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2019년 09월 16일 월요일

[2045년 ⑩] 카이스트 김일두 교수, “차세대 연구, 나노과학에 달렸다”

- 거미줄 직경 1000분 1의 나노과학, 차세대 에너지 연구 중심
- 에이씨에스 나노(ACS Nano) 부편집장 활동과 국내 나노과학 실용화 노력

(아시아뉴스통신= 이기종기자) 기사입력 : 2019년 09월 05일 09시 01분

한국과학기술원(KAIST) 김일두 신소재공학과 교수가 나노과학 분야 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 학술지의 역사와 특성을 설명하고 있다./아시아뉴스통신=이기종 기자

[아시아뉴스통신=이기종 기자] 우리는 올해 3.1 운동 100주년을 맞았지만 국가적으로나 사회경제적으로 이보다 중요한 시점이 도래하고 있음을 직시해야 한다.

바로 2045년이다.

1945년의 100주년이 되는 2045년은 우리에게 현재 겪고 있는 이념적 대립, 분단적 충돌, 세대·계층별 갈등 등을 해결할 수 있는 시간을 부여하고 있다.

이러한 국내 정치사회적인 변화의 계기뿐만 아니라 과학적인 변화에도 레이먼드 커즈와일(Raymond Kurzweil)는 ‘특이점이 온다(The Singularity Is Near)’를 통해 2045년 시기에 나노공학, 로봇공학, 생명공학 분야의 획기적인 발전을 예고했다.

본지는 ‘2045년’ 연재를 통해 현재 대한민국이 안고 있는 갈등, 대립과 충돌, 불균형과 불평등 등을 해소하고 정치, 경제, 사회적으로 통합하고 화합할 수 있는 ‘한반도의 더 큰 대한민국’을 그려보려고 한다.

최근 나노과학 분야의 세계적인 권위 학술지인 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 부편집장으로 활동하면서 나노과학 연구를 선도하고 있는 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 김일두 교수를 만나 나노과학의 의미, 국내외 연구현황, 향후 연구과제 등을 살펴본다.<편집자 주>

- 최근 연구와 대외활동은?

▷ 최근까지 나노섬유 소재를 활용한 화학센서 연구와 에너지 저장·발전 연구를 수행하고 있고 지난달에는 차이나나노(ChinaNano) 학회에 기조 강연자로 참여하는 등 국내·외 학회 활동도 활발히 진행하고 있다.

연구활동을 좀 더 소개하면 전기방사기술을 활용하면 3차원의 다공성 나노섬유 구조를 손쉽게 제조할 수 있는데 특히 가스센서와 차세대 이차전지 분야에 가장 최적화된 소재이다.

이에 지난 2018년 국가 우수성과 R&D 100선에 과학기술정보통신부 최우수 과제로 선정됐고 관련 특허들이 삼성전자를 포함해서 다수 기업에 이전됐다.

또 소량의 물을 에너지원으로 활용한 자가 발전기 개발에도 성공하여 원천특허를 확보하고 이를 바탕으로 삼성 미래육성 재단 과제에 선정되어 대면적 전력 생산 연구에 주력하고 있다.

국내 미세먼지 이슈가 크게 심화되면서 고유의 나노섬유 정열 기술을 활용해 올해 3월초에 교원창업 ‘㈜김일두연구소’를 설립하고 양산을 위한 준비를 이어가고 있다.

학술 활동과 관련해 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 부편집장으로 선임이 돼 봉사하는 것이 특별한 의미가 있다.

에이씨에스 나노(ACS Nano)는 2007년 8월 첫 발간 이후 13.903의 피인용지수(Impact Factor, 2018년 기준)를 갖는 나노과학 분야의 전문 학술지이다.
 
나노과학 분야 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 학술지 부편집장인 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 김일두 교수가 최근 중국에 열린 차이나 나노(ChinaNano 2019) 학회의 활동과 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 학술지 편집장 UCLA 폴 와이즈(Paul S. Weiss) 교수를 소개하고 있다./아시아뉴스통신=이기종 기자

- 나노과학이란?

▷ 나노과학은 나노(Nano)미터 규모를 중심으로 하는 과학 분야이며 그 크기는 눈에 보이지 않는다.

우리가 거미줄을 자세히 보면 볼 수 있는데 거미줄은 보통 1~5마이크로미터의 직경을 가진다.

이 기준으로 1 나노의 경우는 거미줄의 1000 ~ 5000분의 1 크기로 얼마나 작은지 이해할 수 있다.

나노 기술(Nano Technology; NT)은 10억분의 1미터인 나노미터 단위에 근접한 원자, 분자 및 초분자 정도의 작은 크기 단위에서 물질을 합성하고, 자기조립하거나 구조 및 조성 제어를 통해 물성을 획기적으로 높이고, 현상을 측정하고 규명하는 기술이다.

