암, 치매 등 인류의 건강수명을 위협하는 질병들과 코로나19 사태 등 새롭게 발생하는 치명적인 감염병들의 병인을 규명하고 치료법을 제시하기 위해 인공지능, 항암, 항바이러스, 감염, 미세먼지, 면역치료 등을 키워드로 생명과학과 의과학·의공학의 유기적인 공동연구를 수행하고 있는 지스트 연구센터의 이름은 무엇일까요?
※ 수집된 개인정보는 선물 발송을 위한 용도 외에는 사용하지 않으며, 발송 후 바로 폐기됩니다.
저희 IBS 양자 변환 연구단(Quantum Conversion Research Center)은 눈에 보이지 않을 만큼 작은 분자나 원자 하나가 빛이나 전기 같은 에너지를 받을 때 어떻게 반응하고 변화하는지를 연구합니다.
우리가 누군가의 본성을 알기 위해 단둘이 마주 앉아 대화하곤 합니다. 이때 농담도 해보고, 때로는 진지한 이야기를 나누거나 감정을 건드려 보기도 하죠. 그렇게 하면 그 사람만의 성격이나 능력을 더 잘 파악할 수 있습니다. 분자 연구도 이와 비슷합니다. 분자는 고립된 상태에서 빛과 같은 자극을 주면 잠시 흥분한 상태(들뜬 상태)가 되는데, 이때 나오는 미세한 신호를 포착하면 그 분자가 가진 고유한 양자적 성질(전기전도도, 발광, 반응성 등)을 알 수 있습니다. 이러한 방식을 ‘분광(Spectroscopy)’이라고 합니다.
저희 연구단은 단일 분자나 원자 수준에서 일어나는 현상을 관찰하기 위해, 극도로 정밀한 도구인 주사터널링현미경(STM)과 극초단 레이저 분광 기술을 사용합니다.
STM은 아주 뾰족한 탐침을 이용해 양자 터널링 현상으로 원자나 분자의 구조를 시각화할 수 있는 장비입니다. 이 기술을 이용하면 분자 하나를 조작할 수 있을 만큼 정밀한 제어가 가능합니다.
극초단 레이저 기반의 분광 기술은 펨토초(1000조 분의 1초) 단위로 빛을 쏘아 분자를 자극하고, 그 반응을 측정해 분자의 양자 상태 변화를 추적할 수 있습니다.
저희는 이 두 기술을 결합해, 단일 분자 내에서 일어나는 전자 움직임과 에너지 흐름을 시간과 공간 양쪽에서 정밀하게 측정할 수 있는 실험 시스템을 구축했습니다. 이는 양자 컴퓨팅의 기본이 되는 분자의 양자 상태를 정밀하게 제어하고 이해하는 데 중요한 기술입니다.
양자 변환 연구단은 2024년 9월 출범 이후 실험 기반을 구축 중이지만, 출범 전부터 일본 리켄, 도쿄대학교 등과 공동으로 추진한 연구 성과가 《Science》에 게재되며 주목을 받았습니다.
이 연구에서 저희는 테라헤르츠(THz) 빛 펄스를 이용해 STM 팁에서 전자 한 개를 1조 분의 1초(피코초) 단위로 단일 분자에 주입하고, 이때 발생하는 매우 짧은 빛 신호를 포착하는 데 성공했습니다.
기존에는 전류를 통해 분자 반응을 간접적으로 관찰했지만, 이번에는 전류가 거의 흐르지 않아도 분자의 양자 상태 변화와 발광을 직접 감지해 낸 것이 핵심입니다. 눈에 보이지 않는 작은 분자 하나에 빛의 채찍을 휘둘러, 그 반응으로 나오는 미세한 신호를 통해 분자 내부에서 무슨 일이 일어났는지를 ‘빛으로ʼ 들여다본 셈입니다.
이 연구는 초고속 분자 반응의 실시간 관측, 그리고 양자 상태 조작을 통한 단일 분자 발광 제어라는 점에서 세계적으로도 처음 시도된 것이며, 앞으로 고감도 분자 센서, 양자 소자, 에너지 변환 기술 등 다양한 분야로 응용될 수 있는 기초 과학의 매우 중요한 전환점을 제시합니다.
양자 변환 연구단은 출범 초기인 올해부터 본격적으로 8개의 새로운 연구 프로젝트를 시작했습니다. 주제는 에너지 변환, 화학 반응 제어, 양자 상태의 동적 거동 등으로, 모두 ‘양자 변환’이라는 공통된 질문을 향하고 있습니다.
예를 들어, 단일 분자에서의 빛-전자 반응을 실시간으로 추적하거나, 2차원 물질에 결함을 인위적으로 만들어 새로운 양자 발광 특성을 설계하는 등, 지금껏 밝혀지지 않은 양자 현상을 직접 보고 이해하려는 시도를 하고 있습니다.
이를 위해 극저온에서 작동하는 현미경, 피코초 단위의 레이저 시스템 등을 직접 조립하고 실험에 맞게 조정하며, 말 그대로 ‘아무도 보지 못한 현상을 보기 위해, 아무도 써본 적 없는 도구를 만드는’ 과정에 도전 중입니다.
이러한 연구는 양자 소자, 정밀 센서, 미래의 양자 정보 기술 개발로 이어질 수 있는 기초를 만들어 가고 있습니다.
앞으로 양자 변환 기술은 다음과 같은 큰 변화를 이끌 것으로 기대됩니다.
• 초고감도 센서와 진단 기술의 등장
한 개의 분자나 원자 수준에서 일어나는 변화를 실시간으로 감지할 수 있는 센서를 만들 수 있습니다. 예를 들어, 질병을 조기에 감지하거나 환경 속 아주 미세한 오염물질도 찾아낼 수 있겠지요.
