배경훈 부총리 메시지:

<기초연구의 시간, 결국 세계를 바꿉니다>

요즘 우리나라 연구자들의 성과를 접할 때마다 기초연구의 힘이 얼마나 큰지 다시 한번 실감하게 됩니다.

지난주에는 포항공대 신소재공학과 김종환 교수 연구팀이 기존 소재 대비 20배 이상의 효율을 갖는 심자외선 LED 신소재를 개발해 Science지에 논문을 게재했습니다. 인체에는 비교적 안전하면서도 강력한 살균 효과를 가진 심자외선의 특성을 활용해 감염병 대응과 공공 위생 분야에 새로운 길을 열 수 있는 중요한 성과입니다.

이어 오늘은 같은 포항공대 화학과 김경환 교수 연구팀이 수십 년간 풀리지 않았던 물의 ‘액체-액체 임계점’을 세계 최초로 관측하며 역시 Science지에 논문을 게재했다는 소식을 접했습니다. 물의 가장 근본적인 성질에 대한 오랜 과학적 질문에 답을 제시한, 말 그대로 교과서를 바꿀 수 있는 연구입니다.

이 두 성과는 분야도 다르고 연구 대상도 다르지만, 짧은 성과를 좇지 않고 10년 이상 한 분야를 묵묵히 파고든 ‘기초연구의 시간’이 있었기에 가능했다는 공통점을 가지고 있습니다.

기초연구는 당장 눈에 보이는 성과로 평가하기 어렵지만 시간이 축적되면 어느 순간 세상을 바꾸는 돌파구로 나타나며, 이번 두 연구가 바로 그 증거라고 생각합니다. 두 연구팀 모두 과기정통부의 기초연구지원사업을 통해 장기간 안정적인 지원을 받아왔으며, 연구자가 흔들리지 않고 한 길을 갈 수 있도록 뒷받침하는 것이 정부의 가장 중요한 역할이라고 생각합니다.

AI, 반도체, 바이오와 같은 전략기술도 결국 기초연구 위에서 꽃을 피우며, 기초연구에 대한 투자는 선택이 아니라 국가의 미래를 위한 필수 조건입니다.

과기정통부는 앞으로도 연구자들이 긴 호흡으로 도전할 수 있도록, 그리고 세계를 바꾸는 연구가 대한민국에서 계속 나올 수 있도록 기초연구 지원을 흔들림 없이 이어가겠습니다.

세계적인 성과는 결국 ‘시간과 신뢰’에서 나온다고 믿습니다.

https://twitter.com/msitminister/status/2037358058242977869

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자외선 발광 다이오드(LED)의 한계를 넘다...

국내 연구진, 초고효율 심자외선 발광 다이오드(LED) 소재 개발

- 포항공대 김종환 교수·기초과학연구원(IBS) 조문호 단장 연구팀 성과, 사이언스지(誌) 논문 게재

- 반데르발스 반도체 소재 비틀어 쌓아, 전자 가두는 양자 우물 형성

- 기존 소재 대비 심자외선 방출 효율 20배 향상, 감염병 확산 억제하는 차세대 위생 기술로써 활용 기대

  기존 반도체 기술로는 사실상 개발이 불가능하다고 여겨졌던 심자외선* 영역에서 고효율 빛을 방출하는 신소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

 

  * 가시광선보다 파장이 짧은 자외선 중에서도 파장이 200~280nm 범위에 해당

 

  과학기술정보통신부(부총리 겸 과기정통부 장관 배경훈, 이하 ‘과기정통부’)는 포항공과대학교(POSTECH) 김종환 교수와 기초과학연구원(IBS) 조문호 단장 연구팀이 반데르발스 반도체 소재를 기반으로 새로운 형태의 양자 우물 구조를 구현해, 기존 소재 대비 심자외선 방출 효율을 20배 향상시키는 데 성공했다고 밝혔다.

 

  과기정통부 ‘기초 연구 사업(중견연구)’, ‘기초과학연구원 지원사업’으로 수행한 이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지인 「사이언스(Science)」지(誌)에 3월 20일(현지 시각 3.19.(목) 14시, 미국 동부 일광 절약 시간<EDT>) 게재*됐다.

  * 논문명 : Highly efficient, deep-ultraviolet luminescence in hBN moiré quantum wells | Science 

 

  사람이 눈으로 볼 수 있는 가시광 영역의 반도체 광원 개발은 백색 발광다이오드(LED) 조명, 디스플레이, 레이저 광원 등 다양한 산업 발전을 이끌어 왔다. 최근에는 가시광 영역보다 더 짧은 파장과 더 높은 에너지를 가진 자외선 발광 다이오드(LED)로 개발이 확장되고 있으며, 특히 코로나19 감염병 대유행(팬데믹) 이후 세균과 바이러스를 효과적으로 제거할 수 있는 심자외선 광원에 관한 관심도 크게 증가하는 추세다.

