정택모 한국화학연구원 박사는 “망간이 내게 박사를 줬다”고 말했다. 지난 11월 6일 대전 한국화학연구원에서 만난 정 박사는 “은사인 정영근 교수님(서울대 화학과 명예교수)도 망간으로 미국 브라운대학에서 1985년에 박사학위를 받았다”라고 말했다. 망간? 고교 이후 오랜만에 듣는 물질 이름이다. 자료를 찾아보니 망간은 원자번호 26번이고, 원소기호는 Mn이다. 철을 더 단단하게 만드는 물질 특성을 갖고 있다는 설명이 보인다.

한국화학연구원은 정부가 투자해서 만든 정부출연연구기관이다. 정 박사를 취재하러 가기 전에 그가 어떤 화학자인지를 알기 위해 온라인 자료를 찾아보았다. 자료가 거의 보이지 않았다. 한국화학연구원이 연구 개발한 물질을 시중 업체에 판매하는, 즉 ‘기술이전’한 사례와 관련한 기사가 몇 개 있을 뿐이었다.

“망간이 박사학위를 안겨줬다”

정 박사에게 자료가 없어 미리 공부를 하지 못하고 찾아왔다고 말했다. 그는 “미리 말했으면 자료를 보내줄 수 있었다”고 했다. 한국화학연구원이 정 박사가 상을 받을 수 있도록 관련 부처에 상신하기 위해 만든 공적 자료가 있는 것이다. 그가 보여주는 자료를 보니, 그는 한국화학연구원에서 지난 2000년부터 일해 왔다. 박막재료연구센터라는 조직에서 일을 시작했고, 11년 뒤(2011년)에는 그 조직의 책임자(센터장)가 되었다. 박막재료연구센터장으로 내내 일하다가 2018년 박막재료연구센터가 속한 더 큰 조직인 화학소재연구본부 본부장이 되었다. 2년 일하고 지난해 말 본부장에서 물러났다. 그런데 지난 3월 화학소재연구본부의 하위 조직인 정보전자소재연구단을 책임지게 되었다. 정보전자소재연구단에는 3개 센터, 즉 정 박사가 오래 몸담았던 박막재료연구센터, 그리고 고기능고분자연구센터, 계면재료화학공정센터가 속해 있다.

공적서는 정 박사가 그간 무슨 기여를 했는지에 대해 다음과 같이 기술한다. “반도체용 유기금속화합물 합성 기술을 관련 기업에 이전하여 관련 분야 과학기술 발전에 기여했으며….” 정 박사는 내게 “크게 보아 반도체, 디스플레이용 화학소재를 개발한다. 이를 통해 한국의 화학소재 발전에 기여하려고 했다”라며 부연 설명했다. 그리고 자신의 연구를 잘 보여줄 수 있는 키워드는 ‘유기금속화학 합성’ ‘반도체, 디스플레이용 전구체’라고 했다. 정 박사는 “나는 무기화학자이며, 무기화학에서도 유기금속화학을 연구해왔다. 구체적으로는 반도체나 디스플레이에 쓰이는 새로운 박막 소재를 개발하고 있다”라고 말했다.

그동안 연구한 금속만 34개

정 박사가 연구한 금속은 어떤 게 있을까? 그는 망간(서울대 화학과 대학원 박사과정·1988~1992)으로 시작해 백금(KIST 박사후연구원·1992~1993), 지르코늄(미국 MIT 화학과 박사후연구원·1993~1994), 팔라듐(한솔케미칼 연구소·1994~2000)을 연구했다. 그리고 한국화학연구원에 온 뒤에는 “거의 모든 금속을 갖고 연구했다”라고 말했다. ‘거의 모든 금속’이라니? 어떤 금속들이냐고 묻자 정 박사가 주기율표 앞에 서서 표의 왼쪽 줄부터 오른쪽 줄로 옮겨가며 주기율표상의 금속들을 손가락으로 하나씩 짚었다. 그의 방 벽면 한쪽에는 커다란 원소주기율표가 붙어 있다.

“2족(주기율표의 왼쪽에서 오른쪽으로 두 번째 줄)에서는 마그네슘(Mg), 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 3족에서는 이트륨(Y), 4족은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 5족은 바나듐(V), 나이오븀(Nb), 탄탈럼(Ta)….” 이렇게 말하기를 계속해 15족 원소, 원자번호 51번인 안티모니(Sb)에서 말이 끝났다. 나는 부지런히 메모를 했고, 몇 개인지 세어보니 34개였다.

그가 유기금속화학을 공부한 건 우연이었다. 그는 서울대 화학교육과 82학번이다. 석사 때는 화학교육과 백명현 교수 연구실에서 공부했고, 박사 때는 서울대 화학과 정영근 교수를 지도교수로 모시고 유기금속화학을 연구했다.

