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나노테크놀로지

Nanotechnology
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풀레렌 나노기어스
에 관한 일련의 기사의 일부
나노테크놀로지
영향과 응용 프로그램
나노 물질
분자 자가 조립
나노일렉트로닉스
나노미터학
분자나노테크놀로지

나노테크놀로지는 또한 나노테크놀로지로 줄여서 원자, 분자, 초분자 규모의 물질을 산업 목적으로 사용하는 것이다.나노테크놀로지에 대한 가장 초기의 널리 알려진 설명은 현재 분자 [1][2]나노테크놀로지라고도 불리는 거시적 제품의 제조를 위해 원자와 분자를 정밀하게 조작하는 특정한 기술적 목표를 언급했습니다.나노기술에 대한 보다 일반적인 설명은 이후 국가 나노기술 이니셔티브에 의해 확립되었습니다. 이 이니셔티브는 나노기술을 1에서 100나노미터 사이즈의 최소 1차원으로 물질을 조작하는 것으로 정의했습니다.이 정의는 양자역학적 효과가 이 양자영역 규모에서 중요하다는 사실을 반영하고, 따라서 그 정의는 특정 기술 목표에서 주어진 크기 역치 이하에서 일어나는 물질의 특수 특성을 다루는 모든 유형의 연구 및 기술을 포함하는 연구 범주로 이동했다.그 때문에, 「나노테크놀로지」나 「나노스케일 테크놀로지」등의 복수형이 공통되는 특징을 가지는 폭넓은 연구·응용 분야를 가리키는 것이 일반적이다.

크기에 따라 정의되는 나노기술은 표면과학, 유기화학, 분자생물학, 반도체물리학,[5][6] 에너지저장,[3][4] 공학, 미세조립, 분자공학 [7]등 다양한 과학분야가 당연히 광범위하다.관련된 연구와 응용은 기존 장치 물리학의 확장에서부터 분자 자가 [8]조립에 기초한 완전히 새로운 접근법, 나노 스케일의 치수를 가진 신물질의 개발에서부터 원자 규모의 물질에 대한 직접적인 제어에 이르기까지 동등하게 다양하다.

과학자들은 현재 나노 기술의 미래적 영향에 대해 토론하고 있다.나노테크놀로지는 나노의학, 나노일렉트로닉스, 생체재료 에너지 생산 및 소비자 제품과 같은 광범위한 응용 분야를 가진 많은 새로운 재료와 장치를 만들 수 있을 것이다.반면에 나노 기술은 나노 물질의 [9]독성과 환경 영향, 그리고 세계 경제에 미치는 잠재적 영향에 대한 우려와 다양한 최후의 날 시나리오에 대한 추측을 포함하여 새로운 기술과 같은 많은 문제들을 제기한다.이러한 우려는 나노 기술에 대한 특별한 규제가 정당화될 수 있는지에 대한 옹호 단체와 정부들 사이에서 논쟁으로 이어졌다.

오리진스

주요 기사:나노기술의 역사

나노 기술의 씨앗이 된 개념은 유명한 물리학자 리처드 파인만이 1959년 원자의 직접 조작을 통한 합성 가능성을 묘사한 그의 강연에서 처음 논의되었다.

나노물질 크기 비교

나노기술이라는 용어는 1974년 다니구치 노리오가 처음 사용했지만 널리 알려지지 않았다.파인만의 컨셉에서 영감을 얻은 K. Eric Drexler는 1986년 저서 Engines of Creation에서 "나노테크놀로지"라는 용어를 사용했습니다. 나노 기술의 도래 시대로, 원자 제어로 자기 자신이나 다른 임의의 복잡성의 아이템의 카피를 만들 수 있는 나노 규모의 "조립자" 아이디어를 제안했다.또한 1986년에 Drexler는 나노테크놀로지의 개념과 의미에 대한 대중의 인식과 이해를 높이기 위해 더 포어사이트 연구소(더 포어사이트 연구소)를 공동 설립하였습니다.

1980년대 나노기술의 출현은 나노기술의 개념적 틀을 개발·대중화한 드렉슬러의 이론·공공사업과 물질의 원자제어 전망에 대한 보다 광범위한 관심을 끌어낸 가시성 높은 실험의 진보를 통해 일어났다.1980년대에, 두 가지 주요 혁신이 현대 나노 기술의 성장을 촉발시켰다.첫째, 1981년 주사 터널링 현미경의 발명으로 개별 원자와 결합을 전례 없이 시각화하고 1989년 개별 원자를 조작하는 데 성공했다.IBM 취리히 연구소의 현미경 개발자인 게르트 비니그와 하인리히 로러는 [10][11]1986년 노벨 물리학상을 받았다.비니그, 퀘이트, 거버도 그 해에 비슷한 원자력 현미경을 발명했다.

버키볼로도 알려진 Buckminsterfulleene60 C는 플라렌으로 알려진 탄소 구조의 대표적인 구성원입니다.플라렌 계열의 구성원들은 나노 기술 우산 아래 들어가는 주요 연구 대상이다.

둘째, 풀레렌은 1996년 노벨 [12][13]화학상을 수상한 해리 크로토, 리처드 스몰리, 로버트 컬에 의해 1985년에 발견되었다.C는60 처음에는 나노테크놀로지로 묘사되지 않았다. 이 용어는 나노스케일 전자제품 및 소자의 잠재적 응용을 시사하는 관련 탄소 나노튜브(그래핀 튜브 또는 버키 튜브라고도 함)에 대한 후속 작업에 사용되었다.카본나노튜브의 [14]발견은 1991년 NEC의 이지마 스미오( of島io夫)가 나노과학분야에서 2008년 제1회 카블리상을 수상한 데 크게 기인한다.

