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[질문Q] 연료전지가 궁극적 친환경 전지가 될 수 있을까? | 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 4강

과학에서 가장 중요한 것은 질문을 멈추지 않는 태도입니다. 화학의 세계에는 여전히 우리가 알지 못하는 수많은 궁금증이 널려 있으며, 연구자는 주변에 산재한 미지의 영역을 탐구하는 독립적인 존재가 되어야 합니다. 때로는 무엇이 세상을 바꿀지 미리 알 수 없기에, 장님 문고리 잡듯 순수하게 마음이 끌리는 대로 연구하는 과정에서 진정한 창발성이 나타납니다. 수많은 연구자가 각자의 호기심을 따라가다 보면, 우리 주변의 분자 수만큼이나 다양한 새로운 발견이 튀어나올 확률은 무궁무진합니다. 오늘날 전기화학은 주로 공학적인 관점에서 다루어지며, 이차전지나 태양 전지, 센서 연구실이라는 이름으로 우리 곁에 존재합니다. 하지만 자연과학으로서의 전기화학은 단순히 배터리 용량을 늘리는 효율 개선을 넘어, 우리가 미처 알지 못했던 근본적인 원리를 탐구하는 데 목적이 있습니다. 미래의 전기화학은 뇌 안에서 일어나는 반응이나 예상치 못한 열역학적 관점 등 전혀 새로운 영역으로 전개될 것입니다. 이러한 기초적인 탐구는 결국 다시 공학에 파급되어 혁신적인 기술의 토대가 됩니다. 인간의 뇌는 전자의 움직임을 제어하는 기존 컴퓨터와는 전혀 다른 방식으로 정보를 처리합니다. 뇌는 복잡한 계산보다는 패턴 인식과 연상에 특화되어 있으며, 이온과 양성자의 움직임을 정교하게 제어하며 작동합니다. 만약 우리가 이러한 메커니즘을 이해하고 물속에서 작동하는 이온 기반의 장치를 구현할 수 있다면, 현재의 컴퓨팅과는 차원이 다른 지능형 장치를 만들 수 있을 것입니다. 이는 단순한 상상을 넘어 인간의 의식에 접근하는 새로운 기술적 도약이 될 수 있습니다. 전기화학의 핵심적인 역할 중 하나는 전자기의 세계와 생체의 세계를 잇는 계면을 다루는 것입니다. 로봇 팔을 제어하거나 질병을 치료하는 과정에서 발생하는 가장 큰 난관은 바로 이 계면을 넘지 못하는 데 있습니다. 우리가 의지대로 외부 장치를 움직이거나 생체 신호를 완벽하게 주고받기 위해서는 두 세계 사이의 간극을 메워줄 정교한 인터페이스가 필요합니다. 이 계면에서 일어나는 반응을 연구하는 전기화학은 노화나 장애를 극복하고 인간의 능력을 확장하는 미래 사회의 열쇠가 될 것입니다. 최근 전기화학에서 가장 빠르게 확장되는 분야는 자연계의 촉매를 활용하는 바이오 전기화학입니다. 자연계의 효소는 상온에서도 완벽하게 작동하는 정교한 기계적 구조를 갖추고 있어 인간이 만든 어떤 촉매보다 효율적입니다. 하지만 이러한 생체 촉매를 인공적인 전극 위에 올려놓으면 그 효율이 급격히 떨어지는 문제가 발생합니다. 생체 내 환경에 최적화된 단백질 구조가 오히려 전자 전달을 방해하기 때문입니다. 이를 해결하기 위해 생체의 원리를 모사하거나 새로운 타협점을 찾는 연구가 활발히 진행 중입니다. 생체 시스템과 달리 우리가 만드는 전기화학 장치는 스스로 부산물을 제거하거나 기능을 회복하는 능력이 부족한 죽어 있는 시스템입니다. 혈당 센서처럼 일회성으로 사용되는 경우에는 효소의 효율을 충분히 활용할 수 있지만, 지속적으로 에너지를 생산해야 하는 연료전지 분야에서는 수명과 효율의 한계가 뚜렷합니다. 생명체처럼 저렴하게 촉매를 교체하거나 유지할 수 없는 환경에서, 어떻게 하면 생체 촉매의 강력한 성능을 인공 시스템에 안정적으로 이식할 수 있을지가 현대 과학의 중요한 과제입니다. 친환경 에너지로 주목받는 수소 경제 역시 현재는 냉정한 현실에 직면해 있습니다. 현재 생산되는 수소의 대부분은 물을 전기분해하기보다 화석 연료를 분해하는 과정에서 얻어지며, 이 과정에서 상당량의 이산화탄소가 배출됩니다. 태양광이나 풍력 같은 재생 에너지를 이용한 수전해 방식이 정착되지 않는다면, 연료전지는 진정한 의미의 친환경 기술이라 불리기 어렵습니다. 따라서 전기화학적 효율을 극대화하여 경제성 있는 수전해 기술을 확보하는 것이 탄소 중립 사회로 나아가기 위한 필수적인 단계라 할 수 있습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[석학인터뷰] 임창환_ 뇌와 AI의 합체! 50년, 아니 20년 후 가능하다? | 2020 가을 카오스강연 'Ai X'

