4차산업혁명 나노 기술

4차 산업혁명 나노 기술-세상에 없던 원료를 만든다.

나노(Nano)는 난쟁이를 뜻하는 그리스어 나노스(Nanos)에서 유래한 용어입니다. 나노미터(nm)는 10억 분의 1m를 가리키며, 실제로 머리카락 굵기의 10만 분의 1 정도로 원자 3~4개 정도의 크기입니다.

따라서 나노기술은 10억분의 1 크기 단위의 정밀도를 요구하며 물체를 원자, 100nm의 분자 수준에서 분석·조작·제어하여 새로운 물질을 창조하는 기술입니다. 1~100 나노미터 영역에서 원자와 분자를 배열하는 작업을 하면 소재와 소자, 특성에 영향을 줍니다. 이로써 특별한 기능을 가진 새로운 물질이 탄생하고, 첨단 제품 생산이 가능해집니다. 다시 말해, 세상에 없던 원료를 만들어 특별한 기능과 성질을 지닌 물건으로 탄생시킵니다. 일반적인 물체가 나노미터 크기로 작아지면 물체의 구조나 성질도 달라집니다.

따라서 상상하지도 못했던 새로운 소재와 기계가 시장에 등장하고 있습니다.

흑연이나 다이아몬드는 똑같은 탄소 원자로 이루어진 물질입니다. 하지만 입체적으로 연결된 다이아몬드는 매우 단단한 구조로서 변함없는 영원한 약속을 상징하는 보석이 되기도 하고 단단한 물체를 자르는 절삭 재료로 사용되기도 합니다. 반면 같은 탄소 원자여도 육각형의 판 모양으로 연결되어 차곡차곡 쌓아 올려진 흑연은 무른 특성을 지니고 있기에 연필심으로 사용됩니다.

그런데 이 흑연을 나노 단위로 나누어 재구성하면 흑연의 판 하나가 말려서 관 모양을 한 탄소 나노 튜브가 됩니다. 탄소 나노 튜브는 구리만큼 전기가 잘 통하고, 열도 잘 전달합니다. 무게는 철의 6분의 1 정도지만 강도는 10배에서 100배 정도 강합니다.

자동차에 탄소 나노 튜브를 작용하면 차체가 가벼워지기 때문에 연료를 절약할 수 있으며, 철보다 강해서 운전자를 안전하게 보호할 수 있습니다. 또한 긁히고 찌그러지는 사고가 생겨도 스스로 복구 재생이 가능하며, 온도와 날씨의 변화에 적응하여 추운 날에도 얼지 않습니다.

 

 

 

 

 

 

전자제품부터 의료 기술까지 폭넓게 활용되는 나노기술

나노기술은 이미 일상생활에서 많이 활용되고 있습니다. 디스플레이 분야에서는 신호등, 공항,텔레비젼 등에 사용하는 발광다이오드(LED)와 이보다 훨씬 선명하고 전기 소모가 적은 유기물 발광소자가 나노기술을 활용한 것입니다. 유기물 발광소자는 휴대폰이나 MP 등 모바일 소형 디스플레이에 사용되는 차세대 디스플레이 기술로서, 삼성전자, 삼성 SDI, LG전자, LG화학 등 국내 대기업이 선도하고 있습니다.

나노기술은 메모리 용량을 늘려주어 정보를 보관하는 대표적인 컴퓨터 부품인 하드디스크 드라이브의 디스크 기판 위에 수십 나노미터 두께로 여러 층의 얇은 막을 만드는 데 활용됩니다. 에어컨, 세탁기, 공기 청정기 같은 전자제품에 쓰는 은나노, 나노실버라는 기술도 나노기술을 이용한 것입니다. 은은 우수한 항균 물질이지만 값이 비싸다는 단점이 있습니다. 그런데 은나노를 이용하면 적은 양으로도 충분한 효과를 낼 수 있습니다.

