슈지 나카무라 (청색 LED, 핵융합, 블루레이저퓨전)

누군가 "그만둬"라고 말할 때, 그 말을 듣지 않은 사람이 세상을 바꿨습니다. 노벨 물리학상 수상자 슈지 나카무라의 이야기입니다. 청색 LED 하나로 인류의 조명 방식을 뒤집어 놓은 그가, 이번엔 핵융합 발전소로 전 세계 에너지 문제를 해결하겠다고 나섰습니다. 저도 새로운 일을 시작할 때마다 주변의 부정적인 말에 움츠러들었던 기억이 있는데, 그의 이야기를 읽으며 그때의 감각이 새삼 다시 떠올랐습니다.

 

청색 LED

청색 LED, 조롱받던 무명 연구원의 집착이 만든 발명

새로운 일을 시작했는데 10년이 지나도 성과가 없다면, 대부분의 사람은 포기합니다. 주변에서도 그렇게 말하겠죠. 슈지 나카무라가 딱 그 상황이었습니다.

그는 1979년 일본의 작은 화학 회사 니치아 코퍼레이션에서 단 두 명짜리 연구·개발팀을 이끌었습니다. 10년 가까이 일했지만 제대로 팔리는 제품은 세 가지가 전부였고, 회사 체육 행사 때마다 동료들은 "왜 아무것도 못 만들어내냐"라고 대놓고 핀잔을 줬습니다. 저도 처음 뭔가를 시작했을 때 결과가 안 나오면 그냥 접고 싶은 마음이 굴뚝같았는데, 그 상황에서 10년을 버텼다는 게 솔직히 잘 이해가 안 될 정도였습니다.

당시 IBM, GE, 벨 연구소, 소니, 도시바 같은 대형 기업들이 수십 년째 수백만 달러를 쏟아부으며 풀지 못한 난제가 있었습니다. 바로 청색 발광 다이오드(LED) 개발이었습니다. 발광 다이오드(LED)란 전류가 흐를 때 빛을 내는 반도체 소자를 말합니다. 적색과 녹색 LED는 일찌감치 개발됐지만, 파란색은 파장이 짧고 훨씬 높은 에너지가 필요해서 아무도 성공하지 못한 상태였습니다.

나카무라는 직장을 지키기 위한 마지막 수로 회장에게 찾아가 "청색 LED를 개발해보고 싶다"고 했습니다. 예상 밖으로 허락이 떨어졌고, 1988년 당시 회사 연간 매출의 2%에 해당하는 300만 달러라는 전례 없는 연구비가 주어졌습니다. 세계 최대 연구기관들이 줄줄이 실패한 문제를, 이름조차 알려지지 않은 회사의 무명 연구원이 떠맡은 것입니다.

요약: 10년 가까이 성과 없이 조롱받던 나카무라가 세계 최대 기업들도 실패한 청색 LED 개발에 단 300만 달러로 도전장을 내밀었습니다.

 

"쓰레기통에 버렸어요" — 명령을 무시한 사람이 역사를 바꿨다

저도 처음 뭔가를 배울 때 "그건 해봤자 안 돼"라는 말을 들으면 괜히 주눅이 들었습니다. 그 말이 사실인지 아닌지보다, 그냥 자신감이 꺾이는 느낌이랄까요. 나카무라는 그 감각을 반대 방향으로 쓴 사람이었습니다.

플로리다 대학교에서 금속유기화학기상증착(MOCVD) 연구를 1년간 진행하던 시절, 그는 또 다른 벽에 부딪혔습니다. 금속유기화학기상증착(MOCVD)이란 금속 유기 화합물 가스를 기판 위에 반응시켜 얇은 반도체 박막을 만드는 공정으로, LED·레이저 소자 제조의 핵심 기술입니다. 당시 연구실의 박사급 연구자들은 논문 한 편 없는 그를 기술자 취급하며 잡일만 시켰습니다. 그는 "사람들이 나를 깔볼 때 분개한다, 그때 오히려 더 투지가 불탔다"라고 말했습니다. 제가 직접 겪어보니 이 감각은 분명히 실재합니다. 무시당한 경험이 동기가 되는 순간이 있거든요.

일본으로 돌아온 뒤에는 더 큰 장애물이 기다리고 있었습니다. 청색 LED의 핵심 소재로 그가 선택한 질화갈륨(GaN)에 대해, 세계적인 연구자가 공개 세미나에서 "막다른 길"이라고 단언하는 사건이 벌어진 것입니다. 전 세계 연구자 대부분은 셀렌화아연을 파고들고 있었고, 새로 부임한 상사도 그 세미나를 들은 인물이었습니다. 나카무라 책상 위에는 "모든 작업을 중단하라"는 손 편지가 놓였습니다.

