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2010년이 되면 지능로봇이 인간의 일을 상당부분 대신해줄 것이며, 2020년이 되면 외국어를 공부하지 않아도 아무런 불편이 없게끔 자동통역기가 등장할 것이다. 2030년에는 암치료제가 개발돼 암에 대한 공포가 사라질 것이며 2050년이 되면 에너지문제를 일거에 해결할 수 있는 핵융합로가 개발될 것이다.

20세기를 과학기술시대라 부르는데 어느 누구도 주저하지 않는다. 그럼에도 20세기를 10년도 못남긴 이 시점까지 아직도 해결하지 못한 과학기술계의 난제들이 수북히 쌓여 있다. 이중에는 이미 핵심기술이 개발돼 실용화시기만을 기다리는 것도 있고, 개념만 존재할뿐 실질적인 기술이 전혀 밑받침 안되고 있는 것도 있다.

기존의 컴퓨터기술을 한차원 뛰어넘는 광컴퓨터, 20세기 과학기술을 비웃으며 번창하고 있는 암을 정복할 수 있는 신약(암치료제), 무한의 에너지원으로 각광받는 핵융합로, 스스로 판단해 일할 수 있는 지능로봇, 우주시대의 본격적인 개막을 알리는 월면기지건설 등은 20세기 안에 실현되기는 어려운 과제들이다.

과연 이들은 언제 실용화될 수 있을까. 일본 경제기획청 종합계획국 안에 설치된 '2010년 기술예측 연구회'에서는 산업경제에 큰 영향을 미칠 미래기술 1백1개를 선정해, 실용화시기 및 시장 규모, 현기술수준의 국제비교(미국 일본 유럽)등을 조사한 연구 보고서를 최근에 발간했다.

이 보고서에는 1990년 이후 실용화될 미래기술을 △첨단기반기술(정보전자 신소재 생명과학) △생산활동을 지원해주는 기반기술(에너지 자동화) △사회적 기반기술(통신 교통 공간이용 환경)로 나누어 일목요연하게 정리해놓았다. 이에 따르면 HD(고선명)TV나 프레온대체가스 등은 90년대에 실용화가 가능하며, 2000년대에는 바이오센서를 비롯 가솔린엔진을 대체할 차세대자동차가 실용화된다는 것. 2010년대에는 초병렬컴퓨터와 지능로봇이 선을 보이며, 2020년대에는 월면연구기지가 설치되며 자동번역시스템이 활발히 이용될 것이라고 예상했다. 2030년대에는 신경망컴퓨터가 모습을 드러내며 인공장기와 암치료제가 일반화될 것이며, 2040년 이후에는 노인성치매(노망) 치료약도 등장할 것으로 추정했다.

한편 이 보고서에는 현재 경제를 이끌고 있는 미국 일본 EC(유럽 공동체)의 현기술 수준을 객관적으로 분석해 관심을 끌고 있다. 이에 따르면 정보·전자분야는 일본이 단연 앞서며(일본을 1백으로 할때 미국이 88, EC는 37), 신소재는 미국(147) 유럽(102) 일본(100)순. 생명과학은 미국(121) 일본(100) 유럽(83)순이며, 에너지분야도 역시 미국(122) 일본(100) 유럽(86)의 순서. 세 나라가 거의 대등한 기술수준을 유지하고 있는 분야는 자동화분야.

통신과 우주기술분야는 역시 미국 일본 유럽 순을 유지하고 있으나 운수·교통분야와 환경기술은 미국과 유럽이 강세를 보이고 있는 것이 특징이다.
 

일본이 독주하는 정보·전자분야

1백1건의 세부품목 가운데는 일본이 1위를 차지하고 있는 품목이 53건으로 반이 넘으며(공동 1위 24건 포함), 2위는 28건, 3위는 20건으로 분류됐다.

정보·전자분야는 일본이 독주하고 있다. 그중에 대표적인 것이 메모리 반도체다. 현재 판매중인 메모리 반도체로 가장 고성능인 것은 4M(${10}^{6}$)비트이며, 1,2년 후에는 64M비트 메모리가 판매될 예정이다. 현재 실리콘기술의 연장선상에서 살펴보면 1G(Giga, ${10}^{9}$)비트 칩의 D램이 2000년경에 실현될 것으로 예상된다. 그 후는 1GD램의 1천배 능력을 갖는 1T(Tera, ${10}^{12}$)D램이 기대된다. 하지만 이것은 실리콘으로는 불가능하고 초전도디바이스 등 새로운 기술이 밑받침 돼야만 가능하다.

