빛과 전자가 모여 다니며 할 수 있는 일
이병호 액티브 플라즈모닉스 응용시스템 연구단장 (서울대학교 교수)
빛과 전자는 모두 파동의 성질과 입자의 성질을 갖고 있다. 하지만, 빛의 파장은 전자의 파장 보다 훨씬 커서, 빛을 인도하기 위한 광도파로는 그 단면이 반도체 내에서의 전자 소자보다 훨씬 크다. 따라서, 지금까지 광도파로와 전자소자를 같은 반도체 칩에 집적한다는 것은 특수한 경우를 빼고는 별 의미가 없었다. 소자의 크기 면에서는 광소자가 불리하지만, 빛의 중요한 장점은 빠르다는 것이다. 이 우주에서 제일 빠른 것이 빛이다. 따라서, 반도체 칩에서 또는 칩 사이의 신호 연결에서의 속도 병목 현상을 해결하는 방법으로 빛을 이용하고자 하는 노력이 계속되고 있다. 최근 큰 주목을 받게 된 플라즈모닉스라는 연구 분야는 이를 해결하기 위한 방안을 제시한다. 전자의 움직임인 플라즈몬과 빛이 금속과 유전체의 경계면에 집중되어 다니면서 고속으로 신호를 전달할 수 있다. 또한, 이러한 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하면, 빛을 플라즈몬으로 바꿀 수도 있고, 반대로 플라즈몬을 다시 빛으로 바꿀 수 있다. 이는 신호 전송 뿐 아니라, 빛의 형태를 변화시키는 데에도 이용될 수 있다. 또한, 스테인글라스의 아름다운 색도 유리 안에 있는 금속 나노 입자들에서 빛에 의해 플라즈몬이 유도되기 때문이다.
제 2주제
마이크로 레고블록 어샘블리
윤경병 제올라이트 초결정 연구단장 (서강대학교 교수)
인부들은 보통 10 cm 이상의 크기를 갖는 벽돌과 타일을 이용하여 집을 짓는다. 어린 아이들은 보통 1-2 cm 크기를 갖는 레고블록을 조립(어샘블)하여 다양한 구조물을 만든다. 그렇다면 1 마이크로미터 (10-3 mm, 즉 10-6 m) 크기의 눈에도 안 보이는 매우 작은 크기의 벽돌, 타일, 또는 레고블록들은 어떻게 어샘블하여 새로운 구조물을 만들 수 있을까? 한편 물질 세계를 다루는 학문인 화학의 경우 원자를 레고블록처럼 생각하여 이들을 어샘블하여 분자를 만들고 다시 분자를 레고블록처럼 생각하여 이들을 어샘블하여 고분자를 만든다. 원자의 크기는 대략 0.1~0.2 나노미터(즉, 0.1~0.2 10-9 m)이며 분자의 크기는 대략 1~2 나노미터(즉, 1~2 10-9 m)이며 고분자의 크기는 대략 3-20 나노미터이다. 그렇다면 화학자들은 1000 나노미터, 즉, 1 마이크로미터 크기의 레고블록을 어떻게 어샘블하여 새로운 구조물을 만들까? 이 때 건축용 벽돌과 아이들이 가지고 노는 레고블록의 관점에서 보면 너무 작고 화학에서 다루는 레고블록의 관점에서 보면 너무 큰 이 마이크로 블록들을 어샘블할 때 어떤 문제들이 있을까? 서강대학교 제올라이트 초결정 연구단(Center for Microcrystal Assembly)에서는 세계 최초로 마이크로미터 크기의 입자들을 2차원 및 3차원으로 어샘블하는 다양한 방법들을 개발하고 있다.
제 3주제
두뇌장수학과 치매예방 십계명
서유헌 치매정복 연구단장 (서울대학교 교수)
알츠하이머 치매에 대해서는 본 연구단을 포함한 선진국을 중심으로 많은 연구가 이루어지고 있고 이러한 결과를 바탕으로 치료약물이 개발되고 있어서 멀지 않은 장래에 이 난치병의 치료에 돌파구가 열리리라 생각된다.
알츠하이머 치매 환자를 보살피기 위해서 미국에서는 매년 1000억불(90조원)이라는 많은 경비가 지출되고 있다. 그러나 현재 알츠하이머병의 근본적인 치료법이 없기 때문에 발병 시기를 지연시켜주거나 예방할 수 있는 것이 가장 중요하고도 시급한 문제가 되고 있다. 만일 지금보다 발병 시기를 5년 정도 지연시켜 줄 수만 있다면 환자 개인이나 가족이 받는 고통도 상당히 경감시켜 줄 수 있고 경제적 손실도 반 이상으로 줄일 수 있어 그 파급 효과는 상당히 크다. 그 동안의 연구를 통해 치매 발병을 지연시키거나 예방할 수 있는 십계명을 소개하고자 한다.
