2017년 8월 31일 국가과학기술자문회의 부의장으로 임명된 염한웅 IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단 연구단장. 2017년 3월 문재인 대통령의 후보시절 대선 캠프에서 과학기술정책 특별 자문 역할을 했던 염 단장은 대통령에게 과학기술정책에 대해 자문하는 중책을 맡게 됐다. 그는 IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단을 이끌며 나노 규모의 원자선(Atomic Wire) 연구분야에서 세계적인 성과를 거두고 있다. 국가대표급 기초과학자인 그를 포스텍 연구실에서 만나, 국가과학기술자문회의 부의장으로서의 포부와 연구 이력, 미래 계획을 들어봤다.

국가과학기술자문희의 부의장으로서

“이번 정부는 국가과학기술자문회의와 국가과학기술심의회를 합쳐서 하나의 위원회를 구성합니다. 정책 자문과 예산 심의 기능을 함께하는 종합적인 과학기술 컨트롤 타워이죠 과학기술정보통신부, 과학기술혁신본부 뿐만 아니라 산업통상자원부, 보건복지부 등 행정부처의 R&D 전체를 관장합니다."

국가과학기술자문회의는 우리나라 과학기술을 발전시키고 국가에 대한 과학기술의 기여도를 높이기 위해 필요한 정책들의 기본 방향을 자체적으로 논의하고 그중 중요한 것들을 대통령에게 자문하는 역할을 한다. 그리고 주요사항들이 각 행정부처에서 제대로 정책에 반영됐는지 모니터링한다. 이번 정부에서 과학기술 관련 예산을 심의하는 국가과학기술심의회와 합쳐지면, 이전 정부에서보다 그 역할과 위상이 훨씬 높아지게 된다.

염 단장은 “대선 캠프에서 과학기술정책의 기본방향을 만드는 일을 했는데, 이 정책 기조가 대선후보 공약집에 구체화됐고 당선 이후 국정과제로 탄생했다”며 “이러한 정책들이 원활하게 실행되려면 그 기본적인 철학을 만든 사람이 책임져야 한다고 해서 국가과학기술자문회의 부의장을 맡게 된것”이라고 말했다.

▲ 염한웅 단장은 국가과학기술자문회의 부의장으로서
이번 정부에서는 연구자 개인의 창의성을 살릴 수 있는 지원 시스템을 마련하겠다고 밝혔다.

그는 과학기술계에서 모아진 의견을 과학기술정책의 기조로 삼으려고 노력하고 있다. 국가 과학기술정책의 경우 그동안 단기적으로 산업경쟁력을 높이고자 산업에의 응용을 목표로 하는 연구가 기본 기조를 이루었다. 염 단장은 "지금은 기업 자체적으로 이런 연구를 잘하고 있으니 정부는 기초연구와 공공복지 관련 과학기술을 중심으로 한 장기적인 과학기술정책을 만들어야 한다"고 설명했다. 특히 기초연구를 장기적으로 지원하겠다는 뜻을 밝혔다.

염 단장은 자신이 몸담고 있는 기초과학연구원(IBS)에 대한 곱지 않은 시선들을 잘 알고 있다. 그는 "IBS는 우리나라 기초과학 연구가 국제적 수준에 비해 상당히 떨어져 있는 상황에서 그 격차를 단시간에 좁히기 위해 시도한 일종의 ‘극약 처방’이었다"며 "그 파격성 때문에 연구 생태계를 왜곡시키는 결과를 낳았다는 시각도 있다"고 밝혔다. 그러면서 염 단장은 전체 과학기술 생태계(landscape)를 조화롭게 만들 수 있는 방안을 제시했다.

