현대인이 아침에 눈을 뜨면 가장 먼저 챙기는 것은 무엇일까. 아마 스마트폰이 아닐까. 스마트폰을 본 후에는 배터리의 잔량을 확인한다. 전날 미처 충전을 못한 경우에는 외출 전 급속 충전을 한다. 물론 오래 사용한 경우 방전이 빨리 되므로 보조배터리도 챙긴다. 이렇듯 우리는 배터리의 잔량을 수시로 체크하며 하루를 보낸다. 배터리가 없는 세상은 상상할 수 없는 시대에 살고 있는 것이다.이렇게 중요한 배터리 가운데 가장 보편적으로 사용되는 리튬 이온 배터리는 리튬의 화학적 반응을 통해 전기를 생산한다. 이러한 리튬 이온 배터리는 스마트폰뿐만 아니라 보다 큰 에너지를 요구하는 전기 자동차의 동력원으로도 사용된다. 스마트폰은 중앙처리장치(CPU) 및 다양한 프로그램을 작동시키기 위해 리튬 이온 배터리 한 개가 동력원으로 사용되지만 전기 자동차는 무거운 자동차를 움직이게 하는 강력한 모터를 돌리기 위해 수백 개의 배터리를 직렬이나 병렬로 연결해 놓은 여러 개의 배터리 팩으로 에너지를 공급한다. 리튬 이온 배터리가 스마트폰과 전기 자동차의 주 동력원으로 사용되고 있는 이유는 리튬 소재는 전기화학적 전위를 나타내는 서열에서 매우 낮아 서열이 높은 탄소와 만날 때 다른 재료에 비해 비교적 큰 전압차를 발생시킬 수 있기 때문이다.김광선 코리아텍 교수 메카트로닉스공학문제는 우리의 일상생활에서 배터리의 노화 및 잔량에 대한 걱정은 향후 지금보다 더욱더 많을 것이라는 점이다. 그러면 리튬 이온 배터리의 노화 및 방전 속도를 예측할 수는 없을까. 미래 예측이 가능하다면 방전에 대한 걱정 없이 배터리의 활용 시간을 알 수 있고, 충전과 폐기해야 하는 시점도 알 수 있기 때문이다. 이런 이유로 배터리의 노화 상태 및 충·방전 감속량의 변화를 예측하는 방법에 대한 연구가 국내외적으로 활발히 진행되고 있다.이때 노화를 나타내는 지수로 SOH(State of Health·예상수명)가 가장 많이 활용되고 있는데 배터리의 SOH 방법은 크게 세 가지로 나뉜다. 첫 번째는, 분광학과 전기화학 기술모델을 이용해 음극, 양극, 전해액 내부의 물성치(물질의 물리적 성질을 나타내는 값) 변화를 측정해 추론하는 방법이다. 그러나 다양한 물성치 변화를 모두 동시에 측정하는 것이 불가능해 신소재 개발 등 순수 연구용으로 활용되고 있다. 두 번째는, 충·방전 배터리 내부를 간단한 전기회로 형태로 모델링해 양극과 음극 사이의 저항영역을 통과하며 전력량을 예측하는 방법이다. 이는 양극, 음극, 저항의 변화율을 계측하면서 신호처리 등 실시간 제어기에서 많이 활용되고 있으나 외부환경 변화를 고려한 불확정성 변수 찾기가 어려워 적용에 어려움이 있다. 세 번째는, 필자도 지난해 세계 저명 학술지인 ‘나노사이언스 및 나노테크놀로지 레터’에 게재한 바 있지만, 배터리 내부의 표준상태 물성데이터를 확보하고 전기화학 지배방정식을 컴퓨터로 분석하면서 SOH를 예측하는 방법이다. 이 방법은 실험으로 검증된 모델링을 바탕으로 얻어진 기준데이터가 확보돼 있어 실시간으로 얻어진 데이터와 비교를 통해 노화상태 및 방전속도를 예측할 수 있는 장점이 있다. 다만 빅데이터를 활용하는 문제가 있으나 통신 속도의 대폭 증가와 클라우드 컴퓨팅 환경의 개선으로 활용 가능성이 매우 높아지고 있다.무엇보다 배터리는 4차 산업혁명의 핵심 동력이다. 전기차, 드론, 첨단로봇 등 4차 산업혁명을 움직이는 에너지가 바로 배터리다. ‘에너지 혁명 2030’의 저자인 미국 스탠퍼드대 토니 세바 교수는 “모든 사물이 배터리로 구동되는 BoT(Battery of Things·배터리 중심) 시대가 열려 배터리를 활용하면 시공간에 구속되지 않고 언제 어디서든지 에너지를 쓸 수 있다”고 말한 바 있다. 이처럼 4차 산업혁명의 시대가 도래하면서 우리가 매일 겪고, 앞으로도 겪어야 할 배터리 충·방전에 대한 걱정이 리튬 이온 배터리의 수명예측 알고리즘의 완전한 상용화로 해소될수 있는 날이 하루빨리 오기를 고대해 본다.김광선 코리아텍 교수 메카트로닉스공학

침대 매트리스에서 라돈이 검출되면서 국민은 막연한 불안감에 사로잡혀 있다. 라돈이 해로운 방사성(방사능)물질인데 왜 매트리스에 그러한 물질이 포함됐는지, 라돈은 상당히 위험한 물질로 ‘생활주변 방사선 안전관리법’과 ‘실내 공기질 관리법’에서 철저히 관리하고 있음에도 어떻게 이러한 일이 발생했는지 의아해하고 있다. 문제는 이러한 일이 재연되지 말라는 법이 없어 보인다는 점이다. 물질의 기본적인 최소입자인 원자는 원자핵과 전자가 균형을 이루면서 안정화된 상태를 이루고 있다. 그러나 방사성물질은 원자핵이 불안정해 에너지를 가진 방사선을 방출하면서 안정된 원소로 변화하게 된다. 방사성물질은 원자핵 붕괴를 통해 방사선을 방출하는 물질로 정의하고 있다. 방사능은 불안정한 원자의 자발적인 방사선 방출 능력, 즉 방사선의 세기로 정의할 수 있다. 방사성물질이 방출하는 방사선은 알파선, 베타선, 감마선과 같은 에너지를 갖고 있는 입자나 광선이다. 