제주 다산콘퍼런스 참석 김필립 미 컬럼비아대 교수

“노벨상 후보 얘기 안 듣게 돼 오히려 홀가분... 연구 전념"

올해 10월5일 노벨 물리학상은 ‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀을 처음 분리해낸 영국 맨체스터대학의 안드레 가임 교수와 그의 제자인 콘스탄틴 노보셀로프 교수에게 돌아갔다. 맨체스터 그룹과 그래핀 연구에서 양대 산맥을 이루고 있는 미국 컬럼비아대의 김필립(42) 교수 연구팀은 2005년 맨체스터 팀과 동시에 그래핀의 ‘양자홀 효과’를 입증해 그동안 유력한 노벨상 후보로 거론돼왔다. 그러나 노벨위원회는 맨체스터 그룹의 손만 들어줘 노벨상을 목말라 하는 우리나라 국민을 안타깝게 했다.   지난 10~12일 제주 서귀포시에서 열린 한국과학기술단체총연합회(과총) 주최 ‘다산콘퍼런스’에 참석한 김 교수를 만나봤다. 이 자리에는 한국 그래핀 연구의 선봉을 맡고 있다고 할 수 있는 임지순 서울대 물리·천문학부 석좌교수, 정현식 서강대 물리학과 교수, 홍병희 성균관대 화학과 교수, 손영우 계산과학부 교수가 함께 했다.

-2005년 <네이처>에 반도체로서 이용이 가능하다는 ‘양자홀 효과’를 입증한 논문을 실었다. 나란히 실린 맨체스터팀 논문과 차이는 어떤 것인가?

 “논문의 가장 중요한 내용은 그래핀에서 반정수 양자홀 효과를 실험적으로 관측한 것이다. 그래핀에서 전자가 움직일 때 유효 질량이 0이 된다는 사실을 밝힌 것이다. 맨체스터 팀의 논문과 구체적인 내용에서는 같은 실험이 아니기에 약간의 다른 결론도 있지만, 전체적인 논문의 결론은 동일하다고 봐야 한다.   2004년 10월에 발표된 노보셀로프와 가임 공동 저작의 <사이언스> 논문은 그래핀에서 가장 중요한 논문이었고, 그래핀 분야가 활성화하는 데  가장 큰 기여를 했다. 노벨상에서도 주요하게 고려된 논문이었다. 논문이 나올 당시에 세계적으로 그래핀 연구자는 손에 꼽을 정도였다. 처음 연구는 그래핀이 실험적으로 분리할 수 있는지, 그래핀이 자연상태에서 한장으로 존재할 수 있는지가 가장 중요한 화두였다.”

-양자홀 효과란 무엇인가?

 “전자에다 자기장을 걸어주면 전자가 휘어간다. 똑바로 가야 하는데 휘어가니 똑바로 가는 방향에 수직으로 전기가 생기게 된다. 이를 홀 효과라고 하는데, 19세기 말에 물리학자 홀이 발견한 것이다. 온도가 낮아지고 자기장이 강해지면 생기는 전기가 띄엄띄엄 생기게 된다. 이를 양자홀 효과라고 한다. 이 현상으로 노벨상이 두번 주어졌다. 1985년에  는 정수배 양자홀 효과 이론을 수립한 독일 팀이, 1998년에는 분수 양자홀 효과 이론을 수립한 미국 팀이 노벨상을 받았다.”

-1999년 탄소나노집게(핀셋)를 개발하는 등 탄소나노튜브 연구에도 정진했고, 2005년에는 세계에서 가장 가늘고 긴 탄소나노튜브를 제작해 <PNAS>에 논문이 실려 <네이처>에 ‘탄소나노튜브의 물리학적 특성을 규명하는 데 결정적인 전기를 마련한 것으로 평가’라는 제목의 기사로 소개되기도 했는데, 탄소나노튜브에서 그래핀으로 연구를 전환한 계기가 있는가?

 “연구를 옮겼다고 할 수는 없고 나노튜브 연구는 지금도 계속하고 있다. 중심이 그래핀으로 옮겨진 것일 뿐이다. 어떤 부분이 노벨상을 받고 하는 것은 판단하기 어렵다. 노벨상 커뮤니티가 볼 문제다. 물리학자들 사이에서도 누가 받을 것이냐는 여러가지 설도  분분하고, 지난 10~15년에 탄소나노튜브는 늘 노벨상 후보에 올라 있었다. (노벨상 위원회가) 정확히 어떤 것을 고려했는지 밖에서는 알 수 없다. 나노와 그래핀은 연관이 많았다. 그래핀이 발견되기 이전부터 탄소나노튜브 현상을 설명하기 위해 그래핀을 가정해서 이론적인 설명이 많이 돼 있었다. 특히 90년대 말에는 그래핀의 독특한 성질이 탄소나노튜브에서 실험적으로 보이기 시작하면서 탄소나노튜브 연구그룹 중 몇몇이 그래핀에 관심 갖고 연구하기 시작했다. 나도 그랬다. 또 다른 반도체 쪽에서 연구하던 연구자들이 연장 선에서 그래핀을 연구하는 흐름도 있었다.”

