분자 단위의 구조물 제작이 가능하다면

이것도 굉장히 SF적인 이야기인 것을  알고 있기는 하지만,

'만약 3D프린터가 극도로 발전해서 분자 이하 단위에서 구조물 제작이 가능하다면 어떠할까?'

가 오늘 할 이야기의 주제입니다.

 사실 어렵게 이야기했지만 이야기의 내용은 간단한게, 그냥 3D프린터의 정밀도가 굉장하 올라가서 분자 단위의 배치가 가능한 수준이 가능해 진다면(그것도 다 종류의 분자로) 어떤 형태의 제품이 가능할지, 그리고 어떻게 설계를 해야 하는가 하는 점등을 유추해보고자 합니다.


 1)I'm printing my new mother board.
 사실 이런 3D 프린터로 할수 있는일 중 어떤 의미로 가장 초보적인 수준의 일이라고 할수 있는 일인데, 근래의 회로 기판을 대신 생산하는 일을 대신 할수 있지 않을까 하는 아이디어가 초기부터 꾸준히 재기된 적이 있습니다.
 물론, 이 글을 적고 있는 시점까지도 이러한 생산의 상용화 내지는 시험에 성공한 사람은 없고 그래서 여전히 시험용으로 만드는 기판은 자외선을 쪼여서든 아니면, 흑연을 전사한 후 애칭 작업을 거쳐 생산하는 방식으로 생산하고 있습니다.
 그러나 분자 수준의 프린팅이 가능해 진다면, 이런식으로 낮은 수준의 컴퓨터(아마 그 시점에서 최신 컴퓨터는 분자 수준 이하의 정미도로 발전했을 터이니 컴퓨터 주요 부품을 생산하는건 어렵겠지만)기판을 생산해 주요 부품만을 생산하는 걸로 바뀐다라는 것도 기대해 볼수 있지 않을까 싶습니다.
  그러나 나아가서, 지금은 설계 불가능한 3차원적인 회로도 가능합니다. 현대의 회로 기판은 사실 최초의 전선과 소자로 연결해 구성된 회로에서 근본적으로 변한건 없는 설계입니다.(물론 앞뒤로 설계한다던가 소자를 굉장히 작고 정교하고 설계한다던가 하는 정도의 변화는 있었습니다.)
 그러나 임의의 위치에 임의의 분자를 설치할수 있다면, 과거에 불가능했던 3차원적 구조를 가진 회로를 설계하는 것도 불가능한 이야기만은 아닙니다.(생각해 보면 꼭 보그족의 함선 같은 형상이 되 듯 하네요)


2)분자 수준의 최적화 설계
 그리고 여기서 부터가 오늘 적으려고 하는 생각의 핵심적인 내용인데, 분자 수준의 생산(거기에 이종적인 분자도 배열 가능하다면)가능하다면 지금의 복합재와는 비교가 불가능한 수준의 무게비를 가지는 구조의 생산도 가능합니다.
 생물의 뼈의 내부 구조를 살펴볼 경우 굉장히 특별한 구조를 가지고 있는 것을 볼수 있습니다. 마치 발포된 빵 마냥 구멍 투성이 구조물에 외부는 마치 코팅한것 마냥 단단하게 구성되어 있는 구조를 볼수 있습니다.
 이것은 무게 대비 최대의 강도(=최소한의 재료로 최대한의 강도를 가지기 위해)를 가지기 위한 구조인데, 지금의 인류 생산 방식에서 발포 구조를 가지는 것은 가능할지 모르나 이런 식으로 재료의 내부에 구멍을 두는것은 재료의 크랙을 발생하는 결함으로 여겨질 망정 무게를 낮추기 위한 재질 특성으로 파악 되지는 않습니다.
 그러나 임의의 재료 임의의 위치에 구성이 가능한 3D프린터가 있다고 가정한다면, 이것은 결함이 아닌 구조의 무게를 낮추기 위한 특성으로 생각할수 있을 터이며, 뼈의 구조를 흉내낸다면 이러한 중공으로 인한 크랙의 성장을 방지하는 설계 조차 가능할 겁니다.(모든 생물의 뼈는 정도의 차이가 있지만 뼈의 중간 중간에 구멍이 있습니다. 단련을 반복한 무술의 고수들은 이러한 점을 극복하기 위해서 뼈에 지속적으로 충격을 주어서 이러한 구멍을 없애는 방법을 사용한다고 하더군요)
 그것은 마치 어떤 형태의 유리병이 있다고 할때 그 병 안을 어떤 조개 껍질이나 어떤 색의 모래로 채워서 만드는가와 같은 일이 될것이고 그것과 다른 점이 있다면 모래나 조개 구조물은 단지 관상물이지만, 이것은 가장 최적화된 무게대비 구조물일겁니다.

