[이슈메이커=임성희 기자]
양자광자공학 기반의 에너지 하베스팅, 센서 연구
-기초부터 응용까지 아우르며 과학과 공학을 넘나들어
-실리콘 태양전지 대체할 에너지 하베스팅 기반의 차세대 태양전지 연구
기자는 김희대 교수가 어느 날 혜성처럼 등장한 연구자인 줄 알았다. 최근 들어 성과가 쏟아지고 있었기 때문인데, 그와의 인터뷰를 통해 그는 혜성처럼 등장한 연구자가 아니라 오랫동안 노력한 결과물들이 열매를 맺는 중이라는 걸 알 수 있었다. 그는 양자물리학을 전공한 기초과학자이지만, 연구 활동은 과학과 공학을 넘나들며 기초연구성과물을 공학적 기술로 활용하는데 관심이 많아 교원창업까지 했다. 양자광자공학을 기반으로 한 나노 단위의 물질 연구는 정교하고 섬세한 기술적 장점이다. 이 장점을 어떻게 활용할지 고민하며 기술의 꽃을 피워가고자 노력하고 있는 김희대 교수를 찾아갔다. 가을 햇빛이 너무도 예뻤던 9월의 어느 날, 반짝반짝 빛나는 그의 연구 스토리와 창업 스토리를 들어봤다.
다양한 해외 경험으로 넓고 균형 잡힌 식견 가져
일본과 중국에서 교수로 활동한 경력에 눈길이 간다. 그만큼 김희대 교수는 세계 양자물리학계에서 인정받는 신진연구자였다. 그는 고등학교를 마치고 미국 텍사스대학교 오스틴 캠퍼스 물리학과에 입학했다. 당시 과학자를 꿈꾸던 그는 입자물리학으로 1979년 노벨 물리학상을 받은 스티븐 와인버그가 교수로 있는 학과를 선택했다. “그 당시엔 대학을 미국으로 진학하는 게 흔하지 않은 일이었죠. 입자물리학에 호기심을 갖고 공부를 시작했는데, 새롭게 각광을 받기 시작한 양자와 나노 세계에 관심을 두고 양자물리학으로 제 전문성을 쌓았습니다” 학부는 미국텍사스오스틴대학에서 그리고 박사학위는 영국 옥스퍼드 대학에서 받았다. 그리고 그는 일본 홋카이도 대학에 조교수로 임용돼 활동했고, 중국 동북사범대학에 좋은 조건으로 임용돼 연구와 인력양성을 했다. 그 와중 코로나19가 발생해 귀국을 결심했고, 2021년 전북대 반도체과학기술과학과에 임용돼 자신의 연구를 이어가고 있다. 기자가 취재하면서 김희대 교수처럼 많은 해외 경험을 가진 연구자는 처음인 것 같다. 미국, 영국, 독일, 일본, 중국까지 동양과 서양을 아우르는 다양한 해외 경험으로 그는 해외 네트워크를 탄탄히 쌓았고, 다양한 나라의 연구문화를 겪으며 연구자로서 넓은 식견도 갖췄다. “저는 순수물리학자로 양자광학을 활용해 양자점 기반의 기초적인 양자 특성을 분석하는 연구를 합니다. 예를 들어 반도체 안에 물리적 현상을 분석하는 연구를 일본과 중국에서 했었고, 본국으로 돌아와 순수물리학과 더불어 관련 기술을 응용할 수 있는 에너지 하베스팅과 수소 센서 기술개발까지 연구영역을 확장해 진행하고 있습니다” 그는 한국에 귀국한지 4년차이며, 한국에서 진행한 연구들이 최근 들어 결실이 나오고 있다며 상위 3% 저널 게재와 창업 등의 이야기를 전했다. 더불어 양자 실증 과제와 국제 협력 과제 등 정부 지원 과제 선정 소식도 이어지며 연구그룹은 큰 주목을 받고 있다. “기술의 고도화로 연구자로서 사회에 이바지할 수 있는 결과물을 얻고 싶습니다. 국제협력이나 양자 실증 과제를 통해서 우리의 기초적인 기술을 실생활에 응용하는 결과물을 내는 게 목표입니다”
고성능 수소 센서, 바이오 센서 상용화 기대
