노벨상
노벨상 업적에 투자하기 – 퀀텀닷 및 나노컬러
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노벨상 역사
노벨상은 과학계에서 가장 권위 있는 상 가운데 하나다. 이 상은 알프레드 노벨의 유언 에 따라 «지난 한 해 인류에게 가장 큰 이익을 가져다준 사람들»에게 물리학, 화학, 생리의학, 문학, 평화 분야에서 수여하도록 마련되었다.
스웨덴 중앙은행은 나중에 알프레드 노벨을 기념하는 경제학상을 제정했다. 흔히 노벨 경제학상이라고 부르지만 노벨의 원래 유언에 포함된 상은 아니다.
여러 스웨덴 기관이 수상자를 선정하며, 평화상은 노르웨이 노벨위원회가 결정한다.
자신의 유산에 대한 고민
널리 알려진 일화에 따르면 노벨은 1888년 형 루드비그가 사망했을 때 자신의 부고가 잘못 실린 것을 읽었다. 다만 이 사건이 유언에 미친 정확한 영향은 확인되지 않았다. 노벨은 다이너마이트와 무연화약 발리스타이트를 각각 발명했으며 두 제품은 다르다. 보포르스를 인수해 군수 사업도 발전시켰지만, 유언에서는 재산의 대부분을 인류에게 이익을 주는 업적을 기리는 데 사용하도록 했다.
노벨상
노벨재단은 기금을 운용해 상과 관련 활동의 재원을 마련한다. 수상자에게는 금메달, 상장, 상금이 수여된다. 2024년 상금은 분야별 1,100만 스웨덴 크로나, 약 100만 달러였으며 공동 수상 시 나누어 지급했다.
출처: Britannica
과학 분야에서는 공동으로 또는 독립적으로 중요한 발견에 기여한 최대 세 명이 상을 나누어 받을 수 있다.
노벨상은 기초 이론과 실제 응용을 모두 인정해 왔다. 현대 사회의 토대를 마련한 업적으로는 방사능 연구, 항생제 발견, 엑스선 발견, PCR등이 있으며, 기초과학에서는 태양의 에너지 원천, 전자의 전하 측정, 원자핵의 껍질 구조, 초유동성 연구등이 인정받았다.
나노 크기에서 달라지는 색
물체의 색은 빛과 상호작용하는 방식에 따라 달라진다. 태양광에는 여러 파장의 빛이 섞여 있으며, 물질이 특정 파장을 흡수하고 나머지를 반사하거나 투과하면 서로 다른 색으로 보인다.
출처: DataColors
나노미터 크기의 반도체 결정에서는 전자와 정공의 운동이 제한되는 양자 구속 효과가 중요해진다. 입자 크기에 따라 가능한 에너지 상태가 달라지므로 빛의 흡수와 방출 특성도 변한다.
이 현상은 양자역학의 슈뢰딩거 방정식 으로 설명할 수 있다. 이 방정식은 입자의 양자 상태를 기술한다.
1937년 물리학자 헤르베르트 프뢸리히는 매우 작은 입자의 성질이 큰 물질과 달라질 수 있다고 예측했다. 전자가 움직일 수 있는 공간이 제한되면 에너지 준위가 바뀐다는 점이 핵심이다.
빛과 전자의 상호작용이 광학 특성을 결정하므로 같은 조성의 나노결정도 크기에 따라 다른 파장의 빛을 흡수하거나 방출할 수 있다.
이러한 예측을 재현성 있는 나노결정 제조로 연결하기까지 수십 년이 걸렸다. 세 연구자의 1980~1990년대 업적은
출처: Nobel Prize
양자점은 디스플레이와 조명에 사용되며 생물학적 영상화에도 활용되거나 연구된다. 기사에서 인용한 시장조사에서는 2021년 시장을 약 40억 달러로 추산했다. 이는 조사 범위와 방법에 따른 역사적 추정치다.
새로운 응용도 연구되고 있다. 예를 들어 적외선 양자점을 이용한 암 검출 연구, 넓은 파장대의 빛을 활용하는 태양광 시스템 , 나노포토닉스를 활용한 전자기기 제조등이다.
고대 유리에서 양자 물리학까지
유리 장인들은 오래전부터 금속 성분을 첨가하고 가열 조건을 바꾸면 유리에 색을 입힐 수 있다는 사실을 알고 있었다. 현대 연구자들은 은이나 금 등의 입자와 반도체 나노결정이 만드는 색을 과학적으로 조사했다.
같은 성분을 넣어도 가열과 냉각 조건에 따라 서로 다른 색이 나타날 수 있다는 점이 흥미로웠다.
