이코노미조선
I-2. 100대 미래기술 탐구

I-2. 100대 미래기술 탐구


기사입력 2014.01.28 14:37

뇌 - 컴퓨터 인터페이스 기술

생각만으로 각종 기기 움직이는 시대 온다 


- 두 팔을 쓸 수 없는 환자가 BCI 기술을 적용한 로봇팔을 움직여 음료를 마시고 있다.

사 람의 생각을 컴퓨터가 인지하거나 혹은 사람의 생각만으로 기계장치 등을 움직일 수 있을까. 그야말로 공상과학 속에서나 볼 수 있었던 장면이 머지않아 현실화할 것으로 보인다. 이른바 ‘뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI·Brain-Computer Interface)’ 기술의 발전 덕분이다.

BCI는 뇌에서 나오는 신경신호를 컴퓨터로 측정·분석해 외부 기기를 제어하거나 외부와의 의사소통을 가능하게 하는 기술을 말한다. 사람의 두뇌는 신체동작을 의도하거나 외부 자극에 반응할 때 일부 영역에서 뇌파(뇌 활동에 의해 발생하는 미세전류)가 변화한다. 이 뇌파 변화를 통해 사람의 생각과 의도를 읽는 게 바로 BCI 기술이다.

BCI는 1973년 미국 UCLA의 비달 교수 연구팀이 처음 개념화했다. 하지만 본격적으로 연구개발이 활발해진 것은 2000년대 들어서부터다. 전 세계적으로 BCI를 연구하는 그룹은 2002년 20여개에 불과했으나 지금은 500개 이상으로 크게 늘어났다. 연구자들이 많아지면서 기술발전 속도도 빨라지고 있다. IBM은 지난 2011년 ‘5년 내에 우리의 삶의 방식을 바꿀 5가지 기술’ 중에서 첫 번째 기술로 BCI를 지목한 바도 있다. 

BCI 기술은 향후 다양한 분야에서 상당한 파급효과를 낳을 것으로 전망된다. 우선 의료 및 재활 분야에서 쓰임새가 매우 크다. 특히 신경손상으로 팔다리를 사용할 수 없는 환자들이 인공 팔이나 전동 휠체어를 생각만으로 움직일 수 있게 함으로써 일상생활을 가능하게 한다. 또 루게릭병(운동신경세포만 선택적으로 파괴되는 질환) 중증환자처럼 외부와의 의사소통이 불가능한 사람들의 생각을 읽을 수도 있게 된다. 국내에서는 임창환 한양대 전기·생체공학부 교수 등이 환자들이 뇌파로 의사소통을 할 수 있도록 하는 기술을 실험하고 있는 단계다.

BCI는 정보기술(IT) 분야에서도 차세대 기술로 주목받고 있다. 예를 들어 스마트폰 등 휴대용 기기나 웨어러블 컴퓨터에 BCI 기술을 적용하면 사용자들의 편의성을 극대화할 수 있다. 삼성전자는 미국 텍사스대 연구팀과 공동으로 생각만으로 작동하는 스마트기기 기술을 개발하고 있다. 인텔도 뇌파를 이용해 컴퓨터나 휴대용 기기를 움직이는 기술을 개발 중이다. 

BCI 기술은 궁극적으로 사람과 사람 사이에 서로 생각과 의도를 전달하는 ‘뇌-뇌 인터페이스’ 기술로 발전할 것으로 보인다. 2013년 미국 워싱턴주립대 연구팀은 한 사람의 뇌파를 다른 사람에게 보내 손가락을 움직이게 하는 실험에 성공하기도 했다.

임창환 한양대 교수는 “최근 BCI 기술의 잠재력에 관심을 가진 기업들이 늘어나면서 스마트기기나 웨어러블 컴퓨터와 연계시키는 기술 개발이 가속화하고 있다”며 “삼성전자, LG전자, 구글, 소니 등 글로벌 기업 상당수가 BCI의 실용화를 위한 연구를 진행하고 있다”고 말했다.

