나노기술 이용 연료전지·광기능성소자·배터리 연구 수행 과학기술부와 과학기술한림원은 지난 11월 24일 제7회 ‘젊은 과학자상’(공학분야) 수상자로 성영은 광주과학기술원 신소재공학과 교수 등 4명을 선정했다. ‘젊은 과학자상’은 1997년부터 자연과학과 공학 분야의 젊은 과학자들을 대상으로 번갈아 4명씩 시상하고 있다. 수상자는 대통령상과 더불어 연구 장려금으로 해마다 3천만원씩 5년 동안 지원받는다. 광주과기원 성영은 교수를 만나 소감 및 연구내용에 관해 들어 보았다. 수상소감 저의 수상은 연료전지 및 광기능성 소자를 위한 나노기술 개발에 대한 것입니다. 무엇보다 이 상은 저희 연구실의 학생들과 졸업생들의 공동 작품입니다. 또 연구가 실제로 진행되게 연구비 지원을 해준 서울대 에너지 변환 저장 연구센터(센터장 오승모 과학재단 지원), 솔-젤 차세대신기술 개발사업단(단장 배병수 산업자원부 지원) 등에 감사드립니다. 에너지 및 전원, 광기능성 소자 분야의 활성화에 조그마한 도움이 되기를 바랍니다. 연구의 주요내 및 기대효과 1. 연료전지 전극 및 구조개발 연료전지(퓨얼셀)란 물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생되는 것을 역으로 이용한 장치로 연료전지의 각 전극(연료전극과 공기전극)에 수소와 공기를 공급하면 전기와 물을 발생한다.(그림 1) 즉 청정 수소기체만 공급하면 물외에는 어떤 오염물질 배출 없이 전기가 발생하기 때문에 차세대 발전소 및 전기자동차로 각광받는 신기술이다. 성 교수는 이 연료전지에서 현재 보관이 어려운 수소 대신 식물로부터 무궁무진하게 만들 수 있는 액체 알코올을 넣어 직접 전기를 발생하는 연료전지 개발 연구를 하고 있다. 이 연료전지는 잉크처럼 알코올만 주입하면 바로 전기가 발생하기에 배터리처럼 따로 충전할 필요가 없어 노트북이나 휴대폰 등의 전원으로 사용이 가능해 그 산업적 파급효과가 아주 높은 분야이다. 이런 연료전지가 상용화되면 휴대폰의 충전이 필요 없고, 노트북을 전선 없이 자유롭게 어디서나 사용 가능하게 될 것이다. 그러나 이렇게 사용이 간편한 연료전지가 실용화되려면 전기를 발생하는 핵심 부분인 전극개발이 절실히 요구된다. 연료전지 전극은 탄소위에 고가의 백금촉매를 뿌려 사용하는데 이 비싼 백금촉매를 어떻게 극소량만 사용하여 고성능을 낼 것인가가 핵심기술이다. 이 백금 사용량을 극소화하기 위해 백금입자를 10억분의 1m, 즉 나노 크기로 잘게 쪼개어 사용해야 하는데 성 교수는 나노 크기를 자유롭게 조절하는 합성 기술을 개발하여 국제적으로 인정받고 있다.(그림 2) 2. 광전기변색소자 개발 광전기변색소자는 기존의 유리창에 커튼이나 블라인더를 따로 붙일 필요가 없도록 햇빛의 양에 따라 인위적으로 색깔을 변하게 할 수 있는 소위 스마트 윈도우(똑똑한 창문)를 말한다. 즉 햇빛이 강해서 커튼을 쳐야 할 경우 검은색으로 색을 넣어 빛을 차단하는 것이다. 이 광기능성 유리 혹은 필름이 개발되면 일반 가정이나 오피스 등에 블라인더나 커튼을 제거함으로 실내 환경을 개선하여 미적 감각을 최대로 높이면서 에너지 손실을 막는 이중 효과를 거둘 수 있게 된다. 성 교수는 색변화가 빠르고 안정성이 뛰어난 소자를 개발함으로 국내 언론뿐만 아니라 2003년 레이저 포커스 월드라는 미국 광기술 잡지에 ‘긴급뉴스’로 소개되기도 했다. 성 교수는 현재 솔-젤 공정을 이용하여 이 기술의 상용화를 위해 산자부 차세대신기술개발사업의 지원으로 SKC와 요업(세라믹)기술원과 공동으로 연구개발 중에 있다. 3. 에너지 절약형 필름 개발 태양광은 자외선 5%, 태양빛 42%, 태양열 53%로 이루어져 있는데 유리나 필름에 특수 소재를 투명하게 코팅하면 태양열만 선택적으로 차단할 수 있게 된다.(그림 3) 예를 들어 여름에 태양열로 인해 자동차의 실내 온도가 60℃ 이상으로 올라가 쉽게 들어갈 수가 없는데 이 필름을 코팅하면 이런 실내 온도 상승을 막을 수 있고, 반대로 겨울에는 따뜻한 실내 온도가 밖으로 빠지는 것을 막는 에너지 절약 효과가 있게 된다. 성 교수는 금속산화물 나노입자를 합성하여 코팅함으로 값싼 에너지 절약형 필름을 개발하였고 현재 상업화를 진행하고 있다. 4. 새로운 태양전지 특정 금속산화물 나노입자를 투명코팅한 후 그 위에 색깔을 내는 염료를 입히고 빛을 쬐면 전기가 발생한다.(그림 4) 이 색유리를 기존의 유리창에 설치하면 따로 태양전지판을 지붕에 설치하지 않고 전기를 만들 수 있기 때문에 그 응용 범위가 아주 넓을 것이다. 또한 필름으로 만드는 연구가 진행 중인데 이렇게 되면 자동차 유리 등에 코팅하여 필요한 전기를 발생하는 일이 가능할 것이다. 성 교수는 나노기술을 이용하여 효율이 높은 색유리 태양전지 및 태양전지 필름 개발을 또한 진행하고 있다. 5. 형광체 코팅 형광체는 빛을 받으면 색을 나타내기에 TV나 컴퓨터 모니터 등에 없어서는 안 되는 소재이다. 성 교수는 형광체 코팅을 위한 연구를 수행하여 새로운 백색 조명으로 개발 중인 LED나 평판 디스플레이에 적용하는 연구를 수행하고 있다. 성 교수의 이 연구는 최근 미국 특허를 획득하였고, 미국 전기화학회의 인터페이스란 잡지에 하이라이트기술로 소개되기도 했다. 앞으로의 발전 목표 나노기술을 에너지 및 광소자에 적용하는 연구를 결실로 맺어 나노기술의 중요성을 알리고 산업화하는 데 기여하고 싶습니다. 연료전지 분야에서 개발한 전극을 연료전지에 실제로 사용하는 일과, 마이크로 크기의 초소형 연료전지 개발을 계획하고 있습니다. 또한 또 하나의 에너지원인 태양과 관련하여 태양에너지를 인위적으로 조절하는 광전기변색소자, 열만 선택적으로 차단하는 에너지 절약형 필름 및 나노입자 코팅을 이용한 새로운 개념의 투명유리 태양전지 연구 등에서 결실을 맺고 싶습니다. 아울러 에너지 및 광소자용 전극 및 소자 구조에서 일어나는 근본 현상을 과학적으로 규명하여 학문적 위상도 높이고 원천기술도 찾아내려 하고 있습니다. 吳德根 기자