나노 보다 10억배 작다? 아주 작은 특허

“나노(nano)의 세계"라는 말은 이제 일상에서 쉽게 들을 수 있습니다. 1 나노미터(nm)는 1m의 1,000,000,000배만큼 작은 크기인데요. 날씨를 뿌옇게 흐리게 하는 초미세먼지의 크기가 2500 nm인 반면에 코로나19로 알려진 신종 코로나 바이러스의 크기는 80~100 nm라고 하니 마스크가 왜 필수라고 하는지 알 것 같습니다.

< 같은 물질이라도 색(Color)이 변하는 나노 용액 >

크기가 작은 나노뿐만 아니라 우리가 흔히 알고 있던 다양한 물질들도 100nm 이하에서는 크기에 따라서 색깔이 변하거나, 자석 등에 의한 자기장으로 색이 변하는 등 본래의 성질과 다르게 변하는 성질을 가진다는 것을 발견한 이후로 이에 대한 연구가 활발하게 이루어져 왔습니다. 사실 이렇게 작은 것들에 대한 연구가 실생활에서 쓰인 것은 아주 오래된 역사를 가지고 있는데요. 약 1700년 전인 4세기 때 만들어진 리쿠르고스 컵의 경우, 빛을 앞쪽에서 비추면 녹색으로 보이는 컵이지만, 뒤쪽에서 비추면 붉은색 컵이 됩니다.

< 일상 속에 있는 퀀텀닷 QLED 모니터(출처 : 해외문화홍보원 코리아넷뉴스) >

최근에는 2~10 nm 크기의 퀀텀닷을 이용한 QLED 모니터가 제품으로 나와 인기를 끌었는데요. 눈에 보이지 않는 작은 물질들을 이용한 IT 기술은 어쩌면 당연히 첨단 제품에 포함되는 단어로 왠지 모를 친근함이 있습니다.

< 분자 분석에 필요한 아토(atto) 기술 >

그렇다면 나노(nano) 보다 작은 단위의 세계는 어떨까요? 만약 더 작은 것을 자유자재로 다룰 수 있는 기술이 나오면, 더 새로운 미래가 펼쳐지지 않을까 하는 호기심이 생겨 찾아보니 아토(atto)에 대해 알게 되었습니다. 1 아토(atto)는 1 나노(nano) 보다 무려 1,000,000,000배나 작고, 양성자와 중성자로 이루어진 원자의 핵 보다 1,000배 정도 작은 단위입니다.

< 입자의 질량을 측정할 수 있는 특허(출처 : 키프리스) >

특허정보넷 키프리스에서 아토에 대해 살펴보겠습니다. 독일에서 2008년 2월 등록된 "질량이 매우 작은 입자의 검출 방법 및 장치(특허 제10-0802449호)”를 보면 이 방법은 항원-항체 반응물의 검출에 기초하여 아토 단위 범위까지의 매우 높은 검출 감도를 제공하는데요.

아토 단위는 입자가 얼마나 큰지 측정하거나 길이를 재는 단위보다 원자 또는 분자 하나하나가 얼마나 무거운지 질량을 측정할 때 사용됩니다. 입자의 무게를 알 수 있다면 분자량을 이용해서 몇 개가 있는지 개수(mol)를 알 수 있으니 대략 15개라면 2 nm, 150개라면 10 nm 등으로 크기를 가늠할 수 있을 것으로 예상됩니다.

코로나19 같은 바이러스 또는 합성하다 생성된 물질처럼 분자량을 아직 모르는 물질이라면 투과전자현미경(TEM)으로 개수를 측정하여 앞에서 구한 질량을 이용해 분자량을 구할 수 있을 것 같은데요. 항체-항원 반응을 통해서 아토그램 수준의 정밀도를 가진다는 말은 반대로 소량의 샘플만 채취해도 일정 수준의 분석이 가능하고, 대량의 샘플 분석에 사용될 수 있으면 코로나19 같이 긴급한 곳에 필요할지도 모르니 관심이 더욱 생깁니다.

< 분자 분석에 필요한 아토(atto) 기술 >

길이, 무게와 달리 시간 단위에서 아토 세컨드(s)를 이용한 기술도 있습니다. 이른바 아토 세컨드 레이저는 매우 짧은 레이저로, 쉽게 설명하면 카메라 셔터 스피드 같은 의미입니다. 초고속 카메라로 찍은 사진을 펼쳐보면, 마치 총알이 슬로우 모션처럼 천천히 지나가는 것을 알 수 있습니다. 예를 들어 10 아토 세컨드에서 빛은 약 3 nm 정도 움직입니다. 아마 너무 순식간이라서 빛이 멈춰있는 느낌이 들 것 같습니다.

< 아토 세컨드 단위의 펄스 레이저가 활용되는 특허(출처 : 키프리스) >

특허등록된 “눈-수술용 레이저 장치 및 눈의 각막 조직을 스캔하는 방법(특허 제10-1963749호)”를 보면 눈 각막 조직의 형상, 두께 등 눈 수술할 때 필요한 정보를 고해상도로 얻는 장치에 아토 세컨드 단위의 펄스 레이저가 활용되는 것을 알 수 있었습니다.

아직은 나노 기술에 비해 발명이 많지 않고 널리 알려진 제품을 찾기는 어렵지만, 앞으로 바이오·의약, 디스플레이, ICT 등 다양한 분야에서 활약하기를 응원해 봅니다.(자료인용 : 특허청 블로그)