차세대 디스플레이와 광전자 소자의 성능을 좌우할 핵심 열쇠가 풀렸다.

고민재 화학공학과 교수 연구팀이 지난 9일 페로브스카이트 나노결정의 균일한 대량 합성을 가능하게 하는 혁신적 합성법을 개발했다. 해당 성과는 정밀한 조절과 높은 발광 효율을 동시에 구현했다는 평을 받으며, 세계적 수준의 과학기술 학술지인 SCI 논문에 게재됐다. 이번 연구는 고균일 나노결정의 대량 생산과 차세대 디스플레이 기술의 도약을 앞당길 것으로 기대된다. 

새로운 연구를 통해 미래 기술을 선도한 고 교수를 만나 자세한 이야기를 나눴다. 

태양전지와 LED의 필수 소자, 페로브스카이트 

페로브스카이트는 러시아 우랄산맥에서 처음 발견된 광물의 이름을 딴 결정구조다. 페로브스카이트 구조 물질은 뛰어난 광특성(빛을 흡수 및 발광하는 능력) 때문에 태양전지가 LED와 같은 다양한 광소자에 응용될 가능성이 높다. 이런 특성 때문에 최근 전 세계 과학자들의 주목을 받는 핵심 물질이기도 하다. 

페로브스카이트는 우수한 광 및 전기적 특성을 갖는 동시에, 크기나 조성 조절을 통해 특성 조절이 비교적 자유롭다. 또한 용액 공정을 활용할 수 있어 태양전지나 LED 같은 다양한 광전자 소자를 저렴하면서도 고성능의 에너지 소자로 제작할 수 있다. 

특히, 할라이드 물질을 포함하고 있는 페로브스카이트 소재는 기존 페로브스카이트 소재와는 차별화된 특성을 보인다. 에너지 변환 전자소자 분야에서 기존 기술의 성능을 초과하는 다양한 연구 결과로 보고되고 있으며, 향후 유력한 노벨상 수상 분야로 지목된다.

기존 한계를 극복한 나노결정의 균일 합성법

고 교수의 전구체 변환 반응 기반의 '비주입 합성법'은 페로브스카이트의 나노결정을 균일하게 대량 합성하는 새로운 방법이다.

기존에는 고온에서 나노결정의 원재료인 전구체를 반응기에 '주입'하는 방식이었다. 그러나 해당 과정은 반응기 내 온도나 농도 차이가 발생하는 문제를 발생시켜 균일하지 못한 크기의 결정을 만들고, 발광 성능과 색순도(순수한 색상을 나타내는 척도로, 색상별 고유의 파장만을 표현할 수 있는 정도)를 감소시키는 문제를 낳았다.

해당 한계를 해결하기 위해 그는 고온합성법 대신 반응성이 낮은 전구체를 균일하게 혼합하는 합성법을 개발했다. 이를 통해 크기나 색상 특성이 균일한 결정을 대량으로 합성할 수 있게 했다. 또한, 높은 색순도가 필요한 AR·VR용 차세대 디스플레이에 적용될 가능성을 높였으며, 기존 소재보다 우수한 나노결정을 대량 생산할 수 있는 가능성도 확대했다. 

고 교수는 "기술의 산업화나 상용화를 위해서는 차별화된 특성뿐 아니라 대량생산을 통한 가격 경쟁력을 갖춰야 한다"며 "이번 연구는 그런 측면에서 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다. 이어 그는 "대한민국의 향후 성장 동력이 될 수 있는 차세대 태양전지와 디스플레이 분야의 기술 발전에 큰 도움이 될 것이다"고 덧붙였다.

"긍정적인 영향을 주고 받는 교육자로 꾸준히"

고 교수는 올해 한국공학한림원 회원으로 뽑히며 활발한 연구를 이어오고 있다. 2017년 한양대 화학공학과 교수로 부임하기 이전에는 삼성전자, KIST에서 연구하며 디스플레이와 차세대 태양전지에 관한 연구를 지속했다. 현재는 기초 원천기술을 바탕으로 한 고성능 차세대 에너지 소재와 소자 기술 및 스마트 나노소재를 폭넓게 연구 중이다.

고 교수의 연구 원동력은 '늘 최선을 다하는 대학원생들'이다. 그는 "열정과 패기가 넘치는 대학원생들과 토론하고 논의하는 과정에서 삶의 활력을 느낀다"며 "정답이 없어 보이는 난제를 해결하기 위해 계속해서 토론하는 과정에서 기발한 아이디어들이 나오고, 실제로 구현되는 모습을 보면 대단한 감동을 느낀다"고 애정을 전했다.

또한 그는 "연구 결과들이 세계적인 저널에 게재되고, 학생들도 졸업 후에 각자의 자리에서 대한민국 공학 발전에 기여하는 모습을 보면 교육자로서의 역할에 충실해야겠다는 다짐이 선다"고 말했다.

앞으로의 목표에 대해 그는 "신개념·신구조의 고성능 친환경 차세대 에너지소자 개발에 관한 연구를 진행 중이다"며 "실생활에 도움이 되는 다양한 연구를 통해 사회발전을 주도하고, 학문공동체 발전에 기여해 새로운 지식을 창조하는 연구자가 되고 싶다"고 의지를 밝혔다. 

마지막으로 그는 한양인에게 격려의 메시지를 남겼다.

"우리 한양인들 모두가 사회에서 리더로 활약할 인재들이라고 믿어요. 학창 시절부터 구성원들과 함께 의견을 조율하며 해결해 나가는 경험을 많이 해보면 좋겠어요. 사회에서 성장하려면 동료들의 공감과 지원이 꼭 필요하거든요.

또한 인간과 사회를 향해 관심을 확장하길 바랍니다. 우리가 생각해 봐야 하는 공학적 연구 주제는 '인간과 사회에 관한 편익을 어떻게 하면 증대할 수 있을까'라는 질문에서부터 시작된다고 생각하거든요. 그 과정에 공감 능력과 리더십이 더해지면, 반드시 사회에 도움이 되는 큰 인재로 성장할 거예요. 여러분의 밝은 미래를 응원합니다!"