세계는 지금 나노 테크놀로지라는 거대한 변화의 흐름을 맞이하고 있다. 나노관련 학술논문의 숫자나 특허가 빠르게 증가하고 있으며 2~3년 전까지만 해도 50년 이내에는 불가능하다고 말했던 나노 자기결합, 나노와 바이오의 융합이 실험실 수준이긴 하지만 현실화되고 있다.

미국의 경우 전자산업을 제외한 순수 나노관련 신생기업들이 2003년 기준, 약 1백50여개 설립돼 있으며 나노입자 연간 생산액만도 약 9억 달러, 나노관련 계측장비 시장규모 역시 8억 달러에 이른다. 2003년 기준으로 미 정부가 나노관련 기초과학 연구에 투자하고 있는 자금규모는 약 7억 달러, 벤처자본에 의해 만들어진 자본은 12억 달러, 여기에 IBM, 3M, 휴렛 패커드를 비롯한 기존의 대기업들이 나노관련 기초기술에 투자하고 있는 20억 달러를 합치면 연간 40억 달러라는 막대한 연구자금이 나노기술에 투자된다. 유럽이나 일본 역시 최근 들어서 이 분야에 대한 연구지원, 투자를 아주 빠른 속도로 증가시키고 있다. 우리나라도 2000년대 이후 나노관련 대대적인 육성책을 추진하고 있는 중이다. 놀라운 사실은, 중국은 작년까지 우리나라보다 뒤처져 있었으나 나노 관련 논문 등재 및 피인용지수로 평가할 때 불과 일 년 만에 일본까지 제치고 세계 2위의 나노 과학기술 강국으로 성장했다.

나노기술의 현 단계

나노 기술은 기술 성장 단계로 보자면 2000년을 기점으로 이제 막 1단계를 지나 2단계로 접어들었다. 이에 반해 나노 기술의 광범위한 응용, 전면적인 상용화가 이루어져서 우리 생활을 전면적으로 변화시키는 3단계에 도달하는 건 아무리 빨라도 약 2030~50년경이 될 것이라고 예상된다. 요즘 국내 신문지상에서 빈번하게 세계 최초의 국내 나노기술 연구성과들이 소개되고 있기는 하지만 대개의 경우는 1단계 혹은 1.5단계 나노기술에 해당하는 것들이고, 나노과학에 대한 국내의 이론적 기반은 나노관련 특허건수와 비교해서 대단히 낮은 상태로 2단계 나노기술의 이론적 기반은 몹시 취약한 상태이다. 물론 나노과학의 이론적 지식기반의 경우, 세계 최고의 수준을 자랑하는 미국에서조차 아직은 학문적 정립이 이루어지지 않은 상태이며, 나노 수준의 분자반응 양상에 대한 통제 가능한 이론적 이해를 위해서는 앞으로도 갈 길이 먼 게 사실이다. 이는 곧 나노기술이 광대한 기회의 원천이기도 하지만 이론적 가능성의 측면에서만 보더라도 불확실성이 높고, 경제적인 가능성의 측면에서는 더욱 더 근본적인 불확실성이 존재하고 있음을 의미한다. 게다가 빠르게 변화하고 있는 2단계 나노기술의 발전은 어떤 기술궤적을 선택하느냐에 따라 일대도약이 가능한 반면, 바로 그 만큼 기술고착(lock-in)의 위험성은 물론 지식고착의 위험마저 가져올 수 있다. 기술 패러다임의 전환기에는 수 천 억의 자금을 투자해서 개발한 세계 최초의 첨단 나노기술이 일 년도 안돼서 사장되는 예가 빈번하며, 나노기술 발전의 각 단계에서 어떤 기술궤적이 주류로 정착되느냐에 따라 한 나라의 기술역량이 요동 칠 가능성 또한 높은 것이다. 중국의 빠른 성장은 바로 이러한 패러다임 전환기의 특성에 의해 가능했던 것이며, 중국뿐 아니라 우리에게도 일대도약의 가능성은 여전히 열려있다.

