충남대 손영구 교수(화학과) 방에 들어가니 아인슈타인 포스터가 붙어 있었다. 화학자 방에 왜 물리학자의 포스터가 왜 붙어 있는 것일까? 지난 7월 7일 만난 손 교수는 “캐나다 밴쿠버에서 유학할 때 구입한 포스터다. 공부할 때도 그렇고 교수가 된 뒤에도 연구하다 보니 힘들 때가 있다. 그럴 때 아인슈타인이 내게는 자극이 되어주곤 했다. 아인슈타인이 내 연구를 끌어가는 힘의 원천이다”라고 말했다.

손 교수는 충북 청주에서 고교를 다닐 때 물리 성적이 좋았다. 물리학과에 진학하려 했지만 ‘취업을 생각하면 화학과가 어떠냐’며 주변에서 권해 충남대 화학과에 진학했다. 그리고 화학과에 와서도 물리학과 가까운 물리화학을 공부했다. 물리화학은 화학과 물리학의 경계에 있는 문제를 연구한다. 손 교수는 “나는 응용물리화학자”라고 자신을 표현했다.

CO₂를 에너지화하는 광촉매를 찾아라!

손 교수는 현재 이산화탄소(CO₂)와 물(H2O)을 에너지화할 수 있는 연구를 한다. 대기 중의 CO₂는 지구온난화를 부채질하는 주범. 화학자는 대기 중 CO₂를 포집, 저장하거나 에너지화하여 농도를 떨어뜨리려 한다. 손 교수에 따르면 CO₂는 매우 안정적인 물질이다. 에너지화할 수 있는 다른 물질로 바꾸기가 쉽지 않다. 이 작업을 하기 위해 필요한 게 광촉매다. 광촉매는 다른 물질로 변환되는 에너지 장벽을 낮춰 준다. 그는 “촉매를 찾아내면 환경 문제와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있다. CO₂를 에너지화할 수 있는 연구가 세계적으로 많이 진행되고 있다. 지금은 초기 단계다.

CO₂ 말고 또 다른 에너지원으로는 수소가 있다. 수소를 에너지원으로 사용하는 게 수소자동차다. 정부는 지난해 1월 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 제시한 바 있다. 손 교수는 “현재는 수소 생산을 하기 위해 대부분 화석연료를 사용한다. 이 과정에서 CO₂가 발생하므로, CO₂가 나오지 않는 수소 생산 기술이 요구된다. 그 해결책은 물을 전기분해하여 수소를 얻는 것이다. 전기화학이 필요하다. 청정한 수소를 위한 상용화 기술은 현재 초기 진입단계다”라고 말했다.

주기율표에 들어 있을 마법의 광촉매

CO₂를 분해하는 촉매는 어떻게 만들 것인가? 그가 벽에 붙어 있는 원소 주기율표를 가리켰다. 고교 화학시간에 보았던 멘델레예프의 주기율표다. 주기율표의 가운데 부분을 짚으며 ‘전이금속’들이라고 했다. 전이금속은 주기율표상에서 세로줄로 보면 3족에서 12족까지, 가로줄로 보면 4주기에서 6주기 사이에 있다. “전이금속은 각기 물질의 특성이 다르다. 순수한 단일 물질들이 촉매로서 갖는 효율이 각각 바닥이더라도, 두 개를 하이브리드(조합)하면 효율이 뛸 수 있다. 하이브리드 작업으로 효율이 높은 촉매를 찾아내는 게 나의 목표다. 이런 작업은 ‘주기율표의 3차원 블록 퍼즐 게임’이라고 말할 수 있다.” 마법의 광촉매가 어떤 원소들의 조합으로 만들 수 있을지 모르니, 퍼즐 게임이라는 것이다.

그는 한국연구재단으로부터 5년 과제를 지원받아 2016년부터 ‘광 및 광전기화학 CO₂ 에너지 전환연구’를 하고 있다. CO₂를 에너지로 바꾸는 화학자들의 연구는 두 가지로 나눌 수 있다. 대기 속의 CO₂를 모으고 저장하는 연구가 있고, 포집한 CO₂를 에너지화하는 연구가 있다. 화력발전소들은 CO₂를 쏟아내고 있고, 화력발전소를 운영하는 한국전력은 CO₂를 포집해서 에너지화하는 연구를 한다. 손 교수는 “CO₂ 포집 연구는 다른 연구자가 하고 있고, 나는 그 CO₂를 메탄올, 메탄, 개미산이나 일산화탄소로 바꿔 에너지화할 수 있는 기술을 개발하고 있다”라고 말했다.

