이분열 아주대 교수는 “나는 화학계의 이단아”라고 말했다. 이 교수는 “물질을 만들고 논문을 쓴 뒤 그걸 폐수통에 버리고 끝나는, 논문만을 위한 연구는 재미없다. 논문-특허-기술이전 산학협력이 중요하다고 생각한다”라고 말했다. 지난 1월 19일 수원 아주대 팔달관 5층에 있는 연구실로 이 교수를 찾아갔다. 그는 알고 보니 자연과학대 화학과 소속이 아니고, 공과대학(응용화학생명공학과) 교수였다. 이 교수는 “미국화학회지(JACS)와 같은 좋은 학술지에 논문을 내는 것도 뿌듯하다. 하지만 내가 만든 촉매가 산업계에서 활용될 때의 성취감은 그와 비교할 수 없다”라고 말했다.

이 교수는 기술이전하고 받은 특허료 수입을 공개하는 것도 그리 꺼리지 않았다. 그간의 특허료 수입에 대해 “아주대학 계좌에 들어온 게 23억원이다. 아주대가 받아서 내게 지급한 액수는 그중의 절반 정도”라고 말했다. 특허 소유권은 학교가 가지며, 대학은 특허 수입이 생기면 그중 일정액을 연구자에게 지급한다고 한다. 이 교수가 교수로 일하기 시작한 2000년대에 아주대는 기술료 수입의 80%를 교수에게 지급했고, 당시는 그에 대한 과세도 없었다. 그러나 2015년을 전후해 대학 정책이 바뀌어 지금은 수입의 65%를 교수에게 주며 세금도 내야 한다.

LG화학서 메탈로센 촉매 개발

그가 ‘화학계의 이단아’가 된 배경에는 박사학위를 받고 산업현장(LG화학)에 가서 일한 경험이 있다. 이 교수는 서울대 화학과 86학번. 학부를 졸업하고 대학원 석사과정에 진학했다. 그런데 석사 1학년 때 군병역 혜택이 사라졌다. 85학번까지는 ‘석사장교’라는 단기복무 제도의 혜택을 받았다. 석사장교 시험에 합격하면 6개월 만에 군복무를 마칠 수 있었다. 갑자기 제도가 없어지니 86학번은 선택을 해야 했다. 해외 유학을 갈 사람은 더 늦기 전에 부리나케 군대를 갔다. 이분열 학생은 ‘산업체 전문요원 제도’라는 새 프로그램에 따라 서울대에서 박사학위를 하는 걸로 방향을 정했다. 그는 정영근 교수(유기금속화학)의 지도를 받아 1995년 박사학위를 받았다. 그리고 LG화학에 가서 4년 반 근무하는 걸로 군복무를 때웠다.

이 교수는 “LG화학에서 촉매 개발을 했다. 메탈로센(Metallocene) 촉매를 개발하는 팀 소속이었다. LG화학에 있었기에 현장에서 필요한 기술이 무엇인지를 잘 안다”라며 “나는 플라스틱 제조용 촉매를 개발하는 사람이라고 생각하면 된다”라고 말했다. 그는 이어 “화학업체는 고기능성 플라스틱을 시장에 내놓으려고 한다. 그에 맞춰 나는 품질 좋고 값싸게 제품을 만들 수 있는 촉매를 개발해 왔다”라고 말했다. 한국의 대형 화학기업은 주로 플라스틱 제조로 돈을 벌고 있어 이 교수 제자들은 좋은 회사에 취업할 확률이 높다고 한다.

이 교수가 지금까지 학교에는 23억원의 기술료 수입을, 자신에게는 약 15억원의 기술료를 안겨준 특허기술들이 무엇인지 궁금했다. 이 교수는 “내 연구 분야는 크게 두 가지이다. 폴리에틸렌 제조용 촉매를 만드는 연구가 있고, 다른 하나는 이산화탄소로 고분자를 만드는 촉매 개발이다”라고 말했다.

자동차 범퍼 및 태양전지에 요긴하게 쓰이는 POE(PolyOlefin Elastomer·폴리올레핀 엘라스토머)라는 물질이 있다. 이 교수는 POE 제조용 촉매를 개발하여 특허출원했고, 2011년 롯데케미칼에 6억원의 기술이전료를 받고 특허를 넘겼다. 롯데케미칼은 이 특허를 이용해 연 20만t 생산공장 건설을 목표로, 현재 1만t 규모 ‘준공장’을 지어 시험생산을 성공적으로 하고 있다. 또 열가소성 엘라스토머라는, 고무와 같은 고분자를 만들 수 있는 획기적인 기술을 개발하여 특허출원하기도 했다. 이 기술은 2018년에 5억원을 받고 LG화학에 넘겼다.

