[포럼] 'ACS Publications & IBS Forum : Nanomaterials for Energy and Life Sciences' 참여 후기

[포럼] 'ACS Publications & IBS Forum : Nanomaterials for Energy and Life Sciences' 참여 후기

15기 김상재

 2019년 9월 30일(월)부터 10월 1일(화)까지 양일 간 연세대 백양누리 그랜드볼룸에서 IBS 나노의학 연구단과 미국화학회(American Chemical Society, ACS)가 공동으로  'ACS Publications & IBS Forum : Nanomaterials for Energy and Life Sciences' 행사를 개최했다.

 화학분야 세계 최대 학술단체인 미국화학회가 국내에서 공동 컨퍼런스를 개최하는 것은 이번이 처음이다. 뜻깊은 이번 행사에 본교 학부생이자 대학생신재생에너지기자단 자격으로 참여할 수 있었다.

[연세대학교 신촌캠퍼스에서 열린 포럼 공식 홍보물 ⓒ 15기 김상재]

 행사에서는 ACS 편집자들의 학술 출판, 초록 작성, 피어 리뷰 등에 대한 강의와 ACS에서 선별한 최신 연구 내용들에 대한 포스터 세션을 통해 참석자들에게 유익한 정보를 공유할 수 있는 기회를 만들어 줬다. 

  행사 중반부에 있었던 기자 간담회에서 생체모방공학 분야 전문가인 Joanna Aizenberg (Harvard University) 교수는 “자연의 특성을 이해하면 성능이 더 낫거나 새로운 기능을 가진 차세대 재료를 개발을 할 수 있다”면서 이를 위해 생물이 어떻게 살아가는지, 환경에 어떻게 적응하는지를 분자 단위, 나노 스케일에서 연구할 필요성이 있다고 말했다.

덧붙여  "자연은 우리가 해결하지 못한 많은 해결책을 갖고 있기 때문에 생물들이 나노 단위에서 어떤 특징을 가지고 재료를 만드는지, 환경에 어떻게 적응한 후 자기 정화 기능을 하고, 최적화하는지 연구하다 보면 자연은 우리에게 문제에 대한 해결책을 주고 이 해결책은 사람이 만든 것처럼 복잡하지 않고 간결한 것이 특징임을 알 수 있다”고 이야기했다.

 또한, "자연 모방 분야에서 얻은 기술을 발전시키기 위해 4개 회사를 설립했고, 그 중 2개 회사는 성공적으로 기술을 상용화했다"며 나노 기술의 상용화 배경으로 하버드 대학교의 'WYSS연구소'가 과학과 상업을 연계할 수 있도록 설계된 점을 강조했다. 

 이처럼 연구와 상업화 사이의 괴리감 극복을 위해 "상업화 과정에서 비즈니스 관계자, 마케팅 담당자 등 전문 인력이 필요하다"며 "과학자들이 개발한 연구와 기술이 실제 전 세계에 도움이 되기 위해서는 정부와 대학의 도움이 절실하다"고 말했다.

 그녀는 "재정적, 기술적으로 적극 지원해 과학자들이 하고 있는 기초 연구의 성과가 미래에 도움이 되도록 적극적인 지원이 필요하다"며 기초 과학에 대한 투자와 관심을 촉구하는 메시지를 남기며 간담회를 마무리했다.

그동안 우리나라 과학기술 분야의 문제점으로 소재, 기초과학 분야 연구에 대한 투자와 관심이 부족하다는 점이 많이 지적돼 왔다.  이번 행사에서 해외의 연구자들 역시 비슷한 상황에 있고, 문제 해결을 위한 대책을 촉구한 점이 인상적이었다. 

[에너지를 위한 나노재료 세션이 열린 모습 ⓒ 15기 김상재]

 행사 첫날인 9월 30일 오전부터 오후까지는 에너지 관련 나노재료 세션이 열렸는데 배터리, 태양전지, 전극과 촉매로 쓰이는 차세대 에너지재료 등의 내용이 주를 이루었고 포스터 세션에서는 ACS Publication에서 선정한 100여편의 연구 내용이 전시됐다.

 Jillian M. Buriak (University of Alberta) 교수는 DOE(Design of Experiment)와 머신러닝을 결합한 접근법을 소개하며 유기태양전지의 효율 최대화를 위한 방법을 소개하였다.

 유기태양전지는 태양에너지를 전기로 바꿀 수 있는 방법 중 가장 비용적으로 효율적인 장점을 가지고 있기 때문에 유기태양전지는 전환 효율과 안정성만 보장된다면 충분히 상업화가 가능한 수준까지 성장할 수 있으나 연구실 수준의 유기태양전지 제작조차도 오랜 시간이 걸리고 데이터 처리율이 낮고 비용이 많이 드는 상황임을 지적했다.

