포스텍 시스템생명공학부 : I-bio JA 노준석 교수, [노벨상에 도전하는 과학자] 노준석 교수

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I-bio JA 노준석 교수, [노벨상에 도전하는 과학자] 노준석 교수

투명망토에서 초박막렌즈까지, 메타물질로 혁신을 꿈꾸다 메타물질, AR 안경부터 자율주행 라이다까지, 무한 가능성 있어

분류: 연구성과

등록일: 2025.03.25 17:37:15 ( 수정 : 2025.03.25 17:52:45 )

조회수: 1,111

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URL: https://www.newsian.co.kr/news/articleView.html?idxno=75401

노준석 POSTECH(포항공과대학교) 교수 [사진=송서영 기자]
언제부턴가 영화 속 상상이 현실화되고 있다. 신기하기만 했던 터치스크린도, 음성 인식도, 자율 주행 자동차도 우리의 일상에 스며들어 있다. 아직 실현되지 않은 부분이 있다면 이 분야는 과학자들이 뜨거운 열정을 보내고 있는 곳일 것이다.

한때 투명망토의 현실화를 꿈꾸며 메타물질 연구에 뛰어든 노준석 POSTECH(포항공과대학교) 교수도 지금은 안경과 흡사한 크기의 증강현실 기기, 손바닥만 한 고화질의 카메라를 꿈꾸며 메타물질 연구에 매진하고 있다. 그럼 투명망토는 현실화되었는가? 사실상 그렇다.

투명 망토 원리는 빛을 속이는 데 있다. 빛이란 사물에 닿는 순간 일부 반사하며 우리의 시각 속에 사물의 형태나 색상을 전달한다. 그런데 특정 물질에 빛이 닿는 순간, 그 물질이 빛의 경로를 조절하면 우리 시야에 빛의 정보가 전달되지 않게 되는데 이것이 투명망토의 원리다.

그렇게 빛의 경로를 바꾸는 특정 물질을 메타물질이라고 부른다. 메타물질은 자연적으로는 존재하지 않는 물질로 특정한 성질을 가질 수 있도록 인공적으로 설계된 물질이다.

10여 년간 메타물질 연구를 이어오던 노 교수는 투명 망토를 구현할 수 있음은 알았지만 투명망토를 만드는 데 드는 높은 비용과 더불어 ‘우리에게 정말 필요한 것인가?’라는 질문에 다다랐다.

결국 ‘투명망토는 우리의 이상향이고 꿈의 기술이긴 하나 없어도 살 수 있는 것’이라는 결론을 내리고 응용법을 찾아보았다.

시선은 우리가 사용하고 있는 다양한 렌즈들로 돌아갔다. 오래 들고 있으면 어깨에 무리가 가는 두꺼운 카메라, 15분만 쓰고 있어도 무겁게 느껴지는 가상현실 안경 등을 더 편리하게 만드는 획기적인 방법이 필요하다고 느꼈다.

그래서 지금보다 더 얇은 메타렌즈로 연구가 확장됐다. 그렇게 초박막렌즈에 사용되는 메타물질을 개발해 다포스포럼에서 세상을 바꿀 수 있는 세계 10대 기술로 소개되기도 했다.

초박막렌즈에 사용되는 메타물질은 사실 '너무 비싸서 과연 사용 할 수 있을까?'라는 인식이 우세했으나 5년 뒤 지금은 단 돈 2만원에 생산할 수 있도록 생산 기술도 겸비하게 됐다.

인터뷰가 있었던 지난 12일은 과학기술정보통신부 주관 ‘이달의 과학기술인상’을 시상식이 있는 날이기도 했다. 그도 지난 7월 이달의 과학기술인으로 선정 된 바 있다.

나노 과학에서 공학으로 가는 길은 50년이 걸린다고 보는데 대량생산의 경제성 여부 때문이다. 노 교수는 나노 과학이 공학으로 갈 수 있는 생산 기술의 핵심을 보였고 그 공로를 인정받았다.

그가 이렇게 ‘사람에게 유익할’ 새로운 빛의 반응을 찾아내는 연구를 하고 적절한 생산 기술의 혁신도 함께 일구어 나가는 데는 다양한 경험이 큰 보탬이 됐다고 말한다.

특히 메타물질은 물리학, 광학, 전자공학, 재료과학 등 다양한 학문 분야와 밀접하게 관련되어 있다. 노 교수도 기계공학과, 화학공학과 전자전기공학과에 모두 몸 담고 있다.

기계공학이란 물질을 쪼개서 필요 없는 부분을 떨어뜨리는 것이고, 화학공학은 원자단위부터 시작해 분자를 만드는 것으로 작은 것에서 큰 것으로 가는 연구다. 노 교수는 두가지를 다 할 줄 아는 몇 안 되는 교수다. 기계공학과 화학공학이 만난 특별한 케이스다.

