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[강연] 얼음과학 : 스케이팅에서 투명전극까지 by박문정ㅣ2021 '대한민국 과학기술대전' 네번째 | 4강

포스텍 화학과 박문정 교수는 에너지 나노 재료 연구의 일환으로 '얼음 화학'이라는 새로운 학문 분야를 개척하고 있습니다. 이공계 여학생 비율이 10%도 되지 않던 시절부터 연구의 길을 걸어온 그는, 현재 포스텍에서 다양한 나노 재료를 연구하며 과학의 대중화에도 힘쓰고 있습니다. 특히 얼음이라는 친숙한 소재 속에 숨겨진 독특한 화학적 성질을 탐구하여 에너지와 환경 문제를 해결할 수 있는 혁신적인 방안을 제시하고자 노력하고 있습니다. 겨울철 빙판길이 왜 미끄러운지에 대한 질문은 1800년대부터 시작된 오래된 과학적 난제였습니다. 과거에는 스케이트 날의 강한 압력으로 인해 얼음이 녹는다는 '압력 융해' 가설이나, 마찰에 의해 발생하는 열이 얼음을 녹인다는 '마찰열' 가설이 지배적이었습니다. 하지만 이러한 가설들은 아주 낮은 온도에서 얼음이 미끄러운 이유를 완벽하게 설명하지 못했습니다. 최근 연구에 따르면 이러한 현상들은 미끄러움의 일부 원인일 뿐, 근본적인 이유는 따로 있음이 밝혀졌습니다. 1850년 마이클 패러데이는 얼음 표면에 항상 얇은 물층이 존재한다는 직관적인 가설을 세웠으나, 당시 기술로는 이를 증명할 수 없어 오랜 시간 무시되었습니다. 그러나 최근 5년 사이의 정밀한 측정을 통해 얼음 표면에는 '준액체층(Quasi-Liquid Layer)'이라 불리는 나노미터 두께의 독특한 물층이 존재한다는 사실이 입증되었습니다. 이 층은 일반적인 액체 물과는 다른 화학적 특성을 지니며, 분자의 확산 속도가 매우 빨라 독특한 화학 반응의 장이 됩니다. 얼음 표면의 준액체층에서는 상온의 물에서보다 훨씬 빠른 속도로 화학 반응이 일어납니다. 예를 들어 강물이 얼어붙으면 그 표면에서 유해 물질인 질산이 생성되는 반응이 평소보다 수만 배 빠르게 진행되어 생태계에 영향을 주기도 합니다. 또한 물을 얼릴 때 미네랄 성분이 얼음 결정 밖으로 밀려나 특정 부분에 농축되는 현상도 발생합니다. 이러한 특성은 우리가 일상에서 마시는 얼음물의 성분이 시간에 따라 달라질 수 있음을 시사하며, 환경 오염 분석에도 중요한 지표가 됩니다. 연구팀은 얼음 표면의 얇은 액체 층을 '나노 반응기'로 활용하여 전기가 통하는 플라스틱인 전도성 고분자를 합성하는 데 성공했습니다. 얼음 위에 원료를 뿌리고 단 몇 분만 기다리면 친환경적이고 경제적인 방식으로 고성능 전극 재료를 만들 수 있습니다. 이 방식은 기존의 복잡하고 독성이 강한 공정을 대체할 수 있으며, 투명하고 유연한 전극을 대면적으로 제작할 수 있다는 장점이 있습니다. 이는 차세대 배터리나 태양 전지 등 에너지 소자 분야에 혁신적인 변화를 가져올 기술입니다. 얼음 화학 기술은 환경 오염 문제 해결에도 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 미세플라스틱이 섞인 물을 얼리면 플라스틱 입자들이 얼음 표면으로 농축되는데, 이때 전도성 고분자를 합성하여 이를 효과적으로 닦아낼 수 있습니다. 또한 이 과정에서 생성된 다공성 고분자 구조는 정전기적 인력을 통해 코로나바이러스와 같은 유해 입자를 높은 효율로 포집하는 필터로 활용될 수 있습니다. 이는 단순한 기초 과학 연구가 실생활의 안전을 지키는 기술로 확장될 수 있음을 보여줍니다. 나아가 얼음 위에서 제작된 특수 고분자 소재는 전기적 신호에 따라 수축과 이완을 반복하는 인공 근육으로 응용되고 있습니다. 이는 재활이 필요한 환자들의 보행을 돕는 보조 장치나, 가상 현실에서 정교한 움직임을 감지하는 웨어러블 센서 제작에 활용될 수 있습니다. 얼음이라는 자연적인 소재에서 시작된 창의적인 아이디어가 첨단 나노 기술과 결합하여 의료, 스포츠, IT 등 다양한 산업 분야에서 인류의 삶의 질을 향상시키는 미래 기술로 거듭나고 있는 것입니다.

