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양창덕

울산과학기술원, 에너지화학공학과

차세대 태양전지의 안정성과 효율성을 함께 해결한 핵심소재 개발

공적 요약

다양한 초고성능 유기반도체 소재와 소자 제작기술을 확보하고, 효율성과 안정성을 동시에 갖춘 페로브스카이트 태양전지를 개발하여 차세대 반도체 기반 미래산업의 발전과 국가 경쟁력 강화에 기여.

구체적 내용

양창덕 교수는 페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌로 지목되어온 수분 취약성과 효율성을 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 정공 수송층 물질을 개발하였다. 연구팀은 정공 수송층을 이루는 스파이로 물질에 불소(F)를 도입하는 간단한 방법으로 수분 안정성과 고효율을 동시에 잡았다. 신규 물질을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 실험결과 논문으로 보고된 최고 수준의 효율인 24.82%을 나타냈으며, 상용화 가능성을 확인하기 위해 제작한 1cm2 대면적 소자에서도 22.31%의 고효율을 달성하였다. 또한 500시간 고습도 환경에서 진행한 안정성 시험에서 초기 성능의 87% 이상을 유지하는 것을 확인했다. 연구 결과는 2020년 9월 사이언스(Science)지에 게재됐다.

주요경력
2009. 3 ~ 현재 울산과학기술원 에너지화학공학과 교수
2015. 7 ~ 2016. 7 미국 조지아공과대학교(Georgia Tech) 방문교수
2006. 11 ~ 2009. 1 미국 산타바바라대학교 화학과 박사후연구원 (University of California? Santa Barbara)
2000. 12 ~ 2002. 8 효성 중앙연구소 연구원
주요학력
2003. 9 ~ 2006. 10 독일 막스플랑크 고분자 연구소 이학 박사 (Max-Planck-Institute for Polymer research)
1999. 3 ~ 2001. 2 충남대학교 공학 석사
1992. 3 ~ 1999. 2 충남대학교 공학 학사

“고기능성 핵심 소재 경쟁력이 전체 산업의 경쟁력을 좌우하는 시대입니다.”

울산과학기술원 양창덕 교수가 반도체 소재 합성과 소자 개발에 매진해온 이유입니다. 사물인터넷, 자율주행, 디지털 의료 등 인공지능과 빅데이터 기술을 앞세운 4차 산업혁명의 물결이 거셉니다. 하지만 이들 기술의 핵심인 반도체 품귀 현상으로 반도체 패권 경쟁도 갈수록 치열합니다. 양창덕 교수는 그럴수록 기본을 강조합니다. 바로 소재 개발이죠. 유기반도체 소재는 구조디자인 전략에 따라 자유로운 응용이 가능하기 때문에 핵심 소재의 최초 개발은 파급력이 막강합니다. 또 하나, 그가 소재합성에 매료된 까닭은 가장 예술성 짙은 과학이자 역동적인 학문이기 때문입니다. 그는 많은 과학이 ‘발견’에 관한 것이라면 합성은 자연에는 없는 새로운 분자를 ‘창조’하는 일이라고 이야기합니다. 과학자로서 그의 꿈은 자신의 이름을 붙인 ‘양창덕 반응’ 또는 ‘양창덕 물질’을 개발하는 것입니다. 세계에는 이미 스즈키 반응, 딜즈-알더 반응, 페로브스카이트 물질 등 과학자의 이름이 붙은 많은 반응과 물질이 있지만, 아직 대한민국 과학자의 이름을 딴 반응이 없습니다. 양창덕 교수가 멀지 않은 미래 그 꿈을 이루고 소재강국 대한민국의 역사를 새롭게 써나가길 응원합니다.

이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상 소감과 함께 교수님의 근황도 전해주세요.

우선, 이달의 과학기술인으로 선정해 주신 과학기술정보통신부 및 연구재단 관계자 분들께 진심으로 감사드립니다. 과분한 상을 받게 되어 큰 영광이며 앞으로도 초심을 잃지 않고 더욱 노력하는 계기로 삼겠습니다. 이 상은 한국에너지기술연구원 김동석 박사님, 울산과학기술원 곽상규 교수님과 열정으로 함께 해온 결실입니다. 함께 기쁨을 나누고 싶습니다. 또한 좋은 연구 환경을 제공해준 울산과학기술원과 꾸준히 노력해준 저희 그룹 재학생과 졸업생에게도 감사드립니다. 더불어, 제가 연구에만 매진할 수 있도록 묵묵히 곁에서 함께 해준 소중한 가족에게 감사의 마음을 전하고 싶습니다.

