양자점과 나노입자 발견 발전시킨 공로를 인정

미국 컬럼비아대의 미국인 루이스 브러스, 미국 나노크리스탈 테크놀러지에 근무하는 러시아 출신 알렉세이 에키모프, 미국 매사추세츠공대(MIT) 프랑스계 미국인 뭉기 바웬디 ./ 사진=노벨재단 유투브 캡쳐

2023년 노벨화학상 수상자는 입자의 크기가 광학적, 전기적 특성을 결정하는 양자점(퀀텀 도트)의 발견과 합성 연구한 미국 루이스 브러스 컬럼비아대 교수, 미국 나노크리스탈 테크놀러지에 근무하는 러시아 출신 알렉세이 에키모프, 미국 매사추세츠공대(MIT) 프랑스계 미국인 뭉기 바웬디 등 3명이다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 4일(현지시간) 2023년 노벨화학상 수상자로 미국 컬럼비아대의 미국인 루이스 브러스, 미국 나노크리스탈 테크놀러지에 근무하는 러시아 출신 알렉세이 에키모프, 미국 매사추세츠공대(MIT) 프랑스계 미국인 뭉기 바웬디 등 3명을 선정했다고 밝혔다.

노벨위원회는 “양자점은 인류에게 가장 큰 혜택을 가져다 줬다. 과학자들은 미래에 양자점이 유연한 전자 장치, 작은 센서, 얇은 태양 전지, 양자 통신에도 기여할 수 있을 것이라고 전망한다”며 수상 이유를 설명했다.이들은 1100만 크로나(13억6000만 원)를 3분의 1씩 나눠갖게 된다.
양자점은 크기가 ㎚(나노미터·10억분의 1m) 정도인 반도체 결정체로 양자점의 크기와 모양을 조절하면 원색에 가까운 색을 구현할 수 있고 이 기술은 초고화질 디스플레이에 적용되고 있다.

양자점은 크기에 따라 발산하는 빛의 색이 달라지는 광학적 특징을 가진 소재다. 금속 원자를 수천~수만 개정도 모아놓은 것으로 둥근 모양이다. 원자를 수천 개 모아놨다지만 수십 ㎚(나노미터)로 매우 작은 크기이기 때문에, 양자역학적 특성을 유지하고 있어 ‘둥근 모양의 양자’라는 뜻의 ‘양자점(퀀텀닷)’이라는 이름이 붙었다.

수상자에게는 상금 총 1000만크로네(약 13억5000만원)가 주어진다.

최선미 기자 

2023년 노벨화학상 주요업적 

‘퀀텀닷 개발’한 3명 과학자 공동수상

올해 노벨화학상은 물체의 색깔을 실제와 가장 가깝게 구현해 디스플레이의 신세계를 열었다는 평가를 받은 과학자 3명이 공동수상했다. 노벨위원회는 이들의 연구가 TV부터 LED 조명, 외과에서의 종양 조직 제거 수술 등에 활용되면서 다양한 실용화 가능성을 열 수 있을 것이라고 평가했다.

‘퀀텀닷’ 세상을 열다

스웨덴 카롤린스카연구소 노벨위원회는 4일, 2023년 노벨화학상에 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 수준의 작은 금속 입자인 양자점(퀀텀닷)을 개발한 알렉세이 에키모프(78) 나노크리스탈 테크놀로지 대표, 루이스 브루스(80) 미국 컬럼비아대 교수, 모운지 바웬디(62) 미국 매사추세츠 공대(MIT) 교수를 선정했다.

노벨위원회는 “양자점은 인류에게 가장 큰 혜택을 가져다 줬다”며 “과학자들은 미래에 양자점이 유연한 전자 장치, 작은 센서, 얇은 태양 전지, 양자 통신에도 기여할 수 있을 것”이라고 시상의 이유를 밝혔다.

1980년대 초 러시아 바빌로프 국립광학연구소에서 근무 중이던 알렉세이 에키모프는 스테인드글라스처럼 색깔 있는 유리를 제작하는 방법으로 입자의 크기가 유리 색깔을 좌우한다는 사실을 처음으로 증명했다.

