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2018/11/30 인터뷰 > 교수

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[스페셜토크] 에너지 손실, 막지 말고 활용하라

송석호 물리학과 교수

사자뉴스

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/hpdt

내용
빛을 나노 단위로 집속시켜 전송하고 계산이 가능하게끔 하는 나노광학. 이 과정에서 발생하는 에너지 손실을 열린-양자역학 개념을 도입해 해결하고 광다이오드(광 신호를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 소자)의 가능성을 연 송석호 교수. 세계적인 학술지 <네이처(Nature)>도 인정한 송 교수와 그 연구팀의 한계를 뛰어넘은 반전 아이디어를 들어본다.
글. 우승연 사진. 안홍범
 
▲ 송석호 물리학과 교수

물리학도에서 광통신 연구자로


물리(物理)는 모든 사물의 이치이자 사물에 대한 이해와 판단의 힘이다. 학창 시절의 송석호 교수는 세계를 다양한 시선으로 바라보는 이 학문의 매력에 사로잡혀 학부 공부에 몰두했다. 한 가지 아쉬움이라면 눈에 보이는 뭔가를 연구하고 싶다는 것. 대학원으로 진학해 광학(光學)을 선택한 건 그 때문이었다. 광컴퓨터가 태동할 즈음이라 새롭게 도전하는 모든 게 짜릿했다. 학위를 끝마쳤으나 광컴퓨터의 미래는 여전히 요원했다. 좀 더 현실적인 기반을 다질 필요가 있었다. 때마침 IT가 각광받기 시작했고, 그는 한국전자통신연구원(ETRI)에 입사했다. 그곳에서 광통신의 용량과 속도를 높이기 위한 연구(신호처리 시 빛의 신호를 전기신호로 바꾼 뒤 CPU에서 처리하는 과정에서 소모되는 속도와 에너지에 관한 연구)에 몰입했다. 둘러보니 어느새 IT 버블의 한가운데였다.
IMF 외환 위기로 들썩이던 세상에서 광통신 연구자는 블루칩이었다. 실리콘밸리에서 모셔가거나 벤처에 투자하려는 펀드가 줄을 섰다. 그러나 정작 그는 다른 행보를 택했다. 하고 싶은 일이 있었기 때문이다. 1997년 9월, 그는 한양대학교 물리학과 교수로 부임했다.

 


손실에 접근하는 두 가지 방법


학생을 가르치는 것만큼 중요한 건 연구였다. 그는 한국전자통신연구원에서 진행했던 광신호를 어떻게 하면 빠르게 처리할 수 있는지에 골몰했다. 이 과정에서 외부 프로젝트를 진행하며 가슴 뛰는 새로운 주제와 만났다.
“전기신호 처리처럼 광신호를 잘 처리하려면 물리적으로 모든 컴포넌트 디바이스들이 작아야 해요. 그런데 광에서는 ‘회절 한계(Diffraction Limit)’라는 물리적인 한계가 있어서 렌즈로 모은 빛의 초점 크기가 빛의 파장보다 작을 수가 없거든요. 보통 가시광선의 파장이 0.4~0.7마이크로미터인데 이것보다 더 작은 크기로 빛을 모으고 보내는 게 불가능하다는 근본적인 한계를 어떻게 깰 수 있느냐가 물리 분야의 오랜 숙제였습니다.”
고전적 광학의 한계라고 불리던 이 정설은 1마이크론의 1000분의 1의 크기를 다루는 나노기술이 등장하면서 깨졌다. 파장보다 작은 10분의 1, 100분의 1, 1000분의 1 크기로 외부의 빛을 한 곳에 모아 분자(Molecule) 하나에 보낼 수 있는 방법이 제안되고 알려졌다. 나노광학(Nano Photonics)의 등장은 말 그대로 획기적이었다.
다만 문제가 있었다. 초점에 모인 빛 에너지의 대부분이 열로 빠져나간다는 것. 한 개를 사용하기 위해 99개를 버려야 하고, 100개를 모으려면 1만 개 이상의 에너지가 들어가야 한다. 유효한 가치마저 희석시키는 이러한 손실은 효율성을 제로로 수렴시켰다. 파장보다 작은 규모로 빛을 모으려면 열 손실을 없애든지 그에 상응하는 보상을 찾아야 했다. 세기의 숙제를 풀고 나니 더 어려운 과제가 떡 하니 버티고 있었던 셈이다. 기업들의 관심도 서서히 줄어들었다. 돌파구를 찾지 못한 나노광학은 그렇게 사양길로 들어선 듯했다. 송석호 교수 역시 희박한 가능성에 휘둘리는 게 아닐까 한때 주춤거렸다. 하지만 멈추고 싶지 않았다. 그에게는 십수 년 동안 이끈 연구실과 든든한 제자들이 있었다.
“손실을 최소화할 방법만 고민하느라 답이 보이지 않았습니다. 이 한계를 돌파하려면 어떤 전환이 필요한지 매순간 생각했어요. 그러다가 키(Key) 아이디어를 잡은 겁니다. 손실을 없애려고만 하지 말고 하나의 유용한 정보로 활용하자는 거죠. 일부러 손실 양을 조절해서 새로운 정보신호로 역이용하는 겁니다.”
열린-양자역학(Open Quantum Systems)에 기반한 이 발상의 전환에 대한 논문 ‘전체 광통신 대역에서 일어나는 득이점 주변 시간-비대칭성’은 <네이처> 9월호에 실려 세계적인 주목을 받았다.