A는 처음에 나노층 기반 금속-반도체 접합(M–S 접합) 트랜지스터를 제안했다.1960년 로즈, 1962년 [15]L. Geppert, Mohamed Atalla, Dawon Kahng에 의해 제작되었습니다.수십 년 후, 멀티 게이트 기술의 발전으로 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 소자는 3차원 비평면 이중 게이트 MOSFET(Fin Field Effect Transistor)에서 시작하여 게이트 길이 20 nm 미만의 나노 스케일 레벨로 스케일링할 수 있게 되었습니다.UC 버클리에서는 다이 히사모토, 천밍 후, 류쯔재킹, 제프리 보코르 등의 연구팀이 1998년 17nm 공정, 2001년 15nm 공정, 2002년 [16]10nm 공정으로 FinFET 소자를 제작했다.

2000년대 초, 이 분야는 과학, 정치, 상업적으로 더 많은 관심을 얻었고 논란과 발전을 이끌었다.나노기술의 정의와 잠재적인 의미에 대한 논란은 왕립학회의 나노기술에 [17]대한 보고서로 대표된다.분자 나노테크놀로지 지지자들이 구상한 응용 프로그램의 실현 가능성에 관한 과제가 제기되었고, 이는 2001년과 [18]2003년에 Drexler와 Smalley 사이의 공개 토론으로 마무리되었다.

한편 나노기술의 진보를 바탕으로 한 제품 상용화가 시작됐다.이 제품들은 나노물질의 대량 적용으로 제한되며 물질의 원자 제어가 수반되지 않는다.예를 들어 항균제로 은나노입자를 사용하는 실버나노 플랫폼, 나노입자 기반의 투명 자외선 차단제, 실리카나노입자를 이용한 탄소섬유 강화, 내염성 [19][20]섬유용 카본나노튜브 등이 있다.

각국 정부는 나노기술의 크기 기반 정의를 공식화하고 나노스케일 연구를 위한 기금을 확립한 국가 나노테크놀로지 이니셔티브(National Nanotechnology Initiative)를 통해 미국 및 유럽 연구 및 기술 개발을 위한 유럽 프레임워크 프로그램(European Framework Programs for Research and Technology Development)을 통해 나노테크놀로지 연구를 촉진하고 자금을 지원하려는 움직임을 보였다.

2000년대 중반까지 새롭고 심각한 과학적 관심이 번성하기 시작했다.원자적으로 정확한 물질 조작에 초점을 맞추고 기존 및 예상되는 능력, 목표 및 응용 분야에 대해 논의하는 나노 기술 로드맵을[21][22] 제작하기 위한 프로젝트가 시작되었습니다.

2006년 한국과학기술원(KAIST)과 국립나노팹센터 연구팀이 세계에서 가장 작은 나노 전자 소자인 3nm MOSFET를 개발했다.게이트 올라운드(GAA) 핀펫 [23][24]기술을 기반으로 했다.

2001년부터 2004년까지 60개국 이상이 나노기술연구개발(R&D) 정부 프로그램을 만들었다.정부 자금의 대부분은 미국, 일본, 독일에 본사를 둔 기업에서 조달한 것으로, 나노 테크놀로지 R&D에 대한 기업의 지출이 상회하고 있다.19702011년 나노기술 연구개발(R&D)에 대한 지적 특허를 가장 많이 낸 기관은 삼성전자(선출 특허 2578건), 신일본제철(선출 특허 1490건), IBM(선출 특허 1360건), 도시바(선출 특허 1298건), 캐논(선출 특허 1162건) 등이었다.1970년부터 2012년까지 나노테크놀로지 연구에 관한 가장 과학적인 논문을 발표한 상위 5개 기관은 중국과학원, 러시아과학원, 국립과학원, 도쿄대학 [25]및 오사카대학이었습니다.

기본 개념

나노테크놀로지는 분자 규모의 기능적 시스템의 공학이다.여기에는 현재의 작업과 보다 고도의 개념이 모두 포함됩니다.본래의 의미에서 나노테크놀로지는 오늘날 완전한 고성능 제품을 만들기 위해 개발되고 있는 기술과 도구를 사용하여 밑바닥에서 위로 아이템을 만드는 예상 능력을 말한다.

1나노미터(nm)는 10억분의 1미터입니다−9.이에 비해 전형적인 탄소-탄소 결합 길이 또는 분자 내 이들 원자 사이의 간격은 0.12~0.15nm이며, DNA 이중나선의 지름은 약 2nm이다.반면에, 가장 작은 세포 생명체인 미코플라스마속의 박테리아는 길이가 약 200 nm이다.관례상 나노기술은 미국 국가 나노기술 이니셔티브(National Nanotechnology Initiative)의 정의에 따라 1~100 nm 범위로 간주된다.나노기술이 원자와 분자로 장치를 만들어야 하기 때문에 하한은 원자의 크기에 의해 정해집니다.상한은 다소 임의적이지만, 더 큰 구조에서 관찰되지 않는 현상이 나타나기 시작하고 나노 [26]장치에서 사용할 수 있는 크기보다 작습니다.이러한 새로운 현상에 의해 나노테크놀로지는 동등한 거시적 디바이스의 단순한 소형화 버전인 디바이스와는 구별됩니다.이러한 디바이스는 대규모로 [27]마이크로테크놀로지의 기술 하에 있습니다.

다른 맥락에서 보면 나노미터 대 미터 크기의 비교는 대리석과 [28]지구의 크기와 같다.다른 말로 하자면, 1나노미터는 보통 남자가 면도칼을 얼굴에 [28]들이대는데 걸리는 시간 동안 수염이 자라는 양이다.

나노기술에는 두 가지 주요 접근법이 사용된다."상향식" 접근법에서 재료와 장치는 분자 [29]인식의 원리에 의해 화학적으로 조립되는 분자 성분으로 만들어진다.하향식 접근법에서는 나노 오브젝트는 원자 수준의 [30]제어 없이 더 큰 엔티티로 구성됩니다.

나노일렉트로닉스, 나노기계, 나노포토닉스, 나노이온학 등의 물리학 분야는 지난 수십 년간 나노기술의 기초적인 과학적 기반을 제공하기 위해 발전해 왔다.

