광주과학기술원(GIST)은 처음이다. 1993년에 설립되었다니 27년 된 학교다. 붉은색 벽돌 건물들이 어제 지은 듯하고 산뜻하다. 지난 1월 5일, GIST 화학과의 홍석원 교수를 찾아가는 길이다. 연구실에 들어가니 검은색 자전거가 한쪽 벽 가까이에 놓여 있다. 멋있게 생긴 로드바이크. “자전거를 탄 지 5년 되었다”라고 그가 말했다.

홍 교수는 유기화학자이고 촉매를 개발한다. 미국 플로리다대학(게인스빌) 교수로 6년간(2005~2011) 일했고, GIST에는 2012년부터 몸을 담고 있다. 그는 “미국에서 계속 살아야 하나 고민하다가, 미국 학생보다는 한국 학생을 가르치는 게 좋아서 돌아왔다”라고 말했다.

그는 “환경과 에너지 문제를 푸는 데 화학이 기여할 수 있다. 그래서 응용에 관심을 갖고 연구한다”라고 말했다. 그의 실험실 이름은 ‘기능성 유기분자 합성 연구실’이다.

군복무까지 마친 후 원하는 랩 다시 지원

홍석원 교수는 서울대 화학과 89학번. 학부 1~2학년 때는 공부를 열심히 안 했다. 그러던 그에게는 학부 3학년 겨울방학이 전기가 되었다. 학부생은 졸업논문을 쓸 준비를 위해 화학과 교수들 중 한 사람의 실험실에 들어간다. 대학원에 갈 사람은 사실상 이때 향후 어떤 화학을 연구해야 할지를 결정한다. 그는 유기합성 연구자인 이은 교수 실험실(Lab)에 지원했다. 유기합성은 탄소화합물을 만드는 화학의 분야이고, 화학 분야에서는 전통적으로 인기가 있다. 정원은 5명이나, 동기생 8명이 모였다. 할 수 없이 동기생들끼리 사다리를 탔는데 그는 사다리를 잘 못 타 포기해야 했다. 홍 교수는 “충격이 컸다”라고 당시를 돌아봤다.

다른 교수들은 학생 모집이 대부분 끝나 선택할 게 거의 남아 있지 않았다. 물리화학을 하는 김명수 교수(2014년 퇴임)를 찾아갔다. 홍석원 학생은 고교 시절 물리를 잘했기에 화학에서 물리 쪽에 근접한 분야인 물리화학을 하는 것도 좋을 거라고 판단했다. 그는 김명수 교수에 대해 “유명한 분”이라고 했다. 김 교수를 만나 면접을 보고, 그의 랩에서 연구하기로 했다. 그날 저녁 집에 돌아왔는데 책꽂이에 꽂혀 있는 ‘유기화학’ 책이 눈에 들어왔다. 책을 꺼내 넘겨보았다. 머릿속이 복잡해졌다. 유기화학 공부를 하지 않으면 평생 후회할 것 같았다. 마음을 돌려먹었고, 다음 날 김 교수를 찾아갔다. 김 교수가 홍석원 학생의 ‘랩에 들어가지 않겠다’는 말을 듣더니 “그게 자네를 위해서나, 나를 위해서나 좋을 것 같다”라고 말했다.

이후 군복무를 마치고 이은 교수의 랩에 들어갔다. 랩 선배들이 ‘우리 랩에 오려고 군대까지 다녀온 기특한 후배’라며 잘 대해줬다. 그때 사수가 서강대 화학과 문봉진 교수다. 홍석원 학생은 학부 때 이은 교수 과목의 점수가 좋지 않았다. 홍 교수는 “그때의 원죄 때문에 지금도 학점 나쁜 학생이 찾아와서 ‘랩에 들어가 열심히 하겠습니다’라고 말하면 내가 거절을 못 한다”라며 웃었다. 홍석원 학생은 복학 후 학점이 나쁜 과목은 재수강하며 학점을 ‘성형’하는 등 열심히 공부했다. 석사 때(1995~1997)는 천연물 전합성(total synthesis)을 연구했다. 공부하다가 그때 데이트하던 여학생, 그러니까 지금의 부인과 헤어질 뻔했다. 부인이 그때 “화학과 연애하느냐”고 속상해하기도 했다. 그는 실험하느라, 데이트 약속시간을 못 지키는 일이 다반사였다.