4차 산업혁명과 디지털 혁신의 본격화로 반도체 소재 개발의 중요성이 더욱 커지고 있습니다. 장치 개발 중심의 기존 연구 풍토에서 고성능 유기반도체 소재 개발이란 어려운 길을 택하셨습니다.

고기능성 핵심 소재 경쟁력이 전체 산업의 경쟁력을 좌우하는 시대입니다. 지금까지 반도체는 실리콘과 같은 무기반도체를 중심으로 발달했지만, 이제 집적 효율이 한계에 직면했습니다. 반면 유기물을 이용한 반도체와 이를 이용한 장치(device)는 제작 공정이 단순하고, 가격이 저렴하며, 경량화 등 장점이 많아 미래 맞춤형 전자 소자 개발에 큰 잠재력을 보여줍니다. 특히 소재 산업의 특성상 선도적으로 핵심기술을 확보한 기업과 국가가 독과점을 해왔기 때문에 선진국들은 오래전부터 핵심소재 개발에 국가역량을 집중했습니다. 반면 우리나라는 지금까지 유기반도체 소재 보다는 장치에 초점을 둔 연구가 주를 이루었는데요. 2년 전 일본의 반도체 핵심 소재 수출규제 조치는 소재의 자주화와 국가 산업 동력 안정성 확립의 중요성을 일깨웠습니다. 저희 연구팀은 원천 핵심 유기반도체 소재 설계 및 합성을 중심으로 장치도 연구하여 세계적 수준의 소재개발 역량을 구축, 국가경쟁력 강화에 힘을 보태고 있습니다.

유기 반도체 소자와 태양전지 개발에서도 많은 성과를 도출하셨습니다. 교수님의 주요 연구주제에 대해 소개해주세요.

유기고분자의 하나인 플라스틱은 전기가 통하지 않는 절연체로 알려져 있는데요. 플라스틱 소재의 구조를 변화시키면 전기가 흐르는 도체나 반도체가 될 수 있다는 흥미로운 사실을 알게 된 후 다양한 유기반도체 소재 연구를 시작했습니다. 더불어 전자재료시장에서 대부분을 차지하는 실리콘 소재 반도체는 집적효율이 한계에 다다른 만큼 이를 극복하고, 우리 생활속에 더 높은 사용 다변화를 위한 미래형 유기전자소자를 만들고 있습니다. 또한 4차 산업형 소비자의 요구(needs)에 따른 인간중심형 가치 실현에 바탕을 둔 초경량화·생체적합·심미성이 가미된 반도체 전자 장치 및 포스트 스마트폰 시대에 필요한 잘 구부러지고(flexible), 잘 늘어나고(stretchable), 휴대가 편리한(portable) 반도체 장치와 사용 환경 조건과 관계없이 태양에너지를 사용할 수 있는 차세대 유기 태양전지 개발에 관심을 두고 있습니다.

유기반도체 소재에 불소(F) 원자를 도입하여 수분안정성과 효율성을 동시에 갖춘 신소재를 개발하고, 이를 활용한 페로브스카이트 태양전지로 세계 최고 광전변환효율을 달성하여 많은 주목을 받았습니다.

페로브스카이트 태양전지는 20%가 넘는 높은 광전변환효율과 저렴한 원가로 차세대 태양전지로 주목받고 있습니다. 하지만 수분 불안정성은 상용화를 가로막는 장애물인데요. 특히, 고성능 페로브스카이트 태양전지에 널리 사용되는 정공수송층 유기반도체 소재인 ‘스파이로 소재(Spiro-OMeTAD)’는 최적의 정공 이동도를 얻기 위해 첨가물이 필수 불가결합니다. 하지만, 첨가물이 지닌 흡습성은 소자 안정성 및 수명에 심각한 영향을 미칩니다. 효율성과 안정성이 높은 새로운 유기 전공 수송층 개발은 20년 동안 지속돼 왔지만, 두 특성을 동시에 만족시키는 물질은 찾기 어려웠습니다. 저희 연구팀은 유기 물질에 불소(F) 원자를 도입하면 에너지 레벨 하강, 분자 간 밀착구조 강화, 소수성 등 다양한 장점이 생기는 점에 주목하여 기존 스파이로 소재(Spiro-OMeTAD)에 불소 원자 도입 전략을 세웠습니다. 신규 소재가 적용된 페로브스카이트 태양전지는 기존 소자와 비교해 효율 성능 및 안정성이 모두 향상됐습니다. 국내 연구진만으로 연구를 진행하여 원천형 신규 유기반도체 소재를 개발하고, 이를 통해 페로브스카이트 태양전지 세계 최고 효율(24.82%)과 고습도 환경에서도 초기성능의 87% 이상의 안정성을 유지하는 성과를 올렸습니다.

