작년 서울과학기술대학교(이하 서울과기대) 에너지환경대학원에서는 두 명의 국내외 전임 교수를 배출했다. 국립 한국교통대의 전임교수로 임용된 정용진 박사와 인도네시아공대(Institut Teknologi Indonesia; Indonesian Institute of Technology) 화학공학과 전임교수로 임용된 마르셀리너스 크리스트와르다나(Marcelinus Christwardana) 씨가 그 주인공들이다.

그들이 몸담았던 서울과기대 에너지환경대학원 신에너지공학과는 연료전지 및 폐자원 에너지의 이론·실험 연구와 관련된 다양한 프로그램을 운영하며 신재생에너지 분야의 전문 인력을 양성하고 있는 학과다. 지난 한해에 두 전임교수를 배출하는 결실을 맺은 신에너지공학과의 성과를 높이 사며, 권용재 교수 및 연구원들과의 만남을 가졌다.


  ▲ 에너지환경대학원 신에너지공학과 에너지환경재료 및 공정연구실(EEMP Lab)

Q. 신에너지공학과에서는 지난 한 해 동안 전임교원 2명을 배출했다. 학과에서 이러한 성과를 이룰 수 있었던 가장 주요한 비결이 무엇이라고 생각하는지?

▲ (권용재 교수) 전임교원 배출의 비결은 크게 네 가지다. 첫째, 무엇보다도 해당 학생들을 비롯한 우리 학과 대학원생들의 개인역량이 우수했다. 전반적으로 에너지환경 대학원 입학생의 수준이 상당하다. 그러다보니 학생들 간 시너지효과도 나타났다. 특히 정용진 교수나 마르셀 교수 예정자의 경우 본인의 탁월한 노력이 그 역량을 극대화했다.

둘째로, 학교본부, 에너지환경 대학원 내 타과 및 신에너지공학과와 연계되어 있는 화공생명공학과 소속 교수들의 가르침과 도움이 유효했다. 학교본부 측의 경제적 지원, 에너지환경 대학원 타과 교수들의 인력양성사업, 화공생명공학과 교수들의 연구 공간 및 기자재 공유가 한데 맞물렸다. 이런 배경은 뛰어난 성과의 기반이 되었다.

셋째로는 맞춤형 커리큘럼 운영 및 세미나 진행을 들 수 있다. 우리 신에너지공학과는 연구주제 맞춤형으로 수업을 진행했고, 세미나 수업 등을 통해 고루한 강의가 아닌, 새롭고 흥미로운 주제들에 관한 디테일한 강의 및 질의응답을 주도했다. 또한, 수시로 외부 에너지분야 최고 전문가를 모셔 세미나를 개최하여 최신동향 및 선진기술을 지속적으로 업데이트하고 공동연구도 진행했다.

넷째, 우리 연구실 내 그룹미팅 및 그룹별 미팅이 큰 도움이 되었다. 미팅에서 학생들은 연구결과의 중간발표를 했다. 이는 학생들이 취약점을 스스로 깨닫고 성장하는 계기가 되었으며, 외부 발표 시 더욱 능숙한 감각으로 임하게 되는 긍정적 효과도 있었다.   


  ▲ 에너지환경재료 및 공정연구실(EEMP Lab) 주간회의. (왼쪽부터) 이탈리아 출신으로 본 랩에 박사후 과정으로 있는 도메네코 프라티니 박사, 권병완 초빙부교수, 권용재 교수, 본 랩 출신 정용진 한국교통대 교수, 인도네시아공대 교수로 임용이 확정된 마르셀리너스 크리스트와르다나 박사과정생

Q. 에너지환경분야의 타대학 석박사 과정과 비교하여 우리대학 에너지환경대학원 신에너지공학과만의 차별화된 커리큘럼 및 교육방식은 무엇인가?

▲ (권용재 교수) 신에너지공학과의 커리큘럼 및 교육방식은 앞서도 말했다시피, 연구주제 맞춤형 수업과 전문적 세미나 진행을 통해 최신동향 및 선진기술을 지속적으로 업데이트한 것이 차별점이다. 학과의 규모가 크지 않아 이러한 업데이트의 반영이 신속하게 이루어졌다.