제 4주제
결혼문제를 통해서 본 조합론과 알고리즘
김정한 임의 그래프 연구단장 (연세대학교 교수)
예로부터 숫자를 세는 일은 모든 일의 근본이 되어 왔다. 날짜, 연도, 백성의 수, 군사의 수, 경제성장률 등 수 많은 일들이 숫자로 표현되고 있어 수를 사용하지 않고 하루를 지내기는 예나 지금이나 거의 불가능하다. 수를 세는 것처럼 쉬운 일이 없을 듯 하지만 자세히 살펴보면 수를 정확히 세는 일이 어려운 경우가 많다. 한 예로, 선거에서 몇 표 차이로 당락이 바뀌는 경우 두 번, 세 번 다시 세는 것을 볼 수 있다. 특히, 최근에는 컴퓨터의 발전으로 경우의 수를 세고 각 경우에 따라 거기에 맞는 명령을 하는 작업이 더욱 중요시 되고 있는 실정이다.
한 마디로 말하면, 조합론은 여러 가지 경우를 논리적으로 이해하려는 수학의 한 분야 이고, 알고리즘은 컴퓨터에게 각 경우에 어떻게 하라는 명령을 수행케 하는 기본논리 이다. "세 사람이 있으면 그 중 두 사람의 성(gender) 은 같다"는 아주 간단한 관찰로 시작되는 비둘기집 원리 등 조합론에는 많은 원리들이 있다. 이 강연에서는 조합론과 알고리즘 분야의 흥미로운 문제인 "안정된 결혼에 관한 정리 (Stable Marriage Theorem)"와 그와 관련된 문제를 소개하고 그 문제들을 통하여, 조합론과 알고리즘이론의 기본적 원리를 만드는 과정을 소개 하고자 한다.
제 5주제
레이저 이야기: 초고속 현상의 세계
남창희 결맞는 엑스선 연구단장 (KAIST 교수)
레이저는 인간이 만든 새로운 종류의 빛으로 퍼지지 않고 나아가는 직진성, 한 가지 색깔로 나타나는 단색성, 간섭을 일으키는 결맞음성 등을 가지고 있어 햇빛이나 형광등 같은 일반적인 빛과는 매우 다른 특성을 지녔다. 지난 반세기 동안 다양한 종류의 레이저가 개발되어 과학 발전에 획기적으로 이바지하였다. 레이저의 또 다른 특성 중에는 매우 짧은 펄스를 형성할 수 있는 성질이 있다. 빛에너지를 저장하였다가 매우 짧은 시간 동안 방출하는 여러 가지 기술이 개발되어 나노초 (= 10-9 초), 피코초 (= 10-12 초), 펨토초 (= 10-15 초)의 레이저 펄스를 만들 수 있다. 빛은 1초에 지구를 일곱 바퀴 반이나 돌 수 있으나, 1 펨토초는 이 시간 동안 빛이 단지 0.3 마이크로를 진행하는 매우 짧은 시간이다.
초고속 현상의 연구를 위해서는 보통 이 보다 더 짧은 펄스폭을 갖는 광원이 필요하다. 피코초나 펨토초 레이저의 등장은 피코초나 펨토초 시간 영역에서 발생하는 물리나 화학적 현상을 분석하는 데 큰 기여를 하였다. 최근 레이저 기술의 발달은 펨토초의 천분의 일초인 아토초 펄스 발생도 가능케 되어 아토초 영역의 초고속 현상을 분석할 수 있는 시대가 되었다.
제 6주제
인간과 컴퓨터, 그들의 설계전쟁
김윤영 멀티스케일 설계 연구단장 (서울대학교 교수)
인간이 문명을 이루고 또 발전시키게 한 원동력인 기구. 인간은 그것을 어떻게 하면 원하는 목적에 맞게 설계할 수 있는지를 알아야만 했다. 마차가 빠르고 안전하게 달리려면 바퀴는 어떤 모양이어야 하는지, 강을 건너기 위한 견고한 다리는 어떻게 만들어야 하는지 고민해야 했다. 만약 인간에게 창의적 설계능력 없었다면 오늘날의 인류 문명은 이만큼 발전하지 못했을 것이다. 그렇지만 인간의 설계능력도 오랜 시간에 걸친 경험과 수많은 시행착오의 산물이고, 때로는 실패를 통한 쓰라린 경험을 요구했다. 처음부터 단번에 원하는 설계를 할 수는 없었다.
그러나 21세기에 접어든 지금도 오랜 경험과 거듭된 시행착오로 설계를 해야만 할까? 단번에 자동으로 설계할 수 있는 획기적인 인공지능 설계기술은 없을까?
서울대학교 멀티스케일 설계 연구단은 ‘컴퓨터를 이용한 자동설계기술(Automatic design technology)’로 이 희망을 현실로 만들고 있다. 컴퓨터를 이용한 자동설계기술이 인간의 전통적인 설계기술에 당당히 도전장을 내민 것이다. 인간에 의한 시행착오적 설계방식과는 달리, 이 자동설계기술은 목적에 알맞은 최적의 설계를 아주 빨리 찾아낸다. 이 강연에서는 자동설계기술의 원리를 소개하고, 여러 물리법칙의 복합현상으로 작동되는 소위 ‘다물리복합계(Multi-physics System)’ 설계에 사업단의 자동설계기술이 어떻게 적용되고 있는지를 보여준다.
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