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📍댓글 이벤트! 노벨상에 가장 가까웠던 한국 과학자는 누구?🧐 노벨상, 한국 과학자들의 위대한 도전! Part.2 l 선을 넘는 과학자들

한국 과학사에 대한 흔한 오해 중 하나는 우리가 역사적으로 과학 기술이 낙후된 나라였다는 인식입니다. 하지만 우리나라는 삼국 시대부터 현대에 이르기까지 꾸준히 과학 기술 선진국의 면모를 보여왔습니다. 고구려의 천문도와 통일신라의 석굴암, 조선의 자격루는 물론, 현대의 CDMA 기술과 반도체에 이르기까지 한국의 과학적 성취는 세계적으로 우수성을 인정받아 왔습니다. 이러한 역사는 우리가 단순히 서구 기술을 뒤늦게 수용한 것이 아니라, 독자적이고 앞선 기술력을 바탕으로 끊임없이 발전해 왔음을 증명하는 소중한 자산입니다. 일제 강점기라는 척박한 환경 속에서도 한국 과학자들은 세계적인 연구 성과를 거두었습니다. 대표적인 인물인 김용하 박사는 1930년대 비타민 E 연구의 선두 주자로 활약하며 노벨상 후보로 거론되기도 했습니다. 그는 비타민 E의 결정체를 발견하고 새로운 연구 방법을 개발하는 등 당시 전 세계 비타민 연구 전성기를 이끌었습니다. 비록 당시 연구 장비의 격차로 인해 최종적인 성과에서 아쉬움을 남겼지만, 그의 도전은 한국 근대 과학의 저력을 보여주는 중요한 이정표가 되었습니다. 그는 어려운 시절에도 학문적 열정을 잃지 않았던 선구자였습니다. 현대 전자 산업의 핵심인 반도체 분야에서도 한국 과학자의 공헌은 절대적입니다. 강대원 박사는 'MOSFET'과 '플로팅 게이트' 이론을 정립하여 반도체의 집적화와 대량 생산의 길을 열었습니다. 이는 오늘날 디지털 문명을 가능하게 한 거대한 변곡점이었습니다. 그는 한국인 최초로 미국 발명가 명예의 전당에 헌액되었으며, 그의 기술은 삼성전자의 성공과 같은 국가적 산업 발전의 토대가 되었습니다. 강 박사의 업적은 공학 분야가 노벨상의 주요 대상이었다면 충분히 수상을 기대할 수 있었을 만큼 위대하며, 현대 문명의 기초를 닦은 것으로 평가받습니다. 의학 분야에서는 '한국의 파스퇴르'라 불리는 이호왕 박사의 업적이 눈부십니다. 그는 정체불명의 병원체였던 유행성 출혈열의 원인 바이러스인 한탄 바이러스를 세계 최초로 발견했습니다. 미국 노벨상 수상자들도 해결하지 못한 난제를 형광 항체법이라는 혁신적인 연구 방식을 도입해 해결한 것입니다. 병원체 발견부터 진단법 개발, 백신 제조에 이르는 전 과정을 완수한 그의 성과는 인류 보건 역사에 큰 획을 그었습니다. 비록 질병의 유행 양상 변화로 가치가 저평가되기도 했으나, 그의 학문적 깊이와 인류에 대한 공헌은 여전히 전 세계 과학계에서 높게 평가받고 있습니다. 오늘날에도 현택환 교수와 같은 과학자들이 나노 입자 연구를 통해 세계 과학계를 선도하고 있습니다. 그는 균일한 나노 입자를 대량 생산할 수 있는 공정 기술을 개발하여 양자점 TV와 같은 첨단 산업의 실용화를 이끌었습니다. 이제 한국 과학계는 노벨상에 근접한 연구자들을 지속적으로 배출하는 단계에 진입했습니다. 앞으로 우리 과학이 더 높이 도약하기 위해서는 대중의 지속적인 관심과 함께, 연구 성과가 후대로 이어지는 탄탄한 연구 학파의 형성이 무엇보다 중요합니다. 우리 과학자들의 이름을 기억하고 그들의 업적을 기리는 문화가 정착될 때 진정한 과학 강국으로 거듭날 수 있습니다.

국립과천과학관선을 넘는 과학자들🔬

물리학
화학
생명과학
지구환경과학
융합

[인터뷰] 황윤정_탄소 중립을 실현하는 고체 촉매 연구｜제31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래"

산업 혁명 이후 인류는 탄소를 기반으로 한 에너지를 사용하여 비약적인 발전을 이루었습니다. 대량 생산 체제가 구축되면서 인류의 생활 방식은 근본적으로 변화했고, 우리가 현재 누리고 있는 모든 편리한 기술과 화학 제품들은 탄소 기반 에너지로부터 시작되었다고 해도 과언이 아닙니다. 하지만 이러한 발전의 이면에는 이산화탄소 배출량 증가라는 부작용이 뒤따랐습니다. 공기 중 이산화탄소 농도가 높아지며 발생한 온실 효과는 지구 온난화와 기후 변화라는 인류 공동의 과제를 안겨주었으며, 이제 과학자들은 이를 해결하기 위한 적극적인 연구에 매진하고 있습니다. 이산화탄소를 다시 유용한 자원으로 되돌리기 위해서는 화학 결합을 끊고 새로운 결합을 형성하는 과정이 필요합니다. 이 과정에서 투입되는 에너지를 낮추어 반응을 효율적으로 만드는 핵심 소재가 바로 촉매입니다. 특히 전기화학적 전환 기술을 활용하면 필요한 전력 소모를 획기적으로 줄이면서도 짧은 시간 안에 더 많은 화합물을 생산할 수 있습니다. 이는 자연 상태에서 수백만 년이 걸리는 탄소 순환 과정을 실험실과 산업 현장에서 실시간으로 구현하는 기술로, 탄소 중립 실현을 위한 가장 중요한 과학적 도구 중 하나로 평가받고 있습니다. 전기화학적 전환 기술을 통해 이산화탄소는 일산화탄소, 에틸렌, 에탄올과 같은 고부가가치 화합물로 재탄생합니다. 일산화탄소는 플라스틱이나 각종 연료를 합성하는 필수적인 산업 원료로 쓰이며, 에틸렌은 중합 과정을 거쳐 우리 일상에서 흔히 볼 수 있는 폴리에틸렌 제품의 기초가 됩니다. 또한 용매나 청정 연료로 활용되는 에탄올 역시 이 과정을 통해 얻을 수 있습니다. 이러한 기술적 진보는 단순히 오염 물질을 처리하는 수준을 넘어, 버려지는 탄소를 지속 가능한 자원으로 탈바꿈시켜 새로운 경제적 가치를 창출하는 데 기여합니다. 기초 과학 연구는 종종 실험실 안의 탐구에 머무는 것처럼 보이지만, 생각보다 훨씬 빠르게 세상을 바꾸는 동력이 됩니다. 2023년 노벨 화학상을 받은 양자점 연구가 대표적인 사례입니다. 입자의 크기에 따라 다른 색을 내는 이 나노 소재는 초기 연구 단계를 지나 오늘날 디스플레이와 의료 분야 등에서 널리 상용화되었습니다. 이처럼 새로운 물질을 합성하고 그 특성을 밝혀내는 과정은 인류가 이전에는 경험하지 못했던 기술적 진보를 가능하게 합니다. 과학적 발견이 산업화로 이어지는 속도는 점차 빨라지고 있으며, 이는 곧 우리가 마주하는 미래의 모습이 됩니다. 미래의 과학 기술은 단순히 편리함을 추구하는 것을 넘어 지속 가능한 사회를 만드는 데 책임을 다해야 합니다. 이를 위해 미래를 꿈꾸는 학생들은 과학적 지식뿐만 아니라 자신의 논리를 타인과 공유하고 소통하는 능력을 갖추어야 합니다. 글쓰기와 예술적 감각은 자신의 연구를 효과적으로 전달하고 창의적인 사고를 확장하는 데 필수적인 요소입니다. 이과와 문과라는 이분법적 사고에서 벗어나 다양한 분야를 경험하고 융합할 때, 비로소 인류가 직면한 복합적인 문제들을 해결하고 세상을 긍정적으로 변화시키는 진정한 과학자로 성장할 수 있습니다.

