지금은 인터넷만 접속하면 세계 어디에서든 뉴스와 이메일을 볼 수 있다. 이처럼 우리가 정보통신(IT)의 세상을 누리게 된 건 올해 노벨물리학상 수상자들 덕분이다. 스웨덴 왕립과학원은 6일 올해의 노벨물리학상을 ‘IT의 기초를 세운’ 업적에 수여한다고 발표했다.

주인공은 영국 스탠더드텔레콤의 찰스 가오 박사(76)와 미국 벨연구소의 윌러드 보일 박사(85), 조지 스미스 박사(79) 등 3명이다. 가오 박사는 광통신의 핵심기술인 광섬유를 개발했고, 보일 박사와 스미스 박사는 필름이 없어도 사진을 찍을 수 있는 디지털카메라의 핵심기술인 ‘전하결합소자(CCD)’을 발명했다.

물리학상 업적은 난해한 이론뿐이란 오해 마!

“올해 노벨물리학상이 뭐에 돌아갔지” 하고 누가 묻는다면 한마디로 “광섬유와 CCD야”라고 대답하면 된다. 이것도 어렵다면 “광통신과 디지털카메라”라고 얘기해도 된다. 다시 말하면 이번에는 우주탄생이나 난해한 이론이 아니라 우리 귀에 익숙한 생활관련 기술에 돌아간 것이다.

사실 노벨물리학상을 꼭 물리학다운(?) 이론이나 발견에만 준 건 아니었다. 오히려 최근에는 난해한 이론이나 실험과 어느 정도 이해가 되는 기술적 발견 사이를 왔다 갔다 했다. 지난해는 ‘대칭성 깨짐’이라는, 들어도 뭐가 뭔지 잘 이해가 안가는 이론에 수여됐다면, 2007년에는 노트북과 MP3 플레이어에 들어가는 하드디스크의 소형화에 기여한 ‘거대자기저항’기술에 돌아갔다.

특히 올해는 물리학상 치고는 여느 해보다 훨씬 이해가 쉬운 기술에 돌아갔다. 광섬유의 원리인 전반사와 CCD의 원리인 광전효과는 이미 고등학교 교과서에도 등장한다.

광통신과 디지털카메라, 이것들이 없다고 생각해보자. 지금은 너무나 당연한 기술로 받아들이고 있지만 조금만 과거를 거슬러 올라가도 두 기술은 그리 오래된 게 아니다. 15년 전만 해도 광통신과 디지털카메라가 보편화되지 않았으니 말이다. 이번 수상자들이 광섬유와 CCD를 개발한 건 지금으로부터 40여 년 전의 일이었다.

중국계 전기공학자의 목표, 1킬로미터에 1퍼센트 빛

1966년 1월, 중국계 영국인 가오 박사는 자신이 근무하던 스탠더드텔레콤에서 광섬유에 대한 연구결과를 발표했다. 그렇다면 그가 광섬유를 처음으로 발명한 것이었을까? 그건 아니었다. 1930년대부터 광섬유는 의료 분야에서 환자의 위나 치아를 들여다보는데 쓰였다. 하지만 여기에서 쓰인 광섬유는 짧고 간단한 것이었다.

광섬유는 이론적으로는 매우 간단하다. 굴절률이 높은 매질에서 굴절률이 낮은 매질로 빛을 비출 때 어느 각도 이상이 되면 더 이상 굴절을 하지 않고 모두 다 반사되는 전반사가 일어난다. 광섬유는 전반사의 원리를 통해 빛을 밖으로 빠져나오지 못하게 함으로써 먼 곳까지 정보를 전달해준다.

하지만 초기의 광섬유는 이론처럼 성능이 좋지 않았다. 1960년대 가오 박사가 광섬유를 연구할 때만 해도 광섬유를 통과한 빛은 20미터 정도만 가도 99퍼센트의 빛이 밖으로 새고 고작 1 퍼센트만 남았다.

가오 박사는 1km를 지나갈 때 1퍼센트의 빛이 남는 광섬유를 목표로 연구를 시작했다. 1966년 가오 박사는 새로운 사실을 발견했다. 광섬유에 쓰이는 유리의 투명도 자체에 문제가 있다는 것을 알아낸 것이다.

