다시 말해 물질현상의 상호관계를 밝혀서 일반적인 원리를 찾아내고, 이 같은 원리를 체계화해 여러 가지 유익한 물질을 만들어내는 것을 말한다. 서울경제 파퓰러사이언스는 3회에 걸쳐 재미있는 화학 이야기를 게재, 화학에 대한 일반의 이해를 돕고자 한다. 자료제공: 한국화학연구원
1 어둠을 밝히는 화학
인류문명의 발전사에서 어둠을 밝힌 불의 발견은 매우 중대한 사건이었다. 빛과 열이라는 두 가지 혜택을 동시에 가져다 준 불로 인해 인류는 태양이 없는 밤 시간대와 어두운 동굴 속에서도 다양한 작업을 할 수 있었다.
어둠을 극복했다는 것은 밤 시간대에 그림을 그리거나 문자를 만들어 쓰는 등 문명을 이룩하는 토대가 됐다. 특히 열은 음식을 익혀 먹을 수 있게 한 것뿐만 아니라 기온이 낮은 지역에서도 거주할 수 있는 환경을 제공해 줬다.
인류는 불의 발견 이후 동식물성 기름을 이용한 등잔불이나 램프를 이용해 빛을 만들어 냈으며, 화학적 정제과정을 통해 보다 오래 타고 보다 많은 빛을 내는 형태의 조명기구도 제작했다. 특히 석유가 발견되면서 화학적으로 정제된 연소물질을 활용해 빛을 얻게 됐고, 가스를 이용한 조명기구도 활용할 수 있게 됐다.
하지만 이 같은 조명장치에는 결정적인 결함이 있다. 바로 천연광원인 태양빛에 비해 색상을 표현해 주는 능력이 부족하다는 것. 예를 들어 태양빛 아래서 바라본 붉은색과 조명 장치 밑에서 바라본 붉은색은 서로 다르다.
인간이 사물을 보거나 색상을 구분하는 것은 빛이 어떤 사물에 충돌해 반사되는 파장을 눈으로 지각하는 것이다. 예를 들어 태양빛이 붉은색의 사물에 충돌하면 붉은색을 나타내는 파장의 빛이 가장 많이 반사되고, 이를 인간의 눈으로 감지함으로써 붉은색을 인식하는 것이다.
인간의 시각은 천연광원인 태양빛을 기준으로 진화해왔기 때문에 인간의 눈으로 볼 수 있는 빛의 영역은 350~780nm(나노미터) 대역, 즉 가시광선뿐이다. 물론 350nm 이하 대역의 파장이 짧은 자외선, 그리고 780nm 이상의 파장이 긴 적외선까지 감안하면 빛의 파장 자체는 인간의 눈이 감지할 수 있는 것보다 훨씬 넓다.
가시광선의 영역은 넓지 않지만 빨·주·노·초·파·남·보 등 7가지 색의 파장이 모두 포함돼 있고, 이 때문에 태양빛 아래서는 대부분의 색을 구분하는 것이 가능하다. 하지만 인공조명에서는 발생되는 빛의 파장 영역이 태양빛처럼 넓지 않거나 특정 부분의 색만 가지기 때문에 태양빛에서와 같은 색상 구분이 어렵다.
현재 인류에게 빛을 주는 조명장치의 혁신은 전기의 발명에 토대를 두고 있다. 전기의 발명과 함께 등장한 백열등과 형광등은 인류가 사용하는 가장 보편적인 조명장치가 됐다.
표면적으로 보면 백열등과 형광등은 화학과 무관해 보인다. 하지만 백열등에 주입돼 밝기와 수명을 연장시키는 가스, 그리고 형광등 내부에 발라져 있는 형광물질은 모두 화학에 토대를 두고 있다.
이처럼 인류의 어둠을 밝히는 기본적인 조명장치들이 화학적 연구 성과에 토대를 뒀다면 미래의 조명장치중 하나인 발광 다이오드(LED)는 보다 큰 화학적 연구 성과를 필요로 한다.
LED는 광(光)반도체에서 발생하는 빛을 이용해 어둠을 밝히는 조명장치다. LED의 개발은 동일한 전기 에너지로 보다 높은 효율의 빛을 얻는 것과 수은, 납, 카드뮴 등의 중금속을 사용하지 않기 위한 환경친화적 목적이 크다.
그래서 개발된 기술이 청색빛을 내는 광반도체 표면에 황색의 형광물질을 발라 백색에 가까운 빛을 얻어내는 것이다. 하지만 빛을 내는 광원 표면에 다른 물질을 부착하게 되면 아무래도 빛의 효율이 떨어지게 된다. 이 때문에 형광물질을 통해 백색에 가까운 빛을 내도록 하되 광원의 효율을 떨어트리지 않도록 해야 한다.