2018년에는 고무처럼 잘 늘어나는 ‘실리콘 기반의 고분자’를 활용해 ‘고유연성 유기 태양전지’를 만드셨어요.

유기 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지보다 싸고 쉽게 만들 수 있어 차세대 태양전지로 꼽힙니다. 특히, 가볍고 잘 휘어져 휴대하거나 착용하는 전자기기에 적용할 미래형 태양전지로 주목받고 있죠. 그러나, 지금까지 개발된 유기 태양전지는 태양빛을 직접 흡수해 전류를 만드는 ‘광활성층’과 기판이 되는 ‘인듐 주석 산화물(ITO) 투명전극’이 쉽게 깨지는 단점이 있습니다. 저희 연구팀은 고무처럼 잘 늘어나는 실리콘 기반 고분자를 개발해 광활성층 첨가제로 사용하고, 더불어 인듐 주석 산화물 기판도 유연한 물질로 대체한 유기 태양전지 장치를 실현했습니다. 그 결과 광전효율 감소를 최소화하며 광활성층의 유연성을 확보했습니다. 연구결과는 휴대 가능한 태양전지나 웨어러블 기기에 적용 가능한 유기 태양전지의 토대와 소재 합성의 지침으로 활용될 것으로 기대됩니다.

새로운 소자 개발 연구를 진행하며 가장 큰 어려움은 무엇인가요? 어려움을 극복하기 위한 그동안의 다양한 노력도 설명 부탁드립니다.

새로운 소재나 장치 개발, 특히 여러 기능이 복합된 유기 분자구조 설계/합성은 많은 시간이 필요합니다. 더욱이, 우리나라의 빨리빨리 문화에서는 성과물의 속도를 맞추기가 더욱더 어려웠습니다. 소재의 신규성·독창성을 위해 복잡하고 독특한 구조를 설계하고 합성하고자 했기에 사용하는 시약의 종류와 양도 많았고, 울산과학기술원 부임 후 연구과제 제안도 여러 차례 떨어지다 보니 유기소재 합성 독립 연구자로 정착하기까지 많은 어려움이 있었습니다. 시행착오 끝에 이제는 “쉽고 비용도 덜 들면서 기능이 복합적인 소재를 찾는 게 진정한 합성의 고수이고, 내가 관심 있는 물질이 아닌 응용과학 분야에서 요구하고, 경제적으로 가치가 있는 물질을 만들어내는 것이 국가와 학계에 이바지하는 길이다”라고 생각하게 되었습니다. 그래서 제 분야뿐만 아니라 응용과학 분야도 관심을 가지고 공부하였고, 응용과학을 공부하니 연구의 폭이 자연스럽게 확장됐습니다. 그 결과 실속 있고, 실생활에 사용 가능한 다양한 핵심 소재 기술을 확보할 수 있었습니다. 또한 학생들과 토의를 중심으로 한 자유롭고 투명한 연구 분위기를 형성하여 연구의 능률성을 높이자 창의적 연구가 가능했습니다.

10월 넷째 주 목요일은 반도체의 날입니다. 반도체 핵심 소재의 최초 개발은 산업과 학계에 파급효과가 큰 만큼 교수님의 연구가 더욱 의미 있는 결실로 느껴집니다.

1947년 미국의 벨 연구소에서 세계 최초로 실리콘반도체 트랜지스트를 개발하며 실리콘 반도체 시대가 열렸습니다. 그후, 애플과 IBM사가 반도체를 이용해 개인용 컴퓨터를 개발하며 전자기기 산업의 부흥을 이끌었습니다. 이제 고객의 새로운 요구를 맞추려면 경량성과 휴대성은 기본으로 유연하고 인체 착용이 가능한 다양한 기능의 차세대 핵심 신규 유기반도체 소재를 개발해야 합니다. 앞서 설명했듯이 지금까지 많은 연구가 장치에 치우쳤다면, 저희 연구팀은 시장을 선도하는 핵심 유기반도체 소재 개발을 통해서 미래형 원천 필수 요소 소재를 확보하고자 합니다. 지금까지 축적된 연구성과가 4차 산업에 필요한 미래 유기반도체 소재의 국가 산업 경쟁력을 높이고, 그 청사진을 제시하여 소재의 자주화·독립화를 이루어 내길 기대합니다.

