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[강연] 에너지 소모 없는 정보전달과 처리는 가능한가? by 염한웅 ㅣ 기초과학연구원(IBS) x 카오스재단 기초과학 석학 강연 '새로운 발견을 위한 과학' | 1강

현재 우리가 누리고 있는 반도체 문명은 그 종말이 매우 가까워졌습니다. 트랜지스터를 더 작게 만드는 기술은 이제 3나노미터를 넘어 2나노미터급에 도달했지만, 원자 몇 개 수준인 1나노미터의 벽을 넘는 것은 과학적으로 매우 어렵습니다. 더 이상 작게 만드는 것이 불가능해지면 아파트처럼 위로 쌓아 올리는 방식을 택하게 되는데, 이는 근본적인 해결책이라기보다 물리적 한계를 회피하는 기술에 가깝습니다. 결국 기존 방식의 발전은 곧 멈추게 될 것입니다. 소자가 작아질수록 발생하는 더 큰 문제는 에너지 소모와 발열입니다. 전자가 흐르는 도선이 가늘어질수록 저항은 커지며, 이는 곧 엄청난 열 발생으로 이어집니다. 우리가 매일 휴대폰을 충전해야 하고 사용 중에 기기가 뜨거워지는 이유도 바로 이 저항 때문입니다. 따라서 미래의 정보 처리를 위해서는 단순히 크기를 줄이는 것을 넘어, 저항에 의한 에너지 손실이 전혀 없는 완전히 새로운 형태의 소자가 필요합니다. 이미 우리는 기술적 임계점에 도달해 있습니다. 반도체 소자의 혁명은 과거 물리학 실험실에서 시작되었습니다. 1948년 트랜지스터의 발명부터 한국인 강대원 박사가 개발한 CMOS 기술까지, 우리는 수십 년간 이 구조에 의존해 왔습니다. 하지만 이제는 기존의 틀을 깨는 '슈퍼히어로' 같은 소자 개념이 등장해야 할 시점입니다. 트랜지스터 구조 없이도 연산이 가능하고, 전자가 움직일 때 발생하는 저항 발열을 근본적으로 차단할 수 있는 혁신적인 대안이 요구됩니다. 이는 정보통신 역사를 새로 쓰는 일이 될 것입니다. 그 대안으로 주목받는 것이 바로 '솔리톤'입니다. 일반적인 파동은 진행하면서 에너지를 잃고 사라지지만, 솔리톤은 특수한 조건에서 모양과 에너지를 유지하며 아주 먼 거리까지 전달됩니다. 마치 쓰나미가 수천 킬로미터를 이동해도 그 위력을 잃지 않는 것과 같은 원리입니다. 이러한 파동의 성질을 전자 소자에 적용하면, 정보를 실은 입자가 에너지 손실 없이 이동하는 이상적인 정보 전달 체계를 구축할 수 있습니다. 이는 광섬유 통신에서 이미 증명된 바 있는 물리적 현상입니다. 전자의 솔리톤은 원자들의 '짝짓기' 구조에서 발생하는 결함을 이용합니다. 실리콘 기판 위에 원자들을 일렬로 배열하고, 이들이 둘씩 혹은 넷씩 짝을 짓게 만들면 그 사이에 짝을 찾지 못한 결함이 생깁니다. 이 결함이 바로 솔리톤 파동을 형성하는 핵심입니다. 연구진은 10년 이상의 추적 끝에 실리콘 원자선에서 이 짝짓기 결함을 실제로 관찰했으며, 이것이 수학적으로 완벽한 솔리톤의 형태를 띠고 있음을 증명해 냈습니다. 이는 원자 수준의 초미세 소자 가능성을 보여줍니다. 솔리톤 소자의 가장 큰 매력은 다진법 연산이 가능하다는 점입니다. 기존 2진법과 달리 솔리톤은 그 종류에 따라 3진법이나 4진법, 심지어 12진법까지 구현할 수 있습니다. 이는 소자 하나가 처리할 수 있는 정보량을 획기적으로 늘려주며, 결과적으로 필요한 소자의 수를 줄여 발열을 20분의 1 이하로 낮출 수 있게 합니다. 트랜지스터라는 복잡한 스위치 없이도 입자들의 충돌과 변환만으로 연산이 이루어지는 새로운 시대가 열리는 것입니다. 이는 컴퓨팅 아키텍처의 근본적 변화를 의미합니다. 이러한 혁신적인 개념을 '솔리토닉스'라고 부릅니다. 저항 없는 정보 전달과 다진법 연산이 결합된 이 기술이 상용화된다면, 우리는 전원 연결 없이 장시간 작동하는 컴퓨터를 가질 수 있게 될 것입니다. 비록 공학적인 난제들이 남아있지만, 한국의 연구진이 20년의 연구를 통해 이 가능성을 세계 최초로 열었다는 점은 미래 정보통신 기술의 주도권을 확보했다는 측면에서 매우 고무적입니다. 솔리토닉스는 반도체 문명의 위기를 구할 새로운 희망이 될 것입니다.

