나는 연구하고 실험하고 개발하는 과학자입니다

과학자. 어린 시절부터 매우 익숙한 직업군이다. 그런데 과학자는 무엇을 하는 사람일까? 과학하는 사람? 그렇다면 과학한다는 게 어떤 것일까?

우리들은 과학자라고 하면 흰가운을 입고 비커나 플라스크에 알 수 없는 용액을 따르며 실험하는 모습, 칠판 한가득 난해한 수식을 잔뜩 적으면서 외계어 같은 말을 하는 모습, 시간 가는 줄 모르고 무언가 열심히 관찰하는 모습 등을 흔히 떠올린다.

이런 것이 과학하는 것일까?

《나는 연구하고 실험하고 개발하는 과학자입니다》는 ‘과학하는 것’이 어떤 것인지, ‘연구하는 것’은 또 어떤 것인지, ‘과학 연구를 하는 과학자들이 구체적으로 하는 일’은 무엇인지 알려주고 있다.

이 책의 저자인 정종수 박사는 한국과학기술연구원(KIST)에서 37년째 연구생활을 하는 중이다. 환경·에너지 분야에서 과학 연구, 공학원리 연구, 기술 개발, 기술 이전, 제품 개발, 창업까지 과학자가 경험할 수 있는 거의 모든 연구과정을 성공적으로 경험했고, 다채로운 연구생활은 지금도 진행 중이다,

만렙 과학자의 연구비법을 따라가면서 과학이 무엇인지, 과학 연구란 무엇인지, 과학자가 하는 일이 무엇인지 그 현실적이고 구체적인 모습을 들여다보자.

과학자는 과학을 연구하는 사람이다

과학자라고 하면 흔히 떠올리는 이미지는 하얀 가운을 입고 비커를 들고 용액을 따르거나 섞는 모습일 것이다. 그만큼 과학자는 실험하는 사람이라는 이미지가 강하다. 그런데 과학자가 실험만 하는 사람일까? 실험이 과학에서 매우 중요한 자리를 차지하기는 하지만 그것만이 전부는 아니다. 《나는 연구하고 실험하고 개발하는 과학자입니다》는 과학자가 무엇을 하는 사람인지, 나아가 과학이란 무엇인지 이야기하는 책이다.

과학자는 과학 연구를 하는 사람으로, 과학 연구는 과학적 지식을 탐구하기 위해 실험과 관찰을 통해 현상을 발견하고 원리를 밝히는 일이다. 좁은 의미에서 과학자는 연구를 전문으로 하되, 주로 자연과학 분야에서 연구하는 사람을 가리킨다. 그러나 자연과학만이 아니라 인간에게 필요한 기술을 개발하거나 질병의 원인을 파악하고 그 치료 방법을 찾아내는 것도 과학의 분야에 속한다.

뿐만 아니라 과학은 자연과 사회현상을 이해하기 위한 학문을 가리키기도 하지만, 연구 대상을 이해하고 설명하기 위한 합리적인 연구 방법 자체를 뜻하기도 한다. 연구는 현상을 설명하는 가설을 세워 그것이 옳다는 것을 입증하는 것이므로, 과학자가 연구 대상을 다루는 것처럼 논리적이고 합리적이어야 누구나 그 가설과 연구를 받아들일 수 있기 때문이다.

기원전부터 인류는 자연을 관찰하여 그 원리를 밝혀왔고, 그 지식을 축적하여 오늘날 눈부신 과학의 발전을 이루었다. 이런 과학의 발전은 과학자가 연구하고 실험하고 관찰한 결과를 바탕으로 한다.

만렙 연구자가 알려주는 연구자의 일

이 책은 30년 넘게 과학을 연구해온 저자가 연구란 어떻게 하는 건지 알려준다. 어떻게 연구 주제를 잡는지, 좋은 주제는 무엇인지, 어떻게 실험 방법을 정할지, 논문은 어떻게 써야 할지, 막막하기만 할 초보 연구자들을 위해 차근차근 설명하고 있다. 실제 연구 현장에서 어떻게 연구하고 실험하는지 직접 자신이 한 연구를 바탕으로 구체적으로 설명한다. 마지막으로 학교에서 초보 연구자들을 가르치면서 받은 질문과 대답을 정리해 연구의 실제 모습을 생생하게 보여준다.

이 책은 모두 11장으로 구성되어 있다.

1장은 연구하는 사람, 과학자에 대한 이야기로, ‘사물’과 ‘현상’을 탐구하는, 연구를 하는 과학자가 어떤 사람인지 소개한다. 고대 그리스의 과학자 아르키메데스로 시작하여 우리나라 연구자인 최무선과 화약 개발 연구, 파스퇴르와 백조목 플라스크 실험, 헬리코박터균을 발견하는 연구를 한 의사 배리 마셜 등 과학자와 그들이 한 연구를 살펴보면 과학, 과학 연구, 과학자에 대해 많은 것을 알 수 있다.

