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[강연] 눈에 보이지 않는 세계의 건축가: 금속-유기 골격체(MOF)_by 문회리 | 고등과학원&카오스재단 '2025 노벨상 해설강연'

2025년 노벨 화학상은 새로운 형태의 분자 구조물인 금속-유기 골격체(MOF)의 기초를 세운 과학자들에게 돌아갔습니다. MOF는 금속 이온과 탄소 기반의 유기 분자가 결합하여 형성된 다공성 물질로, 내부에는 무수히 많은 미세한 기공이 존재합니다. 이 구조체는 눈에 보이지 않는 미세한 세계의 건축물과 같으며, 금속의 견고함과 유기물의 다양성을 결합해 현대 화학의 새로운 지평을 열었습니다. 이러한 신소재는 가스 저장, 촉매 반응, 환경 정화 등 다양한 분야에서 혁신적인 해결책을 제시하며 전 세계적인 주목을 받고 있습니다. MOF의 핵심 원리인 배위 결합은 한쪽 원자가 전자쌍을 일방적으로 제공하며 형성되는 특수한 공유 결합의 일종입니다. 1913년 알프레드 베르너가 정립한 배위 이론을 바탕으로, 과학자들은 금속 이온을 기둥으로 삼고 유기 리간드를 연결 다리로 사용하여 3차원의 거대한 골격 구조를 건축해 냈습니다. 연구자들은 단순한 화학 합성을 넘어 '건축' 혹은 '설계'라는 표현을 사용할 정도로 정밀하게 분자들을 배치합니다. 이를 통해 단위체가 무한히 반복되는 배위 고분자 형태의 골격이 만들어지며, 이는 다이아몬드 구조와 유사한 기하학적 아름다움을 보여주기도 합니다. 이 물질이 지닌 가장 놀라운 특징은 압도적인 표면적에 있습니다. MOF 내부의 수많은 기공 덕분에 단 2그램의 가루만으로도 축구장 하나를 가득 채울 정도의 넓은 면적을 확보할 수 있습니다. 이는 기존의 그 어떤 다공성 물질보다도 효율적인 공간 활용을 가능하게 합니다. 1그램의 미세한 부피 안에 숨겨진 거대한 표면적은 외부 분자들이 드나들고 머물 수 있는 최적의 환경을 제공합니다. 이러한 구조적 강점 덕분에 아주 작은 양의 소재만으로도 막대한 양의 가스를 저장하거나 특정 물질을 걸러내는 정밀한 작업이 가능해지는 것입니다. 오마르 야기 교수가 정립한 '망상 화학(Reticular Chemistry)'은 MOF 연구를 체계적인 학문의 반열에 올렸습니다. 망상 화학은 빌딩 블록을 조합하여 예측 가능한 네트워크 구조를 설계하고 합성하는 전략을 의미합니다. 과학자들은 이제 우연에 기대지 않고, 목적에 따라 금속 클러스터와 유기 리간드의 종류를 선택하여 맞춤형 구조체를 설계할 수 있게 되었습니다. 현재 10만 개 이상의 서로 다른 MOF 구조가 보고되었으며, 리간드에 특정 기능을 부여하거나 기공의 크기를 조절함으로써 이산화탄소를 선택적으로 흡착하는 등의 정교한 조절이 가능해졌습니다. 키타가와 스스무 교수는 MOF가 단단한 결정을 넘어 생명체처럼 유연하게 움직일 수 있다는 사실을 발견했습니다. 소위 '3세대 MOF'로 불리는 이들은 온도, 압력, 빛 등 외부 자극에 반응하여 구조가 변하는 '브리딩(Breathing)' 거동을 보입니다. 특정 기체가 다가올 때만 문이 열리는 게이트 오프닝(Gate-opening) 현상은 기체 분리의 효율성을 획기적으로 높여줍니다. 이러한 동적인 변화는 MOF가 단순한 저장 용기를 넘어 환경에 반응하는 스마트 소재로 진화했음을 의미하며, 복잡한 혼합 기체 사이에서 우리가 원하는 분자만을 정확하게 포착하는 능력을 부여합니다. MOF의 실질적인 응용은 인류가 당면한 환경 문제를 해결하는 데 집중되고 있습니다. 사막의 건조한 공기에서 밤사이 수분을 흡수해 식수를 만드는 수분 포집 기술이나, 공장 배기가스에서 미세한 농도의 이산화탄소를 포집하는 기술이 대표적입니다. 특히 공유 결합 유기 골격체인 COF를 활용한 탄소 포집 기술은 온실가스 감축을 위한 핵심 열쇠로 평가받고 있습니다. 이 외에도 수소 에너지 저장, 희토류 채굴, 약물 전달 시스템 등 무궁무진한 분야에서 MOF가 활용되고 있으며, 이미 일부 소재는 공장에서 양산되어 실제 산업 현장에 투입되고 있습니다. 화학의 미래는 결정 상태를 넘어 액체처럼 흐르거나 유리처럼 굳어지는 4세대 MOF의 시대로 향하고 있습니다. 가열해도 성질을 유지하며 녹는 액체 MOF(Liquid MOF)는 스마트 윈도우와 같은 혁신적인 기능성 유리를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 2023년 전 세계의 석학들이 모여 MOF의 현재와 미래를 논의했던 역사적인 순간처럼, 이 분야는 인류의 삶을 더욱 지속 가능하게 바꿀 준비를 마쳤습니다. 분자를 이용해 보이지 않는 새로운 공간을 창조해낸 과학자들의 열정은 이제 우리 주변의 일상을 바꾸는 기술로 구현되어 더 넓은 세상을 향해 나아가고 있습니다.

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복리처럼 불어나는💸💸 플라스틱의 수, 바이오 플라스틱이 대체할 수 있을까?│요즘과학

플라스틱은 현대인의 일상에서 빼놓을 수 없는 소재로 자리 잡았지만, 그 편리함 뒤에는 심각한 환경 문제가 숨어 있습니다. 플라스틱은 분해가 매우 느려 자연에 오랫동안 남아 해양과 토양, 대기 등 다양한 환경 매체에 악영향을 미칩니다. 특히 해양에서는 플라스틱 쓰레기를 먹이로 착각한 생물들이 이를 섭취해 영양실조나 장기 손상, 심지어 죽음에 이르는 사례가 빈번하게 보고되고 있습니다. 이러한 문제는 북태평양 미드웨이 제도의 알바트로스 새끼들이 플라스틱을 먹고 죽는 사건 등으로 널리 알려졌으며, 담수와 토양 생태계에서도 미세플라스틱이 생물에 악영향을 미치는 사례가 발견되고 있습니다. 플라스틱의 가장 큰 위험성 중 하나는 미세플라스틱에 있습니다. 미세플라스틱은 눈에 보이지 않을 정도로 작은 플라스틱 입자로, 햇빛과 바람 등 자연 환경에서 플라스틱이 점차적으로 부서지면서 생성됩니다. 이 미세플라스틱은 공기 중에도 떠돌고, 우리가 입는 옷이나 사용하는 생활용품, 심지어 음식과 물을 통해서도 인체에 유입됩니다. 최근 연구에 따르면 미세플라스틱은 사람의 대변, 장기, 심지어 혈액에서도 발견되고 있어 인체 건강에 대한 우려가 커지고 있습니다. 아직 미세플라스틱이 직접적으로 어떤 질병을 유발하는지 명확히 밝혀지지는 않았지만, 산화 스트레스와 염증, 세포 손상 등 다양한 건강 문제와 연관될 수 있다는 점에서 경각심이 필요합니다. 이처럼 플라스틱의 환경 및 건강 문제에 대한 인식이 높아지면서, 플라스틱을 대체할 수 있는 친환경 소재 개발에 대한 관심도 커지고 있습니다. 대표적인 대안으로는 바이오플라스틱이 있습니다. 바이오플라스틱은 옥수수, 사탕수수, 감자 등 식물성 원료를 기반으로 만들어지며, 환경에서 분해가 가능하다는 장점이 있습니다. PLA, PHA 등 다양한 종류가 개발되고 있지만, 각각 강도나 내구성, 가격 등에서 한계가 존재합니다. 특히 환경에서의 분해 속도나 경제성, 용도별 적합성 등에서 아직 완벽한 대체재로 자리 잡기에는 부족한 점이 많아, 현재는 주로 포장재 등 일부 용도에 한정되어 사용되고 있습니다. 바이오플라스틱의 확산에도 불구하고, 그 생산 과정에서 발생하는 환경 부담 역시 무시할 수 없습니다. 식물성 원료를 대량으로 재배하기 위해서는 농지와 농약, 비료, 에너지 등이 필요하며, 이로 인한 탄소 배출과 환경 오염이 새로운 문제로 대두되고 있습니다. 따라서 바이오플라스틱의 원료를 농작물이 아닌 농업·임업 부산물 등으로 전환하거나, 생산 공정의 효율성을 높이는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이러한 노력이 결실을 맺는다면, 플라스틱의 장점은 유지하면서도 환경적으로 안전한 신소재가 미래 세대에 제공될 수 있을 것입니다. 플라스틱 문제 해결을 위해서는 소재 개발뿐 아니라, 소비자와 기업 모두의 책임 있는 행동이 중요합니다. 소비자는 포장재가 적게 들어간 제품을 선택하거나, 텀블러와 에코백 등 재사용 가능한 용품을 활용함으로써 플라스틱 사용을 줄일 수 있습니다. 기업 역시 과도한 포장이나 일회용 플라스틱 사용을 자제하고, 친환경 소재 개발과 적용에 적극적으로 나서야 합니다. 환경은 미래 세대의 인권이라는 인식 아래, 모두가 지속 가능한 생활 방식을 실천하는 것이 플라스틱 문제 해결의 핵심임을 잊지 말아야 하겠습니다.

