[1% Power & Research]
KAIST EEWS대학원 박정영 교수
세계수준의 연구중심대학(WCU)육성사업은 신성장동력 분야의 세계적 연구 선도 및 국가 핵심인재를 양성하고자 시행되고 있다. 이는 해외 우수학자(Star faculty)를 국내대학에 유치하여 교육?연구 풍토를 혁신하고, 나아가 대학의 국제적 경쟁력 제고하는데 일조하고 있다. KAIST EEWS대학원 박정영 교수는 지속가능한 에너지공학기술사업단에 참여하고 있으며 최근에 핫전자 태양전지 원천기술을 개발하여 주목을 받고 있다.
태양전지 효율 높이는데 단서 제공
박정영 교수팀은 태양광을 흡수하여 생성되는 핫전자와 금속의 표면에서 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자인 표면플라즈몬의 상관관계를 규명하였다.
핫전자(hot electron)란 외부에서 에너지가 표면에 전달될 때 에너지 전환과정에 의해서 표면에 생성되는 전자로써 핫전자를 이해하고 측정한다는 자체가 에너지 손실과정의 원자적 규모에서의 이해를 가져다준다는 점에서 중요성을 지닌다.
박 교수팀의 개발 원리를 자세히 살펴보면, 우선 연구팀은 금속박막과 산화물 반도체로 이루어진 나노다이오드를 이용해 빛에 의해 표면에 나타난 핫전자를 검출하고, 나노다이오드 금속박막의 표면처리를 통해 수십 나노미터 크기의 나노섬 형태로 변형했다. 이때 이러한 나노섬은 표면플라즈몬을 보여준다. 연구팀은 나노다이오드에 검출된 핫전자를 측정하여 표면플라즈몬에 의한 핫전자의 증폭을 관찰하였다. 표면플라즈몬은 핫전자의 생성을 극대화시켰으며, 이 원리는 태양전지의 효율을 높이는데 활용될 수 있다는 점에서 눈여겨볼 부분이다.
박정영 교수는 “핫전자를 정확히 이해하고 측정하는 것은 에너지 손실과정을 근본적으로 이해할 수 있도록 도와준다는 점에서 표면과학과 에너지공학에서 매우 중요합니다. 이번 핫전자 원천기술의 개발은 앞으로 핫전자를 이용한 고효율 에너지 전환소자 개발에 응용이 될 수 있을 것으로 기대됩니다.”라고 연구의의를 밝혔다. 이번 연구는 박 교수의 주도아래 이영근 석사과정생(제1저자)과 정찬호 박사과정생(제2저자)이 함께 참여하였으며, 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nano Letters’에 게재되기도 하였다.
그래핀의 응용 가능성을 높여 이미 주목받아
박정영 교수의 성과는 이뿐 만이 아니다. 그는 지난 7월경에 ‘꿈의 신소재’라 불리는 그래핀의 응용 가능성을 한 단계 높인 연구 결과를 선보여 세계적인 잡지인 사이언스지에 게재하였다. 건국대 박배호 교수와 공동으로 진행한 이 연구는 그래핀 표면에 주름이 존재할 뿐만 아니라 각 구역에 따라 그 방향이 다르다는 사실을 세계 최초로 확인했다.
두께가 원자 하나 정도에 불과한 탄소 구조체인 그래핀의 미세구조는 그동안 개념상으로만 알려졌던 것이 사실이다. 하지만 박 교수는 그래핀에서 미세한 주름구조를 확인하고 그 방향은 각 구역에 따라 다르다는 사실을 밝혀냈다. 또한 이와 같은 특성을 지닌 그래핀에 열처리 공정을 가하면 각 구역 구분이 없어지고 그래핀 표면 전체는 일정한 마찰력을 가질 수 있다는 사실도 입증했다. 이는 향후 고성능 그래핀 소자의 상용화를 위해 필수적인 물성평가 기술 및 공정 기술의 기반을 제공하는 발판을 마련했다는 점에서 의미가 크다.
글로벌한 연구 역량이 성과의 원동력
표면과학은 물질의 표면 자체의 성질, 혹은 표면 위에 아주 얇은 초박막과 나노미터 수준의 개체들, 심지어는 원자 하나하나를 관찰, 분석, 조작하는 연구 분야다. 박정영 교수는 그의 전공인 표면과학을 근본적인 원리를 정확히 파악하고 이를 바탕으로 응용성을 가미하고 있다.
미국 에너지부 산하 로렌스버클리 국립 연구소 책임연구원으로서 활동한 박 교수는 ‘현대 표면화학의 아버지’라고 불리는 미국 캘리포니아 버클리대 화학과 ‘가보 소모자이(Gabor Somorjai)’ 교수와의 협력연구를 통하여 글로벌한 감각과 다양한 연구경험을 체득하였다. 한국으로 온지 약 2년 가까이 되는 그가 단기간에 우수한 연구 성과를 도출한 원동력은 아마도 국제적인 연구 환경에서 연구역량을 높임과 동시에 이를 토대로 순수과학과 응용과학의 범위를 넘다들며 노력을 다각화했다는 점일 것이다.
이러한 박 교수가 학생들에게 강조하는 점은 무엇일까 문득 궁금해진다. 그가 이끄는 표면과학 및 촉매연구실 학생들에게 그는 두 가지를 강조한다. 첫째는 'Active'이다. 항상 적극적이고 능동적인 태도로 연구와 토론에 임하면 저절로 흥미가 따른다는 것이다. 그 다음으로 ‘프로근성’이다. 자기가 맡은 부분을 독립적이고 창의적으로 결정하여 일을 진행하는 자세를 의미한다.
학생들에게 격려와 응원을 아끼지 않으며, 화기애애한 연구 환경을 조성하여 표면과학 연구 발전에 기여하고 있는 박정영 교수. 앞으로 그가 어떠한 연구 성과로 우리를 놀라게 할지 그의 내일이 궁금해진다.
