과학 포털 iKAOS

22 Contents

2G에서 5G의 시대까지! 그리고 이젠 6G가 온다! | 선을 넘는 과학자들

대한민국은 오랜 시간 동안 정보통신 기술의 발전을 이끌어 왔습니다. 조선시대 봉수대와 같은 전통적인 통신 시스템부터 시작해, 해방 이후에는 전자식 교환기(TDX) 개발과 반도체 산업의 도약을 통해 세계적인 IT 강국으로 성장했습니다. 특히 1981년 ETRI를 중심으로 한 전자식 교환기(TDX) 개발은 대한민국을 정보통신 분야에서 세계적으로 알리는 계기가 되었습니다. 이어 삼성전자의 반도체 개발과 초고속 인터넷 보급 등은 국가적 차원의 지원과 연구진의 노력이 더해져 오늘날의 정보통신 인프라를 구축하는 데 큰 역할을 했습니다. 이러한 발전은 이동통신의 진화로 이어졌습니다. 1세대 아날로그 이동통신에서 시작해, 2세대에서는 문자 메시지와 디지털 통신이 가능해졌고, 3세대에서는 영상통화와 같은 새로운 서비스가 등장했습니다. 특히 대한민국은 2G와 3G 시대에 세계적인 기술력을 인정받으며, 전국 어디서나 통신이 가능한 환경을 조성했습니다. 스마트폰의 등장과 함께 4G LTE가 상용화되면서, 사회 전반에 걸쳐 정보의 접근성과 소통 방식이 혁신적으로 변화하였습니다. 5G 시대에 들어서면서 초저지연과 초연결이라는 새로운 패러다임이 등장했습니다. 대한민국은 세계 최초로 5G 상용화를 이루었으나, 기대에 비해 상용화된 서비스의 혁신성은 다소 미흡했습니다. 그럼에도 불구하고 5G는 산업 현장, 공장 자동화, 실시간 원격 제어 등 다양한 분야에서 새로운 가능성을 보여주고 있습니다. 초연결 사회로의 진입과 함께, 수많은 센서와 기기가 실시간으로 정보를 주고받는 환경이 조성되고 있습니다. 이제 정보통신 기술은 6G, 7G 등 미래 세대로의 도약을 준비하고 있습니다. 기존 세대의 진화뿐만 아니라, 혁신적인 기술이 요구되는 시점입니다. 예를 들어, 동시에 양방향 소통이 가능한 듀플렉싱 기술이나, 전파의 반사각을 제어하는 신개념 통신 방식 등이 연구되고 있습니다. 이러한 기술들은 기존의 한계를 뛰어넘어, 더욱 빠르고 효율적인 정보 전달을 가능하게 할 것입니다. 미래의 정보통신은 인간의 오감 전체를 활용하는 방향으로 발전할 전망입니다. 지금까지는 주로 시각과 청각에 초점을 맞췄지만, 향후에는 후각, 미각, 촉각까지 정보를 전달하는 기술이 등장할 것입니다. 예를 들어, 원격지에서 향수의 냄새를 전달하거나, 음식의 맛을 공유하는 시대가 올 수 있습니다. 또한 전파 없이도 정보를 전달하는 새로운 방식, 뇌파를 활용한 뇌통신 등 혁신적인 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

국립과천과학관선을 넘는 과학자들🔬

융합

AI 반도체, 👦👧초등학생도 이해한 진짜 쉬운 설명!(with 인하대학교 최리노 교수님) l 요즘과학

반도체는 전자제품의 핵심 부품으로, 우리가 일상에서 사용하는 스마트폰, 자동차, 밥솥 등 다양한 기기에 필수적으로 들어갑니다. 반도체 소자는 전기 신호를 받아 특정 역할을 수행하는 부품으로, 단순한 물질이 아니라 복잡한 기능을 담당합니다. 과거에는 진공관이 이러한 역할을 했으나, 반도체 물질이 등장하면서 훨씬 작고 효율적인 소자를 만들 수 있게 되었습니다. 이로 인해 전자기기의 소형화와 에너지 절감이 가능해졌으며, 컴퓨터의 발전에도 큰 기여를 하였습니다. 컴퓨터의 구조는 폰 노이만 아키텍처에 기반을 두고 있습니다. 이 구조는 연산과 제어를 담당하는 시스템 반도체와 데이터를 저장하는 메모리 반도체로 나뉩니다. 시스템 반도체는 CPU와 같은 역할을 하며, 메모리 반도체는 정보를 저장하는 기능을 담당합니다. 손톱만 한 칩 안에 수십억 개의 스위치가 들어갈 정도로 기술이 발전했지만, 소자의 크기를 더 줄이는 데 한계가 다가오고 있습니다. 이에 따라 새로운 계산 방식이 필요해졌고, AI 반도체가 등장하게 되었습니다. AI 반도체는 인간의 두뇌처럼 학습하고 추론하는 기능을 갖추고 있습니다. 기존 컴퓨터가 단순 연산에 집중했다면, AI 반도체는 인공신경망을 통해 방대한 데이터를 학습하고 패턴을 찾아냅니다. 예를 들어, 개와 고양이 사진을 반복적으로 학습시켜 스스로 구분할 수 있게 만드는 것이 대표적입니다. 이러한 학습과 추론 과정은 기존 반도체보다 훨씬 많은 연산과 데이터 처리가 필요하므로, 더욱 효율적이고 빠른 AI 반도체의 개발이 필수적입니다. AI 반도체의 중요성은 국가 경쟁력과도 직결됩니다. 계산 속도가 빠른 나라는 더 많은 혁신과 발전을 이룰 수 있으며, 이를 뒷받침하는 것이 바로 반도체 기술입니다. 수학, 물리, 화학 등 기초 과학의 중요성이 강조되는 이유도 여기에 있습니다. 반도체 산업은 시스템 반도체, 메모리, 파운드리 등 다양한 분야로 나뉘며, 각 분야마다 글로벌 기업들이 치열하게 경쟁하고 있습니다. 우리나라의 경우 메모리 분야에서 강점을 보이고 있지만, 시스템 반도체 분야에서는 아직 갈 길이 멉니다. 미래 반도체 산업에서 주도권을 유지하기 위해서는 시스템 반도체 분야의 역량 강화가 필요합니다. 이를 위해서는 우수한 인재 양성과 연구 개발 투자가 필수적입니다. 반도체는 단순한 부품이 아니라, 컴퓨터와 같은 시스템의 핵심을 이루는 기술입니다. 앞으로도 반도체 기술의 발전이 우리의 삶을 더욱 풍요롭게 만들 것이며, 과학에 대한 꾸준한 관심과 학습이 미래를 여는 열쇠가 될 것입니다.

