현재 전 세계인 인구는 70억 명에 육박하고 있다. 그 중 20억 명의 사람들이 아직까지 전기가 들어오지 않는 곳에 살고 있는 것이 현실이다. 태양전지를 이용하여 낮에 태양전지로 전기를 만들어 배터리에 충전하면, 충전된 에너지로 밤에 LED 전등을 켤 수 있고 전기의 혜택을 받지 못하는 사람에게 도움을 줄 수 있다. 포항공과대학교 이종람 교수 연구팀의 주요연구 분야는 태양전지와 LED의 연구다. 자신의 연구가 전기의 혜택을 받지 못하는 이들에게 조금이나마 도움이 되었으면 하는 마음으로 불철주야 연구에 매진하고 있는 이종람 교수를 대한민국을 넘어 세계의 미래를 이끄는 선도 연구자로 소개한다.

‘플렉서블 전자소자의 제조방법 및 플렉서블 기판’기술 개발

현재 1KW를 만들기 위한 결정질 태양전지의 무게는 약 100kg이다. 기판으로 사용하는 유리의 무게 때문인데, 전기가 들어가지 않는 곳은 자동차도 들어갈 수 없는 오지가 대부분이라 모든 구조물을 손으로 들고 들어가야 한다. 그러기 위해서는 태양전지의 무게가 가벼워야 한다. 포항공대의 이종람 교수는 ‘플렉서블 전자소자의 제조방법 및 플렉서블 기판’기술을 개발하여 2011년 대한민국특허발명대전에서 대통령상을 수상했다. (등록번호: 10-1063361) 이 교수는 “이번에 개발한 극평탄 플렉서블 기판을 사용하면 태양전지 무게를 수 kg 수준으로 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대되므로 전기가 없는 오지에 설치하기가 쉬워질 것이다”고 전했다.

이 교수 연구팀은 2005년부터 지식경제부의 프론티어기술개발사업 지원으로 모기판의 표면 거칠기를 금속기판으로 전사하여 표면 거칠기가 1 nm 이하의 극평탄화 플렉서블 금속기판을 제조하는 핵심기술을 개발하였다. 또한 상용화를 위해 공정 방법, 기판 구조 및 물질 등에 관한 20편의 국내외 특허 출원 및 등록을 하여 진입장벽이 높은 지적재산권을 확보하였다. 이 교수는 “이번에 개발한 기판 관련 기술은 연마나 폴리머 코팅 공정 없이 기존 디스플레이 제작에 사용되는 TFT용 유리 수준의 표면 거칠기, 내열 온도, 저열팽창계수, 고방열 등의 물성을 갖는 플렉서블 금속기판을 만들 수 있는 세계 유일의 독창적인 원천기술이다”고 밝혔다.

이 기술을 이용하면 극평탄화 기판 생산 및 전자소자 형성 공정까지 모두 롤투롤 공정으로 가능하여 2020년, 수백조원 규모로 성장할 것으로 예상되는 태양전지, 조명, 디스플레이 등 차세대 전자소자 시장에서 막대한 국익 창출을 거둘 수 있을 것으로 예상되어 관련 학계와 산업계의 주목을 받고 있다. 극평탄화 플렉서블 금속기판의 제조비용은 원자재 원가에 추가 30% 수준의 제조공정비용으로 결정되므로 경제성이 매우 뛰어나다. 방열 특성이 필요한 경우는 Cu를, 고온공정 저열팽창 특성이 필요한 경우는 INVAR를, 저가대량생산에는 Fe 등을 사용할 수 있는 등 용도에 맞게 금속기판의 물질을 자유자재로 선택이 가능하다. 기판층 형성이 Bottom up 방식이어서 수 um 두께의 초박막 금속기판 제조가 가능하고 대면적 또한 가능하다는 특징이 있다. 또한 압연 공정 박막과 반대로 기판의 두께가 얇을수록 경제성이 높고 롤투롤 연속 공정으로 대량 고속 생산이 가능하다.

“세계 최고의 LED와 솔라셀, 배터리 개발에 최선 다하겠다”

이 교수는 “기존 금속 기판은 전자소자용 기판으로 부적합하며 평탄화를 위해 화학-기계적 폴리싱(CMP) 또는 폴리머 코팅 등 추가 공정이 필요하다. CMP 평탄화의 경우 표면 거칠기를 2 nm 수준까지 낮출 수 있지만, 폴리싱된 금속기판 표면에는 스크래치와 비금속 개재물이 많이 존재하고 있다”며 “CMP 평탄화 공정은 시간이 많이 걸리고 대면적에 한계가 있으며, 공정비용이 매우 비싸 Si 반도체와 같은 초고가의 전자소자에는 사용이 가능하지만 저가·대량 생산을 해야 하는 차세대 플렉서블 기판 생산 공정으로는 부적합하므로 본 기술을 개발하게 됐다”고 발명 동기를 밝혔다. 폴리이미드 코팅과 같은 폴리머를 통한 평탄화는 낮은 내열성으로 인해 태양전지, 디스플레이, 반도체 등 대부분의 고온공정이 필요한 전자소자에는 적용이 어렵고 고가의 재료비와 긴 공정시간, 열팽창 계수 차이에 의한 기판 휨 등의 문제가 있었다.

