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[피플] 청정 에너지를 만든다 ‘카이스트 이정용 교수’ 
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[피플] 청정 에너지를 만든다 ‘카이스트 이정용 교수’ 
  • 이재준 기자
  • 승인 2022.05.16 02:59
  • 댓글 0
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 도심 하늘을 자유롭게 날아다니는 드론과 시공을 초월한 메타버스를 구현할 4차산업 기술은 머지않은 미래에 일상기술이 될 전망이다. 하지만 상상을 현실로 실현하려면 작고 가벼운 동력원이 필요하다. 
그 차세대 동력원으로 주목받는 것이 기후변화와 에너지 문제 해결에 앞장서온 태양전지이다. 5월의 과학기술인상 수상자 KAIST 이정용 교수는 이종 결합 하이브리드 반도체 개발을 통해 기존 무기물 기반 반도체의 성과를 넘어 새로운 반도체 혁신을 이끄는 젊은 과학자이다. 

■ 이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상 소감과 함께 최근  교수님의 근황도 전해주세요.

 - 이달의 과학기술인상을 수상하게 되어 매우 영광스럽습니다. 우선, 저를 수상자로 선정해주신 과학기술정보통신부와 연구재단 관계자분들과 선정위원들께 감사드립니다. 저희 차세대에너지변환소자연구실 학생들과 공동연구를 진행했던 동료 연구자님들, 그리고 물심양면으로 도움을 주신 여러 선후배 연구자님께도 이 자리를 빌어 감사의 인사를 전하고 싶습니다. 저는 2020년 상반기부터 ‘100% 이상 늘어나는 소재고유형 스트레처블 유기태양전지’를 주제로 나노미래소재 원천기술개발사업을 수행하고 있습니다. 고무줄처럼 늘어났다 줄어드는 태양전지를 상상해 보셨나요? 성공한다면 피부에 부착해 체온이나 맥박을 측정하는 소자의 상시전력원으로 활용되는 등 응용처가 무궁무진할 것으로 기대됩니다. 또한 양자점 소재를 활용하여 적외선 대역 흡수가 가능한 이미지 센서 연구를 진행하고 있는데, 최근에 흥미로운 결과를 얻고 있어 기대가 됩니다. 이외에도 또 다른 차세대 반도체인 페로브스카이트 재료를 활용한 차세대 디스플레이 연구도 진행하고 있습니다.

■ 에너지 및 환경문제 대응을 위해 유기반도체, 양자점, 페로브스카이트와 같은 차세대 반도체를 활용한 광전 소자 연구에 매진해 오셨는데요. 교수님의 주요 연구주제에 대해 소개해주세요. 

 - 4차 산업 시대에 접어들면서 센서, 디스플레이 심지어는 동력원까지 일상의 전 분야에서 반도체가 요구되고 있습니다. 특히 석탄이나 석유 같은 화석연료의  유한성 및 대기오염으로 인해 인류는 지속가능하면서도 친환경적인 태양전지를 개발하였습니다. 하지만, 현재 상용화된 고성능 태양전지는 제조 단가가 비싸고, 쉽게 깨져서 제한적인 활용만 가능한 상황입니다. 또한, 4차 산업의 핵심 부품인 고성능 적외선 센서나 LED의 경우 비싼 가격으로 여러 분야에서 기술 발전을 저해하는 요인으로 작용합니다. 이에 유기 고분자, 양자점 및 페로브스카이트와 같은 차세대 반도체 신소재를 활용하여 저가의 고성능 광전 소자들을 개발함으로써, 차세대 동력원, 센서 및 디스플레이의 상용화에 기여하고자 합니다.

■ 최근 유기반도체와 양자점의 이종 결합을 통해 세계 최고효율을 갖는 하이브리드 태양전지 제작하셨는데요. 먼저 왜 두 반도체의 이종결합 연구를 진행하게 됐는지 배경 설명 부탁드립니다. 

