나노물질 맥신의 물성을 예측하고 분류시스템을 구축하는 방법을 제시한 한‧인도협력센터 연구진. 한국과학기술연구원 제공

2차원 나노물질 ‘맥신’의 물성을 예측하고 분류시스템을 구축하는 방법이 제시됐다. 생산과정에서 품질관리가 가능해지면서 대량생산 길이 열릴 것으로 기대된다.

높은 전기전도성을 갖추고 여러 금속화합물과 조합할 수 있는 맥신은 ‘꿈의 신소재’라 불린다. 반도체, 전자기기, 센서 등 다양한 산업에서 활용할 수 있다.

한국과학기술연구원(KIST)은 이승철 한‧인도협력센터 책임연구원 연구팀이 맥신의 자기수송 특성을 이용해 표면의 분자 분포를 예측하는 방법을 개발했다고 17일 밝혔다.

2011년 개발된 맥신은 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 구조다. 맥신 표면에 덮인 분자가 불소일 경우 맥신의 전기전도성이 낮아져 전자파 차폐 효율이 떨어지지만, 표면 두께가 1nm(나노미터·10억분의 1m)에 불과해 여기에 붙은 분자를 분석하려면 고성능 전자현미경으로도 수일이 소요된다. 이로 인해 지금까지 대량생산이 불가능했다.

연구팀은 표면에 붙은 분자에 따라 전기전도도 또는 자기적 특성이 달라질 것이라는 점에 착안해 2차원 소재의 물성 예측 프로그램을 개발했다. 그 결과 맥신의 자기수송 특성을 계산해 다른 추가 장치 없이도 대기압과 상온에서 맥신 표면에 흡착된 분자의 종류와 양을 분석하는 데 성공했다.

맥신에서 예측된 홀산란인자. 한국과학기술연구원 제공

개발된 물성예측 프로그램을 통해 맥신의 표면을 분석한 결과 자기수송에 영향을 미치는 홀산란인자가 표면 분자의 종류에 따라 극적으로 변한다는 점을 예측했다. 홀산란인자는 반도체 물질의 전하 운반 특성을 나타내는 물리적인 상수로 동일한 맥신을 제조하더라도 홀산란인자는 불소인 경우 가장 높은 2.49, 산소는 0.5, 수산화물은 1의 값을 보인다는 것을 확인했으며, 이를 통해 분자의 분포를 분석할 수 있었다.

맥신은 홀산란인자 값에 따라 응용 분야가 달라진다. 1보다 낮은 값을 가진 경우 고성능 트랜지스터, 고주파 생성 소자, 높은 효율의 센서 그리고 광검출기 등에 활용이 가능하다. 1보다 높은 값을 가지면 열전소재, 자기센서 등에 응용할 수 있다. 맥신의 크기가 수 나노미터 이하임을 고려하면 응용가능한 소자의 크기 및 필요 전력량을 획기적으로 줄일 수 있게 된다.

이승철 센터장은 “순수한 맥신의 제조 및 특성에 집중된 기존 연구와 달리 제조된 맥신을 쉽게 분류할 수 있도록 표면 분자 분석에 새로운 방법을 개발한 것에 의의가 있다”며 “이번 성과를 바탕으로 균일한 품질을 가진 맥신의 대량생산이 가능해질 것으로 기대한다”고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘나노스케일’에 6월 게재됐고, 이 학술지의 ‘올해의 주목할 만한 논문’으로 선정됐다.

