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[2644호] 2021.02.01
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[과학 연구의 최전선]나노입자 안의 화학반응 연구하는 포항공대 이인수 교수

포항= 최준석  선임기자 jschoi@chosun.com 2021-02-05 오전 11:09:11

photo 주민욱 영상미디어 기자
이인수 포항공대 화학과 교수는 “나는 대단한 화학자를 꿈꾸지도 않았고, 화학의 재미를 뒤늦게 발견했다”라고 말했다. 지난해 12월 23일 경북 포항에서 만난 이 교수는 “학생 때부터 화학 연구를 평생 해야겠다, 잘해야겠다고 생각하지 않았다. 물론 그때그때 뭔가를 잘해서 칭찬받는 일을 좋아하기는 했다. 그리고 소심해서 안정적인 일을 하면 좋겠다고 생각했다”라고 했다.
   
   이 교수는 서울대 화학과 91학번. 서울대 화학과에 들어갔으니 자존감이 높을 만한데, 그는 그런 식으로 말하지 않았다. 학부를 마치고 서울대 화학과 대학원에 들어가 유기금속화학자인 정영근 교수 방에서 연구하게 됐다. 정 교수의 제자로는 이 시리즈에서 만나본 사람만 해도 정택모 한국화학연구원 박사, 손성욱 성균관대 교수 등이 있다. 노벨상 후보로 꼽히는 현택환 서울대 교수(IBS연구단장)도 정영근 교수 제자인데 곧 만날 예정이다.
   
   이인수 학생이 공부한 분야는 정영근 교수 랩(Lab·실험실)에서 주력이 아니었다. 정 교수는 당시 유행이던 ‘비선형 광학물질’을 연구해 보라고 했다. 교수가 새로운 연구 분야를 개척하려고 할 때는 학생에게 그 연구를 시킨다. 이인수 교수는 “유기금속물질을 갖고 광학재료를 개발하는 연구였는데 같은 랩에서 이 분야를 아는 사람이 없어 혼자서 공부했다”며 “연구 결과가 신통치 않아주요 학술지에 논문 한 편 못 냈다. 자존심이 상했다”라고 말했다.
   
   2000년 박사학위를 받은 뒤 LG화학연구소에 갔다가 미국 캘리포니아대학 (버클리) 화학과 교수의 실험실에서 박사후연구원으로 일했다. 그리고 2006년 경희대 교수가 되었다. 경희대 교수가 된 배경에 대해 이 교수는 “나는 당시 큰 그림도 없었고, 불쌍해서 경희대가 뽑아준 것 같다”라고 했다. 실제 화학하는 재미는 경희대에서 독립 연구자로 연구를 시작하면서 알게 되었다. 그리고 5년 뒤인 2011년 포항공대로 옮겼다.
   
   
   나노입자 내부의 화학반응 연구
   
   이인수 교수와의 약속 시간은 오후 2시였는데 포항공대 연구실로 1시간30분 가까이 일찍 찾아갔다. 혹시 일찍 방문해도 괜찮을까 해서 전화했더니 이 교수는 마침 연구실에 있었다. “점심을 하셨느냐”라고 물으니, 이 교수는 “원래 점심을 먹지 않는다. 하루 한 끼 먹는다”라며 연구실로 올라오라고 했다.
   
   이 교수는 슬라이드를 보여주며 자신의 연구를 설명했다. 이 교수 연구그룹 이름은 ‘나노공간한정 화학반응 연구실(Center for Nanospace-confined Chemical Reactions)’. 이름이 복잡하게 들리지만 용어 하나하나를 뜯어보면 그렇지 않다. ‘나노공간’은 ㎚(나노미터) 크기의 공간을 말한다. ㎚는 10-9m를 가리킨다. 그러니 이인수 교수 그룹 이름은 ‘나노’ 크기 입자 내부의 공간에서 일어나는 화학반응을 연구한다는 것이다.
   
