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(연재) 최강 과학, 기초 과학

기초 연구의 힘으로 세계 전기 분석 화학 연구를 선도하다

Editor! 2021. 9. 10. 16:40

금속과 약품을 열로 가열해, 몇 도에서 어떤 물질이 잘 융합하는지를 기록하던 중세 연금술에서 시작된 분석 화학. 연금술이 화학으로 발전하고 물리 화학이 정립되면서 분석 화학 역시 물리학 이론을 받아들여 체계화되었습니다. 20세기 중반 이후에는 예전부터 주로 금속을 채취하는 공업적인 응용에서 나아가 전기 화학 반응을 이용해 특정 물질만 검출하는 전용 센서를 만드는 전기 화학으로 발전했습니다.


전기 화학의 기초 원리를 응용해 특정 이온이나 작용기를 효과적으로 검출하는 분석 방법을 개발한 전기 분석 화학 분야의 세계적 석학을 소개합니다. 바로 김하석 대구경북과학기술원 석좌 교수님입니다. 김하석 교수님의 연구는 기초 원리에 대한 이해를 바탕으로 무궁무진한 응용 가능성을 추구했다는 공통점을 갖고 있습니다. ㈜사이언스북스와 기초연구연합회가 함께 한국을 대표하는 기초 연구자를 이야기하는 「최강 과학, 기초 과학」 연재 8편은 세계의 전기 분석 화학 연구를 선도하고 계신 김하석 교수님의 연구를 소개합니다.


기초 연구의 힘으로
세계 전기 분석 화학 연구를 선도하다
김하석 대구경북과학기술원 석좌 교수

 

특정한 분자나 이온이 존재하는지, 존재한다면 그 양이 얼마나 되는지를 알아보는 분석 방법은 여러 가지가 있다. 근대 화학 성립 이전에도 분석 기법은 발달해 왔지만, 근대적 원소 이론과 작용기 이론 등이 정립된 뒤에야 무엇을 찾아낼 것인지가 분명해지면서 분석 화학의 기틀이 마련되었다. 특히 19세기 후반 로베르트 분젠(Robert W. Bunsen) 등이 분광학을 정성 분석에 응용하면서 첨단 기기를 이용한 화학 분석이 비약적으로 발전하기 시작했다. 21세기에는 생명 과학이 점점 중요해지는 시대적 특징을 반영해, 분석 화학 기법도 간단한 분자나 이온보다는 단백질과 같은 거대한 생체 분자의 검출에 초점을 맞추어 개발되고 있다.


오늘날에도 분광학은 분석 화학에서 중요한 위치를 차지하며, 여러 가지 분광학적 기법이 정성 분석뿐만 아니라 정밀한 정량 분석에도 응용되고 있다. 하지만 분광학을 이용한 화학 분석에는 한계 또한 존재한다. 분광 분석(spectroscopy)에 적합한 상태로 시료를 가공해야 하므로 물질을 원형 그대로 분석하는 데 어려움이 있으며, 시료 준비에 때로는 긴 시간이 걸리기도 한다.


이를 보완하기 위해 20세기 중반 이후 많은 기술이 개발되었다. 전극 표면에서 일어나는산화-환원 반응을 이용해 물질을 검출하는 전기 화학도 그중 하나이다. 전극 반응은 검출하려는 물체에 선택적으로 일어날 뿐만 아니라 극소량만 존재할 때도 명확하게 신호를 잡아낼 수 있으며, 반응의 세기가 물체의 양에 비례하기 때문에 짧은 시간에 정확한 정보를 얻을 수 있다. 전극 표면에 검출하려는 물질이 반응하면 전위차가 일어나고, 이 전위차를 측정하면 그것이 이 물질의 존재 여부와 양을 알려주는 것이다. 하지만 생명 과학에서 사용하는 시료 안에는 대체로 매우 많은 종류의 물질이 뒤섞여 있다. 이 중에 어떻게 우리가 원하는 물질만 전극에 달라붙어 전위차를 일으키도록 할 수 있을까?


