한국인 과학자, 노벨상 유력 후보

분자 한쪽 끝은 표면과 결합하고 반대쪽은 바깥을 향해 정렬하는 자기조립 단분자막(SAM)은 센서와 전자 소자 보호 및 세포 부착 조절 등에 활용된다.

분자의 한쪽 끝은 표면과 결합하고 반대쪽은 바깥을 향해 정렬되는 원리를 이용해 표면의 성질을 바꾸거나 특정 기체, 단백질 등을 포집할 수 있어 센서, 전자 소자 보호, 세포 부착 조절 등 다양한 분야에 활용된다.

1980년대 초 야코프 사기브는 유리 표면에 달라붙는 머리와 길게 뻗은 꼬리를 가진 유기실란 분자를 이용, 이들을 정렬시키는 방법을 제시하며 자기조립 단분자막 연구의 초석을 다졌다.

데이비드 엘러라와 렐프 누조는 황을 포함한 분자가 금 표면에 결합하는 원리를 규명했으며, 클라리베이트는 이들 세 사람의 연구가 표면 성질 제어 기술 발전의 출발점이 되었다고 평가한다.

거리가 멀 경우 전자가 출발점에서 도착점까지 한 번에 건너는 대신 트립토판이나 타이로신 같은 아미노산을 거쳐 여러 차례 나눠서 이동하는 '호핑' 현상이 발생한다.

해리 그레이와 제이 윙클러는 금속 화합물과 레이저를 이용하여 단백질 내 전자의 이동 속도를 정밀하게 측정하며 이 현상을 밝혀냈다.

기존 크리스퍼 유전자 가위 기술은 DNA 이중 나선을 절단하는 방식으로 오작동 위험을 내포하고 있었다.

데이비드 류 연구진은 DNA를 통째로 자르지 않고 잘못된 글자만 바꾸는 방법을 개발했는데, 원하는 위치를 찾아가는 크리스퍼 단백질에 DNA 글자의 화학 구조를 바꾸는 효소를 붙여 유전 질환의 원인이 되는 단일 염기 변이를 정교하게 교정할 수 있게 했다.

염기 교정은 특정 글자를 치환하는 데는 뛰어나지만, 유전자 서열의 삽입이나 삭제에는 한계가 있었다.

류 연구진이 2019년에 발표한 프라임 교정 기술은 RNA와 효소를 활용하여 원하는 글자로 바꾸거나 짧은 부분을 넣고 지우는 '찾아 바꾸기' 기능에 가까운 정밀한 교정이 가능해졌으며, 현재 임상 시험을 통해 세포 내 유전자 오타 수정 및 교정 도구 전달 방식을 연구 중이다.

페로브스카이트는 특정한 원소의 이름이 아니라 원자들이 작은 상자를 반복해서 쌓은 것처럼 배열된 결정 구조를 의미한다. 이 재료는 낮은 온도에서 액체 용액을 바르는 방식으로 공정할 수 있어 제조 비용 절감 가능성이 높다.

2009년 미아사카 쓰토무 연구진이 3.8%의 효율로 페로브스카이트 태양전지의 가능성을 처음 입증했으며, 2012년 박남규 교수 연구진은 액체 재료를 고체 재료로 바꾸어 안정성과 효율을 9.7%까지 획기적으로 개선했다.

이후 헨리 스네이스 연구진은 페로브스카이트가 빛 흡수와 동시에 스스로 전자를 운반하는 메커니즘을 밝혀내며 기술 발전에 중요한 기여를 했다.

서로 다른 파장의 빛을 나누어 흡수함으로써 넓은 대역의 태양광 활용이 가능한 탠덤 태양전지는 35%가 넘는 효율을 기록했다.

이 기술은 서로 다른 파장의 빛을 나누어 흡수함으로써 에너지 활용 효율을 극대화하며, 기존 단일 재료 태양전지 대비 넓은 대역의 태양광을 흡수할 수 있는 장점을 지닌다.

클라리베이트는 2017년 미아사카 쓰토무, 박남규, 헨리 스네이스를 페로브스카이트 태양전지 분야의 개척자로 선정했다. 미아사카는 전기 생성 가능성을 처음 보여주었고, 박남규는 액체 기반을 고체로 바꿔 효율과 안정성을 크게 높였으며, 스네이스는 전하 운반 메커니즘을 규명했다.

미아사카 쓰토무의 교토상 수상은 이 연구의 학술적 성숙도를 인정하는 중요한 신호로 평가된다. 하지만 상용화를 위해서는 대형 패널에서의 내구성 확보, 습기와 열에 대한 저항성, 그리고 납 유출 문제 해결이 필수적인 과제로 남아있다.

미아사카 쓰토무는 페로브스카이트로 전기를 만들 수 있다는 가능성을 최초로 제시했으며, 박남규 교수는 액체 기반 태양전지를 고체로 변환하여 효율과 안정성을 크게 높이는 데 기여했다.

헨리 스네이스는 페로브스카이트가 빛 흡수와 전하 운반을 동시에 수행하는 원리를 규명했다. 이 세 명은 모두 교토상을 수상했으며, 이는 연구의 학술적 성과와 영향력이 노벨상 수준에 도달했음을 의미한다.

페로브스카이트 태양전지는 연구 성과가 충분히 쌓인 시점에 재생 에너지의 중요성이 커졌다는 점에서 2026년 노벨 화학상 수상 가능성이 높다는 전망이 나온다. 박남규 교수가 수상한다면 한국 국적 최초의 노벨 과학상 수상자가 된다.

그러나 재료 화학 분야가 2023년과 2024년에 연속으로 선정되어 중복 선정이 어려울 수 있다는 점이 변수로 작용할 수 있다. 상용화를 위한 대면적 패널의 효율 유지, 습기와 열 안정성 확보, 납 유출 문제 해결은 여전히 남은 과제이며, 최종 결과는 10월 7일에 발표될 예정이다.