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| ▲ photo 한준호 영상미디어 기자 |
액자의 옅은 하늘색 프레임 아래쪽에는 우표가 붙어 있다. 과거 영국 정부가 발행한 패러데이 기념우표다. 이 교수는 “연세대 화학과에 계셨던 김장환 교수님이 주신 선물이다. 김 교수님이 화학 관련 우표를 수집하셨는데, 퇴직하면서 ‘당신은 전기화학을 하니 전기화학자 기념우표가 좋겠다’며 주셨다”라고 말했다. 액자에 담긴 또 한 사람은 발터 네른스트. 독일 이론물리학-이론화학자다. 이름이 낯설어 지료를 찾아보니 네른스트는 1920년에 노벨화학상을 받았다.
이원용 교수는 “나는 전기화학을 연구한다. 전기화학에서도 전기분석화학을 연구한다. 전기분석화학에서도 특정 성분을 분석하는 바이오센서, 전기화학발광센서를 개발한다”고 말했다. 전기화학은 전기에너지와 화학반응의 상관관계 및 응용에 관한 연구. 이 교수는 “지속가능한 발전을 가능케 하기 위해 에너지와 환경오염 문제를 해결해야 한다. 화학이 이 문제들을 해결할 수 있는 센트럴 사이언스(central science·중심 과학)다. 그리고 전기화학자가 그 일을 한다”고 말했다.
배터리는 전기화학자의 영역
배터리는 일반의 눈에 가장 먼저 들어오는 전기화학의 분야다. LG화학과 같은 화학기업은 가솔린자동차를 대체하고 있는 전기자동차에 들어갈 배터리 개발에 안간힘을 쓰고 있다. 전기자동차에는 리튬배터리가 많이 사용된다. 이 교수는 “현대자동차가 전기차와 수소연료차를 개발하는데, 문제는 배터리 전극이다. 전기화학반응을 빨리 일어나게 하기 위해서는 우수한 촉매가 필요하다. 화학반응이 일어나려면 일종의 언덕을 넘어가야 한다. 촉매는 그 언덕의 높이를 낮추는 역할을 한다. 적은 에너지를 가해도 반응속도가 빨라지게 한다”라고 말했다.
촉매에 주로 쓰이는 백금은 비싸다. 그래서 값싼 전극물질을 개발하는 연구들을 한다. 이 교수는 “효율성이 좋은 연료전지를 개발하면 자동차 에너지 문제는 해결된다. 이런 면에서 전기화학자가 중요한 기여를 해야 한다”라고 말했다. 그에 따르면 대학교 화학과와 화학공학과는 이제 경계가 거의 없어졌다. 화학과 출신이 좀 더 기초적인 연구를 하기는 하지만 두 학과가 유사해졌다는 말이다.
전기화학자가 도전하고 있는 또 다른 문제는 온실기체인 이산화탄소다. 이산화탄소는 화석연료(석유·석탄)를 태울 때 나온다. 우리가 승용차를 끌고 다니고 가정에 전기를 공급받기 위해서 주로 화석연료를 사용한다.(화력발전소가 화석연료를 쓴다.) 이 교수는 “화학자는 대기 중 이산화탄소를 포집해서 유용한 물질로 바꾸기 위한 연구를 많이 하고 있다. 아직 기대만큼 성과는 없다”라고 말했다. 이산화탄소를 알코올로 바꾼다든지 하는 아이디어는 이미 나와 있다고 했다.
이 교수는 자신이 전기화학 분야에서도 전기분석화학자라고 했다. 배터리, 환경 외에 전기화학의 또 다른 영역이 전기분석화학이다. 분석화학은 세상에 존재하는 물질에 어떤 종류가 얼마만큼 존재하느냐를 본다. 이 교수가 테이블 위의 커피잔을 가리켰다. 취재하러 온 나를 위해 준비한 아메리카노 커피다. 커피 안에 어떤 물질이 얼마만큼 들어 있는지, 카페인은 얼마인지 알아내는 방법들이 있다는 것이 그의 설명이다. 또 혈액 속에 특정 질병과 관련된 성분이 얼마나 있는지를 보는데, 이때도 전기화학적인 방법을 사용한다고 한다.
