국내 연구진이 소금의 용해 현상을 원자 수준으로 관찰하고, 이온이 용해되는 원리를 밝힐 수 있는 기술을 개발했다. 울산과학기술원(UNIST)은 신소재공학과 신형준 교수팀이 하나의 물 분자를 제어해 소금에서 특정 이온을 추출할 수 있는 ‘단일 이온 제어기술’을 개발했다고 21일 밝혔다. 이온의 특성을 활용해 선택적으로 용해를 유도하는 것이다. 이온은 세포의 신호 전달이나 배터리, 반도체 등 다양한 응용 연구 분야에서 핵심적인 역할을 하는 입자다. 하지만 지금까지 간단한 소금의 용해 현상을 포함해 이온의 특성을 단일 이온 수준으로 연구하는 것은 실험적으로 불가능했다. 주변에서 가장 흔하게 볼 수 있는 소금(NaCl)은 나트륨 양이온(Na+)과 염소 음이온(Cl-) 사이의 강한 이온 결합으로 이뤄진다. 물과 닿게 되면 극성분자인 물 분자에 의해 이온 결합이 끊어져 소금물이 된다. 신형준 교수는 “물에 녹은 이온은 수화된 상태로 존재하기 때문에 용액 속의 수많은 물 분자와 함께 끊임없이 움직여 이온을 개별적으로 제어하거나 그 특성을 연구하기 어려웠다”고 설명했다. 연구팀은 영하 268.8도의 극저온과 초고진공 상태의 환경에서 원자 2~3층 두께의 얇은 소금 막(필름) 위에 개별 물 분자를 증착했다. 원자 수준 이하의 해상도를 갖는 주사터널링현미경으로 소금 표면에 놓인 물의 움직임과 단일 이온 추출에 관한 연구를 성공적으로 수행했다. 연구팀은 주사터널링현미경의 미세 탐침을 정밀하게 제어해 소금 표면에 흡착한 물 단분자를 원하는 특정 방향으로 이동시켰다. 이동시키며 발생한 약 10피코미터(10조분의 1미터) 수준의 탐침 높이 변화를 분석해 염소 음이온과 물 분자가 강한 상호작용을 하고 있음을 밝혔다. 연구팀은 하나의 물 분자를 원자 한층 두께의 소금계면 계단층을 따라 이동시켰다. 이동한 경로에서 한 개의 이온이 사라지는 것을 관측했다. 이는 물 분자의 쌍극자 모멘트 전기적으로 분극된 물질을 의미하며, 전하량와 거리로 표현되는 물리량에 의해 소금의 이온 결합이 끊어져 단일 이온이 추출된 것이다. 물 분자를 제어해 단일 이온을 추출할 때 항상 염소 음이온(C1-)이 나트륨 양이온(Na+)보다 우선적으로 용해되는 현상 또한 발견했다. 이것은 나트륨 양이온과 염소 음이온의 분극률 외부 전기장에 의해 물질에 발생하는 쌍극자 모멘트 차이 때문이다. 높은 분극률을 가진 음이온이 양이온보다 물 분자의 영향을 크게 받는다. 특히 주변에 결합하고 있는 이온이나 원자가 부족한 계단층 표면에서 더 두드러지게 나타났다. 신 교수는 “이온은 우리 주변에 아주 흔하게 존재하지만, 배터리나 반도체 재료의 성능을 획기적으로 변화시킬 수 있는 흥미로운 입자”라며 “개발한 단일 이온 제어기술을 통해 앞으로 이온과 관련된 다양한 기초 기술 및 응용에 연구를 더욱 확장해 나아갈 계획”이라고 밝혔다. 중국과학원 선전기술연구원의 펑딩교수가 공동 연구에 참여했으며, 세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’)에 지난 16일 온라인 게재됐다. 연구 수행은 중견연구자지원사업과 기초과학연구원의 지원으로 이뤄졌다.