 

이산화탄소 포집·저장 기술

‘온실가스 주범’ 배출되기 전에 원천 차단


- 포스코는 포항제철소에 이산화탄소 포집시설을 시범적으로 설치해 운영 중이다.

전 세계적인 기후변화를 일으키는 지구온난화는 석유, 석탄 등 화석연료에서 배출되는 온실가스가 원인으로 지목되고 있다. 특히 이산화탄소(CO₂)가 지구온난화의 최대 주범으로 꼽힌다. 세계 각국이 이산화탄소 배출 규제를 엄격하게 강화해나가는 것도 지구온난화에 대응하기 위해서다.

현대 인류 문명은 화석연료에 대한 의존도가 절대적이다. 다양한 신·재생에너지가 개발되고 있지만 화석연료를 완전히 대체하는 것은 아직 요원한 일이다. 그런데 만약 이산화탄소 배출을 원천 차단하는 기술이 있다면 어떻게 될까. 화석연료 사용에 대한 부담감이 크게 줄어들 것이다. 이런 점에 착안한 것이 바로 이산화탄소 포집·저장(CCS·Carbon Capture and Storage) 기술이다.

CCS 기술은 화력발전소, 제철소, 시멘트공장 등 대규모 산업시설이 이산화탄소를 대기로 배출하기 전에 고농도로 포집한 다음 압축·수송해 안전하게 저장하는 기술을 총칭한다. 현존 기술 중에서 이산화탄소를 직접적·효율적으로 저감할 수 있는 가장 유망한 기술로 평가된다.

CCS 기술은 이산화탄소 포집·수송·저장 등 크게 3개의 요소기술로 나뉜다. 그 중 핵심은 전체 공정 비용의 70~80%를 차지하는 포집 기술이다. 특히 화석연료 연소 후 배기가스에 포함된 이산화탄소를 포집하는 ‘연소 후 포집 기술’은 기존 공정에 적용하기에 가장 용이한 기술로 꼽힌다. 이 기술은 흡수·흡착제, 분리막 등을 이용해 이산화탄소를 포집하는 방법이다. 현재 세계 각국은 이산화탄소 흡수제의 획기적인 성능 향상과 공정 개발에 초점을 맞춰 연구개발을 진행하고 있다.

정태성 한국에너지기술연구원 선임연구원은 “발전소, 제철소 등 이산화탄소 대량 배출원에 직접 적용해 이산화탄소를 포집하는 흡수액과 공정기술 개발을 진행하고 있다”며 “CCS 기술을 본격 상용화하려면 저비용·고효율의 흡수액과 공정기술을 개발하는 게 최대 관건”이라고 말했다.

전 세계 이산화탄소 배출량의 약 40%는 발전 분야가 차지하고 있다. CCS 기술이 실용화되면 2030년까지 발전 분야 이산화탄소 감축량의 약 25%를 떠맡을 것으로 예상된다. 2050년께에는 그 비율이 약 40%로 늘어날 것이라는 전망이다.

국제에너지기구(IEA)는 세계 각국에 2012년 이후 신규 건설되는 화력발전소에 CCS 공정을 적용할 것을 권고하고 있다. 또 경제협력개발기구(OECD) 회원국을 대상으로는 2020년 이후 신규 화력발전소에 CCS 설비 추가 의무화를 추진하고 있다. 따라서 2020년대에는 CCS 분야에서도 세계 시장이 본격적으로 형성될 것으로 전망된다. 미국, 유럽, 일본, 캐나다, 호주 등 주요 선진국들은 벌써부터 CCS 기술을 미래 신성장동력으로 설정해 시장 선점을 위한 상용화를 발 빠르게 추진하고 있다. 특히 미국은 2015년까지 CCS 실용화를 위한 기술적 검증을 완료한다는 목표로 범 부처 프로젝트를 진행 중이다.

