올해의 노벨화학상은 ‘양자점’ 발견에 기여한 인물들...‘양자점’은 무엇일까? [지식용어] 

시선뉴스=정혜인 기자ㅣ스웨덴 왕립과학원 노벨 화학위원회는 올해 노벨화학상 수상자로 문지 바웬디(62), 루이스 브루스(80), 알렉세이 예키모프(78) 등 3명을 선정했다고 4일(현지시간) 밝혔다. 이들은 양자점(퀀텀 도트) 발견과 합성에 기여했다.

‘양자점’은 크기가 수∼수십㎚(나노미터·10억분의 1m)인 반도체 결정으로 원자를 수백∼수천 개 정도 ‘뭉친’ 물질이다. 양자점의 크기를 나노기술로 조절하면 가전자대와 전도대 사이의 밴드갭이 달라지고 이 사이를 오가는 전자의 움직임도 제어할 수 있다.

이러한 초미세 반도체 나노 입자를 양자점(quantum dot, QD) 또는 퀀텀닷이라고 한다. 다양한 형태의 양자점에 전기를 걸어주거나 빛을 쪼여주게 되면 입자의 크기, 모양 및 재료에 따라 특정한 진동수의 빛을 방출한다. 이를 통해 다양한 영역의 발광색을 구현할 수 있으며, 전력 소모량도 줄일 수 있다. 

양자점은 현재 초고화질 디스플레이와 암과 같은 종양의 이미지를 지도처럼 정확히 그려 수술을 돕는 데 적용되고 있다. 우리가 알고 있는 QLED(양자점발광다이오드) TV가 대표적인 예이다. 기존의 PDP(plasma display panel), LCD(liquid crystal display), LED(light emitting diode), OLED(organic light-emitting diode)보다 색상이 더 선명하고 수명이 긴 것이 특징이다. 그래서 양자점발광다이오드뿐만 아니라 양자점 태양전지, 양자점 광검출기, 광촉매 등 다양한 디스플레이 분야에 활용되고 있다.

앞서 말한 예키모프와 브루스가 양자점을 최초로 발견했는데, 예키모프는 1980년대 초반 염화구리 분자를 넣은 유리의 색이 분자의 크기에 따라 달라지는 현상을 처음 발견했다. 이후 수년 뒤 브루스가 유체에서 유사한 현상을 관찰하며 효과를 처음으로 증명했다.

그리고 1993년, 바웬디가 양자점을 완벽한 형태로 합성하는 방법을 개발했다. 그는 끓는 기름에서 계면활성제와 함께 양자점을 만들어 냈다. 과학자들은 이렇게 나온 양자점은 접거나 구부릴 수 있는 ‘플렉시블 기기’ 발전에 큰 도움을 줄 것으로 보고 있다. 

스웨덴 왕립과학아카데미는 이들에게 노벨화학상을 수여하며 “이들은 나노기술 발전에 중요한 씨앗을 뿌리고 인류에 큰 이익을 선사했다”라고 말했다. 실제로 지금 양자점은 기존의 발광체보다 색 순도와 광 안정성이 높아 차세대 발광 소자로 주목받고 있다.

양자점 디스플레이는 기술적으로 최대 밝기는 현재의 LCD 대비 50~100배에 달하고 소비 전력은 오히려 같은 밝기 기준에서 30~50%까지 절약할 수 있으며 낼 수 있는 빛의 스펙트럼 영역이 30% 정도 넓어질 수 있을 것으로 예상된다. 다만, 아직은 연구 단계에 머물러 있어 상용화하는 데에는 상당한 시간이 필요할 것으로 전망된다.

무엇보다 태양전지 분야에서 양자점에 걸고 있는 기대가 크다. 태양전지에서는 높은 광전변환효율이 필요한데, 그에 맞는 광안정성에 관련된 연구도 활발히 진행되어야 한다. 현재 양자점을 활용한 연구와 개발이 지속되고 있는데, 앞으로도 다양한 곳에 기술이 적용되어 삶의 질을 한층 더 높여주길 기대한다.