그렇다면 테라비트 메모리반도체는 언제쯤 실용화될 것인가. 실용화단계를 1백으로 볼 때 현단계는 5이며 실용화시기는 2030년 경으로 예측하고 있다. 현재 인간 뇌의 능력에 버금가는 테라비트 메모리의 개념을 갖고 있는 나라는 일본뿐. 이를 실현하기 위해서 필요한 핵심기술은 초전도디바이스와 초고밀도회로집적화기술이다.

테라비트 메모리가 출현한다면 어느 정도 판단능력을 갖춘 고성능컴퓨터, 인텔리전트 가전제품 등이 가능해지며 자동차산업 우주산업 군사산업에 크게 영향을 미칠 것이다. 부정적 영향으로는 인간과 기계의 역할분담이 모호해짐으로써 인간의 존엄성이 훼손될 위험이 크다는 점이다. 기술수준은 일본을 1백으로 할 때 미국은 30, 유럽은 10정도에 불과하다.

21세기에는 메모리 반도체와는 성격이 다른 새로운 개념의 칩들이 등장할 것이다. 그 중에 대표적인 것이 슈퍼인텔리전트칩. 현재 음성인식용 칩, 추론기능을 가진 칩, 퍼지(fuzzy)칩 등 개별적으로는 인텔리전트칩이 개발되고 있지만 이러한 능력을 동시에 갖는 슈퍼인텔리전트칩의 개발은 앞으로의 과제다. 이 칩의 실용화시기는 2010년으로 예상되고 있다.

또다른 개념으로는 자기증식칩을 들 수 있다. 현재 반도체칩은 '외부 지령'으로 기능이 정의되고 동작이 제어되지만 자기증식칩은 기능과 동작이 칩 내부에서 결정되고 제어되는, 말하자면 '자기조직화'(self organization) 기능을 갖는다. 그러려면 내부 아키텍처로서 뉴럴컴퓨팅이 고려돼야 할 것이다. 이 칩은 현재 가장 기능이 뛰어난 칩에 비해 인텔리전트 기능이 1천~1천만배 정도 강화돼 있다고 생각하면 된다. 실용화시기는 2050년으로 예측되고 있다. 이의 실현을 위해서 반드시 돌파해야 할 핵심기술은 자기 조직화기술, 지식획득에 의한 자기학습 기술 등이다. 이러한 소프트웨어를 하드웨어에 구현하려면 초병렬컴퓨터 등이 선행돼야 한다. 자기증식칩이 실현된다면 '판단하는 컴퓨터'의 등장은 어렵지 않은 일.

뉴럴컴퓨터란 뇌를 구성하고 있는 신경세포와 신경회로망의 구조와 정보처리기능을 모델로 해 고도의 정보처리를 수행하는 컴퓨터를 말한다. 인간의 사고와 행동에 가까운 판단 추론 예측 전체파악 등이 가능한 컴퓨터를 만들자는 얘기다. 실용화시기는 2030년대. 일본에서는 컴퓨터 메이커들이 조합을 결성해 연구를 진행, 일부 소프트웨어를 개발해놓고 있다. 유럽과 미국에서도 대학이나 민간연구소를 중심으로 연구를 진행하고 있지만, 아직 이론적인 단계다.

일반사람들이 컴퓨터과학자들에게 가장 많이 바라고 있는 것은 아마 자동번역(통역)시스템의 개발일 것이다. 영어 러시아어 프랑스어를 척척 우리말로 통역해주는 기계가 있다면 얼마나 좋을까. 이 자동번역(통역)시스템은 기술적인 측면에서 보면 소프트웨어인 것이 분명하지만, 실제로 실용화된 제품을 상상해보면 고성능칩과 소형이면서도 대용량을 가진 파일에 많은 양의 소프트웨어를 탑재한 시스템일 것이다.