이런 질문에 대답할 힘은 바로 기초 과학에서 나온다. 특정 분자나 이온, 또는 거대 분자의 특정 작용기들은 그 모양과 크기에 꼭 맞는 짝과 결합한다. 이러한 화학 결합의 기본 원리를 응용하면 특정한 이온, 분자, 또는 거대 분자의 작용기가 마치 열쇠와 자물쇠처럼 딱 들어맞는 형태로 전극 표면을 가공할 수 있다. 전기 화학 반응을 이용해 특정 물질만을 검출하는 전용 센서를 만들 수 있는 것이다.


김하석 교수는 전기 분석 화학 분야의 세계적 석학으로, 전기 화학의 기초 원리를 응용해 특정 이온이나 작용기를 효과적으로 검출하는 분석 방법을 개발했다. 이 일련의 연구 결과를 국제 저명 학술지에 발표해 한국 화학의 역량을 세계에 입증했으며, 전기 분석 화학 분야의 우수 인력 양성에도 기여했다.

 

 

특정 물질만 골라 결합하면 전위차가 생기는 “분자 스위칭” 기술


김하석 교수가 미국 유학을 마치고 서울 대학교에 부임한 1977년 즈음에 한국 대학은 독창적인 연구를 할 여건이 마련되어 있지 않았다. 당시 한국 이공계 교수들이 직면했던 어려움은 연구비 부족과 연구 인프라 미비, 대학원생의 절대적인 부족 등이었다. 이 중에 대학원생 문제는 공채 교수가 들어오면서 해소되기 시작했고, 연구비와 장비 문제는 1980년 교육부가 전국 주요 대학의 기초 과학 연구소를 지원하는 사업을 벌이면서 개선의 실마리가 나타났다. 이에 따라 연구 의욕이 높은 교수들이 독창적 연구를 시도할 여건이 비로소 조성되었고, 이렇게 착수된 연구들은 대체로 1990년대 들어 성과를 내기 시작했다.


김하석 교수도 1980년대부터 독자적인 아젠다를 세우고 기초 연구에 매진했다. 그가 주력한 주제는 전기 화학의 원리를 응용해 특정 물질을 효과적으로 검출하고 그 양을 측정하는 토대를 마련하는 것이었다.


전기 분석 화학은 전극 반응을 이용해 열역학적인 정보인 전위와 반응 정보인 농도를 동시에 측정하는 방법이다. 또한 분자 수준에서 일어나는 전기 화학 반응을 연구하기 때문에, 전극의 상태나 반응 조건에 따라서 전극 반응에 곧바로 변화가 발생하고, 이를 측정하면 관련된 화학 반응에 대한 정보를 즉시 얻을 수 있다.


이런 특성 덕분에 전기 분석 화학은 다른 분석 기법(예를 들어 분광학이나 크로마토그레피)과 비교해 장점이 몇 가지 있다. 첫째, 전극 표면의 전기 화학 반응을 즉각 검출할 수 있다. 둘째, 전기 화학에서 전압 변화를 측정하는 것은 분광학의 파장 변화 측정보다 분해능(resolution)이 훨씬 높다. 따라서 우리가 검출하려는 물질이 있을 때 아래 두 가지 조건을 만족하는 신물질을 개발할 수 있다면, 관심 있는 물질을 검출하는 매우 효과적인 전기 분석 화학 기법을 갖게 되는 것이다. 첫째, 검출하려는 물질만 골라서 선택적으로 결합해야 한다. 둘째, 그 결합에 따라 고유한 전기 화학적 반응을 일으켜야 한다.


김하석 교수 연구실은 이를 착안해 특정 물질과 선택적으로 결합하면서 전기 화학적 특성에 변화를 일으키는 화학 반응을 연구했다. 요컨대 특정 분자가 마치 전기 회로의 스위치처럼 작용해, 그 물질이 전극에 결합하면 전위차가 발생하게 만드는 것이 이 연구의 핵심 아이디어라고 할 수 있다. 연구팀은 이것을 “분자 스위칭”이라고 불렀다.

