반도체 기술로 여는 양자기술 미래

시공간 넘나드는 과학적 원리 핵심
기술영향 평가 대상으로 투자 박차
美 주도 다자 협의체 13번째 참여국
고군분투 속 기술 후발주자로 한계
미세한 공정 요구하는 ‘양자소자’
반도체로 축적한 우리 인프라 활용
양자소자 분야서 기술패권 쥘 수도
KIST, 작년부터 개방형 공동 연구
내년까지 서울시와 양자랩 설치
정부·지자체 전방위 적극 지원도

최근 공개된 넷플릭스 ‘삼체’는 2015년 아시아 최초로 SF 소설계의 노벨상이라고 불리는 휴고상을 수상한 중국 작가 류츠신의 소설을 영상화한 드라마다. 5명의 과학자가 인류의 운명을 결정하는 거대한 위협을 해결하는 모습을 담고 있다. 이 드라마에서 외계인은 다차원의 우주 공간에서 양자 기술을 이용해 순식간에 다른 우주로 이동하거나 지구의 문명에 대한 정보를 실시간으로 주고받으며 인류를 위협한다. 이처럼 양자과학기술은 그것을 연구하는 과학자들만의 관심 대상이 아니라 드라마나 영화의 소재가 될 정도로 일반인들의 관심이 높은 주제다.높아진 관심과 인식은 정부에서 진행하는 기술영향평가 선정결과에도 반영되고 있다. 기술영향평가는 경제·사회적 파급효과가 큰 미래 신기술을 매년 선정해 이 기술이 사회에 미치는 다양한 영향을 사전에 논의하는 장이다. 전문가와 일반 시민들이 위원으로 참여한다. 2001년 과학기술기본법 제정으로 의무화됐고 정부는 2003년부터 주요 미래 기술을 선정해 이를 대상으로 기술영향평가를 실시해 왔다. 최근에는 ‘레벨4 이상의 자율주행’(2021년), ‘합성생물학’(2022년) 등이 논의된 바 있다.

그리고 지난해엔 ‘양자과학기술’이 기술영향 평가 대상으로 논의됐다. 양자기술에 대한 대중들의 높아진 인식이 반영된 것으로, 향후 양자과학기술에 대해 집중적인 투자로 이어질 것임을 예상할 수 있게 한다. 이번 기술영향평가를 통해 양자과학기술의 분야별 파급효과와 그에 따른 정책 제언을 도출했는데 경제 분야에서는 국내 양자 생태계의 조성 및 표준화 연계기술 개발, 사회 분야에서는 상호협력 유도 및 교육 지원, 법률·규제 측면에서는 양자기술 발전을 위한 제도 마련 등이 제시된 바 있다.아쉬웠던 점은 양자과학기술에 대한 여러 의견 가운데 ‘어렵다’는 내용이 여전히 포함돼 있다는 사실이다. 그 와중에 다행인 것은 ‘어렵다’는 의견이 시간이 지날수록 조금씩 줄어들고 있다는 점인데 ‘양자’ 자체에 대한 깊은 이해는 당연히 어려울 수 있지만, 영화나 드라마에서 양자 개념을 이해하는 가운데 양자과학기술에 대한 관심이 생겨나고 있는 것처럼 점점 익숙해지고 있는 추세라는 점은 희망적이다.

양자과학기술 분야의 경우 선진국과의 기술 격차가 크다는 인식은 무겁게 생각해 볼 필요가 있다. 우리나라가 관심을 가지고 양자과학기술을 대하기 시작한 것이 비교적 최근의 일이고 많은 나라들은 이미 오래전부터 깊은 관심과 투자를 계속해 왔기 때문에 2020년 한국과학기술기획평가원(KISTEP)의 기술수준 평가에서도 확인할 수 있었듯이 현재 우리 양자기술은 최고 선도국 대비 62.5% 정도 수준이다.비록 우리나라가 지난해 4월 미국이 양자과학기술 선도국을 중심으로 운영하고 있는 정부 간 양자 다자협의체(일명 ‘2N vs 2N’)에 열세 번째 국가로 참여하는 등 기술격차 해소를 위해 노력하고 있지만 ‘13’이라는 숫자가 나타내고 있듯이 우리는 후발주자다. 빠르게 리딩 기술을 확보해 추월하지 못하면 선진국이 주도하는 협력체계에서 설 자리가 줄어들 것은 불 보듯 뻔하다. 그런 점에서 스위스가 오랜 기간에 걸쳐 축적해 온 나노, 재료, 광학 분야의 기술을 접목해 단기간 내에 양자 강국으로 도약한 사례는 시사하는 바가 크다.

