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김범준

한국과학기술원, 화학공학

내구성 높은 블록 공중합체 탄화입자와 고성능 연료전지 개발

공적 요약

간단한 공정으로 높은 내구성을 가지는 블록 공중합체* 탄화입자를 제작하고, 이를 통해 고성능 연료전지 개발에 성공하여 수소경제 활성화

구체적 내용

김범준 교수는 고기능 분리막을 이용한 멤브레인 에멀전 방법으로 높은 내구성의 탄화입자를 대량 생산하는 플랫폼을 개발하고, 이를 이용해 연료전지 환원극 및 태양전지 등의 고성능 에너지 소자를 성공적으로 개발하였다. 연료전지 전극 등 여러 에너지 변환장치에 사용되는 고분자 탄화입자는 입자의 모양 및 내부 구조에 따라 성능과 신뢰성이 좌우된다. 연구팀이 설계한 탄화입자는 세계 최고수준의 연료전지 구동 내구성을 보였다. 또 연료전지의 주요 재료인 고가의 백금을 기존 상용제품 대비 1/20만 사용했음에도, 높은 성능을 달성해 연료전지의 내구성과 가격 경쟁력을 동시에 확보하였다.

주요경력
2008. 10. ~ 현재 한국과학기술원 생명화학공학과 교수
2018. 3. ~ 현재 KAIST Endowed Chair Professor
2019. 3. ~ 2020. 2. 미국 조지아공대 방문교수
2018. 1. ~ 현재 미국화학회지 Chemistry of Materials 편집자문위원
2018. 1. ~ 현재 영국화학회지 J. Mater. Chem. A 편집자문위원
2017 ~ 2020 미국화학회지 Macromolecules/ ACS Macro Letters 편집 자문위원
주요학력
2000. 9. ~ 2006. 6. 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스 화학공학, 박사
1994. 3. ~ 2000. 2. 서울대학교 화학공학/응용화학부, 학사

유럽의 산업혁명이 완성돼 가던 18391, 독일의 화학자에 의해 세상에 처음 알려진 연료전지는 이제 기후변화와 에너지 위기를 타계할 고효율·친환경 미래 에너지로 주목받고 있습니다. 1960년대 아폴로 우주선을 통해 새로운 연료공급 패러다임을 제시한 데 이어 현재는 자율주행 기술과 결합하여 새로운 미래상을 준비하고 있습니다. 최근 한국과학기술원 김범준 교수는 연료전지의 핵심 소재이지만 가격이 비싸고 매장량이 적은 백금의 사용을 기존보다 1/20로 줄이고, 동시에 연료전지의 내구성을 높이는 제작 방법을 제시하며 연료전지의 경쟁력 강화에 힘을 보탰습니다.

김범준 교수는 고분자 물리와 고분자 화학, 고분자를 이해하는 두 분야의 학문적 경험을 토대로 독창적인 신소재 개발을 이끌어온 한국의 젊은 과학자입니다. 그는 블록 공중합체 입자의 모양 조절, 무기 하이브리드 입자제작, 나아가 이의 연료전지 및 태양전지 등의 응용 등을 통해 다양한 학문적 성취와 산업의 발전에 기여해 왔습니다. 2021년 신축년 새해를 맞아 호랑이같이 예리한 통찰력으로 앞을 보되, 소처럼 우직하게 걸어간다는 호시우보(虎視牛步)의 자세로 연구에 더욱 매진할 뜻을 밝힌 김범준 교수의 연구 이야기를 소개합니다.

2021년 새해 첫 이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상 소감 한 말씀 부탁드립니다.

먼저 과분한 상을 받게 되어 영광입니다. 2008년 한국과학기술원에 부임해 독립적인 연구를 시작했는데요. 그동안 자유롭게 연구를 진행할 수 있도록 지원해주신 과학기술정보통신부와 한국연구재단에 감사드립니다. 무엇보다도 KAIST PNEL(Polymer Nano Electronics Lab) 연구실의 구성원 및 모든 졸업생의 기여와 열정이 없었다면 이번 수상은 불가능했을 겁니다. 그동안 좋은 환경에서 안정된 연구를 할 수 있도록 도와주신 학교와 생명화학공학과 교수님들께 감사드립니다. 그리고 공동연구를 함께 진행해온 국내외 많은 연구자와 연료전지 연구를 같이 진행해준 이현주, 정유성 교수님께 감사 말씀드립니다.

기능화된 고분자와 전도성 고분자를 비롯해 연료전지, 유기 태양전지 등 유무기 복합소재 연구를 통해 다양한 성과를 도출하셨습니다. 교수님의 주요 연구 주제에 대해 소개해주세요.

