양자 메타 물질 연구의 세계적 권위자, 물리학과 우정원 교수
우정원
물리학전공
양자 메타 물질 연구로 미래 에너지 기술을 선도하다
우정원 교수 연구팀은 ‘메타 물질을 이용한 광전소자 전력 효율 개선 기술 개발’ 연구로 세계 최초로 메타 물질 위에 적층한 분자층에서 일어나는 전하 이동 현상을 능동으로 조절하는 방법을 제안했다. 이 기술은 태양전지뿐만 아니라 사물인터넷(IoT) 센서, 디스플레이, 유연 에너지소자에 적용되는 유기소자를 제어하는 원천 기술이다. 또한 기존의 유기 태양전지 상용화의 걸림돌이었던 낮은 효율과 짧은 수명을 높이기 위해 메타 물질을 적용해 기존의 세밀하고 복잡한 기술을 사용하지 않고도 전하이동 현상을 제어할 길을 열었다는 점에서 큰 의미가 있다.
5월 29일 진행된 창립 134주년 기념식에서 물리학과 우정원 교수가 이화학술상을 수상했다. 이화학술상은 이화여대 교수 중 탁월한 연구 성과를 통하여 학문 및 학교 발전에 크게 기여한 교원을 선정해 평생 1회에 한해 수여한다. 우 교수는 92년부터 본교에 재직하고 있으며, 양자 메타 물질의 세계적인 권위자다. 광학 첨단 분야 100여 편의 SCI 논문을 발표하는 등 우수한 연구 실적을 보유하고 있으며, 이공계 전문 분야에서 활동하는 여성인력 양성에 이바지하고 있다. 또한 이화 CNRS 연구소장으로서 이화와 여러 프랑스 교육·연구기관과의 교류 확대와 협력 증진에도 기여해 왔다. 2009년에는 연구실적 우수교원, 2010년 강의 우수교원, 2010년~2016년 연구비 우수교원으로 선정된 바 있으며 2006년에는 이달의 과학기술자상을 수상하고, 2015년에는 프랑스 교육학술공로훈장을 수여받은 바 있다.
에너지 생산 효율을 높이는 메타 물질 연구 성과
우 교수의 대표적인 연구는 메타 물질을 활용한 전력 생산 효율을 높이는 기술이다. 우 교수는 세계 최초로 빛 파장보다 크기가 작은 메타 물질을 이용, 유기 광전소자의 전력 생산 효율을 높이는 기술을 개발했다. 이 기술은 차세대 태양전지, 디스플레이, 반도체 트랜지스터 분야에서 재료·공정의 한계를 극복하는 기술로 쓰인다. 이 연구는 인공 물질을 이용해 태양전지 등 광전소자(빛을 전자신호로 변환하는 소자)의 효율을 약 3배 증가시킬 수 있으며, 이 연구에 따라 유기 태양전지 상용화를 앞당길 것으로 기대된다. 유기 태양전지는 1세대(실리콘계), 2세대(박막) 태양전지보다 가공이 쉽고 재료가 다양하고 저렴한 가격으로 제작 가능한 것이 특징이다. 유기 태양전지는 발전 효율 향상이 빠르고, 유연소자로 개발할 수 있지만 종전까지는 낮은 효율과 짧은 수명이 한계였다. 유기 태양전지에 메타 물질을 적용하면 기존처럼 복잡한 기술을 사용하지 않고도 전자 이동 현상을 제어, 효율과 수명을 향상시킬 수 있으며 제작이 용이하고 가성비가 높은 장점이 있다. 이 연구는 여러 산업 분야에 접목해 제품화할 수 있게 하는 기초 연구이자 원천 기술로 유기 태양소자를 설계하는 여러 기업으로부터 많은 관심을 모으고 있다.
이공계 유리천장을 깨는 여성 과학도의 가능성
이러한 뛰어난 연구 성과 이외에도 우 교수의 이력에서 눈길을 끄는 부분은 이공계 여성인력 양성을 위해 목소리를 내고 있는 점이다. 우 교수는 “마거릿 버트하임은 <피타고라스의 바지>라는 저서에서 피타고라스는 왜 남성인가? 라는 질문을 던지면서, 사제적인 과학자의 상이 이제는 극복되어야 한다고 주장합니다. 즉 영국의 칼 포퍼가 얘기하듯 ‘열린 사회’에서는 다양성이 미래를 개척하는 데 필수적이며, 기초 학문에는 여성이 남성 못지않게 능력을 발휘하고 과학의 진보에 크게 공헌할 수 있습니다. 이공계의 유리천장을 깨기 위해서는 과학은 남성의 영역이라는 사회적 선입견을 먼저 없애야 합니다. 물리학과에서 대학원생과 함께 연구를 수행하면서 학생들이 가지고 있는 잠재력이 매우 풍부한 데 놀랐습니다. 이공계 분야에서도 타분야 못지않게 실력을 공정하게 발휘할 수 있다는 자신감과 용기를 갖고, 또한 북돋아 주는 것이 이공계의 유리천장을 깨기 위한 첫걸음이라고 생각합니다.”라며 여성 과학인재의 가능성에 대한 소신을 지니고 학생들을 지도하고 있다.
우 교수는 이화에 재직하는 29년 동안 12명의 박사를 배출했다. 학위 과정의 대학원생들은 국제 학술대회에서 구두 발표를 의무화하고 있는데, 우 교수는 밤을 새워가며 실험한 연구 결과를 당당하게 발표하는 학생들을 볼 때 가장 보람을 느낀다고 한다. 우 교수의 제자 중 현재 영국 임페리얼 칼리지 런던의 물리학과 정교수로 재직하고 있는 김지선 박사는 본교 물리학과에서 석사과정을 이수하고, 영국 케임브리지 대학에서 Richard Friend 석좌교수의 지도하에 박사학위를 받았는데, Richard Friend 교수가 한국에 대한 시각을 바꾸게 만든 학생이다. 우 교수는 “영국과 같이 보수적인 국가에서 외국인 여성으로 이공계 분야 세계 최상급 대학에 정교수로 재직하고 있다는 것이 자랑스럽다”며 이화인의 역량에 대한 자부심을 드러냈다.
"학위과정에 있는 대학원생들은 반드시 국제학술대회에 구두발표를 의무로 하고 있는데,
밤을 세워가며 실험한 연구 결과를 국제 발표장에서 유창하게, 당당하게 발표하는 학생들의 모습을 볼 때 가장 보람을 느낌입니다.
이화인의 강점은 숨어 있는 잠재력이라고 생각하며, 그것을 발굴하고 성장시켜 전문 여성인력을 키워내는 것이 이화 공동체의 훌륭한 전통이라고 생각합니다."
이화에서 시작된 프랑스 국립연구소 CNRS와의 국내 첫 공동연구
우 교수는 이화CNRS국제공동연구소장으로서 특히 프랑스 교육, 연구기관의 교류 협력 증진에 많은 노력을 기울여 왔다. CNRS는 18세기부터 물리학, 화학, 생물학 등 기초과학 분야에서 뛰어난 과학자들을 배출한 과학 선진국 프랑스의 국립연구소로 기초학문 연구를 전문으로 수행하는 소속 연구원이 2만 명에 달하며 프랑스 전역에 연구소를 운영하고 있는 거대한 연구 조직이다. CNRS는 국제 공동연구를 미국, 유럽, 일본 등과 지속적으로 수행해 왔는데, 한국과는 이화CNRS국제공동연구소를 통해서 처음으로 장기간 국제 공동연구를 수행하고 있다.
- 『이화소식』 Vol.126호