한국을 빛낸 화학자38(2025년 7월호)

김광수(金光洙) UNIST 교수(1950~) 

이론화학의 거장: 김광수 교수의 학문적 발자취와 과학적 공헌 

울산과학기술원(UNIST) 화학과의 김광수 교수는 지난 수십 년간 이론 및 계산화학과 나노과학을 중심으로 에너지 소재 등 폭넓은 분야에서 혁신적인 연구를 펼치며 세계적인 학문적 위상을 확립해 온 한국 과학계의 자랑스러운 인물입니다. 이 글에서는 김광수 교수님과의 개인적인 기억, 김광수 교수님의 학문적 여정과 주요 연구 업적, 그리고 학계와 사회에 미친 영향을 폭넓게 살펴보고자 합니다. 

교수님에 대한 기억(이진용, 홍병희, 김우연) 

제가 1988년에 포항공대 입학 후 지도교수님이 정성기 교수님이셨는데, 김광수 교수님께서 9월에 부임하시면서 제 지도교수님으로 변경이 되었습니다. 그 이후로 2002년 9월까지 학부연구생, 대학원, 박사후연구원(병역특례요원)까지 11년(미국에서의 포닥 기간1년 6개월 제외)을 교수님과 함께 연구를 하면서 많은 것을 배우고 성장할 수 있었습니다. 대학원 석사과정 연구주제인 양이온-파이 상호작용의 근원을 찾는 연구를 하면서 교수님과 매일 토의했던 기억이 있고, 특히 교수님과 오전 10시부터 밤 12시까지 식사 시간을 제외하고 하루 종일 토의한 날은 아직도 강렬한 기억으로 남아 있습니다. 그렇게 제가 주도한 첫 연구 논문이 JACS에 발표되면서 스스로도 자신감이 생겼고, 그러한 과정을 통해서 제가 학문적으로 성장할 수 있었으며, 교수님께서는 연구는 끝임 없는 토의과정의 연속이라는 것을 몸소 체험하게 해주셨습니다. 제가 독립한 후에도 선생님을 뵐 때마다 연구에 대한 식지 않은 열정과 과학의 큰 흐름을 선제적으로 대처하시고 탁월한 연구성과를 내심에 존경과 경외심을 가슴에 담게 됩니다. (이진용) 

제가 신입생으로 입학 할 때 면접관이 ‘장래 꿈이 무엇이냐’라고 물으셔서 ‘노벨상입니다’로 답했던 기억이 납니다. 나중에 김광수 교수님이 자신이 면접관이었다고 하시면서 ‘인상적이었다’라고 하셨습니다. 지나고 보니 정말 저는 김광수 교수님을 통해 노벨상급 연구를 배운 것 같고, 제가 노벨상을 탄 것은 아니지만 제가 연구하는 분야에 노벨상이 주어지는데 큰 역할을 하게 된 것도 교수님의 지도 덕분이었습니다. 저는 교수님 서재에 줄지어 꽂혀있던 Nature, Science, JACS지를 학부 3학년 때부터 즐겨 읽었습니다. 당시에는 온라인 저널이 없었기 때문에 이러한 경험은 매우 특별한 것이었습니다. 물론 처음에는 무슨 말인지도 모르고 그림만 보다가 나중에 이해도가 깊어지면서 세계적인 연구의 경향이 무엇이고 어떤 연구를 해야 Nature 같은 톱 저널에 발표할 수 있는지에 대한 감각을 키울 수 있었습니다. 2004년 당시 컬럼비아대학교 김필립 교수님 연구실로 저를 포닥을 보내셔서 그래핀을 처음 접하게 해 주시고 창의연구단을 하시면서 실험파트를 만들어 나노물질 합성 연구를 마음껏 하게 해 주신 것도 연구자로서의 제 인생에 가장 큰 행운이었던 것 같습니다. (홍병희) 