그는 그 쪽지를 쓰레기통에 버렸습니다. 몇 주마다 같은 내용의 쪽지가 도착했고, 그때마다 같은 방식으로 처리했습니다. 상사의 명령을 무시하는 것이 일본 문화에서 거의 상상도 못 할 일이라는 걸 본인도 알았지만, 그는 주간 연구개발 브리핑에 아예 참석하지 않는 방식으로 자신이 하는 일을 숨겼습니다. 몇 달 뒤, 그는 부드러운 보라색과 파란색 빛을 내는 LED를 손에 들고 있었습니다. 밤새 불을 켜두고 아침에 확인했을 때 빛이 여전히 살아 있던 순간을 그는 "인생 최고의 순간"이라고 표현했습니다.

1993년 11월 29일, 니치아는 청색 LED 개발 성공을 공식 발표했습니다. 포브스는 "자연을 길들인 자이자 에디슨의 후계자는 이름조차 알려지지 않은 일본 기업의 무명 연구원이었다"고 썼습니다(출처: Forbes).

• 전 세계 대기업들이 수십 년째 실패한 청색 LED 난제
• 상사의 중단 명령을 반복해서 무시하며 연구 지속
• 세계 주류와 반대로 질화갈륨(GaN)에 집중한 결정이 핵심
• 1993년 11월, 세계 최초 청색 LED 개발 성공 공식 발표

요약: 상사의 중단 명령도, 세계적 권위자의 부정적 평가도 쓰레기통에 버린 나카무라는 결국 질화갈륨으로 청색 LED를 완성하며 역사를 썼습니다.

 

노벨상 이후에도 멈추지 않는 72세의 에너지

솔직히 이건 예상 밖이었습니다. 이미 세상을 바꿔놓은 발명가가 노벨상까지 받은 뒤에도 "은퇴는 너무 지루하다"고 말하며 다음 도전을 준비하고 있다는 사실이요.

나카무라는 2014년 이사무 아카사키, 히로시 아마노와 함께 노벨 물리학상을 공동 수상했습니다. 일부 전문가들은 그의 청색 LED를 토머스 에디슨의 백열전구에 비견할 만큼 중요한 발명으로 평가합니다. 실제로 국제원자력기구(IAEA) 보고서는 전 세계 가정이 여전히 구형 전구를 사용할 경우 건물 실내조명용 전력 소비만으로도 약 70%가 급증할 것이라고 추정했습니다(출처: 국제원자력기구(IAEA)). 같은 보고서에서는 LED 조명으로의 전환으로 절약되는 전력량이 한국 전체 인구가 소비하는 전력량에 맞먹는 수준이라고 밝혔습니다. 청색 LED 하나가 그만큼 큰 영향을 미친 것입니다.

니치아와의 관계는 결국 소송으로 이어졌습니다. 일본 법원은 나카무라에게 약 1억 8천만 달러를 지급하라고 판결했지만, 2005년 합의로 실제 지급액은 810만 달러에 그쳤습니다. 그마저도 변호사 수임료와 세금으로 대부분 빠져나갔다고 합니다. 그는 그 시절에 대해 더 이상 깊이 생각하고 싶지 않다며 이렇게 말했습니다. "노벨상을 받은 것이 훨씬 더 대단한 일이었습니다."

현재 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스(UCSB) 재료공학 및 전기·컴퓨터공학과 교수로 재직 중인 그는 72세가 된 지금도 연구실을 지키고 있습니다. 제 경험상 어떤 분야든 오래 버티는 사람이 결국 남는다는 걸 몸으로 느꼈는데, 그가 그 살아있는 증거 같았습니다.

요약: 청색 LED로 노벨 물리학상을 수상한 나카무라는 72세에도 UCSB 교수로 현역을 유지하며 "은퇴는 너무 지루하다"고 말합니다.

 

블루레이저퓨전 — 청색 LED 기술로 핵융합 발전소를 꿈꾸다

그의 다음 목표를 처음 읽었을 때 저도 잠깐 멈칫했습니다. 핵융합 발전소라고요? 그것도 "청색 LED 발명보다 더 중요할 것"이라는 말과 함께요.

나카무라는 2022년 11월 블루레이저퓨전(Blue Laser Fusion)을 공동 설립했습니다. 이 회사의 핵심은 관성 핵융합(Inertial Confinement Fusion) 방식입니다. 관성 핵융합이란 강력한 레이저로 수소 동위원소 연료 알갱이를 순간적으로 압축·가열해 핵융합 반응을 일으키는 방식으로, 자기장을 이용하는 토카막 방식과는 다른 접근법입니다. 전 세계 핵융합 연구의 약 99.5%가 자기장 방식에 집중되어 있는 가운데, 그는 나머지 0.5%에 해답이 있다고 봤습니다. 청색 LED 개발 당시 세계 주류가 셀렌화아연에 집중할 때 홀로 질화갈륨(GaN)을 파고들었던 것과 꼭 같은 구도입니다.

연속적인 핵융합 반응을 제어하기 위해 그의 팀이 개발한 것이 광학 증폭 공동(Optical Amplification Cavity)입니다. 광학 증폭 공동이란 고펄스 레이저 에너지를 광학 챔버에 저장한 뒤, 레이저 출력을 최대 10만 배까지 증폭시켜 핵융합 반응을 유도·제어하는 장치입니다. UCSB는 이를 "레이저는 수소 동위원소 알갱이를 부수는 망치, 챔버는 모든 것을 담아두는 모루"에 비유했습니다.

