나노기술이 미래를 바꾼다

앞서의 강점, 약점, 위협, 기회 요인 진단으로부터 효율적 나노기술 개발을 위한 몇 가지 국가 전략을 생각해볼 수 있다. 첫째, 나노기술 연구에서 모방형 2류 연구는 아무 가치가 없으므로 국제 경쟁력이 있는 연구자가 있는 연구 분야에 우선 투자를 해야 한다. 즉 나노기술은 예상치 못한 과학기술적 파급효과를 가져올 수 있는 분야이므로 연구개발 초기에는 세부 연구 분야를 미리 설정하는 것보다 연구자 중심의 강점 분야를 이동 타깃 개념으로 투자해야 한다.



둘째, 세계적 선도 연구그룹 육성이 필요하다. 우리 나라가 나노기술 분야에서 세계적 경쟁력을 갖기 위해서는 최소 5개 정도의 세계적 선도 연구그룹이 국내에 있어 혁신적 연구결과와 창의적 고급 인력을 배출해야 한다. 이를 위해 현재 나노기술 분야와 관련된 50여 개 연구집단의 연구업적을 공정히 평가하여 최상위 10% 연구집단에 선진국 수준의 인건비를 지급하는 등 과감한 집중 지원을 하여야 한다.



셋째, 신산업 창출효과가 큰 분야에 연구개발의 초점을 맞추어야 한다. 이를 위해 경제적 부가가치가 크게 예상되는 기술정보, 의료기술, 환경, 에너지 기술 분야와 접목된 분야에 연구 역량을 집중할 필요가 있다. 이들 연구 분야에 국제 경쟁력이 있는 연구 책임자가 없는 경우 외국인을 과감히 유치할 필요도 있다.



넷째, 산학연 공동연구 및 국제 공동연구를 적극 장려해야 한다. 나노기술은 기술융합형 연구 분야이므로 기술개발의 시너지 극대화를 위해 경쟁력 있는 국내외 산업체, 연구소, 대학 사이의 공동 협력 연구가 절대적으로 필요하다. 특히 국제 공동연구의 경우 종래의 기술 이전 성격의 일방향 협력이 아닌 쌍방향 연구가 가능한 수준 높은 국내 연구그룹에 지원을 해야 한다.



이러한 선택과 집중을 통하여 범국가적 역량을 집중한다면 조만간 선진국과 겨룰 만한 경쟁력을 갖출 수 있으리라 예상된다. 특히 현재 국제 경쟁력이 있는 연구 그룹이 비교적 많은 나노소재 개발에 투자를 집중하고, 이들 나노소재 기술에 세계 최고의 반도체 공정기술을 접목하여 나노전자소자, 나노스핀소자, 나노바이오소자, 나노환경소자 등 새로운 나노소자를 개발하면 나노기술을 통해 신산업 창출과 아울러 엄청난 경제적 부가가치를 가져오리라 기대된다.나노기술의 출현으로 미래의 기계가 생물체와 유사한 기능을 갖게 될 가능성이 엿보임에 따라 사람과 기계의 관계를 생물의 진화 측면에서 논의하는 과학자들의 저술이 잇따르고 있다. 미국의 그레고리 스톡 박사는 그의 저서 『메타인류(Metaman)』에서 인류가 메타인류라 불리는 한 차원 높은 생물로 진화되는 와중에 있다는 독특한 주장을 펼쳤다. 메타인류는 인류와 현대 문명이 결합되어 형성된 전지구적 규모의 초유기체로 정의된다. 따라서 인류가 기계, 특히 컴퓨터와 공생관계를 유지하는 미래 사회를 하나의 생물체로 간주한 셈이다.



