서울대학교 응용물리학과를 졸업하고, KAIST 물리학과 석사학위와 미국 노스웨스턴대학교 재료과학과 박사학위를 취득했다. 미국 이스트만코닥연구소 수석연구원을 거쳐 1989년부터 KAIST 물리학과 교수 및 석좌교수로 재직하며 80여 명의 석박사 및 포스닥Post-doctoral 연구 인력을 양성했다. 자성학 분야의 세계적 과학자로 나노자성체의 자구역전 동력학인 ‘나노스핀닉스Nanospinics’ 분야를 개척했다. 290여 편의 학술논문 집필, 37건의 특허 등록, 160여 회 국내외 학술초청 강연을 했다. 한국과학기술한림원 정회원(2000) 및 미국물리학회 석학회원으로도 선정됐다(2008).
DGIST 초대 및 2대 총장(2011~2017), KAIST 최초 동문 총장(2017~2021)을 맡아 교육과 연구 혁신에 선도적 역할을 한 대학행정가이다. 한국연구재단 설립위원 및 정책자문위원장, 미래창조과학부 연구개발사업 종합심의위원장, 국가과학기술자문회의 부의장, 세계경제포럼 4차산업혁명센터 자문위원, 사단법인 대덕클럽 회장 등을 역임하며 과학기술 혁신전략과 정책 수립에 기여했다. 220여 회 과학 및 과학기술정책 강연, 칼럼 기고, TV 과학프로그램 진행 등을 통해 과학 대중화에도 힘쓰고 있다.
과학기술훈장 창조장(2007), 대한민국 학술원상(2009), KAIST 총동문회 올해의 동문상(2011), 대한민국 최고과학기술인상(2012), 한국인 최초의 아시아자성학회 AUMS상(2016), 노스웨스턴대학교 자랑스러운 동문상(2019) 등을 수상했다.