 - 유기반도체는 높은 흡광 계수를 가지며, 유연성이 좋아 다양한 곡면 및 웨어러블 디바이스에 활용 가능합니다. 양자점은 동일한 물질의 입자 크기만을 나노 사이즈로 조절하여 전자 구조를 쉽게 변화시켜 줄 수 있고, 단일 광자를 통해 다수의 전자를 형성하여 이론적 성능 한계를 뛰어넘을 수 있습니다. 따라서 차세대 반도체 소재로 각광 받는 이들을 함께 활용하는 하이브리드 구조는 두 소재의 장점을 모두 얻을 수 있는 시너지 효과가 기대됩니다. 하지만 이종 소재 간 계면에서의 전하 전송 문제로 인해 단일 소재 기반의 소자보다 종종 낮은 성능을 보여주고 있습니다. 이에 저희 연구진은 하이브리드 구조의 고질적 문제를 극복하여, 다양한 반도체 소자에 활용 가능한 기반 기술을 확보하고자 이종접합 연구를 진행하게 되었습니다. 

■ 유기반도체와 양자점의 이종 결합으로 탄생한 하이브리드 태양전지 개발의 주요 내용도 소개해주세요. 

 - 기존의 유기 반도체/양자점 하이브리드 구조의 경우, 빛에 의해 생성된 전자-정공쌍(엑시톤)이 양자점과 유기 고분자의 계면에서 전자와 정공으로 분리 및 추출되어 전기로 변환되는데, 유기 고분자의 짧은 엑시톤 확산 거리로 인해 생성된 엑시톤이 전자와 정공으로 분리되기 전에 소실되어 광전변환효율이 매우 낮다는 것을 알게 되었습니다. 이에 저희는 전자를 분리 및 추출하는데 효과적인 물질을 추가 도입하여 새로운 엑시톤 분리 경로를 형성함으로써, 효율적인 전하분리 및 추출이 가능한 하이브리드 구조를 개발하였고, 그 결과 13%의 높은 광전변환효율을 가지는 유무기 하이브리드 태양전지를 보고할 수 있었습니다. 

■ 개발된 하이브리드 소자 구조는 근적외선 탐지기 활용을 비롯해 학술적으로 다양한 파급효과가 예상됩니다. 

 - 저희가 개발한 하이브리드 구조는 비단 양자점과 유기 고분자간 이종 접합에만 적용되는 것이 아니라, 실리콘 및 페로브스카이트를 포함한 다양한 유무기 소재들 간 이종접합 설계에도 활용되어 기존과 다른 새로운 형태의 소자 모델을 제안함으로써 차세대 반도체 분야의 전반에서 기술 증진을 기대합니다. 대표적인 예로 본 연구에서 제시한 하이브리드 구조에서 유기 고분자의 유연성을 활용하여, 웨어러블 디바이스에 적합한 플렉서블 근적외선 탐지 소자를 구현할 수 있을 것으로 기대되며, 전하추출특성 향상을 통해 향상된 탐지 감도 및 반응 속도를 얻어, 저가의 고감도 근적외선 탐지 센서를 구현할 수 있을 것으로 기대됩니다.

■ 4차산업 분야에서도 새로운 에너지 동력원으로써 차세대 태양전지의 활약이 요구되고 있습니다. 
  
- 고효율 유무기 하이브리드 태양전지가 화석연료를 대체할 지속 가능하면서도 친환경적인 핵심 동력원으로 자리매김할 것으로 기대되는 데요. 가볍고 유연한 하이브리드 구조의 특성을 활용하여, 기존에 도입이 어려웠던 드론, 자율주행 자동차 및 웨어러블 디바이스의 보조 전력원으로 활용할 수 있습니다. 나아가 저희는 저가의 고효율 하이브리드 태양전지의 상용화 연구를 병행하여, 모든 사람이 언제 어디서나 편리하게 전기를 사용할 수 있는 환경을 만드는 데 기여하고자 합니다. 현재처럼 전기자동차 충전을 특정 장소에서만 하는 것이 아닌 마트에서 태양전지를 구입해 어디서든 전기를 생산할 수 있는 사회를 구현에 이바지하고 싶습니다. 

 

■ 평소 과학기술은 인간중심의 삶을 가능하게 하는 데 의의가 있다고 말씀해주셨는데요. 교수님의 연구가 국민들의 삶에, 또는 우리나라 산업 발전에 어떤 영향을 미치고, 어떤 변화를 이끌어 가길 기대하시나요?
 
