각종 화학공정에서 반응 효율을 높이는 핵심물질인 촉매. 원유 정제, 플라스틱 합성은 물론이고 수소연료전지, 인공광합성 장치에서도 중요하다. 과학계에서는 고효율 촉매를 개발하려고 촉매의 작동원리를 규명하기 위해 노력하고 있다. IBS 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡)의 박정영 부연구단장은 촉매비밀의 열쇠로 '핫전자(hot electron)'에 주목하고 '촉매전자학'이란 새로운 분야를 개척해 왔다. KAIST EEWS(에너지·환경·물·지속가능성)대학원에서 박정영 부연구단장을 만났다.

"지난 20년간 표면 과학을 연구하다 핫전자에 주목하게 됐어요. 핫전자란 촉매 표면에서 과잉의 에너지를 갖고 들뜬(excited) 전자를 뜻합니다. 핫전자를 통해 촉매전자학이란 새로운 분야를 이끌어 나가고 싶습니다."

박정영 KAIST EEWS대학원 교수는 나노물질 및 화학반응 연구단에 2013년 9월 그룹리더로 참여했으며, 올해 11월 부연구단장으로 임용됐다. 연구단은 21세기 인류가 직면하고 있는 환경 및 에너지 문제에 대한 궁극적 해결책을 기초연구를 토대로 제시하고자 나노과학과 화학반응을 연구하고 있는데, 이 중에서 박정영 부연구단장 연구진은 화학반응 중 표면 위의 물리적·화학적 특성을 연구하는 데 초점을 맞추고 있다.

최근 박정영 부연구단장 연구진은 나노촉매 표면에서 생성되는 핫전자를 최초로 측정한 데 이어 그래핀을 이용한 핫전자 촉매센서를 개발하고 액상 촉매반응에서 핫전자를 처음 검출하는데 성공하기도 했다. 박정영 부연구단장이 그동안 써내려온 연구 이력을 살펴보고, 앞으로 나노물질 및 화학반응 연구단에서 펼칠 그의 연구 계획을 들어봤다.

1000조분의 1초에 발생하는 전자에 주목하기까지

▲ 박정영 교수는 앞으로 나노물질의 화학반응 메커니즘을 원자적 수준에서 이해하려는 연구를 하고자 한다.

모든 물질은 표면을 갖고 있는데, 표면과학이란 표면에서 일어나는 현상의 물리적·화학적 특성을 원자 수준에서 연구하는 분야이다. 박정영 부연구단장은 서울대 대학원 시절에 표면 연구의 도구인 주사터널링현미경(Scanning Tunneling Microscope, STM)에 매료됐다. 당시에 나노과학과 STM 분야의 세계적 석학인 국양 교수의 연구그룹에 들어간 덕분이다. 박 부연구단장은 "원자의 세계를 이해한다는 기초과학적인 접근도 마음에 들었지만, 나노기술의 핵심을 건드린다는 응용성에 흥미를 느껴 STM에 반하게 된 것 같다"고 밝혔다. STM은 뾰족한 탐침에서부터 시료 표면을 향해 전자를 쏜 뒤 전자가 시료를 통과하는 정도를 파악해 시료의 구조를 원자 수준까지 알아낼 수 있는 현미경이다.

그는 1999년 미국 메릴랜드대에서 박사후연구원으로 STM을 이용해 표면의 원자구조를 분석하고 표면의 여러 물성을 이해하는 물리 분야 연구를 시작했다. 2002년 미국 에너지부 산하 로렌스버클리연구소로 옮긴 뒤 초기에는 준결정에서 왜 마찰력이 낮은가, 마찰력의 전기적 근원이 무엇인가를 각각 연구해 2005년과 2006년에 잇달아 사이언스(Science)에 발표했다. 그러다가 '근대 표면화학의 아버지'라 불리는 미국 UC버클리 가보 소모자이(Gabor Somorjai) 교수를 만나 핫전자 개념을 처음 접했다. 박 부연구단장은"촉매 반응 중에 핫전자가 생성된다는 사실을 처음 접했는데, 한순간에 매료됐다"며 "핫전자 연구는 새로운 분야라는 생각이 들었고 이때부터 관련 연구를 시작했다"고 설명했다. 당시에 그는 소모자이 교수와 공동연구팀을 구성해 나노 백금 표면에서 일산화탄소의 산화반응을 연구하며 이 반응에서 핫전자를 검출했다. 이때 핫전자는 화학전류의 형태로 측정된다.

