새로운 물질 향한 여정, 우보천리(牛步千里)의 자세로 난제 극복해갈 것
새로운 물질 향한 여정, 우보천리(牛步千里)의 자세로 난제 극복해갈 것
  • 박소연 기자
  • 승인 2021.08.02 09:40
  • 댓글 0
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경상국립대학교 나노·신소재공학부 고분자공학전공 김기현 교수
경상국립대학교 나노·신소재공학부 고분자공학전공 김기현 교수 ⓒ박소연 기자
경상국립대학교 나노·신소재공학부 고분자공학전공 김기현 교수 ⓒ박소연 기자

연료전지용 폴리머 전해질 합성, 다양한 구조를 가진 고분자 전해질막 등을 개발해온 김기현 교수는 수소전기차용 연료전지에 사용되는 신규 고분자 소재 개발에 집중하고 있다. 이러한 연구는 핵심 소재의 완전한 자립과 진정한 의미에서의 친환경 수소전기차를 완성하는 발판이 될 것이라는 기대를 모은다. 다양한 공동연구를 통해 새로운 물질을 창출해내며 난제 극복의 열쇠를 찾아가는 그를 만났다.

 

고분자 합성 통한 신물질 창출로 산업적 난제 해결에 도전

김기현 교수가 이끄는 경상국립대학교 고분자재료화학 연구실은 고분자 합성과 개질 기술을 바탕으로 기능성 고분자 및 첨가제를 개발하는 연구에 집중한다. 김 교수는 고분자 합성에 관한 연구를 중심으로 합성을 통해 기존 소재의 문제점을 해결하거나 보완할 수 있는 신소재를 개발한다고 소개했다. 최근에는 기존 수소연료전지 및 수전해 시스템에 응용되는 상용 전해질막 소재를 대체할 수 있는 고분자 소재 개발에 연구 역량을 집중하고 있다. 고분자 구조를 설계 단계에서 제어하고, 이를 실현할 수 있는 최적의 합성법을 선택해 고분자를 합성한 후 이를 활용해 전해질막을 제조하는 일련의 과정을 거친 결과, 기존 상용 전해질막 대비 우수한 성능 및 내구성이 기대되는 신규 소재들이 속속 두각을 나타내며 개발되고 있다. 나아가 개발된 신규 소재의 완성도를 높이기 위한 최적화 과정이 병행된다. 그는 소재 개발을 위해 고분자 합성 단계에서부터 접근하는 만큼 속도는 다소 느릴지라도, 꾸준히 연구해 온 데이터의 축적과 결실을 통해 연료전지 및 수전해 시스템용 고분자 전해질 소재 관련 다수의 특허출원 및 논문 게재, 산업체 협력 연구를 수행하고 있다고 설명했다.

저희 연구실에서 개발한 고분자가 다양한 첨단 산업에서 요구하는 핵심 소재들에 활용되는 것이 최종 목표입니다. 소재 개발은 소재 산업 자체의 성장뿐 아니라 연관된 모든 산업의 기술 분야를 발전시키는 특징이 있는 만큼 신소재 개발을 통해 대한민국 발전에 기여하고 싶습니다.”

학위 과정에서부터 고분자합성에 기반한 연구를 수행해온 김 교수는 수소전기차용 연료전지에 사용되는 기존 불소계 전해질 소재를 대체할 수 있는 신규 고분자 소재를 개발하는 데 초점을 맞추고 있었다. 친환경 자동차로 잘 알려진 수소전기차는 수소와 산소가 갖고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 연료전지가 자동차의 동력원으로 활용된다. 이때 연료전지의 성능과 직결되는 핵심 소재가 바로 고분자 전해질막이다. 기존에 활용되어온 불소수지 전해질막은 높은 성능과 내구성이 보장되어 있지만, 친환경 자동차라는 패러다임에 맞지 않게 폐기 과정에서 환경오염 이슈가 발생하고, 특정 국가 혹은 특정 업체에 의존해야 한다는 문제점이 있었다. 이는 수소전기차의 대중화를 저해하는 요인으로도 손꼽힌다. 실제로도 수소전기차 분야에서는 경쟁국이 몇 없을 정도로 기술우위를 차지하고 있는 우리나라도 소재와 관련한 높은 해외 의존도는 반드시 해결해야 할 문제다. 그는 핵심소재의 국산화가 미흡한 상황이라며, 핵심소재의 완전한 자립 및 국산화를 위한 연구가 활발히 진행 중이라 설명했다. 이러한 움직임이 기존 연구와 융합되어 시너지를 낼 수 있다면, 우리나라의 모빌리티 산업 경쟁력 또한 높아질 것이라 내다보는 그다.