염한웅

카오스재단카오스크로스

물리학

[명강리뷰] 레이저는 한마디로 ‘빛 증폭기’ by 이용희ㅣ2015 가을 카오스 강연 '빛, 색즉시공' 7강

인류는 태양과 별, 불에 의존하던 시대를 지나 스스로 빛을 만들어내는 법을 터득했습니다. 그중에서도 가장 드라마틱한 발명품은 바로 레이저입니다. 레이저는 우리가 흔히 보는 백열등이나 자연광과는 본질적으로 다른 특성을 지닙니다. 빛을 일정한 방향으로 똑바로 나아가게 하는 직진성, 하나의 색만을 가지는 단색성, 그리고 빛의 파동이 서로 일치하는 간섭성이 그것입니다. 이러한 특성 덕분에 레이저는 에너지가 흩어지지 않고 먼 거리까지 집중되어 전달될 수 있는 특별한 빛으로 정의됩니다. 레이저의 탄생 배경에는 천재 물리학자 아인슈타인의 이론적 토대가 있었습니다. 1917년 그는 '유도 방출'이라는 혁신적인 개념을 제시하며 레이저의 가능성을 열었습니다. 하지만 이론이 실제 장치로 구현되기까지는 약 40년이라는 긴 시간이 필요했습니다. 1960년 메이먼이 최초의 루비 레이저를 만들어내기 전까지 수많은 과학자가 치열한 연구 경쟁을 벌였습니다. 무에서 유를 창조하는 과정에서 겪은 수많은 시행착오 끝에 비로소 인류는 고도로 훈련된 빛인 레이저를 손에 넣게 된 것입니다. 레이저의 핵심 원리인 유도 방출은 외부 에너지를 받은 원자가 높은 에너지 상태에 머물다 특정 빛의 자극을 받아 동일한 위상의 빛을 내놓는 현상입니다. 이를 위해 원자들을 인위적으로 들뜬 상태로 만드는 '밀도 반전' 과정이 필수적입니다. 레이저 장치 내부의 거울 사이에서 빛이 왕복하며 공진하고, 이 과정에서 빛이 기하급수적으로 강해지는 '광증폭'이 일어납니다. 결국 레이저(LASER)라는 이름 자체가 유도 방출에 의한 광증폭을 의미하며, 이는 현대 물리학이 이룩한 거대한 성취 중 하나입니다. 레이저는 그 세기에 따라 무한한 활용 가능성을 보여줍니다. 순간적으로 지구 전체에 쏟아지는 태양 에너지와 맞먹는 엄청난 출력을 한 점에 집중시킬 수 있어 금속을 절단하거나 정밀한 기판을 가공하는 데 사용됩니다. 반면 의료 분야에서는 라식 수술이나 점 제거와 같이 매우 섬세하고 정교한 작업에 활용되기도 합니다. 이론적으로 가능한 수치들을 실제 기술로 구현해냄으로써, 과거에는 상상조차 할 수 없었던 일들이 레이저를 통해 우리 일상에서 현실로 나타나고 있는 것입니다. 현대 정보통신 혁명의 주역은 머리카락 굵기보다 작은 반도체 레이저와 광섬유입니다. 반도체 레이저는 전기 에너지를 직접 빛으로 바꾸어 효율이 높고 크기가 작아 CD 플레이어부터 초고속 광통신까지 폭넓게 쓰입니다. 특히 광섬유를 통한 데이터 전송은 기존 무선 통신보다 수백만 배 많은 정보를 실어 나를 수 있어 현대 사회의 거대한 데이터 고속도로 역할을 합니다. 전자의 시대를 넘어 광자의 시대로 진입한 지금, 레이저는 여전히 새로운 가능성을 제시하며 인류의 상상력만큼 진화를 거듭하고 있습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[과학원리체험@HOME] 시즌2 -전반사-

