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[카오스 짧강] TDA의 활용 사례 (신소재)

위상 수학은 현대 물리학의 지평을 넓히는 데 결정적인 역할을 하며 학문 간 경계를 허물고 있습니다. 약 8년 전 노벨 물리학상을 받은 위상 물리학은 수학의 위상수학적 개념을 물리적 현상에 성공적으로 접목한 사례로 꼽힙니다. 당시 노벨 재단은 대중에게 생소한 이 개념을 설명하기 위해 기자회견장에 도넛을 직접 들고 나오는 이색적인 장면을 연출하기도 했습니다. 이는 추상적인 수학 이론이 실제 물질의 성질을 규명하는 강력한 도구가 될 수 있음을 전 세계에 알린 상징적인 사건이었습니다. 특히 그래핀과 같은 2차원 물질의 발견은 위상 물리학이 주목받는 계기가 되었습니다. 원자 하나 두께의 매우 얇은 2차원 물질은 입자들이 위아래로 움직이지 못하고 제자리에서 회전하는 독특한 물리적 특성을 보입니다. 일반적인 물질이 온도 변화에 따라 고체, 액체, 기체로 변하는 것과 달리, 2차원 물질은 특정 임계점에서 매우 특별한 상전이 현상을 나타냅니다. 이러한 현상은 기존의 물리 법칙으로는 설명하기 어려웠으나, 위상 수학의 원리를 도입하면서 비로소 그 비밀이 풀리기 시작했습니다. 푸앵카레 이후 100년 넘게 축적된 위상 수학의 철학은 이제 인공지능과 빅데이터 분석 등 첨단 산업 분야로 그 영역을 확장하고 있습니다. 과거에는 수학 전공자들만의 전유물로 여겨졌던 이론들이 21세기에 들어서며 물질의 본질을 이해하고 복잡한 데이터를 해석하는 핵심 기술로 거듭난 것입니다. 당장 눈앞의 실용성만을 따져 특정 학문을 외면하는 것은 현대 과학의 융합적 흐름을 읽지 못하는 근시안적인 태도입니다. 기초 과학에 대한 깊이 있는 이해가 결국 미래 기술의 혁신을 이끄는 원동력이 됩니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[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'

수학

[연구뭐하지?] 2차원 물질을 레고처럼 켜켜이 쌓으면 일어나는 현상, 양자물질 연구_이지은 교수 | 서울대학교 “2차원 양자물질 연구실”