한국화학연구원 화학소재연구단의 김창해 박사 연구팀은 바로 이 같은 형광물질을 개발하고 있다. 연구팀은 이미 지난해 LED용 황색 형광물질의 개발을 완료하고 LG이노텍에 기술을 이전한 상태다.
현재 김 박사 연구팀은 조명용 고효율 LED 형광물질 개발을 진행하고 있는데, 새로운 형광물질은 한 가지 색이 아닌 3가지 색을 포함하는 형태다. 이는 기존의 청색 광원에 황색 형광물질을 결합하는 형태의 빛이 자연색과 거리가 멀기 때문이다.
김 박사는 "오는 2011년까지 3가지 색상을 모두 표현할 수 있는 형광물질의 후보물질을 개발하고 1~2년 내에 상용화할 계획"이라고 말했다.
김 박사는 형광물질, 또는 형광체로만 빛을 만들어내는 것을 미래의 가장 유망한 기술로 꼽고 있다. 이 기술은 광반도체와 같은 광원 없이 형광물질에 전기를 가해 빛을 얻어내는 것으로 벽지나 타일 같은 면(面)광원 형태의 조명장치로 활용할 수 있다.
2 신약개발의 쌍두마차, 화학과 생물학
화학과 생물학은 다른 학문이다. 하지만 신약개발에 있어 둘은 아주 가까운 친구가 된다. 예를 들어 신약개발 과정에서 얻은 후보물질은 세포단위에서의 약효를 검증받게 되는데, 이는 생물학의 영역에 속하는 것이다.
그리고 박테리아 감염을 치료하는 항생제나 바이러스 감염을 치료하는 항바이러스제를 개발하기 위해서는 무엇보다 박테리아와 바이러스의 특성에 대해 알아야 한다. 이것 역시 신약개발에 생물학이 필요한 이유다.
최근 과학의 발달로 다양한 종류의 약들이 개발되고 있지만 가장 많이 사용되는 약은 항생제와 항바이러스제다. 항생제는 박테리아를 제거하기 위해 개발된 것으로 바이러스에 감염된 환자에게는 무용지물이다. 반대로 항바이러스제는 박테리아 감염 치료에 효과가 없다.
이처럼 항생제와 항바이러스제가 달리 사용되는 것은 제거 대상이 되는 박테리아와 바이러스 자체가 서로 다른 생명체이기 때문이다. 박테리아는 가장 대표적인 미생물로 크기가 0.5마이크로미터(100만분의 1m)에서 0.5mm까지다.
버섯류의 균주, 대장균, 곰팡 이류는 물론 초등학교 과학시간에 현미경으로 관찰하는 짚신벌레나 아메바도 박테리아의 범주에 들어간다. 박테리아는 하나의 세포로서 세포막이 있으며, 영양분이 공급되는 환경이면 독자적으로 살아갈 수 있다.
바이러스는 박테리아보다 훨씬 작은 20~300nm(나노미터, 10억분의 1m) 정도며, 독립된 세포단위가 아니라 DNA 또는 RNA로 구성된 핵산과 이를 감싸고 있는 소량의 단백질로 구성돼 있다. 바이러스는 독자적으로 생존할 수 없고, 다른 세포를 감염시킴으로써 생존하는 생명체다.
일반적으로 항생제는 항바이러스제보다 개발이 쉽다. 항생제 후보물질을 개발한 후 생물학자에게 보내 세포단위의 약효검증을 하는 것이 쉽기 때문이다. 박테리아는 그람 염색법을 기준으로 양성인지, 음성인지 구분된다. 1884년 덴마크 의사인 한스 그람이 개발한 이 염색법은 세포의 박테리아 감염 여부를 판별하기 위해 개발된 기술이지만 항생제 개발에도 활용된다.
즉 그람 염색을 통해 자주색으로 염색되는 양성균의 대표적인 박테리아에 효능이 있는 물질은 대체로 양성균 대부분에 대해 약효가 나타난다. 이 때문에 모든 박테리아에 대해 일일이 약효를 검증하지 않아도 양성균이나 음성균의 대표적인 박테리아에 대한 검증만으로도 약효검증이 가능하다.
하지만 바이러스의 경우 이 같은 방식의 구분이 불가능하다. 예를 들어 헤르페스 바이러스에 대한 항바이러스제를 개발했다고 해서 이 약이 에이즈(AIDS)를 유발하는 HIV 바이러스나 인플루엔자 바이러스에 효능이 있지는 않기 때문이다.
