김지환 서울대 화학부 교수는 학생 시절 당시 사물함이 화학과 김성근 교수 실험실 앞에 있었다. 그날도 사물함에 뭘 넣기 위해서 갔는데, 실험실 게시판의 뭔가가 눈에 들어왔다. 흥미로워 보였다. 그때 실험실에서 대학원생 한 명이 문을 열고 나왔다. 김지환 학생은 실험실을 구경할 수 있느냐고 물었다. “화학 공부가 재밌기는 하나 평생을 바칠 만한 가치가 있을까” 고민하던 그는, 이후 화학자의 길을 갔다.

지난 11월 2일 서울대에서 만난 김 교수는 서울대 화학과 89학번. 그는 ‘화학자의 길을 걸으며 중요했던 사람이 누구냐’는 질문에 “김성근 교수(서울대)와 리처드 제어(Richard Zare) 교수(미국 스탠퍼드대학의 박사학위 지도교수)다. 특히 김 교수님이 아니었으면 다른 전공 분야를 공부하고 있거나, 다른 길을 가고 있을 것”이라고 답했다.

김지환 교수를 만나러 가기 전에 그가 어떤 연구자인지를 알기 위해 자료를 검색했다. 학생들의 교수 평가 사이트에 그를 ‘방목형’ 교수라고 언급한 게 보였다. 학생들이 연구 주제를 알아서 찾고 스스로 연구 동기를 발견하도록 유도하는 교수라는 인상을 받았다. 알고 보니 김 교수는 방목형 연구와 관련해 사연이 있었다.

학생들이 ‘방목형’으로 평가하는 교수

그는 서울대에서 석사과정을 마친 뒤 박사공부를 위해 1997년 미국으로 갔다. 처음 적을 둔 곳은 캘리포니아공과대학이었다. 화학 반응을 실시간으로 촬영하는 초고속분광학을 공부하려고 했다. 지도교수는 1년 뒤인 1998년에 노벨 화학상을 받게 되는 유명한 학자(아흐메드 즈웨일·Ahmed Zewail)였다. 그런데 그는 즈웨일 교수 연구실을 1년 만에 떠나 1998년 4월 스탠퍼드대학으로 옮겼다. 박사과정 때 학교를 옮기고 지도교수를 바꾸는 건 가능한 피하는 일이다. 시간과 에너지 소모가 있기 때문이다.

그는 왜 그랬을까? “가보니 실험을 하긴 하는데 ‘내가’ 뭔가 배우는 것 같지 않았다. 연구 잘하고 논문 많이 나오는 건 알겠는데, 뭔가 더 배울 수 있으면 좋겠다고 생각했다.” 논문을 많이 쓰면 됐지 뭘 더 바랄 게 있었을까? 그는 “그게 아니다”라고 했다. “그런 식으로 하면 박사학위는 받아도 학교 졸업한 이후에 독립적인 연구자로 성공하기가 힘들다. 학생이 독립적으로 생각할 수 있는 여지가 있어야 한다. 연구 주제를 스스로 정하고, 학회에 참석해서 다른 연구자와 아이디어를 공유하고 고민해 볼 수 있는 다양한 기회를 갖는 게 필요하다.”

김지환 교수는 화학 영역 안에서도 물리화학자이다. 특히 실험물리화학자다. 그는 “물리법칙, 즉 양자역학, 고전역학, 그리고 물리적인 측정 방법을 통해 분자구조(모양)와 화학반응을 어디까지 측정하고 이해할 수 있을 것인가를 탐색한다”라고 말했다. 그는 ‘빛’을 가지고 연구한다. 물질마다 색깔이 다른데, 이는 원자 및 분자 구조가 다르기 때문이다. 물질의 구조와 거동을 알아내기 위해 분자에 빛을 쪼여 연구하는 분야를 분자분광학이라고 한다. 이 중에서도 김 교수가 사용하는 방법은 나노분광학에 속하는 플라즈모닉스다. 플라즈모닉스? 낯선 용어다. 그는 플라즈모닉스라는 말에 대해 “필요 이상으로 어렵게 보이는 용어이기는 하다”라면서 이렇게 설명했다.

“작은 물질을 보려면 렌즈를 써야 한다. 유리로 만든 돋보기는 광학적인 한계가 있다. 이러한 한계를 극복할 수 있는 방법을 플라즈모닉스가 제공한다. 금속 입자, 예를 들어 나노 크기의 금이나 은 입자에 빛을 쪼이면 그 입자들이 빛의 나노 크기 집속을 가능하게 하는 강력한 렌즈의 역할을 한다. 유리 확대경으로는 불가능했던 일을 해낸다. 이처럼 금속 나노구조를 통해 빛을 제어하고, 모으고, 모은 빛을 응용하는 광학 분야를 플라즈모닉스라고 한다.”