알렉세이 예키모프는 반도체 연구에 쓰이는 광학 분석법으로 착색 유리를 조사했다. 염화구리 나노결정이 들어 있는 유리를 가열하는 조건을 달리하면 결정의 크기가 약 2~30나노미터 범위에서 달라지는 것을 확인했다. 이는 금속 구리 입자와 구별해야 한다.
큰 결정에 비해 작은 결정은 흡수하는 빛의 파장이 짧아지는 청색 편이를 보였다.
출처: Nobel Prize
크기에 따른 양자 효과는 이전에도 특수한 조건에서 연구되었다. 예키모프의 실험은 유리 안의 나노결정에서도 이를 만들고 관찰할 수 있음을 보여 주었다.
예키모프는 1981년 소련 학술지에 결과를 발표했다. 루이스 브루스는 미국에서 독립적으로 연구했으며, 초기에는 예키모프의 결과를 알지 못했다. 그렇다고 그 연구가 소련 해체 때까지 서방에 전혀 알려지지 않았다는 뜻은 아니다.
액체에 분산된 양자점
루이스 브루스는 미국 벨연구소에서 태양에너지로 화학반응을 일으키는 방법을 연구했다. 반응 표면적을 늘리기 위해 액체에 분산된 작은 황화카드뮴 입자를 사용했다.
그는 시간이 지나면서 입자의 빛 흡수 특성이 변하는 것을 발견했다. 처음 약 4.5나노미터였던 입자들이 약 12.5나노미터로 커지는 현상과 관련이 있었다.
큰 입자는 벌크 황화카드뮴과 비슷하게 빛을 흡수했지만, 작은 입자는 더 짧은 파장을 흡수했다.
출처: Nobel Prize
액체에 콜로이드 형태로 분산된 입자는 유리에 고정된 결정과 달리 가공과 표면 처리, 다른 물질과의 결합에 활용할 수 있었다.
그러나 초기 제조법은 입자 크기를 일관되게 제어하기 어려웠고, 서로 다른 크기의 입자가 섞여 나왔다.
다양한 기술에 이용하려면 균일하고 재현성 있는 입자를 만드는 방법이 필요했다.
균일한 양자점의 제조
문지 바웬디는 1988년 브루스 연구실에서 박사후연구원으로 일하면서 용매, 온도, 제조 조건을 바꾸어 균일한 양자점을 만들고자 했다. 이후 MIT에서 연구팀과 함께 재현성이 높은 방법을 개발했다.
- 뜨거운 용매에 반응 전구체를 빠르게 주입해 순간적으로 높은 농도를 만들었다.
- 이때 많은 작은 결정핵이 거의 동시에 형성되었다.
- 주입으로 온도가 낮아지면서 새로운 결정핵이 계속 생기는 것을 억제했다.
- 이후 온도를 조절하여 기존 결정이 제어된 속도로 성장하도록 했다.
- 이 과정으로 크기 분포가 좁고 표면 품질이 좋은 나노결정을 얻어 광학 특성을 개선할 수 있었다.
출처: Nobel Prize
1993년에 발표된 이 방법은 고품질 양자점의 합성을 크게 발전시켰다. 여러 연구실에서 입자를 만들고 응용을 연구하기가 쉬워졌다.
크기로 조절하는 물질의 성질
양자점의 중요한 특징은 화학 조성뿐 아니라 크기로도 물성을 조절할 수 있다는 점이다.
멘델레예프의 주기율표는 원자량과 화학적 성질의 규칙성을 바탕으로 발전했다. 현대 주기율표는 원자번호로 배열하며, 원소의 성질은 전자 구조와 밀접하게 관련된다.
출처: Britannica
양자점은 새로운 원소를 만드는 것이 아니다. 같은 물질도 결정의 크기에 따라 전자 상태와 광학·전기적 성질이 달라질 수 있어 재료 설계에 추가 변수를 제공한다.
이러한 성질 조절은 탄소나노튜브나 그래핀, 보로펜, 골든 같은 2차원 물질의 연구와도 연결된다. 다만 이들은 서로 다른 구조와 특성을 가진 재료다.
출처: Ossila
퀀텀닷 응용
QLED
현재 양자점의 대표적인 상용 응용은 QLED 디스플레이다.
일반적인 양자점 LCD에서는 양자점이 청색광 일부를 적색과 녹색으로 변환해 색 재현성을 높인다. 청색광원에는 2014년 노벨 물리학상으로 인정받은 청색 LED 기술이 사용된다. 양자점 LCD와 양자점이 직접 전류를 받아 발광하는 전계발광 디스플레이는 구분해야 한다.
