“세상에 존재하는 모든 물질은 분자로 이뤄져 있습니다. 이 분자들은 구조 변화에 따라 가시적인 특성이 달라지는데요. 촉매는 이 변화과정에 참여해 원하는 특성을 가진 물질을 쉽고, 빠르게 만들 수 있는 일종의 ‘마법사의 돌’이라고 할 수 있습니다.”

연금술이 흥행하던 과거. ‘마법사의 돌(Sorcerer’s stone)’은 값싼 금속을 금으로 바꿀 수 있다는 전설의 존재로 서양 연금술계 최고의 가치로 여겨졌다. 현대과학의 관점에서 허무맹랑한 소리처럼 들리지만, 적어도 유사한 역할을 하는 존재가 있다. 바로 촉매다.

지난 8월 13일 기초과학연구원(IBS) 분자활성 촉매반응 연구단에서 만난 박윤수 연구위원은 촉매를 비롯한 유기화학 분야에서 주목을 받기 시작한 신진 연구자다. 그는 “분자들의 구조가 셀 수 없이 다양한 만큼, 유효하게 작용할 촉매의 구조도 저마다 다르다”며 “인류가 원하는 유용한 성질을 최대한 발현시킬 수 있는 촉매들을 설계하고, 데이터베이스를 구축하는 것이 목표”라고 말했다.

[피플 인터뷰 영상보기] 박윤수 IBS 분자활성 촉매반응 연구단 연구위원.

● 화학의 꽃, 촉매

촉매를 뜻하는 영단어 catalyst는 ‘풀다’라는 그리스어에서 비롯됐다. 말 그대로 촉매는 반응 속도를 빠르거나 느리게 조절해 화학반응을 풀어낸다. 전자산업의 중심에 반도체가 있다면, 화학 산업의 중심엔 촉매가 있다. 화학공정의 90% 이상에서 촉매가 활용된다. 원유에서 휘발유나 경유를 정제하는 일, 플라스틱의 합성, 비료나 의약품의 제조까지 촉매가 쓰이지 않는 분야를 찾기 어려울 정도다.

▲ 박 연구위원이 속한 IBS 분자활성 촉매반응 연구단은 지난 2월 탄화수소 화합물을 카이랄 락탐으로 제조하는 데도 성공했다. 연구결과는 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 실렸다.

박 연구위원은 특히 의약품의 원료가 되는 물질을 쉽고, 빠르게 얻어낼 수 있는 촉매를 설계하는 연구에 주력하고 있다. 이 과정의 핵심은 질소화반응이다. 자연에 풍부한 탄화수소 화합물의 탄소와 수소의 결합을, 탄소와 질소의 결합으로 변환시키는 과정이다. 하지만 탄화수소는 반응성이 낮은데다가 질소화반응 도중에 형성되는 중간체가 상온에서 쉽게 분해돼 합성이 어려웠다.

그는 장석복 단장과 백무현 부연구단장의 지도하에 수년간 화학계의 난제로 꼽혔던 이 문제에 해법을 제시했다. 쉽게 끊을 수 없는 탄화수소의 탄소-수소 결합에 질소 원자를 선택적으로 달라붙게 하는 새로운 이리듐 기반 촉매를 개발하고, 상온에서 감마락탐을 합성하는데 성공한 것이다. 감마락탐은 아미노산이나 스테로이드와 같은 의약품 소재로 주로 활용되는 물질이다. 연구결과는 최고 권위의 국제학술지 ‘사이언스(Science)’와 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 실렸다.

박 연구위원은 “락탐을 합성하기 위한 기존 기술은 다량의 금속이나 산화제가 필요해 경제적이지 않을뿐더러, 화학과정에서 생성되는 부산물이 환경오염을 야기한다는 문제도 있었다”며 “유용한 유기화합물을 쉽고, 경제적으로 생산해낼 수 있는 방법을 촉매에서 찾은 것”이라고 설명했다.

● 더 경제적인 촉매 개발과 소재 독립이 목표

전 세계 국내총생산(GDP)의 35%가 촉매를 토대로 만든 제품일 정도로 촉매는 산업의 중심에 놓여 있다. 촉매 연구를 선도하는 것이 미래 산업을 주도하는 것이라도 봐도 무방할 정도다. 문제는 성능이 좋은 희토류 금속을 상용 촉매로 활용하기엔 한계가 있다는 점이다. 희귀한 금속이란 이름이 함의하는 것처럼 희토류 금속은 가격이 비싸고, 대부분 수입된다.

가령, 연구진이 활용한 이리듐(Ir)은 지각에 10ppb(1ppb는 10억 분의 1%)의 비율로 존재하고 있어 금보다 매장량이 40배나 적다. 가격도 1온스(28.3g)에 약 1500달러(약 181만 원) 수준으로 금보다 비싸다. 박 연구위원은 “처음 연구를 시작한 5년 전과 비교해 희토류 금속의 체감 가격은 1.5배 정도 상승했다”며 “수입에 의존하기 때문에 수입과정에 문제가 발생하면 연구 일정에 차질이 생긴다는 문제도 있다”고 덧붙였다.

▲ 박윤수 IBS 분자활성 촉매반응 연구단 연구위원(앞)과 장석복 단장의 모습.

이 때문에 박 연구위원이 속한 분자활성 촉매반응 연구단은 희토류 금속을 대체할 수 있는 저렴한 촉매에 주목하고 있다. 이에 대한 대체제로 최근 주목하고 있는 물질은 철(Fe)이다. 철은 지구에서 가장 많은 금속 광물로, 국내에서도 채굴된다. 가격과 소재 독립이라는 두 가지 문제를 동시에 해결할 수 있다. 그는 “철은 이리듐보다 1만5000배가량 저렴하다”며 “철 기반 촉매로 이리듐과 유사한 수준의 활성을 가진 촉매를 개발한다면, 산업에 큰 보탬이 될 것”이라고 말했다.

동시에 최소한의 촉매로 최대 효율을 낼 수 있는 화학반응도 개발하고 있다. 2015년 미국화학회지(JACS)에 발표한 연구성과가 대표적이다. 당시 그는 다이옥사졸론(Dioxazolone)이라는 시약을 개발해, 값비싼 로듐 촉매를 기존보다 60% 가량 적게 사용하며 유용한 유기화합물을 생성할 수 있는 방법을 제시했다.

박 연구위원은 “같은 금속을 사용한다고 하더라도 설계와 합성기술에 따라 촉매의 성능이 확연히 달라진다”며 “금속촉매를 직접 설계해 유기반응을 개발하는 일은 고난도의 기술을 필요로 하며, 분자활성 촉매반응 연구단은 이 분야에서 세계를 선도하는 기술력을 갖추고 있다”고 말했다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