네덜란드의 한 대학생이 세계에서 가장 작은 크리스마스트리를 선보였다. 21일(현지시간) 과학전문매체 ‘Phys.org’는 네덜란드 델프트공과대학교 학생 마우라 빌럼스가 4나노미터(㎚) 높이의 크리스마스트리를 만들었다고 전했다. 빌럼스는 결정격자(규칙적이고 주기적으로 배열되어 있는 3차원 격자)에서 분리해낸 51개 원자로 초소형 트리를 완성했다. 물질을 원자 단위로 관찰할 수 있는 ‘주사터널링현미경’(Scanning Tunneling Microscope, STM) 활용해 원자 하나하나의 위치를 개별적으로 조정했다.완성된 트리 높이는 DNA 한 가닥보다 조금 굵은 4나노미터로, 머리카락을 2만개로 쪼갠 것과 비슷하다. 현재 반도체업계에서 가장 미세한 공정의 제품이 5나노미터 반도체칩이다. 미국 뉴욕의 명소 록펠러센터 앞에 설치된 크리스마스트리 높이가 23m인 것과 비교하면 그야말로 세계 최소형 크리스마스트리다. 지난해 캐나다 맥마스터대학교 연구팀이 선보인 크리스마스 장식은 1만 나노미터(10마이크로미터) 크기였다. 당시 맥마스터대 캐나다전자현미경센터 연구원 트라비스 카사그란데는 집속이온빔 현미경으로 실리콘을 잘라 집 모양을 만들었다. 머리카락 10분의 1 크기 생강과자집 모형에 대학과 연구소명을 새겨 넣은 것은 물론, 굴뚝과 창문, 캐나다 국기 무늬의 매트까지 사실감있게 표현해냈다.연구원이 활용한 현미경 파장은 광학현미경 가시광선의 10만분의 1에 불과해 단일 원자 수준까지 들여다볼 수 있었던 것으로 알려졌다. 마치 모래분사기를 쏘듯 이온 빔을 비춰 초미세 조각 작품을 완성했다. 한편 델프트공과대학교 측은 “응용물리학과 마우라 빌럼스가 세계에서 가장 작은 크리스마스트리를 만들었다. 매년 이맘때 전 세계인들은 가장 큰 크리스마스트리를 만들기 위해 노력하지만, 빌럼스는 반대로 했다”고 밝혔다. 권윤희 기자 heeya@seoul.co.kr

반감기가 1시간인 방사성 물질과 독가스가 들어 있는 상자 속에 있는 고양이는 1시간 뒤 살아있을까, 죽어있을까. 양자역학의 파동방정식을 만들어 낸 물리학자 슈뢰딩거가 고안한 사고 실험인 ‘슈뢰딩거의 고양이’는 양자역학의 불확실성을 보여주는 대표적인 사례이다. 양자역학에 따르면 우리 눈에 보이지 않는 물질인 원자, 분자, 양자 등이 존재하는 미시세계에서는 관측하는 행위가 측정 대상에 영향을 미친다. 이 때문에 정밀한 실험을 할 때는 문제가 될 수 있다. 그런데 한-미 공동연구진이 이런 양자역학적 딜레마를 극복하고 단일 원자의 정확한 사진을 촬영할 수 있는 기술을 개발해 주목받고 있다. 미국 IBM 알마덴연구센터, 한국 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학연구단, 이화여대 물리학과, 영국 옥스포드대 물리학과 공동연구팀은 양자역학 원리를 이용한 주사터널링현미경(STM)을 이용해 개별 원자의 전자기적 상태를 측정하고 제어하는 실험에 성공하고 세계적인 과학저널 ‘사이언스’ 25일자에 발표했다.연구팀은 산화마그네슘(MgO) 표면 위에 티타늄(Ti) 원자를 올려놓고 STM으로 관찰했다. 티타늄 원자는 스핀 상태가 두 가지만 갖고 있기 때문에 다른 원자들에 비해 실험하기가 쉽다는 장점이 있다. 고체 표면 위에 있는 티타늄 원자를 관측할 때는 STM에서 마이크로파를 연속적으로 투사시켜 나오는 스핀정보를 측정하는데 두 종류의 스핀 상태 밖에 없음에도 불구하고 양자역학적 특성상 스핀을 원하는 방향만큼만 바꾸거나 특정 방향에서 멈추게 하는 것은 쉽지 않다. 