관련기사 등록
검색섹션
검색영역
기사등급
기사형태
검색영역
검색단어 또는
관련기사 검색결과 리스트
관련기사 검색결과 리스트 컨텐츠
검색된 정보가 없습니다.
관련기사 검색결과 리스트
관련기사 검색결과 리스트 컨텐츠
검색된 정보가 없습니다.
게시글 상세보기
정보

2017/09/13 인터뷰 > 교수

제목

[시선집중] 성실함으로 오롯이 한길을 걷다

물리학과 김은규 교수

사자뉴스

URL복사/SNS공유

http://www.hanyang.ac.kr/surl/yU2M

내용
지난 6월 세계적인 과학저널 <사이언스(Science)>에 물리학과 김은규 교수와 울산과학기술원 석상일 교수, 고려대학교 노준홍 교수가 공동 연구한 세계 최고 효율의 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지에 대한 연구 성과가 실렸다. 김은규 교수에게는 지난 30년간 굳건히 한길을 걸어온 결실이자 성과였다.

글. 박영임 / 사진. 안홍범


 

▲ 물리학과 김은규 교수

저명한 과학저널 <사이언스>에 게재


과학자라면 누구나 한번쯤 자신의 논문이 실리길 소망하는 세계 최고 권위의 과학저널 <사이언스>. 하지만 까다로운 심사와 함께 경쟁률이 높아 누구나 논문 게재의 영광을 누릴 수는 없다. 물리학과 김은규 교수는 한국화학연구원에서 태양전지연구센터를 이끌었던 울산과학기술원 석상일 교수, 고려대학교 노준홍 교수와 함께 세계 최고 효율을 기록한 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 그 연구 성과가 <사이언스> 6월 30일자에 게재됐다. 기쁨의 크기가 너무 컸던 것일까. 김은규 교수는 논문이 게재된다는 최종 통보를 받았을 때 의외로 덤덤했다고 소회를 밝혔다.
“3월 말에 논문을 투고했는데 1~2주 후 1차 심사를 통과했다는 편집자의 메일을 받았습니다. 이렇게 빠르게 1차 심사를 통과한 것은 그만큼 연구 성과가 우수하다는 것을 의미합니다. 그래서 게재도 어렵지 않을 것이라고 예상했습니다. 최종 통보는 5월 중순께 받았어요.”
하지만 논문이 실린다는 소식에 담담했던 것과는 달리 논문 요약문의 첫 문장, 첫 단어로 ‘결함 상태 분석’이 거론된 것에 대해서는 연구자로서의 자부심을 숨기지 않았다. 저널의 맨 마지막 페이지에 논문의 의의를 밝히는 요약문이 실리는데, 여기에 첫 단어로 언급됐다는 것은 가장 핵심적인 부분이라는 것을 의미한다. 바로 이 ‘결함 상태 분석’을 김은규 교수가 담당했다.
“우리 연구실의 반도체 결함 상태 분석 기술이 유무기 태양전지 고효율화에 기여했다는 점을 인정받아 매우 기쁩니다.”

 

세계 최고 효율의 페로브스카이트 태양전지 개발


태양전지는 무한한 청정 태양에너지를 유용한 에너지원으로 변환 할 수 있는 가장 효율적인 방법이다. 최근 정부가 탈원전·탈석탄 정책을 강력히 추진함에 따라 신재생에너지의 보급, 확산에 대한 기대감이 높아졌다. 태양광에너지는 유력한 대체에너지 중 하나다. 그러나 현재 약 90% 이상 사용되고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 효율은 높지만 고도의 기술과 다량의 에너지가 필요해 비용이 높다는 것이 단점이다. 그에 비해 낮은 가격으로 제작 가능한 유기 및 염료감응 태양전지는 효율이 낮아 대규모 상용화에 어려움이 따른다. 이렇게 현재는 다양한 태양전지들이 비용을 낮추고 효율성을 높이기 위해 경합을 벌이고 있는 중이다.
이 중 2012년부터 본격적으로 연구되기 시작한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 짧은 역사에도 불구하고 가격이 저렴하고 기존의 유기 및 염료감응 태양전지의 효율을 뛰어넘었을 뿐 아니라 실리콘 태양전지나 박막형 태양전지의 효율에 근접하고 있어 차세대 태양전지 후보로 급부상하고 있다.
김은규 교수는 약 5년 전부터 한국화학연구원의 태양전지연구센터와 유무기 혼성 반도체 태양전지에 대해 공동 연구를 진행했다. 그러다 페로브스카이트 태양전지의 효율성을 높이는 연구를 함께추진하게 됐다. 공동 연구팀은 지난 2013년부터 해마다 페로브스카이트 태양전지의 광전변환 효율을 16.2%에서 17.9%, 20.1%로 세 차례 갱신한 바 있는데, 그동안은 소재 합성 및 소자 구조나 공정 변화로 효율을 높여왔다. 그러나 이번에 광전 효율을 22.1%까지 올릴 수 있었던 것은 광전 에너지 변환 효율을 감소시키는 소재 내부의 결함을 줄인 덕분이다.
“근원적으로 효율을 향상시킬 수 있는 방안을 찾던 중 내부 결함 문제에 주목하게 됐습니다. 그 과정에서 제가 그동안 연구해온 DLTS(Deep Level Transient Spectroscopy, 깊은 준위 분광법)가 크게 기여했습니다.”
페로브스카이트는 양이온, 음이온, 할로겐화물로 구성된 신소재인데, 광전 효율을 떨어뜨리는 것으로 알려진 할로겐화물의 결함을 잡아 변환 효율을 높일 수 있었다. 즉 할로겐화물의 내부 결함을 줄이기 위해 요오드화 이온의 형태를 제어하는 방안을 도출하고, 이를 소자에 적용해 세계 최고의 공인 인증 효율인 22.1%의 광전변환 효율을 구현할 수 있게 된 것이다.