 

  기존의 자외선 발광 다이오드(LED)는 주로 질화갈륨(GaN) 기반 반도체를 사용하며, 갈륨(Ga) 일부를 알루미늄(Al)으로 대체한 알루미늄질화갈륨(AlGaN) 반도체로 바꾸면, 발광 파장을 심자외선 영역까지 조절할 수 있다. 그러나 200~240nm 파장에 도달하면 광원 효율이 1% 미만으로 급격히 떨어져, 해당 영역은 여전히 기술적 난도가 매우 높은 미개척 분야로 남아있었다.

 

  연구팀은 이러한 한계를 극복하고자 반데르발스 층상 구조를 갖는 반도체를 활용하여 새로운 발광 다이오드(LED) 나노소재를 개발했다. 반데르발스 층상 구조는 원자층 내부에서는 원자들이 강하게 결합하여 있지만, 층과 층 사이는 약한 인력(반데르발스 힘)을 가져 쉽게 떨어뜨릴 수 있는 특징을 가진다.

 

  질화붕소(BN)는 원자층이 반데르발스 힘으로 적층된 반도체 소재로, 연구팀은 이 질화붕소의 층을 비틀어 쌓을 때, 전자를 강하게 가둘 수 있는 새로운 형태의 양자 우물 구조가 생성된다는 사실을 발견하였고, 이를 ‘모아레 양자 우물(moiré quantum well)’이라고 명명했다. 이 구조는 나노미터 크기의 공간에 전자를 가두어 심자외선 영역의 빛을 효율적으로 방출하는 데 유리하며, 기존 알루미늄질화갈륨 반도체 대비 20배 이상 향상된 발광 효율을 나타냈다.

 

(그림1) 반데르발스 반도체 질화붕소(BN)를 비틀어 적층해 형성한 모아레 양자우물 모식도 

질화붕소 3차원 결정을 일정 각도(θ)로 비틀어 적층하면 적층 계면에 전자를 강하게 가둘 수 있는 모아레 양자우물이 형성된다. 나노미터 크기의 공간에 가둬진 전자는 심자외선 영역의 빛을 효율적으로 방출하는 특성을 보인다.

그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 김종환 교수

  그간, 반데르발스 물질의 양자 현상 연구는 그래핀과 같은 원자층 두께의 박막 구조 중심으로 이뤄져 왔다. 그러나 이번 연구는 질화붕소 3차원 결정을 단순히 비틀어 적층하는 것만으로도 독특한 2차원 양자 우물 구조를 구현할 수 있다는 점에서 새로운 가능성을 제시했다.

  

  이번 성과는 또한, 공중 보건 및 환경 위생 분야에서도 중요한 활용 가능성을 지닌다. 강력한 소독 효과를 발휘하는 심자외선 중에서도 현재 상용화된 260nm 파장 대역은 인체의 피부나 눈에 노출되면 심각한 질환을 유발할 수 있어 활용이 제한적이었다. 반면, 200~230nm 파장 대역의 심자외선은 피부 최외곽인 각질층을 통과하지 못해 인체에 상대적으로 안전한 것으로 알려져 있다.

 

(그림2) 질화붕소(BN) 모아레 양자우물을 이용한 심자외선 LED 소자와 발광 특성

(왼쪽 상단) 그래핀 전극을 이용해 제작한 질화붕소 모아레 양자우물 기반 심자외선 LED 소자의 광학 현미경 이미지. 

(왼쪽 하단) 전압을 인가했을 때 강한 심자외선이 방출되는 모습. 

(오른쪽) 질화붕소 모아레 양자우물에서 방출된 심자외선 스펙트럼. 220~240 nm 파장대에서 강한 심자외선 발광 특성이 확인됐다.

그림설명 및 그림제공: 포항공과대학교 김종환 교수

  이번 연구를 통해 그동안 기술적 난제로 여겨졌던 해당 파장 대역의 '고효율' 발광 한계를 극복함에 따라, 향후 200~230nm 심자외선 발광 다이오드(LED) 광원이 상용화되면 기존 자외선 방역의 잠재적 위험성을 최소화하면서도 병원, 학교, 대중교통 등 유동 인구가 많은 실내 공간에서 공기와 표면을 상시 지속적으로 살균하는 차세대 위생 기술로 널리 활용될 것으로 기대된다.

 

  김종환 교수는 “반데르발스 물질에서 나타나는 고유한 모아레 양자물리 현상을 2차원에서 3차원 물질로 확장하는 개념적 전환”이라며, “이 연구는 향후 새로운 양자 물질 설계와 차세대 광소자 개발의 출발점이 될 것”이라고 밝혔다.

 

  과기정통부 구혁채 제1차관은 “김종환 교수는 과기정통부 기초 연구 사업을 통해 지난 10년간 한 분야를 꾸준하게 연구해 온 연구자”라며, “연구자들이 단기적인 성과에 연연하지 않고 장기간 연구에 몰입할 수 있는 환경을 조성할 수 있도록 지원을 아끼지 않을 것”이라고 밝혔다.

