무궁무진한 탄소의 세계를 탐구하다

‘보석의 왕’이자 탄소로 구성된 다이아몬드는 세월이 흘러도 변하지 않는다는 특성에 흔히 사랑의 징표로 생각하지만, 뛰어난 강도와 높은 열 전도성으로 궁극의 반도체 물질로도 여겨진다. 하지만 천연 다이아몬드를 이용하기엔 값이 너무 비싸고, 실험실에서 탄생한 ‘랩다이아몬드’는 표준대기압의 5~6만 배 이상 고압과 수천도의 고온 속에서 제작해야 하는 등 과정이 무척 까다롭고 만들어낼 수 있는 크기도 한계가 있어 현실적인 선택지가 되긴 어려웠다.

이 한계를 깨는 실마리가 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 손에서 나왔다. 바로 표준대기압에서 액체 금속 합금을 이용해 다이아몬드를 합성해내는 데 성공한 것이다. 또 빛을 이용·분석해, 다이아몬드 내 '실리콘 공극 컬러센터' 구조도 발견했다. 이는 다시 말해 액체 금속 합금 속 실리콘이 다이아몬드 결정 사이에 끼어든 구조를 말하는데, 양자 현상을 띠고 자기 민감도가 높은 것으로 나타났다. 이런 연구 성과는 지난 4월 국제학술지 ‘네이처’에 게재됐으며, 앞으로 한국의 관련 산업 발전에도 영향을 미칠 것으로 기대되고 있다.

이번 연구에 참여한 성원경 연구위원은 다이아몬드 같은 탄소 물질을 연구하는 것이 낯선 친구를 조금씩 알아가는 느낌이라고 표현했다. 탄소는 우리 주변의 많은 물질, 심지어는 우리 몸을 구성하고 있는 아주 친숙한 재료이지만 헤아리기 어려울 정도로 무수히 다양한 특성을 지니고 있어서다.

그래서인지 성 연구위원은 "연구를 하며 매번 겸손을 배운다. 한 번 성공했다고 안심하거나, 결과에 맞춰 데이터를 해석하려는 태도를 경계한다"는 태도로 우리가 몰랐던 탄소의 세계를 탐구해 나가고 있다. 성 연구위원에게 그의 연구인생과 성과에 대해 물었다.

Q.자기소개 부탁드립니다.

안녕하세요. 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 연구위원이자, 박막 및 물성 분석팀의 팀 리더인 성원경입니다. 저는 성균관대에서 초전도 박막 성장 매커니즘 규명 및 물성 분석으로 박사과정을 마쳤고, 한국과학기술연구원(KIST)에서 박사 후 연구원으로 활동했습니다. 이후 미국 샌디에이고에 본사가 있는 퀀텀 디자인 한국지사 재료과학팀에서 근무하다가, 2017년 2월에 지금의 연구단에 합류하게 됐습니다.

Q.다차원 탄소재료 연구단 소개를 부탁드립니다.

저희는 다양한 구조를 가지는 탄소 동소체 물질을 연구합니다. 탄소 동소체 물질로는 2차원 물질인 그래핀, 3차원 물질인 흑연과 다이아몬드가 대표적입니다.

연구단은 재료 그룹, 나노 광학 그룹, 합성 그룹, 분석 그룹으로 구성돼 있습니다. 제가 소속된 재료 그룹은 단결정 그래핀이나 단결정 흑연 같은 단결정 2차원 물질, 다이아몬드와 같은 다양한 탄소 동소체를 성장 및 물성을 화학적 또는 물리적으로 제어하는 연구를 합니다. 나노 광학 그룹은 나노 크기의 빛을 이용해, 탄소 동소체의 미시세계를 분석하는 연구를 수행 중입니다. 또한 합성 그룹은 새로운 고분자 합성 방법을 연구하고 있으며, 분석 그룹은 전자현미경을 이용해 탄소 동소체의 미시적인 결정 구조, 원소 분석 및 실시간 성장 메커니즘 연구를 수행합니다.

Q.박사님은 어떤 연구를 주로 하시나요? 연구에 빠져든 계기도 궁금합니다.

저는 팀원들과 단결정 그래핀이나 단결정 흑연과 같은 단결정 탄소 동소체를 성장시키고 그들의 기계적·구조적 특성들을 분석합니다. 또 시도되지 않던 방법을 통해 다이아몬드를 합성하고, 탄소 동위원소 분리방법에 대한 연구를 하고 있습니다.

탄소 뿐 아니라, 모든 물질의 물리적인 특성을 제대로 이해하려면 ‘결함이 없는 물질’을 만들어야 합니다. 또한 이러한 결함이 없는 물질들은 물질 고유의 특성을 제어했을 때 명확한 특성 변화를 보여 줍니다. 결함 없는 물질을 만드는 것 자체도 어렵지만, 이 중에서도 다이아몬드를 합성하는 것이 가장 어렵고 복잡하기도 합니다.

