[인터뷰] 김영독 성균관대학교 화학과 교수
[인터뷰] 김영독 성균관대학교 화학과 교수
  • 신환철 기자
  • 승인 2019.09.26 14:33
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미세먼지 정화 광촉매 콘크리트 개발로 환경문제 해결 앞장
다양한 사회문제 해결 위해 행정·산업분야와 소통하는 과학자 될 것

 

먼저 서울시티 독자 분들께 인사 부탁드립니다. 

저는 현재 성균관대학교 화학과 교수로 근무하고 있습니다. 성균관대학교에서 화학을 공부한 후 독일 베를린의 Fritz-Haber 연구소라는 곳에서 박사학위를 받고, 미국과 독일에서 연구를 하다가 이화여자대학교 조교수를 거쳐 성균관대학교에 자리를 잡게 되었습니다. 2006년에 귀국하여 이화여자대학교에서 처음 교직에 들어서게 되었으니, 교직에 들어선 지 벌써 14년이 되었습니다. 제가 석사, 박사과정 학생 때부터 줄곧 관심을 가져온 연구분야는 표면물리화학입니다. 고체 물질의 표면 위에서 일어나는 현상을 분자, 원자 수준에서 규명하는 일에 관심이 많은데, 특히 고체 표면 위에 기체 분자들이 달라붙어 서로 화학반응을 일으키는 현상을 연구하는 것에 관심을 가지고 있습니다. 예를 들어 특정한 고체 물질 표면 위에 대기오염물질들이 달라붙어 무해한 물질로 바뀌어 탈착되기도 하는데, 이러한 과정을 분자나 원자 수준에서 규명하는 연구를 하고 있습니다. 박사과정 당시 저를 지도해주신 G. Ertl 연구소장님께서는 이러한 분야의 공로로 2007년도에 노벨화학상을 수상하신 바가 있습니다. 최근에 와서는 대기오염물질들을 더 효과적으로 무해한 물질로 바꾸는 새로운 고체 표면구조를 개발하는 것에도 많은 관심을 가지고 있습니다. 그 이외에 수처리와 관련된 소재 개발, 태양전지등의 에너지 소재 개발에도 관심을 가지고 있습니다.       

 

화학을 어려워하는 분들이 많습니다. 화학을 조금 쉽게 정의해 주실 수 있을까요? 

모든 물질은 원자나 분자로 이루어져 있습니다. 예를 들어 물은 수소원자 두개와 산소원자 하나로 이루어진 물 분자들로 구성되어 있습니다. 분자 한 개의 크기는 머리카락 두께의 수십만분의 일 정도로 매우 작습니다. 물질의 성질, 변화를 그 물질이 구성하고 있는 분자와 원자 구조의 변화로 이해하려고 노력하는 학문이 화학이라고 말씀드릴 수가 있겠습니다. 물질을 구성하고 있는 원자 및 분자의 배열, 구조를 바꾸어 새로운 기능을 가지는 신물질을 만들어 내는 것도 화학자들이 하는 일입니다.
 

교육자의 길로 들어선 계기는? 

화학이라는 분야는 매우 어렵게 때문에, 화학을 전공하지 않은 일반인들은 그 내용을 이해하기 어렵다고 느낄 때가 많습니다. 화학에 처음 입문하는 학생들도 화학을 어렵다고 느낄 때가 많습니다. 하지만, 우리 실생활에 일어나는 현상들 중에서는 화학자의 눈으로 바라보아야 비로소 그 원인을 이해할 수 있는 일들이 많습니다. 예를 들어서 화학을 전공하지 않은 사람들에게는 생소할 수도 있는 엔트로피 등에 대해서 이해하면 왜 어떤 자연현상이 일어나는 지에 대한 이해를 할 수 있게 됩니다. 화학은 기초과학이기도 하지만, 실생활과도 많은 접점을 가지고 있는 학문입니다. 실제 자연에서 일어나는 눈에 보이는 현상을 화학자들은 분자 수준의 거동을 통해 설명할 수도 있습니다. 그런데 이러한 화학이론을 화학에 입문하는 학생들에게 좀 더 알기 쉽게 설명해주는 것은 어려운 일입니다. 화학은 매우 중요한 학문 분야인데, 이러한 분야에 입문하려고 하는 학생들에게 어려운 이론을 좀 더 쉽게 이해하게 설명해준다면 조금 더 많은 우수한 인재들이 화학 분야에 진입을 하게 될 것이라는 생각이 들었습니다. 또한 화학 분야에서 연구를 하면서 연구 결과 및 화학적인 지식을 사람들에게 좀 더 쉽게 이해하도록 설명해 줄 수 있다면, 새로운 피드백을 화학을 전공하지 않은 분들로부터 받을 수가 있고, 그것이 새로운 학문적인 시너지효과를 낼 수 있다는 생각이 들었습니다. 결과적으로 화학을 다른 사람들에게 쉽게 설명하는 것에 의미를 두고 관심을 갖다 보니 자연스럽게 교직에 들어서게 된 것 같습니다. 