 

  연구팀은 향후 이 기술을 바탕으로 고효율 심자외선 광원 소자 개발과 다양한 차세대 양자 광소자 응용으로 연구를 확장할 계획이다.

주요내용 설명 

 <작성: 포항공과대학교 김종환 교수>

논문명

Highly efficient, deep-ultraviolet luminescence in hBN moire quantum wells

저널명

Science

키워드

Deep-ultraviolet LED (심자외선 LED), Boron Nitride (질화붕소), van der Waals wide bandgap semiconductor (반데르발스 와이드 밴드갭 반도체), Quantum wells (양자우물), Sterilization and Disinfection Technology(살균, 소독 기술)

DOI

science.org/doi/10.1126/science.aeb2095

저  자

김종환 교수(교신저자, 포항공과대학교)

조문호 교수(교신저자, 기초과학연구원/포항공과대학교)

홍성윤 (Chengyun Hong) 박사(제1저자, 기초과학연구원)

Chengyun Hong*, Fangzhou Zhao*, Su-Beom Song, Sangho Yoon, Seong-Joon Jeon, M. Ajmal Khan, Ye Tao, Dong-Hwan Yang, Wanhee Lee, Junho Kim, Sera Yang, Hyungseob Cho, Sumin Lee, Seok Young Min, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Seunghyup Yoo, Changsoon Cho, Si-Young Choi, Hideki Hirayama, Lede Xian, Moon-Ho Jo†, Angel Rubio†, Jonghwan Kim†

* 공동 1저자, † 교신저자

 

1. 연구배경

 ○ 반도체 광원 기술은 LED 조명과 디스플레이, 레이저 광원 등 다양한 산업의 발전을 견인해 왔다. 이는 반도체 소재의 화학적 조성과 양자우물·양자점과 같은 정밀한 나노 구조를 합성함으로써 방출되는 빛의 파장을 자유롭게 조절할 수 있었기 때문이다.

 ○ 청색 LED의 개발은 반도체 소재를 통해 전기 에너지를 원하는 파장의 빛으로 변환할 수 있음을 입증하며 현대 광원 기술의 전환점을 마련했다. 갈륨(Ga)과 질소(N) 원자들이 공유결합으로 강하게 결합된 GaN (질화갈륨) 반도체 소재를 기반으로 청색 발광이 구현되면서 백색 LED 조명이 가능해졌고, 이는 조명과 디스플레이 산업뿐 아니라 정보기술 전반에 근본적인 변화를 이끌었다.

 

  - 이러한 기술적 진보는 자연스럽게 더 짧은 파장과 더 높은 에너지를 갖는 빛을 구현하려는 자외선 LED 개발로 확장됐다. 자외선(UV) 빛은 화학 반응을 유도하거나 결합을 절단할 수 있다는 점에서, 자외선 LED의 개발은 기존의‘물질을 관찰하는 빛 기술’에서 ‘물질을 능동적으로 조작하는 빛 기술’로 본질적인 전환을 가능하게 하는 중요한 단계로 볼 수 있다.

  - 특히 최근 전 세계적인 팬데믹을 거치며 병원균을 효과적으로 제거할 수 있는 고효율UV-C 광원에 대한 관심이 급격히 증가하였다. 갈륨의 일부를 알루미늄(Al)으로 치환한AlGaN(알루미늄 질화갈륨) 반도체를 통해 자외선 발광이 가능해졌지만, Far-UVC (200–235 nm) 파장 대역에 이르러서는 외부 양자효율이 1% 미만에 머무는 등, 기술적 난이도가 극도로 높은 영역으로 남아있다.

 

2. 연구내용

 ○ 연구팀은 기존 반도체와 결합 방식이 다른 물질에 주목했다. 반데르발스 물질은 원자층 내부에서는 원자들이 강하게 공유결합으로 결합되어 있지만, 층과 층 사이가 약한 반데르발스 힘으로 적층된 구조를 갖는다. 대표적인 예가 흑연으로, 이를 한 층씩 분리하면 그래핀(Graphene)이 된다.

   - 이러한 층상 구조는 원자층을 자유롭게 적층하거나 상대적으로 비틀 수 있다는 점에서 기존 반도체와는 다른 설계 자유도를 제공한다. 연구팀이 선택한 질화붕소(Boron Nitride)는 그래핀과 유사한 벌집 구조를 가지면서도 매우 넓은 밴드갭을 지닌 와이드 밴드갭 반도체다.

 ○ 연구팀은 두 개의 질화붕소 3차원 결정을 서로 비틀어 적층하는 경우 형성되는 계면에서 전자를 강하게 속박하는 새로운 형태의 양자우물이 생성됨을 발견하였다.