큰 것부터 작은 것까지: 재료의 관점

스캔 터널링 현미경을 사용하여 시각화된 깨끗한 골드(100) 표면의 재구성 이미지.표면을 구성하는 개별 원자의 위치가 표시됩니다.
주요 기사:나노 물질

시스템의 크기가 감소함에 따라 몇 가지 현상이 두드러집니다.여기에는 양자역학적 효과뿐만 아니라 통계적 기계적 효과도 포함된다. 예를 들어, 입자 크기가 크게 감소하면서 고체의 전자 특성이 변경되는 "양자 크기 효과"가 포함된다.이 효과는 매크로에서 마이크로 디멘션으로 이행하는 것으로는 실현되지 않습니다.하지만, 양자 효과는 나노미터 크기 범위(일반적으로 100나노미터 이하의 거리)에 도달하면, 소위 양자 영역이라고 불리는 영역에 도달하게 될 때 유의미해질 수 있습니다.또한 거시적 시스템과 비교했을 때 많은 물리적(기계적, 전기적, 광학적 등) 특성이 변화합니다.예를 들어 표면적 대 체적비의 증가가 재료의 기계적, 열적 및 촉매적 특성을 변화시킵니다.나노스케일, 나노구조물 및 나노소자에서의 확산과 반응은 일반적으로 나노이온학이라고 한다.나노 시스템의 기계적 특성은 나노 기계학 연구에서 관심을 끈다.나노물질의 촉매 활성은 또한 생체물질과의 상호작용에서 잠재적 위험을 열어준다.

나노스케일로 환원된 물질은 매크로스케일에 나타나는 물질과 비교하여 다른 성질을 보일 수 있어 독특한 응용이 가능하다.예를 들어, 불투명한 물질은 투명해질 수 있으며(구리), 안정된 물질은 가연성 물질(알루미늄), 불용성 물질은 용해성 물질(금)이 될 수 있습니다.금과 같은 물질은 보통 눈금으로 화학적으로 불활성화되며 나노스케일에서는 강력한 화학 촉매 역할을 할 수 있습니다.나노테크놀로지에 대한 매력의 대부분은 나노스케일로 [31]나타나는 이러한 양자 및 표면 현상으로부터 비롯된다.

단순에서 복잡: 분자적 관점

주요 기사:분자 자가 조립

현대 합성 화학은 거의 모든 구조에 작은 분자를 준비할 수 있는 단계에 도달했다.이러한 방법들은 오늘날 의약품이나 상업용 폴리머와 같은 다양한 유용한 화학물질을 제조하기 위해 사용된다.이러한 능력은 이러한 단일 분자를 잘 정의된 방식으로 배열된 많은 분자로 구성된 초분자 조립체로 조립하는 방법을 모색하면서 이러한 종류의 제어를 다음 단계로 확장하는 것에 대한 문제를 제기합니다.

이러한 접근법은 분자 자가조립 및/또는 초분자 화학의 개념을 이용하여 상향식 접근법을 통해 자동으로 유용한 배열을 만든다.분자 인식의 개념은 특히 중요하다: 분자는 비공유 분자간 힘에 의해 특정 구성이나 배열이 선호되도록 설계될 수 있다.Watson-Crick 염기쌍화 규칙은 단일 기질을 대상으로 하는 효소의 특이성 또는 단백질 자체의 특이적 접힘의 직접적인 결과이다.따라서, 두 개 이상의 요소들이 상호 보완적이고 매력적이도록 설계되어 더 복잡하고 유용한 전체를 만들 수 있다.

이러한 상향식 접근법은 장치를 병렬로 생산할 수 있어야 하며 하향식 방법보다 훨씬 저렴해야 하지만 원하는 어셈블리의 크기와 복잡성이 증가하면 감당하기 어려울 수 있습니다.대부분의 유용한 구조물은 복잡하고 열역학적으로 가능성이 희박한 원자의 배치를 필요로 한다.그럼에도 불구하고, 생물학에서 분자 인식에 기초한 자기 결합의 많은 예가 있는데, 특히 왓슨-크릭 염기쌍화 및 효소-기질 상호작용이 가장 두드러진다.나노테크놀로지의 과제는, 이러한 원리가, 천연의 것 외에 새로운 것을 설계하는 데 이용될 수 있는가 하는 것입니다.

분자 나노 테크놀로지: 장기적인 전망

주요 기사:분자나노테크놀로지

분자 나노 기술은 때때로 분자 제조라고 불리며, 분자 규모로 작동하는 공학적 나노 시스템을 말한다.분자나노기술은 특히 분자조립기와 관련이 있는데, 분자조립기는 기계합성 원리를 이용하여 원하는 구조나 소자를 원자별로 생산할 수 있는 기계이다.생산적인 나노시스템에서의 제조는 탄소나노튜브나 나노입자와 같은 나노물질을 제조하는 데 사용되는 기존의 기술과 관련이 없으며 명확하게 구분되어야 한다.

"나노테크놀로지"라는 용어는 에릭 드렉슬러(당시 다니구치 노리오의 이전 사용법을 몰랐던 사람)에 의해 독립적으로 만들어지고 대중화되었을 때 분자 기계 시스템에 기초한 미래의 제조 기술을 가리켰다.전제는 전통적인 기계 구성요소의 분자 규모 생물학적 유추는 가능하다는 것을 증명했다: 생물학에서 발견된 수많은 예들에 의해, 정교하고 확률적으로 최적화된 생물학적 기계가 만들어질 수 있다고 알려져 있다.

나노기술의 발전이 아마도 생체모방 원리를 이용한 다른 방법으로 나노기술의 건설을 가능하게 할 것으로 기대된다.비록 아마도 처음에는 생체 모방의 수단에 의해 구현되 하지만 드렉슬러와 다른 researchers[32], 궁극적으로 기계 공학과 원칙, 즉 제조 기술 기어 베어링, 전동기, structur 등 이들 요소의 기계적 기능성에 기반할 수 있다면 첨단 나노 기술 제안을 했다.알원자 사양에 [33]따라 프로그래밍 가능한 위치 어셈블리를 가능하게 하는 멤버).Drexler의 저서 Nansystems에서 샘플 설계의 물리 및 엔지니어링 성능을 분석했습니다.