핫전자는 화학반응 도중에 촉매 표면에서 펨토초(fs, 1fs=1000조분의 1초) 단위의 시간에 순간적으로 발생한다. 촉매 표면의 자유전자가 화학반응에서 나온 화학에너지를 얻거나 외부에서 광에너지를 흡수할 때 들뜨면서 핫전자가 된다고 알려져 있다. 최근 박정영 부연구단장 연구진은 핫전자를 촉매 메커니즘의 핵심요소로 보고 이를 측정하고 분석하기 위해 노력하고 있다.

박 부연구단장은 "화학에너지나 광에너지가 표면에 전달될 때 에너지 전환과정에 의해 표면에 핫전자가 생기는데, 세계 최초로 핫전자 발생을 이런 에너지 전환에 적용한 통합적인 연구 방향을 제시했다"며 "이를 '핫전자 화학(hot electron chemistry)'이라고 일컬었다"고 말했다. 그는 이를 통해 촉매(catalysis)와 전자공학(electronics)을 접목한 '촉매전자학(catalytronics)'이란 용어를 만들었다. 그는 "어떤 분야를 이끄는 위치에서는 용어를 창출하는 것이 중요한데, 이런 용어를 최초로 화학반응에 적용했다"며 "핫전자 개념은 굉장히 획기적이고, 물리, 화학, 화학공학, 전자공학, 재료공학 등을 넘나드는 다학제적 융합개념"이라고 설명했다.

핫전자 연구 분야에서 독보적 영역 구축해

▲ 박 부연구단장은 "현재 표면과학의 가장 큰 난제는 '물질의 차이'와 '압력의 차이'를 극복하는 것"이라고 밝혔다.

박정영 부연구단장은 핫전자 연구 분야에서 독보적인 영역을 구축했다는 평가를 받고 있다. 2011년 핫전자와 표면 플라즈몬(금속 표면의 나노입자에서 특정 파장대 빛과 국소적으로 공진하는 유사 입자)의 관계를 규명해 태양전지의 효율을 높일 수 있는 원리를 제시했고, 핫전자를 이용해 촉매활성도를 제어하는 연구를 수행했다.

IBS 나노물질 및 화학반응 연구단에 합류한 뒤에는 핫전자 관련 연구를 더 활발하게 진행해 왔다. 2015년 2월 박정영 부연구단장 연구진은 촉매 나노다이오드를 이용해 최초로 나노촉매 반응 시 표면에서 발생하는 화학전류를 측정하는 데 성공해 국제 화학저널인 안게반테 케미(Angewandte Chemie)에 발표했다. 촉매 나노다이오드는 금속 박막과 반도체로 이루어진 나노다이오드 표면 위에 나노 촉매입자가 균일하게 증착돼 있는 장치인데, 연구진은 나노촉매 표면의 화학반응을 실시간으로 관찰할 수 있는 촉매 나노다이오드를 새롭게 개발해 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자가 효과적으로 화학전류로 검출된다는 사실을 확인했다.

올해는 핫전자 관련 연구성과를 잇달아 공개했다. 그래핀을 이용해 개발한 핫전자 촉매센서로 백금 나노촉매 표면에서 발생하는 핫전자를 정밀하게 관측해 나노 레터스(Nano Letters) 2월 23일자 온라인판에 게재한 데 이어, 과산화수소 수용액에 금속 나노촉매를 넣어 액상 환경 속의 촉매반응에서 최초로 핫전자를 검출하고 전류를 측정하는 데 성공해 안게반테 케미 7월 4일자 온라인판에 발표했다. 특히 액상 촉매반응에서 핫전자를 처음 검출한 연구성과는 그 중요성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다. 이는 박정영 부연구단장의 핫전자 연구가 독립적이고 독창적이라는 점을 보여준다. 그는 "네드리게일롭 예브겐 연구원을 포함한 4명의 연구원과 함께 실험을 처음 구상하고 실험 결과를 얻은 순간 보람을 느꼈다"고 밝혔다.

그는 이상의 연구성과를 통해 3가지를 확인했다. 첫째, 액상이든 기상이든 화학반응 도중에 화학전류(핫전자)가 나오고, 둘째, 광에 의해 핫전자가 생성되며, 셋째, 광에 의해 핫전자가 생성된 뒤 그 핫전자가 촉매반응을 바꿀 수 있다는 사실이다. 박정영 부연구단장은 "핫전자를 이용해 화학반응의 전기적 근원을 이해하고 더 나아가 화학반응을 전기적으로 제어하는 것이 연구 목표"라고 밝혔다.