-그래핀 연구자들 가운데에서는 2~3년 뒤에나 노벨상 후보로 올라갈 것이다, 또 탄소나노튜브는 (노벨상 후보에서) 물 건너간 것 아니냐는 얘기가 있다.

 “아무래도 (탄소나노튜브가 노벨상 후로가 되기는) 쉽지 않을 것이다. 둘이 연관성 있는 연구여서 쉽지 않겠지만 그러나 알 수 없다. 탄소나노튜브에서 새로운 물리적 현상이 발견된다는가, 그래핀에서 볼 수 없었던 것이 인식이 된다면 상을 받을 수도 있다. 하지만 배리어(장벽)가 생긴 것은 맞다고 본다.”

-현재 하고 있는 연구의 방향은 무엇인가?

 “그래핀, 탄소나노튜브의 전기적 성질, 열적 성질 등을 연구하는 것이다. 그 분야에서 해결되지 않은 부분들을 연구할 생각이다. 탄소나노튜브, 그래핀 뿐만 아니라 그것과 인접한 물질들이 여러가지가 있다. 또 새로운 물질들이 나타나기도 한다. 이들 물질의 전기전자의 수송 현상에 대한 연구를 할 것이다.”

-그래핀 연구를 하면서 어려움에 봉착한 적은 없는가?

 “2002~2003년부터 그래핀을 분리하려고 노력했다. 나노펜슬을 만들어 분리하려고 노력하던 중 원자층 10장 정도까지 분리하는 데 성공했다. 그동안 결과를 모아 2004년 여름에 논문을 준비해 제출한 뒤 맨체스터 팀에서 하고 있다는 소문을 들었다. 논문 초고를 받아보니 그쪽이 한장 분리하는 등 단순하고 창의적인 방법으로 분리했더라. 함께 연구했던 사람들에게는 충격이었다. 2년 정도 애썼는데, 다른 그룹에서 선도한 것을 보고 한대 맞은 기분이었다. 그때가 가장 어려웠다.”

-노벨상 발표 뒤 주목을 많이 받았는데.

 “빨리 잊어버리고 지나가야지 생각한다. 지난해부터인가 나를 소개할 때 ‘노벨상에 가까운 분’이라고 소개해서 그것이 아니라고 부인하곤 했다. 올해로 끝나서 그런 얘기 안 듣게 돼 홀가분해졌으면 한다.”

-그래핀의 실용화 가능성은 어떻게 보는가.

 “아직 속단하기 이르지만, 초기 단계이고 많은 가능성은 보이지만, 상용화해서 시장에서 살 수 있느냐는 조금 더 지켜봐야 한다. 초기에 비해서는 가능성 높다고 본다. 노벨위원회도 이런 측면을 고려해 상을 준 것이 아닌가 한다.”

-노벨상이 맨체스터 팀에게만 돌아가 많은 이들이 안타까워했는데.

 “팔이 안으로 굽는다고 그렇게 생각할 수는 있는데, 그런 얘기를 들었을 때, 스스로 생각도 해보고 몇번 인터뷰에서도 말씀 드렸던 것 같은데, 어떤 분야를 선도하는 그룹이 있게 마련이다. 우리 그룹이 어떤 부분에서는 선도적 연구를 할 때도 있다. 2005년처럼 함께 나올 때도 있다. 굳이 등수를 매기면 우리 컬럼비아 그룹은 2등 정도 할 수 있을까? 선도를 했던 그룹, 1등 그룹과 2등 그룹이 차이가 크기 때문에서 선이 그어질 수 있다. 언젠가는 이런 날이 올 것이라 생각했다. 조금 빨리 왔을 수는 있다. 노벨상 발표 당일에 자다 일어나서 인터뷰 전화를 받고나서 (맨체스터 팀이 수상한 사실을) 알았는데, ‘올 것이 왔구나’ 하고 생각했다.”

-일부에서는 미국 국적이어서 노벨상을 받았어도 미국으로 분류되지 않았겠느냐는 소문이 있다.

 “분명히 한국 국적이고, 영주권은 직업상 별 수 없이 갖고 있다.” (김필립 교수는 서울대 물리학과 86학번으로 석사를 마친 뒤 미국 하버드대에서 박사학위를 받았다.)