영화 ‘오펜하이머’ /유니버설 픽쳐스
‘원자폭탄의 아버지’와 ‘군축(軍縮)의 아버지’라는 정반대의 두 별명을 가지고 있는 미국 물리학자 로버트 오펜하이머의 전기(傳記) 영화 ‘오펜하이머’가 15일 국내에서 개봉했다. 거장 크리스토퍼 놀런 감독의 첫 전기 영화로 주목받은 이 작품은 미국 등에선 지난달 이미 개봉해 흥행 돌풍을 일으키고 있다. 오펜하이머는 세계 최초로 원폭 개발에 성공한 ‘맨해튼 프로젝트’를 이끌며 2차 세계대전을 끝낸 영웅인 동시에 인류에 통제하지 못할 무기를 안긴 문제적 인물이라는 양면적 평가를 받는다. 앞서 영화가 개봉한 영미권에선 오펜하이머 재조명 작업이 활발히 이뤄지고 있다. 관람 전 알고 가면 좋은 ‘오펜하이머 지식’을 소개한다.

1904년 4월 22일 유복한 독일계 유대인 가정에서 태어난 오펜하이머는 어린 시절부터 두각을 드러내는 신동이었다. 할아버지에게 선물로 받은 광석 세트를 계기로 7살 때부터 결정(結晶) 구조와 빛의 편광(偏光)과의 상호작용 등에 관심을 갖고 빠져들었다. 12세 땐 오펜하이머가 어린이인 줄 모르고 서한을 주고받던 뉴욕 광물학 클럽 회원이 그를 세미나 연사로 초대하기에 이른다. 오펜하이머는 지적 호기심이 매우 커 영어 외에도 그리스어·라틴어·프랑스어·독일어·네달란드어·산스크리트어까지 총 7개 언어를 구사할 수 있었다고 한다. 시(詩) 쓰기를 즐기기도 했다.

오펜하이머는 역사가 인정하는 최고의 물리학자였지만 정작 노벨상을 받진 못했다. 노벨물리학상 후보에만 1945년·1951년·1967년 세 번 올랐지만 선정되진 못했다. 노벨상을 받기 위해선 통상 한 가지 분야를 집중해서 연구하고 그 분야에서 성과를 얻어야 하는데 오펜하이머는 여러 분야에서 나온 성과를 누구보다 잘 이해하고 종합해 또 다른 결과를 내놓는 일에 천재적인 인물이었기에 ‘노벨 스타일’은 아니었다는 평가가 나온다. 한편 그와 함께 ‘맨해튼 프로젝트’에 참여한 동료 중 18명이 노벨상을 수상하게 된다.

실제 오펜하이머의 젊은 시절 모습. /사이언스북스 ‘아메리칸 프로메테우스’

오펜하이머는 엄청난 애연가로 유명했다. 그의 사진이 대부분 담배를 물고 있을 정도다. 맨해튼 프로젝트 진행할 당시 그는 식사를 제대로 하지 않아 몸무게가 50㎏(키 178cm)까지 빠졌는데 이 시기에도 담배만큼은 숨 쉬듯 피워댔다고 한다. 하루에 담배 100개비를 피웠다는 증언도 있다. 그의 입에 물려 있는 담배 ‘체스터필드’는 오펜하이머의 상징이 됐다. 그는 결국 인후암으로 세상을 떴다.

그가 유명해진 후엔 그를 따라 담배를 피우는 것이 청년들 사이에 유행하기도 했다. 영화에서 오펜하이머 역을 맡은 배우 킬리언 머피는 촬영 때 니코틴이 없는 허브 담배를 피웠다. 아울러 아몬드만 먹는 극단적 다이어트도 했다고 한다.

오펜하이머는 전(前) 세대 물리학계의 최고 거장인 알베르트 아인슈타인과 1920년대 독일 괴팅겐 대학에서 공부할 때 만났다. 아인슈타인은 맨해튼 프로젝트에 직접 참여하진 았지만 나치 독일보다 빨리 원폭을 개발해야 한다며 프랭클린 루스벨트 대통령에게 건의한 인물로 기록돼 있다.

두 사람은 대부분의 사안에 견해를 같이 했지만 말년에 닥친 매카시즘(반공산주의 운동) 광풍을 대하는 태도는 달랐다. 정치적 공세에 당하기만 했던 오펜하이머와 달리 아인슈타인은 이에 반발하는 사회운동가의 모습을 보였다.

