스웨덴 왕립과학원의 화학 분야 노벨위원회(The Royal Swedish Academy of Sciences)는 2007년의 노벨화학상(Nobel prize in Chemistry) 수장자로 독일 막스플랑크 재단 산하의 프리츠 하버연구소(Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft Berlin)의 과학자 게르하르트 에르틀(Gerhard Ertl, 71) 교수가 표면화학(Surface chemistry) 분야에서 큰 연구성과를 이룩한 공로를 인정받아 화학상 수상자로 선정되었다고 2007년 10월 10일 발표했다. 수상 이유는 "고체 표면에서의 화학작용(조합/반응 등의) 과정을 연구한 공로(for his studies of chemical processes on solid surfaces")이다.
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[목차]

1. 수상 요약 - 현대 표면 화학 - 연료 전지, 인공 비료, 자동차 배기가스 정화 원리 밝혀(Modern surface chemistry - fuel cells, artificial fertilizers and clean exhaust)
2. 연구 결과
3. 무엇을 발견했나?
4. Haber-Bosch 과정이란?
5. 에르틀은 누구인가?
6. 독일은 노벨상의 나라
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1. 수상 요약 - 현대 표면 화학 - 연료 전지, 인공 비료, 자동차 배기가스 정화 원리 밝혀(Modern surface chemistry - fuel cells, artificial fertilizers and clean exhaust)

2007년의 노벨화학상은 표면 화학(surface chemistry) 분야에서 획기적인 연구를 이룩한 독일의 게르하르트 에르틀(Gerhard Ertl, 71) 교수에게 돌아갔다. 표면화학이란 금속의 표면에서 일어나는 반응에 대한 연구를 말한다. 철이 왜 녹스는지(why iron rusts - 철의 표면이 산소에 노출되면 녹이 슬기 시작함), 연료전지가 어떻게 작동하는지(how fuel cells function - 촉매 표면을 이용해 신재생에너지를 생산), 자동차에서 촉매가 어떻게 작용하는지(how the catalysts in our cars work - 백금 촉매를 통해 일산화탄소를 이산화탄소로 정화) 등을 밝힌 연구 분야다.

촉매 표면(catalytic surfaces)에서의 화학 반응은(chemical reactions)은 인공 비료 제조(artificial fertilizers) 등 많은 산업에서 매우 중요한 역할을 한다. 이러한 표면 화학은 설사 대기의 오존 층이 왜 파괴되는지(destruction of the ozone layer) 까지 설명하는데, 성층권(stratosphere)에서 아주 작은 소결정 얼음이라는 촉매 표면(surfaces of small crystals of ice)에서 실제로 아주 중요한 반응이 일어나기 때문이다. 즉, 에어컨에 사용되는 프레온(freons) 가스가 성층권에서 오존층을 파괴하는 과정도 표면화학으로 설명했다. 성층권에 떠다니는 얼음 결정의 표면에서 프레온과 오존이 반응을 일으키면 오존층이 파괴된다는 것이다.

반도체 산업에서는 표면 화학의 지식에 의존하는 또 다른 영역으로 영향을 미치고 있다. 에르틀 교수는 이미 오래 전 산업화에 기여한 공정을 분자와 원자 수준에서 규명했다는 점을 인정 받아 노벨상을 받은 것으로 평가된다

2. 연구 결과

에르틀 교수는 1960년대부터 표면화학 분야를 연구해 현대 표면화학의 기초를 다진 것으로 평가되고 있으며 다양한 촉매들이 고체의 표면에서 어떤 식으로 반응하는지에 대한 에르틀 교수의 연구는 각종 산업분야에 응용되고 있다. 1960년대에 창발된(emerged) 이 현대 표면 화학이라는 과학 분야 덕분에 반도체 산업이 번창했다. 반도체 산업은 바로 실리콘이나 게르마늄 등의 물질 표면에 다양한 트랜지스터나 칩을 층착하여 집적시키는 기술이기 때문이다. 이를 최초로 인식한 장본인이 바로 게르하르트 에르틀이다. 한 걸음 한 걸음 진보한 연구 결과를 통해 에르틀은 다양한 실험 과정을 거쳐 하나의 표면에서 완벽한 반응이 일어나는 그림을 제시하게 되었다.

