김 학 수
부산 대학교 물리학과
고 이범삼 교수
1915년 3월 15일, 평안남도 안주군 신안주면 운학리에서 출생.
학력
1934 안주 공립 농업학교 5년 졸업
1942 동경 물리학교 이화학부 고등 사범과 3년 졸업
경력
1942-47 관립 전주 사범학교 교유
1947 관립 전주 사범학교 강사
1947-50 국립해양대학 부교수
1950-55 해군사관학교 교관(중령)
1955-58 국립해양 대학 부교수
1958-76 부산대학교 문리과 대학 교수
1965-70 한국물리학회 부산 경남지부
지부장
1970-71 한국물리학회 부회장
프로필
흰 가운(실험복)에 노 타이 차림.
지푸라기 한 줌도 들 수 있을 성 싶지 않은 체구.
소금, 그리고 수정, 루비, 사파이어 등의 산화물 단결정을 국내 처음으로 성장시킨 학자.
당시 어디서나 볼 수 있는 흔한 시골 노인의 쇠잔한 풍모.
1970년대 초, 50대 말에 들어선 이범삼의 모습이다.
그는 있는 듯 없는 듯, 늘 연구실에 서성거렸다. 그는 햇빛 따라 자리를 옮겨가며 난을 키우는데 일가견을 가지고 있었다. 간혹 알콜을 묻힌 솜으로 난의 잎을 닦는다. 유일한 취미였다. 난초 잎의 건강한 광택을 즐긴 것일까? 잎을 닦는 것이 또 다른 실험이었을까? 잎을 닦으면서 마음은 꿈속을 헤매였을까?
드물게도 이범삼이 직접 써서 남긴 짧은 문장이 하나 있다. '항상 고독한 시간을 많이 가지게 된다. 그때마다 마음은 극미의 세계, 원자와 원자 사이를, 아니 전자와 전자 사이를 헤매게 된다. 무슨 절경이나 있을까 하고'.
무슨 절경이나 있을까 하고?
원자와 분자, 전자와 전자사이를 부유(浮遊)하면서 그가 찾으려 한 절경은 어떤 것이었을까? 부인에게 말했다는 노벨상 감을 찾으려 했을까?
어떤 색다른 물리 문제를 논의할 때마다 이범삼이 간혹 하는 말은 '맛을 모르겠다'였다.
그의 학력은 동경 물리학교의 3년이 전부.
그래서일까? 그의 사고는 직관적이고 고전적이었다. 어떤 어려운 미시세계의 문제라도 거시 세계의 경험과 결부시키려 했다.
20세기에 들어서자 물리학에 도입된 하나의 금기 사항은, 거시 세계의 경험을 결코 미시 세계로 확장하려 하지 말라였다.
그러나 그는 막무가내였다. 거시 세계에서 상상하는 모습과는 너무나 다를 미시세계를, 그는 거시 세계의 시각으로 넘나드는 것이다. 결정 분자가 날아다니다가 '한 마리씩' 종자 결정에 달라붙는 광경을, 그는 눈으로 본 듯이 말했다. 모든 물리 현상이 그에게는 이렇게 리얼했다. 그러다가 무엇인가 확연히 잡히지 않을 때는 맛을 모르겠다고 한탄했다.
19살에 평안남도에서 안주 농업학교(5년제)를 졸업한 이범삼은, 농촌지도소에서 직장 생활을 시작한다. 직책상 면의 여러 곳을 순회하다가 그의 솜씨를 알고 찾아온 사람들의 기계를 고쳐주었다. 그는 어려서부터 동네 재봉틀을 혼자 다 고쳤다고 한다. 손재주를 타고 난 것이다. 기계 중에는 원동기도 있었다. 청년 이범삼은 이 원동기를 잘 고쳤다. 타고난 재주와 관찰력으로 원동기의 동작원리를 꿰뚫었기 때문이다. 그런데 그는 원동기를 잘 고치면 물리학을 잘 할 수 있는 것으로 이해하고 있었다. 물리학 과목 중의 하나라는 열역학 과목에 대한 그릇된 정보가, 그를 이렇게 믿게 한 것일 것이다.
