(1) 나노소재
(2) 나노소자
(3) 나노바이오
(4) 의료⋅ 보건
(5) 환경 및 에너지
(6) 사회안전 및 국방
(7) 나노기반
2001년 나노기술종합발전계획 수립 시 우리나라의 나노기술 경쟁력은 1위 기술국인 미국에 대하여 약 25% 수준으로 평가되었었다. 1단계 기술개발 중인 2004년 말 평가(1차 연구)한 우리나라의 기술력은 미국의 61.4% 수준까지 높아졌으며, 일본과 독일에 비해서는 각각 약 71%, 75% 수준의 기술력을 갖고 있는 것으로 나타났다. 비교적 강한 기술경쟁력을 갖고 있는 기술 분야는 나노소재(미국 대비 69%), 나 노소자(71%), 환경 및 에너지(75%) 분야로 나타났으며 나노바이오 및 의료⋅보건 분야와 나노기반 분야 는 미국의 약 40~50%에 해당하는 기술력을 갖고 있는 것으로 평가된 바 있다.
나노기술 영역별로 기술의 분류와 그에 대한 기술개발 동향, 산업화 동향 및 주요 연구성과와 기술경 쟁력을 분석한 2차 연구의 주요 내용을 아래에 기술하였다.
(1) 나노소재
1) 기술개발 및 산업 동향 개요
① 나노소재 기술의 개요
일반적으로 나노소재는 나노소재를 구성하고 있는 요소(입자(막대 혹은 튜브, 분산체, 석출체), 결정립 등)의 최소크기가 나노크기 영역(100 나노미터(㎚)) 이내인 소재를 말한다. 여기서 최소크기로 크기를 정 의하는 것은 소재를 구성하는 요소들의 모양이 완전한 구형인 경우는 드물고 모양이 불규칙하거나 막 또 는 판, 막대 등 모양이 다양하기 때문에 크기를 정의하는 것이 용이하지 않기 때문이다. 나노소재는 구성 요소들의 형태 및 이들의 결합형태에 따라 다양하게 분류될 수 있다. 구성요소의 관점에서는 0차원소재 (나노입자(분말, 결정), 나노점(양자점, 점결합) 등), 1차원소재(나노막대, 나노튜브, 나노선 등), 2차원소 재(나노판, 나노막 등) 등으로 분류할 수 있고, 구성요소들의 결합형태 관점에서는 나노다결정 소재, 나 노복합소재(나노-나노, 나노-마이크론, 나노다층), 유기-무기 나노복합소재, 나노하이브리드 소재 등으 로 분류할 수 있다.
② 기술개발 동향
나노소재는 그 형태의 다양성만큼이나 다양한 방법으로 개발되고 있으며 기술수준도 각기 다르다. 기
2 나노기술 분야별 수준 비교
술적으로 접근이 용이하고 많은 기술 축적이 이루어진 나노분말소재 분야는 기술이 성숙단계에 접어들고 있다. 물성을 정밀하게 제어하고 개선하는 연구와 더불어 경제적으로 합성하는 제조법에 관한 연구가 활 발하다. 나노분말소재 다음으로 연구가 활발한 분야는 1차원 나노소재인 나노선, 나노튜브, 나노막대 등 의 제조 및 물성에 관한 분야이다. 탄소나노튜브 이외에도 산화아연 나노선 등 다양한 소재들을 1차원 형태로 제조하는 방법에 관한 연구가 활발하다. 이들 1차원 나노소재는 소자로서의 응용가능성이 매우 높기 때문에 물성의 측정 및 제어에 관한 연구가 활발하며 소자 제작을 위한 시도들이 이루어지고 있다.
2차원 나노박막소재는 소재로서의 연구보다는 소자 제작과 직접적인 연관성이 크므로 자기소자 등 소자 제작 공정을 연구하는 범위에 포함되어 진행되고 있다. 나노복합소재 분야에서는 고분자 기지에 무기물 나노입자, 나노막대(선, 튜브), 나노판을 분산시켜 기계적 강도를 높이거나 내열성을 증가, 물질이동(산 소, 수분 등) 차단 능력의 향상, 전기 및 열의 전도도 향상 등의 연구를 수행 중이다. 탄소나노튜브를 금 속 또는 세라믹 기지에 분산시켜 기계적인 물성을 향상시키려는 연구도 수행 중이다.
