정경화 | 한국에너지공과대학교 수소에너지 트랙 연구교수, gwchu123@gmail.com
서론
한 분야에서 오랫동안 몸담고 있게 되면 어느 순간 매너리즘에 한 번씩은 빠지게 된다. 필자의 경우도 그러하다.
그도 그럴 것이 박사학위 후 지금까지 20여 년 동안 소재 합성 분야에 몰두하다보니 어느 순간 이게 맞나? 라는 생
각이 뇌리를 스치고 지나갈 때가 종종 있었으며 내 방식이 옳다는 아집을 부릴 때가 있곤 했다. 물론 지금 이순간도
그럴지도 모른다. 이를 극복하는 방법은 개개인이 다르겠지만 스스로 자각하는 경우나 우연한 계기로 인해 깨우치
게 되는 경우가 있을 것이라 짐작된다. 필자는 아마 후자에 속한다고 여겨진다. 몇 년 전부터 새해가 되고 새학기를 시
작할 준비를 하는 이맘때 쯤이면 왠지 모를 셀레임을 느끼게 되었다. “올해도 작년처럼 잘 할 수 있을까?”,“어떤 학
생들을 만나게 될까?”, “이번에는 어떤 크고 작은 에피소드들이 생길까?”이는 KAIST 부설 한국과학영재학교(KSA)
연구 과제 프로그램의 연구 책임자로 참여한 지난 4년 동안 학생들과 함께 연구 활동을 해 나가며 생긴 기대감에서 비
롯되었다고 할 수 있다.
이 에세이에서는 KSA 학생들과의 연구 기획, 수행을 함께 하는 동안 경험하고 느꼈던 점들에 대해 공유하고자 한
다. 필자의 주된 연구 분야가 무기 소재 합성이므로 주로 학생들은 그래핀, 맥신 복합체나 금속 유기 골격체(metal
organic framework, MOF) 등에 관한 연구를 진행하였다. 연구 과제 프로그램이 진행되는 동안 [그림 1]과 같은
체계로 진행되었다.
본론
1. 2020년 KSA 학생들을 만나다.
필자가 참여했던 KAIST 부설 한국과학영재학교(KSA) 연구 과제 프로그램은 학생들의 수업이 진행되는 학기 중
에는 온라인 이론 수업이나 주말을 이용한 실험 수업이 진행되며 방학을 이용해서 연구책임자가 소속되어 있는 대학교나 KSA 교내에서 약 한 달간 집중 연구 실습이 진행되게 된다. 이 기간을 통해 학기 중에 배웠던 이론이나 실험을 보다 더 깊이 있게 진행하게 되며 학회나 과학경진대회에 참가하여 지금까지 연구했던 성과들을 발표하게 된다. 이 프로그램의 궁극적인 목표는 대학교 및 연구소에서 행해지는 연구의 과정을 미리 체험하고 일련의 과정들을 통해 연구 활동은 답이 정해져 있는 것이 아니라 보이는 현상이나 결과들을 분석하고 판단, 예측해 나가는 과정이라는 것을 체험해 주기 위한 것이다. 필자가 KAIST 재직 당시 우연한 기회에 KSA 연구 과제 프로그램을 알게 되었고 운좋게 연구책임자로서 KSA 학생들과의 연이 시작되게 되었다. 2020년 당시 코로나가 막 시작되는 시절이었기에 방학을 이용한 집중 실습 기간 동안 학생들이 KAIST 교내 기숙사를 사용하지 못하게 되었다. 뜻하지 않게 학생들이 교내 밖에 머무르게 되면서 필자 또한 학생들과 같은 숙소를 사용하게 되었다. (청소년들이므로 생활 지도가 필요하다.) 이때, 함께 참여하게 된 학생들은 가나, 태국, 카자흐스탄의 외국인이었던 데다 학생에 대한 책임감도 있었고 더불어 유대관계를 더 돈독하게 해야 된다는 생각이 컸던 것 같다. 물론 시간이 지남에 따라 별도 시간을 할애해야 하는 것이 부담으로 작용하고 체력적인 면보다는 청소년인 학생들에게 쏟는 정신적인 집중도 때문에 당해 연도만 수행해야 겠다는 생각이었다. 하지만 지금까지 필자가 매 년 KSA 연구과제 프로그램을 지원하고 필자의 연구 활동에 서 우선순위에 두며 학생들을 손수 지도하는 이유는 무엇일까 생각해 본다. 이는 학생들이 연구에 임하는 자세, 무엇이든 더 배우려고 하는 열정, 함께 하며 나누는 성취감 등, 학생들에게서 느낄 수 있는 초심 때문인 것 같다. 더불어 생각지도 못한 신선한 아이디어를 제시하는 경우를 보면 필자의 오랜 경험에서 우러나오는 노련함과 학생들의 재치있는 아이디어가 시너지 효과를 내는 것을 자주 경험하곤 했다.
