노벨위원회 "나노 기술의 중요한 씨앗을 심었다"

크기에 따라 특성 달라지는 양자점…에너지 효율, 내구성 좋아 신소재로 각광

2023년 노벨화학상은 차세대 태양전지와 디스플레이의 원천 기술인 '양자점' 연구에 기여한 연구자에게 돌아갔다.

수상자는 모운지 바웬디(Moungi G. Bawendi) 매사추세츠공대(MIT) 교수, 루이스 브루스(Louise E. Brus) 컬럼비아대 교수, 알렉세이 에키모프(Alexei I. Ekimov) 박사 3인이다.

스웨덴 왕립과학원은 현지시간으로 4일 오전 11시45분 "2023년 노벨 화학상을 크기가 그 특성을 결정짓는 매우 작은 나노입자인 양자점의 발견과 개발에 수여한다"고 발표했다.

알렉세이 에키모프 박사는 양자점을 1980년대에 양자효과로 입자의 색이 달라지는 현상을 입증했다. 이어 루이스 브루스 교수는 1983년에 콜로이드 상태의 양자점을 발견했고 모운지 바웬디 교수는 1993년 효율적인 양자점 제조법을 개발헀다.

노벨위원회는 "양자점은 유연한 전자장치, 센서 소형화, 얇은 태양전지, 양자 통신에 기여할 수 있다"며 "이번 수상자의 연구는 나노 기술의 중요한 씨앗을 심었다"고 설명했다.

물질이 점점 작아져 10억분의1m(나노미터·㎚) 규모에 가깝게 되면 기존 물질과는 다르게 양자역학적 효과가 크게 나타난다.

양자점은 반도체 결정이 나노 수준으로 작아지면 나타나는 특이한 현상으로 입자의 크기에 따라 나오는 빛의 색이 달라진다.

입자의 크기를 조절해 색을 바꿀 수 있는 특성 때문에 양자점은 빛을 활용하는 많은 분야에 응용될 수 있다.

양자점은 기존의 발광 소자에 비해 입자 크기가 작아 더 작은 디스플레이 화소를 만들 수 있다. 더 작은 디스플레이 화소를 만들면 같은 크기의 화면에서 더 높은 해상도를 얻어낼 수 있다.

또 양자점을 이용하면 특정한 색의 빛을 높은 순도로 얻을 수 있어 기존 LCD 디스플레이의 화질을 개선하는 데 쓰이기도 한다.

이번에 한국과학기술단체총연합회에서 개최한 노벨상 해설 간담회에서 김성지 포항공과대학교 교수는 "5~6㎚ 크기의 양자점이 빨간색을 방출한다면 조금 작아지면 초록색을 내는 식"이라며 "에너지 효율과 내구성도 높아서 디스플레이, 태양전지, 탐침(프로브) 등에 차세대 소재로 각광받고 있다"고 설명했다.

김성지 교수는 이번에 노벨화학상을 받은 모운지 바웬디 교수에게서 지도받았다.

양자점이 다양한 색을 내는 것은 양자역학적 효과로 크기에 따라 밴드갭이 달라지기 때문이다.

일반적인 물질의 결정 속의 전자는 특정한 범위의 에너지만을 가질 수 있다. 예를 들어 어떤 물질은 1~3, 5~10과 같은 에너지는 가질 수 있지만 3~5의 에너지는 가지지 못한다. 이렇게 전자가 가질 수 없는 에너지 대역을 '밴드갭'이라고 한다.

전자가 밴드갭을 넘나드는 과정에서 특정한 색의 빛을 흡수하거나 내보낼 수 있다.

밴드갭은 화합물의 구성과 구조에 따라 결정이 되기 때문에 같은 색만 낸다. 정해진 색의 빛만을 내는 LED 소자가 대표적이다. 양자점에서는 LED와 다르게 입자 크기에 따라 밴드갭이 달라지며 여러 가지 색이 나올 수 있다.