나노 발전의 4 단계

나노 기술 패러다임의 등장과 그 중요성에 대해서는 지금까지 여러 책이나 신문들을 통해 많은 논의가 이루어졌으니 좀 더 구체적인 문제, 즉 나노 기술과 관련된 전략적 설계에 대해 이야기 해보도록 하자. 먼저 이해의 편의를 위해 관련 연구자들간에 광범위하게 공유되는 나노 과학-기술의 성숙단계를 거칠게나마 요약해보자.

1 단계는 2000년대 이전까지 진행돼 왔던 나노 임프린팅 기술 혹은 나노수준의 현미경을 이용한 탑-다운 방식의 나노물질 생성과 관련된 연구활동을 지칭하며, 2단계는 자기-혹은 비자기-결합(self-assembly) 방식을 이용해서 나노물질의 대량양산 및 일상생활에 활용 가능한 크기의 나노물질을 생산할 수 있는 단계를 지칭한다. 현재 미국의 나노기업들에 의해 양산 체제에 들어가 있는 나노입자의 경우는 구조가 단순하고 물질특성 역시 단순해서 기능적 활용성이 상당히 제한적이다. 2 단계 나노 기술의 발전이 본격화돼서 전자부문을 넘어선 에너지, 화학, 신소재, 인공지능, 생명공학 분야에서의 본격적인 활용이 가능해지려면 두 가지 기술 장벽이 먼저 해결되어야 한다. 작년부터 나노 자기결합 기술이 실험실 수준에서 하나 둘 씩 소개되고 있지만 아직까지는 실패를 통한 가능성 탐색 수준을 벗어나지 못하고 있다. 나노 수준의 분자 반응 구조에 대한 정확하고 일반적인 이론체계가 세워지지 않았기 때문이다. 따라서 2단계 나노 기술이 본격적인 궤도에 오르기 위해서는 화학과 물리학 분야에서 나노 일반이론의 체계를 세울 수 있는 획기적인 이론적 발전이 이루어져야 한다. 이와 관련 최근 부상하고 있는 자기결합의 방법으로는 화학적, 광학적, 소리를 이용한 방법, 그리고 DNA를 이용한 방법이 진행되고 있는데, 특히 DNA 나노기술의 경우는 나노수준 자기결합의 규칙성이나 통제가능성, 정교한 디자인의 가능성으로 인해 가장 전망이 밝은 영역으로 많은 연구 노력이 집중되고 있다. 두 번째 장벽은 기능적 복합성을 갖는 나노물질의 대량생산과 이를 통한 매크로 수준의(우리가 일반적으로 접하는 크기 수준)의 나노물질을 생산하는 것이다. 그러나 첫 번째 이론적 한계를 돌파하지 않는 한 나노수준의 개체 수 억개가 결합해서 만들어지는 매크로 수준의 나노물질이 과연 나노 수준의 물질 특성을 그대로 유지한 채 애초 설계의 목적을 실현할 수 있는지 여부는 순전히 추측의 영역에 남겨져 있을 뿐이다. 이와 관련 최근 나노-매크로 이행과정에서 나노수준의 물질특성과는 다른 전혀 새로운 질적 변화가 발생할 가능성에 관한 논쟁이 저명한 나노 과학자들 사이에서 진행되고 있으나 누구도 명확한 결론을 내리지는 못하고 있다. 그러나 올해 발표된 화학분야 나노기술 로드맵에 따른다면 이 두 가지 문제에 대한 이론적 해결책이 2010년 이전에 나타날 것이며, 2015년을 전후해서는 나노기술의 범용 지식기반이 구축, 대량생산 체제로 이행할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

