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[강연] 양자점, 색에 대한 생각을 바꾸다_by 이광렬 | 고등과학원&카오스재단 '2023 노벨상 해설강연' | 3강

세상은 다채로운 색으로 가득 차 있지만, 이 색을 인지하기 위해서는 반드시 빛이 필요합니다. 2023년 노벨 화학상은 '양자점'이라 불리는 아주 작은 반도체 입자를 발견하고 발전시킨 세 명의 과학자에게 수여되었습니다. 양자점은 나노기술의 상징적인 물질로, 탄소 나노튜브와 함께 현대 과학의 지평을 넓힌 핵심 소재입니다. 빛의 파장과 진동수에 따라 에너지가 결정되듯, 양자점은 그 크기에 따라 독특한 광학적 성질을 나타내며 우리가 색을 이해하는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 물질이 빛을 내는 원리를 이해하려면 원자 내부의 전자를 살펴봐야 합니다. 전자는 특정한 에너지 상태를 가진 '오비탈'이라는 공간에 존재하며, 높은 에너지 상태에서 낮은 상태로 이동할 때 그 차이만큼의 에너지를 빛의 형태로 방출합니다. 수소 원자의 스펙트럼이나 밤하늘의 오로라 역시 전자가 에너지를 얻었다가 다시 안정된 상태로 돌아오며 내뿜는 빛의 결과물입니다. 이러한 현상은 분자나 네트워크 구조를 가진 고체 물질에서도 동일하게 나타나며, 물질의 고유한 색을 결정하는 중요한 요인이 됩니다. 수많은 원자가 모여 네트워크를 이루면 각각의 오비탈이 겹쳐지며 '전자띠'를 형성합니다. 전자가 가득 찬 원자가띠와 비어 있는 전도띠 사이의 간격을 '띠간격'이라고 부르는데, 이 간격의 크기에 따라 도체, 반도체, 부도체가 구분됩니다. 특히 반도체는 이 간격이 가시광선 영역에 걸쳐 있어 독특한 색을 띨 수 있습니다. 하지만 전통적인 과학에서는 물질의 색을 그 물질만이 가진 고유한 성질로 정의해 왔으며, 입자의 크기가 작아질 때 나타나는 변화에 대해서는 명확한 답을 내놓지 못했습니다. 리처드 파인만은 나노세계에 숨겨진 흥미로운 현상이 많을 것이라 예견했습니다. 나노입자는 수천에서 수만 개의 원자가 뭉쳐진 아주 작은 입자로, 현미경 기술의 발달 덕분에 비로소 그 실체가 드러나기 시작했습니다. 에키모프는 유리 속에서 자라나는 반도체 입자의 크기에 따라 흡수하는 빛의 파장이 달라진다는 사실을 발견했고, 브루스는 이를 이론적으로 증명했습니다. 입자가 작아질수록 전자가 움직일 수 있는 공간이 좁아지면서 띠간격이 넓어지고, 결과적으로 더 짧은 파장의 푸른 빛을 내게 되는 것입니다. 이론적 발견을 넘어 양자점을 실제로 활용하기 위해서는 입자의 크기를 정밀하게 조절하며 합성하는 기술이 필요했습니다. 바웬디 교수는 유기 용매 속에서 계면활성제를 이용해 나노입자의 성장을 제어하는 획기적인 방법을 개발했습니다. 이를 통해 과학자들은 원하는 크기의 양자점을 자유자재로 얻을 수 있게 되었으며, 빨간색부터 보라색까지 모든 가시광선 영역의 색을 구현하는 데 성공했습니다. 이는 기초 과학의 호기심이 실험실의 성과를 거쳐 우리 손안의 실질적인 물질로 탄생하게 된 결정적인 계기가 되었습니다. 양자점 기술이 대중화된 데에는 기업의 역할이 컸습니다. 특히 삼성은 카드뮴과 같은 유해 물질을 배제하면서도 효율이 높은 양자점을 개발하고, 이를 대량 생산하는 공정을 완성하여 세계 최초로 양자점 디스플레이를 상용화했습니다. 양자점은 빛의 순도가 매우 높아 선명한 색상을 구현할 수 있으며, 백라이트의 빛을 효율적으로 변환하여 총천연색을 만들어냅니다. 이러한 상업적 성공은 나노기술이 단순한 이론에 머물지 않고 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 혁신적인 도구로 자리 잡았음을 증명하는 사례입니다. 양자점의 응용 분야는 디스플레이를 넘어 의료 진단과 센서 기술로 확장되고 있습니다. 특정 세포에 결합하는 항체를 양자점에 부착하면 암세포의 위치를 정확히 파악하거나 적외선 투시를 통해 정밀한 수술을 돕는 등 바이오 분야에서도 혁신을 일으키고 있습니다. 이 모든 성과는 '나노입자의 띠간격은 어떠한가'라는 순수한 기초 과학적 질문에서 시작되었습니다. 미래의 과학 기술 혁신 역시 이러한 나노과학의 토대 위에서 탄생할 것이며, 새로운 세대의 과학자들이 그 주인공이 될 것입니다.