제가 고등학생 때 포항공대 입시 면접에서 면접관으로 참여하신 김광수 교수님과 첫 인연을 맺었습니다. 당시 교수님의 질문이 지금도 생생히 기억날 정도로 참신했습니다. 이후 교수님의 물리화학(양자) 수업을 들으면서 천재 같은 모습에 반해 물리화학을 전공하기로 결심했고, 교수님의 행보처럼 물리학을 복수전공하게 되었습니다. 2001년부터 학부 연구생으로 지내면서 2009년 박사졸업 할 때까지 9년이라는 긴 시간 동안 교수님과 많은 추억을 만들었는데, 그 중에서 유난히 기억에 남는 순간들이 있습니다. 당시 콜럼비아에 계시던 김필립 교수와 공동으로 GRL 과제를 지원하기 위해 연구계획서를 작성하고 있었습니다. 하필 마감일이 설 지나고 이튿날이라 교수님과 저는 설연휴를 반납 해야 했고, 제출 전날에는 꼬박 밤을 새워 과제 작성을 마무리하고, 패컬티 식당에서 늦은 아침을 먹었던 순간을 잊을 수 없습니다. 이 과제에 선정되면서 김필립 교수님과 함께 그래핀 연구를 시작하게 되었고, 제 박사학위 연구의 메인 테마가 되었습니다. 교수님의 깊은 통찰력과 지도력 덕분에 매 연구에서 큰 성과를 거둘 수 있었고, 그때도 지금도 연구와 인생의 멘토로서 늘 감사하는 마음으로 교수님을 존경합니다. (김우연) 

학문적 여정 

김광수 교수님은 서울대학교 응용화학과에서 학사와 석사 학위를 취득한 후, 한국과학기술원(KAIST)에서 물리학 석사 학위를 추가로 받았습니다. 화학과 물리학을 아우르는 학제간 배경을 갖춘 그는 이후 미국 캘리포니아 버클리대학교에서 화학 박사 학위(지도교수 Henry F. Schaefer)를 취득하며 본격적인 연구자의 길을 열었습니다. 

박사 학위 취득 후에는 IBM 연구소와 Rutgers 대학교에서 박사후연구원과 방문교수로 연구를 수행하였습니다. 이러한 다양한 경험을 바탕으로 1988년 포항공과대학교 화학과 교수로 부임하여 2014년까지 재직하였으며, MIT와 Columbia 대학교 물리학과 방문연구원으로 각각 1년동안 국제 공동 연구를 수행하였습니다. 재직 중 Postech Fellow로 Center for Superfunctional Materials(CSM)를 설립하여 단장을 역임하였습니다. 2014년부터는 UNIST 화학과의 특훈교수, CSM 소장으로, 최근에는 연구교수로 현재까지 활발한 연구 활동을 이어가고 있습니다. 

김광수 교수는님은 지난 40여년 동안 계산과학에 기반한 초기능성 물질 (superfunctional materials) 설계라는 개념을 정립하였고, 이를 바탕으로 예측 주도형 연구 체계를 도입하여 나노 및 에너지 소재 분야에서 혁신을 선도하였습니다. 특히 복잡계의 난제를 해결하기 위해 기존의 계산화학에 국한하지 않고, 양자컴퓨팅, 최첨단 AI 등 끊임없는 확장과 실험 연계를 통해 자가 발전하는 연구방법을 개척하였습니다. 그 과정에서 지금까지 SCI 논문을 약 600편의 SCI 논문을 발표하였으며, 총 인용 횟수 9만 4천 회, h-지수 120(Google Scholar 기준)에 달하는 뛰어난 연구 성과를 기록하고 있습니다. 이러한 업적으로 세계에서 가장 영향력 있는 연구자 중 한 사람으로 인정받아, 2018년 이래 7년 연속으로 클래리베이트 애널리틱스의 Highly Cited Researcher로 선정되어 왔습니다. 

연구 분야와 주요 업적 

김광수 교수님의 연구는 초기능성 물질 설계라는 큰 주제 아래 이론 및 계산과학 방법론 개발, 나노 및 에너지 소재 분야로 세분화 할 수 있습니다. 각 분야에서 이룩한 주요 업적을 살펴보면 다음과 같습니다. 

