오문현 연세대 화학과 교수가 박사과정을 마치면서 ‘어카운트’ 논문을 썼다고 말했을 때 깜짝 놀랐다. 지난 2월 26일 오 교수가 근무하는 연세대 과학관 내 그의 사무실 벽을 보니, 학술지 ‘어카운트 오브 케미컬 리서치(Accounts of Chemical Research)’ 논문 표지가 붙어 있었다. 2004년 1월호였다. ‘어카운트’ 논문은 한 연구자가 특정 토픽과 관련한 자신의 누적된 연구를 정리한 논문을 뜻한다. 대개는 학술지 초청에 의해 쓰는 걸로 알고 있었다. 오 교수는 “초청으로 쓰기도 하지만 자발적으로 보내기도 한다”라고 말했다.

미국 브라운대학에서 2003년 초 학위를 받았으니 그가 2004년 1월 ‘어카운트’ 논문을 쓴 시기는 박사학위 연구를 마무리하던 때다. 막 박사학위를 받을 사람이 한 분야의 연구를 정리할 게 있었을까 싶다. 오 교수는 “박사과정 때 운이 좋게 잘 풀려 결과가 많이 나왔다. 내 기억으로는 독일화학회지(앙게반테 케미)에 세 편 등 논문을 열몇 편 썼다. 그리고 졸업할 때쯤 그간 연구한 걸 어카운트 논문으로 마무리해 보자고 해서 쓰게 되었다”라고 말했다. ‘어카운트…’ 논문 표지가 붙어 있는 벽면 바로 옆에 ‘앙게반테 케미’ 논문 표지 두 개가 붙어 있는 게 그제야 보였다.

브라운대 박사과정 때 어카운트 논문

오 교수는 서강대 화학과 91학번. 서강대 대학원 석사를 1997년에 마치고 1999년 미국 동부에 있는 브라운대학 화학과로 유학 갔다. 지도교수인 드와이트 스와이거(Dwight Sweigart) 교수는 무기화학자로, 그중에서도 유기금속화학을 연구했다. 유기금속화합물을 합성하고 전기화학적으로 합성된 화합물을 분석했다. 오문현 박사과정 학생도 처음에는 유기금속화학을 공부했다. 그런데 유기금속화학을 하다 보니 ‘사이드’로 나오는 게 있었다. 그게 뭔가 하고 관심을 갖고 분석해 보니 ‘배위고분자(coordination polymer)’였다. 배위고분자는 금속(혹은 금속 클러스터) 양이온과 이를 둘러싸고(배위하고) 있는 리간드(ligand) 구조가 무한히 반복되는 물질이다. 1, 2차원 혹은 3차원에서 주기적으로 반복된다.＜그림1 참조＞ 배위고분자는 유기금속화합물을 합성할 때 함께 만들어진다. 스와이거 교수는 유기금속화합물을 연구했지, 배위고분자 연구자는 아니었다. 오문현 학생이 지도교수를 찾아가 배위고분자를 연구해보겠다고 하자 교수는 승낙했다. 박사공부를 시작한 지 한두 학기쯤 지났을 때다.

그의 배위고분자 연구 중 하나가 독일화학회지 앙게반테 케미에 2003년 보고한 ‘3차원 벽돌 형태의 배위 구조체’다.＜그림2 참조＞ 구리(Cu)이온과 그걸 가운데 두고 주변에 결합한 리간드 구조가 반복된 패턴이 벽돌 건물 겉면을 보는 듯하다. 실제 벽돌 건물 겉면이 2차원적이라면, 오 교수가 이때 만든 구조는 3차원적이다. 벽돌집 모양이다.

‘딴짓’하다 배위고분자(MOF) 연구 길로

“스와이거 교수님 연구실은 당시 망간(Mn) 유기금속화합물 등을 연구하고 있었다. 그래서 망간 유기금속화합물에 다른 금속인 구리(Cu)를 넣었는데, 구리를 연결고리로 해서 ‘망간 유기금속화합물’이 규칙적이고 주기적으로 반복되는 구조가 만들어졌다. 벽돌집 모양의 배위고분자 구조체를 만들려고 한 건 아니나, 재료들이 자기조립(self-assembly) 방식으로 벽돌 구조를 만들었다. 이 같은 구조는 처음 발견된 것이어서 좋은 학술지에 보고할 수 있었다. 당시만 해도 이런 구조의 물질이 가능하냐는 분위기였다. 요즘은 워낙 다양한 구조의 배위고분자가 알려져 있지만, 그때는 달랐다.”