이산화탄소로 고분자 만드는 연구

이 교수의 두 번째 연구 분야에 속하는 기술은 이산화탄소로 고분자를 만드는 것이다. 이 분야 연구로는 2008년 SK이노베이션에 6억원을 받고 기술이전한 특허가 있다. 이산화탄소를 자원으로 활용하여 고분자를 제조할 수 있는 촉매기술이다. 또 국내에서 이산화탄소로부터 대량 제조되고 있는 다이메틸 카보네이트를 활용, 새로운 형태의 생분해성 고분자를 제조하는 기술도 개발했다. 이 기술은 2014년 롯데케미칼에 5억원을 받고 넘겼다.

이 교수는 “대학교수 월급이 많은 줄 아는데 그렇지 않다. 정교수의 평균 연봉이 1억원이 안 된다. 월급을 평생 모아도 수도권에서 아파트 한 채 못 산다”라며 “물론 외부 심사에 참여하고 심사비를 받는다거나, 과제를 따면 거기에서 부수적인 수입이 있기는 하지만 크지 않다. 교수 급여가 10년째 오르지 않고 있다”라고 말했다.

이분열 교수는 1995년 LG화학연구소에서 일할 때부터 폴리올레핀(폴리에틸렌 및 폴리프로필렌의 통칭) 제조 촉매를 개발하기 시작했다. 폴리올레핀은 우리가 사용하고 있는 고분자의 절반 수준을 차지하며, 세계적으로 연간 1억t 이상 생산되는 플라스틱 제품의 기초 소재이다. “내가 LG화학연구소에 들어갔을 때 소장은 여종기 박사였다. 여 소장이 그때 두 가지 연구를 시작했다. 배터리와 폴리올레핀 연구였다. 배터리는 오늘날 LG화학의 큰 사업영역이 되었다. 폴리올레핀은 그때 ‘메탈로센’ 촉매로 만드는 방법을 연구하기 시작했고 그게 지금은 연 1조원 이상의 LG화학 비즈니스로 성장했다.”

이분열 교수에 따르면 여종기 소장이 메탈로센 촉매를 갖고 폴리올레핀을 만드는 연구를 해보자며 팀을 만들었을 때 연구소 내 분위기는 “상업화가 될까”라는 회의적인 반응이었다. 당시 여 소장이 메탈로센 촉매로 폴리올레핀을 만들자고 제안한 건 당시 미국 다우케미칼 및 엑슨모빌케미칼에서 이 사업을 시작하고 있었기 때문이다.

메탈로센 촉매와의 오랜 인연

그때까지 폴리올레핀은 치글러-나타(Ziegler-Natta) 촉매로 만들었다. 치글러-나타 촉매는 카를 치글러(독일 막스플랑크석탄연구소 디렉터 역임)와 줄리오 나타(이탈리아 토리노에 있는 폴리테크니크대학 교수 역임)가 개발했고, 이들은 이 공로로 1963년 노벨화학상을 받았다. 이 교수는 “치글러-나타 촉매로 만드는 고분자 생산량이 현재도 연 1억t이 넘는다. 고분자 생산 총량의 절반을 차지할 정도로 여전히 많이 사용된다”라고 말했다.

그런데 이 촉매를 대신할 신세대 촉매가 등장했다. 이 교수에 따르면, 1980년 독일 함부르크대학의 발터 카민스키 교수가 폴리올레핀 합성을 할 수 있는 ‘메탈로센’ 촉매를 우연히 발견했다. 그리고 미국 석유화학업체 엑슨모빌케미칼에 있던 존 이웬(J.A. Ewen)이 1987년 추가 연구를 했고, 이에 기반해 다우케미칼 등이 메탈로센 촉매(이미지 참고)를 사용한 폴리올레핀 제품을 1990년대 초에 내놓았다.

다우케미칼은 CGC(Constraind Geometry Complex)라는 새로운 형태의 촉매로 POE라는 새로운 형태의 폴리올레핀을 만들어 내놨다. 기존의 폴리올레핀 제품과는 달리 POE는 고무와 같은 탄성을 갖고 있다. 메탈로센 화합물은 어떻게 생겼을까? 이 교수는 “샌드위치를 생각하라. 그리고 두 개의 패널 사이에 금속원자가 하나 들어 있다고 보면 된다”라고 말했다.