그러므로 방사성물질의 붕괴 과정에서 에너지를 방출하는 원리 때문에 방사성물질은 양날의 칼과 같다. 긍정적 측면은 원자력발전이나 암세포를 파괴하는 방사선 치료에 활용되지만 대량 살생이 가능한 원자폭탄 생산도 이러한 특성 때문에 가능하다.김승도 한림대 교수 환경생명공학자연계를 포함한 곳곳에 방사성물질이 존재하므로 우리는 ‘생활주변 방사선’에 노출돼 있다. ‘생활주변 방사선 안전관리법(약칭 생활방사선법)’에 따르면 생활주변 방사선은 원료물질, 공정부산물 및 가공제품 등에 함유된 천연 방사성물질에서 방출되는 방사선, 지구표면의 암석이나 토양에서 방출되는 지각방사선, 태양이나 우주로부터 지구 대기권으로 입사되는 우주방사선 등으로 구분하고 있다. 일반적으로 자연 방사선량은 적기 때문에 우려할 만하지 않으나, 평균 자연 방사선량보다 높은 양의 방사선이 인체에 조사되면 세포분열에 관여하는 염색체의 유전자(DNA)를 변형시킬 수 있다. 이후 변형이 된 돌연변이 세포는 암, 백혈병, 골수종, 탈모, 기형아 출산 등을 일으킨다. 방사선에 인간이 직접 노출되는 경우 이외에도 방사성물질은 여러 경로를 통해 인체에 유입될 수 있다. 방사성물질에 오염된 음식물 섭취나 호흡에 의해 라돈과 같은 기체 상태 방사성물질이 체내로 유입되면 집중적으로 방사선에 노출된다.문제가 되고 있는 라돈은 자연 상태에서 나오는 무색·무취·무미의 기체 상태의 방사성물질이다. 라돈은 우라늄과 토륨이 몇 차례 붕괴하면서 라듐을 거쳐 생성된다. 라돈도 지속적으로 붕괴돼 소위 ‘라돈자손’을 생성하며 최종적으로는 납으로 안정화된다. 기체 상태 라돈이 호흡을 통해 체내 유입되면 반감기가 3.82일밖에 되지 않는 라돈은 즉시 붕괴되면서 라돈 자손인 고체 상태의 방사성물질로 전환돼 폐에 누적 침적된다. 그러므로 폐 기저세포가 방사선에 집중적·지속적으로 노출된다. 자연 방사선 수준은 인체 면역체계에서 극복할 수 있으나 한계치 이상의 라돈 유입은 DNA 변형과 더불어 폐암 발병 위험이 크다.최근의 라돈 매트리스의 문제는 다량의 음이온을 방출하는 모자나이트라는 광물을 매트리스를 제조할 때 사용한 데 기인한다. 음이온은 냄새를 정화하며 항균 효과가 있어 건강에 좋다고 알려졌다. 그러나 음이온이 건강에 좋다는 학술적인 근거가 없어 음이온이 건강에 좋다는 것은 설득력이 없다. 모자나이트는 방사성물질인 토륨, 라듐을 함유하고 있고 이러한 물질이 붕괴되면서 라돈으로 전환돼 문제가 됐다. 아마도 음이온이 많이 나오는 이유도 이러한 방사선 방출 때문으로 추정된다. 방사성물질을 함유한 광물을 제품 원료로 사용하는 경우에는 방사선 안전량 한도 내에서 제품을 만들도록 해야 한다. 물론 현재 ‘생활방사선법’에서도 원료물질, 공정부산물, 가공제품의 방사능 안전기준을 설정하고 있으나 현장에서는 이러한 규제가 제대로 작동되지 않고 있다. 방사성물질을 함유한 원료를 사용하는 경우 원료, 제품 생산, 폐기까지 전 과정을 모니터링할 수 있는 철저한 관리 감독체계 마련이 필요하다.김승도 한림대 교수 환경생명공학

아시아에서 유일하게 9회 연속 본선에 진출한 대한민국 대표팀이 참가하는 ‘2018 FIFA 월드컵’이 6월 14일부터 7월 15일까지 러시아에서 열릴 예정이다. 스포츠와 과학 기술이 밀접하게 연관돼 있다는 것은 주지의 사실이다. 경기력 향상은 물론 시청의 즐거움을 가져다주는 기술이 이번 월드컵에서는 어떤 활약을 할지 벌써부터 기대된다.이번 러시아 월드컵에서 가장 돋보이는 기술은 비디오 판독(VAR) 시스템이다. 비디오 판독 시스템은 2015년 국제축구평의회가 승인한 후, 2016년 3월에 시범 도입됐고, 성인 월드컵에서는 이번에 최초로 사용된다. 정동훈 광운대 교수 인간컴퓨터상호작용학전적으로 인간의 오감에 의존했던 축구 경기 판정에 전자기술이 도입된 것은 2012년 클럽월드컵에서 선보인 골라인 테크놀로지가 처음이다. 시속 120km 빠르기의 공이 0.06초만 골라인을 통과했어도 득점으로 판독할 수 있을 정도의 정교함을 갖추고 있어 그동안 많은 경기에서 톡톡히 그 역할을 했다. 이 기술은 테니스, 배구, 야구 등 다양한 경기에서도 인간의 판정에 내재적으로 존재할 수밖에 없는 오심에 의한 잘못된 판정을 바로잡을 수 있다는 점에서 효과적으로 사용돼 왔다.비디오 판독 시스템의 원리는 다음과 같다. 먼저 이 시스템은 경기장의 심판과는 별도로 한 명의 주심과 세 명의 부심 등 네 명의 비디오 판독관이 한 팀으로 운영된다. 이들은 모두 FIFA 공식 경기 심판 자격증을 갖고 있는 전문가들이다. 또한 영상을 즉시 재생할 수 있는 네 명의 영상 전문가가 추가로 배치돼 비디오 판독을 위한 카메라의 최적 각도를 제공한다.비디오 판독 시스템은 경기가 열리는 경기장에 위치해 있는 것이 아니라 VOR라고 불리는 통제실에서 작업을 하게 된다. 이번 월드컵 경기에서는 모스크바에 있는 국제방송센터에 설치될 예정이다. 총 64경기가 열리는 12개 경기장에서 촬영된 영상은 광네트워크를 통해 VOR에 전송되고 축구장에 있는 주심과 비디오 판독 시스템의 주심은 정교한 광네트워크 무선 시스템을 통해 커뮤니케이션하게 된다. 