“실리콘은 한계에 도달하지 않았습니다”

[이슈메이커=임성희 기자] 

 

“실리콘은 한계에 도달하지 않았습니다”

이강민 가톨릭대학교 에너지환경공학과 교수/LEE Group(사진=임성희 기자)

 

“실리콘 한계에 도전하는 신진연구자”
투명 실리콘 태양전지 활용 기대

모두가 실리콘은 한계에 도달했다고 말할 때, ‘NO’라고 말하며 실리콘의 한계를 넘어선 차세대 실리콘 연구에 도전하는 신진연구자가 있다. 실리콘을 대체할 차세대 물질 연구가 주목받는 시대지만, 그의 실리콘 연구는 현재 진행형이다. 이유는 분명하다. 실리콘의 한계를 극복한다면, 현재 실리콘을 기반으로 한 반도체 공정을 그대로 사용할 수 있어 상용화 가능성이 훨씬 크기 때문이다. 이강민 가톨릭대학교 교수는 “제 관심은 ‘실리콘을 대체할 소재를 찾는 것’보다 ‘실리콘이 할 수 없다고 여겨졌던 일을 가능하게 만드는 것’에 있습니다”라고 힘주어 말했다. 

새로운 구조와 공정 설계로 차세대 실리콘 태양전지 가능성 제시
실리콘은 반도체 혁명을 가져왔지만, 유연하고 늘어나며 투명한 디바이스를 원하는 시대가 오며 이젠 실리콘을 대체할 차세대 물질 연구가 대세다. 누가 먼저 차세대 물질로 실리콘 같은 성능을 구현해내느냐가 관건이다. 실리콘은 더 이상 연구할 것이 없다고, 속된 말로 ‘한물갔다’라고 여길 때, “실리콘은 한계에 도달하지 않았다”라며 도전을 외친 신진연구자가 있다. 
  실리콘의 대표적인 응용처인 결정질 실리콘 태양전지는 높은 효율, 우수한 장기 안정성, 성숙한 제조 인프라를 바탕으로 현재 태양광 시장의 대부분을 차지하고 있지만 기술이 이미 충분히 발전했고, 더 이상 새로운 가능성이 크지 않다는 인식 때문에, 차세대 태양전지 연구는 주로 페로브스카이트나 유기 태양전지 등 새로운 소재를 중심으로 전개되고 있다. 이런 상황에서 이강민 교수는 대세를 따르기보다, 빠른 상용화를 목표로 새로운 실리콘 연구에 집중했다. 새로운 물질 연구가 전 세계적으로 이어지고 있지만, 아직 상용화 가능성을 연 건 없다. 이강민 교수는 실리콘을 그대로 사용한다면, 기존 인프라를 사용할 수 있어, 상용화를 앞당길 수 있다고 생각했다. “효율뿐 아니라 안정성, 제조 공정, 소재 공급망, 비용, 장기 신뢰성까지 함께 검토해야 합니다. 저는 결정질 실리콘이 이미 검증된 소재이기 때문에, 이를 기반으로 차세대 기능을 구현할 수 있다면 상용화 가능성이 훨씬 큰 기술 플랫폼이 될 수 있다고 보았습니다”라며 “즉, 제 관심은 ‘실리콘을 대체할 소재를 찾는 것’보다 ‘실리콘이 할 수 없다고 여겨졌던 일을 가능하게 만드는 것’에 있습니다. 이것이 제가 결정질 실리콘 기반의 차세대 태양전지 연구를 선택한 이유입니다”라고 강조했다. 덧붙여 그는 “제 연구의 핵심은 기존에 ‘불가능’하거나 ‘이미 한계에 도달’했다고 여겨지던 실리콘 태양전지를 새로운 관점에서 다시 해석하는 데 있습니다. 결정질 실리콘은 높은 효율과 안정성을 갖춘 대표적인 태양전지 소재이지만, 강한 광 흡수성으로 인해 투명화가 어렵다는 인식이 컸습니다. 저는 이러한 한계를 고정된 물성의 문제가 아니라, 구조와 공정 설계를 통해 조절할 수 있는 공학적 설계 변수로 바라보았습니다”라고 설명했다. 그 결과 결정질 실리콘을 이용해 일반 유리처럼 보이는 무색·투명 태양전지 개발에 성공했다. 또한 그는 MIT에서 박사후과정으로 재직하며 singlet fission 기반 기술을 활용해 단일 접합 태양전지의 이론적 효율 한계를 넘어설 가능성을 탐구했고, 이러한 연구 경험은 그가 실리콘 한계의 벽을 낮추고 다시 정의하는 중요한 계기가 됐다. 