김 교수는 2019년 일본의 소재 수출 제한이 국내에 국산 전해질 소재 개발의 필요성을 인식시키는 변곡점이 되었다고 말했다. 이에 불소수지가 연료전지용 전해질막으로 활용되었을 때 가질 수 있는 장점은 그대로 취하면서도 문제점을 보완할 수 있는 고분자 구조를 설계하여, 경제성과 친환경성을 가지면서도 성능과 내구성은 기존 불소수지 전해질막과 견줄만한 새로운 물질을 찾는데 집중하는 그다. 신규 전해질용 고분자 소재를 개발하는 해당 연구는 현대자동차와 산학협력 공동연구 및 국가 정책지원 과제를 통해 진행되고 있으며, 저가형 고성능 장수명 연료전지용 고분자 신소재를 개발하는 것을 단기 목표로 한다.

 

미래 기술이 현실화되는 시대, 기술 선도 국가로 나아가기 위한 노력 필요해

최근 탄소중립을 위시한 환경보호 문제가 전 세계적 화두로 떠오른 가운데 고성능의 모빌리티와 화학산업의 핵심이라 할 수 있는 멤브레인 연구의 중요성이 커지고 있다. 멤브레인은 사용자가 원하는 물질만 선택적으로 분리 전달하고, 원치 않는 물질의 이동을 차단시키는 역할을 한다. 즉 멤브레인의 기술발전은 특정 물질의 선택적 분리 효율을 극대화하며 얼마나 장시간 그 성능이 유지되는지에 초점을 두고 진행되어왔다. 김기현 교수는 앞으로의 멤브레인 핵심유망기술들도 그간의 발전 방향인 선택적 분리 효율 극대화 및 장수명화에 집중할 것이라 설명했다. 현재 다양한 산업 분야에서 멤브레인이 사용되고 있는 만큼 각 분야에 맞춰 분리 효율을 상승시키기 위한 신규 소재 개발이 필수적으로 진행될 것이며, 기존 소재의 단점을 보완할 수 있는 첨가제의 개발도 이뤄지리라 내다보는 그다. 더불어 개발된 소재의 성능을 극대화할 수 있는 가공 기술도 함께 발전할 것이라는 기대를 전했다.

미래 기술이라 여겨지던 많은 부분들이 빠른 속도로 개발되어 현실에 속속 적용되고 있습니다. 물질에 대한 분자, 혹은 원자단위에 대한 접근이 가능해짐에 따라 그간 상상만 해오던 많은 기술들이 이미 현실화되었죠. 앞으로의 세상은 현존하는 기술들의 융합을 통한 새로운 기술들이 탄생하여 우리가 상상하는 그 이상의 발전과 이를 뒷받침할 신산업들을 탄생시킬 것입니다.”

미래 사회에는 환경친화적이며 고성능의 화학 R&D 인프라를 잘 구축한 국가만이 세계 산업 경쟁에서 살아남을 것이라 예측된다. 대한민국 또한 국가 경쟁력 향상을 위한 선제적 대응책 마련이 절실한 시점이다. 산업의 쌀이라 할 수 있는 소재산업에 대한 기대도 커진다. 이에 대해 김 교수는 우리나라의 고분자 관련 산업 기반 및 기술력은 이미 상당한 경쟁력을 갖추고 있다며, 다만 이러한 기술 경쟁력을 유지하고 기술 선도 국가로 나아가기 위해서는 고기능성 고분자 신소재 원천 기술 확보와 관련한 정부 주도의 구체적인 장기 지원책과 관련 연구기관의 협업을 이끌어낼 수 있는 정책을 수립해야 함을 강조했다. 특히 소재산업은 산업 자체의 성장을 넘어 여러 산업의 근간이 되는 만큼 고기능성 고분자 신소재에 대한 원천 기술 확보는 고분자 관련 산업뿐만 아니라 관련 산업 전반의 발전을 위한 자양분이자 미래 먹거리 창출 동력으로 자리 잡을 수 있다. 이에 소재 관련 원천 기술 확보를 위한 정부 주도의 장기 발전 계획과 더불어 민···연이 협업하며 최대의 시너지를 발휘할 수 있는 정책 수립이 꼭 필요하다고 힘주어 말했다.

해외에서는 국가 주도의 핵심연구 분야와 관련해서 기술 선도그룹을 모아 최근의 연구 성과와 관련한 리포트를 제공하고 충분한 의견 교환이 가능하도록 정기세미나를 갖는 등 집단 연구의 시너지를 내는 데 집중하고 있습니다. 국내에도 친환경 에너지 분야의 연료전지, 이차전지, 태양전지 관련 기술 등을 연구할 수 있는 충분한 역량을 갖고있는 연구자들이 많은 만큼 이분들을 그룹화해 연구 성과를 공유하며 시너지를 낼 수 있었으면 합니다. 이러한 시스템이 구축된다면 개별연구가 갖는 한계를 극복하는 것은 물론 개발 속도나 완성도 또한 현격히 높아지리라 기대합니다.”