 

디지털 홀로그래피 기술

실물과 똑같은 완전입체 3D영상 구현 목표


- 영화 <아바타>에서는 디지털 홀로그래피 기술로 완벽한 3D 입체영상을 구현하는 장면이 등장했다.

흔 히 홀로그램(Hologram) 하면 3차원(3D) 입체사진 혹은 입체영상을 쉽게 떠올릴 것이다. 이 홀로그램을 만들어내는 기술이 바로 홀로그래피(Holography)다. 홀로그래피는 빛의 간섭효과를 이용해 실제 물체와 다름없는 3차원 입체 정보를 기록하고 구현하는 기술이다. 

현재 홀로그래피 기술은 다양한 분야에서 활용되고 있다. 우선 홀로그램은 복제가 매우 어려운 특성을 가졌기 때문에 지폐, 신용카드, 신분증 등의 보안 및 인증 수단으로 널리 쓰인다. 또 포장, 의류, 출판 분야에서도 쓰임새가 많다. 나아가 홀로그래피 기술을 활용하면 정밀한 물체 정보를 얻을 수 있어 스캐너, 의료기기, 산업용 시험장비 등에도 널리 사용되고 있다.

이 홀로그래피 기술이 디지털 기술과 결합된 것이 바로 ‘디지털 홀로그래피’다. 디지털 홀로그래피는 홀로그램의 특성을 디지털로 구현할 수 있기 때문에 아날로그 홀로그래피보다 훨씬 큰 가치를 제공한다. 특히 3차원 객체 정보를 디지털로 획득, 관리, 처리, 편집할 수 있는 데다 압축 및 전송까지 가능하기 때문에 동영상 홀로그램을 만드는 게 가능하다. 최근 각광받는 기술로 떠오른 3D 실감(實感) 영상을 구현할 수 있는 ‘궁극의 기술’로 주목받는 것도 그 때문이다.

강훈종 전자부품연구원 디지털홀로그래피연구팀 팀장은 “디지털 홀로그래피 기술은 산업적으로 볼 때 디스플레이 분야가 가장 유망하다”며 “현재 홀로그램을 구현하는 3차원 디스플레이를 만들 수 있는 원천기술을 집중적으로 연구하고 있다”고 말했다.

디지털 홀로그래피가 차세대 블루오션으로 부상하면서 세계 각국의 연구개발도 활발해지고 있다. 특히 일본은 2022년 월드컵 대회 기간에 홀로그래피 TV(Holo-TV) 방송을 내보낸다는 계획을 추진하고 있어 주목된다. 미국, 유럽도 디지털 홀로그래피를 구현할 다양한 원천기술 확보에 대대적인 역량을 투입하고 있는 것으로 알려졌다. 국내에서도 2011년 정부의 연구개발 사업 과제로 디지털 홀로그래피가 채택되면서 원천기술 개발이 본격화되고 있다. 하지만 국내 디지털 홀로그래피 기술은 아직 선진국의 50% 수준에 그치고 있다는 분석이다.

한국전자통신연구원은 2012년 디지털 홀로그래피의 유망산업 분야를 조사한 바 있다. 이 조사에 따르면 전문가들은 방송, 광고, 전시, 공연, 테마파크 등 콘텐츠산업을 디지털 홀로그래피의 유망시장으로 꼽았다. 아울러 기술적 장벽이 높은 디스플레이 분야에서도 2030년 안에 모바일기기, TV, 영상회의 시스템 등에 디지털 홀로그래피 기술이 구현될 수 있을 것이라는 전망이다.

세계 홀로그래피 시장은 2011년 기준 약 143억달러 규모에 달했는데, 앞으로 디지털 홀로그래피 기술의 쓰임새가 커지면서 연 평균 14% 안팎의 높은 성장세를 이어갈 것이라는 예상이다. 특히 디스플레이 분야에 디지털 홀로그래피가 본격적으로 활용되는 2025년쯤에는 1000억달러에 육박하는 시장을 형성할 것으로 보인다.