③ 산업화 동향
다양한 형태를 가진 나노소재들이 개발되고 있지만 아직까지 산업화단계로 진입하고 있는 나노소재는 많지 않다. 전체적으로 나노소재 기술은 산업화 개시 내지 진입 단계라고 할 수 있다. 소자 제조공정과 직접 관련이 있는 나노구조 박막소재를 제외하면 여러 형태의 나노소재 중 나노분말소재 분야가 산업화 진척도가 가장 높다. 나노분말소재의 폭넓은 응용가능성에 비하면 아직 산업화 초기 단계에 지나지 않지 만 많은 분야에서 실용화되고 있다. 의약, 첨단소재 및 화학제품, 정보통신 부품, 에너지 관련 제품, 자 동차 등에 적용되고 있으며 나노분말소재가 갖는 높은 흡착성, 촉매성, 광학특성 등을 활용하고 있다. 특 히 우리나라는 반도체 산업에서의 나노분말 수요(기계화학적 연마공정 CMP(chemical mechanical planarization))가 커서 나노구조 복합소재를 사용하는 일은 기존의 유기-무기 하이브리드 소재보다는 나노크기의 무기물을 분산시킨 유기-무기 하이브리드 소재가 부분적으로 산업화되고 있다.
2) 나노소재 기술의 분류
기술분야 활용분야 (또는 세부기술)
나노분말/나노입자 초정밀 연마제, 화학공업용 촉매, 환경산업용 촉매, 자성 나노소재, 광학소재(포토닉 결정소재) 나노선/나노튜브/나노섬유 복합강화재, 전극소재, 도전소재(복합재), 스포츠용 섬유 등 특수섬유
(다층)나노박막/멤브레인 정밀전자소자/부품(극소형, 다층), 정전차폐용 소재, 도전용 소재, 나노구조 멤브레인(세라믹, 고분자), 경사구조 멤브레인, 촉매형 나노구조 멤브레인
나노기공체 나노필터, 고온지지체, 초매담지체
나노복합체 경량고강도 소재, 고강도 고인성 소재, 초내식성 소재,
<표 Ⅱ-2> 나노소재 기술분야 및 활용분야
* 나노소재는 원천성⋅기반성이 강하여 다른 기술영역과 중복될 수 있음. 여기서는 소재 관점에서만 기술함.
3) 나노소재 분야의 기술경쟁력 분석
① 연구논문 발표
우리나라는 주요 7개국이 나노소재 분야에서 발표한 총 논문 건수(112,582건)의 6.9%에 해당하는 7,729건을 발표하였다(전체 논문 건수 중 주요 7개국의 비중은 79.5%). 이는 가장 많은 논문을 발표한 미국(28,012건)의 27.7%에 해당한다. 우리나라는 미국, 중국(23,921 건; 21.2% 점유), 일본(9,836건;
8.7% 점유), 독일(8,955건; 8.0% 점유)에 이어 세계 5위의 경쟁력을 갖고 있다.