일반적으로 원자 규모의 장치를 조립하는 것은 매우 어렵다. 왜냐하면 원자는 비슷한 크기와 끈적끈적한 다른 원자 위에 위치해야 하기 때문이다.Carlo Montemagno가 [34]제시한 또 다른 견해는 미래의 나노 시스템이 실리콘 기술과 생물학적 분자 기계의 혼합물이 될 것이라는 것이다.리처드 스몰리는 개별 분자를 기계적으로 조작하는 어려움 때문에 기계적 합성이 불가능하다고 주장했다.

이로 인해 2003년 [35]ACS 간행물인 화학 및 엔지니어링 뉴스에서 서신을 교환하게 되었습니다.생물학은 분자 기계 시스템이 가능하다는 것을 분명히 보여주지만, 비생물학적 분자 기계는 오늘날 겨우 걸음마 단계에 있다.비생물학적 분자 기계 연구의 선두 주자는 Dr.로렌스 버클리 연구소와 UC 버클리 대학의 알렉스 제틀과 그의 동료들.[1] 데스크톱에서 전압변화에 따라 움직임이 제어되는 나노튜브 나노모터, 분자액튜에이터 [36]및 나노전기화학완화발진기 [37]등 적어도 3개의 개별 분자디바이스가 구축되었다.자세한 예는 나노튜브 나노모터를 참조해 주세요.

위치분자조립이 가능하다는 것을 보여주는 실험은 1999년 코넬대에서 호와 리에 의해 수행되었다.그들은 스캔 터널링 현미경을 사용하여 개별 일산화탄소 분자(CO)를 평평한 은 결정 위에 있는 개별 철 원자(Fe)로 이동하고 전압을 인가하여 화학적으로 이 CO를 Fe에 결합시켰다.

현재의 연구

로탁산의 그래픽 표현으로, 분자 스위치로 유용합니다.
이 DNA 사면체는[38] DNA 나노 기술 분야에서 만들어진 인공적으로 설계된 나노 구조입니다.사면체의 각 가장자리는 20개의 염기쌍 DNA 이중나선이며, 각 정점은 3암 접합이다.
플라렌의 일종인 C의 회전도60.
이 장치는 나노 두께의 양자 우물 층에서 그 위에 있는 나노 결정으로 에너지를 전달하여 나노 결정들이 가시광선을 [39]방출하게 한다.

나노 물질

나노물질 분야는 나노크기에서 [40]발생하는 독특한 성질을 가진 물질을 개발하거나 연구하는 서브필드를 포함한다.

  • 인터페이스와 콜로이드 과학은 탄소 나노튜브와 다른 플라렌, 그리고 다양한 나노 입자와 나노로드와 같은 나노 기술에 유용할 수 있는 많은 물질을 만들어냈다.이온수송 속도가 빠른 나노물질은 나노이온, 나노일렉트로닉스 등과도 관련이 있다.
  • 나노스케일 재료는 대량 용도에도 사용될 수 있습니다. 현재 나노 기술의 상업적인 응용 분야는 대부분 이 맛입니다.
  • 의료 응용에 이러한 재료를 사용하는 데 진전이 있었습니다. 나노의학을 참조하십시오.
  • 나노밀러와 같은 나노 크기의 물질은 전통적인 실리콘 태양 전지의 비용에 맞서는 태양 전지에 가끔 사용된다.
  • 디스플레이 기술, 조명, 태양전지, 생체 이미징 등 차세대 제품에 사용되는 반도체 나노 입자를 포함하는 응용 프로그램의 개발.양자점을 참조해 주십시오.
  • 나노물질의 최근 응용에는 조직공학, 약물전달, 항균물질 및 바이오센서와 [41][42][43][44][45]같은 다양한 생물의학 응용이 포함된다.

상향식 어프로치

이들은 작은 컴포넌트를 보다 복잡한 어셈블리에 배치하려고 합니다.

  • DNA 나노 기술은 왓슨-크릭 염기쌍의 특이성을 이용하여 DNA와 다른 핵산으로 명확한 구조를 구축합니다.
  • "고전적" 화학 합성(유기 및 유기 합성) 분야의 접근법은 또한 잘 정의된 모양을 가진 분자 설계(예: 비스펩타이드[46])를 목표로 한다.
  • 보다 일반적으로, 분자 자가 조립은 초분자 화학, 특히 분자 인식의 개념을 사용하여 단일 분자 구성 요소들이 어떤 유용한 형태로 자동적으로 배열되도록 하려고 합니다.
  • 원자력 현미경 팁은 딥펜 나노 리소그래피라고 불리는 과정에서 원하는 패턴으로 표면에 화학물질을 퇴적시키는 나노 크기의 "쓰기 헤드"로 사용될 수 있습니다.이 기술은 나노 리소그래피의 더 큰 하위 분야에 적합합니다.
  • Molecular Beam Eptaxy는 재료, 특히 칩 및 컴퓨팅 애플리케이션, 스택, 게이트 및 나노와이어 레이저에 일반적으로 사용되는 반도체 재료를 조립할 수 있습니다.

톱다운 어프로치

이들은 조립을 지시하기 위해 더 큰 장치를 사용하여 더 작은 장치를 만들려고 합니다.

  • 마이크로프로세서를 제작하기 위한 기존의 고체 실리콘 방식에서 파생된 많은 기술은 이제 나노 기술의 정의에 해당하는 100nm 미만의 특징을 만들 수 있습니다.이미 시장에 출시된 거대 자기저항 기반 하드 드라이브는 원자층 증착(ALD) 기술과 마찬가지로 이러한 [47]설명에 부합합니다.피터 그룬버그와 알버트 퍼트는 거대 자기저항을 발견하고 스핀트로닉스 [48]분야에 기여한 공로로 2007년 노벨 물리학상을 받았다.
  • 솔리드 스테이트 기술은 또한 마이크로 전자 시스템 또는 MEMS와 관련된 나노 전자 시스템 또는 NEMS로 알려진 장치를 만드는 데 사용될 수 있습니다.
  • 집속 이온 빔은 물질을 직접 제거하거나 적절한 전구 가스를 동시에 가하면 물질을 퇴적시킬 수 있다.예를 들어, 이 기술은 투과전자현미경 분석용 재료의 100nm 미만의 섹션을 만드는 데 일상적으로 사용됩니다.
  • 원자력 현미경 팁은 레지스트를 퇴적하기 위한 나노 크기의 "쓰기 헤드"로 사용될 수 있으며, 그 후 식각 과정을 거쳐 하향식 방식으로 재료를 제거할 수 있습니다.