 

특수목적용 로봇 기술

전쟁터·재난현장서 활약하는 로봇 등장 ‘눈앞’


- 한국생산기술연구원이 개발한 다족형 로봇 ‘진풍’이 보행하고 있다.

지 난 2005년 미국 로봇개발업체 보스턴다이내믹스(Boston Dynamics)는 네발 달린 로봇 빅독(Big Dog)을 세상에 선보였다. 빅독은 이름처럼 덩치 큰 개 모양을 가진 데다 무거운 짐을 지고 시속 6km로 보행할 수 있어 큰 주목을 받았다. 이른바 다족형(多足型) 로봇의 탄생을 알리는 신호탄이었다.

보스턴다이내믹스는 빅독을 발판으로 더욱 진화한 형태의 네발 로봇을 잇달아 개발해왔다. 빅독보다 더 크고 빠르고 힘센 알파독(Alpha Dog), 시속 30km 속도로 빠르게 달릴 수 있으면서 방향전환도 자유로운 와일드캣(Wild Cat), 시속 45km 이상의 고속 주행이 가능한 치타(Cheetah) 등이 보스턴다이내믹스가 탄생시킨 다족형 로봇들이다.

보스턴다이내믹스는 미국 국방부 산하 군사기술 연구기관인 방위고등연구계획국(DARPA)의 협력과 지원을 받아 로봇기술을 개발해왔다. 다족형 로봇이 주로 군사 분야에서 활용가치가 높기 때문이다. 최근 보스턴다이내믹스는 구글에 인수돼 또 한번 큰 주목을 받았다. 구글은 로봇기술 관련 기업들을 8개나 사들여 세간의 비상한 관심을 받고 있기도 하다.

우리나라도 다족형 로봇 기술 분야에서 비교적 앞서가고 있다는 평가다. 한국생산기술연구원은 지난 2008년 네발 로봇 ‘진풍’을 탄생시켰다. 진풍은 키 120cm, 무게 120kg 정도의 덩치로 시속 5km 정도로 보행할 수 있다. 또 무게 60kg 이상의 짐을 지고 30도 경사의 언덕 지형을 올라갈 수 있으며, 장애물이 있는 지형에서도 균형을 잃지 않고 걷는다.

박상덕 한국생산기술연구원 로봇연구실용화그룹 그룹장은 “처음에는 산이 많은 우리나라 지형의 특성을 고려해 군사용 목적으로 다족형 로봇 연구개발을 시작했다”며 “다족형 로봇은 산사태나 건물붕괴 등 재난 현장에서 사람을 대신해 구조활동을 하는 데도 활용할 수 있다”고 말했다.

다족형 로봇은 사람처럼 두발로 걷는 로봇과는 여러 면에서 차이점이 있다. 무엇보다 다리가 많을수록 안정적으로 균형을 잡을 수 있다. 또한 두발 로봇보다 훨씬 빨리 달릴 수 있다는 장점도 있다.

한국생산기술연구원은 4족 보행이 가능한 다리 메커니즘과 액추에이터(Actuator: 작동장치), 제어기, 센서 등 다양한 기술을 총동원해 진풍을 개발했다. 특히 보행과 자세 제어를 위한 센서 시스템과 보행 알고리즘 개발로 상당한 기술력을 과시했다. 박상덕 그룹장은 다족형 로봇 외에 비행 로봇, 웨어러블 로봇(Wearable Robot: 사람이 착용할 수 있도록 만든 근력 보조 및 강화 로봇) 등도 개발하고 있는 중이다.

현재 한국생산기술연구원은 전자부품연구원, 포항지능로봇연구원, 소방방재청 등과 공동으로 산업통상자원부의 ‘국민안전·건강로봇’ 연구개발 프로젝트 참여를 추진하고 있다. 이 프로젝트를 통해 대형사고나 재난에 대응할 수 있는 다족형 로봇을 개발한다는 목표다.