3단계 이후는 이론적 개념의 수준에서만 논의되는데, 생물체들에서 발견되는 고도의 정교하고 복잡한 나노설계에 기초한 자기결합, 자기복제기술이 가능해지는 수준을 지칭한다. 이 3단계는 나노기술의 선구적 예언자 드렉슬러가 주장했던 자기결합-자기복제를 통한 분자기계 생산(molecular manufacturing)으로 특징지을 수 있다. 물론 2001년도 Scientific American지에서 나노기술의 미래를 두고 벌어졌던 논쟁에서 볼 수 있듯이 여전히 많은 사람들은 드렉슬러의 주장이 공상에 불과하다고 비판하고 있다. 그러나 작년부터 매달 한 건 이상씩 새로운 자기결합 기술이 발표되고 있는 것과는 달리 3년 전만 하더라도 이런 자기결합 기술은 꿈에서나 가능하다고 생각했었다. 게다가 사실 미국의 나노기술 정책은 드렉슬러가 주장한 기술변화의 방향을 따라 발전해 왔고, 세계 최고의 나노 연구자들은 이미 생물체 모방 나노기술(biomimetic nano technology), 즉 오랜 진화의 결과 만들어진 생물체의 나노물질 구조를 모방, 설계 디자인을 한 뒤에 이를 인공적 나노 물질을 생산하는데 적용하는 방식이 탐색되고 있는가 하면, 상황과 조건을 스스로 판단해서 변신합체를 할 수 있는 지능형 자기조립 로봇 역시 NASA에 의해 시제품 제작이 이루어지고 있다. 3단계 나노 기술의 시제품 생산이라고 할 수 있다. 3 단계는 대략 2050년경에 도달할 것으로 예상되고 있으며, 그 이후 4단계는 지능형 나노기술로서 인지과학, 생명과학, 나노 자기결합이 완벽하게 통합된 상태를 지칭한다. 물론 나노 4단계의 경우는 개념적으로도 그 상이 아직 명확하게 정립된 수준은 아니다. 그러나 나노 기술 발전의 4단계, 즉 2050년경을 전후해서야 나노 기술의 기술적 잠재력이 완전하게 구현될 수 있으며, 그 결과 에너지는 물론이고 노동을 비롯한 생활양식의 근본적 변화가 본격적으로 개시될 것이다.

나노산업, 진화의 방향

나노 기술은 컴퓨터, 화학, 생명공학들과는 달리 어떤 특정한 산업분야에 국한된 기술이 아니다. 나노기술은 우리가 상상할 수 있는 모든 산업영역, 삶의 모든 영역에 대해 활용할 수 있다. 먼저 산업의 측면을 보자. 나노기술의 상용화가 이미 진행되고 있는 분야는 기능성 건축 외장재, 화장품, 의류, 측정 및 탐지, 카메라, 광학, 디스플레이를 비롯한 전자, 통신분야로 1 단계 나노 기술의 성과가 시장에서 판매되는 제품에 구현되어 있다. 나노 기술 발전의 2 단계인 자기결합(self-assembly)의 시대가 본격화되면 나노물질의 대량생산을 통해 우리가 현재 사용하고 있는 모든 산업 활동의 원자재, 중간재, 최종 소비재를 대체할 수 있게 될 것이며, 그 중심영역인 재료, 화학, 에너지, 환경, 바이오, 우주, 군사 등 전 분야에 대해 그 영향력을 미치게 될 것이다. 수소는 물론 모든 대안 에너지의 저장기술은 탄소나노튜브를 비롯한 나노기술에 의해 제공될 것이며, 지능형 약물전달, 의료진단 장비, 식품 운송 및 보관, 가공 처리는 물론이고 거의 대부분의 원자재 및 기초재 부문에서 대량생산된 나노물질이 사용되게 될 것이다. 뿐만 아니라 나노 기술 발전의 3 단계 이후에서 구현될 전자+통신+로보틱스의 통합은 인지과학의 발전을 필수적으로 동반하며, 초고성능 컴퓨팅 기술과 인지과학의 결합은 정보통신이 아니라 지능과 지식을 변화의 화두로 삼게 될 것이다.

