범부처적으로 우수한 국가연구개발 성과를 선정하는 국가연구개발 우수성과 100선에 KRISS 책임연구원들이 이름을 올렸다. 수상의 주인공은 첨단측정장비연구소 김영식 책임연구원, 소재융합측정연구소 저차원 소자물질연구팀 정수용 책임연구원, 화학바이오표준본부 바이오분석표준그룹 최준혁 책임연구원 등 3인이다. 그들을 만나 국가의 미래를 이끌어갈 표준 연구 성과와 선정될 당시의 소회, 앞으로의 포부에 대해 들어보았다.

2023 국가연구개발 우수성과 100선 수상의 의미

축하합니다, 라는 밝은 인사로 시작했기 때문일까? 연구 성과를 인정받은 수상자들이기 때문일까? 들어갈 때부터 인터뷰 분위기는 화기애애했다. 물리동 테라스에 모여 앉은 책임연구원들. 그들이 수상한 국가연구개발 우수성과 100선은 어떻게 선정되었고 어떤 의미를 가지고 있을까? 2023년에 18년차를 맞고 있는 국가연구개발 우수성과 100선은 국가 발전을 이끈 과학기술 역할에 대해 국민들의 이해과 관심을 높이고, 과학기술인들의 자긍심을 고취하기 위해 마련된 제도다. 올해 과기정통부에 후보 성과로 올라온 연구개발 성과는 총 854건. 이후 산·학·연 전문가 100명으로 구성된 선정평가위원회가 평가한 후 공개 검증을 거쳐 최우수성과 12건을 포함, 최종 100건의 우수성과를 선정했다. 분야는 기계·소재 19건, 생명·해양 24건, 정보·전자 21건, 에너지·환경 17건, 융합 11건, 순수 기초·인프라 8건이다. 이중 표준과학연구원은 생명·해양 분야, 정보·전자 분야, 순수기초·인프라 분야에서 각 1건씩 3건의 연구개발 성과를 인정받았다. 개별 질문에 앞서 수상 소감을 물어보았다. 후보 성과에 올랐다는 것만으로도 기뻤는데 막상 수상하고 보니 얼떨떨하다, 처음엔 당황스러웠는데 이제야 구체적으로 실감이 난다, 다음 연구를 위한 자세를 가다듬는 계기가 되었다는 반응이다. 대체 어떤 연구 성과들이기에 범부처적으로 뽑는 우수 연구 성과 100선에 이름을 올렸을까? 하나씩 알아보기로 하자. 

▲ (좌) 김영식 책임연구원, 정수용 책임연구원, 최준혁 책임연구원

세계 최고 수준의 적층형 반도체 나노소자 실시간 3D 측정기술 

우수성과로 선정된 적층형 반도체 나노소자 실시간 3D 측정기술(첨단측정장비연구소 김영식 책임연구원)은 미래의 쌀이라고 불리는 반도체의 측정, 생산 경쟁력을 높일 수 있는 핵심 기술이다. 메모리 소자 기술은 정해진 2차원 면적에 최대한 많은 소자를 배치하는 것을 목표로 한다. 그러나 2차원의 한계에 부딪쳐 박막을 10층 이상 겹겹이 쌓는 패키징 기술로 적층형 3차원 나노소자가 개발되었다. 문제는 소자의 성능이 향상될수록 공정 또한 복잡해지고 있는데 이를 뒷받침할 측정기술이 절대적으로 부족하다는 것이었다. 기존의 측정기술은 모조품 형태의 시료를 모니터링하여 나노구조를 예측하는 방식. 때문에 직접적인 관찰을 하려면 단면을 실제 잘라내는 파괴적인 방법을 사용해야 했다. 

그러나 김영식 책임연구원팀이 개발한 적층형 반도체 나노소자 실시간 3D 측정기술을 활용하면 단 한 번의 측정으로 소자 절단면을 직접 들여다보는 것처럼 나노미터급 측정이 가능하게 된다. 진동과 온도 등 외부 환경 변화의 영향을 적게 받고 시스템 구성도 복잡하지 않아 생산 현장에 장착해 초고속 실시간 3D 검사를 할 수도 있다. 

▲딥러닝 기반 원샷 패턴주사 3D 측정장치

“2014년쯤, 비파괴 광학식 측정으로 다층막 구조를 분석하는 과제가 연구의 시작이었습니다. 당시에는 원천 기술 개발에 치중되어 있었는데요. 이 연구 성과에 관심을 갖는 기업체가 있어서 후속으로 꾸준히 연구를 해왔습니다. 그 결과 기존 측정기술이 분석할 수 없었던 적층형 소자 내부의 층별 두께와 형상을 아무 손상 없이 분석할 수 있는 차세대 3D 반도체 검사기술을 개발할 수 있었죠. 2022년에는 실제로 반도체 측정 장비 업체인 넥센서에 기술 이전을 했어요. 

