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[인터뷰] 김기훈_꿈의 물질, 초전도체 연구와 펼쳐질 미래｜제31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래"

초전도체는 1911년 수은에서 처음 발견된 이후 지난 120년 동안 현대 물리학의 핵심 연구 분야로 자리 잡았습니다. 이는 임계 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 양자역학적 현상으로, 극저온이나 고압 등 극한의 환경에서 물질이 보여주는 신비로운 변화를 탐구하는 학문입니다. 수많은 과학자가 새로운 초전도 물질과 임계 온도를 찾아내며 노벨상을 거머쥐었을 만큼, 이 분야는 인류의 기술적 한계를 극복하고 에너지 효율을 극대화할 수 있는 꿈의 미래 기술로 손꼽히고 있습니다. 초전도체의 가장 큰 특징은 에너지 손실 없이 무한에 가까운 전류를 흘릴 수 있다는 점입니다. 이를 코일 형태로 제작하면 기존의 구리 선으로는 불가능했던 초고자기장을 형성할 수 있습니다. 이러한 특성은 이미 의료 현장에서 MRI의 선명도를 획기적으로 높이는 데 기여하고 있으며, 전력 손실 없는 송전선 개발에도 활용되고 있습니다. 부피는 작으면서도 훨씬 강력한 힘을 발휘할 수 있다는 점이 초전도체가 가진 독보적인 경쟁력이며, 이는 다양한 산업 분야에서 혁신적인 변화를 이끌어내고 있습니다. 미래 사회에서 초전도 기술은 모빌리티 혁신을 이끌 핵심 동력이 될 전망입니다. 강력한 자기장을 이용한 초전도 모터는 도심 항공 모빌리티(UAM)의 실현을 앞당길 것이며, 진공 튜브 속을 초고속으로 달리는 하이퍼루프의 필수 기술로도 주목받고 있습니다. 또한 차세대 에너지원으로 꼽히는 핵융합 발전에서 고온의 플라스마를 가두기 위한 강력한 자기장 제어에도 초전도 선재가 결정적인 역할을 수행하게 될 것입니다. 이러한 기술들은 인류의 이동 수단과 에너지 소비 방식을 근본적으로 바꿀 것입니다. 현재 초전도 기술의 가장 큰 과제는 액체 헬륨이나 액체 질소 같은 극저온 냉매 없이도 작동하는 상온 초전도체를 발견하는 것입니다. 많은 연구자가 상온에서 초전도 현상을 구현하기 위해 신물질 합성에 매진하고 있으며, 이는 인류의 에너지 패러다임을 바꿀 거대한 도전입니다. 초전도체 외에도 투명 반도체와 같은 신소재 연구는 태양 전지나 투명 전극 등 다양한 산업 분야에 응용되며 우리 삶을 더욱 편리하게 변화시키고 있습니다. 새로운 물질의 발견은 곧 새로운 물리적 세계관의 확장으로 이어집니다. 과학자를 꿈꾸는 이들에게 가장 필요한 덕목은 단순한 지식을 넘어선 호기심과 열정, 그리고 이를 뒷받침할 체력입니다. 지식을 습득하는 '지(智)', 타인과의 소통과 토론을 통해 배우는 '덕(德)', 그리고 연구를 지속할 수 있는 에너지를 제공하는 '체(體)'가 조화를 이루어야 합니다. 끊임없는 질문을 던지고 실패를 두려워하지 않는 태도로 자신만의 연구 분야를 개척해 나간다면, 언젠가 세상을 바꾸는 위대한 발견의 주인공이 될 수 있을 것입니다. 과학은 결국 인류의 지혜를 모아 더 나은 미래를 설계하는 숭고한 여정입니다.