2. 학생들은 기억한다.
물론 아무리 과학적 재능을 가지고 있는 학생들이라 해도 실전에서는 취약할 수밖에 없다. 특히, 대학 수준의 실
험실습실을 구비하고 있다 하더라도 코로나 펜데믹에서 자유로운 연구 활동에 제약이 있었던 2020-2022년에는 더
욱 더 그러했을 것이다. 2021년“ PM 2.5 이하의 초미세먼지 저감을 위한 탄소섬유 소재 및 촉매 제작”이라는 연구
과제를 가지고 학생들과 프로그램을 진행할 때였다. 코로나 펜데믹이었기도 하고 탄소 관련 소재에 대한 이론이 바
탕이 되어야 했으므로 초반 4주는 대부분 온라인 수업으로 진행하였다. 그래핀(graphene), 탄소 나노 튜브(carbon
nanotube), 섬유(fiber) 등의 다소 생소한 소재들을 접하고 이를 합성하고 제조하는 과정을 온라인 수업으로만 진
행한다는 것이 필자나 학생들 모두에게 꽤나 지루(?)한 과정이었다. 수업이 진행되는 동안 특히 산화그래핀을 만드
는 과정에서의 주의할 점이나 탄소 나노 튜브의 종류와 특이점 등에 대해 설명할 때에는 대면 수업에서의 절반 정도
의 효과밖에 나지 않는다는 체감을 할 수 있었다. 하지만 학생들은 질문을 서슴지 않고 했으며 스스로 동영상 등을
찾아 수업시간에 발표하고 정보를 나누는 등의 열정을 보여 줬다. 이에 필자 또한 하나라도 더 알려주려는 노력을
마다하지 않았다. 이러한 과정 덕분인지 실제로 그래핀과 복합체를 합성하게 되고 섬유를 제조하게 되었을 때 신기
해하는 학생들의 표정이 아직도 생생하다. (아시다시피 산화그래핀을 제조하는 과정에는 강산이 첨가되므로 청소년들에게 맡기기에는 위험 요소가 있다. 이럴 경우, 필자가 직접 진행하고 학생들에게는 영상을 남기며 참관하라고 한
다.) 몇 개월 전 이제는 어엿한 대학생인 A군으로부터 연락이 왔다.“와, A군 잘 지내? 어쩐 일이야?”,“네 선생님...
잘 지내시지요? 어제 수업시간에 그래핀에 관한 내용을 배웠습니다. 저는 다 아는 내용이었고 이해가 쏙쏙 잘되었습
니다. 헤헤.. 지금 다시 만들라고 하면 더 잘 만들 수 있을 것 같아요. 생각나서 전화드렸습니다.”,“그래 고마워. 잘
지내.”전화를 끊고 나서 옅은 미소가 지어졌다. 당시에는 진행 과정이 그저 신기하고 비약적으로 표현하면 학교에서
하는 프로그램으로만 생각할 수도 있었겠지만 지나고 보면 학생들은 다 기억한다. A군처럼 대학교 강의 시간에, 실험
수업시간에, 논문을 찾거나 읽을 때, 학생들은 이 프로그램에서 경험했던 것을 다 기억한다. 하여 필자는 매번 느낀다.
학생들에게 즐거운 기억을 남겨주어야겠다고. 해서 거부감없이 자유로이 탐구할 수 있는 자신감을 주어야겠다고. 필
자가 고등학생 시절에는 이런 프로그램을 경험할 기회가 극히 적었지만 돌이켜보면 필자도 다 기억하고 있다. 전기 물
분해, 원소 불꽃반응 실험 등을 체험하면서 신기해 하고 재미있어 했던 것을. 세월이 많이 변해 지금 학생들이 경험하
는 특히, 과학 영재 학생들이 경험하는 연구적 수준은 필자가 경험했던 것과는 현저히 차이가 난다. (필자가 고등학생
일 때는 나노입자, 그래핀 등의 개념 자체가 없었던 시절이다.) 하지만 배우고 느끼는 감정은 일맥상통하리라 생각된
다. 다시 한번 더 필자는 생각한다. 학생들은 다 기억한다. 그 때 배웠던 지식과 연구 결과 넘어 비커 속 노랗게 변한 산
화그래핀을 보며 신기해 하던 자신의 모습까지도.
