처음으로 ‘모아레 양자 우물’을 말하다

- 비틀린 계면 속에서 발견한 새로운 세계

글 |  POSTECH Creators 정민경 (무은재학부 25)

Editor’s Note

기초과학은 종종 곧바로 쓸모를 증명하지 못하는 질문에서 시작됩니다. 지금 당장 어디에 쓰일지보다, 어떤 현상이 왜 일어나는지, 문제를 정의하고 오래 들여다보는 일에 더 가깝습니다. 그래서인지, 기초과학의 시간은 대체로 느리고, 때로는 멀어 보입니다. 하지만 바로 그런 축적 끝에서, 이전에는 보이지 않던 새로운 세계가 열리기도 합니다. 

이번 연구도 그런 질문에서 출발한 성과처럼 느껴집니다. 지난 3월, POSTECH과 IBS, 해외 연구기관 연구진은 벌크 hBN의 비틀린 계면에서 ‘모아레 양자우물’을 구현하고, 이를 통해 매우 강한 심자외선 발광을 관측했습니다. 익숙한 반데르발스 소재*를 비틀어 쌓는다는 발상에서, 기존 반데르발스 소재 연구를 새로운 방향으로 한 걸음 더 이끌어낸, 김종환·조문호 교수와 제 1저자 홍성윤 박사를 만나보았습니다.

연구팀이 제작한 모아레 양자 우물의 구조.

*반데르발스 소재

원본: Graphene-graphite relation.png by Anton, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0 

반데르발스 소재란 원자들이 층층이 쌓인 2차원 물질들이 강한 화학 결합이 아닌, 분자 간의 약한 정전기적 인력인 반데르발스 힘으로 묶여 있는 물질을 의미하며, 대표적인 물질로 흑연이 있다. 연필로 쓴 글씨에 스카치 테이프를 붙였다 떼면 테이프에 흑연이 묻어 나오는 것도 흑연이 이러한 반데르발스 힘으로 각 층(layer) 간의 연결을 이루고 있기 때문이다.

Part 1. 반데르발스 물질, 그리고 연구의 출발점

Q1. 저차원 반데르발스 물질과 광학적 특성을 꾸준히 연구해오신 것으로 알고 있습니다. 연구를 처음 접하는 독자들을 위해, 연구단과 지금까지의 연구를 소개해주실 수 있을까요? 

[김종환 교수] 우선 반데르발스 물질에 대한 얘기가 필요할 것 같습니다. 물질은 원자들의 배열과 결합에 따라 성질이 크게 달라지기 때문에 소재라는건 결정구조가 매우 중요합니다. 대표적으로 실리콘을 보면 원자들이 모든 방향으로 긴밀한 화학결합을 형성하고 있습니다. 그러나흑연이나 그래핀과 같은 반데르발스 물질계는 층상으로는 굉장히 강하게 결합이 되어있지만, 층 간의 결합은 느슨하게 떼어낼 수 있는 형태인 반데르발스 힘으로 결합하고 있습니다.

2010년에 나온 단층 반데르발스 소재의 극적인 발광 성능 향상에 대한연구(Reference: Nano Letter 2010, 10, 1271-1275) 이후 저차원(얇은) 반데르발스계 물질에 대한 연구가 본격적으로 시작되었습니다. 

2008년 UC Berkeley 학부생 연구참여 프로그램 당시 해당 연구를 진행한 연구팀 (오른쪽 두번째: 김종환 교수) 

재밌는건, 이 물질이 정말 원자 한 층이 되면, 전자 입장에서는 질량이 없는 입자처럼 행동을 합니다. 그걸 Massless Dirac fermion*이라고 하는데, 질량이 없으면 가속이 엄청나게 잘 될 수 있습니다. 이러한 성질은 벌크 3차원 물질에는 없던 성질이기에 이 물질계는 원자 한 층 또는 몇 개의 층이 됐을 때 완전히 새로운 특성이 나오는 아주 흥미로운 시스템이고, 저희는 이 특성들을 연구한다고 보시면 될 것 같습니다. 

[조문호 교수] 간단하게 말해, 인공격자를 만드는 것이 주 연구입니다. 원래 자연계에 존재하는 재료들은 구조가 정해져 있는데, 이와 다르게 인위적으로 구성한 것이 인공격자입니다. 저희는 기술적으로 유용하면 좋을 신물질을 만드는 것을 목표로 하고 있습니다.

반데르발스 적층 구조를 이용한 모아레 인공격자 구조 모식도

오랫동안 이 주제로 연구를 해왔는데, IBS (Institute for Basic Science, 기초과학연구원)가 설립되고, 4년 전부터 제가 단장을 맡게 되면서 김종환 교수님을 포함한 연구단 분들과 함께 연구하고 있습니다(VdW optical quantum matter team). 

