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성균관대 김영독 교수 "원인물질 제거하면 국내 미세먼지 문제 상당부분 해소"

기사승인 2019.09.26  10:04:29

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◇성균관대학교 화학과 김영독 교수는?

성균관대학교 김영독 교수는 현재 성균관대학교 화학과 교수로 근무하고 있으며, 성균관대학교 학부와 대학원에서 화학을 공부한 후 독일 베를린의 Max-Planck 재단의 Fritz-Haber 연구소에서 연구를 통해 박사학위를 취득했다.

박사 후에는 미국의 Texas A & M 대학교, 독일의 Konstanz 대학교에서 6년간 연구원으로 일하다 귀국해 이화여자대학교를 거쳐 성균관대학교에 자리를 잡았다. 2006년에 귀국해 이화여자대학교 전임강사로 출발해 국내에서 교직에 들어선 지 벌써 14년이 되었으며, 독일 Konstanz 대학교에서 강의를 한 경력을 합해 15년의 강의 이력이 있다.

-화학이라는 연구 분야에 관심을 가지게 된 배경에 대해 궁금합니다.

"제가 석사, 박사과정 학생 때부터 줄곧 관심을 가져온 연구 분야는 화학이라는 기초과학의 표면물리화학이라는 분야입니다. 고체 표면위에 기체 분자들이 달라붙어서 서로 간에 일으키는 화학반응에 관심을 가지게 되었습니다. 이러한 표면반응은 표면의 구조에 따라서 영향을 많이 받기 때문에 고체 표면구조를 정밀하게 분석하는 연구에도 관심이 많이 있습니다. 독일과 미국에서 박사과정 및 연구원으로 일하면서는 고체 표면에서 몸에 유해한 일산화탄소 분자가 산소와 반응하여 무해한 이산화탄소로 변화는 과정을 원자 및 분자 수준에서 규명하는 연구를 진행했었습니다. 아시다시피 일산화탄소는 고농도를 흡입하면 사망에까지 이르게 되는 독성 물질로 연탄가스 보일러에서 나오는 가스에 포함되어 있는 물질이며, 자동차 배기가스에서도 배출이 됩니다. 처음에는 이러한 고체 표면 위에서 일어나는 분자 사이의 반응을 화학자로써 다양한 고도 분석 기술을 이용하여 규명해 내는 것에 관심이 있었습니다. 박사과정 당시 저를 지도해주신 G. Ertl 연구소장님께서는 이러한 분야의 공로로 2007년도에 노벨화학상을 수상하신 바가 있습니다. 독일 Konstanz 대학교에서는 클러스터 물리라는 또 다른 기초분야의 화학반응들에 대한 연구 경험을 쌓기도 하였습니다. 귀국하여 교수가 된 이후에는 그때까지 연구를 하며 축적시킨 기초화학적인 노하우를 실생활에 더욱 도움을 주는 연구에 사용하면 좋겠다는 생각을 하게 되었습니다. 제 연구 분야가 유해한 물질을 무해한 물질로 고체표면에서 바꾸는 경로를 연구하는 것이었기 때문에, 이러한 연구를 통해서 쌓은 지식들을 조금 더 효율적으로 활용한다면 대기오염물질을 무해한 물질로 바꿔주는 신소재를 만드는데 도움이 될 것으로 생각했습니다. 처음엔 일산화탄소라는 유해물질을 무해한 물질로 전환시키는 데 관심이 많았는데, 기능성 고체 촉매  표면에서는 일산화탄소 이외에도 더 많은 종류의 유해물질을 화학반응을 통해 무해하게 바꿀 수가 있기 때문에, 더 다양한 사회적으로 심각한 문제가 되는 휘발성유기화합물, 산화질소 등과 같은 대기오염물질들의 화학반응에 대해 연구해 나가기 시작했습니다. 그러한 연구를 하다 보니 자연스럽게 대기환경 문제에 관심을 갖게 된 것 같습니다. 그 이외에 수처리와 관련된 소재 개발, 태양전지의 에너지 소재 개발에도 관심을 가지고 있습니다."

   
 

-미세먼지 문제가 국내외 사회적인 이슈로 떠오르고 있는데, 해결할 방안이 있을까요? 

