멀티스케일 물질 및 시스템 연구소(2026년 3월호)

1. IMMS 개요 

오늘날 인류는 기후 변화, 에너지 고갈, 그리고 기술 패권 경쟁이라는 전례 없는 복합적 난제에 직면해 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 원자 단위의 미시 세계부터 거대 시스템에 이르는 다층적 접근과 학문의 경계를 허무는 융합이 필수적이다. 이화여자대학교는 기존 단일 학문 중심의 연구 한계를 극복하고, 소재에서 시스템까지 전 주기를 아우르는 ‘멀티스케일 물질 및 시스템 연구소(Institute for Multiscale Matter and Systems, IMMS)’를 출범하며 국가 전략 기술 확보를 위한 새로운 도전에 나섰다.

IMMS는 과학기술정보통신부와 교육부가 공동 지원하는 ‘2025 국가연구소(NRL 2.0) 사업’에 선정된 연구소로, 향후 10년간 연간 100억 원씩 총 1,000억 원 규모의 블록펀딩을 지원받을 예정이며 문회리 교수(화학 나노과학과)가 연구소장을 맡고 있다. 본 연구소의 핵심 비전은 원자·분자 수준의 기초과학 탐구에서부터 나노· 마이크로 구조 설계, 그리고 이를 실제 산업에 적용 가능한 매크로 시스템으로 구현하는 전 과정을 통합하는 것이다.

기존의 과학기술 연구는 물리, 화학, 공학 등 개별 학문 단위로 분절되어 있거나, 소재 개발과 소자 구현이 단절되어 있어 혁신적 기초 성과가 실제 산업 기술로 이어지지 못하는 ‘죽음의 계곡’이 존재했다. IMMS는 이러한 한계를 극복하기 위해 대학, 정부출연연구기관, 산업체, 그리고 해외 유수 연구그룹을 유기적으로 연결 하는 ‘플랫폼형 융합 연구 허브(K-Hub)’ 를 지향한다. 이는 단순한 연구 거점을 넘어, 서로 다른 스케일과 이종 분야의 지식이 충돌하고 융합하여 새로운 창발적 기술을 만들어내는 혁신의 용광로 역할을 수행함을 의미한다. 

2. IMMS 연구 추진체계 및 비전 

■ 강력한 연구 엔진: 5대 핵심기술그룹(TG)과 인피니티 시그마 모델

IMMS의 운영 전략은 독창적인 ‘인피니티 시그마(Infinity-Σ) 모델’로 요약된다. 이는 기초 역량을 축 적하는 5개의 기술그룹(Technical Group, TG)과 난제 해결을 위해 유연하게 조직되는 핵심추진과제(Core Project, CP)가 무한히 순환하며 시너지를 내는 구조다. 

■ 혁신의 가속화: 오픈 액세스 자율실험실(OA-SDL)

IMMS가 내세우는 가장 혁신적인 인프라는 ‘오픈 액세스 자율실험실(Open-Access Self-Driving Laboratory, OA-SDL)’이다. 이화여대 산학협력관에 약 517 m2 규모로 구축될 이 시설은 세계 최대 수준의 소재-디바이스-공정 멀티스케일 자율실험실을 지향한다.

OA-SDL은 단순히 실험을 자동화하는 것을 넘어, 클라우드 기반의 원격 제어 시스템을 통해 전 세계 어디서든 연구자가 접속하여 실험을 수행할 수 있는 개방형 플랫폼이다. 연구자들은 AI가 제안하는 최적의 실험 조건을 바탕으로 24시간 멈추지 않는 연구를 수행할 수 있으며, 소재 개발 기간과 비용을 획기적으로 단축시킬 것으로 기대된다. 이는 마치 반도체 파운드리처럼, 연구 아이디어만 있다면 누구나 첨단 인프라를 활용해 결과를 얻을 수 있는 연구 생태계의 혁명적 변화를 예고한다. 

