2023 노벨 화학상, 양자점 발견과 맞춤형 생성방법 개발자에게
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-10-05 08:39:09
3'10" 읽기
- QLED, 많은 TV 및 생체의학 마커에서 발견되는 나노입자인 양자점 기술을 개발
- 양자점은 여기로 인한 전하 분리 후 전자와 양극 "정공"의 재결합이 발생할 때 빛을 방출
- 색안경의 비밀, 유리에 흡수되는 빛의 스펙트럼이 결정 입자의 크기에 따라 변해
- 현대 전자공학과 기술의 중요한 부분이 된 개발을 가능하게 만들어
이는 QLED, 많은 TV에서 발견되며 의학의 표지 물질로 사용된다. 양자점은 이제 전자 및 의학에서 중요한 도우미다. 이러한 양자점은 개별 전자, 원자 또는 양전하를 띤 "정공"으로 구성될 수 있으며, 반도체 결정과 같은 고체나 액체에서도 생성될 수 있다. 대부분의 양자점 응용 분야에서 중요한 점은 전류나 방사선에 의해 여기될 때 특정 파장의 광자를 방출하는 능력이다.
맞춤형 조명
양자점의 기본 원리는 반도체와 마찬가지로 전자 에너지 준위의 밴드갭이다. 이 밴드갭의 폭은 양자점의 크기에 따라 달라진다. 양자점은 여기로 인한 전하 분리 후 전자와 양극 "정공"의 재결합이 발생할 때 빛을 방출한다. 이전에 흡수된 에너지는 특정 파장의 빛인 광자 형태로 방출된다.
이 빛의 파장은 양자점에 따라 특정하기 때문에 이러한 양자점의 색상은 예를 들어 기존 LED보다 더 강렬하고 선명하게 정의된다. 화학 반응의 산화환원 전위나 나노입자의 녹는점과 같은 다른 특성도 나노입자의 크기에 직접적으로 영향을 받는다.
색안경의 비밀
첫 번째 수상자인 뉴욕 Nanocrystals Technology의 Alexei Ekimov는 1979년에 색유리를 연구하던 중 양자점 발견을 향한 첫걸음을 내디뎠다. 당시는 여전히 구소련에 있었다. 그의 목표는 이러한 유리가 이물질로 오염되어 색상이 어떻게 나타나는지, 그리고 유리 용융물에서 이러한 입자의 성장이 보다 구체적으로 어떻게 영향을 받을 수 있는지 이해하는 것이었다.
예를 들어 유리에 있는 염화구리 나노결정을 사용하여 Ekimov와 그의 팀은 이 유리에 흡수되는 빛의 스펙트럼이 결정 입자의 크기에 따라 변한다는 것을 발견했다. 즉, 나노결정이 작을수록 빛의 색상이 파란색으로 더 많이 이동한다. Ekimov는 이 효과를 물질 내 전자와 정공의 상호작용에 기인한다고 생각하고 광자 에너지와 입자 크기 사이의 관계를 설명하는 방정식을 만들었다. 이는 최초의 결정질 반도체 양자점의 발견을 의미한다.
다음 단계는 1983년 뉴욕 컬럼비아 대학교의 Louis Brus가 이끄는 팀이 실행했다. Ekimov의 발견에 대해 알지 못한 채 그들은 콜로이드 나노입자를 연구하고 있었다. 용액 내 황화카드뮴 입자를 실험하는 동안 그들은 또한 여기된 입자의 스펙트럼에 대한 입자 크기의 영향을 발견하고 해당 모델을 설정했다. 이러한 크기 의존적 양자 효과는 5nm(나노미터)의 입자 크기 이하에서 발생해야 하며 광화학적 산화환원 전위에도 영향을 미친다.
맞춤형 퀀텀닷
그러나 이러한 양자점의 목표 생산은 여전히 복잡하고 특정 입자로만 제한되었다. 10년 후인 1993년 3번째 수상자인 매사추세츠 공과대학(MIT)의 Moungi Bawendi의 연구로 상황이 바뀌었다. 그의 팀은 정의된 크기와 높은 광학 품질을 갖춘 양자점을 생산할 수 있는 방법을 처음으로 개발했다.
이 합성을 위해 유기금속 화합물은 끓는점이 높은 뜨거운 용매에 주입된다. 이로 인해 용액이 갑자기 과포화되고 작은 입자가 결정화되기 시작한다. 신속하게 온도를 낮추고 희석함으로써 이 결정화 과정을 중단하거나 계속할 수 있다. 노벨상 위원회는 “바웬디와 그의 팀이 개발한 열간 주입 방법은 양자점을 대규모로 사용할 수 있는 길을 열었다”고 말했다.
위대한 미래를 여는 기술
세 명의 노벨 화학상 수상자들이 함께 이미 현대 전자공학과 기술의 중요한 부분이 된 개발을 가능하게 만들었다. 노벨상 위원회는 “양자점의 발견과 높은 정밀도이면서도 상대적으로 간단한 화학적 방법으로 이러한 물질을 생산할 수 있는 능력은 나노과학과 나노기술 발전에 중요한 단계였다”고 설명했다. 또한 양자컴퓨터, 양자통신 등 양자물리학 응용이 등장하면서 앞으로는 더욱 중요해질 수 있다.