현대 과학의 최전선이라 불리는 뇌 연구 분야는 마치 치열한 전쟁터와 같습니다. 인류가 아직 뇌의 신비를 20% 정도밖에 이해하지 못하고 있는 상황에서, 이 미지의 영역을 선점하는 것은 국가와 인류의 미래가 걸린 중대한 과제입니다. 비록 거대한 지식의 피라미드를 쌓아 올리는 과정에서 벽돌 하나를 놓는 정도의 작은 기여일지라도, 그 한 걸음이 가지는 가치는 매우 큽니다. 연구자들은 이러한 사명감을 바탕으로 광속으로 발전하는 기술 경쟁 속에서 뇌의 비밀을 풀기 위해 끊임없이 정진하고 있으며, 이 분야에 대한 깊은 애정과 책임감을 느끼고 있습니다. 최근 뇌 공학의 흐름은 단순한 성능 향상을 넘어 실용적인 응용 분야로 그 범위를 넓혀가고 있습니다. 과거에는 뇌파 신호를 분석하는 알고리즘 개발에 집중했다면, 이제는 이를 활용해 드론을 조작하거나 휠체어 및 외골격 로봇을 제어하는 단계에 이르렀습니다. 더 나아가 생각만으로 냉장고나 TV 같은 가전제품을 조작하는 기술도 현실화되고 있습니다. 이러한 기술적 진보는 신체적 제약을 극복하게 해줄 뿐만 아니라, 인간과 기계가 소통하는 방식 자체를 근본적으로 변화시키고 있습니다. 일상 속의 다양한 기기들이 뇌와 연결되는 시대가 머지않았습니다. 연구의 지평은 뇌 신호를 넘어 얼굴 부위에서 발생하는 다양한 생체 신호로까지 확장되고 있습니다. 안면 근육의 움직임에서 발생하는 근전도나 눈동자의 움직임을 포착하는 신호를 결합하여, 더욱 정교한 인간-컴퓨터 인터페이스를 구축하고 있습니다. 또한 단순히 신호를 읽는 것에 그치지 않고, 전자기 자극이나 빛을 이용해 뇌 기능을 적절하게 조절하는 기술도 활발히 개발 중입니다. 이는 외부 자극을 통해 뇌의 상태를 최적화함으로써 인지 능력을 향상하거나 질환을 치료하는 데 기여할 수 있습니다. 이러한 다각적인 접근은 인간의 능력을 확장하는 새로운 열쇠가 될 것입니다. 미래의 뇌 과학은 인간의 자연 지능과 인공지능이 하나로 결합한 '브레인 3.0' 시대를 지향합니다. 이는 마치 공상과학 영화 속의 전사처럼 인간의 뇌 일부를 인공 뇌로 대체하여 본래 하나였던 것처럼 작동하게 만드는 개념입니다. 과거 전기차의 보급 속도를 예측하지 못했듯, 뇌 공학의 발전 속도 역시 우리의 상상을 초월하고 있습니다. 글로벌 기업들의 적극적인 참여와 기술 혁신이 가속화됨에 따라, 머지않은 미래에는 뇌에 마이크로칩을 삽입하여 기능을 확장하는 것이 일상적인 풍경이 될지도 모릅니다. 약 20년 뒤면 이러한 기술이 대중화될 것으로 전망됩니다. 기술 개발의 궁극적인 지향점은 연구실을 넘어 실제 도움이 필요한 사람들에게 닿는 것입니다. 특히 사지 마비 환자나 신경계 손상을 입은 분들에게 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 새로운 삶의 희망이 됩니다. 실제로 루게릭병 환자들을 포함한 50명 이상의 임상 시험을 통해 기술의 실용성을 검증하며, 환자들이 만족해하는 모습에서 연구의 진정한 보람을 찾습니다. 단순한 기술적 성취를 넘어 사회적 가치를 실현하는 이러한 노력은 전 세계적으로도 높은 평가를 받으며 미래 의료의 핵심으로 자리 잡고 있습니다. 실용적인 기술 개발은 연구자들에게 가장 큰 자부심의 원천입니다.