그는 충남대 화학과 1987년 학번이다. 충남대에서 석사학위를 받은 뒤 1998년 캐나다 밴쿠버로 가서 브리티시컬럼비아대학(UBC)에서 박사학위를 했다. 박사 때 연구는 ‘이중광자 광전자분광학’. 당시 UBC에는 세계적인 분광학자들이 있었다. 손 교수는 광전자분광학을 공부한 배경에 대해 “당시 물리화학의 기초를 연구하는 사람은 거의 다 분광학을 했다. 분광학 연구와 관련해 세계적인 붐이 있었다. 1980~1990대는 분광학의 기초연구 중흥기라고 볼 수 있다”라고 말했다. 분광학에는 X선분광학, 마이크로파분광학, 광전자분광학, 레이저분광학 등 다양한 분야가 있다. 예컨대 펨토초(10-15초) 레이저분광학으로 노벨화학상(1999)을 받은 사람이 나오기도 했다. 그는 “노벨상 수상자는 미국 캘리포니아공대의 아흐메드 즈웨일 교수이고, 그의 한국인 제자들이 적지 않다”라고 말했다.

표면화학 대가의 마지막 한국 제자

손 교수가 공부한 이중광자 광전자분광학은 물질 내 전자가 채워지지 않은 궤도의 에너지 준위를 알아내는 데 유용하다. 원자 안의 전자는 핵 주변의 궤도를 회전한다. 그 궤도들은 일정한 에너지 크기(준위)를 갖고 있다. 원자들이 무수히 많이 모인 게 분자다. 분자에서는 원자들과 비교해 전자들의 궤도가 완전히 달라진다. 분자의 궤도함수는 원자의 궤도함수와 다르다. 다른 에너지 준위(궤도함수)를 갖는다. 그리고 서로 다른 두 물질이 만나는 사이, 즉 계면에서 두 물질의 에너지 준위가 잘 배열되어 있어야 계면에서 전자의 흐름이 원활할 수 있다. 보다 나은 촉매물질을 개발하기 위해서는 정렬된 에너지 준위를 정확히 아는 게 필요하다.

그는 두 개의 광자, 즉 이중광자 광전자분광학을 이용해 물질 간의 계면(interface)에서 새롭게 형성되는 에너지 준위를 알아냈다. “전자가 채워지지 않은 가상의 빈 궤도에는 아무것도 없기에, 궤도가 존재하지만 에너지 준위를 알기 쉽지 않다. 이러한 빈 궤도의 에너지 준위를 알아내기 위해 이중광자 광전자분광학을 사용한다. 가령 빈집이 있다고 하자. 빈집의 구조를 알아내기 위해서는 들어가 보면 된다. 빈 궤도도 마찬가지다. 전자를 빈 궤도에 집어넣었다가 꺼내면 전자가 빈 궤도의 정보를 갖고 나온다.”

그는 2004년 박사 학위를 받고, 2005년 미국 남부의 텍사스대학(오스틴)에 갔다. 첫 번째 박사후연구원 생활의 시작이다. 당시 지도교수가 표면화학의 대가인 존 마이크 화이트였다. 화이트 교수의 제자가 한국에 많은데 손 교수는 화이트 교수의 거의 마지막 한국인 제자였다. 손 교수는 금속표면에서 일어나는 화학반응을 연구했다. 그리고 두 번째 박사후연구원 생활은 다시 캐나다로 가서 토론토 인근에 있는 워털루대학에서 했다. 손 교수는 오스틴과 워털루에서의 두 박사후연구원 시절 연구를 이렇게 비교해 설명했다.

“오스틴에서는 기초연구였고, 워털루에서는 조금 응용 쪽으로 간 연구다. 오스틴에서는 표면화학반응이 일어나는 메커니즘을 연구했다. 실험용 초고진공 체임버(Ultra-high vacuum chamber)에 촉매물질을 집어넣고 온도에 따라 물질의 반응이 어떻게 변화하는지를 연구했다. 촉매를 만들지는 않았으나, 응용으로 따지자면 열(熱)촉매 연구라고 보면 된다. 두 번째 박사후연구원 시절인 워털루에서는 촉매를 개발했다. 그리고 2008년 9월 영남대 교수가 되었다.”

영남대의 신임 교원 시절에는 연구비가 없었다. 처음 2년은 대학이 주는 연구비가 유일했다. 태평양 저편의 유학 시절에는 고가의 장비로 연구를 했으나, 이제 그런 시절은 갔다. 연구비를 만들어가면서 실험실을 꾸려야 했다. 값싼 시스템으로 어떻게 연구를 할 수 있는지가 교수 초반기의 고민이었다. 돈이 없으니 음료수 병을 씻어서 실험을 하기도 하고, 고장난 장비를 가져와 고쳐서 쓰고 장비를 직접 조립했다. 수천만원짜리 질량분석기로 하던 일을 10만~20만원짜리 센서를 사다가 했다.

