과학과 비판적 사고

1. 과학과 비판적 사고 첨단 기술과 미래 (5월 23일)

2. 나노테크놀로지 (Nano-technology, NT) ■ 나노(nano)란 무엇인가 • 고대 그리스어의 ‘난장이’를 뜻하는 나노스(nanos)에서나온 말 • 나노(nano): 10억분의1을 의미 • 나노 기술: 100나노미터까지 다루는 기술 - 분자의 크기로 이 구조에서 물질의 물리적, 화학적 영향을 조절하는 능력을 갖추는 기술 - 아주 작은 물질들을 제어하고 활용하는 기술 - 나노 기술의 세계에서는 원자를 이동시켜 원하는 배열로 만들어 낼 수 있음.

3. 나노테크놀로지 (Nano-technology, NT) • “나노 기술은 다음에 올 산업 혁명이다 .” : 미국 국립 나노 기술 지원단 • “나노 기술은 새로운 세계로 들어가는 입구다.” : 미국 국립 과학 재단

4. 나노테크놀로지 (Nano-technology, NT) • 원자나 분자를 조작함으로써 기존에는 불가능 했던 전혀 새로운 성질이나 기능이 기술적으로 가능해 졌음을 의미 • 매크로(macro, 크기) 세계에서 나노 세계로 넘어가면 물질의 성질이 급격히 바뀜과 동시에 그것을 기초로 생산된 제품의 성질도 바뀌게 됨. 예) 흑연과 다이아몬드

5. 나노테크놀로지 (Nano-technology, NT)

8. 나노 기술에서 취급하는 대표적인 분야 • 재료부분 - 탄소 나노 튜브, 나노 자성체 • 나노 화합물 - 기계부분: 마이크로 로봇 - 생명과학분야 : 신약개발이 포함. :무궁무진한 분야이며 학제간 종합 기술 분야 로 나타남

9. 나노 수준에서 다양한 형태로 결합한 탄소

10. 나노 기술을 구현하는 방식 • 톱 다운(Top-down) 방식 : 조각가처럼 깎아내거나 표면에 덧붙이는 것 예) 마이크로칩 • 바텀-업(bottom-up) 방식 : 스스로 구조를 조립하는 방식 예) 탄소 나노 튜브

12. 주사터널링 현미경(STM, Scanning Tunneling Microscope) • 주사터널링 현미경으로 원자나 분자를 볼 수 있는 것은 물론이고 이들을 변형시킴. • 1990년 IBM 사는 35개의 크세논(Xe) 원자를하나씩 정확한 위치에 배열함.

13. 주사터널링 현미경(STM, Scanning Tunneling Microscope)

14. 주사 터널링 현미경을 이용해 크세논 원자를 움직여 5나노미터 높이로 IBM 로고를 세움.

15. 나노 기술의 역사

16. 플러렌(Fullerene) • 건축가 ‘버크민스터’의 이름을 따서 지어짐 • 분자량 720mg/mol 의탄소 화합물, 탄소 60개로 이루어짐 • 축구공모양이므로 ‘버키볼’이라 불림 • 축구공처럼 매우 높은 온도와 압력에도 견디는 매우 안정된 구조 • 기계적 특성이 우수, 열전도도 낮고, 전기 절연성 • 금속을 추가하면 초전도성을 가짐

17. 플러렌의 응용 • 고온에서도 초전도성이 우수, 내부에 금속을 함유할 수 있다(저장 장치) • 플러렌이 들어있는 플라스틱은 매우 단단하고 날카로워 절삭도구로 이용됨 • 내구성이나 내열성을 높이거나 정전기 제거, 잡음필터로의 응용이 가능 • 용도: 윤활제, 공업용 촉매제, 초전도체, 축전지, 의약품, 전자 분야 등등

18. 나노 기술의 특징

19. 1) 탄소 나노 튜브 • 10년전 일본 NEC의 이지마 스미오 박사가 우연히 발견함 • 탄소 나노 튜브는 최대직경이 수십 나노미터에 불과하면서도 강도는 강철의 100배, 전기 전도도는 구리와 동일함. • 초소형 전자제품과 컴퓨터 시장을 주도할 미래형 반도체 • 기술상의 장벽이 하나 둘 허물어지고 있지 만 본격 상용화는 10년 이후에나 가능할 것으로 예상됨 (반도체 메모리 분야)