플라즈모닉을 사용하는 분자분광학

플라즈모닉스 연구자는 세 그룹으로 나눠볼 수 있다. 물리학과와 전자공학과 교수는 빛을 나노미터 크기에서 제어하는 데 주로 관심이 있다. 즉 A 위치에서 B 위치로 이동하고, 원하는 영역에 집속시키는 원리의 구현과 응용을 한다. 이 분야의 응용 사례로는 광통신, 광검출기가 있다. 두 번째 그룹은 ‘플라즈모닉 나노입자 합성’ 연구다. 어떻게 하면 좋은 광학 특성을 가진 금, 은 혹은 다른 금속의 나노입자를 만들 것인가를 연구한다. 한국에는 이런 연구자가 많다. 플라즈모닉스 분야의 세 번째 분야는 ‘플라즈모닉 나노입자를 이용한 분광학’이다. 김지환 교수는 이 그룹에 속한다.

플라즈모닉스 역사가 궁금해졌다. 언제 생겼고, 누가 이 분야를 만들어온 것일까? 그의 설명을 들어본다. “플라즈모닉스 분야 자체는 광학이다. 50년 넘었다. 처음에는 금속 표면에 빛을 쪼였을 때 광파가 금속 표면과 상호작용을 하여 금속에 에너지를 전파하는가 하는 질문으로 시작했다. 1990년대 나노 기술, 즉 나노입자 및 나노구조의 형성 기술이 발전하면서 빛에너지의 전파뿐 아니라 수십 나노미터 영역에서의 광 제어 가능성까지 영역이 확대되었다.”

플라즈모닉스 광학 혹은 이를 이용한 분광학 연구자가 갖고 있는 질문은 무엇일까? 김 교수에 따르면, 최근 연구자들은 빛을 받은 금속 나노입자가 빛을 모으는 순수한 광학적 효과뿐 아니라 전혀 다른 역할을 할 수 있다는 것을 알아차리기 시작했다. 특히 분자가 금속 표면과 접촉하고 있을 경우에는 금속-분자 간에 플라즈몬에 의해 들뜬(excited) 전자가 이동할 수 있다. 그 결과 금속 표면에서 특이한 화학 반응을 유도할 수 있다. 즉 빛을 받는 금속 표면이 광학 효과뿐 아니라 화학 활성에 도움을 준다는 걸 알아냈다.

이 새로운 가능성은 응용 가능성 또한 높다. 광(光)촉매로의 응용이 대표적이다. 태양에너지를 분자에 저장하거나, 대기의 이산화탄소(CO2)와 같은 오염물질을 빛을 쪼여 분해하는 데 사용한다.

김 교수의 설명이 귀에 쏙쏙 들어온다. 그는 서울대 교수(2013년 이후)로 일하면서, 그리고 이전에 일했던 고려대 화학과(2005~2013년)에서도 ‘우수강의 교수’로 선정된 바 있다. 플라즈모닉스라는 분야의 전체 그림은 이제 파악했다. 그가 무슨 연구를 하는 것인지가 궁금하다.

서울대, 고려대에서 ‘우수강의 교수’로 선정

그는 “내가 궁극적으로 하고 싶은 일은 단일분자에서의 분광학을 통한 표면화학반응을 측정하는 연구 방법 개발이다”라고 말했다. 단일분자의 분광학이 무엇인지 궁금하지만 그의 말을 중간에 끊지 않고 계속 들었다. 두 번째 연구 토픽은 “이러한 연구 방법을 통해 금속 표면에서의 화학반응을 자세히, 즉 특정 화학반응이 왜 일어나고, 반응 도중에 분자들은 어떤 상태에 있는가 하는 질문에 대한 답을 얻는 것이다”라고 말했다.

단일분자의 거동이니 하는 연구를 왜 하는 것일까? 김 교수는 “먼저 포괄적으로 얘기하겠다”라면서 이렇게 말했다. “일반적으로 화학반응이란, A라는 물질(반응물)을 넣으면 B라는 물질(생성물)이 나오는 거다. 반응에는 중간단계가 있다. 그런데 중간단계에서 무슨 일이 일어나는가를 알아내는 것은 쉽지 않으며, 중간단계 규명이 나뿐 아니라 많은 화학자의 희망사항이다. 화학반응 중간에 생성되었다 없어지는 화학물질들이, 반응을 매개한다는 의미에서 중간체라고 한다. 중간체가 무엇이 만들어지고, 왜 만들어지는지를 알아내는 게 첫 번째 목적이다. 둘째는 화학반응의 에너지 측면이다. 얼마만큼 에너지를 줘야 화학반응이 일어나는가 하는 것도 있고, 반응 중간에 분자 간의 에너지 교환이 어떻게 이뤄지는지 또한 관심이다. 다시 말하면 첫 번째 연구 목적은 어떤 물질이 만들어지는가 하는 것을 알고 싶은 것이고, 두 번째는 만들어진 물질이 어떤 에너지를 갖고 있는지가 되겠다.”

