물리학과

미시 세계의 물체들이 이동할 수 있는 새로운 형태의 운동 원리가 최초로 밝혀졌다. 앞으로 미세한 크기의 로봇을 만드는 등 다양한 연구 분야에서 활용될 것으로 기대된다. UNIST(총장 이용훈) 물리학과 정준우 교수팀은 액정이라는 물질 안에서는 주기적으로 크기를 바꾸는 것만으로도 물체들이 한 방향으로 나아갈 수 있다는 사실을 발견했다. 이 현상의 원인을 설명할 이론 모형도 함께 제시했다. 대칭을 이루는 공 모양인 공기 방울은 모든 방향으로 일정하게 커지거나 줄어들어 그 중심이 움직일 수 없다. 하지만 액정에 들어있는 공기 방울은 그 움직임이 달랐다. 각종 디스플레이에 널리 사용되는 액정은 액체처럼 흐르지만, 고체처럼 정렬된 구조를 지닌다. 연구팀은 머리카락 굵기 정도의 지름을 가지는 공기 방울을 액정에 넣고 압력을 조절했다. 풍선에 바람을 넣었다 뺐다 하는 것처럼 공기 방울의 크기를 주기적으로 변형시켰다. 공기 방울의 크기에 변화를 주니 물리학의 법칙을 무시하듯 한 방향으로 움직였다. 물 안에서는 크기가 변해도 한 방향으로 나아갈 수 없는 것과는 대조적이다. 그림1. 네마틱 액정에 분산된 미세 공기 방울의 수영 연구팀은 이런 현상을 물리학적으로 설명했다. 액정은 공기 방울 옆에서 구조가 흐트러지며 위상 결점이라는 특별한 구조를 만든다. 결점이 공기 방울의 어느 한쪽 부분에서만 만들어지기 때문에, 방울의 대칭적인 모양에도 불구하고 한 방향으로 더 큰 힘을 받을 수 있다. 크기가 변하는 방울은 액정을 밀거나 당기면서 액정의 구조를 흐트러뜨린다. 이 현상으로 방울이 커질 때와 작아질 때 서로 다른 크기의 힘이 방울에 전해진다. 방울이 커졌다 작아졌다 주기를 거듭할수록 한쪽으로 이동하게 되는 것이다. 제1 저자 김성조 연구원은 "대칭적인 물체가 대칭적인 움직임을 반복하는 것만으로도 한 방향으로 움직일 수 있다는 것을 최초로 관찰한 것”이라고 강조하며, "액정을 넘어선 다양한 종류의 복잡 유체에도 같은 원리를 적용할 수 있을 것”이라고 설명했다. 그림2. 액정 배열의 변화와 아령 모델 정준우 교수는 “시공간의 대칭성 깨짐이 미시 세계에서의 운동에서 큰 역할을 한다는 것을 보여준 흥미로운 결과로, 미세한 크기의 로봇을 만드는 연구에도 유용할 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 세계적 권위의 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 2월 9일 온라인 게재됐다. 연구수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 기초과학연구원(IBS), 슬로베니아 연구재단(ARRS)의 지원을 받아서 이뤄졌다.

물리학과 윤훈한 동문이 GIST(광주과학기술원) 전기전자컴퓨터공학부 반도체공학과 교수로 임용됐다. 윤훈한 동문은 2010년 UNIST 전기전자컴퓨터공학부에 입학해 학사학위를 받은 뒤 자연과학부 물리학과 박기복 교수 연구실에서 지난 2020년 박사학위를 받았다. 핀란드 알토대학교 박사후 연구원, 삼성전자 파운드리사업부 책임연구원 등을 거쳐 지난해 12월 GIST 교수로 부임했다. 윤훈한 동문은 서면 인터뷰에서 박사학위 지도교수였던 박기복 교수와 UNIST에 대한 감사를 전했다. 또 후배들에게는 다학제 협력 연구의 중요성을 강조하고, 조급함을 갖지 않기를 주문했다. 독자적인 연구로 학계에 영감을 주고 싶다는 포부를 밝힌 윤훈한 동문을 1문 1답으로 만나봤다. Q. 자기 소개를 부탁드립니다. 안녕하세요. 광주과학기술원 전기전자컴퓨터공학부 반도체공학과 조교수로 임용된 윤훈한입니다. 저는 2010년 UNIST에 입학하여 전자전기컴퓨터공학부 소자물리를 주전공으로 2013년 졸업했고, 자연과학부 물리학과에서 2020년 박사학위를 받았습니다. 졸업 후 핀란드 알토대학교 전자및나노공학과 및 핀란드학술원 펠로우 박사후연구원, 삼성전자 파운드리사업부 책임연구원을 거쳐 2023년 광주과학기술원 전기전자컴퓨터공학부 반도체공학과에 임용됐습니다. Q. 임용 소감을 한 말씀 해주신다면? 먼저 학부 및 대학원 전 기간에 걸쳐 거의 10년 가까이 저를 지도해주신 물리학과 박기복 교수님께 깊은 감사의 인사를 드리고 싶습니다. 교수님께서 항상 밝은 미소로 부족한 점이 많은 저를 세심하게 이끌어주신 덕택에 저는 제 장점을 강화하고 단점을 보완하면서 뜻깊은 시간을 보낼 수 있었습니다. 