 

김하석 교수 연구실에서 이룬 약 20여 년에 걸친 연구 성과는 크게 두 갈래로 나누어 볼 수 있다. 첫째, 금속 이온의 측정을 위해 특정한 금속 이온만 골라서 착화합물을 형성하는 물질을 개발했다. 둘째, 금속 이온보다 훨씬 크고 복잡한 단백질 분자의 측정을 위해 항원·항체 반응을 이용해 특정한 항원의 작용기와 결합하는 물질을 전극 표면에 부착했다.

 

(그림 1) 칼릭사렌(Calixarene)의 구조. 사진 출처: 김하석 교수 연구실
(그림 2) 다른 작용기를 붙이지 않은 칼릭사렌의 3차원 구조. 고대 그리스 문명의 도자기 유형인 칼릭스 크라테르(calyx-krater)와 비슷하다. 여기에 적절한 작용기를 붙이면 특정 금속 이온과 딱 맞는 크기의 리간드를 만들 수 있다. 사진 출처: 김하석 교수 연구실

 


김하석 교수 연구실은 전기 화학적인 분자 스위칭 및 이를 이용한 응용 연구로 1993년 리간드 반응을 이용해 란탄족 원소를 간접적으로 검출하는 기술에 대한 두 편의 논문을 수록했다. 그 뒤를 이어 1995년에는 「Electrochemical Recognition of Ammonium and Alkali Metal Cations with Calix[4]arenediquinone」와, 「Electrochemical Behavior of Calix[4]arenediquinones and their Cation Binding Properties」 등의 논문을 발표했는데, 이는 다음에 설명하듯 특정 이온과 선택적으로 결합할 수 있도록 특정한 크기와 모양의 작용기를 갖춘 화합물을 합성하는 기술을 바탕으로 한 것이었다.


착물 형성 반응을 전기 분석 화학에 이용하기 위해, 연구팀은 칼릭사렌(Calixarene)이라는 고리형 화합물에 퀴논(quinone) 작용기를 결합해 특수한 구조를 갖는 화합물 “Calix[4]arenediquinone”을 합성했다. (그림 1, 그림 2 참조) 2개의 퀴논 그룹이 서로 마주 보도록 유도체로 붙이면, 퀴논 그룹의 카보닐기 2개와 그것을 연결하는 에스터(ester)의 카보닐기 2개가 가상의 정사면체 형태로 배열된다. 약한 음전하를 띤 이 정사면체 공간은 특정한 금속 이온과 크기가 딱 맞기 때문에, 이들 이온을 맞춤형으로 포획하는 리간드로 작용할 수 있다. 여기에 소듐 이온이나 칼슘 이온 등이 들어오면 전기적 상호 작용으로 결합이 형성되고, 퀴논 그룹의 전기 화학적 환원 양상이 최소 500밀리볼트 이상 음전위 쪽으로 이동한다.


같은 메커니즘에 의해 암모늄 이온이나 알킬아민도 칼릭스아렌에 포획되면서 전위차를 발생시킨다. 1차 알킬아민은 수소 결합이 3곳, 2차 알킬아민은 수소 결합이 2곳 등 각기 양상이 다르므로 그에 따라 결합물 형성정도가 달라 전위차의 이동 값도 각각 달라진다. 따라서 이를 측정하면 결합 여부뿐만 아니라 결합이 1~4차 알킬아민 중 어떤 것인지도 구분할 수 있다. 연구팀은 이를 1997년 국제 학술지 《전기 분석 화학 저널(Journal of Electroanalytical Chemistry)》에 발표했다.


이 원리를 확장해, 김하석 교수 연구실은 2000년대 들어 다양한 금속 이온의 존재를 간접 검출할 수 있는 기술을 속속 개발했다. 예를 들어 MR19 염료를 이용한 U3+ 이온의 측정(2000), Ca2+이온의 측정(2000; 2009), 수소 이온 측정을 통한 산의 pKa 측정(2001; 2001), 자기조립 막을 이용한 Ba2+ 이온의 측정(Analytical Chemistry, 2001) 등 많은 연구 성과가 쏟아져 나왔다. 
이 연구를 응용하면 리간드의 크기와 전하를 조절해 결합하는 금속 이온의 종류를 원하는 대로 맞출 수도 있었다. 이 성과는 Cu2+ 이온(2001), K+ 이온(2003), Cs+ 이온(2004) 등 여러 가지 금속 이온에 적용되었고, 나아가 전이 금속을 선택적으로 분석하는 데에도 활용되었다. (2007; 2008)