그는 구체적으로 어떤 화학반응을 연구하고 있는 것일까? “앞서 말한 것같이 금속 나노구조 표면에 분자를 붙여놓고 빛을 쪼이면, 분자가 빛을 받는 것뿐 아니라 금속 표면에서 독특한 화학반응이 일어난다. 이 독특한 화학반응에 관심이 있다. 사실 금속 표면에서의 화학반응이라는 주제 자체는 1990년대에 표면화학이라는 분야에서 나왔고 많은 연구가 있다. 그런데 최근 금속 나노구조 표면에서 절대 일어날 것 같지 않은 여러 가지의 광(光)화학반응이 일어난다고 보고되기 시작했다. 사람들이 주장하는 이런 특이한 화학반응이 진짜인지를 실험적으로 확인하고, 반응이 진행된다면 왜 가는지, 그때에 에너지 전달이 어떤 경로로 이뤄지는지를 분광학으로 연구하고 있다.”

김 교수에게 구체적인 연구 얘기를 해달라고 했다. 그는 “음, 글쎄요, 일부는 아직 논문을 쓰지 않아 말하기는 그렇고”라고 했다. 그는 “조금 전에 말한 게 핵심이다. 나노입자에 빛을 쪼였을 때 모인다는 건 당연하나, 금속 표면에 분자가 붙어 있을 때는 빛에너지만 전달되는 게 아니라 전자의 운동에너지도 전달되는 것 같다”라고 설명했다. 전자가 운동에너지를 전달하는 연구는 최근 연구이며 논문을 아직 쓰지 않았다고 했다. 학술지 발표에 앞서, 연구 내용을 언론에 먼저 말하는 건 관행에 맞지 않는다. 거기에서 질문을 멈췄다. 그렇다면 그는 고려대와 서울대 교수로 일하면서는 어떤 연구를 해왔을까?

고려대 교수 시절 나노분광학 연구는 두 가지 방향으로 진행됐다. 첫 번째 연구는 수백 나노미터 크기의 나노입자가 있을 경우 그로 인해 빛이 얼마나 모이는지를 실험적으로 측정한 거다. 이는 전문용어로는 ‘플라즈몬 나노입자의 빛의 국소화’ 연구라고 한다. 예컨대 100나노미터 크기의 기하학적으로 완벽한 삼각형을 만든다면 삼각형의 꼭짓점 세 개에 각각 빛이 모인다. 피뢰침 효과 때문이다. 금속이 날카로운 데가 있으면 전자기파(빛)가 그곳에 모이며, 그게 피뢰침 효과다.

김 교수는 2009년 10나노미터 크기에 빛을 모을 수 있고, 화학 연구에 응용할 수 있다는 것을 알아냈다. 10나노미터 크기(혹은 10나노미터 크기까지만)의 광집속이 일어날 것이라는 예측에는 해당 나노구조가 기하학적으로 완벽한 구조여야 한다는 전제가 있다. 하지만 실제 금속 나노입자의 표면에는 여러 가지 불균일성(irregularity)이 있다. 그러니 완벽한 기하학적 구조이기가 힘들다. 이같이 완벽한 기하학적 구조가 아니라면 실제로는 어떻게 되는 것일까라는 질문을 계속 갖고 있었으며, 이 질문을 2013년 서울대로 옮겨온 이후에도 풀어보려고 했다.

분광학 지식에 최신 광학이론을 더하다

김 교수는 “내 연구실은 분자의 고유한 스펙트럼을 측정한다. 단일분자의 (라만) 스펙트럼을 측정하다 보니, 전공 교과서에 나온 것과는 전혀 다른 스펙트럼이 나왔다. 이런 스펙트럼이 나오는 것을 설명하기 위해 빛이 얼마나 작은 공간에 모여야 하는지를 역산했다”라고 말했다. 그는 관찰한 스펙트럼을 설명하기 위한 모델링을 했고, 그랬더니 3.5옹스트롱(1옹스트롱은 10-10미터), 즉 0.35나노미터 크기로 빛이 모이는 것 같다는 계산을 얻었다. 이 연구 결과는 2018년 학술지 ‘나노레터스’에 발표했다. 2009년에 10나노미터 크기까지 빛이 모인다고 알아낸 것보다 10배 이상 더 작은 크기의 세계에서 일어나는 일을 확인한 것이었다. 김 교수는 “이 결과가 나의 실험실이 하는 연구 특성을 잘 보여준다. 기존에 알고 있던 분광학 지식에 최신 광학이론을 더한 연구”라고 설명했다.

