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Q: IBS 영 사이언티스트 펠로십(Young Scientist Fellowship)에 선정되셨습니다. 축하드립니다. 영 사이언티스트 펠로십에 도전하게 된 계기가 궁금합니다.
박정우 연구위원: IBS 영 사이언티스트 펠로십 선정 공고를 접하고 깜짝 놀랐습니다. 지원 조건(박사학위 취득 후 5년 이내 또는 만 40세 미만의 박사학위 취득자)과 지원 내용(최초 3년간 임용, 연구비 1.5억 원에서 3억 원 등)이 국내 최고 수준이라 생각되었어요. 무엇보다 잠재력 있는 연구자가 기초과학 분야의 핵심 연구인력으로 발전하는 데 소중한 디딤돌 역할을 할 수 있기를 희망한다는 슬로건이 좋았습니다.
김튼튼 연구위원: 박사후연구원(Postdoc)시절, 유럽연합(EU)에서 지원하는 마리퀴리 펠로십(Marie Curie Fellowship)을 지원받아 연구를 했습니다. 그러던 중 독립연구자로서 한계를 느끼며 한 단계 더 성장하고픈 열망이 생겼습니다. 한 연구팀을 이끌며 팀 사이언스를 구축하면 리더로서 제 자질을 증명할 수 있지 않을까 생각이 들었습니다. 그런 의미에서 IBS 영 사이언티스트 펠로십이 새로운 기회라는 판단에 지원하게 되었습니다.

Q: 어떤 연구성과를 인정받아 영 사이언티스트 펠로(Young Scientist Fellow, 이하 YSF)에 선정됐다고 생각하시는지요?
김튼튼 연구위원: 세계의 많은 연구자들이 메타물질(meta materials)을 연구해 새로운 현상을 밝혀내고 있습니다. 메타물질은 자연계에서 발견되지 않는 특성을 가지도록 설계된 인공물질입니다. 저는 2차원 물질인 그래핀과 메타물질을 결합해 메타물질의 고유 성질을 능동적으로 제어하고 이를 실생활 소자로 활용하는 연구를 해왔습니다.
박정우 연구위원: 전이금속 촉매를 이용해 새로운 반응을 개발하는 연구에 중점을 두었습니다. 박사학위 과정 중에는 제가 개발한 촉매 반응이 재료과학에 응용될 수 있는지 확장성에 주력했습니다. 박사후연구원 때는 전이금속 촉매를 통해 카이럴성(왼손과 오른손처럼 좌우가 바뀌고 서로 겹치지 않는 성질) 화합물이 가지는 입체선택성에 집중해 효과적으로 합성할 수 있는 새로운 방법에 대해 연구했습니다.

"전환기를 맞이한 연구자들에게 영 사이언티스트 펠로십은 큰 기회입니다. 좋은 환경에서 연구하는 만큼 더 잘해야 한다는 마음이 큽니다. 더구나 1기로서 책임감도 느끼게 되고요."

서울역의 한 카페에서 만난 김튼튼 연구위원과 박정우 연구위원은 한 목소리로 책임감을 강조했다. 두 연구위원은 IBS YSF 1기로 선정된 7명 중 가장 먼저 연구를 시작했다. 김 연구위원은 나노구조물리 연구단에, 박 연구위원은 분자활성 촉매반응 연구단에서 새로 둥지를 틀었다. YSF로 디딤돌에 올라선 두 연구위원의 각오를 들어봤다.

▲ IBS 영 사이언티스트 펠로(YSF)로 선정된 박정우 연구위원(왼쪽)과 김튼튼 연구위원(오른쪽)은 YSF 1기로서의 각오가 남다르다

투명망토의 실현 물질 '메타물질'과 반응의 중매쟁이 '촉매'

김 연구위원의 연구대상은 메타물질이다. 메타물질은 해리포터의 투명망토를 실현시킬 수 있는 물질로 잘 알려져 있다. 2차원 광결정 관련 연구로 박사학위를 받은 그는 빛에 매료되면서 자연스럽게 메타물질에 관심을 갖게 되었다. 김 연구위원은 "광결정과 메타물질의 차이는 구조 크기에 있다. 광결정은 빛 파장과 비슷한 반면 메타물질은 파장의 1/5~1/10 정도"라며 "메타물질은 유효굴절률을 자유자재로 얻을 수 있어 음굴절(입사된 빛이 일반 매질에서와 반대 방향으로 꺾이는 현상)도 만들고 마치 물질이 없는 것처럼 투명망토도 구현할 수 있다"고 설명했다.