실용화시기는 2020년으로 예상되며 현재까지는 미·일 번역시스템이 가장 활발하다고 할 수 있다. 미국 카네기 멜론 대학에서는 지식획득과 자기학습 등 기본적인 연구가 진행되고 있다. 상품화에 탁월한 능력을 보이는 일본에서는 첨단전자메이커들이 일부 제품을 상품화하고 있다. 앞으로 주력해서 해결해야 될 과제로는 문장의 의미를 파악하는 언어변환기술, 지식베이스 전문가시스템, 온라인으로 처리할 수 있는 고속실시간처리시스템 등이다.

이외에도 정보·전자 분야에서 미래기술로 뽑힌 것은 오래된 데이터를 없애고 새로운 데이터를 스스로 추가시키는 자기증식 데이터베이스시스템, 광컴퓨터, 바이오컴퓨터 등이다. 이들의 실용화 예상연도는 모두 2020년.

정보·전자와는 달리 일본이 미국에 크게 뒤지고 유럽과 엇비슷한 경쟁을 하고 있는 것이 신소재분야다. 21세기 초반에 주목받을 신소재로 우선 손꼽히는 것은 고온초전도체. 상온에서도 전기저항이 없어지는 새로운 합금을 개발해 에너지혁명을 일으키려는 과학자들의 노력은 이미 20세기에 시작됐다.

2030년에는 전기통조림이?

현재 전기저항이 없어지는 온도는 실험실에서 1백K 정도를 기록하고 있다. 이 온도를 2백50K 이상으로 끌어올리게 되는 시점은 언제가 될까. 실용화시기는 2030년으로 예상된다. 만약 이 정도에서 전기저항이 없어진다면 전기를 오랫동안 저장할 수 있는 전기통조림이 가능해지며 발전소의 전기를 손실없이 공장이나 가정에 전달할 수 있는 획기적인 송전시스템이 개발될 수 있다. 이외에도 자기부상열차 조셉슨소자 등의 실용화를 앞당길 것이다.

도자기 유리 등 고전세라믹에 비해 전자적 특성과 열적 기계적 광학적 특성이 대폭 향상된 것이 파인세라믹스다. 이를 이용한 엔진이 상품화된다면 산업분야에 큰 영향을 미칠 것이다. 세라믹가스터빈엔진은 종래 엔진과는 동작원리가 다른 새로운 타입의 엔진. 가스터빈엔진을 세라믹화 한다면 고효율 저공해를 실현할 수 있고 연료도 다양하게 사용할 수 있는(메탄올도 연료화 될 수 있음) 이상적인 엔진이 된다. 실용화시기는 2000년 경.

21세기에는 유리의 개념도 바뀐다. 깨지지 않는 유리, 탄성을 가진 유리도 등장할지 모른다. 이른 바 '뉴글래스'가 탄생할 것이다. 이중에서도 비선형(nonlinear) 광학유리는 2010년에 실용화될 뉴글래스 중의 선두주자다. 이 신소재는 빛으로 작동되는 고속의 광스위치로 광컴퓨터의 실현을 앞당길 핵심부품이다. 이 분야는 일본이 단연 선두. 일본을 1백으로 보면 미국이 50, 유럽이 0에 불과하다.

금속에 필적할만큼 열에 강하며 높은 탄성을 가지며 성형가공이 쉬운 경량유기고분자 재료가 열가소성분자복합체다. 이는 수지성 분내에 보강분자골격을 가지고 있기 때문에 FRP와는 다르게 강화섬유와 매트릭스 수지와의 사이에 취약한 경계면이 없다는 점이 특징. 이 제품이 실용화되면 경금속과 FRP 시장을 휩쓸 것으로 예상된다. 공업적으로 실용화시기는 2040년경으로 예측된다. 이 분야의 선두는 미국.

우주계획과 초음속항공기 미사일 핵융합로 등에는 극히 높은 온도에 견뎌야 하는 소재가 필요하다. 탄소 100％의 C/C콤포지트(composite)표면을 플라즈마로 가공해, 1천7백℃정도의 초고온에서도 사용할 수 있게 만든 것이 고성능 C/C콤포지트. 현재 연구개발은 더디지만 본격적인 실용화는 2010년내에 이루어질 전망이다. 우주 군수산업이 발달한 미국과 프랑스에서 연구를 이끌어가고 있으며, 시범적으로 항공기용 브레이크 등에 활용될 예정이다. 이외에도 신소재분야의 미래기술로는 고성능탄소강화 플라스틱(본격실용화 시기 2000년) 아모르퍼스합금(2010년) 등이 있다.

