그럼 과학이란 무엇일까요? 자연 또는 사회현상을 이해하기 위한 학문이라고 정의할 수 있습니다. 하지만 학문인 동시에 연구 대상인 자연을 이해하고 설명하기 위한 합리적인 연구 방법 자체를 과학이라고 일컫기도 합니다. 연구는 현상을 설명하는 가설을 세우고 그 가설을 입증하여 옳음을 주장하는 것입니다. 논리적이고 합리적 추론 방법으로 연구를 해야 다른 연구자들이 그 결과와 설명이 옳다는 것을 받아들일 수 있지요.
--- p.18

과학 연구 방법은 자연현상이나 사회현상을 연구하여 새로운 지식을 구축할 때 연구자가 사용하는, 가설 설정에서 결론 도출까지의 방법을 말합니다. 다시 말해 연구자의 경험과 실험 결과라는 증거를 사용하여 현상의 원리를 밝히는 과정이지요. 이 과정은 17세기 이후 자연과학에 의해 정형화된 방법으로, 계획에 의한 관찰, 측정, 실험, 일반화, 시험, 새로운 수정 가설 제시, 결론 등 일련의 과정으로 이루어집니다.
--- p.36

연구를 하는 이유는 어떤 현상을 밝혀내고 설명하기 위해서입니다. 연구 과정에서 과학자가 실험을 하는 것은 밝혀낸 사실이 진실이라고 설득하려면 믿을 만한 근거가 있어야 하기 때문입니다. 연구 과정은 다른 말로 연구 프로세스라고도 부릅니다. 무엇이든 잘하려면 그 과정에 익숙해져야겠지요? 연구를 잘하려면 당연히 연구의 과정과 단계를 잘 이해하고, 체계적으로 진행하는 연구 과정에 익숙해져야 합니다.
--- p.42

왜 사람들은 과학과 과학자를 이토록 신뢰하는 걸까요? 과학을 믿는 이유는 과학적 내용 자체보다도 과학 연구 결과의 정확성과 연구 방법의 객관성을 신뢰하기 때문입니다. 과학의 객관성은 실험재현 가능성에서 비롯됩니다. 우주 어느 곳에서나 동일한 자연법칙이 적용된다고 가정하고, 같은 조건이라면 어디에서, 언제, 누가 실험을 하더라도 실험 결과 역시 같다고 전제합니다. 같은 실험을 했는데 동일한 결과가 나오지 않으면, 오히려 원래의 실험 결과가 조작되었다고 의심받을 정도입니다.
--- p.57

그런데 초보 연구자 중에서는 ‘자료를 이렇게 많이 수집했으니, 이제 잘 정리하여 결론을 내릴 수 있겠다’고 착각하는 경우가 있습니다. 자료 조사를 많이 했더라도 잘 소화했다고 보기 어렵고, 자료 조사를 통해서 어떤 결론을 내렸더라도 다른 사람들이 연구한 결과를 요약한 것에 지나지 않습니다. 리뷰 논문이라도 쓰지 않는 이상, 제대로 가치를 인정받기도 어렵습니다. 한편 내용을 잘 정리한 자료라도 조사한 결과를 그대로 믿어서는 안 됩니다. 연구 결과와 과정에 대해 ‘어떻게’와 ‘왜’라는 질문을 끊임없이 던지고 의심해야 합니다. 그리고 의문스러운 부분에 대해 답을 찾으려 노력해야 합니다. 이미 나올 만한 결과나 결론은 다 나왔으니 이제 더 연구할 주제가 없다고 지레 포기해서는 안 됩니다. 이제는 완전히 새로운 분야는 없고 어느 분야든 연구가 많이 진행된 것처럼 보이지만, 남은 문제가 없는 것은 아닙니다. 그중에서도 의미 있는 문제를 찾아낼 수 있습니다. 그런 주제를 찾아내는 것이 바로 연구자의 역량입니다.
--- p.69