"요사이 미세먼지가 사회적인 큰 문제로 대두되고 있습니다. 먼저 저는 미세먼지가 어떻게 형성되는지에 대해 화학자로써 관심을 가지게 되었습니다. 이와 관련해서 국내외적으로 이미 많은 연구가 이루어져 있어, 이러한 분야의 연구 논문들을 읽어보고 분석하며 미세먼지의 형성 윈인 및 경로에 대한 고찰을 하게 되었습니다. 미세먼지의 형성원인에 대해 전문분야의 논문들을 찾아서 공부한 내용을 화학을 전공하지 않은 사람들이 좀 더 쉽게 이해할 수 있게 설명하는 글을 많이 쓰기도 했습니다. 미세먼지는 크게 1차 미세먼지와 2차 미세먼지로 나눠지게 되는데, 1차 미세먼지는 건설현장등에서 직접적으로 배출되는 먼지인 반면, 대도시의 미세먼지 중 상당부분을 차지하는 2차미세먼지는 질소산화물, 황산화물, 휘발성유기화합물 등의 기체상의 미세먼지 원인물질 분자들 사이의 복잡한 화학반응에 의해 대기 중에서 형성되게 됩니다. 이러한 원인물질 분자들 수억개 이상이 화학반응으로 뭉쳐져서 하나의 2차미세먼지 입자를 형성시킵니다. 결과적으로 이러한 원인물질을 제거한다면 최소한 국내에서 발생되는 미세먼지의 문제를 상당부분 해소할 수 있겠습니다. 동북아시아 국가들이 이러한 미세먼지 원인물질 제거 기술을 동시에 활용한다면 미세먼지 감소 효과가 배가될 수 있겠습니다."

-미세먼지 원인 물질에 대해 연구하고 계신데, 효과적인 원인 물질 제거 방법에 대해 궁금합니다.

"미세먼지의 원인 물질을 어떻게 하면 제거할 수 있을까 가 최근 제 연구의 관심사입니다. 다양한 방법들 중, 광촉매 기술이 미세먼지 원인물질을 제거할 수 있는 기술 중 하나라고 볼 수 있습니다. 광촉매로 사용되는 이산화티타늄은 백색 가루인데 이 물질이 빛을 받으면 활성산소를 만들어 내고, 이산화티타늄 표면에서 활성산소가 미세먼지 원인물질을 흡착/분해시킬 수 있다는 것은 이미 지난 수십년간 많은 연구자들에 의해서 검증이 되었습니다. 휘발성 유기화합물은 광촉매에 의해서 무해한 물과 이산화탄소로 바뀌게 됩니다. 질소산화물, 황산화물은은 질산이온, 황산이온으로 바뀌어 광촉매 표면에 붙어 있다가 빗물에 씻겨 내려가게 됩니다. 이러한 광촉매 기능을 하는 분말을 콘크리트에 넣어 시공하여, 실외에서 미세먼지 원인물질을 제거하는 데 효과를 볼 수 있다는 유럽과 일본의 사례들이 있습니다. 이러한 기술을 국내에 도입하여 미세먼지 저감에 기여하려는 노력들이 작년부터 있습니다. 양재동 도로에 광촉매를 도포시킨 것이나 상계지역의 아파트에 광촉매 페인트를 시공한 것이 그 예들이 되겠습니다. 그러나, 기존의 광촉매는 태양광의 아주 일부이며 조명등에서는 발생하지 않는 자외선에서만 작동하여 대기정화 효과가 제한적입니다. 제가 최근 수년간의 연구를 통하여 태양광의 대부분을 차지하며 조명등에서도 나오는 가시광선에서 효율을 보이는 새로운 광촉매 구조를 개발하게 되었습니다. 기존의 이산화티탄 광촉매 구조에 산화철을 접목하여 새로운 구조를 만들어내었고, 이 물질이 가시광선에서도 광촉매 효율을 보임을 증명하였습니다. 이에 대한 연구 결과는 Applied Surface Science 라는 국제학술지에 곧 소개될 예정입니다. 또한 이 기술은 국내 특허 등록이 되었으며 산업체에 기술이전이 되기도 하여, 현재 시범사업으로 현장에 적용되고 있습니다. 제가 개발한 새로운 가시광-광촉매가 포함된 보도블록, 스포츠 바닥재, 도료 등이 개발되어 있습니다."

   
 

-지난해 미세먼지 원인 물질 저감 방법에 대한 시범사업이 진행됐는데, 과학적으로 입증이 되었는지 궁금합니다.