3. 실패란 없다. 또 다른 결과가 있을 뿐
2023년 새로운 학생들과 연구 과제 프로그램을 진행하기로 했던 때이다. 이번에는 KSA에서 주최하는 오리엔테
이션에 참가하게 되었다. 프로그램이 시작되기에 앞서 연구 과제를 진행하시는 여러 연구책임자들과 참여하게 되는
학생과의 첫 대면시간이기도 하고 지난해의 성과나 학생들의 간략한 발표를 통해 프로그램이 나아가야 할 방향에 대
해 설명하는 자리이기도 했다. 인상이 깊었던 부분은 이 프로그램에 참가하는 학생들은 청소년이라는 것을 잊지 말자
는 것이었다. “여러 교수님이나 박사님들이 함께 연구하는 대학원생들과는 다르다는 것을 먼저 생각해 주시기를 바랍
니다. 저희 학생들은 미성년자들이고 특히 실질적 연구 경험이 풍부하지 못한 학생들입니다. 이번 프로그램을 통해 학생들이 연구 과정을 처음부터 끝까지 무사히 마치고 체험할 수 있기를 바랍니다. 또한 과정 중 맞닿을 수 있는 어려움을 스스로 해결할 수 있는 소양을 갖추기를 바랍니다. 이것이 저희 프로그램의 궁극적인 목표입니다.”
필자는 지난 몇 년 동안 이 연구 과제 프로그램에 참여하면서 이를 실천했는지 순간 생각했다. 화학, 물리, 생물, 지
구과학, 정보과학 등으로 세부 전공이 나누어지고 대학교와 유사한 학점 시스템으로 생활하고 있는 KSA 학생들과의 연
구 활동은 가끔은 이를 잊어버리고 대학원생 대하듯 했던 기억이 순간 스쳐 지나갔다. 짧은(?) 반성의 시간을 가지고
이번에는 좀 더 세심하게 노력해야겠다고 다짐하였다.
시간은 흘러 여름 집중학습을 진행하던 시기였다. 이번 연구 과제의 주제는 맥신 복합체를 이용한 전기화학적 수
소 생산 촉매 제조에 관한 연구였다. 수소화 붕소 나트륨(NaBH4)을 환원제로 사용하여 니켈(Ni), 코발트(Co) 등을
맥신 표면에 분포시켜 맥신 복합체를 제조하였다. 합성된 복합체를 확인하기 위해 X-선 분말 회절(X-ray powder
diffraction)을 이용하여 분석을 시도하였다. “선생님, 예상했던 피크가 나오지 않습니다. 어떡하죠? 저희가 만든
것은 맥신 복합체가 아닌가요?” 난감해 하는 학생들의 표정을 읽을 수 있었다. 보통 때 같았으면 다시 합성해 보라
고 했겠지만 이번에는 방법을 달리하고자 하였다. 사실 금속층과 탄소, 질소층이 교대로 쌓인 2차원 나노물질인 맥
신에 금속 전구체, 환원제를 첨가하여 맥신 표면에 나노입자를 합성하는 매우 간단한 합성법에서 새로운 무언가가
나올 가능성은 희박하였고 실험 조건에 따라 제조되는 맥신의 두께나 형상이 달라질 수 있으므로 X-선 분말 회절
피크를 해석, 분석해 내는 것이 순서일 것이라 생각했다.“맥신을 지지체로 하고 금속 나노입자를 분포시키기 위해 전
구체와 환원제를 사용하였는데 맥신 복합체가 맞지. 참고문헌에서 보는 그런 피크가 나오지 않는다고 해서 맥신 복
합체가 아닌 건 아니야.. 관측된 피크를 분석해서 너희가 제조한 맥신이 어떤 상태인지 의견을 내어보자” 그렇게 일
주일이 흐르는 동안 학생들은 나름의 계획을 세워 자신들에게 직면한 문제를 스스로 해결하고자 했다. 이윽고, 학생
들은 자신들이 제조한 맥신 복합체의 두께가 매우 얇은 형태라 그래핀의 X-선 분말 회절 피크와 유사한 형태로 나
