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하인리히 로러 Heinrich Rohrer

하인리히 로러 [이미지]
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IBM (아이비엠)
  • 작성 2016-06-08
  • 조회 2,618
  • 출생1933-06-06
  • 국적 스위스
  • 분야물리학
  • 소속IBM 취리히 연구소
  • 출신대학프랑크푸르크 대학
  • 주요업적주사 터널링 현미경
  • 수상노벨 물리학상(1986)
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인물정보

스위스의 물리학자. G.비니히와 공동으로 주사형 터널링 현미경(STM)의 개발에 성공하여, 물질의 표면 구조를 원자 수준에서 알 수 있게 함으로써, 보다 성능이 좋은 반도체칩의 개발에서 합금과 촉매 분야의 발전에 획기적인 전기가 마련되었다.

로러는 1933년 6월 6일 스위스에서 태어났다. 그의 아버지는 유통업에 종사 하셨고 로러는 3명의 형제 중 한 명으로 그의 쌍둥이 누이가 태어 난지 30분 후에 태어났다. 유년시절 대부분의 시간을 자유롭게 뛰어놀거나 농사일을 하며 보냈다. 그가 13살이 되던 해 로러의 가족들은 시골에서 취리히로 이사를 하게 된다. 학창 시절 로러는 물리, 화학, 고전문학에 관심이 많았다. 1951년 가을 그는 취리히 연방공과대학에 입학하면서 물리학에 집중하기로 결심했다. 그의 지도교수 중 울프강 파울리는 파울의 원리로 잘 알려져 있는 배타율 이론을 발견한 공로로 1945년 노벨 물리학상 수상자였다. 그의 지도 아래 물리학 기초를 배웠고 1955년 박사학위를 취득한다.

1955년 겨울 로러는 초전도체에 관한 박사학위 연구를 시작했는데 스위스 산맥 보병대에서의 신병훈련을 받았던 마지막 해를 재미있고 좋은 기억으로 추억하고 있었다. 1960년 그는 실험 물리학 박사학위를 받았으며 연구소에서 보조 연구원으로 1년간 일했다. 1961년 여름, 그의 삶을 안정감으로 가득 차게 했던 로러는 로즈 마리 예거(Rose-Marie Egger)와 결혼을 한다. 로러가 박사학위 연구로 2년 동안 머물렀던 미국 뉴저지로 신혼여행을 갔다.

4개월간 미국으로 캠프여행을 다녀온 후 1963년 로러는 스위스로 돌아왔다. 그 해 여름 당시 IBM 스위스 연구소 소장이였던 엠브로시아 스피셔(Ambros Speiser)의 지원으로 12월 IBM 연구원이 된다. 그는 콘도 시스템을 비롯해 위상전이, 복수 현상, 스케닝 터널링 현미경 그리고 나노역학에 흥미를 보였다. IBM 연구소는 초전도체와 암계현상에 관해 두 과학자들의 사이의 협력과 동기 부여 뿐만 아니라 연구원이 흥미로워하는 활동을 추진할 수 있는 자유를 허락해 주었다. 핵자기 공명을 연구하기 위해 1년간 캘리포니아 대학에서 안식년을 보낸 것을 제외하고 그가 은퇴할 때 까지 IBM을 떠난 적이 없다. 당시 까지 로러와 그의 아내 사이에 두 딸이 있었는데 안식년 동안 두 딸에게 캠핑 여행으로 미국 땅을 보여주었다고 한다.

1978년 취리히에서 로러는 본격적으로 막 박사학위를 마친 게르트 비니히(Gerd Binnig)와 함께 성과 있는 협력 연구를 시작하게 된다. 그들은 물질 표면의 산화층을 연구하기 시작하는데, 연구를 진전시키기 위해 분광기를 이용한 조사의 문제를 개발하기로 결심한다. 원자 구조의 표면을 관찰하기 위해 가능한 세밀한 관측을 가능하게 하는 새로운 유형의 현미경 개발을 시작하게 되는데 소립자만이 가지고 있는 양자역학(量子力學)상의‘터널효과'에 착안하여 이를 바탕으로 주사형(走査型) 터널링 현미경(STM)을 개발하는 데 성공하였다.

