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[강연] 김근수 교수 _ 반도체의 양자 도약을 꿈꾸며

현대 기술의 핵심인 반도체는 단순한 부품을 넘어 '양자 도약'이라는 거대한 혁신의 중심에 서 있습니다. 과거 양자 현상은 물리학이라는 기초 학문의 영역에만 머물러 있는 주제로 여겨졌으나, 최근에는 양자 컴퓨터나 양자 암호 기술처럼 실질적인 기술적 혁신으로 이어지며 우리 실생활에 거대한 변화를 예고하고 있습니다. 물질 속에 숨겨진 미세한 양자 현상을 어떻게 이해하고 활용하느냐에 따라 미래 기술의 향방이 결정되는 중요한 시점에 도달했습니다. 우리가 매일 사용하는 스마트폰 내부에는 마이크로칩이라는 정교한 부품이 존재하며, 그 안을 들여다보면 나노미터 단위의 미세한 트랜지스터들이 빽빽하게 집적되어 있습니다. 1947년 세 명의 물리학자에 의해 처음 발명된 트랜지스터는 초기에는 손바닥만 한 덩어리에 불과했으나, 이제는 머리카락 굵기의 수만 분의 일 크기로 작아졌습니다. 이 작은 소자들은 전압을 제어하여 0과 1이라는 디지털 신호를 만들어내며 현대 정보화 사회의 근간을 이루는 비트의 세계를 창조하고 있습니다. 현대 기술이 빛을 구성하는 광자보다 전자라는 입자를 주로 활용하는 이유는 인간이 전자를 다루기가 훨씬 수월하기 때문입니다. 우리는 전기장과 자기장이라는 강력한 도구를 무기 삼아 전자의 흐름을 정교하게 제어할 수 있으며, 이 전자의 흐름이 곧 우리가 사용하는 전기 신호이자 전류가 됩니다. 물질은 수많은 원자의 배열로 구성되어 있고 그 안에는 활용 가능한 전자가 가득 차 있습니다. 따라서 고체 물질은 전자의 흐름을 만들어내기 위한 마치 거대한 수조와 같은 최적의 보고 역할을 수행하게 됩니다. 미시 세계의 전자는 양자역학의 지배를 받으며 파동과 입자의 성질을 동시에 지니는 독특한 특징을 보입니다. 특히 고체 내의 전자는 아무 에너지나 가질 수 없고, 양자역학적 원리에 의해 허용된 영역과 금지된 영역인 '밴드갭'이라는 에너지 장벽을 마주하게 됩니다. 이 장벽의 높이에 따라 물질은 도체, 부도체, 반도체로 분류됩니다. 반도체는 이 장벽이 매우 애매하게 설정되어 있어, 외부에서 약간의 힘을 가하는 것만으로도 전자의 흐름을 선택적으로 조절할 수 있다는 점에서 기술적으로 매우 유용한 가치를 지니고 있습니다. 반도체 집적도가 매년 비약적으로 향상된다는 무어의 법칙은 최근 물리적 한계에 부딪히며 새로운 국면을 맞이하고 있습니다. 소자가 너무 작아지면 전자가 에너지 장벽을 그대로 뚫고 지나가는 '양자 터널링 현상'이 발생하여 디지털 신호가 불분명해지고, 전자 간의 잦은 충돌로 인해 기기가 뜨거워지는 발열 문제도 심각해집니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 물리학자들은 전자의 스핀이나 고유한 양자 성질을 100% 활용하여 저항 없이 정보를 전달하는 새로운 차원의 '양자 물질' 연구에 집중하며 돌파구를 찾고 있습니다. 꿈의 신소재로 불리는 그래핀은 전자가 마치 빛처럼 질량이 없는 상태로 빠르게 이동하는 놀라운 효율을 보여주지만, 에너지 장벽인 밴드갭이 없다는 치명적인 단점이 존재합니다. 전자를 멈추게 할 장벽이 없으면 디지털 소자인 트랜지스터로 활용하기 어렵기 때문입니다. 이에 최근 연구는 단순히 새로운 물질을 찾는 것을 넘어, 흑린과 같은 물질에 강력한 전기장을 가해 밴드갭의 크기를 자유자재로 조절하는 '슈타르크 효과'를 고체에 적용하고 있습니다. 이는 물질 고유의 성질을 인간의 의도대로 교정하려는 혁신적인 시도라고 할 수 있습니다. 에너지 장벽 자체를 자유자재로 제어할 수 있게 되면 기존의 고전적인 방식과는 전혀 다른 물리학적 원리로 동작하는 신개념 양자 소자를 구현할 수 있습니다. 이는 인공지능 전용 반도체나 자율주행, 빅데이터 처리 등 미래 ICT 기술 전반에 걸쳐 파괴적인 혁신을 가져올 것입니다. 기초 물리학의 영역에 머물던 양자 현상을 고체 물질 속에서 성공적으로 끌어내어 실용화하려는 이러한 노력은, 결국 인류 기술이 정체기를 벗어나 진정한 의미의 '양자 도약'을 실현하는 가장 강력한 밑바탕이 될 것으로 기대하고 있습니다.