자외선을 막기 위한 선크림에도 나도기술이 쓰입니다. 선크림은 산화티타늄이나 산화아연 등의 무기물을 넣어 만드는데, 이 물질들은 일정 기준 이하의 파장을 가진 빛을 모두 흡수합니다. 그래서 선크림을 발라도 피부에 하얀 막이 생기지 않습니다. 무기물을 100 나노미터 이하로 만들면 빛의 산란이 적어 투명하게 보이기 때문입니다. 선크림을 발랐는데도 투명하게 보이고, 자외선 차단 효과가 있으니 사람들이 좋아할 수밖에 없습니다.

나노기술은 스포츠 용품에도 활용됩니다. 눈에 보이지 않을 정도로 작은 나노 로봇이라고 부르는 나노기기를 환자의 몸에 장착하면, 백혈구와 싸우거나 항암제를 전달할 수 있다고 합니다. 합성생물학(Synthetic biology)의 영역에서는 나노기술을 이용하여 인체의 장기나 세포 조직을 재생하는 기술을 개발하는 중입니다. 반도체 소자를 조립해 전자제품을 생산하는 것처럼, 합성생물학은 표준화된 생물 부품을 조합해 새로운 고성능과 고효율 생명 시스템을 제작하는 시대를 만들고 있습니다. 

나노기술은 의학, 분자생물학, 생체재료학, 표면과학, 전자, 반도체물리학, 유기화학, 재료, 에너지, 소비자 제품, 미세 제조(Microfabrication), 생물농업, 항공우주 등 우리의 삶과 밀접하게 관련된 분야에서 광범위하게 활용될 수 있으며, 각 분야 전문가들이 협업해야 하는 융합적 기술입니다.

 

 

 

나노기술의 발전 방향

초소형와 초경화 : 우주, 항공, 자동차, 선박, 사물인터넷 칩, 스포츠용품

분자 조작과 합성 : 생명과학, 의학, 환경 에너지, 신소재, 유기 발광소자

양자 효과와 크기 효과 : 양자 컴퓨터, 양자 소자

고집적 초소속 소자 : 정보, 통신, 나노칩, 반도체 소자

극미세화 : 의료, 나노 로봇, 의약품, 소자

 

나노 로봇(Nano robot)

나노 크기를 가진 기계적 혹은 전기 기계적 장치를 나노 기기라고 부른다. 노노 기기는 화학 물질에서 특수 분자 숫자를 세는 센서, 피 속에서 병원체와 독소를 구별해 내는 의료 기술, 유톡 성 화학 물질의 검출과 농도 측정 등에 사용된다. 그중 나노 로봇은 병을 진단할 뿐만 아니라 치료도 하며 박테리아와 바이러스의 침입을 찾아내 공격히기도 합니다.

 

 

 

 

4차 산업혁명 싱귤래리티

제4차 산업혁명과 관련된 기술들을 서로 얽히고설켜 영향을 주고받으면서 발전합니다. 예를 들면 인간의 신체와 유사한 모습을 갖춘 휴머노이드(Humanoid)는 로봇을 움직이도록 하는 동력 장치와  관련된 액추에이터(Actuator)와 센서기술이 필요합니다,. 여기에 인간과 로봇이 상호 인지하고 교감하는 인터페이스 기술과 인간 신경계 모델을 기반으로 작동하기 위해 모듈화 된 프로세서 기술 등이 복합적으로 있어야 합니다. 그중에서 특이 인공지능 기술도 중요합니다. 

그런데 이 같은 기술이 계속 발전하면 언젠가 기계가 스스로를 설계하고 문제점을 개선할 수 있게 되어, 결국 인간이 통제할 수 없거나 통제할 필요가 없는 수준에 이를 것입니다. 이러한 관점을 바로 싱귤래리터라고 말합니다. 사전을 찾아보면 'Singularity'는 '특이성', '특이점'이라고 나와 있습니다. 기술에서 싱귤래리티(Singularity)는 쉽게 말해 인공지능이 발전하여 인간의 지능을 뛰어넘는 기준점을 말합니다.

이 개념은 컴퓨터 중앙 처리 장치의 내장형 프로그램을 처음 고안한 미국의 수학자 존 폰 노이만(John Von Neumann), 영국의 컴퓨터 과학자아자 인공지능의 선구자인 앨런 튜링(Alan Mathison Turing), 미국 컴퓨터 공학자인 버너 빈 지(Vernor Vinge) 등이 발전시켜 왔습니다.