김기훈

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학

[연구뭐하지] 김근수 교수_연세대학교 '밴드구조제어연구단' | 실험과 이론 어느 것도 놓치고 싶지 않아! 모멘텀 공간의 전자 구조를 가장 정밀하게 측정할 수 있는 곳

고체 물리학은 우리 주변 물질의 다양한 성질을 과학적으로 분석하고 제어하는 학문입니다. 연세대학교 밴드구조제어연구단은 고체 내 전자들이 실제 공간이 아닌 운동량 공간에서 형성하는 구조를 정밀하게 측정하는 데 집중합니다. 이러한 전자 구조는 물질의 투명도나 전기 전도성 같은 기본적인 물성부터 초전도 현상과 같은 신비로운 물리적 특성까지 결정하는 핵심적인 틀이 됩니다. 연구진은 이를 통해 물질의 메커니즘을 파악하고 인류에게 유용한 방식으로 제어하는 것을 궁극적인 목표로 삼고 있습니다. 기초 과학의 연구 성과는 세상에 미치는 파급 효과가 매우 넓고 깊습니다. 특히 상온 초전도체의 구현은 현대 물리학이 추구하는 거대한 목표 중 하나로, 이것이 실현된다면 인류의 에너지 문제는 획기적인 전환점을 맞이하게 될 것입니다. 전력 수송 과정에서의 에너지 손실을 거의 완벽하게 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 자기 부상 열차와 같은 효율적인 교통 시스템을 통해 사회 전반의 비용을 획기적으로 절감할 수 있기 때문입니다. 이러한 변화는 단순한 기술 발전을 넘어 우리 삶의 방식을 근본적으로 바꾸는 계기가 될 것입니다. 물질의 성질을 깊이 있게 이해하기 위해 연구실에서는 각분해 광전자 분광기(ARPES)라는 첨단 장비를 활용합니다. 이 장비는 물질 내부 전자의 에너지와 운동량 관계를 직접적으로 측정하여 전자 구조를 시각화하는 역할을 합니다. 흥미로운 점은 이러한 실험 과정이 단순히 데이터를 얻는 것에 그치지 않고 이론적인 계산과 밀접하게 연결되어 있다는 것입니다. 학생들은 직접 전자 구조를 계산하고 이를 실험 결과와 비교하며, 이론과 실험이 결합된 입체적인 연구를 수행함으로써 물리학자로서의 역량을 다각도로 성장시킬 수 있습니다. 연구의 지평을 넓히기 위해 연구진은 국내외의 다양한 방사광 가속기 연구소를 적극적으로 활용하고 있습니다. 포항 방사광 가속기를 비롯하여 미국 UC 버클리의 ALS, 영국의 다이아몬드 라이트 소스 등 세계적인 연구 시설을 방문하여 실험을 진행합니다. 이러한 해외 출장은 단순히 연구 장비를 사용하는 기회를 넘어, 24시간 넘게 이어지는 치열한 실험 과정 속에서 선후배 간의 노하우를 전수하고 협력하는 소중한 시간이 됩니다. 낯선 환경에서의 고된 연구 과정은 연구자로서의 끈기를 기르고 글로벌 감각을 익히는 밑거름이 됩니다. 대학원 진학을 고민하는 학생들에게 가장 중요한 것은 지도 교수와의 가치관 공유입니다. 연구 분야의 구체적인 내용도 중요하지만, 교수가 지향하는 연구 스타일과 가치가 본인의 성향과 얼마나 잘 맞는지가 장기적인 성장에 더 큰 영향을 미치기 때문입니다. 전문성을 갖추어 가는 과정은 때로 고통스럽고 치열한 인내를 요구하지만, 국제 무대에서 인정받는 성과를 만들어냈을 때의 성취감은 그 무엇과도 바꿀 수 없습니다. 미래를 위한 투자를 아끼지 않고 세계적인 연구자로 거듭나고자 하는 열정은 연구실을 지탱하는 가장 큰 원동력이 됩니다.