박문정

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화학

[강연쇼] 미래과학편 by 박문정_정연욱ㅣ 2021 '대한민국 과학기술대전' | 2부

현대 과학은 양자역학과 인공지능의 결합을 통해 전례 없는 발전을 거듭하고 있습니다. 수천만 건의 방대한 데이터를 처리하며 우리는 인류 역사상 가장 풍요롭고 안락한 시대를 살아가고 있습니다. 고도로 발달한 기술은 과거에는 상상조차 할 수 없었던 복잡한 문제들을 해결하며, 우리 사회의 구조와 생활 방식을 근본적으로 변화시키고 있습니다. 이러한 변화는 단순한 편의를 넘어 지식의 탐구 방식 자체를 재정의하고 있으며, 새로운 문명의 지평을 열어가고 있습니다. 하지만 기술의 비약적인 발전 뒤에는 보이지 않는 두려움이 자리 잡고 있습니다. 인공지능이 파편화된 모든 과학적 탐구를 대신 수행하게 될 때, 과연 인간은 과학의 본질을 잊어버리게 되지 않을까 하는 우려입니다. 기계가 정답을 도출하는 과정이 블랙박스화되면서, 인간은 그 원리를 이해하기보다는 결과만을 수용하는 수동적인 존재로 전락할 위험에 처해 있습니다. 이는 현대 과학자들에게 깊은 철학적 고민과 함께 기술적 종속에 대한 경계심을 안겨주는 중요한 화두입니다. 과학자들의 내면에는 고전적인 탐구 방식을 고수하려는 마음과 효율적인 최신 기술 사이의 갈등이 존재합니다. 힘든 고뇌의 과정을 거쳐 진리에 도달하던 과거의 방식은 이제 비효율적인 것으로 치부되기도 합니다. 그러나 인간만이 가진 직관과 통찰력은 데이터의 단순한 나열만으로는 결코 도달할 수 없는 심오한 영역을 탐구하게 합니다. 이러한 내적 갈등은 기술 만능주의 시대에 인간의 역할이 무엇인지 다시금 질문하게 만들며, 과학적 사고의 가치를 재확인하는 계기가 됩니다. 자동 인식 시스템과 중앙 제어 시스템이 연동되지 않았던 시절, 인간은 독자적인 메타 논리를 가동하여 세상을 이해하려 노력했습니다. 파편화된 정보들을 하나의 거대한 체계로 엮어내는 능력은 오직 인간의 지성만이 수행할 수 있었던 고유의 영역이었습니다. 인공지능이 제공하는 방대한 데이터 속에서 길을 잃지 않기 위해서는, 과거 우리가 가동했던 그 독특한 논리 구조를 다시금 일깨울 필요가 있습니다. 이는 복잡한 시스템 속에서 본질을 꿰뚫어 보는 힘을 기르는 과정이기도 합니다. 결국 인공지능은 인간이 내리는 최종적인 판단과 방향성에 따라 그 가치가 결정됩니다. 아무리 뛰어난 연산 능력을 갖춘 기계라 할지라도, 무엇을 위해 그 기술을 사용할 것인지 결정하는 주체는 여전히 인간의 몫입니다. 우리는 인공지능에게 단순히 계산을 시키는 것을 넘어, 인류의 보편적 가치와 윤리를 반영한 고차원적인 지시를 내려야 합니다. 이것이 바로 고도화된 기술의 시대에 인간이 지켜내야 할 마지막 보루이자, 과학 기술을 올바른 방향으로 이끄는 책임 있는 자세입니다. 인공지능과 인간의 논리가 조화를 이룰 때, 과학은 비로소 진정한 의미의 도약을 이룰 수 있습니다. 기계의 정밀함과 인간의 창의성이 결합하면, 우리는 우주의 근본 원리에 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것입니다. 데이터 속에 숨겨진 의미를 해석하고 새로운 가설을 세우는 과정에서 인공지능은 강력한 조력자가 되어줍니다. 이러한 협력 모델은 미래 과학의 새로운 표준이 될 것이며, 인류의 지적 지평을 넓히는 열쇠가 될 것입니다. 우리는 기술을 도구로 삼아 더 큰 진리를 향해 나아가야 합니다. 우리는 이제 기술에 압도당하는 것이 아니라, 기술을 통해 인간의 가능성을 확장하는 시대로 나아가야 합니다. 양자역학의 신비와 인공지능의 효율성이 공존하는 이 풍요로운 시대에, 과학에 대한 근원적인 열정을 잃지 않는 것이 무엇보다 중요합니다. 끊임없는 질문과 탐구를 통해 우리는 기계가 대신할 수 없는 인간만의 고유한 가치를 증명해 나갈 것입니다. 미래의 과학은 도구의 눈부신 발전이 아닌, 그 도구를 다루는 인간의 숭고한 정신과 의지에서 비로소 완성될 것입니다.