- 지난 몇 십 년 간 과학기술의 눈부신 성장은 인류의 모습을 놀랍게 바꿔놓았지만 아직도 장애인이나 노약자들 위한 기술은 그 관심이 상대적으로 부족합니다. 첨단기술은 산업의 원동력이 되는 동시에 그 혜택은 사회 구성원들이 골고루 누릴 수 있도록 다양한 노력이 필요합니다. 현재 고가의 자동차에 사용되는 라이다 (LiDAR, 주변 물체의 거리를 식별하는 센서)가 좀 더 작고 유연해지면, 사람이 직접 들고 다니면서 주변의 위험 요인을 미리 감지하고 대비하여 보행 중 사고를 줄일 수 있을 것입니다. 그러기 위해서는 웨어러블 기기들이 더 유연하고, 늘어나고, 가볍고, 더 우수한 성능을 가질 필요가 있는데, 그 해답을 차세대 반도체에서 찾고자 합니다. 차세대 반도체들의 단점들을 보완하고 장점들은 극대화할 수 있는 하이브리드 소자가 궁극적으로 실현이 된다면 국민의 삶을 보다 편하고 안락하게, 그리고 무엇보다도 안전하게 만드는데 크게 일조할 수 있을 것으로 생각합니다. 

■ 연구 과정에서 가장 힘들었던 순간은 언제인가요? 

- 돌이켜 생각해보면, 어려움이 없었던 건 아니지만 연구의 당연한 과정 중 하나라고 이해하여 그런지 위기나 고비라고 기억에 남는 순간은 없습니다. 다만, 의욕을 잃거나 매너리즘에 빠지는 학생들을 가끔 볼 때가 있는데, 이럴 땐, 단순하고 규칙적인 하루의 루틴을 가져보라고 권합니다. 연구 의욕이 앞서다보면, 불규칙한 식사뿐만 아니라, 하루 일과도 늦게 시작해서 늦게 끝나게 되는 경우가 많은데, 이를 바로 잡을 때 그런 어려움을 극복한 나 자신을 어느 새 발견할 것이라고 조언합니다.

■ 그럼 반대로 가장 즐거웠던 순간, 보람된 기억은 무엇인가요? 
 
 - 아직 남들이 하지 않은 부분을 찾아서 연구를 하다보니 아무래도 내가 수행한 연구 결과와 논문이 동료 연구자들에게 인정을 받는다고 느낄 때 보람을 느끼는 것 같습니다. 연구자로서는 학회에서 전혀 모르는 사람이 나에게 찾아와 “당신의 논문을 잘 읽었고 많은 영감을 주었다”라고 말할 때 가장 기분이 좋습니다. 또 학생을 가르치는 교수로서는 제자들이 성장하여 사회에 기여할 때가 가장 보람되는데요. 특히 학생이 교수가 되어 후학을 양성하는 모습을 볼 때 제가 첫 강단에 섰을 때가 생각나며 정말 기뻤습니다. 

■ 연구자이자 후학을 양성하는 스승으로서 연구실 구성원들에게 강조하는 연구자의 자세, 학문을 대하는 태도는 무엇인가요?  더불어 연구실 운영철학에 대해서도 들려주세요. 

 - 무엇보다도 건강관리가 제일 중요하다고 말해줍니다. 연구는 마라톤이라고 이야기 함에도 100미터 달리기 하듯 초반에 모든 걸 쏟아내는 학생들이 있습니다. 일시적으로는 성과가 나는 것 같지만 이내 지쳐서 시간이 갈수록 오히려 뒤쳐지는 경우를 봅니다. 학문을 연구하는 건 마치 해답 없는 문제집을 푸는 것과 같습니다. 스스로 문제를 내고 스스로 만족할만한 답을 내야 합니다. 그러기 위해서는 스스로에게 많은 질문을 던져야 하고 정말 생각을 많이 해야 합니다. 완벽한 정답이 있는 문제를 푸는데 익숙한 학생들이 처음에는 감당하기 힘든 문화적 충격을 겪곤 하는데, 이런 부분을 이해시키고 실패와 좌절에서 빠져나올 수 있도록 도움을 주는 것이 지도교수의 중요한 역할이라고 생각합니다.  