타나는 것이라 설명하였고 이는 투과전자현미경을 통하여 확인할 수 있었다. 전기화학적 촉매 반응에 응용하면서 자
신들이 합성한 맥신 복합체는 수소 발생 반응(Hydrogen evolution reaction, HER)보다는 산소 발생 반응(Oxygen
evolution reaction, OER)에 보다 적합한 소재임도 실험을 통해 알 수 있었다.“이번 연구를 마무리하면서 느
낀 점이 뭔지 애기해 볼까?”,“네.. 연구 과제는 전기화학적 수소 발생에 관한 주제로 시작되었지만, 결과적으로는 저희
가 제조한 복합체는 수소보다는 산소 발생에 더 활성이 좋았습니다. 주제와는 상반되는 복합체를 합성하였지만, 진행
하는 동안 기획, 물성분석, 문제 해결 방안, 연구 결과 도출, 개선점, 후속 연구 물색 등 연구의 전반적인 진행 과정을 배
웠습니다. 이제 다른 주제의 연구도 쉽게 순차적으로 접근할 수 있을 것 같습니다.”연구에 있어서 실패란 없다. 가설
과 다른 결과가 있을 뿐이다. 가설과 다른 결과가 나왔을 때는 탐구, 분석 및 해석을 통해 거기에 맞는 새로운 이론을 제
시하면 된다는 것을 일깨워 줘야 한다. 그러기 위해서는 함께 사고하며 기다릴 수 있는 끈기와 약간의 집착이 더해져야
한다고 생각한다. 필자뿐만 아니라 이 글을 읽고 계실 여러분들도 그렇지 않을까 조심스럽게 생각해 본다.
2023년 이 연구 과제 프로그램에 함께 참여했던 학생들은 KSA 자체 연구 성과 발표회에서 우수상을 수상하였으
며 광주에서 열린 영재학교 우수 알앤이 발표회에 참석하는 쾌거를 획득하였다.
4. 학생들과의 시너지 효과
혹자는 필자에게 한 번씩 질문을 한다. “개인 연구하기도 빠듯하실 수도 있는데 힘들지 않으신가요?”물론 연구
교수라는 직급으로 필자가 소속되어 있는 연구실의 배려가 없으면 쉽지 않은 것이 사실이다. 그럼에도 불구하고 할 수
있는 한 하고자 하는 이유는 아마 필자 자신도 학생들에게 자극을 받아 연구를 계속할 수 있는 동기 부여가 된다는 것
이 가장 큰 이유이다. 프로그램을 진행하다 보면 저런 신선한 생각도 하는구나 하는 경우가 종종 생기곤 한다. “맥신
이 2차원이고 그래핀에 비해 전도성이 높다고 하면 이도 섬유로 사용할 수 있지 않을까요?”, “대량생산을 위해 산
화그래핀으로 제조하고 다시 환원하는 방법 말고는 없나요? 산화그래핀 자체도 지지체로 사용할 수 있을 것 같은.
데요?” 지금까지 그저 당연하다 생각한 방법들 (예를 들면, 맥신은 그저 2차원으로 전자차폐나 전극 소재로만 사용한
다. 산화그래핀은 환원시켜서 환원된 산화그래핀, 우리가 통상적으로 일컫는 그래핀으로만 사용한다. 등등)을 다시
한번 돌아보게 하는 질문들이었다. 실제 저명한 학술지인 Nature Communication(2020년, 2022년)에 게재된 맥
신 섬유에 관한 연구를 비롯해 최근 산화그래핀을 박테리아 연구, 생명 독성 연구, 암치료 및 센서 등에 사용하기 시
작하는 추세를 본다면 학생들의 발상은 대단한 것이라 할 수 있다. 자칫 매너리즘에 빠져있을 수 있는 필자에게는 충
분한 자극제가 되어준다. 일례로 잠시 접어두었던 그래핀, 탄소 나노 튜브, 및 맥신에 관련된 연구 주제를 다시 시작
하려고 하는 계기가 되었다고 할 수 있겠다.