2장은 주장을 논증하는 것이 연구임을 설명한다. 과학자는 어떻게 연구하는지 살펴보기 위해, 물리학자 파인만과 관련된 연구 수행 알고리즘을 소개하고, 왜 과학이 그토록 신뢰를 받고 있는지 그 이유를 설명한다.

3장은 연구의 시작, 주제 선정을 어떻게 하는지 설명한다. 연구의 배경과 현황 파악을 위해 자료를 조사하고, 연구 문제와 질문을 명확히 하고, 가설을 수립하는 데 이르기까지 연구에 착수하는 방법을 다룬다.

4장은 연구 설계로, 에디슨처럼 무턱대고 실험하여 시행착오를 피하려면 이해한 원리를 바탕으로 연구를 설계해야 한다고 주장한다. 에디슨이 전구를 발명하는 과정을 살펴보면서, 연구를 잘 설계하여 시행착오를 피하는 방법을 보여준다.

5장은 실제 연구에서 가장 중요한 과정인 실험을 수행하는 과정, 즉 실험 선정, 실험 설계, 예측과 예비 실험, 수행 및 결과 분석, 결론 도출에 이르기까지의 과정을 설명한다. 최소의 실험으로 좋은 결과를 얻는 방법, 실험 과정에서 겪는 어려움 등 연구자에게 실제 도움이 되는, 실험을 잘하는 방법을 알려준다.

6장은 결과 해석과 가설 검증, 표와 그래프 만들기, 연구 결과에 대한 토론과 토의, 결론과 일반화 등 연구 마무리 과정을 설명한다.

7장에서는 연구 방법 훈련하기를 다룬다. 연구자의 훈련은 초급 과정(연구 스킬 습득), 중급 과정(문제 해결 훈련), 상급 과정(주도적 연구 훈련)으로 이루어지는데, 이 훈련은 필수 역량인 지식 습득 역량, 문제 파악 역량, 문제 해결 역량, 결과 해석 역량, 커뮤니케이션 역량, 협업 역량을 갖추도록 하기 위한 것이다. 또한 각 단계의 연구자들을 위한 조언을 정리해두었다.

8장은 연구 수행 전략을 설명한다. 연구 전략의 구성 요소는 연구 목적, 분야, 경쟁 상대, 연구자와 연구에 필요한 자원인 인력, 인프라, 연구비 그리고 시간이다. 자원 투입 전략, 경쟁에서 승리할 전략, 실현(수행)이 가능한 전략을 대학, 연구소, 기업의 연구로 나누어 정리한다.

9장은 과제 연구의 한 예를 보여준다. 학교 수업으로 과제 연구를 하는 고등학생 초보 연구자들의 연구를 멘토링한 사례를 바탕으로, 주제 탐색을 위한 자료 검색, 연구 설계와 실험 계획, 실험과 결과, 결론 도출과 보고서 작성 등을 실제 사례를 통해 구체적으로 살펴본다. 과제 연구 수행 멘토링에 도움이 될 내용도 정리해두었다.

10장은 필자인 J 박사의 연구 에피소드를 다룬다. 첫 연구인 자동차 엔진의 냉각 문제 연구, 박사과정에서 한 첨단 레이저 계측 기술 연구, 선진 기술을 도입하여 수행한 폐기물 소각로 개발 연구, 배기가스를 처리하는 촉매 소재와 원리에 관한 연구, 그리고 최근까지 진행 중인 실내 오염물질, 담배 연기를 처리하는 기술 연구까지, 실제 연구 진행 과정을 생생하게 담았다.

11장은 연구 수행 Q&A를 담았다. 10여 년간 연구 수행 전략 강의를 하면서 학생들이 했던 여러 질문과 그에 대한 답변을 정리했다. 연구를 하면서 떠올릴 수 있는 질문과 그에 대한 답변을 보면서 연구와 연구 방법에 대한 시각이 넓어질 것이다.

《나는 연구하고 실험하고 개발하는 과학자입니다》는 연구를 하는 일을 업으로 삼는 연구자로서 어떻게 하면 좋은 연구를 하고 좋은 연구자가 될 수 있는지 배우고 고민하는 계기가 되어줄 것이다.

연구자가 되는 길

이 책에서 다루는 연구와 연구자의 일은 초보 연구자를 대상으로 하는 만큼 아주 전문적이지는 않다. 그렇지만 초보 연구자인 대학원생들이 처음 연구를 시작하면서 고민하고 헤맬 수 있는 부분을 짚어줄 뿐 아니라, 과학자가 하는 일, 과학 연구를 하는 방법을 단계별로 쉽게 설명하고 있어 연구자의 길로 들어설까 말까 고민하거나 이제 막 연구자의 길로 들어선 초보 연구자들에게 값진 책이 될 것이다. 또한 과학자가 되길 꿈꾸는 중고등학생이나 그런 자녀를 둔 학부모들이 과학자가 어떤 자질과 마음가짐을 갖춰야 하는지 알아보고 준비하는 데에도 도움이 될 것이다.

