경북대 화학관 1층에는 다른 대학에서 보기 힘든 장비가 있다. 초고분해능 질량분석기(Ultra-high resolution mass spectrometry)로, 화학과 김성환 교수의 장비다. 지난 8월 24일 햇볕이 뜨거운 날, 김성환 교수를 따라서 들어간 실험실 입구에는 ‘질량분석 융복합연구센터’라고 쓰여 있었다. 실험실 안에는 두 대의 질량분석기가 있었는데 하나는 흰색이고 다른 건 검은색이다. 흰색 장비는 독일 업체 ‘브루커(BRUKER)’ 제품이다.

김 교수는 “13억원 하는 장비다. 한국 교수 중에는 유일하게 보유하고 있다”라며 흰색 장비의 원형 부분에 강력한 자석이 들어 있다고 했다. 교육부가 4년 전에 지원한 장비라고 한다. 그는 질량분석기가 갑자기 지급되어 놀랐다면서 이렇게 말했다. “정부가 질량분석기를 사주는 데 그치지 않고 얼마 전부터는 유지비도 준다. 정말 좋아졌다. ‘국가연구시설장비진흥센터(NFEC)’가 유지비를 지원한다. 질량분석기 관리에는 인건비를 제외하고도 연 2000만~3000만원은 들어간다. 그 관리비가 있어 질량분석기를 잘 쓰고 있다.”

검은색 질량분석기는 영국에서 만든 ‘워터스’ 제품이다. 워터스는 세계적인 실험기기 업체로, 영국 맨체스터에서 질량분석기를 생산한다. 김 교수 실험실에 설치해 시범 사용 중이라고 한다. 이날 엔지니어 3명이 작업 중이었다. 워터스가 데모 장비를 제공한 건 김성환 교수의 명성을 평가했기 때문이다. 그는 “이 장비는 기체 상태에서도 분자들을 분리하는 특별한 기능이 있다. 보통은 액체 상태에서 질량을 측정한다”고 말했다.

세계적 실험기기 업체가 장비 제공

실험실 문 옆에는 워터스가 만든 인증패도 걸려 있었는데 ‘Centers Of Innovation(혁신센터)’이라고 영어로 쓰여 있다. 워터스와 김 교수의 협업 관계를 보여주는 일종의 증명서다. 세계적인 실험기기 업체가 이런 것까지 만들어 마케팅에 사용하는 걸 보면, 질량분석 부문에서 김 교수의 위상을 가늠할 수 있다.

그는 “새 장비가 나오면 전에 못 하던 일을 할 수 있다. 과학자 입장에서는 새로운 사이언스를 할 수 있는 기회다. 다른 사람보다 먼저 이 장비를 써서 결과를 내놓을 수 있다. 내가 그렇게 함으로써 이 기기가 잘 활용된다는 예를 만들어주면, 회사 입장에서는 좋은 것”이라고 설명했다. 화학관 2층에 있는 김성환 교수 연구실로 옮겨 연구 얘기를 본격적으로 물었다. 김 교수는 자신의 연구를 다음과 같이 요약해 설명했다.

“질량분석기는 내게 가장 중요한 연구 도구이고, 그걸로 내가 풀려는 질문은 ‘환경지구유기화학(Environmental Organic Geochemistry)’ 부문의 의문들이다. 강물이나 토양이나 대기에 어떤 유기화합물들이 있는지가 궁금하다. 나도 처음에는 몰랐는데, 연구를 시작해서 보니 우리는 아주 일부분만 알고 있었다. 미세먼지에도 그 안에 유기물이 많이 있는데, 실제로 어떤 유기화학 성분인지 알고 있는 건 극히 일부다. 강물도 우리가 정화해서 마시는데, 그 안에 어떤 유기물질이 들어 있었는지 우리는 극히 일부만 알고 있다. 한국에서 이런 걸 연구하는 사람이 화학과에서는 극히 드물다. 특수한 분야다. 그게 궁금해서 규명해 보려고 분해능이 가장 좋고 특이한 기능이 있는 장비를 갖고 있다. 어떻게 보면 운이 좋은 거다. 박사학위 때부터 지도교수를 만나 그런 분야를 알게 되고, 그때부터 지금까지 계속해오고 있다.”