경기마다 총 33대의 카메라가 중계방송을 위해 설치될 예정인데 비디오 판독관은 이 모든 카메라 영상을 활용할 수 있다. 이 중 여덟 대는 슈퍼 슬로우 모션, 그리고 네 대는 울트라 슬로우 모션용 카메라인데, 슈퍼 슬로우 모션 카메라는 4Kp60 해상도에서 최대 120fps를, 울트라 슬로우 모션 카메라는 4K 해상도에서 1000fps를 지원한다. 1fps가 1초에 촬영되는 사진이 한 장인 것을 의미하니, 울트라 슬로우 모션 카메라는 4096X2160 해상도로 1초에 최대 1000장의 사진을 촬영하는 것을 의미한다. 고화질 영상으로 순간을 포착할 수 있으므로 더 정확한 판단을 내릴 수 있게 된다. 비디오 판독 시스템은 득점, 페널티 결정, 레드카드, 선수 구별과 같은 네 가지 상황에서 경기장에 있는 주심이 최종 결정을 내리는 데 도움을 준다. 특히 비디오 판독팀에 있는 네 명의 심판 중에 한 명은 오프사이드만 전담할 정도로 오프사이드는 특별하게 관리한다. 그동안 사람에 의한 오프사이드 판정이 많은 논란을 일으켰기 때문이다. 오프사이드 전담 심판은 두 대의 오프사이드 전용 카메라 영상을 바탕으로 시야각, 렌즈 왜곡, 구장의 굽은 정도 등 많은 요인을 고려한 가상의 오프사이드 선을 통해 판정을 하게 된다. 작은 오차도 없애기 위해 매 경기 전 보정을 할 정도로 심혈을 기울인다. 비디오 판독 시스템이 경기의 한 부분이 됐다는 의미는 그리 단순하지 않다. 심판의 경기 운영 방식이 달라질 뿐만 아니라, 선수는 흐름이 끊겨 경기력이 저하되는 것을 방지해야 한다. 가장 중요한 것은 시청자가 이를 어떻게 인식하는가이다. 정확한 판정에 환호할 것인지, 경기 진행의 방해를 불평할 것인지 두고 볼 일이다.정동훈 광운대 교수 인간컴퓨터상호작용학

과학도 사람이 하는 일이라 편견이나 차별에서 자유로울 수 없다. 일군의 과학사회학자들은 과학 활동이 특정한 집단에 유리하게 전개되는 경향을 보이고 있다고 지적한다. 이를 설명하는 개념에는 ‘마태 효과’, ‘후광 효과’, ‘마틸다 효과’가 있다. 마태 효과는 경력 형성에 성공한 과학자일수록 인정과 자원 획득에서 유리하다는 점을 뜻하고, 후광 효과는 우수한 과학기관에 속한 과학자가 그렇지 않은 경우보다 많은 이익을 얻는다는 점에 주목한다. 마틸다 효과는 여성이 적절한 인정을 받지 못하면서 결과적으로 역사의 뒤편으로 사라지는 경향을 지칭한다.과학의 역사에는 여성 과학자가 차별을 받았던 사례가 수두룩하다. 18세기만 해도 여성 과학자는 동그란 네모와 같이 어울리지 않는 용어였다. 마리아 빙켈만은 베를린 과학아카데미에서 남편의 조수로 일해야 했으며, 남편이 죽은 뒤에는 아들의 조수가 돼야 했다. 라우라 바시는 여성 최초로 대학 교수가 됐지만 볼로냐대학이 바시에게 기대한 역할은 박식한 과학자가 아니라 행사가 열릴 때 관객을 끌기 위한 얼굴마담이었다. 소피 제르맹은 에콜 폴리테크닉의 수업을 청강하면서 자신이 여성이라는 사실을 숨기기 위해 르블랑이란 가명을 사용해야만 했다. 송성수 부산대 교수 한국과학기술학회 회장이러한 사정은 여성에게 과학교육의 문호가 개방되면서 조금씩 나아지기 시작했다. 20세기에 들어서는 과학을 전공해 박사학위를 받은 여성도 속속 등장했다. 그러나 여성 과학자들이 경력을 개발하기는 매우 어려웠고, 직장을 구했다 하더라도 몇몇 분야에 한정됐다. 심지어 노벨상을 받을 만한 자격이 충분한데도 수상의 영예를 누리지 못한 경우도 있었다. 리제 마이트너와 로절린드 프랭클린은 그 대표적인 예다. 그중 마이트너는 오스트리아 출신의 물리학자로 핵분열 현상의 발견과 설명에 크게 기여했지만, 1944년 노벨 화학상은 그녀의 공동연구자인 오토 한에게만 돌아갔다.마이트너가 세계 정상급 과학자로 성장하는 것은 매우 어려운 일이었다. 그녀는 상상을 초월할 정도로 열심히 연구했으며, 수많은 어려움과 차별을 슬기롭게 극복했다. 마이트너의 열정과 노력을 매개로 주변의 남성 과학자들도 마이트너를 보는 시선을 바꾸면서 그녀를 이해하고 존중하는 자세를 보였다. 이러한 목록에는 1902년 노벨 화학상 수상자인 에밀 피셔와 1918년 노벨 물리학상 수상자인 막스 플랑크가 포함된다.마이트너는 빈대학에서 박사학위를 받은 후 1907년에 베를린대학의 물리학과 교수인 플랑크를 찾아갔다. 당시에 플랑크는 ‘자연이 여성에게 부여한 역할은 어머니와 아내가 전부’라는 견해를 가지고 있었다. 그러나 그는 마이트너의 학문적 열정에 깊은 인상을 받으면서 여성을 다른 각도에서 보기 시작했다. 플랑크는 자신의 이론물리학 강의에 마이트너의 등록을 허용했고, 조교 자리까지 마련해 주었다. 마이트너는 평생 동안 플랑크를 존경했으며, 플랑크는 여러 차례에 걸쳐 마이트너를 노벨상 후보로 추천했다.한이 마이트너와 공동연구를 추진하려고 하자 베를린대학의 화학연구소 소장이던 피셔는 마이트너에게 까다로운 조건을 내걸었다. 그녀가 지하실에서 연구하고 어떤 경우라도 연구소 정문을 사용하지 않도록 했던 것이다. 