 - 더불어 학생들에게 선택의 자유를 주려고 노력합니다. 각자가 흥미를 느끼는 연구 주제를 선정하고 어느 정도 연구의 기본기를 익혔다면 자기만의 페이스로 고집있 게 나아가야 합니다. 주변의 말 한마디에 휘둘리지 않아야 합니다. 자신의 신념대로 밀고 갈 용기가 필요합니다. 그런 자세로 연구에 임하다보면, 설령 그 길이 막다른 길이라 하더라도 새로운 한줄기 빛이 비추는 것을 알 수 있을 겁니다. 
  

 

■ 교수님의 궁극적으로 도전하고 싶은 연구, 이루고 싶은 성과는 무엇인가요?

 - 제가 연구하는 차세대 반도체 소자들이 인류의 보편적 가치를 실현하는데 도움이 되었으면 합니다. 어디서나 얻을 수 있는 소재들을 활용해서 손쉽게 소자들을 만들어서 필요한 에너지를 생산하여 안전하고 편리한 삶의 터전을 제공했으면 합니다. 또한 우리가 누리는 편리함이 후속세대에 짐을 지우지 않기 위해서는 그런 소자들을 만드는데 최소한의 에너지를 사용할 뿐만 아니라 최소한의 탄소를 배출해야하고 사용한 후에는 완벽하게 재활용이 가능해야만 합니다. 어렵지만 의미 있는 방향의 연구라고 생각합니다. 한걸음씩 가다보면 언젠가는 닿을 것이라고 믿습니다. 저는 공학을 연구하는 엔지니어입니다. 공학의 본질은 기술사업화에 있다고 생각합니다. 제가 개발한 기술이 적용된 제품이 사람들의 일상생활 속에서 사용되고 있는 모습을 보는 것이 제가 엔지니어로서 이루고 싶은 꿈입니다.

■ 미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 조언 또는 당부의 한 말씀 부탁드립니다. 

 - 과학자는 인류가 살아가는 모습을 바꿉니다. 과학자의 끝없는 호기심이 조금씩 자연의 법칙을 이해하고 이를 기반으로 놀라운 기술의 발전으로 이어졌습니다. 과학자를 꿈꾸고 있다면 작은 것 하나도 원리를 이해하려는 끈질긴 노력이 필요합니다. 거인 과학자들의 발자취를 따라가며 지식을 습득하는 것도 중요하지만, 고정 관념을 깬 발상의 전환으로 상상의 나래를 펼쳐보는 것 역시 필요합니다. 처음에는 터무니없어 보이는 생각들을 다듬고 다듬다보면 다음 세대의 인류를 더 안전하고 편리한 세상에서 살 수 있도록 한걸음 더 앞으로 나아가 있을 겁니다. 

 

 □ 주요 학력 
  o 2002. 9. ~ 2010. 1.  미국 스탠퍼드대학교(Stanford University) 전자공학과 박사
  o 2000. 3. ~ 2002. 2.  서울대학교 전기공학부 석사
  o 1993. 3. ~ 2000. 2.  서울대학교 전기공학부 학사

 □ 주요 경력
  o 2020. 3. ~ 현재      KAIST 전기및전자공학부 교수
  o 2014. 9. ~ 2020. 2   KAIST EEWS대학원 부교수
  o 2010. 10.~ 2014. 8   KAIST EEWS대학원 조교수
  o 2010. 1. ~ 2010. 10  스탠퍼드대학교 박사후연구원(Postdoctoral researcher)

 □ 전문 분야
  o 양자점, 유기 고분자 및 페로브스카이트 기반 차세대 태양전지 개발
  o 콜로이달 양자점 기반 초고감도 적외선 탐지 센서 소자 개발 
  o 페로브스카이트 나노 입자 기반의 발광 다이오드 소자 개발 
  o 차세대 반도체 소자를 위한 투명 및 고신축 전극 소재 개발


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