‘3책5공’ 제도의 혜택을 보다

그러다가 ‘3책5공’ 제도가 생겼다. 한 연구자가 3개의 과제까지만 과제 책임자가 될 수 있고, 공동연구 과제의 경우는 5개까지만 할 수 있다는 규정이다. 한 과학자에 연구비가 쏠리는 현상을 바로잡기 위해 한국연구재단이 도입한 제도였다. 지방대학 교수인 그는 이 ‘3책5공’ 제도의 덕을 보았는지, 과제 2개를 수주했다. 원자력 분야 과제 한 개와 ‘지역대학우수과학자’라는 이름으로 받았다. 그는 “논문은 탄탄하게 썼으나, 그전까지는 과제를 받을 수 없었다. 2개의 과제를 한국연구재단으로부터 받으면서 연구자로 도약할 수 있었다. 머릿속에서만 가지고 있었던 아이디어로 폭발적인 연구를 시작할 수 있는 계기가 되었다”라고 말했다. 그때가 2011년쯤이었다. 그리고 한국-인도 공동연구 사업 과제를 바로 수주할 수 있었다. ‘초성능 촉매의 제조 및 촉매경로의 추적’ 연구를 인도인 연구자와 같이 했다.

‘지역대학우수과학자’ 과제는 촉매, 정확히 말하면 열촉매 연구다. 그는 이때 촉매가 될 수 있는 물질 조합의 데이터베이스를 만들었다. 무엇이 촉매 효율이 높은지 모르니, 전체 주기율표를 놓고 고민했다. 그는 “처음에는 주기율표의 원소들을 조합해 다양한 촉매물질을 합성해 봤다. 촉매 연구자는 전이금속산화물의 한 부분만 보는 경향이 있다, 하지만 나는 주기율표의 원소 거의 전 부분을 살펴보았다”라고 말했다. “물질 합성은 장님 코끼리 만지기와 같다. 한 부분만 살펴봐서는 전체 그림을 그릴 수 없다. 물질 특성들이 어떻게 나오는지는 조합을 해봐야 알 수 있다. 보통 연구자는 촉매 연구에 있어서 한쪽만 파기도 하는데 그것에는 한계가 있을 수 있다. 전체적인 물질 조합의 데이터베이스를 연구자가 갖고 있어야 한다고 생각했다.”

두 개나 세 개의 물질을 조합하면 어떤 특성이 나오는지는 지금까지 수없이 많은 연구가 진행되어 왔는데, 손 교수의 그런 데이터베이스 만들기식 연구가 왜 필요할까 순간 궁금했다. 손 교수는 이에 대해 “촉매의 경우 실험실마다 실험조건이 제각각이다. 무수하게 다른 촉매의 합성조건, 촉매 반응기 형태, 지지체 위에 촉매를 분산해놓은 정도, 촉매를 분산시킬 때 물을 사용하느냐 에탄올을 사용하느냐의 차이 등등 해서 논문들을 보면, 그 실험 파라미터가 50가지 이상은 고려되어야 한다. 때문에 데이터베이스랄까, 연구 표준화를 위한 작업이 정확하게 되어 있지 않다”라고 말했다.

손 교수가 연구실에 있는 연구 포스터 하나를 가리키며 설명한다. 열촉매 연구 결과를 요약한 것으로, 2014년 관련 학회에 갖고 갔던 것이다. 미국 오스틴에서 했던 연구가 열촉매 관련이어서, 6년 전 당시는 광촉매보다는 열촉매에 관심이 더 많았다. 자동차 배기가스에는 일산화탄소가 많다. 자동차 배기가스 정화장치를 통과하면서 일산화탄소는 CO₂로 많이 바뀐다. 독성물질인 일산화탄소가 배기가스 정화장치 속의 열촉매 표면에 닿으면서 산소 원자를 만나 CO₂로 바뀐다. 손 교수의 2014년 연구는 열촉매 반응이 일어나는 온도를 낮추는 게 목표였다.

세륨(Ce·원자번호 58번) 산화물의 결정표면 모양을 바꾸는 방법으로 반응이 어떻게 달라지는가를 보였다. 같은 결정 구조라 하더라도 특정 모양에서는 반응이 일어나는 온도가 기존보다 100도나 낮았다. 낮은 온도에서도 반응이 일어나면, 반응을 만들어내는 데 필요한 에너지가 적게 들어가는 것이므로 좋다. 또한 관련 연구로 수질 환경 정화에 쓸 수 있는 수(水)처리용 촉매 연구는 성과를 거뒀고 이 또한 수백 회 인용이 되었다. 영남대에서 근무하며 지역 수처리연구회 회장으로 활동하기도 했다.