정영근 교수와 호흡이 잘 맞았다. 정택모 학생은 그의 첫 박사과정 제자다. 정 교수가 1987년에 KIST(한국과학기술연구원)에서 서울대로 옮겨왔고, 정택모 박사과정 학생은 그 이듬해인 1988년 그 밑에서 박사 공부를 시작했다. 그때 석사 2년 차 학생으로 현택환 박사(기초과학연구원 나노입자연구단장 겸 서울대 화학생물공학부 교수)가 있었다. 현 교수는 올해 노벨상 물망에 오른 유일한 한국인으로 언론의 조명을 받은 바 있다. 정영근 교수가 배출한 1호 박사가 정택모 박사이고, 1호 석사가 현택환 교수다.

정택모 박사가 한국의 유기금속화학자 계보를 약간 언급하며 카이스트 도영규 교수, 박준택 교수, 그리고 서울대 정영근 교수 이름을 말했다. 정 교수는 서울대 화학과 73학번. “그분의 연구 실적이 어마어마하다. 연구밖에 모르셨다. 나는 그분에게서 거의 모든 걸 다 배웠다. 나의 역할 모델이다.” 정 교수는 2018년까지 화학과 교수로 일하면서 박사 제자를 45명 넘게 배출했다고 한다.

새로 온 교수는 실험실을 꾸려야 한다. 때문에 신임 교수 방에서 일한 선임 학생인 정택모 박사과정 학생은 고생을 많이 했다. 그는 “교수님과 실험실을 같이 꾸렸고, 그분으로부터 새로운 학문을 보았다”라고 말했다. 그리고 박사과정을 시작한 지 3년이 되던 해 7월 “택모, 졸업 논문 써요”라는 말을 들었다. 그때 기분이 참 좋았다. 석사 시절부터 지도를 받아온 학생이 아니니, 실험실에 새롭게 들어온 입장에서 박사 기간이 좀 더 길어질 수도 있었다. 그런데 지도교수는 박사학위를 빨리 주겠다고 말한 것이다. 박사학위 논문 방어(defense)는 통상 11월 말~12월 초에 한다. 그러니 교수는 학생에게 6개월의 준비 시간을 줘야 한다. 정 교수가 여름인 7월에 ‘논문 써요’라고 말한 건 ‘디펜스’를 준비할 시간을 염두에 둔 것이다. 그는 1992년 박사학위를 받았다.

새로운 박막 소재에 중요한 전구체

정택모 박사는 학위를 받은 뒤 두 곳에서 박사후연구원으로 일했다. KIST의 손연수 박사(나중에 이화여대 교수로 일했다) 밑에서 백금 항암제를 1년간 연구했고, 다음 1년은 미국 MIT의 유명한 화학자 스티브 버크월드(Steve Buchwald) 교수에게 가서 배웠다. 그는 “버크월드 교수 랩에서도 많이 배웠다”라고 말했다. 그가 유기금속합성 화학자가 된 데는 1980년대 중반 유기금속화학이 붐을 이뤘던 시대 배경이 있다. 유기금속화학은 무기화학과 유기화학을 같이 해야 하는 분야다. 정 박사는 “유기화학과 무기화학의 구분은 탄소가 있느냐 없느냐라고 흔히 말하는데 그게 아니다”라며 이렇게 설명했다.

“무기화학에는 생(生)무기화학, 배위화학, 유기금속화학, 재료화학이 있다. 무기화학의 기본은 리간드(ligand)다. 리간드와 금속의 결합을 만든다. 리간드에 탄소가 없느냐 하면 그렇지 않다. 당연히 탄소가 들어 있다. 그러니 탄소가 없는 게 무기화학이 아닌 게 아니고, 금속이 들어가면 무기화학이라고 봐야 한다. 유기금속화학은 ‘금속과 탄소’의 결합이 기본이다. 금속과 수소, 금속과 질소 결합도 있다. 그리고 유기금속합성을 할 줄 알아야 반도체 소재용 전구체를 만들 수 있다. 새로운 전구체를 개발하려면 새로운 유기 리간드를 설계하고 합성할 줄 알아야 한다.”

정택모 박사의 설명을 듣다가 잠시 멈추고 기사에 들어갈 정 박사 사진을 찍기로 했다. 사무실보다는 실험실 촬영이 좋다. 취재원의 연구를 잘 보여줄 수 있는 장비가 있을 수 있기 때문이다. 1층 실험실에 갔다. 어떤 배경이 좋을까 살펴보다가 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition·ALD) 장비 앞에 섰다. 가정용 대형 냉장고 크기다. 정 박사가 장비에 관해 설명했다.