오 교수는 “그때의 경험이 있기에 학생들에게 이런 얘기를 한다”고 소개했다. “연구자는 자신이 보지 못한, 미처 생각하거나 계획하지 않은 곳에 더 중요한 무언가가 있을 수 있음을 항상 생각해야 한다. 프로젝트 목표에만 집중하는 게 전부는 아니다. 내가 가고 있는 길의 바로 옆길에 휘황찬란한 게 있을 수 있다.” ‘배위고분자’가 그 당시 ‘옆길’에서 오문현 박사과정 학생이 기대치 않게 보았던 중요한 물질이었다.

그는 박사학위를 받고 미국 노스웨스턴대학의 채드 머킨(Chad Mirkin) 교수 실험실로 갔다. 노스웨스턴대학은 무기화학 분야의 명문이며, 머킨 교수는 나노화학의 대가다. 이곳에서도 오문현 박사후연구원은 그 연구실의 주된 분야를 연구하지 않고 ‘딴짓’을 했다. 계속해서 배위고분자(혹은 금속유기골격체·Metal-organic framework·MOF) 연구를 한 것이다. 박사후연구원인 만큼 박사 학생 때보다는 연구에서 다소 자유로웠기 때문에 그게 가능했다. 머킨 교수에게 “MOF를 해보려고 합니다”라고 얘기해서 동의를 받았다. 그는 2005년 과학학술지 네이처에 연구 결과를 보고하는 성과를 거뒀다. 오 교수 설명을 들어보자.

“금속이온과 리간드를 섞어주면 MOF가 만들어진다. 반응용기 안에서 재료(금속이온과 리간드)들이 자기조립한다. 일반적으로 충분히 큰 단결정(single crystal)이 만들어져야 그 물질을 구조분석하면서 연구를 시작한다. 단결정은 규칙적인 구조가 반복된다. 보통 실험실에서는 일정한 크기 이상으로 자라지 않은 MOF 결정은 버리고 있었다. 당시 단결정은 꽤 크게 키워야 구조분석이 가능했으며 너무 작으면 쓸모가 없었다. 작게 성장한 결정은 ‘실패했네’ 하고 폐기통으로 가곤 했다. 지금은 물론 구조분석 장비와 프로그램이 좋아져서 아주 작은 결정도 구조분석이 가능하다. 어쨌든 나는 당시 쓸모없을 것 같은 작은 물질을 버리지 않고 관심을 가졌다. ‘이건 무엇이지? 이건 어떻게 생겼을까? 버려야 하나?’라고 생각했다. 전자현미경으로 작은 결과물을 들여다보았으며, 배위고분자 입자들이 반응용기 안에서 어떻게 모이고, 어떻게 성장하는지를 알아냈다. 생각하지 못한 재밌는 일이 일어난 것이다. 그래서 네이처에 논문을 쓸 수 있었다.”

“계획된 연구 방향이 유일한 길이 아니다”

오 교수는 자신의 연구 철학을 반복해서 강조했다. “연구란 어느 정도 일관된 방향성을 가지고 진행된다. 하지만 그 계획된 방향이 유일한 길이라 생각하며 생각의 틀을 고정시키면 안 된다. 하찮다고 보이는 게 더 가치 있을 수 있다. 가치를 알아보지 못한 것일 수 있다. 주의 깊게 보지 않으면 중요한 것을 놓친다. 금이 길에 떨어져 있다고 생각해 보자. 그 금은 금은방 진열장에서처럼 금빛 찬란하게 보이지는 않는다. 흙으로 뒤덮여 있어 알아보기 어려울 것이며, 불순물이 들어 있고 오염돼 있을 수 있기 때문이다. 이걸 주워서 닦아줘야만 금빛을 볼 수 있다.”

MOF 연구의 전체 그림은 어떻게 되는 걸까? 응용 연구를 보자. 오 교수에 따르면, MOF는 잘 발달된 빈 공간을 가지고 있다. 이 공간에 연구자가 필요로 하는 물질(기체 포함)을 넣어 저장하고 필요할 때 꺼내서 사용할 수 있다. MOF가 수소 저장체로 주목받는 건 이 때문이다. 제한된 작은 공간에서 반응이 일어나다 보면 특이한 일들이 일어나기도 한다. 이런 특징으로 MOF는 촉매와 센싱(sensing) 분야에서 사용한다. MOF는 바이오에서 약물전달(drug delivery)을 위해서도 사용되며 활용 폭이 커지고 있다.

오 교수는 “우리 연구실에서도 응용 연구를 하지만 그보다는 기초 분야를 더 많이 연구한다. 궁극적으로 사용자가 원하는 성질을 갖는 MOF를 합성하기 위해 노력하고 있다. 특히 원하는 성분으로, 원하는 구조를 가지는 MOF를 합성하려는 노력을 최근 많이 하고 있다”라고 말했다.