연구실은 크게 3가지 주제로 연구를 진행하고 있다. 기초적인 양자물리학 연구와 에너지 하베스팅 연구 그리고 수소 센서, 바이오 센서 등의 고성능 센서 연구다. 첫 번째는 과학자로서 김희대 교수의 주 전공 연구고, 두 번째와 세 번째는 과학의 성과물을 기술로 펼치는 그의 응용연구다. 김희대 교수는 귀국 이후 한국연구재단에서 지원하는 중견연구자지원사업을 통해 나노구조에서 양자물리학적 현상을 분석하는 기초연구를 다년간 진행해오고 있으며, 에너지 하베스팅 연구 관련해서 최근 ‘2025년도 수요 기반 양자 기술 실증 및 컨설팅 지원사업’에 선정됐다. 이 과제는 과학기술정보통신부와 한국지능정보사회진흥원(NIA)이 주관한 사업으로, 전북대를 중심으로 한솔케미칼, 전북테크노파크가 컨소시엄 형태로 참여한다. 내년까지 2년간 국비 14억 5,000만 원과 지방비 4억 4,000만 원, 민간 9억 1,000만 원 등 총 28억 원이 투입되는 대형 과제다. 김 교수는 이 과제를 통해 플라즈몬 공명현상과 복사압(light pressure)을 융합한 독창적 에너지 하베스터 소자를 개발하겠다는 계획이다. 최종적으로 외부 전원이 없이도 자가 발전이 가능한 IoT 센서 플랫폼을 실증할 예정이다. “저는 기술 고도화가 인정받아 선정됐다고 생각합니다. 이 사업의 궁극적인 목표는 기존 태양전지의 100% 대체입니다. 기존의 태양전지는 일정한 파장의 태양광만 에너지원으로 작용하지만, 우리 기술은 소리, 열 등 여러 에너지원을 사용할 수 있습니다. 향후 현재의 태양전지보다 훨씬 더 큰 발전 가능성이 있습니다”
연구실은 또한 ‘2025년도 한-영국 과학기술협력창구사업’에도 선정됐는데, 김희대 교수는 이번 교류를 통해 영국 쪽 인공지능과 로봇 전문가와 매칭돼 양자광자공학과 인공지능 융합기술 공동연구 및 교류 기반을 조성하겠다는 각오다. 국제 학술 워크숍 정례화, 양국 연구자와 대학원생 교류 확대, 차세대 광자 기반 양자 센서 및 초고속 통신용 양자소자 개발 등이 주요 과제로 추진된다. “로봇의 에너지원을 확대하고 인공지능으로 최적화해서 로봇에 응용하는 연구입니다. 이번 국제협력은 제가 기존에 도전하지 않았던 로봇, 인공지능과의 융합연구라는 점에서 의미가 큽니다. 로봇에 저희의 에너지 하베스팅 기술을 적용하며 로봇이 운영될 수 있는 최적의 에너지원 만들어낼 수 있습니다. 이는 인공지능 로봇 시대에 피할 수 없는 연구주제라 생각하며 우리 연구그룹이 관련 산업에 이바지할 수 있는 연구성과를 내고 싶습니다”
“기술의 고도화로 연구자로서 사회에 이바지할 수 있는 결과물을 얻고 싶습니다. 국제협력이나 양자 실증 과제를 통해서 우리의 기초적인 기술을 실생활에 응용하는 결과물을 내는 게 목표입니다”
교원창업으로 산업에 이바지하는 쓰임새 있는 기술개발
김 교수는 최근 환경부 창업과제인 에코스타트업 과제에 선정돼 계획했던 창업에 탄력을 받았다. 그는 과학자로서 기초연구를 하지만 이 연구성과가 상용화되기까지의 기술개발에도 노력을 기울여 창업을 준비하고 있었으며 마침 창업과제에 선정돼 최근 사업자등록을 마쳤다. “그린가드 테크놀로지라는 사명으로 창업했습니다. 사업내용은 고성능 센서로 수소 센서와 바이오 센서 등입니다. 나노 단위 공정으로 우리는 민감도가 높은 고성능 센서 기술을 보유하고 있으며 현재는 실제 메디컬 닥터분들과 공동연구를 하고 있습니다. 단기적으로는 패키징된 수소 센서와 사람의 날숨으로 건강을 진단하는 바이오센서를 만드는 것이 목표입니다” 수소 센서와 바이오센서는 많은 연구그룹의 연구주제다. 