심지어 화학연구소에는 여자 화장실이 없었기에 마이트너는 인근에 있는 음식점 화장실을 이용해야 했다. 그러나 한과 마이트너가 1년 만에 세 편의 논문을 발표하자 피셔의 태도는 달라졌다. 지하실의 연구공간을 확장해 주는가 하면 여성용 화장실도 마련해 주었던 것이다. 그 후로도 피셔는 힘 닿는 대로 마이트너와 한에 대한 지원을 아끼지 않았다.마이트너의 사례는 오늘날의 관점에서 보면 옛날이야기이고 사소한 것일 수도 있다. 그러나 모든 것은 과거와 연결돼 있고 주변에서 시작되지 않는가. 마이트너의 사례를 가지고 요즘의 ‘미투’(Me Too·나도 당했다) 운동을 다시 생각해 볼 수도 있을 것 같다. 공평한 조사를 통해 부당하게 기울어진 운동장을 바로 세우는 일은 지속적으로 이루어져야 한다. 이와 함께 남성과 여성이 서로 격려하면서 더욱 좋은 사회를 만드는 데 힘을 모으는 것도 필수적이다. 결국은 남녀를 불문하고 조화롭고 행복하게 사는 것이 우리의 과제가 아닌가.송성수 부산대 교수 한국과학기술학회 회장

최근 국내 유수 반도체 회사가 낸 광고가 세간의 관심을 끌었다. 신입사원 교육에서 각자가 담당할 분야를 정하는데 한 여성 신입사원이 우주 반도체를 지정받는 장면이다. 그 여사원이 감동하는 표정도 좋아 보였지만, 우주 반도체라는 단어가 신선하게 다가왔을 것이다. 특히 요즘 반도체 산업 이외에는 특별한 성과를 내지 못하고 있기에 우주와 반도체라는 두 단어의 조합이 새로운 공감을 갖게 했을지도 모른다. 우주 반도체는 ‘우주에서 사용할 반도체’라는 뜻일 것이다. 우주에서 작동할 반도체는 지구 환경에서 작동하는 반도체와는 사뭇 다를 것이라고도 짐작된다. 2015년 예산을 전적으로 정부에 의존하던 미 항공우주국(NASA)이 우주 기술을 민간에 이양하거나 우주 영상 판매권을 민간에 팔기 시작하면서부터 우주 기술에 관심이 높아졌다. 이와 함께 전기자동차(EV)로 잘 알려진 테슬라가 거대 항공기업인 보잉과 함께 우주 왕복선을 띄우는 정부 프로젝트의 수행자로 선정돼 경쟁하고 있다.박영준 전 서울대 교수 전기정보공학그럼에도 우주는 반도체가 작동하기에는 황량한 조건이다. 사람이 살기 힘든 만큼 극한 조건을 가지고 있다. 하지만 반도체는 사람과 다르므로 작동에 좋은 조건을 갖고 있기도 하다. 우주의 극한 조건은 온도가 매우 낮고, 방사선이 많다는 점이다. 지금까지 NASA의 우주선 프로젝트에서 사용한 반도체는 대부분 우주선의 조건을 지구와 비슷한 조건으로 만들어 사용했다. 즉 반도체가 잘 작동하도록 사용 환경을 지구에서의 조건과 같이 섭씨 20도 정도로 맞췄다. 물론 지구에 맞는 조건으로 온도를 올리기 위해서는 특별한 온도 조절장치가 있어야 하므로 장치의 무게와 전력이 부담이 될 것이다. 최근 관심을 끄는 것은 극저온에서도 작동하는 반도체를 만드는 것이다. 우주의 빅뱅으로 우주공간에 퍼져 있는 기본에너지인 우주배경복사는 약 2.7K(―270.3도)를 유지했지만, 은하계에 존재하는 먼지나 전자파로 인해 그 온도는 약 30K(―243도) 정도이다. 물론 태양을 바라보는 쪽에서는 ―200도까지 갈 수도 있으나 음지진 곳의 온도는 매우 낮다는 점이다. 그런데 반도체 칩의 속도가 빨라질수록 칩의 온도가 올라가는 점을 생각해 보면 우주의 낮은 온도는 기쁜 소식이다. 데이터 센터를 짓기 위해서는 반도체 칩을 식히기 위해 냉장고용 발전소가 필요하지만 우주에서는 냉각 시설이 필요 없다. 바꿔 말해 온도가 낮아지면 반도체는 더 빨리 작동할 수도 있다. 트랜지스터를 작동시키는 전자의 운동을 방해하는 격자의 움직임이 온도가 낮아짐에 따라 조용해지기 때문이다. 반도체 칩의 작동을 방해하는 누설전류도 온도가 낮아짐에 따라 작아진다. 이처럼 우주의 낮은 온도는 DRAM 메모리 반도체 작동에 희소식이다.우주의 낮은 온도는 또 다른 차원의 가능성을 제공한다. 양자 컴퓨터가 미래의 기술로 관심을 받고 있는 가운데 IBM과 구글이 실용화를 서두르고 있다. 기존 컴퓨터가 비트의 0과 1 둘 중 하나만 디지털 정보를 다루는 데 비해, 양자 컴퓨터는 큐비트라는 0과 1이 중첩된 독특한 양자 정보를 다룸으로써 암호 풀이나 특별한 계산에서 기존 컴퓨터보다 월등한 능력을 갖고 있다. 이로 인해 독특한 양자 정보를 다루기 위해 극저온이 필요한데 극저온을 우주가 자동으로 제공해 주는 것이다. 우주 왕복선 기술이 미국 정부로부터 민간 산업으로 이전되기 시작했다. 반도체, 유전자 분석 기술과 마찬가지로 앞으로 우주 왕복기술도 저렴화돼 30년 내 쉽게 우주를 접하게 될 것이다. 우주 환경은 반도체에도 무한한 가능성을 제공하고 있다. 이러한 점으로 미루어볼 때 DRAM, NAND 플래시 메모리 등 메모리 반도체 분야에서 우위를 점하고 있는 한국이 우주에서 사용될 반도체에 관심을 갖는 것은 당연하다. ‘반도체 강국’인 한국이 우주반도체에 대해서도 눈을 떠야 할 때이다.박영준 전 서울대 교수 전기정보공학