그가 연세대에서 일한 건 2006년부터다. 이후 그가 매진한 MOF 관련 기초 연구는 두 시기로 구분할 수 있다. 교수 부임 직후부터 2012년 정도까지는 MOF 입자의 생성 메커니즘을 이해하는 연구와 이를 바탕으로 MOF 입자의 크기 및 모양을 조절하는 일을 했다. 그 이후에는 MOF 입자의 구조 제어 및 연속성장 관련 연구에 힘을 쏟고 있다.

2008년 앙게반테 케미 논문은 그의 MOF 입자 생성 메커니즘 연구가 어떤 것인지를 잘 드러낸다. 당시에는 수 마이크로미터(㎛)나 수백 나노미터(㎚) 크기의 MOF 입자에 사람들의 관심이 낮았다. 구조분석이 가능한 크기의 MOF 결정만이 의미가 있다고 생각했다. 그게 2000년대 초·중반 분위기다. 하지만 오 교수는 박사후연구원 시절에 이어 연세대 교수가 되어서도 MOF 물질이 작을 때에 관심을 가졌다.

매우 작은 MOF가 선사한 놀라운 발견들

오 교수는 “입자가 어떻게 형성되는지, 만들어지기 시작하는지를 알아야 한다. 그래야 궁극적으로 MOF 입자의 크기를 조절하거나 원하는 모양을 얻어낼 수 있을 것이라 생각했다”고 강조했다. “또 그걸 알아야 최종적으로 원하는 성질을 온전히 가지는 MOF를 얻어낼 수 있다. 큰 결정으로 성장하기 전에 크기가 작았던 때가 있다. 보통은 반응물들을 반응용기에 넣어두고 성장하기를 며칠씩 기다렸다. 하지만 나는 결정이 충분히 커지기 전인, 매우 작은 크기였던 때에 주목했다. 나는 그걸 지켜보았고, 놀라운 것들을 보았다.”

신임 교수는 연구실 세팅도 잘 안되어 있고 연구를 수행할 제자도 별로 없다. 2008년 앙게반테 케미 연구는 그의 첫 제자와 한 것이었다. 유리용기인 바이알(vial) 안에 재료들을 넣어두고 시간이 지나면 용기 안에 뿌옇게 안개가 생긴다. 또 일정 시간이 지나면 안개가 가라앉는다. 이건 큰 결정이 생겼다는 신호다. 오 교수는 안개가 걷히기 전에 결과물을 보았다. 200㎚ 크기의 정육면체를 발견했다.＜그림3 참조＞ “200㎚ 크기의 정육면체를 보았다. 그러면 이것보다 크기가 작았을 때, 예를 들면 50㎚ 크기의 정육면체가 있었겠군, 10㎚ 크기의 정육면체가 있었겠지 하고 생각할 수 있다. 그런데 당시 사람들은 그러지 않았다.”

그는 “200㎚ 크기 정육면체가 만들어지기 전에 결과물을 꺼내서 분석했더니 정육면체 모양은 없고 긴 막대(wire) 모양들이 잔뜩 보였다”며 당시 자신의 놀라운 발견에 대해 설명을 이어갔다. “길이는 100㎚, 두께는 20㎚였다. 놀라웠다. 그 뒤 시간대별로 어떤 상태인지를 추적했다. 신기하게도 와이어들이 뭉쳐서 정육면체 모양을 만들고 있었다. 뭉쳐진 와이어들은 서로 융합되어 매끈한 정육면체 입자를 형성해 갔다. 전체적으로 보면 나노 와이어(nanowire)로 시작해 ‘나노 정육면체(nanocube)’로 모양을 바꾼 것이다.”

오 교수에게 재료 이름이 뭔지를 물었다. 그는 좀 복잡하다며 긴 이름은 빼고 단순하게 ‘카르복시-기능성 리간드’라고 하면 되겠다라고 했다. 카르복시-기능성 리간드는 아연(Zn)이온과 결합했다.

원하는 성분으로 원하는 구조의 MOF 입자를 만들어내는 연구는 2013년 학술지 ‘ACS나노’에 발표했다. 이것의 출발이 되는 연구는 그의 2008년 미국화학회지(JACS) 논문과 2011년 케미컬커뮤니케이션(Chem. Comm.) 논문이다. JACS 논문은 인듐(In)이온을 사용하여 MIL-68이라는 MOF 입자를, 케미컬커뮤니케이션 논문은 철(Fe)이온을 사용하여 MIL-88B라는 MOF 입자를 만들어낸 거다. 금속이온은 인듐과 철이라는 걸로 서로 다르나, 두 금속이온은 ‘3가’ 이온이라는 점에서 같았다. 그리고 이들 금속이온과 결합한 리간드(1,4-benzenedicarboxylic acid, H₂BDC)도 같았다.