그는 박사후연구원 시절, KAIST 민범기 교수 연구실에서 본격적으로 메타물질을 연구했다. 기존 메타물질은 빛의 세기(intensity)만 제어할 수 있다. 그는 다른 종류의 메타물질이 지닌 특성에 주목했다. 카이럴성 메타물질은 빛의 편광을, 전자기유도투과(EIT) 메타물질은 빛의 속도를, 메타 표면은 빛의 방향을 조절할 수 있다. 김 연구위원은 "전도도가 좋은 그래핀을 메타물질과 합성하면 그래핀으로 메타물질의 성질을 조정할 수 있다"며 "빛의 편광 각도를 조절하는 능동 소자도 개발할 수 있다"고 말했다. 2016년 그는 민범기 교수 연구팀과 함께 메타물질의 광학적 특성을 기억할 수 있는 메모리 메타물질과 이를 응용한 논리연산 메타물질을 개발해 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 발표했다.

한편 박 연구위원의 주 연구대상은 생명체, 산업계에서 반응의 중매쟁이인 촉매로 쓰이는 전이금속이다. 그는 연세대학교에서 '비닐실레인의 전이금속 촉매변환과 하이브리드 물질에 대한 응용'이란 주제로 박사학위를 받았다. 그는 "실리콘 원자 주위로 비닐기가 작용기로 결합하는 비닐실레인은 전이금속 촉매와 반응성이 좋다"며 "비닐기와 실리콘의 결합을 끊은 뒤 알코올기와 실리콘을 결합시키면 유기화합물과 무기화합물의 하이브리드 소재에 응용할 수 있다"고 설명했다.

박 연구위원은 미국 어바인 캘리포니아대(UC 어바인)에서 비 동(Vy M. Dong) 교수의 지도 아래 박사후연구원으로 전이금속 촉매 반응의 응용을 연구했다. 그는 탄소-수소 결합 활성 반응을 이용한 비대칭화 반응, 탈수소포르밀화 반응 등을 다루었는데, 특히 2015년에는 로듐화합물을 촉매로 탈수소포르밀화 반응을 쉽게 유도하는 방법을 개발해 '사이언스(Science)'에 발표하기도 했다. 탈수소포르밀화는 물질에서 알데하이드기(-CHO)를 제거해 올레핀을 합성하는 반응이다. 연구팀은 새로 개발한 방법으로 요힘비논이란 천연물의 합성하는 과정을 기존의 11단계에서 3단계로 대폭 줄이는 데 성공했다.

내 인생의 자양분, 박사후연구원 시절을 보내며

김튼튼 연구위원은 메타물질의 탄생지, 영국에서 박사후연구원을 보냈다. 메타물질의 개념을 처음 제시한 연구자는 존 펜드리 임페리얼칼리지런던 교수다. 음굴절과 투명망토의 가능성을 이론적으로 제안해 노벨상 후보로 손꼽힌다. 그는 "신혼여행으로 간 영국에서 임페리얼칼리지런던을 방문했다. 그곳에서 메타물질 이론 연구의 권위자인 오트윈 헤스 교수도 만나 함께 차를 마시며 얘기했다"고 회상했다.

김 연구위원은 한국학술진흥재단 학문후속세대양성사업의 지원자로 선정돼 영국 버밍엄대에서 연구를 시작하게 됐다. 메타물질 연구 권위자인 슈왕 장 교수와 연구하며 그는 마리퀴리 펠로(Marie Curie Fellow)에 도전했다. 마리퀴리 펠로는 유럽에서 가장 권위 있고 대우가 좋은 박사후연구원으로 학술행사 참가, 워크숍 운영 등에서 전폭적인 지원을 받는다. 그는 "학진 사업이나 마리퀴리 펠로 선발 과정에서 모두 두 번째 도전 끝에 선정됐다"며 "실패에서 배우는 과정을 겪으며 오히려 좋은 결과로 이어진 것 같다"고 말했다. 또한 그는 "과학의 역사와 문화가 잘 보존된 영국에서 맥스웰, 페러데이, 다윈 등 대가의 발자취를 느끼며 과학자로서 영감을 얻을 수 있어서 좋았다"고 덧붙였다.

박정우 연구위원은 2013년 63회 린다우 노벨미팅에 참여해 화학 분야의 대가를 직접 만났다. 그는 "독일 린다우에서 2005년 노벨화학상 수상자 로버트 그럽스, 리차드 슈락, 2010년 노벨화학상 수상자 스즈키 아키라 등을 만났다"며 "당시 해외 박사후연구원을 구하고 있는 상황이었는데, 그때 만난 외국 연구자들로부터 많은 정보를 공유해 큰 도움이 되었다. 그들과 지금도 교류하고 있다"고 말했다.