그리하여 일부 나노 예찬론자들의 경우는 2050년이 되면 생산의 완전 자동화, 세계적인 규모에서 기아와 빈곤의 완전 퇴치, 그리고 무한한 청정 에너지 사용을 통해 유토피아의 세계가 가능해 질 것이라고 주장하기도 한다. 그러나 이러한 예찬론자들의 주장과는 달리 나노 기술의 발전은 엄청난 기술적 가능성 그 자체에도 불구하고 더욱 심각한 국내적 불평등, 기술종속에 따른 국가적 갈등을 심화시킬 수도 있다. 기술과 지식에 대한 접근의 불평등이 곧 경제적 불평등으로 이어질 수 있기 때문이다. 뿐만 아니라 나노 과학-기술은 이제야 거대한 변화의 초입에 들어서 있을 뿐이다. 아무도 나노 과학-기술이 어떤 방향으로 진행될지 예단할 수 없다. 그 엄청난 가능성의 크기만큼 불확실성 역시 측정 불가능한 것이다.

통합과학, 기회와 위기의 갈림길

나노 과학이론의 측면을 살펴보자. 나노기술은 모든 물질의 특성을 결정하는 분자 수준의 구조에 대해 연구하고, 그 지식을 이용해서 새로운 기능적 특성을 가진 물질을 미리 설계된 바에 따라 만드는 기술이다. “의도에 따라 만들 수 있는 물질”을 나노기술의 핵심이라고 할 때, 이것이 가능하기 위해서는 분자 수준을 넘어선 더 근본적인 차원에서 물질에 대한 이해, 규칙성, 통제 가능성을 확보해야 한다. 이는 곧 물리학과 화학에 대한 연구가 나노기술 발전에 필수적임을 의미한다. 게다가 나노크기의 수준에서는 생물체와 비생물체의 이론적 간격이 거의 사라지며, 생물체에서 발견되는 나노구조는 현재 인간이 만들어낼 수 있는 나노설계와는 비교조차 할 수 없을 만큼 진화돼 있다. 여기에 과학적 지식의 소통을 위해 필요한 언어, 즉 수학이 결합된다면 나노야말로 순수과학의 4대 영역이 한 곳으로 집중되는 과학이론의 광장이라고 할 수 있다. 근대과학의 탄생 이후 분화에 분화를 거듭해오던 과학이론의 발전이 나노의 시대를 맞이해서 하나의 과학으로 통합되고 있는 것이다.

90년 이후 물리학과 화학분야에 수여된 노벨상 중 10인의 연구주제가 나노와 관련되어 있으며 작년에 발표된 지식맵 분석의 결과, 나노 기술의 중심은 화학분야로부터 방사선으로 연결되었음이 확인되었다. 이에 발맞추어 최근 새롭게 신설되는 나노관련 학과는 예외없이 화학과 물리학을 중심으로 연관학문이 집결되고 있으며, 나노산업 육성을 위한 나노경제, 나노경영학이 새롭게 만들어지고 있다. 또한 위에서 살펴보았듯이 나노 기술발전의 2단계가 성숙되는 것과 때를 같이해서 생물, 인지과학이 이러한 통합연구의 흐름에 동참하게 될 것이라는 점은 명확하다. 문제는 과연 학제종합이 아니라 학제통합을 이룰 수 있는 기초과학의 토대가 마련되어 있는지 여부이며, 변화의 방향과 흐름을 포착할 수 있는 전략적 상상력이 우리들 내부에 만들어지고 있는지 여부이다.

무엇을 할 것인가?