 

김영독 교수가 한국건설생활환경시험연구원들에게 광촉매 측정 및 표면 분석 시험장치를 설명하고 있다.

최근 미세먼지 정화 광촉매 콘크리트를 개발하셔서 화제가 됐습니다. 

요사이 미세먼지가 큰 사회적 문제로 자리매김하고 있습니다. 미세먼지 중 상당 부분은 산업단지, 발전소, 차량 등에서 배출되어 대기 중에 존재하는 대기오염물질인 질소산화물, 암모니아, 황산화물, 휘발성 유기화합물 분자들 사이의 복잡한 화학작용에 의해서 형성되는 2차미세먼지입니다. 이러한 미세먼지의 원인 물질들 중 어느 한가지만을 집중적으로 제거한다고 해서 미세먼지가 감소된다는 보장은 없습니다. 이러한 원인 물질들 몇 가지를 동시에 제거할 수 있는 기술이 있다면 미세먼지 문제 해결에 기여할 수 있겠다는 생각을 하고 있었습니다. 이산화티타늄이라는 광촉매 물질은 빛을 받으면 활성산소를 만들어 이러한 미세먼지 원인물질들을 대기 중에서 제거할 수 있다고 이미 지난 수십년간 많은 연구자들에 의해서 검증이 되었습니다. 이러한 광촉매 물질을 콘크리트에 넣어 시공하여, 실외에서 미세먼지 원인물질을 제거하는데 효과를 볼 수 있다는 유럽과 일본의 사례들이 있습니다. 그러나, 기존의 광촉매는 태양광의 아주 일부이며 조명등에서는 발생하지 않는 자외선에서만 작동하여 대기정화 효과가 제한적입니다. 제가 최근 수년간의 연구를 통하여 태양광의 대부분을 차지하며 조명등에서도 나오는 가시광선에서 효율을 보이는 새로운 광촉매 구조를 개발하게 되었고, 이번에 신규 가시광촉매를 이용하여 미세먼지 원인물질을 제거할 수 있는 콘크리트를 개발하게 되었습니다. 

 

김영독 교수가 중랑구의 광촉매 표면 강화제 시범시공을 참관하고 있다.

지난 6월에 서울시 서초구와 중랑구가 시범 시공했다는 기사를 봤는데요, 이후 가시적인 효과를 거두고 있는지요. 다른 지자체에서도 관심을 가지고 있는지도 궁금합니다. 

작년 가을 SH공사에서 기존의 자외선 광촉매가 포함된 페인트를 도포하는 시범사업을 진행하였는데, 그 효과에 대한 검증을 하는 과정에 제가 참여했었습니다. 작은 규모의 시범공사 현장에 광촉매를 적용한 후 실환경에서 대기오염물질 제거 효과가 있는지를 과학적으로 검증하는 것은 매우 어려운 일입니다. 광촉매를 적용한 현장과 적용하지 않은 현장의 대기오염정도가 같을 수가 없기 때문에 정확한 비교가 불가능하고, 작은 규모의 시범공사로는 광촉매에 의해 대기질이 좋아지는 것을 확연히 구별하기는 어렵습니다. 저는 시범공사구간에 설치된 광촉매 페인트 위에 미세먼지 원인 물질들이 달라붙어서 분해되고 있음을 표면 분석기술을 이용하여 규명하였습니다. 현재 서울시 몇 개 자치구에서 올해 하반기에 기존의 자외선 광촉매 보도블록과 더불어 제 신규 발명품인 가시광촉매 보도블록을 설치하는 시범시공을 기존의 시범시공보다 훨씬 더 큰 규모로 진행하려는 계획을 세우고 있습니다. 이번 시범시공에서는 단순히 광촉매 보도블록을 설치한 것으로 끝나지 않고 표면분석방법 등을 이용하여 광촉매보도블록이 미세먼지원인물질 제거에 효능이 있는지를 과학적으로 검증하려고 합니다. 