암정복 언제 가능한가

DNA를 작용점으로 하는 다양한 약제가 항암제 또는 제암제(制癌劑)로 개발돼 있지만, 암유전자와 암억제유전자 연구, 세포내 정보전달기구와 발암메커니즘 연구, 면역감시기구의 해명 등이 밑받침된 새로운 암치료제의 개발이 절실히 요청되고 있다. 그렇다고 모든 종류의 암이나 특히 암의 말기때에도 효과가 있는 '만능약'을 개발하자는 것은 아니다. 다만 암종류에 따라 보다 효과가 있는 것을 한단계씩 높여 개발해야 할 것으로 예상된다. 실제로 암과 관련된 기초연구가 어느정도 진전돼 새로운 개념의 암치료제가 개발되려면 2030년은 돼야 할 것이다.

이미 인터페론이나 인플루엔자바이러스 백신, B형간염 백신 등 바이러스병 치료예방약이 개발되고 있지만, AIDS(후천성면역결핍증)로 대표되는 레트로바이러스(retro-virus)계열의 백신이나 치료제는 아직 요원하다. 바이러스의 감염메커니즘이라든가, 증식메커니즘에 기초해 항(抗)바이러스제나 백신의 연구개발이 진행되고 있다.

바이러스병의 치료 예방제로는 AZT로 대표되는 합성제, 인터페론으로 대표되는 BRM제제, 백신제제 등이 있는데, 이중에서 가장 효과가 기대되는 것은 백신이다. 따라서 바이러스 치료약은 백신개발이 중심이 될 것이다. 항원성이 약한 바이러스, 격렬한 변이를 일으키는 바이러스에 대해 효과있는 백신을 만드는 것이 주요 과제.

AIDS와 C형 감염 등 현재 문제가 되는 레트로바이러스 백신개발은 언제쯤 이루어질까. 2020년 경에는 예방약과 치료약이 모두 개발될 것으로 보고 있다. 이 분야에 관한 연구는 미국이 단연 선두이며 유럽과 일본이 엇비슷한 수준(미국 2백, 일본 1백, 유럽 80).

이외에도 노인성치매(일명 노망)치료제는 2050년에 실용화돼 인간의 평균수명을 더욱 연장시킬 것이며, 각종 알레르기는 2030년 경에 정복될 것으로 예상된다.

21세기 에너지원으로 가장 주목받는 것은 핵융합이다. 핵분열을 이용한 원자력과는 달리 인체에 유해한 방사선을 방출하지 않으며, 원료인 중수소가 바닷물속에 무한정(바닷물 1㎥당 34g) 존재하기 때문이다. 실용화 시기는 2050년경으로 예상되며 일본보다는 미국 유럽쪽이 앞서 있다. 해결해야 될 과제로는 초전도자석의 개발, 높은 온도를 유지하는데 필요한 플라즈마가열장치의 개발, 강한 중성자 조사(照射)에도 견딜 수 있는 핵융합로구조재의 개발, 방사성 물질인 삼중수소(트리튬)의 취급기술 등을 들 수 있다.

핵융합로 못지않게 관심을 끄는 것은 고속증식로. 이는 발전하면서 소비한 만큼의 핵원료를 재생산하는 획기적인 원자로다. 실용화 예상연도는 2025년경. 이 분야 연구는 유럽이 강세(일본 미국 1백, 유럽 1백30).
 

무한 에너지에 도전

핵융합이 무공해로 무한정의 에너지를 생산한다면, 이를 오랫동안 저장하기도 하고 손실없이 사용자에게 공급할수 있으려면 초전도 전력저장장치와 초전도 송전시스템이 필요하다. 실용화 예상연도는 2020년경. 이 분야연구는 미국이 단연 앞서고 있으며 그 뒤를 일본이 따르고 있다(미국 2백50, 일본 1백, 유럽 30).