그는 이 연구에서 라만산란(Raman scattering) 스펙트럼을 관찰했다고 앞서 말했다. 분자의 라만 스펙트럼은 또 무엇인가? 그는 “분자의 라만 스펙트럼은 분자의 고유진동(natural frequency) 정보를 준다. 분자는 원자와 원자가 화학결합이라는 용수철로 연결된 3차원 물체라고 볼 수 있고, 화학 결합의 특성 및 분자 모양에 따라 분자들의 고유진동수는 변화한다. 따라서 분자의 고유진동수 정보를 가지고 있는 스펙트럼을 찍으면 분자 모양과 화학 결합의 자세한 정보를 얻을 수 있다. 이런 의미에서 분자의 진동 스펙트럼을 분자의 지문(fingerprint)이라고까지 표현하기도 한다.”

그에 따르면 일반적으로 분자의 진동스펙트럼을 측정하는 방법은 두 가지가 있다. 첫 번째는 적외선을 쪼이는 방법이다. 그런 뒤 그 분자가 어떠한 파장의 적외선을 흡수하는지를 관찰한다. 이게 적외선 흡광분광법이다. 두 번째 방법은 가시광선을 사용한다. 예컨대 파란색을 쪼였는데, 빨간색이 산란돼 나오는 경우가 있다. 들어갈 때 에너지와 나올 때 에너지의 차이가 있다. 이걸 비탄성산란, 혹은 라만산란이라고 한다. 에너지 차이만큼을 분자가 흡수한 것이다. 라만산란은 적외선이 아닌 눈에 보이는 가시광선을 이용하니 실험하기 쉬울 것이라고 생각할 수 있다. 하지만 문제는 라만산란의 효율이 지극히 낮다는 것이다. 광자를 1020개 넣으면 라만산란을 한 광자가 1개 나온다. 효율을 올리기 위한 방법 중 하나가 플라즈모닉스다. 앞서 말한 것과 같이 금속 나노입자가 빛을 분자의 위치에 강하게 모아주는 효과가 있기 때문이다. 이때 유발되는 라만산란의 세기는 108배 이상 강해진다. 이런 현상을 ‘표면증강 라만산란(surface-enhanced Raman scattering)’이라고 하고, 이러한 현상을 이용하면 분자 하나의 라만 스펙트럼을 측정하는 게 가능해진다.

교수 시절 그의 두 번째 연구 주제는 단일분자의 라만분광학으로 화학반응을 실시간으로 볼 수 있는 방법의 개발이다. 단일분자의 라만 스펙트럼을 보는 것이 ‘표면증강 라만산란’을 이용해 가능해졌을 때, 화학자들은 “그것으로 무엇을 할 수 있을까?”를 고민했다. 그 방향에서 나온 것이 화학반응을 실시간으로 보자는 것이었다. 즉 화학반응이 일어날 때 중간체로 어떤 분자가 만들어지는가를 볼 수 있다는 것이었다. 김 교수는 앞에서 자신의 궁극적인 연구목표가 ‘단일분자의 거동’을 보고 싶은 것이라고 말한 바 있다. 이제 그의 이야기가 연구목표를 설명하는 데 집중되고 있는 것이다.

1990년대 후반에 단일분자 라만 현상이 처음 보고되었을 때 학계는 라만산란으로 단일분자를 실제로 관찰할 수 있는 것인가, 혹은 우리의 희망사항이 다분히 반영된 착시효과(artifact)인가를 두고 치열한 논란을 벌였다. 그리고 10년간의 논란 끝에 2005년쯤 가능하다는 쪽으로 결론이 내려진 바 있다. 김지환 교수는 “분자 하나를 볼 수 있으면 그 자체로 매우 민감한 화학센서가 된다. 여기에 분자의 검출뿐 아니라 단일분자의 화학반응 또한 실시간으로 관찰할 수 있다는 점이 중요한 포인트다”라고 했다. 그는 관련 논문을 2016년 미국 화학회지(the Journal of American Chemical Society)를 포함한 다수의 학술지에 발표한 바 있다.

김지환 교수는 강의를 잘하는 교수로 우수강의상을 계속 받았고, 특히 올해는 ‘서울대 교육상’을 받았다. 그는 “강의를 잘하는 것이 연구 잘하는 것보다 사실 어렵다. 대학은 교육기관이며 학생을 가르치는 일은 교수로서의 권리이자 중요한 책무이다”라고 차분한 목소리로 말했다.