구체적으로 염 단장은 "이번 정부에서는 지난 정부에서 챙기지 못한 부분에 지원할것"이라며 "연구자 개인의 창의성을 살릴 수 있는 지원 시스템을 마련하겠다"고 말했다. 연구자 중심의 연구 지원을 R&D 혁신의 테마로 잡았다는 뜻이다. 일례로 현재 개별 연구자들이 한국연구재단에서 지원하는 정부 연구자금에 의존하고 있는데, 이 자금의 규모를 현재 1조 원에서 5년간 2조 원까지 늘리겠다고 설명했다. 그는 중국을 제외한 전 세계 모든 나라의 기초연구 예산이 줄고 있으니 우리나라 기초연구 예산을 2배로 늘리는 이 일은 파격적인 변화라는 말도 덧붙였다.

국내외서 인정받는 국가대표급 연구자

2017년 10월 20일 염 단장은 미국물리학회(APS) 석학회원(Fellow)으로 선정됐다. 7년 전인 2010년에는 미국물리학회에서 '최우수 논문심사위원 (Outstanding Referee)'으로 뽑혔다. 그는 국내 연구자 중에서 〈피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters. PRL)〉 같은 미국물리학회 저널에 가장 많이 논문을 내는 연구자로 평가받는다. 그러다 보니 미국물리학회로부터 논문 심사 의뢰를 많이 받았고 최우수 논문심사위원으로도 발탁됐다. 이어 자신의 주요 연구분야인 원자선 연구는 과학자의 추천으로 연구성과를 인정받아 미국물리학회 석학회원에도 선정됐다. 추천서는 염 단장의 연구 초기인 1997년부터 2007년까지 10년간 다른 사람이 보지 못했던 원자선의 금속-비금속 상전이를 발견했다는 내용이 주요 골자이다. 상전이란 기체상, 액체상, 결정상 등 서로 다른 상으로 바뀌는 현상이다.

▲ 염한웅 단장은 오랜 연구활동을 통해 다앙한 상올 수상했다.
최근에는 미국물리학회 석학회원으로 선정되기도 했다.

"물리 연구라는 것은 새로운 물질을 합성하든지, 기존에 알려진 물질에서 신(新)물성을 찾아야 합니다. 신물성 중에서 가장 두드러지는 것이 상전이고요. 국내에서 세계 최초로 새로운 물질을 합성한 경우는 우리나라 고체 물리 역사 100년을 통틀어 몇 건밖에 없을 것이고, 신물성을 발견한 사례는 더 적을 겁니다. 제 연구 초기의 원자선 상전의 발견은 중요한 성과라고 생각합니다."

2015년에는 〈사이언스〉에 논문을 발표했다. 이 논문에는 한꺼번에 많은 전자를 흘려보내는 일반 도체전선과 달리 전자를 하나씩 이동시키는 정보전달체를 포함한 폭 1nm의 인듐 원자선을 발견한 성과를 담았다. 이 원리를 활용해 단 하나의 전자로 1비트의 정보를 처리하는 단전자 소자를 구현한다면, 전력소비와 발열을 크게 줄이고 궁극적으로 집적회로의 소형화를 앞당길 수 있을 것이라는 평가를 받았다. 덕분에 염 단장은 그해 한국과학상을 수상했고 이듬해에는 인촌상을 수상하는 영예를 안았다.

2017년 2월에는 조금 더 발전된 성과를 〈네이처 피직스〉에 게재했다. 인듐 원자도선에서 새로운 정보전달체를 이용해 4진법 연산체계를 구현하고 새로운 정보전달 및 연산 소자로서의 가능성을 제시한 것이다. "4진법 연산체계를 구축한 네이처 피직스 연구성과는 이전의 사이언스 연구성과보다 더 중요하다고 생각한다"고 밝힌 염 단장은 2017년 9월 경암상을 수상했다. 1997년 이후 20년간 꾸준히 원자선을 연구해 왔는데 최근 잇달아 굵직한 성과를 내고 있다고 펑가받은 셈이다.

