이학/공학

과학기술은 크게 이학, 공학으로 나뉩니다. 이학은 수학과 물리학을 일컫죠. 공학은 이학을 기반으로 인류의 이익을 위해 새로운 제품, 도구 등을 만드는 학문입니다. 즉, 이학에서 마련된 과학적 원리, 지식을 활용하여 도구화하는 것이 공학인데 일종의 응용과학이라고 생각하면 되겠습니다. 공학은 기계공학, 건축학, 조선공학, 항공공학, 우주공학, 화학공학, 에너지공학, 재료공학, 전기공학, 전자공학, 반도체공학, 통신공학, 원자력공학, 생물공학, 의공학, 환경공학, 토목공학 등 산업과 직접적으로 연계되어 있습니다.

다양한 물리학 분야

이학은 과학기술의 초석이자 공학의 근간입니다. 물리학은 물질의 구성이나 운동에 관여하는 에너지나 힘이 작용하는 원리 등을 연구하는 자연과학이죠. 자연에 대한 일반적인 분석과 우주 만물이 어떤 방식으로 존재하고 그 역학 관계를 이해하기 위한 학문이라고 할 수 있습니다. 물리학에도 수많은 분야가 있는데요. 입자 및 장 물리학, 핵물리학, 응집물질물리학, 응용물리학, 통계물리학, 플라즈마물리학, 광학, 양자전자학, 원자 및 분자물리학, 반도체물리학, 천체물리학 등 다양한 분과가 존재하고 각 분과의 하위 개념에 해당하는 수많은 갈래들이 있습니다.

한국물리학회 분과회 소속 회원 수
(2016년 12월 31일 기준, 한국물리학회 출처)

일반인이 상상하는 물리학자

일반인들 입장에서는 으레 칠판에 화려하고 어려운 공식을 휘갈겨 쓰면서 으스대거나 혹은 어디에 쓰이는지 도통 알기 힘든 장비를 다루고 있는 물리학자들의 모습이 떠오를 것입니다. 그도 그럴 것이, 물리학 교양서적을 보면 대부분 입자물리학 혹은 천체물리학 내용이 대다수이고 실제로 가장 많은 물리학자들이 종사하고 있는 응집물질물리학 분야는 찾아보기 힘들죠. 사실 응집물질물리학의 갈래라고 할 수 있는 고체물리학 및 반도체물리학을 전공할 경우 그 응용 범위가 무궁무진하고 산업에 직접적으로 연관되기 때문에 알고 보면 물리학자들을 훨씬 가깝게 느끼실 수 있답니다.

응집물질물리학

응집물질물리학은 계 내부의 구성요소가 극히 많고 그 사이의 상호작용이 강할 경우 언제나 발현되는 "응집" 상태가 주요 관심 대상으로 물질의 거시적인 특성을 다루는 물리학 분야입니다. 응집 상태의 가장 익숙한 예로는 원자 간의 전기력에 의해 생성되는 고체와 액체를 들 수 있죠. 때문에 고체물리학은 웅집물질물리학의 한 갈래입니다. 보스-아인슈타인 응축물, 초유동체, 초전도체, 강자성체 및 반강자성체 등도 응집물질에 포함됩니다. 입자간 상호작용이 강한 응집된 물질 즉, 말 그대로 표현하자면 ‘뭉쳐 있는’ 물질 모두가 연구 대상이고 극히 낮은 온도 하에서 몇몇 원자계를 살펴보는 경우도 있어 다루는 내용이 무척 폭넓다고 할 수 있습니다.