 

화학자가 바라보는 미세먼지는 무엇이며, 어떤 방법으로 미세먼지문제를 해결하는 것이 바람직하겠습니까? 

미세먼지 중 상당부분을 차지하는 2차미세먼지는 질소산화물, 황산화물, 휘발성유기화합물 등의 미세먼지 원인물질 분자들 사이의 복잡한 화학반응에 의해 형성되게 됩니다. 이러한 원인물질 분자들 수억개 이상이 화학반응으로 뭉쳐져서 하나의 미세먼지 입자를 형성시킵니다. 결과적으로 이러한 원인물질을 제거한다면 최소한 국내에서 발생되는 미세먼지의 문제를 상당부분 해소할 수 있겠습니다. 동북아시아 국가들이 이러한 미세먼지 원인물질 제거기술을 동시에 활용한다면 미세먼지 감소 효과가 배가될 수 있겠습니다. 광촉매 기술이 미세먼지 원인물질을 제거할 수 있는 기술 중 하나라고 볼 수 있습니다. 그러나 사실 더 중요한 것은 이러한 2차미세먼지 원인물질의 배출 자체를 줄이는 것입니다. 결국 자동차의 사용을 제한하고 에너지를 절약하여 화력발전소의 가동을 줄이는 노력이 필요하겠습니다. 자동차의 경우 경유차를 휘발유차로 바꾸거나, 휘발유, 경유를 다른 종류의 소위 말하는 친환경 석유연료(CNG, LNG 등) 로 바꾸는 것이 미세먼지 저감에 얼마나 큰 기여를 할 지 확실하지 않다는 의견을 저는 가지고 있습니다. 물론 일부 노후 경유차의 경우 그 미세먼지 배출 지수가 확연히 높아 사용을 줄여야겠지만, 최근에 출시된 경유차는 유해기체 전환장치가 잘 갖추어져 있어 꼭 다른 석유연료를 이용하는 자동차들보다 미세먼지를 더 많이 유발한다고 확실히 이야기하기 어렵습니다.  석유연료의 종류를 바꾸면 특정 미세먼지 원인물질의 배출은 줄지만 다른 미세먼지 원인물질의 배출은 오히려 늘어날 수도 있습니다. 궁극적으로는 에너지를 절약하고 자동차 운행을 감소시키는 노력이 필요하다는 것이 제 생각입니다.

 

몇 해 전에는 자동차 배기가스 처리 촉매 기술을 개발하셨지요?

석유 연료를 사용하는 자동차 배기가스에서는 일산화탄소라고 하는 인체에 유해하여 농도가 높을 경우 사람을 사망에 이르게 만들 수도 있는 물질이 배출됩니다. 이와 더불어, 산화질소, 휘발성유기화합물 등 미세먼지 원인물질인 오염물질들도 배출됩니다. 이러한 유해한 물질을 표면에서 무해한 물질로 바꿔주는 역할을 하는 고체 물질이 배기가스 처리 촉매입니다. 기존의 촉매는 낮은 온도에서는 효율을 보이지 않다가 100도 이상의 온도에서만 효율을 보입니다. 자동차 시동을 건 직후 자동차 엔진과 배기가스의 예열까지 시간이 걸리는데, 배기가스의 온도가 충분히 높지 않은 상태로 촉매부를 지나가면 자동차에서 발생하는 유해한 물질이 무해한 물질로 바뀌지 못한 채로 대기 중에 방출이 됩니다. 자동차 배기가스에 의한 대기 오염의 대부분은 시동을 건 직후 5분 내에 발생됩니다. 제가 개발한 촉매는 낮은 온도에서부터 유해물질을 무해하게 전환시킬 수 있는 기능을 가지고 있습니다. 현재 이 기술에 대한 상용화 개발을 배기가스 처리 장치를 생산하는 글로벌기업과 함께 진행하고 있습니다. 