60년대 초, 큰아들 이 문종(미국 메릴랜드 대 재직)이 서울대학에서 양성자 가속기를 만들었다. 균일한 자기장을 얻기 위해서는 자석의 극면(極面)을 거울처럼 매끈하게 해야하는 기술이 필요하다. 그런데 이문종이 이것을 해낸 것은 아버지의 손재주와 무관하지 않았으리라.
지도소에 직장을 가진지 5년이 지난 후 청운의 꿈을 펴기 위해 동경 물리학교에 진학했다. 원동기로부터 유발된 물리학에 대한 엉터리 인식이 그로 하여금 물리학교를 선택하게 하였다.
집을 떠나기가 쉽지 않았다. 그는, 갓 시집온 부인에게 '노벨상을 타기 위해서' 동경에 가야한다고 했다.
후일 어느 날, 이범삼의 아내는 큰아들 이문종에게 물었다. '너의 아버지가 노벨상인가를 타기 위해 일본에 간다고 했었는데 아직도 그 상을 못 탄 모양이다. 정말 상을 타기는 타게 될 것 같으냐'고. 아들의 대답은 '타지 못할 것'이라 였다. 그 후 이범삼의 부인은 간혹 노벨상 문제로 남편을 놀려대었다고 한다.
이범삼은 물리학교에서 각고의 세월을 보냈다. 입학은 자유였지만 졸업은 철저히 통제된 제도로 운영되고 있었던 것이다.
공부를 잘 한다는 소문이 난 상급반 학생이 있으면, 그의 공부하는 방법을 알아내기 위해 밤새 그 상급반 학생의 방 근방을 서성거리기도 했다.
이 학교의 실험 시간은 좀 특이했던 모양이다.
어떤 때, 못을 쓰지 않고 나무로 사각 물통을 만들어 제출하라는 숙제가 있었다. 숙제를 제출하면 물을 부어서 통을 시험한다. 물이 새면 다시 만들어 제출해야 한다. 이로서 이 학교의 교육 방침이 특이함을 알 수 있다. 물리학에는 실험 기반이 절대적으로 중요하다는 철학에서였을까?
동경 물리학교를 졸업하고 곧 전주 사범 학교를 거쳐, 군산에 있는 한국 한국해양대학교의 교수로 취임하였다. 32세 때였다. 그는 여기서 6.25 한국 동란을 만나, 이 땅의 누구나처럼 어려운 한 시기를 맞는다.
다음은 한국 해양대학교 1회 졸업생이며 전 한국선급협회 회장이었던 고 하동식 사장의 회고이다.
전쟁이 나서 공산군이 들어왔다. 당시 이범삼은 기숙사 사감이었다. 그는 기숙사에 남아있는 학생들을 위하여 피난가지 않고 혼자 학교에 남았다.
공산당에 휩쓸린 학생들이 반동적 행동을 했다고 이범삼을 규탄했다. 인민재판 같은 일이 벌어진 것이다. 그러나 이범삼은, '나는 교육자로서 할 바를 다한 것이고 하나도 양심에 부끄러운 짓을 한 일은 없다'고 맞섰다. 그 당당함에 공산당은 더 이상 꼬투리를 잡지 못하고 물러갔다.
공산군이 물러가고 수복이 되었다. 이때 옹진 경찰 부대가 군산을 경유해서 진군하기 위해 상륙했다. 경찰 부대는 그 지역 공산당원이나 적군에 부역(附逆)한 사람들을 찾아내어 처형했다. 이 무서운 시기에 해양대학 학생 중에서 남로당에 가입한 당원이 두 명 있음이 발각되었다. 이들은 체포되어 처형장인 군산 앞 바다에 있는 등대로 끌려갔다.
먼저 한 명이 처형되었다. 두 번째 처형대상은 이범삼의 전주 사범학교와 해양대학의 제자이었다. 이 학생은 남로당에 가입하여 이범삼의 반동적 행동을 규탄했던 학생 중 한 명이었다. 그는 이 마지막 순간에 그 동안 존경했던 스승에게 저지른 잘못에 대해 사과를 하고 싶다고 하였다. 경찰에서는 이것을 유언으로 생각하여 해양대학교에 연락하여 이범삼을 현장으로 안내했다.