이 성과들의 공통점은 전기 화학의 장점을 십분 활용했다는 것이다. 전기 화학적 방법을 동원함으로써 측정의 간편성, 신뢰도, 감도에 큰 진전을 이룰 수 있었다. 또한 전기 화학적 데이터에 더해 형광이나 분광학적인 데이터 분석을 병행하면, 데이터의 활용이나 처리법이 더욱 다양해지고 신뢰도를 높일 수 있는 것도 장점도 있었다.

 

 

 

단백질의 전기 화학적 측정: 항원·항체 반응, 형광분석법, 전기 화학의 융합

 

2010년대 들어 김하석 교수 연구실은 기존 연구 방향을 확장해 선택적으로 결합하는 기질을 이용해 단백질을 전기 화학적으로 측정하는 과제에 도전했다.


단백질은 금속 이온보다 훨씬 크기 때문에 칼릭사렌과 같은 기존의 리간드 반응을 이용하기 어려웠다. 착물 형성 반응을 이용할 경우 카보닐기에서 일어나는 전기 화학 반응의 세기가 단백질 분자의 크기보다 작아 검출 능력이 떨어지기 때문이다. 따라서 전기 화학 반응을 이용해 금속 이온보다 훨씬 큰 단백질을 검출하기 위해서는 다른 접근이 필요했다.


연구팀이 찾아낸 해법은 단백질 항원·항체 반응을 이용하는 것이었다. 전기 화학적 측정의 해상도를 높이기 위해 이것을 형광 분석법과 융합하는 실험을 설계했다. 그 결과로 연구팀은 형광 분석법과 항원·항체 기질이 샌드위치 형태로 결합한 검출 기법을 개발했다. 우선 분석 대상이 되는 항원과 결합할 수 있는 항체를 맨 아래 깔고, 그 항체와 결합할 수 있는 항원을 그 위에 깔고, 다시 그 항원의 다른 작용기와 결합하는 항체를 위에 깔아 샌드위치 형태의 구조를 만든다. 그리고 맨 위층의 항체에 전기 화학적 형광(electrochemiluminescence)을 발생하는 작용기를 붙이면 분석 대상 단백질을 검출할 준비를 마치게 된다. 전기 화학적 형광을 검출해 세기를 분석하면, 그에 비례해 분석 대상 단백질의 양을 알 수 있게 되는 것이다.

 

항원·항체 반응의 모식도. 칼릭사렌의 리간드 반응과 마찬가지로, 항원·항체 반응도 특정한 분자 또는 작용기에 선택적으로 반응한다는 점을 활용할 수 있다. 사진 출처: 김하석 교수 연구실

 

김하석 교수 연구실은 이 기법을 이용해 전기 화학과 형광 분석법을 결합한 노하우를 면역 센서(immunosensor) 개발에도 적용했다. 이러한 방법을 이용해 인체 내 염증 지수나 심장 질환의 위험도를 나타내는 C 반응성 단백질(C-reactive protein, CRP)을 측정하는 기술을 2013년 발표하였으며, 이 기술은 감도가 높을 뿐만 아니라 선택성도 우수해, 다른 단백질이 같이 있는 환경에서도 적용 가능하다는 장점이 있었다. 항원·항체 반응을 이용했기 때문에 얻을 수 있었던 결과였다. 항원·항체 반응의 특이성을 활용하면 다른 질병과 관련된 생체 분자의 측정 기법으로도 얼마든지 확장할 수 있어서, 이러한 측정법은 잠재력이 매우 높다.