2차원 물질은 그래핀처럼 원자 한 층 수준의 극도로 얇은 두께를 가진 물질을 의미합니다. 이러한 물질들은 단순히 얇다는 점을 넘어, 마치 레고 블록을 쌓듯이 서로 다른 종류를 켜켜이 쌓아 올림으로써 자연계에 존재하지 않는 새로운 인공 구조체를 만들어낼 수 있다는 매력이 있습니다. 연구자들은 이처럼 새롭게 탄생한 물질군에서 나타나는 독특한 물리적 현상을 탐구하며, 기존의 한계를 뛰어넘는 새로운 물질의 가능성을 실험적으로 증명해 나가고 있습니다. 특히 응집물질물리학 분야에서는 이러한 2차원 물질을 이용해 소자를 제작하고 그 특성을 정밀하게 측정하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 2차원 물질 연구의 핵심 중 하나는 광학적 실험 방법을 통해 물질의 특성을 이해하는 '2D 광학' 분야입니다. 레이저를 물질에 조사한 뒤 거기서 나오는 빛을 분석하면, 물질 내부의 전자가 가진 스핀이나 밸리와 같은 양자 역학적 특성을 파악할 수 있습니다. 특히 어떤 2차원 물질은 양자화된 빛을 내뿜는 '단일 양자 광원'의 역할을 하기도 합니다. 이러한 특수한 광원은 미래의 핵심 기술인 양자 컴퓨터나 양자 통신을 구현하는 데 필수적인 요소로 꼽히며, 이를 양자 기술에 어떻게 응용할 수 있을지에 대한 가능성 연구가 심도 있게 이루어지고 있습니다. 양자 컴퓨터 기술에 대한 대중의 관심은 높지만, 실제 기술의 완성도는 아직 초기 단계에 머물러 있습니다. 많은 이들이 양자 컴퓨터가 실생활에 언제 보급될지, 얼마나 빨라질지 궁금해하지만, 사실 이 기술은 단순히 게임이나 일반적인 작업을 빠르게 하기 위한 용도는 아닙니다. 현재는 수학적으로 증명되지 않은 부분이 많고 연구해야 할 과제가 산적해 있어, 비유하자면 이제 막 걸음마를 뗀 신생아 단계라고 할 수 있습니다. 따라서 실제 우리가 양자 컴퓨터를 일상에서 자유롭게 사용하기까지는 앞으로도 수많은 연구와 시간이 필요할 것으로 보입니다. 연구실에서의 일상은 레이저를 쏘고 분광된 빛을 분석하는 정밀한 작업의 연속입니다. 같은 2D 광학 범주 안에 있더라도 연구자마다 다루는 물질이나 실험 방법, 분석하는 신호의 특성이 조금씩 다르기 때문에 각자의 영역에서 깊이 있는 전문성을 쌓게 됩니다. 이러한 환경은 동료들과 질문을 주고받으며 지식의 폭을 넓히는 계기가 되기도 합니다. 자신이 맡은 분야에 대해서는 연구실 내에서 가장 잘 아는 전문가라는 책임감을 느끼며 공부해야 하고, 동시에 타인의 연구에 관심을 가짐으로써 넓은 시야를 유지하는 것이 연구자로서의 중요한 자질이 됩니다. 성공적인 연구를 수행하기 위해서는 높은 집중력과 창의력이 요구됩니다. 연구 과정에서 마주하는 수많은 난관을 극복하기 위해서는 기존의 관점을 뒤바꾸는 창의적인 사고가 필수적이며, 짧은 시간 내에 효율적으로 성과를 내기 위한 몰입의 힘이 중요합니다. 때로는 고된 과정이 반복되어 힘들기도 하지만, 새로운 물리 현상을 발견하고 이를 이해해 나가는 과정은 마치 어려운 퀘스트를 하나씩 해결해 나가는 게임처럼 즐거움을 주기도 합니다. 이러한 연구의 결실은 향후 실생활에 유용한 양자 소자 개발로 이어져 인류의 삶에 기여할 수 있는 밑거름이 될 것입니다.

이지은

카오스재단연구뭐하지

물리학

[카오스 짧강] 나노 융합 연구의 최첨단, 분자전자학_by윤효재｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 8강

분자 전자학은 나노과학과 전자공학이 만나는 지점에서 탄생한 혁신적인 분야입니다. 이 학문의 배경에는 인텔의 공동 설립자인 고든 무어가 1965년에 제시한 '무어의 법칙'이 자리 잡고 있습니다. 그는 전자기기의 소형화와 고성능화에 대한 소비자의 요구를 충족하기 위해 반도체 칩의 집적도가 24개월마다 두 배씩 증가할 것이라고 예측했습니다. 하지만 공간은 한정되어 있기에 트랜지스터의 크기를 무한정 줄이는 데에는 기술적 한계가 따를 수밖에 없었습니다. 이러한 물리적 한계를 극복하기 위해 과학자들은 분자 수준에서 해답을 찾기 시작했습니다. 1974년 이론 화학자 마크 레트너 교수는 분자 하나를 전자 소자로 활용하자는 파격적인 제안을 담은 논문을 발표했습니다. 그는 전자를 주고받을 수 있는 화학 작용기를 가진 분자를 두 전극 사이에 샌드위치처럼 배치하면, 분자가 다이오드와 같은 역할을 수행할 수 있다고 주장했습니다. 이는 기존의 센티미터나 밀리미터 단위의 전자 부품을 나노미터 크기로 줄일 수 있음을 의미했습니다. 이러한 소형화가 실현된다면 혈관 속을 누비며 질병을 치료하는 나노 로봇이나 나노 모터와 같은 공상과학 영화 속 기술들이 현실이 될 수 있는 토대가 마련되는 것입니다. 레트너 교수의 혁신적인 아이디어는 1980년대 IBM에서 개발된 주사형 탐침 현미경(SPM) 기술과 만나며 비약적인 발전을 이루었습니다. 원자 힘 현미경(AFM)과 주사 터널링 현미경(STM)의 등장은 인류가 개별 분자를 직접 관찰하고 조절할 수 있는 시대를 열어주었습니다. 이론에만 머물렀던 분자 전자 소자가 공학적 분석 기술과 융합되면서 실제 구현 가능한 영역으로 들어온 것입니다. 이후 유기 화학자들은 다양한 분자를 합성하기 시작했고, 이를 통해 다이오드뿐만 아니라 메모리와 트랜지스터 등 현대 전자공학의 핵심 부품들을 분자 단위에서 재현하는 데 성공했습니다. 2000년대에 들어서며 분자 전자학은 신소재 공학과 접목되어 또 한 번의 도약을 이뤄냈습니다. 특히 2010년 노벨 물리학상의 주인공인 그래핀은 뛰어난 전기 전도성을 바탕으로 유기 분자 소자의 내구성을 획기적으로 높이는 전극 물질로 주목받았습니다. 또한 영화 속 액체 로봇에서 영감을 얻은 액체 금속 기술은 고체 전극의 한계를 극복하며 분자 전자 소자의 구현 가능성을 한층 높여주었습니다. 이러한 소재의 혁신은 분자 전자 소자가 실험실의 연구 단계를 넘어 실제 응용 가능한 기술로 진화하는 데 결정적인 역할을 하고 있습니다. 오늘날 분자 전자학은 화학, 기계공학, 생명공학 등 다양한 학문이 어우러지는 융합 연구의 중심지가 되었습니다. 뇌의 구조를 모방한 전자 소자 개발부터 복잡한 사회 문제를 해결하기 위한 고도의 기술적 도전까지, 나노과학은 여러 분야를 잇는 교집합 역할을 수행하고 있습니다. 현대 과학의 복잡한 과제들은 더 이상 한 분야의 노력만으로는 해결하기 어렵기에, 다양한 전문가들의 협력과 팀워크가 필수적입니다. 분자라는 가장 작은 단위체에서 시작된 이 여정은 결국 인류가 꿈꾸던 기술적 한계를 돌파하고 새로운 미래를 여는 열쇠가 될 것입니다.