(1) 이론 및 계산화학 방법론 개발 

이론화학자이자 계산과학자인 김광수 교수는 밀도범함수이론(DFT), 양자역학적 순이론계산, 분자동역학 시뮬레이션 등을 활용하여 물질의 구조와 거동을 예측하는 기초 이론 연구에서 선구적인 업적을 쌓아왔습니다. 통계열역학, 상전이, 수송 현상, 비평형 열역학과 같은 복잡한 계의 이론적 이해에도 기여하여 해당 분야의 지평을 넓혔습니다. 특히 연구 영역을 꾸준히 확장하여, 최근에는 텐서 네트워크 이론을 도입하고 기계학습(머신러닝) 및 양자컴퓨팅 기술을 결합한 새로운 계산 방법론 개발에도 앞장서고 있습니다. 

무엇보다 주목할 만한 성과로, 김광수 교수님은 복잡계의 정교한 시뮬레이션에서 피할 수 없는 기존 원리 기반 계산방법의 속도-정확도 상충관계 문제를 근본적으로 해결하기 위해 2020년부터 성글은 가우시안 프로세스 회귀(Sparse Gaussian Process Regression) 머신러닝 기반의 제일원리 포텐셜을 개발해 오고 있습니다. 이 혁신적인 접근법을 통해 배터리와 태양전지 등의 에너지 소재, 촉매, 거대 분자계와 같은 대규모 시스템을 기존보다 훨씬 정확하고 효율적으로 시뮬레이션할 수 있게 되었습니다. 복잡계에 대한 이러한 정밀한 계산이 가능해지면서 거시적 에너지 소재 연구에도 새로운 지평이 열렸으며, 김 교수의 공헌은 이론 및 계산화학 분야에서 획기적인 성과로 평가받고 있습니다. 

지속적인 첨단 계산과학 방법의 개발과 더불어 분자상호작용, 나노계 전자수송 및 광학 현상, 자기조립현상, 차원에 따른 물리화학적 상전이 현상 등 폭넓은 기초 연구를 통해 직관에만 의존해서는 상상하기 힘든 초기능성 혁신 소재를 컴퓨터로 설계할 수 있는 기틀을 마련하였습니다. 

(2) 나노 소재 연구 분야 

김광수 교수님은 초기능성 물질 설계 방법을 활용하여 나노과학 분야에서도 탁월한 업적을 남겼습니다. 대표적인 예로 그래핀 기반의 초고속 DNA 시퀀싱 기술 및 2차원 분자 전자 소자의 분광학 방법연구 등 새로운 나노바이오 융합 연구 방법을 제시했습니다. 또한 그래핀 나노리본을 이용한 스핀밸브 소자, 자기조립 유기 나노튜브 합성, 그리고 물 분해를 통한 수소 발생에 활용되는 고효율 촉매 설계 등 나노소재의 다양한 응용 분야에서 탁월한 성과들을 이끌어냈습니다. 

특히 2009년 Nature지에 발표한 연구에서는 자가 조립된 초소형 나노 반구체 렌즈를 합성하여, 기존의 마이크로 렌즈로는 불가능했던 광학 해상도의 한계를 최초로 넘어서는 데 성공했습니다. 이 연구는 Snell의 전통적인 렌즈 분해능 한계를 극복함으로써 나노광학 및 나노소재 분야에 새로운 장을 열은 획기적 성과로 평가받았습니다. 이 밖에도 풀러렌과 탄소 나노튜브부터 탄소 나노토러스, 양자점, 분자 로봇에 이르기까지 다양한 탄소 기반 신소재와 나노구조를 탐구하며 혁신적인 연구를 지속해 왔습니다. 이러한 광범위한 나노과학 연구 업적은 김광수 교수님을 나노기술 분야에서도 세계적 선두 주자로 자리매김하게 만들었습니다. 

(3) 에너지 소재 연구 분야 

에너지 변환과 저장을 위한 소재 및 촉매 분야에서도 김광수 교수의 공헌은 두드러집니다. 수소, 산소 발생 반응, 산소, CO2, 질소 환원 반응 등 중요한 전기화학 반응 메커니즘에 대한 기초 이론 연구를 수행하여 해당 분야의 이해를 심화시켰습니다. 나아가 이러한 이론적 통찰을 실제 시스템에 적용함으로써, 연료전지와 배터리, 태양전지 등에 그 이론을 접목한 응용 연구로 확장하여, 차세대 배터리 전극 소재와 고효율 태양전지 소재 개발에 탁월한 성과를 거두었습니다. 