황윤정

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[강연] 탄소 중립을 위한 화학의 도전_by황윤정 l 31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래" | 3강

지속 가능한 사회란 과학 기술의 발전이 가져온 편리함과 그로 인한 부작용 사이의 균형을 찾는 과정에서 시작됩니다. 특히 기후 변화는 인류가 직면한 가장 시급한 과제로, 이를 해결하기 위해 '탄소 중립'이라는 개념이 등장했습니다. 이는 배출되는 이산화탄소의 양과 흡수 및 제거되는 양을 같게 하여 실질적인 배출량을 '0'으로 만드는 상태를 의미합니다. 단순히 탄소를 멀리하는 것이 아니라, 발생한 탄소를 어떻게 다시 활용하고 순환시킬 것인지에 대한 과학적 책임감이 요구되는 시점입니다. 1890년대 물리화학자 아레니우스는 대기 중 이산화탄소가 지표면 온도에 미치는 영향을 처음으로 논문화했습니다. 당시에는 온실효과가 식량 증산에 도움이 되는 축복으로 여겨졌으나, 산업화 이후 화석 연료 사용이 급증하며 상황은 반전되었습니다. 지난 150년간 이산화탄소 농도와 지표면 온도의 급격한 상승 사이의 상관관계가 명확히 입증되었고, 이는 더 이상 자연 현상이 아닌 인류의 활동에 의한 결과임이 확인되었습니다. 이제 적당함을 넘어선 탄소는 인류의 생존을 위협하는 재앙으로 다가오고 있습니다. 한국은 세계 10위권 안에 드는 탄소 배출국으로, 산업 구조상 철강, 석유화학, 반도체 등 에너지 집약적 산업이 경제를 이끌고 있습니다. 이러한 구조에서 무조건적인 탄소 감축은 경제 성장에 큰 타격을 줄 수 있기에, 각 산업 특성에 맞는 전략적인 중립 기술 개발이 필수적입니다. 단순히 에너지를 절약하는 차원을 넘어, 화석 연료를 대체할 재생 에너지를 도입하고 기존 공정을 혁신하는 10대 핵심 기술 선정이 이루어진 이유도 여기에 있습니다. 경제와 환경이라는 두 마리 토끼를 잡기 위한 과학적 도전이 시작된 것입니다. 재생 에너지 분야에서는 태양광과 수소가 핵심적인 역할을 합니다. 특히 한국 연구진이 강점을 가진 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지보다 높은 효율을 목표로 하며, 유연하고 가벼운 특성을 활용해 건물 외벽 등 다양한 곳에 적용될 수 있습니다. 또한 물을 분해하여 수소를 얻는 수전해 기술은 이산화탄소 배출이 없는 청정 에너지 순환 구조를 완성하는 열쇠입니다. 비싼 백금 촉매를 대체할 저렴하고 효율적인 소재를 개발하려는 노력은 에너지 저장과 활용의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 탄소 중립의 실질적인 완성은 이미 배출된 탄소를 포집하고 활용하는 CCUS 기술에 달려 있습니다. 이산화탄소를 단순히 저장하는 것에 그치지 않고, 이를 원료로 삼아 플라스틱, 시멘트, 혹은 연료로 전환하는 기술은 탄소 순환 사회의 핵심입니다. 현재는 경제성이나 기술적 난이도 면에서 초기 단계에 머물러 있지만, 2050년까지 전 세계 감축량의 상당 부분을 담당할 것으로 기대됩니다. 공기 중의 기체를 잡아 고부가가치 화합물로 바꾸는 이 연금술 같은 과정은 화학이 인류에게 선사할 새로운 미래입니다. 과학의 역사는 수많은 실패와 도전 끝에 얻어진 결과물입니다. 20세기 초 인류의 식량 문제를 해결한 암모니아 합성법인 하버-보슈법이 대표적인 사례입니다. 당시 많은 과학자가 재현 실패와 폭발 사고 등의 위험으로 연구를 포기했으나, 끝까지 수천 번의 촉매 탐색을 멈추지 않았던 끈기가 오늘날의 풍요를 만들었습니다. 탄소 중립 역시 지금은 불가능해 보이는 난제일 수 있지만, 과거의 사례처럼 데이터가 쌓이고 기술적 돌파구가 마련된다면 인류는 다시 한번 위기를 기회로 바꿀 수 있을 것입니다. 미래의 지구를 구하는 일은 특정 분야의 노력만으로는 불가능하며, 과학적 원리에 기반한 사회적 합의와 지속적인 관심이 필요합니다. 인공 광합성 장치를 통해 식물처럼 에너지를 생산하고, 버려지는 탄소를 자원으로 되돌리는 기술은 더 이상 공상 과학의 영역이 아닙니다. 화학자들은 주기율표 속 원소들을 조합하며 지구의 온도를 낮출 최적의 답을 찾아가고 있습니다. 이러한 과학적 도전이 지속 가능한 사회를 만드는 든든한 뿌리가 되어, 다음 세대에게 더욱 건강하고 풍요로운 지구를 물려줄 수 있기를 기대합니다.

황윤정

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

우리나라 최초의 노벨 화학상🔗 수상자가 탄생할 뻔?!😮 2023 노벨 화학상(Nobel Prize) | 요즘과학

정보분석 기업 클래리베이트는 매년 논문 인용 횟수와 정성 분석을 통해 노벨상 수상 가능성이 높은 후보자를 발표합니다. 지금까지 예측한 후보 중 71명이 실제 노벨상을 수상하며 '노벨상 족집게'라는 명성을 얻었습니다. 2020년에는 올해 노벨 화학상 수상자인 모운지 바웬디 교수와 함께 한국의 현택환 교수가 유력 후보로 선정되기도 했습니다. 비록 이번 수상 명단에 한국인 연구자가 포함되지는 않았지만, 세계적인 수준의 연구 역량을 인정받았다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 우리 과학계의 저력이 노벨상이라는 결실로 이어질 날이 머지않았음을 시사합니다. 양자란 전자나 빛처럼 불연속적인 에너지 상태로 운동하는 입자를 의미합니다. 원자 내부의 전자는 태양계의 행성들처럼 정해진 궤도에서만 존재하며, 외부에서 강한 에너지나 열을 받으면 궤도를 이탈해 운동하게 됩니다. 이때 전자는 연속적으로 움직이는 것이 아니라 궤도를 띄엄띄엄 건너뛰는 불연속적인 특징을 보입니다. 이러한 미시 세계의 독특한 에너지 상태와 입자의 운동을 통칭하여 양자라고 부릅니다. 우리가 일상에서 경험하는 물리 법칙과는 다른, 아주 작은 나노 세계에서만 관찰되는 현상이 바로 양자 역학의 기초가 됩니다. 양자점은 물질을 나노미터 수준으로 아주 작게 만들었을 때 양자 현상이 나타나는 입자를 말합니다. 보통 원자가 수십 개 정도 뭉치면 나노 크기가 되는데, 이때 물질은 본래 가지고 있던 성질과는 전혀 다른 새로운 특성을 보여줍니다. 예를 들어 금은 본래 황금색을 띠지만, 크기가 매우 작아지면 색깔이 변하는 등 물리적 성질이 달라집니다. 과거에는 단순히 나노입자로 불리기도 했으나, 크기에 따라 성질이 변하는 독특한 양자 역학적 특성 때문에 오늘날에는 퀀텀닷이라는 이름으로 더 널리 알려져 있습니다. 물질의 크기가 작아지면 내부의 에너지 궤도들이 겹치면서 에너지 밴드를 형성하고, 이 밴드 사이의 간격인 밴드갭이 변화합니다. 원자의 개수가 줄어들수록 밴드갭이 넓어지며, 이 차이에 따라 방출되는 빛의 색깔이 결정됩니다. 즉, 재료를 바꾸지 않고도 입자의 크기만 조절하면 원하는 색의 빛을 자유롭게 만들어낼 수 있는 것입니다. 이는 기존의 화학적 방식으로는 불가능했던 혁명적인 아이디어로, 미세한 공정 기술을 통해 입자의 크기를 정밀하게 제어함으로써 디스플레이 등 다양한 산업 분야에서 색 재현력을 극대화하는 핵심 기술이 되었습니다. 2023년 노벨 화학상은 양자점의 발견과 증명, 그리고 대량 합성 기술을 개발한 세 명의 과학자에게 돌아갔습니다. 예키모프 교수는 입자 크기에 따른 색 변화를 발견했고, 브루스 교수는 이를 실험적으로 증명했으며, 바웬디 교수는 균일한 나노입자 합성법을 확립했습니다. 현재 이 기술은 QLED TV와 같은 고성능 디스플레이에 상용화되어 있으며, 향후 차세대 태양전지나 의학용 조영제 등 활용 범위가 더욱 넓어질 전망입니다. 기초 과학의 발견이 공학적 혁신을 거쳐 우리 실생활을 풍요롭게 바꾸는 과정은 과학 기술이 가진 진정한 가치를 잘 보여줍니다.