관찰이라는 행위 자체 때문에 스핀 모양이 끊임없이 바뀌기 때문에 정확한 관측이 사실상 어렵다는 설명이다. 이에 연구팀은 마이크로파를 연속적으로 투사시키는 것이 아니라 나노초 단위로 끊어서 티타늄에 쏘는 방식으로 스핀 상태를 제어하고 측정했다. 그 결과 연속 투사방식에서는 할 수 없었던 티타늄 원자의 스핀을 원하는 상태로 설정하는 것이 가능해졌다. 이번 기술은 원자 스핀 제어능력이 더 높아진 만큼 측정 자체가 주는 영향에 신경쓰지 않고도 정밀한 미시세계 관찰을 가능케 해줄 뿐만 아니라 스핀 기반 양자컴퓨터에 정보를 저장할 때도 여러 큐비트(양자컴퓨터의 정보처리 단위)를 통제할 수 있어 정보처리 능력을 높일 수 있게 된다. 안드레아스 하인리히(이화여대 물리학과 석좌교수) IBS 양자나노과학연구단 단장은 “이번 연구결과는 물질 표면 위 원자의 양자 시스템을 제어하는데 중요한 단초를 마련했다는데 의미가 크다”라며 “이번 기술을 활용하면 양자컴퓨터의 정보저장 단위인 큐비트에도 활용이 가능해 양자컴퓨터의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

병원에서 초음파 검사나 컴퓨터단층촬영(CT)으로 병변이 발견될 경우 더 정확한 진단을 위해 자기공명영상(MRI)를 촬영한다. MRI는 커다란 자석으로 자기장을 발생시켜 몸 속 수소원자핵을 공명시켜 조직의 물리적, 화학적 특성을 영상으로 만드는 기술이다. 과학자들이 MRI 기술을 활용해 작은 원자 한 개가 만들어 내는 자기장까지 관찰할 수 있는 방법을 개발했다. 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학연구단과 미국 IBM 공동연구팀은 기존의 분자 수준 MRI보다 100배 이상 해상도를 높여 원자 한 개가 만들어 내는 스핀 자기장을 시각화할 수 있는 기술을 개발해 물리학 분야 국제학술지 ‘네이처 피직스’ 2일자에 발표했다. 세상에서 가장 세밀한 MRI를 만들었다는 차원에서 주목받고 있는 연구이다. 일반적으로 병원에서 사용하는 MRI는 촬영을 위해 수 억개의 원자 스핀이 필요하다. 이 때문에 미시세계 연구를 위해 분자 수준까지 측정할 수 있는 자기공명영상 연구는 이뤄져 있지만 해상도가 나노미터 수준이어서 개별 원자를 또렷하게 볼 수 없다. 독특한 분자 구조를 가진 신소재나 양자소자를 연구하기 위해서는 개별 원자 스핀을 시각화하는 것이 필요하다. 연구팀은 주사터널링현미경(STM)에서 해결책을 찾았다. STM은 뾰족한 금속 탐침을 시료 표면을 아주 가깝게 가져간 상태에서 탐침과 시료 사이에 전류를 걸어주면 전자가 에너지 장벽을 넘어 다른 쪽으로 넘어가면서 표면 구조를 관찰할 수 있게 해주는 장치이다. 연구팀은 STM 탐침 끝에 철원자 1~5개를 묶은 스핀클러스터를 부착하는 방법을 만들어 냈다. 스핀의 방향에 따라 자석처럼 서로 끌어당기고 밀어내는 성질에 따라 탐침과 시료원자의 스핀 사이에 자기력이 생겨 탐침이 시료 표면에 더 가까이 접근하고 이것이 원자 한 개를 시각화할 수 있게 한 것이다. 이 같은 방법을 통해 표면 위 원자 하나와 스핀 클러스터 사이의 자기적 공명을 읽는데 성공했다. 