김광수 교수님의 연구는 새로운 소재의 분자 구조 설계에서부터 물성 예측, 나아가 성능 평가에 이르기까지 이론과 실험을 접목한 융합 연구로 진행되었으며, 그 결과 실제 에너지 장치의 성능 향상에도 직접적으로 기여했습니다. 이처럼 기초이론을 바탕으로 초기능성 물질 설계 개념에 입각한 예측 주도 연구 접근법은 에너지 분야의 난제를 해결하는 데 큰 기여를 하고 있습니다. 

학술적 위상과 사회적 공헌 

기초와 응용, 이론과 실험을 아우르는 폭넓은 전문성과 수많은 연구 업적을 통해 김광수 교수님은 국내외 학계에서 높은 명성과 권위를 얻고 있으며, 다양한 방식으로 과학 발전에 공헌하고 있습니다. 교수님은 ACS Central Science, Advanced Energy Materials, Chemistry Letters, Chemical Physics Letters 등 국제적으로 저명한 학술 저널들의 편집위원 혹은 자문위원으로 활약해 왔습니다. 또한 2015-2017년에는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 Journal of Physical Chemistry A, B, C의 Senior Editor를 역임하여 국제 학술 출판 분야에서도 영향력을 행사했습니다. 김광수 교수님의 학문적 위상을 보여주는 대표적인 사례로, 2009년에는 양자화학 분야의 최고 권위를 지닌 국제 학술단체인 International Academy of Quantum Molecular Science, (IAQMS)의 정회원으로 선출되었습니다. IAQMS는 양자화학 및 분자과학 분야에서 세계적으로 뛰어난 연구 업적을 가진 과학자들을 정회원으로 선출해 왔는데, de Broglie, Pauling, Mulliken, Herzberg, Lipscomb, Van Vleck, Fukui, Hoffmann, Marcus, Kohn, Pople, Karplus, Warshel 등 이론화학 분야의 대다수 노벨상 수상자를 포함하고 있으며, 총 100여명 남짓의 정회원 중, 현재까지도 김 교수가 정회원으로 선출된 유일한 한국인입니다. 

김광수 교수님의 학문적 성취는 다양한 형태의 수상으로도 이어졌습니다. 대한민국 최고과학기술인상(2010년)과 국가과학자 선정(2010년), 한국과학상(2004년)을 수상하였고, 아시아태평양 이론·계산화학협회(APATCC)의 Fukui Medal (2011년), Mulliken Lecture (2011년), 양자 시스템 화학·물리·생물 학회(QSCP)에서 수여하는 CMOA 시니어 과학자 메달(2017년) 등 다수의 상을 받았습니다. 이처럼 국내외를 망라한 상훈 경력은 그가 기초과학과 응용과학 양측면에서 이뤄낸 업적이 전 세계적으로 인정받고 있음을 보여줍니다. 특히, 모든 수상 금액은 전부 Postech에 기금으로 기여하여, 지금도 매년 연구 장학금 수여 및 학생의 날에 전교 학생들의 건강을 위한 무료 고급 식사의 날이 개최되고 있습니다. 

후학 양성에도 남다른 열정을 쏟아온 김광수 교수님은 교육자이자 멘토로서도 큰 족적을 남겼습니다. 그가 길러낸 제자들 80명(석사 20명, 박사 60명) 중 15명이 국내외 유수 대학의 교수로, 또한 100여 명의 포닥 중 20명이 교수로 임용되었고, 대다수가 연구소·기업에서 핵심 연구 인력으로 활동하고 있습니다. 대학원생, 연구원 들 중 과반 이상이 세계 6대양에서 온 외국인들이어서, 국내 화학계는 물론, 세계적으로 화학계 발전에 기여하고 있습니다. 뿐만 아니라, 국제 학술대회에서 약 140여 회에 걸친 초청 강연과 40여 회의 기조 및 주제 강연을 하였습니다. 