결론
이 글을 마치며 혹 필자와 같은 경험을 하게 될 수도 있는 분들에게 프로그램 진행적으로는 이렇게 전달하고 싶
다. 1) 이미 심화된 화학 교과를 경험한 영재들을 대상으로하는 프로그램이므로 단순한 주입식 정보 전달 방식의 수
업보다는 스스로 주체가 되어 사고하여 결론에 도달할 수 있는 토론형 형태의 수업이 주가 되어야 한다. 예를 들어,
그린 수소에너지 확보 방안으로 물 전기분해라는 주제가 소개됐다고 가정해보자. 우선 학생들에게 수소에너지와 물
전기분해의 기본 개념을 가르치고 물 전기분해의 단점과 문제점을 논의한 후, 촉매의 중요성, 시스템 개선을 위한
설계 및 차세대 시스템을 고려하고 마지막으로 학생들에게 자신의 연구 방향에 대한 로드맵을 제안하도록 유도해야
할 것이다. 2) 실생활에 적용되고 있는 멀지 않은 화학을 가르쳐야 한다. 대학 또는 대학원 수준의 심화 과정을 유지
하고자 하지만 학생들은 앞서 여러 번 언급하였듯이 성인이 아닌 청소년임을 간과해서는 안 된다. 지속적인 동기 부
여 및 흥미 유발을 통한 관심과 호기심을 자극하여 스스로 찾아가는 형태의 학습이 진행되어야 한다. 필자의 경우,
2020, 2021년 연구 주제로 그래핀을 이용하여 실제로 섬유 필터를 제작하고 이를 미세먼지 저감에 적용한다던지
바다에 존재하는 방사선 원소를 포집하기 위해 대표적으로 이용되는, Cs 양이온을 쉽게 포집할 수 있는 물질인 프러
시안 블루(Prussian blue)를 제조하여 촉매 실험을 진행하는 것과 같이 현재 학생들이 관심갖고 있는 이슈를 포용
할 수 있는 주제를 통해 동기 부여를 할 수 있어야 한다.
이 모든 것보다 중요한 것은 대한민국 과학계의 미래를 이끌고 나갈 학생들이 연구에 대한 열정과 호기심, 탐구하
는 자세들을 자유롭게 표현하고 유지할 수 있도록 초석을 다져주는 것이라 필자는 믿고 있다. 필자가 언제까지 KSA
학생들과 연구 과제 프로그램에 연구책임자로 참여할 수 있을지 모르지만 인연이 되는데까지 지금처럼 즐겁고 셀레
는 마음으로 임하고자 한다. 잠시 접었던 연구 주제를 새로운 시각으로 시작할 수 있게 해준 계기가 된 것처럼, 학생
들에게는 두려움 없이 도전하고 실행할 수 있는 경험과 지속적인 실험의 과정을 통해 팀 프로젝트, 공동체 정신과 리
더십, 효율적인 연구 활동을 경험하고 실현할 수 있는 기반이 되는 것처럼 말이다.
마지막으로 여름 현장 실습 집중 기간에 학생들의 연구활동에 도움을 주신 모든 분들에게 감사하다고 전해드리며
이 글을 마치고자 한다.
Wonsik Eom, Hwansoo Shin, Rohan B. Ambade, Sang Hoon Lee, Ki Hyun Lee, DongJun Kang, Tae Hee Han“Large-scale wet-spinning of highly electroconductive MXenefibers”, Nature Communications 2020, 11, Article #2825.
Tianzhu Zhou, Yangzhe Yu, Bing He, Zhe Wang, Ting Xiong, Zhixun Wang, Yanting Liu, Jiwu Xin, Miao Qi, Haozhe Zhang, Xuhui Zhou, Liheng Gao, Qunfeng Cheng, Lei Wei“Ultra-compact MXene fibers by continuous and controllable synergy of interfacial interactions and thermal drawing-in- duced stresses” Nature Communications 2022, 13, Article #4564.
정 경 화 Jeong Gyoung Hwa
• 부산대학교 화학과, 학사(1994.3.–1999.2.)
• 부산대학교 화학과(물리화학전공), 석사 (1999.3.–2001.2. 지도교수: 김양)
• 부산대학교 화학과(물리화학전공), 박사 (2001.3.- 2005.2. 지도교수: 김양)
• 현재 한국에너지공과대학교 연구교수