*Massless Dirac fermion: 그래핀 등 일부 물질에서 전자가 실제로 질량이 없는 것은 아니지만, 물질 내부에서는 마치 질량 없는 입자처럼 빠르고 특이한 방식으로 움직이는 상태를 뜻한다. 

노벨상 수상자 안드레 가임 연구팀은 전자의 수를 단계적으로 줄여가며 유효질량이 0에 수렴하게 됨을 관찰하였고, 이는 그래핀 속 전자가 무질량 디랙 페르미온처럼 행동한다는 실험적 증거가 되었다(Nature 438, 197–200 (2005)).

Part 2. 축적된 질문이 새로운 아이디어가 되기까지

왼쪽부터 조문호 교수, 홍성윤 박사, 김종환 교수

Q2. 답변을 듣고 보니 이번 성과는 이어져온 연구단의 저차원 반데르발스 물질 연구의 연장선이라고 느껴집니다.

[조문호 교수] 앞서 말씀드린 것처럼, 연구단이 만들어지기 전부터 지금까지 오랫동안 연구해오던 분야인데, 국가에서 기초과학 연구를 위한 IBS를 설립하고, 좋은 연구를 위한 투자를 받게 되었고 연구단이 함께 진행한 연구의 결과 중 하나로 이번 성과가 나오게 된 것 같습니다.

Q2-1. 그렇다면 지금까지 해오신 연구에서 가져온 문제의식이 이번 연구로 발전된 계기가 있었을까요?

[조문호 교수] 이번 모아레 양자 우물 구조는 하나의 아이디어에서 시작되었습니다. 이 구조에 대한 아이디어는 김종환 교수님께서 가장 많으셨고요.

[김종환 교수] 연구의문제의식은 조문호 교수님께서 잘 설명해주신 것 같습니다. 모아레 양자 우물이라는 구조에 집중하게 된 계기는, 우선 반데르발스 물질계라고 하면 굉장히 독특한 특성들이 많이 있습니다. 말씀드린 것처럼 원자층으로 분리 되거나 분리된 층이 쌓이기도 합니다. 그런데 그 물질계의 특성이 아직 완전히이해가 됐지 않았다라고 생각했습니다.

그래서 저희는 이 벌크 두 장을 적층을 했을 때 그 계면에서 어떤 현상이 일어나지라는 호기심을 가졌고 이에 답하기 위해 보론 나이트라이드(Boron Nitride, 질화붕소)라는 특이한 물질을 모델로 선택하였습니다.

저희 연구가 좀 더 크게 의미하는 부분은 이 연구에서 더 나아가, 다양한 반데르발스 물질들을 이러한 소재 형태로 연구해 볼 수 있지 않을까란 기대에 있습니다. 

Q3. 기존의 반데르발스 소재 연구에서 더 나아가, 이번에는 재료를 비틀어 쌓아 만든 새로운 구조를 다루셨습니다. 이런 새로운 발상을 실제 연구로 확장해 가는 과정에서 가장 도전적이었던 지점이 무엇이었다고 느끼시는지, 또 그 과정을 끝까지 밀고 갈 수 있었던 힘은 무엇이었는지 듣고 싶습니다. 

[김종환 교수] “모아레 양자 우물” 이라는 새로운 개념을 만드는 것이 가장 도전적인 일이었던 것 같습니다. 사실 새로운 개념은 누구나 제시할 수 있지만 그게 의미가 있어야 되는데, 저희가 오랫동안 측정해 온 데이터를 기반으로 만들어내는 과정이 시간이 오래 걸렸던 것 같습니다. 특히 새로운 구조의 소재를 제시하기 위한 기존 재료들과의 특성을 비교하는 과정과 이들을 체계적으로 정리하여 학계에 보고를 하는 부분도 상당히 오랜 시간이 걸렸습니다.

확신은 당연히 없었습니다(웃음). 그렇지만 IBS 연구단 내에서 조문호 교수님을 포함한 연구진들과의 굉장히 깊은 토론이 있어왔고, 저희는 이것이 완전히 새로운 개념이라는 걸 확신했기 때문에 실질적으로 어떻게 설득력이 있는지를 설명하고자 노력했던 것 같습니다.

[홍성윤 박사] 저는 실험을 통해 이 소재를 과학적으로 엄밀하게 다른 물질들과 비교하고, 개념을 정리하는 부분부터 연구에 참여하게 되었습니다. 제안을 듣고 너무 재미있고 흥미로운 연구라는 걸 바로 느꼈습니다. 교수님들 덕분에 잘 이해하면서 즐겁게 연구를 이어나갔던 것 같습니다.

