동국대학교 양자기능반도체연구소 초빙교수 · 이 승 주
제 1 , 2 , 3 차 산 업 혁 명 을 거 치 면 서 또 한 2 0 1 6 년 도 에 있 었 던 다 보 스 포 럼 에 서 부 터 연 유 된 제 4 차 산 업 혁 명 이 시 작 되 어 세 계 각 국 이 4 차산업혁명에 관심을 집중시키고 있음을 볼 때 과학자의 입장에서 보는 시각을 조금 기술해 보고자 한다.
제1, 2, 3차 산업혁명 개관
18세기 후반 서구 유럽을 중심으로 시작된 보다 큰힘을 얻을 수 있고 생산 속도를 증가시킬 수 있는 동력의 변화(제1차 산업혁명; 동력혁명)는 영국에서 증기기관을 발명함으로서 그 꽃을 피우게 되었다. 이 증기기관은 바로 기관차와 선박에 장착되어, 보다 빠른 속도로 더욱 먼거리를 내왕 할 수 있게 해 주었다. 특히 선박의 경우는 서구 유럽 열강들의 식민지 개척에 사용되었고, 아프리카의 희망봉을 넘어, 인도, 아시아에까지 그 영향력을 미쳤다.
서쪽으로 진출한 경우는 아메리카 신대륙도 발견하게 되었다. 그중에서도 영국은 전 세계 곳곳에 식민지를 가지게 되어 지구상에서 해가 지지 않는 “대영제국”을 건설하게 되었다. 이렇게 제1차 산업혁명은 조그마한 섬나라 영국을 “대영제국”으로 만들었다.
제2차 산업혁명은 그 시기를 19세기에서 20세기 후 반 까 지 로 보 고 있 으 며 전 기 동 력 을 이 용 하 고컨베이어벨트를 사용하여 대량생산체계를 이룰 수 있도록 하였으며, 이를 통한 “자동화 혁명”이라고 말 할 수 있겠다. 이 2차 산업혁명은 미국을 세계 최고의 제조업 대국으로 지위를 구축하는 데 기여하였으며 나아가 “대미제국”이 되었다.
제3차 산업혁명은 “제2차의 동력혁명”이라고 할 만큼그 스킴(scheme)의 변화가 크게 일어났으며, 20세기 후반의 전자기기, 정보통신의 발달로 인한 소위 “디지털 혁명”은 기계공학 베이스의 이전 산업사회에서, 전자 반도체 기반의 지식 정보화 사회로의 큰 변혁을 이루었다. 이 3차 산업혁명 시기에 빛을 본 나라 중의 하나가 우리 대한민국이라고 생각되며, 이 시기에 정부에서도 “산업화는 늦었지만 정보화는 앞서가자”라는 캠페인을 벌여서 큰 효과를 보았다. 그래서 디지털 제조업의 국제경쟁력이 크게 부상하였으며 지금도 메모리 LED 등의 분야에서 세계 일류를 유지하고 있다. 이렇게 볼 때 제3차 산업혁명시기부터 반도체의 역할이 더 할 수 없이 커지게 되었다.
제4차 산업혁명
여기서 이야기하고자 하는 제4차 산업혁명은 2016년에 있었던 “다보스포럼”이 발단이 되어, 어떻게 보면 인위적으로 생긴 “초연결혁명” 또는 “초융합혁명”시대의 시작이 되었다. 다른 측면에서 보면 디지털 산업혁명 시대가 완전히 성숙하기도 전에 섣불리 정치가들이 자기들 구미에 맞게 그 시간을 좀 더 앞당겨 정치적으로 구현해 보고자 한 것이 아닌가 하는 생각이 든다. 그 일례로 제3차(디지털)산업혁명 시대의 근간이라고 볼 수 있는 반도체 메모리의 집적도는 계속 높아지고 있고, 새로운 전도 현상을 띄는 2차원 물질인 그래핀(graphene)과 그와 유사한 2차원 물질(2D materials)들이 계속 새로이 발견되고 연구되고 있기 때문에 디지털 산업혁명은 계속되고 있다고 과학기술적인 입장에서는 볼 수도 있다는 것이다.