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물리학
화학
융합

[강연] 양자점, 색에 대한 생각을 바꾸다_by 이광렬 | 고등과학원&카오스재단 '2023 노벨상 해설강연' | 3강

세상은 다채로운 색으로 가득 차 있지만, 이 색을 인지하기 위해서는 반드시 빛이 필요합니다. 2023년 노벨 화학상은 '양자점'이라 불리는 아주 작은 반도체 입자를 발견하고 발전시킨 세 명의 과학자에게 수여되었습니다. 양자점은 나노기술의 상징적인 물질로, 탄소 나노튜브와 함께 현대 과학의 지평을 넓힌 핵심 소재입니다. 빛의 파장과 진동수에 따라 에너지가 결정되듯, 양자점은 그 크기에 따라 독특한 광학적 성질을 나타내며 우리가 색을 이해하는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 물질이 빛을 내는 원리를 이해하려면 원자 내부의 전자를 살펴봐야 합니다. 전자는 특정한 에너지 상태를 가진 '오비탈'이라는 공간에 존재하며, 높은 에너지 상태에서 낮은 상태로 이동할 때 그 차이만큼의 에너지를 빛의 형태로 방출합니다. 수소 원자의 스펙트럼이나 밤하늘의 오로라 역시 전자가 에너지를 얻었다가 다시 안정된 상태로 돌아오며 내뿜는 빛의 결과물입니다. 이러한 현상은 분자나 네트워크 구조를 가진 고체 물질에서도 동일하게 나타나며, 물질의 고유한 색을 결정하는 중요한 요인이 됩니다. 수많은 원자가 모여 네트워크를 이루면 각각의 오비탈이 겹쳐지며 '전자띠'를 형성합니다. 전자가 가득 찬 원자가띠와 비어 있는 전도띠 사이의 간격을 '띠간격'이라고 부르는데, 이 간격의 크기에 따라 도체, 반도체, 부도체가 구분됩니다. 특히 반도체는 이 간격이 가시광선 영역에 걸쳐 있어 독특한 색을 띨 수 있습니다. 하지만 전통적인 과학에서는 물질의 색을 그 물질만이 가진 고유한 성질로 정의해 왔으며, 입자의 크기가 작아질 때 나타나는 변화에 대해서는 명확한 답을 내놓지 못했습니다. 리처드 파인만은 나노세계에 숨겨진 흥미로운 현상이 많을 것이라 예견했습니다. 나노입자는 수천에서 수만 개의 원자가 뭉쳐진 아주 작은 입자로, 현미경 기술의 발달 덕분에 비로소 그 실체가 드러나기 시작했습니다. 에키모프는 유리 속에서 자라나는 반도체 입자의 크기에 따라 흡수하는 빛의 파장이 달라진다는 사실을 발견했고, 브루스는 이를 이론적으로 증명했습니다. 입자가 작아질수록 전자가 움직일 수 있는 공간이 좁아지면서 띠간격이 넓어지고, 결과적으로 더 짧은 파장의 푸른 빛을 내게 되는 것입니다. 이론적 발견을 넘어 양자점을 실제로 활용하기 위해서는 입자의 크기를 정밀하게 조절하며 합성하는 기술이 필요했습니다. 바웬디 교수는 유기 용매 속에서 계면활성제를 이용해 나노입자의 성장을 제어하는 획기적인 방법을 개발했습니다. 이를 통해 과학자들은 원하는 크기의 양자점을 자유자재로 얻을 수 있게 되었으며, 빨간색부터 보라색까지 모든 가시광선 영역의 색을 구현하는 데 성공했습니다. 이는 기초 과학의 호기심이 실험실의 성과를 거쳐 우리 손안의 실질적인 물질로 탄생하게 된 결정적인 계기가 되었습니다. 양자점 기술이 대중화된 데에는 기업의 역할이 컸습니다. 특히 삼성은 카드뮴과 같은 유해 물질을 배제하면서도 효율이 높은 양자점을 개발하고, 이를 대량 생산하는 공정을 완성하여 세계 최초로 양자점 디스플레이를 상용화했습니다. 양자점은 빛의 순도가 매우 높아 선명한 색상을 구현할 수 있으며, 백라이트의 빛을 효율적으로 변환하여 총천연색을 만들어냅니다. 이러한 상업적 성공은 나노기술이 단순한 이론에 머물지 않고 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 혁신적인 도구로 자리 잡았음을 증명하는 사례입니다. 양자점의 응용 분야는 디스플레이를 넘어 의료 진단과 센서 기술로 확장되고 있습니다. 특정 세포에 결합하는 항체를 양자점에 부착하면 암세포의 위치를 정확히 파악하거나 적외선 투시를 통해 정밀한 수술을 돕는 등 바이오 분야에서도 혁신을 일으키고 있습니다. 이 모든 성과는 '나노입자의 띠간격은 어떠한가'라는 순수한 기초 과학적 질문에서 시작되었습니다. 미래의 과학 기술 혁신 역시 이러한 나노과학의 토대 위에서 탄생할 것이며, 새로운 세대의 과학자들이 그 주인공이 될 것입니다.

이광렬

카오스재단카오스크로스

화학

[강연] 2023 '노벨상 해설강연' by 안광석, 김경택, 이광렬 l 고등과학원&카오스재단

2023년 노벨 생리의학상은 인류를 팬데믹의 공포에서 구원한 mRNA 백신 기술에 수여되었습니다. 카탈린 카리코와 드루 와이즈만 박사는 뉴클레오사이드 염기 변형이라는 획기적인 발견을 통해 외부 mRNA가 체내에서 일으키는 과도한 염증 반응을 억제하는 데 성공했습니다. 이 기술은 단순히 코로나19 대응을 넘어 암 치료와 유전병 극복을 위한 차세대 의학 혁명의 토대를 마련했다는 점에서 그 가치가 매우 높습니다. 카탈린 카리코 박사의 여정은 과학적 집념이 무엇인지 보여줍니다. 그녀는 연구비 중단과 해고라는 모진 시련 속에서도 mRNA 치료제에 대한 확신을 굽히지 않았습니다. 슈도우리딘을 이용한 염기 변형 기술은 당시 학계에서 외면받았으나, 결국 단백질 생산 효율을 높이고 면역 거부 반응을 해결하는 열쇠가 되었습니다. 한 과학자의 끈질긴 인내심이 전 세계 수백만 명의 생명을 구하는 기적으로 이어진 셈입니다. 물리학 분야에서는 찰나의 순간을 포착하려는 인류의 도전이 결실을 맺었습니다. 아토초 펄스는 100경 분의 1초라는 상상조차 하기 힘든 짧은 시간 폭을 가진 빛입니다. 이는 원자 내부에서 빛의 속도에 가깝게 움직이는 전자의 역학을 관찰할 수 있게 해주는 유일한 도구입니다. 아토초 과학의 등장은 정지된 사진처럼 전자의 움직임을 포착함으로써 물질의 근본적인 성질을 이해하는 새로운 지평을 열었습니다. 아토초 펄스 생성의 핵심은 고차 조화파라는 현상에 있습니다. 초강력 레이저를 기체 원자에 쏘아 전자를 이온화시키고 다시 결합하는 과정에서 발생하는 이 빛은 기존 펨토초 레이저의 한계를 뛰어넘었습니다. 피에르 아고스티니, 페렌츠 크라우스, 안 릴리에 교수는 실험적 방법을 통해 단일 아토초 펄스를 측정하고 제어하는 데 성공했습니다. 이로써 인류는 미시 세계의 초고속 현상을 직접 제어할 수 있는 능력을 갖추게 되었습니다. 노벨 화학상은 나노 세계의 보석이라 불리는 양자점의 발견과 발전에 돌아갔습니다. 양자점은 크기에 따라 방출하는 빛의 색깔이 변하는 독특한 반도체 결정입니다. 이는 '물질의 색은 고유한 성질'이라는 기존의 상식을 뒤엎는 발견이었습니다. 입자의 크기를 조절하는 것만으로도 빨간색부터 파란색까지 모든 가시광선 영역의 색을 구현할 수 있게 된 것입니다. 이러한 양자 역학적 특성은 나노 기술의 무한한 가능성을 상징합니다. 양자점 기술이 실험실을 넘어 우리 삶에 들어오기까지는 정밀한 합성 기술의 발전이 필수적이었습니다. 문지 바웬디 교수는 유기 용매 내에서 균일한 크기의 양자점을 대량으로 생산할 수 있는 공정을 확립했습니다. 이후 이 기술은 디스플레이 산업과 결합하여 QLED TV와 같은 상업적 성공으로 이어졌습니다. 기초 과학의 호기심에서 시작된 연구가 기업의 기술력과 만나 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 선순환 구조를 보여준 대표적 사례입니다. 2023년 노벨상 수상 업적들은 공통적으로 수십 년에 걸친 기초 과학 연구의 중요성을 시사합니다. 당장의 경제적 이익이나 가시적인 성과에 매몰되지 않고, 자연의 근본 원리를 탐구하는 과학자들의 순수한 열정이 혁신의 원동력이 되었습니다. 과학은 단거리 경주가 아니라 긴 호흡으로 이어지는 마라톤과 같습니다. 기초 과학에 대한 지속적인 관심과 인내심 있는 지원만이 인류의 미래를 밝히는 새로운 발견을 가능하게 할 것입니다.

