과학기술 40년사(과학기술부 2008.2 발간 464-467쪽)

고려대학교 이과대학 화학과 교수 전승준 (02-3290-3130, sjjeon@korea.ac.kr)

제 2 절 화학

화학은 기초과학의 한 분야로서 중화학, 정밀화학, 전자재료, 식품관련 산업과도 밀접한 관련이 있는 학문 분야이다.  화학은 세부 분야로는 유기화학, 물리화학, 무기화학, 분석화학, 생화학과 같은 전통적인 분류로서의 화학분야와 고분자화학, 의약화학, 고체화학, 환경화학, 나노화학 등과 같은 산업과 연관된 화학 분야가 있다.  ‘2006년 교육통계연보’에 의하면 2006년도에 전국에 92개 일반대학에 화학관련 학과가 있으며, 13,089명의 재적학생수와 541명의 전임강사급이상의 교원수를 보이고 있다. ‘2006년도 과학기술연구개발활동조사보고서’에 의하면 2005년도 화학 분야 전공 연구원수는 공공기관에 533명, 대학에 2,006명, 기업체에 5,678명으로 국내 전체 연구원에 약 3.5% 정도를 차지하는 것으로 나타나 있다. 국내 화학분야의 학술 활동을 지원하는 대한화학회는 회원수가 2006년도 년회비 납부 유효회원 기준으로 5,712명이다.  

1. 화학의 개요 및 산업/사회의 화학의 수요변화

화학은 화합물이 어떠한 물리적 혹은 화학적 성질을 왜 갖게 되는가를 연구하고, 새로이 우수한 성질을 가지는 물질의 합성 등을 통하여 20세기 인류의 생활에도 지대한 영향을 끼쳐왔다.  화학의 기본적인 원리나 합성방법은 일찍이 영국, 프랑스, 독일 등을 중심으로 발전하여, 초기에 염료, 의약품, 비료, 폭약 등의 합성을 통하여 화학산업이 발전하였다.  발견당시 새로운 연료로서 주목을 받았던 석탄과 석유는 천연재료를 대체하는 플라스틱, 합성섬유와 같은 다양한 화학제품을 만드는데 활용되면서 현대 문명 발전에 가장 중요한 천연자원이 되었다. 

우리나라에서 화학분야가 학문으로 그리고 주요 산업으로 본격적으로 자리를 잡기 시작한 것은 1960년대 이후이다. 이 때 이후 많은 사람들이 미국과 유럽 등 해외에 유학하여 박사학위를 취득하고 귀국하거나 미국의 정부연구소 또는 산업계에서 경험을 쌓은 후 귀국함으로써 국내 화학분야 고급 인력은 기하급수적으로 증가하기 시작하였다.  그리하여 대학교 화학과나 화학관련 학과, 60년대 후반에 설립된 KIST와 70년대 설립된 한국화학연구소와 같은 화학관련 정부출연연구소, 그리고 80년대 설립된 화학관련 기업체연구소등에 상당수의 고급 인력이 확보될 수 있었다.

60년대에 경제개발계획에 의하여 중화학공업이 육성되기 시작한 이후 정유산업의 발전과 화공제품 및 합성 고분자 제품의 생산이 획기적으로 증가하였다. 60,70년대에는 섬유, 신발 등 경공업을 뒷받침하는 기반 산업으로서 그리고 80,90년대 이후에는 다양한 화학제품의 소재를 위한 정밀화학 산업은 우리나라 제조업의 중요한 부분을 차지하였다.  최근에는 IT, BT, NT, ET 등 첨단 분야의 신소재를 제공하기 위한 기초연구가 활발히 진행되면서 기초원천 기술을 확보하기 위한 연구와 이를 기반으로 하는 혁신적인 제품을 창출하는 산업이 개척되고 있다.  