국립과천과학관요즘과학👏

물리학
화학
융합

🚫반도체에게 도핑테스트가 시급합니다🚫 l 반도체 전시해설

반도체 기술에서 '도핑'은 물질의 전기적 성질을 획기적으로 변화시키는 핵심적인 공정입니다. 운동선수들이 기량을 높이기 위해 약물을 사용하는 것처럼, 반도체에도 특정 불순물을 주입하여 전도성을 비약적으로 높이는 과정을 의미합니다. 본래 반도체는 전기가 잘 통하는 도체와 통하지 않는 부도체의 중간 성질을 띠지만, 도핑을 거치면 전기가 흐르는 정도가 조절되어 전자 기기의 핵심 부품으로 기능할 수 있게 됩니다. 반도체의 기본 재료인 실리콘은 원자가 전자가 4개로, 이웃한 원자들과 결합하여 안정적인 상태를 유지합니다. 여기에 실리콘보다 전자가 하나 더 많은 원소를 불순물로 주입하면, 결합에 참여하지 못한 남는 전자가 발생합니다. 이를 '자유전자'라고 부르며, 음전하를 띠는 전자의 특성 때문에 이러한 방식을 N형 도핑이라 칭합니다. 자유전자는 반도체 내부를 자유롭게 이동하며 전류가 흐를 수 있게 돕는 중요한 매개체 역할을 수행합니다. 반대로 실리콘보다 전자가 하나 적은 원소를 주입하는 방식도 존재합니다. 이 경우 전자 하나가 부족하여 빈자리가 생기게 되는데, 이를 '양공'이라고 부릅니다. 양공은 상대적으로 전자가 부족한 상태이기에 양전하를 띠는 성질을 가지며, 이로 인해 'Positive'의 앞 글자를 딴 P형 도핑이라는 명칭이 붙었습니다. N형과 P형 도핑은 각각 자유전자와 양공이라는 전하 운반자를 생성함으로써 반도체가 도체처럼 전기를 잘 전달할 수 있는 환경을 조성합니다. P형 반도체와 N형 반도체를 서로 접합하면 'PN 접합'이라는 구조가 형성됩니다. 이는 모든 반도체 소자의 가장 기초가 되는 설계 방식입니다. 두 반도체가 만나는 경계면에는 전하 운반자가 존재하지 않는 '공핍층'이라는 영역이 만들어지는데, 이곳은 마치 사막처럼 전기가 흐르기 어려운 상태가 됩니다. 하지만 외부에서 전압을 어떻게 걸어주느냐에 따라 이 영역의 특성이 변화하며, 이를 통해 전류의 흐름을 정밀하게 제어할 수 있는 기반이 마련됩니다. PN 접합 구조에 순방향 전압을 걸면 전류가 원활하게 흐르지만, 역방향 전압을 걸면 전류가 차단되는 독특한 성질이 나타납니다. 이러한 현상을 '정류'라고 하며, 이를 활용한 대표적인 소자가 바로 다이오드입니다. 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 LED 역시 '빛을 내는 다이오드'의 약자로, PN 접합의 원리를 이용해 전기 에너지를 빛으로 변환하는 장치입니다. 이처럼 도핑과 접합 기술은 현대 전자 공학의 근간을 이루며 다양한 첨단 기기를 탄생시켰습니다.

국립과천과학관전시💚

물리학
화학

컴퓨터 속에 저~장~😆 메모리 반도체에 대한 모든 것! l 반도체 전시해설

우리가 일상에서 흔히 사용하는 USB 메모리와 SSD의 핵심은 낸드 플래시라는 비휘발성 메모리 반도체입니다. 컴퓨터의 모든 정보는 0과 1이라는 이진수로 이루어지는데, 낸드 플래시는 특정 영역에 전자를 채우거나 비우는 방식으로 이 데이터를 기록합니다. 정보를 읽을 때는 전기 신호를 보내어 전자가 차 있는 곳은 신호를 차단하고, 비어 있는 곳은 신호를 통과시키는 원리를 이용합니다. 이러한 물리적 특성 덕분에 전원이 꺼져도 소중한 정보를 안전하게 장기간 보관할 수 있는 것이며, 이는 현대 저장 매체의 가장 중요한 기반 기술이 됩니다. 컴퓨터가 작동하며 다양한 프로그램을 실행할 때는 D램이라고 불리는 메모리 반도체가 필수적인 역할을 수행합니다. D램은 커패시터라는 미세한 부품에 전자를 충전하거나 방전시켜 정보를 저장하는데, 낸드 플래시보다 훨씬 빠른 속도로 데이터를 처리할 수 있어 시스템의 전반적인 성능을 뒷받침합니다. 하지만 커패시터에 담긴 전자는 시간이 지나면 자연스럽게 누설되는 성질이 있어, 정보를 유지하기 위해 주기적으로 전자를 다시 채워주는 '리프레시' 과정이 끊임없이 일어납니다. 이러한 역동적인 동작 방식은 D램만이 가진 고유한 특징이자 기술적 핵심입니다. 메모리 반도체는 이처럼 데이터 보관 방식과 물리적 구조에 따라 각기 다른 생존 전략을 지닙니다. 낸드 플래시는 전원 없이도 정보를 유지하는 강점이 있는 반면, D램은 전원이 공급되는 동안에만 리프레시를 통해 정보를 유지할 수 있는 휘발성 메모리입니다. 따라서 컴퓨터 전원을 끄면 리프레시가 중단되어 D램 속의 데이터는 모두 사라지게 되며, 우리가 작업 중이던 프로그램이 종료되는 이유도 여기에 있습니다. 이 두 반도체는 장기 저장과 실시간 처리라는 각자의 영역에서 완벽한 조화를 이루며 오늘날의 스마트한 디지털 환경을 지탱하고 있습니다.

국립과천과학관전시💚

물리학
융합

메모리 반도체🧑‍🏭의 혁신이 필요하다! ✔️HBM의 시대 l 2025 미래 과학 트렌드 북콘서트

반도체는 전류의 흐름을 조절할 수 있는 물질로, 전자기기의 핵심 부품입니다. 다이오드, 트랜지스터, 집적회로 등 다양한 형태로 존재하며, 각각의 역할에 따라 전류의 흐름을 제어하거나 신호를 증폭하는 등 중요한 기능을 수행합니다. 특히 트랜지스터와 집적회로는 현대 전자기기의 두뇌 역할을 하며, 이진법을 기반으로 전자기기의 언어를 구현하는 데 필수적입니다. 이러한 반도체의 발전은 스마트폰, 컴퓨터 등 다양한 디지털 기기의 성능 향상에 직접적으로 기여해왔습니다. 최근 인공지능 기술의 급격한 발전은 반도체 산업에 새로운 요구를 제시하고 있습니다. 거대 언어 모델을 활용한 인공지능 서비스가 일상화되면서, 인공지능이 생성한 영상이나 이미지는 사실성과 정교함에서 인간의 창작물에 근접하고 있습니다. 이러한 인공지능의 성능은 방대한 데이터 학습과 연산 능력에 기반하며, 이를 뒷받침하는 것이 바로 고성능 반도체입니다. 인공지능의 학습과 추론 과정에서 GPU와 메모리 반도체의 역할이 점점 더 중요해지고 있습니다. 인공지능의 성능을 높이기 위해서는 GPU의 연산 능력뿐만 아니라 메모리 반도체의 데이터 처리 속도도 함께 향상되어야 합니다. 기존의 D램은 GPU의 빠른 연산 속도를 따라가지 못해 한계에 부딪혔고, 이에 따라 HBM(High Bandwidth Memory)과 같은 첨단 메모리 반도체가 개발되었습니다. HBM은 여러 개의 D램을 수직으로 적층하고, TSV(Through Silicon Via) 기술을 활용해 데이터 입출력 통로를 대폭 늘렸습니다. 이로 인해 GPU와의 물리적 거리가 가까워지고, 대용량 데이터를 빠르게 처리할 수 있게 되었습니다. 이러한 기술 발전은 인공지능 반도체, 즉 인공지능 가속기의 등장을 이끌었습니다. 인공지능 가속기는 GPU와 HBM이 결합된 형태로, 방대한 인공지능 데이터를 효율적으로 처리할 수 있도록 설계되었습니다. 현재 엔비디아(NVIDIA)와 같은 기업이 주도하고 있지만, 범용 가속기의 한계와 높은 비용으로 인해 맞춤형, 주문형 반도체(ASIC)에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 각 기업은 자신들의 애플리케이션과 기기에 최적화된 인공지능 가속기를 개발하려는 움직임을 보이고 있습니다. 차세대 HBM4는 기존 구조에서 한 단계 더 진화하여, GPU 위에 HBM을 직접 적층하는 방식을 도입하고 있습니다. 이를 통해 물리적 거리를 더욱 줄이고, 데이터 전송 속도를 극대화할 수 있습니다. 더불어, 베이스 다이(Base Die)가 단순 연결을 넘어 일부 연산 기능까지 수행할 수 있게 되어, 맞춤형 기능이 탑재된 인공지능 가속기의 제작이 가능해졌습니다. 앞으로는 고객사의 요구에 맞춘 다양한 기능이 반도체에 직접 구현될 수 있을 것으로 기대됩니다.

