과학기술정보통신부	보도자료

보도시점	2023. 8. 2.(수) 12:00 (2023. 8. 3.(목) 조간)	배포	2023. 8. 2.(수) 09:00

2023년 8월 과학기술인상,

경상국립대학교 김윤희 교수 선정

-  고효율·고안정성 유기 태양전지용 소재 개발 -

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 8월 수상자로 경상국립대학교 화학과 김윤희 교수를 선정했다고 밝혔다.

‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상이다.

과기정통부와 연구재단은 김윤희 교수가 고효율·고안정성의 유기반도체 소재 원천 기술을 개발하여 유기 태양전지 등 차세대 전자소자의 상용화 발판을 마련하고 국가 산업 경쟁력을 강화한 공로를 높게 평가했다고 밝혔다.

태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자로 빛이 비치는 곳 어디서나 전기를 생산할 수 있는 친환경적 전력원이다. 특히 유기 태양전지는 유연하고 투명한 기판에도 제조가 가능하며, 가볍고 휴대가 편리해 유비쿼터스 환경과 유연 전자기기에 적합한 전력 공급원으로 주목받으며 시장성도 급속히 커지고 있다.

태양빛을 에너지로 전환하는 높은 광전 변환효율과 장기 안정성은 유기 태양전지 상용화의 기본 조건이다. 최근 유기 태양전지는 높은 광흡수 능력과 빠른 전하이동도를 확보해 전력 변환효율을 획기적으로 개선했지만, 박막의 장기 안정성은 여전히 부족한 실정이다.

유기 태양전지의 광활성층은 태양빛을 받아 전자를 만들어 보내는 전자 주개(Donor) 물질과 전자 주개에서 전자를 받는 전자 받개(Acceptor) 물질로 구성된다. 기존 저분자 전자 받개는 효율은 높지만 시간이 지나면 안정성이 감소했으며, 고분자 전자 받개는 박막 안정성은 우수하나 효율이 상대적으로 낮았다.

김윤희 교수 연구팀은 전자 주개 고분자의 일부와 저분자 전자 받개 사이를 연결하는 새로운 이량체 비플러렌계 소재를 설계·합성하여 문제해결의 실마리를 찾았다.

연구팀은 일정한 분자량을 갖는 단분자 소재의 장점과 박막 특성이 안정적인 고분자 소재의 장점을 모두 살린 이량체 비플러렌계 소재를 기반으로 고효율·고안정성 유기 태양전지 소자 개발에 성공하였다.

연구팀은 18% 이상의 높은 광전 변환 효율과 6,000 시간 이상의 수명 안정성을 유지하는 새로운 소자를 개발하여 유기 박막 태양전지의 실질적인 실용화 가능성을 제시했으며, 연구성과를 국제학술지 줄(Joule) 3월호에 게재하였다.

김윤희 교수는 “이번 연구는 장기 안정성과 고효율의 기계적·전기적 특성을 동시에 가지는 이합체 전자 받개 소재 개발에 대한 새로운 개념을 제시한 데 의의가 있다”라며 “앞으로 환경 친화적 대체 에너지인 유기태양전지 상용화로 언제 어디서나 친환경 에너지를 쓸 수 있게 되기를 기대한다”라고 밝혔다.

붙임 1. '23년 8월 수상자 주요 연구성과 설명

2. '23년 8월 수상자 이력

3. '23년 8월 수상자 인터뷰

담당 부서	미래인재정책국	책임자	팀 장	김형수	(044-202-4850)
	과학기술안전기반팀	담당자	사무관	최승혁	(044-202-4858)
관련 기관	한국연구재단	책임자	실 장	강동환	(042-869-6110)
	홍보기획팀	담당자	연구위원	최향미	(042-869-6111)