교수님의 진심 어린 조언과 꼼꼼한 지도가 없었다면 지금의 제가 없었을 것입니다. UNIST에서 수업, 공동연구, 논문심사, 연구 및 행정 지원 등 이루 나열할 수 없을 정도로 많은 분께 가르침과 도움을 받았습니다. 제 인생의 거의 3분의 1 정도를 UNIST와 함께 해오면서 UNIST의 눈부신 발전을 직접 목격할 수 있었는데요, 제 자신도 동반성장 하면서 진정한 질적 연구의 즐거움을 깨닫고 큰 학문적 성취감을 느낄 수 있었습니다. 학비 걱정 없이 지속적으로 학문적 흥미를 불러일으키는 좋은 환경에서 공부할 수 있었던 덕택이라 생각합니다. 또 UNIST에서 참여한 여러 학생 및 동아리 활동 덕분에 대학생활이 즐거운 추억으로 가득 찰 수 있었고 이를 통해 세상을 바라보는 눈을 달리할 수 있었습니다. UNIST의 발전과 학생 복지를 위해 노력해주신 교직원 및 관계자 모든 분들께 진심으로 감사드립니다. 그동안 UNIST를 통해 받아온 만큼 앞으로 제가 가진 역량을 십분 발휘하도록 최선을 다하겠습니다. 교육자로서 모범이 되고 연구자로서 인류의 삶에 공헌할 수 있는 과학기술을 추구하며 우리 사회에 이바지하도록 하겠습니다. 박기복 교수(좌단)와 함께한 윤훈한 박사(중앙) Q. 교수님의 연구 분야를 소개해주세요. 간단하게 인공지능 반도체와 양자 컴퓨팅 하드웨어를 위한 반도체 소자 연구로 요약할 수 있습니다. 우리는 하이퍼 무어의 법칙 속 새로운 시대에 살고 있습니다. 소자 구조 크기를 줄이거나 트랜지스터 수를 늘리는 전통적인 접근 방식을 넘어 주어진 설치 공간 내에서 정보 밀도, 데이터 처리 용량, 에너지 효율을 모두 높여야 하는 반도체 기술이 필요한 시대입니다. 이에 맞춰 저희 연구실은 최첨단 실리콘 반도체 기술을 넘어서는 소자 연구에 중점을 두고 있습니다. 인공지능 반도체와 양자 컴퓨팅 하드웨어에 적용될 수 있는 저희 소자의 제조 공정을 CMOS 공정 내에 통합하는 원천 기술을 개발하고 이를 통해 모놀리식 칩, 즉 하나의 기판 내에 회로 간 모든 소자가 상호 접속 부분을 형성한 단일 반도체 집적 회로 칩을 구현하는 것이 궁극적 목표입니다.다양한 양자 물질들의 물성과 물질들 간 접합 계면에서 발현되는 독특한 현상을 탐구하고, 이를 기반으로 한 소자의 제작 및 특성화 그리고 실제 응용 연구를 하게 됩니다. 세부적인 연구 분야는 크게 4가지: 인공지능 센서 (초소형 분광기, 광자 증폭 광 검출기, 열 복사파 및 비냉각 적외선 감지기), 모어 댄 무어 소자 (위상 절연 유전체, 다진법 논리 게이트, 광전자 시냅스 소자), 전자 양자 광학 (양자점 접촉, 탄도 전하 수송 및 궤적 제어, 초격자 시준기, 전자 간섭계), 양자 상전이 (반데르발스 조셉슨 접합, 손대칭 전하 밀도 파동 및 표면 근접 효과, 마요라나 페르미온)입니다. 이들 기술은 자율주행 (인공지능 알고리즘 기반 데이터 처리 및 분석 기능 내장 센서), 빅데이터 (빛의 속도로 인코딩되는 다진법 논리 게이트), 초연결 (칩 내 및 칩 간 광전자 네트워크), 하이브리드 큐비트 플랫폼 (전자 간섭계와 혼합된 초전도 접합) 분야에 핵심 기술을 제공할 수 있습니다. 더 자세한 내용은 양자 물질 계면 및 나노 소자 연구실 홈페이지를 통해 확인하실 수 있습니다. (https://sites.google.com/view/q-mind-lab) Q.학문적 또는 전문적인 성장을 위해 후배들에게 해주실 조언이 있나요? 첫째, “빨리 가려면 혼자 가고, 멀리 가려면 함께 가라”는 말을 기억하고 학제의 경계를 넘어 여러 분야를 아우르며 교류하고 소통하시길 바랍니다. 각자 분야에서 뛰어난 서로가 자신을 낮추고 다른 이를 존중하면서 긴밀한 협업을 거치면 훨씬 더 나은 결과를 도출될 수 있음을 꼭 경험해보세요. 혼자서 해결하지 못하는 일이 닥치면 주변 사람들의 조언과 도움을 구하여 필요할 경우 함께 해결할 수 있는 방향을 모색하시기 바랍니다. 또한 도움 받은 것을 잊지 않고 감사한 마음을 전하며 더 크게 보답하여 협력적인 관계를 유지한다면 주변의 응원과 협조를 얻는 기회가 많아지고 혼자서는 해내지 못할 일들을 해내실 수 있습니다. 또한, 학업과 연구에 몰입하는 선후배 및 동기 친구들을 가까이 하시기 바랍니다. 