“저렴한 고효율 염소 생산기술 개발, 관련 산업 발전 견인차 역할 해내”

UNIST 에너지및화학공학부  곽상규 교수

울산과학기술원(UNIST 총장 이용훈) 에너지및화학공학부 곽상규 교수팀이 염소 생산에 주로 사용되는 신개념 촉매를 개발하며 주목을 받고 있다. 살균이나 소독에 많이 쓰이는 염소를 기존 상용 촉매(DSA)보다 귀금속 함량은 150배 정도 적으면서 효율은 높고 반응은 덜까다로운 장점을 가진 촉매 개발로 업그레이드 시켜낸 것. 이에 따라 앞으로 세계 10대 주요 화학물질로 손꼽히는 염소의 활용도를 높이며 산업 발전에 큰 역할을 해낼 것으로 보인다. 곽상규 교수팀은 금속산화물 기반 촉매의 본질적 특성이 단점이 원인이라는 점에 착안, 금속산화물이 아닌 다른 형태로 촉매(Pt₁/CNT)를 개발하는데 성공하였다. '탄소 나노튜브(CNT)' 위에 '질소(N) 원자 4개로 둘러싸인 백금(Pt) 원자'가 분산된 형태의 '단원자 분산 촉매'다. 지난해 불소 원자가 포함된 전해액으로 리튬금속전지의 상용화를 완성시켜내는 등 無에서 有를 창조해 내며 4차산업혁명시대 니즈에 부합하는 희망을 써나가고 있는 곽상규 교수에게 그동안 연구에 대한 성과와 실적 그리고 학부에 대한 소개와 앞으로의 비전과 계획 등 다양한 이야기들을 함께 나눠봤다.

2019년 이온 농축형 전해질에 이어 2020년 새로운 염소Cl₂발생 촉매 개발 성공
최근 몇 년간 시장 규모가 급증한 전기차 등에 주로 사용되는 리튬금속전지는 차세대 전지로 각광받았으나 리튬금속의 반응성이 높아 그동안 상용화되는데 어려움이 있었다. 하지만 곽상규 교수팀은 지난해 불소 원자를 포함하는 용매를 활용한 이온 농축형 전해질을 개발하며 리튬 전지의 음극과 양극의 보호막을 고르게 전해 배터리의 수명을 높이는데 성공하였다. “전해질은 음극과 양극 사이를 다니며 통로 역할과 전극을 보호하는 막을 형성합니다. 하지만 이 보호막이 불균일하게 형성되면 통로의 길이 불완전하여 전지의 성능이 떨어지게 됩니다. 이에 저희는 이상적인 보호막을 만들어주는 한편 보호막이 부분적으로 파손되어도 빠르게 복구가 될 수 있는 불소가 함유된 새로운 형태의 전해질을 개발하는데 성공하였습니다.” 

그 결과 전기차의 심장이라고 할 수 있는 배터리 수명을 높일 수 있게 되었으며 향후 리튬금속전지의 고성능화를 위한 발판을 마련하여, 이를 국제학술지 나노 에너지(Nano Energy)에 소개된 바 있다. 여세를 몰아 올해에는 싸고 효율적인 염소 생산기술 개발해 내며 또 한번의 기적 신화를 일궈냈다. 곽상규 교수팀은 금속 원자가 표면에 드러나 그 함량이 적어도 높은 효율을 내며 전해질 조건에서도 사용 촉매보다 훨씬 우수한 성능을 개발해내는데 성공하였다. 현재 사용되는 염소 발생용 전기화학촉매 보다 훨씬 저렴하고 효율성은 뛰어나게 끌어올린 것. “연구와 실험을 통한 데이터를 이론 계산에 적용, 활성점의 구조와 전기화학적 반응 원리를 찾아내는데 집중하였습니다. 

그 결과 활성점과 탄소 나노튜브간의 구조적 일체성이 증가함을 통해 전자의 전달이 보다 원활해짐을 찾아낼 수 있었습니다. 분자 모델링을 통한 촉매 활성점의 중심구조를 밝힌 것이 주요했습니다. 향후 보다 다양한 단원자 촉매의 반응성과 반응원리를 해석할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.” 이번 성과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 온라인 판에 게재되었으며 Cl₂생산비를 대폭으로 저감시키며 관련 산업 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 내다보고 있다. 

UNIST의 주춧돌이자 심장, 융복합 마인드로 자연과학 산업 선도해 나갈 것
이러한 성과를 내기까지 UNIST 에너지및화학공학부의 포기하지 않고 끝까지 해내는 연구에 대한 집념과 열정이 있었기에 가능했다. 지난 2009년 학부 설립 이후 42명의 교수진과 학부 및 박사과정 1,200여명을 배출하며 명실상부 대한민국 산업 발전의 초석 역할을 톡톡히 해내왔다. 에너지 2차전지 및 화공 배터리 분야를 중점으로 뛰어난 연구 성과를 거둬낸 곽상규 교수 연구팀 등 45세 이하 젊은 교수진이 50%에 이를만큼 열정과 뛰어난 협업을 바탕으로 놀라운 성과의 결실을 만들어 내왔다. “저희 UNIST는 해마다 학생과 연구진이 꾸준히 늘어나고 있습니다. 그만큼 다양한 분야에 대한 연구를 진행하며 그 시너지 효과가 큰 것이 장점입니다.” 