참고1		'23년 8월 수상자(김윤희 교수) 주요 연구성과 설명

<고효율·고안정성 유기 태양전지용 소재 개발 >

ㅇ 두 개의 저분자 비플러렌계를 도너 고분자와 같은 구조 일부와 연결한 새로운 이합체 소재 개발

유기 태양전지의 높은 광전 변환 효율을 위해서는 높은 광흡수 능력과 빠른 전하이동도가 필수적이다. 장기 안정성을 위해서는 높은 박막 안정성이 요구된다. 하지만 도너 소재와 억셉터 소재의 벌크헤테로졍선 타입으로 제작되는 유기태양전지의 경우 저분자 억셉터 소재는 고효율을 보이지만 시간이 지나면서 분자들끼리 뭉쳐지는 특성으로 안정성이 감소한다. 반면 고분자 억셉터 소재는 박막 안정성은 우수하나 효율이 상대적으로 낮은 단점이 있다. 본 연구에서는 두 개의 저분자 비플러렌계를 도너 고분자와 같은 구조 일부와 연결한 새로운 이합체 소재를 개발했다. 이합체 구조는 기존 저분자 소재보다 LUMO(Lowest unoccupied molecular orbital) 준위를 향상시켜 태양전지 억셉터로 적용한 경우 저분자 소재에 비해 상대적으로 높은 개방 전압을 가져 효율을 크게 상승시켰다. 또한 이합체의 연결이 도너 구조와의 혼합성이 향상되어 박막 안정성이 유지되었으며 이합체의 높은 유리전이온도(Tg)로 인해 분자 확산이 억제되어 높은 장기 안정성을 가지는 것으로 보고했다.

ㅇ (왼쪽 그래프1,2) 높은 개방전압과 광전환 효율

이합체 구조는 기존 저분자 소재보다 LUMO 준위를 향상시켜 태양전지 억셉터로 적용한 경우 저분자 소재에 비해 상대적으로 높은 개방 전압을 가져 효율을 크게 상승시켰으며 그 결과 기존 연구대비 가장 높은 개방전압 특성과 높은 광전환 효율을 보였다.

ㅇ (오른쪽 그래프) 고효율 및 높은 장기 안정성

이합체의 연결이 도너 구조와의 혼합성이 향상되어 박막 안정성이 유지되었으며 이합체의 높은 유리전이온도(Tg)로 인해 분자 확산이 억제되어 높은 장기 안정성을 가지는 것으로 보고했다.

참고2		'23년 8월 수상자(김윤희 교수) 이력

□ 인적사항
o 성명 : 김윤희 o 생년 : 1964년 o 소속 : 경상국립대학교 화학과 o 전화 : 055-772-1491 o 이메일 : ykim@gnu.ac.kr.
□ 주요 학력
o 1982.03. ~ 1986.02. 부산대학교 화학교육과 학사 o 1986.03. ~ 1987.02. 한국과학기술원 고분자화학 석사수료 o 1987.03. ~ 1990.02. 한국과학기술원 고분자화학 박사
□ 주요 경력
o 2006.09. ~ 현재. 경상국립대학교 화학과 교수 o 2011.12. ~ 현재. 경상국립대학교 삼성디스플레이 OLED센터장 o 2017.01. ~ 현재. 경상남도 과학기술진흥협의회, 전략산업육성위원회 위원 o 2019.11. ~ 2022.11. 과기정통부 소재·부품·장비 기술자문 및 기술특별위원회 위원 o 2019.10. ~ 2021.09. 한국연구재단 국책연구본부 PM o 2023.01. ~ 현재 한국고분자학회 수석 부회장
□ 전문 분야
o OLED용 발광소재 및 호스트 소재 개발 o 유기박막트랜지스터용 유기 반도체 소재 개발 o 유기태양전지용 유기 반도체 소재 개발 o 그 외 이미지센서등 다양한 유기전자소자용 유기 반도체 소재 개발

참고3		'23년 8월 수상자(김윤희 교수) 인터뷰

8월 22일을 에너지의 소중함을 인식하고 사용량을 줄위기 위해 국민 모두가 동참하는 ‘에너지의 날’입니다. 이달상 8월 수상자로 차세대 에너지원으로 주목받는 태양전지의 핵심 소재 개발에 매진해 온 김윤희 교수가 선정되어 더욱 뜻깊습니다. 김윤희 교수는 세계 최고 수준의 유기전자 재료 개발에 천착해온 뚝심의 연구자입니다. 세계 최고 수준의 고효율·고색순도 특성을 갖는 OLED(유기발광다이오드)* 청색 발광재료 개발을 비롯해 차세대 태양전지용 고분자·단분자 재료 개발, 플렉시블 디스플레이·센서 등에 적용 가능한 고효율·고성능 유기반도체들이 그의 연구실에서 탄생했습니다. 나아가 산업체와의 적극적인 협력으로 산업적 응용의 발판을 마련하고, 국가 산업 경쟁력 향상을 이끌었는데요. 자신이 그랬듯 즐거운 마음으로 성실하게 연구하는 풍토를 만들기 위해 후학들을 격려하는 김윤희 교수를 소개합니다.