그렇다면 우리는 어떤 길을 택해야 할 것인가. 반도체 공정기술은 우리나라가 현재 세계를 선도하고 있는 분야로 스위스의 나노, 재료, 광학 분야처럼 우리만의 축적된 내공을 보유하고 있다. 그런데 나노미터 크기에서 나타나는 양자현상을 응용한 양자소자는 양자과학기술을 구성하는 기본요소이고 극한의 미시세계를 다루어야 한다. 때문에 현존하는 기술 가운데 가장 미세하고 정교함이 요구되는 반도체 공정기술을 이용해 만드는 것이 최선의 방법이라는 게 학계의 다수가 동의하는 부분이다. 반도체 전문가인 필자는 이와 관련해 이미 구축돼 있는 풍부한 인프라와 다양한 인력풀을 최대한 활용한다면 양자소자 분야에서 우리나라가 지속적인 기술 우월성을 갖고 기술패권 시대를 열어 갈 수 있을 것이라는 조심스러운 기대를 하고 있다.

한국과학기술연구원(KIST)은 지난해부터 연구소와 대학, 산업계의 연구 역량을 결집해 국가 차원의 양자핵심기술 개발을 위한 개방형 양자공동연구사업을 운영하고 있다. 사업에 참여하고 있는 연구자들은 단순히 연구 성과를 공유하는 것이 아니라 기존의 학제·기관 간 경계를 허물고 산업계 수요에 기반한 공동 프로젝트 수행을 통해 문제해결형 원천기술을 확보하는 것을 목표로 하고 있다. 이 과정에서 현장형 전문인력을 지속적으로 양성함으로써 양자 선도국가로 발돋움하기 위한 밑바탕을 튼튼히 다지는 역할 또한 담당하고 있다. 한편 KIST는 2025년까지 서울시와 함께 융합연구를 위한 개방형 양자팹·양자랩 또한 설치할 예정이다.기술영향평가 결과에서도 언급하고 있듯이 양자소자를 반도체 기술을 기반으로 제작하기 위한 기술 외적인 기반도 준비되는 등 분위기가 무르익고 있다. 지난해 10월 31일 제정된 양자과학기술 및 양자산업 육성에 관한 법률(양자기술산업법)이 그 토대가 될 것이다. 이와 더불어 최근에는 경기도가 양자산업과 관련해 조례 제정을 추진하는 등 양자산업에 대한 적극적인 지원은 중앙정부를 넘어 지방자치단체로 확산되고 있다.

얼마 전까지만 해도 모두가 어렵게만 느꼈던 양자과학기술에 대한 개념이 점차 익숙해지고 있는 것처럼 아직은 다소 멀게 느껴지는 선진국과의 기술 격차도 우리가 그동안 축적해 온 반도체 기술 분야의 강점과 오랜 시간 지속적으로 다져 온 개방형 연구체계, 거기에 정부와 지자체의 법률 및 정책적 지원에 이르기까지 전방위적인 지원을 받을 수 있다면 빠른 시간 내에 극복할 수 있다고 생각한다. 누군가는 너무 낙관적이라고 생각할지 모르지만 내 상상 속에서는 이미 KIST에 세워진 양자팹에서 산학연의 전문가들이 모여 반도체 기술을 활용한 다양한 방식의 양자 연구를 수행하고 있는 모습이 그려진다.

김형준 KIST 차세대반도체연구소장

■김형준 소장은

서울시·과기부 제공초전력 반도체 소자 및 공정 분야 전문가로 KIST에서 17년간 전자·반도체 분야 원천기술 연구를 수행해 왔다. 반도체에 기반한 차세대 컴퓨팅 및 양자 원천기술을 개발하고 있다.