21. 2) 나노 응용 분야 :나노자성체(반도체 저장분야) • 손톱 만한 디스켓에 수백만 장의 문서를 저장할 수 있는 분야로 자성을 띤 나노 입자 들을 촘촘히 집적해서 만듬. • 입자가 자성을 띠지 않을 때는 0, 전기가 통해 자성을 띠면 1이 되어 2진법으로 정보를 저장함. • 자성을 가진 입자의 최소 크기는 현재 10 나노미터 정도임.

22. 액체자석 • 액체 자성체는 ferrofluid라고도 하며,  상당히 재미있는 물질. • 보통 용기에 메탄올을 채워서 그 안에 넣고 다님. • 자성 유체는 직경10nm (나노 밀리)라고 하는 매우 작은 강자성 미립자를 계면활성제로 덮어, 물이나 기름 등의 용매로 분산시킴 • 자성유체는 스피커에의 응용, 또 컴퓨터의 HDD(하드 디스크 드라이브)내에 이용되고 있는 도전성 방진 Seal • 반도체 제조장치용 진공 Seal •  평상시는ART의 소재로서 작품의 중요한 부분에 사용됨.

23. 2) 나노 응용 분야 : 나노 재료 • 배터리에 어떤 물질을 넣으면 배터리를 오랫동안 쓸 수 있을까? • 산업화가 용이한 새 나노화합물을 만들어 내는 분야임 리튬 이온 배터리용 나노 주석 결정 :에너지 저장용량 향상

24. 2) 나노 응용 분야 : 나노 재료 화장품, 코팅용 나노 재료 • 자외선 차단용 나노 재료 화장품 • 자동차 타이어에 탄소를 박아 윤활성을 높이고 마모를 덜어주는 타이어 코팅용 나노재료‘카본 블랙’

25. 나노 클러스터 구조를 이용한 표면 강화 • 고효율 선택제 촉매제로 쓰임.

26. 3) 만능 분자 어셈블러 • 미국의 컴퓨터 과학자 드렉슬러(kim Eric Drexler, 1955~) 의 주장 • 미래에는 만능 분자 어셈블러(molecular assembler)가실용화되어 모든 물질의 분자 구조를 자유 자재로 조립하여 어떠한 분자 구조의 물질도 만들 수 있다고 주장. • 자기 조립: self-assembly 에서더 나아가 자기 복제

27. 만능 로봇: 인공지능 → 자유롭게 작동. 자기 복제 가능 • 세포 내 리보솜(생명체의 어셈블러) 실제 존재 • 현재 수 mm - 수십 ㎛의 마이크로 머신 연구 진행 중 • 의료분야에의 응용 예)DNA의 문제점 치료, 암세포 파괴

28. 만능 분자 어셈블러(Molecular assembler)

29. 나노 로봇이 인체에 들어가서 의료 행위에 사용되기 위한 세가지 조건 • 첫째, 인체에 들어가서 살아남아야 한다 • 둘째, 자신의 임무를 독립적으로 수행할 수 있는 기능을 지녀야 한다. • 셋째, 조립, 양산을 위해 스스로 자기 복제가 가능해야 한다.

30. 나노 로봇의 특징 • 첫째, 크기는 머리카락 굵기의 100분의 1에 지나지 않음 • 둘째, 모든 부품은 생체 단백질로 구성됨. • 셋째, 로봇의 동력은 인체 내의 전기를 이용함 • 넷째, 몸체에 붙어 있는 70개의 바이오 센서를 통해 각종 암과 질병을 진단하고 치료함 • 다섯째, 수집된 데이터는 초감도 안테나를 통해 외부로 전송됨 • 여섯째, 몸 속의 나노 로봇은 주어진 임무를 수행하고 일주일 후에 자동으로 분해되어 배출됨.