때문에 광섬유에 적합한 유리는 당시 만들어진 어느 유리보다 투명해야 했다. 이 말은 기존의 간단한 공정으로는 원하는 광섬유를 뽑아낼 수 없다는 것을 뜻했다. 가오 박사는 새로운 공정을 제안했지만 쉬운 일이 아니라고 스스로 인정했다. 1971년이 되어서야 세계적인 유리회사 코닝사의 과학자들이 1km에 달하는 광섬유를 뽑아냈다.

오늘날 우리에게 빛의 속도로 정보를 주고받게 해주는 광섬유는 1km를 가도 95퍼센트의 빛이 남아있을 정도로 발전했다. 가오 박사의 목표를 크게 추월한 것이다. 이런 광섬유가 오늘날 지구를 무려 2만5000번이나 감을 수 있는 정도로 세계 곳곳에 깔려있다. 그 덕분에 우리는 세계 어디서나 빛의 속도로 정보를 접할 수 있다. 참고로 가오 박사는 물리학이 아니라 전기공학으로 박사학위를 받았다.

디카 CCD, 처음에는 메모리용

디지털카메라의 CCD를 개발한 것도 1960년대였다. 1969년 9월 어느 날이었다. 벨연구소의 물리학자 보일 박사와 스미스 박사는 보일 박사의 사무실에서 칠판에 CCD에 대한 기초 아이디어를 주고받았다. 하지만 그들이 만들고자 했던 건 이전보다 나은 전자메모리였다. 그들은 벨연구소로부터 새로운 메모리 기술을 개발하라는 임무를 받았다. 하지만 보일 박사와 스미스 박사는 얼마 지나지 않아 CCD의 용도를 이미징 기술에 활용하는 방안을 착안했다.

CCD는 우표만한 크기의 네모난 판으로 그 위에는 수많은 광센서들이 들어있다. 디지털카메라에서 몇백만 화소라는 말을 하는데 화소 수가 많을수록 사진의 화질이 좋다. 화소 수는 바로 광센서다. 예를 들어 400만 화소라면 400만 개의 광센서가 CCD에 붙어 있는 것이다.

CCD의 원리는 1921년 아인슈타인에게 노벨물리학상을 안겨준 광전효과이다. 광전효과는 금속이나 반도체에 빛을 쪼이면 전자가 튀어나오는 현상을 말한다. CCD는 광전효과를 이용해 빛을 전기신호로 바꾸어준다. CCD가 빛 알갱이를 전자로, 즉 빛을 전기 신호로 바꾸는 것이다. 이 전자에 대한 정보를 메모리 반도체에 기록하면 사진 파일이 된다.

보일 박사와 스미스 박사가 CCD의 기본 디자인을 마무리한 후 기술자들은 일주일만에 CCD 최초의 모델을 만들었다. 1년이 지난 후 보일 박사와 스미스 박사는 자신의 비디오카메라에 최초로 CCD를 달아보았다. 그리고 1981년 CCD가 들어간 디지털카메라가 최초로 시장에 나왔다. 이후 해상도가 점점 높아지고 소형화되면서 필름카메라를 역사의 무대 뒤로 사라지게 하고 있다.

천문학 발전에 공헌한 CCD

CCD는 오늘날 천문학의 발전에도 크게 기여하고 있다. 단적인 예가 바로 미 항공우주국(NASA)의 허블우주망원경이다.

1990년에 발사된 허블우주망원경에는 1980년대 개발 당시에 이미 디지털이미지 기술을 도입했다. 당시만 해도 획기적인 일이었다. 덕분에 우리는 지상에서 얻을 수 없었던 우주의 모습을 볼 수 있게 된 것이다.

올 3월에 발사된 NASA의 케플러우주망원경은 디지털기술을 이용해 태양계 바깥 지구형 행성을 발견할 것으로 기대되고 있다. 이밖에도 CCD는 심해 관측기구로도 활용되고 있다. 이처럼 과학의 혁신이 낳은 기술이 또다시 과학의 발전에 기여하는 방식으로 과학과 기술은 서로 깊은 관련을 맺고 있다.

박미용 동아사이언스 객원기자·pmiyong@gmail.com