Q. 신에너지공학과 박사과정은 학술연구중심의 학술학위(Ph.D)뿐만 아니라 실무형 현장중심의 전문학위(D.Eng.) 과정을 운영하고 있는데, 전문학위 분야의 주요 진출분야는? 

▲ (정용진 한국교통대 교수) 에너지환경대학원은 학술학위와 함께 전문학위를 운영한다. 전문학위에서는 현장 경험에 기반을 둔 실천적 이론의 이해 및 실무위주의 프로젝트 운영이 핵심이다. 학술학위와 달리 새로운 학문분야의 개척보다는 현업의 다양한 문제해결을 통한 현장형 인력양성에 집중하고 있다. 주요 진출분야로는 에너지분야의 각 기업 및 공공기관 등 실무적 지식이 직접적으로 필요한 산업분야와, 각 기업의 개발팀 및 생산기술 관련 정부연구기관 등 실무적 연구를 수행하는 연구기관을 꼽을 수 있다.

실전에 강한 인력 양성이 전문학위의 주된 가치라는 점에서 학술학위와 차별점이 있었다. 실제로도 신재생에너지가 이론의 껍질을 깨고 우리의 삶에서 상용화될 날이 그리 머지않았다고 생각된다. 작년에 출범한 새 정부는 기존과 다른 에너지 정책을 수립했다, 이전 정부에서 원자력 에너지를 우선으로 하는 정책을 진행했던 반면, 현 정부에서 주목하고 있는 것은 신재생에너지였다. 권병완 교수를 비롯한 신에너지공학과 연구진 또한 이 점을 누구보다 잘 파악하고 있었다. 이처럼 신재생에너지의 전망이 여느 때보다 중요하게 여겨지는 시점에, 신에너지공학과에서 가장 회자되는 연구 주제는 무엇인지 질문해보았다.

Q. 에너지·환경 문제는 미래사회 인간의 행복추구와 가장 가깝게 맞닿는 중요한 의제가 될 것 같다. 최근 신에너지공학과에서 다루는 연구주제 중에서 가장 첨예한 주제는 무엇이며 어떠한 연구성과를 거두고 있는가?

▲ (권용재 교수) 신에너지공학과, 특히 우리 ‘에너지환경 재료 및 공정 연구실’에서 다루는 연구주제 중 가장 첨예한 주제는 에너지 전환 (Energy Conversion System) 및 에너지 저장 기술 (Energy Storage System)이다. 우리는 에너지전환 기술로 첨단 연료전지 (Cutting Edge Fuel Cell) 기술을 개발하고 있고, 에너지 저장 기술로는 레독스 흐름 전지 (Redox Flow Battery, 이하 RFB)를 개발하고 있다. 특히 네 가지 방향에 주력한다. 


  ▲ 에너지환경재료 및 공정연구실의 레독스흐름전지 팀. 왼쪽부터 화공생명공학과 4학년 서범창 학생, 박사과정 양승원 학생, 석사과정 문성은 학생, 권용재 교수, 석사과정 이원미 학생, 박사과정 노찬호 및 아그네시아 파마타사리 학생, 권병완 교수

첫째, 인체삽입용 의료용 연료전지 및 배터리를 바탕으로 한 소재 및 소자 개발이다. 우리나라도 2025년 초고령사회로 진입이 예상되어, 노인들의 건강관리/질병치료를 위한 IT헬스 기술 발전이 필수적인 상황이다. 이를 위해 인체삽입형 소자 개발이 필요하다. 하지만 현재까지 전자 약, 인공혈관 및 장기 등 인체삽입형 소자 개발 성공사례가 거의 없다. 이에 본 연구실은 (i) 체액이용 미세전력 발생 및 저장 장치, (ii) 생체적합형 소재기술, 및 (iii) 인공혈관 삽입형 생체소자 집적기술에 대한 연구를 유기적으로 진행하여, 요소기술들의 난제를 해결하고 인체삽입형 소자의 실용화 기술 개발을 추진한다.  