Part 3. 함께이기에 가능했던 연구

Q3. 말씀해주신 것처럼 이번 연구는 POSTECH과 IBS를 비롯해 해외 여러 연구기관이 함께한 공동 연구라는 점도 인상적이었습니다. 이러한 교류들이 연구에 어떤 영향을 주었을까요?

[김종환 교수] 물질을 연구하기 위해 보통의 실험 장비로는 분석이 어려웠습니다. 새로운 개념을 연구하려고 하다 보니, 남들이 측정하지 않는 완전히 다른 방식의 형태의 실험이나 연구가 진행이 되어야 했던 것이죠. 때문에 실험 장비를 새롭게 만들고 실험을 하기 위해 상당히 긴 호흡의 몰입하는 시간이 필요한데, 이것이 재정적으로도, 인력적으로도 많은 부분들에서 쉽지 않은 일이라고 생각합니다. 그런 부분들에 있어서 IBS 연구 기관으로부터 많은 도움을 받았습니다. 

연구를 위해 제작한 심자외선 기기.

또, 많은 해외 공동 연구자분들이 계십니다. 함께 교신 저자로 참여해 주신 독일 막스플랑크 구조·물질동역학연구소 앙겔 루비오(Angel Rubio) 소장님께서는 저희가 제안한 개념을 과학적인 이론을 정리하는데 도움을 주셨고, 그 외에도 고순도 결정을 제공해주신 NIMS 연구소팀과(일본국립재료과학연구소, National Institute for Materials Science) 비교를 위한 다른 양자 우물 소재를 흔쾌히 제공해주신 RIKEN(일본 이화학 연구소, Rikagaku Kenkyujo) 연구소와 같은 많은 해외 연구진분과의 교류가 있었습니다.

[조문호 교수] 현대 과학에서 협업은 옵션이 아니라 필수가 되어버렸습니다. 국제적으로 연구의 수준이 높아지면서 굉장히 의미있는 연구를 위해서는 실험, 이론 종합적인 내용들이 합쳐져서 완성되는 거죠. 그런데 한 연구자가 그걸 다 하진 않습니다. 때문에 다양한 연구진들과 협업을 하고, 그 현상은 매개체가 됩니다. 이번 연구에서도 세계적으로 각 분야에서 뛰어난 연구진분들과 함께 모아레 양자 우물이라는 현상을 중요한 문제로 생각하고 고민했기에 가능했습니다.

일본 NIMS 방문 당시 Kenji Watanabe 박사와 찍은 사진.

Part 4. 끝까지 질문하게 하는 힘

Q4. 쉽게 성과가 보이지 않더라도 한 질문에 대해 탐구하고 도전하는 일이 기초과학의 본질이라고도 생각되는데요. 연구자로서 그런 기초과학의 사명이나 역할을 어떻게 생각하시는지, 계속해서 연구를 이어가게 하는 원동력이 있으신지 묻고 싶습니다. 

[조문호 교수] 공학과 과학은 다릅니다. 공학의 본질은 why not이에요. 그리고 과학의 본질은 why고요. 보통 공학적인 일들은 목표가 일찍이 정해져 있습니다. 뭔가를 해야된다는 목표가 있으면 우리가 가진 요소들을 적용해보고 왜 안돼(why not)의 반복인 거에요. 그런데 과학적인 생각은 기본적으로 구체화된 즉각적인 목표가 없습니다. 실험적이나 이론적인 것에서 이렇게 될 근거가 있겠다는 생각이 들면 해보는 겁니다. 저희 연구로 보면 특정 인공격자를 만들면 빛이 더 강하게 나올 것 같다 싶어 해보는 것이죠. 그리고 기초 과학은 어떤 현상이 어떻게 될 것이라는 문제 자체가 지구상에 존재하지 않아요. 때문에 성과가 우리에게 유용한 형태가 되기까지가 오래걸려요.

기업에서 사업을 20년 정도 하면 되겠다는 안목을 가지기 어려운 것처럼 기초과학은 사명이나 역할이 조금 다릅니다. 

또, 과학은 내가 풀어야할 문제를 내가 만들어요. 덕분에 내 개인의 자유 의지가 높아지는 것이 가장 큰 매력입니다. 특정한 문제에 대해 오랫동안 생각을 해보고, 자유 의지가 크기 때문에 이런 점이 저는 기초과학 연구와 잘 맞는 것 같습니다.