2. 정부와 민간의 연구개발 추진 노력

화학관련 정부의 연구개발 추진 노력이 본격적으로 시작된 것은 1966년 정부 출연연구소인 KIST의 설립부터라고 할 수 있다. 설립 당시부터 화학분야는 KIST내 연구의 중요한 부분이었다. 설립 이후 해외 유학을 하고 귀국한 화학자들이 연구소에 핵심적인 연구인력으로 자리 잡았고 1976년에 한국화학연구소의 설립은 화학분야만의 특화된 최초의 출연연구소로서 의약연구와 소재연구의 메카가 되었다.  민간연구소로는 1975년 현재 LG가 당시 금성사 중앙연구소를 설립하였고 1979년 럭키 중앙연구소를 준공하면서 국내에 연구소다운 민간 연구소로서 첫 출범을 하였다.  그러나 80년대까지만 하여도 연구는 기초연구나 신제품개발을 위한 원천기술연구는 전무하였고 단순한 분석업무나 외국에서 들여온 기술을 공장에 적용하기 위한 모방 수준의 초보적인 연구였다.

정부의 연구개발을 위한 지원은 80년대부터 특정연구개발사업(특연사)을 통하여 시행되었다. 대학에서의 기초연구는 1983년 특연사중 기초과학을 지원하기 위한 목적기초연구지원사업으로 부터 시작되었으나 본격적인 대학의 지원은 1990년에 시작한 우수연구센터지원사업이 중요한 계기가 되었다. 당시 대학에 연구지원 사업은 사업당 1천만원 미만이었었는데 이사업은 교수급 연구원이 20-30명 정도 참여하는데 년 10억원 내외를 9년 동안 지원하는 예산 규모면에서 획기적인 연구지원사업이었다. 그리고 연구결과도 90년대 초에는 우리나라에서 발표되는 SCI(Science Citation Index)인용 총 논문수의 1/3 정도가 이 사업의 지원을 받은 연구였다.  화학부분은 유기반응연구센터(선정-90, 주관대학-서강대, 소장-윤능민), 생리분자과학연구센터(91, 포항공대, 김동한), 분자과학연구센터(91, 과기원, 전무식-정경훈), 분자촉매연구센터(95, 서울대, 서정헌), 전자.광감응분자연구센터(98, 고려대, 진정일), 분자설계및합성연구센터(99, 과기원, 김성각), 기능성분자집합체연구센터(00, 포항공대, 박수문),  생활성분자하이브리드연구센터(03, 연세대, 김관수)가 선정되어 지원받았다.  그리고 1992년도에 정부에서 주도한 대형 기술개발 사업인 선도기술사업(G7사업)에서 “신의약.신농약” 기술개발연구가 과제로 선정되어 1997년도까지 6년간 정부와 기업이 약 1,500억원이 투입하여 신약연구개발에 기반을 마련하였고, 산학연 협력체제 구축과 정부지원으로 상위권 제약회사들의 기술 수준이 원료 합성 단계를 넘어 개량신약의 개발과정을 거쳐서 신물질 개발단계로 이행함으로써 본격적인 신약개발의 궤도에 진입했다고 할 수 있다.  연이은 21프론티어 사업에서도 “생체기능조절물질개발사업”이 수행되어 정부에서 의약품 개발사업을 적극적으로 지원하였다.

이러한 의약품 개발에 대한 정부의 지속적 지원과 더불어 민간부문에서는 1999년에 SK케미칼이 개발한 항암제인 선플라가 국내 개발 신약 1호로 등록되었고, LG 생명과학이 1991년 연구를 시작한 퀴롤논계 항생제인 팩티브를 개발하여 우리나라 연구개발 제품으로는 최초로 2003년 미국 FDA의 시판승인을 받는 성과를 올렸다.  그리고  최근 임상시험 중의 다수 의약품 후보물질이 있어 기대를 모으고 있다.  의약 산업은 더욱 고위험-고수익이 되어가고 있지만 최근 인간 유전체지도의 완성으로 이를 활용한 타켓 발굴 연구도 우리나라에서 진행되고 있으며 세계적으로 인정받고 있는 유기합성 능력을 바탕으로 의약품 개발연구가 활발히 진행되고 있고, 최근 세계 최대 의약품 회사인 파이자의 국내 연구개발 투자 결정은 의약산업의 미래를 밝게 하는 한 요인이 되고 있다. 

