손성욱 성균관대 교수가 “특별한 것도 엄청 자랑할 만한 연구도 없는데”라고 말했을 때 약간 당황했다. 지난해 12월 8일 경기도 수원의 성균관대 자연대학캠퍼스로 찾아갔을 때 그에 대해 사전에 손에 쥔 정보가 거의 없었다. 손 교수 연구실 인터넷 사이트를 검색했으나 연결이 되지 않았다. 오래된 정보만 인터넷에 조금 보였다. 그를 소개해준 화학자를 믿고 찾아갔다. “특별한 것도 자랑할 만한 연구도 없다”는 그의 말은 얘기를 좀 들어보니 사실이 아니었다. 그걸 알기 전까지는 약간의 인내심이 필요했다.

손 교수는 “나의 연구 분야는 유기금속화학”이라며 자신이 하는 일을 이렇게 설명했다. “지구 대기가 너무 따뜻하다. 석유가 이산화탄소 형태로 공기 중에 올라가 있기 때문이다. 인간이 땅속의 석유를 캐고, 이를 태웠다. 기후변화를 막기 위해 대기 중 이산화탄소를 다시 지상에 고정해야 한다. 많은 화학자가 공기 중의 이산화탄소를 포집하는 일을 하고 있다. 나는 금속 촉매를 써서 대기 중의 이산화탄소를 우리가 일상에서 쓰는 물질로 만들고자 한다.”

속이 비고 구멍이 많은 나노 구의 마법

손 교수가 야구공 크기의 흰색 플라스틱 구조물을 갖고 왔다. 그리고 컴퓨터 화면에 이미지를 하나 띄웠다. 플라스틱 물체는 현미경에 잡힌 사진 속 물체를 크게 만든 것으로, 실제 크기는 아주 작다. 구조물은 100~150㎚(나노미터)이고, 겉면의 구멍들 크기는 2㎚, 두께는 15㎚다. 속이 비었고(영어로 hollow) 구멍이 많은(porous) 물질이라고 했다. 주로 유기물로 만들었는데 금속이 박혀 있으며 이 금속이 뭔가 일을 한다.

“우리가 만든 이 물질은 이산화탄소를 고분자로 바꿀 수 있다. 그러면 플라스틱이 만들어진다. 인류는 석유를 갖고 플라스틱을 만드는데, 나는 석유를 쓰지 않고 플라스틱을 만들고자 한다. 예컨대 자연은 대기 중 이산화탄소를 원료로 해서 식물을 만든다. 식물은 이산화탄소가 변해서 만들어진 것이다. 요즘 화학의 한 흐름이 있다. 석유를 쓰지 않고 식물로 일상생활에 유용한 물건을 만들자는 운동이다. 고갈되는 석유자원을 사용하는 화학 대신에, 식물을 재료로 지속가능한 화학을 하자는 움직임이다. 이산화탄소를 갖고 고분자를 만들고, 식물로 석유를 대체하는 일을 주로 하고 있다.”

손 교수가 연구실 벽에 붙어 있는 학술지 포스터를 가리켰다. 식물로 석유를 대체하는 그의 화학 연구가 실린 ‘켐컴(ChemComm)’이라는 학술지 표지 이미지다. 포스터에는 손 교수가 보여준 ‘속이 비고 구멍이 많은 물질’ 이미지가 보인다. 이 구형 물질이 풀밭에 놓여 있다.

손 교수는 ‘속이 비고 구멍이 많은 물질’에 대해 중요한 건 구조라고 했다. 안에 들어가 있는 금속은 맘대로 바꿀 수 있다. 이 구조를 만든 건 2013년이며 관련 연구는 10년째 하고 있다.

그의 연구의 큰 그림이 여전히 궁금했다. 그의 연구가 유기금속화학의 분류 중 어디에 속하는지를 물었다. “응용 분야가 무엇인지에 따라 어느 분야를 한다고 말할 수 있을 것 같다. (한국화학연구원의) 정택모 박사는 유기금속화학자인데, 박막 재료를 만든다. 나는 속이 비고 구멍이 많은 나노물질을 만들었고 이걸 응용한다. 촉매와 배터리, 약물 전달이 세 개의 응용 분야다. 이산화탄소를 고분자로 바꾸는 촉매가 되고, 전기를 저장하는 배터리가 될 수 있고, 약물을 넣어 전달하는 약물전달체로 쓸 수 있다. 그래서 내 연구실 이름은 ‘응용유기금속연구실’이다.”