인공광합성, 마찰력 등 다학제적 융합연구

▲ 2015년 케미컬 리뷰(Chemical Reviews) 표지에 사용된 이미지. 금속-반도체 나노덤벨구조에서 발생되는 핫전자가 화학반응의 활성도에 영향을 주는 과정을 보여준다.

박정영 부연구단장은 에너지 및 환경 분야와 밀접한 관련이 있는 인공광합성도 연구해 왔다. 2014년 광촉매인 이산화티타늄을 계층적 다공성 나노구조로 제작하고 질소를 투입해 인공광합성(빛이 조사될 때 활성화되는 촉매를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 반응)의 효율을 증대시키는 원리를 발견했다. 이 연구성과는 어드밴스드 머티리얼스 인터페이스(Advanced Materials Interfaces) 창간호 표지논문으로 선정됐다. 그는 "광촉매나 인공광합성 연구도 핫전자 개념을 이용해 수행하고 있다"며 "빛을 쏴 주면 인공광합성이 일어나는 광전기화학 전지(photoelectrochemical cell)의 계면에서 핫전자를 발생시키면, 이 핫전자가 반응을 활성화시킨다"고 설명했다.

사실 그가 관심을 갖고 연구하는 분야는 크게 4가지로 구분된다. 핫전자와 나노다이오드 분야 외에 촉매, 표면화학, 주사탐침현미경(Scanning Probe Microscope, SPM) 분야이다. SPM은 STM, 원자간력현미경(AFM)처럼 탐침을 이용한 모든 현미경을 말한다. 박정영 부연구단장은 "4가지 분야가 서로 연관돼 있다"며 "SPM의 탐침이 물질 표면에 힘(마찰력)을 전달하는 것은 다른 물질 표면에 빛을 전달하는 상황과 비슷하다"고 설명했다.

현재 그가 교수로 몸담고 있는 EEWS 대학원 연구실에는 소속 대학원이 융합 기반이라 다양한 배경의 학생들이 들어온다. 그는 "다학제적 시스템에서 4가지 연구프로그램을 운영할 수 있다"며 "핫전자와 나노다이오드 분야는 재료공학 전공자, 촉매 분야는 화학공학 전공자, 표면화학 분야는 화학 전공자, 주사탐침현미경 분야는 물리전공자가 연구하기 유리하다"고 밝혔다.

그는 로렌스버클리연구소에 재직하던 시절에 마찰력 연구로 사이언스(Science)에 2편의 논문을 발표한 이후에도 마찰력 연구를 꾸준히 해오며 우수한 성과를 냈다. KAIST 교수로 부임한 뒤 2011년에는 그래핀 표면에서 마찰력을 측정해 나노미터 수준의 주름구조가 있다는 사실을 실험적으로 밝혀내 사이언스에 발표하기도 했다. 그는 "표면에 그래핀(표면 마찰력이 산화실리콘의 4분의 1에 불과)을 코팅하면 마찰력을 줄일 수 있다"며 "나노구동기 등을 만들 때 유용하다"고 설명했다. 최근에는 그래핀 밑에 물이 있을 때 마찰력이 어떻게 바뀌는지를 연구하고 있다. 특히 운모(화강암에 들어 있는 광물 중 하나) 위에 원자한 층으로 된 그래핀을 덮어 그 안에 물을 가둘 수 있는데, 물의 마찰력을 어떻게 변화시키는지를 밝혀 논문 발표를 준비하고 있다.

마찰은 그의 대중강연 단골주제다. 2013년에는 대구도서관에서 '이상한 전자의 세계'라는 주제로 대중강연을 했지만, 2014년 광주 무등도서관에서 '왜 미끄럽지? 마찰의 불편한 진실', 2015년 세종도서관에서 '왜 미끄럽지? 신비한 마찰의 세계'라는 주제로 중고등학생들에게 강연했다. 그는 대중강연 요청이 들어오면 웬만하면 거절하는 법이 없다. 학생들에게 강연하는 과정에서 보람을 느끼기 때문이기도 하지만, 대중강연은 국가에서 지원을 받는 연구자로서 당연히 해야 할 일이라고 생각하기 때문이다.