나노 관련 과학-기술 지식 기반시스템이 형성되는 시기는 대략 2010-2015년을 전후할 것으로 예상되고 있으며, 이 시기에 들어서면 나노물질의 대량 양산체제가 본격적으로 가동될 것이다. 나노 기술 패러다임의 지배적인 구조가 확립되는 것이다. 일단 지배적인 기술구조가 확립된 이후라면 후발주자의 진입은 ICT의 역사에서 보았듯이 상당기간 동안 실질적으로 불가능해진다. 결국 우리에게 주어진 기회의 시간은 앞으로 약 10년이며, 이 10년을 어떻게 설계하느냐에 따라 세계적인 차원에서 우리가 패러다임 변화를 주도할 수 있는지 여부가 결정된다. 일반적으로 2010-2015년, 나노 기술의 2 단계가 완료되는 시기의 산업별 나노기술 성장 분포를 예상한 연구결과에 의한다면 전자.정보.통신이 절반을 차지하는 반면, 소재분야는 30퍼센트, 생명공학은 약 10퍼센트를 차지하는 것으로 추산된다. 그러나 앞서 지적한 나노 2단계의 두 가지 이론적 장벽이 얼마나 빠르게 해결되느냐에 따라 이와 같은 산업부문별 성장예측은 전혀 다르게 나타날 수 있다. 당연한 이야기겠지만 부문별 성장 분포 예측치 1 퍼센트 변화는 삼성과 같은 기업의 운명을 한 순간에 뒤 바꿀 수 있으며, 주류 기술궤적의 변화는 한 국가의 기술력 수준을 뒤 바꿀 수 있다. 정보통신이 우리나라 최대 주력 수출품이며 앞으로 10여 년 간 이 분야의 세계시장 규모는 지속적으로 성장할 것이 분명하다. 따라서 기술 수준은 낮더라도 1.5 단계 나노기술에 역량을 집중하는 것이 현명한 방법일 수 있다. 그러나 여기에는 적어도 두 가지 이상의 문제가 존재한다. 첫째, 10년 뒤에는 무엇으로 먹고 살 것인가? 둘째, 1.5 단계의 기술 수준으로는 빠르게 변화하는 2 단계 기술의 기술-비용 우위에 대응할 수 없다는 점이다. 이미 그 위험이 우리나라 차세대 주력상품인 나노 디스플레이 분야에서 현실로 드러나고 있다.

과학-기술의 연관 영역이 융합되는 것은 바람직하고 필연적인 발전의 흐름이긴 하지만, 과학이 아니라 기술혁신을 추진해야할 기업과 정책설계자들에게는 그만큼 어려운 과제를 동시에 제기하기도 한다. 기술변화의 방향에 중대한 영향을 미칠 수 있는 새로운 이론, 새로운 기술이 언제 어디서 나타나게 될지 예측하기 어렵기 때문이다. 기술발전의 흐름은 이론적-기술적 우수성 그 자체에 의해 결정 되는 게 아니라 연관 기술의 클러스터링 패턴, 기술간 호환성, 양산체제에서의 생산비용에 의해 결정되기 때문이다. 하지만 새로운 패러다임의 등장에 따른 전략 기술설계의 어려움은 우리나라와 같은 후발주자들에게는 오히려 엄청난 기회의 가능성을 제공해주는 것이기도 하다. 선두주자가 만들어낸 성과를 흡수하는 반면, 그들이 겪어야 했던 오류와 실패의 비용은 회피하고, 서서히 드러나고 있는 변화의 중심에 역량을 집중할 수 있기 때문이다. 그러나 물론 이미 20여년 이상 나노과학-기술 발전을 위해 노력해온 미국과 동등하게 경쟁하기 위해서는 필사의 도약, 이 도약을 가능케 할 분명하고도 정확한 전략설계 능력이 기업과 정부에 준비되어 있어야 한다. 현재 나노 관련 다학제 통합학과를 설치하는 것은 물론이고 국가적인 나노 연구센터 설립 역시 착실하게 진행되고 있다. 그러나 정작 나노 기술 패러다임 전환에 방향을 제시하고, 역량의 선택과 집중을 기획할 수 있는 다학제 국가 정책-전략 센터는 거론조차 되지 않고 있다. 나노가 중요하다는 말은 수 없이 많이 들을 수 있지만, 세계적인 변화의 흐름, 우리가 지향해야 할 전략적 방향에 대해서는 누구도 말을 하지 못하고 있는 것이다.

이 글은 필자가 인터넷신문 <프레시안>에 기고한 글임을 밝혀둡니다./편집자

김태억 / 영국 리즈대 다른기사 보기