저는 연구실 구성원들과 함께 고분자 기반의 고성능 신소재 설계와 개발 연구에 매진해왔습니다. 특히 태양전지, 연료전지와 같은 소자는 저희가 개발한 소재의 특성을 이해하는 매우 훌륭한 플랫폼입니다. 이들 소자를 통해 더 나은 소재를 설계하는데, 도움을 받고 있습니다. 또한, 저희는 오랫동안 친환경, 고신뢰성 태양전지를 개발해왔습니다. 현재는 몸에 착용 가능한 늘어나는 태양전지, 고성능 연료전지 소재, 외부환경에 따라 색과 기능이 변하는 스마트 소재 등의 연구를 활발히 진행하고 있습니다.

과학자로서 고분자 분야에 관심을 갖게 된 계가 있나요?

군대를 다녀와 학부 4학년에 복학하며 차국헌 교수님 수업에서 고분자라는 학문을 처음 접했습니다. 당시 학부생 신분으로 돌가루를 혼합하여 고분자의 기계적 강도를 개선하는 연구를 진행했습니다. 현재는 자동차 범퍼 등에 많이 사용되는 물질인데요. 그때부터 고분자라는 학문에 흥미를 갖게 되었습니다. 이후 미국에서 박사학위를 하며 지금은 돌아가신 에드워드 크레이머(Edward Kramer) 교수님 지도하에 고분자 물리를 공부했습니다. 또 2년의 박사후연구원 기간 동안 고분자 화학을 접하며 고분자 학문의 주된 두 분야를 체계적으로 경험할 수 있었습니다. 당시 제가 참여한 연구 분야는 응용보다는 기초에 가까웠는데요. 이때 경험들이 한국과학기술원 부임 후 본격적으로 연구 중인 스마트 하이브리드 소재, 태양전지 등 여러 응용소자를 좀 더 원론적으로 접근하고 이해하는 데 많은 도움이 되었고, 나아가 다른 연구그룹들과 차별화된 연구접근법을 개발할 수 있는 원동력이 되었습니다.

최근 블록 공중합체 입자 기반의 제조 플랫폼과 초고성능 연료전지 개발을 통해 독창적이고 진보적인 연구성과를 보여주셨습니다. 연구내용과 의의에 대해 소개해주세요.

연료전지가 시장에서 경쟁력을 갖추려면 ‘성능, 내구성, 가격’ 세 가지 조건을 충족해야 합니다. 먼저 고내구성은 강산성 조건에서 작동하는 연료전지의 탄소입자 안에 백금촉매가 안정함을 의미합니다. 또한, 반응이 일어나는 탄소 입자 내부에 존재하는 촉매까지 반응물과 생성물이 원활하게 이동해야 합니다. 이번에 제작한 탄소 입자는 넓은 표면적의 나노채널 형태의 구조로 반응물/생성물의 원활한 이동이 가능하고, 연료전지 촉매(백금)에 자발적으로 얇은 탄소 막이 형성되면서 높은 내구성을 보이는 것이 특징입니다. 더불어, 기존 상용화된 촉매의 1/20양에 불과한 극소량(1wt%)의 백금을 사용하면서도 더 우수한 전력 밀도를 보여 높은 경제성도 확보하였습니다. 즉, 본 연구를 통해 가격과 성능 면에서 세계 최고의 결과를 얻음으로써 수소-연료전지 상용화의 가장 큰 걸림돌인 값비싼 백금촉매의 사용량을 줄이고 상용화로 가는 중요한 단서를 제시하였습니다. 구조 및 특성이 제어된 탄화입자를 대량으로 제작하기 위해 구조가 제어된 블록 공중합체 입자를 먼저 만들고, 이를 고내구성의 탄화입자로 바꾸는 전략이 주효했던 것 같습니다.

블록 공중합체 입자란 무엇인가요? 또 이를 기반으로 만든 제조 플랫폼에 대해서도 설명해주세요.

블록 공중합체란 서로 다른 두 가지 고분자가 붙어있는 분자를 의미합니다. 자발적으로 상분리를 일으켜서 나노 단위의 구조체를 얻을 수 있습니다. 이번에 개발한 블록 공중합체 입자 제조 플랫폼은 구조 및 모양이 제어된 블록 공중합체 입자를 대량으로 매우 균일하게 만들 수 있습니다. 즉, 연료전지를 제작하는데 필요한 내부구조를 가지는 탄화입자를 대량으로 만들 수 있습니다. 또한, 사용되는 새로운 블록 공중합체 개발을 통해서 연료전지 촉매에 얇은 탄소 막을 자발적으로 형성할 수 있었고, 매우 높은 연료전지 내구성을 확보할 수 있었습니다.

연료전지뿐만 아니라 다양한 자극에 감응해 모양 및 색이 조절 가능한 스마트 고분자 입자, 신축성을 갖는 휴대 가능한 태양전지 개발 등에서도 다양한 성과를 도출하셨습니다. 관련 연구 내용과 의의도 설명해주세요.