"독창적 주제를 학문으로 정립하고파"

IBS 나노물질 및 화학반응 연구단에 합류하게 된 계기에 대해 박정영 부연구단장은 "IBS 연구단에서는 자신의 색깔을 갖고 특정 주제에 대해 집중적으로 연구하기에 좋다고 생각했기 때문"이라고 답했다. 그는 표면과학을 연구하기 위해 단결정(원자가 규칙적으로 배열해 하나의 결정을 이룬 것), 초고진공(우주공간처럼 물질이 거의 없는 상태) 등부터 다루기 시작했고 핫전자와 상압표면 분석에 연구 초점을 맞췄다. 그는 표면과학(표면화학)을 주제로 연구하고 있는 외국 그룹 중에서 독일 막스플랑크협회 프리츠하버연구소 소장 하조 프로인트(Hajo Freund) 교수 연구진과 UC 버클리의 소모자이 교수 연구진을 경쟁 그룹으로 꼽았다. 또 중국과학원(CAS) 산하 다롄물리 화학연구소(DICP)와 미국 브룩헤이븐국립연구소에서도 표면화학 연구를 활발하게 하고 있다. 그는 "관련 분야의 해외 연구진과 경쟁하기도 하지만 기본적으로 협력 연구를 하고 있다"며 "표면화학 분야에서 핫전자와 관련된 연구는 우리만의 강점"이라고 말했다. 그는 또 "항상 우리 그룹에서 수행하는 연구가 다른 그룹들과 어떻게 차별화되는지, 이 연구의 결과가 표면화학 분야의 과학을 10%가 아니라 10배 발전시키는 파장을 일으킬 수 있는 방향인지 고민한다"고 밝혔다.

한편 박정영 부연구단장은 아시아 국가들의 젊은 학생들이 참가해 노벨 과학상 수상자 같은 석학들과 토론하는 '아시안 사이언스 캠프' 국제위원회 위원으로 활동하고 있다. 그는 지난 8월 21일부터 28일까지 인도 벵갈루루에서 열린 '아시안 사이언스 캠프 2016'에 참석하기도 했다. 그는 "학생들이 화학결합, 양자컴퓨팅, 유전체 의학등의 주제를 골라 포스터 발표를 했는데, 매우 독창적인 관점에서 포스터를 만들어 발표하는 부분이 인상적이었다"고 밝혔다. 그는 학생들의 유연한 사고와 창의성에서 참신한 아이디어를 얻는 계기를 마련할 수 있어 좋았다고 한다.

그는 또 2013년 '린다우 미팅(독일 린다우에서 열리는 노벨상 수상자와의 캠프)' 때, 2007년 표면화학 분야의 노벨상 수상자 게르하르트 에르틀(Gerhard Ertl) 교수를 초청해 '표면과학이 어떻게 전 세계적인 에너지와 환경 분야의 문제 해결에 기여할 수 있을까?'라는 주제로 과학조찬포럼을 진행한 바가 있다. 그에 따르면 당시 열띤 토론이 진행됐고, 그중 표면과학이 인공광합성, 전기화학, 연료전지 등의 분야에 기여하는가라는 질문이 제기됐는데, 그는 이를 위해 상압 또는 액상에서 표면의 특성을 연구해야 한다고 답변했다. 기존에 초고진공 하에서 이뤄진 표면 연구가 압력의 차이를 극복하고 상압에서 진행돼야 한다는 뜻이다.

박 부연구단장은 "현재 표면과학에서는 '물질의 차이'와 '압력의 차이'를 극복하는 것이 가장 큰 난제"라며 "지난 수십 년간 연구해온 단결정과, 실제 공정이나 반응에 쓰이는 복잡한 물질 사이의 간극을 채우고, 표면에서 일어나는 반응을 초고진공 상태에서 연구하다가 최근 상압 환경으로 옮겨오며 압력의 차이를 극복하려고 노력하고 있다"고 말했다. 다시 말해 요즘 연구자들은 나노입자, 산화물, 첨가물, 계면활성제처럼 복잡한 물질에 대해 상압이나 액상처럼 현실에 가까운 상태에서 표면의 물성이나 표면에서의 화학반응이 어떻게 변하는가를 이해하려고 애쓰고 있다는 뜻이다.

그는 "핫전자에 초점을 맞춰 표면화학(촉매전자학)을 연구하는 우리 그룹의 독창성은 어느 정도 인정받았다고 생각한다"며 "앞으로 상압 표면 분석을 통해 핫전자 화학의 메커니즘을 분자적 수준에서 이해함으로써 핫전자 분야를 정립된 학문으로 만드는 것이 목표"라고 말했다. 그가 독창적 주제를 발굴해 다년간 노력해 온 결과가 인정받게 될 날이 머지않은 듯하다.