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[강연] '모양(shape)' 연구의 대가 - In Memory of 권경환 2_by 김연응 / 2024 봄 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다' 7강 두 번째 이야기 | 7강 ②

현대 수학에서 '불변량'은 대상의 본질을 파악하는 핵심적인 도구입니다. 위상수학의 호몰로지와 코호몰로지는 공간이 변형되어도 바뀌지 않는 성질을 수치화하여 복잡한 공간을 분류하는 데 기여합니다. 기하학에서도 각도와 같은 요소가 불변량의 역할을 하며, 우리가 무엇을 '같다'고 정의하느냐에 따라 불변량의 기준은 달라집니다. 이러한 불변량 연구는 현대 수학의 거대한 흐름을 형성하며 공간에 대한 이해를 심화시켰습니다. 한국 위상수학의 거목인 권경환 교수는 유클리드 공간의 구조를 새롭게 조명하며 학계에 큰 충격을 주었습니다. 가장 단순한 기본 단위로 여겨졌던 유클리드 공간이 특정 조건에서 더 작은 공간들의 곱으로 분해될 수 있음을 증명한 것입니다. 이는 마치 원소를 쪼개는 것과 같은 혁신적인 시각의 전환이었으며, 이후 다양체라는 복잡한 기하학적 대상을 연구하는 데 있어 중요한 토대가 되었습니다. 또한 그는 화이트헤드 토션과 같은 복잡한 불변량의 성질을 규명하며 위상수학의 지평을 넓혔습니다. 다양체는 국소적으로는 유클리드 공간과 같아 보이지만, 전체적으로는 독특한 구조를 가진 기하학적 대상입니다. 예를 들어 도넛 표면 위의 개미에게는 주변이 평면처럼 느껴지겠지만, 전체를 조망하면 구멍이 뚫린 입체 구조임을 알 수 있습니다. 위상수학은 이러한 다양체의 본질적인 형태를 연구하며, 3차원 공간이 8가지 위상적 특성을 갖는다는 사실을 밝혀내는 등 공간의 분류 체계를 완성해 나가는 학문적 성과를 거두었습니다. 위상수학은 추상적인 이론에 머물지 않고 빅데이터 분석이라는 실용적인 영역으로 확장되고 있습니다. '위상 데이터 분석(TDA)'은 데이터가 형성하는 고차원적인 모양에 주목하여 기존 통계학이 놓치기 쉬운 내재적 패턴을 찾아냅니다. 수많은 데이터 포인트 주위에 가상의 원을 그려 그 연결성을 관찰하면, 데이터의 분포 방식에 따른 고유한 시퀀스가 나타납니다. 이러한 위상적 접근은 복잡한 정보 속에서 유의미한 구조를 추출하는 강력한 도구가 됩니다. 위상 데이터 분석(TDA)의 혁신성은 의료 분야에서 특히 빛을 발합니다. 환자의 생체 데이터를 고차원 공간의 점으로 치환하여 그 모양을 분석하면, 현재 질병이 없더라도 미래의 발병 가능성을 예측하는 것이 가능해집니다. 이는 단순한 진단을 넘어 정밀한 예측의 시대를 여는 열쇠가 됩니다. 위상수학은 세상을 바라보는 새로운 시각을 제공하며, 가장 아름답고 순수한 이론이 어떻게 현실의 문제를 해결하는 강력한 기술로 변모할 수 있는지를 잘 보여줍니다.

김연응

카오스재단2024 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다'

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우리가 문제를 맞닥뜨릴 때마다 언제나 답을 찾아온 화학! 🧪화학을 전공하면 뭐든지 할 수 있다!?✨ | 2024 가족동반 진로탐색

화학은 단순히 원소 기호를 외우는 학문이 아니라, 우리 주변의 모든 물질이 어떻게 변화하고 상호작용하는지를 깊이 있게 탐구하는 '변화의 학문'입니다. 우리가 매일 숨 쉬는 공기부터 마시는 물, 그리고 지금 입고 있는 옷에 이르기까지 세상의 모든 것은 물질로 이루어져 있습니다. 화학은 이러한 물질들이 어떤 구조를 가지고 있는지 파악하고, 이를 어떻게 변화시켜 우리에게 유용한 새로운 물질을 만들어낼 수 있을지를 연구합니다. 우리 삶과 가장 밀접한 거리에서 세상의 근간을 연구하는 가장 기초적이면서도 실용적인 과학 분야라고 할 수 있습니다. 최근 화학계의 가장 큰 화두는 지속 가능한 미래를 위한 지구 환경 보호와 에너지 혁신에 집중되어 있습니다. 태양광 발전의 효율을 극대화하는 방식은 물론, 일상적인 움직임이나 마찰에서 발생하는 정전기를 활용해 전기를 생산하는 나노 발전기 연구가 활발히 진행 중입니다. 또한, 환경에 유출되어 생태계를 위협하는 플라스틱이나 각종 유해 물질을 분해하여 다시 유용한 원재료로 되돌리는 기술 역시 화학자들의 중요한 과제입니다. 화학은 인류의 편리함을 유지하면서도 지구가 직면한 환경 문제를 근본적으로 해결하는 열쇠를 쥐고 있습니다. 화학자의 길은 실험실에서 플라스크를 흔드는 모습에만 국한되지 않으며, 사회 곳곳에서 매우 다양한 형태로 존재합니다. 신소재를 개발하는 연구원뿐만 아니라, 물질의 안전성을 검증하고 국민의 건강을 보호하기 위한 법규와 제도를 만드는 정책 전문가로서의 역할도 매우 중요합니다. 예술 분야에서는 문화재를 과학적으로 분석하여 제작 시기와 기법을 밝혀내고, 천체화학 분야에서는 먼 우주 행성의 대기 성분을 분석해 생명체의 존재 가능성을 탐사하기도 합니다. 이처럼 화학은 보이지 않는 곳에서 사회 전반의 안전과 역사를 지탱하며 인류의 지평을 넓히는 데 기여하고 있습니다. 우리가 매일 사용하는 스마트폰이나 최신 의약품 속에도 화학의 정수가 담겨 있습니다. 터치 인식이 가능하면서도 단단한 특수 유리를 설계하고, 복잡한 회로 위에 금을 얇게 입히는 정교한 공정은 모두 화학적 원리를 바탕으로 구현됩니다. 특히 지난 코로나19 팬데믹 시기에 전 세계를 구한 mRNA 백신과 이를 체내의 목적지까지 안전하게 전달하는 약물 전달 시스템(DDS)은 생화학적 연구가 일궈낸 값진 결실입니다. 화학은 인류가 예상치 못한 거대한 위기 상황에 직면할 때마다 혁신적인 해결책을 제시하며, 우리가 나아갈 새로운 길을 끊임없이 개척해 온 든든한 버팀목입니다. 화학 분야를 지망하는 이들에게 가장 필요한 역량은 주변 사물에 대한 끊임없는 호기심과 이를 직접 확인하려는 실험 정신입니다. 복잡한 성분표를 보며 의문을 품고, 이를 해결하기 위해 도전하는 과정 자체가 화학의 시작이기 때문입니다. 화학은 단순히 책상에 앉아 이론을 공부하는 것에 그치지 않고, 직접 물질을 다루며 새로운 가치를 창조해내는 실천적인 학문입니다. "아는 것이 힘이다"라는 격언처럼, 화학 물질에 대한 막연한 공포 대신 정확한 지식을 갖춘다면 우리는 세상을 더욱 안전하고 풍요롭게 가꿀 수 있는 지혜를 얻게 될 것입니다.