2022년 12월, 미국 에너지부(DOE) 산하 로렌스 리버모어 국립 연구소의 국립 점화 시설(NIF)은 레이저 유도 핵융합 반응에서 투입 에너지보다 많은 에너지를 얻는 "핵융합 이득(Fusion Ignition)" 달성을 세계 최초로 공식 발표했습니다. 나카무라는 그 실험에 참여하지 않았지만, 이 성과는 그의 연구에 강한 동기를 불어넣었습니다. 그는 과학적으로 가능성이 증명된 것을 실제 작동하는 발전소로 구현하겠다고 말합니다.

블루레이저퓨전의 목표는 2032년까지 캘리포니아 산타바바라 인근에 75만~100만 가구에 전력을 공급할 수 있는 1기가와트 규모의 핵융합 발전소 시범 시설을 완공하는 것입니다. 우라늄 없이, 원자로 용융 사고 위험 없이, 배출가스 제로로 에너지를 만들어내겠다는 계획입니다. 제 경험상 적은 목표를 하나씩 달성하다 보면 처음엔 불가능해 보이던 것도 어느 순간 손에 잡히는 거리로 들어오더라고요. 그가 2032년이라는 구체적인 기한을 내건 것도 그 맥락으로 읽혔습니다.

요약: 나카무라는 청색 LED 기술을 토대로 광학 증폭 공동을 개발해 관성 핵융합 발전소를 2032년까지 구현하겠다는 목표를 제시했습니다.

 

자주 묻는 질문

Q. 슈지 나카무라가 노벨상을 받은 이유가 뭔가요?

A. 청색 LED 개발에 성공한 공로로 2014년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 이사무 아카사키, 히로시 아마노와 공동 수상이었으며, 적색·녹색 LED는 일찌감치 존재했지만 파장이 짧아 훨씬 높은 에너지가 필요한 청색 LED를 처음으로 실용화했다는 점에서 세계적으로 큰 의미를 인정받았습니다.

 

Q. 청색 LED가 없었으면 뭐가 달라졌을까요?

A. 스마트폰 화면, 컴퓨터 모니터, 대형 전광판, 신호등 등 지금 우리가 당연하게 쓰는 LED 조명과 디스플레이 대부분이 없었을 겁니다. 국제원자력기구(IAEA) 보고서에 따르면 전 세계 가정이 구형 전구를 계속 사용했을 경우 건물 실내 조명 전력 소비가 약 70% 급증했을 것으로 추산됩니다. 그만큼 청색 LED의 등장이 에너지 절약에 실질적인 기여를 했습니다.

 

Q. 블루레이저퓨전이 추진하는 핵융합은 기존 원자력 발전과 어떻게 다른가요?

A. 기존 원자력 발전은 우라늄 같은 무거운 원소를 쪼개는 핵분열 방식이라 방사성 폐기물이 발생하고 원자로 용융 사고 위험도 있습니다. 반면 블루레이저퓨전이 추진하는 핵융합은 수소 동위원소를 합치는 방식으로, 우라늄이 필요 없고 배출가스도 없으며 용융 사고 위험도 없습니다. 에너지원 측면에서 근본적으로 다른 접근법입니다.

 

Q. 나카무라가 니치아와 소송을 벌인 이유는 무엇인가요?

A. 청색 LED 개발로 창출된 막대한 상업적 가치에 비해 나카무라가 받은 보상이 지나치게 적었던 것이 핵심입니다. 일본 법원은 약 1억 8천만 달러를 지급하라고 판결했지만 양측은 810만 달러로 합의했고, 그마저도 대부분 변호사 수임료와 세금으로 나갔다고 합니다. 그는 지금은 그 시절보다 노벨상이 훨씬 더 대단한 일이었다며 미래에 집중하는 태도를 보이고 있습니다.

 

결론

이번 이야기를 읽으면서 제가 가장 오래 멈춰 생각한 부분은 뜻밖에도 발명의 내용이 아니었습니다. 상사의 중단 명령을 쓰레기통에 버리면서도 꿋꿋하게 연구를 이어간 그 태도였습니다. 재능이 탁월했던 사람이 아니라, 포기하지 않은 사람이 결국 세상을 바꿨다는 사실이 솔직히 더 인상적이었습니다.

노벨상이라는 정점에 도달한 뒤에도 더 큰 목표를 향해 나아가는 모습은, 나이나 성취와 상관없이 도전 자체가 삶의 동력이 될 수 있다는 것을 보여줍니다. 핵융합 발전소가 2032년 목표대로 실현될지는 아직 알 수 없지만, 그 과정에서 쌓이는 기술과 시도 하나하나가 이미 의미 있다고 생각합니다. 저도 결과만 쫓기보다 지금 할 수 있는 것을 꾸준히 쌓아가는 방향으로 생각을 바꿔보려 합니다. 관심 있는 분이라면 블루레이저퓨전의 행보를 계속 지켜보시길 권해드립니다.

참고: https://edition.cnn.com/science/shuji-nakamura-lit-up-the-world-and-now-wants-to-power-it-spc