모순? ‘理想解’를 놓고 ‘Moonwalking’ 하기

편집자주 트리즈(TRIZ)는 창조적 문제 해결 이론(Theory of Inventive Problem Solving)을 뜻하는 러시아어 ‘Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch’의 첫 글자를 따서 만든 말입니다. 모든 발명 과정에는 공통되는 법칙과 패턴이 있다는 믿음 하에, A분야 문제에 대한 해법을 B분야에서의 문제 해결책을 참조해 찾을 수 있도록 도와주는 게 TRIZ입니다. 쉽게 말해 ‘재발명을 통한 문제 해결 방법론’이라고 할 수 있습니다. 10년간 TRIZ 컨설팅 외길을 걸어 온 송미정 박사가 TRIZ를 활용해 현장에서 부딪히는 다양한 문제들에 대한 실전 솔루션을 제시합니다.

 사례 1 어두워야 잘 보이는 현미경

흔히 현미경으로 세포나 유전자를 관찰할 때 특정한 파장의 빛(통상 자외선)에 반응해 다른 파장의 빛(일명 ‘시그널 광’)을 내는 형광 물질을 주입한다. 연구자들은 세포나 유전자에서 흘러나오는 희미한 형광신호를 포착할 때 외광(外光)에 의한 교란 효과를 없애기 위해 보통은 어두운 암실에서 현민경을 조작한다. 아무리 노련한 연구자라고 해도 어둠 속에서 현미경을 조작해야 하기 때문에 그날그날 컨디션에 따라 실수를 할 수 있다.

위 문제 상황을 트리즈의 기술적 모순 정의에 따라 표현한다면 1)어두운 곳에서 조작을 하면(approach or condition) 시그널 광에 대한 외광의 교란은 감소시킬 수 있으나(good), 조작자들이 실수할 가능성이 높고(bad) 2)밝은 곳에서 조작을 하면(anti approach and/or condition) 조작자들이 실수할 가능성은 낮아지지만(good), 외광에 의한 교란으로 세포나 유전물질에서 발하는 형광 신호를 포착하기 어렵다(bad) 정도로 요약할 수 있다.

보통 이런 문제에 부딪히면 어떻게 해결할 수 있을까? 가장 손쉬운 해결책은 광량(光量)을 적절하게 조절하는 방법이다. 즉, 현미경 조작 실수 가능성을 최소화하면서 시그널 광을 교란하지 않는 수준의 최적 광량을 찾아내는 것이다.

이렇게 해서 찾아낸 해법은 ‘점진적’ 혁신을 위한 통상적 접근법이다. 만약 내가 맡은 프로젝트가 기존 시스템을 단순하게 개선하거나 완성도를 높이는 일이라면 이런 통상적인 연구개발 방법이 적절할 수 있다. 하지만 내가 맡은 프로젝트가 신기술을 개발하거나 새로운 개념의 제품을 개발하는 일이라면 이런 점진적 방법은 적합하지 않다. 추구하는 목표가 너무 합리적이며, 그 목표 달성을 위한 사고 방식도 지극히 합리적이기 때문이다.

점진적 혁신과 구별되는 ‘급진적’ 혁신은 합리적인 목표라기보다 불가능한 목표 달성을 추구할 때 일어난다. 위 상황을 예로 들면, 현미경 조작을 하는 연구자들이 실수할 가능성이 전혀 없고(best), 외광에 의한 교란 가능성도 전혀 없어 세포나 유전자에서 발하는 희미한 형광신호를 정확하게 포착할 수 있는(best) 이상적 상태(ideality)를 목표로 하는 혁신이다. 이를 전문 용어로 이상해(理想解), 혹은 IFR(Ideal Final Result)이라고 한다.