그 분들의 방식을 맹신하시거나 무작정 따라하실 필요는 없지만 자신에게 부족하거나 아쉬운 점을 발견하게 해줄 귀한 스승이 되어 줄 것입니다. 둘째, 우수한 성과를 얻고 있는 선후배 및 동기 친구들을 부러워하거나 스스로 조급해하지 마세요. 세계를 무대로 경쟁자는 수도 없이 많기 때문에 어차피 누군가는 잘 될텐데 내가 모르는 사람보다 아는 사람이 잘 되는 것이 내 자신에게도 더 좋은 일이더라고요. 그러니 부러워 말고 기쁘게 박수를 쳐주세요. 꽃피는 시기가 저마다 다르니 내 꽃을 피워낼 토양을 마련하는데 온전히 집중하시길 바랍니다. 지나고 보면 의외로 사소한 요소들이 모여 큰 역량 차이를 만들기 때문에 다시는 돌아오지 않을 배움의 시간이 가장 소중하게 느껴집니다. 셋째, 창의성과 도전정신을 함양할 수 있는 다양한 경험을 해보시길 권장드립니다. 학문의 개념적 틀을 잘 정립할 수 있도록 학업을 게을리 하면 안 되지만 연구를 위한 통찰력과 원동력은 학문 외적 요소를 통해 발현되는 경우가 많았던 것 같습니다. 넷째, 순간적인 대응력이 부족할지언정 항상 여유를 갖고 유연하게 대처해야 합니다. 대학 입시를 거치면서 문제를 빨리 풀고 상황에 빨리 대응하는 것에 익숙하지만 연구는 이와 달라서 문제 상황에 적합한 최선의 대응 방식이 항상 다변화합니다. 동일한 방법을 고수하기보다는 새롭고 다양한 방법을 모색하는 것이 예상치 못한 발견으로 이어질 수 있습니다. 한 발짝 물러나서 적재적소에 필요한 역할을 고민하고 맡은 바 책임을 다해 확실히 마무리 짓다 보면 과학적 우연의 산물이 나에게 찾아올 때를 경험하실 수 있습니다. 다섯째, 실패가 성장의 기회와 발전의 촉매로 작용할 수 있습니다. 실패는 선택이 아니라 필수라는 말처럼 논문을 투고하거나, 연구 제안서를 제출하거나, 구직 면접을 보는 여러 과정 속에서 수많은 실패를 경험합니다. 익숙해지기 쉽지 않지만 순간적인 어려움에 직면하더라도 부지기수의 도전과 실패를 겪더라도 이를 기꺼이 받아들이세요. 대신 무작정 버티는 것은 능사가 아니니 인내와 끈기를 현명하게 발휘하시길 바랍니다. 실패를 바탕으로 자신을 더 갈고 닦다 보면 나중에 실패한 이유를 불현듯 깨닫게 될 때가 많습니다. 부단히 노력한다면 반드시 더 나은 결과를 창출해내실 수 있을 겁니다. 여섯째, 학업과 연구에 전념하신다면 그에 걸맞은 내 자리가 있다고 확신하시기 바랍니다. 그리고 그 확신을 필연으로 바꾸기 위한 노력을 게을리하지 마세요. 살면서 겪는 수많은 우연들이 필연적인 조건으로 작용하는 순간을 경험하실 것이라 믿습니다. 바로 저처럼요. 마지막으로, 지금 이 순간을 즐기세요. 저로서는 UNIST 선후배 및 동기 친구들과 밤새 열띤 토론을 벌이고 함께 고민하면서 다양한 생각을 받아들이는 일련의 경험들 자체가 큰 배움의 과정이었습니다. 파도가 바위를 깎는 것처럼 UNIST에서의 일상과 습관의 흐름은 거대한 파도가 되어 저를 조각해왔고 UNIST에 대한 주인의식도 갖게 되었습니다. UNIST에서 보낸 시간은 저에게 잊지 못할 추억이고 UNIST에서 보낸 시간이었기에 정말 행복했습니다. 여러분도 지금 그 행복을 만끽하세요! Q. 앞으로의 계획이나 장기적인 목표 등에 대해 한 말씀 부탁드립니다. 임용 직후이다보니 당장 제가 가장 신경을 쓰고 있는 것은 초창기 연구실로서의 기반 마련입니다. 2017년 3월 과학동아에 "꿈의 연구실에서 만든 꿈의 다이오드"라는 제목의 기사를 통해 제 학위과정 연구실이 소개된 적 있습니다. 지도교수님이신 박기복 교수님께서 조성해주신 연구 환경과 연구실 분위기는 정말 이상적이었기에 이를 본받아 제 학생들에게도 그러한 경험을 선사할 수 있는 지도교수가 되는 것이 현재 최우선 목표입니다. 또한 교수님께서 저를 학부연구생으로 연구실을 구축하는 과정에 참여할 수 있도록 배려해주신 덕택에 아이디어를 직접 실험적으로 구현할 수 있는 능력을 기를 수 있었는데요. UNIST에서의 이러한 배움의 기반이 핀란드 알토대학교에서 재능과 열정이 넘치는 연구자들과의 공동연구 과정에서 큰 밑거름이 되었고, 운이 좋게도 최고 권위의 과학 저널인 사이언스(Science) 지에 논문을 출판할 수 있었습니다. 앞으로 이에 준하는 훌륭한 연구성과를 더 달성해내는 것이 중장기적인 목표이고, 언젠가 제 연구실에서 오롯이 주도한 연구가 많은 분들에게 영감을 드릴 수 있도록 하는 것이 최종 목표입니다.