■ 글로벌 허브를 향한 비전: One Platform, Infinite Impact

IMMS는 국내를 넘어 세계적인 연구소로 도약하기 위해 막스플랑크 연구소(MPI), 로렌스 버클리 국립 연구소(LBNL), 임페리얼 칼리지 런던 등 세계 최고 수준의 기관들과 파트너십을 구축했다. “One Platform, Infinite Impact”라는 슬로건 아래, IMMS는 파편화된 연구 역량을 하나의 플랫폼으로 결집하여 과학계와 산 업계에 무한한 영향력을 미치는 것을 목표로 한다.

이화여대 IMMS는 2035년까지 이어지는 장기 로드맵을 통해 1단계에서는 융합 연구의 기반을 닦고, 2 단계에서는 자율 연구 운영 모델을 정착시키며, 3단계에서는 연구 성과를 사회와 산업 전반에 확산시켜 지속 가능한 국가 연구소의 표준 모델을 완성할 계획이다. 

3. 멀티스케일 물질 및 시스템 연구소 구성: TG-CP 프레임워크 3 

본 연구소는 원자·분자 수준의 기초과학에서 소자·시스템 구현에 이르는 전 주기 연구를 통합적으로 수행하기 위해 설계된 문제 해결형 융합 연구 플랫폼이다. 기초 연구가 소재 개발, 분석, 소자화 단계로 분절되 어 운영되었던 한계를 극복하고, 설계-합성-분석-소자-실증이 하나의 연속 흐름으로 작동하는 연구 체계를 구축하고자 한다. 이를 위해 본 연구소는 상호 연계형 다섯 개 Technical Group(TG)으로 구성되며, 각 TG는 독립적 전문성을 기반으로 하면서도 기술 난제 해결 시 유기적으로 재결합하는 모듈형 구조로 운영된다.

■ TG1: Frontier Materials

신규 기능성 소재의 설계·합성 기술을 기반으로 첨단 물질 후보군을 발굴하고, 정밀 구조 제어와 데이터 축적을 통해 구조-물성 상관관계를 정립함으로써 혁신 소재 원천 기술 확보 기반을 구축한다.

■ TG2: Multiscale Computation

원자 수준 전자구조 계산부터 매크로 시스템 해석에 이르는 멀티스케일 계산 플랫폼을 구축하고, 밀도 범함수 이론·분자동역학·유한요소 해석을 통합하여 소재 거동과 계면 현상을 예측한다. 실험-이론 양방향 설 계 체계를 확립하고, 데이터 기반 역설계 기술을 통해 소재 설계 정밀도를 고도화한다. 

■ TG3: Multiscale Characterization

원자에서 매크로에 이르는 전 스케일 분석 체계를 구축하고, 분광·전자현미경·실시간 분석 기술을 기반으로 소재 구조와 계면 특성을 정밀 규명한다. 물성 측정 및 분석 프로토콜을 표준화하고, 데이터 기반 물성 해석 플랫폼을 통해 구조-물성 상관관계를 정량적으로 확립한다.

■ TG4: Frontier Device Solutions

개발된 소재를 반도체·에너지 저장·광전자 융합소자 등 실제 소자와 시스템으로 구현하고, 프로토타입 제작과 성능 검증을 수행한다. 소재-소자 통합 설계 및 공정 기술을 확보하며, 실구동 환경 평가를 통해 기술 실증과 응용 확장 기반을 마련한다. 

■ TG5: Scalable Self-Driving Laboratory

AI 기반 자율실험 플랫폼을 구축하여 실험 설계-수행-분석 전 과정을 자동화하고, 로봇 실험과 머신러닝 기반 조건 최적화를 통해 연구 효율과 재현성을 혁신한다. 클라우드 기반 데이터 관리 체계를 통합하여 차세대 자율 연구 인프라를 구현한다. 