 그래서 이 세션에서 Buriak 교수는 태양전지 효율성을 최적화하기 위한 머신러닝 개념을 도입한 DOE 접근법의 도입 필요성을 강조했다.

 박남규 (성균관대) 교수는 페로브스카이트 태양전지에 대해 소개하였다.

 2012년부터 페로브스카이트 태양전지에 대한 연구 발표는 급격하게 증가하였고 2019년 8월 기준으로는 약 13,000편의 논문들이 발표되었다고 한다.  그 정도로 페로브스카이트 태양전지가 태양전지 분야에서 유망하다고 말할 수 있다.

 사실 높은 태양전지 성능은 실험실 규모나 연구 규모 등 소규모에서는 달성될 수 있지만 대량생산과 상업화를 위해서는 규모를 확장하더라도 성능을 유지할 수 있는 기술이 필요하다.

 박남규 교수는 비용적으로 저렴한 재료를 바탕으로 고효율의 페로브스카이트를 개발하는 과정에 대해 소개하며 높은 효율성을 위해 계면(interface)의 재조합, 재결합이 매우 중요함을 이야기하며 유기, 무기재료를 이용한 계면공학이 페로브스카이트 태양전지의 대량생산규모에서의 성능 유지에 매우 중요할 것이라고 강조했다.

 그에 이어 Liberato Manna (Istituto Italiano di Technologia) 연구원 역시 페로브스카이트에 대해 언급하며 할로겐화 페로브스카이트 나노결정 합성방법, 화학적, 구조적 특성과 표면상태에 대해 소개하였고 페로브스카이트 나노결정이 대량생산에서 가질 장점과 응용 분야에 대한 내용도 있었다. 

  마지막으로 Nanfeng Zheng (Xiamen University) 교수는 표면과 계면구조가 나노재료의 특성과 에너지 장치, 소자의 성능을 결정하는 중요한 요소임을 이야기하며 원자, 분자적 수준에서 특성을 찾아내는 장비들에 한계가 있기 때문에 정확하게 나노재료의 표면, 계면구조를 이해하기 어렵다는 점을 지적했다.

 세션에 나온 전문가들의 공통적인 의견은 연구실과 실험실의 소규모 생산과 상업화를 위한 대량생산에서의 성능 차이가 심하기 때문에 이를 줄이기 위한 노력들이 필요하다는 내용이었다.

 나노규모로 올수록 계면구조와 표면구조에 대한 정확한 자료와 이해가 필요한데 특성 분석을 위한 장비들의 한계로 연구자들의 직관이나 bulk 규모에서의 자료를 이용하기 때문에 연구가 어려운 점을 들었다. 

 요약하면 나노재료는 일반적으로 100nm이하의 재료들을 말하는데 주로 0, 1, 2, 3차원 나노재료로 구분한다.  즉 x, y, z축을 기준으로 했을 때 한 축에서라도 100nm미만의 크기를 가진다면 나노재료라고 이야기한다.

 나노라는 규모가 관심을 끄는 이유는 같은 재료더라도 나노 규모에서는 일반적인 bulk 규모에서와는 다른 특성을 보이기 때문이다.

 이런 특성의 변화는 주로 양자구속효과, 표면구조의 노출증가, 계면구조의 변화 등에 의해 생기는데 이런 특성의 변화를 이용하기 위해 퀀텀닷(Quantum Dots), 트랜지스터를 비롯한 디스플레이, 반도체 등의 장치를 구성하는 요소들이 주로 나노 규모에서 다뤄지고 있다.

 이처럼 나노재료는 기존의 bulk 규모에서의 재료와 달리 전기적, 광학적, 화학적 등 다양한 특성에 변화가 생긴다. 게다가 나노규모에서 복합재료를 다룬다면 나노재료가 가지는 다양한 특성 변화에 복합재료가 가지는 다양한 조합이 가능하므로 무수히 많은 새로운 재료가 개발이 가능하다. 

 하지만 당연히 모든 경우를 다 연구하고 실험할 수 없고 대량생산과 상업화에는 여전히 의문이 존재한다.

 따라서 추후 나노복합재료의 연구와 더불어 소규모를 넘어 실제로 대규모 장치들에 쓰이기 위해 효율적으로 나노재료를 생산하는 나노소재제조공정에 대해서도 주목해야 할 것이다.

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참고문헌

1) ACS PUBLICATIONS & IBS FORUM : NANOMATERIALS FOR ENERGY AND LIFE SCIENCES ABSTRACT BOOK