속과 겉이 다른 하이브리드 결정

오 교수는 “이 두 연구 결과를 같이 놓고 생각했다. 재료들이 비슷한데, 특정 구조를 만드는 반응만 일어난다. 다른 구조의 MOF가 만들어지는 쪽으로는 반응이 왜 안 일어날까? 안 가나? 가게 할 수는 없나? 그리고 그 질문에 대한 답을 찾았고, 그 결과를 2013년 ACS나노에 보고할 수 있었다”라고 말했다. 자연이 허용하는 걸 거슬러, 오 교수는 자신이 필요로 하는 구조를 만들어낸 것이었다.

만들어낸 방법은 이렇다. 먼저 철이온과 리간드(H₂BDC)를 섞어 자연이 허용하는 대로, 즉 자기조립 방식으로 MIL-88B 결정입자를 만들었다. 그리고 MIL-88B 결정입자를 인듐이온과 리간드와 같이 반응용기 안에 넣고 반응시켰다. MIL-88B 결정 위에서 인듐이온과 리간드를 성분으로 하는 새로운 결정이 성장하기 시작했다. 그런데 이 결정은 인듐이온이 선호하는 구조(MIL-68)가 아니었고, MIL-88B 결정구조였다. 오 교수는 “인듐이온과 리간드를 섞어 놓으면 MIL-68이 만들어져야 한다. 하지만 MIL-88B 결정을 주형으로 삼아 결정을 성장시키니, 주형의 유도에 따라 반응용기에 존재하는 성분들이 MIL-88B 구조로 성장하였다. 인듐이온과 리간드가 MIL-88B 구조로 자라는 건 불편한 일이었던 것이다. 하지만 과자를 만들 때 틀이 있으면 일이 손쉬워지듯이 MIL-88B라는 틀을 사용하니 그런 구조로 성장하도록 유도할 수 있었다”라고 말했다.

원하는 구조의 MOF를 만드는 연구는 ‘하이브리드 MOF 결정 성장’으로 나아갔다. 이 연구 결과는 화학자들이 논문을 제일 발표하고 싶어 하는 미국화학회지에 2016년과 2020년에 보고했다. 2016년 JACS에 낸 논문 제목은 ‘선택적 결정 성장 과정’쯤 된다. 앞에 나온 MIL-68 결정이 여기서도 등장한다. 이번에는 MIL-68 결정을 주형으로 사용했다. MIL-68을 만들기 위해 인듐이온과 리간드(H₂BDC)를 반응시켰다. 그리고 이 MIL-68 결정 위에서 새로운 결정을 성장시키기 위해 필요한 재료를 집어넣었다. 인듐이온, 그리고 H₂BDC와 유사하지만 다른 H₂NDC(1,4-naphthalenedicarboxylic acid)라는 새로운 리간드를 반응시켰다.

“MIL-68 구조가 만들어질 수도 있겠다라고 생각했다. MIL-68을 주형으로 성장시켰으니까. 그런데 다른 구조가 자라났다. 막대의 옆면에서만 결정이 성장했다. 막대의 위에서는 성장하지 못했다. 다시 말하면 MIL-68 막대의 특정 면에서 선택적으로 새로운 MOF 결정이 자라났다. 옆면에서만 결정이 자란 이유는 옆면은 사각형 구조이고, 윗면의 단면은 육각형 구조라는 차이에 있었다. 사각형 구조에서만 자라났고, 이게 MIL-68을 덮는 식으로 성장했다. 그래서 속과 밖이 다른 하이브리드 결정을 만들어냈다.”

오문현 교수는 화학자가 된 이유에 대해 “로망이 있었다. 뚝딱 하고 무언가를 만들어내는 것이, 특정 성질을 가지는 구체적인 물질을 만들어낸다는 것이 재미있다”라고 말했다. 대학교 학부 때는 그렇게 공부를 열심히 한 학생은 아니었다고 했다. 그는 “그때부터 공부에만 몰입했으면 지겨워서 지금은 이렇게 연구하지 못할 것”이라고도 했다. 서강대 진종식 교수 연구실에서 대학원 석사(1995~1997) 연구를 열심히 해서 성과를 얻었고 이후 미국 명문대학에 공부하러 갈 수 있었다고 했다. 오 교수는 목소리가 크고 에너지가 좋았다. 약간 급한 성정이어서, 연구를 설명하며 이따끔씩 “내 얘기가 좀 왔다갔다 한다”라고 말하기도 했다. 그의 말과는 달리, 인터뷰를 마치고 돌아와 글로 정리하다 보니 그가 설명해준 내용은 틀을 잡기가 어렵지 않았다.