세계 최초의 열전현미경, 그 포문을 열다
양자측정센터 여호기 박사 
   

물질의 뜨거움과 차가움. 이 온도차이로 우리는 무엇을 만들 수 있을까. 오직 온도차이를 이용해 원자크기의 물질을 관찰할 수 있을 뿐 아니라 구조와 성질까지 파악할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 세계 최초의 열전현미경을 개발한 KRISS 미래융합기술부 양자측정센터 여호기 박사가 바로 그 주인공이다. 기존의 나노현미경보다 약 10배 이상 정밀하게 관찰할 수 있어 향후 열에너지를 원자규모에서 제어하고 차세대 반도체 제작공정의 수율을 크게 개선할 수 있을 것으로 기대 받고 있는 기술. 열전현미경 시대의 포문을 연 여호기 박사를 직접 만났다.

열에너지, 그 미시적 세계
온도차이로 인해 전기가 발생하는 현상인 열전(熱電). 열전현상은 온도차이로 인해 전기가 발생하는 ‘운동’ 이 일어나는 과정을 일컫는다. 여호기 박사는 이러한 열전현상을 나노규모에서 측정하고 관찰하는 연구를 진행하고 있다. 미 텍사스주립대학 박 사과정에 있던 당시 ‘열’에 대한 호기심을 품기 시작한 게 지금까지 이르게 된 것이다. 온도 분야를 접한 여호기 박사는 이를 탐구할수록 자신의 흥미를 당기는 ‘꺼리’가 많음을 느낄 수 있었다. 일상 환경에서와 달리 미시세계에서는 열에너지의 전달과정이 잘 규명되어 있지 않음을 깨달은 것이다.

“박사과정 당시 함께 연구를 진행한 파트너가 있었습니다. 그 분과 함께 연구를 진행해서 나노미터 수준에서 열 전달과 관련한 내용을 <사이언스(Science)>지에 발표할 수 있었어요. 그런데 사실 저는 연구발표 이후 더욱 풀리지 않는 의문을 갖게 됐어요. 미시세계에서 열이란 무엇인지, 이 결과가 어떻게 가능한 것인지 궁금한 거예요. 그래서 직접 질문에 대한 답을 얻어 봐야겠다고 생각해서 연구를 시작했습니다.”미시세계의 열 현상을 연구한다고 했을 때 여호기 박사 주위의 많은 사람들은 도저히 이해할 수 없다는 반응을 내보였다. 지금까지 뚜렷한 성과를 얻지 못한 분야였던 만큼 자칫 ‘블랙홀’ 같은 분야가 될 수 있다는 우려 때문이었다. 하지만 그는 자신의 호기심을 따라 연구방향을 정립했고, KRISS에 입원한 후 본격적으로 미시 열전현상을 탐구하기 시작했다.

선례 없는 연구? 힘들지만 보람 돼
여호기 박사의 열전현미경은 그 성능에 있어서도 많은 이들의 시선을 사로잡을 만하다. 해상도 수 nm 수준의 나노현미경과 비교해 열전 현미경은 0.1 ㎚ 크기 이하의 해상도를 갖고 있고 전자상태밀도의 차이를 증폭시키기 때문이다. 따라서 기존 방법으 로는 관찰이 어려웠던 원자크기의 변형이나 상온양자구속효과 등을 생생한 영상으로 시연할 수 있다. 작은 규모의 물질을 선명하게 관찰할 수 있으므로 열전현미경의 수요는 도처에서 다양하게 늘어날 전망이다. 반도체와 LCD 제품의 결함을 촘촘히 검사해 수율을 높일 수 있고, 이는 곧 기업과 국가 경쟁력 향상으로 이어지므로 열전현미경의 청사진은 매우 밝은 셈이다.

“전자는 전기와 열에너지를 모두 품고 있는데 온도차이가 발생하면 이를 상쇄하기 위해 전자들이 움직여요. 이러한 현상이미시적인 스케일에서 발생한다고 생각해보세요. 전자가 단 몇 개만 움직여도 차이는 크게 늘어납니다. 열전현미경 개발은 그것을 측정한 거예요.”세계최초의 열전현미경을 개발한 여호기 박사는 선례 없는 분야를 최초로 걸어간 과학자가 됐다. 이러한 업적은 연구자라면 누구나 탐내는 길이지만 아무도 가보지 않은 길을 가는 것은 생각만큼 쉽지 않았다. “이번 연구는 가장 처음으로 거슬러 올라 가면 약 10년에 걸쳐 진행됐다고 할 수 있어요. 많은 시행착오를 거쳐 지금에 이른 거죠.”

오랜 시간을 투자하면서도 여호기 박사가 나노양자분야에 집중할 수 있던 것은 끊임없이 질문을 던지는 그의 연구태도와 무궁무진한 가능성을 품고 있는 분야의 잠재력 덕분이었다. 여호기 박사는 앞으로 미시세계에서 열이 어떻게 발생하고 움직이는지 더욱 깊이 연구해 많은 사람들에게 이로운 결과를 제공하고 싶다고 덧붙였다. 자신의 연구분야에서 첫 발자국을 찍고 싶은 열정만큼, 의미 있는 첫걸음이 되도록 연구를 진행하고 싶다는 그는 오늘도 탐구를 지속하고 있다.