3. 화학의 발전 추세와 과학기술적 의의

최근 화학은 분자를 연구하는 기초학문으로 분자과학(molecular science)이라고 새로이 정의되고 있으며, 그 응용으로서 분자공학(molecular engineering)이라고 불리우는 분야는 전통적인 합성으로서의 화학을 보완함으로서 화학의 중요한 연구분야로 자리잡고 있다.  이는 이전에 화합물을 거시적(macroscopic) 관점에서 다루었던 것으로 부터 화합물의 구조를 분자 수준에서 정확히 관찰하는 미시적(microscopic)인 부분까지 범위가 넓어짐에서 따라, 분자의 움직임을 추적하여 화학 반응을 분자 수준에서 제어함으로써 원하는 물성의 화합물을 합성하는 것이 화학 전 분야의 중요한 목표가 되고 있다.

따라서 화학은 전통적으로 물리화학, 유기화학, 무기화학, 분석화학, 생화학, 고분자화학 등의 분야로 분류되어 왔던 것이 90년대에 들어와서 나노과학의 중요한 부분으로서 화학과 생명연구에 있어서의 화학이 전통적인 화학분야와 융합되어 나노화학, 소재화학, 생명화학, 환경화학, 에너지화학 등이 중요한 연구분야로 발전하고 있다.  이러한 발전추세는 전통적인 유기화학, 물리화학 계통의 전문학술지보다 최근 융합학문인 나노화학, 소재화학 계통의 전문학술지의 SCI 인용지수(IP, Impact Factor)가 훨씬 빠르게 증가하고 있다는 것으로도 알 수 있다. 그러나 나노화학, 생명화학 등의 새로운 화학분야의 연구가 많이 발표되고 있지만 이를 기본으로 혁신적인 산업 창출은 아직 선진국에서 조차도 잘 이루어지고 있지 않고 있다. 즉 전자재료와 나노소자제작 기초연구는 상당한 진전이 있지만 이를 기본으로 사업화에 크게 성공한 회사는 아직 없고, 최근 대체 에너지관련 연구와 벤처회사가 미국 실리콘 밸리에서 붐을 이루고 있지만 초기단계로서 성공 여부는 불확실한 상태이다.  

국내에서 화학연구의 양적인 발전 추세는 아래의 표에서 보는 바와 같이 대학화학회의 유효회원의 변화 추이를 보면 알 수 있다.  1965년 924명의 회원이 2005년 5,399명으로 증가되었고 2007년도 서울 코엑스에서 개최된 춘계 학술발표회에 2,406명이 참가하여 단일학회 학술발표회로서는 국내 최대 규모라고 할 수 있으며 국제적인 전문 학술지 발표논문수도 지속적으로 증가하고 있다.

표 대한화학회 유효회원수 변화

년도	1965	1970	1975	1980	1985	1990	1995	2000	2005
회원수	924	1138	1913	1676	2143	3261	4548	4918	5399

화학분야 연구개발의 질적인 측면도 90년대 이후 상당한 발전이 있었지만 아직 미국, 유럽, 일본 등 선진국에 비하여 양적인 측면보다 더 뒤처져 있다고 할 수 있다.  국내 연구가 Science, Nature와 같은 학술지에 가끔 발표되고 있지만, 새로운 분야를 개척하여 세계적으로 인정받고 있는 학자는 아직 없다.  

4. 주요 화학 성과와 경제사회적 기여

경제발전이 본격적으로 시작된 60년대에 화학분야의 경제사회적 기여는 생활에 당장 필요한 생필품으로서 화학제품의 생산이었다.  비누, 치약, 합성섬유와 같은 기초 생필품 생산과 당시 우리나라에서 농업은 여전히 가장 중요한 산업이고 이를 위하여 비료 생산은 국가적으로 중요한 산업이었다.  그 후 70,80년대를 통하여 정유산업과 이를 원료로 하는 석유기반 화학제품의 생산이 국가 기간산업이 되었다.   

