[이슈메이커=임성희 기자]
“인류의 스마트한 활동 촉진할 전도성 고분자 섬유”
고분자 디자인, 합성, 응용까지
바이오, AI 분야 적용 기대
고분자는 매우 높은 분자량을 가진 것으로 대표적인 합성고분자가 플라스틱과 석유로 만든 고무다. 플라스틱 그릇, 고무장갑, 타이어 등 우리의 생활과 밀접한 관련이 있는 고분자인데, 수많은 분자가 사슬 형태로 엮여 있어 이를 변형시켜 새로운 화합물을 계속 만들 수 있다는 장점이 있다. 그렇기에 누가 어떤 아이디어로 어떤 화합물을 만들어내면 그 화합물은 세상에 없던 화합물이 된다. 이런 유기고분자 합성의 매력에 빠져 끊임없는 호기심으로 새로운 유기재료와 응용을 연구하는 경북대 김종호 교수를 만나봤다.
0차원부터 3차원까지, 다양한 차원의 유기재료 합성 연구 경험
학부에서 유기소재섬유시스템공학을 전공한 김종호 교수는 섬유공학 전문성을 기반으로 유기 고분자 소재 합성 연구를 진행했다. 섬유공학의 전문성은 연구자로서 그의 정체성이기도 하며 경북대 섬유시스템공학과에 부임할 수 있는 원동력이 됐다. 그는 박사학위 취득 후 KIST 전북분원 복합소재연구소에서 탄소섬유 연구, 프랑스 CY Cergy Paris Universite에 있는 LPPI(고분자물리화학계면연구소)에서 전도성 고분자 재료 연구 등을 했다. “제가 여러 기관을 거치며 다양한 종류의 고분자 재료를 개발하기 위한 연구를 수행한 경험과 성과가 경북대 부임에 원동력이 된 것 같습니다. 합성이 시간이 오래 걸리는 일인데, 다양한 분야의 합성을 연구했다는 건 저의 큰 장점입니다. 더불어 고분자 입자가 크기에 따라 발광 색이 달라진다는 것을 세계 최초로 발견해 보고한 점도 크게 작용했다고 생각합니다” 김종호 교수의 다양한 경험은 그가 0차원부터 3차원까지 모든 소재의 합성을 다뤄봤다는 것에서 알 수 있으며 그는 이런 특징을 살려 다차원유기재료연구실을 만들었다. “고분자 재료의 특성을 개발하고 최적화하기 위해서 공중합체를 설계합니다. 이때 포함되는 공단량체의 비율을 조금만 변화시켜도 그 특성이 쉽게 변하고 나아가 성능이 개선되기도 합니다”라며 그는 “저희는 한가지의 고분자가 다양한 특성을 가지거나 기존의 특성을 뛰어넘을 수 있게 고분자를 설계하고 합성해서 응용하는 데 중점을 두고 있습니다. 0차원의 입자 형태의 소재부터 1차원 섬유, 그리고 2차원 박막 재료까지 다양한 차원의 재료를 만들고 있으며 이를 활용해 우수한 성능의 광전소자를 개발하기 위해 노력하고 있습니다”라고 밝혔다.