카오스재단질토과 + 짧강

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

나노 과학은 1에서 100나노미터 크기의 물질을 연구하고 활용하는 학문입니다. 1나노미터는 1미터를 10억 개로 쪼갠 아주 미세한 단위로, 그리스어 '나노스'에서 유래한 이름처럼 원자와 분자의 세계를 다룹니다. 우리가 흔히 접하는 DNA의 이중 나선 구조가 약 10나노미터이며, 이를 다시 10배 더 확대하면 비로소 개별 원자의 형체를 관찰할 수 있습니다. 이처럼 나노 기술은 눈에 보이지 않는 극미세 세계를 탐구하며 물질의 근본적인 특성을 이해하는 데서 시작됩니다. 자연 속 생물들은 이미 오래전부터 정교한 나노 기술을 생존에 활용해 왔습니다. 도마뱀붙이는 발바닥의 미세한 털과 벽면 사이의 분자 간 인력인 반데르발스 힘을 이용해 접착제 없이도 벽을 자유롭게 기어 다닙니다. 또한 매미의 날개는 수백 나노미터 크기의 무질서한 돌기 구조를 통해 빛의 반사를 차단하여 포식자의 눈을 피합니다. 나비와 카멜레온 역시 광결정 구조를 통해 특정 파장의 빛을 반사함으로써 화려하고 영롱한 색채를 만들어내며 자신을 보호하거나 소통합니다. 연꽃잎의 자정 작용은 나노 구조가 만들어내는 또 다른 신비입니다. 잎 표면의 미세한 돌기와 소수성 왁스 성분은 물방울이 잎을 적시지 않고 또르르 굴러가게 하며, 이 과정에서 먼지와 오염물을 함께 씻어냅니다. 현대의 화학자들은 이러한 자연의 원리를 모방하거나 뛰어넘어, 반응 조건을 정밀하게 제어함으로써 정육면체, 다면체, 구형 등 다양한 형태의 나노 입자를 합성해내고 있습니다. 이는 자연의 설계를 넘어 인류가 필요한 최적의 신소재를 직접 설계하고 제조할 수 있는 시대를 의미합니다. 나노 기술은 에너지와 환경 문제 해결에도 핵심적인 역할을 합니다. 수소연료전지차 내부의 전극 촉매로 나노 입자를 사용하여 효율을 높이며, 그래핀 코팅 스펀지를 활용해 바다에 유출된 끈적한 원유의 점도를 낮춰 효과적으로 회수하기도 합니다. 또한 압력을 전기로 바꾸는 압전 물질을 신발이나 체내 장치에 적용해 자가 발전을 실현하고, 퀀텀닷과 같은 나노 입자를 TV 소자로 활용해 선명한 색상을 구현합니다. 이처럼 나노 기술은 산업 전반의 효율성을 극대화하는 혁신적인 도구로 자리 잡았습니다. 일상생활과 미래 의료 분야에서도 나노 기술의 영향력은 막강합니다. 자외선 차단제의 산화아연 입자는 피부를 보호하고, 은나노 입자는 박테리아 증식을 억제해 위생적인 의류를 만듭니다. 탄소나노튜브를 섞은 방탄조끼는 충격 시 순간적으로 단단해져 생명을 보호하며, 통증 없는 미세 바늘 패치는 약물 전달의 혁신을 가져옵니다. 나아가 미래에는 피부 부착형 센서나 뇌와 칩의 융합을 통해 질병을 실시간으로 모니터링하고 인간의 신체적 한계를 극복하는 진정한 나노 바이오 융합 시대가 열릴 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[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