물론 바이러스의 종류에 따라 유사성이 있는 경우 하나의 항바이러스제만으로도 약효를 얻을 수 있다. 하지만 대체로 각각의 바이러스에 대한 항바이러스제를 개발해야 하고, 바이러스마다 개별적으로 약효검증이 이뤄져야 한다.
화학과 생물학이 신약개발 과정에서 가까운 친구가 되듯이 한국화학연구원 약리활성 연구센터의 이종교 박사는 신약개발에 참여하는 생물학자다. 이 박사는 "국내에 박테리아 같은 미생물 연구자는 비교적 많지만 바이러스를 연구하는 학자는 많지 않다"면서 "특히 박테리아가 아닌 바이러스를 대상으로 약효를 검증하는 것은 매우 어려운 일"이라고 강조한다.
항생제의 경우 제거 대상이 되는 박테리아를 현미경으로 관찰하는 것이 가능하고, 항생제가 이들을 제거하는 것까지 관찰할 수 있다. 반면 바이러스의 경우 건강한 세포를 감염시켜 생존하고, 감염된 세포가 죽어버리는 상황이 되기 전에 다른 세포를 감염시켜 생존한다.
만약 항바이러스제 후보물질을 개발해 세포 단위의 약효를 검증할 때 항바이러스제가 가진 독성으로 세포를 거의 사망상태에 이르게 하면 바이러스는 활동을 중단하거나 죽어 버리는 상황도 만들어진다. 이 경우는 항바이러스제가 바이러스를 제거한 것이 아니라 건강한 세포를 제거함으로써 결과적으로는 바이러스를 제거한 것처럼 보이는 것이다.
연구초기에 이 같은 오류를 범하기도 했던 이 박사는 "경험이 많지 않은 연구자가 바이러스를 이용한 약효검증에서 간과하기 쉬운 부분이 바로 이런 것"이라면서 "표면적으로는 약효가 우수한 물질을 찾아낸 것 같지만 실제로는 건강한 세포를 죽이는 독약을 찾아낸 것과 같은 것"이라고 말했다.
그는 이어 "신약을 개발하기 위해서는 아무리 뛰어난 화학자라고 하더라도 생물학자의 손을 빌려야 하고, 그 중에서도 바이러스를 연구하는 생물학자에게 투자해야 세계시장에 내놓을 만한 신약개발이 가능하다"고 덧붙였다.
3 화학은 세상을 바라보는 창
현대인이 하루 동안 가장 많이 바라보는 것은 무엇일까. 여러 가지가 떠오를 수 있겠지만 그중에서 으뜸은 아마도 디스플레이일 것이다. TV, 컴퓨터, 휴대폰 등 현대인의 필수품이 돼버린 문명의 이기들을 생각하면 그 이유를 짐작할 수 있다.
최근에는 디지털 카메라, 내비게이션, 게임기 등의 휴대기기들은 물론 가전기기나 사무기기에 이르기까지 적용 분야를 특정할 수 없을 만큼 디스플레이의 활용도가 대폭 확대되고 있다. 디스플레이를 보지 않고 하루를 보내는 것이 불가능할 정도다.
이처럼 디스플레이는 현대인들과 가장 가까운 자리에서 세상의 다양한 정보를 제공해 주는 창(窓)이자 세상 사람들과 소통하게 해 주는 매개체가 되고 있다.
이를 보면 액정표시장치(LCD)와 발광다이오드(LED)로 대변되는 디스플레이 산업이 21세기 정보화시대를 이끌어가는 핵이며, 디스플레이를 빼놓고는 현대사회를 얘기할 수 없다는 주장이 결코 허언으로 들리지 않는다.
바로 이 같은 디스플레이 세상을 실현시킨 일등공신이 화학이다. 눈에는 보이지 않지만 디스플레이를 구성하는 모든 부품과 재료들이 화학소재와 화학공정에 기반하고 있기 때문이다. 실제 디스플레이의 대표주자인 LCD는 화학소재 및 공정을 거쳐 생산된 재료의 비중이 57%에 달한다. 회로 모듈, 백라이트 모듈, 패널 등이 모두 화학기술의 산물이다.
일례로 연성인쇄회로기판(FPCB)과 액정 배향막에는 고분자 폴리이미드(PI) 필름이 핵심소재로 사용된다. 또한 백라이트를 구성하는 반사판, 도광판, 확산판, 프리즘시트에는 폴리에스테르(PET), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)가 쓰인다.
그리고 패널부의 편광판, 컬러필터, 광학·반사필름에는 각각 폴리비닐알코올(PVA), 트리아세틸 셀룰로오스 (TAC), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르설폰 (PES) 등의 화학소재가 투입된다.