새로운 개념의 전도성 고분자 섬유 개발
현재 김 교수는 전도성 유기고분자 소재 개발에 집중하고 있다. “다양한 환경의 변화를 감지할 수 있는 소재를 개발하고 있으며, 간단한 감지 키트부터 복잡한 소자를 활용한 시스템까지 적용할 수 있습니다”라며 그는 “특히 이온을 검출하기 위한 소자를 개발하고 나아가 이온의 감지에 따른 전기신호의 변화가 나타나는 인공 신경전달 체계를 개발해 AI와 접목하는 것에 중점을 두고 있습니다. 더불어 이러한 소재를 섬유화하여 스마트섬유 소재를 개발하는 것도 궁극적인 목표입니다”라고 설명했다. 여기서 그가 마지막에 강조한 스마트섬유는 전도성 고분자 섬유로 헬스케어 모니터링, 동작 센서, 컴퓨팅 에너지 생산 및 저장과 같은 융합 ICT 분야에서 중요한 소재로 주목받고 있다. 김 교수는 기존에는 p형 전도성 고분자 섬유 개발에만 연구가 치중돼 n형 전도성 고분자 섬유의 개발이 시급하다고 알리며 n형 전도성 고분자 소재로 누구도 생각하지 않았던 새로운 방식의 섬유화 및 직물화 연구를 선도하고 싶다고 밝혔다. 이에 그는 ‘직물형 전자파 차폐 소재와 불균일계 광촉매를 위한 n형 전도성 고분자 자립형 필름 및 가연 방적사 개발’ 주제로 2024년도 중견연구(창의연구형) 신규과제에 선정돼 연구를 진행하고 있다. “평면성 및 결정성이 우수한 이방성(異方性) 전도성 고분자 소재를 개발하면 섬유처럼 방적이 가능할 것으로 생각합니다. 이 방법은 기존에 없던 새로운 방법으로 새로운 개념의 전도성 고분자 섬유의 탄생을 기대합니다” 김종호 교수는 여기에 덧붙여 그가 학위 중 연구했던 발광 고분자 나노입자에 관한 연구도 소개했다. “저의 처음 아이디어로 탄생한 제 아이와도 같은 연구입니다. 고분자 입자의 크기에 따라 발광 색이 달라진다는 것은 정말 큰 발견이었고, 그만큼 큰 애착을 갖고, 상용화하기 위한 연구를 계속하고 있습니다”
“우리는 밥을 같이 먹는 식구(食口), 서로의 미래를 같이 만들고 있다”
바쁜 와중에도 시간을 내서 학생들과 같이 밥을 먹으려 노력한다는 김종호 교수는 “밥을 같이 먹으면 식구잖아요. 우리 연구실 학생들이 식구처럼 서로 응원하고 서로의 미래를 같이 만들었으면 합니다”라고 말했다. 그는 연구실을 꾸리고 운영함에 지도교수님의 영향을 많이 받았다며 “제가 교수로 첫발을 내디딜 때도 충남대 이택승 지도교수님께서 많이 응원하고 지원해주셨습니다. 정말 감사드립니다. 저는 어떤 기관을 갈 때마다 저를 도와주시는 많은 분이 계셨습니다. 인복 많은 행운아라고 생각합니다”라고 말하며 웃어 보였다. 그는 학생들에게 ‘왜?’를 강조하며 그 원인을 통해 일어날 수 있는 모든 일을 상상해보라고 조언한다. 사소한 호기심이 후에는 사회에 긍정적인 영향을 미칠 수도 있기 때문이다. 그도 자신의 연구가 산업적으로나 사회적으로 좋은 영향을 끼칠 수 있도록 상용화를 염두에 둔다고 밝혔다.
섬유 전공자로서 김 교수는 섬유산업이 점점 잊히고 있는 것에 아쉬움을 표했다. “섬유가 될 수 있는 소재는 모든 곳에 쓰일 수 있다는 장점이 있습니다. 그런 의미에서 섬유를 연구하면 많은 분야에 응용할 수 있기에 섬유공학과 섬유산업이 사라지지 않고 명맥을 계속 유지해나갔으면 좋겠습니다”
아내를 위한 고굴절안경과 음악 듣기를 좋아하는 자신을 위한 작지만, 소리가 좋은 스피커 등 김종호 교수는 주변의 모든 것에 호기심을 갖고 어떻게 자신의 과학지식으로 풀어낼 수 있을지를 고민한다. 그의 유기고분자 합성이 더 기대되는 이유다. 그의 고민이 만들어 낼 획기적인 물질과 물건을 기대하며 다차원유기재료연구실의 행보를 응원한다.
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