3차원(3D) 프린터가 등장한 지 얼마 되지 않았는데, 4차원(4D) 프린팅 기술이 개발돼 상상이 현실로 다가오고 있다.3D 프린터 생산의 세계적 회사인 3D시스템스 공동설립자 찰스 헐은 1984년 당시 전통적 제품생산 방식인 재료를 깎아 만드는 가공기술에서 플라스틱 소재를 흘려 보내며 필요한 부분만 응고시켜 레고처럼 쌓는 적층 방식의 신속조형기술(Rapid Prototyping·RP)을 개발했다. 이후 RP는 3차원 프린팅과 비슷하다고 3D 프린터로 명명되면서 우리에게 익숙해졌다. 이처럼 가공기술의 혁신적 역발상으로 탄생한 3D 프린터는 디지털 정밀제어 기술과 결합돼 제조나 공학뿐만 아니라 식품 의료·항공·소비재·자동차 등 전 산업 분야로 확대되고 있다.김광선 코리아텍 교수 메카트로닉스공학최근엔 더 나아가 3D 프린터로 만든 우리 몸의 심장·간·전립선 등 인공장기에 전기·광학·화학 반응 능력을 추가해 3차원의 공간 개념을 넘어 스스로 변화하는 능력을 갖춘 4D 프린팅 시대로 달려가고 있다. 1차원이 선, 2차원이 평면, 3차원이 입체라면 4차원은 입체에 시간이 더해진 개념이다. 이렇듯 4D 프린팅은 3D 프린팅보다 한 단계 진화된 기술로 3D 프린팅 기술을 이용해 물체를 만드는 것은 동일하지만 시간이 지나 제품이 온도·햇빛 등 환경 조건에 반응해 스스로 형태를 바꿀 수 있는 자가변형이나 자가조립 기술이 더해진 것이다. 4D 프린팅은 2013년 4월 미국 MIT(매사추세츠공과대학) 자가조립연구소 스카일러 티비츠 교수가 ‘4D 프린팅의 출현’이라는 TED(Technology·Entertainment·Design) 강연을 하면서 처음 알려졌다. 3D 프린팅은 3D 프린터의 소재 및 제품 크기의 제한성 때문에 출력물 크기에 한계가 있지만 4D 프린팅은 출력 뒤 스스로 조립되기에 큰 물체도 얼마든지 제작이 가능하다.지난 3월 미국 화학학회 심포지엄에서 조지아공대 제리 카이 교수팀은 4D 프린팅 된 신물질이 열·광학·습기로 인해 형상이 변하는 것을 동영상으로 보여줬는데, 지난해보다 세분화된 연구 결과로 인공장기의 보편적 상용화 가능성을 더욱 높였다. 또한, 미네소타대의 마이클 맥알파인 교수팀은 자체 개발한 4D 프린터를 활용해 만든 실리콘 신소재를 환자의 전립선 조직에 사용했음을 영국의 ‘더 엔지니어’지에 소개했다. 인공 전립선 소재는 인체장기와 매우 유사하게 제작됐으며, 수술할 때 인공 전립선에는 전자센서가 바이오 3D프린팅 기술을 이용해 추가로 부착됐는데, 이는 인공장기를 익힌 의사가 실제 인체장기 수술 시 환자에게 최선의 의료서비스를 제공하는 점에 중점을 둔 것이다.4D 프린팅 기술의 활용 분야는 앞으로 무궁무진할 것으로 기대되고 있다. 하지만 한국의 4D 프린팅 기술은 아직 태동 단계이고, 취약하며, 관심도 부족하다. 광주과학기술원(GIST)과 한국과학기술연구원(KIST)에서 4D 프린팅 형상기억소재의 작은 구동력을 측정하고 예측할 수 있는 장비 개발과 열과 연기에 반응하는 소재 연구를 선보인 정도다. 반면 미국에서는 대표적 시사주간지 뉴스위크가 ‘기술과 과학’(Tech & Science) 란에 거의 매주 4D 프린팅 관련 신기술의 발전을 다룰 정도로 관심이 높다.한국은 4D 프린팅 분야에 대한 다양한 연구가 부족하지만 나노 및 마이크로 제조기술이 핵심인 반도체 소자 및 디스플레이 패널 생산은 세계 최고이다. 이에 정부의 창의적 연구자 신뢰 연구개발(R&D) 지원시스템이 조기 정착되고 산업계가 동참한다면 디지털제조 혁명의 새로운 총아인 4D 프린팅 기술의 리더가 될 수 있다고 본다. 더불어 4D 프린팅 기술력 강화를 위해서는 정보기술(IT)은 물론 물리학·화학·분자세포학 등 각종 과학과 공학 지식이 융합을 이뤄야 할 것이다.머지않은 미래에 긴박한 사고현장에서 백팩에 넣어간 3D 프린터로 응급수술을 하며 거리의 자동차가 스스로 로봇으로 변하는 트랜스포머 로봇을 서울 한복판에서 볼 수 있기를 고대해 본다.김광선 코리아텍 교수 메카트로닉스공학

재활용 쓰레기 대란이 재연되지 않도록 지방자치단체와 정부가 대비책에 고심하고 있다. 돌아보면 얼마 전 벌어진 재활용 쓰레기 대란은 일반 국민으로서는 어처구니없고 당혹스러운 일이었다. 그동안 국민 대부분은 재활용에 일조한다는 심정으로 플라스틱 포장재에 부착된 상표를 떼어내고 깨끗이 씻어 분리 배출했지만 폐플라스틱 분리 배출의 거부 사태는 정부에 대한 불신으로 이어졌다.다만 폐플라스틱과 폐비닐의 심각성이 어제오늘의 일은 아니다. 플라스틱과 비닐류는 물리·화학적으로 안정돼 있어 수백년 동안 분해되지 않고 환경에 잔류하면서 생태계를 교란할 가능성이 크다. 한반도 면적에 7배나 되는 폐플라스틱과 폐비닐로 이뤄진 쓰레기 섬이 북태평양에 존재한다. 태평양 주변 국가의 사람들이 무책임하게 버린 플라스틱 쓰레기가 해류를 따라 흐르면서 태평양에 엄청나게 큰 쓰레기 섬을 형성했으며, 그 크기는 빠른 속도로 증가하고 있다. 섬을 이루고 있는 플라스틱 쓰레기는 약 1조8000억개이고, 그 무게는 8만 t에 달한다. 