[연구자 인터뷰]

초고효율 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지 기술 개발! 카이스트 신병하 교수

NRF 기초연구 라이브

신병하 교수와의 인터뷰

1.	자기소개 부탁드립니다.

저는 현재 서울대학교 기계공학부에서 응용나노열공학연구실을 지도하고 있는 고승환 교수입니다. 서울대학교는 2013년부터 부임했고 그전에는 카이스트 기계공학과에서 2009년부터 4년간 교수로 재직했었습니다. 관심 있는 연구분야는 나노물질 개발 및 저온 공정을 개발하여 다양한 차세대 전자기기들에 적용하는 것입니다. 대상 차세대 미래 전자기기로는 웨어러블 전자기기, 플렉서블/스트레처블 전자기기, 투명 전자기기, 소프트 로봇, VR/AR 기기, 기능성 필터 등이 포함됩니다. 한국

안녕하세요. 저는 현재 카이스트 신소재공학부에 근무하고 있는 신병하 교수입니다. 카이스트 부임 이전에는 IBM 왓슨 연구소에서 범용 무독성 원소들로 이루어져 있는 ‘CZTS’라고 불리는 Cu2ZnSnS4 황하물 태양전지 연구를 하였습니다. 2014년 2월 카이스트 부임 이후에는 할라이드 페로브스카이트 태양전지, 발광소자 다이오드, 칼코젠 및 질화물 기반 박막태양전지용 재료 개발, 광전기 화학 에너지 변환에 대한 연구를 진행해 오고 있습니다.

2.	현재 수행 중인 중견연구에 대해 시작하게 된 배경과 연구의 주요 내용을 설명해 주세요.

저희 그룹 연구의 주요 연구테마 중에 하나인 할라이드 페로브스카이트 태양전지는 현재 세계 최고 효율인 25%를 넘어서는 눈부신 발전을 해오고 있습니다. 하지만 단일 태양전지로는 30% 초반의 한계 효율을 넘을 수 없다는 쇼클리-콰이저 (Shockley-Queisser) 이론이 존재합니다. 이를 극복하기 위해 2개 이상의 태양전지를 적층 형태로 연결하는 탠덤 태양전지 개발이 필요하여 관련 주제로 중견연구를 시작하게 되었습니다. 특히 페로브스카이트와 탠덤 태양전지를 만들기 위한 하부셀로 현재 상용화되어 있는 실리콘과 CIGS라고 불리는 Cu(In,Ga)Se2 태양전지를 선택하였습니다. 연구의 주요 내용은 상부셀 ‘페로브스카이트’와 하부셀인 ‘CIGS’ 태양전지의 효율을 각각 올리고 이 둘을 효율 저하 없이 intefration(완성) 하는 기술 개발을 진행 중입니다.

3.	연구를 통해 이루고자 하는 목표는 무엇인가요?

저는 20여 년 전 미국에서 박사학위를 하는 동안 미래 전자기기로 인식되고 있는 웨어러블 전자기기에 큰 관심을 가지고 박사학위 주제로 연구를 진행했었습니다. 이러한 웨어러블 전자기기의 가장 핵심적이고 진보된 요소가 전자피부 기술이라고 할 수 있습니다. 이러한 웨어러블 전자기기와 전자피부에 처음 관심을 가지게 된 계기는 2002년 [마이너러티 리포트]란 영화를 보며(비록 영화에서는 실제 작동하는 것들이 아니라 컴퓨터 그래픽들이었지만) 다양한 웨어러블 전자기기와 전자피부 등에 매료되어 실제로 작동하는 기기들을 연구하고 실현시키고 싶다는 생각에서 박사학위 주제로 선정했고 20년이 지난 현재까지 연구를 활발히 지속하고 있습니다.

페로브스카이트는 빙, 수분, 산소 등의 외부 환경에 민감하게 반응하는 낮은 안정성의 문제가 있습니다. 저희 연구진은 새로운 음이온을 가지는 첨가제를 도입해 페로브스카이트의 효율을 올리는 동시에 안정성 또한 확보하였습니다.