앞서 실험실에서 진행 중인 연구주제를 간단히 말씀드렸는데요, 그중에서도 신축성 있는 태양전지에 많은 관심을 갖고 연구를 진행하고 있습니다. 최근 태양전지, 디스플레이 등 많은 전자소자들이 몸에 착용가능하면서도 휴대 가능한 형태로 개발되고 있습니다. 사람들에게 필요한 많은 정보를 실시간으로 제공해 줄 뿐만 아니라, 평소 건강관리뿐만 아니라 몸의 이상신호나 주변의 위험을 감지하는 데도 크게 도움이 될 것으로 기대됩니다. 이들 소자를 인체에 부착하려면 인체의 활동으로 여러 부위가 움직일 때도 소자들이 기계적 신축성을 유지하고 안정해야 합니다. 우리 연구실은 신축성 있는 태양전지에 필요한 탄성을 갖춘 고성능의 고분자 기반 신소재를 개발하고 있습니다. 특히, 신축성 있는 태양전지는 휴대가 가능하면서도 신축 시 더 많은 면적에서 태양에너지를 전기로 전환할 수 있어서 현재 태양전지의 문제로 화두가 된 태양전지 설치에 필요한 넒은 면적이나 관련된 환경문제를 획기적으로 해결할 수 있을 것으로 기대합니다.

고분자의 원리규명에 그치지 않고 삼성전자, 현대자동차, 삼성디스플레이 등과 산학공동연구를 하며 실용화를 위한 큰 노력을 기울이셨습니다. 기억에 남는 협력사례도 소개해주세요.

공학자의 연구는 학문의 수월성 확보도 중요하지만, 삶의 질을 향상시키고 삶을 보다 편리하게 하는데 사용될 수 있는 기술을 개발하는 것이 매우 중요합니다. 저뿐만 아니라 모든 공학자에게 당연한 숙명과도 같습니다. 따라서 저희 소재를 이용할 수 있는 여러 회사와 연구 기회를 찾고자 노력하였고요. 말씀하신 삼성디스플레이, 현대자동차 이외에도 여러 중소기업과 협업을 하며 2019년과 2020년에 한라폴리텍 그리고 오리온이앤에스라는 업체에 전도성 고분자 소재 관련 각각 1건의 기술을 이전하였습니다. 이들 업체에서는 오토바이 운전자를 위해 실시간 정보나 운전 편이성을 제공해주는 스마트 헬멧 등을 개발하고자 하는데, 저희 기술이 제품개발에 직접 기여를 할 전망이라 더욱 기대가 됩니다.

전기자동차 시장은 물론 군사, 항공우주 등 다양한 분야에서 연료전지 시장이 점차 확대되고 있습니다. 교수님의 다양한 연구성과가 국민들의 삶, 나아가 산업의 발전에 어떠한 기여를 하길 기대하시나요?

전기자동차뿐만 아니라, ‘자율주행’ 혹은 ‘스마트 모빌리티’기술이 화두가 되면서 배터리를 비롯해 연료전지와 같은 고성능 에너지 소자의 중요성이 더욱 확대되고 있습니다. 자율주행에서는 차량을 움직이는데 필요한 에너지원뿐만 아니라, 주행하는 동안 위험을 감지하고 정보를 수집하는 수많은 센서 및 전자장치에 필요한 수많은 데이터를 처리하기 때문에 현재의 이차전지만으로는 그 전력수요를 감당하기 어렵습니다. 또한, 트럭 등 대형 차량의 경우는 고용량 에너지변환장치가 필요해서 수소기반의 연료전지가 타겟하는 주요시장입니다. 그리고, 태양전지, 풍력 등 다양한 신재생에너지 생산이 확대될 것으로 보이는데, 잉여의 에너지원을 저장해서, 안정적인 에너지 공급이 필수적인데요, 수소는 중요한 에너지 저장수단이 될 것으로 보입니다. 우리 연구실에서 개발해온 결과들이 연료전지 및 태양전지를 통한 친환경 에너지 제공뿐 아니라, 여러 분야에서 국민들의 삶에 편리성과 질을 향상하는데 기여할 수 있으면 좋겠습니다.

영국과 미국의 학회지 편집/자문위원 활동을 비롯해 많은 학회에서 초청강연을 하셨습니다. 최신 연구현장에서 누구보다 먼저 기술 개발 속도와 발전을 체감하실 텐데요. 고분자를 통해 새롭게 펼쳐질 미래에 대한 기대도 한 말씀 부탁드립니다.