국립과천과학관책📖저자강연

물리학
융합

미래의 자원 ⛱️모래! 모래가 부족하다!!😱😱 l 2025 미래 과학 트렌드 북콘서트

인류의 역사에서 자원은 전쟁과 산업의 발전에 결정적인 역할을 해왔습니다. 예를 들어, 1차 세계대전 당시 영국과 독일은 서로 필요한 자원을 교환하며 전쟁을 이어갔습니다. 영국은 망원경 등 광학기기를 만들 유리가 부족했고, 독일은 고무가 부족해 양국은 서로의 약점을 보완하는 방식으로 자원을 거래했습니다. 이러한 사례는 자원이 단순한 물질 이상의 의미를 가지며, 국가의 운명과 산업의 발전에 깊이 관여한다는 점을 보여줍니다. 또한, 자원에 대한 세금이나 규제가 산업 발전에 미치는 영향도 무시할 수 없습니다. 창문세와 같은 제도는 유리 산업의 발전을 저해했고, 이는 곧 국가 경쟁력의 차이로 이어졌습니다. 유리와 모래는 현대 문명의 기초를 이루는 중요한 자원입니다. 유리는 현미경, 망원경, 거울 등 다양한 발명품의 기반이 되었으며, 스마트폰과 같은 첨단 기기에도 필수적으로 사용됩니다. 모래는 콘크리트의 주재료로, 도시의 건축물과 인프라를 지탱하는 데 없어서는 안 될 존재입니다. 모래의 정의는 입자의 크기에 따라 결정되며, 다양한 종류의 모래가 존재합니다. 이처럼 유리와 모래는 우리 일상과 산업 전반에 깊숙이 스며들어 있습니다. 모래는 주로 풍화 작용을 통해 생성되며, 사막과 강, 바다 등 다양한 환경에서 만들어집니다. 물리적 풍화와 화학적 풍화가 모래의 형성에 관여하며, 기반암의 종류에 따라 모래의 색깔과 성질이 달라집니다. 예를 들어, 화강암에서 유래한 모래는 밝은 색을 띠고, 현무암에서 유래한 모래는 검은색을 보입니다. 또한, 바다에서는 조개껍데기나 산호 등 생물의 잔해가 모래로 변하기도 합니다. 이처럼 모래는 지질학적, 생물학적 과정을 거쳐 다양한 형태로 존재하게 됩니다. 모래는 건축과 산업에서 필수적으로 사용되며, 특히 콘크리트와 유리, 반도체 제조에 없어서는 안 될 자원입니다. 로마의 건축물부터 현대의 마천루, 도로, 다리에 이르기까지 모래는 인류 문명의 발전을 이끌어왔습니다. 최근에는 반도체 산업의 성장과 함께 모래의 수요가 더욱 증가하고 있습니다. 중국과 인도 등 신흥 경제국의 급격한 도시화와 산업화는 모래 사용량을 폭발적으로 늘리고 있으며, 이에 따라 모래의 공급 부족 문제가 점차 심각해지고 있습니다. 모래 채취가 환경에 미치는 영향도 매우 큽니다. 강이나 해안에서 대규모로 모래를 채취하면 수생 생태계가 파괴되고, 해안 침식이 가속화됩니다. 실제로 해변 가까이에 지어진 건물들이 침식으로 인해 붕괴되는 사례도 발생하고 있습니다. 또한, 바다에서 모래를 채취한 후 남은 웅덩이에는 산소가 부족해 생물이 살기 어렵게 되며, 이는 어장과 먹거리 문제로 이어집니다. 모래 부족은 단순히 자원의 문제가 아니라, 우리의 주거와 식량, 환경 전반에 영향을 미치는 심각한 사안입니다.

국립과천과학관책📖저자강연

화학
지구환경과학
융합

세계 최대 규모의 반도체👨‍🔧 클러스터가 한국에 생긴다😀 메가 클러스터를 조성하는 이유!ㅣ2024 미래 과학 트렌드 북콘서트

반도체 메가 클러스터는 경기 남부권에 622조 원의 투자로 2,102만 제곱미터 규모로 조성될 예정입니다. 이 클러스터는 공장, 학교, 연구단지를 한데 모아 시너지 효과를 극대화하는 것이 목적입니다. 반도체가 첨단 기술의 근간이자 4차 산업혁명을 이끄는 핵심이라는 점에서, 이러한 대규모 집적 단지의 필요성이 강조되고 있습니다. 특히 인공지능, 로봇, 데이터, 메타버스 등 다양한 미래 산업의 중심에 반도체가 자리하고 있음을 알 수 있습니다. 반도체는 국가 안보와 경제에 직결되는 전략적 자원입니다. 드론, 이동통신, 우주 산업, 로봇 등 다양한 분야에서 반도체의 중요성이 부각되며, 국방력 강화와도 밀접한 연관이 있습니다. 실제로 미국과 중국이 반도체 패권 경쟁을 벌이는 이유도 바로 이 때문입니다. 우리나라는 메모리 반도체 분야에서 세계 1위, 파운드리 분야에서 2위를 차지하며, 11년 연속 수출 1위를 기록하고 있습니다. 이러한 성과는 반도체 산업이 국가 경제의 핵심임을 보여줍니다. 반도체 산업은 크게 메모리 반도체와 시스템 반도체로 나뉩니다. 메모리 반도체는 대량 생산에 적합한 구조로 대기업이 유리한 반면, 시스템 반도체는 다양한 품종을 소량 생산해야 하므로 분업이 필수적입니다. 특히 시스템 반도체는 국제적인 분업 체계가 잘 구축되어 있어, 설계는 미국, 제조는 우리나라와 대만, 후공정은 동남아 등 각국이 역할을 분담하고 있습니다. 동아시아 지역에 반도체 제조 능력이 집중되어 있다는 점은 지정학적 리스크를 내포합니다. 중국과 대만의 긴장, 북핵 문제, 한일 간의 수출 규제, 일본의 자연재해 등 다양한 변수로 인해 공급망이 흔들릴 수 있습니다. 코로나19 팬데믹 기간 동안 차량용 반도체 부족으로 완성차 업계가 감산하거나 공장을 셧다운하는 사태가 발생한 것도 이러한 공급망 불안의 대표적 사례입니다. 이에 따라 각국은 자국 내 반도체 공급망 구축과 생태계 조성에 주력하고 있습니다. 반도체 클러스터 조성은 첨단 제조업의 특성과 밸류체인 간의 밀접한 연계를 고려할 때 매우 효과적인 전략입니다. 학교, 공장, 연구단지가 한데 모이면 혁신과 생산성 향상, 숙련된 노동력 확보, 거래 비용 절감, 지식과 기술의 전파 등 다양한 이점이 발생합니다. 또한, 규제 간소화와 함께 팹리스, 소부장 등 취약 분야의 동반 성장도 기대할 수 있습니다. 이러한 이유로 전 세계가 경쟁적으로 반도체 클러스터를 조성하고 있습니다.

국립과천과학관책📖저자강연

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

[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

카오스재단카오스크로스

화학
융합

[강연] 에너지 소모 없는 정보전달과 처리는 가능한가? by 염한웅 ㅣ 기초과학연구원(IBS) x 카오스재단 기초과학 석학 강연 '새로운 발견을 위한 과학' | 1강