   이 교수는 “나노입자를 여러 가지 화학반응의 매질로 사용한다”라며 이렇게 설명했다. “가령 속이 빈 나노입자 안에 용액을 가둬놓고 그 작은 공간에서 일어나는 화학반응을 연구한다. 이런 걸 연구한 사람은 별로 없었다. 나노입자 안의 공간에서 일어나는 반응을 본다는 건 새로운 연구방법론이다. 이 방법론을 갖고 새로운 반응들도 찾고, 찾은 걸 갖고 응용하는 일을 하고 있다.”
   
   그의 설명을 계속 들었다.
   
   “나노공간한정 화학반응이 새로운 연구 방법론이 되지 않겠나라고 생각하고 있으며, 이게 내 연구의 큰 그림이다. 이게 얼마나 효과적인지는 아직 모른다. 결국 새로운 화학반응을 발굴하기 위한 방법론 혹은 플랫폼을 만들고 싶은 거다. 나만의 고유한 방법론을 갖고 싶다. 여러 사람이 쓸 수 있는 방법론이 될 수 있다고 생각한다.”
   
   
▲ 속이 빈 나노입자가 만들어진 반응.

   나노입자를 전기로에 구웠더니
   
   그는 특히 고온 고체상 반응을 나노입자에 적용하는 연구를 개척했다. 고체상 반응을 통해 속이 빈 나노입자를 합성한 2010년 연구를 보자. 고체 상태에서 화학반응이 일어나게 하려면, 고체 내부의 원자나 분자가 용액에서와 같이 움직이게 해야 하고, 이를 위해 고온의 열을 가해야 한다. 보통 전기로 안에서 수백~수천 도로 굽는다. 그래서인지 이 교수의 포항공대 실험실에는 ‘전기로(Furnace)’가 많았다.
   
   속이 빈 나노입자를 만들기 위해 반응 매질로는 비결정성 실리카 나노입자(SiO2)를 썼다. 그 안에는 산화망간(MnO) 나노입자를 집어넣었다. 고체인데 그 안에 어떻게 집어넣을 수 있을까? 이 교수는 집어넣은 게 아니라 MnO 나노입자의 겉면을 SiO2로 코팅했다고 설명했다. MnO 나노입자는 직경 10㎚ 크기이고, 그걸 둘러싸고 있는 SiO2 코팅의 두께도 10㎚다. 그러니 전체 입자의 크기는 30㎚쯤 되겠다.
   
   이인수 교수 그룹의 한 학생이 이 나노입자를 전기로에서 구웠다. 그랬더니 나노입자 내부에 빈 공간이 생겼다. 안에는 원래 MnO가 들어 있었다. 나노입자를 구웠더니 MnO가 입자의 중심에서 밖으로 나가 자신을 둘러싸고 있던 SiO₂와 섞였다. 이 교수는 “MnO가 밖으로 나가는 속도가 SiO2가 안으로 들어오는 속도보다 빨랐다. 그래서 속이 비게 되었다”라고 말했다. 두 개의 물질은 그냥 섞였다. 이 교수는 “물에 설탕이 녹는 것과 같은 이치다. 고체도 그런 게 있다”고 했다. 이 교수는 “안이 막혀 있었는데, 뚫렸다는 게 중요하다”라며 고체상 반응으로 속이 빈 나노입자를 만드는 방법을 발견한 게 성과라고 설명했다.
   
   “당시에 무슨 일이 일어났는지 이해하지 못했다. 생성물이 나왔는데, 그게 왜 만들어졌는지를 전혀 알 수 없었다. 반응이 어떻게 일어났는지, 그 블랙박스를 모른다. 블랙박스, 그건 새로운 화학반응이고, 나는 그런 걸 찾는 것이다.”
   