연구 외에도 언론기고를 통한 일반대중과의 소통에 많은 관심을 보여주셨습니다.

연구 활동에 대한 내용을 언론에 기고하고 있습니다. 학생들에게 과학에 대한 흥미와 관심을 안내하여 이공계 진학과 진로 선택을 돕고, 세상을 새롭게 보고 생각하는 과학자적 생각을 전하기 위함인데요. 분자구조를 설계/합성하는 연구는 쉬운 일도 아니고 시간도 오래 걸립니다. 결과물도 다른 과학 분야에 비해 더디 나옵니다. 이런 이유로 요즘 소재합성을 연구하는 사람이 많이 줄었습니다. 제가 소재합성에 매료된 건 많은 과학 분야가 ‘발견’에 관한 것이라면 합성은 자연에는 없는 새로운 분자를 ‘창조’하는 작업이기 때문입니다. 또한 가장 예술성이 짙은 과학이자 역동적인 학문입니다. 이런 소재합성의 매력이 언론을 통해 일반인에게 전달되어 이 분야가 더 발전되기를 바라는 마음입니다.

최근 3년간 JCR 기준 상위 5% 이상 저널에 논문 20여 편을 게재하실 정도로 왕성한 연구력을 보여주셨습니다. 원동력은 무엇인가요?

저희 연구실은 소재개발이 중심이지만, 제가 그랬듯이 학생들도 저와 함께 응용과학을 공부하여 종합적이고 균형적인 연구 능력을 갖춘 연구자 배출을 신조(모토)로 합니다. 그래서 저를 포함한 연구원들이 한 팀이 되어 토의를 통해 서로의 생각과 지식을 공유합니다. 이러한 수평적이고 투명한 분위기는 연구원들의 연구 과정 중에 누구나 맞게 되는 부진(슬럼프)을 극복할 수 있게 하는 원동력이 되었습니다.

평소 종합적이고 균형적인 연구 능력을 갖춘 연구자 배출을 신조로 연구실을 운영한다고 들었습니다. 연구실 구성원들에게 강조하는 연구자의 자세, 학문을 대하는 태도 등이 있다면 들려주세요.

좋은 연구자는 많은 연구를 진행하며 실패와 성공의 체계적 검증을 투명하고 청렴하게 진행해야 합니다. 또한, 다양한 분야의 연구원 간의 건설적이고 비판적인 소통을 위해 상호 존중하고 수평적인 태도를 가져야 합니다. 이를 위해선 본인의 연구능력 및 주제를 차별화시키는 주도적 연구자가 되는 것은 물론, 글과 그림, 발표를 통해 연구 성과를 명료하게 설명할 수 있는 연구자가 되어야 한다고 강조하고 있습니다.

앞으로 교수님의 연구 분야에서 궁극적으로 도전하고 싶은 목표는 무엇인가요?

일차적으로는 가까운 미래에 저의 연구실에서 개발한 핵심 소재들이 차세대 전자 장치(device)와 태양전지의 상업화에 이바지하는 것입니다. 궁극적으로 가슴속에 품고 있는 소망은 저의 이름을 붙인 반응이나 소재를 개발하는 것입니다. 스즈키 반응, 딜즈-알더 반응, 그리냐드 야드 시약, 페로브스카이트 물질 등 세계에는 화학자의 이름이 붙은 많은 화학반응과 물질, 시약들이 있습니다. 아직 대한민국 과학자의 이름을 딴 반응과 물질은 없는데, 제가 도전해 보고 싶습니다.

미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 조언 또는 당부의 한 말씀 부탁드립니다.

새로운 것을 창조하는 것은 가슴 벅찬 일입니다. 많은 분들이 공부 머리와 연구 머리는 다르다고 말씀하시지만, 두 성공의 공통분모는 지속적 ‘꾸준함’이라고 생각합니다. 그동안 많은 대학원생의 학위과정 및 취업과정을 지켜본 결과 특별한 재능보다는 꾸준함이 있는 과학자가 본인이 원하는 자리에 우뚝 서 있는 경우가 많았습니다. 과학자는 아무도 모르고 아직 밝혀지지 않은 미지에 세계를 걸어가고 있는 것입니다. 이런 세계에서는 요령과 편법이 존재할 수 없고, 꾸준함만이 이 세계를 헤쳐 나와 미래의 과학장인(匠人)이 되는 최고의 길이라고 생각합니다.

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