[과학 | 철학] [노벨 로드] 박남규 성균관대 교수 '태양전지 너머 세상에 없는 물질을 찾아서'

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박남규 성균관대 화학공학과 석좌교수 인터뷰

‘차세대 태양전지’ 페로브스카이트 연구 이끌어

국내 과학자 가운데 유력 노벨상 수상 후보로 꼽혀

지난 6월 8일 서울 중구 국가과학기술자문회의 대회의실에서는 젊은 과학자들이 자신의 연구 성과와 앞으로의 연구 계획을 발표하느라 여념이 없었다. 이날 참석한 과학자들은 과학기술정보통신부의 ‘한우물파기 기초연구 사업’ 지원 대상에 선정된 이들로 앞으로 10년 동안 매년 2억원 안팎의 연구비를 지원받게 된다. 모두 박사학위를 취득한 지 15년이 지나지 않은 젊은 과학자들이다.

이날 회의실 한 쪽에서 젊은 과학자들의 발표를 흐뭇하게 바라보는 이가 있었다. 태양전지 분야의 세계적인 석학인 박남규 성균관대 화학공학과 석좌교수였다. 박 교수는 한우물 기초연구의 선배 연구자 자격으로 후배 과학자들을 격려하기 위해 이 자리에 참석했다. 박 교수는 태양전지 분야만 수십 년을 연구한 학자로 페로브스카이트(Perovskite)라고 하는 차세대 태양전지의 상용화를 이끌고 있는 세계적인 석학이다.

박남규 성균관대 화학공학과 석좌교수. 박 교수는 조선비즈와의 인터뷰에서 "세상에 없는 물질을 만드는 게 자신의 꿈"이라며 연구에 대한 열정을 드러냈다./성균관대

마이크를 잡은 박 교수는 뜻밖에도 ‘노벨상’이라는 단어를 꺼냈다. 박 교수는 글로벌 과학기술 조사기관인 클래리베이트 애널리틱스(CA)가 2017년 노벨화학상 수상 후보로 꼽으면서 국내 연구자 가운데 노벨상 수상이 가장 유력한 인물로 꼽힌다. 2021년 9월에는 노벨상으로 가는 관문으로 불리는 광전자공학 분야 랭크상을 받기도 했다. 박 교수는 노벨상 유력 후보라는 타이틀이 부담스러워 평소에도 노벨상에 대한 질문을 던지면 손사레를 치기 일쑤였다. 그런데 어째서 노벨상이라는 단어가 나온 걸까.

박 교수는 후배 과학자들에게 “노벨상을 받기 위한 연구를 하라”고 말했다. 상을 받기 위한 연구라는 게 주객전도처럼 들릴 수 있지만, 노벨상의 의미를 조금만 생각해보면 다른 의미라는 걸 알 수 있다. 박 교수는 “노벨상은 인류의 삶에 기여하고 사람들을 행복하게 할 수 있는 과학기술에 주어진다”며 “여러분이 하는 연구가 인류와 세상을 더 낫게 만들 수 있는 연구가 아니라면 의미가 없는 걸 수도 있다”고 말했다. 노벨상을 받기 위한 연구를 하라는 건 곧 인류와 사회에 기여할 수 있는 연구를 하라는 의미였다.

엿새가 지나고 지난 14일 경기도 수원 성균관대의 자연과학캠퍼스에서 박 교수를 다시 만났다. 해외 출장을 앞두고 정리에 분주한 가운데도 박 교수는 반가운 얼굴로 기자를 맞았다. ‘노벨상을 받기 위한 연구를 하라’는 조언에 대해 다시 한 번 물었다. 박 교수는 노벨상을 받지도 못한 사람이 이런 이야기를 하는 게 부끄럽다며 겸연쩍어 하면서도 이야기를 꺼냈다.

-노벨상을 받기 위한 연구를 하라는 말이 인상 깊었다. 어떤 의미인지 다시 설명해달라.

“사람을 행복하고 기쁘게 만들 수 있는 연구를 하라는 의미다. 그런 기술에 기여한 사람에게 주는 상이 노벨상이다. 노벨상 수상자 중에 바이오나 생명공학 분야 종사자가 많은 것도 인류의 삶을 개선하는 데 기여했기 때문이다. 내가 바이오 분야를 전공했다면 암을 정복하는 게 목표였을 것 같다. 이런 식으로 나의 연구가 어떻게 인류의 삶의 질을 향상시키는데 도움을 줄 수 있을지 고민해보면서 연구의 방향을 구체화하라는 의미의 조언이었다.”

