[과학의 날]IBS, 기초과학으로 4차 산업혁명 기반 다진다

　“기초과학으로 4차 산업혁명 기반 다진다”

‘4차 산업혁명’이 전 세계적인 화두로 떠오르고 있다. 4차 산업혁명을 선도할 능력이 있는 국가로 꼽히는 선진국에는 공통점이 있다. 기초과학 강국이라는 점이다. 이들은 이미 200년 전부터 기초과학의 중요성을 인식하고 지속적인 투자를 하고 있다. 기초연구가 탄탄해야만 혁신적인 응용연구가 탄생할 수 있다는 것을 미리 인지했기 때문이다.

우리나라는 2012년 기초과학연구원(IBS)을 설립해 기초과학 연구에 대한 신호탄을 쏴 올렸다. 국제과학비즈니스벨트의 핵심기관인 IBS는 인류의 행복과 사회 발전에 공헌하겠다는 목표로 수학ㆍ물리ㆍ화학ㆍ생명ㆍ융합 분야에서 연구단 28개를 구성했다. 우리나라 유일의 기초과학 종합 연구기관으로, 세계 수준의 기초과학 연구기관으로 도약하고자 성장하고 있다.

설립 후 5년 남짓 지난 짧은 기간에도 우수한 연구성과로 국내외 과학계의 주목을 받았다. 지난해 세계적인 출판그룹 NPG가 발표하는 ‘2016 Nature Index Rising Star’ 특집에서 지난 4년간 눈에 띄는 성장세를 보인 대표적인 연구 기관 사례로 소개되기도 했다. 또 세계 100개 대학ㆍ연구기관 중 11위를 차지했으며, ‘Nature Index’에서도 꾸준한 성장으로 세계무대에서 IBS의 이름을 널리 알렸다.

새로운 혁신의 패러다임을 가져올 4차 산업혁명에 대응하고자 IBS도 기초과학 분야 전반에서 다양한 연구를 진행 중이다. 그중에서도 ‘꿈의 컴퓨터’로 불리는 ‘양자 컴퓨팅 구현기술 및 소재 연구’는 4차 산업혁명의 기반이 되는 연구로 꼽힌다.

▲원자단위로 정보 저장하는 세상에서 가장 작은 메모리

전문가들은 양자컴퓨터를 만들려면 최소한 1만 큐비트(양자컴퓨터 정보저장의 최소 단위) 소자로 구성된 회로가 필요할 것으로 예측한다. 큐비트 회로를 안정적으로 유지하려면 기초과학 연구가 필요하다. 연산에 활용하는 전자, 광자, 이온 등의 양자 중첩 현상을 안정적으로 제어하고 중첩 상태를 유지하고자 외부 환경의 영향을 받지 않도록 제어하는 기술이 필요한 것이다.

안드레아스 하인리히 양자나노과학 연구단장은 전자주사터널현미경(STM)을 이용해 단일 원자의 위치와 양자 상태 제어 분야를 선도하고 있다. 2012년 철 원자 12개로 저장장치인 반강자성체를 만들고 1비트를 저장하는 방법을 알아낸 후, 최근에는 홀뮴 원자 1개로 1비트를 안정적으로 읽고 쓰는 데 성공했다. 세상에서 가장 작은 메모리를 구현한 것이다. 기존 1비트는 원자 약 100만개가 필요하다. 그러나 이 기술이 상용화되면 단 1개의 원자로 이 역할을 대신할 수 있다. 양자 제어 방법에 대한 추가적인 연구가 뒷받침된다면 양자컴퓨팅을 위한 큐비트가 만들어질 전망이다.

▲전자 한 개씩 흘려보내는 원자전선을 통한 4진수 연산체계 구현

양자컴퓨터 개발과 함께 ‘유사 입자’의 양자 현상을 이용하는 방식도 연구 중이다. 유사입자는 구름에 둘러싸인 입자처럼 거대한 유동에 따라 움직이는 개념이다. 오류가 일어날 가능성이 가장 작지만 아직 유사입자 개념을 검증한 적이 없어 가장 구현하기 어려운 방법으로 평가된다. 유사입자와 관련해 원자제어 저차원 전자계 연구단 염한웅 단장은 2015년 인듐 원자선에서 전자를 한 개씩 안정적으로 가지는 전하수송체(카이럴 솔리톤)를 발견했다. 이를 이용해 전자를 원하는 방향으로 하나씩 이동시켜 전류를 흐르게 할 수 있다는 것도 확인했다. 원자선이 전자를 하나씩 이동시키는 전선 역할을 한다는 것과 원하는 정보를 넣었다 빼는 메모리 역할도 할 수 있다는 사실을 밝혀낸 것이다. 최근 이러한 전하수송체 간 충돌이 규칙적인 상호전환을 발생시킨다는 사실을 확인하고, 이를 4진수 연산체계로 구현해 다진법 기반의 연산 기술을 확보했다. 또 정보저장과 연산을 동시에 수행할 수 있어 인간의 뇌를 모방한 뉴로모픽 기술에도 공헌할 수 있는 첨단 신개념 정보처리기술을 제시했다.

▲빛의 속도로 정보 전달하거나 땀과 물에 강한 전자 회로 등 다양한 소재 연구

지난해 노벨 물리학상은 일상적인 3차원 세상과 1ㆍ2차원 세상에서도 전류가 저항 없이 흐르는 초전도 상태가 생길 수 있음을 규명한 영국 과학자 3명(데이비드 사울리스ㆍ던컨 홀데인ㆍ마이클 코스털리츠)에게 돌아갔다. 이처럼 소재 연구도 중요하다. 수상자들의 연구는 미래 컴퓨터인 양자컴퓨터의 재료로 사용되는 2차원 자성필름이나 초전도체 박막 등을 개발하는 데 중요한 기초를 제공했다. IBS에서는 다양한 물성연구를 통해 물질이 가진 고유의 특성을 연구하고 내구성, 열전도율 강화 등 강점을 부각할 수 있는 신소재 개발에 주력하고 있다. 나노구조물리 연구단은 빛의 속도로 정보를 전달하는 초고속 광전소자를 개발했다. 첨단연성물질 연구단에서는 금(Au) 나노입자를 이용해 땀과 물에 강한 전자 회로를 개발해 반도체 없는 전자회로의 가능성을 제시하기도 했다. 최소망 기자 somangchoi@