일본에서 한 수 배우다

염 단장은 미국물리학회 석학회원이 됐지만, 일본에서 공부했고 일본 물리학회와 더불어 성장했다. 그는 서울대 물리학과를 졸업하고 포스텍에서 물리학 석사를 받은 뒤 일본 도호쿠대학에서 박사 학위를 받았다.

"처음에는 해외 유학보다 국내에서 학업을 이어가고자 했습니다. 하지만 당시 서올대 대학원은 교수진의 수준은 높지만 실험 장비가 부족했고, 반대로 포스텍은 방사광 가속기를 비롯해 많은 장비가 갖춰졌지만 아직 교수진의 경험과 역량이 쌓이기 전이었습니다. 결국 실험설비와 교수진 모두 갖춘 곳을 찾으려면 해외로 눈을 돌려야 한다고 생각해서 뒤늦게 유학을 결심했습니다. 제 연구분야는 독일, 스웨덴, 일본 등에 좋은 연구자들이 많았는데, 그 분들에게 ‘열심히 잘 할 수 있다’고 이메일을 보낸 결과 일본으로 유학길에 오를 수 있었습니다."

일본에서 그는 6개월간 연구생 과정을 거친 뒤 2년 반 만에 박사 학위를 받았다. 필요한 장비가 잘 갖춰져 있으니 아이디어만 있으면 바로 실험에 돌입할 수 있었고 실험 중 막히는 부분에서는 교수가 해결책을 제시해주었다. 염 단장은 교수 본인이 모르는 내용은 그 내용을 잘 아는 전문가를 추천 받아 막히는 것이 없이 술술 풀려 너무 재미있었다고 당시를 회상했다.

일본에서 염 단장을 지도한 교수는 1990년대 초부터 반도체 기판 위에 단원자막을 만드는 연구를 했는데, 초고진공에서 증착해 막을 성장시키는 방법을 활용했다. 이 방법으로는 보통 두꺼운 막이 형성되는데, 특정 물질을 이용해 잘 조절하면 한 층으로 된 막을 만들 수 있다. 그러다 영국 연구진이 스카치테이프로 흑연에서 단원자층의 그래핀을 만들어 내면서 단원자층 물리 연구가 그래핀을 중심으로 발전했다. 하지만 이런 방식으로 그래핀 같은 2차원 물질을 만들면 눈에 안 보이는 미세 플레이크(flake)로 만들어져서 상용화 가능한 소자를 제작할 수 없기 때문에 지금은 대(大)면적으로 균일하게 성장시키는 것이 도전과제라고 염 단장은 설명했다. 보통 상용 소자는 지름 30cm의 대면적 웨이퍼를 활용해 몇 만 개를 동시에 만들기 때문이다. 2차원 물질의 대면적 성장과 상용화는 증착 방식이 훨씬 더 유리하다.

염 단장은 박사 과정 때 2차원 물질인 원자막 물질 중에서도 주로 금속 단원자막을 연구했다. 염 단장은 "금속 단원자막을 연구하다가 더 나아가 단원자선을 연구하게 되었습니다. 사실상 제가 단원자선 전지물성 분야를 만든 것이죠"라고 강조했다.

세계 최고 수준으로 도약하기 위해

일본 도쿄대에서 부교수로 있던 2000년 1월 그는 연세대로부터 특채교수로 초빙하겠다는 파격적인 제안을 받았다. 한국에 들어올 계획이 없었지만 조국과 민족을 위해 힘이 되어주는 게 어떻겠냐는 설득에 마음이 흔들렸다고 한다. 연세대에 와서는 4년간 선도연구센터(SRC) 과제에 참여해 방사광 가속기에 설치된 장비로 연구했고, 이후 2003년에 창의연구단인 ‘원자선 원자막 연구단’을 시작했다. 창의과제 연구기간은 9년이였고, 염단장은 그 당시에 창의연구단장 중에서 가장 젊은 사람이었다.