김경택, 안광석, 이광렬

카오스재단카오스크로스

물리학
화학
생명과학

[질문Q] 금나노입자가 금색이 아닌 이유? | 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 8강

과학의 여정에서 가장 중요한 동력은 멈추지 않는 질문과 호기심입니다. 나노과학 역시 나노 크기의 소재가 가진 특이한 현상에 대한 순수한 흥미에서 시작되었습니다. 과학자는 미래의 응용 가능성과 사회적 기여를 고민하지 않을 수 없지만, 그 근간에는 항상 '왜 그럴까'라는 원초적인 물음이 자리 잡고 있습니다. 이러한 호기심은 우리가 아직 알지 못하는 자연과 우주의 비밀을 밝히고 지식의 영역을 조금씩 넓혀가는 소중한 출발점이자 과학의 본질입니다. 현대 과학 연구는 기초 연구와 응용 연구 사이의 균형이라는 중요한 과제에 직면해 있습니다. 많은 연구가 국민의 세금으로 조성된 연구비를 통해 이루어지는 만큼, 사회적 문제를 해결하고 실질적인 도움을 주는 기술을 개발하는 것은 과학자의 당연한 책무입니다. 하지만 기초 과학에 대한 지원이 응용 분야에 비해 부족한 현실은 반드시 개선되어야 합니다. 문제를 해결하기 위한 창의적인 아이디어와 지적 호기심이 극대화될 때 비로소 현대 과학이 지향해야 할 진정한 혁신과 발전이 가능하기 때문입니다. 과학적 발견이 실생활의 기술로 구현되기까지는 생각보다 오랜 인고의 시간이 필요합니다. 1980년대 초반에 태동한 나노기술이 40여 년이 지난 지금에야 가시적인 성과를 내고 있는 것이 그 증거입니다. 우리가 현재 누리는 컴퓨터와 전자공학 기술 역시 이미 1920년대 물리학자들이 정립해 놓은 기초 원리에 기반하여 수십 년 뒤에야 구현되었습니다. 이처럼 기초적인 호기심과 응용은 서로 분리된 것이 아니라, 긴 시간을 두고 함께 호흡하며 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 동반자 관계라고 할 수 있습니다. 나노 세계에서는 입자의 크기와 모양에 따라 물질의 안정성과 특성이 흥미롭게 변화합니다. 예를 들어 양자점은 입자가 커질수록 표면의 계면활성제 간 상호작용으로 인해 둥근 모양보다 면이 있는 구조가 더 안정적인 상태가 됩니다. 또한 원자 단위의 정밀한 관찰을 가능하게 하는 주사 탐침 현미경 기술은 나노 세계를 이해하는 핵심적인 도구입니다. 아무리 뭉툭해 보이는 탐침이라도 그 끝에는 결국 하나의 원자가 존재하며, 이를 통해 원자 사이의 거리를 정밀하게 제어함으로써 나노 수준의 이미지를 얻어낼 수 있습니다. 나노 물질이 보여주는 특별한 색깔은 빛의 파장과 소재의 크기 사이의 상호작용에서 비롯됩니다. 가시광선의 파장보다 작은 금 나노입자의 경우, 빛의 전기장 안에서 입자 내부의 전자들이 전체적으로 출렁거리는 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생합니다. 이는 일반적인 염료가 분자 오비탈의 에너지 간격에 따라 특정 빛을 흡수하는 것과는 다른 원리입니다. 소재가 빛의 파장 안으로 쏙 들어갈 만큼 작아질 때 발생하는 이러한 독특한 광학적 특성은 나노과학만이 가진 독보적인 매력이자 연구의 가치라고 할 수 있습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[카오스 짧강] 화학반응의 힙플레이스, 전자_by황성필｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 4강

인간이 존재할 수 있는 근본적인 이유는 무엇일까요? 화학자의 관점에서 그 해답은 바로 화학 결합에 있습니다. 주기율표에 나열된 100여 개의 원소들은 그 자체만으로는 복잡한 생명체나 사물을 구성하기에 부족합니다. 마치 레고 블록이 서로 맞물려 거대한 성을 쌓듯, 원자들은 서로 결합하여 새로운 구조를 만들어냅니다. 이러한 결합을 통해 단순한 원소는 보석과 같은 가치를 지닌 복잡한 물질로 거듭나며, 우리를 포함한 세상의 모든 만물을 형성하는 기초가 됩니다. 화학 결합의 대표적인 형태로는 이온 결합과 공유 결합이 있습니다. 이온 결합은 한 원자가 전자를 주고 다른 원자가 이를 받으면서 생기는 정전기적 인력을 바탕으로 합니다. 반면 공유 결합은 원자들이 각자의 전자를 서로 공유하며 끈끈한 유대 관계를 형성하는 방식입니다. 이온 결합이 전자를 주고받는 거래와 같다면, 공유 결합은 공동의 목표를 위해 자원을 나누는 협력과 같습니다. 이러한 상호작용은 물질의 성질을 결정짓는 핵심적인 역할을 수행합니다. 모든 화학 결합은 에너지가 낮아지는 방향, 즉 더 안정한 상태를 향해 일어납니다. 이는 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르고 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는 자연의 섭리와도 같습니다. 원자들은 홀로 존재할 때보다 결합했을 때 더 낮은 에너지 상태에 도달하며, 자연은 이러한 안정성을 선호합니다. 따라서 화학 결합은 단순히 원자들이 만나는 사건이 아니라, 우주가 더 평온하고 안정적인 구조를 찾아가는 필연적인 과정이라고 볼 수 있습니다. 소금의 형성 과정에서 '작살 반응'이라는 흥미로운 현상이 나타납니다. 나트륨과 염소 원자가 가까워지다 특정 거리에 도달하면, 염소의 강한 인력이 나트륨의 전자를 마치 작살을 쏘듯 빠르게 낚아챕니다. 이 찰나의 순간에 중성 원자들은 양이온과 음이온으로 변하며 강한 정전기적 인력으로 결합하게 됩니다. 에너지 도표에서 보면 이온 상태의 에너지가 중성 상태보다 낮아지는 지점에서 이 반응이 일어나며, 이를 통해 우리는 소금이라는 안정한 결정을 얻게 됩니다. 우리가 일상에서 흔히 겪는 정전기 현상 역시 화학 결합의 관점에서 새롭게 해석되고 있습니다. 과거에는 단순히 전자가 이동하는 현상으로만 여겼으나, 최근 연구에 따르면 마찰 과정에서 강한 공유 결합이 끊어지기도 합니다. 결합이 파괴되면서 이온뿐만 아니라 라디칼이라는 반응성 높은 입자들이 생성된다는 사실이 밝혀진 것입니다. 이는 교과서적 상식을 넘어, 우리가 알고 있던 고전적인 개념을 현대적인 기술로 재검증하며 과학의 지평을 넓히는 계기가 되었습니다. 이러한 정전기와 기계적 에너지를 화학적 에너지로 전환하려는 시도는 현대 과학의 중요한 화두입니다. 일상적인 걸음걸이나 물체의 마찰에서 발생하는 에너지를 수확하여 유용한 화학물질을 합성하거나 전기를 생산하는 '에너지 하베스팅' 기술이 그 예입니다. 예를 들어 접착 테이프를 떼어낼 때 발생하는 결합의 파괴를 이용해 나노입자를 만들거나 과산화수소를 합성할 수 있습니다. 이는 버려지는 에너지를 가치 있는 자원으로 바꾸는 혁신적인 변화의 시작이라 할 수 있습니다. 현대 화학은 이제 작은 분자의 세계를 넘어 생명 현상과 같은 복잡한 시스템으로 그 영역을 확장하고 있습니다. 생체 내 거대분자들이 수행하는 정교한 기능들은 오랜 진화의 산물이자 화학이 풀어야 할 궁극적인 숙제입니다. 순수 화학과 생물학의 경계가 모호해지는 것은 자연스러운 흐름이며, 이는 우리가 자연을 이해하는 방식이 더욱 깊어지고 있음을 의미합니다. 화학은 전자의 움직임을 연구하는 학문을 넘어, 생명과 우주의 신비를 밝히는 열쇠로 진화하고 있습니다.

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[인터뷰] 현택환_세계적인 연구는 무엇이라고 생각하시나요?

시골 초등학교 시절 과학 경시 대회에서 은상을 받으며 과학자로서의 소질을 발견한 경험은 한 평생의 길을 결정짓는 중요한 계기가 되었습니다. 당시 산·염기 적정 실험을 통해 느꼈던 흥미는 단순한 호기심을 넘어 40년이 넘는 시간 동안 화학이라는 한 우물을 파게 만든 강력한 원동력이 되었습니다. 이처럼 어린 시절에 자신의 적성을 일찍이 발견하고, 그 길을 묵묵히 걸어온 끈기와 열정은 오늘날 세계적인 석학으로 자리매김할 수 있었던 가장 결정적인 요인이 되었습니다. 서울대 석좌교수이자 IBS 단장이라는 직함은 영광스러운 만큼 막중한 책임감과 스트레스를 동반합니다. 이러한 압박감을 해소하기 위해 선택한 테니스는 단순한 운동 이상의 의미를 지닙니다. 일주일에 12시간 이상 코트 위에서 땀을 흘리며 스트레스를 날려버릴 뿐만 아니라, 다양한 분야의 사람들과 복식 경기를 즐기며 폭넓은 인간관계를 형성하고 있습니다. 건강한 신체와 활발한 소통은 연구에 몰입할 수 있는 에너지를 재충전하는 소중한 시간이 됩니다. 나노기술은 현대 문명을 지탱하는 다양한 완제품의 성능을 결정짓는 핵심적인 원천기술입니다. 스마트폰의 디스플레이, 배터리, 반도체 소자 등은 모두 특정한 재료로 만들어지는데, 나노미터 크기에서 이 재료들의 성질을 정밀하게 조절함으로써 기기의 효율을 극대화할 수 있습니다. 이는 IT 분야를 넘어 수소연료전지, 태양전지와 같은 에너지 산업은 물론 암 진단 및 치료를 포함한 의료 분야에 이르기까지 21세기 인류의 삶을 혁신하는 필수적인 기반 기술로 자리 잡고 있습니다. 노벨 재단은 후보자 명단을 50년간 비밀에 부치기 때문에 공식적인 '노벨상 후보'라는 표현은 사실과 다를 수 있습니다. 하지만 세계적인 논문 인용 분석 기관인 '웹 오브 사이언스'에서 발표하는 '피인용 우수 연구자' 명단에 이름을 올렸다는 것은 학계에서 노벨상급 연구력을 인정받았음을 의미합니다. 실제로 리튬 이온 배터리나 유전자 가위 기술로 노벨상을 받은 석학들도 과거 이 명단에 포함된 바 있습니다. 이러한 국제적 인정은 연구자에게 큰 영광이자 지속적인 연구를 이어가게 하는 강력한 자극제가 됩니다. 기초과학연구원(IBS) 단장으로 부임한 이후의 10년은 연구 인생에서 '세계 최고 수준'을 넘어 '독보적인 세계 최고'로 도약하는 전환점이 되었습니다. 나노입자 연구단은 지난 10년간 누구도 따라올 수 없는 압도적인 연구 업적을 쌓아왔으며, 이는 기초 연구의 감동과 응용 연구의 실용성을 동시에 추구한 결과입니다. 당장의 성과에 급급하기보다 먼 미래에 인류의 난치병을 치료하고 새로운 에너지 패러다임을 제시할 수 있는 파괴적인 혁신을 목표로 삼아, 연구의 즐거움을 만끽하며 끊임없이 정진하고 있습니다.