김성환 교수는 서울대 화학과 1989학번이다. ‘과학 연구의 최전선’ 시리즈 취재를 위해 만났던 서울대 화학과 이동환·석차옥 교수가 그의 동기다. 그는 1995년 서울대 대학원 석사를 마친 후 미국 오리건주립대학으로 유학을 갔다. 그리고 2001년 오하이오주립대(컬럼버스)로 옮겼다. 박사학위 중 학교를 옮긴다는 건 좋은 신호가 아닌데 고민이 많았겠다 싶다. 그는 “논문 자격시험까지 본 상태였는데 어떤 계기가 있어서 학교를 옮겼다”라고만 말했다.

강물 속 유기화합물의 비밀을 파헤친다

오하이오주립대학 화학과에서는 패트릭 해처(Patrick Hatcher) 교수에게 배웠다. 해처 교수가 당시 하던 좋은 프로젝트가 있었다. 그를 따라 남미 코스타리카에 가서 강물을 떠왔고, 펜실베이니아주의 오염된 하천(화이트 클레이 크릭) 물도 조사했다. 코스타리카의 강 이름을 알려달라고 했더니, 김 교수는 ‘리오 템피스퀴토(Rio Tempisquito)’라는 이름을 기억해냈다. 산간지방의 깨끗한 하천이라고 했다. 이들 두 개의 강물을 포함해 모두 5개 강의 시료를 확보하고, 강물 속의 유기물질이 어떤 게 얼마나 있는가를 알아내고자 했다.

“강물이 토양의 유기물질을 바다로 실어나른다. 그런데 강물과 바닷물을 비교하면 들어 있는 유기물질이 다르다. 강물에서 볼 수 있는 유기물질의 일부만 바닷물에서 얻을 수 있다. 그게 왜일까? 잘 모른다.”

박사과정 때 논문을 7편 썼고 2년 반 만인 2003년 말 박사학위를 받았다. 김 교수는 인터뷰 전에 내게 질문지를 보내달라고 했다. 그는 “질문지를 보니 ‘연구자로 걸어온 길에서 만난 가장 중요한 사람 혹은 존경할 만한 사람이 누구입니까’라는 항목이 있었다. 내게는 해처 교수님이 그분이다”라고 말했다. “나도 열심히 했지만 교수님이 지원도 해주시고 좋은 프로젝트를 하고 계셨다. 내가 운이 좋았다. 그렇게 2년 반 만에 졸업시켜 주기가 쉽지 않다. 보통은 좀 더 있으라고 한다. 그런데 졸업하라고 하셨다.”

박사학위를 받은 후 2003년 여름 미국 남부 플로리다로 갔다. 플로리다 주도인 탤러해시의 플로리다주립대학 안에 국립고자기장연구소(National High Magnetic Field Laboratory·NHMFL)가 있다. 고자기장이란 일상에서 사용하는 자기장보다 수천 배까지 큰 10테슬라급의 자기장을 말하는데 극한 조건에서 물성 연구를 위해 사용한다. 국립고자기장연구소의 앨런 마셜(Alan Marshall) 교수 밑에서 박사후연구원 생활을 시작했다. 앨런 마셜 교수는 FT-ICR MS라는 초고분해능질량분석기 발명자이고, 고자기장연구소에서 FT-ICR MS 프로그램 책임자로 있었다. FT-ICR MS는 ‘푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 질량분석기(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry)’라고 번역된다. 김 교수는 이 분석기의 작동원리에 대해 “초(超)자석 안에서 물질이 돌기 시작한다. 물질의 회전주기를 보면 질량을 알아낼 수 있다. 전자공학이 워낙 발전해서 회전주기를 아주 정밀하게 측정할 수 있기 때문에 가능하다”라고 말했다.