투명 태양전지에서 차세대 에너지·반도체 플랫폼까지
실리콘 연구를 지속하며, 이강민 교수는 실리콘 연구 환경이 좀 더 풍부한 미국의 대기업이나 학계 진출을 고민했지만, 고국에서 연구와 교육으로 기술 발전에 이바지해야겠다는 생각으로 가톨릭대학교 에너지환경공학과에 좋은 기회로 부임할 수 있었다.
  이강민 교수는 LEE(Leading-edge Energy materials and Electronics) Group을 꾸리고 결정질 실리콘과 반도체 공정 기술을 기반으로 차세대 에너지·반도체 소재 및 소자를 개발하고 있다. 주요 연구 분야는 크게 세 가지로 첫째, 차세대 결정질 실리콘 태양전지, 둘째, 태양전지의 이론적 효율 한계를 극복하기 위한 연구, 셋째, Solar-to-Chemical Conversion 연구다. 연구실은 기존 결정질 실리콘 태양전지가 가진 높은 효율과 장기 안정성은 유지하면서, 유리처럼 보이는 투명 태양전지와 초경량·유연 태양전지 등 새로운 형태와 기능을 갖춘 태양전지 개발을 목표로 건물 창호, 스마트 윈도우, 차량용 유리, 웨어러블 전자기기, 곡면형 전자소자 등 기존 태양광 패널이 적용되기 어려웠던 영역으로 태양광 기술을 확장하겠다는 계획이다. 이강민 교수는 “기존 태양전지가 가진 물리적·이론적 한계를 새로운 광 에너지 변환 메커니즘과 소자 설계로 넘어서고자 탐구하고 있습니다. 특히, 결정질 실리콘을 새로운 소재와 융합하여 빛의 흡수와 전하 생성, 에너지 전달 과정을 정밀하게 제어해 기존 단일 접합 태양전지의 효율 한계를 뛰어넘는 차세대 고효율 태양전지 기술을 연구하고 있습니다”라며 
“뿐만 아니라, 태양광 에너지를 전기에너지 생산에만 활용하는 것을 넘어, 화학적 반응을 유도하는 에너지원으로 활용하는 연구를 진행하고 있습니다. 대표적으로 태양 빛을 이용해 활성산소를 발생시키는 반도체 기반 광활성 소자를 개발하고 있으며, 이를 물 살균, 환경 정화, 표적 암세포 사멸을 위한 광역동 치료용 반도체 칩 등 다양한 분야로 확장하고자 합니다”라고 설명했다. 덧붙여 그는 “차세대 반도체·디스플레이 소재 및 소자, 반도체 공정 등으로 연구영역을 확장해 궁극적으로는 태양광 에너지와 반도체 기술을 결합해 에너지, 환경, 바이오 등 실제 사회 문제 해결에 이바지할 수 있는 에너지·반도체 플랫폼을 만드는 것이 목표입니다”라고 밝혔다. 연구실은 ‘AI를 활용한 SInglt fission-결정질 실리콘 융합 고효율 유리형 투명 태양전지 기술 개발’로 2026 한국연구재단 신진과제에 선정돼 앞으로 과제를 풀어갈 행보가 기대된다.

