FUST Lab. 황보선애 부대표 인터뷰 (1)

FUST Lab은 핵심 기술 집속초음파로 영원한 화학물질이라 불리는 ‘PFAS(과불화화합물) 분해’와 ‘계면활성제 없는 나노유화’라는 두개의 큰 산업에 도전하고 있습니다. 잘 풀리지 않던 TiO₂ 에 관한 실험이 무한한 가능성을 품은 분산/유화/분해의 원천 기술이 되기까지, 그 이야기를 전합니다.

나노 입자 측정의 벽, 응집된 TiO₂를 해체한 ‘집속 초음파‘의 발견

"저희는 원래 TiO₂(이산화티타늄) 입자의 성적서를 발급해주는 일을 했어요. 그러다 한 업체에서 우리 제품은 '30나노'라며 성적서를 받으려고 파일을 보내왔죠. 분석을 위해 물에 타봤는데 이게 30나노가 아니라 2마이크로미터나 되는 거예요. 예상보다 70배쯤 넘긴긴거죠."

황보선애 당시 표준연 연구원은 TiO₂ 입자의 시험성적서를 기업으로부터 의뢰받아서 발급해주는 업무를 하고 있었습니다. TiO₂는 산업계에서 아주 광범위하게 사용되는 물질로 목적과 용도에 따라 그 입자의 사이즈가 다양합니다. 

특히, TiO₂ 이산화티타늄은 백색안료, 자외선 차단제의 주성분, 그리고 광촉매나 식품 첨가물로도 쓰이는 화학적으로 매우 안정된 무미무취의 흰색 가루로 티타늄 원자와 산소의 화합물입니다. 10-수십nm 정도의 나노입자는 광촉매나 자외선차단 용도로 사용되고, 수백nm에서 수(m)m 수준의 마이크로입자는 안료 또는 기계적 특성을 위한 용도로 사용됩니다.

TiO₂에 대한 시험성적서 발급은 늘 해오던 일상적인 업무였고, 그날도 그런 똑같은 업무라고 생각했는데, 이번 측정은 예정대로 진행되지 않았습니다. 측정하기 위해 해오던 여러 방법들을 모두 동원해보았는데도 그날따라 이 응집된 TiO₂ 덩어리들을 해체할 수 없었고, 30나노 사이즈는 더더욱 측정할 수 없었습니다. 그렇다고 고객사에 2마이크로미터 라는 시험성적을 발부할 수는 없었죠. 기관의 입장에서는 중요한 업무이고 수익인데, 그렇게 했다가는 당장 다른 시험성적기관으로 업무를 빼았기게 되었을테니까요. 

고심하던 황보선애 연구원의 머리를 스친것은 같은 연구실에서 출원한 특허인 “집속초음파” 였습니다. 당시에는 막 특허 출원이 되었을 뿐인 그저 실험실 레벨의 기술에 불과했지만, 이 초음파 에너지를 활용하면 TiO₂의 응집을 해체할 수 있지 않을까? 하는 생각이 스친 것이죠. 이에 황보선애 연구원은 조달할 수 있는 초음파 압전 소자와 다른 재료들을 얼기설기 엮어서 의뢰받은 TiO₂ 물질에 쳐보게 되었고, 그렇게 응집된 TiO₂를 초음파 에너지로 해체할 수 있다는 사실을 발견하게 되었습니다. 

이후에도 여러 과정으로 재시도를 해보면서 집속초음파를 활용하여 나노입자의 사이즈를 측정하는 방법을 정리해나갔습니다. 황보선애 연구원은 이 방법을 일종의 국제표준으로 제시할 수도 있겠다는  기대에 차있었습니다. 앞서 의뢰받은 TiO₂ 입자의 30나노 시험성적서를 무사히 발급한 것은 물론이구요. 

황보선애 연구원은 이렇게 발견한 “집속초음파를 활용한 나노입자 사이즈 측정 방법”을 대덕연구단지의 학술대회에서 소개할 기회를 얻게 되었습니다. 매년 20개 정도의 촉망받는 기술을 시장에 소개하는 자리였습니다. 무사히 발표를 마친 황보선애 연구원에게 참석자 중 한이 색다른 질문을 던졌습니다.

“TiO₂의 분자 응집을 해체할 수 있으면, 그걸로 물과 기름도 섞을수가 있나요?” 

그자리에서는 아무런 대답도 할 수 없었던 황보선애 연구원은 그날 퇴근하는 길에 편의점에 들러서 올리브오일을 한통 구매하였고, 다음날 올리브오일과 물을 섞는 실험을 시도하게 됩니다. 