이상해는 그 이전에 존재하던 문제 상태가 모두 최선의 상태로 전환된 상황을 가리킨다. 이상해가 궁극적으로 추구하는 불가능한 목표를 달성하기 위해서는 지금 현재 상황에서는 불가능해 보이는, 그래서 상호 이율배반적으로 보이는 접근 방식이 필요하다. 위 사례에 비춰볼 때 불가능한 목표는 광량이 많은 동시에 하나도 없는 상태다. 이러한 상황은 물리적으로 존재가 불가능한, 트리즈 전문용어로 표현하면 ‘물리적 모순’ 상황이다. 하지만 이렇게 비합리적으로 보이는 물리적 모순 상태야말로 역설적이지만 문제가 가장 이상적으로 해결된 상태다. 트리즈 베테랑들은 문제를 모형화하고 본격적인 해결안을 구하기 전에 반드시 이러한 불가능한 목표, 즉 IFR을 설정한다.

그런데 과연 광량이 많은 동시에 적은 상태라는 게 불가능한 해법일까? 그렇지 않다. 따라서 IFR에 대한 보다 정확한 이해를 위해서는 ‘기존의 것을 바꾸고 싶지 않는 한에서는 불가해(不可解)’라는 말로 수정하는 게 옳다. ‘기존의 것을 바꾸지 않는 한’이라는 전제가 붙는다면 IFR을 생각하는 것은 사고의 사치다. 그러나 ‘기존의 것을 어떤 방식으로든 바꿔서라도’라는 전제가 붙는다면 IFR이야말로 가장 가능성이 높은 목표가 된다.

다만 문제가 되는 것은 ‘심리적 관성’이다. 대개 사람들에게는 모순을 회피하고자 무의식적으로 마음을 묶어두는 성향이 있다. 기존의 상태를 기꺼이 변화시키고자 하는 전제가 있는데도 기존의 상태를 유지하려는 전제가 무의식적으로 우리 마음속에 자리잡고 있다. 이런 심리적 관성은 어릴 적에는 없다가 나이가 들면서 오랜 지식 축적 과정을 거치며 점점 굳어지게 된다.

만약 아이들에게 위의 상황에 대해 문제를 내본다면 많은 아이들이 빛이 많은 동시에 적다면 문제가 해결될 수 있지 않느냐고 반문할 것이다. 불가능을 불가능이라 생각지 않고(정확히는 불가능인줄 모르기 때문에 못하고) 제시하는 이런 불가능한 목표가 모순 문제를 해결하는 올바른 키워드임을 보여주는 사례다. 어린 아이의 눈으로 잘 정리된 문제를 보고 불가능이 없는 상태를 상상하는 순간 문제 해결의 길이 보인다. 이상해(理想解)는 결코 이상(異常)하지 않다. 다만 우리가 그렇게 믿을 뿐이다.

실제 현미경 개발자들은 가장 비합리적인 목표를 설정했고 이를 달성했다. 과연 어떻게 문제를 해결했을까? 광량이 적어야 할 공간은 시편(試片)과 형광물질이 존재하는 곳이며, 광량이 많아야 좋은 곳은 조작자들의 공간이다. 시편과 조작자들의 공간이 통째로 이어져 있을 때에는 광량을 많게 하면서 동시에 적게 하는 게 불가능하다. 하지만 이 두 공간을 분리하면 어떨까? 현미경을 작은 박스 안에 넣고 외부에서 원격으로 조절하는 기구를 고안하면 두 공간을 따로 떼어낼 수 있다. 이렇게 하면 광량이 많은 상태(조작자 공간)와 적은 상태(시편, 형광물질 공간)를 동시에 달성할 수 있다.

 

무용매 스핀 코팅 기술 개발을 가능케 한 문워킹 예시

광결정 구조를 인위적으로 개발하는 데 있어 이상적인 해법을 미지항 X로 상정하고, 이 X가 이미 존재한다고 생각하자. 이 X는 시스템을 복잡하게 하지 않고 스스로 동작한다. 온도가 낮아 용매가 느리게 제거돼 나노 구슬이 느리게 정렬되는 악영향은 제거되고, 나노 구슬을 균일하게 잘 정렬시키고 모양을 유지하는 유익한 순기능은 보존·강화된 상태다. 우리에게는 X가 필요하다. X는 무엇이 되면 좋을까? 아래 그림처럼 이상해 X로부터 문워킹을 통해 차근차근 내려가다 보면 해결책을 모색할 수 있다. 