시종 말이 없던 이범삼은 현장에 도착하자마자, 학생을 막아서며 '이 학생은 중학시절에도 내 제자이고 대학 시절에도 내 제자이다. 결국 내 가르침이 나빴을 뿐이지 감수성이 강한 청년이 무슨 죄가 있느냐? 쏠려면 차라리 나를 쏘고 이 학생을 용서하기 바랍니다'고 하면서 한사코 학생의 앞을 물러나지 않았다. 결국, 경찰에서는 총부리 앞에서 절규하는 스승의 갸륵한 뜻을 받아드려 청년을 방면했다. 그 후 청년은 국군 장병으로 활동했다.
이범삼은 징집되어 대위에 보임되어 해군사관학교의 교관이 되었다. 학교에서도, 조용하지만 속에 무서운 불길을 감추고 있는 이 야인(野人) 때문에 상당히 어려움을 당했다는 후일담이 많았다.
마지막으로 정착한 직장이 부산대학교 수물학과였다. 여기서 현재 활동중인 김정남, 윤수인, 노지현, 진광수(전부 현 부산대학교 물리학과 교수) 등을 제자로 두게 두었고, 그의 생애에서 가장 의미 있는 연구의 시기를 보내게 된다.
결정성장
이때, 즉 60년도 초에 한국 물리학계에 고체물리학이 소개되었다. Charles Kittel의 Solid State Physics 2판이 교수들의 서가에 꽂히기 시작했다. 물론 그 내용을 천착한 교수는 드물었다. 이 책은 1장의 결정의 대칭성으로부터 시작하여 전부 결정에 대한 것이다.
이범삼은 어떤 논문의 서론에서, '오늘 날 결정은 고체 물리학의 가장 중요한 부분을 차지하고 있다. 최근 물성 물리학의 발전은 단결정의 시료를 여러 분야에서 요구하고'라고 썼다. 서론이란 다분히 수사적인 면이 많지만, 그런 점을 감안한다 하더라도 이범삼의 결정에 대한 생각의 일면을 짐작케 한다.
때마침 일본 물리학회에서 발행되는 Butsuri(물리학)라는 해설서가 단결정 성장에 대하여 연재를 시작했다. 이 해설서를 보고 이범삼은 제자 교수들을 설득하여 결정 성장을 시작했다.
처음 시도한 결정 성장은 김정남, 윤수인 등 젊은 교수들이 주관하고 이범삼이 이들을 후원한 NaCl, KCl이었다.
NaCl의 융점은 800 ℃. 이 온도를 유지하는 전기로를 제작해야 했다. 그래서 연탄 난로를 개조하여 전기로 제작이 시작되었다.
당시 시장에서 구할 수 있는 철-크롬 선은 특성이 좋지 않았다. 끊어지지 않고 버티는 시간은 900 ℃에서 겨우 한 시간 남짓. 동작 온도를 낮추거나, 부득이 할 때는 빨리 실험을 끝내야 한다.
노심관 크기의 원통에 줄을 감고 여기에 내화 흙을 발랐다. 노심관이 마르면 원통을 빼낸 다음, 감았던 줄을 풀어내고 그 자리에 니크롬 선을 배치할 생각이었던 것이다.
그러나 노심관이 마른 후에 원통이 빠지지 않았다. 이 문제를 두고 고심에 고심을 거듭했다. 그러나 별다른 묘안이 떠오르지 않았다.
당면한 절실한 문제를 가지고 있으면 엉뚱한 곳에서 그 해답이 나오는 모양이다.
연구자들은 노제작에 필요한 자료를 구입하기 위해서 국제시장에 자주 출입했다. 그러던 어느 날, 스피커를 고치는 골목을 지나다가 자석에 음성 코일을 감는 광경을 보게 되었다. 음성 코일은 스피커의 콘을 물고 자석 밖을 자유롭게 움직여야 한다. 그러기 위해서는 코어인 자석과 음성 코일 사이에는 빈 공간(clearance)이 필요하다. 이것을 제작하는 광경을 김정남이 보게 된 것이다.
미친 듯이 실험실로 돌아와서 노심관 제작을 재개했다. 그 방법은 다음과 같다.