양자점은 조명의 스펙트럼을 조정해 원하는 색과 색온도를 얻는 데도 이용할 수 있다.
광학 신호
양자점과 나노결정을 포함한 광학 재료는 광증폭과 통신용 소자에도 연구·활용된다. 용액 합성 양자점과 유리에 분산된 나노결정의 제조법 및 용도는 서로 다르다.
또 다른 제조 방식인스트란스키–크라스타노프 성장법으로 만드는 반도체 양자점은 광통신용 레이저 등에 활용된다.
생화학
양자점의 밝고 조절 가능한 형광은 현미경 수준에서 물질을 추적하는 표지로 유용하다.
연구자들은 표면을 처리한 양자점을 DNA, 단백질 등 생체분자에 결합해 형광현미경으로 이동과 분포를 관찰할 수 있다. 용도에 따라 생체적합성과 비특이적 결합도 고려해야 한다.
출처: Sigma Aldrich
의학
암 관련 표적에 결합하도록 설계한 양자점을 이용해 종양을 영상화하는 연구가 진행되고 있다. 표적 분자가 암세포에만 완벽하게 결합한다고 보장할 수는 없다.
출처: Degruyter
광열·광역학 치료 연구에서는 양자점 등의 나노재료가 빛을 흡수해 열이나 활성산소를 만들고 종양 세포를 손상시키도록 한다. 모든 양자점이 같은 기능을 갖는 것은 아니며, 일반적인 표준 치료로 확립되었다는 의미도 아니다.
임상적으로 널리 사용하려면 독성, 건강한 조직에 미치는 영향, 체내 분해와 축적, 배설을 검증해야 한다. 재료 조성, 크기, 표면 처리에 따라 안전성이 달라진다.
화학 촉매
브루스의 초기 연구는 빛을 이용한 화학반응을 촉진할 재료를 찾는 과정과 관련되어 있었다.
양자점은 빛을 흡수하고 전하를 전달하는 특성을 이용해 광촉매로 연구된다.
출처: ACS
응용 연구에는 물을 분해해 수소를 만드는 반응, 이산화탄소를 탄화수소 등으로 전환하는 반응, 그 밖의 화학반응 촉진등이 포함된다.
탄소 양자점과 그래핀 양자점도 광촉매로 연구된다. 탄소나노튜브, 풀러렌, 큰 그래핀 시트 자체를 모두 탄소 양자점이라고 부르는 것은 정확하지 않다. 수용성, 발광 특성, 독성, 표면 기능화 가능성은 개별 재료에 따라 달라진다.
에너지
반도체 양자점은 크기와 조성에 따라 밴드갭을 조절할 수 있어 태양전지의 광흡수층이나 스펙트럼 제어 재료로 연구된다.
출처: Degruyter
양자점은 활용 가능한 파장 범위를 조절하는 데 도움이 될 수 있다. 실리콘도 가시광뿐 아니라 근적외선 일부를 흡수한다. 밴드갭보다 에너지가 낮은 광자는 흡수하지 못하고 높은 에너지의 일부는 열로 손실되므로, 단순히 고에너지 광자만 이용한다고 설명하면 부정확하다.
이상적인 단일접합 태양전지의 효율 한계는 조건에 따라 약 33% 수준이다. 66% 같은 더 높은 이론값은 특정 다중접합 또는 다른 이상적 변환 조건과 관련되며, 양자점 태양전지 전반에 적용되는 보장된 효율이 아니다.
양자 컴퓨터
더 큰 양자컴퓨터를 개발하는 과정에서, 우리가 «양자컴퓨팅의 현황 »에서 살펴본 것처럼 양자점도 후보 기술이다.
일부 설계에서는 양자점을 이용해 정보의 기본 단위인 큐비트를 구현할 수 있다. 다른 설계에서는 단일 스핀의 국소화와 검출, 단일광자 생성에 활용할 수 있다.
양자점 기반 장치를 확장하는 연구가 진행 중이지만, 디스플레이용 입자의 합성이 가능하다는 사실만으로 양자컴퓨터의 대량생산이나 저비용 구현이 해결되는 것은 아니다. 정밀 제어와 결맞음, 소자 간 균일성 등의 문제가 남아 있다.
퀀텀닷 및 나노기술에 투자하기
QLED 디스플레이는 양자점의 주요 시장 가운데 하나이며 삼성전자( SSNLF)는 주요 참여 기업이다.
다만 삼성전자는 메모리, 시스템반도체, 디스플레이, 가전 등 다양한 사업을 운영한다. 양자점에 투자한다는 이유만으로 전체 기업의 사업을 이 기술 하나로 평가할 수는 없다.