원자폭탄을 개발한 맨해튼 프로젝트를 이끈 미 육군의 레슬리 그로브스 장군(왼쪽)과 오펜하이머 박사. 1942년에 찍은 사진이다. 오펜하이머는 38세의 젊은 나이였지만 그로브스 장군의 전폭적인 지지를 받아 맨해튼 프로젝트를 이끌 수 있었다./미 에너지부

오펜하이머는 유대인이긴 했지만 유대교를 맹종하는 신자는 아니었다. 그는 오히려 산스크리트어와 힌두교에 심취해 힌두교와 인도 문학에 대한 경외심을 자주 표현했다. 원폭 실험에 성공한 후 그는 “나는 이제 죽음이요, 세상의 파괴자가 됐다”며 자책했다고 하는데, 이 문구는 힌두교 경전 바가바드기타에 나오는 어구다.

오펜하이머는 하버드대 학부생 시절 산스크리트어를 공부하면서 힌두교 철학에 빠져들었다. 그가 전공한 물리학 분야인 양자역학과 우주 창조와 기원을 고찰하는 힌두교와 일맥상통한다는 평가도 있다.

1950년 프린스턴 고등연구소에서 촬영한 알베르트 아인슈타인(왼쪽)과 로버트 오펜하이머 박사(오른쪽). 4년 뒤 오펜하이머 박사가 스파이 혐의로 청문회에 서자 아인슈타인은 “조국에 헌신한 대가가 이런 것이냐”고 분개했다고 한다./위키미디어

뉴욕 출신인 오펜하이머는 생전 가장 사랑하는 두가지로 물리학과 뉴멕시코주(州)를 꼽았다. 유년 시절 여행한 뉴멕시코의 황량하고도 광활한 풍경이 그의 마음을 사로잡았다고 한다. ‘맨해튼 프로젝트’가 뉴멕시코주에 ‘본부’를 꾸린 것이 우연은 아니었던 셈이다.

‘맨해튼 프로젝트’란 이름은 미국의 2차 대전 참전 후 기반시설 건설 및 무기 생산 시설 구축 등을 위해 과학·공학자들을 대거 모은 육군 공병대의 연구 시설 중 상당수가 뉴욕 맨해튼 컬럼비아대에 있었던 데서 유래했다. 맨해튼에서 개발 자체가 이뤄지진 않았지만 계획 초기에 맨해튼에서 초기 연구가 이뤄져 이후에도 ‘맨해튼 프로젝트’라는 암호명이 사용됐다.

오펜하이머의 일기를 다룬 영화는 이번이 처음이 아니다. 할리우드에서 최소 두 편의 영화가 오펜하이머를 다뤘다. 롤랑 조페 감독의 ‘멸망의 창조’(1989년), 드라마 다큐인 ‘시작과 끝’(1947) 등이다. 컴퓨터 그래픽 등이 발달하기 전에 만들어진 두 영화는 원폭과 관련한 어설픈 묘사와 역사적 고증 부족 등으로 좋은 평가를 받진 못했다. 반면 1980년대 BBC가 방영한 7부작 드라마 ‘오펜하이머’는 골든글로브·에미상 등 주요 드라마상 후보에 오르며 좋은 평가를 받았다.

미국 항공우주국과 방위고등연구계획국의 ‘드라코’ 프로젝트 상상도. DARPA

미국항공우주국(NASA) 원자력을 동력원으로 하는 우주 로켓 개발에 본격 착수한다. 중국은 우주 공간이나 달, 행성 등 극한 환경에서 안정적으로 열에너지를 공급할 수 있는 ‘우주 원자로’ 개발을 진행중이다. 우주개발 선도국들이 달, 화성을 넘어 심우주 탐사를 위한 ‘우주 원자력’ 개발을 본격화해 우주 원자력 시대를 열고 있다.

