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[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

[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] 김근수 ─ 과학자의 생각과 이유를 공유할 수 있다는 것이 대중강연의 매력 | 2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

어린 시절의 성적은 그리 뛰어나지 않았지만, 시간이 흐를수록 점진적으로 성장하며 전문적인 연구자의 길을 걷게 되었습니다. 초등학교 시절 하위권에서 시작해 중학교와 고등학교, 그리고 대학과 대학원을 거치며 꾸준히 나아지는 과정을 경험했습니다. 이러한 연속적인 성장은 연구자로서의 정체성을 형성하는 데 중요한 밑거름이 되었으며, 매 순간 조금씩 더 나은 모습을 갖추기 위해 노력하는 태도를 길러주었습니다. 이는 단순히 지식을 습득하는 것을 넘어, 스스로를 단련하는 과정이었습니다. 대중 강연은 과학자에게 연구의 본질을 일깨워주는 소중한 기회가 됩니다. 전문가가 아닌 대중들과 호흡하며 그들이 던지는 질문의 요지를 파악하다 보면, 세상이 정말로 필요로 하는 것이 무엇인지 깊이 고민하게 됩니다. 이는 현재 수행 중인 연구가 장기적인 관점에서 사람들에게 얼마나 실질적인 도움이 될 수 있을지 자문하는 계기가 됩니다. 결국 대중과의 소통은 과학자가 상아탑에만 갇히지 않고, 더 의미 있는 연구 주제를 찾아가도록 돕는 중요한 이정표 역할을 수행합니다. 과학 활동의 상당 부분이 국민의 세금으로 이루어진다는 점을 고려할 때, 연구 내용을 대중에게 알리는 것은 과학자의 중요한 책무입니다. 모든 과학 연구의 중심에는 누구나 궁금해할 법한 본질적인 질문에 답하려는 노력이 깃들어 있습니다. 대중 강연 프로그램을 통해 우리가 어떤 이유로 특정 분야를 진지하게 탐구하고 있는지 공유하는 과정은, 과학계와 대중 사이의 간극을 좁히는 일입니다. 이러한 소통은 대중에게 지식을 전달할 뿐만 아니라 과학의 사회적 가치를 증명하는 과정이기도 합니다. 최근 연구의 중심은 3차원 벌크 물질을 넘어 원자 한 층 수준의 매우 얇은 2차원 물질로 이동하고 있습니다. 특히 그래핀의 한계를 보완할 수 있는 포스포린과 같은 물질은 적절한 밴드갭을 지니고 있어 차세대 반도체 소재로서 큰 주목을 받습니다. 기존 실리콘의 한계를 극복하고 새로운 임팩트를 주기 위해서는 각 물질이 가진 고유한 물성의 단점을 보완하는 연구가 필수적입니다. 이러한 도전은 미래 기술의 지형을 바꾸는 핵심적인 작업이 될 것이며, 소재 과학의 새로운 지평을 열어줄 것입니다. 국내에서 모든 교육 과정을 마친 이른바 '토종 과학자'로서 세계적인 성과를 거두는 사례가 늘고 있다는 점은 매우 고무적입니다. 이는 우리나라의 과학자 양성 인프라가 충분히 성숙했음을 의미하며, 국내 대학원의 경쟁력이 국제적인 수준으로 올라왔음을 보여주는 증거이기도 합니다. 굳이 국외로 나가지 않더라도 국내에서 연구에 매진하며 자부심을 느끼고 커리어를 쌓아가는 길은 누구에게나 열려 있습니다. 이러한 변화는 미래의 과학도를 꿈꾸는 학생들에게 새로운 확신과 용기를 심어줍니다.

김근수

카오스재단2019 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

물리학