빛은 진공 상태에서 초속 약 30만 킬로미터라는 엄청난 속도로 이동하지만, 물이나 유리와 같은 매질을 통과할 때는 그 속도가 현저히 느려집니다. 예를 들어 물속에서는 초속 약 22만 5천 킬로미터, 유리에서는 약 20만 킬로미터까지 속도가 줄어듭니다. 이러한 속도의 차이는 빛이 한 매질에서 다른 매질로 이동할 때 굴절 현상을 일으키는 근본적인 원인이 됩니다. 우리가 물속에 담긴 다리가 실제보다 짧아 보이거나 물체가 굴절되어 보이는 것도 바로 이러한 빛의 속도 변화 때문입니다. 빛이 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로, 즉 물에서 공기 중으로 나아갈 때 독특한 현상이 발생합니다. 입사각을 점차 키우다 보면 어느 순간 빛이 경계면을 통과하지 못하고 내부로 완전히 반사되는데, 이를 전반사라고 부릅니다. 물의 경우 입사각이 약 49도보다 커지면 빛은 밖으로 나가지 못하고 거울처럼 수면 아래로 되돌아옵니다. 이때 전반사가 시작되는 최소한의 각도를 임계각이라고 하며, 이는 매질의 특성에 따라 결정되는 중요한 물리적 수치입니다. 전반사 원리는 현대 통신 기술의 핵심인 광섬유에 적극적으로 활용됩니다. 광섬유는 유리나 플라스틱으로 만든 가느다란 관으로, 내부에서 빛이 임계각보다 큰 각도로 계속해서 전반사되도록 설계되어 있습니다. 덕분에 빛은 직선으로만 나아가는 성질이 있음에도 불구하고, 굽어지거나 휘어진 관을 따라 손실 없이 먼 거리까지 정보를 전달할 수 있습니다. 우리가 초고속 인터넷을 안정적으로 사용할 수 있는 배경에는 이처럼 빛을 가두어 이동시키는 전반사의 마법이 숨어 있습니다. 디스플레이 기술에서도 전반사는 매우 중요한 고려 대상입니다. OLED나 LED와 같은 발광 소자는 내부에서 생성된 빛을 최대한 외부로 많이 내보내야 선명하고 밝은 화면을 구현할 수 있습니다. 하지만 소자를 보호하기 위해 씌운 유리나 보호막의 경계면에서 전반사가 일어나면, 빛이 밖으로 나오지 못하고 내부에서 소실되어 효율이 떨어지게 됩니다. 따라서 기술진들은 보호막의 재질을 개선하거나 상대 굴절률을 조절하여 전반사를 최소화하고 빛의 투과율을 높이는 연구를 지속하고 있습니다. 결국 전반사 현상을 이해하고 제어하는 것은 단순한 과학적 호기심을 넘어 첨단 산업의 효율성을 결정짓는 핵심 기술이 됩니다. 매질의 특성을 조합하여 상대 굴절률을 1에 가깝게 맞추거나 입사각을 조절하는 등의 노력은 모두 빛의 손실을 줄이기 위한 과정입니다. 수조 안에서 일어나는 간단한 빛의 반사 실험이 광통신과 최신 디스플레이 패널의 성능을 좌우하는 중요한 원리가 된다는 점은 매우 흥미롭습니다. 기초 과학의 원리가 우리 실생활의 기술로 어떻게 응용되는지 잘 보여주는 사례라 할 수 있습니다.