나노라는 용어는 희랍어의 ‘나노스(난쟁이)’에서 유래됐다고 알려져 있고 1959년경 물리학자 리처드 파인만(Richard Phillips Feynman, 1918~1988)이 처음으로 나노 시대를 예측했다.
 
당시 연구계에서는 불가능하다고 일축했지만 20년 후 초고성능 원자현미경과 투과전자현미경이 개발되면서 나노기술의 세계가 열렸다.

지난 1996년 처음으로 미국 정부에서 나노 기술 육성을 논의한 후 1998년 국가과학기술위원회(NSTC)가 창설됨에 따라 나노 기술은 진전하기 시작했다.

미국 클린턴 정부는 국가나노기술개발계획(NNI, National Nanotechnology Initiative)을 발표해 나노 기술의 구체적인 목표를 제시했으며 국내도 2001년 국가나노기술종합발전계획을 수립해 다양한 나노 기술 창출, 나노 제품 시장 선점, 나노 기술을 통한 에너지 및 환경 문제를 해결하려고 하고 있다.

현재 나노 과학은 미생물 분야에서 우주 분야까지 광범위하게 활용되고 있다.

대부분 물질은 원자, 분자에서 출발하는데 이들의 자기조립으로 만들어진 나노구조체들은 태양전지, 센서, 2차 전지, 바이오 분야에서 활발하고 응용되고 있으며, 탄소 소재는 이미 상용화가 되고 있다.
 
- 에이씨에스 나노(ACS Nano)는?

▷ 에이씨에스 나노(ACS Nano)는 미국 화학 협회 (American Chemical Society)가 2007년 8월에 처음 출판한 학술지이고 현재 편집장은 폴 와이즈 교수(Paul S. Weiss, 로스앤젤레스 캘리포니아 대학교)이다.

에이씨에스 나노 학술지의 초점은 나노 구조, 나노 기술, 나노 제작, 자기 조립, 나노 과학 방법론 등이며 화학, 생물학, 재료 과학, 물리학, 공학 등의 나노 기술 연구도 포함하고 있다.

현재 네이처와 네이처 자매지를 제외하고 나노 과학을 이끌어 전문학술지로는 에이씨에스 나노와 나노레터스(Nano Letters)가 있다.

나노과학과 관련된 최초의 전문 학술지는 나노레터스로 2001년에 첫호가 발간됐다.

그 이후 2007년에 에이씨에스 나노가 두 번째로 출발해지만 현재는 맨 앞에 서 있다고 볼 수 있다.

학술지 영향력(평가) 지표인 임팩트 팩터(Impact factor, IF)를 기준으로 보면 현재 나노레터스(12.279)보다 에이씨에스 나노(13.903)가 더 높다.

에이씨에스 나노는 한해 1만건 정도의 논문이 투고되고 있으며 투고된 논문들 중에서 1300 여건이 저널에 게재되고 있다.

논문 게재율이 13% 정도 밖에 되지 않기 때문에 수준이 높은 양질의 논문들이 선별돼 발표되고 있어 게재된 논문의 가치가 높다고 평가를 받고 있다.

에이씨에스 나노에는 현재 30명 부편집장이 있고 20여 명은 세계 상위 1%인 인용이 많은 연구자(highly cited reseacher)에 속해 있어 고인용 연구자가 가장 많은 저널로 알려져 있다.

여기에서 부편집장들은 투고된 논문에 대한 심사위원 선정과 게재 여부를 결정하게 되는데 바이오, 에너지, 센서, 일렉트로닉스 등 다양한 학문 분야에서 연구하는 분들로 구성돼 게재 심사가 진행되고 있다.

10여 년 짧은 역사에도 불구하고 편집장과 부편집장들의 노력으로 에이씨에스 나노가 나노 관련 연구를 수행하는 교수, 연구원 등 대상으로 가장 게재하고 싶은 학술지로 변화했다.
 
나노과학 분야 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 학술지에 개재된 한국과학기술원(KAIST) 연구성과./아시아뉴스통신=이기종 기자

- 에이씨에스 나노에 게재된 카이스트 연구성과는?

▷ 카이스트는 지난 7년간 에이씨에스 나노 저널에 신소재공학과 46편, 생명화학공학과 23편, 전기 및 전자공학과 17편 등 총 126편의 논문을 발표했다.

또 최근 3년 사이 선택적인 수소 분리막을 이용한 고속 수소 검출 센서(2017, 신소재공학과 김일두 교수), 브러쉬 형상의 Co4N 나노촉매를 이용한 고용량 리튬-공기 전지 (2018, 신소재공학과 김일두 교수), 맥신 2차원 소재를 이용한 고선택성 가스센서(2018, 생명화학공학과 정희태 교수), 탄소나노튜브-고분자 복합체를 이용한 고신축성 압력센서(2018, 신소재공학과 스티브박 교수) 4개 연구성과가 에이씨에스 나노 표지 논문으로 발표됐다.

