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[연구뭐하지?] 인류에 보탬이 되는 화학, 신재생 에너지 연구_임종우 교수 | 서울대학교 “에너지 및 재료 분석화학 연구실”

서울대학교 화학부 임종우 교수 연구실은 인류가 직면한 에너지 위기와 기후 변화라는 거대한 과제를 화학적 방법론으로 해결하고자 노력하고 있습니다. 리튬 이온 배터리를 비롯해 전고체 전지와 리튬 금속 배터리 등 더 안전하고 효율적인 차세대 에너지 저장 장치를 연구하며, 깨끗한 수소 생산을 위한 촉매 기술과 이산화탄소 저감 및 전환 기술까지 폭넓게 다룹니다. 이러한 연구는 단순히 기술 개발에 그치지 않고 지속 가능한 지구를 위한 근본적인 해답을 찾는 과정이라 할 수 있습니다. 연구의 핵심은 배터리 내부에서 일어나는 미시적인 변화를 실시간으로 관찰하고 이를 이론적으로 정립하는 데 있습니다. 방사광 가속기를 활용해 양극재 내에서 리튬 이온이 어떻게 이동하고 확산되는지 이미징 기법으로 포착하며, 얻어진 데이터를 바탕으로 복잡한 미분방정식을 풀어내어 동력학적인 상전이 과정을 수식화합니다. 실험과 이론의 긴밀한 결합을 통해 배터리의 열화 원인을 규명하고 성능을 극대화할 수 있는 최적의 경로를 제시하는 것이 주요 목표입니다. 에너지 연구에 투신하게 된 계기는 대학 시절 해외 교환 학생 경험에서 비롯되었습니다. 당시 환경과 에너지 문제에 대해 끊임없이 고뇌하던 동료들과 교류하며, 이 분야가 인류의 미래를 결정지을 핵심 과제임을 깨달았습니다. 비록 당시에는 에너지 문제에 대한 사회적 관심이 지금처럼 높지 않았으나, 누군가는 반드시 해결해야 할 일이라는 사명감을 느꼈습니다. 자신의 인생을 걸고 인류 사회에 실질적인 보탬이 되겠다는 순수한 열정이 현재 연구의 든든한 뿌리가 되었습니다. 최근 이차전지 산업은 비약적인 성장을 거듭하고 있지만, 기술적 완성도를 높이는 과정은 매우 복잡하고 정교한 과학적 접근을 요구합니다. 원자 단위의 동력학부터 수조 개의 입자가 모인 배터리 셀 전체의 현상까지, 다양한 스케일에서 발생하는 상호작용을 체계적으로 이해해야 하기 때문입니다. 연구실은 산업계와 긴밀히 소통하며 기초 과학의 원리가 실제 산업 현장의 난제를 해결하는 시너지를 창출하고 있습니다. 이는 단순한 용량 증설을 넘어 배터리 기술의 근본적인 진보를 이끄는 동력이 됩니다. 연구실의 또 다른 강점은 경계를 허무는 협업과 글로벌 네트워크에 있습니다. 물리, 생명과학, 공학 등 다양한 배경을 가진 연구원들이 모여 각자의 전문성을 공유하며, 해외 유수의 연구소와 적극적인 공동 연구를 수행합니다. 언어의 장벽을 넘어 세계적인 연구 시설을 활용하고 치열한 토론을 거치는 과정은 국익에도 기여하는 소중한 자산이 됩니다. 밤을 새우는 고단한 연구 과정 끝에 마침내 자연의 섭리를 이해하고 진실을 확인했을 때 느끼는 성취감은 연구자들을 움직이는 가장 큰 보람입니다.

임종우

카오스재단연구뭐하지

화학

[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

[강연] 지구 내부로의 여행 (2) _ 심상헌 교수 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 2강 | 2강 ②

지구는 겉으로 보기에는 정지해 있는 것처럼 보이지만, 내부에서는 끊임없는 역동적인 변화가 일어나고 있습니다. 판의 움직임과 맨틀 대류는 지구 시스템을 유지하는 핵심 동력으로 작용합니다. 특히 해양 지각이 지구 내부로 다시 들어가는 섭입 과정은 지표면에서 생성된 물질들을 지구 깊은 곳까지 운반하며 거대한 순환의 고리를 형성합니다. 이러한 작용은 심해 생태계를 발달시키고 지구 자기장을 유지하여 생명체를 보호하는 등 우리가 살아가는 환경에 결정적인 영향을 미치며 지구의 생명력을 유지해 줍니다. 인류가 기술적으로 도달할 수 있는 시추 깊이는 지각의 두께조차 채 벗어나지 못하는 수준입니다. 직접적인 시료 채취가 불가능한 상황에서 과학자들은 지진파를 활용해 지구 내부를 탐사합니다. 지진이 발생하면 P파와 S파 같은 지진파가 지구 전체를 통과하며 마치 병원의 엑스선(X-ray)이나 MRI처럼 내부 구조를 영상화할 수 있게 해 줍니다. 전 세계에 설치된 지진계는 지구 반대편까지 도달했다가 메아리처럼 돌아오는 파동을 기록하며, 이를 통해 우리는 수천 km 아래의 맨틀과 핵의 모습을 정밀하게 파악할 수 있습니다. 지구 내부의 극한 환경을 이해하기 위해 과학자들은 실험실에서 인위적으로 높은 압력과 온도를 구현합니다. 가장 단단한 물질인 다이아몬드를 마주 보게 배치하고 그 사이에 미세한 시료를 넣어 압축하는 다이아몬드 앤빌 셀(Diamond Anvil Cell)이 대표적입니다. 이 장치를 통해 지구 중심부에 달하는 압력을 재현하고, 투명한 다이아몬드 너머로 레이저를 쏘아 수천 도의 고온을 만들어 냅니다. 머리카락 굵기보다 작은 시료의 변화를 관찰하기 위해 방사광 가속기와 같은 첨단 장비를 동원하며, 이는 지구 심부의 물질 성질을 밝혀내는 핵심적인 연구 방법이 됩니다. 약 3,000km 두께의 맨틀은 고체 상태임에도 불구하고 수백만 년이라는 긴 시간 척도에서 액체처럼 대류합니다. 뜨거운 물질은 위로 올라오고 차가운 물질은 아래로 내려가며 지구 내부의 열에너지를 순환시킵니다. 특히 지하 400~600km 부근의 맨틀 전이대에는 특수한 광물들이 존재하는데, 최근 연구에 따르면 이 광물들은 상당량의 물을 포함할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 만약 이 층 전체에 물이 포함되어 있다면 그 양은 지구 표면의 바닷물 전체와 맞먹을 정도로 거대하며, 이는 지구 내부의 진화 과정을 이해하는 새로운 열쇠가 됩니다. 지구의 가장 깊은 곳인 핵에서도 활발한 대류 현상이 일어납니다. 액체 상태의 철로 이루어진 외핵은 온도 차에 의해 끊임없이 움직이며, 이러한 금속 액체의 흐름은 거대한 발전기 역할을 하여 지구 자기장을 생성합니다. 외핵과 맨틀의 경계면에서는 대륙 크기에 달하는 거대한 구조물이 발견되기도 하며, 이는 지구가 형성되던 초기 마그마 대양 시절의 흔적일 가능성이 큽니다. 결국 지구 내부의 역동적인 움직임은 단순한 지질 현상을 넘어, 우주로부터 오는 유해한 방사선을 막아주는 자기 방어막을 형성함으로써 생명 탄생의 토대를 마련해 주었습니다.

심상헌

카오스재단카오스강연

생명과학
지구환경과학