최근 연구 방향과 미래 비전 

현재 김광수 교수님은 연구자로서 황혼에 접어드는 나이에도 불구하고 기계학습과 양자화학을 접목한 미래 지향적 계산과학 기법의 개발에 주력하며 새로운 도전에 나서고 있습니다. 특히 그가 개발하고 있는 머신러닝 상호작용 포텐셜은 기존 계산화학 방법의 근본적 한계를 극복하여 신소재 개발에 소요되는 시간을 획기적으로 단축하고 비용을 절감할 수 있는 잠재력을 보여주고 있습니다. 전통적인 양자역학 계산의 정확도를 유지하면서도 대규모 계산을 효율적으로 수행할 수 있는 이 방법론은, 복잡하고 거대한 화학 시스템을 다룰 수 있습니다. 

김광수 교수님은 나아가 이러한 첨단 계산 기법을 바탕으로 소재 디지털 트윈(Digital Twin) 개념을 구현하는 연구에도 매진하고 있습니다. 디지털 트윈이란 현실의 소재나 시스템과 동일하게 동작하는 가상 모사체를 의미하는데, 김 교수님은 가상 환경에서 물질의 구조와 물성, 반응성을 정밀하게 예측하고 시뮬레이션 함으로써 신소재 개발 과정을 가속화하는 새로운 패러다임을 추구하고 있습니다. 이러한 접근법을 통해 실험 과정에서 발생하는 시행착오를 최소화하고, 컴퓨터 상에서 최적의 후보 물질을 먼저 찾아낸 후 실험으로 검증하는 효율적인 연구 흐름을 구축합니다. 궁극적으로 소재 개발에 있어서 데이터와 모형에 기반한 예측 주도형 체계로 혁신하고 있으며, 이는 미래 소재 연구의 프레임의 전환을 가져다 줄 것입니다. 김광수 교수님이 제안하는 디지털 트윈은 지난 40여년간 다져온 초기능성 물질 설계 개념에 첨단 계산과학을 더한 궁극의 결정체라 할 수 있습니다. 

이와 함께 김광수 교수님은 이론과 실험을 아우르는 융합 연구를 통해 에너지, 환경, 바이오 등 인류가 직면한 다양한 분야의 난제 해결에도 도전하고 있습니다. 인공지능과 양자컴퓨팅을 적극 활용한 새로운 계산과학 패러다임을 모색함으로써, 복잡계 과학의 미해결 문제들을 풀고 지속 가능한 미래 사회에 기여할 수 있는 과학적 토대를 마련하는 데 앞장서고 있습니다. 그의 이러한 미래지향적 연구 비전은 단순히 현재의 문제를 푸는 데 그치지 않고, 다가올 과학기술 시대에 대비한 선구적인 노력으로 주목받고 있습니다.

마치며 

김광수 교수님의 변함없는 학문적 열정과 창의적인 연구 정신은 수많은 후학들에게 큰 영감을 주고 있습니다. 그의 연구는 이론과 실험, 기초과학과 응용과학을 연결하는 가교가 되어 한국 화학의 세계적 위상을 높이는 데 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 

무엇보다 이론화학에 뿌리를 둔 그는 나노소재, 에너지 소재, 생체 분자 등 다양한 연구 분야로 과감히 영역을 넓혀 왔고, 이러한 분야들을 실험 연구와 긴밀히 연계하여 현실 세계의 문제 해결에 적용하는 모습을 보여줌으로써 과학자로서의 모범을 제시하고 있습니다. 기초 이론으로부터 출발해 실용적 성과로 이어지도록 하는 그의 학제적 연구 접근법은 많은 연구자들에게 귀감이 되고 있습니다. 

김광수 교수님의 이론화학 연구는 단순한 학문적 호기심을 넘어 인류가 직면한 에너지·환경·건강 문제 해결에 실질적인 공헌을 해왔으며, 앞으로도 인류의 지속 가능한 발전에 크게 이바지할 것으로 기대됩니다. 남다른 통찰력과 폭넓은 전문성, 자연현상에 대한 넘치는 호기심과 인류애를 기반으로 한 사회적 헌신을 밑바탕으로 오늘도 새로운 분야에 도전하며 과학의 지평을 넓혀가는 김광수 교수님의 여정은, 학문 후속 세대에게 끊임없는 도전과 창조의 가치를 일깨워주는 살아있는 본보기라 할 수 있을 것입니다. 

글 성균관대학교 화학과 교수 이진용 

서울대학교 화학과 교수 홍병희 

KAIST 화학과 교수 김우연