스마트폰을 작동시키는 놀라운 화학

스마트폰이 어떻게 작동하는지 궁금해 보신 적 있나요? 과학자 캐시 멀저와 함께 원자 단계까지 여행을 떠나보세요. 고성능 기기의 거의 모든 부품이 사람들이 흔히 생각하는 실리콘 밸리 기업가가 아닌 화학자 덕분에 존재한다고 합니다. 캐시 멀저에 따르면 "화학은 전자 통신의 진정한 영웅"입니다.

고등학교 시절
새 노키아 핸드폰이 생겼을 때

분홍색 공주 그림 무전기를 대신할

새 멋진 핸드폰 정도로만 여겼죠.

핸드폰이 생기고 나서는
어디에 있든지 친구들과

연락할 수 있었습니다.

뒤뜰에서 뛰어다니며

그렇게 하는 척이 아니라요.

솔직히 말해볼게요.

그 당시엔, 이 기기를 어떻게 만드는지
별 관심이 없었습니다.

크리스마스 아침에 선물로 받곤 해서

산타 마을에서 요정들이
만들었다고 생각했죠.

질문 하나 하겠습니다.

이 기기를 만드는
진짜 요정은 누구일까요?

주변 사람들에게 물어보면,

실리콘 밸리에서 코드를 짜는
후드 차림의 소프트웨어 엔지니어라고 할 거예요.

그런데 코드가 작성되기 전에

이 기기엔 많은 일들이
일어나야 합니다.

이 기기는 원자 단계에서부터
시작합니다.

제게 물어보신다면,

진짜 요정들은 화학자입니다.

맞아요, 화학자들이에요.

화학은 전자 통신의 영웅입니다.

그리고 오늘 제 목표는
여러분이 이에 동의하도록

설득하는 것입니다.

좋아요, 시작해 봅시다.

이 중독성이 강한
기기 내부를 살펴봅시다.

화학이 없다면,

우리가 좋아하는 초고속 정보 통신망은

정말 비싸고 빛나는
문진에 불과할 것입니다.

화학은 이 모든 층이 작동하게 합니다.

디스플레이부터 시작해 봅시다.

우리가 정말 좋아하는
밝고 선명한 색상은

어떻게 만들어질까요?

제가 알려드릴게요.

디스플레이 안에는
유기 폴리머가 내장되어 있어요.

유기 폴리머는 전기를
우리가 사진 속에서 즐기는

파랑, 빨강, 초록으로 바꾸죠.

배터리로 내려가 볼까요?

이 부분은 좀 복잡합니다.

우리는 어떻게
기존 배터리의 화학 원리를

새로운 상부 전극과
연결 지을 수 있을까요?

그래서 우리가 더 많은 전하를
더 작은 공간에 넣고,

하루 종일 스마트폰을
사용하도록 말이죠.

우리가 셀카를 찍는 동안

배터리를 재충전하거나

콘센트에 꽂아두지 않고도요.

자주 사용해도 견딜 수 있도록

모든 부품을 연결해주는
접착제도 있습니다.

저는 밀레니얼 세대로서

하루에 최소 200번은
스마트폰을 꺼내서 확인하는데

그러다가 두세 번
떨어뜨리기도 합니다.

그런데 이 기기의
진짜 두뇌는 뭘까요?

무엇이 이걸 우리가 좋아하는 방식대로
작동하게 만드는 걸까요?

그 모든 것은
인쇄 회로 기판에 붙어 있는

전기 부품 및 회로와
관련이 있습니다.

생물학적 비유를 선호하신다면

'마더보드'라는 건데,
들어보셨을 거예요.

인쇄 회로 기판은
많이 언급되지 않았는데

솔직히 왜 그런지 모르겠어요.

가장 덜 흥미로워서일 수도 있고

다른 멋져 보이는 층 아래에
숨겨져서 그럴 수도 있죠.

그러나 이 클락 켄트 층이

사실은 슈퍼맨이라는 것을 알아차리고
칭찬해 줄 시간입니다.

질문 하나 하겠습니다.

인쇄 회로 기판이
뭐라고 생각하시나요?

'마더보드'라는 단어를
떠올려 보세요.

살고 계신 도시에 대해
생각해 보세요.

자주 가는 곳들이 있을 거예요.

여러분의 집, 직장, 식당,

거리마다 있는 스타벅스처럼요.

그리고 그 장소들을 연결하는
도로가 있습니다.

그것이 바로 인쇄 회로 기판입니다.

식당 대신에 칩 상의 트렌지스터,

콘덴서, 레지스터 같은

전기 부품들이 있고

이것들을 연결하는
도로가 필요한 것입니다.

그러면 도로는 무엇이죠?

아주 작은 구리선을
도로로 사용합니다.

그럼 다음 질문입니다.

이 작은 구리선을 어떻게 만들까요?

