박제근 서울대 교수 연구팀
미국 물리학계 권위지 논문 게재
원자 한 층 크기 2차원 자석으로
초저전력 소자·양자제어 신기술 연구
"신진 학자 파괴적 혁신 더 장려해야"
박제근 서울대 물리천문학부 교수. 서울대 제공
"15년 전 주변 사람들은 제가 시작한 연구에 부정적이었습니다. 남의 문제를 대신 푸는 것을 넘어 우리만의 길을 개척하자는 일념으로 버텼습니다."
박제근 서울대 물리천문학부 교수는 20일 정부세종청사에서 열린 브리핑에서 자신의 연구 여정에 관한 소회를 밝혔다. 박 교수는 2016년 세계 최초로 '2차원 자성 반데르발스' 물질을 실험으로 구현하면서 세계 과학계에 반향을 일으켰다. 2차원 자성 반데르발스는 1나노미터(10억 분의 1m)보다 작지만 자석처럼 자성을 가진 초소형 물질이다.
박 교수가 개척한 분야가 10년 만에 물리학계의 주류 분야로 자리 잡게 됐다. 박 교수 연구팀의 2차원 자성 반데르발스 연구 성과와 전망을 집대성한 논문이 22일 미국물리학회의 ‘리뷰 오브 모던 피직스(RMP)’에 게재됐다. RMP는 물리학 분야에서 가장 권위 있는 학술지로 특정 분야를 주도한 극소수 연구자의 성과만 인정하는 걸로 알려졌다. 한국에서 개척한 연구로 논문이 실린 건 이번이 처음이다.
박 교수의 연구는 '자석을 원자 한 층 수준으로 얇게 만들면 우리의 산업과 삶은 어떻게 바뀔까'라는 호기심에서 비롯됐다. 일상에서 쓰는 자석은 부피가 커 자기적 성질이 잘 발현되지만, 크기가 작아질수록 자성 유지는 어렵다. 1943년 노르웨이 물리학자 라르스 온사거가 원자 한 층 두께에 불과한 2차원 평면 상태에서도 물질이 자성을 발현할 수 있다는 이론을 제시했지만 70여 년간 입증되지 않았다.
2차원 자성 반데르발스 물질 구조를 3D 프린팅으로 표현한 개념도. 개념도에는 탄소 원자가 있어야 할 격자의 뼈대 자리에 '작은 나침반'들이 배치돼 있다. 이는 자성이 없는 2차원 물질인 그래핀의 탄소 원자가 자성을 띤 전이금속 원자로 치환해, 원자 한 층 두께의 2차원 평면 자체에서 자성을 구현해 냈음을 보여준다. 박제근 교수 제공
박 교수 팀은 2016년 삼황화린철을 박리해 영하 118도 이하에서 자성 원자층을 추출하는 방식으로 두께가 1나노미터보다 얇은 2차원 자성 반데르발스 물질을 첫 구현했다. 이 연구로 원자 수준으로 얇은 자기 시스템을 탐구할 수 있음이 증명되면서 해당 분야는 전환점을 맞았다. 현재 관련 논문 1,000여 개가 발표되며 세계 주요 연구기관들이 경쟁하는 핵심 분야로 떠올랐다.
2차원 반데르발스 자성체 연구는 산업적 활용에서 큰 성장 잠재력을 보인다. 기존 전자 소자의 성능과 전력효율 한계를 뛰어넘는 초저전력 자기 메모리, 초고속 스위칭 소자 등을 개발하거나, 양자컴퓨터 기술 발전의 기반이 될 양자제어플랫폼 설계 등에 두루 활용될 수 있다.
박 교수는 한국이 2차원 자성 반데르발스 물질을 활용한 산업 원천 기술을 확보하도록 연구에 계속 매진할 계획이다. 박 교수는 "(새 분야) 개척이 쉽지 않았지만 정부의 개인기초연구(리더연구) 지원 덕에 계속할 수 있었다"며 "신진 학자들이 실패를 두려워 말고 파괴적 혁신을 이어나갈 수 있도록 국가의 지원 시스템과 과학 생태계가 방패가 되어주길 바란다"고 말했다.