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등록일 2009.08.24 

KAIST에서 기존의 상식을 뛰어넘는 창의적인 연구 성과가 나왔다. KAIST에 오면 자성을 띄는 얼음자석(Ice Magnet)과 얼음 안에 구현된 연료전지(Ice Fuel Cell)를 만날 수 있다.

일명 '얼음공학'. 이흔 생명화학공학과 교수가 개척하고 있는 사전에도 나오지 않는 신개념 연구 분야의 성과물들이다.

이흔 교수는 "얼음공학을 통해 순수얼음에 생명력을 불어넣어, 신소재로 활용하고 친환경 에너지 개발과 지구온난화 해결에 기여할 것"이라고 연구의 취지를 설명했다.

현재 얼음공학 연구는 KAIST만의 창의적 연구개발 테마인 HRHR(High risk High return:고위험 고수익) 프로젝트의 일환으로 진행되고 있으며, 이 교수의 얼음자석에 대한 논문(Magnetic materials: Molecular guests)은 네이처(Nature)에서 아시아·태평양 지역 최고의 재료과학 연구결과만을 발표하는 '아시아 머티리얼스(Asia Materials)' 온라인판에 지난 7월 20일 하이라이트논문(featured highlight)으로 선정, 게재되었다.

 

 

 

 

 

 

 

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화석연료의 고갈로 인한 고유가 시대의 도래, 교토의정서 등 국제환경규제 심화, 국가간 이권분쟁에 의한 에너지시장 불안 등으로 국가 간 친환경 에너지 확보를 위한 기술 전쟁이 치열해지고 있다.

 

 

이런 가운데 가장 먼저 주목받았던 것은 수소 에너지. 지구상에 수소의 원료인 물이 많고, 연소하더라도 연기를 뿜지 않는 등 수소는 미래의 무공해 에너지원으로서 인류 궁극의 연료로 각광을 받았다. 하지만 수소의 제조·저장 기술이 값싸게 대량생산할 단계에 이르지 못해 거창하게 내걸었던 '수소의 시대'는 점점 무색해지고 그 관심은 태양광으로 옮겨졌다.

 

 

수소연구자들 사이에서 "수소저장 문제가 해결이 되어야 수소의 시대가 오는데 현재 모든 현존하는 수소저장방법들이 제한이 걸려들고 있고 모든 수소연구자들이 피곤하고 좌절해 있다"는 고백이 나올 정도였다. 깊은 통찰력을 가진 한 명의 천재성 있는 과학자가 나와 기초연구에 대한 해결책을 제시해 주기를 간절히 기대하는 분위기가 계속됐다.

 

 

이때 등장한 사람이 이흔 교수다. 그는 2005년 섭씨 0도에서 수소 분자를 얼음 입자 속의 수많은 미세공간에 저장시킬 수 있는 사실을 세계 처음으로 규명하는데 성공, 세계적 과학잡지인 네이처에 가장 주목해야 할 하이라이트 논문으로 실렸다. 지구상에서 가장 보편적이고 풍부한 물질인 물(얼음)에 미량의 유기물을 첨가한 후 얼음 입자에 수많은 나노 공간을 만들어 수소를 안정적으로 저장할 수 있는 방법을 밝혀내 세계적인 주목을 받았다.

 

 

이후 이 교수는 2008년 다시 분자 대신 원자 상태로 수소를 저장할 수 있는 기술을 개발, 연구의 진일보를 이루어냈다. 수소 분자 대신 원자를 이용하는 경우 반응과 결합성이 뛰어나 새로운 수소저장 원리를 구현할 수 있어 연료전지를 비롯한 많은 수소 관련 분야에서 적극적으로 이용될 수 있게 된다. 관련 연구결과는 다시 세계적인 과학잡지인 사이언스지에 '에디터스 초이스'로 선정, 리서치 하이라이트로 소개됐다.

 

 

이때부터 본격 가동이 된 얼음공학 연구가 올해 얼음연료전지와 얼음자석 등의 성과를 내놓은 것이다.

 

 

 

이흔 교수는 "얼음 과학 및 공학의 핵심은 아무런 기능이 없는 순수얼음에 미량의 다른 성분을 넣어 얼음이 특별한 목적의 기능을 갖게 하는 것"이라며 "얼음 자체도 유기물질이므로 신소재의 원료로 이용하고 에너지 개발과 지구온난화 해결에 획기적인 역할을 하도록 한다"고 연구의 원리와 목적을 설명했다.

 

 

얼음자석과 얼음연료전지는 얼음의 신소재로서의 가능성과 새로운 에너지 개발에 대한 방법을 제시한 것이다. 또 이 교수는 발전소나 자동차배기가스에서 나오는 이산화탄소를 얼음에 저장 심해저 골짜기에 매장하는 연구를 통해 지구온난화 해결에도 얼음공학이 유용함을 검증했다.

 

 

이 교수가 처음 얼음공학을 고안한 것은 가스 하이드레이트(gas hydrate) 연구를 진행 중에 든 의문에서 비롯됐다. 가스 하이드레이트는 심해저의 저온·고압 상태에서 천연가스가 물과 결합해 생기는 고체 에너지원으로 외관이 드라이아이스와 비슷하고 불을 붙이면 타는 성질이 있어 '불타는 얼음'으로도 불린다. 이 교수는 가스 하이드레이트 분야의 권위자다.

 

 

"천연에 존재하는 유사얼음인 가스 하이드레이트를 보면서 얼음에 왜 메탄만 박혀져 있을까 생각했습니다. 그러면서 긴 터널의 구조를 가진 순수얼음이 수소·메탄 등의 가스분자들을 만나 축구공 모양의 구조로 바뀌는 독특한 특성을 발견한 것이지요. 이러한 신비한 자연현상을 발견했는데 과연 이것이 인류의 삶에 어떻게 기여할 수 있을까를 고민하면서 연구영역이 커진 것입니다."

 

 

그는 손꼽히는 창의적 연구 분야인 얼음공학에 대해서 "20년 연구의 결과"라며 "오랫동안 다양한 지식을 쌓고 자연현상을 관찰하며 집중력을 발휘했기 때문에 가능한 것"이라고 말했다.

 

 

현재 이 교수는 얼음공학의 연구 성과들이 상업적으로도 성공할 수 있는 획기적인 아이디어를 고민하고 있다.

 

 

 

발취: KAISTAR WEBZINE 2009, 08