손 교수에게 화학을 어떻게 하게 됐느냐고 물었더니 “화학을 학교 다닐 때부터 좋아했다”는 답을 건넨다. “경남 밀양의 초동면 반월리라는 낙동강변 마을에서 자랐다. 여름이면 강물 범람이 많았다. 가난한 마을이었다. 강 건너에서 시집 온 여인들이 가난에 울었다. 그런 데에서 살다 보니 나는 사람보다는 자연을 좋아하게 되었다. 자연을 다루는 과학자가 되어야겠다고 생각했다. 밀양고교 시절 화학 선생님이 화학을 진지하게 가르쳐줬고, 그때 화학에 꽂혔다.”

실험실에서 살다가 대학교수로 특채

화학공학과에 지원했다가 떨어졌고 다음 해 시험에서 화학과에 합격했다. 서울대 화학과 92학번. 학부를 마치고 대학원에 진학할 때, 화학의 어떤 분야를 공부해야 할지 몰랐다. 친구들이 많이 지원하는 교수 연구실에 덩달아 지원했다. 학생을 4명 뽑는데 6명이 와서 2명은 탈락해야 했다. 랩장(연구실 Lab의 선임 학생)이 “운에 맡기자”라고 제안해 6명이 사다리를 탔다. 손 교수는 떨어졌다. 다른 교수 방에 지원했더니 이번엔 선배와 경쟁하게 되었다. 그래서 양보했다. 최종적으로 간 곳이 정영근 교수 실험실이다. 정영근 교수? 그는 유기금속화학자이고, 정택모 한국화학연구원 박사가 그의 첫 박사 제자라고 들은 바 있다.

손 교수는 “유기금속이란 분야는 학부 때는 있는 줄도 몰랐다. 해 보니 다이내믹했다. 짧은 시간에 많은 일이 일어난다. 전합성(Total Synthesis)은 결과를 보기 위해 10년이 걸릴 수가 있으나, 유기금속은 한 달 안에도 새로운 결과를 보고할 수 있다. 그리고 정영근 교수님은 연구에만 집중하는 스타일이었다. 그래서 더 좋았다”라고 말했다. 일이 안 풀려서 기다려야 했으나, 기다리면 더 좋은 일이 기다리고 있었다. 이런 일이 그에게는 반복해서 일어났다. 그는 “화학과 선택도 그랬고, 유기금속을 공부하게 된 것도 그런 경우”라며 웃었다. 1996년 석사과정에 들어갔고, 1998년 박사과정에 들어가 3년 만에 학위를 땄다.

박사 때는 촉매를 연구했다. 손 교수는 “쓸모 있는 화학을 하고 싶었다. 촉매를 개발하면 실용적으로 쓸 수 있어 촉매를 일부러 많이 연구했다”라고 말했다. 박사 때 연구를 물어보니 “많이 만들었다”라고만 답했다. 그래서 그중 하나를 소개해달라고 하자 손 교수는 ‘연속반응(Tandem Reaction) 연구’ 얘기를 꺼냈다. “반응물을 갖고 생성물을 만드는데, 여러 단계가 아니라 한 단계로 생성물이 만들어지게 했다. 촉매를 잘 배치하면 연속반응이 일어난다. 새로운 연속반응을 10여개 개발했다. 그리고 2005년 성균관대 교수가 되었다.”

연속반응의 구체적인 사례를 설명해달라고 요청하자 손 교수는 메모지에 큰 글씨로 ‘연속반응으로 오각 고리가 4개 연결된 구조인 Fenestrane(페네스트레인)을 합성하였음’이라고 썼다. 오각 고리 모양 네 개가 빈틈없이 붙어 있는 구조다. 촉매는 코발트와 팔라듐을, 그리고 ‘포손-칸트 반응’을 사용했다고 한다.

그는 박사학위를 받고 군복무를 ‘전문연구요원’이라는 걸로 대신했다. 연구기관에서 몇 년간 연구하는 걸로 군복무를 갈음하는 제도다. 서울대 화학공학과 현택환 교수 실험실에서 2년을 그렇게 보냈다. 2004년 11월에 군복무가 끝났고, 12월 1일 박사후연구원으로 미국 브라운대학에 갔다. 그런데 그곳에 도착한 직후에 성균관대학교가 특채를 결정했다.

특채란 건 특별한 연구 실적을 보인 연구자라야 가능할 것인데 지금까지 손 교수가 얘기한 걸로는 그가 왜 특채가 됐는지 잘 납득되지 않았다. 특채의 배경이 뭔지를 묻고 그의 얘기를 추가로 듣고 나서야 그가 그전에 무엇을 했는지 알 수 있었다.