현재 우리가 누리고 있는 반도체 문명은 그 종말이 매우 가까워졌습니다. 트랜지스터를 더 작게 만드는 기술은 이제 3나노미터를 넘어 2나노미터급에 도달했지만, 원자 몇 개 수준인 1나노미터의 벽을 넘는 것은 과학적으로 매우 어렵습니다. 더 이상 작게 만드는 것이 불가능해지면 아파트처럼 위로 쌓아 올리는 방식을 택하게 되는데, 이는 근본적인 해결책이라기보다 물리적 한계를 회피하는 기술에 가깝습니다. 결국 기존 방식의 발전은 곧 멈추게 될 것입니다. 소자가 작아질수록 발생하는 더 큰 문제는 에너지 소모와 발열입니다. 전자가 흐르는 도선이 가늘어질수록 저항은 커지며, 이는 곧 엄청난 열 발생으로 이어집니다. 우리가 매일 휴대폰을 충전해야 하고 사용 중에 기기가 뜨거워지는 이유도 바로 이 저항 때문입니다. 따라서 미래의 정보 처리를 위해서는 단순히 크기를 줄이는 것을 넘어, 저항에 의한 에너지 손실이 전혀 없는 완전히 새로운 형태의 소자가 필요합니다. 이미 우리는 기술적 임계점에 도달해 있습니다. 반도체 소자의 혁명은 과거 물리학 실험실에서 시작되었습니다. 1948년 트랜지스터의 발명부터 한국인 강대원 박사가 개발한 CMOS 기술까지, 우리는 수십 년간 이 구조에 의존해 왔습니다. 하지만 이제는 기존의 틀을 깨는 '슈퍼히어로' 같은 소자 개념이 등장해야 할 시점입니다. 트랜지스터 구조 없이도 연산이 가능하고, 전자가 움직일 때 발생하는 저항 발열을 근본적으로 차단할 수 있는 혁신적인 대안이 요구됩니다. 이는 정보통신 역사를 새로 쓰는 일이 될 것입니다. 그 대안으로 주목받는 것이 바로 '솔리톤'입니다. 일반적인 파동은 진행하면서 에너지를 잃고 사라지지만, 솔리톤은 특수한 조건에서 모양과 에너지를 유지하며 아주 먼 거리까지 전달됩니다. 마치 쓰나미가 수천 킬로미터를 이동해도 그 위력을 잃지 않는 것과 같은 원리입니다. 이러한 파동의 성질을 전자 소자에 적용하면, 정보를 실은 입자가 에너지 손실 없이 이동하는 이상적인 정보 전달 체계를 구축할 수 있습니다. 이는 광섬유 통신에서 이미 증명된 바 있는 물리적 현상입니다. 전자의 솔리톤은 원자들의 '짝짓기' 구조에서 발생하는 결함을 이용합니다. 실리콘 기판 위에 원자들을 일렬로 배열하고, 이들이 둘씩 혹은 넷씩 짝을 짓게 만들면 그 사이에 짝을 찾지 못한 결함이 생깁니다. 이 결함이 바로 솔리톤 파동을 형성하는 핵심입니다. 연구진은 10년 이상의 추적 끝에 실리콘 원자선에서 이 짝짓기 결함을 실제로 관찰했으며, 이것이 수학적으로 완벽한 솔리톤의 형태를 띠고 있음을 증명해 냈습니다. 이는 원자 수준의 초미세 소자 가능성을 보여줍니다. 솔리톤 소자의 가장 큰 매력은 다진법 연산이 가능하다는 점입니다. 기존 2진법과 달리 솔리톤은 그 종류에 따라 3진법이나 4진법, 심지어 12진법까지 구현할 수 있습니다. 이는 소자 하나가 처리할 수 있는 정보량을 획기적으로 늘려주며, 결과적으로 필요한 소자의 수를 줄여 발열을 20분의 1 이하로 낮출 수 있게 합니다. 트랜지스터라는 복잡한 스위치 없이도 입자들의 충돌과 변환만으로 연산이 이루어지는 새로운 시대가 열리는 것입니다. 이는 컴퓨팅 아키텍처의 근본적 변화를 의미합니다. 이러한 혁신적인 개념을 '솔리토닉스'라고 부릅니다. 저항 없는 정보 전달과 다진법 연산이 결합된 이 기술이 상용화된다면, 우리는 전원 연결 없이 장시간 작동하는 컴퓨터를 가질 수 있게 될 것입니다. 비록 공학적인 난제들이 남아있지만, 한국의 연구진이 20년의 연구를 통해 이 가능성을 세계 최초로 열었다는 점은 미래 정보통신 기술의 주도권을 확보했다는 측면에서 매우 고무적입니다. 솔리토닉스는 반도체 문명의 위기를 구할 새로운 희망이 될 것입니다.

염한웅

카오스재단카오스크로스

물리학

[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

카오스재단카오스크로스

물리학
화학
생명과학
융합

[강연] 미시 세계의 양자 물리 _ by임채호ㅣ 2021 '시간, 물질 그리고 우주' 2강 | 2강

우리가 살아가는 거시 세계와 달리, 미시 세계는 상상을 초월하는 독특한 법칙들로 가득 차 있습니다. 19세기까지 인류는 뉴턴의 법칙을 통해 천체의 궤도를 예측하며 자연을 이해해 왔지만, 원자와 전자 같은 아주 작은 단위로 내려가면 기존의 상식은 무너집니다. 고대 철학자 데모크리토스가 더 이상 쪼갤 수 없는 '원자'를 제안한 이래, 현대 과학은 물질의 근본이 무엇인지 끊임없이 질문해 왔습니다. 이제 우리는 단순히 물질을 쪼개는 것을 넘어, 공간을 채우고 있는 근본적인 존재와 그들이 움직이는 방식에 대해 새로운 논리를 정립해야 하는 시점에 서 있습니다. 빛과 전자는 입자인 동시에 파동이라는 이중적인 성질을 지닙니다. 과거 뉴턴은 빛을 입자로 보았으나, 영의 이중 슬릿 실험을 통해 빛이 간섭 무늬를 만드는 파동임이 증명되었습니다. 그러나 20세기에 들어서며 아인슈타인은 광전 효과를 통해 빛이 알갱이인 '광자'임을 밝혀냈고, 전자 역시 입자로 생각되었으나 실험에 따라 파동처럼 행동한다는 사실이 드러났습니다. 흥미로운 점은 우리가 전자가 어느 구멍을 통과하는지 관측하는 순간 파동성은 사라지고 입자처럼 행동한다는 것입니다. 이는 관측이라는 행위가 미시 세계의 상태에 직접적인 영향을 미친다는 놀라운 사실을 시사합니다. 하이젠베르크의 불확정성 원리는 미시 세계를 이해하는 핵심적인 열쇠입니다. 입자의 위치를 정확하게 측정하려고 하면 운동량을 알 수 없게 되고, 반대로 파동성을 확인하려 하면 위치가 모호해집니다. 보어는 이를 '상보성 원리'라는 개념으로 설명하며, 입자성과 파동성은 동전의 양면과 같아서 동시에 두 가지 성질을 모두 측정할 수는 없다고 강조했습니다. 이러한 논리는 우리가 대상을 측정하기 전까지는 그 상태를 확정할 수 없음을 의미합니다. 결국 양자역학은 결정론적인 세계관에서 벗어나, 확률과 가능성이 공존하는 새로운 패러다임을 제시하며 과학의 지평을 넓혔습니다. 미시 세계의 입자들은 통계적 성질에 따라 보손과 페르미온으로 나뉩니다. 광자와 같이 여러 입자가 같은 상태에 머물 수 있는 보손은 힘을 매개하는 역할을 하며, 레이저와 같은 현대 기술의 근간이 됩니다. 반면 전자나 쿼크 같은 페르미온은 동일한 상태에 두 입자가 함께 존재할 수 없는 '파울리 배타 원리'를 따릅니다. 이러한 성질 덕분에 물질은 일정한 부피를 유지하며 붕괴하지 않고 존재할 수 있습니다. 만약 전자가 페르미온이 아니었다면 원자 구조는 유지될 수 없었을 것이며, 우리가 아는 복잡한 화학 반응과 생명 현상 또한 불가능했을 것입니다. 원자의 구조와 주기율표의 원리 또한 양자역학의 물질파 개념으로 명쾌하게 설명됩니다. 전자는 핵 주위를 단순히 도는 것이 아니라, 특정 궤도에서 파동으로서 안정적인 상태를 유지합니다. 보어의 가설에 따르면 전자의 파장이 궤도 둘레와 정수배로 일치할 때만 에너지를 잃지 않고 존재할 수 있습니다. 여기에 전자의 '스핀'이라는 고유한 성질이 더해져 각 궤도에 들어갈 수 있는 전자의 수가 결정됩니다. 이러한 양자적 배치가 원소들의 화학적 성질을 결정하며, 복잡한 주기율표의 질서를 만들어내는 근본 원동력이 됩니다. 양자역학의 확률적 해석은 아인슈타인조차 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"며 반발할 정도로 파격적이었습니다. 슈뢰딩거는 관측 전까지 삶과 죽음이 중첩된 고양이 역설을 통해 미시 세계의 모호함을 지적했습니다. 하지만 현대 물리학은 이러한 확률적 존재 방식을 받아들였고, 나아가 진공조차 아무것도 없는 빈 공간이 아님을 밝혀냈습니다. 디랙 방정식은 반입자의 존재를 예견했으며, 진공 속에서는 끊임없이 입자와 반입자가 생성되고 소멸하는 양자 요동이 일어납니다. 이처럼 텅 빈 공간으로 보였던 진공은 사실 역동적인 양자 현상의 무대인 셈입니다. 이제 인류는 양자역학을 단순히 이해하는 단계를 넘어, 이를 실생활에 응용하는 양자 공학의 시대로 진입하고 있습니다. 양자 중첩과 얽힘을 이용한 양자 컴퓨터와 양자 암호 통신은 기존 기술의 한계를 뛰어넘는 혁신을 예고하고 있습니다. 또한 미시 세계를 다루는 양자장론과 거시 우주를 설명하는 일반 상대성 이론을 통합하려는 시도는 현대 물리학의 궁극적인 과제로 남아 있습니다. 우주 초기의 비밀을 풀기 위해서는 이 두 세계의 논리가 하나로 합쳐져야 합니다. 양자역학은 우리가 우주를 바라보는 시각을 근본적으로 바꾸며 미래 과학의 새로운 길을 제시하고 있습니다.