중분류 한국 미국 일본 중국 독일 영국 프랑스 7개국 합계 전 체
나노분말 /나노입자
건 수 2,440 8,808 3,308 8,293 3,217 1,520 2,339 29,925
38,788 상대비(%) 27.7 100.0 37.6 94.2 36.5 17.3 26.6 -
나노선 /나노튜브 /나노섬유
건 수 1,865 7,075 2,347 4,381 1,876 1,100 1,314 19,958
12,873 상대비(%) 26.4 100.0 33.2 61.9 26.5 15.5 18.6 -
나노기공체
건 수 907 3,270 1,183 3,145 1,115 552 744 10,916
22,783 상대비(%) 27.7 100.0 36.2 96.2 34.1 16.9 22.8 -
(다층)나노박막 /멤브레인
건 수 901 3,587 1,073 2,390 1,175 554 907 10,587
3,588 상대비(%) 25.1 100.0 29.9 66.6 32.8 15.4 25.3 -
나노복합체
건 수 1,616 5,272 1,925 5,712 1,572 814 1,228 18,139
22,783 상대비(%) 28.3 92.3 33.7 100.0 27.5 14.3 21.5 -
합 계 7,729 28,012 9,836 23,921 8,955 4,540 6,532 89,525 112,582 점유율(%) 6.9 24.9 8.7 21.2 8.0 4.0 5.8 79.5 100.0 상대비(%) 27.7 100.0 34.9 85.1 32.1 16.1 23.3 - -
<표 Ⅱ-3> 나노소재 기술 분야별 연구논문 발표 건수 및 1위국에 대한 상대비율
② 특허 출원
우리나라는 주요 7개국이 나노소재 분야에서 출원한 총 특허 건수(14,922건)의 12.3%에 해당하는 1,832건을 출원하였다(전체 특허 출원 중 주요 7개국의 비중은 85.2%). 이는 가장 많은 특허를 출원한 미국(5,958건)의 30.7%에 해당한다. 우리나라는 미국, 일본(3,028건; 20.3% 점유)에 이어 세계 3위에 해당하며 그 뒤로 독일(995건; 6.7% 점유), 프랑스(362건; 2.4% 점유)가 자리하고 있다(중국은 262건 으로 1.8%를 점유).
중분류 한국 미국 일본 중국 독일 영국 프랑스 7개국 합 전 체 나노분말
/나노입자
건 수 759 2,413 1,202 113 560 122 168 5,337
6,318 상대비(%) 31.5 100.0 49.8 4.7 23.2 5.1 7.0 -
나노선/나노튜브 /나노섬유
건 수 480 1,460 752 29 110 50 55 2,936
3,401 상대비(%) 32.9 100.0 51.5 2.0 7.5 3.4 3.8 -
나노기공체 건 수 111 493 172 18 70 31 31 926
1,109 상대비(%) 22.5 100.0 34.9 3.7 14.2 6.3 6.3 -
(다층)나노박막 /멤브레인
건 수 210 886 347 28 145 34 102 1,752
2,050 상대비(%) 23.7 100.0 39.2 3.2 16.4 3.8 11.5 -
나노복합체 건 수 272 706 555 74 110 35 6 1,758
2,044 상대비(%) 38.5 100.0 78.6 10.5 15.6 5.0 9.3 -
합 계 1,832 5,958 3,028 262 995 272 362 12,709 14,922
점유율(%) 12.3 39.9 20.3 1.8 6.7 1.8 2.4 85.2 100.0 상대비(%) 30.7 100.0 50.8 4.4 16.7 4.6 6.1 - -
<표 Ⅱ-4> 나노소재 기술 분야별 특허 출원 건수 및 1위국에 대한 상대비율
③ (논문+특허출원) 상대평가 종합
논문 발표 건수와 특허 출원 건수를 동일 수준으로 두고 기술력을 평가하면 우리는 1위국 미국 대비 29.2%의 상대기술력을 갖고 있는 것으로 평가된다. 우리나라는 순위 상 미국, 중국(44.8%), 일본(42.9%)에 이어 4위에 해당한다.
구 분 한국 미국 일본 중국 독일 영국 프랑스
논문 상대비율 (%) 27.7 100.0 34.9 85.1 32.1 16.1 23.3 특허 상대비율 (%) 30.7 100.0 50.8 4.4 16.7 4.6 6.1 평균 상대비율 (%) 29.20 100.00 42.85 44.75 24.40 10.35 14.70
<표 Ⅱ-5> 나노소재 기술 분야의 1위국에 대한 연구논문 발표 및 특허 출원 상대비율
(2) 나노소자
1) 기술개발 및 산업 동향 개요
① 나노소자 기술의 개요
나노소자 기술은 물질이 벌크 상태에서 나노크기로 작아지는 경우에 발생하는 기존의 벌크 물질과는 다른 특성을 보이는 양자역학적 현상 및 나노공정에 의해 기존에는 가능하지 않았던 신기능의 소자를 구 현하거나 기존 소자의 특성을 획기적으로 향상시키는 기술이다. 이러한 기술은 양자역학적으로 논의되던
이론적인 물질의 특성을 적극 이용함으로써 기존 벌크(bulk) 기반 소자의 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 양자암호통신, 양자연산 등의 신기능을 구현할 수 있는 기술이다.