1998년 9월 미국 노스웨스턴대학으로 유학을 갔다. 무기화학자인 토빈 막스(Tobin Marks) 교수가 지도교수였다. 홍 교수는 “막스 교수님은 노벨화학상 수상자 후보로 항상 거론되는 분”이라고 말했다. 석사 때는 유기합성을 했으나 미국에 가서는 무기화학을 공부한 것이다. 란타넘족 화합물을 갖고 하는 화학반응을 박사 때 연구했다. 란타넘족 원소는 희토류이고, 원소주기율표에서는 원자번호 57 란타넘(La)에서 원자번호 71 루테튬(Lu)까지를 차지한다. 홍 교수는 이중결합한 탄소(C=C)에 질소를 붙여 새로운 질소 유기화합물을 만드는 연구를 했다. 란타넘족 원소는 산소에 대단히 민감하게 반응한다. 때문에 반응을 조절하기 위해서는 산소가 없는 진공에서 반응을 시켜야 한다.

무기화학자 토빈 막스 밑에서 배워

그는 당시 미국에 가보고 놀랐다. 노스웨스턴대학의 막스 교수 랩에는 가장 불안정한 물질인 란타넘족 원소도 다룰 수 있는 시설이 있었다. 10-2까지 압력을 낮출 수 있는 진공 슐랭크(Schlenk) 라인은 물론, 10-6 토르까지 압력을 낮출 수 있는 ‘고(高)진공 라인(High Vaccume Line)’을 학생 한 사람당 한 대씩 갖고 있었다. 서울대 이은 교수 연구실에서는 생각하지도 못했던 일이다. 홍 교수는 “이은 교수님도 촉매를 만들고 싶어 했다. 그러나 시설이 뒷받침되지 않아 못 했다. 산소-수분 차단장치가 그때는 없었다”라면서 “물론 지금은 달라졌다. 한국의 연구 여건이 미국보다 못하지 않다”라고 말했다.

박사학위를 마치고 2003년 캘리포니아 샌디에이고 인근 라호야에 있는 스크립스연구소(The Scripps Research Institute)로 갔다. 스크립스연구소는 생의학 분야의 전문 연구 교육기관이다. 세계적인 해양연구소로 명성 높은 스크립스해양연구소(샌디에이고 소재)와 이름은 비슷하나 다른 기관이다. 스크립스연구소에서 그는 유기화학자인 데일 보거(Dale Boger) 교수 실험실에서 일했다. 단백질-단백질 상호작용을 끊는 신약을 개발했다. 그리고 2005년 게인스빌-플로리다대학 교수가 되었다.

홍 교수에 따르면, 미국 대학은 신임 교원을 한국에 비해 일찍 선발한다. 그래서 한국 대학에 지원할 수 없는, 박사후연구원 1년 차 때 미국 플로리다대학에 지원서를 제출했고 교수로 채용되었다. 그는 플로리다대학에서 카이랄 물질 합성을 연구했다.

카이랄 물질은 왼손, 오른손과 같은 대칭을 가진 물질이다. 두 손은 마주 보게 하면 겹쳐지나 포개놓으면 겹쳐지지 않는 특징을 갖고 있다.

그는 2019년 11월 최고의 화학학술지 중 하나인 독일화학회지(앙게반테 케미)에 ‘알카인 첨가 반응’ 관련 연구 결과를 보고한 바 있다. 비대칭적으로 알카인을 케톤에 첨가하는 촉매를 개발한 연구라고 했다. 구체적인 내용은 묻지 않았다. 그는 2012년 광주 GIST에 왔고 처음에는 신소재공학부에서, 지금은 화학과에서 근무한다.

홍석원 교수는 자신의 연구 분야를 세 가지로 나눠 볼 수 있다고 했다. △지구온난화 주범인 이산화탄소를 사용해서 유용한 물질을 만들 수 있는 촉매 개발 △식물기름을 유용한 화합물로 바꾸는 촉매 개발 △태양광 물질에 들어가는 유기반도체 물질 만들기다.

그로부터 이산화탄소를 생활에 도움이 되는 물질로 바꾸는 연구 이야기를 들었다. 에틸렌(C2H4)이라는 물질이 있다. 아주 단순한 화합물이다. 탄소를 2개 갖고 있다. 홍 교수가 에틸렌의 화학식(그림 참고)을 그려 보여주는데, ‘=’라고 쓴다.

등호처럼 생긴 기호의 양쪽에는 탄소(C)가 하나씩 있다. 탄소의 경우에는 굳이 쓰지 않는 게 화학 커뮤니티의 관행이다. 그러니 탄소원자 두 개가 2중 결합한 물질이다. 그리고 각 탄소원자에는 수소가 두 개씩 붙어 있다.

홍 교수는 “이산화탄소(CO2)는 탄소가 하나이고, 에틸렌은 탄소가 두 개다. 모두 하면 탄소원자는 세 개다. 이걸 갖고 탄소가 세 개인 아크릴산(분자식은 이미지 참고)을 만든다.

이걸 가능하게 하는 연구를 GIST에 와서 했다”라고 말했다. 연구는 4년 이상 했고, 논문은 지난해에 학술지 ‘캐털리스츠(Catalysts)’에 나갔다.