김근수

카오스재단연구뭐하지

물리학

[연구뭐하지] 양범정 교수_서울대학교 '위상물리이론연구실' | 위상 물질 연구로 우주의 구성을 알아보아요

서울대학교 위상물리이론연구실은 고체 물질의 물성을 연구함으로써 우주의 근본 원리를 탐구하는 곳입니다. 이곳의 주된 연구 주제인 위상 물질은 그 성질을 결정하는 근본 입자들이 우주 공간에 존재하는 입자들과 유사한 특성을 지니고 있습니다. 연구진은 고체 내의 입자 거동을 분석하여 우주를 구성하는 입자들의 성질을 규명하고자 노력합니다. 이는 거대한 우주의 신비를 작은 고체 물질이라는 매개체를 통해 실험실 안에서 확인하려는 독특하고도 매력적인 접근 방식이라 할 수 있습니다. 연구실에서는 응집물질물리학 이론 전반을 다루며, 특히 위상적 성질을 가진 물질에 깊은 관심을 두고 있습니다. 최근에는 위상 반금속뿐만 아니라 위상 초전도체에 관한 연구가 활발히 진행 중입니다. 어떤 환경에서 이러한 초전도 현상이 가장 안정적으로 나타나는지, 그리고 그 물질이 가진 고유한 위상적 성질을 어떠한 방식으로 관측할 수 있는지가 주요 연구 과제입니다. 이론적 가설을 세우고 이를 증명하기 위한 정교한 접근이 이 연구의 핵심을 이룹니다. 이곳의 연구 문화는 매우 수평적이고 자유로운 분위기를 자랑합니다. 구성원들이 각자 상이한 세부 주제를 연구하고 있음에도 불구하고, 서로의 연구에 대해 자연스럽게 토론하고 의견을 나누는 문화가 정착되어 있습니다. 새로운 분야를 공부할 때 동료들과의 지적 교류는 큰 힘이 되며, 이는 연구실 내의 활발한 토론 문화를 활성화하는 계기가 됩니다. 또한, 퇴근 후 배드민턴과 같은 운동을 함께 즐기며 체력을 기르고 유대감을 쌓는 등 일과 삶의 균형을 중시하는 모습도 인상적입니다. 대학원 과정은 스스로 문제를 설정하고 해결책을 찾아가는 고독하고도 치열한 과정입니다. 따라서 지적인 자신감과 더불어 새로운 문제에 도전하려는 강한 의지가 필요합니다. 연구는 단거리 경주가 아닌 장기전이기에, 공부에만 매몰되기보다는 운동과 같은 취미를 통해 건강한 체력을 유지하는 것이 중요합니다. 창의적인 아이디어를 가지고 문제를 함께 고민할 준비가 된 학생들에게 이곳은 열려 있습니다. 단순한 지식 습득을 넘어 자신만의 연구 분야에서 전문가로 성장하려는 태도가 무엇보다 강조됩니다. 고체물리학의 가장 큰 매력은 이론과 실험의 조화를 직접 확인할 수 있다는 점에 있습니다. 위상 물질을 구성하는 저에너지 근본 입자들은 여러 형태의 새로운 페르미온으로 이루어져 있는데, 이는 우주 공간에 존재하는 입자들과 그 궤를 같이합니다. 우주 공간의 입자들은 실험적 검증이 매우 어렵지만, 고체 내의 페르미온은 실험실에서의 측정을 통해 그 물성을 직접 관찰할 수 있습니다. 이러한 접근성은 기초 과학의 근본적인 질문에 대한 답을 보다 명확하고 구체적으로 제시해 주는 중요한 통로가 됩니다.

양범정

카오스재단연구뭐하지

물리학

[석학인터뷰] 김근수 ─ 네이처에 게재될 발견을 하면 어떤 기분일까?

