세상을 바꿀 미래 소재는 무엇인가
-한국과학기술한림원, 30일(토) 부산에서 ‘제33회 한림국제심포지엄’ 개최
-전 노벨물리학상 심사위원장, 염한웅 POSTECH 교수 등 국내외 연구자 31인 ‘탄소나노전자학’ 연구 동향 공유

[부산에서 열린 '제33회 한림국제심포지엄' 전경]

모든 산업 분야에 핵심적인 소재로 활용될 수 있어 꿈의 신소재라고 불리는 탄소 소재에 대한 국내외 연구 현황을 한눈에 볼 수 있는 자리가 마련됐다.

한국과학기술한림원(원장 이명철)은 지난 6월 30일과 7월 1일 양일 간 부산 파라다이스호텔에서 ‘탄소나노구조의 기초물성 및 응용성 연구(Fundamental Properties and Applicability of the Carbon Nanostructures)’를 주제로 ‘제33회 한림국제심포지엄’을 개최했다.

무한 잠재력을 지닌 탄소 소재에 대한 기대감이 커짐에 따라, 더 좋은 소재개발에 대한 산업계 욕구 역시 높아지고 있다. 이에 국내에서도 탄소나노튜브, 전도성 고분자, 그래핀 등과 같은 저차원 탄소기반 나노물질의 첨단 물성과 응용성 연구를 활발히 수행, 세계적인 수준의 성과를 내고 있다.

이번 공동심포지엄에서는 탄소 소재 관련 분야 연구를 선도하고 있는 세계적인 연구자들 31인이 참여해 연구 현황을 교류하며 의견을 나눴다. 국외에서는 미국, 일본, 영국, 프랑스, 스위스, 핀란드, 독일, 스웨덴 등 8개국 16명의 연사가 초청되었으며, 특히 전 노벨물리학상 심사위원(장)을 맡았던 올리 잉가내스(Olle Inganäs) 린셰핑대학교 교수와 맷 존슨(Mats Jonson) 예테보리대학교 교수 등 스웨덴왕립과학한림원 주요 회원들과 Helene Bouchiat 파리-슈드대학교 교수(프랑스한림원 회원), Eleaner E. B. Campbell 에든버러대학교 교수(영국왕립학회 회원) 등이 참석해 눈길을 끌었다.

국내에서도 염한웅 포스텍 교수(국가과학기술자문회의 부의장), 박소정 이화여자대학교 교수 등 15인이 연사로 나서 탄소나노전자학의 첨단 및 응용성 연구 성과를 교류하고 국가정책 수립에 필요한 의견과 방안에 대해 논의했다.

행사는 ▲Organic Nano Electronics, ▲NEMS & Nano-Bio Structures, ▲Low Dimensional Nano Electronics 등의 3가지 세션으로 나뉘어 진행됐다.

◆ 전 세계 석학들, 소재 개발에 대한 새로운 접근법과 응용가능성 제시

먼저 ‘Organic Nano Electronics’ 세션에서는 총 9인의 연사가 발제에 나섰다.

그 중 노벨물리학상 심사위원(장)직을 수행했던 올리 잉가내스(Olle Inganäs) 린셰핑대학교 교수는 ‘유기 전자학을 바이오 시스템에 접목하기(Interfacing Organic Electronics to Biosystems)’를 주제로 첫 번째 발표를 맡았다.

잉가내스 교수는 ‘살아있는 생명체의 생물학적 시스템과 같은 기능을 가지는 비슷한 시스템을 유기 고분자를 이용해 구현할 수 있을까?’에 대한 의문을 해결하는 연구를 수행 중이다. 그는 “단백질, DNA, RNA 등의 생물학적 시스템이 작동하기 위해선 수분이 필수적”이라며 “알맞은 환경 아래서, 정보의 흐름, 화학적 에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 등의 기능을 수행하고 있다”고 설명했다.

이어 그는 “이를 유기 고분자를 이용한 유사 시스템에 접합시키기 위해서, 금속성을 갖는 고분자를 수분이 풍부한 하이드로겔 포맷에 넣어서 구현한 중성 복합체를 제작했다”며 “이렇게 제작된 중성 복합체에 실제 생명체에서 추출한 리그닌(lignin)을 적용하여, 리그닌의 방향족(aromatic)과 금속성 고분자가 상호 작용하며 슈퍼 캐패시터에서 축전지의 역할을 하는 현상을 발견했다”고 강조했다.

끝으로 그는 “이러한 새로운 접근법을 통해, 고분자와 실제 생명체의 세포 간 접합 및 공존에 관한 연구가 촉진될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

첫 날 오후에 진행된 ‘NEMS & Nano-Bio Structures’ 세션에서는 총 11인의 연사가 참여했다.

첫 번째 발제자로 참여한 맷 존슨(Mats Jonson) 예테보리대학교 교수는 ‘스핀-궤도 활성화된 초전도성 약한 결합점에서의 쿠퍼-전자쌍의 스핀 편광(Spin Polarization of Cooper Pairs in Spin – Orbit Active Superconducting Weak Links)’을 주제로 초전도체 사이의 약한 고리(Weak link)로써 스핀-궤도에서의 상호작용이 강한 나노와이어를 활용하는 데 여러 가능성에 대해 피력했다.

존슨 교수는 “스핀 구조의 조절에 따라 쿠퍼 쌍(Cooper pair)의 스핀을 정렬할 수 있는 조건을 찾고자 했고, 조셉슨 접합의 구조(S(초전도)-N(나노와이어)-S)에서 전기적인 게이팅을 통한 라쉬바 splitting의 결과를 계산했다”라며 스핀 정렬의 가능성을 제안했다.