앨런 튜링은 "생각하는 기계가 발명된다면 인간의 지능을 금세 따라잡을 것입니다. 그 시기가 온다면 새뮤얼 버들러(Samuel Butler)의 소설과 같이 기계가 권력을 쥐게 될 것이다."라고 말하기도 했습니다.

 

 

 

 

 

2045년, 인간은 기계에 지배당할까?

1993년, 컴퓨터 과학자이며 공상과학 소설가인 버너 빈지는 <다가오는 기술적 싱귤래리티:포스트 휴먼 시대에 살아남는 법>이란 논문에서 싱귤래리티의 시기를 2005년으로 예상 했습니다. 그는 소설들을 통해 감각과 의식을 구성하는 영혼과 같은 근원적 속성인 인간에서 기계로 이동할 수 있다고 이야기했습니다.

최근 싱귤래리티에 대한 구체적인 전망을 밝힌 사람은 미국 컴퓨터 과학자이자 알파고를 개발한 구글의 레이먼드 커즈와일(Raymond Kurzweiul)입니다. 커즈와일은 2005년 자신의 저서 《특이점이 다가온다(The Singularity Is Near: When Humangs Transcend Biology)》를 통해 2045년이면 인공지능이 모든 인간의 지능을 합친 것보다 강력할 것으로 예측하였습니다. 2045년이 되면 인공지능이 만들어낸 연구 결과를 인간이 이해하지 못하게 되며, 이는 인간이 인공지능을 통제할 수 없는 지점인 특이점, 즉 싱귤래리티가 온다는 것입니다. 

어느 시점이 오면 인공지능은 인류의 지성을 모두 합친 것보다 더 뛰어난 슈퍼 인공지능(Artificial superingelligence)으로 성장할 것입니다. 인공지능 과학자 겸 미래학자인 레이 커즈와일(Ray Kurzwell)은 발전 속도를 고려할 때, 서기 2040년경에 인공지능이 이 자점에 도달할 것이며, 이후 인류는 인공지능에 의해 멸종하거나 혹은 인공지능 나노로봇의 도움을 받아 영생을 누릴 것으로 예측하기도 했습니다.

 

 

 

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기술 혁명의 주도권은 인간입니다.

멸종이든 영생이든 미래의 모든 기술 혁명의 주도권은 기계가 아니라 인간이어야 한다고 주장하는 사람들이 있습니다. 이 사람들이 주장하는 철학을 트랜스휴머니즘(Transhumanism)이라고 합니다. 그들은 인간이 진화의 중심이며 과학과 기술을 이용해 사람의 정신적, 육체적 성질과 능력을 개선할 수 있다고 이들은 주장합니다. 트랜스 휴머니즘은 장애, 고통, 질병, 노화, 죽음과 같은 인간의 조건들을 바람직하지 않고 불필요한 것이라고 기대합니다. 인간의 뇌를 컴퓨터에 업로드하여 죽음을 초월하는 내용을 담은 영화 <트랜센던스>도 이러한 트랜스 휴머니즘을 기반으로 하고 있습니다.

하지만 싱귤래리티를 트랜스휴머니즘으로 연관 짓는 작업은 아직은 공상 과학적 상상이거나 종말론적 종교관과 관련됩니다. 인공지능 기술에서 기계 학습이 큰 발전을 이루고 있지만, 이제 막 다양한 실험과 시도들이 이루어지기 시작한 수준입니다. 여러 개의 뉴런이 연결되면서 복잡한 연산 등을 수행하는 두뇌의 정보 처리 과정을 모방해서 만든 알고리즘인 인공 신경망은 알고리즘으로 개발되기는 했지만, 학습과 하드웨어 부분에서 많은 문제점들이 드러나고 있는 실험적 단계입니다.

 

기술적 특이점(Technological singularity)

특이점이란 말은 철학적  개념으로 이해해야 합니다,. 인공지능의 발전이 가속화되어 모든 인류의 지성을 합친 것보다 더 뛰어나 초인공지능이 출현하는 시점을 말한다. 미래학에서는 미래에 기술이 급속히 변함으로써 그 영향이 넓어져 인간의 생활을 되돌릴 수 없게 된 기점을 뜻합니다.