빛을 이용한 나선형 고분자 구조체 방향 조절 기술개발 

KAIST 화학과  김상율 교수

빛의 파동특성을 이용하여 특정한 방향으로 꼬여 있는 나선형 나노 구조체를 형성하는데 성공한 카이스트 화학과 김상율 학과장은 오른손과 왼손처럼 모양은 같지만 서로 거울에 비친 형태를 가지는 물질을 말하는 키랄성 물질의 생성을 나선을 따라 진동하는 빛인 원편광을 이용하여 가능하게 하는데 성공하였다고 소감을 전했다. 평소 주변의 작은 일이라도 다시 생각하며 꼼꼼히 연구를 진행하는 것으로 유명한 김 학과장은 대한민국을 대표하는 연구자이자 학자로서 앞으로도 과학 분야 발전을 위해 미력하나마 힘을 보태겠다는 각오를 피력했다. 본지 한국인에서는 빛을 이용하여 나선형 나노구조체 방향 조절을 성공시킨 카이스트 김상율 교수에게 연구에 대한 원리와 기대효과 앞으로의 계획에 대한 이야기를 함께 나눠봤다. 

나선형 나노구조 생성 원리를 풀다.
이번 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션의 온라인판에 게재될 만큼 국내외 학계의 주목을 받아왔다. 키랄성의 요소가 생기는 근본 원인이 빛에 있다는 것은 이미 학계에서 잘 알려져 있는 상태. “키랄성의 성질은 좋은 방향으로도 작용하지만 때로는 독으로 작용할 때도 있습니다. 나선형의 구조체는 특정방향을 가지고 있을 때에만 긍정적인 역할로써 작용할 수 있는 것이지요.” 이번 연구를 진행한 김 교수는 특정 방향의 원편광을 비추면 나선의 방향이 뒤집히는 것을 증명했으며 광중합을 이용한 나선형 구조체를 굳히는 방법을 개발, 제작부터 방향까지 전 과정을 빛을 이용해 제어할 수 있음을 증명해 냈다. “다량의 특정 키랄성 물질이 자연계에 존재하는 이유는 아직 확실히 밝혀지지 않고 있습니다. 허나 유기물질이 처음 생성될 때 우주에서 나선을 따라 진동하는 빛인 원편광의 나선 방향이 물질 생성 시 전달돼 키랄성을 갖는 분자들이 만들어진다는 가설에 무게를 두고 있습니다. 이에 저희 연구팀은 원편광의 키랄성이 비키랄성 분자에 어떻게 빛에 반응하는지에 주목하고 전달과 증폭이 가능한지 연구를 진행했습니다. 오른 원편광과 왼 원편광을 따로 노출하여 원편광의 방향에 따라 다른 방향으로 나선을 그리며 분자들이 쌓이는 것을 발견해냈습니다. 기존의 방법에서 키랄성 분자가 필요했던 것과는 다른 결과를 도출해 낸 것이지요.” 한국연구재단 중견연구자 지원사업과 선도연구센터 육성사업 지원을 통해 진행된 이번 연구는 키랄성의 가설과 기원에 대해 흥미로운 가능성을 제시, 단순히 특정 방향으로 원편광을 비추는 것만으로 원하는 방향으로 나선형 구조체를 만드는 것을 확인함과 동시에 반대 방향으로 원편광을 비추면 나선 방향을 뒤집는 것 또한 가능하다는 것을 증명하여 앞으로 키랄성 센서를 만들거나 분자를 분리하는 일에 나선형 나노 구조체가 유용하게 사용할 수 있게 되었다.