현택환

카오스재단석학인터뷰

화학
생명과학
융합

[강연] 어떻게 세계적인 연구를 할까? by 현택환 ㅣ기초과학연구원(IBS) x 카오스재단 기초과학 석학 강연 '새로운 발견을 위한 과학' | 2강

나노기술은 현대 과학의 한계를 극복하는 결정적인 '도우미' 역할을 수행합니다. 21세기의 핵심 기반 기술인 나노기술은 우리 일상에 이미 깊숙이 들어와 있습니다. 삼성전자의 퀀텀닷 TV는 반도체 나노입자인 양자점을 기초로 하며, 우리가 접한 mRNA 백신 역시 지질 나노입자 기술이 없었다면 불가능했을 결과물입니다. 이처럼 나노기술은 보이지 않는 작은 세계에서 시작되어 인류의 건강과 기술적 진보를 이끄는 거대한 변화를 만들어내고 있습니다. 나노입자 연구에서 가장 중요한 과제 중 하나는 입자의 크기를 균일하게 만드는 것입니다. 나노 크기에서는 입자의 크기가 작아짐에 따라 에너지 상태가 변하는 독특한 성질이 나타나기 때문입니다. 예를 들어 반도체 나노입자는 크기에 따라 방출하는 빛의 색깔이 달라지는데, 입자들이 제각각이면 선명한 색을 얻을 수 없습니다. 따라서 나노입자를 똑같은 크기로 정밀하게 합성하는 기술은 고성능 디스플레이나 정밀 의료 기기 구현을 위한 필수적인 토대가 됩니다. 과거에는 균일한 나노입자를 얻기 위해 뜨거운 용매에 반응물을 주입하는 방식을 사용했으나, 이는 대량 생산에 한계가 있었습니다. 이를 해결하기 위해 개발된 '승온법(Heat-up process)'은 상온에서부터 서서히 온도를 올려 입자를 합성하는 혁신적인 방법입니다. 이 공정은 별도의 분리 과정 없이도 균일한 입자를 대량으로 찍어낼 수 있게 해주었습니다. 이러한 연구 성과는 전 세계 실험실의 표준 레시피가 되었으며, 대한민국 나노 연구가 세계 정상급 수준으로 도약하는 계기가 되었습니다. 세계적인 연구 성과를 내기 위해서는 기존 연구의 흐름을 파악하고 아직 해결되지 않은 핵심 이슈를 찾아내는 통찰력이 필요합니다. 새로운 아이디어는 무(無)에서 창조되는 것이 아니라, 최신 논문들을 깊이 있게 읽으며 타인의 기발한 생각을 자신의 연구에 적용해보는 과정에서 탄생합니다. 또한 떠오르는 영감을 즉시 기록하는 습관은 매우 중요합니다. 찰나의 아이디어를 놓치지 않고 메모하며 고민을 거듭하는 태도가 과학적 발견의 시작점이 되기 때문입니다. 과학자의 길은 항상 탄탄대로일 수 없으며, 때로는 수년간 결과가 나오지 않는 시련의 시기를 겪기도 합니다. 하지만 대나무가 마디를 만들며 튼튼하게 자라듯, 연구에서의 실패와 고통은 과학자를 더욱 단단하게 만드는 자양분이 됩니다. 극심한 슬럼프 속에서도 포기하지 않고 도서관에서 수많은 자료를 뒤적이며 해답을 찾으려 노력했던 시간은 결국 새로운 물질을 발견하는 밑거름이 되었습니다. 시련을 극복하는 끈기야말로 위대한 발견을 향한 필수적인 과정이라 할 수 있습니다. 현대 과학은 한 명의 천재가 이끄는 시대를 지나, 다양한 분야의 전문가들이 협력하는 융합의 시대로 접어들었습니다. 복잡한 난제들을 해결하기 위해서는 생물학자, 화학자, 공학자들이 서로의 지식을 나누고 부대끼며 연구해야 합니다. 따라서 연구자에게는 뛰어난 실력 못지않게 타인을 배려하고 소통하는 인성이 요구됩니다. 함께 일하는 즐거움을 알고 동료와 시너지를 낼 수 있는 태도가 뒷받침될 때, 비로소 세상을 감동시킬 수 있는 진정한 의미의 세계적인 연구가 완성됩니다. 기초과학연구원(IBS)과 같은 연구 기관들은 세계적인 수준의 연구 환경을 제공하며 대한민국 과학의 미래를 밝히고 있습니다. 지난 10년간의 집중적인 투자를 통해 우리나라는 나노입자 분야에서 명실상부한 세계 1위의 경쟁력을 확보하게 되었습니다. 앞으로도 젊은 과학자들이 실패를 두려워하지 않고 새로운 영역에 도전할 수 있는 토양이 지속적으로 마련되어야 합니다. 이러한 노력이 결실을 맺을 때, 우리 곁에서 노벨상 수상자에 버금가는 위대한 과학자들이 계속해서 배출될 것입니다.