빛이나 적외선과 같은 테라헤르츠(THz) 전자기파를 3만 배 이상 증폭시킬 수 있는 기술이 개발됐다. 물리 모델을 바탕으로 인공지능(AI)과 결합한 이 기술은 6G 통신용 주파수의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. UNIST(총장 이용훈) 물리학과 박형렬 교수팀은 미국 테네시대학교 이준수 교수팀, 미국 오크리지 국립 연구소 윤미나 교수팀과 함께 6G 통신용 THz 나노공진기의 최적화 기술을 개발했다. 슈퍼컴퓨터로도 오래 걸리던 작업을 물리 이론 모델 기반의 AI 학습으로 개인 컴퓨터에서도 쉽게 설계 가능하도록 만들었다. 연구팀은 THz 전자기파 투과 실험으로 새로 개발한 나노공진기의 효율을 분석했다. 일반 전자기파가 만드는 전기장과 비교했을 때, 3만 배 이상 증폭된 전기장을 발생시킬 수 있었다. 이는 지금까지 학계에 보고된 THz 나노공진기에 비해 300% 이상 효율이 향상된 결과다. 지금까지는 광 시뮬레이션과 AI를 합해 최적의 설계법을 찾아내는 ‘AI 역설계 기술’이 사용됐다. 주로 가시광이나 적외선 영역에서 작동하는 광소자를 설계했다. 그림1. 본 연구의 인공지능 역설계 방법 개략도 박형렬 교수는 “AI 역설계 기술에선 파장의 십분의 일이나 백분의 일 크기의 광소자 구조를 주로 설계했다”며 “하지만 6G 통신의 주파수인 0.075~0.3 THz 영역의 파장에 비해 백만분의 일 만큼 작아 적용이 어려웠다”고 덧붙였다. 6G 주파수에 작동하는 나노공진기를 설계할 경우 고성능 컴퓨터를 이용해도 한 번의 시뮬레이션을 위해 수십 시간이 소요된다. 즉, 기존에 알려진 역설계 방법을 이용해 하나의 소자를 최적화하려면 수백 년의 시간이 소요될 수 있다. 그림2. 역설계를 통한 최적 소자와 최적화 되지 않은 소자의 비교 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 물리학 이론 모델을 이용해 AI 역설계 방법과 결합해 THz 영역의 나노공진기를 새로 설계했다. 개인용 컴퓨터 사양으로도 40시간 이내에 소자를 최적화할 수 있었다. 제 1저자 이형택 연구원은 “이번 연구를 통해 최적화된 나노공진기는 초정밀 검출기뿐만 아니라 극미량 분자 감지 센서, 볼로미터 연구 등에도 활용될 수 있다”며 “연구에 적용된 방법론은 특정 나노 구조물에만 국한되지 않으며 여러 파장이나 구조의 물리 이론 모델 함께 다양한 연구에 활용될 수 있다”고 설명했다. 박형렬 물리학과 교수는 “이번 연구의 핵심은 물리 현상을 이해해 AI를 이용한 기술의 효율을 향상시킨 것이다”며 “AI가 모든 문제를 해결해 줄 수 있을 것 같지만 물리 현상을 먼저 잘 이해하는 것이 여전히 중요하다”고 덧붙였다. 그림3. 제작된 소자의 광학 현미경 및 전자 현미경 이미지들 이번 연구는 세계적 권위의 국제학술지인 나노 레터스(Nano Letters)에 12월 7일 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 정보통신기획평가원의 글로벌 핵심인재 양성사업, 대학ICT연구센터지원사업(IITP), 울산과학기술원 A.I. 보급 및 확산 지원사업의 지원을 받아서 이뤄졌다.

세계 최고 출력 레이저보다 더 강력한 레이저를 만들 수 있는 방법을 찾았다. 레이저 핵융합 연구에 적용해 에너지 관련 문제를 해결하거나 첨단 이론 물리학의 예측을 실험적으로 증명하는데 활용하는 등 다양한 분야에 사용될 것으로 기대된다. UNIST(총장 이용훈) 물리학과 허민섭 교수팀, GIST (총장 임기철) 석희용 교수팀, 영국 스트라스클라이드(Strathclyde) 대학의 야로스진스키(Jaroszynski) 교수팀은 공동 연구를 통해 기존보다 1,000배 이상 강력한 레이저 펄스를 만들 수 있는 아이디어를 제시하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이를 증명했다. UNIST의 허민섭 교수는 “이번 연구는 2018년 노벨 물리학상을 수상한 모로우(Mourou) 교수의 아이디어가 가진 한계를 극복할 수 있는 방법을 제시한 연구로서 최첨단 천체물리학 등의 기초 과학은 물론, 반도체 리소그라피나 레이저 핵융합과 같은 산업 및 에너지 연구에도 활용 가능할 것”이라고 강조했다. 1985년 모로우 교수가 발명한 처프 펄스 증폭 (CPA, Chirped-pulse amplification) 기술은 레이저 세기를 비약적으로 증가시킬 수 있는 기술이다. 현재는 이를 활용해 수 페타와트(1,000조 와트)까지 레이저 출력이 가능하다. 지구 표면 전체에 도달하는 태양 빛의 출력이 수십 페타와트 정도임을 생각한다면 페타와트 레이저가 얼마나 강력한 것인지 알 수 있다. 하지만 과학계에선 그보다 1,000배 이상 강력한 엑사와트 또는 그보다 더 강력한 제타와트의 필요성 이야기하고 있다. 