한국서 박사과정 하면서 JACS에 논문 게재

“학위 과정에서 유기금속합성을 엄청 많이 했다. 25살에서 32살 될 때까지 연구실에서 살았다. 실험실에서 실험만 했다. 연구 실적이 많았다. 주야장천 합성만 했으니까. 실적이 많다. 그래서 성균관대에서 오라고 한 것이다. JACS(미국화학회지)나 앙게반테 케미(독일화학회지)에 논문을 냈다. 거기에 논문 쓰는 한국인 학자가 당시는 많지 않았다.”

JACS와 앙게반테 케미에 보고한 연구가 무엇이냐고 묻자 그는 자료를 찾아봤다. 그리고 “석사 2년 차 때인 1997년에 JACS에 낸 게 있다”고 했다. 학부 4학년 때 떠오른 아이디어를 갖고 석사과정에 들어가 새로운 망간 화합물, 즉 알려지지 않은 신물질을 합성해냈다는 얘기다. “유기금속화학에 관해 아무것도 모를 때였다. 아이디어가 떠오르는 대로 신나게 실험을 했다. 그런 중에 우연찮게, 초보의 여러 가지 시도 중 하나에서 신기한 일이 일어났다.” 당시 논문 제목은 ‘망간 유기금속화합물의 환원을 통한 두 개의 망간을 가지는 새로운 화합물 합성’이었다. 그에게 논문 내용을 더 얘기해달라고 하자 “이거 설명해달라는 사람 없었는데”라며 웃었다.

손 교수는 기자의 취재수첩에 그림까지 그려가며 다음과 같이 설명했다. “벤젠고리에 치환기라는 걸 붙이려고 하나, 잘 안 된다. 이때 벤젠(리간드)에 망간원자를 하나 붙이면, 벤젠고리가 활성화된다. 다양한 치환기를 붙일 수 있게 된다. 이런 걸 망간 화학이라고 한다. 내 지도교수인 정영근 교수님이랑 정택모 박사, 이태영 박사, 이수성 박사가 이걸 했다. 나는 리간드를 건드린 게 아니라금속인 망간을 건드렸다. 즉 망간에 전자를 하나 더 집어넣었다. 이렇게 하는 게 원래 아닌데 어쨌든 그렇게 하니 이상한 일이 일어났다. 망간원자가 하나 붙으면서 활성화되어 있던 벤젠고리가 에너지적으로 더 불안정해졌다. 정확히 말하면 여기에서 벤젠고리란 벤젠 종류의 스타이렌(Styrene·C6H5CH=CH2)을 말한다. 스타이렌은 스티로폼의 재료가 되는 화합물이다. ‘이상한 일’이란 스타이렌에 망간이 하나 더 달라붙는다는 것이다. 이게 학문적으로 재미있는 부분이 있다. 그래서 JACS가 의미 있는 연구라고 평가해, 이 학술지에 논문을 게재할 수 있었다.”

손 교수는 앞에서 박사 때 연구 중 하나로 ‘연쇄반응’을 얘기한 바 있다. 이 연구도 JACS에 연구 결과를 보고했다고 했다. 박사학위를 하는 동안, 그것도 한국에서 박사 공부를 하면서 JACS에 계속해서 연구 성과를 보고하자 성균관대 화학과가 그를 채용하기로 결정한 것이다. 그제야 성균관대 측의 특채 조치가 납득되었다.

손 교수는 “합성이 체질에 맞았다. 책 보고 학습하는 것보다 합성 노동자로 일하는 게 좋았다”라면서 어려서 밀양 집에서 농삿일을 도왔기에 ‘노동’이 익숙하다고 했다. 그의 집은 수박과 고추 농사를 지었는데 비닐하우스의 긴 고랑에 고추 모종을 심으면 땀이 비오듯 했고, 수박을 키울 때는 순치기 작업을 많이 했다.

성균관대에 교수로 임용되었음에도 그는 미국 동부 프로비던스에 있는 브라운대학에서 1년간 머물렀다. 당시 지도교수는 드와이트 스와이거 교수. 스와이거 교수는 서울대 은사인 정영근 교수의 논문 지도교수이기도 하다. 손 교수는 “정 교수님이 가라고 해서 간 게 아니라 내 발로 찾아갔다. 스와이거 교수는 유기금속화학의 대가이고, 망간화학 연구자다. 내가 갔을 때는 유기금속화합물의 자기조립(Self-assembly)에 관심을 갖고 있었다. 그래서 이곳에서 유기금속화합물의 자기조립을 살짝 연구했다”라고 말했다. 이 주제는 교수가 된 뒤 그가 본격적으로 파고든 새로운 영역이 된다.

