“차세대 반도체 소자를 활용해 손쉽게 필요한 에너지를 생산함으로써 탄소 배출을 최소화하고 사용 후에도 재활용할 수 있게 하는 것이 제 꿈입니다.”
과학기술정보통신부가 주최하고 한국연구재단과 서울경제가 공동 주관하는 ‘이달의 과학기술인상’(5월)을 받은 이정용 한국과학기술원(KAIST) 전기·전자공학부 교수는 11일 서울경제와의 인터뷰에서 “센서, 디스플레이 나아가 태양전지 등 동력원까지 반도체가 필요하다”며 이같이 밝혔다. 그는 서울대 전기공학부 학·석사, 미국 스탠퍼드대 박사·박사후연구원을 거쳐 2010년 KAIST에 부임했다.
현재 상용화된 고성능 태양전지는 제조 단가가 높고 쉽게 깨져서 제한적인 활용만 가능한 실정이다. 고성능 적외선 센서나 LED의 경우 가격이 비싸다. 유기 고분자, 양자점 및 페로브스카이트와 같은 차세대 반도체 신소재를 활용해 저가의 고성능 광전 소자들을 개발해 차세대 동력원, 센서 및 디스플레이의 상용화에 기여하고 싶다는 게 그의 목표다.
우선 그는 최근 유기 반도체와 양자점의 이종 결합을 통해 세계 최고 효율의 하이브리드 태양전지를 제작했다. 그는 “일반적으로 이종 소재 간 계면에서의 전하 전송 문제로 단일 소재 기반의 소자보다 종종 낮은 성능을 보이고 있다”며 “이런 문제를 극복해 다양한 반도체 소자에 활용 가능한 기반 기술을 확보하고자 이종 접합 연구를 진행하게 됐다”고 설명했다. 그 결과 이 교수팀은 효율적인 전하 분리와 추출이 가능한 하이브리드 구조를 개발해 13%의 높은 광전 변환 효율을 가지는 유·무기 하이브리드 태양전지를 내놓을 수 있었다.
그는 “저희가 개발한 하이브리드 구조는 비단 양자점과 유기 고분자 간 이종 접합에만 적용되는 것이 아니다”라며 “실리콘과 페로브스카이트를 포함한 다양한 유·무기 소재들 간 이종 접합 설계에도 활용될 수 있다”고 설명했다. 실제 웨어러블 디바이스에 적합한 플렉서블 근적외선 탐지 소자를 구현하고 저가의 고감도 근적외선 탐지 센서를 구현할 수 있을 것이라는 게 그의 기대다.
이 교수는 “고효율 유·무기 하이브리드 태양전지가 화석연료를 대체할 지속 가능하면서도 친환경적인 핵심 동력원으로 자리매김할 것”이라며 “드론, 자율주행차, 웨어러블 디바이스의 보조 전력원으로 활용할 수 있다”고 말했다. 나아가 현재는 전기차 충전을 특정 장소에서만 할 수 있는데 앞으로는 마트에서 태양전지를 구입해 어디서든 전기를 생산할 수 있도록 만드는 데 일조하겠다는 게 그의 목표다. 자율주행을 위한 자동차용 라이다(LiDAR·주변 물체의 거리를 식별하는 센서)의 가격을 낮추고 품질을 높이는 데도 기여할 것으로 보인다. 그는 “차세대 반도체들의 단점을 보완하고 장점을 극대화할 수 있는 하이브리드 소자가 궁극적으로 실현되는 세상을 만드는 데 앞장서겠다”고 밝혔다.
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