포스텍 연구실 탐방기 / 막스플랑크 연구소를 소개합니다

Postech은 연구중심대학으로서의 그 입지를 굳건히 하며 총 73개의 대학 부설 연구소를 통해 각 분야에서 활발한 연구를 진행하고 있습니다. 이번 호에서는 세계최고의 기초과학 연구소인 독일 막스플랑크 연구소와 포스텍의 우수한 연구 인프라가 손을 잡아 탄생한 막스플랑크 한국/포스텍 연구소(이하 MPK)를 소개해보고자 합니다.

MPK는 한국의 유일한 막스플랑크 연구소로 설립 이래로 아토초 과학 연구센터와 복합물질 연구센터로 이루어진 2개의 연구센터로 독립적이고 안정적인 연구환경을 제공하며 글로벌 협력을 통해 국가의 기초연구역량을 강화하고 선도하고 있습니다. 새로운 연구 분야를 접하고 여러분의 꿈의 폭이 한층 넓어지길 바라며 저와 함께 연구소를 탐방해볼까요?
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인터뷰 : 신인회 선생님

아토초 과학 연구는 아토초(atto second)라는 100경분의 1초 단위 수준의 연구로 전자가 원자핵의 주위를 도는 시간대를 말합니다. 분자보다 작은 단위인 원자와 원자 내부에서의 전자의 움직임을 표현하려면 이보다 더 짧은 시간 단위인 ‘아토초’가 사용됩니다. 아토초 과학은 이 아토초 펄스(pulse : 짧은 시간에 생기는 진동현상)를 이용한 나노구조체내 전자의 움직임을 실시간으로 측정하고 제어하고 조작하고자 하는 분야로 실시간 전자 상호 작용을 규명하여 물질의 성질 변화를 분석하는 새로운 기초과학 분야입니다. 아토초 과학 연구센터(센터장 김동언 포스텍 물리학과 교수)는 세계 3번째로 단일 아토초 펄스(파장 13.7nm)를 생성시키는 데 성공함으로써 우리나라도 극고속 과학 분야에서 최첨단 그룹에 속하게 되었으며, 아토초 시간대에서 동역학을 측정할 수 있게 되었습니다.

첨단복합물질 연구는 신개념의 복합 기능성 신물질 개발 및 새로운 물리현상을 규명하는 것입니다. 물질이 갖는 스핀-전하-궤도-격자 등 하나 이상의 물리량들이 양자역학적 상호 결합되어 나타나는 새로운 복합 물성 물질을 개발하고, 이에 기인한 새로운 물리적 현상에 대한 근본 원리를 규명하여 신개념의 신기능성 소재 기술로 응용 발전시키고 있습니다. 이를 위하여 다양한 형태, 구조, 기능을 갖는 신물질 및 시스템을 개발하며 그 물성에 대한 원리 및 특성 규명을 위한 연구를 현재 진행 중입니다.

복합물질 연구센터(센터장 박재훈 포스텍 물리학과/첨단재료과학부 교수)는 EU, 일본에 이어 세계 3번째로 중에너지 연X선 빔라인을 포항가속기연구소 내에 구축하여 미래형 나노/소재 분야의 세계 최고 수준의 연구 경쟁력을 확보하고 있습니다.

Q1. 본 연구소의 주요 연구 분야가
아토초 과학(Attosecond)과 복합물질(Complex Phase Materials)이라고 알고있는데요,
아토초 과학과 복합물질이 무엇이고 이 분야에 대해 어떻게 연구를 하는지 알려주세요!

우리나라는 자원의 불모지라는 악조건을 넘어서기 위해서 짧은 기간 동안 엄청난 성과들을 쏟아 내며, 선진국의 기술을 빠르게 쫓아가는 전 세계에서도 유례를 찾아보기 힘든 ‘패스트 팔로어(Fast Follower)’였습니다. 우리는 지금 ‘창조’, ‘혁신’, ‘4차 산업혁명’ 등을 통해 지금까지와는 전혀 다른 획기적인 세상의 도래를 앞두고 있는 상황으로 창의적인 생각과 마인드로 ‘퍼스트 무버(First Mover)’가 되기 위한 전략적인 방안과 노력이 절실한 시점입니다. MPK는 21세기 인류의 가장 도전적인 난제들에 대한 연구로 우리나라의 신성장 동력 창출을 통해 국가경쟁력 강화에 기여하고자 첨단 신소재 분야 연구에 매진하고 있으며 크게는 아토초 과학 연구와 첨단복합물질연구로 나누어 볼 수 있습니다.

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Q2. 독일의 막스 플랑크 연구소와 어떻게 연결되어 있는 건가요?

세계 최고의 기초과학연구소로 과학기술을 통한 미래 가치 창출에 앞장서 온 독일 막스플랑크 재단이 포항의 우수한 연구 인력과 인프라에 주목하여 포스텍과 손을 잡음으로써 MPK가 탄생하게 되었고, MPK는 독일과의 국제협력을 기반으로 새로운 성장 동력 발굴에 앞장서게 되었습니다. 독일 막스플랑크 재단의 가장 큰 특징은 ‘사람 중심’의 연구지원 시스템으로 연구자의 자율성과 독립성을 최대한 보장하고 새로운 발상에 대한 연구를 적극 지원하는 개방적인 연구시스템으로, 이는 막스플랑크재단의 가장 큰 장점이자 경쟁력으로 손꼽히고 있습니다.