"연구생활을 시작하고 보통 5~6년이 지나면 처음 생각했던 아이디어에서 떠올린 연구를 거의 다 해서 다음단계를 생각해야 합니다. 2007년 무렵 창의과제를 2단계까지 마치고 제 연구 전체를 되돌아 봤어요. 그때까지 해왔던 연구보다 수준을 한 단계 높여서 세계 최고 수준의 연구를 해야 하는데 어떻게 해야 할지 고민했죠."

염 단장은 주변 선배 교수들에게 문의를 했지만 답을 구하기가 어려웠다. 그러다 당시에 중국 과학자들이 급부상하는 이유를 알아보다 그 답을 찾았다. 염 단장은 자신과 일본 도호쿠대 대학원 동기였던 중국 과학자 치쿤 쉬에(Qikun Xue)가 ‘천인 과학자 계획’의 초빙을 받아 중국으로 돌아간 뒤 2006년 이후 수준 높은 논문을 쏟아내는 걸 보고, 직접 중국의 연구실을 방문해 그 비결을 알아냈다. 성공 비결은 막대한 연구비 지원에도 있었지만, 조교수급 연구원 3명과 함께 연구그룹을 구성한 데 있다는 걸 깨달았다. 2010년경부터는 치쿤 쉬에가 이끄는 연구진은 국제적으로 주목받는 연구그룹이 됐고, 그는 중국의 차기 노벨상 수상 후보로 거론되며 칭화대 부총장이됐다.

"일본 연구실은 보통 정교수 1명, 부교수 1명, 조교수 2명이 있습니다. 제가 있었던 일본 연구실도 그랬죠. 독일에서도 연구실을 이와 비슷하게 구성합니다. 미국은 교수가 거의 혼자 연구를 주도하지만, 유능한 박사후연구원(포스닥) 3~4명이 함께하죠. 그런데 우리는 교수 1명이 대학원생 10여 명을 지도해야 하는 상황이니까, 연구의 질이 높지 않았던 것입니다."

염 단장이 연세대에서 포스텍으로 옮긴 이유도 이와 관련 있다. 포스텍에서 충분한 연구비와 더불어 조교수 두세 명도 지원할 수 있다고 했기 때문이다. 2010년 그는 포스텍에 자리잡고 조교수 2명과 함께 국내 물리학계에서는 처음으로 독일식 연구실을 만들어 이전과는 다른 연구를 시작했다. 3년 뒤인 2013년 그는 IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단의 단장에 선임됐다. 염 단장은 "사실 단장 1명에 7~8명의 박사급 연구원이 주축을 이루어 연구단을 구성하는 IBS도 우리와 같은 철학을 갖고 있다"며 "다만 정부에서 우리가 생각했던 것보다 2, 3배 규모로 파격적으로 지원했던 것" 이라고 설명했다.

▲ 염한웅 단장이 이끄는 원자제어 저차원 전자계 연구단에서는
세계 최고 성능의 실험장비(주사터널링현미경과 전자구조 측정장비)를 갖추고자 노력해 왔다.

새로운 정보처리기술 ‘솔리토닉스’ 이끈다

2012년부터 2017년까지 5년간 염 단장이 한 연구는 새로운 정보저장 매체를 찾는 것이 목표였다. 염 단장은 인듐 원자선을 꾸준히 연구해 왔는데, 2012년에 이 시스템에 발생하는 솔리톤이라는 정보전달체를 전자주사터널링현미경(STM)으로 발견해 〈네이처 피직스〉에 논문을 실었다. 2015년에는 인듐 원자선이란 1차원 물질에서 ‘카이럴 솔리톤’을 처음 확인해 〈사이언스〉에 발표했다. 이어 2017년에는 카이럴 솔리톤으로 4진수 연산에 의한 정보 처리가 가능하다는 것을 증명해 〈네이처 피직스〉에 게재했다.