이들이 개발한 STM은 터널효과의 방법으로 수직 조절되는 단일원자로 구성된 정교한 금속바늘을 써서 물체로부터 일정한 거리에서 주사함으로써 물체의 표면구조를 극히 세밀한 부분까지 파악해내는 초고성능 전자현미경이다. 이 현미경은 그 동안 이론적으로만 추측되어왔던 각종 물체 표면의 미세구조, 유전자(DNA)의 나선형 구조 등을 관찰하는 데 사용되며, 반도체회로 설계 등 산업계에까지 광범위하게 활용될 전망이다. STM의 공동개발자인 H.로러, 전자현미경을 개발한 E.루스카와 함께 1986년 노벨물리학상을 수상하였다.

노벨상뿐만 아니라 스캐닝 터널링 현미경 발명으로 1984년 휴렛 패커드 유럽물리학상, 파이살 국왕상을 수상했으며 1987년 로러는 펜실베니아의 프랭클린 연구소의 크레송 메달을 수여받았다. 또한 1994년 미국 발명가 명예의 전당에 올랐으며 여러 대학교로부터 명예박사 학위를 받았다. 노벨상 수상 이후에도 1986년 IBM선임 연구원으로써 IBM 취리히 연구소에서 1986년부터 1988년 까지 물리 과학 부서를 맡아 관리했다. 1997년 IBM을 은퇴한 후 스페인에서 가장 큰 공공 연구 단체인 국립 과학연구 위원회(Consejo Superior de Investigaciones Cient?ficas)와 일본 토호쿠 대학과 이화학 연구소에서 근무했다.

<공동수상>

게르트 비니히(Gerd Binnig, 1947~)
독일 태생의 물리학자.
1978년에 프랑크푸르트 대학교에서 박사학위를 취득하였으며, 취리히에 있는 IBM 연구소의 연구원이 되어 공동 수상자인 하인리히 로러와 함께 주사 터널링 현미경을 설계하였다. 주사 터널링 현미경의 설계를 통하여 미세한 원자구조를 관찰하는 데에 기여하였다.

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시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
물질의 기본구조에 관한 문제는 인류의 오랜 관심이었습니다만, 고대 그리스에서 비로소 과학적 탐구의 대상이 되었습니다. 이런 생각은 물질의 기본 구성 단위로서 원자 가설을 내세운 데모크리토스에서 정점을 맞게 되는데, 이 모든 것은 단지 생각일 뿐이었습니다. 그 후의 서구 과학기술은 이 문제를 실험적으로 연구할 수 있는 방법을 찾는 과정이었습니다.

첫 번째 돌파구는 현미경의 발명이었습니다. 생물학이나 의학에서 현미경의 중요성은 이론의 여지가 없지만 현미경이 물질의 본질적 특성을 연구할 수 있는 수단이 되지는 못했습니다. 그것은 현미경으로 볼 수 있는 미세구조의 크기에 한계가 있기 때문입니다. 대양의 파도가 작은 물체에는 전혀 영향을 받지 않고 방파제처럼 커다란 물체에만 영향을 받는 것처럼 빛으로는 극히 작은 물체의 상을 만들지 못합니다. 그 한계는 빛의 파장에 의해 결정되며 약 0.0005밀리미터가 그 한계입니다. 원자는 이보다 1000배 정도 더 작기 때문에 원자를 보기 위해서는 무언가 본질적으로 다른 새로운 것이 필요했습니다.

그 새로운 것이 바로 전자현미경이었습니다. 전자현미경은 적당히 만든 짧은 코일에 전류를 흘리면 렌즈가 빛을 굴절시키듯 전자를 굴절시키는 원리를 이용한 것입니다. 이 코일을 이용하면 전자들이 조사(照射)된 물체의 확대된 상을 만들 수 있으며, 이 상을 형광판이나 사진필름에 기록할 수 있습니다. 현미경에서 여러 개의 렌즈가 사용되듯이 전자현미경에서는 여러 개의 코일들이 사용됩니다. 빛보다 훨씬 짧은 파장을 가진 전자들을 사용하는 전자현미경은 따라서 훨씬 미세한 크기까지 관찰할 수 있습니다. 한스 부슈, 막스 놀, 그리고 보도 폰 보리스 같은 과학자들이 전자현미경의 개발에 큰 기여를 했습니다만, 그 정점에 있는 사람은 에른스트 루스카 교수였습니다. 그는 1933년 통상의 광학현미경보다 월등히 뛰어난 성능을 가진 최초의 전자현미경을 만들었습니다. 그 이후로 점점 더 성능이 뛰어난 장비가 개발되었으며, 이제는 많은 연구 분야에서 전자현미경의 중요성이 널리 알려져 있습니다.

