[2023 노벨 화학상] 미세한 작은 점, 양자점이 세상을 바꾸다

2023 년 노벨화학상 수상자. 왼쪽부터 모운지 바웬디, 루이스E.브루스, 알렉세이 에키모프. <사진 = 노벨상 위원회>

 

지난 4일 6시 45분, 2023년 노벨 화학상이 양자점을 발견하고, 대량 생산하는 데 공헌한 세 명의 과학자 ▲ Aleksey I. Ekimov(이하 알렉세이 에키모프) ▲ Louis E. Brus(이하 루이스 E.브루스)▲Moungi G. Bawendi (이하 모운지 바웬디) 에게 돌아갔다. 양자점은 1981년 비교적 일찍 발견되었지만, 원하는 크기로 정밀하게 합성하는 데 어려움을 겪어 관련 연구 진행이 더디었다. 하지만 양자점 대량 합성법이 정교화되며, 최근에는 ▲디스플레이 ▲의료 ▲태양전지 등에서의 활용 가능성을 인정받아 활발하게 연구되는 분야이다.

 

양자점이란 크기가 10nm 미만인 반도체 결정체를 일컫는다. 14족 반도체 물질은 여러 입자가 상호작용하여 오비탈 겹침에 의해 원자가띠와 전도띠를 형성한다. 양자점의 크기가 작아질수록 전자의 에너지 상태가 높아지는데, 이는 두 띠 사이(띠 간격)가 멀어짐을 의미한다.

양자점은 띠 간격을  입자의 크기를 통해 조절할 수 있다는 장점을 갖는다. 전자는 띠 간격이 넓을록 파란 빛을, 좁을수록 붉은 빛을 방출한다. 그 때문에 양자점은 크기에 따라 다양한 광학적 특징을 지닌다.

 

첫 번째 노벨화학상 수상자는 1981년 바빌로프 주립 광학 연구소에서 근무하며 양자점을 처음으로 발견한 알렉세이 에키모프이다. 그는 비정질 유리 속에 존재하는 아주 작은 염화구리 결정이 빛을 받으면 빛난다는 사실을 발견하였다.

하지만 양자점 발견 이후 약 1년간 관련 연구에 큰 진전이 없었다. 이는 발견된 양자점이 고체 물질 사이에 있어 독립적 합성이 어려웠기 때문이다. 이 문제를 해결하여 양자점 개발의 초석을 닦은 사람이 두 번째 노벨화학상 수상자 루이스 E.브루스이다. 루이스 교수는 1982년 수용액 내에서 황화카드뮴(CdS) 반도체 나노입자를 합성하여, 용액 내 콜로이드 상태로 존재하는 양자점을 처음으로 구현하였다.

모운지 바웬디 박사의 고온주입법과 양자점의 광학적 특성 <그래픽 = 김신지 기자>

 

 이후 루이스 교수의 용액공정법을 정교화한 사람이 세 번째 노벨화학상 수상자 모운지 바웬디이다. 루이스 교수의 용액공정법은 용매로 사용되는 물의 끓는점이 낮다는 문제를 갖고 있었다. 이는 원하는 크기의 정제된 양자점을 얻기 어렵게 만들었다. 바웬디 박사는 이 문제를 해결하고자 고온주입법을 통한 열분해 반응을 고안했다. 이는 300도 이상의 온도를 버틸 수 있는 계면활성제 용액에 유기금속 전구체와 음이온 전구체 혼합용액을 주입하여 양자점의 핵을 만들고, 온도를 낮춘 이후 재가열하는 방법이다. 이를 통해 핵이 점차 성장하도록 하고, 원하는 지점에서 가열을 중단하여 양자점의 크기를 조절할 수 있다.

 

한편 이번 노벨 화학상 수상자 목록은 공식 발표 시간인 6시 45분보다 약 4시간가량 이른 2시 31분에 미리 밝혀졌다. 주최 측의 실수로 인해 수상자 명단이 담긴 보도자료 이메일이 미리 발표된 것이다. 이전 언론을 통한 유출 사례와 노벨상 위원회 인물의 유출 의혹은 있었지만, 주최 측의 실수로 사전 유출이 된 사례는 1901년 이후 처음이다. 스웬스 왕립과학원 사무총장 한스 알레그렌은 ‘이런 일이 발생한 것에 대해 깊은 유감을 표한다. 중요한 것은 그 일이 어떤 식으로든 상을 수여하는데 영향을 미치지 않았다’라고 밝히며 노벨상 수여 과정에 불거질 의혹에 대해 부인하였다.

 

이상아 기자 sa0531@dgist.ac.kr