국립과천과학관과학강연👨‍🏫

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[인터뷰] 김기훈_꿈의 물질, 초전도체 연구와 펼쳐질 미래｜제31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래"

초전도체는 1911년 수은에서 처음 발견된 이후 지난 120년 동안 현대 물리학의 핵심 연구 분야로 자리 잡았습니다. 이는 임계 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 양자역학적 현상으로, 극저온이나 고압 등 극한의 환경에서 물질이 보여주는 신비로운 변화를 탐구하는 학문입니다. 수많은 과학자가 새로운 초전도 물질과 임계 온도를 찾아내며 노벨상을 거머쥐었을 만큼, 이 분야는 인류의 기술적 한계를 극복하고 에너지 효율을 극대화할 수 있는 꿈의 미래 기술로 손꼽히고 있습니다. 초전도체의 가장 큰 특징은 에너지 손실 없이 무한에 가까운 전류를 흘릴 수 있다는 점입니다. 이를 코일 형태로 제작하면 기존의 구리 선으로는 불가능했던 초고자기장을 형성할 수 있습니다. 이러한 특성은 이미 의료 현장에서 MRI의 선명도를 획기적으로 높이는 데 기여하고 있으며, 전력 손실 없는 송전선 개발에도 활용되고 있습니다. 부피는 작으면서도 훨씬 강력한 힘을 발휘할 수 있다는 점이 초전도체가 가진 독보적인 경쟁력이며, 이는 다양한 산업 분야에서 혁신적인 변화를 이끌어내고 있습니다. 미래 사회에서 초전도 기술은 모빌리티 혁신을 이끌 핵심 동력이 될 전망입니다. 강력한 자기장을 이용한 초전도 모터는 도심 항공 모빌리티(UAM)의 실현을 앞당길 것이며, 진공 튜브 속을 초고속으로 달리는 하이퍼루프의 필수 기술로도 주목받고 있습니다. 또한 차세대 에너지원으로 꼽히는 핵융합 발전에서 고온의 플라스마를 가두기 위한 강력한 자기장 제어에도 초전도 선재가 결정적인 역할을 수행하게 될 것입니다. 이러한 기술들은 인류의 이동 수단과 에너지 소비 방식을 근본적으로 바꿀 것입니다. 현재 초전도 기술의 가장 큰 과제는 액체 헬륨이나 액체 질소 같은 극저온 냉매 없이도 작동하는 상온 초전도체를 발견하는 것입니다. 많은 연구자가 상온에서 초전도 현상을 구현하기 위해 신물질 합성에 매진하고 있으며, 이는 인류의 에너지 패러다임을 바꿀 거대한 도전입니다. 초전도체 외에도 투명 반도체와 같은 신소재 연구는 태양 전지나 투명 전극 등 다양한 산업 분야에 응용되며 우리 삶을 더욱 편리하게 변화시키고 있습니다. 새로운 물질의 발견은 곧 새로운 물리적 세계관의 확장으로 이어집니다. 과학자를 꿈꾸는 이들에게 가장 필요한 덕목은 단순한 지식을 넘어선 호기심과 열정, 그리고 이를 뒷받침할 체력입니다. 지식을 습득하는 '지(智)', 타인과의 소통과 토론을 통해 배우는 '덕(德)', 그리고 연구를 지속할 수 있는 에너지를 제공하는 '체(體)'가 조화를 이루어야 합니다. 끊임없는 질문을 던지고 실패를 두려워하지 않는 태도로 자신만의 연구 분야를 개척해 나간다면, 언젠가 세상을 바꾸는 위대한 발견의 주인공이 될 수 있을 것입니다. 과학은 결국 인류의 지혜를 모아 더 나은 미래를 설계하는 숭고한 여정입니다.

김기훈

카오스재단서울대자연과학공개강연

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10년 안에 인간은 멸종한다!?😟 싸돌이와 함께 🍀탄소C그널🍀을 관람하세요!ㅣ과학관에 산다

기획 전시실에 들어서면 평범해 보이는 우유곽이 눈에 띕니다. 하지만 이 우유곽은 단순한 전시 소품이 아니라, 전시가 끝난 후에도 해체하여 재활용할 수 있도록 설계된 친환경적 요소입니다. 전시 폐기물을 최소화하려는 의도가 담겨 있어, 지속 가능한 전시의 새로운 방향을 제시합니다. 이러한 세심한 준비는 관람객들에게 환경 보호의 중요성을 자연스럽게 전달합니다. 전시장 내부로 들어가면 거울로 둘러싸인 공간이 펼쳐집니다. 이곳에서는 탄소의 다양한 동소체와 그 응용에 대해 소개합니다. 흑연처럼 익숙한 탄소부터, 머리카락보다 얇은 두께로 만들어진 신소재, 플로렌과 탄소 나노튜브까지, 탄소가 우리 생활 속에서 얼마나 다양하게 활용되는지 알 수 있습니다. 이 신소재들은 강도와 경량성을 동시에 지녀, 미래 산업에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 다음 전시 공간에서는 지구에 존재하는 모든 생명체와 물질에 탄소가 포함되어 있음을 보여줍니다. 거미의 외골격인 키틴질에도 탄소가 들어 있으며, 이는 자연계에서 탄소가 얼마나 널리 분포되어 있는지를 상기시켜 줍니다. 또한, 롤링볼을 통해 탄소 순환 시스템의 원리를 시각적으로 표현합니다. 산업혁명 이후 이산화탄소 배출이 급증하면서 탄소 순환이 위기를 맞았다는 점도 강조됩니다. 이어지는 공간에서는 지난 120년간의 지구 평균 기온 변화를 시각적으로 확인할 수 있습니다. 줄무늬로 표현된 온도 변화는 1990년대 이후 뚜렷하게 빨갛게 변하는 모습을 보여줍니다. 이는 지구 온난화가 점점 심각해지고 있음을 상징적으로 드러냅니다. 이러한 데이터는 기후 변화의 현실을 직관적으로 이해할 수 있게 해줍니다. 마지막으로, 고래와 돌고래의 골격을 통해 바다에서의 탄소 저장 역할을 소개합니다. 대왕고래 한 마리는 33톤의 이산화탄소를 저장할 수 있으며, 죽어서 심해로 가라앉을 때 이산화탄소가 해저에 저장됩니다. 이러한 역할 때문에 고래는 '블루 카본'으로 불리며, 해양 생태계가 탄소 중립에 기여하는 중요한 존재임을 알 수 있습니다. 출구로 향하는 좁은 길은 탄소와 동행하는 길이 어렵지만, 희망을 잃지 말아야 한다는 메시지를 전합니다.

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중요한 것💪은 꺾이는 화면... 플렉서블 디스플레이🖥의 세계 | 해썰이 있는 과학뉴스