김근수

카오스재단

물리학

[석학인터뷰] 김상욱_ 이론물리학자를 바보로 만드는 방법이 있다? | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

과학자는 합리적인 사고방식을 통해 사회에 기여할 수 있는 존재입니다. 우리 사회가 겪어온 여러 어려움 속에서 과학이 수행해야 할 중요한 역할은 사람들이 세상을 더 이성적으로 바라보게 돕는 것입니다. 과학적 사고는 단순히 지식을 전달하는 것을 넘어, 현상을 객관적으로 분석하고 판단하는 태도를 길러줍니다. 이러한 합리성이 사회 전반에 뿌리내릴 때 우리는 비로소 더 나은 미래를 향해 나아갈 수 있습니다. 과학의 본질은 결국 세상을 이해하려는 인간의 의지와 맞닿아 있으며, 이는 우리 공동체의 성숙을 이끄는 밑거름이 됩니다. 양자역학의 핵심은 우리가 대상에 대해 모든 것을 완벽하게 알 수 없다는 '본질적인 무지'에 있습니다. 빛이 입자와 파동의 성질을 동시에 갖는 상보성 원리는 인간의 이해력을 넘어서는 자연의 근본적인 모습입니다. 과학자들은 우리가 관측할 수 있는 것만을 토대로 대상을 기술하는 실용적인 입장을 취합니다. 대상의 완벽성을 가정하기보다, 우리가 알 수 없는 부분은 남겨둔 채 이해 가능한 영역 안에서 최선을 다해 우주를 설명하려 노력합니다. 이러한 태도는 지식의 한계를 인정하면서도 진리를 추구하는 과학의 겸손함을 보여줍니다. 물리학자들은 미시 세계를 다루는 양자역학이 결국 거시 세계의 고전 역학까지 모두 설명할 수 있을 것이라고 믿습니다. 비록 수학적으로 이를 완벽하게 증명하고 실생활에 적용하는 과정은 매우 복잡하고 어렵지만, 새로운 이론은 언제나 이전의 이론을 포함하며 발전해 왔습니다. 현재 물리학이 직면한 과제는 이 두 세계 사이의 관계를 더욱 매끄럽고 실용적으로 연결하는 것입니다. 모든 물질에 적용되는 보편적인 법칙을 찾아내려는 노력은 우주의 질서를 하나로 통합하려는 과학자들의 오랜 꿈이자 끊임없는 도전 과제이기도 합니다. 우주는 멈춰 있는 것처럼 보이지만 사실 끊임없이 진동하고 있습니다. 물리학에서 대칭은 에너지나 질량 보존 법칙과 같은 중요한 원리들과 깊이 연결되어 있으며, 이는 우주를 기술하는 법칙의 근간이 됩니다. 또한 우리가 보는 물질은 겉보기에 꽉 차 있는 듯해도 실제로는 대부분 텅 빈 공간으로 이루어져 있습니다. 동시에 그 빈 공간은 눈에 보이지 않는 전자기장이나 중력장과 같은 '장'으로 가득 차 있습니다. 이처럼 우주는 맥락에 따라 텅 비어 있기도 하고 꽉 차 있기도 한 역설적이고도 흥미로운 공간입니다. 시간은 물리학에서 가장 기본이 되는 개념 중 하나이지만, 역설적으로 그 본질이 무엇인지에 대해서는 여전히 명확한 답을 내리지 못하고 있습니다. 시간과 공간을 바탕으로 물질의 이론을 구축해 왔음에도 불구하고, 시간의 정체는 이론물리학자들에게도 가장 어려운 질문으로 남아 있습니다. 시간을 이해하려는 노력은 단순히 물리 법칙을 탐구하는 것을 넘어 종교와 예술 등 인류가 쌓아온 지혜를 총동원해야 하는 거대한 작업입니다. 인간이 시간을 바라보는 총체적인 모습을 정리하는 과정은 우주의 신비에 한 걸음 더 다가가는 계기가 될 것입니다.