지표면에 도달하는 태양 빛의 출력과 맞먹을 만큼의 초고출력의 레이저가 가능한 것은 에너지를 마이크론(0.001 mm) 크기의 좁은 공간에 집중시킴과 동시에 에너지를 시간적으로도 압축해 펨토초(10-15초)의 극히 짧은 펄스로 만들기 때문이다. 하지만 레이저의 에너지가 일정 크기 이상 커지면 압축에 사용되는 ‘회절 거울’이 파손된다. 페타와트 레이저를 얻기 위한 회절 거울은 크기가 1m 정도다. 이와 비례해 엑사와트 이상의 레이저를 얻기 위해선 수백미터 크기의 회절 거울이 필요한데, 사실상 제작이 불가능하다. 연구팀은 회절 거울 대신 플라즈마를 사용해 레이저 펄스의 압축 문제를 해결했다. 플라즈마는 번개의 섬광과 같이 높은 온도에서 전자와 이온으로 분리된 기체 상태를 말한다. 이온화된 상태인 플라즈마는 이미 손상된 물질이기 때문에 아무리 강한 레이저를 넣어도 더 이상의 손상이 생기지 않는다. 광학적으로 빛을 분산시키는 성질 또한 가지고 있다. 즉, 플라즈마를 회절 거울과 같은 방식으로 활용하면 훨씬 더 강한 레이저 펄스로 압축할 수 있게 된다. 그림1. 플라즈마를 이용한 레이저 펄스 압축 GIST의 석희용 교수는 “플라즈마는 기존의 회절 거울과 같은 역할을 할 수 있고 더 이상 손상이 되지 않는 물질이므로 기존 CPA 기술의 결점을 보완할 수 있다”며 “몇 센티미터 정도 크기의 플라즈마 만으로도 엑사와트 이상의 초강력 레이저에 활용될 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 스트라스클라이드 대학의 야로스진스키 교수는 “초고출력 레이저는 우주와 물질, 그리고 시공간의 성질에 관한 근본적인 질문에 대한 답을 찾을 수 있는 중요한 도구”라고 언급했다. 이번 연구결과는 최첨단 이론물리학과 천체물리학에서 예측하는 다양한 현상들을 실험실에서 구현하는 데 사용될 수 있을 것으로 보인다. 레이저 핵융합 연구에도 활용 가능해 인류가 직면한 에너지 문제를 해결하는 데에도 초석이 될 수 있을 것으로 기대된다. 세계적으로 저명한 학술지 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 11월 13일 온라인 게재됐고, 연구수행은 과학기술정보통신부/한국연구재단, UNIST반도체대학원의 산업혁신인재성장지원사업, UKRI/영국과학공학연구위원회의 지원으로 이뤄졌다.

UNIST·DGIST·POSTECH 컨소시엄이 과학기술정보통신부 주관 '2023년 정보통신방송혁신인재양성사업(ITRC)'의 ‘양자정보통신 부문’에 최종 선정됐다. 컨소시엄은 8년간 정부지원금 75억 원을 포함한 82.5억 원을 지원받아 첨단 양자 기술을 개발하고 석·박사급 고급 인재를 양성하게 된다. 컨소시엄은 지난 4일 UNIST에서 킥오프 미팅을 열고 구체적인 연구 방향 등을 조율했다. 연구단은 조기 상용화가 기대되는 ‘양자 기술 기반 의료·바이오·가스 센싱 분야’에 연구 역량을 집중한다. 이를 위해 물리학뿐만 아니라 의료, 생명, 전기·전자, 로봇공학 분야의 교원 10명이 뭉쳤다. UNIST에서는 김대식, 김제형, 박형렬, 남궁선, 손창희(이상 물리학), 양준모, 박정훈(이상 바이오메디컬공학), 이종원(전기전자공학) 교수가 참여한다. DGIST 한상윤(로봇공학) 교수, POSTECH 서준호(물리학) 교수도 힘을 보탠다. 주관기관인 UNIST는 양자센싱 융합기술 연구센터(Quantum Sensing Applications Center, QSAC)를 설립해 사업을 본격적으로 추진해 나갈 예정이다. 연구센터는 △고감도, 고분해능 의료 진단 양자 센싱 플랫폼 △바이오 물질 센싱을 위한 Quantum on a Chip 플랫폼 △양자광학 기반 가스센서 △양자 광원·검출기 소자 등을 개발한다. 사업 총괄 책임을 맡은 김대식 UNIST 물리학과 특훈교수는 “양자 센싱·이미징 기술은 정밀 계측, 차세대 라이다(LiDAR) 개발, 초정밀 분광 센싱 등과 같은 기존 측정 기술의 한계를 극복할 수 있는 기술”이라며 “국방 안보, 대기환경 이미징, 의료 이미징 등 다양한 미래 기술에 적용할 수 있어 원천기술 확보가 중요하다”라고 밝혔다. UNIST는 연 40명 규모의 양자 기술 분야 석·박사급 고급 인재도 양성한다. 학부생부터 시작하는 전주기적 인력양성을 위해 올해 3월부터 학부에 양자 마이크로 전공을 신설해 운영 중이다. UNIST에 구축 중인 양자펩 인프라와 IBM 양자컴퓨팅 클라우드(IBM Q) 서비스도 인재 육성에 적극적으로 활용할 계획이다. 실전문제 해결 능력과 자기주도성을 갖춘 인재 양성을 위해 과제당 연 1천만 원을 지원하는 ‘학생주도 창의자율과제’도 추진한다. 또 SK 에너지, i3systems, 코셈, 퀀텀 인텔리전스 등 협력 기관과 국내 저명 기업인의 특강도 마련된다. 김 교수는 “양자 분야 첨단 인재 양성은 양자 기술 개발과 더불어 가장 시급한 책무”라며 “전문성을 갖춘 인재를 양성해 국내 양자 기술 핵심 인력을 배출할 수 있도록 최선을 다할 것"이라고 말했다.