"작년 가을 SH 공사에서 미세먼지 원인 물질을 저감시키기 위한 방안으로 기존의 자외선 광촉매가 포함된 페인트를 도포하는 시범사업을 진행하였는데, 그 효과에 대한 검증을 하는 과정에 제가 참여했었습니다. 사실 작년 말 해당 시범 사업이 진행된 이후 광촉매 페인트가 정말 미세먼지 원인물질 제거에 효율이 있는지에 대한 논란이 전문가들 사이에서 있었고 이런 논란이 언론을 통해 알려지기도 하였습니다. 사실 작은 규모의 시범공사 현장에 광촉매를 적용한 후 실제 환경에서 대기오염물질 제거 효과가 얼마나 있는지를 과학적으로 검증하는 것은 매우 어려운 일입니다. 광촉매를 적용한 현장과 적용하지 않은 현장의 대기오염정도가 같을 수가 없기 때문에 정확한 비교가 불가능하고, 바람이 불기 때문에 잦은 공기의 움직임에 의해서 작은 규모의 시범공사로는 광촉매에 의해 대기질이 좋아지는 것을 확연히 구별하기는 어렵습니다. 저는 SH공사의 시범공사구간에 설치된 광촉매 페인트 위에 미세먼지 원인 물질들이 달라붙어서 분해되고 있는지를 표면 분석기술을 이용하여 규명할 수 있다고 SH 공사에 제안했었고, 그런 현장에 설치된 광촉매 페인트에 대한 표면분석 연구를 올해 봄에 제 연구실 연구원들과 함께 수행했었던 바가 있습니다. 현장에 설치된 광촉매 페인트 시료들을 대상으로 연구한 결과 일반인의 눈으로는 확인할 수 없는 미세먼지 원인물질들의 구조를 광전자분광법, 적외선 분광법과 같은 생소한 이름의 고도의 과학기술을 적용하여 분석해 낼 수 있었습니다. 현재 서울시 몇 개 자치구 등에서 올해 하반기에 기존의 자외선 광촉매 보도블록과 더불어 제 신규 발명품인 가시광촉매 보도블록을 설치하는 시범시공을 기존의 시범시공보다 훨씬 더 큰 규모로 진행하려는 계획을 세우고 있습니다. 이번 시범시공에서는 단순히 광촉매 보도블록을 설치한 것으로 끝나지 않고 표면분석방법등을 이용하여 광촉매보도블록이 미세먼지원인물질 제거에 효능이 있는지를 과학적으로 검증하려고 합니다."

-광촉매 기술 외에 관심을 갖고 연구 중인 분야가 있으시다면?

"광촉매 이외에 자동차 배기가스 처리부에 사용되는 촉매 연구에도 저는 관심을 가지고 있습니다. 석유 연료를 사용하는 자동차 배기가스에서는 일산화탄소라고 하는, 이미 위에서 말씀드렸듯이 인체에 유해하여 농도가 높을 경우 사람을 사망에 이르게 만들 수도 있는 물질이 배출됩니다. 이와 더불어, 산화질소, 휘발성유기화합물 등 미세먼지 원인물질인 오염물질들도 배출됩니다. 이러한 유해한 물질을 표면에서 무해한 물질로 바꿔주는 역할을 하는 고체 물질이 배기가스 처리 촉매입니다. 기존의 촉매는 낮은 온도에서는 효율을 보이지 않다가 100도 이상의 온도에서만 효율을 보입니다. 자동차 시동을 건 직후 자동차의 엔진과 배기가스가 예열되는 데는 시간이 걸리는 데, 배기가스의 온도가 충분히 높지 않은 상태로 촉매부를 지나가면 자동차에서 발생하는 유해한 물질이 무해한 물질로 바뀌지 못한 채로 대기중에 방출이 됩니다. 자동차 배기가스에 의한 대기 오염의 대부분은 시동을 건 직후 5분 내에 발생됩니다. 제가 개발한 촉매는 낮은 온도에서부터 유해물질을 무해하게 전환시킬 수 있는 기능을 가지고 있습니다. 현재 이 기술에 대한 상용화 개발을 배기가스 처리 장치를 생산하는 글로벌기업과 함께 진행하고 있습니다."

-과학과 화학을 어렵다고 보는 시각이 많은데, 교수님께 과학은 어떤 의미인지 궁금합니다.