국내 대기업에도 곧 데모 장비가 들어간다고 들었고요. 적층형 반도체를 실시간으로 측정할 수 있는 이 기술이 상용화되면 공장에 인라인으로 깔리게 되어 전수조사를 할 수 있겠죠? 그만큼 국가 기술 경쟁력도 높아질 거고요.” 적층형 반도체 나노소자 실시간 3D 측정기술은 적층형 3D 반도체, 연료전지, 차세대 디스플레이 등 국제적 경쟁이 첨예화되고 있는 산업분야와 바로 연결되어 국가 경제에 있어 전략적 중요성을 가진다. 때문에 이 기술이 국가연구개발 우수성과 100선에 이름을 올린 것은 어찌 보면 너무 당연한 결과인 것도 같다. 선정된 후 무엇이 제일 좋았느냐는 질문에 김영식 책임연구원은 웃으며 이렇게 답한다. “무엇보다 기업들에게 홍보할 때 도움이 되고 기술에 대한 이야기도 편하게 할 수 있다는 점이 좋았어요.”    

이차원 위상자성체 소재 고에너지 스핀의존 전자구조 정밀측정기술 

올해로 입사 11년차를 맞는 정수용 책임연구원은 KRISS에서 물질의 물성을 측정할 수 있는 기술을 연구 개발해왔다. 그중 이번 국가연구개발 우수성과 100선에 선정된 것은 이차원 위상자성체 물질의 고에너지 스핀의존 전자구조를 측정하는 기술이다. 이차원 위상자성체 물질은 무엇인가? 정수용 책임연구원의 설명을 들어보자. “흔히들 들어보셨을 그래핀이 이차원 물질인데요. 이게 20여 년 전 발견되었고요. 이것을 필두로 해서 반도체, 자성체, 초전도 물질들이 계속 발견되고 있어요. 이차원 위상자성체는 5년 전 쯤 발견된 물질인데요. 미래 양자 정보·메모리 소자 핵심소재로 주목받고 있는 물질이죠. 자성체 물질을 파악하기 위해서는 이를 좌우하는 전자스핀 정보를 정확하게 측정해야 하는데요. 

저희 KRISS 소재융합측정연구소 저차원소자물질연구팀에서 이번에 스핀의존 전자터널링분광법을 이용해 이차원 위상 강자성체 물질의 고에너지 스핀의존 전자구조를 직접 측정하고 이론적 예측값과 비교·분석해 정확성을 검증해낸 거예요.” 전자터널링분광법은 전자터널링 장벽을 이용하여 고체 물질 전자구조를 에너지 변화에 따라 측정하는 기법이다. 기존의 측정 기술들이 좁은 영역에만 국한되어 물성을 측정할 수 있었던 것이라면 전자터널링분광법을 이용하면 외부 불순물의 효과들을 하나씩 다 제거하며 측정할 수 있기 때문에 좀 더 큰 영역에서 측정할 수 있다. 이렇게 물질의 물성을 측정할 수 있다는 것은 그 물질을  제대로 활용할 수 있다는 것이다. 이 말은 즉, 그 물질을 보다 넓은 영역에서 많은 변수를 넣어 활용할 수 있다는 것이다. 

이번 기술은 차세대 양자 위상 및 정보 소재 개발을 위한 기초 기술로 활용될 수 있다. 또한 이론적 예측 연구에 응답할 수 있는 측정 결과를 제시하여 차세대 양자 소재 실용화 연구에도 새로운 가능성을 보여준 것으로 평가받고 있다. 이번 연구 성과는 소재 분야 세계적 학술지인 네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF: 47.656)에 실렸다. 논문 게재와 국가연구개발 우수성과 100선 선정은 정수용 책임연구원팀에 안도감과 함께 계속 연구를 해나갈 수 있게 하는 동기까지 부여해준 것으로 보인다. “연구원 안에 있는 팀과 세종대학교, 포항공과대학교, IBS, 기초과학지원연구원 박사님들, 학생연구원들이 모두 힘을 모아 연구를 진행해왔는데요. 그런 일련의 과정들이 인정을 받은 것 같아 기쁩니다. 기초과학은 사실 논문의 단계를 밟아가면서 방향이 제대로 가고 있는지 확인할 수 있는 것이거든요. 이번 선정 결과도 연구를 계속할 수 있는 하나의 동기가 되어 준 것 같습니다.” 소감을 말하는 정수용 책임연구원의 얼굴이 밝다. 