-페로브스카이트 태양전지는 인류의 삶에 어떻게 기여할 수 있나.

“전 지구가 2050년까지 탄소중립을 해야 한다. 탄소중립을 위한 여러 방법이 있겠지만 그중에서도 탄소 배출이 없는 에너지원을 늘리는 게 중요하다. 가장 확실한 에너지원은 태양전지와 원자력, 풍력 세 가지다. 탄소중립에 실패하면 기후위기와 지구온난화가 맞물려 우리의 터전이 되는 생태계를 파괴하고 인류의 삶을 불편하게 할 것이다. 태양전지는 이산화탄소 배출을 억제할 수 있는 기술이자 지구온난화를 더디게 하는데 기여할 기술이다.”

-지금도 태양전지 기술이 이미 상용화돼 있다. 페로브스카이트는 뭐가 다른 건가.

“2050년까지 탄소중립을 하기 위해서는 누적 태양전지 설치량이 30테라와트(TW)가 필요하다고 본다. 혹자는 75테라와트가 필요하다고도 한다. 작년 말 기준으로 누적 설치량이 1.1테라와트였다. 2050년까지 30테라와트를 달성하려면 매년 700기가와트(GW)가 새로 설치돼야 하는데 작년에 새로 설치된 게 200기가와트 정도였다. 지금 사용하는 실리콘 태양전지는 효율이 20% 정도다. 이 정도 효율로는 부족하고 더 높은 효율의 기술이 필요하다. 갈륨비소 태양전지가 효율이 29% 정도로 높지만 워낙 비싸서 항공우주 분야에서 제한적으로 쓰인다. 저렴하면서 효율이 높은 걸 찾아야 하는데 그게 바로 페로브스카이트다. 페로브스카이트의 효율이 26% 정도인데, 실리콘 태양전지의 효율을 이 정도로 높이는 데 50년이 걸렸다. 이 기술이 상용화되면 탄소중립에 기여할 수 있는 셈이다.”

페로브스카이트 태양전지는 실리콘 기반 태양전지보다 효율이 더 높아 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 현재 이를 상용화하기 위해 전 세계 기업들이 연구개발 중이다./미국 국립재생에너지연구소

-페로브스카이트 태양전지 상용화는 언제쯤 가능한가.

“일단은 텐덤의 형태로 상용화가 될 것 같다. 실리콘 위에 페로브스카이트를 붙여서 양산하는 계획을 국내외 기업들이 추진하고 있다. 한화큐셀의 경우 독일에서 텐덤을 위한 파일럿 테스트도 진행하고 있다. 일본도 적극적이다. 실리콘 태양전지는 이미 양산이 된 기술이기 때문에 페로브스카이트를 텐덤화하면 페로브스카이트도 상품화될 수 있다는 걸 보여줄 수 있다고 본다. 텐덤으로 만들면 효율이 33% 정도까지도 나온다. 템더 이후에는 단일 셀로도 페로브스카이트 태양전지 상용화가 가능할 것이다. 페로브스카이트는 박막화를 통해 유연기판에 쓸 수 있다는 장점이 있다. 단순히 곡면에 부착한다는 의미가 아니라 가볍게 만들어서 운송과 설치 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.”

박 교수는 2012년 세계 최초로 고체형 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 박 교수의 연구 성과는 국제 학술지 ‘사이언티픽 리포트’에 발표됐다. 효율이 9.7% 수준으로 기존에 나왔던 다른 방식의 페로브스카이트를 훌쩍 뛰어넘는 효율이었다. 이 연구를 계기로 페로브스카이트 태양전지에 대한 연구가 줄을 이었다. ‘Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%’라는 제목의 이 논문은 지난 6월 30일 기준으로 7882회 인용됐다.

-원래는 염료감응 태양전지를 연구했다. 페로브스카이트로 방향을 바꾼 이유가 궁금하다.