세계에서 7번째로 실용급 위성을 지구 저궤도에 올려놓을 수 있는 발사체 기술을 확보한 한국 과학자들도 지난해 원자력 우주선 개념 연구에 착수했다. 원자력을 동력원으로 쓰는 우주선 개발이다. 8월 말 원자력 우주선 연구를 위한 6번째 워크숍을 진행하는 양수석 한국항공우주연구원 책임연구원은 3일 “실제 개발까지는 약 20년 소요될 것으로 예상된다”며 “국내에 이미 확보한 발사체와 원자력 기술을 최대한 활용할 계획”이라고 말했다.

● 우주로켓·탐사선에 원자력 활용…우주개발 효율성 높여

NASA는 지난달 26일 원자력 추진 우주 로켓 개발 프로젝트 ‘드라코(DRACO)’ 사업자로 세계 최대 방위산업체 록히드마틴을 선정하며 본격적인 우주 원자력 시대를 예고했다. 드라코는 NASA와 미국방위고등연구계획국(DARPA)이 지난해 1월부터 공동으로 추진해온 프로젝트다. 기존 우주 로켓 엔진 연료로 쓰였던 등유, 수소, 메탄 대신 원자력 에너지를 연료로 한 우주 로켓을 개발, 발사한다는 계획이다. 최종 목표는 유인 우주선을 화성까지 빠르고 효율적으로 보내는 것이다. 이르면 2027년 엔진을 완성해 고도 700~2000km 궤도로 시험 발사해 기술을 검증한다.
중국은 1메가와트(MW)급 우주 원자로 개발에 2019년 착수했다. 같은 해 8월 미국도 원자력 기술을 우주 개발에 활용하겠다는 내용의 대통령 각서를 발표했다.

우주개발 선도국들이 핵 열추진 기술로도 불리는 원자력 로켓 개발에 착수하는 이유는 원자력은 기존 로켓과는 달리 고효율 에너지원이기 때문이다. 등유나 수소, 메탄과 달리 적은 양의 재료로 핵분열 반응을 일으킬 수 있다. 양수석 책임연구원은 “핵분열 반응으로 만든 열에너지를 이용해 로켓 추진력을 높이는 것”이라며 “현재 화성까지 가는 데 반년 가까이 소요되는데 원자력 로켓을 이용하면 약 100일만에 화성에 도착할 수 있을 것”이라고 설명했다.

우주 공간이나 행성에 우주인이 체류할 때도 원자력은 이점이 있다. 태양광 전지판 대신 우주에서 작동하는 원자로 발전 시스템을 이용한다면 안정적이고 효율적으로 열에너지와 전기에너지를 얻을 수 있기 때문이다. 김찬수 한국원자력연구원 원자력수소연구실 연구실장은 “기온이 영하 100도 이하로 떨어지는 게 일상인 우주의 극한 환경에서 원자력은 태양광을 대체할 수 있는 최적의 에너지원”이라고 말했다.

● “차세대 발사체에 원자력 우주선 결합 연구 진행”

한국 과학자들도 이미 약 5년전부터 원자력을 우주 개발에 활용하기 위한 연구를 시작했다. 한국원자력연구원은 2019년 영국 원자력연구소와 우주용 원자력 전지 개발을 위한 연구협력을 맺었다. 지난해부터는 항우연과 원자력연을 중심으로 원자력 우주 로켓 개념 연구를 시작했다. 현재까지 나온 개발 방향은 한국형발사체 ‘누리호’의 성능을 업그레이드하고 독자 기술로 달 탐사를 하기 위해 개발중인 ‘차세대발사체’에 원자력 우주선을 접목하는 방안이다.

양 책임연구원은 “지구에서 만든 원자로 우주선을 차세대발사체에 싣고 우주로 발사, 고도 500~700km 저궤도에 진입하면 우주선에 탑재된 원자로가 핵분열을 시작해 우주로 나아가는 개념”이라고 설명한다.