이광렬

카오스재단카오스크로스

화학

[과학자가 쓴 과학책#18] 고재현 _빛으로 보는 세상 | 빛의 핵심

빛은 우리 세상을 이해하는 가장 중요한 열쇠입니다. 하늘이 파란 이유나 노을이 붉게 물드는 현상 같은 자연의 신비부터, 우리가 매일 사용하는 스마트폰의 디스플레이까지 빛은 어디에나 존재합니다. 인류는 아주 오래전부터 빛에 대한 호기심을 바탕으로 그 원리를 탐구해 왔으며, 이는 현대 광기술의 발전으로 이어졌습니다. 빛의 핵심을 이해하는 것은 단순히 과학 지식을 쌓는 것을 넘어, 우리가 살아가는 세상을 더 깊고 지혜롭게 바라보는 눈을 갖게 해주는 소중한 경험이 될 것입니다. 인류는 문명의 대부분을 무언가를 태워 빛을 얻는 방식으로 보냈습니다. 구석기 시대 동굴 벽화를 그리던 시절의 석등부터 로마의 밀랍 양초, 고래 기름을 쓴 램프에 이르기까지 모두 화학적인 연소 과정에서 동반되는 빛을 이용한 것이었습니다. 19세기에 이르러서야 석탄가스를 이용한 가스등과 최초의 전기등인 탄소아크등이 등장하며 새로운 전기를 맞이했습니다. 특히 아크등은 인공적인 번개를 만들어 조명으로 활용한 획기적인 시도였으나, 강한 소음과 번쩍거림 때문에 주로 실외용으로만 사용되는 한계가 있었습니다. 실내 조명의 본격적인 혁명은 에디슨이 상용화한 백열등에서 시작되었습니다. 백열등은 필라멘트를 섭씨 2,000도 이상의 고온으로 가열해 가시광선을 내는 원리를 이용합니다. 하지만 에너지의 90% 이상이 열로 방출되어 효율이 낮다는 단점이 있었습니다. 이후 등장한 형광등은 유리관 내부의 수은이 내뿜는 자외선을 형광체에 통과시켜 가시광선으로 변환하는 방식을 취했습니다. 형광체라는 특수한 물질을 통해 빛의 색을 자유롭게 조절할 수 있게 되면서, 인류는 비로소 백열등보다 훨씬 효율적인 인공 광원을 갖게 되었습니다. 오늘날 조명의 주역은 반도체 광원인 LED입니다. 1960년대 적색 LED를 시작으로 1990년대 중반 청색 LED가 발명되면서 빛의 삼원색이 완성되었고, 이를 통해 효율적인 백색광 구현이 가능해졌습니다. LED는 기존 광원에 비해 수명이 비약적으로 길고 전력 소모가 적어 현대 광기술의 정점으로 평가받습니다. 청색 LED 위에 황색 형광체를 입히거나 RGB 칩을 조합하는 등 다양한 방식으로 만들어진 백색 LED는 이제 교통신호등부터 실내 조명, 야외 전광판까지 우리 삶의 모든 곳을 밝히고 있습니다. 디스플레이는 정보를 시각적 형태로 전달하는 핵심적인 출력 장치입니다. 화면을 자세히 들여다보면 수많은 화소의 배열로 구성되어 있는데, 각 화소는 빨강, 초록, 파랑의 세 가지 색상을 적절히 조합해 우리가 원하는 컬러를 만들어냅니다. 최근에는 각 색상의 밝기를 1,000단계 이상으로 세밀하게 구분하여 총 10억 개 이상의 풍부한 컬러를 구현하는 수준에 이르렀습니다. 브라운관에서 시작된 디스플레이의 역사는 이제 얇고 가벼운 평판형을 넘어, 실제와 가까운 생생한 색감을 자랑하는 고해상도 시대로 진입했습니다. 현대 디스플레이 기술은 크게 LCD와 OLED로 구분할 수 있습니다. LCD는 스스로 빛을 내지 못해 후면의 백라이트가 필요한 비자발광 방식인 반면, OLED는 화소 자체가 스스로 빛을 내는 자발광 방식입니다. 여기에 나노 크기의 반도체인 양자점 기술이 더해지면서 색의 순도와 채도가 비약적으로 향상되었습니다. 양자점은 입자의 크기에 따라 방출하는 빛의 색깔이 달라지는 독특한 특성을 지닙니다. 이러한 기술적 진보는 돌돌 말리는 롤러블 TV처럼 설계의 자유도가 높은 미래형 디스플레이의 탄생을 가능하게 했습니다. 빛은 과학의 역사 속에서 현미경과 망원경의 발명을 이끌며 미시 세계와 거대 우주를 잇는 가교 역할을 했습니다. 또한 양자역학이나 상대성 이론 같은 현대 물리학의 탄생에도 결정적인 영감을 제공했습니다. 오늘날의 광기술은 IT 문명의 견고한 기반이 되어 우리에게 편리함과 즐거움을 주지만, 동시에 정보 격차와 같은 새로운 사회적 고민거리를 던져주기도 합니다. 빛의 원리와 기술적 맥락을 깊이 이해하는 것은 급변하는 미래 사회에서 새로운 기술을 더욱 지혜롭게 활용하고 아름다운 세상을 향유하기 위한 필수적인 과정입니다.