미래의 인류가 기계와 공생할 것으로 전망한 생물학자는 미국의 린 마굴리스이다. 나노기술의 가능성에 주목한 그녀는 1986년에 펴낸『미생물 우주(Microcosmos)』에서 "우리는 (인류의 진화에 관하여) 특별한 가능성을 생각할 수 있다. 인공공생 즉, 인간 신체의 부품이 미래의 생명체 안에서 진화하는 것이다. 미래의 인간은 팔다리가 보철에 의하여 잘려나간 형태 - 아마도 정교하게 해부된 신경계만이 전기적으로 구동되는 플라스틱 팔에 부착된 형태 - 가 될지 모른다."라고 적고 있다.



사람이 몸통과 사지가 없이 뇌만 남은 형태로 진화될 것이라는 아이디어는 공상과학소설에 나오는 사이보그를 연상시킨다. 사이보그는 생리기능이 기계로 대치된 인간이다. 인체의 일부를 기계장치로 치환하는 보철 기술이 머리끝에서 발끝까지 거의 모든 부위에 대해서 개발되고 있기 때문에 오래지 않아 사이보그가 현실로 나타날 가능성을 배제할 수 없다. 궁극적으로 뇌를 제외한 나머지 부분을 모두 기계장치로 대치할 수 있게 될는지 모를 일이다.



바꾸어 말하자면 늙어 죽게 마련인 인간의 몸에서 뇌를 끄집어내서 특수 설계된 로봇의 몸통으로 옮겨놓을 수도 있을 것이다. 그러나 뇌를 로봇에게 이식시키는 일이 콩팥이나 각막 따위를 떼어 내는 것처럼 쉬울 리 만무하다. 왜냐하면 뇌에서 사람의 마음이 솟아나기 때문이다. 따라서 사람의 뇌로부터 마음을 뽑아 내서 기계에게 옮겨주는 방법이 자못 궁금하지 않을 수 없다.한편 미국의 로봇공학 전문가인 한스 모라벡의 저서 『마음의 자식들(Mind Children)』이 출간 직후 신선한 충격을 던진 이유는 사람의 마음을 기계로 옮기는 시나리오를 자세히 묘사했기 때문이다. 모라벡의 시나리오에 의하면 인간의 마음이 컴퓨터에 이식됨에 따라 상상하기 어려운 다양한 변화가 일어난다. 먼저 컴퓨터의 처리 성능에 힘입어 사람의 마음이 생각하고 문제를 처리하는 속도가 수천 배 빨라질 것이다.



마음을 이 컴퓨터에서 저 컴퓨터로 자유자재로 이동시킬 수 있기 때문에 컴퓨터의 성능이 강력해지면 그만큼 사람의 인지능력도 향상될 것이다. 또한 프로그램을 복사하여 동일한 성능의 컴퓨터에 집어넣을 수 있으므로 자신과 동일하게 생각하고 느끼는 기계를 여러 개 만들 수 있다. 게다가 프로그램을 복사하여 보관해두면 오랜 시간이 지난 후에 다시 사용할 수 있으므로 마음이 사멸하지 않는다. 마음이 죽지 않은 사람은 결국 영생을 누릴 수 있다.



미국 물리학자인 프리먼 다이슨은 그의 저서 『모든 방향으로의 무한(Infinite in All Directions)』에서 이와 유사한 상황을 설정하고 "아마도 조상의 뇌 안에 있는 생존시의 경험에 대한 기억의 흔적을 읽어낼 수 있는 기술이 개발될 것이다. 그러면 이 기술로 조상의 기억과 감정을 살아 있는 사람의 의식 속에서 재생시킬 수 있을 것이다. 이렇게 되면 산 사람과 죽은 사람, 미래와 과거의 구분이 흐릿해질 것이다."라고 21세기 과학기술을 전망하였다.