출처: Nobelprize.org
- QLED, 많은 TV 및 생체의학 마커에서 발견되는 나노입자인 양자점 기술을 개발
- 양자점은 여기로 인한 전하 분리 후 전자와 양극 "정공"의 재결합이 발생할 때 빛을 방출
- 색안경의 비밀, 유리에 흡수되는 빛의 스펙트럼이 결정 입자의 크기에 따라 변해
- 현대 전자공학과 기술의 중요한 부분이 된 개발을 가능하게 만들어
양자점 발견자에게 노벨 화학상 수여
텔레비전, LED 및 전자제품을 위한 맞춤형 나노입자
2023년 노벨 화학상은 QLED, 많은 TV 및 생체의학 마커에서 발견되는 나노입자인 양자점 기술을 개발한 세 명의 연구원에게 돌아갔다. Alexei Ekimov, Louis Brus 및 Moungi Bawendi는 고체 또는 액체 재료에서 작은 나노입자의 광학적 및 전자적 특성을 최초로 발견했으며 이러한 나노점을 표적화된 맞춤형 방식으로 생성하는 방법을 개발했다.
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| ▲ 이러한 다채로운 솔루션은 흥분될 때 특정 파장의 빛을 방출하는 작은 나노입자인 양자점에서 색상을 얻는다. © Tayfun Ruzgar/Getty image |
이는 QLED, 많은 TV에서 발견되며 의학의 표지 물질로 사용된다. 양자점은 이제 전자 및 의학에서 중요한 도우미다. 이러한 양자점은 개별 전자, 원자 또는 양전하를 띤 "정공"으로 구성될 수 있으며, 반도체 결정과 같은 고체나 액체에서도 생성될 수 있다. 대부분의 양자점 응용 분야에서 중요한 점은 전류나 방사선에 의해 여기될 때 특정 파장의 광자를 방출하는 능력이다.
맞춤형 조명
양자점의 기본 원리는 반도체와 마찬가지로 전자 에너지 준위의 밴드갭이다. 이 밴드갭의 폭은 양자점의 크기에 따라 달라진다. 양자점은 여기로 인한 전하 분리 후 전자와 양극 "정공"의 재결합이 발생할 때 빛을 방출한다. 이전에 흡수된 에너지는 특정 파장의 빛인 광자 형태로 방출된다.
이 빛의 파장은 양자점에 따라 특정하기 때문에 이러한 양자점의 색상은 예를 들어 기존 LED보다 더 강렬하고 선명하게 정의된다. 화학 반응의 산화환원 전위나 나노입자의 녹는점과 같은 다른 특성도 나노입자의 크기에 직접적으로 영향을 받는다.
색안경의 비밀
첫 번째 수상자인 뉴욕 Nanocrystals Technology의 Alexei Ekimov는 1979년에 색유리를 연구하던 중 양자점 발견을 향한 첫걸음을 내디뎠다. 당시는 여전히 구소련에 있었다. 그의 목표는 이러한 유리가 이물질로 오염되어 색상이 어떻게 나타나는지, 그리고 유리 용융물에서 이러한 입자의 성장이 보다 구체적으로 어떻게 영향을 받을 수 있는지 이해하는 것이었다.
예를 들어 유리에 있는 염화구리 나노결정을 사용하여 Ekimov와 그의 팀은 이 유리에 흡수되는 빛의 스펙트럼이 결정 입자의 크기에 따라 변한다는 것을 발견했다. 즉, 나노결정이 작을수록 빛의 색상이 파란색으로 더 많이 이동한다. Ekimov는 이 효과를 물질 내 전자와 정공의 상호작용에 기인한다고 생각하고 광자 에너지와 입자 크기 사이의 관계를 설명하는 방정식을 만들었다. 이는 최초의 결정질 반도체 양자점의 발견을 의미한다.
다음 단계는 1983년 뉴욕 컬럼비아 대학교의 Louis Brus가 이끄는 팀이 실행했다. Ekimov의 발견에 대해 알지 못한 채 그들은 콜로이드 나노입자를 연구하고 있었다. 용액 내 황화카드뮴 입자를 실험하는 동안 그들은 또한 여기된 입자의 스펙트럼에 대한 입자 크기의 영향을 발견하고 해당 모델을 설정했다. 이러한 크기 의존적 양자 효과는 5nm(나노미터)의 입자 크기 이하에서 발생해야 하며 광화학적 산화환원 전위에도 영향을 미친다.
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| ▲ 양자점의 크기는 여기될 때 방출하는 빛의 파장을 결정한다. © Nobelprize.org |
맞춤형 퀀텀닷
그러나 이러한 양자점의 목표 생산은 여전히 복잡하고 특정 입자로만 제한되었다. 10년 후인 1993년 3번째 수상자인 매사추세츠 공과대학(MIT)의 Moungi Bawendi의 연구로 상황이 바뀌었다. 그의 팀은 정의된 크기와 높은 광학 품질을 갖춘 양자점을 생산할 수 있는 방법을 처음으로 개발했다.
이 합성을 위해 유기금속 화합물은 끓는점이 높은 뜨거운 용매에 주입된다. 이로 인해 용액이 갑자기 과포화되고 작은 입자가 결정화되기 시작한다. 신속하게 온도를 낮추고 희석함으로써 이 결정화 과정을 중단하거나 계속할 수 있다. 노벨상 위원회는 “바웬디와 그의 팀이 개발한 열간 주입 방법은 양자점을 대규모로 사용할 수 있는 길을 열었다”고 말했다.
위대한 미래를 여는 기술
세 명의 노벨 화학상 수상자들이 함께 이미 현대 전자공학과 기술의 중요한 부분이 된 개발을 가능하게 만들었다. 노벨상 위원회는 “양자점의 발견과 높은 정밀도이면서도 상대적으로 간단한 화학적 방법으로 이러한 물질을 생산할 수 있는 능력은 나노과학과 나노기술 발전에 중요한 단계였다”고 설명했다. 또한 양자컴퓨터, 양자통신 등 양자물리학 응용이 등장하면서 앞으로는 더욱 중요해질 수 있다.
출처: Nobelprize.org
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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