양자역학

양자역학은 입자의 기본 단위인 양자를 다루는 물리학입니다. 고전물리학에서는 현재 상태를 토대로 미래 상태를 알 수 있는 반면 양자역학에서는 ‘측정’이 ‘상태’에 영향을 미쳐서 미래 상태를 절대적으로 예측할 수 없고 오직 확률론적으로만 유추할 수 있죠. 또한 우리가 사는 거시 세계에서 연속이라고 생각되었던 것들이 눈에 보이지 않는 미시 세계에서는 알고 보니 불연속이었다거나, 모든 물질은 입자와 파동의 이중성을 갖게 된다는 것처럼 기존의 물리학으로는 이해할 수 없는 신기한 현상들을 양자역학을 통해 접근할 수 있다. 양자역학은 기본 입자 단위의 양자화에서 출발하여 원자 내부의 전자와 같은 미시 세계의 역학 관계를 설명할 수 있게 해줍니다. 양자역학은 현대물리학과 첨단과학기술 전반에 일대 혁명을 가져왔고 심지어 철학, 문학, 예술 등 다방면에 중요한 영향을 미쳤지요.

고체물리학

고체물리학은 물성 물리학의 중요한 갈래로 양자역학, 열역학, 통계역학, 전자기학 등 기본 물리학 4대 역학에서 다루는 개념들을 총망라하여 고체(금속, 이온결정, 반도체, 유전체, 자성체 등)의 여러 물리적인 성질(전기적 성질, 자기적 성질, 광학적 성질, 열적 성질 등)을 원자적 구조에 바탕을 두고 해명하고 또한 정량적으로 규명하는 학문입니다. 고체물리학이 이룩한 가장 큰 성과로 반도체의 발명을 꼽을 수 있죠. 반도체물리학 역시 고체물리학의 파생이라고 할 수 있습니다. 반도체의 발명 이후 눈부시게 발전해온 각종 고체소자에 대한 연구 덕분에 현대과학은 일대 혁신을 맞이하게 되었죠. 다이오드, 트랜지스터 반도체 이외에도 각종 합금, 자성체, 유전체, 형광체, 특수유리, 고분자 재료와 같은 유용한 재료 및 페라이트, 루비, 레이저, 초전도 자석 등이 고체물리학 덕택에 만들어졌습니다. 놀라운 물성을 지녀 최근 꿈의 신소재로 주목받는 그래핀 역시 화학, 전자공학 등 그 응용 분야가 다양하지만 실은 고체물리학자의 손에서 탄생했지요. 이처럼 고체물리학은 전기공학, 전자공학, 반도체공학, 화학공학, 에너지공학, 재료공학 등과 연계되어 현대산업의 주축을 이루고 있습니다.

그래핀

그래핀은 2차원 육각형 결정 구조의 탄소로 높은 전기 전도성과 뛰어난 강도로 지닌 유연하고 투명한 물질입니다. 전기적, 자기적, 광학적으로 독특한 물성을 지녀 반도체 소자와 투명 전극과 같은 전자/광전자 응용에 잠재력이 높은 신물질로 각광받고 있습니다.

@hunhani 연구 분야

새로운 물질의 발견과 기술의 개발은 연구혁신을 가져다주지요. 저는 수많은 물리학 분야 중에서 응집물질물리학을 주축으로 양자역학, 고체물리학, 반도체물리학을 아울러 응집물질 내에서 일어나는 독특한 양자현상을 탐색하고 이를 기반으로 전자/광전자 응용을 위한 신물질, 신개념 소자의 원천기술을 개발하는 연구를 합니다. 양자 전송 소자 개발, 그래핀 기반 소자 개발, 반도체의 내부 광전자 방출을 이용한 물성 및 전기적 분석 등이 주요 연구 과제입니다. 내부 광전자 방출은 반도체 접합 계면의 전도띠 구조 및 전자 에너지 장벽과 같은 물성을 분석하는데 유용한 독보적인 측정법이고 양자 전송 소자는 양자 정보처리를 실현하는 양자 컴퓨터의 상용화에 직결됩니다. 최근 출판된 논문 “그래핀 끼워 넣어 꿈의 다이오드 만들기” 에 대해 다룬 적이 있으니 관심 있으시다면 한 번 들려주세요. 다음에 기회가 된다면 제 연구 분야에 대해 좀 더 깊게 다루어 보도록 하겠습니다.

지난 이야기

본문에서 사용된 모든 이미지는 구글 이미지에서 가져왔음을 밝힙니다.

[알기 쉬운 물리학] 다양한 물리학 분야와 응집물질물리학 이야기

안녕하세요. 훈하니 @hunhani입니다.