염료감응형 태양전지는 염료의 광합성 작용을 이용한 3세대 태양전지다. 기존의 실리콘 태양전지나 화합물 반도체 태양전지와는 달리 제조공정이 단순하고 단가가 저렴해 그 활용이 기대되는 태양전지이기도 하다. 하지만 상용화에 이르기까지 넘어야 할 한계도 있다. 이에 한양대학교 공학대학 재료화학공학과 이선영 교수는 염료감응형 경사 다공성 전극 개발을 통해 태양전지 상용화를 앞당기고 있다.

 

경사 다공성 전극 개발로 염료감응형 태양전지 상용화 기대

“고효율 염료감응형 태양전지를 제조하기 위해서는 많은 전자를 활용할 수 있는 구조가 필요합니다. 전자를 많이 얻기 위해서는 전극 표면적을 최대화해야 합니다. 또한 빛을 포집할 수 있는 기공을 확보해야 하죠.”

이선영 교수 연구팀은 '경사 다공성 전극의 개발을 이용한 염료감응형 태양전지의 활용에 대한 연구'를 통해 지난 2008년부터 연구해온 건식 적층 시스템을 활용한 문제 해결에 도전했다. 다공성 다층 구조를 제작, DSSC(Dye Sensitized Solar Cell, 염료 감응형 태양 전지)에 적용한 것이다. 그 결과는 세계 최초로 건식 적층 방법을 활용해 다양한 크기의 기공을 갖는 다공성 다층 구조 개발로 이어졌다. 이 교수는 DSSC의 에너지 변환효율을 극대화한 결과라 설명했다.

최근 환경산업의 중요성이 커지는 가운데 다공성 관련 기술은 환경 정화용 필터, 광촉매 필름, 차음재 등 관련 부품에 활용되고 있다. 소형화·집적화를 이루고 있는 전자제품 분야에도 광범위한 적용이 기대된다. 이 교수는 이번 연구결과가 태양전지 분야를 넘어 여러 산업에 막대한 영향을 미칠 것이라 내다봤다.

“대학에서 진행하는 연구들은 대부분 기초연구에 해당합니다. 비록 단기간에 성과를 올리지는 않더라도 과학과 산업 발전의 주춧돌 역할을 하죠. 하지만 시간과 비용이라는 현실적 제약으로 인해 이러한 기초연구들이 충분히 숙성되지 못하고 있습니다.”

본 연구는 지난 2012년부터 2015년까지 3년 간 진행되었다. 이 교수는 연구가 성숙되기 위해서는 5, 6년 정도의 충분한 시간이 필요함을 강조했다. 제대로 갖추어지지 않은 연구 인프라 역시 그가 토로하는 아쉬움 중 하나다. 특히 기초 연구 없이는 결코 산업과 사회가 발전할 수 없다며 이에 대한 관심과 투자를 당부하는 그다.

 

자원고갈과 환경오염의 해답이 될 신재생 에너지 탐색

이선영 교수는 다양한 크기의 기공을 갖는 다공성 다층 구조를 활용하여 다양한 연구들을 수행해왔다. DSSC를 에너지 하베스팅 소스로 이용한 전기 변색이 가능한 스마트 폴리머 태양전지 윈도우에 관한 연구와 건식 적층 시스템을 이용하여 대면적 스마트 윈도우를 저가로 제조하는 연구가 대표적 예다. 특히 건식 적층 시스템의 경우 용매를 사용하지 않는 친환경적 방식으로 제작된다는 점에서 경쟁력을 갖는다. 기판의 모양에 구애받지 않고 코팅할 수 있는 만큼 연관 산업에도 긍정적 영향을 미칠 수 있다. 이 교수는 그간 쌓아온 노하우와 기술을 바탕으로 기업이 필요로 하는 탈부착이 용이한 필름 형태의 스마트 윈도우를 개발하고 있다고 밝혔다.

인공 광합성 시스템 제작에 관한 연구도 눈여겨볼 만하다. 그는 자원고갈과 환경오염 문제가 시대적 화두로 떠오르는 가운데 인공 광합성 시스템은 이에 대한 해법이 될 수 있다며 기대감을 드러냈다. 인공 광합성 시스템이 완성되면 수소를 생산하거나 이산화탄소를 이용하여 메탄 등의 연료를 생산해 낼 수 있다. 새로운 신재생 에너지를 찾게 되는 셈이다.

“현재까지 지구 온난화를 최소화할 수 있는 신재생 에너지 분야에 초점을 맞춰왔습니다. 낮은 제조 단가와 친환경적 공정 개발이 연구의 주목적이었죠. 향후 4차 산업혁명의 핵심이라 할 수 있는 각종 센서와 저희가 확보한 원천기술을 접목한 연구를 수행하고자 합니다.”

금속재료학회 사업이사를 역임하고 있는 이 교수는 여성과학자들의 활동을 장려하는데도 앞장서고 있었다. 여성위원회 분과를 맡아 여성 과학자들간의 네트워킹하는 기회를 만들고 후배 여성과학자들이 보다 왕성한 연구를 펼칠 수 있는 환경을 조성하는데 무게를 싣는 모습이다. 이밖에도 세라믹학회 편집이사로서 학회지 발간에 참여하는 한편 정기 학술대회의 성공적 개최를 위해 노력하고 있다.

한편 공학은 ‘배워서 남에게 주기 위한’ 학문이라 말하는 이 교수는 한양대 ERICA 공학봉사단을 운영하며 꾸준한 봉사를 이어오고 있다. 지난 2012년 결성된 봉사단은 매년 겨울 네팔이나 탄자니아 등 전기가 없는 곳에서 숙식을 하며 LED 등을 설치하는 전기공사, 과학캠프, 의료봉사 등을 펼치고 있다. 그는 처음에는 도움을 준다는 마음으로 시작했지만 봉사를 하다보면 더 많은 것을 배우고 돌아온다며 감사의 마음을 전했다.

앞으로도 학생들과 함께 연구와 교육, 봉사라는 삼박자의 균형을 맞추며 선한 영향력을 미치는 교수가 되겠다고 다짐하는 이 교수. 고효율의 신재생 에너지 개발에서부터 가난한 마을에 빛을 전하기까지, 그는 새로움을 선사하는 공학자였다. 그의 선한 영향력이 더 많은 희망과 가능성을 꽃피우길 바란다.