과학과 과학 기술은 눈부시게 발전했지만, 여전히 인간의 삶에는 새로운 과학과 기술이 필요하다. 또한 문제 해결 방법으로서 과학은 여전히 유효하다. 과학이 어떤 과정을 거쳐 기술을 개발하거나 문제를 해결하는지 알고 싶다면 현대 시민의 교양으로서 읽어볼 만하다. 

정종수

현재 한국과학기술연구원(KIST)에 재직 중인 저자는 서울대학교 기계공학과를 졸업한 후 카이스트(KAIST)에서 대기오염 분야 연구로 기계공학 박사학위를 받았다. 박사과정 2년차부터 KIST에서 연구생활을 하고 있다. 주로 환경·에너지 문제를 해결할 신기술 연구와 환경 문제와 연관된 현상을 이해하기 위한 과학 연구를 한다.

37년의 연구생활 동안 130여 개 프로젝트에서 책임자나 연구원으로 참여했고, 이러한 연구의 결과물이 논문 100편, 특허 130건, 기업으로의 기술 이전 15건이다. 그리고 2019년에는 스타트업 회사를 공동 창업했다. 지금은 이 회사를 잘 키우는 일이 중요한 과제이기도 하다.

저자는 그 동안의 연구생활에서 배운 ‘연구 잘하는 법’을 학생들과 젊은 연구원들에게 전하기 위해 고려대학교 에너지환경대학원(그린스쿨)에서 ‘연구 수행 전략’을 11년째 강의하고 있다. 이밖에도 한국장학재단의 대학생 멘토링 프로그램인 ‘전문 연구자 훈련’에서 사회 리더 멘토링 활동을 하고 있고, 지역 봉사 프로그램인 KIST‒성북구 나눔교육 강사로 중고등학생에게 과학을 가르치는 등 연구자로서의 활동을 통해 얻은 경험과 혜택을 조금이나마 다음 세대에게 전달하려고 한다. 이 책 《나는 연구하고 실험하고 개발하는 과학자입니다》도 이러한 활동의 연장선에 있다.

역시 과학자인 저자의 두 딸 모두 어릴 적부터 KIST 캠퍼스와 아빠의 실험실에서 뛰어 놀았다. 자연스레 과학자가 꿈이었던 두 딸이 보아오고 들어왔던 아빠의 과학 연구 이야기가 딸들에게 영향을 미치지 않았을까 생각하면서, 과학 연구의 길에 들어설까 고민하는 사람들과 초보 과학 연구자들에게 저자의 연구 이야기를 들려주고자 한다.

저자는 과학적 사고를 통해 합리적으로 의심하고 문제를 해결할 수 있는 사회, 결과적으로 보다 공정하고 행복한 사회를 만들기 위해 노력하고 있다. 이 책이 연구자들은 물론이고 그런 사회를 만드는 데 조금이라도 도움이 됐으면 하는 바람이 지나친 욕심은 아니라고 믿는다.

1장 과학자는 과학을 연구하는 사람

1 과학하기, 연구하기

과학은 언제, 어떻게 시작됐을까 | 실험으로 시작된 근대 과학 | 연구는 ‘사물’과 ‘현상’을 탐구하는 일

2 지금 과학하고 있습니다

‘유레카!’를 외친 아르키메데스 | 최무선과 화약 개발 | 파스퇴르와 백조목 플라스크 실험 | 배리 마셜과 헬리코박터균 | 흡연실의 J 박사 | 화성의 마크 와트니

3 과학은 연구하는 방법이기도 하다

‘과학 연구’와 ‘과학적 연구’ | 과학 연구의 즐거움

2장 과학자가 연구하는 법

1 연구란 주장을 논증하는 것

2 파인만 알고리즘

STEP 1 문제를 쓴다 | STEP 2 열심히 생각한다 | STEP 3 답을 쓴다

3 사람들이 과학을 신뢰하는 이유는

3장 연구 시작하기

1 연구는 어디에서부터 시작될까

초보 연구자의 연구 시작 | 질문으로 시작하기

2 배경과 현황 파악을 위한 자료 조사

3 연구 주제를 선택하는 몇 가지 기준

의미 있는 연구인가 | 할 수 있는 연구인가 | 연구 범위 좁히기

4 문제와 질문

문제인가, 질문인가 | 연구 문제와 연구 질문

5 가설 수립

4장 연구 설계하기

1 에디슨처럼 연구하기?