이번에 원자 하나의 또렷한 MRI를 촬영한 것은 처음이다. IBS 안드레아스 하인리히(이화여대 물리학과 석좌교수) 단장은 “병원에서 정확한 진단과 치료를 하기 위해서는 MRI 촬영이 필요하듯 물리적 시스템도 정확히 분석해야 변형과 응용이 가능한데 이번 연구는 원자 성질을 스핀 구조라는 새로운 측면에서 확인했다는데 의미가 크다”라고 말했다. 연구를 이끈 필립 윌케 연구위원은 “최근 자성 저장 장치를 포함해 나노 수준에서 다양한 자성 현상이 보고되고 있는데 이번 원자 MRI기술로 고체 표면, 양자컴퓨터의 스핀 네트워크, 생체분자까지 여러 시스템의 스핀 구조를 연구할 수 있게 됐다고 볼 수 있다”라고 설명했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

‘1비트 = 1원자’… 집적도 10만배 원자 하나에 1비트 정보 하나를 저장할 수 있는 세상에서 가장 작은 메모리 기술이 나왔다. 미국 IBM 알마덴연구센터, 스위스 로잔연방공대, 중국 과학원대, 독일 괴팅겐대, 스위스 취리히대, 한국 기초과학연구원(IBS), 이화여대 국제공동연구진은 홀뮴(Ho) 원자 1개에 1비트 정보를 담은 뒤 이를 안정적으로 읽고 쓰는 데 성공했다고 세계적인 과학저널 ‘네이처’ 9일자를 통해 발표했다. 이번 연구에는 지난 1월 IBS에 새로 만들어진 양자나노과학연구단 단장인 안드레아스 하인리히 이화여대 물리학과 석좌교수도 참여했다. 하인리히 교수가 지난해 이화여대로 자리를 옮기기 전 IBM 알마덴연구센터 재직 당시 주도했던 연구로 알려졌다. 현재 상용화된 실리콘 소재의 메모리는 1비트의 정보를 기록하는 데 약 10만개의 원자가 필요하다. 이번에 개발된 메모리 기술은 ‘1비트=1원자’이기 때문에 현재 기술보다 10만배 정도 집적도를 높였다고 볼 수 있다. 최태영(이화여대 물리학과 교수) IBS 연구위원은 “영화의 역사가 시작된 이후 지금까지 상영된 영화가 대략 50만편 정도로 알려져 있는데 이번 기술을 활용하면 동전만 한 크기의 USB메모리 1개에 인류가 만든 지금까지의 모든 영화를 저장할 수 있다”고 설명했다. 이번 연구에 쓰인 원자번호 67번 홀뮴은 1879년 처음 발견됐으며 스웨덴 스톡홀름의 이름을 딴 희토류 원소다. 홀뮴은 천연 원소 중 자기모멘트가 가장 큰 원소로 아주 강한 세기의 자석을 만들거나 의료용 레이저 재료, 분광기 파장 보정 기준 물질 등으로 활용되고 있다. 연구팀은 홀뮴 원자가 갖는 업·다운 2가지 스핀 방향을 디지털 정보인 0과 1로 표시할 수 있다는 데 착안했다. 연구팀은 산화마그네슘(MgO) 기판 위에 홀뮴 원자를 올려놓고 ‘절대 0도’(영하 273.16도)에 가까운 영하 270도 이하의 환경에서 주사터널링현미경(STM) 탐침으로 고전압을 가하면 스핀 방향을 바꿀 수 있다는 것을 알아냈다. 전압을 가해 스핀 방향을 바꿔 정보를 저장한다는 것이다. 또 홀뮴 원자 근처에 철 원자를 두면 철 원자가 홀뮴의 스핀을 읽어내는 ‘리더기’ 역할을 할 수 있다는 것도 알아냈다. 홀뮴의 스핀 상태가 만드는 자기장이 철 원자의 스핀을 똑같은 상태로 바꾼다는 것이다. 컴퓨터의 USB메모리나 CD리더기가 저장돼 있는 디지털 신호를 읽어내는 것과 같은 원리다. 하인리히 IBS 단장은 “상용화를 위해서는 동작 온도를 상온까지 높여야 하며 정보를 기록하고 읽어내는 속도를 높일 수 있는 기술을 확보해야 한다”고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