현재 실용화된 로봇은 대부분 산업용이다. 이들 로봇은 할 일을 상세히 프로그램 시켜야만이 작동한다. 이들은 산업현장의 조립라인에서 단순작업을 반복할 수는 있어도 그 이상의 일은 불가능하다. 로봇사회가 구현되기 위해서는 인간이 대강의 작업개요만 지시하고 나머지는 로봇이 스스로 해결하는 시스템이 필요하다. 이를 지능로봇이라 부른다. 이 로봇이 등장하면 TV를 만드는 공장에서 일하다가 자동차를 만드는 공장에서 일할 수 있는, 또 용접을 하다가도 조립도 할 수 있는 범용로봇이 탄생하는 셈이다.

지능로봇은 인공지능(AI) 연구가 활발히 이루어지고 있으므로 2010년 정도면 실용화될 수 있을 것으로 예상된다. 이 분야는 미국이 전통적으로 앞서 있었으나 최근에는 일본이 추월하고 있는 상태.

초전도자석을 이용해 떠서 달리는, 자기부상열차는 언제쯤 실용화될 수 있을까. 소음과 진동이 없어 무공해열차라고도 불리는 자기부상열차는 21세기의 주요 교통수단이 될 것이다. 현재 개발중인 자기부상열차는 시속 5백㎞가 목표지만, 고온초전도자석을 이용한 다음세대 자기부상열차는 시속 7백㎞를 넘보고 있다. 개발 진척 상황을 살펴보면 완성단계를 1백으로 할 때 80까지 진전돼 있다. 완전 실용화시기는 2010년경.

차세대 자기부상열차는 이보다는 20년 정도 늦게 등장할 것으로 보인다. 해결해야될 기술적 과제로는 상온에 가까운 고온초전도체를 개발하는 것이 가장 시급하며 터널 돌입시의 공력(空力)특성에 관한 연구도 병행돼야 한다. 현재 초전도자기부상열차를 연구하고 있는 곳은 일본뿐. 이에 비해 상전도 자기부상열차(초전도자석이 아닌 전자석을 사용)는 독일(트랜스래피드)과 일본(HSST)에서 개발중이다. 실용화 시기는 1995년.

서울-로스앤젤레스를 두시간에

마하수 4~6의 초음속으로 비행해 서울-로스앤젤레스간을 2,3시간 내에 주파할 수 있는 극초음속여객기도 2020년에는 등장할 것이다. 승객수는 3백명까지 가능. 돌파해야할 기술적 난제로는 열에 견디는 엔진소재의 개발과 기체를 초경량화시킬 수 있는 소재를 개발하는 일. 현재 기술 수준은 미국 유럽 일본 순이다(미국 2백, 유럽 1백50, 일본 1백).

항공기술로 최근에 주목받는 것은 소형수직이착륙제트기. 넓은 공간 없이도 이용할 수 있어 비지니스용으로는 최적격이다. 승객수는 10명 내외로 잡고 있다. 실용화시기는 2010년 경. 문제가 되는 것은 제트엔진의 소음처리.

인간이 우주공간으로 활동영역을 넓히려 할 때 해결해야 할 일이 무중력상태에서 활동하는 일. 이를 위해 필요한 것이 무중력 실험 지하시설이다. 보통 지하 5백m 정도에 갱을 만들어 갱속을 낙하하는 캡슐을 리니어모터로 제어한다. 여기서는 우주에서 사용하는 모든 기기를 체크하고, 물리현상의 관찰, 재료의 응고·용해실험 등이 이루어진다. 실용화 예상연도는 2005년.

우주관측과 자원개발 또는 여러가지 과학실험이 이루어지는 월면기지는 언제쯤 이루어질까. 월면기지의 주요구조는 원형돔과 실린더형 통로. 이는 주로 알루미늄계 합금으로 이루어진다. 기지 내부는 1기압이 유지돼야 한다. 사람이 거주하면서 활동하는 유인월면기지를 건설하기 위해서는 먼저 무인월면차나 로봇에 의한 기지건설이 이루어져야 하며, 그후 단기적으로 사람이 거주한 다음에 사람이 상주하는 월면기지를 완성할 계획이다.