"제가 전공하는 화학이라는 학문에 대해 한 말씀을 드리고 싶습니다. 화학은 기초 학문입니다. 화학이 다루는 세상은 우리 눈으로 확인할 수 없는 분자와 원자들의 세상 (미시적인 세상)이며 분자와 원자들을 이해하기 위해서는 많은 어려운 화학이론들을 배워야 합니다. 사실 사람이 사용하는 언어와 논리는 눈에 보이는 거시적인 세상을 기반으로 만들어졌기 때문에, 눈에 보이지 않는 미시적인 세상을 우리가 일상적으로 사용하는 언어와 논리로 설명하기는 매우 어려고, 그러다 보니 화학이론들이 많이 어렵다고 느껴져서 많은 학생들이 화학을 포기하는 경우도 있습니다. 이공계에 관심있는 학생들이 우리들의 실생활에 적용할 수 있는, 눈에 보이는 새로운 발명품 (장치, 기계 등)을 개발하는 것에 더 많은 관심을 가질 수도 있겠습니다. 하지만, 제 경험을 비추어보았을 때 화학의 원리는 이해하고 나면, 나중에는 훨씬 더 효율적으로 실용화, 실증화 연구를 할 수가 있다고 생각이 됩니다. 기초화학적 이론 지식을 탄탄히 다져 놓는다면, 그 기초지식과 관련된 다양한 응용분야에 진출을 할 수 있습니다. 처음부터 기초가 없이 하나의 응용분야와 관련된 지식을 집중적으로 획득한다면, 나중에 다른 응용분야의 연구를 하기 어려울 수 있습니다. 저의 경우 처음에는 고체표면에서 일어나는 분자들간의 화학반응을 기초화학적으로 이해하려는 노력을 했었고, 이러한 연구를 통해서 쌓은 지식은 대기오염을 저감시키는 촉매 개발, 에너지 소재 개발, 수처리 소재 개발 등의 다양한 연구의 밑바탕이 되었고 이제는 이러한 연구 개발 결과들이 실증화, 사업화까지 연결이 되고 있습니다. 예를 들어서 제가 화학적인 밑바탕이 없이 처음부터 태양전지등과 같은 에너지 소재 개발에만 집중했다면, 나중에 대기오염 저감 촉매와 같은 다른 응용분야에 진입하기는 어려웠을 것입니다. 하지만 기초화학적인 밑바탕이 있었기 때문에 다양한 소재과학 분야의 응용연구를 할 수 있었다고 생각합니다. 산업체에서도 특정한 응용분야에 대해서만 해박한 지식을 가지고 있는 사람보다 기초가 튼튼한 인재를 요구하고 있습니다. 기초과학 중에서도 화학이라는 분야는 기초과학과 응용을 연결하는 고리 역할을 한다고 생각하기 때문에 화학적인 기초를 튼튼히 한다면 분명히 사회 많은 곳에서 필요로 하는 인재로 성장할 수 있을 것이라고 생각합니다."

-환경 문제에 대해 마지막으로 한 말씀 해주신다면.

"요사이 미세먼지 등 대기환경문제가 심각한 사회적인 문제로 대두되고 있습니다. 미세먼지를 비롯한 대기환경문제는 기본적으로 과학, 그 중에서도 화학의 문제입니다. 화학자들이 그 원인을 먼저 규명해야 합니다. 미세먼지의 경우에도 그 형성 원인을 화학자들이 먼저 규명해야 합니다. 원인이 규명되면 화학자들을 비롯한 과학자들은 그 원인을 제거하기 위한 기술을 개발할 수 있습니다. 그러한 원천기술이 실제 현장에 적용될 수 있는 제품의 형태로 개발되어야 하는데, 이것은 기초과학보다는 공학 및 산업계의 몫입니다. 실제 현장에서 원천기술이 그 효능을 보이는지 다시 검증하는 것은 과학자들이 해야 할 일입니다. 궁극적으로 이러한 기술들을 발굴하고 검증하는 과정을 감시하고 그 효율이 검증되면 확대적용하는 것인 정책과 행정을 담당하시는 분들이 해야 할 일입니다. 과학, 공학, 행정 및 정책이 한 팀으로 유기적으로 움직인다면 우리가 직면한 많은 환경문제들을 해결해 나갈 수 있다는 생각을 합니다. 저는 과학자로써 사회적인 문제의 해결에 동참하며 끊임없이 산업계, 행정 및 정책을 담당하시는 분들과 소통을 하기 위해 최선을 다하려고 합니다. 그리고 저와 같은 생각을 가지는 기초과학자들이 늘어났으면 좋겠습니다. 또한 요사이 기관이나 지방자치단체의 행정직에 계시는 분들과 교류하면서 느끼는 것인, 이 분들이 실제 미세먼지 저감 기술을 발굴하고 집행하셔야 되는 분들인데 과학자들과 대화를 하는 것에 아직 익숙하지 않다는 것입니다. 다른 분야의 전문가들이 소통하는 것이 환경 문제를 해결하는 데 꼭 필요하다는 점을 강조하고 싶습니다. 또한 어린 인재들이 기초과학이 사회의 많은 문제를 해결하는데 중요한 역할을 한다는 점을 인지하면서 기초과학분야에 많은 관심을 가져 주었으면 좋겠습니다."

장석진 기자 dbdbdb74@hanmail.net

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