12만년 전 기후를 분석해 인류의 이동 경로를 분석한 지구과학자와 세계에서 가장 작은 영화를 만들어 칸 국제광고제에서 황금사자상을 받은 양자물리학자가 국내에서 기후변화와 양자컴퓨터 연구를 시작한다. 기초과학연구원(IBS)가 액슬 티머먼(47) 미국 하와이대 교수와 안드레아스 하인리히(48) 이화여대 석좌교수를 각각 기후물리연구단과 양자나노과학연구단 단장으로 임명했다고 4일 밝혔다. 기후물리연구단 단장인 티머먼 교수는 독일계 과학자로 막스플랑크 기상학연구소를 거쳐 하와이대 해양학 교수로 재직 중이며 해양기후학 분야에서 대표적인 석학이다. 지난해에는 12만5000여년 전 기후변화를 추적해 초기 인류의 이동경로를 밝힌 연구를 세계적인 과학저널 ‘네이처’에 발표해 학계는 물론 대중들의 주목을 받은바 있다. 티머먼 단장은 엘니뇨 상호작용과 기후변동, 고(古)기후역학 등을 중점 연구하면서 기후에 영향을 미치는 다양한 요소들을 고려해 모델을 만들고 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션을 통해 과거, 현재 그리고 미래의 기후변화에 대한 종합적 연구를 할 계획이다. 양자나노과학연구단 단장으로 임명된 하인리히 교수도 독일계 과학자로 지난해 이화여대에 임용되기 전까지 IBM 알마덴 연구소에서 20여년간 고체물리학과 광학연구를 해왔다. 특히 주사터널링현미경(Scanning Tunneling Microscope·STM) 분야 최고 권위자로 알려져 있다. STM은 전자의 양자역학적 성질을 이용해 물질 표면의 이미지를 원자 수준까지 확보할 수 있는 장비다. 수평 방향으로는 0.1㎚(나노미터), 수직으로는 0.01㎚ 가량의 고해상도를 보이기 때문에 원자를 하나씩 보거나 움직이게 할 수도 있다. 하인리히 단장은 2013년 구리 기판 위 일산화탄소 분자들을 하나씩 옮겨 만든 스톱모션 애니메이션 ‘소년과 그의 원자’라는 작품으로 칸 국제광고제 황금사자상을 받고 기네스북에 세계에서 가장 작은 영화로 이름을 올리기도 했다. 하인리히 단장은 원자 단위의 양자적 특성을 연구해 양자컴퓨팅의 정보 기본단위인 큐비트의 원자 수준 제어를 목표로 연구할 예정이다. 양자컴퓨터는 현재 있는 슈퍼컴퓨터로도 1000년이 걸리는 계산을 양자 알고리즘을 이용해 4분 만에 답을 낼 수 있는 미래형 컴퓨터로 구글은 물론 MS 등에서도 양자컴퓨터 개발을 위해 인력과 자금을 대거 투입하고 있는 상황이다. 김두철 IBS 원장은 “이번에 새로 만든 신규 연구단은 사회적, 경제적 파급효과가 큰 기초과학을 연구하게 될 것이며 연구단을 이끄는 과학자들도 독창적 연구로 세계적인 명성을 얻고 있는 최고 수준의 학자들”이라며 “한국의 기초과학이 새로운 지식의 영역을 개척하고 전 지구적 이슈에 대응하는데도 큰 역할을 하게 될 것”이라고 말했다. 한편 이번 2개의 연구단이 신설되면서 IBS는 총 28개의 연구단을 갖추게 됐고 이 중 외국인 연구단장은 10명(한국계 4명 포함)으로 늘었다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