국립과천과학관👩‍🔬과학원리체험@home

물리학

[강연] LCD(액정표시장치)가 펼치는 편광의 마술 _ 고재현 교수_2강 | 2018 카오스 마스터클래스 '물리' | 3강 ②

빛은 우리 삶의 도처에 존재하며, 이를 연구하는 광학은 기하광학부터 양자광학까지 폭넓은 영역을 아우릅니다. 전자기파의 일종인 빛은 진행 방향에 수직으로 진동하는 전기장과 자기장 성분을 지닌 횡파의 성질을 가지며, 파장에 따라 가시광선, 적외선, 자외선 등으로 분류됩니다. 특히 우리가 눈으로 인지하는 가시광선은 약 400에서 750나노미터 사이의 파장 대역에 걸쳐 있습니다. 파동으로서의 빛은 속도, 진동수, 파장이라는 핵심 요소를 가지며, 이들의 유기적인 관계를 통해 빛의 물리적 특성이 결정됩니다. 또한 파동의 상태를 나타내는 위상은 두 개 이상의 빛이 만날 때 에너지가 보강되거나 상쇄되는 간섭 현상을 일으키는 중요한 열쇠가 됩니다. 우리는 거울이나 호수 면에 비친 상을 통해 빛의 반사 현상을 일상적으로 경험합니다. 고대부터 알려진 반사의 법칙에 따르면 입사각과 반사각은 항상 동일하며, 이는 빛이 직진한다는 성질에 근거합니다. 하지만 원자 수준에서 들여다본 반사의 실체는 훨씬 복잡한 과정을 담고 있습니다. 외부에서 빛이 들어오면 물질 속의 무수히 많은 원자들이 빛의 전기장에 반응하여 전자가 진동하게 되고, 이 과정에서 주변으로 2차 구면파가 발생합니다. 이렇게 각 원자가 내뿜는 수많은 2차 구면파들이 서로 중첩되면서 특정 방향으로만 보강 간섭을 일으키는 결과가 바로 우리가 눈으로 보는 반사광입니다. 즉, 반사는 빛과 물질의 정교한 상호작용이 만들어낸 산물이라 할 수 있습니다. 빛이 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때 속도가 변하며 경로가 꺾이는 굴절 현상은 렌즈와 같은 광학 기기의 핵심 원리가 됩니다. 굴절률은 진공 중의 광속이 물질 속에서 줄어드는 비율을 의미하는데, 이는 입사파와 원자들이 만들어낸 2차 구면파의 위상 차이에 의한 중첩 효과로 설명됩니다. 흥미로운 점은 굴절률이 빛의 색깔, 즉 진동수에 따라 달라진다는 것입니다. 이를 분산 현상이라 하며, 프리즘을 통과한 백색광이 무지개색으로 갈라지는 이유이기도 합니다. 자연에서는 물방울에 의한 무지개나 대기 중 얼음 결정에 의한 해무리와 같은 현상으로 나타나며, 이는 빛이 가진 파동적 성질이 자연의 조건과 만나 빚어내는 아름다운 예술적 결과물이라 할 수 있습니다. 빛이 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행할 때, 특정 각도 이상으로 입사하면 빛이 경계면을 통과하지 못하고 100% 반사되는 전반사 현상이 일어납니다. 이 현상은 현대 정보통신 사회의 근간인 광통신 기술의 핵심입니다. 광섬유 내부에서 빛이 전반사를 반복하며 에너지를 거의 잃지 않고 먼 거리까지 정보를 전달할 수 있게 해주기 때문입니다. 또한 전반사는 다이아몬드의 화려한 광채를 만들어내거나 쌍안경과 현미경의 내부 경로를 설계하는 데에도 필수적으로 활용됩니다. 거울 코팅 없이도 완벽한 반사를 구현하는 이 마법 같은 현상은 단순한 물리 법칙을 넘어 인류의 기술 문명을 지탱하는 중요한 도구가 되어 우리 곁에 존재하고 있습니다. 빛의 파동성을 확립하는 데 결정적인 역할을 한 것은 간섭과 회절 현상입니다. 토마스 영의 이중 슬릿 실험은 빛이 서로 만나 밝고 어두운 무늬를 만드는 것을 보여줌으로써 빛이 파동임을 증명했습니다. 또한 장애물을 만나면 그 뒤편으로 돌아 들어가는 회절 현상은 빛이 단순히 직진하는 입자가 아님을 뒷받침합니다. 이러한 원리를 극대화한 마이컬슨 간섭계는 에테르의 부재를 확인하고 상대성 이론의 토대를 마련했을 뿐만 아니라, 최근에는 수십억 광년 떨어진 블랙홀의 충돌로 발생하는 중력파를 검출하는 데 사용되기도 했습니다. 미세한 위상 차이를 감지하여 공간의 왜곡을 찾아내는 빛의 능력은 우주의 깊은 신비를 밝히는 가장 강력한 탐사 도구가 됩니다. 빛의 또 다른 중요한 속성은 전기장이 진동하는 방향을 의미하는 편광입니다. 일반적인 자연광은 모든 방향으로 무작위하게 진동하지만, 편광판을 통과하면 특정 방향으로만 진동하는 빛을 얻을 수 있습니다. 일부 결정 물질은 빛의 진동 방향에 따라 서로 다른 굴절률을 느끼게 하는 복굴절 특성을 가집니다. 복굴절 매질을 통과하는 빛은 편광 성분에 따라 속도가 달라지며, 결과적으로 매질을 빠져나올 때 처음과는 다른 편광 상태로 변하게 됩니다. 이러한 편광의 조절 능력은 현대 디스플레이 기술의 정수인 LCD를 가능하게 하는 핵심 원리입니다. 빛의 진동 방향을 자유자재로 다루는 기술은 우리가 정보를 시각적으로 소비하는 방식을 혁신적으로 바꾸어 놓았습니다. 액정 표시 장치인 LCD는 백라이트에서 나오는 빛을 액정 분자가 조절하여 화면을 구성합니다. 두 장의 수직인 편광판 사이에 놓인 액정 분자는 전압에 따라 배열이 바뀌며 빛의 편광을 회전시키는 수도꼭지 역할을 수행합니다. 액정이 빛의 양을 통제하면, 그 위에 위치한 컬러 필터가 필요한 색상만을 통과시켜 우리가 보는 화려한 영상을 만들어냅니다. 광학은 현미경과 망원경을 통해 미시 세계와 거시 우주를 연결해 주었으며, 이제는 우리 손안의 디스플레이를 통해 세상을 보는 창이 되었습니다. 빛의 성질을 깊이 이해하는 것은 단순히 지식을 쌓는 것을 넘어, 우리 주변의 자연 현상을 새로운 관점으로 바라보게 하는 놀라운 경험을 선사할 것입니다.