그 질문을 던진 참석자는 클렌징 오일을 생산하는 화장품 회사의 대표님이셨는데, 이런 제품에는 계면활성제가 엄청나게 들어갑니다. 기본적으로도 오일과 물을 섞는 일은은 분산유화의 과제인데, 여기에 좋다는 성분들을 추가하는 일은 쉽지 않습니다. 그것들을 모두 잘 섞어내기 위해서는 계면활성제, 유화제, 안정제 등도 잔뜩 들어가야만 가능한 일이니까요. 

“(TiO₂ 분자 응집 해체를 응용해) 올리브오일을 물과 섞는 실험은 성공적이었습니다. 뿌옇게 섞이는 현상에 주변에도 깜짝 놀라서 보여주게 되었구요, 다른 연구원들도 함께 놀라고 또 기뻐해주었습니다. 생각해보면 꽤나 운이 좋았던 순간이라고 생각합니다. 당시의 장비는 매우 원시적이었기 때문에, 에너지의 강도나 노출시간 등으로 인해서 얼마든지 문제가 생겼을 수도 있었고, 만약 다른 종류의 물질로 실험했더라면 실패했었을지도 모를 일이었죠”

기존 발표 주제였던 “나노입자의 크기를 측정하는 방법”도 중요한 주제였지만, 황보선애 연구원은 이 실험 이후에 발표주제를 이렇게 새로 정의하였습니다. “계면활성제 없이 물과 기름을 섞는 방법” 

계면활성제 없는 유화 혁명,올리브유 실험으로 증명된 초음파 분산 기술

그의 발표는 엄청난 반응을 불러왔습니다. 발표가 끝나면 사람들이 줄을 서서 질문하고, 심지어는 나이 많은 한 사장님이 "이런 기술을 개발해줘서 너무 감사합니다" 라며 감사 인사를 전하기도 했다고 합니다. 이때 황보선애 부대표는 말로 표현할 수 없는 사명감을 느꼈다고 합니다. 계면활성제를 대체할 다른 물질을 사용해서 분산유화를 하는 것이 아니라 완전히 새로운 방법으로, 계면활성제라는 물질을 아예 제거해버릴 수 있는 기술의 발견이고 발명이었으니까요.

'초음파 유화 기술'의 무한한 확장성

황보선애 부대표는 이 기술이 화장품뿐만 아니라 다양한 분야에 적용될 수 있다는 것을 깨달았습니다.

다음 학술대회에서 이 기술을 발표한 후에 정말 뜨거운 반응을 경험할 수 있었습니다. 정말 다양하게 많은 산업에서 문의가 들어왔었고, 심지어 식품 분야에서도 관심이 뜨거웠어요. 

“파스타 소스라던가 이런 식품들을 보면 잠시 실온에 보관했을 뿐인데도 상분리 (물과 기름이 분리되어 층이 지는 현상) 현상을 볼 수 있어요. 이런 현상을 막으려면 유화제나 안정제 등을 넣고 물리적으로 교반을 해서 섞어줘야 하는데, 이는 업체들이 꺼리는 방식이예요. 첨가물을 넣지 않는 트렌드도 있었고, 무엇보다 이런 물질을 넣었을때 의도했던 것과 다른 맛이 나는 경우들도 많기 때문이죠. 요즘에는 상분리가 일어나면 안정제를 안넣어서 그렇다는 식으로 광고하는 곳도 많아졌지만, 어쨌건 잘 섞어먹지 않으면 뭔가 제품의 완성도가 떨어지는 것 같은 느낌을 주기도 하니까요”

집속초음파를 활용한 기술이 어느분야에 어디까지 도달할 수 있을지 당시에는 가늠하기도 어려웠습니다. 여러 산업에서 이 물질이 우리 기술로 계면활성제 없이 섞일 수 있는지, 안정제나 유화제 없이도 상분리가 일어나지 않고 오래 유지될 수 있는지, 밀려드는 실험의뢰만으로도 하루 24시간이 모자랄 지경이었으니까요. 

FustLab의 집속초음파 기술이 분산유화 계면활성제를 제거하는 기술에 도달하는데에는 이런 과정이 있었습니다. 

우연한 TiO₂ 입자 성적서 발급에서 시작된 FUSTlab의 기술은 이처럼 무한한 가능성을 품게 되었습니다.

그리고 집속초음파를 이용해서 분자의 응집을 해체하는 기술은 더 나아가서 “영원한 화합물” PFAS의 응집을 해.체하고 분해할 수 있는 단계에 이르게 되었습니다.

“PFAS는 내열성, 발수성 등으로 인해 다양한 산업에서 사용되지만, 환경에서 거의 분해되지 않아 ‘영원한 화학물질’로 불리며 전 세계적인 규제 대상이 되고 있습니다.”(다음글 바로가기 링크 삽입) 

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