  - 연구진은 이 구조를 ‘모아레 양자우물’이라 명명하였다. 레이저 분광법을 통해 모아레 양자우물이 나노미터 규모의 공간에서 전자를 효과적으로 가두어 자외선 빛을 효율적으로 방출함을 확인하였으며, 그 결과 동일한 조건에서 측정한 기존 AlGaN 반도체 양자우물 구조와 비교해 20배 이상 우수한 형광 특성을 보였다. 더 나아가 연구팀은 두 질화붕소 결정 사이의 비틀림 각도만을 조절함으로써 발광 파장을 제어할 수 있음을 입증하였다.

 

  - 이는 반도체 소재에서 화학적 조성 변화 없이 비틀림 각도를 조절한 적층 구조만으로 원하는 파장의 자외선을 선택적으로 구현할 수 있음을 의미한다. 연구팀은 단순한 광학적 관측에 그치지 않고, 실제로 전기를 흘려 빛을 내는 LED 소자를 제작했다. 그래핀을 전극으로 사용하여 터널링 방식으로 전하를 주입한 결과, 10μA 정도의 전류에서 선명한 심자외선 발광이 관측되었다. 이는 BN 모아레 기술이 실질적인 전기 구동 소자로 발전할 수 있음을 보여주는 개념 증명(Proof-of-Concept)이다. 

 

3. 기대효과

 ○ 기초물질과학 측면에서도 중요한 의미를 지닌다. 반데르발스 물질은 원자층들이 강한 공유결합이 아닌 약한 반데르발스 힘으로 적층된 결정으로, 이러한 구조적 특성 때문에 그래핀 같이 한 층 또는 소수의 원자층으로 분리하면 전자가 이차원 공간에 속박되며 3차원 벌크 물질에서는 나타나지 않는 새로운 양자현상이 발현된다.

  - 그러나 원자층 수준에서 높은 결정성을 유지하며 재료를 합성하고 정밀하게 조작하는 과정이 매우 까다로워, 이러한 물리현상을 안정적인 실험 플랫폼이나 실제 응용으로 확장하는 데에는 한계가 있었다. 본 연구는 이러한 제약을 넘어, 3차원 반데르발스 벌크 결정을 원자층 단위로 분리하지 않고도 단순한 비틀림 적층만으로 계면에 자발적인 이차원 양자구조를 형성할 수 있음을 보여준다.

  - 이는 이차원 물리현상이 반드시 원자적으로 얇은 재료에 국한되지 않으며, 벌크 결정 내부에서도 기하학적으로 비틀린 적층 구조를 통해 구현될 수 있음을 입증한 것으로, 반데르발스 물질 연구의 새로운 방향을 제시한다.

 

연구 이야기

                                       <작성 : 포항공과대학교 김종환 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

그래핀이나 전이금속 이황화물(MoS₂) 등 기존 반데르발스 반도체 소재들은 적외선 및 가시광선 영역에서 발현되는 고유의 양자물리 현상을 바탕으로, 광소자 응용에 탁월한 광학적 특성을 보여왔습니다. 하지만 해당 파장 대역은 이미 오랜 기간 개발된 훌륭한 상용 반도체들이 선점하고 있으며, 실질적인 산업 응용 기준을 충족하기 위해 해결해야 할 기술적 난제들이 상당히 많습니다.

반면, 질화붕소(BN)는 반데르발스 물질이면서 동시에 심자외선을 방출할 수 있는 '와이드 밴드갭(wide bandgap) 반도체'입니다. 현재 심자외선 대역은 기존 반도체 소재인 알루미늄 질화갈륨(AlGaN)조차 광원 효율이 급감하는 등 기술적 한계에 부딪혀 정체된 미개척 영역입니다. 따라서 질화붕소의 광특성을 깊이 규명한다면, 기초과학적 발견의 의의를 넘어 실제 산업에서 직면한 난제를 해결하는 혁신적인 돌파구가 될 수 있다고 판단하여 본 연구를 시작하게 되었습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

우수한 반도체 발광 특성을 구현하려면 양자점이나 양자우물처럼 전자를 나노미터 수준의 좁은 공간에 가두어 발광을 증폭시키는 메커니즘이 필수적입니다. 현재 상용화된 반도체 레이저나 LED, 디스플레이 등에는 대부분 이러한 원리가 적용되어 있습니다. 하지만 반데르발스 반도체 질화붕소에는 이를 구현할 기술적 방법론이 없었습니다.

본 연구진은 결정을 비틀어 적층하는 '모아레 공학'을 도입하여, 반데르발스 물질 전반에 적용 가능한 새로운 형태의 양자우물을 고안하고 이를 '모아레 양자우물(moire quantum well)'이라 명명했습니다. 이러한 새로운 구조를 질화붕소(BN)에 적용한 결과, 수 나노미터 공간에 전자를 강하게 가두어 기존 알루미늄 질화갈륨(AlGaN) 소재 대비 발광 효율을 20배 이상 획기적으로 끌어올리는 데 성공했습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

이번 성과는 병원균에는 치명적이면서도 인체는 보호할 수 있는 차세대 심자외선 광원에 필요한 핵심 소재 원천 기술을 확보했다는 데 의의가 있습니다. 심자외선은 미생물의 DNA와 RNA 구조 자체를 파괴하여 강력한 살균 및 소독 효과를 발휘하며, 화학물질 기반 방식과 달리 소독 후 유해한 부산물을 남기지 않습니다. 하지만 현재 상용화된 260nm 파장 대역의 심자외선 LED는 사람의 피부나 눈에 노출될 경우 심각한 질환을 유발할 수 있어, 사람이 없는 빈 공간이나 야간에만 제한적으로 사용해야 하는 한계가 있었습니다.