-그래핀과 화합물 반도체는 경쟁관계인가?

 “분야마다 다를 수 있다. 전자소재분야에서는 경쟁관계일 수 있다. 그러나 투명전극 등에서는 인화주석산화물(ITO) 등과 경쟁관계에 있을 수 있다. 그래핀은 여러 얼굴을 가지고 있다. 이번 다산콘퍼런스에서도 그래핀에 스템셀을 기른다는 재미 있는 얘기도 나왔다. 초창기여서 어디에 유용하게 쓸 수 있을지 여러 가능성이 있는 것 같다.”

-우리나라 그래핀 연구 수준은?

 “응용에서는 한국 연구가 선도적 위치 차지하고 있다고 생각한다. 대면적 성장이나 그것을 이용한 응용, 학계뿐만 아니라 기업과 연계에서도 앞서가고 있다. 외국 학회 등에 한국분들 연사로 초청 많이 받고, 논문 등에서도 선도적 역할 하고 있다.”

-울산과기대(UNIST)에서 노보셀로프 교수와 함께 명예소장을 맡았는데, 어떤 일을 할 예정인가?

 “명예에 방점이 찍혀 있는 것 같다. 아직 그래핀연구센터가 본격 가동되는 단계는 아니어서 어떤 일을 할지는 모르겠지만, 센터의 전반적인 방향 등에 자문을 하겠다는 정도다.”

-하택집 미국 일리노이주립대 교수 등 물리학과 86학번들이 한국 물리학회 3세대로 얘기된다. 물리학을 염두에 두고 있는 후배들에게 한마디 해주신다면?

 “시간이 지나면서 연구를 한국에서 할 수 있는 환경이 많이 바뀌는 것 같다. 저만 해도 한국에서 학석사 때 비교하면 연구환경 비교할 수 없을 정도로 좋아졌다. 논문의 양질도 비교할 수 없을 정도로 발전했다. 이제야말로 뭔가 남을 배워가는 게 아니라 어느 분야를 선도할 수 있는 환경이 된 것 같다. 시점도 무르익고. 그런 것들이 지속적으로 발전되고 확대돼 나아가기 위해서는 창의적이고 어떤 면에서 자기 나름대로 야심을 가진다고 할까, 스스로 동기 부여된 사람들이 물리학 등 기초과학하는 게 좋다고 본다. 세계적 연구를 할 수 있는 환경이 마련돼 있다고 보기 때문에  적절한 시기이면서 중요한 시기다. 그러나 요즘 학생들이 기초과학에 관심이 적어졌다는 말에 걱정도 되고 서글픈 생각도 든다. 우리 때는 기초과학한다는 나름의 자긍심도 있었는데, 그런 것들이 희석된다는 말을 들을 때 안타깝기도 하다.”

» 왼쪽부터 홍병희, 손영우, 김필립, 임지순, 정현식 교수. 　

-노벨상 때문이어서가 아니라 요즘 한국 과학계는 과학 연구 시스템에 대한 고민을 많이 하고 있다. 정부 출연연구소의 통합 문제, 재단화 문제도 거론된다. 한편에서는 일본의 이화학연구소(NIKEN)나 독일의 막스플랑크연구회 같은 ‘기초과학연구원’의 부재를 지적하고 있는데, 이에 대한 견해는 어떠한가?

(정현식 교수) "표준적 대답일 수는 있겠지만 정부 출연연구소는 나름 미션이 있고, 산업체연구소는 산업계 요구대로, 대학은 연구재단 중심으로 의무가 있다. 그러나 우리가 알고 있는 진짜 (기초과학) 연구소라고 하는 것은 고등과학원 정도밖에 없다고 볼 수 있다. 출연연만 해도 정부의 간섭이 많다. 중국만 해도 우리 출연연보다 훨씬 독창적이고 자유로운 연구를 많이 하는 것 같다. 출연연이 잘 안돼서가 아니라 출연연과는 다른 역할을 할 수 있는 그런 것이 있어야 한다는 것이 과학계의 여망인 것 같다.”

(김필립 교수) "응용과 연관은 안 시키더라도 시장가치에 의해 판단되지 않고 창의적 연구라는 것이 (미국의) 문화일 수도 있고, 천체물리 등이 응용이 어떻게 되느냐에 따라 지원이 되는 것은 아니다. 응용만 강조해서는 전체적인 발전이 안된다고 생각한다. 그래핀도 한국 선도적으로 점유하고 있는 것이 응용이지만, 기초는 어떠냐 하면 선도적이지 않다. 연구자 수도 적고. 일본이나 싱가포르 비교해서도 그렇다. 많은 부분들이 응용쪽이 많이 강조돼서, 좀더 기본적인 부분에 대해서는 지원이 부족하지 않나 생각한다.”