 

또한 연구팀은 전극표면의 특성을 변화시켜(DNA base의 수소결합이나 전하를 띠는 화합물로 표면처리 등) 도파민의 측정 방법을 개발했다. 도파민은 파킨슨병이나 조현병 연구에도 중요한 물질이어서 전기 화학자들이 큰 관심을 가졌는데, 연구팀이 개발한 전극 재료로 아스코르브산이나 요산이 수천배 정도 과량으로 있어도 영향을 받지 않고 도파민만을 측정할 수 있게 된 것이다. (2010; 2016) 이 도파민 측정법은 기존의 다른 어떤 측정법보다도 감도가 높았다. 따라서 파킨슨병이나 조현병 등 정신 질환의 조기 진단에 유용함이 입증되었다.

 

 

탄탄한 기초 연구는 무한한 잠재력의 원천


한편 전기 화학 분석법은 미세한 전위차 변화를 곧바로 검출하는 기술이 있어야 적용할 수 있으므로, 연구를 위해서는 신뢰할 만한 분석기기를 확보하는 일이 필수적이다. 김하석 교수 연구실은 분석 기기의 제작과 응용에도 많은 성과를 냈다. 연구실 초창기에는 측정 및 분석 기기의 제작과 활용에 대한 논문을 여러 편 발표했다.

 

김하석 교수가 참여한 파이렌 형광체 연구 논문을 표지에 실은 《앙게반테 케미》 2009년 3월호. 사진 출처 : https://onlinelibrary.wiley.com/toc/15213773/2009/48/14

 

이후 2000년대에는 연구 주제에 직접 적용할 수 있는 쪽으로 분석 기기 개발 연구에 초점을 맞추어 나갔다. 전기 화학적 발광의 측정이 실험의 핵심이었으므로, 이를 위해 새로운 발광체를 개발하는 연구가 활발히 이루어졌다. (2003; 2005; 2007; 2009) 특히 새로운 파이렌 형광체를 세계 최초로 개발한 2009년 논문은 화학 분야에서 최고 권위의 학술지인 《앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)》 3월호에 표지 논문으로 선정되었다. 이 연구는 서울 대학교 화학부 김하석 교수, 고려 대학교 화학과 김종승 교수, 성균관 대학교 화학과 이진용 교수팀의 공동 연구 성과로, 전자를 잘 받아들이는 중심 분자 주위에 전자를 공급하는 분자 4개를 십자가 형태(cruciform)로 결합해 전기 화학 발광 중에 생성되는 중간체의 안정성을 높여 발광 효율을 획기적으로 높이는 데 성공했다는 것이 특징이다. 그뿐만 아니라 발광 물질을 체계적으로 디자인한 후 발광 특성을 비교 분석해 발광 효율을 높이는 근본적인 원리를 규명했다. 이 연구는 전기 분석 화학뿐만 아니라 응용 범위가 매우 넓은 것으로, 향후 유기 발광 다이오드(OLED) 물질의 개발을 비롯해 태양 전지 분야 및 LCD, 유기 트랜지스터, 비선형 광학 물질 등 새로운 광전 소자 개발의 촉매 역할을 할 것으로 높은 기대를 받고 있다.


연구팀은 이 밖에도 다이아몬드 전극에 대한 연구(2010), 인산염 이온의 측정 방법 연구(2010), 발광 셀(Light emitting cell)에 대한 연구(2011), 카드뮴 텔루라이드 양자점(CdTe QDs)에 대한 연구(2011), Fe3+이온의 선택적 측정법(2013) 등의 연구 성과를 냈다.


이들 연구의 특징은 전기 화학과 분광학을 접목하기 위한 발광 장치와 발광체의 개발에 초점을 맞추고 있다는 점이다. 전기 화학적 발광 장치는 간단한 전기 화학 실험 과정으로 발광체로부터 생성된 빛을 측정하는 방법이기 때문에 전기 화학적 방법만으로 얻은 결과보다 높은 감도를 얻을 수 있다. 특히 시그널을 시간에 따라 적분할 수 있으므로, 컴퓨터를 이용해 데이터를 보정하면 노이즈를 대폭 줄여 측정 한계를 더욱 낮출 수 있었다. 이를 이용해 초미량 성분 분석의 가능성을 열어 주었다.