투명 실리콘 태양전지 세계적 동향 리뷰논문으로 주목
실리콘 다음 물질에 주목하며 실리콘에 관한 연구 필요성이 낮아지면서, 실리콘 연구그룹도 자연스레 줄어드는 추세다. 국내에서는 신진연구자인 이강민 교수의 활동이 눈에 띄며, 국제적으로도 실리콘 연구그룹 활동은 주춤한 상태다. 클린룸을 필요로 하는 등 대학교 연구그룹에서 수행하기 힘든 것도 있지만, 가능성과 비전에서 차세대 물질에 밀리기 때문인데, 이 가운데 최근 이강민 교수가 투명 실리콘 태양전지 세계적 동향 리뷰논문을 Advanced Energy Materials(Impact factor 26.0, 분야 상위 2.5%) 학술지에 발표하며 주목받았다. “저는 지난 약 10년간 차세대 결정질 실리콘 태양전지를 연구해 왔고, 2020년에는 일반 유리처럼 보이는 무색·투명 결정질 실리콘 태양전지 연구를 세계적 에너지 분야 학술지인 Joule(Impact factor 35.4, 분야 상위 1%)에 발표했습니다. 이 연구는 에너지 분야 학술지뿐 아니라 해외 유명 경제지인 The Economist에도 소개되며 주목받았습니다. 그 후 투명 실리콘 태양전지의 성능, 구조, 모듈화, 유연화 가능성을 지속해서 발전시켜 왔습니다”라며 이 교수는 “이번 리뷰논문은 그동안 분산되어 있던 투명성, 유연성, 고효율화, 모듈화 연구 흐름을 하나의 차세대 실리콘 에너지 소자 플랫폼 관점에서 정리했습니다. 단순히 기존 연구를 나열한 것이 아니라, 결정질 실리콘의 형태적 한계를 어떻게 공학적으로 극복할 수 있는지, 앞으로 어떤 설계 방향이 필요한지를 제시하고자 했습니다. 이 연구는 향후 건물 일체형 태양전지, 스마트 윈도우, 웨어러블 전자기기, 차량용 경량 전원, 곡면형 전자소자 등 다양한 분산형 에너지 기술로 확장될 수 있습니다. 더 나아가 투명화·유연화 기술은 태양광 패널뿐 아니라 차세대 반도체와 디스플레이 플랫폼으로도 연결될 수 있다는 점에서 의미가 큽니다”라고 말했다.

이강민 교수는 “제 연구의 핵심은 기존에 ‘불가능’하거나 ‘이미 한계에 도달’했다고 여겨지던 실리콘 태양전지를 새로운 관점에서 다시 해석하는 데 있습니다”라고 강조했다.(사진=임성희 기자)

소재, 공정, 소자를 모두 연결하는 연구 설계
“새로운 개념”과 “실제 적용 가능성”을 동시에 추구하는 연구를 지향한다며 이강민 교수는 “반도체 소재가 가진 기존 물성의 한계를 구조와 공정 설계를 통해 새롭게 바꾸려 노력했고 특히 결정질 실리콘과 같은 전통적 반도체 소재에 나노·마이크로 구조를 도입해 광학적, 기계적, 전기적 특성을 제어하는 연구를 수행하며 차별화된 기술을 쌓을 수 있었습니다”라고 밝히며 소재, 공정, 소자를 모두 연결해 연구를 설계하는 점도 강점으로 뽑았다. 상용화 가능성을 염두에 두고 모든 과정을 다루고 있어, 실제 상용화로 연결될 수 있는 확률이 높다. 그가 가진 이 모든 장점은 연구실에서 발휘되고 있으며, 학생들 교육에도 적용돼, 학생들의 차별화된 커리어에도 영향을 준다. 특히 반도체가 활황인 요즘 학생들의 관심이 뜨겁다. “새로운 연구일수록 예상대로 되지 않는 경우가 많고, 때로는 오랜 시간, 결과가 나오지 않기도 합니다. 그럴 때 실패 자체를 두려워하기보다, 실패에서 배우고 다시 시도할 수 있는 긍정적인 태도가 중요합니다. 저는 학생들이 연구를 통해 전문성뿐 아니라 문제를 끝까지 해결하는 힘을 함께 키우길 바랍니다”
  세계인의 축제 올림픽에도 인기종목과 비인기종목이 있지만, 비인기종목이라고 노력의 값이 작은 게 아니다. 오히려 비인기종목일수록 성공으로 증명해 보이려고 오기가 더 발동하기도 한다. 모든 선수는 최고의 자리에 오르기 위해 누구보다 많이 노력하고 있다고 자부하며 훈련에 임할 것이다. 이강민 교수가 자부하는 실리콘 연구 또한 마찬가지다. 연구 종목으로는 관심을 덜 받지만, 그 내용만큼은 누구보다 많은 시간과 노력을 투자하고 있다. 만약 실리콘이 다시 주목받는다면, 이강민 교수의 기여도를 빼놓을 수 없을 것이다. 이제 그는 자신의 연구력을 인정받기 위한 무대에 섰다. 그가 포디움에 오를 그날을 기대해본다.