  ▲ 인체삽입용 의료용 연료전지 개념을 포함한 생체적합 소재기반 에너지자립형 인공혈관 모식도 (서울과기대 윤현식, 구형준 교수, 한국교통대 정용진 교수, 중앙대 최종훈 교수 공동연구)

둘째, 피부 및 피복 부착형 기기에 대한 전기전원을 공급하고 휴대하면서 쉽게 충전할 수 있는 시스템 개발이다. 인공지능 및 사물 인터넷 등이 활성화되기 위해서는 모든 전지기기들이 통합 웨어러블 시스템을 통해 초연결되는 구조가 요구된다. 이때 가장 중요한 것은 통합 웨어러블 소자들이 잘 구동될 수 있도록 안정적으로 전기전원을 공급하고 휴대하면서 쉽게 충전할 수 있는 시스템을 개발하는 것이다. 이를 위해 본 연구실은 (i) 인체 및 의복 부착형 웨어러블 기기 구동에 필요한 전력 발생장치 및 저장 장치, (ii) 관련 소자 집적 기술, 및 (iii) 친환경 소재 기술에 대한 연구를 유기적으로 진행하여, 요소기술들의 난제를 해결하고 관련 소자의 실용화 기술 개발을 추진한다. 


  ▲ 피부 및 피복 부착형 전기전원 공급 개념을 포함한 생체친화형 휴대용 에너지 시스템 모식도 (서울과기대 김철, 윤현식, 구형준, 안지환 교수 공동연구)

셋째, 대용량 배터리 개발이다. 우리나라는 현재 태양 전지나 풍력 발전을 기반으로 하는 신재생에너지를 주목하고 있다. 그러나 지금의 기술 수준으로는 신재생에너지가 원자력, 화력과 같은 주요에너지원을 완전히 대체할 수 없다. 따라서 발전소를 장기적·점진적으로 폐기해나가며 에너지원 전환의 시간을 벌어야 한다. 기술력 확보와 에너지 저장 시스템 개발이 중요한 시점이다. 그래서 우리 연구실은 리튬 배터리와 경쟁하거나, 또는 보조적인 역할을 할 수 있는 RFB 개발에 역점을 두고 있다. 기존의 바나듐뿐만 아니라 비금속 수계 유기물을 활물질로 이용해 유의미한 결과를 도출해내고 있다. 이러한 기술은 필연적으로 촉매, 멤브레인 (막), 배터리 스택 기술의 발전을 불러오므로 기본적 연구 및 실용화 모두를 만족할 수 있는 주제다.


  ▲ 화공생명공학과 학부 4학년 이형철 학생이 Potentiostat 장비를 이용한 전기화학 분석 실험을 하고 있다.

넷째로, 전통적인 고온/저온 수소연료전지 및 개미산연료전지 기술 개발이다. 이러한 고전적인 연료전지 기술은 수소전기차나 가정용 발전기, 전기자전거/스쿠터/카트 등의 구동기기로 그 개발 및 최적화 기술이 매우 필요한 분야이며, 우리 연구실의 초기부터 집중해서 연구했던 분야이기도 하다. 현재는 관련 촉매 기술 최적화에 의한 전극 개발, 구동을 위한 산화/환원 반응 기작 모델링, 연료전지 셀 최적화 기술 등에 노력을 다하고 있다.