고재현

카오스재단읽다과학

물리학

[강연] 빛, 색을 밝히다 (2) _석현정 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 10강 | 10강 ②

우리가 일상에서 마주하는 태양은 하나이지만, 대낮의 밝은 빛부터 노을 지는 붉은 빛까지 시시각각 다른 색으로 우리 주변을 물들입니다. 이는 태양의 표면 온도가 변해서가 아니라, 태양빛이 지구의 대기층을 통과하며 산란되는 과정에서 우리 눈에 도달하는 방식이 달라지기 때문입니다. 과학적으로는 이를 '흑체 궤적'과 '색온도'라는 개념으로 설명합니다. 흑체의 온도에 따라 발산하는 빛의 색이 달라지는 원리를 이용해, 우리는 별의 색을 보고 그 표면 온도를 유추하거나 조명 기구의 색감을 켈빈(K) 단위로 구분하여 선택할 수 있게 되었습니다. 빛의 색을 규정하는 것은 단순히 시각적인 즐거움을 넘어 실생활에서 매우 중요한 역할을 합니다. 국제조명위원회(CIE)는 표준 광원을 정의하여 사물의 색이 왜곡되지 않고 본래의 색으로 보이도록 기준을 세웠습니다. 이를 '연색 지수(CRI)'라고 하는데, 광원이 태양광과 얼마나 유사하게 물체의 색을 재현하는지를 나타내는 척도입니다. 연색성이 낮은 조명 아래에서는 신선한 과일이 맛없어 보이거나 피부색이 어색하게 느껴질 수 있습니다. 따라서 양질의 분광 분포를 가진 조명을 사용하는 것은 우리가 사물을 객관적이고 정확하게 인지하기 위한 필수적인 조건이 됩니다. 최근에는 RGB LED 기술의 발전으로 조명의 자유도가 비약적으로 높아지면서 '감성 조명'이라는 분야가 주목받고 있습니다. 이는 단순히 어둠을 밝히는 기능을 넘어, 특정 상황에 맞춰 인간의 감성을 자극하거나 심리적 안정감을 주는 역할을 합니다. 예를 들어 슈퍼마켓에서 바나나를 더 노랗고 먹음직스럽게 보이게 하거나, 정육점에서 고기를 더 붉게 보이게 하는 조명이 이에 해당합니다. 이러한 기술은 소비자에게 시각적인 만족감을 주기도 하지만, 한편으로는 사물의 실제 상태를 오인하게 할 수 있다는 점에서 정보의 정확성과 감성적 가치 사이의 논의를 불러일으키기도 합니다. 조명의 변화는 학습 효율성에도 직접적인 영향을 미칩니다. 실제 연구 결과에 따르면, 수학 문제를 풀거나 집중력이 필요한 활동을 할 때는 높은 색온도의 밝고 푸른빛 조명이 효과적이며, 자유로운 토론이나 창의적인 활동을 할 때는 낮은 색온도의 따뜻한 노란빛 조명이 적합합니다. 한국의 초등학교에서 진행된 실험에서도 교과 내용에 맞춰 조명의 밝기와 색온도를 조절했을 때 학생들의 성취도가 눈에 띄게 향상되는 결과가 나타났습니다. 이는 조명이 단순한 환경 요소를 넘어 인간의 인지 능력과 행동을 최적화할 수 있는 강력한 도구가 될 수 있음을 시사합니다. 미래의 조명은 에너지 효율이나 색 재현력을 넘어 사람의 감성에 호소하는 방향으로 진화할 것입니다. 우리 눈은 주변 광원이 변하더라도 사물의 본래 색을 유지하려는 '색채 항상성'과 특정 색에 적응하는 '색 순응' 능력을 갖추고 있습니다. 수술복이 청록색인 이유도 붉은 피를 오래 본 의사의 눈에 생기는 잔상을 상쇄하기 위한 과학적 원리가 숨어 있습니다. 이처럼 빛의 분광 분포를 이해하고 활용하는 것은 일상의 감성적 가치를 풍요롭게 만들 뿐만 아니라, 인간 중심의 환경을 설계하는 데 있어 핵심적인 경쟁력이 될 것입니다.