김상욱

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] LED를 통해 본 전자기의 세계 _ 고재현 교수_1강_ | 2018 여름 카오스 마스터클래스 '물리' | 3강 ①

전자기학의 역사는 인류가 자연의 근본적인 힘을 이해해 온 과정이며, 그 종착점은 우리가 매일 마주하는 '빛'입니다. 고대 그리스 시대의 마찰 전기 현상부터 시작된 탐구는 전하와 자기, 그리고 이들이 서로를 유도하는 복잡한 상호작용을 밝혀내는 여정으로 이어졌습니다. 마이클 패러데이가 직관적으로 제시한 력선의 개념은 이후 제임스 클라크 맥스웰에 의해 정교한 수학적 체계인 전자기파 이론으로 완성되었습니다. 이 이론은 전기와 자기가 별개의 현상이 아니라 하나의 통합된 전자기장 안에서 파동처럼 퍼져나가는 존재임을 증명하며 현대 물리학의 초석을 다졌습니다. 전기 현상의 핵심인 전하는 입자들이 가진 내재적 속성으로, 이들 사이에는 거리에 반비례하고 전하량에 비례하는 쿨롱의 힘이 작용합니다. 과거에는 이 힘이 시간의 지체 없이 즉각 전달되는 원격 작용으로 여겨졌으나, 패러데이는 전하 주변의 공간 성질이 변한다는 '장'의 개념을 도입했습니다. 전하가 형성한 전기장은 공간상의 모든 점에 벡터 성질을 부여하며, 다른 전하가 이 영역에 들어올 때 비로소 전기력을 느끼게 됩니다. 이러한 관점의 전환은 힘이 전달되는 데 일정한 시간이 걸린다는 사실을 시사하며, 전자기학이 전자기파 이론으로 나아가는 중요한 징검다리가 되었습니다. 자기 현상 또한 전기와 마찬가지로 공간에 형성된 자기장을 통해 힘을 전달합니다. 자석은 항상 N극과 S극이 쌍으로 존재하며, 이를 수학적으로 표현한 것이 자기장에 대한 가우스 법칙입니다. 흥미로운 점은 정지한 전하는 자기장의 영향을 받지 않지만, 움직이는 전하는 자기장 속에서 '로렌츠 힘'이라는 특별한 힘을 받는다는 사실입니다. 이 힘은 전하의 이동 방향과 자기장 방향에 모두 수직으로 작용하여 입자의 궤도를 휘게 만듭니다. 이러한 원리는 과거 브라운관 TV의 전자빔 조절부터 현대의 가속기 실험에 이르기까지 전하의 움직임을 제어하는 핵심 원리로 널리 활용되고 있습니다. 전기와 자기가 서로 긴밀하게 연결되어 있다는 사실은 외르스테드와 앙페르, 그리고 패러데이의 실험을 통해 명확히 밝혀졌습니다. 도선에 흐르는 전류가 주변에 자기장을 형성한다는 발견은 전기가 자기를 만들 수 있음을 보여주었고, 반대로 변화하는 자기장이 회로에 전류를 유도한다는 패러데이 전자기 유도 법칙은 자기가 전기를 유도할 수 있음을 증명했습니다. 맥스웰은 여기서 한 걸음 더 나아가 시간에 따라 변하는 전기장이 자기장을 유도한다는 가정을 추가함으로써 전자기학의 대칭성을 완성했습니다. 이로써 전기와 자기는 서로가 서로를 끊임없이 생성하며 공간을 나아가는 파동의 형태로 통합되었습니다. 맥스웰이 정리한 네 개의 방정식은 인류 역사상 가장 아름다운 물리 공식 중 하나로 꼽힙니다. 그는 이 방정식들을 연립하여 전자기파의 속도를 계산해냈고, 그 결과가 당시 알려진 빛의 속도와 일치한다는 사실을 발견했습니다. 이는 인류가 오랫동안 별개의 학문으로 다루어 온 전기학, 자기학, 그리고 광학이 사실은 하나의 뿌리에서 나온 것임을 선언한 역사적 사건이었습니다. 빛은 결국 시간에 따라 진동하는 전기장과 자기장이 서로를 유도하며 진공 속을 가로지르는 전자기파의 일종입니다. 이 발견은 뉴턴의 역학적 세계관을 넘어 현대 전자기 문명의 이론적 토대를 마련했습니다. 전자기학의 원리는 현대 반도체 소자인 LED의 작동 방식에서도 구체적으로 확인할 수 있습니다. LED는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합한 구조로, 외부에서 전압을 가하면 전자와 정공이 접합면으로 이동하여 결합하게 됩니다. 이때 전자가 가진 높은 퍼텐셜 에너지가 낮은 상태로 전이되면서 그 차이만큼의 에너지가 빛의 형태로 방출되는 것입니다. 반도체의 재료를 조절하여 방출되는 빛의 파장을 바꾸면 빨간색, 녹색, 파란색 등 다양한 색상을 구현할 수 있습니다. 이는 전하의 이동과 에너지 변환이라는 전자기학적 과정을 통해 우리가 원하는 빛을 인공적으로 만들어내는 정밀한 기술의 산물입니다. 전기와 자기는 관찰자의 운동 상태에 따라 서로 모습을 바꾸는 동일한 현상의 두 측면입니다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면, 한 관찰자에게는 자기력으로 보이는 현상이 다른 관찰자에게는 전기력으로 해석될 수 있습니다. 이는 전자기학이 단순히 고전적인 물리 법칙에 머무는 것이 아니라, 시공간의 본질과 깊이 연관되어 있음을 보여줍니다. 맥스웰은 인간의 유한함에 갇히지 않고 우주의 무한한 진리를 추구하며 전자기 통합이라는 위대한 업적을 남겼습니다. 그의 방정식은 오늘날 무선 통신과 디스플레이 기술 등 현대 문명을 지탱하는 보이지 않는 힘으로 우리 곁에 살아 숨 쉬고 있습니다.