이종박막구조(Thin Film Heterostructure)란 두 가지 이상의 물질들이 박막 구조로 접합된 소재의 한 형태이다. 두 가지 이상의 물질들을 계면 결합을 통해 조합하는 뛰어난 조작성 때문에 물질의 새로운 기저상태를 발현시키거나 고성능·고효율 다기능성 소자를 구현하는 주요 소재 기술로 주목받고 있다. 울산대학교(총장 오연천) 반도체학과 김태헌 교수, UNIST(총장 이용훈) 물리학과 오윤석 교수, University of Science and Technology of China의 Lingfei Wang 교수, 아주대학교(총장 최기주) 물리학과 이형우 교수, 성균관대학교(총장 유지범) 물리학과 최우석 교수로 구성된 공동 연구팀은 극 섭동(Polar Perturbation)들이 산화물 이종박막구조의 새로운 기능성들을 구현하는 데 중요한 통제변수임을 제시했다. 1956년 노벨 물리학상을 수상한 John Bardeen, Walter Brattiain, William Shockley가 발명한 최초의 트랜지스터인 점-접촉식-트랜지스터는 진공관 대비 작은 크기, 저발열, 저전력 등의 장점을 가진다. 하지만, 산화물 박막을 활용한 금속-산화막-반도체-전계효과-트랜지스터(MOSFET) 개발 이후 더 작은 크기의 트랜지스터 소자가 구현돼 산업화가 가능해졌다. 그림1. 산화물 이종박막구조의 물리적 특성들에 영향을 미치거나 새로운 기능성을 구현하는 데 활용 가능한 극 섭동들(Polar Perturbations) MOSFET의 주요 구성 요소인 산화물 이종박막구조는 박막에서 나타나는 고유한 기능적 특성과 흥미로운 고체물리학적 특성으로 인해 전 세계적으로 많은 연구 및 개발이 진행되고 있다. 특히 에피텍시얼 산화물 이종박막구조(Epitaxial Oxide Thin Film Heterostructure)는 서로 다른 복합 산화물로 구성돼 결정학적으로 잘 정렬된 격자구조를 가지고 있어 전이금속 산화물 내 전자들 사이의 강한 상관관계로 인해 숨겨진 새로운 기저상태를 발현하고, 이러한 발현된 기저상태의 물리학적 기작을 미시적으로 이해하고 규명할 수 있다. 이러한 구조는 새로운 기능성 반도체와 양자 소재를 설계하고 구현하며, 합성된 박막 소재와 소자의 기능성을 향상시키기 위한 차세대 플랫폼으로 활용될 수 있다. 이 논문에서 공동 연구팀은 산화물 이종박막구조의 다기능성을 더욱 발전시킬 수 있는 요소로써, 이종박막구조 내 다양한 극 섭동 인자들을 제시했다. 이러한 극 섭동 인자들은 박막이 제작되면서 형성되는 본질적 요소들과 가역적으로 제어가 가능한 외부적 요소들로 구분했다. 이런 본질적·외부적 극 섭동 요소들이 어떻게 산화물 박막 기반 나노 소자들의 기능성을 향상시키는데 응용될 수 있는지를 내부 물리 메커니즘과 함께 체계적으로 정리했다. 이번 연구는 저명한 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)“에 5월 12일자로 온라인 공개됐다.

UNIST(총장 이용훈) 물리학과 오윤석 교수의 연구성과가 올 한해 대한민국이 가장 주목한 10대 과학기술 뉴스 후보에 선정됐다. 올해의 10대 과학기술 뉴스는 과학의 대중화에 기여하기 위해 한국과학기술단체총연합회(회장 이우일)에서 2005년부터 매년 선정하고 있다. 한국과학기술단체총연합회는 지난 2일(금) 1차 선정위원회를 통해 400개의 과학기술 뉴스 중 31개의 후보뉴스를 선정하였다. 그 중 오윤석 교수의 ‘세계 최초 부도체 저장기술 개발’이 후보 뉴스로 뽑혔다. 오 교수는 유전체(부도체)를 이용해 정보를 저장할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다. 이 기술은 인간이 만들어낼 수 있는 최소 공간을 제어해 반도체로 만든 메모리보다 더 많은 정보를 저장 가능하다. 오 교수는 “올해의 10대 과학기술 뉴스 후보에 선정된 것만으로도 큰 영광이다”며 “유전율을을 활용한 메모리 소재의 개발로 다진법 메모리, 양자 정보 활용 등 다양한 분야에 사용할 수 있도록 집중 연구하겠다”고 전했다. 투표는 ‘올해의 10대 과학기술뉴스’ 사이트에서 누구나 할 수 있다. 기간은 12월 9일(금)부터 12월 19일(월)까지다. 투표에 참가한 사람에게는 추첨을 통해 경품도 주어진다. 올해의 10대 과학기술뉴스 투표하러 가기