에틸렌은 원유를 정제하면 가장 많이 나오는 물질 중 하나다. ‘석유화학의 쌀’이라고 에틸렌을 표현하기도 한다. 막상 쓸모는 그리 많지 않다. 에틸렌을 여러 개 연결하면 ‘폴리(Poly)에틸렌’이 되는데, 폴리에틸렌은 가게에서 물건을 담아줄 때 쓰는 비닐봉지 원료다. 정유공장에서 무수히 많이 나오나, 유용한 물질로 바꾸는 방법을 충분히 찾지 못했다. 그래서 홍 교수는 ‘에틸렌’을 유용한 물질인 ‘아크릴산’으로 바꾸는 연구를 했다.

에틸렌 원료로 아크릴레이트 만든다

아크릴산도 내게는 낯선 물질이다. ‘아크릴’이라는 용어는 업소 간판을 만드는 물질 이름으로 들은 적이 있기는 하다. 홍 교수는 “아크릴레이트는 흡수성이 아주 뛰어나 기저귀나 반려견의 패드 원료로 사용된다. 중국 쪽에서 수요가 폭발하고 있어, LG화학이 생산라인을 얼마 전에 늘렸다”라고 말했다.

아크릴산을 현재는 ‘프로필렌(C3H6)’으로 만든다. 프로필렌을 산소(O2)에 노출시켜 만든다. 프로필렌은 에틸렌에 비해 상대적으로 비싸다. 또 산화시킬 때 많은 에너지를 필요로 한다. 프로필렌 대신에 에틸렌을 원료로 해서 아크릴산을 만들 수 있으면 좋다. 에틸렌으로 아크릴산을 만들 때는 또 이산화탄소를 필요로 하니, 결과적으로 화학공장은 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있다. 그래서 이산화탄소와 에틸렌으로 아크릴산을 만드는 연구는 주목받는다. 문제가 있다. 반응이 잘 일어나지 않는다는 것이다. 홍 교수는 “이 연구는 지난 20~30년간 난제였다. 그러다가 2014년 두 군데에서 반응을 일어나게 하는 촉매를 개발했다는 논문을 동시에 냈다. 연구에 돌파구가 열렸다”라고 설명했다.

홍 교수에 따르면, 촉매는 A와 B라는 물질에 대해 반응이 일어나게 해서 C라는 원하는 물질을 만들 수 있게 한다. 한 개의 촉매는 한 번 넣어주면 똑같은 반응이 100만번은 계속해서 일어나게 한다. 같은 촉매를 갖고 똑같은 사이클을 수도 없이 반복해서 돌릴 수 있다. 사이클 횟수가 많은, 즉 반응 횟수가 많을수록 좋은 촉매다. 홍 교수는 “우수한 촉매라면 10만번은 돌아야 한다”라고 말했다. 그런데 ‘이산화탄소+에틸렌→아크릴산’ 반응을 일으키게 하는 최초의 촉매는 반응 사이클을 한 번 도는 데 그쳤다. 그러다가 2014년에 독일 제약업체 BASF가 반응을 107번 일어나게 하는 촉매를 내놓았다. 이걸 보고 홍석원 교수도 연구에 뛰어들었다. 그리고 4년 이상 고생 끝에 20번 반응을 일으키는 새로운 촉매를 개발했다. BASF의 107회에 비하면 20회이니, 반응성이 떨어진다. 하지만 BASF와는 다른 새로운 촉매로 반응을 일어나게 했다는 측면에서 의미가 있다. 이게 지난해 ‘캐털리스츠’에 실린 연구다.

홍 교수 그룹은 니켈-카빈(Carbene) 촉매를 사용했고, BASF는 인이 포함된 리간드(Ligand)를 사용했다. 리간드는 금속원자를 둘러싸고 있는 화합물로, 금속원자에 새로운 물리적 성질을 부여해 촉매로 기능하게 한다. 홍 교수는 카빈이라는 물질을 쓰는 이유에 대해 “다른 그룹이 사용한 인이 들어간 리간드는, 산화가 잘되어 촉매의 안정성이 떨어진다. 반면 카빈은 촉매로서의 안정성이 좋다고 알려져 있다. 그래서 나는 카빈을 갖고 앞으로도 연구하려고 한다”라고 말했다.

‘카빈’이라는 화합물은 무엇인가? 기억을 되살려 보니, 부산대 화학과 박진균 교수를 취재할 때 들은 적이 있다. 박 교수는 6-NHC(질소 헤테로고리 카빈)란 화합물을 설명하며 “카빈은 전자쌍 1개를 가지는 탄소”라고 말했다. 홍석원 교수는 카빈에 대해 “탄소는 4개의 손을 갖고 있다. 탄소 원자 하나에 4개의 다른 원자가 결합한다. 그리고 카빈은 탄소의 결합 부위 4곳 중 3곳은 결합했으나, 한 개의 손은 비어 있는 형태”라고 설명했다. 한 손이 비어 있다 보니 에너지적으로 불안정하며, 만들어졌다가 금방 사라진다.

