신소재공학과 문주호 교수, 2022년 1월 이달의 과학기술인상 선정

- 저비용·고효율 태양전지 이용한 친환경(그린) 수소 생산기술 개발-

▲ 문주호 교수

신소재공학과 문주호 교수가 과학기술정보통신부(이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이하 ‘연구재단’)이 선정한 이달의 과학기술인상 1월 수상자로 선정됐다.

‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다.

과기정통부와 연구재단은 2050 탄소중립을 실현할 친환경 미래에너지로 수소가 주목받는 가운데, 문주호 교수가 태양광소자 기술에 기반을 둔 그린 수소* 생산 연구로 미래 에너지 개발의 국가 경쟁력을 강화한 공로를 높이 평가했다고 밝혔다.

* 태양광을 에너지원으로 물을 분해하여 수소를 생산하는 시스템

문주호 교수는 산화 알루미늄 구조체에 기반한 반투명 태양전지를 활용하여 수소를 생산하는 소자(이후, ‘태양전지-광전극 물분해 소자’)를 세계 최초로 제안하였다.

기존의 ‘태양광-수소 생산시스템’은 고가의 반도체 물질과 복잡한 생산 공정으로 고비용 저효율의 어려움을 겪고 있으나, 연구팀은 태양광-수소 변환효율이 높은 적층형 텐덤(Tandem) 소자 개발에 성공하여 저가 반도체로 저비용 고효율의 그린 수소 생산에 성공하였다.

세계 최초로 10%가 넘는 태양광-수소 변환 효율을 달성하는 등 ‘태양전지-광전극 물분해 소자’ 기반 고효율 그린수소 생산기술은 국제학술지 Energy & Environmental Science(‘20년 11호)에 게재됐다.

문주호 교수는 “이번 연구는 태양광으로 물을 분해하여 그린 수소를 생산한 것으로, 넓은 범위 파장의 태양광을 효율적으로 활용할 수 있도록 광전극 기반 소자를 개발하여 세계 최고 수준의 태양광-수소 변환 효율을 달성했다는 데에 의의가 있다”며 “본 연구가 태양광-수소 변환 소자의 새로운 틀(패러다임)이 되기를 바란다”고 밝혔다.

⚪ 산화 알루미늄 구조체 기반 상부 태양전지의 투과도 제어 

문주호 교수는 투과도 조절이 가능한 반투명 태양전지를 활용하여, 외부 전압 없이 물을 분해하여 수소를 생산하는 소자(이하 태양전지 광전극 물분해 소자를 세계 최초로 제안하였다. 상부 전극으로 사용되는 반투명 태양전지의 경우, 산화 알루미늄 구조체에 페로브스카이트 빛 흡수 물질을 채워 넣 는 방식으로 제작되었다. 산화 알루미늄 구조체를 사용하면, 구조체의 기공 크기 체어를 통해 다양한 빛 흡수 물질을 이용하여 적절한 투과도와 높은 효율을 동시에 갖는 상부 전극의 제작이 가능하다. 즉, 재료 고유의 물리적 특성과 무관하게 태양전지가 흡수할 수 있는 빛 파장대 및 광량의 정밀한 조절이 용이하여 흡수층 재료 선택 범위가 넓어진다.