박문정, 정연욱

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물리학
화학
융합

[강연] 인공근육 : 애벌레에서 아이언맨 수트까지 (4) _ by박문정 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 6강 | 6강 ④

인공 근육 연구는 생체 에너지인 ATP를 직접 활용하는 단계로 나아가고 있습니다. 현재는 ATP를 전기 신호로 변환하여 액추에이터를 구동하는 기술이 성공을 거두었으며, 이는 인간의 근육이 작동하는 방식에 한 걸음 더 다가가는 계기가 되었습니다. 이러한 기술적 진보는 단순히 기계를 움직이는 것을 넘어, 생명체의 정교한 에너지 대사 시스템을 공학적으로 재현하려는 시도라는 점에서 큰 의미를 지닙니다. 미래에는 외부 전력 없이도 우리 몸의 에너지를 직접 사용하는 더욱 효율적인 인공 근육의 등장을 기대해 볼 수 있습니다. 로봇에 대한 막연한 두려움은 대중 매체가 만들어낸 이미지에서 기인하는 경우가 많지만, 실제 의료 현장의 수술 로봇은 이미 인간의 동반자로 자리 잡았습니다. 개복 수술 대신 최소한의 절개만으로 정교한 수술을 가능하게 함으로써 환자의 회복 시간을 획기적으로 단축하고 흉터를 최소화하는 등 실질적인 도움을 주고 있습니다. 기술의 발전은 인간을 위협하기보다는 신체적 한계를 극복하고 삶의 질을 높이는 방향으로 꾸준히 진화하고 있으며, 이는 로봇이 우리 사회의 안전한 구성원이 될 수 있음을 시사합니다. 뇌파(EEG)를 이용한 로봇 제어 기술은 인간과 기계의 연결을 더욱 긴밀하게 만듭니다. 비침습적인 방식인 뇌파(EEG) 신호를 활용하여 특정 사물을 떠올리는 훈련을 통해 로봇의 움직임을 조절하는 연구가 활발히 진행 중입니다. 이는 신체적 자유가 제한된 이들에게 새로운 가능성을 제시하며, 전기 감응성 소재와의 결합을 통해 더욱 자연스러운 구동을 목표로 합니다. 복잡한 신호 체계를 정교하게 해석하고 제어하는 기술은 미래 로봇 공학의 핵심적인 과제가 될 것이며, 인간의 의도를 정확하게 반영하는 인터페이스의 발전을 이끌 것입니다. 인공 근육의 반응 속도를 높이기 위해 이온의 흐름을 직선화하는 연구는 소재 공학의 혁신을 보여줍니다. 기체 분자의 무작위한 확산과 달리, 고분자 소재 내에서 이온이 직선으로 이동하게 함으로써 구동 효율을 극대화하는 방식입니다. 또한, 무거운 모터나 복잡한 기어 장치 없이 소재 자체가 직접 움직이는 액추에이터 기술은 로봇의 경량화와 단순화를 가능하게 합니다. 이는 낮은 전압으로도 충분한 힘을 낼 수 있는 효율적인 시스템 구축의 기반이 되며, 가정용 건전지만으로도 구동 가능한 소프트 로봇의 시대를 열어줍니다. 로봇 기술의 궁극적인 지향점은 인간의 기능을 보조하고 증강하는 데 있습니다. 장애를 극복하기 위한 재활 로봇부터 신체 능력을 확장하는 증강 로봇까지, 기술은 인간의 선택에 따라 다양한 형태로 적용될 것입니다. 하지만 로봇이 아무리 발전하더라도 예상치 못한 순간에 발견을 이루어내는 인간 특유의 창의성까지 대체할 수는 없습니다. 과학 기술은 인간의 일상을 풍요롭게 만드는 도구로서 우리와 함께 천천히, 그러나 확실하게 변화를 이끌어갈 것이며, 인간과 기술이 공존하는 새로운 미래를 만들어갈 것입니다.