여기에서 선택적인 수소 분리막을 이용한 고속 수소 검출 센서 논문은 금속유기구조체 층을 팔라듐 센서 위에 코팅하여 수소 가스만 선택적으로 통과시켜 수소 감지 특성을 극대화한 논문으로 초미세 나노기공을 갖는 금속유기구조체의 채걸음 역할 규명과 관련된 내용을 소개했다.

또 브러쉬 형상의 Co4N 나노촉매를 이용한 고용량 리튬-공기 전지 논문은 나노브러쉬 형상의 Co4N 촉매 물질을 3차원 전류집전체에 코팅하여 리튬-공기 전지의 수명 특성을 획기적으로 개선한 논문이다.

이어 맥신(MXene) 2차원 소재를 고선택성 가스센서 물질로 이용한 논문으로 상온에서 50 – 100 ppb의 극미량의 아세톤, 에탄올, 암모니아 가스 검출 특성을 소개했다.
 
마지막으로 탄소나노튜브-고분자 복합체를 이용한 고신축성 압력센서 논문은 로봇의 복잡한 형상에도 균일하게 코팅될 수 있는 용액공정기술을 소개 했으며 전자피부의 실용화 가능성을 높인 기술이다.
 
한국과학기술원(KAIST) 김일두 신소재공학과 교수가 나노과학의 미래와 차세대 연구를 이끌 학생들에게 강의를 하고 있다./아시아뉴스통신=이기종 기자

- 국내외 나노 연구경향은?

▷ 국외의 경우는 매사추세츠공과대학교(MIT), 하버드대학교(Harvard University), 스탠포드대학교(Standford University) 등 미국 대학들이 나노 신소재 합성 및 응용 분야에서 강세이고 최근 중국의 북경대학교, 칭화대학교 등에서 많은 연구성과가 쏟아져 나오고 있다.

국내에서 카이스트의 경우 2006년 학제 융합연구를 활성화를 위해 KI 연구원(KAIST Insitute)을 설립됐다.

이 KI 연구원은 바이오융합연구소, IT융합연구소, Complex Systems 설계연구소, 나노융합연구소, 광기술연구소의 5개 연구소와 암전이제어센터, 모바일센서IT융합센터, 필드로보틱스센터, 그래핀연구센터, 헬스사이언스센터 등의 5개 연구센터가 운영되고 있다.

현재 270여명의 교수들과 300여명의 학생 및 연구원들이 새로운 융합 아이디어로 세상을 바꿀 획기적인 연구들을 수행 중이며 특히 나노융합연구소에서 나노관련 과학기술을 이끌어 나가고 있다.

김일두 교수는 ACS Nano 부편집장으로 활동하면서 나노 신소재 합성과 에너지 관련 투고 논문들을 다루고 있다.

최근 들어 중국에서 방대한 양의 논문들이 투고되고 있고 수준 높은 논문들도 많이 포함되어 있어서 국가 간 과학기술 경쟁에서 위기의식도 느낀다.

나노과학에서 있어서 에너지 분야가 중요성을 가진다. 특히 전기차의 경우 주행거리를 늘리기 위해 많은 연구개발들이 이루어지고 있다.
 
테슬라 전기차의 경우 비약적인 주행거리 개선이 이루어졌지만 이는 사용된 배터리의 획기적인 성능 개선에 의한 것이 아니라 더 많은 배터리 팩이 장착되어 있기 때문이다.

특히 배터리는 무게당 에너지 밀도 뿐만 아니라 부피당 에너지 밀도 또한 중요한데, 차세대 전지(리튬-황전지, 리튬-공기 전지) 분야에서 높은 에너지 밀도를 얻기 위해 나노소재, 나노기술들이 적용되고 있다.

또한 고용량 음극 소재의 나노화 등 차세대 전지 연구가 현재 진행되고 있다. 
 
국내 미세먼지의 문제점을 완화하기 위해 한국과학기술원(KAIST) 김일두 신소재공학과 교수가 그동안 연구성과를 기반으로 미세먼지 필터 상용화를 위해 교원창업 ‘(주)김일두 연구소’를 설립했다./아시아뉴스통신=이기종 기자

- 마지막으로 하고 싶은 말은?

▷ 현재 에이씨에스 나노 부편집장으로서 책임감을 가지고 활동하고 있으며 대한민국의 나노 과학 분야 발전에 기여하기 위해 노력하고 있다.

현재 에이씨에스 나노에서 함께 하고 있는 부편집장들은 해당 연구 분야에서 석학 또는 세계적인 대가들로 평가를 받고 있다.

그분들과 비교하면 10년 정도 젊기에 향후 꾸준한 노력을 통해 10년 이후 나노과학 분야에 전문적인 실력을 겸비한 석학으로 평가받을 수 있도록 지속적인 노력을 하고 있다.

또 국내에서 나노과학과 관련해 다양한 분야에서 연구를 하고 있는 연구자와의 협력을 통해 나노 과학의 실용화, 상용화 측면에서 가시적인 성과를 내기 위해 최선을 다하겠다.


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