그와 메탈로센과의 인연은 서울대 대학원 박사과정 때 시작됐다. 그는 새로운 구조의 메탈로센 화합물 합성법을 개발하여 박사학위를 받았다. “지도교수였던 정영근 교수의 1년 선배인 정낙철 교수가 있다. 정낙철 박사는 미국 예일대학에서 유학을 마치고 돌아와 당시 한국화학연구원 연구원으로 계셨다. 정 박사는 나중에 고려대 교수가 되셨다. 그분이 어느 날 서울대에 정영근 교수 연구실에 들렀다가 ‘나랑 같이 연구해 볼래’ 하며 내게 공동연구를 제안하며 아이디어를 던져준 게 ‘포슨-칸트 반응’이라는 거다. 그 반응을 갖고 만들 수 있는 화합물이 메탈로센 화합물이었다. 새로운 물질을 만들고 이렇게 생겼다는 걸 보이는 논문을 썼다. 그게 박사과정 때 미국화학회지에 나간 두 편의 논문 중 하나다.” 이분열 교수에 따르면 포슨-칸트 반응은 아주아주 느리게 일어났다. 이분열 학생은 그걸 빨리 일어나게 했고, 그걸 갖고 메탈로센 화합물을 합성하고 그 반응을 촉매반응으로 개발했다.

그리고 LG화학에 들어가서 메탈로센 화합물을 촉매로 개발하는 연구를 했다. 새로운 촉매를 만들어 공장을 2박3일간 세우고 시제품을 생산하기도 했다. 1999년 전반기의 일이었다. 시험생산을 위해 공장 라인을 2박3일이나 세웠다는 건 기업으로서는 큰 결정이다. 그럼에도 LG화학은 당시에는 메탈로센 촉매를 이용한 폴리올레핀 제품을 상업화하지 못했다. 이 교수는 “실험실에서는 메탈로센을 1g 합성하면 많이 한 거다. 나는 LG화학에서 메탈로센 촉매를 수㎏은 만들었다. 그걸 공장에 집어넣었다. 이런 경험을 나는 LG에서 해본 것이다. 그게 다른 사람과는 다르다.”

다우케미칼과의 특허 분쟁에서 승소

이 교수는 1999년 LG화학을 떠나 미국 캘리포니아대학(샌타바버라)에서 박사후연구원으로 1년6개월 일했다. 그리고 2001년 아주대 교수가 되었다. 교수가 된 뒤에도 LG화학과 계속해서 협업했다. 그리고 이 교수의 연구는 LG화학이 2008년 POE를 상업화하면서 결실을 맺었다. 이 교수는 “연구를 7~8년은 해야 한다. 그래야 유의미한 결과물이 나온다”라고 했다. 이 교수는 메탈로센 화합물을 70개 정도 만들었고 그중의 하나가 히트를 쳤다. 이 교수가 메탈로센 화합물을 만들면 이걸 LG화학이 가져다가 ‘촉매 효과’가 어느 정도인지 실험하는 식으로 협업이 진행됐다. 이 교수는 “촉매 1g으로 폴리올레핀 200㎏은 만드는 성능이 나와야 한다”라고 말했다.

다우케미칼이 ‘실리콘 브리지’가 들어간 메탈로센 촉매를 만들었다면, 이 교수가 개발한 촉매는 실리콘 브리지 대신에 벤젠고리가 들어가 있다. ‘패널’ 사이에 들어가는 금속은 ‘티타늄’으로 같다. LG가 제품을 내놓은 뒤 다우케미칼은 ‘특허권 침해’라고 소송을 걸어 양사 간에 큰 분쟁으로 번졌다. 그러나 결국 다우케미칼이 특허 분쟁에서 패했다.

LG는 현재 POE를 연 30만t 생산하고 있다. LG화학이 제품화한 POE 관련해서 이 교수는 특허료를 한 푼도 받지 못했다. 특허제도가 그때만 해도 잘 정립되어 있지 않았기 때문이다. 이 교수는 이후 메탈로센 촉매 연구를 계속해서 황이 들어간 리간드를 개발했다. POE를 만드는 새로운 촉매다. 이 특허를 2011년 롯데케미칼이 사갔다.

그다음 연구는 1-옥텐을 만드는 촉매 개발이다. 1-옥텐은 POE를 합성하는 데 쓰이는 원료로 30~40% 들어간다. 1-옥텐은 고무처럼 말랑말랑한 플라스틱을 만드는 데 필요하다. 현재 1-옥텐을 이용하여 LG화학이 30만t, SK케미칼이 25만t의 POE를 생산하고 있으며, 롯데케미칼과 한화토탈도 생산을 준비하고 있다. 1-옥텐은 전량 수입한다. 국내에서 1-옥텐을 생산하려면 새로운 촉매가 필요하다. 이 교수는 2014년 1-옥텐을 만드는 촉매 개발에 들어가 2019년에 비로소 상업적으로 활용할 만한 성능을 보이는 크롬 촉매를 찾았다. 이 교수는 “경제성이 좋은 획기적인 촉매다”라며 자랑했다.