인류의 진화가 사람의 몸에서 태어난 후손보다는 마음의 자식들인 기계에 의하여 주도된다면 인간의 유전자는 아무짝에도 쓸모가 없어진다. 모라벡은 진화의 주역이 유전자에서 마음의 기계로 바뀌는 과정을 유전자 점령 현상에 비유했다. 유전자 점령은 영국의 화학자인 케언스 - 스미스가 생명의 기원을 설명한 점토이론에서 내놓은 개념이다.점토이론에 따르면 최초의 유전물질 역할을 수행한 것은 핵산이나 단백질 같은 유기물이 아니라 무기물인 점토이다. 점토는 물의 작용으로 단단한 바위들이 풍화작용을 일으킴으로써 형성된다. 이러한 점토는 대부분 결정물이다. 점토가 다소 형태가 없는 것처럼 보이는 까닭은 점토의 결정이 아주 미세하기 때문이다. 그러나 완벽한 결정은 존재하지 않으며 대부분 표면에 결함을 지니고 있다. 왜냐하면 결정들은 실제로 크기가 유한하고 특정한 모양을 갖고 있기 때문이다.



다시 말해 결정의 크기와 모양은 그 결정의 원자 배열 속에 들어 있는 특정한 내용의 정보를 나타낼 수 있다. 이러한 정보는 결정의 성장 과정을 통해서 복제되는데 점토의 결정체가 주변에 있는 물에 용해된 원자에 부착되어 커질 때 새롭게 형성된 결정층은 그 아래에 있는 결정층과 동일한 패턴을 가질 수 있기 때문이다. 따라서 점토 결정체는 유전 물질의 두 가지 기본적인 기능을 수행할 수 있다. 자신이 가지고 있는 정보를 복제할 수 있으며 그 정보를 주변의 다른 분자에게 전달할 수 있는 것이다. 점토 결정체가 핵산과 동일한 기능을 수행하는 셈이다.



케언스 - 스미스는 점토 결정체를 저급 기술의 유전자에 비유한 반면 핵산은 고급 기술의 유전자로 간주했다. 그리고 저급 기술의 유전자로부터 역할을 인계받은 고급 기술의 유전자가 뒤늦게 출현한 것으로 설명했다. 점토처럼 아주 흔해 빠진 물질에서 핵산처럼 고급 기술의 유전물질로 기능이 넘겨지는 과정을 유전자 점령이라고 명명했다.



인류의 미래가 인간의 혈육보다는 인간의 마음을 넘겨받은 기계에 의하여 발전되고 승계될 것이라는 모라벡의 주장은 실로 충격적이지 않을 수 없다. 마음의 자식은 순전히 상상력의 소산이긴 하지만 적잖은 학자들의 지지를 받고 있다. 이를테면 인공지능 이론의 선구자인 미국의 마빈 민스키 교수는 과학 월간지「사이언티픽 아메리칸」1994년 10월호에 기고한 글에서 나노기술을 사용하여 뇌를 기계로 대치할 수 있을 것으로 단정하면서 미래의 기계는 마음의 아이들이 될 것이라고 상상한 모라벡에게 전폭적으로 공감하는 의견을 다음과 같이 개진했다. "로봇이 지구를 물려받을 것인가? 그렇다. 그러나 그들은 우리의 자식일 것이다."1959년 12월 어느 날, 미국 물리학회에서 40대 초반의 대학교수가 '바닥에는 풍부한 공간이 있다'라는 제목의 강연을 하고 있었다. 연사는 1965년 양자역학 연구로 노벨상을 받게 되는 리처드 파인만으로 분자의 세계가 특정한 임무를 수행하는 모든 종류의 매우 작은 구조물을 만들어 세울 수 있는 건물 터가 될 것이라고 예언하였다. 분자 크기의 기계, 즉 분자기계의 개발을 제안한 것이다. 그러나 참석자들은 대부분 이를 농담으로 받아들였다.



2000년 1월 어느 날, 미국의 빌 클린턴 대통령은 5억 달러가 투입되는 국가나노기술계획(NNI)을 발표하면서 "나노기술은 트랜지스터와 인터넷이 정보시대를 연 것과 같은 방식으로 21세기에 혁명을 일으킬 것"이라고 말했다. 그는 나노기술을 "미국 의회도서관에 소장된 모든 정보를 한 개의 각설탕 크기 의 장치에 집어넣을 수 있는 기술"이라고 설명하였다.