   이 교수 그룹의 다음 연구는 고체상 반응으로 만든 속이 빈 나노입자의 안을 다시 채우는 것이었다. 속이 빈 SiO2/MnO 나노입자를 공기 속에서 500도로 구웠다. 공기(O2)를 공급해 환원반응을 시킨 것이다. 그랬더니 SiO2/MnO 속의 MnO가 Mn3O4라는 물질로 변했다. Mn3O4는 MnO와는 달리 SiO2와 섞이지 않는다. 그래서 나노입자 안에서 SiO2와 분리됐고, 나노입자 속의 빈 공간으로 자리를 옮겨갔다. 결국 속이 빈 나노입자를 갖고 속이 찬 나노입자를 만들어냈다. 이로써 이 교수 그룹은 화로에서 수소(H2)를 공급하면(환원반응) 나노입자 속에 빈 공간이 생기고, 산소(O2)를 공급하면(산화반응) 구멍이 채워지는 방법을 알아낼 수 있었다.
   
   
▲ 속이 빈 나노입자의 속이 채워지는 반응. 그리고 다시 비게 되는 반응.

   새로운 화학반응, 블랙박스를 찾는다
   
   이 교수는 “전기로 속에서 수소를 공급하며 굽고, 그다음에는 수소 공급을 끊고 그냥 공기 속에서 굽는 일을 반복하면 나노입자 속이 뚫렸다 막혔다를 반복한다. SiO2는 변하지 않으나, MnO가 계속해서 변하면서 그런 일이 일어난다. 고체상 반응에서 일어나는 그런 반응을 우리가 찾았다”라고 말했다. 이 결과는 2013년 미국화학회지(JACS)에 보고했다. 논문 제목은 ‘속이 빈 나노구조와 속이 찬 나노구조 간의 가역적이고 순환적인 변환’이다.
   
   이 교수는 “지금까지 매우 다양한 나노입자가 만들어졌는데 대부분 용액상 합성법을 이용했다. 고체상 반응은 나노입자 연구에 거의 쓰지 못했다. 우리 그룹은 고체상 반응으로 속이 비거나 찬 나노입자를 만들어낼 수 있다는 걸 처음으로 보였다”라며 “나는 고체화학을 한다고 생각한다”라고 말했다. 그는 “고체화학자 입장에서 보면 나노입자를 갖고 할 수 있는 일이 ‘용액상 반응’보다 훨씬 많다”라고 했다. 나노입자를 갖고 할 수 있는 반응을 보려면 그 입자가 우선 용매에 녹아야 한다. 용매는 끓는 온도가 있다는 것도 제약요소다. 반면 고체상 반응을 이용하면 용액에 녹는 것만 쓰지 않아도 되고, 녹는 온도에 제약을 받지 않는 장점이 있다.
   
   이인수 교수는 “나노입자를 반응 매질로 사용하는 게 내 연구의 독특한 점이며, 10년 이상 연구했다”면서 “그리고 이 방법으로 여러 가지를 해보고 싶은 거다”라고 말했다. 그는 자신의 연구를 ‘나노입자를 화학반응의 매질로 사용하는 화학’이라고 다시 강조했다. 그는 이어 “밖에서는 나를 나노촉매를 개발하는 사람이라고 생각하나, 그게 아니라 ‘나노공간한정 화학반응’ 방법론을 제안한 사람이라고 알려지고 싶다”라고 말했다. 그리고 자신이 연구하는 주제를 △나노공간한정 고체상 반응 △나노공간한정 용액상 반응 △나노공간한정 표면 반응 △속 빈 나노반응기 촉매 개발 △바이오 이미징 소재로 분류할 수 있다고 말했다.
   
   이 교수가 스스로를 ‘고체화학자’라고 생각한 건 경희대 교수로 근무하면서부터다. 화학과가 있는 공학관 지하의 창고를 개조해 실험실을 만들었다. 이 교수는 “주어진 환경 내에서 할 수 있는 연구주제를 당시에는 찾아야 했다. 그래서 나노입자를 갖고 연구를 시작했다”고 말했다. 그가 경희대 시절에 자신의 실험실 이름으로 사용한 게 ‘나노입자재료연구실’이다.
   