마셜 교수가 그를 박사후연구원으로 받아들인 건 그의 박사학위 논문을 보고서였다. 박사 논문 제목은 좀 길었다. ‘자연유기물로부터 얻어진 초고분해능 질량분석 데이터를 시각적으로 분석하기 위한 방법인 반 크레벨렌(Van Krevelen) 다이어그램’.

김 교수가 당시 논문을 프린트해서 논문 중 3개의 도표를 짚어가며 설명해줬다. ＜표1＞은 질량분석기로 강물 시료를 검사해 그 안에 어떤 질량의 물질이 얼마나 있는지를 보여주는 것이다. 400~500 사이의 질량 크기 축에 물질이 가장 많다. 막대 높이가 400~500 에서 가장 높다. 단위는 질량 대 전하의 비인 ‘m/z’다. ＜표2＞는 ＜표1＞에서 확인한 물질들이 무엇인지를 보여준다. ＜표1＞에서 봤던 1번 피크에 해당하는 화학식은 C25H10O10이고, 2번 피크는 C22H14O12이다. 이 ＜표＞들에 대해 김 교수는 이렇게 설명했다.

“ ＜표1＞에서의 물질들을 질량 기준으로 보았을 때 피크들이 나왔다. 이 피크들의 질량값을 이용하여 계산한 화학식들이 표에 제시되어 있다. 강물 속의 유기물질은 수도 없이 많다고 했다. 너무 많아서 분석하는 게 문제다. 무엇이 중요하고 무엇이 중요하지 않은지 의미 부여를 하기가 쉽지 않다. 내가 한 일은 물질 종류가 너무 많은 어려움 속에서 데이터를 해석하는 방법을 개발한 것이다. 그게 ＜표3＞이다.”

지구유기화학의 보편적 연구방법론 개발

반 크레벨렌(Dirk Willem van Krevelen·1914~2001)은 네덜란드의 화공학자(델프트공과대학)였다. 그는 1950년대에 논문 한 편을 썼다. 그의 옛 논문을 김성환 박사과정 학생이 우연히 읽었다. 반 크레벨렌은 석탄을 태웠을 때 나오는 탄소·수소·산소의 원자 비율을 갖고 석탄의 특성을 구별하는 다이어그램을 개발했는데 김성환 박사과정 학생이 이 방법을 초고분해능 질량분석데이터를 해석하는 데 적용하였다.

가령 C25H10O10이란 분자가 있을 경우 이 분자를 이루는 물질들의 H/C(수소/탄소) 그리고 O/C(산소/탄소)의 비율을 구한다. C25H10O10의 H/C는 10/25, O/C도 10/25가 된다. 이제 데카르트가 만든 좌표계를 생각한다. x축에는 O/H 값을, y축에는 H/C 값을 표시하도록 한다. 그러면 C25H10O10 분자는 x축과 y축으로 만든 평면 위에 하나의 좌표(10/25, 10/25)로 표시할 수 있다. 점을 찍을 수 있는 것이다. 이런 방식으로 하면 초고분해능 질량분석 데이터에 들어 있는 수없이 많은 분자를 표현할 수 있고, 어떤 게 얼마나 들어 있는지를 쉽게 알 수 있다. 스펙트럼을 분석해 화학 정보를 얻어내는 게 반 크레벨렌의 목표였다. 김성환 박사과정 학생은 이와 같은 반 크레벨렌 다이어그램을, 강물 속의 유기물질을 비교·분석하는 데 도입했다. 강별로 반 크레벨렌 다이어그램을 작성했고 5개를 서로 비교했다.