90년대 이후 화학분야에서 경제사회적으로 가장 밀접한 관련이 있는 산업은 정밀화학산업이라고 할 수 있다.  정밀화학산업은 일반적으로 의약, 농약, 염․안료, 화장품, 향료, 계면활성제, 도료․잉크, 접착제, 촉매, 첨가제, 사진용 화합물 등을 생산하는 제조 산업으로 정의하고 있고, 생산공정은 기초원료, 중간원료, 원제, 완제품 등의 순서로 이루어져 있는데, 이중 주로 중간체와 원제 생산 또는 원료합성부문에 고도의 기술을 요하는 핵심 공정이 포함되어 있다. 그러나 최근에 와서 정밀화학산업을 좀 더 넓은 의미로 해석하고 있다.  석유화학 등 기초화학산업의 산물을 원료로 하여 관련 다른 산업의 중간원료인 화학물질을 제조하는 산업을 광범위하게 포함하고 또한 이를 생산하는 공정기술을 포함한다. 

관련 산업별로 살펴보면, 최근 가장 중요한 산업 분야로서 우리나라에서도 가장 많은 투자가 이루어지고 있는 전자 통신분야에서도 정밀화학제품과 생산기술은 제품혁신을 위하여 중요하다.  전자 통신기기에 사용되는 디스플레이, 저장 및 기록장치 등을 고기능화하기 위하여 새로운 고 기능성 정밀화학소재에 대한 지속적인 요구가 있다. 이를 위하여 고기능 메모리를 위한 고분자 또는 유기화학물질, 플라스틱 광섬유, 전도성 고분자, 유기반도체 재료 등을 들 수 있다.   디스플레이의 경우 90년 후반 노트북의 보급으로 시작한 평판 액정디스플레이의 대중화는 계속하여 고기능 액정의 발전과 함께 기존의 브라운관을 거의 대체하였고, 최근에는 간단한 유기분자나 고분자를 사용하는 LED(Light Emitting Diode)가 소형 디스플레이로 제품화되었다. 이들의 상용화를 위하여 형광물질, 칼라필터, 전기발광물질, 차세대 절연제 등의 고기능의 정밀화학 제품이 필수적이다.

생명과학 기술은 21세기 가장 급속한 발전이 예상되며 의약 및 농약 분야에서 혁명적인 변화가 이미 진행되고 있다.  인간뿐 아니라 다양한 생물종 게놈의 해독으로부터 의약품과 농약 개발을 위한 많은 타겟이 발굴될 것으로 예상됨으로 이를 이용한 암치료, 노화관련 질병, 알츠하이머 등 불치 또는 난치 병을 획기적으로 치료하는 의약품 개발이 진행되고 있다.  특히 의약품 개발의 정밀화학산업은 여러 단계를 거쳐 완제품에 도달하는데, 각 단계에서 핵심기술이 필요하고 그 단계의 결과를  라이센싱하여 많은 수입을 올릴 수 있기 때문에 직접 생산품을 팔지 않고 연구결과를 팔아서 수입을 올리는 지식기반 산업의 전형적인 예라고 하겠다. 

