나노결정 분야의 선구자 드미트리 탈라핀
2026년 7월 20일
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양자점의 정의, 합성 방법, 그리고 산업 분야에서 양자점이 어떤 역할을 할 수 있는지에 대한 연구가 25년 동안 이어져 왔습니다.
글: 제네비브 마이클스
그림: 주앙 마르쿠스 펠릭스
"제가 양자점을 좋아하는 이유는 이 분야가 놀라울 정도로 폭이 넓기 때문입니다. 화학, 물리학, 공학, 심지어 생물학에 이르기까지 매우 다양한 분야의 개념들이 이곳에서 하나로 어우러집니다. 틀림없이 가장 다채로운 분야 중 하나라고 할 수 있습니다."
드미트리 탈라핀은 25년 동안 양자점을 연구해 왔다. 양자점에 관한 최초의 기초 연구 논문은 1981년 구 소련에서 발표되었다. 90년대 중반부터 후반에 걸쳐 MIT의 바웬디 연구실과 UC 버클리의 알리비사토스 연구실에서 획기적인 성과들이 잇달아 나왔다.
이 기간 동안 드미트리는 벨라루스에서 자라났으며, 어릴 적부터 화학과 물리학을 좋아했습니다. 그의 경력은 해당 분야와 함께 성장했을 뿐만 아니라, 오늘날 우리가 알고 있는 양자점을 개발하는 데 기여하기도 했습니다.
“저는 이 분야와 함께 성장할 기회를 가졌습니다. 당시에는 이해와 지식이 훨씬 부족했던 초창기 시절이 기억납니다. 선구자분들로부터 배울 수 있었던 것은 큰 행운이었으며, 그동안 제 곁을 지켜주신 분들께 진심으로 감사의 말씀을 드리고 싶습니다.”
“소련 붕괴 직후 벨라루스에서 받은 교육은 정말 최고 수준이었습니다. 그 교육은 지금도 제게 큰 도움이 되고 있습니다.”라고 그는 회상한다. 하지만 소련이 붕괴된 후 상황은 달라졌다. “어떤 면에서는 그 소련의 과학 연구 공동체가 해체된 셈입니다.”라고 그는 말한다.
2000년, 드미트리는 서유럽 양자점 연구 분야의 선구자인 호르스트 웰러(Horst Weller) 교수의 지도 아래 독일 함부르크 대학교에서 박사 과정을 시작했다. 몇 년 후, 그는 미국의 최고 양자점 전문가들과 함께 일하게 되었는데, 이전 바웬디 연구실(Bawendi Lab) 소속이었던 크리스 머레이(Chris Murray)와 함께 IBM에서 박사후 연구를 수행했으며, 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 ‘몰레큘러 파운드리(Molecular Foundry)’ 설립을 도왔다.
“당시 이 분야는 극히 좁은 영역이었습니다,”라고 그는 회상한다. “나노결정을 합성할 수 있는 연구실은 극소수에 불과했고, 필요한 화학 물질들은 비싸고 위험했습니다. 디메틸카드뮴은 여전히 실험실에서 다룰 수 있는 화학 물질 중에서도 가장 위험한 것 중 하나입니다.”
탈라핀 연구실의 최첨단 화학 연구
2007년, 드미트리(Dmitri)는 시카고 대학교에 탈라핀 연구실(Talapin Lab)을 설립했습니다. 탈라핀 연구실의 연구는 화학의 최전선에서 이루어지며, 산업적 응용이 아직 요원할 때조차 무엇이 가능한지 탐구하고 있습니다.
“저는 대학의 역할이 산업계가 결국 투자하게 될, 엉뚱하고 초기 단계의 아이디어들을 검증하는 것이라고 믿습니다. 그것이 바로 제가 항상 관심을 가져왔고, 저를 이끌어온 원동력이었습니다.”
지금까지 이를 통해 양자점을 한 단계 발전시킨 두 가지 주요 돌파구가 마련되었는데, 바로 무기 리간드와 새로운 전구체 및 용매입니다.
새로운 분자 프로파일
양자점은 두 가지 구성 요소로 이루어져 있습니다. 나노결정이 무기질 코어를 형성하고, 그 주위를 유기 분자 층이 감싸고 있습니다. 이 코팅층은 양자점들이 서로 어떻게 상호작용하는지를 조절하며, 예를 들어 양자점이 액체에 용해되도록 합니다.
