노벨화학상 수상자에 모운지 바웬디, 루이스 브러스, 알렉세이 에키모프

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 10월4일(현지 시각) 2023년 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 나노크리스탈 테크놀로지 연구원을 선정했다고 발표했다.

노벨위원회는 이들의 연구가 “나노 기술의 중요한 씨앗을 심었다”고 평가했다. 브루스 교수의 제자이기도 한 류순민 포스텍 화학과 교수도 “나노 과학이라는 말의 출발점이 바로 양자점 연구라고 보는 게 타당할 것”이라며 “1980년대 출발한 나노 과학의 학문적인 확장과 성장이 이분들의 연구에서 시작됐다고 본다”고 말했다.

이들은 퀀텀닷으로 불리는 양자점을 연구한 이들이다. 양자점은 금속이나 반도체 물질로 이뤄진 10㎚(나노미터, 1㎚는 10억 분의 1m) 내외 크기의 결정을 말한다. 보통 수백에서 수천 개의 원자로 이뤄져 있다. 처음 양자점이 나온 이후 30년에 걸쳐 연구가 이뤄진 끝에 양자점의 크기와 구조, 표면과 결함의 정밀한 제어가 가능해졌고, 이제는 실제 디스플레이에 활용되는 수준까지 기술이 진보했다.

바웬디 교수의 제자인 김상욱 아주대 교수는 “양자점이 노벨상을 받을 수 있는 이유는 실제 상업적인 활용이 가능해졌기 때문일 것”이라며 “삼성전자의 제품에 양자점이 들어가 있다”고 설명했다.

브루스 교수와 에키모프 연구원은 퀀텀닷을 처음 발견한 이들이다. 루이스 브루스 교수는 벨 연구소 시절인 1980년대 초 용액에 입자들이 균일하게 퍼진 ‘콜로이드’ 상태의 양자점을 발견했다. 처음에는 버려진 시료라고 생각했지만 용액 속에 있던 콜로이드의 결정 사이즈가 바뀌면서 빛의 색이 바뀌는 걸 보고 양자점을 발견했다.

에키모프 연구원은 반도체 물질로 이뤄진 양자점을 발견하고 전자 및 광학 특성을 연구한 업적을 인정받았다. 에키모프 연구원이 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.

실제 양자점의 합성법을 찾은 건 브루스 교수의 제자인 바웬디 교수다. 바웬디 교수는 1993년 효율적인 반도체 양자점 합성법을 개발해 양자점 연구에 불을 지폈다. 바웬디 교수는 2020년 클래리베이트에서 꼽은 많이 인용된 화학자 중 한명이다.

바웬디 교수는 양자점을 합성하는 ‘급속 주입 방법’을 개발했다. 유기금속 시약을 뜨거운 용매에 빠르게 주입해 양자점 합성에서 씨앗의 역할을 하는 ‘핵’을 균일하게 만드는 방법이다. 이 과정에서 양자점이 뭉치는 것을 막는 계면활성제를 넣어 균일한 크기의 양자점을 합성하는데도 성공했다.

현재 양자점은 탄소뿐 아니라 카드뮴이나 인듐, 납 등 다양한 재료를 이용해 합성되고 있다. 에너지 특성을 바꿔가며 태양전지나 발광소자, 광촉매, 트랜지스터, 센서, 바이오이미징 등에 사용할 수도 있다. 이 과정을 통해 만들어진 양자점은 분광학 연구나 광전자소자 응용, 생물학적 이미징에도 쓰일 수 있다. 바웬디 교수는 반도체 물질로 만든 양자점을 생물학적 조직에 침투시켜 구조를 시각화하는 ‘이미징 기술’ 개발에 집중하고 있다.