현택환

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화학
융합

[강연] '새로운 발견을 위한 과학' by 염한웅, 현택환, 명경재 l IBS x KAOS 기초과학 석학 강연

기초과학연구원(IBS) 설립 10주년과 카오스 재단의 설립을 기념하는 이번 강연은 '새로운 발견을 위한 과학'이라는 주제로 진행되었습니다. 기초과학은 인류의 지식 지평을 넓히는 핵심적인 역할을 수행하며, 이번 행사는 세계적인 석학들이 모여 그간의 연구 성과와 미래 비전을 공유하는 뜻깊은 자리였습니다. 수학, 물리, 화학, 생명과학 등 다양한 분야의 융합을 통해 우리 삶을 변화시킬 새로운 가능성을 모색하는 과정은 과학이 단순한 지식의 나열이 아닌, 인류의 미래를 설계하는 도구임을 다시 한번 확인시켜 주었습니다. 생명체의 설계도인 DNA는 네 개의 염기서열로 구성되어 방대한 유전정보를 저장합니다. 하지만 이 정보는 외부 자극이나 복제 과정에서의 오류로 인해 끊임없이 손상될 위험에 처해 있습니다. 유전체 항상성 연구는 이러한 손상을 복구하고 유전정보를 안정적으로 유지하는 생명체의 노력을 탐구합니다. DNA 수선 기작이 제대로 작동하지 않으면 암이나 노화와 같은 심각한 질병으로 이어질 수 있기에, 이를 정밀하게 이해하는 것은 생명과학의 근본적인 과제이자 질병 정복을 위한 첫걸음이 됩니다. 암세포만을 선택적으로 제거하기 위한 혁신적인 기술인 '신델라(CINDELA)'는 유전자 가위를 활용하여 암세포 특유의 유전적 변이인 인델(Indel)을 타격합니다. 기존의 방사선이나 항암 치료가 정상 세포까지 손상시키는 한계를 극복하기 위해, 암세포에만 존재하는 특정 염기서열을 정밀하게 찾아내어 절단함으로써 암세포의 사멸을 유도합니다. 이는 환자 개개인의 유전정보를 분석하여 맞춤형 치료제를 제작하는 정밀 의료의 시대를 열어줄 것으로 기대되며, 기초과학의 발견이 어떻게 실질적인 의료 혁신으로 이어지는지를 보여주는 사례입니다. 현대 정보통신 문명의 핵심인 반도체 기술은 트랜지스터의 미세화가 한계에 다다르며 전력 소모와 발열이라는 거대한 장벽에 직면해 있습니다. 원자 수준의 크기에서는 기존의 물리법칙만으로는 소자를 제어하기 어려워지며, 이를 해결하기 위해 에너지 손실 없이 정보를 전달하고 처리할 수 있는 새로운 패러다임이 요구됩니다. 저항에 의한 에너지 낭비를 최소화하고 한 번의 충전으로 훨씬 오랜 시간 사용할 수 있는 차세대 소자 개발은 지속 가능한 미래 기술 사회를 구현하기 위한 물리학계의 핵심적인 도전 과제입니다. ‘솔리토닉스’는 에너지를 잃지 않고 모양을 유지하며 진행하는 특수한 파동인 솔리톤을 정보 처리의 매개체로 활용하는 기술입니다. 전자계 내에서 발생하는 솔리톤은 저항 없이 움직일 수 있을 뿐만 아니라, 입자 간의 상호작용을 통해 다진법 연산을 수행할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 이는 기존의 이진법 체계를 넘어선 획기적인 연산 방식을 가능하게 하며, 소자 구조의 복잡성을 줄이면서도 연산 효율을 극대화할 수 있는 길을 제시합니다. 한국 연구진이 주도하는 이 분야의 연구는 미래 반도체 시장의 판도를 바꿀 게임 체인저가 될 것입니다. 나노과학 분야에서는 입자의 크기를 균일하게 조절하는 것이 성능을 결정짓는 핵심 요소입니다. '승온법'과 같은 혁신적인 합성 기술은 복잡한 분리 과정 없이도 고품질의 나노입자를 대량으로 생산할 수 있는 길을 열었으며, 이는 디스플레이와 백신 등 다양한 산업 분야에 응용되고 있습니다. 세계적인 연구 성과는 단순히 천재적인 영감에서 오는 것이 아니라, 수많은 논문을 읽고 분석하며 기존 지식을 창의적으로 재조합하는 인내의 과정에서 탄생합니다. 또한, 다양한 분야의 전문가들이 협력하는 융합 연구는 현대과학의 복잡한 난제를 해결하는 열쇠가 됩니다. 새로운 발견을 향한 여정은 남들이 가지 않은 길을 두려워하지 않고 끈기 있게 탐구하는 자세에서 시작됩니다. 기초과학 연구는 당장의 가시적인 성과보다 인류의 근원적인 질문에 답하고 미래의 기술적 토대를 마련하는 데 중점을 둡니다. 과학자와 대중 사이의 활발한 소통은 과학적 사실에 기반한 합리적인 사회를 만드는 밑거름이 되며, 연구에 대한 국민적 지지는 과학 기술 발전을 지속시키는 원동력이 됩니다. 지난 10년의 성과를 바탕으로 앞으로의 기초과학은 인류의 삶을 더욱 풍요롭고 건강하게 만드는 새로운 발견의 시대를 열어갈 것입니다.

명경재, 염한웅, 현택환

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물리학
화학
생명과학
융합

[강연] 표면에서 일어나는 화학 반응의 세계 _ by이현주ㅣ2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 6강 | 6강

현대 화학 산업은 거대한 전환점을 맞이하고 있습니다. 과거에는 땅속의 석유를 채굴하여 연료와 플라스틱을 대량 생산하는 모델이 주를 이루었으나, 이제는 이산화탄소 배출로 인한 기후 변화 문제가 심각한 화두로 떠올랐습니다. 탄소세 부과와 전기차 시장의 급격한 팽창은 기존 정유 및 화학 업계에 큰 변화를 요구하고 있습니다. 이러한 흐름 속에서 인류는 더 이상 자원 고갈 때문이 아니라, 지구 환경을 보호하기 위해 석유를 대체할 새로운 자원을 찾아야 하는 과제에 직면해 있습니다. 석유의 대안으로 주목받는 자원에는 바이오매스, 태양광, 풍력 에너지 등이 있습니다. 특히 태양광이나 풍력으로 생산된 전기를 이용해 물을 분해하여 수소를 얻고, 이를 이산화탄소와 결합해 유용한 화합물을 만드는 기술이 활발히 연구되고 있습니다. 미래의 화학 산업은 특정 지역에서 대량 생산하여 전 세계로 보급하던 방식에서 벗어나, 지역별 자원 특성에 맞춰 필요한 제품을 즉석에서 생산하고 소비하는 분산형 모델로 진화할 것입니다. 이러한 변화의 중심에는 화학 반응을 조절하는 촉매 기술이 자리 잡고 있습니다. 촉매는 화학 반응이 일어나는 데 필요한 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 조절하는 물질입니다. 일상적인 조건에서는 반응물이 생성물로 변하기 위해 매우 높은 활성화 에너지 장벽을 넘어야 하지만, 촉매는 이 과정을 안정화하여 더 적은 에너지로도 반응이 진행되도록 돕습니다. 촉매는 크게 균일계, 불균일계, 효소 등으로 나뉘는데, 그중에서도 고체 상태의 촉매를 사용하는 불균일계 촉매는 산업 현장에서 가장 널리 쓰입니다. 이는 공정 관리가 용이하고 대량 생산에 적합하여 현대 화학 공장의 핵심적인 역할을 수행합니다. 불균일계 촉매의 핵심은 표면 반응에 있습니다. 반응은 촉매의 표면에서만 일어나기 때문에, 비싼 귀금속인 백금 등을 사용할 때는 표면적을 극대화하는 것이 경제적으로 매우 중요합니다. 나노 기술을 활용해 금속을 수 나노미터 크기의 입자로 만들면 표면적을 수십만 배 이상 늘릴 수 있어 효율성이 비약적으로 상승합니다. 반응물이 촉매 표면에 흡착되어 결합이 끊어지거나 재결합한 뒤 생성물로 탈착되는 일련의 과정은 나노 입자의 크기와 모양, 표면 원자 배열에 따라 결정되며, 이를 정밀하게 제어하는 것이 연구의 핵심입니다. 최근 촉매 연구의 가장 뜨거운 분야 중 하나는 단일 원자 촉매입니다. 이는 금속 원자를 하나씩 담체 위에 분산시켜 모든 원자가 표면 반응에 참여하도록 만드는 기술입니다. 기존 나노 입자 촉매는 내부의 원자들이 반응에 참여하지 못해 낭비되는 부분이 많았으나, 단일 원자 촉매는 금속 활용도를 100%까지 끌어올릴 수 있습니다. 또한 반응 자리가 매우 균일하여 원치 않는 부산물을 줄이고 특정 생성물만 얻는 선택도가 높다는 장점이 있습니다. 이는 메탄을 고부가가치 화합물로 전환하는 등 난도가 높은 반응에서 혁신적인 가능성을 보여줍니다. 하지만 단일 원자 촉매가 모든 반응에서 만능은 아닙니다. 수소 연료 전지의 핵심인 산소 환원 반응처럼 두 개 이상의 원자가 협동하여 결합을 끊어야 하는 경우에는 단일 원자만으로는 한계가 있습니다. 이를 해결하기 위해 원자들이 서로 이웃하여 존재하는 앙상블 촉매 구조가 새롭게 주목받고 있습니다. 앙상블 촉매는 모든 원자가 표면에 노출되어 있으면서도 이웃한 원자들과의 상호작용을 통해 복잡한 화학 결합을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 이는 불순물에 취약한 단일 원자 촉매의 단점을 보완하고 실제 산업 공정에서의 내구성을 높이는 대안이 됩니다. 촉매 기술의 발전은 수소 연료 전지차의 대중화와 탄소 중립 실현을 앞당기는 결정적인 열쇠입니다. 연료 전지에 들어가는 고가의 백금 사용량을 획기적으로 줄이거나, 자동차 배기가스의 오염 물질을 정화하는 삼원 촉매의 성능을 높이는 일은 모두 표면 반응 제어 기술에 달려 있습니다. 나아가 대기 중의 이산화탄소를 포집하여 다시 연료나 원료로 바꾸는 기술이 완성된다면, 인류는 지속 가능한 순환형 화학 산업 구조를 갖추게 될 것입니다. 보이지 않는 미세한 표면에서 일어나는 원자들의 움직임이 인류의 미래를 바꾸는 거대한 변화를 만들어내고 있습니다.