고재현

카오스재단마스터클래스

물리학

[강연] 자연에 없던 물질 만들기 (1) _이병호 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 9강 | 9강 ①

빛은 우리 삶의 모든 영역에 깊숙이 자리 잡고 있습니다. 태양광을 통한 식물의 광합성부터 현대 사회의 핵심인 광통신과 스마트폰 카메라 렌즈에 이르기까지, 빛이 없는 일상은 상상하기 어렵습니다. 최근 과학계에서는 이러한 빛의 성질을 인위적으로 조절하여 자연계에 존재하지 않는 새로운 특성을 가진 '메타물질'을 만드는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이는 빛과 물질의 상호작용을 근본적으로 이해하고 제어하려는 시도에서 비롯되었습니다. 빛은 반사, 굴절, 회절 등 다양한 물리적 특성을 나타냅니다. 거울에 비치는 반사나 렌즈를 통과하며 꺾이는 굴절은 우리에게 익숙한 현상이지만, 빛이 장애물 뒤로 퍼져 나가는 회절 현상은 더욱 정교한 기술적 응용을 가능하게 합니다. 예를 들어 홀로그램이나 회절광소자는 빛의 파동성을 이용하여 복잡한 이미지를 생성합니다. 이러한 현상들은 빛이 단순한 입자가 아니라 파동으로서 공간을 이동하며 물질과 반응한다는 사실을 잘 보여줍니다. 빛이 서로 다른 매질을 통과할 때 꺾이는 이유는 페르마의 원리로 설명할 수 있습니다. 빛은 목적지까지 도달하는 데 가장 짧은 시간이 걸리는 경로를 선택하며, 매질마다 빛의 속도가 다르기 때문에 굴절이 발생합니다. 이때 진공에서의 빛의 속도와 물질 내에서의 속도 비율을 나타내는 지표가 바로 굴절률입니다. 굴절률은 물질의 고유한 특성에 따라 결정되며, 우리가 사물을 보고 렌즈를 설계하는 데 있어 가장 핵심적인 물리량 중 하나로 작용합니다. 19세기 맥스웰은 전기장과 자기장의 상호 유도 과정을 수식화하여 전자기파의 존재를 예견했습니다. 전기장의 변화가 자기장을 만들고, 다시 자기장의 변화가 전기장을 일으키며 퍼져 나가는 전자기파는 현대 통신 기술의 근간이 되었습니다. 맥스웰은 빛 또한 이러한 전자기파의 일종임을 밝혀냈으며, 이는 인류가 빛을 전자기학적 관점에서 이해하게 된 결정적인 계기가 되었습니다. 오늘날 우리가 사용하는 휴대폰 역시 맥스웰이 발견한 전자기파 원리를 기반으로 작동합니다. 물질의 굴절률은 미시적인 관점에서 유전율과 투자율이라는 두 가지 요소에 의해 결정됩니다. 유전율은 외부 전기장에 대해 물질 내부의 전자가 얼마나 민감하게 반응하는지를 나타내며, 투자율은 자기장에 대한 반응 정도를 의미합니다. 빛이 물질에 들어오면 그 안의 원자들과 전자기적 상호작용을 일으키고, 이 과정에서 빛의 속도와 파장이 변하게 됩니다. 메타물질은 바로 이 유전율과 투자율을 인위적으로 설계하여 자연계의 한계를 뛰어넘는 광학적 특성을 구현합니다.