 

세미나에서 광촉매 적용 도료의 현장효율 검증결과에 대해 발표하는 김영독 교수

교수님은 환경문제에 지대한 관심을 가지고 계신 것 같습니다. 이유는 무엇인지요. 

말씀 드렸다시피 제가 관심을 가지는 분야는 표면화학입니다. 고체 표면위에 기체 분자들이 달라붙어서 서로 일으키는 화학반응에 관심을 가지게 되었습니다. 독일과 미국에서 박사과정 및 연구원으로 일하면서 몸에 유해한 일산화탄소 분자가 산소와 반응하여 무해한 이산화탄소로 변화는 과정을 원자 및 분자 수준에서 규명하는 연구를 진행했었습니다. 처음에는 이러한 분자 사이의 반응을 화학자로서 다양한 고도 분석 기술을 이용하여 규명해 내는 것에 관심이 있었습니다. 귀국하여 교수가 된 이후에는 그때까지 연구를 하며 축적시킨 기초화학적인 노하우를 실생활에 더욱 도움을 주는 연구에 사용하면 좋겠다는 생각을 하게 되었습니다. 제 연구 분야가 유해한 물질을 무해한 물질로 고체표면에서 바꾸는 경로를 연구하는 것이었기 때문에, 이러한 연구를 통해서 쌓은 지식들이 조금 더 효율적으로 대기오염물질을 무해한 물질로 바꿔주는 새로운 물질을 만드는데 도움이 되었습니다. 처음엔 일산화탄소라는 유해물질을 무해한 물질로 전환시키는 데 관심이 많았는데, 기능성 고체 촉매 표면에서 더 많은 종류의 유해물질을 화학반응을 통해 무해하게 바꿀 수가 있기 때문에, 사회적으로 더 심각한 문제가 되는 휘발성유기화합물, 산화질소 등과 같은 대기오염물질들에 대해 연구해 나가기 시작했습니다. 그러한 연구를 하다 보니 자연스럽게 대기환경 문제에 관심을 갖게 된 것 같습니다.

 

현재 추진 중에 있는 연구 또는 프로젝트가 있다면 설명 부탁드립니다.

현재 제 연구실에서는 크게 두 가지 연구주제에 집중을 하고 있습니다. 첫 번째는 광촉매입니다. 자외선에서만 효율을 보이는 이산화티타늄의 구조를 변형시켜 가시광선에서도 효율을 보이는 광촉매를 최근 개발하였습니다. 현재는 이 광촉매가 휘발성유기화합물, 산화질소, 산화황 등의 미세먼지 원인 물질의 분해에 얼마나 높은 효율을 보이는 지에 대한 기초적인 연구를 실험실에서 수행하고 있습니다. 이 연구에서는 광촉매 효율을 더 증가시키기 위해 광촉매 구조를 변형시키는 연구도 병행하고 있으며, 광촉매의 구조 변화와 미세먼지 원인물질 효율의 상관관계를 다양한 표면분석기법을 이용하여 과학적으로 규명하려고 노력하고 있습니다. 이와 더불어 이러한 광촉매 물질이 포함된 광촉매 콘크리트 블록을 비롯한 다양한 제품들을 산업체와의 협력연구를 통하여 개발하고 실현장에서 얼마나 높은 미세먼지 원인물질 분해 효율을 보이는지를 규명하는 연구를 수행하고 있습니다. 두 번째는 자동차 배기가스 처리 촉매에 대한 연구입니다. 제가 개발한 자동차 배기가스 처리 촉매가 일산화탄소, 산화질소, 휘발성유기화합물을 무해한 물질로 전환시키는 데 얼마나 높은 효율을 보이는지, 촉매의 구조변화와 촉매 활성의 변화사이의 상관관계가 어떤지를 과학적으로 규명하려는 노력을 하고 있습니다. 이 분야의 연구 또한 기초과학적인 연구에 머무르지 않고, 실제 자동차에 이런 신규 촉매들이 설치가 되었을 때 배기가스 처리 효율이 개선되는지를 산업체와 함께 연구하기 시작했습니다. 이러한 두 가지 연구에 집중하는 한편 기존에 해오던 방수·발수소재 기술 개발, 태양전지 등 에너지 소재 기술개발, 독일 등지의 물리학자들과 진행하는 클러스터 물리분야의 기초연구 등도 끈을 놓지 않고 관심을 계속 가지려고 하고 있습니다. 

