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nm(나노미터·1nm 10억분의 1m) 크기의 아주 작은 나노입자인 퀀텀닷(QD·Quantum Dot). 퀀텀닷의 가장 큰 특징은 같은 재료로 만들더라도 크기를 조금만 달리하면 발광하는 색을 비롯한 전기적광학적 특성을 다양하게 조절할 수 있다는 점이다.

이는 다양한 분야에서 주목할만한 장점이다예를 들어 µm(마이크로미터·1µm 100만분의 1m) 이상 크기의 물질을 이용할 때는 기존과 다른 특성의 물질을 만들기 위해 새로운 원재료를 찾아야만 했지만퀀텀닷은 굳이 새로운 원재료를 찾지 않아도 입자 크기만 조금 다르게 만들면 원하는 특성을 갖는 물질을 얻을 수 있기 때문이다.

이에 천연색을 구현하고자 하는 디스플레이기존 재료로는 광전환 효율의 한계가 명확했던 태양전지신체 조직을 뚫고 나올 수 있는 가시광선과 근적외선이 필요한 바이오이미징 등 여러 분야에서 퀀텀닷을 활용하기 위해 연구가 진행되고 있다각 분야에 특화된 퀀텀닷을 만들기 위한 연구가 치열하지만그럼에도 모든 분야에서 공통으로 우선시하는 것이 하나 있다바로 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 금속으로칼로 자를 수 있을 만큼 부드러워 변형하기 쉽고전기전도성이 뛰어나다는 장점이 있다다른 물질과 혼합도 잘 돼 또 다른 장점을 보탠 화합물로 만들기도 쉽다그래서 이미 1800년대 미술가들은 카드뮴을 황화합물과 섞어 빨간색과 노란색 안료를 만들었고, 1930년대에는 자동차나 비행기의 부식을 막기 위한 도금 재료로 사용했으며, 1980년대부터는 니켈카드뮴 이차전지의 음극판 재료로도 사용했다.

하지만 카드뮴에는 결정적인 문제가 있다독성이다지난 수십 년간 카드뮴 독성에 대한 문제는 꾸준히 제기됐다카드뮴의 유해성을 가장 강력하게 인식시킨 사건은 일본의 4대 공해병 중 하나인 이타이이타이병이다. 1910년대 전후로 일본 도야마현 진츠강 유역에서 발생한 질병으로등뼈손발관절에 통증이 느껴지고 뼈가 잘 부러지는 등의 증상이 나타나는 질환이다.

당시 도야마현 내 광산에서 아연 제련 과정 중에 배출된 폐광석을 통해 카드뮴이 유출됐고이는 고스란히 강으로 흘러 들어가 이를 식수나 농업용수로 사용한 주민들이 이타이이타이병에 걸렸다처음에는 풍토병영양실조 등 여러 원인이 지목됐지만, 1968년에 원인이 카드뮴이었다는 사실이 밝혀졌다.

1970년대에는 이타이이타이병을 유발하는 고농축 카드뮴이 아닌이보다 적은 농도의 카드뮴도 인체에 유해하다는 연구 결과가 대거 발표됐다카드뮴에 노출되면 염증이 유발돼 발열호흡기 장애근육통과 같은 증상이 나타나고장기간 노출될 경우 호흡기나 신장에 심각한 장애가 발생할 수도 있다는 것이다특히 카드뮴은 인체에 필수적인 아연과 화학적 성질이 비슷해 체내에 쉽게 흡수되고아연 대신 체내 효소와 결합해 신장 장애를 일으킨다.

이런 이유로 세계보건기구(WHO) 산하 국제암연구소(IARC)는 카드뮴을 ‘사람에게 암을 일으키는 물질’인 ‘발암 등급 1(Group 1)’으로 분류하고 있으며미국 환경보호청(EPA)도 ‘사람에게 암을 일으킬 수 있는 유력한 물질’인 ‘발암 등급 B1(Group B1)’으로 분류하고 있다.

▲카드뮴은 변형이 쉽고 전기전도성이 뛰어나 다방면에 사용됐지만, 인체에 흡수되면 암을 유발한다고 알려지며 다른 물질로 대체되고 있다.

그래서 카드뮴을 사용하던 대부분의 산업은 카드뮴 대신 다른 물질을 사용하는 방안을 마련하고 있다카드뮴을 가장 많이 소비하던 니켈카드뮴 이차전지 역시 니켈금속수화물이나 리튬이온리튬폴리머 등 다른 형태의 배터리로 대체되는 추세다.

퀀텀닷도 같은 흐름이다인체와 밀접하게 닿는 디스플레이심지어 체내로 집어넣는 바이오이미징 분야에 사용되기 위해서는 카드뮴을 사용해서는 안 된다웨어러블이나 모바일 기기 적용이 연구 중인 퀀텀닷 태양전지 역시 예외가 아니다. 2013년 일본의 전자업체 소니가 내놓은 최초의 퀀텀닷 TV 1년 만에 시장에서 철수됐는데카드뮴을 사용한 탓에 판매가 원활히 이뤄지지 않은 것이 주원인으로 알려졌다.

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 진행 중”이라고 말했다.

☞다음편 이어보기[퀀텀닷 완전정복] 제4화 친환경 퀀텀닷-② 인체 유해한 카드뮴을 없애다!

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