월면은 초진공이며 중력은 지구의 6분의 1. 온도는 영하 1백70℃에서 영상 1백20℃로 급변한다. 우주공간에서 내리쬐는 각종 전파가 아무런 보호장치도 거치지 않고 그대로 내리쬐는 거친 환경이다. 이런 곳에 기지를 건설하기 위해서는 성능이 우수한 로봇과 극한상황에도 끄덕없는 자재가 필요하다. 월면기지가 완성되는 연도는 2020년경으로 예측된다. 이 분야 기술수준은 미국이 일본과 유럽을 두배 정도 앞서고 있다.

수직도시는 2050년에

높이 3,4천m 건평 6,7천ha(헥타르)규모의 초고층빌딩에서는 수십만명이 집과 직장을 오가며 일할 수 있다. 이 정도 되면 빌딩이라기보다는 하나의 도시다. 높이가 5백m(1백층)정도되는 고층빌딩은 2000년에는 세워지겠지만, 높이가 4천m(8백층)나 되는 일종의 수직도시는 2050년에나 가서야 선보일 것으로 예상된다.

대도시가 과밀화되고 토지가 부족해지면서, 또 환경문제가 심각해지면서 인간이 눈을 돌릴 수 있는 곳은 해양이다. 풍부한 해양자원을 효과적으로 이용한 인공섬건설이 추진되고 있다. 종래의 매립방식이 아닌 물에 떠있는 구조를 가진 새로운 형태의 인공섬이 주목받고 있다. 실용화시기는 의외로 빨라 2000년 정도면 가능할 것으로 예상된다. 이외에도 '잡는 어업'이 아니라 '기르는 어업'을 목표로 하는 해양목장도 2000년이면 실용화될 것으로 보인다. 해양목장이란 일정한 바다공간을 확보하고 생태학적으로 안정된 조건을 만들어 바다어류를 기르는 곳.

화석연료가 연소되면서 내뿜는 이산화탄소(${CO}_{2}$)는 지구온난화를 가속화시키고 있다. 지구가 온난화되면 일부지역의 빙하가 녹아 해면이 상승한다. 최근 보고서에 따르면 대책없이 지금 추세대로 가면 지구의 평균기온은 다음 세기 말까지 약 3℃가 상승해 최대 1m에서 65㎝까지 해면상승이 일어난다는 것. 결국 수천만명의 사람이 새로운 거주지역을 찾아 이동해야 한다.
 

지구를 보호하는 기술

따라서 촉매를 이용해 ${CO}_{2}$를 연료와 유용 화학품으로 바꾸는 기술이 필요하다. 이를 ${CO}_{2}$촉매고정화기술이라 부른다. 8족 금속원소를 이용해 메탄이나 에탄올 등을 생성하는 접촉수소화법, 수은납으로 ${CO}_{2}$를 환원하는 전기화학반응법, 루테늄이나 납을 콜로이드화한 것을 촉매로 사용하는 광화학적 고정법, 포피린 등을 사용해 천연광합성을 모방한 인공 광합성법이 주목되고 있다.

실용화 시기는 2010년경으로 예상되며 미국 유럽 일본의 기술수준이 대등하다. 넘어야할 핵심기술로는 촉매의 반응효율 향상, 인공합성법의 반응기구 해명 등. 이 기술이 개발되기 위해서는 우선 ${CO}_{2}$촉매고정화기술로 생성되는 물질의 이용을 넓혀야 한다. 경제적으로는 촉매제를 싼 가격으로 확보해야 하는 어려움이 있다. 이 기술은, 지구를 살리지 않으면 안되는 절실한 공감대가 형성돼 국제적인 협조체제가 구축된다면 의외로 개발이 앞당겨질 수도 있다.

환경기술로 최근에 주목받는 것은 염화불화탄소(CFC) 대체가스를 개발하는 일. CFC는 오존층 파괴의 주범이기 때문에 국제협약(몬트리올 협약)으로 사용이 규제되고 있다. 현재 개발 중인 것중 완전 무해한 것은 없으나 앞으로는 완전 무해한 제3세대 가스를 개발할 예정이다.

완전한 것은 아니지만 어느 정도 효과가 있는 대체가스는 1995년쯤이면 실용화될 것으로 예상된다. 이 분야의 기술수준은 미국이 앞서 있으며 일본 유럽의 순이다. 대체가스가 개발되면 전자산업이나 냉동기산업에 대변화가 올 것으로 예상된다.