▲ 카이럴 솔리톤의 3가지 종류 위로부터 오른-카이럴 솔리톤(+1), 왼-카이럴 솔리톤(-1), 비-카이럴 솔리톤(+2). 괄호 속의 숫자는 각 솔리톤의 위상 상수를 나타낸다. 원은 인듐 원자, 회색 사선은 단위구조, 검은색 실선과 점선은 원자 간의 결합 및 상호작용을 나타낸다. 네 가지 색의 타원은 원자도선의 위상학적 상태를 나타낸다.

솔리톤이란 무엇일까. 솔리톤은 1800년대 후반부터 알려져 있던 현상이며, 전자도 파동이니까 솔리톤 파동을 만들 수 있다는 사실은 1980년대 초에 알려졌다. 염 단장은 "어떤 매질이 갖고 있는 특수한 조건(비선형 조건)에 의해서 한번 만들어진 파동이 없어지지 않고 계속 그 상태를 유지하면서 움직일 수 있는 물리적 상태가 솔리톤"이라며 "지진으로 인해 파동이 한번 생기면 그 위력이 유지된 채 수천 km를 이동할 수 있는 지진 해일이 그런 예"라고 말했다.

전자 파동을 솔리톤 파동으로 만들면 정보를 가질 수 있다. 솔리톤 파는 주변의 방해를 받지 않고 멀리까지 전달되는데, 이는 한번 정보를 입력하면 없어지지 않고 쭉 간다는 뜻이다. 염 단장은 2012년 솔리톤 하나하나를 현미경으로 관찰할 수 있는 방법을 발견했고, 이후에는 파동의 존재 유무로 0, 1을 나타낼 수 있는 기존의 솔리톤에서 더 나아가 0, -1, 1, 2의 4가지 상태를 가지는 카이럴 솔리톤을 구현해 '4진수 연산 전자소자’에 응용할 수 있음을 보여줬다. 염 단장은 카이럴 솔리톤에 의한 다진법 기반의 새로운 정보처리기술을 ‘솔리토닉스(solitonics)'라 명명했다.

▲ 카이럴 솔리톤 사이의 연산표와 위상 상수 덧셈 연산표. G는 바닥상테(0). L은 왼-카이럴 솔리톤(-1). R은 오른-카이럴 솔리톤(+1), A는 비-카이럴 솔리톤(+2)올 뜻한다. 세 종류의 카이럴 솔리톤과 솔리톤이 존재하지 않는 상태(바닥상태)를 함께 조합해 4진수 연산이 가능하다.

염 단장은 전력을 극히 적게 소모하고 다진 연산을 하며 인간 뇌의 연산을 흉내 내는 뉴로모픽컴퓨팅(neuromorphic computing)이 가능한 소자가 미래지향적 소자라고 설명했다. 솔리톤에 주목하는 이유는 한번 만들어 놓으면 에너지가 소실되지 않고 유지되기 때문이다. 염 단장은 솔리톤으로 초저전력 소자를 만들고 싶다고 밝혔다.

원자제어 저차원 전자계 연구단에서는 세계 최고의 성능을 끌어낼 수 있는 연구설비를 만들고자 4년간 수십억 원을 투자해 작업을 하고 있다. 염 단장은 "하나는 세계에서 가장 좋은 주사터널링현미경이고 다른 하나는 전자분광에서 성능이 제일 좋은 설비(전자구조 측정 장비)"라며 "최첨단 설비들이 잘 구축되면 관련 분야의 국내 연구자들이 외국에 가지 않고도 국내에서 제대로 연구할 수 있는 것은 물론 외국의 많은 연구자들이 공동연구를 하자며 몰려들 것"이라고 말했다.

끝으로 염 단장은 미래 목표를 밝혔다. "한국 과학계가 선진국에서 노벨상을 받은 석학에게 배우는 게 아니라 우리 스스로 당당하게 새로운 연구를 했으면 좋겠습니다. 이를 위해 최대한 노력하고 싶습니다."