현대인의 일상에서 디스플레이는 떼려야 뗄 수 없는 필수적인 요소가 되었습니다. 최근 국내 기업이 개발한 고해상도 스트레처블 디스플레이는 기존의 한계를 뛰어넘는 혁신적인 기술로 주목받고 있습니다. '스트레처블'이란 단어의 의미처럼, 이 장치는 단순히 휘어지는 수준을 넘어 신체 스트레칭을 하듯 자유자재로 늘어나고 변형될 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 이는 고정된 형태의 화면에서 벗어나 다양한 환경에 맞춰 형태를 바꿀 수 있는 새로운 시대를 예고하며, 향후 스마트폰뿐만 아니라 여러 산업 분야에서 활용도가 매우 높을 것으로 기대됩니다. 디스플레이의 역사는 부피가 크고 무거웠던 브라운관(CRT)에서 시작되었습니다. 전자총을 이용해 형광 물질에 빛을 내던 방식은 공장에서 정해진 모양 그대로만 사용해야 하는 제약이 있었습니다. 이후 등장한 LCD는 액정과 백라이트를 활용해 두께를 획기적으로 줄였으며, PDP는 기체를 채운 픽셀이 스스로 빛을 내는 원리를 이용해 더 선명한 화면을 구현했습니다. 이러한 기술적 진보는 디스플레이가 점차 얇고 가벼워지는 과정이었으며, 오늘날 우리가 사용하는 플렉서블 디스플레이를 만들기 위한 중요한 기술적 토대가 되었습니다. 플렉서블 디스플레이의 핵심은 바로 유기 발광 다이오드(OLED) 기술에 있습니다. 유기 발광 다이오드(OLED)는 유리 기판 대신 탄소로 이루어진 유기 화합물을 사용하는데, 이는 우리가 흔히 아는 플라스틱이나 섬유처럼 유연한 성질을 가집니다. 얇은 필름 형태의 고분자 물질에 전도성을 부여하여 스스로 빛을 내게 함으로써, 별도의 백라이트 없이도 화면을 구부리거나 말 수 있는 구조가 가능해진 것입니다. 결국 소재의 혁신이 디스플레이의 물리적 형태를 자유롭게 만드는 결정적인 역할을 했으며, 이는 기존의 딱딱한 모니터 개념을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 하지만 진정한 의미의 스트레처블 디스플레이를 구현하기 위해서는 소재뿐만 아니라 내부 회로의 유연성도 확보해야 했습니다. 초기 유기 발광 다이오드(OLED)는 소재 자체는 유연했지만, 이를 연결하는 전선이나 기판 등의 전자 소자들이 딱딱하여 변형에 한계가 있었습니다. 최근의 기술 발전은 이러한 내부 부품들까지 신축성 있는 신소재로 대체함으로써, 화면을 당겨도 회로가 끊어지지 않고 정상적으로 작동하게 만들었습니다. 이는 단순한 굴곡을 넘어 신축성까지 갖춘 차세대 기술의 완성을 의미하며, 디스플레이가 마치 옷감처럼 부드럽게 움직일 수 있는 기반이 되었습니다. 차세대 디스플레이의 남은 과제는 유기 화합물의 취약한 내구성을 극복하는 것입니다. 유기 화합물은 시간이 지나면 화소가 타버리는 번인 현상이 발생하기 쉬운데, 이를 해결하기 위해 무기 발광 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 무기 발광 소재는 유기 화합물보다 안정성이 높아 스스로 빛을 내는 장점은 유지하면서도 수명을 획기적으로 늘릴 수 있습니다. 내구성과 신축성을 모두 갖춘 무기 발광 디스플레이가 상용화된다면, 의류나 웨어러블 기기 등 우리 삶의 모든 곳에서 디스플레이를 만나는 놀라운 변화가 일어날 것이며 산업 전반에 엄청난 파급효과를 가져올 것입니다.

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[카오스 짧강] 인공지능과 화학_by이주용｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 9강

화학 분야에서 인공지능이 주목받는 이유는 오랜 시간 축적된 방대한 실험 데이터 덕분입니다. 과거에는 이론적인 방법만으로 분자의 성질을 예측하는 데 한계가 있었으나, 이제는 기계학습을 통해 데이터 속의 복잡한 패턴을 학습할 수 있게 되었습니다. 이러한 변화는 화학자들이 이전에 시도하지 못했던 새로운 예측을 가능하게 하며, 실험 연구의 패러다임을 근본적으로 바꾸고 있습니다. 데이터의 힘을 빌린 인공지능은 이제 화학 연구의 필수적인 동반자로 자리 잡고 있습니다. 인공지능의 역사는 1940년대부터 시작되었지만, 실제적인 도약은 2012년 딥러닝의 등장과 함께 이루어졌습니다. 알고리즘의 발전과 더불어 대용량 저장 장치, 그리고 GPU를 활용한 고속 연산 기술이 결합하면서 인공지능의 정확도는 비약적으로 향상되었습니다. 특히 이미지 인식 분야에서 인간의 수준에 근접한 성과를 내기 시작하면서, 화학자들 또한 이러한 기술을 분자 설계와 분석에 도입하기 시작했습니다. 하드웨어와 소프트웨어의 조화가 현대 화학의 새로운 장을 열어준 셈입니다. 화학은 흔히 '다양성의 과학'이라 불리며, 이론적으로 가능한 분자의 수는 약 10의 60승 개에 달합니다. 이는 전 우주에 존재하는 별의 개수보다도 훨씬 많은 수치로, 인간의 힘만으로는 이 광활한 분자의 우주를 모두 탐색하기란 불가능에 가깝습니다. 여기서 인공지능은 효율적인 탐색 도구로서 중요한 역할을 수행합니다. 원하는 성질을 먼저 설정하고 그에 맞는 분자를 찾아가는 '인버스 디자인' 개념은 인공지능을 통해 더욱 스마트하고 정교하게 구현되고 있습니다. 미래의 화학 실험실은 인공지능과 로봇이 결합한 완전 자동화 시스템으로 진화할 전망입니다. 인공지능이 기존에 없던 새로운 분자 구조를 생성하고 그 성질을 예측하면, 로봇이 이를 직접 합성하고 테스트하는 과정이 사람의 손길 없이도 이루어질 수 있습니다. 이러한 자동화는 신약 후보 물질이나 신소재를 발견하는 속도를 현재보다 수십 배 이상 앞당길 것으로 기대됩니다. 단순 반복적인 실험 과정이 자동화됨에 따라 연구의 효율성은 극대화되고, 인류가 직면한 난제 해결에도 속도가 붙을 것입니다. 인공지능의 도입이 화학자의 역할을 위협한다는 우려도 있지만, 이는 오히려 인간이 더 창의적인 문제에 집중할 수 있는 환경을 제공합니다. 화학자들은 단순 반복 업무에서 벗어나 분자의 근원적인 원리를 탐구하고, 인류에게 유용한 가치를 창출하는 고차원적인 설계에 시간을 쏟게 될 것입니다. 화학은 물질의 변화와 다양성을 다루는 학문이며, 인공지능은 그 변화의 과정을 가속하는 강력한 도구입니다. 기술과 인간의 협력은 화학이라는 학문을 더욱 풍요롭고 역동적으로 만들어갈 것입니다.

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[포럼] Quantum Technology: Next Game Changer? (차세대 신기술과 혁신성장동력으로서 양자정보기술)