 

가스하이드레이트 생산 기술

‘불타는 얼음’ 확보해 에너지 자립 ‘깃발’


1. 동해 울릉분지 내에서 채취한 가스하이드레이트에 불을 붙여 연소시키는 장면.
2. 동해에서 채취한 가스하이드레이트. 하얀 부분이 가스하이드레이트다.

흔 히 ‘불타는 얼음’이라는 별칭으로 잘 알려진 가스하이드레이트(Gas Hydrate)는 천연가스가 저온·고압 상태에서 물 분자와 결합해 하얀 눈처럼 고체화된 물질을 말한다. 여러 종류의 가스하이드레이트가 있지만 에너지원으로 사용되는 것은 주로 메탄가스하이드레이트다. 가스하이드레이트는 석유나 천연가스와 달리 세계 전역에 골고루 분포돼 있는 데다 천연가스보다 부존량이 더 많아 미래 청정에너지로 주목받고 있는 자원이다.

가스하이드레이트는 주로 알래스카 등지의 영구 동토층 지하나 수심 1000m 이상 되는 심해저 지층 안에서 형성된다. 생산의 용이성이나 경제성 측면에서는 육상 가스하이드레이트가 월등히 우수하다. 하지만 육상 가스하이드레이트가 부존돼 있는 국가는 미국, 캐나다, 러시아 정도밖에 없기 때문에 대다수 국가는 해저 가스하이드레이트 개발에 초점을 맞추고 있다.

현재 가스하이드레이트 개발에 나선 국가는 전 세계적으로 10개국을 넘는다. 그 중 가스하이드레이트 실물 채취에 성공한 나라는 미국, 일본, 중국, 인도, 한국 등 5개국에 불과하다. 하지만 상용화가 가능한 수준의 생산기술을 확보한 국가는 아직 없는 상태다. 일본과 미국은 각각 2018년과 2025년에 가스하이드레이트 상용화를 달성한다는 계획이다. 한국은 2020년 전후로 상용화 기반을 구축한다는 목표다.

우리나라는 지난 2007년 동해 울릉분지 내에서 대규모 가스하이드레이트 퇴적층이 확인되면서 채취 및 생산기술 연구개발을 본격화하기 시작했다. 동해 울릉분지 가스하이드레이트 퇴적층은 해저 2100m 깊이의 지층을 200m 정도 더 파고 들어간 지점에 광범위하게 형성돼 있다. 부존 지역이 심해저 지층이어서 생산기술 확보가 쉽지 않다는 게 전문가들의 판단이다.

하지만 국가 에너지 자급률 제고와 에너지 안보를 목표로 정부와 산·학·연의 협력체계를 통해 생산기술 확보를 위한 연구개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 그 덕분에 한국은 가스하이드레이트 개발 분야에서 세계적으로 선두권에 있는 것으로 평가된다.

특히 한국지질자원연구원과 한국과학기술원이 공동 연구한 ‘치환법’은 기존의 가스하이드레이트 생산방식의 한계를 뛰어넘는 기술로 세계적인 주목을 받은 바 있다. 치환법은 가스하이드레이트에 이산화탄소를 주입해 메탄가스를 추출해내는 방식이다. 가스하이드레이트 구조는 그대로 유지하면서 메탄과 이산화탄소를 ‘맞교환’하는 원리다. 이 치환법은 가스하이드레이트 생산과정에서 발생할 수 있는 지층 불안정을 원천적으로 막을 수 있다는 것도 큰 장점이다.

김세준 한국지질자원연구원 가스하이드레이트연구실 실장은 “한국은 세계 5번째로 가스하이드레이트 실물 채취에 성공했을 뿐 아니라 세계 3번째로 부존량 정밀평가를 완수했다”며 “2015년에는 울릉분지 내에서 세계 2번째로 해저 가스하이드레이트 생산실험을 실시할 계획도 검토 중”이라고 말했다.


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