⚪ 우수한 빛 흡수 특성의 하부 물분해 광전극 개발 및 세계 최고 태양광-수소 변환 효율 달성

더불어 셀렌화안티몬(Sb2SE3) 기반 하부 물분해 광전극의 경우, 효율적으로 태양광을 흡수할 수 있어 상부의 태양전지를 통과한 긴 파장의 빛을 효과적으로 활용하여 높은 전류를 발생시킬 수 있다. 연구팀은 반투명 태양전지를 사용하여 흡수되는 빛 파장대를 정밀하게 조절하고 이에 고효율 물분해 광전극을 적용하여 넓은 파장의 태양광을 효과적으로 분배 및 활용하였다. 또한 상부 태양전지 및 하부 물분해 광전극의 광학적 특성을 기반으로 최적 투과도 및 달성 가능한 최대 효율에 대한 이론적인 계산을 바탕으로 태양전지-광전극 물분해 소자를 제작, 세계 최초로 10%가 넘는 태양광-수소 변환 효율을 달성할 수 있었다. 이는 기존까지의 접근 방식으로부터 탈피한 반투명 태양전지 제작법의 새로운 패러다임을 제시하여 태양광을 효과적으로 사용하였다는 점에서 최적의 수소 생산 소자를 위한 전략적 접근법이다. 해당 연구는 세계적 학술지인 Energy & Environmental Science에 게재되었다.

2022년 호랑이해가 밝았습니다. 코로나19 위기를 극복하고, 보다 새롭고 발전된 일상을 회복하기 위한 과학기술인들의 힘찬 도전이 있기에 새해의 시작이 더욱 희망찬데요. ‘태양광- 수소 생산시스템’ 기술 개발에 매진해온 문주호 교수는 2022년에는 수소 분야 전문가뿐만 아니라 일반인들에게도 그린 수소를 널리 알리고 싶다는 바람을 전했습니다. 문주호 교수는 빛을 흡수하는 저렴하고 효율 높은 반도체 물질과 소자 개발을 통해 세계적인 선도그룹으로 경쟁력을 인정받아왔는데요. 그린 수소 생산의 궁극적인 목표는‘환경 보전’과 ‘차세대 성장 동력 확보’입니다. 지난해 6월에는 스핀 제어를 통한 그린 수소 생산이라는 새로운 패러다임을 제시하는 등 도전을 멈추지 않고 있습니다. 글로벌 탄소 중립을 실현하고 지속 가능한 신재생 에너지 사회로 향하는 길을 앞장서온 문주호 교수의 연구이야기를 소개합니다.

o 이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상 소감과 함께 2022년 맞는 교수님의 근황도 전해주세요.

- 이달의 과학기술인 상을 수상하게 되어 매우 영광입니다. 앞으로도 초심을 잃지 않고 더욱 노력하는 계기로 삼겠습니다. 한국연구재단과 심사위원분들께 진심으로 감사드리고, 각자의 자리에서 꾸준히 노력하여 좋은 연구결과를 이룬 우리 나노기능재료연구실 학생들과 연구 과정에서 많은 도움을 주신 동료 교수님들께도 감사의 인사를 전합니다. 2021년 늦은 봄부터 과학기술정보통신부 주관 리더연구와 나노미래소재 원천기술개발사업의 책임연구자로 활동을 시작했습니다. 이에 우리나라가 친환경 수소 기반 사회로 진입할 수 있도록 태양광 물분해 소자를 이용한 그린 수소 생산 관련 연구에 몰두하고 있습니다. 새해에는 관련분야 전문가뿐 아니라 일반인들에게도 그린 수소에 대해 널리 알릴 수 있도록 더욱 노력하겠습니다.

o 오랜 기간 연구해온 반도체 소자 기술을 기반으로 차세대 그린 수소 생산시스템 구축에 도전하셨습니다. 교수님의 주요 연구 주제에 대해 소개해 주세요.

- 수소 에너지는 화석 연료를 대체할 수 있는 유망한 청정 미래 에너지원입니다. 지구에 무한히 존재하는 물과 태양 에너지를 활용하여 친환경적으로 수소를 생산하는 태양광 물분해 소자가 최근 많은 주목을 받고 있습니다. 태양광으로 물을 분해하기 위해서는 일차적으로 반도체가 빛을 흡수해야 하는데, 현재까지는 효율이 우수한 고가의 반도체 물질 위주로 연구가 진행되어 왔습니다. 하지만, 태양광 물분해를 통한 그린 수소의 상용화를 위해서는 고가의 공정 및 물질이 반드시 저가 공정과 물질로 대체되어야 합니다. 저희 연구팀은 저가 물질과 간단한 용액 공정을 기반으로 물분해 소자의 성능 및 안정성 증대 연구를 수행하고, 이를 통해 차세대 그린 수소 생산 시스템 구축에 일조하고 있습니다.

o 최근 광전극 기반 고효율 그린 수소 생산기술 개발에 성공하여 많은 주목을 받으셨습니다. 연구의 주요 내용과 성과를 소개해 주세요.