양자 기술은 현대 과학의 가장 심오한 영역인 양자 역학을 기반으로 하며, 우리 시대를 바꿀 차세대 게임 체인저로 주목받고 있습니다. 원자와 전자 같은 미시 세계의 원리를 이용하는 이 기술은 단순히 계산 속도를 높이는 것을 넘어, 기존의 디지털 방식으로는 해결할 수 없었던 복잡한 문제들을 풀 수 있는 열쇠를 제공합니다. 인류가 달에 첫발을 내디뎠던 아폴로 11호의 순간처럼, 양자 기술은 우리가 한 번도 가보지 못한 새로운 세상을 열어줄 역사적인 전환점이 될 것입니다. 양자 역학의 핵심은 중첩과 얽힘이라는 독특한 현상에 있습니다. 중첩은 하나의 입자가 동시에 여러 상태로 존재할 수 있음을 의미하며, 얽힘은 멀리 떨어진 입자들이 서로 긴밀하게 연결되어 정보를 공유하는 현상을 말합니다. 이러한 특성을 활용한 큐비트는 기존 컴퓨터의 비트가 가진 0과 1의 한계를 뛰어넘어 기하급수적인 연산 능력을 발휘하게 합니다. 비록 직관적으로 이해하기 어려운 신비로운 영역이지만, 이는 자연의 본질을 가장 정확하게 설명하는 원리이자 미래 기술의 근간이 됩니다. 현재 우리는 '잡음이 있는 중간 규모 양자 장치', 즉 NISQ 시대를 지나고 있습니다. 수십 개에서 수백 개의 큐비트를 가진 장치들이 등장하며 기존 슈퍼컴퓨터의 성능을 위협하고 있지만, 여전히 외부 환경과의 상호작용으로 발생하는 오류를 극복해야 하는 과제가 남아 있습니다. 양자 시스템은 매우 민감하여 아주 작은 간섭에도 정보가 손실될 수 있기 때문에, 이를 보호하기 위한 양자 오류 수정 기술과 더 정밀한 하드웨어 개발이 필수적입니다. 이는 21세기 과학 기술이 직면한 가장 거대한 도전 중 하나로 평가받습니다. 양자 컴퓨팅의 잠재력은 다양한 산업 분야에서 혁신을 예고하고 있습니다. 특히 자연의 복잡한 분자 구조를 모방하는 능력을 통해 신약 개발, 배터리 설계, 촉매 개선 등 화학 및 재료 과학 분야에서 획기적인 발전을 가져올 것입니다. 또한 금융 포트폴리오 최적화, 물류 네트워크 관리, 머신러닝의 고도화 등 방대한 데이터를 처리해야 하는 영역에서도 양자 기술은 강력한 도구가 될 것입니다. 이러한 변화는 하루아침에 이루어지기보다 점진적으로 우리 삶의 방식을 근본적으로 바꾸어 놓을 것입니다. 전 세계적으로 양자 기술 생태계는 과학의 영역을 넘어 공학적 실현 단계로 빠르게 진입하고 있습니다. IBM과 같은 거대 기업부터 수백 개의 혁신적인 스타트업들이 하드웨어와 소프트웨어 솔루션을 앞다투어 내놓고 있으며, 클라우드를 통해 누구나 양자 컴퓨터에 접근할 수 있는 환경이 조성되었습니다. 과거 트랜지스터가 보청기와 라디오를 통해 대중화되었듯, 양자 기술 또한 우리가 예상치 못한 '킬러 애플리케이션'을 통해 일상에 스며들 것입니다. 이제는 기술의 원리를 넘어 그 유용성과 접근성에 집중해야 할 때입니다. 양자 기술은 연구실 안의 수식에만 머물지 않고 예술과 대중 문화로 그 영역을 넓히고 있습니다. 개별 원자를 움직여 만든 세계에서 가장 작은 영화나 양자 역학의 원리를 시각화한 예술 작품들은 대중이 미시 세계의 경이로움을 경험하게 합니다. 또한 빛의 입자인 광자를 이용한 양자 컴퓨터 연구나 실리콘 포토닉스 기술의 발전은 양자 정보 처리를 더욱 현실적인 단계로 끌어올리고 있습니다. 이러한 다각적인 접근은 양자 기술이 단순한 도구를 넘어 인류의 상상력을 자극하는 새로운 문화적 코드가 될 수 있음을 보여줍니다. 미래의 양자 시대는 이미 우리 앞에 와 있으며, 한국 또한 우수한 인재와 연구 자금을 바탕으로 이 거대한 흐름에 동참하고 있습니다. 초기에는 불확실성으로 가득했던 양자 정보 과학 분야가 이제는 국가의 미래 성장을 이끌 핵심 동력으로 자리 잡았습니다. 젊은 과학자들의 도전 정신과 산학연의 긴밀한 협력은 한국이 양자 기술의 주도권을 확보하는 데 결정적인 역할을 할 것입니다. 양자 기술이 가져올 혁신은 디지털 혁명 그 이상의 가치를 창출하며, 인류의 지속 가능한 발전을 위한 새로운 비전을 제시할 것입니다.

김정상, 손영익, 손훈, 이준구, 조엘, Andreas J. Heinrich(안드레아스 하인리히), Jerry M. Chow(제리 초우), John Preskill(존 프레스킬)

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물리학
수학

[강연쇼] 미래과학편 by 박문정_정연욱ㅣ 2021 '대한민국 과학기술대전' | 2부

현대 과학은 양자역학과 인공지능의 결합을 통해 전례 없는 발전을 거듭하고 있습니다. 수천만 건의 방대한 데이터를 처리하며 우리는 인류 역사상 가장 풍요롭고 안락한 시대를 살아가고 있습니다. 고도로 발달한 기술은 과거에는 상상조차 할 수 없었던 복잡한 문제들을 해결하며, 우리 사회의 구조와 생활 방식을 근본적으로 변화시키고 있습니다. 이러한 변화는 단순한 편의를 넘어 지식의 탐구 방식 자체를 재정의하고 있으며, 새로운 문명의 지평을 열어가고 있습니다. 하지만 기술의 비약적인 발전 뒤에는 보이지 않는 두려움이 자리 잡고 있습니다. 인공지능이 파편화된 모든 과학적 탐구를 대신 수행하게 될 때, 과연 인간은 과학의 본질을 잊어버리게 되지 않을까 하는 우려입니다. 기계가 정답을 도출하는 과정이 블랙박스화되면서, 인간은 그 원리를 이해하기보다는 결과만을 수용하는 수동적인 존재로 전락할 위험에 처해 있습니다. 이는 현대 과학자들에게 깊은 철학적 고민과 함께 기술적 종속에 대한 경계심을 안겨주는 중요한 화두입니다. 과학자들의 내면에는 고전적인 탐구 방식을 고수하려는 마음과 효율적인 최신 기술 사이의 갈등이 존재합니다. 힘든 고뇌의 과정을 거쳐 진리에 도달하던 과거의 방식은 이제 비효율적인 것으로 치부되기도 합니다. 그러나 인간만이 가진 직관과 통찰력은 데이터의 단순한 나열만으로는 결코 도달할 수 없는 심오한 영역을 탐구하게 합니다. 이러한 내적 갈등은 기술 만능주의 시대에 인간의 역할이 무엇인지 다시금 질문하게 만들며, 과학적 사고의 가치를 재확인하는 계기가 됩니다. 자동 인식 시스템과 중앙 제어 시스템이 연동되지 않았던 시절, 인간은 독자적인 메타 논리를 가동하여 세상을 이해하려 노력했습니다. 파편화된 정보들을 하나의 거대한 체계로 엮어내는 능력은 오직 인간의 지성만이 수행할 수 있었던 고유의 영역이었습니다. 인공지능이 제공하는 방대한 데이터 속에서 길을 잃지 않기 위해서는, 과거 우리가 가동했던 그 독특한 논리 구조를 다시금 일깨울 필요가 있습니다. 이는 복잡한 시스템 속에서 본질을 꿰뚫어 보는 힘을 기르는 과정이기도 합니다. 결국 인공지능은 인간이 내리는 최종적인 판단과 방향성에 따라 그 가치가 결정됩니다. 아무리 뛰어난 연산 능력을 갖춘 기계라 할지라도, 무엇을 위해 그 기술을 사용할 것인지 결정하는 주체는 여전히 인간의 몫입니다. 우리는 인공지능에게 단순히 계산을 시키는 것을 넘어, 인류의 보편적 가치와 윤리를 반영한 고차원적인 지시를 내려야 합니다. 이것이 바로 고도화된 기술의 시대에 인간이 지켜내야 할 마지막 보루이자, 과학 기술을 올바른 방향으로 이끄는 책임 있는 자세입니다. 인공지능과 인간의 논리가 조화를 이룰 때, 과학은 비로소 진정한 의미의 도약을 이룰 수 있습니다. 기계의 정밀함과 인간의 창의성이 결합하면, 우리는 우주의 근본 원리에 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것입니다. 데이터 속에 숨겨진 의미를 해석하고 새로운 가설을 세우는 과정에서 인공지능은 강력한 조력자가 되어줍니다. 이러한 협력 모델은 미래 과학의 새로운 표준이 될 것이며, 인류의 지적 지평을 넓히는 열쇠가 될 것입니다. 우리는 기술을 도구로 삼아 더 큰 진리를 향해 나아가야 합니다. 우리는 이제 기술에 압도당하는 것이 아니라, 기술을 통해 인간의 가능성을 확장하는 시대로 나아가야 합니다. 양자역학의 신비와 인공지능의 효율성이 공존하는 이 풍요로운 시대에, 과학에 대한 근원적인 열정을 잃지 않는 것이 무엇보다 중요합니다. 끊임없는 질문과 탐구를 통해 우리는 기계가 대신할 수 없는 인간만의 고유한 가치를 증명해 나갈 것입니다. 미래의 과학은 도구의 눈부신 발전이 아닌, 그 도구를 다루는 인간의 숭고한 정신과 의지에서 비로소 완성될 것입니다.