“염료감응 태양전지는 값싼 태양전지라는 별명으로 불렸다. 하지만 효율이 오르지 않고 오랫동안 정체됐다. 또 액체전해질을 쓰는데 텐덤화를 하기가 어려운 단점이 있었다. 무엇보다도 이 기술은 내 기술이 아니었다. 대한민국만의 기술, 나만의 기술이 필요하다는 생각을 가지고 있었다. 염료가 가지고 있는 단점을 극복할 물질이 뭐가 있을까 고민을 많이 했다. 무기 양자점을 이용한 연구도 했는데 그러다가 2007년 한 콘퍼런스에서 페로브스카이트 태양전지 발표를 듣게 됐다. 일본 토인 요코하마대학의 쯔토무 미야사카 교수가 액체상 페로브스카이트 감응 태양전지를 발표했다. 그런데 효율이 2%로 엄청 낮다보니 사람들이 관심을 가지지 않았다. 하지만 나는 석·박사 때 페로브스카이트를 전공했다보니 관심을 가지게 됐다. 페로브스카이트의 장점이 확실하다. 양자 효율이라는 개념이 있다. 광자를 흡수해서 얼마나 많은 전자를 만들어 낼 수 있느냐는 것이다. 하나의 광자를 받아서 하나의 전자를 만들면 100%다. 일반 태양전지는 양자효율이 80~90% 정도였다. 페로브스카이트도 처음엔 40% 정도였다. 그런데 페로브스카이트는 흡수하는 빛의 파장이 전 영역에서 고르게 나왔다. 양자효율만 높인다면 페로브스카이트가 태양전지에 좋은 물질이 되겠다는 생각에 2009년 성균관대로 옮기면서 본격적으로 연구를 시작했다.”

-미야사카 교수의 액체상 페로브스카이트가 있었지만, 박 교수의 고체형 페로브스카이트와는 많이 다르다.

“미야사카 교수가 2007년에 논문을 발표했지만 효율이 낮았다. 2009년 논문을 보고 우리가 재현을 해봤지만 재현성도 없었다. 몇 가지 부분이 달랐다. 미야사카 교수는 필름 두께를 두껍게 했는데 우리는 반대로 얇게 만들었다. 얇을수록 효율이 좋아진다는 걸 찾았다. 전구체 용액 농도도 미야사카 교수는 10%로 잡았지만 우리는 40%로 높였고, 이렇게 해서 오히려 재현성을 구현했다.”

-이런 연구 결과가 바탕이 돼서 2012년 논문이 나왔다.

“처음엔 전 세계에서 이 연구를 하는 사람이 나밖에 없다고 생각했다. . 2010년엔 아예 관련 논문이 한 편도 없었다. 우리가 2011년에 관련 논문을 쓰면서 중요한 정보를 많이 담았다. 그 논문을 보고 연구를 시작한 그룹이 있었던 것 같다. 2012년에 고체형 페로브스카이트 태양전지에 대해 논문을 쓰면서 스위스 로잔공대의 미하엘 그래첼 교수와 협업을 했다. 의기투합해서 서둘러서 논문 작업을 했다. 네이처 자매지인 네이처 커뮤니케이션에 논문을 보내고 담당 에디터에게 빨리 작업을 진행했으면 좋겠다고 했는데, 하루 만에 답이 와서 자신들은 절차 때문에 빨리 진행하기가 어렵다고 하더라. 그러면서 사이언티픽 리포트라는 네이처의 자매지에 트랜스퍼를 하라고 했다. 처음에는 이렇게 좋은 연구 결과를 아직 검증도 안 된 신생 학술지에 싣는 게 속상했다. 그런데 그래첼 교수에게 물었더니 일언지하에 트랜스퍼를 하라고 했다. 그 덕분에 한 달 만에 논문이 게재됐다. 그런데 불과 몇 달 뒤에 옥스퍼드대 연구진이 비슷한 결과를 발표했다. 그때 트랜스퍼 결정을 하지 않았으면 옥스퍼드대 연구진보다 우리가 늦었을 것이다. 연구 결과나 정보를 해외 학자들과 공유하는 게 얼마나 중요한 지 그때 깨달았다.”