극미한 분자세계를 우주의 공간처럼 광대한 영역으로 상상한 파인만의 선견지명은 실로 놀라운 것이었다. 파인만의 아이디어가 훗날 분자기술로 구체화되었기 때문이다. 분자기술은 분자 하나하나를 조종하여 물질의 구조를 제어하는 기술이다. 분자는 나노미터(10억 분의 1미터)로 측정된다. 따라서 나노기술 이론가인 드렉슬러는 분자기술 대신에 나노기술이라는 용어를 만들어 냈다. 이 나노기술은 오랫동안 과학자들의 주목을 끌지 못했으며, 드렉슬러는 몽상가로 따돌림을 받았다. 그러나 2000년부터 나노기술은 국가적 차원의 관심사가 되었다.



나노기술의 연구가 가장 기대되는 부문은 생체전자공학으로 생명공학과 전자공학이 만나는 곳에서 태동한 신생 학문이다. 주요 연구목표의 하나는 생체 컴퓨터인데 이것은 그 개념이 아직 정립되어 있지 않고 연구활동 역시 여러 각도에서 다양하게 모색되고 있다. 그러나 이 생체 컴퓨터에 접근하는 방법은 모두 한 가지 공통점을 갖고 있다. 오늘날 컴퓨터에 사용되는 실리콘 반도체 대신에 단백질과 같은 유기분자를 사용하여 현재의 컴퓨터보다 속도가 빠른 컴퓨터 개발을 겨냥하고 있는 것이다.

생체 컴퓨터는 분자 컴퓨터, 나노 컴퓨터라 불리는데 드렉슬러에 따르면 나노 컴퓨터는 나노기술이 쏟아낼 제품의 한 가지 보기에 불과할 따름이다. 나노기계가 대량으로 보급되면 제조산업에 혁명적인 변화가 올 가능성이 높다. 오늘날 우리가 물건을 만드는 방식은 원자를 대량으로 움직이는 것이다. 그러나 나노기술은 원자 하나하나까지 설계도에 따라 만들 수 있으므로 물질의 구조를 완벽하게 통제할 수 있다. 드렉슬러는 다수의 어셈블러(분자기계)가 함께 작업하여 모든 제품을 생산하는 미래의 제조방식을 '분자 제조'라고 명명했다.2. 나노기술의 알파와 오메가



거대한 나노기술바이오 산업에서 각광받는 나노기술3. 한국 나노기술의 미래



한국의 나노기술4. 나노기술과 인류의 미래



마음의 아이들분자 제조기술이 산업에 미칠 영향은 한두 가지가 아니다. 먼저 나노기술로 원자 수준까지 물질의 구조를 제어하기 때문에 우리가 상상할 수 없을 정도로 다양하고 새로운 제품을 만들게 될 것이다. 또한 고장이 극히 적은 양질의 제품생산이 가능할 듯하다. 제품에 고장이 발생하려면 수많은 원자가 제자리를 벗어나야 하지만 나노기술로는 제품의 설계와 생산공정에서 원자 하나하나를 완전무결하게 통제하기 때문에 신뢰성 높은 제품의 출하가 가능한 것이다.



분자 제조기술의 충격은 아무래도 스마트 물질의 출현에서 극대화될 것 같다. 주위 환경을 감지하여 스스로 적절하게 대응하는 지능을 가진 물질을 스마트 물질이라 한다. 스마트 페인트, 스마트 가구, 스마트 옷감 등 분자 제조기술로 만들 수 있는 스마트 물질은 부지기수이다. 스마트 옷감의 경우 얇은 섬유 안에 빛, 습기 등을 감지하는 센서와 그 자료를 처리하는 컴퓨터, 컴퓨터의 결정에 따라 작동하는 모터 등 나노기계가 들어 있기 때문에 날씨나 습도 등 외부 환경의 변화에 따라 옷감 스스로 모양과 질감 등을 바꿀 수 있다는 것이다.