노심관 크기의 원통에 줄을 감는다. 다음에 줄을 감은 원통 전체를 종이로 싼다. 종이 밖에 다시 줄을 감는다. 이렇게 이중으로 줄을 감은 원통을 찰흙으로 발라서 노심관을 제작한다. 흙이 마른 다음 맨 처음 감았던 줄을 당겨서 푼다. 그러면 종이와 공극(空隙)이 생겨서 원통은 아주 쉽게 빠지게 된다. 다음에 흙 속에 파묻힌 줄을 당겨서 푼다. 이 마지막 줄이 빠져나온 자리에 니크롬선을 배치한다.
알고 보면 이렇게 쉬울 수가 없다. 그러나 처음 시작은 모든 것이 쉽지 않은 법이다.
이런 곡절 끝에 이들은 생후 처음으로 소금이 쇠처럼 녹는 과정을 보게 되었다. 사람들이 '연탄 난로' 옆에서 환성을 지른 것은 물론이다.
용융상태에서 결정을 성장시킬 때는 끌어당기는 법(pulling method)을 사용해야 한다. 끌어당기는 속도는 시간당 10 mm 정도가 보통이다.
이 정도로 천천히 끌어당기기 위해서는 저속 모터가 필요하다. 그러나 당시는 이런 모터가 없었다. 결국 다른 방법으로 해결하지 않으면 안되었다.
종자 결정을 매단 막대에 줄을 연결하여 도르래를 거쳐 줄 끝에 깡통(can) 추를 단다. 이 깡통에 물이 한 방울씩 떨어지게 되어 있다. 통 속의 수위가 높아짐에 따라 성장한 결정은 올라가게 된다.
이렇게 하여 처음의 시도는 성공을 거두었다.
처음의 성공에서 용기를 얻은 연구는 1964년에 KCl 결정으로 이어졌다. 이 물질은 용융점이 760 ℃로 NaCl보다 낮아서 온도 유지에는 어려움이 적었지만, 용융되면서 염소 기체가 발생하였다. 이런 일이 벌어질지는 미쳐 예상하지 못했었다. 그렇다고 닥트를 설치할 정도로 실험에 사치를 부릴 형편이 못되었다. 결국 1차대전의 독가스를 조금씩 맛보면서 실험은 강행되었다.
실험에 성공한 후, 우리도 한번 발표를 해보자고 해서 이 결정 성장 결과를 학회에 발표도 했다. 시골 사람의 처음 서울 진출이었다. 연구에 참여한 한 사람인 윤수인은 그후 NaCl 단결정의 전위 쌍(dislocation doublet)에 대한 것을 새물리에 투고했다. 그러나 심사결과 정중히 반려되었다. 약이 오른 그는 일본 물리학회지에 투고하여 1966년에 게재되었다. 전화위복이 된 것이다. 이 사실을 알게 된, 논문 게재를 거부한 심사 위원은 후에 윤수인에게 사과했다고 한다. 이에 자신을 얻은 윤수인은 부산대학 물리학과 출신으로는 처음으로 미국 유학 길에 오르게 된다.
결정 성장에 어느 정도 경험을 쌓은 이범삼은 김정남, 윤수인과 더불어 1965년에 알루미나 계의 단결정 성장을 시도하게 된다.
알루미나 단결정 성장에는 산·수소 불꽃을 이용하는 Verneuil 노가 필요하다. 필요하면 무엇이든지 만드는 것이 이 시골 사람들의 뚝심이다. 그들은 이 노도 제작했다.
그런데 처음 점화하는 광경이 가관이었다.
산소와 수소 가스를 노의 중간쯤에서 혼합시켜 혼합기체를 만든다. 그리고 여기에 불을 부쳐야 한다. 수소란 위험한 기체다. 그러나 산·수소 용접이란 것이 행해지고 있었으니, 잘만하면 아무런 문제가 없다는 것은 잘 알려진 사실이다. 그러나 이들은 만일의 사태에 조심스러웠다.
이범삼은 길다란 막대기 끝에 촛불을 매달고 직접 점화했다. "장가 못 간 사람들은 빠지라"고 하면서. 이범삼 다운 유모어다.
이범삼의 장가간 제자 교수들에게는 약간은 각별했다.
그가 타계하기 몇 개월 전, 병원에 입원하였을 때다. 의사로부터 거의 가망이 없다는 시사를 받은 문병 온 사람들은 참으로 착잡한 심정에 있었다. 이 때 이범삼은 꺼져 가는 소리로, 부인들이 기다리니까 집에 가라는 것이다. 그러나 정작 본인은 당신 부인에게 그렇게 각별했는지는 저기 의심스럽다.