“박막(Thin Film) 소재를 새로 만들기 위해서는 중요한 게 전구체(Precursor)다. 전구체를 새로 개발해야 한다. 나는 금속을 이용해 전구체를 개발해왔다. 개발한 전구체는 ALD라는 이 장비를 이용해 반도체용 실리콘 웨이퍼 위에 뿌려 들러붙게 한다. 이걸 증착(蒸着)시킨다고 표현한다. 그리고 증착된 박막 소재의 물성을 실험하게 된다. 구체적으로 그 과정을 보면 이렇다. 우선 ALD 장비의 ‘캐니스터’(원통인 통조림 모양과 크기)에 전구체를 넣는다. 전구체는 캐니스터로부터 가는 관을 통해 기체 상태로 날아가 ‘진공 체임버’로 들어간다. 전구체와 반응시키는 물질, 예컨대 산소와 같은 물질이 있는데, 진공 체임버에 전구체와 함께 섞여 들어가게 한다. 진공 체임버 바닥에는 반도체용 실리콘 웨이퍼(기판) 한 장이 놓여 있다. 이 기판 위에 전구체와 반응물질의 혼합물이 내려앉는다. 전구체를 캐니스터 안에 넣고 장비를 가동시킨 뒤 1초 만에 증착이 완료되기도 한다.”

정 박사에 따르면 반도체를 만드는 데는 금속산화물, 금속질화물, 금속, 칼코게나이드 등 다양한 조성의 박막 재료가 들어간다. 특정 금속으로 만든 전구체를 캐니스터에 넣고, 가령 물이나 오존과 같은 산소 소스를 추가로 투입하면 금속산화물이 된다. 금속 전구체와 암모니아를 반응시키면 금속질화물이 된다. 반도체 용도에 따라 금속산화물이냐, 금속질화물이냐, 금속이냐가 달라진다.

연구원 200명에 연간 예산 200억

정 박사는 “중요한 건 전구체 개발이다. 전 세계에 없는 전구체, 기존에 없는 속성을 가진 전구체를 개발해야 한다. 나는 그걸 개발해서 테스트한다. 반도체뿐 아니라 디스플레이, 태양전지 박막 소재를 만든다”라고 말했다.

전구체, 전구체 그러는데 전구체란 무엇인가? 정 박사는 “나무집게를 만들려면 나무가 있어야 한다. 그리고 유리 비커를 만들려면 유리 물질이 있어야 한다. 이때 나무와 유리가 전구체다”라고 설명했다. 왜 ‘재료’라고 하지 않고 ‘전구체’라는 어려운 말을 쓰는 것일까? 그는 “전구체는 앞선 물질이라는 뜻이고, 재료가 아니다”라고 했다. 취재를 마치고 ‘전구체’에 관해 어떤 설명이 있는지 온라인을 검색해봤다. 한 사이트는 전구체를 ‘다른 화합물을 생성하는 화학반응에 참여하는 화합물’이라고 정의해 놓았다. 정 박사는 “한국에 전구체 생산 기업이 굉장히 많다”라고 했다.

그가 몸담아왔고, 현재 책임지고 있는 3개의 센터 중 하나가 박막재료연구센터다. 이 센터는 구체적으로 어떤 반도체와 디스플레이에 쓰이는 박막 재료를 개발해온 것일까? 정 박사에 따르면, 박막재료연구센터가 개발해온 금속 전구체는 반도체 소재와 디스플레이 소재로 나눠 볼 수 있다. 반도체 소재로는 ‘전극물질’과 ‘고(高)유전물질’ ‘확산방지막’이 대표적이고, 디스플레이용 소재로는 고(高)이동산화물반도체가 있다. 구체적으로 이 물질들이 무엇인지 궁금했으나, 묻지 않았다. 전극물질의 경우는 전극에 사용되며, 최종 제품의 경박단소화를 위해 새로운 박막 재료가 계속 요구된다고 했다. 박막재료연구센터 안에 있는 전구체 연구그룹은 반도체와 디스플레이 소재 말고도 그래핀을 뛰어넘는 2차원 물질 소재와 3D프린팅 소재 연구도 한다. 정 박사는 “국내 유일의 특화된 전구체 양성 집단”이라고 자랑했다. 정 박사의 연구단(박막재료연구센터, 고기능고분자연구센터, 계면재료화학공정센터)에는 박사급 인력 50명을 포함해 연구원이 200명 이상 근무하고 있으며, 연 200억원 이상의 예산을 사용한다.

정 박사는 금속 전구체 연구자라고 했다. 그는 박막재료연구센터 안에 있는 비공식 조직인 전구체연구팀을 10년 이상 이끌어왔다. 이 팀에서 그와 동료 연구자가 개발한 물질은 구리 전구체, 니켈 전구체, 주석 전구체, 4족 전이금속 전구체, 루테늄 전극물질, 스트론튬 전구체 등이다. 니켈 전구체(2006년 개발)와 구리 전구체(2007년, 2015년 개발) 두 가지는 국내 업체에 기술이전했다. 스트론튬 전구체는 차세대 반도체 소재로 주목된다.