박문정, 정연욱

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물리학
화학
융합

[과학원리체험@HOME] -시즌2- 완전한 검은색

우리는 흔히 검은색이라고 하면 모두 동일한 색상일 것이라고 생각하기 쉽지만, 과학의 영역에서 '완전한 검은색'은 특별한 의미를 지닙니다. 이는 단순히 어두운 색을 넘어 빛을 거의 완벽하게 흡수하는 상태를 말합니다. 일반적인 검은색 페인트와 물감, 그리고 나노 기술의 결정체인 반타블랙을 비교해 보면 그 차이가 명확해집니다. 특히 반타블랙은 현대 과학이 만들어낸 신소재로, 기존의 어떤 색상보다도 높은 빛 흡수율을 자랑하며 완전한 검은색에 가장 근접한 물질로 평가받고 있습니다. 물체가 우리 눈에 검은색으로 보이는 이유는 가시광선을 반사하지 않고 흡수하기 때문입니다. 하지만 우리가 일상에서 접하는 대부분의 검은색 물체는 미세하게나마 빛을 반사하고 있어 완벽한 어둠을 구현하지는 못합니다. 반면 반타블랙은 나노 구조를 활용하여 들어오는 빛을 가두고 흡수함으로써 반사율을 극도로 낮춘 것이 특징입니다. 이러한 흡수와 반사의 원리를 이해하면 왜 어떤 검은색은 유독 더 깊고 어둡게 느껴지는지 알 수 있으며, 이는 곧 빛의 물리적 성질을 제어하는 기술력의 차이라고 할 수 있습니다. 빛을 이용한 실험을 통해 각 소재의 반사 정도를 확인해 보면 그 차이는 더욱 극명하게 드러납니다. 일반 페인트나 물감에 강한 빛을 비추면 맞은편 벽면에 반사된 빛의 흔적이 뚜렷하게 남는 것을 볼 수 있습니다. 이는 해당 소재들이 빛을 완전히 흡수하지 못하고 튕겨내고 있음을 의미합니다. 그러나 반타블랙의 경우, 빛을 비추어도 벽면에 나타나는 반사광이 거의 관찰되지 않습니다. 이는 소재 자체가 빛을 거의 완벽하게 빨아들여 외부로 다시 내보내지 않는다는 사실을 시각적으로 증명하는 결과입니다. 이러한 완전한 검은색의 특성은 정밀 과학 분야에서 매우 유용하게 활용됩니다. 대표적인 예가 천체 망원경의 내부 경통입니다. 별을 관측할 때 렌즈를 통해 들어오는 별빛 외에 다른 잡광이 경통 내부에서 난반사되면 관측의 정확도가 떨어지게 됩니다. 이때 경통 내부를 반타블랙으로 코팅하면 불필요한 빛을 모두 흡수하여 난반사를 방지할 수 있습니다. 결과적으로 관찰하고자 하는 별의 빛만을 선명하게 포착할 수 있게 되어, 우주의 신비를 더욱 정밀하게 탐구할 수 있는 환경을 조성해 줍니다. 반타블랙의 응용 범위는 천문학을 넘어 제조 시설과 보안 분야까지 광범위하게 확장됩니다. 빛의 반사를 최소화해야 하는 정밀 제조 공정에서 이 소재를 활용하면 공정의 정확도를 높일 수 있습니다. 또한 군사 및 보안 분야에서는 물체의 형체를 숨기거나 노출을 차단하는 용도로 주목받고 있습니다. 빛이 반사되지 않으면 관찰자의 눈에 물체의 입체감이 사라지고 마치 구멍이 뚫린 듯한 착시를 일으키기 때문입니다. 이처럼 빛을 지우는 기술은 현대 산업의 다양한 영역에서 혁신적인 변화를 이끌어내고 있습니다.

국립과천과학관👩‍🔬과학원리체험@home

물리학
융합

[해SSUL이있는 과학뉴스] 탄소섬유와 모빌리티 - 2탄

탄소섬유는 과거 수작업에 의존하던 가내수공업 형태에서 벗어나, 이제는 대량 생산이 가능한 현대적 공업 기술로 진화했습니다. 대표적인 기술인 '레진 트랜스퍼 몰딩(RTM)'은 탄소섬유를 다층으로 쌓고 수지를 주입해 금속판처럼 단단한 형태로 찍어내는 방식입니다. 이때 에폭시와 같은 고분자 화합물을 섬유 사이사이에 스며들게 하는 함침 과정을 거치며, 이를 통해 단순한 섬유 뭉치가 아닌 고강도의 구조체로 거듭나게 됩니다. 이러한 공정의 자동화는 탄소섬유가 자동차를 비롯한 다양한 산업 분야로 확산되는 결정적인 계기가 되었습니다. 탄소섬유 강화 플라스틱은 무게 대비 강도가 매우 뛰어나지만, 금속과는 다른 독특한 물리적 특성을 지닙니다. 외부 충격을 받았을 때 찌그러지며 에너지를 흡수하는 금속과 달리, 탄소섬유는 일정 수준 이상의 충격이 가해지면 완전히 으깨지거나 박살 나는 성질이 있습니다. 이는 안전성 측면에서는 뛰어난 보호력을 제공할 수 있으나, 파손 시 부분 수리가 어렵고 부품 전체를 교체해야 한다는 경제적 부담이 따르기도 합니다. 소재 자체의 높은 가격과 맞물려 유지보수 비용이 상승하는 요인이 되지만, 그 압도적인 강인함은 포기할 수 없는 매력입니다. 전기차와 수소차의 등장은 자동차의 구조적 정의를 완전히 바꾸고 있습니다. 내연기관 엔진이 사라지면서 설계의 자유도가 높아졌고, 탄소섬유는 이러한 변화를 가속화하는 핵심 소재로 주목받습니다. 특히 자율주행 기술이 완성되면 핸들이나 복잡한 조작 장치가 필요 없어져 차량 내부를 거실처럼 꾸미는 것도 가능해집니다. 하부 플랫폼 위에 사용자가 원하는 모양의 탄소섬유 외장재를 씌우는 '스케이트보드' 방식의 생산 구조는, 미래 자동차 시장이 대량 생산을 넘어 개인의 개성을 존중하는 커스텀 시대로 나아갈 것임을 예고하고 있습니다. 탄소섬유가 대중적으로 이름을 알리게 된 결정적인 계기는 항공 산업입니다. 비행기는 기체가 가벼울수록 연료 효율이 높아지고 더 많은 화물과 승객을 실을 수 있기 때문에, 고가의 탄소섬유를 가장 적극적으로 도입해 왔습니다. 실제로 최신 항공기 기체의 절반 가까이가 탄소섬유로 제작될 만큼 그 비중이 높습니다. 이러한 흐름은 일상 영역으로도 확장되어 자전거 프레임, 야구방망이, 골프채 등 무게 경쟁력이 중요한 스포츠 용품이나 고성능 IT 기기의 외장재로 널리 쓰이며 우리 삶의 질을 높이는 데 기여하고 있습니다. 소재의 혁신은 단순히 재료가 바뀌는 것을 넘어 기존 산업 생태계를 재편하는 파괴적 힘을 가집니다. 과거 철강 중심의 시대에서 탄소섬유와 플라스틱 소재 중심으로 산업의 주도권이 이동하고 있는 만큼, 미래 경쟁력 확보를 위한 지속적인 연구와 투자가 절실한 시점입니다. 현재 세계 시장은 오랜 기술 노하우를 축적해 온 국가들이 주도하고 있지만, 한국 기업들도 독자적인 기술력을 바탕으로 격차를 좁히기 위해 매진하고 있습니다. 새로운 소재가 열어갈 미래 시장의 흐름을 정확히 읽고 대응하는 것이 국가 산업의 향방을 결정지을 것입니다.