이 실험에도 미처 예상 못한 자질구레한 어려움이 많았다. 그 중 한가지 알루미나 분말이, 베르누이 노의 산수소 불꽃을 통과하며 녹아 용융액이 된다. 용융액 아래에 지지대에 붙인 종자 결정을 놓아, 용융액이 종자 결정에 한 방울씩 떨어지면서 결정이 크게 되어 있다. 그런데 지지대의 열전도가 너무 커서 떨어진 용융액이 너무 빨리 식어서, 단결정이 아닌 세라믹이나 다(多) 결정이 되는 것이었다. 이때 아이디어 맨 윤수인이 또 아이디어를 냈다.
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(a)
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처음의 지지대는 알루미나 가루를 접착제와 개어서 만든 것이었다. 그래서 굵기를 가늘게 할 수 없었다. 지지봉이 가늘어야 전도에 의한 열 손실을 줄일 수 있다. 그는 탄소봉에 구멍을 뚫고, 구멍에 알루미나 가루를 다져 넣은 다음, 탄소봉 자체를 산수로 불꽃으로 태워서 알루미나 세라믹 막대를 만들 것을 제안했다. 그대로 해보니 가늘고 긴 알루미나 막대기가 만들어졌다. 이 새로운 지지대는 실험을 성공으로 이끌어 주었다.
실험이 성공한 날 이범삼과 김정남은 학교 앞 온천장에서 '술에 떡이 되었다'고 한다.
이제 흰 사파아이어 성장에는 완전히 자신감을 얻었다.
다음에는 루비성장에 도전했다.
이때 부산에는 동경물리학교 동기생인 우정주가 진양화학이라는 회사를 운영하고 있었다. 우정주의 전문은 화학이었다. 이범삼은 우사장과 상의하여, 알루미늄 덩어리를 수입하여 알루미나 분말을 제조하고, 이 국산 원료를 이용하여 루비 결정을 성장시키기로 했다.
진양의 우 사장은 알루미니늄 금속에서 Al2O3(감마 형) 분말을 제조하는데 성공하고, 이 분말을 이용하여 이범삼 팀은 유명한 스타루비를 제조하는 데 성공하였다.
결정의 가치를 알아보기 위해 시장의 보석 상인들에게 스타 루비를 보였다. 상인들은 상품 가치를 인정하여 일단 소량 구입했다. 그런 다음 상인들은 이것을 진열장에 진열만 해두고 고객에게 파는 것은 밀수품이었다. 밀수품은 주로 일본에서 오는 것인데 제조 원가가 싼 것이다. 밀수 단속반이 닥치면 진열장의 국산을 내보인다는 것이다.
이렇게 하여 상품으로서의 루비 성장은 일단 실패했다.
이범삼은 다시 수정의 성장에 눈을 돌렸다. 수정은 수열합성법으로 성장시켜야 한다.
수열 합성법은 1000기압이 넘는 고압 용기(autoclave)를 사용한다. 이 장치는 앞서의 장치들과는 제작 난이도가 한 차원 높은 것이다. 이들은 이 성장 장치도 제작했다. 성장 속도는 하루에 약 1 mm 정도. 이렇기 때문에 약 1 cm 두께의 결정을 얻는 데는 밤낮 일주일 정도 걸린다. 그래서 성장실 옆에 작은 방을 만들어 놓고 여기서 밤을 새워야 했다. 숙직하는 사람은 폭탄을 옆방에 두고 자는 것이니까 밤새 불안하여 잠을 이루지 못했다.
처음 불을 넣고 나면(수열 합성로를 둘러싼 열선에 전원을 넣는 것을, 용광로에 불을 넣는 것에 비유하여 이렇게 말함), 그 날 저녁은 특히 불안하다. 자다가 간혹 성장 실에 들어가서 막대기 끝에 매단 거울을 고압 용기 입구에 대어 보아야 한다. 만일 증기가 새어 나오면 거울을 흐리게 하기 때문에 증기 누설을 알 수 있다. 증기가 누설되면 실험은 즉시 중단되어야 한다. 그런데 막대기로 약간 떨어진 거리에서 증기가 새는지 여부를 조사하는 것이니까, 폭발하면 관찰자를 보호해주지는 못한다. 막대기는 단지 심리적 안전거리를 제공할 뿐이다.