반면, 240nm 이하 파장 대역의 심자외선은 피부 최외곽인 각질층을 투과하지 못해 인체에 상대적으로 안전한 것으로 알려져 있습니다. 문제는 기존 반도체 소재인 알루미늄 질화갈륨(AlGaN)이 해당 파장 대역에서 발광 효율이 극히 낮아 실제 살균 기술로 상용화하기에 큰 난관이 있었다는 점입니다. 본 연구에서 개발한 질화붕소(hBN) 양자우물은 240nm 이하 대역에서 기존 소재 대비 20배 이상 뛰어난 효율을 증명하며 이 한계를 돌파했습니다. 이를 적용하면 병원, 학교, 대중교통 등 유동 인구가 많은 실내 공간에서도 공기와 표면을 상시 지속적으로 살균하는 혁신적인 방역 시스템으로 이어질 수 있습니다.

향후 실용화를 위한 과제는 질화붕소의 우수한 심자외선 발광 특성을 실제 산업용 소자에 온전히 구현하는 기술을 확보하는 것입니다. 특히 전기적으로 효율이 높은 LED 구동을 위해서는 '반도체-금속 전극 접합 기술'과 같은 고도화된 소자 공정 기술이 필수적이며, 저희 연구진은 이를 달성하기 위한 후속 연구를 활발히 진행하고 있습니다.

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‘물이 특별한 이유, 수수께끼(미스터리) 드디어 풀렸다’

10년간 뚝심 있는 연구로 교과서 바꿀 발견

- 포항공대 김경환 교수 연구팀 성과, 사이언스 지(誌) 논문 게재

- 세계 최초 영하 60℃에서 물의 임계점 실제 관측, 물의 비밀 풀 단서 규명

  인류가 수백 년간 풀지 못했던 물의 가장 깊은 비밀이 국내 연구진의 10년에 걸친 끈질긴 연구 끝에 마침내 밝혀졌다.

 

  과학기술정보통신부(부총리 겸 과기정통부 장관 배경훈, 이하 '과기정통부')는 포항공과대학교(POSTECH) 김경환 교수 연구팀이 스웨덴 스톡홀름대학교 물리학과 앤더스 닐슨 교수팀과 공동으로 물의 ‘액체-액체 임계점’을 세계 최초로 관측했다고 밝혔다. 

 

  과기정통부 ‘기초연구 사업(우수 신진 연구 및 선도연구센터)’과 삼성 ‘미래 기술 육성 사업’으로 수행한 이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지인「사이언스(Science)」지(誌)에 3월 27일(현지 시각 3.26.(목) 14시, 미국 동부 일광 절약 시간<EDT>) 게재*됐다.

   * 논문명 : Experimental evidence of a liquid-liquid critical point in supercooled water | Science 

 

  물은 가장 중요한 물질이자 인류가 가장 오래 연구해 온 대상 중 하나이지만, 여전히 가장 특이하고 이해하기 어려운 물질로 꼽힌다. 예를 들어, 일반적인 액체는 얼기 직전까지 온도가 낮아질수록 무거워지지만, 물은 4℃에서 가장 무거워졌다가 그보다 차가워지면 오히려 가벼워지는 독특한 특징을 보인다.

 

  이 때문에 겨울에도 강이나 호수의 표면만 얼고 아래쪽에는 액체 상태의 물이 남아, 그 속에서 생명이 유지될 수 있다.  하지만 왜 물이 다른 액체와 다르게 이러한 특징을 가지게 되었는지 근본적인 이유는 과학계의 오랜 숙제로 남아 있었다. 

  

  과학자들은 이에 대한 해답 중 하나로 ‘액체-액체 임계점’ 가설을 제시하였다. 이 가설은 물이 고밀도 물과 저밀도 물이라는 두 종류의 액체상으로 공존하며, 특정 온도(임계점)에 도달하면 그 구분이 사라져 우리가 일상에서 보는 물이 된다는 가정이다.

 

  학계에서는 이 임계점이 존재한다면 영하 40℃에서 영하 70℃ 사이의 극저온 영역에 존재할 것으로 예측하였다. 그러나 물은 영하 40℃ 이하로 내려가면 매우 빠르게 얼어버리기 때문에, 누구도 실험을 통해 임계점의 존재를 증명할 수 없었으며, 수십 년 동안 논쟁으로 이어져 왔다.