쇼클리 반도체 연구소 연구원인 고든 무어는 1965년 “1년 6개월마다 하나의 반도체 칩에 들어가는 트랜지스터 수가 2배씩 증가한다.”고 발표했다. 반세기 넘게 전 세계 물리학계와 정보기술(IT)업계를 지배했던 이른바 ‘무어의 법칙’(메모리 성장론)의 탄생이었다. 트랜지스터 수가 2배씩 늘어난다는 것은 정보의 집적도가 그만큼 높아진다는 뜻으로, 더 작고 성능 좋은 반도체를 만들 수 있다는 것이다. 무어는 로버트 노이스, 앤디 그로브와 함께 1968년 인텔을 창업했고, 스스로 반도체의 역사를 이끌었다. 무어의 법칙에 가장 강력하게 도전했던 사람은 황창규 지식경제부 연구개발(R&D)전략기획단장이었다. 그는 삼성전자를 이끌던 2002년 2월 미국 샌프란시스코에서 열린 국제반도체회로학술회의(ISSCC) 총회 기조연설에서 “반도체 집적도는 1년에 2배씩 증가한다.”고 주장했다. ‘메모리 신성장론’ 또는 ‘황의 법칙’으로 불리는 이 주장은 기술의 가능성을 지나치게 높게 본다는 비판을 받았지만 삼성전자를 비롯한 전 세계 반도체업체들의 치열한 기술 경쟁 덕분에 10년 가까이 이어지고 있다. ●원자 단 12개로 1비트 저장 ‘무어의 법칙’과 ‘황의 법칙’은 언젠가는 한계에 도달할 수밖에 없는 운명이었다. 무한정 작아질 수는 없기 때문이다. 나노 단위까지 작아진 반도체 기술은 더 이상 작아질 수 없는 장벽 앞에 서 있다. 실리콘을 이용한 현재의 반도체 원리는 집적도를 일정 수준 이상 높일 경우 반도체라는 특성 자체에 손상을 입힐 수 있기 때문이다. 나노 단위로 작아진 물질은 원래의 성질과는 다른 양상을 보인다. 이 같은 차이는 신소재 등 일부 분야에서는 새로운 기회가 되지만, 특성을 그대로 이용하던 분야에서는 치명적인 약점이 된다. 이 때문에 학계와 기업들은 미래의 반도체에 대한 새로운 방식의 연구에 막대한 비용을 투자해왔다. ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀이 현재 가장 각광받는 연구 분야인 것도 반도체의 미래로 유력하게 꼽히기 때문이다. 기술이 항상 단계를 거쳐 발전하는 것은 아니다. ‘콜럼버스의 달걀’처럼 획기적인 발상은 때로는 문제를 보는 시각 자체를 바꾸고 한 분야의 패러다임을 전환하는 계기가 된다. 과학저널 ‘사이언스’ 최신호에 게재된 IBM 앨머데인연구소의 데이터 저장기술이 전 세계 물리학계와 반도체업계를 흔들고 있다. 18개월마다 2배의 집적도를 가진 반도체를 만드는 데 매달려 온 과학자들의 노력을 허무하게 만들 정도로 혁신적이기 때문이다. 안드레아스 하인리히 박사가 이끄는 연구팀은 절대온도(영하 273도)에 가까운 아주 낮은 환경에서 6개씩 2줄로 묶인 철(Fe) 원자 12개로 기본 저장 장치인 ‘반강자성체’를 만들었다. 현재의 데이터 저장 기술은 강자성체에 초점이 맞춰져 있다. 강자성체는 원자의 회전이 정렬되거나 같은 방향으로 진행되면서 신호를 만들어내는 원리다. 반면 연구팀이 이용한 반강자성체는 원자들이 반대 방향으로 회전하면서 데이터의 기본 단위인 1비트(bit)를 저장할 수 있다. 원자들의 회전 방향을 바꾸는 방식으로 디지털 신호인 0 또는 1을 표시하는 것이 가능하다. 사이언스는 “현재의 하드디스크(HDD) 형태에 1비트를 저장하기 위해서는 최소 100만 개 이상의 원자가 필요했지만, IBM의 연구 결과는 단 12개의 원자로 이 역할을 대신할 수 있다는 것”이라고 설명했다. 하인리히 박사는 “이 기술을 적용한 장치는 기존의 하드디스크 크기에 100테라바이트(TB) 이상의 정보를 담을 수 있다.”고 밝혔다. ●무어·황의 법칙 무력화 이는 집적도가 현재의 최신 기술보다 최소 100배 이상 높아지는 수준으로 무어의 법칙이 더 이상 유효하지 않다는 뜻이기도 하다. 