임채호

카오스재단카오스강연

물리학

[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

[과학을 찾는 사람들] 과학쿠키 1편 : 슈뢰딩거의 질문지 part 1

과학은 흔히 어렵고 지루하다는 편견에 부딪히곤 하지만, 과학 유튜버 과학쿠키는 단순히 재미를 넘어 과학의 본질을 전달하는 데 집중합니다. 특히 물리학처럼 눈에 보이지 않는 추상적인 개념들을 설명할 때, 그는 직접 그린 그림을 활용하여 머릿속의 이미지를 직관적으로 시각화합니다. 이러한 방식은 복잡한 수식이나 이론에 가려진 물리 법칙을 대중이 더 쉽게 이해할 수 있도록 돕는 강력한 도구가 됩니다. 낙서처럼 시작된 작은 그림들이 모여 과학의 진입장벽을 낮추고 대중과의 접점을 넓히는 중요한 역할을 수행합니다. 현대 물리학의 거장 알베르트 아인슈타인은 실험보다 사고 실험과 통찰을 통해 우주의 비밀을 예견한 인물입니다. 그는 방대한 지식을 조합하여 인류가 미처 생각지 못한 새로운 이론을 정립했으며, 그가 머릿속에서 계산해낸 결과들은 훗날 실제 실험을 통해 증명되며 전 세계를 놀라게 했습니다. 이론 물리학자로서 그가 느꼈을 지적 쾌감은 현대 과학 문명의 발달을 이끄는 원동력이 되었습니다. 보이지 않는 것을 보는 그의 천재적인 직관은 오늘날까지도 많은 과학도에게 깊은 영감을 주며 과학적 탐구의 가치를 증명하고 있습니다. 리처드 파인만은 과학적 업적만큼이나 교육자로서의 열정으로 존경받는 과학자입니다. 그의 '물리학 강의'는 단순히 지식을 나열하는 것을 넘어, 과학자가 어떤 과정을 거쳐 진리에 도달했는지를 독자가 함께 탐구할 수 있도록 구성되어 있습니다. 복잡한 물리 법칙을 타인에게 이해시키기 위해 쏟은 그의 노력은 빌 게이츠를 비롯한 수많은 이들에게 감동을 주었습니다. 파인만의 사례는 과학이 소수 전문가의 전유물이 아니라, 적절한 설명과 열정만 있다면 누구나 공유할 수 있는 지적 자산임을 보여주며 과학의 대중화에 큰 획을 그었습니다. 양자역학은 인간 지성이 도달한 가장 위대한 승리 중 하나로 꼽힙니다. 비록 확률이라는 개념이 직관적으로 받아들이기 어렵고 수식이 복잡할지라도, 그 본질적인 문장은 매우 철학적이고 명료합니다. 우리는 양자역학의 모든 원리를 완벽히 이해하지 못하더라도 이미 실생활에서 이를 폭넓게 활용하고 있습니다. 스마트폰의 터치패드부터 전자레인지, 현대 문명의 핵심인 반도체에 이르기까지 양자역학이 적용되지 않은 곳을 찾기란 쉽지 않습니다. 이는 미시 세계의 법칙이 거시 세계의 기술 혁신을 이끌어내어 인류의 삶을 근본적으로 변화시킨 결과입니다. 모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 그 원자들의 상호작용을 설명하는 학문이 바로 양자역학입니다. 20세기 초에 정립된 이 이론은 슈뢰딩거의 고양이 실험을 통해 그 기묘한 특성을 잘 보여줍니다. 관찰하기 전까지는 삶과 죽음이 중첩되어 있다는 이 역설적인 사고 실험은 미시 세계의 논리가 우리가 아는 상식과 얼마나 다른지를 시사합니다. 비록 상식적으로는 이해하기 힘든 현상일지라도, 이러한 물리 법칙을 탐구하고 증명해 나가는 과정 자체가 인류가 우주를 이해하기 위해 걸어온 위대한 여정이며 지적 도전이라 할 수 있습니다.

국립과천과학관과학을 찾는👀사람들

물리학

[강연] 물리 어벤져스 | 강연자 토론 _고재현, 김범준, 김상욱 | 2018 여름 카오스 마스터 클래스 '물리'

현대 물리학의 궁극적인 지향점 중 하나는 자연계에 존재하는 네 가지 힘을 하나의 원리로 설명하는 '모든 것의 이론(TOE)'을 완성하는 것입니다. 하지만 물리학자들이 이 이론을 손에 넣는다고 해서 세상의 모든 현상을 즉각적으로 이해할 수 있는 것은 아닙니다. 우주를 구성하는 기본 입자와 그들 사이의 규칙을 아는 것은 문학 작품을 구성하는 알파벳과 문법을 익히는 것과 같습니다. 문법을 안다고 해서 셰익스피어의 희곡을 저절로 쓸 수 없듯이, 기초 법칙만으로 생명이나 사회 현상 같은 복잡한 층위의 의미를 다 설명하기에는 근본적인 한계가 존재합니다. 양자 컴퓨터는 최근 과학계와 산업계에서 가장 뜨거운 화두 중 하나이지만, 현재의 기대감에는 다소 거품이 섞여 있다는 냉철한 시각도 필요합니다. 이론적으로 양자 알고리즘은 특정 작업에서 기존 컴퓨터를 압도하는 성능을 보여줄 수 있으나, 이를 실제로 구현하는 과정에는 극저온과 진공 상태 유지라는 가혹한 기술적 장벽이 존재합니다. 현재는 범용 컴퓨터로서의 상용화보다는 기본적인 연산이 가능한 큐비트 칩을 개발하고 검증하는 초기 단계에 머물러 있습니다. 따라서 기술적 가능성에 대한 낙관과 함께 현실적인 한계를 직시하는 균형 잡힌 시각이 중요합니다. 한국의 주력 산업인 디스플레이와 반도체 분야에서 물리학은 기술 격차를 유지하는 핵심적인 역할을 수행합니다. LCD 시장이 이미 포화 상태에 이른 상황에서 OLED와 마이크로 LED 같은 차세대 기술은 빛의 스펙트럼을 정교하게 제어하는 물리학적 원리에 기반하고 있습니다. 특히 색의 순도를 높여 선명한 화질을 구현하는 퀀텀닷 기술은 나노 세계의 물리 법칙을 산업에 응용한 대표적인 사례입니다. 메모리 반도체의 집적도를 높이는 공정 기술 역시 물리학적 이해가 필수적이며, 이는 국가 경쟁력을 좌우하는 중요한 먹거리 산업의 토대가 됩니다. 물리학자를 꿈꾸는 학생들에게 가장 필요한 덕목은 세상에 대한 호기심과 이를 끝까지 파고드는 근성입니다. 교과서에 담긴 지식은 수백 년간의 탐구 결과물일 뿐이며, 진정한 과학적 사고는 일상의 사소한 현상에서도 '왜'라는 질문을 던지는 것에서 시작됩니다. 물리학의 언어인 수학은 도구로서 중요하지만, 고등학교 수준의 기초를 탄탄히 다지는 것만으로도 충분합니다. 중요한 것은 정해진 답을 찾는 선행 학습이 아니라, 실험적 장벽이나 이론적 난관에 부딪혔을 때 엉덩이가 짓무를 정도로 앉아 고민할 수 있는 끈기 있는 태도입니다. 과학에서 이론과 법칙은 신뢰도의 차이라기보다 자연을 묘사하는 틀의 성격에 가깝습니다. 뉴턴의 운동 법칙이 상대성 이론에 의해 보완되었듯이, 물리학의 법칙은 100% 완결된 진리라기보다 현재의 기술로 검증 가능한 최선의 설명입니다. 물리학자들은 실험적 증거가 쌓일수록 이론의 신뢰도를 99.9%에서 99.99%로 높여가는 과정을 반복합니다. 이러한 혹독한 검증 과정을 거치며 이론은 더욱 견고해지며, 때로는 기존의 틀을 깨는 새로운 발견을 통해 우주에 대한 우리의 이해는 한 층 더 깊어지게 됩니다. 물리학에서 정의하는 정보는 일상적인 의미와 달리 확률 분포를 정량화한 매우 건조한 개념입니다. 이는 엔트로피와 밀접하게 연결되어 있으며, 시스템의 무지나 복잡성을 나타내는 척도로 사용됩니다. 하지만 양자역학적 관점에서 정보는 측정 주체와 대상 사이의 상호 관계를 의미하기도 합니다. 우리가 대상을 측정하여 정보를 얻는 행위는 두 시스템 사이에 관계가 형성되는 과정이며, 이는 우주의 본질이 개별적인 입자들의 집합이 아니라 그들 사이의 얽힘과 상호작용으로 이루어져 있음을 시사합니다. 암흑 물질과 암흑 에너지, 비평형 통계역학처럼 물리학에는 여전히 인류가 답하지 못한 거대한 미제들이 산적해 있습니다. 이러한 미지의 영역은 다음 세대 과학자들이 도전해야 할 과제이며, 이를 위해 기초 과학에 대한 사회적 관심과 안정적인 연구 환경 조성이 필수적입니다. 물리학은 단순히 물질의 법칙을 찾는 학문을 넘어, 세상을 객관적이고 합리적으로 바라보는 사고방식을 제공합니다. 모든 시민이 물리학자가 될 필요는 없지만, 과학적 사고를 통해 사회 문제를 논리적으로 판단하는 힘을 기르는 것은 성숙한 민주주의를 위한 밑거름이 됩니다.

