올해 노벨화학상은 나노 기술의 근간이 된 ‘양자점’을 발견하고 발전시켜온 석학 3명이 차지했다. 나노 차원의 작은 물질은 양자 현상에 의해 성질이 결정되는데, 이번 노벨화학상 수상자들은 이렇게 작은 입자인 양자점을 실험으로 만들어내는 데 성공했다.
양자점은 크기에 따라 다른 색깔을 띄는 특성을 보인다. 이를 통해 양자점 기술은 QLED TV, 생체 조직 지도 제작 등에서 유용하게 활용되고 있다. 향후에도 더 유연한 전자장치, 미세 센서, 얇은 태양 전지, 양자 통신 등까지 활용도가 확대될 것으로 기대되고 있다.
스웨덴 카롤린스카야 의학연구원의 노벨상위원회는 4일 모운지 바웬디 메사추세츠공대(MIT) 교수, 루이스 브루스 컬럼비아대 교수, 알렉세이 에키모브 교수를 올 노벨화학상 공동 수상자로 선정했다고 발표했다.
노벨상위원회는 “그간 물질 크기에 따른 양자 현상이 나노 입자에서 발생할 수 있다는 것은 이론적으로 많은 학자들이 알고 있었다”며 “하지만 나노 차원의 입자를 실제로 만들어내는 것은 사실상 불가능해 이 이론이 실용화될 것이라고 믿는 사람은 거의 없었다. 올해 노벨화학상 수상자들은 이 작은 입자를 만들어내는 데 성공했다”고 수상 이유를 설명했다.
나노미터 크기의 양자점…입자 크기에 따라 다양한 자연색 방출
양자점은 수백~수천개의 원자들로 이뤄져 있다. 특히 크기의 경우에도 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 수준의 반도체 결정으로 매우 작은데, 양자점들은 이 크기에 따라서 서로 다른 성질을 보인다. 즉 양자점은 크기에 따라서 특정 현상을 보이는 나노 물질을 지칭한다.
예를 들어 5~6㎚ 크기의 양자점이 빨간색을 방출할 수 있다면 좀더 작은 양자점은 초록색, 더 작은 양자점은 파란색의 빛을 방출하게 되는 식이다. 또한 양자점은 무기 물질이기 때문에 유기 물질보다 수명이 더 길고, 용액 공정이 쉬워 생산비용도 더 낮다.
당초 양자점 현상 자체는 고대 이집트에 만들어진 피라미드 속 부장품에서도 확인할 수 있다. 유리에 색깔을 입히는 유리 세공 기술에도 양자점을 찾아볼 수 있다. 다만 이 당시에는 이렇게 색을 내는 물질이 무엇이고, 어느 정도 크기인지를 알지 못하고 경험적으로만 알고 있었다.
고대 이집트에서도 나타난 양자점…노벨화학상 수상자 3인, 양자점 정체·원리 규명
이번에 노벨화학상을 수상한 에키모프 교수와 브루스 교수는 1980년대 초 비슷한 시기에 양자점이라는 물질 자체를 명확하게 발견해냈다. 경험적으로만 알고 있었던 현상의 원리를 실험을 통해 증명한 것이다.
에키모프 교수는 색 유리를 활용한 실험을 통해 입자의 크기가 양자 효과를 통해 유리의 색깔에 영향을 미친다는 것을 증명했다. 브루스 교수는 일종의 비눗물과 같은 액체 속에서 입자 크기에 의존하는 양자 효과를 최초로 실현했다.
이후 바웬디 교수는 1990년대 들어 양자점 생성 방법에 혁명을 일으켜 완벽한 수준의 양자점을 만들어냈다. 브루스 교수가 물을 기반으로 했다면, 바웬디 교수는 끓는 기름과 계면활성제를 함께 활용해 양자점을 만들어내는 방법을 고안해냈다.
바웬디 교수의 방법으로 만들어진 양자점은 기존의 양자점보다 결함이 훨씬 더 적었다. 또한 기존의 양자점들은 입자 크기에 의한 빛 방출 외에도 결함에서 나오는 빛들이 많았는데, 바웬디의 합성법은 마침내 크기별로 다른 빛을 내는 양자점을 만들 수 있게 했다.
이렇게 개발된 양자점은 현재 QLED TV 소재 등으로 널리 활용되고 있다. QLED TV는 양자점을 일종의 색 변환기로 쓰고 있다. QLED TV의 백패널에서 나오는 청색광을 양자점에 비추면 크기에 따라 적색광이나 녹색광으로 변환되는 식이다.
삼성 디스플레이를 비롯한 많은 기업들은 현재 빛을 비춰 양자점이 다른 색의 빛을 내는 기술에서 나아가 전류를 흘려넣어 양자점을 자체 발광시켜 빛이 나오는 기술을 개발 중이다. 이같은 새로운 기술 또한 머지않은 시기 상용화가 가능할 것으로 전망된다.
양자점은 높은 에너지 효율과 내구성을 바탕으로 향후에도 디스플레이, 태양전지, 프로브 등 다양한 분야의 차세대 소재로 활용될 것으로 기대되고 있다. 의료산업과 관련해서도 양자점을 활용해 임신테스트기나 코로나 자가검진키트 등의 정확도를 더 끌어올릴 수 있고, 크기에 따라 다른 색의 빛을 내는 특징을 기반으로 MRI(자기공명영상장치) 조영제 등에도 활용될 가능성이 크다.
김성지 포항공대 교수는 “사실 나노 사이즈의 양자점을 만드는 것 자체는 그 역사가 굉장히 오래됐다. 하지만 이번 노벨화학상 수상자들은 실체를 알지 못했던 양자점들이 무엇인지를 명확하게 알아냈다”며 “양자점은 현재도 상용화가 돼있지만 미래에도 다양한 분야의 차세대 소재로 각광받고 있다”고 말했다.
한편 이번 노벨화학상 수상자 발표를 앞두고 수상자 명단이 수시간 전 유출되는 초유의 사태가 발생하기도 했다. 노벨위원회 측은 스웨덴 왕립과학원의 실수라는 발표와 함께 수상자가 아직 정해지지 않았다고 해명했으나, 유출된 명단이 그대로 수상자로 확정됐다. 수상자 명단 유출은 노벨상 시상이 시작된 1901년 이후 123년 만에 처음으로 발생한 일인 만큼 파장이 적지 않을 것으로 보인다.
이날 노벨화학상 시상을 끝으로 올해 노벨과학상(생리의학·물리학·화학) 시상은 모두 종료됐다. 노벨상위원회는 5일 문학상, 6일 평화상, 9일 경제학상 수상자를 차례로 발표할 예정이다.
