지 연구를 테마로 한 프로젝트가 몇 가지나 시작되었지만 그 대부분은 연구를 위한 연구가 아니라 분명히 「실용화」나 「인더스트리로의 전개」를 사명으로 하고 있다.

그것을 현실화하기 위해서는 산학연휴나 기업 간 울타리를 넘어선 연휴도 필요할 것이다.

지금이야말로 나노 테크놀로지를 장래 일본의 기간산업으로 육성하기 위해 일어서야 할 때가 아닐까?

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