스타 루비를 가지고 시장에서 당한 쓰라린 경험은 결정의 대량 생산에 눈을 돌리게 했다.
이를 위해 1968년에 '인공 수정의 양산화에 관한 연구'라는 제목으로 과학기술처에 연구비를 신청하여 100만원 정도의 연구비를 받았다. 당시로는 파격적인 액수였다.
이어서 1969년과 1970년에, 호남비료 주식회사와 연계하여 결정의 대량 생산 계획서를 과학기술처에 제출하여 총 240만원(현재 물가로 환산하면 1억2천만원 정도) 정도의 연구비를 지원 받았다. 연구제목은 '국산 원료를 이용한 공업용 단결정 성장에 관한 연구'이었다.
난생 처음으로 이렇게 거액의 연구비를 받고 이범삼은 노심초사했다. 어떻게 하든지 연구를 성사해야 하기 때문이다. 이 연구는 용역 계약이니까 실패하면 큰 책임을 져야 한다. 이런 거액의 부담스러운 연구비를 받고 연구를 시작한 것은 당시로서는 썩 드문 일이었다.
연구는 성공했다.
당시 호남 비료주식회사 사장 김윤근은, '69년 12월 현재 알루미나 계 결정(ruby, sapphire, spinel)은 일산 약 12,000 ct를 생산할 수 있으며, 수정 시제품 생산은 불원간에 이루어지리라'고 연구보고서 서문에 썼다.
그러나 이 희망은 오래 가지 못했다. 호남 비료가 경영 악화로 문을 닫게 되었기 때문이다. 그간의 피눈물나는 연구는 수포로 돌아갔다. 그리고 더욱 안타까운 것은, 80년대에 들어와서 화학 연구소 등에서 수행한 수정 생산 연구에, 이범삼 팀의 선행 연구가 전혀 이용되지 못한 점이다.
수정 연구 이후 부산대학에서는 김정남, 이재봉(현 충북대학 교수)이 TiO2 결정을 성장시키는 데 성공했고, 이재현, 노동택(정년 퇴임함) 양씨도 강유전체인 BaTiO3 단결정을 국내서 처음으로 성장시키는 데 성공하였다.
70년도에 들어와서 이범삼은 동아일보의 자금 지원으로 녹색 수정의 성장에 다시 성공한다. 이 연구는, 그 이후 국내 어디서도 성공했다는 소식이 들려오지 않고 있는 소제다. 이 글 맨 앞에 보인 이범삼의 쇠약한 모습은 이 후의 광경이다.
그리고 얼마 후 이범삼은 강의실에서 쓰러졌다. 그리고는 다시는 일어서지 못하고 부산의 백운 묘지에 영원히 잠들었다. 1976년이었다. 알론소 핀의 '물리학' 한 권이 관 위에 놓여졌다. 아버지 보시라고 이범삼의 큰 딸이 울면서 넣은 것이다. 이범삼은 병석에서도 이 책을 손에서 떼지 않았던 것이다.
80년대 이후 이재현의 석사 제자인 장민수(현 부산대 교수)가 일본 유학에서 귀국하여 김정남과 결정 성장을 주도했다. 그리고 장민수는, 91년에 결정과 세라믹 위주의 강유전체 연구소의 설립을 추진하여 유전체 물성 연구소(한국과학재단의 SRC)를 탄생하게 했다. 또 1998년에는 정세영이 이끄는 한국과학재단의 결정은행이 설립된다. 그래서 오늘날 국내외의 많은 연구자들이 부산대학교에서 성장시킨 결정으로 연구를 하게 되었다.
이리하여 부산대학교가 결정의 메카가 된다. 생각하건데, 이런 일련의 과정이 어느 날 갑자기 일어난 것이 아님은 분명하다. 하나의 뿌리에서 연유한 것이다. 그 뿌리에는 결정 성장의 대부 이범삼이 있었던 것이다.
[자료제공: 김정남, 윤수인, 노지현, 진광수(부산대학교 물리학과), 이범삼 교수의 유족]