혈당분석기도 전기분석화학 응용
전기분석화학의 대표적인 응용 사례는 혈당측정기다. 핏속의 포도당, 즉 글루코스 함유량을 알기 위해 생화학촉매를 사용한다. 촉매로 쓰이는 효소는 핏속의 많은 성분 중에서 글루코스만 선택적으로 골라 반응(산화)이 일어나게 한다. 산화반응이 일어나면 과산화수소(H2O2)가 나오는데, 과산화수소가 생겼는지를 전기화학적인 방법으로 본다. 즉 전류값을 측정하면 핏속에 글루코스, 즉 포도당이 얼마나 있는지 알 수 있다. 그게 당뇨병 환자가 들고 다니는 혈당측정기의 원리다. 측정기 안에 작은 배터리가 들어 있어 혈당측정기를 구동시킨다. 일종의 전기화학 장치가 안에 들어 있는 것이다. 이 교수에 따르면 강의 오염 정도를 측정하는 용존산소량 측정기, 콜레스테롤 측정기도 모두 전기화학자들 연구의 산물이다.
전기화학자가 연구하는 센서는 화학(chemical)센서와 바이오(bio)센서로 나눠 볼 수 있다. 화학센서는 화학물질을, 바이오센서는 생체분자를 검출한다. 케미컬센서가 한 가지 성분을 검출하는 데 반해, 바이오센서는 의학적으로 중요한 10여가지 성분, 혹은 인자를 검출한다. 이 교수는 바이오센서 연구로 2011년 대한화학회의 최규원 학술상을 받은 바 있다. “연세대 교수로 2000년에 왔다. 조교수 시절부터 10년간 열심히 연구했다. 최규원학술상은 전기화학자를 대상으로 한다. 통상 50대 중후반 연구자들이 받는데, 나는 40대 중반의 나이에 받았다. 남들에 비해 좀 일찍 받았다.”
이원용 교수가 센서 사진을 보여주는데, 직사각형 모양의 ‘포스트잇’과 비슷하다. 직사각형 끝부분에 있는 작은 원 모양이 센서의 핵심 부위다. 그곳이 백금과 같은 물질로 만든 전극이고, 전극 표면에는 물질이 코팅되어 있다. 바이오센서의 경우는 그 물질이 단백질이나 효소일 수 있다. 예컨대 코로나19 바이러스 감염 여부를 검사하기 위해 감염의심자를 대상으로 항원·항체 검사를 하는 코로나19 바이오센서 역시 전극 표면에 수용체(receptor) 단백질이 붙어 있다. 그러면 이 수용체에 코로나19 바이러스 항체가 와서 결합한다. 코로나19 바이러스가 몸에 침입하면 인체는 바이러스에 대항하는 항체를 만드는데, 항체가 몸속에 있다는 건 코로나19 바이러스 침투의 흔적인 셈이다. 항체는 피에 들어 있으며, 피를 뽑아 한 방울을 바이오센서에 떨어뜨리면 수용체에 결합한다.
이원용 교수는 “4년 전에 좋은 논문을 썼다. 바이오칩 관련 가장 좋은 학술지(Biosensors and Bioelectronics)에 연구가 실렸다. 당화혈색소(HbA1c)를 검출하는 바이오센서 연구였다”고 말했다. 당뇨병 환자들에게 중요한 당 수치를 정확히 측정하기 위해서는 공복에 측정하라고 한다. 음식을 먹으면 핏속의 포도당 농도가 달라질 수 있기 때문이다. 이 교수에 따르면, 당화혈색소 농도는 포도당 농도와는 달리 시간에 따라 크게 변하지 않는다. 일정하다는 장점을 갖고 있다. 이에 따라 내과의사는 특정인이 당뇨병 환자인지를 정확히 판단하기 위해 포도당 농도뿐 아니라 당화혈색소 농도를 중요한 인자로 본다. 이 교수가 미국에 출원해 확보한 특허들도 이 당화혈색소 검출 바이오센서 관련 특허들이다.
많은 주목받은 페놀 바이오센서
그의 페놀 바이오센서(2003) 연구도 많은 주목을 받은 바 있다. 새로운 생체분자 고정화 방법 연구로 학자들 사이에서 인용이 많이 되었다. 이 분야에 세계에서 두 번째로 많이 인용된 논문이라고 했다. 페놀은 공장폐수의 주 화합물이다. 1991년 경북 구미 소재 두산전자가 낙동강에 페놀을 방류한 사건은 아직도 많은 이가 기억한다. 페놀 바이오센서는 그가 개발한 ‘티타니아 졸-겔’법을 적용했다. ‘티타니아 졸-겔’법은 생체분자를 전극 표면에 고정하는 새로운 방법이다. 수용체를 전극 표면에 고정하는, 즉 박막을 만드는 방법으로는 실리케이트(규산염)가 많이 알려져 있다. 실리케이트 유리막을 전극 표면에 만드는 것이다. 하지만 이 교수는 유리막 대신 TiO2(이산화티타늄), 즉 티타니아를 사용해 박막을 만들었다. 티타니아와, 나피온 이온교환고분자로 된 복합막을 만들었다. 티타니아 유리막을 만들고 막 안에 생체분자, 즉 수용체를 집어넣었다.