기능적 접근법

이들 컴포넌트는 조립방법에 관계없이 원하는 기능의 컴포넌트를 개발하려고 합니다.

  • 최근 제시된 자기 나노 [29]사슬과 같은 이방성 초파라매틱 물질의 합성을 위한 자기 어셈블리.
  • 분자 스케일 전자 공학은 유용한 전자 성질을 가진 분자를 개발하려고 합니다.이들은 나노 전자 [49]소자의 단일 분자 구성 요소로 사용될 수 있습니다.예를 들어 로탁산을 참조하십시오.
  • 합성 화학 방법은 또한 소위 나노카라고 불리는 합성 분자 모터를 만드는 데 사용될 수 있습니다.

생체 모방법

투기적

이러한 하위 분야는 나노 기술이 어떤 발명을 낳을 수 있는지 예측하거나 조사가 진행될 수 있는 의제를 제안하려고 한다.이들은 종종 나노기술의 큰 그림을 그리고 그러한 발명품들이 실제로 어떻게 만들어질 수 있는지에 대한 세부사항보다 그 사회적 영향에 더 중점을 두고 있습니다.

  • 분자 나노 기술은 단일 분자를 정교하게 제어되고 결정론적 방식으로 조작하는 것을 포함하는 제안된 접근법이다.이는 다른 서브필드보다 이론적이며 제안된 기술 중 많은 부분이 현재 기능을 벗어납니다.
  • 나노로보틱스는 나노스케일로 작동하는 몇 가지 기능을 가진 자급자족기계를 중심으로 한다.나노로봇을 [52][53]의학에 적용할 희망이 있다.그러나, 장래의 상용화에 대응하는 새로운 나노 제조 장치에 관한 특허가 부여되어, 혁신적인 소재나 방법론의 진보가 증명되고 있어 임베디드 나노바이오 일렉트로닉스의 [54][55]개념을 이용한 나노로봇의 개발에도 차츰 도움이 되고 있다.
  • 생산적인 나노 시스템은 "나노 시스템의 시스템"으로, 다른 나노 시스템을 위해 원자적으로 정밀한 부품을 생산하는 복잡한 나노 시스템으로, 반드시 새로운 나노 규모의 출현 특성을 사용하는 것이 아니라, 잘 알려진 제조의 기초를 사용합니다.물질의 이산적(즉 원자) 특성과 기하급수적인 성장의 가능성 때문에, 이 단계는 또 다른 산업 혁명의 기초로 여겨진다.미국 국가 나노 기술 이니셔티브의 설계자 중 한 명인 미하일 로코는 수동 나노 구조에서 능동 나노 소자, 복잡한 나노 기계,[56] 궁극적으로는 생산적인 나노 시스템으로의 진보를 산업 혁명의 기술적 진보를 병행하는 것으로 보이는 4가지 나노 기술 상태를 제안했습니다.
  • 프로그래밍 가능한 물질은 정보과학 및 재료과학의 융합을 통해 특성이 쉽고, 가역적이며, 외부적으로 제어될 수 있는 재료를 설계하는 것을 목표로 합니다.
  • 나노테크놀로지의 인기와 미디어 노출로 인해, 피코테크놀로지와 펨토테크놀로지는 거의 비공식적으로만 사용되지만, 이와 유사하게 생겨났다.

나노물질의 치수

나노물질은 0D, 1D, 2D, 3D 나노물질로 분류할 수 있다.차원성은 물리적, 화학적, 생물학적 특성을 포함한 나노 물질의 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.치수 감소와 함께 표면 대 체적 비율의 증가가 관찰됩니다.이는 소형 나노물질이 3D 나노물질에 비해 표면적이 높다는 것을 의미한다.최근에는 2차원(2D) 나노물질이 전자, 생물의학, 약물 전달 및 바이오센서 응용 분야에 대해 광범위하게 조사되고 있습니다.

도구 및 기술

일반적인 AFM 셋업끝이 뾰족한 미세조립 캔틸레버는 축음기와 비슷하지만 훨씬 작은 크기의 샘플 표면상의 특징에 의해 편향된다.레이저광은 캔틸레버의 뒷면에서 반사되어 일련의 광검출기에 반사되며, 이를 통해 편향을 측정하여 표면의 화상으로 조립할 수 있다.

현대에는 몇 가지 중요한 발전이 있다.원자력 현미경과 스캐닝 터널링 현미경은 나노 기술을 시작한 스캔 프로브의 두 가지 초기 버전이다.스캔 프로브 현미경 검사에는 다른 유형이 있습니다.1961년 마빈 민스키가 개발한 주사 공초점 현미경과 1970년대 캘빈 퀘이트와 동료들에 의해 개발된 주사 음향 현미경과 개념적으로 유사하지만, 새로운 주사 프로브 현미경은 소리나 빛의 파장에 의해 제한되지 않기 때문에 훨씬 더 높은 분해능을 가지고 있다.

스캔 프로브의 선단은 나노 구조(위치 어셈블리라고 불리는 프로세스)를 조작하는 데도 사용할 수 있습니다.기능 지향 스캐닝 방법론은 이러한 나노 조절을 자동 [57][58]모드로 구현하기 위한 유망한 방법입니다.그러나, 이것은 현미경의 낮은 주사 속도 때문에 여전히 느린 과정이다.

광학 리소그래피, X선 리소그래피, 딥 펜 나노 리소그래피, 전자 빔 리소그래피, 나노 임프린트 리소그래피 등 다양한 나노 리소그래피 기술도 개발됐다.리소그래피는 벌크 소재의 크기를 나노 크기로 줄이는 하향식 제작 기법이다.