 

  연구팀은 영하 70℃에서도 얼지 않은 물을 만들기 위해 태양보다 수십억 배 밝은 빛을 내며 10조분의 1초 단위로 분자의 움직임을 측정할 수 있는 ‘엑스(X)선 자유전자레이저(PAL-XFEL)’를 활용하였고, 실험 끝에 ‘액체-액체 임계점’이 영하 60℃ 부근에 있다는 사실을 세계 최초로 관측하는 데 성공하였다.

 

(그림1) X선 자유전자 레이저를 활용해 관측된 액체-액체 임계점이 존재한다는 실험적 증거에 대한 모식도

 액체 물의 이론적인 압력-온도 상평형도. 물의 두 가지 액체상인 고밀도 물과 저밀도 물이 안정적으로 존재할 수 있는 영역과 액체-액체 임계점의 위치를 나타낸다. 이번 실험을 통해 임계점보다 낮은 온도에서는 거시적인 두 상 영역이 구분되어 존재하기 때문에 이에 대응하는 두 개의 피크 사이의 전환이 관측되었다. 반면 임계점보다 높은 온도에서는 두 가지 액체상이 미시적인 크기로 서로 혼재되어있기 때문에 피크 위치가 연속적으로 변화하는 것을 관측하였다. 이는 액체-액체 임계점이 존재에 대한 최초의 실험적 증거이다.

그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 김경환 교수

  이번 성과는 ‘액체-액체 임계점’ 가설을 실험으로 입증하였을 뿐만 아니라, 물이 가지고 있는 특별한 성질이 고밀도 물과 저밀도 물의 경쟁에서 비롯된다는 근거를 제시했다는 점에서 그 의미가 크다고 할 수 있다.

 

  연구팀은 이미 2017년에는 영하 45℃까지 얼지 않은 물을 세계 최초로 관측하였으며, 2020년에는 영하 70℃까지 관측 범위를 넓혀 사이언스지에 두 차례 성과를 게재한 바 있다.

 

  그 이후에도, 연구팀은 물의 온도와 압력에 따른 변화를 정밀하게 추적하며 끈질기게 연구를 이어온 끝에, 임계점 관측에 성공하게 되었다.

이 성과가 다시 한번 사이언스지에 게재되면서 전 세계에 연구팀의 집념과 저력을 유감없이 발휘하였다.

  김경환 교수는 “물의 특별한 성질과 ‘액체-액체 임계점’을 둘러싼 오랜 세월 동안의 학계 논쟁이 마침내 매듭지어지게 됐다"라고 이번 성과의 의의를 밝히며, “이번 발견은 생명 현상을 비롯해 다양한 자연 현상에서 물이 갖는 필수적인 역할을 규명하는 출발점이 될 것”이라고 덧붙였다.

  

  과기정통부 구혁채 제1차관은 “김경환 교수는 ’19년부터 과기정통부 우수 신진 연구 과제를 수행하며 물 분야에서 탁월한 역량을 입증해 온 연구자”라며, “앞으로도 신진연구자들이 안정적인 환경에서 연구에 몰입하여, 세계적 석학으로 성장할 수 있도록 지원체계를 강화해 나갈 것”이라고 밝혔다.

주요내용 설명 

 <작성: 포항공과대학교 김경환 교수>

논문명

Experimental evidence of a liquid-liquid critical point in supercooled water (과냉각수의 액체-액체 임계점의 실험적 증거)

저널명

Science

키워드

Anomalous properties of water(물의 특이한 성질), X-ray Free Electron Laser(X선 자유전자레이저), Liquid-liquid critical point(액체-액체 임계점), Liquid-liquid transition (액체-액체 상전이), Supercooled water (과냉각수)

DOI

10.1126/science.aec0018

저  자

김경환 교수(교신저자/포항공과대학교), 앤더스 닐슨(Anders Nilsson) (교신저자/스톡홀름대학교), 유선주 (제1저자/포항공과대학교), 마조리 래드-파라다(Marjorie Ladd-Parada) (제1저자/스톡홀름대학교)

 

1. 연구배경

 ○ 물은 세상에서 가장 중요한 물질이다. 생명을 이루는 근원이며, 지구 환경, 화학 반응 등 자연과학의 거의 모든 분야에서 물은 중요한 역할을 한다. 물이 이러한 중요한 역할을 할 수 있는 이유는 물이 다른 액체들에서는 나타나지 않는 특별한 성질을 많이 가지기 때문이다. 하지만 물이 이러한 특별한 성질을 가지는 이유는 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.

 ○ 30년 전 물에 무거운 물과 가벼운 물이라는 두 종류의 액체 상태가 존재하고, 두 상태가 구분되지 않기 시작하는 ‘액체-액체 임계점’이 존재하기 때문에 물이 이런 특별한 성질들을 가진다고 설명하는 가설이 처음으로 제안되었다. 과학자들은 컴퓨터 시뮬레이션 연구를 통해서 ‘액체-액체 임계점’이 높은 압력의 영하 60도 부근에 존재할 것으로 예상했다. 하지만 영하 40도 이하에서 물은 너무 빠른 시간 안에 얼기 때문에 영하 60도의 액체 물을 연구하는 것은 불가능했다. 그 누구도 실험을 통해 ‘액체-액체 임계점’의 존재를 직접적으로 증명하거나 부정하지 못했기 때문에, ‘액체-액체 임계점’의 존재 여부에 대한 논쟁은 30년간 이어져 왔다. 