* OLED(유기발광다이오드) : 형광성 유기화합물에 전류가 흐르면 빛을 내는 전계발광현상을 이용하여 스스로 빛을 내는 자체발광형 유기물질을 의미하며 현재 디스플레이에 적용되어 OLED 디스플레이로 알려져 있으며 휴대폰, TV등에 적용되고 있다.

o 이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상소감과 함께 근황도 함께 전해주세요.

- 축하 감사합니다. 본 수상은 소재 소자 간 공동 연구 협업의 결실입니다. 제1 저자인 순청 박사를 비롯하여 재료 합성을 위해 노력해준 연구실의 많은 학생들, 그리고 이 재료를 활용하여 소자 특성을 분석해준 카이스트 김범준 교수님 연구실의 이진우 박사를 비롯한 많은 학생들이 노력으로 얻어진 결과입니다. 본 연구에 참여한 연구자들께 다시 한 번 감사를 드립니다. 이번 여름방학은 더 좋은 소재 개발을 위해 대학원생들과 연구 관련 내용을 열심히 논의하고 있습니다. 또한 미화학회(ACS), 광학 및 포토닉스(SPIE), 디스플레이학회(IMID), 한국-일본 교류 심포지엄(KJF) 등 다양한 국제 학회에서 발표도 하고 연구 동향도 파악할 예정입니다.

o 수십년간 유기태양전지용 재료 개발과 실용화 연구에 천착하여 세계적인 소재 전문가로 우뚝 서셨습니다. 교수님의 주요 연구 분야에 대해 소개해주세요.

- 기존 실리콘 반도체를 대신해 가볍고 유연한 유기전자 소자에 적용할 유기 반도체 소재를 개발하고 있습니다. 보다 효율이 높고 안정한 유기 태양전지 소자를 구현할 수 있는 진화된 소재 개발에 매진해 왔습니다. 본 연구에서는 새로운 설계 개념을 도입한 유기 반도체 소재를 개발하여 유기태양전지 광활성층에 사용한 결과 태양전지의 효율과 수명이 함께 향상되었습니다. 이 밖에도 OLED 소자의 난제로 꼽히는 청색 발광 소자의 색순도 효율, 안정성 향상을 위한 연구도 진행하고 있습니다. 저희 연구실은 현재 유기 태양전지용 소재, 유기 발광 소재 개발에 주력하고 있으며 앞으로 열전 소자, 이미지센서에 활용될 수 있는 유기 반도체 소재 개발로 연구 범위를 확장하려고 합니다.

o 교수님의 연구에는 유기반도체와 비플러렌계 소재가 자주 등장하는데요. 이 단어들이 연구성과를 이해하는 열쇠가 될 것 같아요.

- 탄소-탄소의 단일결합 또는 이중결합이 반복되는 공액구조의 유기물들은 무기물인 실리콘 반도체를 대신할 수 있어 유기 반도체라 부릅니다. 탄소 화합물로 구성된 유기 반도체는 실리콘 반도체에 비해 가볍고, 공정 온도 조건이 낮으며, 유연한 소자를 만들 수 있는 장점이 있습니다. 또한 유기 태양전지 소자는 유기 반도체 소재로 광활성층을 만드는데, 광활성층은 효율 향상을 위해 전자 주개 물질과 전자 받개 물질로 구성합니다. 몇 년 전까지는 전자 받개 물질로 탄소가 60개 혹은 70개로 구성된 축구공 모양의 고가의 플러렌계 소재가 주로 사용됐습니다. 하지만 최근 저렴한 가격에 효율과 수명 안정성이 향상된 비플러렌계 유기 반도체 소재들이 개발되고 있습니다. 본 연구 역시 전자 받개 물질인 비플러렌계 소재를 개발하여 태양전지의 효율과 소자 안정성 향상 결과를 얻은 것입니다.

o 최근 새로운 이량체 비플러렌계 소재를 합성하여 광활성층의 광전 변환 효율과 안정성을 크게 향상시켰습니다. 학계와 산업계에서는 유기 태양전지 상용화 기대가 높았는데요. 이번 연구가 기존 유기 태양전지 연구와 다른 차별성은 무엇인가요?