UNIST 장파장 나노기술 연구소는 지난 10월 24일(월) 2022년 과기정통부-한국연구재단에서 공모한 ‘나노 및 소재 기술개발사업 미래기술연구실 신규과제’에 선정됐다. ‘고속·고감도 적외선 센서용 신소재·나노기술’을 주제로 47.5억 원을 지원받게 됐다. 과기정통부에서 주관하는 나노 및 소재 기술개발사업은 세계적인 미래 기술 및 산업 분야 구현을 통한 기술난제 해결을 위해 중장기적으로 지원한다. 한국연구재단의 미래기술 지원사업은 약 7300억 원 규모이며 이번 2022년 하반기에 소재∙부품 분야에 5개, 나노∙반도체 분야에 4개, 총 9개 과제가 선정되어 5년간 총 47.5억 원을 지원받는다. 장파장 나노기술 연구소는 김대식 특훈교수를 비롯한 박형렬, 남궁선, 손창희, 정건욱, 전영철, 이종원 등 총 7명의 교수가 참여한다. 연구소는 신소재, 적외선 분광학 등 다양한 분야에서 세계적 수준의 연구역량을 보유하고 있다. 이번 과제를 통해 수요가 증가할 것으로 예상되는 적외선 센서의 국내 원천기술을 확보할 예정이다. 장파장 나노기술 연구소 현판. | 사진: 김경채 장파장 나노기술 연구소가 집중적으로 연구하고 있는 적외선 센서는 미래 모빌리티와 스마트 기기 등 산업 전반적으로 활용할 수 있다. 하지만 미국, 일본 등 일부 선진국만 원천기술을 갖고 있어 전략물자로 취급하여 수출 및 기술이전 등에 어려움이 많다. 따라서 기존 적외선 센서의 한계를 극복하여 초고속, 고해상도, 고감도의 차세대 적외선 센서의 개발 및 연구를 진행하고 있다. 한편, 장파장 나노기술 연구소는 여러 기업 및 기관과 협력관계를 맺고 있다. 국내 최고 수준의 ROIC기반 비냉각 적외선 검출기 제작기술을 지닌 아이쓰리시스템(i3system)을 참여기업으로, MEMS 공정 및 구조 설계에 세계적 전문성을 지닌 KAIST 윤준보 교수 연구팀과 공동 연구기관으로, 탄소나노튜브 및 차세대 2D 반도체 물질을 MEMS 구조 위에 합성하는 기술을 보유한 연세대학교 김종백·김형진 교수 연구팀과 위탁 연구기관으로 R&D 컨소시엄을 구축하였다.

탄소 기반 촉매는 지난 십 수년간 신재생 에너지 분야에서 비싼 귀금속 촉매를 대체할 물질로 주목받았다. 최근 그간 밝혀지지 않았던 촉매 반응의 기작을 설명하는 연구가 나와 주목받고 있다. 최근수 물리학과 교수는 탄소 기반 촉매가 전기화학 반응을 촉진하는 이론적 원리를 밝혀 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 보고했다. 탄소의 결함과 구조적 유연성, 그리고 화학 반응이 맞물리면서 백금 같은 귀금속 없이도 촉매 활성이 가능해진다는 것이 핵심 내용이다. 최근수 교수는 “귀금속이 포함되지 않은 탄소 기반 촉매의 효율성과 내구성을 극대화할 수 있도록 탄소 기반 촉매에 결함을 도입하는 지침을 제공할 수 있을 것”이라고 기대했다. 수전해 수소 생산이나 금속-공기 이차전지, 수소 연료전지 등에는 ‘산소 환원 반응’이 필요하다. 이 반응은 산소와 수소, 그리고 전자가 만나서 물이 되는 과정인데, 촉매 없이는 반응이 잘 일어나지 않는다. 이 때문에 촉매 성능이 뛰어나다고 알려진 귀금속인 백금(Pt)이 꼭 필요했다. 하지만 백금은 비싸고 내구성도 떨어져 대안이 필요한 상황이다. 탄소 기반 촉매는 유력한 대체 물질로써 활발히 연구되고 있으며, 촉매의 효율성과 내구성고 꾸준히 개선 중이다. 하지만 탄소 기반 촉매가 전기화학 반응을 촉진하는 원인은 명확히 밝혀지지 않아 탄소 기반 촉매의 발전을 더디게 하고 있다. 탄소의 2차원 평면 구조(좌)와 3차원 사면체 구조(우) 이번 연구에서는 탄소의 독특한 구조적 특성에 주목해, 탄소 기반 촉매가 반응을 활성화하는 원리를 규명했다. 대표적인 탄소의 구조는 크게 두 종류다. 그래핀이나 흑연처럼 3개의 결합을 가지는 ‘2차원 평면 구조’와 다이아몬드처럼 4개의 결합을 가지는 ‘사면체 구조’다. 2차원 구조의 탄소가 새로운 결합을 형성할 때는 3차원 사면체 구조로 변형되는데, 이때 높은 에너지가 필요하다. 이런 높은 에너지는 탄소가 새로운 결합을 못 하게 막는 장벽이 되며, 탄소 물질의 낮은 반응성으로 이어진다. 양자역학 기반으로 계산한 결과, 결함이 탄소의 구조적 유연성을 높인 덕분에 탄소의 구조 변형에 필요한 에너지 장벽을 낮추고, 촉매 반응을 가능하게 한다는 것을 보였다. 또 분자 동역학 계산 결과는 탄소 물질에 도핑된 질소는 안정된 구조를 형성해 합성 측면에서 탄소 공백보다 유리하다는 것을 보여줬다. 산소 흡착과 탄소의 구조 변형: 탄소 원자가 산소 분자와 결합 하기 위해서는 구조 변형(파란 화살표)이 동반돼야 하며, 구조 변형의 높은 에너지 장벽을 낮추기 위해서는 인접 원자들의 변위(빨간 화살표)가 필요하다. 최 교수는 “기존 연구에서 주로 다루었던 ‘국지적이고 정적인’ 전자구조 특성뿐만 아니라, ‘비국지적이고 동적인’ 구조 특성도 흡착 반응에 결정적인 영향을 미친다는 것을 찾아냈다”며 “이 결과는 전기화학 촉매 반응에 국한하지 않고 탄소 물질에서의 일반적인 화학 반응에도 적용할 수 있으며, 흡착 반응을 이해하기 위한 확장된 기틀을 제공한다’고 연구 의의를 밝혔다.