‘1-옥텐’ 기술은 촉매 제조 전문 중소기업인 SPCI와 상업화를 위해 협업하고 있다. 촉매를 개발하면 대기업에 넘겼으나, 특허 수입을 늘리기 위해 전략을 바꿨다. 기존의 정액기술료 대신 경상기술료(running royalty) 방식으로 바꿨다. 정액기술료는 일정액을 받고 특허를 관련 업계에 판매하는 것이고, 경상기술료는 해당 업체가 그 기술을 가져다가 제품으로 만들어 판매하는 수입에 특허료를 연동시킨다. 판매액이 늘어나면 특허 수입이 증가한다. SPCI에 ‘1-옥텐’ 촉매 기술을 넘겼고, 앞으로 SPCI는 관련 매출의 3.5%를 아주대학교 산학협력단에 지불하게 된다.

이분열 교수 방에는 약한 노란빛을 띠는 플라스틱 덩어리가 있다. 큰 빵 크기 정도다. 이 교수 연구의 두 번째 큰 주제인 ‘이산화탄소로 고분자 만들기’를 보여주는 물질이다. 그는 2007년 또 다른 우수한 촉매를 찾아내 SK이노베이션과 5년간 열심히 연구하고 기술을 이전했다. 이 플라스틱은 이산화탄소 절반, 그리고 프로필렌 옥사이드라는 물질이 절반씩 들어 있는 매력적인 고분자라고 이 교수는 말했다. 물질 이름은 폴리(프로필렌 카보네이트)다. 이 물질은 흔히 ‘그린폴’이라는 이름으로 알려져 있다. SK이노베이션은 이 교수와 개발한 이 물질을 2010년 초·중반 자사 홍보 광고로 대대적으로 사용했다. 이 교수는 “공중파는 물론이고 조선일보에도 전면광고가 많이 나갔다”라고 말했다.

1g 촉매로 고분자 3㎏, 세계 기록 보유

폴리는 이 교수가 처음 만든 물질은 아니다. 일본 연구자가 1969년에 만들었다. 이 교수는 “그때는 촉매 1g을 갖고 물질 1g을 만들었다면, 나는 촉매 1g 으로 고분자 3㎏을 만들 수 있다. 월드 베스트 기록이다”라고 말했다. SK이노베이션은 이산화탄소로 만든 이 제품을 상업화하지 않았는데 이 교수는 이를 매우 아쉬워했다. 이후 이 교수는 이산화탄소 연구를 들여다보지 않았다. 하지만 정부가 ‘탄소배출 제로’를 2050년까지 이뤄내겠다고 선언한 최근의 달라진 분위기로 인해 연구를 다시 시작했다. 지난해 ‘Carbon to X’라는 과제를 만들었다. 탄소(Carbon)를 가지고 여러 가지 물질(X)을 만들어 보겠다는 접근이다. 서울대 은사인 정영근 교수 실험실 후배이기도 한 성균관대 화학과의 손성욱 교수와 같이 연구한다.

그동안 이산화탄소는 대기에 있는 걸 포집해서 쓰는 줄 알았다. 그런데 그렇지 않았다. 이 교수에 따르면, 정유업체는 이산화탄소 배출 문제를 해결해야 할 필요가 있다. 정유업계는 휘발유차가 머지않아 사라지고 배터리차나 수소차로 대체되지 않을까 우려한다. 멸종하지 않으려면 새 비즈니스를 개발해야 한다. 그중 하나가 수소경제의 핵심인 ‘수소’ 생산이다.

“현재 수소는 석유와 석탄에서 뽑아낸다. 수소를 뽑아내면 남아 있던 탄소가 이산화탄소로 나온다. 예를 들어 수소 10만t을 생산하려면 이산화탄소가 200만t 나온다. 순수한 이산화탄소다. 이걸 굴뚝을 통해 대기 중에 내보내면 탄소세를 내야 한다. 탄소세를 많이 내지 않으려면 수소 생산 과정에서 나오는 이산화탄소 배출량을 줄여야 한다. 이산화탄소를 갖고 다른 물질로 바꾸는 데 정유업체는 관심이 대단히 크다. 석유화학업체 말고, 고순수 이산화탄소를 배출하는 업종은 소주 회사가 있다. 옥수수 전분을 발효시킬 때 술의 원료가 되는 에탄올과 함께 이산화탄소가 많이 나온다.”

그는 기존의 촉매가 갖는 문제를 해결하고, 또 그 촉매를 갖고 만들 물질의 ‘용도 개발’을 하는 일을 앞으로 해야 한다고 말했다. 과제는 지난해 말 시작해 앞으로 4년간 하게 된다.

이분열 교수는 강원도 춘천 출신. 그는 “화학이 재밌다. 분자 세계에서 어떤 건 깨달음을 얻는 데 20년이 걸리기도 한다. 화학은 무엇보다 세상을 유용하게 하는 물질을 만든다는 점에서 보람이 있다”라고 말했다.