나노튜브와 나노와이어의 제조에 사용되는 또 다른 기술 그룹에는 깊은 자외선 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 집속 이온빔 가공, 나노인쇄 리소그래피, 원자층 증착 및 분자 증착과 같은 반도체 제조에 사용되는 기술 및 더 나아가 몰 증착을 포함한다.di-block 공중합체를 사용하는 것과 같은 cular 자가 조립 기법.나노기술의 선구자는 나노기술의 창조를 목적으로 한 나노기술 연구의 [59]결과물인 기술이 아니라 과학 발전의 연장선상에 있다.

톱다운 방식은 제조된 아이템이 만들어지는 것처럼 단계별로 조립해야 하는 나노소자를 예측한다.주사 프로브 현미경은 나노물질의 특성화 및 합성에 있어 중요한 기술이다.원자력 현미경과 주사 터널링 현미경은 표면을 보고 원자를 움직이는데 사용될 수 있다.이러한 현미경을 위한 다양한 팁을 설계함으로써 표면의 구조물을 조각하고 자체 조립 구조를 안내하는 데 사용할 수 있습니다.예를 들어 특징지향 주사법을 사용함으로써 주사 프로브 현미경 기술에 [57][58]의해 표면상에서 원자 또는 분자를 이동할 수 있다.현재 대량 생산에는 비용과 시간이 많이 소요되지만 실험실 실험에는 매우 적합합니다.

반대로, 상향식 기술은 원자별로 또는 분자별로 더 큰 구조를 만들거나 성장시킨다.이러한 기술에는 화학 합성, 자가 조립 및 위치 조립이 포함됩니다.이중 편파 간섭계는 자체 조립 박막의 특성 분석에 적합한 도구 중 하나입니다.상향식 접근법의 또 다른 변형은 분자선 에피택시(MBE)이다.Bell Telephone Laboratorys의 John R.와 같은 연구자들.아서.알프레드 Y.조, 그리고 C.Gossard는 1960년대 후반과 1970년대에 연구 도구로 MBE를 개발 및 구현했습니다.MBE가 만든 샘플은 1998년 노벨 물리학상을 수상한 부분 양자 홀 효과의 발견에 핵심이었다.MBE는 과학자들이 원자적으로 정밀한 원자의 층을 쌓고 그 과정에서 복잡한 구조를 만들 수 있게 해준다.반도체 연구에 중요한 MBE는 또한 새롭게 부상하고 있는 스핀트로닉스 분야의 샘플과 소자를 만드는 데 널리 사용된다.

하지만, 초성형, 스트레스 민감성 Translosome 소포와 같은 반응성 나노 물질에 기반한 새로운 치료 제품은 개발 중이며 일부 [60]국가에서는 이미 사람이 사용할 수 있도록 승인되었습니다.

연구 개발

다음 항목도 참조하십시오.세계 지적 재산 지표

잠재적인 응용 분야(산업 및 군사 분야 포함)가 다양하기 때문에, 정부는 나노 기술 연구에 수십억 달러를 투자했습니다.2012년 이전에 미국은 National Nanotology Initiative를 사용하여 37억 달러를 투자했고, 유럽연합은 12억 달러, 일본은 7억 [61]5천만 달러를 투자했습니다.2001년부터 2004년 사이에 60개국 이상이 나노기술연구개발(R&D) 프로그램을 만들었다.2012년 미국과 EU는 각각 21억 달러를 나노기술 연구에 투자했고, 일본이 12억 달러를 투자했다.2012년 전 세계 투자는 79억 달러에 달했다.나노테크놀로지 연구에 대한 기업 R&D 지출이 정부 자금을 초과하여 2012년에는 100억 달러가 되었습니다.가장 많은 기업 R&D 투자자는 미국, 일본, 독일로 71억 [25]달러를 차지했다.

특허별 상위 나노기술 연구기관(1970~2011년)[25]
순위 조직 나라 제1특허
1 삼성전자 대한민국. 2,578
2 신일본제철 스미토모금속 일본. 1,490
3 IBM 미국 1,360
4 도시바 일본. 1,298
5 캐논 주식회사 일본. 1,162
6 히타치 일본. 1,100
7 캘리포니아 대학교 버클리 미국 1,055
8 파나소닉 일본. 1,047
9 휴렛패커드 미국 880
10 TDK 일본. 839
과학 출판물별 나노 기술 연구 기관(1970~2012)[25]
순위 조직 나라 과학 출판물
1 중국과학원 중국 29,591
2 러시아 과학 아카데미 러시아 12,543
3 중앙 국립 과학 연구소 프랑스. 8,105
4 도쿄 대학 일본. 6,932
5 오사카 대학 일본. 6,613
6 도호쿠 대학 일본. 6,266
7 캘리포니아 대학교 버클리 미국 5,936
8 스페인 국립 연구 위원회 스페인 5,585
9 일리노이 대학교 미국 5,580
10 MIT 미국 5,567

적용들

나노기술의 주요 응용 분야 중 하나는 나노일렉트로닉스 분야이며, MOSFET는 길이 10nm 이하의 작은 나노와이어로 만들어진다.여기 그런 나노와이어의 시뮬레이션이 있습니다.
나노구조는 이 표면에 초유동성을 제공하며, 이것은 물방울이 기울어진 평면에서 굴러떨어지게 한다.
나노와이어 레이저로 광펄스로 정보를 초고속 전송
주요 기사:나노테크놀로지 응용 프로그램 목록

2008년 8월 21일 현재 Project on Emerging Nanotechnologies(나노테크놀로지)는 800개 이상의 제조업체가 식별한 나노테크 제품이 공개되고 있으며,[20] 새로운 제품이 매주 3~4개의 속도로 시장에 출시되고 있다고 추산하고 있습니다.프로젝트에는 공개적으로 액세스할 수 있는 온라인 데이터베이스에 있는 모든 제품이 나열됩니다.대부분의 애플리케이션"1세대"수동적인 나노 물질의 자외선 차단제, 화장품, 표면 coatings,[62]고 몇몇 음식 제품에서 이산화 티타늄을 포함한 사용에, 음식 포장, 의류, 살균제와 가전 제품의 이산화 allotropes 도마뱀의 테이프를 생산하기한 은색, 자외선 차단제와 cosmetics,에 아연 산화물 제한되어 있다. 에 입각하여.표면 코팅, 페인트 및 실외 가구 바니시, 연료 [19]촉매로서의 산화세륨.