고재현

카오스재단마스터클래스

물리학

[카오스 술술과학] 도대체! 빛이란 무엇일까?

거울 속의 자신을 바라볼 때 우리는 그것이 실체가 아닌 빛이라는 허상임을 직감합니다. 일상에서 접하는 대부분의 사물은 질량을 가진 물질이지만, 빛은 질량이 없는 독특한 존재입니다. 질량이 없는데 어떻게 존재할 수 있는지 의문이 생길 수 있지만, 소리가 공기의 진동을 통해 에너지를 전달하는 파동인 것처럼 빛 역시 에너지를 실어 나르는 파동의 형태로 존재합니다. 즉, 빛은 물리적인 질량 대신 에너지를 통해 자신의 존재를 드러내며 우리 주변의 세상을 밝히고 정보를 전달하는 역할을 수행합니다. 빛이 파동이라면 도대체 무엇이 진동하는 것일까요? 소리가 공기를, 파도가 물을 매질로 삼아 진동하듯 빛은 전기장과 자기장이 서로 교차하며 진동하며 앞으로 나아갑니다. 이러한 특성 때문에 과학적으로 빛은 '전자기파'라고 불립니다. 19세기 맥스웰 방정식을 통해 우리가 눈으로 보는 가시광선뿐만 아니라 전파, 적외선, 자외선, X선 등이 모두 전자기파라는 거대한 가족의 일원임을 밝혀냈습니다. 이처럼 빛은 단순한 시각적 현상을 넘어 우주를 구성하는 전자기적 상호작용의 핵심적인 결과물이라고 할 수 있습니다. 빛의 탄생은 미시 세계의 주인공인 전자의 움직임에서 시작됩니다. 전기를 띤 입자인 전자가 가속 운동을 하거나 진동할 때 전자기파가 발생하며, 이 파동이 우리 눈 망막의 전자를 다시 진동시킴으로써 우리는 비로소 빛을 지각하게 됩니다. 결국 우리가 경험하는 거시 세계의 수많은 현상은 미시 세계에서 전자와 빛이 주고받는 정교한 상호작용의 결과입니다. 빛은 아주 작은 미시 세계와 우리가 살아가는 거시 세계를 이어주는 정보의 메신저로서, 우주의 비밀을 우리에게 전달하는 중요한 통로가 되어줍니다.