“어떻게 하면 연구를 잘할 수 있을까?” 하는 물음은 연구하는 내내 필자가 계속 고민하는 숙제입니다. 연구를 잘한다는 것은 어떤 뜻일까요? 좋은 연구 결과를 내는 것일까요? 꼭 그렇지만은 않습니다. 연구를 잘하는 데는 시간을 적절하게 사용했는지 여부도 중요합니다. 그러니까 너무 오래 고생하지 않고 좋은 결과를 내는 것, 두 가지 요건을 동시에 충족해야 잘한 연구가 되는 것이지요.
--- p.84

실험한다고 해서 늘 의미 있는 결과를 얻는 것은 아닙니다. 실험하려면 실험 장치를 만드는 데만 몇 달이 걸리고, 실험하는 데도 시간이 많이 필요합니다. 그러니 좋은 실험 결과가 나오지 않아 머리를 쥐어뜯는 연구자에게 ‘실험을 할 수 있다는 것만으로도 유리하다’는 말이 큰 위로는 되지 않을 겁니다. 그래도 실험을 할 수 있다는 것은 연구에서 꽤 유리한 조건입니다. 과학에도 실험할 수 없는 분야가 있기 때문입니다. 예를 들면 천문학, 기상학, 지구과학 등인데, 이 분야의 연구에서는 실험하는 대신 현상을 관찰하거나 관측합니다. 실험은 대상에 어떤 조작을 가하고 조건을 바꾸어가며 그에 따른 변화를 비교하고 조사하는 활동이지만, 관찰은 대상을 있는 그대로 살펴보는 활동입니다.
--- p.110

연구 유형에 따라 결과물의 형태는 다릅니다. 과학 연구 결과물로 논문을 작성하는 것이 일반적이지만, 기술 개발 연구라면 원하는 성능 조건을 만족하는 기술이 결과물이 되겠지요. 기술의 독창성과 차별성을 보호하기 위해 특허 출원을 해야 하는 경우라면, 특허가 결과물이라고 할 수 있습니다. 제품 또는 서비스를 개발하는 연구라면 제품과 서비스의 상품화가 결과물이 됩니다. 연구를 마무리하는 과정에는 가설을 검증하며, 결과를 비교하고, 토론하고 결론을 도출하는 과정이 포함됩니다. 그리고 후속 과정로 논문을 작성하여 투고하거나 특허를 출원하는 것 등이 있습니다.
--- pp.138~139

과학 연구를 할 때는 관찰 결과를 바탕으로 일단 가설을 세웁니다. 가설이 어떤 원리를 바탕으로 하는지 논리적으로 추론하고, 예비 실험 결과를 바탕으로 가설을 수정합니다. 이렇게 가설을 세우고 입증하는 연구 방법을 귀추가설법 또는 가설연역법이라고 하는데, 관찰을 바탕으로 수립한 가설을 실험으로 입증하는 연구 과정을 말합니다. 귀추가설법은 현재 연구자들이 많이 사용하는 연구 방법으로, 가설이 맞다는 것을 전제로 이 가설에 따라 실험 결과를 예측하고 이를 실험을 통해 확인하여 결론을 내리는 것입니다.
--- pp.156~157

박사학위를 받으면 대학교수가 되거나 연구소의 선임·책임연구원이나 기업의 연구 개발자 등 본격적으로 전문 연구자의 길로 들어서게 됩니다. 무슨 일을 하든 연구자에게 가장 중요한 경쟁력은 연구 수행 역량입니다. 주제를 선택하고, 그 주제의 연구 필요성을 설득하여, 연구에 필요한 자원(연구비, 시설, 인력)을 확보하고, 연구를 수행해서 결과를 얻고, 연구의 결론을 내고 마무리하는 일이 연구자가 하는 주요 업무입니다. 초급 과정(연구 스킬 습득), 중급 과정(논문 작성법, 다양한 연구 방법 익히기)을 거쳐 상급 과정(주제 선택 역량·커뮤니케이션 역량·협업 역량 키우기)까지 마치면 자기 몫을 다하는 연구자로 훌륭히 성장할 것입니다.
--- p.177