• 고효율 에너지 변환 시스템
태양광, 열, 화학 에너지를 전기로, 혹은 그 반대로 바꾸는 과정에서 에너지 손실을 최소화하는 장치를 만들 수 있게 됩니다. 기존의 배터리, 태양전지보다 훨씬 효율적이고 지속 가능한 시스템을 기대할 수 있습니다.
• 차세대 양자 정보 기술의 기반 마련
양자 변환 기술은 한 개의 광자나 전자 스핀처럼 매우 민감한 양자 상태를 조절할 수 있기 때문에 미래의 양자 컴퓨터, 양자 통신, 양자 센서 같은 기술에 꼭 필요한 기반이 됩니다. 즉 정보를 빛으로 바꾸거나, 손실 없이 멀리 전달하는 기술이 현실이 될 수 있습니다.
무엇보다 중요한 점은, 양자 변환 기술이 기초 과학의 성과에서 출발하지만, 현실의 문제를 해결할 수 있는 응용 기술로 발전할 수 있다는 가능성을 보여준다는 것입니다. 우리는 지금까지 보지 못했던 방식으로 자연의 작동 원리를 새롭게 이해하고, 그 이해를 바탕으로 지속 가능한 미래를 설계할 수 있는 새로운 도구를 만들고 있는 셈입니다.
양자 변환 기술은 빛과 전기 같은 에너지를 분자나 원자의 양자 상태를 이용해 조절하는 기술로, 기존 방식으로는 불가능했던 새로운 기능 설계를 가능하게 합니다. 예를 들어, 단일 분자 수준의 초고감도 센서, 전기 대신 빛으로 작동하는 차세대 전자소자, 양자 상태를 직접 제어하는 정보 처리 기술 등은 미래의 양자 컴퓨팅 기술과도 밀접하게 연결됩니다.
이러한 응용은 에너지, 정보통신, 생명과학 등 다양한 산업에 새로운 돌파구가 될 수 있으며, 연구단은 GIST 안팎의 연구 그룹과 산업체와 협력해 기초연구의 결과가 실제 기술과 산업으로 이어지도록 하는 것을 중요한 목표로 삼고 있습니다. 양자 변환은 단순한 기초과학을 넘어, 미래 기술로 가는 다리를 놓는 일입니다.
연구단의 최종 목표는, 단일 분자 수준에서 에너지와 물질의 상호작용을 실시간으로 관찰하고 제어하는 기술을 확립하는 것입니다. 이를 위해 시간·공간·에너지 해상도를 동시에 갖춘 극한 분광 기술을 개발하고 있으며, 양자 상태의 변화를 정확히 추적해 차세대 에너지 변환, 고감도 센서, 양자 소자 등의 기반을 마련하고자 합니다.
장기적으로는 기초과학의 성과가 실용 기술로 이어지는 연구개발 연계 체계를 구축해, 양자 컴퓨팅 등 미래 기술로의 연결고리를 만드는 것이 핵심 비전입니다.
서울대 화학과에서 전기화학을 공부하며 전극 표면의 미세한 반응과 전자의 움직임에 관심을 갖게 되었고, 도쿄대 박사 과정에서는 빛과 물질 사이의 상호작용을 연구했습니다. 전기와 빛이라는 에너지원이 물질에 미치는 영향을 살펴보며, 모든 물리·화학 현상의 근원이 ‘양자 상태의 변화’에 있다는 사실을 깨닫게 되었죠.
리켄에서의 연구를 통해, 이 복잡하고 정교한 양자 상태의 세계를 이해하는 것이 제 평생의 과업이라는 확신이 생겼습니다. 이후 지금까지 ‘양자 상태의 변화가 세상을 어떻게 만들고 바꾸는가’라는 질문을 중심에 두고 연구를 이어오고 있습니다.
저희는 전자의 움직임뿐 아니라, 그 움직임이 주변과 상호작용하며 만들어 내는 얽힘과 흐름에 주목합니다. 물질과 에너지, 인간과 사회를 하나의 연속체로 바라보는 관점이 중요한 이유입니다.
이런 시선은 연구를 단순한 기술 개발을 넘어서, 세상과 어떻게 연결되고 기여할 수 있는가를 묻는 태도로 이어집니다. 결국 기초과학도 사회 속에서 끊임없이 질문하고, 연대하며, 책임지는 방향으로 나아가야 한다는 것이 저희의 연구 철학입니다.
연구는 긴 여정이기 때문에, 지치지 않고 나아가기 위해 몸과 마음을 좋은 상태로 유지하는 루틴이 꼭 필요합니다. 단순하고 건강한 일상 속에서야 비로소 도전할 에너지와 창의성이 생겨납니다.
버티는 힘보다 중요한 건, ‘지속 가능한 열정’을 어떻게 만들어내는가입니다. 이 진리를 후배들이 스스로의 삶을 통해 발견해 가길 바랍니다.
기초과학에서 출발한 성과가 응용연구와 산업화까지 자연스럽게 이어지는 ‘가치의 연결고리’를 만드는 것입니다.
양자 상태에 대한 깊은 이해는 센서, 발광소자, 양자 정보 기술 등 다양한 응용의 출발점이 될 수 있습니다.
지금 GIST와 IBS에서 저는 그 연결의 첫 고리를 만들고 있으며, 이 흐름이 더 넓고 오래 지속되도록 노력하고자 합니다.
(우)61005 광주광역시 북구 첨단과기로 123 (오룡동)
Tel. 062)715-2114 Fax. 062)715-2300
Copyright (C) 2017 Gwangju Institute of Science and Technology. All Rights Reserved