원자로를 계속 가동하는 건 아니다. 우주선이 저궤도에서 화성을 향해 출발할 때 열에너지 출력을 급격하게 상승시켜 가속도를 높인 뒤 다시 꺼둔다. 화성으로 진입하기 위해 속도를 줄일 때 다시 켜서 속도를 줄이는 방식이다. 김찬수 원자력연 연구실장은 “우주용 원자력 발전은 단기간 출력을 급격히 높였다 줄이는 방식을 적용해야 할 것으로 보고 있다”며 “장기적이고 안정적인 운전을 목표로 하는 지구상에서의 원자력 발전과는 다른 방식의 접근이 필요하다”라고 덧붙였다. 또 “원자력 우주선 개발은 이제 시작하는 단계이지만 한국이 현재 갖고 있는 원자력 기술을 기반으로 꾸준히 연구해나갈 것”이라고 밝혔다.

대기오염의 주범으로 지목되는 이산화탄소가 배출되는 모습을 표현한 이미지. 게티이미지뱅크 제공

미국 에너지부(DOE)가 대기오염의 주범으로 지목되는 이산화탄소(CO2)를 포집하는 시설을 구축하기 위해 대규모 자금을 투입한다.

12일(현지시간) 주요 외신에 따르면 미 에너지부는 거대한 팬(fan)을 이용해 대기에 퍼져 있는 이산화탄소를 직접 빨아들이는 ‘직접탄소포집(DAC)’ 시설을 만드는 데 12억달러(약 1조5984원)를 지원하기로 했다. 지난해 DAC 프로젝트에 35억달러(약 4조6620억원)를 투입하기로 결정한 데 따른 후속 조치다.

DAC는 주변에 있는 공기로부터 이산화탄소만을 분리해 포집‧압축하는 기술이다. 거대한 ‘선풍기’로 주변의 공기를 빨아들인 뒤 공기 중 이산화탄소만을 분리해 지하에 묻거나 콘크리트 제조 등에 활용한다. 작은 부지에 시설을 설립할 수 있으면서 이산화탄소 포집량을 쉽게 측정할 수 있다는 장점이 있다.

미국 에너지부가 자금을 투입한 시설은 미국 텍사스주와 루이지애나주에 건설될 예정이다. 텍사스 시설은 미국 탄소 엔지니어링 회사가 개발한 기술을 사용해 태양 에너지로 움직이는 팬을 도입한다. 팬에는 공기는 밀어내고 이산화탄소만을 흡수하는 흡착제가 사용된다. 이렇게 포집된 이산화탄소는 지하에서 영구적으로 저장되거나 콘크리트와 같은 상업용 자원을 만드는 데 활용될 수 있다. 이 시설은 매년 최대 3000만t의 이산화탄소를 포집할 수 있을 것으로 기대된다.

루이지애나에 설립되는 시설은 연간 100만t의 이산화탄소를 저장할 예정이다. 이 시설에는 이산화탄소와 화학적으로 잘 결합하는 아민 성분이 들어간 고체 흡착제가 사용된다.

각 시설에 사용되는 두 기술은 소규모 시범 시설에서 성능 검증을 거쳤다. 이번에 들어서는 이산화탄소포집 시설에 대해 제니퍼 그랜홀름 미 에너지부 장관은 “(탄소배출 관리의) 판도를 바꿀 기술을 입증하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.

미 에너지 당국이 대규모 투자를 결정한 DAC 기술에 대해 일부 전문가들은 비용 대비 효율이 떨어진다는 지적을 내놓는다. 마크 제이콥슨 미국 스탠퍼드대 교수는 “DAC 시설이 이산화탄소를 지하에 주입하기 위해선 매우 많은 에너지가 필요한데, 이는 탄소를 격리하는 가장 비싸고 비효율적인 방법 중 하나”라며 “재생에너지 시설을 만드는 것이 탄소배출 대응에 있어 더 나은 전략이 될 것”이라고 전했다.