- 수소는 에너지로 사용할 때 화석 연료와 달리 물만 발생하기 때문에 청정 연료라고 할 수 있습니다. 하지만 수소를 생산할 때는 대부분 화석 연료를 개질하는데, 이 과정에서 온실가스가 발생하기 때문에 아직은 반쪽짜리 청정 연료입니다. 만약 무한한 에너지원인 태양광으로 물을 수소와 산소로 분해하여 수소를 생산하면 온실가스 발생이 전혀 없이 지속적인 청정 수소 생산이 가능합니다. 이렇게 생산된 수소가 그린 수소입니다. 저희 연구팀은 그린 수소 생산을 위해 저가의 반도체 물질을 광전극으로 제작하여 수소 생산 시스템을 구축하는 연구를 진행 중입니다. 그 결과로, 기존의 고가 반도체에 견줄만한 특성을 가진 저가 반도체 소재들을 이용해 세계적 수준의 수소 생산 효율을 달성하였고 이를 통해 미래 그린 수소 생산 기술에 대한 국가경쟁력 강화에 힘을 보태고 있습니다.

o 지금까지 태양광 물분해 소자 연구는 전자와 정공의 양을 늘리거나 이들의 이동을 촉진하는 방향으로 이루어지던 것과 달리 교수님은 전자와 정공의 ‘스핀’을 정밀하게 제어하는 새로운 패러다임을 제시하셨습니다.

- 태양광 물분해 소자는 내부에서 반도체 물질이 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 이들이 소자 표면까지 이동한 후, 물 분해 반응을 유도하여 수소를 생산합니다. 그동안의 연구는 전자와 정공의 양을 늘리거나 이들의 이동을 촉진시키는 방향으로 소자의 태양광-수소 변환 효율을 높여 왔습니다. 전자와 정공에는 매우 중요한 ‘스핀’이라는 특성이 있는데, 이 특성은 무시되어 왔던 거죠. 스핀 특성을 정밀하게 제어할 수 있다면, 위의 방법들과는 차원이 다른 수준으로 효율의 극대화가 가능한데, 스핀을 제어하는 것은 무척이나 어렵습니다. 마침 저희 연구팀이 세계 최초로 카이랄 페로브스카이트 물질을 개발하였는데요. 이 물질을 이용하면 스핀 특성을 쉽게 제어할 수 있기 때문에 두 분야의 연구를 접목해보면 좋겠다고 생각했습니다. 해당 연구는 아직 초기단계에 있지만, 좋은 연구 결과로 미래 수소 사회 기반 구축에 기여하기를 기대하고 있습니다.

o 리더연구 과제를 통해 지난해부터 스핀-그린 수소 연구단을 이끌고 계신데요. 연구단의 청사진도 소개해 주세요.

- 과분한 과제를 책임지게 되어서 큰 영광입니다. 저희 연구단의 뛰어난 학생 및 졸업생들의 헌신적인 노력이 이러한 훌륭한 과제를 이끌게 해 주었습니다. 이미 저희 연구단은 저렴하고, 특성이 좋은 반도체 재료로 물을 분해시켜 수소를 생산하는 연구 분야에서 전 세계적 주목을 받는 성과를 이루었습니다. 이러한 연구 노하우와 함께 저희 연구단에서는 전자의 ‘스핀 특성’을 이용하여 더 우수한 효율의 물분해 소자를 제작할 계획입니다. 전자의 스핀을 제어하여 원치 않는 반응을 원천적으로 억제하면, 물분해 소자의 수명 또한 비약적으로 증대되리라 기대하는데요. 다양한 이론적 계산과 실험을 통해 고효율 물분해 소자를 장시간 구동될 수 있도록 하여 해당 소자를 상용화의 목전에 올리는 것이 연구단의 최종적인 목표라 하겠습니다.

o 기초연구뿐만 아니라 상용화 및 기술사업화에도 관심을 보여주셨습니다.

