우리가 사용하는 에너지 자원의 유한성에 따라 이를 대체하기 위한 청정에너지에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이번 연구실탐방은 성균관대학교에서 미래 청정에너지 개발에 힘을 쓰며 연구를 진행하는 정현석 교수의 EENL 연구실을 취재했다.

Q. EENL 간단한 소개 부탁드립니다.

안녕하세요. 저희 에너지환경재료연구실에서는 현재 고갈되고 에너지 자원을 대체할 수 있는 미래 청정에너지 개발에 앞장서고 있습니다. 저희 연구실에서는 하늘의 태양빛을 전기 에너지로 바꾸는 기술, perovskite 소재 개발을 시작으로 차세대 메모리 소자 제작 기술인 ReRAM, 태양광 모듈의 친환경 순환 생태계 구축을 위한 재활용 기술 연구를 중점적으로 나노 스케일 단위의 미세 공정을 진행하고 있습니다.

저희 연구실에서는 본 연구들을 통해 인간의 건강과 풍요로운 삶의 구현을 목표하여 교수님과 학생들이 함께 연구에 정진하고 있습니다.

Q. 대표적인 연구 활동이 있으신가요?

EENL은 페로브스카이트 태양전지 분야를 선도하는 연구실 중 하나로, Energy & Environment Science, Advanced Material, Chermical Reviews, Nature Communication 등 다수의 최상위 국제 학술지를 포함하여 현재 224건의 논문 게재 및 74건의 특허를 출원하고 있습니다.

Perovskite 태양전지는 유무기 복합 페로브스카이트 광 흡수 재료를 사용한 차세대 태양전지로 가시 광 영역의 넓은 파장대의 빛을 흡수하여 다양한 밴드 갭을 가지는 소자를 제작, 다른 태양전지에 비해 값싼 소자 제작이 가능하다는 장점으로 유망한 미래 에너지 기술로 각광받고 있습니다. 현재 전 세계적으로 연구가 진행되는 가운데 한국은 최정상급의 기술을 보유하고 있으며, 이 중 에너지환경재료연구실은 태양광 발전의 중역으로 자리 잡고 있습니다.

최근에는 강산화제 물질인 이황화 포름아미딘 이온 첨가물을 이용하여 페로브스카이트 결함을 효과적으로 제어하여 페로브스카이트 구조에 안정적으로 통합되면서도, 페로브스카이트 결함으로 인한 국부화된 전자를 조절해 비방사성 재조합을 억제하는 기술을 제일원리계산(DFT)를 이용하여 확인했습니다. 이러한 발견을 토대로 페로브스카이트 결정성 및 결정립계 크기를 개선하여 소재의 특성과 안정성을 개선하는 기술을 에너지 분야 최상위 학술지인 Energy & Environmental Science에 보고하였습니다.

(관련 링크 : https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/EE/D1EE01440D)

더불어 Perovskite 태양전지는 높은 효율로 인해 차세대 태양전지로 각광받고 있으나, 페로브스카이트 광 흡수층은 유해한 납(Pb) 성분을 포함하고 있어 상업화 단계로의 진입이 어려운 문제가 있습니다. 따라서, 지속 가능한 친환경 태양광 발전을 위해 납과 같은 유해 물질의 관리 기술이 필수적으로 요구되고 있으며. 에너지환경재료연구실은 페로브스카이트 내에 함유된 납(Pb)과 같은 유해 물질을 비롯해 고가의 기판 및 금속 전극의 재활용 기술을 보유하고 있어 페로브스카이트 태양전지의 재활용 연구 분야를 선두하고 있습니다.

이 부분 또한 최근 페로브스카이트 태양전지 재활용 과정에서 발생하는 납 폐기물이 극성 비양자성 용매이며 용액 내 납 이온이 양전하를 지니는 점에 착안해 표면 개질된 자성의 수산화아파타이트 복합체를 성공적으로 합성하여 99.97%라는 우수한 수율로 납이온을 분리 및 재활용하였습니다. 본 연구를 통한 효과적인 페로브스카이트 태양전지 재활용 공정에 대한 연구를 국제 학술지 Nature Sustainability에 보고한 바 있습니다.