 ○ 연구팀은 물에 ‘액체-액체 임계점’이 존재한다는 것을 실험을 통해 증명하기 위한 노력을 오랫동안 이어 왔다. 연구팀은 2017년에 영하 43도, 2020년에 영하 70도에서의 관측 결과를 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’를 통해 발표했다. 이 두 온도에서의 연구 결과는 ‘액체-액체 임계점’의 존재를 간접적으로 증명하지만, 아직 ‘액체-액체 임계점’의 존재를 믿지 않는 과학자들도 많았다.

 

2. 연구내용

 ○ 이번 연구에서 연구팀은 높은 압력에서 제조된 비정질 얼음을 적외선 레이저로 가열하여 영하 70도에서 영하 60도까지의 얼지 않은 상태의 물을 만들었다. 하지만 이렇게 만들어진 물은 대략 1만분의 1초 만에 얼어붙어 여전히 그 구조를 연구하기 매우 어렵다. 연구팀은 이를 극복하기 위해, 태양보다 10경배 더 밝은 빛을 제공하고, 10조분의 1초만에 분자의 움직임을 측정할 수 있는 X선 자유 전자 레이저(XFEL)에서 나오는 강력한 X선을 이용하여 물분자의 구조를 관찰하였다.

 ○ 그 결과 온도가 낮을 때는 두 종류의 액체 물이 구분되어 존재하지만 영하 60도 이상에서는 두 종류의 물이 더 이상 구분되지 않는다는 것을 관찰하였다. 이번 연구는 영하 60도에 물의 ‘액체-액체 임계점’이 존재한다는 사실을 세계 최초로 증명한다.

 ○ 기존 연구에서는 비정질 얼음을 가열하는 방식으로는 영하 70도까지의 얼지 않은 상태의 물만 만들 수 있었기 때문에 두 종류의 액체 물이 구분되는 것만을 관측할 수 있었다. 하지만 본 연구에서는 두 종류의 적외선 레이저를 동시에 사용하는 방식으로 영하 60도 부까지 비정질 얼음을 가열하는데 성공하였고, 그 결과 세계 최초로 ‘액체-액체 임계점’을 관찰할 수 있었다.

  

3. 기대효과

 ○ 이번 연구는 물의 두 가지 액체 상 사이에 ‘액체-액체 임계점’이 존재한다는 사실을 직접적으로 증명하는 첫 실험 연구로써, 실험을 통해 추정된 액체-액체 임계점의 대략적인 위치를 학계에 보고한다. ‘액체-액체 임계점’의 존재와 그 위치를 고려하여 만들어질 더욱 정확한 물의 상태 방정식은 물의 물리적 특성이 관여하는 수많은 기초 및 실용 연구의 정확성을 향상시키는 데에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

연구 이야기 

                                       <작성 : 포항공과대학교 김경환 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 물은 생명과 지구 환경, 화학 반응 등 자연과학 전반에서 핵심적인 역할을 하지만, 다른 액체와 구별되는 물의 특이한 성질이 왜 나타나는지는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 이러한 성질이 서로 다른 두 액체 상태와 액체-액체 임계점의 존재로 설명될 수 있다는 가설이 제안되었지만, 해당 영역에서는 물이 매우 빠르게 얼어버리기 때문에 오랫동안 실험적으로 검증할 수 없는 난제로 남아 있었다.

 저는 학위 기간 동안 X선 자유전자레이저의 등장을 경험했고, 이를 활용해 기존에는 불가능했던 초고속 현상을 관측하는 연구들을 수행할 수 있었다. 이 과정에서 새로운 실험 도구의 등장은 오랫동안 풀리지 않던 문제에 전혀 다른 방식으로 접근할 기회를 준다는 점을 체감했다. 이후 저는 X선 자유전자레이저 시설로만 해결할 수 있는 학계의 난제가 많이 있을 것이라 확신했고, 그 과정에서 물의 특이한 성질의 근원과 액체-액체 임계점 문제를 본격적으로 연구하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 이번 연구에서 연구팀은 높은 압력에서 제조된 비정질 얼음을 적외선 레이저로 가열하여 영하 70도에서 영하 60도까지의 얼지 않은 상태의 물을 만들었다. 하지만 이렇게 만들어진 물은 대략 1만분의 1초 만에 얼어붙어 여전히 그 구조를 연구하기 매우 어렵다. 연구팀은 이를 극복하기 위해, 태양보다 10경배 더 밝은 빛을 제공하고, 10조분의 1초만에 분자의 움직임을 측정할 수 있는 X선 자유 전자 레이저(XFEL)에서 나오는 강력한 X선을 이용하여 물분자의 구조를 관찰하였다.

