‘빛의 혁신’이 가져올 새로운 미래, 나노 광학

성균관대학교 김세정 교수(Ep.2)

나노 광학은 빛의 파장보다 작은 나노(1~100 나노미터)의 규모에서 빛과 물질의 상호작용을 연구하는 분야이다. 전자를 넘어 광자, 즉 빛의 장점을 활용해 전자, 의료부터 통신까지 광범위한 분야에서 혁신을 가져오며 21세기 광(光) 기술 시대를 이끌어가는 핵심 분야로 주목받고 있다.

눈에 보이지 않는, 나노의 빛을 이용하는 혁신, 나노 광학

김세정 교수는 카이스트 대학원에서 광결정 구조를 이용한 초소형레이저 연구를 하며 레이저 광학과 반도체 물리의 기초를 쌓았다. 박사 학위를 얻은 후, 카이스트 대학원과 시드니공과대학(University of Technology Sydney)에서 박사후연구원 과정을 밟으며 다양한 분야로 연구 관심사를 확장했고, 2차원 물질에서 나타나는 다양한 광학적 현상을 집중적으로 탐구했다. 상온에서 구동가능한 단광 자원 (single photon source)을 2차원 물질 기반으로 구현했는데 이는 향후 양자통신, 양자 센싱 등에 활용될 가능성이 있는 물질로 학계의 주목을 받았다.  현재 성균관대 전자전기공학부에서 학생들을 가르치며, 나노 광학 연구실 ‘NOVA LAB(Nanophotonics for Versatile Applications Laboratory)을 이끌고 있다.

“제가 연구하는 분야를 이해하기 쉽게 소개하자면, 현재 우리가 사용하는 컴퓨터나 스마트폰 등 전자기기들이 10년, 20년 뒤에는 지금보다 훨씬 더 뛰어난 성능을 발휘할 수 있도록 하는 기초 원천 기술을 개발하는 일입니다. 저희 연구팀은 빛을 그 핵심 수단으로 이용합니다. 즉, 전자(electron) 대신 광자(photon)를 활용하여 정보를 처리하여, 빛이 지닌 여러 장점을 적극적으로 활용하려는 것입니다.”

전자에 대비하여 빛이 가진 장점은 빠른 전송 속도, 낮은 발열, 높은 병렬성 등이라고 설명을 덧붙였다.

카이랄 광학과 ‘빛의 소용돌이’ 광 보텍스 연구

김세정 교수가 특히 집중하여 연구하는 분야는 2차원 물질을 활용한 양자광학 연구와 카이랄 광학이다. 이중에서 카이랄 광학은 최근 크게 주목받는 연구 키워드로, 빛이나 물질이 지니는 비대칭성을 활용하여 새로운 물리현상과 기능을 구현하는 분야로 바이오센싱 및 의약 분야, 광학 디스플레이 분야 등 여러 분야에서 주목받으며기술 혁신을 위한 중요한 열쇠로 부상하고 있다. 

카이랄성(chirality)이란 ‘거울상 이성질성’을 뜻하는데 왼손과 오른손처럼 거울에서는 비춰보면 서로 똑같아 보이는 쌍을 이루지만, 서로 겹쳐지지는 않는 물체의 성질을 가리킨다. 빛의 카이랄리티는 주로 원편광(circular polarization) 상태를 이용해 연구되어 왔지만, 김 교수는 여기에 더해 빛의 위상(phase)이 전파 방향을 따라 회전하는 상태, 즉 광 보텍스(optical vortex, 빛의 소용돌이)를 이용한 새로운 형태의 카이랄 상호작용을 발표하여 학계의 주목을 받았다. 

특히 예전에는 광 보텍스를 생성하기 위해 복잡한 고비용의 공정 과정을 거쳐야 했지만, 아무런 공정을 하지 않아도 2차원 물질 자체만을 가지고 광 보텍스를 생성하는 기술을 개발, 이 분야 연구에 큰 발전을 만들었다. 

나노 광학의 장점과 매력

나노 광학의 가장 큰 장점은 넓은 응용성에 있다. 실제로 나노 광학의 연구자들은 물리학과, 전자공학과, 신소재공학과, 화학공학과 등 여러 전공 학과에 흩어져 있다.