 사례 2  광결정을 만드는 구슬 정렬

중남미의 열대림에는 아름다운 형광색 푸른빛을 뽐내는 몰포나비(Morpho Butterfly)가 살고 있다. 놀랍게도 나비들의 아름다운 푸른색은 색소가 내는 빛이 아니다. 블록을 겹쳐 쌓은 것처럼 규칙적인 구조로 이루어진 날개 표면 비늘이 태양빛에서 파란색 파장의 빛만을 반사하기 때문에 나타나는 것이다. 이처럼 색소 없이 표면 구조만으로 만들어지는 색을 ‘구조색(structural color)’, 구조색을 만들어내는 구조를 ‘광결정(photonic crystal)’이라고 각각 부른다.

광결정을 인위적으로 만들어내는 데 활용되는 기술은 나노(nano) 크기의 구슬을 층층으로 겹쳐 쌓는 것이다. 전통적으로 사용되는 정렬방식은 고분자(polymer) 성분(예: 폴리스티렌) 소재의 나노 구슬이 분산된 물(유기용매 혹은 분산제 혼합용매) 속에 정렬을 시키고자 하는 매질(medium·대개 시트(sheet)를 사용)을 담갔다가 수직으로 천천히 빼내는 방법이다. 구슬 입자들이 매질을 빼낼 때 유기용매와의 계면(interface)에서 발생하는 표면장력과 중력에 의해 시트에 스스로 정렬이 되도록 하는 원리다.

이 수직 정렬법에서 중요한 것은 크게 두 가지다. 우선 매질을 빼내는 속도다. 천천히 매질을 빼내야 빽빽하고 빈틈 없이 정렬이 이뤄질 수 있다. 두 번째는 용매를 제거하는 과정이다. 나노 구슬을 시트 표면에 붙이기 위해서는 사용한 용매를 제거하는 과정이 필요하다. 나노 구슬은 유기용매가 휘발되는 과정에서 ‘자기 조직화(Self-Assembly)’가 되기 때문에 매질에 나노 구슬을 옮기는 과정과 함께 열을 가해 용매를 휘발시키는 과정이 나노 구슬 배열을 원하는 방식으로 만드는 데 관건이 된다.

문제는 이 과정에 너무 오랜 시간이 소요된다는 점이다. 용매를 빨리 날리면 구슬들의 정렬 중 듬성듬성한 곳이 생기거나 배열이 어긋나는 경우가 많아진다. 정렬이 비거나 어긋날 경우 광결정으로서의 기능이 어렵기 때문에 수십 시간에 걸쳐 아주 천천히 용매를 제거해야 한다. 통상의 기술로는 가로ｘ세로 규격이 1ｘ2cm인 매질 면적에 나노 구슬을 정렬하는 데 8시간 이상의 시간이 소요된다. 매질의 면적이 넓을수록 더욱 천천히 용매를 제거해야 한다. 매질에서 용매를 제거할 때 부분부분별로 용매의 제거율이 다를 수 있기 때문이다. 그 때문에 부분부분별로 나노 구슬의 정렬 상태, 나노 구슬 간의 간격이 달라질 수 있다. 만약 용매를 빨리 제거하기 위해 가열하는 경우, 나노 구슬의 정렬이 제대로 진행되지 않거나 나노 구슬이 변형되는 악영향이 있을 수 있다.

이처럼 광결정 제조시 가장 오랜 시간이 소요되는 용매 제거 단계의 상황을 트리즈의 기술적 모순 정의에 따라 기술하면 1)고온에서 용매를 휘발시키면(approach or condition) 빨리 용매를 제거할 수 있으나(good), 광결정의 핵심 요소인 나노 구슬이 잘 정렬되지 않거나 변형되고(bad) 2)저온에서 용매를 휘발시키면(anti approach or condition) 광결정의 핵심 요소인 나노 구슬이 잘 정렬되고 변형이 되지 않으나(good), 용매 제거 속도가 매우 느려 경제적으로 의미 있는 생산이 불가능하다(bad) 정도로 표현할 수 있다.

