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☞ 이전편 바로가기 : [퀀텀닷 완전정복] 제4화 친환경 퀀텀닷-① 인체 유해한 카드뮴을 없애다!   3-5족 퀀텀닷 개발한 삼성 배완기 성균관대 나노공학과 교수는 “현재 퀀텀닷 연구에서 카드뮴으로 대표되는 12족 원소를 16족 원소와 합성(2-6족 퀀텀닷)하는 방식은 거의 사용되지 않는다”며 “대부분 13족 원소를 15족 원소와 합성(3-5족 퀀텀닷)하는 연구를 진행중”이라고 말했다. 하지만 퀀텀닷의 장점을 살리는 데 가장 적합한 원재료였던 카드뮴을 다른 물질로 대체하는 게 말처럼 쉽지는 않다. 인듐으로 대표되는 13족 원소에 15족 원소를 합치면 합성하는 과정과 결과물의 성능 모두에서 문제가 나타난다. 우선 3-5족 퀀텀닷은 2-6족 퀀텀닷보다 합성하기 어렵다. 2-6족이 결합하는 힘보다 3-5족의 결합력이 약하기 때문이다. 배 교수는 “3-5족 퀀텀닷을 합성하기 위해 화학 반응이 더 잘 일어나도록 반응성이 높은 물질을 추가하거나 더 높은 온도에서 합성해야 한다”며 “반응성이 높다는 건 곧 폭발 위험성이 높다는 뜻이기도 해서 산업 현장에서 적용하려면 더 까다로운 관리가 필요하다”고 말했다. 퀀텀닷의 성능 역시 3-5족 퀀텀닷이 떨어진다. 여기서 퀀텀닷의 성능이란 디스플레이와 바이오이미징 분야에서는 색 순도와 열 안정성 등을, 태양전지에서는 광전환 효율을 말한다. ▲ 2-6족과 3-5족 최초로 합성에 성공한 퀀텀닷의 코어는 12족에 속한 카드뮴을 16족의 셀레늄과 합성해 만들었으나, 최근에는 인체에 유해하지 않은 13족의 인듐에 15족 원소인 인(P)이나 비소(AS)를 합성한다. 다만 인듐 기반 퀀텀닷은 카드뮴 기반 퀀텀닷보다 결합력이 떨어져 합성하기도 어렵고 성능, 특히 안정성(수명)이 떨어진다.   정소희 성균관대 에너지과학과 교수는 “카드뮴이나 납 같은 중금속이 경금속인 인듐보다 빛을 흡수하는…

수nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 크기의 아주 작은 나노입자인 퀀텀닷(QD·Quantum Dot). 퀀텀닷의 가장 큰 특징은 같은 재료로 만들더라도 크기를 조금만 달리하면 발광하는 색을 비롯한 전기적, 광학적 특성을 다양하게 조절할 수 있다는 점이다. 이는 다양한 분야에서 주목할만한 장점이다. 예를 들어 µm(마이크로미터·1µm는 100만분의 1m) 이상 크기의 물질을 이용할 때는 기존과 다른 특성의 물질을 만들기 위해 새로운 원재료를 찾아야만 했지만, 퀀텀닷은 굳이 새로운 원재료를 찾지 않아도 입자 크기만 조금 다르게 만들면 원하는 특성을 갖는 물질을 얻을 수 있기 때문이다. 이에 천연색을 구현하고자 하는 디스플레이, 기존 재료로는 광전환 효율의 한계가 명확했던 태양전지, 신체 조직을 뚫고 나올 수 있는 가시광선과 근적외선이 필요한 바이오이미징 등 여러 분야에서 퀀텀닷을 활용하기 위해 연구가 진행되고 있다. 각 분야에 특화된 퀀텀닷을 만들기 위한 연구가 치열하지만, 그럼에도 모든 분야에서 공통으로 우선시하는 것이 하나 있다. 바로 퀀텀닷의 원재료를 친환경 재료로 대체하는 것이다.   인체에 유해한 카드늄, 다른 물질로 대체 최초의 퀀텀닷은 카드뮴에서 나왔다. 1982년 최초로 발견된 퀀텀닷도, 1993년 처음으로 실험실에서 합성하는 데 성공한 퀀텀닷도 모두 카드뮴이 핵심 원재료다. 카드뮴은 은백색의 금속으로, 칼로 자를 수 있을 만큼 부드러워 변형하기 쉽고, 전기전도성이 뛰어나다는 장점이 있다. 다른 물질과 혼합도 잘 돼 또 다른 장점을 보탠 화합물로 만들기도 쉽다. 그래서 이미 1800년대 미술가들은 카드뮴을 황화합물과 섞어 빨간색과 노란색 안료를 만들었고, 1930년대에는 자동차나 비행기의 부식을 막기 위한 도금 재료로 사용했으며,…

☞ 이전편 바로가기 : [퀀텀닷 완전정복] 제3화 무한한 응용-① 고효율 태양전지 라이징 스타 퀀텀닷!   바이오이미징, 의료기술분야에서도 라이징스타 퀀텀닷은 바이오이미징과 같은 의료 기술 분야에서도 ‘라이징 스타’다. 바이오이미징은 생체 내에서 일어나는 다양한 분자 수준의 변화를 영상화하는 기법이다. 자기공명영상(MRI)과 컴퓨터단층촬영(CT)이 바이오이미징 기술의 대표적인 예다. 이런 바이오이미징 기술은 병을 진단하고 치료하는 데 적극적으로 활용되면서 중요성이 높아졌다. 다만 현재 널리 사용되는 바이오이미징 기술들은 진단의 정확성, 실시간 관찰, 경제성 등 여러 조건을 동시에 만족시키고 있지는 못하다. 가령 MRI의 경우 분해능이 높아 질병 진단에는 유용하지만 비싸다. 그간 가시광선이나 적외선 파장대의 빛을 이용한 광학영상법(optical imaging)이 대안으로 나오긴 했지만, 근본적으로 가시광선은 신체를 구성하는 단백질, 지방, 물 등에 의해 흡수되기 때문에 신체 내부를 파악하는 데는 한계가 있다. 이런 상황에서 퀀텀닷의 출현은 바이오이미징 분야에 일대 혁신을 불러왔다. 반도체 입자로만 여겨졌던 퀀텀닷을 생체 분자와 결합한 두 편의 연구논문이 1998년 연이어 발표되면서 퀀텀닷을 바이오이미징에 활용할 가능성이 확인됐다. 퀀텀닷은 기존에 생체 내부에 사용되던 형광체에 비해 10~50배 강한 빛을 발할 수 있어 신체를 통과해 바깥에서도 확인할 수 있다. 퀀텀닷의 크기를 조절하면 신체 구성 물질이 흡수하지 않는 700~900nm 대역의 근적외선 파장의 빛을 발하게 만들 수도 있다. 김성지 포스텍(POSTECH) 화학과 교수는 2017년 퀀텀닷에 암을 탐지하는 프로브를 결합해 암 조직 근처에서만 근적외선을 강하게 발하는 퀀텀닷을 개발하기도 했다. 다만 퀀텀닷을 이용한 진단이 실제로 상용화되기 위해서는 디스플레이나 태양전지와 마찬가지로 불안정한 표면을…