연구팀은 주사터널링현미경을 이용해 원자가 배열된 모습은 물론 정보 처리 과정에서 방향을 바꾸는 모습까지 찍는 데 성공했다. IBM 측은 “이번 연구는 해당 연구실을 처음으로 설립하고, 실리콘 반도체를 대체할 미래의 반도체를 연구하는 데 평생을 바친 돈 아이글러 박사의 노력의 결과물”이라고 밝혔다. 아이글러 박사는 최근 연구소를 은퇴했지만 이번 사이언스 논문에 공동 저자로 이름을 올렸다. 허핑턴포스트는 “전통적인 반도체의 시대가 끝났다.”고 선언했다. 그러나 이번 연구 결과가 어떤 데이터 저장 장치로 발전할지는 아직 확실치 않다. 연구팀은 “현재와 같은 형태의 하드디스크를 만드는 방향과 새로운 형태의 메모리를 만드는 방법 모두 고려하고 있다.”고 밝혔다. 일각에서는 핵심 차세대 메모리인 ‘STT-M램’ 등 현재의 D램을 대체할 미래 기술의 발전을 이끌 것이라는 시각도 있다. 상용화까지는 최소 5년에서 10년 정도의 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 현실적으로 해결해야 할 과제가 있기 때문이다. 이번 연구는 모든 물질의 활동이 거의 정지 상태에 가깝게 되는 절대 온도 근처에서 진행됐다. 실제로 연구팀은 온도가 5도만 올라가도 저장 장치로서의 기능을 상실한다고 밝히고 있다. 또 저장을 하더라도 이를 읽어낼 하드디스크나 레코드판의 ‘바늘’ 역할을 할 장치도 마련해야 한다. 박건형기자 kitsch@seoul.co.kr

발길 닿지 않는 곳에 길을 내며 가는 것 만큼 외롭고 힘겨운 일은 없다. 하지만 자유롭게 선택하고 도전할 수 있기에 나만의 소중한 길이 되는 법이다. 국양(54) 서울대 연구처장(물리학부 교수)은 우리나라 나노 과학계의 ‘길’ 같은 존재다. 미개척 영역이었던 나노기술 분야에서 독보적인 연구 성과를 내놓으며 세계 나노 과학을 선도하는 연구자로 인정 받는다. 나노기술은 나노미터(1m를 10억개로 나눈 길이) 수준에서 물체들을 만들고 조작하는 기술, 물질의 크기가 작아짐으로써 얻을 수 있는 정보 저장 및 처리의 극대화를 이용하는 기술이다. 지난달에는 교육인적자원부와 한국학술진흥재단이 선정한 ‘2006 국가석학(Star Faculty)’ 10명 중 한 사람으로 선정됐다. ●눈으로 원자 볼 수 있는 현미경 개발 지금의 국 교수를 있게 한 결정적 연구 성과는 주사터널링현미경(STM)의 개발이다. 그동안 눈으로 볼 수 없었던 실리콘이나 철ㆍ구리 등 금속의 원자를 들여다 볼 수 있게 해줘 나노기술을 한 단계 끌어올린 쾌거로 평가받는다.STM은 손의 역할을 하는 특수한 침을 이용해 원자의 표면을 읽어낸다. 그가 STM과 인연을 맺게 된 것은 벨연구소 연구원 시절인 1982년. 국 교수는 이미 STM 개발 아이디어를 갖고 있었다. 그러던 차에 IBM연구소의 물리학자 하인리히 로러를 만났고, 그가 같은 아이디어를 공개하자 ‘이거다.’라는 생각을 굳혔다. 84년 국 교수는 STM을 개발, 반도체 재료인 실리콘의 표면을 눈으로 확인해 세상을 놀라게 한다. 세계에서 네 번째 쾌거였다. 이후 그는 나노 연구 분야에 매진하며 속속 업적을 발표했다. 최근에는 ‘나노튜브’ 속에 풀러린 분자(fullerene:탄소원자 82개가 축구공처럼 결합된 분자)를 삽입하면 반도체 소자로 기능할 수 있음을 밝힌 논문이 ‘네이처’에 게재됐다. ●완전히 새로운 저장·처리 개념 연구할 것 국 교수는 앞으로의 나노기술은 완전히 다른 패러다임에서 접근하지 않으면 한계에 직면할 것이라고 경고했다.