- 공학의 사전적 정의는 ‘지식을 활용하여 새로운 제품 혹은 도구를 만드는 것에 관한 학문’입니다. 즉, 공학자들은 본인이 경험하고 공부한 지식을 기반으로 제품을 만드는 데에 궁극적인 목표를 두어야 한다고 생각합니다. 이러한 관점에서 저는 기초연구와 기술사업화의 균형을 맞추어 연구하는 것이 매우 중요하다고 생각합니다. 예컨대, 훌륭한 건축물을 건설하기 위해서는 건축물의 기반을 다지고 설계하여 제작하는 것이 필수요소입니다. 이를 공학에 대입하여 생각해보면, 기초연구는 건축물의 기초공사이고 새로운 제품은 훌륭한 건축물과 같다고 할 수 있습니다. 즉, 공학자는 해당 기술이 상업적으로도 충분히 가치 있는 것인가를 끊임없이 스스로 질문해야 합니다. 이에 저희 연구단은 저가 용액 공정을 기반으로 한 기술들을 개발하고 이를 사업화하여 사회에 기여할 수 있기를 소원합니다.

o 세계적인 학술지 ACS의 부편집장으로 활동하고 계십니다. 관련 연구분야에서 교수님의 관심을 끄는 이슈는 무엇인가요?

- ACS의 부편집장 업무를 통해 전 세계의 훌륭한 연구자분들의 다양한 연구 및 창의적인 아이디어들을 접하면서 많은 영감을 받고 있습니다. 특히 카이랄 특성 관련 연구들에 많은 관심을 갖고 주목하고 있습니다. 어떠한 분자가 이것의 거울에 비친 상과 겹쳐지지 않으면 카이랄 특성이 있다고 말합니다. 카이랄 물질 내부를 움직이는 전자는 ‘스핀’이 한 방향으로 정렬되는데, 이 현상을 물분해 소자에 적용하면 원하지 않는 반응을 원천적으로 억제하여 태양광-수소 변환 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다. 이는 물분해 소자 개발의 패러다임을 완전히 뒤바꿔 놓을 수 있는 연구 주제라고 생각합니다.

o 교수님의 연구성과가 우리 사회에 어떤 영향을 미치고, 어떤 변화를 이끌어 가게 될까요?

- 전 세계적으로 환경 보전과 차세대 성장 동력 확보의 두 가지 목표를 동시에 달성하기 위하여 화석 연료에서 신재생에너지 기반 사회로 전환하려는 노력이 이루어지고 있습니다. 그 중 태양광을 통하여 얻은 전기에너지를 물에 가하여 생산되는 수소가 친환경 수소인 그린 수소입니다. 저희 연구는 태양광 기반 물분해 관련 기술에 학술적으로 기여하고, 실제 산업에도 연결되어 그린 수소의 생산 및 인프라 구축에 일조하는 등 그린 수소 경제로의 전환에 이바지할 것으로 기대합니다. 수소 사회가 도래함에 따라 나타날 수소 생산, 저장, 유통 등의 전반적인 산업생태계는 국가 경쟁력을 고양할 뿐 아니라, 궁극적으로는 글로벌 탄소 중립을 실현하고 지속 가능한 사회로 나아가는데 도움을 줄 것이라 기대합니다.

o 정부가 2019년 1월 「수소경제 활성화 로드맵」을 마련한지 어느덧 3년이 되었습니다. 우리나라가 세계 최고 수준의 수소경제 선도국가로 도약하기 위해 산학연, 그리고 정부가 어떤 노력이 필요할까요? 평소 생각해 오신 바가 있다면 이야기해주세요.