구리선은 정말 작습니다.

하드웨어 상점에 가서

구리선 한 뭉치를 가져와

철사 끊는 기구로 싹독 싹독 자르면

쿵하고 나서,
인쇄 회로 기판이 생기나요?

절대 아니죠.

이 선들은 그러기엔 너무 작습니다.

그래서 우리는 우리의 친구
화학에 의존해야 합니다.

이 작은 구리선을 만드는
화학적 과정은

겉보기에는 간단합니다.

양전하를 띤 구리 이온
수용액으로 시작해 봅시다.

다음으로 거기에
절연 인쇄 회로 기판을 넣습니다.

그리고 양전하를 띤 이온에
음전하를 띠는 전자들을 공급해 줍니다.

포름알데히드를 넣어주는 방법으로요.

포름알데히드를 기억하실 거예요.

정말 독특한 냄새가 나고

생물 수업에서 개구리를
보존하는데 사용하죠.

그런데 그 외에도 다양하게 쓰입니다.

그리고 이 작은 구리선을 만드는데

정말 핵심 성분이에요.

포름알데히드의 전자는

양전하를 띤 구리 이온으로
이동하려고 합니다.

이건 모두 산화 환원 반응이라는
과정 때문입니다.

이 반응이 일어날 때,

우리는 이 양전하를 띤 구리 이온을

밝고 빛나는 전도성을 갖는 금속 구리로
석출시킬 수 있습니다.

전도성을 가진 구리가 만들어졌으면,

다 잘 된 것입니다.

이제 이 모든 전기 부품들이 서로

연결될 수 있어요.

화학에 다시 한번 감사해야겠네요.

한번 생각해 봅시다.

우리가 화학과 얼마나 멀리 왔는지
생각해 보세요.

분명히, 전자 통신에서

크기는 중요합니다.

기기의 크기를 어떻게
줄일 수 있는지 생각해 봅시다.

1990년대 잭 모리스 핸드폰에서

좀 더 멋진

주머니에 넣을 수 있는
스마트폰으로 진화해 왔죠.

그런데 현실적으로 보면

여성 바지 주머니에는
절대 아무 것도 들어가지 않아요.

여러분이 주머니가 있는
바지를 찾을 수 있다면요.

(웃음)

화학이 이 문제를
도와줄 순 없을 겁니다.

기기의 크기를 줄이는 것보다
더 중요한 것은

그 내부의 회로를
어떻게 줄이는지입니다.

그리고 100배 줄이는 걸 말해요.

회로를 미크론 단위에서

나노미터 단위로 줄이기 위해서요.

솔직히 말해보죠.

지금 우리는 모두 더 강력하고
빠른 스마트폰을 원합니다.

더 강력하고 빠른 것은
더 많은 회로를 필요로 합니다.

이걸 어떻게 할 수 있을까요?

마법의 전자기 축소 광선 같은 걸
가지고 하는 것이 아닙니다.

웨인 스잘린스키 교수의
"애들이 줄었어요" 영화에서

애들을 줄이는 것처럼요.

실수로 말이죠.

이게 가능할까요?

실제로 현업에서는 이와
매우 유사한 과정이 있습니다.

포토리소그래피라는 것입니다.

포토리소그래피에서,
우리는 전자기 방사선을 가지고,

아니면 빛이라고 부르기도 하죠.

빛을 이용하여 회로를 축소시킵니다.

그래서 더 많은 회로를 작은 공간에
밀어 넣을 수 있습니다.

이 공정에 대해 알아봅시다.

먼저 빛에 민감한 필름이 있는

기판이 필요합니다.

그 위에 미세한

원하는 회로 패턴의

마스크를 올려 놓습니다.

그 후 밝은 빛에 노출시키고
마스크에 빛을 쪼입니다.

이로 인해 표면에
패턴의 그림자가 생성됩니다.

빛을 받은 부분에서

화학 반응이 일어납니다.

이를 통해 패턴 모양이
기판에 형성됩니다.

그럼 형성된 패턴 모양에서

어떻게 선명하고 미세한 패턴을

나타나게끔 할 수 있는지
궁금하실 겁니다.

이를 위해 현상액이라는 화학 약품을

사용해야 합니다.

현상액은 특별합니다.

현상액은 빛에 노출되지 않은 부분을

선택적으로 제거하여

선명하고 미세한
원하는 회로 패턴을 남기고

우리의 소형화된 기기가
작동하도록 합니다.

우리의 기기를 만들기 위해서,

그리고 기기의 크기를 줄이기 위해
화학을 이용했습니다.

화학이 진정한 영웅이라고
여러분을 설득한 것 같군요.

그럼 끝내도 되겠네요.

(박수)

잠시만요, 안 끝났어요.

너무 빠르지 않게 합시다.

우리는 모두 인간이니까요.