“반도체를 이용한 나노 광학을 공부하면, 이후 진로 탐색에도 자유도가 높아요. 미래를 생각할 때 상대적으로 안전한 선택이 될 수 있지요. 나노 광학을 연구하면 메디컬 분야는 기본이고, 레이저나 디스플레이 분야에 진출하기도 하고, 반도체 기업은 물론 방위산업으로도 갈 수 있습니다. 해외 취업도 할 수 있는 곳이 정말 많아요. 역시 뜨거운 키워드인 AR, VR Glass(스마트 안경)에 집중하고 있는 구글, 애플, 메타 등의 기업에서도 광학 전공자들을 많이 찾기 때문에 외국어에 부담이 없다면 해외 진출도 굉장히 열려 있습니다.”

김 교수는 현재 나노 광학은 기초 연구부터 해서 응용 분야까지 매우 다양한 연구를 하고 있어서 기초 연구와 응용 연구 중 어느 분야로 진출할지를 결정하지 못한 학생들이 뛰어들기에 더욱 유리한 분야라고 조언했다.

“요즘 큰 관심을 받는 양자 연구에서도 나노 광학이 이용되고 있습니다. 기초과학에서도 중요한 개념들이 계속 등장하고, 응용 분야까지 방대하기에 연구할 내용들은 계속 많아집니다. 공학, 바이오 메디컬 등 다양한 연구분야에서 물리학적 광학 지식을 갖춘 사람들을 필요로 하죠. 이처럼 나노 광학은 연구 지형적으로 기초와 응용 사이, 양측이 다 필요로 하는 유리한 지대에 있다는 것도 장점입니다. 최근 AI가 굉장한 화제와 관심 속에 인력들도 몰리고 있는데, 사실 AI의 발전 속도에 맞춰서 항상 따라가 야 되는 기술이 하드웨어 기술이에요. 젠슨 황이 이끄는 엔비디아가 이렇게 세계적인 주목을 받는 것도 AI의 발전 때문인 것처럼요. 빠르게 발전하는 AI 기술이 실현되려면 하드웨어가 같이 그 속도로 발전해야 하는데, 하드웨어의 미래가 달린 잠재 기술 중에 하나가 광학이니, 더욱 많은 응용 분야에서 잠재력이 있는 연구 분야라고 할 수 있습니다. 나노 광학 연구 분야는 물리적으로도 지금 새로운 기술이 계속 나오고 있어요. 물리학적으로 머리로 생각하고 계산하면서 재미있는 부분이 많으면서도, 직접 우리가 손으로 만들고 실험하고, 또 측정하고 하는 부분들이 섞여 있어서 직접 손으로 무엇인가를 제작하는 재미도 있죠. 일상생활에서 볼 수 있는 현상들이 많이 있고, 이론 물리와 실험 물리를 모두 익힐 수 있어서 여러 가지로 굉장히 재미있는 학문 분야입니다.”

나노 광학을 공부하고 싶은 당신에게

이 분야에 진출하고 싶은 사람이 갖춰야 할 역량은 무엇일까? 김세정 교수는 특별한 기술과 역량보다도 다른 것보다 실패해도 다시 도전할 수 있는 ‘회복탄력성’이 가장 중요하다고 말한다. 

“너무 다 잘 하려고 하는 완벽주의적인 성향이 오히려 연구자로서는 어려울 수 있습니다. 난 꼭 성공하겠다는 야심보다는 실패를 잘 견뎌내고 도전하는 것이 연구자에게 필요할 수 있어요. 지금 우리가 연구하는 많은 연구들은 지금 당장 변화를 가져올수 있는 연구라기보다는 10년, 20년 후에, 통신과 디스플레이, 의약 분야 등의 혁신적인 큰 도약을 끌어내도록 이바지할 것입니다. 재미도 있고, 의미도 있는 연구입니다. 그리고 이 연구에는 각자 다른 자기의 장점들이 다양한 방식으로 충분히 쓰일 수 있습니다. 오히려 팀에 다양성이 있어야 연구가 잘 풀려가거든요. 연구 잘하시는 분들도 보면 흔히들 생각하는 전형적인 너드(nerd) 같은 분들도 계시지만, 오히려 연구 외에도 관심사가 많으면서 연구도 잘하시는 분들도 많아요. 전형적인 연구자 타입도 있고, 어떤 분은 완전 사업가 같은 분들도 있죠. 어떤 것이든 자기 장점이 있다면 이를 연구자의 장점으로 잘 살릴 수 있어요. ”

김세정 교수가 ‘재미있게’ 연구하는 나노 광학은 ‘빛’을 통해 우리의 일상을 혁신적으로 바꾸는 중요한 원천 기술을 만들어 가고 있다. 빛의 다양한 파장, 그 안에 숨은 나노의 비밀 속에 김세정 교수가 어떤 새로운 발견을 이루어 갈지, 그의 반짝이는 눈빛처럼 빛나는 결과를 기대해 보자.