본 연구소의 또 다른 핵심축은 Core Project(CP) 체계이다. CP는 기술 난제 해결을 목표로 TG 간 역량을 재구성해 운영되는 문제 해결형 융합 연구 단위로, 기존의 고정적 연구 조직과 달리 필요에 따라 동적으로 구성·해체되는 모듈형 프로젝트 구조를 갖는다. 각 CP는 사업·사회적 수요와 전략 기술 과제를 중심으로 기획되며, 목표 달성 이후 조직을 재편하는 유연한 운영 방식을 통해 복합 문제 대응 속도와 연구 자원 집중도를 동시에 확보한다. 

■ CP1: AI 시대 대응 미래형 반도체 소자 개발

기존 실리콘 반도체의 미세화 한계와 전력 소모 문제를 근본적으로 해결하기 위해, CP1 연구그룹은 원자 수준에서 제어된 신소재를 활용하여 초저전력·고성 능의 차세대 반도체 및 광전 소자를 개발하는 것을 목표로 한다. 특히, 극한 환경인 저온(-250~-55℃)과 고온(150~300℃) 환경에서 작동 가능한 반도체 소자 기술을 개발하고, 무발열 광기반 반도체를 개발하여 저비용 고효율로 동작하는 레이징 소자 기술을 확보한다. 

■ CP2: 차세대 수소 융합시스템

개발 수소는 친환경 에너지원으로서 국가 7대 전략 산업 중 하나로 주목받고 있으나, 그린수소 생산량 부 족, 경제성 한계, 운송·저장 인프라 미비, 수요설계 부 족 등 복합적인 문제를 안고 있다. 이에 CP2 연구그 룹은 수소의 생산-저장-운송-활용 전주기를 아우르 는 통합형 수소에너지 시스템 개발을 목표로 한다. 이 를 위해 MOF, 플라즈모닉 소재, 고엔트로피 합금, 위 상준금속 소재, CNT 기반 복합 소재 등 멀티스케일 Star 소재 발굴 및 분석·설계 기술을 구축하고자 한다. 

■ CP3: AI 기반 자율실험실 기술 개발

CP3 연구그룹은 소재 합성, 시뮬레이션 분석, 디바이스 구현으로 단절되어 있던 연구 흐름을 AI 기 반 자율실험실(Self-Driving Laboratoy, SDL) 플랫 폼으로 통합·자동화되어, 소재 개발의 속도, 효율성, 재현성을 획기적으로 향상시키는 것을 목표로 한다. 5대 핵심 소재군(특수 나노입자, 초이온전도체, MOF, 키랄초분자, 광전소재)을 시작으로, 액체·고체 공정을 모두 포괄하는 실험 동화 인프라를 구축하고, LLM, 시뮬레이션, 분석 자동화 기술을 통합한 차세대 AI 자율실험실 플랫폼을 구축한다. 이를 통해 배터리, 반도체, 수소 등 국가 전략 산업 핵심 디바이스로의 신속한 확장을 추진한다. 또한 IMMS Agentic AI 개발을 통해 후보 물질 탐색-합성-분석-성능 평가-응용 설계에 이르기는 연구 전주기를 완전 자동화하여, IMMS 자체 신소재 개발뿐 아니라 외부 연구자도 활용할 수 있는 개방형 플랫폼으로 확장하고자 한다. 

■ CP4: 차세대 이차전지 초격차 기술 개발

현재 이차전지는 급격한 수요 증가로 인한 비용 상승과 함께, 액체 전해질 기반 시스템에서 발생하는 화재· 폭발 등 안정성 문제가 핵심 한계로 지적되고 있다. CP4 연구그룹은 이러한 문제를 해결하기 위해 고밀도·고안정 성·고신뢰성 차세대 배터리 시스템 개발을 목표로 한다. 이를 위해 산화물계 상온 초이온전도체(≥10-3 S/cm), 고 전압 /고용향 초격차양극재 (5 V 또 는 250 mAh/g), 고체전해질-전극(양/음극) 계면 제어 기 술을 핵심 요소 기술로 확보하여 전고체 리튬/소듐 메탈 배터리를 개발하고자 한다. 소재-소자-시스 템 통합 설계를 통해 고성능 배터리 구현과 함께 융합형 차세대 전지 시스템 구축을 추진한다. 더 나아 가 AI 기반 실험 자동화 및 데이터 기반 최적화를 도입하여 연구 효율성과 재현성을 획기적으로 향상시키고, 반복 가능한 공정·설계 체계를 확립한다. 