UNIST 물리학과에서 박사학위를 받은 신동빈 동문이 광주과학기술원(GIST) 물리광과학과 교수에 임용됐다. 신동빈 동문은 2009년 학부 1기로 입학해 소자물리를 전공하였고 2019년 물리학 박사 학위를 받았다. 그는 물리학과 박노정 지도교수의 연구실에서 응집물질에서 일어나는 다양한 물리현상에 대하여 연구했다. 박사학위 취득 후 독일 함부르크 막스플랑크 구조 및 물질 동역학 연구소 등에서 연구활동을 진행했다. 이런 노력의 결과 지난 9월부터 GIST 교수로 신규 임용됐다. 아래는 신동빈 동문과의 일문일답. Q. 자기소개를 부탁드립니다. 안녕하세요. 9월 1일자로 GIST 물리광과학과 조교수로 임용된 신동빈입니다. 저는 2009년 UNIST에 입학하여 2013년도 전자전기컴퓨터공학부를 졸업하였고, 2019년 UNIST 물리학과에서 박사학위를 받았습니다. 박사 학위 기간동안 물리학과 박노정 교수님께서 지도 해 주셨습니다. 이후 독일 함부르크 막스플랑크 구조 및 물질 동역학 연구소에서 2022년 8월까지 박사후 연구원으로 재직하였고, 9월부터 GIST에서 일을 하게 되었습니다. Q. 임용 축하 드립니다. 소감을 전하신다면? 먼저 지도교수님이신 물리학과 박노정 교수님께 감사의 인사를 전합니다. 또한, 대학원 기간에 다수의 공동연구를 같이 진행한 에너지공학과의 백종범 교수님께도 감사드립니다. 학부와 박사학위 기간동안 학과목들을 친절하고 자세하게 가르쳐 주신 물리학과의 박기복 교수님, 김재업 교수님, 김철민 교수님, 곽규진 교수님, 허민섭 교수님 그리고 전기전자공학과의 김경록 교수님, 변영재 교수님께 감사드립니다. 마지막으로 박사 학위 기간 중 연구에 대해 많이 조언해주신 진호섭 교수님과 이준희 교수님께도 감사의 인사 드립니다. Q. 박사과정에서 중점 연구 분야와 주요 성과를 소개해주신다면? UNIST에서 박사 과정 중에 박노정 교수님 지도 하에 응집물질에서 일어나는 다양한 물리 현상에 대하여 연구 하였습니다. 특히, 시간 의존 밀도 범함수 이론 계산 코드를 개발하고, 이를 활용하여 흥미로운 물리 현상들을 예측하였습니다. 대표적인 성과로는 전이금속 다이칼코제나이드 물질의 벨리 상태가 강한 음향양자-스핀 상호작용을 가짐을 보이고, 이를 활용하여 반자성인 전이금속 다이칼코제나이드가 상자성이 될 수 있음을 예측한 연구 입니다. 이외에도 위상 부도체의 양자 스핀 홀 효과를 전자의 파동함수를 시간 전파하여 양자화 된 스핀 홀 전도도를 얻을 수 입증하였습니다. 또한, 백종범 교수님 실험실과의 공동 연구를 진행하여 유기 고분자가 입체 장애에 의해 자성을 띌 수 있음을 제일 원리 계산을 통하여 보였습니다. 박노정 교수와 신동빈 동문. | 사진: 김경채 Q. 물리광과학과 교수가 되셨는데, 어떤 일들을 하시게 되시는지? 저희 연구실에서는 제일 원리 계산을 통하여 물질의 정적 상태의 전자구조에 대하여 이해하고, 이를 기반으로 빛-물질 상호작용에 대하여 연구합니다. GIST 물리-광과학과에는 광학 그리고 빛-물질 상호작용에 대해 연구하시는 교수님들이 많이 계시기 때문에, 학과 교수님들과 협업을 통하여 실험에서 관측된 현상을 이론적으로 설명하거나, 이론 연구를 통하여 빛에 의해 일어나는 물질의 새롭고 흥미로운 현상들을 밝혀 낼 수 있을 것으로 보입니다. Q. 앞으로의 계획이나 이루고 싶으신 목표가 있으시다면? 향후 10년 동안은 제일 원리 계산을 기반으로 다양한 빛-물질 상호작용에 대한 연구를 진행하고자 합니다. 특히, 빛에 의해 유도된 초전도 현상에 대해 집중하여 연구하고 싶습니다. 이 현상의 경우 광자-음향양자-전자 간의 다체 효과를 고려해야하기 때문에, 이를 기술하기 위한 방법론 개발 하려고 합니다. 이 방법론을 통하여 향상된 초전도에 대한 극소 메커니즘을 밝히고자 합니다. 또한, 최근 태양전지에 사용되고 흥미로운 물리 현상들이 관측된 페로브스카이트 물질에서 나타나는 복잡한 음향양자들의 비선형 상호작용을 이해하고, 이러한 상호작용을 이용하여 빛에 의해 일어날 수 있는 다양한 상전이와 이에 대한 메커니즘을 밝혀내고자 합니다. Q. 마지막으로 한마디 부탁드립니다. 학부시절부터 지금까지 유니스트에서 지속적인 지원을 받아 좋은 결과를 얻을 수 있었습니다. 지속적인 연구 활동과 성실한 학생 지도를 통하여 앞으로도 좋은 모습을 보여드리겠습니다.