[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.

국립과천과학관요즘과학👏

물리학
화학
융합

[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] 오세정_기상천외한 연구를 하고 싶어요

과거에는 과학 대중화라고 하면 주로 학생들에게 지식을 쉽게 전달하는 수준에 머물렀습니다. 하지만 카오스 재단 활동을 통해 직접 마주한 대중의 모습은 예상보다 훨씬 진지하고 지적 수준이 높았습니다. 전문적인 지식을 깊이 있게 다루는 강연에도 많은 분이 열정적으로 참여하며, 먼 곳에서 찾아오는 수고를 마다하지 않는 모습은 매우 인상적이었습니다. 이는 우리 사회의 과학 문화 수준이 이미 충분히 성숙했음을 보여주며, 그동안 대중이 과학을 접할 기회가 부족했을 뿐이라는 점을 시사합니다. 한국의 연구 환경은 과거 열악한 상황 속에서 해외 학술지에 논문을 게재하는 성과 중심의 문화를 형성해 왔습니다. 남들이 이미 닦아놓은 길을 빠르게 추격하는 방식은 효율적이었지만, 이제는 독창적인 연구가 필요한 시점입니다. 노벨상과 같은 세계적인 성과는 기상천외하고 남들이 시도하지 않는 분야를 개척할 때 비로소 가능해집니다. 실패를 두려워하지 않고 자신만의 독특한 아이디어를 실행에 옮길 수 있는 연구 문화가 정착되어야 우리 과학계의 진정한 도약이 이루어질 것입니다. 기초과학 연구는 공공의 자산인 세금으로 지원되는 만큼 투명한 집행이 중요하지만, 지나치게 관료적 시스템은 연구자의 자율성을 저해하기도 합니다. 연구에 꼭 필요한 연구 소모품 하나를 구매할 때도 복잡한 사유를 증명해야 하는 현실은 창의적인 탐구 활동에 걸림돌이 됩니다. 선진적인 연구 환경을 구축하기 위해서는 연구자의 판단을 신뢰하고 자율성을 보장하는 제도적 개선이 필요합니다. 규제보다는 지원에 집중하는 유연한 행정 시스템이 뒷받침될 때 연구자들은 더욱 과감한 도전에 나설 수 있습니다. 현재의 입시 위주 교육은 정답을 맞히는 데만 집중하게 하여 학생들이 실수에 대한 두려움을 갖게 만듭니다. 지식을 단순히 암기하는 시대는 지나갔으며, 이제는 새로운 생각을 창출하고 자신만의 관심사를 깊이 있게 추구하는 능력이 무엇보다 중요합니다. 중고등학교부터 대학교에 이르기까지 교육의 패러다임을 근본적으로 전환해야 합니다. 학생들이 실패를 두려워하지 않고 다양한 시도를 할 수 있는 환경을 조성함으로써, 변화하는 미래 사회에 걸맞은 창의적인 인재를 양성해야 할 시점입니다. 서울대학교를 비롯한 주요 대학들은 국민의 세금과 사회적 혜택을 바탕으로 운영되는 만큼 공동체에 대한 막중한 책임감을 가져야 합니다. 단순히 우수한 학생을 선발하는 데 그치지 않고, 학생들이 사회적 가치를 실천하며 이타적인 리더로 성장할 수 있도록 돕는 교육이 필요합니다. 또한 세계가 주목할 만한 독창적인 연구 성과를 창출하여 학문적 자부심을 높여야 합니다. 대학 구성원들이 자신의 성취를 공동체의 발전으로 연결할 때, 비로소 세계 무대에서 진정으로 존경받는 교육 기관으로 거듭날 수 있습니다.