[김종환 교수] 저는 사실 학부생 때 과학이 되게 어렵다고 생각을 했어요. 솔직히 제 스스로 평가하기에 대단한 분들과 비교하며 나는 거기까지는 아니지 않나 이런 생각도 했던 것 같아요. 그런데, 꼭 누구보다 잘해야겠다는 걸 떠나서 이게 정말 나한테 진짜 신나는 일이 될 수 있겠구나라고 느꼈습니다. 제가 학부 연구생을 하며,  반도체 소재를 한 층으로 떼어 냈을 때 어떤 특성을 가질까라는 질문을 가지고 연구했었는데, 한 층이 되면 빛을 방출하는 특성이 어마어마하게 좋아졌던 사실을 처음으로 확인했었습니다.  그 빛을 관측할 때 데이터가 없다가 피크가 딸깍 하고 나타나는데, 그 순간이 사실 지금도 원동력 중에 하나로 작용하고 있습니다.

또, 아무도 모르잖아요. 저만 알고 있고, 그리고 여기에 대해서 제가 잘 설명하고, 깊이 이해하고 싶습니다. 이게 과학적으로나 아니면 기술적으로, 어떻게 연계가 될까 생각해 보는 것이 제가 누구보다 잘하고 못하고를 떠나서 이 자체가 너무 즐거웠어요. 

정리하자면 결국에 호기심인 것 같아요.

근데 어떤 문제에 대해서 호기심을 갖는지가 중요한 것 같습니다. 조문호 교수님이 앞서 말씀하신 것처럼요. 많은 경우 다른 사람이 이미 만들어 놓은 질문이나 문제들에 대해서 한번 들여다보는 경우가 많은데 그게 아닌, 정말 남들이 전혀 생각해 보지 않은 질문을 나는 의미가 있다고 믿고 깊이 생각을 했을 때 과학이나 기술적으로 의미가 있는 결과가 나온다는 것이 개인적으로는 의미가 크게 느껴졌습니다. 그리고 그것이 다른 사람들에게도 의미가 있지 않을까라는 생각을 합니다. 

[홍성윤 박사] 저도 학부 때 연구 참여로 연구실에 들어가게 됐었는데 연구실에 있는 모든 게 너무 재미있었습니다. 실험을 하면 나오는 결과가 그렇게 나오는 이유가 있고 만약 없어도 그 이유를 찾는, 이런 과정들이 외부의 압력이 없으면 되게 즐거운 과정인 것 같고 덕분에 지금까지도 큰 고민 없이 놀이터처럼, 철 없이 재밌게 놀고 있는 것 같습니다.

Part 5. POSTECH 40년, 그리고 앞으로의 질문들

Q5. 개교 40주년을 맞은 올해, 이번 연구는 POSTECH의 지난 시간을 보여주는 동시에 앞으로의 가능성도 보여주는 것 같습니다. 그렇다면 다음 40년동안 POSTECH은 어떤 가치를 만들어 나가야 할까요?

[조문호 교수] 포스텍 학생분들께 묻고 싶습니다. 포스텍에 지원하면서 다른 학교와 차별화 되는 어떤 이미지를 기대했나요. 40년 전 설립 때부터 지금까지 포스텍은 “작고 강한 대학”을 내세우고 있습니다. 산업 시장에 많은 인재를 배출해 내는 것보다 기초적인 연구를 하고, 근본적인 문제를 찾고 해결하며 창의적인 인재를 만드는 것이 저희의 목표입니다. 그리고 이것이 저희 학교에 대한 외부의 인식이라고도 생각합니다. 심지어는 저희 학생들이 공학에 진출을 하더라도 똑같은 문제를 기초적인 원리에 대한 사고로 문제를 창의적으로 풀 수 있는 사람이 되었으면 합니다. 저희에게 선택과 집중은 늘 중요한 문제였습니다. 그러니까 학생들도, 학교도 이를 더 인지하고, 어떤 면에 우리가 집중을 해야 되는지에 대한 생각을 더 많이 했으면 좋겠습니다. 이걸 잘 알고 연구적인 성과를 내는 것이 세상에 대한 포스텍의 존재감을 나타내는 일일테니까요.

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익숙한 재료를 다르게 바라보는 시선에서 시작해, 오랜 축적과 엄밀한 검증, 그리고 국내외 연구진의 협력이 모여 하나의 새로운 개념으로 이어졌습니다. “연구를 계속 하게 하는 원동력은 결국 호기심”이라는 말처럼, 이번 성과는 아직 아무도 충분히 묻지 않은 질문을 끝까지 밀고 가는 힘이 얼마나 멀리 나아갈 수 있는지를 보여줍니다. 개교 40주년을 맞은 POSTECH이 지난 시간 동안 쌓아온 가치 역시 여기에 있을 것입니다. 눈앞의 빠른 정답을 찾기보다, 보다 근본적인 질문을 던지고 새로운 가능성을 열어가는 것. 그 질문들이 앞으로의 40년에도 POSTECH을 움직이는 힘이 되리라 믿습니다.