 

새로운 문을 연 열쇠, 열린-양자역학


열린-양자역학은 닫힌-양자역학을 비튼 아이디어였다. 물리적으로 에너지가 보존되는 닫힌-양자역학은 빛에너지든 전기에너지든 열에너지든 간에 그 총량이 변하지 않는다는 것이다. 이러한 닫힌 역학계의 한계를 벗어나 에너지가 보존되지 않는 열린 시스템으로 확장해 새로이 제안한 것이 열린-양자역학이다.
“연구원들과 함께 빛을 놓고 보내고 빼내는 실험 장치를 간단하게 만들었어요. 이를 활용해서 실제 빛이 돌아다니는 걸 검증한 내용이 <네이처>에 실린 논문이에요. 기존의 빛 에너지가 이동하는 경로인 광도파로에 빛을 전송할 경우 양방향으로 빛에너지가 같이 전달되는 공간적, 시간적 대칭성을 갖습니다. 이를 가역적 대칭성(Reciprocal Symmetry)이라고 합니다. 한데 열린-양자역학 이론을 적용시키면 광도파로에 에너지 손실이 발생하는 경우, 대칭성이 붕괴되고 비가역적인 단방향 변환(Unidirectional Converter) 에너지 전달이 가능해져요.”
이러한 비-대칭성 원리, 단방향 변환 에너지 전달은 광파 영역에서도 가능했다. 순방향으로 빛 전파(Forward Propagation)가 일어나면서 역방향 빛 전파(Backward Propagation)는 투과되지 않고 분산됐다. 이것은 새로운 개념의 광통신 집적회로용 광다이오드 소자의 출현을 의미했다. ‘손실’이란 한계를 뒤집고 네거티브 접근이 아닌 손실량을 조절하는 포지티브 방식으로 정보의 흐름 대칭성을 깰 수 있다는 역발상. 그것은 지난 20여 년 동안 나노기술과 광과학 간의 융합 연구가 실용화로 가지 못한 원인을 풀어낸 쾌거였다. 송석호 교수 연구팀의 부단한 연구 과정이 만든 달콤한 결실이었다.
 
▲ 송 교수는 "손실을 최소화할 방법만 고민하느라 답이 보이지 않았습니다. 이 한계를 돌파하려면 어떤 전환이 필요한지 매순간 생각했어요. 그러다가 키(Key) 아이디어를 잡은 겁니다." 라고 말했다.
 

과정을 꿰뚫어 핵심에 닿는 물리의 힘


5년여간 송석호 교수와 함께하며 ‘전체 광통신 대역에서 일어나는 득이점 주변 시간-비대칭성’ 연구에 참여한 공동 제1저자이자 박사 후 연구원으로 있는 최영선 박사는 송 교수의 안목과 추진력에 매번 감탄한다.
“연구 주제에 대해 교수님께서 먼저 제안하셨어요. 연구 초창기엔 열린-양자역학 개념의 나노광학이 이렇게 관심 분야로 떠오를 줄 몰랐어요. 성취 없는 연구는 쉽게 지치게 마련인데 교수님과 함께하는 과정은 성과와 함께 도전을 경험하게 돼 남다릅니다.”
자유롭고 자율적이지만 나태하거나 안주하지 않는 송 교수 연구팀의 분위기는 열린-양자역학의 본질과 비슷해 보인다. 닫힌 시스템을 벗어나 문제를 바라보는 시각. 그것이 송 교수의 연구실을 다양하고 편안하게 만들며 다른 접근을 가능하게 이끈다. 연구원으로 있는 박종혁 학생(물리학과 석박사통합과정 17)의 생각도 다르지 않다. 딱딱하고 수직적인 관계가 아닌 자율적인 선택이 미덕으로 여겨지는 연구실에서 뜻깊은 성과를 이뤄내 자부심이 크다고 말한다. 누구와 어떤 이야기를 나누더라도 경청하는 송 교수의 대화법에 간혹 치유의 느낌을 받는다는 연구실 사람들. 그들은 상대를 압박하지 않으면서 추진력을 잃지 않는 송 교수의 리더십에 놀란다. 그 기저엔 물리학, 그중에서도 광학을 마주하는 송 교수의 자세가 녹아 있다.
“어딘가에서 막히면 그것에 대응하는 방법을 찾는 게 물리를 공부하는 사람들의 임무입니다. 저희가 하는 일은 어떤 가능성을 열어 놓는 거예요. 안 되면 다른 곳에서 또 새로운 방향을 찾고요. 그렇게 한계 자체에 의문을 던지고 시도해보는 것이죠. 안 될 것 같다고 시도조차 하지 않으면 확인할 수 없으니까요. 생각하고 또 생각한 뒤 시도해 보고, 안 되면 업데이트된 논문을 읽고 다시 또 생각하는 거죠.”
송 교수는 사사로운 과정을 꿰뚫어 핵심에 닿는 물리와 처음 마주했을 때를 기억한다. 모든 사물의 이치, 사물에 대한 이해와 판단의 힘이 물리였던 까닭에 그는 세계를 보다 다양한 시선으로 바라볼 수 있었다. 광학을 선택한 후에는 분야가 던지는 질문에 의심과 회의를 가졌던 시절도 있었다. 하지만 그는 한 번도 포기하지 않았다. 다만 우회했고 느리게 걸었을 뿐이다. 물리를 시작한 이후 현재까지 수십 년간 도전한 그의 과제는 어쩌면 이제부터 시작인지 모른다.

 
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