카오스재단'도대체'시리즈

물리학

[강극] 빛의 본질 : 빛, 너의 정체는? (1) | 2016 겨울 제 8회 카오스 콘서트 '빛 색즉시공' 1부 | 1부 ①

우리는 매일 빛과 함께 살아가면서도 그 본질에 대해 깊이 고민하지 않는 경우가 많습니다. 빛은 단순히 앞을 보게 해주는 도구를 넘어, 우주의 비밀을 담고 있는 신비로운 존재입니다. 과학의 역사에서 빛이 물질인지 아니면 파동인지에 대한 논쟁은 매우 오랫동안 이어져 왔습니다. 소리가 공기의 진동을 통해 전달되는 파동인 것처럼, 빛 역시 에너지를 실어 나르는 파동의 성질을 지니고 있습니다. 하지만 빛은 소리와 달리 공기 같은 매질이 없는 진공 상태에서도 스스로 진동하며 나아갈 수 있다는 독특한 특징을 가집니다. 빛이 매질 없이 나아갈 수 있는 이유는 전기장과 자기장이 서로를 유도하며 진동하기 때문입니다. 이러한 빛의 성질을 가장 완벽하고 아름답게 표현한 것이 바로 맥스웰 방정식입니다. 1865년에 발표된 이 수식은 복잡한 빛의 움직임을 단 몇 줄의 기호로 정리하여 인류에게 자연의 질서를 이해하는 새로운 기틀을 제공했습니다. 맥스웰은 계산을 통해 전자기파의 속도가 빛의 속도와 일치한다는 사실을 밝혀냈고, 이를 통해 우리가 보는 가시광선뿐만 아니라 전파, 적외선, 자외선, X선 등이 모두 전자기파라는 하나의 가족임을 증명했습니다. 맥스웰 방정식은 단순한 이론적 발견에 그치지 않고 현대 문명을 지탱하는 핵심적인 토대가 되었습니다. 우리가 매일 사용하는 스마트폰의 무선 통신부터 텔레비전 방송, 그리고 다양한 전자기기들은 모두 이 방정식이 있었기에 탄생할 수 있었습니다. 아인슈타인의 상대성 이론조차 맥스웰의 연구가 없었다면 세상에 나오지 못했을 것이라고 평가받을 만큼 그 영향력은 막대합니다. 빛의 성질을 수학적으로 해독해낸 이 위대한 업적은 인류가 자연의 근본 원리를 이해하는 데 있어 가장 중요한 이정표 중 하나로 남아 있습니다. 하지만 빛의 정체는 파동만으로 모두 설명되지 않습니다. 리처드 파인만과 같은 현대 물리학자들은 빛이 입자로 구성되어 있다는 사실을 강조했습니다. 이를 증명하는 대표적인 장치가 바로 광전 증폭기입니다. 빛을 쪼였을 때 파동처럼 완만하게 반응하는 것이 아니라, 마치 작은 알갱이가 부딪히는 것처럼 '딱' 하는 소리를 내며 반응하는 현상은 빛이 입자임을 보여주는 강력한 증거입니다. 과학자들은 이러한 빛의 입자를 '광자'라고 부르며, 빛의 세기가 강해진다는 것은 광자의 에너지가 커지는 것이 아니라 광자의 개수가 많아지는 것임을 밝혀냈습니다. 놀랍게도 인간의 몸에는 빛의 입자를 감지할 수 있는 정교한 생물학적 장치가 존재하는데, 그것이 바로 우리의 눈입니다. 생명 진화의 역사 속에서 삼엽충으로부터 시작된 시각의 발달은 약 5억 5천만 년이라는 긴 시간을 거쳐 지금의 복잡한 구조를 갖추게 되었습니다. 빛이라는 자연의 신호를 받아들이기 위해 우리 몸은 아주 오랜 시간 동안 스스로를 다듬어온 셈입니다. 이러한 진화의 결과로 우리는 아주 희미한 빛조차 놓치지 않고 세상을 선명하게 바라볼 수 있게 되었습니다.

전기장

[강연] 김근수 교수 _ 반도체의 양자 도약을 꿈꾸며

카오스재단

[석학인터뷰] 김상욱_ 이론물리학자를 바보로 만드는 방법이 있다? | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

카오스재단카오스강연

[강연] LED를 통해 본 전자기의 세계 _ 고재현 교수_1강_ | 2018 여름 카오스 마스터클래스 '물리' | 3강 ①

카오스재단마스터클래스

[카오스 술술과학] 도대체! 빛이란 무엇일까?

카오스재단'도대체'시리즈

[강극] 빛의 본질 : 빛, 너의 정체는? (1) | 2016 겨울 제 8회 카오스 콘서트 '빛 색즉시공' 1부 | 1부 ①

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전기장

[강연] 김근수 교수 _ 반도체의 양자 도약을 꿈꾸며

카오스재단

[석학인터뷰] 김상욱_ 이론물리학자를 바보로 만드는 방법이 있다? | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

카오스재단카오스강연

[강연] LED를 통해 본 전자기의 세계 _ 고재현 교수_1강_ | 2018 여름 카오스 마스터클래스 '물리' | 3강 ①

카오스재단마스터클래스

[카오스 술술과학] 도대체! 빛이란 무엇일까?

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[강극] 빛의 본질 : 빛, 너의 정체는? (1) | 2016 겨울 제 8회 카오스 콘서트 '빛 색즉시공' 1부 | 1부 ①

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