그는 자신만의 기술력과 노하우에 대해서 양자 기술을 활용한 나노 단위 공정이라고 소개했다. “우리의 노하우는 센싱 능력을 높이기 위해 실리콘 기판에서의 표면적을 넓히고, 센싱을 위한 금속물질을 아주 얇게 도포하는 유니크한 기술입니다” 가격은 낮추면서 센싱 능력은 높일 수 있다는 것이 우리의 기술력입니다. 이미 기술은 개발했지만 이를 상용화하기 위해 창업했습니다. 과학이 과학적 발견으로 끝나는 것에 대한 목마름이 있었던 것 같습니다. 이를 기술로 활용해 상용화한다면 많은 사람에게 도움이 될 것으로 생각했습니다”
“기초부터 응용까지 모든 과정 다룰 수 있어, 학생들 연구주제 선택 자유로워”
“저는 학생들에게 다양한 연구주제를 이야기해줍니다. 기초적인 과학연구와 응용연구를 한 그룹에서 다 같이 하는 경우는 드문데요, 우리 연구실은 모두를 다루다 보니 학생들이 원하는 주제를 자유롭게 선택할 수 있다는 장점이 있습니다. 저는 그런 부분을 설명하고 강조합니다” 라며 김 교수는 연구주제도 학생과 상의해서 진행하며 물질 분석에서 공정, 화학적 합성, 재료공학, 전자공학에 이르기까지 광범위하게 다루기에 현재 트렌디한 최첨단 기술들을 모두 접할 수 있는 것이 연구실의 장점이라고 언급했다.
“융합연구로, 후배 과학자와 학생들에게 길 터주는 선배 되고 싶다”
어려서부터 물리 과학자가 꿈이었던 김희대 교수는 심오한 양자물리학을 연구하는 자신의 연구가 굉장히 팬시하고 멋있다고 생각했었는데, 10년 전쯤 이런 생각을 깨트린 일화가 있다며 소개해줬다. “유럽에 있는 한국 과학자 모임에서 ‘당신의 연구는 실생활에 어떤 도움이 되느냐’라는 질문을 받았는데, 당시엔 ‘저는 엔지니어가 아니고 과학자’라고 답하며 과학과 공학의 선을 그었습니다. 하지만 10년이라는 시간이 흐르며 과학자와 엔지니어의 구분이 다학제라는 융합연구로 희미해지고 있습니다. 이제는 기초부터 응용까지 다양한 분야의 지식을 쌓아야 한다고 생각하고, 물리학자가 바이오를 하고 전자공학을 하는 게 낯설지 않은 세상이 됐습니다. 앞으로는 인공지능과 결합해서 다른 학문에 대한 접근이 훨씬 쉬워질 것입니다. 융합연구는 막을 수 없는 흐름이고 훨씬 더 빨라질 것입니다. 저는 후배들에게 길을 터주는 과학자가 되고 싶습니다. 저의 다양한 국제 경험은 미국, 유럽, 일본에 치우치지 않는 균형 잡힌 관점을 갖게 해줬고, 이런 관점과 기초부터 응용까지 다루려는 연구력을 후배 과학자들과 학생들에게 나눠주고 싶습니다. 제가 알고 배운 것들을 나눠주고, 이것이 시너지를 이룬다면 궁극적으로 한국과학과 기술 발전에 이바지하지 않을까 생각합니다”
요새는 과학이라는 말보다 과학기술이라는 말이 더 익숙하다. 과학적 성과물이 기술적으로 활용되는 사례가 많기 때문이다. 어떤 과학적인 원리를 발견하면 이를 실생활에 어떻게 활용할 수 있을지까지의 고민이 이어진다. 김희대 교수 역시 마찬가지다. 그는 자신이 순수물리학자라는 것에 큰 자부심을 느끼며, 응용까지 연구력을 확장해가기 위해 노력하고 있다. 과학자를 꿈꾸던 소년은 이제 공학 기술을 연구하고 더 나아가 회사대표로 산업 발전에 이바지하기 위해 준비하고 있다. 그의 무한한 노력에 박수를 보내며 향후 그의 연구가 펼쳐갈 장밋빛 청사진을 기대해본다.
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