임창환

카오스재단카오스강연

뇌인지과학

[석학인터뷰] 이성환_ 인간이 AI를 이길 수 있는 방법?! | 2020 봄 카오스강연 '첨단기술의 과학'

인공지능 연구는 1980년대부터 필기체 인식과 같은 구체적인 문제 해결을 중심으로 발전해 왔습니다. 오늘날 인공지능은 컴퓨터 시각, 자연어 처리, 기계 학습, 그리고 뇌 정보 처리 등 매우 다양한 세부 분야로 나뉩니다. 최근에는 딥러닝이 큰 주목을 받고 있지만, 궁극적으로는 학습된 지식을 바탕으로 스스로 추론하고 판단하는 기술이 인공지능의 핵심적인 가치가 될 것입니다. 특히 시각 분야에 비해 상대적으로 연구 인력이 부족한 자연어 처리나 원천 학습 기술 분야에 대한 지속적인 관심과 연구가 필요합니다. 인공지능이 인간의 지능을 추월할 것이라는 우려 속에서 우리가 집중해야 할 점은 기계가 대체할 수 없는 인간만의 고유한 역량입니다. 창의성은 물론이고 타인과 소통하며 협력하는 능력, 그리고 사안을 다각도로 분석하는 비판적 사고력은 인공지능 시대에 더욱 빛을 발할 것입니다. 기술의 발전이 가속화될수록 인간은 기계와 경쟁하기보다는 인간만이 가진 정서적, 지적 특성을 강화함으로써 인공지능이 도달하지 못한 영역을 개척하고 기술을 올바른 방향으로 이끄는 주체가 되어야 합니다. 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 신체 근육을 전혀 사용하지 않고 오직 뇌파만을 분석하여 외부 세계를 제어하는 혁신적인 기술입니다. 이 기술은 인간의 의도를 기계에 직접 전달함으로써 신체적 한계를 극복하고 외부 환경과 상호작용하는 새로운 방식을 제시합니다. 뇌-컴퓨터 인터페이스는 단순히 기기를 조작하는 수준을 넘어 인간과 인공지능이 직접 결합하는 미래를 예고하고 있습니다. 이러한 기술적 진보는 우리가 세상과 소통하는 방식을 근본적으로 변화시키며, 미래 사회의 핵심적인 기술로 자리 잡을 것입니다.

이성환

카오스재단카오스강연

뇌인지과학

[강연] 화학반응의 바늘과 실: 전자와 양성자 _ by정택동｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 4강 | 4강 ①

