ⓒphoto 양수열 영상미디어 기자
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이재범 충남대 교수(화학과)는 2010년 부산대 교수로 일하던 어느 날 원소주기율표를 바라보았다. 그때까지 해왔던 것과는 다른, 자신만의 독특한 뭔가를 찾고 싶었다. 그간은 금, 은, 카드뮴텔루라이드(CdTe)라는 물질을 갖고 나노입자를 합성해 왔다. 그런데 금은 비싸서 여유 있게 사서 쓸 수 있는 형편이 아니었고, 카드뮴은 독성금속이라서 인체에 쓸 수 없었다.

화학자는 주기율표 속에 있는 물질을 보면서 상상의 날개를 편다. 주기율표에는 118개의 원소가 있다. 이들은 각기 특징을 갖고 있으나, 서로 다른 물질이 만났을 때 생기는 물성은 완전히 다를 수 있다. 화학자는 기적의 물성을 찾아 주기율표를 보면서 꿈을 꾼다. 지난 7월 29일 대전 충남대의 연구실로 찾아갔을 때 그는 연구를 묻는 나에게 ‘Fe’라는 글자를 써서 보여줬다. 그는 “이것저것 많이 연구를 했으나, 철(Fe)을 갖고 내 연구를 요약해 보겠다”라고 말했다.

이 교수는 “나는 나노입자 합성을 한다. 그리고 합성한 나노입자를 바이오에 응용하는 게 주요 관심사다. 주기율표를 보고 철을 건드리기 시작했고 이후 지난 10년간 철을 갖고 나노입자를 만들어왔다”고 말했다. 철을 주기율표에서 골라낸 이유와 관련, 2009년과 2010년 새로운 연구를 찾던 그의 실험실(Lab)에서 가장 많이 만든 게 철 계열 물질이었던 점도 작용했다고 했다. 또 초전도체 관련 논문 몇 개를 보다 보니 그게 철과 관련이 있다는 걸 안 것도 계기가 됐다. 철로 양자점(퀀텀닷·Quantum Dot)을 만들 수 있겠다는 생각을 했다. 그게 양자점 연구의 시작이다.

철을 주기율표에서 골라낸 이유

나노입자는 크기가 1~100㎚(나노미터·1㎚는 10-9m)이고, 동그란 모양이다. 그가 철을 갖고 만들어온 나노입자는 Fe3O4(산화철), FeSe(양자점), FeCo, FeNi, FePt(이상 촉매) 등이다. 산화철(Fe3O4)로는 생체 내 약물전달(drug delivery)과 영상촬영(imaging)에 쓸 수 있는 연구를 하고, FeSe로는 양자점을 만들었으며, FeCo, FeNi, FePt는 에너지 연구와 화합물질 합성 촉매로 쓴다.

이 교수는 자신의 많은 연구 중에서도 주목받은 성과로는 “마오시앙 박사와 2014년 JACS에 낸 논문이 있다”라고 말했다. JACS(Journal of American Chemical Society·미국화학회지)는 화학자가 자랑스러워하는 학술지 중 하나다. 그의 논문이 JACS에 실린 이유는, Fe 계열 원소를 갖고 양자점을 처음 합성했기 때문이다. Fe와 Se(셀레늄·원자번호 34)으로 만든 ‘FeSe 양자점’이었다. 이 교수는 “당시는 카드뮴(Cd)과 납 계열로 양자점을 만들어왔다. 그러나 카드뮴이나 납 계열은 유독물질이라서 바이오에 쓰지 못한다. 그래서 궁극적으로 인체에 사용할 수 있는 양자점을 만들어 보자고 했고, 철로 그 일을 했다. 그런 점이 JACS 에디터로부터 좋은 평가를 받지 않았나 생각한다”라고 말했다.

2015년에 이 교수의 실험실에서 박사학위를 받고 돌아간 마오시앙 박사는 “똑똑한 학생”이었다. 양자점 연구는 거의 4년이 걸렸다. 양자점이 한동안 제대로 안 만들어졌기 때문이다. 형광효율이 낮기도 했다. 그는 “학생과 많이 싸웠다”고 했다. 토론을 많이 했다는 말로 들렸다. 이 교수는 “조금만 더 해보자”라며 학생을 달래서 연구를 마칠 수 있도록 했다.

이야기 보따리가 열리니 궁금한 게 많다. 양자점, ‘퀀텀닷’은 무엇인가? 양자점이란 용어는 들어봤는데, 제대로 이해하지 못하고 있다. 이 교수는 “발광하는 반도체라고 생각하면 된다. 반도체를 보통 10㎚ 이하 크기로 만들면 발광한다. 이 크기가 양자역학적인 특징이 나오는 지점이다. 그래서 양자점, 영어로는 퀀텀닷이라고 한다. 형광을 강하게 내는 양자 알갱이가 양자점이다”라고 말했다.

