최근 전 세계적으로 ESG 경영과 탄소중립이 핵심 가치로 떠오르면서 에너지 기술의 혁신이 그 어느 때보다 강조되고 있습니다. 이러한 시대적 흐름에 발맞추어 한국기계연구원은 차세대 태양전지 기술인 양자점 연구에 박차를 가하고 있습니다. 나노역학장비연구실을 중심으로 진행되는 이 프로젝트는 기존 제조 장비의 지능화를 넘어 미래 에너지원 확보를 위한 원천 기술 기획과 상용화를 목표로 합니다. 특히 양자점 소재가 가진 무궁무진한 잠재력을 태양전지 분야로 확장하여 에너지 산업의 새로운 전기를 마련하고자 노력하고 있습니다.

이번 연구는 대기업인 OCI, 카이스트, 그리고 미국 국립재생에너지연구소(NREL)와의 국제 공동 기술 개발로 진행되었습니다. 연구 초기에는 양자점의 물성을 이론치만큼 끌어올리는 데 상당한 어려움을 겪었으나, 공동 연구 파트너와의 협업을 통해 돌파구를 찾았습니다. 양자점 합성 과정에서 대기 중 수분 함량이 결정적인 역할을 한다는 사실을 발견한 것입니다. 수분 환경을 정밀하게 제어함으로써 마침내 이론적 수치에 근접한 고품질 양자점을 합성하는 데 성공하였으며, 이는 고효율 태양전지 개발의 중요한 토대가 되었습니다.

양자점이라는 소재는 굉장히 큰 표면적을 갖고 있기 때문에 외부 대기 환경에 매우 민감할 수밖에 없습니다.

연구의 구체적인 성과로는 광전변환 효율 16%를 달성하며 당초 정량적 목표였던 15%를 상회하는 결과를 얻은 점을 꼽을 수 있습니다. 또한 대기 중에서 약 1,000시간 동안 구동해도 효율의 큰 저하가 없는 고안정성 소자를 제작하는 데 성공했습니다. 일반적으로 태양전지는 효율이 높으면 안정성이 떨어지고, 반대로 안정적이면 효율이 낮아지는 경향이 있습니다. 하지만 이번 프로젝트를 통해 효율과 안정성이라는 두 마리 토끼를 모두 잡음으로써, 실험실 수준의 기술을 넘어 실제 상용화에 한 걸음 더 다가가는 고무적인 쾌거를 이루어냈습니다.

효율과 안정성을 동시에 확보하기 위해 연구팀은 마치 하이브리드 자동차와 같은 혁신적인 하이브리드 이중층 시스템을 고안했습니다. 효율을 담당하는 양자점 층과 안정성을 담당하는 층을 각각 따로 구성하여 최적의 시너지를 내도록 설계한 것입니다. 양자점 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 달리 용액 상태에서 공정을 진행할 수 있어 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있다는 강점이 있습니다. 또한 입자 크기에 따라 다양한 색상을 구현할 수 있는 심미적 특성 덕분에 건물의 외장재나 창호 등 다양한 분야로 응용 범위를 넓힐 수 있다는 장점이 있습니다.

연구팀은 이제 확보한 핵심 기술을 바탕으로 독성 요소를 최소화한 친환경 양자점 개발에 매진하여 본격적인 상용화를 앞당기고자 합니다. 국제 공동 연구 과정에서 각국의 행정적 차이로 인한 여러 난관이 있었으나, 선진 연구 기관과의 협력은 혼자 해결하기 힘든 난제들을 극복하는 소중한 기회가 되었습니다. 이번 과제를 통해 증명된 글로벌 협업의 가치가 다른 기업과 연구자들에게도 확산되어, 더 많은 기술적 한계를 돌파하는 계기가 되길 바랍니다. 끝으로 기술 개발의 기회를 제공해 준 관계 기관에 감사를 표하며 연구를 지속해 나갈 것입니다.