연구 결과가 특히 좋아서 보람이 있었던 게 무엇인지 궁금했다. 그는 “많다”라며 웃었다. 그간 개발한 전구체를 특정해서 구체적인 개발 얘기를 해달라고 하자 그는 “주석을 얘기하고 싶다”고 했다. “주석 전구체는 2010년쯤 개발했다. 재료가 싸고 합성하기 쉽다. 공정에 적용해 보니 응용 범위가 컸다. 고(高)이동도 산화물반도체, 2차원 물질 등 무궁무진한 활용 가능성이 있다. 남보다 좋은 걸 만들었다. 새로우면서도 특성이 좋은 물질이었다. 예컨대 휘발성이 좋은.”

좀 더 구체적으로 듣고 싶었으나 얘기가 땅으로 내려가지 않고 공중에 떠있는 듯했다. 그래서 정 박사에게 “화학자를 만나면 미국화학회지나 독일화학회지에 실린 연구 결과를 자랑하고 보람 있었던 연구라고 하던데, 그런 게 무엇이 있느냐”라고 재차 묻자 그는 이렇게 답했다. “출연연구소는 미국화학회지나 독일화학회지에 논문을 쓰기보다는 새 기술을 개발해서 국내 기업에 기술이전하는 게 중요하다. 학교는 기초연구, 회사는 실용화 연구를 한다. 출연연구소는 응용과 개발연구를 한다. 출연연구소의 연구 방향은 학교나 기업과 다르다. 물론 한국화학연구원에서도 (저명한 학술지) 사이언스나 네이처에 논문을 낸다. 그러면 박수를 친다. 나 역시 국내외 SCI(Science Citation Index·과학인용색인) 논문을 100편 이상 게재한 연구 실적이 있다.” 그는 이어 “나는 학교가 아니라 정부출연기관에서 일하고 있다. 한국화학연구원은 설립 목적이 있다. 그러니 내 연구도 한국화학연구원이 하는 일에 초점을 맞춰 말하는 게 좋다”라고 말했다. 정 박사는 “현재 남은 금속은 어려운 것들이다. 몰리브덴, 텅스텐, 루테늄은 전극물질이다. 5년쯤 후에 쓸 수 있는 신규 소재 개발연구를 집중적으로 하고 있다”라고 말했다.

정택모 박사는 특히 지난해에 분주했다고 한다. 일본 정부가 지난해 7월 1일 한국에 대한 일부 화학물질 수출에 제약을 걸어오면서 무역 분쟁이 일어난 바 있다. 일본의 규제 조치로 소재의 중요성이 급부상했다. 당시 그는 화학소재연구본부장으로 일하고 있었고, 한국화학연구원 내 대응팀을 이끌었다. 정부와 국회에 가서 무역 분쟁 대응과 관련해 한국이 무엇을 해야 할지도 얘기했다. 그는 “정부가 잘하고 있다. 그럼에도 불구하고 아직 멀었다. 소재 종류가 많기 때문이다”라고 했다.

일본의 화학물질 수출 규제 대응팀 이끌어

정 박사는 “근데 요즘 한국 대학에는 유기금속 합성을 하는 사람이 없다”라고 말했다. 그러면서 한국화학연구원이 운영하는 학연 과정을 소개했다. 그에 따르면, 한국화학연구원과 대학들이 연합해서 유기금속화학 분야 인력을 육성한다고 한다. 서울대, 포항공대, 카이스트 빼고 거의 모든 대학과 협력하고 있는데 박사후연구원 혹은 석사연구원으로 한국화학연구원에 와서 2~3년 경력 쌓고 기업에 취업한 학생이 많다고 했다. 그동안 한국화학연구원에서 일하면서 석사를 마치거나 박사를 마치고 온 학생 제자 60명을 배출했다고 한다. 그는 “박사후연구원 과정처럼 석사후 과정 제도를 도입해서 정부가 지원하면 좋겠다”라고도 했다.

정택모 박사는 “유기금속화학은 매력이 있다”고 했다. 그의 방 안쪽에는 ‘정다원’이라는 글자가 쓰여 있다. 대학 동기이자 옆방에 있는 원종찬 박사가 붙여준 정 박사 연구실 이름이다. 실제 그는 차를 즐긴다. 그의 유기금속화학 얘기를 이해하려 애쓰다 보니, 그가 우려낸 차 맛이 어땠는지는 잘 모르고 목으로 넘기기만 했다. 차 맛이야말로 화학이다. 아직은 잘 규명되지 않은.