이러한 플라스틱류 등이 미세입자로 분해되면서 해양생태계에 유입되고 있다. 근처 어류 조사 결과 35%의 물고기 뱃속에서 미세플라스틱이 발견됐다. 먹이사슬 최상층에 있는 사람은 물고기 섭취를 통해 폐플라스틱 입자가 체내에 유입되며, 생리학적으로 어떠한 영향이 있는지 정확히 밝혀지지는 않았으나 장기적으로 보면 인체에 해로울 것임은 쉽게 예상할 수 있다.김승도 한림대 교수 환경생명공학2016년 기준, 우리나라의 가정 및 사업장에서는 매일 평균적으로 생활계폐기물 5만3772t을 배출하고 있다. 그 가운데 재활용 가능 자원으로 분리 배출되는 폐플라스틱과 폐비닐 양은 2843t으로 생활폐기물 하루 발생량의 5.3%나 차지한다. 그중 상당량이 재활용 목적으로 중국 등으로 수출되고 있었으나 중국에서 수입금지를 내리면서 갈 곳을 잃어 재활용 쓰레기 대란을 초래했다. 그러면 그동안 뭐가 문제였기에 이러한 대란을 맞게 됐으며, 근본적으로 어떻게 해결할 것인가.원유로부터 생산되는 플라스틱은 뛰어난 물성으로 여러 분야에 활용되고 폐플라스틱도 자원으로서의 가치가 높아 재활용이 잘되리라 추측했었다. 그러나 현장에서는 기대와 달리 재활용의 어려움을 겪고 있었다.폐기물관리법에서 재활용은 ‘폐기물을 재사용·재생이용할 수 있는 상태로 만드는 활동’과 ‘폐기물로부터 에너지를 회수하거나 회수할 수 있는 상태로 만들거나 폐기물을 연료로 사용하는 활동’으로 정의하고 있다. 재사용은 재활용 폐기물을 그대로 또는 고쳐서 다시 쓰거나 생산활동에 다시 사용하는 활동을 의미하고, 재생이용은 재활용 폐기물 전부나 일부를 원료물질로 다시 사용하거나 사용할 수 있도록 하는 것을 의미한다.가정에서 분리 배출한 폐플라스틱 등은 민간기업이나 지자체에서 수거해 재활용센터 등에서 선별·분리되며, 압축이나 파쇄 공정을 거치면서 재생원료로 전환돼 제품이나 에너지 생산에 투입된다. 폐기물을 재사용·재생이용 하는 물질재활용은 자원 순환고리를 형성한다는 측면에서는 바람직하지만 재생원료의 품질 저하로 재활용 제품의 품질 경쟁력이 떨어지고, 고가의 재활용 비용으로 가격 경쟁력도 떨어지는 치명적인 약점을 갖고 있다. 그러므로 재활용품의 경쟁력을 높이기 위해서는 제품 생산단계부터 재활용을 고려한 제품 설계와 제조가 필요하다. 또한 정부 지원을 통해 물질재활용 산업의 경쟁력을 높여야 한다. 그러나 이는 단기간에 달성하기 어렵고 중·장기적인 계획과 전략을 치밀하게 설계 추진해야만 가능하다. 이에 현재의 시급한 폐플라스틱 재활용 문제를 단기적으로 해결하기 위해는 에너지 재활용이 대안으로 여겨진다.우리나라의 재활용 정책과 통계 수치만을 볼 때에는 재활용 모범국가라고 할 수 있다. 그러나 다양한 재활용 기술과 방법을 갖추지 못하고 있어 외부 변화에 쉽게 무너지는 취약한 모습을 드러낸다. 지금부터라도 에너지 재활용 기반 단기대책과 물질재활용 기반 중·장기 대책을 마련하지 못하면 시한폭탄이 가까운 시점에 폭발할 것은 자명하다 할 것이다.김승도 한림대 교수 환경생명공학

2018년 4월 27일은 대한민국 역사는 물론 세계사에 길이 남을 날이었다. 전 세계의 눈이 한반도를 향했다. 그런데 남북정상회담의 감동을 실시간으로 전해준 그 뒤편에는 우리의 정보통신기술(ICT)이 고스란히 녹아 있었다. 남북정상회담을 위해 판문점에는 방송망과 전용회선 등 통신 시스템 및 시설이 구축됐다. 또한 국내외 41개국에서 파견된 360개 언론사 2850명의 취재진을 위해 일산 킨텍스 프레스센터에는 방송망과 통신망을 위한 28㎓ 대역의 5세대(5G) 기지국이 설치됐다. 정동훈 광운대 교수인간컴퓨터상호작용학5G를 통한 새로운 서비스도 제공됐다. 정상회담 브리핑이 진행되는 판문점 자유의집 브리핑룸에 360도 카메라를 설치한 것이다. 판문점에서 있었던 브리핑은 방송 중계뿐만 아니라 5G 네트워크를 통해 360도 동영상으로 실시간 중계가 돼 프레스센터에 전해졌다. 비록 현장에서 취재하지는 못하지만 프레스센터에 있는 내외신 기자들은 헤드마운트 디스플레이(HMD)를 통해 360도 동영상을 FHD(풀HD·1920×1080)보다 16배 선명한 8K(7680×4320 해상도)의 초고화질 수준으로 볼 수 있었다.4차 산업혁명 시대를 위한 핵심 기술인 5G는 국제전기통신연합에서 채택한 ‘5세대 이동통신’이라는 뜻으로, 공식 명칭은 ‘IMT(International Mobile Telecommunications)-2020’이다. 5G는 최대 다운로드 속도가 20Gbps, 최저 다운로드 속도는 100Mbps인 이동통신 기술로 1km² 반경 안의 100만개 기기에 사물인터넷(IoT) 서비스를 제공할 수 있다. 5G에서는 데이터 송수신 과정에서 발생하는 지연시간이 1ms(1000분의 1초)에 불과해 자율주행이나 원격 의료 등 무지연 네트워크를 필요로 하는 서비스의 기반이 된다. IoT와 스마트 시티 등 4차 산업혁명의 다양한 서비스를 가능하게 하는 근간인 것이다.5G의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 5G 시장 선점을 위한 전 세계의 경쟁은 말 그대로 전쟁을 방불케 한다. 