후학들에게 실패를 두려워 말고, 열정으로 맞서길 주문
이번 연구는 서명은 카이스트 교수와 공동연구로 진행되었다고 밝힌 김상율 교수는 공동연구에 대해 “서로 전문가로써 도움과 정보에 대한 교환 그리고 다양한 생각과 원리를 도출할 수 있어 저 또한 공동연구를 장려하는 편입니다. 지금까지 45년간 역사와 전통을 자랑하는 카이스트 화학과는 매우 자유롭고 경쟁을 두려워하지 않으며 창의적인 시도를 고취하는 문화를 갖고 있어 한국 자연과학 분야의 성장에 앞으로도 큰 역할을 해낼 것이라고 믿고 있습니다. 세계 수많은 대학 중에 저희 학과는 당당히 26위에 랭크되어 (영국 QS 랭킹) 있을 만큼 뛰어난 연구 실적과 성과들을 내고 있습니다. 지난 2015년도에는 학생과 교수가 혼연일체 되어 학과를 한 단계 도약할 수 있는 계기를 마련해냈다고 생각합니다. 현재 저희 학과는 29명의 교수진과 250여명의 대학원생 240여명의 학부생으로 구성되어 있으며 해마다 좋은 논문과 다양한 연구 성과를 통해 대한민국의 과학과 산업 발전에 이바지하고 있습니다.” 
연구 시 창의적인 생각과 열정으로 두려움 없이 새로운 것을 만들고 추구하는데 혼신을 다해온 김 교수는 학생들에게 기존의 것을 답습하지만 말고 실패를 두려워하지 말라고 당부의 말을 전했다. “실패는 정말로 성공의 어머니입니다. 저 역시 실패를 통해 가르침과 교훈을 얻으며 새로운 연구를 해나갈 수 있는 힘을 얻고 있으니까요. 학생들에게도 두려워하지 말고 당당하게 맞서며 열정으로 이겨나가길 주문하고 싶습니다.” 평소 수업 시 질문을 통한 학생들의 지적 향상을 유도함과 동시에 학생 스스로 문제를 해결할 수 있는 힘을 가질 수 있도록 올바른 길잡이 역할을 해주고 있는 김 학과장은 550여명의 봉사자로서 학생들에게서는 의견을 많이 듣고 수렴하는 한편, 교수진들에게는 보다 다양한 연구 성과를 낼 수 있도록 지원을 아끼지 않겠다는 각오를 밝혔다. 평소 “자신이 잘 할 수 있는 것을 찾자”라는 자기 개발 교육에 대한 신념과 철학을 가지고 있는 김 학과장은 국내 교육정책에 대해서는 단기적인 정책 문제 해결보다 20~30년 중장기적으로 혁신과 변화의 인프라를 구축하고 지속적인 성장을 해나가야 한다고 의견을 피력했다. 특히 한국의 교육은 의대, 치대, 법대, 약대 등 인기 학과로만 편중이 심한 점을 지적하고 국가적으로 이공계에 대한 관심과 정책적인 지원이 반드시 필요하다고 강조했다. 

인류의 미래와 발전을 위한 연구 계속해 나갈 것
김 학과장의 주 연구 분야는 고분자 합성으로 그가 진행하는 연구는 앞으로 새롭게 기대되는 신소재 개발에 연관되어 있어 더욱 주목을 받고 있다. 특히 최근 삼성미래기술센터에 연구공모에 당선되는 쾌거를 이루며 새롭게 연구를 진행하고 있는 그는 앞으로 휘어지며 유리와 같은 열평창계수를 가지고 있는 신물질을 개발하는 것이 꿈이라고 밝혔다. “인류의 발전과 진화를 그동안 끊임없이 이어지고 진행해왔습니다. 제가 진행하고 있는 고분자물질 합성 분야 역시 산업 발달에 많은 역할을 해왔습니다. 앞으로도 대한민국은 물론 세계에서 인정받을 수 있는 연구 성과를 통해 과학 발전에 힘을 보태는데 최선을 다할 생각입니다. 인류의 행복과 미래를 위해 열정을 가지고 더욱 노력할 것입니다.” 

카이스트 김상율 교수는 IBM Almaden Research Center 박사후 연구원,  LG 화학 기술선임연구원, 일본 동경공업대학 초빙 교수, 현재 카이스트 교수로 활동 중이며 폴리올레핀 신소재 연구센터(POMRC) 소장, KAIST 화학과 학과장, 한국고분자학회 부회장 등 다양한 활동을 하고 있다.