② 기술개발 동향
나노소자 기술개발은 응용분야를 중점으로 살펴보면 광범위한 응용분야를 갖고 있는 기존 소자의 특 성을 향상시키거나 혹은 대체하려는 연구방향과 양자역학적 현상을 적극 이용하여 신기능의 소자를 개발 하려는 연구로 대별할 수 있으며, 양자역학적 현상을 발생시키는 나노구조의 제작을 위해서 기존기술에 서의 크기나 공정이 나노크기로 작아지는 방향으로 움직이는 톱다운(top-down) 방식과, 나노크기의 구 조체를 제작하고 이를 이용한 소자를 제작하거나 혹은 나노구조 복합체를 만드는 방식인 바텀업 (bottom-up) 방식이 있다.
나노 CMOS 기술은 전형적인 top-down 방식이며, 기존의 기술을 발전시켜 궁극적으로는 신기능 다 용도 소자를 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 이 기술의 특징은 기존에 매우 큰 시장을 형성하고 있는 소자기술이 소자의 특성을 향상시키기 위해 나노크기의 공정을 추구하면서 생기는 문제를 해결하면서 기 술이 발전하게 된다는 것이다. 이러한 기술과는 달리 bottom-up 방식은 나노구조체를 제작하고 그 물 리적 특성을 규명함으로써 신기능의 소자 가능성을 확인하고, 이를 이용하여 기존소자의 특성을 향상시 키거나, 제작비용을 획기적으로 절감시키거나 혹은 신기능의 신소자를 제작하는 방식이다. 따라서 이러 한 bottom-up 방식의 접근법이 기존의 시장을 획기적으로 확대시키거나 혹은 새로운 시장을 창출할 수 있는 기술로 인식된다. 따라서 일차적인 기술개발 방향은 기존에 형성된 시장 확대 및 침투를 목표로 하 여 나노소자를 개발해야 하며, 이러한 기술에는 나노 CMOS 기술, 화합물반도체 양자점 발광소자 기술, 양자점 원적외선 수광소자 기술, 나노자기소자 기술 및 LED의 효율향상에 기여하는 PBG기술이 있다.
새로운 시장의 창출은 융합기술에서 찾을 수 있는데, THz 나노광소자 기술, 나노분자소자 기술, DNA소 자 기술 등이며, 우선 바이오시장을 그 목표로 하고 있는 것으로 파악된다. 이러한 기존의 시장을 기반으 로 하는 기술들은 전 세계적으로 매우 활발하게 연구되고 있는 분야로 나노 CMOS 기술을 제외한 많은 기술들이 실험실 수준을 넘어서 기업화되고 있으며, 기업화 수준은 벤처기업이다.
양자역학적 현상을 이용하여 신기능 소자를 제작함으로써 신기술을 창출하고 신시장을 만들고자하는 기술들인 나노전자소자 기술, PBG 광소자 기술들은 대학 및 연구소를 중심으로 하는 연구실 수준에서 매우 활발히 연구되 고 있으며, 이러한 기술개발을 통하여 획득된 요소기술이 타 기술 분야에 미치는 영향은 매우 크다.
③ 산업화 동향
나노 CMOS 기술은 기존 시장점유율을 유지하거나 및 확대하기 위해 전 세계의 Si 관련 반도체회사들 이 매우 활발히 연구하고 있으며, 화합물반도체 양자점 발광소자 기술, 양자점 원적외선 수광소자 기술, 나노자기소자 기술 및 LED의 효율향상에 기여하는 PBG 기술, THz 나노광소자 기술, 나노분자소자 기 술, DNA소자 기술 등은 국외의 경우 벤처기업의 형태로 기업화되고 있으나 국내의 경우 기업화가 극히 미미한 실정이다. 미래기술 개발이 목표인 나노전자소자 기술, PBG 광소자 기술은 전세계적으로 실험실 수준에 머물고 있다.