[인터뷰]김동석 에너지연 울산분원 센터장

타전공·10여년 사무직, 셀 1만번 이상 만들어

"빛 받을수록 떨어지는 효율 해결···과학자 사명"

김동석 센터장은 1972년생으로 학석사는 화학, 박사학은 재료공학을 전공했다. 10여년간 사무직을 하다 2010년 에너지연으로 와 2년간 정책업무를 담당했다. 

이후 2013년 에너지연 울산 분원으로 옮겨 페로브스카이트 연구를 시작했다. [사진=이유진 기자]

"지금 시작하기엔 너무 늦었어." 주변 만류에도 굴복하지 않았다. 이미 선행연구가 줄지어 있던 2016년, 페로브스카이트에 도전했다. 전공 분야도 달랐으며, 더군다나 십수년간 사무직에만 있었다. 연구직은 처음이었다. 코피 흘리기를 일백번. 밤낮없이 연구한 끝에 연구 시작 3년 만에 당시 페로스카이트 태양전지 국내 최고 효율을 달성했다. 1만번 이상 셀을 만든 결과다. 이젠 상용화를 위한 프론티어 연구에 도전한다.

한국에너지기술연구원 울산차세대전지연구개발센터의 김동석 센터장 이야기다. 그는 10년 이상 사무직을 거쳐 2013년 8월 현재의 연구원에서 첫 연구를 시작했다. 안 될 거라는 주변 반응에 개의치도 않았다. 그렇게 '월화수목금금금' 연구한 결과, 광전환 효율 20.5%(25㎠ 면적)를 공식 인증받은 페로브스카이트 태양전지를 선보였다. 세계 최고 기록이다. 지난 4월엔 광전환 효율 25.6%(0.1㎠ 면적)의 페로브스카이트 태양전지를 국제학술지 '네이처'에 올리기도 했다.

김 센터장은 "셀을 고정하면서 생긴 엄지 굳은살이 그간의 연구 증명"이라며 "전공자도 아닌 내가 페로브스카이트 연구를 할지 꿈에도 몰랐다. 무댓뽀 정신으로 시작한 만큼 보람이 크다. 만족도가 최상인 만큼 페로브스카이트 태양전지 연구에 전력을 다하고 있다"고 말했다.

◆ 페로브스카이트 태양전지, 그게 뭔데?

(오른쪽부터) 0.1㎠, 25㎠, 225㎠ 페로브스카이트 태양전지. 김 센터장 연구팀은 25㎠ 면적 광전환 효율 20.5% 세계기록을 갖고 있다. 0.1㎠의 경우 효율 25.6%로 국내 2위다.

더 높은 기록은 석상희 UNIST 교수 연구팀(효율 25.8)이 소유하고 있다. 예컨대 면적이 커질수록 높은 효율 구현이 어렵다. [사진=이유진 기자]

페로브스카이트 태양전지에 대해 설명하고 있는 김동석 센터장. [사진=이유진 기자]

현재 사용되고 있는 태양전지는 실리콘이 주다. 실리콘 태양전지는 30년 넘게 태양광에너지 역사를 이끌어왔지만, 한계는 꾸준히 지적돼왔다. 모래에서 추출한 실리콘에서 불순물을 제거하기 위해 필요한 수천도 열과 복잡한 공정이다. 무엇보다 태양광에너지가 얼만큼의 전기에너지로 변환됐는지를 나타내는 '광전환 효율'이 1990년대부터 20% 중반대에 머물러있다.

이러한 한계를 극복하기 위해 과학자들은 2010년대 이후 양자점 태양전지, 유기 태양전지, 연료감응형 태양전지 등에 주목했지만 뚜렷한 성과는 없었다. 그 가운데 가장 유력한 차세대 태양전지 후보로 꼽히는 게 바로 '페로브스카이트 태양전지'다.

김 센터장에 따르면 페로브스카이트는 화합물의 결정이 정육면체 모양으로 생긴 물질을 의미한다. 그중 태양전지에 활용되는 페로브스카이트는 특정 유기물(A)과 무기물(B), 할로겐화물(X)이 결합된 화합물(ABX3)이다. 최근엔 여기에 소량의 첨가제를 넣는 연구가 활발하다. 이들의 비율 또는 첨가제 종류, 양 등에 따라 페로브스카이트 태양전지의 효율이 결정된다.

예컨대 태양전지 면적에 따라 필요한 기술도 천차만별이다. 보통 0.1㎠, 25㎠, 225㎠ 세 종류의 면적 연구가 활발한데, 면적이 커질수록 효율이 떨어진다.

김 센터장은 "페로브스카이트 태양전지는 후보물질 발굴부터 이들을 각각 다른 양과 조건으로 페로브스카이트 물질과 결합시키고 그렇게 만들어진 태양전지 샘플을 일일이 실험해봐야 한다"며 "우리나라는 세계기록을 휩쓸 만큼 페로브스카이트 태양전지 강대국"이라고 설명했다.

◆ 상용화 문턱 넘어라···"과학자 사명"

김 센터장은 "내년에 기업에 기술이전해 시제품 출시하는 게 목표"라고 희망했다.

오른쪽은 김 센터장 연구팀의 송지원 연구원. [사진=이유진 기자]

페로브스카이트 태양전지의 상용화가 안 되고 있는 이유는 무엇일까. 김 센터장은 3가지 이유를 들었다. 큰 사이즈의 저효율과 낮은 수명, 안전성이다. 그에 의하면 페로브스카이트 물질 자체는 습도가 높을 때 분해되는 성질을 지녀, 빛 흡수성을 잃어버린다. 또 빛을 받아야 할 태양전지 자체가 빛을 받으면 받을수록 효율이 떨어진다는 단점이 있다.

김 센터장은 "습도 문제는 OLED나 반도체에 쓰이는 봉지 기술을 접목하면 될 것"이라며 "다만 빛을 받을수록 효율이 떨어지는 부분은 아직까지 방법이 없다. 과학자의 사명으로 해결책을 강구해야 한다"고 강조했다.

그는 이어 "연구가 꾸준히 진전을 보이고 있어 조만간 현재의 실리콘 태양전지 수준의 내구성을 갖추게 될 것"이라며 "내년에 기업에 기술이전해 시제품 출시하는 게 목표"라고 희망했다.

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