   나노입자는 그가 버클리대학 화학과의 제프리 롱(Jeffrey Long) 교수 랩에서 박사후연구원 생활을 마치고 돌아온 뒤인 2005년에 접했다. 은사인 정영근 서울대 화학과 교수 랩의 선배이기도 한 서울대 현택환 교수(화학생물공학부) 랩에서 일할 때다. 이 교수는 “그전까지는 분자 연구를 주로 했으나, 현 교수에게 가 보니 나노입자를 갖고 뭔가를 하더라. 새로웠다”라고 그때를 돌아봤다. 현택환 선배로부터는 다른 측면에서 자극을 받기도 했다. “정답이 있고, 그 정답을 찾는 연구를 그때까지 해왔는데 현 교수는 무엇이 중요한가 하는 걸 찾아서 정면으로 그 문제에 접근하고 있었다. 가보지 않은 분야에 도전적인 게 있으니 공략하는 거다. 매우 신선했다. 그 랩에 1년 정도 있었다. 버클리에서의 박사후연구원 때는 광우병을 일으키는 프리온 단백질 연구를 한 바 있다. 그래서 현 교수 랩에서 나노입자를 갖고 단백질을 분리하는 연구를 했다.”
   
   경희대에서 일하면서 독일화학회지(앙게반테 케미)와 ‘어드밴스드 머티리얼스’와 같은 학술지에 논문을 보고했다. 그는 “주요 대학보다는 환경이 아무래도 뒷받침되지 않다 보니, 논문 작성은 거의 혼자서 다 했고, 실험도 직접 했다. 그러다 보니 훈련이 많이 됐다”라며 “속이 빈 나노입자가 그때 실험을 하는 과정에서 내 의도와 상관없이 생겨났다. 고체상 반응 연구도 그게 ‘용액상 반응’보다 실험하기 쉬웠기에 시작했다”라고 말했다. 경희대 화학과의 고체화학자인 변송호 교수가 당시 그를 도와줬다. 화로를 쓰게 해준 것도 변 교수다. 2009년 앙게반테 케미 연구는 그렇게 해서 나왔다. 앙게반테 케미는 화학자가 결과를 보고하고 싶은 좋은 학술지 중 하나다. 앙게반테 케미에 실린 연구가 무엇인지를 이 교수에게 물었다.
   
   

   속이 빈 나노입자로 만든 조영제
   
   그는 “속이 빈 산화망간 나노입자를 갖고 MRI(자기공명영상) 조영제를 만든 연구였다”라고 말했다. 그는 앞에서 자신의 연구 분야가 5개 있다고 했는데, MRI 조영제 연구는 5번째 분야인 ‘바이오 이미징 소재(Agent)’에 속한다. 그리고 이 연구가 ‘속이 빈 나노입자를 사용하는 연구’로 발표한 이 교수의 첫 논문이기도 하다. 앞에서 고체상 반응으로 속이 빈 나노입자를 만들었다고 했는데, 이 연구는 용액상 반응에서 MnO를 Mn3O4로 바꿈으로써 속이 빈 나노입자를 만들어낸 것이다. 만든 뒤 조영제로 사용할 경우의 효능을 확인해 봤더니, 기존보다 7배나 좋았다. 그게 앙게반테 케미에 실렸다. 이 교수는 “속이 빈 나노입자가 효율이 훨씬 뛰어났다”라고 말했다.
   
   결국 이 교수 연구는, 나노입자의 껍데기(Shell)와 내부에 포함된 활성물질을 어떻게 요리하느냐가 기본 골격이다. 이들을 다양하게 조합하고 변형하면서, 활성물질의 반응생성물이 나노입자를 벗어나지 않고 내부에서 형성되도록 유도한다. 이런 방식으로 그가 말한 ‘나노입자를 화학반응의 매질로 사용하는 화학’의 5가지 연구 분야가 만들어졌다. 이런 연구들이 쌓이면서 그는 2011년 포항공대로 자리를 옮겼다.
   