인간으로서, 전 항상
더 많은 것을 원하죠.

스마트폰으로 더 많은 일을 하기 위해

화학을 이용하는 방법을
생각해 봅시다.

우리는 소위 5G라고 불리는
또는 다가올 5세대 무선 통신을

원한다고 이야기하고 있습니다.

요즘 광고에서 등장하고 있는

5G에 대해 들어보셨을 거예요.

아니면 2018년 동계 올림픽에서

보셨을 수도 있고요.

5G에 대해 가장 흥미로운 점은

늦어서 비행기를 타려고 뛰어갈 때

영화를 40초 만에 다운로드할 수
있다는 것입니다.

40분이 아니라요.

그런데 진정한 5G가 있으면

많은 영화를 다운로드하는 것보다

더 많은 일이 가능해요.

그럼 왜 진정한 5G가 아직 없을까요?

작은 비밀 하나를 알려드릴게요.

대답하기 매우 쉬운 문제예요.

하는 것 자체가 어려워서입니다.

5G 기기를 만드는데

기존의 물질과 구리를 이용하면

신호는 최종 목적지까지
도달할 수 없습니다.

기존에 우리는 구리선을 지지하는

거친 절연 층을 사용했습니다.

벨크로 접착포에 대해 생각해 보세요.

접착포가 서로 달라붙도록
표면이 거칩니다.

이 점은 매우 중요합니다.

박스에서 스마트폰을 꺼내

거기에 앱을 설치하는 시간보다

스마트폰이 오래 유지되길 바란다면요.

그런데 이 거친 면이

문제를 일으킵니다.
빠른 속도의 5G에서

신호는 거친 면과 가까이
이동해야 합니다.

그래서 최종 목적지 도달 전에
사라지게 되죠.

산맥에 대해 생각해 보세요.

산에 오르는 길이 복잡하면

여러분은 다른 길로
돌아가려 할 것입니다.

그렇지 않나요?

시간이 매우 오래 걸릴 수도 있고

길을 잃을 수도 있어요.

산을 오르락 내리락해야 한다면요.

평평한 터널을 따라

쭉 가는 게 아니라요.

5G 기기에서도 마찬가지입니다.

우리가 이 거친 면을 제거하면,

5G 신호를 중단 없이

똑바로 보낼 수 있습니다.

꽤 좋게 들리죠?

그런데 기다려 보세요.

달라붙게 하는데 거친 면이
필요하다고 방금 말씀드렸죠?

그걸 제거하면, 구리는 하부 기판에

붙어있지 않을 것입니다.

서로 맞물려 끼워진 레고 블록으로

집을 짓는 걸 생각해 보세요.

매끄러운 블록이 아니라요.

두 살 된 아이가 와서

고질라 놀이를 하려고 때려 부수면
둘 중 어떤 게

더 구조적으로 견고할까요?

매끄러운 블록에
접착제를 바르면요?

그것이 바로 산업이
기다리고 있는 것입니다.

화학자들이 구리선을 위한

향상된 접착력이 내재된
매끈한 표면을

설계하길 기다리고 있어요.

이 문제를 해결하면,

이 문제를 해결해낼 겁니다.

그러면 물리학자 및
엔지니어와 협력하여

5G의 모든 문제를 해결할 것입니다.

그럼 엄청나게 많은 분야에서
응용될 수 있어요.

자율 주행 자동차도
개발할 수 있어요.

데이터 네트워크가 속도와

그에 필요한 정보의 양을
처리할 수 있기 때문이죠.

상상력을 동원해 봅시다.

땅콩 알레르기가 있는 친구와
식당에 간다고 상상해 볼게요.

스마트폰을 꺼내서

음식 위에 흔들면

우리에게

정말 중요한 질문에 답을 해줍니다.

먹어도 안전한지 위험한지를 말이죠.

또는 우리에 대한 정보를

잘 처리해줘서

우리의 개인 트레이너가
될 수도 있어요.

가장 효과적으로 칼로리를
태우는 방법을 알려줄 겁니다.

제가 11월에

몇 키로를 감량하려고 했을 때

그 방법을 알려주는 기기가
있었으면 좋았을 거예요.

이를 표현할 다른 방법을 모르겠네요.

화학이 정말 멋지다는 말밖에는요.

화학은 모든 전자 기기들이
작동하도록 합니다.

다음에 문자를 보내거나 셀카를 찍을 때

열심히 일하는 원자들에 대해
생각해 보세요.

그리고 곧 다가올 혁신에 대해서도요.

어쩌면

이 강연을 듣고 계신
여러분 중 누군가가

여러분의 모바일 기기 상에서

화학 대장님의 조수가 되길

바랄지도 모르죠.

화학은 전자 기기의
진정한 영웅이니까요.

경청해 주셔서 감사합니다.

화학에도 감사를 표합니다.

(박수)