더 많은 응용 프로그램은 테니스 공이 더 오래 지속되고, 골프공이 더 똑바로 날 수 있게 하고, 심지어 볼링공도 더 오래가고 더 단단한 표면을 가질 수 있게 한다.바지와 양말에는 나노 기술이 주입되어 있어 여름에 더 오래 지속되고 사람들을 시원하게 해줄 수 있다.붕대에 은나노 입자를 주입해 상처를 더 [63]빨리 낫게 하고 있다.비디오 게임기와 개인용 컴퓨터는 나노 [64]기술 덕분에 더 저렴해지고, 더 빠르고, 더 많은 메모리를 포함할 수 있다.또, 빛에 의한 칩 컴퓨팅의 구조를 구축하기 위해서, 예를 들면,[65] 칩 광학 양자 정보 처리, 피코초 정보 전송등을 실시한다.

나노테크놀로지는 [66]일반의 사무실이나 가정에서 기존의 의료 어플리케이션을 저렴하고 사용하기 쉽게 만들 수 있는 능력을 가지고 있을지도 모른다.자동차는 나노 물질로 제조되고 있기 때문에,[67] 장래에 가동하는 데 필요한 금속과 연료가 적어질지도 모른다.

과학자들은 배기가스가 더 깨끗한 디젤 엔진을 개발하기 위해 나노 기술로 눈을 돌리고 있다.플래티넘은 현재 이러한 엔진에서 디젤 엔진 촉매로 사용됩니다.촉매는 배기 가스 입자를 청소하는 역할을 합니다.먼저 환원촉매를 사용하여 산소를 유리시키기 위해 NOx 분자로부터 질소원자를 얻는다.다음으로 산화 촉매는 탄화수소와 일산화탄소를 산화시켜 이산화탄소와 [68]물을 형성합니다.백금은 환원 촉매와 산화 [69]촉매 모두에 사용됩니다.그러나 플래티넘을 사용하는 것은 비용이 많이 들고 지속 가능하지 않다는 점에서 비효율적입니다.덴마크 기업 InnovationsFonden은 나노 기술을 이용한 새로운 촉매 대체품을 찾기 위해 1,500만 DKK를 투자했습니다.2014년 가을에 시작된 이 프로젝트의 목표는 표면적을 극대화하고 필요한 재료량을 최소화하는 것이다.물체는 표면 에너지를 최소화하는 경향이 있습니다. 예를 들어, 두 물방울이 결합되어 하나의 물방울을 형성하고 표면적을 감소시킵니다.배기가스에 노출되는 촉매의 표면적을 극대화하면 촉매의 효율이 극대화된다.이 프로젝트에서 일하는 팀은 결합하지 않는 나노 입자를 만드는 것을 목표로 하고 있다.표면이 최적화될 때마다 재료가 저장됩니다.따라서 이러한 나노 입자를 생성하면 결과적으로 발생하는 디젤 엔진 촉매의 효과가 증가하여 배기 가스를 더 깨끗하게 만들 수 있으며 비용을 절감할 수 있습니다.성공할 경우 팀은 플래티넘 사용을 25% [70]줄일 수 있기를 희망합니다.

나노기술은 또한 빠르게 발전하는 조직공학 분야에서도 중요한 역할을 하고 있습니다.발판을 설계할 때, 연구원들은 세포의 분화를 적절한 [71]혈통으로 유도하기 위해 세포의 미세 환경의 나노 크기 특징을 모방하려고 시도합니다.예를 들어, 뼈의 성장을 지원하기 위해 비계를 만들 때, 연구자들은 골세포 흡수 [72]피트를 모방할 수 있습니다.

연구진은 논리 기능을 수행할 수 있는 DNA 종이접기 기반의 나노봇을 바퀴벌레에게 표적 약물 전달을 가능하게 하는 데 성공했다.이들 나노봇의 연산능력은 코모도어64까지 [73]확대된다고 한다.

나노일렉트로닉스

주요 기사:나노일렉트로닉스
다음 항목도 참조하십시오.FinFET, 반도체 장치 제작 및 트랜지스터 카운트

상업적인 나노 전자 반도체 소자 제작은 2010년대에 시작되었다.2013년 SK하이닉스는 16nm 공정,[74] TSMC는 16nm FinFET 공정,[75] 삼성전자는 10nm 공정의 양산을 시작했다.[76]TSMC는 2017년부터 [77]7nm 공정 생산을 시작했으며 삼성은 2018년부터 [78]5nm 공정 생산을 시작했다.2019년 삼성은 [79]2021년까지 3nm GAFET 공정의 상용 생산 계획을 발표했다.

나노전자 반도체 메모리의 상업 생산도 2010년대에 시작되었다.2013년 SK하이닉스는 16nm 낸드플래시 [74]양산을 시작했고 삼성은 10nm 멀티레벨셀(MLC) 낸드플래시 [76]생산을 시작했다.2017년 TSMC는 7nm [77]공정을 이용한 SRAM 메모리 생산을 시작했습니다.

시사점

주요 기사:나노기술의 영향

나노물질의 산업적 제조와 사용이 나노독성학 연구에서 제시된 바와 같이 인간의 건강과 환경에 미치는 영향이다.이러한 이유로, 일부 단체들은 나노 기술이 정부에 의해 규제되어야 한다고 주장한다.다른 사람들은 과도한 규제가 과학 연구와 유익한 혁신의 개발을 방해할 것이라고 반박한다.국립산업안전보건연구원 등 공중위생연구기관에서는 나노입자 [80][81]피폭에 따른 잠재적 건강영향에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

일부 나노 입자 제품은 의도하지 않은 결과를 초래할 수 있습니다.연구원들은 발냄새를 줄이기 위해 양말에 사용되는 정균성 은나노 [82]입자가 세탁 중에 방출되고 있다는 것을 발견했다.그런 다음 이러한 입자가 폐수 흐름으로 흘러들어 자연 생태계, 농장 및 폐기물 처리 [83]과정의 중요한 구성요소인 박테리아를 파괴할 수 있습니다.