빛은 어떻게 해서 나오는지 묻자 이 교수가 “그림 그리는 걸 좋아한다”면서 메모지에 그림을 그리며 양자점의 발광 원리를 설명하기 시작했다. “양자점 내에는 ‘에너지 밴드’라는 게 있고, 에너지 밴드는 전자들이 어떤 에너지를 갖고 머물러 있는 상태다. 전자 한 개를 보자. 전자가 가장 낮은 에너지 상태, 즉 ‘바닥상태(ground state)’에 있다. 외부에서 에너지, 즉 빛을 hv(h는 플랑크상수, v는 진동수)만큼 쪼이면 전자가 높은 궤도(들뜸 상태·excited state)로 올라간다. 그리고 얼마 후 바로 원래 바닥 상태로 돌아온다. 빛을 받아 추가된 에너지(hv)의 일부는 전자가 바닥 상태로 떨어질 때 방출된다. 이때 일부는 열로 바뀌고, 그 나머지는 빛에너지(hv′)의 형태로 물질 밖으로 나온다. 이때의 빛(hv′)이 형광이다. 형광이 나오는 물질을 양자점이라고 한다. 양자점이 아닌 경우에는 형광 빛으로 나오지 않고, 대부분 열 에너지로 바뀌고 만다.”

양자점은 형광이 강하게 나오기에 QLED TV의 광원으로 사용한다. 바이오 부문에서는 이미징(사진촬영)에 사용한다. 생체 내부 촬영에 유기형광염료라는 게 현재 널리 사용되는데 단점이 있다. 빛이 금방 사라진다. 몸에 들어가고 10~15분 지나면 약해진다. 들여다보고 연구를 하고 있는데, 빛이 사라지니 마음이 급하다. 반면 양자점은 빛이 나오는 시간이 길다. 실험실에서 12시간 지속되며, 거의 무한대 시간으로 발광하게 할 수 있다.

FeSe 양자점은 어떻게 만들까? 실험실에서 만든다. Fe 전구체와 Se 전구체 물질을 준비하고, 반응이 안정적으로 일어나게 하는 ‘안정제’, 그리고 용매(물, 올레일아민·oleylamine)를 플라스크에 넣는다. 그리고 70도의 불로 4~5시간 가열하면 분말을 얻을 수 있다. 보기에는 가루이나 고체 결정이다.

동물 유방암 진단 이미징 연구

FeSe 양자점을 갖고 동물 유방암 진단 이미징을 하는 연구는 권준영 박사(현재 카이스트 박사후연구원 과정, 케임브리지대학 화학과 연수 예정)와 했다. 권 박사가 석사 시절인 2015년에 시작한 일이다. 부산대 김창석 교수(나노과학기술대학 광메카트로닉스학과), 국립암센터의 김석기 박사와 협업했고, 논문은 2019년 ‘사이언스 어드밴시스’에 나왔다.

양자점은 유기형광염료와 비교할 때 지속시간이 길다는 장점 외에, 피부 속에 더 깊숙이 파고들 수 있다는 추가적인 장점이 있다. 원리는 다음과 같다.

<그림 참조> 바닥 상태인 전자가 에너지를 받아 들뜸으로 올라갔다가 바닥으로 떨어질 때 빛, 즉 광자를 내놓는다고 했다. 가령 365㎚ 길이 파장의 빛을 가하면 전자가 바닥에서 들뜸 상태로 올라간다고 하자. 그런데 같은 일을 하기 위해 365㎚가 아닌 다른 파장의 빛을 사용할 수도 있다. 800㎚ 길이의 파장은 365㎚ 파장의 빛보다 에너지 크기가 절반이다. 이 경우 800㎚ 파장의 빛을 두 번 쪼이면, 2단계에 걸쳐 365㎚ 파장이 올라간 궤도만큼을 올라갈 수 있다. 또 1080㎚ 파장의 빛을 사용할 수 있다. 이 경우는 365㎚ 파장의 빛이 한 번에 간 거리를, 세 번에 걸쳐 올라간다.

그러면 두 가지가 달라진다. 365㎚ 파장과, 800㎚ 파장, 그리고 1080㎚ 파장을 보자. 365㎚ 파장은 강한 자외선이고, 800㎚ 파장의 빛은 적외선이며, 1080㎚ 파장의 빛은 근적외선이다. 365㎚ 파장의 빛은 피부에 해롭다. 에너지를 많이 갖고 있기 때문이다. 자외선에 노출되면 피부가 손상된다는 말을 우리는 많이 듣는다. 반면 다른 두 파장의 빛은 에너지가 크지 않아 피부를 손상시키지 않는다.