노준석 교수는 “메타물질 연구를 비롯한 모든 연구에 있어 융합적 사고는 필수 요소”라고 말한다. 아래는 노준석 교수의 일문일답.

노준석 POSTECH(포항공과대학교) 교수 [사진=송서영 기자]
▲ 광학 및 메타물질 분야에 관심을 갖게 된 계기는 무엇인가요?

- 석사 때 미국으로 유학을 갔다. 그때까지 만해도 무엇을 해야 할지 몰랐는데 ‘투명 망토가 현실화되고 있다’라는 뉴스를 보고 메타물질 연구를 하기로 마음먹었다.

메타물질이란 빛을 제어하고 조절하는 초재료로 나노미터 단위의 구조로 만들어진다. 나노미터란 미터의 십억분의 일에 해당하는 길이의 단위로 머리카락보다 10만분의 1 만큼 작다. 그래서 나노 가공 기술 발전과도 연관돼 있다.

메타물질의 원리는 1960년대에 이미 논문으로 나왔으나 실제 물질로 선보이게 된 것은 2000년대 즈음이다.

메타물질은 빛 외에도 소리, 지진파 등 모두 제어가 가능하다. 음향 메타물질은 소음 차단이나 음향 렌즈 등에 사용되고 전자기 메타물질은 레이더가 흡수체나 안테나 등에 사용된다. 그래서 신소재공학, 전자공학, 광학, 재료과학 분야와 협업이 이루어진다.

▲ 지금까지의 연구 여정 중 가장 기억에 남는 순간이나 성취는 무엇인가요?

- 수없이 많지만 가장 기억에 남는 건 2018년에 네이처지 표지 논문을 썼던 일이다 국내에서는 두번째로 있었던 일이다.

메타물질은 모양도 가지각색이다. 2018년 선보인 것은 꽈리를 튼 모습의 메타물질이었다.

보통 메타물질은 구의 형태 등 대칭성이 있는 모습으로 만들어졌으나, 더 우수한 성능을 위해 그 당시 꼬인 구조의 메타물질을 연구하고 있었다. 특히 투명 망토를 정교하게 구현하려면 나노미터 수준의 메타물질을 만들어야 하는데 리소그래피를 통해 꼬인 구조의 금을 가장 작게 만들 수 있는 한계가 1마이크로미터 수준으로 더 작게 만드는 것은 혼자서는 할 수 없는 일이었다. 마침 2014년 한국에 귀국해 재료 분야의 교수님과의 협업을 통해 만들어진 100 나노미터 수준의 꼬인 모양의 메타물질을 구현하여 학계의 큰 주목을 받은 결과라 더욱 기억이 남는다.

▲ 메타물질 연구가 현실 세계에 어떤 변화를 가져올 수 있을지, 예를 들어 어떤 혁신적인 응용 가능성이 있을지 궁금하다.

- 메타물질 연구를 10년 이상 해 보니 처음 메타물질 연구를 시작할 수 있게 했던 투명망토에 대해 다시 생각해 보게 됐다.

투명망토를 엄지 손톱만큼 만들려면 5000만원이 든다. 과학적으로는 말이 되나 상용화나 실용성에 대한 의미는 찾기 어려웠다. 결국 사람에게 더 유익한 응용법을 찾아보았다.

시선은 우리가 사용하고 있는 다양한 렌즈들로 돌아갔다. 두꺼운 카메라, 무거워 장시간 착용이 어려운 가상현실 안경 등을 더 편리하게 만드는 획기적인 방법이 필요하다고 느꼈다. 그래서 메타물질을 이용해 렌즈를 1000분의 1 이상 얇게 만드는 방법을 알아냈다.

2019년 다보스포럼에 소개된 초박막렌즈다. 세상을 바꿀 수 있는 세계 10대 기술로 메타렌즈가 뽑혔다. 그러나 그 당시에는 ‘단, 너무 비싸기 때문에 제조 혁신이 필요하다’는 코멘트가 붙었다.

카메라가 100만원이었는데, 렌즈는 한장에 500만원이었기 때문이다. 제조 혁신이 필요했다. 지금은 그로부터 5년이 흘렀는데 500만원짜리 렌즈를 2만원에 만들고 있다.

5년 사이 대량 생산 기술이 개발이 됐다. 포스코의 지원을 받아 연구를 할 수 있었다. 이로 인해 단가를 낮춰 메타렌즈를 상용화 할 수 있는 초석을 마련했다.

▲ 3D 나노 프린팅 기술이 메타물질 연구에 어떤 영향을 미쳤는지 설명 부탁드립니다.