김 교수는 “내가 지구유기화학 분야에 도입한 반 크레벨렌 다이어그램이 지금은 이 분야 연구자의 보편적인 연구방법론이 되었다. 50년 동안 잊혔던 방법을 끄집어내 뜻밖의 분야에서 효과적인 데이터 분석 방법으로 만들어낸 것이다”라고 말했다.

그는 플로리다 탤러해시의 미국국립고자기장연구소에서 원유 속의 물질도 연구했다. 지도교수는 당시 미국 에너지기업인 엑슨모빌과 공동 프로젝트를 맡고 있었다. 원유 속에는 수억 개의 서로 다른 종류의 화학물질이 있다. 정유업체는 원유를 사와서 처리하는데 그전에는 끓는점 차이에 따라서만 별도로 증류시켜 석유 제품들을 만들어왔다. 하지만 2000년대 초반 유가가 오르면서 원유라는 미지의 검은색 액체를 좀 더 효율적으로 사용할 수는 없을까 궁리하기 시작했다. 이것이 당시 엑슨모빌과 지도교수의 문제의식이었다. 김 교수는 “원유를 새로운 패러다임, 즉 어떤 분자들이 들어 있는지 분자 수준의 정보를 알아내고, 그걸 기반으로 원유를 새롭게 정제하자는 생각을 했다. 그게 진행되고 있을 때 내가 마셜 교수 연구실에 합류했고, 그가 같이 연구해 보자고 했다”라고 말했다.

정유업체는 원유를 가져가 끓는 온도별로 성분을 걸러내 사용한다. 낮은 온도에서 높은 온도로 비등점이 올라갈 때마다 나오는 원유 제품이 다르다. 비싼 원유를 어떻게 하면 더 효율적인 석유 제품으로 바꿀 수 있을까 하는 게 에너지 기업의 목표다. 그러기 위해서는 원유에 무엇이 들어 있는지 분자 수준에서 정보를 알아내면 좋다.

원유 성분 분석한 엑슨모빌 프로젝트

엑슨모빌은 학자들에게 프로젝트를 주면 다 기밀이었다. 시료만 주고 시료 채취 장소 정보는 주지 않았다. 영업비밀이라는 이유에서였다. 김성환 박사는 엑슨모빌이 건네준 원유를 질량분석기에 넣고 돌려 어떤 분자가 원유 샘플 안에 들어 있는지를 분석해줬다. 그리고 엑슨모빌에서 조금 알려준 정보로 논문을 썼다. 김성환 교수는 “시료가 나온 장소와 같은 구체적인 정보를 논문에 쓰지 않고 두루뭉술하게 표현한다. 학술지들도 원유 업계의 그런 사정을 이해하기에 그 정도로 쓴 논문을 받아준다”라고 말했다.

김 교수는 “내가 관심이 있는 건 원유에 어떤 화합물이 들어 있는지였다. 당연한 얘기일 수 있지만 박사과정에서 분석한 강물과, 포닥(post doctor) 시절에 보기 시작한 원유에 들어 있는 유기물은 너무 달랐다. 그런 맥락에서 보면 지구는 엄청난 화학공장”이라고 말했다.

미국 국립고자기장연구소에는 몇백억원짜리 초고분해능 질량분석기가 있었다. 독일 업체 브루커 제품이었다. 김성환 박사는 그걸 보면서 한국으로 돌아가기 힘들지 모르겠다는 생각을 했다. 한국에는 고가의 질량분석기가 없었기 때문이다. 대학 연구자에게 10억원짜리 장비를 누가 사주겠나 싶었다. 당시만 해도 미국에서 자리를 잡아야 할지 모르겠다고 생각했다.