피부 깊숙이 파고드는 양자점의 장점

또 다른 장점이 있다. 파장이 길면 빛이 피부 속에 더 깊숙이 들어간다. 그러니 피부 속에 피부암이 있는지를 긴 파장의 빛이 짧은 파장보다 더 잘 알아낼 수 있다. 조직 파괴가 없고 더 깊숙이 생체 내부를 촬영해서 볼 수 있으면 좋다. 이 연구는 쥐를 갖고 동물실험을 했다. FeSe 양자점으로 생체 이미징을 할 수 있다는 걸 성공적으로 보였다. 인체 실험을 하지는 못했다. 이 교수는 “사람을 대상으로 실험하려면 물질이 안전한지를 식약처에서 승인받아야 한다. 비용이 많이 필요하다. 현재 유기형광염료는 상업화되어 있으나 양자점 형광염료는 제품으로 나와 있는 게 없다. 국내 시장이 작기 때문에 관련 업체도 관심을 보이지 않고 있다”라고 말했다. 이 때문에 최근 소부장(소재부품장비) 국산화에 관심이 많은 정부가 연구비를 지원하고 있다. FeSe 나노입자도 소재국산화와 대량생산화를 위해 최근 정부로부터 연구비를 투자받았다.

FeSe 양자점과 관련해서 이재범 교수 그룹이 또 준비하는 게 있다. 2014년 JACS 논문 이후의 연구다. FeSe로 양자점을 만들 수 있다는 걸 보인 뒤에 이 물질이 어떤 특성을 갖고 있는지를 살펴보다가 흥미로운 현상을 발견했다. 즉 FeSe 양자점이 현재 업계가 사용하는 인화인듐(InP), 카드뮴 계열이나 납 계열의 양자점과 다른 특성을 갖고 있다는 걸 알았다. 기존 양자점이 ‘크기 의존적인(size-dependent)’ 특성을 갖고 있다면, FeSe 양자점은 ‘들뜸 파장 의존성(excitation-dependent)’을 갖고 있었다.

기존 양자점은 R(붉은색), G(녹색), B(파란색) 세 가지 색을 얻기 위해서는 양자점 크기를 각각 다르게 만든다. 가령 양자점 지름 2㎚, 3㎚, 4㎚, 5㎚인 것들로부터 각기 다른 빛이 나온다는 것이다. 그런데 다른 방식으로 빛을 낼 수가 있다. 양자점 크기를 같게 하되, 투입하는 에너지를 다르게 하는 것이다. 이를 전문용어로 표현하면 ‘들뜸 파장 의존성’이라고 한다. 이게 이 교수 그룹이 FeSe 양자점에서 찾아낸 것이다.

이 교수는 “논문을 찾아 보니, 다른 연구자가 탄소의 격자구조인 그래파이트로 만든 양자점에서 그런 특징을 보았더라. 우리는 이런 특징을 FeSe에서 처음 발견한 데 의미가 있다”라고 말했다. 그는 “디스플레이용 양자점의 크기가 수㎚ 크기로 작아져 있다. R·G·B별로 양자점 크기를 다르게 만들어야 하는 현재 방식으로 하면 양자점의 크기(선폭)를 더 작게 하는 데는 한계가 있다. 이걸 극복하는 방식으로 ‘들뜸 파장 의존성’을 쓸 수 있다고 생각한다”라고 말했다.

그는 지난 수년간 FeSe 양자점이 왜 ‘들뜸 파장 의존성’을 갖는지, 그 이유를 설명하려고 애써왔다. 그리고 이 ‘들뜸 파장 의존성’의 광학 물리적 특성을 분석하는 논문의 막바지 작업을 하고 있다. 이를 설명하는 4가지 가설이 있다. 첫째는 양자점의 안정성을 얻기 위해 붙이는 잔털 모양의 기능기 때문일 수 있다는 주장이다. 두 번째는 FeSe 양자점이 형성하는 독특한 격자구조의 영향 때문이라는 가설이다. 그 외에 카이럴구조(오른손·왼손 입자를 구분하는 성질) 때문이라는 주장도 있다. 이 교수는 독특한 격자구조로 인해 ‘들뜸 파장 의존성’이 나오는 게 아닌가 하는 쪽으로 결론을 내려가고 있다. FeSe 양자점은 ‘판상형’ 격자구조인데, 판이 하나 있으면 새로운 판이 그 위에 자라고, 또 하나가 그 위에 자라고 하는 식으로 구조가 만들어지며, 각각의 판이 서로 약간 비틀어져(twisted) 있는 구조다. 이런 판상형의 격자구조가 FeSe 양자점에 독특한 물성을 만들어내는 게 아닌가 보고 있는 것이다.

그리고 그는 철을 이용한 광촉매 연구도 2019년에 시작했다. 한국수력원자력 과제다. 수소의 생산비를 낮출 수 있는 방법을 찾는 연구다.