- 3D 프린팅 기술은 기존에 크고 단순한 구조를 만드는 데 주로 활용되었지만, 나노미터 수준의 정밀한 구조를 구현하는 데도 적용되기 시작했다. 특히, 나노미터 수준의 구조를 3D 프린팅으로 제작하는 연구는 네이처에 발표될 만큼 중요한 진전을 이뤘다.

메타물질 연구에서 3D 나노 프린팅이 중요한 이유는 바로 ‘2.5D’ 구조, 즉 높이가 일정한 2차원 평면 구조를 넘어 다양한 높낮이를 가진 3차원 구조를 구현할 수 있기 때문이다.

빛의 제어 능력은 이러한 3차원 구조의 높낮이에 따라 더욱 다양하고 정교하게 조절될 수 있다. 2차원 구조로는 한계가 있는 복잡한 빛의 상호작용을 3차원 프린팅 기술로 해결할 수 있다.

이 3D 나노 프린팅을 이용해 내시경과 메타렌즈를 결합했다. 내시경 이미지의 선명도를 대폭 개선하는 기술을 개발한 것이다. 기존의 빛 산란 문제를 해결해 더욱 깨끗한 영상을 얻을 수 있게 됐다.

▲ AI기술이 메타광학 연구에 어떻게 적용되고 있는지 설명 부탁드린다.

- 인공지능을 쓰면서 빠른 진보가 있었다. 예를 들면 메타물질에 사용되는 다양한 방정식이나 계산들을 컴퓨터로 하면 2주가 걸리는데 AI를 사용하면 더 빨리 계산할 수 있다.

또한 찾지 못할 것이라고 생각했던 답들도 인공지능이 찾아준다. 메타물질로 홀로그램을 만들 수도 있는데 빨간색으로 성공한 홀로그램을 세가지 색깔로도 성공할 수 있나 싶어 1년 동안 방정식을 풀어보았다. 시간이 그토록 오래 걸렸지만 AI는 단 2주만에 해결했다. AI로 인해 기술의 자유도가 넓어진다고 본다.

노준석 POSTECH(포항공과대학교) 교수 [사진=송서영 기자]

노준석 POSTECH 교수(오른쪽)와 전규열 뉴시안 대표(왼쪽) [사진=송서영 기자]
▲ 최근 교수님 연구팀에서 발표한 주요 연구 결과에 대해 간단히 설명해 주실 수 있나요?

- 최근 메타물질을 활용한 혁신적인 생산 기술을 개발하며 다양한 응용 분야에서 성과를 내고 있다. 특히, 안면인식 기기와 같은 첨단 장치에서 메타물질 기술이 큰 변화를 일으키고 있다.

기존의 안면인식 기기는 적외선을 사용해 얼굴에 수많은 점을 투사하고 이를 기반으로 얼굴 구조를 인식한다. 하지만 이 과정에서 왜곡이 발생하거나 정밀도가 낮아지는 문제가 있었다. 연구팀은 메타물질을 적용해 점을 투사하는 장치(구조광 프로젝터)의 크기를 기존 1cm에서 10분의 1로 줄이는 동시에 해상도를 대폭 향상시키는 데 성공했다.

이 기술은 스마트폰의 페이스 ID처럼 정방향으로만 인식하는 기존 장치의 한계를 넘어, 드론이나 로봇에 적용해 모든 방향에서 얼굴을 인식할 수 있도록 설계됐다.

이와 함께, 메타물질을 활용한 3차원 센서와 라이다 기술은 자율주행 자동차에서도 큰 가능성을 보여주고 있다. 기존 라이다 장치는 크기가 커서 효율성이 떨어졌지만, 메타물질을 활용해 블랙박스 안에 들어갈 정도로 소형화하는 데 성공했다.

▲ 연구를 진행하면서 가장 큰 도전 과제는 무엇이었으며, 이를 어떻게 극복하셨는지 듣고 싶습니다.

- 연구를 할 때마다 도전 과제는 있었다. 바로 ‘이게 되는 건가 안되는 건가?’라는 의구심이다. 연구라는 것이 확실한 결론과 답이 있다면 쉽게 시작하겠지만 그것이 아닌지라 ‘1,2년 뒤에도 그 이후에도 안되면 어떡하지?’라는 생각이 들기도 한다. 그러나 노력을 하면 항상 다 됐다.

연구의 종착지를 빨리 찾아갈 수 있는 방법을 찾는 것이 중요하다고 본다. 그 중의 하나가 인공지능이나 전문가를 찾는 등 주변의 도움을 청하는 것이다.

주변에 계속 질문을 던지면 방법을 찾을 때가 있다. 점점 문제가 어려워지기 때문에 협업이 중요하다. 내 정보를 공개하는 것이 두렵긴 하나 뺏기는 걱정 보단 공유하면 문제 해결 시간이 빨라지는 등 더 좋은 일이 더 생긴다.

