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[IT뉴스][기초과학의 시간] ⑧연구단서 또다른 연구단 나와…"전에 없던 연구 싹터"

온카뱅크관리자

2026-11-04 06:07:26

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 김준성 양자물질 극한물성 연구단장 "새 양자물질로 실리콘 반도체 이후 대비" 
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 9월 22일 포항 포스텍에서 김준성 기초과학연구원 양자물질 극한물성 연구단장을 만났다. 기초과학연구원 제공
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 [편집자주] 오늘날 인공지능(AI)과 반도체, 바이오 기술의 발전은 수십 년 전부터 축적된 기초과학 연구의 토대 위에서 가능했다. 기초과학은 새로운 지식과 미래 기술의 출발점이지만 성과가 나오기까지 오랜 시간이 걸린다. 2011년 출범한 기초과학연구원(IBS)은 연구자 중심의 장기 연구 지원을 위해 설립된 국가 연구기관이다. 동아사이언스는 IBS 출범 초기 연구단장과 IBS에서 성장해 대학·연구기관의 독립 연구자로 자리 잡은 과학자들을 만나 장기 연구의 성과와 한국 기초과학계에 남긴 변화를 살펴본다.   
 기초과학에 대한 장기간 투자의 결실은 연구성과만으로 대변되지 않는다. 지속적이고 안정적인 연구개발(R&amp;D) 투자로 새로운 연구분야를 스스로 개척하는 차세대 리더가 등장하기도 한다. 2011년 문을 열어 올해 햇수로만 16년차가 된 기초과학연구원(IBS)에서도 혁신을 이끌 새로운 리더가 나온다. 2026년 9월 출범한 IBS 양자물질 극한물성 연구단의 김준성 단장이 대표적이다. 
 최근 경북 포항 소재 포스텍에서 만난 김 단장은 2013년부터 10여년 동안 IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단에 몸담으며 연구자로 역량을 축적했다. 그는 "전세계에서 제일 좋은 연구, 전에 없던 연구를 하겠다고 외치던 원자제어 저차원 전자계 연구단의 분위기는 제가 성장하는 데 도움이 많이 됐다"고 말했다. 
 ● '운'으로 물질 찾던 시대에서 물질을 설계하는 시대로
 김 단장은 독일 막스플랑크 연구소에서 한국으로 돌아온 2009년부터 양자물질을 연구했다. 김 단장은 "어떤 연구를 해야 할지 막막한 상황에서 양자물질이란 돌파구를 찾았다"고 말했다. 
 2009년은 양자물질 분야가 막 주목받기 시작한 때였다. '양자'라고 하면 흔히 양자를 소재로 한 양자컴퓨터 등을 떠올리게 된다. 양자에서는 고전물리학으로는 설명하기 어려운 새로운 현상이 나타난다. 양자컴퓨터는 양자 한 개 한 개의 성질을 활용해 연산을 수행한다.
 양자물질은 양자가 수천, 수만 조 개 이상 모여 있는 물질이다. 하나만 있어도 고전물리학 법칙을 뛰어넘는 성질을 보이는 양자가 모이면 개별 양자에서는 볼 수 없었던 또 다른 성질이 드러날 수 있다. 
 김 단장은 양자물질의 대표적 사례로 초전도체를 꼽았다. 김 단장이 막스플랑크 연구소에 있던 시절 연구했던 주제이기도 하다. 
 일반적인 금속에서는 전자가 이동하는 과정에서 저항이 발생하지만 초전도체에서는 수많은 전자가 집단적인 양자상태를 형성하면서 전기저항이 사라진다. 개별 입자에서는 나타나지 않던 새로운 성질이 입자 간 상호작용을 통해 드러나는 것이다.
 김 단장은 "원자의 특성은 대부분 전자에 의해 좌우된다"며 "전자에 주목해 양자상태를 이해하고 이를 바탕으로 양자물질의 새로운 물성을 탐색할 수 있을 것"이라고 말했다.
 이는 고체 물리학의 큰 돌파구가 될 수 있다. 고체물리학은 고체를 구성하는 원자와 전자가 어떻게 상호작용하고, 그 결과 어떤 물리적 성질이 나타나는지 연구하는 물리학 분야다. 
 과거 고체물리학 분야의 경우 물질에서 새로운 물성이 나타날지는 실제로 물질을 만들어 실험하기 전까지는 알 수 없었다. 김 단장은 이 시기 "새로운 물성이 발현되기를 기도하면서 연구했다"고 회상했다. 
 양자 물질을 연구하면 전자의 구조를 이해해 전체 고체의 물성을 알 수 있다. 김 단장이 한국에서 가장 처음 연구한 물질은 실리콘(Si) 망간(Mn) 비스무스(Bi)의 화합물이다. 김 단장이 이끈 연구팀은 계산을 통해 이 화합물의 전자 구조와 물성을 예측한 뒤 실제 물질을 합성해 특성을 확인했다. 
 김 단장은 "여러 우여곡절이 많았다"면서도 "실험을 통해 관찰한 특성이 예측한 특성과 굉장히 근접하다는 사실을 확인하고 양자물질 연구가 그간 고체물리학의 연구방향과 크게 다르다는 느낌을 받았다"고 말했다. 