이재범 교수는 충남대 화학과 91학번이다. 1999년 6월 영국의 북해변 도시 애버딘에 있는 ‘로버트고든대학교’로 박사 공부를 하러 갔다. 이 교수는 “에너지기업인 쉘의 3년 장학금을 받고 레이저코팅과 전기분석화학을 연구했다. 대학 은사님이 장학금을 소개해 주셔서 유학갈 수 있었다”라고 말했다. 애버딘은 스코틀랜드의 중심도시인 에든버러에서 북쪽으로 차로 1시간 거리다. 학교 이름에 들어가 있는 로버트 고든이라는 인물은, 무역으로 부를 이룬 17세기 스코틀랜드 상인. 영국 대학의 학제가 미국이나 한국과 달라서 그런지, 그는 학위를 3년6개월 만에 받았다. 2003년 10월이었다. 그리고 이때를 전후하여 박사후연구원으로 가서 연구하고 일할 곳을 찾았다. 미국 오클라호마대학의 러시아계 화학자인 니콜라스 코토브 교수가 대서양을 건너오라고 했다.

“니콜라스 코토브 교수를 만난 게 나의 인생에서 큰 변곡점이었다. 그는 나노입자 합성 분야의 대가다. 러시아국립대학을 졸업하고, 미국에 박사후연구원으로 공부하러 왔다가, 오클라호마대학에 조교수로 일하기 시작했다. 나는 그의 첫 한국인 제자다. 중국인 박사후연구원과 둘이 있었다. 중국인 연구자는 당지용이라고 지금은 중국 나노 합성 분야의 일인자다. 베이징의 국가나노연구센터에서 일한다.”

결핵 진단 센서도 연구 중

오클라호마로 간 지 몇 달 안 돼 이재범 교수는 짐을 싸야 했다. 코토브 교수가 미국 중서부 미시간대학 화학공학과 교수로 옮겼기 때문이다. 앤아버에서 4년2개월을 지냈다. 이 교수는 “앤아버에서는 나노입자를 연구했다. 금, 카드뮴 계열 양자점을 연구했고, 플라스모닉스(Plasmonics)에 당시 관심이 있었다”라고 말했다. 그는 “플라스모닉스는 나노입자 표면에서 전자 구름이 어떻게 진동하는지를 보는 학문이다. 진동에 따라 광학현상이 달라진다”고 말했다. 구체적으로는 나노입자 표면에서의 에너지 준위가 어떻게 변하는지를 알아내는 게 관심이었고, 알아내면 그걸 갖고 바이오센서를 만들었다.

2007년 3월 부산대 나노과학기술대학 교수로 부임했다. 바이오 센서와 결핵 센서 연구를 많이 했다. 그는 “내 일생의 일은 바이오 센서 개발이고, 그중에서도 결핵 센서 연구겠다라고 생각했다”고 말했다. 연구는 부산대 진단검사의학과 장철훈 교수로부터 결핵의 위험성을 전해들은 게 계기가 됐다. 그는 “코로나19만큼 결핵은 한국인에게 위험하다. 4명 중 1명이 결핵 환자다. 초기 치료에 실패하면 마땅한 약이 없다. 개인적으로 고교 시절에 결핵에 감염된 바 있다”라고 말했다.

결핵 진단 센서는 결핵 조기진단에 도움이 된다. 현재는 X선 촬영과 PCR이 일반적인 검진 방법이나, 결핵 후진국은 X선 촬영도 잘 안 되는 실정이다. 이 교수는 “일전에 다큐멘터리에서, 북한의 결핵 진단 실정을 보니 거의 100년이나 됐을 법한 폴란드제 X선 촬영기기를 사용하고 있었다. 다른 미개발 국가도 이와 다르지 않을 것이다. 진단을 쉽게 할 수 있는 검진키트를 만들어내면 좋겠다고 생각해 7~8년째 연구에 올인하고 있다”라고 말했다. 이 연구는 이재욱 박사와 김정효 박사가 큰 도움을 주었다. 모두 이 교수 실험실에서 박사학위를 했다. 결핵연구는 결핵 전문가인 충남대 의대 김화중 교수(미생물학과), 그리고 항원항체 합성 전문가인 중앙대 박태정 교수와 협업하고 있다. 이재범 교수는 센서의 플랫폼을 만든다. 관련 업체에 기술이전했다. 진단의 정밀도를 높이기 위한 작업을 계속하고 있다. 요즘은 오줌 샘플을 갖고 모니터링하는 기술을 만들고 있다고 했다. 결핵 항원 일부(CFP10·AG85)가 오줌과 함께 몸 밖으로 나오기 때문에 그걸 모니터링하면 된다고 했다. 이재범 교수는 부산대에서 11년 근무한 뒤 2018년 9월에 충남대로 옮겨왔다. 모교로 돌아온 것이다. 그의 차분하고 쉬운 설명, 인상적이었다.

최준석 선임기자
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