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[해SSUL이있는 과학뉴스] 탄소섬유와 모빌리티 - 1탄

탄소는 우리에게 매우 친숙한 원소입니다. 수천 년 동안 인류가 사용해 온 먹이나 도료의 주성분인 카본블랙부터 영롱한 빛을 발하는 다이아몬드에 이르기까지, 탄소는 그 구조에 따라 전혀 다른 모습으로 존재합니다. 과학적으로 탄소는 0차원에서 3차원에 이르는 다양한 구조적 특징을 지니고 있으며, 이를 '동소체'라고 부릅니다. 같은 탄소 원자로 이루어져 있음에도 불구하고 원자들의 배열 방식인 격자 모양이 달라짐에 따라 물질의 물리적 성질이 극적으로 변화한다는 점은 탄소만이 가진 독특하고 신비로운 매력 중 하나입니다. 현대 과학은 탄소의 구조를 제어하여 혁신적인 신소재들을 탄생시켰습니다. 축구공 모양의 풀러렌은 독특한 대칭 구조로 노벨상을 받았으며, 죽부인처럼 길쭉한 원통형 구조를 가진 탄소나노튜브는 나노미터 단위의 얇은 굵기에도 불구하고 뛰어난 전도성과 강도를 자랑합니다. 특히 2010년 노벨 물리학상의 주인공인 그래핀은 흑연에서 단 한 층의 원자 막을 분리해낸 물질로, 투명하면서도 강철보다 수백 배 강한 특성을 지닙니다. 이러한 소재들은 현재 배터리 도전재나 차세대 반도체 소자 등 다양한 첨단 산업 분야에서 상용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 다양한 탄소 소재 중에서도 현재 산업 현장에서 가장 널리 쓰이는 핵심 소재는 단연 탄소섬유입니다. 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴과 같은 고분자 섬유를 섭씨 1,000도 이상의 고온에서 태우는 '탄소화' 과정을 통해 만들어집니다. 이 과정은 마치 참나무를 가마에 넣고 공기를 차단한 채 구워 숯을 만드는 원리와 유사합니다. 이렇게 탄생한 탄소섬유는 불순물이 제거된 순수한 육각형 탄소 결정 구조를 갖게 되며, 실 형태로 뽑아내어 직물처럼 엮어 사용합니다. 가벼우면서도 강철을 압도하는 강도를 지녀 현대 산업의 '꿈의 소재'로 불립니다. 탄소섬유의 가장 큰 장점은 강철보다 10배 강하면서도 무게는 5배나 가볍다는 점입니다. 이러한 특성 덕분에 고압을 견뎌야 하는 수소차의 연료 탱크 제작에 필수적으로 사용됩니다. 또한 전기차 분야에서도 탄소섬유는 혁신적인 역할을 수행합니다. 무거운 배터리를 탑재해야 하는 전기차의 특성상 차체 무게를 줄이는 경량화는 연비와 주행 거리 향상을 위한 숙원 사업입니다. 배터리 케이스나 주요 부품을 탄소섬유로 대체함으로써 차량 전체의 무게를 획기적으로 줄일 수 있으며, 이는 곧 친환경 모빌리티의 효율성 극대화로 이어집니다. 탄소섬유의 가치는 안전성 측면에서도 증명되었습니다. 과거 포뮬러 원(F1) 경주차에 탄소섬유 외장을 도입한 이후 사고 시 운전자의 생존율이 급격히 향상된 사례가 대표적입니다. 금속보다 비싼 가격이 대중화의 걸림돌이었으나, 기술 발전과 대량 생산 체계 구축을 통해 점차 가격 경쟁력을 확보해 나가고 있습니다. 대한민국 역시 탄소섬유의 국산화와 기술 자립을 위해 국가적 역량을 집중하고 있습니다. 미래 모빌리티와 항공우주 산업을 견인할 탄소 소재는 단순한 재료를 넘어 국가 경쟁력을 결정짓는 핵심 전략 자산이 될 것입니다.

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[연구뭐하지?] 신용일 교수_서울대학교 '양자기체 연구실' | 초유동성?! 양자기체?! 이곳에서 물리 폭풍렙업 중!

양자기체 연구는 절대영도에 매우 근접한, 대략 10의 -9승 도 정도의 극저온 상태에서 물질의 성질을 탐구하는 분야입니다. 이렇게 극도로 낮은 온도에서는 기체가 평소와는 전혀 다른 독특한 양자 현상을 보이게 되는데, 그중에서도 마찰 없이 흐르는 성질인 '초유동성'이 핵심적인 연구 대상입니다. 서울대학교 물리천문학부 양자기체 연구실에서는 이러한 신비로운 물리적 현상을 규명하기 위해 다양한 실험적 접근을 시도하며, 자연의 근본적인 원리를 파헤치는 데 주력하고 있습니다. 과거에는 초유동성 연구가 주로 낮은 온도의 고체에서 나타나는 초전도 현상이나 액체 헬륨의 특이한 흐름을 통해 이루어져 왔습니다. 그러나 최근 원자 기체를 극저온으로 냉각할 수 있는 정교한 실험 기술이 비약적으로 발전하면서 연구의 지평이 넓어졌습니다. 이제 과학자들은 원자 기체의 내부 상태를 세밀하게 제어함으로써 새로운 시스템에서 초유동성을 관찰할 수 있게 되었습니다. 이는 양자 다체계 현상을 이해하는 데 있어 매우 중요한 전환점이 되었으며, 현대 물리학의 핵심적인 연구 분야로 자리 잡았습니다. 극저온 양자기체 물성을 연구하기 위해서는 고도의 기술적 숙련도가 요구됩니다. 연구자들은 기본적으로 진공 기술과 레이저 기술을 완벽히 익혀야 하며, 원자 물리학에 대한 깊은 이해가 필수적입니다. 실험 과정은 마치 만 피스짜리 퍼즐을 맞추거나 RPG 게임에서 레벨업을 하는 과정과 비슷합니다. 수많은 부품을 조립하고 정교하게 조정하며 차곡차곡 경험치를 쌓아가는 긴 여정은 때로 어렵고 힘들지만, 그 과정에서 얻는 지적 즐거움과 성취감은 무엇과도 바꿀 수 없는 중독성 있는 매력을 지니고 있습니다. 연구실의 분위기는 자유롭고 수평적인 의사소통을 지향하며, 팀원 간의 협력이 무엇보다 중요하게 여겨집니다. 복잡한 실험 장비를 다루고 방대한 데이터를 분석해야 하기에 팀플레이 능력이 필수적인 덕목으로 꼽힙니다. 일상적인 소통의 한 예로 식사 메뉴를 정하거나 커피 내기를 할 때 가위바위보를 활용하는 등 유쾌한 문화를 공유하기도 합니다. 이러한 유연한 분위기 속에서 연구원들은 서로의 아이디어를 자유롭게 나누며, 창의적인 연구를 지속할 수 있는 동력을 얻습니다. 초유동성과 초전도 현상에 대한 명확한 물리적 이해는 단순히 지식의 확장을 넘어 인류의 실생활에 혁명적인 변화를 가져올 수 있습니다. 만약 상온에서도 저항 없이 전류가 흐르는 초전도체를 개발할 수 있다면, 발전소에서 도시로 전력을 수송할 때 발생하는 막대한 에너지 손실을 획기적으로 줄일 수 있습니다. 극저온 양자기체 연구는 이러한 꿈의 물질을 설계하기 위한 기초 지식을 제공하며, 에너지 절약과 효율적인 전력망 구축 등 미래 기술의 토대를 마련하는 데 결정적인 역할을 할 것입니다.

신용일

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물리학

[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] 분자사용설명서 (1) _ 김지환 교수 | 2017 겨울 카오스 마스터 클래스 2017 겨울 카오스 마스터클래스 '화학' | 1강