 그 결과 온도가 낮을 때는 두 종류의 액체 물이 구분되어 존재하다가 온도가 높아짐에 따라 영하 60도 이상에서는 종류의 물이 더 이상 구분되지 않는다는 것을 관찰하였다. 이번 연구는 물의 액체-액체 임계점이 존재한다는 사실을 최초로 증명한다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 이전 연구에서 사용하던 레이저를 이용해 비정질 얼음을 가열하는 방식으로는 영하 70도까지의 얼지 않은 상태의 물만 만들 수 있었다. 액체-액체 임계점이 존재한다는 직접적인 증거를 얻기 위해서는 이보다 더 높은 온도의 얼지 않은 상태의 물을 만들어야 했다.

 하지만 비정질 얼음을 가열하는데 사용하는 레이저의 세기를 높이는 방식으로는 레이저의 비선형적 효과에 의해서 더 높은 온도의 물을 만들 수 없었다. 이러한 한계를 극복하고 더 높은 온도의 물을 만들기 위해서 두 종류의 적외선 레이저를 동시에 사용하는 새로운 방식을 사용하였고, 이를 통해 영하 60도까지의 얼지 않은 물을 성공적으로 만들어낼 수 있었다.

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 영하 40도 이하의 얼지 않은 물을 실험적으로 연구하는 것은 기존에는 사실상 불가능한 과제로 여겨져 왔다. 이 때문에 선행 연구들은 주로 컴퓨터 시뮬레이션과 같은 이론적 방법에 크게 의존해 왔으며, 실험적으로는 용질을 다량 첨가해 물의 어는점을 낮추거나 나노미터 크기의 물을 이용하는 방식으로 접근해 왔다. 그러나 이러한 방법들은 모두 간접적인 접근으로, 순수한 물 자체의 성질을 실험적으로 규명하는 데에는 분명한 한계가 있었다.

 반면 우리는 순수한 물에서 영하 40도를 넘어 영하 70도까지, 온도와 압력에 따른 물의 변화를 실험적으로 최초로 자세히 측정하는 데 성공했다는 점에서 큰 차별점을 가진다. 이를 통해 세계 최초로 액체-액체 임계점의 존재를 입증하는 명확한 실험적 증거를 제시할 수 있었다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

 이번 연구는 실험 결과를 바탕으로 액체-액체 임계점의 대략적인 위치를 학계에 보고한다. 이 정보를 반영해 구축될 보다 정확한 물의 상태 방정식은, 물의 물리적 성질이 핵심적으로 작용하는 다양한 기초·응용 연구의 정확성을 높이는 데 중요한 역할을 할 것이다. 물은 기후 변화, 생체분자 및 생명현상, 다양한 화학 반응의 용매 환경 등 광범위한 연구의 중심에 있으며, 이러한 연구는 물의 성질에 깊이 의존한다. 따라서 물의 특성에 대한 근본적 이해의 진전은 여러 분야의 예측과 해석을 정교화하고, 새로운 혁신을 가능하게 할 것으로 기대된다. 또한 이는 물이 생명현상에 필수적인 물질이 된 근원을 규명하는 데에도 중요한 기여를 할 수 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

 이번 연구를 통해 액체-액체 임계점의 존재를 처음으로 증명하고, 그 대략적인 위치를 파악할 수 있었다. 앞으로는 임계점의 위치를 더 정밀하게 파악하고, 임계점 부근에서 물이 보이는 구조적 거동을 더욱 정밀하게 관측하고 규명함으로써, 물의 특이한 성질에 대한 이해를 한 단계 더 발전시키고자 한다. 이 연구는 현재 세계적으로도 우리 연구진만이 접근할 수 있는 실험 영역에서 수행되는 것으로, 그 안에서 나타나는 중요하고도 신기한 다양한 현상들을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대한다. 더 나아가 이러한 연구는 물의 근본적 성질에 대한 이해를 심화시켜, 물이 생명현상에 필수적인 물질이 된 근원을 더욱 자세히 규명하는 데에도 중요한 단서를 제공할 것으로 기대한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

이번 연구에서 특히 기억에 남는 일은, 포항 4세대 방사광가속기에서 수행한 핵심 실험 중 하나가 코로나19 기간에 진행되었다는 점이다. 당시에는 중요한 해외 공동연구자들의 현장 참여가 어려워 실험 수행에 위기가 있었지만, 학술 목적의 방문에 대해 여러 행정적 지원과 관계 부처의 도움이 이루어지면서 실험을 예정대로 진행할 수 있었다. 모든 연구자가 마스크를 착용하고 방역 지침을 철저히 지키며 함께 실험을 수행했던 경험은 매우 이례적이었고, 그러한 어려움 속에서도 성공적인 결과를 얻어낸 일은 특별한 경험이었다.