현재 DAC 기술을 사용한 이산화탄소 포집시설은 모두 소규모로 운영되고 있다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 전세계에서 130개의 DAC 시설이 건립 중이다. 27개 시설이 시운영 중이며 18개 시설이 가동되고 있다. 이들 DAC 시설이 포집하는 이산화탄소는 연간 총 1만1000t 정도다.

두 번째 뮤온 실험에서 표준모형이 예측한 g값과 미세하게 벗어나는 값이 측정됐다. Fermilab 제공

미국 페르미국립연구소(페르미랩)가 현대 입자물리학의 근간인 ‘표준모형’을 뒤흔드는 뮤온 실험 결과를 2021년에 이어 다시 한번 내놨다. 2년 전보다 더 정밀한 데이터를 활용해 증거의 정확성을 높인 것으로 분석됐다.

페르미랩(Fermilab) 연구팀은 우주의 물질을 구성하는 기본 입자인 ‘뮤온(muon)’의 자기적 속성을 알아내기 위한 뮤온 g-2 실험을 진행한 결과 표준모델이 예측한 뮤온의 자기적 속성에서 벗어나는 값을 얻었다고 국제 학술지 ‘피지컬리뷰레터스’에 10일(현지시간) 발표했다.

뮤온은 전자와 비슷하지만 전자보다 200배 무거운 입자로, 고에너지 양성자 입자를 충돌시킬 때 발생한다. 1936년 우주선(cosmic rays)을 연구하는 과정에서 발견됐다. 우주를 구성하는 입자와 힘을 설명하는 물리학계의 ‘표준모형’에 따라 우주를 구성하는 기본 입자로 여겨진다. 표준모형에 따르면 자연계는 쿼크 6개, 렙톤 6개, 이들의 매개 입자 4개 등 16개 입자에 힉스 입자를 더해 총 17개의 기본 입자의 상호 작용으로 설명할 수 있다. 이중 뮤온은 렙톤에 속한다.

표준모형의 이론대로라면, 강력한 자기장 속에 있는 뮤온의 자석 축이 흔들리는 정도(g값)를 계산했을 때 그 값은 ‘2’여야 한다. 그러나 페르미랩이 2021년 4월 강한 자기장이 있는 자기링 속에 뮤온을 넣고 뮤온의 흔들림을 관찰하는 ‘뮤온 g-2’ 실험을 진행한 결과, 실제 뮤온의 g값은 예측값인 2보다 약 0.1% 컸다. 이는 뮤온이 알 수 없는 이유로 예상한 것보다 더 빠르게 진동한다는 뜻이다.

연구팀은 더 정확한 결과를 확인하기 위해 지난 10일(현지시간) 두 번째 ‘뮤온 g-2’ 실험을 진행했다. 2년 전보다 5배 더 많은 400억 개의 뮤온 입자를 활용해 정확도를 높였다. 그 결과 뮤온의 g값은 2.00233184110으로, 표준모형에 따른 g값인 2.00233183620보다 컸다. 이는 2021년 실험 결과 도출된 g값과 비슷한 정도의 오차다.

연구팀은 이에 대해 “미지의 다른 입자나 힘이 작용해 뮤온에 자성이 더해진 것으로 추정된다”라고 설명했다. 그러나 BBC, 뉴욕타임즈 등의 주요 외신은 “페르미랩은 이번 실험 결과가 표준 모형의 예측과 배치된다고 확정적으로 결론지은 건 아니다”라고 밝혔다. g값의 계산 방법에 대해 추가적으로 확인하는 과정이 남아있다.

페르미랩은 “더 세밀하고 정확한 뮤온 g값을 측정하기 위해 2025년까지 실험을 지속할 예정”이라고 밝혔다. 그러면서 “이는 실험과 표준모형 사이의 최후 대결이 될 것”이라고 말했다.