 

서울주택도시공사와 한국주거학회가 주관한 세미나에 참여한 김영독 교수 및 참석자들

화학에 관심 있는 학생들에게 하고 싶은 말씀이 있다면? 

화학은 기초 학문입니다. 화학이 다루는 세상은 우리 눈으로 확인할 수 없는 분자와 원자들의 세상(미시적인 세상)이며 분자와 원자들을 이해하기 위해서는 많은 어려운 화학이론들을 배워야 합니다. 사실 사람이 사용하는 언어와 논리는 눈에 보이는 거시적인 세상을 기반으로 만들어졌기 때문에, 눈에 보이지 않는 미시적인 세상을 우리가 일상적으로 사용하는 언어와 논리로 설명하기는 매우 어렵고, 그러다 보니 화학이론들이 많이 어렵다고 느껴져서 많은 학생들이 화학을 포기하는 경우도 있습니다. 이공계에 관심 있는 학생들이 우리들의 실생활에 적용할 수 있는, 눈에 보이는 새로운 발명품(장치, 기계 등)을 개발하는 것에 더 많은 관심을 가질 수도 있겠습니다. 하지만, 제 경험을 비추어보았을 때 화학의 원리는 이해하고 나면, 나중에는 훨씬 더 효율적으로 실용화, 실증화 연구를 할 수 있다고 생각이 됩니다. 기초화학적 이론 지식을 탄탄히 다져 놓는다면, 그 기초지식과 관련된 다양한 응용분야에 진출할 수 있습니다. 처음부터 기초가 없이 하나의 응용분야와 관련된 지식을 집중적으로 획득한다면, 나중에 다른 응용분야의 연구를 하기 어려울 수 있습니다. 저의 경우 처음에는 고체표면에서 일어나는 분자들 간의 화학반응을 기초화학적으로 이해하려는 노력을 했었고, 이러한 연구를 통해서 쌓은 지식은 대기오염을 저감시키는 촉매 개발, 에너지 소재 개발, 수처리 소재 개발 등의 다양한 연구의 밑바탕이 되었고, 이제는 이러한 연구 개발 결과들이 실증화, 사업화까지 연결이 되고 있습니다. 예를 들어서 제가 화학적인 밑바탕이 없이 처음부터 태양전지등과 같은 에너지 소재 개발에만 집중했다면, 나중에 대기오염 저감 촉매와 같은 다른 응용분야에 진입하기는 어려웠을 것입니다. 하지만 기초화학적인 밑바탕이 있었기 때문에 다양한 소재과학 분야의 응용연구를 할 수 있었다고 생각합니다. 산업체에서도 특정한 응용분야에 대해서만 해박한 지식을 가지고 있는 사람보다 기초가 튼튼한 인재를 요구하고 있습니다. 기초과학 중에서도 화학이라는 분야는 기초과학과 응용을 연결하는 고리 역할을 한다고 생각하기 때문에 화학적인 기초를 튼튼히 한다면 분명히 사회 많은 곳에서 필요로 하는 인재로 성장할 수 있을 것이라고 생각합니다.

 

우리나라에서는 언제쯤 노벨화학상 수상자가 나타날까요?