31. 나노 과학의 회색빛 미래 • <<먹이>> 라는 소설 • 나노 크기를 가지며 자기 복제가 가능한 로봇을 인간이 과연 기술적으로 제어할 수 있는가 하는 문제를 제기함. • 진화의 방향이 ‘발전’과 ‘전진’을 의미하는 것이 아니라, 시스템의 복잡성이 증가하는 방향으로 나아간다는 생각을 통해 나노 과학 기술에 대한 인간의 통제 가능성에 대해 회의적.

32. 4) 나노 과학이 던지는 잠재적 위험 • 환경이나 생물에 미치는 영향 : 탄소 나노 튜브를 용액의 형태로 쥐의 폐 조직에 주입 폐에서 응집현상  폐 조직 손상(2003년 NASA와 화학 관련 회사 듀퐁) : 탄소 나노 입자인 버키볼이 포함된 용액  어류의 뇌세포 조직을 손상시킬 가능성 제기 (2005년 독성학자인 에바오베르되르스터)

33. 박테리아에 나노 모터 부착한 경우 • 나노 입자는 뇌로 들어갈 수 있음 • 크기가 작으므로 기도에서 걸러지지 않고 바로 폐세포로 들어감 • 크기가 작을 수록 화학반응을 하는 표면적이 넓어져 없던 독성이 나타날 수 있음.

34. 4) 나노 과학이 던지는 잠재적 위험 • 군사 목적 기술로 사용될 경우 : 엄청난 파괴력을 가짐 • 개인 정보의 측면 : 개인의 유전 정보를 비롯한 모든 정보를 한곳에서 독점 • 자기 조립 기술 : 일반 물리의 지배 뿐만 아니라 양자 역학적 지배도 받기 때문에 예측하지 못한 상황 • 자기 복제를 통해 생물을 죽일 수도 있음

35. 5) 그래핀(Grephene)

36. 안드레 가임과 콘스탄틴노보셀로프 교수 • “노벨 위원회는 5일 올해 노벨물리학상 수상자로 탄소 원자들이 6각형 구조로 결합해 원자 하나 두께의 평면을 이루는 그래핀에 대한 선구적인 연구를 수행해온 두 과학자를 선정했다고 설명했다.“(2010년)

37. 그래핀은 흑연에서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸, 탄소 원자가 육각형 형태의 벌집 모양을 한 인공 나노 물질 • 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 물리적, 전기적 특성 • 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킴 • 빛을 98% 이상 투과 시킬 정도로 투명함 • 디스플레이와 차세대 반도체, 자동차와 항공기의 몸체 강화 신소재 등으로 주목 받음

38. 그래핀의 상용화

39. (2) 사이보그 ■ 생명과학과 기술 • 뇌 이외의 부분, 즉 수족․내장 등을 교체한 개조인간. • 생물과 기계장치의 결합체를 뜻함. cybernetic과 organism의 두 단어 합성 • 이미 근 전류로 움직이는 의족․의수 등 생체기능대행 로봇 개발, 인공심장이식

40. 곤충 사이보그

41. ■ 인공두뇌 • 사이보그에서 가장 중요한 부분임 • 인간의 두뇌 기능을 수행하는 인공 시스템으로서 인간의 뇌처럼 생각하는 컴퓨터 • 스스로 생각하고, 공부하고, 주어진 문제를 해결하기도 하는 제 5세대 컴퓨터가 개발 • But, 인간의 지적 활동을 대행하는 기계로 인간의 뇌를 대치한다는 것은 현실적으로 불가능하다고 여기는 견해도 있음.

42. ■ 인공두뇌 • 인간의 두뇌 구조를 모방한 신경망 컴퓨터(Neural Network): 다양한 정보를 직감적이고 종합적이며 병렬적으로 처리함 • 사용자의 특성을 스스로 학습하고, 인공 시스템의 학습 능력을 변화된 환경에 적용하거나, 복잡한 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 영역까지 확대. • 인공 두뇌에 대한 연구는 현대 과학의 마지막 미개척 분야로서 뇌의 기능과 구조를 밝혀 내어 궁극적으로는 컴퓨터에 생명체의 기능을 적용하여 인간 노동력을 대체하고자 함. • 우리나라의 경우 초기형 인공 두뇌를 개발하여 실제적인 응용 시스템 완성