‘티타니아 졸-겔’법이라는 용어 속 ‘졸(sol)’과 ‘겔(Gel)’은 학창 시절에 들었던 용어다. ‘졸’은 용액이라는 뜻인 영어단어(solution)의 약자이고, 졸 상태보다 좀 딱딱해서 반고체쯤 되는 게 ‘겔’이라고 기억한다. 아이들 군것질거리 중에 ‘쫀득이’라고 있는데, 그게 ‘겔’ 상태쯤 된다.
즉 겔 상태로 건조시켜 유리막처럼 만든다는 설명이다. 그렇게 생체분자를 전극에 고정시킨 결과 재사용이 가능하고 안정성을 더 높일 수 있었다고 한다. 이 교수는 “TiO2 유리막을 만들어 효소를 고정시킬 수 있다, 즉 바이오센서를 만들 수 있다는 연구였다. 검출하려는 물질은 얼마든지 바꿀 수 있다. 페놀 외에도 음주측정용 에탄올 검출 센서, 혈당 측정 센서로 만들 수 있다”고 말했다.
바이오센서의 전극에 있는 수용체 물질에 생체분자가 결합했는지 여부는 어떻게 확인할 것인가? 이 교수는 그 결합을 볼 수 있는 다양한 방법도 개발했는데 그중 하나가 전기화학발광센서(ECL·Electro generated chemi luminescence) 라고 했다. 전기화학발광센서는 바이오센서와 함께 오래도록 그의 연구의 양대 축을 이뤘다. 이 교수는 “나는 전기화학발광 연구 분야에서 한국에서도 그렇고, 세계적으로도 초기 연구자”라고 말했다. 전기화학발광을 위해 그가 사랑한 물질은 루테늄과 루미놀이다. 루테늄은 원자번호 44이고, 백금족에 속하는 희귀한 전이금속이다. 루미놀(C8H7N3O2)은 적당한 산화제를 넣으면 푸른색 빛을 내는 화학발광물질이다.
루테늄 착화합물 연구는, 연세대 화학과 1983년 학번인 그가 연세대 대학원 석사과정 때부터 시작했다. 루테늄 착물을 합성해서 수소화반응을 시키는 무기물 촉매를 연구했다. 발광은 아니고, 화학반응을 빠르게 하거나 선택적으로 일어나게 하는 촉매 연구였다.
그런데 착물(착화합물)은 무엇일까. 이 교수에 따르면 금속 원자가 있고, 금속 주변에 유기화합물인 리간드가 방향성을 갖고 결합되어 있는 게 화합물이다. ‘리간드’는 또 무엇일까. 리간드는 이온이나 분자로, 가운데에 있는 금속 원자에 방향성을 갖고 결합하는 이온이나 분자를 가리킨다. 이 교수는 “석사 때 한 일은 루테늄에 기반한 전이금속 착물을 합성하고 그것의 촉매 기능을 본 것”이라고 다시 설명했다. 루테늄 착물은 비교적 합성도 잘되고 반응속도가 빠르고 가격에서도 장점이 있다. 이원용 교수는 “많은 화학자가 촉매 개발로 노벨상을 받았다. 화학은 상상하면 만들수 있어야 한다”라고 말했다.
박사 공부를 하러 1990년 미국 어바나-샴페인 일리노이대학(University of Illinois at Urbana-Champaign· UIUC)에 가서도 루테늄을 갖고 연구했다. 그때는 촉매가 아니라 전기화학발광을 연구했다. 그의 연구주제 중 두 번째 큰 덩어리인 전기화학발광을 박사과정 때 시작한 것이다. 당시 지도교수는 티머시 니만. 1995년 1월 박사학위를 받았는데 논문 제목은 ‘루테늄 전이금속 착물을 이용한 전기화학발광연구’였다. 이 교수는 “화학 발광을 이용해서 분석화학 쪽으로 응용하는 연구를 했다. 아미노산 분석을 초고감도로, 아주 간단하게 할 수 있는 방법을 찾아냈다”고 말했다. 그는 신경전달물질 분석에 이 방법이 도움이 된다고 했다. 그의 박사 논문은 미국분석화학회지에 실려 200회 이상 피인용을 기록했다.
일리노이대학(어바나-샴페인)은 이공계가 매우 우수해 공대는 미국 내 톱3에 들고, 다른 학과들도 톱5 안에 든다고 한다. 한국의 공대 교수 중에도 일리노이대학(어바나-샴페인) 출신이 많으며, 특히 서울대 화학부 교수는 어바나-샴페인에서 박사한 사람이 가장 많다고 했다. 연세대 화학과도 교수 21명 중 3명이 어바나-샴페인 출신이라고 했다.