사실 노벨화학상을 우리나라에서 언제쯤 가져올 수 있을지는 누구도 답하기 어려운 질문입니다. 말씀 드렸다시피 화학은 기초과학입니다. 기초과학에서 오랜 시간동안 한 가지 연구를 수행하여 진보된 지식을 획득하는데 큰 기여를 했을 경우 노벨화학상이 주어지지 않나 하는 생각을 해봅니다. 그렇다면 우수한 젊은 신진 연구자를 발굴하여 그 연구자가 오랜 기간 한 가지 기초연구분야에 집중적으로 연구할 수 있는 분위기를 만들어 주어야 노벨상에 접근이 빨라질 것이라고 생각합니다. 독일의 경우 막스플랑크 연구소장들이 노벨화학상을 받는 경우가 많은데, 막스플랑크 연구소장이 처음 되는 연령이 30대 후반인 경우도 있을 정도로 잠재력 있는 젊은 학자들을 발굴하여 지원합니다. 사실 현재 우리나라의 과학 분야의 연구개발 투자규모는 결코 다른 노벨상 보유국가들에 비해서 떨어지지 않습니다. 우리나라 화학계에는 노벨상 수상자 등의 세계적인 석학들과 어깨를 나란히 할 수 있는 분들이 계십니다. 단기적인 성과를 요구하기 보다는 말씀드린 바와 같이 젊고 우수한 학자들을 선별하여 장기적으로 한 가지 기초연구분야에 집중할 수 있는 분위기가 만들어진다면 우리나라도 노벨화학상에 더 근접해가지 않을까 하는 생각을 해봅니다.

 

2019년이 가기 전에 꼭 성취하고 싶은 일은?

올 하반기에는 제가 개발한 가시광촉매가 적용된 보도블록 등의 제품이 시범시공되고 그 효과를 검증하는 일을 꼭 하고 싶습니다. 

 

대학원생, 양산연구 개발 및 사업화 파트너사 임직원들과 함께 실험실에서

마지막으로 독자 여러분께 한 말씀 부탁드립니다. 

요사이 미세먼지 등 대기환경문제가 심각한 사회적인 문제로 대두되고 있습니다. 미세먼지를 비롯한 대기환경문제는 기본적으로 과학, 그 중에서도 화학의 문제입니다. 화학자들이 그 원인을 먼저 규명해야 합니다. 미세먼지의 경우에도 그 형성 원인을 화학자들이 먼저 규명해야 합니다. 원인이 규명되면 화학자들을 비롯한 과학자들은 그 원인을 제거하기 위한 기술을 개발할 수 있습니다. 그러한 원천기술이 실제 현장에 적용될 수 있는 제품의 형태로 개발되어야 하는데, 이것은 기초과학보다는 공학 및 산업계의 몫입니다. 실제 현장에서 원천기술이 그 효능을 보이는지 다시 검증하는 것은 과학자들이 해야 할 일입니다. 궁극적으로 이러한 기술들을 발굴하고 검증하는 과정을 감시하고 그 효율이 검증되면 확대적용하는 것이 정책과 행정을 담당하시는 분들이 해야 할 일입니다. 과학, 공학, 행정 및 정책이 한 팀으로 유기적으로 움직인다면 우리가 직면한 많은 환경문제들을 해결해 나갈 수 있다는 생각을 합니다. 저는 과학자로서 사회적인 문제의 해결에 동참하며 끊임없이 산업계, 행정 및 정책을 담당하시는 분들과 소통을 하기 위해 최선을 다하려고 합니다. 그리고 저와 같은 생각을 가지는 기초과학자들이 늘어났으면 좋겠습니다. 또한 요사이 기관이나 지방자치단체의 행정직에 계시는 분들과 교류하면서 느끼는 것은, 이 분들이 실제 미세먼지 저감기술을 발굴하고 집행하셔야 되는 분들인데 과학자들과 대화를 하는 것에 아직 익숙하지 않다는 것입니다. 다른 분야의 전문가들이 소통하는 것이 환경 문제를 해결하는 데 꼭 필요하다는 점을 강조하고 싶습니다. 또한 어린 인재들이 기초과학이 사회의 많은 문제를 해결하는데 중요한 역할을 한다는 점을 인지하면서 기초과학분야에 많은 관심을 가져 주었으면 좋겠습니다. 
  
 

신환철 기자  bodo@ndnnews.co.kr

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