양자점은 유연한 전자 장치, 작은 센서, 얇은 태양 전지, 양자 통신에도 기여할 전망이다.(노벨위원회)

이후 루이스 브루스는 미국 벨 연구소에서 유체(물)을 이용해 자유롭게 떠다니는 입자에서의 양자 효과를 입증한다. 브루스의 제자로 그와 같은 연구실에서 양자점을 연구한 바웬디는 끓는 기름에서 양자점을 만드는 방법을 고안해 결함없는 양자점 만드는 데 성공하면서 주목받았다.

올해 화학상을 수상한 세 명의 과학자는 양자점의 광학적 특성을 발견하고, 이를 산업에 적용할 수 있도록 화학적 합성법을 개발한 과학자로 평가받고 있다. 에키모프와 브루스는 각각 1981년, 1982년에 금속 원자 덩어리의 크기가 달라지면 방출하는 빛의 색이 달라지는 ‘양자 크기 효과’를 처음으로 발견해 논문을 발표했다.

이때까지만 해도 양자의 크기가 달라지면 크기가 달라진다는 정도의 의미있는 과학적 사실을 발견했다고만 여겨졌다. 그러나 바웬디가 1993년 양자점의 크기를 다르게 화학적으로 합성할 수 있는 방법을 개발하면서, 양자점은 산업의 영역으로 들어서게 된다. 바웬디는 양자점으로 할 수 있는 대부분의 응용 방법을 연구하고 시도하면서, 산업적 응용에서의 확산을 가능하게 했다고 평가받고 있다.

이날 화학상 시상 약 3시간 전에 수상자 명단이 유출되는 해프닝이 있었다. 노벨위원회가 이메일을 통해 ‘2023년 노벨화학상은 양자점과 나노입자를 발견하고 발전시킨 연구에 돌아갔다’고 밝힌 것이다. 사전 유출된 수상자 명단은 실제 수상자인 루이스 브러스, 알렉세이 에키모프, 뭉기 바웬디 등 3명이었다.

그러나 브루스 교수는 노벨위원회의 전화를 받기 전까지 수상소식을 몰랐다고 언론을 통해 밝히기도 했다. 수상자 명단이 사전 유출된 사실도 뒤늦게 알았다며 이 같은 소감을 밝혔다. 바웬디 교수도 수상 명단이 유출된 것을 알지 못했다. 바웬디 교수는 “노벨위원회로부터 연락을 받기 전까지는 수상 사실을 몰랐다. 예상치 못했는데 너무 영광스러웠다”고 밝혔다.

에키모프와 브루스는 각각 금속 원자 덩어리의 크기가 달라지면 방출하는 빛의 색이 달라지는 ‘양자 크기 효과’를 처음으로 발견해 논문을 발표했다.(노벨위원회)

QLED TV부터 첨단의료까지

양자점은 크기에 따라 발산하는 빛의 색이 달라지는 광학적 특징을 가진 소재로, 금속 원자를 수천~수만 개정도 모아놓은 둥근 모양이다. 원자를 수천 개 모아놨다지만 수십 ㎚(나노미터)로 매우 작은 크기이기 때문에, 양자역학적 특성을 유지하고 있어 ‘둥근 모양의 양자’라는 뜻의 ‘양자점(퀀텀닷)’이라는 이름이 붙었다.

현재 양자점은 우리 일상생활에서 매우 다양하게 사용되고 있다. 국내에서 이미 익숙한 삼성전자의 ‘퀀텀닷 디스플레이’가 바로 이 양자점을 활용한 디스플레이다. 양자점의 경우 크기에 따라 다른 빛을 스스로 방출하기 때문에 빛을 내주는 ‘백라이트’가 필요없다는 점과 표현할 수 있는 빛의 범위가 매우 넓다는 것이 강점이다. 물체의 색깔을 실제와 가장 가깝게 구현해 ‘디스플레이의 신세계’를 열었다는 평가가 많다.