이런 연구를 하다 보면, 물질에 대한 완벽한 이해를 필요로 하기에 낯선 친구를 조금씩 깊이 알아가는 느낌입니다. 특히 탄소 재료는 우리 생활에 흔하게 접할 수 있고, 우리 몸 또한 탄소로 이뤄져 있기도 하고요. 그리고 결합 구조 또한 매우 단단하며, 구조에 따라 다양한 특성을 가집니다. 이렇듯 친근하면서 신비로운 탄소물질의 매력에 빠져 연구를 시작했고, 지금도 탄소 물질의 새로운 특성들을 배워 나갈 때마다 보람을 느끼고 있습니다.

Q.최근에는 관련해 어떤 연구 성과가 있었는지 궁금합니다. 이 연구는 학계에 어떤 영향을 미쳤나요?

1기압에서 액체금속을 이용한 다이아몬드 합성과 관련한 논문을 ‘네이처’지에 보고했습니다. 이 연구는 2017년 ‘사이언스’지에 언급된 ‘액체 갈륨을 이용해 메탄가스에서 수소를 분리해낸 연구’에서 아이디어를 얻었습니다. 액체금속을 이용해 메탄가스에서 분리된 탄소를 이용하면 다이아몬드를 만드는 탄소원으로 활용할 수 있겠다는 생각이었습니다.

보통 다이아몬드는 고온 고압법으로 99%가량 합성되는데, 1,600도의 고온과 대기압의 5만 배의 고압 조건을 만들기 위해선 복잡한 기구들이 필요합니다. 또 고온 고압 조건을 만들기 위한 반응의 크기적 한계 때문에 합성되는 다이아몬드 크기도 1㎤로 제한이 됩니다. 저희의 연구는 이 같은 한계를 극복할 수 있는 방법을 제시했다는 평을 받고 있습니다.

또 초기 탄소 전구체 모양에 따라 흑연화 과정이 어떻게 진행되는지에 대한 연구 결과를 ‘스몰’지에 보고했습니다. 그간 탄소섬유에 대한 연구는 많이 이뤄졌지만, 초기 탄소 전구체 모양에 따른 흑연화 과정에 대한 연구는 없었습니다. 저희의 이번 연구는 고분자 전구체의 기하학적 구조가 합성된 흑연의 결정성에 미치는 영향을 화학적 조성 및 열 처리 단계별 분자 배열 변화를 고려하여 심층적으로 분석했습니다. 본 연구를 통해 초기 전구체 모양을 제어하면 탄소 섬유와 같은 흑연화 과정이 필요한 탄소재료의 강도와 유연함을 동시에 제어가능한 다양한 탄소 복합재료를 합성할 수 있다는 평가를 받고 있습니다.

Q.실험을 하면서 어려운 점이 있었나요?

실험을 통해 매번 겸손해야 한다는 자세를 배우는 것 같습니다. 한 번 실험에 성공했다고 좋아하기보다는 재연 실험을 염두에 두고 실험과 데이터 분석을 좀 더 꼼꼼히 살펴보며, 좋은 결과를 얻어도 흥분하지 않고, 객관적인 시선을 유지하려 노력합니다.

Q.연구자의 길을 걸어가면서 어려운 점은 무엇이었나요?

연구도 사람들이 하는 것이라 서로를 이해하고, 소통하는 것이 가장 어려우면서 중요한 것 같습니다. 저는 팀원들과 대화를 많이 하면서 친해지려 하는 편입니다. 실험 등에 대해 팀원의 고민이 있다면 같이 나누고, 결정이 필요한 부분에서도 협의를 통해 진행해 나가려고 합니다. 왜 우리가 문제에 봉착했는지, 어떤 해결책이 필요한지, 앞으로 어떻게 하면 좋을지 등을 솔직하게 이야기하고 고민하면 동료 의식을 갖고 하나가 될 수 있다고 생각합니다.

Q.향후 연구 계획이 궁금합니다.

팀원들과 △대면적 단결정 그래핀의 기계적인 특성에 대한 연구 △기존 단결정 그래핀의 문제점과 수율 한계를 넘어서는 새로운 단결정 그래핀의 합성법 △손쉬운 탄소 동위원소 분리법에 대한 연구를 해나갈 것입니다.

Q.향후 연구에 필요한 지원이 있다면 무엇일까요?

해외에 훌륭한 연구소가 많지만, 국내에도 훌륭한 연구를 수행하는 연구소들이 많습니다. 또 한국의 연구 성과는 급진적으로 발전하고 있습니다. 연구자들이 성실하고 스마트하기 때문입니다. 한국 연구자분들이 한국에서 연구를 하셨으면 좋겠습니다. 그러기 위해선 훌륭한 한국 연구자들이 연구할 수 있는 환경이 조성돼야 할 것 같습니다.

Q.마지막으로 하고 싶은 말씀 있으시면 부탁드립니다.

학위 과정, 박사 후 연구원 과정, IBS에서 많은 연구적 경험을 쌓았으며, 많은 분들과 공동 연구를 진행하면서 많은 것들을 배울 수 있었습니다. 앞으로 연구단에 합류할 새로운 연구진들 또한 저와 같은 경험을 할 것이라 믿습니다. 앞으로 다차원 탄소재료 연구단에서 훌륭한 연구가 지속될 수 있도록 지속적인 지원과 관심 부탁드립니다.