또한 될 것이라는 믿음이 있어야 한다. 나 역시 10년이 되어도 해결하지 못한 것이 있다. 그러나 하나에만 매달렸다면 힘들었을 것이다. 하나의 연구에 매몰되지 말고 이것저것 해보는 다변화 전략을 추천한다.

▲ 앞으로의 연구 목표나 꿈꾸시는 혁신적인 프로젝트가 있다면 말씀 부탁드립니다.

- 증강현실(AR) 안경을 일반 안경 수준의 크기와 무게로 만드는 것을 목표로 하고 있다. 40년 전 만화 드래곤볼에 등장하는 ‘스카우터’와 같은 장치를 현실화하는 일이다. 만화 속 스카우터는 사용자의 앞에 홀로그램으로 정보를 표시하는 장치로, 전 세계 많은 연구자들이 이를 구현하려고 노력하고 있다.

현재 기술로 제작된 AR 안경은 크고 무겁고 가격도 매우 비싸며, 상용화에는 여러 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 광학 기술과 홀로그램 영상 기술을 결합해 더 작고 가벼운 장치를 개발하는 데 집중하고 있다.

AR 안경이 일상 안경 수준으로 소형화할 수 있다면, 카메라 광학 기기, 망원경, 야시경 등 다양한 응용 분야에서 혁신이 가능할 전망이다.

▲ 앞으로 과학을 전공하려는 젊은 학생들에게 해주고 싶은 조언이 있다면?

- 자신이 정말 원하는 길을 찾길 바란다고 말하고 싶다. 학생들과 상담을 하다 보면, 부모나 주변 사람들의 기대에 따라 의대나 특정 직업을 선택하는 경우를 자주 보았다. 주변의 의견 때문에 선택하지 말고, 자신이 진정 원하는 것이 무엇인지 고민해야 한다.

나 또한 어릴 적 과학자를 꿈꿨으나 외국어고등학교에 진학하며 한때 판검사 같은 직업을 부러워한 적도 있었다. 하지만 언제나 남의 떡이 커 보이는 법이었을 뿐이다.

또한 ‘잘하는 것을 좋아하는 것’으로 착각하지 말아야 한다. 수학 올림피아드에서 뛰어난 성적을 거둔 학생이 반드시 수학자가 되어야 하는 것은 아니며, 잘하는 것으로 직업을 선택하고, 좋아하는 것은 다른 방식으로 충족할 수도 있단 말이다.

또한, 다양한 경험이 중요하다고 본다. 이공계 학생들은 수학과 과학만 하는 경향이 있지만, 다양한 경험은 과학을 더 돋보이게 한다.

노준석 POSTECH 교수(왼쪽)와 전규열 뉴시안 대표(오른쪽) [사진=송서영 기자]
▲ 한국 과학기술계의 발전을 위해 무엇이 필요하다고 생각하시나요?

- 특정 분야에 집중적으로 지원하는 ‘몰빵식’ 정책 보단 연구비가 줄어도 골고루 지원하는 방식을 더 권하고 싶다. 노벨상의 경우만 해도 모수가 많으면 많을수록 더 많이 나올 것이다. 많은 연구자들에게 적더라도 고루 연구비를 지원하는 편이 좋다고 본다.

물론, 연구비 부정 사용 예방책도 필요하겠다. 연구비 부정 사용을 막기 위한 제도적 장치가 여러 개 생겨나는 것 보다는 미국식의 ‘엄격한 책임제도’가 더 효과적일 수 있다고 본다. 미국에서는 사후 적발 시 큰 처벌을 가하는 방식으로 연구자들이 자율성과 책임감을 가지고 연구할 수 있도록 한다.

과학기술 종사자의 처우와 사회적 인식을 개선하는 것도 중요하다. 코로나 시기 백신이 급하자 과학자들을 주목했지만 다시 그 관심이 꺼졌다.

과학기술이 인류의 발전과 문제 해결의 핵심이라는 점을 지속적으로 인식하고, 연구 환경 개선과 종사자에 대한 지원이 꾸준히 이루어졌으면 한다.

경력

2022~현재 포항공대 기계공학과/화학공학과/전자전기공학과 교수 (연산 석좌교수, 무은재 석좌교수)

2018~2022 포항공대 기계공학과/화학공학과 부교수

2014~2018 포항공대 기계공학과/화학공학과 조교수

2013~2014 (美) 아르곤국립연구소 연구원

학력

2008~2013 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스 대학원 기계공학, 나노공학 박사

2007~2008 일리노이대학교 어버너섐페인캠퍼스 대학원 기계공학 석사

1999~2007 서울대학교 기계공학 학사

수상

2024 과학기술정보통신부 이달의 과학기술인상

2023, 2024 (英) Clarivate, Highly Cited Researcher

2022 홍진기 창조인상

2022 한국공학한림원 젊은공학인상

2019 젊은과학자상 (대통령상)