이러한 노력이 모여 지난 3년간 약 30여편의 SCI 논문을 출간했고, 그중 80% 이상을 JCR 상위 10%에 발표하는 쾌거를 이뤘다. 한국에너지기술평가원 및 한국산업기술진흥원의 펀딩 agency 로부터 관련 과제도 꾸준히 수주할 수 있었다. 그 결과 2017년부터 한국화학공학회에서 박사과정 학생들이 꾸준히 구두발표상을 수상하였고, 실제 개발로 우수과제 포상을 받았으며 (2014년 산학연 서울지역협회 최우수과제상 및 산학연 서울지역협회 중소기업청장상), 연구실 PI로서 다수의 학술상도 수상하는 등 (권용재 교수) (2015년 한국수소 및 신에너지학회 우수 학술 논문상 및 2017년 한국화학공학회 심강논문상) 좋은 성과를 이룩했다.

Q. 석유자원이 없는 대한민국이 미래 에너지안보를 확립하고 나아가 신에너지 강국으로 도약하기 위해서 연구원들 한사람, 한사람 모두가 중요한 책무를 맡고 있다고 생각한다. 각 연구원들의 연구주제와 포부를 간단히 소개 부탁한다.

▲ (권병완 교수) 에너지 최빈국인 우리나라는 세계 유가 변동에 의해 경제적 영향을 많이 받는다. 그래서 우리와 같은 연구원들은 태양열이나 태양광, 풍력, 조력, 파력과 같은 신재생에너지에 주목해야 한다. 하지만 이러한 신재생에너지는 간헐적인 저장성에 있어서 문제가 있다. 그래서 이런 신재생에너지를 다른 에너지 형태로 저장했다가 필요할 때 사용하는 에너지 저장 시스템이 중요한 요소로 작용한다. 그래서 에너지 저장 시스템 중에 하나인 RFB에 관한 연구가 주목받고 있다. 나는 RFB 중에서도 안정성과 환경 친화적인 수계 유기 RFB를 연구하고 있다. 수계 유기 RFB는 수용액 기반으로 탄소, 수소, 질소와 같은 유기물을 기반으로 산화와 환원 반응을 일으키는 두 개의 커플 반응을 이용하여 전기를 화학 에너지로 저장했다가 필요할 때 사용하는 배터리를 말한다. 이러한 연구가 잘 진행된다면 우리나라 에너지 안보에도 이바지하는 길이라 생각한다. 또한 우리나라에는 이 분야의 전문가가 많지 않아 개척자로 자리매김할 수도 있다.


  ▲ 도메네코 프라티니 박사가 효소기반 바이오촉매 합성을 위한 실험을 하고 있다.

▲ (도메네코 프라티니(Dr. Domenico Frattini) 박사후연구원) 현재 한국연구재단 해외우수신진프로그램으로 본 랩에서 연구하고 있다. 벳비오 화산과 피자의 본고장으로 유명한 이태리 나폴리에서 왔다. 박사과정중 주 연구 분야는 무기재료 합성 및 분석이었다. 현재 전기화학 분석법을 새롭게 배우고 있으며 기존의 기술과 접목된 새로운 형태의 박테리아&효소기반 촉매 개발 및 연료전지로의 이용기술에 대해 연구하고 있다. 랩 구성원들과 다양한 교류와 공동연구를 하고 있으며, 한국학생들의 연구 열의가 느껴져 무척 좋은 경험이다. 랩에서의 과정이 끝나면 한국에서 교수가 되고 싶다.

▲ (마르셀리너스 크리스트와르다나(Marcelinus Christwardana) 박사과정) 박사과정으로 본 랩에 입학한 인도네시아출신 ‘마르셀리너스 크리스트와르다나’이다. 본 연구실에서 효소기반 촉매 개발과 그 촉매를 이용한 연료전지 및 센서 관련 연구를 하고 있다. 지도교수의 도움으로 올 여름 박사 학위 심사를 거치기로 했고, 이후 9월부터 인도네시아로 귀국해 Indonesia Institute of Technology의 화공과 조교수로서 연구 활동을 계속할 것이다. 본 랩에서 많은 것을 배웠고, 구성원들 덕분에 좋은 연구 성과도 낼 수 있었다. 한국에서의 연구열정을 살려 향후에도 좋은 연구를 계속하고 싶다. 또한 이곳 서울과기대 EEMP 랩과 지속적인 교류를 하고 싶다.