 

포기하지 않고 지속적으로 ‘결함 상태’ 연구


“향후 페로브스카이트 태양전지가 상용화되기 위해서는 대면적화 및 태양열에 의한 온도 상승 시 열적 안정성, 소자 신뢰성 문제를 해결해야 합니다. 그 과정에서 결함 상태 연구가 주된 역할을 수행하기 때문에 앞으로 이 분야가 연구의 주도권을 갖게 될 것입니다 .”
태양전지 소자의 결함 농도 및 결함의 에너지 준위를 측정할 수 있는 DLTS는 김은규 교수가 1980년대 중반부터 심취한 분야다.
특히 반도체물리학 전공자로서 반도체 소재의 물성 및 결함 상태 연구를 꾸준히 진행해왔다. 당시만 해도 이 분야 연구자들이 여럿 있었지만 반도체 업계에서 관심을 보이지 않자 하나둘 떠나기 시작했다. 하지만 김은규 교수는 성실한 연구자의 태도를 우직하게 고수했다. 그리고 흔들림 없이 DLTS에 대한 연구를 지속해왔다.
“연구자는 아무리 어려운 환경에서도 포기하지 말고 끝까지 전진 해야 합니다. 그러다 보면 빛이 보이고 길이 생기더군요. 주변에서 도움을 주기도 하고요. 조급하게 생각하지 말고 주어진 여건에 성실하게 임하면 됩니다.”
반도체 산업은 우리나라의 대표적인 기반 산업이다. 기술도 세계 최고 수준이다. 하지만 한 단계 더 도약하기 위해서는 본질적인 안전성 문제에 눈을 돌려야 한다. 그래서 최근 들어 태양전지 뿐 아니라 메모리 반도체, 디스플레이, LED와 관련된 다양한 기업에서 공동 연구 요청이 쇄도하고 있다. 반도체와 관련된 구조는 DLTS를 통해 결함 상태의 에너지 준위를 측정해 소자의 신뢰성 및 효율을 높일 수 있기 때문이다. 이를 위해서는 전문 측정 장비와 분석 노하우를 갖춰야 하는데, 김은규 교수는 지난 30년간 해당 연구에 대한 끈을 놓지 않았기 때문에 DLTS 분야에서 독보적인 위치를 점하게 됐다.
 
▲ 김 교수는 "연구자는 아무리 어려운 환경에서도 포기하지 말고 끝까지 전진해야 합니다. 그러다 보면 빛이 보이고 길이 생기더군요." 라고 말한다.
 

자연 현상 원리 밝히는 재미있는 물리학


일반적으로 물리학은 어려운 학문이라는 선입견이 있다. 이에 대해 김은규 교수는 안타까운 마음을 전했다.
“물리학은 눈에 보이는 자연 현상을 보편적인 원리로 설명해주는 재미있는 학문입니다. 수학적인 도구를 사용해 어려워 보이긴 하지만 단순하게 생각하면 간단합니다. 자연 현상들이 어떤 원리에 의해, 왜 일어나는지 설명해주는 것이니까요.”
복잡한 수학 공식보다는 원리를 밝히는 것이 물리학의 목적이라고 강조하는 김은규 교수. 중·고등학교 때 어려운 수학 공식보다 실험 도구를 자주 접하면 물리학이 얼마나 재미있는 학문인지 알 수 있을 것이라고 덧붙인다.
그렇다면 물리학과 반도체 소자 관련 연구와는 어떤 상관관계가 있을까. 김 교수는 자신이 운영하고 있는 ‘양자기능연구실’의 의미를 설명하는 것으로 답을 대신했다.
“현재까지 반도체 소자 물리는 고전 역학 및 고전 전자기학으로도 충분히 설명됐습니다. 하지만 향후 나노 구조의 양자 소자는 양자역학적 개념을 이용한 반도체 소재나 구조로 창출될 것입니다. 그래서 양자역학적 개념의 기능을 가진 양자 소자를 제안하고 응용하기 위해 양자기능연구실이라는 이름을 붙였습니다.”
마지막으로 김은규 교수는 “창의력은 튼튼한 기초를 기반으로 탄생하는 법”이라며 기초 학문의 중요성을 역설했다. 그의 말처럼 물리학이라는 기초에 새로운 기술을 접목할 수 있는 유연하고 창의적인 사고를 가질 때 비로소 양자 기능의 미래 소자도 개발할 수 있을 것이다.


 
URL복사/SNS공유

기사댓글 0