스와이거 교수는 원래 연구밖에 모르는 사람이었다. 젊어서는 엄격한 스승이며 워크홀릭이었다고 한다. 연구에 소질이 없다고 판단되면 가차없이 학생을 연구실에서 내보내기도 했다. 하지만 손 교수가 갔을 때 스와이거 교수는 딴 사람이 되어 있었다. 매일매일 유머와 개그를 학생들에게 쏟아냈다. 여유가 날 때마다 “아이스크림 먹으러 가자”라고 했다. 그는 골프를 취미로 삼았는데 손 교수가 골프 사역을 해야 했다. 주말에 한 번, 주중에 한 번, 매주 두 차례씩 골프를 쳤다. 손 교수가 마다하면 스와이거 교수는 농담으로 “나 삐진다”라고 했다. 그러면서도 손 교수는 논문을 학술지에 계속 썼다. 미국에서 미국 대학 소속으로 쓰니 논문은 한국에 있을 때보다 쉽게 실렸다.

손 교수는 2005년 11월 귀국했다. 이후 유기금속화합물의 자기조립을 연구하면서 기능성 재료 만들기를 했다. 그리고 2013년 ‘속 빈 다공성 재료’를 만들었다. 손 교수가 앞에서 이에 관해 간략하게 언급한 바 있다. 손 교수가 처음 만든 속 빈 다공성 재료는 처음에 구 모양을 만들고, 그걸 틀(Template)로 삼아 다공성 구를 만드는 방식이다. 틀에 코팅을 하고 속 부분을 녹여내는데 재료는 유기고분자, 특히 나노다공성고분자(Microporous Organic Polymer·MOP)로 만든다. 교차연결된(Cross-linked) 고분자를 쓰면 그 사이에는 구멍이 많이 생기면서 다공성 물질이 된다. 고분자에는 금속, 예를 들면 철이 박혀 있어 촉매 역할을 한다.

손 교수가 구조를 컴퓨터 모니터에 띄워 보여줬다. 벤젠고리와 탄소-탄소 삼중결합이 보인다. 이선우 전남대 교수를 취재하면서 들은 바 있어 낯익은 구조들이다. 손 교수가 “소노가시라반응, 스즈키반응, 스틸레반응, 짝지음반응으로 합성한다”면서 “구멍이 많아야 구조의 표면적이 커지고 표면적이 커야 활용 가능성이 크다”라고 말했다. 손 교수는 ‘속이 빈 구멍이 많은 물질’을 만든 연구를 JACS에 2013년에 발표했다. 구조를 만드는 과정의 어려움을 묻자 그는 “코팅이 어려웠다”라고 말했다. 지금은 코팅하기 쉬워졌다고 한다.

그는 ‘속 빈 구멍 많은 물질’을 구형이 아니라 육각형으로 만들기도 했다. 이 연구도 2014년 JACS에 실렸다. 깍두기 모양, 즉 정육면체 모양은 2017년에 만들었는데 이는 영국의 화학학술지 ‘켐컴’에 논문이 나갔다. 2017년에는 문어빨판 모양으로도 만들었다. 손 교수는 모두 수십 종을 만들었다. 이 중 겉면이 벨벳벌레의 피부와 같은 것도 합성했는데 이는 독극물 탐지에 쓸 수 있다. 특정한 독극물이 있으면 색깔이 변한다.

이산화탄소를 상온에서도 고체·액체로

그는 대기 중 이산화탄소를 상온에서 액체나 고체로 바꿀 수 있다고 했다. 이산화탄소의 대기 중 농도를 떨어뜨리는 건 인류가 필요로 하는 절대 기술이다. 손 교수에 따르면 이산화탄소 포집은 다른 연구자가 하는데 이는 다른 기술이다. 손 교수가 하는 일은, 다른 이가 이산화탄소를 모아 오면 그걸 액체나 고체로 바꾸는 것이다. 현재까지 나온 기술은 상온이 아니라 150도라는 높은 온도에서만 가능했다. 그는 이산화탄소를 ‘고리형 카보네이트(Cyclic Carbonate)’ 또는 ‘고분자형 카보네이트(Poly Carbonate)’로 바꾼다. 최근 3년간 대기 중 이산화탄소를 화학전환해서 유용한 물질로 바꾸는 연구를 계속 했다. ‘이산화탄소를 포집해 오라, 그러면 내가 화학전환 해주마’라는 게 손성욱 교수의 연구 목표다. 현재 이게 실용화되지 않는 건 이 작업에 많은 비용이 들어가기 때문이라고 한다.

손 교수와의 인터뷰는 급히 마무리해야 했다. 그의 휴대폰이 계속 울렸다. 그는 배드민턴을 즐기는데, 동호인들과 누군가의 장례식장에 가야 한다고 했다. 그의 카톡 이미지도 배드민턴 채를 들고 있는 모습이었다.