나아가 자연계에 존재하는 또 다른 선택성 높은 결합인 DNA의 이중나선 결합을 이용하는 연구도 진행했다. 전극 표면에 DNA의 한쪽 시퀀스를 붙일 수 있도록 디자인하면, 이것과 상보적 결합이 가능한 것만 전극에 결합할 수 있게 된다. 그리고 위와 마찬가지 과정을 통해 전기 화학적 형광 신호를 측정하면, 매우 높은 정확도로 특정 염기 서열의 검출이 가능해진다.


이처럼 김하석 교수 연구실은 기초 원리에 대한 이해를 바탕으로 무궁무진한 응용 가능성을 추구했다는 공통점을 갖고 있다. 전기 화학 반응에 대한 연구는 기초 과학 지식을 창출하는 연구이기도 하지만, 전기 화학법을 이용한 각종 분석법을 개발하는 데 응용할 수 있다. 전기 분석 화학은 분석의 속도와 해상도 등에서 많은 장점을 보이나 표면에서 전극 반응이 일어나는 물질에만 적용할 수 있다는 한계가 있는데, 이 연구들은 직접적인 전기 화학 반응이 일어나지 않는 물질도 전기 화학적으로 분석할 가능성을 열어주었다는 점에서 혁신적이다. 직접적으로 표면에서 전기 화학 반응이 일어나지 않는 물질도, 착물이나 항원·항체 반응을 이용해 전기 화학적으로 활성을 가진 리간드나 항체와 결합시킬 수 있다면 간접적으로 측정할 수 있다. 연구팀은 나아가 착물 형성 대신 DNA를 이용해, 기본 염기 사이의 수소 결합을 활용하는 선택적인 측정 방안도 제시했다.


이런 기법을 활용하면 특정 질병을 유발하는 물질이나 암 발생 전구물질 등을 아주 빨리, 그리고 높은 선택성과 감도로 검출할 수 있게 된다. 전기 화학적 분석을 응용하면 분석 감도가 현저히 높아지므로, 기존 조직 검사보다 훨씬 앞선 단계에서 암 발생의 징후를 파악할 수 있으므로 국민 건강 증진에도 큰 도움이 된다. 또한 전기 화학 반응은 전극의 표면 처리 기술에 따라 특정 물질에 대한 선택성을 크게 높일 수 있는데, 이를 이용하면 다른 물질의 방해 없이 원하는 물질만 검출할 수 있어 역시 조기 진단과 치료에 큰 도움이 된다.


장차 포스트 게놈 시대의 생체 분자 기능 연구 및 생명 현상 규명 연구를 위해서는 많은 양의 데이터를 짧은 시간에 분석 처리할 방법이 필요한데, 전기 화학 방법을 이용한 측정법은 이 목적에 부합되는 기술이다. 항체·항원 반응에 기초한 전기 화학적인 단백질 칩 기술을 이용하면 검출의 재현성이나 선택성을 높일 수 있다. 또한 전기 발광법을 도입한 나노 바이오 칩 기술은 질병 진단 및 의약품 개발에 크게 기여하고 조기 질병 진단으로 인류 복지와 삶의 질 향상에 이바지할 것으로 기대된다.



기초 연구 진흥을 위한 원로의 제언

 

김하석 교수는 이러한 연구 성과를 바탕으로 국제 학계에서도 활발히 활동했다. 그는 2013년부터 2014년까지 국제 전기 화학회(International Society of Electrochemistry, ISE) 회장으로 선임되어 활동하면서 한국 과학계의 위상 제고에 기여했다. 또한 《연료 전지(Fuel Cells)》와 《전기 분석 화학 및 분석 과학 저널(Journal of Electroanalytical Chemistry and Analytical Sciences)》 등 국제 저명 학술지의 편집 위원을 역임했으며, 2020년 현재 엘스비어(Elsevier)사에서 발행하는 국제 학술지 《전기 화학 최신 지견(Current Opinion in Electrochemistry)》의 (공동)편집장으로도 활동하고 있다.