화학은 우리 일상 어디에나 존재하지만, 대중에게는 종종 위험하거나 난해한 학문으로 인식되곤 합니다. 많은 이들이 화학을 단순히 주기율표를 외우거나 실험실에서 물질을 섞는 요리와 같은 과정으로 생각하지만, 실제 화학자가 바라보는 세계는 훨씬 더 광범위하고 정교합니다. 화학은 단순히 유해물질을 다루는 학문이 아니라, 지구상의 모든 물질이 어떻게 구성되고 변하는지를 탐구하는 기초과학의 핵심입니다. 이러한 오해를 넘어 화학의 진정한 가치를 이해하는 것이 현대과학을 바라보는 첫걸음이 될 것입니다. 화학이 중요한 이유는 그것이 막대한 경제적 가치를 창출하는 첨단산업의 근간이기 때문입니다. 물리학이 하나의 방정식으로 세상을 정의하려 노력한다면, 화학은 수많은 분자가 얽힌 복잡한 시스템을 이해하기 위해 수만 개의 방정식을 동시에 풀어내는 과정을 거칩니다. 분자의 크기가 커질수록 물리 법칙만으로는 설명하기 어려운 영역이 나타나며, 화학자들은 이를 통해 새로운 물질의 특성을 규명합니다. 이는 기초과학으로서의 역할뿐만 아니라 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 실용적인 해결책을 제시하는 과정이기도 합니다. 현대 화학 연구의 핵심은 '3M 원칙'이라 불리는 세 가지 원칙, 즉 합성(Make), 측정(Measure), 모델링(Model)으로 요약할 수 있습니다. 과거의 화학이 단순히 새로운 물질을 만들어내는 요리에 가까웠다면, 오늘날에는 만들어진 물질의 특성을 정밀하게 분석하고, 실험이 불가능한 영역은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이론적으로 예측합니다. 이러한 체계적인 접근 방식을 통해 화학자들은 보이지 않는 미시세계의 법칙을 현실의 기술로 구현해냅니다. 이는 단순한 실험을 넘어 논리적 추론과 첨단기술이 결합된 고도의 지적 활동입니다. 화학 연구의 대부분은 분자의 구조와 그에 따른 반응성을 탐구하는 데 집중되어 있습니다. 분자는 그 구조가 어떻게 생겼느냐에 따라 성질과 활동 방식이 결정되는데, 이를 '분자공학'의 관점에서 설계하고 조절하는 것이 핵심입니다. 예를 들어 신약개발 과정에서는 수만 개의 후보 물질 중 최적의 구조를 찾아내기 위해 15년 이상의 긴 시간을 투자하기도 합니다. 또한 디스플레이나 배터리 분야에서도 원하는 색상이나 효율을 얻기 위해 분자 구조를 미세하게 조정하며, 이러한 노력은 우리 삶을 바꾸는 혁신적인 제품들로 이어집니다. 분자가 형성되는 과정을 이해하기 위해서는 두 가지 핵심적인 물리 법칙인 쿨롱 법칙과 에너지 안정성 원리를 알아야 합니다. 양전하와 음전하가 서로 끌어당기는 힘은 원자와 분자를 결합시키는 근본적인 동력이 되며, 모든 물질은 에너지가 높은 불안정한 상태에서 에너지가 낮은 안정한 상태로 변하려는 성질을 가집니다. 화학자들은 이러한 자연의 섭리를 바탕으로 물질의 자발적인 변화를 예측하고 제어합니다. 복잡해 보이는 화학 반응의 이면에는 이처럼 단순하고 명쾌한 물리적 원리가 굳건히 자리 잡고 있는 것입니다. 원자의 내부를 들여다보면 양성자와 중성자로 이루어진 핵, 그리고 그 주위를 도는 전자가 존재합니다. 과거에는 전자가 행성처럼 일정한 궤도를 따라 움직인다고 생각했지만, 현대물리학과 현대화학은 이를 '전자 구름'인 오비탈로 설명합니다. 아주 작은 미시세계의 입자들은 고전역학의 지배를 받는 것이 아니라 양자역학의 지배를 받기 때문에, 전자의 위치를 정확히 알 수 없고 오직 확률적으로만 예측할 수 있습니다. 이러한 양자역학적 이해는 화학이 단순한 물질의 조합을 넘어 우주의 근본 원리를 탐구하는 학문임을 보여줍니다. 오늘날의 화학은 벤젠 고리와 같은 단순한 분자 구조를 넘어 그래핀, 리튬 배터리, 생체 분자 등 거대하고 복잡한 영역으로 확장되고 있습니다. 에너지 문제 해결부터 난치병 치료를 위한 신약설계에 이르기까지, 화학자의 시선은 인류가 직면한 거대 담론들을 향해 있습니다. 식물을 키우며 생명 현상을 연구하거나 새로운 에너지저장장치를 개발하는 등 화학의 경계는 이미 다른 학문들과 밀접하게 융합되어 있습니다. 결국 화학은 세상을 구성하는 가장 작은 단위에서 시작해 가장 큰 변화를 이끌어내는 학문이라 할 수 있습니다.

김지환

카오스재단마스터클래스

화학

[강연] 분자미개학론 _ 이동환 교수 | 2016 서울대 자연과학대학 공개강연 '무질서에서 질서로' (2) | 1강

화학이라고 하면 흔히 복잡한 반응식과 원소 기호가 가득한 교과서를 떠올리기 쉽습니다. 하지만 화학의 진정한 매력은 눈에 보이지 않는 미시 세계에서 원자들이 결합하여 만들어내는 정교하고 아름다운 모양에 있습니다. 단순한 식의 나열을 넘어 분자 속에 감추어진 기하학적 아름다움을 발견하는 과정은 마치 예술 작품을 감상하는 것과 같습니다. 화학자는 이 복잡한 구조 속에서 질서를 찾아내고, 그 형태가 지닌 고유한 가치를 탐구하며 보이지 않는 세계의 미학을 정립하는 사람입니다. 복잡함이란 무엇일까요? 수십 획에 달하는 한자처럼 단순히 얽혀 있는 상태를 넘어, 그 안에 숨겨진 규칙을 발견할 때 우리는 새로운 시각을 갖게 됩니다. 네덜란드의 판화가 에셔의 작품처럼 단순한 단위 구조가 반복되며 평면을 가득 채우는 테셀레이션은 복잡함 속의 질서를 잘 보여줍니다. 대칭성 또한 중요한 요소입니다. 어떤 물체를 회전시키거나 반사했을 때 변화를 느끼지 못하는 상태, 즉 완벽한 균형을 이루는 구조는 분자 세계에서도 가장 아름다운 형태로 꼽히며 과학적 탐구의 대상이 됩니다. 세상에서 가장 대칭적인 분자로 알려진 '풀러렌'은 탄소 60개가 모여 축구공 모양을 이루는 독특한 구조를 가집니다. 1985년 발견된 이 분자는 우주 공간의 성간 물질을 연구하는 과정에서 그 존재가 드러났으며, 이후 노벨 화학상의 영예를 안겨주었습니다. 자연이 설계한 이 완벽한 구형 구조는 탄소 원자들이 가장 안정적으로 존재할 수 있는 최적의 형태를 보여줍니다. 이는 우리가 자연의 섭리를 이해하고 미시 세계의 질서를 파악하는 과정에서 마주하는 가장 경이로운 모델 중 하나라고 할 수 있습니다. 화학자는 자연에 존재하는 분자를 발견하는 데 그치지 않고, 새로운 구조를 설계하고 만들어내는 건축가이기도 합니다. 육각형의 벤젠 고리를 이어 붙여 왕관 모양의 코로넨을 만들거나, 평면의 그래핀을 넘어 입체적인 구조를 구상합니다. 이 과정은 마치 정교한 설계도를 따라 건물을 짓거나 레고 블록을 조립하는 것과 비슷합니다. 비록 당장의 실용적인 용도가 눈에 보이지 않더라도, 복잡한 문제를 해결하며 새로운 합성 경로를 찾아내는 과정 자체가 과학적 진보를 이끄는 핵심적인 동력이 됩니다. 평면적인 구조를 넘어 오목한 사발 모양의 '수마넨'과 같은 분자를 만드는 것은 화학자들에게 큰 도전입니다. 탄소 원자들은 본래 평평하게 배열되려는 성질이 있지만, 오각형 구조를 적절히 배치하면 전체적인 모양이 구부러지며 입체감을 갖게 됩니다. 이러한 곡률을 완벽하게 제어하여 예쁜 그릇 모양의 분자를 합성하는 것은 고도의 정밀함이 요구되는 작업입니다. 이는 단순한 발견의 영역을 넘어 인간의 지성과 기술로 새로운 형태를 창조하는 발명의 영역으로 나아가는 화학의 창의적인 면모를 보여줍니다. 분자의 아름다움은 형태를 넘어 생명 현상을 유지하는 정교한 기능으로도 이어집니다. 우리 몸의 신경 신호를 전달하는 이온 통로 단백질이 대표적인 예입니다. 이 거대한 분자는 칼륨 이온과 나트륨 이온의 미세한 크기 차이를 감지하여 특정 이온만을 선택적으로 통과시킵니다. 단백질 내부의 산소 원자들이 물 분자의 역할을 대신하며 이온을 안내하는 과정은 자연이 설계한 정교한 밸브 시스템과 같습니다. 이러한 메커니즘은 분자의 구조가 곧 생명 활동의 핵심적인 기능임을 증명하는 사례입니다. 자연은 거대한 구조를 만들 때 효율적인 모듈화 방식을 선택합니다. 이온 통로 단백질이 네 개의 동일한 조각이 모여 완성되듯, 작은 단위체의 반복과 조합을 통해 복잡한 생명 시스템을 구축하는 것입니다. 이는 대량 생산과 유지 보수가 용이한 합리적인 설계 방식이기도 합니다. 결국 분자 세계의 복잡함 속에는 언제나 명확한 규칙과 질서가 숨어 있습니다. 그 규칙을 이해하고 새로운 질서를 창조해 나가는 과정이 바로 과학자가 꿈꾸는 끊임없는 도전이자 미시 세계에서 찾아내는 진정한 아름다움입니다.

이동환

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학