43. 이언피어슨(Ian Pearson, 1959~) • 2030년쯤 컴퓨터와 인간의 두뇌가 결합하는 제 3의 혁명이 일어남 • 사람처럼 생각하는 뛰어난 인공두뇌의 탄생을 예견 • 가까운 미래에 컴퓨터와 인간이 결합한 새로운 형의 인간의 탄생 가능성 예측

44. ■ 인공지능 • 인간의 지능적 행위를 시뮬레이션하는 개념과 방법들에 관한 컴퓨터의 한 분야 • 인공지능 분야의 거두인 Feigenbaum은 이를 다음과 같이 정의하였다. “ 컴퓨터에 의한 언어적 추론의 개념과 방법을 연구하며 추론하는데 사용되는 지식을 언어적으로 표현하는 것을 연구한다. 인간이 서로간에 지능적이라고 인식하는 대로 행동하도록 컴퓨터가 만들어질 수 있는 가능성을 추구하는 분야이다"

45. 인공 지능의 한계점 • 인간의 지능적 과정에는 학습(learning), 추론(inference), 교정(self-correction) 등으로 구성되어 이를 컴퓨터에 구현할 수 있도록 연구되어왔다. 더구나 무의식중에 얻어지는 상식은 그 양이 방대하여 컴퓨터로 구현하기가 어렵지만, 이에 관한 연구도 시도되고 있다. • 그러나 인간이 걷고, 말하고, 자전거를 타고, 자동차 운전을 할 때, 의식적으로 심사숙고해서 의사결정을 하는 것이 아님 • 인간의 기술은 그 자신의 일부이므로 그 기술을 인지할 필요가 없다는 것은마치 그가 일상적 동작에서 그 자신의 몸을 움직이는 것을 낱낱이 알 필요가 없는 것과 마찬가지이다. 따라서 인간을 궁극적으로 모방하려는 시도는 많은 한계를 가지고 있다.

46. (6) 질서와 혼돈의 본성 ■ 예측 불가한 혼돈(CHAOS)상태 • 단순화된 질서 파괴되어 혼돈상태로 전 이하는 과정 이해하는 새로운 방법론이 20 세기 후반기인 현재 급속히 발전 • 전이과정을 분석 결과 혼돈상태는 예측 불가능하고 이해할 수 없는 대상이 아니라 그 속에 전에는 몰랐던 새로운 규칙 성 내재 발견, 서로 연관된 새로운 질서

47. ■ 카오스의 특성 • ① 초기 값에 관한 민감한 반응 • ② 나비효과 • ③ 프랙탈(자기닮음) • ④ 자기조직(생명력)

48. (2) 질서 속의 혼돈, 혼돈 속의 질서 ■ 동역학과 결정론 • 고대인은 우주를 혼돈: 카오스(chaos)라는 말은 원래 우주 → 행성의 운동(규칙성) → 근대에는 세계가 혼돈이 아니라 질서라는 새로운 사고 • 결정론: 초기 조건이 하나로 결정되면 나중의 상태도 정확하게 한가지로 결정된다는 의미.

49. 기원전 8세기 고대 그리스 시인 헤시오도스(Hesiodos)의『신통기Theogoneia』 - 질서 정연한 우주가 생기기 이전에 큰 혼돈상태인 카오스(khaos) → '망망한 허공' - 카오스로부터 에레보스(어둠)와 뉴크스 (밤), 가이아(대지), 타르타로스(저승) → 아이텔(하늘의 빛, 정기)과 헤메라(땅의 빛, 낮) → 질서의 세계인 코스모스 • 질서: 질서가 있다는 것은 곧 예측

50. ■ 실제 세계와 혼돈 현상 • 실제 세계에는 얼른 보기에 결정론적으로 움직이는 것 같지 않은 현상이 많음 • 혼돈이라고 부르는 것도 자체로는 질서 : 마구잡이(random)의형태가 아닌 놀랄만한 규칙성이 있음을 의미 • 혼돈 현상의 발견이 제 3의 혁명이라고 주장: 새로운 패러다임(paradigm)