두 번째 세션에 참여한 박소정 이화여자대학교 교수(차세대회원)는 ‘덩어리 혼성중합체 복합체와 나노입자가 기체-액체의 계면에서 자가조립하는 현상(Air-Liquid Interfacial Self-Assembly of Conjugated Block-Copolymers and Nanoparticles)’을 주제로 공액 폴리머(conjugated polymer)의 나노 배열(array)을 정렬할 수 있는 방법을 소개했다.

박 교수는 “나노 수준의 공액 폴리머(conjugated polymer) 형태를 조절할 수 있는 능력을 확보하는 것은 이들 물질을 활용한 응용연구에 있어 매우 중요하다”고 설명한 후, “공기와 액체가 접하는 면(air-liquid interface)에서 Conjugated Block-Copolymer의 자가조립을 통해 대면적의 독립된(free-standing) 필름을 형성할 수 있다”라고 강조했다.

박 교수의 설명에 따르면 이렇게 만들어진 필름은 다른 임의의 기판으로 쉽게 전사가 가능하며 전계-효과 트랜지스터로 만들어질 수 있다. 그는 “기존의 스핀 casting을 통해 만들어진 소자보다 모빌리티가 크게 향상됐으며, 이렇게 만들어진 필름은 광 흡수와 pn 접합의 특성에 있어서도 크게 향상된 결과를 나타냈다”라고 말했다.

[박소정 이화여자대 교수, 염한웅 POSTECH 교수]

다음날 진행된 ‘Low Dimensional Nano Electronics’ 세션에서는 총 10인의 연사가 참여해 연구성과를 발표했다.

국가과학기술자문회의의 부의장을 맡고 있는 염한웅 포스텍 교수는 ‘1차원, 2차원 전자 밀도파 시스템에서의 위상 여기(勵起)(Topological Excitations in 1D and 2F Charge Density Wave Systems)’를 주제로 발표했다.

염 교수 역시 새로운 소재와 기능 개발 노력에 대해 피력하며, “몇몇 초전도체 물질을 저온에서 관찰하면 전하밀도파동(CDW, charge density wave) 상태를 갖는다는 것이 발견된 후로, 이 현상을 이용해 새로운 물리현상을 발견하거나 새로운 기능을 가진 소자 개발을 위해 노력해 왔다”고 설명했다.

그의 말에 따르면 전하밀도파동 상태는 보통 초전도체 물질을 저온으로 점차 내릴 때, 일부 격자들이 마치 호두과자를 찍어내는 틀처럼 규칙적인 웅덩이 패턴을 형성하고, 그 웅덩이 안에 전자들이 호두과자처럼 갇히면서 형성되는 것이 일반적이다.

염 교수는 “여기에 전압을 걸어주면 마치 이 호두과자 틀을 기울이는 것 같은 효과가 발생하여 고여 있는 전하 밀도가 옆 웅덩이로 뭉텅뭉텅 넘어간다”라며 “1차원에서 보면 마치 껍질 속에 들어있는 완두콩의 한쪽 끝을 잡고 반대쪽으로 밀어내면 줄줄이 밀려 나가는 것으로도 묘사할 수 있을 것”이라고 말했다.

그는 이 발견을 통해 실리콘(111)에 생성된 한 가닥 원자 두께의 인듐 원자 와이어에서 전하밀도파동의 바닥상태(ground state)를 연구했으며, 2차원 전하밀도파동 상태와 모트 절연 상태(Mott insulating state)에 대해 논의 중이라고 밝혔다.

이번 심포지엄의 조직위원장을 맡은 박영우 서울대 명예교수(이학부 정회원)은 “최근 탄소기반 나노물질의 첨단 물성 연구는 국내 연구자들이 매우 수준 높은 성과를 내고 있다”며 “이 분야를 선도하는 세계적 석학들을 초청해서 연구동향을 교류하고 국내 연구자들을 적극 홍보하는데 이번 행사의 의의가 있다”고 피력했다.

[한림국제심포지엄 참석자 단체사진]

국내 : 김윤희 경상대학교 교수, 김은경 연세대학교 교수, 박소정 이화여자대학교 교수, 박수영 서울대학교 교수, 박영우 서울대학교 교수, 염한웅 POSTECH 교수, 이광섭 한남대학교 교수, 이광희 GIST 교수, 이동수 KIST 선임연구원, 이창희 서울대학교 교수, 이후종 POSTECH 교수, 장성호 건국대학교 교수, 주진수 고려대학교 교수, 황성우 삼성종합기술원 부사장, 장은주 삼성종합기술원 연구원 등 15인(가나다 순)

국외 : Kazuo Akagi Ritsumeikan University(일본) 교수, Helene Bouchiat 파리-슈드대학교(프랑스) 교수, Eleaner E. B. Campbell 에든버러대학교(영국) 교수, Marija Drndic 펜실베니아대학교(미국) 교수, Mikael Fogelström 찰머스공과대학교(스웨덴) 교수, Oliver Gröning 스위스연방재료과학기술연구소(스위스) 교수, Olle Inganäs 린셰핑대학교(스웨덴) 교수, A. T. Charlie Johnson 펜실베니아대학교(미국) 교수, Mats Jonson 예테보리대학교(스웨덴) 교수, Carita Kvarnström 투루쿠대학교(핀란드) 교수, Sergey Kubatkin 찰머스공과대학교(스웨덴) 교수, Feodor Kusmartsev 러프버러대학교(영국) 교수, Markus Morgenstern 아헨공과대학교(독일) 교수, Alberto Morpurgo 제네바대학교(스위스) 교수, Robert Shekhter 고센버그대학교(스웨덴) 교수, Dag Winkler 찰머스공과대학교(스웨덴) 교수 등 16인