그는 2010년 서울 대학교에서 정년 퇴직한 뒤 대구경북과학기술원(DGIST)의 석좌 교수로 활동하며 연구를 이어가고 있다. 2014년에는 광주과학기술원(GIST) 환경공학부의 이재영 교수와 공동 집필해 국제 학술지 《전기 촉매(Electrocatalysis)》에 출판한 논문이 당 학술지의 최우수 논문상을 받기도 했다. 이 논문은 “그래핀 기반 고에너지밀도 액체연료 변환 촉매”에 대한 것으로, 연료 전지 효율을 높일 새로운 전극 촉매의 개발 연구 결과를 담고 있다. 이 연구는 최근 국내외에서 큰 관심사인 수소 에너지 개발과도 밀접한 관계가 있는 것이어서, 향후 더 많은 성과로 이어지리라는 기대를 받고 있다.


김하석 교수는 한국 화학계의 지도적 연구자로서 기초 연구 진흥 활동에도 헌신했다. 서울 대학교 자연과학대학 학장 재임 중인 2003년에는 전국 자연대학장 협의회 회장을 맡기도 했으며, 서울 대학교 대학원장으로 재임 중이던 2009년에는 서울 대학교의 연구 활동을 총괄하는 특임부총장으로 봉직했다. 또한 ‘바른 과학기술사회 실현을 위한 국민연합’ 공동 대표로도 활동했다.


이와 같은 공적 활동을 통해 김하석 교수는 기초 연구 진흥에 대한 철학을 정립하고 또 전파했다. 기초 과학 분야는 한 테마를 꾸준히 연구해야 하는 특성 때문에 이런 종류의 연구비 지원 사업이 절대적으로 필요하다는 것이다. 매년 10월 초 연례 행사처럼 “우리나라에서는 언제 노벨 과학상이 나오는가?”라는 논의들이 쏟아지는데, 이런 현상은 기초 연구의 특성을 제대로 헤아리지 못하는 정치권과 언론의 부채질이라는 것이 김하석 교수의 비판이다. 그는 기초 과학 발전은 고액 입시 과외를 받듯이 단기간에 자원을 집중 투입하는 방식으로는(예를 들면 히딩크 감독) 달성할 수 없음을 이해하고, 그에 맞춘 지원이 있어야 한다는 점을 기회가 닿을 때마다 강조하고 있다.


김하석 교수는 특히 우수한 학생들의 대학원 진학이 과거보다 줄어들면서, 대학원에서 연구의 맥이 끊기지 않도록 정부가 대책을 세워야 함을 강조한다. 그는 핵심 이공계 인력을 키우기 위해 다양한 제도를 검토할 필요가 있지만 우선 대학원생이 연구에 집중할 수 있도록 하는 지원 정책을 만들어야 한다고 주장한다. 학문에 뜻을 둔 우수 인재가 5년 만에 석사 학위를 취득할 수 있는 학·석사 연계 과정 등을 신설하고, 경제적 지원을 확대해 연구에만 전념하는 분위기를 만드는 것 등이다.


김하석 교수의 연구 이력에서도 확인할 수 있듯이, 기초 연구에는 국가를 통한 연구비 지원이 매우 중요하다. 우리나라 기초 연구 지원의 시작은 1980년부터 시행된 전국 대학의 기초 과학 연구소(BSRI) 연구비라고 할 수 있다. 이 사업은 2009년 BK사업이 시작되면서 없어졌는데, 비록 규모가 크지는 않았지만 5년씩 지속적으로 20년간 연구비를 지원함으로써 국내 기초 과학 연구에 시동을 건 사업이라고 평가된다. 국내 대학에서 SCI논문이 제대로 나오는 긍정적인 효과가 나타났고 SCI 등재 논문 수 증가율을 세계 1위로 올려 놓을 정도로 성공적인 연구 지원 사업이었으니 그 목적은 충분히 이루었고 효과 역시 컸다는 것이다.


그 뒤 연구 역량 강화에 기여한 사업으로는 과학/공학연구센터(SRC/ERC) 사업을 뺄 수가 없다. 한정된 특정 주제에 15~20여 명의 교수가 한 팀이 되어 진행되었기 때문에 연구비의 효율성이나 업적이 뚜렷했다. 대학원생에 대한 지원을 시작한 두뇌한국21(BK21) 사업 역시 대학의 연구력 향상에 크게 기여한 사업이었고, 지금도 BK21 PLUS 등 후속 사업으로 이어지고 있다.