학생들이 대학원에 진학하고 석박사 과정을 시작할 때는 전문가가 되어 안정적인 삶을 영위할 거라고 기대하는 경우가 더 많고, 연구자가 되고 싶다는 동기는 상대적으로 적은 것 같습니다. 하지만 석박사 과정을 거치면서 연구자들과의 교류를 통해 연구자라는 정체성이 형성되고, 그 분야의 전문가로 성장하는 경우가 많습니다. 연구자들은 과학적 발견의 즐거움, 즉 세상 누구도 알지 못하는 것을 발견하는 희열을 느낍니다. 따라서 대학 연구실에서는 연구자(학생)의 생각을 존중하는 환경을 형성하고, 다양한 배경과 관점을 가진 우수한 학생들이 적극적으로 토론에 참여하여 창의적인 새로운 아이디어를 끊임없이 내게끔 해야 합니다. 특히 학생이 연구하는 기쁨을 느끼도록 한다면 교수가 멘토의 역할을 잘하는 것입니다. 좋은 교수는 학생을 동료 연구자로 인정하고 독립적으로 연구를 수행할 기회를 주어야 합니다.
--- p.193

기존의 기술에 비해 20퍼센트 더 우수하면 충분할까요? 아니면 50퍼센트 이상? 필자는 기존 기술과의 경쟁에서 이기기 위해서는 “핵심 성능이 10배 이상 뛰어난 기술이라야 된다”라고 학생들에게 이야기합니다. 이 기술을 적용한 제품이 생산되어 시장에 나가기까지 적어도 몇 년은 걸린다는 점을 생각하면 이미 자리 잡고 있는 기존 제품과 기술, 기업을 그만큼 크게 앞선 성능을 가진 기술을 목표로 삼아야 합니다. 그런데 어떤 특성이 10배 이상 뛰어나다면 근본적인 차이와 원인이 있다는 의미입니다. 따라서 현상과 메커니즘을 명확하게 이해하기 위한 과학 연구를 하고, 그 이해를 잘 이용해야 획기적인 기술을 개발할 수 있습니다. 그러니까 기술 개발 과제가 주어지면, 그 기술에 필요한 현상과 메커니즘을 이해하기 위한 연구에 필요한 질문을 잘 정해서 연구해야 합니다. 즉 기술 개발 연구에서 어떤 특성을 획기적으로 향상시키려면 (문제의 원인과 해결책을 규명하는 질문과 그 답을 찾아내는) 과학 연구가 먼저 이뤄져야 하는 것이지요. 그리고 이 연구 결과가 기술 개발의 핵심이 된다는 점을 명심하여 연계 연구를 수행하는 것이 바람직합니다.

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.

40여 년 동안 환경과 에너지 연구와 교육을 해오면서 내가 고민했고 동감하는 이야기를 총정리한 책이다. 연구를 배우는 대학원생에게 필독서이자 과학자의 삶을 꿈꾸는 중고등학생과 대학생은 물론 지금 현장에서 연구하고 있는 전문 연구자들에게도 큰 도움이 될 지침서다.

저자는 과학 연구, 기술개발 연구에서부터 기술 이전, 창업에 이르기까지 모든 연구활동을 경험한 탁월한 연구자이다. 저자는 이 한 권의 책에 연구자를 넘어 혁신가로서의 경험과 비결을 담았다. 경계를 허무는 과학 지식의 융합으로 도전적 연구에 나서는 연구자에게는 든든한 나침반이 되어주고, 청소년과 대학생에게는 과학자를 꿈꾸게 해줄 것이다.

이 책은 과학연구 현장에서 겪어온 좋은 연구에 대한 저자의 생각, 저자가 겪은 다양한 연구 문제와 해결의 경험담을 생생하게 전달하면서 과학연구 방법을 설명한다. 과학자와 과학 연구에 관한 입문서로 이만한 책이 없을 것이다.