문회리 연구소장은 “내 분야의 난제가 이웃 분야에서는 이미 해결된 문제일 수 있다”며, “IMMS는 각자 의문을 열고 나와 함께 문제를 해결하고 미래를 설계하는 진정한 의미의 융합 공간이 될 것”이라고 밝혔다. 이화여대 IMMS가 열어갈 멀티스케일 융합 연구의 미래는 대한민국 과학기술이 기술 패권 시대의 파고를 넘어 글로벌 리더로 자리매김하는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 전망된다. 

4. 연구소 개소식 및 구성원 

IMMS 국가연구소는 2026년 1월 22일, 공식적인 개소식을 개최하고 미래 전략기술을 선도해 갈 국가 연구소의 출범을 알렸다. 개소식은 이향숙 총장, 김은미 이화학당 이사장, 문회리 IMMS 연구소장 등 교내 인사를 비롯해 구혁채 과학기술정보통신부 1차관, 이해숙 교육부 고등평생정책실장, 홍원화 한국연구재단 이사장, 오상록 한국과학기술연구원 원장, 이영국 한국화학연구원 원장, 류석현 한국기계연구원 원장, 이종찬 동우화인켐 대표이사, 김주성 LiBEST 대표 등 정부기관 및 학계·산업계 인사 등이 두루 참석하여 진행되었다. 문회리 연구소장은 “IMMS는 하나의 연구소 개소를 넘어 대학의 창의적인 연구 역량과 출연연의 인프라와 축적된 경험, 국가의 연구 정책이 현장에서 연결되는 출발점”임을 강조하고, “국가 중장기 전략에 부합하는 소재와 시스템을 선제적으로 제시하고 글로벌 협력을 바탕으로 정부가 신뢰할 수 있는 국가연구소로 자리매김 하겠다”는 포부를 밝혔다.

이화여자대학교

멀티스케일 물질 및 시스템 연구소 (Institute for Multiscale Matter and Systems, IMMS) 

문회리 국가연구소 연구소장 / 이화여자대학교 화학·나노과학과 교수 

이화여자대학교 NRL 2.0 사업단 IMMS 연구소장 문회리 교수는 이화여자대학교 화학·나노과학과 교수로, 이화여자대학교 화학과를 졸업하고 서울대학교 화학부 백명 현 교수의 지도 아래 석·박사 학위를 취득했다. 이후 로렌스 버클리 국립 연구소(LBNL)에서 박사후 연구원 과정을 거치며 세계적 수준의 연구 경험을 쌓았고, 2010년 UNIST에 부임해 독립적인 연구를 시작했다. 2023년 이화여자대학교 화학·나노과학과로 이직하 여 현재 Ewha Fellow 및 한국차세대과학기술한림원(Y-KAST) 회원으로 활동하고 있다. 

주요 연구 분야는 금속-유기 골격체(MOF) 기반 분자·결정 엔지니어링을 통해 차세대 에너지·환경·센서 소재를 개발하며 기초과학 성과의 실용적 확장을 선도하는 세계적 연구자이다. MOF International Commission 부위원장, 스웨덴 왕립과학원 주관 MOF 노벨 심포지엄 초청 연사 등으로 활동하며 국제 연구 네트워크를 주도 하고 있다. Nature Mater., Nature Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed. 등 화학 분야 최고 저널을 포함하여 100여 편의 논문을 출판했다.