세계 최초로 손상된 DNA조각의 체내 분해요인 발견 

위에 소개된 두 기술이 국가 산업과 관련된 기술이라면 국민 개개인의 삶에 더 영향력이 있는 기술은 최준혁 책임연구원의 바이오분석표준그룹에서 나온 ‘손상된 DNA조각의 체내 분해요인 발견’이다. 세포 내에서 비정상적인 DNA 조각들이 축적되면 부적절한 면역반응을 일으켜 암을 비롯한 각종 질환을 유발한다. 

또한 최근 연구 결과에 따르면 이 조각들이 항암제 내성에도 관여하는 것으로 나타났다. 그런데 이 DNA조각들은 시간이 지나면 체내에서 점차로 감소한다. KRISS의 최준혁 책임연구원팀에서는 자체 기술력을 통해 인체 내 TREX1 단백질이 DNA 손상조각의 분해에 기여한다는 것을 세계 최초로 밝혀냈고 이를 시험관에서 증명해냈다. 

 

“손상된 DNA조각의 분해 매커니즘을 밝힌 이번 연구 성과는 항암치료 연구에 유용한 정보가 될 것입니다. 특히 항암제 내성을 극복하는 효과적인 항암치료 개발에도 유용한 정보를 제공할 것으로 기대하고 있어요. 연구의 핵심이 된 DNA조각 측정기술을 좀 더 고도화한다면 개인 맞춤형 암 치료법을 개발하는 데도 큰 도움이 될 것이라고 생각합니다.” 최준혁 책임연구원의 설명이다. 

사람의 몸이 다 똑같지는 않은 만큼 개인별로 작은 조직을 떼어내 항암제를 처리해볼 수 있다면 맞춤형 항암 치료법을 찾을 수 있게 될 것이라는 것이다. “조직을 떼어내 항암제를 처리한 후 외부에서 측정을 해보면 이 항암제가 이 사람의 암 조직에 효과적이다, 아니다를 판단할 수 있게 되겠죠? 그 결과를 바탕으로 개인별 용량을 달리하든, 종류를 달리하든 맞춤형 항암 치료 방법을 찾을 수 있게 될 거고요.” 듣고 보니 이런 기술들이 인류의 암 극복에 큰 기여를 하겠구나 싶다. 실제로 이 연구는 2015년 세계 최초로 각종 발암물질로 인해 발생하는 손상된 DNA조각 검출 성공에서부터 시작되었다. 이후 기술을 고도화하여 미량의 생체조직에서도 분석 가능한 수준에 도달했고 이를 바탕으로 해외 선진 연구기관과 잇달아 협력연구를 한 후 다양한 성과도 발표했다.

최근에는 네덜란드 에라스무스 암센터 연구팀이 주도한 국제 프로젝트에 참여하여 특정 조건에서 미세한 차이로 발생하는 DNA 손상조각을 검출하는데 성공했고, 연구결과를 분자생물학분야 권위지이자 Cell 자매지(Molecular Cell, 공저자, 2022)에 게재하기도 했다. 또한 미국 스탠포드 대학 연구팀과 협력연구를 통해 DNA-RNA 혼성체 조각을 세계 최초로 검출하는 기술을 개발, 과학 분야 최고 권위지 네이처(Nature, 공저자, 2023)에 싣기도 했다. 앞으로 후속 연구는 어떻게 해갈 것이냐는 질문에 최준혁 책임연구원은 이렇게 답한다. “물론 기술을 계속 발전시켜가야겠죠. 임상을 생각하면 고감도 측정 방법이 필요하거든요. 인체 시료 대상 분석을 최소화할 수 있도록 민감도를 개선해야 하고요. 사람의 조직을 대상으로 하면 다양한 문제점들이 발생할 수 있기 때문에 그런 문제점들을 해결하는 방법도 연구하려고 합니다.”   

인터뷰를 하면 할수록 이 기술들이 왜 100선에 선정되었는지 알 수 있을 것 같은 기분이었다. 그만큼 하나하나가 다 우리의 삶과 밀접한 관련이 있는 기술들이었고 중요하게 여겨졌기 때문이다. 국가 경쟁력을 위해, 국민 삶의 질 향상을 위해 꼭 필요한 측정 기술들을 연구, 개발하고 있는 KRISS의 존재가 새삼 고맙게 느껴졌다.