김영훈 에너지공학과 교수팀이 최근 권우성 숙명여대 화공생명공학부 교수팀과 차세대 청색 인광 발광다이오드 소자에 사용될 '유리 입자 기반 발광 물질'을 개발했다. 해당 연구는 전기 에너지를 활용해 다양한 색의 빛을 구현하는 기술의 발전을 의미한다. 세계 최초로 유리 입자 기반 자발광 발광 다이오드를 성공적으로 구현함으로써 디스플레이 기술의 한계를 극복하는 성과를 거뒀다.

청색 발광 다이오드 문제에 잠재적인 해결책을 제시한 김 교수는 지난 6월에 차세대 스핀트로닉스 소자에 사용될 수 있는 세계 최고 비대칭성을 갖는 ‘팔라듐 기반 카이랄 페로브스카이트 소재’를 개발했다.

또한 지난해에는 지구온난화 및 기후변화에 대비하기 위해 ‘태양광을 이용한 이산화탄소 저감 및 폐수 분해용 광촉매 소재’를 개발했다. 해당 기술은 외부 기기 없이 태양광만을으로 폐수 내 유기물과 대기 중 이산화탄소 양을 감소시킬 수 있다. 이는 향후 탄소 중립 사회로 나아가는 데 중요한 광촉매 소재로 활용될 수 있다는 평가를 받는다.

차세대 에너지공학 기술 개발에 힘쓰는 김 토토사이트 세션를 만나 자세한 이야기를 나눴다.

디스플레이 기술은 실생활에서 가장 밀접한 광학 응용 기술 중 하나로, 전기 에너지를 사용해 다양한 색의 빛을 생성하는 방식이다. 쉽게 스마트폰, 모니터와 같이 디스플레이 소자에 전기를 걸어주면 빛이 나오는 기술이다.

디스플레이 기술에서 일반적으로 사용되는 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED)의 발광 메커니즘은 1세대 발광체인 '형광(fluorescence)'과 2세대 발광체인 '인광(phosphorescence)'로 나뉜다. 이 중 녹색과 적색 OLED는 발광 효율이 100%로 매우 높은 2세대 인광을 사용하지만, 청색 OLED는 안전성이 떨어져 여전히 발광효율이 25%로 낮은 1세대 형광을 사용한다. 김 교수는 이번 연구를 통해 안정적으로 구동 가능한 '청색 인광 소재와 발광 다이오드'를 구현했다.

기존 유리 입자 기반 발광체는 어두운 환경이나 특정 광원에서 원하는 빛을 유도하기 어려워 디스플레이 기술에 적용하기 힘든 한계가 있었다. 유리 입자는 절연체로 전기 전도성이 없어 외부에서 전기를 걸어도 발광 구현이 어렵기 때문이다. 김 교수는 이러한 한계를 전도성이 높은 ‘유기물 매트릭스’ 안에 유리 입자를 넣는 방법으로 극복했다.

김 교수는 발광체 합성 공정에서 아민 작용기를 추가해 삼중항 에너지 상태를 구현하고, 유리 입자 매트릭스로 안정화해 고휘도의 청색 인광 발광을 실현했다. 그는 “유리 입자를 합성할 때 일반적으로 실리콘과 산소 원자만 넣고 합성한다”며 “이때 아민 작용기를 넣으면 화학 반응에 의해 유리 입자 사이에 발광층이 형성된다”고 말했다.

김 교수는 지난 10년간 발광다이오드의 효율과 안정성을 목표로, 새로운 발광체를 찾기 위한 연구를 지속했다. 그는 “유기 및 무기 발광체뿐만 아니라 페로브스카이트 발광체, 탄소 양자점(carbon nanodot) 발광체, 탄소-나이트라이드(C3N4) 발광체 등 사람들이 시도해보지 않은 새로운 발광체를 발광다이오드로 적용하는 연구를 진행하고 있다”며 “청색 인광 발광다이오드 소자는 이러한 연구 과정 중에 나온 새로운 발광체다”고 이번 연구 시작 계기를 설명했다.

“인류와 사회에 도움이 되는 연구를 하고 싶다”는 김 교수는 에너지공학과 소속 교원으로서 디스플레이처럼 전기 에너지를 빛 에너지로 전환하거나, 광촉매처럼 빛 에너지를 화학 에너지로 바꾸거나, 전기촉매처럼 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸는 등 인류가 사용할 수 있는 다양한 에너지 형태의 상호전환(interconversion)의 효율을 높이는 연구를 하고 있다.

그는 향후 연구에 대해 “디스플레이뿐만 아니라 인류의 지구온난화 및 에너지 고갈 문제를 해결하기 위해 수소 생산 및 이산화탄소 저감을 위한 고효율 촉매를 개발하고자 한다”고 밝혔다.

김 교수는 “학생들이 좋은 연구자가 돼 인류에 기여하도록 잘 지도하는 것이 첫번째 임무다”며 교육자로서 교수의 역할을 강조했다. 그는 “학생들이 흥미를 갖고 잘 성장할 수 있는 연구 분야와 방향을 계획하고 있다”고 덧붙였다.

그는 연구 과정에서 가장 기억에 남는 순간으로 ‘학생들의 발전’을 꼽았다. 김 교수는 “입학 당시에는 미숙했던 학생들이 시간이 지날수록 발전하는 모습을 보는 것이 가장 인상 깊다”며 “특히 본 연구의 1저자인 학생이 입학한 지 1년밖에 되지 않았음에도 눈에 띄는 성장을 보인 점에 대해 깊은 인상을 받았다”고 말했다.

그는 에너지공학에 관심 있는 한양인에게 “모든 학생들이 똑똑하고 성장할 가능성이 충분하다”며 “열심히 공부하고 연구하며 넓은 세계를 보고 본인의 한계를 넘어서는, 소위 ‘우물 안 개구리’에서 벗어나는 노력을 통해 인류와 사회에 기여하는 큰 일을 하길 바란다”고 당부했다.

김 교수는 어려움을 극복하고 성장하는 데 ‘다른 사람들과의 논의와 협업’의 중요성을 언급했다. 그는 “연구에 어려움이 있을 때는 도움을 구하고, 필요한 경우에는 도움을 주기도 했다”며 “이러한 상호작용이 나를 성장하게 했다”고 회상했다.

마지막으로 김 교수는 “학교의 주인은 학생이며, 교수는 학생의 성장을 돕는 역할을 해야 한다”고 강조했다. 에너지공학과 교수진이 연구와 교육 양측면에서 세계적 수준의 우수성을 자랑함에 따라 그는 “학생들이 교수들로부터 최대한 많은 것을 배우고 이를 통해 자신의 역량을 높이길 바란다”고 말을 남겼다.