이현주

카오스재단카오스강연

화학

[강연] 나노의학 2.0 코로나에서 뇌과학까지 by 천진우ㅣIBS X KAOS 2021 '기초과학 석학강연'

나노의학은 10억 분의 1 미터라는 아주 미세한 나노 세계의 원리를 의학에 접목한 최첨단 융합 과학입니다. 과거의 나노 기술이 반도체나 디스플레이 같은 전자 산업의 혁신을 이끌며 우리 삶을 바꾸어 놓았다면, 이제는 생명 현상을 분자 수준에서 관찰하고 조절하는 나노의학이 새로운 의료 혁명을 예고하고 있습니다. 바이러스보다 작은 영역에서 벌어지는 정교한 상호작용을 이해함으로써, 우리는 질병의 근본적인 원인을 파악하고 이전과는 전혀 다른 방식의 진단과 치료법을 모색할 수 있게 되었습니다. 나노의학의 핵심 목표는 더 명확하게 보고 정밀하게 조절하는 것에 있습니다. 이는 진단과 예방의 정확도를 획기적으로 높이는 'Seeing Better'와 질병의 치료 및 조직 재생을 가능케 하는 'Controlling with Precision'이라는 두 가지 가치로 요약됩니다. 약 60년 전 노벨 물리학상 수상자인 리처드 파인만이 예견했던 것처럼, 몸속을 자유롭게 돌아다니며 질병을 찾아내고 치료하는 작은 기계의 꿈은 이제 현실이 되어가고 있습니다. 다양한 학문이 결합한 이 융합 과학은 인류의 건강을 지키는 가장 강력한 도구가 될 것입니다. 최근 전 세계를 휩쓴 팬데믹 상황에서 나노의학은 mRNA 백신이라는 혁신적인 결과물을 내놓으며 그 가치를 증명했습니다. mRNA는 단백질 설계도와 같아서 우리 몸이 스스로 항원을 만들게 유도하지만, 매우 불안정하여 세포까지 전달하기가 매우 어렵다는 치명적인 단점이 있었습니다. 이때 지질 나노입자(LNP)라는 나노캡슐이 보호막 역할을 하여 mRNA를 안전하게 표적 세포까지 운반하는 현금 수송차와 같은 역할을 수행합니다. 이는 생물학적 발견과 나노 공학적 설계가 결합하여 수많은 생명을 구한 팀 사이언스의 대표적인 성공 사례입니다. 진단 분야에서도 나노 기술은 비약적인 발전을 가져왔습니다. 기존의 표준 검사법인 RT-PCR은 정확도는 높지만 장비가 크고 검사 시간이 오래 걸린다는 한계가 있었습니다. 하지만 금 나노입자의 플라즈몬 현상을 이용하면 빛으로 아주 빠르고 균일하게 열을 발생시켜 유전자를 증폭할 수 있습니다. 이를 통해 기존에 두 시간 가까이 걸리던 검사 시간을 15분 이내로 단축하면서도 높은 정확도를 유지하는 현장 진단(POC)이 가능해졌습니다. 이러한 신속 진단 기술은 변이 바이러스의 확산을 막고 신속하게 대응하는 데 결정적인 역할을 합니다. 인체 내부를 들여다보는 이미징 기술 역시 나노 조영제를 통해 물리적 한계를 극복하고 있습니다. 기존 MRI는 해상도가 낮아 미세한 혈관의 이상을 초기 단계에 발견하기 어려웠지만, 자성 나노입자를 활용한 새로운 조영제는 신호 증강 효과를 통해 해상도를 10배 이상 높여줍니다. 이를 통해 뇌 속의 100 마이크로미터 수준의 미세 혈관까지 선명하게 시각화할 수 있는 3차원 혈관 지도를 제작할 수 있게 되었습니다. 이러한 정밀 이미징은 뇌졸중이나 치매 같은 혈관 관련 질환을 조기에 진단하고 치료 계획을 세우는 데 획기적인 도움을 줍니다. 나노의학의 가장 도전적인 영역 중 하나는 자기장을 이용해 뇌 신경을 원격으로 제어하는 '나노 자기 유전학'입니다. 특정 이온 채널에 나노 나침반 역할을 하는 자성 나노입자를 결합하면, 외부에서 자기장을 가해 신경 세포의 활성을 자유롭게 조절할 수 있습니다. 실제로 실험을 통해 자기장만으로 동물의 운동 신경을 활성화하여 움직임을 제어하는 데 성공했으며, 이는 무선으로 뇌 기능을 조절할 수 있는 새로운 플랫폼의 탄생을 의미합니다. 이 기술은 향후 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌 질환의 증상을 완화하고 치료하는 새로운 의료 기술로 적용될 전망입니다. 나노의학은 이제 정밀 의학, 디지털 약, 그리고 재생 의학을 아우르는 차세대 의료의 핵심 솔루션으로 자리 잡고 있습니다. 대한민국은 나노 기술 분야에서 세계적인 강국으로 인정받고 있으며, 이를 바탕으로 한 융합 연구는 인류가 직면한 난치병 문제에 새로운 과학적 해답을 제시할 것입니다. 나노 수준에서 생명 현상을 이해하고 조절하는 이 놀라운 여정은 단순히 학술적 성과를 넘어, 미래 세대에게 건강하고 풍요로운 삶을 선사하는 강력한 힘이 될 것입니다. 대한민국의 과학이 세계의 표준이 되는 미래를 기대하며 나노의학의 혁신은 계속될 것입니다.

천진우

카오스재단카오스크로스

생명과학
뇌인지과학
융합

[인터뷰] 천진우_나노의학과 자기유전학(Feat.연구주제 선정방법)ㅣIBS X KAOS 2021 '기초과학 석학강연'

나노과학은 아주 작은 크기의 세계를 다루는 학문으로, 현대의학에서 혁신적인 변화를 이끌고 있습니다. 대표적인 사례가 바로 mRNA(메신저 RNA) 백신입니다. 불안정한 유전자 정보인 mRNA를 100나노미터 크기의 나노캡슐에 담아 인체에 안정적으로 전달함으로써, 우리 몸이 스스로 항체를 형성할 수 있게 돕습니다. 이는 단순히 질병을 치료하는 것을 넘어, 진단과 생체 현상 관찰, 그리고 정밀한 자극 기술까지 아우르는 융합과학의 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 과학 연구의 동력은 새로운 현상에 대한 호기심과 도전적인 문제를 해결하려는 의지에서 비롯됩니다. 남들이 시도하지 않은 영역에서 창의성을 발휘할 때 학문적 중요성이 커지기 때문입니다. 과거 1990년대 후반에는 나노입자 연구가 생소한 분야였으나, 수십 년간 지식이 축적되면서 이제는 더 정밀하고 고도화된 단계로 진화하고 있습니다. 과학자들은 기존의 지식에 안주하지 않고, 양자점이나 새로운 나노물질을 바이오 분야에 접합하는 등 끊임없이 새로운 연구 영역을 개척해 나갑니다. 뇌과학은 인류에게 여전히 미지의 영역이자 가장 정복하기 어려운 분야 중 하나로 꼽힙니다. 최근 주목받는 자기유전학은 자기장을 이용해 뇌신경세포인 뉴런의 신호를 제어하는 혁신적인 기술입니다. 이는 유전공학 기법과 나노과학이 결합한 융합과학의 결정체라고 할 수 있습니다. 기존의 전기적 자극이나 빛을 이용한 방식보다 훨씬 정교한 접근이 가능하며, 뇌의 깊은 곳까지 신호를 전달할 수 있다는 점에서 과학적 성과와 발전 가능성이 매우 큰 분야로 기대를 모으고 있습니다. 자기유전학이 광유전학보다 유리한 점은 뛰어난 생체 침투력에 있습니다. 빛은 인체 조직을 통과하는 힘이 약해 정밀한 관찰에는 용이하지만 깊은 곳까지 도달하기 어렵습니다. 반면 자기장은 몸속 깊숙한 곳까지 무선으로 전달될 수 있습니다. 자성나노입자를 뉴런의 이온채널에 접합하여 '자기수용체'를 만들면, 외부 자기장에 반응해 이온채널이 열리고 닫히며 뇌 신호를 원격으로 제어할 수 있게 됩니다. 이러한 무선 제어 방식은 뇌 질환 치료와 면역 시스템 활성화에 새로운 길을 열어줍니다. 하나의 가설을 실험적으로 증명하는 과정은 수많은 연구자의 인내와 협력이 필요한 긴 여정입니다. 자기유전학 연구 역시 나노물질 합성부터 유전공학, 뇌과학 실험에 이르기까지 방대한 단계를 거쳐야 하기에 융합과학으로서의 체계가 필수적입니다. 화학자, 생명과학자, 소재공학자, 그리고 의사가 함께하는 '팀 사이언스'는 개별 연구로는 도달하기 힘든 거대한 과학적 성취를 가능하게 합니다. 이러한 협력은 나노의학이 실질적으로 인류의 건강과 삶의 질을 향상시키는 데 기여하는 밑거름이 됩니다.