이런 기술적 모순 상황이 해결된 가장 이상적인 결과인 IFR은 무엇일까? 바로 빨리 용매를 제거하면서도 구슬이 변형 없이 잘 정렬되는 제조 방법이다. 틀에 박힌 사고 방식에 갇혀 있는 사람들이라면 용매를 빨리 제거하는 데는 가열하는 방법 밖에 없다고 생각할 수 있다. IFR을 달성하기 위해서라면 온도는 높은 동시에 낮아야 한다. 하지만 이건 현미경 개발 사례처럼 공간별로 나누기도 어렵고, 절차의 단계별로 조건을 나눌 수도 없으며, 스케일에 따라 나누기도 어렵고, 조건에 따라 나누기도 난감하다. 이럴 때는 어떻게 해야 할까?

미국의 한 연구팀은 기존 패러다임에 거꾸로 대응하는 역발상적 접근을 통해 ‘무용매 스핀 코팅 기술’(미국 특허 공개번호 20110092608)을 개발, 문제를 해결했다. 이 기술은 우선 나노 구슬을 잘 분산시키기 위해 꼭 휘발성 용매를 사용해야 하는가에 대한 문제 제기에서부터 출발했다. 즉, 애초에 용매를 사용하지 않는다면 용매를 제거할 필요도 없지 않을까라는 생각에서 출발해 문제 해결을 꾀했다. 용매를 쓰지 않는다면 나노 구슬을 매질(시트)에 붙이기 위해 어떻게 해야 할까? 기존 방식은 용매를 휘발시키는 과정에서 발생하는 중력과 표면 장력에 의존했다. 만약 용매를 쓰지 않는다면 중력과 표면장력 외에 다른 힘이 필요하다. 이를 위해 이 연구팀은 흔히 반도체 공정에 많이 쓰이는 스핀코터(spin-coater·물체를 회전시켜서 특정 물질을 코팅해주는 기계. 물체 위에 올려 놓은 특정 물질이 원심력에 의해 밖으로 밀려나는 원리를 활용) 장비를 활용하고 나노 구슬 소재에 변화를 줬다. 기존의 자기 조직화(Self-Assembly) 방식에서는 용매를 휘발시키는 과정에서 발생하는 중력과 표면장력에 따라 저절로 나노 구슬들이 잘 정렬되기를 바라야 했다. 하지만 스핀코터를 활용하면 힘(원심력 혹은 회전력)의 세기가 상대적으로 커지고 제어하기도 쉬워진다. 그만큼 나노 구슬을 정렬하는 데 시간도 줄일 수 있다. 이때 스핀코터를 활용하려면 코팅할 물질이 어느 정도 점도가 있어야 한다. 따라서 중합체 나노 구슬을 사용했던 기존 방식과 달리 상대적으로 점도가 높은 단량체(monomer) 소재(예: 스티렌)를 활용해 문제를 해결했다.(DBR TIP 참조)

세계적으로 유명한 마이클 잭슨의 유명한 춤 중에 ‘문워킹(Moonwalking)’이 있다. 마치 앞으로 스텝을 딛는 것 같지만 실제로는 뒤로 움직이는 댄스 기법이다. 이상해를 설정하고 그 해결책을 찾아가는 방법은 마이클 잭슨의 문워킹과 닮아있다. 불가능해 보이는 목표를 놓고 차근차근 거꾸로 되돌아가는 역발상적 접근이라는 점에서다. 우리는 부지불식간에 패러다임에 갇혀 살아간다. 심지어 패러다임에 갇혀 있다는 것도 인지하지 못할 때가 많다. 트리즈의 원리는 이런 패러다임을 깨기 위해 쓰는 방법들의 총합이다. 트리즈의 원리들을 음미하다 보면, 내가 가진 패러다임이 얼마나 협소한 영역에 있는지 느낄 수 있다. 급진적 혁신을 바란다면 먼저 기존 패러다임에 반하는 이상해를 설정해 놓은 후 차근차근 문워킹을 시작해 보길 권한다.

송미정 삼성종합기술원 CTO 전략팀 부장 triz_institute@hanmail.net

필자는 KAIST에서 화학공학 석사와 박사 학위를 받았다. 국제 트리즈 협회 공인 Level 4 전문가로, 삼성종합기술원에서 200건 이상의 연구 개발 과제 컨설팅을 수행했다. 저서로 <회사를 살리는 아이디어 42가지(공저)>가 있다.