오랜 시간이 지나지 않아 박 연구위원은 UC 어바인에서 박사후연구원을 시작했다. 전이금속 촉매의 유기화학적 응용을 주제로 연구분야를 확장해가던 때였다. 연구원 시절, 3년간 그가 몰았던 운전거리는 총 16만 km였다고 한다. 그는 "아내가 먼저 UCLA에서 박사후연구원을 시작해 매일 자동차로 LA에서 어바인까지 80km 거리를 출퇴근했던 기억이 남는다"며 "매일 먼 거리를 운전하는게 힘들었지만, UC 어바인에서 화이트보드를 놓고 활발하게 토론을 벌이던 자유로운 연구 분위기가 좋았다"고 회상했다.

▲ 김튼튼 연구위원(왼쪽)은 " 가족과 함께 영국에서 박사후연구원 생활을 하며 대가들의 발자취를 느끼며 과학자로서 영감을 얻었다"다고 말했다. 박정우 연구위원(오른쪽)은 "UC 어바인의 자유로운 분위기의 연구실에서 많은 경험을 쌓았다"며 "연구원 시절 찍은 사진 중,랩 매니저와 함께 찍은 사진을 가장 좋아한다"고 말했다.

치열했던 학부와 대학원 시절, 꿈을 이루기까지

공교롭게도 두 사람은 대학을 조기에 졸업했다. 김 연구위원은 전액장학금을 받고 3년 반 만에 조선대 물리학과를 졸업했다. 그는 "고등학교 때 여러 사정상 공부할 수 있는 환경이 갖춰지지 않았다. 학부 1학년 때부터 KAIST 대학원을 목표로 줄곧 달렸다"며 "새벽 6시에 등교해 도서관과 전공사무실, 동아리방을 오가며 공부에 매진했다"고 말했다. 그는 조선대 최초의 조기졸업자가 되었다. KAIST 진학 후, 석사과정 1학기 때 빛을 마음대로 제어하고 싶은 생각에 광결정, 메타물질 분야를 선택했다.

박 연구위원은 연세대 화학과를 3년 만에 졸업했다. 그는 "고등학교 때 과학올림피아드를 준비하면서 유기화학의 매력에 푹 빠졌다"며 "대회를 준비하며 대학교 수준의 화학 공부를 하게 되었고 이를 바탕으로 남들보다 앞서 많은 수업을 들었다"고 말했다. 학부 1학년 여름, 박 연구위원은 대학원 지도교수인 전철호 교수 연구실에 합류했다. 그는 "1학년 때부터 연구원 생활을 하게 된 건 정말 좋은 경험이었다"며 "화학에 대한 열정을 교수님이 잘 봐주신 거라 생각한다"고 말했다.

연구에 대한 두 사람의 열정은 국내에서 박사학위를 받고 해외에서 박사후연구원을 거치며 IBS YSF로 선정되는 결실을 맺었다. 두 사람은 IBS YSF 1기로서 어떤 연구 계획을 갖고 있을까.

먼저 김튼튼 연구위원은 나노구조물리 연구단에서 메타물질 연구를 그래핀을 비롯한 2차원 물질에 적용해 새로운 소자를 만들고자 한다. 김 연구위원은 "빛은 전자와 달라 산란, 손실 등이 많이 발생하지만 전자기유도투과현상, 위상광학 등을 활용해 메타물질을 구현하면 빛이 잘 진행할 수 있다"며 "이를 2차원 물질에 적용해 광소자뿐 아니라 광 집적회로까지 구현하고 싶다"고 말했다. 그는 "나노구조물리 연구단에 갖춰진, 나노 크기로 제작 가능한 전자식각장비, 2차원 물질 합성장비, 근접장 측정시스템 등을 활용하면 가시광선, 근적외선에서도 메타물질을 구현할 수 있다"고 덧붙였다.

박정우 연구위원은 분자활성 촉매반응 연구단에서 전이금속 촉매를 활용한 연구에 몰두할 계획이다. 박 연구위원은 "값비싼 전이금속 촉매를 대체할 값싼 전이금속 촉매를 설계하고, 한 번의 반응으로 여러 곳을 기능화해 복잡한 천연물 기반의 물질을 제작하고 싶다"며 "입체 선택적 유기합성법으로 비대칭 카이럴 실리콘을 비롯한 다양한 실리콘 소재를 개발하고 싶다"고 말했다.

앞으로 연구자로서의 꿈은 무엇일까. 김 연구위원은 "제 좌우명이 '안 되는 게 정상이다. 되게 해보자'다. 지금의 열정을 잃지 않고 연구자로서 자신만의 아이디어로 자신만의 영역을 개척하는 것이 꿈"이라고 말했다. 박 연구위원은 "후학들에게 좋은 멘토가 되고 싶고 연구로 화학 학계에 기여할 수 있으면 좋겠다"고 말했다. IBS YSF가 두 사람이 꿈을 이루는 디딤돌이 되길 바라본다.

▲ IBS YSF 1기로 새로운 연구전환기를 맞은 두 연구위원은 "앞으로 자신만의 독창적인 아이디어로 한 분야의 개척자가 되고싶다"고 말했다.