현재 센터별로 독일과 한국의 1:1 매칭형태의 공동 디렉터 시스템으로 각 센터가 운영되고 있으며 막스플랑크연구소의 차세대 우수인력 양성 시스템인 국제공동 연구그룹(JRG, Junior Research Group)을 벤치마킹하여 MPK 내에 3그룹의 JRG를 운영하며 차세대 글로벌 기초과학 리더를 육성하고 있습니다. 또한 우수 연구 인력의 독일 현지 파견을 통해 선진연구 문화와 기법을 습득할 수 있는 기회를 제공하고 있습니다.

Q3. 막스플랑크-한국/포스텍 연구소에서 완료 또는 진행 중인
대표적인 연구 몇 가지를 소개해 주세요.

막스플랑크 한국포스텍 연구소 지성대 박사, 박재훈 교수 연구팀이 중앙대 최광용 교수 연구진과의 공동 연구를 통해 세계 최초로 ‘마요나라 페르미온’ 입자를 관측했습니다. 언론에 양자컴퓨터의 실용화를 앞당길 획기적인 연구라고 소개된 본 연구는 입자 반입자를 암수동체처럼 함께 겸하는 입자로써 ‘마요라나 페르미온’ 입자를 ‘중성자 산란 실험’을 통해 관측에 성공했습니다. 지난 반세기 동안 마요나라 페르미온을 전자, 양자, 중성자 등과 같은 기본 입자의 하나로 존재를 발견하려는 입자 물리학계의 노력이 이어지고 있었는데요, 본 연구를 통해 양자스핀액체 상태에서 스핀이 쪼개질 수 있다는 현상을 실험으로 확인했으며 쪼개진 입자가 마요나라 페르미온에 해당한다는 것을 검증하였다는 것에 큰 의의가 있습니다.

그 밖에도 고등학생 여러분들이 현재는 이해하기 힘들 수 있겠지만 ‘주파수 빗 및 나노플라즈모닉스 기술을 이용한 광자 발생기 및 광자 발생 방법’을 국내와 미국에 특허 출원하였으며 MPK연구소 심제호 박사와 김동언 교수팀이 펨토초(1천조분의 1초) 시간대의 거대 자기 냉각 효과를 규명했습니다. 21세기 정보화 시대가 도래함에 따라 고속으로 정보를 처리할 때 발생하는 열을 어떻게 처리할 수 있느냐가 정보 처리속도 향상에 중요한 요건이 되고 있습니다. 연구실은 이번 실험을 통해 자기장 냉각 효과가 피코초 이하의 초고속 시간 단위에도 존재할 수 있고, 그 효과가 평형상태보다 200배 더 크다는 것이 세계 최초로 발견된 것에 의의가 있습니다.

<‘마요라나 페르미온 세계 최초 관측’ 보도기사>

<‘초고속 거대 자기냉각효과 세계 최초 관측’ 보도기사>

Q4. 노벨 사관학교(독일 막스플랑크 연구소) 글로벌 인턴은 무슨 프로그램인가요?

막스플랑크 한국/포스텍연구소는 우리나라의 우수한 과학 인재들이 글로벌 선진 연구 참여를 통해 차세대 기초과학 연구리더로 성장할 수 있는 글로벌 인턴십을 매년 상/하반기에 모집하고 있습니다. 영어로 의사소통이 원활한 대한민국 국적의 4년제 이공계 학부생이면 누구나 지원이 가능하며 파견 시 항공료 80만원과 약 900유로 상당의 월별 현지체재비가 지원됩니다. 인턴십에 최종 합격된 학생들은 세계 최고의 기초과학 연구소인 독일 막스플랑크 연구소에서 이론 연구를 비롯한 실험연구, 학회 및 세미나 참석 등 실질적인 연구활동에 참여하게 됩니다. 현재, 드레스덴 소재의 막스플랑크 고체화학물리 연구소(Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, MPI-CPfS), 뮌헨 소재의 막스플랑크 양자광학 연구소(Max Planck Institute for Quantum Optics, MPQ), 하이델베르크 소재의 막스플랑크 핵물리 연구소(Max Planck Institute for Nuclear Physics, MPIK)와 같은 독일 최고의 막스플랑크 연구소와 협력하여 차세대 우수연구 인력 양성을 위한 적극적인 지원을 하고 있습니다.

Q5. 막스플랑크 한국/포스텍 연구소의 앞으로의 연구 방향이나 비전이 있다면 소개해 주세요.

기초과학 연구역량강화와 세계적 인지도 향상을 목표로 새로운 연구소 운영 모델을 제시하고 있는 MPK는 미래 먹거리 창출을 위해 기초원천융합기술 확보에 끊임없는 노력을 기울이고 있습니다. 또한 독립적이고 안정적인 연구 환경을 제공함으로써 기초과학의 새로운 패러다임을 개척하고 세계를 선도하는 글로벌 기초과학 연구소로 거듭나기 위하여 막중한 사명감을 가지고 더 나은 미래를 향해 정진하겠습니다. 세계적인 연구소 독일 막스플랑크재단의 명성 그대로, 뛰어난 연구 성과 창출 및 확산을 통해 대한민국 경제를 이끌고, 글로벌 과학 인재를 양성해 나가겠습니다. 첨단 장비 개발과 원천 기술 이전으로 경제 활성화는 물론, 강소기업 육성을 극대화하고 해외투자 유치를 통해 기초원천연구의 주역으로 우리나라 기초과학의 미래를 선도해 나가는 데 MPK가 앞장서겠습니다.

(왼쪽부터) 1. 2016년 글로벌 인턴 포스터 2. 2017년 글로벌 인턴 포스터 3. 2018년 글로벌 인턴 포스터

글_김윤희 생명과학과 17학번(알리미 23기)