박남규 교수가 2012년에 사이언픽 리포트에 출간한 논문. 고체형 페로브스카이트 태양전지에 대한 첫 논문이었다. 이 논문은 지금까지 인용 횟수가 7882회에 이른다./사이언틱리포트

영국의 랭크상 재단은 2022년 광전자공학 분야 랭크상 수상자로 페로브스카이트 태양전지를 개척한 7명의 연구자를 선정했다. 랭크상은 1972년 영국의 기업가인 아서 랭크가 설립한 상으로 광전자공학과 영양학 분야에서 혁신적인 연구 성과를 창출한 과학자에게 격년으로 수여하고 있다. 노벨상 수상을 위한 관문처럼 여겨지는 상이다.

2022년 수상자가 된 7명에는 박남규 교수 외에 석상일 울산과학기술원(UNIST) 교수, 미야사카 교수, 그래첼 교수, 헨리 스나이쓰 옥스퍼드대 교수 등이 이름을 올렸다. 과학기술계에선 페로브스카이트 태양전지가 노벨상을 받는다면 이들 중에 수상자 3명이 나올 것이라고 보고 있다. 한국인 과학자가 두 명이나 이름을 올린 것에서 알 수 있듯 한국은 페로브스카이트 태양전지 연구의 최일선에 있다. 시장조사업체 ‘프레시던스 리서치’는 페로브스카이트 태양전지 셀 시장 규모가 올해 10억4000만달러에서 2030년에는 72억달러로 7년새 6배가 뛸 것으로 보고 있다.

-연구실에만 있지 말고 해외 연구자들과 적극적으로 교류하라고 후배 연구자들에게 조언했다. 2012년의 교훈인가.

“맞다. 국제 공동 연구를 통해 정보를 공유하는 게 중요하다. 노벨상을 받은 사람들의 뒷 이야기를 들어보면 국제 학회 등에서 서로 정보를 공유한 게 중요했다. 우리는 당장 거리가 가까운 주변국부터 교류를 늘려야 한다. 일본이나 중국, 싱가포르 같은 국가들과 공동 연구를 하면서 연구 동향을 공유하고 연구 자체의 깊이를 더 늘려야 한다.”

-공식적인 은퇴가 멀지 않았다.

“공식적으로는 2026년 2월이다. 학교에서 석좌를 줬으니 70세까지는 연구가 가능한데, 여건만 된다면 80세, 90세까지도 연구를 하고 싶다. 존 구디너프 교수를 보면 60대 후반에 노벨상을 받은 연구를 시작했다. (존 구디너프 교수는 2019년 97세의 나이로 노벨화학상을 받으며 역대 최고령 노벨상 수상자가 됐다. 존 구디너프 교수는 리튬 배터리의 기반을 닦은 인물로 평가된다. 지난 6월 25일 100세로 세상을 떠났다.) 구디너프 교수가 원래는 옥스퍼드에 있었는데 유럽도 정년이 까다롭다. 정년 후에도 더 연구를 하고 싶었는데 받아들여지지 않자 미국으로 가서 텍사스대에서 연구를 이어나갔다. 60대 후반에 시작한 연구가 리튬-아연 물질인데 그 연구가 노벨상으로 이어졌다. 이런 식으로 이제는 나이 생각 없이 건강이 허락하는 한 연구를 할 수 있는 환경이 필요한 것 같다.”

-나이가 든 뒤에도 구디너프 교수처럼 새로운 연구를 시작하는 건 쉬운 일이 아니다.

“트렌드가 바뀔 때 과감하게 변모할 수 있는 것도 중요하다. 구디너프 교수가 옥스퍼드에서는 이론 연구를 많이 했던 사람인데, 텍사스로 가서는 이차전지라는 전혀 새로운 연구에 뛰어든 것이다. 백그라운드를 과감하게 포기하고 변신하는 것도 중요하다고 본다. 이제는 기초 연구와 응용 연구의 구분이 없어지고 있다. 사회가 필요로 하는 연구를 할 수 있어야 한다.”

박남규 성균관대 화학공학과 교수가 자신의 연구실에 있는 연구원, 학생들과 함께 기념 사진을 찍고 있다./성균관대

-연구의 아이디어는 어디에서 얻나.