영남대 교수 시절 최초로 받았던 과제 두 개 중 하나인 ‘원자력’ 관련 연구는 란타넘족 산화물 연구다. 손 교수는 “한국에서 란타넘족 연구는 내가 가장 오래된 연구자 중 한 명일 것”이라고 말했다. 그는 충남대 학부를 마치고 1994년 1년간 대전 원자력연구원에서 방사성폐기물 분석 연구를 한 바 있다. 손 교수는 “방사성폐기물을 전기화학적으로 회수해서 보다 작은 공간에 가둬 처리한다”라고 설명했다.

란타넘족은 무엇인데 방사능 얘기를 하는 건가? 손 교수에 따르면 핵물질인 우라늄, 플루토늄은 주기율표에서 악티늄족에 속한다. 이들은 원자궤도함수에서 f궤도에 전자를 채운다. 그런데 란타넘족 원소들도 f궤도에 전자를 채운다. 그러니 란타넘족과 악티늄족의 성질, 즉 전기화학적인 거동이 비슷하다. 란타넘족 원소의 거동을 예측하면, 악티늄족 원소의 거동도 예측할 수 있다. 한·미원자력협정에 따라 우라늄과 같은 악티늄족 원소의 연구는 제약받고 있다. 그러니 안전성 측면도 있고 해서 대학 연구실에서는 방사능이 없는 란타넘족을 연구한다. 란타넘족은 흔히 희토류금속이라고 불린다. 손 교수는 영남대 시절 란타넘족 산화물을 합성, 역시 전체 데이터베이스를 만들었다. 데이터베이스를 갖고 있으면 다른 연구자에게 도움이 되겠다고 생각해서 합성을 시작했다. 그는 현재도 원자력연구기반 확충사업의 일환으로 ‘인터페이스 기능화 기술을 통한 란탄나이드원소들의 선택적 전기화학 분리거동 연구’를 하고 있다.

영남대 10년간 150편의 최다 논문

손 교수는 영남대에 2017년까지 근무하며 10년간 논문 약 150편을 썼다고 했다. 연구비와 인력 대비 논문을 많이 썼다고 생각한다고 그는 말했다. 2014년에는 영남대에서 가장 논문을 많이 쓴 교수로 선정되기도 했다. 연구 여건이 좋지 않은 상황에서, 예컨대 박사과정 학생 없이 적은 수의 석사과정 학생만 데리고 한 연구였다. 그는 “영남대 시절 주요 연구는 희토류 산화물 연구와 에너지, 환경 촉매 개발 시작을 본격적으로 알리는 연구”라고 말했다. 또한 오랜 경험을 가지고 있었던 디스플레이 형광체 개발 연구도 지속적으로 할 수 있었던 계기가 되었다.

그는 2017년 모교인 충남대로 옮겼다. 대덕연구단지가 가까이 있어 공동연구자와 교류가 쉬운 장점을 고려했다. 충남대에 와서는 학부생 세 명을 데리고 연구, 모든 학생이 국제 학술지에 논문을 쓰는 성과를 올렸다. 석사 학생도 아니고, 학부생이었다. 이들은 모두 대학원에 진학, 석·박사 통합과정을 밟고 있다. 손 교수는 이 기사와 함께 나가야 하는 자신의 사진을 찍으려 할 때 제자들과 같이 찍고 싶다고 했다. “오늘은 교수님이 주인공”이라며 정중히 거절할 수밖에 없었다.

그가 충남대에 와서 한 활동은 여러 가지가 있었다. 미래 과학자 양성 측면에서 과학고등학교 학생들의 연구 활동을 매년 지도한 게 한 예다. 그런데 언론에 보도된 그런 활동에는 손 교수 사진이 보이지 않았다. 다른 이 같으면 그런 언론보도에 자기 얼굴이 대문짝만 하게 나가길 희망했을 것이다. 그는 그렇지 않았다. 위에 언급한 연구 외에도 그는 현재 공동연구로도 다양한 연구를 수행하고 있다. 국방과 관련한 ‘로켓 추진제 개발’ ‘어뢰추적 기만기술 개발’ ‘화학작용제 광분해 제독기술 개발’, 그리고 한국전력의 ‘개미산 연료전지 촉매 개발’ 등이다.

손영구 교수는 자신의 주요 연구를 정리, 설명하며 “란타넘족 산화물 연구는 수백 회 인용됐고, CO₂ 환원 연구 관련해서는 리뷰 논문을 쓴 바 있다”라며 “에너지·환경 촉매 연구는 현재진행형이다. 조만간 큰 기대를 해도 좋다”라고 말했다. 그는 화학 연구를 “재밌다. 지치지 않았다”라며 매력을 자랑했다.