- 광활성층에 사용되는 전자 받개 물질인 비플러렌계 소재 연구는 지금까지는 주로 단분자 혹은 고분자 소재 개발이 주를 이루었어요. 반면 본 연구에서는 일정한 분자량을 갖는 단분자 소재가 가지는 장점과 박막 특성이 안정화될 수 있는 고분자 소재의 장점을 동시에 갖는 이량체 소재를 개발하였습니다. 이량체를 설계 개발하는 과정에서는 전자 주개 물질의 특정 단위체가 포함되는 구조를 개발하였는데요. 그 결과 개방 전압을 향상시켜 고효율 특성을 얻었으며 높은 유리전이 온도의 열안정 특성을 구현하였습니다. 또한 전자 주개 물질의 특정 단위체의 유사성으로 혼합성을 좋게 하여 박막 안정성이 향상돼 궁극적으로 태양전지의 효율과 소자 안정성이 모두 향상되는 결과를 얻었습니다.

- 더불어 기존 유기 태양전지는 소자 효율 향상을 위한 소재 및 소자 결과를 주로 발표한 반면 본 연구에서는 새로운 소재 개발 전략을 통해 효율이 높고 안정성을 향상 시킬 수 있는 방법을 제시하여 유기 태양전지 상용화 가능성을 높였습니다.

o 유기태양지 뿐만 아니라 OLED 소재 연구, 유기 박막 트랜지스터 및 센서 등 유연전자 소자의 기술적 수요를 뒷받침할 유기 반도체 소재를 개발하고 원천 특허를 확보하셨습니다. 관련 내용도 소개해주세요.

- 유기 반도체 소재를 활용하여 상용화가 가장 빨리 이루어진 소자가 OLED 입니다.  또한 영화에서 나오던 미래 웨어러블 디스플레이 및 웨어러블 센서, 적외선 센서, 친환경 유기 태양전지, 열전 소자 등이 상용화되기 위해서는 각 조건을 만족하는 유기 반도체 소재 개발이 선행되어야 합니다. 저희 연구실에서는 고색순도, 고효율 특성 및 수명 특성을 높일 다양한 청색 소재들을 개발하여 원천 특허를 확보하였으며, 일부는 삼성디스플레이와 공동 특허를 출원하였습니다. 또한 고이동도 특성을 갖는 유기 반도체 소재 개발을 비롯해 국내외 우수 소자 연구진들과의 플렉서블·

웨어러블 디스플레이 관련 공동 연구를 추진하여 성과를 가시화하고 있습니다. 이처럼 다양한 유기전자소자에 적용 가능한 유기반도체 원천 소재 개발은 미래 국가 경쟁력 향상에 도움이 될 것이라 생각합니다.

o 경상국립대학교 삼성디스플레이 OLED센터를 이끌며 국가 산업 경쟁력 제고에도 기여하셨습니다. 평소 연구성과의 실용화, 상용화에도 많은 노력을 기울이셨습니다.

- 저희 연구실에서는 다양한 유연전자 소자에 적용되는 기존 소재의 설계 개념을 이해하고 이 소재들의 한계를 극복하는 새로운 소재를 개발하고 있습니다. 개발된 소재는 우수 소자 연구기관과의 협업을 통해 소재의 특성을 분석하고 나아가 진보된, 혹은 개선된 소재를 개발하는 과정을 거치는데요. 이 같은 일련의 과정에는 상용화 가능한 소재 개발이 연구 개발의 목표로 전제되어 있습니다. 이와 같은 관점에서 삼성 디스플레이는 유기 발광 소재 개발에 관한 인력 양성 및 공동 연구 개발을 위해 2011년 삼성 OLED 센터를 설립하고 지원해왔습니다. 그 결과 연구실 학생들이 삼성 디스플레이 또는 관련 중견 소재 업체에 취업하여 국가 경쟁력 향상에 기여하였습니다. 앞으로도 재료 개발 우수 인력 양성을 위해 노력하겠습니다.

o 반도체는 세계적으로 연구경쟁이 치열한 분야입니다. 오랜기간 도전적이고 혁신적인 연구를 수행할 수 있었던 저력이 궁금합니다.