사회 나노 기술 센터가 수행한 미국과 영국의 위험 인식에 대한 공공 심의 결과, 참가자들은 건강 애플리케이션보다는 에너지 애플리케이션에 대한 나노 기술에 더 긍정적인 것으로 나타났으며, 건강 애플리케이션은 비용 및 [84]가용성과 같은 도덕적, 윤리적 딜레마를 야기했다.

Woodrow Wilson Center의 새로운 나노테크놀로지 프로젝트 책임자 David Rejeski를 포함한 전문가들은 성공적인 상용화는 적절한 감독, 리스크 조사 전략 및 공공 참여에 달려 있다고 증언했습니다[85].캘리포니아의 버클리시는 현재 미국에서 [86]나노 기술을 규제하는 유일한 도시입니다; 2008년 매사추세츠의 캠브리지도 비슷한 법을 [87]제정하는 것을 고려했지만,[88] 결국 그것을 거부했습니다.

건강과 환경에 대한 우려

나노기술의 건강과 안전에 미치는 영향에 대한 동영상
주요 기사:나노물질의 건강과 안전의 위험과 나노물질에 의한 오염

나노 파이버는 항공기 날개에서 테니스 라켓에 이르기까지 여러 분야와 다른 제품에 사용된다.공기 중의 나노입자 및 나노파이버를 흡입하면 섬유화 [89]등 여러 폐질환이 발생할 수 있습니다.연구진은 쥐가 나노 입자를 들이마셨을 때 입자가 뇌와 폐에 가라앉아 염증과 스트레스[90] 반응을 위한 바이오마커가 크게 증가했으며 나노 입자가 털이 없는 [91][92]쥐의 산화적 스트레스를 통해 피부 노화를 유도한다는 사실을 밝혀냈다.

UCLA의 공중보건대학에서 2년 동안 연구한 결과, 나노 이산화티타늄을 섭취한 실험용 쥐가 DNA와 염색체 손상을 "암, 심장병, 신경질환,[93] 노화 등 인간의 모든 주요 사망요인과 관련이 있다"고 밝혔다.

네이처 나노테크놀로지에 최근 발표된 주요 연구에 따르면 나노테크놀로지 혁명의 상징인 탄소 나노튜브는 충분한 양을 흡입하면 석면만큼 해로울 수 있다.탄소나노튜브에 대한 기고문을 쓴 스코틀랜드 에든버러 직업의학연구소의 앤서니 시튼은 "우리는 그들 중 일부가 중피종을 일으킬 가능성이 있다는 것을 알고 있다"고 말했다.따라서 이러한 소재는 매우 [94]신중하게 취급할 필요가 있습니다.정부로부터 구체적인 규제가 마련되지 않은 상황에서, 폴과 라이온스(2008)는 [95]식품에 나노 입자의 공학적 배제를 요구하고 있다.한 신문 기사는 페인트 공장의 근로자들이 심각한 폐질환에 걸렸고 나노 입자가 그들의 [96][97][98][99]폐에서 발견되었다고 보도했습니다.

규정

주요 기사 : 나노테크놀로지의 규제

나노기술에 대한 보다 엄격한 규제에 대한 요구는 나노기술의 [100]건강 및 안전 위험과 관련된 논란이 커지는 가운데 일어났다.나노 기술의 규제에 대한 책임이 누구에게 있는지에 대한 중요한 논쟁이 있다.일부 규제기관은 현재 나노테크놀로지를 기존 규제에 "응용"함으로써 일부 나노테크놀로지의 제품 및 프로세스를 (각종 수준까지) 커버하고 있습니다.이러한 [101]제도에는 분명한 차이가 있습니다.데이비스(2008)는 이러한 [102]단점을 다루는 단계를 설명하는 규제 로드맵을 제안했다.

나노입자 및 나노튜브의 방출과 관련된 위험을 평가하고 제어하는 규제 프레임워크의 부족에 대해 우려하는 이해관계자들은 광우병, 탈리도마이드, 유전자 [103]변형 식품, 핵 에너지, 생식 기술, 생명공학 및 아스베스토시스 등과 유사점을 도출해냈다.Woodrow Wilson Center's Emerging Nanotechnologies Project의 수석 과학 고문인 Andrew Maynard 박사는 인간의 건강과 안전 연구에 대한 자금이 부족하며, 그 결과 현재 나노 [104]기술과 관련된 인간의 건강과 안전 위험에 대한 이해는 제한적이라고 결론지었다.그 결과 일부 학계에서는 나노테크놀로지의 [105]특정 형태에 관한 마케팅 승인 지연, 라벨 표시 강화 및 안전 데이터 개발 추가 요건과 함께 예방 원칙의 엄격한 적용을 요구하고 있다.

왕립 학회 report[17]고,"제품의 확장 생산자 책임에 해당하는 제조 업체는 폐기 전의 규정을 출판하다 절차에서는 이러한 자료들을 최소화하기 위해 관리되어야 할 것을 서술함 등을 포괄하는 추천한 나노 입자 또는 나노 튜브 처리, 파괴와 재활용 중에 배출되는 위험을 확인하였다. 가능한인간 및 환경 노출" (p. 13)

사회 나노테크놀로지 센터는 나노테크놀로지에 대한 사람들의 반응이 용도에 따라 다르다는 것을 알아냈습니다. 나노테크놀로지에 대한 공공 심의 참여자들은 보건 분야보다 에너지 관련 나노테크놀로지에 대해 더 긍정적입니다. 이는 나노테크놀로지에 대한 공공의 요구가 기술 [84]분야에 따라 다를 수 있음을 시사합니다.

「 」를 참조해 주세요.

주요 기사:나노기술의 개요

레퍼런스

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