그런데 2004년 한국에서 사람이 찾아왔다. 한국기초과학지원연구원(KBSI)의 유종신 박사와 김현식 박사였다. 이들은 앨런 마셜이 만든 FT-ICR MS 장비를 한국에 구축하는 69억원 프로젝트를 위해 방문했다. KBSI는 김성환 박사에게 같이 일하자고 했고, 김 교수는 포닥을 하다가 바로 취업이 되었다. 방은 물론 책상도 바뀌지 않고 그 자리에 앉아 소속기관만 달라진 채 일을 계속했다. 2005년 초에 취업을 했고, 장비를 만들어 2006년 2월 충북 오창의 KBSI 분원에 초고분해능 질량분석기를 들고 와 설치했다. 그리고 2009년 3월 경북대 화학과 교수가 되었다.

교수가 된 뒤에도 2016년까지 원유 연구를 오래도록 계속했다. 한국 에너지기업인 SK이노베이션과 GS칼텍스로부터 샘플을 받아 원유 성분을 분석했다. 그런 인연으로 제자들이 SK이노베이션 연구소에 취업했다. 그는 원유 연구를 통해 성분 분석과, 화합물의 구조를 규명할 수 있는 질량분석 방법론을 개발했다. 예컨대 유기물 속의 탄소 수와 DBE(탄소원자 C·수소원자 H·질소원자 N의 수를 갖고 만든 식이다. C-H/2+N/2+1) 값의 관계를 보면 방향족 화합물이 밀집해 있는지 그 구조를 예측할 수 있는 방법론을 개발했다. 김 교수는 “나는 방법론 개발을 좋아한다”라고 말했다.

2007년 충남 태안반도 기름유출 사고 때는 한국해양과학기술원(KIOST)과 피해 지역 유기물 조사를 했다. 시간이 지나면서 유출된 원유가 어떻게 바뀌는지를 알기 위해 태안반도의 모래를 채취해 그 속에 들어 있는 유기물 성분을 조사했다.

교수 부임 초기에는 질량분석 장비도 없어 친정인 KBSI 오창 분원으로 출장을 다녔다. 학생들은 오창에 가서 오전 8시부터 밤 12시까지 일하고 다음 날 아침에 바로 또 일을 시작하는 등 바쁘게 생활했다. 그렇게 얻은 데이터로 논문을 써오다가 13억원짜리 장비를 4년 전쯤 교육과학기술부로부터 지원받았다. 세계적인 질량분석기 업체 워터스와의 관계는 2014년 시작됐다.

화학관 1층 실험실에 있는 검은색 워터스 장비는 기체 상태에서 질량분석을 할 수 있는 기능을 갖고 있다. 김 교수는 “액체 상태의 질량분석기를 사용하면 물질의 화학식은 알 수 있으나 구조는 알 수 없다. 화학식이 같아도 구조는 다를 수 있다. 1층에서 본 독일 브루커 제품이 화학식을 알려주는 장비다. 반면에 워터스의 ‘이온 이동성’ 질량분석기는 분자식을 정확히는 알려주지 못하나 구조 정보를 정확히 제공한다. 때문에 두 질량분석기는 상호보완적이다. 세계적으로도 두 종류의 질량분석기를 갖고 있는 대학 연구자는 거의 없다”라고 말했다.

사람이 미세플라스틱 얼마나 먹을까

김 교수는 얼마 전부터 환경미세플라스틱 연구를 새로 하고 있다. 2018년 정교수로도 승진했으니 좀 더 안정적으로 일할 수 있게 됐고 연구자로서 사회적 책무도 느낀다고 했다. 미세플라스틱은 요즘 사회적 관심사 중 하나다. 주로 사람이 미세플라스틱을 얼마나 먹고 있는지에 관심이 쏠려 있다. 김 교수는 “미세플라스틱이 흙이나 바다에 버려지면 화합물이 생성될 텐데, 이런 화합물이 환경에 어떤 영향을 미치는지 연구가 되어 있지 않다. 그걸 규명하고 싶다. 독성 평가도 조금씩 하고 있다. 일단은 어떤 화합물이 생겨야 하는지 알아야 한다”라고 말했다. 김 교수는 남이 많이 하지 않는 질량분석 분야에서 업적을 쌓고 있는 화학자였다.