부족한 에너지 자원을 대체하는 태양전지와 연료전지 연구

부존 석유 자원이 점차 고갈되면서 현 인류는 에너지 위기 상황에 직면해 있다. 이 위기를 벗어나기 위해서는 신재생에너지의 개발이 절실히 필요하며, 국제적으로 가장 이용률이 높은 석유자원의 에너지 생산 비용에 비교될 수 있고 대체될 수 있는 높은 효율의 에너지 개발이 절실하다.

홍익대학교 세종캠퍼스에 소재하고 있는 에너지 재료 연구실(김동민 교수)은 에너지 자원의 고갈에 따른 대체 에너지를 생산하는 재료의 연구를 주로 수행하고 있다. 그중 중점적으로 연구하는 분야는 태양전지와 연료전지의 개발이다. 태양전지는 태양에너지를 이용하여 전기를 생산하는 장치이며 김 교수 연구실에서는 스퍼터링이란 진공박막제조 장치를 이용하여 고효율의 염료감응형 태양전지를 개발하고 있다. 또한 연료전지는 물을 전기분해하면 산소와 수소가 생성되는데 역으로 산소와 수소기체 중 하나를 전해질에 통과시켜 전극촉매의 도움으로 전기를 생성하는 장치이다. 특히, 이때의 생성물이 물이므로 환경오염 물질이 전혀 생성되지 않으면서도 고효율의 전기 에너지를 생산해 내기 때문에 친환경적으로나 경제적으로나 그 가치가 높은 장치라 할 수 있다. 이러한 에너지 재료 이외에도 스퍼터링 장비를 이용한 박막을 제조하여 박막재료의 비휘발성 메모리 소자와 초음파 검사기의 센서 물질 등 다양한 산화물 박막의 물리적 특성을 연구하고 있다. 현재 에너지 재료 연구실에는 외국인 1명의 학생을 포함하여 3명의 박사 과정 학생과 1명의 석사 과정 학생 그리고 학부학생들이 함께 교육과학기술부의 에너지 관련 프로젝트를 수행하고 있다. 

세계적 학술지에서 평가받는 연구 성과

에너지 재료 연구실에서 연구한 연료전지와 태양전지의 내용은 세계적인 학술지에 게재되어 그 성과를 입증 받고 있다. 연료전지는 고가의 백금 촉매를 대체할 수 있는 일반 전이금속 촉매를 개발하는 과정에 있고 저렴한 철과 코발트 금속을 이용하여 모재에 탄소나노튜브와 그래핀을 연결고리로 하여 배위 결합을 형성하는 조건을 탐구하는 연구를 수행하고 있다. 이와 관련된 연구 결과는 International Journal of Hydrogen Energy 등의 저명한 학회지에 발표되었다.  

또한 태양전지의 경우 전자의 생성과정에서 각 전자이동 단계에서 전도 저항에 영향을 주는 인자를 파악하는 물리화학적 연구를 수행하여 효율을 높일 수 있는 방안을 탐구하고 있으며 이러한 성과는 Electrochimica Acta 등의 학회지에 제출하였다.  

특히, 최근 세계적인 학술지 사이언스에 ‘기존의 제품보다 10배 이상 특성이 향상된 압전성능을 가진 MEMS 소자를 구현’과 관련된 논문을 게재하여 관련 분야에서 주목하고 있다. 실리콘으로된 MEMS(MicroEectroMechanical Systems)에 압전층이 들어가게 되면 센서와 액추에이터 및 초음파구동 소자 등 다양하게 활용될 수 있어서 그동안 많은 연구자들이 다양한 방법으로 연구에 매달렸다. 김 교수는 또한 위스콘신대학교의 박사과정 지도교수인 C. B. Eom 교수와 함께 압전층을 구현하고 압전성능을 향상시키기 위해 연구한 결과 새로운 압전층을 구성하는데 성공하였다. 이번 연구 결과에 대해 김 교수는 “여태까지의 압전 성능보다 10배 이상 뛰어난 성능을 가진 압전층을 구현했다”며 “이 연구 결과로 뛰어난 성능을 가진 MEMS의 구현이 용이하여 초음파 이미지소자에 활용이 가능하고 유체의 미량제어와 구조물의 변위 및 진동측정 그리고 발전용 전기 에너지 발생 소자 등으로 활용이 가능하게 되었다”고 말했다.

“반드시 에너지 부족 문제를 해결할 것”

김 교수는 “이러한 연구가 잘 진행되어 고효율의 태양전지와 연료전지가 개발된다면 방사능의 누출 위험이 있는 원자력 발전의 의존도가 현저히 낮아지고 우리에게 필요한 전기를 얼마든지 생산해 낼 수 있을 것”이라며 “또한 거리를 다니는 자동차도 석유자원을 더 이상 사용하지 않고 수소와 대기 중의 산소를 사용하여 운행함으로써 석유의존도를 현저히 줄일 수 있으며, 자동차에 의한 대기 오염도를 낮출 수 있다”고 말했다. 이어 “앞으로 무한한 자원인 태양과 수소 및 산소를 에너지원으로 사용하여 인류의 에너지 문제는 해결될 수 있을 것”이란 에너지 부족 국가의 불안을 해결할 희망의 메시지를 전했다. 

마지막으로 김 교수는 “태양 전지의 효율을 높일 수 있는 기본 원리를 파악하기 위한 물리화학적 탐구를 계속 수행하여 저명한 학회지에 계속 논문을 발표할 계획”이라며 “연구실 차원의 연구만이 아닌 실제로 응용할 수 있는 태양전지와 연료전지 장치를 개발하여 실질적으로 에너지 위기에 적용할 수 있는 연구를 수행할 것”이란 포부를 밝혔다. 

한편, 김동민 교수는 한양대학교 화학공학과 학부과정과 연세대학교 화학공학과 석사과정을 밟은 후 대덕연구단지에 있는 삼양그룹 중앙연구원에서 고분자 중합 관련 연구를 수행하였다. 이어 미국의 위스콘신대학교에서 재료공학으로 전공을 전환하여 박사과정을 마친 후 연구주제를 주로 반도체, 초전도체 및 압전체 등 산화물박막의 특성을 연구하였다. 이때 김 교수를 지도한 엄창범 교수는 위스콘신대 재료공학부 교수로 많은 네이처와 사이언스 논문발표하여 2007년 호암상-공학상을 수상한 바 있다. 김 교수는 2년간의 포스트닥터를 마치고 홍익대학교 재료공학부에 임용된 이후 화학공학과 재료공학적 방법을 융합하여 에너지 재료 분야 연구에 매진하고 있다.