 그 많은 분자를 배치하는 것이 가능할까? 혹은 그것과 그것의 관계를 연산하는 것이 가능할까라고 생각하시는 분이 많으시겠지만, 현대에 와서 구조물의 강도를 평가할 때 많이 사용하는, 유한요소해석은 이러한 분자간의 관계를 이용한 해석에 가까운 형태의 강도 평가 방법입니다.
 물론 한계도 많기도 하고 각 포인트간의 거리도 1mm이상의 분자나 원자 수준의 거리와는 거리가 먼 것도 사실이지만, 그것은 현대적인 컴퓨터의 성능적 한계로 인한 것이지 그것이 이론적인 한계로 인한 것은 아니라고 봅니다.
 이러한 원자 배열의 방법은 사실상 무량지수의 경우가 존재하기 때문에 컴퓨터를 사용한다 하더라도 쉬운 배열 평가는 아닐 것입니다. 그러나 현재 개발 되고 있는 양자 컴퓨터와 최대한 반복을 줄여 가며 주어진 시간 안에 생각해 낼수 있는 가장 최적화 답안을 찾아 낼수 있는 알고리즘등과 합쳐진다고 가정하면 꼭 불가능한 방법은 아니라고 보며 근래에 어떤 식으로든 구축이 가능할 것이라고 봅니다.

 그리고 그 수준에서 구조물의 설계와 제작은 현대의 용접과 공작 기계가 굴러다니는 현장과는 굉장히 동떨어진, 반도체 생산 공정과 같은 형태(물론 기계는 구조물의 크기에 비래해 거대해 지겠지만)를 띄는 형태가 될겁니다.


결론:
3D 프린터는 그 수많은 가능성 중 악용도 수없이 많은 물건으로써 벌써부터 이 기계를 악용하는 사건들이 나오고 있습니다. 총기 부품 제작 따위는 앞으로 있을 사건에서 아주 사소한 사건에 불과할 지도 모를 문제입니다.(당초 탄약은 만들어낼 재주가 없다는 점에서 해결 방법이 분명한데 말이죠) 그러나 막을 방법이 없다고 한다면 차라리 적극적으로 좋은 일에 쓰는 방법을 찾아내 홍보하는게 재일 좋은 일이라고 저는 생각합니다.
 그리고 이 기계의 가격과 정밀도 그리고 사용 가능한 재료는 매년 늘어가고 있습니다. 지금이 한가지 재료만 사용 가능한 흑백 도트 프린터라면 곧 여러가지 색상의 사용이 가능한 컬러 프린터 같은 존재가 곧 생겨날 겁니다.(더불어 해상도도 올라갈 터이고)
 그리고 분자 단위의 가공도 꿈만은 아닌게, 용도는 조금 다르기는 하지만 이미 제약분야를 위해서 분자 단위의 조합이 가능한 시험이 시도되고 있습니다. 그런 점을 생각하면, 앞으로 분자 단위의 설계와 생산이라는 것도 SF만의 일이 아닐 것이라고 봅니다.