이런 관점을 양보하여, 제4차 산업혁명이 시작되어 진행되고 있다면 과연 어떤 방향으로 초연결-초융합이, 어떤 것들이 elements가 되어 진행될 것인가를 진단해 보는 것은 매우 흥미로운 일이 아닐 수 없다. 초연결 초융합을 위한 Mixing 융합을 이야기하기 위하여 자연과학의 큰 법칙 중의 하나인 엔트로피(entropy) 증가 법칙을 들고, 이에 따르면 Mixing(융합, 혼합)은 엔트로피를 증가시킨다. 이법칙을 제일 잘 이용한 나라가 미국이 아닌가 생각된다.
미국이란 나라 자체가 세계의 모든 나라로부터 모여드는 이민으로 이루어진 나라이니 모든 인종과 문화의 Mixing에 의하여 엔트로피는 계속 증가하고 있으며 그 이득도 톡톡히 보고 있다. 두 가지 예를 들면, 첫 번째는 유대인 이민자들에 의한 원자폭탄 개발이었다. Albert Einstein은 Roosevelt 대통령에게 핵 개발을 건의하였으며, Julius R. Oppenheimer는 그 임무를 수행하여 2차 세계대전의 승리를 미국에 안겼다.
두번째는 우리 한국인 이민자의 Si MOSFET 개발입니다. 1959년에 Bell Lab의 Dawon Kahng 과 Martin M.Atalla가 처음으로 MOSFET을 발명하여, 미국이 제3의 산업혁명에서 주도적 역할을 할 수 있게끔 기여하였다. ( Atalla의 거듭된 실패를 Kahng이 최종적으로 성공시켰다.) 이렇게 미국이란 나라는 Mixing의 재미를 제대로 보아서 아무도 “대미제국“이란 말을 쓰지 않지만, 대영제국 이후 제2차 산업혁명 이후, 계속하여 대미제국으로 군림하고 있으며, Dawon Kahng의 기여로 인하여 제3차 산업혁명을 주도하고 있으며 앞으로도 그럴 것이다.
미래의 초융합은?
앞으로 제4차 산업혁명 시대는 어떻게 진행될 것인가?
사실 누구도 잘 모른다. 그러나 많은 사람은 IoT, Big Data, AI, Robot, 나노기술, 양자전산, 바이오기술, IIOT, 5G, 3D프린팅, 자동주행 자동차 등을 이야기한다. 이러한 기술과 그 융합기술들을 보면, 앞으로 반도체의 중요성은더 커져서, 열적, 전기적, 자기적, 광학적, 압전적, 유체적, 양자적 등 여러 가지 특성과 저차원적 특성 (2차원의 양자우물, 1차원의 양자세선, 0차원의 양자점)을 결합하여 여러 가지 센서 및 프로세서로서 또한 메모리는 저장용에 비메모리는 연산 등 대용량의 정보처리에 사용되기 때문에그 요구는 기하급수적으로 늘어날 것이다.
이제까지의 발전추세와 주도권, 관성으로 볼 때 다음 세대에서도 미국이란 나라가 첨단과학과 첨단기술, 첨단소재, 첨단소자, 첨단OO, 첨단XX 등 첨단끼리 초연결·초융합하여 다음 세대의 초연결 산업사회를 주도해 나가지 않을까 감히 짐작해 보며 그 가운데 우리 한국도 포함되어 있기를 간절히 바란다.
필자소개 :
서울대학교 물리학과 및 동 대학원 졸업
SUNY/Buffalo PhD, Princeton Univ Post Doc 육군사관학교 교수 준장예편
동국대학교 교수역임
한국물리학회 부회장 및 JKPS 새물리 편집위원장
미국물리학회(APS) 종신석학회원(Life Fellow)
IUPAP 반도체위원회 위원 및 부위원장 역임