LCD 패널의 요체라고 할 수 있는 액정 역시 화학물질이다. 액정은 액체와 고체의 중간쯤에 위치한 물질로 전기가 통하면 분자들의 배열이 바뀌는 독특한 물성을 지니고 있다. 이렇게 각 액정 분자의 배열을 바꿔 빛이 투과되는 양을 조절하는 방식으로 색깔을 내는 것이 LCD 패널의 기본 원리다.
이는 비단 LCD뿐만 아니다. 종류와 기능은 조금씩 달라도 브라운관(CRT), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP), 유기발광다이오드(OLED), 능동형 유기발광다이오드(AMOLED) 등 모든 디스플레이가 화학소재들을 근간으로 만들어진다.
또 디스플레이 장치가 크고 무거운 브라운관에서 고해상도의 초박형 AMOLED로 진화할 수 있었던 것이나 이 과정에서 패널의 대면 적화, 경량화, 박막화, 광시야각화가 이뤄진 것도 화학의 힘이라 할 수 있다. 저전압 구동 능력, 내열성, 절연성, 광투과성, 평탄성 등이 개선된 화학 신소재의 개발이 선행되지 않았다면 이 같은 발전도 없었을 것이기 때문이다.
한국화학연구원 화학소재연구단의 이창진 박사는 "디스플레이는 전자제품으로 구분되지만 화학제품으로 불러도 무방할 만큼 화학기술의 결정체"라며 "이를 감안하면 우리는 화학을 통해 세상을 바라보고 있는 것과 같다"고 설명했다.
현재 화학연구원에서는 고내열성 PI 필름, 광시야각 디스플레이용 액정배향막 용액을 개발해 상용화에 성공하는 등 디스플레이 소재 전반에서 다각적인 연구를 수행하고 있다.
이중 2007년 SKC에 의해 상용화된 PI 필름의 경우 미국, 일본의 3~4개사가 독점하고 있던 기술을 국산화한 것으로 유연하게 휘어지는 플렉시블 디스플레이, 동그랗게 말리는 롤업(roll-up) 디스플레이와 같은 미래형 디스플레이 개발의 필수 소재라는 점에서 큰 의미를 갖고 있다.
이 박사는 "디스플레이 기술은 기본적으로 대면적화와 단가하락을 동시에 꾀하는 것이 핵심"이라며 "이 관점에서 미래의 디스플레이는 인쇄공정의 도입이 가능한 무기반도체 트랜지스터를 활용하는 방향으로 전개될 것"이라고 밝혔다.
기존의 유기반도체 트랜지스터는 반도체 회로를 만드는 패터닝에 5개 공정이 필요한데, 이때 90%에 이르는 원료물질이 제거되고 4~5종의 장비가 동원돼야 해 비용대비 효율성이 떨어진다는 이유에서다.
반면 무기반도체는 무기물의 용액화가 가능하기 때문에 잉크젯 프린터로 인쇄하듯 단 한번의 공정으로 박막 트랜지스터를 만들 수 있다. 그리고 이를 통해 30% 이상의 가격인하 효과를 거둘 수 있다.
물론 이를 현실화하기 위한 반도체·도체· 절연체 잉크, 절연막, 배선재료 등의 개발도 화학이 해결해야 할 과제임은 당연하다. 결국 지금까지 그래왔듯 디스플레이의 미래 또한 화학의 손에 달려 있는 셈이다.
4 미래 에너지를 만드는 화학
태양은 전 인류가 1년간 사용 가능한 에너지를 매 시간마다 지표면에 쏟아붓고 있는 천연 에너지 창고다. 잠재 에너지 규모가 무려 52억㎿에 이른다. 게다가 석유, 천연가스 등의 화석연료처럼 고갈될 우려도 없고 환경 문제도 없다.
이로 인해 태양에너지는 현재 화석연료 시대의 종식에 대비한 가장 유망하고 지속 가능한 친환경 에너지로 인정받고 있다. 혹자는 미래의 에너지 대란에서 인류를 구원할 희망으로까지 표현한다.
태양에너지가 이처럼 미래 에너지, 친환경 에너지로 주목받게 된 데는 21세기 들어 급속한 기술발전이 이루어진 태양전지가 절대적 역할을 했다. 자연 상태의 햇빛은 에너지로 직접 사용하기 어려워 이를 인류에게 유용한 전기에너지로 변환해주는 태양전지의 도움이 없다면 한낱 그림의 떡에 불과하기 때문이다.
막대한 부존량에도 불구하고 지금껏 지구촌의 태양에너지 활용 비중이 전체 에너지 사용량의 1%에도 미치지 못했던 이유가 바로 여기에 있다. 사실상 태양에너지의 미래는 태양전지의 손에 달려 있다고 해도 과언은 아닌 셈이다.
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