고재현, 김범준, 김상욱

카오스재단마스터클래스

물리학

[강연] LED를 통해 본 전자기의 세계 _ 고재현 교수_1강_ | 2018 여름 카오스 마스터클래스 '물리' | 3강 ①

전자기학의 역사는 인류가 자연의 근본적인 힘을 이해해 온 과정이며, 그 종착점은 우리가 매일 마주하는 '빛'입니다. 고대 그리스 시대의 마찰 전기 현상부터 시작된 탐구는 전하와 자기, 그리고 이들이 서로를 유도하는 복잡한 상호작용을 밝혀내는 여정으로 이어졌습니다. 마이클 패러데이가 직관적으로 제시한 력선의 개념은 이후 제임스 클라크 맥스웰에 의해 정교한 수학적 체계인 전자기파 이론으로 완성되었습니다. 이 이론은 전기와 자기가 별개의 현상이 아니라 하나의 통합된 전자기장 안에서 파동처럼 퍼져나가는 존재임을 증명하며 현대 물리학의 초석을 다졌습니다. 전기 현상의 핵심인 전하는 입자들이 가진 내재적 속성으로, 이들 사이에는 거리에 반비례하고 전하량에 비례하는 쿨롱의 힘이 작용합니다. 과거에는 이 힘이 시간의 지체 없이 즉각 전달되는 원격 작용으로 여겨졌으나, 패러데이는 전하 주변의 공간 성질이 변한다는 '장'의 개념을 도입했습니다. 전하가 형성한 전기장은 공간상의 모든 점에 벡터 성질을 부여하며, 다른 전하가 이 영역에 들어올 때 비로소 전기력을 느끼게 됩니다. 이러한 관점의 전환은 힘이 전달되는 데 일정한 시간이 걸린다는 사실을 시사하며, 전자기학이 전자기파 이론으로 나아가는 중요한 징검다리가 되었습니다. 자기 현상 또한 전기와 마찬가지로 공간에 형성된 자기장을 통해 힘을 전달합니다. 자석은 항상 N극과 S극이 쌍으로 존재하며, 이를 수학적으로 표현한 것이 자기장에 대한 가우스 법칙입니다. 흥미로운 점은 정지한 전하는 자기장의 영향을 받지 않지만, 움직이는 전하는 자기장 속에서 '로렌츠 힘'이라는 특별한 힘을 받는다는 사실입니다. 이 힘은 전하의 이동 방향과 자기장 방향에 모두 수직으로 작용하여 입자의 궤도를 휘게 만듭니다. 이러한 원리는 과거 브라운관 TV의 전자빔 조절부터 현대의 가속기 실험에 이르기까지 전하의 움직임을 제어하는 핵심 원리로 널리 활용되고 있습니다. 전기와 자기가 서로 긴밀하게 연결되어 있다는 사실은 외르스테드와 앙페르, 그리고 패러데이의 실험을 통해 명확히 밝혀졌습니다. 도선에 흐르는 전류가 주변에 자기장을 형성한다는 발견은 전기가 자기를 만들 수 있음을 보여주었고, 반대로 변화하는 자기장이 회로에 전류를 유도한다는 패러데이 전자기 유도 법칙은 자기가 전기를 유도할 수 있음을 증명했습니다. 맥스웰은 여기서 한 걸음 더 나아가 시간에 따라 변하는 전기장이 자기장을 유도한다는 가정을 추가함으로써 전자기학의 대칭성을 완성했습니다. 이로써 전기와 자기는 서로가 서로를 끊임없이 생성하며 공간을 나아가는 파동의 형태로 통합되었습니다. 맥스웰이 정리한 네 개의 방정식은 인류 역사상 가장 아름다운 물리 공식 중 하나로 꼽힙니다. 그는 이 방정식들을 연립하여 전자기파의 속도를 계산해냈고, 그 결과가 당시 알려진 빛의 속도와 일치한다는 사실을 발견했습니다. 이는 인류가 오랫동안 별개의 학문으로 다루어 온 전기학, 자기학, 그리고 광학이 사실은 하나의 뿌리에서 나온 것임을 선언한 역사적 사건이었습니다. 빛은 결국 시간에 따라 진동하는 전기장과 자기장이 서로를 유도하며 진공 속을 가로지르는 전자기파의 일종입니다. 이 발견은 뉴턴의 역학적 세계관을 넘어 현대 전자기 문명의 이론적 토대를 마련했습니다. 전자기학의 원리는 현대 반도체 소자인 LED의 작동 방식에서도 구체적으로 확인할 수 있습니다. LED는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합한 구조로, 외부에서 전압을 가하면 전자와 정공이 접합면으로 이동하여 결합하게 됩니다. 이때 전자가 가진 높은 퍼텐셜 에너지가 낮은 상태로 전이되면서 그 차이만큼의 에너지가 빛의 형태로 방출되는 것입니다. 반도체의 재료를 조절하여 방출되는 빛의 파장을 바꾸면 빨간색, 녹색, 파란색 등 다양한 색상을 구현할 수 있습니다. 이는 전하의 이동과 에너지 변환이라는 전자기학적 과정을 통해 우리가 원하는 빛을 인공적으로 만들어내는 정밀한 기술의 산물입니다. 전기와 자기는 관찰자의 운동 상태에 따라 서로 모습을 바꾸는 동일한 현상의 두 측면입니다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면, 한 관찰자에게는 자기력으로 보이는 현상이 다른 관찰자에게는 전기력으로 해석될 수 있습니다. 이는 전자기학이 단순히 고전적인 물리 법칙에 머무는 것이 아니라, 시공간의 본질과 깊이 연관되어 있음을 보여줍니다. 맥스웰은 인간의 유한함에 갇히지 않고 우주의 무한한 진리를 추구하며 전자기 통합이라는 위대한 업적을 남겼습니다. 그의 방정식은 오늘날 무선 통신과 디스플레이 기술 등 현대 문명을 지탱하는 보이지 않는 힘으로 우리 곁에 살아 숨 쉬고 있습니다.