이 표면 화학이라는 과학은, 그러나, 극단적인 상황에서 하나의 순수한 금속 표면에서 원자들이나 분자들이 각각 어떤 행동을 하는지를 관찰하기 위해 고난도의 최첨단 진공 실험 장비가 필요하다(advanced high-vacuum experimental equipment). 따라서 가장 중요한 것은 어떤 원소(element)들이 정확하게 결정되어야 하는지 가 매우 중요하다. 그 이유는 바로 품질관리로, 오염(Contamination)은 전제 조합/반응 과정이나 전체 측정을 위험에 빠뜨리기(jeopardize) 때문이다. 따라서 완벽한 반응을 도출해 내려면 그 만큼의 초정밀도(great precision)와 다양한 실험 장비들과의 조화로운 융합(combination of many different experimental techniques)이 절대적으로 필요한 분야이다.

3. 무엇을 발견했나?

에르틀은 그의 생각과 이론을 실험할 연구학교를 설립하고 이렇게 어려운 연구 분야에서 실제로 성취될 수 있는 신빙성 있는 결과를 추진했다. 그의 통찰력은 현대 표면 화학의 과학적 기초를 제공하고 있는데, 그의 방법론은 학계 연구와 동시에 산업 발전에도 활용되고 있다.

특히 에르틀이 개발한 방법은 기존의 Haber-Bosch 과정이라 불리는 연구에 바탕을 둔 것은 아니지만, 인공 비료 제조를 위해 철 표면을 통해 공기(air)에서 질소(nitrogen)를 추출하는 원리를 제공하고 있다. 그는 비료를 생산하는 하버-보시 과정을 눈여겨봤다. 선진국들은 제2차 세계대전 때부터 비료의 원료인 암모니아를 군사 목적으로 이용했는데, 수소와 질소의 반응을 유도하기 위해 쇳가루를 사용한다는 점에 주목한 것이다. 그는 진공 기술을 이용해 쇳조각을 남겨둔 채 공기를 완전히 빼냈다. 그러고는 질소와 수소를 집어넣은 뒤 광전자분광법으로 쇳조각의 표면을 원자 수준에서 관찰했다. 질소원자 두 개가 삼중결합을 이루고 있는 질소 기체는 쇠붙이 표면에서 삼중결합이 깨지며 원자 상태로 붙어 버렸다. 수소원자 두 개로 이뤄진 수소 기체도 쇠 표면에서 수소 간 결합이 깨졌다. 그리고 질소 원자 하나에 수소 원자가 하나씩 세 개가 붙으면서 암모니아가 만들어진다는 사실을 확인할 수 있었다. 결국 질소와 수소를 철(Fe) 표면에서 반응시켜 화학비료의 원료가 되는 암모니아를 제조하는 과정을 원자수준에서 밝혀낸 것이다.

또한 이 반응 원리를 이용하여, 하나의 철 표면을 촉매로 사용해(using an iron surface as its catalyst) 공기에서 화학비료의 원료인 질소를 추출하는 기술도 개발한 것이다. 스웨덴 왕립과학원은 비료로 사용되는 질소의 공급량이, 성장하는 식물들을 위해 대기의 질소가 필요하기 때문에 종종 제한돼 있다는 점(availability of nitrogen for growing plants is often restricted)을 감안한다면 이 발견은 경제적으로도 큰 의미(economic significance)를 지닌다고 평가했다.

에르틀은 또한 1970년대 초반부터 1990년까지 백금(platinum, Pt., 플라티나) 촉매 표면 위에서 탄소 일산화물 산화작용(oxidation of carbon monoxide on platinum)을 연구했는데, 이 반응과정은 자동차의 배기 가스를 정화하는데 사용되는 기술로, 자동차 배기가스의 일산화탄소가 백금 촉매를 통해 이산화탄소로 변하는 과정을 완벽하게 밝혀낸 것이다.

[그림 : 표면 화학의 산업 분야 적용 예. 백금에서의 일산화탄소 배기가스를 이산화탄소로 정화. 에어콘에 사용되는 프레온 가스가 성층권의 소결정 얼음 표면에 반응하여 오존층을 파괴. 철의 표면이 산소에 노출되면 녹이 슬기 시작함. 반도체 산업에서는 표면 반응을 이용해 반도체 물질을 만 듬. 인공비료는 철 표면을 통해 질소와 수소를 반응시켜 암모니아로부터 만듬. 촉매 표면을 이용해 신재생에너지를 생산. 사진 : www.kva.se]

4. Haber-Bosch 과정이란?

Haber-Bosch 과정은 21세기의 가장 중요한 최첨단 기술이라 불리는데, 철이라는 물질 촉매 위에서 질소(nitrogen)와 수소(hydrogen)를 조합하여 암모니아(ammonia, NH3)를 대량 조합하는데 사용되는 기술이다. 이 과정 기술은 1차 세계 대전 발생 전에 독일의 화학자들인 Fritz Haber와 Carl Bosch에 의해 발견된 기술로, Fritz Haber는 이 공로로 1918년 노벨화학상을 수상한다. Bosch는 받은 상금을 고압 화학 반응(high-pressure chemical reactions)을 발견한 Friedrich Bergius와 1931년 반반씩 나눈다. 이 최초의 독일의 극비 기술은 그 다음 1920-1930년 대를 통해 전 세계로 뻗어 나가 오늘날 가장 효과적인 암모니아 합성을 이루게 된다.

