[과학에세이] 불완전함의 가치

김진천 울산대 첨단소재공학부 교수

지난 주말 지인의 딸이 결혼했다. 결혼 예물로 다이아몬드를 주고받았다. 다이아몬드는 보석 중 가장 비싸다. 순수한 탄소 결정체로 모든 재료 중 모스 경도 10으로 가장 단단하고, 투명하기에 사랑의 징표로 사용한다. 그런데 다이아몬드는 순수한 가장 투명한 다이아몬드보다 색깔이 있는 핑크 다이아몬드나 블루 다이아몬드가 그 희소성 때문에 훨씬 비싸다. 이들 색깔은 블루 다이아몬드는 보론(B)이 불순물로, 핑크 다이아몬드는 탄소 결정체의 결정구조가 변형(Distortion)돼 독특한 색상을 낸다. 순수함보다 불순물, 결함이 있어 가치를 배가시킨 것이다.

요즘 AI(인공지능) 시대 스마트폰 시대에 핵심 소재는 실리콘 반도체이다. 기본적으로 실리콘 반도체를 만들기 위해서는 초고순도(99.9999999%)의 실리콘 웨이퍼가 필요하다. 그런데 이 순수 실리콘은 전기적 신호를 만들 수 없어 반도체 소자로는 무용지물이다. 전기적 신호를 만들기 위해서는 원자 주기율표상에 13족 원소인 붕소, 알루미늄을 넣어 P(positive, +, 정공)형 반도체를 만들거나, 15족 원소인 인, 비소를 넣어서 N(negative, -, 자유전자)형 반도체를 만들어야 한다. 이들 P형 반도체와 N형 반도체를 접합해서 PN 다이오드(diode)가 만들어지고, 태양광 발전 소자, 발광다이오드(LED)에 사용한다. 3차원적으로 집적화하면 집적회로(IC)가 된다.

13족 원소나 15족 원소를 순수 실리콘에 불순물로 넣는 공정을 우리는 도핑(Doping) 처리라고 한다. P형과 N형 사이에서 전자들이 끝임 없이 주고받으며 서로의 전기 흐름을 만든다. 불순물의 종류와 양을 정확하게 제어해야 하기 때문에 반도체 핵심 공정 중에 가장 중요한 부분이다. 불순물을 넣지 않고, 이들 불순물이 서로 전기적 작용을 하지 않으면 현재의 스마트폰 AI 시대가 열리지 않았을 것이다.

자연법칙을 수학적으로 계산하는 열역학에서 기본 전제는 순수한 안정된 평형 상태 조건을 기준으로 해서 계산한다. PV=RT라는 이상기체 방정식이 그러하다. 이상기체라는 단어에서 알 수 있듯이 정밀 이상적인 기체라는 뜻이다. 그러나 실제 기체에서는 이런 조건을 만들 수 없기 때문에 그 반응은 상당히 복잡하다. 아무리 완벽한 조건을 만든다고 하더라도 온도가 절대온도 0K(-273℃)가 아닌 이상은 물질 재료 내부에는 열적 여기(Thermal Fluctuation)에 의해 항상 결함, 즉 공공(Vacancy)이 발생한다. 인간은 절대온도 0K를 만들어 낼 수 없고, 재료는 항상 일정한 온도에도 작용하기에 내부의 불순물, 즉 결함 형성은 자연 불변 법칙인 것이다.

요즘 우리 사회에서는 서로 의견이 달라 심한 갈등이 일어나고 있다. 내가 주장하는 의견 관철을 위해 목소리를 높이고 상대편이 나와 똑같은 생각과 행동을 하기 바란다. 다수자의 목소리는 너무나 높고, 소수자의 목소리는 묻혀 버린다. 소수자의 의견은 소위 ‘입틀막’이라는 상황을 만들게 한다. 더 나아가 공공 사회 집단을 위해 우리는 모든 구성원들이 동일한 생각을 하도록 알게 모르게 강요하면서 완벽한 사회, 결함이 없는 사회를 만들려고 한다. 그런 유토피아적 사회를 만들려고 한다. 그런 사회를 만들려고 하는 일에 결국 부작용이 생긴다. 제2차 세계대전 때 게르만족 우선주의의 이상적인 완벽한 사회를 꿈꾸던 나치는 홀로코스트 즉 유대인 대학살을 자행했고, 결국 독일 사회를 병들게 해 디스토피아 사회를 만들었다.

결함이 없는 완벽한 사회는 만들 수 없을뿐더러 다양성이 결여된 사회는 결국 사회의 가치를 떨어뜨린다. 소량의 불순물이 들어가면서 오히려 다이아몬드의 희소성을 올린다. 반도체 재료는 기본적으로 불순물이 작용해서 지금의 AI 시대가 구현된다.

이처럼 소수자의 의견은 단순한 불순물이 아니라 우리 사회의 가치를 더욱 배가 시키는 요소다. 불순물이 완전히 없는 자연의 구성물이 있을 수 없듯이 우리 사회도 다양한 생각과 의견 그 자체를 받아들여야 할 것이다.