북미무선통신협회(CTIA)가 지난달 16일 발표한 자료에 따르면 중국이 5G 네트워크 개발에서 가장 앞서 있으며 한국과 미국이 그 뒤를 따르는 것으로 나타났다. 5G의 중요성이 드러나는 단적인 사례는 최근 미국 행정부가 중국의 국가안보 위협 등을 이유로 5G 통신망을 국유화하는 방안을 검토할 정도로 미국이 정부 주도로 5G 통신망을 빨리 구축하려는 의도를 보인 것이다.1989년 11월 28일 독일 연방 하원은 ‘독일과 유럽의 분단 극복을 위한 10개항의 방안’을 제시했는데, 의료 및 재정 지원과 함께 통신망 확충을 가장 우선적으로 추진했다. 이후 낙후된 동독의 정보통신 구축을 위한 세부 계획이 ‘텔레콤(Telekom) 2000’이라는 망구축 사업으로 진행됐고, 이는 통일국가로서 독일의 정보인프라를 형성하는 데 큰 역할을 했다. 낙후된 북한의 통신망을 획기적으로 극복할 수 있는 방안은 5G망 고도화를 통한 통신망 구축과 솔루션 제공, 클라우드, 사물지능통신(M2M) 등 ICT의 이전을 필요로 한다. 이번 남북정상회담은 우리나라에서 5G 통신망의 상용화를 재촉하는 한 계기가 됐다. 벌써 경제협력을 논의할 단계는 아니지만 북한은 신시장 개척이라는 점에서 매력적인 곳이다. 특히 유·무선 통신 분야는 민간투자가 활발해질 분야로 예측할 수 있다. 정보통신 분야는 타 분야와 달리 기간사업으로서 단순한 경제 논리가 적용될 수는 없지만 우리 통신사의 시장 확대와 북한의 경제 고도화라는 상호 이익의 관점에서 충분히 기대할 만하다.유럽과 일본은 각각 2세대(2G)와 3세대(3G)시장에서 우위를 보였고, 미국은 4세대(4G) 시대를 이끌었다. 이제 5G는 한반도의 ‘평화와 번영'을 위한 남과 북을 잇는 네트워크가 될 것이다. 5G 시대는 한반도로부터 전 세계를 잇는 평화의 시대가 될 것이다.정동훈  광운대 교수 인간컴퓨터상호작용학

올해 초 우리나라 전자산업의 위상을 보여주는 기사가 보도됐다. 2017년 말 기준 전자산업의 생산규모는 중국, 미국, 한국 순이고, 시장규모는 중국, 미국, 일본, 독일, 한국 순이라는 기사였다. 중국이 세계 1위라는 사실도 주목할 만하지만, 우리나라가 세계 3위 혹은 5위라는 점도 놀랍다. 1960년대만 해도 불모지에 다름 아니었던 우리나라의 전자산업이 세계의 강대국과 어깨를 나란히 하고 있는 것이다.우리나라의 전자산업은 언제 시작됐을까. 여러 견해가 있을 수 있지만 많은 사람은 1959년에 이루어졌던 라디오 국산화에 주목하고 있다. 한국 최초의 국산 라디오는 금성사(현 LG전자)가 개발한 ‘A-501’이었다. A는 교류(Alternating Current·AC)의 첫 글자에서 따왔고, 5는 5구식 진공관 라디오라는 의미였으며, 01은 제품 1호를 뜻했다. A-501의 가격은 2만환으로 금성사 대졸 사원의 석 달치 월급에 해당했다고 한다.그렇다면 라디오 국산화의 주역은 누구일까. 사실상 우리나라 기술발전에 기여한 엔지니어의 이름을 찾기는 쉽지 않다. 한국의 기술발전은 집단적 학습에 이루어진 경우가 태반인 데다 엔지니어 대신 경영자가 부각되는 경향이 크기 때문이다. 이러한 상황은 한국의 산업화에 기여한 엔지니어들이 자서전이나 회고록을 발간함으로써 조금씩 나아지고 있다. 라디오 국산화의 주역인 김해수가 이런 예에 속하는데, 그의 자전적 회고는 ‘아버지의 라디오’라는 책으로 발간된 바 있다. 김해수는 하동에서 자랐고, 일본 동경고공에서 전기공학을 배웠다. 해방 이후 몇몇 라디오 가게를 운영하다 1958년 금성사에 응시해 라디오 개발팀에 합류했다.금성사가 국산 라디오를 설계하는 과정에서 참고 모델로 삼은 것은 산요 라디오였다. 금성사의 기술진은 산요 라디오를 분해하고 해석하는 과정을 통해 기술을 익혔고, 필요한 경우 일본의 기술자들에게 접촉해 정보와 지식을 얻어냈다. 이처럼 후발자가 선발자의 완성품을 출발점으로 삼아 기술을 학습하고 개발하는 방법은 ‘역행 엔지니어링’으로 불린다.국산 라디오를 개발한 후 이를 생산하고 보급하는 길은 더욱 험난했다. 연관 산업의 기술수준이 워낙 취약한 탓에 부품의 불량이 계속 문제를 일으켰다. 더구나 일본과 미국에서 유입된 밀수품이 범람하고 있어 국산 라디오에 대한 반응은 냉담했다. 금성사의 라디오 공장에는 재고가 수북하게 쌓여 갔다. 당시의 재고창고 안에는 반품으로 처리된 라디오가 무려 2000대나 방치돼 있었다 한다.송성수 부산대 교수 한국과학기술학회 회장이러한 난관 타개에는 박정희 전 대통령의 역할이 컸다. 1961년 국가재건최고회의 의장이던 박 전 대통령은 예고도 없이 금성사의 라디오 공장을 방문했고, 김해수는 밀수품의 유통을 막아야 우리나라 전자산업이 살아날 수 있다고 역설했다. 국가재건최고회의는 ‘밀수품 근절에 관한 최고회의 포고령’을 선포했으며, 공보부 주관으로 전국의 농어촌에 라디오 보내기 운동이 전개됐다. 