양자점(quantum dot)은 입자의 크기가 수 nm(나노미터) 수준으로 작아져 특이한 물리·화학적 성질을 가진 초미세 반도체 나노입자를 말한다. 대중에게 생소하지만 양자점은 LED, 태양전지, 디스플레이, 의학 등 다양한 분야 등에서 쓰이며 일상생활에 큰 영향을 미치고 있다. 지난 2014년 양자점의 세계 시장 규모는 8조 원이었지만 2021년 50조 원으로 급성장할 것이란 예측이 나온 가운데, 국내 연구진의 양자점을 활용한 제품을 만들 수 있는 기초 기술 연구가 주목받고 있다. 바로 부산대학교 고분자공학과 박성수 연구교수의 ‘고도 배열된 나노입자의 제조와 광학적, 자기적 소자로의 응용’ 연구가 그 주인공이다.

최선영 기자 csy@

박성수 연구교수의 연구는 일정한 크기와 규칙적으로 배열된 나노세공을 가지는 실리카를 기반으로 한다. 세공 내 잘 배열되고 가로-세로 비(aspect ratio)가 큰 나노입자(금속, 자성체, 양자점 등) 합성 연구가 핵심이다. 수직으로 배열된 자성체 나노로드, 금속 나노로드, 양자 나노로드 등을 연구하며 이를 확장해 나노레이저, 바이오센서, 메모리 디바이스 등으로의 응용성을 검토하고 있다. 박 교수는 수직으로 배열된 나노입자의 물리·화학적 특성을 개선하는 것을 이번 연구의 목표로 진행했다.

고도 배열된 나노입자의 경쟁력 
가로-세로 비가 큰 나노입자{주상 나노입자 (columnar nanoparticles) 또는 나노로드 (nanorods)} 형성과 배열은 물리·화학적으로 매우 우수하다. 레이저 문턱 에너지, 선형적 분극 흡수 발광, 큰 전하 분리와 수송이 가능하여 광학적 효율이 높은 편이다. 부산대학교 고분자공학과 박성수 연구교수는 매우 균일한 나노크기 세공과 규칙적인 세공 배열, 큰 표면적을 가지는 나노세공 실리카 물질의 합성, 특히 규칙적이고 표면에 대해 수직 방향 나노세공 배열구조를 가지는 나노세공 실리카 필름을 이용했다. 나노세공 내에 가로-세로 비(aspect ratio)가 큰 나노입자 (자성 나노입자, 양자점, 금속 나노입자들) 형성 등을 연구한 그의 연구는 매우 창의적이며 도전적이라는 평가를 받고 있다. 이번 연구를 통해 자성 나노입자/나노로드, 양자점/양자로드 또는 금속 나노입자/나노로드가 고도 배열된 나노세공 물질의 독특한 물성과 우수한 특성을 활용한 고효율 나노 레이저, 바이오센서, 광센서, 디스플레이, 태양전지, 양자컴퓨터 등이 개발될 것으로 기대된다.

▲ 박성수 교수

박 교수는 수직으로 배열된 나노세공을 가지는 나노세공 실리카 물질을 합성하고, 나노세공 내에서 화학반응을 이용한 나노입자 형성 또는 나노입자가 분산된 용액을 처리하여 세공 내에 수직으로 잘 배열된 자성 나노입자들(Ni, Fe, Co, Fe3O4, γ-Fe2O3, CoFe2O4 등), 양자점 (ZnS, ZnSe, ZnTe, InP 등)과 금속 나노입자들 (Au, Ag, Pd, Pt, Rh-Pd, CoW, NiCu, Au-Ag-Pd 등)을 형성하는 연구를 전개했다. 이 내용을 바탕으로 나노레이저, 광센서 등의 광학적 디바이스 또는 메모리, 센서 등의 자기적 디바이스로의 응용성을 조사했다.
2차원의 나노레이저를 비롯한 고효율의 광 디바이스 구현 가능성을 한층 높였다. 나노 크기 구형의 나노세공 실리카 물질은 3차원적 나노레이저 볼 (Ball) 구현이 가능하다. 고도 규칙성과 독립적으로 수직 배열된 자성체 나노입자/나노로드는 기존의 소재와는 차별되는 독특한 물성과 우수한 특성이 구현돼 국내외 다양한 나노입자 배열에 관련된 응용연구자들에게 창의적이고 새로운 연구 방향을 제시할 것으로 기대된다.

기초과학 연구자들의 열정, 상업기술로 꽃피우길          
세계는 양자점의 우수한 광 특성(높은 색순도와 발광 효율)을 광변환 형식으로 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display, LCD)의 백라이트 유닛(Backlight Unit, BLU)에 적용하는 응용 기술 개발을 기다리고 있다. 이미 국내 기업은 지난 2015년 양자점을 활용한 초고해상도(SUHD) TV를 출시했다. 박성수 연구교수는 나노세공물질을 포함 유기-무기 나노하이브리드 물질을 이용한 전자기기, 디스플레이 분야의 심도 있는 연구를 준비 중이다. 그는 해외 우수한 연구자들과 공동연구를 진행하며 습득한 선진 기술을 바탕으로 창의적이며 도전적인 연구를 기획하고 있다.

이미 박 교수는 나노세공을 가지는 물질들을 기반으로 한 연구에서 뛰어난 성과를 올리고 있다. ‘미래유망융합기술 파이오니어 사업‘의 국가과제에 참여하여 바닷물에서 희소금속(니켈, 코발트 등)의 고선택적 회수 연구를 수행했다. 현재 나노세공 물질을 이용하여 약물분자의 흡착과 산도, 광 등의 다양한 자극으로부터 조절된 방출거동을 보이는 소재, 무기물 나노세공물질과 고분자 등의 유기물 소재와 복합체를 합성하여 저유전율과 고내열성 등을 가지는 유기-무기 하이브리드 소재를 개발하고 있다. 나노세공 물질을 이용한 약물전달소재 연구는 항암제 역사의 큰 획을 그을 것으로 기대된다. 그는 무(無)에 가까운 것으로부터 유(有)의 새로운 결과를 도출하는 연구를 맡고 있다. 정부가 전폭적으로 기초과학 연구를 지원한다면 상업적인 응용 기술 개발 시기를 훨씬 앞당길 수 있다. 불확실한 과정을 거쳐 새로운 가능성에 대해 창의적으로 도전하는 기초과학 연구자인 박성수 교수의 내일이 곧 대한민국 기초과학의 미래다. NM