“옛날 논문을 세밀하고 깊이있게 살펴보면 생각하지 못한 솔루션을 얻을 때가 있다. 페로브스카이트만 해도 1970년대 독일 논문에 처음 등장한다. 그런데 그 논문에 나오는 합성법이나 전기적인 특성, 물질 구조 같은 것들이 지금 읽어도 깜짝 놀랄 때가 있다. 최근에 중요한 이슈에 대한 이야기가 1970년대 논문에 나온다. 영어 논문만 보지 말고 중국, 일본, 독일, 프랑스 같은 국가에서 나오는 논문도 살피라고 학생들에게 많이 이야기한다. 요즘은 번역기가 워낙 잘 돼 있어서 언어에 구애받지 않을 수 있다.

또 하나, 깊이도 중요하지만 새로운 걸 많이 추구하려고 한다. 페로브스카이트도 새로운 걸 추구했기에 가능한 연구였다. 어떻게든 새로운 걸 추구하는 노력이 중요하다. 불편하면 불편을 감수하는 게 아니라 그걸 해결할 방법을 찾는 자세가 과학자에게는 필요하다.”

-세계적인 명성을 준 페로브스카이트를 버리고 새로운 분야에 뛰어들 수 있나.

“당장 오늘이라도, 아니면 내일이라도 더 좋은 물질을 찾는다면 페로브스카이트를 버리고 넘어갈 수 있다. 고온 초전도체나 새로운 구리 산화물 같은 걸 만들고 싶다. 앞으로는 소재가 중요해질 거다. 반도체 실리콘을 대체할 물질이 있을까라는 질문을 많이 던진다. 반도체 연구하는 분들은 100년은 간다고 하는데, 나는 실리콘보다 나은 물질이 반드시 있다고 생각한다. 성능은 더 우수하고 공간과 면적은 더 적게 차지하는 물질 말이다. 인류에 기여할 수 있는 진보된 기술은 계속해서 나올 것이다.”

-과학자 박남규의 꿈은 무엇인가.

“죽기 전에 세상에 없는 새로운 물질을 만들고 싶다. 일종의 플랫폼이 되는 소재를 만들고 싶다. 어떤 사람이 특정 분야에서 어느 정도의 효율이 나오는 물질이 필요하다고 말하면, 그런 주문을 받아서 플랫폼을 활용해 거기에 맞는 물질을 만들어주는 것이다. 예컨대 LED 발광효율이 80%까지 되는 물질을 만들어달라고 하면 어떤 결정구조에서 어떤 화학적 결합을 해야 할지 정해진 방법이 있을 것이다. 약을 만들듯이 그렇게 플랫폼 소재를 만드는 게 목표다.”

-영감을 주는 다른 과학자가 있나.

“1987년에 노벨물리학상을 받은 카를 뮐러라는 스위스 과학자가 있다. 고온 초전도체를 만들었다. 초전도체는 저항 없이 전기를 흘려보내기 때문에 꿈의 소재로 불린다. 원래는 금속을 주로 사용했는데 뮐러 교수는 산화물 재료를 써서 초전도체를 구현했다. 1986년에 이론을 만들고 산화물을 이용해서 구조를 설계하고 실제로 구현한 것이다. 불과 1년 만인 1987년에 노벨상을 받았다. 이게 정말 과학자의 일이라고 생각한다. 이전에 없었던 걸 설계하고 실제 성능을 확인하는 일이다.”

박남규 교수는

1988년 서울대 화학교육학과

1992년 서울대 대학원 화학 석사

1995년 서울대 대학원 무기화학 박사

1996년 프랑스 ICMCB-CNRS 박사후연구원

1997년 미국 국립재생에너지연구소 태양전지연구센터 연구원

2000년 한국전자통신연구원 책임연구원

2005년 한국과학기술연구원 태양전지연구센터장

2008년 KIST인 대상

2009년 성균관대 화학공학부 교수

2010년 제9회 듀폰과학기술상

2014년 MRS우수연구상

2016년 제10회 덕명한림공학상

2017년 한국과학기술한림원 정회원

2018년 호암상 공학상

2021년 과학기술정보통신부 리더연구자 선정

2022년 영국 광전자공학 분야 랭크상

주요 연구 성과

Scientific Reports, DOI : https://www.nature.com/articles/srep00591

Nanoscale, DOI : https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/xx/c1nr10867k/unauth

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