나아가 개발한 페로브스카이트 물질을 상용화된 기술인 실리콘 태양전지에 적층해 최고 수준인 26.7%의 광 변환 효율을 가지는 탠덤 태양전지 제작도 성공하였습니다. 남은 연구 기간 동안은 기술을 더 발전시켜 효율과 안정성을 더욱 개선하여, 단일 태양전지로는 달성이 어려운 30% 이상의 초고효율 태양전지를 탠덤 기술을 통해 구현하고 이와 동시에 페로브스카이트 상부셀의 구동 안정성을 향상시키는 것을 목표로 하고 있습니다.한국연구재

4.	유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질을 광범위한 광전자 소자 분야에 응용하여 어떤 기대를 가져볼 수 있을까요?

페로브스카이트를 빛을 흡수하는 물질(태양전지) 뿐만 아니라 빛을 만들어내는 물질(발광소자)로의 응용 연구도 진행하고 있습니다. 특히 발광층으로서의 페로브스카이트는 발광파장(즉, 발광색)의 조절이 용이하고, 색의 순도가 아주 높은 큰 장점이 있어서, 차세대 발광소자로서 큰 포텐셜을 지니고 있다고 생각합니다.

5.	향후 신재생에너지 산업 전 분야에 이바지할 수 있을 것으로 기대되는데요. 교수님의 의견이 궁금합니다.

전자피부와 웨어러블 전자기기 기술들은 단순히 피부에 부착하는 형태를 넘어 인체 내부에 삽입하는 형태로 발전하고 있습니다. 공상과학영화를 보면 입고 있는 옷이 사용자의 건강 상태를 체크하고 경고를 보내거나 뇌에 삽입한 전자기기로 생각만으로 컴퓨터나 기계장치들을 조종하는 장면들이 자주 등장합니다. 웨어러블 기기는 다양한 생체신호를 탐지하여 이를 신체 외부와 연결할 수 있는 수단으로 활용될 수 있으며 이러한 장치를 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 또는 뇌-기계 인터페이스 (BMI)라고 합니다.

탄소중립을 달성하려면 태양광과 같은 신재생에너지의 역할이 아주 커질 수밖에 없습니다. 아직은 신재생에너지의 가격이 화석연료 기반 전기보다 상대적으로 비싸고 전력 생산의 간헐성 때문에 확장성에 제한을 받습니다. 하지만, 신재생에너지 기술의 발달과 학습곡선(learning curve)이라 부르는 대량화로 가격 절감을 통한 신재생에너지원의 비용이 낮아지고 있으며, 물 분해를 통한 수소 생산과 같은 화학에너지로의 저장을 통해 간헐성도 해결이 될 것이라 생각됩니다. 이를 위해 저와 같은 연구자들이 기술 개발에 매진하고 있습니다.

6.	연구자로서 기초연구사업에 대한 의견을 들려주세요.

많은 과학 기술들이 당장에는 어디에 적용할지 타깃이 분명하지는 않지만 시간이 지난 후에 큰 효용성을 발견하는 경우들이 많이 있습니다. 기초연구사업은 바로 앞을 보기보다는 장기적으로 큰 리턴을 가져다줄 수 있는 하이 리스크 연구를 장려하면 좋겠습니다.

7.	마지막으로 교수님의 연구분야에 대해 기초연구가 나아가야 할 방향은 무엇일까요?

태양전지 분야의 경우, 태양전지 소자의 광전환변환효율이 가장 중요한 파라미터이고 모든 연구자들의 관심사입니다. 다만 효올에만 집중하다 보면 물질의 특성이나 합성 공정의 기초적인 이해 없이 소자의 제작과 효율 향상에만 매몰될 수도 있습니다. 장기간으로 보면 현재 소자 성능의 발전이 조금 더디어 보이더라도 정확한 물성의 측정과 같은 기초연구를 통해 결국에는 더 큰 열매를 얻을 수 있다고 생각합니다.

일례로 저희 그룹에서도 IBM 과의 공동연구를 통하여 빛의 조사함에서 다수 전하뿐만 아니라 소수 전하의 수송 특성을 측정할 수 있는 포토홀 기술을 개발하였는데요. 이를 통해 페로브스카이트의 물성에 대한 더 깊은 이해를 할 수 있었고 이는 더 좋은 소자 제작으로 이어질 수 있음을 경험했습니다.

사진출처 : KAIST 신소재공학과