김하석 교수는 이러한 기초 연구 지원 사업의 혜택을 입어 세계 수준의 연구 성과를 낼 수 있었으며, 이제는 학계의 원로로서 기초 연구 지원 사업의 방향에 대한 지혜를 나누고 있다. 그는 기초 과학 투자는 장기적으로 꾸준히 이루어질 때 열매를 맺을 수 있으므로, 대학에 대한 투자도 지속적으로 이루어져야 함을 강조한다. 또한 이를 위해서는 각 연구실에서 경상비 차원의 연구비를 지원하는 방안을 고려해 볼 필요가 있다고 제안한다. 일본이나 유럽, 캐나다 등에서 비슷한 제도를 이미 운용하고 있는데, 자유로운 연구 기반을 형성하기 위해 연구실 단위로 매년 경상비처럼 예산이 배정되는 방법이다. 예를 들어 일본의 경우에는 교실당(대개 교수, 조교수 각 1명, 박사급 조수 2명이 한 교실 단위를 이룬다.) 매년 700~800만 엔이 지원되고 있다. 노벨 과학상을 24명이나 수상한 일본이 우리나라와 비교된다는 이야기는 흔하게 들려온다. 그러나 일본 정부가 20세기 초부터 대학을 지속적으로 지원해 왔다는 점은 잘 이야기되지 않는다. 일본의 노벨상 수상자 수가 2000년대 이후 급격하게 증가한 것은, 금액이 크지 않더라도 많은 수의 연구자에게 안정적이고 장기적으로 지원을 계속해 온 결과라는 점을 귀감으로 삼아야 할 것이다.


기초 과학은 당장의 응용 가능성을 바라보고 연구하는 것이 아니라, 여러 현상에 두루 적용할 수 있는 원리를 규명하는 연구를 목표로 삼는다. 기본 원리를 파악하면 현실의 수요에 따라 응용은 얼마든지 할 수 있는 것이므로, 연구의 근본을 바로 세운다는 점에서 기초 과학 연구는 대단히 중요하다. 요즘 “시대의 흐름”을 따르는 연구들로 연구비가 쏠리는 경향이 있지만, 흐름이 바뀐다고 전문가가 갑자기 나타나는 것은 아니다. 흐름이 빨리 변화할수록, 어떤 방향으로 흐름이 바뀌더라도 응용 가능한 기초 연구의 기반을 다지는 것이 더욱 중요하다. 그런 점에서 연구 재단도 기초 연구 비중은 안정적으로 유지하면서 전체 예산의 일부만 당면한 시대적 과제에 할애하는 것이 바람직하다. 전체 연구비를 시대의 흐름에 맞추는 것은 연구자에게도 혼란을 야기할 뿐만 아니라, 결과적으로는 그 흐름을 따라가겠다는 목적의 달성에도 도움 되지 않는다는 것이 김하석 교수의 진단이다.


김하석 교수는 지금까지 구축한 대한민국 기초 과학 연구의 기반을 살리면서 한 단계 높은 수준으로 육성하기 위해서는, 경상적 연구비의 개념을 도입하고 재원이 허락하는 범위 내에서 소수의 지원 단위(우수 거점, Center of Excellence)에 지원하는 것부터 시작하는 방안을 검토하는 것이 필요하다고 제안한다. 물론 이때 결과 평가는 매년 또는 5년 단위로 객관적인 기준을 따르면서 그 결과에 따라 지원을 계속할지를 결정해야 할 것이다. 즉, 수월성을 바탕으로 한 저변 확대 개념이 도입되어야 한다는 것이, 국내 기초 연구의 초창기부터 현재까지의 과정을 겪어 온 화학계 원로의 제언이라 할 수 있다.

 

사진 출처: 김하석 교수

 

 

참고 링크
https://hasuckim.dgist.ac.kr

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이 글은 기초연구연합회의 「2019년도 기초 연구 성과 사례 모음」을 바탕으로 작성되었습니다. 이 글의 작성은 전북 대학교 부설 한국 과학 문명학 연구소의 김근배 교수님께서 맡아 주셨습니다.

 

 

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