화학은 물질의 변환을 다루는 학문입니다. 제2차 세계 대전 당시 나치의 눈을 피해 금으로 된 노벨상 메달을 왕수에 녹여 보관했다가 전쟁 후 다시 금으로 되돌린 일화는 화학의 본질을 잘 보여줍니다. 겉모습이 완전히 변해도 원소 자체는 사라지지 않으며, 적절한 반응을 통해 원래의 상태로 복원할 수 있다는 믿음은 화학적 원리에 기반합니다. 금속에서 전자를 빼내어 이온화하고, 다시 전자를 넣어 금속으로 환원시키는 과정은 물질의 근본적인 변화를 제어하는 화학의 핵심적인 과정이라 할 수 있습니다. 화학 반응의 중심에는 전자와 양성자가 있습니다. 전자를 잃는 산화와 전자를 얻는 환원은 항상 쌍을 이루어 일어나며, 이는 우리 주변에서 일어나는 수많은 물질 변화를 설명하는 기본 원리가 됩니다. 이 작은 입자들은 서로 긴밀하게 상호작용하며 물질의 전기적 중성을 유지하고 복잡한 구조적 변화를 이끌어냅니다. 인류가 전자의 존재를 명확히 이해하게 된 것은 비교적 최근의 일이지만, 이들의 움직임은 우주와 생명의 모든 화학적 변환을 주도하는 가장 강력한 동력이자 보이지 않는 세계의 질서를 구축하는 근간입니다. 양성자의 활동은 주로 산과 염기의 작용으로 나타납니다. 물 분자 사이에서 양성자가 이동하며 산성도를 결정하고, 이는 생명 현상뿐만 아니라 지구 전체의 환경 시스템에도 지대한 영향을 미칩니다. 특히 대기 중 이산화탄소가 물에 녹아 평형을 이루는 과정은 양성자의 농도에 따라 결정되는데, 최근 급격한 이산화탄소 증가는 바다의 산성화를 초래하여 생태계를 위협하고 있습니다. 이처럼 미세한 양성자의 움직임은 산호초의 생존부터 지구 전체의 기후 변화에 이르기까지 거대한 자연의 순환 체계를 지탱하는 중요한 축으로 작동합니다. 광합성은 태양의 빛 에너지를 화학 에너지로 변환하는 경이로운 과정입니다. 식물의 엽록소가 빛을 흡수하여 들뜬 전자를 전달하면, 물이 산화되어 산소가 발생하고 이 과정에서 생명 활동에 필요한 에너지가 축적됩니다. 전자가 전자 전달계를 따라 이동할 때 양성자가 함께 펌핑되며 생명체의 에너지 화폐인 ATP가 생성됩니다. 식물은 이 에너지를 이용해 공기 중의 이산화탄소를 고정하여 유기물을 합성합니다. 이는 지구상의 모든 생명체가 살아갈 수 있는 연료를 생산하는 거대한 천연 화학 공장과 같은 역할을 수행합니다. 생명체의 호흡은 광합성의 역과정으로, 섭취한 영양소를 산화시켜 생존에 필요한 에너지를 얻는 과정입니다. 우리가 들이마신 산소는 전자를 받아 환원되고, 그 결과 이산화탄소가 배출되며 생태계의 탄소 순환이 완성됩니다. 광합성이 에너지를 저장하는 환원의 여정이라면, 호흡은 그 에너지를 인출하여 사용하는 산화의 여정이라 할 수 있습니다. 전자와 양성자의 끊임없는 순환은 태양 에너지를 생명의 동력으로 바꾸어 전달하며, 지구상의 모든 생명 현상을 유지하고 대를 이어가게 하는 근본적인 메커니즘으로 작동하고 있습니다. 현대 전기화학은 전자의 흐름을 정교하게 제어함으로써 인류의 삶을 혁신적으로 변화시키고 있습니다. 리튬 이온 배터리는 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하여 모바일 시대를 열었으며, 혈당 센서는 생체 내의 화학 반응을 전기 신호로 바꾸어 질병 관리를 돕습니다. 더 나아가 뇌의 신경 신호를 컴퓨터와 연결하는 뇌-컴퓨터 인터페이스 연구는 전기화학의 새로운 지평을 열고 있습니다. 전자기적인 세계와 생화학적인 세계의 경계에서 일어나는 입자들의 상호작용을 이해하는 것은 인류의 미래 기술을 설계하는 데 있어 가장 핵심적인 토대가 됩니다. 지속 가능한 미래를 위한 핵심 기술인 연료전지는 수소와 산소의 반응을 통해 깨끗한 전기 에너지를 생산합니다. 하지만 산소 환원 반응의 효율을 높이기 위해 여전히 고가의 백금 촉매에 의존해야 하는 한계가 존재합니다. 과학자들은 생체 효소의 정교한 구조에서 영감을 얻어 백금을 대체할 수 있는 새로운 촉매를 찾기 위해 끊임없이 도전하고 있습니다. 뜨겁지 않은 연소를 통해 에너지를 직접 얻으려는 인류의 열망은 전자와 양성자의 조화를 완벽히 이해하고 제어하려는 노력을 통해 수소 경제라는 새로운 시대를 향해 나아가고 있습니다.

정택동, 황성필

카오스재단카오스강연

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