“현재의 반도체 메모리 저장 논리는 ‘평면’에서 이뤄지죠. 모두 평면 소자예요. 메모리 양이 기하급수적으로 늘어날 텐데 더 이상 평면에 집착해서는 집적도를 향상시킬 수 없죠.” 특히 그는 반도체의 정보처리 방식도 완전히 새로 찾아야 한다고 지적했다.“인간의 뇌를 보세요. 뇌의 기억 방식은 평면상에서만 이뤄지지 않습니다. 메모리와 처리장치 모두 나노 수준에서 이뤄지는데, 반도체 등 현행 IT 기술의 기억·처리 방법과는 달리 다차원적이에요.” 국 교수는 20∼30년 뒤엔 모든 정보의 저장과 처리가 나노수준에서 생체의 그것과 같은 방식으로 이뤄질 것으로 예견했다. 원자의 전기적 특성을 이용한 나노기술이 지금의 한계를 극복해 줄 수 있다는 설명도 덧붙였다. 그의 향후 연구도 이와 궤를 같이 한다. 국 교수는 “생체의 기억 논리, 에너지 전환 방식과 현재 IT기술 방식과의 간극을 좁히면 새로운 결과물이 나올 것”으로 기대했다. 구체적으로는 초전도체의 기본원리 파악 문제, 빛 또는 전자로 분자에 에너지를 주었을 때 분자에서 일어나는 상전이 문제, 전도체의 전도 현상 중 전자의 회전 문제 등을 새로운 시각으로 접근할 계획이다. ●“나노 기술의 발전 위해 기다릴 줄 아는 지혜를 가져야” 인터뷰 도중 그는 갑자기 왕(Wang)이라는 중국인 얘기를 꺼냈다.80년 그가 컴퓨터 회사를 차렸지만 시대를 앞서가는 바람에 이내 망했다는 것.“왕이란 사람이 ‘모든 서류나 문서를 이미지 형태로 저장하는 종이없는 사무실을 만들 수 있다.’고 주장했죠. 당시엔 모두 비웃었지만,20여년 뒤 현실이 됐습니다.” 국 교수는 나노기술도 마찬가지 결과로 나타날 수 있다고 강조했다.“나노 기술은 너무도 중요한데 그것을 너무 앞서서 열매를 보려고 기대하고, 사회가 강제로 밀어붙이려 하고 있어요. 조급하게 열매를 기다리면 꽃을 피우기 전에 죽고 말죠.” ●조급한 성과 위주 지원은 선진 과학국 진입 걸림돌 국 교수는 특히 정부와 기업의 성급한 기대가 문제라고 지적했다. 그는 “현재 기술의 연장선상에 있음에도 새로운 나노라고 세일즈하며 성과주의에 매몰돼 있다.”면서 “7살 어린아이들에게 빨리 애 낳으라고 독촉하는 꼴”이라고 꼬집었다. 그는 단추에서 지퍼로의 획기적 발명을 예로 들며 “진짜 새로운 과학적 성과는 한 발짝이 아닌 열 발짝 이상 나아가는 것”이라면서 “정부도 긴 안목을 갖고 단순 업적보다 미래 기술을 선도할 상상력과 창의력 위주로 평가, 지원해야 한다.”고 조언했다. 국 교수는 학생들이 진지한 학문적 자세를 잃는 세태도 아쉬워했다.“학문을 출세와 돈벌이를 위한 ‘사다리’로 여기는 것이죠. 세상을 목적 지향적으로 바라보는 시각이 싫어요. 학문 자체를 즐거워하면 새로운 것이 나오고 그릇도 커지는 걸 왜 모를까요.” ■ 국양 교수는 1953년 서울에서 태어났으며 71년 서울대 물리학과에 입학, 석사 과정을 마친 뒤 78년 미국 펜실베이니아주립대로 유학을 떠났다.81년 박사 학위를 받았고,91년까지 10년간 AT&T 벨연구소에서 연구원으로 활동했다.91년 “하고 싶은 연구를 통해 세상을 깜짝 놀랄 역작을 만들겠다.”는 생각으로 서울대 교수로 자리를 옮겨 나노 기술 연구에 매진하고 있다. 글 이영표 사진 류재림기자 tomcat@seoul.co.kr