‘대학연구윤리협의회’ 산파
그는 시카고 인근의 어바나-샴페인 일리노이대학을 마친 후 박사후연구원으로 일하기 위해 캘리포니아의 버클리대학으로 갔다. 이곳의 유일한 전기화학자 마르친 마에다(Marcin Majda) 교수 연구실에 들어가기 위해서였다. 이 교수는 “루테늄 착물과 인연이 있는지, 루테늄 착물을 새롭게 디자인하는 연구를 했다”고 말했다. 공기와 물 사이의 계면에서 전자 전달이 어떻게 되는지를 보는 기초연구였다. 루테늄 착물의 분자 구조가 바뀜에 따라 전자 전달 속도가 어떻게 바뀌는지를 보았다. 이 교수는 “어려운 연구였다. 공기와 물 사이의 계면에서 일어나는 전기화학적인 현상을 볼 수 있는 방법이 별로 없다. 선형(linear) 디바이스를 만들어 그걸 계면에 대고 측정할 수 있는 시스템을 만들었다”고 말했다. 가령, 생체 내 세포들이 듬성듬성 떨어져 있을 때 이들 간의 전자 전달 현상이 어떻게 일어나는지, 어떤 요인에 의해 속도와 양이 달라지는지를 화학자는 보고 싶어 한다. 이는 전기 배터리 연구와도 연결된다. 배터리에 어떤 물질을 넣었을 때 전자 전달 현상이 어떻게 일어나고, 전지의 효율이 어떻게 되겠다는 기본적인 설명을 할 수 있게 된다. 이런 이론적인 설명을 하기 위해 잘 설계된 모델 시스템을 만들어 연구했다고 이 교수가 설명했다.
루테늄 착물의 실제 응용은 빛 방출이다. 전기를 가하면 루테늄 2가 화합물이 3가 화합물로 산화된다. 산화된 게 만나 화학적으로 충돌하면 2가 화합물로 다시 돌아간다. 2가 화합물 내 전자들이 들뜬 상태에서 바닥 상태로 내려올 때 광자를 방출한다. 이때 나오는 광자, 즉 빛의 파장은 들뜬 상태와 바닥 상태의 에너지 준위 차이에 달려 있고, 빛이 얼마나 나오느냐는 화학반응하는 환원제 등의 반응물이 얼마나 들어 있느냐에 달려 있다.
전기화학발광 관련 연구 성과를 인정받아 그는 버클리에서 박사후연구원으로 일할 때 ‘리뷰 논문’을 쓴 적이 있다. 리뷰 논문은 특정 분야의 연구 현황과 이슈들을 소개하며, 해당 분야의 권위자가 쓰는 게 관례다. 당시 쓴 리뷰 논문은 60쪽 분량이었다. 이 교수는 “전기화학발광 연구는 2010년 이전에 많이 했다”라고 말했다.
이 교수는 “내가 궁극적으로 관심 있는 연구가 있다. 탄수화물과 단백질과의 상호작용, 즉 결합세기를 쉽게 측정할 수 있는, 새로운 전기화학적인 방법을 개발하는 연구다. 지금 하고 있고, 은퇴할 때까지 연구할 계획이다”라고 말했다. 이 연구는 콜레라 독소(toxin)나 생화학무기를 쉽게 검출하는 걸 목표로 한다. 연구는 2008년부터 시작했는데 기초(fundamental) 연구다. 2015년에 논문을 한 편 발표했다.
이 교수는 학교에서 보직을 맡아 일하느라 한동안 분주했다. 그동안 연구처장과 산학협력단장으로 일하면서 학교 연구 인프라 확보에 힘썼고, 연구윤리 관련해서도 상당한 역할을 했다. 사단법인 ‘대학연구윤리협의회’를 주도해서 만들었고 관련 책도 썼다. 교육부 연구윤리자문위 위원으로도 일한다.
이원용 교수는 연세대 화학과의 전통을 하나 얘기해줬다. 은퇴하는 교수가 수천만원의 장학금을 대학원생을 위해 기부한다는 것이다. 그에게 우표 이미지가 든 액자를 준 선배 퇴직 학자도 기부금을 학과에 전달했다고 했다. 그도 8년 후에는 정년이어서 장학금 전달하려면 돈을 모아야 한다고 했다. 은퇴자가 선물을 받기보다는, 선물을 남기고 가는 연세대 화학과의 전통에 놀랐다. 이런 생각이 한국 사회 여러 곳에 확산되면 좋겠다 싶었다.
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