또 나노기술의 활용이 기대되는 분야는 나노의학이다. 인체의 질병은 대개 나노미터 수준에서 발생한다. 바이러스는 가공할만한 나노기계라 할 수 있다. 이러한 자연의 나노기계를 인공의 나노기계로 물리치는 방법말고는 더 효과적인 전략이 없다는 생각이 나노의학의 출발점이다. 바이러스와 싸우는 나노기계는 잠수함처럼 행동하는 로봇이다. 이 로봇의 내부에는 병원균을 찾아서 파괴하도록 프로그램 되어 있는 나노컴퓨터가 들어 있으며, 모든 목표물의 모양을 식별하는 센서가 부착되어 있다.



혈류를 통해 항해하는 나노로봇은 센서로부터 정보를 받으면 나노 컴퓨터에 저장된 병원균의 자료와 비교한 다음 병원균으로 판단되는 즉시 이를 격멸한다. 인체의 면역체계와 진배없는 장치이다. 또한 세포 수복기계라 불리는 나노로봇은 세포 안으로 들어가서 마치 자동차 정비공처럼 손상된 세포를 수리한다. 이론적으로는 나노의학이 치료할 수 없는 질병이 거의 없어 보인다.



나노기술은 이와 같이 우리가 물질을 다루는 방법을 바꾸는 데 그치지 않고 사회의 모든 부문에서 혁명적 변화를 초래할 것으로 전망된다. 낙관론자들은 나노기술을 인류가 직면한 건강이나 환경 등 제반 문제를 치유해 줄 만병통치약으로 여기고 있지만 부정적인 측면에서 사악한 목적을 가진 집단에 의해 이 나노기술이 전쟁이나 테러에 쓰인다면 그 파괴력은 과연 어떠할까? 게다가 어셈블러의 자기복제기능으로 인해 인간의 힘으로 통제불가능한 재앙이 발생할 개연성이 없지 않다.



아무튼 21세기 들어 미국과 일본 등 기술선진국은 물론이고 우리 나라 역시 정부 주도로 나노기술에 막대한 투자를 서두르고 있다. 나노기술은 미지의 세계로 첫걸음을 내딛기 시작했다. 그러므로 나노기술에 도전하는 과학기술자들이 노력할 때 낯선 풍경이 눈에 들어오듯이 전혀 예상치 못한 나노세계가 펼쳐질 것이다. 그리고 머지 않은 장래에 과학기술자들의 보따리 속에는 나노기술의 모든 수수께끼를 풀어 줄 열쇠가 들어 있을 것임에 틀림없다.나노기술이란 나노미터 수준에서 물체들을 만들고 조작하는 기술을 통칭하는 말이다. 나노기술의 핵심은 원자나 분자의 수준에서 물질들을 조작하고 만들어서 전혀 새로운 성질과 기능을 가진 소자나 시스템을 구현하는 것이다. 나노기술은 그 자체로도 과학적인 흥미를 충분히 유발시킬 수 있을 뿐 아니라 앞으로 10년 안에 IT(정보기술), BT(생명기술), ET(에너지, 환경기술) 등의 여러 중요 기술에서 기술의 한계를 극복할 수 있는 방법으로 제시되고 있다는 점이 특히 중요하다.



나노기술의 여러 분야들 중에서 가장 빨리 산업화된 분야가 바로 나노소재 분야이며 그 가운데 자동차의 부품들에 가장 광범위하게 응용되고 있다. 자동차 부품들은 연료의 절감을 위해서는 점점 경량화되면서도 안정성을 위해서 기계적 강도가 우수해야 한다. 일본의 도요타 자동차에서는 기존의 자동차 연료탱크보다 충격에는 10배 이상 강하면서 무게는 1/3 이하인 새로운 소재로 만든 연료 탱크를 개발하였는데 이 연료탱크가 바로 나노 복합소재를 이용한 것이다.



복합소재란 두 가지 전혀 다른 종류의 소재를 혼합하되 두 소재의 장점을 살려 향상된 성질을 가진