고체물리학은 물질 내부의 양자 현상을 탐구하고 이를 제어하는 학문입니다. 최근 주목받는 2차원 물질인 그래핀과 포스포린은 원자 수준으로 얇다는 공통점이 있지만, 전기적 특성에서는 큰 차이를 보입니다. 그래핀은 전기가 매우 잘 통하는 도체에 가깝지만 전기를 차단하기 어렵다는 단점이 있는 반면, 포스포린은 반도체적 특성을 지녀 트랜지스터 활용에 유리합니다. 다만 포스포린은 산화에 취약하고 대면적 양산이 어렵다는 기술적 난제가 남아 있어, 이를 극복하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 물리학자들은 특정 물질의 상용화에만 매몰되지 않고, 그 이면에 숨겨진 보편적인 물리 법칙을 찾는 데 집중합니다. 물질은 일종의 도구이며, 그 안에서 발견된 원리가 다른 물질에도 적용될 수 있다면 그것으로 충분한 가치를 지닙니다. 이는 인류가 도구를 발전시켜 온 역사와 맥을 같이합니다. 과거의 돌멩이가 현대의 반도체로 진화했듯, 2차원 반도체 연구는 인공지능 반도체의 저전력 고성능화를 이끄는 핵심 동력이 됩니다. 결국 물질 연구는 인간의 도구를 목적에 맞게 최적화하려는 노력의 산물이라 할 수 있습니다. 전자의 특성을 이해하는 데 있어 '유사스핀'은 매우 중요한 개념입니다. 이는 실제 스핀은 아니지만 물질 속에서 스핀과 동등한 효과를 내는 현상으로, 그래핀 연구를 통해 널리 알려졌습니다. 과학자에게 가장 큰 희열은 이러한 복잡한 현상들이 하나의 명쾌한 원리로 통합되는 찰나에 찾아옵니다. 단순히 논문이 게재되는 기쁨을 넘어, 오랜 고민 끝에 퍼즐 조각이 맞춰지듯 결론이 도출되는 정신적 카타르시스는 연구를 지속하게 하는 강력한 동기가 됩니다. 이러한 순간은 과학을 단순한 문제 풀이가 아닌 창의적 예술의 영역으로 격상시킵니다. 연구의 길은 결코 화려한 꽃길만이 아닙니다. 세계적인 경쟁 속에서 성과를 내기 위해서는 끊임없는 노력과 개인적인 희생이 수반됩니다. 가족과 보내는 시간을 줄여가며 주말에도 연구에 매진해야 하는 현실은 때로 무거운 고민으로 다가오기도 합니다. 특히 다음 세대 연구자인 학생들이 교수의 치열한 삶을 보고 회의감을 느낄 때면 연구자로서의 책임감과 고뇌는 더욱 깊어집니다. 그럼에도 불구하고 한 명의 과학자를 탄생시키는 과정과 새로운 지식을 창조하는 즐거움은 그 모든 고단함을 상쇄할 만큼 가치 있는 일입니다. 최근의 연구는 완벽한 결정 구조를 넘어 자연계에 보편적으로 존재하는 '무질서 효과'로 확장되고 있습니다. 우리는 흔히 결함이 없는 완벽한 물질을 상상하지만, 실제 물질은 항상 무질서한 요소를 포함하고 있습니다. 이러한 무질서가 전자의 이동에 어떤 영향을 미치는지 탐구하는 것은 이론적으로 매우 도전적인 과제입니다. 포스포린이라는 물질을 통해 자연의 근원적인 질문에 다가가는 이 과정은 여태껏 아무도 가지 않은 길을 개척하는 일입니다. 보편적인 물리 법칙을 향한 이러한 탐구는 기초과학의 본질을 지키며 새로운 지평을 열어줄 것입니다.

김근수

카오스재단석학인터뷰

물리학

[연구뭐하지] 김기훈 교수_서울대학교 '첨단복합물질상태 연구실' | 극한 물리 조건 속 물질의 현상을 이해하다!

