게놈 (genome). 한번 쯤 들어보긴 했지만 제대로 아는 사람은 많지 않을것이다 . 게놈이란 유전자 (gene) 와 염색체 (chromosome) 의 합성어로 생물의 염색체 속에 들어있는 모든 유전정보를 의미한다 . 그래서 흔히 ‘ 생명의 설계도 ’ 라 불린다 . 아마도 대중에게는 인간게놈프로젝트가 친숙할 것이다 . 이 프로젝트를 통해 밝혀진 인간 게놈의 모든 염기서열은 의학 , 약학 , 생물학에 큰 도움이 될 것이다 . 특히 암이나 알츠하이머병 같은 유전자 관련 질병 치료의 길이 열릴 것이다 . 인간과 마찬가지로 자연계에 존재하는 모든 물질들도 게놈을 갖고 있다 . 물질들의 게놈을 밝히고 이를 분석하면 다양한 신제품을 만들어 내거나 기존 제품을 개선시킬 수 있다 . 가벼운 물질 , 열에 잘 견디는 물질 , 전기가 잘 통하는 물질 등 사용자의 요구에 따라 맞춤소재를 만들어내는 것이다 . 바로 이런 일을 하는 곳이 KRISS 소재게놈측정센터이다

소재게놈 ?    

“ 센터 이름을 정할 때 고민이 많았었어요 . ‘ 연구방향을 생물 쪽으로 바꿨냐 ?’ 고 묻는 분도 있었고 ‘ 욕처럼 들린다 .’ 는 분도 있었어요 . 처음엔 의미를 설명하는데 2~3 분은 걸렸던 것 같아요 .” ‘ 인간게놈 ’ 은 들어봤어도 ‘ 소재게놈 ’ 은 생소한 게 사실이다 . 그 의미를 이해시키기가 어려웠다고 말하는 김정원 센터장 . KRISS 소재게놈측정 센터는 유용한 신소재를 설계하고 신소재를 측정하는 기술을 개발하는 곳이다 . 원하는 물성을 보이는 물질 , 즉 맞춤소재를 만들어내는 것이 이들의 역할이다 .“ 원하는 성질이나 기능을 갖게 하기 위해서는 물질이 어떤 구조를 가지고 있어야 하는지 , 또 어떤 원소로 이루어져 있어야 하는지를 분석해야합니다 . 그 다음엔 그 물질들을 컴퓨터 프로그램을 통해 시뮬레이션을 해서 가장 적정한 구조를 예측해내죠 . 이런 과정을 통해 설계한 여러 물질들 중에서도 가장 안정하고 적합한 물질을 찾고 실제 활용할 수 있도록 구현하는 것까지가 소재게놈측정센터의 연구 진행과정입니다 .” 기존에는 신소재를 개발해도 실제로 상품으로 구현하기까지 20 년 이상이 걸렸지만 맞춤소재를 만들면 단 몇 년이면 충분하다 . 맞춤소재를 만들어내기 위해 소재게놈 측정센터는 물성 ‘ 측정 ’ 과 전산모사 ‘ 계산 ’ 의 융합연구를 수행하고 있다 . 현재 진행 중인 연구는 적외선센서 개발 , 열전소재 개발 , 원자스케일의 단원자메모리 개발 등이다