(관련 링크 : https://www.nature.com/articles/s41893-020-0586-6)

Q. 하나의 연구를 진행하는 과정은 어떻게 되나요?

EENL에서는 우선 실험과 최신 문헌들의 정보를 습득하며 기본적인 연구 역량을 갖추게 됩니다. 이후 연구실에서 진행하는 프로젝트를 각각 배정받아 도전적인 연구들을 진행하게 됩니다. 각자 맡은 연구 주제를 프로젝트 팀 미팅, 개별 미팅을 통해 발표하게 되며, 실험을 진행하며 얻은 성과 또는 문헌 조사 중 발견한 아이디어들을 서로 교환하고 활발한 질의응답을 통해 문제점을 발견하거나 그에 대한 해결책을 논의합니다. 이러한 과정을 통해 추가적인 개별 연구가 진행되기도 하며, 이에 대한 연구는 위와 같은 방향으로 연구가 진행되게 됩니다. 이러한 과정을 통해 각 연구자들이 연구하는 방법을 익히며 연구 중 나타나는 우수한 성과들을 발표하기 위한 논문 게재 준비를 진행하게 됩니다.

Q. EENL 자랑 부탁드립니다.

첫째 자유롭고 활기찬 연구실입니다. 우리 연구실은 자유롭고 활기찬 분위기 하에 최고의 성과가 나온다는 생각 하에 ‘연구하기 좋은 연구실’을 지향하고 있습니다. 우리 연구실은 자율 출퇴근제를 도입하여 각 연구원들이 시간에 제약받지 않고 본인의 시간을 최대한 효율적으로 사용하여 최고의 성과를 달성할 수 있도록 하고 있습니다. 또한 연구실 인원들 간의 활발한 교류 및 활기찬 분위기로, 서로의 결과를 공유하고 토론하며 각 개인의 역량을 끌어올리고 있습니다.

둘째 연구 인프라입니다. 페로브스카이트 반도체 물질 제작 공정에 있어서 수분과 먼지는 연구를 진행하는 데 있어 상당히 크리티컬 합니다. 이에 많은 페로브스카이트를 연구하는 연구실들이 연구하는 데에 어려움을 겪습니다. 하지만 우리 연구실은 항온, 항습 장치가 구비된 클린룸이 존재하여 페로브스카이트 물질뿐만 아니라 공정 환경에 민감한 연구들을 진행하기 최적의 인프라를 갖추고 있습니다. 클린룸뿐만 아니라 반도체 공정을 하는 데에 있어 필요한 장비들 또한 다수 보유하고 있는 등 최고의 인프라를 갖추고 있습니다.

셋째 학회 참석 기회입니다. 현재는 비록 코로나 사태로 인해 참석 기회가 줄긴 했지만, 다수의 국내외 학회를 최소 연 1~3회 참석하여 본인의 성과를 보고하며 국내외 연구자들과 학문적인 교류를 갖고 있습니다.

Q. EENL에 들어가려면 어떻게 해야 하나요? 어떤 자격이 필요한가요?

EENL에 들어오기 위한 자격은 연구에 대한 열정이 가장 중요하다고 말할 수 있겠습니다. 최고의 인프라와 자율적인 분위기를 보장하는 만큼 본인이 명확한 목적의식과 열정을 가지고 연구할 수 있는 학생들을 선호합니다. 우리 연구실에서 진행하고 있는 연구에 대한 관심과 연구에 대한 열정이 있다면 누구든지 들어오실 수 있습니다.

Q. 연구원들에게 해주고 싶은 말

요즘 흔히 ‘워라밸’이라고 하는 말이 있습니다. 일(Work)와 생활(Life)의 균형(Balance)의 줄임말이죠. 연구를 진행하는 데에 있어 많은 학생들이 일에 많은 시간을 치중한 나머지 충분한 생활의 시간을 갖지 못하는 것 같습니다. 연구는 단거리 레이스가 아닌 장거리 레이스로, 충분한 페이스 조절을 하지 못한다면 결국에는 후반에 다가가서 지쳐 쓰러지는 경우를 많이 보게 됩니다. 하지만 어쩔 수 없이 일에 많은 시간을 사용해야 할 수밖에 없는 것을 알기에, 부디 갖고 있는 생활을 본인이 잘 사용하는 법을 터득하여 주어진 시간의 생활의 ‘질’을 높이라고 말해주고 싶습니다. 모든 학생들이 연구라는 장거리 레이스에서 지치지 않고 성공적으로 완주하기를 바랍니다.

*연구실 홈페이지: http://eenl.skku.edu