여러 증권사를 통해 나노기술 관련 기업에 투자할 수 있다. securities.io에서는 다음 국가의 증권사 안내를 확인할 수 있다: 미국, 캐나다, 호주, 영국및 기타 국가의 증권사 안내가 있다.
개별 종목 대신 나노기술 관련 상장지수펀드를 검토할 수도 있다. 기사에서 소개한 ProShares Nanotechnology ETF (TINY) 와 Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) 는 서로 상태가 다르다. TYNE는 2023년 2월 청산되어 2024년의 투자 가능한 펀드로 소개해서는 안 된다. TINY의 구성 종목도 순수 양자점 기업만을 포함하는 것은 아니다.
관련 기업은 «나노기술 관련 주식 10선»에서도 살펴볼 수 있다.
퀀텀닷 및 나노기술 기업
1. Nanoco Group (NANO.L)
런던증권거래소에 NANO로 상장된 Nanoco는 양자점과 기타 나노소재의 개발·제조에 집중한다.
Nanoco는 카드뮴을 쓰지 않는 양자점 기술을 개발해 왔다. 삼성과의 특허 분쟁은 2023년 합의로 마무리되었으며, 총 합의금은 1억5천만 달러, 소송 비용 등을 제외한 순수입은 약 9천만 달러였다. 단순히 9천만 달러 규모의 공동개발 투자로 해석해서는 안 된다. 기사에서 인용한 약 375건의 특허 수는 당시 자료에 따른 수치다.
삼성전자보다 사업이 양자점 관련 기술에 집중되어 있지만, 고객 확보와 상용화 성과에 대한 의존도도 높다.
디스플레이 관련 응용에는 마이크로 LED나 양자점 전계발광 등이 포함된다. 회사는 보안 인쇄용 표지와 같은 다른 시장도 탐색했다.
출처: Nanoco
적외선 분야에서는 Heatwave제품군을 개발했다. 적외선 감지 성능을 개선하려는 기술이며, 검토되는 응용은 다음과 같다.
- 생체 얼굴 인식
- 산소포화도, 빌리루빈, 포도당 등의 광학 측정 연구
- 라이다(LiDAR)
- 야간 투시
회사는 2024년 상업 생산 주문을 발표하며 상용화를 추진했다. 카드뮴을 사용하지 않는 재료는 일부 응용에서 장점이 될 수 있지만, 의료용 안전성과 유효성이 자동으로 입증되는 것은 아니다. 적외선 소재와 디스플레이용 소재의 조성도 구분해야 한다.
2. QD Solar / SunDensity Canada
미국 SunDensity는 2024년 6월 토론토의 QD Solar를 인수하고 SunDensity Canada를 설립했다고 발표했다. QD Solar는 태양전지용 소재와 기술을 개발하는 기업이었다.
이 결합은 서로 다른 태양광 기술의 통합을 목표로 했다.
QD Solar는 페로브스카이트와 양자점 같은 광흡수 소재를 연구했다. 서로 다른 밴드갭을 조합하면 가시광과 적외선 등 다양한 파장대의 에너지를 활용할 수 있다.
출처: QD Solar
SunDensity의 나노 코팅은 입사광의 스펙트럼을 태양전지가 활용하기 쉬운 파장대로 바꾸는 접근법이다. 단순히 자외선을 차단할 뿐 에너지 전환에는 기여하지 않는다는 설명은 부정확하다.
QD Solar의 능동적 접근은 페로브스카이트 등 광흡수층을 활용하는 것이고, SunDensity의 수동적 접근은 코팅으로 빛의 스펙트럼을 조절하는 것이다. 실제 소자 구조와 재료 조합은 개발 단계에 따라 달라진다.
회사 측은 기술을 결합하면 장기적으로 40%를 넘는 효율을 목표로 할 수 있다고 설명했다. 이는 상업용 모듈에서 이미 검증된 수치가 아니다.
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따라서 페로브스카이트, 양자점, 스펙트럼 변환 코팅의 조합은 연구 가능성으로 볼 수 있다. 모든 재료를 한 패널에 넣기만 하면 이론상 최대 효율을 달성한다는 의미는 아니다.
출처: QD Solar
40% 이상의 효율은 당시 개발 목표와 전망이었다. 상용화를 위해서는 장기 안정성, 대면적 제조, 비용 등의 검증이 필요하다.
높은 효율과 내구성이 입증된다면 우주 기반 태양광 발전같은 까다로운 응용에도 도움이 될 수 있다.