‘UNIST의 주춧돌이자 심장’ 이라 불릴만큼 잠재적 역량과 융합적 마인드를 바탕으로 글로벌 에너지 위기와 기후 문제 변화를 해결해나가는 교육연구기관으로 성장해나가고 있는 에너지및화학공학부는 기초과학의 원리를 바탕으로 화학, 에너지, 생물 등 각 분야의 지식을 접목하여 자연과학 산업의 발전을 선도해오고 있다. 이번 곽교수 연구진이 개발한 촉매는 전해질 조성에 크게 영향을 받지 않아 향후 중소규모 수처리와 선박평형수 처리 등 그 응용 및 활용분야에 청신호를 밝히며  50년전 상용화된 귀금속 산화물계 촉매의 패러다임을 바꾸는 역할을 해낼 것으로 기대하고 있다. “이제부터가 시작입니다. 이번 연구 성과는 국내 에너지 및 화학 분야 도약을 위한 시발점이 되었다고 생각합니다. 전 연구진은 앞으로도 보다 차별화된 성과를 낼 수 있는데 집중하며 국내 산업발전을 위해 더욱 노력해 나갈 것입니다.”
 

곽상규 교수는 미국에서 SUNY Buffalo 석박사통합과정을 마치고 싱가포르 난양공대에서 근무경험을 바탕으로 미국, 싱가포르, 대한민국 교육시스템을 경험하였다. 이를 바탕으로 최적의 교육철학을 UNIST에서 적용하며 뛰어난 교육자로 활약하고 있다. 특히 화학공학 열역학기반 계산과학 1세대로 <분자 시뮬레이션>을 이용,  열역학 모든 분야에 접목하는 연구를 진행해오는 한편 한국에서 제일 큰 화학공학회 열역학분자모사 부분위원장으로 재직하며 계산과학을 접목한 열역학 분야의 발전을 위해 노력해 오고 있다. 지난 2012년 UNIST 부임하여 조교수, 부교수를 역임했으며 2019년 입학학생처장을 거쳐 오는 2020년 3월 정교수로 임용을 앞두고 있다. 현재 175편의 논문을 게재하였고 작년에만 논문영향지수 400 이상의 35편 논문을 발표하였다. 현재, 다차원 분자모델링 및 시뮬레이션을 이용하여 양자레벨에서 연속체시스템까지 다양한 연구분야를 개척해 나가고 있으며 보다 자세한 내용은 http://home.unist.ac.kr/professor/skkwak/ 에서 확인해 볼 수 있다. 

<UNIST 에너지및화학공학부 곽상규 교수 인터뷰>            

Q1. 연구시 가장 중시하는 점과 교수님의 교육철학은?
A1. 연구는 기본원리에 충실함을 중심으로 다양한 적용분야에 대한 직간접 경험을 통해 창의적인 아이디어를 도출하는 방향으로 진행하고 있습니다. 여기서, 제 교육철학은 낙오없이 끝까지 함께한다는 동행하는 연구를 중시하고 있습니다. 특히 팀으로 이뤄지는 연구 특성상 서로간 유기적인 화합과 배려가 중요하므로, 팀워크를 중시하며 연구실도 운영해 나가고 있습니다.  

Q2. 연구에 대한 보람과 변화와 혁신에 대해 말씀해 주신다면?
A2. 논문 하나하나가 완성되어 가면서 보다 성장해 나감을 느끼고 있습니다만 개인적으론 아직도 많이 부족한 사람이라고 늘 생각을 합니다. ‘벼는 익을수록 고개를 숙이는 법’의 한결같은 자세로, 좋은 연구결과로 우리나라 과학과 산업 발전에 기여해 나가고 싶습니다. 또한 앞으로의 시대는 머신러닝/딥러닝의 가속 고도화로 일반인들도 개인정보의 빅데이터화등을 통해 이를 활용해야하는 시대가 도래 할 것입니다. 따라서 산업 전반에 걸쳐 시대의 변화를 읽고 니즈에 부합하는 연구를 진행해 나가는데 집중해 볼 생각입니다. 

Q3. 끝으로 앞으로 계획과 하시고 싶으신 말씀이 있다면?
A3. 먼저 하나님께 지금까지의 연구 성과를 낼 수 있었음에 영광을 돌리고, 고생하신 부모님의 은혜에 깊이 감사하며, 묵묵히 내조를 해준 아내와 아이들에게 고마움을 전합니다. 앞으로의 연구와 교육계획으로는 산업에 직간접으로 도움이 되는 양질의 연구를 진행하고, 열역학기반 계산과학 책을 편찬할 계획입니다. 아울러 학생들에게 부끄럽지 않은 교육자이자 연구자로의 제 미래의 모습을 보여주도록 하루하루 최선을 다해 사는 삶을 사는 사람이 되도록 노력하겠습니다.