2 이해하면 피할 수 있다

3 시행착오를 피하는 연구 설계

4 ‘전구 발명’ 연구 설계

왜 전구를 개발하려 하는가 | 이미 나온 전구 기술을 조사한다 | 문제는 필라멘트 | 필라멘트는 왜 끊어질까 | 탄소 필라멘트 실험

5장 실험하기

1 과학에서 실험은 정말 중요하다

체계적인 파스퇴르의 실험 | 실험하는 이유와 의미 | 실험을 할 수 없는 연구도 있다

2 실험 과정

실험 선정 | 실험 설계 | 결과 예측 | 실험 수행 | 결과 해석

3 실험의 어려움

실험 설계의 어려움 | 실험 수행의 어려움 | 실험 변수 통제의 어려움

4 실험을 잘 하려면

어떻게 하면 실험이 잘 될까 | 최소의 실험으로 결과 얻기

6장 연구 마무리하기

1 결과 해석과 가설 검증

표와 그래프 | 실험 결과 해석 | 가설 검증 | 확증 편향 오류

2 다른 연구와 결과 비교

3 결과에 대한 토론과 토의

질문이나 반론이 들어올 때 | 예상 질문이나 반론에 대한 대응

4 결론과 일반화

귀납적 결론과 한계 | 결론의 일반화

7장 연구 방법 훈련하기

1 연구에도 훈련이 필요한 이유

2 연구자가 되기 위한 훈련

초급 과정: 연구 스킬을 배운다 | 중급 과정: 문제 해결 능력을 키운다 | 상급 과정: 주도적으로 연구하는 법을 배운다 | 각 단계별 문제 유형

3 연구자의 필수 역량

4 연구자를 위한 조언

0단계: 연구자를 꿈꾸는 분들 | 1단계: 초급 연구자 | 2단계: 중급 연구자 | 3단계: 상급 연구자

8장 연구 수행에도 전략이 있다

1 전략과 전술

2 연구 전략을 수립하는 법

연구 전략이 필요한 이유 | 연구 전략의 구성 요소 | 가장 중요한 연구 자원은 사람

3 좋은 연구 전략

나쁜 전략 | 좋은 연구 전략

4 대학의 연구 전략

대학은 교육에 중점을 두는 곳 | 대학의 연구 멘토링

5 연구소의 연구전략

일방향 연구 모델 | 기술 개발에서 과학 연구의 역할

6 기업의 연구 전략

기업 연구는 무엇이 다른가 | 차이는 주제와 결과 보고 | 기업 연구를 위한 훈련

9장 과제 연구 실전 연습

1 과제 연구와 소논문

2 H고등학교의 사례

과제 연구 사례 | 주제 탐색을 위한 자료 검색과 주제 선정 | 연구 설계와 실험 계획 | 실험 방법 | 실험 변수와 예비 실험 | 실험 수행과 결과 | 결론 도출, 후속 연구 제안과 실험 보고서 작성 | 연구 결과 발표회

3 과제 연구 수행 지도 방법

과제 연구의 주요 과정 | 연구 착수 준비 | 연구 주제 선정 | 주제 선정의 제약 사항 | 연구 계획안 작성 | 실험 계획안 작성과 점검 질문 | 실험 결과 보고서 | 결과 해석과 표, 그래프 작성 | 결과 토의와 토론, 결론

10장 J 박사의 연구 에피소드

1 에피소드 1: 자동차 엔진 냉각 연구

H자동차 냉각계통 연구 | 자동차 엔진 냉각 실험과 컴퓨터 수치해석 | 현장에 답이 있다

2 에피소드 2: 첨단 레이저 계측 기술 연구

레이저 계측 기술 연구 | 첨단연구를 계속하고 싶어 미국으로 | 할 수 있는 연구를 해야 한다

3 에피소드 3: 선진 기술을 도입한 소각로 연구

우리나라 맞춤형 소각로 기술 연구 | 독일의 소각 기술을 도입 | 공동 연구로 연구의 폭을 넓힌다

4 에피소드 4: 배기가스를 처리하는 촉매 연구

배기가스에서 문제를 발견 | 촉매 기상합성법 시도 | 연구의 폭을 넓히는 새롭고 과감한 시도를 한다

5 에피소드 5: 담배 연기 처리 기술 연구

담배회사의 방문 | 새벽의 밤샘 실험 | 어려움을 피하지 않고 원리를 연구한다

11장 연구 수행 Q&A

1 연구 방법론에 관한 질문

2 연구 주제 선정에 관한 질문

3 가설과 연구 설계에 관한 질문

4 실험에 관한 질문

5 결과 해석과 마무리에 관한 질문

6 과학 연구와 기술 개발 연구에 관한 질문

7 연구 수행 전략에 관한 질문

8 연구 훈련에 관한 질문