2020년은 고분자 학문이 태동된 지 100주년이 되는 해입니다. 독일의 과학자인 슈타우딩거(Staudinger) 교수가 처음 고분자화(polymerization)라는 개념을 1920년에 발표했는데요. 이를 기념해서 제가 편집자문위원으로 활동하던 미국화학회지의 ACS Macro Letters 저널에서도 100주년 특집호를 출판했습니다. 100년의 짧은 역사에도 불구하고, 고분자는 우리 생활에서 떼어낼 수 없는 가장 중요한 소재 중에 하나가 되었습니다. 최근에는 고분자가 환경에 미치는 영향에 관심이 높아지면서 고분자의 친환경적인 활용 뿐 아니라 생산방법도 중요해지고 있습니다. 가까운 미래에는 이에 대한 해법을 고려하여 고분자 소재를 개발 및 활용하는 것이 선택이 아닌 필수가 될 것으로 예상됩니다. 포장재나 의류, 자동차 부품 등에 사용되는 범용 고분자 소재뿐 아니라 엔지니어링 플라스틱, 전자소재, 의약용 소재 등 고부가 가치를 가지는 고분자 소재가 수많이 사용되고 있는데요. 고분자가 가지는 가공성과 유연성, 경량성을 활용한 고부가가치를 가지는 정밀복합소재 용도에 대한 활용이 더욱 더 커질 것으로 기대합니다. 저희가 진행하고 있는 유연 전자소자용 소재나 연료전지 전극, 안전한 전고체전지를 위한 고분자 전해질 등도 이런 좋은 예가 될 것으로 생각합니다.

평소 생각하는 과학자의 삶, 연구에 임하는 기본자세에 대해서도 말씀해주세요.

공학은 학문의 수월성 확보와 더불어 우리 삶에 실질적인 영향을 미치고, 개선하는데 사용되는 것이 중요합니다. 그러기 위해서는 이러한 부분을 해결해줄 수 있는, 중요한 문제를 인지하고 찾는 것이 연구자에게 중요한 일 중 하나라고 생각합니다. 우리가 살아가는 현대사회는 문제들이 더욱 복잡해지면서, 서로 다른 분야와의 융합과 협업이 더욱더 중요해지고 있습니다. 이러한 문제는 나 혼자서 풀 수 있는 것이 아닙니다. 따라서 문제를 같이 풀 연구자를 찾고, 서로 동기부여를 하면서 협업하는 것이 매우 중요합니다. 상대방의 연구결과를 존중하고 서로의 입장을 이해하려고 하는 것도 중요한 자세라고 생각합니다.

연구실을 이끄는 스승으로서도 많은 역할을 하셨습니다. 평소 연구자로서, 스승으로서 학생들과 연구실 구성원들에게 강조하는 내용은 무엇인가요?

우리의 연구주제는 혼자 힘으로만 해결하기 어렵습니다. 따라서 주변 친구들과 협업하는 자세와 리더십에 대해 강조하고, 중요한 문제를 찾을 수 있도록 동기부여를 하고 있습니다. 동료 연구자와의 페어플레이도 중요한 덕목임을 강조합니다. 또한, 연구 외적인 부분에서는 본인이 성장할 수 있는 좋은 롤 모델 (role model)을 찾으면 좋겠습니다. 선생님뿐만 아니라, 친구나 동료연구자도 좋은 롤 모델이 될 수 있을 것 같은데, 저 역시도 이런 롤 모델들 덕분에 지금까지 성장할 수 있어서 그 분들께 감사하다는 말씀을 드리고 싶습니다. 학생들이 졸업 후 사회에 나가면 어느 분야에서든지 리더로 성장하리라 기대하고 있습니다.

지금까지의 연구성과를 기반으로 앞으로 도전하고 싶은 목표는 무엇인가요? 더불어 2021년을 맞이하는 교수님의 개인적 계획과 꿈도 들려주세요.

2020년은 예상치 못했던 코로나로 전국민이 너무 힘든 해였습니다. 2021년에는 코로나가 종식되어 모두가 건강하고 웃음이 가득한 한해가 되면 좋겠습니다. 개인적으로도 예전처럼 해외연구자와 학회에서 발표하고 교류할 수 있는 즐거움을 다시 찾으면 좋겠습니다. 가족과도 집밖 활동을 편하게 할 수 있게 되면 좋겠네요. 연구적으로는 올해 특별한 목표가 있다기보다는, 지금보다 나은 연구자와 선생님이 되도록 노력하고 싶습니다. 2020/2021년 4명의 제자가 여러 학교 교수로 부임하게 되어서 매우 기뻤고요, 또 다른 여러 제자들이 연구소와 기업에서 훌륭한 역할을 하고 있어서 매우 자랑스럽고 고맙게 생각합니다. 졸업생과 현재 저희 실험실 구성원들이 자부심을 가지는 연구실이 되도록 유지하는 것이 하나의 목표이고요. 저희가 하는 연구결과가 중요한 원천기술을 확보하고 산업적으로 잘 연결이 될 수 있도록 연구주제들을 고민하고 열심히 공부할 생각입니다.

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