전도성 플라스틱의 개발은 ‘플라스틱 전자소자(Plastic Electronics)’라는 새로운 지평을 열었다. 고분자 재료의 주요 특성인 가벼운 무게감, 유연성, 저가(低價), 어렵지 않은 가공법 등의 여러 가지 장점으로 인해 발견 이후 지금껏 수많은 연구자들의 관심을 받아왔다. 광주과학기술원 신소재공학부의 이광희 교수 연구실(Organic Semiconductors & Photonics Lab.)은 플라스틱의 주원료인 고분자 재료로부터 새로운 전기적, 광학적 특성을 발견하고 태양전지, 발광소자, 트랜지스터 등의 다양한 전자소자 개발은 물론, 기존의 ‘인듐 주석 산화물(ITO)’ 을 대체할 새로운 고분자 투명전극 개발에도 박차를 가한다.

플라스틱 전자소자들의 상용화를 위해서 다양한 인쇄기법 등을 이용한 공정기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있는 이광희 교수 연구팀은 나라의 경제적 부가가치를 창출하는 연구를 개발함으로써 국내 과학의 발전을 도모한다. 7년째 신재생에너지 연계 연구에 진력을 다하고 있는 이 교수팀은 ‘플렉서블 디스플레이’를 기반으로 하는 미래시대 개막 및 유기태양전지로 구현될 청정 에너지원 개발에 핵심적 역할을 하게 될 것으로 전망된다.

미래의 유비쿼터스 에너지원, ‘유기태양전지’

서울대학교 원자핵공학과 학사(1979~1983), 카이스트 물리학과 석사(1983~1985) 학위 취득 후 5년 동안 미국에서 유학생활을 하며 캘리포니아대학교 산타바바라 캠퍼스에서 물리학과 박사과정(University of California at Santa Barbara, UCSB. 1990~1995)을 완벽하게 이수한 이 교수는 지금까지 총 175편의 논문을 발표(SCI 국제저널 등재)하고 ‘물리학 분야 논문 피인용 횟수 세계 1위(Thomson Reuters 2011, 피인용횟수: 2061)’라는 성적을 기록하는 등 세계적 이력과 다양한 경력 및 활동력을 자랑한다.
최근 이 교수 연구팀이 한창 연구 중에 있는 ‘인쇄공정이 가능한 고효율의 삼중접합 유기태양전지 신규소자 및 모듈 개발’은 자원고갈과 환경문제에 따른 신재생에너지의 필요성이 대두되고 있는 오늘날 반드시 이뤄내야 할 연구 분야다. 그는 “전 세계에 걸쳐 문제시 되고 있는 자원고갈에 따른 에너지공급 부족 현상과 화석연료 사용에 따른 환경오염 문제로 인해 대체에너지에 대한 관심이 나날이 높아지고 있는 가운데, 유럽연합, 미국, 중국 등의 주요국가에서는 이에 대한 적극적인 대응책으로써 국제적 환경정책 실시 및 친환경 신재생에너지 개발에 많은 투자를 하고 있다”고 학계의 연구 동향을 알렸다.
특히 신재생에너지 중에서도 태양광에너지는 지구에 필요한 총 에너지의 만 배에 달하는 무한한 에너지원인 동시에 기후나 환경변화에 악영향을 끼치지 않는 순수한 청정 에너지원이다. 이뿐만이 아니라 환경문제와 에너지고갈 문제를 동시에 해결할 수 있어 전문가(과학자)들 사이에서는 이미 오래 전부터 미래사회를 선도하는 핵심 에너지로 부각되고 있다. 그는 “태양전지는 태양광에너지를 전기로 변환하는 소자로서 태양빛이 있으면 언제 어디서든 전기를 만들어 낼 수 있는 ‘소형 발전소’라 볼 수 있다”라며 “특히 유기태양전지는 신문처럼 찍어내는 인쇄방식의 공정이 가능하다는 장점이 있어 제조 시 원가 절감 및 대면적화가 용이하고 유연성과 가벼움이 뛰어나 휴대용 전자기기, 군사 에너지원, 건물일체형 에너지원 등을 위한 ‘유비쿼터스 에너지원’으로 각광받고 있다”고 자세한 설명을 덧붙였다.
현재의 연구 과제를 성공시킬 경우, 유기태양전지를 상용화할 수 있는 경쟁력 확보가 가능해진다. 이 교수는 “유기태양전지의 가격경쟁력을 높이기 위해서는 단일 소자에서 15% 이상, 모듈 타입 소자에서 10% 이상의 에너지 변환효율을 확보해야 한다. 하지만 실제 고분자가 흡수하는 태양광은 전체 스펙트럼의 일부분에 불과하기 때문에 태양광에너지를 포괄적으로 이용하지 못한다는 한계점이 있다”라며 “하나의 태양전지 위에 서로 다른 흡광영역을 갖는 또 하나의 태양전지를 쌓아올리는 적층형 구조를 구현함으로써 이 같은 한계점을 극복할 수 있다”고 문제 해결의 실마리를 알렸다.

혁신적이고 창의적인 아이디어로
세계의 연구 동향 주도해 나갈 터

세계적 수준의 적층형 소자 제작기술을 보유하고 있는 이 교수팀은 다층박막코팅을 인쇄공정으로 구현하는 자발적 상 분리(phase separation)가 가능한 ‘기능층:광활성층 혼합 잉크’를 개발해 인쇄공정을 한번으로 줄이는 획기적인 소자 제작 기술을 확보하였다. 게다가 복잡하고 비효율적인 모듈 제작과정을 전면 개선한 ‘신규 모듈 제작 기술’을 성공시켜 연구 과제 최종 목표의 일환인 ‘인쇄공정이 가능한 11%의 이중접합 태양전지’를 구현해냈다. 이외에도 그들이 이뤄낸 유기태양전지 소자 및 소재 개발 기술에 대한 연구결과는 재료전문학술지(Advanced Materials)를 통해 수편의 표지논문으로 발표되었다.

지난 20여 년간 세계의 관심과 연구에 힘입어 비약적인 발전을 이룩한 유기태양전지는 최소 상용화 한계선이었던 10% 효율을 넘어 15%의 효율 돌파를 목전에 두고 있다. 하지만 “제품의 대중화를 위해서는 아직까지 허물어야 할 장벽이 많이 남아 있다”라며 낮은 효율 문제 외에도 소자의 재현성 및 균일성, 제품수명과 직결된 안정성, 대면적인 제작 시 저하되는 효율성 문제를 거론했다. 그러나 그는 ‘위기는 곧 기회’라는 말이 있듯이 해결해야 할 숙제가 많다는 것은 그만큼 전 세계 수많은 과학자들이 연구해야 할 것들이 많다는 사실을 의미하기에 더욱 더 혁신적이고 창의적인 아이디어로 세계의 연구 동향을 주도해 나갈 것이라는 포부를 밝혔다. 우리는 앞으로도 이광희 교수팀의 연구개발이 국익에 기여함으로써 국제 사회에서 국내의 과학적 위상이 강화될 것이라 믿어 의심치 않는다.