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측정과 계산으로 개발하는 신소재  

“ 적외선센서는 적외선을 이용해 온도 , 압력 , 방사선의 세기 같은 물리량을 감지해 전기신호로 변환해주는 장치로 주로 군사 분야에 유용하게 쓰입니다 . 매우 어두운 실내나 야간에 촬영할 수 있어서 감도 높은 야간투시경을 만들 수 있고 항공관찰 , 체온 진단에도 사용할 수 있죠 . 이밖에도 인공위성 등 항공우주 분야나 의료 분야 등 특수목적에 효용가치가 높습니다 . 그래서 몇몇 선진국을 제외하고 제대로 기술을 보유한 곳이 없습니다 .” 눈으로 볼 수 있는 가시광과 달리 눈에 보이지 않는 적외선은 검출감도 ( 외부 자극에반응하는 예민성 정도 ) 가 낮고 검출할 수 있는 물질도 제한적이라서 이를 개발하기 위해서는 높은 기술력이 필요하다 . 하지만 일단 개발되면 부가가치가 상당하다 . 소재게놈측정센터는 미국 뉴 멕시코대학교와 공동으로 다중파장 적외선센서를 개발했으며 이를 고감도 영상화하는 연구를 계속해나가고 있다 . 열에너지를 전기에너지로 바꿔주는 열전소재 개발도 소재게놈 측정센터의 연구 주제이다 . 성질이 다른 반도체에 전기가 흐르면 한쪽은 열이 나고 반대쪽은 차가워지는 펠티어 효과 (Peltier effect) 가 일어나는데 , 이러한 온도차를 이용해 전기를 생산하는 것이다 . “ 아직 산업적으로는 초기단계이지만 앞으로 나노물질이 에너지 변환효율 향상에 큰 역할을 할 것으로 기대됩니다 . 저희 센터에서는 현재 나노스케일에서의 구조나 열전달 , 전하수송 등을 양자역학적으로 계산하거나 예측하는 분야로까지 확장해 연구를 진행하고 있습니다 .” 새로운 소재는 프로그램을 이용해 효율적으로 전력을 얻을 수 있는 물질과 구조를 계산과학을 통해 찾는다 . 이와 관련해 소재게놈측정센터는 다양한 나노소재의 열전효율을 측정할 수 있는 기술과 장치 개발에 성공했으며 , 이를 표준화하기 위한 기반을 다지고 있다 . 원자스케일의 단원자메모리도 개발 중이다 . 원자스케일에 정보를 기록할 수 있는 메모리가 개발된다면 정보 기록에 있어서 부피를 획기적으로 줄일 수 있어 가볍고 얇은 반도체를 구현할 수 있을 것이다 . “ 이 분야는 실리콘을 기반으로 하는 메모리 소재의 한계를 극복하기 위한 연구입니다 . 실리콘 표면 위에서 원자수준의 메모리를 구현할 수 있는 기반 기술을 제안하고 이를 입증하는 성과를 거뒀죠 . 아직 10 nm 수준으로 메모리를 제작하는 수준이지만 이를 원자수준까지 확장하면 수백 배의 집적도 향상을 기대할 수 있죠 . 이를 위해 극복해야할 현상들을 원자수준에서 관찰하고 그 물성을 계산과학으로 예측하고 있습니다 .”

융합으로 찾아가는 머나먼 길  

“ 우리 센터 멤버들 중에 ‘ 올해의 KRISS 인 상 ’ 수상자가 2 명이나 있습니다 . 모든 멤버가 각 분야에서 국내외적으로 전문성을 인정받고 있죠 . 큰 강점은 다른 부서에는 없는 계산과학 전문가들이 4 명 있다는 점이에요 . 양자역학적 계산과 소재를 잘 다루고 이해하는 각 분야의 전문가들이 융합해 새로운 소재를 개발하거나 독특한 자연현상을 물리적으로 풀어내는데 서로 도움을 주고받을 수있죠 . 장점을 하나 더 꼽자면 , 자유로운 사고를 가진 분이 많다는 거예요 . 물론 단점이 될 수도 있겠지만 한편으로는 창의적인 연구결과의 원동력이 되기도 해요 .” 다양한 분야의 전문가들이 다양한 접근방식으로 대상을 연구하고 이를 융합해 문제를 풀어나간다 . 게놈의 영역은 실로 방대하다 . 세상에 소재는 헤아릴 수 없게 많고 , 하나의 소재 대해서도 연구할 대상이 어마어마하다 .  

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소재게놈   

측정센터 멤버는 14 명이지만 누구와 어떻게 융합하느냐에 따라 수많은 아이디어와 지식이 만들어질 수 있다 .“‘ 유레카 !’ 아르키메데스가 목욕하다가 이렇게 외치며 발가벗은 채로 목욕탕에서 뛰쳐나왔다죠 ? 새로운 걸 발견하는 것에 대한 기쁨은 모든 연구자들이 마찬가지일 겁니다 . 짧게는 몇 시간 길게는 몇 년간 고민하던 문제가 풀렸을 때의 기쁨은 뭐라 표현할 수 없죠 . 지금은 워낙 과학기술이 급속도로 발전하고 있어서 정말 새로운 걸 발견하는 일이 드물지만 수많은 자연현상을 세세하게 이해해나가는 과정은 아직도 멀기만 합니다 .” 소재게놈측정센터가 하는 일은 궁극적으로 자연현상을 이해하고 원리를 밝히는 일이다 . 그 과정은 물론 쉽지 않다 . 하지만 몰랐던 사실을 발견했을 때 , 그 이유를 알게 됐을 때의 짜릿함은 마약처럼 소재게놈 연구에 중독되게 만든다 .  

“ 유용한 소재의 발견이 20 세기 인류의 발전을 이끌었다고 해도 과언이 아닙니다 . 이는 21 세기도 마찬가지일 겁니다 . 특히 우리나라는 산업에 필요한 기초소재에 있어서 해외의존도가 높은 만큼 , 우리가 개발한 소재와 소재 측정기술이 많은 곳에 쓰이고 산업발전에 기여하는 것이 저희의 궁극적인 바람입니다 .” 앞으로 3 년 안에 계산 · 합성 · 측정을 통해 , 세상에 없던 전혀 새로운 소재를 창조했노라고 대내외에 알리는 게 꿈이라는 소재게놈측정센터 . 아직은 이름조차 생소하지만 한발 한발 꿈에 다가서다보면 자연스레 소재 분야에서 세계최고의 연구그룹이 될 수 있을 것이다 .