▲ (아그네시아 파마타사리(Agnesia permatasari) 박사과정)  현재 수계 유기물질 흐름전지(aqueous organic redox flow battery; AORFB)에 대하여 연구하고 있다. AORFB는 아직 연구가 많이 진행되고 있는 연구 영역이다. 그렇기 때문에 앞으로 좋은 산화·환원 반응성을 가지며 값싼 활물질을 개발해야하는 것이 목표이며, 동시에 그 중 환경 친화적인 물질을 선별하여 연구를 진행 할 것이다. 추후 회사나 연구기관에서 에너지 분야에 관련된 연구원으로 일하고 싶다.


  ▲ 박사과정 노찬호 학생과 아그네시아 파마타사리 학생이 레독스흐름전지 실험을 위한 셀 조작을 하고 있다.

▲ (노찬호 석박통합과정) 에너지저장장치 (Energy Storage System; ESS)는 신재생에너지의 특징인 간헐적인 발전특성을 보조하고자 나온 개념이다. 현재는 주로 리튬이온배터리가 ESS의 대부분을 차지한다. 하지만 리튬이온배터리는 수명이 짧고 폭발의 위험이 있다는 한계가 존재한다. 그렇기 때문에 미래에 이를 대체할 수 있는 배터리 중 하나로 꼽히는 RFB에 대해서 연구하고 있다. RFB는 고체형태가 아닌 액체형태의 배터리로서, 수명이 20년으로 매우 길고 폭발의 위험이 없다. 하지만 아직 출력이 낮고 가격이 비싸 상용화가 어렵기 때문에, 전지의 성능을 올리고 저렴하게 생산을 할 수 있는 방안에 대하여 연구하고 있다. 나는 태양광, 풍력 등의 시스템을 보조할 수 있는 에너지저장장치에 대하여 연구를 진행하고 있다. 앞으로도 해당 분야에 주력해서, 나중에는 실증화 사업 및 상용품 개발에도 참여하고 싶다.

▲ (양승원 석박통합과정) 현재 고온/저온 수소연료전지 및 개미산연료전지 분야를 연구하고 있다. 이 분야는 태양광분야와 함께 신재생에너지 사업 중 상용화 가능성이 높은 분야다. 하지만 아직까지는 개발 및 활용에 있어 많은 연구와 인력이 필요하다. 이러한 연료전지 분야의 활성화 및 상용화를 위해 관련 분야에 진출하여 연구를 계속하고 싶다. 수소 및 개미산연료전지 분야의 다양한 연구 주제 중 연료의 종류와 상관없이 적은 양으로 더 많은 전력을 생산하기 위한 금속 촉매 개발과 그 측정법 찾는 것을 주된 연구 과제로 선정해 진행하고 있다. 이 연구를 통해 다른 연료를 수입하지 않고 적은 자원으로도 에너지 걱정 없이 살 수 있는 한국을 만들기 위해 힘쓰고 싶다.

▲ (지정연 석박통합과정) 바이오 연료전지는 일반적인 연료전지와 다르게 연료인 글루코스(당)와 산소만으로 전지 구동이 가능하며 장비의 소형화가 가능하다는 장점을 가진다. 당이 연료이기 때문에 혈당을 이용한 인체삽입형 소자로도 활용이 가능할 뿐만 아니라 군사용 장비로도 발전이 가능하기에 앞으로 무궁무진한 발전이 있을 것으로 예측되는 분야다. 바이오 연료전지는 기본적으로 효소를 촉매로 사용하기 때문에 아직 안정성 및 성능 측면에 있어 여러 한계를 가지고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 효소 기반 바이오촉매에 대하여 연구를 진행하고 있다. 앞으로 이러한 분야의 연구를 계속하여 상용화 가능한 바이오연료전지를 개발하는 데에 기여하고자 한다.