또한 상기 평탄화 공정을 대면적 기판에 적용하는 데 한계가 있고 수율 확보에 어려움이 있어 현 공정 장비 및 기술 수준으로는 전자소자용 플렉서블 기판을 양산할 수 있는 기술이 없었던 것이 현실이었다. 이 교수는 “우리 연구팀은 금속기판의 평탄화 문제를 해결하기 위해 표면조도 전사를 통해 평탄화하는 독창적인 방법을 개발하여 세계 최고 수준의 물성을 갖는 금속기판 제조 기술을 확보할 수 있었다”고 전했다.
앞으로 전자기기는 휴대성을 높이기 위해 점점 더 경박단소화 되어가므로, 플렉서블 전자소자가 차세대 전자소자 시장의 중심으로 성장할 것이라는 전망이 예상되고 있다. 또한 플렉서블 전자소자를 만들기 위한 핵심 특허가 없는 국내 대기업의 특허 현황을 분석해 볼 때, 이 기술은 플렉서블 전자소자를 만들기 위한 핵심 기술로 사용될 것이다. 차세대 전자소자 시장이 반도체와 조명, 디스플레이, 태양전지, 센서, 배터리 등의 분야에서 2020년 수백 조원 규모로 성장할 것으로 예상되므로, 극평탄화 플렉서블 금속기판 기술의 산업화를 통해 플렉서블 전자소자 시장을 확보하면 막대한 국익 창출이 가능할 것으로 기대되 각계각층에서 이 기술의 우수성을 인정받고 있다.

이 교수는 “현재 이 기술을 국내 모 기업과 기술이전을 추진 중에 있다. 이 기술이 하루 빨리 산업화 되어 지금보다 훨씬 더 휴대가 간편하고 편리한 초박형 초경량 태양전지 및 배터리가 개발되기를 소원한다”며 “그러면 전 세계 전기 없는 곳에 솔라 발전기가 보다 쉽게 설치될 수 있으므로, 전 세계가 보다 밝아질 것이다”고 전했다. 또한 “지금도 밤만 되면 칠흑 같은 어둠 속에서 생활하는 20억 명의 사람들에게 전기를 공급하여 우리와 같이 전기의 혜택을 받으며 살게 되기를 바란다”며 “이를 위해 세계 최고 성능의 LED와 솔라셀, 그리고 배터리 개발에 최선의 노력을 다하겠다”고 포부를 밝혔다.

세상에 빛이 되는 꿈과 희망의 발자국

제한된 공간에서 제한된 시간을 살아갈 때 어떻게 살아야 하는가는 정말 중요한 화두다. 또한 제한된 인생을 살기 때문에 사는 동안의 가치관은 더욱 중요하다. “세상에 우연은 없다”라고 말하는 이 교수는 “내가 이 세상에 오게 된 참된 목적을 발견할 때에야 나에게 주어진 일에 최선을 다하는 삶을 살게 된다”며 “함께 연구하는 대학원생들 또한 우연히 연구실에 들어온 것이 아닌, 하나님이 나에게 맡겨주셨다고 생각하기 때문에 이들 하나하나를 잘 가르쳐 학문적으로나 인격적으로 우수한 인재로 키우는 것이 내 삶에서의 역할이다”고 말했다. 이러한 사명감으로 학생들을 지도하는 이 교수는 학생들에게 시대의 리더로 성장하기 위해 ‘도전’과 ‘열정’을 주문한다. 이것은 자신의 학생들 뿐 아니라 모든 청년들에게 전하는 메시지이기도 할 것이다. 도전과 열정이 있어야만 미지의 세계에 대한 개척자 칭호를 받을 수 있고, 개척자 정신이 있어야만 새로운 것을 창조해 낼 수 있다는 것이다. 앞으로도 자신의 길에 대한 도전과 열정으로 노력하여 후진들에게 세상에 빛이 되는 꿈과 희망의 발자국을 남기고 싶다는 이 교수. 그의 도전과 열정은 후진들 뿐 아니라 그의 연구 성과를 통해 혜택을 누리는 전 세계의 모든 사람들에게 꿈과 희망의 발자국이 될 것이다.