 기존 학계의 연구방향과 다른 시도를 해 보겠다는 발상은 원자제어 저차원 전자계 연구단 전체의 분위기와도 잘 맞았다. 여기에 더해 원자제어 저차원 전자계 연구단의 염한웅 단장이 개별 연구자의 자율성을 존중하는 분위기였다. 이같은 환경 속에서 김 단장은 독자적인 연구 방향을 설정하고 자신의 연구 분야를 발전시켜 나갔다.
 김 단장은 "지난 10여 년간 좋은 연구를 해야겠다, 사람들이 하지 않는 연구를 해야겠다는 생각을 갖고 연구를 고도화했다"고 말했다.
 ● '반도체=실리콘'이라는 틀 벗어나 미래를 연다
 김 단장은 2018년 철(Fe)·저마늄(Ge)·텔루륨(Te)으로 구성된 자성물질에서 전자의 위상적 구조가 독특한 전기적 성질인 '이상홀효과'를 만들어낸다는 사실을 규명했다. 이상홀효과는 자성을 띠는 물질에 전류를 흘렸을 때 전자가 전류 방향과 수직인 방향으로 움직이면서 전압이 발생하는 현상이다. 
 연구를 발전시켜 2021년에는 망간(Mn)·규소(Si)·텔루륨(Te)으로 구성된 자성 반도체에서 자기장의 방향에 따라 전기저항이 극적으로 달라지는 현상을 발견했다. 
 김 단장이 2018년과 2021년 발표한 연구결과는 각각 국제학술지 '네이처 머티리얼스'와 '네이처'에 게재됐다. 전자의 구조가 물질의 성질과 어떻게 연결되는지 이해하면 역으로 전자의 구조를 설계해 원하는 성질을 가지는 물질을 합성할 수도 있다. 
 현재 산업계에서는 실리콘이나 알루미늄 등 비교적 단순한 구조의 소재가 널리 활용되고 있다. 이러한 소재의 성능을 개선하고 활용도를 높이기 위한 기술이 꾸준히 개발돼 왔지만 기존 소재만으로는 언젠가 한계에 부딪힐 수밖에 없다.
 김 단장은 "반도체 업계에선 언젠가 실리콘의 한계를 돌파할 새로운 물질로 전환할 날이 올 것"이라며 "그런 물질을 찾아내는 기초 연구를 하고 있다"고 말했다. 김 단장이 양자물질 연구를 '새로운 미래 기술의 시작점'이라고 부르는 이유다.
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 <img alt="IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단에 소속됐던 2023년 김준성 단장(오른쪽 끝)이 학회에 참여한 모습. IBS 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202611/04/dongascience/20261104060130564xspo.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="pC7eLhx2i9" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202611/04/dongascience/20261104060130564xspo.jpg" width="658">
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 IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단에 소속됐던 2023년 김준성 단장(오른쪽 끝)이 학회에 참여한 모습. IBS 제공
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 ● "국내 극한환경 연구의 허브 되고파"
 큰 꿈을 갖고 출범한 양자물질 극한물성 연구단은 이제 막 포스텍에 둥지를 틀었다. 김 단장은 "연구단 출범을 준비하며 비전을 공유하는 좋은 사람을 찾는 데 주력했다"고 말했다. 출범 3개월 차인 11월 기준 연구단엔 현재 15명의 연구자가 있다. 
 '극한물성'이라는 이름에 맞게 김 단장은 새로운 연구단을 출범하며 극저온이나 고압력, 고자기장 등 극한환경을 조성해 양자물질의 새로운 물성을 찾겠다는 목표를 세웠다. 
 극한환경에서 양자물질의 물성을 탐색하기 위해서는 극한환경을 구현할 수 있는 연구 장비를 확보하는 것이 급선무다. 김 단장은 "연구단을 새롭게 출범한 이유 중 하나도 이러한 장비를 독자적으로 마련할 수 있는 여건을 조성하기 위해서였다"고 말했다.
 국내에는 아직 고자기장 연구를 위한 전문 연구시설이 부족한 실정이다. 세계적으로는 극저온이나 고압력 등 개별적인 극한환경을 구현하는 데 그치지 않고 여러 극한환경을 결합해 물질의 특성을 탐색하는 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 반면 국내에서는 개별 연구실을 중심으로 연구가 진행되고 있어 대규모 연구 인프라를 확보하는 데 한계가 있다.
 김 단장은 "IBS에서 연구 인프라를 구축해 국내 관련 연구의 구심점이 되고자 한다"며 "긴 호흡으로 중요한 연구를 수행하라는 것이 IBS의 설립 취지라고 생각한다. 부담도 크지만 그만큼 책임감도 느낀다"고 말했다.
 기초과학연구원(IBS)·동아사이언스 공동기획
 [김소연 기자 lecia@donga.com]
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