 

경상국립대학교 나노·신소재공학부 고분자공학전공 김기현 교수 ⓒ박소연 기자
경상국립대학교 나노·신소재공학부 고분자공학전공 김기현 교수 ⓒ박소연 기자

최선을 다하면 최고가 된다’, 초심 지키며 교육자이자 연구자로서의 삶에 충실하고파

2018년 경상국립대학교에서 교편을 잡은 김기현 교수는 다양한 분야로 활동 영역을 넓히기보다 자신의 연구 분야 및 전문성을 갖고 있는 분야에의 선택과 집중을 택했다. 현재 그는 한국막학회 학술이사 및 한국공업화학회 고분자분과 간사를 역임하고 있다. 2019년에는 한국공업화학회 추천으로 미원상사신진과학자상을 수상하는 한편 2019년부터 현재까지 산업기술혁신 평가단의 정위원으로 국가과제 기획 및 평가에 참여하고 있다.

고분자합성은 굉장히 많은 시도와 실패 끝에 결실을 맺는 분야입니다. 새로운 물질을 개발한 뒤에도 산업에 실제로 응용 가능한 결과물이 나오기까지 상당한 시간이 소요됩니다. 일련의 과정 끝에 목표로 한 결과물을 만들어냈을 때 성취감이 상당하죠. 특히 연구에 참여한 학생들이 연구 과정에서 흥미를 느끼고 연구자가 되겠다는 꿈을 가질 때 무엇보다 보람을 느낍니다.”

김 교수는 최선을 다하면 최고가 된다라는 신념을 품고 있었다. 최선의 노력을 다할 때 최고의 물질을 만들어낼 수 있다는 것이다. 학생들을 지도하는 과정에서는 최선의 노력을 다하는 모습을 보이며 솔선수범하는 동시에 사소한 곳에서 실수를 범하지 않도록 꼼꼼히 살피는데 주안점을 두고 있었다. 후학을 양성하는 즐거움에 교수에 길을 택했던 그에게 제자들과 함께 연구하고 가까이에서 지도하는 것은 스스로 쉼 없이 연구에 몰두하게 하는 원동력이었다. 그는 하나에 몰입하는 것이 자신의 장점이자 단점이라며, 언제든 최선을 다한다는 신념을 지키며 책임감을 갖고 생활하고자 한다고 말했다.

학교에 임용되었을 때 지도교수님께서는 교수는 학생 지도와 연구를 항상 병행해야 하는 위치에 있다는 말씀을 해주셨습니다. 학생 지도를 60, 연구를 40으로 삼겠다는 초심을 항상 잃지 않고자 노력하겠습니다. 초심을 잃지 않고 앞으로 남은 교육자와 연구자의 삶을 계속 이어나가는 데 집중하겠습니다.”

 

김기현 교수 연구실 단체사진 ⓒ박소연 기자
김기현 교수 연구실 단체사진 ⓒ박소연 기자

산업의 근간이 되는 소재 산업, 지속적인 지원과 관심으로 발전시켜야

국제협력연구를 통해 우수한 성과를 창출해온 김기현 교수에게 코로나19로 국제적 교류가 어려웠던 지난 한 해는 아쉬움으로 남았다. 해외 공동 연구자들이 소속된 학교가 장기간 운영을 중지하는 등의 이유로 공동 연구의 속도가 코로나 시국 이전에 비해 현저히 저하되어 공동연구를 통한 시너지 창출이 어려웠던 까닭이다. 그는 다행히 차츰 상황이 나아지고 있다며, 다시금 활발히 공동연구를 수행할 날을 기다리고 있다고 말했다. 교육적 측면에서도 비대면 강의가 장기간 진행되다 보니, 학생 중심의 수업을 이끌어 가는 데 어려움이 많았다며 아쉬움을 전하는 그다.

고분자재료화학 연구실을 운영하는 연구책임자로서의 꿈은 우리 연구실에서 개발한 고분자 물질들이 실제 산업에서 활용되도록, 세상이 필요로 하는 고분자 신소재를 개발하는 데 있습니다. 동료나 기업 등 연구 참여자들 또한 같은 마음이죠. 고유한 고분자 물질을 만들어 산업의 난제들을 해결하고, 상용화까지 하는 날을 기대해봅니다.”

끝으로 김 교수는 신소재 개발에 대한 지속적 지원과 관심을 당부했다. 오랜 시간 소재 개발에 몰두해 왔지만, 최근처럼 국가적, 산업적, 국민적 관심이 신소재를 향한 적이 없었던 까닭이다. 그는 소재산업의 발달은 다른 산업의 부흥으로 이어진다며, 우리나라가 소재강국으로 우뚝 설 수 있도록 지금과 같은 지원과 국민적 관심이 지속되었으면 한다는 바람을 전했다. 김 교수의 교육과 연구들이 지속가능한 친환경 사회를 구축하기 위한 든든한 기반이 되길 기대한다.

 


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