(손영우 교수) "사람 수도 과제 수도 확실히 적다. 그래핀은 한국에서 기초 연구가 10%도 안된다.”

(홍병희 교수) "기초연구를 지원하면 선정되기 쉽지 않다.”

(정현식 교수) "최근 그래핀으로 우수연구센터 두 건 신청했는데, 둘 다 안됐다. 노벨상 탔으니 달라질 수 있겠지만.  응용연구는 조금 지원이 괜찮은데, 기초연구는 상대적으로 지원이 적은 편이다. 이제 산업화하는 시대는 넘어서서 돈이 될지 안될지 하는 연구도 지원해서 소위 ‘대박’이 나기도 하는 연구단계로 나아가야 한다.”

(임지순 교수) "출연연은 심할 것이고, 대학은 좀 나을 텐데, 성과를 빨리 냈으면 하는 조급함이 있는 것 같다. 출연연은 연구 성과를 내야 지원을 받을 수 있느니 어느 정도 이해는 간다. (기초연구에서) 성과를 눈에 보이게 계량하고 , 산업에 영향을 얼마나 미쳐 구체적으로 경제 수치적으로 어떤 성과가 나오는지를 제시하기 어렵다. 판단의 근거도 희박하고, 정량화할 수 없는 부분도 많다. 일본이나 독일은 요즘 많이 성과 내는데, 단기 성과 생각 안하고 10년이고 20년이고 파는 사람들이 많다보니, 뒤늦게 인정을 받는 것이다. 처음 했던 일이 중요해면서 노벨상 후보가 많아지는 것이다.”

-노벨상에서 한국과 일본을 많이 비교하는데, 사실 일본은 1세기 이전에 과학에 올인을 했고 어떤 측면에서 보면 현재 15개 내지 14개의 노벨과학상도 적게 받은 셈일 수도 있다는 시각도 있다. 실제 노벨상에 지역적 배체 내지 안배가 있다고 보는가?

(김필립 교수) "그런 시각으로 볼 수 있는 사람도 있겠지만, 저는 동의하지 않는다. 다른 부분은 몰라도 물리학상은 큰 이견이 없는, 들으면 누구나 수긍할 수 있는 사람들에게 돌아갔다. 모든 상이 정치적인 요소가 있을 수 있지만, 누구나 들으면 수긍할 수 있는 면이 있기 때문에 (노벨물리학상을) 정치적으로 해석할 수 있을까는 회의적이다.”

-홍병희 교수팀 등 그래핀 응용 연구를 하고 있는 한국 연구팀들의 성과가 좋다보니 일부에서는 굳이 기초를 지원할 필요가 있느냐는 시선도 있다.

(홍병희 교수) "저도 화학을 하고 있고, 재미 있는 실험 하고 싶은데, 한국와서 응용을 하게 된 것은 펀딩 때문이다.  펀딩을 따서 제가 하고 싶은 것을 할 수 있지 않을까 생각했다. 하지만 롱텀으로 할 수 있는 게 보장이 안된다. 연구자들이 길게 할 수 있는 것이 창의사업 빼고, 3년이 최장이다. 기초와 응용 연구 예산을 따로 잡아서 서로 영향을 받지 않도록 하는 것도 방법이 아닐까 생각한다.”  (홍병희 교수는 김필립 교수 연구실에서 박사후 연구과정을 지낸 첫번째 연구원이다.)

(김필립 교수) "홍병희 교수가 어느날 갑자기 응용을 한 것은 아니다. (저희 연구실에서) 기초 연구를 함께 하면서 성과를 옆에서 지켜보고 그것으로부터 시작해서 응용연구를 한 것이다. 기초 연구 없이 응용 연구 선도할 수 없다는 것을 보여준다.”

(임지순 교수) "그래핀은 기초 없이 할 수 없다는 대표적 사례다. 어떻게 보면 (한국에서는) 김필립 교수가 있어서 이런 연구를 하게 됐다고 할 수 있다. 그 연줄이 있으니 시작하기가 쉬웠다. 연구를 하려면 첨단을 해야 하는데, 김 교수가 있으니 외국에 뒤지지 않고 심지어 앞서서 연구를 할 수 있다는 것이고, 응용에서도 앞서게 된 것이다. 이렇게 연속돼서 나온 것이다. 물론  기초가 중요하다고는 말들은 하지만 (기초연구를) 하는 사람 입장에서는 쉽지 않다. 말과 현실이 다르다.”