현미경은 인간의 눈을 확장한 것이라고 할 수 있습니다. 그러나 시각만이 우리가 주변을 인식하는 유일한 감각은 아닙니다. 또 다른 감각으로는 촉감을 들 수 있습니다. 현대 기술로 촉감의 원리를 이용한 장비를 만들 수 있었습니다. 말하자면 일종의 기계 손가락 같은 것입니다. 그 손가락은 매우 미세한 바늘로 탐색하고자 하는 표면을 더듬습니다. 표면을 더듬어 지나가면서 바늘의 수직 방향 움직임을 기록하면, 일종의 표면형상을 얻을 수 있는데, 이것은 전자현미경에서 얻는 상과 원리상 동일합니다. 물론 이 방법은 현미경을 이용하는 것보다 더 거친 방법이고, 어느 누구도 이 분야에서 혁명적인 발전이 있으리라고 기대하지 못했습니다. 그러나 두 가지의 본질적인 개선으로 돌파구가 마련되었습니다.

이 중 가장 중요한 것은 바늘의 끝을 표면으로부터 매우 가깝지만 똑같은 거리를 유지해서 바늘과 표면의 기계적인 접촉을 막는 방법의 개발이었습니다. 여기에는 터널링효과를 사용합니다. 바늘 끝과 표면 간에 전압을 걸어 바늘과 표면 사이에 기계적 접촉은 없지만 거리가 충분히 가까우면 전류가 흐르게 만드는 것입니다. 이 전류의 크기는 거리에 매우 민감하기 때문에 서보시스템을 이용해서 바늘을 표면으로부터 매우 작지만 일정한 거리(보통 2~3원자 지름)만큼 떨어뜨려 유지시킬 수 있습니다. 또 다른 결정적인 개선은 바늘 끝에 몇 개의 원자만이 존재하는 극히 미세한 바늘을 만드는 것입니다. 이런 미세한 바늘 끝이 표면을 몇 개의 원자 지름만큼 거리를 두고 탐색하므로 표면의 미세한 원자구조를 기록할 수 있는 것입니다. 이것은 마치 우리가 극히 미세한 손가락으로 표면을 느끼는 것과 같습니다. 현미경에서 완전히 평탄한 것처럼 보이는 결정의 표면을 이 도구로 측정하면 원자들이 규칙적인 패턴을 가지고 구릉들을 만들어 놓은 넓은 들판처럼 보입니다.

러셀 영과 동료들이 이 아이디어를 구현하고자 시도했습니다만 실험적으로 많은 어려움에 봉착해 있었습니다. 이러한 어려움들을 해결해 낸 과학자가 게르트 비니히 박사와 하인리히 로러 박사였습니다. 문제는 어떻게 진동의 영향을 극복하며 시편의 표면 위로 매우 정밀하게 바늘을 움직이면서 수직방향의 거리를 기록하느냐 하는 것이었습니다. 얻어진 데이터는 컴퓨터를 이용해서 마치 표면 형상 이미지처럼 출력합니다. 이 방법은 전자공학 분야에서 대단히 중요한 결정체의 표면을 조사하는 데 적용되었으며, 표면에서 원자의 흡착에 관한 연구에도 활용되었습니다. 또한?DNA나 바이러스 같은 유기물의 연구에도 사용될 수 있었습니다. 이런 현미경의 발전 덕에 물질의 원자구조를 가시화하려는 고대로부터의 오랜 꿈을 실현할 수 있는 것처럼 보이기 시작했습니다.

루스카 교수님, 비니히 박사님, 그리고 로러 박사님.여러분의 선구적인 연구 결과는 현대 현미경의 기초가 되었습니다. 이제는 물질의 가장 작은 특성도 가시화할 수 있게 되었습니다. 이것은 물리학뿐 아니라 다른 과학 분야에서도 대단히 중요한 성과입니다. 스웨덴 왕립과학원의 따뜻한 축하의 말씀을 전하게 되어 기쁘고 영광스럽습니다. 이제 나오셔서 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.

- 스웨덴 왕립과학원 스벤 요한손

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자료출처
[네이버 지식백과] 전자광학에 관한 기초 연구와 최초의 전자현미경 설계주사 터널링 망원경의 설계 (당신에게 노벨상을 수여합니다. | 노벨 물리학상, 2010. 1. 18., 바다출판사)

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