[그림 : 하버-보시 과정에서 질소(하얀색)가 철 표면 위에 반응하여 암모니아를 만들어내 표면으로부터 방출시킨다. 이 공기로부터 질소를 추출하는 과정은 인공비료를 생산하는데 아주 중요한 과정이다. 사진 : www.kva.se]

5. 에르틀은 누구인가?

1936년 독일에서 태어난 에르틀 교수는 파리대학을 거쳐 뮌헨공과대학에서 물리화학전공 박사학위를 받았다. 이후 두르비히-막스밀리안대학과 베를린자유대학에서 교수 생활을 했다. 이날 71번째 생일을 맞은 에르틀 교수는 “생일 선물 가운데 최고의 선물을 받았다”며 기뻐했다. 에르틀 교수는 알프레드 노벨의 기일인 오는 12월10일 열리는 시상식에서 메달과 함께 1000만크로네(약 150만 달러)의 상금을 받는다.

[Gerhard Ertl. Photo: ⓒ Fritz-Haber-Institut]

표면화학 분야에서 화학상이 나온 것은 107년의 노벨상 역사상 이번이 다섯번째이다.

6. 독일은 노벨상의 나라

우리 한국이 단 한명의 노벨상 수상자를 배출한 적이 없지만 독일은 이번 에르틀 교수를 포함해 1901년 노벨상이 수여 된지 총 75명이 노벨상을 수상했다.

독일 일간지 프랑크푸르터 알게마이네 차이퉁(FAZ)은 2007년 10월 11일 1면 톱기사로 독일 과학자 게르하르트 에르틀의 노벨 화학상 수상 소식을 전하면서 이런 제목을 뽑았다. 독일 과학자들이 올해 노벨 물리학상과 화학상을 석권하면서 독일의 노벨상 수상 역사에 관심이 모아지고 있다. 독일은 특히 노벨상이 시행된 초기부터 2차대전 이전까지 과학 분야 노벨상을 휩쓸었다. 2차대전 이후에는 미국으로 노벨상의 중심이 옮겨 갔으나 최근 수년간 다시 독일 과학자들의 수상 실적이 두드러지고 있다.

2005년에는 테오도르 핸쉬, 2001년에는 볼프강 케터를레, 2000년에는 헤르베르트 크뢰머가 물리학상을 받았으며 1999년에는 귄터 블로벨이 의학상을 차지했다. 1901년 노벨상이 처음 시상된 이후 지금까지 독일인 노벨상 수상자는 75명으로 집계됐다.

1회 노벨 물리학상은 X-레이를 발견한 빌헬름 콘라드 뢴트겐에게 돌아갔으며 의학상도 독일 과학자 에밀 폰 베링이 차지했다. 독일인 노벨 물리학상 수상자는 총 22명에 달하고 있다. 특히 20세기 전반기에 독일 과학자들의 물리학상 수상이 두드러져 당시 독일이 물리학 분야를 주도했음을 보여주고 있다. 독일의 주요 물리학상 수상자는 1918년 막스 플랑크, 1921년 알베르트 아인슈타인 등이다. 플랑크의 이름을 딴 독일의 막스 플랑크 연구소는 단일 연구소로는 가장 많은 노벨상 수상자를 배출한 것으로 유명하다.

독일은 화학상 분야에서도 지금까지 24명이 수상함으로써 두각을 나타냈다. 1901년부터 히틀러 집권 이전인 1933년까지 13명의 화학상 수상자가 나와 화학분야에서도 독일의 절대적인 우위를 입증했다. 의학 분야에서도 독일 과학자 15명이 노벨상의 영예를 차지했다.

문학상은 귄터 그라스(1999년) 등 9명이 받았으며 평화상은 독일 통일의 초석을 다진 동방정책의 주창자 빌리 브란트(1971년) 등 4명이 수상했다. 1969년 이후 수여된 경제학상 수상자는 라인하르트 젤텐(1994년)이 유일하다.

[소스]

[The Nobel Prize in Chemistry 2007(10/Oct/2007)]
[Information for the Public_02355-04-2007-NOB-06-E.PDF/596KB]
[Scientific Background_02355-05-2007-NOB-11-E.PDF/651KB]