  ▲ 미래를 비추고 인류를 지탱하는 착한 에너지 꿈꾸는 사람들

▲ (이원미 석사과정) 현재 분야는 RFB이며, 작년 가을까지는 VRFB(바나듐 레독스 흐름 전지)에 촉매를 적용하거나 멤브레인을 적용함으로써 성능을 향상시키는 연구를 했다. 현재는 활물질로 바나듐 대신 유기물질을 사용하는 연구를 진행하고 있다. 향후 진출 희망분야는 에너지 저장 시스템을 다루고 있는 연구소에서 계속적으로 연구를 진행하는 일이다. 신에너지를 효과적으로 사용하기 위해서는 에너지를 저장하는 시스템이 필요하고, 따라서 나 또한 대한민국이 신에너지 강국으로 도약하기 위해 도움을 줄 수 있는 한 사람이 되고자 한다.

▲ (문성은 석사과정) 유기 활물질을 이용한 RFB를 연구하고 있다. 신재생에너지의 성장에 따라 ESS(Energy Storage System, 에너지 저장 장치)의 중요성이 커지고 있는데, 그 중 하나인 RFB 또한 주목을 받는다. 이는 활물질의 산화 환원 반응에 따라 충전과 방전이 가능한 에너지 저장장치로, 신재생에너지를 통한 전류를 대용량으로 저장하고 사용하는데 유용하다. 나는 이러한 반응을 일으키는 유기 활물질의 조합을 찾아내고 촉매 등을 적용하여 전지의 성능을 향상시키는 연구를 진행하고 있다. 앞으로 ESS 분야의 연구소에 진출하여 더 깊이 있는 연구를 하고 싶다. 석유자원의 고갈과 환경 문제 등 에너지 안보를 위협하는 요소가 즐비한 이 시대에, 우리나라가 신재생에너지 강국이 되기 위해서는 신재생에너지의 개발뿐만 아니라 ESS도 함께 성장해야 할 것이다. 그에 따라 우리 연구원들의 연구가 에너지안보 차원에서 매우 중요한 역할을 하고 있다고 생각한다. ESS 분야를 향상시키기 위한 연구를 진행함으로써 앞으로 빠르게 발전하는 신재생에너지와 함께 ESS 또한 성장하여 우리나라가 에너지 강국이 되기를 기대한다.


  ▲ (왼쪽 위부터 시계방향으로) 권용재 교수, 권병완 교수, 정용진 교수, 마르셀리너스 교수예정자, 도메네코 박사, 이원미 석사학생, 서범창 학부학생, 지정연 박사학생, 미국 Notheastern Univ에서 학부를 하고 이번학기부터 석사과정으로 온 킴벌리 학생, 양승원 박사학생, 문성은 석사학생, 이형철 학부학생, 아그네시아 박사학생, 노찬호 박사학생 (본 랩소속 석사과정 강수현, 박사과정 양종원, 현규환 학생은 개인사정으로 참석을 못하였다.)

세부적인 계획이나 분야는 상이하더라도, 더욱 심도 있는 연구에 매진하고자 하는 연구원들의 마음가짐은 하나같았다. 발전 그 자체를 목표로 하는 열정이 돋보이는 인터뷰였다. 특히 에너지분야 연구자로서 미래사회의 전망에 책임감을 느끼는 모습이 인상 깊다. 그들이 더욱 무궁한 기술개발의 영역으로 나아가 이름을 떨치기를 기대한다. 끊임없이 유의미한 성과를 창출하는 만큼, 그리 먼 일은 아닐 것이라고 짐작한다.

글. 서울과학기술대학교 문예홍보대사 정서진