홍 교수는 “카빈이 들어간 가장 유명한 경우가 복분해(metathesis) 촉매다. 복분해 촉매 반응을 개발한 세 사람은 2005년 노벨상을 받았다”라고 말했다. 노벨상 수상자 세 명 중 한 명(이브 쇼뱅)은 반응 메커니즘을 제안했고, 다른 두 사람(로버트 그럽스, 리처드 슈록)은 촉매를 각각 개발했다. 홍 교수는 “그럽스 교수(미국 캘리포니아공대)가 카빈을 이용한 촉매-리간드 개발 붐을 일으켰다. 그가 1999년에 내놓은 카빈이 들어간 촉매는 반응성이 뛰어났으며, 이걸 보고 촉매에 카빈 리간드를 도입하는 붐이 연구자들 사이에 일어났다”라고 말했다.

그럽스 교수는 ‘카빈 리간드+루테늄’ 촉매를 갖고 복분해 반응을 개발했다. 그가 그걸 갖고 한 일은 무엇인가? 그중 하나는 식물기름에서 ‘1-데센’(decene·이미지 참고)이라는 물질을 분리한 거다.

식물기름, 예를 들면 팜유에는 올레인산(C18H34O2)이 55%나 들어 있다. 올레인산으로부터 ‘1-데센’을 끊어내는 게, 그럽스 교수가 개발한 촉매의 역할이다. 올레인산은 탄소 18개가 사슬 모양으로 결합되어 있고, 딱 중간에 이중결합이 하나 들어 있다. 중간의 결합을 끊어내면 이중결합을 포함한 모두 10개의 탄소를 가진 이 물질이 ‘1-데센’이 된다.

홍 교수에 따르면, 올레인산으로부터 ‘1-데센’을 끊어내는 게 쉽지 않았다. 그럽스 교수가 1995년에 개발한 첫 번째 복분해 반응 촉매(인 리간드를 가진 루테늄 촉매)가 그걸 최초로 해냈다. 그리고 그럽스의 2세대 복분해 촉매(카빈이 들어가 있다)가 ‘1-데센’을 끊어내는 복분해 반응을 매우 잘 일으키는 걸로 확인되었다. 이 연구에 홍 교수가 뛰어들었고, 앞에서 그가 자신의 연구 토픽 세 가지를 말했을 때, 바로 두 번째가 여기에 해당한다. 두 번째 토픽은 식물기름을 유용한 화합물로 바꾸는 촉매 개발이다.

홍석원 교수도 ‘1-데센’을 식물기름에서 얻어내는 새로운 촉매를 개발해왔다. 그럽스 교수 그룹과 다른 점은 홍 교수 그룹이 개발한 촉매는 ‘카빈’의 모양이 다르다는 것이다. 그는 “우리 그룹은 이미다조피리딘이라는 물질을 갖고 리간드를 만들었다. 그걸 루테늄 금속에 붙였다”라며 반응이 계속해서 일어나는 횟수(ToN·Turn over Number)는 6700회를 기록했다고 말했다. 연구 결과는 2019년 학술지 ‘오가노메탈릭스’에 표지논문으로 실렸다. 그리고 ToN을 11만회까지로 올린 연구 결과는 지난해 학술지 ‘ACS 카탈리시스’에 보고했다. 홍 교수는 “이산화탄소 연구에서도 이 연구를 적용하면 좋은 결과를 거둘 것으로 예상한다”라고 말했다.

‘오가노메탈리스’ 표지논문으로 실린 촉매

홍 교수의 세 번째 연구인 ‘태양광 물질에 들어가는 유기반도체 물질’ 개발 연구는 듣지 않았다. 시간이 4시간 가까이 지났기 때문이다. 광주과기원이 자리 잡은 벌판에 어둠이 내리고 있었다. 홍 교수는 “지식의 축적은 경사진 길을 꾸준히 올라가는 게 아니라, 계단을 오르는 것과 같다고 생각한다. 한동안은 주춤하다가, 어느 순간 돌파구가 열려 새로운 지식을 얻게 된다. 그리고 또 멈춰 있다가 다음 계단을 오르는 식이다”라고 말했다. 그는 이어 “유기화학은 예술과 닮아 있다. 건축 같기도 하다. 촉매 디자인하는 건 작품을 만드는 것이고, 다른 유기화학자의 논문을 읽으면 예술품을 맛보는 듯하다. 연구에 창의적인 게 있기 때문이다. 화학은 창의성을 발휘하는, 아름다운 작품을 만드는 과학이라고 생각한다”라고 말했다.