석현정

카오스재단카오스강연

융합

[강연] 우리는 빛을 어떻게 인지할까? - 빛의 인식 (3) _최철희 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 3강 | 3강 ③

우리가 사물을 보는 과정은 빛이라는 물리적 에너지를 화학적 신호로 변환하는 정교한 메커니즘에서 시작됩니다. 안구의 앞부분이 렌즈 역할을 하여 초점을 맞추면, 빛은 망막에 도달해 비타민 A 유도체인 레티날과 옵신을 자극합니다. 이 과정에서 발생하는 전기화학적 신호는 시신경을 통해 대뇌로 전달되어 비로소 우리가 색과 형태를 인지하게 됩니다. 망막에는 명암을 구분하는 간상세포와 색을 감지하는 원추세포가 있어, 빛의 정보를 안테나처럼 수집하여 뇌가 처리할 수 있는 데이터로 바꾸어 줍니다. 인간은 빨강, 초록, 파랑의 세 가지 원추세포를 통해 수많은 색상을 조합해 인지합니다. 하지만 대부분의 포유류는 두 가지 색소만을 가져 적색과 녹색을 잘 구별하지 못합니다. 이는 진화의 역사와 깊은 관련이 있는데, 공룡이 지배하던 시절 포유류의 조상들이 야행성 생활을 하며 색 구별 능력을 포기했기 때문입니다. 이후 영장류로 진화하며 붉은 과일을 찾기 위해 다시 녹색과 적색을 구별하는 능력을 발달시킨 것으로 보입니다. 이러한 진화적 선택은 우리가 세상을 다채롭게 바라보는 기초가 되었습니다. 자연계에는 인간보다 훨씬 복잡하거나 독특한 시각 체계를 가진 생명체들이 존재합니다. 곤충은 자외선 영역을 볼 수 있어 꽃의 위치를 파악하며, 새들은 네 종류의 색소를 가져 인간보다 더 화려한 세상을 경험합니다. 특히 갯가재의 일종인 맨티스 쉬림프는 무려 12종류의 색소를 보유하고 있어 빛의 편광까지 감지할 수 있습니다. 이는 투명한 먹잇감을 사냥하기 위해 최적화된 결과입니다. 이처럼 시각은 각 생명체가 처한 환경과 생존 전략에 맞춰 각기 다른 방식으로 정교하게 진화해 왔음을 알 수 있습니다. 시각 인지 능력은 유전적 요인에 의해서도 차이를 보입니다. 적색을 감지하는 옵신 유전자는 X 염색체에 위치하기 때문에, 남성이 여성보다 적록색맹이 나타날 확률이 훨씬 높습니다. 흥미로운 점은 위대한 화가 고흐 역시 색맹이었을 가능성이 제기된다는 것입니다. 그의 작품을 색맹의 시각으로 변환해 보면 일반인이 보는 것과 유사한 색감을 띠기도 합니다. 이는 시각적 한계가 예술적 창의성을 가로막지 않으며, 우리가 보는 세상이 절대적인 것이 아니라 각자의 감각 기관이 해석한 결과물임을 시사합니다. 눈의 탄생은 생명체의 진화 속도를 비약적으로 앞당겼습니다. 포식자를 피하기 위해 이동 속도가 빨라졌고, 몸을 보호하기 위한 골격이 발달하기 시작했습니다. 또한 시각은 번식을 위한 유혹의 수단으로도 활용되어 공작새처럼 화려한 색채를 뽐내게 만들었습니다. 이때 나타나는 화려한 색은 단순히 색소에 의한 '흡수색'뿐만 아니라, 나노 구조를 통해 빛을 반사하는 '구조색'인 경우도 많습니다. 결국 시각은 생존과 번식이라는 생명의 근본적인 목적을 달성하기 위해 끊임없이 변화하며 세상을 풍요롭게 만들어 왔습니다.

최철희

카오스재단카오스강연

물리학
생명과학