- 우리나라가 수소 경제 선도 국가로 도약하기 위해서는 국가적으로 그린 수소 생산 연구에 집중적으로 투자할 필요가 있다고 생각합니다. 그린 수소 생산 관련 연구는 기업이 자발적으로 참여할 유인이 적은 분야이기 때문에 범국가적 지원과 노력이 더욱 필요한 분야입니다. 우리나라가 수소 경제 선도국가로 도약하기 위해서는 그린 수소 생산 분야에서 독보적인 기술을 선점할 필요가 있으며, 이를 위해 정부에서는 그린 수소 생산 연구에 투자를 늘리고 산학연에서는 그린 수소 생산 실용화에 필요한 수소 생산량, 경제성 등 정량적인 평가 기준을 도입해 연구자들에게 가이드라인을 제시해주는 노력이 필요할 것입니다.

o 연구자이자 후학을 양성하는 스승으로서 연구실 구성원들에게 강조하는 연구자의 자세, 학문을 대하는 태도, 나아가 연구실 운영철학에 대해서도 들려주세요.

- 우리 학생들에게 항상 강조하는 점은 ‘끈기와 노력’입니다. 연구라는 것이 거듭된 실패를 통해 결과물이 축적되고, 그 실패 속에서 원인을 찾고 개선해 나가는 과정입니다. 그 과정 안에 슬픔과 좌절이 있을 수 있겠지만, 끈기를 가지고 주제를 향해 열정적으로 파고 든다면 결국엔 좋은 결과로 웃을 수 있을 것이라 확신합니다. 끈기를 가질 수 있도록 목표를 세워주고 적절한 방향성을 제시해주는 것이 지도 교수로서의 역할입니다. 저는 우리 학생들이 첫 연구를 시작하기 전에 연구자는 과학이라는 학문의 최선봉을 달리고 있는 선두주자라는 자부심과, 연구의 결과물이 실제로 세상을 바꾸는데 기여할 수 있다는 확신을 심어 줍니다. 우리 학생들에게 올바른 가치관과 자부심을 가질 수 있게 하는 것이 많은 실패 속에서도 끈기를 가지고 훌륭한 연구 결과를 성취할 수 있게 하는 원동력이라고 생각합니다.

o 교수님의 궁극적으로 도전하고 싶은 연구 목표, 이루고 싶은 성과는 무엇인가요?

- 최근 들어 심각해지고 있는 지구 온난화 때문에 친환경, 지속 가능성에 대한 많은 관심들이 있습니다. 기업들이 제안하는 지속 가능성 관련 여러 프로젝트들이나 ‘수소 경제 로드맵’, ‘한국판 그린뉴딜 정책’ 등 정부 차원에서 발표하는 정책들을 통해서 이를 더 체감하고 있습니다. 어떤 원대한 방향성을 가지고 연구를 시작한 건 아니었지만 개인적으로 실감하고 있는 문제들과 사회에서 보내주는 관심들로 현재 연구 중인 광전기화학 기반 물분해 기술을 빠르게 상용화 시킬 수 있으면 좋겠다는 목표가 생긴 것 같습니다. 앞으로도 깊이 있는 연구를 통해 조금이라도 우리 사회가 지속 가능한 수소 생태계를 구축할 수 있도록 힘쓰려고 합니다.

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

- 우리가 누리고 있는 과학 기술은 과학자들의 호기심의 결과입니다. 작은 호기심으로 시작한 연구들이 발전하여 세상을 변화시킬 때 과학이라는 학문이 매우 가치 있고 보람되는 학문이라는 생각이 듭니다. 우리가 자연으로부터 많은 것을 받아 누린 만큼 환경을 위한 과학 기술 또한 발전되어야 한다고 생각합니다. 우리 학생들이 친환경 기술 발전에 관심과 호기심을 가지고 노력하면 더 나은 미래를 창조할 수 있다는 생각으로 자부심을 갖고 미래 기술을 이끌어 가는 리더가 되길 바랍니다.