고재현

카오스재단마스터클래스

물리학

[강연] 빛의 역사 : 슈뢰딩거의 고양이 by김상욱 | 2016 겨울 제 8회 카오스 콘서트 '빛 색즉시공' 3부 | 3부 ②

양자역학의 세계는 우리가 일상에서 경험하는 상식과는 전혀 다른 방식으로 작동합니다. 전자를 이용한 이중 슬릿 실험을 예로 들면, 우리가 전자가 어느 구멍을 지나는지 관측할 때는 입자처럼 행동하여 두 줄의 무늬를 남기지만, 관측하지 않을 때는 파동처럼 행동하여 간섭 무늬를 만들어냅니다. 이는 측정이라는 행위가 대상의 상태에 직접적인 영향을 미친다는 기이한 사실을 보여줍니다. 관측하기 전의 전자는 특정한 위치에 있는 것이 아니라 여러 가능성이 중첩된 상태로 존재하며, 오직 관측하는 순간에만 하나의 결과로 결정되는 것입니다. 코펜하겐 해석은 이 기이한 현상을 설명하기 위해 세상을 두 영역으로 나눕니다. 원자와 전자들이 사는 미시적인 양자 세계와 우리처럼 커다란 물체들이 사는 거시 세계가 그것입니다. 양자 세계에서는 동시에 두 개의 구멍을 지나는 것과 같은 중첩 상태가 가능하지만, 거시 세계의 관측자가 이를 측정하는 순간 우리는 오직 하나의 결과만을 보게 됩니다. 하지만 우리 몸 또한 결국 원자로 이루어져 있다는 점을 생각하면, 거시 세계와 미시 세계 사이에 명확한 경계가 어디인지에 대한 근본적인 의문이 생길 수밖에 없습니다. 슈뢰딩거의 고양이 역설은 이러한 경계의 모호함을 극적으로 보여줍니다. 상자 안의 고양이가 양자 상태에 따라 살아있으면서 동시에 죽어있을 수 있다는 설정은 상식적으로 받아들이기 어렵습니다. 물리학자들은 이를 '결어긋남(Decoherence)'이라는 개념으로 설명합니다. 측정을 위해 반드시 지성을 가진 관측자가 필요한 것은 아닙니다. 양자 시스템이 주변의 공기 분자 하나와만 부딪혀도 위치 정보가 노출되며 중첩 상태가 깨지기 때문입니다. 즉, 거시 세계의 물체들은 주변 환경과 끊임없이 상호작용하기 때문에 양자적 특성을 유지하기가 매우 어렵습니다. 양자역학은 단순히 추상적인 이론에 머물지 않고 현대 문명의 근간을 이루고 있습니다. 우리가 숨 쉬는 공기 중의 분자들이 결합하는 방식이나 반도체 속 전자의 흐름은 모두 양자역학적 중첩 원리로 설명됩니다. 이제 인류는 이 원리를 이용해 정보 처리의 혁명을 꿈꾸고 있습니다. 0과 1을 동시에 가질 수 있는 양자 컴퓨터는 수많은 데이터를 한꺼번에 처리함으로써 기존 컴퓨터와는 비교할 수 없는 속도를 제공할 것입니다. 이는 마치 전자가 두 구멍을 동시에 지나듯, 모든 가능성을 동시에 탐색하는 양자역학의 힘을 실생활에 구현하는 과정입니다. 더 나아가 양자역학은 다세계 해석이라는 철학적 질문을 던집니다. 관측자가 측정하는 순간 우주가 여러 갈래로 나뉘어 모든 가능성이 각기 다른 우주에서 실현된다는 생각입니다. 비록 공상과학 소설처럼 들릴지 모르지만, 이는 양자역학의 수학적 결과를 논리적으로 끝까지 밀어붙였을 때 도달하게 되는 결론 중 하나입니다. 양자역학은 우리가 발을 딛고 있는 이 우주가 얼마나 괴상하고도 경이로운 곳인지를 끊임없이 일깨워줍니다. 이 기이한 진실을 받아들이고 탐구하는 과정에서 인류는 우주의 본질에 한 걸음 더 다가서며 새로운 문명의 지평을 열어가고 있습니다.

김상욱

카오스재단카오스콘서트

물리학

[강연] 멋진 세상을 만드는 빛 - 센 빛, 밝은 빛, 똑똑한 빛 (5) _이용희 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 7강 | 7강 ⑤

빛의 세계에서 레이저와 LED는 각기 다른 방식으로 그 강력함을 증명합니다. 레이저는 빛을 증폭하여 극도로 짧은 순간에 천둥 번개 이상의 에너지를 집중시킬 수 있는 물리적 강함을 지니고 있습니다. 반면 LED는 우리 일상 곳곳을 밝히며 인류가 정보를 취득하는 방식에 혁신을 가져온 사회적 영향력 측면에서 강력합니다. 레이저가 특정 목표를 정밀하게 타격하거나 분석하는 '똑똑한 빛'이라면, LED는 인류의 삶을 지탱하며 보이지 않는 곳에서 거대한 변화를 이끄는 '외유내강의 빛'이라고 할 수 있습니다. 레이저는 국방 분야에서 미사일이나 드론을 격추하는 직접적인 무기로 개발될 만큼 강력한 잠재력을 지니고 있습니다. 하지만 이러한 강력함은 동시에 위험성을 내포하고 있어 사용에 각별한 주의가 필요합니다. 특히 고출력 레이저는 망막에 영구적인 손상을 입힐 수 있으므로 등급에 따른 안전 수칙을 반드시 준수해야 합니다. 반면 자동차 헤드라이트 등에 쓰이는 LED는 상대적으로 안전하게 빛을 활용할 수 있게 해주며, 우리 실생활의 편의성을 높이고 인류가 빛을 통제하는 방식을 더욱 안전하게 만들어 주었습니다. 2014년 노벨 물리학상이 청색 LED 개발자들에게 수여된 것은 인류 복지에 기여한 공로를 인정한 결과였습니다. 빛의 삼원색 중 적색과 녹색은 비교적 쉽게 구현되었으나, 청색 LED의 부재는 백색광을 만드는 데 큰 걸림돌이었습니다. 수많은 시행착오 끝에 탄생한 청색 LED는 마침내 '인공태양'의 완성을 가능케 했으며, 전 세계 조명 시장의 판도를 완전히 바꾸어 놓았습니다. 이는 단순한 과학적 발견을 넘어 공학적 혁신이 인류의 생활 패턴을 어떻게 근본적으로 변화시킬 수 있는지를 보여주는 상징적인 사례입니다. 현대 광학 기술은 이제 펨토초를 넘어 아토초 단위의 초고속 영역으로 진입하고 있습니다. 10의 18승분의 1초라는 찰나의 빛을 제어함으로써 과거에는 관찰할 수 없었던 전자의 움직임까지 포착하려는 시도가 이어지고 있습니다. 이러한 초강력 레이저는 핵융합 점화 장치로 활용되거나 극한의 물리 현상을 연구하는 데 필수적인 도구가 됩니다. 빛의 속도와 강도를 정밀하게 조절하는 기술은 인류가 자연의 근본 원리에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 해주는 열쇠가 되고 있으며, 이는 새로운 물리 법칙의 발견으로 이어질 것입니다. 미래의 빛은 단순한 조명을 넘어 인간의 감성과 소통하는 단계로 진화할 것입니다. 학습 효율을 높이는 색온도 조절이나 심리적 안정을 주는 감성 조명 기술은 '라이프 이모셔널 디자인'이라는 새로운 가치를 창출하고 있습니다. 여기에 인공지능과 센서 기술이 결합된 레이저 기술은 정밀 수술이나 첨단 제조 공정에서 상상 속의 일들을 현실로 만들어낼 것입니다. 빛은 이제 지식 기반의 도구를 넘어 인류의 미래를 이끌어갈 핵심적인 주력 산업이자, 인간의 삶을 더욱 풍요롭게 만드는 감성적 매개체로 자리매김하고 있습니다.