그때부터 국산 라디오는 날개 돋친 듯 팔리기 시작했고, 금성사는 라디오에 이어 선풍기, TV, 전화교환기 등으로 나아갈 수 있었다. 이와 같은 우여곡절을 겪으면서 우리나라의 전자산업이 태동했다. 그리고 그 중심에 김해수라는 엔지니어가 있었다. 다른 산업의 경우에도 상당한 시행착오가 있었을 것이며, 김해수 같은 인물이 존재했을 것이다. 그러나 지금까지 우리 사회가 한국의 과학기술자에 대해 축적한 정보는 그리 많지 않다. 한국과학기술한림원이 2003년 과학기술인 명예의 전당을 구축해 우리나라 과학기술자를 발굴하고 있는 정도이다.매년 4월은 ‘과학의 달’로 과학기술에 대한 풍성한 행사가 전개되고 있다. 그러한 행사 중에 서양의 과학기술자는 종종 등장하지만 한국의 과학기술자를 접할 경우는 많지 않다. 이러한 상황은 내가 알고 있는 한국의 과학기술자가 몇 명이나 되는지 헤아려 보면 쉽게 가늠할 수 있다. 늦은 감이 없지 않지만 지금부터라도 한국의 과학기술자를 조사하고 알리는 일이 적극 추진돼야 할 것이다. 그래야 진정한 과학기술 선진국으로 나아갈 수 있지 않겠는가.송성수 부산대 교수 한국과학기술학회 회장

4차 산업혁명의 바람이 거세다. 이런 가운데 ‘드론’이 4차 산업혁명을 이끄는 선도기술로 주목받고 있다. 드론은 과거 군사용에서 촬영 및 취미용 단계를 거쳐 교육용에 이르기까지 다양한 영역으로 발전하고 있다. 심지어 수중에서 작동하는 드론도 등장하고 있다. 드론 낚시가 신종 스포츠로 유행할 날도 머지않은 것 같다.드론이란 윙윙거리는 수벌을 본떠 지은 것으로, 무인 비행체를 총칭하는 이름으로 사용되고 있다. 이러한 드론은 ‘드론계의 스티브 잡스’로 불리는 홍콩 과기대 출신의 20대 중국인 왕타오가 2006년 선전의 허름한 창고에서 벤처 DJI사를 창립해 붐을 일으키며 현재 전 세계 민간용 시장의 70%를 장악하고 있다.그러면 이미 1930년대 군사용으로 시도됐던 오래된 기술인 드론이 최근 4차 산업혁명의 꽃으로 시장의 이목을 끌게 된 밑거름은 무엇일까. 그 이유는 조종장치, 배터리, 데이터 수집·전송처리가 저렴화됐기 때문이다. 디지털카메라가 100년 동안 시장을 지배했던 화학필름 카메라를 짧은 시간에 쫓아낸 이유가 찍은 영상을 저장할 수 있는 값싼 반도체 메모리의 출현 때문인 것과 마찬가지로 값싼 조종장치를 가질 수 있게 돼 가능했다. 스마트폰의 간단한 앱으로 드론을 조종하고, 드론이 보내주는 화상을 쉽게 받아 저장할 수 있었기 때문이다. 심지어 스마트폰이 드론산업을 재생시켰다고 할 정도이다.값싼 배터리의 가용성도 들 수 있다. 전기자동차의 요구로 배터리의 저장용량이 급속히 늘어나고 저렴화되고 있다. 지금 배터리 회사들은 kWh당 100달러 이하 가격의 배터리 생산에 힘쓰고 있다. 이로 인해 드론을 작동시키기 위해 필요한 에너지가 앞으로 충분히 공급될 것이라는 기대가 드론산업의 전망을 밝게 하고 있다. 처음에는 1회 충전으로 20~30km 주행이 타깃이었던 전기자동차가 500km 이상을 달릴 수 있게 돼 드론도 운항거리가 비약적으로 늘어날 것이라는 확신 때문이다.데이터를 수집·전송·저장하는 수단의 저렴화도 빼놓을 수 없다. 현재 드론의 데이터 수집 장치는 디지털카메라가 핵심이지만 사물인터넷(IoT) 기술의 진보에 따라 자기센서 등이 저렴하고 경량화될 것으로 기대하고 있다.이처럼 주변기술의 발전에 힘입어 드론산업이 커지고 있다. 그러나 드론은 상상보다 더 광범위한 응용분야와 함께 인류에게 다른 차원의 가능성을 제공하는 수단으로 인간에게 물리적인 의식의 확대수단을 제공할 수 있다. 현재 TV 등에서도 광범위한 시각 제공의 촬영수단으로 드론을 이용하고 있다.앞으로는 개인이 직접 조종해 하늘을 비행하고, 수중을 촬영하며, 상대 물체를 조작할 수단을 제공하는 플랫폼이 될 수 있다. 직접 하늘·땅·수중으로 이동하지 않고서도 드론을 통해 원하는 것을 보고, 냄새 맡으며, 조작할 수 있게 되는 것이다. 자율 자동차가 인간을 운송하는 수단이라면 드론은 인간을 물리적으로 이동시킴이 없이 의식을 운송하고 확대하는 수단이라고 할 수 있다. 더구나 드론이 향후 증강현실(AR), 가상현실(VR)기술과 결합하면 원하는 3차원 영상을 원거리에서도 즐길 수 있을 것이다.박영준 전 서울대 교수 전기정보공학필자는 1960년대, 모형비행기에 심취했던 경험이 있다. 1m 정도 길이의 모형비행기에 엔진을 장착한 것이었는데 당시 프로펠러 장난감 비행기와는 비교할 수 없이 속도감이 높은 것이었다. 여기에 줄을 달아 앞날개를 조종하면 상하 조종이 가능하고 무선조종기를 달면 수백 미터를 자유롭게 비행하는 무선 비행기가 됐다. 50여 년이 지난 지금 드론은 당시 모형비행기와 차원이 다른 가능성을 제공하고 있다. 특히 드론은 어린 학생들에게 무한한 창조력을 끌어낼 수 있는 수단이 될 수 있다.미국은 자율주행 택시의 상용화를 눈앞에 두고 있고, 중국은 세계 드론시장을 사실상 주도하고 있다. 정보기술(IT) 강국을 자처하는 우리가 4차 혁명의 총아인 드론에 주목해야 하는 이유이다.박영준 전 서울대 교수 전기정보공학