정보 분석 기업 엘스비어(Elsevier)는 지난해 11월 세계 상위 2% 연구자 명단을 발표했다. 세계 상위 2% 연구자 수는 대학이 보유한 세계적 수준의 연구 경쟁력을 갖춘 연구자의 수를 나타내는 것으로, 한양대는 89명이 명단에 이름을 올렸다. 다양한 소재 응용을 기반으로 가스 센서를 연구하는 김현우 신소재공학부 교수를 찾아가 이야기를 나눴다.

김 교수는 10년 넘게 가스 센서 및 가스 센서 관련 소재 연구로 세계를 선도하고 있다. 가스 센서란 수소나 일산화탄소 등 공기 중 농도가 짙어질 경우 인체에 해가 될 수 있는 가스의 확산을 방지하고자 이를 미리 감지하는 센서를 말한다. 그는 “다양한 가스의 유형을 감지할 수 있는 센서를 연구하고 있다”고 설명했다.

가스 센서는 나노 소재의 응용 분야 중 하나다. 김 교수는 가스 센서를 연구하기 전까지는 다양한 반도체와 나노 소재를 연구했다. 그는 “오랫동안 연구한 반도체와 나노 소재를 가스 센서에 적용하면 좋은 결과가 있을 것으로 생각했다”고 답했다. 또한 김 교수는 최근 빔 조사를 활용해 가스 센서 성능을 향상하는 연구를 진행했다. 김 교수는 “기존에 있던 소재의 표면 성질을 변화해 가스 감지 성능을 향상하고자 했다”고 말했다.

김 교수는 2021년 HYU 학술상과 지난해 대한금속・재료학회 LS 학술상 등을 수상하며 다양한 연구 성과를 이룩하고 있다. 특히 LS 학술상은 금속·재료공학 분야의 연구 업적이 탁월한 연구자에게 수상하는 상이다. 김 교수는 반도체 저항식 가스 센서 관련 연구로 이 상을 받았다.

반도체 저항식 센서는 가스 접촉에 의해 반도체 표면 저항이 변화하는 특성을 이용한 센서다. 그는 센서 표면 개질, 도핑, 신물질 적용, 표면에 금속 촉매 부착 등 다양한 방법을 통해 가스 센서의 성능을 향상했다. 그는 “다양한 가스 센서의 종류 중 하나인 반도체 저항식 가스 센서의 계산 방법에 관해 연구했다”며 “소재의 측면에서 가스 센서 성능을 향상하고자 했다”고 설명했다.

연구에 임하는 마음가짐으로 그는 항상 두 가지를 염두에 두고 있다. 김 교수는 “근본적인 원리 이해를 바탕으로 연구하고자 한다”며 “근본적인 원리를 이해해야 획기적인 기술 개발이 가능하다”고 답했다.

또한 그는 시중의 가스 센서 성능을 향상하고자 한다. 시중의 가스 센서 제품은 가격 대비 성능과 안정성이 떨어진다. 김 교수는 “실제 제품으로 출시되는 VOC(Volatile Organic Compounds; 악취나 오존을 유발하는 탄화수소 화합물인 휘발성 유기 화합물) 센서의 경우 신축 주택이나 새 자동차 안에서 발생하는 해로운 가스를 감지한다”며 “지구 온난화의 지표로 사용되는 이산화탄소, 이산화 질소와 같은 환경 유해성 가스나 천식 환자의 입김에서 많이 발생하는 일산화질소를 감지하는 등 가스 센서를 활용할 수 있는 분야가 많다”고 설명했다.

김 교수의 연구 강점은 타 연구자와의 협업을 통한 문제 해결책 고안이다. 그는 “연구 활동 중 부족한 부분을 발견하면 그 부분을 다른 연구자와 함께 극복하려고 노력한다”고 답했다. 이어 그는 “연구하며 받는 스트레스를 운동으로 풀고 있다”고 말했다.

가스 센서와 관련 소재를 연구하는 ‘가스 센서 연구실’도 김 교수가 이끌고 있다. 그는 “현재 유리로 가스 센서의 성능을 향상하는 연구와 스마트 팩토리 내의 가스 센서 활용 연구를 진행하고 있다”고 답했다.

스마트 팩토리는 공장 내 설비와 기계에 설치된 사물인터넷을 통해 공정 데이터를 실시간으로 관리 및 제어할 수 있는 지능형 공장을 말한다. 공장에서는 특히 ‘공정 진단’의 단계가 중요하다. 불량 발생 여부를 빠르게 발견해 생산성을 높일 수 있기 때문이다. 

김 교수는 가스 변화 등을 감지하는 가스 센서를 개발해 공정 단계가 제대로 진행되는지 점검하는 기술을 개발하고 있다. 또한 그는 국내의 다양한 공장에서 발생하는 여러 유해 가스를 미리 감지할 수 있는 기술도 연구 중이다. 김 교수는 "꾸준한 연구를 통해 가스 센서가 공장 생산성에 긍정적 영향을 주길 기대한다"고 답했다.

김 교수는 창업자이기도 하다. 그는 센서와 관련된 기술을 개발하는 한양대의 실험실 창업 기업인 ‘실로텍’을 2017년에 창업했다. 김 교수는 “현재 실로텍에서는 질소산화물인 NOx를 감지하는 NOx 센서 시제품을 만드는 연구를 진행하고 있다”며 “공장 등에서 인체에 유해한 액체의 누출을 감지하는 누액 센서 시스템을 시판 중이다”고 밝혔다.

앞으로 그는 반도체 저항식 가스 센서가 가진 한계를 극복하고자 하는 목표를 갖고 있다. 김 교수는 “기존 반도체 저항식 가스 센서의 한계점을 뛰어넘고 독창적 방식의 센서를 개발해 정밀도와 안정성을 더욱 보완하고자 한다”고 답했다.

마지막으로 김 교수는 연구자를 꿈꾸는 한양인에게 조언을 건넸다. “관심 분야를 연구하려면 기존 연구 논문을 많이 읽어야 합니다. 논문 한 편을 제대로 읽고 이해하기 쉽지는 않지만, 여러 번 반복해서 읽으며 관련 분야에 지적 호기심을 갖길 바랍니다.”