   그가 말한 자신의 네 번째 연구 토픽은 속이 빈 나노입자를 화학반응기(Reactor)로 사용하는 연구다. 이 연구 역시 경희대 시절인 2010년에 시작했고, 포항공대에 와서는 연구가 한 단계씩 앞으로 나아가고 있다. ‘속이 빈 나노반응기’라는 용어 자체를 이 교수가 만들었다. 속이 빈 나노입자의 안쪽 공간에 촉매로 사용하는 귀금속 입자를 집어넣고, 그 입자들이 키워내는 반응을 찾는 연구를 했다. 귀금속이어야 쓸모가 많은 촉매가 될 수 있기 때문이다. 입자를 성장시켜 나노입자 내부에 들어 있는 촉매가 될 수 있다는 걸 입증했고, 이 연구 결과는 2013년 JACS에 발표했다.
   
   
   세포에 나노입자 넣어 인공 화학반응 유도
   
   귀금속 촉매를 안쪽뿐만 아니라 밖에 붙이는 연구도 했다. 속 빈 나노입자의 안쪽에는 백금 촉매를 붙이고 겉면에는 이리듐 촉매를 붙인 것이다. 나노반응기 내부에서 촉매를 지지하는 물질인 Mn3O4를 다른 걸로 바꿀 수 있지 않을까 하는 생각을 하게 되었고, 이를 CeO2로 바꾸는 데 성공했다. 이 역시 전혀 예상하지 못했던 반응이었다. CeO2로 치환된 나노반응기는 CO(일산화탄소)를 덜 유해한 CO2(이산화탄소)로 바꾸는 촉매가 되었다. 이 교수는 “결국 나노입자 안에서 일어나는 화학반응을 이용한다는 플랫폼을 개발했고, 그 플랫폼에서 시작해 꼬리에 꼬리를 무는 연구를 계속해갔다. 각각의 단계에서 여러 가지를 다양하게 할 수 있고, 그래서 큰 라이브러리를 만들 수 있겠다고 생각한다. 필요한 게 있으면 이 라이브러리에서 꺼내 쓰면 된다”라고 말했다.
   
   이 교수에게 나노반응기 연구 분야에서 하는 최근 연구에 관해 물었다. 세포나 생체에 나노입자를 넣고, 생체 내에서는 일어나지 않는 인공적인 화학반응을 유도하는 것이라고 했다. 예를 들어서, 속이 빈 실리카 나노입자의 내부에 산화철 나노입자와 촉매물질을 동시에 넣은 나노반응기를 세포 내에 집어넣은 연구 결과를 나노레터스(Nano Letters)에 발표하였다. 세포 주변에 자기장을 걸어주면 산화철이 나노반응기 내부에만 열을 내고 촉매를 활성화시킨다. 그러면 주변의 세포기관에는 손상을 주지 않으면서 다양한 화학반응을 유도할 수 있다. 결과적으로 생체 내의 특정 질병 조직이나 기관에만 선택적으로 작용하는 약물을 만드는 목적의 연구다.
   
   이인수 교수는 “화학자가 되는 길을 걸어오면서 내 뜻대로 안 된다고 불만도 많았다. 하지만 결과적으로 다양한 경험을 한 게 좋았다. 내게는 매우 행운이었다”라고 말했다. 그리고 그는 “유기화학자가 자신의 이름을 딴 이름반응을 남기는 걸 목표로 하듯이, ‘나노공간한정 화학반응’ 연구를 새로운 플랫폼으로 만들어가려고 한다. 그런 면에서 자신의 독창적인 연구 분야(쿠커비투릴)를 갖고 있는 김기문 교수님(포항공대)을 존경한다”라고 말했다.
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