자연의 색을 구현한 꿈의 나노입자 에너지 의료 혁명까지 부른다

자연의 색을 TV에 그대로 옮길 수 없을까.

올해 노벨 화학상은 반도체 입자로 가전업체들의 꿈을 현실로 만든 과학자들에게 돌아갔다.

이들의 연구는 디스플레이는 물론, 빛을 이용하는 에너지, 의료 분야에서도 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대된다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 4일 올해 노벨 화학상 수상자로 모운지 바웬디(Moungi Bawendi·62)

미국 매사추세츠공대(MIT) 교수, 루이스 브루스(Louis E. Brus·80) 미국 컬럼비아대 명예교수, 알렉세이 에키모프(Alexey Ekimov·78)

전 미국 나노크리스탈 테크놀로지 연구원을 선정했다고 발표했다.

이들은 디스플레이 핵심 기술로 각광받고 있는 양자점(量子點, quantum dots)을 발견하고 이를 합성하는 방법을 개발했다.

양자점은 수백~수천개의 원자로 이뤄진 나노미터(10억분의 1m) 단위의 결정체다.

일반 물질보다 발광(發光), 충전 능력이 월등해 차세대 디스플레이, 배터리 원료로 주목받고 있다.

러시아의 물리학자인 알렉세이 에키모프는 1981년 러시아 학술지에 양자점 원리를 처음 발표했다.

이후 미국 예일대의 마크 리드(Mark Reed) 교수가 처음으로 이를 양자점이라고 불렀다.

양자점은 절연체와 도체 사이의 반도체 성질을 나타내 외부에서 열이나 빛, 전기 자극을 주면 전자를 전달하거나 빛을 낸다.

이를 이용해 원하는 색을 내는 것이 바로 QLED TV이다.

양자점이 반도체 성질을 갖는 것은 전자 때문이다.

원자나 수십개 원자로 이뤄진 분자는 전자들이 마치 인공위성처럼 특정 궤도에 몰려있다.

이로 인해 에너지가 불연속적인 모습을 보인다.

입자의 에너지가 마치 덩어리처럼 존재한다고 양자화됐다고 말한다.

에너지가 양자화된 원자들이 모여 고체를 이루면 전자가 많은 궤도와 없는 궤도로 나뉜다.

둘 사이를 밴드갭(bandgap)이라고 한다. 유기물질은 밴드갭이 크기 때문에 절연체가 되지만, 금속은 밴드갭이 작아 도체가 된다.

그런데 원자가 수백~수천개 모인 나노입자인 양자점은 밴드갭이 그 중간쯤이어서 반도체가 된다.

루이스 브루스 교수는 벨 연구소 시절인 1980년대 초 용액에 입자들이 균일하게 퍼진 ‘콜로이드’ 상태의 양자점을 발견했다.

처음에는 버려진 시료라고 생각했지만, 용액 속에 있던 입자의 크기에 따라 색이 바뀌는 것을 발견했다.

양자점은 빛을 흡수한 다음 다른 파장으로 방출한다. 이때 색상은 입자의 크기에 따라 달라진다.

전자가 쓸 수 있는 공간이 달라 광학 특성에 영향을 주기 때문이다.

에키모프는 염화구리 입자의 크기를 다르게 하고 유리에 입히면 색이 달라지는 현상을 발견했다.

하지만 그의 논문이 러시아어로 쓰여 서방 과학계는 이 발견을 알지 못했다.

브루스 교수와 에키모프 연구원은 각각 따로 양자점을 발견한 것이다.

에키모프가 양자점을 처음 발견한 시점은 브루스 교수보다 빠르지만, 양자점의 이론적인 정립과 실제 합성법에는 브루스 교수가 더 많은 영향을 줬다.

두 사람은 양자점을 발견한 공로로 2006년 미국광학학회가 주는 로버트 우드 상을 함께 받기도 했다.

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