20세기에는 모든 산업 및 인류문명을 유지시키는 에너지의 상당부분을  화석연료로 해결하였다.  특히 석유와 천연가스는 가장 중요한 에너지 원이었다.  그러나 화석연료는 매장량의 한계가 있을 뿐 아니라 지구의 환경에도 심각한 문제를 일으키기 때문에 새로운 대체 에너지의 개발은 21세기의 기술발전과 산업에 중요한 문제이다. 특히 쿄토의정서에 의한 기후협약은 선진국의 이산화탄소 배출량을 규제하고 있고 머지않은 장래에 우리나라도 규제 대상국이 될 것으로 예상된다.  따라서 이를 대비한 다양한 대체에너지 개발은 화학연구의 중요한 주제이다.  여러 가능성 중에 태양에너지를 효과적으로 이용하는 방법(예로서 태양전지), 새로운 고성능 전지 개발(예로서 연료전지), 바이오연료(예로서 바이오 디젤) 개발 등은 정밀화학산업의 중요한 분야가 되었다.  따라서 근본적으로 환경와 에너지 문제를 해결하여 지구의 환경을 유지하는 것도 화학분야의 경제사회적 기여의 주요한 영역이라고 할 수 있고 무한한 가능성을 가지고 있다.

5. 향후 화학 발전 과제와 전망

모든 학문 분야에서 상호 교류가 일어나면서 융합화되고 학문간의 벽이 사라지는 경향을 보이고 있는데 화학도 예외가 아니다. 기초과학분야에서도 융합이 일어나 일례로 화학과 생명과학의 융합은 의약품 개발에 중요한 역할을 하고 있다. 그리고 기초과학은 응용학문분야와 융합이 되고 있으며 일례로 전자재료연구는 전자소재개발에 매우 중요하다.  그 뿐 아니라 물리학적 기초이론에 근거한 화합물 분석의 첨단 방법의 개발은 화합물의 연구에 획기적인 발전을 가져와 분자수준에서 관찰과 조작하는 나노기술이 가능하여 학술적인 연구에서 혁신적인 제품에로 활용이 기대되고 있는 상황이다.  또한 매우 큰 용량을 빠르게 계산할 수 있는 컴퓨터의 발전(획기적인 개념의 DNA 컴퓨터나 양자 컴퓨터는 그것의 개발을 위하여 새로운 화학물질 개발연구가 요구되기도 한다)은 실험실에서 이루어져야 할 엄청나게 많은 실험을 계산으로 대체하고 있다.  실제로 의약품 개발에 컴퓨터의 활용은 실험실에서의 지루한 작업의 양을 대폭 감소시키고 비용도 절약시키고 있다.  

국내의 화학산업은 아직도 선진국과는 상당한 차이가 있다.  세계적 수준의 화학제품 생산기업은 아직 없다. 그리고 다수의 기업이 중간체, 원제 등 핵심 고부가가치의 제품을 선진국으로부터 수입하여 완제품을 만들어 대부분을 국내에서 소비하고 일부 수출하는 저부가가치 형 산업구조를 가지고 있다.  그렇기 때문에 화학산업의 국가 경제 기여도도 그리 높은 편은 아니다.  정밀화학산업은 최근 전세계적인 추세인 지식기반산업과 벤쳐산업으로 발전의 가능성이 크다.  특히 우리나라 산업구조의 고질적인 문제인 허약한 소재산업은 타 산업 분야에 파급효과가 매우 크기에 매우 중요하다. 그렇기 때문에 국내에서도 소재관련 정밀화학 벤처회사들이 늘어나야하고 고부가가치를 창출하는 핵심기술을 보유하는 회사의 육성이 절실히 필요하다.    

전 세계적으로 정밀화학산업에서 의약품이 차지하는 비중은 업종별로 볼 때 역시 가장 높다.  석유회사를 제외한 세계 10대 화학회사에서 의약품을 주 제품으로 내놓는 회사는 7개나 된다.  제약회사는 최근에 연구 개발에 소요되는 비용을 절감하고 성공의 불확실성의 위험을 줄이기 위하여 국제적인 제휴가 활발히 이루어지고 있고 소규모의 의약 및 생명과학의 기술력이 높은 회사의 흡수합병이 활발하다.  우리나라에서도 화학산업에서 제약산업은 중요하며 앞으로 더욱 중요해 져야 할 것이다.  그렇기 위해서는 기초원천기술 개발 연구를 위한 기본적 토양을 만드는 정부의 지원과 학자와 민간의 노력이 필요하다.