오세정

카오스재단석학인터뷰

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] 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

[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

[카오스 술술과학] 분자空학

화학은 흔히 분자를 다루는 학문으로 정의되지만, 그 본질을 깊이 들여다보면 공간의 미학을 탐구하는 과정임을 알 수 있습니다. 보통 분자공학이라 하면 무언가를 만드는 기술을 떠올리기 마련이지만, 여기서 '공(空)'자를 공간을 의미하는 한자로 바꾸어 생각하면 화학의 새로운 면모가 드러납니다. 분자는 단순히 나누어지는 대상이 아니라, 특정한 공간 안에서 어떻게 배치되고 구성되느냐에 따라 그 성질이 결정되기 때문입니다. 건축학이 공간을 설계하듯, 화학자들 역시 분자들이 차지하는 기하학적 공간을 이해하고 설계하는 역할을 수행합니다. 복잡해 보이는 사물이라도 그 안에 일정한 규칙성과 패턴이 존재하면 우리는 그것을 훨씬 명확하게 인식하게 됩니다. 에셔의 그림이 물고기 문양으로 평면을 빈틈없이 채우듯, 화학의 세계에서도 육각형의 벤젠 고리가 반복되며 놀라운 구조물들을 만들어냅니다. 흑연은 이러한 육각형 단위가 층층이 쌓인 평면 구조를 이루고 있으며, 이를 한 겹 떼어내면 꿈의 신소재라 불리는 그래핀이 됩니다. 같은 탄소 원자로 이루어져 있음에도 불구하고, 이들이 공간상에서 어떤 기하학적 구조를 형성하느냐에 따라 흑연이 되기도 하고 단단한 다이아몬드가 되기도 합니다. 분자 세계에서 구조와 대칭의 중요성을 가장 잘 보여주는 사례는 바로 거울상 이성질체입니다. 구성하는 원자의 종류와 배열은 완벽하게 같지만, 마치 오른손과 왼손처럼 서로를 거울에 비춘 모습인 두 분자는 전혀 다른 성질을 나타낼 수 있습니다. 이를 '카이랄성(Chirality)'이라고 부르는데, 인공 감미료인 아스파탐이 대표적인 예시입니다. 한쪽 방향의 분자는 설탕보다 수백 배 강한 단맛을 내는 반면, 그 거울상 이성질체는 쓴맛을 냅니다. 이는 우리 몸을 구성하는 단백질과 아미노산 역시 특정한 한쪽 방향의 카이랄 구조로만 이루어져 있기 때문입니다. 우리 몸의 수용체들이 특정한 방향의 분자만을 인식한다는 사실은 화학적 합성에 있어 매우 중요한 시사점을 던져줍니다. 악수를 할 때 서로 같은 손을 내밀어야 제대로 맞잡을 수 있듯이, 우리 몸의 시스템은 자신과 맞는 기하학적 구조를 가진 분자만을 선택적으로 받아들입니다. 만약 우리가 비대칭적인 구조를 정교하게 제어하여 원하는 한쪽 방향의 분자만을 만들어낼 수 없다면, 생명체 내에서 의도치 않은 반응이 일어날 위험이 큽니다. 따라서 현대 화학에서 비대칭 합성 기술은 단순한 연구를 넘어 인류의 건강과 안전을 지키는 핵심적인 영역으로 자리 잡았습니다. 분자의 공간적 배치가 생존과 직결됨을 보여준 가장 비극적인 사례는 탈리도마이드 사건입니다. 1950년대 입덧 방지제로 판매된 이 약은 한쪽 거울상 이성질체는 뛰어난 약효를 보였으나, 다른 쪽 이성질체는 치명적인 기형을 유발하는 독성을 지니고 있었습니다. 이 사건 이후 과학계는 분자의 입체 구조가 생체 내에서 얼마나 결정적인 차이를 만드는지 뼈저리게 깨닫게 되었습니다. 결국 화학에서 공간이란 단순히 분자들이 머무는 빈 무대가 아니라, 분자와 함께 극을 이끌어가는 주인공입니다. 화학은 분자를 통해 공간의 예술을 완성해가는 학문이라 할 수 있습니다.

카오스재단술술과학

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

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