천진우

카오스재단카오스크로스

생명과학
융합

[강연] 나노: 우리의 미래 _ by이광렬｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 8강 | 8강 ①

하이드로젤은 물을 뜻하는 '하이드로'와 고분자 네트워크인 '젤'이 결합한 독특한 재료입니다. 투명하고 말랑말랑한 성질을 지니며 내부에 수많은 물 분자를 머금고 있어 고체이면서도 액체의 특성을 동시에 보여줍니다. 초기 하이드로젤은 쉽게 찢어지는 단점이 있었으나, 최근에는 두 가지 고분자 네트워크를 형성하여 힘을 분산시키는 '터프 하이드로젤' 기술이 개발되었습니다. 이를 통해 물리적 한계를 극복하고 다양한 산업 분야에서 활용될 가능성을 열었으며, 이는 재료공학의 새로운 지평을 제시하고 있습니다. 하이드로젤의 또 다른 매력은 내부의 물에 이온을 녹여 전기를 흐르게 할 수 있다는 점입니다. 이러한 이온 전도성을 활용하면 신축성이 뛰어난 전기 장치를 제작할 수 있습니다. 대표적인 예로 팔에 감아도 파괴되지 않는 유연한 터치패드가 있습니다. 기존의 딱딱한 소재와 달리 인체 곡면에 밀착되어 동작하며, 늘어난 상태에서도 정확하게 위치를 인식합니다. 이는 웨어러블 기기와 헬스케어 분야에서 하이드로젤이 핵심적인 역할을 할 것임을 시사하며, 인간과 기기의 경계를 허무는 기술로 주목받고 있습니다. 나노기술은 1에서 100나노미터 크기의 물질을 다루는 첨단 과학입니다. 1나노미터는 1미터를 10억 개로 쪼갠 아주 작은 단위로, 원자와 분자의 세계를 탐구하는 영역입니다. 가시광선의 파장보다 작아 일반 현미경으로는 볼 수 없지만, 전자현미경이나 원자간력 현미경의 발달로 이제 인류는 원자의 배열을 직접 관찰하고 조작할 수 있게 되었습니다. 이러한 미세 세계에 대한 이해는 물질의 근본적인 성질을 변화시켜 이전에는 불가능했던 새로운 기능을 창출하는 기반이 되며 현대 과학의 핵심 동력이 되고 있습니다. 자연은 이미 오래전부터 나노기술을 완벽하게 활용해 왔습니다. 게코도마뱀은 발바닥의 미세한 나노 털과 벽면 사이의 인력을 이용해 접착제 없이도 벽을 타며, 연꽃잎은 나노 돌기 구조를 통해 물방울이 오물을 씻어내게 하는 자가 세정 능력을 보여줍니다. 또한 나비나 카멜레온은 나노 구조를 조절하여 빛을 반사하거나 가둠으로써 영롱한 색채를 만들어냅니다. 과학자들은 이러한 자연의 지혜를 모방하여 반사가 없는 화면이나 오염되지 않는 코팅제 등 혁신적인 제품을 개발하며 자연과 기술의 융합을 꾀하고 있습니다. 탄소나노튜브와 그래핀 같은 신소재는 나노 세계의 가능성을 극명하게 보여줍니다. 흑연의 한 층을 떼어낸 그래핀은 강철보다 수백 배 강하면서도 전기가 매우 잘 통하는 꿈의 물질로 불립니다. 또한 속이 빈 원통형 구조의 탄소나노튜브는 거미줄보다 수십 배 강한 인장 강도를 지녀 방탄복이나 초경량 고강도 부품 제작에 활용됩니다. 이외에도 공기로 가득 찬 에어로젤은 열 차단 능력이 뛰어나 우주선 단열재로 쓰이는 등, 나노 구조의 설계에 따라 물질의 한계를 뛰어넘는 특성을 구현하여 산업 전반에 혁신을 일으키고 있습니다. 우리 일상 곳곳에도 이미 나노기술이 깊숙이 들어와 있습니다. 자외선 차단제 속의 나노입자는 피부를 보호하고, 은 나노입자는 박테리아 증식을 막아 위생적인 환경을 제공합니다. 의료 분야에서는 암세포만을 찾아가는 나노 운반체나 통증 없는 마이크로니들 패치 등이 연구되어 질병 진단과 치료의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 또한 수소 연료전지의 촉매나 고해상도 디스플레이의 양자점 기술 등은 에너지 효율을 높이고 인류의 삶을 더욱 풍요롭게 만드는 데 기여하고 있으며, 이는 나노기술이 단순한 이론을 넘어 실재함을 증명합니다. 나노기술의 미래는 인류의 지속 가능한 발전과 밀접하게 연결되어 있습니다. 환경 오염 문제를 해결하고 에너지 소비를 줄이는 기술적 해법을 제시하는 동시에, 기술 발전이 가져올 수 있는 사회적 격차에 대한 고민도 필요합니다. 첨단 의료 혜택이 특정 계층에만 집중되지 않도록 적정 기술을 개발하고 정책적인 고려를 병행해야 합니다. 과학적 호기심에서 시작된 나노 세계의 탐구는 이제 인류 공동의 문제를 해결하고 더 나은 미래를 설계하는 강력한 도구로 진화하고 있으며, 우리는 그 가능성을 책임감 있게 실현해 나가야 합니다.

윤효재, 이광렬

카오스재단카오스강연

화학

[강연] 응답하라, 작은 것들의 세계여 - 현미경과 미시세계 (4) _김성근 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 5강 | 5강 ④

현미경의 발명은 인류가 생명의 근원을 바라보는 방식을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 17세기 로버트 훅은 코르크 조각을 관찰하며 작은 방 모양의 구조에 '세포'라는 이름을 붙였고, 레벤후크는 직접 깎은 렌즈로 미생물의 존재를 처음으로 세상에 알렸습니다. 이러한 발견은 질병이 신의 저주가 아닌 미세한 생명체에 의한 것임을 깨닫게 하는 전환점이 되었습니다. 보이지 않는 미시 세계를 시각화하려는 인간의 끊임없는 열망은 현대 생명 과학의 기초를 다지는 가장 중요한 동력이 되었습니다. 새로운 관측 기술의 등장은 항상 새로운 과학적 발견을 예고합니다. 과학자들에게 혁신적인 기기는 단순히 도구를 넘어 인류의 지식 지평을 넓히는 열쇠와 같습니다. 과거에는 상상조차 할 수 없었던 미시 세계의 역동적인 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있게 되면서, 우리는 생명 현상의 본질에 한 걸음 더 다가서게 되었습니다. 첨단 현미경 기술은 보이지 않는 진실을 드러냄으로써 과학의 진보를 이끄는 가장 강력한 무기가 되고 있으며, 이는 미래 과학의 방향을 결정짓는 중요한 요소가 됩니다. 우리가 일상에서 보는 금의 황금색은 원자 하나가 가진 고유한 색이 아닙니다. 개별 원자는 가시광선을 흡수하는 방식이 달라 색이 없다고 볼 수 있지만, 수많은 원자가 모여 상호작용을 시작하면 비로소 특정한 색을 띠게 됩니다. 금 원자가 약 1억 개 정도 모여 일정한 크기를 형성할 때 우리가 아는 찬란한 노란색이 나타나는 것입니다. 이는 물질의 성질이 개별 단위가 아닌 집합체로서의 상호작용을 통해 결정된다는 오묘한 과학적 원리를 잘 보여주는 대표적인 사례라고 할 수 있습니다. 흥미롭게도 물질의 크기를 나노 단위로 쪼개면 우리가 알던 색과는 전혀 다른 모습이 나타납니다. 예를 들어 순금을 나노 입자로 만들면 붉은색 용액으로 변하는데, 이는 표면에서 일어나는 나노 효과인 플라스몬 현상 때문입니다. 귀금속의 가치는 그 영롱한 색에 있지만, 과학적 관점에서 보면 그 색조차 입자의 크기와 배열에 따라 변하는 가변적인 현상일 뿐입니다. 이러한 나노 세계의 특성은 물질을 바라보는 우리의 고정관념을 깨뜨려 주며 새로운 기술적 가능성을 제시합니다. 원자의 내부를 들여다보면 거시 세계의 상식과는 동떨어진 놀라운 광경이 펼쳐집니다. 원자는 대부분 텅 빈 공간으로 이루어져 있으며, 그 질량의 대부분은 아주 작은 원자핵에 집중되어 있습니다. 운동장 한가운데 놓인 모래알 하나가 원자핵이라면 나머지 공간은 전자가 헤엄치는 광활한 빈터와 같습니다. 하지만 이 텅 빈 공간은 전자의 상호작용으로 인해 다른 물질이 쉽게 침범할 수 없는 견고한 경계를 형성합니다. 미시 세계는 이처럼 비어 있음과 가득 참이 공존하는 신비로운 곳입니다. 현대 과학은 이제 인간의 의식과 정신 작용이라는 미지의 영역에 도전하고 있습니다. 과거에는 영혼의 영역이라 여겨졌던 생각과 감정조차 뇌 속 신경세포들의 복잡한 신호 전달 과정으로 이해하려는 시도가 이어지고 있습니다. 뇌 회로를 정밀하게 매핑하는 프로젝트는 인간의 사고 체계가 어떻게 작동하는지 과학적 기반 위에서 규명하고자 합니다. 비록 정신의 모든 비밀을 풀기에는 아직 갈 길이 멀지만, 인지 과학의 발전은 인간에 대한 이해를 새로운 차원으로 끌어올리고 있습니다. 영화 속 아이언맨처럼 새로운 원소를 창조하는 것은 물리 법칙상 매우 어려운 일이지만, 분자의 세계는 여전히 무궁무진한 가능성을 품고 있습니다. 인류는 지난 수십 년간 수천만 개의 새로운 분자를 합성하며 물질의 진화를 이끌어 왔습니다. 과거에 절대 불가능하다고 믿었던 광학적 한계들이 기술의 발전으로 깨졌듯이, 오늘의 과학적 상식 또한 내일의 새로운 발견에 의해 뒤바뀔 수 있습니다. 과학은 고정된 정답을 찾는 과정이 아니라, 끊임없이 질문하며 한계를 극복해 나가는 여정입니다.

김성근, 심상희

카오스재단카오스강연

물리학
화학