심종인, 이상민, 이용희

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 멋진 세상을 만드는 빛 - 센 빛, 밝은 빛, 똑똑한 빛 (2) _이용희 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 7강 | 7강 ②

레이저의 탄생에는 알베르트 아인슈타인의 이론적 공헌이 결정적이었습니다. 1917년 아인슈타인은 '유도 방출'이라는 개념을 제시하며 현대 레이저 기술의 초석을 다졌습니다. 일반적인 빛은 원자가 에너지를 얻었다가 무작위로 내뱉는 자연 방출을 통해 발생하지만, 유도 방출은 외부에서 들어온 빛이 들뜬 상태의 원자를 자극하여 똑같은 성질의 빛을 복제해내는 과정입니다. 이러한 이론적 발견은 빛을 인위적으로 제어하고 증폭할 수 있다는 가능성을 열어주었으며, 수십 년 뒤 실제 장치로 구현되는 밑거름이 되었습니다. 레이저가 작동하기 위해서는 '밀도 반전'이라는 특수한 상태가 필요합니다. 보통의 물질은 낮은 에너지 상태의 원자가 더 많지만, 외부에서 강한 에너지를 주입하면 높은 에너지 상태의 원자가 더 많아지는 밀도 반전이 일어납니다. 이때 빛이 매질을 통과하면 유도 방출을 통해 빛의 양이 기하급수적으로 늘어나는 광 증폭 현상이 발생합니다. 양 끝에 설치된 거울 사이를 빛이 왕복하며 계속해서 증폭되는 과정은 레이저를 강력하고 직진성이 강한 빛으로 만들어줍니다. 이것이 바로 레이저의 핵심 원리인 광 증폭기 역할을 수행하는 것입니다. 강력한 에너지를 응집시킨 레이저는 산업과 의료 분야에서 혁신적인 도구로 사용됩니다. 찰나의 순간에 에너지를 집중시키는 펄스 레이저 기술을 활용하면 태양광에 맞먹는 엄청난 출력을 한 점에 모을 수 있습니다. 이러한 초강력 레이저는 철판을 정밀하게 절단하는 공작 기계부터 인간의 눈을 수술하는 정교한 의료 장비에 이르기까지 폭넓게 활용됩니다. 특히 핵융합 연구에서는 레이저의 압력과 열을 이용해 임계점까지 온도를 높이는 등 인류의 미래 에너지 문제를 해결하기 위한 핵심적인 수단으로 주목받고 있습니다. 거대한 장치뿐만 아니라 머리카락 굵기보다 작은 반도체 레이저 또한 우리 삶을 송두리째 바꾸어 놓았습니다. 1970년대 등장한 반도체 레이저는 전기를 직접 빛으로 변환하는 효율적인 구조로 정보통신 혁명을 주도했습니다. CD와 DVD 플레이어, 레이저 프린터, 그리고 우리가 매일 사용하는 마우스에 이르기까지 반도체 레이저가 쓰이지 않는 곳이 없습니다. 작지만 강력한 이 광원은 현대 사회의 방대한 데이터를 처리하고 전달하는 핵심 부품으로 자리 잡았으며, 광섬유 기술과 결합하여 초고속 정보통신망의 근간을 이루고 있습니다. 찰스 카오의 광섬유 연구는 인류를 전자의 시대에서 광자의 시대로 이끌었습니다. 모래에서 추출한 유리로 만든 광섬유는 빛의 손실을 최소화하며 수만 킬로미터 밖까지 정보를 전달할 수 있게 해주었습니다. 오늘날 우리가 스마트폰으로 고화질 영상을 즐기고 전 세계와 실시간으로 소통할 수 있는 것은 보이지 않는 곳에서 레이저 빛이 광섬유를 타고 흐르기 때문입니다. 슈퍼컴퓨터와 데이터 센터의 수많은 선들이 빛으로 연결되어 있듯, 레이저는 단순한 도구를 넘어 현대 문명을 지탱하는 거대한 신경망의 역할을 수행하고 있습니다.

이용희

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 한국 과학기술의 기원 (2) - 한국 근대 과학기술의 시작 _ 박성래 교수 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 5강 | 5강 ②

1600년대 조선통신사는 일본에 문물을 전하는 중요한 가교였습니다. 특히 1643년 일본으로 건너간 박안기는 일본 학자들에게 역법을 전수하며 일본 최초의 독자적 역법인 '정향력(조쿄레키)' 탄생에 결정적인 기여를 했습니다. 당시 조선의 과학 기술은 일본보다 앞서 있었으며, 중인 계급의 유능한 인재들이 실무적인 학문 발전을 이끌었습니다. 이는 우리 과학사가 단순히 외부 문물을 수용하기만 한 것이 아니라, 주변국에 지대한 영향을 끼쳤음을 보여주는 중요한 사례입니다. 근대 과학의 본격적인 태동은 1876년 강화도 조약 이후 문호가 개방되면서 시작되었습니다. 1883년 창간된 우리나라 최초의 신문인 '한성순보'는 그 지면의 상당 부분을 서양의 신기한 과학 기술 이야기로 채웠습니다. 당시 지식인들에게 과학은 나라를 지키고 근대화로 나아가기 위한 가장 안전하고도 필수적인 도구로 인식되었습니다. 유길준의 '서유견문'과 같은 저술을 통해 서구 문명에 대한 이해가 깊어지며 근대적 각성이 일어났습니다. 서구 유학의 역사는 비극적인 선구자들의 발자취로 시작되었습니다. 1886년 미국으로 건너간 변수는 우리나라 최초로 미국 대학에서 농학 학사 학위를 받은 인물입니다. 그는 미 농무성에서 근무하며 동양의 농업 상태에 대한 보고서를 제출하는 등 뛰어난 역량을 발휘했으나, 졸업 직후 기차 사고로 짧은 생을 마감했습니다. 이러한 초기 유학생들의 희생과 노력은 비록 당대에는 큰 결실을 보지 못했을지라도, 한국 과학 기술 현대화의 소중한 씨앗이 되었습니다. 의료 분야에서도 선구적인 여성 과학자의 등장이 눈에 띕니다. 김점동(에스더 박)은 1900년 미국에서 의학 학위를 취득한 최초의 여성 의사로, 귀국 후 헌신적인 구호 활동을 펼치다 결핵으로 세상을 떠났습니다. 서재필 역시 미국에서 의학 박사 학위를 받았으나, 국내의 척박한 환경 탓에 과학자로서보다는 독립운동가와 언론인으로서 더 큰 족적을 남겼습니다. 이처럼 초기 과학 인재들은 개인의 영달보다 민족의 근대화라는 무거운 과업을 짊어져야 했습니다. 일제 강점기라는 암흑기 속에서도 과학을 향한 열정은 멈추지 않았습니다. 1934년 김용관 선생을 중심으로 제정된 '과학데이'는 다윈 서거 50주년을 기념하며 대규모 시가행진과 강연회를 개최했습니다. 홍난파가 작곡한 '과학의 노래'가 울려 퍼지는 가운데, 지식인들은 과학 기술 없이는 민족의 생존이 불가능하다는 사실을 절감했습니다. 비록 일제의 탄압으로 활동이 위축되기도 했으나, 이는 우리 민족이 자발적으로 전개한 근대 과학 대중화 운동의 효시였습니다. 해방 이후 한국 과학계는 남북 분단이라는 시련을 겪으며 각기 다른 길을 걷게 됩니다. 남한의 이태규 박사는 미국 유타 대학에서 활동하며 후학 양성에 힘썼고, 북한으로 간 이승기 박사는 합성 섬유인 '비날론'을 발명하여 북한 화학 공업의 기초를 닦았습니다. 1950년대 아이젠하워 대통령의 '원자력의 평화적 이용' 선언은 우리나라에 원자력 기술이 도입되는 계기가 되었으며, 이는 전쟁의 폐허 속에서 과학 기술의 싹을 틔우는 중요한 전환점이 되었습니다. 1966년 설립된 한국과학기술연구원(KIST)은 대한민국 과학 기술 도약의 결정적인 발판이 되었습니다. 월남전 참전에 따른 보상 차원의 지원금과 박정희 대통령의 강력한 의지가 결합하여, 해외에서 활동하던 유능한 과학자들이 대거 귀국하는 '역두뇌 유출' 현상이 일어났습니다. 최형섭 박사를 필두로 한 이들은 국가 주도의 연구 개발 체제를 구축하며 한강의 기적을 뒷받침했습니다. 이로써 한국 과학은 비극과 정체의 시대를 지나 세계로 뻗어 나가는 현대적 기틀을 완성했습니다.

박성래

카오스재단카오스강연

융합