극한 조건 물리 연구는 일상에서 접하기 힘든 물리적 환경에서 물질이 어떻게 거동하는지를 탐구하는 학문입니다. 원자가 규칙적으로 배열된 고체를 대상으로 초고자기장이나 초고압, 그리고 절대영도에 가까운 극저온 상태를 인위적으로 조성하여 그 속에서 나타나는 새로운 물성을 근본적으로 이해하고자 노력합니다. 이러한 연구는 물질의 본질적인 특성을 파악하고 인류가 아직 도달하지 못한 물리적 영역을 개척하는 데 중요한 의미를 지닙니다. 특히 복합적인 원소들로 이루어진 신물질을 직접 합성하고 그 변화를 관찰하는 과정은 현대 물리학의 지평을 넓히는 핵심적인 작업이라 할 수 있습니다. 연구의 시작은 세상에 없던 신물질을 합성하는 것에서부터 출발합니다. 최소 3개에서 5개에 이르는 다양한 원소들을 조합하여 신물질을 만들어내고, 이를 단결정이나 다결정, 혹은 얇은 박막 형태로 성장시킵니다. 이렇게 탄생한 시료들에 극저온과 초고압, 초고자기장이라는 극한의 조건을 가했을 때 일어나는 현상을 종합적으로 측정합니다. 이는 단순히 이론적인 예측을 넘어 실제 물질이 보여주는 경이로운 변화를 직접 확인하고 데이터로 증명해내는 도전적인 과정입니다. 연구자들은 이러한 과정을 통해 물질의 숨겨진 원리를 하나씩 밝혀나갑니다. 초전도체나 자성 연구를 수행하기 위해서는 온도를 2~4 켈빈 수준의 극저온으로 낮추는 기술이 필수적입니다. 이를 위해 액체 헬륨이 사용되는데, 비용 문제로 인해 일반적인 연구 환경에서는 접근이 쉽지 않은 경우가 많습니다. 하지만 체계적인 인프라가 갖춰진 연구실에서는 액체 헬륨 수급에 대한 걱정 없이 실험에 몰입할 수 있는 환경을 제공합니다. 안정적인 저온실 운영은 연구자들이 물리적 한계에 도전하며 다양한 실험적 시도를 마음껏 펼칠 수 있게 하는 든든한 기반이 됩니다. 이러한 인프라는 연구의 질을 높이고 실험의 연속성을 보장하는 핵심 자산입니다. 연구의 무대는 국내에만 국한되지 않고 전 세계로 확장됩니다. 특히 초고자기장 실험의 경우 미국 탈라하시에 위치한 국립 고자기장 연구소와 같은 세계적인 기관과 협력하여 수행되기도 합니다. 학생들은 해외 출장을 통해 글로벌 연구 트렌드를 익히고 국제 학회에 참여하며 시야를 넓힐 기회를 얻습니다. 또한 장기적인 연구를 위해 체력 관리와 어학 공부를 지원하는 등 연구자의 성장을 돕는 복지 체계는 학생들이 연구에 전념하면서도 균형 잡힌 생활을 유지할 수 있도록 돕는 중요한 요소입니다. 이는 학계에서 글로벌한 역량을 발휘할 수 있는 밑거름이 됩니다. 극한 조건 물리 연구실을 상징하는 키워드는 '수제 맥주와 운동화'입니다. 이는 직접 무언가를 만들어내는 즐거움과 미지의 영역을 향해 끊임없이 발을 내딛는 탐험 정신을 의미합니다. 우주 전체를 놓고 보았을 때 지구 밖의 수많은 물질은 이미 극한의 조건 속에 놓여 있으며, 이를 연구하는 것은 인류가 아직 가보지 못한 영역에 발자국을 남기는 일과 같습니다. 창의적인 노력과 진취적인 자세를 가진 연구자들에게 이 분야는 무궁무진한 가능성이 열려 있는 도전의 장이 될 것입니다. 새로운 발견을 향한 열정은 곧 인류 지식의 경계를 확장하는 원동력이 됩니다.

김기훈

카오스재단연구뭐하지

물리학