바이오 분야에서 양자점이 활용되고 있다. 양자점을 이용해 특정 단백질의 이동 경로나 반응 메커니즘 등을 관찰하는 용도로도 활용되고 있다. 일본의 과학자 고 시모무라 오사무는 같은 용도로 사용되는 형광 단백질을 개발해 2008년 노벨화학상을 수상한 바 있다. 양자점은 금속 원자로 구성돼 있어, 형광 단백질에 비해 안정성이 높다는 점에서 더욱 유용하다.

최근에는 양자점을 활용한 센서, 양자 통신이 활발하게 연구되고 있는 추세다. 양자점을 이용하면 기존의 소자보다 훨씬 세밀하게 특정 파장의 빛을 흡수할 수 있어, 예민한 센서를 만드는 데 적합한 소자로 평가받고 있다.

예를들어, 피부가 흡수하는 파장이 피해서 빛을 흡수할 수 있는 영역의 양자점을 만들면 피부를 통과한 빛도 검출이 가능해진다. 또한, 자율주행이 상용화되려면 야간에서도 물체를 잘 감지할 수 있는 센서가 필요한데, 이런 분야에도 양자점을 활용할 수 있을 전망이다.

특히 양자점이 하나의 광자를 감지하거나, 혹은 광자를 생성해낼 수도 있어 양자 통신에서도 유용하게 사용될 것으로 기대된다.

노벨위원회는 “이번 화학상 수상자들은 크기가 매우 작아 스스로 특성을 결정하는 나노입자인 양자점 발견과 발전을 이끌었다”며 “TV, LED 조명, 외과에서의 종양 조직 제거 수술 등에 활용이 가능하고, 크기 따라 다른 색을 가져 다양한 실용화 가능성을 열 수 있을 것”이라고 설명했다.

올해 화학상 수상자들은 크기가 매우 작아 스스로 특성을 결정하는 나노입자인 양자점 발견과 발전을 이끈것으로 평가받고 있다.(노벨위원회)

러시아 ‘인재 유출’ 한탄

올해 노벨화학상 수상자 중 한 명으로 옛 소련에서 출생한 알렉세이 예키모프가 선정되자 러시아에서는 그가 소련 레닌그라드 출신이라며 환영하면서도 인재를 유출했다며 안타까워하는 모습이다.

예키모프는 현재 미국 나노크리스털 테크놀로지사 수석과학자로 있지만, 옛 소비에트연방 태생이다. 러시아 언론은 예키모프에 대해 1945년 2월 28일 출생한 러시아인이자 미국인이라고 소개했다. 러시아 언론매체들은 “러시아인이 노벨화학상 수상”, “소련 과학자, 노벨상 수상” 등 예키모프가 소련 출신이라는 점을 부각하며 노벨상 소식을 타진하고 있다.

또한, 예키모프가 현재 미국에 거주하고 있다는 점을 들어 “재능 있는 사람이 러시아를 떠났다”, “두뇌 유출이 실제로 일어나고 있다. 다른 나라를 위해 일하고 있다”며 아쉬워하는 분위기다.

레닌그라드는 상트페테르부르크의 옛 이름이다. 예키모프는 1967년 지금의 상트페테르부르크주립대인 레닌그라드주립대 물리학부를 졸업했고, 1989년 물리·수리과학 박사 학위를 받은 것으로 알려졌다.

1976년 과학기술 부문 소련국가상을 받은 그는 소련과학아카데미 레닌그라드 이오페 물리기술연구소와 바빌로프 국립광학연구소에서 일하다 1999년부터 미국 뉴욕의 나노크리스털 테크놀로지로 옮겨 연구 활동을 계속하게 된다. 그는 고체물리학 및 광학 전문가인 예키모프는 바빌로프 광학연구소 시절인 1981년 세계 최초로 유리에서 작은 염화구리 결정 형태의 양자점을 개발했다.

일각에서는 우크라이나에서 특별군사작전을 벌이고 있는 러시아가 국제사회 외면을 받고 있는 가운데, 지난해 이어 올해 노벨상 시상식에 러시아 대사가 초청되지 않은 상황에서 러시아 출신 과학자가 상을 받은 게 의외라는 반응도 있다.

류아연 미주특파원 

2023년 노벨화학상 수상업적 (노벨위원회)