40년전 양자점 기술 발전시킨 3인의 화학자 2023년 노벨상 수상

QLED TV에서 첨단 외과 수술까지 활용

[객원 에디터 6기 / 안현호 기자]2023 노벨 화학상은 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수 모운지 바웬디, 미국 컬럼비아대 명예교수 루이스 브루스, 전 나노크리스털테크놀로지(NCT) 선임연구원 알렉세이 예키모프를 포함한 화학자 3명에게 수여되었다. 이들은 물체의 색을 현실과 가장 가깝게 모방한 자발광체인 ‘양자점(퀀텀닷)’ 연구로 노벨 화학상을 수상하였다. 

노벨위원회는 “크기가 매우 작아 스스로 특성을 결정하는 나노 입자인 양자점 발견과 발전을 이끌었다”라고 수상자의 공로를 설명했다. 이어 “TV, LED 조명, 외과에서의 종양 조직 제거 수술 등에 활용할 수 있으며 크기에 따라 다른 색을 가지며 흥미롭고 특이한 특성을 많이 가지고 있어 다양한 실용화 가능성을 열 수 있을 것”이라고 선정 이유를 밝혔다. 과거, 물리학자들은 이론적으로 나노 입자에서 양자 효과가 발생할 수 있다는 것을 알고 있었지만, 당시에는 나노 차원으로 양자점을 제작하는 것이 불가능했다. 

1980년대 초 러시아 바빌로프 국립광학연구소에서 근무 중이던 알렉세이 예키모프 연구원은 스테인드글라스처럼 색깔 있는 유리를 제작하는 방법으로 유리 색깔을 결정하는 크기와 입자의 상관성을 처음으로 증명했다.

양자점은 수 nm(나노미터, 10억 분의 1m) 크기의 금속 또는 반도체 결정이다. 이렇게 작은 나노 물질은 눈으로 보는 것과 다른 양자 물리 법칙이 적용된다. 예를 들어 금덩어리는 눈으로 보면 금색이지만 금 입자가 7nm 일 때는 빨간색, 5nm 일 땐 초록색, 3nm 일 땐 파란색을 띤다. 

이후 루이스 부르스는 미국 벨 연구소에서 세계 최초로 유체 중의 나노 입자 크기에 따른 양자 효과를 입증하였으며, 부르스 교수의 제자인 바웬디 교수는 끓는 기름에서 양자점을 만드는 방법을 고안해 결함 없는 양자점을 만드는 데 성공했다. 이로 인해 양자점들은 크기별로 뚜렷한 밝은 빛을 방출할 수 있게 되었다. 이것이 색 순도와 광 안정성이 높은 QLED 디스플레이를 개발하는 기초가 되었다. 

뿐만 아니라, 생화학자들은 양자점을 생체 분자에 부착하여 세포와 장기 지도를 그리고 있고, 향후 유연한 전자 장치, 초소형 센서, 얇은 태양전지, 양자암호통신 등 다양한 분야에도 활용될 것으로 기대되고 있다.

한국에서도 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 단장이 양자점을 의료 분야에서 활용하는 연구를 진행 중이며, 현택환 교수는 2020년 글로벌 학술정보분석 서비스 기업 클래리베이트가 선정한 유력한 노벨상 후보로 꼽히기도 했다. 

한편, 올해 노벨상 수상자는 상금 약 13억 6400만 원(1100만 크로나)과 메달, 증서를 받는다. 노벨화학상 시상식은 알프레드 노벨의 기일인 12월 10일 스웨덴 스톡홀름에서 개최될 예정이다.