- 여성이면서 지방대 출신이고 지방대에 근무하면서 연구성과를 내기 위해서 조금 더 성실하고 꾸준하고 적극적인 연구 자세가 필요하다고 생각했습니다. 가장 잘 할 수 있는 소재 개발에만 집중하였고 우수한 소자 기관들과 적극적인 공동 연구를 진행하였습니다. 얻어진 소재의 결과로부터 새로운 소재를 개발하여 향상된 특성을 보일 수 있는 소재를 개발하여 소자 연구기관들이 본 연구실과 같이 연구하고 싶은 공동 연구기관이 될 수 있도록 노력하였습니다. 그 결과 현재 국내 우수 연구기관뿐만 아니라 해외 우수 연구기관에서도 본 연구실의 유기 반도체 소재 사용한 연구를 진행하고 있습니다.

o 연구자이자 인재를 양성하는 교육자로서 평소 연구실 학생들에게 강조하는 내용이 있다면 무엇인가요?

- 소재 개발의 전문가가 되기 위해서는 ‘이제까지 경험해보지 못한 생각하는 힘을 키워야 한다’고 강조합니다. 연구가 계획대로 되지 않으면 왜 안 되는지를 생각하고, 개선 방향을 찾는 훈련을 쌓으면 일상생활에서도 어려움이 생겼을 때 피하지 않고 원인을 찾고 해결할 수 있는 힘이 생긴다고 지도하고 있습니다.

o 한국고분자학회 수석 부회장으로 봉사해 오셨는데요. 내년에는 학회 회장으로서  리더십을 발휘해 학회의 발전을 이끄시게 됐습니다. 학회의 발전을 위한 평소의 생각도 말씀해주세요.

- 한국 고분자 학회는 1976년 설립되어 곧 50주년을 맞게 됩니다. 4500명 이상의 회원들이 연 2000여 편의 학술 논문을 발표하는 국내 대표학회입니다. 여성 회원으로는 처음으로 내년도 고분자 학회 회장으로 봉사할 기회를 주신만큼 최선의 노력을 다하고자 합니다. 다양한 학문 분야 연구자들이 참여하는 학회인만큼 연구자들의 다양한 요구에 부응하면서 회원들이 주인 의식을 갖는 학회로 내실을 다지기 위해 노력하겠습니다. 더불어 연구재단과의 소통을 통해 연구 분야 선택 자율성 제고를 위해 노력하고 회원들의 위원회 활동 등을 적극 추천하여 연구 활동을 지원하는 일, 산업체와의 소통을 통해 산업체 및 수요자 중심의 학회 역할을 재정립하고자 합니다.

o 연구자로서 궁극적으로 도전하고 싶은 연구, 또는 해결하고 싶은 문제가 있다면 무엇인가요?

- 저희 연구실에서 개발한 유기 반도체 소재로 만든 유기전자소자의 상용화와 제품화입니다.

o 과학자의 꿈은 어떻게 갖게 됐나요? 미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 당부 또는 조언도 한 말씀 부탁드립니다.

- 학생들을 지도하는 교사가 되고자 사범대학에 입학하였지만, 대학교 전공 공부를 하면서 관련 내용을 좀 더 깊이 있게 공부하고 싶다는 마음이 점점 커져 카이스트에 진학하였습니다. 대학원에 입학하며 비로소 연구를 처음 접하게 되었는데요. 당시 사범대학은 교사 발령이 바로 나던 시절이라 주위의 만류도 있었지만 제가 하고 싶은 일이라 선택했고, 제가 선택했기 때문에 즐거운 마음으로 여기까지 온 것 같습니다. 미래 과학자 여러분들도 과학자의 길을 선택하기 앞서 스스로가 하고 싶은 일인가 깊게 생각해 보세요. 그 생각만으로도 즐겁고 설렌다면 주변의 어떠한 환경에도 흔들리지 않고 즐거운 마음으로 성실하게 연구하여 좋은 연구자가 되실 것으로 생각합니다.