하지만 이 유기 껍질은 전도성을 제한하기 때문에, 전기 장치와 같은 일부 응용 분야에서 양자점을 사용하는 것을 방해하기도 합니다. 드미트리(Dmitri)는 “각 양자점은 마치 닭기름과 같은 층으로 둘러싸여 있어, 전자가 양자점 사이를 이동하는 것을 막는다”고 설명합니다.
드미트리 박사의 획기적인 성과는 양자점용 비유기 코팅 기술이었다. 이 외피는 유기 분자와 동일한 장점을 지니면서도 유기 분자의 한계는 덜 가지고 있다. 전도성을 유기 분자만큼 저해하지 않으며, 이를 통해 양자점을 광경화시켜 영구적인 패턴으로 고정할 수 있다.
혁신적인 화학 공정, 새로운 지평
드미트리는 또한 양자점의 정의와 합성 방법을 확장해 왔습니다. 수십 년 동안 이 분야에서는 350°C까지 끓는 유기 용매를 사용하여 셀레늄화 카드뮴이나 인화 인듐과 같은 반도체로 나노결정을 합성해 왔습니다. 드미트리는 이 과정을 “기름진 수프 속에서 끓이는 것”이라고 묘사합니다.
그러나 갈륨 비소나 갈륨 질화물과 같이 기술적으로 가장 주목받는 반도체 중 일부는 나노결정을 형성하기 위해 어떤 유기 용액도 견딜 수 없는 수준보다 더 높은 온도가 필요합니다. 탈라핀 연구실은 유기 용매 대신 용융 무기염을 사용하는 등, 이를 가능하게 하는 새로운 용액상 공정을 연구하고 있습니다.
“우리는 새로운 종류의 나노결정을 개발하고 있으며, 지금까지 그런 방식으로 사용된 적이 없는 물질로 콜로이드 양자점을 합성하고 있습니다.”
이 연구는 아직 탐색적 단계에 머물러 있지만, 이러한 새로운 양자점들은 극한 조건에서도 더 안정적일 가능성이 있다. 또한, 항상 용납될 수 없는 위험을 수반하는 중금속을 사용하지 않고도 제조할 수 있는 양자점들도 있을 것이다.
학계에서 산업계로
드미트리 교수의 혁신은 이미 학술적 실험의 단계를 넘어섰다. 지난 20년 동안 탈라핀 연구소에서는 여러 스타트업과 다양한 기술 분야가 파생되어 나왔다.
무기 리간드는 양자점을 활용한 트랜지스터, 적외선 감지기, 열전 소자 등 완전히 새로운 응용 분야를 개척했습니다. 드미트리(Dmitri)는 “현재 이 분야에서 연구하는 학계가 상당히 규모가 커졌으며, 최고 수준의 학술지에 논문을 발표하고 있다”고 말합니다. “인쇄 가능한 열전 모듈을 개발하는 스타트업들이 있는데, 이들 모두 무기 리간드를 사용하고 있습니다.”
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탈라핀 연구실은 또한 나노결정을 광패터닝하기 위한 DOLFIN(Direct Optical Lithography of Functional Inorganic Nanomaterials) 기법을 개발했는데, 이는 주로 고분자를 사용하는 기존의 포토리소그래피를 대체할 수 있는 새로운 대안이다.
“고분자는 어디에나 존재하며, 이제 매우 보편적인 소재가 되었습니다. 나노입자도 마찬가지일 것입니다. 새로운 형태의 양자점을 발견해 나감에 따라, 이들은 새로운 종류의 상용 제품을 구성하는 기본 요소가 될 것입니다.”
인류 지식의 최전선에서 이루어지는 과학적 협력
드미트리는 나노결정을 고분자와 마찬가지로 사회에 아직 알려지지 않은 이점을 가져다줄 완전히 새로운 종류의 고분자로 보고 있다. 연구를 시작한 지 25년이 지났지만, 그 잠재력은 이제야 비로소 드러나기 시작했다. 드미트리는 과거를 돌아보며 자신의 획기적인 성과에 대해 과학계에 큰 공을 돌리고 있는데, 여기에는 교수와 멘토뿐만 아니라 자신의 연구실 소속 학생들과 박사후 연구원들도 포함된다.
“과학은 거의 혼자서 해내는 일이 아닙니다. 제가 자랑스럽게 여기는 중요한 성과들을 어떻게 이룰 수 있었는지 깊이 되돌아볼 때마다, 결국에는 올바른 사고방식을 가진 두세 사람이 적재적소에, 적절한 시기에 있었기 때문이었습니다.”
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