2023년 노벨 화학상을 수상한 (왼쪽부터)
알렉세이 예키모프 전 나노크리스탈 테크놀로지 수석연구원,
문지 바웬디 미 매사추세츠공대 교수, 루이스 브루스 컬럼비아대 교수
2023년 노벨화학상은 아주 작은 나노 입체/nono particles인
양자점(퀀텀 닷)/quantum dots을 발견과 개발을 해서
나노테크놀로지 분야를 개척한 업적을 인정받은
문지 바웬다/Moungi Bawendi 교수,
루이스 브루스/Louis Brus 교수
알렉세이 에키모브/Alexei Ekimov 박사
세 명의 과학자들로 선정되었다
바웬디 박사는 프랑스와 튜니지아계 미국 과학자로
MIT 교수로 재직 중이며,
브루스 박사는 미국 컬럼비아 대학교의 교수이며,
에키모브 박사는 러시아 출신 과학자로
현재 미국 뉴욕 소재 나노 테크놀로지 연구소의
수석 연구원으로 재직 중이다.
각 퀀텀닷은 수 천 개의 원자로 이루어진 크리스탈인데
이 작은 나노 입자는 축구공 크기와 지구의 크기의 비율과 비슷하다.
우리는 학교에서 과학 시간에 각 원자의 특성은
제일 바깥쪽의 궤도에 존재하는 전자의 숫자에 달렸다는 것을 배웠다.
그런데 이 입자가 아주 작은 초미세 나노 입자(1 나노=10억 분의 1m)로
축소되면 양자물리학이라는 새로운 물리 현상이 발생하게 된다.
이 입자들이 바로 나노 테크놀로지에 가장 중요한
양자점/퀀텀 닷이라고 불린다.
아울러 퀀텀닷 역시 기존 반도체와는 전기적, 광학적 성질이 다르다.
다양한 빛을 내는 물질과 달리 입자의 크기에 따라
서로 다른 색을 흡수하거나 방출하는 특성이 생긴다.
퀀텀닷 크기를 조정하면 이론적으로 자연에 존재하는
모든 색상을 구현하는 것이 가능하다.
특히 퀀텀닷을 활용한 디스플레이는 OLED(유기발광다이오드)의
단점인 버닝(화면 잔상) 현상이 없고, 수명도 훨씬 길어진다.
물리학자들은 오래전부터 이론적으로 아주 미세한
나노 입자들이 크기가 양자의 영향을 끼친다는 것을 이미 알고 있었다.
하지만 당시의 기술로서는 이 작은 나노 입자들을 만들 수 없어서
실생활에 응용될 수 있는 가능성이 아주 낮다고 믿었다.
하지만, 에키모프 박사는 1980년대 초반에
러시아 바빌로프 국립광학연구소에서
다양한 색상을 띤 유리를 연구하던 중,
Copper chloride/엽화 구리로 틴트를 입힌 유리가
가해진 열의 온도와 기간에 따라서 색상이 변한다는 것을 발견했다.
그래서 X레이 사진을 찍어 보았더니
이 현상은 유리 제작 과정 중에 그 안에 존재한
엽화 구리의 입자 크기에 달랐기 때문이라는 것을 증명했다.
이렇게 그는 최초의 퀀텀닷인
Copper chloride/엽화 구리 나노 입자를 합성하는 데 성공했다.
이 연구결과를 1981년에 소련 과학 저널에 발표했지만,
당시 냉전시대라서 철 커튼 뒤에 가려져서 널리 알려지지 않았다.
몇 년 후, 루이스 브루스 박사는 미국 벨 연구소에서 광에너지를 사용해서
작은 cadmium sulphide/황화 카드뮴 입자들이 용액에 뜨게 하는
실험을 진행 중이었다.
그가 연구실을 비웠다가 다시 돌아와서 보니
용액의 색깔이 변경된 것을 발견했는데
그는 그 사이에 황화 카드뮴 입자의 크기가 커져서
발생했다고 추측을 했으며,
아울러 양자물리학 현상에 영향을 끼친다는 것을 알아냈다.
1993년에 브루스 교수의 제자인 바웬디 교수는
최초로 나노 입자의 크기를 정밀하게 조절할 수 있는
거의 완벽한 퀀텀 닷을 생산하는 획기적인 기법을 개발했다.
이 고품질 퀀텀닷은 다양한 분야에 다투어 응용되기 시작했다.
한 예로 2010년대에 퀀텀닷 디스플레이가 등장했고,
한국에서도 2011년에 이 디스플레이가 최초로 만들어져서
퀀텀닷을 개발한 지 28년 만에 결실을 맺게 되었다.
퀀텀닷은 현재 컴퓨터 모니터, QLED 텔레비전, LED 램프,
초미세 센서, 얇은 태양 전지, 광센서, 레이저, 암호화된 양자통신
그리고 생체 세포 이미지 등 의학계에 다양하게 사용되고 있다.
